(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１材料層と、
前記第１材料層に接触して配置された第２材料層と、
前記第１材料層及び前記第２材料層と電気的に接続された第１電極と、
前記第１材料層及び前記第２材料層と電気的に接続され、且つ前記第１電極と離間して形成された第２電極と、
前記第１材料層と前記第２材料層とによる単位構造体が形成される基板と
を備え、
前記第１材料層と前記第２材料層との界面には、前記第１材料層と前記第２材料層との間の電気分極が不連続であることによって電気伝導を主として担う電気伝導層が発生し、
前記第１電極および前記第２電極は、前記電気伝導層が発生した場合に前記電気伝導層に電気的に接続された状態となり、
前記第１材料層と前記第２材料層との界面における電気分極の差は、前記電気伝導層のゼーベック係数が還元フェルミエネルギーの増加に応じて増加するような関係に設定されており、
前記第１材料層と前記第２材料層の単位構造体は、前記第１材料層と前記第２材料層との界面と前記基板の表面とが垂直になるように複数層に亘って形成されていることを特徴とする熱電変換素子。
【請求項２】
前記第２材料層は、半導体を備え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】
前記第１材料層は、ＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）を備え、
前記第２材料層は前記第１材料層と組成が異なるＡｌｃＧａｄＩｎ1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変換素子。
【請求項４】
前記第１材料層はＧａＮ層を備え、前記第２材料層はＡｌＧａＮ層を備えることを特徴とする請求項３に記載の熱電変換素子。
【請求項５】
前記第２材料層はＮを含まないことを特徴とする請求項２に記載の熱電変換素子。
【請求項６】
前記第１材料層は、強誘電体を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変換素子。
【請求項７】
前記電気伝導層は、２次元電子ガス層若しくは２次元正孔ガス層、若しくは２次元電子ガス層と２次元正孔ガス層の両方を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項８】
前記第１材料層と前記第２材料層とは、２次元電子ガス層若しくは２次元正孔ガス層の伝導度変調を目的とするドーピングが行われていないことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項９】
前記第１材料層と前記第２材料層の界面の面垂直方向に、必ずしも同じ層構成ではなく、かつ主として電気伝導を担う層が前記第１材料層と前記第２材料層に挟まれているという単位構造が繰り返し積層されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項１０】
前記第１材料層と前記第２材料層を形成する基板は、シリコンを含有していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項１１】
前記第１材料層と前記第２材料層を形成する基板は、サファイアを含有していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項１２】
前記第１電極および前記第２電極は、前記電気伝導層に接して形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項１３】
前記第１電極および前記第２電極は、前記電気伝導層にオーミック接触されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項１４】
前記第１電極および前記第２電極は、前記第２材料層に接続されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項１５】
前記第１電極および前記第２電極とは、同一材料から構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
【請求項１６】
第１材料層と、
前記第１材料層に接触して配置された第２材料層と、
前記第１材料層及び前記第２材料層と電気的に接続された第１電極と、
前記第１材料層及び前記第２材料層と電気的に接続され、且つ前記第１電極と離間して形成された第２電極と、
前記第１材料層と前記第２材料層とによる単位構造体が形成される基板と
を備え、
前記第１材料層と前記第２材料層との界面には、前記第１材料層と前記第２材料層との間の電気分極が不連続であることによって電気伝導を主として担う電気伝導層が発生し、
前記第１電極および前記第２電極は、前記電気伝導層が発生した場合に前記電気伝導層に電気的に接続された状態となり、
前記第１材料層と前記第２材料層との界面における電気分極の差は、前記電気伝導層のゼーベック係数が前記電気伝導層のキャリア濃度の増加に応じて増加するような関係に設定されており、
前記第１材料層と前記第２材料層の単位構造体は、前記第１材料層と前記第２材料層との界面と前記基板の表面とが垂直になるように複数層に亘って形成されていることを特徴とする熱電変換素子。
【請求項１７】
第１材料層と、
前記第１材料層に接触して配置された第２材料層と、
前記第１材料層及び前記第２材料層と電気的に接続された第１電極と、
前記第１材料層及び前記第２材料層と電気的に接続され、且つ前記第１電極と離間して形成された第２電極と、
前記第１材料層と前記第２材料層とによる単位構造体が形成される基板と
を備え
前記第１材料層と前記第２材料層との界面には、前記第１材料層と前記第２材料層との間の電気分極が不連続であることによって電気伝導を主として担う電気伝導層が発生し、
前記第１電極および前記第２電極は、前記電気伝導層が発生した場合に前記電気伝導層に電気的に接続された状態となり、
前記第１材料層と前記第２材料層との界面における電気分極の差は、前記電気伝導層の無次元性能指数が前記電気伝導層のキャリア濃度の増加に応じて増加するような関係に設定されており、
前記第１材料層と前記第２材料層の単位構造体は、前記第１材料層と前記第２材料層との界面と前記基板の表面とが垂直になるように複数層に亘って形成されていることを特徴とする熱電変換素子。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の熱電変換素子を備えることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項１９】
前記熱電変換素子を複数個直列に接続したことを特徴とする請求項１８に記載の熱電発電装置。
【請求項２０】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の熱電変換素子を備えることを特徴とするペルチェ装置。
【請求項２１】
前記熱電変換素子を複数個直列に接続したことを特徴とする請求項２０に記載のペルチェ装置。
【請求項２２】
請求項１〜４、１６、１７のいずれか１項に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記第１材料層と前記第２材料層を形成する前記基板を準備する工程と、
前記前記第１材料層と前記第２材料層を形成する前記基板上にＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層を形成する工程と、
前記ＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層上にＡｌｃＧａｄＩｎ1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）層を形成する工程と、
前記ＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層と前記ＡｌｃＧａｄＩｎ1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）層をエッチングする工程と
を有することを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
【請求項２３】
請求項１〜４、１６、１７のいずれか１項に記載の熱電変換素子の製造方法であって、
前記第１材料層と前記第２材料層を形成する前記基板を準備する工程と、
前記第１材料層と前記第２材料層を形成する前記基板上にＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層を形成する工程と、
前記ＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層上にＡｌｃＧａｄＩｎ1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）層を形成する工程と、
前記ＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層と前記ＡｌｃＧａｄＩｎ1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）層を壁開で電極を形成する領域を作製する工程と
を有することを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施の形態は、熱電変換素子およびその製造方法、および熱電発電装置およびペルチェ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球規模での環境問題や資源問題から省エネ化やエネルギー利用の効率化は、人類の生活において重要な課題となっている。その全てのエネルギーは最終的には熱に変わることを考えると、熱として捨てられていたエネルギーを再利用できる熱電発電は、究極のエネルギーリサイクルと言える。そのため、熱電変換の性能を上げる技術開発や研究が進められている。
【０００３】
ここで、わずかに、ＢｉＴｅ系材料を用いた熱電変換素子が産業化されている（例えば、特許文献１参照。)。ＢｉＴｅ系における性能の向上の例として、材料における熱伝導率κを小さくする手法が多く用いられている(例えば、非特許文献１参照。)。ここでは、材料中の多結晶のグレインサイズを小さくすることにより、フォノン散乱を増やすことで、熱の伝わりを小さくしている技術が報告されている。
【０００４】
その他、スクッテルダイト化合物（例えば、非特許文献２参照）や層状マテリアル（例えば、非特許文献３および非特許文献４参照）を用いた材料開発も行われているが、特性が悪いか若しくは特性が良くても作製が困難であり、まだ基礎研究段階の報告などのために産業化には至っていない。
【０００５】
一般的なＢｉＴｅ系熱電変換素子は、レアメタルであるＴｅを含有し、Ｔｅは単体で毒性を有することが知られている。また、ＢｉＴｅが動作できる一般的な使用温度は２００℃程度までと低く、さらに高温での使用には適さない。また、大きなサイズの結晶を作ることが困難であるため、高温側と低温側の距離が近く、温度差を付けにくいという課題もある。また熱電変換素子はｎ型材料とｐ型材料の２種類を組み合わせて作られるため、それぞれの材料における熱膨張係数が同程度である必要がある。
【０００６】
その他には、HicksとDresselhausによって提唱された『構造の次元を小さくする』ことで無次元性能指数ＺＴの向上を図る報告が非特許文献５に開示されている。これは構造の低次元化によってフォノン散乱を増大させ、熱伝導率を低減させる手法である。同様に、一次元構造を有するナノワイヤなどが開示されている（例えば、非特許文献６参照。）。しかし、ナノワイヤは、フォノン散乱増大による熱伝導率低減効果により特性は飛躍的に向上するものの、それ自体のハンドリングが難しく、デバイス化には向いていない。
【０００７】
産業化しやすい低次元構造からのアプローチには、コントロールしやすい二次元構造からのアプローチがある。二次元構造における熱伝導率κの低減のアプローチは、量子井戸構造のＰｂＴｅ／ＰｂＥｕＴｅ（非特許文献５）や超格子構造のＢｉ2Ｔｅ3／Ｓｂ2Ｔｅ3（非特許文献７）、ＰｂＳｅＴｅ／ＰｂＴｅ（非特許文献８）、ＧａＮ／ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ（非特許文献９）などが開示されている。また、バルクＧａＮのゼーベック係数は、非特許文献１０に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０３−１６２８１号公報
【特許文献２】特開２００９−１１７４３０号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Bed Poudel et al.,“High-Thermoelectric Performance of Nanostructured Bismuth Antimony Telluride Bulk Alloys”, Science 320,634(2008).
【非特許文献２】B.C.Sales et al.,“Filled Skutterudite Antimonides: A New Class of Thermoelectric Materials”, Science 272,1325(1996).
【非特許文献３】Li-Dong Zhao et al.,“Ultralow thermal conductivity and high thermoelectric figure of merit in SnSe crystals”, Nature 508,373(2014).
【非特許文献４】S.Ishiwata et al.,“Extremely high electron mobility in a phonon-glass semimetal”, Nature Mater.12,512(2013).
【非特許文献５】L.D.Hicks et al.,“Experimental study of the effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit”, Phys.Rev.B 53,R10493(1996).
【非特許文献６】Allon I. Hochbaum et al.,“Enhanced thermoelectric performance of rough silicon nanowires”,Nature 451,163(2007).
【非特許文献７】Rama Venkatasubramanian et al.,“Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit”,Nature413,597(2001).
【非特許文献８】T.C.Harman et al.,“Quantum Dot Superlattice Thermoelectric Materials and Devices”,Science 297,2229(2002).
【非特許文献９】Alexander Sztein et al.,“Polarization field engineering of GaN/AlN/AlGaN superlattices for enhanced thermoelectric properties”,Appl. Phys.Lett.104,042106(2014).
