JP5677713B2 - ナノ構造を必要とせず半導体材料製の処理済層を利用したセーベック/ペルティ効果を利用した熱−電気変換装置 - Google Patents
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Description
次式で示される電圧が発生する。
SAとSBは、材料Aと材料Bに関連するセーベック係数(熱起電力とも称する)である。
電圧は、μV/Kのオーダーで発生する。セーベック係数は、材料と、その絶対温度と、その構造に依存する。セーベック効果は、異なる2つの材料から構成される回路(サーモカップル)の電位差を利用して温度差を測定する装置を製造する際にも、利用される。ある数の熱電対を直列に並べること(サーモパイル)により、電気エネルギーを生成することもできる。
T=θD/5 (2)
ここで、θDは、デバイ温度(Debye temperature)である。
θD以下の温度においては、エネルギーを移送するフォノンが少なくなり、
θD以上の温度においては、フォノンはエネルギーを失う。その原因は、フォノン同士の連続する衝突であり、フォノンと電子の連続する衝突ではない。
Z=S2δ/κ (3)
ここで、κは材料の伝熱率であり、δは導電率である。
特許文献1は、ナノサイズの細長い構造を製造するのに用いられる従来の製造方法よりも単純な方法を開示する。この方法は、依然として、多結晶シリコンの使用、さらには単結晶シリコンよりも効率的(セーベック効果の利用に対し)ではない材料の使用に加えて、リソグラフ処理、異方性エッチング、真空中での等方性堆積プロセスを必要とする。
(a) 非反応性の化学種。
これは、半導体の結晶格子からのガスとして連続的に拡散できるもので、希ガスのイオン例えばヘリウムイオンである。
(b) 格子欠陥を生成する半導体材料と反応する化学種のイオン。
格子欠陥は、散乱中心として機能し、ガス状の半導体の結晶格子内には滞留しない。滞留しない理由は、結晶格子内にトラップされたイオンの少なくとも一部は、半導体材料のバルク内に生成された格子欠陥又は予め存在する格子欠陥の「デコレーション(decorations)」として、放出するからである。このイオンの一例は、フッ素イオンあるいは窒素イオンである。
(c) ナノサイズの分離(nanosized segregation)を生成する半導体材料と反応する化学種のイオンで、例えば、酸素イオンである。
イオン注入処理は、40keVと120keVの間の様々なエネルギーで行われ、その後800℃−950℃の間の温度の処理が、1時間最長7時間行われる。
(a) 不純物による半導体の汚染防止。この様な不純物は、ドープした半導体層の表面上に存在し、イオン注入の間、反跳現象(recoil phenomena)により半導体材料中にトラップされている。
(b) 加速したイオンを減速させるようなダイヤフラム(diaphragm)を構成すること。ダイヤフラムは、堆積した半導体層の一部にある結晶格子に対するイオン注入による損傷により引き起こされる格子の変更(lattice modifications )の均一性を、向上させる。このドープした半導体層の結晶格子内に生成される浅い表面の損傷の均一性の条件は、優先的なフォノン移動パス(privileged phonon migration path)が存在しないようにするために重要である。言い換えると、堆積後処理の終了後、半導体材料層のバルク内に熱のバイパス・パス(heat by-pass paths)を無くすために重要である。
(a) 不純物による半導体の汚染防止。この様な不純物は、ドープした半導体層の表面上に存在し、イオン注入の間、反跳現象(recoil phenomena)により半導体材料中にトラップされている。
(b) 堆積しドープしたポリシリコン層の浅い表面部分にある損傷(イオン注入による)により引き起こされる格子変更(lattice modifications )の空間分布の均一性を、向上させる。
(1) 第1回目のイオン注入は、95KeVで、濃度が2.97×1016cm−2であった。
(2) 第2回目のイオン注入は、58KeVで、濃度が1.5×1016cm−2であった。
この格子損傷の計算結果を図2に示す。図2の英文字は以下を意味する。
Silicio:単結晶シリコン・ウエハー1
SiOx: シリリコン製の低伝熱性の誘電体層2
