2012 Fiscal Year Research-status Report
単電子・スピンデバイスの高温動作を可能にするためのナノフリーザ基板の開発
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24651168
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
池田 浩也 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (00262882)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
早川 泰弘 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (00115453)
下村 勝 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (20292279)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 量子効果デバイス / ペルチェ冷却 / ナノワイヤ / 熱電変換 |
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| Research Abstract |
本研究は，量子効果デバイスを高温動作可能にするためのペルチェ冷却基板の開発を目指している．本年度得られた主な成果を以下に示す．
（１）極薄SOI層におけるゼーベック係数の制御：極薄SOI（Si on insulator）層に外部電圧を印加してゼーベック係数を測定したところ，負電圧をかけるにしたがってゼーベック係数が小さくなった．電圧印加時のSOI層内のキャリア密度分布をシミュレーションにより調べたところ，埋め込み酸化膜層との界面近傍のキャリア密度の変化がゼーベック係数を支配することを見出した．これにより，ナノ構造利用時のフェルミエネルギー制御が，不純物ドープをすることなく行えることが示された．
（２）KFMによるゼーベック係数測定法の確立：KFMを用いて極薄SOI層のゼーベック係数を評価したところ，一般的な方法で得られるものに近い値を得ることができた．これにより，ナノ構造材料のゼーベック係数測定が可能となった．
（３）シリコンナノワイヤ熱電モジュール作製技術の構築：n型・p型シリコンナノワイヤ熱電対を作製するための技術として，収束イオンビームを用いたガリウムイオン注入により，n型シリコンのp型化を試みている．イオン注入後のゼーベック係数を測定したところ，係数の符号が反転しており，p型シリコンを形成することに成功した．現在は，ゼーベック係数の理論計算値と比較することにより，得られた実験値の妥当性を考察している．
（４）熱電材料用シリコンゲルマニウム混晶の作製：温度傾斜制御を用いてシリコン種結晶／シリコンゲルマニウム溶液／シリコン供給原料構造の成長と供給のバランスをとることにより，均一組成のシリコンゲルマニウム混晶の成長に成功した．この実験で得られたシリコンゲルマニウム混晶を利用して，高変換効率が期待されるシリコンゲルマニウムナノワイヤ熱電対の作製へと向かう．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
外部電圧印加によりフェルミエネルギーを制御してSOI試料のゼーベック係数を制御できることを明らかにした．また，ゼーベック係数の定量的評価には，フォノンドラッグの効果を考慮する必要があることもわかってきた．さらに，収束イオンビームを用いてガリウムイオンを注入することにより，p型シリコンを形成することに成功した．これらの結果を基礎として，高効率n型・p型シリコンナノワイヤ熱電対アレイの作製に向けての準備が整いつつある．
また，均一組成のシリコンゲルマニウム混晶の成長に成功したことにより，SGOI（SiGe on insulator）基板の作製に進むことができる．
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| Strategy for Future Research Activity |
シリコンナノワイヤの熱伝導率を測定するための装置を構築する．ナノワイヤを複数本並べたときの，サイズ揺らぎと熱電特性（ゼーベック係数，電気伝導度，熱伝導率）の関係を統計的に評価する．これにより，ペルチェ冷却時に重要なパラメータとなる動作電流についての最適値・最大値の予測を行う．それと並行して，n型・p型シリコンナノワイヤ熱電対アレイを実際に作製し，熱電モジュールとしての熱電変換特性の評価を行う．また，n型SiGeナノワイヤを作製するために，SiGe混晶形成時のドーピング技術を確立するとともに，SiGe混晶へのGaイオン注入によるp型SiGeの形成についても明らかにする．
以上の結果を基にして，ナノワイヤ化・混晶化による熱電変換効率向上の物理的要因を明らかにし，ナノフリーザ基板の設計指針とする．
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
該当なし
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[Presentation] Effect of solute transport on dissolution of Si into Ge melt and growth of SiGe2013
Author(s)
M.Omprakash, M.Arivanandhan, R.A.Kumar, H.Morii, T.AokiI, T.Koyama, Y.Momose, H.Ikeda, H.Tatsuoka, Y.Okano, T.Ozawa, Y. Inatomi, S.M. Babu, Y. Hayakawa
Organizer
第60回応用物理学会春季学術講演会
Place of Presentation
神奈川工科大学（神奈川）
Year and Date
20130327-20130331
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[Presentation] Growth of compositionally homogeneous Si1-xGex and Mg2Si1-xGex crystals by novel method and their thermoelectric properties2012
Author(s)
Y. Hayakawa, M. Arivanandhan, M. Omprakash, R.A. Kumar, T. Koyama, Y. Momose, H. Ikeda, H. Tatsuoka, Y. Okano, S.M. Babu, D.K. Aswal, S. Bhattacharya, Y. Inatomi
Organizer
International Workshop on Crystal Growth and Characterization of Advanced Materials and Devices
Place of Presentation
Anna University (Chennai, India)
Year and Date
20121216-20121219
Invited
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[Presentation] In-situ observation of dissolution, growth processes of Si into Ge melt by x-ray penetration method2012
Author(s)
M. Omprakash, M. Arivanandhan, R.A. Kumar, H. Morii, T. Aoki, T. Koyama, Y. Momose, A. Tanaka, H. Ikeda, H. Tatsuoka, Y. Okano, T. Ozawa, Y. Inatomi, S.M. Babu, Y. Hayakawa
Organizer
14th Takayanagi Memorial Symposium
Place of Presentation
Shizuoka University (Shizuoka)
Year and Date
20121127-20121128
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[Presentation] Thermoelectric characteristics of compositionally homogeneous Si1-xGex bulk crystals2012
Author(s)
M. Arivanandhan, M. Omprakash, R.A. Kumar, T. Koyama, Y. Momose, A. Tanaka, H. Ikeda, G. Ravi, H. Tatsuoka, A. Ishida, S. Bhattacharya, D.K. Aswal, S.M. Babu, Y. Inatomi, Y. Hayakawa
Organizer
14th Takayanagi Memorial Symposium
Place of Presentation
Shizuoka University (Shizuoka)
Year and Date
20121127-20121128
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