【非特許文献１０】B. Kucukgok, B. Wang, A. G. Melton, N. Lu, I. T. Ferguson, “Comparison of thermoelectric properties of GaN and ZnO samples”,Phys.Stat. Sol.C11, No.3-4,894-897 (2014).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、これらの低次元系材料でもＴｅが使われている、若しくは効率が低いなどの課題がある。
【００１１】
一方で、Hicksと Dresselhausによって提唱された構造の次元を小さくした際に起きるもう一つの現象としてゼーベック係数Ｓの増大が非特許文献５などに開示されている。これは、電子を量子井戸ポテンシャルに閉じ込めることで、電子の状態密度が離散的になり、バルク状態よりもゼーベック係数Ｓが大きくなる現象である。しかし、この量子井戸におけるゼーベック係数Ｓは、バルクの同じキャリア濃度におけるゼーベック係数Ｓと比べると増大はしているものの、キャリア濃度が増えるに従い、ゼーベック係数Ｓが小さくなるトレードオフの関係は変わらない。
【００１２】
このトレードオフを打開する手法として、ＳｒＴｉＯ3を用いた熱電変換素子が特許文献２に開示されている。これは、ＳｒＴｉＯ3上に１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3などからなる絶縁膜を形成し、金属−絶縁物−半導体（ＭＩＳＦＥＴ：Metal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor）のようにゲートバイアスを印加し、キャリアを誘起することで２次元電子ガス（２ＤＥＧ：Two Dimensional Electron Gas）層を形成させている。ＳｒＴｉＯ3の２ＤＥＧにおいては、１００ＭＶ・ｃｍ-1以上という高い電界をかけることで、１０14ｃｍ-2後半という非常に高い密度の電子を約２ｎｍという膜厚に閉じ込めることで、ゼーベック係数ＳのＶ字回復が起こると開示されている。非特許文献５．７、８、９においては、ゼーベック係数ＳのＶ字回復は開示されていない。
【００１３】
バルク材料での、ゼーベック係数Ｓと電気伝導率σはキャリア濃度に対して、トレードオフの関係にある。そのため、電気伝導率σを上げるためにキャリア濃度ｎを増やすとゼーベック係数Ｓが小さくなる。逆にゼーベック係数Ｓを大きくしようとするとキャリア濃度ｎを下げなければならず、結果的に電気伝導率σが低くなってしまう課題がある。
【００１４】
それを打開するための手法として、ＳｒＴｉＯ3にゲートバイアスを印加することで形成した２ＤＥＧにおいてキャリア濃度の増加（印加バイアスを増やす）に伴い、ゼーベック係数ＳがＶ字回復することが特許文献２に開示されている。しかしながら、このゲート構造を有したＳｒＴｉＯ3の材料系では、積層することが非常に困難なために、電気伝導率σを高くできずに、ゼーベック係数Ｓと電気伝導率σのトレードオフを解決できない課題がある。
【００１５】
本実施の形態は、ゼーベック係数とキャリア濃度のトレードオフ、およびゼーベック係数と電気伝導率のトレードオフを改善し、高電気伝導率で積層化可能な熱電変換素子およびその製造方法、およびこの熱電変換素子を用いた熱電発電装置およびペルチェ装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本実施の形態の一態様によれば、第１材料層と、前記第１材料層に接触して配置された第２材料層と、前記第１材料層及び前記第２材料層と電気的に接続された第１電極と、前記第１材料層及び前記第２材料層と電気的に接続され、且つ前記第１電極と離間して形成された第２電極と、前記第１材料層と前記第２材料層とによる単位構造体が形成される基板とを備え、前記第１材料層と前記第２材料層との界面には、前記第１材料層と前記第２材料層との間の電気分極が不連続であることによって電気伝導を主として担う電気伝導層が発生し、前記第１電極および前記第２電極は、前記電気伝導層が発生した場合に前記電気伝導層に電気的に接続された状態となり、前記第１材料層と前記第２材料層との界面における電気分極の差は、前記電気伝導層のゼーベック係数が還元フェルミエネルギーの増加に応じて増加するような関係に設定されており、前記第１材料層と前記第２材料層の単位構造体は、前記第１材料層と前記第２材料層との界面と前記基板の表面とが垂直になるように複数層に亘って形成されている熱電変換素子が提供される。
【００１７】
本実施の形態の他の態様によれば、第１材料層と、前記第１材料層に接触して配置された第２材料層と、前記第１材料層及び前記第２材料層と電気的に接続された第１電極と、前記第１材料層及び前記第２材料層と電気的に接続され、且つ前記第１電極と離間して形成された第２電極と、前記第１材料層と前記第２材料層とによる単位構造体が形成される基板とを備え、前記第１材料層と前記第２材料層との界面には、前記第１材料層と前記第２材料層との間の電気分極が不連続であることによって電気伝導を主として担う電気伝導層が発生し、前記第１電極および前記第２電極は、前記電気伝導層が発生した場合に前記電気伝導層に電気的に接続された状態となり、前記第１材料層と前記第２材料層との界面における電気分極の差は、前記電気伝導層のゼーベック係数が前記電気伝導層のキャリア濃度の増加に応じて増加するような関係に設定されており、前記第１材料層と前記第２材料層の単位構造体は、前記第１材料層と前記第２材料層との界面と前記基板の表面とが垂直になるように複数層に亘って形成されている熱電変換素子が提供される。
【００１８】
本実施の形態の他の態様によれば、第１材料層と、前記第１材料層に接触して配置された第２材料層と、前記第１材料層及び前記第２材料層と電気的に接続された第１電極と、前記第１材料層及び前記第２材料層と電気的に接続され、且つ前記第１電極と離間して形成された第２電極と、前記第１材料層と前記第２材料層とによる単位構造体が形成される基板とを備え、前記第１材料層と前記第２材料層との界面には、前記第１材料層と前記第２材料層との間の電気分極が不連続であることによって電気伝導を主として担う電気伝導層が発生し、前記第１電極および前記第２電極は、前記電気伝導層が発生した場合に前記電気伝導層に電気的に接続された状態となり、前記第１材料層と前記第２材料層との界面における電気分極の差は、前記電気伝導層の無次元性能指数が前記電気伝導層のキャリア濃度の増加に応じて増加するような関係に設定されており、前記第１材料層と前記第２材料層の単位構造体は、前記第１材料層と前記第２材料層との界面と前記基板の表面とが垂直になるように複数層に亘って形成されている熱電変換素子が提供される。
【００１９】
本実施の形態の他の態様によれば、上記の熱電変換素子を備える熱電発電装置が提供される。
【００２０】
本実施の形態の他の態様によれば、上記の熱電変換素子を備えるペルチェ装置が提供される。
【００２１】
本実施の形態の他の態様によれば、上記の熱電変換素子の製造方法であって、前記第１材料層と前記第２材料層を形成する前記基板を準備する工程と、前記前記第１材料層と前記第２材料層を形成する前記基板上にＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層を形成する工程と、前記ＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層上にＡｌｃＧａｄＩｎ1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）層を形成する工程と、前記ＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層と前記ＡｌｃＧａｄＩｎ1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）層をエッチングする工程とを有する熱電変換素子の製造方法が提供される。
【００２２】
本実施の形態の他の態様によれば、上記の熱電変換素子の製造方法であって、前記第１材料層と前記第２材料層を形成する前記基板を準備する工程と、前記第１材料層と前記第２材料層を形成する前記基板上にＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層を形成する工程と、前記ＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層上にＡｌｃＧａｄＩｎ1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）層を形成する工程と、前記ＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層と前記ＡｌｃＧａｄＩｎ1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）層を壁開で電極を形成する領域を作製する工程とを有する熱電変換素子の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００２３】
本実施の形態によれば、ゼーベック係数とキャリア濃度のトレードオフ、およびゼーベック係数と電気伝導率のトレードオフを改善し、高電気伝導率で積層化可能な熱電変換素子およびその製造方法、およびこの熱電変換素子を用いた熱電発電装置およびペルチェ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１の実施の形態に係る熱電変換素子の模式的断面構造と、２ＤＥＧ近傍における計算されたエネルギーバンド図。
【図２】第１の実施の形態に係る熱電変換素子において、シート電子濃度ｎ（ｃｍ-2）および電子の移動度μ（ｃｍ2Ｖ-1ｓ-1）を評価するためのホール効果測定用デバイス構成の模式的鳥瞰構造図。
【図３】第１の実施の形態に係る熱電変換素子において、Ａｌモル分率Xを変化させたサンプルについて、測定されたシートキャリア濃度ｎ（ｃｍ-2）、計算された２ＤＥＧ層の厚さｔ2D、計算されたキャリア濃度ｎ（ｃｍ-3）を示す図。
【図４】第１の実施の形態に係る熱電変換素子において、２ＤＥＧ層におけるキャリア移動度μおよび電気伝導率σと、キャリア濃度ｎとの関係を示す図。
【図５】第１の実施の形態に係る熱電変換素子をヒートシンク・ヒータ間に配置し、ゼーベック係数Ｓの測定系を説明する模式的鳥瞰構造図。
【図６】第１の実施の形態に係る熱電変換素子において、図３に示されるサンプルＤ５についての熱電変換特性を示す図。
【図７】第１の実施の形態に係る熱電変換素子において、ゼーベック係数Ｓの絶対値｜Ｓ｜を計算するためのパラメータおよび絶対値｜Ｓ｜の計算結果。
【図８】第１の実施の形態に係る熱電変換素子において、ゼーベック係数Ｓとキャリア濃度ｎとの関係を示す図。
【図９】第１の実施の形態に係る熱電変換素子において、無次元性能指数ＺＴとキャリア濃度ｎとの関係を示す図。
【図１０】(ａ)第２の実施の形態に係る熱電変換素子の模式的断面構造図、（ｂ）第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換素子の模式的断面構造図。
【図１１】第３の実施の形態に係る熱電変換素子の模式的断面構造図。
【図１２】第４の実施の形態に係る熱電変換素子の模式的断面構造図。
【図１３】第５の実施の形態に係る熱電変換素子の模式的断面構造図。
【図１４】第６の実施の形態に係る熱電変換素子の模式的断面構造図。
【図１５】第７の実施の形態に係る熱電変換素子の模式的断面構造図。
【図１６】第７の実施の形態に係る熱電変換素子の製造方法であって、（ａ）サファイア基板を準備する工程を示す模式的断面構造図、（ｂ）サファイア基板上にＧａＮ層を形成する工程を示す模式的断面構造図、（ｃ）ＧａＮ層をエッチングする工程を示す模式的断面構造図、（ｄ）サファイア基板上にＡｌＧａＮ層を形成する工程を示す模式的断面構造図。
【図１７】（ａ）基本技術に係る熱電発電装置の動作原理の説明図、（ｂ）温度変化ΔＴにおける熱電発電装置の電流電圧特性。
【図１８】基本技術に係る熱電発電装置の模式的構成図（低温側にヒートシンク、高温側に熱交換器を備える例）。
【図１９】基本技術に係る熱電発電装置の模式的構成図（複数の熱電発電装置を直列に配置した例）。
【図２０】第８の実施の形態に係る熱電発電装置であって、（ａ）模式的上面図、（ｂ）模式的鳥瞰構成図。
【図２１】第９の実施の形態に係る熱電発電装置であって、（ａ）模式的上面図、（ｂ）模式的鳥瞰構成図。
【図２２】第１０の実施の形態に係る熱電発電装置であって、（ａ）模式的上面図、（ｂ）模式的鳥瞰構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
次に、図面を参照して、本実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００２６】
以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２７】
[第１の実施の形態]
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０の模式的断面構造と、２ＤＥＧ層近傍における計算されたエネルギーバンド図は、図１に示すように表される。
