JP2020145302A - 熱電素子の製造方法、熱電素子、発電装置、及び電子機器 - Google Patents

熱電素子の製造方法、熱電素子、発電装置、及び電子機器 Download PDF

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博史 後藤
坂田　稔
Minoru Sakata
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Abstract

【課題】発電効率の熱電素子間ばらつきを抑制することが可能な熱電素子の製造方法を提供すること。【解決手段】結晶性表面を有する第１基板２１上に、第１電極部１１ａ及び１１ｂを形成する工程と、結晶性表面上に、結晶性バルクを有する第１Ｙ方向支持部、及び結晶性バルクを有する第２Ｙ方向支持部のそれぞれを選択成長させる工程と、第１電極部１１ａ及び１１ｂと第１方向Ｚに離間して対向し、第１電極部１１ａ及び１１ｂとは異なった仕事関数を有する第２電極部１２を形成する工程と第１電極部１１ａ及び１１ｂと第２電極部１２との間に、第１電極部１１ａ及び１１ｂの仕事関数と第２電極部１２の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部１４ａ及び１４ｂを形成する工程と、を備える。【選択図】図４

Description

この発明は、熱電素子の製造方法、熱電素子、発電装置、及び電子機器に関する。
近年、熱エネルギーを利用して電気エネルギーを生成する熱電素子の開発が盛んに行われている。特許文献１には、仕事関数差を有する電極間に発生する、絶対温度による電子放出現象を利用した熱電素子が開示されている。このような熱電素子は、電極間の温度差（ゼーベック効果）を利用した熱電素子に比較して、電極間の温度差が小さい場合であっても発電可能である。このため、より様々な用途への利用が期待されている。
特許文献１には、エミッタ電極層と、コレクタ電極層と、エミッタ電極層及びコレクタ電極層の表面に分散して配置され、エミッタ電極層とコレクタ電極層とをサブミクロン間隔で離間する電気絶縁性の球状ナノビーズとを備え、エミッタ電極層の仕事関数はコレクタ電極層の仕事関数よりも小さく、球状ナノビーズの粒子径は１００ｎｍ以下である熱電素子が開示されている。
特許第６１４７９０１号公報
特許文献１では、電気絶縁性の球状ナノビーズによって、エミッタ電極層とコレクタ電極層とをサブミクロン間隔で離間する。
しかし、球状ナノビーズは複数あり、それぞれのサイズには、ばらつきがある。このため、エミッタ電極とコレクタ電極との間の電極間ギャップが、熱電素子間でばらつきやすい。電極間ギャップが熱電素子間でばらつくと、発電効率の熱電素子間ばらつきを縮小させることが困難化する、という事情がある。
この発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、その目的は、発電効率の熱電素子間ばらつきを抑制することが可能な熱電素子の製造方法、そのような製造方法の適用が可能な熱電素子、そのような熱電素子を備えた発電装置、及びそのような熱電素子を含む電子機器を提供することにある。
第１発明に係る熱電素子の製造方法は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の製造方法であって、結晶性表面を有する基板上に、第１電極部を形成する工程と、前記第１電極部の形成箇所を除く前記結晶性表面上に、結晶性バルクを有する第１Ｙ方向支持部、及び前記第１電極部を間に挟んで前記第１Ｙ方向支持部と第１方向と交差する第２方向に離間して対向する結晶性バルクを有する第２Ｙ方向支持部のそれぞれを選択成長させる工程と、前記第１Ｙ方向支持部上から前記第２Ｙ方向支持部上にかけて、前記第１電極部と前記第１方向に離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部を形成する工程と、前記第１電極部と前記第２電極部との間に、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部を形成する工程と、を備えることを特徴とする。
第２発明に係る熱電素子の製造方法は、第１発明において、前記第１Ｙ方向支持部の材料、及び前記第２Ｙ方向支持部の材料それぞれは、シリコン、ゲルマニウム、炭素、シリコン化合物、ゲルマニウム化合物、及び炭素化合物からなる群より選ばれることを特徴とする。
第３発明に係る熱電素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子であって、結晶性表面を有する基板と、前記結晶性表面上に設けられた第１電極部と、前記第１電極部の形成箇所を除く前記結晶性表面上に設けられた、第１方向に沿った厚さが前記第１電極部の前記第１方向に沿った厚さよりも厚い結晶性バルクを有する第１Ｙ方向支持部と、前記第１電極部の形成箇所を除く前記結晶性表面上に設けられ、前記第１電極部を間に挟んで前記第１Ｙ方向支持部と前記第１方向と交差する第２方向に離間して対向し、前記第１方向に沿った厚さが前記第１電極部の前記第１方向に沿った厚さよりも厚い結晶性バルクを有する第２Ｙ方向支持部と、前記第１Ｙ方向支持部上から前記第２Ｙ方向支持部上にかけて設けられた、前記第１電極部と前記第１方向に離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、前記第１電極部と前記第２電極部との間に設けられた、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を備えることを特徴とする。
第４発明に係る発電装置は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子を備えた発電装置であって、前記熱電素子は、結晶性表面を有する基板と、前記結晶性表面上に設けられた第１電極部と、前記第１電極部の形成箇所を除く前記結晶性表面上に設けられた、第１方向に沿った厚さが前記第１電極部の前記第１方向に沿った厚さよりも厚い結晶性バルクを有する第１Ｙ方向支持部と、前記第１電極部の形成箇所を除く前記結晶性表面上に、前記第１電極部を間に挟んで設けられた、前記第１Ｙ方向支持部と前記第１方向と交差する第２方向に離間して対向し、前記第１方向に沿った厚さが前記第１電極部の前記第１方向に沿った厚さよりも厚い結晶性バルクを有する第２Ｙ方向支持部と、前記第１Ｙ方向支持部上から前記第２Ｙ方向支持部上にかけて設けられた、前記第１電極部と前記第１方向に離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、前記第１電極部と前記第２電極部との間に設けられた、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を備えることを特徴とする。
第５発明に係る電子機器は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子と、前記熱電素子を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品と、を含む電子機器であって、前記熱電素子は、結晶性表面を有する基板と、前記結晶性表面上に設けられた第１電極部と、前記第１電極部の形成箇所を除く前記結晶性表面上に設けられた、第１方向に沿った厚さが前記第１電極部の前記第１方向に沿った厚さよりも厚い結晶性バルクを有する第１Ｙ方向支持部と、前記第１電極部の形成箇所を除く前記結晶性表面上に、前記第１電極部を間に挟んで設けられた、前記第１Ｙ方向支持部と前記第１方向と交差する方向に離間して対向し、前記第１方向に沿った厚さが前記第１電極部の前記第１方向に沿った厚さよりも厚い結晶性バルクを有する第２Ｙ方向支持部と、前記第１Ｙ方向支持部上から前記第２Ｙ方向支持部上にかけて設けられた、前記第１電極部と第１方向に離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、前記第１電極部と前記第２電極部との間に設けられた、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を備えることを特徴とする。
