JPH11186616A - Thermoelectric transducer and manufacture thereof - Google Patents
Thermoelectric transducer and manufacture thereofInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、熱電変換素子の構
造及び製造方法に関し、さらに詳しくは熱電半導体の性
能劣化を防止し得るようにした熱電変換素子及びその製
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 structure and a method of manufacturing a thermoelectric conversion element, and more particularly to a thermoelectric conversion element capable of preventing performance degradation of a thermoelectric semiconductor and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の熱電変換素子の製造方法は、熱電
半導体であるBi−Sb−Te系合金若しくはBi−T
e−Se系合金と電極とを接合するにあたって、拡散防
止層としてNiを5μm以上熱電半導体に直接形成し、
Sn−Pb半田材で接合をおこなっている(例えば、特
開平4−249385号公報)。2. Description of the Related Art A conventional method for manufacturing a thermoelectric conversion element is based on a Bi-Sb-Te alloy or Bi-T
When joining the e-Se alloy and the electrode, Ni is directly formed on the thermoelectric semiconductor as a diffusion preventing layer to a thickness of 5 μm or more,
The bonding is performed using Sn-Pb solder material (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-249385).
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の電極接
合技術では、電極接合時の熱電半導体の接合面の酸化や
空孔、微小な空隙の発生による素子性能の低下が発生す
ることがある。また、電極接合後の通電時に発生する熱
や上下面の温度差による熱応力、その熱サイクルによる
繰り返し応力の発生や結露等により、熱電半導体接合面
近傍が酸化したり歪みが発生し、素子性能の低下が起こ
ることがある。However, in the conventional electrode bonding technique, the performance of the element may be deteriorated due to oxidation of the bonding surface of the thermoelectric semiconductor at the time of electrode bonding and generation of voids and minute voids. In addition, the heat generated due to the heat generated at the time of energization after electrode bonding, the thermal stress due to the temperature difference between the upper and lower surfaces, the generation of repeated stress due to the thermal cycle and dew condensation, etc., oxidize and deform the vicinity of the thermoelectric semiconductor bonding surface, and May decrease.
【0004】本発明は上述の点に鑑みてなされたもので
あって、熱電半導体に性能を低下させないための合金層
を形成することで、電極接合時及び電極接合後の通電時
に熱電変換素子の劣化を防止し得る熱電変換素子及び熱
電変換素子の製造方法を提供するにある。[0004] The present invention has been made in view of the above points, and by forming an alloy layer on a thermoelectric semiconductor so as not to deteriorate the performance, the thermoelectric conversion element can be formed at the time of electrode joining and at the time of energization after electrode joining. An object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element capable of preventing deterioration and a method for manufacturing the thermoelectric conversion element.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明の熱電変換素子及び熱電変換素子の製造方法は、
熱電半導体と電極材とを接合する際に、熱電半導体の接
合面に予め熱電半導体の性能を劣化させないようにする
ための合金層を形成するようにしたものである。In order to solve the above-mentioned problems, a thermoelectric conversion element and a method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the present invention are provided.
When the thermoelectric semiconductor and the electrode material are joined, an alloy layer for preventing the performance of the thermoelectric semiconductor from being deteriorated is formed on the joining surface of the thermoelectric semiconductor.
【0006】本発明の請求項1の熱電変換素子は、 a.熱電半導体Bi−Te−Se系合金(一般にn型と
呼ばれるもの) b.3価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,
C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素
と、Bi,Te,Seのうち少なくとも一種類の金属若
しくはBi−Te−Se系合金との合金層 以上のa.,b.から成ることを特徴とする。The thermoelectric conversion element according to claim 1 of the present invention comprises: a. Thermoelectric semiconductor Bi-Te-Se alloy (commonly referred to as n-type) b. Trivalent or tetravalent elements (B, Ga, In, Tl,
C, Si, Ge, Sn) and an alloy layer of at least one metal of Bi, Te, Se or a Bi-Te-Se-based alloy. , B. Characterized by comprising:
【0007】つまり、図1に示すように熱電半導体Aの
対向する両面に合金層Bを一体に形成してある。熱電半
導体AはBi−Te−Se系合金である。合金層Bは3
価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,C,S
i,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素とB
i,Te,Seのうち少なくとも一種類の金属若しくは
Bi−Te−Se系合金との合金層である。That is, as shown in FIG. 1, an alloy layer B is integrally formed on both opposing surfaces of a thermoelectric semiconductor A. The thermoelectric semiconductor A is a Bi-Te-Se alloy. Alloy layer B is 3
Or tetravalent element (B, Ga, In, Tl, C, S
i, Ge, Sn) and at least one type of element and B
It is an alloy layer with at least one kind of metal among i, Te, and Se or a Bi-Te-Se-based alloy.
【0008】この請求項1のように3価若しくは4価の
元素がn型熱電半導体中に合金として存在することによ
り、キャリア濃度を減少させる効果を有する。一般に、
n型熱電変換素子は僅かに酸化すると酸素がドーパント
として作用することでキャリア濃度が増大し、ゼーベッ
ク係数が小さくなるために、性能指数であるZの値が減
少する。そこで3価及び4価の合金層Bを熱電半導体A
の表面に形成させることで、酸化によるキャリア濃度の
増大を抑制させ、ひいてはゼーベック係数の低下を抑制
し、性能の低下を抑制できる。また熱電半導体Aの切断
加工時や電極接合時、通電時に発生する応力等により、
熱電半導体接合界面近傍には微細なクラックや結晶の歪
みによる格子欠陥、Te遊離後の空孔等が多数存在して
いると考えられる。これらの空孔若しくは空隙部に3価
及び4価の元素が満たされることで、接触抵抗が減少し
性能低下防止に大きな効果がある。When the trivalent or tetravalent element is present as an alloy in the n-type thermoelectric semiconductor as in the first aspect, it has an effect of reducing the carrier concentration. In general,
When the n-type thermoelectric conversion element is slightly oxidized, oxygen acts as a dopant to increase the carrier concentration and decrease the Seebeck coefficient, so that the figure of merit Z decreases. Therefore, the trivalent and tetravalent alloy layers B are converted to thermoelectric semiconductors A.
By suppressing the increase in the carrier concentration due to the oxidation, the decrease in the Seebeck coefficient can be suppressed, and the decrease in the performance can be suppressed. In addition, due to the stress generated when cutting the thermoelectric semiconductor A, bonding the electrodes, or energizing the thermoelectric semiconductor A,
It is considered that a large number of fine cracks, lattice defects due to crystal distortion, vacancies after Te release, and the like exist near the thermoelectric semiconductor junction interface. By filling these voids or voids with trivalent and tetravalent elements, the contact resistance is reduced, and there is a great effect on preventing performance degradation.
【0009】本発明の請求項2の熱電変換素子は、 a′.熱電半導体Bi−Sb−Te系合金(一般にp型
と呼ばれるもの) b′.3価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,
C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素
と、Bi,Sb,Teのうち少なくとも一種類の金属若
しくはBi−Sb−Te系合金との合金層 以上のa′.,b′.から成ることを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric conversion element comprising: a '. Thermoelectric semiconductor Bi-Sb-Te alloy (commonly called p-type) b '. Trivalent or tetravalent elements (B, Ga, In, Tl,
C, Si, Ge, Sn) and an alloy layer of at least one metal of Bi, Sb, Te or a Bi-Sb-Te alloy. , B '. Characterized by comprising:
【0010】つまり、図2に示すように熱電半導体A′
の両面に合金層B′を一体に形成してある。熱電半導体
A′はBi−Sb−Te系合金である。合金層B′は3
価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,C,S
i,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素とB
i,Sb,Teのうち少なくとも一種類の金属若しくは
Bi−Sb−Te系合金との合金層である。That is, as shown in FIG. 2, the thermoelectric semiconductor A '
Alloy layers B 'are integrally formed on both surfaces of the substrate. The thermoelectric semiconductor A 'is a Bi-Sb-Te alloy. Alloy layer B 'is 3
Or tetravalent element (B, Ga, In, Tl, C, S
i, Ge, Sn) and at least one type of element and B
It is an alloy layer of at least one kind of metal among i, Sb, and Te or a Bi-Sb-Te-based alloy.