【００２８】
また、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、シート電子濃度ｎ（ｃｍ-2）および電子の移動度μ（ｃｍ2Ｖ-1ｓ-1）を評価するためのホール効果測定用デバイス構成の模式的鳥瞰構造は、図２に示すように表される。
【００２９】
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０は、図１〜図２に示すように、第１材料層１２と、第１材料層１２に接触して配置された第２材料層１４と、第１材料層１２及び第２材料層１４と電気的に接続された第１電極１６1・１６2と、第１材料層１２及び第２材料層１４と電気的に接続され、且つ第１電極１６1・１６2と離間して形成された第２電極１８1・１８2とを備える。
【００３０】
ここで、第１材料層１２と第２材料層１４との界面には、第１材料層１２と第２材料層１４との間の電気分極が不連続であることによって電気伝導を主として担う電気伝導層が発生し、第１電極１６1・１６2および第２電極１８1・１８2は、電気伝導層が発生した場合に電気伝導層に電気的に接続された状態となり、第１材料層１２と第２材料層１４との界面における電気分極の差は、電気伝導層のゼーベック係数Ｓが還元フェルミエネルギーζの増加に応じて増加するような関係に設定されている。
【００３１】
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０は、第１電極１６1・１６2および第２電極間１８1・１８2の温度差に伴う熱エネルギーを電気エネルギーに変換可能であり、また、第１電極１６1・１６2および第２電極１８1・１８2間に電流を印加することによる電気エネルギーを温度差に変換可能である。
【００３２】
ここで、第１電極１６1・１６2および第２電極間１８1・１８2の温度差は、例えば、図５に示すように、熱電変換素子１０をヒートシンク２００・ヒータ３００間に配置することによって得ることができる。
【００３３】
ここで、第２材料層１４は、半導体を備えていても良い。
【００３４】
また、第１材料層１２はＧａＮ層を備え、第２材料層１４はＡｌＧａＮ層を備えていても良い。
【００３５】
また、第１材料層１２は、ＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）を備え、第２材料層１４は第１材料層１２と組成が異なるＡｌｃＧａｄＩｎ1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）を備えていても良い。
【００３６】
また、第２材料層１４はＮを含まない材料で形成されていても良い。
【００３７】
また、第１材料層１２は、強誘電体を備えていても良い。
【００３８】
また、第１材料層１２と第２材料層１４とによる単位構造体が形成される基板を備え、第１材料層１２と第２材料層１４の単位構造体は、第１材料層１２と第２材料層１４との界面と基板の表面とが平行になるように複数層に亘って積層されていても良い。
【００３９】
また、第１材料層１２と第２材料層１４とによる単位構造体が形成される基板を備え、第１材料層１２と第２材料層１４の単位構造体は、第１材料層１２と第２材料層１４との界面と基板の表面とが垂直になるように複数層に亘って形成されていても良い。
【００４０】
また、第１材料層１２と第２材料層１４の界面の面垂直方向に、必ずしも同じ層構成ではなく、かつ主として電気伝導を担う層が第１材料層１２と第２材料層１４に挟まれているという単位構造が繰り返し積層されていても良い。
【００４１】
また、第１材料層１２と第２材料層１４を形成する基板は、シリコンを含有していても良い。
【００４２】
また、第１材料層１２と第２材料層１４を形成する基板は、サファイアを含有していても良い。
【００４３】
また、第１電極１６1・１６2および第２電極１８1・１８2は、電気伝導層に接して形成されていても良い。
【００４４】
また、第１電極１６1・１６2および第２電極１８1・１８2は、電気伝導層にオーミック接触されていても良い。
【００４５】
また、第１電極１６1・１６2および第２電極１８1・１８2は、第２材料層１４に接続されていても良い。
【００４６】
また、第１電極１６1・１６2および第２電極１８1・１８2は、同一材料から構成されていても良い。
【００４７】
また、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０は、第１材料層１２と、第１材料層１２に接触して配置された第２材料層１４と、第１材料層１２及び第２材料層１４と電気的に接続された第１電極１６1・１６2と、第１材料層１２及び第２材料層１４と電気的に接続され、且つ第１電極１６1・１６2と離間して形成された第２電極１８1・１８2とを備え、第１材料層１２と第２材料層１４との界面には、第１材料層１２と第２材料層１４との間の電気分極が不連続であることによって電気伝導を主として担う電気伝導層が発生し、第１電極１６1・１６2および第２電極１８1・１８2は、電気伝導層が発生した場合に電気伝導層に電気的に接続された状態となり、第１材料層１２と第２材料層１４との界面における電気分極の差は、電気伝導層のゼーベック係数Ｓが電気伝導層のキャリア濃度ｎの増加に応じて増加するような関係に設定されていても良い。
【００４８】
本実施の形態の他の態様によれば、第１材料層１２と、第１材料層１２に接触して配置された第２材料層１４と、第１材料層１２及び第２材料層１４と電気的に接続された第１電極１６1・１６2と、第１材料層１２及び第２材料層１４と電気的に接続され、且つ第１電極１６1・１６2と離間して形成された第２電極１８1・１８2とを備え、第１材料層１２と第２材料層１４との界面には、第１材料層１２と第２材料層１４との間の電気分極が不連続であることによって電気伝導を主として担う電気伝導層が発生し、第１電極１６1・１６2および第２電極１８1・１８2は、電気伝導層が発生した場合に電気伝導層に電気的に接続された状態となり、第１材料層１２と第２材料層１４との界面における電気分極の差は、電気伝導層の無次元性能指数ＺＴが電気伝導層のキャリア濃度ｎの増加に応じて増加するような関係に設定されていても良い。
【００４９】
また、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、電気伝導を主として担う電気伝導層は、２ＤＥＧ層若しくは２次元正孔ガス（２ＤＨＧ：Two Dimensional Hole Gas）層、若しくは２ＤＥＧ層と２ＤＨＧ層の両方を備えていても良い。
【００５０】
また、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、第１電極１６1・１６2および第２電極１８1・１８2は、同一材料構成の電極であって、電気伝導を主として担う層にオーミック接触している。
【００５１】
また、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、第１材料層１２と第２材料層１４は、互いに電気分極が異なり、第１材料層１２と第２材料層１４との界面において、電気分極不連続を備えていても良い。
【００５２】
また、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、第２材料層１４内の電気分極は、図１に示すように、自発分極ＰSPとピエゾ電界に伴うピエゾ分極ＰPEとの和（ＰSP＋ＰPE）で表され、第１材料層１２内の電気分極は、自発分極ＰSPで表され、電気分極不連続を備えている。
【００５３】
また、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、熱電変換素子１０のゼーベック係数Ｓは、熱電変換素子１０が保持するキャリア濃度の増加に呼応して増加する性能を備えていても良い。
【００５４】
また、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、熱電変換素子１０のゼーベック係数Ｓは、２ＤＥＧ層や２ＤＨＧ層などの電気伝導を担う層のキャリア濃度ｎの増加に呼応して増加する性能を備えていても良い。
【００５５】
また、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、第１材料層１２と第２材料層１４は、２ＤＥＧ層若しくは２ＤＨＧ層の伝導度変調を目的とするドーピングが実施されていなくても良い。
【００５６】
また、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、第１材料層１２と第２材料層１４の界面の面垂直方向に、必ずしも同じ層構成ではなく、かつ主として電気伝導を担う層が第１材料層１２と第２材料層１４に挟まれているという単位構造が繰り返し積層化されていても良い。
【００５７】
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０においては、ゼーベック係数Ｓとキャリア濃度ｎのトレードオフ、およびゼーベック係数Ｓと電気伝導率σのトレードオフを打ち破る方法として、これまでにない新しいコンセプトである、積層化が可能な分極材料における分極不連続により二次元電気伝導層を形成する。分極材料の分極量を高くすることで、二次元電気伝導層のキャリア濃度を増加させ、それによってゼーベック係数ＳのＶ字回復現象を起させることができる。結果として、ゼーベック係数Ｓと電気伝導率σのトレードオフを解消することができる。
【００５８】
(熱電変換素子の性能)
熱電変換素子の無次元性能指数ＺＴは、
ＺＴ＝Ｓ2σ／κ・Ｔ                                    （１）
で表される。
ここで、Ｓはゼーベック係数、σは電気伝導率、κは熱伝導率を表す。
【００５９】
また、一般的に用いられるｎ型のバルク材料におけるゼーベック係数Ｓは、
Ｓ＝８π2κB2Ｔ／３ｅｈ2・ｍ*・(π／３ｎ)2/3            （２）
で、表される。ただし、κB はボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｅは電子の電荷素量、ｈはプランク定数、ｍ*は電子の有効質量、ｎはキャリア濃度である。
【００６０】
また、電気伝導率σは、
σ＝ｎｅμ                                            （３）
で表される。ただし、μは電子の移動度である。
【００６１】
熱電変換素子は、ゼーベック係数Ｓと電気伝導率σが、キャリア濃度ｎに対してトレードオフの関係にあることが上記の式（１）、式（２）から明らかである。つまり、キャリア濃度ｎが増えると、ゼーベック係数Ｓは小さくなることを意味している。また、キャリア濃度ｎは、熱伝導率κにも影響を及ぼすことから、一般的に熱電変換素子においては、１０18〜１０19(ｃｍ-3)のキャリア濃度において最も性能が良くなるとされている。
【００６２】
本実施の形態に係る熱電変換素子においては、分極効果によって誘導される電子の閉じ込め効果によって、相対的に大きなキャリア濃度ｎにおいて、ゼーベック係数Ｓが増大するのみならず、ゼーベック係数Ｓとキャリア濃度ｎとの間のトレードオフ関係が破れ、Ｖ字回復特性を得ることができる。また、キャリアの増加は、ゲートバイアスによって誘起されるのではなく、分極効果の変化によって、実現されている。
【００６３】
ゼーベック係数Ｓとキャリア濃度ｎとの間のＶ字回復特性は、第１の実施の形態に係る熱電変換素子における電気的分極不連続構成による典型的な特徴である。
【００６４】
第１の実施の形態に係る熱電変換素子においては、分極不連続構造を採用し、その結果、ヘテロ接合界面に現れる２ＤＥＧ構造（若しくは２ＤＨＧ構造）を分極不連続構造として採用している。しかも、この２ＤＥＧ構造（若しくは２ＤＨＧ構造）による分極不連続構成では、不純物ドーピングもゲートバイアスによるキリア誘起も必要としない。
【００６５】
このような意図的なアンドープのマルチレイヤー構造によって、イオン化不純物散乱を低減することができるのみならず、キャリア移動度μの増大および電気伝導率σの増大を図ることができる。さらに、相対的に非常に薄い２ＤＥＧ層（若しくは２ＤＨＧ層）を除き、大部分のデバイス領域を、熱伝導率κの相対的に低い、熱伝導阻止領域とすることができる。
【００６６】
さらに、第１の実施の形態に係る熱電変換素子は、２ＤＥＧヘテロ接合（若しくは２ＤＨＧヘテロ接合）の単位構造を容易に拡張し、多層構造に積層化可能であり、相対的に非常に薄い２ＤＥＧ層に伴う低電気伝導特性を補うことができる。
【００６７】
したがって、分極不連続構成を備える本実施の形態に係る熱電変換素子は、無次元性能指数ＺＴを増大すると同時に高電気伝導率σおよび低熱伝導率κ性能を達成することができる。
【００６８】
したがって、第１の実施の形態に係る熱電変換素子は、優れた熱電変換性能と製造の容易さを併せ持つことができる。
【００６９】
（材料および形成方法）
ＡｌXＧａ1-XＮ／ＧａＮ（０．２＜＝X＜＝０．４）は、サファイア基板１００上に形成されたＧａＮテンプレート１１上に減圧有機金属気相エピタキシャル成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Vapor Phased Epitaxy）を用いて形成した。ここで、成長時の圧力は、例えば、約７６Ｔｏｒｒ、成長温度は、例えば、約１３３３Ｋである。
