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2015 年度 実績報告書

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

研究課題

研究課題/領域番号 25289087
研究機関静岡大学

研究代表者

早川 泰弘  静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (00115453)

研究分担者 池田 浩也  静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (00262882)
立岡 浩一  静岡大学, 工学部, 教授 (40197380)
稲富 裕光  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, その他部局等, 教授 (50249934)
岡野 泰則  大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90204007)
研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2016-03-31
キーワード熱電デバイス / シリコンゲルマニウム / マグネシウムシリコンゲルマニウム / ゼーベック係数 / 熱伝導率 / 性能指数 / 温度差徐冷法 / 溶質輸送
研究実績の概要

本研究は、 X線透過法による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、温度差徐冷法による均一組成SixGe1-x結晶成長技術の開発、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を目的とした。
(1) Si種結晶/Ge/Si供給原料から構成される試料アンプルを電気炉に挿入し、温度勾配下でGe融液中へのSi結晶の溶解過程とSiGe結晶成長過程を観察した。温度勾配が0.6 °C/ mmと低い場合は、密度差に起因した溶質輸送が支配的となる結果、低温側の種結晶の溶解が促進されるのに対して、温度勾配を1.2 °C/ mmと大きくすると温度の高い供給原料側からの溶解が促進されることが示された。同じ方法を用いて、微小重力環境下と地上でInGaSb結晶を成長させ、溶質輸送効果を調べた結果、地上では微小重力環境下より低温度側の結晶が溶解しやすいことが示され、本研究の妥当性が検証された。
(2)Si種結晶/Ge/Si供給原料から構成される試料アンプルを用いて温度差徐冷法により均一組成SiGe結晶を成長させた。温度勾配を0.5 °C/mmと小さくすることで組成変化を抑制し、組成変動が0.006と小さいSi0.73Ge0.27結晶成長に成功した。また、Ga添加(1 x 1018 cm-3) Si0.68Ge0.32 結晶とSb添加(1 x 1019 cm-3) Si0.73Ge0.27結晶を成長させ、ゼーベック係数、熱伝導率と無次元性能指数の温度依存性を調べた。Ga添加とSb添加試料の最大熱電性能指数はそれぞれ0.34と 0.44であり、今までに報告されているリン添加SiGeバルク結晶の値0.06よりも大きな値が得られた。
(3) P型とn型SiGeから構成される1セル型熱電素子を作製し、40 °Cの温度差で9.6 mVの電圧を得た。
(4) 均一組成のSiGeをMg雰囲気下で熱処理することで均一組成Mg2SiGe合成に成功した。

現在までの達成度 (段落)

27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

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

27年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

27年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (22件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 4件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 4件、 謝辞記載あり 3件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 8件、 招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] アンナ大学/バーバ原子研究センター(インド)

    • 国名
      インド
    • 外国機関名
      アンナ大学/バーバ原子研究センター
  • [国際共同研究] ビクトリア大学(カナダ)

    • 国名
      カナダ
    • 外国機関名
      ビクトリア大学
  • [国際共同研究] マラヤ大学(マレーシア)

    • 国名
      マレーシア
    • 外国機関名
      マラヤ大学
  • [雑誌論文] Vertical gradient solution growth of N-type Si0.73Ge0.27 bulk crystals with the homogeneous composition and its thermoelectric application2016

    • 著者名/発表者名
      M.Omprakash, M.Sabarinathan, M.Arivanandhan, D.K.Aswal, S.Bhattacharya, T.Koyama, Y.Momose, H.Ikeda, H.Tatsuoka, Y.Inatomi and Y.Hayakawa
    • 雑誌名

      Journal of Crystal Growth

      巻: 442 ページ: 102-109

    • DOI

      org/10.10.16/j.jcrysgro.2016.02.025

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] A numerical study on the growth process of InGaSb crystals under microgravity with interfacial kinetics2015

    • 著者名/発表者名
      H.Mirsandi, T.Yamamoto, Y.Takagi, Y.Okano Y.Inatomi, Y.Hayakawa and S.Dost
    • 雑誌名

      Microgravity Sci & Technol.

