JPH0832588B2 - 熱電半導体材料およびその製造方法 - Google Patents

熱電半導体材料およびその製造方法

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JPH0832588B2 JP62192238A JP19223887A JPH0832588B2 JP H0832588 B2 JPH0832588 B2 JP H0832588B2 JP 62192238 A JP62192238 A JP 62192238A JP 19223887 A JP19223887 A JP 19223887A JP H0832588 B2 JPH0832588 B2 JP H0832588B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、熱電半導体材料およびその製造方法に関す
る。
[従来技術およびその問題点] ペルチェ効果、あるいはエッチングスハウゼン効果を
利用した電子冷却素子、あるいはゼーベック効果を利用
した熱電発電素子は、構造が簡単でかつ取扱いが容易で
安定な特性を維持できることから、広範囲にわたる利用
が注目されている。
ところで、従来、超電導素子の冷却には極低温が必要
であるため液体ヘリウムによる冷却しか方法がなく、冷
却コストおよび使用場所等の面で制限が多かった。とこ
ろが最近、超電導材料の目ざましい発達により臨界温度
の高いものが得られるようになり、必要温度が上昇し、
電子冷却素子による冷却で、超電導素子を駆動できるよ
うになってきている。この電子冷却に用いる熱電材料の
うちn型半導体として用いられる代表的なものに、テル
ル化ビスマス(Bi2Te3)に5モル%のセレン化ビスマス
(Bi2Se3)を添加すると共に電子濃度の調整のための不
純物を添加した溶液に、温度勾配を与えながら溶液全体
の温度を徐々に引き下げるいわゆるノーマルフリージン
グ法により形成される単結晶インゴットもしくは結晶粒
径の大きい多結晶インゴットがある。
ところで、熱電材料の良否は、物質固有の定数である
熱起電力αと電気伝導率σと熱伝導率Kによって表わさ
れる性能指数Z(=ασ/K)の大小で決まる。
すなわち、Zが大きいほど性能が良いわけであるが、
テルル化ビスマス(Bi2Te3),セレン化ビスマス(Bi2S
e3)および両者の固溶体について多くの研究報告例が発
表されている。その1例を第3図(a)および(b)に
示す。この図からも明らかなように、テルル化ビスマス
とセレン化ビスマスのモル比が80:20ないし75:25のとき
熱伝導率Kが最小となりασおよび自由電子の質量に
対する電子の有効質量の比m*/mが大きくなる。これは、
テルル化ビスマス、セレン化ビスマス両者の結晶対称性
が同じで格子定数がわずかに異なることにより、固溶体
にすると結晶にわずかな歪が生じ、それによってフォノ
ンの散乱、電子の有効質量m*の変化が生じるためと考え
られている。
しかしながら、第4図に示す如く固溶体の状態図から
明らかなように、セレン化ビスマスの含有率を高めると
偏析が起り、一本の単結晶インゴットの中で目的とする
組成の部分はごくわずかしか得られないという問題があ
った。現在の技術では、セレン化ビスマスの含有率を5
%以上にしたものを工業製品として得るのは不可能な状
態であった。
更に、テルル化ビスマス、セレン化ビスマスの結晶は
著しい劈開性を有しており、インゴットから熱電素子を
得るためのスライシング、ダイシング工程等を経ると、
割れや欠けの為に歩留りが極めて低くなることが実用化
をはばむ大きな問題となっていた。
一方、結晶としてではなく、粉末焼結体として用いる
と劈開性の問題はなくなるが、焼結密度が上がらず、半
田付けを行なうと内部に半田がしみ込み性能低下をひき
おこすという問題がある。
更に、粉末の場合、ドーピング制御が困難であり一定
量の不純物を添加してもキャリア濃度が一定ならないと
いう問題があった。
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、ドーピ
ング制御が容易で製造歩留りの高い熱電半導体材料を提
供することを目的とする。
[問題点を解決するための手段] そこで本発明では、粒径が均一で、一導電型の不純物
を含むテルル化ビスマス(Bi2Te3)−セレン化ビスマス
(Bi2Se3)固溶体粉末の粉末焼結体からなり、前記固溶
体粉末の粒径が10〜200ミクロンの範囲に構成したもの
によって熱電半導体材料を構成している。
望ましくは、前記固溶体粉末の粒径は、37〜74ミクロ
ンの範囲にあることを特徴とする。
また望ましくは、前記固溶体粉末は、次式 Bi2(Te1-xSex)3(0.05<x<0.3)に示す組成を有す
るものであることを特徴とする。
また望ましくは、前記不純物は1020cm-3以下で添加さ
れるハロゲン原子であることを特徴とする。
また本発明の方法では、所望の組成のビスマス、テル
