JP5493160B2 - Functional material and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、2種類以上の固体材料に対して高重力場処理を施すことにより形成された機能材料およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a functional material formed by subjecting two or more types of solid materials to high-gravity field treatment and a method for manufacturing the functional material.

接合にはpn接合、pin接合、ヘテロ接合、ショットキー接合、MOS接合などがある。pn接合とはp型半導体とn型半導体との接合のことであり、pin接合とはp型半導体、真性半導体およびn型半導体の接合のことである。ヘテロ接合とはバンドギャップの異なる半導体同士の接合のことであり、ショットキー接合とは金属と半導体との接合のことであり、MOS接合とは金属、絶縁体および半導体の接合のことである。   Examples of the junction include a pn junction, a pin junction, a hetero junction, a Schottky junction, and a MOS junction. A pn junction is a junction between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, and a pin junction is a junction between a p-type semiconductor, an intrinsic semiconductor, and an n-type semiconductor. A heterojunction is a junction between semiconductors having different band gaps, a Schottky junction is a junction between a metal and a semiconductor, and a MOS junction is a junction between a metal, an insulator, and a semiconductor.

ダイオードやトランジスタは、n型およびp型の半導体をエピタキシャル成長や面接合したり点接合させたりして製造される。このとき、ダイオードやトランジスタの種類によって、反応層の幅が異なり、性能に関わってくる。なお、ここでの反応層とは、n型半導体とp型半導体との境界(接合面)に存在する層であり、例えば、n型不純物の濃度勾配が急激に大きくなり始めるところと、p型不純物の濃度勾配が急激に大きくなり始めるところとの間に存在する層である。   Diodes and transistors are manufactured by epitaxial growth, surface bonding, or point bonding of n-type and p-type semiconductors. At this time, the width of the reaction layer varies depending on the type of the diode or transistor, and is related to performance. Here, the reaction layer is a layer existing at the boundary (junction surface) between the n-type semiconductor and the p-type semiconductor. For example, the n-type impurity concentration gradient starts to increase rapidly, and the p-type This is a layer existing between the point where the impurity concentration gradient starts to increase rapidly.

ダイオードやトランジスタにおいて、n型およびp型の半導体を製造するに際には、拡散処理によって接合面を形成させる。しかし、その接合面の形成には、十分な時間と温度が必要であり、接合面の形成に伴って形成される反応層の厚みが大きくなる。   When manufacturing n-type and p-type semiconductors in diodes and transistors, junction surfaces are formed by diffusion treatment. However, sufficient time and temperature are required to form the bonding surface, and the thickness of the reaction layer formed increases with the formation of the bonding surface.

多量の不純物をドープしたpn接合では、n型半導体のフェルミレベルに対し、p型半導体のフェルミレベルが非常に高くなり、接合部に生じる電位障壁の高さが非常に大きくなり、拡散電位差も大きくなり、空乏層中の禁止帯の幅が極めて薄くなる。それによって、電子がトンネル効果に寄って禁止帯中を通り抜けるようになり、トンネル(江崎)ダイオードの性質を示す。トンネル効果を示すものとしては、MOS接合、pin接合などがある。   In a pn junction doped with a large amount of impurities, the Fermi level of the p-type semiconductor is very high compared to the Fermi level of the n-type semiconductor, the height of the potential barrier generated at the junction is very large, and the diffusion potential difference is also large. Thus, the width of the forbidden band in the depletion layer becomes extremely thin. As a result, electrons are allowed to pass through the forbidden band due to the tunnel effect, indicating the properties of the tunnel (Ezaki) diode. Examples of the tunnel effect include a MOS junction and a pin junction.

半導体材料としては、単体ではSi、Ge、Se、Te、Cなどがある。また、III−V族半導体としてはGaAs、GaP、InAs、InP、InGaAs、AlGaAs、GaAsP、InGaN、AlGaN、AlGaInP、SiC、GaInNAs、GaNなどがあり、II−VI族半導体としてはZnO、CdTe、CdSe、ZnSeなどがある。   As the semiconductor material, there are Si, Ge, Se, Te, C and the like as a single substance. Examples of III-V semiconductors include GaAs, GaP, InAs, InP, InGaAs, AlGaAs, GaAsP, InGaN, AlGaN, AlGaInP, SiC, GaInNAs, and GaN, and II-VI semiconductors include ZnO, CdTe, and CdSe. ZnSe and the like.

有機物半導体としては、低分子ではテチラセン、ペンタセンなどのアセン族、オリゴチオフェン誘導体、フタロシアニン類、ペリシン誘導体などのジアミン誘導体がある。高分子では、ポリ(3−アルキルチオフェン)などポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリトリアリルアミンなどが挙げられる。   Examples of organic semiconductors include acene groups such as tethyracene and pentacene, and diamine derivatives such as oligothiophene derivatives, phthalocyanines, and pericin derivatives. Examples of the polymer include polythiophene such as poly (3-alkylthiophene), polyfluorene, polyphenylene vinylene, and polytriallylamine.

ジョセフソン素子はジョセフソン効果(Josephson Effect)を用いた電子素子である(特許文献1参照)。ジョセフソン効果は、弱く結合した2つの超伝導体の間に、超伝導電子対のトンネル効果によって超伝導電流が流れる現象である。波動関数の位相というミクロな量をマクロに観測できるという点で、超伝導の特徴を最も端的に示す現象と言うことができる。超伝導量子干渉計(SQUID)のようなジョセフソン効果による量子力学回路の重要な実用例もある。弱結合の種類としては、トンネル接合、サブミクロンサイズのブリッジ、ポイントコンタクト等がある。また、トンネル障壁としては厚さ2nm程度の絶縁体、厚さ10nm程度の常伝導金属あるいは半導体等が使われる。弱結合を介して流れる超伝導電流をジョセフソン電流、ジョセフソン効果を示すトンネル接合をジョセフソン接合と呼ぶ。電子デバイスとして扱われる場合はジョセフソン素子と呼ばれる。   The Josephson element is an electronic element using the Josephson effect (see Patent Document 1). The Josephson effect is a phenomenon in which a superconducting current flows between two weakly coupled superconductors by the tunnel effect of a superconducting electron pair. It can be said that it is the phenomenon that most clearly shows the characteristics of superconductivity in that a micro quantity of the phase of the wave function can be observed macroscopically. There are also important practical examples of quantum mechanical circuits based on the Josephson effect, such as a superconducting quantum interferometer (SQUID). The types of weak coupling include a tunnel junction, a submicron size bridge, a point contact, and the like. As the tunnel barrier, an insulator having a thickness of about 2 nm, a normal metal or a semiconductor having a thickness of about 10 nm are used. A superconducting current flowing through a weak coupling is called a Josephson current, and a tunnel junction exhibiting the Josephson effect is called a Josephson junction. When handled as an electronic device, it is called a Josephson element.

ゼーベック効果を用いる熱電対や熱電変換素子は、異なった熱電能素子を接合して製造される。ペルチャー効果を用いる冷却素子も、異なった熱電能素子を接合して製造される。   Thermocouples and thermoelectric conversion elements that use the Seebeck effect are manufactured by joining different thermoelectric elements. A cooling element using the Pelcher effect is also manufactured by joining different thermoelectric elements.

熱電対では、Cr、Co、Fe、Cu、Pt、Re、Ir、Rh、Pd、W、Ag、Auや、アルメル、クロメル、コンスタンタンなどの合金が用いられる。熱電変換素子やペルチャー素子においては、熱電対と同様の材料の他に、Bi−Sb合金、In−Pb合金、Se−Te合金、Cd−Sb金属間化合物、Bi−Te金属間化合物、Se−Te固溶体、またはMxCo4Sb12(M=Ge、SbまたはPb)などのクッテルダイト型化合物が用いられる。また、これらの材料に不純物をドープしたり、これらの材料の組成を変化させたりすることにより特性を向上させることができる。 In thermocouples, Cr, Co, Fe, Cu, Pt, Re, Ir, Rh, Pd, W, Ag, Au, and alloys such as alumel, chromel, and constantan are used. In the thermoelectric conversion element and the Pelcher element, in addition to the same material as the thermocouple, Bi—Sb alloy, In—Pb alloy, Se—Te alloy, Cd—Sb intermetallic compound, Bi—Te intermetallic compound, Se— A quaterdite-type compound such as Te solid solution or M x Co 4 Sb 12 (M = Ge, Sb or Pb) is used. Further, the characteristics can be improved by doping impurities into these materials or changing the composition of these materials.

特開2003−168831号公報JP 2003-168831 A

従来、接合型ダイオードや接合型トランジスタの半導体同士の接合面や電極との接合面では、ある幅以上の反応層の形成が避けられず、理想的なダイオードやトランジスタの機能から外れてしまうことがあった。   Conventionally, the formation of a reaction layer of a certain width or more is unavoidable on the junction surface between semiconductors of a junction diode or junction transistor or the junction surface of an electrode, which may deviate from the function of an ideal diode or transistor. there were.

従来、半導体レーザや発光ダイオードでは、半導体同士の接合面や電極との接合面において、ある幅以上の反応層の形成が避けられない。そのため、理想的な界面や井戸型ポテンシャルが形成できず、理想的な半導体レーザや発光ダイオードの機能から外れてしまうことがあった。 Conventionally, in a semiconductor laser or a light emitting diode, it is inevitable to form a reaction layer having a certain width or more on a junction surface between semiconductors or an electrode junction surface. For this reason, an ideal interface or well-type potential cannot be formed, and the function of an ideal semiconductor laser or light emitting diode may be lost.

接合界面において反応層が厚い場合には、トンネル効果が起こりにくくなり、理想的なトンネルダイオードやジョセフソン素子の機能から外れてしまうことがあった。理想的なトンネル効果を必要とするものとしては、MOS接合、pin接合などがある。   When the reaction layer is thick at the junction interface, the tunnel effect is less likely to occur, and the function of the ideal tunnel diode or Josephson element may be lost. Examples of devices that require an ideal tunnel effect include MOS junctions and pin junctions.

熱電能素子では、半導体と金属との接合面や電極の接合面において、ある幅以上の反応層の形成が避けられず、理想的な熱電能の機能から外れてしまうことがあった。熱電対では、金属の接合面において、ある幅以上の反応層の形成が避けられず、理想的な熱電対の機能から外れてしまうことがあった。ジョセフソン素子では、超伝導体同士や電極との接合面において、ある幅以上の反応層の形成が避けられず、理想的なジョセフソン素子の機能から外れてしまうことがあった。   In a thermoelectric element, formation of a reaction layer having a width greater than a certain width is unavoidable on the bonding surface between a semiconductor and a metal or the bonding surface of an electrode, and the function of an ideal thermoelectric power is sometimes deviated. In thermocouples, the formation of a reaction layer having a certain width or more on the metal bonding surface is unavoidable, and the thermocouple may deviate from the ideal thermocouple function. In the Josephson element, the formation of a reaction layer having a certain width or more is unavoidable at the joint surface between the superconductors and the electrodes, and the function of the ideal Josephson element may be lost.

また、接合は蒸着やエピタキシャルの他、特にバルク素子では熱拡散が用いられるが、条件によって接合が不十分な場合があった。   In addition to vapor deposition and epitaxial bonding, thermal diffusion is used for bulk elements, but bonding may be insufficient depending on conditions.

このように、従来では、接合面において反応層が厚くなったり、接合が不十分になったりしてしまい、所望の機能を得ることができない場合があった。   As described above, conventionally, the reaction layer becomes thick on the bonding surface, or the bonding becomes insufficient, and a desired function may not be obtained.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、接合面において反応層を薄くしたり、十分な接合を得たりすることの可能な機能材料の製造方法およびその製造方法によって製造された機能材料を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and its purpose is to provide a functional material manufacturing method and a manufacturing method thereof capable of thinning a reaction layer or obtaining sufficient bonding on a bonding surface. It is to provide a manufactured functional material.