      巻: 27 ページ: 313-320

    • DOI

      10.1007/512217-015-9417-1

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Seebeck coefficient of Ge-on-insyulator layers fabricated by direct wafer bonding process2015

    • 著者名/発表者名
      V.Manimuthu, S.Yoshida, Y.Suzuki, F.Salleh, M.Arivanandhan, Y.Kamakura, Y.Hayakawa and
    • 雑誌名

      Advanced Materials Research

      巻: 1117 ページ: 94-97

    • DOI

      10.4028/www.scientific.net/AMR.1117.94

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Growth of InxGa1-xSb alloy semiconductor at the International Space Station (ISS) and comparison with terrestrial experiments2015

    • 著者名/発表者名
      Y.Inatomi, K.Sakata, M.Arivanandhan, G.Rajesh, V.Nirmal Kumar, T.Koyama, Y.Momose, T.Ozawa, Y.Okano and Y.Hayakawa
    • 雑誌名

      npj Microgravity

      巻: 1 ページ: 15011(1-5)

    • DOI

      10.1038/ npjmgrav

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Semiconductor crystal growth experiments under microgravity2016

    • 著者名/発表者名
      Y.Hayakawa, V.Nirmal Kumar, M.Arivanandhan, G.Rajesh, T.Koyama, Y.Momose, T.Ozawa, K.Sakata, Y.Okano and Y.Inatomi
    • 学会等名
      The 3rd Japan-China Workshop on Material Science in Space
    • 発表場所
      Ryukyu University (Naha, Okinawa, Japan)
    • 年月日
      2016-03-26 – 2016-03-27
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermoelectric properties of bulk and nanostructure Si1-xGex2016

    • 著者名/発表者名
      M.Omprakash, M.Sabarinathan, R.Takatsu, H.Tatsuoka, H.Ikeda, T.Koyama, Y.Momose, D.K.Aswal, S.Bhattacharya, M.Arivanandhan, Y.Inatomi and Y.Hayakawa
    • 学会等名
      第27回シリサイド系半導体研究会
    • 発表場所
      小山台会館(東京都、品川区)
    • 年月日
      2016-03-22
    • 招待講演
  • [学会発表] Fabrication of ultrathin Ge-on-insulator by direct wafer-bonding2016

    • 著者名/発表者名
      V.Manimuthu, M.Arivanandhan, Y.Hayakawa and H.Ikeda
    • 学会等名
      第63回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      東京工業大学大岡山キャンパス (東京都目黒区)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] 国際宇宙ステーション内InGaSb結晶成長に関する数値解析2016

    • 著者名/発表者名
      岡野泰則、Jin Xin、山本卓也、高木洋平、早川泰弘、稲富裕光
    • 学会等名
      第63回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      東京工業大学大岡山キャンパス (東京都目黒区)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] SiGe熱電材料の合成と特性評価2016

    • 著者名/発表者名
      早川泰弘
    • 学会等名
      戦略的創造研究推進事業(CREST)平成28年度チーム研究会
    • 発表場所
      熱海温泉ホテル・サンミ娯楽部(静岡県熱海市)
    • 年月日
      2016-03-07 – 2016-03-08
    • 招待講演
  • [学会発表] ナノワイヤサーモパイル型赤外線センサのための均一組成SiGe混晶の成長と熱電特性2016

    • 著者名/発表者名
      池田浩也、ムスサミ・オンプラカシュ、早川泰弘
    • 学会等名
      電子情報通信学会電子デバイス・シリコン材料デバイス合同研究会
    • 発表場所
      北海道大学・百年記念会館 (北海道札幌市)
    • 年月日
      2016-03-03 – 2016-03-04
  • [学会発表] Microgravity experiment of InGaSb alloy semiconductor crystals at International Space Station2015

    • 著者名/発表者名
      Y.Hayakawa, V.Nirmal Kumar, G.Rajesh, M.Arivanandhan, T.Koyama, Y.Momose, T.Ozawa, Y.Okano and Y. Inatomi
    • 学会等名
      The 60th DAE Solid State Physics Symposium
    • 発表場所
      Amity University (Noida, Uttar Pradesh, India)
    • 年月日
      2015-12-21 – 2015-12-25
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Thermoelectric properties of compositionally homogeneous P and N-type SiGe bulk crystals2015

