JP3116857B2

JP3116857B2 - 半導体基板搭載型二次電池

Info

Publication number: JP3116857B2
Application number: JP09102625A
Authority: JP
Inventors: 浩治田中
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-04-04
Filing date: 1997-04-04
Publication date: 2000-12-11
Anticipated expiration: 2017-04-04
Also published as: JPH10284130A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基板搭載型の二次
電池に関し、特に、小型化・軽量化に好適とされ電極に
リチウム金属を用いない、好ましくは半導体基板上に搭
載される基板搭載型の二次電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、電子機器のダウンサイジング（縮
小化）が急速に進んでいる。例えば半導体チップのよう
に劇的に縮小化が進んでいる分野もある一方で、電源部
のように、遅々として縮小化が進まない分野もある。昨
今では、電子機器において、電源部の大きさが、その機
器の容積の大部分を占めることになる、というようなこ
ともある。

【０００３】しかし、リチウム二次電池の実用化は、一
気に、電源の性能を飛躍的にアップさせた。リチウム二
次電池は、これまでの主力であった、ニッカド電池など
と比較すると、理論的には数倍の充放電容量の電池が、
従来の大きさで実現し、メモリ効果などの弊害もない。

【０００４】しかしながら、従来の技術では、正電極お
よび負電極を、金属片または金属箔としているため、サ
イズの縮小化にも限界があった。

【０００５】また、負電極にリチウム金属そのものを使
用するものもあり、リチウム金属が有害物質であるた
め、環境破壊についても懸念されてきた。

【０００６】例えば特開平６−２６０１６８号公報に
は、負電極と集電体との密着性能を向上させることによ
り接着剤量を減少させ、高率放電特性が優れたリチウム
二次電池を提供することを目的として、負電極の集電体
がリチウムと合金を形成しない金属もしくは合金よりな
る金属箔であり、この金属箔は厚さ５０μｍ以下の電解
金属箔で、金属箔の両面に凹凸を形成したリチウム二次
電池が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
のリチウム二次電池においては、電極に、金属片または
金属箔を用いており、また場合によっては、リチウム金
属を電極に用いている。

【０００８】そして、電極に金属片もしくは箔を用いる
場合、ある程度の厚みが無ければ、リチウム二次電池を
構成できないことから、電池の縮小化を促進できない、
という問題点を有している。

【０００９】また、有害物質であるリチウム金属を、大
量に使用しなければならないため、環境に悪影響を与え
たり、人体に害をおよぼす可能性もある。

【００１０】したがって、本発明は、上記問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的は、リチウム二次電
池の小型及び軽量化を図るリチウム二次電池を提供する
ことにある。また本発明は、電極材料としてリチウム金
属を使用せず環境へ及ぼす影響を抑止低減するようにし
たリチウム二次電池を提供することも、その目的として
いる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の半導体基板搭載型の二次電池は、半導体基
板上に、薄膜化した電極と固体電解質とを有する。

【００１２】本発明は、半導体基板上に形成される負電
極及び正電極が、好ましくは遷移金属酸化物などよりな
り、リチウム金属片を用いることなく、リチウム二次電
池を構成している。

【００１３】また、本発明は、基板上に、第１薄膜電
極、固体電解質、及び第２薄膜電極をこの順に積層して
なる。より詳細には、基板上に、負電極となる第１の薄
膜電極、薄膜化した固体電解質、正電極となる第２の薄
膜電極、第１の配線用電極がこの順に積層された積層体
を備え、前記基板上に形成される薄膜電極、配線用電極
は、下側の層よりも上の層の方が平面形状の面積が順次
小とされており、前記第１の薄膜電極にはあらかじめリ
チウムイオンが注入されており、前記積層体とは別の領
域に第２の配線用電極を備え、前記第１、第２の配線用
電極間に起電力を得る。

【００１４】さらに、本発明は、基板上に設けられた第
２の配線用電極の上に、負電極となる第１の薄膜電極、
薄膜化した固体電解質、正電極となる第２の薄膜電極、
第１の配線用電極がこの順に積層された積層体を備え、
前記基板上に形成される薄膜電極、配線用電極は、下側
の層よりも上の層の方が平面形状の面積が順次小とされ
ており、前記第１の薄膜電極にはあらかじめリチウムイ
オンが注入されており、前記第１、第２の配線用電極間
に起電力を得る。

