JP2009194309A - Thermoelectric module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電材料のゼーベック効果を利用したものとして、例えば外気と体温など小さな温度差による発電、自動車の排熱を利用した発電、その他、焼却炉や暖房器具、家庭排熱を利用した発電に利用できる熱電モジュールに関するものである。また、熱電材料のペルチェ効果を利用したものとして、例えばＣＰＵの冷却、レーザ媒質の冷却等、局所的な冷却・温度制御に利用できる熱電モジュールに関するものである。更に、その他、微小な温度変化を検知する温度センサとして、例えば高感度な温度センサ、光センサ、ガスセンサに利用できる熱電モジュールに関するものである。 The present invention uses the Seebeck effect of a thermoelectric material, for example, power generation using a small temperature difference such as outside air and body temperature, power generation using exhaust heat from an automobile, other incinerators and heating appliances, power generation using household exhaust heat It is related with the thermoelectric module which can be utilized for. Further, the present invention relates to a thermoelectric module that can be used for local cooling and temperature control, such as cooling of a CPU, cooling of a laser medium, etc., as a device that uses the Peltier effect of a thermoelectric material. Further, the present invention relates to a thermoelectric module that can be used for, for example, a highly sensitive temperature sensor, optical sensor, and gas sensor as a temperature sensor that detects minute temperature changes.
従来より、熱電材料の性能は、一般に性能指数ＺＴを用いて表されている。ここで、Ｚは、ゼーベック係数αと抵抗率ρと熱伝導率κを用いて、Ｚ＝α2／（ρ、κ）で表され、Ｔは絶対温度である。 Conventionally, the performance of thermoelectric materials is generally expressed using the figure of merit ZT. Here, Z is expressed by Z = α 2 / (ρ, κ) using Seebeck coefficient α, resistivity ρ, and thermal conductivity κ, and T is an absolute temperature.
この熱電材料が広く実用化されるためには、ＺＴ＞２が必要であるといわれているが、代表的な熱電材料であるＢｉＴｅ系熱電材料でもＺＴは１程度であり、更なる性能の向上を求め、様々な材料で研究がなされてきた。 It is said that ZT> 2 is necessary for this thermoelectric material to be put into practical use, but ZT is about 1 even in a BiTe thermoelectric material, which is a typical thermoelectric material, and further performance improvement Research has been conducted on various materials.
その中で、ある量子井戸熱電材料（超格子熱電材料）においては、バルクの熱電材料に比べ著しく大きなＺＴ＝２．４が報告されている（非特許文献１参照）。この量子井戸熱電材料とは、エネルギーギャップの異なる２種の材料を、薄膜的手法により基板上に数〜数１０ｎｍの厚みで交互に積層させることにより形成されるものである。 Among them, in a certain quantum well thermoelectric material (superlattice thermoelectric material), ZT = 2.4, which is significantly larger than that of a bulk thermoelectric material, has been reported (see Non-Patent Document 1). The quantum well thermoelectric material is formed by alternately stacking two kinds of materials having different energy gaps on a substrate with a thickness of several to several tens of nanometers by a thin film technique.
しかしながら、この量子井戸熱電材料は、熱電素子が気相成長プロセスで形成されて薄膜となるため、モジュール化するのが困難であり、それに伴う各種の問題がある。具体的には、量子井戸熱電材料は基板上に形成される薄膜であるため、モジュール化することが困難であるという問題があった。 However, this quantum well thermoelectric material is difficult to be modularized because thermoelectric elements are formed by a vapor phase growth process to form a thin film, and there are various problems associated therewith. Specifically, since the quantum well thermoelectric material is a thin film formed on a substrate, there is a problem that it is difficult to make a module.
