発明の名称 ： 熱電変換素子及び熱電変換装置

技術分野

[0001] 本開示は、 フオノニック結晶構造を有する部材を備える 熱電変換素子及び 当該熱電変換素子を備える熱電変換装置に関 する。

背景技術

[0002] 特許文献 1、 特許文献 2及び非特許文献 1は、 複数の貫通孔により構成さ れる周期構造を開示している。 この周期構造では、 薄膜を平面視して、 ナノ メートルの才ーダー （1 n mから 1 000 n mの領域） 内の周期で規則的に 貫通孔が配列している。 この周期構造は、 フオノニック結晶構造の一種であ る。 このタイプのフオノニック結晶構造は、 貫通孔の配列を構成する最小単 位である単位格子を通常有する。 当該フオノニック結晶構造によれば、 薄膜 の熱伝導率が減少可能となる。 薄膜の熱伝導率は、 例えば、 多孔質化によっ ても低減できる。 多孔質化によって薄膜に導入された空隙が、 薄膜の熱伝導 率を減少させるためである。 しかし、 フオノニック結晶構造によれば、 薄膜 を構成する母材自身の熱伝導率が低減可能で ある。 このため、 単なる多孔質 化に比べて、 熱伝導率のさらなる低減が期待される。

[0003] 特許文献 3には、 p型熱電変換材料と n型熱電変換材料とを備える熱電変 換素子が開示されている。

先行技術文献

特許文献

[0004] 特許文献 1 :米国特許出願公開第 201 7/0047499号明細書

特許文献 2 :米国特許出願公開第 201 7/006981 8号明細書 特許文献 3 :国際公開第 201 1 /048634号

非特許文献

[0005] 非特許文献 1 : Nomura et a 1. , ” Impeded thermal transport is Si multi sea

Le hierarchical architectures with phonon i c crystal nanostructures , Phys i ca l Rev i ew B 91 , 205422 (2015)

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0006] 本開示は、 熱電変換素子の熱電変換効率を高める技術を 提供する。

課題を解決するための手段

[0007] 本開示は、 以下の熱電変換素子を提供する。

熱電変換素子であって、

P型熱電変換部；

n型熱電変換部；

第 1電極；

第 2電極；及び

第 3電極、 を具備し、

ここで、

前記 P型熱電変換部の一方の端部と、 前記 n型熱電変換部の一方の端部と は、 前記第 1電極を介して電気的に接続されており、

前記 P型熱電変換部の他方の端部は、 前記第 2電極と電気的に接続されて おり、

前記 n型熱電変換部の他方の端部は、 前記第 3電極と電気的に接続されて おり、

前記 P型熱電変換部は、 規則的に配列した複数の第 1貫通孔を具備する第 1 フオノニック結晶構造を有する第 1 フオノニック結晶層を備え、

前記 n型熱電変換部は、 規則的に配列した複数の第 2貫通孔を具備する第 2フオノニック結晶構造を有する第 2フオノニック結晶層を備え、

前記第 1 フオノニック結晶構造における前記複数の第 1貫通孔の貫通方向 は、 前記 P型熱電変換部における前記一方の端部と前� �他方の端部とを結ぶ 方向であり、

前記第 2フオノニツク結晶構造における前記複数の� � 2貫通孔の貫通方向 は、 前記 1·!型熱電変換部における前記一方の端部と� �記他方の端部とを結ぶ 〇 2020/174764 3 卩（：171? 2019 /043918

方向である。

[0008] 本開示は、 別の側面から、 以下の熱電変換素子を提供する。

熱電変換素子であって、

互いに隣接する 2つの熱電変換部；

第 4電極；

第 5電極；及び

第 6電極、 を具備し、

ここで、

前記 2つの熱電変換部の導電型は同一であり、

_方の前記熱電変換部の _方の端部と、 他方の前記熱電変換部の _方の端 部とは、 前記第 4電極を介して電気的に接続されており、

前記 _方の熱電変換部の他方の端部は、 前記第 5電極と電気的に接続され ており、

前記他方の熱電変換部の他方の端部は、 前記第 6電極と電気的に接続され ており、

前記第 5電極と前記第 6電極との間に電流を流したときに、 前記隣接する 2つの熱電変換部における前記電流の流れる� �向は同一であり、

前記一方の熱電変換部は、 規則的に配列した複数の第 1貫通孔を具備する 第 1 フオノニック結晶構造を有する第 1 フオノニック結晶層を備え、 前記他方の熱電変換部は、 規則的に配列した複数の第 2貫通孔を具備する 第 2フオノニック結晶構造を有する第 2フオノニック結晶層を備え、 前記第 1 フオノニック結晶構造における前記複数の第 1貫通孔の貫通方向 は、 前記一方の熱電変換部における前記一方の端 部と前記他方の端部とを結 ぶ方向であり、

前記第 2フオノニツク結晶構造における前記複数の� � 2貫通孔の貫通方向 は、 前記他方の熱電変換部における前記一方の端 部と前記他方の端部とを結 ぶ方向である。

