JPH09107129A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

Semiconductor device and its manufacturing method

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JPH09107129A
JPH09107129A JP7261651A JP26165195A JPH09107129A JP H09107129 A JPH09107129 A JP H09107129A JP 7261651 A JP7261651 A JP 7261651A JP 26165195 A JP26165195 A JP 26165195A JP H09107129 A JPH09107129 A JP H09107129A
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JP
Japan
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semiconductor
thermoelectric conversion
film
insulating substrate
roll
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Application number
JP7261651A
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Japanese (ja)
Inventor
Ryosuke Yamanaka
良亮 山中
Takehito Mitachi
武仁 見立
Masafumi Satomura
雅史 里村
Kazuaki Minato
和明 湊
Shigeo Harada
茂夫 原田
Yoshihiro Yamamoto
義宏 山本
Koji Tomita
孝司 富田
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture a compact and high-performance semiconductor device by easily fabricating the semiconductor device in an arbitrary shape. SOLUTION: A semiconductor device consists of a flexible film-shaped insulation substrate 2 such as polyimide and Teflon and a semiconductor 3 for thermoelectric conversion being formed on the entire surface of its single surface and the semiconductor 3 is fabricated by rolling the film-shaped insulation substrate 2. The semiconductor 3 is either a P-type thermoconversion semiconductor or N-type thermoconversion semiconductor in ultra-lattice structure by an ultra-thin film.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、フレキシブルなフ
ィルム状絶縁基板上に形成する半導体素子及びその製造
方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device formed on a flexible film-like insulating substrate and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】多層構造による積層作成が必要であるパ
ワーデバイスにおいて、最も代表的なものに熱電変換素
子が挙げられる。この熱電変換素子は可動部のない熱と
電気の相互変換素子であり、異種金属を2カ所で接合し
て電気回路を形成し、直流を流すと一方の接合部で発
熱、他方で吸熱現象が生じる熱電冷却と、一方の接合部
を加熱、他方を冷却すると開放端子間に温度に対応した
開放電圧が生じて熱電発電が可逆的に生じるものであ
る。
2. Description of the Related Art A thermoelectric conversion element is the most typical example of a power device that requires a multilayer structure to be formed. This thermoelectric conversion element is a mutual conversion element of heat and electricity with no moving parts. When dissimilar metals are joined at two places to form an electric circuit, and a direct current is applied, heat is generated at one joint and endothermic phenomenon is caused at the other. When the thermoelectric cooling is generated, and one of the joints is heated and the other is cooled, an open circuit voltage corresponding to the temperature is generated between the open terminals to reversibly generate thermoelectric power.

【0003】図8は、一般的にバルク状熱電変換素子を
使用した熱電変換モジュールを示したものである。図8
において、71,72は金属板、73はN型半導体、7
4はP型半導体、75,76は端子、77は基板を示し
ている。この熱電変換モジュールはP型半導体とN型半
導体を交互に電気的に直列に接続し、熱的には並列に配
置した熱電装置を示したものである。この熱電装置の電
極端子75,76に電圧をかけると金属板71,72の
一方は加熱され、他方は冷却される。このような半導体
装置の製造方法としては、次に示す工程がとられる。
FIG. 8 generally shows a thermoelectric conversion module using a bulk thermoelectric conversion element. FIG.
, 71 and 72 are metal plates, 73 is an N-type semiconductor, 7
4 is a P-type semiconductor, 75 and 76 are terminals, and 77 is a substrate. This thermoelectric conversion module shows a thermoelectric device in which P-type semiconductors and N-type semiconductors are alternately electrically connected in series and thermally arranged in parallel. When a voltage is applied to the electrode terminals 75 and 76 of this thermoelectric device, one of the metal plates 71 and 72 is heated and the other is cooled. The following steps are taken as a method of manufacturing such a semiconductor device.

【0004】P型およびN型半導体は、それぞれ組成調
整、混合、焼成、熱処理の工程を経てバルク形状の熱電
変換素子が形成され、これを所定の大きさに切断してそ
れぞれP型半導体チップ、N型半導体チップを製造す
る。この熱電変換素子の形状は角柱状が一般的である。
この熱電変換素子は、電極を介してP型半導体チップ、
N型半導体チップを半田により交互に直列接続して1つ
のユニットとなっている。また電極の接続方法により直
列ユニットを複数並列接合して1つのモジュールを形成
することもある。これを熱電冷却素子として使用する場
合、P側端子にマイナス、N側端子にプラスの電圧をか
ければ、図8のユニットの上面の電極側が吸熱面、ユニ
ット下面の電極が発熱面となる。なお図示はしていない
が通常上下の電極面を覆う形で電極絶縁基板を介して熱
交換器を設置し、素子の高温と低温の温度差を小さくす
ることで素子の性能を向上させている。
The P-type and N-type semiconductors are respectively subjected to composition adjustment, mixing, firing, and heat treatment to form a bulk-shaped thermoelectric conversion element, which is cut into a predetermined size to form a P-type semiconductor chip, An N-type semiconductor chip is manufactured. The shape of this thermoelectric conversion element is generally a prism.
This thermoelectric conversion element is a P-type semiconductor chip via electrodes,
N-type semiconductor chips are alternately connected in series by solder to form one unit. In addition, a plurality of series units may be connected in parallel to form one module depending on the electrode connection method. When this is used as a thermoelectric cooling element, if a negative voltage is applied to the P-side terminal and a positive voltage is applied to the N-side terminal, the electrode side on the upper surface of the unit in FIG. 8 becomes the heat absorbing surface and the electrode on the lower surface of the unit becomes the heat generating surface. Although not shown, a heat exchanger is usually installed to cover the upper and lower electrode surfaces via an electrode insulating substrate to improve the performance of the element by reducing the temperature difference between the high temperature and the low temperature of the element. .

