JP2017054975A - ナノ構造素子及びその製造方法、並びに熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環境負荷が小さく、低コストで且つ高性能な熱電変換を実現することができる、信頼性の高いナノ構造素子及びその製造方法、並びに熱電変換装置を提供する。【解決手段】キャリア及びフォノンの伝導体であるシリコン１１，１３と、伝導体であるシリコン１３内に形成された複数の棒状構造体１２とを備えており、棒状構造体１２は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜して配置されている。【選択図】図５

Description

本発明は、ナノ構造素子及びその製造方法、並びに熱電変換装置に関するものである。

近年では、一次エネルギー消費のうち、約７０％は１００℃〜３００℃の低温の熱エネルギーであり、それが未利用のまま大気中に廃棄されている。この廃熱エネルギーを回収して有効利用する技術への関心は非常に高い。中でも、最も有望な廃熱回収技術が熱電変換技術である。

熱電変換は、熱電変換材料の両端に低温部と高温部を設けることにより、両端間に電位差が生じる効果（ゼーベック効果）を利用して電気エネルギーを取り出す技術である。熱電変換が有望な主な理由としては、以下のものがある。
・可動部を要しないため、長寿命である。
・熱エネルギーから電気エネルギーへ直接的に変換を行うため、クリーンで静か変換作業が可能である。
・小型で軽量であるため、携帯機器用や非常用電源にも最適である。
・少量の熱エネルギーでも電気エネルギーに変換することができる。

特表２０１４−５０１０３１号公報 特開平１１−３１７５４７号公報

従来、熱電変換材料としてよく用いられてきた材料系としては、Ｂｉ−Ｔｅ系、Ｐｂ−Ｔｅ系、Ｃｏ−Ｓｂ系等がある。しかしながら、これらの材料系は、毒性元素や希少元素（レアメタル）を含有している。そのため、環境負荷が大きく、低コスト化や大量普及が困難であるという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、環境負荷が小さく、低コストで且つ高性能な熱電変換を実現することができる、信頼性の高いナノ構造素子及びその製造方法、並びに熱電変換装置を提供することを目的とする。

ナノ構造素子の一態様は、キャリア及びフォノンの伝導体と、前記伝導体内に形成された複数の棒状構造体とを備えており、前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜して配置されている。

ナノ構造素子の製造方法の一態様は、キャリア及びフォノンの伝導体内に複数の棒状構造体を形成し、前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜して配置される。

熱電変換装置の一態様は、キャリア及びフォノンの伝導体と、前記伝導体内に形成された複数の棒状構造体と前記伝導体の端部に形成された電極と、前記電極に接続された電気抵抗とを備えており、前記伝導体の一端に低温部が、他端に高温部がそれぞれ熱的に接触し、前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜して配置されている。

上記の諸態様によれば、環境負荷が小さく、低コストで且つ高性能な熱電変換等を得ることができる、信頼性の高いナノ構造素子及びその製造方法、並びに熱電変換装置が実現する。

第１の実施形態によるナノ構造素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図１に引き続き、第１の実施形態によるナノ構造素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。 第１の実施形態によるナノ構造素子の製造方法の一部の工程を示す概略平面図である。 シリコンにおけるフォノンの平均自由行程に対する累積熱伝導率の関係を示す特性図である。 第１の実施形態によるナノ構造素子の棒状構造体の配置形態を模式的に示す概略平面図である。 第１の実施形態によるナノ構造素子の棒状構造体の傾斜角度と長さとの関係を示す特性図である。 第２の実施形態によるナノ構造素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図７に引き続き、第２の実施形態によるナノ構造素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。 第２の実施形態によるナノ構造素子の製造方法の一部の工程を示す概略平面図である。 第２の実施形態によるナノ構造素子の棒状構造体の配置形態を模式的に示す概略平面図である。 第３の実施形態によるナノ構造素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図１１に引き続き、第３の実施形態によるナノ構造素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。 第３の実施形態によるナノ構造素子の製造方法の一部の工程を示す概略平面図である。 第３の実施形態によるナノ構造素子の棒状構造体の配置形態を模式的に示す概略平面図である。 第３の実施形態によるナノ構造素子の棒状構造体の傾斜角度と長さとの関係を示す特性図である。 第４の実施形態による熱電変換装置の概略構成を示す模式図である。

