【提出2】 0118-1 渡邉孝信(早稲田大) r3 190110...m. tomita, t. watanabe, et al, vlsi...

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CMOSフレンドリーなプレーナ型シリコン微小熱電発電デバイス

早稲田大学基幹理工学部電子物理システム学科

教授渡邉孝信

平成31年1月18日

2

IoT・トリリオンセンサ時代の到来

2渡邉孝信 “CMOSフレンドリーなプレーナ型シリコン微小熱電発電デバイス”

Source: Gartner, IDC, Strategy Analytics, Machina Research, company filings, BI Intelligence estimateshttp://www.verisk.com/insurance/visualize/the-connected-home-implications-for-the-insurance-industry.html

G. Chen, et al., ISSCC 2010mm3級センサノード

Sleep : 11nW

Active : 40μW

スタックドダイモジュールY. Lee, et al., ISSCC 2012

急拡大するIoT市場スマート・ダスト

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エナジー・ハーベスティング


無給電で動作する小型センサ・ノードを実現するには、環境の微小なエネルギーから恒久的に電気を作り出す技術が必要。振動、光、熱、電磁場など様々なエネルギー源の利用が検討されている。

熱電変換効率と性能指数ZT熱電変換の効率

2

ZT T2

H CT TT ZT

H. J. Goldsmid, “Introduction to Thermoelectricity,” Springer 2010.

n p

Load LR

Heat sink CT

Heat source HT

1 1

1H C

CH

H

T T ZTTT ZTT

熱電材料の無次元性能指数

4%

3%

2%

1%

0 1 2 3 4

400HT K360CT K


A. F. Ioffe, “Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling,” Infosearch, 1957.

a ゼーベック係数（V/K）

s 電気伝導率（S/m）

k 熱伝導率（W/mK）

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従来技術とその問題点①

既に実用化されているものには、ビスマス・テルルを熱電変換材料に用いたペルチェ素子等があるが、

・エネルギー変換効率が低い

・製造コストが高い

・希少元素で毒性があり環境負荷が大きい

等の問題があり、広く利用されるまでには至っていない。

Siナノワイヤの優れた熱電性能


Boukai et al., Nature 451, 168 (2008)

Hockbaum et al., Nature 451, 163 (2008)

細くするほど熱伝導率κが低

下→熱電性能指数 ZT 向上

2

1ZT T

Seebeck coeff. Electricconductivity

Thermal conductivity

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従来技術とその問題点②

環境負荷が小さいSiを用いたマイクロ熱電発電素子の実施例が報告されているが、

・深堀エッチングが必要で機械的強度が低い

・出力パワーが低い

等の問題があり、実用化には至っていない。

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Siマイクロ熱電デバイスの先行事例

B. M. Curtin et al., J. Electronic Materials 41, 887 (2012).

B. Xu et al., IEEE Electr. Dev. Lett. 35, 596 (2014).

X. Yu et al., J. Micromech. Microeng. 22, 105011 (2012).

J. Xie et al., J. Microelec. Sys. 19, 317 (2010).M. Strasser et al., Sens. & Act. A, 97-98, 535 (2002).

K. J. Norris et al., Energy Conv. & Manag. 96, 100 (2015).

Hot

Cold

n-Sip-Si

Hot

Cold

Cavity

Nanowire forest

Hot

Cold

Hot

Cold

Si substrate

Heat sink

Cavity

Si pillar

長いSiナノワイヤをキャビティ（空洞）上に架橋させる構造が採用されてきた。

直立Siピラー構造ではn型とp

型を直列接続したπ型構造を

作ることが困難。


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新技術の特徴・従来技術との比較

• 従来のSiマイクロ熱電デバイスの問題点であった、機械的強度と出力パワーを改良することに成功した。

• 従来は5Kの外部温度差から1μW/cm2しか出力できな

かったが、微細化することで12μW/cm2まで出力するこ

とが可能となった。

• 本技術の適用により、深堀エッチングが省略でき、現在のCMOSプロセスとの親和性が高いため（CMOSフレンドリー）、製造コストを大幅に削減できると期待される。

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新デバイス構造の提案


特願2016-170003 渡邉、徐、橋本「熱電発電装置」2016年 8月31日

急峻な“拡がり温度場”を利用したシンプルな熱電発電デバイス構造を発明.

微細化・高集積化により発電密度が増すスケーラブルなデバイス

(K)

0 L

Si-NW

Si nanowires

350

340

330

320

310

300

2900 100 200 300 400 500

Tem

pera

ture

(K)

