JP2000244023A - 熱電変換装置 - Google Patents
熱電変換装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ｐ型半導体を備えてなるｐ型熱電変換層７と
ｎ型半導体を備えてなるｎ型熱電変換層４を熱吸収導電
体１１を介して電気的に直列接続し、その両端に熱起電
力を取り出す電極１２，１３を設けてなる熱電変換装置
であって、高感度・高検出能化が可能なものを提供す
る。 【解決手段】 ｐ型熱電変換層７とｎ型熱電変換層４の
少なくとも何れか一方が、不純物を添加したキャリア供
給層４ｂ，７ｂと、バンドギャップがキャリア供給層４
ｂ，７ｂのバンドギャップより小さい高純度層４ａ，７
ａとからなるヘテロ構造を有する。
ｎ型半導体を備えてなるｎ型熱電変換層４を熱吸収導電
体１１を介して電気的に直列接続し、その両端に熱起電
力を取り出す電極１２，１３を設けてなる熱電変換装置
であって、高感度・高検出能化が可能なものを提供す
る。 【解決手段】 ｐ型熱電変換層７とｎ型熱電変換層４の
少なくとも何れか一方が、不純物を添加したキャリア供
給層４ｂ，７ｂと、バンドギャップがキャリア供給層４
ｂ，７ｂのバンドギャップより小さい高純度層４ａ，７
ａとからなるヘテロ構造を有する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ｐ型またはｎ型半
導体を備えてなる熱電変換層の両端に熱起電力を取り出
す電極を設けてなる熱電変換装置、或いは、ｐ型半導体
を備えてなるｐ型熱電変換層とｎ型半導体を備えてなる
ｎ型熱電変換層を熱吸収導電体を介して電気的に直列接
続し、その両端に熱起電力を取り出す電極を設けてなる
熱電変換装置に関し、より具体的には、かかる熱電変換
装置の高感度・高検出能化技術に関する。
導体を備えてなる熱電変換層の両端に熱起電力を取り出
す電極を設けてなる熱電変換装置、或いは、ｐ型半導体
を備えてなるｐ型熱電変換層とｎ型半導体を備えてなる
ｎ型熱電変換層を熱吸収導電体を介して電気的に直列接
続し、その両端に熱起電力を取り出す電極を設けてなる
熱電変換装置に関し、より具体的には、かかる熱電変換
装置の高感度・高検出能化技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種の熱電変換装置は、半導体の熱電
効果であるゼーベック効果によって熱吸収導電体と電極
間の温度差によってｐ型及びｎ型各半導体内で発生する
熱起電力を両電極から取り出す構成となっている。
効果であるゼーベック効果によって熱吸収導電体と電極
間の温度差によってｐ型及びｎ型各半導体内で発生する
熱起電力を両電極から取り出す構成となっている。
【発明が解決しようとする課題】上記した熱電変換装置
を赤外線センサ等として利用する場合において、高感度
・高検出能化を図るためには、以下に説明するように、
熱電変換層の導電性を高める必要がある。 感度Ｒ（単位：Ｖ／Ｗ）は数１、検出能Ｄ（単位：ｃｍ
（Ｈｚ）1/2 ／Ｗ）は数２で夫々表される。
を赤外線センサ等として利用する場合において、高感度
・高検出能化を図るためには、以下に説明するように、
熱電変換層の導電性を高める必要がある。 感度Ｒ（単位：Ｖ／Ｗ）は数１、検出能Ｄ（単位：ｃｍ
（Ｈｚ）1/2 ／Ｗ）は数２で夫々表される。
【０００３】
【数１】Ｒ＝αＳＲth
【数２】Ｄ＝Ｒ（ＡΔｆ／（４ｋB ＴＲel））1/2
【０００４】ここで、αは熱吸収係数、Ｓはゼーベック
係数、Ｒthは熱抵抗、Ａは熱吸収体の面積、Δｆは帯域
幅、ｋB はボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｒelは電気
抵抗を示す。数２より、導電性を高めると、即ち、Ｒel
の低抵抗化を図ると熱雑音（４ｋBＴＲel）が減少して
検出能Ｄの向上が図れる。
係数、Ｒthは熱抵抗、Ａは熱吸収体の面積、Δｆは帯域
幅、ｋB はボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｒelは電気
抵抗を示す。数２より、導電性を高めると、即ち、Ｒel
の低抵抗化を図ると熱雑音（４ｋBＴＲel）が減少して
検出能Ｄの向上が図れる。
【０００５】しかしながら、図５に示すように、ゼーベ
ック係数と不純物濃度が、不純物濃度が増加するとゼー
ベック係数値が低下する関係にあるため、熱電変換層の
導電性を高めるために熱電変換層の不純物濃度を高くす
ると、逆にゼーベック係数値が低下し、感度が低下す
る。この結果、不純物濃度を高くして熱電変換層の導電
性を高めても、感度特性の改善を図ることは極めて困難
であることが分かる。
ック係数と不純物濃度が、不純物濃度が増加するとゼー
ベック係数値が低下する関係にあるため、熱電変換層の
導電性を高めるために熱電変換層の不純物濃度を高くす
ると、逆にゼーベック係数値が低下し、感度が低下す
る。この結果、不純物濃度を高くして熱電変換層の導電
性を高めても、感度特性の改善を図ることは極めて困難
であることが分かる。
【０００６】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、ｐ型半導体を備えてなるｐ型
熱電変換層とｎ型半導体を備えてなるｎ型熱電変換層を
熱吸収導電体を介して電気的に直列接続し、その両端に
熱起電力を取り出す電極を設けてなる熱電変換装置であ
って、高感度・高検出能化が可能なものを提供する点に
ある。
ものであり、その目的は、ｐ型半導体を備えてなるｐ型
熱電変換層とｎ型半導体を備えてなるｎ型熱電変換層を
熱吸収導電体を介して電気的に直列接続し、その両端に
熱起電力を取り出す電極を設けてなる熱電変換装置であ
って、高感度・高検出能化が可能なものを提供する点に
ある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明に係る熱電変換装置の第一の特徴構成は、特許
請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、ｐ型半導体
を備えてなるｐ型熱電変換層とｎ型半導体を備えてなる
ｎ型熱電変換層の内の少なくとも何れか一方の熱電変換
層を有し、その熱電変換層の両端に熱起電力を取り出す
電極を設けてなる熱電変換装置であって、前記熱電変換
層が、不純物を添加したキャリア供給層と、バンドギャ
ップが前記キャリア供給層のバンドギャップより小さい
高純度層とからなるヘテロ構造を有する点にある。
の本発明に係る熱電変換装置の第一の特徴構成は、特許
請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、ｐ型半導体
を備えてなるｐ型熱電変換層とｎ型半導体を備えてなる
ｎ型熱電変換層の内の少なくとも何れか一方の熱電変換
層を有し、その熱電変換層の両端に熱起電力を取り出す
電極を設けてなる熱電変換装置であって、前記熱電変換
層が、不純物を添加したキャリア供給層と、バンドギャ
ップが前記キャリア供給層のバンドギャップより小さい
高純度層とからなるヘテロ構造を有する点にある。
