熱電変換素子及びその製造方法
【課題】比較的簡素な構成で、変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現する。
【解決手段】一対の電極１，３間に、例えばｎ型のＺｎＯ等の半導体層２ａとＡｌ等の金属層２ｂとが交互に複数積層された周期構造体２を設け、必要に応じて電極１上に絶縁板を設けて熱電変換素子を構成し、電極３上又は絶縁板上に発熱源４が当接する。
【解決手段】一対の電極１，３間に、例えばｎ型のＺｎＯ等の半導体層２ａとＡｌ等の金属層２ｂとが交互に複数積層された周期構造体２を設け、必要に応じて電極１上に絶縁板を設けて熱電変換素子を構成し、電極３上又は絶縁板上に発熱源４が当接する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱発生源から発生した熱を電気に変換する熱電変換素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゼーベック効果を利用し、熱発生源から発生した熱を電気に変換する熱電変換素子は、廃熱利用の観点から環境問題に配慮した省エネルギー技術として注目されている。既に発電所における熱電変換素子、或いは腕時計用の熱電変換素子等は実用化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−９８１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、熱電変換素子は、中出力域であるｍＷからｋＷクラスでは実用化は少ない。その原因は、熱電変換素子の変換効率が低いことにある。熱電物質の特性指標(変換効率の指標)として使用される性能指数ＺＴは、以下のように表される。
ＺＴ＝α２σＴ／Χ，Ｚ∝ｍ*μ／Χ
Ｔ：温度、α：ゼーベック係数、σ：電気伝導率、Χ：熱伝導率、ｍ*：有効質量、μ：移動度
【０００５】
性能指数ＺＴを大きくするためには、熱電変換素子の電気伝導率を大きく、熱伝導率を小さくすればよいが、従来の材料では通常、両者は比例関係にある。また通常、有効質量ｍ*と移動度μも反比例の関係にある。即ち、従来の単一材料を用いた熱電変換素子では、性能指数ＺＴを大きくすることは極めて困難であり、結果として、変換効率の高い熱電変換素子は未だ実現されていない現況にある。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、比較的簡素な構成で、変換効率の極めて高い熱電変換素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
熱電変換素子の一態様は、金属層と半導体層とが交互に積層された周期構造体と、前記周期構造体の上方及び下方に形成された一対の電極層とを含む。
【０００８】
熱電変換素子の製造方法の一態様は、金属層と半導体層とを交互に積層して周期構造体を形成する工程と、前記周期構造体の上方及び下方に一対の電極層を形成する工程とを含む。
【発明の効果】
【０００９】
上記の各態様によれば、比較的簡素な構成で、変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図２】第１の実施形態による熱電変換素子及び発熱源を示す概略断面図である。
【図３】第１の実施形態の変形例による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略図である。
【図４】第２の実施形態による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図５】第２の実施形態による熱電変換素子及び発熱源を示す概略断面図である。
【図６】第２の実施形態の変形例による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略図である。
【図７】第３の実施形態による熱電変換素子及び発熱源を示す概略断面図である。
【図８】第３の実施形態の変形例による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図９】第４の実施形態による熱電変換素子の概略構成を示す断面図である。
【図１０】第４の実施形態による熱電変換素子の他の例の概略構成を示す断面図である。
【図１１】第４の実施形態による熱電変換素子の他の例の概略構成を示す断面図である。
【図１２】第４の実施形態による熱電変換素子の他の例の概略構成を示す断面図である。
【図１３】第４の実施形態による熱電変換素子の他の例の概略構成を示す断面図である。
【図１４】第４の実施形態による熱電変換素子の他の例の概略構成を示す断面図である。
【図１５】第４の実施形態の変形例による熱電変換素子の概略構成を示す断面図である。
【図１６】第５の実施形態による電子機器の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、諸実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
本実施形態では、１つの周期構造体を有する熱電変換素子の構成について、その製造方法と共に開示する。以下の製造方法は、本実施形態による熱電変換素子を得るための一例である。
図１は、第１の実施形態による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。図２は、第１の実施形態による熱電変換素子及び発熱源を示す概略断面図である。
【００１３】
熱電変換素子を製造するには、先ず、図１（ａ）に示すように、基板１を用意する。
基板１は、後述の周期構造体を形成するための基板として用いられるともに、熱電変換素子の一対の電極のうちの一方としても機能する。基板１の材料としては、周期構造体を構成する半導体層との間でオーミック接触が得られる性質を有する金属、例えばＡｌ又はＣｕが用いられる。ここでは、基板１は、例えばＡｌからなり厚みが１００μｍ程度のものとする。
【００１４】
続いて、図１（ｂ）に示すように、基板１の表面上に周期構造体２を形成する。
詳細には、例えばスパッタ法により、半導体層２ａと金属層２ｂとを交互にそれぞれ複数積層する。最下層は半導体層２ａであり、基板１との間でオーミック接触が得られる。
半導体層２ａは、比較的容易に形成できる金属とオーミック接触が得られる性質を有するｎ型半導体、例えばｎ型不純物をドープしたｎ−ＺｎＯ，ｎ−ＩｎＧａＺｎＯ，ｎ−ＭｇＺｎＯ，ｎ−ＩｎＺｎＯ等から選ばれた１種を含む。ここでは、ｎ−ＺｎＯにより半導体層２ａを例えば膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成する。ドープするｎ型不純物としては、例えばＧａ,Ａｌ,Ｉｎ等が考えられるが、通常スパッタ法等により形成されたＺｎＯは酸素欠陥に関連したｎ型になっている場合があり、その際は、意図的なｎ型不純物ドープは不要である。
【００１５】
半導体層２ａのｎ型不純物の含有濃度は、例えば１×１０17／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3程度、ここでは１×１０18／ｃｍ3程度とされる。含有濃度が１×１０17／ｃｍ3よりも小さいと、金属層２ｂとの間でコンタクト抵抗を十分に低減することができない。含有濃度の上限は、特に規定されるものではない。しかしながら、含有濃度が１×１０20／ｃｍ3よりも大きいと、半導体層２ａのエネルギー準位が殆ど縮退し、金属的な振る舞いをする可能性が否定できない。そのためここでは、含有濃度の上限を１×１０20／ｃｍ3程度としている。半導体層２ａのｎ型不純物の含有濃度を１×１０17／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3程度とすることにより、金属層２ｂとの間のコンタクト抵抗が十分に低減する。
半導体層２ａにｎ−ＩｎＧａＺｎＯ、ｎ−ＭｇＺｎＯ、或いはｎ−ＩｎＺｎＯを用いた場合にも同様に、半導体層２ａのｎ型不純物の含有濃度は、例えば１×１０17／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3程度とされる。
【００１６】
金属層２ｂは、ｎ−ＺｎＯとオーミック接触が得られる性質を有する金属、例えばＡｌ，Ａｕ，Ｎｉ等から選ばれた１種を含む。ここでは、Ａｌにより金属層２ｂを例えば膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成する。
半導体層２ａ及び金属層２ｂの層数は特に限定されるものではないが、図１（ｃ）に示す基板１，３の間に熱起電力を発生させるために必要な温度差を確保できるように設定する必要がある。即ち、応用範囲により層数（基板１，３の距離）は個別に設定される。図１（ｂ）には、半導体層２ａ及び金属層２ｂをそれぞれ２０層ずつ形成した場合を例示する。
以上により、半導体層２ａ及び金属層２ｂが交互にそれぞれ複数積層されてなる熱電変換部である超格子構造の周期構造体２が形成される。
【００１７】
続いて、図１（ｃ）に示すように、周期構造体２上に基板３を形成する。
詳細には、例えば基板１と同様に、Ａｌからなる厚み１００μｍ程度の基板３を用意し、周期構造体２上、即ち周期構造体２の最上層の金属層２ｂ上に、基板３を形成する。基板３は、熱電変換素子の一対の電極のうちの他方としても機能する。
基板１，３の所定部位に、熱電変換された電気の取り出し部となる、例えばＡｌからなる突起状の電極接続部を形成する。
以上により、本実施形態による熱電変換素子を形成する。
【００１８】
本実施形態による熱電変換素子では、図２に示すように、基板１が正の低温側電極、基板３が負の高温側電極となり、基板３上に発熱源４が当接する。基板３と基板１との間で垂直方向に温度勾配が形成される。キャリアである電子は、負極である基板３から、正極である基板１へ向かって、周期構造体２内を拡散する。ここで、発熱源４は非導電性のものとする。発熱源が導電性であり、電気的な絶縁が必要な場合には、基板３上に絶縁板を設け、当該絶縁板上に発熱源が当接するようにする。
【００１９】
熱電変換素子においては、電気伝導が大きいほど、また熱伝導が小さいほど、性能指数ＺＴが増加し、熱電変換効率が高くなる。
本実施形態では、周期構造体２を構成する半導体層２ａと金属層２ｂとの界面には、上記のようにオーミック接触が形成されており、当該界面にはショットキ障壁が存在しない。そのためキャリアである電子は、当該界面でブロッキングされることなく周期構造体２内を拡散する。これにより、大きな電気伝導が得られる。
本実施形態では、半導体層２ａ及び金属層２ｂが複数積層されて周期構造体２が構成されるため、半導体層２ａと金属層２ｂとの界面が多数存在する。フォノンは当該各界面で散乱されることから、電極間に配される熱電変換部内で界面が多いほど熱散乱が発生し易い。従って、周期構造体２における多数の界面の存在により、発熱源４から伝達する熱は周期構造体２で大きく散乱する。これにより、熱伝導率が低下する。