【0011】この請求項2のように3価若しくは4価元
素がp型熱電半導体中に合金として存在することによ
り、キャリア濃度を増大させる効果を有する。一般に、
p型熱電変換素子は酸化するとキャリア濃度が減少し、
導電率が減少するため、性能指数であるZの値が減少す
ることがある。そこで、3価及び4価元素の合金層を熱
電半導体表面上に形成することで、酸化によるキャリア
濃度の減少を抑制させ、ひいては導電率の低下を抑制
し、性能の低下を抑制できる。また熱電半導体A′の切
断加工時や電極接合時、通電時に発生する応力等によ
り、熱電半導体接合界面近傍には微細なクラックや結晶
の歪みによる格子欠陥、Te遊離後の空孔等が多数存在
していると考えられる。これらの空孔若しくは空隙部に
3価及び4価の元素が満たされることで、接触抵抗が減
少し性能低下防止に大きな効果がある。The trivalent or tetravalent element present as an alloy in the p-type thermoelectric semiconductor has an effect of increasing the carrier concentration. In general,
When the p-type thermoelectric conversion element is oxidized, the carrier concentration decreases,
Since the conductivity decreases, the value of Z, which is a figure of merit, may decrease. Therefore, by forming a trivalent and tetravalent element alloy layer on the surface of the thermoelectric semiconductor, it is possible to suppress a decrease in the carrier concentration due to oxidation, and thus to suppress a decrease in conductivity and a decrease in performance. In addition, due to stresses generated during cutting of the thermoelectric semiconductor A ′, bonding of electrodes, energization, etc., many cracks, lattice defects due to crystal distortion, vacancies after Te release, etc. are present near the thermoelectric semiconductor bonding interface. it seems to do. By filling these voids or voids with trivalent and tetravalent elements, the contact resistance is reduced, and there is a great effect on preventing performance degradation.
【0012】本発明の請求項3の熱電変換素子は、 a″.請求項1または請求項2におけるn型若しくはp
型熱電半導体 b″.3価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,
C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素
と、Bi,Sb,Te,Seのうち少なくとも一種類の
金属若しくはBi−Te−Se系合金若しくはBi−S
b−Te系合金との合金層 c.3価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,
C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素
からなる層 以上のa″.,b″.,c.から成ることを特徴とす
る。According to a third aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric conversion element comprising: a ″.
Type thermoelectric semiconductor b ″. Trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, Tl,
(C, Si, Ge, Sn) and at least one metal of Bi, Sb, Te, Se, Bi-Te-Se alloy or Bi-S
Alloy layer with b-Te alloy c. Trivalent or tetravalent elements (B, Ga, In, Tl,
C, Si, Ge, Sn) at least one of the above elements a ″., B ″. , C. Characterized by comprising:
【0013】つまり、図3に示すように熱電半導体A″
の両面に合金層B″を一体に形成すると共に合金層B″
の上に3価若しくは4価の元素の層Cを一体に形成して
ある。熱電半導体A″はBi−Te−Se系合金(n
型)またはBi−Sb−Te系合金である。合金層B″
は3価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,C,
Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素とB
i,Sb,Te,Seのうち少なくとも一種類の金属若
しくはBi−Te−Se系合金若しくはBi−Sb−T
e系合金との合金層である。元素の層Cは3価若しくは
4価元素(B,Ga,In,Tl,C,Si,Ge,S
n)のうち少なくとも一種類の元素からなる層である。That is, as shown in FIG. 3, the thermoelectric semiconductor A ″
Alloy layers B "are integrally formed on both surfaces of the
A layer C of a trivalent or tetravalent element is integrally formed thereon. The thermoelectric semiconductor A ″ is a Bi—Te—Se alloy (n
Mold) or Bi-Sb-Te alloy. Alloy layer B "
Is a trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, Tl, C,
Si, Ge, Sn) and at least one element thereof and B
i, Sb, Te, Se, at least one kind of metal, Bi-Te-Se alloy, or Bi-Sb-T
An alloy layer with an e-based alloy. The element layer C is a trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, Tl, C, Si, Ge, S
n) is a layer made of at least one kind of element.
【0014】請求項3では合金層B″近傍の熱電半導体
A″若しくは合金層B″内部で結晶のゆがみを生じたり
微細なクラックが発生した場合、その空孔や空隙を満た
すための、3価若しくは4価元素の供給を行うことがで
きる。また合金層B″を構成する元素の一部と同種の元
素の層Cであるため、接合性がよく良好な接触抵抗と接
合強度が得られる。According to a third aspect of the present invention, when crystal distortion occurs or a minute crack occurs in the thermoelectric semiconductor A ″ or alloy layer B ″ near the alloy layer B ″, trivalent to fill the voids and voids. Alternatively, it is possible to supply a tetravalent element, and since the layer C is a layer of the same kind of element as a part of the elements constituting the alloy layer B ″, good bonding resistance and good contact resistance and bonding strength can be obtained.
【0015】本発明の請求項4の熱電変換素子は、 a″.請求項1または請求項2におけるn型若しくはp
型熱電半導体 b″.3価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,
C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素
と、Bi,Sb,Te,Seのうち少なくとも一種類の
金属若しくはBi−Te−Se系合金若しくはBi−S
b−Te系合金との合金層 c.3価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,
C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素
からなる層 d.拡散防止効果を有する金属(Ti,Cr,Co,N
i,Nb,Mo,W)のうち少なくとも一種類の元素か
らなる層 e.電極材(半田材、電極) 以上のa″.,b″.,c.,d.,e.若しくは
a″.,b″.,d.,e.からから成ることを特徴と
する。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric conversion element comprising: a ″.
Type thermoelectric semiconductor b ″. Trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, Tl,
(C, Si, Ge, Sn) and at least one metal of Bi, Sb, Te, Se, Bi-Te-Se alloy or Bi-S
Alloy layer with b-Te alloy c. Trivalent or tetravalent elements (B, Ga, In, Tl,
A layer composed of at least one element of C, Si, Ge, and Sn) d. Metals having a diffusion preventing effect (Ti, Cr, Co, N
i, Nb, Mo, W) at least one element from the group consisting of: e. Electrode material (solder material, electrode) a "., B". , C. , D. , E. Or a ″., B ″. , D. , E. Characterized by comprising:
【0016】つまり、図4に示すように熱電半導体A″
の両面に合金層B″を一体に形成すると共に合金層B″
の上に、必要に応じて3価若しくは4価の元素の層Cを
一体に形成し、その上に拡散防止層Dを一体に形成し、
拡散防止層Dの上に電極材Eを一体に形成してある。熱
電半導体A″はBi−Te−Se系合金(n型)または
Bi−Sb−Te系合金である。合金層B″は3価若し
くは4価元素(B,Ga,In,Tl,C,Si,G
e,Sn)のうち少なくとも一種類の元素とBi,S
b,Te,Seのうち少なくとも一種類の金属若しくは
Bi−Te−Se系合金若しくはBi−Sb−Te系合
金との合金層である。元素の層Cは3価若しくは4価元
素(B,Ga,In,Tl,C,Si,Ge,Sn)の
うち少なくとも一種類の元素からなる層である。拡散防
止層Dは拡散防止効果を有する金属(Ti,Cr,C
o,Ni,Nb,Mo,W)のうち少なくとも一種類の
元素からなる層である。電極材Eは電極E1 と半田材E
2 である。That is, as shown in FIG. 4, the thermoelectric semiconductor A ″
Alloy layers B "are integrally formed on both surfaces of the
A layer C of a trivalent or tetravalent element is formed integrally thereon as necessary, and a diffusion prevention layer D is formed integrally thereon,
The electrode material E is integrally formed on the diffusion prevention layer D. The thermoelectric semiconductor A ″ is a Bi—Te—Se alloy (n-type) or a Bi—Sb—Te alloy. The alloy layer B ″ is a trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, Tl, C, Si). , G
e, Sn) and at least one element of Bi, S
It is an alloy layer with at least one kind of metal among b, Te, and Se, or a Bi-Te-Se-based alloy or a Bi-Sb-Te-based alloy. The element layer C is a layer made of at least one of trivalent or tetravalent elements (B, Ga, In, Tl, C, Si, Ge, and Sn). The diffusion prevention layer D is made of a metal (Ti, Cr, C) having a diffusion prevention effect.
o, Ni, Nb, Mo, W). The electrode material E is the electrode E 1 and the solder material E
2
【0017】請求項4では電極材Eから通電が可能であ
り、また拡散防止層Dにて電極材Eの熱電半導体A″へ
の拡散を防止でき、元素の層Cや合金層B″にて酸化や
熱電半導体A″表面の空孔や空隙の発生による性能低下
を抑制できる。本発明の請求項5の熱電変換素子の製造
方法は、熱電半導体Bi−Te−Se系合金若しくはB
i−Sb−Te系合金に、3価若しくは4価元素(B,
Ga,In,Tl,C,Si,Ge,Sn)のうち少な
くとも一種類の元素と、Bi,Sb,Te,Seのうち
少なくとも一種類の金属若しくはBi−Te−Se系合
金若しくはBi−Sb−Te系合金との合金層を形成す
る工程を有することを特徴とする。According to the fourth aspect, it is possible to conduct electricity from the electrode material E, and to prevent the diffusion of the electrode material E into the thermoelectric semiconductor A ″ by the diffusion preventing layer D, and the element layer C or the alloy layer B ″. The performance degradation due to oxidation or generation of pores or voids on the surface of the thermoelectric semiconductor A ″ can be suppressed.
