JP2002353523A - 熱電変換材料、熱電変換素子およびその製造方法 - Google Patents

熱電変換材料、熱電変換素子およびその製造方法

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JP2002353523A
JP2002353523A JP2001170328A JP2001170328A JP2002353523A JP 2002353523 A JP2002353523 A JP 2002353523A JP 2001170328 A JP2001170328 A JP 2001170328A JP 2001170328 A JP2001170328 A JP 2001170328A JP 2002353523 A JP2002353523 A JP 2002353523A
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insulating
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Shinji Sato
新治 佐藤
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 熱電変換素子の高集積化を図ると共に、放熱
効率の向上を図る。 【解決手段】 絶縁物中に形成した孔の中に熱電変換材
料が埋め込まれていることを特徴とし、絶縁性基板1上
に第1の電極2を形成し、その上に第1の絶縁物層3を
形成し、第1の絶縁物層に第1の電極に通じる第1の接
続孔4を形成してN型熱電変換材料5を充填し、次いで
第1の絶縁物層およびN型熱電変換材料上に第2の絶縁
物層6を形成し、第2の絶縁物層に第1の電極に通じる
第2の接続孔7を形成してP型熱電変換材料8を充填
し、第2の絶縁物層をN型熱電変換材料及びP型熱電変
換材料が露出するまでエッチバックした後、第2の絶縁
物層及び両熱電変換材料上に第2の電極9を形成して熱
電変換素子を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱電変換材料を利
用した熱電変換素子及びその製造方法に関する。また、
そのペルチェ効果を利用した冷却素子または発熱素子、
ゼーベック効果を利用した発電素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から熱電変換素子やそれを複数個集
積した熱電変換素子(モジュール)についてはいくつか
の提案がなされており、その1例は図7のような構造の
ものである。しかしながら、このような構造に用いる熱
電変換材料はある程度の大きさをもつ単結晶からn型ま
たはp型の半導体を切り出して用いているため、熱電変
換材料そのものの大きさがミリメートル単位またはセン
チメートル単位のサイズから脱却することができず、熱
電変換素子の高集積化は困難であった。ここで、「熱電
変換素子」とは、p型熱電変換材料とn型熱電変換材料
とを直接接合するか、電極を介して接合することにより
なるpn素子またはpn素子を複数個集積したモジュー
ルを意味し、ゼーベック効果を利用した場合、熱を加え
ると起電力を有する素子としての機能を有し、また、ペ
ルチェ効果を利用した場合、電流を流すことにより吸熱
または発熱を素子内で起こす素子としての機能を有する
ものである。このように、熱電変換素子は、熱と電気を
変換するデバイスとして熱電冷却、熱電加熱または熱電
発電に応用されているし、また、温度と熱起電力との関
係を利用して、温度センサーとしても利用されている。
【0003】このような熱電変換素子としては、例え
ば、図5に示すように、絶縁性基板よりなる第1の基板
51、第2の基板52間に、p型熱電変換材料54とn
型熱電変換材料55とを接合した多数個のpn素子が挟
持され、各pn素子を第1基板51側の電極53および
第2基板52側の電極53によって直列接続して構成さ
れたものが提案されている。
【0004】従来の熱電変換素子の製造方法としては、
基板にセラミックスを使用し、その表面にメタライズ加
工を施し、その上に電極、熱電変換材料、電極とを拡散
接合する方法で形成していた。また、拡散接合法を用い
ることによって生じる不具合、たとえば電極あるいは熱
電変換材料の接合面における化学反応や拡散によって接
合部の熱電特性が劣化し、発電モジュールとしての効率
が低下するということを防止するため、電極上に半田等
で前記熱電変換材料を接合する方法などが報告されてい
る。例えば、熱電変換素子の周囲に無電解ニッケル─ホ
ウ素合金めっきを施し、また、高温加圧プレス法で樹脂
基板と電極を一体成型し、該電極上に半田で上記熱電変
換素子を接合し、さらに、前記熱電変換素子の上に半田
で別の電極を接合することを特徴とする熱電変換素子の
接合方法であり(特開平5−63243号公報)、ま
た、熱電素子の電極との接合端面にめっき層を形成し、
基板側には接合温度では溶融せず半田濡れ性の良好な表
面状態を形成し、この上にフラックス層を形成し、基板
側から加熱しつつ熱電素子を加圧する方法である(特開
平5−41543号公報)。また、薄膜熱電変換素子と
しては、絶縁性の石英やアルミナなどの基板の上に熱電
変換材料の薄膜を形成してなるものが報告されている。
例えば、N型又はi型の(111)単結晶シリコンから
なる基板1に形成された50nm以下のヘテロエピタキ
シャル成長鉄シリサイド(β−FeSi2 )膜を感熱
部として、その熱起電力又は負の抵抗温度係数を利用し
て温度を検出するものである(特開平7−35618
等)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】熱電変換素子を直列に
接続することにより一般の電池と同様に、得られる電圧
を高くすることができるため、素子の形状を小さくし集
積化をする事により高性能化が図られている。しかし、
上記の従来技術では形成法による制約などもあり、バル
ク状態すなわちmmからcm程度の大きさの熱電変換材
料を用いるので熱電変換素子の高集積化は難しいという
問題があった。またこれらに用いられる熱電変換材料、
特にBiTe系は脆性が大きく、微小な大きさに加工し
にくいという問題があった。