以下、ナノ構造素子及びその製造方法、並びに熱電変換装置の諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態では、ナノ構造素子を開示し、その構成について製造方法と共に説明する。
図１〜図３は、第１の実施形態によるナノ構造素子の製造方法を工程順に示す模式図であり、図１〜図２が断面図、図３が平面図をそれぞれ示す。

先ず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１１上にシリコン酸化層（ＳｉＯ₂層）２１を形成する。
詳細には、基板としてシリコン基板１１を用意し、その表面にＣＶＤ法等によりシリコン酸化層２１を堆積する。シリコン酸化層２１の代わりに、ＳｉＣ層、ＳｉＮ層等を形成するようにしても良い。

続いて、図１（ｂ）に示すように、棒状構造体１２を形成する。
詳細には、先ずシリコン酸化層２１の表面にレジストを塗布する。レジストをフォトリソグラフィーで加工して、シリコン酸化層２１の棒状構造体となる部位にレジストを残し、レジストマスク２２を形成する。
次に、レジストマスク２２を用いて、シリコン酸化層２１をドライエッチングする。以上により、シリコン基板１１上に複数の棒状構造体１２が形成される。レジストマスク２２は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。

形成された棒状構造体１２をシリコン基板１１の表面の上方から見た（平面視した）様子を図３（ａ）に示す。棒状構造体１２は、フォノンを散乱させるものであり、その長手方向がキャリア（電子又は正孔（ホール））及びフォノンの伝導方向（以下、単に伝導方向と言う。）に対して傾斜して周期的に配置されている。本実施形態では、一対の棒状構造体１２が線対称に配置され、伝導方向に沿って一周期を構成している。一周期を構成する一対の棒状構造体１２は、伝導方向及び伝導方向に直交する方向の双方について同一に配置されている。

続いて、図１（ｃ）に示すように、棒状構造体１２をシリコン結晶１３で埋め込む。
詳細には、シリコン基板１１上に棒状構造体１２を覆うように、シリコン結晶１３をエピタキシャル成長させる。これにより、シリコン基板１１及びシリコン結晶１３のシリコンがキャリア及びフォノンの伝導体となり、当該シリコン内にシリコン結晶１３が埋め込まれた形とされる。

続いて、図２（ａ）に示すように、キャリア及びフォノンの伝導体内に棒状構造体１２を備えた複数のシリコン層を積層する。
詳細には、上記と同様に、図１（ｃ）のシリコン結晶１３上に棒状構造体１２を形成し、棒状構造体１２をシリコン結晶１３で埋め込む一連の工程を、所期の複数回繰り返して行う。以上により、キャリア及びフォノンの伝導体内に棒状構造体１２を備えた複数のシリコン層が積層され、ナノ構造素子が形成される。ナノ構造素子では、積層された各シリコン層の棒状構造体１２が同様に配置される。

ナノ構造素子は、後述するように、熱電変換装置や太陽電池等の変換素子に適用されるものである。そのため、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように、その両端部（端面）にそれぞれ所定の金属を蒸着等により形成し、一対の電極１４が形成される。

以下、本実施形態のナノ構造素子を熱電変換素子として用いる場合において、棒状構造体１２の配置形態について説明する。
熱電変換材料の性能指数Ｚは、以下の式で表される。
Ｚ＝（Ｓ²σＴ）／κ ・・・（１）
（１）式で、Ｓはゼーベック係数、σは電気伝導率、κは熱伝導率、Ｔは温度である。Ｚに温度Ｔを乗じて無次元化したＺＴが熱電変換材料の性能指標としてよく用いられる。ＺＴの値が大きいほど、熱電変換材料として高性能となる。本実施形態では、ＺＴの値を大きくすべく、熱伝導率を低下させることにより、ＺＴの値を向上させる手法を採る。熱伝導率κは、電子による熱伝導とフォノン(格子振動)による熱伝導との和として表される。シリコン等の半導体では、フォノンによる寄与が大きい。そこで、本実施形態のナノ構造素子では、シリコン等を伝導体の材料に用いて、フォノン散乱を増大させることで熱伝導率を低下させ、ＺＴの値が大きい熱電変換材料を得る。