【００１５】本発明の基板搭載型の二次電池は、基板上
に設けられた絶縁膜の上に第１、第２電極配線を備え、
前記第１、第２電極配線上にそれぞれ第１、第２薄膜電
極を略同一高さに配設し、前記第１薄膜電極、第２薄膜
電極及びその間隙を覆うように固体電解質を備えたこと
を特徴とする。

【００１６】また、本発明は、前記基板が、半導体基板
からなることを特徴とする。

【００１７】さらに、本発明は、あらかじめ前記第１薄
膜電極にリチウムイオンを含むようにして構成されてい
る、ことを特徴とする。

【００１８】そして、本発明は、前記第１薄膜電極及
び、第２薄膜電極が遷移金属酸化物よりなる、ことを特
徴とする。

【００１９】［発明の概要］本発明は、電極および電解
質をスパッタリング法などで薄膜化し、構成物を可能な
限り薄くして、リチウム二次電池の小型・軽量化を図っ
たものである。また、電極材料としてリチウム金属を使
用しないことで、環境への悪影響を極限まで抑え、環境
保全を実現している。本発明によれば、これまでのリチ
ウム二次電池と比較して、大幅な小型・軽量が図られて
いる。より具体的には、電池を構成する、正極、負極、
電解質をスパッタリング法などで薄膜化して、ミクロン
オーダの厚さの電池を作成することができる。また、有
害物質であるリチウムの使用量を極限まで減少でき、破
壊時の人体への影響や環境への影響が微少な電池を実現
できる。さらに、半導体基板上に電池を作成でき、チッ
プ外部に設けられていた電源部を不要とし、電子機器の
特段の小型・縮小化を達成している。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。

【００２１】図１は、本発明の第１の実施の形態の構成
を示す平面図である。また、図２は、図１のＸ−Ｘ線の
断面図である。図１及び図２を参照すると、この実施の
形態は、シリコン基板１と、負極（負電極）２、固体電
解質３、正極（正電極）４、及び配線用電極５を備えて
構成されている。

【００２２】半導体基板１はＰ型、Ｎ型のどちらのタイ
プの基板であってもよく、基板中の不純物濃度や面方位
には特に依存しない。また、基板としては、電流が流れ
て、リチウムと合金化しない部材であれば、半導体基板
以外の部材を用いることも可能である。

【００２３】負極２は、薄膜化が可能であり、リチウム
二次電池の電極材料として用いられる、部材であれば、
この実施の形態において、その部材は特に限定されな
い。この電極材料の薄膜化は、スパッタリング法や電子
ビーム蒸着法、加熱蒸着法などにより成膜することで実
現される。

【００２４】予め負極２にリチウムを注入する方法とし
ては、イオン注入法、液体電解質とリチウム金属電極と
を使用して一度だけ放電を行う方法、リチウムを最初か
ら含んでいる電極物質を使用する方法などがある。

【００２５】固体電解質３は、薄膜化が可能であり、リ
チウムを自由に移動させることができる、固体電解質で
あれば、この実施の形態において、その部材は特に限定
されない。固体電解質３の薄膜化には、スパッタリング
法や電子ビーム蒸着法、加熱蒸着法、スピンコート法な
どを用いることができる。

【００２６】正極４は、薄膜化が可能であり、リチウム
二次電池の電極材料として用いられる部材であれば、こ
の実施の形態において、その部材は特に限定されない。
この電極材料の薄膜化は、スパッタリング法や電子ビー
ム蒸着法、加熱蒸着法などに成膜することで実現され
る。

【００２７】配線用電極５ａ、５ｂは、薄膜化が可能で
あり、抵抗が低く、シリコン基板および正極４を構成す
る物質とオーム性接触がとれる部材からなる。これらの
電極材料の薄膜化には、スパッタリング法や電子ビーム
蒸着法、加熱蒸着法などが適用できる。

