Thermoelectric devices based on solid-state technology are promising green technology for the power generator applications. Thermoelectrics is an energy conversion between heat and electricity. Seebeck effect is known as the conversion of temperature differences directly into electricity. Similar energy conversion occurs when a current passed through two dissimilar materials cools the junction through the Peltier effect. Bulk Bi2Te3 and its alloys are the most widely used thermoelectric materials because they show high energy converting efficiency. Applications of thermoelectricity include chip level electronics cooling, power generators for remote telecommunication, temperature control systems in solid state lasers etc. The emergence of low-cost, high-efficiency thermoelectric power generators will also help reduce our dependence on non-renewable energy resources.
The efficiency of thermoelectric energy conversion is expressed by a figure of merit, ZT, which is defi ned as ZT = S^2σT/κ, where S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, κ is the thermal conductivity, and T is the absolute temperature. The ZT should be maximized to for high efficiency. Since the discovery of the thermoelectric properties of Bi2Te3 and its alloys with Sb and Se in the 1950s, bulk material with ZT higher than 1 has been not discovered. Recent studies in nanostructured thermoelectric materials have led to a increase in ZT and experimental breakthroughs in high ZT have been reported. To further improve the performance of hermoelectric devices and optimize the design of thermoelectric systems, it will be essential to understand the physics of thermoelectric devices and
fabricate the thermoelectric devices, which are the goal of this thesis.
To overcome a limitation in Si thermoelectrical properties such as the Seebeck coefficient and thermal conductivity, Si and metal silicide hetero-junction structure has been adopted and Si based thermoelectric devices are fabricated. In the rst part of the dissertation, Simulation results for the Seebeck coefficient and electrical conductance are presented. Furthermore, we have shown that the phonon transmission is reduced in the multi-layer structure by solving elastic wave equation. We fabricated devices and Pt and silicon are used for the silicide/silicon layers, respectively. Thermoelectric properties, such as the Seebeck coefficient and thermal conductivity, are examined. Finally, Si based thermoelectric module devices are fabricated and the optimization process is introduced.
열전소자는 열 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있는 전자 소자로서, 열전소자를 동작 시킬 수 있는 열원은 매우 다양하다. 최근 지구 온난화를 극복 하기 위하여 기존에 사용되고 있는 화석 에너지를 대체 할 수 있는 기술에 눈을 돌리고 있으며, 세계 각국에서는 새로운 청정 에너지 기술을 개발 하고 있다. 열전소자 기술은 이를 해결 할 수 있는 가장 유망한 기술 중의 하나로 관심을 끌고 있다. 현재 상용화된 열전 재료로는 상온에서 Bi2Te3, 고온 영역에서 SiGe 같은 반도체 물질이 사용되고 있다. 열전소자의 특성을 평가 할 수 있는 지표로는 ZT값이 사용된다. 지벡(Seebeck) 효과는 S=dV/dT 식과 같이 기술 할 수 있는데 이는 온도차이에 의해서 유도 되는 전압을 의미한다. 온도 차이가 있을 경우 저온부의 온도를 Tc, 고온부의 온도가 Th이며, 열전소자에 사용하고 있는 물질의 열전도도(thermal conductivity)가 κ, 전기 전도도(electrical conductivity)가 σ 라고 한다면, ZT값은 다음과 같이 표현 할 수 있다 ZT= S^2σT/κ. Bi2Te3 는 온도가 약 300K에서 ZT값이 약 1의 값을 가지며 SiGe의 경우에는 1200K의 높은 온도에서 약 1 의 값을 갖는 것으로 특성이 알려져 있다. 하지만 Bi2Te3를 사용하는 상용 소자의 경우 매장량이 충분치 않고 화합물 기반의 재료로서 가공이 어렵다. 또한 독성을 가진 물질로 인체에 매우 해로울 뿐만 아니라 재료의 단가가 매우 높다. 이러한 단점에 반하여 실리콘 열전소자 기술은 많은 장점을 가지고 있다. 매장량이 거의 무한하기 때문에 매우 저렴하며 인체에도 무해한 특성을 가지고 있다. 실리콘은 현재 반도체의 재료로서 가장 많이 쓰이는 물질이기 때문에 소형화, 특히 나노 사이즈의 공정을 진행 함에 있어서 이미 성숙한 실리콘 기술을 사용할 수 있다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 실리콘 벌크 자체만의 열전 효율 ZT 는 0.01 이하의 값을 가지게 된다. 이는 벌크 실리콘의 열전도도(thermal conductivity)가 약 150 W/mK으로 매우 높기 때문이다. 이러한 이유로 지금까지는 실리콘이 열전소자로서 사용 가능성이 낮은 것으로 알려져 왔다. 1993년 MIT의 Dresselhaus교수는 열전 소재를 양자점(quantum dot)혹은 나노선(nanowire)과 같은 저 차원 구조로 제작함으로써 열전소자의 성능을 향상 시킬 수 있다는 것을 이론적으로 제시 하였다. 이러한 이론을 바탕으로 실리콘을 재료로 하는 열전 소재 및 나노 기술과 관련된 내용이 주류를 이루고 있다. 실제로 2001년 미국 RTI 그룹의 Venkatasubramania그룹에서 Sb2Te3 및 Bi2Te3의 초격자(superlattice)구조를 이용하여 ZT값이 2가 넘는 실험 결과를 발표 하였다. 하지만 초격자 구조는 대량 생산에 어려운 등 생산적인 측면에서 고려해야 할 점이 많다.
이러한 장점 및 단점을 취합하여 실리콘을 이용한 열전소자를 개발 하고자 한다. 실리콘과 금속(metal silicide)의 이종접합(heterojunction)을 통하여 초격자(superlattice)와 같은 구조를 CMOS 기술을 이용하여 제작 하고자 한다. 이에 대한 이론적 근거로 간단한 NEGF 방법을 통하여 채널내에 장벽이 존재 할 때의 지벡계수 및 파워팩터의 상관 관계를 파악 하였고 적절한 장벽의 크기가 파워팩터를 향상 시킬 수 있음을 알 수 있었다. 또한 파동 방정식의 해를 통하여 소리의 전달 속도가 다른 두 물질 사이에 전달 함수가 감소 함을 알 수 있었다.
실리콘과 금속(metal-silicide)은 CMOS공정을 이용하여 증착하고 적절한 열처리 조건을 통하여 전기 전도도(electrical conductivity)를 유지 하면서 지벡 계수를 향상 시킬 수 있는 방법을 고안 하였다. 소자의 지벡 계수를 측정 하기 위하여 제작된 소자에 맞게 지벡 계수를 측정 할 수 있는 시스템을 고안 하였다. 이를 통해 장벽이 존재 할 경우 지벡 계수가 증가 함을 알 수 있었다. 또한 열전도도는 3-omega 방법을 통하여 측정 하였다. 이에 따라 필요한 3-omega 장치를 설계 하였으며 고안된 시스템의 적절성을 기준시료를 통하여 알아보았다. 또한 실리콘과 금속 사이에 존재 하는 계면에서 발생되는 열저항의 크기를 계산 할 수 있었고 이에 따라 열 전도도가 감소 함을 알 수 있었다.
마지막으로 제작된 실리콘과 금속 이종접합 구조를 이용하여 실리콘 기반 열전소자를 개발 하였다. 기존에 알려진 열전 모듈 제작 방법을 사용할 경우 Bi2Te3 보다 높은 열전도도로 인해 최적의 효율이 나오지 않는다. 이를 개선하기 위해서 기판의 재질 및 구조를 변경함으로써 높은 효율을 갖는 열전 소자를 제작 할 수 있었다.
