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技術 熱電変換膜および熱電変換素子

出願人 TDK株式会社
発明者 前川和也柴田誠
出願日 2020年2月20日 (1年2ヶ月経過) 出願番号 2020-027380
公開日 2021年3月18日 (1ヶ月経過) 公開番号 2021-044531
状態 未査定
技術分野 熱電素子
主要キーワード 中間バッファー 光CVD法 高純度層 正孔準位 ドーパント含有量 イオンビームデポジション法 パワーファクター 物理的気相成長
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2021年3月18日)のものです。
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図面 (10)

課題

パワーファクターの高い熱電変換膜または熱電変換素子を提供する。

解決手段

熱電変換膜は、シリコンゲルマニウムまたはシリコン母材とする高純度層と、前記高純度層を挟む2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層とを有する積層体であって、前記高純度層はドーパントを含まない又は前記高純度層はドーパント濃度が前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層のドーパント濃度よりも少ない第1積層体と、前記第1積層体の積層方向の一方側に配置されている、前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層よりもドーパント濃度が高い高濃度ドーパント含有層と、を備える第2積層体を含む。

概要

背景

ゼーベック効果を利用した熱電変換素子が検討されている。ゼーベック効果を利用した熱電変換素子としては、例えば、外気人体との温度差を利用した発電素子自動車焼却炉あるいは暖房器具等の排熱を利用した発電素子が知られている。特に温度差を利用した発電素子は、エネルギーハーベストの要素として注目されている。

熱電変換素子として、ドーパント不純物)を含むキャリア供給層と、バンドギャップがキャリア供給層よりも小さい高純度層とからなるヘテロ構造を有する熱電変換膜を備えた素子が検討されている(例えば、特許文献1)。

概要

パワーファクターの高い熱電変換膜または熱電変換素子を提供する。熱電変換膜は、シリコンゲルマニウムまたはシリコン母材とする高純度層と、前記高純度層を挟む2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層とを有する積層体であって、前記高純度層はドーパントを含まない又は前記高純度層はドーパント濃度が前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層のドーパント濃度よりも少ない第1積層体と、前記第1積層体の積層方向の一方側に配置されている、前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層よりもドーパント濃度が高い高濃度ドーパント含有層と、を備える第2積層体を含む。

目的

本発明は、パワーファクターの高い熱電変換膜または熱電変換素子を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
0件

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請求項1

シリコンゲルマニウムまたはシリコン母材とする高純度層と、前記高純度層を挟む2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層とを有する積層体であって、前記高純度層はドーパントを含まない又は前記高純度層はドーパント濃度が前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層のドーパント濃度よりも少ない第1積層体と、前記第1積層体の積層方向の一方側に配置されている、前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層よりもドーパント濃度が高い高濃度ドーパント含有層と、を備える第2積層体を含む熱電変換膜

請求項2

前記第1積層体は、前記高純度層と前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層とを含む組を2つ以上有する請求項1に記載の熱電変換膜。

請求項3

前記高濃度ドーパント含有層は、ゲルマニウムモル分率が前記第1積層体の前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層のうちの少なくとも1層のゲルマニウムのモル分率よりも低いシリコンゲルマニウム、またはシリコンを母材とする請求項1または2に記載の熱電変換膜。

請求項4

前記第1積層体の前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層はそれぞれ、ゲルマニウムのモル分率が、22モル%以上50モル%以下の範囲内にある請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱電変換膜。

請求項5

前記第1積層体の前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層のうちの少なくとも1層のドーパント濃度が1×1017cm−3以上1×1020cm−3以下の範囲内にあり、前記高濃度ドーパント含有層のドーパント濃度が、1×1018cm−3以上1×1022cm−3以下の範囲内にあって、かつ前記第1積層体の前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層のうちの少なくとも1層のドーパント濃度に対して10倍以上である請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱電変換膜。

請求項6

前記第2積層体が2つ以上積層されている請求項1〜5のいずれか一項に記載の熱電変換膜。

請求項7

前記高純度層の合計の厚みが、前記高濃度ドーパント含有層の合計の厚みよりも大きい請求項1〜6のいずれか一項に記載の熱電変換膜。

請求項8

前記第2積層体の前記高濃度ドーパント含有層側もしくは前記第2積層体の前記高濃度ドーパント含有層側とは反対側に第3積層体が備えられていて、前記第3積層体は、シリコンゲルマニウム層と、前記シリコンゲルマニウム層を挟む2層のシリコン層とを有し、前記シリコンゲルマニウム層を挟む前記2層のシリコン層はそれぞれ、厚みαが単原子層の厚みよりも厚く40nm以下の範囲内にあり、前記シリコンゲルマニウム層は、厚みβが単原子層の厚みよりも厚く5nm以下の範囲内にある請求項1〜7のいずれか一項に記載の熱電変換膜。

請求項9

前記第3積層体の前記シリコンゲルマニウム層の厚さβと、前記第3積層体の前記シリコンゲルマニウム層を挟む前記2層のシリコン層のそれぞれの厚さαとが、1/2≧β/αを満足する請求項8に記載の熱電変換膜。

請求項10

前記第3積層体の前記シリコンゲルマニウム層のドーパント濃度が、前記第3積層体の前記シリコンゲルマニウム層を挟む前記2層のシリコン層のそれぞれのドーパント濃度よりも高い請求項8または9に記載の熱電変換膜。

請求項11

前記第3積層体の前記シリコンゲルマニウム層のドーパント濃度が、1×1018cm−3以上1×1022cm−3以下の範囲内にあって、かつ前記第3積層体の前記シリコンゲルマニウム層を挟む前記2層のシリコン層のうちの少なくとも1層のドーパント濃度に対して10倍以上である請求項8〜10のいずれか一項に記載の熱電変換膜。

請求項12

前記第3積層体の前記シリコンゲルマニウム層のゲルマニウムのモル分率が、15モル%以上22モル%以下の範囲内にある請求項8〜11のいずれか一項に記載の熱電変換膜。

請求項13

請求項1〜12のいずれか一項に記載の熱電変換膜と、シリコン基板とを有し、前記シリコン基板は、前記熱電変換膜の前記高濃度ドーパント含有層側とは反対側に配置されている熱電変換素子

請求項14

さらに、前記シリコン基板と前記熱電変換膜との間に配置された第1バッファー層および第2バッファー層を有し、前記第2バッファー層は、前記第1バッファー層よりも前記熱電変換膜側に配置され、前記第2バッファー層のドーパント濃度が前記第1バッファー層のドーパント濃度よりも高い請求項13に記載の熱電変換素子。

