[论文解读] 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 5

一句话总结

本实验研究证明，经过高温等时退火处理的高浓度硼掺杂多晶硅薄膜，其热电功率因子可达13 mW K⁻² m⁻¹，较此前报道的硅纳米线值高出三倍以上。性能提升源于重掺杂多晶硅中带隙缩小和尾带效应，使塞贝克系数与电导率同步提高，从而实现低成本、高效率的热电设备。

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.

研究动机与目标

• 评估多晶硅薄膜作为热电发电机中单晶硅低成本替代品的热电潜力。
• 研究高浓度硼掺杂多晶硅是否可实现与硅纳米线相当或更高的功率因子。
• 理解在热退火条件下，简并多晶硅中热电性能增强的物理机制。
• 探讨利用标准硅加工技术实现可扩展、低成本热电设备的可行性。

提出的方法

• 在1000 °C下制备厚度为450 nm、硼掺杂浓度超过溶解度极限的多晶硅薄膜。
• 在800 °C至1000 °C的温度范围内实施等时热退火处理，以诱导硼析出并调节载流子浓度。
• 测量电导率与塞贝克系数，以计算热电功率因子（S²σ）。
• 利用Mott方程分析费米能级附近态密度的对数导数，建立电子结构与热电响应之间的关联。
• 将结果与此前报道的硅纳米线及单晶硅数据进行对比。
• 基于实验数据，通过电子结构建模分析尾带效应与带隙缩小的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 高浓度掺杂多晶硅能否实现与硅纳米线相当或更高的热电功率因子？
• RQ2 硼析出与简并化在提升多晶硅中塞贝克系数与电导率方面起到何种作用？
• RQ3 在简并多晶硅中，尾带效应与带隙缩小如何影响Mott方程的对数导数，从而影响热电功率因子？
• RQ4 标准硅加工技术在多晶硅基热电设备中，能在多大程度上实现可扩展、低成本的制造？

主要发现

• 在1000 °C退火后，高浓度硼掺杂多晶硅薄膜实现了13 mW K⁻² m⁻¹的热电功率因子。
• 该功率因子较此前报道的硅纳米线值高出三倍以上。
• 在800 °C以上的退火温度下，观察到塞贝克系数与电导率同步提升。
• 热电性能的提升归因于带隙缩小与尾带效应，这些效应使费米能级附近态密度的对数导数增加，与Mott方程预测一致。
• 由于能够溶解大量硼，简并多晶硅表现出显著提升的热电效率。
• 结果表明，利用标准硅制造工艺实现低成本、高效率热电设备具有切实可行性。