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青色LED材料を活かして,熱を電気に変換 ~高性能な熱電材料のための新しい材料設計指針~

 北海道大学と国立研究法人 産業技術総合研究所(産総研)は2017年11月27日,同大学電子科学研究所 太田裕道教授,同大学量子集積エレクトロニクス研究センター 橋詰 保教授,韓国・成均館大学校 金 聖雄教授,産総研の山本 淳研究グループ長らの共同研究グループが,窒化ガリウム(GaN)半導体において電子が動き易い半導体二次元電子ガスを用いると,既存の熱電変換材料に比べ2~6倍も大きな熱電変換出力因子を示すことを発見したと発表した.この成果はドイツの科学誌Advanced Scienceでオンライン公開された(注).

 金属や半導体のゼーベック効果(温度差による起電力発生効果)によって熱を直接電気に変換できる熱電変換は,工場や火力発電所,自動車などの廃熱を直接電気エネルギーに変換する技術として注目されている.この変換性能は,温度差1℃あたりに発生する電圧S,内部導電率σ,熱伝導率κ,平均温度Tで決まる熱電変換性能指数ZTで評価される(ZT = S2×σ×Tκ).現在,性能指数ZTが1をわずかに超えるいくつかの熱電変換材料が実用化されているが,これらの材料は,資源が少なく高価,化学的・熱的な安定性が低い,毒性などの問題点がある.近年,米国や中国の研究者が高い性能の熱電変換材料(ZT > 2)を発表しているが,使用材料のセラミックや焼結体粒の大きさや向きが不揃いで,粒界によってσが下がるため,ZTがばらつき,性能の再現性がない,材料設計指針を立て難いなど,まだ多くの課題がある.

 共同研究グループは,焼結体ではなく,粒界が存在しない「単結晶」を用いることとし,青色発光ダイオードの材料として知られるGaNにおける高い電子移動度を持った二次元電子ガスに着目した.GaNの導電性を高めるにはケイ素などの不純物を注入して電子を増やす.しかし温度差を与えて発生する電圧で電子が流れる場合,電子はイオン化した不純物に衝突して導電率は上がらない.一方,静電気によって窒化ガリウム結晶の中の電子を薄い領域に寄せ集める半導体二次元電子ガスの場合は,不純物注入は不要であり,二次元電子ガスの電子は高速で動くことができ,大きな熱電出力を示すのではないかと予測した.

 予測を検証するため,窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)/GaN層(層界面のGaN側に半導体二次元電子ガス形成)の上に,静電気力を変化させるための絶縁体層(酸化アルミニウム,厚さ30 nm)とゲート電極(Ni/Au)を乗せ,3端子の薄膜トランジスタ構造を作製した.ゲート電圧により二次元電子ガスの電子濃度を制御した状態で,二つのペルチェ素子を用いて二次元電子ガスに温度差を与え,ソース-ドレイン電極間に発生する電圧(熱起電力)を電圧計で計測した.この実験で,電子移動度は1000 cm2 V-1 s-1を超える大きな値が得られ,材料の電気的な性質である熱電変換出力因子(S2×σ)は最大で約9 mW m-1 K-2が得られた.これは,一般的な半導体窒化ガリウム(1 mW m-1 K-2以下)の10倍以上であり,既に実用化されている最先端の熱電変換材料(1.5~4 mW m-1 K-2)の2~6倍に相当する.

 今回使用した窒化ガリウムの半導体二次元電子ガスは,そのまま実用化に繋がるものではないが半導体二次元電子ガスの高い電子移動度を活かして熱電変換出力を高めるモデルは,実用化を控えた熱電材料を高性能化するための材料設計指針を与えると期待されると,発表は結ばれている.

(注)Hiromichi Ohta, Sung Wng Kim, Shota Kaneki, Atsushi Yamamoto, and Tamotsu Hashizume, "High thermoelectric power factor of high-mobility 2D electron gas", Advanced Science, Early View, First published: 24 November 2017, DOI: 10.1002/advs.201700696

添付ファイル

171127_pr.pdf