第１発明によれば、第１電極部の形成箇所を除く結晶性表面上に、結晶性バルクを有する第１Ｙ方向支持部、及び結晶性バルクを有する第２Ｙ方向支持部のそれぞれを選択成長させるので、第１電極部と第２電極部との間の電極間ギャップが、製造される熱電素子間で、ばらつきにくくなる。したがって、発電効率の熱電素子間ばらつきを抑制することが可能な熱電素子の製造方法を得ることができる。また、中間部を、例えば、毛細管現象を利用して形成することもできる。
第２発明によれば、選択成長させることが可能な材料が、具現化される。
第３発明によれば、結晶性表面を有する基板と、第１電極部の形成箇所を除く結晶性表面上に設けられた結晶性バルクを有する第１Ｙ方向支持部と、第１電極部の形成箇所を除く結晶性表面上に、第１電極部を間に挟んで設けられた結晶性バルクを有する第２Ｙ方向支持部と、を含む。このため、第１発明に係る熱電素子の製造方法の適用が可能な熱電素子を提供できる。このような熱電素子によれば、例えば、第１Ｙ方向支持部及び第２Ｙ方向支持部のそれぞれが結晶性バルクを有していない熱電素子と比較して、発電効率の熱電素子間ばらつきを、さらに抑制することが可能である。
第４発明によれば、第１発明に係る熱電素子の製造方法の適用が可能であり、発電効率の熱電素子間ばらつきを、さらに抑制することが可能な熱電素子を備えた発電装置を提供できる。
第５発明によれば、第１発明に係る熱電素子の製造方法の適用が可能であり、発電効率の熱電素子間ばらつきを、さらに抑制することが可能な熱電素子を備えた熱電素子を含む電子機器を提供できる。
図１（ａ）は、第１実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。図１（ｂ）は、第１実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。 図２（ａ）は、中間部の一例を示す模式断面図である。図２（ｂ）は、中間部の他の例を示す模式断面図である。 図３は、第１実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す流れ図である。 図４（ａ）〜図４（ｆ）は、第１実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す模式断面図である。 図５（ａ）〜図５（ｃ）は、中間部の形成方法の第１例を示す模式断面図である。 図６（ａ）〜図６（ｄ）は、中間部の形成方法の第２例を示す模式断面図である。 図７（ａ）〜図７（ｅ）は、支持部の変形例を示す模式断面図である。 図８（ａ）〜図８（ｄ）は、熱電素子を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図である。図８（ｅ）〜図８（ｈ）は、熱電素子を含む発電装置を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図である。
以下、この発明の実施形態のいくつかを、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、高さ方向を第１方向Ｚとし、第１方向Ｚと交差、例えば直交する１つの平面方向を第２方向Ｘとし、第１方向Ｚ及び第２方向Ｘのそれぞれと交差、例えば直交する別の平面方向を第３方向Ｙとする。また、各図において、共通する部分については、共通する参照符号を付し、重複する説明は省略する。
（第１実施形態）
＜発電装置１００＞
図１（ａ）は、第１実施形態に係る熱電素子を備えた発電装置の一例を示す模式断面図である。
図１（ａ）に示すように、発電装置１００は、第１実施形態に係る熱電素子１と、第１外部端子１０１と、第２外部端子１０２と、を含む。熱電素子１は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。熱電素子１を備えた発電装置１００は、例えば、図示せぬ熱源に搭載又は設置され、熱源の熱エネルギーを元として、熱電素子１が発生させた電気エネルギーを、第１外部端子１０１及び第２外部端子１０２を介して負荷Ｒへ出力する。負荷Ｒの一端は第１外部配線１１１を介して第１外部端子１０１と電気的に接続され、他端は第２外部配線１１２を介して第２外部端子１０２と電気的に接続される。負荷Ｒは、例えば電気的な機器を示している。負荷Ｒは、発電装置１００を主電源又は補助電源に用いて駆動される。
熱電素子１の熱源としては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の電子デバイス又は電子部品、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光素子、自動車等のエンジン、工場の生産設備、人体、太陽光、及び環境温度等を利用することができる。例えば、電子デバイス、電子部品、発光素子、エンジン、及び生産設備等は人工熱源である。人体、太陽光、及び環境温度等は自然熱源である。熱電素子１を備えた発電装置１００は、例えばＩｏＴ（Internet of Things）デバイス及びウェアラブル機器等のモバイル機器や自立型センサ端末の内部に設けることができ、電池の代替又は補助として用いることができる。さらに、発電装置１００は、太陽光発電等のような、より大型の発電装置への応用も可能である。
熱電素子１は、例えば、上記人工熱源が発した熱エネルギー、又は上記自然熱源が持つ熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、電流を生成する。熱電素子１は、発電装置１００内に設けるだけでなく、熱電素子１自体を、上記モバイル機器や上記自立型センサ端末等の内部に設けることもできる。この場合、熱電素子１自体が、上記モバイル機器又は上記自立型センサ端末等の、電池の代替部品又は補助部品となる。
＜熱電素子１＞
図１（ｂ）は、第１実施形態に係る熱電素子の一例を示す模式断面図である。図１（ｂ）に示す模式断面は、図１（ａ）中のＩＢ−ＩＢ線に沿う。また、図１（ａ）に示した模式断面は、図１（ｂ）中のＩＡ−ＩＡ線に沿う。図２（ａ）は、中間部の一例を示す模式断面図である。図２（ｂ）は、中間部の他の例を示す模式断面図である。
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、熱電素子１は、第１基板２１と、第１電極部１１ａ及び１１ｂと、第１Ｙ方向支持部１３ａと、第２Ｙ方向支持部１３ｂと、第３Ｙ方向支持部１３ｃと、第２電極部１２と、中間部１４ａ及び中間部１４ｂと、第２基板２２と、を含む。
なお、本実施形態においては、第３Ｙ方向支持部１３ｃが、第１電極部を、参照符号１１ａによって示される部分と、参照符号１１ｂによって示される部分とに分割する。このような第３Ｙ方向支持部１３ｃを含む熱電素子１を開示している関係上、本実施形態では、第１電極部は、第３Ｙ方向支持部１３ｃによって２つの部分に分割される。第３Ｙ方向支持部１３ｃが無い場合には、第１電極部は、参照符号１１ａによって示される部分と、参照符号１１ｂによって示される部分とに分割されない。第１電極部は１つでよい。同様に、中間部についても、第３Ｙ方向支持部１３ｃが無い場合には、参照符号１１ａによって示される部分と、参照符号１１ｂによって示される部分とに分割されない。中間部は１つでよい。
第１基板２１は、結晶性表面を有する。結晶性表面では、ミラー指数は、例えば、（１００）面のように１つのミラー指数で揃っている。第１基板２１は、例えば、単結晶であってもよいし、多結晶又はアモルファスを単結晶化したものでもよい。また、第１基板２１は、多結晶又はアモルファスなベース体の表面上に、単結晶の薄膜を設けたものであってもよい。これにより、第１基板２１の表面は、結晶性表面となる。
