Improved thermoelectric properties of silicon nanowire with silicide layer

Abstract

열전 효율은 성능지수 ZT에 비례하며, ZT 는 제백 계수와 전기전도도, 열전도도로 구성되어 있다. 실리콘 나노선은 벌크 실리콘의 높은 열전도도를 상당히 억제함으로써 열전효율을 크게 향상시킬 수 있는 구조이다. 이는 나노선 구조에 의해 발생한 포논-경계 산란의 결과이다. 또한, 나노선의 표면이 거칠고, 직경이 작을수록 포논의 산란이 증가하기 때문에 나노선의 표면을 거칠게 제작할 필요가 있다. 불순물의 농도 역시 열전도도와 전기전도도, 제백 계수에 영향을 주기 때문에 최적의 농도 (1019~1021 cm-3)가 존재한다. 한편, 이종접합 구조는 포논 산란, 음향 임피던스 부조화, 전자 여과 효과와 같은 현상들에 의해 ZT 의 향상을 기대할 수 있다. 본 논문에서 실리콘 반도체 공정을 이용하여 금속 실리사이드 층을 포함한 200, 350, 500 nm 직경의 고농도 도핑된 실리콘 나노선을 제작하고, 열전 특성을 조사하였다. CoSi2는 열 안정성이 뛰어나며, 선폭 감소에 따른 면 저항의 변화가 작기 때문에 나노선과 같이 작은 면적을 갖는 구조체에 적용함에도 균일한 특성을 기대할 수 있다. 차등 3ω 방법과 포논-볼츠만 전송식을 기반으로 CoSi2 유무에 따른 나노선의 열전도도의 측정과 분석을 진행하였다. 나노선의 전기전도도와 제백 계수의 측정을 통해 실리사이드 층을 포함한 나노선의 ZT 가 향상됨을 실험적으로 검증하였다.