【０００８】同第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項２に記載した如く、ｐ型半導体を備えてなるｐ
型熱電変換層とｎ型半導体を備えてなるｎ型熱電変換層
を熱吸収導電体を介して電気的に直列接続し、その両端
に熱起電力を取り出す電極を設けてなる熱電変換装置で
あって、前記ｐ型熱電変換層と前記ｎ型熱電変換層の少
なくとも何れか一方が、不純物を添加したキャリア供給
層と、バンドギャップが前記キャリア供給層のバンドギ
ャップより小さい高純度層とからなるヘテロ構造を有す
る点にある。
の請求項２に記載した如く、ｐ型半導体を備えてなるｐ
型熱電変換層とｎ型半導体を備えてなるｎ型熱電変換層
を熱吸収導電体を介して電気的に直列接続し、その両端
に熱起電力を取り出す電極を設けてなる熱電変換装置で
あって、前記ｐ型熱電変換層と前記ｎ型熱電変換層の少
なくとも何れか一方が、不純物を添加したキャリア供給
層と、バンドギャップが前記キャリア供給層のバンドギ
ャップより小さい高純度層とからなるヘテロ構造を有す
る点にある。
【０００９】尚、熱吸収導電体は、ｐ型及びｎ型各半導
体を電気的に接続して両熱電変換層で発生した熱起電力
を直列して両電極間から取り出せるようにするための電
気接続媒体として機能するとともに、雰囲気中の熱エネ
ルギを吸収して各熱電変換層の熱吸収導電体に接する部
分に熱を伝導して電極に接する部分と熱吸収導電体に接
する部分との間に温度差を形成するための熱吸収体とし
て機能する。また、熱吸収導電体は、電気接続媒体及び
熱吸収体としての両機能を具備している限りにおいて、
両機能を夫々個別の材料で形成した複合体であっても、
単一材料で形成した単一体であっても構わない。
体を電気的に接続して両熱電変換層で発生した熱起電力
を直列して両電極間から取り出せるようにするための電
気接続媒体として機能するとともに、雰囲気中の熱エネ
ルギを吸収して各熱電変換層の熱吸収導電体に接する部
分に熱を伝導して電極に接する部分と熱吸収導電体に接
する部分との間に温度差を形成するための熱吸収体とし
て機能する。また、熱吸収導電体は、電気接続媒体及び
熱吸収体としての両機能を具備している限りにおいて、
両機能を夫々個別の材料で形成した複合体であっても、
単一材料で形成した単一体であっても構わない。
【００１０】同第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項３に記載した如く、上記第二の特徴構成に加え
て、前記ｐ型熱電変換層と前記ｎ型熱電変換層の両方が
前記ヘテロ構造を有する点にある。
の請求項３に記載した如く、上記第二の特徴構成に加え
て、前記ｐ型熱電変換層と前記ｎ型熱電変換層の両方が
前記ヘテロ構造を有する点にある。
【００１１】同第四の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項４に記載した如く、上記第二または第三の特徴
構成に加えて、前記高純度層の前記キャリア供給層との
界面近傍の内、少なくとも前記熱吸収導電体と前記電極
と前記熱電変換層の厚み方向に重なる部分に２次元電子
ガス或いは２次元正孔ガスが形成されてなる点にある。
の請求項４に記載した如く、上記第二または第三の特徴
構成に加えて、前記高純度層の前記キャリア供給層との
界面近傍の内、少なくとも前記熱吸収導電体と前記電極
と前記熱電変換層の厚み方向に重なる部分に２次元電子
ガス或いは２次元正孔ガスが形成されてなる点にある。
【００１２】同第五の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項５に記載した如く、上記第二、第三または第四
の特徴構成に加えて、所定の基板上に前記ｎ型熱電変換
層と前記ｐ型熱電変換層が積層されてなる点にある。
の請求項５に記載した如く、上記第二、第三または第四
の特徴構成に加えて、所定の基板上に前記ｎ型熱電変換
層と前記ｐ型熱電変換層が積層されてなる点にある。
【００１３】同第六の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項６に記載した如く、上記第五の特徴構成に加え
て、前記ｎ型熱電変換層と前記ｐ型熱電変換層と前記熱
吸収導電体と前記電極とを備えてなる前記熱電変換装置
を前記基板上に複数形成してなる点にある。
の請求項６に記載した如く、上記第五の特徴構成に加え
て、前記ｎ型熱電変換層と前記ｐ型熱電変換層と前記熱
吸収導電体と前記電極とを備えてなる前記熱電変換装置
を前記基板上に複数形成してなる点にある。
【００１４】同第七の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項７に記載した如く、上記第一、第二、第三、第
四、第五または第六の特徴構成に加えて、前記キャリア
供給層と前記高純度層の材料構成（キャリア供給層／高
純度層）が、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ／Ｉ
ｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／Ａ
ｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡ
ｓ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＰ／
ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ
／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ／ＩｎＡｓ、ＡｌＧａＮ／Ｇａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ／ＳｉＣ、ＧａＮ／ＳｉＣ、ＧａＮ／Ｉ
ｎＧａＮ、及び、Ｓｉ／ＳｉＧｅの内の何れかである点
にある。
の請求項７に記載した如く、上記第一、第二、第三、第
四、第五または第六の特徴構成に加えて、前記キャリア
供給層と前記高純度層の材料構成（キャリア供給層／高
純度層）が、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ／Ｉ
ｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／Ａ
ｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡ
ｓ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＰ／
ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ
／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ／ＩｎＡｓ、ＡｌＧａＮ／Ｇａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ／ＳｉＣ、ＧａＮ／ＳｉＣ、ＧａＮ／Ｉ
ｎＧａＮ、及び、Ｓｉ／ＳｉＧｅの内の何れかである点
にある。
【００１５】以下に作用並びに効果を説明する。本発明
に係る熱電変換装置の第一または第二の特徴構成によれ