図４は、シリコンにおけるフォノンの平均自由行程に対する累積熱伝導率の関係を示す特性図である。
図４より、例えば、平均自由行程が１００ｎｍ以上のフォノンを選択的に散乱させることができれば、熱伝導率κを８６％低下させることができる。そこで、例えば、平均自由行程が１００ｎｍ以上のフォノンを散乱させることが可能な棒状構造体を有するナノ構造素子を形成する。一方で、電子や正孔等の電気伝導を担うキャリア（平均自由行程約４０ｎｍ）が散乱されてしまうと、電気伝導率σが減少し、ＺＴの値が小さくなってしまう。従ってナノ構造素子は、フォノンは効率よく散乱されるが、キャリアは散乱されないように棒状構造体が配置されてなるものであることを要する。

図５は、棒状構造体の配置形態を模式的に示す平面図である。
棒状構造体１２は、その長手方向が伝導方向（図５のＸ方向）に対して傾斜して周期的に配置されており、隣り合う一対の棒状構造体１２が線対称に配置されて一周期を構成する。棒状構造体１２の幅Ｗは、例えば１０ｎｍ程度とされる。隣り合う一対の棒状構造体１２について、Ｘ方向の両端間距離ｒは、上記の考察より、キャリアの平均自由行程距離（例えば４０ｎｍ程度）以上でフォノンの所定の平均自由行程距離、例えば１００ｎｍ程度以下とされる。一対の棒状構造体１２の離間距離ｄｘは、例えば１０ｎｍ程度とされる。伝導方向に直交する方向（図５のＹ方向）に並ぶ一対の棒状構造体１２間の離間距離ｄｙは、例えば１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度とされる。

棒状構造体１２について上記の諸条件を満たすような、棒状構造体１２の傾斜角度θ及び長さＬは、図６の特性曲線によって決定される（ｒ＝１００ｎｍとした場合）。なお、角度θに関しては、その値が小さ過ぎても大き過ぎても、ナノ構造とすることによるフォノンの選択的な散乱効果が減少してしまう。そのため、図５に示すようにθ＝５°〜４５°程度の範囲とするのが好ましい。このようなナノ構造素子により、熱伝導率に寄与する大部分のフォノンは棒状構造体１２に衝突して散乱されるため、熱伝導率を低下さることができる。その一方で、平均自由行程が短い電子や正孔等の電気伝導を担うキャリアは、棒状構造体１２に衝突して散乱される確率が低いため、電気伝導率の低下は抑制される。よって、大きなＺＴの値を確保することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、低コストで且つ高性能な熱電変換等を得ることができる、信頼性の高いナノ構造素子が実現する。

（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態と同様に、ナノ構造素子を開示し、その構成について製造方法と共に説明する。本実施形態では、ナノ構造素子の棒状構造体の配置形態が異なる点で第１の実施形態と相違する。
図７〜図９は、第２の実施形態によるナノ構造素子の製造方法を工程順に示す模式図であり、図７〜図８が断面図、図９が平面図をそれぞれ示す。

先ず、図７（ａ）に示すように、シリコン基板１１上にシリコン酸化層２１を形成する。
詳細には、基板としてシリコン基板１１を用意し、その表面にＣＶＤ法等によりシリコン酸化層２１を堆積する。シリコン酸化層２１の代わりに、ＳｉＣ層、ＳｉＮ層等を形成するようにしても良い。