【００７０】
Ｇａの形成材料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ:Trimethylgallium ）、Ａｌの形成材料としては、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ：Trimethylaluminum）、Ｎの形成材料としては、アンモニア（ＮＨ3)を用いた。
【００７１】
（０００１）面サファイア基板１００上にＧａＮ成長核を形成後、ＧａＮテンプレート１１は、厚さ約２μｍに形成されている。
【００７２】
ＧａＮテンプレート１１上には、意図的にアンドープのＡｌXＧａ1-XＮ／ＧａＮ（０．２＜＝X＜＝０．４）ヘテロ構造が形成されている。ここで、結晶成長は、０．２３μｍｏｌ／分の固定されたアンモニアフローで、水素雰囲気中で実施されている。
【００７３】
ＧａＮ成長のためのＴＭＧのフローレートは、３２．７μｍｏｌ／分である。ＡｌXＧａ1-XＮ／ＧａＮエピタキシャル成長層のＡｌモル分率Xは、１．６２μｍｏｌ／分の固定されたＴＭＡｌフローで、ＴＭＧのフローレートを１１．３μｍｏｌ／分から５．７８μｍｏｌ／分に減少させることによって、適用可能である。
【００７４】
ＡｌXＧａ1-XＮ層１４およびＧａＮ層１２の厚さは、例えば、それぞれ約３０ｎｍおよび約１μｍである。
【００７５】
Ｘ線散乱の逆格子空間マッピングにより、Ａｌモル分率Xを求めた。
【００７６】
また、van der Pauw構成のホール効果測定用として、第１電極１６1・１６2と第２電極１８1・１８2をＡｌXＧａ1-XＮ層１４上に電子ビーム蒸着法により形成後、ＡｌXＧａ1-XＮ／ＧａＮヘテロ接合界面の２ＤＥＧ層にオーミックコンタクトを取るために、例えば、約８２３Ｋ、約１０分間アニールする。第１電極１６1・１６2と第２電極１８1・１８2は、Ａｌ／Ｔｉ構造（ＴｉとＴｉ上に形成されたＡｌの２層構造）を有する。ここで、Ｔｉ層の厚さは、約２０ｎｍ、Ａｌ層の厚さは、約４００ｎｍである。結果として、図２に示すように、四角形状にパター二ング配置された円形の第１電極１６1・１６2と第２電極１８1・１８2がＡｌXＧａ1-XＮ層１４上に形成される。
【００７７】
次に、リソグラフィー技術と、Ｃｌ2とＳｉＣｌ4の混合ガスを用いた誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：nductively-Coupled Plasma）エッチング法により、図２に示すように、約３ｍｍ×３ｍｍ形状にＡｌXＧａ1-XＮ／ＧａＮヘテロ接合からなるメサ形状をＧａＮテンプレート１１上に形成する。Ｃｌ2とＳｉＣｌ4のフローレートは、それぞれ１５ｓｃｃｍ（standard cubic centimeter)および５ｓｃｃｍである。１３．５６ＭＨｚのＡＣ電力５０Ｗがサンプルに供給され、また、５０Ｗの電力がＩＣＰエッチング装置に供給されている。
【００７８】
実験に用いた全てもサンプルで、エッチング深さは、例えば、約３００ｎｍとした。
【００７９】
室温にてホール効果測定を実施し、シートキャリア濃度ｎ（ｃｍ-2）、および電子の移動度μ（ｃｍ2Ｖ-1ｓ-1）を測定した。
【００８０】
（電子の移動度μ（ｃｍ2Ｖ-1ｓ-1）、シートキャリア濃度ｎ（ｃｍ-2）、キャリア濃度ｎ（ｃｍ-3）、電気伝導率σ）
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、Ａｌモル分率Xを変化させたサンプルについて、測定されたシートキャリア濃度ｎ（ｃｍ-2）、計算された２ＤＥＧ層の厚さｔ2D、計算されたキャリア濃度ｎ（ｃｍ-3）は、図３に示すように表される。ここで、計算されたキャリア濃度ｎ（ｃｍ-3）は測定されたシートキャリア濃度ｎ（ｃｍ-2）を計算された２ＤＥＧ層の厚さｔ2Dで割った値に等しい。
【００８１】
図３において、Ａｌモル分率X＝０．２のサンプルはＡ１〜Ａ５に対応し、X＝０．３のサンプルはＢ１〜Ｂ３に対応し、X＝０．３５のサンプルはＣ１〜Ｃ６に対応し、X＝０．４のサンプルはＤ１〜Ｄ６に対応しており、各々の測定されたシートキャリア濃度ｎ（ｃｍ-2）と、計算された２ＤＥＧ層の厚さｔ2Dにより、キャリア濃度ｎ（ｃｍ-3）が得られている。
【００８２】
２ＤＥＧ層の厚さｔ2Dを求めるために、特定のＡｌモル分率Xを有するサンプルに対して、３００Ｋで外部バイアス電圧が０Ｖの条件において、ＡｌXＧａ1-XＮ／ＧａＮ系システムのエネルギーバンド図をシミュレーションにより求めた。ここでは、ティーキャッド（ＴＣＡＤ：Technology Computer Aided Design）をシミュレータとして適用した。
【００８３】
次に、図１のバンド構造に示すように、ＧａＮ層１２における伝導帯ＥCより上側にフェルミレベルＥFが存在するバンド領域幅によって２ＤＥＧ層の厚さｔ2Dを決定した。
【００８４】
シミュレーションに用いたサンプルは、厚さ３０ｎｍのＡｌXＧａ1-XＮ層１４と厚さ１μｍのＧａＮ層１２とを備え、ＡｌXＧａ1-XＮ層１４・ＧａＮ層１２の各層のキャリア濃度ｎは、１・０×１０16（ｃｍ-3）とした。また、ＴＣＡＤシミュレーションにおいて、簡単化のため電子のトラップレベルは考慮していない。もっとも簡単な場合を考慮するべきであることと、ＡｌXＧａ1-XＮ／ＧａＮ系システムの欠陥の物理現象は、未だ複雑なためである。
【００８５】
電気伝導率σ（Ｓｃｍ-1）を（２）式を用いて求めた。
【００８６】
これらの計算された２ＤＥＧ層の厚さｔ2Dは、図３に示すように、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎの５．７ｎｍ〜Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ｎの７．０ｎｍの連続的範囲に表されている。これらの値は、キャリア濃度ｎを計算する上で用いられている。
【００８７】
（キャリア移動度μおよび電気伝導率σとキャリア濃度ｎとの関係）
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、２ＤＥＧ層におけるキャリア移動度μ（ｃｍ2Ｖ-1ｓ-1）および電気伝導率σ（Ｓｃｍ-1）と、キャリア濃度ｎ（ｃｍ-3）との関係は、図４に示すように表される。
【００８８】
（ゼーベック係数Ｓの測定）
ホール効果測定後、図３に示されたサンプルについて、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０の面内ゼーベック係数Ｓを室温状態において測定した。
【００８９】
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０をヒートシンク２００・ヒータ３００間に配置し、ゼーベック係数Ｓの測定系を説明する模式的鳥瞰構造は、図５に示すように表される。
【００９０】
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０は、図５に示すように、特定の温度差を発生可能なように、ヒートシンク２００・ヒータ３００間に配置されている。
【００９１】
電圧プローブ２２Ａ・２２Ｂと直径約１５０μｍのタイプＫ熱電対２４Ａ・２４Ｂを用いて、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０の熱電特性を測定した。
【００９２】
タイプＫ熱電対２４Ａ・２４Ｂによって、ヒートシンク２００側・ヒータ３００側のサンプル温度を測定した。
【００９３】
ヒータ３００の温度は、直流電圧源によって制御可能である。直流電圧源の出力電圧は、５Ｖステップで０Ｖ〜３０Ｖまで階段状に増加可能である。
【００９４】
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０の低温側は、自然空冷されていても良い。
【００９５】
ゼーベック係数Ｓの測定は、温度の安定化のために、十分な時間間隔を経た後に、実行された。
【００９６】
（サンプルＤ５についての熱電変換特性）
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、図３に示されるサンプルＤ５についての熱電変換特性は、図６に示すように表される。図６には、ゼーベック係数Ｓの測定結果が示されている。図６において、“Applied voltage (current)”は、直流電圧源の出力電圧（電流）を示している。Ｔhigh（Ｋ）およびＴlow（Ｋ）は、それぞれヒータ３００側およびヒートシンク２００側の測定温度を示す。
【００９７】
ΔＴ（Ｋ）は、Ｔhigh（Ｋ）−Ｔlow（Ｋ）に等しい。ΔＶ（μＶ）は、タイプＫ熱電対２４Ａ・２４Ｂによって検出された測定電圧の差電圧を示す。
【００９８】
ゼーベック係数Ｓ（μＶ・Ｋ-1）は、ΔＶ／ΔＴに等しい。
【００９９】
（ゼーベック係数Ｓの理論計算）
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、ゼーベック係数Ｓの絶対値｜Ｓ｜を計算するためのパラメータおよび絶対値｜Ｓ｜の計算結果は、図７に示すように表される。
【０１００】
ＧａＮのエネルギーギャップ（禁制帯幅）内におけるすべての電子のエネルギーレベルを考慮することができるならば、特定のＡｌモル分率Xによって、一義的にキャリア濃度ｎを決定することができる。しかしながら、図３に示される特定のＡｌモル分率Xによって得られるキャリア濃度ｎに比較して、実験的に得られるキャリア濃度ｎの値は、無視できない変位分を含んでいる。このことは、実験には、例えば、転位や、表面状態などの様々なファクタが含まれていることを意味している。したがって、直接的にキャリア濃度を計算することは、非現実的である。
【０１０１】
したがって、ゼーベック係数Ｓの絶対値｜Ｓ｜とキャリア濃度ｎの関係を求めた図７において、特定のＡｌモル分率X（＝０．２、０．３、０．４）に対しては、図３に示される実験的なキャリア濃度ｎの平均化された値（ｎバー）を用い、特定のＡｌモル分率X（＝０．２５、および０．３５）に対しては、実験的なキャリア濃度ｎの平均化された値（ｎバー）の線形近似によって計算した。
【０１０２】
（ゼーベック係数Ｓとキャリア濃度ｎとの関係）
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、ゼーベック係数Ｓとキャリア濃度ｎとの関係は、図８に示すように表される。図８においては、ゼーベック係数Ｓの絶対値｜Ｓ｜とキャリア濃度ｎとの関係が示されている。ここで、図８において、｜Ｓ｜2DEGは、実験に用いたＡｌＧａＮ／ＧａＮ系サンプルに対するゼーベック係数Ｓの絶対値を表す。また、｜Ｓ｜film-GaNは、比較例として、非特許文献１０に掲載されたバルクＧａＮのゼーベック係数Ｓの絶対値を表す。
【０１０３】
図８に示すように、ゼーベック係数Ｓの絶対値｜Ｓ｜2DEGの値は、図８に示されるキャリア濃度ｎの範囲において、｜Ｓ｜film-GaNの値よりも実質的に大きい。このゼーベック係数Ｓの絶対値｜Ｓ｜2DEGの増大傾向は、物理理論上フェルミレベルＥF近傍における電子の準位密度（ＤＯＳ：density of states）のエネルギー微分値の量子サイズ効果による増大として説明される。すなわち、Ｓ∝[ｄＤＯＳ（Ｅ）／ｄＥ]E-EFが成立している。
【０１０４】
薄膜ＧａＮの量子サイズ効果は、約２０ｎｍ−約３０ｎｍ以下の厚さにおいて生じるものとされており、実験に適用された第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０のサンプルでは、厚さｔ2Dは、十分にこの範囲に含まれている。
【０１０５】
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、ゼーベック係数Ｓは、図８に示すように、キャリア濃度ｎが約３．５×１０19ｃｍ-3よりも大きな値で、キャリア濃度ｎの増加にも関わらず、１７０（μＶ・Ｋ-1）から３００（μＶ・Ｋ-1）まで増加するというＶ字回復特性を示している。
【０１０６】
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０においては、図１に示すような三角形状のポテンシャル内に閉じ込められた２ＤＥＧによって、ゼーベック係数Ｓの絶対値｜Ｓ｜2DEGのキャリア濃度ｎの増加に伴う増大傾向が生じている。
【０１０７】
（理論解析）
量子井戸（ＱＷ）に閉じ込められた電子のｉ番目のサブバンドのゼーベック係数Ｓiは、
Ｓi＝κB／ｅ・[２Ｆj(ζi*)／Ｆ0(ζi*)―ζi*]                （４）
で表される。ここで、Ｆjは、以下の（５）式で与えられるフェルミ・ディラック分布関数を含む不定積分である。
【０１０８】
Ｆj(ζj*)＝∫0∞ｘjｄＸ／[ｅｘｐ（ｘ−ζj*）＋１]          （５）
ここで、ζi*＝（ＥF-Ｅi）／ｋBＴであり、ζi*は、量子化されたｉ番目のサブバンドのエネルギーＥiに対する還元フェルミエネルギーを表す。
【０１０９】
