半导体探针、用于测试量子电池的测试装置和测试方法
【专利摘要】本发明提供一种采用半导体探针测试量子电池的装置和方法，其中，能够在量子电池的制作工艺中途评价充电层的电特性而不引起损伤。在由电极(54)和金属氧化物半导体(56)层叠在支持体(52)上所构成的半导体探针(50)上，使用与量子电池相同的材料制作探针充电层(58)，并照射紫外线。使用与量子电池相同的材料在半导体探针(50)上形成探针充电层(58)，使得可以在不损伤量子电池的充电层的情况下进行评价。提供使用设置有探针充电层(58)的半导体探针(50)，通过电压计(64)和恒流电源(62)或放电电阻(66)来测定量子电池制作中途的充电层(18)的充放电特性的测试装置和测试方法。
【专利说明】半导体探针、用于测试量子电池的测试装置和测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体探针、用于测试基于新型操作原理的全固态电池的测试装置和测试方法，所述新型操作原理为:利用通过紫外线照射引起的金属氧化物的光致激发结构变化以在带隙中形成能级，从而捕获电子。
【背景技术】
[0002]作为用于电动车和移动装置的二次电池，经常安装有镍氢二次电池。最近，作为能够增加输出和容量的二次电池，已经开发出锂离子电池，并且处于开始实用化的阶段。
[0003]通过使用含锂的金属复合氧化物作为阴极以及能够收容和释放出锂的材料如碳作为阳极，并且将其浸渍于由能够离解成离子的锂盐和能够溶解所述锂盐的有机溶剂组成的电解液，制备锂离子电池(参照专利文献I等)。
[0004]由于电解液为液体，因此可能会发生漏液，并且由于使用了易燃材料，有必要提高在误用时电池的安全性，因此也公开了使用固态电解质替代电解液的全固态锂二次电池(参照专利文献2等)。
[0005]由于使用作为稀有金属的锂，锂离子电池的成本昂贵，因此，在性能面也要求高性能且大容量的二次电池。
[0006]在这样的情况下，本申请
【发明者】提出了结构简单从而能够降低成本且安全动作的全固态型半导体电池(以下称为量子电池)(PCT/JP 2010-067643)。
[0007]量子电池是通过层叠基板、导电性基电极、充电层、P-型半导体层、导电性对向电极而构成的，其中所述充电层具有η-型金属氧化物半导体，其覆盖有绝缘材料且通过紫外线照射发生光致激发结构变化以在带隙中形成能级，从而捕获电子。在基电极与对向电极之间连接电源以对所述充电层充电。
[0008]对于所述量子电池，在其生产工艺中评价电流-电压特性和充放电特性以确认其功能。
[0009]电流-电压特性是众所周知的评价半导体的特性的方法，也用于二次电池的性能评价。
[0010]例如，有下述检测内电阻的方法:基于混合动力车用电池在放电时和在充电时的电压与电流的测量值，推算出准确的电池的电流-电压特性，由此来检测更准确的电池内电阻(参照专利文献3等)。另有下述方法:将电池的输出范围分割为多个区域，测量每个区域的预定数量组的电压与电流，基于这些测量值来描述电池的电流-电压特性，以及基于该电流-电压特性来计算出电池的最大输出(参照专利文献4等)。
[0011]此外，对于制备量子电池，作为二次电池的性能依赖于充电层，因此，与在完成品中进行充电层的评价相比，在制作工艺中层叠了充电层的中途阶段进行充电层的评价，能够进行更有效率的制作。
[0012]在制作工艺的中途进行功能评价是在半导体领域中所采用的手段。例如，有一种如下测量装置，其中，由在覆盖有绝缘膜的测量用栅电极的两侧分别暴露地设置测量用源电极和测量用漏电极，其目的是在不实际生成场效应型薄膜晶体管的情况下直接测量作为其有源层的半导体的电特性。
[0013]当测量用源电极、测量用漏电极和介于它们中间的绝缘膜的暴露表面与所述半导体的暴露表面接触时，此接触部分构成共面型(coplanar)虚拟电场效应型薄膜晶体管。这可以在生成元件之前进行与元件生成后通常的共面型虚拟电场效应薄膜晶体管的情况相同的测量(参照专利文献5等)。
[0014]还有下述精确地测量电流-电压特性的方法:在评价SOI基板时使用虚拟MOSFET,将由历时变化所导致的影响抑制到最小限度，从而获得具有良好再现性良好的值(参照专利文献6等)，另外，也提出了用于测量的半导体探针(参照专利文献7等)。
[0015]现有技术文献
[0016]专利文献
[0017]专利文献1:日本特开N0.2002-141062公报
[0018]专利文献2:日本特开N0.2007-5279公报
[0019]专利文献3:日本特开N0.2000-21455公报
[0020]专利文献4:日本特开N0.2000-19233公报
[0021]专利文献5:日本特开Νο.Η06-275690公报
[0022]专利文献6:日本特开N0.2001-267384公报