本発明の第1の機能材料の製造方法は、固体材料からなる第1材料と、第1材料とは異なる固体材料からなる第2材料とを互いに接触もしくは接合させた状態で、第1材料および第2材料に対して、第1材料のうち第2材料との接触面もしくは接合面と交差する方向に少なくとも1万g(g=9.8m/s 2 )以上の高重力をかける高重力場処理を行うものである。ここで、第1材料の、原子の比重に相当する第1比重相当量(原子量/原子容)が、第2材料の、原子の比重に相当する第2比重相当量(原子量/原子容)よりも大きい場合には、第2材料との関係で、第1材料を重力方向側に配置した上で、高重力場処理を行う。また、第1比重相当量が第2比重相当量よりも小さい場合には、第1材料との関係で、第2材料を重力方向側に配置した上で、高重力場処理を行う。 In the first functional material manufacturing method of the present invention, the first material and the second material made of a solid material different from the first material are in contact with or joined to each other. A high-gravity field that applies high gravity of at least 10,000 g (g = 9.8 m / s 2 ) or more to the second material in a direction intersecting the contact surface or bonding surface with the second material of the first material. The processing is performed. Here, the first specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) corresponding to the atomic specific gravity of the first material is greater than the second specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) corresponding to the atomic specific gravity of the second material. Is larger, the high-gravity field process is performed after the first material is arranged on the gravity direction side in relation to the second material. When the first specific gravity equivalent amount is smaller than the second specific gravity equivalent amount, the high-gravity field process is performed after the second material is arranged on the gravity direction side in relation to the first material.

本発明の第1の機能材料は、薄膜状、板状もしくはバルク状の機能材料である。この機能材料は、上述の第1の機能材料の製造方法によって形成されたものである。   The first functional material of the present invention is a thin film, plate or bulk functional material. This functional material is formed by the above-described first functional material manufacturing method.

本発明の第1の機能材料およびその製造方法では、第1比重相当量が第2比重相当量よりも大きい場合には第1材料を第2材料よりも重力方向側に配置し、第1比重相当量が第2比重相当量よりも小さい場合には第2材料を第1材料よりも重力方向側に配置した上で、高重力場処理が行われる。これにより、第1材料および第2材料を接触させた状態で高重力場処理が行われた場合には、重力方向とは反対側に配置された材料が重力によって発生する圧力により、重力方向側に配置された材料に押し付けられ、第1材料および第2材料が接触面において接合される。また、第1材料および第2材料を接合させた状態で高重力場処理が行われた場合には、接合面において重力誘起の拡散が生じるので、比重相当量(原子量/原子容)の大きな原子が重力方向に拡散し、比重相当量(原子量/原子容)の小さな原子が重力方向とは反対方向に拡散する。これにより、熱拡散で拡散した原子が重力誘起の拡散によって引き戻されたり、熱拡散と重力誘起の拡散とが拮抗したりする。その結果、熱拡散が抑制または阻止されるので、接合面で原子の濃度勾配が急峻になる。重力誘起の拡散速度が、少なくとも同一温度条件下において熱拡散の速度よりも速い場合には、接合面で原子の濃度勾配がより急峻になる。つまり、高重力場処理により、濃度差による拡散が抑制される。   In the first functional material and the method for producing the same according to the present invention, when the first specific gravity equivalent amount is larger than the second specific gravity equivalent amount, the first material is arranged on the gravity direction side of the second material, and the first specific gravity is obtained. When the equivalent amount is smaller than the second specific gravity equivalent amount, the high-gravity field process is performed after the second material is arranged on the gravity direction side of the first material. Thereby, when the high gravity field process is performed in a state where the first material and the second material are in contact with each other, the material arranged on the side opposite to the direction of gravity is caused by the pressure generated by the gravity, and the gravity direction side The first material and the second material are bonded to each other at the contact surface. In addition, when high gravity field treatment is performed in a state where the first material and the second material are joined, gravity-induced diffusion occurs at the joining surface, so that an atom having a large specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) is generated. Diffuses in the direction of gravity, and atoms with a small specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) diffuse in the direction opposite to the direction of gravity. Thereby, atoms diffused by thermal diffusion are pulled back by gravity-induced diffusion, or thermal diffusion and gravity-induced diffusion antagonize. As a result, since thermal diffusion is suppressed or prevented, the concentration gradient of atoms becomes steep at the junction surface. When the gravity-induced diffusion rate is higher than the thermal diffusion rate at least under the same temperature condition, the concentration gradient of atoms becomes steeper at the junction surface. That is, the diffusion due to the concentration difference is suppressed by the high gravity field process.

本発明の第2の機能材料の製造方法は、第1不純物を含む固体材料からなる第1材料と、第1材料とは異なる固体材料に第1不純物とは異なる第2不純物を含む材料からなる第2材料とを互いに接触もしくは接合させた状態で、第1材料および第2材料に対して、第1材料のうち第2材料との接触面もしくは接合面と交差する方向に少なくとも1万g(g=9.8m/s 2 )以上の高重力をかける高重力場処理を行うものである。ここで、第1不純物の、原子の比重に相当する第3比重相当量(原子量/原子容)が、第2不純物の、原子の比重に相当する第4比重相当量(原子量/原子容)よりも大きい場合には、第2材料との関係で、第1材料を重力方向側に配置した上で、高重力場処理を行う。また、第3比重相当量が第4比重相当量よりも小さい場合には、第1材料との関係で、第2材料を重力方向側に配置した上で、高重力場処理を行う。なお、第1不純物は、例えば、n型不純物またはp型不純物であり、第2不純物は、例えば、第1不純物と異なる導電型の不純物である。 The manufacturing method of the 2nd functional material of this invention consists of the material which contains the 1st material which consists of a solid material containing a 1st impurity, and the 2nd impurity different from a 1st impurity in the solid material different from a 1st material. With the second material in contact with or bonded to each other, the first material and the second material are at least 10,000 g in the direction intersecting the contact surface or bonding surface of the first material with the second material. g = 9.8 m / s 2 ) or higher gravitational field treatment for applying high gravity. Here, the third specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) corresponding to the specific gravity of atoms of the first impurity is greater than the fourth specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) corresponding to the specific gravity of the atoms of the second impurity. Is larger, the high-gravity field process is performed after the first material is arranged on the gravity direction side in relation to the second material. When the third specific gravity equivalent amount is smaller than the fourth specific gravity equivalent amount, the high-gravity field process is performed after the second material is arranged on the gravity direction side in relation to the first material. The first impurity is, for example, an n-type impurity or a p-type impurity, and the second impurity is, for example, an impurity having a conductivity type different from that of the first impurity.

本発明の第2の機能材料は、薄膜状、板状もしくはバルク状の機能材料である。この機能材料は、上述の第2の機能材料の製造方法によって形成されたものである。   The second functional material of the present invention is a thin film, plate or bulk functional material. This functional material is formed by the above-described second functional material manufacturing method.

本発明の第2の機能材料およびその製造方法では、第3比重相当量が第4比重相当量よりも大きい場合には第1材料を第2材料よりも重力方向側に配置し、第3比重相当量が第4比重相当量よりも小さい場合には第2材料を第1材料よりも重力方向側に配置した上で、高重力場処理が行われる。これにより、第1材料および第2材料を接触させた状態で高重力場処理が行われた場合には、重力方向とは反対側に配置された材料が重力によって発生する圧力により、重力方向側に配置された材料に押し付けられ、第1材料および第2材料が接触面において接合される。また、第1材料および第2材料を接合させた状態で高重力場処理が行われた場合には、接合面において重力誘起の拡散が生じるので、比重相当量(原子量/原子容)の大きな原子が重力方向に拡散し、比重相当量(原子量/原子容)の小さな原子が重力方向とは反対方向に拡散する。これにより、熱拡散で拡散した原子が重力誘起の拡散によって引き戻されたり、熱拡散と重力誘起の拡散とが拮抗したりする。その結果、熱拡散が抑制または阻止されるので、接合面で不純物の濃度勾配が急峻になる。重力誘起の拡散速度が、少なくとも同一温度条件下において熱拡散の速度よりも速い場合には、接合面で不純物の濃度勾配がより急峻になる。つまり、高重力場処理により、濃度差による拡散が抑制される。   In the second functional material and the method of manufacturing the same according to the present invention, when the third specific gravity equivalent amount is larger than the fourth specific gravity equivalent amount, the first material is arranged on the gravity direction side of the second material, and the third specific gravity is obtained. When the equivalent amount is smaller than the fourth specific gravity equivalent amount, the high-gravity field process is performed after the second material is arranged on the gravity direction side of the first material. Thereby, when the high gravity field process is performed in a state where the first material and the second material are in contact with each other, the material arranged on the side opposite to the direction of gravity is caused by the pressure generated by the gravity, and the gravity direction side The first material and the second material are bonded to each other at the contact surface. In addition, when high gravity field treatment is performed in a state where the first material and the second material are joined, gravity-induced diffusion occurs at the joining surface, so that an atom having a large specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) is generated. Diffuses in the direction of gravity, and atoms with a small specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) diffuse in the direction opposite to the direction of gravity. Thereby, atoms diffused by thermal diffusion are pulled back by gravity-induced diffusion, or thermal diffusion and gravity-induced diffusion antagonize. As a result, since thermal diffusion is suppressed or prevented, the impurity concentration gradient becomes steep at the junction surface. When the gravity-induced diffusion rate is faster than the thermal diffusion rate at least under the same temperature condition, the impurity concentration gradient becomes steeper at the junction surface. That is, the diffusion due to the concentration difference is suppressed by the high gravity field process.

上述した第1および第2の機能材料およびそれらの製造方法において、「接合」には、例えば、pn接合、pin接合、ヘテロ接合、ショットキー接合、MOS接合などが含まれる。なお、以下で言及する「接合」についても同様のものが含まれる。pn接合とはp型半導体とn型半導体との接合のことであり、pin接合とはp型半導体、真性半導体およびn型半導体の接合のことである。ヘテロ接合とはバンドギャップの異なる半導体同士の接合のことであり、ショットキー接合とは金属と半導体との接合のことであり、MOS接合とは金属、絶縁体および半導体の接合のことである。   In the first and second functional materials and the manufacturing methods thereof described above, the “junction” includes, for example, a pn junction, a pin junction, a heterojunction, a Schottky junction, a MOS junction, and the like. The same applies to the “joining” mentioned below. A pn junction is a junction between a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, and a pin junction is a junction between a p-type semiconductor, an intrinsic semiconductor, and an n-type semiconductor. A heterojunction is a junction between semiconductors having different band gaps, a Schottky junction is a junction between a metal and a semiconductor, and a MOS junction is a junction between a metal, an insulator, and a semiconductor.

上述した第1および第2の機能材料およびそれらの製造方法において、第1材料および前記第2材料として、以下に示したものを用いることが可能である。   In the first and second functional materials and the manufacturing methods thereof described above, the following materials can be used as the first material and the second material.

例えば、第1材料および第2材料として、Si、Ge、Se、TeもしくはCの単体を用いることが可能である。なお、Cの単体としては、例えば、ダイヤモンド、フラーレン、ナノチューブ、ナノオニオン、ナノホーンまたはグラファイトが含まれる。また、III−V族半導体としてはGaAs、GaP、InAs、InP、InGaAs、AlGaAs、GaAsP、InGaN、AlGaN、AlGaInP、SiC、GaInNAs、GaNなどがある。II−VI族半導体としてはZnO、CdTe、CdSe、ZnSeなどがある。第1材料および第2材料として、これらの材料を用いた場合には、上述した製造方法によって、例えば、接合型ダイオード、接合型トランジスタ、半導体レーザ、発光ダイオードなどの半導体デバイスを製造することが可能である。   For example, a simple substance of Si, Ge, Se, Te, or C can be used as the first material and the second material. The simple substance of C includes, for example, diamond, fullerene, nanotube, nano-onion, nanohorn, or graphite. Examples of III-V semiconductors include GaAs, GaP, InAs, InP, InGaAs, AlGaAs, GaAsP, InGaN, AlGaN, AlGaInP, SiC, GaInNAs, and GaN. Examples of the II-VI group semiconductor include ZnO, CdTe, CdSe, and ZnSe. When these materials are used as the first material and the second material, a semiconductor device such as a junction diode, a junction transistor, a semiconductor laser, or a light emitting diode can be manufactured by the above-described manufacturing method. It is.

