JP3841272B2 - Sb2Te3 single crystal thin film and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ソリッドステートエアコンを実現するペルチェ素子、排熱エネルギーの回収に使用される熱電発電素子、及び温度センサーなどの熱電変換素子に用いられるSb2Te3単結晶薄膜及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、環境問題が非常に重要視され、空調器や冷却器についてのフロンレス化、及び熱交換効率の向上による省エネルギー化が望まれている。熱電変換素子は、熱エネルギーと電気エネルギーの可逆的な直接変換素子として有望であるが、従来は変換効率が低いため、広く普及するには至らなかった。
熱電変換素子の変換効率を改善する方法として、熱電変換材料によって厚さ数十Åという極めて薄い膜を形成し、この膜よりもバンドギャップ幅が広い材料で膜を挟み込む量子井戸構造が有効であることをL.D.Hicksらは明らかにしている。
【0003】
この技術は、L.D.Hicks and M.S.Dresselhaus,“Effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit”,Phys.Rev.B 47,19,pp.12727-12731(1993)という文献に発表されている。
室温近傍領域で用いられる代表的な熱電変換材料であるBi2Te3で量子井戸構造を実現するには、量子井戸層Bi2Te3を挟み込む好適な障壁層の材料を選択することが必要である。極めて薄い膜を多層積層するには、各々の層が原子レベルで平坦な単結晶層でなければならず、下地層の結晶構造を反映して上層の結晶を成長させるエピタキシャル単結晶成長を行なう。Sb2Te3は、Bi2Te3と同じ結晶系に属し、Bi2Te3に極めて近い格子定数を有するため、障壁層として有望な材料である。
【0004】
通常、単結晶膜を基板上に成長させるには、成長させようとする目的生成物と結晶構造及び格子定数がほぼ近い基板を選択しなければならない。Sb2Te3単結晶膜を成長させる場合、Sb2Te3に結晶構造及び格子定数がほぼ近い基板として、サファイア(Al2O3)基板が挙げられる。
しかし、このサファイア(Al2O3)基板の格子面(0001)面においても、分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy:MBE)装置で、サファイア基板上に直接Sb2Te3を成長させようとするとSb2Te3は多結晶成長してしまうため、Sb2Te3単結晶膜をサファイア基板上に成長させることが困難であった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記課題を解決し、分子線エピタキシー法を用いて、Sb2Te3単結晶膜を簡単でかつ安価なコストで基板上に成長させることができるSb2Te3単結晶薄膜及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜の製造方法は、密閉された容器内に配置した基板上にSb2Te3エピタキシャル単結晶を成長させるSb2Te3単結晶薄膜の製造方法であって、Bi2Te3蒸気圧が前記容器内の圧力よりも小さくなる基板温度で、Bi2Te3を基板上に堆積させるバッファ成長段階と、Bi2Te3蒸気圧が前記容器内の圧力よりも大きくなる温度まで前記基板温度を上げたのち、更に、Bi2Te3蒸気圧が前記容器内の圧力よりも小さくなる温度まで前記基板温度を下げるアニール段階と、これらのバッファ成長段階及びアニール段階によって前記基板上に成長させたBi2Te3エピタキシャル単結晶の表面に、Sb2Te3単結晶を成長させる結晶成長段階とを含む方法である。
【0007】
前記基板としては、特に限定されないが、Sb2Te3単結晶の結晶構造及び格子定数が比較的に近いサファイア(Al2O3)が好ましい。しかし、前述したように、このサファイア基板の格子定数はSb2Te3単結晶と若干相違するため、サファイア基板に直接Sb2Te3単結晶を成長させることが困難であった。
本発明によれば、Bi2Te3単結晶薄膜を、基板とSb2Te3単結晶薄膜とのバッファ層とすることにより、良質なSb2Te3単結晶薄膜を作製することができる。
【0008】
前記容器内の圧力は、特に限定されないが、例えば、10-6〜10-8Paの範囲が好ましい。そして、前記バッファ成長段階及びアニール段階は、各々、一回ずつ行っても良いが、安定した薄膜を作製するには、例えば二回などの複数回繰り返して行うことが望ましい。バッファ成長段階の処理時間は、好ましくは、5〜120秒間であり、更に好ましくは、10〜60秒間である。なお、アニール段階の処理時間は、1〜10分間であり、更に好ましくは、3〜5分間である。
【0009】
また、本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜の製造方法の一態様では、前記バッファ成長段階において、Bi 分子線及びTe 分子線を発生させて前記基板上に照射することにより、Bi2Te3を基板上に堆積させる方法である。
さらに、本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜の製造方法の別の態様では、前記結晶成長段階において、Sb分子線及びTe 分子線を発生させて前記Bi2Te3エピタキシャル単結晶の表面に照射することにより、Sb2Te3単結晶を成長させる方法である。
【0010】
このように、Bi2Te3を基板上に堆積させる方法やBi2Te3単結晶の表面にSb2Te3単結晶薄膜を成長させる方法として、特別な装置を必要しない一般的な分子線エピタキシー法を用いることにより、簡単でかつ安価なコストでSb2Te3単結晶薄膜を作製することができる。