【0006】また、上記の薄膜熱電変換素子は、その熱
起電力又は負の抵抗温度係数を利用して温度を検出する
温度センサ等であり、pn素子を形成するようなもので
はない。また、基板上に薄膜状に熱電変換材料が形成さ
れるため、p型及びn型熱電変換材料を金属電極でギリ
シャ文字のパイ(π)型に接合した構造では、ゼーベッ
ク効果を利用した発電素子としては熱電変換材料に温度
勾配を与えることが難しく、またペルチェ効果を利用し
た冷却素子、発熱素子としては一面に温度を与えること
ができないという問題がある。そこで、本発明の目的
は、前述のような現状の問題点に鑑み、高集積化された
熱電変換素子およびその製造方法を提供する点にある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明者の研究によれ
ば、前記諸課題は、熱電変換材料として粒子状のものを
用いること、半導体製造の際のプロセスを利用して熱電
変換素子を形成すること、により解決できることが分か
った。また、さらに追加研究したところによれば、前記
接続孔への熱電変換材料の充填は、熱電変換材料を必ず
しも粒子状としなくても達成できることが判った。
【0008】本発明の第1は、絶縁物中に形成した孔の
中に熱電変換材料が埋め込まれていることを特徴とする
熱電変換素子に関する。本発明の第2は、絶縁性基板
(例えば図1中の符号1)と、該基板上に形成された電
極(例えば図1中の符号2)と、該電極上に形成された
絶縁物層(例えば図1中の符号3)と、該絶縁物層に形
成された接続孔(例えば図1中の符号4と7)中に埋め
込まれた熱電変換材料(例えば図1中の符号5と8およ
び図5中の符号5′と8′)と、該絶縁物層及び熱電変
換材料上に形成された電極(例えば図1中の符号9)と
を備えたことを特徴とする熱電変換素子に関する。本発
明の第3は、絶縁性基板と、該基板上に形成された電極
と、該基板露出部及び該電極上に形成された絶縁物層
と、該絶縁物層に形成された接続孔中に埋め込まれた熱
電変換材料と、該絶縁物層及び熱電変換材料上に形成さ
れた電極とを備えたことを特徴とする熱電変換素子に関
する。本発明の第4は、導電性基板(例えば図2中の符
号10)と、該基板上に形成された第1の絶縁物層(例
えば図2中の符号11)と、該第1の絶縁物層上に形成
された第1の電極(例えば図2中の符号2)と、該第1
の電極上に形成された第2の絶縁物層(例えば図2中の
符号3)と、該第2の絶縁物層に形成された接続孔(例
えば図2中の符号4と7)中に埋め込まれた熱電変換材
料(例えば図2中の符号5と8および図6中の符号5′
と8′)と、該第2の絶縁物層及び熱電変換材料上に形
成された第2の電極(例えば図2中の符号9)とを備え
たことを特徴とする熱電変換素子に関する。本発明の第
5は、導電性基板と、該基板上に形成された第1の絶縁
物層と、該第1の絶縁物層上に形成された第1の電極
と、該第1の絶縁物層露出部と該第1の電極上に形成さ
れた第2の絶縁物層と、該第2の絶縁物層に形成された
接続孔中に埋め込まれた熱電変換材料と、該第2の絶縁
物層及び熱電変換材料上に形成された第2の電極とを備
えたことを特徴とする熱電変換素子に関する。本発明の
第6は、絶縁性基板または導電性基板のうち最下層の基
板が凹凸を有するものである請求項2〜5いずれか記載
の熱電変換素子に関する。本発明の第7は、前記基板の
凹凸がエッチングによって形成されたものである請求項
6記載の熱電変換素子に関する。本発明の第8は、前記
絶縁性基板が熱伝導セラミックスで形成されたものであ
る請求項2、3、6、7いずれか記載の熱電変換素子。
本発明の第9は、前記導電性基板がSiで形成されてい
る請求項4、5、6、7いずれか記載の熱電変換素子に
関する。本発明の第10は、前記電極がアルミニウムで
形成されている請求項2〜9いずれか記載の熱電変換素
子に関する。本発明の第11は、前記電極が高融点導電
材料で形成されている請求項2〜9いずれか記載の熱電
変換素子に関する。
【0009】本発明の第12は、絶縁物中に形成した孔
の中に熱電変換材料を埋め込むことを特徴とする熱電変
換素子の製造方法に関する。本発明の第13は、請求項
2または3記載の熱電変換素子を製造する方法におい
て、(1)絶縁性基板上に導電材料を成膜し、その後フ
ォトリソグラフィー、エッチング処理により第1の電極
を形成する工程と、(2)該第1の電極(および該基板
露出部)上に絶縁材料を成膜し、絶縁物層を形成する工
程と、(3)該絶縁物層にフォトリソグラフィー、エッ
チング処理により該第1の電極に通じる接続孔を形成す
る工程と、(4)該接続孔に熱電変換材料を充填する工
程と、(5)該絶縁物層及び熱電変換材料上に導電材料
を成膜し、その後フォトリソグラフィー、エッチング処
理により第2の電極を形成する工程と、を少なくとも有
することを特徴とする請求項2または3記載の熱電変換
素子の製造方法に関する。本発明の第14は、請求項2
または3記載の熱電変換素子を製造する方法において、
(1)絶縁性基板(例えば図1または図5中の符号1)
上に導電材料を成膜し、その後フォトリソグラフィー、
エッチング処理により第1の電極(例えば図1または図
5中の符号2)を形成する工程と、(2)該第1の電極
(および該基板露出部)上に絶縁材料を成膜し、第1の
絶縁物層(例えば図1または図5中の符号3)を形成す
る工程と、(3)該第1の絶縁物層にフォトリソグラフ
ィー、エッチング処理により該第1の電極に通じる第1
の接続孔(例えば図1または図5中の符号4)を形成す
る工程と、(4)該第1の接続孔にN型熱電変換材料
(例えば図1中の符号5または図5中の符号5′)を充
填する工程と、(5)該第1の絶縁物層及び該N型熱電
変換材料上に絶縁材料を成膜し、第2の絶縁物層(例え
ば図1または図5中の符号6)を形成する工程と、
(6)該両絶縁物層の該N型熱電変換材料が充填された
該第1の接続孔の場所以外にフォトリソグラフィー、エ
ッチング処理により該第1の電極に通じる第2の接続孔
(例えば図1または図5中の符号7)を形成する工程
と、(7)該第2の接続孔にP型熱電変換材料(例えば
図1中の符号8や図5中の符号8′)を充填する工程
と、(8)該第2の絶縁物層をN型熱電変換材料及びP
型熱電変換材料が露出するまでエッチバックする工程