このように本実施形態による熱電変換素子では、大きな電気伝導が得られるも熱伝導率が小さく、極めて高い熱電変換効率が実現する。
【００２０】
以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。
【００２１】
（変形例）
本例では、第１の実施形態と同様に周期構造体２を有する熱電変換素子の構成について、その製造方法と共に開示するが、電極とは別体に基板を用いる点で第１の実施形態と相違する。
図３は、第１の実施形態の変形例による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略図であり、（ａ），（ｂ）が断面図、（ｃ）が斜視図である。
【００２２】
先ず、図３（ａ）に示すように、基板１１を用意する。
基板１１は、周期構造体２を形成するための基板として用いられる。その材料としては、例えばＡｌ又はＣｕが用いられる。ここでは、基板１１は、例えばＡｌからなり厚みが１００μｍ程度のものとする。
【００２３】
続いて、図３（ｂ）に示すように、基板１１の表面上に周期構造体２を形成する。
詳細には、例えばスパッタ法により、半導体層２ｂと金属層２ａとを交互にそれぞれ複数積層する。第１の実施形態と同様に、半導体層２ａは、比較的容易に形成できる金属とオーミック接触が得られる性質を有するｎ型半導体、例えばｎ型不純物をドープしたｎ−ＺｎＯ，ｎ−ＩｎＧａＺｎＯ，ｎ−ＭｇＺｎＯ，ｎ−ＩｎＺｎＯ等から選ばれた１種を含む。ここでは、ｎ−ＺｎＯにより半導体層２ａを例えば膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成する。ドープするｎ型不純物としては、例えばＧａ，Ａｌ，Ｉｎ等が考えられるが、通常スパッタ法等により形成されたＺｎＯは酸素欠陥に関連したｎ型になっている場合があり、その際には、意図的なｎ型不純物ドープは不要である。金属層２ｂはＡｌで膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成する。周期構造体２の最下層は金属層２ｂであり、基板１１と同じ材料であるため、コンタクト抵抗の問題はない。図３（ｂ）には、図１とは異なり、金属層２ｂを４層、半導体層２ａを３層形成した場合を例示する。
以上により、金属層２ｂ及び半導体層２ａが交互にそれぞれ複数積層されてなる熱電変換部である超格子構造の周期構造体２が形成される。
【００２４】
続いて、図３（ｃ）に示すように、一対の電極１２，１３を形成する。
詳細には、周期構造体２上、即ち周期構造体２の最上層の金属層２ｂ上に、例えば蒸着法により電極用金属を堆積する。電極用金属としては、Ｔｉ／Ａｕ，ＡｕＧｅ／Ａｕ等、ここではＴｉ／Ａｕを用い、例えば膜厚１００ｎｍ／５００ｎｍ程度に堆積する。これにより、電極１２が形成される。
同様に、基板１１の裏面上に、例えば蒸着法により電極用金属、ここではＴｉ／Ａｕを、例えば膜厚１００ｎｍ／５００ｎｍ程度に堆積する。これにより、電極１３が形成される。
電極１２，１３の所定部位に、熱電変換された電気の取り出し部となる電極接続部を形成する。
以上により、本実施形態による熱電変換素子を形成する。
【００２５】
以上説明したように、本例によれば、第１の実施形態と同様に、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。
【００２６】
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態と同様に１つの周期構造体を有する熱電変換素子の構成について、その製造方法と共に開示するが、周期構造体の半導体層がｐ型半導体である点で第１の実施形態と相違する。
図４は、第２の実施形態による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。図５は、第２の実施形態による熱電変換素子及び発熱源を示す概略断面図である。
【００２７】
先ず、図４（ａ）に示すように、第１の実施形態の図１（ａ）と同様に、一対の電極のうちの一方としても機能する、例えばＮｉからなる基板１を用意する。
【００２８】
続いて、図４（ｂ）に示すように、基板１の表面上に周期構造体２１を形成する。
詳細には、例えばスパッタ法により、半導体層２１ａと金属層２１ｂとを交互にそれぞれ複数積層する。最下層は半導体層２１ａであり、基板１との間でオーミック接触が得られる。
半導体層２１ａは、比較的容易に形成できる金属とオーミック接触が得られる性質を有するｐ型半導体、例えばｐ型不純物をドープしたｎ−ＩｎＺｎＯ，ｐ−ＭｇＺｎＯ等から選ばれた１種を含む。ここでは、ｐ−ＺｎＯにより半導体層２１ａを例えば膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成する。ドープするｐ型不純物としては、Ｎ，Ｐ等があり、ここでは例えばＰが用いられる。
【００２９】
半導体層２１ａのｐ型不純物の含有濃度は、第１の実施形態における半導体層２ａと同様に、例えば１×１０16／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3程度、ここでは１×１０17／ｃｍ3程度とされる。
半導体層２１ａにｐ−ＭｇＺｎＯを用いた場合にも同様に、半導体層２１ａのｎ型不純物の含有濃度は、例えば１×１０16／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3程度とされる。
【００３０】
金属層２１ｂは、ｐ−ＩｎＧａＺｎＯとオーミック接触が得られる性質を有する金属、例えばＡｕ，Ｎｉ等から選ばれた１種を含む。ここでは、Ｎｉにより金属層２１ｂを例えば膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成する。
半導体層２１ａ及び金属層２１ｂの層数は特に限定されるものではないが、図４（ｃ）に示す基板１，３の間に熱起電力を発生させるために必要な温度差を確保できるように設定する必要がある。即ち、応用範囲により層数（基板１，３の距離）は個別に設定される。図４（ｂ）には、半導体層２１ａ及び金属層２１ｂをそれぞれ２０層ずつ形成した場合を例示する。
以上により、半導体層２１ａ及び金属層２１ｂが交互にそれぞれ複数積層されてなる熱電変換部である超格子構造の周期構造体２１が形成される。
【００３１】
続いて、図４（ｃ）に示すように、第１の実施形態の図１（ｃ）と同様に、周期構造体２１上、即ち周期構造体２１の最上層の金属層２１ｂ上に、例えばＡｌからなる基板３を貼付する。
基板１，３の所定部位に、熱電変換された電気の取り出し部となる、例えばＡｌからなる突起状の電極接続部を形成する。
以上により、本実施形態による熱電変換素子を形成する。
【００３２】
本実施形態による熱電変換素子では、図５に示すように、基板１が負の低温側電極、基板３が正の高温側電極となり、基板３上に発熱源４が配される。キャリアである正孔（ホール）は、正極である基板３から、負極である基板１へ向かって、周期構造体２１内を拡散する。ここで、発熱源４は非導電性のものとする。発熱源が導電性であり、電気的な絶縁が必要な場合には、基板３上に絶縁板を設け、当該絶縁板上に発熱源が当接するようにする。
【００３３】
熱電変換素子においては、電気伝導が大きいほど、また熱伝導が小さいほど、性能指数ＺＴが増加し、熱電変換効率が高くなる。
本実施形態では、周期構造体２１を構成する半導体層２１ａと金属層２１ｂとの界面には、上記のようにオーミック接触が形成されており、当該界面にはショットキ障壁が存在しない。そのためキャリアであるホールは、当該界面でブロッキングされることなく周期構造体２１内を拡散する。これにより、大きな電気伝導が得られる。
本実施形態では、半導体層２１ａ及び金属層２１ｂが複数積層されて周期構造体２１が構成されるため、半導体層２１ａと金属層２１ｂとの界面が多数存在する。フォノンは当該各界面で散乱されることから、電極間に配される熱電変換部内で界面が多いほど熱散乱が発生し易い。従って、周期構造体２１における多数の界面の存在により、発熱源４から伝達する熱は周期構造体２１で大きく散乱する。これにより、熱伝導率が低下する。
このように本実施形態による熱電変換素子では、大きな電気伝導が得られるも熱伝導率が小さく、極めて高い熱電変換効率が実現する。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。
【００３５】
（変形例）
本例では、第２の実施形態と同様に１つの周期構造体を有する熱電変換素子の構成について、その製造方法と共に開示するが、電極とは別体に基板を用いる点で第２の実施形態と相違する。
図６は、第２の実施形態の変形例による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略図であり、（ａ），（ｂ）が断面図、（ｃ）が斜視図である。
【００３６】
先ず、図６（ａ）に示すように、第１の実施形態の図３（ａ）と同様に、周期構造体２１を形成するための、例えばＮｉからなる基板１１を用意する。
【００３７】
続いて、図６（ｂ）に示すように、基板１１の表面上に周期構造体２１を形成する。
詳細には、例えばスパッタ法により、金属層２１ｂと半導体層２１ａとを交互にそれぞれ複数積層する。第１の実施形態と同様に、半導体層２１ａを、例えばｐ型不純物であるＰを含有濃度１×１０17／ｃｍ3程度にドープしたｐ−ＺｎＯで膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成し、金属層２１ｂをＮｉで膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成する。周期構造体２１の最下層は金属層２１ｂであり、基板１１と同じ材料であるため、コンタクト抵抗の問題はない。図６（ｂ）には、金属層２１ｂを４層、半導体層２１ａを３層形成した場合を例示する。
以上により、金属層２１ｂ及び半導体層２１ａが交互にそれぞれ複数積層されてなる熱電変換部である超格子構造の周期構造体２１が形成される。
【００３８】
続いて、図６（ｃ）に示すように、第１の実施形態の図３（ｃ）と同様に、周期構造体２１上、即ち周期構造体２１の最上層の金属層２１ｂ上に、例えばＴｉ／Ａｕからなる電極１２を形成する。同様に、基板１１の裏面上に、例えばＴｉ／Ａｕからなる電極１３を形成する。
電極１２，１３の所定部位に、熱電変換された電気の取り出し部となる電極接続部を形成する。
以上により、本実施形態による熱電変換素子を形成する。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。
【００４０】
（第３の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態における周期構造体を複数の柱状体に加工し、これらの柱状体が並列する熱電変換素子の構成について、その製造方法と共に開示する。