技術分野

0001

本発明は、熱電変換膜および熱電変換素子に関する。

背景技術

0002

ゼーベック効果を利用した熱電変換素子が検討されている。ゼーベック効果を利用した熱電変換素子としては、例えば、外気人体との温度差を利用した発電素子自動車焼却炉あるいは暖房器具等の排熱を利用した発電素子が知られている。特に温度差を利用した発電素子は、エネルギーハーベストの要素として注目されている。

0003

熱電変換素子として、ドーパント不純物)を含むキャリア供給層と、バンドギャップがキャリア供給層よりも小さい高純度層とからなるヘテロ構造を有する熱電変換膜を備えた素子が検討されている(例えば、特許文献1)。

先行技術

0004

特開2000−244023号公報

発明が解決しようとする課題

0005

熱電変換素子の熱電特性指標するパワーファクターは、熱電変換素子のゼーベック係数累乗電気伝導率の積に理論的には比例する。パワーファクターを向上させるためには、熱電変換素子の電気伝導率を高くすることが有効である。このために、キャリア供給層のドーパント濃度を高くして、キャリア供給層から高純度層に供給されるキャリアの量を多くすることが考えられる。しかしながら、キャリア供給層のドーパント濃度を過度に高くすると、キャリア供給層の結晶性が低下するという問題があった。キャリア供給層の結晶性が低下すると、キャリア供給層の上に形成される高純度層の結晶性も低下し、高純度層のキャリアの移動度が低下し、却って熱電変換素子の電気伝導率が低下し、パワーファクターが低下するおそれがある。

0006

本発明は、パワーファクターの高い熱電変換膜または熱電変換素子を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
(1)シリコンゲルマニウムまたはシリコン母材とする高純度層と、前記高純度層を挟む2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層とを有する積層体であって、前記高純度層はドーパントを含まない又は前記高純度層はドーパント濃度が前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層のドーパント濃度よりも少ない第1積層体と、
前記第1積層体の積層方向の一方側に配置されている、前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層よりもドーパント濃度が高い高濃度ドーパント含有層と、を備える第2積層体を含む熱電変換膜。
(2)前記第1積層体は、前記高純度層と前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層とを含む組を2つ以上有する前記(1)に記載の熱電変換膜。
(3)前記高濃度ドーパント含有層は、ゲルマニウムモル分率が前記第1積層体の前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層のうちの少なくとも1層のゲルマニウムのモル分率よりも低いシリコンゲルマニウム、またはシリコンを母材とする前記(1)または(2)に記載の熱電変換膜。
(4)前記第1積層体の前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層はそれぞれ、ゲルマニウムのモル分率が、22モル%以上50モル%以下の範囲内にある前記(1)〜(3)のいずれか一項に記載の熱電変換膜。
(5)前記第1積層体の前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層のうちの少なくとも1層のドーパント濃度が1×1017cm−3以上1×1020cm−3以下の範囲内にあり、前記高濃度ドーパント含有層のドーパント濃度が、1×1018cm−3以上1×1022cm−3以下の範囲内にあって、かつ前記第1積層体の前記高純度層を挟む前記2層のドーパント含有シリコンゲルマニウム層のうちの少なくとも1層のドーパント濃度に対して10倍以上である前記(1)〜(4)のいずれか一項に記載の熱電変換膜。
(6)前記第2積層体が2つ以上積層されている前記(1)〜(5)のいずれか一項に記載の熱電変換膜。
(7)前記高純度層の合計の厚みが、前記高濃度ドーパント含有層の合計の厚みよりも大きい前記(1)〜(6)のいずれか一項に記載の熱電変換膜。
(8)前記第2積層体の前記高濃度ドーパント含有層側もしくは前記第2積層体の前記高濃度ドーパント含有層側とは反対側に第3積層体が備えられていて、
前記第3積層体は、シリコンゲルマニウム層と、前記シリコンゲルマニウム層を挟む2層のシリコン層とを有し、前記シリコンゲルマニウム層を挟む前記2層のシリコン層はそれぞれ、厚みαが単原子層の厚みよりも厚く40nm以下の範囲内にあり、前記シリコンゲルマニウム層は、厚みβが単原子層の厚みよりも厚く5nm以下の範囲内にある前記(1)〜(7)のいずれか一項に記載の熱電変換膜。
(9)前記第3積層体の前記シリコンゲルマニウム層の厚さβと、前記第3積層体の前記シリコンゲルマニウム層を挟む前記2層のシリコン層のそれぞれの厚さαとが、1/2≧β/αを満足する前記(8)に記載の熱電変換膜。
(10)前記第3積層体の前記シリコンゲルマニウム層のドーパント濃度が、前記第3積層体の前記シリコンゲルマニウム層を挟む前記2層のシリコン層のそれぞれのドーパント濃度よりも高い前記(8)または(9)に記載の熱電変換膜。
(11)前記第3積層体の前記シリコンゲルマニウム層のドーパント濃度が、1×1018cm−3以上1×1022cm−3以下の範囲内にあって、かつ前記第3積層体の前記シリコンゲルマニウム層を挟む前記2層のシリコン層のうちの少なくとも1層のドーパント濃度に対して10倍以上である前記(8)〜(10)のいずれか一項に記載の熱電変換膜。
(12)前記第3積層体の前記シリコンゲルマニウム層のゲルマニウムのモル分率が、15モル%以上22モル%以下の範囲内にある前記(8)〜(11)のいずれか一項に記載の熱電変換膜。

0008

(13)前記(1)〜(12)のいずれか一項に記載の熱電変換膜と、シリコン基板とを有し、前記シリコン基板は、前記熱電変換膜の前記高濃度ドーパント含有層側とは反対側に配置されている熱電変換素子。
(14)さらに、前記シリコン基板と前記熱電変換膜との間に配置された第1バッファー層および第2バッファー層を有し、
前記第2バッファー層は、前記第1バッファー層よりも前記熱電変換膜側に配置され、前記第2バッファー層のドーパント濃度が前記第1バッファー層のドーパント濃度よりも高い前記(13)に記載の熱電変換素子。