また、第1材料および第2材料として、低分子材料、例えば、テチラセン、ペンタセンなどのアセン族、オリゴチオフェン誘導体、フタロシアニン類、ペリシン誘導体などのジアミン誘導体を用いることが可能である。また、第1材料および前記第2材料として、高分子材料、例えば、ポリ(3‐アルキルチオフェン)などポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリトリアリルアミンなどを用いることが可能である。第1材料および第2材料として、これらの材料を用いた場合には、上述した製造方法によって、例えば、有機物半導体デバイスを製造することが可能である。   In addition, as the first material and the second material, it is possible to use low molecular weight materials, for example, diamine derivatives such as acene group such as tethyracene and pentacene, oligothiophene derivatives, phthalocyanines, and pericin derivatives. Further, as the first material and the second material, a polymer material such as polythiophene such as poly (3-alkylthiophene), polyfluorene, polyphenylene vinylene, polytriallylamine, or the like can be used. When these materials are used as the first material and the second material, for example, an organic semiconductor device can be manufactured by the manufacturing method described above.

また、第1材料および第2材料の少なくとも一方の材料として、超伝導体を用いることが可能である。第1材料および第2材料の少なくとも一方の材料として、このような材料を用いた場合には、上述した製造方法によって、例えば、ジョセフソン素子を製造することが可能である。   In addition, a superconductor can be used as at least one of the first material and the second material. When such a material is used as at least one of the first material and the second material, for example, a Josephson element can be manufactured by the manufacturing method described above.

また、第1材料および第2材料として、Cr、Co、Fe、Cu、Pt、Re、Ir、Rh、Pd、W、Ag、Auや、アルメル、クロメル、コンスタンタンなどの合金を用いることも可能である。第1材料および第2材料として、このような材料を用いた場合には、上述した製造方法によって、例えば、熱電対、熱電変換素子、ペルチャー素子を製造することが可能である。   Further, as the first material and the second material, it is also possible to use alloys such as Cr, Co, Fe, Cu, Pt, Re, Ir, Rh, Pd, W, Ag, Au, alumel, chromel, constantan and the like. is there. When such materials are used as the first material and the second material, for example, a thermocouple, a thermoelectric conversion element, and a Peltier element can be manufactured by the manufacturing method described above.

また、第1材料および第2材料として、全率固溶型ビスマス(Bi)−アンチモン(Sb)合金、カドミウム(Cd)−アンチモン系金属間化合物、ビスマス−テルル(Te)系半導体化合物(Bi2Te3)、または全率固溶型セレン(Se)−テルル系半導体固溶体、またはMxCo4Sb12(M=Ge、SbまたはPb)などのクッテルダイト型化合物を用いることが可能である。第1材料および第2材料として、このような材料を用いた場合には、上述した製造方法によって、例えば、熱電変換素子やペルチャー素子を製造することが可能である。 Further, as the first material and the second material, all solid solution bismuth (Bi) -antimony (Sb) alloy, cadmium (Cd) -antimony intermetallic compound, bismuth-tellurium (Te) semiconductor compound (Bi 2). Te 3 ), or a solid solution type selenium (Se) -tellurium-based semiconductor solid solution, or kutteudite type compounds such as M x Co 4 Sb 12 (M = Ge, Sb or Pb) can be used. When such materials are used as the first material and the second material, for example, a thermoelectric conversion element or a Pelcher element can be manufactured by the above-described manufacturing method.

また、上述した第1および第2の機能材料およびそれらの製造方法では、高重力場処理において、第1材料および第2材料が固相状態を保つことの可能な温度条件下で、少なくとも1万g(g=9.8m/s2 )以上の重力加速度を、第1材料および第2材料に対して印加することが好ましい。これにより、重力誘起の拡散を生じさせることが可能となるからである。また、上記重力加速度については、10万g以上であることがより好ましい。これにより、多くの種類の材料において、重力誘起の拡散を生じさせることができるようになるからである。 Further, in the first and second functional materials and the manufacturing methods thereof described above, at least 10,000 under a temperature condition that allows the first material and the second material to maintain a solid state in the high gravity field treatment. It is preferable to apply a gravitational acceleration of g (g = 9.8 m / s 2 ) or more to the first material and the second material. This is because it is possible to cause gravity-induced diffusion. The gravitational acceleration is more preferably 100,000 g or more. This is because gravity-induced diffusion can be caused in many types of materials.

また、高重力場処理において、例えば、第1材料および第2材料を、一の軸を中心として高速回転することの可能なロータ内に設置したのち、ロータを高速回転させ、その高速回転によって発生する遠心力を重力として、第1材料および第2材料に対して印加することが可能である。このとき、ロータ内に、回転軸との関係で平行または所定の角度だけ傾いた平面を複数設け、各平面を、第1材料および第2材料を設置(固定)する設置面(固定面)として用いることも可能である。これにより、第1材料および第2材料に対して、その接触面もしくは接合面と直交もしくは交差する方向に容易に重力をかけることが可能となる。また、上記ロータ内に多くの第1材料および第2材料を設置(固定)することができるので、機能材料を一度に大量に生産することも可能である。   Also, in high-gravity field processing, for example, the first material and the second material are installed in a rotor that can rotate at high speed around one axis, and then the rotor is rotated at a high speed and generated by the high-speed rotation. The centrifugal force to be applied can be applied to the first material and the second material as gravity. At this time, a plurality of planes that are parallel or inclined by a predetermined angle in relation to the rotation axis are provided in the rotor, and each plane is used as an installation surface (fixed surface) for installing (fixing) the first material and the second material. It is also possible to use it. Thereby, it is possible to easily apply gravity to the first material and the second material in a direction orthogonal to or intersecting with the contact surface or the joint surface. Further, since many first materials and second materials can be installed (fixed) in the rotor, it is possible to produce a large amount of functional materials at a time.

また、上記したようなロータを用いた場合には、高重力場処理において、接触加熱、輻射加熱またはレーザ加熱によって加熱されたロータを介して、第1材料および第2材料を加熱することも可能である。また、上記したようなロータを用いるか否かに拘わらず、高重力場処理において、接触加熱、輻射加熱またはレーザ加熱によって、第1材料および第2材料を直接、加熱することも可能である。   In the case of using the rotor as described above, the first material and the second material can be heated through the rotor heated by contact heating, radiation heating or laser heating in the high gravity field treatment. It is. Regardless of whether or not the above-described rotor is used, it is also possible to directly heat the first material and the second material by contact heating, radiation heating or laser heating in the high-gravity field treatment.

また、高重力場処理において、拡散係数を大きくする観点からは、第1材料および第2材料の温度が、第1材料および第2材料の再結晶温度以上であって、かつ第1材料および第2材料が固相状態を保つことの可能な温度以下の温度範囲内となっていることが好ましい。なお、界面のようなナノメートルレベルの拡散では、第1材料および第2材料の温度が、第1材料および第2材料の再結晶温度未満(例えば300℃程度)であってもよい。また、第1材料および第2材料の温度は、第1材料および第2材料の再結晶温度に近い温度であってもよいし、第1材料および第2材料の融点温度に近い温度であってもよい。なお、再結晶温度は、通常、融点(ケルビン)の半分程度の温度である。   In addition, in the high gravity field treatment, from the viewpoint of increasing the diffusion coefficient, the temperature of the first material and the second material is equal to or higher than the recrystallization temperature of the first material and the second material, and the first material and the second material It is preferable that the two materials are in a temperature range below the temperature at which the solid state can be maintained. In the nanometer level diffusion such as the interface, the temperature of the first material and the second material may be lower than the recrystallization temperature of the first material and the second material (for example, about 300 ° C.). The temperature of the first material and the second material may be a temperature close to the recrystallization temperature of the first material and the second material, or a temperature close to the melting point temperature of the first material and the second material. Also good. The recrystallization temperature is usually about half the melting point (Kelvin).

また、高重力場処理を行ったのち、第1材料および第2材料をアニールすることも可能である。アニールを行うことにより、第1材料および第2材料の結晶状態を改善させることができ、高機能材料の特性を向上させることができるからである。   It is also possible to anneal the first material and the second material after performing the high gravity field treatment. This is because the crystalline state of the first material and the second material can be improved and the characteristics of the highly functional material can be improved by performing the annealing.

本発明の第1および第2の機能材料およびそれらの製造方法によれば、第1材料および第2材料を所定の位置関係とした上で、これらに対して高重力場処理を行うようにした。ここで、第1材料および第2材料を接触させた状態で高重力場処理を行うようにした場合には、第1材料および第2材料が接触面において接合するので、十分な接合を得ることができる。また、常圧での拡散処理と比べて、処理時間を短くすることができ、さらに、低い温度で製造することもできる。一方、第1材料および第2材料を接合させた状態で高重力場処理を行うようにした場合には、熱拡散で拡散した原子もしくは不純物の濃度勾配が急峻となるので、接合面において反応層を薄くすることができる。   According to the first and second functional materials of the present invention and the manufacturing method thereof, the first material and the second material are set in a predetermined positional relationship, and then high gravity field processing is performed on them. . Here, when the high-gravity field treatment is performed in a state where the first material and the second material are in contact with each other, the first material and the second material are bonded at the contact surface, so that sufficient bonding is obtained. Can do. In addition, the treatment time can be shortened as compared with the diffusion treatment at normal pressure, and the production can be performed at a lower temperature. On the other hand, when the high gravity field treatment is performed in a state where the first material and the second material are bonded, the concentration gradient of atoms or impurities diffused by thermal diffusion becomes steep, so that the reaction layer at the bonding surface Can be made thinner.

このように、本発明では、十分な接合を得ることができ、また、接合面において反応層を薄くすることができるので、所望の機能を容易かつ確実に得ることができる。接合界面で反応層が薄くなることにより、例えば、ツェナーダイオード、アバランシェダイオード、pinダイオード、トンネルダイオード、ジョセフソン素子、MOSトランジスタなどの素子の理想的な機能を確実に得ることができる。その他にも、例えば、理想的な熱電能の機能や熱電対の機能を確実に得ることができる。   Thus, in the present invention, sufficient bonding can be obtained, and the reaction layer can be thinned on the bonding surface, so that a desired function can be obtained easily and reliably. By thinning the reaction layer at the junction interface, an ideal function of an element such as a Zener diode, an avalanche diode, a pin diode, a tunnel diode, a Josephson element, or a MOS transistor can be reliably obtained. In addition, for example, an ideal thermoelectric function and a thermocouple function can be reliably obtained.

本発明の一実施の形態に係る製造方法に用いられるロータの一構成例を表した断面図である。It is sectional drawing showing the example of 1 structure of the rotor used for the manufacturing method which concerns on one embodiment of this invention. 図1の試料の一構成例を表した断面図である。It is sectional drawing showing the example of 1 structure of the sample of FIG. 図1の試料の他の構成例を表した断面図である。It is sectional drawing showing the other structural example of the sample of FIG.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。

1.実施の形態(2種類の材料に対して高重力場処理を行うケース)
2.変形例(3種類以上の材料に対して高重力場処理を行うケース)
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The description will be given in the following order.

1. Embodiment (Case where high-gravity field treatment is applied to two types of materials)
2. Modification (Case where high-gravity field processing is applied to 3 or more materials)

<実施の形態>
図1(A)は、本発明の一実施の形態に係る機能材料の製造方法に用いられる高重力場発生装置の断面構成の一例を表したものである。図1(B)は、図1の高重力場発生装置のA−A矢視方向の断面構成の一例を表したものである。
<Embodiment>
FIG. 1A shows an example of a cross-sectional configuration of a high-gravity field generator used in a method for manufacturing a functional material according to an embodiment of the present invention. FIG. 1B illustrates an example of a cross-sectional configuration of the high-gravity field generating device in FIG.

