JPS58209174A - 熱電対素子 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱′ｄ対素子、特に大きな熱電能を有し、薄
膜形成の容易性と微細加工の容易性等の特徴を備えたア
モルファス半導体薄膜と金属抵抗体薄膜とを具備し之熱
電対素子であって、低入力インピーダンス、特に高周波
領域におけるインピーダンス整合全配属し几低周波から
光波に至る電力検出に用いられる熱電対素子に関するも
のである。

通常アモルファス半導体とは、液体及び気体を除く物質
であって、結晶学的、に３次元的周期性を示さない半導
体をいう。すなわち、不規則、非晶質状のもので、Ｘ線
回折図形で特定しうる回折ピークを持ｔない半導体と定
義されているが、本明細書におけるアモルファス半導体
としては、後の製造方法で説明されている半導体をも含
めて呼ぶこととする。

従来、電力、特に高周波電力全測定する場合、その検出
素子としてはゼロメータが用いられ、最近ではＢ１−８
ｂ等に代表される薄膜熱電対素子や５ｉ−Ｔａ、Ｎに代
表される半導体−薄膜熱電対素子が用いられている。−
サーミスタやバレッタなどのゼロメータを検出素子とし
て用いた方式は、高周波エネルギーを吸収し之ときに生
じる抵抗値変化から間接的に入射電力を測定するもので
、周囲の温度変化に対して敏感に抵抗値が変化するため
に零点が変動し、この零点ドリフトｉ補償する回路が必
要となつ念。その上サーミスタの場合は、周波数が高く
なると入力定在波比が大きくなり、ま之、バレッタの場
合は、過電流に弱いなどの欠点がある。

検出素子として薄膜熱電対素子や半導体−薄膜熱電対素
子を用い見方式は、Ｒ膜熱電対素子又は半導体−薄膜熱
電対素子が入射高周波電力全吸収し、その入射電力に比
例し念直流の熱起電力に変換して測定するものである。

この方式は周囲温度の変化による零点ドリフトは小さい
が、１μＷ以下の微小な電力全測定するのが困難である
。特にＢ１−８ｂ等に代表される薄膜熱？ｄ対素子の場
合は、金属の融点が低く、特にこの金属全ポリイミドフ
ィルムやマイカ等絶縁性基板に蒸着膜を形成した場合、
絶縁性基板との付着力が弱くなる。しかも、水や有機溶
剤によって、僕質が子Ｊｊなわれるので、フォトエツチ
ング仮封に代表でれるλ刑加工仮術が使用できない等の
欠点がある。−万、５ｉ−Ｔａ２Ｎに代表される半導体
−薄膜熱電対素子は％支持基板のシリコン（Ｓｉ）の熱
伝導率が約１．４５　Ｗ／ｃｍ　℃と大きい　このため
熱電対素子の咲出感度全高めるために、シリコン基板を
薄くする必要性がらり、実用化素子では基板厚ざが５μ
ｍ程度である。チップ状シリコン基板の一部を薄くする
ためにンゴ通常選択注エツチング技術が用いられる定め
、予めシリコン基板にエツチングストッパ中壓散Ｗを形
成しておく必要性がある。このように半纏体−薄膜熱“
イ対素子は、構造が複雑な上に製造方法も困難さを伴な
っている。

そこで本発明の出願人らは、アモルファス半導体薄僕、
待にアモルファスシリコン薄膜（以下アモルファス釦薄
膜と記す）の有する大きな熱イ；止。

ｐ”−ｎ”ｉｔ合部のオーミック特性、薄膜形成の容易
さと慨細加工１ヶに１目して、泊−性基板上に相互にそ
の一部がオーミック特性？有した接触部？１イ成する第
１及び第２のアモルファス半導体薄膜で構成された熱電
対素子を先に提案している。

