半導体超格子構造を有する高性能平面型熱電変換デバイスの実現

本研究では、室温付近で非常に高い熱電性能を持つホイスラー合金薄膜を用いた、高性能な熱電変換デバイスの実現を目標としている。まず、面積当たりの発電性能を最大化するため、発電性能を算出するシミュレーターを3次元有限要素法により構築し、面積当たりの発電電力を最大化する構造設計を行った。デバイスの構造パラメーターを系統的に変化させ、様々なデバイス構造において性能を算出することで得られた理想的なデバイスデザインで、約270(μW/cm2/K2)の出力電力密度となった。これは、バルクBiTeを用いた市販の熱電素子を超える性能であり、室温環境での用途としてBiTe系材料に代わる熱電デバイスの実現が期待される。それに加えて、基板上に集積される薄膜型熱電変換デバイスの実現には作製プロセスの開発が必要不可欠であった。ホイスラー合金のべた膜からデバイス構造に加工するエッチングプロセスでは、厚いハードマスクを作製し、適切な反応性ガスを用いることで目的のデバイス構造への加工を可能にした。本研究の薄膜型熱電デバイスは、ホイスラー合金薄膜を加工したデバイス基板に対して、上部キャビティを形成するためのキャップウエハを貼り合わせることで作製される。キャップウエハは基板からリリースされた電極部分にのみ接触するようになっており、基板との接触が残っている高温側との間で温度差が生まれ膜内に電圧が生じる。実際に、デバイスチップの上下面に印加された温度差に対する発電電圧を測定し、温度差に従って線形に発電電圧が増加している様子がみられ、ホイスラー合金を用いた薄膜型熱電変換デバイスの動作を初めて確認した。

本研究では、室温付近で非常に高い熱電性能を持つホイスラー合金薄膜を用いた、高性能な熱電変換デバイスの実現を目標としている。まず、面積当たりの発電性能を最大化するため、発電性能を算出するシミュレーターを3次元有限要素法により構築し、面積当たりの発電電力を最大化する構造設計を行った。デバイスの構造パラメーターを系統的に変化させ、様々なデバイス構造において性能を算出することで得られた理想的なデバイスデザインで、約270(μW/cm2/K2)の出力電力密度となった。これは、バルクBiTeを用いた市販の熱電素子を超える性能であり、室温環境での用途としてBiTe系材料に代わる熱電デバイスの実現が期待される。それに加えて、基板上に集積される薄膜型熱電変換デバイスの実現には作製プロセスの開発が必要不可欠であった。ホイスラー合金のべた膜からデバイス構造に加工するエッチングプロセスでは、厚いハードマスクを作製し、適切な反応性ガスを用いることで目的のデバイス構造への加工を可能にした。本研究の薄膜型熱電デバイスは、ホイスラー合金薄膜を加工したデバイス基板に対して、上部キャビティを形成するためのキャップウエハを貼り合わせることで作製される。キャップウエハは基板からリリースされた電極部分にのみ接触するようになっており、基板との接触が残っている高温側との間で温度差が生まれ膜内に電圧が生じる。実際に、デバイスチップの上下面に印加された温度差に対する発電電圧を測定し、温度差に従って線形に発電電圧が増加している様子がみられ、ホイスラー合金を用いた薄膜型熱電変換デバイスの動作を初めて確認した。