JP7496501B2 - 熱電変換素子及び熱電変換装置 - Google Patents

Description

本開示は、フォノニック結晶構造を有する部材を備える熱電変換素子及び当該熱電変換素子を備える熱電変換装置に関する。

特許文献１、特許文献２及び非特許文献１は、複数の貫通孔により構成される周期構造を開示している。この周期構造では、薄膜を平面視して、ナノメートルのオーダー（１ｎｍから１０００ｎｍの領域）内の周期で規則的に貫通孔が配列している。この周期構造は、フォノニック結晶構造の一種である。このタイプのフォノニック結晶構造は、貫通孔の配列を構成する最小単位である単位格子を通常有する。当該フォノニック結晶構造によれば、薄膜の熱伝導率が減少可能となる。薄膜の熱伝導率は、例えば、多孔質化によっても低減できる。多孔質化によって薄膜に導入された空隙が、薄膜の熱伝導率を減少させるためである。しかし、フォノニック結晶構造によれば、薄膜を構成する母材自身の熱伝導率が低減可能である。このため、単なる多孔質化に比べて、熱伝導率のさらなる低減が期待される。

特許文献３には、ｐ型熱電変換材料とｎ型熱電変換材料とを備える熱電変換素子が開示されている。

米国特許出願公開第２０１７／００４７４９９号明細書 米国特許出願公開第２０１７／００６９８１８号明細書 国際公開第２０１１／０４８６３４号

Nomura et al., "Impeded thermal transport is Si multiscale hierarchical architectures with phononic crystal nanostructures", Physical Review B 91, 205422 (2015)

本開示は、熱電変換素子の熱電変換効率を高める技術を提供する。

本開示は、以下の熱電変換素子を提供する。
熱電変換素子であって、
ｐ型熱電変換部；
ｎ型熱電変換部；
第１電極；
第２電極；及び
第３電極、を具備し、
ここで、
前記ｐ型熱電変換部の一方の端部と、前記ｎ型熱電変換部の一方の端部とは、前記第１電極を介して電気的に接続されており、
前記ｐ型熱電変換部の他方の端部は、前記第２電極と電気的に接続されており、
前記ｎ型熱電変換部の他方の端部は、前記第３電極と電気的に接続されており、
前記ｐ型熱電変換部は、規則的に配列した複数の第１貫通孔を具備する第１フォノニック結晶構造を有する第１フォノニック結晶層を備え、
前記ｎ型熱電変換部は、規則的に配列した複数の第２貫通孔を具備する第２フォノニック結晶構造を有する第２フォノニック結晶層を備え、
前記第１フォノニック結晶構造における前記複数の第１貫通孔の貫通方向は、前記ｐ型熱電変換部における前記一方の端部と前記他方の端部とを結ぶ方向であり、
前記第２フォノニック結晶構造における前記複数の第２貫通孔の貫通方向は、前記ｎ型熱電変換部における前記一方の端部と前記他方の端部とを結ぶ方向である。

本開示は、別の側面から、以下の熱電変換素子を提供する。
熱電変換素子であって、
互いに隣接する２つの熱電変換部；
第４電極；
第５電極；及び
第６電極、を具備し、
ここで、
前記２つの熱電変換部の導電型は同一であり、
一方の前記熱電変換部の一方の端部と、他方の前記熱電変換部の一方の端部とは、前記第４電極を介して電気的に接続されており、
前記一方の熱電変換部の他方の端部は、前記第５電極と電気的に接続されており、
前記他方の熱電変換部の他方の端部は、前記第６電極と電気的に接続されており、
前記第５電極と前記第６電極との間に電流を流したときに、前記隣接する２つの熱電変換部における前記電流の流れる方向は同一であり、
前記一方の熱電変換部は、規則的に配列した複数の第１貫通孔を具備する第１フォノニック結晶構造を有する第１フォノニック結晶層を備え、
前記他方の熱電変換部は、規則的に配列した複数の第２貫通孔を具備する第２フォノニック結晶構造を有する第２フォノニック結晶層を備え、
前記第１フォノニック結晶構造における前記複数の第１貫通孔の貫通方向は、前記一方の熱電変換部における前記一方の端部と前記他方の端部とを結ぶ方向であり、
前記第２フォノニック結晶構造における前記複数の第２貫通孔の貫通方向は、前記他方の熱電変換部における前記一方の端部と前記他方の端部とを結ぶ方向である。

本開示によれば、熱電変換素子の熱電変換効率を高めることができる。

図１は、本開示の熱電変換素子の一例を模式的に示す断面図である。 図２Ａは、本開示の熱電変換素子が備えうるｐ型熱電変換部の一例を模式的に示す断面図である。 図２Ｂは、本開示の熱電変換素子が備えうるｎ型熱電変換部の一例を模式的に示す断面図である。 図３Ａは、本開示の熱電変換素子が備えうるｐ型熱電変換部の別の一例を模式的に示す断面図である。 図３Ｂは、本開示の熱電変換素子が備えうるｎ型熱電変換部の別の一例を模式的に示す断面図である。 図４Ａは、図３Ａのｐ型熱電変換部を第１フォノニック結晶層の側から見た平面図である。 図４Ｂは、図３Ａのｐ型熱電変換部を第３フォノニック結晶層の側から見た平面図である。 図５Ａは、図３Ｂのｎ型熱電変換部を第２フォノニック結晶層の側から見た平面図である。 図５Ｂは、図３Ｂのｎ型熱電変換部を第４フォノニック結晶層の側から見た平面図である。 図６Ａは、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の一例を示す模式図である。 図６Ｂは、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の別の一例を示す模式図である。 図６Ｃは、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子のまた別の一例を示す模式図である。 図６Ｄは、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の上記とは別の一例を示す模式図である。 図７は、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶構造の一例を模式的に示す平面図である。 図８Ａは、図７のフォノニック結晶構造が含む第１ドメインにおける単位格子とその方位とを示す模式図である。 図８Ｂは、図７のフォノニック結晶構造が含む第２ドメインにおける単位格子とその方位とを示す模式図である。 図９は、図７のフォノニック結晶構造の領域Ｒ１の拡大図である。 図１０は、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶構造の別の一例を模式的に示す平面図である。 図１１は、図１０のフォノニック結晶構造の領域Ｒ２の拡大図である。 図１２は、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶構造のまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図１３は、図１２のフォノニック結晶構造の領域Ｒ３の拡大図である。 図１４は、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶構造のさらにまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図１５は、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１６は、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１７Ａは、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の一例を示す模式図である。 図１７Ｂは、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の別の一例を示す模式図である。 図１８は、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１９は、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図２０Ａは、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶層の一例を模式的に示す平面図である。 図２０Ｂは、図２０Ａのフォノニック結晶層の断面２０Ｂ－２０Ｂを示す断面図である。 図２１は、本開示の熱電変換素子が備えうるｐ型熱電変換部及び／又はｎ型熱電変換部の上記とは別の一例を模式的に示す断面図である。 図２２Ａは、本開示の熱電変換素子が有しうるフォノニック結晶層の別の一例を模式的に示す平面図である。 図２２Ｂは、図２２Ａのフォノニック結晶層の断面２２Ｂ－２２Ｂを示す断面図である。 図２３は、本開示の熱電変換素子が備えうるｐ型熱電変換部及び／又はｎ型熱電変換部の上記とは別の一例を模式的に示す断面図である。 図２４Ａは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２４Ｂは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２４Ｃは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２４Ｄは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２４Ｅは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２４Ｆは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２４Ｇは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２４Ｈは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２４Ｉは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２４Ｊは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２４Ｋは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２４Ｌは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２４Ｍは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２４Ｎは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２４Ｏは、本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２５は、本開示の熱電変換素子の別の一例を模式的に示す断面図である。 図２６Ａは、本開示の熱電変換装置が備えうる熱電変換モジュールの一例を模式的に示す断面図である。 図２６Ｂは、本開示の熱電変換素子が備えうる熱電変換モジュールの別の一例を模式的に示す断面図である。 図２７は、本開示の熱電変換装置が備えうる熱電変換モジュールの別の一例を模式的に示す斜視図である。 図２８は、本開示の熱電変換装置が備えうる熱電変換モジュールのまた別の一例を模式的に示す断面図である。 図２９は、本開示の熱電変換装置の一例を模式的に示す断面図である。 図３０は、本開示の熱電変換装置の一例を模式的に示す断面図である。 図３１は、本開示の熱電変換装置の一例を模式的に示す断面図である。 図３２は、本開示の熱電変換装置の一例を模式的に示す断面図である。

（本開示の基礎となった知見）
絶縁体及び半導体において、熱は、主として、フォノンと呼ばれる格子振動によって運ばれる。絶縁体又は半導体から構成される材料の熱伝導率は、材料が有するフォノンの分散関係により決定される。フォノンの分散関係とは、周波数と波数との関係、又はバンド構造を意味している。絶縁体及び半導体において、熱を運ぶフォノンは、１００ＧＨｚから１０ＴＨｚの幅広い周波数帯域に及ぶ。この周波数帯域は、熱の帯域である。材料の熱伝導率は、熱の帯域にあるフォノンの分散関係により定められる。

上述したフォノニック結晶構造によれば、貫通孔の周期構造によって、材料が有するフォノンの分散関係が制御可能である。即ち、フォノニック結晶構造によれば、材料、例えば薄膜の母材、の熱伝導率そのものが制御可能である。とりわけ、フォノニック結晶構造によるフォノニックバンドギャップ（ＰＢＧ）の形成は、材料の熱伝導率を大きく低減させうる。ＰＢＧ内にフォノンは存在できない。このため、熱の帯域に位置するＰＢＧは、熱伝導のギャップとなりうる。また、ＰＢＧ以外の周波数帯域においても、フォノンの分散曲線の傾きがＰＢＧによって小さくなる。傾きの低減はフォノンの群速度を低下させ、熱伝導速度を低下させる。これらの点は、材料自体の熱伝導率の低減に大きく寄与する。

本開示の熱電変換素子では、素子が備える一対の熱電変換部が、規則的に配列した複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶構造を有するフォノニック結晶層を備えている。第１実施形態では、一対の熱電変換部は、ｐ型熱電変換部及びｎ型熱電変換部である。ｐ型熱電変換部は、一方の端部において第１電極と電気的に接続され、他方の端部において第２電極と電気的に接続されている。ｎ型熱電変換部は、一方の端部において第１電極と電気的に接続され、他方の端部において第３電極と電気的に接続されている。第２実施形態では、一対の熱電変換部は、互いに隣接する、導電型を同一とする２つの熱電変換部である。一方の熱電変換部は、一方の端部において第４電極と電気的に接続され、他方の端部において第５電極と電気的に接続されている。他方の熱電変換部は、一方の端部において第４電極と電気的に接続され、他方の端部において第６電極と電気的に接続されている。フォノニック結晶層を備えることにより、各熱電変換部における上記一方の端部と他方の端部との間の熱伝導率の低減が可能となる。したがって、本開示の熱電変換素子では、熱電変換効率の向上が可能となる。