と、(9)該第2の絶縁物層及び両熱電変換材料上に導
電材料を成膜し、その後フォトリソグラフィー、エッチ
ング処理により第2の電極(例えば図1または図5中の
符号9)を形成する工程と、を少なくとも有することを
特徴とする請求項2または3記載の熱電変換素子の製造
方法に関する。本発明の第15は、請求項4または5記
載の熱電変換素子を製造する方法において、(1)導電
性基板上に絶縁材料を成膜し、第1の絶縁物層を形成す
る工程と、(2)該第1の絶縁物層上に導電材料を成膜
し、その後フォトリソグラフィー、エッチング処理によ
り第1の電極を形成する工程と、(3)該第1の電極
(および該第1の絶縁物層露出部)上に絶縁材料を成膜
し、第2の絶縁物層を形成する工程と、(4)該第2の
絶縁物層にフォトリソグラフィー、エッチング処理によ
り該第1の電極に通じる接続孔を形成する工程と、
(5)該接続孔に熱電変換材料を充填する工程と、
(6)該第2の絶縁物層及び該熱電変換材料上に導電材
料を成膜し、その後フォトリソグラフィー、エッチング
処理により第2の電極を形成する工程と、を少なくとも
有することを特徴とする請求項4または5記載の熱電変
換素子の製造方法に関する。本発明の第16は、請求項
4または5記載の熱電変換素子を製造する方法におい
て、(1)導電性基板(例えば図2または図6の符号1
0)上に絶縁材料を成膜し、下部絶縁物層(例えば図2
または図6中の符号11)を形成する工程と、(2)該
下部絶縁物層上に導電材料を成膜し、その後フォトリソ
グラフィー、エッチング処理により第1の電極(例えば
図2または図6中の符号2)を形成する工程と、(3)
該第1の電極(および該下部絶縁物層露出部)上に絶縁
材料を成膜し、第1の絶縁物層(例えば図2または図6
中の符号3)を形成する工程と、(4)該第1の絶縁物
層にフォトリソグラフィー、エッチング処理により該第
1の電極に通じる第1の接続孔(たとえば図2または図
6中の符号4)を形成する工程と、(5)該接続孔にN
型熱電変換材料(例えば図2中の符号5または図6中の
符号5′)を充填する工程と、(6)該第1の絶縁物層
及び粒子状のN型熱電変換材料上に絶縁材料を成膜し、
第2の絶縁物層(例えば図2または図6中の符号6)を
形成する工程と、(7)該第1、第2の絶縁物層の粒子
状のN型熱電変換材料が充填された孔の場所以外にフォ
トリソグラフィー、エッチング処理により該第1の電極
に通じる第2の接続孔(例えば図2または図6中の符号
7)を形成する工程と、(8)該第2の接続孔に粒子状
のP型熱電変換材料(例えば図2中の符号8または図6
中の符号8′)を充填する工程と、(9)該第2の絶縁
物層を粒子状のN型熱電変換材料及び粒子状のP型熱電
変換材料が露出するまでエッチバックする工程と、(1
0)該第1の絶縁物層及び粒子状の両熱電変換材料上に
導電材料を成膜し、その後フォトリソグラフィー、エッ
チング処理により第2の電極(例えば図2または図6中
の符号9)を形成する工程と、を少なくとも有すること
を特徴とする請求項4または5記載の熱電変換素子の製
造方法に関する。本発明の第17は、該熱電変換素子の
形成がCVD法によるものである請求項12〜16いず
れか記載の熱電変換素子の製造方法に関する。本発明の
第18は、該熱電変換素子の形成が溶液法によるもので
ある請求項12〜16いずれか記載の熱電変換素子の製
造方法に関する。本発明の第19は、該熱電変換素子が
粒子状のものを使用する請求項12〜16いずれか記載
の該熱電変換素子の製造方法に関する。
【0010】本発明の第20は、請求項1〜11いずれ
か記載の熱電変換素子を用いることを特徴とする冷却素
子に関する。本発明の第21は、請求項1〜11いずれ
か記載の熱電変換素子を用いることを特徴とする発熱素
子に関する。本発明の第22は、請求項1〜11いずれ
か記載の熱電変換素子を用いることを特徴とする発電素
子に関する。本発明の第23は、その形状が粒子状であ
ることを特徴とする熱電変換材料に関する。
【0011】本発明において使用される熱電変換材料
は、公知の熱電変換材料、例えば、BiTe系、FeS
i系、CoSi系、CrSi系、MgSi系、SiGe
系、PbTe系、NaCoO系の熱電変換材料を例示
することができるが、これらに限定するものではない。
【0012】本発明において、熱電変換材料として使用
できる粒子状の熱電変換材料の粒子径は、50nm〜5
00μmであることが好ましく、より好ましくは0.5
μm〜100μmである。さらに5μm〜50μmであ
れば、粒子の製造およびハンドリングが容易であるの
で、とくに好ましい。本発明において使用される粒子状
の熱電変換材料は、公知の手段、例えば粉砕法や溶液法
により得ることができる。
【0013】本発明の粒子状熱電変換材料は、粒子の形
状によって熱電変換特性を発現しないということはない
ので、特に制限はないが、電極間の温度差が大きいほど
得られる電圧が大きくなるので、粒子の形状は楕円形の
ように縦横比が大きいものが好ましい。
【0014】本発明者のさらなる研究の結果、前記接続
孔に充填する手段としては、熱電変換材料を粒子状とし
なくても、CVD法によっても、また溶液法によっても
達成できることが判った。
【0015】CVD法は、プラズマCVD法、光CVD
法、レーザーCVD法などいろいろのCVD法がある
(1991年6月20日 株式会社 朝倉書店発行 化
学工学会編「CVDハンドブック」第299〜367頁
など)。
【0016】溶液法としては、ゾルゲル法やめっき法が
採用できる。
【0017】熱電変換材料を微粒子ではなく、溶液法や
CVD法を用いて接続孔を充填する方法を採用すると、
孔の充填率が一定で、かつ空隙がなくなるので、素子と
しての特性が向上する。たとえば溶液法やCVD法を用
いると、微粒子を用いたときのように接続孔中に空気が
存在することによる熱伝導の変化がないし、接続孔全体
に熱電変換材料を充填できるので、実質的に断面積が大
きくでき、抵抗を低くすることができる。一方、粒子状
として用いるケースについてみると、単結晶から粉砕に
より微粒子を作成する場合、大きな粉砕前の単結晶の製
造温度には制限がないので高品質の単結晶が形成できる
というメリットがある。しかし、溶液法から形成する場