    • 著者名/発表者名
      M.Omprakash, M.Arivanandhan, T.Koyama, Y.Momose, H.Ikeda, H.Tatsuoka, D.K.Aswal, S.Bhattacharya, Y.Okano, Y.Inatomi and Y.Hayakawa
    • 学会等名
      The 17th Takayanagi Kenjiro memorial symposium
    • 発表場所
      Shizuoka University (Hamamatsu, Shizuoka, Japan)
    • 年月日
      2015-11-17 – 2015-11-18
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical simulation of InGaSb crystals growth under Micro-Gravity environment onboard the International Space Station2015

    • 著者名/発表者名
      X.Jin, H.Mirsandi, T.Yamamoto, Y.Takagi, Y.Okano, Y.Inatomi, Y.Hayakawa and S.Dost
    • 学会等名
      14th International Conference on Global Research and Education
    • 発表場所
      Shizuoka University (Hamamatsu, Shizuoka, Japan)
    • 年月日
      2015-09-28 – 2015-09-30
    • 国際学会
  • [学会発表] Growth properties of InGaSb ternary alloys under Microgravity and normal gravity conditions2015

    • 著者名/発表者名
      V.Nirmal Kumar, M.Arivanandhan, T.Koyama, Y.Momose, Y.Inatomi, K.Sakata, T.Ishikawa, M.Takayanagi, S.Yoda, Y.Kamigaichi, T.Ozawa, Y.Okano and Y.Hayakawa
    • 学会等名
      The Joint Conference of 6th International Symposium on Physical Sciences in Space and 10th International Conference on Two-Phase Systems for Space and Ground Applications
    • 発表場所
      Doshisha University (Kyoto, Kyoto, Japan)
    • 年月日
      2015-09-14 – 2015-09-19
    • 国際学会
  • [学会発表] Phonon drag effect on Seebeck coefficient in p-type Si1-xGex2015

    • 著者名/発表者名
      H.Ikeda, V.Manimuthu, Y.Suzuki, M.Omprakash, F.Salleh, M.Arivanandhan, Y.Kamakura and Y.Hayakawa
    • 学会等名
      Multinational Congress on Microscopy
    • 発表場所
      Hotel Eger & Park (Eger, Hungary)
    • 年月日
      2015-08-23 – 2015-08-29
    • 国際学会
  • [学会発表] Siのゼーベック係数に与えるフォノンドラッグ効果2015

    • 著者名/発表者名
      ファイズ サレ、荒巻豪士、鈴木悠平、ベラッパン マニムス、ムスサミ オンプラカシュ、鎌倉良成、早川泰弘、池田浩也
    • 学会等名
      電研共同研究プロジェクト・工学研究科プロジェクト合同研究会
    • 発表場所
      静岡大学電子工学研究所(静岡県浜松市)
    • 年月日
      2015-07-14
  • [学会発表] A numerical simulation study on the growth process of InGaSb crystals under Micro-gravity by using openFOAM2015

    • 著者名/発表者名
      X.Jin, H.Mirsandi, T.Yamamoto, Y.Takagi, Y.Okano, Y.Inatomi, Y.Hayakawa and S.Dost
    • 学会等名
      30th International Symposium on Space Technology and Science
    • 発表場所
      Kobe Convention Center (Kobe, Hyogo, Japan)
    • 年月日
      2015-07-04 – 2015-07-10
    • 国際学会
  • [学会発表] Morphological change of S/L interface in semiconductor solution growth under reduced convention condition2015

    • 著者名/発表者名
      Y.Inatomi, M.Arivanandhan, V.Nirmal Kumar, H.Mirsandi, T.Koyama, Y.Momose, T.Ozawa, T.Ishikawa, Y.Okano and Y.Hayakawa
    • 学会等名
      30th International Symposium on Space Technology and Science
    • 発表場所
      Kobe Convention Center (Kobe, Hyogo, Japan)
    • 年月日
      2015-07-04 – 2015-07-10
    • 国際学会
  • [備考] 静岡大学早川研究室

    • URL

      http://maruhan.rie.shizuoka.ac.jp/

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公開日: 2017-01-06  

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