Poly: 多結晶シリコンの薄いフィルム(ポリシリコン層)3
Alluminio: 犠牲層
S=dUth/d(ΔT)
以下の表1においては、基準装置(サンプルR)と、本発明の一実施例による熱電変換装置(サンプルM)の電気抵抗値とセーベック係数値を表1で示す。
表1
電気抵抗 セーベック係数
サンプルR 1.82mΩ×cm 0.07mV/K
サンプルM 1.45mΩ×cm 0.43mV/K
サンプルMに対する電位差曲線Uth(ΔT)対THを図4に示す。
フィルム(ポリシリコン層)3の導電率は、減少していないどころか、むしろ増加していることを考慮すると、セーベック係数の大幅な増加は、材料の伝熱率のフォノン成分の減少によるものである。このフォノン成分の減少を見積もることはできないが、伝熱率の値は、基準サンプルRに比較して、変わらないように見えるが、サンプルMの熱電子係数は50倍となる。これは、ドープしたポリシリコンの半導体材料層を処理した結果である。
2 低伝熱性誘電体層
3 ドープした多結晶半導体層
4,5 接点
Claims (9)
- セーベック/ペルティ効果を利用した熱−電気変換装置において、
(A) 伝熱率の低い誘電体材料製の平坦な支持部材(1)と、
(B) 前記支持部材(1)の主面上に堆積されるドープした多結晶半導体材料製の層(3)と、
(C)前記ドープした多結晶半導体材料製の層(3)の両側を外部回路に接続する一対の金属製接点(4,5)と、
を有し、
前記ドープした多結晶半導体材料製の層(3)の材料のバルク導電率は、1.0Ω−1cm−1以上であり、前記ドープした多結晶半導体材料製の層(3)には、インシチュ(in situ)で様々なエネルギーでガスのイオンが注入され、前記ガスのイオンは、窒素ガス、フッ素ガス、酸素ガス、周期律表のグループ0の元素のガスからなる群から選択されたガスのイオンであり、
前記一対の金属接点(4,5)に対応する一対の主面は、異なる温度に設定される
ことを特徴とするセーベック/ペルティ効果を利用した熱−電気変換装置。 - 前記ドープした多結晶半導体材料製の層(3)は、バルク内を均一に分散するフォノン散乱中心を有し、
前記フォノン散乱中心は、前記様々なエネルギと濃度で注入された元素と前記多結晶材料の半導体との化学化合物の噴散、化学結合、分離により生成される
ことを特徴とする請求項1記載の熱−電気変換装置。 - 前記ドープした多結晶半導体材料製の層(3)へのガスのイオン注入は、前記層(3)の表面上に均一厚さで堆積された犠牲層を介して実行される
ことを特徴とする請求項1記載の熱−電気変換装置。 - 前記ドープした多結晶半導体材料製の層(3)は、複数あり、
前記支持部材(1)を構成する低伝熱性の誘電体層(2)と前記ドープした多結晶半導体材料製の層(3)とは、交互に積層されて、平行六面体積層体を構成し、
前記一対の金属製接点(4,5)は、前記平行六面体積層体の両側に配置され、
前記一対の金属製接点(4,5)は、前記複数のドープした多結晶半導体材料製の層(3)を並列接続する
ことを特徴とする請求項1記載の熱−電気変換装置。 - 前記ドープした多結晶半導体材料製の層(3)の材料は、厚さが100nmと1.0μmの間で、1.0×1016atoms/cm2の濃度のボロンでドーピングされ、50−120KeVの間のエネルギーで、イオン濃度が、1.0×1016と5.0×1016ions/cm2となるよう、複数回ヘリウムイオンが注入される
ことを特徴とする請求項1記載の熱−電気変換装置。 - 前記複数回ヘリウムイオンが注入されたドープした多結晶半導体材料製の層(3)は、800℃と900℃の間の温度で、1時間以上熱処理されて形成されたものである
ことを特徴とする請求項5記載の熱−電気変換装置。 - 前記支持部材(1)は、単成分あるいは多成分のガラス、シリカ・エーロゲル、アンドープト・シリコン材料、低ドーパント濃度のシリコン材料、熱電変換装置の処理又は動作温度に耐えうる有機ポリマー材料からなるグループから選択された材料で形成される
ことを特徴とする請求項1記載の熱−電気変換装置。 - 前記支持部材(1)は、有機ポリマー材料で形成される
ことを特徴とする請求項7記載の熱−電気変換装置。 - 前記支持部材(1)は、引き延ばした有機ポリマー材料で形成される
ことを特徴とする請求項1記載の熱−電気変換装置。
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