第１電極部１１ａ及び１１ｂのそれぞれは、第１基板２１の結晶性表面上に設けられている。第１電極部１１ａ及び１１ｂのそれぞれは、例えば、白金（仕事関数：約５．６５ｅＶ）を含む。
第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃのそれぞれは、第３方向Ｙに沿って延びる。第２Ｙ方向支持部１３ｂは、第１Ｙ方向支持部１３ａと、第１電極部１１ａ及び１１ｂを間に挟んで第２方向Ｘに離間して対向する。第３Ｙ方向支持部１３ｃは、第１Ｙ方向支持部１３ａと第２Ｙ方向支持部１３ｂとの間にある。
第１Ｙ方向支持部１３ａは、第１基板２１の、第１電極部１１ａ及び１１ｂ、第２、第３Ｙ方向支持部１３ｂ及び１３ｃの形成箇所を除く結晶性表面上に設けられている。第１Ｙ方向支持部１３ａは、第１方向Ｚに沿った厚さが第１電極部１１ａ及び１１ｂの第１方向Ｚに沿った厚さよりも厚い。
第２Ｙ方向支持部１３ｂは、第１基板２１の、第１電極部１１ａ及び１１ｂ、第１、第３Ｙ方向支持部１３ａ及び１３ｃの形成箇所を除く結晶性表面上に設けられている。第２Ｙ方向支持部１３ｂは、第１Ｙ方向支持部１３ａと、第１電極部１１ａ及び１１ｂを間に挟んで第２方向Ｘに離間して対向する。第２Ｙ方向支持部１３ｂの第１方向Ｚに沿った厚さは、第１Ｙ方向支持部１３ａの第１方向Ｚに沿った厚さと、実質的に等しい。
第３Ｙ方向支持部１３ｃは、第１基板２１の、第１電極部１１ａ及び１１ｂ、第１、Ｙ２方向支持部１３ａ及び１３ｂの形成箇所を除く結晶性表面上に設けられている。第３Ｙ方向支持部１３ｃは、第１Ｙ方向支持部１３ａと第２Ｙ方向支持部１３ｂとの間にある。第２Ｙ方向支持部１３ｂの第１方向Ｚに沿った厚さは、第１Ｙ方向支持部１３ａの第１方向Ｚに沿った厚さと、実質的に等しい。
第２電極部１２は、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃ上にかけて設けられている。第２電極部１２は、例えば、第２基板２２上に設けられている。第２電極部１２は、第１電極部１１ａ及び１１ｂと第１方向Ｚに離間して対向する。第２電極部１２は、第１電極部１１ａ及び１１ｂとは異なった仕事関数を有する。第２電極部１２は、例えばタングステン（仕事関数：約４．５５ｅＶ）を含む。熱電素子１では、仕事関数が大きい電極部はアノード電極Ａ（コレクタ電極）として機能し、仕事関数が小さい電極部はカソード電極Ｋ（エミッタ電極）として機能する。熱電素子１では、第１電極部１１ａ及び１１ｂがアノード電極Ａとなり、第２電極部１２がカソード電極Ｋとなる。第１電極部１１ａ及び１１ｂは、第１配線１５を介して第１外部端子１０１と電気的に接続される。第２電極部１２は、第２配線１６を介して第２外部端子１０２と電気的に接続される。
なお、第１電極部１１ａ及び１１ｂをカソード電極Ｋとし、第２電極部１２をアノード電極Ａとしてもよい。
中間部１４ａ及び１４ｂは、第１電極部１１ａ及び１１ｂと第２電極部１２との間に設けられている。中間部１４ａは、例えば、第２電極部（カソード電極Ｋ）１２から放出された電子を、第１電極部（アノード電極Ａ）１１ａへと移動させ、中間部１４ｂは、第２電極部（カソード電極Ｋ）１２から放出された電子を、第１電極部（アノード電極Ａ）１１ｂへと移動させる部分である。
中間部１４ａ及び１４ｂは、図３（ａ）に示すように、ナノ粒子１４１を含む。ナノ粒子１４１は、例えば、導電物を含む。ナノ粒子１４１の仕事関数の値は、第１電極部１１ａ及び１１ｂの仕事関数の値と第２電極部１２の仕事関数の値との間にある。ナノ粒子１４１は、例えば、溶媒１４２内に分散されている。なお、図３（ｂ）に示すように、溶媒１４２はなくてもよい。
第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃのそれぞれは、例えば、結晶性バルクを有する。結晶性バルクを有する第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃの例は、単結晶である。また、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃの格子定数は、第１基板２１の結晶性表面の格子定数と、例えば、ほぼ等しい。
また、第１基板２１の結晶性表面と、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃとの間に、例えば、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃの表面ラフネスを改善させたり、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃの選択成長を促進させたりするシード層が設けられていてもよい。
また、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃの格子定数が、第１基板２１の結晶性表面の格子定数と大きく異なる場合には、第１基板２１の結晶性表面と、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃとの間に、バッファ層が設けられてもよい。バッファ層の格子定数は、第１基板２１の結晶性表面の格子定数と、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃの格子定数との間にある。
熱電素子１は、第１封止部材３１と、第２封止部材３２と、を、さらに含む。
第１封止部材３１は、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃのそれぞれの第３方向Ｙと交差した一端と、第１電極部１１ａ及び１１ｂ、並びに第２電極部１２のそれぞれの第３方向Ｙと交差した一端と、第１基板２１及び第２基板２２のそれぞれの第３方向Ｙと交差した一端と接している。
第２封止部材３２は、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃのそれぞれの第３方向Ｙと交差した他端と、第１電極部１１ａ及び１１ｂ、並びに第２電極部１２のそれぞれの第３方向Ｙと交差した他端と、第１基板２１及び第２基板２２のそれぞれの第３方向Ｙと交差した他端と接している。
第１封止部材３１及び第２封止部材３２のそれぞれは、例えば絶縁性樹脂を含む。絶縁性樹脂の例としては、フッ素系絶縁性樹脂を挙げることができる。
熱電素子１では、第１中間部１４ａ及び１４ｂのそれぞれは、第３方向Ｙにおいて、第１電極部１１ａ及び１１ｂと第２電極部１２ａとの間に、第１封止部材３１及び第２封止部材３２に挟まれて設けられている。
＜熱電素子１の製造方法＞
次に、熱電素子１の製造方法の一例を、説明する。
図３は、第１実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す流れ図である。図４（ａ）〜図４（ｆ）は、第１実施形態に係る熱電素子の製造方法の一例を示す模式断面図である。図４（ａ）〜図４（ｆ）に示す断面は、図１（ａ）に示した模式断面に対応する。
＜＜第１電極部形成工程：ＳＴ．１＞＞
図３中のステップＳＴ．１に示すように、結晶性表面を有する第１基板（結晶性基板）上に、第１電極部を形成する。
ステップＳＴ．１では、例えば、図４（ａ）に示すように、結晶性表面を有する第１基板２１が用意される。第１基板２１の一例は、例えば、アンドープの単結晶シリコンである。次いで、結晶性表面上に、第１電極部１１ａ及び１１ｂとなる薄膜状の第１電極部１１を形成する。薄膜状の第１電極部１１は、例えば、導電物を、スパッタリング法又は蒸着法等を用いて、結晶性表面上に堆積させることで形成される。スパッタリング法の一例は、例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法を挙げることができる。蒸着法の例としては、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）、及びＣａｔ−ＣＶＤ（Catalytic Chemical Vapor Deposition）等を挙げることができる。薄膜状の第１電極部１１の一例は、白金である。