【００２８】負極２、正極４の膜厚は、薄すぎると充放
電容量の減少してしまい、逆に、厚すぎるとサイズが大
きくなってしまうという理由で、好ましくは０．２〜
０．５ミクロン程度の膜厚とされる。

【００２９】図３は、本発明の第２の実施の形態の構成
を示す断面図である。

【００３０】図３を参照して、この実施の形態は、前記
第１の実施の形態と比較すると、配線電極５ｂが負極２
とシリコン基板１との間にまで延在している。この実施
の形態の場合、シリコン基板１には、電流が流れる必要
が無いので、基板１として、半導体物質に限らず、絶縁
物などを用いてもよい。

【００３１】図４は、本発明の第３の実施の形態の構成
を示す断面図である。

【００３２】図４を参照して、この実施の形態において
は、シリコン基板１上に絶縁膜６を形成し、その上に配
線電極５ａ、５ｂを形成し、正極４と負極２をそれぞれ
配線電極５ａ、５ｂ上に並べて配置している。すなわ
ち、前記実施の形態のように正極４と負極２は積層され
ていない。このような配置としたことにより、電池自体
の厚さをより薄くすることが可能である。また、この実
施の形態の場合、基板を絶縁物に変更することも可能で
ある。

【００３３】

【実施例】次に、図１、及び図２を参照して、本発明の
実施例の動作について説明する。

【００３４】放電時、負極２の内部にあるリチウムは、
リチウムイオンと電子に分かれ、リチウムイオンは固体
電解質３に、電子は外部回路に放出される。

【００３５】放出されたリチウムイオンは、固体電解質
３を通って、正極４に注入される。また、放出された電
子は外部回路を通って、正極４に注入される。結果とし
て、正極４には、リチウムイオンと電子が注入され、正
極４の内部にはリチウムが蓄積されていく。負極２と正
極４の電位が同一になると放電は止まる。

【００３６】充電時には、外部電源から電位を印加す
る。その際、正極に−（マイナス）の電位を印加し、負
極には＋（プラス）の電位を印加する。すると、放電時
とは逆にリチウムは移動する。正極４に含まれていたリ
チウムは、リチウムイオンと電子に分かれ、リチウムイ
オンは固体電解質３を通って、負極２に注入され、電子
は外部電源を通って、負極２に注入され、負極２の内部
にリチウムが蓄積されていく。

【００３７】負極２に、それ以上リチウムが蓄積できな
くなるか、正極４から、全てのリチウムイオンが放出さ
れると、充電は終了する。

【００３８】このような動作を行う電池の一実施例とし
て、次のようなリチウム二次電池が考えられる。

【００３９】正極または負極材料として好ましくは遷移
金属酸化物を用いる。例えば、酸化ニオブや酸化コバル
ト、酸化バナジウムなどが挙げられる。いずれの材料
も、リチウム二次電池の電極材料になり得るが、ここで
は、スパッタリング法で成膜した五酸化バナジウムを用
いる。五酸化バナジウムＶ₂Ｏ₅は、遷移金属酸化物の中
でも、初期放電電位が約４Ｖと比較的高く、放電時間も
優れている。この五酸化バナジウムを、負極２と正極４
の電極材料として用いる。

【００４０】固体電解質３には、比較的高温でなくて
も、電解質として作用するリン酸化リチウムを用いる。

【００４１】配線電極５ａおよび５ｂの材料としては、
導電性の良好な金属を用いるのが適切であり、例として
は、金やアルミニウムなどが適切であるが、ここではア
ルミニウムを用いる。

【００４２】具体的な製法としては、はじめに、シリコ
ン基板１上に、電極５ｂとして、アルミニウムをスパッ
タリング法で例えば膜厚２００ｎｍの薄膜を成膜する。

【００４３】次に、シリコン基板上に負極２として、五
酸化バナジウムをスパッタリング法で例えば膜厚３００
ｎｍの薄膜を成膜する。

【００４４】その後、予め、負極２にリチウムを注入す
る。その方法としては、リチウムのイオン注入やリチウ
ムを構成物質として含んだ酸化バナジウムの薄膜化、リ
チウムイオンによるスパッタリング、リチウムと五酸化
バナジウムの同時成膜、充放電作用によるリチウムの挿
入などが好ましい。

