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2021 Fiscal Year Annual Research Report

IV族混晶バンドエンジニアリングを基軸とした巨大熱電能の制御とデバイス応用

Research Project

Project/Area Number 21H01366
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

黒澤 昌志  名古屋大学, 工学研究科, 講師 (40715439)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 片瀬 貴義  東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (90648388)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
KeywordsIV族混晶 / ゲルマニウムスズ / シリコンスズ / ドーピング / 熱起電力
Outline of Annual Research Achievements

本年度得られた成果を以下の通りまとめる。

(1)ゲルマニウムスズ薄膜:分子線エピタキシー法によりn型ゲルマニウムスズ薄膜(スズ組成:3%、ドーパント: Sb)を形成した。パワーファクタのキャリア濃度依存性を調査したところ、5E19 cm-3において最大値(~30 μWcm-1K-2@室温)が得られることが分かった。n型のBiTe系薄膜の報告値(25 μWcm-1K-2)に匹敵する値である。低温での物性計測も進め、100 K以下の温度において、拡散理論では説明できない熱起電力の増大が認められた。結果として、パワーファクタは最大で10E3 μWcm-1K-2に到達した。

(2)シリコンスズ薄膜:シリコン中のスズ固溶限は0.1%と非常に低く、結晶成長過程でSn析出しやすい系である。リスクヘッジとして2つの結晶成長法(分子線エピタキシー法、スパッタリング法)を試みた。成膜レートの高速化によりSn析出をある程度抑制できることを見出した。特に、格子マッチング系(シリコンゲルマニウムバッファ上のシリコンスズ)においては、Sn析出せずに結晶成長が進行した結果、設計通りのSn導入(10%)を達成した。イオン注入を用いたn型ドーピングも行い、Hall電子濃度を10E18~10E20 cm-3の間で制御することにも成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の予定通り、バルク並みのゲルマニウムスズ薄膜やシリコンスズ薄膜の形成に成功している。低温形成した薄膜でもバルクに匹敵するキャリア移動度が得られることを示した非常にインパクトある成果である。低温物性の計測も順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

物性計測システムを遠隔操作できるように環境整備を進めて、低温物性計測のスピードアップを図る。C含有のIV族混晶薄膜の形成にもトライし、物性解明を計画通り進める。

  • Research Products

    (10 results)

All 2022 2021

All Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 3 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results)

  • [Journal Article] Reinforcement of power factor in N-type multiphase thin film of Si1-x-yGexSny by mitigating the opposing behavior of Seebeck coefficient and electrical conductivity2021

    • Author(s)
      Lai Huajun、Peng Ying、Gao Jie、Song Haili、Kurosawa Masashi、Nakatsuka Osamu、Takeuchi Tsunehiro、Miao Lei
    • Journal Title

      Applied Physics Letters

      Volume: 119 Pages: 113903

    • DOI

      10.1063/5.0062339

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] (Invited) Thermoelectric Properties of Tin-Incorporated Group-IV Thin Films2021

    • Author(s)
      Kurosawa Masashi、Nakatsuka Osamu
    • Journal Title

      ECS Transactions

      Volume: 104 Pages: 183~189

    • DOI

      10.1149/10404.0183ecst

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Constructed Ge Quantum Dots and Sn Precipitate SiGeSn Hybrid Film with High Thermoelectric Performance at Low Temperature Region2021

    • Author(s)
      Peng Ying、Miao Lei、Liu Chengyan、Song Haili、Kurosawa Masashi、Nakatsuka Osamu、Back Song Yi、Rhyee Jong Soo、Murata Masayuki、Tanemura Sakae、Baba Takahiro、Baba Tetsuya、Ishizaki Takahiro、Mori Takao
    • Journal Title

      Advanced Energy Materials

      Volume: 12 Pages: 2103191

    • DOI

      10.1002/aenm.202103191

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Comparative Thermoelectric Performance Demonstration Between Cavity-free GeSn and Si Thermoelectric Generators2022

    • Author(s)
      M. M. H. Mahfuz, K. Katayama, Y. Ito, K. Fujimoto, M. Tomita, M. Kurosawa, T. Matsuki, and T. Watanabe
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Si1-xGexバッファ上におけるSi1-xSnx薄膜の結晶成長2022

    • Author(s)
      藤本一彰, 黒澤昌志, 中塚理
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] 固相エピタキシャル成長法によるPドープSi1-xSnx薄膜の形成2022

    • Author(s)
      大岩樹, 黒澤昌志, 中塚理
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
  • [Presentation] Group-IV materials grown on insulator for advanced thin-film thermoelectric applications2021

    • Author(s)
      M. Kurosawa and O. Nakatsuka
    • Organizer
      International Conference on Solid State Devices and Materials 2021 (SSDM2021)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Thermoelectric properties of tin-incorporated group-IV thin films2021

    • Author(s)
      M. Kurosawa and O. Nakatsuka
    • Organizer
      240th ECS Meeting
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Demonstration of Cavity-free GeSn Thermoelectric Generator2021

    • Author(s)
      K. Katayama, M. M. H. Mahfuz, M. Nakata, Y. Ito, K. Fujimoto, M. Tomita, M. Kurosawa, T. Matsuki, and T. Watanabe
    • Organizer
      2021 International Workshop on Dielectric Thin Films for Future Electron Devices: Science and Technology (2021 IWDTF)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] GaAs基板上におけるSi1-xSnx薄膜の結晶成長2021

    • Author(s)
      藤本一彰, 黒澤昌志, 中塚理
    • Organizer
      第82回応用物理学会秋季学術講演会

URL: 

Published: 2022-12-28  

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