図７は、第３の実施形態による熱電変換素子及び発熱源を示す概略断面図である。
【００４１】
熱電変換素子を製造するには、先ず、第１の実施形態の図１（ａ），（ｂ）と同様に、Ａｌからなる基板１上に、ｎ型の半導体層２ａと金属層２ｂとを交互にそれぞれ複数積層する。
【００４２】
続いて、ｎ型の半導体層２ａ及び金属層２ｂの積層体を、リソグラフィー及びＡｒガスを用いたイオンミリング等により縦方向に複数片に分断するように加工する。ここでは、当該積層体を複数の所期の柱状体（その高さが横断面の矩形の一辺よりも大きい形状）に加工する。所期の柱状としては、後述するように、当該積層体を縦方向に格子状に加工し、基板１上で行列状に並んで林立する形状、或いは当該積層体を縦方向に短冊状に加工し、基板１上で壁状に並列する形状等が考えられる。ここでは、前者の形状とする。以上により、半導体層２ａ及び金属層２ｂが交互にそれぞれ複数積層されてなる柱状体であり、それぞれ基板１上で行列状に並んで林立するワイヤ状周期構造体２Ａが形成される。ワイヤ状周期構造体２Ａの横断面の矩形の一辺の長さは例えば１μｍ以下であり、横断面積は例えば１μｍ2以下とされる。これら複数のワイヤ状周期構造体２Ａから、本実施形態の周期構造体が構成される。
【００４３】
続いて、第１の実施形態の図１（ｃ）と同様に、複数のワイヤ状周期構造体２Ａ上に、Ａｌからなる基板３を貼付する。
以上により、本実施形態による熱電変換素子を形成する。
【００４４】
本実施形態による熱電変換素子では、図７に示すように、基板１が正の低温側電極、基板３が負の高温側電極となり、基板３上に発熱源４が当接する。キャリアである電子は、負極である基板３から、正極である基板１へ向かって、各ワイヤ状周期構造体２Ａ内を拡散する。ここで、発熱源４は非導電性のものとする。発熱源が導電性である場合には、基板３上に絶縁板を設け、当該絶縁板上に発熱源が当接するようにする。
【００４５】
本実施形態の熱電変換素子では、第１の実施形態と同様に、導体層２ａ及び金属層２ｂが複数積層されて各ワイヤ状周期構造体２Ａが構成されるため、半導体層２ａと金属層２ｂとの界面が多数存在する。そのため、各ワイヤ状周期構造体２Ａにおける多数の当該界面の存在により、発熱源４から伝達する熱は各ワイヤ状周期構造体２Ａで大きく散乱する。これにより、熱伝導率が低下する。
更に本実施形態の熱電変換素子では、言わば第１の実施形態の周期構造体２が多数のワイヤ状周期構造体２Ａに加工されているため、複数のワイヤ状周期構造体２Ａの全体では表面積が大きくなる。即ち、各ワイヤ状周期構造体２Ａでは、半導体層２ａと金属層２ｂとの界面に加えて、当該表面により、発熱源４から伝達する熱が大きく散乱する。
このように本実施形態による熱電変換素子では、大きな電気伝導が得られるも熱伝導率が小さく、更に高い熱電変換効率が実現する。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。
【００４７】
（変形例）
本例では、第３の実施形態と同様に複数のワイヤ状周期構造体２Ａを有する熱電変換素子の構成について、その製造方法と共に開示するが、電極とは別体に基板を用いる点で第１の実施形態と相違する。
図８は、第３の実施形態の変形例による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【００４８】
先ず、第１の実施形態の図３（ａ），（ｂ）と同様に、Ａｌ又はＣｕからなる基板１１上に、金属層２ｂと半導体層２ａとを交互にそれぞれ複数積層する。ここでは、図７とは異なり、金属層２ｂを４層、半導体層２ａを３層形成した場合を例示する。
【００４９】
続いて、第１の実施形態の図３（ｃ）と同様に、一対の電極１２，１３を形成する。
詳細には、周期構造体２の最上層の金属層２ｂ上に電極１２を、基板１１の裏面上に電極１３をそれぞれ形成する。
【００５０】
続いて、図８（ａ）に示すように、半導体層２ａ及び金属層２ｂと電極１２の積層体を縦方向に複数片に分断し、複数のワイヤ状周期構造体２Ａを形成する。
詳細には、半導体層２ａ及び金属層２ｂと電極１２の積層体を、リソグラフィー及びＡｒガスを用いたイオンミリング等により縦方向に格子状に加工する。これにより、最上面に電極１２Ａを有し、基板１１上で行列状に並んで林立する複数の柱状のワイヤ状周期構造体２Ａが形成される。
【００５１】
ここで、複数のワイヤ状周期構造体２Ａを形成する代わりに、図８（ｂ）に示すように、複数の短冊状周期構造体２Ｂを形成するようにしても良い。
この場合、半導体層２ａ及び金属層２ｂと電極１２の積層体を、リソグラフィー及びＡｒガスを用いたイオンミリング等により縦方向に短冊状に加工する。これにより、最上面に電極１２Ｂを有し、基板１１上で並列する複数の壁状の短冊状周期構造体２Ｂが形成される。
【００５２】
電極１２，１３の所定部位に、熱電変換された電気の取り出し部となる電極接続部を形成する。
以上により、本実施形態による熱電変換素子を形成する。
【００５３】
以上説明したように、本例によれば、第１の実施形態と同様に、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。
【００５４】
なお、第２の実施形態における周期構造体を本実施形態と同様に複数の柱状体に加工し、これらの柱状体が並列する熱電変換素子を形成しても良い。この場合、各柱状体は、ｐ型の半導体層２１ａと金属層２１ｂとが交互にそれぞれ複数積層されて形成される。
【００５５】
（第４の実施形態）
本実施形態では、第１及び第２の実施形態による周期構造体２，２１を共に用いた熱電変換素子を開示する。
図９は、第４の実施形態による熱電変換素子の概略構成を示す断面図である。
【００５６】
この熱電変換素子は、表面を対向して配置される一対の基板３１，３２間に、電極接続された周期構造体２，２１が交互に並列して配されて構成される。
基板３１，３２は、絶縁材料、ここではポリイミドを材料として形成されている。
本実施形態では、基板３２が設けられているため、発熱源が導電性のものでも、熱電変換素子に影響を及ぼすことはない。発熱源としては、導電性のものでも、非導電性のものでも良いが、主に導電性のものを考えている。
また、本実施形態では、熱電変換素子の下面で接する所定部材の部分が導電性のものでも、熱電変換素子に影響を及ぼすことはない。当該所定部材の部分は、導電性のものでも、非導電性のものでも良いが、主に導電性のものを考えている。
【００５７】
基板３１、３２には、電極３３が複数、並列して配置されている。図９における左端及び右端の電極３３上には、例えばＡｌからなる突起状の電極接続部３３ａ，３３ｂが形成される。
電極３３は、特に限定されるものではないが、例えばＡｌ又はＣｕが用いられる。ここでは、電極３３は、例えばＡｌからなり厚みは１μｍ程度のものとする。
【００５８】
図９において、上下の電極３３の間に、第１の実施形態によるｎ型の半導体層を有する周期構造体２が金属層３４ａを介して接続される。金属層３４ａは周期構造体２を構成するｎ型の半導体層との間でオーミック接触が得られる金属、例えばＡｌが用いられ、その厚みは例えば１０ｎｍ〜１μｍとする。さらに、上下の電極３３の間に、第２の実施形態によるｐ型の半導体層を有する周期構造体２１が金属層３４ｂを介して接続される。金属層３４ｂは周期構造体２１を構成するｐ型の半導体層との間でオーミック接触が得られる金属、例えばＮｉが用いられ、その厚みは例えば１０ｎｍ〜１μｍとする。
周期構造体２，２１は、第１及び第２の実施形態と同様の手法で形成される。
【００５９】
本実施形態による熱電変換素子では、基板３２上に発熱源が当接し、つまり基板３２が高温側、基板３１が低温側となる。
周期構造体２では、キャリアである電子は、基板３２側から基板３１側へ向かって、周期構造体２内を拡散する。
周期構造体２１では、キャリアであるホールは、基板３２側から基板３１側へ向かって、周期構造体２１内を拡散する。
従ってこの熱電変換素子では、電極接続部３３ａから電極接続部３３ｂへ向かう、周期構造体２，２１を交互に通って蛇行して進むキャリア（電子及びホール）の通路が形成され、この場合、電極接続部３３ａが電極接続部３３ｂに対して高電位となる。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。本実施形態では、熱電変換された電気の取り出し部となる電極接続部３３ａ，３３ｂが共に一方の基板側、ここでは低温側の基板３１側に形成されるため、熱電変換の効率を劣化させる懸念がない。
【００６１】
ここで、本実施形態による熱電変換素子において、高温側に当接する発熱源、及び低温側に当接する所定部材の部分の材質（導電性又は非導電性）に応じた諸構成を開示する。
【００６２】
１．発熱源が非導電性のものである場合（１）
図１０に示すように、基板３２を形成しなくても良い。この場合、上部電極３３に発熱源が当接することになるが、発熱源が非導電性であるために熱電変換素子への影響の懸念はない。
なおこの場合、下部電極３３下には絶縁性の基板３１が設けられており、所定部材の部分は基板３１に当接する。そのため、所定部材の部分は導電性でも非導電性でも問題はない。
【００６３】
２．発熱源が非導電性のものである場合（２）
図１１に示すように、基板３２に上部電極３３の表面の一部を露出する開口３５aを形成する。開口３５aを導電材料で埋め込み、基板３２の表面から上方に若干突出するように、メッキ法等により、上部電極３３と電気的に接続される電極３５ｂを形成する。この場合、電極３５に発熱源が当接することになるが、発熱源が非導電性であるために熱電変換素子への影響の懸念はない。
なおこの場合、下部電極３３下には絶縁性の基板３１が設けられており、所定部材の部分は基板３１に当接する。そのため、所定部材の部分は導電性でも非導電性でも問題はない。
【００６４】
３．所定部材の部分が非導電性のものである場合（１）
図１２に示すように、下部電極３３下の絶縁性の基板３１を形成しなくても良い。この場合、下部電極３３に所定部材の部分が当接することになるが、当該部分が非導電性であるために熱電変換素子への影響の懸念はない。
なおこの場合、上部電極３３には絶縁性の基板３２が設けられており、発熱源は基板３２に当接する。そのため、発熱源は導電性でも非導電性でも問題はない。
【００６５】
４．所定部材の部分が非導電性のものである場合（２）
図１３に示すように、基板３１に下部電極３３の表面の一部を露出する開口３６ａを形成する。開口３６ａを導電材料で埋め込み、基板３１の裏面から下方に若干突出するように、メッキ法等により、下部電極３３と電気的に接続される電極３６ｂを形成する。この場合、電極３６ｂに発熱源が当接することになるが、発熱源が非導電性であるために熱電変換素子への影響の懸念はない。
なおこの場合、上部電極３３上には絶縁性の基板３２が設けられており、発熱源は基板３２に当接する。そのため、発熱源は導電性でも非導電性でも問題はない。