A trivalent or tetravalent element (B,
Ga, In, Tl, C, Si, Ge, Sn) and at least one metal of Bi, Sb, Te, Se or a Bi-Te-Se-based alloy or Bi-Sb- A step of forming an alloy layer with a Te-based alloy.
【0018】つまり、図5に示すように熱電半導体A″
に合金層B″を一体に形成するように製造している。熱
電半導体A″はBi−Te−Se系合金(n型)または
Bi−Sb−Te系合金である。合金層B″は3価若し
くは4価元素(B,Ga,In,Tl,C,Si,G
e,Sn)のうち少なくとも一種類の元素とBi,S
b,Te,Seのうち少なくとも一種類の金属若しくは
Bi−Te−Se系合金若しくはBi−Sb−Te系合
金との合金層である。That is, as shown in FIG. 5, the thermoelectric semiconductor A ″
The thermoelectric semiconductor A ″ is a Bi—Te—Se-based alloy (n-type) or a Bi—Sb—Te-based alloy. The alloy layer B ″ is a trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, Tl, C, Si, G
e, Sn) and at least one element of Bi, S
It is an alloy layer with at least one kind of metal among b, Te, and Se, or a Bi-Te-Se-based alloy or a Bi-Sb-Te-based alloy.
【0019】請求項5のように製造することで、請求項
1や請求項2で述べたように酸化による性能を低下を抑
制できる熱電変換素子を製造できる。本発明の請求項6
の熱電変換素子の製造方法は、請求項5において、合金
層の表面に合金化した3価若しくは4価の元素の層を形
成する工程を有することを特徴とする。According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to manufacture a thermoelectric conversion element capable of suppressing a decrease in performance due to oxidation as described in the first and second aspects. Claim 6 of the present invention
The method of manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 5 is characterized in that the method includes a step of forming a layer of an alloyed trivalent or tetravalent element on the surface of the alloy layer.
【0020】つまり、図6に示すように熱電半導体A″
の両面に合金層B″を一体に形成し、合金層B″の上に
3価若しくは4価の元素の層Cを一体に形成するように
製造している。熱電半導体A″はBi−Te−Se系合
金(n型)またはBi−Sb−Te系合金である。合金
層B″は3価若しくは4価元素(B,Ga,In,T
l,C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の
元素とBi,Sb,Te,Seのうち少なくとも一種類
の金属若しくはBi−Te−Se系合金若しくはBi−
Sb−Te系合金との合金層である。元素の層Cは3価
若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,C,Si,
Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素からなる層
である。That is, as shown in FIG. 6, the thermoelectric semiconductor A ″
The alloy layer B ″ is integrally formed on both surfaces of the substrate, and a layer C of a trivalent or tetravalent element is integrally formed on the alloy layer B ″. The thermoelectric semiconductor A ″ is a Bi—Te—Se alloy (n-type) or a Bi—Sb—Te alloy. The alloy layer B ″ is a trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, T).
1, C, Si, Ge, Sn) and at least one metal of Bi, Sb, Te, Se or a Bi-Te-Se-based alloy or Bi-
An alloy layer with an Sb-Te alloy. The element layer C is a trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, Tl, C, Si,
Ge, Sn) is a layer made of at least one element.
【0021】請求項6のように製造することで、請求項
3のように酸化による性能の低下の抑制を持続できる熱
電変換素子を製造できる。本発明の請求項7の熱電変換
素子の製造方法は、請求項5において、3価若しくは4
価元素層を真空成膜法により熱電半導体表面に形成し、
成膜中の熱若しくは成膜後に加熱をすることで合金層を
形成する工程を有することを特徴とする。According to the sixth aspect of the present invention, it is possible to manufacture a thermoelectric conversion element capable of maintaining the suppression of performance deterioration due to oxidation as in the third aspect. The method for producing a thermoelectric conversion element according to claim 7 of the present invention is the method according to claim 5, wherein
Forming a valence element layer on the thermoelectric semiconductor surface by a vacuum film forming method,
The method is characterized by including a step of forming an alloy layer by heating during film formation or heating after film formation.
【0022】つまり、図7に示すように熱電半導体A″
に3価若しくは4価の元素層を真空成膜法で形成し、成
膜中の熱若しくは成膜後に加熱することで合金層B″を
形成するように製造している。熱電半導体A″はBi−
Te−Se系合金(n型)またはBi−Sb−Te系合
金である。合金層B″は3価若しくは4価元素(B,G
a,In,Tl,C,Si,Ge,Sn)のうち少なく
とも一種類の元素とBi,Sb,Te,Seのうち少な
くとも一種類の金属若しくはBi−Te−Se系合金若
しくはBi−Sb−Te系合金との合金層である。That is, as shown in FIG. 7, the thermoelectric semiconductor A ″
The alloy layer B ″ is formed by forming a trivalent or tetravalent element layer by a vacuum film formation method and heating the film during or after film formation to form an alloy layer B ″. Bi-
It is a Te-Se-based alloy (n-type) or a Bi-Sb-Te-based alloy. The alloy layer B ″ is a trivalent or tetravalent element (B, G
a, In, Tl, C, Si, Ge, Sn) and at least one metal of Bi, Sb, Te, Se, Bi-Te-Se-based alloy or Bi-Sb-Te An alloy layer with a base alloy.
【0023】ここで真空成膜法とは、スパッタリング
(イオンプレーテング)、蒸着、CVD、溶射等であ
り、イオンビームアシスト成膜のようにイオンビームを
単独で用いたり、イオンビームで成膜をアシストするこ
とも含む。請求項7のように製造することで合金層B″
を薄く効果的に形成でき、酸化も防止することができ
る。また合金層形成工程の全てを乾式で行える。Here, the vacuum film forming method includes sputtering (ion plating), vapor deposition, CVD, thermal spraying, etc., and uses an ion beam alone as in ion beam assisted film formation, or forms a film with an ion beam. Including assisting. The alloy layer B ″ is manufactured as in claim 7.
Can be effectively formed and oxidation can be prevented. Further, all of the alloy layer forming steps can be performed in a dry manner.
【0024】本発明の請求項8の熱電変換素子の製造方
法は、請求項6において、3価若しくは4価元素層を真
空成膜法により熱電半導体表面に形成し、成膜中の熱若
しくは成膜後に加熱をすることで合金層及び3価若しく
は4価元素層を形成する工程を有することを特徴とす
る。つまり、図8に示すように熱電半導体A″に3価若
しくは4価の元素層を真空成膜法で形成し、成膜中の熱
若しくは成膜後に加熱することで合金層B″及び3価若
しくは4価の元素の層Cを形成するように製造してい
る。[0024] In the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 8 of the present invention, in claim 6, a trivalent or tetravalent element layer is formed on the surface of the thermoelectric semiconductor by a vacuum film forming method. A step of forming an alloy layer and a trivalent or tetravalent element layer by heating after the film is formed. That is, as shown in FIG. 8, a trivalent or tetravalent element layer is formed on the thermoelectric semiconductor A ″ by a vacuum film forming method, and the alloy layer B ″ and the trivalent Alternatively, it is manufactured so as to form a layer C of a tetravalent element.
【0025】ここで真空成膜法とは、スパッタリング
(イオンプレーテング)、蒸着、CVD、溶射等であ
り、イオンビームアシスト成膜のようにイオンビームを
単独で用いたり、イオンビームで成膜をアシストするこ
とも含む。請求項8のように製造することで合金層B″
と3価若しくは4価の元素の層Cを同時に形成でき、酸
化も防止することができる。また合金層B″と3価若し
くは4価の元素の層Cの形成工程を全て乾式で行うこと
ができる。Here, the vacuum film forming method includes sputtering (ion plating), vapor deposition, CVD, thermal spraying, etc., and uses an ion beam alone as in ion beam assisted film formation, or forms a film with an ion beam. Including assisting. By manufacturing as in claim 8, the alloy layer B ″
And a layer C of a trivalent or tetravalent element can be formed at the same time, and oxidation can be prevented. Also, all the steps of forming the alloy layer B ″ and the layer C of a trivalent or tetravalent element can be performed in a dry manner.