そして、本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜の製造方法の更に別の態様では、前記Bi 分子線、Te 分子線及びSb分子線を分子線エピタキシー法によって発生させ、かつ、該分子線エピタキシー法における温度条件を、Bi ソースが550〜570℃、Te ソースが310〜330℃、Sbソースが450〜470℃、及び基板表面が255〜275℃とする方法である。
前述した温度条件下で分子線エピタキシー法を行うことにより、良質なSb2Te3単結晶薄膜を得ることができ、逆に、これらの温度範囲を外れると多結晶となってしまう。
【0011】
また、本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜は、前述した方法によって製造した薄膜である。
単結晶薄膜の成長法として一般的な分子線エピタキシー法によってSb2Te3エピタキシャル単結晶薄膜を作製できるため、特別な装置等を必要とせずに、簡単かつ安価なコストで行うことができる。
【0012】
そして、本発明に係る熱電変換素子は、前記Sb2Te3単結晶薄膜を用いた熱電変換素子である。
この熱電変換素子とは、熱エネルギーと電気エネルギーを可逆的に直接変換するものであり、ソリッドステートエアコンに用いられるペルチェ素子、排熱エネルギーの回収に用いる熱電発電素子、及び温度センサーなどがある。
なお、本発明においては、基板と、該基板上に成長させたBi2Te3単結晶バッファ層と、該Bi2Te3単結晶バッファ層上に成長させたSb2Te3単結晶薄膜とを備えた熱電変換材料を得ることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態に係るSb2Te3単結晶薄膜及びその製造方法について、図面を用いて詳細に説明する。この実施の形態においては、分子線エピタキシー法(以下、MBE法という)を用い、サファイア基板上に、Bi2Te3のエピタキシャル単結晶薄膜を介してSb2Te3エピタキシャル単結晶薄膜を作製する一例について説明する。
【0014】
[分子線エピタキシー装置]
本発明に用いる分子線エピタキシー装置(以下、MBE装置という)の構造を図1に概略的に示す。
【0015】
このMBE装置20は、真空容器1によって外部から遮断され、内部は10-7Pa以下の所定の圧力(例えば、10-8Pa)に保持されている。前記真空容器1は、排気ダクト2を介して、ターボ分子ポンプ又はクライオポンプなどの高真空排気手段(図示せず)に接続されており、目的とする薄膜を成長させるための基板3は、基板ホルダー4に保持されている。基板ホルダー4には、図示しない加熱手段及び温度調節機能が設けられており、基板3の温度を任意の設定温度に保持することができる。
【0016】
また、Kセル(Knudsen Cell)8a,8b,8cが基板3に向けて配設されており、このKセル内にるつぼ9a,9b,9c、加熱ヒーター10a,10b,10c、及び開閉可能なシャッター11a,11b,11cが設けられている。Bi(ビスマス)ソース5、Sb(アンチモン)ソース6、及びTe(テルル)ソース7は、前記Kセル8a〜8c内のるつぼ9a〜9cに充填されており、前記ソース加熱ヒーター10a〜10cで加熱されるように構成されている。
【0017】
このソース加熱ヒーター10a〜10cでソース5〜7を加熱すると蒸発し、それぞれ、分子線22a,22b,22cとなり、真空容器1中の残留ガス分子に衝突することなく基板3の表面上に到達し、薄膜成長の材料供給源となる。そして、前記シャッター11a〜11cを開閉制御することにより、基板3の表面に元素を選択的に供給することができ、所望の組成材料を成長させることができる。
【0018】
さらに、真空容器1の上部側壁には、反射高速電子線回折(Reflection High Energy Electron Diffraction:以下、RHEEDという)電子銃12aと、該電子銃12aに対向してRHEEDスクリーン12bが配設されている。
前記薄膜の成長は、RHEED像によって、基板3上の成長表面を実時間で観測することができる。RHEED電子銃12aから2〜3°の角度で基板3表面に電子線21を照射すると、RHEEDスクリーン12bの裏面に塗布された蛍光面に、成長表面の結晶構造情報を含有した反射電子線21が照射される。この蛍光パターンを観察することで、基板3上で成長する結晶表面状態を知ることができる。
なお、真空容器1の上端部には、真空容器1内部の真空度を測定する真空度測定手段13が配設されている。この真空度測定手段13としては、例えば電離真空計などを好適に用いられる。
【0019】
[基板]
基板3は、前述したように、エピタキシャル成長させる目的生成物の結晶構造に近い単結晶が用いられる。本発明における目的生成物Sb2Te3単結晶は、図2に示すように三方晶に属し、a0=4.262Å、c0=30.450Åの格子定数を有する。c軸方向への結晶成長を考えると、基板3は、同じ晶系である三方晶あるいは六方晶で、c(0001)面内の格子定数a0が近い材料が基板材料として望ましい。これに加えて、材料の入手性や表面研磨性などの物理的要因の考慮すると、三方晶で格子定数a0=4.763Å、c0=13.003Åと比較的近いa0を有するサファイア単結晶が好ましい。しかし、Sb2Te3単結晶とサファイアとのa0の差異は11.8%におよぶため、両者のヘテロ接合界面で歪を生じることになり、良質な単結晶を育成する阻害要因となる。
【0020】
ここで、様々なソース温度や基板温度条件において、分子線エピタキシー法によってサファイア基板上へ直接Sb2Te3成長させようと試みても、Sb2Te3がランダムな方位に配向した多結晶となってしまい、エピタキシャル単結晶は得られない。その一方、Bi2Te3単結晶は、三方晶系でa0=4.3852Å、c0=30.483ÅとSb2Te3に極めて近い格子定数を有し、かつ、a0(Sb2Te3)<a0(Bi2Te3)<a0(サファイア)という条件を満たしている。そこで、Bi2Te3単結晶をサファイア単結晶とSb2Te3単結晶との間のバッファ層として用いることで、サファイアとSb2Te3との格子定数における不整合を緩和させることに本発明者らは着目した。