ば、例えば、ｎ型熱電変換層に前記ヘテロ構造を採用す
ると、ｎ型の前記キャリア供給層において電極に接する
部分と熱吸収導電体に接する部分の温度差により高温側
から低温側にかけてドナー不純物から発生した電子の濃
度傾斜が発生し、それに伴う電子の拡散を抑制する方向
に電界が形成される。また、高温側の高濃度の電子は、
高抵抗の前記キャリア供給層を拡散せずに、バンドギャ
ップが前記キャリア供給層のバンドギャップより小さい
前記高純度層側へ移動する。また、前記キャリア供給層
のバンドギャップが前記高純度層より大きいため、前記
高純度層側の界面近傍にポテンシャルの低い領域が形成
されることにより、前記キャリア供給層側から供給され
た当該電子はこの界面近傍に集中し、また、その界面が
前記高純度層側から見て電子に対してエネルギ障壁とな
るため、所謂２次元電子ガスを形成し、界面に沿って極
めて高い移動度、つまり高導電性を示すのである。この
結果、熱電変換機能と導電機能を前記ヘテロ接合界面を
挟んで分離し、独立して制御できるため、ゼーベック係
数値を低下させることなく、高導電性を確保でき、従来
困難とされていた熱電変換層の高感度・高検出能化が図
れるのである。また、ｎ型熱電変換層についての上記説
明において、電子を正孔と、ドナーをアクセプタと読み
替えて、正負極性を反転すれば、前記ヘテロ構造をｐ型
熱電変換層に採用した場合についても、同様の作用効果
を奏することが説明される。
に係る熱電変換装置の第一または第二の特徴構成によれ
ば、例えば、ｎ型熱電変換層に前記ヘテロ構造を採用す
ると、ｎ型の前記キャリア供給層において電極に接する
部分と熱吸収導電体に接する部分の温度差により高温側
から低温側にかけてドナー不純物から発生した電子の濃
度傾斜が発生し、それに伴う電子の拡散を抑制する方向
に電界が形成される。また、高温側の高濃度の電子は、
高抵抗の前記キャリア供給層を拡散せずに、バンドギャ
ップが前記キャリア供給層のバンドギャップより小さい
前記高純度層側へ移動する。また、前記キャリア供給層
のバンドギャップが前記高純度層より大きいため、前記
高純度層側の界面近傍にポテンシャルの低い領域が形成
されることにより、前記キャリア供給層側から供給され
た当該電子はこの界面近傍に集中し、また、その界面が
前記高純度層側から見て電子に対してエネルギ障壁とな
るため、所謂２次元電子ガスを形成し、界面に沿って極
めて高い移動度、つまり高導電性を示すのである。この
結果、熱電変換機能と導電機能を前記ヘテロ接合界面を
挟んで分離し、独立して制御できるため、ゼーベック係
数値を低下させることなく、高導電性を確保でき、従来
困難とされていた熱電変換層の高感度・高検出能化が図
れるのである。また、ｎ型熱電変換層についての上記説
明において、電子を正孔と、ドナーをアクセプタと読み
替えて、正負極性を反転すれば、前記ヘテロ構造をｐ型
熱電変換層に採用した場合についても、同様の作用効果
を奏することが説明される。
【００１６】同第三の特徴構成によれば、ｐ型及びｎ型
の両熱電変換層で、高感度・高検出能化が図れるため、
片方の熱電変換層のみを前記ヘテロ構造とする場合と比
べてより高感度・高検出能化が図れる。
の両熱電変換層で、高感度・高検出能化が図れるため、
片方の熱電変換層のみを前記ヘテロ構造とする場合と比
べてより高感度・高検出能化が図れる。
【００１７】ところで、上記した２次元電子ガス或いは
２次元正孔ガスは前記キャリア供給層の膜厚や熱吸収導
電体と電極間の膜厚方向の電界強度等の条件に依存して
形成されない場合もあり得る。つまり、前記キャリア供
給層の膜厚が薄いと、ｎ型の熱電変換層の場合では、ド
ナー不純物から発生した自由電子の前記高純度層に移動
する電子の数が十分に得られなくなり、２次元電子ガス
が形成されないわけである。尚、２次元電子ガスはｎ型
の熱電変換層に対して、２次元正孔ガスはｐ型の熱電変
換層に対して形成されることは既に説明した通りであ
る。
２次元正孔ガスは前記キャリア供給層の膜厚や熱吸収導
電体と電極間の膜厚方向の電界強度等の条件に依存して
形成されない場合もあり得る。つまり、前記キャリア供
給層の膜厚が薄いと、ｎ型の熱電変換層の場合では、ド
ナー不純物から発生した自由電子の前記高純度層に移動
する電子の数が十分に得られなくなり、２次元電子ガス
が形成されないわけである。尚、２次元電子ガスはｎ型
の熱電変換層に対して、２次元正孔ガスはｐ型の熱電変
換層に対して形成されることは既に説明した通りであ
る。
【００１８】さて、同第四の特徴構成によれば、前記高
純度層の前記キャリア供給層との界面近傍の内の前記熱
吸収導電体と前記電極と前記熱電変換層の厚み方向に重
なる部分の間に、２次元電子ガス或いは２次元正孔ガス
が形成されない場合もあり得るが、かかる場合であって
も、高温側の高濃度の電子或いは正孔が前記高純度層に
移動することで、かかる電子または正孔が低温側へ前記
高純度層を通って伝導するので、前記ヘテロ構造を採用
しない場合と比較して高導電性が確保されるのである。
純度層の前記キャリア供給層との界面近傍の内の前記熱
吸収導電体と前記電極と前記熱電変換層の厚み方向に重
なる部分の間に、２次元電子ガス或いは２次元正孔ガス
が形成されない場合もあり得るが、かかる場合であって
も、高温側の高濃度の電子或いは正孔が前記高純度層に
移動することで、かかる電子または正孔が低温側へ前記
高純度層を通って伝導するので、前記ヘテロ構造を採用
しない場合と比較して高導電性が確保されるのである。
【００１９】また、前記熱吸収導電体或いは前記電極と
前記界面近傍の内のそれらと重なる部分との間の直列抵
抗成分も十分に低く抑制する必要があるが、少なくとも
当該部分に２次元電子ガス或いは２次元正孔ガスが形成
されることにより、当該直列抵抗成分を十分に低くでき
るのである。
前記界面近傍の内のそれらと重なる部分との間の直列抵
抗成分も十分に低く抑制する必要があるが、少なくとも
当該部分に２次元電子ガス或いは２次元正孔ガスが形成
されることにより、当該直列抵抗成分を十分に低くでき
るのである。
【００２０】同第五の特徴構成によれば、ＭＢＥ（分子
線エピタキシ）法やＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成
長）法等の薄膜積層技術を利用して、前記所定の基板上
に前記ｎ型またはｐ型の熱電変換層を成膜し、その上に
他方の熱電変換層を成膜し、下層側の熱電変換層の一部
を露出させて、前記ｎ型またはｐ型の各熱電変換層に前
記熱吸収導電体と前記電極を夫々形成することにより、
本発明に係る熱電変換装置を一連の工程によって作製す
ることができるのである。更に、前記熱電変換装置の出
力電力を増幅等する信号処理用の周辺回路を同一基板上
に形成することで、前記熱電変換装置の高機能化を図る
ことができる。
線エピタキシ）法やＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成
長）法等の薄膜積層技術を利用して、前記所定の基板上
に前記ｎ型またはｐ型の熱電変換層を成膜し、その上に
他方の熱電変換層を成膜し、下層側の熱電変換層の一部
を露出させて、前記ｎ型またはｐ型の各熱電変換層に前