【００６６】
５．発熱源及び所定部材の部分が共に非導電性のものである場合
図１４に示すように、基板３２に上部電極３３の表面の一部を露出する開口３５ａを形成する。開口３５ａを導電材料で埋め込み、基板３２の表面から上方に若干突出するように、メッキ法等により、上部電極３３と電気的に接続される電極３５ｂを形成する。この場合、電極３５ｂに発熱源が当接することになるが、発熱源が非導電性であるために熱電変換素子への影響の懸念はない。
更に、基板３１に下部電極３３の表面の一部を露出する開口３６ａを形成する。開口３６ａを導電材料で埋め込み、基板３１の裏面から下方に若干突出するように、メッキ法等により、下部電極３３と電気的に接続される電極３６ｂを形成する。この場合、電極３６ｂに発熱源が当接することになるが、発熱源が非導電性であるために熱電変換素子への影響の懸念はない。
【００６７】
（変形例）
本例では、第４の実施形態と同様に、複数の周期構造体を用いた熱電変換素子を開示するが、第１の実施形態によるｎ型半導体層を用いた周期構造体２と、従来の単一のｐ型半導体層とを交互に複数配置した熱電変換素子である点で第４の実施形態と相違する。
図１５は、第４の実施形態の変形例による熱電変換素子の概略構成を示す断面図である。
【００６８】
この熱電変換素子は、表面を対向して配置される一対の基板３１，３２間に、電極接続された周期構造体２と単一のｐ型半導体層３７が交互に配されて構成される。
第３の実施形態と同様に、基板３１上には、下部電極３３が並列して配置されている。下部電極３３の左右両端には電極接続部３３ａ，３３ｂが形成されている。基板３２下には、上部電極３３が並列して配置されている。
【００６９】
図１５において、上下の電極３３の間に、第１の実施形態によるｎ型の半導体層を有する周期構造体２が金属層３４ａを介して接続される。金属層３４ａは周期構造体２を構成するｎ型の半導体層との間でオーミック接触が得られる金属、例えばＡｌが用いられ、その厚みは例えば１０ｎｍ〜１μｍとする。さらに、上下の電極３３の間に、単一のp型の半導体層３７が金属層３４ｂを介して接続される。ｐ型半導体層３７は、例えば焼結形成されたＳｉＧｅを用いる。金属層３４ｂはｐ型半導体層３７との間でオーミック接触が得られる金属、この場合、例えばＡｌが用いられ、その厚みは例えば１０ｎｍ〜１μｍとする。
【００７０】
以上説明したように、本例によれば、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層のみでは実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。本実施形態では、熱電変換された電気の取り出し部となる電極接続部３３ａ，３３ｂが共に一方の基板側、ここでは低温側の基板３１側に形成されるため、熱電変換の効率を劣化させる懸念がない。
【００７１】
なお、第４の実施形態の変形例の代わりに、従来の単一のｎ型半導体層と、第２の実施形態によるｐ型半導体層を用いた周期構造体２１とを交互に複数配置して、熱電変換素子を構成することも考えられる。
【００７２】
また、第１及び第２の実施形態による周期構造体２，２１を共に用いる代わりに、第３の実施形態を利用して、本実施形態のように熱電変換素子を形成しても良い。例えば、ｎ型の半導体層２ａと金属層２ｂとを交互にそれぞれ複数積層してなる複数のワイヤ状周期構造体２Ａと、ｐ型の半導体層２１ａと金属層２１ｂとを交互にそれぞれ複数積層してなる複数の柱状体を用いて、図９のように熱電変換素子を構成する。
【００７３】
（第５の実施形態）
本実施形態では、ＣＰＵ等のＬＳＩ素子を備えた電子機器を例示する。
図１６は、第５の実施形態による電子機器の概略構成を示す断面図である。
【００７４】
この電子機器は、プリント配線基板４１の上方に、ＣＰＵ４４と、ＣＰＵ４４と接続された熱電変換機構４５と、蓄電機構４６とを備えている。プリント配線基板４１上にはハンダバンプ４２ａによりビルドアップ基板４３が接続されており、ビルドアップ基板４３上にＣＰＵ４４、熱電変換機構４５、及び蓄電機構４６が設けられている。
【００７５】
ＣＰＵ４４は、ビルドアップ基板４３上にハンダバンプ４２ｂにより接続されており、その作動に起因して当該電子機器の発熱源となっている。
熱電変換機構４５は、ラジエータ５１，５２と、熱電変換素子５３とを備えている。
ラジエータ５１は、内部に水冷パイプを有しており、ＣＰＵ４４上からビルドアップ基板４３上に架けて配置される。ラジエータ５２は、熱電変換素子５３上に配置されている。
熱電変換素子５３は、上述した第１、第２、第３又は第４の実施形態、或いはこれらの変形例による熱電変換素子であり、その高温側がラジエータ５１上に配置されている。
蓄電機構４６は、蓄電池等であり、熱電変換素子５３と接続されている。
【００７６】
発熱源であるＣＰＵ４４で発生した熱は、ラジエータ５１を介して熱電変換素子５３に伝達する。熱電変換素子５３は、上述したように高い変換効率で熱電変換し、変換された電気が蓄電機構４６に蓄電される。
【００７７】
本実施形態によれば、電子機器に第１、第２、第３又は第４の実施形態、或いはこれらの変形例による熱電変換素子を熱電変換素子５３として配設する。これにより、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換を可能とし、廃熱のエネルギーを高効率で有効利用することができる。
なお、第１又は第２、第２、第３又は第４の実施形態、或いはこれらの変形例による熱電変換素子が搭載される対象は、本実施形態による電子機器に限定されるものではない。例えば、高出力・高周波電力増幅器、電気自動車の駆動モジュール等、電子デバイスの発熱源を利用した熱電変換のみならず、火力発電所、サーバシステム、体温計等、廃熱利用が考えられる全ての装置及びシステムに適用が可能である。
【００７８】
以下、熱電変換素子及び電子機器の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００７９】
（付記１）金属層と半導体層とが交互に積層された周期構造体と、
前記周期構造体の上方及び下方に形成された一対の電極層と
を含むことを特徴とする熱電変換素子。
【００８０】
（付記２）前記周期構造体は、前記電極層間で並列する、前記金属層と前記半導体層とが交互に積層された複数の柱状体からなることを特徴とする付記１に記載の熱電変換素子。
【００８１】
（付記３）前記周期構造体では、前記金属層と前記半導体層とがオーミック接触することを特徴とする付記１又は２に記載の熱電変換素子。
【００８２】
（付記４）前記半導体層は、１×１０17／ｃｍ3以上の濃度にｎ型不純物を含有することを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【００８３】
（付記５）前記半導体層はｎ型不純物を含有しており、
前記金属層はＡｌ，Ａｕ，Ｎｉから選ばれた１種を有するとともに、前記半導体層はＺｎＯ，ＩｎＧａＺｎＯ，ＭｇＺｎＯ，ＩｎＺｎＯから選ばれた１種を有することを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【００８４】
（付記６）前記半導体層は、１×１０16／ｃｍ3以上の濃度にｐ型不純物を含有することを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【００８５】
（付記７）前記半導体層はｐ型不純物を含有しており、
前記金属層はＮｉを有するとともに、前記半導体層はＺｎＯ，ＭｇＺｎＯから選ばれた１種を有することを特徴とする付記１〜３，６のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【００８６】
（付記８）金属層と半導体層とを交互に積層して周期構造体を形成する工程と、
前記周期構造体の上方及び下方に一対の電極層を形成する工程と
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
【００８７】
（付記９）前記電極層を形成する前に、
前記周期構造体を、前記金属層と前記半導体層とが交互に積層された複数の柱状体が並列するように加工する工程を更に含むことを特徴とする付記８に記載の熱電変換素子の製造方法。
【００８８】
（付記１０）熱発生源となる電子部品と、
前記電子部品から発生した熱を電気に変換する、付記１〜７のいずれか１項に記載の熱電変換素子と
を含むことを特徴とする電子機器。
【符号の説明】
【００８９】
１，３，１１，３１，３２ 基板
２，２１ 周期構造体
２ａ，２１ａ 半導体層
２Ａ ワイヤ状周期構造体
２Ｂ 短冊状周期構造体
２ｂ，２１ｂ 金属層
４ 発熱源
１２，１３，３３，３５ｂ，３６ｂ 電極
３３ａ，３３ｂ 電極接続部
３４ａ，３４ｂ 金属層
３５ａ，３６ａ 開口
３７ ｐ型半導体層
４１ プリント配線基板
４２ａ，４２ｂ ハンダバンプ
４３ ビルドアップ基板
４４ ＣＰＵ
４５ 熱電変換機構
４６ 蓄電機構
５１，５２ ラジエータ
５３ 熱電変換素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱発生源から発生した熱を電気に変換する熱電変換素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゼーベック効果を利用し、熱発生源から発生した熱を電気に変換する熱電変換素子は、廃熱利用の観点から環境問題に配慮した省エネルギー技術として注目されている。既に発電所における熱電変換素子、或いは腕時計用の熱電変換素子等は実用化されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−９８１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、熱電変換素子は、中出力域であるｍＷからｋＷクラスでは実用化は少ない。その原因は、熱電変換素子の変換効率が低いことにある。熱電物質の特性指標(変換効率の指標)として使用される性能指数ＺＴは、以下のように表される。
ＺＴ＝α２σＴ／Χ，Ｚ∝ｍ*μ／Χ
Ｔ：温度、α：ゼーベック係数、σ：電気伝導率、Χ：熱伝導率、ｍ*：有効質量、μ：移動度
【０００５】
性能指数ＺＴを大きくするためには、熱電変換素子の電気伝導率を大きく、熱伝導率を小さくすればよいが、従来の材料では通常、両者は比例関係にある。また通常、有効質量ｍ*と移動度μも反比例の関係にある。即ち、従来の単一材料を用いた熱電変換素子では、性能指数ＺＴを大きくすることは極めて困難であり、結果として、変換効率の高い熱電変換素子は未だ実現されていない現況にある。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、比較的簡素な構成で、変換効率の極めて高い熱電変換素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