ここで、すべての電子がエネルギーレベルＥ0(量子化サブバンドの最小エネルギー)に存在すると仮定し、ｉ＝０と設定する。また、（４）式および（５）式を得るための理論的な前提条件は、理論的なゼーベック係数（Calculated |Ｓ｜2DEG）を計算するために適用可能であると仮定する。ここで、第２の仮定は、電子散乱機構の単純化の仮定を含んでいる。極性光学（ＰＯ：Polar Optical）フォノン散乱と音響（ＡＣ：Acoustic）フォノン散乱は、ＧａＮ中における電子の主要な散乱機構である。
【０１１０】
ＰＯフォノン散乱の逆緩和時間１／τは、電子のエネルギーの代わりに摂動強度の関数として表される。一方、（５）式に現れるｘjは、逆緩和時間１／τの電子のエネルギーの関数として展開される級数のｊ番目の累乗項として表される。このことは、（５）式がＰＯフォノンの効果を取り扱うものではなく、ゼーベック係数Ｓ理論計算では、ＡＣフォノン散乱のみを取り扱うことを意味する。
【０１１１】
(４)式中の還元フェルミエネルギーζi*は、キャリア濃度ｎに関係するファクタであり、散乱機構には影響されない。各々のＡｌXＧａ1-XＮ／ＧａＮサンプルの“ＥF-Ｅi”は、ＴＣＡＤシミュレーションによって計算される。計算されたゼーベック係数：Calculated |Ｓ|2DEGは、図８において、○プロットの破線で表されている。また、図８の横軸では、平均化されたキャリア濃度ｎバーがキャリア濃度ｎとして用いられている。
【０１１２】
図８において、計算されたゼーベック係数：Calculated |Ｓ|2DEGとキャリア濃度ｎとの関係は、約２×１０19ｃｍ-3以上のキャリア濃度ｎに対して定性的に再現化可能である。ここで、約２×１０19ｃｍ-3のキャリア濃度ｎの値は、Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ／ＧａＮサンプルの平均化されたキャリア濃度バーｎに対応している。
【０１１３】
（５）式の関数Ｆj(ζi*)は、非縮退型半導体におけるフェルミ・ディラック積分に対する漸近的な拡張を用いて、ｅｘｐ（ζi*）で近似可能であり、（４）式の“Ｆ1(ζ1*)／Ｆ0(ζ1*)”は、１に固定可能である。また、“ＥF−Ｅ0”は、上記のｔ2Dを計算した条件と同じ条件の下に、ＴＣＡＤシミュレーションによって計算可能である。結果として、（４）式を用いて、ゼーベック係数Ｓの絶対値｜Ｓ｜を計算することができる。
【０１１４】
一般的に熱電変換素子の性能は、材料選択によって制限される。すなわち、バルク材料の熱電特性は、材料に依存したファクタ、すなわち電気伝導率σとゼーベック係数Ｓによって理論的に決定される。（２）式および（３）式に示すように、キャリア濃度ｎを増加すると、電気伝導率σは増加するものの、ゼーベック係数Ｓが減少するという材料に依存するトレードオフ関係が共通に存在する。
【０１１５】
しかしながら、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０においては、図８の●プロットで示すように、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造界面の２ＤＥＧ層のキャリア濃度ｎが相対的に高い領域において、キャリア濃度ｎを増加すると、電気伝導率σは増加するものの、ゼーベック係数Ｓが減少するという特性が消滅し、Ｖ字回復する特性が得られている。
【０１１６】
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０においては、図８に示すように、ゼーベック係数Ｓは、キャリア濃度ｎの値が約３．５×１０19ｃｍ-3以上において、キャリア濃度ｎを増加すると、ゼーベック係数Ｓが減少するという特性が消滅し、Ｖ字回復する特性が得られている。
【０１１７】
（無次元性能指数ＺＴとキャリア濃度ｎとの関係）
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、３００Ｋにおける無次元性能指数ＺＴとキャリア濃度ｎとの関係は、図９に示すように表される。ここで、ＧａＮの熱伝導率κ＝１２０Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1が維持されるものと仮定している。第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、ＡｌＧａＮ／ＧａＮヘテロ構造は、意図的にアンドープであり、厚さ１０ｎｍ以下の２ＤＥＧ層を除くデバイスの大部分の領域は、実質的に電子に対するバルク材料と同等であるためである。２ＤＥＧ層の厚さｔ2Dは、計算によって得ることができる。
【０１１８】
図９に示すように、３００Ｋにおける最も高い無次元性能指数ＺＴの値は、キャリア濃度ｎ＝６．５×１０19ｃｍ-3において、０．１４１として得られている。バルクＧａＮの無次元性能指数ＺＴの値は、０．００２である。したがって、第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０において、３００Ｋにおける無次元性能指数ＺＴは、７０倍の改善効果が得られている。
【０１１９】
（Ｖ字回復特性）
分極量やキャリア濃度ｎで記載するとＧａＮ系材料だけの値になってしまうので、他の材料系での適用も考慮し、理論的な特徴を記載する。
【０１２０】
分極差がある材料間の２ＤＥＧ層において、量子効果が起こることで、そのエネルギーバンドにおいてフェルミエネルギーがその量子準位の基底準位よりも高くなり、かつゼーベック係数Ｓiを表す下記の（６）式における、還元フェルミエネルギーζi*がフェルミ・ディラック分布関数から計算される値（Ａ＋５／２）ＦA+3/2(ζi*)／（Ａ＋３／２）ＦA+1/2(ζi*)よりも大きくなる場合に、つまり（Ａ＋５／２）ＦA+3/2(ζi*)／（Ａ＋３／２）ＦA+1/2(ζi*)が負の値になるときゼーベック係数のＶ字回復が起こる。Ａは、キャリア散乱の緩和時間に関連する式τ（Ｅ／ｋBＴ）＝τ0（Ｅ／ｋBＴ）Aに適用される値である。
【０１２１】
Ｓi＝ｋB／ｅ・[（Ａ＋５／２）ＦA+3/2(ζi*)／（Ａ＋３／２）ＦA+1/2(ζi*)−ζi*]
（６）
ここで、（４）式および（５）式の関係が同様に成立している。
【０１２２】
また、２ＤＥＧ層の場合には、ζi*＝（ＥF-Ｅi）／ｋBＴであり、２ＤＨＧ層の場合には、ζi*＝−（ＥF-Ｅi）／ｋBＴとなる。（６）式のｅも正孔となるので、正の値となる。
【０１２３】
量子効果は、有効質量などによって決定するエキシトンのボーア半径の２倍程度で起こるとされている。ＧａＮの場合、２０ｎｍ−３０ｎｍ以下で量子効果が起こるとされている。例えば、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ系での２ＤＥＧでは、Ａｌモル分率Xが０．２以上でキャリア濃度が２×１０19ｃｍ-3以上である必要がある。
【０１２４】
第１の実施の形態に係る熱電変換素子１０は、フィルム積層化構造による形成が容易であり、また、低熱伝導率κを有する超格子構造若しくはフォノン結晶を適用可能である。
【０１２５】
したがって、第１の実施の形態によれば、上記Ｖ字回復性能を示す電気的分極不連続構造と低熱伝導率κを有する超格子構造若しくはフォノン結晶を融合させて、相対的に高い無次元性能指数ＺＴを有する熱電変換素子を提供することができる。
【０１２６】
第１の実施の形態によれば、ゼーベック係数とキャリア濃度のトレードオフ、およびゼーベック係数と電気伝導率のトレードオフを改善し、高電気伝導率で積層化可能な熱電変換素子を提供することができる。
【０１２７】
第１の実施の形態によれば、キャリア濃度ｎが増加するとゼーベック係数Ｓが低減するトレードオフを、ゼーベック係数ＳのＶ字回復現象を利用することで、解決するだけでなく、積層化が可能である分極材料における分極不連続を形成し、積層させることにより、ゼーベック係数Ｓと電気伝導率σのトレードオフも解決し、高い無次元性能指数ＺＴの実現を図る熱電変換素子を提供することができる。
【０１２８】
第１の実施の形態によれば、また、積層構造を利用した場合、１素子の中にｎ型／ｐ型の両方を形成することで、更なる電気伝導率σの向上を図る熱電変換素子を提供することができる。
【０１２９】
[第２の実施の形態]
(一つの電気伝導層を有する構造)
第２の実施の形態に係る熱電変換素子１０の模式的断面構造は、図１０（ａ）に示すように表され、第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換素子１０の模式的断面構造は、図１０（ｂ）に示すように表される。
【０１３０】
第２の実施の形態に係る熱電変換素子１０は、図１０（ａ）に示すように、基板１００と、基板１００上に配置されたＧａＮ層１２と、ＧａＮ層１２上に配置され、ＧａＮ層１２と分極不連続がおきるＡｌＧａＮ層１４と、ＧａＮ層１２とＡｌＧａＮ層１４との界面に形成される２ＤＥＧ層と、２ＤＥＧ層と側面より接触する第１電極１６・第２電極１８とを備える。
【０１３１】
ここで、基板１００は、サファイア基板であっても良い。
【０１３２】
また、ＡｌＧａＮ層１４が形成されるＧａＮ層１２面は、ｍ面であっても良い。
【０１３３】
第２の実施の形態の変形例に係る熱電変換素子１０は、図１０（ｂ）に示すように、基板１００と、基板１００上に配置されたＧａＮ層１２と、ＧａＮ層１２上に配置され、ＧａＮ層１２と分極不連続がおきるＡｌＧａＮ層１４と、ＧａＮ層１２とＡｌＧａＮ層１４との界面に形成される２ＤＥＧ層と、ＡｌＧａＮ層１４上に配置される第１電極１６・第２電極１８とを備える。同様に、基板１００は、サファイア基板であっても良い。また、ＡｌＧａＮ層１４が形成されるＧａＮ層１２面は、ｍ面であっても良い。
【０１３４】
例として、サファイア基板１００上にＡｌＧａＮ層１４／ＧａＮ層１２からなる構造を作製し、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕなどの第１電極１６・第２電極１８を形成し、シンターすることによりオーミックを形成する。
【０１３５】
必要であれば、その後、素子分離を行うことが可能である。
【０１３６】
ＡｌＧａＮ層１４の代わりにＡｌＮ層やＡｌＩｎＮ層などを用いてもよい。
【０１３７】
また、分極材料として、ＰＺＴ、ＢｉＦｅＯ3やＢａＴｉＯ3などの強誘電体材料を用いてもよい。分極不連続が起こるのであれば、ＡｌxＧａ1-xＮ／ＡｌyＧａ1-yＮ（ｘ≠ｙ）のように組成の異なる材料の組み合わせでもよい。
【０１３８】
第２の実施の形態においても第１の実施の形態と同様に、ゼーベック係数とキャリア濃度のトレードオフ、およびゼーベック係数と電気伝導率のトレードオフを改善し、高電気伝導率で積層化可能な熱電変換素子を提供することができる。
【０１３９】
第２の実施の形態においても第１の実施の形態と同様に、キャリア濃度ｎが増加するとゼーベック係数Ｓが低減するトレードオフを、ゼーベック係数ＳのＶ字回復現象を利用することで、解決するだけでなく、積層化が可能である分極材料における分極不連続を形成し、積層させることにより、ゼーベック係数Ｓと電気伝導率σのトレードオフも解決し、高い無次元性能指数ＺＴの実現を図る熱電変換素子を提供することができる。
【０１４０】
第２の実施の形態においても第１の実施の形態と同様に、積層構造を利用した場合、１素子の中にｎ型／ｐ型の両方を形成することで、更なる電気伝導率σの向上を図る熱電変換素子を提供することができる。
【０１４１】
[第３の実施の形態]
(一つの電気伝導層を有する構造で分極材料が連続しているもの)
第３の実施の形態に係る熱電変換素子１０の模式的断面構造は、図１１に示すように表される。
【０１４２】
第３の実施の形態に係る熱電変換素子１０は、図１１に示すように、シリコン基板８と、シリコン基板８上に配置されたＡｌＮ層１３と、シリコン基板８とＡｌＮ層１３との界面に形成される２ＤＥＧ層と、ＡｌＮ層１３上に配置されたＡｌＧａＮ層１４とを備える。ここで、図示は省略されているが、２ＤＥＧ層と側面より接触する第１電極１６・第２電極１８とを備えていても良い。或いは、ＡｌＧａＮ層１４上に配置される第１電極１６・第２電極８とを備えていても良い。
【０１４３】
例として、シリコン基板８上にＡｌＧａＮ層１４／ＧａＮ層１２のような分極材料が連続で形成されている構造で、ＡｌＧａＮ層１４／ＧａＮ層１２界面では電気伝導を主に担う層はできないが、ＡｌＮ層１３／Ｓｉ界面に２ＤＥＧ層が形成されている。
【０１４４】
尚、図示は省略されているが、第１の実施の形態（図１０（ａ））と同様に、２ＤＥＧ層と側面より接触する第１電極１６・第２電極１８とを備えていても良い。
【０１４５】
また、第１の実施の形態の変形例（図１０（ｂ））と同様に、ＡｌＧａＮ層１４上に配置される第１電極１６・第２電極１８とを備えていても良い。
【０１４６】
例として、シリコン基板８上にＡｌＧａＮ層１４／ＡｌＮ層１３からなる構造を作製し、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕなどの第１電極１６・第２電極１８を形成し、シンターすることによりオーミックを形成する。
【０１４７】
必要であれば、その後、素子分離を行うことが可能である。
【０１４８】
ＡｌＧａＮ層１４の代わりにＡｌＩｎＮ層などを用いてもよい。
【０１４９】
