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

利用含Ge纳米点的高功率因数异质超晶格在硅衬底上开发高性能热电材料

• 批准号: 18J20160
• 负责人: 谷口 達彦
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2018-04-25 至 2021-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18J20160/
• 关键词: 熱電変換; Ⅳ族半導体; ナノ構造; フォノン; 超格子; シリコン; ゲルマニウム; 熱電; ナノドット; 四族半導体

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。

In this study, we achieved the goal of high power factor and low thermal conductivity in the interface control of group IV semiconductors. This year, 1. An Evaluation of the Effect of Different Composition on the Thermoelectric Properties of Si1-xGex Thin Films (x = 0-1); The unique technology of acid film is applied to the solution of heat conduction mechanism. The following is a detailed description. Si1-xGex thin films fabricated on Si(001) substrates and their thermoelectric properties evaluated Si0.7Ge0.3 thin film, in-plane pressure reduction, electrical conductivity increased by about 2%, power factor decreased by about 1%, power factor decreased by about 2%. In case of composition change, alloy scattering occurs in Si film and SiGe film, and the high power factor is indicated. The thermal conductivity of Si0.7Ge0.3 thin films is about 2 W/mK and polycrystalline SiGe thin films are at the same level. The main reasons for the high thermoelectric performance of SiGe/Si superlattice are as follows: high power factor, no skew Si layer, low thermal conductivity, and introduction of SiGe layer. Next, the preparation and thermal properties of Ge doped Si thin films (Ge ND/Si thin films) and Ge doped SiGe thin films (Ge ND/SiGe thin films) were evaluated. The results show that the Ge ND/Si thin film has the characteristics of heat transfer and heat transfer. The ultra-low thermal conductivity of Ge ND/SiGe thin films is different from that of Ge ND/SiGe thin films. These results indicate that the SiGe/Si superlattice structure with high power factor and low thermal conductivity can be realized successfully and can be used as a design guideline for high thermoelectric properties of group IV semiconductors.

项目成果

Nanostructural effect on thermoelectric properties in Si films containing iron silicide nanodots

纳米结构对硅化铁纳米点硅薄膜热电性能的影响

• DOI: 10.7567/1347-4065/ab5b58
• 发表时间: 2020
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: Sakane Shunya;Ishibe Takafumi;Taniguchi Tatsuhiko;Hinakawa Takahiro;Hosoda Ryoya;Mizuta Kosei;Alam Md. Mahfuz;Sawano Kentarou;Nakamura Yoshiaki
• 通讯作者: Nakamura Yoshiaki

二次元電子ガス系AlGaAs/GaAsにおける熱電性能の温度依存性評価

二维电子气系统 AlGaAs/GaAs 热电性能的温度依赖性评估

• 发表时间: 2019
• 作者: 梁逸偉;筒井真楠;谷口正輝;上松 悠人
• 通讯作者: 上松 悠人

SiGe EDLTを用いた出力因子増大の検証

使用 SiGe EDLT 验证功率因数提高

• 发表时间: 2019
• 作者: 上田修;池永訓昭;堀田行紘;高垣佑斗;西山文隆;行宗詳規;石川史太郎;富永依里子;谷口 正輝;細田 凌矢
• 通讯作者: 細田 凌矢

二次元電子ガス系AlGaAs/GaAsの熱電性能評価

二维电子气体系AlGaAs/GaAs热电性能评价

• 发表时间: 2019
• 作者: 上松 悠人;谷口 達彦;細田 凌矢;石部 貴史;間野 高明;大竹 晃浩;中村 芳明
• 通讯作者: 中村 芳明

独自エピタキシャルGeナノドット含有SiGe薄膜による低熱伝導率化

通过含有独特外延Ge纳米点的SiGe薄膜实现低热导率

• 发表时间: 2019
• 作者: Ryo Murakami;Mitsuki Yukimune;Fumitaro Ishikawa;小松原 祐樹;Masateru Taniguchi;谷口 達彦
• 通讯作者: 谷口 達彦