Ｇｅナノドット含有高出力因子ヘテロ超格子によるＳｉ基板上高性能熱電材料の開発

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本研究は、IV族半導体において歪・界面制御による高出力因子と低熱伝導率の同時実現達成が目的である。本年度は、1. Si1-xGex薄膜（x = 0-1）における歪や組成の熱電性能への影響の実験的評価から、報告したSiGe/Si超格子における高出力因子・低熱伝導率の要因の考察、2. 独自の極博酸化膜技術を用いたエピタキシャルGeナノドットにおける熱伝導機構の解明を行った。以下に具体的な内容を示す。様々な組成・歪のSi(001)基板上エピタキシャルSi1-xGex薄膜を作製し、その熱電性能を評価した。Si0.7Ge0.3薄膜は、面内圧縮歪印加で電気伝導率が約2割増大、ゼーベック係数が約1割減少し、出力因子はほぼ変化しなかった。一方で組成を変えた場合、合金散乱が生じないSi薄膜は、SiGe薄膜よりも高い出力因子を示した。また熱伝導率は、エピタキシャルSi0.7Ge0.3薄膜は約2 W/mKと多結晶SiGe薄膜と同程度に低い値を示した。以上から、SiGe/Si超格子の高熱電性能の要因の一つに、高出力因子な無歪Si層と低熱伝導率なSiGe層の導入が挙げられることを示した。次に、様々なナノドットサイズのGeナノドット含有Si薄膜（Ge ND/Si薄膜）、Geナノドット含有SiGe薄膜（Ge ND/SiGe薄膜）を作製し、その伝熱特性を評価した。実験結果と伝熱方程式・弾性波伝搬計算を用いた計算結果から、Ge ND/Si薄膜では弾道的なナノスケール特有のフォノン輸送が生じていることを示した。一方で、Ge ND/SiGe薄膜の極低熱伝導率は、特異なGeナノドットの散乱と合金フォノン散乱から生じていることを示した。以上の結果から、本研究は、SiGe/Si超格子による高出力因子と低熱伝導率の同時実現に成功し、Ⅳ族半導体における高熱電性能に求められる構造の設計指針を示したと言うことができる。