熱電変換素子の一態様は、金属層と半導体層とが交互に積層された周期構造体と、前記周期構造体の上方及び下方に形成された一対の電極層とを含む。
【０００８】
熱電変換素子の製造方法の一態様は、金属層と半導体層とを交互に積層して周期構造体を形成する工程と、前記周期構造体の上方及び下方に一対の電極層を形成する工程とを含む。
【発明の効果】
【０００９】
上記の各態様によれば、比較的簡素な構成で、変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図２】第１の実施形態による熱電変換素子及び発熱源を示す概略断面図である。
【図３】第１の実施形態の変形例による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略図である。
【図４】第２の実施形態による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図５】第２の実施形態による熱電変換素子及び発熱源を示す概略断面図である。
【図６】第２の実施形態の変形例による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略図である。
【図７】第３の実施形態による熱電変換素子及び発熱源を示す概略断面図である。
【図８】第３の実施形態の変形例による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【図９】第４の実施形態による熱電変換素子の概略構成を示す断面図である。
【図１０】第４の実施形態による熱電変換素子の他の例の概略構成を示す断面図である。
【図１１】第４の実施形態による熱電変換素子の他の例の概略構成を示す断面図である。
【図１２】第４の実施形態による熱電変換素子の他の例の概略構成を示す断面図である。
【図１３】第４の実施形態による熱電変換素子の他の例の概略構成を示す断面図である。
【図１４】第４の実施形態による熱電変換素子の他の例の概略構成を示す断面図である。
【図１５】第４の実施形態の変形例による熱電変換素子の概略構成を示す断面図である。
【図１６】第５の実施形態による電子機器の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、諸実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
本実施形態では、１つの周期構造体を有する熱電変換素子の構成について、その製造方法と共に開示する。以下の製造方法は、本実施形態による熱電変換素子を得るための一例である。
図１は、第１の実施形態による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。図２は、第１の実施形態による熱電変換素子及び発熱源を示す概略断面図である。
【００１３】
熱電変換素子を製造するには、先ず、図１（ａ）に示すように、基板１を用意する。
基板１は、後述の周期構造体を形成するための基板として用いられるともに、熱電変換素子の一対の電極のうちの一方としても機能する。基板１の材料としては、周期構造体を構成する半導体層との間でオーミック接触が得られる性質を有する金属、例えばＡｌ又はＣｕが用いられる。ここでは、基板１は、例えばＡｌからなり厚みが１００μｍ程度のものとする。
【００１４】
続いて、図１（ｂ）に示すように、基板１の表面上に周期構造体２を形成する。
詳細には、例えばスパッタ法により、半導体層２ａと金属層２ｂとを交互にそれぞれ複数積層する。最下層は半導体層２ａであり、基板１との間でオーミック接触が得られる。
半導体層２ａは、比較的容易に形成できる金属とオーミック接触が得られる性質を有するｎ型半導体、例えばｎ型不純物をドープしたｎ−ＺｎＯ，ｎ−ＩｎＧａＺｎＯ，ｎ−ＭｇＺｎＯ，ｎ−ＩｎＺｎＯ等から選ばれた１種を含む。ここでは、ｎ−ＺｎＯにより半導体層２ａを例えば膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成する。ドープするｎ型不純物としては、例えばＧａ,Ａｌ,Ｉｎ等が考えられるが、通常スパッタ法等により形成されたＺｎＯは酸素欠陥に関連したｎ型になっている場合があり、その際は、意図的なｎ型不純物ドープは不要である。
【００１５】
半導体層２ａのｎ型不純物の含有濃度は、例えば１×１０17／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3程度、ここでは１×１０18／ｃｍ3程度とされる。含有濃度が１×１０17／ｃｍ3よりも小さいと、金属層２ｂとの間でコンタクト抵抗を十分に低減することができない。含有濃度の上限は、特に規定されるものではない。しかしながら、含有濃度が１×１０20／ｃｍ3よりも大きいと、半導体層２ａのエネルギー準位が殆ど縮退し、金属的な振る舞いをする可能性が否定できない。そのためここでは、含有濃度の上限を１×１０20／ｃｍ3程度としている。半導体層２ａのｎ型不純物の含有濃度を１×１０17／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3程度とすることにより、金属層２ｂとの間のコンタクト抵抗が十分に低減する。
半導体層２ａにｎ−ＩｎＧａＺｎＯ、ｎ−ＭｇＺｎＯ、或いはｎ−ＩｎＺｎＯを用いた場合にも同様に、半導体層２ａのｎ型不純物の含有濃度は、例えば１×１０17／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3程度とされる。
【００１６】
金属層２ｂは、ｎ−ＺｎＯとオーミック接触が得られる性質を有する金属、例えばＡｌ，Ａｕ，Ｎｉ等から選ばれた１種を含む。ここでは、Ａｌにより金属層２ｂを例えば膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成する。
半導体層２ａ及び金属層２ｂの層数は特に限定されるものではないが、図１（ｃ）に示す基板１，３の間に熱起電力を発生させるために必要な温度差を確保できるように設定する必要がある。即ち、応用範囲により層数（基板１，３の距離）は個別に設定される。図１（ｂ）には、半導体層２ａ及び金属層２ｂをそれぞれ２０層ずつ形成した場合を例示する。
以上により、半導体層２ａ及び金属層２ｂが交互にそれぞれ複数積層されてなる熱電変換部である超格子構造の周期構造体２が形成される。
【００１７】
続いて、図１（ｃ）に示すように、周期構造体２上に基板３を形成する。
詳細には、例えば基板１と同様に、Ａｌからなる厚み１００μｍ程度の基板３を用意し、周期構造体２上、即ち周期構造体２の最上層の金属層２ｂ上に、基板３を形成する。基板３は、熱電変換素子の一対の電極のうちの他方としても機能する。
基板１，３の所定部位に、熱電変換された電気の取り出し部となる、例えばＡｌからなる突起状の電極接続部を形成する。
以上により、本実施形態による熱電変換素子を形成する。
【００１８】
本実施形態による熱電変換素子では、図２に示すように、基板１が正の低温側電極、基板３が負の高温側電極となり、基板３上に発熱源４が当接する。基板３と基板１との間で垂直方向に温度勾配が形成される。キャリアである電子は、負極である基板３から、正極である基板１へ向かって、周期構造体２内を拡散する。ここで、発熱源４は非導電性のものとする。発熱源が導電性であり、電気的な絶縁が必要な場合には、基板３上に絶縁板を設け、当該絶縁板上に発熱源が当接するようにする。
【００１９】
熱電変換素子においては、電気伝導が大きいほど、また熱伝導が小さいほど、性能指数ＺＴが増加し、熱電変換効率が高くなる。
本実施形態では、周期構造体２を構成する半導体層２ａと金属層２ｂとの界面には、上記のようにオーミック接触が形成されており、当該界面にはショットキ障壁が存在しない。そのためキャリアである電子は、当該界面でブロッキングされることなく周期構造体２内を拡散する。これにより、大きな電気伝導が得られる。
本実施形態では、半導体層２ａ及び金属層２ｂが複数積層されて周期構造体２が構成されるため、半導体層２ａと金属層２ｂとの界面が多数存在する。フォノンは当該各界面で散乱されることから、電極間に配される熱電変換部内で界面が多いほど熱散乱が発生し易い。従って、周期構造体２における多数の界面の存在により、発熱源４から伝達する熱は周期構造体２で大きく散乱する。これにより、熱伝導率が低下する。
このように本実施形態による熱電変換素子では、大きな電気伝導が得られるも熱伝導率が小さく、極めて高い熱電変換効率が実現する。
【００２０】
以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。
【００２１】
（変形例）
本例では、第１の実施形態と同様に周期構造体２を有する熱電変換素子の構成について、その製造方法と共に開示するが、電極とは別体に基板を用いる点で第１の実施形態と相違する。
図３は、第１の実施形態の変形例による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略図であり、（ａ），（ｂ）が断面図、（ｃ）が斜視図である。
【００２２】
先ず、図３（ａ）に示すように、基板１１を用意する。
基板１１は、周期構造体２を形成するための基板として用いられる。その材料としては、例えばＡｌ又はＣｕが用いられる。ここでは、基板１１は、例えばＡｌからなり厚みが１００μｍ程度のものとする。
【００２３】
続いて、図３（ｂ）に示すように、基板１１の表面上に周期構造体２を形成する。
詳細には、例えばスパッタ法により、半導体層２ｂと金属層２ａとを交互にそれぞれ複数積層する。第１の実施形態と同様に、半導体層２ａは、比較的容易に形成できる金属とオーミック接触が得られる性質を有するｎ型半導体、例えばｎ型不純物をドープしたｎ−ＺｎＯ，ｎ−ＩｎＧａＺｎＯ，ｎ−ＭｇＺｎＯ，ｎ−ＩｎＺｎＯ等から選ばれた１種を含む。ここでは、ｎ−ＺｎＯにより半導体層２ａを例えば膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成する。ドープするｎ型不純物としては、例えばＧａ，Ａｌ，Ｉｎ等が考えられるが、通常スパッタ法等により形成されたＺｎＯは酸素欠陥に関連したｎ型になっている場合があり、その際には、意図的なｎ型不純物ドープは不要である。金属層２ｂはＡｌで膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成する。周期構造体２の最下層は金属層２ｂであり、基板１１と同じ材料であるため、コンタクト抵抗の問題はない。図３（ｂ）には、図１とは異なり、金属層２ｂを４層、半導体層２ａを３層形成した場合を例示する。
以上により、金属層２ｂ及び半導体層２ａが交互にそれぞれ複数積層されてなる熱電変換部である超格子構造の周期構造体２が形成される。
【００２４】
続いて、図３（ｃ）に示すように、一対の電極１２，１３を形成する。
