最新ナノ電子工学 ２０１６ Ⅱ

 

 

 

       
                         　　Well I'm running down the road trying to loosen my load,
                              got a world of trouble on my mind.

                              Lookin' for a lover who won't blow my cover,
                              she's so hard to find.        

                              Take it easy, take it easy.    

                                                                                             Eagles "Take it Easy"


　　　　　　　　　※　blow one's cover ;  秘密の身分をばらす　

                               
                        心の重荷を解き放とうとこの道を飛ばす
　　　　　　　　　　　  トラブルばっかり抱え込み

　　　　　　　　　　　　俺の秘密をばらぬ恋人を探してる
　　　　　　　　　　　　見つけるのは難しいけど

　　　　　　　　　　　　気楽に行こう、気楽に

                                                                                       

　　
　　　　　　　　家族でカラオケを楽しんだ正月の夜、この曲を唄った。
             久しぶりのためよれよれの調子ぱずれを披露することになったイーグルの名曲。
             そのメンバーのギタリスト、グレン・フライが逝去、享年六十七。
　　　　　　　　　                                              　 
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　合唱

　                                                           　　                                                                                         

  

【最新ナノ電子工学 ２０１６】

 

 doi:10.1038/nnano.2014.3.161

●　高感度グラフェンと量子ドットの光検出器

上図は、２年前の高感度光検出器の技法だが、五酸化二タンタルの誘電体をグラフェンで挟み込み電
圧印加すると従来の２０～２５倍の１Ａ／Ｗの光感度を得ている。受光するとこのグラフェンの光遮
蔽効果（photogating effect)で感度大きすること、あるいは電子（正孔）の寿命を長くできる。

Jan 12, 2016

これに対し、上図特許は、可視・近赤外・短波長・赤外線用シリコン系、InGaAs系フォトダイオード
は高感度であるが、読み出しノイズにより制限され、その量子効率は１である（つまり、吸収された
光子当たり１キャリアに対応）。また、アバランシェフォトダイオードでは、キャリア増倍効果を介
し利得改善されてきたが、吸収された光子当たり百～千キャリアのオーダーにとどまる。一般的なイ
メージセンサの検出器の構造の技術課題は、動作バイアスが高いことである。高い電圧印加とリーク
電流の抑制、励起電子（正孔）寿命を延ばすことにある。さらに、これらのデバイスが原因のアバラ
ンシェフォトダイオードに必要な種々の成膜プロセスは、CMOS（相補型金属酸化膜半導体電界効果
トランジスタ）電子回路が一体モノリシックに集積できない。

図１はコロイド量子ドット（QD）とカーボン系層で構成しCMOSとして相互統合されたハイブリッド
光電子プラットフォームの断面構造図。炭素ベース層は、キャリア輸送チャネルとし使用され、量子
ドットは吸収材料として使用。図に示すように。フォトトランジスタに適用した場合、グラフェン層
２は、フォトトランジスタのゲートを形成するために、３のシリコン中間層を有するシリコン基板上
に堆積され、左右のVs、Vd は、FETトランジスタのソース電極、ドレイン電極として、デバイス金属
コンタクトを形成する。グラフェンは、その後 上塗りされたCQDs層１は、そのバンドギャップ量子
ドットの大きさや材質に応じて調整する（CdSe：400-650 nm、PbS：650-2000 nm、HgTe：1500 -4000 nm）。
グラフェンと層の界面では、組み込みこまれたPbS 量子ドットからホール（正孔）がグラフェンに転
送され、図２示すように、PbS 膜と内挿薄膜に空乏層を形成。入射光子により、量子ドット内に電子
正孔対を形成する。グラフェン層の量子ドットのバンドアライメントに、キャリアの単一の電子をソ
ースからドレインに印加電圧で、金属接点を介しグラフェン層に転写・搬送される。図３示すように
正孔はそのキャリア寿命を延ばし PbS層に閉じ込められた光生成電子がグラフェン層からソースンコ
ンタクトに到達すると、別の電子が電荷保存提供のためドレンコンタクトから注入される。

再結合の前に、単一の光子吸収電子キャリアは、デバイスに再循環し、グラフェン－QD層に形成され
たヘテロ接合は組換えを抑制、したがってキャリア数は、グラフェンチャネルの電子走行時間とキャ
リア寿命比で与えられる。グラフェンチャネルにり提供される非常に高いキャリア移動度と10⁶のオー
ダーの光伝導利得は図４で観察している。グラフェンの高い移動度は、数ボルトのソース・ドレイン
で非常に低い所要印加電圧で直線的に利得調整できる。この現象は、（「photogating 効果;光遮蔽効果
」）は、入射光を光学的な制御ゲート機能として、QD層にキャリア生成するが、グラフェン層上にト
ップゲートを有することと等価である。