[0023]专利文献7:日本特开N0.2005-524925公报
【发明内容】
[0024]发明要解决的问题
[0025]然而，量子电池是基于新原理的全固态型二次电池，因此，为了在制作工艺中途评价二次电池、以及对作为电池特性的充放电特性和电流-电压特性进行评价，不可能直接应用传统的方法，应当考虑量子电池特有的结构和特征。
[0026]特别是，量子电池的充电层为其中以微粒形成的η型金属氧化物半导体覆盖有绝缘被膜的结构，使得在用半导体探针进行评价时，由于与半导体探针的物理接触，有时导致绝缘被膜的剥离，并且导致充电层受损。因此，不会直接进行充电层的评价，而是设置用于评价的测试区域，在该测试区域内形成的充电层的评价会被当作量子电池的充电层的评价。
[0027]本发明的目的是提供一种半导体探针、测试装置和测试方法，其能够对充电层的电特性进行评价而没有剥离也没有损伤绝缘被膜，从而能够在量子电池的制作工艺中途直接对充电层的电特性进行评价。
[0028]用于解决问题的技术手段
[0029]本发明中作为待测量目标物的目标是量子电池，所述量子电池是在基板上层叠导电性基电极、充电层、P-型半导体层和导电性对向电极而构成的，其中所述充电层具有η-型金属氧化物半导体，其覆盖有绝缘材料且经受光致激发结构变化以在带隙中形成能级，从而捕获电子。为了进行更加稳定的运作，可以在基电极和充电层之间设置η-型金属氧化物半导体层。
[0030]为了在充电层被层叠于量子电池时的时间点对充电层的电特性进行评价，将进一步层叠在充电层上的层形成于半导体探针，使该半导体探针与充电层接触以测量电特性，由此评价在最终成品中的充电层的功能。
[0031]本发明中的半导体探针包括:导电性电极、由金属氧化物半导体制成的金属氧化物半导体层、和向其中充入电能的充电层，它们都层叠在支持体上。
[0032]所述充电层是覆盖有绝缘材料的η-型金属氧化物半导体，具有覆盖有绝缘材料的η-型金属氧化物半导体，所述η-型金属氧化物半导体通过紫外线照射而发生光致激发结构变化以在带隙中形成能级，从而捕获电子。所述η-型金属氧化物半导体为二氧化钛、氧化锡、氧化锌中的一种；或者是由二氧化钛、氧化锡、氧化锌中的两种或三种组合而形成的复合材料。覆盖η-型金属氧化物半导体的绝缘材料为绝缘树脂或无机绝缘材料。
[0033]所述金属氧化物半导体为P-型半导体，例如氧化镍或氧化铜/氧化铝。进一步，由于与待测量的目标物的对应关系，所述金属氧化物半导体可以是η-型半导体，为二氧化钛、氧化锡、氧化锌中的一种；或者由二氧化钛、氧化锡、氧化锌中的两种或三种组合而形成的复合材料。
[0034]作为导电性金属，使用铜或铬。支持体的至少一部分为弹性体，其控制当半导体探针与量子电池的充电层接触时的接触压力，从而使探针表面与待测量物的表面接触。整个支持体可为弹性体。
[0035]所述支持体可为圆柱形状，使导电性电极、金属氧化物半导体层以及充电层层叠在外围表面上。进一步，所述支持体可以设置有与待测量目标物的基电极接触的接地电极部。
[0036]一种充/放电特性测试装置，包括:根据本发明的半导体探针、待测量目标物、进行充/放电的充/放电电流源、和在充/放电时对待测量目标物的电压进行测量的电压计。
[0037]对导电性基电极或者基电极与η-型金属氧化物半导体层层叠在基板上的待测量目标物进行评价，也能够对在量子电池制作阶段的基电极或者基电极与η-型金属氧化物半导体层的电特性进行评价，这是因为充电层层叠在本发明的半导体探针中。在评价待测量目标物中，其中电极和由覆盖有绝缘材料的η-型金属氧化物半导体构成的充电层层叠在基板上，是对所述充电层进行评价。所述充电层是由与半导体探针的充电层相同材料形成，具有覆盖有绝缘材料的η-型金属氧化物半导体，且因紫外线照射发生光致激发结构变化以在带隙中形成能级，由此具备作为量子电池的功能。
[0038]所述半导体探针以覆盖待测量目标物的整个表面的方式与其紧密接触，对电极和充电层的电特性进行评价。所述半导体探针以覆盖多个待测量目标物的全部表面的方式与该多个待测量目标物紧密接触，由此，能够同时对多个电极和充电层进行测量。进一步，所述半导体探针以覆盖待测量目标物的部分表面的方式与待测量目标物接触，由此可以局部地评价充电层并且评价充电层表面内的特性差异。
[0039]具备圆柱形支持体的半导体探针能够在待测量目标物表面上转动时评价充/放电特性。还可以使用各自具备圆柱形支持体的两个半导体探针，其中一个半导体探针评价待测量目标物的充电特性，而另一个半导体探针则评价待测量目标物的放电特性。