また、分極材料として、ＰＺＴ、ＢｉＦｅＯ3やＢａＴｉＯ3などの強誘電体材料を用いてもよい。つまり分極不連続が起こるのであれば、ＡｌxＧａ1-xＮ／ＡｌyＧａ1-yＮ（ｘ≠ｙ）のように組成の異なる材料の組み合わせでもよい。
【０１５０】
第３の実施の形態においても第１の実施の形態と同様に、ゼーベック係数とキャリア濃度のトレードオフ、およびゼーベック係数と電気伝導率のトレードオフを改善し、高電気伝導率で積層化可能な熱電変換素子を提供することができる。
【０１５１】
第３の実施の形態においても第１の実施の形態と同様に、キャリア濃度ｎが増加するとゼーベック係数Ｓが低減するトレードオフを、ゼーベック係数ＳのＶ字回復現象を利用することで、解決するだけでなく、積層化が可能である分極材料における分極不連続を形成し、積層させることにより、ゼーベック係数Ｓと電気伝導率σのトレードオフも解決し、高い無次元性能指数ＺＴの実現を図る熱電変換素子を提供することができる。
【０１５２】
第３の実施の形態においても第１の実施の形態と同様に、積層構造を利用した場合、１素子の中にｎ型／ｐ型の両方を形成することで、更なる電気伝導率σの向上を図る熱電変換素子を提供することができる。
【０１５３】
[第４の実施の形態]
(二つの以上の電気伝導層を有する積層構造)
第４の実施の形態に係る熱電変換素子１０の模式的断面構造は、図１２に示すように表される。
【０１５４】
第４の実施の形態に係る熱電変換素子１０においては、図１２に示すように、ＧａＮ層とＡｌＧａＮ層のペアが多層化されている。
【０１５５】
第４の実施の形態に係る熱電変換素子１０は、図１２に示すように、ＧａＮ層１２1と、ＧａＮ層１２1上に配置されるＡｌＧａＮ層１４1と、ＡｌＧａＮ層１４1上に配置されるＧａＮ層１２2と、ＧａＮ層１２2上に配置されるＡｌＧａＮ層１４2と、ＡｌＧａＮ層１４2上に配置されるＧａＮ層１２3と、ＧａＮ層１２3上に配置されるＡｌＧａＮ層１４3と、ＡｌＧａＮ層１４3上に配置されるＧａＮ層１２4と、ＧａＮ層１２4上に配置されるＡｌＧａＮ層１４4とを備える。
【０１５６】
ここで、ＧａＮ層１２1・ＡｌＧａＮ層１４1の界面には２ＤＥＧ層が形成され、ＡｌＧａＮ層１４1とＧａＮ層１２2との界面には２次元ホールガス（２ＤＨＧ：Two Dimensional Hole Gas）層が形成される。
【０１５７】
同様に、ＧａＮ層１２2とＡｌＧａＮ層１４2との界面、ＧａＮ層１２3とＡｌＧａＮ層１４3との界面、ＧａＮ層１２4とＡｌＧａＮ層１４4との界面には２ＤＥＧ層が形成される。
【０１５８】
同様に、ＡｌＧａＮ層１４2とＧａＮ層１２3との界面、ＡｌＧａＮ層１４3とＧａＮ層１２4との界面には２ＤＨＧ層が形成される。ここで、図示は、省略されているが、ＧａＮ層１２1は、サファイア基板などの基板上に形成される。
【０１５９】
尚、図示は省略されているが、第１の実施の形態（図１０（ａ））と同様に、２ＤＥＧ層と側面より接触する第１電極１６Ｅ・第２電極１８Ｅとを備えていても良い。また、２ＤＨＧ層と側面より接触する第１電極１６Ｈ・第２電極１８Ｈとを備えていても良い。
【０１６０】
例として、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／…ＧａＮ／基板のように分極不連続が起こるように膜を積層することで、各ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に２ＤＥＧ層、または２ＤＨＧ層、もしくはその両方が形成されることで、電気伝導率σを上げることができる。
【０１６１】
また、積層構造の場合、２ＤＥＧ層と２ＤＨＧ層の両方を形成可能であるために、一素子でｐ型・ｎ型両方の熱電変換素子を形成することもできる。
【０１６２】
分極不連続が起こることが重要であるため、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮの積層構造やＡｌＧａＮ／ＧａＡｓ／Ｓｉ／ＡｌＧａＮなどのような積層構造を備える熱電変換素子を形成することもできる。
【０１６３】
また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ／…／基板のようにそれらを組み合せた積層構造を備える熱電変換素子を形成することもできる。
【０１６４】
その他にも、使用する材料によってはスピンコートやゾルゲル法などで積層構造を形成することもできる。
【０１６５】
第４の実施の形態においても、ゼーベック係数とキャリア濃度のトレードオフ、およびゼーベック係数と電気伝導率のトレードオフを改善し、高電気伝導率で積層化可能な熱電変換素子を提供することができる。
【０１６６】
第４の実施の形態においても、キャリア濃度ｎが増加するとゼーベック係数Ｓが低減するトレードオフを、ゼーベック係数ＳのＶ字回復現象を利用することで、解決するだけでなく、積層化が可能である分極材料における分極不連続を形成し、積層させることにより、ゼーベック係数Ｓと電気伝導率σのトレードオフも解決し、高い無次元性能指数ＺＴの実現を図る熱電変換素子を提供することができる。
【０１６７】
第４実施の形態においても、積層構造を利用した場合、１素子の中にｎ型／ｐ型の両方を形成することで、更なる電気伝導率σの向上を図る熱電変換素子を提供することができる。
【０１６８】
[第５の実施の形態]
第５の実施の形態に係る熱電変換素子１０の模式的断面構造は、図１３に示すように表される。
【０１６９】
第５の実施の形態に係る熱電変換素子１０は、図１３に示すように、ＧａＮ層１２1と、ＧａＮ層１２1上に配置されるＡｌＧａＮ層１４1と、ＡｌＧａＮ層１４1上に配置されるＧａＮ層１２2と、ＧａＮ層１２2上に配置されるＡｌＧａＮ層１４2と、ＡｌＧａＮ層１４2上に配置されるＧａＮ層１２3と、ＧａＮ層１２3上に配置されるＡｌＧａＮ層１４3と、ＡｌＧａＮ層１４3上に配置されるＧａＮ層１２4と、ＧａＮ層１２4上に配置されるＡｌＧａＮ層１４4とを備える。
【０１７０】
ここで、ＧａＮ層１２1・ＡｌＧａＮ層１４1の界面には２ＤＥＧ層が形成される。同様に、ＧａＮ層１２2とＡｌＧａＮ層１４2との界面、ＧａＮ層１２3とＡｌＧａＮ層１４3との界面、ＧａＮ層１２4とＡｌＧａＮ層１４4との界面には２ＤＥＧ層が形成される。
【０１７１】
尚、図示は省略されているが、第１の実施の形態（図１０（ａ））と同様に、２ＤＥＧ層と側面より接触する第１電極１６・第２電極１８とを備えていても良い。
【０１７２】
一方、ＡｌＧａＮ層１４2とＧａＮ層１２3との界面、ＡｌＧａＮ層１４3とＧａＮ層１２4との界面には２ＤＨＧ層は形成されていない。ここで、図示は、省略されているが、ＧａＮ層１２1は、サファイア基板などの基板上に形成される。
【０１７３】
第５の実施の形態においても、ゼーベック係数とキャリア濃度のトレードオフ、およびゼーベック係数と電気伝導率のトレードオフを改善し、高電気伝導率で積層化可能な熱電変換素子を提供することができる。
【０１７４】
第５の実施の形態においても、キャリア濃度ｎが増加するとゼーベック係数Ｓが低減するトレードオフを、ゼーベック係数ＳのＶ字回復現象を利用することで、解決するだけでなく、積層化が可能である分極材料における分極不連続を形成し、積層させることにより、ゼーベック係数Ｓと電気伝導率σのトレードオフも解決し、高い無次元性能指数ＺＴの実現を図る熱電変換素子を提供することができる。
【０１７５】
第５実施の形態においても、積層構造を利用した場合、１素子の中にｎ型／ｐ型の両方を形成することで、更なる電気伝導率σの向上を図る熱電変換素子を提供することができる。
【０１７６】
[第６の実施の形態]
第６の実施の形態に係る熱電変換素子１０の模式的断面構造は、図１４に示すように表される。
【０１７７】
第６の実施の形態に係る熱電変換素子１０は、図１４に示すように、第１分極材料Ｐ１層２０1と、第１分極材料Ｐ１層２０1上に配置された第２材料Ｂ層２０Ｂと、第２材料Ｂ層２０Ｂ層２０Ｂ上に配置された第３材料Ａ層２０Ａと、第３材料Ａ層２０Ａ上に配置された第２分極材料Ｐ２層２０2と、第１分極材料Ｐ１層２０1と第２材料Ｂ層２０Ｂとの界面に形成された２ＤＨＧ層と、第３材料Ａ層２０Ａと第２分極材料Ｐ２層２０2との界面に形成された２ＤＥＧ層とを備える。
【０１７８】
第１分極材料Ｐ１層２０1、第２分極材料Ｐ２層２０2は、ＰＺＴ、ＢｉＦｅＯ3やＢａＴｉＯ3などの強誘電体材料を用いてもよい。また、分極不連続が起こるのであれば、ＡｌxＧａ1-xＮ／ＡｌyＧａ1-yＮ（ｘ≠ｙ）のように組成の異なる材料の組み合わせでもよい。
【０１７９】
また、第２材料Ｂ層２０Ｂ・第３材料Ａ層２０Ａは、ＡｌＧａＮ層・ＧａＮ層を用いても良い。
【０１８０】
また、第１分極材料Ｐ１層２０1・第２材料Ｂ層２０Ｂは、分極不連続が起こるのであれば、ＡｌxＧａ1-xＮ／ＡｌyＧａ1-yＮ（ｘ≠ｙ）のように組成の異なる材料の組み合わせでもよい。
【０１８１】
同様に、第３材料Ａ層２０Ａ・第２分極材料Ｐ２層２０2は、分極不連続が起こるのであれば、ＡｌxＧａ1-xＮ／ＡｌyＧａ1-yＮ（ｘ≠ｙ）のように組成の異なる材料の組み合わせでもよい。
【０１８２】
尚、図示は省略されているが、第１の実施の形態（図１０（ａ））と同様に、２ＤＥＧ層と側面より接触する第１電極１６Ｅ・第２電極１８Ｅを備えていても良い。また、２ＤＨＧ層と側面より接触する第１電極１６Ｈ・第２電極１８Ｈを備えていても良い。
【０１８３】
第６の実施の形態においても、ゼーベック係数とキャリア濃度のトレードオフ、およびゼーベック係数と電気伝導率のトレードオフを改善し、高電気伝導率で積層化可能な熱電変換素子を提供することができる。
【０１８４】
第６の実施の形態においても、キャリア濃度ｎが増加するとゼーベック係数Ｓが低減するトレードオフを、ゼーベック係数ＳのＶ字回復現象を利用することで、解決するだけでなく、積層化が可能である分極材料における分極不連続を形成し、積層させることにより、ゼーベック係数Ｓと電気伝導率σのトレードオフも解決し、高い無次元性能指数ＺＴの実現を図る熱電変換素子を提供することができる。
【０１８５】
第６実施の形態においても、積層構造を利用した場合、１素子の中にｎ型／ｐ型の両方を形成することで、更なる電気伝導率σの向上を図る熱電変換素子を提供することができる。
【０１８６】
[第７の実施の形態]
(横型積層構造)
第１〜第６の実施の形態に係る熱電変換素子では、主に基板上に基板に垂直方向に積層する構造を備えている。しかしながら、必ずしも基板に垂直方向に積層する構造に限定されなくても良い。
【０１８７】
第７の実施の形態に係る熱電変換素子の模式的断面構造は、図１５に示すように表される。
【０１８８】
第７の実施の形態に係る熱電変換素子は、図１５に示すように、基板１００と、基板１００上にパターン形成されたＧａＮ層１２と、ＧａＮ層１２間の基板１００上に配置され、ＧａＮ層１２と分極不連続がおきる材料層（１４）とを備える。
【０１８９】
ここで、基板１００は、サファイア基板であっても良い。
【０１９０】
また、ＧａＮ層１２と分極不連続がおきる材料層（１４）は、ＡｌＧａＮ層１４であっても良い。この場合、ＧａＮ層１２とＡｌＧａＮ層１４との界面には、２ＤＥＧ層が形成されていても良い。
【０１９１】
また、ＡｌＧａＮ層１４が形成されるＧａＮ層１２面は、ｍ面であっても良い。
【０１９２】
（熱電変換素子の製造方法）
第７の実施の形態に係る熱電変換素子の製造方法であって、サファイア基板１００を準備する工程を示す模式的断面構造は、図１６（ａ）に示すように表され、サファイア基板１００上にＧａＮ層１２を形成する工程を示す模式的断面構造は、図１６（ｂ）に示すように表され、ＧａＮ層１２をエッチングする工程を示す模式的断面構造は、図１６（ｃ）に示すように表され、ＧａＮ層１２に挟まれたサファイア基板上にＡｌＧａＮ層１４を形成する工程を示す模式的断面構造は、図１６（ｄ）に示すように表される。
【０１９３】
第７の実施の形態に係る熱電変換素子の製造方法は、第１材料層１２と第２材料層１４を形成する基板１００を準備する工程と、第１材料層１２と第２材料層１４を形成する基板１００上にＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層を形成する工程と、ＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層上にＡｌｃＧａｄＩｎ1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）層を形成する工程と、ＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層とＡｌｃＧａｄＩｎ1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）層をエッチングする工程とを有していても良い。
【０１９４】