ル、セレンおよび−導電型の不純物を混合し、加熱溶融
せしめる加熱工程と、溶融物を凝固点よりもやや低い温
度まで急冷して固溶体を形成する冷却工程と、該インゴ
ットを粉砕し固溶体粉末を形成する粉砕工程と、前記固
溶体粉末の粒径を10〜200ミクロンの範囲に均一化する
粒径調整工程と、粒径の均一となった固溶体粉末を焼結
せしめる焼結工程とを含むようにしている。
[作用] 本発明では、単結晶ではなく、粉末焼結体で構成され
ているため、組成比を自由に選択でき、性能指数Zの高
いものを得ることができる。又粒径を揃えることによ
り、ドーピング制御が容易となる。これは、粒径が揃う
と粒界の分布も均一となり、粒界から発生すると考えら
れる電子も一定となるため、電子濃度の再現性もよくな
るものと考えられる。
また、粒径を揃えることにより、焼結密度が上り、半
田付工程においても半田のしみ込みによる性能低下もな
い。
加えて、単結晶あるいは多結晶のインゴットをそのま
ま用いた場合に比べ、割れ等による製造歩留りの低下も
大幅に低減される。
すなわち、本願発明の第1項は、粒径をそろえたテル
ル化ビスマス(Bi2Te3)−セレン化ビスマス(Bi2Se3
固溶体の粉末焼結体を用いたことを特徴とする熱電半導
体材料を特徴とするもので、 かかる構成により、 粒径を揃えているため、組成比を自由に選択すること
ができる。
粒界分布が均一となるため、粒界から発生すると考え
られる電子が均一に分布することになり、ドーピング制
御が容易となる。
粒径を揃えることにより、焼結密度が上がり、半田の
しみこみによる性能劣化もない。
粒径が揃い粒子が緻密に配列されているため、割れな
どによる製造歩留まりの低下もない。
という効果を奏効する。
また第2項に記載の発明は、固溶体粉末の粒径を、さ
らに37〜74ミクロンの範囲にあるように揃えることによ
り、上記乃至の効果がより高いものとなる。
さらに第3項に記載の発明は、固溶体粉末の組成をBi
2(Te1-xSex)3(0.05<x<0.3)としたことを特徴とす
るもので、 偏析もなく、性能指数の大きい熱電半導体を得ること
ができる。
という効果を奏効する。
さらに第4項に記載の発明は、不純物としてハロゲン
原子を用いこの添加量を1020cm-3以下としたことを特徴
とするもので、かかる構成によれば、さらに キャリア濃度分布が均一で性能指数zの高い熱電半導
体材料を得ることが可能となる。
という効果を奏効する。
さらに第5項に記載の発明は、溶融物を凝固点よりも
やや低い温度まで急冷して微結晶の生成を抑制しつつイ
ンゴットを形成しこれを粉砕し粒径を揃えて焼結させる
ようにしたもので、上記効果に加え、 微結晶がなく、粒界分布が揃って信頼性の高い熱電半
導体材料を得ることができる という効果を奏効する。
[実施例] 以下、本発明の実施例について、図面を参照しつつ詳
細に説明する。
まず、ビスマスBi 313.50g、テルルTe 272.77g、セレ
ンSe 8.883gを秤量し、更にキャリア濃度を調整するた
めにヨウ化アンチモン0.0837g(0.02モルパーセント)
を添加し、この混合物を石英管内に投入した後、真空ポ
ンプによって管内の空気を排気,封入する。
この管を650℃に加熱し3時間にわたり石英管内を攪
拌しつつ化合させた後、凝固点直下である560℃の領域
に石英管を移動し急冷する。
次に、この急冷インゴットをスタンプミル、ポールミ
ル等で粉砕した後、200メッシュおよび400メッシュの篩
にかけ400メッシュの篩上に残ったものを選び、粒径37
〜74μm程度の粉末に揃える。
このようにして粒径の揃えられた粉末を真空中または
不活性ガス化でホットプレス法によりカーボンダイスを
用いてホットプレスし、粉末焼結体を形成する。
この後、この粉末焼結体を3ミリ角6ミリ長のチップ
に分断し、n型のBiTeSeを形成する。
このようにして形成されたn型のBiTeSe1を、性能テ
ストのために同寸法の単結晶p型BiTeSe2と接続してp
−n素子対3を形成し、これを第2図に示す如く真空容
器4内に設置する。ここで5は電極としての銅板、6は
水冷銅ブロック、7は絶縁部材、8は電子循環恒温槽、
9は定電流電源である。そして、このp−n素子対の発
熱側の温度THを23℃に保ちつつp−n素子対に電流を流
し、冷却側の温度Tcを測定する。この冷却特性は第1図
の曲線a1に示す通りであり、最大温度差ΔTmax=TH−Tc
=70.4℃を記録した。また、曲線a2には、このp n素
子対の発熱側の温度THを3℃に保持したときの、冷却側
の温度Tcを示す。
比較のために、n型素子の方も単結晶BiTeSeで形成し
たp n素子対についての同様の冷却特性を測定した結
果を曲線b1に示す。この曲線b1からも明らかなように最
大温度差はΔTmax=56.05℃となっている。又b2は同様
に発熱側の温度THを3℃にしたときの冷却側の温度Tc
示す。これら曲線a1,a2,b1,b2の比較からも本発明実施