以上を整理すると、たとええば、（１）構造が簡単な電界トランジスタが、（２）低コストで、（３）
高感度な、（４）量子ドット種・サイズで波長選択可能、（５）よりコンパクトなイメージセンサが
つくれるだろうと考えられる。

※　参考文献

• Emin, S. et al.: "Colloidal quantum dot solar cells". Solar Energy, Mar. 12, 2011, vol. 85, Elsevier Ltd.,
  pp. 1264-1282, ISSN 0038092X. cited by examiner .
• Emin, S. et al., "Colloidal quantum dot solar cells", Solar Energy, 2011, vol. 85, pp. 1264-1282. cited by
  applicant .
• Konstantatos, G. et al., "Ultrasensitive solution-cast quantum dot photodetectors", Nature, 2006, vol. 442,
  No. 13, pp. 180-183. cited by applicant .
• Spanish Report on the State of the Art issued by the International Searching Authority (ISA/O.E.P.M.) on
  Nov. 15, 2011 in connection with Spanish Application No. ES 201131345. cited by applicant .
• Konstantatos, G., and Sargent, E., "Nanostructured materials for photon detection", Nature Nanotechnology,
  vol. 5, No. 6, 2010, pp. 391-400. cited by applicant .
• Singh, V., et al., "Graphene based materials: Past, present and future", Progress In Materials Scinece, vol.
  56, No. 8, 2011, pp. 1178-1271. cited by applicant .
• Yang, H.Y. et al., "Enhancement of the photocurrent in ultraviolet photodetecters fabricated utilizing hyb-
  －rid polymer-ZnO quantum dot nanocomprosites due to an embedded graphene layer", Organic Electron-
  ic, vol. 11, No. 7, 2010, pp. 1313-1317. cited by applicant .
• PCT International Preliminary Report on Patentability issued Nov. 6, 2013 in connection with International
  Application No. PCT/EP2012/064979 cited by applicant.
• グラフェン：室温で高い感度を持つ光検出器
• Graphene photodetectors with ultra-broadband and high responsivity at room temperature　Natuer nanotec-
  hnology vol9 P273 (2014) DOI: 10.1038/NNANO.2014.31

 Jan 5, 2016

●　多接合太陽電池最新技術

上図の新規太陽電池は、しばしば、垂直の多接合構造で製造され、互いに直列に接続された個々の太
陽電池を用いて、水平方向のアレイに配置。アレイの形状及び構造とそれが含むセルの数は、所望の
出力電圧と電流により部分的に決定される。このようMW Wanlessらが記載しているように変成太陽
電池構造を反転。格子不整合は高性能化に、Ⅲ-Ⅴ族太陽光発電コンバータは、次世代高効率太陽電
池開発に重要な概念が提示されている。下記参考文献に記載された構造は、材料と製造ステップの適
切な選択に関連する実際的な困難の数を提示。従来技術の材料と製造ステップは、反転変性多接合セ
ル構造を使用し商業的に実現可能なエネルギー効率の良い太陽電池を製造には不十分である。

反転変性多接合（IMM）ソーラーセルを製造する基本的な概念は、「逆」の順序で基板上に太陽電池
のサブセルを成長させる。開示は、段階的中間層が（In._.xGa.1-X）._.y Al._.1-YAsから構成される有機金属
気相成長（MOCVD）法を用いた太陽電池の製造方法を提供し、xとyが計算し、段階的な中間層の組
成物の値で、それが組成片側の真ん中のサブセルと反対側の下部３分の１のサブセルを段階的に格子
整合するよう、MOCVD炉内で形成した層は、段階的中間層のバンドギャップがこの層の厚さ全体にわ
たり１.５eVで一定する。

ぺロブスカイト型や量子ドット型比較すると製造プロセスの煩雑さで見劣りしなくないが、前者の２
方式もそれぞれ短所をもち一概に現時点で優劣つけがたしというのが今夜の感想。しかしながら、こ
の３方式はいずれもナノサイズ加工で共通する。つまり「ダウンサイジングする発電」という側面で
いえば蓄電池セットでもっとも優れた発電システムであることに誰しも異論はないだろう。予定より
１０日ほど遅延しているが、ここ数ヶ月はわたしにとっての最大の山場になる。