記熱吸収導電体と前記電極を夫々形成することにより、
本発明に係る熱電変換装置を一連の工程によって作製す
ることができるのである。更に、前記熱電変換装置の出
力電力を増幅等する信号処理用の周辺回路を同一基板上
に形成することで、前記熱電変換装置の高機能化を図る
ことができる。
【００２１】尚、前記所定の基板としては、Ｓｉ、Ｇａ
Ａｓ、サファイア、ガラス等、種々のものを、熱電変換
層の材料との組み合わせにおいて適宜選択して使用可能
である。
Ａｓ、サファイア、ガラス等、種々のものを、熱電変換
層の材料との組み合わせにおいて適宜選択して使用可能
である。
【００２２】同第六の特徴構成によれば、例えば、複数
の前記熱電変換装置を直列接続して高電圧を取り出すこ
とができ、また、並列接続することで大電流を取り出
せ、高性能化を図ることができるのである。また、前記
基板を複数チップにダイシングすることで、同一特性の
複数の熱電変換装置を、或いは、出力電圧や出力電流の
仕様値の異なる複数の熱電変換装置を同一基板から作製
することができるのである。
の前記熱電変換装置を直列接続して高電圧を取り出すこ
とができ、また、並列接続することで大電流を取り出
せ、高性能化を図ることができるのである。また、前記
基板を複数チップにダイシングすることで、同一特性の
複数の熱電変換装置を、或いは、出力電圧や出力電流の
仕様値の異なる複数の熱電変換装置を同一基板から作製
することができるのである。
【００２３】同第七の特徴構成によれば、前記キャリア
供給層と前記高純度層に、前記高純度層のバンドギャッ
プが前記キャリア供給層のバンドギャップより小さな組
み合わせのものが得られ、前記高純度層の前記界面近傍
に２次元電子ガス或いは２次元正孔ガスが形成され、上
記第一乃至第六の特徴構成による作用効果を具体的に実
現できるのである。
供給層と前記高純度層に、前記高純度層のバンドギャッ
プが前記キャリア供給層のバンドギャップより小さな組
み合わせのものが得られ、前記高純度層の前記界面近傍
に２次元電子ガス或いは２次元正孔ガスが形成され、上
記第一乃至第六の特徴構成による作用効果を具体的に実
現できるのである。
【００２４】また、本特徴構成の材料構成では、前記キ
ャリア供給層と前記高純度層間で概ね格子定数の近いも
のを選択してヘテロ接合界面での格子不整合を回避する
構成となっているが、Ｓｉ／ＳｉＧｅの組み合わせで
は、格子不整合を積極的に利用したひずみ超格子による
２次元電子ガス或いは２次元正孔ガスが形成される。
ャリア供給層と前記高純度層間で概ね格子定数の近いも
のを選択してヘテロ接合界面での格子不整合を回避する
構成となっているが、Ｓｉ／ＳｉＧｅの組み合わせで
は、格子不整合を積極的に利用したひずみ超格子による
２次元電子ガス或いは２次元正孔ガスが形成される。
【００２５】
【発明の実施の形態】本発明に係る熱電変換装置の一実
施の形態を図面に基づいて説明する。図１に示すよう
に、本発明に係る熱電変換装置の基本構造は、基板１上
に、ラテラルエッチングストッパ層２、第１分離層３、
ｎ型半導体を備えてなるｎ型熱電変換層４、第１オーミ
ック接触層５、第２分離層６、ｐ型半導体を備えてなる
ｐ型熱電変換層７、第２オーミック接触層８を順番に積
層し、前記ｎ型熱電変換層４と前記第１オーミック接触
層５、及び、前記第２分離層６から前記第２オーミック
接触層８までを各別に選択的にフォトエッチングして前
記ｎ型熱電変換層４と前記ｐ型熱電変換層７を階段状に
パターニングし、その上に絶縁保護膜９を成膜し、その
絶縁保護膜９の所定箇所にフォトエッチングによりオー
ミック接触用の窓１０を開口して前記ｎ型熱電変換層４
と前記ｐ型熱電変換層７の境界部の前記第１オーミック
接触層５と前記第２オーミック接触層８を露出させ熱吸
収導電体１１で接続し、前記ｎ型熱電変換層４の端部の
前記第１オーミック接触層５及び前記ｐ型熱電変換層７
の端部の前記第２オーミック接触層も同様にフォトエッ
チングにより露出させ、夫々の上に電極１２，１３を形
成した構造となっている。尚、この基本構造は従来のサ
ーモパイルと略同様の構造となっている。
施の形態を図面に基づいて説明する。図１に示すよう
に、本発明に係る熱電変換装置の基本構造は、基板１上
に、ラテラルエッチングストッパ層２、第１分離層３、
ｎ型半導体を備えてなるｎ型熱電変換層４、第１オーミ
ック接触層５、第２分離層６、ｐ型半導体を備えてなる
ｐ型熱電変換層７、第２オーミック接触層８を順番に積
層し、前記ｎ型熱電変換層４と前記第１オーミック接触
層５、及び、前記第２分離層６から前記第２オーミック
接触層８までを各別に選択的にフォトエッチングして前
記ｎ型熱電変換層４と前記ｐ型熱電変換層７を階段状に
パターニングし、その上に絶縁保護膜９を成膜し、その
絶縁保護膜９の所定箇所にフォトエッチングによりオー
ミック接触用の窓１０を開口して前記ｎ型熱電変換層４
と前記ｐ型熱電変換層７の境界部の前記第１オーミック
接触層５と前記第２オーミック接触層８を露出させ熱吸
収導電体１１で接続し、前記ｎ型熱電変換層４の端部の
前記第１オーミック接触層５及び前記ｐ型熱電変換層７
の端部の前記第２オーミック接触層も同様にフォトエッ
チングにより露出させ、夫々の上に電極１２，１３を形
成した構造となっている。尚、この基本構造は従来のサ
ーモパイルと略同様の構造となっている。
【００２６】ここで、前記熱吸収導電体１１は、前記ｎ
型熱電変換層４と前記ｐ型熱電変換層７の夫々に対し
て、各電極１２，１３との間で温度差を形成し、かかる
温度差により発生した熱起電力を直列して高電圧として
前記電極１２，１３から取り出せるように設けられてい
る。
型熱電変換層４と前記ｐ型熱電変換層７の夫々に対し
て、各電極１２，１３との間で温度差を形成し、かかる
温度差により発生した熱起電力を直列して高電圧として
前記電極１２，１３から取り出せるように設けられてい
る。
【００２７】また、本実施形態では、特に下層側の前記
ｎ型熱電変換層４の熱抵抗を高くして感度を改善し、更
に、熱電変換装置の応答時間を短縮すべく前記各熱電変
換層４，７の熱容量を低減するために、前記各熱電変換
層４，７を中空支持するためのブリッジ構造を採用して
いる。前記ラテラルエッチングストッパ層２は、前記基
板１の前記各熱電変換層４，７の下方に位置する部分を
エッチングしてブリッジ構造を形成する際のエッチング
ストッパである。前記ｎ型熱電変換層４は前記第１分離
層３により前記基板１側から電気的に絶縁分離され、前
記ｎ型熱電変換層４と前記ｐ型熱電変換層７が前記第２
分離層６により相互に電気的に絶縁分離されている。
ｎ型熱電変換層４の熱抵抗を高くして感度を改善し、更
に、熱電変換装置の応答時間を短縮すべく前記各熱電変
換層４，７の熱容量を低減するために、前記各熱電変換
層４，７を中空支持するためのブリッジ構造を採用して
いる。前記ラテラルエッチングストッパ層２は、前記基
板１の前記各熱電変換層４，７の下方に位置する部分を
エッチングしてブリッジ構造を形成する際のエッチング
ストッパである。前記ｎ型熱電変換層４は前記第１分離
層３により前記基板１側から電気的に絶縁分離され、前
記ｎ型熱電変換層４と前記ｐ型熱電変換層７が前記第２
