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

2023 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21H01366
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 黒澤 昌志 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (40715439)
• 研究分担者: 片瀬 貴義 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (90648388)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: IV族混晶 / ゲルマニウムスズ / シリコンスズ / 薄膜 / フォノンドラッグ

研究実績の概要

本年度得られた主な成果を以下に示す。
●Si基板上へのゲルマニウムスズ(GeSn)薄膜の固相エピタキシャル成長： X線回折2次元逆格子空間マッピングによる歪み評価によりGeSn薄膜への伸長歪み印加が確認された。熱処理時の温度および試料冷却速度とともに伸長歪みが増大する傾向が見られたことから、Si基板とGeSn薄膜との熱膨張係数差に起因するものと示唆される。
●IV族3元混晶（シリコンゲルマニウムスズ:SiGeSn）薄膜の低温熱電物性：分子線エピタキシー法を用い、半絶縁性GaAs基板上SiGeSn薄膜のゼーベック係数について、温度依存性（5～300 K）を調査した。SiGeSn薄膜においても、昨年度まで実施したIV族2元混晶(GeSn、SiSn)薄膜と同様、フォノンドラッグ起因と考えられるゼーベック係数の増大が見られ、20K付近にピークが出現した。興味深いことに、GaAs基板上GeSn薄膜で得られたピーク位置とほぼ一致していた。GeSn薄膜ではキャリア濃度が増大するにつれてフォノンドラッグ成分が減少していた一方、SiGeSn薄膜ではキャリア濃度が増大してもフォノンドラッグ成分が高い値を維持していた。その結果、GeSnのパワーファクタより2倍程度大きな値(2.3×10E3 μW/cmK2)が SiGeSn薄膜で得られた。

現在までの達成度 (段落)

