초록 ▼

° 열전변환효율의 이론적 예측을 위하여 제일원리 기반 볼쯔만 수송 방정식을 통하여 실리콘의 열전특성을 예측하였고, empirical force field 를 이용한 분자동력학을 이용하여 이론적인 격자 열전도도, 저차원 소재의 도핑농도, 표면미세구조 등의 조건이 열전물성에 미치는 영향을 정량적으로 예측할 수 있는 전산모사기술 개발. 실리콘 소재의 이론적 열전변화효율 (fundamental limit) ZT = 1.7 예측.

° Si기판의 하향식(top-down)에칭을 통해 Si 나노선을 대면적으로 형성시킬 수 있는 기술

° 열전변환효율의 이론적 예측을 위하여 제일원리 기반 볼쯔만 수송 방정식을 통하여 실리콘의 열전특성을 예측하였고, empirical force field 를 이용한 분자동력학을 이용하여 이론적인 격자 열전도도, 저차원 소재의 도핑농도, 표면미세구조 등의 조건이 열전물성에 미치는 영향을 정량적으로 예측할 수 있는 전산모사기술 개발. 실리콘 소재의 이론적 열전변화효율 (fundamental limit) ZT = 1.7 예측.

° Si기판의 하향식(top-down)에칭을 통해 Si 나노선을 대면적으로 형성시킬 수 있는 기술 개발.
Si 나노선의 도핑농도, 타입, 직경, 길이 표면 거칠기, 결정학적 배향을 정확이 제어할 수 있는 원천기술 개발. 에칭으로 얻어진 SiNWs의 낮은 전기전도 특성을 밝혀내기 위하여 에칭조건과 전기전도도간의 상관관계를 체계적으로 분석. SiNWs의 SIMS분석을 통해 낮은 전기전도 특성의 원인이 에칭과정 중 발생하는 도펀트 손실과 관련이 있음을 규명.

° 국내에 보유하지 않던 저차원 열전소재의 물성측정을 위한 Microfabricated Thermoelectric Measurement Platform (MTMP) 소자 최적화된 설계/구현 기술을 확립하여 나노스케일에서 직접적인 방법으로 Seebeck계수 (S), 전기전도도 (σ), 열전도도(k)를 동시에 측정평가할 수 있는 기술 확보. 국내 연구진들에게 해당기술의 보급.

° 확보된 열전물성 측정기술의 신뢰성 확보를 위한 열전물성측정결과의 Round Robin Test.

( 출처 : 요약서 4p )

Abstract ▼

The present research and development is aimed (1) at developing computational method of predicting thermoelectric properties (e.g., electrical and thermal conductivity, Seebeck coefficient) of low dimensional materials with various materials morphology, dopant types and concentrations, and the funda

The present research and development is aimed (1) at developing computational method of predicting thermoelectric properties (e.g., electrical and thermal conductivity, Seebeck coefficient) of low dimensional materials with various materials morphology, dopant types and concentrations, and the fundamental thermoelectric figure-of-merit (ZT) of silicon, (2) at exploring cutting-edge nano-metrologies for reliable evaluation thermoelectric properties and energy conversion efficiency of low dimensional materials, and (3) at developing a core technology for nanowire-based thermoelectric devices that are can be implemented to advanced integrated circuits through top-down nano-processing.

To achieve the goals, we have conducted the systematic researches through interdisciplinary approach as following; I) theoretical modeling for the calculation thermoelectric energy conversion efficiency through first-principle approach based on Boltzmann transport equation as well as for predicting lattice thermal conductivity based on molecular dynamic simulation, II) development of top-down nano-processing for vertically aligned SiNWs-based thermoelectric device with arrays of p- and n-leg, III) microfabricated thermoelectric measurement platform(MTMP) based reliable measurments of thermoelectric properties of low-dimensional nanomaterials. By developing a new simulation method, we were able to predict lattice thermal conductivity as a function of length and diameters of SiNWs with different doping states. The predicted thermal conductivity values were compared with experimental data, from which we validated our simulation algorithm. In addition, we presented for the first time the fundamental limit of energy conversion efficiency of silicon with ZT = 1.7. For the material’s field, we have systematically analyzed the origin of low electrical conductivity of SiNWs formed by top-down etching processes. Based on electrical measurements and also secondary ion mass spectroscopy of SiNWs formed under various etching conditions, we concluded that the dopant loss which takes place during the etching process at the etched surface is mainly responsible for low electrical conductivity. Post-doping, passivation/removal of surface, post-annealing of etch formed SiNWs turned out to be effective to some extents only for SiNWs with larger diameters (> 100 nm). But these post processes were not effective for sub-100 nm SiNWs. For the realization of SiNWs-based high-performance TE devices, low electrical conductivity of etch-formed SiNWs needs to be further resolved. For the device and nanometrology field, we have successfully established protocol for the reliable evaluation of thermoelectric properties of low-dimensional nanomaterials, which based on MTMP arrays realized on 8 inch-scale wafer. The reliability of our measurement system have been checked by evaluating thermal conductivity of various low-dimensional nanomaterias as well as comparing the measurement results through round robin testing.