合、下部の電極が耐えうる温度(融点など)以下で熱電
変換材料を形成しなければならず、素子形成時にプロセ
ス温度の制限が付く。また、ゲルゾル法(ゾルゲル法と
は異なる)と呼ばれる手法によって形成された(超)微
粒子は単分散(大きさ、形がそろっている)であるので
同一な特性を持ち、かつプロセス温度の制限がないとい
う特徴がある。要するに、熱電変換材料の形成は他のプ
ロセスに関係なく独立であるのでどのような手法でもい
い。
【0018】本発明の熱電変換素子製造の際に使用され
る基板は、窒化アルミニウムのような絶縁性の材料から
なるものが好ましいが、Siのような導電性の材料から
なるものの表面に絶縁性の被膜(絶縁物層)を形成した
ものでも良い。該基板は、裏面が凹凸に形成されている
方が放熱などの点で好ましい。裏面の凹凸は、熱電変換
素子の製造の前に予め形成されていても良いし、熱電変
換素子製造工程中または製造後に形成されても良い。
【0019】本発明においては、電極は、絶縁性の基板
若しくは導電性の基板の上に設けられた絶縁物層の上
に、または、絶縁物層と熱電変換材料の上に、アルミニ
ウムのような導電性材料を用いてスパッタリング法など
により被膜形成され、次いで、フォトリソグラフィー、
エッチング処理により形成される。
【0020】本発明において絶縁物層を形成するための
絶縁材料としては、SiO、絶縁性ポリイミドなどの
ように、熱電変換素子同士の電気伝導を絶縁するもので
あれば何でもよい。絶縁物層を形成する方法としては、
スパッタリング法、化学気相成長法(Chemical
Vapor Deposition : CVD)、
蒸着法、メッキ法等が挙げられるが、これらの方法に限
定されるものではない。絶縁物層の厚さは、前述の熱電
変換材料粒子の粒子径により自づと決定される性質のも
のである。とくに接続孔1つにつき粒子1個がはいる場
合にはその厚みは粒子径と同一または若干大きい程度で
ある。
【0021】絶縁物層に形成される接続孔の孔径は、そ
こに入れられる熱電変換材料の粒子径によって選定さ
れ、熱電変換材料の粒子径とほぼ同程度である。絶縁物
層への接続孔の形成手段は、公知の孔形成手段でよく、
例えば、絶縁物層上に、フォトレジスト剤を塗布し、フ
ォトリソグラフィーにより接続孔(コンタクト)領域を
パターニング後、反応性イオンエッチング法により形成
するというような手段でもよい。
【0022】粒子を充填する方法としては、接続孔が形
成されている絶縁物の上に液だめを作り、その中に液体
(水または分散剤含有水など)に微粒子を分散させたも
のを満たし、自然沈降で充填する方法がある。また図1
の絶縁性基板1や下部電極2、あるいは図2の導電性基
板10、下部絶縁物層11、下部電極2がいずれも前記
液体を通す多孔性のものであれば、前記微粒分散液を用
いた微粒子の充填は一層容易であり、本出願人の特願2
001−77180号出願の技術を有効に利用できる。
【0023】接続孔にはいる微粒子は、接続孔1つにつ
き微粒子が1個はいった状態が特性的にはもっとも優れ
ているが、接続孔1つにつき横にあるいは上下に複数個
はいってもある程度の特性を発揮することができる。
【0024】
【実施例】以下に、本発明の熱電変換素子の製造方法に
ついて図面に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれ
より何ら限定されるものではない。
【0025】実施例1 図1は、本発明の請求項2〜3の熱電変換素子製造方法
の1例を説明する工程図である。絶縁性基板として表面
が研磨されたアルミナ基板、導電材料としてアルミニウ
ムを用い、図1(a)に示すように、絶縁性基板1上に
導電材料をスパッタリング法により形成する。次いで、
通常のフォトリソグラフィー及びエッチングにより電極
のパターニングをおこない下部電極(第1の電極)2を
形成する。次に、図1(b)に示すように、下部電極2
が形成された絶縁性基板1の全面に化学気相成長法(C
hemical Vapor Deposition
:CVD)により第1の絶縁物層(絶縁膜SiO
3を形成する。次に、図1(c)に示すように、フォト
レジスト剤を塗布し、フォトリソグラフィーにより孔
(コンタクト)領域をパターニング後、反応性イオンエ
ッチング法により第1の接続孔4を形成する。次に、図
1(d)に示すように、第1の接続孔4に粒子状のBi
Te系N型熱電変換材料5を充填する。次に、図1
(e)に示すように、全面に化学気相成長法(Chem
icalVapor Deposition : CV
D)により第2の絶縁物層(絶縁膜SiO)6を形成
する。次に、図1(f)に示すように、フォトレジスト
剤を塗布し、フォトリソグラフィーにより孔(コンタク
ト)領域をパターニング後、反応性イオンエッチング法
により第2の接続孔7を形成する。次に、図1(g)に
示すように、第2の接続孔7に粒子状のBiTe系P型
熱電変換材料8を充填する。次に、図1(h)に示すよ
うに、エッチバック又は化学機械研磨(Chemica
l Mechanical polish : CM
P)によりN型及びP型の熱電変換材料が露出するよう
に第2の絶縁物層(絶縁膜)を除去する。次に、図1
(i)に示すように、導電材料(アルミニウム)をスパ
ッタリング法により形成し、通常のフォトリソグラフィ
ー及びエッチングにより電極のパターニングをおこない
上部電極(第2の電極)9を形成した。
【0026】このようにして製造した熱電変換素子に豆
電球を接続し、上部電極部分に熱を加えたところ豆電球
が点灯した。このように、本実施例により、熱電材料間
の絶縁性が良好で、かつ高集積化した熱電変換素子のユ
ニットを低コストで得ることが出来る。
【0027】実施例2 図2は、本発明の請求項4〜5の熱電変換素子製造方法
の1例を説明する工程図である。図2(a)に示すよう
に、導電性基板(Si)10上に熱酸化法により下部絶
縁物層(絶縁膜SiO)11を形成した。図2(b)
に示すように、下部絶縁物層11上に導電材料(アルミ
ニウム)をスパッタリング法により形成し、通常のフォ
トリソグラフィー及びエッチングにより電極のパターニ
ングをおこない下部電極(第1の電極)2を形成した。
次に、図2(c)に示すように、下部電極2が形成され
た絶縁物層とその上の下部電極の全面に化学気相成長法