【0021】
[蒸気圧]
図3に示すのは、ソース源であるBi,Te,Sbおよび目的生成物であるBi2Te3とSb2Te3の蒸気圧曲線である。MBE装置は、10-7Pa以下の所定の圧力に設定された真空容器内の背圧に対して、ソース5〜7を加熱することにより、蒸発させて分子線を発生させ、該分子線を基板3に照射して基板表面に材料を供給する装置である。
【0022】
また、Bi蒸気圧とTe蒸気圧の比率、及びSb蒸気圧とTe蒸気圧の比率が、それぞれBi2Te3およびSb2Te3の化学量論組成比2:3よりややTeの比率が高い程度とする。Teの比率を高くするのは、同一温度に対する蒸気圧はTeの方が遙かに高く、生成されたBi2Te3からの再蒸発によるTe欠損を防ぐためである。
【0023】
さらに、Bi2Te3成長用TeソースとSb2Te3成長用Teソースを共用するため、同一のTe蒸気圧に対するBiソース5及びSbソース6各々の蒸気圧を考慮する。基板表面温度は高いほうが不安定分子が再蒸発して良質な結晶が得られやすいが、目的生成物の蒸気圧が真空容器背圧より低くなるようにしなければならない。したがって、Bi2Te3,Sb2Te3蒸気圧曲線から、真空容器1内の圧力を10-7Paとした場合、後述するバッファ成長I,II,IIIにおいて、基板表面温度は約270℃以下に設定しなくてはならないことがわかる。
【0024】
[本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜の作製方法]
次いで、図4を用いて、本発明に係るMBE成長プロセスを用いてSb2Te3単結晶をサファイア基板上に、Bi2Te3単結晶をバッファとして成長させる方法を説明する。なお、以下の説明においては、後述する図4からも明らかなように、温度Ta1,Ta3,Ta5は、Bi2Te3蒸気圧が真空容器内の圧力よりも大きくなる温度であり、温度Ta2,Ta4,Tgrowthは、Bi2Te3蒸気圧が真空容器内の圧力よりも小さくなる温度である。
まず、10-7Pa以下の高真空雰囲気下(例えば、10-8Pa)で基板3を温度Ta1まで加熱することによって、基板3の表面における汚染物質を蒸発及び除去する(Pa1工程:サーマルクリーニング)。
次いで、基板表面の温度をTa2となるように温度調整を行なう(Pa2工程:温度調整)。
【0025】
さらに、充分に時間が経過して各部の設定温度が熱平衡状態に達したら、Biシャッター11aとTeシャッター11cを開き、基板表面にBi分子線22a及びTe分子線22cを照射して基板3上にBi2Te3を成長させ、成長時間ta3が経過した段階でBiシャッター11aを閉じる(Pa3工程:バッファ成長I)。
次いで、基板温度をTa3まで昇温し、所定温度に達したら速やかに加熱を停止して基板温度をTa4となるよう調整することにより、Bi2Te3バッファ層のアニーリングを行う(Pa4工程:アニールI)。
そして、基板温度がTa4になり熱平衡状態に達したら、再びBiシャッター11aを開いて、Bi分子線22aを基板3に照射してta5だけ成長を行ったのち、Biシャッター11aを閉じる(Pa5工程:バッファ成長II)。
【0026】
さらに、基板温度をTa5まで昇温することによりBi2Te3バッファ層のアニーリングを行う(Pa6工程:アニールII)。
基板温度がTa5に達したのち、速やかに加熱を停止して基板3を結晶成長温度Tgrowth(Ta4)となるよう調整すると同時に、Biシャッター11aを開けてBi分子線22aを基板3に照射し、基板温度がTgrowth(Ta4)に低下するまでの時間tbuff(ta7)だけBi2Te3単結晶バッファの成長を行なう(Pa7工程:バッファ成長III)。
【0027】
次に、Biシャッター11aを閉じ、Sbシャッター11bを開けることにより、Sb2Te3単結晶成長に切り替え、基板温度をTgrowth(Ta4)にしたまま、所望の膜厚が得られる時間tgrowth(ta8)だけSb2Te3単結晶成長を行なう(Pa8工程:結晶成長)。
結晶成長を終えた後に、Sbシャッター11b,Teシャッター11cを閉じて基板3上に成長した試料を徐冷して成長プロセスを終了する(Pa9工程)。
【0028】
[本発明に係るSb2Te3単結晶成長試料の構造]
本発明に係る方法によって作製したSb2Te3単結晶成長試料の断面構造は、図5はに示すとおりである。サファイア基板31の上に、格子定数の不整合を緩和するBi2Te3単結晶バッファ層32を設け、このバッファ層32の表面にSb2Te3単結晶33が成長している。このときの基板温度および各ソース温度条件は、基板温度:255〜275℃、Biソース:550〜570℃、Teソース:310〜330℃、Sbソース:450〜470℃である。なお、これらの温度範囲における好ましい範囲は、基板温度:255〜265℃、Biソース:558〜562℃、Teソース:318〜322℃、Sbソース:458〜462℃である。
【0029】
【実施例】
次いで、実施例によって本発明を具体的に説明する。なお、本実施例では、BiソースをTbi=560℃、SbソースをTSb=460℃、TeソースをTTe=320℃としている。
【0030】
まず、図1に示す真空容器1内を10-7Paの高真空雰囲気とし、図4に示すように、基板温度を700℃(Ta1)まで加熱して、基板表面の汚染物質を蒸発及び除去した(Pa1工程:サーマルクリーニング)。次いで、基板温度を170℃(Ta2)となるように温度調整を行ない、充分に時間が経過して各部の設定温度が熱平衡状態に達したら(Pa2工程)、基板表面にBi,Te各ソース分子線22a,22cを照射するため、Biシャッター11aとTeシャッター11cを開いてBi2Te3を成長させ、成長時間30秒間が経過した時点でBiシャッター11aを閉じた(Pa3工程:バッファ成長I)。
【0031】