[0040]本发明提供使用半导体探针的充放电特性测试方法，该方法包括:准备半导体探针、待测量目标物，进行充/放电的充/放电电流源、对充/放电时的待测量目标物的电压进行测量的电压计，其中，所述半导体探针是通过层叠导电性电极、由金属氧化物半导体制成的金属氧化物半导体层、向其中充入电能的充电层、支持体层叠而构成的；以及使半导体探针与待测量目标物接触，由充放电电流源进行充放电，使用电压计对待测量目标物的电压进行测量。
[0041]需要提醒的是，也可以使用电压电源作为充电时的电源，此时则测量电流。进一步，可以使用电阻器替代电流源作为放电时的负荷。
[0042]发明效果
[0043]根据本发明，在通过层叠基板、导电性基电极、充电层、P-型半导体层、导电性对向电极而构成的量子电池中，具有与作为待测量目标物的量子电池内充电层相同结构的充电层层叠于含电极和金属氧化物半导体层的半导体探针中，使得充电层可以互相接触，并且在不损伤量子电池的充电层的情况下评价电特性，其中，所述充电层具有覆盖有η-金属氧化物半导体且发生光致激发结构变化以在带隙中形成能级，从而捕获电子的。进一步，在待测量目标物的充电层层叠前，由于半导体探针包括充电层，所以能够评价量子电池的充/放电功能。
[0044]进一步，所述半导体探针的支持体形成为覆盖全部充电层表面的尺寸，并包括多个各自由独立电极和金属氧化物半导体层所构成的层，由此可以同时测量充电层区域中特性的分布和差异，高效率地掌握所述特性，便于识别并修理异常点和不良点。
[0045]在另一方面，所述半导体探针的支持体形成为覆盖部分充电层表面的尺寸，由此可以测量充电层区域中特性的分布和差异以及进行差分测量。
[0046]所述半导体探针具备形成为圆柱体形状的支持体，由此能够在充电层表面转动时评价电特性，因而能够高效率地评价。
【专利附图】
【附图说明】
[0047]图1为表示适用于采用本发明的半导体探针的量子电池测试装置和测试方法的量子电池的结构图。
[0048]图2为对量子电池的充电层进行说明的图。
[0049]图3为对光致激发结构变化进行说明的能带图。
[0050]图4为对由光致激发结构变化而形成的新能级进行说明的能带图。
[0051]图5为对发明的半导体探针进行说明的图。
[0052]图6为表示在充电时的充/放电特性评价装置的概略图。
[0053]图7为表示在放电时的充/放电特性评价装置的概略图。
[0054]图8为表示量子电池的充/放电特性的图。
[0055]图9为表示在支持体具备多个测量部的半导体探针末端的正面视图。
[0056]图10为表示带有圆柱形状的支持体的圆柱形半导体探针的截面图。
[0057]图11为表示使用圆柱形半导体探针的充/放电特性评价装置的概略图。
[0058]图12为表示使用圆柱形半导体探针测量的充电层的充电特性的图。
[0059]图13为表示使用圆柱形半导体探针测量的充电层的放电特性的图。
[0060]图14为表示使用两个圆柱形半导体探针的充/放电特性评价装置的概略图。
[0061]图15为表示具备接地电极部的圆柱形半导体探针的外形的截面图。
[0062]图16为对使用带有接地电极部的圆柱形半导体探针进行测量的量子电池的充电层表面进行说明的图。
[0063]最佳实施方式
[0064]本发明为一种半导体探针、测试装置和测试方法，用于在作为二次电池的量子电池的制作工艺中基于在充电层中采用了光致激发结构变化技术的新型充电原理对其电特性进行评价。为了对本发明进行更清楚的了解和说明，首先对作为适用对象的量子电池的结构和原理进行说明，接下来对用于实施本发明的实施方式进行说明。
[0065]图1为表示适用本发明的量子电池的横截面结构图。图1中，量子电池10构成为:在基板12上形成导电性基电极14，进一步在其上层叠η-型金属氧化物半导体层16、向其中充入电能的充电层18、P-型金属氧化物半导体层20和对向电极22。
[0066]基板12可为绝缘材料或导电性材料，例如可以使用玻璃基板、高分子膜的树脂片或者金属箔片。
[0067]作为基电极14和对向电极22，仅需要形成导电膜即可，金属材料的实例包括例如含铝Al等的银Ag合金膜。形成这些的方法的实例包括溅射法；离子电镀法；和诸如电子束沉积、真空沉积、化学气相沉积等的气相成膜法。此外，基电极14和对向电极22可由电镀方法、无电镀方法等形成。作为用于镀覆的金属，通常可使用铜、铜合金、镍、铝、银、金、锌或锡等。
[0068]η-型金属氧化物半导体层16使用二氧化钛(T12)、氧化锡(SnO2)或者氧化锌(ZnO)作为材料。
[0069]如图2所表示，充电层18具有以覆盖有绝缘被膜的微粒形式的η-型金属氧化物半导体填充在其中，并且所述η-型金属氧化物半导体通过紫外线照射发生光致激发结构变化以形成具备充电功能的层。所述η-型金属氧化物半导体被有机硅的绝缘被膜覆盖。作为可用作充电层18的η-型金属氧化物半导体材料，优选为二氧化钛、氧化锡(SnO2)以及氧化锌(ZnO)，也可以使用通过组合二氧化钛、氧化锡以及氧化锌而制成的材料。