【0005】また、特開昭62−177985号公報に
は薄膜熱電変換素子を使用して積層構造を有した熱電変
換モジュールが記載されている。その要部構成を図9に
示し、(A)は要素基板断面図、(B)は積層断面図、
(C)は完成した熱電変換素子の断面図を示している。
図9において、81はガラス基板、82はNiメタライ
ズ膜、83はP型熱電膜、84はN型熱電膜、85は要
素基板、86は接着剤、87は導電性ペースト、88は
Cu板、89は接着剤、90は電極を示している。この
動作については、上記のバルク状熱電変換モジュールの
場合と同様であるが、この場合、薄膜(2μm)を積層
しているため50ケ積層を行っても、モジュール厚さは
30mm程度であると記載されている。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-177985 discloses a thermoelectric conversion module having a laminated structure using a thin film thermoelectric conversion element. FIG. 9 shows the configuration of the main part thereof, (A) is a sectional view of the element substrate, (B) is a sectional view of the layers,
(C) has shown the cross section of the completed thermoelectric conversion element.
In FIG. 9, 81 is a glass substrate, 82 is a Ni metallized film, 83 is a P-type thermoelectric film, 84 is an N-type thermoelectric film, 85 is an element substrate, 86 is an adhesive, 87 is a conductive paste, 88 is a Cu plate, 89 indicates an adhesive and 90 indicates an electrode. This operation is similar to the case of the bulk thermoelectric conversion module described above, but in this case, the thin film (2 μm) is laminated, so that the module thickness is about 30 mm even if 50 layers are laminated. Have been described.

【0006】また、特開平2−198181号公報に
は、Roll To Roll法による製造方法が記載されている。
この製造方法は、ドープ元素の蒸着・非蒸着をシャッタ
により制御しながら、絶縁フィルム上にP型半導体とN
型半導体を交互に同一平面に作成して、図8に示される
ような構造を形成する。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 2-198181 describes a manufacturing method by the Roll To Roll method.
In this manufacturing method, a P-type semiconductor and an N-type semiconductor are formed on an insulating film while controlling the deposition / non-deposition of a doping element with a shutter.
Alternate mold semiconductors are created in the same plane to form the structure as shown in FIG.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上述のような熱電変換
素子をはじめとするパワーデバイスでは、性能向上を図
るべく多層構造を必要とすることがある。しかし、バル
ク状や薄膜状の半導体素子にあっては、積層することに
より面積および体積は大きくなり、適用範囲が狭くなる
と同時に機械的強度が弱くなる欠点があった。特に、Ro
ll To Roll法により製造されたフィルム基板を有する半
導体素子では、機械的強度が劣ることによって、リジッ
ドな基板に形成された半導体素子よりダメージを受けや
すくなる。
A power device such as the thermoelectric conversion element as described above may require a multilayer structure in order to improve the performance. However, in the case of bulk-shaped or thin-film-shaped semiconductor elements, there is a defect that the area and volume are increased by stacking and the applicable range is narrowed and mechanical strength is weakened. In particular, Ro
A semiconductor element having a film substrate manufactured by the ll to roll method has a lower mechanical strength, and thus is more easily damaged than a semiconductor element formed on a rigid substrate.

【0008】また、このような積層構造の半導体素子の
形状は、角柱状が一般的で、任意にその形状を変えるこ
とは困難であった。従って、例えば上述の熱電変換モジ
ュールの形状にあわせて、半導体素子の形状を設定する
ことができず、熱電変換モジュールの形状の自由度は極
めて低かった。
The semiconductor element having such a laminated structure generally has a prismatic shape, and it has been difficult to arbitrarily change the shape. Therefore, for example, the shape of the semiconductor element cannot be set according to the shape of the thermoelectric conversion module described above, and the degree of freedom of the shape of the thermoelectric conversion module is extremely low.

【0009】また、上記のようなバルク状および薄膜の
熱電変換素子では、積層構造としても性能を向上させる
ことが困難であり、熱電変換の効率を向上させることが
できなかった。その理由について以下に説明する。熱電
変換素子の性能については、性能指数Zにより表現され
Zが大きいほど熱電変換装置の性能は向上する。図10
に、種々の代表的な熱電材料の温度とZの関係を示す。
同図において、(A)はP型熱電変換半導体の材料、
(B)はN型熱電変換半導体の材料についての特性図で
ある。(上村欽一、西田勲夫:“熱電半導体とその効
用”、1988、p36)。図10により材料により最
適な温度使用範囲があり、一般的な空調機や冷蔵庫の温
度レベル(約300K)で熱電冷却素子を使用するなら
ば、Bi,Te,Sb,Se等のカルゴゲナイト系の材
料の化合物材料が最適である。これらの材料の場合でも
性能指数は2.5×10-3(1/K)程度であり、これ
に使用温度を乗じた無次元性能指数ZTは、主に高温で
の熱電発電に用いられる材料も含めてZT≒1程度が現
状である。従って、バルク状および薄膜状の熱電変換素
子を積層しても無次元性能指数ZTには変化がなく、熱
電変換素子の効率には有効な効果を得られるものではな
い。
Further, in the bulk and thin film thermoelectric conversion elements as described above, it is difficult to improve the performance even with a laminated structure, and the efficiency of thermoelectric conversion cannot be improved. The reason will be described below. The performance of the thermoelectric conversion element is represented by the performance index Z, and the larger Z is, the higher the performance of the thermoelectric conversion device is. FIG.
Shows the relationship between the temperature and Z of various typical thermoelectric materials.
In the figure, (A) is the material of the P-type thermoelectric conversion semiconductor,
(B) is a characteristic diagram of a material of an N-type thermoelectric conversion semiconductor. (Kinichi Uemura, Isao Nishida: "Thermoelectric semiconductor and its utility", 1988, p36). According to FIG. 10, there is an optimum temperature use range depending on the material, and if a thermoelectric cooling element is used at a temperature level (about 300 K) of a general air conditioner or a refrigerator, a chalcogenite-based material such as Bi, Te, Sb, Se, etc. The compound material of is most suitable. Even in the case of these materials, the figure of merit is about 2.5 × 10 −3 (1 / K), and the dimensionless figure of merit ZT obtained by multiplying this by the operating temperature is the material mainly used for thermoelectric power generation at high temperature. Including the above, the current situation is about ZT≈1. Therefore, even if the bulk-shaped and thin-film-shaped thermoelectric conversion elements are stacked, the dimensionless figure of merit ZT does not change, and an effective effect on the efficiency of the thermoelectric conversion elements cannot be obtained.

