JP6638269B2 - ナノ構造素子及びその製造方法、並びに熱電変換装置 - Google Patents
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・可動部を要しないため、長寿命である。
・熱エネルギーから電気エネルギーへ直接的に変換を行うため、クリーンで静か変換作業が可能である。
・小型で軽量であるため、携帯機器用や非常用電源にも最適である。
・少量の熱エネルギーでも電気エネルギーに変換することができる。
本実施形態では、ナノ構造素子を開示し、その構成について製造方法と共に説明する。
図1〜図3は、第1の実施形態によるナノ構造素子の製造方法を工程順に示す模式図であり、図1〜図2が断面図、図3が平面図をそれぞれ示す。
詳細には、基板としてシリコン基板11を用意し、その表面にCVD法等によりシリコン酸化層21を堆積する。シリコン酸化層21の代わりに、SiC層、SiN層等を形成するようにしても良い。
詳細には、先ずシリコン酸化層21の表面にレジストを塗布する。レジストをフォトリソグラフィーで加工して、シリコン酸化層21の棒状構造体となる部位にレジストを残し、レジストマスク22を形成する。
次に、レジストマスク22を用いて、シリコン酸化層21をドライエッチングする。以上により、シリコン基板11上に複数の棒状構造体12が形成される。レジストマスク22は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
詳細には、シリコン基板11上に棒状構造体12を覆うように、シリコン結晶13をエピタキシャル成長させる。これにより、シリコン基板11及びシリコン結晶13のシリコンがキャリア及びフォノンの伝導体となり、当該シリコン内にシリコン結晶13が埋め込まれた形とされる。
詳細には、上記と同様に、図1(c)のシリコン結晶13上に棒状構造体12を形成し、棒状構造体12をシリコン結晶13で埋め込む一連の工程を、所期の複数回繰り返して行う。以上により、キャリア及びフォノンの伝導体内に棒状構造体12を備えた複数のシリコン層が積層され、ナノ構造素子が形成される。ナノ構造素子では、積層された各シリコン層の棒状構造体12が同様に配置される。
熱電変換材料の性能指数Zは、以下の式で表される。
Z=(S2σT)/κ ・・・(1)
(1)式で、Sはゼーベック係数、σは電気伝導率、κは熱伝導率、Tは温度である。Zに温度Tを乗じて無次元化したZTが熱電変換材料の性能指標としてよく用いられる。ZTの値が大きいほど、熱電変換材料として高性能となる。本実施形態では、ZTの値を大きくすべく、熱伝導率を低下させることにより、ZTの値を向上させる手法を採る。熱伝導率κは、電子による熱伝導とフォノン(格子振動)による熱伝導との和として表される。シリコン等の半導体では、フォノンによる寄与が大きい。そこで、本実施形態のナノ構造素子では、シリコン等を伝導体の材料に用いて、フォノン散乱を増大させることで熱伝導率を低下させ、ZTの値が大きい熱電変換材料を得る。
図4より、例えば、平均自由行程が100nm以上のフォノンを選択的に散乱させることができれば、熱伝導率κを86%低下させることができる。そこで、例えば、平均自由行程が100nm以上のフォノンを散乱させることが可能な棒状構造体を有するナノ構造素子を形成する。一方で、電子や正孔等の電気伝導を担うキャリア(平均自由行程約40nm)が散乱されてしまうと、電気伝導率σが減少し、ZTの値が小さくなってしまう。従ってナノ構造素子は、フォノンは効率よく散乱されるが、キャリアは散乱されないように棒状構造体が配置されてなるものであることを要する。
棒状構造体12は、その長手方向が伝導方向(図5のX方向)に対して傾斜して周期的に配置されており、隣り合う一対の棒状構造体12が線対称に配置されて一周期を構成する。棒状構造体12の幅Wは、例えば10nm程度とされる。隣り合う一対の棒状構造体12について、X方向の両端間距離rは、上記の考察より、キャリアの平均自由行程距離(例えば40nm程度)以上でフォノンの所定の平均自由行程距離、例えば100nm程度以下とされる。一対の棒状構造体12の離間距離dxは、例えば10nm程度とされる。伝導方向に直交する方向(図5のY方向)に並ぶ一対の棒状構造体12間の離間距離dyは、例えば10nm〜20nm程度とされる。
本実施形態では、第1の実施形態と同様に、ナノ構造素子を開示し、その構成について製造方法と共に説明する。本実施形態では、ナノ構造素子の棒状構造体の配置形態が異なる点で第1の実施形態と相違する。
図7〜図9は、第2の実施形態によるナノ構造素子の製造方法を工程順に示す模式図であり、図7〜図8が断面図、図9が平面図をそれぞれ示す。