この第１及び第２のアモルファス半導体薄膜で構成され
定態電対素子を用いて光パワーを検出するに括っては何
んら問題はないが、例えばマイクロ波の電力′ｔ−直接
電対素子に入射して熱電変換を行なわせる方式で入射電
力を検出するに当っては、インピーダンス整合をとる必
要がある。し”・しながら前記熱電対素子においては、
前記熱電対誦子ｆＩ：ＷＩｔ成する第１及び第２のアモ
ルファス半導体薄膜の導電率は従来に比べて；くできた
が、それでも高周波の電力を検出する十分な導電率を有
する薄膜が得られてぃ慶い。従がって前記熱電対素子に
）ける入力インピーダンスけまだｆｓ＜、’（７ピ一ダ
ンス整合丁バとれない欠点があっ念。アモルファス半導
体薄膜の導電率を高くすればよいが、現在での技術で’
ｌ：４’ｉＱ率（σ）の高いアモルファス半導体薄膜、
例えば１０ｔＳ−ｃｒｎ−’以上のものがｐ＋形では実
現できてもｎ＋形では実現されなｔ４でいる。

そこで熱電対素子の入力インピーダンスを低下させる物
理的な形状の薄膜を形成する手段が考えられる。この場
合、直流的には入力インピーダンスが小さくでき、イン
ピーダンス整合条件Ｉり満足されるが、交流的には入力
定在波比が大きくなって好ましくない。しかも温接点と
冷接点との間隔が短かくなり、熱電対菓子としての機能
が損なわれてしまう欠点がある。

本発明は、上記の点ＶＣ鑑みなされたもので、第１及び
第２のアモルファス半導体薄膜のいずれか一方を適度の
導電率を有する金属抵抗体薄膜に換を提供することを目
的としている。以下図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明に係る熱電対素子の一笑施例を示す平面
図、第２図は第１−の矢視Ｘ−Ｘの断面図である。

第１図、第２図において、絶縁性基板１上にはアモルフ
ァス半導体薄膜２と金属抵抗体薄膜３とが設けられる。

アモルファス半導体薄膜２と金属抵抗体薄膜３とは互に
その一部が接触し、オーミック特性を有する接触部５が
形成されている。アモルファス半導体薄膜２及び金属抵
抗体薄膜３には図示の如く、前記接触部５から隔れた位
置にその一部全接触してオーミック電極４お工び電極４
′が設けられ、一対の電極を構成している。

このように構成された熱電対素子７は、アモルファス半
導体薄膜２と金属抵抗体薄膜３との接触部５が温（冷）
接点を、アモルファス半導体薄膜２とオーミック電極４
との接触部６及び金属抵抗体薄膜゛３と電極４′との接
触部６′とがそれぞれ冷（温）接点となり、この温接点
と冷接点との間の温度差ΔＴｉｃ比例した熱起電力Ｖが
、上記オーミック電極４と電葎４′との間に発生する。

この時発生する熱起電力Ｖはアモルファス半導体ン享膜
２の熱電能αユと、金属抵抗体薄膜３の熱電能揺と、上
記温度差ΔＴ／：によって決定され ■＝（α８＋へ）ΔＴ・・・・・・・・・（１）で示さ
れる。

アモルファス半導体薄膜２として、ｐ十形又はｎ十形の
各アモヤファス゛）Ｉ薄膜を用いれば、ｐ十形及びｎ十
形の各アモルファスＳｉ薄膜の熱電能αａは逆の熱電能
を有するので、オーミック電極４と電極４１との間に発
生する熱起電力Ｖは極性が逆となる。

アモルファス半導体薄膜２として上記ｐ十形又はｎ十形
のアモルファス半導体を用いた場合のそれに対する金属
抵抗体薄膜３の組合せ（はゼーベック係数が犬となり、
しかも互に熱、電炬の極性が異なる金属抵抗体が選ばれ
る。例えばアモルファス半導体薄膜２としてｐ十形アモ
ルファス半導体薄膜が使用されたときの金属抵抗体薄膜
には、コンスタンタン或いはニッケルの各薄膜と組合わ
せ、ｎ十形アモルファス半導体薄膜が使用されたときの
金属抵抗体薄膜には、ニクロム薄膜等と組合わせられる
のが一般的である。