この薄膜を如何にしてモジュール化するかという課題に対して、量子井戸熱電材料を用い、それぞれ所定の工夫を加えて熱電発電モジュールを作製する方法が提案されている（特許文献１〜３参照）。なお、その他、一部に薄膜を用いた熱電モジュールの作製方法も提案されている（特許文献４〜６参照）。
また、基板上に形成された量子井戸材料からなる薄膜（量子井戸薄膜）を熱電素子として用いる場合、その膜面方向(基板に平行)に温度差をつけて用いる方法と、膜厚方向(基板に垂直)に温度差をつけて用いる方法の、２通りの使用方法が考えられる。 In addition, when a thin film (quantum well thin film) made of a quantum well material formed on a substrate is used as a thermoelectric element, a method of using a temperature difference in the film surface direction (parallel to the substrate) and the film thickness direction (substrate Two methods of use are conceivable: a method using a temperature difference in the direction perpendicular to
まず、膜面方向に温度差をつけて用いる場合は、薄膜の熱電素子に与えられる温度差は基板の熱伝導率に依存するため、熱伝導率の低い基板を用いて、熱電素子に与えられる温度差を大きくする必要がある。 First, in the case of using a temperature difference in the film surface direction, the temperature difference given to the thin film thermoelectric element depends on the thermal conductivity of the substrate, so it is given to the thermoelectric element using a substrate having a low thermal conductivity. It is necessary to increase the temperature difference.
この膜面方向に用いる方法として、前記特許文献１の技術では、熱伝導率の低い基板として、長い帯状のカプトンフィルムを用い、その第１、第２の表面にそれぞれＰ型とＮ型の量子井戸薄膜を不連続に形成し、基板の側面を介してＰ型とＮ型の熱電素子を直列に接続し、これをロール状に巻くことにより熱電モジュールとしている。
As a method used in the film surface direction, in the technique of
しかしながら、カプトンの耐熱性は４００℃程度と低く、熱電材料の性能を発現させるために作製過程において高温(＞４００℃)のプロセスが必要である場合、カプトンは用いることができない。しかも、薄膜形成された熱電素子の断面積は小さく、熱電モジュール全体の抵抗値が大きくなり電流値が小さくなる。 However, the heat resistance of Kapton is as low as about 400 ° C., and Kapton cannot be used when a high temperature (> 400 ° C.) process is required in the production process in order to develop the performance of the thermoelectric material. Moreover, the cross-sectional area of the thin thermoelectric element is small, the resistance value of the entire thermoelectric module increases, and the current value decreases.
また、膜面方向に温度差をつけて用いる場合は、熱流に対するモジュール断面積のうち、薄膜形成された熱電材料の断面積が占める割合は低く、温度差と電力の変換を効率よく行うことが困難であるという問題もある。 In addition, when using with a temperature difference in the film surface direction, the ratio of the cross-sectional area of the thermoelectric material formed in a thin film to the module cross-sectional area with respect to the heat flow is low, and the temperature difference and power can be converted efficiently. There is also the problem that it is difficult.
一方、膜厚方向に温度差をつけて用いる場合は、基板の熱伝導率は高い方が望ましい。また、熱流に対するモジュール断面積のうち熱電材料が占める割合が大きいので、より効率的に温度差と電力の変換を行うことができる。 On the other hand, when a temperature difference is used in the film thickness direction, it is desirable that the substrate has a higher thermal conductivity. Moreover, since the ratio which a thermoelectric material occupies is large among the module cross-sectional areas with respect to a heat flow, it can convert a temperature difference and electric power more efficiently.
しかし、この技術の場合は、薄膜の厚みという小さな距離の間に温度差をつけて用いるため、大きな温度差は得られ難いなどの問題がある。
なお、前記特許文献２には、マスキングにより、所定の形状に下部電極、熱電素子、上部電極を連続的に形成する技術が開示されているが、Ｐ型又はＮ型のどちらか一方の熱電素子のみを用いる技術に過ぎない。
However, this technique has a problem that a large temperature difference is difficult to obtain because it is used with a temperature difference between a small distance of the thickness of the thin film.
The above-mentioned Patent Document 2 discloses a technique for continuously forming a lower electrode, a thermoelectric element, and an upper electrode in a predetermined shape by masking. However, either P-type or N-type thermoelectric element is disclosed. It's just a technology that uses only.
また、これとは別に、何層もの量子井戸熱電材料をバルクの熱電材料と同等の厚みまで積層させ、これを一つの素子として用いる技術（特許文献３参照）がある。しかしながら、この方法で得られる熱電モジュールは非常に高価なものとなる。 In addition to this, there is a technique (see Patent Document 3) in which multiple layers of quantum well thermoelectric materials are laminated to a thickness equivalent to that of bulk thermoelectric materials and used as one element. However, the thermoelectric module obtained by this method is very expensive.