詳細には、基板としてシリコン基板11を用意し、その表面にCVD法等によりシリコン酸化層21を堆積する。シリコン酸化層21の代わりに、SiC層、SiN層等を形成するようにしても良い。
詳細には、先ずシリコン酸化層21の表面にレジストを塗布する。レジストをフォトリソグラフィーで加工して、シリコン酸化層21の棒状構造体となる部位にレジストを残し、レジストマスク22を形成する。
次に、レジストマスク22を用いて、シリコン酸化層21をドライエッチングする。以上により、シリコン基板11上に複数の棒状構造体15が形成される。レジストマスク22は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
詳細には、シリコン基板11上に棒状構造体15を覆うように、シリコン結晶13をエピタキシャル成長させる。これにより、シリコン基板11及びシリコン結晶13のシリコンがキャリア及びフォノンの伝導体となり、当該シリコン内にシリコン結晶13が埋め込まれた形とされる。
詳細には、上記と同様に、図7(c)のシリコン結晶13上に棒状構造体15を形成し、棒状構造体15をシリコン結晶13で埋め込む一連の工程を、所期の複数回繰り返して行う。以上により、キャリア及びフォノンの伝導体内に棒状構造体15を備えた複数のシリコン層が積層され、ナノ構造素子が形成される。ナノ構造素子では、積層された各シリコン層の棒状構造体15が同様に配置される。
棒状構造体15は、その長手方向が伝導方向(図10のX方向)に対して傾斜して周期的に配置されており、隣り合う一対の棒状構造体15が線対称に配置されて一周期を構成する。棒状構造体15の幅Wは、例えば10nm程度とされる。隣り合う一対の棒状構造体15について、X方向の両端間距離rは、キャリアの平均自由行程距離(例えば40nm程度)以上でフォノンの所定の平均自由行程距離、例えば100nm程度以下とされる。一対の棒状構造体15の離間距離dxは、例えば10nm程度とされる。伝導方向に直交する方向(図10のY方向)に並ぶ一対の棒状構造体15間の離間距離dyは、例えば10nm〜20nm程度とされる。
本実施形態では、第1の実施形態と同様に、ナノ構造素子を開示し、その構成について製造方法と共に説明する。本実施形態では、ナノ構造素子の棒状構造体の配置形態が異なる点で第1の実施形態と相違する。
図11〜図13は、第3の実施形態によるナノ構造素子の製造方法を工程順に示す模式図であり、図7〜図8が断面図、図9が平面図をそれぞれ示す。
詳細には、基板としてシリコン基板11を用意し、その表面にCVD法等によりシリコン酸化層21を堆積する。シリコン酸化層21の代わりに、SiC層、SiN層等を形成するようにしても良い。
詳細には、先ずシリコン酸化層21の表面にレジストを塗布する。レジストをフォトリソグラフィーで加工して、シリコン酸化層21の棒状構造体となる部位にレジストを残し、レジストマスク22を形成する。
次に、レジストマスク22を用いて、シリコン酸化層21をドライエッチングする。以上により、シリコン基板11上に複数の棒状構造体16が形成される。レジストマスク22は、アッシング処理又はウェット処理により除去される。
詳細には、シリコン基板11上に棒状構造体16を覆うように、シリコン結晶13をエピタキシャル成長させる。これにより、シリコン基板11及びシリコン結晶13のシリコンがキャリア及びフォノンの伝導体となり、当該シリコン内にシリコン結晶13が埋め込まれた形とされる。
詳細には、上記と同様に、図11(c)のシリコン結晶13上に棒状構造体16を形成し、棒状構造体16をシリコン結晶13で埋め込む一連の工程を、所期の複数回繰り返して行う。以上により、キャリア及びフォノンの伝導体内に棒状構造体16を備えた複数のシリコン層が積層され、ナノ構造素子が形成される。ナノ構造素子では、積層された各シリコン層の棒状構造体16が同様に配置される。
棒状構造体16は、その長手方向が伝導方向(図14のX方向)に対して傾斜して周期的に配置されており、各棒状構造体16が単体で一周期を構成する。棒状構造体16の幅Wは、例えば10nm程度とされる。X方向で隣り合う棒状構造体16について、X方向の一端間距離rは、キャリアの平均自由行程距離(例えば40nm程度)以上でフォノンの所定の平均自由行程距離、例えば100nm程度以下とされる。X方向で隣り合う棒状構造体16の離間距離dxは、例えば10nm程度とされる。伝導方向に直交する方向(図14のY方向)に並ぶ棒状構造体16間の離間距離dyは、例えば10nm〜20nm程度とされる。
