北大と産総研など、半導体二次元電子ガスが大きな熱電変換出力因子を示すことを発見

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本研究で作製した半導体二次元電子ガスの模式図(a)と計測の様子(b)

北海道大学と産業技術総合研究所(産総研)は2017年11月27日、青色発光ダイオードの材料である窒化ガリウム(GaN)からなる半導体の電子の動きやすさを活かした半導体二次元電子ガスが、既に実用化されている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。両者および韓国・成均館大学校による研究グループが発見した。

金属や半導体のゼーベック効果によって温度差を直接電気に変換する熱電変換は、クリーンなエネルギー変換技術として注目されている。熱電変換技術に利用できる半導体(熱電変換材料)は、温度差をつけやすく(熱伝導率が低く)、電圧が大きく、電気が流れやすいものが変換材料として優れている。

現在熱電変換材料として、重金属元素の1つであるテルルを含むテルル化ビスマスなどが実用化されている。しかし、資源が少なく高価なことや、化学的熱的な安定性が低いこと、それに伴う毒性などの課題があり、こうした元素を使わない変換材料の開発が進められている。

近年、米国や中国で性能の高い熱電変換材料が発表されているが、これらに使われるセラミックや焼結体(粉体を焼き固めた試料)には多くの粒界(粒と粒の境界)があり、粒の大きさや向きが不揃いとなるため、試料ごとに性能指数がばらつき、実用化にはまだ多くの課題がある。

今回同研究グループでは、将来の熱電変換材料の高性能化に繋がる材料設計指針の提案を目的として、焼結体ではなく、粒界が存在しない「単結晶」を用いた研究を行った。熱電材料の高性能化のためには、材料の電気的な性質である熱電変換出力因子を増強する方法と、熱的な性質である熱伝導率を低減する方法がある。今回は熱電変換出力因子を増強するための仮説を立て、実験によってこれを検証した。

材料として、青色発光ダイオードの材料である窒化ガリウム(GaN)の高い電子移動度を活かした二次元電子ガス(厚さ数nmの電子が溜まった層)に着目した。一般的な半導体窒化ガリウムでは、導電率を高めるために不純物として混ぜるケイ素がイオン化することで電子の流れを妨げるため、大きな熱電出力は得られない。一方半導体二次元電子ガスでは、不純物を混ぜ込まず、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ことで導電率を高めるため、電子が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。半導体二次元電子ガスの電子濃度を、静電気力(ゲート電圧)を変化させることで制御し、その時の電子移動度を計測して、出力因子を算出した。

その結果、半導体二次元電子ガスの出力因子は最大で約9mW m-1K-2と、極めて大きいことがわかった。これは一般的な半導体窒化ガリウム(1mW m-1K-2以下)の10倍以上で、既に実用化されている最先端の熱電変換材料(1.5〜4mW m-1K-2)の2~6倍に相当する。この結果は、一般的な半導体では不純物濃度の増加に伴って電子移動度が大きく減少するのに対し、半導体二次元電子ガスでは大きな電子移動度を維持できることによる。

同研究グループによると、今回使用した窒化ガリウムの半導体二次元電子ガスは、非常に高価な単結晶基板の上にしか作製できず、また熱伝導率が大きいことから、そのまま実用化に繋がるものではないという。しかし、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、熱電材料を高性能化するための材料設計指針を与えることが期待されるとしている。

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