( 출처 : SUMMARY 10p )

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 2보고서 요약서 ... 4요 약 문 ... 6SUMMARY ... 10CONTENTS ... 12목차 ... 13제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 15 제 1 절: 연구개발의 목적 ... 15 제 2 절: 연구개발의 필요성 ... 15 제 3 절: 연구개발의 범위 ... 17제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 27 제 1 절: 국내·외 관련 분야의 기술개발 현황 ... 27 제 2 절: 현 기술의 취약점 ... 36 제 3 절: 참고문헌 ... 39제 3 장. 연구수행 내용 및 결과 ... 41 제 1 절: 열전물성 전산모사 ... 41 3.1.1 열전 현상 개요 ... 41 3.1.2 열물성 계산 작업 흐름도 ... 42 3.1.3 그래핀 열전도도 전산모사 ... 43 3.1.4 그래핀 나노리본의 열전도도 평가 ... 47 3.1.5 열전도도 계산을 위한 실리콘 포텐셜 ... 56 3.1.6. 열전도도 계산을 위한 포텐셜 ... 58 3.1.7. 열전도도 계산 방법론: 비평형 분자동력학 계산 ... 58 3.1.8. Steady state 계산 ... 60 3.1.9 볼쯔만 수송방정식을 이용한 열전도도 계산 ... 63 3.1.10 탄성적으로 다른 장벽이 있는 실리콘 나노선에서 포논 전송에 관한 연구 ... 65 3.1.11 나노선의 증가된 이온화 불순물의 전자 산란에 관한 연구 ... 67 3.1.12 실리콘 열전도도 전산모사 ... 68 3.1.13 Isotope이 고려된 실리콘 열전도도 전산모사 ... 71 3.1.14 실리콘 나노선의 열전도도 평가 ... 72 3.1.15 실리콘 나노선 열전도도의 표면 구조 영향성 ... 73 3.1.16 실리콘/금속 접합 특성 ... 76 3.1.17 Ge 도핑에 의한 실리콘 열전도 특성 변화 예측 (0% ≦Ge ≦ 20% ) ... 79 3.1.18 Ge과 C 불순물의 Si 내에서의 구조와 전기적 활성 평가 ... 82 3.1.19 실리콘 열전특성 계산 ... 82 3.1.20 실리콘 나노선의 열전도도 및 열전 변환효율 계산 ... 84 제 2 절: 저차원 열전나노소재 원천기술 개발 ... 86 2.1. 실리콘 나노선 열전소재 ... 86 2.2. 그래핀 열전소재 ... 117 제 3 절: 하향식 반도체 단위공정기술 개발 ... 138 3.1. 상부전극형성 공정 개발 ... 140 3.2. p-/n- 패터닝을 위한 단위공정 개발 ... 144 3.3. 나노선/금속 접합 공정 개발 ... 150 3.4. 포토리소그라피를 이용한 마이크로미터 크기의 나노선 번들 어레이 형성기술개발 ... 153 3.5. 임플란트 공정 방법에서 발생할 수 있는 문제점과 그 해결 방법 ... 163 3.6. 상부 전극 형성 방법 ... 167 3.7. 실리콘 나노 튜브 구조 제작 및 평가 ... 169 제 4 절: 열전물성 및 효율 특성 평가기술 개발 ... 179 4.1. 열전 all-in-one Microfabricated Thermoelectric Measurement Platform(MTMP) 제작기술 개발 ... 179 4.2. 열전 특성 측정 장비 구성 ... 182 4.3. 열전 MTMP 플랫폼의 온도 교정 ... 184 4.4. 열전 MEMS 플랫폼 유효성 평가 ... 187 4.5. 트랜지스터 구조를 이용한 실리콘 나노선 특성 평가 ... 191 4.6. MTMP 소자 최적화 ... 210 4.7. 표면 분자막 형성을 통한 실리콘 나노선 트랜지스터 소자특성 연구 ... 225 4.8. 실리콘 나노선의 열전도도 측정 ... 235 4.9. Si 나노선의 낮은 전기전도도 원인분석 및 열전물성 향상 ... 253 4.10. 단일 나노선의 mobility 측정 ... 258 4.11. 나노선 열전모듈의 열전에너지 변환효율 측정 프로토콜 구축 ... 261 4.12. 수직정렬 Si 나노선 p-leg과 n-leg 소자로 구성된 열전소자 ... 264 4.13. 나노선의 열전에너지 변환효율 측정 프로토콜 구축 ... 265 4.14. 열전물성 특성평가 플랫폼(MTMP) 설계 및 구현 기술의 국내보급 ... 270 4.15. 나노선의 열전물성 측정기술의 국제 비교 ... 276 제 5 절: 참 고 문 헌 ... 278제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 282 제 1절. 연도별 연구목표 및 평가의 착안점 ... 282 제 2 절. 연도별 연구개발목표 달성도 ... 285제 5 장. 연구개발결과의 활용계획 ... 295 제 1 절. 기대성과 및 활용방안 ... 295 제 2 절. 연구개발성과 활용 추진방법 및 일정계획 ... 297 제 3 절. 연구개발 결과 (성과 목록) ... 299제 6 장 참고문헌 ... 332끝페이지 ... 338