[0070]为了防止来自上部对向电极22的电子注入，设置在充电层18上形成的P-型金属氧化物半导体。作为P-型金属氧化物半导体层20的材料，可以使用氧化镍(N1)、氧化铜/ 铝(CuAlO2)等。
[0071]充电层18中的二氧化钛的微粒具备由有机硅形成的绝缘被膜，但是，所述被膜不限于均匀的被膜，而是可以产生不均，因此当严重不均的情况下，可能导致与电极的直接接触。在这样的情况下，电子由于再结合而被注入到二氧化钛中，因此在带隙中不能形成能级，从而降低充电容量。因此，为了抑制充电容量的降低以实现更高性能的二次电池，如图1所示，在基电极14与充电层18之间形成η-型金属氧化物半导体层16。
[0072]图3(A)、(B)表示用于说明被紫外线照射的充电层由于发生光致激发结构变化而形成新能级的基本现象的模型结构的能带图。
[0073]图3(A)中的能带图由电极30、中间结晶层32以及η-型金属氧化物半导体层34构成。费密能级40存在于导带36和价带38之间，电极30的费密能级40靠近于导带36，并且η-型金属氧化物半导体层34的费密能级40存在于导带36与价带38的中间。若照射紫外线42，存在于中间结晶层32的价带38的电子44被激发至导带36。
[0074]在图3(B)所示的紫外线照射过程中的状态下，由于紫外线42的照射导致中间结晶层32区域内的价带38中的电子44被激发至导带36，而被激发的电子44因导带36的倾斜而被电极30的导带36所收容。另一方面，由电子44的脱离所产生的空穴46将残留在价带38中。在中间结晶层32，紫外线激发和再结合之间会产生时间差，原子因该时间差而会重新排列。因此，残留在中间结晶层32的价带38的空穴46会移动至带隙内，进而形成新能级48。
[0075]图4表示新能级48在中间结晶层32的带隙中形成再结合后的状态。仅在电极30与η-型金属氧化物半导体层34的界面处观察到带隙内的电子密度的增加和内层电子的化学位移，可认为原子间距发生了变化。
[0076]已经描述了如上所述的，通过对η-型金属氧化物半导体层34照射紫外线42而在带隙中形成新能级48。作为二次电池，可利用新形成的该能级48，在电极和η-型金属氧化物半导体之间由绝缘层形成阻挡层以控制电子，并由此具备充电功能。
[0077]如图1和图2中所描述的，图1中所示的充电层18为使用具有由有机硅形成的绝缘被膜28的二氧化钛作为材料而形成的η-型金属氧化物半导体26。此时，二氧化钛与基电极之间具有由绝缘层形成的阻挡层。
[0078]量子电池通过如下方式起到电池的作用:将来自于外部的电压施加于在带隙内形成的能级以形成电场并使电子充满，然后使负荷与电极连接，由此释放电子以取出能量。通过重复该现象，量子电池能够作为二次电池使用。
[0079]量子电池的制作工艺是在基板上依次层叠各功能层的工艺，而充电层的功能最为重要。如果不等量子电池的制作完成而能够在层叠充电层时进行评价，则不仅可以去除不良的产品，并进而可以建立高效率的大规模制作工艺，而且也可以通过确认异常点和不良而对其原因进行调查，以及由此促进管理、生产设备的维修和改进。
[0080]图5表示根据本发明的半导体探针。在量子电池的制作工艺中，层叠充电层后会进行功能性评价。需要注意的是，充电层层叠后是指层叠充电层并照射紫外线而在充电层的η-型金属氧化物半导体内激发了光致激发结构变化的状态。
[0081]在图5中，半导体探针50是通过在作为绝缘体的支持体52上层叠由导电性金属层构成的电极(以下为了区别于量子电池的电极，称为探针电极54)和金属氧化物半导体56构成的。
[0082]金属氧化物半导体56的材料依赖于与待测量目标物的相对关系，即，依赖于量子电池10的功能层的层叠顺序。在图1所示的量子电池10为在基板12上层叠η-型金属氧化物半导体层16和充电层18的情况下，由于在其上进一步层叠P-型金属氧化物半导体层20和对向电极22，所以半导体探针50的金属氧化物半导体56为ρ-型金属氧化物半导体，并且由与作为目标物的量子电池10相同的材料和层厚所构成。
[0083]量子电池10并不必具有如图1所不的功能层的层萱顺序，也可以具备其中在基板12上依次层叠对向电极22、ρ-型金属氧化物半导体层20、充电层18、η-型金属氧化物半导体层16以及基电极14的结构。在该情况下，在层叠了充电层18后的评价中所使用的半导体探针50具有金属氧化物半导体56为所述η-型金属氧化物半导体。
[0084]在本发明的半导体探针50中，设置有如图1所示的在量子电池10中的层叠充电层18后的功能层，相对于层叠了充电层18的制作中的量子电池10，半导体探针50与充电层18的顶部垂直紧密接触。这使半导体探针50能够作为量子电池运作，由此对充电层进行评价。在半导体探针50中层叠了探针电极54和金属氧化物半导体56的状态下，可以在量子电池层叠了充电层18后评价充电层18。