詳細には、周期構造体２上、即ち周期構造体２の最上層の金属層２ｂ上に、例えば蒸着法により電極用金属を堆積する。電極用金属としては、Ｔｉ／Ａｕ，ＡｕＧｅ／Ａｕ等、ここではＴｉ／Ａｕを用い、例えば膜厚１００ｎｍ／５００ｎｍ程度に堆積する。これにより、電極１２が形成される。
同様に、基板１１の裏面上に、例えば蒸着法により電極用金属、ここではＴｉ／Ａｕを、例えば膜厚１００ｎｍ／５００ｎｍ程度に堆積する。これにより、電極１３が形成される。
電極１２，１３の所定部位に、熱電変換された電気の取り出し部となる電極接続部を形成する。
以上により、本実施形態による熱電変換素子を形成する。
【００２５】
以上説明したように、本例によれば、第１の実施形態と同様に、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。
【００２６】
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態と同様に１つの周期構造体を有する熱電変換素子の構成について、その製造方法と共に開示するが、周期構造体の半導体層がｐ型半導体である点で第１の実施形態と相違する。
図４は、第２の実施形態による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。図５は、第２の実施形態による熱電変換素子及び発熱源を示す概略断面図である。
【００２７】
先ず、図４（ａ）に示すように、第１の実施形態の図１（ａ）と同様に、一対の電極のうちの一方としても機能する、例えばＮｉからなる基板１を用意する。
【００２８】
続いて、図４（ｂ）に示すように、基板１の表面上に周期構造体２１を形成する。
詳細には、例えばスパッタ法により、半導体層２１ａと金属層２１ｂとを交互にそれぞれ複数積層する。最下層は半導体層２１ａであり、基板１との間でオーミック接触が得られる。
半導体層２１ａは、比較的容易に形成できる金属とオーミック接触が得られる性質を有するｐ型半導体、例えばｐ型不純物をドープしたｎ−ＩｎＺｎＯ，ｐ−ＭｇＺｎＯ等から選ばれた１種を含む。ここでは、ｐ−ＺｎＯにより半導体層２１ａを例えば膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成する。ドープするｐ型不純物としては、Ｎ，Ｐ等があり、ここでは例えばＰが用いられる。
【００２９】
半導体層２１ａのｐ型不純物の含有濃度は、第１の実施形態における半導体層２ａと同様に、例えば１×１０16／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3程度、ここでは１×１０17／ｃｍ3程度とされる。
半導体層２１ａにｐ−ＭｇＺｎＯを用いた場合にも同様に、半導体層２１ａのｎ型不純物の含有濃度は、例えば１×１０16／ｃｍ3〜１×１０20／ｃｍ3程度とされる。
【００３０】
金属層２１ｂは、ｐ−ＩｎＧａＺｎＯとオーミック接触が得られる性質を有する金属、例えばＡｕ，Ｎｉ等から選ばれた１種を含む。ここでは、Ｎｉにより金属層２１ｂを例えば膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成する。
半導体層２１ａ及び金属層２１ｂの層数は特に限定されるものではないが、図４（ｃ）に示す基板１，３の間に熱起電力を発生させるために必要な温度差を確保できるように設定する必要がある。即ち、応用範囲により層数（基板１，３の距離）は個別に設定される。図４（ｂ）には、半導体層２１ａ及び金属層２１ｂをそれぞれ２０層ずつ形成した場合を例示する。
以上により、半導体層２１ａ及び金属層２１ｂが交互にそれぞれ複数積層されてなる熱電変換部である超格子構造の周期構造体２１が形成される。
【００３１】
続いて、図４（ｃ）に示すように、第１の実施形態の図１（ｃ）と同様に、周期構造体２１上、即ち周期構造体２１の最上層の金属層２１ｂ上に、例えばＡｌからなる基板３を貼付する。
基板１，３の所定部位に、熱電変換された電気の取り出し部となる、例えばＡｌからなる突起状の電極接続部を形成する。
以上により、本実施形態による熱電変換素子を形成する。
【００３２】
本実施形態による熱電変換素子では、図５に示すように、基板１が負の低温側電極、基板３が正の高温側電極となり、基板３上に発熱源４が配される。キャリアである正孔（ホール）は、正極である基板３から、負極である基板１へ向かって、周期構造体２１内を拡散する。ここで、発熱源４は非導電性のものとする。発熱源が導電性であり、電気的な絶縁が必要な場合には、基板３上に絶縁板を設け、当該絶縁板上に発熱源が当接するようにする。
【００３３】
熱電変換素子においては、電気伝導が大きいほど、また熱伝導が小さいほど、性能指数ＺＴが増加し、熱電変換効率が高くなる。
本実施形態では、周期構造体２１を構成する半導体層２１ａと金属層２１ｂとの界面には、上記のようにオーミック接触が形成されており、当該界面にはショットキ障壁が存在しない。そのためキャリアであるホールは、当該界面でブロッキングされることなく周期構造体２１内を拡散する。これにより、大きな電気伝導が得られる。
本実施形態では、半導体層２１ａ及び金属層２１ｂが複数積層されて周期構造体２１が構成されるため、半導体層２１ａと金属層２１ｂとの界面が多数存在する。フォノンは当該各界面で散乱されることから、電極間に配される熱電変換部内で界面が多いほど熱散乱が発生し易い。従って、周期構造体２１における多数の界面の存在により、発熱源４から伝達する熱は周期構造体２１で大きく散乱する。これにより、熱伝導率が低下する。
このように本実施形態による熱電変換素子では、大きな電気伝導が得られるも熱伝導率が小さく、極めて高い熱電変換効率が実現する。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。
【００３５】
（変形例）
本例では、第２の実施形態と同様に１つの周期構造体を有する熱電変換素子の構成について、その製造方法と共に開示するが、電極とは別体に基板を用いる点で第２の実施形態と相違する。
図６は、第２の実施形態の変形例による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略図であり、（ａ），（ｂ）が断面図、（ｃ）が斜視図である。
【００３６】
先ず、図６（ａ）に示すように、第１の実施形態の図３（ａ）と同様に、周期構造体２１を形成するための、例えばＮｉからなる基板１１を用意する。
【００３７】
続いて、図６（ｂ）に示すように、基板１１の表面上に周期構造体２１を形成する。
詳細には、例えばスパッタ法により、金属層２１ｂと半導体層２１ａとを交互にそれぞれ複数積層する。第１の実施形態と同様に、半導体層２１ａを、例えばｐ型不純物であるＰを含有濃度１×１０17／ｃｍ3程度にドープしたｐ−ＺｎＯで膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成し、金属層２１ｂをＮｉで膜厚１０ｎｍ〜１μｍ程度に形成する。周期構造体２１の最下層は金属層２１ｂであり、基板１１と同じ材料であるため、コンタクト抵抗の問題はない。図６（ｂ）には、金属層２１ｂを４層、半導体層２１ａを３層形成した場合を例示する。
以上により、金属層２１ｂ及び半導体層２１ａが交互にそれぞれ複数積層されてなる熱電変換部である超格子構造の周期構造体２１が形成される。
【００３８】
続いて、図６（ｃ）に示すように、第１の実施形態の図３（ｃ）と同様に、周期構造体２１上、即ち周期構造体２１の最上層の金属層２１ｂ上に、例えばＴｉ／Ａｕからなる電極１２を形成する。同様に、基板１１の裏面上に、例えばＴｉ／Ａｕからなる電極１３を形成する。
電極１２，１３の所定部位に、熱電変換された電気の取り出し部となる電極接続部を形成する。
以上により、本実施形態による熱電変換素子を形成する。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。
【００４０】
（第３の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態における周期構造体を複数の柱状体に加工し、これらの柱状体が並列する熱電変換素子の構成について、その製造方法と共に開示する。
図７は、第３の実施形態による熱電変換素子及び発熱源を示す概略断面図である。
【００４１】
熱電変換素子を製造するには、先ず、第１の実施形態の図１（ａ），（ｂ）と同様に、Ａｌからなる基板１上に、ｎ型の半導体層２ａと金属層２ｂとを交互にそれぞれ複数積層する。
【００４２】
続いて、ｎ型の半導体層２ａ及び金属層２ｂの積層体を、リソグラフィー及びＡｒガスを用いたイオンミリング等により縦方向に複数片に分断するように加工する。ここでは、当該積層体を複数の所期の柱状体（その高さが横断面の矩形の一辺よりも大きい形状）に加工する。所期の柱状としては、後述するように、当該積層体を縦方向に格子状に加工し、基板１上で行列状に並んで林立する形状、或いは当該積層体を縦方向に短冊状に加工し、基板１上で壁状に並列する形状等が考えられる。ここでは、前者の形状とする。以上により、半導体層２ａ及び金属層２ｂが交互にそれぞれ複数積層されてなる柱状体であり、それぞれ基板１上で行列状に並んで林立するワイヤ状周期構造体２Ａが形成される。ワイヤ状周期構造体２Ａの横断面の矩形の一辺の長さは例えば１μｍ以下であり、横断面積は例えば１μｍ2以下とされる。これら複数のワイヤ状周期構造体２Ａから、本実施形態の周期構造体が構成される。
【００４３】
続いて、第１の実施形態の図１（ｃ）と同様に、複数のワイヤ状周期構造体２Ａ上に、Ａｌからなる基板３を貼付する。
以上により、本実施形態による熱電変換素子を形成する。
【００４４】
本実施形態による熱電変換素子では、図７に示すように、基板１が正の低温側電極、基板３が負の高温側電極となり、基板３上に発熱源４が当接する。キャリアである電子は、負極である基板３から、正極である基板１へ向かって、各ワイヤ状周期構造体２Ａ内を拡散する。ここで、発熱源４は非導電性のものとする。発熱源が導電性である場合には、基板３上に絶縁板を設け、当該絶縁板上に発熱源が当接するようにする。
【００４５】
本実施形態の熱電変換素子では、第１の実施形態と同様に、導体層２ａ及び金属層２ｂが複数積層されて各ワイヤ状周期構造体２Ａが構成されるため、半導体層２ａと金属層２ｂとの界面が多数存在する。そのため、各ワイヤ状周期構造体２Ａにおける多数の当該界面の存在により、発熱源４から伝達する熱は各ワイヤ状周期構造体２Ａで大きく散乱する。これにより、熱伝導率が低下する。
更に本実施形態の熱電変換素子では、言わば第１の実施形態の周期構造体２が多数のワイヤ状周期構造体２Ａに加工されているため、複数のワイヤ状周期構造体２Ａの全体では表面積が大きくなる。即ち、各ワイヤ状周期構造体２Ａでは、半導体層２ａと金属層２ｂとの界面に加えて、当該表面により、発熱源４から伝達する熱が大きく散乱する。