一方熱電対素子７の入カイ／ビーダンスは、金属抵Ｌ１
［体薄嘆３金用いていることにより下がっている。金属
抵抗体薄膜３に用いられる金属抵抗体の導？！率はアモ
ルファス牛導本薄、莫２に用いられているアモルファス
半導体の導を率よりも約１桁以上も大きい。従かつて、
図示の金属抵抗体薄膜３の部分に第２のアモルファス半
導体薄Ｂを設けて熱電対素子を構成した場合に比較して
、本発明に係る熱電対素子７の熱起電力ははソ半分では
めるが、インピーダンス整合がとり得る構造の熱電対素
子が構成される。

第３図は本発明に係る熱電対素子を応用した電力検出素
子の一冥施例を示している平面図１、第４因は第３図の
矢視Ｙ−Ｙの断面図である。

第３図、第４図において、絶縁性基板１１上には第１図
、第２図で説明した本発明に係る熱電対素子が向きを逆
にして並列に並べて構成されている。すなわち、互にそ
の一部が接触し、オーミック特性を有する接触部１５と
１５′金それぞれ形成するアモルファス半導体薄膜１２
と１２′及び金属抵抗体薄膜１３と１３′とが、絶縁性
基板１１上に設けられている。アモルファス半導体薄礫
１２及び金属抵抗体薄膜１３′には図示の如く、前記各
接触部１５及び１５′から隔れた位置にその一部を接触
してオーミック電極１４Ａ及び電極１４Ｇが設けらねて
いる。″！！念前記各接触部１５及び１５′から□□□
れた位置にアモルファス半導体ｉ′４膜１２′と金−抵
抗体薄膜１３とが互にその一部を接触し、更にその上側
ＩＣ前記金属抵抗体薄膜１３の一部と接触しているオー
ミック′を極１４Ｂが設けられている。

このように構成されｆｃｔ力検出素子１８は、アモルフ
ァス半４体薄膜１２と、金属抵抗体薄膜１３との接触部
１５及びアモルファス半導体薄膜１２’と金属抵抗体薄
膜１３′との接触部１５′とが温接点となり、アモルフ
ァス半導体薄膜１２とオーミック′−視倒１４Ａとの接
触部１６人、及び金属抵抗体薄膜１３′と電極１４０と
７）接触部、及びアモルファス半導体薄膜１２′と金属
抵抗体薄［１３との接触部１６Ｂとが冷接点となる。

電力検出素子１Ｂを用いて構成した電力検出装置の一実
施例′ｔ−第５凶に示−「。第５図において、符号１４
Ａ、ｉ４Ｂ、−１４０，１８は第３図のものに対応する
。符号２０は被−ｊ定信号、２１はカツフリングコンデ
ンサ、２２Ｈノ々イノぞスコンデンサ、２３１は増幅器
、２４は表示装置、２５．２５’はアースを表わしてい
る。

カップリングコンデンサ２１を介して入力され九被測定
信号は直接電力検出素子１８内で吸収され、熱電変換さ
れてその熱起電力が出力端子のオーミック電極１４Ａと
電極１４０との間に現われる。第５図から判る様に、電
力検出素子１８の入力インピーダンスは第１図、第２図
で説明した熱電対素子７の１個分にはソ相当し、インピ
ーダンス整合がとられることを示している。

電力検出素子１８のオーミック電極１４Ａ、！＝１４Ｂ
１及びオーミック電極１４Ｂと電極１４０との間に（ｄ
そｆ′Ｌぞれ式（１）で示される熱起電力が発生してい
るので、上記オーミック電極１４Ａと電極１４０との間
には１対の熱電対素子に発生した和の起電力即ち、Ｖ＝
２（αａ＋αｍ）ΔＴが現われる。該和の起電力は増幅
器２３で増幅され定径、表示装置２４に表示される。