[0085]然而，半导体探针50的表面(即ρ-型金属氧化物半导体56的表面)是硬的，因此，由于在与量子电池的充电层接触时的推压，可能刮伤量子电池的充电层。这是因为充电层是覆盖有绝缘被膜，而该绝缘被膜是有机硅等的树脂，其表面与金属相比更软。
[0086]因此，充电层(为了区别于量子电池的充电层，称其为充电层58)由与量子电池的充电层相同的材料形成，该充电层进一步层叠在本发明半导体探针50的金属氧化物半导体56上。
[0087]金属氧化物半导体56的材料和膜厚都没有限制，但优选为与作为测量目标物的量子电池10相同的材料和层厚。这进一步提高了量子电池的充电层的电特性评价的精确度。
[0088]相比之下，用于评价测试的半导体探针50的探针电极54仅需要具备导电性即可，并不需要具备与作为测量目标物的量子电池10相同的材料和层厚，因此，可使用金属板、镀层板、导电性树脂等。
[0089]支持体52仅需要具备便于操作半导体探针50的形状，优选由绝缘材料形成。进一步，支持体52可以被制成具有使半导体探针50的前端部与充电层紧密接触的功能，在该情况下，支持体52由弹性体形成并对半导体探针50施加压力。通过弹性体控制半导体探针50的充电层18之间的接触压力，能够使其施加适当的压力从而提高密合性。作为弹性材料的具体实例，可使用弹性体，也可使用各种弹性体。
[0090]使支持体52为弹性体的目的是，向由微粒构成的充电层18的粗糙表面施加适当的接触压力，从而提高半导体探针50与量子电池的充电层的密合性，而为了该目的，支持体52的一部分可以由弹性体构成，以形成固体和弹性体结合为一体的结构。
[0091]其次，将会描述使用本发明的半导体探针测量量子电池的电特性的充放电特性测试装置。
[0092]图6表示使用本发明的半导体探针的充放电特性测试装置60的概略图，并且表示在评价量子电池内充电层的充电特性时的示意图。其由半导体探针50、恒流电源62以及待测量目标物构成。使半导体探针50的探针充电层58通过压力与作为待测量目标物的量子电池的充电层18紧密接触。由此形成层叠了作为量子电池的所有功能层的状态。在评价充电特性时，恒流电源62用作充/放电电流源。
[0093]作为待测量目标物的量子电池处于制作工艺中途，其中，在基板12上层叠了基电极14、η-型金属氧化物半导体16以及充电层18。作为待测量目标物的量子电池，例如基板12使用聚酰亚胺薄膜，基电极14使用铜合金、η-型金属氧化物半导体层16使用二氧化钛。进一步，充电层18由覆盖有有机硅的二氧化钛微粒构成，并在测定前进行紫外线照射。
[0094]半导体探针50的探针电极54与量子电池的基电极14相连，用恒流电源62的电流为探针充电层58和量子电池的充电层18进行充电。电压限制器设置于恒流电源66处，将上限电压设为在该情况下为量子电池的充电电压值，以保护充电层。充电电压由电压计64测量，而从充电电压的上升特性可以获得量子电池的充电特性。
[0095]利用充电层58设置于半导体探针50内的特征，还能够在层叠量子电池的充电层之前的状态进行电极评价，所述电极评价作为在制作工艺中的待测量目标物的量子电池的评价。在量子电池的基板12上层叠了基础电极14的状态使用半导体探针50进行充电特性评价，能够评价作为电极的基电极14。同样，在基板12上层叠了基电极14和η-型金属氧化物半导体16的状态，可以进行类似的评价。
[0096]图7表示使用本发明的半导体探针的充/放电特性测试装置60的概略图，并且表示对量子电池的充电层的放电特性进行评价时的示意图。其由半导体探针50、放电电阻66以及待测量目标物构成。与图6所示的充电特性评价相比，恒流电源62被切换到放电电阻
66ο
[0097]由恒流电源62充完电的量子电池的充电层18和探针充电层58通过电流流过放电电阻66而释放存储于其中的电能。电压计64测量随时间而下降的通过放电电阻66的电压的特性，由此获得放电特性。
[0098]图8表示由充/放电特性测试装置60测量的、层叠了充电层的量子电池的充放电特性70的测量结果的示例。在如图8所示的测量中，上限电压设为1.5V。在由恒流电源62开始充电时，电压呈直线性增长直到限值电压。电压的倾斜根据恒流电源62的电流值而不同，但会在预先设定的电流值下呈稳定的倾斜，并且通常以I秒以下进行测量。当量子电池的充电层18存在不良时，例如，充电层14中存在未充电区域时，倾斜将呈现不均，充电量会下降，导致呈现图8中虚线所示的倾斜。
[0099]在评价充电特性后，充/放电特性测试装置60的恒流电源62被切换到放电电阻66，并且评价放电特性。放电特性取决于放电电阻66的电阻值RL。图8所示的放电特性表示将电阻值RL设为100ΜΩ、10ΜΩ、0.9ΜΩ时的情况。显示了取决于放电电阻66的电阻值RL的放电特性随时间的变化，其中使切换到放电电阻66的时间为O。