【0010】本発明の目的は、上述の問題点を鑑み、容
易に半導体を任意の形状に積層でき、コンパクトで性能
の向上が図れる半導体素子及びその製造方法を提案する
ものである。
In view of the above-mentioned problems, an object of the present invention is to propose a semiconductor device in which semiconductors can be easily laminated in an arbitrary shape, which is compact and whose performance can be improved, and a manufacturing method thereof.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明は、フレキシブル
なフィルム状絶縁基板と、該フィルム状絶縁基板の片面
上に形成された半導体とからなり、前記フィルム状絶縁
基板を巻いて半導体を積層する構造とすることを特徴と
する半導体素子である。この半導体素子にあっては、前
記半導体が、熱電変換用の半導体材料からなる超薄膜に
よる超格子構造とする。
The present invention comprises a flexible film-like insulating substrate and a semiconductor formed on one surface of the film-like insulating substrate. The film-like insulating substrate is wound to stack semiconductors. A semiconductor element having a structure. In this semiconductor element, the semiconductor has a superlattice structure of an ultrathin film made of a semiconductor material for thermoelectric conversion.

【0012】また他の本発明は、フレキシブルなフィル
ム状絶縁基板の片面上に半導体を形成し、その後前記フ
ィルム状絶縁基板をロールで巻き取り半導体を積層して
半導体素子を製造し、その際所望の形状の半導体素子と
同形状のロールを用いることを特徴とする半導体素子の
製造方法である。
According to another aspect of the present invention, a semiconductor is formed on one surface of a flexible film-like insulating substrate, and then the film-like insulating substrate is wound with a roll to laminate the semiconductors to manufacture a semiconductor element. A method of manufacturing a semiconductor element, characterized in that a roll having the same shape as that of the semiconductor element having the above shape is used.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】最近、Bi2Te3の結晶材料につ
いて、超格子による二次元量子井戸構造により無次元性
能指数ZTがバルク材料の約7倍に達するという理論的
考察(L.D.Hicks,“Effect of quantum-well stracture
s on the thermoelestric figure ofmerit",1994)がな
されている。これは、超格子界面でのフォノン錯乱によ
るフォノン伝導率の低減効果と、電子の量子井戸への綴
じ込め効果により電子とフォノンの相互作用が減少する
電気伝導率の向上とが主な要因である。本文献による単
位格子層の膜厚と無次元性能指数ZTの計算結果を図1
に示す。電流方向のBi2Te3の結晶包囲によって結果
が異なるが、例えばa0−b0面では膜厚が40オングス
トローム以下で効果が現れ、a0−c0面で10オングス
トローム程度までの薄膜化でバルクの約7倍のZが得ら
れる結果が示されている。超格子構造は例えば量子井戸
レーザで構成され実用化されているが、それはレーザ光
発光素子の一部微小部分に形成されているものでMBE
(Molecular Beam Epitaxy)による超精密成膜により実
現され商品として生産されている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Recently, for a crystal material of Bi 2 Te 3 , a theoretical consideration that the dimensionless figure of merit ZT reaches about 7 times that of a bulk material due to a two-dimensional quantum well structure by a superlattice (LDHicks, “Effect of quantum-well stracture
s on the thermoelestric figure of merit ", 1994), in which phonon conductivity is reduced by phonon confusion at the superlattice interface, and electron-phonon interaction is caused by the binding effect of electrons in quantum wells. The main factor is the improvement in electrical conductivity, which is the result of calculation of the thickness of the unit cell layer and the dimensionless figure of merit ZT according to this document.
Shown in The result varies depending on the crystal surrounding of Bi 2 Te 3 in the current direction. For example, the effect appears when the film thickness is 40 angstroms or less on the a 0 -b 0 plane, and the film thickness is reduced to about 10 angstroms on the a 0 -c 0 plane. Results are shown that yield about 7 times the bulk Z. The superlattice structure is composed of, for example, a quantum well laser and has been put into practical use. However, it is formed in a minute portion of a laser light emitting element, and MBE
It is produced as a product realized by ultra-precision film formation by (Molecular Beam Epitaxy).

【0014】そこで、本発明者らは、この超格子による
性能指数向上の原理から超薄膜によって同様の効果が得
られると考え、フレキシブルなフィルム状絶縁基板上に
超薄膜を有する半導体材料を形成し、それらを巻き取っ
て積層した半導体ロールチップを考え出した。以下、本
発明の実施の形態を、図を参照しながら説明をする。
Therefore, the present inventors believe that the same effect can be obtained by the ultrathin film from the principle of improving the figure of merit by the superlattice, and form a semiconductor material having the ultrathin film on a flexible film-like insulating substrate. , A semiconductor roll chip in which they are wound and laminated is devised. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0015】(第1の実施形態)図2は、本発明に係る
半導体素子である半導体ロールチップの第1の実施形態
を示す構成図である。(A)は、半導体ロールチップを
示す部分断面斜視図であり、(B)はその断面部分aの
拡大図である。この半導体ロールチップ1は、円柱形状
の熱電変換用の半導体素子であり、高分子材料であるポ
リイミドやテフロン等のフレキシブルなフィルム状絶縁
基板2と、その片面の全面に形成した熱電変換用の半導
体3とからなり、フィルム状絶縁基板2を円柱状に巻き
取ることで、前記半導体3を積層した構造である。半導
体3は、超薄膜のP型熱変換半導体あるいはN型熱変換
半導体である。そして、図示してはいないが、この半導
体ロールチップ1の端部をポリイミドやテフロン等の耐
熱性のテープで固定して、ロールが解けないようにして
いる。このようなロール保持手段は、コンデンサ等の製
造において、一般的であるので詳細な説明は省略する。
(First Embodiment) FIG. 2 is a constitutional view showing a first embodiment of a semiconductor roll chip which is a semiconductor element according to the present invention. (A) is a partial cross-sectional perspective view showing a semiconductor roll chip, and (B) is an enlarged view of the cross-sectional part a. This semiconductor roll chip 1 is a cylindrical semiconductor element for thermoelectric conversion, and includes a flexible film-like insulating substrate 2 made of a polymer material such as polyimide or Teflon, and a semiconductor for thermoelectric conversion formed on one entire surface thereof. 3 and has a structure in which the semiconductor 3 is laminated by winding the film-shaped insulating substrate 2 into a cylindrical shape. The semiconductor 3 is an ultra-thin P-type heat conversion semiconductor or an N-type heat conversion semiconductor. Although not shown, the end of the semiconductor roll chip 1 is fixed with a heat-resistant tape such as polyimide or Teflon to prevent the roll from unraveling. Since such roll holding means is common in the manufacture of capacitors and the like, detailed description thereof will be omitted.