L=500nmL=100nm

L=50nm

Hot

350

340

330

320

310

300

Hot

Cold

AlN AlNAlN

p-Si

n-Si

metal

Metal CapAlN

p-Si p-Si n-Sin-SiBOXSi substrate

Side view

Top view

+-

H. Zhang, T. Watanabe, et al, IEEE TED 65, 2016 (2018).

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スケーリング則


直立型プレーナ型

2 2 2 2

max1

4 8 32LW T TP

H LW H

2 2 2 2

max 21

4 8 32HW T H TP

L LW L

プレーナ型デバイスの発電密度は微細化・高集積化により増大する。

H

W

8LW

LW

L

H8LW

LW

HW

低熱抵抗絶縁体

pn

p n

特願2016-170003 渡邉、徐、橋本「熱電発電装置」2016年 8月31日

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試作デバイスの作製フロー


Si-NWs patterning• Lithography and etching70 Si-NWs height : 50nm

width : 65nmlength : 1μm – 0.25μm

• P+ Ion doping 5 x 1015 cm-2

Al/TiN/Ti electrodes patterning• Following Forming Gas Annealing

Backside Grinding

50, 100,300,745 μm Si-sub samples

Si-NWsSi-pad

Al/TiN/Ti

SEM

Si-substrateBOX

SOI 50nmBOX 145nm

Si-sub 745μm

M. Tomita, T. Watanabe, et al, VLSI Symp. 2018M. Tomita, T. Watanabe, et al, IEEE TED 65, 5180 (2018).

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サブミクロンSiナノワイヤ熱電デバイス


<100nm

0.25mm

Si-NW

Optical imageM. Tomita, T. Watanabe, et al, VLSI Symp. 2018M. Tomita, T. Watanabe, et al, IEEE TED 65, 5180 (2018).

SEM image

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熱電発電評価用プローバ


Sample Stage（Φ80mm）・Back surface voltage・Water chiller（-5～+20℃）

Micro Thermostat Electrical probe

Micro IR Camera

11mm

・320×256 pixels・8.33mm resolution・Image area 2.67mm×2.13mm・Temperature range 15～90℃・Accuracy ±5℃

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熱電発電評価用プローバ


Optical Camera Mode Infrared Camera Mode

Switchable between Optical and IR camera modes

Micro Thermostat Head

Si-NWs

Platinum Temperature Sensor

Micro-heater (~100 ℃)

AlN ceramics (ShapalTM)

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実験結果：ナノワイヤ長とパワー密度の関係


0.01

0.1

1

0.1 1

Pow

er d

ensi

ty (μ

W/c

m2 )

Nanowire length LNW (μm)

予測どおり微細化するほど発電密度が上昇。

1μW/cm2 [email protected]μmshort Si-NW


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発電密度の定義


PitchPNW

LNW x2


電極パッドの長さがSiナノワイヤの長さと同じにできたときに期待されるパワー密度の上限値とした。

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ナノワイヤ長短縮による熱起電力の上昇


70

80

90

100

110

120

130

0.01

0.1

1

0.1 1

Elec

tric

al re

sist

ance

(Ω)

Pow

er d

ensi

ty (μ

W/c

m2 )

Nanowire length LNW (μm)

?内部抵抗の変化

のみを考慮した

場合の予測値

実測値

電気抵抗

2

90calc 4

OC L mV

PR

1

観測された微細化によるパワーの上昇は内部抵抗の変化のみでは説明できない。ナノワイヤが短くなり温度差が小さくなるにも関わらず開放電圧が上昇→ゼーベック係数が増大していることを示唆。


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基板薄層化の効果


0.1

1

10

10 100 1000

Si基板を薄く研磨すると劇的にパワーが増大。

0.25μm-short NW

10 times

12μW/cm2 !@50μm thickSi substrate

745μm thickSi substrate

Pow

er d

ensi

ty (μ

W/c

m2 )

Substrate thickness (μm)


20

パワー密度のベンチマーク


1 10 100

106

104

102

10-2

Pow

erDe

nsity

(mW

/cm

2 )

1

10-4

DT (K)

Feb. 2016

SSDM2016

JSAP2016Fall

Curtin (2012)

Xu (2014)

Yu (2012)

Xie (2010)

Strasser (2002)

Norris (2015)

Waseda(planar,non-cavity)

EDTM2017APL2017

SSDM2017

10-6

外部熱源による発電ではシリコン熱電発電の世界最高記録に相当

Curtin (2012)

L=0.25μmの最短ナノワイヤμTEG

LNW=8mm

LNW=46mmp-type LNW=8mm


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想定される用途

• 本技術は、微細化・高集積化により発電パワーを増大できるため、最先端のLSI製造プロセスを適用することで高出力の微細熱電発電デバイスを低コストで実現と考えられる。

• 上記以外に、LSI内部の冷却にも利用できる期待される。

• ウェアラブル・デバイスやスマート・ビルディングのセンサ・ノード用電源、テラヘルツ波センサ用ボロメータに展開することも可能と思われる。

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実用化に向けた課題

• 現在、単独の素子について微細化効果を確認するところまで開発済み。しかし、集積化した際の効果の実証には至っていない。

• 今後、集積デバイスを試作して実験データを取得し、具体的な実装に適した条件設定を行っていく。

• 実用化に向けて、熱電デバイスに温度差を付与するための実装方法を確立する必要もあり。

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企業への期待

• 集積化デバイス開発のため、LSI設計および製造の技術を持つ、企業様との共同研究を希望。

• 熱電デバイスに温度差を付与するための実装方法も共同で開発していただきたい。

• CMOSフレンドリー熱電デバイスを社会実装させるため、具体的なアプリケーション・サービスの開発につなげられる企業様の協力に期待している。

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称：熱電発電装置• 出願番号：特願2016-170003• 出願人：早稲田大学

• 発明者：渡邉孝信、徐泰宇、橋本修一郎

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産学連携の経歴

• 2003年-2007年 JST-さきがけ事業に採択• 2015年-2017年富士フイルム社と共同研究実施

• 2015年- TMEIC社と共同研究実施• 2015年- 2019年 JST-CREST事業に採択• 2019年-2022年 JST-CREST事業

ステップアップ評価に採択

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お問い合わせ先

早稲田大学

産学官研究推進センター白井明子

ＴＥＬ０３－５２８６－９８６７

e-mail [email protected]

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