【0026】本発明の請求項9の熱電変換素子の製造方
法は、請求項5または請求項6において、合金層形成後
に拡散防止効果を有する金属(Ti,Cr,Co,N
i,Nb,Mo,W)のうち少なくとも一種類の元素か
らなる層を形成し、 1.Cu電極を半田接合する工程 2.半田を厚盛する工程 3.Cuメッキする工程 上記の1.,2.,3.のいずれかの方法で電極を形成
する工程を有することを特徴とする。According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the fifth or sixth aspect, wherein the metal (Ti, Cr, Co, N) having a diffusion preventing effect after the alloy layer is formed.
i, Nb, Mo, W) to form a layer made of at least one element; 1. Step of soldering Cu electrode 2. Step of thickening solder Step of Cu plating , 2. , 3. Forming an electrode by any one of the above methods.
【0027】つまり、図9(a)に示すように熱電半導
体A″の上に合金層B″を一体に形成し、必要に応じて
図9(b)に示すように合金層B″の上に3価若しくは
4価の元素の層Cを一体に形成し、図9(c)に示すよ
うに元素の層Cの上若しくは合金層B″の上に拡散防止
層Dを一体に形成し、図9(d)または図9(e)また
は図9(f)のように電極材Eを一体に形成するように
製造している。熱電半導体A″はBi−Te−Se系合
金(n型)またはBi−Sb−Te系合金である。合金
層B″は3価若しくは4価元素(B,Ga,In,T
l,C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の
元素とBi,Sb,Te,Seのうち少なくとも一種類
の金属若しくはBi−Te−Se系合金若しくはBi−
Sb−Te系合金との合金層である。元素の層Cは3価
若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,C,Si,
Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素からなる層
である。拡散防止層Dは拡散防止効果を有する金属(T
i,Cr,Co,Ni,Nb,Mo,W)のうち少なく
とも一種類の元素からなる層である。電極材Eは電極E
1 または半田材E2 である。電極材Eを一体に積層する
場合、図9(d)のようにCu電極E1 を半田材E2 に
て半田付けするか、または図9(d)のように半田材E
2 を厚盛りするか、または図9(f)のようにCuメッ
キにて電極E1を形成するかにより行っている。That is, as shown in FIG. 9A, an alloy layer B "is integrally formed on the thermoelectric semiconductor A", and if necessary, as shown in FIG. 9C, a diffusion prevention layer D is integrally formed on the element layer C or the alloy layer B ″ as shown in FIG. 9C. As shown in FIG. 9D, FIG. 9E or FIG. 9F, the electrode material E is manufactured so as to be integrally formed. The thermoelectric semiconductor A ″ is a Bi—Te—Se alloy (n-type) or a Bi—Sb—Te alloy. The alloy layer B ″ is a trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, T).
1, C, Si, Ge, Sn) and at least one metal of Bi, Sb, Te, Se or a Bi-Te-Se-based alloy or Bi-
An alloy layer with an Sb-Te alloy. The element layer C is a trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, Tl, C, Si,
Ge, Sn) is a layer made of at least one element. The diffusion preventing layer D is made of a metal (T
i, Cr, Co, Ni, Nb, Mo, W). Electrode material E is electrode E
1 or solder material is E 2. When the electrode material E is integrally laminated, the Cu electrode E 1 is soldered with a solder material E 2 as shown in FIG. 9D, or the solder material E is soldered as shown in FIG. 9D.
This is performed by thickly embossing No. 2 or by forming the electrode E1 by Cu plating as shown in FIG. 9 (f).
【0028】請求項9のように製造することで請求項4
のように、通電が可能であり、電極材Eの熱電半導体
A″への拡散を防止することによる、酸化や熱電半導体
A″表面の空孔や空隙発生による性能低下を抑制できる
熱電変換素子を製造できる。本発明の請求項10の熱電
変換素子の製造方法は、請求項9において、拡散防止層
表面にNi層を形成することを特徴とする。By manufacturing as in claim 9, claim 4
As described above, a thermoelectric conversion element that can be energized and that can prevent the electrode material E from diffusing into the thermoelectric semiconductor A ″ and thereby suppress performance degradation due to oxidation and generation of pores and voids on the surface of the thermoelectric semiconductor A ″. Can be manufactured. According to a tenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to the ninth aspect, a Ni layer is formed on the surface of the diffusion preventing layer.
【0029】つまり、図10(a)に示すように熱電半
導体A″の上に合金層B″を一体に形成し、必要に応じ
て合金層B″の上に3価若しくは4価の元素の層Cを一
体に形成し、元素の層Cの上若しくは合金層B″の上に
拡散防止層Dを一体に形成し、図10(b)に示すよう
に拡散防止層Dの上にNi層Fを一体に形成し、Ni層
Fの上に電極材Eを一体に形成するように製造してい
る。熱電半導体A″はBi−Te−Se系合金(n型)
またはBi−Sb−Te系合金である。合金層B″は3
価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,C,S
i,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素とB
i,Sb,Te,Seのうち少なくとも一種類の金属若
しくはBi−Te−Se系合金若しくはBi−Sb−T
e系合金との合金層である。元素の層Cは3価若しくは
4価元素(B,Ga,In,Tl,C,Si,Ge,S
n)のうち少なくとも一種類の元素からなる層である。
拡散防止層Dは拡散防止効果を有する金属(Ti,C
r,Co,Nb,Mo,W)のうち少なくとも一種類の
元素からなる層である。That is, as shown in FIG. 10A, an alloy layer B "is integrally formed on a thermoelectric semiconductor A", and a trivalent or tetravalent element A layer C is integrally formed, a diffusion prevention layer D is integrally formed on the element layer C or the alloy layer B ″, and a Ni layer is formed on the diffusion prevention layer D as shown in FIG. F is integrally formed, and the electrode material E is integrally formed on the Ni layer F. Thermoelectric semiconductor A ″ is Bi-Te-Se alloy (n-type)
Or it is a Bi-Sb-Te alloy. Alloy layer B ″ is 3
Or tetravalent element (B, Ga, In, Tl, C, S
i, Ge, Sn) and at least one type of element and B
i, Sb, Te, Se, at least one kind of metal, Bi-Te-Se alloy, or Bi-Sb-T
An alloy layer with an e-based alloy. The element layer C is a trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, Tl, C, Si, Ge, S
n) is a layer made of at least one kind of element.
The diffusion prevention layer D is made of a metal (Ti, C) having a diffusion prevention effect.
r, Co, Nb, Mo, W).