（本開示の実施形態）
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的、又は具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、プロセス条件、ステップ、ステップの順序等は一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。

（第１実施形態）
第１実施形態の熱電変換素子の一例が図１に示される。図１の熱電変換素子１は、ｐ型熱電変換部２、ｎ型熱電変換部３、第１電極４、第２電極５及び第３電極６を備える。ｐ型熱電変換部２の一方の端部１１と、ｎ型熱電変換部３の一方の端部１３とは、第１電極４を介して電気的に接続されている。ｐ型熱電変換部２の他方の端部１２は、第２電極５と電気的に接続されている。ｎ型熱電変換部３の他方の端部１４は、第３電極６と電気的に接続されている。熱電変換素子１は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するペルティエ素子としても、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するゼーベック素子としても、機能しうる。

ｐ型熱電変換部２の一例が図２Ａに示される。図２Ａのｐ型熱電変換部２は、規則的に配列した複数の第１貫通孔１５を具備する第１フォノニック結晶構造を有する第１フォノニック結晶層１６を備える。図２Ａのｐ型熱電変換部２は、第１フォノニック結晶層１６の単層構造体である。第１フォノニック結晶構造及び第１フォノニック結晶層１６における複数の第１貫通孔１５の貫通方向は、ｐ型熱電変換部２における一方の端部１１と他方の端部１２とを結ぶ方向である。また、当該方向は、例えば、ｐ型熱電変換部２における一方の端部１１及び他方の端部１２を構成する面、言い換えると、第１電極４及び／又は第２電極５との接続面、に略垂直な方向である。本明細書において「略垂直」とは、２つの方向の関係が、例えば５度以下、好ましくは３度以下、より好ましくは１度以下、垂直からずれている場合にも、当該関係を垂直とみなす趣旨である。

ｎ型熱電変換部３の一例が図２Ｂに示される。図２Ｂのｎ型熱電変換部３は、規則的に配列した複数の第２貫通孔１７を具備する第２フォノニック結晶構造を有する第２フォノニック結晶層１８を備える。図２Ｂのｎ型熱電変換部３は、第２フォノニック結晶層１８の単層構造体である。第２フォノニック結晶構造及び第２フォノニック結晶層１８における複数の第２貫通孔１７の貫通方向は、ｎ型熱電変換部３における一方の端部１３と他方の端部１４とを結ぶ方向である。また、当該方向は、例えば、ｎ型熱電変換部３における一方の端部１３及び他方の端部１４を構成する面、言い換えると、第１電極４及び／又は第３電極６との接続面、に略垂直な方向である。

ｐ型熱電変換部２の別の一例が図３Ａに示される。図３Ａのｐ型熱電変換部２は、第１フォノニック結晶層１６に加えて、規則的に配列した複数の第３貫通孔１９を具備する第３フォノニック結晶構造を有する第３フォノニック結晶層２０をさらに備える。第１フォノニック結晶層１６と第３フォノニック結晶層２０とは、ｐ型熱電変換部２における一方の端部１１と他方の端部１２とを結ぶ方向に積層されている。第１フォノニック結晶構造及び第１フォノニック結晶層１６における複数の第１貫通孔１５の貫通方向と、第３フォノニック結晶構造及び第３フォノニック結晶層２０における複数の第３貫通孔１９の貫通方向とは、略平行である。図３Ａのｐ型熱電変換部２は、第１フォノニック結晶層１６及び第３フォノニック結晶層２０の積層構造体である。第１フォノニック結晶層１６と第３フォノニック結晶層２０とは、互いに接している。本明細書において「略平行」とは、２つの方向の関係が、例えば５度以下、好ましくは３度以下、より好ましくは１度以下、平行からずれている場合にも、当該関係を平行とみなす趣旨である。

ｎ型熱電変換部３の別の一例が図３Ｂに示される。図３Ｂのｎ型熱電変換部３は、第２フォノニック結晶層１８に加えて、規則的に配列した複数の第４貫通孔２１を具備する第４フォノニック結晶構造を有する第４フォノニック結晶層２２をさらに備える。第２フォノニック結晶層１８と第４フォノニック結晶層２２とは、ｎ型熱電変換部３における一方の端部１３と他方の端部１４とを結ぶ方向に積層されている。第２フォノニック結晶構造及び第２フォノニック結晶層１８における複数の第２貫通孔１７の貫通方向と、第４フォノニック結晶構造及び第４フォノニック結晶層２２における複数の第４貫通孔２１の貫通方向とは、略平行である。図３Ｂのｎ型熱電変換部３は、第２フォノニック結晶層１８及び第４フォノニック結晶層２２の積層構造体である。第２フォノニック結晶層１８と第４フォノニック結晶層２２とは、互いに接している。

ＰＢＧの分布は立体的であり、フォノニック結晶層では、面内方向だけではなく厚さ方向の熱流の制御及び当該制御による熱伝導率の低減が期待される。なお、本明細書において「フォノニック結晶層における厚さ方向」とは、規則的に配列した複数の貫通孔の貫通方向を意味する。図３Ａ及び図３Ｂに示されるｐ型熱電変換部２及びｎ型熱電変換部３では、少なくとも２層のフォノニック結晶層が厚さ方向に積層されている。積層による厚さの増大により、ｐ型熱電変換部２及びｎ型熱電変換部３における厚さ方向の熱流のより確実な制御が期待される。

第１フォノニック結晶層１６、第２フォノニック結晶層１８、第３フォノニック結晶層２０及び第４フォノニック結晶層２２の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。ｐ型熱電変換部２が２以上のフォノニック結晶層を備える場合、各フォノニック結晶層の厚さは、互いに同一であっても異なっていてもよい。ｎ型熱電変換部３が２以上のフォノニック結晶層を備える場合、各フォノニック結晶層の厚さは、互いに同一であっても異なっていてもよい。

ｐ型熱電変換部２が備えるフォノニック結晶層の数は、限定されない。ｐ型熱電変換部２が２以上のフォノニック結晶層を備える場合、各フォノニック結晶層は、互いに接するように積層されていても、他の部材を介して積層されていても構わない。ｎ型熱電変換部３が備えるフォノニック結晶層の数は、限定されない。ｎ型熱電変換部３が２以上のフォノニック結晶層を備える場合、各フォノニック結晶層は、互いに接するように積層されていても、他の部材を介して積層されていても構わない。他の部材は、例えば、ＳｉＯ₂等の酸化膜、後述のバッファ層である。

図３Ａのｐ型熱電変換部２を第１フォノニック結晶層１６の側から見た平面図が図４Ａに示される。図３Ａのｐ型熱電変換部２を第３フォノニック結晶層２０の側から見た平面図が図４Ｂに示される。図３Ａ、図４Ａ及び図４Ｂのｐ型熱電変換部２において、第１フォノニック結晶層１６が有する第１フォノニック結晶構造の構成と、第３フォノニック結晶層２０が有する第３フォノニック結晶構造の構成とは異なっている。具体的には、第１貫通孔１５の配列の周期Ｐと、第３貫通孔１９の配列の周期Ｐとが異なっている。第１フォノニック結晶構造の構成と第３フォノニック結晶構造の構成とが異なる場合、通常、第３貫通孔１９の少なくとも一部は第１貫通孔１５と連通していない。ただし、２以上のフォノニック結晶層を備えるｐ型熱電変換部２において、各フォノニック結晶層の構成は同一であってもよい。

図３Ｂのｎ型熱電変換部３を第２フォノニック結晶層１８の側から見た平面図が図５Ａに示される。図３Ｂのｎ型熱電変換部３を第４フォノニック結晶層２２の側から見た平面図が図５Ｂに示される。図３Ｂ、図５Ａ及び図５Ｂのｎ型熱電変換部３において、第３フォノニック結晶層１８が有する第３フォノニック結晶構造の構成と、第４フォノニック結晶層２２が有する第４フォノニック結晶構造の構成とは異なっている。具体的には、第３貫通孔１７の配列の周期Ｐと、第４貫通孔２１の配列の周期Ｐとが異なっている。第２フォノニック結晶構造の構成と第４フォノニック結晶構造の構成とが異なる場合、通常、第４貫通孔２１の少なくとも一部は第３貫通孔１７と連通していない。ただし、２以上のフォノニック結晶層を備えるｎ型熱電変換部３において、各フォノニック結晶層の構成は同一であってもよい。

ｐ型熱電変換部２が備えるフォノニック結晶層の構成と、ｎ型熱電変換部３が備えるフォノニック結晶層の構成とは、同一であってもよい。

第１貫通孔１５の長さに相当する第１フォノニック結晶層１６の厚さは、第１貫通孔１５の直径の２倍以上であってもよい。第２貫通孔１７の長さに相当する第２フォノニック結晶層１８の厚さは、第２貫通孔１７の直径の２倍以上であってもよい。第３貫通孔１９の長さに相当する第３フォノニック結晶層２０の厚さは、第３貫通孔１９の直径の２倍以上であってもよい。第４貫通孔２１の長さに相当する第４フォノニック結晶層２２の厚さは、第４貫通孔２１の直径の２倍以上であってもよい。これらの場合、各フォノニック結晶層１６，１８，２０，２２の上面及び下面の間の距離の増大が可能である。これにより、各フォノニック結晶層の上面と下面との間の温度差の増大が可能となり、熱電変換効率を向上できる。なお、本明細書においてフォノニック結晶層の「上面」及び「下面」とは、それぞれ、フォノニック結晶層を貫通孔の貫通方向に見たときの一方の主面及び当該一方の主面に対向する他方の主面を意味する。「主面」とは、最も広い面積を有する面を意味する。各フォノニック結晶層の厚さの上限は、例えば、当該結晶層が具備する貫通孔の直径の１００倍以下であり、８０倍以下、６０倍以下、５０倍以下であってもよい。

各フォノニック結晶層の体積に対する、各フォノニック結晶層に含まれる上記貫通孔の体積の合計の割合、言い換えるとフォノニック結晶層の空隙率、は、１０％以上であってもよい。この場合、上記貫通孔を除くフォノニック結晶層の体積の低減が可能となり、ＰＢＧの効果を向上できる。これにより、フォノニック結晶層の熱伝導率の更なる低減が可能となり、熱電変換効率を向上できる。フォノニック結晶層の空隙率の上限は、例えば、９０％以下であり、７０％以下、５０％以下、４０％以下であってもよい。

