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

2013 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 24651168
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 池田 浩也 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (00262882)
• 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, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20292279)
• Keywords: 量子効果デバイス / ペルチェ冷却 / ナノワイヤ / 熱電変換

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制御：極薄SOI（Si on insulator）層のゼーベック係数には，フォノンドラッグの効果が顕著に現れることがわかった．これまでのデータからフォノンドラッグに起因するゼーベック係数を解析したところ，高不純物濃度では濃度に反比例してその効果が減少することがわかった．一方，低濃度領域ではほぼ一定の値であった．この結果は，フォノンドラッグを支配する別の要因が存在することを示しており，現在，この物理的要因について探究を進めている．
（２）KFMによるゼーベック係数測定法の確立：ナノ構造材料のゼーベック係数を測定するために，KFM（表面電位顕微鏡）を用いてナノ構造材料の温度測定を試みた．温度に伴う表面電位のシフトが得られ，KFMによる評価の可能性を見出した．現在は，温度評価データの解析手法について検討している．
（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際に形成される，ドナーとアクセプターの共ドープシリコンについて，ゼーベック係数を調べた．その結果，共ドープによりフォノンドラッグの効果が抑制されることが示唆された．この原因について，フォノン輸送の観点から考察を進めている．
（４）熱電材料用シリコンゲルマニウム混晶の作製：ゲルマニウム基板とSiO2/Si基板を貼り合わせて，リファレンス試料となるGOI（Ge on insulator）基板を作製した．さらに，そのGOI層のゼーベック係数が，バルクGe基板と同じ値であることを確認した．現在は化学的機械的研磨法によるGOI層の薄層化を行っており，膜厚100nm以下に向けた条件出しをしている．

Current Status of Research Progress

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

Reason

シリコンのゼーベック係数において，フォノンドラッグの効果が大きいことがわかった．また，この効果が共ドープシリコンでは低減することを見出した．これらより，熱伝導特性の制御も含めて，フォノン輸送を制御することの重要性を明らかにした．また，これと並行して，シリコンナノワイヤ試料の作製が終わっており，ゼーベック係数の測定に着手している．
GOI基板の作製に成功し，これをナノ構造化するための薄層化および種々のプロセス技術について調査・条件出しを進めている．これらを基に，SGOI（SiGe on insulator）基板の作製に進むことができる．

Strategy for Future Research Activity

シリコンナノワイヤの熱伝導特性を測定するための装置を構築する．現在は，バルクシリコン基板に対して，周期的光照射による加熱に伴う周期的温度変化の測定から熱拡散率を求めるところまで進んでいる．今後は測定精度の向上とナノ構造測定への適用化を進める．
既にシリコンナノワイヤを複数本並べた試料の作製が終わっており，今後，サイズ揺らぎと熱電特性の関係を統計的に評価していく．また，本年度明らかにしたフォノンドラッグの効果について，フォノン輸送の解析からその物理的要因を解明し，ナノフリーザ基板の設計指針に組み込んでいく．