また、第７の実施の形態に係る熱電変換素子の製造方法は、第１材料層１２と第２材料層１４を形成する基板１００を準備する工程と、第１材料層１２と第２材料層１４を形成する基板１００上にＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層を形成する工程と、ＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層上にＡｌｃＧａｄＩｎ1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）層を形成する工程と、ＡｌａＧａｂＩｎ1-ａ-ｂＮ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、０≦ａ＋ｂ≦１）層とＡｌｃＧａｄＩｎ1-ｃ-ｄＮ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、０≦ｃ＋ｄ≦１）層を壁開で電極を形成する領域を作製する工程とを有していても良い。
【０１９５】
以下、図１６（ａ）〜図１６（ｄ）を参照して、第７の実施の形態に係る熱電変換素子の製造方法を説明する。
【０１９６】
（ａ）まず、図１６（ａ）に示すように、サファイア基板１００を準備する。
【０１９７】
（ｂ）次に、図１６（ｂ）に示すように、サファイア基板１００上にＧａＮ層１２を形成する。
【０１９８】
（ｃ）次に、リソグラフィー法により、例えばラインアンドスペースのパターンを多数形成する。
【０１９９】
（ｄ）次に、図１６（ｃ）に示すように、レジストやＳｉＯ2などをマスクとしてＧａＮ層のエッチングを行う。
【０２００】
（ｅ）次に、形成したストライプパターンに垂直に、かつサファイア基板１００に水平な方向に対して、ＧａＮ層１２と分極不連続がおきる材料をエッチングした領域に形成する。例えば、図１６（ｄ）に示すように、ｍ面ＧａＮ層１２上にＡｌＧａＮ層１４を形成しても良い。結果として、図１６（ｄ）に示すように、ｍ面ＧａＮ層１２と、ＡｌＧａＮ層１４との界面には、２ＤＥＧ層が複数形成可能である。
【０２０１】
その他にも、Ｐｔ上にゾルゲル法などでＰＺＴを形成し、ラインアンドスペースの構造をリソグラフィー法で形成し、レジストをマスクとしてＰＺＴのエッチングを行い、レジストを剥離する。その後、ＰＺＴをエッチングした領域に分極不連続がおきる材料を形成する手法などを用いても良い。スピンコートやゾルゲル法の場合、プロセス行程が簡単であるというメリットもある。スピンコートやゾルゲル法などを利用した場合は、異種材料を基板垂直方向に積層していくことも可能であり、基板面垂直方向に対して、ｎ型／ｐ型と積層することもできる。
【０２０２】
第７の実施の形態においても、ゼーベック係数とキャリア濃度のトレードオフ、およびゼーベック係数と電気伝導率のトレードオフを改善し、高電気伝導率で積層化可能な熱電変換素子を提供することができる。
【０２０３】
第７の実施の形態においても、キャリア濃度ｎが増加するとゼーベック係数Ｓが低減するトレードオフを、ゼーベック係数ＳのＶ字回復現象を利用することで、解決するだけでなく、積層化が可能である分極材料における分極不連続を形成し、積層させることにより、ゼーベック係数Ｓと電気伝導率σのトレードオフも解決し、高い無次元性能指数ＺＴの実現を図る熱電変換素子を提供することができる。
【０２０４】
第７実施の形態においても、積層構造を利用した場合、１素子の中にｎ型／ｐ型の両方を形成することで、更なる電気伝導率σの向上を図る熱電変換素子を提供することができる。
【０２０５】
（熱電変換装置）
第１〜第７の実施の形態に係る熱電変換素子を用いて、熱電発電装置を提供することができる。また、第１〜第７の実施の形態に係る熱電変換素子を複数個直列に接続し、高出力化可能な熱電発電装置を提供することも可能である。
【０２０６】
基本技術に係る熱電発電装置４００Ａの動作原理の説明図は、図１７（ａ）に示すように表され、温度変化ΔＴにおける熱電発電装置４００Ａの出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性例は、図１７（ｂ）に示すように表される。
【０２０７】
基本技術に係る熱電発電装置４００Ａは、図１７（ａ）に示すように、高温（温度Ｔh）側に配置される結合電極３０と低温（温度Ｔc）側に配置されるｎ側電極３２との間に配置されたｎ型半導体２８と、高温側に配置される結合電極３０と低温側に配置されるｐ側電極３４との間に配置されたｐ型半導体２６と、ｎ側電極３２とｐ側電極３４との間に接続される負荷３６とを備える。ｎ型半導体２８中の電子（ｅ）は、矢印で示すように、高温側に配置される結合電極３０から低温側に配置されるｎ側電極３２の方向に導通され、ｐ型半導体２６中の正孔（ｈ）は、矢印で示すように、高温側に配置される結合電極３０から低温側に配置されるｐ側電極３４の方向に導通される。温度差ΔＴ＝Ｔh―Ｔcで表される。結果として、回路的に直列接続される負荷３６・ｎ型半導体２８・ｐ型半導体２６には、矢印で示された方向に電流Ｉが導通する。負荷３６と導通電流Ｉによって決まる負荷特性と、図１７（ｂ）に示された温度変化ΔＴにおけるＴＥＧ１０の出力電流ＩO―出力電圧ＶO特性例との交差点によって、動作点が決定される。
【０２０８】
基本技術に係る熱電発電装置４００Ａの模式的構成例であって、低温側にヒートシンク３８、高温側に熱交換器４０を備える例は、図１８に示すように表される。さらに、結合電極３０と熱交換器４０との間に高温側伝熱部材４４を配置し、ｎ側電極３２・ｐ側電極３４とヒートシンク３８との間に低温側伝熱部材４２を配置しても良い。ｎ側電極３２とｐ側電極３４との間に配線４５を介して負荷３６を結合することで、負荷３６には、矢印で示された方向に電流Ｉが導通する。
【０２０９】
基本技術に係る熱電発電装置４００Ａの模式的構成であって、複数の熱電変換素子を直列に配置した例は、図１９に示すように表される。
【０２１０】
基本技術に係る熱電発電装置４００Ａは、図１９に示すように、高温（温度Ｔh）側に配置される複数の結合電極３０1・３０2・…・３０nと低温（温度Ｔc）側に配置される複数のｎ側電極３２1・３２2・…・３２nとの間に配置された複数のｎ型半導体２８1・２８2・…・２８nと、高温側に配置される複数の結合電極３０1・３０2・…・３０nと低温側に配置される複数のｐ側電極３４1・３４2・…・３４nとの間に配置された複数のｐ型半導体２６1・２６2・…・２６nと、ｎ側電極３２nとｐ側電極３４1との間に接続される負荷３６とを備える。低温側の互いに隣接配置される電極(３２1・３４2)・(３２2・３４3)・…・(３２n-1・３４n)は、共通電極として接続されている。温度差ΔＴ＝Ｔh―Ｔcで表される。結果として、回路的に直列接続される負荷３６・ｎ型半導体２８1・２８2・…・２８n・ｐ型半導体２６1・２６2・…・２６nには、矢印で示された方向に電流Ｉが導通する。
【０２１１】
基本技術に係る熱電発電装置４００Ａは、図１９に示すように、複数のＴＥＧを直列化配置することによって、熱電変換モジュールの高耐圧化を図ることができる。また、直列化配置構成を並列化して、大電流量・高出力化を図ることも可能である。
【０２１２】
（ペルチェ装置）
第１〜第７の実施の形態に係る熱電変換素子を用いた熱電変換装置は、第１電極１２および第２電極１４間の温度差に伴う熱エネルギーを電気エネルギーに変換可能であるが、一方、第１電極および第２電極間に電流を印加することによる電気エネルギーを温度差に変換可能である。したがって、第１〜第７の実施の形態に係る熱電変換素子を用いて、ペルチェ装置を提供することができる。
【０２１３】
また、第１〜第７の実施の形態に係る熱電変換素子を複数個直列接続し、高温度差を生じさせることが可能なペルチェ装置を提供することも可能である。
【０２１４】
[第８の実施の形態]
第８の実施の形態に係る熱電発電装置４００であって、模式的上面構成は、図２０（ａ）に示すように表され、模式的鳥瞰構成は、図２０（ｂ）に示すように表される。
【０２１５】
第８の実施の形態に係る熱電発電装置４００は、図２０（ａ）・図２０（ｂ）に示すように、二つの以上の電気伝導層（２ＤＥＧ、２ＤＨＧ）を有する積層構造を有する複数の熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃを直列に接続した構成を備える。
【０２１６】
第８の実施の形態に係る熱電発電装置４００に適用される熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃは、図２０（ａ）・図２０（ｂ）に示すように、サファイア基板１００と、サファイア基板１００上に配置されるＧａＮ層１２1Ａ・１２1Ｂ・１２1Ｃと、ＧａＮ層１２1Ａ・１２1Ｂ・１２1Ｃ上に配置されるＡｌＧａＮ層１４1Ａ・１４1Ｂ・１４1Ｃと、ＡｌＧａＮ層１４1Ａ・１４1Ｂ・１４1Ｃ上に配置されるＧａＮ層１２2Ａ・１２2Ｂ・１２2Ｃと、ＧａＮ層１２2Ａ・１２2Ｂ・１２2Ｃ上に配置されるＡｌＧａＮ層１４2Ａ・１４2Ｂ・１４2Ｃとを備える。
【０２１７】
また、ＧａＮ層１２1Ａ・１２1Ｂ・１２1ＣとＡｌＧａＮ層１４1Ａ・１４1Ｂ・１４1Ｃとの界面に形成された２ＤＥＧ層と、ＡｌＧａＮ層１４1Ａ・１４1Ｂ・１４1ＣとＧａＮ層１２2Ａ・１２2Ｂ・１２2Ｃの界面に形成された２ＤＨＧ層と、ＧａＮ層１２2Ａ・１２2Ｂ・１２2ＣとＡｌＧａＮ層１４2Ａ・１４2Ｂ・１４2Ｃとの界面に形成された２ＤＥＧ層とを備える。
【０２１８】
また、積層構造の側壁部に配置され、２ＤＥＧ層と側壁部でオーミック接触する第１電極１６Ａ・１６Ｂ・１６Ｃおよび第２電極１８Ａ・１８Ｂ・１８Ｃとを備える。ここで、第１電極１６Ａ・１６Ｂ・１６Ｃおよび第２電極１８Ａ・１８Ｂ・１８Ｃは、２ＤＨＧ層とは、側壁部でオーミック接触することはなく、例えばショットキー接触している。このため、第８の実施の形態に係る熱電発電装置４００に適用される熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃの導通に寄与するキャリアは、２ＤＥＧ層を導通する電子である。
【０２１９】
また、第１電極１６Ａと結合される主電極３２Ａと、第２電極１８Ａ・１８Ｂ間を結合する結合電極３０ＡＢと、第１電極１６Ｂ・１６Ｃ間を結合する結合電極３０ＢＣと、第２電極１８Ｃと結合される主電極３２Ｃとを備える。
【０２２０】
図示は省略されているが、主電極３２Ａ・３２Ｃ間に負荷を接続し、第１電極１６Ａ・１６Ｂ・１６Ｃを例えばＣＯＬＤ  ＳＩＤＥ、第２電極１８Ａ・１８Ｂ・１８Ｃを例えばＨＯＴ  ＳＩＤＥに配置することで、複数の熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃを直列に接続した構成を備える熱電発電装置４００が得られる。
【０２２１】
複数の熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃは更に多層化され、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／…ＧａＮ／基板のように分極不連続が起こるように膜を積層することで、各ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に２ＤＥＧ層、または２ＤＨＧ層、もしくはその両方が形成されることで、電気伝導率σを上げることができる。
【０２２２】
分極不連続が起こることが重要であるため、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮの積層構造やＡｌＧａＮ／ＧａＡｓ／Ｓｉ／ＡｌＧａＮなどのような積層構造を備える熱電変換素子を適用しても良い。
【０２２３】
また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ／…／基板のようにそれらを組み合せた積層構造を備える熱電変換素子を適用しても良い。
【０２２４】
また、第８の実施の形態によれば、上記の実施の形態のいずれかに開示された熱電変換素子を複数個直列に接続することによって、高出力化可能な熱電発電装置を提供することも可能である。
【０２２５】
[第９の実施の形態]
第９の実施の形態に係る熱電発電装置４００であって、模式的上面構成は、図２１（ａ）に示すように表され、模式的鳥瞰構成は、図２１（ｂ）に示すように表される。
【０２２６】
第９の実施の形態に係る熱電発電装置４００は、図２１（ａ）・図２１（ｂ）に示すように、二つの以上の電気伝導層（２ＤＥＧ、２ＤＨＧ）を有する積層構造を有する複数の熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃを直列に接続した構成を備える。
【０２２７】
第９の実施の形態に係る熱電発電装置４００に適用される熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃは、図２１（ａ）・図２１（ｂ）に示すように、サファイア基板１００と、サファイア基板１００上に配置されるＧａＮ層１２1Ａ・１２1Ｂ・１２1Ｃと、ＧａＮ層１２1Ａ・１２1Ｂ・１２1Ｃ上に配置されるＡｌＧａＮ層１４1Ａ・１４1Ｂ・１４1Ｃと、ＡｌＧａＮ層１４1Ａ・１４1Ｂ・１４1Ｃ上に配置されるＧａＮ層１２2Ａ・１２2Ｂ・１２2Ｃと、ＧａＮ層１２2Ａ・１２2Ｂ・１２2Ｃ上に配置されるＡｌＧａＮ層１４2Ａ・１４2Ｂ・１４2Ｃとを備える。
【０２２８】
また、ＧａＮ層１２1Ａ・１２1Ｂ・１２1ＣとＡｌＧａＮ層１４1Ａ・１４1Ｂ・１４1Ｃとの界面に形成された２ＤＥＧ層と、ＡｌＧａＮ層１４1Ａ・１４1Ｂ・１４1ＣとＧａＮ層１２2Ａ・１２2Ｂ・１２2Ｃの界面に形成された２ＤＨＧ層と、ＧａＮ層１２2Ａ・１２2Ｂ・１２2ＣとＡｌＧａＮ層１４2Ａ・１４2Ｂ・１４2Ｃとの界面に形成された２ＤＥＧ層とを備える。