第１フォノニック結晶構造の構成と第３フォノニック結晶構造の構成とが異なる場合として、次の各ケースが例示される。複数のケースが組み合わされていてもよい。第２フォノニック結晶構造の構成と第４フォノニック結晶構造の構成とが異なる場合も同様である。なお、この場合、以下の説明において、「第１貫通孔１５」は「第２貫通孔１７」に、「第３貫通孔１９」は「第４貫通孔２１」に、それぞれ、読み替えられる。
・第１貫通孔１５の配列の周期Ｐと、第３貫通孔１９の配列の周期Ｐとが異なる。
・第１貫通孔１５の径Ｄと、第３貫通孔１９の径Ｄとが異なる。
・第１貫通孔１５により構成される単位格子９１の種類と、第３貫通孔１９により構成される単位格子９１の種類とが異なる。

後述のフォノニック結晶構造Ａに示すように、第１フォノニック結晶構造における第１貫通孔１５の配列、及び第３フォノニック結晶構造における第３貫通孔１９の配列は、フォノニック結晶層の全体にわたって一定であるとは限らない。これを考慮すると、ｐ型熱電変換部２は、第１フォノニック結晶構造の構成と第３フォノニック結晶構造の構成とが異なる場合として、以下の各形態を有しうる。ｐ型熱電変換部２は、以下の各形態が任意に組み合わされた形態を有していてもよい。ｎ型熱電変換部３が有しうる第２フォノニック結晶構造と第４フォノニック結晶構造との関係も同様である。なお、この場合、以下の説明において、「第１フォノニック結晶構造」は「第２フォノニック結晶構造」に、「第３フォノニック結晶構造」は「第４フォノニック結晶構造」に、「第１貫通孔１５」は「第２貫通孔１７」に、「第３貫通孔１９」は「第４貫通孔２１」に、それぞれ、読み替えられる。

形態Ａ：第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域であるドメインＡを含む。第３フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域であるドメインＢを含む。第１貫通孔１５及び第３貫通孔１９の貫通方向に見て、ドメインＡとドメインＢとは重複している。ドメインＡにおける第１貫通孔１５の配列の周期Ｐと、ドメインＢにおける第３貫通孔１９の配列の周期とが異なる。

形態Ｂ：第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域であるドメインＡを含む。第３フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域であるドメインＢを含む。第１貫通孔１５及び第３貫通孔１９の貫通方向に見て、ドメインＡとドメインＢとは重複している。ドメインＡにおける第１貫通孔１５の径と、ドメインＢにおける第３貫通孔１９の径とが異なる。

形態Ｃ：第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域であるドメインＡを含む。第３フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域であるドメインＢを含む。第１貫通孔１５及び第３貫通孔１９の貫通方向に見て、ドメインＡとドメインＢとは重複している。ドメインＡにおける第１貫通孔１５により構成される単位格子の種類と、ドメインＢにおける第３貫通孔１９により構成される単位格子の種類とが異なる。

フォノニック結晶領域であるドメインは、貫通孔１５，１７，１９，２１の配列の周期をＰとして、平面視において、例えば、２５Ｐ²以上の面積を有する領域である。フォノニック結晶構造によってフォノンの分散関係を制御するには、ドメインは、少なくとも２５Ｐ²以上の面積を有していてもよい。平面視において正方形のドメインでは、５×Ｐ以上の辺とすることで、２５Ｐ²以上の面積が確保可能である。

平面視による各ドメインの形状は限定されない。平面視による各ドメインの形状は、例えば、三角形、正方形及び長方形を含む多角形、円、楕円、並びにこれらの複合形状である。平面視による各ドメインの形状は、不定形であってもよい。また、フォノニック結晶構造が有するドメインの数は限定されない。フォノニック結晶構造が有する各ドメインのサイズは限定されない。１つのドメインが、フォノニック結晶層の全体に拡がっていてもよい。

なお、本明細書において、「平面視」とは、フォノニック結晶構造を構成する貫通孔の貫通方向に対象物を視ることを意味する。対象物が薄膜状である場合、貫通孔の貫通方向は、典型的には、対象物の主面に略垂直な方向である。

貫通孔１５，１７，１９，２１の配列の周期Ｐは、例えば、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。これは、熱を運ぶフォノンの波長が、主として１ｎｍから３００ｎｍの範囲に及ぶためである。周期Ｐは、平面視において隣接する貫通孔１５，１７，１９，２１間の中心間距離により定められる。

貫通孔１５，１７，１９，２１の径Ｄは、周期Ｐに対する比Ｄ／Ｐにより表して、例えば、Ｄ／Ｐ≧０．５である。比Ｄ／Ｐ＜０．５である場合、フォノニック結晶構造における空隙率が過度に低下して、熱流が十分に制御されない、例えば熱伝導率が十分に低下しない、ことがある。比Ｄ／Ｐの上限は、隣接する貫通孔１５，１７，１９，２１同士が接しないために、例えば、０．９未満である。径Ｄは、貫通孔１５，１７，１９，２１の開口の径である。貫通孔１５，１７，１９，２１の開口の形状が平面視において円である場合、径Ｄは当該円の直径である。貫通孔１５，１７，１９，２１の開口の形状は平面視において円でなくてもよい。この場合、径Ｄは、開口の面積と同じ面積を有する仮想の円の直径により定められる。

規則的に配列した複数の貫通孔１５，１７，１９，２１により構成される単位格子９１の種類は、例えば、正方格子（図６Ａ）、六方格子（図６Ｂ）、長方格子（図６Ｃ）及び面心長方格子（図６Ｄ）である。ただし、単位格子９１の種類は、これらの例に限定されない。

ｐ型熱電変換部２、ｎ型熱電変換部３、並びにｐ型熱電変換部２及びｎ型熱電変換部３が備えうるフォノニック結晶層を構成する材料Ｍは、典型的には、ｐ型又はｎ型の適切な半導体型（導電型）となるように不純物元素がドープされた半導体材料である。半導体材料は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｎ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮである。材料Ｍは、半導体材料以外の材料であってもよく、当該材料は、例えば、ＴｉＮ、ＳｉＮ、ＶＯ₂である。ただし、材料Ｍは、上記例に限定されない。

なお、Ｓｉ系半導体材料は、一般に、半導体材料としては比較的高い熱伝導率を有している。このため、Ｓｉ系半導体材料から構成される熱電変換部を備える従来の熱電変換素子では、高い熱電変換効率の達成が困難であった。一方、本開示の熱電変換素子では、熱電変換部はフォノニック結晶層を備えている。このため、本開示の熱電変換素子では、熱電変換部がＳｉ系半導体材料により構成される場合においても、高い熱電変換効率の達成が可能となる。

また、Ｓｉ系半導体材料により熱電変換部が構成可能であることは、例えば、以下のメリットをもたらす。
・Ｓｉ系半導体材料により構成されるベース基板、例えばＳｉウェハ、上への熱電変換素子及び当該素子を備える熱電変換装置の形成が可能となる。
・Ｓｉ系半導体材料により構成されるベース基板の内部への熱電変換素子及び／又は熱電変換装置の埋設が可能となる。これにより、例えば、熱電変換素子及び／又は熱電変換装置を埋設したベース基板上へのＣＰＵ等の電子デバイスの形成が可能となる。これは、例えば、冷却用のペルティエ素子及び／又はペルティエ式冷却装置が埋設された電子デバイスの製造が可能となることを意味する。

第１フォノニック結晶構造及び第２フォノニック結晶構造は、以下の形態を有していてもよい。第１フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第１ドメイン及び第２ドメインを含む。第１ドメインは、第１貫通孔１５の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第１方向に規則的に配列した複数の第１貫通孔１５を具備する。第２ドメインは、第１貫通孔１５の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第１方向とは異なる第２方向に規則的に配列した複数の第１貫通孔１５を具備する。第２フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第３ドメイン及び第４ドメインを含む。第３ドメインは、第２貫通孔１７の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第３方向に規則的に配列した複数の第２貫通孔１７を具備する。第４ドメインは、第２貫通孔１７の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第３方向とは異なる第４方向に規則的に配列した複数の第２貫通孔１７を具備する。

第１フォノニック結晶構造、第２フォノニック結晶構造、第３フォノニック結晶構造及び第４フォノニック結晶構造は、以下の形態を有していてもよい。第１フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第１ドメイン及び第２ドメインを含む。第１ドメインは、第１貫通孔１５の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第１方向に規則的に配列した複数の第１貫通孔１５を具備する。第２ドメインは、第１貫通孔１５の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第１方向とは異なる第２方向に規則的に配列した複数の第１貫通孔１５を具備する。第２フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第３ドメイン及び第４ドメインを含む。第３ドメインは、第２貫通孔１７の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第３方向に規則的に配列した複数の第２貫通孔１７を具備する。第４ドメインは、第２貫通孔１７の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第３方向とは異なる第４方向に規則的に配列した複数の第２貫通孔１７を具備する。第３フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第５ドメイン及び第６ドメインを含む。第５ドメインは、第３貫通孔１９の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第５方向に規則的に配列した複数の第３貫通孔１９を具備する。第６ドメインは、第３貫通孔１９の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第５方向とは異なる第６方向に規則的に配列した複数の第３貫通孔１９を具備する。第４フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第７ドメイン及び第８ドメインを含む。第７ドメインは、第４貫通孔２１の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第７方向に規則的に配列した複数の第４貫通孔２１を具備する。第８ドメインは、第４貫通孔２１の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第７方向とは異なる第８方向に規則的に配列した複数の第４貫通孔２１を具備する。

これらのように、配列の方向により区分される複数種のドメインを含むフォノニック結晶構造を、以下、フォノニック結晶構造Ａと記載する。配列の方向は、単位格子の方位により定めることができる。

本発明者らの検討によれば、フォノニック結晶構造によってもたらされる熱伝導率の低減の程度は、熱の伝達方向と、フォノニック結晶構造の単位格子の方位（orientation）とが成す角度に依存する。これは、ＰＢＧの帯域広さ、ＰＢＧの数及びフォノンの平均群速度といった熱伝導に関わる要素が、当該角度に依存するためと考えられる。また、熱の伝達に関して、マクロ的には高温から低温の方向にフォノンは流れる。一方、ナノメートルのオーダーにあるミクロ領域に着目すると、フォノンの流れる方向には指向性がみられない。即ち、ミクロ的にはフォノンの流れる方向は一様ではない。

