(57)【要約】【課題】バルク材を用いたものと比較して著しく微細化することができる熱電変換装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】熱電変換装置１１には、基板１と、基板１の上方に設けられ、互いに一端が接合されたｐ型半導体膜２及びｎ型半導体膜３の対と、が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上方に設けられ、互いに一端が接合されたｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜の対と、
を有することを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
前記ｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜の対の接合部と接する導電膜を有することを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記ｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜の対を複数有し、
前記複数の対同士が、前記ｐ型半導体膜の他端及び前記ｎ型半導体膜の他端を介して接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記ｐ型半導体膜の他端及び前記ｎ型半導体膜の他端よりも前記接合部側が高温側に設定されることを特徴とする請求項２又は３に記載の熱電変換装置。
【請求項５】
基板の上方に半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜にｐ型不純物及びｎ型不純物の導入を行い、前記半導体膜から、互いに一端が接合されたｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜の対を形成する工程と、
を有することを特徴とする熱電変換装置の製造方法。
【請求項６】
前記半導体膜にｐ型不純物及びｎ型不純物の導入を行う工程において、前記ｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜の対を複数、前記複数の対同士が、前記ｐ型半導体膜の他端及び前記ｎ型半導体膜の他端を介して接合されるように形成することを特徴とする請求項５に記載の熱電変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電発電は自然エネルギである温度差を電力に変換するため、熱電発電によれば二酸化炭素を発生せずに電力を得ることができる。このため、熱電発電は、次世代のクリーンな発電技術として期待されている。従来、熱電発電に用いられる熱電変換装置は、熱電材料の焼結及び切断加工により作製された複数個のバルク材が接続されて構成されている。
【０００３】
その一方で、近年、熱電変換装置には、製造コストの低減及び微細化の要請が高まっている。
【０００４】
しかしながら、上述のようなバルク材を用いた従来の熱電変換装置では、これ以上の製造コストの低減及び微細化が困難になってきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２２８０３５号公報
【特許文献２】特開２０００−２９９４５７号公報
【特許文献３】特開２００１−１８９４９７号公報
【特許文献４】特開２００４−２３５６３９号公報
【特許文献５】特開２００６−１８６２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、バルク材を用いたものと比較して著しく微細化することができる熱電変換装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
熱電変換装置の一態様には、基板と、前記基板上方に設けられ、互いに一端が接合されたｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜の対と、が設けられている。
【発明の効果】
【０００８】
上記の熱電変換装置等によれば、ｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜の対が電力を発生させるため、著しい微細化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係る熱電変換装置の構造を示す図である。