【0030】請求項10のように製造することにより、
半田材E2 の濡れ性を確保できる。本発明の請求項11
の熱電変換素子の製造方法は、請求項10において、N
i層表面に半田濡れ性を向上させる金属層(Cu,S
n,Au,Bi−Snのうち少なくとも一種類の金属)
を形成することを特徴とする。つまり、図11(a)に
示すように熱電半導体A″の上に合金層B″を一体に形
成し、必要に応じて合金層B″の上に3価若しくは4価
の元素の層Cを一体に形成し、元素の層Cの上若しくは
合金層B″の上に拡散防止層Dを一体に形成し、拡散防
止層Dの上にNi層Fを一体に形成し、図11(b)の
ようにNi層Fの上に半田濡れ性向上層Gを一体に形成
し、図11(c)のように半田濡れ向上層Gの上に半田
付けにて半田材E2 を一体に形成し、図11(d)に示
すように半田材E2 の上にCu電極E1 を一体に形成す
るように製造している。熱電半導体A″はBi−Te−
Se系合金(n型)またはBi−Sb−Te系合金であ
る。合金層Bは3価若しくは4価元素(B,Ga,I
n,Tl,C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一
種類の元素とBi,Sb,Te,Seのうち少なくとも
一種類の金属若しくはBi−Te−Se系合金若しくは
Bi−Sb−Te系合金との合金層である。元素の層C
は3価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,C,
Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素から
なる層である。拡散防止層Dは拡散防止効果を有する金
属(Ti,Cr,Co,Ni,Nb,Mo,W)のうち
少なくとも一種類の元素からなる層である。半田濡れ向
上層Gは半田濡れ性を向上させる金属層(Cu,Sn,
Au,Bi−Snのうち少なくとも一種類の金属)であ
る。By manufacturing according to claim 10,
The wettability of the solder material E 2 can be secured. Claim 11 of the present invention
The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 10, wherein
Metal layer (Cu, S) for improving solder wettability on the surface of the i-layer
n, Au, Bi-Sn at least one metal)
Is formed. That is, as shown in FIG. 11A, an alloy layer B "is integrally formed on the thermoelectric semiconductor A", and a layer C of a trivalent or tetravalent element is formed on the alloy layer B "as necessary. The diffusion prevention layer D is integrally formed on the element layer C or the alloy layer B ″, and the Ni layer F is integrally formed on the diffusion prevention layer D, as shown in FIG. Ni layer solder wettability improving layer G is formed integrally on the F, formed integrally with the solder material E 2 by soldering on the solder wettability improving layer G as shown in FIG. 11 (c) as , it is prepared as integrally formed with Cu electrodes E 1 as on the solder material E 2 shown in FIG. 11 (d). Thermoelectric semiconductor A ″ is Bi-Te-
It is a Se-based alloy (n-type) or a Bi-Sb-Te-based alloy. The alloy layer B is made of a trivalent or tetravalent element (B, Ga, I
n, Tl, C, Si, Ge, Sn) and at least one metal of Bi, Sb, Te, Se or a Bi-Te-Se alloy or a Bi-Sb-Te alloy And an alloy layer. Elemental layer C
Is a trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, Tl, C,
It is a layer made of at least one element among Si, Ge, and Sn). The diffusion preventing layer D is a layer made of at least one element among metals (Ti, Cr, Co, Ni, Nb, Mo, W) having a diffusion preventing effect. The solder wetting improving layer G is a metal layer (Cu, Sn,
Au, Bi-Sn).
【0031】請求項11のように製造することにより、
半田材E2 の濡れ性を一層確保できる。本発明の請求項
12の熱電変換素子の製造方法は、請求項9または請求
項10または請求項11において、拡散防止層、Ni
層、半田濡れ性向上層を真空成膜法により形成する工程
を有することを特徴とする。By manufacturing according to claim 11,
The wettability of the soldering material E 2 can be further ensured. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 12 of the present invention is the method according to claim 9 or claim 10 or claim 11, wherein
Forming a layer and a solder wettability improving layer by a vacuum film forming method.
【0032】つまり、図12(a)に示すように熱電半
導体A″の上に合金層B″を一体に形成し、必要に応じ
て合金層B″の上に3価若しくは4価の元素の層Cを一
体に形成し、元素の層Cの上若しくは合金層B″の上に
真空成膜法によって拡散防止層Dを一体に形成し、図1
2(b)に示すように拡散防止層Dの上にNi層Fを真
空成膜法によって一体に形成し、図12(c)に示すよ
うにNi層Fの上に半田濡れ性向上層Gを真空成膜法に
よって一体に形成し、半田濡れ性向上層Gの上に電極材
Eを一体に形成するように製造している。熱電半導体
A″はBi−Te−Se系合金(n型)またはBi−S
b−Te系合金である。合金層B″は3価若しくは4価
元素(B,Ga,In,Tl,C,Si,Ge,Sn)
のうち少なくとも一種類の元素とBi,Sb,Te,S
eのうち少なくとも一種類の金属若しくはBi−Te−
Se系合金若しくはBi−Sb−Te系合金との合金層
である。元素の層Cは3価若しくは4価元素(B,G
a,In,Tl,C,Si,Ge,Sn)のうち少なく
とも一種類の元素からなる層である。拡散防止層Dは拡
散防止効果を有する金属(Ti,Cr,Co,Ni,N
b,Mo,W)のうち少なくとも一種類の元素からなる
層である。半田濡れ向上層Gは半田濡れ性を向上させる
金属層(Cu,Sn,Au,Bi−Snのうち少なくと
も一種類の金属)である。That is, as shown in FIG. 12 (a), an alloy layer B "is integrally formed on the thermoelectric semiconductor A", and a trivalent or tetravalent element The layer C is integrally formed, and the diffusion prevention layer D is integrally formed on the element layer C or the alloy layer B ″ by a vacuum film forming method.
2 (b), a Ni layer F is integrally formed on the diffusion preventing layer D by a vacuum film forming method, and a solder wettability improving layer G is formed on the Ni layer F as shown in FIG. Are integrally formed by a vacuum film forming method, and the electrode material E is integrally formed on the solder wettability improving layer G. Thermoelectric semiconductor A ″ is a Bi—Te—Se alloy (n-type) or Bi—S
It is a b-Te alloy. The alloy layer B ″ is a trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, Tl, C, Si, Ge, Sn)
And at least one element of Bi, Sb, Te, S
at least one kind of metal or Bi-Te-
This is an alloy layer with a Se-based alloy or a Bi-Sb-Te-based alloy. The element layer C is a trivalent or tetravalent element (B, G
a, In, Tl, C, Si, Ge, Sn). The diffusion prevention layer D is made of a metal (Ti, Cr, Co, Ni, N) having a diffusion prevention effect.
b, Mo, W). The solder wetting improving layer G is a metal layer (at least one kind of metal among Cu, Sn, Au, and Bi-Sn) for improving the solder wettability.
【0033】ここで真空成膜法とは、スパッタリング
(イオンプレーテング)、蒸着、CVD、溶射等であ
り、イオンビームアシスト成膜のようにイオンビームを
単独で用いたり、イオンビームで成膜をアシストするこ
とも含む。請求項12のように製造することで、酸化防
止、成膜工程の全てを乾式で行える。Here, the vacuum film forming method includes sputtering (ion plating), vapor deposition, CVD, thermal spraying, etc., and uses an ion beam alone as in an ion beam assisted film forming, or forms a film with an ion beam. Including assisting. By manufacturing as described in claim 12, all of the oxidation prevention and film formation processes can be performed by a dry method.
【0034】[0034]
【発明の実施の形態】熱電変換素子は例えば次のように
して製造される。熱電半導体A″はBi−Te−Se系
合金(n型)またはBi−Sb−Te系合金(p型)で
あり、この熱電半導体A″の接合部表面がサンドペーパ
ーで湿式研磨され、その後、純水で超音波洗浄が行われ
る。次いで熱電半導体A″の表面が例えばArプラズマ
エッチング(逆スパッタリング)される。次いで熱電半
導体A″の表面に3価若しくは4価の元素(B,Ga,
In,Tl,C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも
一種類の元素が図7に示すように真空成膜法により熱電
半導体A″の表面に形成し、成膜中の熱若しくは成膜後
に加熱することで合金層B″が形成される。例えば、S
nを熱電半導体A″の表面にスパッタリングし、スパッ
タリング時の加熱により熱電半導体A″にSnを拡散し
た合金層B″が形成される。このときスパッタリングの
ような真空成膜法により図8に示すように合金層B″と
3価若しくは4価の元素の層Cが形成されてもよい。上
記合金層B″または元素の層C上には、拡散防止効果を
有する金属(Ti,Cr,Co,Ni,Nb,Mo,
W)のうち少なくとも一種類の元素からなる拡散防止層
Dが図12(a)のように真空成形膜法にて形成され
る。例えばMoがスパッタリングされて元素の層Cまた
は合金層B″の上に拡散防止層Dが形成される。次いで
拡散防止層Dの上にNi層Fが図12(b)のように真
空成膜法によって形成されるのであるが、例えばNiを
表面にスパッタリングすることにより形成される。次い
で拡散防止層Dの上に半田濡れ性を向上させる金属(C
u,Sn,Au,Bi−Snのうち一種類の金属)より
なる半田濡れ性向上層Gが図12(c)に示すように真
空成膜法によって形成されるのであるが、例えばCuを
スパッタリングすることで半田濡れ性向上層Gが形成さ
れる。次に半田濡れ性向上層Gの上に電極材Eが形成さ
れるのであるが、例えば、図9(d)に示すように半田
材E2 が半田付けされ、Cu電極E1 が半田付けで接合
される。上記のようにして熱電変換素子が形成され、電
極接合時及び電極接合後の通電時に熱電半導体の劣化を
防止することができる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A thermoelectric conversion element is manufactured, for example, as follows. The thermoelectric semiconductor A ″ is a Bi—Te—Se-based alloy (n-type) or a Bi—Sb—Te-based alloy (p-type), and the junction surface of the thermoelectric semiconductor A ″ is wet-polished with sandpaper. Ultrasonic cleaning is performed with pure water. Next, the surface of the thermoelectric semiconductor A ″ is subjected to, for example, Ar plasma etching (reverse sputtering). Then, a trivalent or tetravalent element (B, Ga,
In, Tl, C, Si, Ge, Sn), at least one element is formed on the surface of the thermoelectric semiconductor A ″ by a vacuum film forming method as shown in FIG. By heating, an alloy layer B ″ is formed. For example, S
n is sputtered on the surface of the thermoelectric semiconductor A ", and an alloy layer B" in which Sn is diffused into the thermoelectric semiconductor A "is formed by heating at the time of sputtering. At this time, a vacuum film forming method such as sputtering is used as shown in FIG. As described above, the alloy layer B ″ and the layer C of a trivalent or tetravalent element may be formed. On the alloy layer B ″ or the element layer C, a metal having a diffusion preventing effect (Ti, Cr, Co, Ni, Nb, Mo,
W), a diffusion prevention layer D made of at least one element is formed by a vacuum forming film method as shown in FIG. For example, Mo is sputtered to form a diffusion prevention layer D on the element layer C or the alloy layer B ″. Then, a Ni layer F is formed on the diffusion prevention layer D by vacuum deposition as shown in FIG. For example, it is formed by sputtering Ni on the surface, and then a metal (C) for improving solder wettability is formed on the diffusion prevention layer D.