続いて、図７（ｂ）に示すように、棒状構造体１５を形成する。
詳細には、先ずシリコン酸化層２１の表面にレジストを塗布する。レジストをフォトリソグラフィーで加工して、シリコン酸化層２１の棒状構造体となる部位にレジストを残し、レジストマスク２２を形成する。
次に、レジストマスク２２を用いて、シリコン酸化層２１をドライエッチングする。以上により、シリコン基板１１上に複数の棒状構造体１５が形成される。レジストマスク２２は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。

形成された棒状構造体１５を、シリコン基板１１の表面の上方から見た（平面視した）様子を図９（ａ）に示す。棒状構造体１５は、フォノンを散乱させるものであり、その長手方向が伝導方向に対して傾斜して周期的に配置されている。本実施形態では、一対の棒状構造体１５が線対称に配置され、伝導方向に沿って一周期を構成している。一周期を構成する一対の棒状構造体１５は、伝導方向について同一に配置されており、伝導方向に直交する方向について線対称に配置されている。

続いて、図７（ｃ）に示すように、棒状構造体１５をシリコン結晶１３で埋め込む。
詳細には、シリコン基板１１上に棒状構造体１５を覆うように、シリコン結晶１３をエピタキシャル成長させる。これにより、シリコン基板１１及びシリコン結晶１３のシリコンがキャリア及びフォノンの伝導体となり、当該シリコン内にシリコン結晶１３が埋め込まれた形とされる。

続いて、図８（ａ）に示すように、キャリア及びフォノンの伝導体内に棒状構造体１５を備えた複数のシリコン層を積層する。
詳細には、上記と同様に、図７（ｃ）のシリコン結晶１３上に棒状構造体１５を形成し、棒状構造体１５をシリコン結晶１３で埋め込む一連の工程を、所期の複数回繰り返して行う。以上により、キャリア及びフォノンの伝導体内に棒状構造体１５を備えた複数のシリコン層が積層され、ナノ構造素子が形成される。ナノ構造素子では、積層された各シリコン層の棒状構造体１５が同様に配置される。

ナノ構造素子は、後述するように、熱電変換装置や太陽電池等の変換素子に適用されるものである。そのため、図８（ｂ）及び図９（ｂ）に示すように、その両端面にそれぞれ所定の金属を蒸着等により形成し、一対の電極１４が形成される。

以下、本実施形態のナノ構造素子を熱電変換素子として用いる場合において、棒状構造体１５の配置形態について説明する。

図１０は、棒状構造体の配置形態を模式的に示す平面図である。
棒状構造体１５は、その長手方向が伝導方向（図１０のＸ方向）に対して傾斜して周期的に配置されており、隣り合う一対の棒状構造体１５が線対称に配置されて一周期を構成する。棒状構造体１５の幅Ｗは、例えば１０ｎｍ程度とされる。隣り合う一対の棒状構造体１５について、Ｘ方向の両端間距離ｒは、キャリアの平均自由行程距離（例えば４０ｎｍ程度）以上でフォノンの所定の平均自由行程距離、例えば１００ｎｍ程度以下とされる。一対の棒状構造体１５の離間距離ｄｘは、例えば１０ｎｍ程度とされる。伝導方向に直交する方向（図１０のＹ方向）に並ぶ一対の棒状構造体１５間の離間距離ｄｙは、例えば１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度とされる。

棒状構造体１５について上記の諸条件を満たすような、棒状構造体１５の傾斜角度θ及び長さＬは、第１の実施形態と同様に図６の特性曲線によって決定される（ｒ＝１００ｎｍとした場合）。なお、角度θに関しては、その値が小さ過ぎても大き過ぎても、ナノ構造とすることによるフォノンの選択的な散乱効果が減少してしまう。そのため、図１０に示すようにθ＝５°〜４５°程度の範囲とするのが好ましい。このようなナノ構造素子により、熱伝導率に寄与する大部分のフォノンは棒状構造体１５に衝突して散乱されるため、熱伝導率を低下さることができる。その一方で、平均自由行程が短い電子や正孔等の電気伝導を担うキャリアは、棒状構造体１５に衝突して散乱される確率が低いため、電気伝導率の低下は抑制される。よって、大きなＺＴの値を確保することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、低コストで且つ高性能な熱電変換等を得ることができる、信頼性の高いナノ構造素子が実現する。