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、薄膜熱電材料の膜厚方向に温度差をつけて用いることができ、その製造が容易で実用的な熱電モジュールを提供することである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to provide a thermoelectric module that can be used with a temperature difference in the film thickness direction of the thin film thermoelectric material and that is easy to manufacture and practical. Is to provide.
（１）請求項１の発明は、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とを交互に直列に接続することにより形成される熱電モジュールにおいて、少なくとも表面が電気絶縁性を有する基板と、前記基板上に、平面方向に相互に離間して、気相成長プロセスによって形成された複数の下部電極と、前記下部電極上に、平面方向に相互に離間して、気相成長プロセスによって形成された一対のＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子と、隣接した一対の前記下部電極間にて、一方の下部電極上のＰ型熱電素子と他方の下部電極上のＮ型熱電素子とを、電気的に接続する上部電極と、前記下部電極と前記上部電極とを、電気的に絶縁する絶縁層と、を備えたことを特徴とする。
(1) The invention of
本発明は、Ｐ型及びＮ型の熱電素子を配置した下部電極と、隣接する一方の下部電極のＰ型熱電素子と他方の下部電極のＮ型熱電素子とを接続する上部電極（即ち隣接する下部電極上の熱電素子を接続する場合に、種類の異なる熱電素子同士を接続する上部電極）と、その下部電極と上部電極を電気的に絶縁する絶縁層とを備えた構成であるので、薄膜熱電材料の膜厚方向（即ち熱電素子等の厚み方向）に温度差をつける実用的な熱電モジュールを容易に作製できる。 The present invention relates to a lower electrode in which P-type and N-type thermoelectric elements are arranged, and an upper electrode that connects a P-type thermoelectric element of one adjacent lower electrode and an N-type thermoelectric element of the other lower electrode (ie, adjacent to each other). When connecting the thermoelectric elements on the lower electrode, the thin film has a structure including an upper electrode that connects different types of thermoelectric elements) and an insulating layer that electrically insulates the lower electrode from the upper electrode. A practical thermoelectric module that makes a temperature difference in the film thickness direction of the thermoelectric material (that is, the thickness direction of the thermoelectric element or the like) can be easily manufactured.
つまり、本発明によれば、より広い範囲の熱源から効率的に熱を回収して電力に変換できる実用的な熱電モジュールを容易に実現できる。
また、本発明では、下部電極及び両熱電素子は、気相成長プロセスによって形成されるので、熱電モジュールの製造プロセスを簡易化できる。
That is, according to the present invention, a practical thermoelectric module that can efficiently recover heat from a wider range of heat sources and convert it into electric power can be easily realized.
In the present invention, since the lower electrode and both thermoelectric elements are formed by a vapor phase growth process, the manufacturing process of the thermoelectric module can be simplified.
更に、本発明は、（気相成長プロセスで形成された）薄膜の熱電素子の膜厚方向に温度差をつけるものであるので、熱電素子の電流に対する断面積を大きくでき、よって、電流値を大きく取ることができる。 Furthermore, since the present invention creates a temperature difference in the film thickness direction of the thin film thermoelectric element (formed by the vapor phase growth process), the cross-sectional area with respect to the current of the thermoelectric element can be increased. Can take big.
しかも、熱電モジュールは、基板上に（気相成長プロセスによって）形成される薄膜材料を基本としているので、フォトリソグラフィー等の手法により各素子や電極を微細化することで、一定の面積内に形成される熱電素子の対数を大きくすることができ、熱電モジュールの電圧値を大きく取ることができる。 In addition, thermoelectric modules are based on thin film materials that are formed on a substrate (by a vapor phase growth process), so they can be formed within a certain area by miniaturizing each element and electrode using a technique such as photolithography. The logarithm of the thermoelectric element to be increased can be increased, and the voltage value of the thermoelectric module can be increased.
よって、熱電素子の断面積、膜厚を任意に変えることで、目的に応じた様々な出力の熱電モジュールの設計が可能である。
その上、本発明では、高い熱電特性を有する熱電材料を、バルクの大きさ(＞数百μｍ厚)まで堆積させることなく、薄膜(〜数μｍ厚)としてモジュール化が可能であり、熱電モジュールの小型化、低コスト化が容易になる。
Therefore, it is possible to design thermoelectric modules with various outputs according to the purpose by arbitrarily changing the cross-sectional area and film thickness of the thermoelectric element.