このように本実施形態による熱電変換素子では、大きな電気伝導が得られるも熱伝導率が小さく、更に高い熱電変換効率が実現する。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。
【００４７】
（変形例）
本例では、第３の実施形態と同様に複数のワイヤ状周期構造体２Ａを有する熱電変換素子の構成について、その製造方法と共に開示するが、電極とは別体に基板を用いる点で第１の実施形態と相違する。
図８は、第３の実施形態の変形例による熱電変換素子の製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
【００４８】
先ず、第１の実施形態の図３（ａ），（ｂ）と同様に、Ａｌ又はＣｕからなる基板１１上に、金属層２ｂと半導体層２ａとを交互にそれぞれ複数積層する。ここでは、図７とは異なり、金属層２ｂを４層、半導体層２ａを３層形成した場合を例示する。
【００４９】
続いて、第１の実施形態の図３（ｃ）と同様に、一対の電極１２，１３を形成する。
詳細には、周期構造体２の最上層の金属層２ｂ上に電極１２を、基板１１の裏面上に電極１３をそれぞれ形成する。
【００５０】
続いて、図８（ａ）に示すように、半導体層２ａ及び金属層２ｂと電極１２の積層体を縦方向に複数片に分断し、複数のワイヤ状周期構造体２Ａを形成する。
詳細には、半導体層２ａ及び金属層２ｂと電極１２の積層体を、リソグラフィー及びＡｒガスを用いたイオンミリング等により縦方向に格子状に加工する。これにより、最上面に電極１２Ａを有し、基板１１上で行列状に並んで林立する複数の柱状のワイヤ状周期構造体２Ａが形成される。
【００５１】
ここで、複数のワイヤ状周期構造体２Ａを形成する代わりに、図８（ｂ）に示すように、複数の短冊状周期構造体２Ｂを形成するようにしても良い。
この場合、半導体層２ａ及び金属層２ｂと電極１２の積層体を、リソグラフィー及びＡｒガスを用いたイオンミリング等により縦方向に短冊状に加工する。これにより、最上面に電極１２Ｂを有し、基板１１上で並列する複数の壁状の短冊状周期構造体２Ｂが形成される。
【００５２】
電極１２，１３の所定部位に、熱電変換された電気の取り出し部となる電極接続部を形成する。
以上により、本実施形態による熱電変換素子を形成する。
【００５３】
以上説明したように、本例によれば、第１の実施形態と同様に、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。
【００５４】
なお、第２の実施形態における周期構造体を本実施形態と同様に複数の柱状体に加工し、これらの柱状体が並列する熱電変換素子を形成しても良い。この場合、各柱状体は、ｐ型の半導体層２１ａと金属層２１ｂとが交互にそれぞれ複数積層されて形成される。
【００５５】
（第４の実施形態）
本実施形態では、第１及び第２の実施形態による周期構造体２，２１を共に用いた熱電変換素子を開示する。
図９は、第４の実施形態による熱電変換素子の概略構成を示す断面図である。
【００５６】
この熱電変換素子は、表面を対向して配置される一対の基板３１，３２間に、電極接続された周期構造体２，２１が交互に並列して配されて構成される。
基板３１，３２は、絶縁材料、ここではポリイミドを材料として形成されている。
本実施形態では、基板３２が設けられているため、発熱源が導電性のものでも、熱電変換素子に影響を及ぼすことはない。発熱源としては、導電性のものでも、非導電性のものでも良いが、主に導電性のものを考えている。
また、本実施形態では、熱電変換素子の下面で接する所定部材の部分が導電性のものでも、熱電変換素子に影響を及ぼすことはない。当該所定部材の部分は、導電性のものでも、非導電性のものでも良いが、主に導電性のものを考えている。
【００５７】
基板３１、３２には、電極３３が複数、並列して配置されている。図９における左端及び右端の電極３３上には、例えばＡｌからなる突起状の電極接続部３３ａ，３３ｂが形成される。
電極３３は、特に限定されるものではないが、例えばＡｌ又はＣｕが用いられる。ここでは、電極３３は、例えばＡｌからなり厚みは１μｍ程度のものとする。
【００５８】
図９において、上下の電極３３の間に、第１の実施形態によるｎ型の半導体層を有する周期構造体２が金属層３４ａを介して接続される。金属層３４ａは周期構造体２を構成するｎ型の半導体層との間でオーミック接触が得られる金属、例えばＡｌが用いられ、その厚みは例えば１０ｎｍ〜１μｍとする。さらに、上下の電極３３の間に、第２の実施形態によるｐ型の半導体層を有する周期構造体２１が金属層３４ｂを介して接続される。金属層３４ｂは周期構造体２１を構成するｐ型の半導体層との間でオーミック接触が得られる金属、例えばＮｉが用いられ、その厚みは例えば１０ｎｍ〜１μｍとする。
周期構造体２，２１は、第１及び第２の実施形態と同様の手法で形成される。
【００５９】
本実施形態による熱電変換素子では、基板３２上に発熱源が当接し、つまり基板３２が高温側、基板３１が低温側となる。
周期構造体２では、キャリアである電子は、基板３２側から基板３１側へ向かって、周期構造体２内を拡散する。
周期構造体２１では、キャリアであるホールは、基板３２側から基板３１側へ向かって、周期構造体２１内を拡散する。
従ってこの熱電変換素子では、電極接続部３３ａから電極接続部３３ｂへ向かう、周期構造体２，２１を交互に通って蛇行して進むキャリア（電子及びホール）の通路が形成され、この場合、電極接続部３３ａが電極接続部３３ｂに対して高電位となる。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態によれば、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。本実施形態では、熱電変換された電気の取り出し部となる電極接続部３３ａ，３３ｂが共に一方の基板側、ここでは低温側の基板３１側に形成されるため、熱電変換の効率を劣化させる懸念がない。
【００６１】
ここで、本実施形態による熱電変換素子において、高温側に当接する発熱源、及び低温側に当接する所定部材の部分の材質（導電性又は非導電性）に応じた諸構成を開示する。
【００６２】
１．発熱源が非導電性のものである場合（１）
図１０に示すように、基板３２を形成しなくても良い。この場合、上部電極３３に発熱源が当接することになるが、発熱源が非導電性であるために熱電変換素子への影響の懸念はない。
なおこの場合、下部電極３３下には絶縁性の基板３１が設けられており、所定部材の部分は基板３１に当接する。そのため、所定部材の部分は導電性でも非導電性でも問題はない。
【００６３】
２．発熱源が非導電性のものである場合（２）
図１１に示すように、基板３２に上部電極３３の表面の一部を露出する開口３５aを形成する。開口３５aを導電材料で埋め込み、基板３２の表面から上方に若干突出するように、メッキ法等により、上部電極３３と電気的に接続される電極３５ｂを形成する。この場合、電極３５に発熱源が当接することになるが、発熱源が非導電性であるために熱電変換素子への影響の懸念はない。
なおこの場合、下部電極３３下には絶縁性の基板３１が設けられており、所定部材の部分は基板３１に当接する。そのため、所定部材の部分は導電性でも非導電性でも問題はない。
【００６４】
３．所定部材の部分が非導電性のものである場合（１）
図１２に示すように、下部電極３３下の絶縁性の基板３１を形成しなくても良い。この場合、下部電極３３に所定部材の部分が当接することになるが、当該部分が非導電性であるために熱電変換素子への影響の懸念はない。
なおこの場合、上部電極３３には絶縁性の基板３２が設けられており、発熱源は基板３２に当接する。そのため、発熱源は導電性でも非導電性でも問題はない。
【００６５】
４．所定部材の部分が非導電性のものである場合（２）
図１３に示すように、基板３１に下部電極３３の表面の一部を露出する開口３６ａを形成する。開口３６ａを導電材料で埋め込み、基板３１の裏面から下方に若干突出するように、メッキ法等により、下部電極３３と電気的に接続される電極３６ｂを形成する。この場合、電極３６ｂに発熱源が当接することになるが、発熱源が非導電性であるために熱電変換素子への影響の懸念はない。
なおこの場合、上部電極３３上には絶縁性の基板３２が設けられており、発熱源は基板３２に当接する。そのため、発熱源は導電性でも非導電性でも問題はない。
【００６６】
５．発熱源及び所定部材の部分が共に非導電性のものである場合
図１４に示すように、基板３２に上部電極３３の表面の一部を露出する開口３５ａを形成する。開口３５ａを導電材料で埋め込み、基板３２の表面から上方に若干突出するように、メッキ法等により、上部電極３３と電気的に接続される電極３５ｂを形成する。この場合、電極３５ｂに発熱源が当接することになるが、発熱源が非導電性であるために熱電変換素子への影響の懸念はない。
更に、基板３１に下部電極３３の表面の一部を露出する開口３６ａを形成する。開口３６ａを導電材料で埋め込み、基板３１の裏面から下方に若干突出するように、メッキ法等により、下部電極３３と電気的に接続される電極３６ｂを形成する。この場合、電極３６ｂに発熱源が当接することになるが、発熱源が非導電性であるために熱電変換素子への影響の懸念はない。
【００６７】
（変形例）
本例では、第４の実施形態と同様に、複数の周期構造体を用いた熱電変換素子を開示するが、第１の実施形態によるｎ型半導体層を用いた周期構造体２と、従来の単一のｐ型半導体層とを交互に複数配置した熱電変換素子である点で第４の実施形態と相違する。
図１５は、第４の実施形態の変形例による熱電変換素子の概略構成を示す断面図である。
【００６８】
この熱電変換素子は、表面を対向して配置される一対の基板３１，３２間に、電極接続された周期構造体２と単一のｐ型半導体層３７が交互に配されて構成される。
第３の実施形態と同様に、基板３１上には、下部電極３３が並列して配置されている。下部電極３３の左右両端には電極接続部３３ａ，３３ｂが形成されている。基板３２下には、上部電極３３が並列して配置されている。
【００６９】
図１５において、上下の電極３３の間に、第１の実施形態によるｎ型の半導体層を有する周期構造体２が金属層３４ａを介して接続される。金属層３４ａは周期構造体２を構成するｎ型の半導体層との間でオーミック接触が得られる金属、例えばＡｌが用いられ、その厚みは例えば１０ｎｍ〜１μｍとする。さらに、上下の電極３３の間に、単一のp型の半導体層３７が金属層３４ｂを介して接続される。ｐ型半導体層３７は、例えば焼結形成されたＳｉＧｅを用いる。金属層３４ｂはｐ型半導体層３７との間でオーミック接触が得られる金属、この場合、例えばＡｌが用いられ、その厚みは例えば１０ｎｍ〜１μｍとする。
【００７０】
以上説明したように、本例によれば、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層のみでは実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換素子を実現することができる。本実施形態では、熱電変換された電気の取り出し部となる電極接続部３３ａ，３３ｂが共に一方の基板側、ここでは低温側の基板３１側に形成されるため、熱電変換の効率を劣化させる懸念がない。
