Elucidation of thermoelectric properties and performance improvement of nitride semiconductors for utilization of waste heat from semiconductor devices
| Project/Area Number |
23K26148
|
|---|
| Project/Area Number (Other) |
23H01454 (2023)
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
|
| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
|---|
| Section | 一般 |
|---|
| Review Section |
Basic Section 21050:Electric and electronic materials-related
|
|---|
| Research Institution | Ritsumeikan University |
|---|
Principal Investigator |
出浦 桃子 立命館大学, 立命館グローバル・イノベーション研究機構(BKC), 准教授 (90609299)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石部 貴史 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (50837359)
溝尻 瑞枝 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (70586594)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
|
| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
|
| Budget Amount *help |
¥19,110,000 (Direct Cost: ¥14,700,000、Indirect Cost: ¥4,410,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥9,880,000 (Direct Cost: ¥7,600,000、Indirect Cost: ¥2,280,000)
|
|---|
| Keywords | 窒化物半導体 / 熱電特性 / 薄膜構造制御 / 排熱有効利用 / モノリシック集積 |
|---|
| Outline of Research at the Start |
生活のあらゆる場面で利用される半導体光・電子デバイスは，排熱が深刻な課題である．排熱有効利用技術として，光・電子－熱電デバイスをモノリシック（一体）集積した「排熱エネルギー回生システム」を提案している．その実現に向けて，これまで光・電子デバイスに用いられてきた窒化物半導体を熱電デバイス材料としても採用する．窒化物半導体薄膜の構造特性・結晶特性と熱電特性との関係を解明した上で，構造制御によって熱電性能を向上させることを目指す．
|
| Outline of Annual Research Achievements |
半導体デバイス排熱の有効利用技術である，光・電子デバイスと熱電デバイスを一体（モノリシック）集積した「排熱エネルギー回生システム」の実現に向けて，窒化物半導体熱電薄膜の特性解明と性能向上に取り組んでいる．2023年度は下記3点を行った．
1) 混晶薄膜の結晶成長：高周波プラズマ支援分子線エピタキシー（RF-MBE）を用いて，c面GaN/sapphireテンプレート基板上に，InGaNおよびInAlNの混晶薄膜の結晶成長を行った．InGaNについては，成長シーケンスを工夫することにより，In組成40%までの比較的高品質な薄膜を得ることに成功した．一方，InAlNについては，GaNに格子整合するIn20%付近の成長を検討した．高温では相分離しやすいこと，膜厚増加するとクラックが発生しやすいことが明らかになり，適切な成長条件範囲が通常の窒化物半導体のRF-MBEと異なることを見出した．
2) 熱電特性評価：テンプレートのGaN層および1)で得られたInGaN・InAlN薄膜について，ゼーベック係数および電気伝導率を評価した．オーミック電極は，以前確立した形成手法が利用できることが分かった．InGaNについては文献と同様のゼーベック係数値が得られたが，電気伝導率が小さかった．InAlNのゼーベック係数は文献と大きく異なった．いずれも結晶品質に起因すると考えられることが分かった．一方，下地GaN層の電気伝導率やゼーベック係数が無視できないことが明らかになり，その影響を除去した評価が必要なことが分かった．
3) 伝熱計算：基板や薄膜の物性値（文献値）を利用して，汎用有限要素法解析ソフトウェアにより，光・電子－熱電デバイスのモノリシック集積モジュールの構造を仮定し，伝熱計算を開始した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
①InGaN・InAlN熱電薄膜成長の難易度が想定以上に高く，再現性も含めた成長条件の確立に時間を要している．
②RF-MBE装置の不具合が発生し，使用不可期間が想定以上に多かった．
③国際情勢の影響や，作製条件の未確立などの理由により，GaN/sapphireテンプレート基板の入手が安定しなかった．
|
| Strategy for Future Research Activity |
1) 混晶薄膜の結晶成長：InNも含めた全In組成域でのInGaN薄膜の成長条件を確立する．In組成20％InAlN薄膜の成長条件を確立する．In組成の異なるInAlN薄膜の成長条件を検討する．
2) 熱電特性評価：下地GaN層の影響を除去して，1)で得られたInGaN・InAlN薄膜のゼーベック係数・電気伝導率を評価する．窒化物半導体熱電薄膜の熱伝導率測定手法を確立する．
3) モノリシック集積モジュールの構造検討：モノリシック集積モジュールの構造を複数提案し，伝熱計算により構造設計・熱設計を行う．
|
Report
(1 results)
Research Products
(7 results)