In addition, in the present invention, a thermoelectric material having high thermoelectric properties can be modularized as a thin film (up to several μm thick) without depositing up to a bulk size (> several hundred μm thick). Can be easily reduced in size and cost.
なお、本発明において、下部電極や熱電素子は、気相成長プロセスによって形成される薄膜であり、ここでは、気相成長プロセスであれば特に制限はなく、例えばスパッタリング、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）、真空蒸着など、材料に応じて適宜任意に選ぶことができる。 In the present invention, the lower electrode and the thermoelectric element are thin films formed by a vapor phase growth process. Here, there is no particular limitation as long as it is a vapor phase growth process, for example, sputtering, CVD (Chemical Vapor Deposition), It can be arbitrarily selected depending on the material such as vacuum deposition.
（２）請求項２の発明では、前記直列に接続されたＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とに対し、一方の端部のＰ型熱電素子と他方の端部のＮ型熱電素子に、それぞれ取出電極を電気的に接続したことを特徴とする。 (2) In the invention of claim 2, for the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element connected in series, the P-type thermoelectric element at one end and the N-type thermoelectric element at the other end are Each of the extraction electrodes is electrically connected.
本発明は、取出電極の接続箇所を例示したものである。従って、取出電極に負荷を接続し、熱電モジュールで発生した電力を取り出すことができる。
（３）請求項３の発明では、前記絶縁層の熱伝導率は、前記基板、前記上部電極、及び前記下部電極のいずれの熱伝導率よりも低いことを特徴とする。
The present invention exemplifies connection locations of extraction electrodes. Therefore, a load can be connected to the extraction electrode, and the electric power generated by the thermoelectric module can be extracted.
(3) The invention of
本発明では、薄膜の膜厚方向という微小な距離に温度差をつけるにあたり、絶縁層による熱バイパスロスの影響を抑制するために、絶縁層の熱伝導率として比較的熱伝導率の小さい材料を選択する。これにより、熱電素子の膜厚方向に温度差をつけるときの熱バイパスロスをより低減することができ、熱電素子により大きな温度差を付加することができる。 In the present invention, a material having a relatively small thermal conductivity is used as the thermal conductivity of the insulating layer in order to suppress the influence of the thermal bypass loss due to the insulating layer when making a temperature difference in a minute distance in the film thickness direction of the thin film. select. Thereby, the thermal bypass loss when making a temperature difference in the film thickness direction of a thermoelectric element can be reduced more, and a big temperature difference can be added to a thermoelectric element.
つまり、本発明では、熱電モジュールの変換効率を低減させる熱バイパスロスを抑制することができるので、熱電モジュールの効率を改善することができる。
（４）請求項４の発明では、前記絶縁層は、多孔質よりなることを特徴とする。
That is, in this invention, since the thermal bypass loss which reduces the conversion efficiency of a thermoelectric module can be suppressed, the efficiency of a thermoelectric module can be improved.
(4) The invention of claim 4 is characterized in that the insulating layer is made of a porous material.
本発明では、絶縁層は多孔質であるので（中実の場合と比べて）熱伝導率が小さく、よって、熱電素子の膜厚方向に温度差をつけるときの熱バイパスロスをより低減することができ、熱電素子により大きな温度差を付加することができる。 In the present invention, since the insulating layer is porous, the thermal conductivity is small (compared to the solid case), and therefore the thermal bypass loss when making a temperature difference in the film thickness direction of the thermoelectric element is further reduced. And a large temperature difference can be added to the thermoelectric element.
（５）請求項５の発明では、前記絶縁層は、気相成長プロセスによって形成された薄膜であることを特徴とする。
本発明では、絶縁層は、気相成長プロセスによって形成されるので、熱電モジュールの製造プロセスを簡易化できる。また、本発明によって、より微細な熱電素子対を形成することができ、一定の面積内により多くの熱電素子対を形成することにより、熱電モジュールの発電電圧を大きくすることができる。
(5) The invention of
In the present invention, since the insulating layer is formed by a vapor phase growth process, the manufacturing process of the thermoelectric module can be simplified. In addition, according to the present invention, finer thermoelectric element pairs can be formed, and the power generation voltage of the thermoelectric module can be increased by forming more thermoelectric element pairs within a certain area.