本実施形態では、熱電変換装置を開示する。この熱電変換装置は、第1〜第3の実施形態のいずれかのナノ構造素子を熱電変換素子として適用したものである。
図16は、第4の実施形態による熱電変換装置の概略構成を示す模式図である。
ナノ構造素子31,32は、それぞれ第1〜第3の実施形態のいずれかのナノ構造素子である。ナノ構造素子31は、シリコン層に例えばn型不純物がドープされており、シリコン層内の電子がキャリアとなる。ナノ構造素子32は、シリコン層に例えばp型不純物がドープされており、シリコン層内のホールがキャリアとなる。
前記伝導体内に形成された複数の棒状構造体と
を備えており、
前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とするナノ構造素子。
一周期を構成する前記棒状構造体の前記伝導方向の両端間距離は、キャリアの平均自由行程距離以上でフォノンの平均自由行程距離以下であることを特徴とする付記1に記載のナノ構造素子。
前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜して配置されることを特徴とするナノ構造素子の製造方法。
一周期を構成する前記棒状構造体の前記伝導方向の両端間距離は、キャリアの平均自由行程距離以上且つフォノンの平均自由行程距離以下であることを特徴とする付記7に記載のナノ構造素子の製造方法。
前記伝導体内に形成された複数の棒状構造体と
前記伝導体の端部に形成された電極と、
前記電極に接続された電気抵抗と
を備えており、
前記伝導体の一端に低温部が、他端に高温部がそれぞれ熱的に接触し、
前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜して配置されていることを特徴とする熱電変換装置。
一周期を構成する前記棒状構造体の前記伝導方向の両端間距離は、キャリアの平均自由行程距離以上且つフォノンの平均自由行程距離以下であることを特徴とする付記13に記載の熱電変換装置。
12,15,16 棒状構造体
13 シリコン結晶
14 電極
21 シリコン酸化層
22 レジストマスク
31,32 ナノ構造素子
33 電気抵抗
34 低温部
35 高温部
Claims (5)
- キャリア及びフォノンの伝導体と、
前記伝導体内に形成された複数の棒状構造体と
を備えており、
前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜し、前記伝導方向に沿って周期的に配置されており、
一周期を構成する前記棒状構造体が、平面視において、一対の前記棒状構造体が線対称に配置される棒状構造体対である場合、前記一周期を構成する前記棒状構造体の前記伝導方向の両端間距離は、キャリアの平均自由行程距離以上でフォノンの平均自由行程距離以下であり、前記一周期を構成する前記棒状構造体が、単体の前記棒状構造体である場合、前記一周期は、前記キャリアの平均自由行程距離以上で前記フォノンの平均自由行程距離以下であることを特徴とするナノ構造素子。 - 隣り合う、前記一周期を構成する前記棒状構造体は、平面視において、前記伝導方向及び前記伝導方向に直交する方向の双方について同一の配置態様に設けられていることを特徴とする請求項1に記載のナノ構造素子。
- 隣り合う、前記一周期を構成する前記棒状構造体は、平面視において、前記伝導方向について同一の配置態様に設けられており、前記伝導方向に直交する方向について線対称に配置されていることを特徴とする請求項1に記載のナノ構造素子。
- キャリア及びフォノンの伝導体内に複数の棒状構造体を形成し、
前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜し、前記伝導方向に沿って周期的に配置されており、
一周期を構成する前記棒状構造体の前記伝導方向の両端間距離は、キャリアの平均自由行程距離以上且つフォノンの平均自由行程距離以下であることを特徴とするナノ構造素子の製造方法。 - キャリア及びフォノンの伝導体と、
前記伝導体内に形成された複数の棒状構造体と
前記伝導体の端部に形成された電極と、
前記電極に接続された電気抵抗と
を備えており、
前記伝導体の一端に低温部が、他端に高温部がそれぞれ熱的に接触し、
前記棒状構造体は、フォノンを散乱させるものであり、長手方向がキャリア及びフォノンの伝導方向に対して傾斜し、前記伝導方向に沿って周期的に配置されており、
一周期を構成する前記棒状構造体の前記伝導方向の両端間距離は、キャリアの平均自由行程距離以上且つフォノンの平均自由行程距離以下であることを特徴とする熱電変換装置。
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