上述の各特許文献及び非特許文献には、単位格子の方位が一様に揃った複数のフォノニック結晶領域を有する部材が開示されている。しかし、これらの部材では、ミクロで見て、ある特定の方向に流れるフォノンに対しては相互作用が最大となるものの、それ以外の方向に流れるフォノンに対しては相互作用が弱まる。一方、フォノニック結晶構造Ａは、単位格子の方位が互いに異なる２以上のフォノニック結晶領域を有する。このため、ミクロで見て、複数の方向に流れる各フォノンに対する相互作用を高めることができる。この特徴は、熱流の制御の自由度のさらなる向上をもたらす。

以下の説明は、第１フォノニック結晶層１６、第２フォノニック結晶層１８、第３フォノニック結晶層２０及び第４フォノニック結晶層２２から選ばれる少なくとも１つのフォノニック結晶層が有しうるフォノニック結晶構造Ａに関する。複数のフォノニック結晶層がフォノニック結晶構造Ａを有する場合、各フォノニック結晶層が有するフォノニック結晶構造Ａの具体的な構成は同一であっても異なっていてもよい。

フォノニック結晶構造Ａの一例が図７に示される。図７には、フォノニック結晶層５６の一部を平面視した状態が示されている。フォノニック結晶層５６は、第１フォノニック結晶層１６、第２フォノニック結晶層１８、第３フォノニック結晶層２０及び第４フォノニック結晶層２２から選ばれる少なくとも１つのフォノニック結晶層でありうる。フォノニック結晶層５６は、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さを有する薄膜である。フォノニック結晶層５６は、平面視において、長方形である。フォノニック結晶層５６には、フォノニック結晶層５６の厚さ方向に延びる複数の貫通孔５０が設けられている。フォノニック結晶層５６が有するフォノニック結晶構造Ａは、複数の貫通孔５０が面内方向に規則的に配列した二次元フォノニック結晶構造である。なお、フォノニック結晶構造Ａに関する以下の説明において、フォノニック結晶構造Ａを有する結晶層が第２フォノニック結晶層１８である場合は、「第１ドメイン」は「第３ドメイン」に、「第２ドメイン」は「第４ドメイン」に、それぞれ、読み替えられる。フォノニック結晶構造Ａを有する結晶層が第３フォノニック結晶層２０である場合は、「第１ドメイン」は「第５ドメイン」に、「第２ドメイン」は「第６ドメイン」に、それぞれ、読み替えられる。フォノニック結晶構造Ａを有する結晶層が第４フォノニック結晶層２２である場合は、「第１ドメイン」は「第７ドメイン」に、「第２ドメイン」は「第８ドメイン」に、それぞれ、読み替えられる。

フォノニック結晶構造Ａは、フォノニック結晶領域である第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂを有する。第１ドメイン５１Ａは、平面視において、第１方向に規則的に配列した複数の貫通孔５０を具備するフォノニック単結晶構造を有する。第２ドメイン５１Ｂは、平面視において、第１方向とは異なる第２方向に規則的に配列した複数の貫通孔５０を具備するフォノニック単結晶構造を有する。各々の単結晶構造内において、複数の貫通孔５０の径及び配列周期は同一である。また、各々の単結晶構造内において、規則的に配列した複数の貫通孔５０の単位格子９１Ａ，９１Ｂの方位は同一である。第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂの形状は、平面視において、長方形である。第１ドメイン５１Ａの形状と、第２ドメイン５１Ｂの形状とは、平面視において、同一である。フォノニック結晶構造Ａは、複数のフォノニック単結晶構造の複合体であるフォノニック多結晶構造５２でもある。

図８Ａ及び図８Ｂに示すように、フォノニック結晶構造Ａでは、第１ドメイン５１Ａにおける単位格子９１Ａの方位５３Ａと、第２ドメイン５１Ｂにおける単位格子９１Ｂの方位５３Ｂとが、平面視において、互いに異なっている。方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度は、平面視において、例えば１０度以上である。ただし、単位格子９１Ａ及び単位格子９１Ｂが同一であって、ｎ回回転対称性を有する場合、方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度の上限は３６０／ｎ度未満である。なお、単位格子が複数のｎに対してｎ回回転対称性を有するとき、上記角度の上限を定めるｎには最大のｎが使用される。例えば、六方格子は、２回回転対称性、３回回転対称性及び６回回転対称性を有する。このとき、角度の上限を定めるｎには「６」が使用される。即ち、六方格子である単位格子９１Ａ，９１Ｂについて、方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度は６０度未満である。フォノニック結晶構造Ａは、単位格子の方位が互いに異なる２以上のフォノニック結晶領域を少なくとも有している。この条件が満たされる限り、フォノニック結晶構造Ａは、任意のフォノニック結晶領域及び／又はフォノニック結晶構造を有さない領域をさらに含んでいてもよい。

単位格子の方位は、任意の規則に基づいて決定できる。ただし、異なるドメイン間において、同じ規則を適用して単位格子の方位を定める必要がある。単位格子の方位は、例えば、単位格子を構成する平行でない二辺の成す角を二等分する直線の伸長方向である。ただし、異なるドメイン間において、同じ規則で二辺を定める必要がある。

図７のフォノニック結晶構造Ａの領域Ｒ１の拡大図が、図９に示される。隣接する第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの界面５５において、単位格子９１Ａ，９１Ｂの方位５３Ａ，５３Ｂが変化している。単位格子の方位が変化する界面５５は、フォノニック結晶構造Ａをマクロに流れる熱に対する大きな界面抵抗をもたらす。この界面抵抗は、第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの間で生じる、フォノン群速度のミスマッチに基づく。この界面抵抗は、フォノニック結晶構造Ａを有するフォノニック結晶層５６における熱伝導率の低減に寄与する。なお、図９の界面５５は、平面視において、直線状に延びている。また、界面５５は、平面視において、長方形のフォノニック結晶層５６の幅方向に延びている。幅方向は、マクロな熱の伝達方向により定められたフォノニック結晶層５６の中心線の伸張方向に垂直な方向でありうる。界面５５は、平面視において、マクロな熱の伝達方向に略垂直にフォノニック結晶構造Ａを分割している。

図７のフォノニック結晶構造Ａにおいて、第１ドメイン５１Ａにおける複数の貫通孔５０の配列の周期Ｐと、第２ドメイン５１Ｂにおける複数の貫通孔５０の配列の周期Ｐとは等しい。

図７のフォノニック結晶構造Ａにおいて、第１ドメイン５１Ａにおいて規則的に配列した複数の貫通孔５０の径と、第２ドメイン５１Ｂにおいて規則的に配列した複数の貫通孔５０の径とが等しい。

図７のフォノニック結晶構造Ａにおいて、第１ドメイン５１Ａにおける単位格子９１Ａの種類と、第２ドメイン５１Ｂにおける単位格子９１Ｂの種類とは、同一である。図７の単位格子９１Ａ及び単位格子９１Ｂは、いずれも六方格子である。

フォノニック結晶構造Ａが有するドメインの数は限定されない。フォノニック結晶構造Ａが有するドメインの数が多くなるほど、ドメイン間の界面による界面抵抗の作用が大きくなる。

以下、フォノニック結晶構造Ａの更なる例が示される。

図１０及び図１１のフォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２では、隣接する第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂの界面５５が、平面視において、長方形のフォノニック結晶層５６の長辺の方向に延びている。この点以外、図１０及び図１１のフォノニック結晶構造Ａは、図７のフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。図１１は、図１０の領域Ｒ２の拡大図である。

図７及び図１０のフォノニック結晶構造Ａでは、平面視において、第１ドメイン５１Ａのサイズ及び第２ドメイン５１Ｂのサイズが同一である。ただし、平面視において、フォノニック構造Ａが有する第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂのサイズは互いに異なっていてもよい。

図１２及び図１３のフォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２では、平面視において、第１ドメイン５１Ｂが第２ドメイン５１Ａにより囲まれている。第１ドメイン５１Ａの外形は、平面視において、長方形である。第２ドメイン５１Ｂの形状は、平面視において、長方形である。第１ドメイン５１Ａのサイズと第２ドメイン５１Ｂのサイズとは、平面視において、異なっている。第２ドメイン５１Ｂと、第２ドメイン５１Ｂを囲む第１ドメイン５１Ａとの界面５５は、平面視において、第２ドメイン５１Ｂの外縁を構成している。これらの点以外、図１２及び図１３のフォノニック結晶構造Ａは、図７のフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。図１３は、図１２の領域Ｒ３の拡大図である。

また、図１２及び図１３のフォノニック結晶構造Ａでは、界面５５が屈曲部を有している。

さらに、図１２及び図１３のフォノニック結晶構造Ａは、フォノニック結晶層５６の辺に接していない第２ドメイン５１Ｂを有する。

図１４のフォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２では、平面視において、第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとが離間して配置されている。より具体的には、平面視において、貫通孔５０を有さない領域２０１が、フォノニック結晶層５６の長辺方向における第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの間に設けられている。この点以外、図１４のフォノニック結晶構造Ａは、図７のフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。

図１５のフォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２では、平面視において、第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとが離間して配置されている。より具体的には、平面視において、ランダムに設けられた貫通孔５０を有する領域２０２が、フォノニック結晶層５６の長辺方向における第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの間に設けられている。領域２０２では、平面視において、貫通孔５０は規則的に配列していない。又は、領域２０２では、平面視において、規則的に配列した領域の面積が、例えば、２５Ｐ²未満である。ここで、Ｐは、貫通孔５０の配列の周期である。この点以外、図１５のフォノニック結晶構造Ａは、図７のフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。

図１６のフォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２は、平面視において、互いに異なった形状を有する複数のドメイン５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆ及び５１Ｇを含んでいる。各々のドメイン内において、複数の貫通孔５０の配列の周期及び単位格子の方位は同一である。しかし、ドメイン間では、単位格子の方位が互いに異なっている。また、平面視において、各ドメインのサイズ及び形状は互いに異なっている。この形態では、これまで例示した形態に比べて、フォノニック結晶構造Ａの全体で見たときに、より多くの単位格子の方位が存在する。このため、単位格子の方位が異なることに基づく熱伝導率の低減効果がより顕著となる。また、この形態では、ドメイン間の界面５５が、平面視において、複数のランダムな方向に延びている。このため、界面抵抗に基づく熱伝導率の低減効果がより顕著となる。

また、図１６のフォノニック結晶構造Ａでは、隣接する第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの界面５５が、平面視において、フォノニック結晶層５６の幅方向から傾いた方向に延びている。界面５５は、平面視において、屈曲部も有している。

フォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２は、貫通孔５０の配列の周期Ｐ及び／又は貫通孔５０の径Ｄが互いに異なる第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂを含んでいてもよい。図１７Ａに示される第１ドメイン５１Ａにおける貫通孔５０の径Ｄと、図１７Ｂに示される第２ドメイン５１Ｂにおける貫通孔５０の径Ｄとは互いに異なっている。なお、図１７Ａに示される第１ドメイン５１Ａにおける貫通孔５０の配列の周期Ｐと、図１７Ｂに示される第２ドメイン５１Ｂにおける貫通孔５０の配列の周期Ｐとは同一である。

図１８に示されるフォノニック結晶構造Ａは、相対的に小さな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第１ドメイン５１Ａと、相対的に大きな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第２ドメイン５１Ｂとを有する。また、図１８のフォノニック結晶構造Ａは、相対的に小さな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０を具備する領域９２と、相対的に大きな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０を具備する領域９３とを有する。領域９２と領域９３とは隣接している。領域９２及び領域９３は、それぞれ、図１６に示される例と同様に、平面視において、互いに異なった形状を有し、かつ、単位格子の方位が各々互いに異なる複数のドメインを含んでいる。また、領域９２及び領域９３は、マクロな熱の伝達方向に略平行にフォノニック結晶構造Ａを分割している。この形態では、第１ドメイン５１Ａで形成されるＰＢＧの周波数帯域と第２ドメイン５１Ｂで形成されるＰＢＧの周波数帯域とが異なるため、熱伝導率の低減の効果が特に顕著となる。

図１９に示されるフォノニック結晶構造Ａでは、相対的に小さな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第１ドメイン５１Ａと、相対的に大きな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第２ドメイン５１Ｂとを含む。図１９のフォノニック結晶構造Ａは、平面視において、互いに異なった形状を有し、かつ、単位格子の方位が各々互いに異なる複数のドメインを含んでいる。この形態では、第１ドメイン５１Ａで形成されるＰＢＧの周波数帯域と第２ドメイン５１Ｂで形成されるＰＢＧの周波数帯域とが異なるため、熱伝導率の低減の効果が特に顕著となる。

フォノニック結晶層５６の形状は、平面視において、例えば、三角形、正方形及び長方形を含む多角形、円、楕円、並びにこれらの複合形状である。ただし、フォノニック結晶層５６の形状は、上記例に限定されない。

ｐ型熱電変換部２及びｎ型熱電変換部３の形状は、平面視において、例えば、三角形、正方形及び長方形を含む多角形、円、楕円、並びにこれらの複合形状である。ただし、ｐ型熱電変換部２及びｎ型熱電変換部３の形状は、上記例に限定されない。ｐ型熱電変換部２及び／又はｎ型熱電変換部３は、直方体又は立方体の形状を有していてもよい。

ｐ型熱電変換部２は、２以上の第１フォノニック結晶層１６及び／又は２以上の第３フォノニック結晶層２０を備えていてもよい。また、ｐ型熱電変換部２は、第１フォノニック結晶構造及び第３フォノニック結晶構造とは具体的な構成の異なるフォノニック結晶構造を有するさらなるフォノニック結晶層を備えていてもよい。

ｎ型熱電変換部３は、２以上の第２フォノニック結晶層１８及び／又は２以上の第４フォノニック結晶層２２を備えていてもよい。また、ｎ型熱電変換部３は、第２フォノニック結晶構造及び第４フォノニック結晶構造とは具体的な構成の異なるフォノニック結晶構造を有するさらなるフォノニック結晶層を備えていてもよい。

第１電極４、第２電極５及び第３電極６は、導電性材料により構成される。導電性材料は、典型的には、金属である。金属は、例えば、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）である。

熱電変換素子１は、上述した以外の任意の層及び／又は部材を備えていてもよい。部材の一例は、ベース基板である。熱電変換素子１は、ｐ型熱電変換部２、ｎ型熱電変換部３、第１電極４、第２電極５及び第３電極６から選ばれる少なくとも１つの部材が、ベース基板の上、又は内部に設けられた形態を有しうる。

ベース基板は、典型的には、半導体材料から構成される。半導体材料は、例えば、Ｓｉである。Ｓｉから構成されるベース基板の上面には、酸化膜が形成されていてもよい。酸化膜は、例えば、ＳｉＯ₂膜である。ベース基板は、Ｓｉウェハであってもよい。ただし、ベース基板の構成は、上記例に限定されない。

フォノニック結晶層５６の上記とは別の一例が、図２０Ａ及び図２０Ｂに示される。図２０Ｂには、図２０Ａのフォノニック結晶層５６の断面２０Ｂ－２０Ｂが示される。図２０Ａ及び図２０Ｂに示されるフォノニック結晶層５６は、複数のピラー３１を更に備える。ピラー３１は、直線状に延びる柱状体である。ピラー３１の各々は、フォノニック結晶層５６の貫通孔５０に充填されている。ピラー３１の周面は、酸化膜３２により被覆されている。この形態では、空孔である貫通孔５０がピラー３１により充填されている。このため、例えば、フォノニック結晶層５６における貫通孔５０の貫通方向に対する特性の制御の自由度が向上可能となる。より具体的には、例えば、２以上のフォノニック結晶層５６の積層構造体である熱電変換部において、フォノニック結晶構造に基づく低い熱伝導率が保持されたまま、一方の端部１１，１３と他方の端部１２，１４との間の電子伝導性の向上が可能となる。

ピラー３１が充填されたフォノニック結晶層５６と、ピラー３１とが同一の材料により構成される場合、ピラー３１の周面は酸化膜３２により被覆されている。ピラー３１が充填されたフォノニック結晶層５６と、ピラー３１とが異なる材料により構成される場合、酸化膜３２は必ずしも必要ではない。

ピラー３１をさらに備えるフォノニック結晶層５６は、例えば、第１フォノニック結晶層１６及び／又は第２フォノニック結晶層１８である。ピラー３１は、第１貫通孔１５及び第２貫通孔１７の双方に充填されていてもよい。ピラー３１をさらに備えるフォノニック結晶層５６は、第１フォノニック結晶層１６、第２フォノニック結晶層１８、第３フォノニック結晶層２０及び第４フォノニック結晶層２２から選ばれる少なくとも１つのフォノニック結晶層であってもよい。ピラー３１は、第１貫通孔１５、第２貫通孔１７、第３貫通孔１９及び第４貫通孔２１に充填されていてもよい。

ピラー３１は、典型的には、半導体材料により構成される。ピラー３１を構成する材料は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＳｉＮ、ＶＯ₂である。ただし、ピラー３１を構成する材料は、上記例に限定されない。

酸化膜３２は、例えば、ＳｉＯ₂膜である。ただし、酸化膜３２は、上記例に限定されない。

ピラー３１が充填された第１フォノニック結晶層１６（又は第２フォノニック結晶層１８）及びピラー３１が充填された第３フォノニック結晶層２０（又は第４フォノニック結晶層２２）を備えるｐ型熱電変換部２（又はｎ型熱電変換部３）の一例が図２１に示される。図２１のｐ型熱電変換部２（又はｎ型熱電変換部３）は、図２０Ａ及び図２０Ｂに示されるフォノニック結晶層５６を、第１フォノニック結晶層１６（又は第２フォノニック結晶層１８）及び第３フォノニック結晶層２０（又は第４フォノニック結晶層２２）として備える。図２１のｐ型熱電変換部２（又はｎ型熱電変換部３）は、２層のフォノニック結晶層５６を備える２層構造体である。第１フォノニック結晶層１６（又は第２フォノニック結晶層１８）と第３フォノニック結晶層２０（又は第４フォノニック結晶層２２）との間には、バッファ層２３が配置されている。第１フォノニック結晶層１６（又は第２フォノニック結晶層１８）におけるピラー３１（酸化膜３２を除く）を構成する材料と、バッファ層２３を構成する材料とは同一である。また、バッファ層２３を構成する材料と、第３フォノニック結晶層２０（又は第４フォノニック結晶層２２）を構成する材料（ピラー３１及び酸化膜３２を除く）とは同一である。

フォノニック結晶層５６の上記とは別の一例が、図２２Ａ及び図２２Ｂに示される。図２２Ｂには、図２２Ａのフォノニック結晶層５６の断面２２Ｂ－２２Ｂが示される。図２２Ａ及び図２２Ｂに示されるフォノニック結晶層５６は、複数のピラー３１を更に備える。ピラー３１の各々は、フォノニック結晶層５６の貫通孔５０に充填されている。ピラー３１を構成する材料は、フォノニック結晶層５６を構成する材料とは異なっている。

ピラー３１が充填された第１フォノニック結晶層１６（又は第２フォノニック結晶層１８）及びピラー３１が充填された第３フォノニック結晶層２０（又は第４フォノニック結晶層２２）を備えるｐ型熱電変換部２（又はｎ型熱電変換部３）の一例が図２３に示される。図２３のｐ型熱電変換部２（又はｎ型熱電変換部３）は、第１フォノニック結晶層１６（又は第２フォノニック結晶層１８）、第３フォノニック結晶層２０（又は第４フォノニック結晶層２２）及び第１フォノニック結晶層１６（又は第２フォノニック結晶層１８）がこの順に配置された、３つのフォノニック結晶層５６を有する３層構造体である。最下層である第１フォノニック結晶層１６（又は第２フォノニック結晶層１８）と第３フォノニック結晶層２０（又は第４フォノニック結晶層２２）との間には、第１バッファ層２３Ａが配置されている。第３フォノニック結晶層２０（又は第４フォノニック結晶層２２）と最上層である第１フォノニック結晶層１６（又は第２フォノニック結晶層１８）との間には、第２バッファ層２３Ｂが配置されている。第１フォノニック結晶層１６（又は第２フォノニック結晶層１８）におけるピラー３１を構成する材料と、第２バッファ層２３Ｂを構成する材料とは同一である。第３フォノニック結晶層２０（又は第４フォノニック結晶層２２）におけるピラー３１を構成する材料と、第１バッファ層２３Ａを構成する材料とは同一である。第１フォノニック結晶層１６（又は第２フォノニック結晶層１８）を構成する材料（ピラー３１を除く）と、第１バッファ層２３Ａを構成する材料とは同一である。第３フォノニック結晶層２０（又は第４フォノニック結晶層２２）を構成する材料（ピラー３１を除く）と、第２バッファ層２３Ｂを構成する材料とは同一である。図２３のｐ型熱電変換部２（又はｎ型熱電変換部３）は、２種類の材料により構成される。当該２種類の材料は、いずれも、半導体材料でありうる。

本開示の熱電変換素子は、化学気相成長（ＣＶＤ）、スパッタリング及び蒸着等の各種の薄膜形成手法；並びに、電子線リソグラフィー、フォトリソグラフィー、ブロック共重合体リソグラフィー、選択的エッチング及びケモメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）等の各種の微細加工手法及びパターン形成手法；の組み合わせによる製造が可能である。ブロック共重合体リソグラフィーは、フォノニック結晶構造の形成に適している。