[0100]关于放电特性，当量子电池的充电层18存在不良时，例如，图8中放电电阻RL设为100ΜΩ，充电层14中存在未充电区域时，倾斜将出现不均，充电量会下降，导致呈现图8中虚线所示的倾斜。
[0101]量子电池的充电层14的局部测量能够对充电层14的特性分布进行测量。在该情况下，半导体探针50的前端部形状，更具体地，其中层叠探针电极54、金属氧化物半导体56以及探针充电层58的部分的形状可以为比充电层14的面积小的正方形、长方形、或圆形，并且仅需要能够对量子电池10的充电层18的局部进行评价。
[0102]图9表示从正面看的半导体探针50的前端部的一示例，其中，层叠在支持体52上的部分被分割成长方形。在支持体52的纵向和横向的各方向上，沿X轴和Y轴方向分别排列了五个各由探针电极54、金属氧化物半导体56、探针充电层58层叠形成的部分，以完整地覆盖量子电池的充电层18。当量子电池的充电层区域的尺寸为8mmX25mm时，多个局部半导体探针，例如，每个尺寸为1.3_X4.9mm，将形成于半导体探针50的前端表面。
[0103]对应于充电层18的充电对应区域68以图9中的虚线显示。使用半导体探针50能够同时测量由将充电层18部分分割而成的区域的电特性。因此，能够测量电特性的分布和变化，并且能够同时测量被分割部分之间的差异。
[0104]需要注意的是，在支持体52中为每个被分割的探针电极54设置通孔电极，可以使充/放电电流源独立地与各探针电极连接。
[0105]进一步，在大量制作量子电池时，将会在一个基板上同时制作多个量子电池。当在基板上设置多个作为待测量目标物的量子电池的充电层时，对应于所有充电层的整体形成的半导体探针50能够同时评价所述多个充电层。在该情况下的半导体探针被形成为如下结构:使支持体52形成为能够覆盖量子电池的所有充电层的尺寸，在支持体52上对应各个充电层的位置上以对应的尺寸形成层叠了探针电极54、金属氧化物半导体5以及探针充电层58的层叠部分。
[0106]半导体探针50不限于在支持体52的平面上形成层叠部分的结构，也可使支持体为圆柱形形状，而层叠部分形成在其外围表面这样的结构。
[0107]图10表示圆柱形半导体探针72。图10中，在圆柱形支持体74的外围表面上层叠了弹性体层76、探针电极54、金属氧化物半导体56以及探针充电层58，并且对探针充电层58照射紫外线。圆柱形支持体74为金属轴，并且施压使弹性体层76变形，从而能够与待测量目标物以某种固定的宽度接触，并并且提高与待测量目标物的密合性。
[0108]图11为采用圆柱形圆柱形半导体探针72的充/放电特性测量装置74的示意图。当使用圆柱形半导体探针72测量量子电池的充电层时，圆柱形支持体74在施压时转动。在这种情况下，如图11所示，圆柱形圆柱形半导体探针72在与充电层18以宽度WL接触时转动，以在表面上移动。进一步，在固定圆柱形圆柱形半导体探针72为可转动下，可使量子电池转动。
[0109]在评价充电特性时，恒流电源62与圆柱形半导体探针72的探针电极54以及量子电池的基电极14连接，并且使电流流过。通过使用电压计64测量探针电极54和基电极14之间的电压，能够获得充电特性。
[0110]由于充电层18在圆柱形半导体探针72转动转时进行充电，在任何时间都会测量出恒定的电压。
[0111]图12为使用圆柱形半导体探针72的充电特性82的示例。垂直轴指测量的电压，水平轴指X，即以量子电池的充电层18的宽度^标准化的充电层18的位置。电压为1.3V。该电压值通过圆柱形半导体探针72的转动速度和恒流电源62的电流值来确定。例如，若量子电池的充电层18中存在没有形成充电层18的缺陷部分，该缺陷部分将不具备充电能力，并且使用恒流电源进行充电时，电流将会流到正常状态的其他充电层18，从而提升电压。图12中虚线所示部分为缺陷部分84。由评价结果能够鉴定出充电层18的缺陷部分。
[0112]采用圆柱形半导体探针72的充电特性中，由于圆柱形半导体探针72的转动，探针充电层58和量子电池的充电层18在充电后将彼此分离。量子电池的储存电能原理为，充电时形成的能级的空穴与基电极14中的电子14介由绝缘膜形成空穴-电子对。
[0113]因此，探针充电层58和量子电池的充电层18在充电后彼此分离后，没有电子与探针充电层58的空穴成对，从而空穴将扩散于探针电极52内，并且消失。另一方面，在量子电池的充电层18，由于存在有储存电子的基电极14，空穴将残留在充电层内。所以，在量子电池的充电层18被充电后，可以使用圆柱形半导体探针72评价放电特性。
[0114]图13为使用圆柱形半导体探针72评价充电特性后，再次使用圆柱形半导体探针72评价放电特性的示例。垂直轴指测定的电压，水平轴指X，即以量子电池的充电层18的宽度^标准化的充电层10的位置。