次いで、図４（ｂ）に示すように、薄膜状の第１電極部１１をパターニングすることで、第１基板２１上に、第１電極部１１ａ及び１１ｂが形成される。なお、本例では、第１電極部として、参照符号１１ａにより示される部分と、参照符号１１ｂにより示される部分とを有する第１電極部を示しているが、第１電極部は、１つであってもよい。例えば、第１電極部１１ｂは形成しなくてもよい。
薄膜状の第１電極部１１をパターニングすることで、第１基板２１上には、結晶性表面が露出した第１〜第３露出面１８ａ〜１８ｃが得られる。第１露出面１８ａの平面パターンは、第１Ｙ方向支持部１３ａの平面パターンに対応する。第２露出面１８ｂの平面パターンは、第２Ｙ方向支持部１３ｂの平面パターンに対応する。第３露出面１８ｃの平面パターンは、第３Ｙ方向支持部１３ｃの平面パターンに対応する。
第１電極部１１ａ及び１１ｂは、印刷法等を用いて、第１基板２１上に直接形成することもできる。印刷法等を用いると、薄膜状の第１電極部１１のパターニング工程を省略できる。パターニング工程を省略できれば、熱電素子１のスループットの向上、及び熱電素子１の製造コストの低減を、さらに期待できる。印刷法等を用いる場合、第１電極部１１ａ及び１１ｂのそれぞれの平面パターンは、結晶性表面上に、第１〜第３露出面１８ａ〜１８ｃが得られるように設定される。
＜＜支持部選択成長工程：ＳＴ．２＞＞
次に、図３中のステップＳＴ．２に示すように、結晶性表面を有する第１基板（結晶性基板）上に、支持部を選択成長させる。
ステップＳＴ．２では、例えば、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃの原料となる物質を含む原料流体が用いられる。ステップＳＴ．２で用いられる原料流体には、第１基板２１上における成膜レートが、第１電極部１１ａ及び１１ｂ上における成膜レートよりも速い物質を含む原料流体が選ばれる。これにより、図４（ｃ）に示すように、第１電極部１１ａ及び１１ｂの形成箇所を除く第１基板２１上、即ち、第１〜第３露出面１８ａ〜１８ｃ上に、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃを選択成長させることができる。原料流体は、選択成長可能な物質を含む。選択成長可能な物質を含む原料流体としては、シリコンを含む流体、ゲルマニウムを含む流体、炭素を含む流体、シリコン化合物を含む流体、ゲルマニウム化合物を含む流体、及び炭素化合物を含む流体等を挙げることができる。これらの流体の他、選択成長可能な物質を含んでいれば、ステップＳＴ．２における原料流体として用いることができる。原料流体は、気体、及び液体のいずれであってもよい。原料流体が気体の場合、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃは、第１〜第３露出面１８ａ〜１８ｃ上に、気相成長によって選択成長する。原料流体が液体の場合、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃは、第１〜第３露出面１８ａ〜１８ｃ上に、液相成長によって選択成長する。
本例では、第１基板２１は、アンドープの単結晶シリコンである。第１電極部１１ａ及び１１ｂは、白金である。原料流体に、例えば、シリコン化合物を含むガス、例えば、シランを用い、第１基板２１上にシリコンを、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって堆積させる。第１基板２１上において、第１電極部１１ａ及び１１ｂは、シリコンの成長を抑制するマスク部材となる。シリコンの、第１基板２１上における成膜レートは、シリコンの、第１電極部１１ａ及び１１ｂ上における成膜レートよりも速い。これにより、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃが、それぞれ、第１〜第３露出面１８ａ〜１８ｃ上に、第１電極部１１ａ及び１１ｂのそれぞれと自己整合して選択成長する。原料流体は、例えば、シリコンを半導体化させるドナーやアクセプタは含まない。この場合、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃのそれぞれは、例えば、アンドープシリコンの非晶質性バルク（例えば、低温成長時）、又はアンドープシリコンの結晶性バルク（例えば、高温成長時）を含むものとなる。第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃのそれぞれが、アンドープシリコンの結晶性バルクを含む場合、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃの格子定数は、第１基板２１の結晶性表面の格子定数と、ほぼ等しくなる。
＜＜第２電極部形成工程：ＳＴ．３＞＞
次に、図３中のステップＳＴ．３に示すように、支持部上に、第１電極部と対向する第２電極部を形成する。
ステップＳＴ．３では、図４（ｄ）及び図４（ｅ）に示すように、まず、第２電極部１２を、例えば、第２基板２２上に形成される。第２電極部１２は、例えば、スパッタリング法又は蒸着法等を用いて、Ｐｔ等の導電物を第２基板２２上に堆積することで形成される。次いで、第２電極部１２を、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃのそれぞれと相対させて、第２電極部１２が形成された第２基板２２を、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃのそれぞれに接合する。これにより、製造途中の熱電素子１には、第１電極部１１ａ及び１１ｂ、第２電極部１２、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃのそれぞれによって囲まれたギャップ部１４０が得られる。
＜＜中間部形成工程：ＳＴ．４＞＞
次に、図３中のステップＳＴ．４に示すように、ギャップ部内に、ナノ粒子を含む中間部を形成する。
図５（ａ）〜図５（ｃ）は、中間部の形成方法の第１例を示す模式断面図である。図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す模式断面は、図１（ｂ）に示した模式断面に対応する。
図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、熱電素子１には、製造途中において、開放された部分を持つ第１側面４１と、開放された部分を持つ第２側面４２とが生じる。中間部１４ａ及び１４ｂは、例えば、ナノ粒子が分散された溶媒１４２を、第１側面４１及び第２側面４２の少なくとも１つから、第１Ｙ方向支持部１３ａと第３Ｙ方向支持部１３ｃとの間、第２Ｙ方向支持部１３ｂと第３Ｙ方向支持部１３ｃとの間へ注入することで形成できる。溶媒１４２は、例えば、毛細管現象（毛細管力）によって、第１Ｙ方向支持部１３ａと第３Ｙ方向支持部１３ｃとの間、第２Ｙ方向支持部１３ｂと第３Ｙ方向支持部１３ｃとの間へ吸い上げられる。
次に、図５（ｃ）に示すように、第１封止部材３１を第１側面４１上に形成し、第２封止部材３２を第２側面４２上に形成する。これにより、溶媒１４２が封止され、中間部１４ａ及び１４ｂが形成される。
図６（ａ）〜図６（ｄ）は、中間部の形成方法の第２例を示す模式断面図である。図６（ａ）に示す模式断面は、図１（ｂ）に示した模式断面に対応する。図６（ｂ）〜図６（ｄ）に示す断面は、図１（ａ）に示した模式断面に対応する。