（第３の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態と同様に、ナノ構造素子を開示し、その構成について製造方法と共に説明する。本実施形態では、ナノ構造素子の棒状構造体の配置形態が異なる点で第１の実施形態と相違する。
図１１〜図１３は、第３の実施形態によるナノ構造素子の製造方法を工程順に示す模式図であり、図７〜図８が断面図、図９が平面図をそれぞれ示す。

先ず、図１１（ａ）に示すように、シリコン基板１１上にシリコン酸化層２１を形成する。
詳細には、基板としてシリコン基板１１を用意し、その表面にＣＶＤ法等によりシリコン酸化層２１を堆積する。シリコン酸化層２１の代わりに、ＳｉＣ層、ＳｉＮ層等を形成するようにしても良い。

続いて、図１１（ｂ）に示すように、棒状構造体１６を形成する。
詳細には、先ずシリコン酸化層２１の表面にレジストを塗布する。レジストをフォトリソグラフィーで加工して、シリコン酸化層２１の棒状構造体となる部位にレジストを残し、レジストマスク２２を形成する。
次に、レジストマスク２２を用いて、シリコン酸化層２１をドライエッチングする。以上により、シリコン基板１１上に複数の棒状構造体１６が形成される。レジストマスク２２は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。

形成された棒状構造体１６を、シリコン基板１１の表面の上方から見た（平面視した）様子を図１３（ａ）に示す。棒状構造体１６は、フォノンを散乱させるものであり、その長手方向が伝導方向に対して傾斜して周期的に配置されている。本実施形態では、単体（１つ）の棒状構造体１６が伝導方向に沿って一周期を構成している。一周期を構成する棒状構造体１６は、伝導方向及び伝導方向に直交する方向の双方について同一に配置されている。なお、棒状構造体１６を、伝導方向について同一に配置し、伝導方向に直交する方向について線対称に配置するようにしても良い。

続いて、図１１（ｃ）に示すように、棒状構造体１６をシリコン結晶１３で埋め込む。
詳細には、シリコン基板１１上に棒状構造体１６を覆うように、シリコン結晶１３をエピタキシャル成長させる。これにより、シリコン基板１１及びシリコン結晶１３のシリコンがキャリア及びフォノンの伝導体となり、当該シリコン内にシリコン結晶１３が埋め込まれた形とされる。

続いて、図１２（ａ）に示すように、キャリア及びフォノンの伝導体内に棒状構造体１５を備えた複数のシリコン層を積層する。
詳細には、上記と同様に、図１１（ｃ）のシリコン結晶１３上に棒状構造体１６を形成し、棒状構造体１６をシリコン結晶１３で埋め込む一連の工程を、所期の複数回繰り返して行う。以上により、キャリア及びフォノンの伝導体内に棒状構造体１６を備えた複数のシリコン層が積層され、ナノ構造素子が形成される。ナノ構造素子では、積層された各シリコン層の棒状構造体１６が同様に配置される。

ナノ構造素子は、後述するように、熱電変換装置や太陽電池等の変換素子に適用されるものである。そのため、図１２（ｂ）及び図１３（ｂ）に示すように、その両端面にそれぞれ所定の金属を蒸着等により形成し、一対の電極１４が形成される。

以下、本実施形態のナノ構造素子を熱電変換素子として用いる場合において、棒状構造体１６の配置形態について説明する。

図１４は、棒状構造体の配置形態を模式的に示す平面図である。
棒状構造体１６は、その長手方向が伝導方向（図１４のＸ方向）に対して傾斜して周期的に配置されており、各棒状構造体１６が単体で一周期を構成する。棒状構造体１６の幅Ｗは、例えば１０ｎｍ程度とされる。Ｘ方向で隣り合う棒状構造体１６について、Ｘ方向の一端間距離ｒは、キャリアの平均自由行程距離（例えば４０ｎｍ程度）以上でフォノンの所定の平均自由行程距離、例えば１００ｎｍ程度以下とされる。Ｘ方向で隣り合う棒状構造体１６の離間距離ｄｘは、例えば１０ｎｍ程度とされる。伝導方向に直交する方向（図１４のＹ方向）に並ぶ棒状構造体１６間の離間距離ｄｙは、例えば１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度とされる。

