熱電変換用均一組成シリコンゲルマニウム結晶成長に関する研究

近年のエネルギー消費量の増加に伴い、損失エネルギーを有効にエネルギーとして利用するための技術開発が極めて重要な課題となっている。熱電変換デバイスは熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電方法であり、(1)システム作動のための外部電力を要せず、また無排出のためクリーンで低環境負荷であることや(2)システム全体を小型、軽量化できる等の優れた特長を有している。そのため、工場、ゴミ焼却場、自動車等から大量に排出されている廃熱エネルギーを有効に再利用するためのデバイスとして強く期待されている。Si_xGe_<1-x>は、(1)有害元素を含まないこと、(2)耐熱性、耐酸化性に優れていること、(3)常温から1,000℃までの広い範囲で使用できる等の特長を有している。しかし、Si_xGe_<1-x>結晶は成長するにつれて組成比が変化するため、均一組成で任意の組成を有する良質な単結晶成長が困難であった。本研究では、温度差法を用いて温度勾配等を最適化し、任意の組成を有する均一組成のSi_xGe_<1-x>単結晶成長条件の確立することを目的とした。Si-Ge溶液をSi種結晶とSi供給原料で挟む構造にし、Si基板上にSi_xGe_<1-x>単結晶を成長させると同時に、Si供給原料をSi-Ge溶液中に溶解させて成長と供給のバランスをとることで、均一組成のSi_xGe_<1-x>結晶成長を行った。成長用アンプルを0.4℃/mmの低温度勾配下の電気炉に設置することで、組成変動2.5%以下の均一化を達成した。また、成長温度を1028℃、1109℃、1124℃とすることで、Si組成比がそれぞれ0.27、0.43、0.53のSi_xGe_<1-x>バルク結晶を成長させた。成長温度と温度勾配を制御することで、均一組成のSi_xGe_<1-x>バルク結晶を成長できることを明らかにした。

近年のエネルギー消費量の増加に伴い、損失エネルギーを有効にエネルギーとして利用するための技術開発が極めて重要な課題となっている。熱電変換デバイスは熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電方法であり、(1)システム作動のための外部電力を要せず、また無排出のためクリーンで低環境負荷であることや(2)システム全体を小型、軽量化できる等の優れた特長を有している。そのため、工場、ゴミ焼却場、自動車等から大量に排出されている廃熱エネルギーを有効に再利用するためのデバイスとして強く期待されている。Si_xGe_<1-x>は、(1)有害元素を含まないこと、(2)耐熱性、耐酸化性に優れていること、(3)常温から1,000℃までの広い範囲で使用できる等の特長を有している。しかし、Si_xGe_<1-x>結晶は成長するにつれて組成比が変化するため、均一組成で任意の組成を有する良質な単結晶成長が困難であった。本研究では、温度差法を用いて温度勾配等を最適化し、任意の組成を有する均一組成のSi_xGe_<1-x>単結晶成長条件の確立することを目的とした。Si-Ge溶液をSi種結晶とSi供給原料で挟む構造にし、Si基板上にSi_xGe_<1-x>単結晶を成長させると同時に、Si供給原料をSi-Ge溶液中に溶解させて成長と供給のバランスをとることで、均一組成のSi_xGe_<1-x>結晶成長を行った。成長用アンプルを0.4℃/mmの低温度勾配下の電気炉に設置することで、組成変動2.5%以下の均一化を達成した。また、成長温度を1028℃、1109℃、1124℃とすることで、Si組成比がそれぞれ0.27、0.43、0.53のSi_xGe_<1-x>バルク結晶を成長させた。成長温度と温度勾配を制御することで、均一組成のSi_xGe_<1-x>バルク結晶を成長できることを明らかにした。