例のn型BiTeSe(焼結体)によれば冷却性能の優れた熱
電素子を形成することが可能となることがわかる。
また、このn型焼結体は機械的強度も大きく、半田付
特性も良好であった。
また、Bi2Te3:Bi2Se3=9:1の組成比で同様の実験を
行なった場合、本発明の焼結体からなるn型BiTeSeと、
単結晶p型BiTeSeとで構成したp−n素子対の発熱側温
度を23℃にしたとき最大温度差ΔTmaxは65℃であった。
これによっても冷却性能が優れていることがわかる。こ
こで、前述した組成のものよりもΔTmaxが小さいのは、
Bi2Te3とBi2Se3の組成比を変えたのにハロゲンの添加量
を変えなかったため、電子濃度が最適値からずれたため
と考えられる。(ここでセレン化ビスマスはn型、テル
ル化ビスマスはp型の材料であるため、セレン化ビスマ
スの比率を増大せしめるにつれて、添加するドナー不純
物を減少させなければならない。) なお、本発明実施例の方法においては、材料を石英管
内で加熱溶融し化合せしめた後、凝固点よりもわずかに
低い温度まで急冷するという方法をとっている。
従来は偏析を逸れるため、常温程度まで急冷するとい
う方法がとられている。この場合、微結晶となるために
粒界が増大し過ぎ、ドーピング制御が困難になることが
あったが、本発明実施の方法によれば、適切な粒度を得
ることが可能となる。
また、この粉末焼結体の組成比は、Bi2(Te1-xSex)3
したとき0.05<x<0.3とするのが望ましい。x>0.3で
あると偏析が起り、目的構成のものは、わずかしかでき
ず、0.05>xであると、熱伝導率Kが大きくなり十分大
きい性能指数Zを得ることができない。
更に、キャリア濃度を調整するために添加するハロゲ
ンの量は1020cm-3以下であるのが望ましい。
更にまた、粉末焼結体中の粉末粒径を37〜74μm程度
に揃えたが、10〜200μmの範囲内で適宜領域を選択す
ればよい。10μm以下であると、粒界が非常に多くなる
ためにドーピング制御が困難となる上、粒界でのキャリ
アの散乱により移動度が低下することにより、特性が低
下する。また、粉末の凝集が起り易くなり扱いが困難で
ある。
また200μm以上であると、十分な機械的強度および
十分な焼結密度を得ることができない。
[発明の効果] 以上説明してきたように、本発明によれば粒径の均一
なテルル化ビスマス−セレン化ビスマス固溶体の粉末焼
結体から構成しているため、ドーピング制御が容易で、
性能指数が高く、製造歩留りの高い熱電半導体を得るこ
とが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明実施例のn型BiTeSeを用いて形成した
熱電素子と単結晶のn型BiTeSeを用いて形成した熱電素
子の冷却特性を示す比較図、第2図は、同冷却特性の測
定装置を示す図、第3図(a)および第3図(b)は、
Bi2Te3とBi2Se3の組成比と性能指数との関係を示す図、
第4図は、固溶体の状態図である。 1……n型BiTeSe、2……単結晶p型BiTeSe、3……熱
電素子、4……真空容器。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】粒径が均一で、一導電型の不純物を含むテ
    ルル化ビスマス(Bi2Te3)−セレン化ビスマス(Bi2S
    e3)固溶体粉末の粉末焼結体からなり、 前記固溶体粉末の粒径が10〜200ミクロンの範囲にある
    ことを特徴とする熱電半導体材料。
  2. 【請求項2】前記固溶体粉末の粒径は、37〜74ミクロン
    の範囲にあることを特徴とする特許請求の範囲第(1)
    項記載の熱電半導体材料。
  3. 【請求項3】前記固溶体粉末は、次式 Bi2(Te1-xSex)3(0.05<x<0.3)に示す組成を有する
    ものであることを特徴とする特許請求の範囲第(1)項
    記載の熱電半導体材料。
  4. 【請求項4】前記不純物は1020cm-3以下で添加されるハ
    ロゲン原子であることを特徴とする特許請求の範囲第
    (1)項記載の熱電半導体材料。
  5. 【請求項5】所望の組成のビスマス、テルル、セレンお
    よび−導電型の不純物を混合し、加熱溶融せしめる加熱
    工程と、 急冷して固溶体を形成する冷却工程と、 該インゴットを粉砕し固溶体粉末を形成する粉砕工程
    と、 前記固溶体粉末の粒径を10〜200ミクロンの範囲に均一
    化する粒径調整工程と、 粒径の均一となった固溶体粉末を焼結せしめる焼結工程
    とを含むことを特徴とする熱電半導体材料の製造方法。
  6. 【請求項6】前記冷却工程は、溶融物を凝固点よりもや
    や低い温度まで急冷する工程であることを特徴とする特
    許請求の範囲第(5)項記載の熱電半導体材料の製造方
    法。
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