JPH03187280A - Bi―Te系熱電変換薄膜及びその熱電変換素子 - Google Patents

Bi―Te系熱電変換薄膜及びその熱電変換素子

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JPH03187280A
JPH03187280A JP1326044A JP32604489A JPH03187280A JP H03187280 A JPH03187280 A JP H03187280A JP 1326044 A JP1326044 A JP 1326044A JP 32604489 A JP32604489 A JP 32604489A JP H03187280 A JPH03187280 A JP H03187280A
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JP
Japan
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thermoelectric
thin film
thermoelectric conversion
film
performance
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Pending
Application number
JP1326044A
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English (en)
Inventor
Hisato Noro
寿人 野呂
Katsumi Yamada
克美 山田
Kaoru Sato
馨 佐藤
Hiroshi Kagechika
影近 博
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JFE Engineering Corp
Original Assignee
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Publication date
Application filed by NKK Corp, Nippon Kokan Ltd filed Critical NKK Corp
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/851Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/852Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising tellurium, selenium or sulfur

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野〕 この発明はBi−Te  (ビスマス−テルル)系熱電
変換薄膜及びその熱雷変換素子に関し、特に電気産業分
野・エネルギー産業分野・航空宇宙分野において熱電発
電及び電子冷却・加熱用の熱電変換素子に用いられる旧
−Te系熱電変換薄膜とそれを応用した熱雷変換素子に
関するものである。
[従来の技術] 一般に熱雷変換デバイスに用いられる熱電変換材料には
、熱雷半導体と呼ばれるもののうちでもキャリヤの移動
度が大きく格子熱伝導率の小さいものが用いられている
。すなわち熱電半導体はベルチェ及びゼーベック効果が
大きく、ジュール熱と熱伝導による損失の小さい、つま
り性能指数2の大きいものが望ましく、デバイスの動作
温度に適した材料をえらんで使用するようになっている
比較的低い動作温度で性能指数の高い熱電半導体として
用いられているものとして、Bi−8b−Te−3゜系
を含むBi−Te系の熱電半導体がある。
上述のような熱電変換に利用される旧−3b−Te−8
e系半導体単結晶の熱電性能は、例えばJournal
ot’ the Physics and Chemi
stry of’ 5o11ds、 49[10]  
(198g)  (英) P、1237−1247の文
献に開示されているように、一般に異方的であることが
知られている。したがって、熱電変換素子を形成するの
に使われるバルク型半導体チップには単結晶又は疑似単
結晶そのものないしは集合組織を持つ多結晶体が使われ
るため、その熱電性能は、単結晶の熱電性能の異方性の
影響を反映して異方的になる。しかし通常、それを並べ
て熱電変換素子を構成する際には、使用する熱流の方向
に応じて最適なチップの方位を選ぶことができるので、
チップの方位を選んで素子を形成している。
一方、素子を薄膜型半導体チップで構成することにより
素子全体の小型化と高集積化を図る場合、チップを構成
する多結晶体が、一般に、製膜中に集合組織を形成する
ため、熱流の方向を決める基板に対するその方位は製膜
時に固定されてしまい、従来のバルク型チップに対して
おこなわれていたような製膜後のチップ方位の最適化を
図ることができないので実用化が難しいのが現状である
[発明が解決しようとする課題] 上記のようにBi−9b−Te−3e系熱電変換素子を
薄膜チップで構成する場合には、膜の集合組織(優先配
向)のためにチップの熱電性能は異方的になるが、熱流
の方向を決める基板に対するその方位は製膜時に決定さ
れてしまうため、従来のバルク型半導体チップの場合の
ように製膜後に熱流の方向に対してその方位の最適化を
図ることができないという問題がある。
本発明はこの問題点を解決するためになされたもので、