(Chemical Vapor Depositio
n : CVD)により第1の絶縁物層(絶縁膜SiO
)3を形成する。次に、図2(d)に示すように、フ
ォトレジスト剤を塗布し、フォトリソグラフィーにより
孔(コンタクト)領域をパターニング後、反応性イオン
エッチング法により第1の接続孔4を形成する。次に、
図2(e)に示すように、第1の接続孔4に粒子状のB
iTe系N型熱電変換材料5を充填する。次に、図2
(f)に示すように、全面に化学気相成長法(Chem
icalVapor Deposition : CV
D)により第2の絶縁物層(絶縁膜SiO)6を形成
する。次に、図2(g)に示すように、フォトレジスト
剤を塗布し、フォトリソグラフィーにより孔(コンタク
ト)領域をパターニング後、反応性イオンエッチング法
により第2の接続孔7を形成する。次に、図2(h)に
示すように、第2の接続孔7に粒子状のBiTe系P型
熱電変換材料8を充填する。次に、図2(i)に示すよ
うに、エッチバック又は化学機械研磨(Chemica
l Mechanical polish : CM
P)によりN型及びP型の熱電変換材料が露出するよう
に第2の絶縁物層(絶縁膜)を除去する。次に、図2
(j)に示すように、導電材料(アルミニウム)をスパ
ッタリング法により形成する。次いで、通常のフォトリ
ソグラフィー及びエッチングにより電極のパターニング
をおこない上部電極(第2の電極)9を形成した。
【0028】このようにして得られた熱電変換素子に豆
電球を接続し、上部電極部分に熱を加えたところ豆電球
が点灯した。このように、本実施例により、熱電材料間
の絶縁性が良好で、かつ高集積化した熱電変換素子のユ
ニットを低コストで得ることが出来る。
【0029】実施例3 熱電変換材料としてSiGe系の材料を用いた以外は、
実施例1と同様の方法により熱電変換素子を形成した。
実施例1におけると同様に、本実施例で得られた熱電変
換素子に豆電球を接続し、上部電極部分に熱を加えたと
ころ豆電球が点灯した。
【0030】実施例4 導電性材料としてWを用いた以外は、実施例1と同様の
方法により熱電変換素子を形成した。実施例1における
と同様に、本実施例で得られた熱電変換素子に豆電球を
接続し、上部電極部分に熱を加えたところ豆電球が点灯
した。
【0031】実施例5 絶縁性基板として窒化アルミニウムを用いた以外は、実
施例1と同様の方法により熱電変換素子を形成した。実
施例1におけると同様に、本実施例で得られた熱電変換
素子に豆電球を接続し、上部電極部分に熱を加えたとこ
ろ豆電球が点灯した。
【0032】実施例6 絶縁性基板として窒化アルミニウムを用いた以外は、実
施例2と同様の方法により熱電変換素子を形成した。実
施例2におけると同様に、本実施例で得られた熱電変換
素子に豆電球を接続し、上部電極部分に熱を加えたとこ
ろ豆電球が点灯した。
【0033】実施例7 絶縁性基板として、図3に示したような、予め裏面に凹
凸があるアルミナ12を用いた以外は、実施例1と同様
の方法により熱電変換素子を形成した。実施例1におけ
ると同様に、本実施例で得られた熱電変換素子に豆電球
を接続し、上部電極部分に熱を加えたところ豆電球が点
灯した。本実施例で得られた熱電変換素子は、実施例1
で得られた熱電変換素子と比較し、低温側の冷却効率が
上昇し、熱電変換素子両端の熱勾配が大きくなり明るく
なった。
【0034】実施例8 熱電変換素子形成後に、図3に示したように、絶縁性基
板裏面にダイシングソーにより裏面に凹凸を形成した以
外は、実施例2と同様の方法により熱電変換素子を形成
した。実施例2におけると同様に、本実施例で得られた
熱電変換素子に豆電球を接続し、上部電極部分に熱を加
えたところ豆電球が点灯した。本実施例で得られた熱電
変換素子は、実施例2で得られた熱電変換素子と比較
し、低温側の冷却効率が上昇し、熱電変換素子両端の熱
勾配が大きくなり明るくなった。
【0035】実施例9 導電性基板として、図4に示したような、エッチングに
より予め裏面に凹凸を形成したSi13を用いた以外
は、実施例2と同様の方法により熱電変換素子を形成し
た。実施例2におけると同様に、本実施例で得られた熱
電変換素子に豆電球を接続し、上部電極部分に熱を加え
たところ豆電球が点灯した。本実施例で得られた熱電変
換素子は、実施例2で得られた熱電変換素子と比較し、
低温側の冷却効率が上昇し、熱電変換素子両端の熱勾配
が大きくなり明るくなった。
【0036】実施例10 熱電変換素子形成後に、図4に示したように、導電性基
板裏面にダイシングソーにより裏面に凹凸を形成した以
外は、実施例2と同様の方法により熱電変換素子を形成
した。実施例2におけると同様に、本実施例で得られた
熱電変換素子に豆電球を接続し、上部電極部分に熱を加
えたところ豆電球が点灯した。本実施例で得られた熱電
変換素子は、実施例2で得られた熱電変換素子と比較
し、低温側の冷却効率が上昇し、熱電変換素子両端の熱
勾配が大きくなり明るくなった。
【0037】実施例11 導電性基板としてGeを用いた以外は、実施例2と同様
の方法により熱電変換素子を形成した。実施例2におけ
ると同様に、本実施例で得られた熱電変換素子に豆電球
を接続し、上部電極部分に熱を加えたところ豆電球が点
灯した。
【0038】実施例12 実施例1で得られた熱電変換素子に電流を流したところ
上部電極の温度が下がりペルチェ効果を利用した冷却素
子として機能した。
【0039】実施例13 図5は本発明による熱電変換素子の請求項2〜3の製造
方法の1例を示す説明図である。図5(a)に示すよう
に、絶縁性基板1上に導電材料をスパッタリング法によ
り形成する。本実施例では絶縁性基板として表面が研磨
されたアルミナ基板、導電材料としてアルミニウムを用
いた。次いで、通常のフォトリソグラフィー及びエッチ
ングにより電極のパターニングをおこない下部電極2を
形成した。次に図5(b)に示すように、下部電極2が
形成された絶縁性基板1の全面に化学気相成長法(Ch
emical Vaper Deposition :
CVD)により絶縁膜SiO 3を形成する。次に図
5(c)に示すように、フォトレジスト剤を塗布し、フ
ォトリソグラフィーにより孔(コンタクト)領域をパタ
ーニング後、反応性イオンエッチング法により接続孔4