発明の効果

0009

本発明によれば、パワーファクターの高い熱電変換膜または熱電変換素子を提供することが可能となる。

図面の簡単な説明

0010

本発明の第1実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。
本発明の第2実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。
本発明の第3実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。
本発明の第4実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。
本発明の第4実施形態に係る熱電変換素子の変形例の断面図である。
本発明の第4実施形態に係る熱電変換素子の変形例の断面図である。
実施例1で得られた熱電変換素子のX線回折パターンである。
比較例1で得られた熱電変換素子のX線回折パターンである。
比較例2で得られた熱電変換素子のX線回折パターンである。

0011

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

0012

(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。
本実施形態の熱電変換素子1は、図1に示すように、シリコン基板10と、バッファー層20と、熱電変換膜30とを含む積層体である。バッファー層20は、シリコン基板10と熱電変換膜30との間に配置されている。

0013

熱電変換膜30は、第1積層体31と高濃度ドーパント含有層35とを備える第2積層体36を含む。
第1積層体31は、第1ドーパント含有SiGe層(第1ドーパント含有シリコンゲルマニウム層)32aと、高純度層33と、第2ドーパント含有SiGe層(第2ドーパント含有シリコンゲルマニウム層)32bとが積層された積層体である。高純度層33は、第1ドーパント含有SiGe層32aと第2ドーパント含有SiGe層32bとの間に配置されている。高濃度ドーパント含有層35は、第1積層体31の積層方向の一方の側に配置されている。高濃度ドーパント含有層35は、第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bよりもドーパント濃度が高い。

0014

第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bは、SiGe(シリコンゲルマニウム)を母材とし、キャリア供給層として機能する。第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bは、N型キャリア供給層であってもよいし、P型キャリア供給層であってもよい。第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bがN型キャリア供給層の場合は、ドーパントとしてN、P、As、Sb、Biなどの第15族元素が用いられる。第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bがP型キャリア供給層の場合は、ドーパントとして、B、Al、Ga、In、Tlなどの第13族元素が用いられる。これらのドーパントは、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせてもよい。第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bのドーパントの含有量は、1×1017cm−3以上1×1020cm−3以下の範囲内にあることが好ましい。

0015

第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bは、下記の式(1)で表されるシリコンゲルマニウムからなる層であることが好ましい。
Si1−xGex・・・(1)
上記の式(1)において、xは、0<x<1を満足する数であり、0.1≦x≦0.7を満足する数であることが好ましく、0.2≦x≦0.6を満足する数であることがより好ましく、0.22≦x≦0.50を満足する数であることが特に好ましい。すなわち、第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bは、ゲルマニウムのモル分率が、10モル%以上70モル%以下の範囲内にあることが好ましく、20モル%以上60モル%以下の範囲内にあることがより好ましく、22モル%以上50モル%以下の範囲内にあることが特に好ましい。

0016

第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bは、ゲルマニウムのモル分率が互いに同等であることが好ましい。具体的には、第2ドーパント含有SiGe層32bのゲルマニウムのモル分率は、第1ドーパント含有SiGe層32aのゲルマニウムのモル分率に対して90%以上110%以下の範囲内にあることが好ましい。また、第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bは、ドーパント濃度が互いに同等であることが好ましい。具体的には、第2ドーパント含有SiGe層32bのドーパント濃度は、第1ドーパント含有SiGe層32aのドーパント濃度に対して90%以上110%以下の範囲内にあることが好ましい。

0017

高純度層33は、シリコンゲルマニウムまたはシリコンを母材とする。高純度層33はゲルマニウムのモル分率が、高純度層33を挟む第1ドーパント含有SiGe層32a及び第2ドーパント含有SiGe層32bの各々のゲルマニウムのモル分率よりも低いシリコンゲルマニウム、またはシリコンを母材とすることが好ましい。高純度層33のゲルマニウムのモル分率は、第1ドーパント含有SiGe層32a及び第2ドーパント含有SiGe層32bの各々のゲルマニウムのモル分率の10%以下であることが好ましい。

0018

高純度層33は、キャリアの移動度を損なわない範囲でドーパントを含有していてもよい。高純度層33に含まれるドーパントの導電型は、高純度層33を挟む第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bに含まれるドーパントの導電型と同じであることが好ましい。高純度層33に含まれるドーパントの例は、第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bの場合と同じである。高純度層33のドーパント濃度は、高純度層33を挟む第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bの各々のドーパント濃度よりも低いことが好ましく、1×1016cm−3以下であることがより好ましい。高純度層33のドーパント濃度の下限は、一般に1×1012cm−3である。高純度層33はドーパントを含まなくてもよい。すなわち、高純度層33はドーパントを含まない又は高純度層33はドーパント濃度が第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bのドーパント濃度よりも少ない。高純度層33は、高純度層33を挟む第1ドーパント含有SiGe層32a及び第2ドーパント含有SiGe層32bの各々と接していることが好ましい。

0019

高濃度ドーパント含有層35は、シリコンゲルマニウムまたはシリコンを母材とすることが好ましい。高濃度ドーパント含有層35は、ゲルマニウムのモル分率が少なくとも1層のドーパント含有SiGe層(例えば第1ドーパント含有SiGe層32a)のゲルマニウムのモル分率よりも低いシリコンゲルマニウム、またはシリコンを母材とすることが特に好ましい。高濃度ドーパント含有層35は、ゲルマニウムのモル分率が第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32b(全てのドーパント含有SiGe層)の各々のゲルマニウムのモル分率よりも低いシリコンゲルマニウムを母材としてもよい。高濃度ドーパント含有層35の母材がシリコンゲルマニウムである場合、高濃度ドーパント含有層35のゲルマニウムのモル分率は、第1ドーパント含有SiGe層32a及び第2ドーパント含有SiGe層32bの各々のゲルマニウムのモル分率の75%以下であることが好ましい。高濃度ドーパント含有層35に含まれるドーパントの導電型は、第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bに含まれるドーパントの導電型と同じであることが好ましい。高濃度ドーパント含有層35に含まれるドーパントの例は、第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bの場合と同じである。また、高濃度ドーパント含有層35は、ドーパント濃度が1×1018cm−3以上1×1022cm−3以下の範囲内にあって、かつ少なくとも1層のドーパント含有SiGe層(例えば第1ドーパント含有SiGe層32a)のドーパント濃度に対して10倍以上であることが好ましい。高濃度ドーパント含有層35のドーパント濃度は、第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32b(全てのドーパント含有SiGe層)の各々のドーパント濃度の10倍以上であってもよい。