製膜時に熱流の方向に対する薄膜の熱電性能の最適化を
行ったBi−Te系熱電変換薄膜とその熱電変換素子を
提供することを目的とするものである。
[課題を解決するための手段] この発明に係るBi−Te系熱電変換薄膜は、015面
配向している例えばBi−8b−Te−8e系多結晶体
からなるBi−Te系熱電半導体を基板上に形成したも
のである。
また、この発明に係るBi−Te系熱電変換素子は、厚
さが100μm以下の015面配向しているB 1−T
e系多結晶熱電変換薄膜を熱電半導体チップとして用い
ることによって形成したものである。
[作 用] この発明は、Bi−Te系半導体単結晶の場合に(前記
文献に示されているような)熱電性能の優れたC軸(六
方晶表示)に直交する方向がなるべく膜厚方向に配列さ
れるように、C軸に対して約58°と大きく傾いた面方
位をもつ015面を膜厚方向に積層させるというもので
あり、熱電性能が優れ、かつ、実用上均質な面方位を持
つ単結晶熱電変換薄膜を形成することができる。
また、このような膜は高性能の熱電変換素子の熱電半導
体チップとして用いるのに好適である。
[実施例] 第1図はこの発明の一実施例を示すBi−8b−Te−
3e系多結晶熱電変換薄膜の模式説明図である。図にお
いて、1は基板であり、2は基板1上に成膜した015
面配向している旧−8b−Te−9e系多結晶熱電半導
体からなる熱電変換薄膜である。図中に示した細い矢印
は熱電変換動作時の熱流及び電流の方向を示している。
熱雷変換薄膜2の成膜条件は、アルゴンイオンンビーム
スパッタリング法を用い、動作圧2,0X10 ’To
rr、ビーム電圧1ooov、ビーム電流1hA、基板
温度200℃である。この成膜法によって各結晶粒3が
015面配向した集合体からなる熱電変換薄膜2が得ら
れる。なお、熱電変換薄膜はBi−8b−Te−8e系
に限定されるものではなく 、Bj−Te系の熱電半導
体であればどのような組成のものであってもよい。
第2図は上記のようにして形成した膜厚的4−の旧−8
b−Te−9e系多結晶熱電変換薄膜(p型)のX線回
折パターンである。図において、横軸は回折角、縦軸は
X線強度である。X線回折パターンの測定に用いたX線
は、銅ターゲツトから発生させた銅の特性X線を゛モノ
クロメータで単色化したものである。図において、01
5.0210で表示したピークは同一組成材料の無配向
状態薄膜のピークに比べて著しく大きくなっていて、こ
の薄膜が第1図に示すような015面配向した多結晶構
造からなっていることを意味している。
一方において、例えば前記文献にみられるように、例え
ば単結晶の場合に六方晶表示でのC軸に直交する方向の
熱電性能が優れていることが知られているが、多結晶薄
膜の膜厚方向に温度勾配をつけて使用する際に、このよ
うな熱雷性能の優れた方向を利用するためにはC軸を薄
膜の面内に配向させたものを使用する必要がある。しか
し、Naturvissenschaf’t 27 (
1939)  (独) p、133の文献に示されるよ
うに、C軸方向に原子面が積層する結晶措造を持つ物質
のみの薄膜でこのような配向状態を達成することは困難
である。それ故、上記実施例のようにC軸方向から約5
8°と大きく傾いた面方位を持つ015面を膜面に平行
に積層させて、C軸が薄膜の面内に配向した状態に近づ
けた方が熱電性能上効果的である。われわれは、このよ
うな集合組織を持つ熱電変換薄膜を膜厚方向に用いて、
性能指数2.Ox 1O−3(K−’)を実現し、本発
明の有用性を確認した。
第3図はこの発明による015面配向した熱電変換薄膜
2を熱電半導体チップとして用いて形成した原形的なり
1−Te系熱電変換素子の模式説明図である。
図において、図示しない基板上に所定の位置に分離形成
された電極4a、4c、4e上に第1図の実施例で説明
した熱電変換薄膜(以下熱電薄膜というン2からなる例
えばn型熱Ta 78 J漠2a、p型熱電薄膜2bを
配設する。配設の仕方は、例えば電極4c上にp型熱電
薄膜2b、n型熱電薄膜2aの一対を所定間隔で成膜形
成するようにする。
さらに、例えばn型熱電薄膜2a、p型熱電薄膜2bの
一対分を覆うように電極4b、4dを形成し、上下の電
極間に熱電薄膜がサンドイッチされるように熱雷変換素
子が形成される。したがって、この素子の一単位分は、
例えば電極4a、4b。
4cとこれによってサンドイッチされたn型熱電薄膜2
a、p型熱電薄膜2bとが構成する部分となる。このよ
うな幅数四〜数101iI11の単位熱電薄膜を交互に
上下電極を介して連結することによって単位面積あたり
のチップの数が多い、すなわち、エネルギー輸送密度が
大きい熱電変換素子を形成することができる。
第3図のような構成において、例えば上側を吸熱面、下
側を発熱面としたときの電流の方向は矢印に示したよう
になり、熱流(温度勾配)の方向も枠線の矢印で示すよ
うに動作する。したがって、熱電薄膜の電流の方向はそ
の膜厚の方向になる。
一般に、単位半導体チップの性能はその形状比、すなわ
ち断面積/高さ(厚さ)にのみ依存しているので、この
形状比が一定ならば、その厚さが薄いほど素子の小型化
と材料コストの代減の効果が大きい。蒸着やスパッタリ
ングなどの薄膜形成プロセスを使えば、溶融成形や焼結
法などのバルクの製造プロセスで実現できない(あるい
は歩留りの面で丈用向でない)厚さ100IJQI以下
の半導体薄膜を形成することは容易であり、このような
薄膜形成プロセスによって作成した0(5面配向したB
i−Te系熱電薄膜は、小型化・高集積化が可能で、か
