基于锑化物超晶格的热电结构及其器件研究

Thermoelectric devices have been widely studied for their advantages such as solid-state stable operation, zero-radiation, pollution-free, long operating lifetime and miniaturization. This project plans to study thermoelectric structures and devices of Sb based Type II superlattices. Thermoelectric structures with high ZT value are to be grown by molecular beam epitaxy, and devices with good thermoelectric performance are fabricated by using standard semiconductor processes such as dry etch, electron beam lithography and laser direct writing. Integration with other III-V devices will be developed. New physics behind thermoelectric characteristics is to be explored. The novelty of this proposal is selecting Sb based Type II superlattices as research subject, including their epitaxy techniques, process development, device integration and physics behind, which are different from the traditional thermoelectric materials. Nowadays most of the studies on Sb based Type II superlattices are about the infrared characteristics and there is little work on the thermoelectrics. Our research will not only develop the fabrication technique of this kind of thermoelectric nanostructures and devices, explain the thermoelectric physics, but also add new materials to current low temperature thermoelectrics. Our project can promote the application of new materials to the integration of the thermoelectric devices to a chip or a system.

热电器件具有结构简单、可靠性高、无污染、可微型化等特点，一直是国内外研究热点。本项目拟开展基于锑化物二类超晶格的热电结构及其器件研究。通过分子束外延技术制备具有高热电优值系数的锑化物二类超晶格材料，利用标准半导体工艺技术如干法刻蚀、电子束曝光及激光直写等技术制备良好性能的热电器件，探索该类器件与其他III-V族器件的集成技术，并阐明锑化物二类超晶格热电物理机制。本项目的创新性在于选取锑化物二类超晶格这种不同于传统热电材料的新型材料来研制热电结构及其器件。涉及到新型热电材料外延技术、工艺开发与集成、物理机制等关键科学问题。对于锑化物超晶格以往的研究多集中在其红外性能，在热电方面的研究并不多见；本项目的实施不仅可以探索锑化物超晶格这类新的热电结构及其机理，而且可以拓展热电材料体系，特别是低温热电材料；对新材料体系在相关芯片及系统方面的应用也有积极的促进作用。

纳米热电结构及器件一直是国内外研究热点，其具有结构简单、可靠性高、无污染、可微型化等优点。本项目开展了基于锑化物二类超晶格等的纳米热电结构及其器件研究。通过分子束外延技术制备了锑化物二类超晶格等材料，利用标准半导体工艺技术如干法刻蚀、电子束曝光及激光直写等技术制备了相应的热电结构与器件，并探索了锑化物二类超晶格等纳米热电物理机制。本项目选取了锑化物二类超晶格等纳米尺度新型材料来研制热电结构及其器件，涉及到了新型热电材料外延技术、工艺开发与集成、物理机制等关键科学问题。通过本项目的实施，掌握了GaAs/AlAs以及InAs/GaSb超晶格热电材料的设计与材料外延生长技术，对InAs/GaSb二类超晶格热电器件的制备工艺进行了探索与优化。进行了微纳热电原型器件制备技术研究，掌握了基于浓硼扩散层的悬空纳米线热电器件制备工艺技术；开发了InAs/GaSb超晶格热电器件的制备工艺；系统调研和研究了纳米热电结构的测试方法，建立和完善了3ω法热电器件的性能测试平台。进行了纳米热电器件机理研究，研究了电子空穴的分离、载流子的散射、声子振动等基础物理过程，并试图建立相应的物理模型；基于此，进一步进行了基于声子晶体结构的纳米热电器件研究，设计制备了相应的器件结构，已经初步掌握了该结构中的关键纳米级声子晶体的制备技术。在本项目的支持下，共发表期刊论文13篇，其中SCI 8篇，国内核心5篇；还发表会议论文4篇，论文总引用已达26次；申请发明专利8项；项目执行期间培养研究生7名，其中博士4名，硕士3名。本项目的实施探索了锑化物超晶格等纳米热电结构技术及其机理，在一定程度上拓展了热电材料体系，特别是低温热电材料；对于相关材料体系在芯片及系统方面的应用也有积极的促进作用。