【0016】図3は、第1の実施形態の半導体素子の製
造装置を示す構成図である。図3において、11はフレ
キシブルフィルム状絶縁基板、12は第1巻き取りロー
ラ、13は第2巻き取りローラ、14は薄膜熱電変換半
導体形成装置、15は分子線源炉、16は坩堝、17は
ターゲット加熱用ヒータ、18はターゲット、19は基
板加熱用ヒータ、20は基板用温度センサ、21はマス
ク、22はシャッタ、23は膜厚計、24は真空容器、
25は真空引き装置を示している。
FIG. 3 is a block diagram showing a semiconductor device manufacturing apparatus according to the first embodiment. In FIG. 3, 11 is a flexible film insulating substrate, 12 is a first winding roller, 13 is a second winding roller, 14 is a thin film thermoelectric conversion semiconductor forming device, 15 is a molecular beam source furnace, 16 is a crucible, and 17 is Target heating heater, 18 is a target, 19 is a substrate heating heater, 20 is a substrate temperature sensor, 21 is a mask, 22 is a shutter, 23 is a film thickness meter, 24 is a vacuum container,
Reference numeral 25 denotes an evacuation device.

【0017】以下に各部品の形状および寸法等について
示す。フレキシブルなフィルム状絶縁基板1は、フレキ
シブルな性質を有して熱伝導率の低い絶縁性物質であれ
ば問題はなく、例えば、上述のようにポリイミドを用い
る。ここで、ポリイミド基板は幅10mm程度のもので第
2巻き取りローラ13に巻き取ってあるものとする。こ
のフィルム状絶縁基板11の片端は第1巻き取りローラ
12に取り付けており、成膜後図中には記載していない
が、真空容器外にある第1巻き取りローラ12のモータ
を駆動させることにより巻き取るものである。ここで、
絶縁基板11は発熱面から吸熱面への熱の流路となるた
め、基板厚みはなるべく薄く、かつ熱伝導率は小さいも
のが好ましい。
The shapes and dimensions of each component are shown below. The flexible film-like insulating substrate 1 has no problem as long as it is an insulating substance having a flexible property and a low thermal conductivity, and for example, polyimide is used as described above. Here, it is assumed that the polyimide substrate has a width of about 10 mm and is wound around the second winding roller 13. One end of this film-like insulating substrate 11 is attached to the first winding roller 12, and after film formation, although not shown in the drawing, drive the motor of the first winding roller 12 outside the vacuum container. It is to be wound up by. here,
Since the insulating substrate 11 serves as a heat flow path from the heat generating surface to the heat absorbing surface, it is preferable that the thickness of the substrate is as thin as possible and the thermal conductivity is small.

【0018】また、薄膜熱電変換半導体形成装置14に
関しては、合金材料による単元蒸着機、単体材料を同時
にまたは多層に蒸着できる多元蒸着機、スパッタ、CV
D等の種々の方法が考えられる。ただし、現在の技術で
は単結晶を40オングストローム程の薄膜で形成するに
は、MBE(Molecular Beam Epitaxy)等の装置による
成膜が考えられる。ここでは、MBE等の装置の詳細な
説明は複雑であるため、主要部分の説明を行う。
Regarding the thin-film thermoelectric conversion semiconductor forming device 14, a single vapor deposition machine using alloy materials, a multi-source vapor deposition machine capable of depositing single materials simultaneously or in multiple layers, sputtering, CV.
Various methods such as D can be considered. However, in the present technology, in order to form a single crystal as a thin film of about 40 angstrom, film formation by an apparatus such as MBE (Molecular Beam Epitaxy) can be considered. Here, since the detailed description of the device such as the MBE is complicated, the main part will be described.

【0019】まず、蒸着源である分子線源炉15の説明
を行う。この分子線源炉5はPBN(Pyrolytic Born N
iteride)製の坩堝16、タングステン製のターゲット
加熱用ヒータ17が主要な要素である。図中には記載し
ていないが、分子線源炉15は、タンタル製の熱シール
により保護されており、W−Re(5−26%)熱電対
が配置されている。この分子線源炉15にターゲット1
8(カルゴゲナイト系)を挿入し蒸発させる(約500
℃)。
First, the molecular beam source furnace 15, which is a vapor deposition source, will be described. This molecular beam source reactor 5 is a PBN (Pyrolytic Born N
The main elements are a crucible 16 made of iteride) and a target heating heater 17 made of tungsten. Although not shown in the drawing, the molecular beam source furnace 15 is protected by a heat seal made of tantalum, and a W-Re (5-26%) thermocouple is arranged. This molecular beam source furnace 15 has a target 1
8 (chalgogenite type) is inserted and evaporated (about 500
° C).