（６）請求項６の発明では、前記上部電極は、気相成長プロセスによって形成された薄膜であることを特徴とする。
本発明では、上部電極は、気相成長プロセスによって形成されるので、熱電モジュールの製造プロセスを簡易化できる。また、本発明によって、より微細な熱電素子対を形成することができ、一定の面積内により多くの熱電素子対を形成することにより、熱電モジュールの発電電圧を大きくすることができる。
(6) The invention of claim 6 is characterized in that the upper electrode is a thin film formed by a vapor phase growth process.
In the present invention, since the upper electrode is formed by a vapor phase growth process, the manufacturing process of the thermoelectric module can be simplified. In addition, according to the present invention, finer thermoelectric element pairs can be formed, and the power generation voltage of the thermoelectric module can be increased by forming more thermoelectric element pairs within a certain area.
（７）請求項７の発明では、前記Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子は、量子井戸熱電材料からなることを特徴とする。
本発明は、Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子の構成を例示したものである。本発明では、熱電材料として量子井戸材料を用いることにより、熱電素子の熱伝導率を低減させることができ、熱電素子により大きな温度差を付加することができる。
(7) The invention of
The present invention exemplifies configurations of a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element. In the present invention, by using a quantum well material as the thermoelectric material, the thermal conductivity of the thermoelectric element can be reduced, and a large temperature difference can be added to the thermoelectric element.
例えばバンドギャップが異なる量子井戸熱電材料薄膜であるＰ（リン）ドープＳｉ薄膜とノンドープＳｉＧｅ薄膜とを交互に積層することにより、Ｎ型熱電素子を形成できる。また、バンドギャップが異なる量子井戸熱電材料薄膜であるＢ（ボロン）ドープＳｉ薄膜とノンドープＳｉＧｅ薄膜とを交互に積層することによりＰ型熱電素子を形成できる。 For example, an N-type thermoelectric element can be formed by alternately stacking P (phosphorus) -doped Si thin films and non-doped SiGe thin films, which are quantum well thermoelectric material thin films having different band gaps. Further, a P-type thermoelectric element can be formed by alternately laminating B (boron) -doped Si thin films and non-doped SiGe thin films, which are quantum well thermoelectric material thin films having different band gaps.
次に、本発明の最良の形態の例（実施例）について説明する。 Next, an example (example) of the best mode of the present invention will be described.
ａ）まず、本実施例の熱電モジュールについて説明する。
図１及びそのＡ−Ａ’断面を拡大した図２に示す様に、本実施例の熱電モジュール１は、板厚方向（膜厚方向：図２の上下方向）の温度差によって発電するものである。
a) First, the thermoelectric module of the present embodiment will be described.
As shown in FIG. 1 and FIG. 2 in which the AA ′ section is enlarged, the
この熱電モジュール１では、電気絶縁性を有する平板形の基板３上に、複数の短冊状の下部電極５が形成され、その各下部電極５上に、Ｐ型熱電素子７及びＮ型熱電素子９が形成されている。また、隣接する下部電極５間において異なる種類の熱電素子（即ちＰ型熱電素子７とＮ型熱電素子９）同士を電気的に接続する短冊状の上部電極１１が形成され、更に、下部電極５と上部電極１１とを電気的に絶縁する絶縁層１３と、熱電モジュール１から外部に電力を取り出す一対の短冊状の取出電極１５、１７とが形成さている。
In this