ま定温５Ｉ図から判る二うに、電力検出素子１８のオー
ミック電極１４Ａは接地され、かつ電極１４０はノぐイ
ノミスコンデンサ２２を介して高周波的に接地されてお
り、出力端子用リード線ｖｃ工っても之らされる浮遊イ
ンダクタンスが被測定信号系にフィードバックされない
ので、低周波から超高周波にわたって入力定在波比を低
く一定に抑えることができ、従がって電力検出素子１８
を用いて構成した電力検出装置は、低周波から超高周波
にわたる電力を検出、測定することができる。

第６図は本発明に係る熱電対素子を応用した光ノぐワー
検出素子の一実施例を示している平面図、第７図は第６
図の矢視Ｚ−２の盾部図工ある。

第６図、第７図において、符号工ないし７は第１図、＠
２図のものに対応する。符号３７は光吸収膜、３８は光
ノぐワー検出素子を表わしている。

光ノぞワー検出素子３８は第１図、第２図で説明し比熱
電対素子７の温接点を形成するアモルファス半導体薄膜
２と全開抵抗体薄膜３との一触部５０面上に光吸収膜３
７が設けられている。該光吸収膜３７は、全黒、力−ゼ
ンブラック或いは組成比の異なったアモルファス半導体
薄膜等で構成される。

以上の実施例で説明し比熱電対素子、該熱電対素子を応
用し比電力検出素子及び光パワー検出素子は、それぞれ
１対或いは２対の熱電対素子の構成のものについて述べ
九が、構造上容易に想像できるように、１対或いは２対
以上をカスケード状に接続した多対形態電対素子を構成
することができ、しかもこの場合はオーミック電極間の
出力電圧（熱起電力）と入力インピーダンスは、それぞ
′ｒＬ熱電対素子数に比例して大きくなるので、測定ｆ
ｆ度及び所望の入力インピーダンス等に合わせ之設計が
できる。

次に熱電対素子の製造方法について述べる。絶縁性基板
１にグロー放電法を用いてｐ形成いはｎ形アモルファス
半導体、９膜２を堆積し念のち、蒸着法等にエリ金属抵
抗体薄膜３を形成する。ノソターニングにはフォトエツ
チング技術又はメタルマスクを用いる。次にｐ形成いは
ｎ形アモルファス半導体、厚膜２お工び金属抵抗体薄膜
３の各一部にオーミック電極４お工び電極４′ヲ設ける
。オーミック電極材料としてはそれぞれν、　Ａｕ、　
Ｗ、、　Ｎ１（ｒ。

Ｐｉ等が使いられる。特にアモルファス半導体薄膜用電
極材料の一例としてはＮｉＣｒ　５００　Ａ　／　Ａｕ
３００ＯＮの多層構造のものが優れている。

光）ぞワー検出素子の製造方法としては、前記熱電対素
子の製造方法に述べた工程すこ、光吸収膜３７を形成す
る工１全追加する。光吸収膜形成Ｖては、グロー放電法
、あるいは真空蒸着法等を用いることができる。次にグ
ロー放電法について若干述べる。グロー放′ｉ法には直
流電界中でグロー放電を発生させるＤＣグロー放電法と
高周波電界中でグロー放電を発生さぜるＲＦグロー放電
、去がある。

第８図はａＦグロー放電法Ｃてエリ、絶縁性基板等にア
モルファスＳｔ　４ａを−ｔ、積させる装置列である。

この装置は真空容器４０と真仝容１ｅｉ４０Ｐ’ｉに品
行に配列され几アノード４４およびカソード４５、ガス
４３ｆｔ真空容器４０内に袷ス又は排気する之めの給気
口４１＞工び排気口４２、アノード４４お工びカソード
４５に加熱するヒータ４７．４７’等から構成される。