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、第２基板２２の一部をエッチングし、充填孔７１ａ及び７１ｂを形成し、さらに、第２電極部１２の一部をエッチングし、貫通孔６１ａ及び６１ｂ（貫通孔６１ｂは図示せず）を形成する。また、本例のように、第３Ｙ方向支持部１３ｃがある場合には、第３Ｙ方向支持部１３ｃに対してもエッチングを続行する。これにより、第３Ｙ方向支持部１３ｃには、貫通部５１ａ及び５１ｂが形成される。ギャップ部１４０は、貫通部５１ａ及び５１ｂを通じて一体化される。
次に、図６（ｃ）及び図６（ｄ）に示すように、ナノ粒子１４１（図示せず）が分散された溶媒１４２を、充填孔７１ａ及び貫通孔６１ａを介して、ギャップ部１４０内に注入する。このとき、もう１つの充填孔７１ｂ及び貫通孔６１ｂ（図示せず）は、例えば、ギャップ部１４０内のエアを抜く孔として使用される。ギャップ部１４０内が、溶媒１４２によって充填されることによって、ギャップ部１４０内には、中間部１４ａ及び１４ｂが形成される（図４（ｆ））。
次に、図６（ｅ）に示すように、第３封止部材３３ａ及び３３ｂ（第３封止部材３３ｂは図示せず）を、第２基板２２上に形成し、充填孔７１ａ及び７１ｂのそれぞれを塞ぐ。
第１実施形態に係る熱電素子１は、例えば、このような製造方法によって製造することができる。
このような熱電素子１によれば、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃを、結晶性を有する第１基板２１上に選択成長させることにより形成するので、例えば、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃを選択成長させないで形成する場合と比較して、第１電極部１１ａ及び１１ｂと、第２電極部１２との間の電極間ギャップＧ（図２（ｂ））が、熱電素子１間でばらつき難くなる。電極間ギャップＧが、熱電素子１間でばらつき難くできることで、発電効率の熱電素子１間の発電効率のばらつきを縮小させることが可能となる。
したがって、第１実施形態に係る熱電素子１によれば、発電効率の熱電素子間ばらつきを抑制することが可能な熱電素子の製造方法、そのような製造方法の適用が可能な熱電素子、そのような熱電素子を備えた発電装置、及びそのような熱電素子を含む電子機器を提供できる。
また、第１実施形態に係る熱電素子１によれば、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃのそれぞれが結晶性バルクを有する。結晶性バルクとは、本明細書では、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃのそれぞれが、１つの方向に向く結晶であることを意味する。第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃが、例えば、多結晶であったとする。多結晶は、様々な方向に向く複数の結晶を含むため、表面ラフネスが大きくなる。このため、電極間ギャップＧがばらついてしまう。このような場合と比較して、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃのそれぞれが、１つの方向に向く結晶であれば、表面ラフネスは小さくなる。したがって、第１実施形態に係る熱電素子の製造方法の適用が可能であるととも、第１Ｙ方向支持部及び第２Ｙ方向支持部のそれぞれが結晶性バルクを有していない熱電素子と比較して、発電効率の熱電素子間ばらつきを、さらに抑制することが可能である。
以下、第１実施形態に係る熱電素子１の構成を、さらに詳細に説明する。
＜＜第１電極部１１ａ、１１ｂ、第２電極部１２ａ＞＞
第１電極部１１ａ及び１１ｂ、第２電極部１２ａのそれぞれの第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば１ｎｍ以上１μｍ以下である。より好ましくは、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。
第１電極部１１ａ及び１１ｂ、及び第２電極部１２のそれぞれの材料は、例えば、以下に示す金属から選ぶことができる。
白金（Ｐｔ）
タングステン（Ｗ）
アルミニウム（Ａｌ）
チタン（Ｔｉ）
ニオブ（Ｎｂ）
モリブデン（Ｍｏ）
タンタル（Ｔａ）
レニウム（Ｒｅ）
熱電素子１では、第１電極部１１ａ及び１１ｂと第２電極部１２との間に仕事関数差が生じればよい。したがって、第１電極部１１ａ及び１１ｂ、第２電極部１２の材料には、上記以外の金属を選ぶことが可能である。また、第１電極部１１ａ及び１１ｂ、第２電極部１２の材料には、上記金属の他、合金、金属間化合物、及び金属化合物を選ぶことも可能である。金属化合物は、金属元素と非金属元素とが化合したものである。金属化合物の例としては、例えば六ホウ化ランタン（ＬａＢ6）を挙げることができる。
第１電極部１１ａ及び１１ｂ、第２電極部１２の材料として、非金属導電物を選ぶことも可能である。非金属導電物の例としては、シリコン（Ｓｉ：例えばｐ型Ｓｉ、あるいはｎ型Ｓｉ）、及びグラフェン等のカーボン系材料等を挙げることができる。
第１電極部１１ａ及び１１ｂ、第２電極部１２の材料として、高融点金属（refractory metal）以外の材料を選ぶと、以下に説明される利点を、さらに得ることができる。本明細書において、高融点金属は、例えば、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、及びＲｅとする。第１電極部（アノード電極Ａ）１１ａ及び１１ｂに、例えばＰｔを用いた場合、第２電極部（カソード電極Ｋ）１２には、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、及びＬａＢ6の少なくとも１つを用いることが好ましい。
例えば、Ａｌ及びＴｉの融点は、上記高融点金属より低い。したがって、Ａｌ及びＴｉのそれぞれからは、上記高融点金属に比較して、加工しやすい、という利点を得ることができる。
例えば、Ｓｉは、上記高融点金属に比較して、その形成が、さらに容易である。したがって、Ｓｉからは、上記加工のしやすさに加え、熱電素子１の生産性がより向上する、という利点を、さらに得ることができる。
例えば、ＬａＢ6の融点は、Ｔｉ及びＮｂより高い。しかし、ＬａＢ6の融点は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、及びＲｅより低い。ＬａＢ6は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、及びＲｅに比較して加工しやすい。しかも、ＬａＢ6の仕事関数は、約２．５〜２．７ｅＶである。ＬａＢ6は、上記高融点金属に比較して電子を放出させやすい。したがって、ＬａＢ6からは、熱電素子１の発電効率の更なる向上が可能、という利点を、さらに得ることができる。
なお、第１電極部１１ａ及び１１ｂ、第２電極部１２のそれぞれの構造は、上記材料を含む単層構造の他、上記材料を含む積層構造とされてもよい。
＜＜第１中間部１４ａ及び第２中間部１４ｂ＞＞
ナノ粒子１４１の材料の例としては、金及び銀の少なくとも１つを選ぶことができる。なお、ナノ粒子１４１の仕事関数の値は、第１電極部１１ａ及び１１ｂの仕事関数の値と、第２電極部１２の仕事関数の値との間にあればよい。したがって、ナノ粒子１４１の材料には、金及び銀以外の導電性材料を選ぶことも可能である。
ナノ粒子１４１の粒子径は、例えば、電極間ギャップＧの１／１０以下の有限値とされる。具体的には、ナノ粒子１４１の粒子径は、２ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。また、ナノ粒子１４１は、例えば、平均粒径（例えばＤ５０）３ｎｍ以上８ｎｍ以下の粒子径を有してもよい。平均粒径は、例えば粒度分布計測器を用いることで、測定することができる。粒度分布計測器としては、例えば、レーザー回折散乱法を用いた粒度分布計測器（例えばMicrotracBEL製Nanotrac WaveII-EX150等）を用いればよい。