【0020】次に、基板加熱ヒータ19はハロゲンラン
プヒータ等が使用され基板11を約250℃程度まで加
熱する。基板用センサ20はクロメル−アルメル熱電対
を用いて基板加熱ヒータ19の制御を行う。マスク21
はステンレス製であり15mm(幅)×15mm(長
さ)×0.3mm(厚み)程度であり、その中央に10mm
×10mmの穴があいている。また、マスク21には成膜
時においては、図中には記載していないモータにより基
板に密着させるものとする。シャッタ22はステンレス
製であり、図中に記載していないホースにより圧搾空気
(5kg/cm2)により開閉される。
Next, a halogen lamp heater or the like is used as the substrate heating heater 19 to heat the substrate 11 to about 250.degree. The substrate sensor 20 controls the substrate heater 19 using a chromel-alumel thermocouple. Mask 21
Is made of stainless steel and is about 15 mm (width) x 15 mm (length) x 0.3 mm (thickness) with 10 mm in the center.
There is a hole of × 10mm. In addition, the mask 21 is brought into close contact with the substrate by a motor (not shown) during film formation. The shutter 22 is made of stainless steel and is opened and closed by compressed air (5 kg / cm 2 ) by a hose not shown in the figure.

【0021】膜厚計23は反射高速電子回折(RHEE
D)装置等が考えられ、この装置の情報により、その他
の第1および第2巻き取りローラ12,13、マスク2
1、シャッタ22などの制御を行うものである。真空容
器24については、ガラス製のものとする。また、真空
引き装置25はターボ分子ポンプ、拡散ポンプおよび油
回転ポンプにより構成されている。
The film thickness meter 23 is a reflection high-energy electron diffraction (RHEE)
D) A device or the like is conceivable. Based on the information of this device, the other first and second take-up rollers 12 and 13, the mask 2
1, the shutter 22 and the like are controlled. The vacuum container 24 is made of glass. The evacuation device 25 is composed of a turbo molecular pump, a diffusion pump, and an oil rotary pump.

【0022】次に、この製造装置の動作の説明を行う。
薄膜熱電変換半導体の作成装置は真空装置内に設置され
ており、フィルム状絶縁基板11は第2巻き取りローラ
13に巻き付けた状態でセットされており、一端は第1
巻き取りローラ12に取り付けた状態である。薄膜熱電
変換半導体形成装置14の分子線源炉16には、例えば
Bi,Sb,Te等のカルゴゲナイト系材料を主成分と
するP型熱電変換半導体、またはN型熱電変換半導体の
材料ターゲット18を挿入し、真空引き装置25により
真空容器24内を10-8Torr以下の真空状態にして
真空容器24内の基板材料等の不必要なガスを排出す
る。十分なガス出しを行った後、基板加熱用ヒータ19
およびターゲット加熱用ヒータ17に通電し、蒸発源お
よび基板をそれぞれ500℃、250℃程度まで加熱す
る。また、それぞれのセンサにより各ヒータは制御され
るものである。
Next, the operation of this manufacturing apparatus will be described.
The thin-film thermoelectric conversion semiconductor manufacturing apparatus is installed in a vacuum apparatus, the film-shaped insulating substrate 11 is set in a state of being wound around the second winding roller 13, and one end is the first
It is in a state of being attached to the take-up roller 12. Into the molecular beam source furnace 16 of the thin film thermoelectric conversion semiconductor forming apparatus 14, for example, a material target 18 of a P-type thermoelectric conversion semiconductor or an N-type thermoelectric conversion semiconductor whose main component is a chalcogenite-based material such as Bi, Sb or Te is inserted. Then, the inside of the vacuum container 24 is made into a vacuum state of 10 −8 Torr or less by the vacuuming device 25, and unnecessary gas such as the substrate material in the vacuum container 24 is discharged. After performing sufficient gas discharge, the heater 19 for heating the substrate
Then, the target heating heater 17 is energized to heat the evaporation source and the substrate to about 500 ° C. and 250 ° C., respectively. Further, each heater is controlled by each sensor.

【0023】所定の条件に達した後、マスク21をフレ
キシブルなフィルム状絶縁基板11に密着させシャッタ
22を開ける。蒸発した熱電変換材料はマスク21を通
してフィルム状絶縁基板11に半導体を形成する。膜厚
計23により形成された薄膜膜厚を計測し、希望膜厚
(40オングストローム程度)に達するとシャッタ22
を閉じマスク21を下げる。その後第1巻き取りローラ
12を回転させて次の蒸着面をマスク21に合わせて、
上記の動作を繰り返しフレキシブルフィルム状絶縁基板
上に薄膜熱電変換半導体を形成する。この工程を連続し
て行うことにより、円柱形のP型およびN型薄膜熱電変
換半導体ロールチップが作成できる。
After the predetermined conditions are reached, the mask 21 is brought into close contact with the flexible film-like insulating substrate 11 and the shutter 22 is opened. The evaporated thermoelectric conversion material forms a semiconductor on the film-shaped insulating substrate 11 through the mask 21. The thin film thickness formed by the film thickness meter 23 is measured, and when the desired film thickness (about 40 Å) is reached, the shutter 22
Closed and the mask 21 is lowered. Then, the first winding roller 12 is rotated to align the next vapor deposition surface with the mask 21,
The above operation is repeated to form a thin film thermoelectric conversion semiconductor on the flexible film-like insulating substrate. By continuously performing this step, cylindrical P-type and N-type thin film thermoelectric conversion semiconductor roll chips can be produced.

【0024】図4に、第1の実施形態の半導体素子を用
いた熱電変換モジュールを示す。同図において、26は
P型薄膜熱電変換半導体ロールチップ、27はN型薄膜
熱電変換半導体ロールチップ、28,29はセラミック
基板を示している。
FIG. 4 shows a thermoelectric conversion module using the semiconductor element of the first embodiment. In the figure, 26 is a P-type thin film thermoelectric conversion semiconductor roll chip, 27 is an N-type thin film thermoelectric conversion semiconductor roll chip, and 28 and 29 are ceramic substrates.