棒状構造体１６について上記の諸条件を満たすような、棒状構造体１６の傾斜角度θ及び長さＬは、図１５の特性曲線によって決定される（ｒ＝１００ｎｍとした場合）。なお、角度θに関しては、その値が小さ過ぎても大き過ぎても、ナノ構造とすることによるフォノンの選択的な散乱効果が減少してしまう。そのため、図１５に示すようにθ＝５°〜４５°程度の範囲とするのが好ましい。このようなナノ構造素子により、熱伝導率に寄与する大部分のフォノンは棒状構造体１６に衝突して散乱されるため、熱伝導率を低下さることができる。その一方で、平均自由行程が短い電子や正孔等の電気伝導を担うキャリアは、棒状構造体１６に衝突して散乱される確率が低いため、電気伝導率の低下は抑制される。よって、大きなＺＴの値を確保することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、低コストで且つ高性能な熱電変換等を得ることができる、信頼性の高いナノ構造素子が実現する。

第１〜第３の実施形態では、キャリア及びフォノンの伝導体としてシリコン（シリコン酸化層２１）を用いたが、シリコンの代わりに例えばゲルマニウム（Ｇｅ）を用いても良い。この場合、基板としてゲルマニウム基板を用い、棒状構造体を例えばゲルマニウム酸化層（ＧｅＯ₂層）を用いて形成し、棒状構造体を埋め込むゲルマニウム結晶を成長するようにすれば良い。

（第４の実施形態）
本実施形態では、熱電変換装置を開示する。この熱電変換装置は、第１〜第３の実施形態のいずれかのナノ構造素子を熱電変換素子として適用したものである。
図１６は、第４の実施形態による熱電変換装置の概略構成を示す模式図である。

この熱電変換装置は、熱電変換素子として適用される一対のナノ構造素子３１，３２と、ナノ構造素子３１，３２の各一方の電極１４と電気的に接続された外部負荷となる電気抵抗３３とを備えて構成されている。
ナノ構造素子３１，３２は、それぞれ第１〜第３の実施形態のいずれかのナノ構造素子である。ナノ構造素子３１は、シリコン層に例えばｎ型不純物がドープされており、シリコン層内の電子がキャリアとなる。ナノ構造素子３２は、シリコン層に例えばｐ型不純物がドープされており、シリコン層内のホールがキャリアとなる。

ナノ構造素子３１，３２を作製するには、第１の実施形態と同様に、図１〜図３の諸工程、図７〜図９の諸工程、図１１〜図１３の諸工程のいずれかを実行する。更に、当該諸工程に加えて、図２（ａ）の工程と図２（ｂ）の工程との間、図８（ａ）の工程と図８（ｂ）の工程との間、図１２（ａ）の工程と図１２（ｂ）の工程との間のいずれかに、以下の工程を行う。

ナノ構造素子３１を形成する際には、棒状構造体１２，１５又は１６を備えた複数のシリコン層の積層構造体に対して、ｎ型不純物、例えば窒素やリン等をイオン注入する。イオン注入は、加速エネルギーを５０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶ程度、ドーズ量を１×１０¹⁵／ｃｍ²〜１×１０¹⁶／ｃｍ²程度の条件で行う。

ナノ構造素子３２を形成する際には、棒状構造体１２，１５又は１６を備えた複数のシリコン層の積層構造体に対して、ｐ型不純物、例えばホウ素等をイオン注入する。イオン注入は、加速エネルギーを５０ｋｅＶ〜２００ｋｅＶ程度、ドーズ量を１×１０¹⁵／ｃｍ²〜１×１０¹⁶／ｃｍ²程度の条件で行う。