The solder wettability improving layer G made of u, Sn, Au, or Bi-Sn) is formed by a vacuum film forming method as shown in FIG. By doing so, the solder wettability improving layer G is formed. Then the electrode member E on the solder wettability improving layer G is being formed, for example, by soldering material E 2 is soldered as shown in FIG. 9 (d), Cu electrodes E 1 are soldered Joined. The thermoelectric conversion element is formed as described above, and the deterioration of the thermoelectric semiconductor can be prevented at the time of electrode joining and at the time of energization after electrode joining.
【0035】以下本発明を具体的な実施例によりさらに
詳細に説明する。 (実施例)本発明の実施例で用いた熱電半導体は、p
型、n型とも粉末押出焼結材であり、その成分はp型は
Bi0.5,Sb1.5,Te3、n型がBi2,Te
2.85,Se0.15である。この熱電半導体の表面
に、下記のようにSn,Mo,Ni,Cuを順次成膜し
た。Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. (Example) The thermoelectric semiconductor used in the example of the present invention is p
Both the mold and the n-type are powder extruded sintered materials, and the components are Bi0.5, Sb1.5, Te3 for the p-type and Bi2, Te for the n-type.
2.85, Se 0.15. On the surface of this thermoelectric semiconductor, Sn, Mo, Ni, and Cu were sequentially formed as follows.
【0036】Sn,Mo,Ni,Cuの成膜条件及び合
金層の形成法は以下の通りである。 1).熱電半導体を400番サンドペーパーで湿式研磨
する。 2).純水で超音波洗浄を行い乾燥させる。 3).Ar、6.6Pa、300Wで60s、RFプラ
ズマを発生させ、熱電半導体表面を逆スパッタリングす
る。The conditions for forming Sn, Mo, Ni, and Cu and the method for forming the alloy layer are as follows. 1). The thermoelectric semiconductor is wet polished with a No. 400 sandpaper. 2). Perform ultrasonic cleaning with pure water and dry. 3). RF plasma is generated for 60 s at Ar, 6.6 Pa and 300 W, and the surface of the thermoelectric semiconductor is reverse-sputtered.
【0037】4).Ar、0.4Pa、1500Wで2
0s、DCプラズマを発生させ、Snターゲットをスパ
ッタリングすることにより、0.5μmの薄膜を形成す
る。このとき、スパッタリング粒子による加熱で、0.
1〜0.5μmの合金層が形成されると共にSn鏡面膜
(緻密な膜の形成、すなわち多孔質膜の場合は鏡面膜が
形成されない。)が形成される。4). Ar, 0.4 Pa, 2 at 1500 W
A 0.5 μm thin film is formed by generating DC plasma for 0 s and sputtering an Sn target. At this time, the heating by the sputtered particles caused the pressure to be 0.1.
An alloy layer having a thickness of 1 to 0.5 μm is formed, and a Sn specular film (a dense film is formed, that is, a mirror film is not formed in the case of a porous film) is formed.
【0038】5).Ar、1.0Pa、3000Wで3
0s、DCプラズマを発生させ、Moターゲットをスパ
ッタリングすることにより、0.5μmの拡散防止層を
形成する。 6).Ar、0.2Pa、3000Wで30s、DCプ
ラズマを発生させ、Niターゲットをスパッタリングす
ることにより、0.6μmのNi層を形成する。5). Ar, 1.0 Pa, 3 at 3000 W
A 0.5 μm diffusion prevention layer is formed by generating DC plasma for 0 s and sputtering a Mo target. 6). A DC plasma is generated for 30 s at Ar, 0.2 Pa and 3000 W for 30 s, and a 0.6 μm Ni layer is formed by sputtering a Ni target.
【0039】7).Ar、4.0Pa、3000Wで4
0s、DCプラズマを発生させ、Cuターゲットをスパ
ッタリングすることにより、1.0μmのCu層を形成
する。 8).半田付けを行う。 9).Cu電極を接合する上記のように作製した熱電変
換素子の性能指数Zを測定し、さらに下記条件で加熱し
た後の性能指数Zを測定した。表1にn型熱電変換素子
の加熱試験結果、表2にp型熱電変換素子の加熱試験結
果を示す。この結果からいずれも性能劣化が見られない
ことがわかる。7). Ar, 4.0 Pa, 4 at 3000 W
By generating DC plasma for 0 s and sputtering a Cu target, a Cu layer of 1.0 μm is formed. 8). Perform soldering. 9). The performance index Z of the thermoelectric conversion element manufactured as described above, in which the Cu electrode was joined, was measured, and further the performance index Z after heating under the following conditions was measured. Table 1 shows the results of the heating test of the n-type thermoelectric conversion element, and Table 2 shows the results of the heating test of the p-type thermoelectric conversion element. It can be seen from these results that no performance degradation was observed in any case.
【0040】[0040]
【表1】 [Table 1]
【0041】[0041]
【表2】 [Table 2]
【0042】作製した熱電変換素子のp型とn型を直列
につなぎ熱電変換モジュールを作製し、熱サイクル試験
を行った。熱サイクル試験はモジュールの両面が変形し
ないように熱交換基板で15kgf固定し、片面の温度
を常に30℃以下に保ったまま、もう一方の面を30℃
から80℃に変化させた。温度は電流(5A)をオン/
オフすることにより変化させた。熱サイクル試験前と試
験後のモジュールの電気抵抗の測定結果を表3に示す。
これにより本発明モジュール使用時の経時劣化が小さい
ことが明らかである。A thermoelectric conversion module was manufactured by connecting the p-type and n-type thermoelectric conversion elements in series, and a thermal cycle test was performed. In the heat cycle test, the module was fixed at 15 kgf with a heat exchange board so that both sides of the module were not deformed, and the other side was kept at 30 ° C or less while the temperature of one side was always kept at 30 ° C or less.
To 80 ° C. Temperature turns on current (5A) /
Changed by turning off. Table 3 shows the measurement results of the electrical resistance of the module before and after the heat cycle test.
This clearly shows that deterioration with time when the module of the present invention is used is small.
【0043】[0043]
【表3】 [Table 3]
【0044】[0044]
【発明の効果】本発明の請求項1の発明は、3価若しく
は4価元素がn型熱電半導体中に合金として存在するこ
とにより、キャリア濃度を減少させる効果を有する。一
般に、n型熱電変換素子は僅かに酸化すると酸素がドー
パントとして作用することでキャリア濃度が増大し、ゼ
ーベック係数が小さく成るため、性能指数Zが減少す
る。そこで、3価及び4価元素の合金層を熱電半導体表
面上に形成することで、酸化によるキャリア濃度の増大
を抑制させ、ひいてはゼーベック係数の低下を抑制し、
性能の低下を抑制できる。The invention of claim 1 of the present invention has the effect of reducing the carrier concentration when the trivalent or tetravalent element is present as an alloy in the n-type thermoelectric semiconductor. In general, when an n-type thermoelectric conversion element is slightly oxidized, oxygen acts as a dopant to increase the carrier concentration and decrease the Seebeck coefficient, so that the figure of merit Z decreases. Therefore, by forming an alloy layer of trivalent and tetravalent elements on the surface of the thermoelectric semiconductor, it is possible to suppress an increase in the carrier concentration due to oxidation, and to thereby suppress a decrease in the Seebeck coefficient.