Research Products

• [Journal Article] 極薄SOI膜のゼーベック係数制御とナノ構造熱電特性測定技術の構築 (2014)
  • Author(s): 池田浩也，鈴木悠平，三輪一聡，ファイズ・サレ
  • Journal Title: 信学技報 Volume: ED2013-137, SDM2013-152 Pages: 31-35
• [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.A. Kumar, H. Morii, T. Aoki, T. Koyama, Y. Momose, H. Ikeda, H. Tatsuoka, Y. Okano, T. Ozawa, S.M. Babu, Y. Inatomi, Y. Hayakawa
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 590 Pages: 96-101
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2013.12.093
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Variation of Seebeck coefficient in ultrathin Si layer by tuning its Fermi energy (2013)
  • Author(s): Faiz Salleh, Yuhei Suzuki, Kazutoshi Miwa, Hiroya Ikeda
  • Journal Title: Proceedings of 13th International Conference on Quality in Research, IEEE Volume: 1441-1284 Pages: 47-50
  • DOI: 10.1109/QiR.2013.6632534
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] KFM evaluation of Seebeck coefficient in thin SOI layers (2013)
  • Author(s): Hiroya Ikeda, Yuhei Suzuki, Kazutoshi Miwa, Faiz Salleh
  • Journal Title: Proceedings of 13th International Conference on Quality in Research, IEEE Volume: 1441-1284 Pages: 35-38
  • DOI: 10.1109/QiR.2013.6632531
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Modulation of Seebeck coefficient of Si-on-insulator layer induced by bias-injected carriers (2013)
  • Author(s): Faiz Salleh, Yuhei Suzuki, Kazutoshi Miwa, Hiroya Ikeda
  • Journal Title: Applied Physics Letters Volume: 103 Pages: 062107-1-3
  • DOI: 10.1063/1.4818152
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 収束イオンビームを用いたPドープSOI基板に対するGaイオン注入とそのゼーベック係数 (2013)
  • Author(s): 鈴木悠平，三輪一聡，ファイズ・サレ，下村勝，石田明広，池田浩也
  • Journal Title: 信学技報 Volume: ED2013-55, SDM2013-29 Pages: 33-37
• [Journal Article] Development of Seebeck- coefficient measurement systems using Kelvin-probe force microscopy (2013)
  • Author(s): Kazutoshi Miwa, Faiz Salleh, Hiroya Ikeda
  • Journal Title: MAKARA Journal of Technology Series Volume: 17 Pages: 17-20
  • DOI: 10.7454/mst.v17i1.1922
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 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.M. Babu, Y. Hayakawa
  • Journal Title: 信学技報 Volume: ED2013-55, SDM2013-29 Pages: 27-31
• [Presentation] PドープSOI層のゼーベック係数に与えるGaイオン注入の影響 (2014)
  • Author(s): 鈴木悠平，ファイズ・サレ，池田浩也
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学（神奈川）
  • Year and Date: 20140317-20140320
• [Presentation] 極薄SOI層のゼーベック係数におけるフォノンドラッグの影響 (2014)
  • Author(s): 池田浩也，織田琢郎，鈴木悠平，ファイズ・サレ
  • Organizer: 第61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学（神奈川）
  • Year and Date: 20140317-20140320
• [Presentation] Thermoelectric properties of Ga doped SiGe bulk crystal (2014)
  • Author(s): M.Omprakash, M.Arivanandhan, P.Anandan, 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61回応用物理学会春季学術講演会
  • Place of Presentation: 青山学院大学（神奈川）
  • Year and Date: 20140317-20140320
• [Presentation] 極薄SOI膜のゼーベック係数制御とナノ構造熱電特性測定技術の構築 (2014)
  • Author(s): 池田浩也，鈴木悠平，三輪一聡，ファイズ・サレ
  • Organizer: 電子情報通信学会ED研・SDM研合同２月研究会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道）
  • Year and Date: 20140227-20140228
• [Presentation] Gaイオン注入によるPドープ薄膜SOI層のゼーベック係数の変化 (2013)
  • Author(s): 鈴木悠平，ファイズ・サレ，池田浩也
  • Organizer: 表面科学会中部支部学術講演会（若手講演会）
  • Place of Presentation: 名古屋工業大学（愛知）
  • Year and Date: 20131221-20131221
• [Presentation] Seebeck-coefficient control of Si nanostructures and its novel characterization technique (2013)
  • Author(s): H. Ikeda, Y. Suzuki, F. Salleh
  • Organizer: 8th International Conference on Processing & Manufacturing of Advanced Materials Processing, Fabrication, Properties, Applications (THERMEC2013)
  • Place of Presentation: Las Vegas（USA）
  • Year and Date: 20131202-20131206
  • Invited
• [Presentation] Influence of bias-injected carriers on Seebeck coefficient in ultrathin Si layer (2013)
  • Author(s): F. Salleh, Y. Suzuki, H. Ikeda
  • Organizer: 3rd Shisuoka University International Symposium
  • Place of Presentation: グランシップ（静岡）
  • Year and Date: 20131118-20131119
• [Presentation] Estimation of Seebeck coefficient of thin Si layer with spatially distributed carriers (2013)
  • Author(s): F. Salleh, Y. Suzuki, H. Ikeda
  • Organizer: 15th Takayanagi Kenjiro Memorial Symposium