ナノ粒子１４１は、その表面に、例えば絶縁膜１４１ａを有する。絶縁膜１４１ａの材料の例としては、絶縁性金属化合物及び絶縁性有機化合物の少なくとも１つを選ぶことができる。絶縁性金属化合物の例としては、例えば、シリコン酸化物及びアルミナ等を挙げることができる。絶縁性有機化合物の例としては、アルカンチオール（例えばドデカンチオール）等を挙げることができる。絶縁膜１４１ａの厚さは、例えば２０ｎｍ以下の有限値である。このような絶縁膜１４１ａをナノ粒子１４１の表面に設けておくと、電子ｅは、例えば、第２電極部（カソード電極Ｋ）１２とナノ粒子１４１との間、並びにナノ粒子１４１と第１電極部（アノード電極Ａ）１１ａ及び１１ｂとの間を、トンネル効果を利用して移動できる。このため、例えば、熱電素子１の発電効率の向上が期待できる。
溶媒１４２には、例えば、沸点が６０℃以上の液体を用いることができる。このため、室温（例えば１５℃〜３５℃）以上の環境下において、熱電素子１を用いた場合であっても、溶媒１４２の気化を抑制することができる。これにより、溶媒１４２の気化に伴う熱電素子１の劣化を抑制することができる。液体の例としては、有機溶媒及び水の少なくとも１つを選ぶことができる。有機溶媒の例としては、メタノール、エタノール、トルエン、キシレン、テトラデカン、及びアルカンチオール等を挙げることができる。なお、溶媒１４２は、電気的抵抗値が高く、絶縁性である液体がよい。
＜＜第１Ｙ方向支持部１３ａ〜第３Ｙ方向支持部１３ｃ＞＞
第１Ｙ方向支持部１３ａ〜第３Ｙ方向支持部１３ｃの材料は、例えば、シリコン、ゲルマニウム、炭素、シリコン化合物、ゲルマニウム化合物、炭素化合物、及びからなる群より選ばれる。これらの材料であれば、第１Ｙ方向支持部１３ａ〜第３Ｙ方向支持部１３ｃを、第１基板２１上に選択成長させることができる。
＜＜第１基板２１及び第２基板２２＞＞
第１基板２１及び第２基板２２のそれぞれの第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば１０μｍ以上２ｍｍ以下である。第１基板２１及び第２基板２２のそれぞれの材料としては、絶縁性の材料を選ぶことができる。絶縁性の材料の例としては、シリコン、石英、ガラス、及び絶縁性樹脂等を挙げることができる。なお、第１基板２１については、その表面を結晶性表面とすることがよい。これにより、第１Ｙ方向支持部１３ａ〜第３Ｙ方向支持部１３ｃを、第１基板２１上に選択成長させやすくなる。
第１基板２１及び第２基板２２のそれぞれは、薄板状であっても、フレキシブルなフィルム状であってもよい。例えば、第１基板２１又は第２基板２２を、フレキシブルなフィルム状とする場合には、例えばＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ＰＣ（polycarbonate）、及びポリイミド等を用いることができる。
第１基板２１と第２基板２２との間には、第１電極部１１ａ及び１１ｂ、第１Ｙ方向支持部１３ａ〜第３Ｙ方向支持部１３ｃ、中間部１４ａ及び１４ｂのそれぞれが挟まれる。このように、第１基板２１及び第２基板２２を備えることで、上記各部材の、外力や環境変化に伴った劣化や変形が抑制される。したがって、熱電素子１の耐久性を高めるためには、第１基板２１及び第２基板２２がないよりは、第１基板２１及び第２基板２２を備えている方が有利である。
第１、第２基板２１及び２２のそれぞれを構成する基板は、絶縁性でなくてもよい。また、半導体基板や金属基板の表面を、例えば、絶縁膜によって被覆してもよい。ただし、第１基板２１の表面は、結晶性表面とされることがよいので、第１基板２１を構成する基板の表面には、結晶性を有する絶縁膜によって被覆することがよい。結晶性を有する絶縁膜としては、例えば、アンドープシリコンを挙げることができる。
＜＜第１外部配線１１１及び第２外部配線１１２＞＞
第１外部配線１１１及び第２外部配線１１２のそれぞれには、導電性を有する材料が用いられる。第１外部配線１１１及び第２外部配線１１２のそれぞれの材料の例としては、ニッケル、銅、銀、金、タングステン、及びチタンを挙げることができる。第１外部配線１１１及び第２外部配線１１２のそれぞれの構造は、熱電素子１において生成された電流を負荷Ｒへ供給できる構造であれば、任意に設計することができる。
＜熱電素子１の動作＞
熱エネルギーが熱電素子１に与えられると、例えば、第２電極部（カソード電極Ｋ）１２から中間部１４ａ及び１４ｂに向けて電子ｅが放出される。放出された電子ｅは、中間部１４ａ及び中間部１４ｂから第１電極部（アノード電極Ａ）１１ａ及び１１ｂへと移動する。電流は、第１電極部１１ａ及び１１ｂから第２電極部１２に向かって流れる。このようにして、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。
放出される電子ｅの量は、熱エネルギーに依存する他、第１電極部１１ａ及び１１ｂのそれぞれの仕事関数と、第２電極部１２の仕事関数との差に依存する。また、放出される電子ｅの量は、第２電極部（カソード電極Ｋ）１２ａの仕事関数が小さい材料ほど、多くなる傾向がある。
移動する電子ｅの量は、例えば、アノード電極Ａとカソード電極Ｋとの仕事関数差を大きくすること、及び電極間ギャップＧを狭くすることで、増やすことができる。したがって、例えば、熱電素子１が発生させる電気エネルギーの量は、仕事関数差を大きくすること、及び電極間ギャップＧを狭くすること、の少なくともいずれか１つを考慮することで増加させることができる。
＜支持部の変形例＞
次に、支持部の変形例について説明する。
図７（ａ）〜図７（ｅ）は、支持部の変形例を示す模式断面図である。図７（ａ）〜図７（ｅ）に示す模式断面は、図１（ｂ）に示した模式断面に対応する。
＜＜第１変形例＞＞
図７（ａ）に示すように、第１変形例は、第３Ｙ方向支持部１３ｃが無い例である。このように、熱電素子１においては、第３Ｙ方向支持部１３ｃが無く、第１、第２Ｙ方向支持部１３ａ及び１３ｂのみを設けるようにしてもよい。なお、第３Ｙ方向支持部１３ｃが無い場合、第１電極部の数は、第１電極部１１の１つとなる。
＜＜第２変形例＞＞
図７（ｂ）に示すように、第２変形例は、第３Ｙ方向支持部１３ｃを、第３Ｙ方向支持部１３ｃａと、第３Ｙ方向支持部１３ｃｂとの２つに分割した例である。第２変形例では、第３Ｙ方向支持部１３ｃａ及び１３ｃｂを備えているので、第１電極部の数は、第１電極部１１ａ〜１１ｃの３つとなる。
このように、熱電素子１においては、第３Ｙ方向支持部１３ｃは、１つに限られることはなく、第３Ｙ方向支持部１３ｃを、２つ以上を設けるようにしてもよい。
＜＜第３変形例＞＞
図７（ｃ）に示すように、第３変形例は、第１変形例に対して、第２方向Ｘに沿って延びる第１Ｘ方向支持部１３１及び第２Ｘ方向支持部１３２をそれぞれを、さらに備えた例である。第３変形例では、支持部が、第１、第２Ｙ方向支持部１３ａ及び１３ｂ、並びに第１、第２Ｘ方向支持部１３１及び１３２を含む。そして、これらの４つの支持部は、フレーム型支持部を構成する。第１、第２Ｘ方向支持部１３１及び１３２は、第１、第２Ｙ方向支持部１３ａ及び１３ｂと同時に選択成長により形成される。したがって、第３変形例では、第１電極部の数は、第１電極部１１の１つとなる。
このようなフレーム型支持部を備えた熱電素子１によれば、例えば、第２電極部１２が変形し難くなるので、電極間ギャップＧの距離の変動を抑制できる。これにより、熱電素子１の発電効率の変動を抑制することができる。
＜＜第４変形例＞＞
図７（ｄ）に示すように、第４変形例は、第３変形例に対して、第３Ｙ方向支持部１３ｃを、さらに備えた例である。第４変形例では、支持部が、第１〜第３Ｙ方向支持部１３ａ〜１３ｃ、並びに第１、第２Ｘ方向支持部１３１及び１３２を含む。これらの５つの支持部は、ラダーフレーム型支持部を構成する。第４変形例では、第１電極部の数は、第１電極部１１ａ及び１１ｂの２つとなる。