つまり、前記熱電モジュール１では、１つの下部電極５により、一対のＰ型熱電素子７及びＮ型熱電素子９が電気的に接続されるとともに、１つの上部電極１１によって、隣合う一対の下部電極５において一方の下部電極５上のＰ型熱電素子７と他方の下部電極５のＮ型熱電素子９とが電気的に接続されることにより、順次、Ｐ型→Ｎ型→Ｐ型→Ｎ型となる様に直列接続され、その両端の各熱電素子７、９に取出電極１５、１７が接続されている。即ち、全てのＰ型熱電素子７とＮ型熱電素子９とが、各下部電極５及び上部電極１１を介して、直列に接続されている。
That is, in the
特に、本実施例では、下部電極５と上部電極１１とが電気的に絶縁されるように、前記絶縁層１３が配置されている。具体的には、絶縁層１３は、各下部電極５の間にて基板３上に配置されて、上部電極１１が下部電極５に接しないようにされている。また、下部電極５上では、上部電極１１と各熱電素子７、９との接続部分以外を覆って、上部電極１１が下部電極５に接しないようにされている。なお、絶縁層１３は、基板表面の外周部分も覆っている。
In particular, in this embodiment, the insulating
前記絶縁層１３としては、その熱伝導率が、基板３、下部電極５、及び上部電極１１のいずれの熱伝導率よりも低い材料（例えば２Ｗ／ｍＫ以下）を採用している。これは、薄膜の膜厚方向という微小な距離に温度差をつけるにあたり、絶縁層１３による熱バイパスロスの影響を抑制するためである。
As the insulating
また、前記下部電極５、Ｐ型熱電素子７、Ｎ型熱電素子９、上部電極１１、絶縁層１３、取出電極１５、１７は、後述する様に、気相成長プロセス（詳しくはスパッタ）によって作製された薄膜である。
The
このうち、前記Ｐ型熱電素子７とＮ型熱電素子９は、量子井戸材料からなる薄膜（量子井戸薄膜）を積層したものである。詳しくは、Ｎ型熱電素子９は、バンドギャップが異なるＰ（リン）ドープＳｉ層９ＡとノンドープＳｉＧｅ層９Ｂ（図５（４ｂ）参照）とが積層されたＮ型Ｓｉ／ＳｉＧｅ量子井戸熱電材料薄膜であり、Ｐ型熱電素子７は、バンドギャップが異なるＢ（ボロン）ドープＳｉ層７ＡとノンドープＳｉＧｅ層７Ｂ（図５（４ｂ）参照）とが積層されたＮ型Ｓｉ／ＳｉＧｅ量子井戸熱電材料薄膜である。
Among these, the P-type
なお、下記表１に、熱電モジュール１を構成する材料として使用した種類及びその熱伝導率を挙げる。
Table 1 below lists the types used as materials constituting the
本実施例では、以下に詳述する様に、スパッタによる成膜により熱電モジュール１を製造する。
In this embodiment, as will be described in detail below, the
以下、図３〜図５を用いて、熱電モジュール１の製造工程を詳細に説明する。なお、各図の左図(1a)〜（5a)は平面図であり、右図(1b)〜(5b)は各左図を左右方向に破断した断面図である。
Hereinafter, the manufacturing process of the
(1)まず、基板３上に下部電極５を形成する工程を説明する。
本実施例に用いる基板３は、少なくとも表面が電気絶縁性であり、熱伝導率の高いものが望ましい。本実施例ではサファイア基板を用いたが（図３(1a)、(1b)参照）、この他にも、この後のプロセス上問題が無ければ、例えば銅基板の表面にアルミナ酸化膜を形成したもの等を用いてもよい。また、下部電極５の材料は、導電率及び熱伝導率が高く、後のプロセス上、耐薬品性、耐熱性などの点で問題が無ければ任意である。
(1) First, the process of forming the
It is desirable that the
本実施例では、まず、スパッタにより、厚さ０．１μｍの白金からなる下部電極用薄膜２１を形成した（図３(2a)、(2b)参照）。
次に、下部電極５のパターニングを行った。具体的には、白金表面にレジスト（図示せず）を塗布し、フォトリソグラフィーにより所望の形状にレジストをパターニングした。その後、基板３を７０℃〜８０℃の王水中に浸漬することにより、白金のエッチングを行って、下部電極５を形成した（図３(3a)、(3b)参照）。
In this example, first, a lower electrode
Next, the
下部電極５のパターニングは、本実施例のようにエッチングにより行ってもよいし、薄膜形成時に、基板表面をメタルマスク等によりマスキングすることによりパターニングを行ってもよい。また、レーザーを用いて下部電極５を所望の形状に切断し、パターニングを行ってもよい。
The patterning of the
(2)次に、下部電極５上にＰ型熱電素子７を形成する工程を説明する。
Ｐ型熱電素子７として、ＢドープＳｉ層７Ａ及びノンドープＳｉＧｅ層７Ｂを、１０ｎｍの厚みで交互に積層させることにより作製したＰ型Ｓｉ／ＳｉＧｅ量子井戸熱電材料を用いた（図５(4b)参照）。
(2) Next, a process of forming the P-type
As the P-type
積層数は各５０層とし、スパッタにより、全体の厚みが１μｍのＰ型熱電素子用薄膜２３を形成した（図３(4a)、(4b)参照）。
次に、以下の手順でＰ型熱電素子７のパターニングを行った。
The number of laminated layers was 50, and a
Next, the P-type
まず、エッチングマスク層として、厚さ０．１μｍのＳｉＯ2層（図示せず）をプラズマＣＶＤにより薄膜形成し、ＳｉＯ2層上にレジスト（図示せず）を塗布し、フォトリソグラフィーにより、所望の形状にレジストをパターニングした。その後、基板３を常温のフッ酸に浸漬することによりＳｉＯ2層をエッチングし、更に、基板３を８５℃のＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）に浸漬することで、Ｐ型熱電素子用薄膜２３をエッチングし、Ｐ型熱電素子７を形成した（図３(5a)、(5b)参照）。