【図２】熱電変換装置の使用例を示す模式図である。
【図３】第２の実施形態に係る熱電変換装置の構造を示す図である。
【図４Ａ】第２の実施形態に係る熱電変換装置の製造方法を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａに引き続き、熱電変換装置の製造方法を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｂに引き続き、熱電変換装置の製造方法を示す図である。
【図４Ｄ】図４Ｃに引き続き、熱電変換装置の製造方法を示す図である。
【図４Ｅ】図４Ｄに引き続き、熱電変換装置の製造方法を示す図である。
【図５】第３の実施形態に係る熱電変換装置の構造を示す図である。
【図６】熱電変換装置の他の使用例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る熱電変換装置（熱電変換モジュール）の構造を示す図である。なお、図１（ａ）は上面図であり、図１（ｂ）、図１（ｃ）は、夫々図１（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図、ＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【００１２】
図１に示すように、第１の実施形態に係る熱電変換装置１１では、基板１が高温領域１ａ及び低温領域１ｂに区画され、基板１上に、高温領域１ａ及び低温領域１ｂにわたるｐ型半導体膜２及びｎ型半導体膜３が形成されている。ｐ型半導体膜２及びｎ型半導体膜３は、高温領域１ａ内で互いに接合されており、低温領域１ｂ内では互いに絶縁されている。つまり、高温領域１ａ内のみにｐ型半導体膜２及びｎ型半導体膜３のｐｎ接合部が存在する。そして、ｐ型半導体膜２に正極用の配線が接続され、ｎ型半導体膜３に負極用の配線が接続されている。基板１の少なくとも表面は絶縁性であり、ｐ型半導体膜２及びｎ型半導体膜３の間では、これらのｐｎ接合部を介してのみ電流が流れ得る。
【００１３】
このような熱電変換装置１１の高温領域１ａの温度を低温領域１ｂの温度よりも高くすると、ｎ型半導体膜３内では、電子が高温領域１ａから低温領域１ｂに向けて移動し、ｐ型半導体膜２内では、ホールが高温領域１ａから低温領域１ｂに向けて移動する。つまり、高温領域１ａにおいてｎ型半導体膜３からｐ型半導体膜２に向けて電流が流れようとする。従って、正極及び負極の間に外部抵抗Ｒを接続すると、外部抵抗Ｒを介して正極から負極に向けて電流が流れる。
【００１４】
このような熱電変換装置１１では、バルク材が用いられておらず、基板１上に半導体膜が形成されているだけであるため、微細化が容易である。従って、種々の領域に用いることができ、バルク材を用いた熱電変換装置を用いることができないような狭い領域に用いることもできる。例えば、人間の体温を用いて発電を行うことも可能となり、この電力を医療に応用することも可能となる。更に、半導体膜の形成はバルク材の作製及び接続と比較して極めて低コストである。
【００１５】
図２は、熱電変換装置１１の使用例を示す模式図である。図２に示すように、熱電変換装置１１は、例えば高温となる配管１２の外側面に高温領域１ａ側が接し、低温領域１ｂ側が外気に接するようにして配管１２に取り付けられる。この使用例では、配管１２の温度（高温）と外気温（低温）との相違に基づく電力が生じる。
【００１６】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図３は、第２の実施形態に係る熱電変換装置（熱電変換モジュール）の構造を示す図である。なお、図３（ａ）は上面図であり、図３（ｂ）、図３（ｃ）は、夫々図３（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図、ＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【００１７】