  • Place of Presentation: 静岡大学（静岡）
  • Year and Date: 20131112-20131113
• [Presentation] Temperature gradient effect on dissolution and growth process of SiGe bulk crystal (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.M. Babu, Y. Hayakawa
  • Organizer: 15th Takayanagi Kenjiro Memorial Symposium
  • Place of Presentation: 静岡大学（静岡）
  • Year and Date: 20131112-20131113
• [Presentation] Seebeck coefficient of co-doped Si nanowires for high-sensitive thermopile infrared photodetector (2013)
  • Author(s): Y. Suzuki, F. Salleh, M. Shimomura, A. Ishida, H. Ikeda
  • Organizer: 2013 International Microprocesses and Nanotechnology Conference
  • Place of Presentation: ロイトン札幌（北海道）
  • Year and Date: 20131105-20131108
• [Presentation] Seebeck coefficient of P and Ga co-doped Si for fabrication of Si nanowire thermopile (2013)
  • Author(s): Y. Suzuki, F. Salleh, M. Shimomura, A. Ishida, H. Ikeda
  • Organizer: 2013 Korean-Japanese Student Workshop
  • Place of Presentation: 静岡大学（静岡）
  • Year and Date: 20131031-20131101
• [Presentation] Experimental and theoretical Seebeck coefficinets of SOI layer including bias-injectied carriers (2013)
  • Author(s): H. Ikeda, Y. Suzuki, F. Salleh
  • Organizer: 12th International Conference on Global Research and Education (InterAcademia 2013)
  • Place of Presentation: Sofia（Bulgaria）
  • Year and Date: 20130923-20130927
• [Presentation] Gallium implantation into phosphorus-doped SOI layer by focused ion beam and its Seebeck coefficinet (2013)
  • Author(s): Y. Suzuki, F. Salleh, M. Shimomura, A. Ishida, H. Ikeda
  • Organizer: 12th International Conference on Global Research and Education (InterAcademia 2013)
  • Place of Presentation: Sofia（Bulgaria）
  • Year and Date: 20130923-20130927
• [Presentation] 収束イオンビームを用いたPドープSOI基板へのGaイオン注入とそのゼーベック係数 (2013)
  • Author(s): 鈴木悠平，ファイズ・サレ，下村勝，石田明広，池田浩也
  • Organizer: 第74回応用物理学会秋季学術講演会
  • Place of Presentation: 同志社大学（京都）
  • Year and Date: 20130916-20130920
• [Presentation] Seebeck coefficient of SOI layer with spatially-distributed carriers by applied external bias (2013)
  • Author(s): F. Salleh, Y. Suzuki, K. Miwa, H. Ikeda
  • Organizer: 32th International Conference on Thermoelectrics
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫）
  • Year and Date: 20130630-20130704
• [Presentation] Focused ion beam Ga implantation into P-doped SOI layer and its Seebeck coefficient (2013)
  • Author(s): Y. Suzuki, K. Miwa, F. Salleh, M. Shimomura, A. Ishida, H. Ikeda
  • Organizer: 32th International Conference on Thermoelectrics
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫）
  • Year and Date: 20130630-20130704
• [Presentation] Investigation on growth mechanism of SiGe by X-ray penetration method (2013)
  • Author(s): O. Muthusamy, A. Mukannnan, AR. Kumar, H. Morii, T. Aoki, T. Koyama, Y. Momose, H. Ikeda, H. Tatsuoka, Y. Okano, T. Ozawa, Y. Inatomi, M.S. Babu, Y. Hayakawa
  • Organizer: 32th International Conference on Thermoelectrics
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場（兵庫）
  • Year and Date: 20130630-20130704
• [Presentation] KFM evaluation of Seebeck coefficient in thin SOI layer (2013)
  • Author(s): H. Ikeda, Y. Suzuki, K. Miwa, F. Salleh
  • Organizer: The 13th International Conference on Quality in Research
  • Place of Presentation: Yogyakarta（Indonesia）
  • Year and Date: 20130625-20130628
• [Presentation] Variation of Seebeck coefficient in ultrathin Si layer by tuning its Fermi energy (2013)
  • Author(s): F. Salleh, Y. Suzuki, K. Miwa, H. Ikeda
  • Organizer: The 13th International Conference on Quality in Research
  • Place of Presentation: Yogyakarta（Indonesia）
  • Year and Date: 20130625-20130628
• [Presentation] 収束イオンビームを用いたPドープSOI基板に対するGaイオン注入とそのゼーベック係数 (2013)
  • Author(s): 鈴木悠平，三輪一聡，ファイズ・サレ，下村勝，石田明広，池田浩也
  • Organizer: 電子情報通信学会ED研・CPM研・SDM研合同５月研究会
  • Place of Presentation: 静岡大学（静岡）
  • Year and Date: 20130516-20130517
• [Presentation] The dissolution process of Si into Ge melt and SiGe growth mmechanism by x-ray penetration method (2013)
  • 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: 電子情報通信学会ED研・CPM研・SDM研合同５月研究会
  • Place of Presentation: 静岡大学（静岡）
  • Year and Date: 20130516-20130517
• [Remarks] 静岡大学電子工学研究所 池田研究室
  • URL: http://nanote.eng.shizuoka.ac.jp/~ikedalab/index.html