0020

シリコン基板10は、熱電変換膜30の高濃度ドーパント含有層35側とは反対側に配置されている。シリコン基板10としては、単結晶シリコン基板であることが好ましく、(001)配向した単結晶シリコン基板であることが特に好ましい。

0021

バッファー層20は、第1バッファー層21と第2バッファー層22を有する。第1バッファー層21はシリコン基板10側に、第2バッファー層は熱電変換膜30側に配置されている。第1バッファー層21と第2バッファー層22はシリコンゲルマニウムを母材とすることが好ましい。第2バッファー層22のゲルマニウムのモル分率は、第1ドーパント含有SiGe層32aのゲルマニウムのモル分率より低く、第1バッファー層21のゲルマニウムのモル分率よりも高いことがより好ましい。第1バッファー層21のゲルマニウムのモル分率は18%以下であることが好ましい。第2バッファー層22のゲルマニウムのモル分率は18%よりも高く22%以下の範囲内にあることが好ましい。第1バッファー層21および第2バッファー層は、ドーパントを含んでいてもよい。第1バッファー層21および第2バッファー層22に含まれるドーパントの導電型は、第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bに含まれるドーパントの導電型と同じであることが好ましい。第1バッファー層21および第2バッファー層22に含まれるドーパントの例は、第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bの場合と同じである。第2バッファー層22のドーパント濃度は、第1バッファー層21のドーパント濃度よりも高いことが好ましい。第2バッファー層22のドーパント濃度は、1017cm−3以上1022cm−3以下の範囲内にあって、第1バッファー層21のドーパント濃度に対して10倍以上であることが好ましい。第1バッファー層21のドーパント濃度は、1012cm−3以上1017cm−3以下の範囲内にあることが好ましい。第1バッファー層21はドーパントを含まなくてもよい。

0022

熱電変換素子1の各層の厚みは特に制限はないが、第1ドーパント含有SiGe層32a、第2ドーパント含有SiGe層32b、高濃度ドーパント含有層35、第1バッファー層21および第2バッファー層22の厚みは、それぞれ1nm以上20nm以下の範囲内にあることが好ましい。高純度層33の厚みは、5nm以上50nm以下の範囲内にあることが好ましい。また、高純度層33の厚みは、高濃度ドーパント含有層35の厚みよりも大きいことが好ましい。具体的には、高純度層33の厚みは、高濃度ドーパント含有層35の厚みに対して1.05倍以上10倍以下の範囲内にあることが好ましい。

0023

次に、本実施形態の熱電変換素子1の製造方法について説明する。
熱電変換素子1は、バッファー層20の形成工程と、熱電変換膜30の形成工程とを含む。

0024

バッファー層20の形成工程では、シリコン基板10の上に、第1バッファー層21と第2バッファー層22を、この順で成膜してバッファー層20を形成する。

0025

熱電変換膜30の形成工程では、第2バッファー層22の上に、第1ドーパント含有SiGe層32aと高純度層33と、第2ドーパント含有SiGe層32bと、高濃度ドーパント含有層35を、この順で成膜して熱電変換膜30を形成する。

0026

上記の各層の成膜方法は特に制限はなく、物理的気相成長PVD:Physical Vapor Deposition)法および化学的気相成長CVD:Chemical Vapor Deposition)法を用いることができる。PVD法の例としては、抵抗加熱蒸着電子ビーム蒸着分子線エピタキシー法イオンプレーティング法イオンビームデポジション法スパッタリング法を挙げることができる。CVD法の例として、熱CVD法光CVD法プラズマCVD法エピタキシャルCVD法、アトミックレイヤーCVD法、MO−CVD法を挙げることができる。

0027

以上のような構成を有する本実施形態の熱電変換素子1における熱電変換膜30では、高濃度ドーパント含有層35が第1積層体31の積層方向の一方の側に配置されているので、高純度層33へのキャリア供給層である第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bのドーパント濃度を過度に高くしなくても、高純度層33に多くのキャリアを供給することができる。また、第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bは、ドーパント濃度を高くしなくてよいので結晶性が高くなり、高純度層33の結晶性も高くなる。このため、高純度層33のキャリアの移動度が向上する。よって、熱電変換膜30の電気伝導率を高くでき、熱電変換膜30のパワーファクターを向上させることができる。

0028

また、高純度層33よりも格子定数の大きい第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bから高純度層33に面内方向の引張力が働くことにより、高純度層33に応力が働く、または、高純度層33にひずみが生じて、高純度層33のキャリア(電子又はホール)の移動度が向上する。例えば、キャリアが電子の場合は、高純度層33の伝導帯において、6重縮退していたバンドが4重縮退と2重縮退とのバンドに分裂する。電子は2重縮退したバンドへ多く分布し、2重縮退したバンドに分布する電子の有効質量は、6重縮退のバンドに分布する電子の有効質量よりも小さいため、電子の移動度が向上する。一方、キャリアがホールの場合は、高純度層33の価電子帯において、2重縮退していたバンドの縮退が解ける。縮退の解けたバンドに分布するホールの有効質量は、2重縮退のバンドに分布するホールの有効質量よりも小さいため、ホールの移動度が向上する。これらの効果によっても熱電変換膜30の電気伝導率を高くでき、熱電変換膜30のパワーファクターを向上させることができる。

0029

また、熱電変換素子1における熱電変換膜30では、高濃度ドーパント含有層35の母材を、ゲルマニウムのモル分率が第1ドーパント含有SiGe層32aのゲルマニウムのモル分率よりも低いシリコンゲルマニウム、またはシリコンとすることによって、高濃度ドーパント含有層35の結晶性をより高くできる。高濃度ドーパント含有層35の結晶性が高くなることによって、有効なキャリアの生成量が増加し、高純度層33へのキャリアの供給効率が向上する。これにより、熱電変換膜30の電気伝導率をより高くでき、熱電変換膜30のパワーファクターをより向上させることができる。

0030

また、熱電変換素子1における熱電変換膜30では、第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bのゲルマニウムのモル分率を22モル%以上とすることによって、効果的に高純度層33に応力を働かせる、または、効果的に高純度層33にひずみを生じさせることができる。これにより、高純度層33のキャリアの移動度がより向上し、熱電変換膜30の電気伝導率をより高くでき、熱電変換膜30のパワーファクターをより向上させることができる。また、第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bのゲルマニウムのモル分率を50モル%以下の範囲内にすることによって、第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bを高い平坦性で成膜することができる。