次いで、基板温度を345℃(Ta3)まで昇温し、所定温度に達したら速やかに加熱を停止して基板温度を255℃(Ta4)となるよう調整した(Pa4工程:アニールI)。基板温度が255℃(Ta4)になり熱平衡状態に達したら、再びBiシャッター11aを開き、5分間(ta5)だけ結晶成長を行いBiシャッター11aを閉じた(Pb5工程:バッファ成長II)。基板温度を405℃(Ta5)まで昇温した(Pb6工程:アニールII)。所定温度に達したら、速やかに加熱を停止して基板を結晶成長温度Tgrowthである255℃に調整すると同時に、Biシャッターを開けて基板温度がTgrowthに低下するまでの時間tbuffである20分間だけBi2Te3単結晶バッファ層32の成長を行なった(Pa7工程:バッファ成長III)。
【0032】
最後に、Biシャッター11aを閉じ、Sbシャッター11bを開けることにより、Sb2Te3単結晶成長に切り替え、所望の膜厚が得られる時間tgrowthだけSb2Te3単結晶成長を行なった(Pa8工程:結晶成長)。
結晶成長を終えた後に、Sb,Teシャッター11b11cを閉じて基板3上に成長した試料を徐冷して成長プロセスを終了した(プロセスPa9)。本実施例におけるPa4工程およびPa6工程は、Bi2Te3単結晶バッファ層32のアニーリングで、サファイア基板31上への格子定数が異なるBi2Te3単結晶成長を促す処理として有用である。
【0033】
図6及び図7は、本実施例によるMBE成長プロセスでSb2Te3単結晶膜を成長させた場合のRHEED写真で、図6はBi2Te3単結晶バッファ層32の成長中の状態を示し、図7はSb2Te3単結晶成長中の状態を示している。図6及び図7共に縦縞のストリークパターンが現れており、成長試料表面が原子レベルで平坦な単結晶となったことを示している。また、両者のストリークの間隔に差異はなく、格子定数が近いことを示している。
【0034】
本実施例により成長させたSb2Te3単結晶薄膜試料のX線回折結果を図8に示す。X線回折のピークは、41.72°にサファイア基板31の(0006)面、44.66°にSb2Te3およびバッファBi2Te3の(00015)面、54.39°にSb2Te3およびBi2Te3バッファ層32の(00018)面の他、(0009),(00012)ピークが現れている。サファイア、Sb2Te3又はBi2Te3のc面に相当する回折ピークのみ観測されていることから、サファイア基板表面のc(0001)面上に、Bi2Te3バッファ層32とSb2Te3層33のc軸が、基板面と垂直な方向に単結晶成長していることが確認できた。
【0035】
なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されることなく、本発明の技術思想に基づいて、種々の変更又は変形が可能である。例えば、図9に示すように、Bi2Te3単結晶バッファ層32をサファイア基板31上に成長させた後、Sbシャッター11bとBiシャッター11aを交互に開閉することにより、Bi2Te3とSb2Te3を交互に積層させた交互積層膜の成長を行うことができる。
【0036】
図4と同様なプロセスで、サファイア基板31上にBi2Te3単結晶バッファ層32を形成した(Pb1工程〜Pb7工程)後、Teシャッター11cは開けたまま、Sbシャッター11bとBiシャッター11aを交互に開閉することで、Bi2Te3/Sb2Te3交互積層膜を成長させることができる(Pb8工程)。所望の回数だけBi2Te3/Sb2Te3交互積層膜を積層させたら、Sb,Bi,Teシャッター11b,11a,11cを閉じて、基板3上に成長した試料を徐冷して成長プロセスを終了する(Pb9工程)。
このプロセスによって積層したBi2Te3/Sb2Te3交互積層膜の断面構造を図10に示す。この図10に示すように、サファイア基板41上に形成されたBi2Te3バッファ層42上に、Bi2Te3単結晶薄膜43とSb2Te3単結晶薄膜44が交互に積層されている。
【0037】
図11はBi2Te3とSb2Te3各層の成長時間と膜厚を示したグラフであり、直線(破線又は実線)の勾配がそれぞれの成長速度となる。このグラフは、成長温度条件として、Biソース温度TBiを560℃、Sbソース温度TSbを460℃、Teソース温度TTeを320℃とした場合における成長速度を示している。Bi2Te3層とSb2Te3層の成長速度は各々106Å/min,105Å/minであり、この成長速度を基にBiシャッター11a及びSbシャッター11bの開成時間を調整することよって、所望の膜厚制御を行うことができる。
【0038】
Biシャッター11aおよびSbシャッター11bの開時間を各々30秒間とし、50サイクルだけ交互積層を行い、これによって得られたBi2Te3/Sb2Te3交互積層膜試料のX線回折分析結果を図12に示す。
このシャッター開時間の設定では、それぞれの層の厚さは、約50Å程度になると思われる。図12では、特に(00018)面ピーク付近を示しているが、主ピーク(0)を対称軸として超格子構造に特有なサテライトピーク(-3,-2,-1,1,2,3)が現れており、Bi2Te3/Sb2Te3の周期構造が形成できていることが確認できる。
【0039】
【発明の効果】
本発明によれば、Bi2Te3単結晶を基板とSb2Te3とのバッファとすることにより、分子線エピタキシー法を用いて、簡単でかつ安価なコストで良質なSb2Te3単結晶薄膜を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜の製造に用いる分子線エピタキシー装置を示す断面図である。
【図2】三方系晶の結晶構造を示す概念図である。
【図3】本発明に係る単結晶薄膜に用いるBi2Te3、Sb2Te3、Bi及びTeの蒸気圧曲線である。
【図4】本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜の成長法の工程を示す概念図である。
【図5】本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜の構造を示す断面図である。
【図6】本実施例のSb2Te3単結晶薄膜を成長させた場合における、Bi2Te3単結晶バッファ成長中のRHEED写真である。