分離層６により相互に電気的に絶縁分離されている。
【００２８】本発明に係る熱電変換装置では、前記ｎ型
熱電変換層４と前記ｐ型熱電変換層７の少なくとも何れ
か一方が、不純物を添加したキャリア供給層と、バンド
ギャップが前記キャリア供給層のバンドギャップより小
さい高純度層とからなるヘテロ構造を有する。以下に示
す実施形態では、図１に示すように、前記両熱電変換層
４，７とも前記ヘテロ構造を有し、前記ｎ型熱電変換層
４は高純度層４ａとｎ型キャリア供給層４ｂからなる前
記ヘテロ構造を有し、前記ｐ型熱電変換層７は高純度層
７ａとｐ型キャリア供給層７ｂからなる前記ヘテロ構造
を有する。
熱電変換層４と前記ｐ型熱電変換層７の少なくとも何れ
か一方が、不純物を添加したキャリア供給層と、バンド
ギャップが前記キャリア供給層のバンドギャップより小
さい高純度層とからなるヘテロ構造を有する。以下に示
す実施形態では、図１に示すように、前記両熱電変換層
４，７とも前記ヘテロ構造を有し、前記ｎ型熱電変換層
４は高純度層４ａとｎ型キャリア供給層４ｂからなる前
記ヘテロ構造を有し、前記ｐ型熱電変換層７は高純度層
７ａとｐ型キャリア供給層７ｂからなる前記ヘテロ構造
を有する。
【００２９】次に、本実施形態における各構成要素の材
料構成について説明する。前記基板１に半絶縁性のＩｎ
Ｐ基板１ａを使用し、前記ラテラルエッチングストッパ
層２として膜厚１００ｎｍのｉ−Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ
を、前記高純度層４ａ，７ａとして膜厚９００ｎｍのｉ
−Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓを、前記ｎ型キャリア供給層４ｂ
として膜厚１００ｎｍのｎ−ＩｎＰを、前記ｐ型キャリ
ア供給層７ｂとして膜厚１００ｎｍのｐ−ＩｎＰを、前
記第１及び第２分離層３，６として膜厚２００ｎｍのｉ
−ＩｎＰを、前記第１オーミック接触層５として膜厚１
００ｎｍのｎ+ −Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓを、前記第２オー
ミック接触層８として膜厚１００ｎｍのｐ + −Ｉｎx Ｇ
ａ1-x Ａｓを、夫々、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法等の半導
体薄膜積層技術を利用して形成する。
料構成について説明する。前記基板１に半絶縁性のＩｎ
Ｐ基板１ａを使用し、前記ラテラルエッチングストッパ
層２として膜厚１００ｎｍのｉ−Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓ
を、前記高純度層４ａ，７ａとして膜厚９００ｎｍのｉ
−Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓを、前記ｎ型キャリア供給層４ｂ
として膜厚１００ｎｍのｎ−ＩｎＰを、前記ｐ型キャリ
ア供給層７ｂとして膜厚１００ｎｍのｐ−ＩｎＰを、前
記第１及び第２分離層３，６として膜厚２００ｎｍのｉ
−ＩｎＰを、前記第１オーミック接触層５として膜厚１
００ｎｍのｎ+ −Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓを、前記第２オー
ミック接触層８として膜厚１００ｎｍのｐ + −Ｉｎx Ｇ
ａ1-x Ａｓを、夫々、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法等の半導
体薄膜積層技術を利用して形成する。
【００３０】前記各熱電変換層４，７において、Ｉｎx
Ｇａ1-x ＡｓとＩｎＰは、図２に示す各種半導体のバン
ドギャップＥg と格子定数の関係より、ＩｎＰのバンド
ギャップＥg2がＩｎx Ｇａ1-x ＡｓのバンドギャップＥ
g1に対してＥg2＞Ｅg1なる関係が満足されていることが
分かる。また、前記ｎ型キャリア供給層４ｂであるｎ−
ＩｎＰはＳｉ、Ｓｅ、Ｓ等の不純物を変調ドープにより
添加して形成し、前記ｐ型キャリア供給層７ｂであるｐ
−ＩｎＰはＭｇ等の不純物を変調ドープにより添加して
形成し、前記ｎ型及びｐ型キャリア供給層４ｂ，７ｂの
不純物濃度は夫々１０17〜１×１０18ｃｍ-3程度であ
り、前記高純度層４ａ，７ａのキャリア濃度は１０14ｃ
ｍ-3程度である。 また、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓの組成比ｘ
はＩｎＰと格子整合を取る場合、ｘ＝０．５３となり、
前記組成比ｘは０．５３近傍であるのが好ましい。従っ
て、上記のような材料構成の前記ヘテロ構造と変調ドー
プ構造とを採用することにより、前記ｎ型熱電変換層４
の前記高純度層４ａのヘテロ接合界面近傍に２次元電子
ガス１４及びｐ型各熱電変換層７の前記高純度層７ａの
ヘテロ接合界面近傍に２次元正孔ガス１５が形成され
る。また、Ｉｎx Ｇａ1-x ＡｓはＧａＡｓよりも高い電
子移動度を持つ材料として知られており、前記２次元電
子ガス１４や前記２次元正孔ガス１５の形成と相まって
前記各熱電変換層４，７の高導電性に寄与する。
Ｇａ1-x ＡｓとＩｎＰは、図２に示す各種半導体のバン
ドギャップＥg と格子定数の関係より、ＩｎＰのバンド
ギャップＥg2がＩｎx Ｇａ1-x ＡｓのバンドギャップＥ
g1に対してＥg2＞Ｅg1なる関係が満足されていることが
分かる。また、前記ｎ型キャリア供給層４ｂであるｎ−
ＩｎＰはＳｉ、Ｓｅ、Ｓ等の不純物を変調ドープにより
添加して形成し、前記ｐ型キャリア供給層７ｂであるｐ
−ＩｎＰはＭｇ等の不純物を変調ドープにより添加して
形成し、前記ｎ型及びｐ型キャリア供給層４ｂ，７ｂの
不純物濃度は夫々１０17〜１×１０18ｃｍ-3程度であ
り、前記高純度層４ａ，７ａのキャリア濃度は１０14ｃ
ｍ-3程度である。 また、Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓの組成比ｘ
はＩｎＰと格子整合を取る場合、ｘ＝０．５３となり、
前記組成比ｘは０．５３近傍であるのが好ましい。従っ
て、上記のような材料構成の前記ヘテロ構造と変調ドー
プ構造とを採用することにより、前記ｎ型熱電変換層４
の前記高純度層４ａのヘテロ接合界面近傍に２次元電子
ガス１４及びｐ型各熱電変換層７の前記高純度層７ａの
ヘテロ接合界面近傍に２次元正孔ガス１５が形成され
る。また、Ｉｎx Ｇａ1-x ＡｓはＧａＡｓよりも高い電
子移動度を持つ材料として知られており、前記２次元電
子ガス１４や前記２次元正孔ガス１５の形成と相まって
前記各熱電変換層４，７の高導電性に寄与する。
【００３１】ところで、前記ｎ型及びｐ型キャリア供給
層４ｂ，７ｂの膜厚は２次元電子ガス１４及び２次元正
孔ガス１５が確実に形成される膜厚として１００ｎｍと
しているが、当該膜厚は５０ｎｍから８０ｎｍ程度の範
囲で前記２次元電子ガス１４及び２次元正孔ガス１５が
形成されなくなる臨界値程度まで薄くすることも可能で
ある。
層４ｂ，７ｂの膜厚は２次元電子ガス１４及び２次元正
孔ガス１５が確実に形成される膜厚として１００ｎｍと
しているが、当該膜厚は５０ｎｍから８０ｎｍ程度の範