0031

また、熱電変換素子1における熱電変換膜30では、第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bのドーパント濃度を1×1017cm−3以上1×1020cm−3以下の範囲内とし、高濃度ドーパント含有層35のドーパント濃度を1×1018cm−3以上1×1022cm−3以下の範囲内とし、かつ第1ドーパント含有SiGe層32aのドーパント濃度に対して10倍以上とすることによって、熱電変換膜30の電気伝導率を確実に高くでき、熱電変換膜30のパワーファクターを確実に向上させることができる。

0032

また、熱電変換素子1における熱電変換膜30では、高純度層33の厚みを、高濃度ドーパント含有層35の厚みよりも大きくすることによって、熱電変換膜30に占める高純度層33の割合を大きくできる。キャリアの移動度の大きな高純度層33の割合を大きくすることによって、熱電変換膜30の電気伝導率をさらに高くでき、熱電変換膜30のパワーファクターをさらに向上させることができる。

0033

さらに、熱電変換素子1は、第2バッファー層22のドーパント濃度を第1バッファー層21のドーパント濃度よりも高くすることによって、第1ドーパント含有SiGe層32aからシリコン基板10側へのキャリアの拡散が防止でき、熱電変換膜30の電気伝導率をさらに高くでき、熱電変換膜30のパワーファクターをさらに向上させることができる。また、第1バッファー層21のドーパント濃度が低いことで、第1バッファー層21を結晶性良く形成でき、上層の膜の結晶性を高くすることができる。さらに、第2バッファー層22のドーパント濃度は、第1ドーパント含有SiGe層32aのドーパント濃度よりも高くてもよい。第2バッファー層22のドーパント濃度を第1ドーパント含有SiGe層32aのドーパント濃度よりも高くすることにより、第1ドーパント含有SiGe層32aからシリコン基板10側へのキャリアの拡散がより防止できる。

0034

なお、本発明の熱電変換素子は、第1実施形態の熱電変換素子1に限定されるものではない。例えば、第1積層体31の高純度層33は1層に限定されない。高純度層33は1層以上であればよく、高純度層33が2層以上ある場合は、高純度層33の各層がそれぞれ2層のドーパント含有SiGe層に挟まれていればよい。言い換えると、ドーパント含有SiGe層は、第1ドーパント含有SiGe層32aと第2ドーパント含有SiGe層32bの2層に限定されない。ドーパント含有SiGe層は2層以上であればよく、高純度層33は、2層以上のドーパント含有SiGe層の層間に配置されていればよい。すなわち、第1積層体31は、2層以上のドーパント含有SiGe層、および2層以上のドーパント含有SiGe層の層間に配置されている高純度層が積層されたものである。また、第2積層体36は第1積層体31の積層方向の一方側に2つ以上配置されていてもよい。

0035

[第2実施形態]
図2は、本発明の第2実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。
本実施形態の熱電変換素子2は、図2に示すように、熱電変換膜30の第1積層体31が、高純度層を挟む2層のドーパント含有SiGe層の組を3つ(第1組34a、第2組34b、第3組34c)有する点において、上記第1実施形態に係る熱電変換素子1と相違する。高濃度ドーパント含有層35は、最上部に積層された第3組34cのシリコン基板10側とは反対側の上方(第1積層体31の積層方向の一方側)に配置されている。なお、以下の説明において、上記第1実施形態に係る熱電変換素子1と共通する部分は同一の符号を付してその説明を省略する。

0036

第1組34aは、高純度層33aを挟む第1ドーパント含有SiGe層32aと第2ドーパント含有SiGe層32bの組である。第2組34bは、高純度層33bを挟む第2ドーパント含有SiGe層32bと第3ドーパント含有SiGe層32cの組である。第3組34cは、高純度層33cを挟む第3ドーパント含有SiGe層32cと第4ドーパント含有SiGe層32dの組である。

0037

高濃度ドーパント含有層35は、第1ドーパント含有SiGe層32a、第2ドーパント含有SiGe層32b、第3ドーパント含有SiGe層32c及び第4ドーパント含有SiGe層32dよりもドーパント濃度が高い。

0038

本実施形態や後述する第3実施形態のようにドーパント含有SiGe層を3層以上有する場合、各ドーパント含有SiGe層のゲルマニウムのモル分率は、高濃度ドーパント含有層35から最も離れた第1ドーパント含有SiGe層32aのゲルマニウム分率に対して90%以上110%以下の範囲内にあることが好ましく、各ドーパント含有SiGe層のドーパント濃度は、高濃度ドーパント含有層35から最も離れた第1ドーパント含有SiGe層32aのドーパント濃度に対して90%以上110%以下の範囲内にあることが好ましい。

0039

高濃度ドーパント含有層35は、ゲルマニウムのモル分率が少なくとも1層のドーパント含有SiGe層(例えば第1ドーパント含有SiGe層32a)のゲルマニウムのモル分率よりも低いシリコンゲルマニウム、またはシリコンを母材とすることが好ましい。高濃度ドーパント含有層35は、ゲルマニウムのモル分率が第1ドーパント含有SiGe層32a、第2ドーパント含有SiGe層32b、第3ドーパント含有SiGe層32c及び第4ドーパント含有SiGe層32d(全てのドーパント含有SiGe層)の各々のゲルマニウムのモル分率よりも低いシリコンゲルマニウムを母材としてもよい。

0040

高濃度ドーパント含有層35のドーパント濃度は、少なくとも1層のドーパント含有SiGe層(例えば第1ドーパント含有SiGe層32a)のドーパント濃度に対して10倍以上であることが好ましい。高濃度ドーパント含有層35のドーパント濃度は、第1ドーパント含有SiGe層32a、第2ドーパント含有SiGe層32b、第3ドーパント含有SiGe層32c及び第4ドーパント含有SiGe層32d(全てのドーパント含有SiGe層)の各々のドーパント濃度の10倍以上であってもよい。

0041

高純度層33a、33b、33cの合計の厚みは、高濃度ドーパント含有層35の厚みよりも大きいことが好ましい。さらに、高純度層33a、33b、33cの各層の厚みが、高濃度ドーパント含有層35の厚みよりも大きくてもよい。高純度層33a、33b、33cは、ドーパントを含有していてもよい。高純度層33a、33b、33cの母材の組成およびドーパントの種類や含有量は、上記第1実施形態に係る熱電変換素子1の高純度層の場合と同じである。