Performance degradation can be suppressed.
【0045】本発明の請求項2の発明は、3価若しくは
4価元素がp型熱電半導体中に合金として存在すること
により、キャリア濃度を増加させる効果を有する。一般
に、p型熱電変換素子は酸化するとキャリア濃度が減少
し、導電率が減少するため、性能係数Zが減少すること
がある。そこで、3価及び4価元素の合金層を熱電半導
体表面上に形成することで、酸化によるキャリア濃度の
減少を抑制させ、ひいては導電率の低下を抑制し、性能
低下を抑制できる。The invention of claim 2 of the present invention has an effect of increasing the carrier concentration when the trivalent or tetravalent element is present as an alloy in the p-type thermoelectric semiconductor. Generally, when a p-type thermoelectric conversion element is oxidized, the carrier concentration decreases and the conductivity decreases, so that the coefficient of performance Z may decrease. Therefore, by forming a trivalent and tetravalent element alloy layer on the surface of the thermoelectric semiconductor, it is possible to suppress a decrease in the carrier concentration due to oxidation, and thus to suppress a decrease in conductivity and a decrease in performance.
【0046】本発明の請求項3の発明は、接触抵抗が減
少し性能低下の防止に大きな効果がある。つまり、熱電
半導体の切断加工時や電極接合時、通電時に発生する応
力等により、熱電半導体接合界面近傍には微細なクラッ
クや結晶の歪み、Te遊離後の空孔が多数存在している
と考えられる。そこで合金層の表面に3価若しくは4価
の元素膜が存在することで、これらの空孔若しくは空隙
部に3価及び4価の元素が満たされ、接触抵抗が減少し
性能低下防止に大きな効果がある。The invention of claim 3 of the present invention has a great effect in preventing a decrease in performance due to a reduction in contact resistance. In other words, it is thought that there are many fine cracks, crystal distortion, and many holes after Te release near the thermoelectric semiconductor junction interface due to the stress generated at the time of cutting the thermoelectric semiconductor, bonding the electrodes, energizing, and the like. Can be Therefore, the presence of a trivalent or tetravalent element film on the surface of the alloy layer fills these voids or voids with trivalent and tetravalent elements, thereby reducing contact resistance and greatly preventing performance degradation. There is.
【0047】本発明の請求項4の発明は、通電が可能で
あり、電極材の熱電半導体への拡散が防止でき、また酸
化や熱電半導体表面の空孔や空隙の発生による性能低下
を抑制できる。本発明の請求項5の発明は、請求項1や
請求項2の発明のように酸化による性能の低下を抑制で
きる熱電変換素子を製造できる。According to the invention of claim 4 of the present invention, it is possible to conduct electricity, to prevent the electrode material from diffusing into the thermoelectric semiconductor, and to suppress a decrease in performance due to oxidation or generation of pores or voids on the thermoelectric semiconductor surface. . According to the invention of claim 5 of the present invention, it is possible to manufacture a thermoelectric conversion element capable of suppressing a decrease in performance due to oxidation as in the invention of claim 1 or 2.
【0048】本発明の請求項6の発明は、請求項3の発
明のように酸化による性能の低下の抑制を持続できる熱
電変換素子を製造できる。本発明の請求項7の発明は、
合金層を薄く効果的に形成でき、酸化も防止することが
できる。また合金層形成工程の全てを乾式で行える。本
発明の請求項8の発明は、合金層と3価若しくは4価の
元素の層を同時に形成でき、酸化も防止することができ
る。また合金層と3価若しくは4価の元素の層の形成工
程を全て乾式で行える。According to the invention of claim 6 of the present invention, it is possible to manufacture a thermoelectric conversion element capable of sustaining the suppression of deterioration in performance due to oxidation as in the invention of claim 3. The invention of claim 7 of the present invention provides:
The alloy layer can be formed thinly and effectively, and oxidation can be prevented. Further, all of the alloy layer forming steps can be performed in a dry manner. According to the invention of claim 8 of the present invention, an alloy layer and a layer of a trivalent or tetravalent element can be simultaneously formed, and oxidation can be prevented. Further, all the steps of forming the alloy layer and the layer of a trivalent or tetravalent element can be performed by a dry method.
【0049】本発明の請求項9の発明は、請求項4のよ
うに通電が可能であり、電極材の熱電半導体への拡散を
防止することによる、また酸化や熱電半導体表面の空孔
や空隙の発生による性能低下を抑制できる熱電変換素子
を製造できる。本発明の請求項10の発明は、Ni層に
より半田の濡れ性が確保できる。本発明の請求項11の
発明は、Cu,Sn,Auのうち少なくとも一種類の金
属層により半田の濡れ性を向上できる。According to a ninth aspect of the present invention, an electric current can be supplied as described in the fourth aspect, the diffusion of the electrode material into the thermoelectric semiconductor can be prevented, and the oxidization and the pores or voids on the thermoelectric semiconductor surface can be prevented. A thermoelectric conversion element capable of suppressing a decrease in performance due to the generation of the heat can be manufactured. According to the tenth aspect of the present invention, the wettability of the solder can be ensured by the Ni layer. According to the eleventh aspect of the present invention, the solder wettability can be improved by at least one kind of metal layer among Cu, Sn, and Au.
【0050】本発明の請求項12の発明は、請求項9乃
至請求項11の成膜を真空中で行うことにより酸化を防
止できる。また成膜工程の全てを乾式で行うことができ
る。According to the twelfth aspect of the present invention, oxidation can be prevented by performing the film formation of the ninth to eleventh aspects in a vacuum. In addition, all of the film forming steps can be performed by a dry method.
【図1】(a)はn型熱電半導体に合金層を形成した状
態の断面図、(b)は(a)のX部拡大図である。FIG. 1A is a cross-sectional view of a state in which an alloy layer is formed on an n-type thermoelectric semiconductor, and FIG. 1B is an enlarged view of a part X in FIG.
【図2】(a)はp型熱電半導体に合金層を形成した状
態の断面図、(b)は(a)のX部拡大図である。2A is a cross-sectional view showing a state in which an alloy layer is formed on a p-type thermoelectric semiconductor, and FIG. 2B is an enlarged view of a portion X in FIG.
【図3】(a)は熱電半導体に合金層及び3価若しくは
4価の元素の層を形成した状態の断面図、(b)は
(a)のX部拡大図である。FIG. 3A is a cross-sectional view showing a state in which an alloy layer and a layer of a trivalent or tetravalent element are formed on a thermoelectric semiconductor, and FIG. 3B is an enlarged view of a part X in FIG.
【図4】(a)は熱電半導体に合金層、3価若しくは4
価の元素の層、拡散防止層及び電極材を形成した状態の
断面図、(b)は(a)のX部拡大図である。FIG. 4 (a) shows an alloy layer, trivalent or tetravalent layer on a thermoelectric semiconductor.
FIG. 3B is a cross-sectional view showing a state in which a layer of a valence element, a diffusion prevention layer, and an electrode material are formed, and FIG.
【図5】熱電半導体に合金層を形成する状態を説明する
断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a state in which an alloy layer is formed on a thermoelectric semiconductor.
【図6】(a)は熱電半導体に合金層及び3価若しくは
4価の元素の層を形成した状態の断面図、(b)は
(a)のX部拡大図である。6A is a cross-sectional view showing a state in which an alloy layer and a layer of a trivalent or tetravalent element are formed on a thermoelectric semiconductor, and FIG. 6B is an enlarged view of a part X in FIG.
【図7】熱電半導体に真空成膜法により合金層を形成す
る状態を説明する断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a state in which an alloy layer is formed on a thermoelectric semiconductor by a vacuum film forming method.
【図8】熱電半導体に真空成膜法により合金層及び3価
若しくは4価の元素の層を形成する状態を説明する断面
図である。FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a state in which an alloy layer and a layer of a trivalent or tetravalent element are formed on a thermoelectric semiconductor by a vacuum film formation method.
【図9】熱電半導体に合金層、3価若しくは4価の元素
の層、拡散防止層及び電極材を形成する状態を説明する
断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a state in which an alloy layer, a trivalent or tetravalent element layer, a diffusion prevention layer, and an electrode material are formed on a thermoelectric semiconductor.