First, as an etching mask layer, a SiO 2 layer (not shown) having a thickness of 0.1 μm is formed into a thin film by plasma CVD, a resist (not shown) is applied on the SiO 2 layer, and a desired layer is formed by photolithography. The resist was patterned into a shape. Thereafter, the SiO 2 layer is etched by immersing the
また、Ｐ型熱電素子７を形成した後に、前記エッチングマスク用ＳｉＯ2層をフッ酸に浸漬して除去し、保護層として厚さ１μｍのＳｉＯ2保護層薄膜２５を、プラズマＣＶＤにより薄膜形成した（図４(1a)、(1b)参照）。その後、ＳｉＯ2保護層薄膜２５上にレジスト（図示せず）を塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングし、Ｎ型熱電材料を設ける位置のＳｉＯ2保護層薄膜２５をフッ酸によりエッチングすることにより、保護層２７を形成した（図４(2a)、(2b)参照）。
Further, after forming the P-type
なお、この保護層２７は、次に形成するＮ型熱電素子９を、Ｐ型熱電素子７と離間させて成膜するために設けたものである。
(3)次に、下部電極５上にＮ型熱電素子９を形成する工程を説明する。
The
(3) Next, a process of forming the N-type
Ｎ型熱電素子９として、Ｐ（リン）ドープＳｉ層９Ａ及びノンドープＳｉＧｅ層９Ｂを、１０ｎｍの厚みで交互に積層させることにより作製したＮ型Ｓｉ／ＳｉＧｅ量子井戸熱電材料を用いた（図５(4b)参照）。
As the N-type
積層数は各５０層とし、スパッタにより、全体の厚みが１μｍのＮ型熱電素子用薄膜２９を形成した（図４(3a)、(3b)参照）。
そして、Ｐ型熱電素子７と同様の手順でパターニングを行い、Ｎ型熱電素子９を形成した（図４(4a)、(4b)参照）。
The number of stacked layers was 50, and an N-type thermoelectric element
Then, patterning was performed in the same procedure as for the P-type
次に、保護層２７を、常温のフッ酸に浸漬することによりエッチング除去した。
以上の工程により、基板３上に、下部電極５及びＰ型熱電素子７及びＮ型熱電素子９を形成した（図４(5a)、(5b)参照）。
Next, the
Through the above steps, the
なお、本実施例では、Ｐ型熱電素子７及びＮ型熱電素子９を、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を用いたウェットプロセスによりエッチングしたが、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等を用いたドライエッチングを行ってもよい。
In this example, the P-type
(4)次に、絶縁層１３を形成する工程を説明する。
本実施例では、基板全面を覆うように、厚さ０．５ｕｍのＳｉＯ2薄膜３１をプラズマＣＶＤにより形成した（図５(1a)、(1b)参照）。そして、レジスト（図示せず）を塗布し、フォトリソグラフィーによりパターニングし、基板３を常温のフッ酸に浸漬して、ＳｉＯ2薄膜３１をエッチングすることにより、絶縁層１３を形成した（図５(2a)、(2b)参照）。
(4) Next, the process of forming the insulating
In this example, a SiO 2
(5)次に、上部電極１１を形成する工程を説明する。
本実施例では、厚さ０．１ｕｍのアルミニウム薄膜３３をスパッタにより形成した（図５(3a)、(3b)参照）。そして、レジスト（図示せず）の塗布及びフォトリソグラフィーによりパターニングし、基板３を５５℃のリン酸、酢酸、硝酸の混合溶液に浸漬することで、アルミニウム薄膜３３をエッチングし、上部電極１１を形成した（図５(4a)、(4b)参照）。
(5) Next, a process of forming the
In this example, an aluminum
なお、取出電極１５、１７も、上部電極１１と同様な手法により形成した。
以上の工程により、サファイア製の基板３上にて、Ｐ型熱電素子７及びＮ型熱電素子９を、その基板３に平行な上下面において、下部電極５及び上部電極１１を用いて交互に直列に電気的接続した熱電モジュール１が得られた。
The
Through the above steps, the P-type
ｃ）この様にして製造された熱電モジュール１においては、図６に示す様に、基板３を熱源に接触させ、熱電モジュール１の表面（上面）を空冷することにより、熱電素子７、９の膜厚方向に温度差を付加して、発電することができる。
c) In the
本実施例によれば、量子井戸熱電材料のような薄膜の熱電材料を、その膜厚方向に温度差をつけて用いることができ、より広範囲の熱源から効率的に熱を回収し電力に変換することが可能な熱電モジュール１を実現できる。即ち、その製造が容易で優れた性能を有する実用的な熱電モジュール１を得ることができる。