[高重力場発生装置]
まず、高重力場発生装置について説明する。この高重力場発生装置は、板状試料用に好適に適用可能なものであり、一の軸AXを中心として長時間安定的に高速回転することの可能なロータ10と、ロータ10を、軸AXを中心として高速回転させる駆動部(図示せず)とを備えている。ロータ10は、軸AXと直交する面内において軸AXを中心として点対称の形状となっており、例えば、図1(A)に示したような釣鐘状の形状となっている。ロータ10の底面には、ロータ10内に設けられた内部空間10Bとロータ10の外部空間とを連通する開口10Aが設けられている。内部空間10Bは、例えば、図1(A),(B)に示したように、軸AXと平行な平坦面(設置面10C)を複数有する多面体の側面によって囲まれている。この内部空間10Bは、さらに、軸AXと直交するかまたは設置面10Cと鋭角で交差する平坦面を有する底面10Dと、底面10Dおよび開口10Aと所定の間隙を介して対向する上面10Eとによって囲まれており、多角柱状の空間となっている。設置面10Cは、試料20を設置する面であり、ロータ10を回転させた際に試料20に対して印加される遠心力の向きを規定する役割を有している。また、底面10Dは、試料20を設置面10Cに設置した際に、ロータ10の停止時や回転時に、試料20が設置面10Cから脱落したり、滑って外部に飛び出したりするのを防ぐ役割を有している。従って、この高重力場発生装置は、内部空間10Bの所定の位置に試料20を設置(固定)し、ロータ10を、軸AXを中心軸として高速回転させることにより、試料20に対して所定の方向(例えば、軸AXと直交もしくは交差する方向)に遠心力を印加する機能を有している。なお、図1(A)には、底面10Dが軸AXと直交する平坦面を有している場合が例示されているが、底面10Dが設置面10Cと鋭角で交差する平坦面を有していてもよい。また、例えば、底面10Dに、試料20が設置面10Cから脱落したり、滑って飛び出したりするのを積極的に防止する突起などの構造物が設けられていてもよい。
[High gravity field generator]
First, a high gravity field generator will be described. This high-gravity field generating device can be suitably applied to a plate-like sample, and a rotor 10 capable of stably rotating at high speed for a long time around a single axis AX, and the rotor 10 as a shaft. And a drive unit (not shown) that rotates at high speed around AX. The rotor 10 has a point-symmetric shape around the axis AX in a plane orthogonal to the axis AX, and has, for example, a bell-like shape as shown in FIG. On the bottom surface of the rotor 10, an opening 10 </ b> A that communicates the internal space 10 </ b> B provided in the rotor 10 and the external space of the rotor 10 is provided. For example, as illustrated in FIGS. 1A and 1B, the internal space 10 </ b> B is surrounded by a polyhedral side surface having a plurality of flat surfaces (installation surfaces 10 </ b> C) parallel to the axis AX. The internal space 10B is further surrounded by a bottom surface 10D having a flat surface orthogonal to the axis AX or intersecting the installation surface 10C at an acute angle, and an upper surface 10E facing the bottom surface 10D and the opening 10A with a predetermined gap. It is a polygonal column space. The installation surface 10C is a surface on which the sample 20 is installed, and has a role of defining the direction of centrifugal force applied to the sample 20 when the rotor 10 is rotated. Further, the bottom surface 10D serves to prevent the sample 20 from falling off the installation surface 10C or slipping out to the outside when the sample 20 is installed on the installation surface 10C when the rotor 10 is stopped or rotated. Have. Therefore, this high-gravity field generating apparatus installs (fixes) the sample 20 at a predetermined position in the internal space 10B, and rotates the rotor 10 at a high speed with the axis AX as the central axis, thereby making a predetermined relative to the sample 20 It has a function of applying a centrifugal force in a direction (for example, a direction orthogonal to or intersecting with the axis AX). 1A illustrates the case where the bottom surface 10D has a flat surface orthogonal to the axis AX, the bottom surface 10D has a flat surface that intersects the installation surface 10C at an acute angle. May be. Further, for example, a structure such as a protrusion that positively prevents the sample 20 from falling off the installation surface 10C or sliding and jumping out may be provided on the bottom surface 10D.

この高重力場発生装置は、試料20に対し、少なくとも1万g(g=9.8m/s2 )以上の重力加速度を印加することが可能であり、10万g、100万g程度の重力加速度を印加することも可能である。つまり、この高重力場発生装置は、多くの種類の材料において、後述の重力誘起の拡散を生じさせることができるようになっている。また、この高重力場発生装置は、図1(B)に示したように、ロータ10の各設置面10Cに試料20を設置(固定)することができるので、機能材料を一度に大量に生産することも可能となっている。 This high-gravity field generator can apply a gravitational acceleration of at least 10,000 g (g = 9.8 m / s 2 ) or more to the sample 20, and has a gravitational force of about 100,000 g or 1 million g. It is also possible to apply acceleration. That is, the high gravity field generator can generate gravity-induced diffusion described below in many types of materials. In addition, as shown in FIG. 1B, this high-gravity field generating apparatus can install (fix) the sample 20 on each installation surface 10C of the rotor 10, so that a large amount of functional materials can be produced at one time. It is also possible to do.

また、この高重力場発生装置は、図示しないが、ロータ10および試料20の少なくとも一方を、回転時および非回転時のいずれの場合においても加熱(例えば、接触加熱、輻射加熱、レーザ加熱など)することの可能なヒータを備えている。ここで、ロータ10自身がヒータによって直接、加熱されるようになっている場合には、ロータ10は、ロータ10の熱を試料20に伝達することの可能な材料(例えば、インコネル(高温に強い材料)などの鉄鋼材料、Ti(チタン)−6Al(アルミニウム)−4V(バナジウム)合金など)によって構成されている。また、試料20そのものがヒータによって直接、加熱されるようになっている場合には、ロータ10は、ヒータから発せられたエネルギーが試料20に直接、伝達されるような機構を備えている。なお、このロータ10は、ヒータの他に、ロータ10および試料20の少なくとも一方を冷却するクーラなどを備えていてもよい。   In addition, although not shown in the drawing, this high-gravity field generator heats at least one of the rotor 10 and the sample 20 in both cases of rotation and non-rotation (for example, contact heating, radiation heating, laser heating, etc.). It has a heater that can do this. Here, when the rotor 10 itself is directly heated by the heater, the rotor 10 is made of a material that can transfer the heat of the rotor 10 to the sample 20 (for example, Inconel (resistant to high temperatures). Steel), Ti (titanium) -6Al (aluminum) -4V (vanadium) alloy, etc.). Further, when the sample 20 itself is directly heated by the heater, the rotor 10 is provided with a mechanism for transmitting the energy generated from the heater directly to the sample 20. The rotor 10 may include a cooler for cooling at least one of the rotor 10 and the sample 20 in addition to the heater.

[試料20]
次に、試料20について説明する。図2(A),(B)は、ロータ10内に置かれた試料20の断面構成の一例を表したものである。なお、図2(A),(B)には、試料20が内部空間10Bの側面(設置面10C)と、底面10Dとに接するように配置(固定)されている場合が例示されている。試料20は、例えば、図2(A),(B)示したように、材料の互いに異なる固体材料21,22を互いに接触もしくは接合させたものである。固体材料21と固体材料22との接触面20Aもしくは接合面20Bは、ロータ10の軸AXと平行となっており、ロータ10の回転面と直交している。
[Sample 20]
Next, the sample 20 will be described. 2A and 2B show an example of a cross-sectional configuration of the sample 20 placed in the rotor 10. FIG. 2A and 2B illustrate a case where the sample 20 is disposed (fixed) so as to contact the side surface (installation surface 10C) and the bottom surface 10D of the internal space 10B. For example, as shown in FIGS. 2A and 2B, the sample 20 is obtained by contacting or joining solid materials 21 and 22 having different materials. A contact surface 20 </ b> A or a joint surface 20 </ b> B between the solid material 21 and the solid material 22 is parallel to the axis AX of the rotor 10 and is orthogonal to the rotation surface of the rotor 10.

上述した「接合」には、例えば、pn接合、ヘテロ接合、ショットキー接合、pin接合に含まれるpi接合またはin接合、MOS接合に含まれるMO接合またはOS接合などが含まれる。pn接合とはp型不純物を含む半導体とn型不純物を含む半導体との接合のことであり、ヘテロ接合とはバンドギャップの異なる半導体同士の接合のことであり、ショットキー接合とは金属と半導体との接合のことである。pin接合とはp型半導体、真性半導体およびn型半導体の接合のことであり、pi接合とはp型半導体と真性半導体との接合のことであり、in接合とは真性半導体とn型性半導体との接合のことである。MOS接合とは金属、絶縁体および半導体の接合のことであり、MO接合とは金属と絶縁体との接合のことであり、OS接合とは絶縁体と半導体との接合のことである。   The above-mentioned “junction” includes, for example, a pn junction, a heterojunction, a Schottky junction, a pi junction or an in junction included in a pin junction, an MO junction or an OS junction included in a MOS junction, and the like. A pn junction is a junction between a semiconductor containing a p-type impurity and a semiconductor containing an n-type impurity. A heterojunction is a junction between semiconductors having different band gaps. A Schottky junction is a metal and a semiconductor. It is a joint with. A pin junction is a junction of a p-type semiconductor, an intrinsic semiconductor and an n-type semiconductor, a pi junction is a junction of a p-type semiconductor and an intrinsic semiconductor, and an in junction is an intrinsic semiconductor and an n-type semiconductor. It is a joint with. The MOS junction is a metal / insulator / semiconductor junction, the MO junction is a metal / insulator junction, and the OS junction is an insulator / semiconductor junction.

固体材料21,22は、固体材料21,22が互いに接触している場合には、重力によって発生する圧力によって接触面20Aにおいて接合されるものである。また、固体材料21,22は、固体材料21,22が互いに接合している場合には、重力誘起の拡散によって、接合面20Bに存在する反応層(図示せず)の厚みが薄くされるものである。反応層とは、固体材料21と固体材料22との境界(接合面20B)に存在する層である。   When the solid materials 21 and 22 are in contact with each other, the solid materials 21 and 22 are joined at the contact surface 20A by the pressure generated by gravity. Further, when the solid materials 21 and 22 are bonded to each other, the thickness of the reaction layer (not shown) existing on the bonding surface 20B is reduced by gravity-induced diffusion when the solid materials 21 and 22 are bonded to each other. It is. The reaction layer is a layer existing at the boundary (bonding surface 20B) between the solid material 21 and the solid material 22.

反応層とは、例えば、固体材料21に含まれる原子の濃度勾配が急激に大きくなり始めるところと、固体材料22に含まれる原子の濃度勾配が急激に大きくなり始めるところとの間に存在する層である。試料20がpn接合半導体からなる場合には、反応層とは、n型不純物の濃度勾配が急激に大きくなり始めるところと、p型不純物の濃度勾配が急激に大きくなり始めるところとの間に存在する層である。   The reaction layer is, for example, a layer existing between a place where the concentration gradient of atoms contained in the solid material 21 starts to increase rapidly and a position where the concentration gradient of atoms contained in the solid material 22 starts to increase rapidly. It is. When the sample 20 is made of a pn junction semiconductor, the reaction layer exists between a place where the concentration gradient of the n-type impurity starts to increase rapidly and a position where the concentration gradient of the p-type impurity starts to increase rapidly. It is a layer to do.

固体材料21,22は、薄膜状、板状もしくはバルク状となっている。固体材料21,22は、接合し得る材料もしくは重力誘起の拡散が生じ得る材料であればどのような材料であってもよく、例えば、半導体、共有結合化合物、イオン化合物、有機物、熱電能物質などによって構成されている。固体材料21,22は、例えば、単結晶、多結晶、アモルファス、高分子、ゼオライト、層間化合物、層状化合物などによって構成されている。固体材料21,22は、互いに共通する材料系であってもよいし、互いに異なる材料系であってもよい。   The solid materials 21 and 22 have a thin film shape, a plate shape, or a bulk shape. The solid materials 21 and 22 may be any materials that can be joined or materials that can cause gravity-induced diffusion, such as semiconductors, covalently bonded compounds, ionic compounds, organic substances, thermoelectric substances, and the like. It is constituted by. The solid materials 21 and 22 are made of, for example, a single crystal, a polycrystal, an amorphous, a polymer, a zeolite, an interlayer compound, a layered compound, or the like. The solid materials 21 and 22 may be a material system common to each other or may be a material system different from each other.

