タンデム型熱電セル作製のための高品質混晶半導体結晶成長と溶質輸送効果の解明

2013 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25289087
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 早川 泰弘 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (00115453)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 立岡 浩一 静岡大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40197380) ; 池田 浩也 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (00262882) ; ムカンナン アリバナンドハン 静岡大学, 電子工学研究所, 助教 (50451620) ; 岡野 泰則 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90204007) ; 稲富 裕光 独立行政法人宇宙航空研究開発機構, その他部局等, 准教授 (50249934)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 熱電デバイス / 混晶半導体 / シリコンゲルマニウム / 溶質輸送効果 / X線透過法

Research Abstract

本研究の目的は、SiGeとMg2SiGeタンデム型熱電セルを作製し廃熱の有効利用に寄与することである。そのために、SiGe混晶半導体バルク結晶成長に対する溶質輸送効果を明らかにし、高品質な結晶成長技術を開発する。具体的には、(1) X線透過法によるSiGe高温溶液中の濃度分布その場観察実験と数値解析による溶質輸送効果の把握、(2) 温度差徐冷法と熱パルス導入法を組み合わせた方法及び静磁場印加対流抑制法による均一組成SixGe1-x単結晶成長技術の開発、(3)不純物ドーピングと形態制御の最適化による熱電特性向上を図り、(4) SiGeとMg2SiGeタンデム型熱電セルを試作する。
本年度は、X線透過法を用いてSi供給原料溶解過程、Si-Ge溶液中の濃度分布、SiGe結晶成長過程を時間の関数として測定し、SiGe混晶半導体結晶成長に対する溶質輸送効果を調べた。Si種結晶/Ge/Si供給原料から構成されるサンドイッチ構造試料を窒化ボロン管に入れ、これをさらに石管に入れて真空封入した。この試料を温度勾配が1.16 °C/mmの電気炉の中に入れ、温度制御しながら、X線を試料に照射した。その結果、種結晶側の温度が供給原料側の温度よりも低いにも関わらず、低温側のSi種結晶の溶解が促進されることが明瞭に示された。これは、Siの液体密度がGeの液体密度よりも低いため、軽いSi溶質が密度差に起因した溶質対流により上部に輸送され種結晶側の溶液が未飽和になるためであった。一方、上部の供給原料近傍では、Si溶質濃度が高くなるため、供給原料の溶解が抑制された。この結果は、結晶の溶解過程に重力が大きな影響を及ぼすことを示している。温度差法徐冷法を用いて、均一組成のSiGe混晶半導体のバルク結晶を成長させた。n型不純物としてSb を1x1018 cm-3 添加したSiGe結晶のゼーベック係数は室温で350 マイクロV/K、抵抗率は0.053 オーム-cmであった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究の目的の中の(1) X線透過法によるSiGe高温溶液中の濃度分布その場観察実験と数値解析による溶質輸送効果の把握、(2)均一組成SixGe1-x単結晶成長技術の開発に関して成果が得られた。研究成果も学術論文Journal of Alloys and Compounds（IF:2.5）に採択され、また本研究に関する著書も1冊刊行しており、研究はおおむね順調に進展していると判断している。