【図7】本実施例のSb2Te3単結晶薄膜を成長させた場合における、Sb2Te3単結晶成長中のRHEED写真である。
【図8】本発明に係るSb2Te3単結晶薄膜試料のX線回折結果を示すグラフである。
【図9】本発明の変形例に係るSb2Te3単結晶薄膜の工程を示す概念図である。
【図10】本発明の変形例に係るBi2Te3/Sb2Te3交互積層膜の構造を示す断面図である。
【図11】本発明の変形例に係るBi2Te3層及びSb2Te3層の各々の成長時間と膜厚を示すグラフである。
【図12】本発明の変形例に係るBi2Te3/Sb2Te3交互積層膜試料のX線回折結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1 真空容器
2 排気ダクト
3 基板
4 基板ホルダー
5 Biソース
6 Sbソース
7 Teソース
8a,8b,8c Kセル
9a,9b,9c るつぼ
10a,10b,10c ソース加熱ヒーター
10a,10b,10c シャッター
12a RHEED電子銃
12b RHEEDスクリーン
13 真空度測定手段
20 分子線エピタキシー装置
22a,22b,22c 分子線
31,41 サファイア基板
32,42 Bi2Te3単結晶バッファ層
33 Sb2Te3単結晶
42 Bi2Te3バッファ層
43 Bi2Te3単結晶薄膜
44 Sb2Te3単結晶薄膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Peltier element for realizing a solid state air conditioner, a thermoelectric power generation element used for recovering exhaust heat energy, a Sb 2 Te 3 single crystal thin film used for a thermoelectric conversion element such as a temperature sensor, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, environmental issues have become very important, and there has been a demand for energy saving by reducing the use of chlorofluorocarbons and improving heat exchange efficiency for air conditioners and coolers. A thermoelectric conversion element is promising as a reversible direct conversion element of heat energy and electric energy, but conventionally, conversion efficiency is low, so that it has not been widely spread.
As a method for improving the conversion efficiency of thermoelectric conversion elements, a quantum well structure is effective in which a very thin film with a thickness of several tens of millimeters is formed with a thermoelectric conversion material, and the film is sandwiched with a material having a wider band gap. LDHicks and others have made it clear.
[0003]
This technique is published in the literature LDHicks and MSDresselhaus, “Effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit”, Phys. Rev. B 47, 19, pp. 12727-12731 (1993).
In order to realize a quantum well structure with Bi 2 Te 3 which is a typical thermoelectric conversion material used in the region near room temperature, it is necessary to select a suitable barrier layer material sandwiching the quantum well layer Bi 2 Te 3. is there. In order to stack very thin films in multiple layers, each layer must be a flat single crystal layer at the atomic level, and epitaxial single crystal growth is performed in which the upper layer crystal is grown reflecting the crystal structure of the underlying layer. Sb 2 Te 3 belong to the same crystal system as Bi 2 Te 3, because it has a very close lattice constant Bi 2 Te 3, is a promising material as a barrier layer.