囲で前記２次元電子ガス１４及び２次元正孔ガス１５が
形成されなくなる臨界値程度まで薄くすることも可能で
ある。
【００３２】前記第１オーミック接触層５であるｎ+ −
Ｉｎx Ｇａ1-x ＡｓもＳｉ、Ｓｅ、Ｓ等の不純物を添加
して形成され、その不純物濃度は前記ｎ型キャリア供給
層４ｂより高濃度で５×１０18ｃｍ-3程度である。ま
た、前記第２オーミック接触層８であるｐ+ −Ｉｎx Ｇ
ａ1-x ＡｓもＭｇ等の不純物を添加して形成され、その
不純物濃度は前記ｐ型キャリア供給層７ｂより高濃度で
５×１０18ｃｍ-3程度である。前記第１オーミック接触
層５の不純物濃度を前記ｎ型キャリア供給層４ｂより高
濃度とすることにより、前記第１オーミック接触層５の
バンドギャップが前記ｎ型キャリア供給層４ｂより小さ
いことによる自由電子の流入を防止でき、更には、前記
第１オーミック接触層５内の電子も前記高純度層４ａに
移動して前記２次元電子ガス１４の形成に供せられるも
のと考えられる。これにより前記第１オーミック接触層
５内が空乏化して横方向の電気抵抗が高抵抗となり、更
に膜厚も薄いため、前記第１オーミック接触層５を介し
ての横方向の電気伝導が抑制される。また、本実施形態
の場合、電極金属としてＡｕ合金を使用する場合、前記
第２オーミック接触層８を設けなくてもオーミック接触
が可能と考えられるが、前記第２オーミック接触層８を
設けることにより電極金属としてＡｌ等のＡｕ合金以外
の金属の使用が可能となる。この結果、材料コストの低
減が図れ量産適応性が増すのである。
Ｉｎx Ｇａ1-x ＡｓもＳｉ、Ｓｅ、Ｓ等の不純物を添加
して形成され、その不純物濃度は前記ｎ型キャリア供給
層４ｂより高濃度で５×１０18ｃｍ-3程度である。ま
た、前記第２オーミック接触層８であるｐ+ −Ｉｎx Ｇ
ａ1-x ＡｓもＭｇ等の不純物を添加して形成され、その
不純物濃度は前記ｐ型キャリア供給層７ｂより高濃度で
５×１０18ｃｍ-3程度である。前記第１オーミック接触
層５の不純物濃度を前記ｎ型キャリア供給層４ｂより高
濃度とすることにより、前記第１オーミック接触層５の
バンドギャップが前記ｎ型キャリア供給層４ｂより小さ
いことによる自由電子の流入を防止でき、更には、前記
第１オーミック接触層５内の電子も前記高純度層４ａに
移動して前記２次元電子ガス１４の形成に供せられるも
のと考えられる。これにより前記第１オーミック接触層
５内が空乏化して横方向の電気抵抗が高抵抗となり、更
に膜厚も薄いため、前記第１オーミック接触層５を介し
ての横方向の電気伝導が抑制される。また、本実施形態
の場合、電極金属としてＡｕ合金を使用する場合、前記
第２オーミック接触層８を設けなくてもオーミック接触
が可能と考えられるが、前記第２オーミック接触層８を
設けることにより電極金属としてＡｌ等のＡｕ合金以外
の金属の使用が可能となる。この結果、材料コストの低
減が図れ量産適応性が増すのである。
【００３３】また、前記第１及び第２分離層３，６とし
て高純度のｉ−ＩｎＰを使用することで、高抵抗の絶縁
層として機能するとともに、ＩｎＰのバンドギャップが
Ｉｎ x Ｇａ1-x Ａｓより大きいことからキャリアの閉じ
込め効果も期待できるのである。尚、前記第１分離層３
は、前記基板１が絶縁性の高い高抵抗材料である場合は
必ずしも設ける必要はない。
て高純度のｉ−ＩｎＰを使用することで、高抵抗の絶縁
層として機能するとともに、ＩｎＰのバンドギャップが
Ｉｎ x Ｇａ1-x Ａｓより大きいことからキャリアの閉じ
込め効果も期待できるのである。尚、前記第１分離層３
は、前記基板１が絶縁性の高い高抵抗材料である場合は
必ずしも設ける必要はない。
【００３４】前記絶縁保護膜９は、階段状に形成された
前記ｎ型及びｐ型熱電変換層４，７の各オーミック接触
層５，８上に膜厚１００ｎｍのＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜、
ＳｉＯ2 膜等をＣＶＤ法やスパッタリング法等で成膜し
て形成される。前記オーミック接触用の窓１０は前記ｎ
型及びｐ型熱電変換層４，７の境界部と端部のｎ及びｐ
領域の各２カ所にフォトエッチングにより設けられてい
る。先ず、ｐ領域の窓１０にｐ型オーミック接触金属１
６であるＴｉＰｔＡｕを蒸着し、次に、ｎ領域の窓１０
にｎ型オーミック接触金属１７であるＡｕＧｅＮｉを蒸
着し、両オーミック接触金属１６，１７をアニールして
ｎ型及びｐ型オーミック接触を形成する。引き続き、前
記ｎ型及びｐ型熱電変換層４，７の両端部の両オーミッ
ク接触金属１６，１７と電気的に接続すべくＣｒ／Ａｕ
金属配線１８を前記両端部の両オーミック接触金属１
６，１７上と前記絶縁保護膜９上に蒸着形成する。従っ
て、前記両端部の両オーミック接触金属１６，１７と前
記Ｃｒ／Ａｕ金属配線１８により前記電極１２，１３が
構成される。また、前記Ｃｒ／Ａｕ金属配線１８は、後
述する複数の熱電変換装置を直列接続する場合の配線や
パッケージングする際のボンディング用パッドとしてパ
ターニングされる。
前記ｎ型及びｐ型熱電変換層４，７の各オーミック接触
層５，８上に膜厚１００ｎｍのＳｉＯＮ膜、ＳｉＮ膜、
ＳｉＯ2 膜等をＣＶＤ法やスパッタリング法等で成膜し
て形成される。前記オーミック接触用の窓１０は前記ｎ
型及びｐ型熱電変換層４，７の境界部と端部のｎ及びｐ
領域の各２カ所にフォトエッチングにより設けられてい
る。先ず、ｐ領域の窓１０にｐ型オーミック接触金属１
６であるＴｉＰｔＡｕを蒸着し、次に、ｎ領域の窓１０
にｎ型オーミック接触金属１７であるＡｕＧｅＮｉを蒸
着し、両オーミック接触金属１６，１７をアニールして
ｎ型及びｐ型オーミック接触を形成する。引き続き、前
記ｎ型及びｐ型熱電変換層４，７の両端部の両オーミッ
ク接触金属１６，１７と電気的に接続すべくＣｒ／Ａｕ
金属配線１８を前記両端部の両オーミック接触金属１
６，１７上と前記絶縁保護膜９上に蒸着形成する。従っ
て、前記両端部の両オーミック接触金属１６，１７と前
記Ｃｒ／Ａｕ金属配線１８により前記電極１２，１３が
構成される。また、前記Ｃｒ／Ａｕ金属配線１８は、後
述する複数の熱電変換装置を直列接続する場合の配線や
パッケージングする際のボンディング用パッドとしてパ
ターニングされる。
【００３５】前記ｎ型及びｐ型熱電変換層４，７の境界
部の窓１０に形成された両オーミック接触金属１６，１
７は一方の一部が他方の一部または全部に重なって形成
されており、前記ｎ型及びｐ型熱電変換層４，７が電気
的に直列接続されている。次に、当該境界部の前記両オ
ーミック接触金属１６，１７上にＡｕクラスタ等の熱吸
収体１９が蒸着され、リフトオフ法等により所定の平面
形状にパターニングされる。前記ｎ型及びｐ型熱電変換
層４，７の境界部の両オーミック接触金属１６，１７と
前記熱吸収体１９により前記熱吸収導電体１１が構成さ
れる。
部の窓１０に形成された両オーミック接触金属１６，１
７は一方の一部が他方の一部または全部に重なって形成
されており、前記ｎ型及びｐ型熱電変換層４，７が電気
的に直列接続されている。次に、当該境界部の前記両オ
ーミック接触金属１６，１７上にＡｕクラスタ等の熱吸
収体１９が蒸着され、リフトオフ法等により所定の平面