【0025】このモジュールの作成方法は、従来のバル
ク状熱電変換素子を用いたモジュールと同様にセラミッ
ク等の電極パターニングを行った基板上に配置し、半田
ペースト等で薄膜熱電変換半導体ロールチップ26,2
7を熱処理により電極に接触させる。この工程により従
来のバルク状の熱電変換素子を用いた熱電変換モジュー
ルと同様な形状で且つ超薄膜による特性を利用した薄膜
熱電変換半導体ロールチップ26,27を用いて、熱電
変換モジュールを作成することができる。
This module is manufactured by arranging the thin film thermoelectric conversion semiconductor roll chip 26 with a solder paste or the like on a substrate on which an electrode pattern of ceramic or the like is patterned, as in the case of a module using a conventional bulk thermoelectric conversion element. Two
7 is brought into contact with the electrode by heat treatment. By this step, a thermoelectric conversion module is formed using thin-film thermoelectric conversion semiconductor roll chips 26, 27 having the same shape as a conventional thermoelectric conversion module using a bulk thermoelectric conversion element and utilizing the characteristics of an ultrathin film. You can

【0026】また、ここではMBE等の装置の例を示し
たが、従来の真空蒸着機等を使用しても超薄膜の成膜は
可能である。従来の真空蒸着機等では、超薄膜レベルの
成膜はアイランド現象等により困難であるとされている
が、以下に示す方法により、この問題は解決できる。即
ち、マスク形状(半導体材料を蒸着させる部分)を小さ
くし第1巻き取りローラ12を連続して動作させ、フレ
キシブルフィルム状絶縁基板11上に熱電変換材料を連
続蒸着させることにより、均一にフレキシブルフィルム
状絶縁基板11状に超薄膜を形成できる。
Although an example of an apparatus such as MBE is shown here, an ultra-thin film can be formed by using a conventional vacuum vapor deposition machine or the like. It is said that it is difficult to form an ultra-thin film on a conventional vacuum vapor deposition machine due to an island phenomenon or the like, but this problem can be solved by the method described below. That is, the mask shape (the portion on which the semiconductor material is deposited) is reduced, the first winding roller 12 is continuously operated, and the thermoelectric conversion material is continuously deposited on the flexible film-shaped insulating substrate 11, so that the flexible film is uniformly formed. An ultrathin film can be formed on the insulating substrate 11.

【0027】(第2実施形態)図5に、本発明に係る半
導体素子である半導体ロールチップの第2の実施形態を
示す。同図の(A)は、半導体ロールチップの部分断面
斜視図であり、(B)は断面部分bの拡大図である。こ
の半導体ロールチップ31は、三角柱形状の熱電変換用
の素子であり、第1の実施形態と同様に、ポリイミドや
テフロン等のフレキシブルなフィルム状絶縁基板32
と、その片面の全面に形成した熱電変換用の半導体32
とからなり、フィルム状絶縁基板32を巻き取ること
で、前記半導体32を積層した構造である。そして、図
示してはいないが、この半導体ロールチップ31の端部
をポリイミドやテフロン等の耐熱性の粘着テープで固定
して、ロールが解けないようにしている。三角形状の両
端面には、接続用の電極がペースト半田34で形成され
ている。
(Second Embodiment) FIG. 5 shows a second embodiment of a semiconductor roll chip which is a semiconductor element according to the present invention. (A) of the figure is a partial cross-sectional perspective view of the semiconductor roll chip, and (B) is an enlarged view of the cross-sectional part b. The semiconductor roll chip 31 is a triangular prism-shaped thermoelectric conversion element, and like the first embodiment, a flexible film-like insulating substrate 32 such as polyimide or Teflon.
And a semiconductor 32 for thermoelectric conversion formed on the entire surface of one side thereof
And has a structure in which the semiconductor 32 is laminated by winding the film-like insulating substrate 32. Although not shown, the end of the semiconductor roll chip 31 is fixed with a heat-resistant adhesive tape such as polyimide or Teflon to prevent the roll from unraveling. Electrodes for connection are formed by paste solder 34 on both end faces of the triangular shape.

【0028】図6は、第2の実施形態の半導体素子の製
造装置を示す構成図である。この製造装置は、第1およ
び第2巻き取りローラ12,13の形状と電極用ペース
ト作成装置35の設置以外は、図3と同様の装置で構成
したものであるため、相違部分のみ説明を行う。
FIG. 6 is a block diagram showing a semiconductor device manufacturing apparatus according to the second embodiment. This manufacturing apparatus is the same as that of FIG. 3 except for the shapes of the first and second take-up rollers 12 and 13 and the installation of the electrode paste preparation apparatus 35, and therefore only the differences will be described. .

【0029】第1および第2巻き取りローラ12,13
の中心形状を図6のように三角形のものを使用すること
により、完成後の薄膜熱電変換半導体ロールチップの形
状を三角柱にするものである。また、電極用ペースト作
成装置35はペースト半田を塗布するものであり、半田
塗布用ローラ等でフレキシブルフィルム状絶縁基板11
の両端(約1〜2mm程度)に半田を塗布する。その後、
第1実施形態に記載した工程を行うことにより、三角柱
状のP型およびN型薄膜熱電変換半導体ロールチップを
作成することができる。
First and second take-up rollers 12, 13
The shape of the thin film thermoelectric conversion semiconductor roll chip after completion is made into a triangular prism by using a triangular shape as shown in FIG. Further, the electrode paste preparation device 35 is for applying paste solder, and the flexible film-shaped insulating substrate 11 can be formed by a solder application roller or the like.
Apply solder to both ends (about 1-2 mm). afterwards,
By performing the steps described in the first embodiment, triangular columnar P-type and N-type thin film thermoelectric conversion semiconductor roll chips can be produced.