0042

以上のような構成を有する本実施形態の熱電変換素子2における熱電変換膜30では、熱電変換膜30が高純度層を挟む2層のドーパント含有SiGe層の組を2つ以上(第1組34a、第2組34b、第3組34cの3つ)有し、熱電変換膜30に占める高純度層(高純度層33a、33b、33cの合計)の割合を確実に大きくできるので、熱電変換膜30の電気伝導率をさらに高くでき、熱電変換膜30のパワーファクターをさらに向上させることができる。なお、本実施形態では、高純度層を挟む2層のドーパント含有SiGe層の組の数は3つであるが、組の数には特に制限はない。組の数は2つ以上5つ以下が好ましく、2つもしくは3つが特に好ましい。

0043

[第3実施形態]
図3は、本発明の第3実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。
本実施形態の熱電変換素子3は、図3に示すように、熱電変換膜30が3つの第2積層体36a、36b、36cを積層した積層体とされている点において、上記第1実施形態に係る熱電変換素子1と相違する。なお、以下の説明において、上記第1実施形態に係る熱電変換素子1と共通する部分は同一の符号を付してその説明を省略する。

0044

3つの第2積層体36a、36b、36cは、それぞれ第1積層体31と高濃度ドーパント含有層35とを備える。3つの第2積層体36a、36b、36cのそれぞれにおいて、高濃度ドーパント含有層35がシリコン基板10側とは反対側の上方(第1積層体31の積層方向の一方側)に積層されている。第1積層体31は、第1ドーパント含有SiGe層32aと、高純度層33と、第2ドーパント含有SiGe層32bとが積層された積層体である。高純度層33は、第1ドーパント含有SiGe層32aと第2ドーパント含有SiGe層32bとの間に配置されている。

0045

高濃度ドーパント含有層35の各層は、ゲルマニウムのモル分率が、3つの第1ドーパント含有SiGe層32a及び3つの第2ドーパント含有SiGe層32b(全てのドーパント含有SiGe層)の各々のゲルマニウムのモル分率よりも低いシリコンゲルマニウムを母材としてもよい。

0046

高濃度ドーパント含有層35の各層のドーパント濃度は、3つの第1ドーパント含有SiGe層32a及び3つの第2ドーパント含有SiGe層32b(全てのドーパント含有SiGe層)の各々のドーパント濃度の10倍以上であってもよい。

0047

本実施形態において、高純度層33の合計の厚みが、高濃度ドーパント含有層35の合計の厚みよりも大きいことが好ましい。また、高純度層33の各層の厚みが、高濃度ドーパント含有層35の各層の厚みよりも大きくてもよい。

0048

以上のような構成を有する本実施形態の熱電変換素子3における熱電変換膜30では、熱電変換膜30の抵抗値を小さくできるので、流れる電流量を増やすことができ、発電電力を大きくすることができる。また、第2積層体36b、36cの第1積層体31が、上下に高濃度ドーパント含有層35で挟まれた構成となる。第1積層体31が高濃度ドーパント含有層35で挟まれることによって、第1積層体31の第1ドーパント含有SiGe層32aと第2ドーパント含有SiGe層32bに含まれているキャリアが外部に拡散しにくくなる。このため、第1積層体31の電気伝導率がより向上する。なお、本実施形態では、第2積層体の数は3つであるが、第2積層体の数には特に制限はない。第2積層体の数は2つ以上5つ以下が好ましく、2つもしくは3つが特に好ましい。

0049

[第4実施形態]
図4は、本発明の第4実施形態に係る熱電変換素子の断面図である。
本実施形態の熱電変換素子4は、図4に示すように、シリコン基板10と熱電変換膜30との間に初期バッファー層23が備えられていること、熱電変換膜30は、第2積層体36の高濃度ドーパント含有層35側とは反対側に、第3積層体41が備えられていて、第3積層体41と第2積層体36との間に中間バッファー層24が備えられている点において、上記第1実施形態に係る熱電変換素子1と相違する。なお、以下の説明において、上記第1実施形態に係る熱電変換素子1と共通する部分は同一の符号を付してその説明を省略する。

0050

第3積層体41は、第1Si層(第1シリコン層)42aと、SiGe層(シリコンゲルマニウム層)43と、第2Si層(第2シリコン層)42bとが積層された積層体である。SiGe層43は、2層のSi層(第1Si層42aと第2Si層42b)の間に配置されている。第1Si層42aと第2Si層42bはSi(シリコン)を母材とし、SiGe層43はSiGe(シリコンゲルマニウム)を母材とする。

0051

第1Si層42aおよび第2Si層42bはそれぞれ、厚みαが単原子層の厚みよりも厚く40nm以下の範囲内とされ、SiGe層43は、厚みβが単原子層の厚みよりも厚く5nm以下の範囲内とされている。単原子層の厚みは、原子が1層配列した層の厚さである。厚みαは、2nm以上20nm以下の範囲内にあることが好ましい。厚みβは、1nm以上4nm以下の範囲内にあることが好ましく、1nm以上2nm以下の範囲内にあることが特に好ましい。また、厚みαと厚みβは、1/2≧β/αを満足することが好ましく、1/2≧β/α≧1/20を満足することが特に好ましい。

0052

第1Si層42a、第2Si層42bおよびSiGe層43は、それぞれドーパントを含有していてもよい。これらの層で用いられるドーパントの種類は、前述の第1ドーパント含有SiGe層32aおよび第2ドーパント含有SiGe層32bの場合と同じである。SiGe層43のドーパント濃度は、第1Si層42aおよび第2Si層42bのそれぞれのドーパント濃度よりも高いことが好ましい。SiGe層43のドーパント濃度は、1×1018cm−3以上1×1022cm−3以下の範囲内にあって、かつ第1Si層42aおよび第2Si層42bのうちの少なくとも1層のドーパント濃度に対して10倍以上であることが好ましい。また、SiGe層43は、Geのモル分率が15モル%以上20モル%以下の範囲内にあることが好ましい。

0053

初期バッファー層23は、熱電変換膜30に含まれるドーパントが、熱電変換膜30からシリコン基板10側に拡散することを軽減するための層である。初期バッファー層23は、SiGeを母材とすることが好ましい。初期バッファー層はゲルマニウムのモル分率が10モル%以上18モル%以下の範囲内にあることが好ましい。