このようなラダーフレーム型支持部を備えた熱電素子１によれば、例えば、フレーム型支持部を備えた熱電素子１と比較して、第２電極部１２を、さらに変形し難くできる。これにより、熱電素子１の発電効率の変動を、さらに抑制することができる。
＜＜第５変形例＞＞
図７（ｅ）に示すように、第５変形例は、第４変形例に対して、第２方向Ｘに沿って延びる第３Ｘ方向支持部１３ａｃ及び１３ｂｃを、さらに備えた例である。第５変形例では、第３Ｘ方向支持部１３ａｃは、第１Ｙ方向支持部１３ａと第３Ｙ方向支持部１３ｃとの間にある。第３Ｘ方向支持部１３ｂｃは、第２Ｙ方向支持部１３ｂと第３Ｙ方向支持部１３ｃとの間にある。これら７つの支持部は、メッシュフレーム型支持部を構成する。第３Ｘ方向支持部１３ａｃ及び１３ｂｃは、第１、第２Ｙ方向支持部１３ａ及び１３ｂ、並びに第１、第２Ｘ方向支持部１３１及び１３２と同時に選択成長により形成される。したがって、第５変形例では、第１電極部の数は、第１電極部１１ａ〜１１ｄの４つとなる。
このようなメッシュフレーム型支持部を備えた熱電素子１によれば、例えば、フレーム型支持部、又はラダーフレーム型支持部を備えた熱電素子１と比較して、第２電極部１２を、さらに変形し難くできる。これにより、熱電素子１の発電効率の変動を、さらに抑制することができる。
また、第１実施形態に係る熱電素子の製造方法によれば、例えば、第１実施形態に係る熱電素子１、並びに第１〜第５変形例に示したような様々なパターンの支持部を、１つの選択成長工程で形成できる、という利点についても得ることができる。
（第２実施形態）
＜電子機器＞
第１実施形態において説明した熱電素子及び発電装置は、例えば電子機器に搭載することが可能である。以下、電子機器の実施形態のいくつかを説明する。
図８（ａ）〜図８（ｄ）は、熱電素子を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図である。図８（ｅ）〜図８（ｈ）は、熱電素子を含む発電装置を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図である。
図８（ａ）に示すように、電子機器（エレクトリックプロダクト）５００は、電子部品（エレクトロニックコンポーネント）５０１と、主電源５０２と、補助電源５０３と、を備えている。電子機器５００及び電子部品５０１のそれぞれは、電気的な機器(エレクトリカルデバイス)である。
電子部品５０１は、主電源５０２を電源に用いて駆動される。電子部品５０１の例としては、例えば、ＣＰＵ、モーター、センサ端末、及び照明等を挙げることができる。電子部品５０１が、例えばＣＰＵである場合、電子機器５００には、内蔵されたマスター（ＣＰＵ）によって制御可能な電子機器が含まれる。電子部品５０１が、例えば、モーター、センサ端末、及び照明等の少なくとも１つを含む場合、電子機器５００には、外部にあるマスター、あるいは人によって制御可能な電子機器が含まれる。
主電源５０２は、例えば電池である。電池には、充電可能な電池も含まれる。主電源５０２のプラス端子（＋）は、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）と電気的に接続される。主電源５０２のマイナス端子（−）は、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）と電気的に接続される。
補助電源５０３は、熱電素子である。熱電素子は、実施形態のそれぞれにおいて説明した熱電素子１〜１ｄの少なくとも１つを含む。以下、熱電素子１〜１ｄを総称して、熱電素子１という。熱電素子１のアノード（例えば第１電極部１１）は、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）、又は主電源５０２のマイナス端子（−）、又はＧＮＤ端子（ＧＮＤ）とマイナス端子（−）とを接続する配線と、電気的に接続される。熱電素子１のカソード（例えば第２電極部１２）は、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）、又は主電源５０２のプラス端子（＋）、又はＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）とプラス端子（＋）とを接続する配線と、電気的に接続される。電子機器５００において、補助電源５０３は、例えば主電源５０２と併用され、主電源５０２をアシストするための電源や、主電源５０２の容量が切れた場合、主電源５０２をバックアップするための電源として使うことができる。主電源５０２が充電可能な電池である場合には、補助電源５０３は、さらに、電池を充電するための電源としても使うことができる。
図８（ｂ）に示すように、主電源５０２は、熱電素子１とされてもよい。熱電素子１のアノードは、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）と電気的に接続される。熱電素子１のカソードは、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）と電気的に接続される。図１８（ｂ）に示す電子機器５００は、主電源５０２として使用される熱電素子１と、熱電素子１を用いて駆動されることが可能な電子部品５０１と、を備えている。熱電素子１は、独立した電源（例えばオフグリッド電源）である。このため、電子機器５００は、例えば自立型（スタンドアローン型）にできる。しかも、熱電素子１は、環境発電型（エナジーハーベスト型）である。図８（ｂ）に示す電子機器５００は、電池の交換が不要である。
図８（ｃ）に示すように、電子部品５０１が熱電素子１を備えていてもよい。熱電素子１のアノードは、例えば、回路基板（図示は省略する）のＧＮＤ配線と電気的に接続される。熱電素子１のカソードは、例えば、回路基板（図示は省略する）のＶｃｃ配線と電気的に接続される。この場合、熱電素子１は、電子部品５０１の、例えば補助電源５０３として使うことができる。
図８（ｄ）に示すように、電子部品５０１が熱電素子１を備えている場合、熱電素子１は、電子部品５０１の、例えば主電源５０２として使うことができる。
図８（ｅ）〜図８（ｈ）のそれぞれに示すように、電子機器５００は、発電装置１００を備えていてもよい。発電装置１００は、電気エネルギーの源として熱電素子１を含む。
図８（ｄ）に示した実施形態は、電子部品５０１が主電源５０２として使用される熱電素子１を備えている。同様に、図８（ｈ）に示した実施形態は、電子部品５０１が主電源として使用される発電装置１００を備えている。これらの実施形態では、電子部品５０１が、独立した電源を持つ。このため、電子部品５０１を、例えば自立型とすることができる。自立型の電子部品５０１は、例えば、複数の電子部品を含み、かつ、少なくとも１つの電子部品が別の電子部品と離れているような電子機器に有効に用いることができる。そのような電子機器５００の例は、センサである。センサは、センサ端末（スレーブ）と、センサ端末から離れたコントローラ（マスター）と、を備えている。センサ端末及びコントローラのそれぞれは、電子部品５０１である。センサ端末が、熱電素子１又は発電装置１００を備えていれば、自立型のセンサ端末となり、有線での電力供給の必要がない。熱電素子１又は発電装置１００は環境発電型であるので、電池の交換も不要である。センサ端末は、電子機器５００の１つと見なすこともできる。電子機器５００と見なされるセンサ端末には、センサのセンサ端末に加えて、例えば、ＩｏＴワイヤレスタグ等が、さらに含まれる。
図８（ａ）〜図８（ｈ）のそれぞれに示した実施形態において共通することは、電子機器５００は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子１と、熱電素子１を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品５０１と、を含むことである。