[0004]
Usually, in order to grow a single crystal film on a substrate, it is necessary to select a substrate having a crystal structure and a lattice constant close to those of a target product to be grown. In the case of growing an Sb 2 Te 3 single crystal film, a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate can be cited as a substrate having a crystal structure and a lattice constant substantially similar to Sb 2 Te 3 .
However, even in the lattice plane (0001) plane of this sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, when trying to grow Sb 2 Te 3 directly on the sapphire substrate with a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus, Sb Since 2 Te 3 grows in polycrystal, it was difficult to grow a Sb 2 Te 3 single crystal film on a sapphire substrate.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention, the problems were solved by using a molecular beam epitaxy, Sb 2 Te 3 single crystal film Sb 2 Te 3 single crystal thin film and can be grown on the substrate in a simple and low cost that An object is to provide a manufacturing method.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Manufacturing method of Sb 2 Te 3 single crystal thin film according to the present invention is a sealed Sb 2 Te 3 method for producing a single crystal thin film to grow the Sb 2 Te 3 epitaxial single crystal on a substrate placed in the container in Bi 2 Te 3 substrate temperature be less than the pressure of the vapor pressure within the container, a buffer growth depositing a Bi 2 Te 3 on the substrate, than the pressure of the Bi 2 Te 3 vapor pressure inside the container After raising the substrate temperature to a temperature that increases, an annealing step for lowering the substrate temperature to a temperature at which the Bi 2 Te 3 vapor pressure becomes smaller than the pressure in the vessel, and these buffer growth steps and annealing steps A crystal growth step of growing an Sb 2 Te 3 single crystal on the surface of the Bi 2 Te 3 epitaxial single crystal grown on the substrate.
[0007]
The substrate is not particularly limited, but sapphire (Al 2 O 3 ) having a relatively close crystal structure and lattice constant of Sb 2 Te 3 single crystal is preferable. However, as described above, the lattice constants of the sapphire substrate to slightly different and Sb 2 Te 3 single crystal, it is difficult to grow directly Sb 2 Te 3 single crystal sapphire substrate.
According to the present invention, a high-quality Sb 2 Te 3 single crystal thin film can be produced by using the Bi 2 Te 3 single crystal thin film as a buffer layer between the substrate and the Sb 2 Te 3 single crystal thin film.
[0008]
Although the pressure in the said container is not specifically limited, For example, the range of 10 < -6 > -10 <-8> Pa is preferable. The buffer growth step and the annealing step may be performed once, but it is preferable to repeat the buffer growth step and the annealing step a plurality of times, for example, twice in order to produce a stable thin film. The processing time in the buffer growth stage is preferably 5 to 120 seconds, and more preferably 10 to 60 seconds. In addition, the processing time of an annealing stage is 1 to 10 minutes, More preferably, it is 3 to 5 minutes.
[0009]
Further, in one aspect of the method for producing a Sb 2 Te 3 single crystal thin film according to the present invention, in the buffer growth stage, a Bi molecular beam and a Te molecular beam are generated and irradiated onto the substrate, whereby Bi 2 Te. This is a method of depositing 3 on a substrate.
Furthermore, in another aspect of the method for producing a Sb 2 Te 3 single crystal thin film according to the present invention, in the crystal growth stage, an Sb molecular beam and a Te molecular beam are generated to form a surface of the Bi 2 Te 3 epitaxial single crystal. In this method, Sb 2 Te 3 single crystals are grown by irradiation.
[0010]
Thus, as a method for depositing Bi 2 Te 3 on a substrate and a method for growing a Sb 2 Te 3 single crystal thin film on the surface of a Bi 2 Te 3 single crystal, general molecular beam epitaxy that does not require a special apparatus. By using this method, an Sb 2 Te 3 single crystal thin film can be produced at a simple and inexpensive cost.
In still another aspect of the method for producing a Sb 2 Te 3 single crystal thin film according to the present invention, the Bi molecular beam, the Te molecular beam, and the Sb molecular beam are generated by a molecular beam epitaxy method, and the molecular beam epitaxy is performed. In this method, the Bi source is 550 to 570 ° C, the Te source is 310 to 330 ° C, the Sb source is 450 to 470 ° C, and the substrate surface is 255 to 275 ° C.
By performing the molecular beam epitaxy method under the temperature conditions described above, a good quality Sb 2 Te 3 single crystal thin film can be obtained, and conversely, if it falls outside these temperature ranges, it becomes polycrystalline.
[0011]
The Sb 2 Te 3 single crystal thin film according to the present invention is a thin film manufactured by the method described above.
Since an Sb 2 Te 3 epitaxial single crystal thin film can be produced by a general molecular beam epitaxy method as a single crystal thin film growth method, it can be carried out easily and at a low cost without requiring a special apparatus.
[0012]
The thermoelectric conversion element according to the present invention is a thermoelectric conversion element using the Sb 2 Te 3 single crystal thin film.
This thermoelectric conversion element directly converts heat energy and electric energy reversibly and includes a Peltier element used for a solid state air conditioner, a thermoelectric power generation element used for recovering exhaust heat energy, a temperature sensor, and the like.