【００４５】本実施例では、充放電作用によるリチウム
の挿入による方法を用いている。これは、液体の固体電
解質とリチウム金属片を用いて、一般的なリチウム二次
電池を構成し、一度放電を行って、五酸化バナジウムに
リチウムを挿入する。

【００４６】そして、負極２の上に固体電解質３とし
て、リン酸リチウムをスパッタリング法で、例えば膜厚
３００ｎｍの薄膜を成膜し、さらに、固体電解質３の上
に正極４として、五酸化バナジウムをスパッタリング法
で例えば膜厚３００ｎｍの薄膜を成膜する。

【００４７】最後に、正極４の上に、配線電極５ａを、
スパッタリング法で膜厚２００ｎｍの薄膜を成膜する。

【００４８】本実施例においては、このように、異種の
薄膜を積み重ねながら、作成していくが、その際、短絡
を防ぐため、上方の薄膜ほどサイズを小さくしていく。

【００４９】これで、シリコン基板１上の厚さが約１２
００ｎｍ（１．２μｍ）の微少のリチウム二次電池がで
きる。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば下
記記載の効果を奏する。

【００５１】（１）本発明の第１の効果は、半導体チッ
プに電源を実装することができる、ということである。
このため、従来半導体チップの外部に設けられていた電
源を、取り除くことができ、大幅なダウンサイジングを
可能としている。

【００５２】その理由は、本発明においては、シリコン
基板上に電池を作成しているためである。

【００５３】（２）本発明の第２の効果は、取り扱いが
容易である、ということである。

【００５４】その理由は、本発明においては、電極の構
成物質に、リチウム金属を用いていないためである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す平面図であ
る。

【図２】図１をＸ−Ｘ線で切断したときの断面図であ
る。

【図３】本発明の第２の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図４】本発明の第３の実施の形態を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１Ｐ型またはＮ型のシリコン基板２負極３固体電解質４正極５ａ配線用電極５ｂ配線用電極６絶縁物

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、負電極となる第１の薄膜電極、
薄膜化した固体電解質、正電極となる第２の薄膜電極、
第１の配線用電極がこの順に積層された積層体を備え、
前記基板上に形成される薄膜電極、配線用電極は、下側
の層よりも上の層の方が平面形状の面積が順次小とされ
ており、前記第１の薄膜電極にはあらかじめリチウムイ
オンが注入されており、前記積層体とは別の領域に第２
の配線用電極を備え、前記第１、第２の配線用電極間に
起電力を得る、ことを特徴とする基板搭載型の二次電
池。
【請求項２】基板上に設けられた第２の配線用電極の上
に、負電極となる第１の薄膜電極、薄膜化した固体電解
質、正電極となる第２の薄膜電極、第１の配線用電極が
この順に積層された積層体を備え、前記基板上に形成さ
れる薄膜電極、配線用電極は、下側の層よりも上の層の
方が平面形状の面積が順次小とされており、前記第１の
薄膜電極にはあらかじめリチウムイオンが注入されてお
り、前記第１、第２の配線用電極間に起電力を得る、こ
とを特徴とする基板搭載型の二次電池。
【請求項３】基板上に設けられた絶縁膜の上に第１、第
２の配線用電極を備え、前記第１、第２の配線用電極上
にそれぞれ負電極、正電極となる第１、第２薄膜電極を
略同一高さに成膜し、前記第１薄膜電極、第２薄膜電極
及びその間隙を覆うように固体電解質を備え、前記第１
の薄膜電極にはあらかじめリチウムイオンが注入されて
おり、前記第１、第２の配線用電極間に起電力を得る、
ことを特徴とする基板搭載型の二次電池。
【請求項４】前記基板上に形成される前記負電極及び前
記正電極が遷移金属酸化物よりなり、リチウム金属片を
用いることなく、リチウム二次電池を構成した、ことを
特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の基板搭
載型の二次電池。
【請求項５】前記基板が、半導体基板からなることを特
徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の基板搭載
型の二次電池。
【請求項６】前記基板が、絶縁部材からなることを特徴
とする請求項２又は３記載の基板搭載型の二次電池。