図３に示すように、第２の実施形態に係る熱電変換装置３０では、基板２１が高温領域２１ａ及び低温領域２１ｂに区画され、基板２１上に、高温領域２１ａ及び低温領域２１ｂにわたるｐ型半導体膜２２−１、２２−２、及び２２−３が互いに離間して形成されている。更に、基板２１上には、高温領域２１ａにおいてｐ型半導体膜２２−１と接触し、低温領域２１ｂにおいてｐ型半導体膜２２−２と接触するｎ型半導体膜２３−１、高温領域２１ａにおいてｐ型半導体膜２２−２と接触し、低温領域２１ｂにおいてｐ型半導体膜２２−３と接触するｎ型半導体膜２３−２、及び高温領域２１ａにおいてｐ型半導体膜２２−３と接触するｎ型半導体膜２３−３も形成されている。ｐ型半導体膜２２−１には、低温領域２１ｂ内において正極用の配線が接続されている。ｎ型半導体膜２３−３は低温領域２１ｂまで延びており、低温領域２１ｂ内において、ｎ型半導体膜２３−３に負極用の配線が接続されている。
【００１８】
更に、本実施形態では、ｐ型半導体膜２２−１とｎ型半導体膜２３−１とが接触する部分と基板２１との間に導電膜２４−１が形成されている。また、ｐ型半導体膜２２−２とｎ型半導体膜２３−２とが接触する部分と基板２１との間に導電膜２４−２が形成され、ｐ型半導体膜２２−３とｎ型半導体膜２３−３とが接触する部分と基板２１との間に導電膜２４−３が形成されている。つまり、高温領域２１ａ内において、ｐｎ接合部に導電膜２４−１〜２４−３が接触している。更に、ｐ型半導体膜２２−１〜２２−３、ｎ型半導体膜２３−１〜２３−３、及び導電膜２４−１〜２４−３を覆う保護膜２９が形成されている。そして、ｐ型半導体膜２２−１に正極用の配線が接続され、ｎ型半導体膜２３−３に負極用の配線が接続されている。基板２１の少なくとも表面は絶縁性であり、ｐ型半導体膜２２−１〜２２−３、ｎ型半導体膜２３−１〜２３−３の間では、これらのｐｎ接合部又は導電膜２４−１〜２４−３を介してのみ電流が流れ得る。
【００１９】
そして、熱電変換装置３０の高温領域２１ａの温度を低温領域２１ｂの温度よりも高くすると、ｎ型半導体膜２３−１〜２３−３内では、電子が高温領域２１ａから低温領域２１ｂに向けて移動し、ｐ型半導体膜２２−１〜２２−３内では、ホールが高温領域２１ａから低温領域２１ｂに向けて移動する。つまり、高温領域２１ａではｐｎ接合部を挟んでｎ型半導体膜からｐ型半導体膜に向けて電流が流れようとし、低温領域２１ｂではｐｎ接合部を挟んでｐ型半導体膜からｎ型半導体膜に向けて電流が流れようとする。従って、正極及び負極の間に外部抵抗等を接続すると、外部抵抗等を介して正極から負極に向けて電流が流れる。
【００２０】
また、本実施形態では、高温領域２１ａ内において、ｐｎ接合部に導電膜２４−１〜２４−３が接触しているため、導電膜２４−１〜２４−３がない場合と比較して内部抵抗が低減される。なお、低温領域２１ｂにおいてｐｎ接合部に導電膜が接触していても内部抵抗は低減されない。これは、高温領域２１ａではｎ型半導体膜からｐ型半導体膜に向けて電流が流れようとするため、この部分の抵抗が大きいのに対し、低温領域２１ｂではｐ型半導体膜からｎ型半導体膜に向けて電流が流れようとするため、この部分の抵抗が小さいからである。
【００２１】
次に、第２の実施形態に係る熱電変換装置３０を製造する方法について説明する。図４Ａ乃至図４Ｅは、第２の実施形態に係る熱電変換装置３０を製造する方法を工程順に示す図である。なお、図４Ａ（ａ）〜図４Ｅ（ａ）は上面図であり、図４Ａ（ｂ）〜図４Ｅ（ｂ）、図４Ａ（ｃ）〜図４Ｅ（ｃ）は、夫々図４Ａ（ａ）〜図４Ｅ（ａ）中のＩ−Ｉ線に沿った断面図、ＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【００２２】
先ず、図４Ａに示すように、基板１上に導電膜２４−１〜２４−３を形成する。基板１としては、例えば、表面にシリコン酸化膜が形成されたシリコン基板を用いる。導電膜２４−１〜２４−３としては、例えば厚さが９００ｎｍのチタン膜を形成する。導電膜２４−１〜２４−３の形成は、例えば、材料の成膜、フォトリソグラフィによるレジストパターンの形成、及びエッチング等を経て行われる。
【００２３】
次いで、図４Ｂに示すように、基板１及び導電膜２４−１〜２４−３上に、平面形状がｐ型半導体膜２２−１〜２２−３及びｎ型半導体膜２３−１〜２３−３の平面形状と一致する半導体膜２５を形成する。半導体膜２５としては、例えば厚さが８００ｎｍ、幅が数百ｎｍの多結晶シリコン膜を形成する。半導体膜２５の形成は、例えば、材料の成膜、フォトリソグラフィによるレジストパターンの形成、及びエッチング等を経て行われる。