ここで、半導体としては、例えば、III、IVまたはV族の元素の単体や、III−V族元素の合金、遷移元素化合物、窒化物、または遷移金属酸化物などがある。共有結合化合物やイオン化合物としては、例えば、銅酸化物超伝導体、酸化物巨大磁気抵抗物質などの強相関物質、ペロブスカイト酸化物、最近の鉄系酸化物超伝導体(LnOMPn(Ln=ランタン系元素、M=遷移金属、Pn=P、AsまたはSb)系化合物)、スクッテルダイト型化合物などの価数が代わる不定比性化合物などがある。固体材料21および固体材料22の少なくとも一方の材料が超伝導体であってもよい。   Here, examples of the semiconductor include a single element of a group III, IV or V element, an alloy of a group III-V element, a transition element compound, a nitride, or a transition metal oxide. Examples of covalently bonded compounds and ionic compounds include strong correlation materials such as copper oxide superconductors and oxide giant magnetoresistive materials, perovskite oxides, and recent iron-based oxide superconductors (LnOMPn (Ln = lanthanum series). Element, M = transition metal, Pn = P, As or Sb) -based compounds), skutterudite-type compounds, and the like, and the like. At least one of the solid material 21 and the solid material 22 may be a superconductor.

半導体としては、例えば、Si、Ge、Se、TeもしくはCの単体が挙げられる。なお、Cの単体には、ダイヤモンドの他、フラーレン、ナノチューブ、ナノオニオン、ナノホーン、グラファイトなどが含まれるが、これらに不純物を入れると、特異な半導体特性や、超伝導特性、光触媒特性、電池などの機能を示すことが知られている。その他の半導体としては、GaAs、GaP、InAs、InP、InGaAs、AlGaAs、GaAsP、InGaN、AlGaN、AlGaInP、SiC、GaInNAsもしくはGaNを主に含むIII−V族半導体や、ZnO、CdTe、CdSeもしくはZeSeを主に含むII−VI族半導体が挙げられる。固体材料21,22として、これらの材料を用いた場合に、これらの材料にp型不純物やn型不純物を入れてもよいし、入れなくてもよい。また、固体材料21,22として、これらの材料を用いた場合には、後述する製造方法によって、例えば、接合型ダイオード、接合型トランジスタ、半導体レーザ、発光ダイオードなどの半導体デバイスを製造することが可能である。   As the semiconductor, for example, a simple substance of Si, Ge, Se, Te, or C can be given. In addition to diamond, fullerenes, nanotubes, nano-onions, nanohorns, graphite, etc. are included in the simple substance of C. If impurities are added to these, peculiar semiconductor characteristics, superconducting characteristics, photocatalytic characteristics, batteries, etc. It is known to exhibit the function of Other semiconductors include III-V semiconductors mainly containing GaAs, GaP, InAs, InP, InGaAs, AlGaAs, GaAsP, InGaN, AlGaN, AlGaInP, SiC, GaInNAs, or GaN, ZnO, CdTe, CdSe, or ZeSe. The II-VI group semiconductor mainly contained is mentioned. When these materials are used as the solid materials 21 and 22, p-type impurities or n-type impurities may or may not be added to these materials. Moreover, when these materials are used as the solid materials 21 and 22, it is possible to manufacture semiconductor devices such as a junction diode, a junction transistor, a semiconductor laser, and a light emitting diode by a manufacturing method described later. It is.

有機物半導体としては、低分子ではテチラセン、ペンタセンなどのアセン族、オリゴチオフェン誘導体、フタロシアニン類、ペリシン誘導体などのジアミン誘導体がある。高分子では、ポリ(3−アルキルチオフェン)などポリチオフェン、ポリフルオレン、ポリフェニレンビニレン、ポリトリアリルアミンなどが挙げられる。固体材料21,22として、これらの材料を用いた場合には、後述する製造方法によって、例えば、有機物半導体デバイスを製造することが可能である。   Examples of organic semiconductors include acene groups such as tethyracene and pentacene, and diamine derivatives such as oligothiophene derivatives, phthalocyanines, and pericin derivatives. Examples of the polymer include polythiophene such as poly (3-alkylthiophene), polyfluorene, polyphenylene vinylene, and polytriallylamine. When these materials are used as the solid materials 21 and 22, for example, an organic semiconductor device can be manufactured by a manufacturing method described later.

熱電能物質では、不純物をドープしたり、組成を変化させたりすることにより特性を向上させることができる。熱電能材料としては、全率固溶型ビスマス(Bi)−アンチモン(Sb)合金、カドミウム(Cd)−アンチモン系金属間化合物、ビスマス−テルル(Te)系半導体化合物(Bi2Te3)、または全率固溶型セレン(Se)−テルル系半導体固溶体などが挙げられる。例えば、セレン(Se)の76Se,78Se,80Seおよび82Se、テルル(Te)の125Te、126Te、128Teおよび130Te、シリコン(Si)の28Si、29Siおよび30Siなどが挙げられる。MxCo4Sb12(M=Ge、SbまたはPb)などのクッテルダイト型化合物も挙げられる。固体材料21,22として、これらの材料を用いた場合には、後述する製造方法によって、例えば、熱電変換素子やペルチャー素子を製造することが可能である。 Thermoelectric materials can be improved in characteristics by doping impurities or changing the composition. Examples of thermoelectric materials include a solid solution bismuth (Bi) -antimony (Sb) alloy, a cadmium (Cd) -antimony intermetallic compound, a bismuth-tellurium (Te) semiconductor compound (Bi 2 Te 3 ), or Examples thereof include a solid solution type selenium (Se) -tellurium-based semiconductor solid solution. For example, 76 Se, 78 Se, 80 Se and 82 Se of selenium (Se), 125 Te, 126 Te, 128 Te and 130 Te of tellurium (Te), 28 Si, 29 Si and 30 Si of silicon (Si), etc. Is mentioned. Also included are kutteudite-type compounds such as M x Co 4 Sb 12 (M = Ge, Sb or Pb). When these materials are used as the solid materials 21 and 22, for example, a thermoelectric conversion element or a Pelcher element can be manufactured by a manufacturing method described later.

また、Cr、Co、Fe、Cu、Pt、Re、Ir、Rh、Pd、W、Ag、Auや、アルメル、クロメル、コンスタンタンなどの合金を、固体材料21,22として用いることも可能である。この場合には、後述する製造方法によって、例えば、熱電対、熱電変換素子、ペルチャー素子を製造することが可能である。   Further, Cr, Co, Fe, Cu, Pt, Re, Ir, Rh, Pd, W, Ag, Au, and alloys such as alumel, chromel, and constantan can be used as the solid materials 21 and 22. In this case, for example, a thermocouple, a thermoelectric conversion element, and a Pelcher element can be manufactured by a manufacturing method described later.

ここで、固体材料21の、原子の比重に相当する第1比重相当量(原子量/原子容)が、固体材料22の、原子の比重に相当する第2比重相当量(原子量/原子容)よりも大きい場合には、例えば、図2(A)に示したように、固体材料22との関係で、固体材料21が遠心力方向側(重力方向側)に配置されることが好ましい。また、第1比重相当量が第2比重相当量よりも小さい場合には、例えば、図2(B)に示したように、固体材料21との関係で、固体材料22が遠心力方向側(重力方向側)に配置されることが好ましい。そのようにした場合には、後に詳述するように、固体材料21と固体材料22との接触面20Aもしくは接合面20Bに形成される反応層を薄くすることができる。また、例えば、固体材料21,22として上述の半導体が用いられ、かつ固体材料21,22に不純物(p型不純物、n型不純物)が含まれている場合には、以下のようにすることが好ましい。すなわち、固体材料21に含まれる不純物(第1不純物)の、原子の比重に相当する第3比重相当量(原子量/原子容)が、固体材料22に含まれる不純物(第2不純物)の、原子の比重に相当する第4比重相当量(原子量/原子容)よりも大きい場合には、例えば、図2(A)に示したように、固体材料22との関係で、固体材料21が遠心力方向側(重力方向側)に配置されることが好ましい。また、第3比重相当量が第4比重相当量よりも小さい場合には、例えば、図2(B)に示したように、固体材料21との関係で、固体材料22が遠心力方向側(重力方向側)に配置されることが好ましい。そのようにした場合には、後に詳述するように、固体材料21と固体材料22との接触面20Aもしくは接合面20Bに形成される反応層を薄くすることができる。   Here, the first specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) corresponding to the atomic specific gravity of the solid material 21 is greater than the second specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) corresponding to the atomic specific gravity of the solid material 22. 2 is also preferable, for example, as shown in FIG. 2A, the solid material 21 is preferably arranged on the centrifugal force direction side (gravity direction side) in relation to the solid material 22. When the first specific gravity equivalent amount is smaller than the second specific gravity equivalent amount, for example, as shown in FIG. 2B, the solid material 22 has a centrifugal force direction side (in relation to the solid material 21). It is preferable to be arranged on the gravity direction side). In such a case, as will be described in detail later, the reaction layer formed on the contact surface 20A or the bonding surface 20B between the solid material 21 and the solid material 22 can be thinned. For example, when the above-described semiconductor is used as the solid materials 21 and 22 and the solid materials 21 and 22 include impurities (p-type impurities and n-type impurities), the following may be performed. preferable. That is, the third specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) corresponding to the specific gravity of atoms of the impurity (first impurity) contained in the solid material 21 is equal to that of the impurity (second impurity) contained in the solid material 22. In the case where it is larger than the fourth specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) corresponding to the specific gravity of the solid material 21, for example, as shown in FIG. It is preferable to arrange on the direction side (gravity direction side). When the third specific gravity equivalent amount is smaller than the fourth specific gravity equivalent amount, for example, as shown in FIG. 2B, the solid material 22 has a centrifugal force direction side (in relation to the solid material 21). It is preferable to be arranged on the gravity direction side). In such a case, as will be described in detail later, the reaction layer formed on the contact surface 20A or the bonding surface 20B between the solid material 21 and the solid material 22 can be thinned.

次に、試料20の加工手順について説明する。以下では、固体材料21が、比重相当量(上記の第1比重相当量)の大きな原子によって構成され、固体材料22が、比重相当量(上記の第2比重相当量)の小さな原子によって構成されているものとする。なお、以下のことは、例えば、固体材料21,22として上述の半導体が用いられ、固体材料21に比重相当量(上記の第3比重相当量)の大きな不純物(p型不純物またはn型不純物)が含まれ、固体材料22に比重相当量(上記の第4比重相当量)の小さな不純物(固体材料21に含まれる不純物の導電型とは異なる導電型の不純物)が含まれている場合にも成り立つ。   Next, a processing procedure for the sample 20 will be described. In the following, the solid material 21 is composed of atoms with a large specific gravity equivalent (the first specific gravity equivalent), and the solid material 22 is composed of atoms with a small specific gravity equivalent (the second specific gravity equivalent). It shall be. Note that, for example, the above-described semiconductor is used as the solid materials 21 and 22, and the solid material 21 has a large specific gravity equivalent (the third specific gravity equivalent) impurity (p-type impurity or n-type impurity). And when the solid material 22 contains a small impurity equivalent to the specific gravity (the fourth specific gravity equivalent) (an impurity having a conductivity different from that of the impurity contained in the solid material 21). It holds.

まず、図2(A)に示したように、固体材料21が設置面10C側(遠心力方向側)に、固体材料22が設置面10Cとは反対側(遠心力方向とは反対側)にそれぞれ配置されるように、試料20をロータ10の内部空間10B内に配置(固定)する。   First, as shown in FIG. 2A, the solid material 21 is on the installation surface 10C side (centrifugal force direction side), and the solid material 22 is on the opposite side to the installation surface 10C (opposite side to the centrifugal force direction). The sample 20 is arranged (fixed) in the internal space 10B of the rotor 10 so as to be arranged.