形状にパターニングされる。前記ｎ型及びｐ型熱電変換
層４，７の境界部の両オーミック接触金属１６，１７と
前記熱吸収体１９により前記熱吸収導電体１１が構成さ
れる。
【００３６】最終的に、前記ｎ型及びｐ型熱電変換層
４，７一対で構成される単体の熱電変換装置をマイクロ
マシーニング技術を用いて前記ＩｎＰ基板１ａを横方向
に異方性エッチングしてブリッジ構造とする。先ず、前
記ラテラルエッチングストッパ層２、前記第１分離層
３、前記絶縁保護膜９に異方性エッチング用の開口を形
成し、この開口部より所定のエッチャントで前記基板１
をエッチングして熱電変換装置の下部に深さ２００乃至
３００μｍ程度の空隙部２０を形成する。このとき、前
記ラテラルエッチングストッパ層２であるＩｎx Ｇａ
1-x Ａｓのエッチング速度が前記ＩｎＰ基板１ａより遅
いためエッチングストッパとして機能する。尚、前記Ｉ
ｎＰ基板１ａは、前記空隙部２０を逆ピラミッド形状に
異方性エッチングすべく、（１００）結晶面のものを使
用する。尚、上記した異方性エッチングは前記ブリッジ
構造を形成するマイクロマシーニング技術の一例であっ
て、前記空隙部２０は、前記異方性エッチング以外のエ
ッチング技術を使用して形成しても構わない。更に、本
実施形態においては、熱電変換装置は中空支持されるブ
リッジ構造を備えた形態のものを例示したが、必ずしも
中空支持されるブリッジ構造でなくても構わない。例え
ば、前記ｎ型熱電変換層４より幅の狭い支柱を前記基板
１に形成して、前記ｎ型熱電変換層４を下方から支持す
る構造であってもよい。かかる構造でも、前記ｎ型熱電
変換層４に対して熱抵抗値を高くでき、熱容量を低減す
ることができる。
４，７一対で構成される単体の熱電変換装置をマイクロ
マシーニング技術を用いて前記ＩｎＰ基板１ａを横方向
に異方性エッチングしてブリッジ構造とする。先ず、前
記ラテラルエッチングストッパ層２、前記第１分離層
３、前記絶縁保護膜９に異方性エッチング用の開口を形
成し、この開口部より所定のエッチャントで前記基板１
をエッチングして熱電変換装置の下部に深さ２００乃至
３００μｍ程度の空隙部２０を形成する。このとき、前
記ラテラルエッチングストッパ層２であるＩｎx Ｇａ
1-x Ａｓのエッチング速度が前記ＩｎＰ基板１ａより遅
いためエッチングストッパとして機能する。尚、前記Ｉ
ｎＰ基板１ａは、前記空隙部２０を逆ピラミッド形状に
異方性エッチングすべく、（１００）結晶面のものを使
用する。尚、上記した異方性エッチングは前記ブリッジ
構造を形成するマイクロマシーニング技術の一例であっ
て、前記空隙部２０は、前記異方性エッチング以外のエ
ッチング技術を使用して形成しても構わない。更に、本
実施形態においては、熱電変換装置は中空支持されるブ
リッジ構造を備えた形態のものを例示したが、必ずしも
中空支持されるブリッジ構造でなくても構わない。例え
ば、前記ｎ型熱電変換層４より幅の狭い支柱を前記基板
１に形成して、前記ｎ型熱電変換層４を下方から支持す
る構造であってもよい。かかる構造でも、前記ｎ型熱電
変換層４に対して熱抵抗値を高くでき、熱容量を低減す
ることができる。
【００３７】上記した製造工程で作製された単体の熱電
変換装置の平面形状は、図３に示すように、検出能を高
めるために、熱吸収面積を大きくすべく前記熱吸収導電
体１１の面積を大きくし、前記ｎ型及びｐ型熱電変換層
４，７の熱抵抗を高くすべく夫々細長くなるように、前
記ｎ型及びｐ型熱電変換層４，７を階段状に形成する過
程でパターニングされる。前記ｎ型及びｐ型熱電変換層
４，７の参考的な寸法は両者結合した状態で長さ約１ｍ
ｍ、幅約２０μｍである。
変換装置の平面形状は、図３に示すように、検出能を高
めるために、熱吸収面積を大きくすべく前記熱吸収導電
体１１の面積を大きくし、前記ｎ型及びｐ型熱電変換層
４，７の熱抵抗を高くすべく夫々細長くなるように、前
記ｎ型及びｐ型熱電変換層４，７を階段状に形成する過
程でパターニングされる。前記ｎ型及びｐ型熱電変換層
４，７の参考的な寸法は両者結合した状態で長さ約１ｍ
ｍ、幅約２０μｍである。
【００３８】更に、図４に示すように、上記した製造工
程で前記基板１上に前記単体の熱電変換装置を複数個を
同時に形成する場合、前記単体の熱電変換装置の隣接す
るもの同士が一方の前記ｎ型熱電変換層４の前記電極１
２と他方の前記ｐ型熱電変換層の前記電極１３を接続し
て、複数の熱電変換装置を蛇行させながら直列に接続し
ている。かかる構成により、取り出せる熱起電力の電圧
値が高くなり、感度が直列個数分改善される。また、複
数の熱電変換装置を蛇行させる際に、前記熱吸収導電体
１１を隣接する熱電変換装置の前記ｎ型またはｐ型熱電
変換層４，７の細長い形状部分に隣接するように配置す
ることで、複数の熱電変換装置を高密度に集積すること
ができるのである。
程で前記基板１上に前記単体の熱電変換装置を複数個を
同時に形成する場合、前記単体の熱電変換装置の隣接す
るもの同士が一方の前記ｎ型熱電変換層４の前記電極１
２と他方の前記ｐ型熱電変換層の前記電極１３を接続し
て、複数の熱電変換装置を蛇行させながら直列に接続し
ている。かかる構成により、取り出せる熱起電力の電圧
値が高くなり、感度が直列個数分改善される。また、複
数の熱電変換装置を蛇行させる際に、前記熱吸収導電体
１１を隣接する熱電変換装置の前記ｎ型またはｐ型熱電
変換層４，７の細長い形状部分に隣接するように配置す
ることで、複数の熱電変換装置を高密度に集積すること
ができるのである。
【００３９】次に、本発明に係る熱電変換装置の別実施
形態について説明する。 〈１〉上記実施の形態において、前記高純度層４ａ，７
ａとして膜厚９００ｎｍのｉ−Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓを、
前記ｎ型及びｐ型キャリア供給層４ｂ，７ｂとして膜厚
１００ｎｍのｎ−ＩｎＰとｐ−ＩｎＰを使用したが、前
記高純度層４ａ，７ａ及び前記ｎ型及びｐ型キャリア供
給層４ｂ，７ｂの材料構成は上記以外のものであっても
構わない。他の材料構成としては、表１に示すものが、
前記高純度層４ａ，７ａ内に夫々前記２次元電子ガス１
４と前記２次元正孔ガス１５を形成するヘテロ構造を取
り得る。また、前記高純度層４ａ，７ａ及び前記ｎ型及
びｐ型キャリア供給層４ｂ，７ｂを含む各層の膜厚も必
ずしも上記実施の形態の値に限定されるものではなく、
適宜変更可能である。
形態について説明する。 〈１〉上記実施の形態において、前記高純度層４ａ，７
ａとして膜厚９００ｎｍのｉ−Ｉｎx Ｇａ1-x Ａｓを、
前記ｎ型及びｐ型キャリア供給層４ｂ，７ｂとして膜厚
１００ｎｍのｎ−ＩｎＰとｐ−ＩｎＰを使用したが、前
記高純度層４ａ，７ａ及び前記ｎ型及びｐ型キャリア供
給層４ｂ，７ｂの材料構成は上記以外のものであっても
構わない。他の材料構成としては、表１に示すものが、
前記高純度層４ａ，７ａ内に夫々前記２次元電子ガス１
４と前記２次元正孔ガス１５を形成するヘテロ構造を取
り得る。また、前記高純度層４ａ，７ａ及び前記ｎ型及
びｐ型キャリア供給層４ｂ，７ｂを含む各層の膜厚も必
ずしも上記実施の形態の値に限定されるものではなく、
適宜変更可能である。