【００２４】
その後、図４Ｃに示すように、半導体膜２５の全面にｐ型不純物を導入することにより、ｐ型半導体膜２６を形成する。ｐ型不純物としては、例えばボロンイオンを、加速電圧を１０ｋＶ、ドーズ量を４×１０15ｃｍ-2として注入する。
【００２５】
続いて、図４Ｄに示すように、ｐ型半導体膜２６のｐ型半導体膜２２−１〜２２−３となる部分を覆い、ｎ型半導体膜２３−１〜２３−３となる部分を露出するレジストパターン２７を形成する。
【００２６】
次いで、図４Ｅに示すように、ｐ型半導体膜２６のレジストパターン２７から露出している部分にｎ型不純物を、ｐ型半導体膜２６の形成時よりも高濃度で導入する。ｎ型不純物としては、例えばリンイオンを、加速電圧を１０ｋＶ、ドーズ量を８×１０15ｃｍ-2として注入する。この結果、ｎ型半導体膜２３−１〜２３−３が形成される。また、ｐ型半導体膜２６のレジストパターン２７に覆われている部分がｐ型半導体膜２２−１〜２２−３となる。
【００２７】
その後、レジストパターン２７の除去、配線の形成、及び保護膜２９の形成等を行う。
【００２８】
このような方法により熱電変換装置３０を製造することができる。
【００２９】
本願発明者が、図４Ａ乃至図４Ｅに示す方法に倣って熱電変換装置を実施例Ｎｏ．１として製造し、その特性を調査したところ、表１に示す結果が得られた。なお、実施例Ｎｏ．１との比較のために、低温領域内のｐｎ接合部にも導電膜としてのチタン膜を形成した実施例Ｎｏ．２、及び実施例Ｎｏ．１の高温領域からチタン膜の形成を省略した実施例Ｎｏ．３についても特性の調査を行った。また、ｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜の数は夫々１００個とし、高温領域及び低温領域間の温度差を１００℃とした。
【００３０】
【表１】
2011192923.tif 000003
【００３１】
表１に示すように、第２の実施形態に倣った実施例Ｎｏ．１において最も良好な結果が得られた。
【００３２】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図５は、第３の実施形態に係る熱電変換装置（熱電変換モジュール）の構造を示す図である。なお、図５（ａ）は斜視図であり、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、夫々図５（ａ）中の面ＩＩＩの断面図、面ＩＶの断面図である。
【００３３】
図５に示すように、第３の実施形態に係る熱電変換装置４１には、熱電変換シート３１として、第２の実施形態に係る熱電変換装置３０が設けられている。そして、熱電変換シート３１の高温領域２１ａにおいて基板２１の裏面に高温側金属膜３３が取り付けられ、低温領域２１ｂにおいて保護膜２９上に低温側金属膜３２が取り付けられている。そして、これらの周囲に樹脂部３４が設けられている。
【００３４】
図６は、熱電変換装置４１の使用例を示す模式図である。図６に示すように、熱電変換装置４１は、例えば高温となる発熱体４２の外壁面に高温領域２１ａ側が接し、低温領域２１ｂ側が外気に接するようにして発熱体４２に取り付けられる。この使用例では、発熱体４２の温度（高温）が高温側金属膜３３を介して高温領域２１ａまで伝達され、外気温（低温）が低温側金属膜３２を介して低温領域２１ｂまで伝達される。従って、発熱体４２及び外気の温度差に基づく電力が生じる。
【００３５】
このような第３の実施形態によれば、熱電変換装置４１の厚さ方向の温度差に応じた電力を得ることができる。
【００３６】
なお、低温側金属膜３２及び高温側金属膜３３の材料としては、熱伝導率が高い銅等を用いることが好ましく、樹脂部３４の材料としては、熱伝導率が低いポリイミド等を用いることが好ましいが、これらに限定されない。
【００３７】
これらの実施形態では、高温領域内のｐｎ接合部に接する導電膜がｐｎ接合部と基板との間に位置しているが、導電膜がｐｎ接合部を間に挟んでｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜に接していれば、ｐｎ接合部の上側又は側方に導電膜が位置していてもよい。また、導電膜の材料としては、チタンの他に、銀、白金、アルミニウム、金、銅、クロム等を用いることもできる。
【００３８】