を形成する。次に図5(d)に示すように、接続孔4に
溶液法の中でもゾルゲル法を用いてBiTe系N型熱電
変換材料5′を充填する。なお、接続孔中以外に形成さ
れた熱電変換材料はエッチバックまたはCMP(化学機
械研磨)により除去した。次に図5(e)に示すよう
に、全面に化学気相成長法(Chemical Vap
er Deposition : CVD)により絶縁
膜SiO 6を形成する。次に図5(f)に示すよう
に、フォトレジスト剤を塗布し、フォトリソグラフィー
により孔(コンタクト)領域をパターニング後、反応性
イオンエッチング法により接続孔7を形成する。次に図
5(g)に示すように、接続孔7にBiTe系P型熱電
変換材料8を充填する。次に図5(h)に示すように、
エッチバック又は化学機械研磨(Chemical M
echanichal polish : CMP)に
よりN型及びP型の熱電変換材料が露出するように絶縁
膜を除去する。次に図5(i)に示すように、導電材料
をスパッタリング法により形成する。本実施例では導電
材料としてアルミニウムを用いた。次いで、通常のフォ
トリソグラフィー及びエッチングにより電極のパターニ
ングをおこない上部電極9を形成した。次にこの熱電変
換素子に豆電球を接続し、上部電極部分に熱を加えたと
ころ豆電球が点灯した。このように上記の実施例によれ
ば、熱電材料間の絶縁性が良好で、かつ高集積化した熱
電変換素子のユニットを低コストで得ることが出来る。
【0040】実施例14 図6は本発明による熱電変換素子の請求項4〜5の製造
方法の1例を示す説明図である。図6(a)に示すよう
に、導電性基板10上に熱酸化法により絶縁膜11を形
成した。本実施例では導電性基板としてSi、熱酸化法
により形成された絶縁膜としてSiOを用いた。図6
(b)に示すように、絶縁膜11上に導電材料をスパッ
タリング法により形成し、次いで、通常のフォトリソグ
ラフィー及びエッチングにより導電材料のパターニング
をおこない下部電極2を形成した。次に図6(c)に示
すように、下部電極2が形成された絶縁性基板1の全面
に化学気相成長法(Chemical Vaper D
eposition :CVD)により絶縁膜SiO
3を形成する。次に図6(d)に示すように、フォト
レジスト剤を塗布し、フォトリソグラフィーにより孔
(コンタクト)領域をパターニング後、反応性イオンエ
ッチング法により接続孔4を形成する。次に図6(e)
に示すように、接続孔4に溶液法の中でもゾルゲル法を
用いてBiTe系N型熱電変換材料5′を充填する。接
続孔中以外に形成された熱電変換材料はエッチバックま
たはCMP(化学機械研磨)により除去した。次に図6
(f)に示すように、全面に化学気相成長法(Chem
ical Vaper Deposition : C
VD)により絶縁膜SiO 6を形成する。次に図6
(g)に示すように、フォトレジスト剤を塗布し、フォ
トリソグラフィーにより孔(コンタクト)領域をパター
ニング後、反応性イオンエッチング法により接続孔7を
形成する。次に図6(h)に示すように、接続孔7にB
iTe系P型熱電変換材料8′を充填する。次に図6
(i)に示すように、エッチバック又は化学機械研磨
(Chemical Mechanichal pol
ish : CMP)によりN型及びP型の熱電変換材
料が露出するように絶縁膜を除去する。次に図6(j)
に示すように、導電材料をスパッタリング法により形成
する。本実施例では導電材料としてアルミニウムを用い
た。次いで、通常のフォトリソグラフィー及びエッチン
グにより電極のパターニングをおこない上部電極9を形
成した。次にこの熱電変換素子に豆電球を接続し、上部
電極部分に熱を加えたところ豆電球が点灯した。このよ
うに上記の実施例によれば、熱電材料間の絶縁性が良好
で、かつ高集積化した熱電変換素子のユニットを低コス
トで得ることが出来る。
【0041】実施例15 本実施例を実施例13と同様に、図5を用いて以下に説
明する。熱電変換材料の形成法としてCVD(化学気相
成長)法を用いた以外は、実施例13と同様の方法によ
り熱電変換素子を形成した。実施例13と同様に、熱電
変換素子に豆電球を接続し、上部電極部分に熱を加えた
ところ豆電球が点灯した。
【0042】実施例16 本実施例を実施例13と同様に、図5を用いて以下に説
明する。導電性材料として高融点材料であるWを用いた
以外は、実施例13と同様の方法により熱電変換素子を
形成した。実施例13と同様に、熱電変換素子に豆電球
を接続し、上部電極部分に熱を加えたところ豆電球が点
灯した。
【0043】実施例17 本実施例を実施例13と同様に、図5を用いて以下に説
明する。絶縁性基板として窒化アルミニウムを用いた以
外は、実施例13と同様の方法により熱電変換素子を形
成した。実施例13と同様に、熱電変換素子に豆電球を
接続し、上部電極部分に熱を加えたところ豆電球が点灯
した。
【0044】実施例18 本実施例を実施例14と同様に、図6を用いて以下に説
明する。絶縁性基板として窒化アルミニウムを用いた以
外は、実施例14と同様の方法により熱電変換素子を形
成した。実施例14と同様に、熱電変換素子に豆電球を
接続し、上部電極部分に熱を加えたところ豆電球が点灯
した。
【0045】実施例19 本実施例を実施例13と同様に、図5を用いて以下に説
明する。実施例13で作製された熱電変換素子に電流を
流したところ上部電極の温度が下がりペルチェ素子とし
て機能した。
【0046】
【発明の効果】(1)請求項1の熱電変換素子は、従来
の熱電変換素子とは異なり絶縁物中に形成した孔の中に
粒子状の熱電変換材料が埋め込まれているので、熱電変
換材料間の絶縁性が良好で、かつ高集積化した熱電変換
素子のユニットを得ることができる。 (2)請求項2〜3の熱電変換素子は、半導体で用いら
れるような微細プロセスを用いて熱電変換素子を形成す
るので、熱電変換材料間の絶縁性が良好で、かつ高集積
化した熱電変換素子のユニットを得ることが出来る。 (3)請求項4〜5の熱電変換素子は、半導体で用いら
れるような微細プロセスを用いて熱電変換素子を形成す
るので、熱電変換材料間の絶縁性が良好で、かつ高集積
化した熱電変換素子のユニットを得ることが出来る。 (4)請求項6の熱電変換素子は、表面積が増加するの