イオン注入した後に、注入したイオンを活性化するために、棒状構造体１２，１５又は１６を備えた複数のシリコン層の積層構造体に対して、例えば１０００℃で３０秒間の急速アニール処理（ＲＴＡ）を行う。

本実施形態による熱電変換装置では、ナノ構造素子３１，３２の一端（一方の端面）に低温部３４を、他端（他方の端面）に高温部３５がそれぞれ熱的に接触させる。これにより、両端間に電位差が生じる効果（ゼーベック効果）を利用して電気エネルギーを取り出す。本実施形態では、従来の熱電変換装置と比較して熱伝導率を８０％以上低下させることができ、その結果、ＺＴの値を最大で７倍程度向上させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、環境負荷が小さく、低コストで且つ高性能な熱電変換を得ることができる、信頼性の高い熱電変換装置が実現する。

なお、本実施形態では、第１〜第３の実施形態のナノ構造素子を熱電変換素子に適用した場合を例示したが、その他の利用も考えられる。例えば、光電変換素子として太陽電池に適用することが可能である。この場合、低コストで且つ高性能な光電変換を得ることができる、信頼性の高い太陽電池等が実現する。

以下、ナノ構造素子及びその製造方法、並びに熱電変換装置の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）キャリア及びフォノンの伝導体と、
前記伝導体内に形成された複数の棒状構造体と
を備えており、
前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とするナノ構造素子。

（付記２）前記棒状構造体は、前記伝導方向に沿って周期的に配置されており、
一周期を構成する前記棒状構造体の前記伝導方向の両端間距離は、キャリアの平均自由行程距離以上でフォノンの平均自由行程距離以下であることを特徴とする付記１に記載のナノ構造素子。

（付記３）前記一周期を構成する前記棒状構造体は、平面視において、一対の前記棒状構造体が線対称に配置されていることを特徴とする付記２に記載のナノ構造素子。

（付記４）前記一周期を構成する前記棒状構造体は、単体の前記棒状構造体であることを特徴とする付記２に記載のナノ構造素子。

（付記５）前記一周期を構成する前記棒状構造体は、平面視において、前記伝導方向及び前記伝導方向に直交する方向の双方について同一に配置されていることを特徴とする付記３又は４に記載のナノ構造素子。

（付記６）前記一周期を構成する前記棒状構造体は、平面視において、前記伝導方向について同一に配置されており、前記伝導方向に直交する方向について線対称に配置されていることを特徴とする付記３又は４に記載のナノ構造素子。

（付記７）キャリア及びフォノンの伝導体内に複数の棒状構造体を形成し、
前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜して配置されることを特徴とするナノ構造素子の製造方法。

（付記８）前記棒状構造体は、前記伝導方向に沿って周期的に配置されており、
一周期を構成する前記棒状構造体の前記伝導方向の両端間距離は、キャリアの平均自由行程距離以上且つフォノンの平均自由行程距離以下であることを特徴とする付記７に記載のナノ構造素子の製造方法。

（付記９）前記一周期を構成する前記棒状構造体は、平面視において、一対の前記棒状構造体が線対称に配置されることを特徴とする付記８に記載のナノ構造素子の製造方法。

（付記１０）前記一周期を構成する前記棒状構造体は、単体の前記棒状構造体であることを特徴とする付記８に記載のナノ構造素子の製造方法。

（付記１１）前記一周期を構成する前記棒状構造体は、平面視において、前記伝導方向及び前記伝導方向に直交する方向の双方について同一に配置されることを特徴とする付記９又は１０に記載のナノ構造素子の製造方法。

（付記１２）前記一周期を構成する前記棒状構造体は、平面視において、前記伝導方向について同一に配置されており、前記伝導方向に直交する方向について線対称に配置されることを特徴とする付記９又は１０に記載のナノ構造素子の製造方法。