[0115]仅放电了量子电池的充电层18内的电能，而没有在探针充电层58中储存电能。使放电电阻RL为10ΜΩ。对于放电特性，与充电时同样，在圆柱形半导体探针72转动时进行放电，而任何时候都将测量出恒定的电压。若量子电池的充电层18中存在不良，充电量会降低，并且导致图13中虚线所示那样降低缺陷部分88处所测量的电压。以上述方法，也可由放电特性来进行充电层18的评价。
[0116]图14为使用两个圆柱形半导体探针72的充/放电特性测量装置90。通过使用圆柱形半导体探针72-1与恒流电源62，电压计64-1测量电压从而获得充电特性。在圆柱形半导体探针72-1之后通过使用圆柱形半导体探针72-2并在放电电阻66进行放电，电压计64-2测量电压，可获得充电后的放电特性。按照该充/放电特性测量装置90，能够同时测量充电特性和放电特性，并能够进行有效的评价。
[0117]图15为具备接地电极的圆柱形半导体探针92的横截面图，作为圆柱形半导体探针的另一实施例，所述接地电极设置有接地电极部以与量子电池的基电极电连接。圆柱形支持体74设置有平行于充电层测量探针部94的接地电极部96。
[0118]在充电层测量探针部94，为了与充放电电源连接，弹性体层76和电极部54的一部分没有被金属氧化物半导体56和探针充电层58所覆盖，而是设置了与充/放电电源连接的充放电电源连接部。在接地电极部96上，接地电极78设置于弹性体层76-1上。接地电极78与量子电池的基电极连接，以形成接地。充/放电电源与充/放电电源连接部98和接地电极78相连。
[0119]例如，如图15所示，具备接地电极的圆柱形半导体探针92，通过对圆柱形支持体74的两端施加压力P，使弹性体层76、76-1变形，进而提升待测量目标物的密合性。
[0120]图16是通过如图15所示的具备接地电极的圆柱形半导体探针92测量其充/放电特性的量子电池的平面图。层叠在基板12上的基电极14比充电层18更宽，导致当具备接地电极的圆柱形半导体探针92通过转动而测量充/放电特性时，在该探针中设置的接地电极部96与基电极部连接，并且充电层测量探针部94与充电层18连接。
[0121]进一步，本发明提供一种采用半导体探针的充/放电特性测量方法，该方法包括:准备通过层叠导电性电极、由金属氧化物半导体制成的金属氧化物半导体层、向其中充入电能的充电层以及支持体而构成的半导体探针，待测量目标物，进行充/放电的充/放电电流源，和对在充放电时的待测量目标物的电压进行测量的电压计；以及使半导体探针与待测量目标物接触；由充/放电电流源进行充/放电；以及由电压计对待测量目标物的电压进行测量。
[0122]尽管以上已经描述本发明的实施方式，但是本发明包括不损害其目的和优点的合适变形，并且不限于上述实施方式。
[0123]符号说明
[0124]10量子电池
[0125]12 基板
[0126]14基电极
[0127]16 η-型金属氧化物半导体层
[0128]18充电层
[0129]20 ρ-型金属氧化物半导体层
[0130]22对向电极
[0131]26 η-型金属氧化物半导体
[0132]28绝缘被膜
[0133]30 电极
[0134]32中间结晶层
[0135]34 η-型金属氧化物半导体层
[0136]36 导带
[0137]38 价带
[0138]40费密能级
[0139]42紫外线
[0140]44 电子
[0141]46 空穴
[0142]48 能级
[0143]50半导体探针
[0144]52支持体
[0145]54探针电极
[0146]56金属氧化物半导体
[0147]58探针充电层
[0148]60,80充/放电特性测量装置
[0149]62恒流电源
[0150]64,64-1,64-2 电压计
[0151]66放电电阻
[0152]68充电层对应区域
[0153]70量子电池的充/放电特性
[0154]72,72-1,72-2圆柱形半导体探针
[0155]74圆柱形支持体
[0156]76,76-1 弹性体层
[0157]78接地电极
[0158]82使用圆柱形半导体探针的充电特性
[0159]84，88缺陷部分
[0160]86使用圆柱形半导体探针的放电特性
[0161]90使用两个圆柱形半导体探针的充/放电特性测试装置
[0162]92带有接地电极的圆柱形半导体探针
[0163]94充电层测量探针部
[0164]96接地电极部
[0165]98充/放电电源连接部
【权利要求】
1.一种半导体探针，其是通过层叠以下而构成的: 导电性电极； 由金属氧化物半导体制成的金属氧化物半导体层； 向其中充入电能的充电层；和 支持体。
2.根据权利要求1所述的半导体探针，其中，所述充电层是覆盖有绝缘材料的η-型金属氧化物半导体。