で、放熱に寄与する面積が増大し、熱電変換材料の両端
の熱勾配を大きくすることが出来る。 (5)請求項7の熱電変換素子は、多様な凹凸を容易に
形成でき、表面積が増加するので、放熱に寄与する面積
が増大し、熱電変換材料の両端の熱勾配を大きくするこ
とが出来る。 (6)請求項8の熱電変換素子は、放熱効率が向上し、
熱電変換材料の両端の熱勾配を大きくすることが出来
る。 (7)請求項9の熱電変換素子は、熱伝導効率がよく放
熱効率が向上し、熱電変換材料の両端の熱勾配を大きく
することが出来る。また、エッチングにより容易に凸凹
を形成できる。 (8)請求項10の熱電変換素子は、微細加工プロセス
により容易に電極構造を形成することが出来る。 (9)請求項11の熱電変換素子は、電極が高融点導電
材料で形成されているので、電極形成後に熱処理を行う
ことができ、より高信頼性の素子が形成できる。 (10)請求項12の熱電変換素子の製造方法は、熱電
変換材料間の絶縁性が良好で、かつ従来より小型で高集
積化した熱電変換素子のユニットを得ることが出来る。 (11)請求項13〜16の熱電変換素子の製造方法
は、熱電変換材料間の絶縁性が良好で、かつ従来より小
型で高集積化した熱電変換素子のユニットを低コストで
得ることが出来る。 (12)請求項17〜19の発明は、接続孔中に熱電変
換材料を埋め込むことにより、熱電変換素子の高集積化
を可能とした。とくに、請求項17と18の発明は、微
粒子でなく液状または気体の形で熱電変換材料を接続孔
中に充填するので、接続孔中に空隙なく熱電変換材料を
充填することができ、その結果、微粒子の形で用いる場
合より有効断面積が大きく、抵抗を一層低くすることが
できる。また、請求項19の発明は、実質上、溶液法で
は得られない材料を用いる場合に有用である。 (13)請求項20または21のペルチェ効果を利用し
た冷却素子または発熱素子は、従来のペルチェ効果を利
用した素子よりも高集積化したことにより高性能の冷却
素子または発熱素子を得ることが出来る。 (14)請求項22のゼーベック効果を利用した発電素
子は、従来のゼーベック効果を利用した素子よりも高集
積化したことにより高性能の発電素子を得ることが出来
る。 (15)請求項23の熱電変換材料は、従来の熱電変換
材料とは異なり、微小な粒子の熱電変換材料を用いるの
で高集積化した熱電変換素子のユニットを得ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の熱電変換素子の1つの製造方法を説明
する工程図である。
【図2】本発明の熱電変換素子の他の製造方法を説明す
る工程図である。
【図3】本発明の製造方法により得られた熱電変換素子
の一部断面図である。
【図4】本発明の他の製造方法により得られた熱電変換
素子の一部断面図である。
【図5】本発明において、CVD法や溶液法を用いた製
造方法を説明する工程図である。
【図6】本発明において、CVD法や溶液法を用いたも
う1つの製造方法を説明する工程図である。
【図7】従来の熱電変換素子の一部断面図である。
【符号の説明】
1 絶縁性基板 2 下部電極 3 絶縁物層(第1) 4 第1の接続孔 5 N型熱電変換材料(粒子状) 5′ N型熱電変換材料(密充填型) 6 絶縁物層(第2) 7 第2の接続孔 8 P型熱電変換材料(粒子状) 8′ P型熱電変換材料(密充填型) 9 上部電極 10 導電性基板 11 下部絶縁物層 12 絶縁性基板 13 導電性基板
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H02N 11/00 H02N 11/00 A

Claims (23)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁物中に形成した孔の中に熱電変換材
    料が埋め込まれていることを特徴とする熱電変換素子。
  2. 【請求項2】 絶縁性基板と、該基板上に形成された電
    極と、該電極上に形成された絶縁物層と、該絶縁物層に
    形成された接続孔中に埋め込まれた熱電変換材料と、該
    絶縁物層及び熱電変換材料上に形成された電極とを備え
    たことを特徴とする熱電変換素子。
  3. 【請求項3】 絶縁性基板と、該基板上に形成された電
    極と、該基板露出部及び該電極上に形成された絶縁物層
    と、該絶縁物層に形成された接続孔中に埋め込まれた熱
    電変換材料と、該絶縁物層及び熱電変換材料上に形成さ
    れた電極とを備えたことを特徴とする熱電変換素子。
  4. 【請求項4】 導電性基板と、該基板上に形成された第
    1の絶縁物層と、該第1の絶縁物層上に形成された第1
    の電極と、該第1の電極上に形成された第2の絶縁物層
    と、該第2の絶縁物層に形成された接続孔中に埋め込ま
    れた熱電変換材料と、該第2の絶縁物層及び熱電変換材
    料上に形成された第2の電極とを備えたことを特徴とす
    る熱電変換素子。
  5. 【請求項5】 導電性基板と、該基板上に形成された第
    1の絶縁物層と、該第1の絶縁物層上に形成された第1
    の電極と、該第1の絶縁物層露出部と該第1の電極上に
    形成された第2の絶縁物層と、該第2の絶縁物層に形成
    された接続孔中に埋め込まれた熱電変換材料と、該第2
    の絶縁物層及び熱電変換材料上に形成された第2の電極
    とを備えたことを特徴とする熱電変換素子。
  6. 【請求項6】 絶縁性基板または導電性基板のうち最下
    層の基板が凹凸を有するものである請求項2〜5いずれ
    か記載の熱電変換素子。
  7. 【請求項7】 前記基板の凹凸がエッチングによって形
    成されたものである請求項6記載の熱電変換素子。
  8. 【請求項8】 前記絶縁性基板が熱伝導セラミックスで
    形成されたものである請求項2、3、6、7いずれか記
    載の熱電変換素子。
  9. 【請求項9】 前記導電性基板がSiで形成されている
    請求項4、5、6、7いずれか記載の熱電変換素子。
  10. 【請求項10】 前記電極がアルミニウムで形成されて
    いる請求項2〜9いずれか記載の熱電変換素子。
