2020 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of effects of interfacial electronic states on thermoelectric properties of core-shell Si nanowires
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20K15150
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
上杉 晃生 神戸大学, 工学研究科, 助教 (90821710)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | シリコンナノワイヤ / 熱電変換 / コア/シェル半導体 / ナノ構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高熱電変換効率を持つコアシェル(Core/shell)シリコンナノ細線（SiNWs）と、これを熱電素子とする発電モジュールの実現に向けて、令和2年度は、シリコンナノ細線を熱電変換素子として集積するための結晶成長方位制御技術の開発と、低不純物濃度半導体ナノ細線の電気伝導性にシェル薄膜が及ぼす影響の評価、Core/shellシリコンナノ細線の熱電特性を評価するための計測装置の開発と評価デバイスの試作を実施した。
シリコンナノ細線を熱電発電素子とする場合、特定の領域と特定の方向へと架橋成長させて集積させることが望ましいと考えられるが、従来のVLS(Vapor-Liquid-Solid)結晶成長法のみでこれを実現するのは容易ではなく、上記の開発において、触媒金ナノ粒子のシリコン基板表面での熱拡散処理と、メタルアシスト化学エッチング法、VLS結晶成長法を組み合わせた手法を開発することで、同一の触媒ナノ粒子を用いて基板表面にナノホール群を形成してから続けて結晶成長させることにより、シリコンナノ細線の初期の結晶成長を特定の結晶方位へと促進することに成功した。この手法はp型とn型のどちらの導電型のシリコン基板においても可能であり、シリコンナノ細線をユニレグ型およびπ型の熱電素子として集積するのに有効な手法と考えられる。
Core/shellシリコンナノ細線の熱電特性の評価に向けて、真空雰囲気下で，近赤外線レーザーによる評価デバイスの局所的な加熱を可能とする計測装置を開発した。真空下での計測により周囲気体を介した熱伝達が抑制され、微小領域に集積されたシリコンナノ細線の正確な熱電特性の把握が可能となる。また、シリコンナノ細線の架橋成長による集積後に表層不純物ドーピング・Core/shell構造化を行った熱電特性評価デバイスの試作を行った。今後、微細加工および熱電特性計測結果をもとに改良を進める。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
シリコンナノ細線を熱電評価デバイスおよび熱電発電モジュールに集積するために必要な、結晶成長制御技術において大きな進捗が得られたこと、低不純物濃度半導体ナノ細線の電気伝導性にシェル薄膜が及ぼす影響について実験的に知見が得られたこと、またシリコンナノ細線の熱電特性評価のための計測装置開発が十分な進捗状況にあることから、全体として『おおむね順調に進展している。』と判断する。一方で、表層不純物ドーピング・Core/shell構造化を行ったシリコンナノ細線を集積させた熱電特性評価デバイスの試作においては、試作時の微細加工時の課題、正確な熱電特性評価に向けた課題が確認され、次年度にこれを考慮した評価デバイスの開発を進める。また、当初の予定では、Core/shell構造化後に電荷付加を行う方法として主としてコロナ放電を用いた方法を検討していたが、調査の結果、紫外光による光電効果を利用した電荷付加方法の方がより適しているとの判断に至ったため、これを組み合わせたCore/shell構造化手法の開発を進めており、次年度に有効性を検証する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和2年度に実施した、表層不純物ドーピング・Core/shell構造化を施したシリコンナノ細線を集積させた熱電特性評価デバイスの試作と評価において抽出された課題に対応し、シリコンナノ細線の正確な熱電特性の把握に向けて熱電特性評価デバイスの開発を進め、その評価を実施する。またこれと並行して、シリコンナノ細線のCore/shell構造化で成膜するシェルの薄膜に対して、紫外光による光電効果を利用した電荷付加を行ってその有効性の検証を実施し、注入条件の最適化を試みる。そののちにCore/shellシリコンナノ細線にこれを適用し、その影響の評価を実施する。
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