[論文レビュー] Opportunities and challenges in the use of heavily doped polycrystalline silicon as a thermoelectric material. An experimental study

Dario Narducci, Ekaterina Selezneva+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2010

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 14被引用数 5

ひとこと要約

本実験的研究では、高温等時間アニール処理を施したボロンドープ量の多い多結晶シリコン膜が、13 mW K⁻² m⁻¹の熱電力係数に達することを示している。これは、シリコンナノワイヤーで報告された過去の値の3倍以上に相当する。この向上は、不純物準位の縮小とバンドテールの発現に起因し、ドーピング度が非常に高い多結晶シリコンにおいて、Seebeck係数と電気伝導度が同時に向上する。これにより、低コストで高効率な熱電デバイスの実現が可能となる。

ABSTRACT

Large-volume deployment of Si-based Seebeck generators can be foreseen only if polycrystalline rather than single crystalline materials can be actually used. The aim of this study was therefore to verify whether polycrystalline Si films deposited on top of a SiO$_2$ insulating layer can develop interesting thermoelectric power factors. We prepared 450-nm thick heavily boron doped polysilicon layers, setting the initial boron content in the film to be in excess of the boron solubility in polycrystalline silicon at 1000 °C. Isochronal thermal annealings were then used to modify the B$_{Si}$ content by precipitation. Quite unexpectedly, a concurrent increase of the thermoelectric power and of the conductivity was observed for heat treatments at temperatures above 800 °C. Upon annealing at 1000 °C we found a power factor $P$ of 13 mW K$^{-2}$ m$^{-1}$, more than three times higher than previously reported $P$ for Si nanowires. These findings could be explained observing that degenerate polysilicon displays a remarkable enhancement of its Seebeck coefficient as an effect of the large amount of boron it can dissolve. Band gap narrowing and band tailing modify the density of states around the Fermi energy leading to a dramatic improvement of its log-derivative in the Mott equation. These results apparently point out an interesting direction for the development of Seebeck and Peltier devices sharing low cost and relatively high efficiency.

研究の動機と目的

• 単結晶シリコンに代わる低コストな熱電発電素子として、多結晶シリコン膜の熱電性能を評価すること。
• ボロンドープ量の多い多結晶シリコンが、シリコンナノワイヤーと同等またはそれ以上の高い力係数を達成できるかどうかを調査すること。
• 熱アニール処理を施したデゲネラティブな多結晶シリコンにおける熱電性能の向上に寄与する物理的メカニズムを理解すること。
• 標準的なシリコンプロセス技術を用いたスケーラブルで低コストな熱電デバイスの実装可能性を検討すること。

提案手法

• 1000 °Cで溶解度を超えるボロンドーピングを施した450-nm厚の多結晶シリコン膜の作製。
• 800 °Cから1000 °Cの範囲で、ボロンの析出を誘発し、キャリア濃度を制御するための等時間熱アニール処理の適用。
• 電気伝導度とSeebeck係数の測定により、熱電力係数（S²σ）を計算。
• Mott式を用いてフェルミ準位付近の状態密度の対数微分を分析し、電子構造と熱電応答の関連を解明。
• シリコンナノワイヤーおよび単結晶シリコンの既存報告値と結果を比較。
• 実験データに基づく電子構造モデリングを通じて、バンドテールとバンドギャップ縮小の影響を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボロンドーピング量の多い多結晶シリコン膜が、シリコンナノワイヤーと同等またはそれ以上の熱電力係数を達成できるか。
• RQ2 ボロン析出とデゲネラシーが、多結晶シリコンにおけるSeebeck係数と電気伝導度の向上に果たす役割は何か。
• RQ3 デゲネラティブな多結晶シリコンにおけるバンドテールとバンドギャップ縮小が、Mott式の対数微分および熱電力係数に与える影響は何か。
• RQ4 標準的なシリコンプロセス技術を用いることで、多結晶シリコンを用いたスケーラブルで低コストな熱電デバイスをどの程度実現できるか。

主な発見

• 1000 °Cでアニール処理を施したボロンドーピング量の多い多結晶シリコン膜で、13 mW K⁻² m⁻¹の熱電力係数を達成した。
• この力係数は、シリコンナノワイヤーで報告された過去の値を3倍以上上回っている。
• 800 °C以上のアニール温度で、Seebeck係数と電気伝導度が同時に上昇した。
• 熱電性能の向上は、バンドギャップ縮小とバンドテールの発現に起因し、Mott式による予測通り、フェルミ準位付近の状態密度の対数微分が増加したためである。
• デゲネラティブな多結晶シリコンは、大量のボロンを固溶化できる特性のおかげで、熱電効率が顕著に向上している。
• 本結果は、標準的なシリコンプロセスを用いた低コストで高効率な熱電デバイス実現への実現可能性を示唆している。