【０２２９】
また、積層構造の側壁部に配置され、２ＤＥＧ層と側壁部でオーミック接触する第１電極１６ＡＥ・１６ＢＥ・１６ＣＥおよび第２電極１８ＡＥ・１８ＢＥ・１８ＣＥと、２ＤＨＧ層と側壁部でオーミック接触する第１電極１６ＡＨ・１６ＢＨ・１６ＣＨおよび第２電極１８ＡＨ・１８ＢＨ・１８ＣＨとを備える。このため、第９の実施の形態に係る熱電発電装置４００に適用される熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃの導通に寄与するキャリアは、２ＤＥＧ層を導通する電子・２ＤＨＧを導通する正孔である。
【０２３０】
また、第１電極１６ＡＥ・１６ＡＨと結合される主電極３２Ａと、第２電極１８ＡＥ・１８ＡＨと第２電極１８ＢＥ・１８ＢＨ間を結合する結合電極３０ＡＢと、第１電極１６ＢＥ・１６ＢＨと第１電極１６ＣＥ・１６ＣＨ間を結合する結合電極３０ＢＣと、第２電極１８ＣＥ・１８ＣＨと結合される主電極３２Ｃとを備える。
【０２３１】
図示は省略されているが、主電極３２Ａ・３２Ｃ間に負荷を接続し、第１電極１６ＡＥ・１６ＡＨ・１６ＢＥ・１６ＢＨ・１６ＣＥ・１６ＣＨを例えばＣＯＬＤ  ＳＩＤＥ、第２電極１８ＡＥ・１８ＡＨ・１８ＢＥ・１８ＢＨ・１８ＣＥ・１８ＣＨを例えばＨＯＴ  ＳＩＤＥに配置することで、複数の熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃを直列に接続した構成を備える熱電発電装置４００が得られる。
【０２３２】
複数の熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃは更に多層化され、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／…ＧａＮ／基板のように分極不連続が起こるように膜を積層することで、各ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に２ＤＥＧ層、または２ＤＨＧ層、もしくはその両方が形成されることで、電気伝導率σを上げることができる。
【０２３３】
分極不連続が起こることが重要であるため、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮの積層構造やＡｌＧａＮ／ＧａＡｓ／Ｓｉ／ＡｌＧａＮなどのような積層構造を備える熱電変換素子を適用しても良い。
【０２３４】
また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ／…／基板のようにそれらを組み合せた積層構造を備える熱電変換素子を適用しても良い。
【０２３５】
また、第９の実施の形態に係る熱電発電装置４００に適用される熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃは、２ＤＥＧ層と２ＤＨＧ層の両方を形成可能であり、かつ両者を導通に寄与させることができるため、一素子でｐ型・ｎ型両方の熱電変換素子を形成可能である。
【０２３６】
また、第９の実施の形態によれば、上記の実施の形態のいずれかに開示された熱電変換素子を複数個直列に接続することによって、高出力化可能な熱電発電装置を提供することも可能である。
【０２３７】
[第１０の実施の形態]
第１０の実施の形態に係る熱電発電装置４００であって、模式的上面構成は、図２２（ａ）に示すように表され、模式的鳥瞰構成は、図２２（ｂ）に示すように表される。
【０２３８】
第１０の実施の形態に係る熱電発電装置４００は、図２２（ａ）・図２２（ｂ）に示すように、二つの以上の電気伝導層（２ＤＥＧ、２ＤＨＧ）を有する積層構造を有する複数の熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃを直列に接続した構成を備える。
【０２３９】
第１０の実施の形態に係る熱電発電装置４００に適用される熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃは、図２２（ａ）・図２２（ｂ）に示すように、サファイア基板１００と、サファイア基板１００上に配置されるＧａＮ層１２1Ａ・１２1Ｂ・１２1Ｃと、ＧａＮ層１２1Ａ・１２1Ｂ・１２1Ｃ上に配置されるＡｌＧａＮ層１４1Ａ・１４1Ｂ・１４1Ｃと、ＡｌＧａＮ層１４1Ａ・１４1Ｂ・１４1Ｃ上に配置されるＧａＮ層１２2Ａ・１２2Ｂ・１２2Ｃと、ＧａＮ層１２2Ａ・１２2Ｂ・１２2Ｃ上に配置されるＡｌＧａＮ層１４2Ａ・１４2Ｂ・１４2Ｃとを備える。
【０２４０】
また、ＧａＮ層１２1Ａ・１２1Ｂ・１２1ＣとＡｌＧａＮ層１４1Ａ・１４1Ｂ・１４1Ｃとの界面に形成された２ＤＥＧ層と、ＡｌＧａＮ層１４1Ａ・１４1Ｂ・１４1ＣとＧａＮ層１２2Ａ・１２2Ｂ・１２2Ｃの界面に形成された２ＤＨＧ層と、ＧａＮ層１２2Ａ・１２2Ｂ・１２2ＣとＡｌＧａＮ層１４2Ａ・１４2Ｂ・１４2Ｃとの界面に形成された２ＤＥＧ層とを備える。
【０２４１】
また、積層構造の側壁部に配置され、２ＤＥＧ層と側壁部でオーミック接触する第１電極１６ＡＥ・１６ＣＥおよび第２電極１８ＡＥ・１８ＣＥと、２ＤＨＧ層と側壁部でオーミック接触する第１電極１６ＢＨおよび第２電極１８ＢＨとを備える。ここで、第１電極１６ＡＥ・１６ＣＥおよび第２電極１８ＡＥ・１８ＣＥは、２ＤＨＧ層とは、側壁部でオーミック接触することはなく、例えばショットキー接触している。第１電極１６ＢＨおよび第２電極１８ＢＨは、２ＤＥＧ層とは、側壁部でオーミック接触することはなく、例えばショットキー接触している。
【０２４２】
このため、第１０の実施の形態に係る熱電発電装置４００に適用される熱電変換素子１０Ａ・１０Ｃの導通に寄与するキャリアは、２ＤＥＧ層を導通する電子であり、熱電変換素子１０Ｂの導通に寄与するキャリアは、２ＤＨＧ層を導通する正孔である。
【０２４３】
また、第１電極１６ＡＥと結合される主電極３２Ａと、第２電極１８ＡＥと第２電極１８ＢＨ間を結合する結合電極３０ＡＢと、第１電極１６ＢＨと第１電極１６ＣＥ間を結合する結合電極３０ＢＣと、第２電極１８ＣＥと結合される主電極３２Ｃとを備える。
【０２４４】
図示は省略されているが、主電極３２Ａ・３２Ｃ間に負荷を接続し、第１電極１６ＡＥ・１６ＢＨ・１６ＣＥを例えばＣＯＬＤ  ＳＩＤＥ、第２電極１８ＡＥ・１８ＢＨ・１８ＣＥを例えばＨＯＴ  ＳＩＤＥに配置することで、複数の熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃを直列に接続した構成を備える熱電発電装置４００が得られる。
【０２４５】
複数の熱電変換素子１０Ａ・１０Ｂ・１０Ｃは更に多層化され、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／…ＧａＮ／基板のように分極不連続が起こるように膜を積層することで、各ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面に２ＤＥＧ層、または２ＤＨＧ層、もしくはその両方が形成されることで、電気伝導率σを上げることができる。
【０２４６】
分極不連続が起こることが重要であるため、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮの積層構造やＡｌＧａＮ／ＧａＡｓ／Ｓｉ／ＡｌＧａＮなどのような積層構造を備える熱電変換素子を適用しても良い。
【０２４７】
また、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ／…／基板のようにそれらを組み合せた積層構造を備える熱電変換素子を適用しても良い。
【０２４８】
また、第１０の実施の形態によれば、上記の実施の形態のいずれかに開示された熱電変換素子を複数個直列に接続することによって、高出力化可能な熱電発電装置を提供することも可能である。
【０２４９】
本実施の形態によれば、キャリア濃度ｎが増加するとゼーベック係数Ｓが低減するトレードオフを、ゼーベック係数ＳのＶ字回復現象を利用することで、解決するだけでなく、積層化が可能である分極材料における分極不連続を形成し、積層させることにより、ゼーベック係数Ｓと電気伝導率σのトレードオフも解決し、高い無次元性能指数ＺＴの実現を図る熱電変換素子およびこの熱電変換素子を用いた熱電発電装置を提供することができる。
【０２５０】
本実施の形態によれば、また、積層構造を利用した場合、１素子の中にｎ型／ｐ型の両方を形成することで、更なる電気伝導率σの向上を図る熱電変換素子およびこの熱電変換素子を用いた熱電発電装置を提供することができる。
【０２５１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、キャリア濃度とゼーベック係数のトレードオフ、およびゼーベック係数と電気伝導率のトレードオフを改善し、高電気伝導率で積層化可能な熱電変換素子およびこの熱電変換素子を用いた熱電発電装置およびペルチェ装置を提供することができる。
【０２５２】
[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態について記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この実施の形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【０２５３】
このように、本実施の形態はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。
【産業上の利用可能性】
【０２５４】
本実施の形態の熱電変換素子および熱電発電装置は、熱電発電システムなど熱電変換素子により発電したエネルギーを効率よく供給する装置およびシステムに適用され、モバイル機器、車載機器、産業機器、医療機器などの幅広い分野に適用可能である。また、本実施の形態に係る熱電変換素子を適用したペルチェ装置においては、投入したエネルギーを効率良く温度差に変換する装置およびシステムに適用され、モバイル機器、車載機器、産業機器、医療機器などの幅広い分野に適用可能である。
【符号の説明】
【０２５５】
８…シリコン基板
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…熱電変換素子
１１…ＧａＮテンプレート
１２、１２1、１２2、１２3、１２4…第１材料層（ＧａＮ層）
１３…ＡｌＮ層
１４、１４1、１４2、１４3、１４4、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ…第２材料層（ＡｌＧａＮ層）
１６、１６1、１６2、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６ＡＥ、１６ＢＥ、１６ＣＥ、１６ＡＨ、１６ＢＨ、１６ＣＨ…電極（COLD SIDE）
１８、１８1、１８2、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８ＡＥ、１８ＢＥ、１８ＣＥ、１８ＡＨ、１８ＢＨ、１８ＣＨ…電極（HOT SIDE）
２０1、２０2…分極材料層
２０Ａ、２０Ｂ…材料層
２２、２２Ａ、２２Ｂ…電圧プローブ
２４、２４Ａ、２４Ｂ…熱電対
２６、２６1、２６2、…、２６n…ｐ型半導体
２８、２８1、２８2、…、２８n…ｎ型半導体
３０、３０ＡＢ、３０ＢＣ…結合電極
３２、３２1、３２2、…、３２n…ｎ側電極
３２Ａ、３２Ｃ…主電極
３４、３４1、３４2、…、３４n…ｐ側電極
３６…負荷
３８…ヒートシンク
４０…熱交換器
４２、４４……伝熱部材
４５…配線
１００…サファイア基板
２００…ヒートシンク
３００…ヒータ
４００Ａ、４００…熱電発電装置
ΔＴ…温度変化（温度差）
ＩO…出力電流
ＶO…出力電圧
μ…移動度
ｎ…キャリア濃度
σ…電気伝導率
Ｓ…ゼーベック係数
ＺＴ…無次元性能指数
κ…熱伝導率
【図１】
0006609109.tif 000002
【図２】
0006609109.tif 000003
【図３】
0006609109.tif 000004
【図４】
0006609109.tif 000005
【図５】
0006609109.tif 000006
【図６】
0006609109.tif 000007
【図７】
0006609109.tif 000008
【図８】
0006609109.tif 000009
【図９】
0006609109.tif 000010
【図１０】
0006609109.tif 000011
【図１１】
0006609109.tif 000012
【図１２】
0006609109.tif 000013
【図１３】
0006609109.tif 000014
【図１４】
0006609109.tif 000015
【図１５】
0006609109.tif 000016
【図１６】
0006609109.tif 000017
【図１７】
0006609109.tif 000018
【図１８】
0006609109.tif 000019
【図１９】
0006609109.tif 000020
【図２０】
0006609109.tif 000021
【図２１】
0006609109.tif 000022
【図２２】
0006609109.tif 000023