  11. 【請求項11】 前記電極が高融点導電材料で形成され
    ている請求項2〜9いずれか記載の熱電変換素子。
  12. 【請求項12】 絶縁物中に形成した孔の中に熱電変換
    材料を埋め込むことを特徴とする熱電変換素子の製造方
    法。
  13. 【請求項13】 請求項2または3記載の熱電変換素子
    を製造する方法において、(1)絶縁性基板上に導電材
    料を成膜し、その後フォトリソグラフィー、エッチング
    処理により第1の電極を形成する工程と、(2)該第1
    の電極上に絶縁材料を成膜し、絶縁物層を形成する工程
    と、(3)該絶縁物層にフォトリソグラフィー、エッチ
    ング処理により該第1の電極に通じる接続孔を形成する
    工程と、(4)該接続孔に熱電変換材料を充填する工程
    と、(5)該絶縁物層及び熱電変換材料上に導電材料を
    成膜し、その後フォトリソグラフィー、エッチング処理
    により第2の電極を形成する工程と、を少なくとも有す
    ることを特徴とする請求項2または3記載の熱電変換素
    子の製造方法。
  14. 【請求項14】 請求項2または3記載の熱電変換素子
    を製造する方法において、(1)絶縁性基板上に導電材
    料を成膜し、その後フォトリソグラフィー、エッチング
    処理により第1の電極を形成する工程と、(2)該第1
    の電極上に絶縁材料を成膜し、第1の絶縁物層を形成す
    る工程と、(3)該第1の絶縁物層にフォトリソグラフ
    ィー、エッチング処理により該第1の電極に通じる第1
    の接続孔を形成する工程と、(4)該第1の接続孔にN
    型熱電変換材料を充填する工程と、(5)該第1の絶縁
    物層及び該N型熱電変換材料上に絶縁材料を成膜し、第
    2の絶縁物層を形成する工程と、(6)該両絶縁物層の
    該N型熱電変換材料が充填された該第1の接続孔の場所
    以外にフォトリソグラフィー、エッチング処理により該
    第1の電極に通じる第2接続孔を形成する工程と、
    (7)該第2の接続孔にP型熱電変換材料を充填する工
    程と、(8)該第2の絶縁物層をN型熱電変換材料及び
    P型熱電変換材料が露出するまでエッチバックする工程
    と、(9)該第2の絶縁物層及び両熱電変換材料上に導
    電材料を成膜し、その後フォトリソグラフィー、エッチ
    ング処理により第2の電極を形成する工程と、を少なく
    とも有することを特徴とする請求項2または3記載の熱
    電変換素子の製造方法。
  15. 【請求項15】 請求項4または5記載の熱電変換素子
    を製造する方法において、(1)導電性基板上に絶縁材
    料を成膜し、第1の絶縁物層を形成する工程と、(2)
    該第1の絶縁物層上に導電材料を成膜し、その後フォト
    リソグラフィー、エッチング処理により第1の電極を形
    成する工程と、(3)該第1の電極上に絶縁材料を成膜
    し、第2の絶縁物層を形成する工程と、(4)該第2の
    絶縁物層にフォトリソグラフィー、エッチング処理によ
    り該第1の電極に通じる接続孔を形成する工程と、
    (5)該接続孔に熱電変換材料を充填する工程と、
    (6)該第2の絶縁物層及び該熱電変換材料上に導電材
    料を成膜し、その後フォトリソグラフィー、エッチング
    処理により第2の電極を形成する工程と、を少なくとも
    有することを特徴とする請求項4または5記載の熱電変
    換素子の製造方法。
  16. 【請求項16】 請求項4または5記載の熱電変換素子
    を製造する方法において、(1)導電性基板上に絶縁材
    料を成膜し、下部絶縁物層を形成する工程と、(2)該
    下部絶縁物層上に導電材料を成膜し、その後フォトリソ
    グラフィー、エッチング処理により第1の電極を形成す
    る工程と、(3)該第1の電極上に絶縁材料を成膜し、
    第1の絶縁物層を形成する工程と、(4)該第1の絶縁
    物層にフォトリソグラフィー、エッチング処理により該
    第1の電極に通じる第1の接続孔を形成する工程と、
    (5)該第1の接続孔にN型熱電変換材料を充填する工
    程と、(6)該第1の絶縁物層及びN型熱電変換材料上
    に絶縁材料を成膜し、第2の絶縁物層を形成する工程
    と、(7)該第1、第2の絶縁物層のN型熱電変換材料
    が充填された孔の場所以外にフォトリソグラフィー、エ
    ッチング処理により該第1の電極に通じる第2の接続孔
    を形成する工程と、(8)該第2の接続孔にP型熱電変
    換材料を充填する工程と、(9)該第2の絶縁物層をN
    型熱電変換材料及びP型熱電変換材料が露出するまでエ
    ッチバックする工程と、(10)該第1の絶縁物層及び
    両熱電変換材料上に導電材料を成膜し、その後フォトリ
    ソグラフィー、エッチング処理により第2の電極を形成
    する工程と、を少なくとも有することを特徴とする請求
    項4または5記載の熱電変換素子の製造方法。
  17. 【請求項17】 該熱電変換素子の形成がCVD法によ
    るものである請求項12〜16いずれか記載の熱電変換
    素子の製造方法。
  18. 【請求項18】 該熱電変換素子の形成が溶液法による
    ものである請求項12〜16いずれか記載の熱電変換素
    子の製造方法。
  19. 【請求項19】 該熱電変換素子が粒子状のものを使用
    する請求項12〜16いずれか記載の該熱電変換素子の
    製造方法。
  20. 【請求項20】 請求項1〜11いずれか記載の熱電変
    換素子を用いることを特徴とする冷却素子。
  21. 【請求項21】 請求項1〜11いずれか記載の熱電変
    換素子を用いることを特徴とする発熱素子。
  22. 【請求項22】 請求項1〜11いずれか記載の熱電変
    換素子を用いることを特徴とする発電素子。
  23. 【請求項23】 その形状が粒子状であることを特徴と
    する熱電変換材料。
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