According to this embodiment, a thin-film thermoelectric material such as a quantum well thermoelectric material can be used with a temperature difference in the film thickness direction, and heat is efficiently recovered from a wider range of heat sources and converted into electric power. The
また、前記表１に示す様に、絶縁層１３として熱伝導率が他の構成材料よりも低いものを用いることにより、熱電素子７、９の膜厚方向により温度差を付加し易くすることができる。つまり、熱電モジュール１の熱電変換効率を低減させる熱バイパスロスを抑制することができるので、熱電モジュール１の効率を改善することができる。
Further, as shown in Table 1, it is possible to easily add a temperature difference in the film thickness direction of the
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、前記説明では、基板上に１つの熱電モジュールを作製する例について説明したが、１度のプロセスで複数個の熱電モジュールを形成することもできる。
In addition, this invention is not limited to the said Example at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from the summary of this invention.
For example, in the above description, an example in which one thermoelectric module is manufactured on a substrate has been described. However, a plurality of thermoelectric modules can be formed by one process.
１…熱電モジュール
３…基板
５…下部電極
７…Ｐ型熱電素子
９…Ｎ型熱電素子
１１…上部電極
１３…絶縁層
DESCRIPTION OF
Claims (7)
少なくとも表面が電気絶縁性を有する基板と、
前記基板上に、平面方向に相互に離間して、気相成長プロセスによって形成された複数の下部電極と、
前記下部電極上に、平面方向に相互に離間して、気相成長プロセスによって形成された一対のＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子と、
隣接した一対の前記下部電極間にて、一方の下部電極上のＰ型熱電素子と他方の下部電極上のＮ型熱電素子とを、電気的に接続する上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極とを、電気的に絶縁する絶縁層と、
を備えたことを特徴とする熱電モジュール。 In a thermoelectric module formed by alternately connecting P-type thermoelectric elements and N-type thermoelectric elements in series,
A substrate having at least an electrically insulating surface;
A plurality of lower electrodes formed by a vapor deposition process on the substrate, spaced apart from each other in a planar direction;
A pair of P-type thermoelectric elements and N-type thermoelectric elements formed by a vapor phase growth process on the lower electrode and spaced apart from each other in a plane direction;
An upper electrode electrically connecting a P-type thermoelectric element on one lower electrode and an N-type thermoelectric element on the other lower electrode between a pair of adjacent lower electrodes;
An insulating layer for electrically insulating the lower electrode and the upper electrode;
A thermoelectric module comprising:
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| US8940995B2 (en) | 2009-07-06 | 2015-01-27 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Thermoelectric device and method for fabricating the same |
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-
2008
- 2008-02-18 JP JP2008036110A patent/JP2009194309A/en active Pending
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