Strategy for Future Research Activity

問題点はない。今後、不純物ドーピングと形態制御の最適化による熱電特性向上を図り、(SiGeとMg2SiGeタンデム型熱電セルを試作することに挑戦する。

Research Products

• [Journal Article] Analysis of dissolution and growth process of SiGe alloy semiconductor based on penetrated X-ray intensities (2014)
  • Author(s): M.Omprakash, M.Arivanandhan, R.Arun Kumar, H.Morii, T.Aoki, T.Koyama, Y.Momose, H.Ikeda, H.Tatsuoka, Y.Okano, T.Ozawa, S.Moorthy Babu, Y.Inatomi and Y.Hayakawa
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 590 Pages: 96-101
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.12.093
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Thermoelectric properties of Ga doped SiGe bulk crystal (2014)
  • Author(s): M.Omprakash, M.Arivanandhan, P.ANANDAN, H.Morii, T.Aoki, T.Koyama, Y.Momose, H.Ikeda, H.Tatsuoka, Y.Okano, T.Ozawa, Y.Inatomi, S.Moorthy Babu and Y.Hayakawa
  • Organizer: 第61回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学 (神奈川県淵野辺市)
  • Year and Date: 20140317-20140320
• [Presentation] A novel method for the in-situ observation of dissolution and growth process of alloy semiconductor (2014)
  • Author(s): M.Arivanandhan, M.Omprakash, H.Morii, T.Aoki, T.Koyama, Y.Momose, H.Ikeda, H.Tatsuoka, Y.Okano, T.Ozawa, Y.Inatomi, S.Moorthy Babu and Y.Hayakawa
  • Organizer: International Conference on Materials and Characterization Techniques (ICMCT 2014)
  • Place of Presentation: VIT University, Vellore, India
  • Year and Date: 20140310-20140312
  • Invited
• [Presentation] In-situ Observation of Crystal Growth of SiGe by X-ray Penetration Method (2013)
  • Author(s): M.Omprakash, M.Arivanandhan, H.Morii, T.Aoki, T.Koyama, Y.Momose, H.Ikeda, H.Tatsuoka, Y.Okano, T.Ozawa, Y.Inatomi, S.Moorthy Babu and Y.Hayakawa
  • Organizer: 10th Materails Science School for Young Scientists, Kinkenn Wakata 2013
  • Place of Presentation: Kinnkenn, Sendai, Japan
  • Year and Date: 20131121-20131122
• [Presentation] Temprature gradient effect on dissolution and growth process of SiGe bulk crystal (2013)
  • Author(s): M.Omprakash, M.Arivanandhan, R.Arun Kumar, H.Morii, T.Aoki, T.Koyama, Y.Momose, H.Ikeda, H.Tatsuoka, Y.Okano, T.Ozawa, Y.Inatomi, S.Moorthy Babu and Y.Hayakawa
  • Organizer: The 15th Takayanagi Kenjiro memorial symposium
  • Place of Presentation: Shizuoka University, Hamamatsu, Japan
  • Year and Date: 20131112-20131123
• [Presentation] In-situ observation of SiGe growth process based on penetrated X-ray intensities (2013)
  • Author(s): M.Omprakash, M.Arivanandhan, R.Arun Kumar, H.Morii, T.Aoki, T.Koyama, Y.Momose, H.Ikeda, H.Tatsuoka, Y.Okano, T.Ozawa, Y.Inatomi, S.Moorthy Babu and Y.Hayakawa
  • Organizer: 第43回結晶成長国内会議
  • Place of Presentation: 長野市生涯学習センター(長野市生涯学習センター)
  • Year and Date: 20131106-20131108
• [Presentation] Effect of solute transport and growth process of SiGe bulk crystal (2013)
  • Author(s): M.Omprakash, M.Arivanandhan, R. Arun Kumar, H.Morii, T.Aoki, T.Koyama, Y.Momose, H.Ikeda, H.Tatsuoka,Y.Okano, T.Ozawa, Y.Inatomi, S.Moorthy Babu and Y.Hayakawa
  • Organizer: The 2013 Korean-Japanese-Student Workshop
  • Place of Presentation: Shizuoka University, Hamamatsu, Japan
  • Year and Date: 20131031-20131101
• [Presentation] Methods to grow homogenous SiGe bulk crystal for thermoelectric application (2013)
  • Author(s): M.Omprakash, M.Arivanandhan, R. Arun Kumar, H.Morii, T.Aoki, T.Koyama, Y.Momose, H.Ikeda, H.Tatsuoka,Y.Okano, T.Ozawa, Y.Inatomi, S.Moorthy Babu and Y.Hayakawa
  • Organizer: Asia-Pacific Conference on Green Technology with Silicides and Related Materials (APAC-Silicide 2013)
  • Place of Presentation: University of TsukubaTsukuba, Japan
  • Year and Date: 20130727-20130729
  • Invited
• [Presentation] Investigation on growth mechanism of SiGe by X-ray penetration method (2013)
  • Author(s): M.Omprakash, M.Arivanandhan, R. Arun Kumar, H.Morii, T.Aoki, T.Koyama, Y.Momose, H.Ikeda, H.Tatsuoka,Y.Okano, T.Ozawa, Y.Inatomi, S.Moorthy Babu and Y.Hayakawa
  • Organizer: The 32nd International Conference on Thermoelectrics
  • Place of Presentation: Kobe International Conference Center, Kobe, Japa
  • Year and Date: 20130630-20130704
• [Presentation] The dissolution process of Si into Ge melt and SiGe growth mechanism by X-ray penetration method (2013)
  • Author(s): M.Omprakash, M.Arivanandhan, R.A.Kumar, H.Morii, T.Aoki, T.Koyama, Y.Momose, H.Ikeda, H.Tatsuoka, Y.Okano, T.Ozawa, Y. Inatomi, S.Moorth Babu, and Y. Hayakawa
  • Organizer: 電子情報通信学会、電子部品・材料研究会
  • Place of Presentation: 静岡大学(静岡県浜松市)
  • Year and Date: 20130516-20130517
• [Book] Research Developments in Crystal Growth“Compositionally homogeneous Si1-xGex and Mg2Si1-xGex bulk crystals for thermoelectric applications” (2013)
  • Author(s): M.Arivanandhan, Y.Inatomi and Y.Hayakawa
  • Total Pages: 18
  • Publisher: T Transworld Research Network
• [Remarks] 早川研究室
  • URL: http://maruhan.rie.shizuoka.ac.jp/