東北大学、可視光波長域での光電変換を可能にする高速応答ダイオード開発

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東北大学は2020年1月27日、光の波動性を用いた光電変換を可能にする高速応答ダイオードを開発したと発表した。

光を直接電力に変換できるデバイス「レクテナ」は、電子レンジなどに用いられているマイクロ波の波長域(数GHz)で90%以上の高い電力変換効率を実現している。しかし、太陽光などの可視光波長域(数百THz~)においては、その高い周波数に応答できる高速なダイオードが存在しなかったため作動しなかった。

高速に応答するためには、ダイオードの電気抵抗と静電容量の積「RC時定数」を下げる必要があるが、従来のpn接合型ダイオードではRC時定数の低減には限界があった。また、高速応答が可能な金属-誘電体-金属(MIM)トンネルダイオードがあるが、作製が難しく、かつ、高速化に必要な低抵抗化と整流性能を決定する電流-電圧曲線の非対称性がトレードオフ関係にあり、高速化のために低抵抗化すると整流性能が下がってしまうという課題があった。

今回の研究では、MIMトンネルダイオードのトンネル層を構成する金属酸化物と、その金属を用いた電極層の間に酸素不定比性の自然酸化膜を形成することでダイオードの高速応答性と高い非対称性が同時に実現できることを明らかにした。これにより光電変換効率を大幅に向上でき、従来のMIMトンネルダイオードを用いた場合の理論値と比較して、1000倍以上の効率向上が実現できる。さらに自然酸化膜の膜厚を最適化することで約1万倍の高効率化も期待できるという。

実際の構造としては、スパッタした下部電極層(Ti)を大気中加熱して表面に自然酸化膜(TiO2-x)を形成し、原子層堆積法によってトンネル絶縁層(TiO2)を形成した後、上部電極層(Pt)をスパッタした積層構造となっている。作製した構造断面を観察すると、想定した界面構造が形成できていることがわかった。

今回開発した技術は、人体などの室温に近い物体からの中/遠赤外線を光電変換してセンサー用電源などに利用するなどの応用が期待できるという。今後同大学では、今回開発したダイオードを組み込んだレクテナシステムを実現するために、光アンテナの作製やこれらを組み合わせた光電変換システムの作製を進める。

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