Si Energy Harvester

* This work is supported by the JST-CREST (JPMJCR15Q7).

熱エネルギーから電気エネルギーを生み出すマイクロ熱電発電デバイスを開発しています。シリコンの微細加工技術で作製可能な新しいタイプの熱電発電デバイスで、シリコン基板の表面と裏面の温度差を使って発電します。

当研究室で開発している熱電デバイスは、基板の表面と垂直に流れる主熱流から基板面内方向に漏れ出た副熱流が作る急峻な温度勾配で駆動する点に特徴があり、現行のプレーナ型ＬＳＩ製造プロセスで作製できるという利点があります。

(a)従来のマイクロ熱電デバイスの構造．(b)当研究室で考案したマイクロ熱電デバイスの構造

試作デバイスでも、微細化によって飛躍的に発電性能が向上することが確認されています。従来のLSI同様にスケーリング戦略で発電性能を向上できることが示されました。

(a)試作したSiナノワイヤ熱電発電デバイス構造と(b)熱電発電性能
  1. 特願2016-170003, 渡邉 孝信, 徐 泰宇, 橋本修一郎（学校法人　早稲田大学), “熱電発電装置,”  平成28年8月31日.
  2. Motohiro Tomita, Shunsuke Ohba, Yuya Himeda, Ryo Yamato, Keisuke Shima, Takehiro Kumada, Mao Xu, Hiroki Takezawa, Kohei Mesaki, Kazuaki Tsuda, Shuichiro Hashimoto, Tianzhuo Zhan, Hui Zhang, Yoshinari Kamakuri, Yuhei Suzuki, Hiroshi Inokawa, Hiroya Ikeda, Takashi Matsukawa, Takeo Matsuki, Takanobu Watanabe, “10μW/cm2-Class High Power Density Silicon Thermoelectric Energy Harvester Compatible with CMOS-VLSI Technology,” 2018 Symposium on VLSI Technology,  Digest of Technical  Papers, pp. 93-94, (2018).
  3. Motohiro Tomita, Shunsuke Ohba, Yuya Himeda, Ryo Yamato, Keisuke Shima, Takehiro Kumada, Mao Xu, Hiroki Takezawa, Kohei Mesaki, Kazuaki Tsuda, Shuichiro Hashimoto, Tianzhuo Zhan, Hui Zhang, Yoshinari Kamakuri, Yuhei Suzuki, Hiroshi Inokawa, Hiroya Ikeda, Takashi Matsukawa, Takeo Matsuki, Takanobu Watanabe, “Modeling, Simulation, Fabrication and Characterization of a 10 μW/cm2 Class Si-Nanowire Thermoelectric Generator for IoT Applications,” IEEE Transaction on Electron Devices, vol.65, pp.5180-5188 (2018). doi:10.1109/TED.2018.2867845
  4. Tianzhuo Zhan, Ryo Yamato, Shuichiro Hashimoto, Motohiro Tomita, Shunsuke Oba, Shunsuke, Yuya Himeda, Kohei Mesaki, Hiroki Takezawa, Ryo Yokogawa, Yibin Xu, Takashi Matsukawa, Atsushi Ogura, Yoshinari Kamakura, Takanobu Watanabe, “Miniaturized planar Si-nanowire micro-thermoelectric generator using exuded thermal field for power generation,” Science and Technology of Advanced Materials (STAM), (2018).  doi:10.1080/14686996.2018.1460177.
  5. Hui Zhang, Taiyu Xu, Shuichiro Hashimoto, Takanobu Watanabe, “The Possibility of mW/cm2-class On-Chip Power Generation Using Ultra-Small Si Nanowire based Thermoelectric Generators,”IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 65, pp.2016-2023 (2018).doi:10.1109/TED.2018.2817641
  6. Takanobu Watanabe, Shuhei Asada, Taiyu Xu, Shuichiro Hashimoto, Shunsuke Ohba, Yuya Himeda, Ryo Yamato, Hui Zhang, Motohiro Tomita, Takashi Matsukawa, Yoshinari Kamakura and Hiroya Ikeda, “A Scalable Si-based Micro Thermoelectric Generator,” Electron Devices Technology and Manufacturing Conference (EDTM2017) Conf. Proc. Tech. Papers, 86 (2017) .