※　参考文献

 

• Aiken et al. "Consideration of High Bandgap Subcells for Advanced Multijunction Solar Cells," Confer-
  ence Record of the 2006 IEEE 4.sup.th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion. May 1,
  2006, pp. 838-841. cited by applicant .
• Cornfeld, et al., "Development of a Large Area Inverted Metamorphic Multi-junction (IMM) Highly Eff-
  icient AM0 Solar Cell," 33.sup.rd IEEE Photovoltaic Specialists Conference, May 11-16, 2008, San Die-
  go, CA, USA; 5 pgs. cited by applicant .
• Stan et al., "High-efficiency quadruple junction solar cells using OMVPE with inverted metamorphic
  device structures," Journal of Crystal Growth, 2010; 312:1370-1374. Elsevier, Amsterdam, Netherlands. c
  ited by applicant .
• Conference Proceedings of the 31.sup.st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Jan. 3-7, 2005, IEEE-
  Press, 2005

  Jan 7, 2016

 ●　太陽光エネルギーを化学反応で「熱」として貯蔵

 マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究チームは、太陽光エネルギーを蓄積し、後で必要な時に熱
エネルギーとして放出できる新しい素材を開発。この透明高分子素材は、窓や衣服などさまざまな用
途で活用できるという。この原理は下図のように、この効果を実現するカギになったのが「２つの異
なる構成のどちらかの状態で安定する」という特性を持った分子。日光にさらされると光のエネルギ
ーが分子の形態を「充電」の構成に変形させる。その状態で長期間とどまることができる点が特徴。
一方、特定の温度や特定の刺激など限られた条件が与えられると、その分子は熱の放出を行って、元
の形状へと戻る。

 

太陽熱燃料（STF）のように、化学的な変換をベースにエネルギーを蓄積する材料の開発は、グロス
マンと彼のチームによる研究を含め、今までにさまざまな研究機関で行われてきた。しかし、これら
は液体溶液中で使用されるように設計され、固体用途においては非常に限られていた今回発見された
新しいアプローチは、固体材料ベースとし、安価な材料と幅広い製造技術に基づいた世界初のもので
ある。

新しい材料の製造は、２段階のプロセス、シンプルで拡張性の高い。このシステムの開発は、太陽熱
を蓄積し日没後に調理用の熱を放熱するソーラークッカーの開発を目的とした、蓄熱材料の薄膜化に
成功。ガラスや織物などに組み込むことなども可能。熱の有効量を貯蔵する能力を持つフィルムを、
より簡単に信頼性高く製造するため、研究チームでは材料としてアゾベンゼン（２つのベンゼン環が
アゾ基で結合した芳香族アゾ化合物）を使って研究を開始。まず光への反応により分子構成を変化さ
せる。アゾベンゼンは光による分子構成の変化がある他、熱の小さなパルスにより刺激を受けること
が分かっている。エネルギー密度やエネルギー量などの改善に、材料の改善などを進めた。

この新しい材料は透明性が高いため、自動車のフロントガラスの凍結防止などにも使用できる可能性
がある。フロントウィンドウは視認性が落ちるためにこうした電熱線の埋め込みは禁止されている場
合が多い。新しい素材を使えば、フロントガラスの凍結防止に使用できる。このような窓が自動車に
搭載されたとすると、自動車ではいつでも太陽光からのエネルギーをフロントガラスに蓄積しておく
ことができる。そして、何らかのスイッチを入れると、少量の熱を発して、空気を暖めることができ
、ガラスの氷を溶かすのに十分な熱を生み出すことができることをテストしている。ガラス面に近い
氷だけを溶かすことができれば、滑り落ちたり、ワイパー除去できる。研究チームではこの氷溶融フ
ロントガラスを実現に、フィルム特性の向上件としている。フィルムは現在は黄色がかった色合いで
、その透明性の向上について研究を進める。また、解放する熱も、周囲の温度より10度も高ければ氷
を溶かすことは可能だが、より早く氷を溶かすことができるように、20度の温度差を目指す。

 July 14, 2011

また、この技術は電気自動車（EV）に特に有用で。電気自動車は寒い環境では、電池の特性上の問
題や、加熱に多くのエネルギーを使用することから移動距離が３０％低下するが、この新しい技術を
用いることでその消耗を抑えることができる。