つ、月14コストの大幅な低減が可能な熱雷変換素子−
を提供することができる。
[発明の効果] 以」二のようにこの発明によれば、015面配向した旧
−Te系多結晶熱電変換薄膜が通常の薄膜形成プロセス
技術を応用することにより達成され、そのH用柱が確認
された。そして、この熱電薄膜を熱電半導体チップとし
て利用することにより、バルク並の熱電性能を維持した
まま熱電変換素子全体を小型化・高集積化することが可
能になるので、材料コストひいては素子価格をバルク型
のものよりも大幅に下げることができる。また、バルク
型の半導体チップを使用している従来の素子は、素子そ
のものの大きさの制約から半導体チップの直列配列の数
を大きくできないため、低電圧・大電流でしか使用でき
ないのが普通であるが、本発明の薄膜型の小型チップを
使えば、チップの形状比(断面積/高さ)と直列配列の
数を大幅に変更することが可能になるので、大電圧・低
電流での使用も可能になり、素子と組み合わせられる電
子回路などの範囲が拡大する効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例を示す015面配向してい
るB 1−8b−Te−3e系多結晶熱電変換薄膜の模
式説明図、第2図は第1図の実施例の膜厚約41mの熱
雷薄膜のX線回折パターン、第3図はこの発明の一実施
例を示す原形的な旧−Te系熱電変換素子の模式説明図
である。 図において、1は基板、2.2a、2bは熱電変換清膜
、 3は粘晶粒、 4a。 4b。 I 4d。 は電極である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)基板上に形成した熱電半導体膜が015面配向し
    ているBi−Te系多結晶体からなることを特徴とする
    Bi−Te系熱電変換薄膜。
  2. (2)厚さが100μm以下の015面配向しているB
    i−Te系多結晶熱電変換薄膜を熱電半導体チップとし
    て有することを特徴とするBi−Te系熱電変換素子。
JP1326044A 1989-12-18 1989-12-18 Bi―Te系熱電変換薄膜及びその熱電変換素子 Pending JPH03187280A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5409547A (en) * 1992-10-05 1995-04-25 Thermovonics Co., Ltd. Thermoelectric cooling device for thermoelectric refrigerator, process for the fabrication of semiconductor suitable for use in the thermoelectric cooling device, and thermoelectric refrigerator using the thermoelectric cooling device
US5715684A (en) * 1995-03-02 1998-02-10 Thermovonics Co., Ltd. Thermoelectric converter
US6815244B2 (en) * 2002-06-27 2004-11-09 Infineon Technologies Ag Methods for producing a thermoelectric layer structure and components with a thermoelectric layer structure
US7537367B2 (en) 2005-03-02 2009-05-26 Ricoh Company, Ltd. Illumination device, image reading device, and image forming apparatus
JP2012124450A (ja) * 2010-11-15 2012-06-28 Yamaha Corp 熱電素子

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5409547A (en) * 1992-10-05 1995-04-25 Thermovonics Co., Ltd. Thermoelectric cooling device for thermoelectric refrigerator, process for the fabrication of semiconductor suitable for use in the thermoelectric cooling device, and thermoelectric refrigerator using the thermoelectric cooling device
US5715684A (en) * 1995-03-02 1998-02-10 Thermovonics Co., Ltd. Thermoelectric converter
US6815244B2 (en) * 2002-06-27 2004-11-09 Infineon Technologies Ag Methods for producing a thermoelectric layer structure and components with a thermoelectric layer structure
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