次に、ロータ10を高速に回転駆動し、その高速回転によって発生する遠心力を重力として、試料20に対して印加する。このとき、遠心力の方向は、試料20の接触面20Aと交差(直交)する方向を向いている。また、重力加速度は、少なくとも1万g(g=9.8m/s2 )以上であることが必要であり、10万g以上であることが好ましい。 Next, the rotor 10 is rotationally driven at high speed, and the centrifugal force generated by the high speed rotation is applied to the sample 20 as gravity. At this time, the direction of the centrifugal force faces the direction intersecting (orthogonal) with the contact surface 20 </ b> A of the sample 20. Further, the gravitational acceleration needs to be at least 10,000 g (g = 9.8 m / s 2 ) or more, and preferably 100,000 g or more.

これにより、固体材料21,22を互いに接触させた状態で高重力場処理が行われた場合には、固体材料22が重力によって発生する圧力により、固体材料21に押し付けられ、固体材料21,22が接触面20Aにおいて接合される。   As a result, when the high-gravity field process is performed in a state where the solid materials 21 and 22 are in contact with each other, the solid material 22 is pressed against the solid material 21 by the pressure generated by gravity, and the solid materials 21 and 22 are pressed. Are joined at the contact surface 20A.

また、固体材料21,22を互いに接合させた状態で高重力場処理が行われた場合には、接合面20Bにおいて重力誘起の拡散が生じる。これにより、比重相当量(原子量/原子容)の大きな原子(固体材料21に含まれる原子もしくは不純物)が重力方向(つまり、固体材料22から遠ざかる方向)に拡散する。一方、比重相当量(原子量/原子容)の小さな原子(固体材料22に含まれる原子もしくは不純物)が重力方向とは反対方向(つまり、固体材料21から遠ざかる方向)に拡散する。   Further, when the high gravitational field process is performed in a state where the solid materials 21 and 22 are bonded to each other, gravity-induced diffusion occurs on the bonding surface 20B. As a result, atoms having a large specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) (atoms or impurities contained in the solid material 21) diffuse in the direction of gravity (that is, the direction away from the solid material 22). On the other hand, atoms with small specific gravity equivalents (atomic weight / atomic volume) (atoms or impurities contained in the solid material 22) diffuse in the direction opposite to the direction of gravity (that is, the direction away from the solid material 21).

ここで、重力誘起の拡散速度は、少なくとも同一温度条件下において熱拡散の速度よりも速い。これは、重力の大きさに比例して移動速度(ドリフト速度)が速くなったり、空孔が多数発生することによって拡散係数が大きくなったりするからである。また、高重力場下では、現在まだ解明されていないメカニズムによっても拡散が起こっているものと思われ、その影響によっても重力誘起の拡散速度が速くなっているものと思われる。これにより、熱拡散で拡散した原子が重力誘起の拡散によって引き戻されたり、熱拡散と重力誘起の拡散とが拮抗したりする。その結果、熱拡散が抑制または阻止されるので、接合面で原子の濃度勾配が急峻になる。重力誘起の拡散速度が、少なくとも同一温度条件下において熱拡散の速度よりも速い場合には、接合面で原子の濃度勾配がより急峻になる。つまり、高重力場処理により、濃度差による拡散が抑制される。   Here, the gravity-induced diffusion rate is faster than the thermal diffusion rate at least under the same temperature condition. This is because the movement speed (drift speed) increases in proportion to the magnitude of gravity, or the diffusion coefficient increases due to the generation of many holes. In addition, under the high gravity field, it is thought that diffusion occurs due to a mechanism that has not yet been elucidated, and the gravity-induced diffusion rate is also increased due to the influence. Thereby, atoms diffused by thermal diffusion are pulled back by gravity-induced diffusion, or thermal diffusion and gravity-induced diffusion antagonize. As a result, since thermal diffusion is suppressed or prevented, the concentration gradient of atoms becomes steep at the junction surface. When the gravity-induced diffusion rate is higher than the thermal diffusion rate at least under the same temperature condition, the concentration gradient of atoms becomes steeper at the junction surface. That is, the diffusion due to the concentration difference is suppressed by the high gravity field process.

なお、上述の高重力場処理に伴って、試料20を加熱または冷却することが好ましい。試料20の加熱は、ヒータによる直接的な加熱であってもよいし、ヒータによって温められたロータ10を介した間接的な加熱であってもよい。例えば、高重力場処理において、拡散係数を大きくする観点からは、固体材料21,22の温度が、固体材料21,22の再結晶温度以上であって、かつ固体材料21,22が固相状態を保つことの可能な温度以下の温度範囲内となるように、試料20を加熱することが好ましい。なお、界面のようなナノメートルレベルの拡散では、固体材料21,22の温度が、固体材料21,22の再結晶温度未満(例えば300℃程度)であってもよい。また、固体材料21,22の温度は、固体材料21,22の再結晶温度に近い温度であってもよいし、固体材料21,22の融点温度に近い温度であってもよい。なお、再結晶温度は、通常、融点(ケルビン)の半分程度の温度である。   In addition, it is preferable to heat or cool the sample 20 with the above-described high-gravity field treatment. The sample 20 may be heated directly by a heater, or may be indirectly heated via the rotor 10 heated by the heater. For example, in high gravity field processing, from the viewpoint of increasing the diffusion coefficient, the temperature of the solid materials 21 and 22 is equal to or higher than the recrystallization temperature of the solid materials 21 and 22 and the solid materials 21 and 22 are in a solid state. It is preferable to heat the sample 20 so as to be within a temperature range equal to or lower than the temperature at which the temperature can be maintained. In the nanometer-level diffusion such as the interface, the temperature of the solid materials 21 and 22 may be lower than the recrystallization temperature of the solid materials 21 and 22 (for example, about 300 ° C.). The temperature of the solid materials 21 and 22 may be a temperature close to the recrystallization temperature of the solid materials 21 and 22 or may be a temperature close to the melting point temperature of the solid materials 21 and 22. The recrystallization temperature is usually about half the melting point (Kelvin).

なお、固体材料21,22として、厚さ2mm以下の単層もしくは多層構造の薄板材または薄膜材を用いてもよいし、厚さ100μm以下の薄膜材を用いてもよい。また、固体材料21として、バルク材(典型的には2mmを超える厚さを有する材料)を用いることももちろん可能である。   In addition, as the solid materials 21 and 22, a thin plate material or a thin film material having a single layer or a multilayer structure having a thickness of 2 mm or less may be used, or a thin film material having a thickness of 100 μm or less may be used. It is of course possible to use a bulk material (typically a material having a thickness exceeding 2 mm) as the solid material 21.

ところで、上記の高重力場処理を行ったのち、必要に応じて、試料20(固体材料21,22)をアニールすることが好ましい。アニールによって、固体材料21,22の結晶状態を改善させることができ、固体材料21,22の特性を向上させることができる。   By the way, it is preferable to anneal the sample 20 (solid materials 21 and 22) as necessary after performing the above-described high-gravity field treatment. By annealing, the crystal state of the solid materials 21 and 22 can be improved, and the characteristics of the solid materials 21 and 22 can be improved.

[作用・効果]
このように、本実施の形態の機能材料の製造方法では、第1比重相当量が第2比重相当量よりも大きい場合には固体材料21を固体材料22よりも重力方向側に配置し、第1比重相当量が第2比重相当量よりも小さい場合には固体材料22を固体材料21よりも重力方向側に配置した上で、高重力場処理が行われる。または、第3比重相当量が第4比重相当量よりも大きい場合には固体材料21を固体材料22よりも重力方向側に配置し、第3比重相当量が第4比重相当量よりも小さい場合には固体材料22を固体材料21よりも重力方向側に配置した上で、高重力場処理が行われる。これにより、固体材料21,22を互いに接触させた状態で高重力場処理が行われた場合には、重力方向とは反対側に配置された材料が重力によって発生する圧力により、重力方向側に配置された材料に押し付けられ、固体材料21,22が接触面20Aにおいて接合される。その結果、接触面20Aにおいて十分な接合を得ることができ、接合面に反応層が形成される。また、常圧での拡散処理と比べて、処理時間を短くすることができ、さらに、低い温度で製造することもできる。
[Action / Effect]
Thus, in the method for producing a functional material according to the present embodiment, when the first specific gravity equivalent amount is larger than the second specific gravity equivalent amount, the solid material 21 is arranged on the gravity direction side of the solid material 22, and When the amount corresponding to the specific gravity is smaller than the amount corresponding to the second specific gravity, the high-gravity field process is performed after the solid material 22 is arranged on the gravity direction side of the solid material 21. Alternatively, when the third specific gravity equivalent amount is larger than the fourth specific gravity equivalent amount, the solid material 21 is arranged on the gravity direction side with respect to the solid material 22, and the third specific gravity equivalent amount is smaller than the fourth specific gravity equivalent amount. In this case, the high-gravity field process is performed after the solid material 22 is arranged on the gravity direction side of the solid material 21. As a result, when the high gravity field processing is performed in a state where the solid materials 21 and 22 are in contact with each other, the material disposed on the opposite side to the gravity direction causes the pressure generated by the gravity to move toward the gravity direction side. The solid materials 21 and 22 are bonded to each other at the contact surface 20A by being pressed against the arranged material. As a result, sufficient bonding can be obtained at the contact surface 20A, and a reaction layer is formed on the bonding surface. In addition, the treatment time can be shortened as compared with the diffusion treatment at normal pressure, and the production can be performed at a lower temperature.

また、固体材料21,22を互いに接合させた状態で高重力場処理が行われた場合には、接合面20Bにおいて重力誘起の拡散が生じるので、比重相当量(原子量/原子容)の大きな原子もしくは不純物が重力方向に拡散し、比重相当量(原子量/原子容)の小さな原子もしくは不純物が重力方向とは反対方向に拡散する。ここで、重力誘起の拡散速度は、少なくとも同一温度条件下において熱拡散の速度よりも速いことから、熱拡散で拡散した原子が重力誘起の拡散によって引き戻されたり、熱拡散と重力誘起の拡散とが拮抗したりする。これにより、熱拡散が抑制または阻止されるので、接合面において原子もしくは不純物の濃度勾配が急峻になる。その結果、接合面20Bにおいて反応層を薄くしたり、なくしたりすることができる。例えば、接合面20Bにおける反応層の厚さを1nm以下、10nm以下または100nm以下にすることが可能である。また、例えば、接合面20Bにおける反応層の厚さを1原子層以上10原子層以下としたり、トンネル効果の生じる厚さにしたりすることも可能である。   Further, when the high-gravity field treatment is performed in a state where the solid materials 21 and 22 are bonded to each other, gravity-induced diffusion occurs on the bonding surface 20B, and thus an atom having a large specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume). Alternatively, impurities diffuse in the direction of gravity, and atoms or impurities with a small specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) diffuse in the direction opposite to the direction of gravity. Here, since the gravity-induced diffusion rate is faster than the thermal diffusion rate at least under the same temperature condition, the atoms diffused by thermal diffusion are pulled back by gravity-induced diffusion, and thermal diffusion and gravity-induced diffusion Antagonize. Thereby, since thermal diffusion is suppressed or prevented, the concentration gradient of atoms or impurities becomes steep at the junction surface. As a result, the reaction layer can be thinned or eliminated at the bonding surface 20B. For example, the thickness of the reaction layer on the bonding surface 20B can be 1 nm or less, 10 nm or less, or 100 nm or less. Further, for example, the thickness of the reaction layer on the bonding surface 20B can be set to be 1 atomic layer or more and 10 atomic layer or less, or can be set to a thickness causing a tunnel effect.

このように、本実施の形態では、接触面20Aにおいて十分な接合を得ることができ、また、接合面20Bにおいて反応層を薄くしたり、なくしたりすることができるので、所望の機能を容易かつ確実に得ることができる。接合界面で反応層が薄くなることにより、例えば、ツェナーダイオード、アバランシェダイオード、pinダイオード、トンネルダイオード、ジョセフソン素子、MOSトランジスタなどの素子の理想的な機能を確実に得ることができる。その他にも、例えば、理想的な熱電能の機能や熱電対の機能を確実に得ることができる。また、本実施の形態の製造方法では、反応層の厚さを、例えば、1原子層以上10原子層以下とすることも可能であることから、新たな機能を素子に付与することも可能である。   As described above, in the present embodiment, sufficient bonding can be obtained on the contact surface 20A, and the reaction layer can be thinned or eliminated on the bonding surface 20B. You can definitely get it. By thinning the reaction layer at the junction interface, an ideal function of an element such as a Zener diode, an avalanche diode, a pin diode, a tunnel diode, a Josephson element, or a MOS transistor can be reliably obtained. In addition, for example, an ideal thermoelectric function and a thermocouple function can be reliably obtained. In the manufacturing method of the present embodiment, since the thickness of the reaction layer can be set to, for example, 1 atomic layer or more and 10 atomic layers or less, a new function can be imparted to the element. is there.