【0030】ここで、上記の動作であれば電極用ペース
ト作成時において真空装置24内に半田等からの発生ガ
スにより、薄膜熱電変換半導体ロールチップの製造に影
響を及ぼす場合も考えられる。このような場合、電極用
ペーストもしくは薄膜熱電変換半導体のいずれか一方を
フレキシブルフィルム状絶縁基板11に形成しながら、
第1および第2巻き取りローラ12,13のいずれかに
より巻き取る。所定の長さに成膜した後、第1および第
2巻き取りローラ12,13の上記のものとは別の巻き
取りローラを逆方向に回転させ、電極用ペーストもしく
は薄膜熱電変換半導体の残りの一方を成膜させることに
より、薄膜電極付きの薄膜熱電変換半導体ロールチップ
を作成することができる。この後の薄膜熱電変換モジュ
ールの作成については上記の通りである。また、電極作
成は上述の手段に限定されるものではなく、通常の蒸着
機等により行っても構わない。
In the above operation, the gas generated from solder or the like in the vacuum device 24 during the preparation of the electrode paste may affect the production of the thin film thermoelectric conversion semiconductor roll chip. In such a case, while forming either the electrode paste or the thin film thermoelectric conversion semiconductor on the flexible film-shaped insulating substrate 11,
It is wound by either of the first and second winding rollers 12 and 13. After the film is formed to a predetermined length, the take-up rollers of the first and second take-up rollers 12 and 13 different from those described above are rotated in the opposite direction, and the remaining paste of the electrode paste or the thin film thermoelectric conversion semiconductor is removed. By depositing one of them, a thin film thermoelectric conversion semiconductor roll chip with a thin film electrode can be prepared. The subsequent fabrication of the thin film thermoelectric conversion module is as described above. Further, the electrode production is not limited to the above-mentioned means, and may be performed by an ordinary vapor deposition machine or the like.

【0031】この工程を連続して行うことにより、三角
柱のP型およびN型薄膜熱電変換半導体ロールチップが
作成できる。図7に本発明の構造を示した熱電変換モジ
ュールの実施例を示す。図7において、36はP型薄膜
熱電変換半導体ロールチップ、37はN型薄膜熱電変換
半導体ロールチップ、38,39はセラミック基板を示
している。
By continuously performing this step, triangular prism P-type and N-type thin film thermoelectric conversion semiconductor roll chips can be produced. FIG. 7 shows an embodiment of a thermoelectric conversion module showing the structure of the present invention. In FIG. 7, 36 is a P-type thin film thermoelectric conversion semiconductor roll chip, 37 is an N-type thin film thermoelectric conversion semiconductor roll chip, and 38 and 39 are ceramic substrates.

【0032】図7より分かるように、三角柱型のP型お
よびN型薄膜熱電変換半導体ロールチップ36,37の
対により作成した薄膜熱電変換モジュールは、三角形型
を形成でき、従来の四角柱型の熱電変換半導体ロールチ
ップを使用するより効率的に配置でき、同じ三角形形状
のモジュールにおいて、他の形状の熱電変換半導体ロー
ルチップを高密度に多数配置でき、能力的に向上させる
ことができる。
As can be seen from FIG. 7, the thin film thermoelectric conversion module formed by the pair of triangular prism type P-type and N-type thin film thermoelectric conversion semiconductor roll chips 36 and 37 can form a triangular type, and can be formed in a conventional square column type. The thermoelectric conversion semiconductor roll chips can be arranged more efficiently, and a large number of thermoelectric conversion semiconductor roll chips of other shapes can be arranged in a high density in the same triangular module, which can be improved in capability.

【0033】このように、所望の形状の半導体ロールチ
ップと同形状のロールを用いることにより、この半導体
ロールチップが容易に製造可能で、薄膜熱電変換モジュ
ールの形状に併せて、高密度に多数配置でき、能力的に
向上させることができる最も最適な形状を選択できる。
特に、三角柱型、四角柱型、六角柱型等の半導体ロール
チップは配置するときのかみ合いがよく、高密度で効率
的に配置でき、コンパクトな薄膜熱電変換モジュールを
形成できる。
As described above, by using a roll having the same shape as the semiconductor roll chip having a desired shape, this semiconductor roll chip can be easily manufactured, and a large number of the semiconductor roll chips can be arranged in high density in accordance with the shape of the thin film thermoelectric conversion module. The most optimal shape that can be improved and can be improved can be selected.
Particularly, semiconductor roll chips of triangular prism type, quadrangular column type, hexagonal column type and the like have good meshing when arranged, and can be efficiently arranged with high density, and a compact thin film thermoelectric conversion module can be formed.

【0034】上述の実施形態においては、熱電変換用の
半導体素子について詳述したが、本発明は熱電変換の半
導体素子に限られるものではなく、パワーデバイスに用
いる積層構造の半導体素子にも適用できる。薄膜の積層
構造によって性能向上を図ることができる半導体素子の
場合、フィルム状基板をロールすることで積層する構造
は、簡単に製造できて、機械的強度も劣化しないという
効果が得られるので、非常に有用である。
In the above-mentioned embodiments, the semiconductor element for thermoelectric conversion has been described in detail, but the present invention is not limited to the semiconductor element for thermoelectric conversion and can be applied to a semiconductor element having a laminated structure used for a power device. . In the case of a semiconductor device whose performance can be improved by the laminated structure of thin films, the structure in which the film-like substrates are laminated by rolling has an effect that it can be easily manufactured and mechanical strength is not deteriorated. Useful for.