0054

中間バッファー層24は、第2Si層42bと第2積層体36の第1ドーパント含有SiGe層32aとの間の格子定数差緩衝するための層である。初期バッファー層23は、SiGe を母材とすることが好ましい。中間バッファー層24はゲルマニウムのモル分率が18モル%より高く22モル%以下の範囲内にあることが好ましい。

0055

なお、図4に示した熱電変換素子4では、第3積層体41は、第2積層体36の高濃度ドーパント含有層35側とは反対側に備えられているが、第3積層体41の配置場所は、これに限定されるものではない。第3積層体41は、第2積層体の高濃度ドーパント含有層の表面に備えられていてもよい。また、図4に示した熱電変換素子4では、第3積層体41は、第1Si層42aと、SiGe層43と、第2Si層(第2シリコン層)42bとが積層された積層体であるが、第3積層体の構成はこれに限定されるものではない。第3積層体41は、SiGe層を2層以上有し、SiGe層43の各層がそれぞれ2層のSi層に挟まれていてもよい。言い換えると、Si層を3層以上有し、それぞれのSi層の層間にSiGe層が配置されていてもよい。これらの第4実施形態の変形例を図5図6に示す。

0056

図5に示す熱電変換素子5は、熱電変換膜30の第3積層体41が、第2積層体36の高濃度ドーパント含有層35の表面に備えられている。第3積層体41の構成は、上記第4実施形態に係る熱電変換素子4の第3積層体41と同じである。熱電変換素子5は、第3積層体41が、第2積層体36の高濃度ドーパント含有層35の表面に備えられている点以外は、上記第1実施形態に係る熱電変換素子1と同じ構成とされている。このため、上記第1実施形態に係る熱電変換素子1と共通する部分は同一の符号を付してその説明を省略する。

0057

図6に示す熱電変換素子6は、熱電変換膜30の第3積層体41が、SiGe層を挟む2層のSi層の組を2つ(第1組44a、第2組44b)有する。第1組44aは、SiGe層43aを挟む第1Si層42aと第2Si層42bの組である。第2組44bは、SiGe層43bを挟む第2Si層42bと第3Si層42cの組である。第3Si層42cの膜厚やドーパントは、第1Si層42aおよび第2Si層42bの場合と同じである。

0058

熱電変換素子6は、上記第4実施形態に係る熱電変換素子4と同様に、シリコン基板10と熱電変換膜30との間に初期バッファー層23が備えられている。熱電変換素子6の熱電変換膜30は、第3積層体41と、中間バッファー層24と、第2積層体36と、第3積層体41と、中間バッファー層24と、第2積層体36とが積層した積層体とされている。第2積層体36の構成は、上記第2実施形態に係る熱電変換素子2の第2積層体36と同じである。

0059

以上のような構成を有する本実施形態の熱電変換素子4、5、6における熱電変換膜30は、第3積層体41を有するので、パワーファクターが向上する。すなわち、第3積層体41のSi層(第1Si層42a、第2Si層42b)の価電子帯とSiGe層43の価電子帯で、下記の式(1)により算出されるエネルギー準位の差(バンドオフセット)が生じる。
バンドオフセット(eV)=0.85×x (1)
[但し、式(1)において、xは、SiGe層43の組成をSi1−xGex(0<x<1)と表したときのxである。]

0060

また、第3積層体41のSi層(第1Si層42a、第2Si層42b、第3Si層42c)とSiGe層43は、平均自由工程の値以内の膜厚で形成されているので、電子の取り得るエネルギー量子化される。これにより、バンドギャップの狭いSiGe層43では、伝導帯に電子準位が形成されると共に、価電子帯に正孔準位が形成される。電子準位と正孔準位が形成されることによって、SiGe層43およびSi層とSiGe層43の界面(第1Si層42aとSiGe層43の界面、第2Si層42bとSiGe層43の界面、第3Si層42cとSiGe層43の界面)では、伝導帯および価電子帯の準位が階段状に細分化されるため、キャリアの閉じ込め効果が大きくなり、キャリアの状態密度が著しく増加する。このように、第3積層体41を備えることによって、キャリアの状態密度が増加するので、ゼーベック係数が向上し、パワーファクターが向上する。

0061

また、本実施形態の熱電変換素子4、5、6における熱電変換膜30は、第3積層体41において、SiGe層43の厚みβをSi層(第1Si層42a、第2Si層42b、第3Si層42c)のそれぞれの厚みαの1/2以下と薄くすることによって、SiGe層43に電子準位と正孔準位が形成されやすくなる。このため、第3積層体41において、SiGe層43およびSi層とSiGe層43の界面でのキャリアの閉じ込め効果が大きくなり、さらにパワーファクターを向上させることができる。特に、SiGe層43の厚みβを1nm以上2nm以下として、Siの有効ボーア半径(4〜5nm)以下の値とすることによって、SiGe層43に電子準位と正孔準位がさらに形成されやすくなるので、キャリアの閉じ込め効果が大きくなり、さらにパワーファクターを向上させることができる。

0062

また、本実施形態の熱電変換素子4、5、6における熱電変換膜30は、SiGe層43のドーパント濃度を1×1018cm−3以上とすることによって、閉じ込め効果によってキャリアの状態密度をより確実に増加させることができる。一方、SiGe層43のドーパント濃度を1×1022cm−3以下とすることによってSiGe層43の結晶性を安定に維持できるので、閉じ込め効果によってキャリアの状態密度を安定して増加させることができる。さらに、第3積層体41において、SiGe層43のドーパント濃度をSi層のうちの少なくとも1層のドーパント濃度に対して10倍以上とすることによって、SiGe層43及びSi層とSiGe層43の界面でのキャリアの閉じ込め効果がさらに大きくなり、さらにパワーファクターを向上させることができる。

0063

また、本実施形態の熱電変換素子4、5、6における熱電変換膜30は、SiGe層43のGeのモル分率を15%モル以上とすることによって、SiGe層43のバンドオフセットを大きくすることができ、SiGe層43でのキャリアの閉じ込め効果を向上させることができる。さらに、SiGe層43のGeのモル分率を22モル%以下とすることによって、隣接するSi層(第1Si層42a、第2Si層42b、第3Si層42c)がひずみにくくなり、第3積層体41の結晶性や物性が安定し、積層される第1積層体31や第2積層体36の結晶性や物性が安定する。よって、第1積層体31や第2積層体36の特性が得られやすく、総じてパワーファクターを向上させることができる。