以上のことから、本実施の形態では、従来の方法で製造可能な機能材料だけでなく、従来の方法では製造の困難であった機能材料をも製造することが可能である。   From the above, in this embodiment, it is possible to manufacture not only a functional material that can be manufactured by a conventional method but also a functional material that is difficult to manufacture by a conventional method.

また、本実施の形態の製造方法において用いられた高重力場発生装置では、試料20を設置する部位(設置面10C)が平坦面となっている。そのため、円筒状の試料カプセルを用いた従来の装置よりも、大きな試料を処理することができ、また、一度に大量の試料を処理することが可能である。従って、この高重力場発生装置を用いることにより、高い生産性が得られ、また、生産コストを大幅に低減することができる。   Moreover, in the high gravity field generator used in the manufacturing method of the present embodiment, the site (installation surface 10C) where the sample 20 is installed is a flat surface. Therefore, it is possible to process a larger sample than a conventional apparatus using a cylindrical sample capsule, and it is possible to process a large amount of samples at a time. Therefore, by using this high gravitational field generator, high productivity can be obtained and the production cost can be greatly reduced.

<変形例>
上記実施の形態では、2種類の材料(固体材料21,22)を接触あるいは接合した上で、これらに対して高重力場処理を施していたが、3種類以上の材料を接触あるいは接合した上で、これらに対して高重力場処理を施してもよい。例えば、図3(A)に示したように、固体材料21とは異なる固体材料23を重力方向側に配置すると共に固体材料21に接触あるいは接合させた上で、2種類の材料(固体材料21,22)を接触あるいは接合したのち、これらに対して高重力場処理を施してもよい。
<Modification>
In the above embodiment, two kinds of materials (solid materials 21 and 22) are contacted or joined and then subjected to high-gravity field treatment, but three or more kinds of materials are contacted or joined. Thus, high-gravity field processing may be performed on these. For example, as shown in FIG. 3A, a solid material 23 different from the solid material 21 is disposed on the gravity direction side, and in contact with or bonded to the solid material 21, two kinds of materials (solid material 21) are arranged. , 22) may be contacted or joined and then subjected to a high gravity field treatment.

このとき、固体材料23の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)が、固体材料21の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)よりも大きい場合には、固体材料21と固体材料23との接触面に形成される反応層あるいは接合面に形成されている反応層を薄くすることができる。逆に、固体材料23の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)が、固体材料21の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)よりも小さい場合には、固体材料21と固体材料23との接触面に形成される反応層あるいは接合面に形成されている反応層を厚くすることができる。例えば、反応層の厚さを10nm以上、100nm以上、1μm以上または10μm以上に厚くすることが可能である。また、例えば、固体材料21,23として上述の半導体が用いられ、かつ固体材料21,23に不純物が含まれている場合には、以下のようにすることが可能である。すなわち、固体材料23に含まれる不純物の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)が、固体材料21に含まれる不純物の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)よりも大きい場合には、固体材料21と固体材料23との接触面に形成される反応層あるいは接合面に形成されている反応層を薄くすることができる。逆に、固体材料23に含まれる不純物の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)が、固体材料21に含まれる不純物の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)よりも小さい場合には、固体材料21と固体材料23との接触面に形成される反応層あるいは接合面に形成されている反応層を厚くすることができる。例えば、反応層の厚さを10nm以上、100nm以上、1μm以上または10μm以上に厚くすることが可能である。   At this time, when the specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) of the solid material 23 corresponding to the specific gravity of atoms is larger than the specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) of the solid material 21 corresponding to the specific gravity of atoms. Can thin the reaction layer formed on the contact surface between the solid material 21 and the solid material 23 or the reaction layer formed on the bonding surface. Conversely, when the specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) of the solid material 23 corresponding to the specific gravity of atoms is smaller than the specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) of the solid material 21 corresponding to the specific gravity of atoms. Can thicken the reaction layer formed on the contact surface of the solid material 21 and the solid material 23 or the reaction layer formed on the bonding surface. For example, the thickness of the reaction layer can be increased to 10 nm or more, 100 nm or more, 1 μm or more, or 10 μm or more. For example, when the above-described semiconductor is used as the solid materials 21 and 23 and the solid materials 21 and 23 contain impurities, the following can be performed. That is, the specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) of the impurities contained in the solid material 23 corresponds to the specific gravity equivalent (atomic weight / atom) of the impurities contained in the solid material 21. If it is larger than the above, the reaction layer formed on the contact surface between the solid material 21 and the solid material 23 or the reaction layer formed on the bonding surface can be thinned. On the contrary, the specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) of the impurities contained in the solid material 23 corresponds to the specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) of the impurities contained in the solid material 21. If it is smaller than (atomic capacity), the reaction layer formed on the contact surface between the solid material 21 and the solid material 23 or the reaction layer formed on the bonding surface can be thickened. For example, the thickness of the reaction layer can be increased to 10 nm or more, 100 nm or more, 1 μm or more, or 10 μm or more.

また、例えば、図3(B)に示したように、固体材料22とは異なる固体材料24を重力方向とは反対側に配置すると共に固体材料22に接触あるいは接合させた上で、2種類の材料(固体材料21,22)を接触あるいは接合したのち、これらに対して高重力場処理を施してもよい。   Further, for example, as shown in FIG. 3B, a solid material 24 different from the solid material 22 is arranged on the side opposite to the direction of gravity, and in contact with or joined to the solid material 22, After the materials (solid materials 21 and 22) are contacted or joined, high-gravity field treatment may be performed on them.

このとき、固体材料24の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)が、固体材料22の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)よりも大きい場合には、固体材料22と固体材料24との接触面に形成される反応層あるいは接合面に形成されている反応層を厚くすることができる。例えば、反応層の厚さを10nm以上、100nm以上、1μm以上または10μm以上に厚くすることが可能である。逆に、固体材料24の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)が、固体材料22の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)よりも小さい場合には、固体材料22と固体材料24との接触面に形成される反応層あるいは接合面に形成されている反応層を薄くすることができる。また、例えば、固体材料22,24として上述の半導体が用いられ、かつ固体材料22,24に不純物が含まれている場合には、以下のようにすることが可能である。すなわち、固体材料24に含まれる不純物の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)が、固体材料22に含まれる不純物の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)よりも大きい場合には、固体材料22と固体材料24との接触面に形成される反応層あるいは接合面に形成されている反応層を厚くすることができる。例えば、反応層の厚さを10nm以上、100nm以上、1μm以上または10μm以上に厚くすることが可能である。逆に、固体材料24に含まれる不純物の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)が、固体材料22に含まれる不純物の、原子の比重に相当する比重相当量(原子量/原子容)よりも小さい場合には、固体材料22と固体材料24との接触面に形成される反応層あるいは接合面に形成されている反応層を薄くすることができる。   At this time, when the specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) of the solid material 24 corresponding to the specific gravity of atoms is larger than the specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) of the solid material 22 corresponding to the specific gravity of atoms. The thickness of the reaction layer formed on the contact surface between the solid material 22 and the solid material 24 or the reaction layer formed on the bonding surface can be increased. For example, the thickness of the reaction layer can be increased to 10 nm or more, 100 nm or more, 1 μm or more, or 10 μm or more. On the contrary, when the specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) of the solid material 24 corresponding to the specific gravity of atoms is smaller than the specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) of the solid material 22 corresponding to the specific gravity of atoms. Can thin the reaction layer formed on the contact surface between the solid material 22 and the solid material 24 or the reaction layer formed on the bonding surface. Further, for example, when the above-described semiconductor is used as the solid materials 22 and 24 and the solid materials 22 and 24 contain impurities, the following is possible. That is, the specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) of the impurities contained in the solid material 24 corresponds to the specific gravity equivalent (atomic weight / atom) of the impurities contained in the solid material 22. If it is larger than the above, the reaction layer formed on the contact surface between the solid material 22 and the solid material 24 or the reaction layer formed on the bonding surface can be thickened. For example, the thickness of the reaction layer can be increased to 10 nm or more, 100 nm or more, 1 μm or more, or 10 μm or more. On the contrary, the specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) of the impurities contained in the solid material 24 is equivalent to the specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) of the impurities contained in the solid material 22. If it is smaller than the atomic volume, the reaction layer formed on the contact surface between the solid material 22 and the solid material 24 or the reaction layer formed on the bonding surface can be made thin.

以上のように、3種類以上の材料を接触あるいは接合した上で、これらに対して高重力場処理を施した場合には、例えば、MOS接合、pin接合、pnp接合、npn接合、サイリスタなどを作製することが可能となる。また、高重力場処理により、固体材料21と固体材料22との接触面に反応層を形成したり、固体材料21と固体材料22との接合面に形成された反応層を薄くしたりする際に、固体材料21と固体材料23との接合面や、固体材料22と固体材料24との接合面に存在する反応層を厚くしたり、薄くしたりすることも可能である。   As described above, when three or more kinds of materials are contacted or bonded and then subjected to high-gravity field treatment, for example, a MOS junction, a pin junction, a pnp junction, an npn junction, a thyristor, etc. It can be produced. Further, when the reaction layer is formed on the contact surface between the solid material 21 and the solid material 22 or the reaction layer formed on the joint surface between the solid material 21 and the solid material 22 is thinned by the high gravity field treatment. In addition, it is possible to increase or decrease the thickness of the reaction layer present on the bonding surface between the solid material 21 and the solid material 23 and the bonding surface between the solid material 22 and the solid material 24.

また、上記実施の形態では、ロータ10の設置面10Cが軸AX1(回転軸)と平行な平面となっていたが、軸AX1(回転軸)との関係で所定の角度だけ傾いた傾斜面となっていてもよい。また、上記実施の形態では、試料20に対して高重力場処理を施すために、図1(A)に示したようなロータ10を用いたが、それ以外の装置(例えば、特開2003−103199号公報や、特開平9−290178号公報などに記載されているような、従来から用いられている一般的な装置)を用いてもよい。   In the above embodiment, the installation surface 10C of the rotor 10 is a plane parallel to the axis AX1 (rotation axis), but the inclined surface is inclined by a predetermined angle with respect to the axis AX1 (rotation axis). It may be. In the above embodiment, the rotor 10 as shown in FIG. 1A is used to perform the high-gravity field processing on the sample 20, but other devices (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2003-2003) are used. Conventionally used devices such as those described in Japanese Patent No. 103199 and Japanese Patent Laid-Open No. 9-290178 may be used.

また、上記実施の形態では、ロータ10の開口10Aが鉛直下側に向いている場合が例示されていたが、開口10Aが鉛直上側に向いていてもかまわないし、横に向いていてもかまわない。ただし、開口10Aが鉛直上側に向いている場合には、上記実施の形態における上面10Eが底面として機能し、開口10Aが横に向いている場合には、上記実施の形態における側面(設置面10C)が底面として機能する。   Further, in the above-described embodiment, the case where the opening 10A of the rotor 10 is directed vertically downward is illustrated, but the opening 10A may be directed vertically upward, or may be directed horizontally. . However, when the opening 10A faces vertically upward, the upper surface 10E in the above embodiment functions as a bottom surface, and when the opening 10A faces sideways, the side surface (installation surface 10C in the above embodiment). ) Functions as the bottom.

10…ロータ、10A…開口、10B…内部空間、10C…設置面、10D…底面、10E…上面、20…試料、20A…接触面、21,22…固体材料、AX…軸。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Rotor, 10A ... Opening, 10B ... Internal space, 10C ... Installation surface, 10D ... Bottom surface, 10E ... Upper surface, 20 ... Sample, 20A ... Contact surface, 21,22 ... Solid material, AX ... Shaft.