絶て女性基板４６はアノード４５上に置かれる。ガス４
３としては、通常８ｉＨ４又はヒ０ ＳｉＦ４とＢ２の混合ガスにドーピングガス（例エバＰ
Ｈ３＋　ＡｓＨ，ｌ　Ｂ２　）（６等）全添加し念もの
が用いられる。グロー放電甲の真空圧力は数Ｔｏｒｒ、
電ＥＥＰｉは高周波電圧が使用され、その電圧はほぼ一
定で電流は１〜１００ｍＡｋであり、ガス反応の大部分
は陽光柱（プラズマ４８）内で起る。特に、このグロー
放電法では基板温度が４００℃以下という低温度でアモ
ルファス半導体薄膜全堆積できるという特徴金有する（
従来の薄摸選造の几めの熱分解法では基板温度として５
００〜７００℃が必要であつ之）。ＤＣグロー放電法金
用いた堆積条件の一例としては、放電圧力０．１〜１０
　Ｔｏｒｒ、放電電流１〜１００　ｍＡ／ｃｊ、放電電
圧５００〜８００Ｖ。

電極間隔３画、基板温度２５０〜４５０℃５ｓＩＦ＋／
Ｈ，＝　ｌ〜１０．ＢｔＨ６／Ｓｌ＋＝１００＝２５０
０ｐｐｍ　＋　　ＰＨｓ／５ｉＦｎ　　＝　１　０　０
〜２５　０　０　　ｐｐｍでるる。

この条件で堆、λし之アモルファス半４体・３膜として
、導電率σ＝２０（Ω・、ｚ）−’以上ものが容易に得
られている。半導体薄膜の導電率を高める方法としては
、放電電流を大きくする方法あるいはドーピングガスの
割合を高くする方法等が一般的である。父、磁界を印刀
口する方法も有効である。

以上の方法を用いて半導体薄膜を罹積した場合、アモル
ファス膜中Ｔ／Ｃ１００λ前後の微細な結晶相が含まれ
たり、多結晶的性質を示す工うになるが李電能特性は保
持される。この工うに熱電能特性が保持さｊている微細
な結晶相を包含しているものも含めて本明細書の菅頭部
分で定義したアモルファス半導体の中に入れている。

又、５ｔ−Ｇｅの合金形アモルファス半導体薄膜も高い
導電率が得られる。この場合、ＧｅＨ＋の混合ガスにＢ
２Ｈ８又はＰＨ５，ＡｓＨ３のドーピングガスを添付し
友もの金用い、　　ＦＬＦ又はＤＣグロー放ｄ法を用い
てアモルファス半導薄膜を堆積させる。

以上説明した如く、本発明に、＝れば次の工うな効果を
有する。

（１）熱電能、導電率が共に大きいアモルファス半導体
と熱電能の極性が異なる合間抵抗体とを組み合わせ念の
で、高周波帯に対してインピーダンス整合が行なえる工
うな熱電対素子が構成でき、該熱電対素子全応用して直
熱形の高周波電力検出装置等を構成することができる。

（２）　　フォトエツチング技術に代表される微細刀ロ
工技術が使用できるので超小形の熱電対素子および本然
対素子を応用した電力検出素子や光ノぐワー検出素子等
を構成することができる。

（３）高周波電力検出素子等が直熱形Ｉｌｃ構成できる
ので、従来の傍熱形に比して片面加工の電力検出素子で
すみ、従がって製造工程が少なくなって安価な電力検出
装置を等が可能となる。