0064

[実施例1]
シリコン基板(001)の上に、第1バッファー層(厚み:10nm)と、第2バッファー層(厚み:10nm)とを、この順でスパッタリング法を用いて形成した。第1バッファー層は、ドーパント(Pのみ)の濃度が8×1014cm−3で、ゲルマニウムのモル分率が16モル%のシリコンゲルマニウム層(Si0.84Ge0.16)とした。第2バッファー層は、ドーパント(P及びSb)の合計濃度が1×1021cm−3で、ゲルマニウムのモル分率が22モル%のシリコンゲルマニウム層(Si0.78Ge0.22)とした。

0065

次いで、第2バッファー層の上に、第1シリコンゲルマニウム層(厚み:5nm)と、高純度層(厚み:10nm)と、第2シリコンゲルマニウム層(厚み:5nm)と、高濃度ドーパント含有層(厚み:5nm)とを、この順でスパッタリング法を用いて形成して、第1実施形態に係る熱電変換素子を作製した。第1シリコンゲルマニウム層および第2シリコンゲルマニウム層は、ドーパント(P及びSb)の合計濃度が8×1018cm−3で、ゲルマニウムのモル分率が32モル%のシリコンゲルマニウム層(Si0.68Ge0.32)とした。高純度層は、ドーパント(P)の濃度が8×1014cm−3のシリコン層とした。高濃度ドーパント含有層は、ドーパント(P及びSb)の合計濃度が2×1021cm−3で、ゲルマニウムのモル分率が22モル%のシリコンゲルマニウム層(Si0.78Ge0.22)とした。

0066

[比較例1]
高濃度ドーパント含有層を形成しなかったこと、第1シリコンゲルマニウム層および第2シリコンゲルマニウム層のドーパント(P及びSb)の合計濃度を1×1021cm−3としたこと以外は、実施例1と同様にして熱電変換素子を作製した。
比較例1の熱電変換素子では、第1ドーパント含有SiGe層と第2ドーパント含有SiGe層のドーパントの合計含有量が、実施例1の熱電変換素子の高濃度ドーパント含有層のドーパント含有量と同じとなるようにした。

0067

[比較例2]
高濃度ドーパント含有層を形成しなかったこと、第2ドーパント含有SiGe層の厚みを10nmとし、ドーパント(P及びSb)の合計濃度を5×1020cm−3としたこと以外は、実施例1と同様にして熱電変換素子を作製した。
比較例2の熱電変換素子では、第2ドーパント含有SiGe層の厚みが、実施例1の熱電変換素子の第2ドーパント含有SiGe層と高濃度ドーパント含有層の合計厚みと同じとなるようにした。また、第1ドーパント含有SiGe層と第2ドーパント含有SiGe層のドーパントの合計含有量が、比較例1の熱電変換素子の第2ドーパント含有SiGe層のドーパント含有量が同じとなるようにした。

0068

実施例1および比較例1、2で得られた熱電変換素子の各層の厚みと、ドーパント濃度を下記の表1に示す。

0069

0070

[評価]
実施例1および比較例1、2で得られた熱電変換素子の膜面にX線照射して、X線回折パターンを下記の条件により測定した。その結果を図7図9に示す。
(X線回折パターンの測定条件
測定方法: θ/2θ測定によるX線回折測定
X線源: CuKα線

0071

図7は、実施例1で得られた熱電変換素子のX線回折パターンである。図7のX線回折パターンの2θ=67.65°付近に見られるピークは、シリコンゲルマニウムの面指数(004)のX線回折ピークである。また、2θ=69.15°付近に見られるピークは、Si基板の面指数(004)のX線回折ピークである。高純度層(シリコン)のX線回折ピークは、シリコン基板のX線回折ピークの重なるため、確認できなかった。
図7のX線回折パターンから、実施例1で得られた熱電変換素子は、第1ドーパント含有SiGe層と第2ドーパント含有SiGe層が高い結晶性を有することが確認された。第1ドーパント含有SiGe層が高い結晶性を有することから第1ドーパント含有SiGe層の上に形成された高純度層は高い結晶性を有すると考えられる。実施例1で得られた熱電変換素子は、高濃度ドーパント含有層を有するので、高純度層に多くのキャリアを供給することができる。

0072

図8は、比較例1で得られた熱電変換素子のX線回折パターンである。図8のX線回折パターンでは、2θ=67.65°付近のピークが殆ど見られなかった。よって、比較例1で得られた熱電変換素子は、第1ドーパント含有SiGe層と第2ドーパント含有SiGe層の結晶性が低いことが確認された。第1ドーパント含有SiGe層の結晶性が低いことからシリコンゲルマニウム層の上に形成された高純度層もまた結晶性が低いと考えられる。

0073

図9は、比較例2で得られた熱電変換素子のX線回折パターンである。図9のX線回折パターンでは、2θ=67.65°付近のピークが殆ど見られなかった。よって、比較例2で得られた熱電変換素子は、第1ドーパント含有SiGe層と第2ドーパント含有SiGe層の結晶性が低いことが確認された。第1ドーパント含有SiGe層の結晶性が低いことから第1ドーパント含有SiGe層の上に形成された高純度層もまた結晶性が低いと考えられる。

実施例

0074

以上の結果から、実施例1で得られた熱電変換素子は、キャリア供給層である第1ドーパント含有SiGe層と第2ドーパント含有SiGe層と、高純度層の結晶性が高いことが確認された。また、実施例1で得られた熱電変換素子は、高濃度ドーパント含有層を有することから高純度層に多くのキャリアを供給することができる。したがって、実施例1で得られた熱電変換素子は、電気伝導率が高く、パワーファクターが向上する。

0075

1、2、3、4、5、6熱電変換素子
10シリコン基板
20バッファー層
21 第1バッファー層
22 第2バッファー層
23初期バッファー層
24、24a、24b中間バッファー層
30熱電変換膜
31 第1積層体
32a 第1ドーパント含有SiGe層
32b 第2ドーパント含有SiGe層
32c 第3ドーパント含有SiGe層
32d 第4ドーパント含有SiGe層
33、33a、33b、33c高純度層
34a 第1組
34b 第2組
34c 第3組
35高濃度ドーパント含有層
36、36a、36b、36c 第2積層体
41 第3積層体
42a 第1Si層
42b 第2Si層
42c 第3Si層
43、43a、43bSiGe層
44a 第1組
44b 第2組

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