3.根据权利要求1所述的半导体探针，其中，所述充电层是η-型金属氧化物半导体，所述η-型金属氧化物半导体覆盖有绝缘材料，并且通过紫外线照射发生光致激发结构变化以在带隙中形成能级，从而捕获电子。
4.根据权利要求2所述的半导体探针，其中，所述η-型金属氧化物半导体是二氧化钛、氧化锡和氧化锌中的一种；或通过组合二氧化钛、氧化锡和氧化锌中的两种或三种而制成的复合材料。
5.根据权利要求2所述的半导体探针，其中，覆盖所述η-型金属氧化物半导体的绝缘材料是绝缘树脂或无机绝缘材料。
6.根据权利要求1所述的半导体探针，其中，所述金属氧化物半导体是P-型半导体。
7.根据权利要求6所述的半导体探针，其中，所述P-型半导体是氧化镍或氧化铜/氧化销O
8.根据权利要求1所述的半导体探针，其中，所述金属氧化物半导体是η-型半导体。
9.根据权利要求8所述的半导体探针，其中，所述η-型半导体是二氧化钛、氧化锡和氧化锌中的一种；或通过组合二氧化钛、氧化锡和氧化锌中的两种或三种而制成的复合材料。
10.根据权利要求1所述的半导体探针，其中，所述电极是导电性金属。
11.根据权利要求1所述的半导体探针，其中，所述支持体的至少一部分为弹性体。
12.根据权利要求1所述的半导体探针，其中，所述支持体为圆柱形状。
13.根据权利要求12所述的半导体探针，其中，圆柱形状的所述支持体配置有接地电极部。
14.一种充/放电特性测试装置，包括: 根据权利要求1所述的半导体探针； 待测量的目标物； 进行充/放电的充/放电电流源；以及 在充/放电时对待测量的目标物的电压进行测量的电压计。
15.根据权利要求14所述的测试装置，其中，在待测量的目标物中，导电性基电极或基电极和η-型金属氧化物半导体层层叠在基板上。
16.根据权利要求14所述的测试装置，其中，在待测量的目标物中，基电极或基电极和η-型金属氧化物半导体层叠在基板上，并且在其上进一步层叠由覆盖有绝缘材料的η-型金属氧化物半导体构成的充电层。
17.根据权利要求16所述的测试装置，其中，在待测量的目标物中的充电层由与所述半导体探针中的充电层的材料相同的材料制成，并且具有η-型金属氧化物半导体，所述η-型金属氧化物半导体覆盖有绝缘材料且通过紫外线照射发生光致激发结构变化以在带隙中形成能级。
18.根据权利要求14所述的测试装置，其中，所述半导体探针以覆盖待测量的目标物的全部表面的方式与所述目标物紧密接触。
19.根据权利要求14所述的测试装置，其中，所述半导体探针以覆盖待测量的多个目标物的全部表面的方式与所述多个目标物紧密接触，从而能够同时测量所述多个目标物。
20.根据权利要求14所述的测试装置，其中，所述半导体探针以覆盖待测量的目标物的一部分的方式与所述待测量物接触。
21.根据权利要求20所述的测试装置，其中，所述半导体探针具有圆柱形状的支持体，并且在待测量的目标物的表面上转动时评价充/放电特性。
22.根据权利要求21所述的测试装置，其中，使用各自具有圆柱形状的支持体的两个半导体探针，所述半导体探针之一评价待测量的目标物的充电特性，而所述半导体探针的另一探针评估待测量的目标物的放电特性。
23.一种使用半导体探针的充/放电特性测试方法，所述方法包括: 准备半导体探针、待测量的目标物、进行充/放电的充/放电电流源和电压计，其中，所述半导体探针是通过层叠导电性电极、由金属氧化物半导体制成的金属氧化物半导体层、向其中充入电能的充电层、和支持体而构成的，所述电压计在充/放电时对待测量的目标物的电压进行测量；以及 使所述半导体探针与待测量的目标物接触；通过充/放电电流源进行充/放电；以及通过所述电压计对待测量的目标物的电压进行测量。
24.一种使用半导体探针的充/放电特性测试方法，所述方法包括: 准备半导体探针、待测量的目标物、在对待测量的目标物充电时进行充电的电压电源、在从待测量的目标物放电时进行放电的电阻器、和在充/放电时对待测量的目标物的电流进行测量的安培计，其中所述半导体探针是通过层叠导电性电极、由金属氧化物半导体制成的金属氧化物半导体层、向其中充入电能的充电层、和支持体而构成的；以及 使所述半导体探针与待测量的目标物接触；并且在充电时，通过电压电源充电，并且通过安培计对待测量的目标物的电流进行测量，以及在放电时，将电压电源切换至所述电阻器，通过安培计对待测量的目标物的电流进行测量。
【文档编号】H01L21/66GK104471694SQ201280073641
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2012年5月31日 优先权日:2012年5月31日
【发明者】出羽晴匡, 桧皮清康, 中泽明 申请人:日本麦可罗尼克斯股份有限公司, 刮拉技术有限公司