In the present invention, a substrate, a Bi 2 Te 3 single crystal buffer layer grown on the substrate, and an Sb 2 Te 3 single crystal thin film grown on the Bi 2 Te 3 single crystal buffer layer are provided. The provided thermoelectric conversion material can be obtained.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the Sb 2 Te 3 single crystal thin film and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, an example of using a molecular beam epitaxy method (hereinafter referred to as MBE method) to produce an Sb 2 Te 3 epitaxial single crystal thin film on a sapphire substrate via an Bi 2 Te 3 epitaxial single crystal thin film. Will be described.
[0014]
[Molecular beam epitaxy equipment]
The structure of a molecular beam epitaxy apparatus (hereinafter referred to as MBE apparatus) used in the present invention is schematically shown in FIG.
[0015]
The
[0016]
Further, K cells (Knudsen Cells) 8a, 8b, 8c are arranged toward the
[0017]
When the
[0018]
Further, a reflection high energy electron diffraction (hereinafter referred to as RHEED)
In the growth of the thin film, the growth surface on the
A vacuum degree measuring means 13 for measuring the degree of vacuum inside the
[0019]
[substrate]
As described above, a single crystal close to the crystal structure of the target product to be epitaxially grown is used for the
[0020]
Here, even if an attempt is made to grow Sb 2 Te 3 directly on a sapphire substrate by molecular beam epitaxy under various source temperatures and substrate temperature conditions, Sb 2 Te 3 becomes a polycrystal with random orientation. Therefore, an epitaxial single crystal cannot be obtained. On the other hand, the Bi 2 Te 3 single crystal is trigonal and has a 0 = 4.3852Å, c 0 = 30.483Å and a lattice constant very close to Sb 2 Te 3 , and a 0 (Sb 2 Te 3 ). The condition of <a 0 (Bi 2 Te 3 ) <a 0 (sapphire) is satisfied. Therefore, the present invention is intended to alleviate the mismatch in the lattice constant between sapphire and Sb 2 Te 3 by using Bi 2 Te 3 single crystal as a buffer layer between the sapphire single crystal and the Sb 2 Te 3 single crystal. They paid attention.
[0021]
[Vapor pressure]
FIG. 3 shows vapor pressure curves of Bi, Te, Sb as source sources and Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 as target products. The MBE apparatus heats the
[0022]
Also, the ratio of Bi vapor pressure to Te vapor pressure, and the ratio of Sb vapor pressure to Te vapor pressure are slightly higher than the stoichiometric composition ratio 2: 3 of Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 respectively. To the extent. The reason why the ratio of Te is increased is that Te has a much higher vapor pressure for the same temperature, and prevents Te deficiency due to re-evaporation from the generated Bi 2 Te 3 .
[0023]
Further, since the Te source for Bi 2 Te 3 growth and the Te source for Sb 2 Te 3 growth are shared, the vapor pressures of the
[0024]
[Method for producing Sb 2 Te 3 single crystal thin film according to the present invention]
Next, a method for growing an Sb 2 Te 3 single crystal on a sapphire substrate using the Bi 2 Te 3 single crystal as a buffer using the MBE growth process according to the present invention will be described with reference to FIG. In the following description, as is apparent from FIG. 4 described later, the temperatures Ta1, Ta3, and Ta5 are temperatures at which the Bi 2 Te 3 vapor pressure becomes larger than the pressure in the vacuum vessel, and the temperatures Ta2, ta4, T growth is the temperature at which the Bi 2 Te 3 vapor pressure is less than the pressure in the vacuum chamber.
First, the contaminants on the surface of the
Next, temperature adjustment is performed so that the temperature of the substrate surface becomes Ta2 (Pa2 step: temperature adjustment).
[0025]
Further, when the set temperature of each part reaches a thermal equilibrium state after a sufficient time has elapsed, the
The substrate temperature was then raised to Ta3, by adjusting to the substrate temperature becomes Ta4 stop quickly heated reaches the predetermined temperature, annealing of the Bi 2 Te 3 buffer layer (Pa4 Step: Annealing I).
When the substrate temperature reaches Ta4 and reaches a thermal equilibrium state, the
[0026]
Further, the Bi 2 Te 3 buffer layer is annealed by raising the substrate temperature to Ta5 (Pa6 process: annealing II).
After the substrate temperature reaches Ta5, the heating is quickly stopped to adjust the
[0027]
Then, close the
After the crystal growth is completed, the
[0028]
[Structure of Sb 2 Te 3 Single Crystal Growth Sample According to the Present Invention]
The cross-sectional structure of the Sb 2 Te 3 single crystal growth sample produced by the method according to the present invention is as shown in FIG. On the
[0029]
【Example】
Next, the present invention will be described specifically by way of examples. In this embodiment, the Bi source is T bi = 560 ° C., the Sb source is T Sb = 460 ° C., and the Te source is T Te = 320 ° C.
