JP2016207708A - 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 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】熱電変換素子10は、材料層12と、材料層12に接触して配置された材料層14と、材料層12および材料層14と電気的に接続された電極161・162と、材料層12・14に電気的に接続され、電極161・162と離間して形成された電極181・182とを備え、材料層12・14界面には、材料層12・14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、電極161・162および電極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、材料層12・14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。
【選択図】図2
Description
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。
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。
S=8π2κB 2T/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。
σ=neμ (3)
で表される。ただし、μは電子の移動度である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
(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。
(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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
Claims (25)
- 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
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いることを特徴とする熱電変換素子。 - 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。
- 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1または2に記載の熱電変換素子。
- 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3に記載の熱電変換素子。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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を備え、
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平行になるように複数層に亘って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。 - 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を備え、
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請求項1〜8のいずれか1項に記載の熱電変換素子。 - 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1〜10のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
- 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9〜11のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
- 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9〜11のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
- 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1〜11のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
- 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1〜11のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
- 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1〜11のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
- 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1〜11のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
- 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
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いることを特徴とする熱電変換素子。 - 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
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いることを特徴とする熱電変換素子。 - 請求項1〜19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。
- 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に記載の熱電発電装置。
- 請求項1〜19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。
- 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22に記載のペルチェ装置。
- 第1材料層と第2材料層を形成する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。 - 第1材料層と第2材料層を形成する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。
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