【００７１】
なお、第４の実施形態の変形例の代わりに、従来の単一のｎ型半導体層と、第２の実施形態によるｐ型半導体層を用いた周期構造体２１とを交互に複数配置して、熱電変換素子を構成することも考えられる。
【００７２】
また、第１及び第２の実施形態による周期構造体２，２１を共に用いる代わりに、第３の実施形態を利用して、本実施形態のように熱電変換素子を形成しても良い。例えば、ｎ型の半導体層２ａと金属層２ｂとを交互にそれぞれ複数積層してなる複数のワイヤ状周期構造体２Ａと、ｐ型の半導体層２１ａと金属層２１ｂとを交互にそれぞれ複数積層してなる複数の柱状体を用いて、図９のように熱電変換素子を構成する。
【００７３】
（第５の実施形態）
本実施形態では、ＣＰＵ等のＬＳＩ素子を備えた電子機器を例示する。
図１６は、第５の実施形態による電子機器の概略構成を示す断面図である。
【００７４】
この電子機器は、プリント配線基板４１の上方に、ＣＰＵ４４と、ＣＰＵ４４と接続された熱電変換機構４５と、蓄電機構４６とを備えている。プリント配線基板４１上にはハンダバンプ４２ａによりビルドアップ基板４３が接続されており、ビルドアップ基板４３上にＣＰＵ４４、熱電変換機構４５、及び蓄電機構４６が設けられている。
【００７５】
ＣＰＵ４４は、ビルドアップ基板４３上にハンダバンプ４２ｂにより接続されており、その作動に起因して当該電子機器の発熱源となっている。
熱電変換機構４５は、ラジエータ５１，５２と、熱電変換素子５３とを備えている。
ラジエータ５１は、内部に水冷パイプを有しており、ＣＰＵ４４上からビルドアップ基板４３上に架けて配置される。ラジエータ５２は、熱電変換素子５３上に配置されている。
熱電変換素子５３は、上述した第１、第２、第３又は第４の実施形態、或いはこれらの変形例による熱電変換素子であり、その高温側がラジエータ５１上に配置されている。
蓄電機構４６は、蓄電池等であり、熱電変換素子５３と接続されている。
【００７６】
発熱源であるＣＰＵ４４で発生した熱は、ラジエータ５１を介して熱電変換素子５３に伝達する。熱電変換素子５３は、上述したように高い変換効率で熱電変換し、変換された電気が蓄電機構４６に蓄電される。
【００７７】
本実施形態によれば、電子機器に第１、第２、第３又は第４の実施形態、或いはこれらの変形例による熱電変換素子を熱電変換素子５３として配設する。これにより、比較的簡素な構成で、従来の単一の半導体層では実現が困難であった変換効率の極めて高い熱電変換を可能とし、廃熱のエネルギーを高効率で有効利用することができる。
なお、第１又は第２、第２、第３又は第４の実施形態、或いはこれらの変形例による熱電変換素子が搭載される対象は、本実施形態による電子機器に限定されるものではない。例えば、高出力・高周波電力増幅器、電気自動車の駆動モジュール等、電子デバイスの発熱源を利用した熱電変換のみならず、火力発電所、サーバシステム、体温計等、廃熱利用が考えられる全ての装置及びシステムに適用が可能である。
【００７８】
以下、熱電変換素子及び電子機器の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００７９】
（付記１）金属層と半導体層とが交互に積層された周期構造体と、
前記周期構造体の上方及び下方に形成された一対の電極層と
を含むことを特徴とする熱電変換素子。
【００８０】
（付記２）前記周期構造体は、前記電極層間で並列する、前記金属層と前記半導体層とが交互に積層された複数の柱状体からなることを特徴とする付記１に記載の熱電変換素子。
【００８１】
（付記３）前記周期構造体では、前記金属層と前記半導体層とがオーミック接触することを特徴とする付記１又は２に記載の熱電変換素子。
【００８２】
（付記４）前記半導体層は、１×１０17／ｃｍ3以上の濃度にｎ型不純物を含有することを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【００８３】
（付記５）前記半導体層はｎ型不純物を含有しており、
前記金属層はＡｌ，Ａｕ，Ｎｉから選ばれた１種を有するとともに、前記半導体層はＺｎＯ，ＩｎＧａＺｎＯ，ＭｇＺｎＯ，ＩｎＺｎＯから選ばれた１種を有することを特徴とする付記１〜４のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【００８４】
（付記６）前記半導体層は、１×１０16／ｃｍ3以上の濃度にｐ型不純物を含有することを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【００８５】
（付記７）前記半導体層はｐ型不純物を含有しており、
前記金属層はＮｉを有するとともに、前記半導体層はＺｎＯ，ＭｇＺｎＯから選ばれた１種を有することを特徴とする付記１〜３，６のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【００８６】
（付記８）金属層と半導体層とを交互に積層して周期構造体を形成する工程と、
前記周期構造体の上方及び下方に一対の電極層を形成する工程と
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
【００８７】
（付記９）前記電極層を形成する前に、
前記周期構造体を、前記金属層と前記半導体層とが交互に積層された複数の柱状体が並列するように加工する工程を更に含むことを特徴とする付記８に記載の熱電変換素子の製造方法。
【００８８】
（付記１０）熱発生源となる電子部品と、
前記電子部品から発生した熱を電気に変換する、付記１〜７のいずれか１項に記載の熱電変換素子と
を含むことを特徴とする電子機器。
【符号の説明】
【００８９】
１，３，１１，３１，３２ 基板
２，２１ 周期構造体
２ａ，２１ａ 半導体層
２Ａ ワイヤ状周期構造体
２Ｂ 短冊状周期構造体
２ｂ，２１ｂ 金属層
４ 発熱源
１２，１３，３３，３５ｂ，３６ｂ 電極
３３ａ，３３ｂ 電極接続部
３４ａ，３４ｂ 金属層
３５ａ，３６ａ 開口
３７ ｐ型半導体層
４１ プリント配線基板
４２ａ，４２ｂ ハンダバンプ
４３ ビルドアップ基板
４４ ＣＰＵ
４５ 熱電変換機構
４６ 蓄電機構
５１，５２ ラジエータ
５３ 熱電変換素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属層と半導体層とが交互に積層された周期構造体と、
前記周期構造体の上方及び下方に形成された一対の電極層と
を含むことを特徴とする熱電変換素子。
【請求項２】
前記周期構造体は、前記電極層間で並列する、前記金属層と前記半導体層とが交互に積層された複数の柱状体からなることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項３】
前記周期構造体では、前記金属層と前記半導体層とがオーミック接触することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記半導体層はｎ型不純物を含有しており、
前記金属層はＡｌ，Ａｕ，Ｎｉから選ばれた１種を有するとともに、前記半導体層はＺｎＯ，ＩｎＧａＺｎＯ，ＭｇＺｎＯ，ＩｎＺｎＯから選ばれた１種を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
金属層と半導体層とを交互に積層して周期構造体を形成する工程と、
前記周期構造体の上方及び下方に一対の電極層を形成する工程と
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
【請求項６】
前記電極層を形成する前に、
前記周期構造体を、前記金属層と前記半導体層とが交互に積層された複数の柱状体が並列するように加工する工程を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の熱電変換素子の製造方法。
【請求項７】
熱発生源となる電子部品と、
前記電子部品から発生した熱を電気に変換する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電変換素子と
を含むことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
金属層と半導体層とが交互に積層された周期構造体と、
前記周期構造体の上方及び下方に形成された一対の電極層と
を含むことを特徴とする熱電変換素子。
【請求項２】
前記周期構造体は、前記電極層間で並列する、前記金属層と前記半導体層とが交互に積層された複数の柱状体からなることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項３】
前記周期構造体では、前記金属層と前記半導体層とがオーミック接触することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記半導体層はｎ型不純物を含有しており、
前記金属層はＡｌ，Ａｕ，Ｎｉから選ばれた１種を有するとともに、前記半導体層はＺｎＯ，ＩｎＧａＺｎＯ，ＭｇＺｎＯ，ＩｎＺｎＯから選ばれた１種を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
金属層と半導体層とを交互に積層して周期構造体を形成する工程と、
前記周期構造体の上方及び下方に一対の電極層を形成する工程と
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
【請求項６】
前記電極層を形成する前に、
前記周期構造体を、前記金属層と前記半導体層とが交互に積層された複数の柱状体が並列するように加工する工程を更に含むことを特徴とする請求項５に記載の熱電変換素子の製造方法。
【請求項７】
熱発生源となる電子部品と、
前記電子部品から発生した熱を電気に変換する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電変換素子と
を含むことを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１１−２２２８７３（Ｐ２０１１−２２２８７３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９２５０３（Ｐ２０１０−９２５０３）
【出願日】平成２２年４月１３日（２０１０．４．１３）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１３日（２０１０．４．１３）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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