[0030]
First, the inside of the
[0031]
Next, the substrate temperature was raised to 345 ° C. (Ta 3), and when it reached a predetermined temperature, the heating was stopped immediately and the substrate temperature was adjusted to 255 ° C. (Ta 4) (
[0032]
Finally, closing the
After completing the crystal growth, the Sb, Te shutter 11b11c was closed and the sample grown on the
[0033]
6 and 7 are RHEED photographs in the case where an Sb 2 Te 3 single crystal film is grown by the MBE growth process according to the present embodiment. FIG. 6 shows a state in which the Bi 2 Te 3 single
[0034]
FIG. 8 shows the X-ray diffraction result of the Sb 2 Te 3 single crystal thin film sample grown according to this example. Peaks of X-ray diffraction, (0006) plane of the
[0035]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes or modifications can be made based on the technical idea of the present invention. For example, as shown in FIG. 9, after the Bi 2 Te 3 single
[0036]
After the Bi 2 Te 3 single
FIG. 10 shows a cross-sectional structure of the Bi 2 Te 3 / Sb 2 Te 3 alternating laminated film laminated by this process. As shown in FIG. 10, Bi 2 Te 3 single crystal
[0037]
FIG. 11 is a graph showing the growth time and film thickness of each layer of Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 , and the gradients of straight lines (broken lines or solid lines) represent the growth rates. This graph shows the growth rate when the Bi source temperature T Bi is set to 560 ° C., the Sb source temperature T Sb is set to 460 ° C., and the Te source temperature T Te is set to 320 ° C. as growth temperature conditions. The growth rates of the Bi 2 Te 3 layer and the Sb 2 Te 3 layer are 106 Å / min and 105 Å / min, respectively. By adjusting the opening times of the
[0038]
The open time of the
With this shutter opening time setting, the thickness of each layer is expected to be about 50 mm. FIG. 12 particularly shows the vicinity of the (000 18 ) plane peak, but the satellite peak (-3, -2, -1,1,2,3) peculiar to the superlattice structure with the main peak (0) as the axis of symmetry. ) Appears, and it can be confirmed that a periodic structure of Bi 2 Te 3 / Sb 2 Te 3 can be formed.
[0039]
【The invention's effect】
According to the present invention, by using a Bi 2 Te 3 single crystal as a buffer between a substrate and Sb 2 Te 3 , a high-quality Sb 2 Te 3 single crystal can be obtained at a simple and inexpensive cost using a molecular beam epitaxy method. A thin film can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a molecular beam epitaxy apparatus used for manufacturing an Sb 2 Te 3 single crystal thin film according to the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a crystal structure of a trigonal crystal.
FIG. 3 is a vapor pressure curve of Bi 2 Te 3 , Sb 2 Te 3 , Bi and Te used for the single crystal thin film according to the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing the steps of the growth method of the Sb 2 Te 3 single crystal thin film according to the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of a Sb 2 Te 3 single crystal thin film according to the present invention.
FIG. 6 is a RHEED photograph during growth of a Bi 2 Te 3 single crystal buffer when an Sb 2 Te 3 single crystal thin film of this example is grown.
FIG. 7 is an RHEED photograph during the growth of Sb 2 Te 3 single crystal when the Sb 2 Te 3 single crystal thin film of this example is grown.
FIG. 8 is a graph showing an X-ray diffraction result of a Sb 2 Te 3 single crystal thin film sample according to the present invention.
FIG. 9 is a conceptual diagram showing a process of an Sb 2 Te 3 single crystal thin film according to a modification of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of a Bi 2 Te 3 / Sb 2 Te 3 alternating laminated film according to a modification of the present invention.
FIG. 11 is a graph showing the growth time and film thickness of each of a Bi 2 Te 3 layer and an Sb 2 Te 3 layer according to a modification of the present invention.
12 is a graph showing an X-ray diffraction result of a Bi 2 Te 3 / Sb 2 Te 3 alternating film sample according to a modification of the present invention. FIG.
[Explanation of symbols]
1
Claims (6)
Bi2Te3蒸気圧が前記容器内の圧力よりも小さくなる基板温度で、Bi2Te3を基板上に堆積させるバッファ成長段階と、Bi2Te3蒸気圧が前記容器内の圧力よりも大きくなる温度まで前記基板温度を上げたのち、更に、Bi2Te3蒸気圧が前記容器内の圧力よりも小さくなる温度まで前記基板温度を下げるアニール段階と、これらのバッファ成長段階及びアニール段階によって前記基板上に成長させたBi2Te3エピタキシャル単結晶の表面に、Sb2Te3単結晶を成長させる結晶成長段階とを含んでなるSb2Te3単結晶薄膜の製造方法。A sealed Sb 2 Te 3 method for producing a single crystal thin film to grow the Sb 2 Te 3 epitaxial single crystal on a substrate placed in the container,
In Bi 2 Te 3 substrate temperature be less than the pressure of the vapor pressure within the container, a buffer growth depositing a Bi 2 Te 3 on the substrate, greater than the pressure of the Bi 2 Te 3 vapor pressure in the vessel After the substrate temperature is raised to a temperature, the annealing step of lowering the substrate temperature to a temperature at which the Bi 2 Te 3 vapor pressure becomes smaller than the pressure in the vessel, and the buffer growth step and the annealing step, A method for producing a Sb 2 Te 3 single crystal thin film comprising a crystal growth step of growing Sb 2 Te 3 single crystal on a surface of a Bi 2 Te 3 epitaxial single crystal grown on a substrate.
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