【0035】[0035]

【発明の効果】本発明によれば、フレキシブルフィルム
状絶縁基板の片面に半導体を形成し、フィルム状絶縁基
板を巻いて半導体を積層することにより、積層構造が容
易に形成でき、機械的強度も積層構造でないものに比較
しても劣ることはない。しかもフイルム状基板を用いて
いるので、半導体素子の形状を容易に設定でき、半導体
素子を多数配置するモジュールを組み立てるときには、
そのモジュール形状に応じて最適な形状の半導体素子を
用いることができる。また、半導体が超薄膜による超格
子構造で熱電変換機能を有するものであれば、積層構造
にすることにより、超格子による性能指数向上の原理に
基づき、顕著な熱変換性能の向上が図れる。
According to the present invention, a semiconductor is formed on one surface of a flexible film-like insulating substrate, and the film-like insulating substrate is wound to laminate the semiconductors, whereby a laminated structure can be easily formed and mechanical strength is also increased. It is not inferior to the one without a laminated structure. Moreover, since the film-shaped substrate is used, the shape of the semiconductor element can be easily set, and when assembling a module in which a large number of semiconductor elements are arranged,
A semiconductor element having an optimum shape can be used according to the module shape. If the semiconductor is a superlattice structure having an ultrathin film and having a thermoelectric conversion function, a laminated structure can significantly improve the heat conversion performance based on the principle of performance index improvement by the superlattice.

【0036】他の発明によれば、フレキシブルなフィル
ム状絶縁基板を走行させて、該フィルム状絶縁基板の片
面上に半導体を形成し、その後前記フィルム状絶縁基板
をロールで巻き取り半導体を積層して半導体素子を製造
し、その際所望の形状の半導体素子と同形状のロールを
用いるから、所望の形状の半導体素子を極めて容易に且
つ効率的に製造できる。
According to another invention, a flexible film-like insulating substrate is run to form a semiconductor on one surface of the film-like insulating substrate, and then the film-like insulating substrate is wound with a roll to laminate semiconductors. A semiconductor element having a desired shape can be manufactured very easily and efficiently because a semiconductor element having a desired shape and a roll having the same shape are used.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】単位格子層の膜厚と無次元性能指数の計算結果
との関係図である。
FIG. 1 is a relationship diagram between a film thickness of a unit lattice layer and a calculation result of a dimensionless figure of merit.

【図2】(A)は、本発明に係る半導体素子である半導
体ロールチップの第1の実施形態を示す構成図であり、
(B)は、(A)の矢印aの拡大図である。
FIG. 2A is a configuration diagram showing a first embodiment of a semiconductor roll chip which is a semiconductor element according to the present invention,
(B) is an enlarged view of the arrow a in (A).

【図3】第1の実施形態の半導体ロールチップの製造装
置を示す構成図である。
FIG. 3 is a configuration diagram showing a semiconductor roll chip manufacturing apparatus of the first embodiment.

【図4】第1の実施形態の半導体ロールチップを用いた
薄膜熱電変換モジュールを示す構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram showing a thin-film thermoelectric conversion module using the semiconductor roll chip of the first embodiment.

【図5】(A)は、本発明に係る半導体素子である半導
体ロールチップの第2の実施形態を示す構成図であり、
(B)は、(A)の矢印bの拡大図である。
FIG. 5A is a configuration diagram showing a second embodiment of a semiconductor roll chip which is a semiconductor element according to the present invention,
(B) is an enlarged view of the arrow b in (A).

【図6】第2の実施形態の半導体ロールチップの製造装
置を示す構成図である。
FIG. 6 is a configuration diagram showing an apparatus for manufacturing a semiconductor roll chip according to a second embodiment.

【図7】第2の実施形態の半導体ロールチップを用いた
薄膜熱電変換モジュールを示す構成図である。
FIG. 7 is a configuration diagram showing a thin film thermoelectric conversion module using the semiconductor roll chip of the second embodiment.

【図8】従来のバルク材を用いた熱電変換モジュールの
構成図である。
FIG. 8 is a configuration diagram of a thermoelectric conversion module using a conventional bulk material.

【図9】(A)〜(C)は、それぞれ従来の薄膜熱電変
換モジュールの構成図である。
9A to 9C are configuration diagrams of a conventional thin film thermoelectric conversion module.

【図10】(A)及び(B)は、種々の代表的な熱電変
換材料の温度と性能指数との関係図である。
10 (A) and 10 (B) are graphs showing the relationship between the temperature and the figure of merit of various typical thermoelectric conversion materials.

【符号の説明】 1 半導体ロールチップ 2 フィルム状絶縁基板 3 半導体[Explanation of symbols] 1 semiconductor roll chip 2 film-like insulating substrate 3 semiconductor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 湊 和明 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 原田 茂夫 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 山本 義宏 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 富田 孝司 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Kazuaki Minato 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Prefecture Sharp Corporation (72) Shigeo Harada 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka, Osaka (72) Inventor Yoshihiro Yamamoto 22-22 Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Prefecture Sharp Corporation (72) In-house, Takashi Tomita 22-22, Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka City, Osaka Prefecture

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 フレキシブルなフィルム状絶縁基板と、
該フィルム状絶縁基板の片面上に形成された半導体とか
らなり、 前記フィルム状絶縁基板を巻いて半導体を積層する構造
とすることを特徴とする半導体素子。
1. A flexible film-like insulating substrate,
A semiconductor device comprising a semiconductor formed on one surface of the film-like insulating substrate, and a structure in which the film-like insulating substrate is wound to stack the semiconductors.
【請求項2】 前記半導体は、熱電変換用の半導体材料
からなる超薄膜による超格子構造とすることを特徴とす
る請求項1記載の半導体素子。
2. The semiconductor element according to claim 1, wherein the semiconductor has a superlattice structure of an ultrathin film made of a semiconductor material for thermoelectric conversion.
【請求項3】 フレキシブルなフィルム状絶縁基板の片
面上に半導体を形成し、その後前記フィルム状絶縁基板
をロールで巻き取り半導体を積層して半導体素子を製造
し、その際所望の形状の半導体素子と同形状のロールを
用いることを特徴とする半導体素子の製造方法。
3. A semiconductor device is manufactured by forming a semiconductor on one surface of a flexible film-like insulating substrate, and then winding the film-like insulating substrate with a roll to laminate the semiconductors to produce a semiconductor device, in which case a semiconductor device having a desired shape. A method of manufacturing a semiconductor device, which uses a roll having the same shape as that of 1.
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