本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例が、図２４Ａ～図２４Ｏの参照により、以下に説明される。本開示の熱電変換素子を製造する方法は、以下の例に限定されない。

図２４Ａ：ベース基板４１が準備される。ベース基板４１の上面には、酸化膜４２が設けられている。酸化膜４２は、例えば、ＳｉＯ₂膜である。

図２４Ｂ：酸化膜４２の上に、金属層４３が形成される。金属層４３は、後に、第１電極４となる。金属層４３は、例えば、Ｃｒ層である。金属層４３は、例えば、スパッタリングにより形成される。金属層４３の厚さは、例えば５０ｎｍである。

図２４Ｃ：金属層４３の上に、半導体層４４が形成される。半導体層４４は、例えば、多結晶Ｓｉ層である。半導体層４４は、例えば、ＣＶＤにより形成される。半導体層４４の厚さは、例えば２００ｎｍである。

図２４Ｄ：半導体層４４の上に、ハードマスク４５が形成される。ハードマスク４５は、例えば、ＳｉＯ₂層である。ハードマスク４５は、例えば、ＣＶＤにより形成される。ハードマスク４５の厚さは、例えば、３０ｎｍである。ハードマスク４５は、半導体層４４に対するフォノニック結晶構造の形成に使用される。

図２４Ｅ：ハードマスク４５の上に、ブロック共重合体の自己組織化膜４６が形成される。自己組織化膜４６は、フォノニック結晶構造を形成するためのブロック共重合体リソグラフィーに使用される。

図２４Ｆ：ブロック共重合体リソグラフィーにより、規則的に配列した複数の貫通孔４７がハードマスク４５に形成される。

図２４Ｇ：ハードマスク４５をレジストとする選択的エッチングによって、半導体層４４に対して、平面視したときに複数の貫通孔４７に対応する位置に、規則的に配列した複数の貫通孔５０が形成される。形成された複数の貫通孔５０は、フォノニック結晶構造を構成する。半導体層４４は、フォノニック結晶層５６となる。

図２４Ｈ：ハードマスク４５及び自己組織化膜４６が除去される。

図２４Ｉ：フォノニック結晶層５６における貫通孔５０の内周面に酸化膜３２が形成される。酸化膜３２は、例えば、ＳｉＯ₂膜である。酸化膜３２は、例えば、熱酸化により形成される。酸化膜３２の厚さは、例えば、１ｎｍである。

図２４Ｊ：フォノニック結晶層５６における貫通孔５０の内部に半導体が充填されて、酸化膜３２を周面に有するピラー３１が形成される。ピラー３１は、例えば、多結晶Ｓｉにより構成される。ピラー３１は、例えば、ＣＶＤにより形成される。また、このとき、ピラー３１を構成する半導体材料により構成される層４８がフォノニック結晶層５６の上に形成される。

図２４Ｋ：ＣＭＰ等の手法により、層４８が除去される。このようにして、ピラー３１をさらに備えるフォノニック結晶層５６が形成される。

図２４Ｌ：フォトリソグラフィー等の手法を用い、フォノニック結晶層５６の一部の領域に不純物イオンが注入及びドープされて、ｐ型熱電変換部２を形成する。不純物イオンは、例えば、ホウ素イオンである。

図２４Ｍ：フォトリソグラフィー等の手法を用い、フォノニック結晶層５６におけるｐ型熱電変換部２とは異なる領域に不純物イオンが注入及びドープされて、ｎ型熱電変換部３を形成する。不純物イオンは、例えば、リンイオンである。ｐ型熱電変換部２とｎ型熱電変換部３とは、互いに離間している。

図２４Ｎ：全体が熱処理（アニール）されて、ドープした不純物イオンを活性化する。

図２４Ｏ：ｐ型熱電変換部２の上に第２電極５が形成される。ｎ型熱電変換部３の上に第３電極６が形成される。第２電極５及び第３電極６は、例えば、Ａｌにより構成される。これにより、熱電変換素子１が形成される。フォノニック結晶層５６におけるｐ型熱電変換部２とｎ型熱電変換部３との間の領域は、絶縁部４９として残される。絶縁部４９は、規則的に配列した複数の貫通孔（第５貫通孔）５０を具備するフォノニック結晶構造（第５フォノニック結晶構造）を有する。この形態によれば、ｐ型熱電変換部２とｎ型熱電変換部３との間における素子１の面内方向の熱伝導率が低減可能となる。また、この低減により、熱電変換素子１の熱電変換効率のさらなる向上が可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態の熱電変換素子の一例が図２５に示される。第１実施形態の熱電変換素子１は、一対の熱電変換部として１つの素子内にｐ型熱電変換部２及びｎ型熱電変換部３を備えた、当業者にπ型と称される素子である。本開示の熱電変換素子は、π型に限定されない。第２実施形態の熱電変換素子は、π型とは異なる素子である。

図２５の熱電変換素子６１は、互いに隣接する２つの熱電変換部６２，６３を備える。熱電変換部６２，６３の導電型は、同一である。言い換えると、熱電変換素子６１は、互いに隣接する２つのｐ型熱電変換部又はｎ型熱電変換部を備える。また、熱電変換素子６１は、第４電極６４、第５電極６５及び第６電極６６を備える。一方の熱電変換部６２の一方の端部１１と、他方の熱電変換部６３の一方の端部１３とは、第４電極６４を介して電気的に接続されている。第４電極６４は、熱電変換部６２の下面と熱電変換部６３の上面とを電気的に接続する。このために、第４電極３４は、各々の熱電変換部６２，６３において一方の端部１１，１３と他方の端部１２，１４とを結ぶ方向に延びるビア配線６７を有する。第５電極６５と第６電極６６との間に電流を流したときに、隣接する熱電変換部６２，６３における電流の流れる方向は同一（図２５中の矢印を参照）である。熱電変換素子３１は、当業者にユニレッグ型として知られた素子である。ユニレッグ型の素子では、例えば、π型の素子において生じうるｐ型熱電変換部とｎ型熱電変換部との間の熱膨張係数の相違による問題が回避可能となる。熱電変換部６２，６３は、同一の熱電変換材料から構成されてもよい。

熱電変換部６２は、ｐ型熱電変換部２又はｎ型熱電変換部３が備えうる、上述の任意のフォノニック結晶層を備えうる。また、熱電変換部６３は、ｐ型熱電変換部２又はｎ型熱電変換部３が備えうる、上述の任意のフォノニック結晶層を備えうる。熱電変換部６２が備えるフォノニック結晶層と熱電変換部６３が備えるフォノニック結晶層とは、同一であっても異なっていてもよい。また、熱電変換素子６１は、熱電変換部６２，６３がフォノニック結晶層を備える限り、ユニレッグ型として知られた任意の構成をとることができる。

熱電変換部６２，６３を構成する材料は、ｐ型熱電変換部２又はｎ型熱電変換部３を構成する材料と同じであってもよい。第４電極６４、第５電極６５及び第６電極６６を構成する材料は、第１電極４、第２電極５及び第３電極６を構成する材料と同じであってもよい。

[熱電変換装置]
本開示の熱電変換装置は、基板；前記基板上に設けられた第１絶縁層；前記第１絶縁層上に設けられた熱電変換モジュール；前記熱電変換モジュール上に設けられた第２絶縁層；第１配線；及び第２配線、を具備する。前記熱電変換モジュールは、２以上の熱電変換素子により構成される熱電変換素子群、及び前記熱電変換素子群と接続された一対の接続電極を備える。前記２以上の熱電変換素子は、前記一対の接続電極の間において、電気的に直列に互いに接続されている。前記第１配線は、一方の前記接続電極に電気的に接続されている。前記第２配線は、他方の前記接続電極に電気的に接続されている。前記熱電変換素子は、上記説明した本開示の熱電変換素子である。

熱電変換モジュールにおいて、２以上の熱電変換素子は、典型的には、アレイ状に配列されている。アレイは、１次元のアレイであっても、２次元のアレイであっても、３次元のアレイであってもよい。

本開示の熱電変換装置が備えうる熱電変換モジュールの一例が図２６Ａに示される。図２６Ａの熱電変換モジュール１０１（１０１Ａ）は、２以上の熱電変換素子１により構成される熱電変換素子群を備える。また、熱電変換モジュール１０１Ａは、熱電変換素子群に接続された一対の接続電極１０２Ａ，１０２Ｂを備える。接続電極１０２Ａは、熱電変換モジュール１０１Ａの一方の端部に位置する熱電変換素子１の第２電極５に接続されている。接続電極１０２Ｂは、熱電変換モジュール１０１Ａの他方の端部に位置する熱電変換素子１の第３電極６に接続されている。２以上の熱電変換素子１は、一対の接続電極１０２Ａ，１０２Ｂの間において、電気的に直列に互いに接続されている。熱電変換モジュール１０１Ａにおいて、２以上の熱電変換素子１は、１次元のアレイ状に配列されている。

本開示の熱電変換装置が備えうる熱電変換モジュールの別の一例が図２６Ｂに示される。図２６Ｂの熱電変換モジュール１０１（１０１Ｂ）は、２以上の熱電変換素子６１により構成される熱電変換素子群を備える。また、熱電変換モジュール１０１Ｂは、熱電変換素子群に接続された一対の接続電極１０２Ａ，１０２Ｂを備える。接続電極１０２Ａは、熱電変換モジュール１０１Ｂの一方の端部に位置する熱電変換素子６１の第５電極６５に接続されている。接続電極１０２Ｂは、熱電変換モジュール１０１Ａの他方の端部に位置する熱電変換素子６１の第６電極６６に接続されている。２以上の熱電変換素子６１は、一対の接続電極１０２Ａ，１０２Ｂの間において、電気的に直列に互いに接続されている。熱電変換モジュール１０１Ｂにおいて、２以上の熱電変換素子６１は、１次元のアレイ状に配列されている。

本開示の熱電変換装置が備えうる熱電変換モジュールの別の一例が図２７に示される。図２７の熱電変換モジュール１０３は、２以上の熱電変換素子１により構成される熱電変換素子群を備える。また、熱電変換モジュール１０３は、熱電変換素子群に接続された一対の接続電極１０２Ａ，１０２Ｂを備える。２以上の熱電変換素子１は、一対の接続電極１０２Ａ，１０２Ｂの間において、電気的に直列に互いに接続されている。熱電変換モジュール１０３において、２以上の熱電変換素子１は、２次元のアレイ状に配列されている。また、熱電変換モジュール１０３は、２以上の熱電変換モジュール１０１を備えると見ることもできる。この見方によれば、熱電変換モジュール１０３では、４つの熱電変換モジュール１０１が平面上に配列されている。図２７の例では、熱電変換モジュール１０１は、２以上の熱電変換素子１を備える図２６Ａの熱電変換モジュール１０１Ａである。少なくとも１つの熱電変換モジュール１０１は、２以上の熱電変換素子６１を備える図２６Ｂの熱電変換モジュール１０１Ｂであってもよい。