また、配線が使用時の高温領域２１ａの温度に耐えられるものであれば、配線が高温領域２１ａから引き出されていてもよい。
【００３９】
また、半導体膜の材料も特に限定されず、シリコンの他に、ＳｉＧｅ、シリサイド（Ｍｇ2Ｓｉ、ＦｅＳｉ2、ＣｒＳｉ2）等を用いることもできる。ｐｎ接合の数も特に限定されない。更に、基板の材料も特に限定されず、例えば絶縁性の基板を用いてもよい。また、可撓性のある基板を用いれば、用途をより一層広げることも可能となる。但し、基板の表面のｐ型半導体膜、ｎ型半導体膜又は導電膜と接する部分は絶縁性であることが好ましい。
【００４０】
また、不純物のドーピング方法も特に限定されず、例えばイオンシャワーによるドーピングを行ってもよく、気相ドーピング法を採用してもよい。更に、ｎ型不純物の導入を低濃度で行った後に、ｐ型不純物の導入を高濃度で行ってもよい。
【００４１】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００４２】
（付記１）
基板と、
前記基板上方に設けられ、互いに一端が接合されたｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜の対と、
を有することを特徴とする熱電変換装置。
【００４３】
（付記２）
前記ｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜の対の接合部と接する導電膜を有することを特徴とする付記１に記載の熱電変換装置。
【００４４】
（付記３）
前記ｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜の対を複数有し、
前記複数の対同士が、前記ｐ型半導体膜の他端及び前記ｎ型半導体膜の他端を介して接合されていることを特徴とする付記１又は２に記載の熱電変換装置。
【００４５】
（付記４）
前記ｐ型半導体膜の他端及び前記ｎ型半導体膜の他端よりも前記接合部側が高温側に設定されることを特徴とする付記２又は３に記載の熱電変換装置。
【００４６】
（付記５）
前記ｐ型半導体膜及び前記ｎ型半導体膜はＳｉを含有することを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の熱電変換装置。
【００４７】
（付記６）
基板の上方に半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜にｐ型不純物及びｎ型不純物の導入を行い、前記半導体膜から、互いに一端が接合されたｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜の対を形成する工程と、
を有することを特徴とする熱電変換装置の製造方法。
【００４８】
（付記７）
前記ｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜の対の接合部と接する導電膜を形成する工程を有することを特徴とする付記６に記載の熱電変換装置の製造方法。
【００４９】
（付記８）
前記半導体膜にｐ型不純物及びｎ型不純物の導入を行う工程において、前記ｐ型半導体膜及びｎ型半導体膜の対を複数、前記複数の対同士が、前記ｐ型半導体膜の他端及び前記ｎ型半導体膜の他端を介して接合されるように形成することを特徴とする付記６又は７に記載の熱電変換装置の製造方法。
【００５０】
（付記９）
前記半導体膜はＳｉを含有することを特徴とする付記６乃至８のいずれか１項に記載の熱電変換装置の製造方法。
【符号の説明】
【００５１】
１、２１：基板
１ａ、２１ａ：高温領域
１ｂ、２１ｂ：低温領域
２、２２−１〜２２−３：ｐ型半導体膜
３、２３−１〜２３−３：ｎ型半導体膜
２４−１〜２４−３：導電膜
【図１】
2011192923.tif 000004
【図２】
2011192923.tif 000005
【図３】
2011192923.tif 000006
【図４Ａ】
2011192923.tif 000007
【図４Ｂ】
2011192923.tif 000008
【図４Ｃ】
2011192923.tif 000009
【図４Ｄ】
2011192923.tif 000010
【図４Ｅ】
2011192923.tif 000011
【図５】
2011192923.tif 000012
【図６】
2011192923.tif 000013