電子機器５００は、独立した電源を備えた自律型（オートノマス型）であってもよい。自律型の電子機器の例は、例えばロボット等を挙げることができる。さらに、熱電素子１又は発電装置１００を備えた電子部品５０１は、独立した電源を備えた自律型であってもよい。自律型の電子部品の例は、例えば可動センサ端末等を挙げることができる。
以上、この発明の実施形態を説明したが、実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、この発明の実施形態は、上記実施形態が唯一のものでもない。例えば、この発明は、上記実施形態の他、様々な新規な形態で実施することができる。したがって、上記実施形態のそれぞれは、この発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更が可能である。このような新規な形態や変形は、この発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明、及び特許請求の範囲に記載された発明の均等物の範囲に含まれる。
１ ：熱電素子
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ：第１電極部
１２ ：第２電極部
１３ａ ：第１Ｙ方向支持部
１３ｂ ：第２Ｙ方向支持部
１３ｃ、１３ｃａ、１３ｃｂ：第３Ｙ方向支持部
１３１ ：第１Ｘ方向支持部
１３２ ：第２Ｘ方向支持部
１３ａｃ、１３ｂｃ：第３Ｘ方向支持部
１４ａ、１４ｂ：中間部
１４０ ：ギャップ部
１４１ ：ナノ粒子
１４１ａ ：絶縁膜
１４２ ：溶媒
１５ａ ：第１配線
１５ｂ ：第２配線
１８ａ ：第１露出面
１８ｂ ：第２露出面
１８ｃ ：第３露出面
２１ ：第１基板
２２ ：第２基板
３１ ：第１封止部材
３２ ：第２封止部材
３３ａ、３３ｂ ：第３封止部材
５１ａ、５１ｂ ：貫通部
６１ａ、６１ｂ ：充填孔
７１ａ、７１ｂ ：貫通孔
１００ ：発電装置
１０１ ：第１外部端子
１０２ ：第２外部端子
１１１ ：第１外部配線
１１２ ：第２外部配線
Ｒ ：負荷
Ｘ ：第２方向
Ｙ ：第３方向
Ｚ ：第１方向
Ａ ：アノード電極
Ｋ ：カソード電極
Ｇ ：電極間ギャップ
ｅ ：電子
１００ ：発電装置、
５００ ：電子機器
５０１ ：電子部品
５０２ ：主電源
５０３ ：補助電源
Ｖｃｃ ：Ｖｃｃ端子
ＧＮＤ ：ＧＮＤ端子
＋ ：プラス端子
− ：マイナス端子

Claims (5)

  1. 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子の製造方法であって、
    結晶性表面を有する基板上に、第１電極部を形成する工程と、
    前記第１電極部の形成箇所を除く前記結晶性表面上に、
    結晶性バルクを有する第１Ｙ方向支持部、及び
    前記第１電極部を間に挟んで前記第１Ｙ方向支持部と第１方向と交差する第２方向に離間して対向する結晶性バルクを有する第２Ｙ方向支持部のそれぞれを選択成長させる工程と、
    前記第１Ｙ方向支持部上から前記第２Ｙ方向支持部上にかけて、前記第１電極部と前記第１方向に離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部を形成する工程と、
    前記第１電極部と前記第２電極部との間に、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部を形成する工程と、
    を備えること
    を特徴とする熱電素子の製造方法。
  2. 前記第１Ｙ方向支持部の材料、及び前記第２Ｙ方向支持部の材料それぞれは、シリコン、ゲルマニウム、炭素、シリコン化合物、ゲルマニウム化合物、及び炭素化合物からなる群より選ばれること
    を特徴とする請求項１に記載の熱電素子の製造方法。
  3. 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子であって、
    結晶性表面を有する基板と、
    前記結晶性表面上に設けられた第１電極部と、
    前記第１電極部の形成箇所を除く前記結晶性表面上に設けられた、第１方向に沿った厚さが前記第１電極部の前記第１方向に沿った厚さよりも厚い結晶性バルクを有する第１Ｙ方向支持部と、
    前記第１電極部の形成箇所を除く前記結晶性表面上に設けられ、前記第１電極部を間に挟んで前記第１Ｙ方向支持部と前記第１方向と交差する第２方向に離間して対向し、前記第１方向に沿った厚さが前記第１電極部の前記第１方向に沿った厚さよりも厚い結晶性バルクを有する第２Ｙ方向支持部と、
    前記第１Ｙ方向支持部上から前記第２Ｙ方向支持部上にかけて設けられた、前記第１電極部と前記第１方向に離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、
    前記第１電極部と前記第２電極部との間に設けられた、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
    を備えること
    を特徴とする熱電素子。
  4. 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子を備えた発電装置であって、
    前記熱電素子は、
    結晶性表面を有する基板と、
    前記結晶性表面上に設けられた第１電極部と、
    前記第１電極部の形成箇所を除く前記結晶性表面上に設けられた、第１方向に沿った厚さが前記第１電極部の前記第１方向に沿った厚さよりも厚い結晶性バルクを有する第１Ｙ方向支持部と、
    前記第１電極部の形成箇所を除く前記結晶性表面上に、前記第１電極部を間に挟んで設けられた、前記第１Ｙ方向支持部と前記第１方向と交差する第２方向に離間して対向し、前記第１方向に沿った厚さが前記第１電極部の前記第１方向に沿った厚さよりも厚い結晶性バルクを有する第２Ｙ方向支持部と、
    前記第１Ｙ方向支持部上から前記第２Ｙ方向支持部上にかけて設けられた、前記第１電極部と前記第１方向に離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、
    前記第１電極部と前記第２電極部との間に設けられた、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
    を備えること
    を特徴とする発電装置。
  5. 熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子と、前記熱電素子を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品と、を含む電子機器であって、
    前記熱電素子は、
    結晶性表面を有する基板と、
    前記結晶性表面上に設けられた第１電極部と、
    前記第１電極部の形成箇所を除く前記結晶性表面上に設けられた、第１方向に沿った厚さが前記第１電極部の前記第１方向に沿った厚さよりも厚い結晶性バルクを有する第１Ｙ方向支持部と、
    前記第１電極部の形成箇所を除く前記結晶性表面上に、前記第１電極部を間に挟んで設けられた、前記第１Ｙ方向支持部と前記第１方向と交差する方向に離間して対向し、前記第１方向に沿った厚さが前記第１電極部の前記第１方向に沿った厚さよりも厚い結晶性バルクを有する第２Ｙ方向支持部と、
    前記第１Ｙ方向支持部上から前記第２Ｙ方向支持部上にかけて設けられた、前記第１電極部と第１方向に離間して対向し、前記第１電極部とは異なった仕事関数を有する第２電極部と、
    前記第１電極部と前記第２電極部との間に設けられた、前記第１電極部の仕事関数と前記第２電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
    を備えること
    を特徴とする電子機器。
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