本開示の熱電変換装置が備えうる熱電変換モジュールの別の一例が図２８に示される。図２８に示される熱電変換モジュール１０４は、２以上の熱電変換素子１により構成される熱電変換素子群を備える。また、熱電変換モジュール１０４は、熱電変換素子群に接続された一対の接続電極１０２Ａ，１０２Ｂを備える。２以上の熱電変換素子１は、一対の接続電極１０２Ａ，１０２Ｂの間において、バス電極１０５を用いて、電気的に直列に互いに接続されている。熱電変換モジュール１０４において、２以上の熱電変換素子１は、３次元のアレイ状に配置されている。また、熱電変換モジュール１０４は、２以上の熱電変換モジュール１０１を備えると見ることもできる。この見方によれば、熱電変換モジュール１０４では、４つの熱電変換モジュール１０１が４層にわたって熱電変換モジュール１０４の厚さ方向に配列されている。図２８の例では、熱電変換モジュール１０１は、２以上の熱電変換素子１を備える図２６Ａの熱電変換モジュール１０１Ａである。少なくとも１つの熱電変換モジュール１０１は、２以上の熱電変換素子６１を備える図２６Ｂの熱電変換モジュール１０１Ｂであってもよい。

本開示の熱電変換装置の一例が図２９に示される。図２９に示される熱電変換装置１１２は、第１絶縁層１０６、第１絶縁層１０６上に設けられた熱電変換モジュール１０４及び熱電変換モジュール１０４上に設けられた第２絶縁層１０７を備える。熱電変換モジュール１０４は、３つの熱電変換モジュール１０１が３層にわたって熱電変換モジュール１０４の厚さ方向に配列されている以外は、図２８に示される熱電変換モジュール１０４と同じである。ただし、図２９の熱電変換モジュール１０４では、各々の熱電変換モジュール１０１の間には絶縁層１０８が配置されている。また、熱電変換モジュール１０１，１０４が備える熱電変換素子１を構成する熱電変換部であるｐ型熱電変換部２とｎ型熱電変換部３との間、及び２以上の熱電変換素子１の各々の間には、絶縁部１０９が設けられている。絶縁部１０９は、ｐ型熱電変換部２とｎ型熱電変換部３との間、及び２以上の熱電変換素子１の各々の間のいずれか一方に設けられていてもよい。熱電変換装置１１２は、第１配線１１０及び第２配線１１１をさらに備える。第１配線１１０は、熱電変換モジュール１０４の一方の接続電極１０２Ａに電気的に接続されている。第２配線１１１は、熱電変換モジュール１０４の他方の接続電極１０２Ｂに電気的に接続されている。熱電変換装置１１２は、例えば、基板（ベース基板）の上、又は内部に設けられている。熱電変換装置１１２は、第１配線１１０及び第２配線１１１を入力配線又は出力配線として、ペルティエ式冷却装置及び／又は熱電発電装置として機能しうる。図２９の例では、熱電変換モジュール１０１は、２以上の熱電変換素子１を備える図２６Ａの熱電変換モジュール１０１Ａである。少なくとも１つの熱電変換モジュール１０１は、２以上の熱電変換素子６１を備える図２６Ｂの熱電変換モジュール１０１Ｂであってもよい。この場合、熱電変換モジュール１０１Ｂにおける絶縁部１０９は、熱電変換素子６１を構成する熱電変換部６２，６３の間、及び／又は、２以上の熱電変換素子６１の各々の間に位置しうる。

本開示の熱電変換装置の別の一例が図３０に示される。図３０に示される熱電変換装置１２１は、図２９に示される熱電変換装置１１２が基板１２２の内部に配置された構成を有する。

本開示の熱電変換装置の別の一例が図３１に示される。図３１に示される熱電変換装置１２４は、第１絶縁層１０６、第１絶縁層１０６上に設けられた熱電変換モジュール１２３及び熱電変換モジュール１２３上に設けられた第２絶縁層１０７を備える。熱電変換モジュール１２３は、熱電変換素子１におけるｐ型熱電変換部２及びｎ型熱電変換部３の各々について、３層のフォノニック結晶層５６の積層構造体であることが明確に示されている以外は、図２６Ａに示される熱電変換モジュール１０１（１０１Ａ）と同じである。ただし、図３１に示される熱電変換モジュール１２３では、熱電変換素子１におけるｐ型熱電変換部２とｎ型熱電変換部３との間、及び２以上の熱電変換素子１の各々の間には、絶縁部１０９が設けられている。熱電変換装置１２４は、第１配線１１０及び第２配線１１１をさらに備える。第１配線１１０は、熱電変換モジュール１２３の一方の接続電極１０２Ａに電気的に接続されている。第２配線１１１は、熱電変換モジュール１２３の他方の接続電極１０２Ｂに電気的に接続されている。熱電変換装置１２４は、基板１２２の内部に設けられている。熱電変換モジュール１２３は、図２６Ｂの熱電変換モジュール１０１（１０１Ｂ）であって、熱電変換部６２，６３が３層のフォノニック結晶層５６の積層構造体であるモジュールと同じであってもよい。

本開示の熱電変換装置の別の一例が図３２に示される。図３２に示される熱電変換装置１２５は、２つの熱電変換装置１２１Ａ，１２１Ｂが電気的に直列に接続された構成を有する。各々の熱電変換装置１２１Ａ，１２１Ｂは、図３０に示される熱電変換装置１２１である。熱電変換装置１２１Ａは、第１配線１１０Ａ及び第２配線１１１Ａを備える。熱電変換装置１２１Ｂは、第１配線１１０Ｂ及び第２配線１１１Ｂを備える。熱電変換装置１２１Ａと熱電変換装置１２１Ｂとは、第１配線１１０Ａ及び第２配線１１１Ｂを介して電気的に直列に接続されている。第１配線１１０Ｂが、熱電変換装置１２５の第１配線１１０として機能する。第２配線１１１Ａが、熱電変換装置１２５の第２配線１１１として機能する。

本開示の熱電変換装置は、その２以上を自由に組み合わせることができる。２以上の本開示の熱電変換装置の組み合わせにより、カスケード化を図ることも可能である。カスケード化の形態は限定されない。

第１絶縁層１０６、第２絶縁層１０７、絶縁層１０８及び絶縁部１０９を構成する材料は、例えば、ＳｉＯ₂等の酸化物である。ただし、第１絶縁層１０６、第２絶縁層１０７、絶縁層１０８及び絶縁部１０９を構成する材料は、上記例に限定されない。

接続電極１０２Ａ，１０２Ｂ、第１配線１１０及び第２配線１１１を構成する材料は、例えば、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ等の金属である。ただし、接続電極１０２Ａ，１０２Ｂ、第１配線１１０及び第２配線１１１を構成する材料は、上記例に限定されない。

本開示の熱電変換装置において、絶縁部１０９は、規則的に配列した複数の第５貫通孔を具備する第５フォノニック結晶構造を有していてもよい。言い換えると、本開示の熱電変換装置では、熱電変換モジュールが、熱電変換素子を構成する熱電変換部の間、及び／又は、２以上の熱電変換素子の各々の間に、絶縁部１０９をさらに備え、絶縁部１０９が、規則的に配列した複数の第５貫通孔を具備する第５フォノニック結晶構造を有していてもよい。この形態によれば、熱電変換素子の面内方向の熱伝導率が更に低減可能となる。また、この低減により、熱電変換装置の熱電変換効率のさらなる向上が可能となる。

本開示の熱電変換装置において、基板１２２、第１絶縁層１０６、第２絶縁層１０７、絶縁層１０８、第１配線１１０及び第２配線１１１から選ばれる少なくとも１つの部材が、規則的に配列した複数の第６貫通孔を具備する第６フォノニック結晶構造を有していてもよい。この形態によれば、熱電変換装置における面内方向の熱伝導率が低減可能となる。また、この低減により、熱電変換装置の熱電変換効率のさらなる向上が可能となる。さらに、基板１２２の内部に熱電変換装置が設けられている場合等には、基板１２２の面内方向への熱電変換装置からの熱の拡散を抑制できる。熱の拡散の抑制は、例えば、基板１２２上への電子デバイスの構築の自由度を向上させうる。

第５フォノニック結晶構造及び第６フォノニック結晶構造は、第１フォノニック結晶構造の説明において上述した具体的なフォノニック結晶構造の構成と同じ構成をとりうる。

本開示の熱電変換素子は、例えば、ペルティエ素子又はゼーベック素子として種々の用途に使用可能である。

１ 熱電変換素子（π型）
２ ｐ型熱電変換部
３ ｎ型熱電変換部
４ 第１電極
５ 第２電極
６ 第３電極
１１ 端部
１２ 端部
１３ 端部
１４ 端部
１５ 第１貫通孔
１６ 第１フォノニック結晶層
１７ 第２貫通孔
１８ 第２フォノニック結晶層
１９ 第３貫通孔
２０ 第３フォノニック結晶層
２１ 第４貫通孔
２２ 第４フォノニック結晶層
２３ バッファ層
２３Ａ 第１バッファ層
２３Ｂ 第２バッファ層
３１ ピラー
３２ 酸化膜
４１ ベース基板
４２ 酸化膜
４３ 金属層
４４ 半導体層
４５ ハードマスク
４６ 自己組織化膜
４７ 貫通孔
４８ 層
４９ 絶縁部
５０ 貫通孔
５１Ａ 第１ドメイン
５１Ｂ 第２ドメイン
５２ フォノニック多結晶構造
５３Ａ，５３Ｂ 方位
５５ 界面
５６ フォノニック結晶層
６１ 熱電変換素子（ユニレッグ型）
６２，６３ 熱電変換部
６４ 第４電極
６５ 第５電極
６６ 第６電極
６７ ビア配線
９１，９１Ａ，９１Ｂ 単位格子
９２ 領域
９３ 領域
１０１，１０１Ａ，１０１Ｂ 熱電変換モジュール
１０２Ａ，１０２Ｂ 接続電極
１０３ 熱電変換モジュール
１０４ 熱電変換モジュール
１０５ バス電極
１０６ 第１絶縁層
１０７ 第２絶縁層
１０８ 絶縁層
１０９ 絶縁部
１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ 第１配線
１１１，１１１Ａ，１１１Ｂ 第２配線
１１２ 熱電変換装置
１２１，１２１Ａ，１２１Ｂ 熱電変換装置
１２２ 基板
１２３ 熱電変換モジュール
１２４ 熱電変換装置
１２５ 熱電変換装置
２０１ 領域
２０２ 領域