【図10】拡散防止層のにNi層を形成する状態を説明
する断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a state in which a Ni layer is formed as a diffusion prevention layer.
【図11】拡散防止層の上にNi層、半田濡れ性向上
層、電極材を形成する状態を説明する断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a state in which a Ni layer, a solder wettability improving layer, and an electrode material are formed on a diffusion prevention layer.
【図12】(a)は拡散防止層を形成する状態を説明す
る断面図、(b)はNi層を形成する状態を説明する断
面図、(c)は半田濡れ性向上層を形成する状態を説明
する断面図である。12A is a cross-sectional view illustrating a state in which a diffusion prevention layer is formed, FIG. 12B is a cross-sectional view illustrating a state in which a Ni layer is formed, and FIG. 12C is a state in which a solder wettability improving layer is formed. It is sectional drawing explaining.
A n型熱電半導体 A′ p型熱電半導体 A″ n型またはp型熱電半導体 B 合金層 B′ 合金層 B″ 合金層 C 3価若しくは4価の元素の層 D 拡散防止層 E 電極材 F Ni層 G 半田濡れ性向上層 An n-type thermoelectric semiconductor A ′ p-type thermoelectric semiconductor A ″ n-type or p-type thermoelectric semiconductor B alloy layer B ′ alloy layer B ″ alloy layer C layer of trivalent or tetravalent element D diffusion prevention layer E electrode material F Ni Layer G Solder wettability improving layer
Claims (12)
(n型) b.3価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,
C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素
と、Bi,Te,Seのうち少なくとも一種類の金属若
しくはBi−Te−Se系合金との合金層 以上のa.,b.から成ることを特徴とする熱電変換素
子。1. A method according to claim 1, Thermoelectric semiconductor Bi-Te-Se alloy (n-type) b. Trivalent or tetravalent elements (B, Ga, In, Tl,
C, Si, Ge, Sn) and an alloy layer of at least one metal of Bi, Te, Se or a Bi-Te-Se-based alloy. , B. A thermoelectric conversion element characterized by comprising:
(p型) b′.3価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,
C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素
と、Bi,Sb,Teのうち少なくとも一種類の金属若
しくはBi−Sb−Te系合金との合金層 以上のa′.,b′.から成ることを特徴とする熱電変
換素子。A '. Thermoelectric semiconductor Bi-Sb-Te alloy (p-type) b '. Trivalent or tetravalent elements (B, Ga, In, Tl,
C, Si, Ge, Sn) and an alloy layer of at least one metal of Bi, Sb, Te or a Bi-Sb-Te alloy. , B '. A thermoelectric conversion element characterized by comprising:
型若しくはp型熱電半導体 b″.3価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,
C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素
と、Bi,Sb,Te,Seのうち少なくとも一種類の
金属若しくはBi−Te−Se系合金若しくはBi−S
b−Te系合金との合金層 c.3価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,
C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素
からなる層 以上のa″.,b″.,c.から成ることを特徴とする
熱電変換素子。3. a ''. N in claim 1 or 2
-Type or p-type thermoelectric semiconductor b ". Trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, Tl,
(C, Si, Ge, Sn) and at least one metal of Bi, Sb, Te, Se, Bi-Te-Se alloy or Bi-S
Alloy layer with b-Te alloy c. Trivalent or tetravalent elements (B, Ga, In, Tl,
C, Si, Ge, Sn) at least one of the above elements a ″., B ″. , C. A thermoelectric conversion element characterized by comprising:
型若しくはp型熱電半導体 b″.3価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,
C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素
と、Bi,Sb,Te,Seのうち少なくとも一種類の
金属若しくはBi−Te−Se系合金若しくはBi−S
b−Te系合金との合金層 c.3価若しくは4価元素(B,Ga,In,Tl,
C,Si,Ge,Sn)のうち少なくとも一種類の元素
からなる層 d.拡散防止効果を有する金属(Ti,Cr,Co,N
i,Nb,Mo,W)のうち少なくとも一種類の元素か
らなる層 e.電極材(半田材、電極) 以上のa″.,b″.,c.,d.,e.若しくは
a″.,b″.,d.,e.からから成ることを特徴と
する熱電変換素子。(4) a ". N in claim 1 or 2;
-Type or p-type thermoelectric semiconductor b ". Trivalent or tetravalent element (B, Ga, In, Tl,
(C, Si, Ge, Sn) and at least one metal of Bi, Sb, Te, Se, Bi-Te-Se alloy or Bi-S
Alloy layer with b-Te alloy c. Trivalent or tetravalent elements (B, Ga, In, Tl,
A layer composed of at least one element of C, Si, Ge, and Sn) d. Metals having a diffusion preventing effect (Ti, Cr, Co, N
i, Nb, Mo, W) at least one element from the group consisting of: e. Electrode material (solder material, electrode) a "., B". , C. , D. , E. Or a ″., B ″. , D. , E. A thermoelectric conversion element comprising:
くはBi−Sb−Te系合金に、3価若しくは4価元素
(B,Ga,In,Tl,C,Si,Ge,Sn)のう
ち少なくとも一種類の元素と、Bi,Sb,Te,Se
のうち少なくとも一種類の金属若しくはBi−Te−S
e系合金若しくはBi−Sb−Te系合金との合金層を
形成する工程を有することを特徴とする熱電変換素子の
製造方法。5. The thermoelectric semiconductor Bi—Te—Se-based alloy or Bi—Sb—Te-based alloy has at least one of trivalent or tetravalent elements (B, Ga, In, Tl, C, Si, Ge, Sn). One kind of element, Bi, Sb, Te, Se
At least one kind of metal or Bi-Te-S
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, comprising a step of forming an alloy layer with an e-based alloy or a Bi-Sb-Te-based alloy.
化した3価若しくは4価の元素の層を形成する工程を有
することを特徴とする熱電変換素子の製造方法。6. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 5, further comprising the step of forming a layer of an alloyed trivalent or tetravalent element on the surface of the alloy layer.
素を真空成膜法により熱電半導体表面に形成し、成膜中
の熱若しくは成膜後に加熱をすることで合金層を形成す
る工程を有することを特徴とする熱電変換素子の製造方
法。7. The method according to claim 5, wherein a step of forming a trivalent or tetravalent element on the surface of the thermoelectric semiconductor by a vacuum film forming method and heating the film during or after film formation to form an alloy layer. A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, comprising:
素層を真空成膜法により熱電半導体表面に形成し、成膜
中の熱若しくは成膜後に加熱をすることで合金層及び3
価若しくは4価元素層を形成する工程を有することを特
徴とする熱電変換素子の製造方法。8. The alloy layer and the trivalent or tetravalent element layer according to claim 6, wherein the trivalent or tetravalent element layer is formed on the surface of the thermoelectric semiconductor by a vacuum film forming method, and heat is applied during or after the film formation.
A method for manufacturing a thermoelectric conversion element, comprising a step of forming a valence or tetravalent element layer.
層形成後に拡散防止効果を有する金属(Ti,Cr,C
o,Ni,Nb,Mo,W)のうち少なくとも一種類の
元素からなる層を形成し、 1.Cu電極を半田接合する工程 2.半田を厚盛する工程 3.Cuメッキする工程 上記の1.,2.,3.のいずれかの方法で電極を形成
する工程を有することを特徴とする熱電変換素子の製造
方法。9. A metal (Ti, Cr, C) having an effect of preventing diffusion after forming an alloy layer according to claim 5 or claim 6.
o, Ni, Nb, Mo, W) to form a layer made of at least one element; 1. Step of soldering Cu electrode 2. Step of thickening solder Step of Cu plating , 2. , 3. Forming the electrode by any one of the above methods.
Ni層を形成することを特徴とする熱電変換素子の製造
方法。10. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 9, wherein a Ni layer is formed on the surface of the diffusion preventing layer.
田濡れ性を向上させる金属層(Cu,Sn,Au,Bi
−Sn半田のうち少なくとも一種類の金属)を形成する
ことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。11. The metal layer (Cu, Sn, Au, Bi) for improving solder wettability on the surface of a Ni layer according to claim 10.
-A method for producing a thermoelectric conversion element, wherein at least one kind of metal (Sn solder) is formed.
項11において、拡散防止層、Ni層、半田濡れ性向上
層を真空成膜法により形成する工程を有することを特徴
とする熱電変換素子の製造方法。12. The thermoelectric conversion element according to claim 9, further comprising a step of forming a diffusion prevention layer, a Ni layer, and a solder wettability improving layer by a vacuum film forming method. Production method.
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