（付記１３）キャリア及びフォノンの伝導体と、
前記伝導体内に形成された複数の棒状構造体と
前記伝導体の端部に形成された電極と、
前記電極に接続された電気抵抗と
を備えており、
前記伝導体の一端に低温部が、他端に高温部がそれぞれ熱的に接触し、
前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とする熱電変換装置。

（付記１４）前記棒状構造体は、前記伝導方向に沿って周期的に配置されており、
一周期を構成する前記棒状構造体の前記伝導方向の両端間距離は、キャリアの平均自由行程距離以上且つフォノンの平均自由行程距離以下であることを特徴とする付記１３に記載の熱電変換装置。

（付記１５）前記一周期を構成する前記棒状構造体は、平面視において、一対の前記棒状構造体が線対称に配置されていることを特徴とする付記１４に記載の熱電変換装置。

（付記１６）前記一周期を構成する前記棒状構造体は、単体の前記棒状構造体であることを特徴とする付記１４に記載の熱電変換装置。

（付記１７）前記一周期を構成する前記棒状構造体は、平面視において、前記伝導方向及び前記伝導方向に直交する方向の双方について同一に配置されていることを特徴とする付記１５又は１６に記載の熱電変換装置。

（付記１８）前記一周期を構成する前記棒状構造体は、平面視において、前記伝導方向について同一に配置されており、前記伝導方向に直交する方向について線対称に配置されていることを特徴とする付記１５又は１６に記載の熱電変換装置。

１１ シリコン基板
１２，１５，１６ 棒状構造体
１３ シリコン結晶
１４ 電極
２１ シリコン酸化層
２２ レジストマスク
３１，３２ ナノ構造素子
３３ 電気抵抗
３４ 低温部
３５ 高温部

Claims (10)

1. キャリア及びフォノンの伝導体と、
   前記伝導体内に形成された複数の棒状構造体と
   を備えており、
   前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とするナノ構造素子。
2. 前記棒状構造体は、前記伝導方向に沿って周期的に配置されており、
   一周期を構成する前記棒状構造体の前記伝導方向の両端間距離は、キャリアの平均自由行程距離以上でフォノンの平均自由行程距離以下であることを特徴とする請求項１に記載のナノ構造素子。
3. 前記一周期を構成する前記棒状構造体は、平面視において、一対の前記棒状構造体が線対称に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のナノ構造素子。
4. 前記一周期を構成する前記棒状構造体は、単体の前記棒状構造体であることを特徴とする請求項２に記載のナノ構造素子。
5. 前記一周期を構成する前記棒状構造体は、平面視において、前記伝導方向及び前記伝導方向に直交する方向の双方について同一に配置されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のナノ構造素子。
6. 前記一周期を構成する前記棒状構造体は、平面視において、前記伝導方向について同一に配置されており、前記伝導方向に直交する方向について線対称に配置されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のナノ構造素子。
7. キャリア及びフォノンの伝導体内に複数の棒状構造体を形成し、
   前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜して配置されることを特徴とするナノ構造素子の製造方法。
8. 前記棒状構造体は、前記伝導方向に沿って周期的に配置されており、
   一周期を構成する前記棒状構造体の前記伝導方向の両端間距離は、キャリアの平均自由行程距離以上且つフォノンの平均自由行程距離以下であることを特徴とする請求項７に記載のナノ構造素子の製造方法。
9. キャリア及びフォノンの伝導体と、
   前記伝導体内に形成された複数の棒状構造体と
   前記伝導体の端部に形成された電極と、
   前記電極に接続された電気抵抗と
   を備えており、
   前記伝導体の一端に低温部が、他端に高温部がそれぞれ熱的に接触し、
   前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とする熱電変換装置。
10. 前記棒状構造体は、前記伝導方向に沿って周期的に配置されており、
    一周期を構成する前記棒状構造体の前記伝導方向の両端間距離は、キャリアの平均自由行程距離以上且つフォノンの平均自由行程距離以下であることを特徴とする請求項９に記載の熱電変換装置。

Images