以上述べた’；ｏ　＜　、本発明に係る熱電対素子）工
びこの熱１対素子を応用した電力検出素子、光パワー検
出素子は、従来のものよりも幾多の利点金有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る熱゛電対素子の一災施例會示す平
面１、Ｍ　２　ｉＥは第１因の矢視ｘ−ｘＬＤｔｍ面図
、４３図は本発明に係る熱電対素子そ応用した電力検出
素子ゾ）−メ施例を示している平面図、第４図は第３図
の矢視Ｙ　−’　Ｙの″Ｐｆｒ面図、第５図は電力検出
装置ゾ）−実施列を示している図、第６図は本発明に係
る熱電対素子を応用した光バフ−検出素子の一実施例と
示している平ｒ￥Ｊ図、第７図は第６図の矢視Ｚ−Ｚの
＠面１図、第７凶はグロー放電法に係る装置の一例全示
している図、 １図中、ｉ、１１．４６は各絶禄性基板、２，１２゜１
２′は各アモルファス半導体′専夙　３，１３．１３’
は各金属抵抗体１模、４．１４Ａ、１４Ｂは各オーミッ
ク電メ、４’、１４０は各Ｉ啄、５．６．６’。 １５．１６人、１６Ｂ、３５は接触部、７は熱電対素子
、１８は電力検出素子、２０は被測定信号、２１はカッ
フリングコンデンサ、２２はパイノぞスコンデンサ、２
３．：ま層幅４．２４は表示装置、２５゜２５′はアー
ス、３７は光吸収膜、３８は元ノξワー検出素子、４０
は真空容器、４１は給気口、４２は排気口、４３はガス
、４４はアノード、４５はカソード、４７．４７’は各
ヒータ、４８・けプラズマ全それぞれ表わしている。 第１図 第２図 第３図 第４　図 ａ；１５図 手続補正　番　（方式） 餡湘〕５７年９月２ｒ日 特許庁長１若杉和天殿 １　事件の表示 昭和５７年押許願第９１３４２号 ２　発明の名称 熱１１子 ３、補正をする者 事件との関保　　特許出Ｉｐ人 圧　所　東京都港区噂麻；ｆｆ５５丁目ＩＯ番２７号名
　称　ｆＱ５７）安立宵う株式会社 代表者　（）！　　身　−部 ４　代　理　人　〒１１２　　電話（８１２）１０４９
番住　所　東京都文京区白山２丁目１２番１１号小泉ビ
ル４Ｎ ６　補正により増加する比例の数　　０（Ｉ）　　願書
の「喪計出紬人の伽」及びＣ伶＋Ｔ書類の目縁の欄」 （２）委任状 （３）　　明細書の「図面の簡単な説明の横」＆　→正
の内容 （ｌ）ｌｊＩＩＪ　　書　　別紙の通り（２＋　　委任
状　　カ（紙の遡９ （３）　　明ａ事の図面の蘭車なセ孕の撫早１８頁阻６
行−から第７行日　「第７図・はグロー放電法ｖＣ倶る
長歯の一例を示している図１　」を「第８図はグローｉ
１法に係る装置の一例を示している１っ　」Ｖこ訂正す
る。 依　添付書類の１録 １１ｊ訂正＃ｉ−Ｆ　　　Ｊ通

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 絶縁性基板（１）と；該絶縁性基板（１）上に設けられ
   たアモルファス半導体薄膜（２）と；前記絶縁性基板（
   １）上に設けられ、該アモルファス半導体薄膜（２）の
   一部と接して形成された金属抵抗体薄膜（３）と；該接
   触部（５）と隔離して前記アモルファス半導体薄膜（２
   ）２よび金属抵抗体薄膜（３）の各一部に設けられ之オ
   ーミック電極（４）お工ヒ電極（４′）とを備え、前記
   アモルファス半導体薄膜（２）と前記金属抵抗体薄膜（
   ３）との接触部（５）を温（２）接点とし、前記アモル
   ファス半導体薄膜（２）および金属抵抗体導膜（３）と
   前記オーミック電極（４）お工び′１極（４′）との各
   接触部（６，６勺を冷（ａ）接点トスることにより前記
   オーミック電極（４）と電極（４′）との間に起電力が
   発生するようにしたことを特徴とする熱電対素子。