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Tensile-strained Ge1－xSnx layers on Si(001) substrate by solid phase epitaxy featuring seed layer introduction (2024)
  • 著者名/発表者名: Hiraide Tatsuma、Shibayama Shigehisa、Kurosawa Masashi、Sakashita Mitsuo、Nakatsuka Osamu
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 63 ページ: 045505～045505
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad358f
  • 査読あり
• [雑誌論文] Planar-type SiGe thermoelectric generator with double cavity structure (2024)
  • 著者名/発表者名: Koike S.、Yanagisawa R.、Jalabert L.、Anufriev R.、Kurosawa M.、Mori T.、Nomura M.
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 124 ページ: 123902-1～6
  • DOI: 10.1063/5.0191450
  • 査読あり
• [雑誌論文] Layer transfer of epitaxially grown Ge-lattice-matched Si27.8Ge64.2Sn8 films (2024)
  • 著者名/発表者名: Maeda Tatsuro、Ishii Hiroyuki、Chang Wen Hsin、Zhang Shiyu、Shibayama Shigehisa、Kurosawa Masashi、Nakatsuka Osamu
  • 雑誌名: Materials Science in Semiconductor Processing 巻: 176 ページ: 108304～108304
  • DOI: 10.1016/j.mssp.2024.108304
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lattice-matched growth of high-Sn-content (x~0.1) Si1-xSnx layers on S1-yGey buffers using molecular beam epitaxy (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujimoto Kazuaki、Kurosawa Masashi、Shibayama Shigehisa、Sakashita Mitsuo、Nakatsuka Osamu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 16 ページ: 045501～045501
  • DOI: 10.35848/1882-0786/acc3da
  • 査読あり
• [雑誌論文] Preparation and thermoelectric characterization of boron-doped Si nanocrystals/silicon oxide multilayers (2023)
  • 著者名/発表者名: Shibata Keisuke、Kato Shinya、Kurosawa Masashi、Gotoh Kazuhiro、Miyamoto Satoru、Usami Noritaka、Kurokawa Yasuyoshi
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 62 ページ: SC1074～SC1074
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acb779
  • 査読あり
• [学会発表] GaAs基板に形成したSbドープGe1-x-ySixSny薄膜の低温熱電物性 (2024)
  • 著者名/発表者名: 椙村樹, 中田壮哉, 柴山茂久, 坂下満男, 中塚理, 片瀬貴義, 黒澤昌志
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 高抵抗Si(111)基板上へのCaSi2薄膜形成と低温熱電物性評価 (2024)
  • 著者名/発表者名: 加藤高, 柴山茂久, 坂下満男 , 中塚理, 片瀬貴義, 黒澤昌志
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Low-temperature Thermoelectric Properties of GeSn Alloys Films (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Kurosawa, T. Katase, Y. Imai, M. Nakata, M. Kimura, T. Kamiya, S. Shibayama, M. Sakashita, and O. Nakatsuka
  • 学会等名: The Joint ISDTM/ICSI conference 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Determining the Superiority of Cavity-Free Thermoelectric Generators Composed of GeSn and Si Wires (2023)
  • 著者名/発表者名: M. M. H. Mahfuz, M. Kurosawa, T. Matsuki, and T. Watanabe
  • 学会等名: The Joint ISDTM/ICSI conference 2023
  • 国際学会
• [学会発表] 高濃度n型ドープSi1－xSnx薄膜の低温熱電物性評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大岩樹, 柴山茂久, 坂下満男, 中塚理, 片瀬貴義, 黒澤昌志
  • 学会等名: 第7回フォノンエンジニアリング研究会
• [学会発表] Giant thermoelectric power of n-type Si1-xSnx layers grown on FZ-Si(001) substrates (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Oiwa, S. Shibayama, M. Sakashita, O. Nakatsuka, T. Katase, and M. Kurosawa
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials 2023 (SSDM2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Low-temperature thermoelectric power-factor enhancement of n-type Ge-rich Ge1-x-ySixSny layers (2023)
  • 著者名/発表者名: I. Sugimura, M. Nakata, S. Shibayama, M. Sakashita, O. Nakatsuka, T. Katase, and M. Kurosawa
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials 2023 (SSDM2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Seed-layer driven solid phase epitaxy of amorphous Ge1-xSnx layers on Si(001) substrates toward in-plane strain control (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Hiraide, M. Kurosawa, S. Shibayama, M. Sakashita, and O. Nakatsuka
  • 学会等名: International Conference on Solid State Devices and Materials 2023 (SSDM2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Si1－xSnx薄膜で観測される巨大熱電能の電子濃度依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 大岩樹, 柴山茂久, 坂下満男, 中塚理, 片瀬貴義, 黒澤昌志
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] PL法及びXPSによる単結晶Si1-xSnxのバンド構造評価 (2023)
  • 著者名/発表者名: 石崎寛規, 横川凌, 伊藤佑太, 大岩樹, 黒澤昌志, 小椋厚志
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] SiGe薄膜におけるナノ構造作製の熱電性能に与える影響 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小池壮太, 柳澤亮人, 黒澤昌志, Jha Rajveer, 辻井直人, 森孝雄, 野村政宏
  • 学会等名: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Epitaxial Growth Technique for Si1-xSnx Binary Alloy Thin Films (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Kurosawa, S. Shibayama, M. Sakashita, and O. Nakatsuka
  • 学会等名: 244th ECS Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Thermoelectric properties of P-doped and B-doped polycrystalline silicon thin films (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Shibata, S. Kato, M. Kurosawa, K. Gotoh, S. Miyamoto, T. Itoh, N. Usami, and Y. Kurokawa
  • 学会等名: 2023 MRS Fall Meeting & Exhibit
  • 国際学会
• [学会発表] A new challenge in group-IV materials: energy harvesting application & 2D crystal synthesizing (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Kurosawa, A. Ohta, M. Araidai, S. Shibayama, M. Sakashita, and O. Nakatsuka
  • 学会等名: 14th International Workshop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Thermoelectric properties of Sb-doped Ge1-x-ySixSny ternary alloy layers lattice matched to GaAs substrates (2023)
  • 著者名/発表者名: I. Sugimura, M. Nakata, S. Shibayama, M. Sakashita, O. Nakatsuka, T. Katase, and M. Kurosawa
  • 学会等名: 14th International Workshop on New Group IV Semiconductor Nanoelectronics
  • 国際学会