【００４０】
【表１】
【００４１】〈２〉上記実施の形態では、前記ｎ型熱電
変換層４の上に前記ｐ型熱電変換層７を積層させた構造
としたが、両者の積層順序は逆であっても構わない。ま
た、前記ヘテロ構造は前記ｎ型及びｐ型熱電変換層４，
７の両方に適用したが、何れか一方にのみ適用しても構
わない。
変換層４の上に前記ｐ型熱電変換層７を積層させた構造
としたが、両者の積層順序は逆であっても構わない。ま
た、前記ヘテロ構造は前記ｎ型及びｐ型熱電変換層４，
７の両方に適用したが、何れか一方にのみ適用しても構
わない。
【００４２】〈３〉上記実施の形態においては、各半導
体層は単結晶がエピタキシャル成長される場合を想定し
ていたが、必ずしも単結晶でなくても構わない。
体層は単結晶がエピタキシャル成長される場合を想定し
ていたが、必ずしも単結晶でなくても構わない。
【００４３】〈４〉前記ｎ型及びｐ型熱電変換層４，７
の材料の選択によっては、前記オーミック接触金属１
６，１７と直接オーミック接触が可能な場合は、前記第
１及び第２オーミック接触層５，８は必ずしも設ける必
要はない。
の材料の選択によっては、前記オーミック接触金属１
６，１７と直接オーミック接触が可能な場合は、前記第
１及び第２オーミック接触層５，８は必ずしも設ける必
要はない。
【００４４】〈５〉上記実施の形態においては、前記ｎ
型及びｐ型熱電変換層４，７の両熱電変換層を使用した
相補型構成であったが、何れか一方の熱電変換層４，７
を使用するものであっても構わない。
型及びｐ型熱電変換層４，７の両熱電変換層を使用した
相補型構成であったが、何れか一方の熱電変換層４，７
を使用するものであっても構わない。
【図１】本発明に係る熱電変換装置の構造を模式的に示
す断面図
す断面図
【図２】各種半導体のバンドギャップＥg と格子定数の
関係を示す関係図
関係を示す関係図
【図３】本発明に係る単体の熱電変換装置を示す平面図
【図４】本発明に係る直列接続された複数の熱電変換装
置を示す平面図
置を示す平面図
【図５】ゼーベック係数と不純物濃度の関係を示す関係
図
図
１ 基板 １ａ ＩｎＰ基板 ２ ラテラルエッチングストッパ層 ３ 第１分離層 ４ ｎ型熱電変換層 ４ａ，７ａ 高純度層 ４ｂ ｎ型キャリア供給層 ５ 第１オーミック接触層 ６ 第２分離層 ７ ｐ型熱電変換層 ７ｂ ｐ型キャリア供給層 ８ 第２オーミック接触層 ９ 絶縁保護膜 １０ オーミック接触用の窓 １１ 熱吸収導電体 １２，１３ 電極 １４ ２次元電子ガス １５ ２次元正孔ガス １６ ｐ型オーミック接触金属 １７ ｎ型オーミック接触金属 １８ Ｃｒ／Ａｕ金属配線 １９ 熱吸収体 ２０ 空隙部
Claims (7)
- 【請求項１】 ｐ型半導体を備えてなるｐ型熱電変換層
とｎ型半導体を備えてなるｎ型熱電変換層の内の少なく
とも何れか一方の熱電変換層を有し、その熱電変換層の
両端に熱起電力を取り出す電極を設けてなる熱電変換装
置であって、前記熱電変換層が、不純物を添加したキャ
リア供給層と、バンドギャップが前記キャリア供給層の
バンドギャップより小さい高純度層とからなるヘテロ構
造を有する熱電変換装置。 - 【請求項２】 ｐ型半導体を備えてなるｐ型熱電変換層
とｎ型半導体を備えてなるｎ型熱電変換層を熱吸収導電
体を介して電気的に直列接続し、その両端に熱起電力を
取り出す電極を設けてなる熱電変換装置であって、 前記ｐ型熱電変換層と前記ｎ型熱電変換層の少なくとも
何れか一方が、不純物を添加したキャリア供給層と、バ
ンドギャップが前記キャリア供給層のバンドギャップよ
り小さい高純度層とからなるヘテロ構造を有する熱電変
換装置。 - 【請求項３】 前記ｐ型熱電変換層と前記ｎ型熱電変換
層の両方が前記ヘテロ構造を有する請求項２記載の熱電
変換装置。 - 【請求項４】 前記高純度層の前記キャリア供給層との
界面近傍の内、少なくとも前記熱吸収導電体と前記電極
と前記熱電変換層の厚み方向に重なる部分に２次元電子
ガス或いは２次元正孔ガスが形成されてなる請求項２ま
たは３記載の熱電変換装置。 - 【請求項５】 所定の基板上に前記ｎ型熱電変換層と前
記ｐ型熱電変換層が積層されてなる請求項２、３または
４記載の熱電変換装置。 - 【請求項６】 前記ｎ型熱電変換層と前記ｐ型熱電変換
層と前記熱吸収導電体と前記電極とを備えてなる前記熱
電変換装置を前記基板上に複数形成してなる請求項５記
載の熱電変換装置。 - 【請求項７】 前記キャリア供給層と前記高純度層の材
料構成（キャリア供給層／高純度層）が、ＩｎＰ／Ｉｎ
ＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ／Ｉｎ
ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ
／ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡ
ｓ／ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＰ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ
／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ／
ＩｎＡｓ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａ
Ｎ、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＳｉＣ、Ｇ
ａＮ／ＳｉＣ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ、及び、Ｓｉ／Ｓｉ
Ｇｅの内の何れかである請求項１、２、３、４、５また
は６記載の熱電変換装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11040017A JP3002466B1 (ja) | 1999-02-18 | 1999-02-18 | 熱電変換装置 |
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| JP11040017A JP3002466B1 (ja) | 1999-02-18 | 1999-02-18 | 熱電変換装置 |
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|---|---|
| JP3002466B1 JP3002466B1 (ja) | 2000-01-24 |
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|---|---|---|---|---|
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1999
- 1999-02-18 JP JP11040017A patent/JP3002466B1/ja not_active Expired - Fee Related
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