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2023 Fiscal Year Annual Research Report

狭ギャップ半導体の量子輸送制御による高環境調和型熱電変換シートの開発

Research Project

Project/Area Number 21H01358
Research InstitutionUniversity of Tsukuba

Principal Investigator

都甲 薫  筑波大学, 数理物質系, 准教授 (30611280)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords半導体
Outline of Annual Research Achievements

軽くてやわらかいプラスチック上に熱電材料を薄膜合成した「フレキシブル熱電変換シート」は、IoT社会で不可欠となる微小エネルギー(μW~mW)を利用したセンサやウェアラブル・デバイスへの応用が期待されている。その社会実装には、無毒で安全かつ高い信頼性をもつエコマテリアルの選択が重要となる。本研究では、狭ギャップ環境半導体であるGe系IV族混晶の熱電薄膜としての高いポテンシャルを実証する。研究代表者はこれまで、プラスチック上Ge膜においてキャリアの粒界障壁を劇的に低減し、多結晶薄膜として世界最高のキャリア移動度を達成した。本技術をベースとし、「混晶」「粒界」「フェルミ準位」の3要素と量子(キャリア・フォノン)輸送特性の相関を解明・制御するとともに、高環境調和型熱電変換シートとして最高性能(室温、微小温度差でμW出力)を実証することを目的とする。
昨年度においては、3元混晶GeSiSn薄膜について、拡散材を用いることで伝導型をp型およびn型に制御した。さらに、GeSiSnの組成を変調することによって高い導電率を維持しながら低い熱伝導率を得ることに成功し、低温結晶化したIV族半導体系熱電材料として最高水準の無次元性能指数を達成した。しかし、拡散材を用いた不純物ドーピングには高温プロセスが必要であり、プラスチックフィルムを基板として用いることは難しい。そこで本年度においては、不純物を堆積時に添加しておくことで、結晶化過程で不純物活性化を行う手法を検討した。その結果、プラスチックを損傷しない低いプロセス温度において、高い性能(出力因子)を得ることに成功した。現在、フレキシブル熱電素子の試作と評価を遂行中だが、膜自体の特性とデバイス構造から、目標としてきたμWオーダーの出力が期待される。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (20 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 3 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 5 results) Patent(Industrial Property Rights) (3 results) (of which Overseas: 1 results)

  • [Journal Article] Bayesian-Optimization-Driven Enhancement of Thermoelectric Properties of Polycrystalline III-V Semiconductor Thin Films2024

    • Author(s)
      T. Ishiyama, K. Nozawa, T. Nishida, T. Suemasu, and K. Toko
    • Journal Title

      NPG Asia Materials

      Volume: 16 Pages: 17

    • DOI

      10.1038/s41427-024-00536-w

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] High Thermoelectric Performance in Polycrystalline Yb3Ge5 Thin Films2024

    • Author(s)
      T. Ishiyama, T. Ozawa, N. Saitoh, N. Yoshizawa, T. Suemasu, and K. Toko
    • Journal Title

      APL Materials

      Volume: 12 Pages: 54848

    • DOI

      10.1063/5.0172322

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Thermoelectric properties of low-temperature-grown polycrystalline InAs1?xSbx films2024

    • Author(s)
      T. Nishida, T. Ishiyama, K. Nozawa, T. Suemasu, and K. Toko
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 119 Pages: 132101

    • DOI

      10.1063/5.0178996

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Metal-induced lateral crystallization of germanium thin films2023

    • Author(s)
      T. Ishiyama, K. Igura, T. Suemasu, and K. Toko
    • Journal Title

      Materials & Design

      Volume: 232 Pages: 112116

    • DOI

      10.1016/j.matdes.2023.112116

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] High-electron mobility P-doped polycrystalline GeSn layers formed on insulators at low temperatures2023

    • Author(s)
      K. Nozawa, T. Ishiyama, T. Nishida, N. Saitoh, N. Yoshizawa, T. Suemasu, and K. Toko
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 122 Pages: 201901

    • DOI

      10.1063/5.0152677

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Interfacial Nucleation Control in Amorphous GeSn Thin Films Using Bilayer Structure2023

    • Author(s)
      S. Maeda, T. Ishiyama, N. Saitoh, N. Yoshizawa, T. Suemasu, and K. Toko
    • Journal Title

      Crystal Growth & Design

      Volume: 23 Pages: 5535

    • DOI

      10.1021/acs.cgd.3c00163

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 多結晶n型Ge薄膜における水素パッシベーション効果2024

    • Author(s)
      野沢 公暉, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • Invited
  • [Presentation] 表面電位測定による多結晶 Ge 薄膜の粒界特性評価2024

    • Author(s)
      前田 真太郎, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Improvement of Thermoelectric Performance of Polycrystalline III-V Semiconductor Thin Films using Bayesian Optimization2023

    • Author(s)
      T. Ishiyama, K. Nozawa, T. Suemasu, and K. Toko
    • Organizer
      2023 International Conference on Solid State Devices and Materials
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] High carrier mobilities in polycrystalline germanium layers for flexible electronics2023

    • Author(s)
      Koki Nozawa, Takashi Suemasu, and Kaoru Toko
    • Organizer
      E-MRS 2023 Spring Meeting
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Thermoelectric application of Ge-based group IV semiconductor layers2023

    • Author(s)
      Shintaro Maeda, Kaoru Toko and Takashi Suemasu
    • Organizer
      E-MRS 2023 Spring Meeting
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Record-High Electron Mobility in Polycrystalline GeSn Thin Films on Insulators2023

    • Author(s)
      Koki Nozawa, Takashi Suemasu, and Kaoru Toko
    • Organizer
      ISTDM-ICSI2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ベイズ最適化による多結晶III-V族半導体薄膜の熱電性能向上2023

    • Author(s)
      石山 隆光, 野沢 公暉, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 核発生制御による多結晶GeSn薄膜の低欠陥・高移動度化2023

    • Author(s)
      前田 真太郎, 石山 隆光, 茂藤 健太, 山本 圭介, 末益 崇, 都甲 薫
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • [Presentation] 半導体薄膜の低温結晶化プロセスとデバイス応用2023

    • Author(s)
      都甲 薫
    • Organizer
      東京大学マテリアル工学セミナー
    • Invited
  • [Presentation] Thermoelectric properties of low-temperature polycrystalline group IV semiconductor thin films2023

    • Author(s)
      K. Toko
    • Organizer
      ISSP Regular Workshop
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 次世代電子デバイスに向けた高機能半導体薄膜の開発2023

    • Author(s)
      都甲 薫
    • Organizer
      会いに行ける科学者フェス
    • Invited
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 電気的特性推定装置、推定モデル生成装置、電気的特性推定方法、推定モデル生成方法及びコンピュータプログラム2023

    • Inventor(s)
      野沢公暉,石山隆光,都甲薫
    • Industrial Property Rights Holder
      野沢公暉,石山隆光,都甲薫
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2023-218088
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 半導体装置、及び、半導体装置の製造方法2022

    • Inventor(s)
      都甲薫、中村宗敦,前田郷司
    • Industrial Property Rights Holder
      都甲薫、中村宗敦,前田郷司
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      国際特許(台湾) I825974
    • Overseas
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 半導体装置とその製造方法2021

    • Inventor(s)
      都甲薫、末益崇
    • Industrial Property Rights Holder
      都甲薫、末益崇
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      第7360180号

URL: 

Published: 2024-12-25  

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