2023 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation of thermoelectric properties and performance improvement of nitride semiconductors for utilization of waste heat from semiconductor devices
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23H01454
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Ritsumeikan University |
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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)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| 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 |
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| 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．
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| 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．
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| 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．
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