Claims (17)

固体材料からなる第1材料と、前記第1材料とは異なる固体材料からなる第2材料とを互いに接触もしくは接合させると共に、前記第1材料の、原子の比重に相当する第1比重相当量(原子量/原子容)が、前記第2材料の、原子の比重に相当する第2比重相当量(原子量/原子容)よりも大きい場合には、前記第2材料との関係で、前記第1材料を重力方向側に配置し、前記第1比重相当量が前記第2比重相当量よりも小さい場合には、前記第1材料との関係で、前記第2材料を重力方向側に配置したのち、前記第1材料および前記第2材料に対して、前記第1材料のうち前記第2材料との接触面もしくは接合面と交差する方向に少なくとも1万g(g=9.8m/s 2 )以上の高重力をかける高重力場処理を行う
ことを特徴とする機能材料の製造方法。
A first material made of a solid material and a second material made of a solid material different from the first material are brought into contact with or joined to each other, and a first specific gravity equivalent amount corresponding to the specific gravity of atoms of the first material ( When the atomic weight / atomic volume) is larger than the second specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) corresponding to the specific gravity of the atom of the second material, the first material is related to the second material. Is arranged on the gravity direction side, and when the first specific gravity equivalent amount is smaller than the second specific gravity equivalent amount, the second material is arranged on the gravity direction side in relation to the first material, With respect to the first material and the second material, at least 10,000 g (g = 9.8 m / s 2 ) or more in the direction intersecting the contact surface or the bonding surface with the second material of the first material. function material and performing high-gravity field process of applying the high gravity Manufacturing method.
第1不純物を含む固体材料からなる第1材料と、前記第1材料とは異なる固体材料に前記第1不純物とは異なる第2不純物を含む材料からなる第2材料とを互いに接触もしくは接合させると共に、前記第1不純物の、原子の比重に相当する第3比重相当量(原子量/原子容)が、前記第2不純物の、原子の比重に相当する第4比重相当量(原子量/原子容)よりも大きい場合には、前記第2材料との関係で、前記第1材料を重力方向側に配置し、前記第3比重相当量が前記第4比重相当量よりも小さい場合には、前記第1材料との関係で、前記第2材料を重力方向側に配置したのち、前記第1材料および前記第2材料に対して、前記第1材料のうち前記第2材料との接触面もしくは接合面と交差する方向に少なくとも1万g(g=9.8m/s 2 )以上の高重力をかける高重力場処理を行う
ことを特徴とする機能材料の製造方法。
A first material made of a solid material containing a first impurity, and a second material made of a material containing a second impurity different from the first impurity in contact with or joined to a solid material different from the first material The third specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) corresponding to the atomic specific gravity of the first impurity is greater than the fourth specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) corresponding to the atomic specific gravity of the second impurity. Is larger, the first material is disposed in the direction of gravity in relation to the second material, and when the third specific gravity equivalent is smaller than the fourth specific gravity equivalent, In relation to the material, after the second material is arranged on the gravity direction side, the contact surface or the joint surface with the second material of the first material with respect to the first material and the second material At least 10,000 g in a direction crossing (g = 9.8 m / Method for producing a functional material which is characterized in that the high-gravity field processing to apply a 2) or more high-gravity.
前記第1材料および前記第2材料を接触させた状態で前記高重力場処理を行うことにより、前記第1材料および前記第2材料を接合する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の機能材料の製造方法。
The first material and the second material are joined by performing the high-gravity field treatment in a state where the first material and the second material are in contact with each other. A method for producing the functional material described.
前記高重力場処理を行うことにより、前記第1材料および前記第2材料の双方の内部で重力誘起の拡散を起こさせ、この重力誘起の拡散によって濃度差による拡散を制御する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の機能材料の製造方法。
By performing the high-gravity field treatment, gravity-induced diffusion is caused inside both the first material and the second material, and diffusion due to a concentration difference is controlled by the gravity-induced diffusion. The manufacturing method of the functional material of Claim 1 or Claim 2.
前記第1材料および前記第2材料は、これらの接合面に反応層を有し、
前記第1材料および前記第2材料を接合させた状態で前記高重力場処理を行うことにより、前記反応層の厚さを薄くする
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の機能材料の製造方法。
The first material and the second material have a reaction layer on their joint surfaces,
The function according to claim 1 or 2, wherein the thickness of the reaction layer is reduced by performing the high-gravity field treatment in a state where the first material and the second material are joined. Material manufacturing method.
前記高重力場処理により、前記反応層をトンネル効果の生じる厚さにする
ことを特徴とする請求項5に記載の機能材料の製造方法。
The method for producing a functional material according to claim 5, wherein the reaction layer is formed to have a thickness causing a tunnel effect by the high gravity field treatment.
前記第1材料とは異なる第3材料を前記第1材料に接合させた状態で、もしくは、前記第2材料とは異なる第4材料を前記第2材料に接合させた状態で高重力場処理を行う
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の機能材料の製造方法。
In a state where a third material different from the first material is bonded to the first material, or in a state where a fourth material different from the second material is bonded to the second material, the high gravity field treatment is performed. The method for producing a functional material according to claim 1, wherein the method is performed.
前記高重力場処理により、前記第1材料と前記第3材料との接合面もしくは前記第2材料と前記第3材料との接合面に存在する反応層を厚くする
ことを特徴とする請求項7に記載の機能材料の製造方法。
The reaction layer existing on the joint surface between the first material and the third material or the joint surface between the second material and the third material is thickened by the high-gravity field treatment. A method for producing the functional material described in 1.
前記第1材料および前記第2材料の少なくとも一方は、超伝導体である
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の機能材料の製造方法。
The method for producing a functional material according to claim 1, wherein at least one of the first material and the second material is a superconductor.
前記第1材料および前記第2材料は、Si、Ge、Se、TeもしくはCの単体であるか、GaAs、GaP、InAs、InP、InGaAs、AlGaAs、GaAsP、InGaN、AlGaN、AlGaInP、SiC、GaInNAsもしくはGaNを主に含むIII−V族半導体であるか、またはZnO、CdTe、CdSeもしくはZeSeを主に含むII−VI族半導体である
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の機能材料の製造方法。
The first material and the second material may be a simple substance of Si, Ge, Se, Te, or C, GaAs, GaP, InAs, InP, InGaAs, AlGaAs, GaAsP, InGaN, AlGaN, AlGaInP, SiC, GaInNAs or The functional material according to claim 1, wherein the functional material is a group III-V semiconductor mainly containing GaN or a group II-VI semiconductor mainly containing ZnO, CdTe, CdSe, or ZeSe. Manufacturing method.
前記第1材料および前記第2材料は、全率固溶型ビスマス(Bi)−アンチモン(Sb)合金、カドミウム(Cd)−アンチモン系金属間化合物、ビスマス−テルル(Te)系半導体化合物(Bi2Te3)、または全率固溶型セレン(Se)−テルル系半導体固溶体、またはクッテルダイト型化合物である
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の機能材料の製造方法。
The first material and the second material are all solid solution bismuth (Bi) -antimony (Sb) alloy, cadmium (Cd) -antimony intermetallic compound, bismuth-tellurium (Te) semiconductor compound (Bi 2). 3. The method for producing a functional material according to claim 1, wherein the functional material is Te 3 ), a total solid solution type selenium (Se) -tellurium-based semiconductor solid solution, or a Kutteldite type compound.
前記第1材料および前記第2材料は、Cr、Co、Fe、Cu、Pt、Re、Ir、Rh、Pd、W、Ag、Auや、アルメル、クロメル、コンスタンタンなどの合金である
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の機能材料の製造方法。
The first material and the second material are alloys of Cr, Co, Fe, Cu, Pt, Re, Ir, Rh, Pd, W, Ag, Au, alumel, chromel, constantan and the like. The manufacturing method of the functional material of Claim 1 or Claim 2 to do.
前記高重力場処理において、前記第1材料および前記第2材料の融点温度未満の温度に設定する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の機能材料の製造方法。
3. The method for producing a functional material according to claim 1, wherein the high-gravity field treatment is set to a temperature lower than a melting point temperature of the first material and the second material.
前記高重力場処理において、前記第1材料および前記第2材料の再結晶温度未満の温度に設定する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の機能材料の製造方法。
3. The method for producing a functional material according to claim 1, wherein the high-gravity field treatment is set to a temperature lower than a recrystallization temperature of the first material and the second material.
前記高重力場処理において、前記第1材料および前記第2材料に対して加熱または冷却を行う
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の機能材料の製造方法。
The method for producing a functional material according to claim 1, wherein the first material and the second material are heated or cooled in the high-gravity field treatment.
薄膜状、板状もしくはバルク状の機能材料であって、
前記機能材料は、
固体材料からなる第1材料と、前記第1材料とは異なる固体材料からなる第2材料とを互いに接触もしくは接合させると共に、前記第1材料の、原子の比重に相当する第1比重相当量(原子量/原子容)が、前記第2材料の、原子の比重に相当する第2比重相当量(原子量/原子容)よりも大きい場合には、前記第2材料との関係で、前記第1材料を重力方向側に配置し、前記第1比重相当量が前記第2比重相当量よりも小さい場合には、前記第1材料との関係で、前記第2材料を重力方向側に配置したのち、前記第1材料および前記第2材料に対して、前記第1材料のうち前記第2材料との接触面もしくは接合面と交差する方向に少なくとも1万g(g=9.8m/s 2 )以上の高重力をかけることにより形成されたものである
ことを特徴とする機能材料。
A thin film, plate or bulk functional material,
The functional material is
A first material made of a solid material and a second material made of a solid material different from the first material are brought into contact with or joined to each other, and a first specific gravity equivalent amount corresponding to the specific gravity of atoms of the first material ( When the atomic weight / atomic volume) is larger than the second specific gravity equivalent (atomic weight / atomic volume) corresponding to the specific gravity of the atom of the second material, the first material is related to the second material. Is arranged on the gravity direction side, and when the first specific gravity equivalent amount is smaller than the second specific gravity equivalent amount, the second material is arranged on the gravity direction side in relation to the first material, With respect to the first material and the second material, at least 10,000 g (g = 9.8 m / s 2 ) or more in the direction intersecting the contact surface or the bonding surface with the second material of the first material. characterized in that formed by applying a high gravity Functional material.
薄膜状、板状もしくはバルク状の機能材料であって、
前記機能材料は、
第1不純物を含む固体材料からなる第1材料と、前記第1材料とは異なる固体材料に前記第1不純物とは異なる第2不純物を含む材料からなる第2材料とを互いに接触もしくは接合させると共に、前記第1不純物の、原子の比重に相当する第3比重相当量(原子量/原子容)が、前記第2不純物の、原子の比重に相当する第4比重相当量(原子量/原子容)よりも大きい場合には、前記第2材料との関係で、前記第1材料を重力方向側に配置し、前記第3比重相当量が前記第4比重相当量よりも小さい場合には、前記第1材料との関係で、前記第2材料を重力方向側に配置したのち、前記第1材料および前記第2材料に対して、前記第1材料のうち前記第2材料との接触面もしくは接合面と交差する方向に少なくとも1万g(g=9.8m/s 2 )以上の高重力をかけることにより形成されたものである
ことを特徴とする機能材料。
A thin film, plate or bulk functional material,
The functional material is
A first material made of a solid material containing a first impurity, and a second material made of a material containing a second impurity different from the first impurity in contact with or joined to a solid material different from the first material The third specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) corresponding to the atomic specific gravity of the first impurity is greater than the fourth specific gravity equivalent amount (atomic weight / atomic volume) corresponding to the atomic specific gravity of the second impurity. Is larger, the first material is disposed in the direction of gravity in relation to the second material, and when the third specific gravity equivalent is smaller than the fourth specific gravity equivalent, In relation to the material, after the second material is arranged on the gravity direction side, the contact surface or the joint surface with the second material of the first material with respect to the first material and the second material At least 10,000 g in a direction crossing (g = 9.8 m / Functional materials, characterized in that one formed by applying a 2) or more high-gravity.
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