Claims (15)

1. 熱電変換素子であって、
   ｐ型熱電変換部；
   ｎ型熱電変換部；
   第１電極；
   第２電極；及び
   第３電極、を具備し、
   ここで、
   前記ｐ型熱電変換部の一方の端部と、前記ｎ型熱電変換部の一方の端部とは、前記第１電極を介して電気的に接続されており、
   前記ｐ型熱電変換部の他方の端部は、前記第２電極と電気的に接続されており、
   前記ｎ型熱電変換部の他方の端部は、前記第３電極と電気的に接続されており、
   前記ｐ型熱電変換部は、規則的に配列した複数の第１貫通孔を具備する第１フォノニック結晶構造を有する第１フォノニック結晶層を備え、
   前記ｎ型熱電変換部は、規則的に配列した複数の第２貫通孔を具備する第２フォノニック結晶構造を有する第２フォノニック結晶層を備え、
   前記第１フォノニック結晶構造における前記複数の第１貫通孔の貫通方向は、前記ｐ型熱電変換部における前記一方の端部と前記他方の端部とを結ぶ方向であり、
   前記第２フォノニック結晶構造における前記複数の第２貫通孔の貫通方向は、前記ｎ型熱電変換部における前記一方の端部と前記他方の端部とを結ぶ方向であり、
   前記ｐ型熱電変換部は、規則的に配列した複数の第３貫通孔を具備する第３フォノニック結晶構造を有する第３フォノニック結晶層をさらに備え、
   前記ｎ型熱電変換部は、規則的に配列した複数の第４貫通孔を具備する第４フォノニック結晶構造を有する第４フォノニック結晶層をさらに備え、
   前記第１フォノニック結晶層と前記第３フォノニック結晶層とは、前記ｐ型熱電変換部における前記一方の端部と前記他方の端部とを結ぶ方向に積層されており、
   前記第２フォノニック結晶層と前記第４フォノニック結晶層とは、前記ｎ型熱電変換部における前記一方の端部と前記他方の端部とを結ぶ方向に積層されており、
   前記第１フォノニック結晶構造における前記複数の第１貫通孔の貫通方向と、前記第３フォノニック結晶構造における前記複数の第３貫通孔の貫通方向とは、略平行であり、
   前記第２フォノニック結晶構造における前記複数の第２貫通孔の貫通方向と、前記第４フォノニック結晶構造における前記複数の第４貫通孔の貫通方向とは、略平行である。
2. 請求項１に記載の熱電変換素子であって、
   前記第１フォノニック結晶層と前記第３フォノニック結晶層とは、互いに接しており、
   前記第２フォノニック結晶層と前記第４フォノニック結晶層とは、互いに接している。
3. 請求項１又は２に記載の熱電変換素子であって、
   前記第３貫通孔の少なくとも一部は、前記第１貫通孔と連通しておらず、
   前記第４貫通孔の少なくとも一部は、前記第２貫通孔と連通していない。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の熱電変換素子であって、
   前記第１フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第１ドメイン及び第２ドメインを含み、
   前記第１ドメインは、前記第１貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第１方向に規則的に配列した前記複数の第１貫通孔を具備し、
   前記第２ドメインは、前記第１貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、前記第１方向とは異なる第２方向に規則的に配列した前記複数の第１貫通孔を具備し、
   前記第２フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第３ドメイン及び第４ドメインを含み、
   前記第３ドメインは、前記第２貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第３方向に規則的に配列した前記複数の第２貫通孔を具備し、
   前記第４ドメインは、前記第２貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、前記第３方向とは異なる第４方向に規則的に配列した前記複数の第２貫通孔を具備する。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の熱電変換素子であって、
   前記第１フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第１ドメイン及び第２ドメインを含み、
   前記第１ドメインは、前記第１貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第１方向に規則的に配列した前記複数の第１貫通孔を具備し、
   前記第２ドメインは、前記第１貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、前記第１方向とは異なる第２方向に規則的に配列した前記複数の第１貫通孔を具備し、
   前記第２フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第３ドメイン及び第４ドメインを含み、
   前記第３ドメインは、前記第２貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第３方向に規則的に配列した前記複数の第２貫通孔を具備し、
   前記第４ドメインは、前記第２貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、前記第３方向とは異なる第４方向に規則的に配列した前記複数の第２貫通孔を具備し、
   前記第３フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第５ドメイン及び第６ドメインを含み、
   前記第５ドメインは、前記第３貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第５方向に規則的に配列した前記複数の第３貫通孔を具備し、
   前記第６ドメインは、前記第３貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、前記第５方向とは異なる第６方向に規則的に配列した前記複数の第３貫通孔を具備し、
   前記第４フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第７ドメイン及び第８ドメインを含み、
   前記第７ドメインは、前記第４貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第７方向に規則的に配列した前記複数の第４貫通孔を具備し、
   前記第８ドメインは、前記第４貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、前記第７方向とは異なる第８方向に規則的に配列した前記複数の第４貫通孔を具備する。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の熱電変換素子であって、
   前記第１フォノニック結晶層及び／又は前記第２フォノニック結晶層は、複数のピラーを備え、
   前記ピラーは、直線状に延びる柱状体であり、
   前記ピラーの各々は、前記第１フォノニック結晶層の前記第１貫通孔及び／又は前記第２フォノニック結晶層の前記第２貫通孔に充填されている。
   ただし、前記ピラーが充填された前記第１フォノニック結晶層及び／又は前記第２フォノニック結晶層と、前記ピラーとが同一の材料により構成される場合、前記ピラーの周面は、酸化膜により被覆されている。
7. 請求項６に記載の熱電変換素子であって、
   前記ピラーの各々は、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔に充填されている。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の熱電変換素子であって、
   前記第１貫通孔の長さは、前記第１貫通孔の直径の２倍以上であり、
   前記第２貫通孔の長さは、前記第２貫通孔の直径の２倍以上である。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の熱電変換素子であって、
   前記第１フォノニック結晶層の空隙率は、１０％以上９０％以下であり、
   前記第２フォノニック結晶層の空隙率は、１０％以上９０％以下である。
10. 熱電変換素子であって、
    互いに隣接する２つの熱電変換部；
    第４電極；
    第５電極；及び
    第６電極、を具備し、
    ここで、
    前記２つの熱電変換部の導電型は同一であり、
    一方の前記熱電変換部の一方の端部と、他方の前記熱電変換部の一方の端部とは、前記第４電極を介して電気的に接続されており、
    前記一方の熱電変換部の他方の端部は、前記第５電極と電気的に接続されており、
    前記他方の熱電変換部の他方の端部は、前記第６電極と電気的に接続されており、
    前記第５電極と前記第６電極との間に電流を流したときに、前記隣接する２つの熱電変換部における前記電流の流れる方向は同一であり、
    前記一方の熱電変換部は、規則的に配列した複数の第１貫通孔を具備する第１フォノニック結晶構造を有する第１フォノニック結晶層を備え、
    前記他方の熱電変換部は、規則的に配列した複数の第２貫通孔を具備する第２フォノニック結晶構造を有する第２フォノニック結晶層を備え、
    前記第１フォノニック結晶構造における前記複数の第１貫通孔の貫通方向は、前記一方の熱電変換部における前記一方の端部と前記他方の端部とを結ぶ方向であり、
    前記第２フォノニック結晶構造における前記複数の第２貫通孔の貫通方向は、前記他方の熱電変換部における前記一方の端部と前記他方の端部とを結ぶ方向であり、
    前記一方の熱電変換部は、規則的に配列した複数の第３貫通孔を具備する第３フォノニック結晶構造を有する第３フォノニック結晶層をさらに備え、
    前記他方の熱電変換部は、規則的に配列した複数の第４貫通孔を具備する第４フォノニック結晶構造を有する第４フォノニック結晶層をさらに備え、
    前記第１フォノニック結晶層と前記第３フォノニック結晶層とは、前記一方の熱電変換部における前記一方の端部と前記他方の端部とを結ぶ方向に積層されており、
    前記第２フォノニック結晶層と前記第４フォノニック結晶層とは、前記他方の熱電変換部における前記一方の端部と前記他方の端部とを結ぶ方向に積層されており、
    前記第１フォノニック結晶構造における前記複数の第１貫通孔の貫通方向と、前記第３フォノニック結晶構造における前記複数の第３貫通孔の貫通方向とは、略平行であり、
    前記第２フォノニック結晶構造における前記複数の第２貫通孔の貫通方向と、前記第４フォノニック結晶構造における前記複数の第４貫通孔の貫通方向とは、略平行である。
11. 熱電変換装置であって、
    基板；
    前記基板上に設けられた第１絶縁層；
    前記第１絶縁層上に設けられた熱電変換モジュール；
    前記熱電変換モジュール上に設けられた第２絶縁層；
    第１配線；及び
    第２配線、を具備し、
    前記熱電変換モジュールは、２以上の熱電変換素子により構成される熱電変換素子群；及び前記熱電変換素子群と接続された一対の接続電極；を備え、
    前記２以上の熱電変換素子は、前記一対の接続電極の間において、電気的に直列に互いに接続されており、
    前記第１配線は、一方の前記接続電極に電気的に接続され、
    前記第２配線は、他方の前記接続電極に電気的に接続され、
    前記熱電変換素子は、請求項１から１０のいずれかに記載の熱電変換素子である。
12. 請求項１１に記載の熱電変換装置であって、
    前記熱電変換モジュールにおいて、前記２以上の熱電変換素子が２次元のアレイ状に配列されている。
13. 請求項１１に記載の熱電変換装置であって、
    前記熱電変換モジュールにおいて、前記２以上の熱電変換素子が３次元のアレイ状に配列されている。
14. 請求項１１から１３のいずれかに記載の熱電変換装置であって、
    前記熱電変換モジュールが、前記熱電変換素子を構成する熱電変換部の間、及び／又は、前記２以上の熱電変換素子の各々の間に、絶縁部をさらに備え、
    前記絶縁部が、規則的に配列した複数の第５貫通孔を具備する第５フォノニック結晶構造を有する。
15. 請求項１１から１４のいずれかに記載の熱電変換装置であって、
    前記基板、前記第１絶縁層、前記第２絶縁層、前記第１配線及び前記第２配線から選ばれる少なくとも１つの部材が、規則的に配列した複数の第６貫通孔を具備する第６フォノニック結晶構造を有する。

Images