発明の効果 〇 2020/174764 4 卩（：171? 2019 /043918

［0009］ 本開示によれば、 熱電変換素子の熱電変換効率を高めることが できる。

図面の簡単な説明

［0010］ ［図 1］図 1は、 本開示の熱電変換素子の一例を模式的に示す 断面図である。

［図 2八］図 2八は、 本開示の熱電変換素子が備えうる 型熱電変換部の一例を 模式的に示す断面図である。

［図 28］図 2巳は、 本開示の熱電変換素子が備えうる n型熱電変換部の一例を 模式的に示す断面図である。

［図 3八］図 3八は、 本開示の熱電変換素子が備えうる 型熱電変換部の別の一 例を模式的に示す断面図である。

［図 38］図 3巳は、 本開示の熱電変換素子が備えうる n型熱電変換部の別の一 例を模式的に示す断面図である。

［図 4八］図 4八は、 図 3八の 型熱電変換部を第 1 フオノニック結晶層の側か ら見た平面図である。

［図 48］図 4巳は、 図 3八の 型熱電変換部を第 3フオノニック結晶層の側か ら見た平面図である。

［図 5八］図 5八は、 図 3巳の _n 型熱電変換部を第 2フオノニック結晶層の側か ら見た平面図である。

［図 58］図 5巳は、 図 3 Bの _n 型熱電変換部を第 4フオノニック結晶層の側か ら見た平面図である。

［図 6八］図 6八は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶構造の 単位格子の一例を示す模式図である。

［図 68］図 6巳は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶構造の 単位格子の別の一例を示す模式図である。

［図 60］図 6〇は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶構造の 単位格子のまた別の一例を示す模式図である 。

［図 6 ］図 6 0は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶構造の 単位格子の上記とは別の一例を示す模式図で ある。

［図 7］図 7は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶構造の一例 〇 2020/174764 5 卩（：171? 2019 /043918

を模式的に示す平面図である。

［図 8八］図 8八は、 図 7のフオノニック結晶構造が含む第 1 ドメインにおける 単位格子とその方位とを示す模式図である。

［図 88］図 8巳は、 図 7のフオノニック結晶構造が含む第 2 ドメインにおける 単位格子とその方位とを示す模式図である。

［図 9］図 9は、 図 7のフオノニック結晶構造の領域 1の拡大図である。

［図 10］図 1 0は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶構造の 別の—例を模式的に示す平面図である。

［図 1 1］図 1 1は、 図 1 〇のフオノニック結晶構造の領域 2の拡大図である

［図 12］図 1 2は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶構造の また別の一例を模式的に示す平面図である。

［図 13］図 1 3は、 図 1 2のフオノニック結晶構造の領域 3の拡大図である

［図 14］図 1 4は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶構造の さらにまた別の一例を模式的に示す平面図で ある。

［図 15］図 1 5は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶構造の 上記とは別の一例を模式的に示す平面図であ る。

［図 16］図 1 6は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶構造の 上記とは別の一例を模式的に示す平面図であ る。

［図 17八］図 1 7八は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶構造 の単位格子の一例を示す模式図である。

［図 178］図 1 7巳は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶構造 の単位格子の別の一例を示す模式図である。

［図 18］図 1 8は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶構造の 上記とは別の一例を模式的に示す平面図であ る。

［図 19］図 1 9は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶構造の 上記とは別の一例を模式的に示す平面図であ る。 〇 2020/174764 6 卩（：171? 2019 /043918

［図 20八］図 2 0八は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶層の 一例を模式的に示す平面図である。

［図 208］図 2 0巳は、 図 2〇八のフオノニック結晶層の断面 2 0巳_ 2 0巳を 示す断面図である。

［図 21］図 2 1は、 本開示の熱電変換素子が備えうる 型熱電変換部及び/又 は门型熱電変換部の上記とは別の一例を模式 的に示す断面図である。

［図 22八］図 2 2八は、 本開示の熱電変換素子が有しうるフオノニッ ク結晶層の 別の—例を模式的に示す平面図である。

［図 228］図 2 2巳は、 図 2 2八のフオノニック結晶層の断面 2 2巳一2 2巳を 示す断面図である。

［図 23］図 2 3は、 本開示の熱電変換素子が備えうる 型熱電変換部及び/又 は门型熱電変換部の上記とは別の一例を模式 的に示す断面図である。

［図24八］図2 4 は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。

［図 248］図 2 4巳は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。

［図 24（：］図 2 4〇は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。

［図 240］図 2 4 0は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。

［図24£］図2 4巳は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。

［図24ド］図2 4 は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。

［図 240］図 2 4 0は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。

［図 2 ］図 2 4 ! !は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。 〇 2020/174764 7 卩（：171? 2019 /043918

［図 241］図 2 4 I は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。

［図 24」］図 2 4」は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。

［図241＜］図2 4［＜は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。

［図 241_］図 2 4 1_は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。

［図 241«図 2 4 IV!は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。

［図 241\1］図 2 4 1\1は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。

［図 240］図 2 4 0は、 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 を説明する ための模式的な断面図である。

［図 25］図 2 5は、 本開示の熱電変換素子の別の一例を模式的に 示す断面図で ある。

［図 26八］図 2 6八は、 本開示の熱電変換装置が備えうる熱電変換モ ジュールの 一例を模式的に示す断面図である。

［図 268］図 2 6巳は、 本開示の熱電変換素子が備えうる熱電変換モ ジュールの 別の—例を模式的に示す断面図である。

［図 27］図 2 7は、 本開示の熱電変換装置が備えうる熱電変換モ ジュールの別 の一例を模式的に示す斜視図である。

［図 28］図 2 8は、 本開示の熱電変換装置が備えうる熱電変換モ ジュールのま た別の一例を模式的に示す断面図である。

［図 29］図 2 9は、 本開示の熱電変換装置の一例を模式的に示す 断面図である

［図 30］図 3 0は、 本開示の熱電変換装置の一例を模式的に示す 断面図である \¥02020/174764 8 卩（：17 2019/043918

［図 31］図 3 1は、 本開示の熱電変換装置の一例を模式的に示す 断面図である

［図 32］図 3 2は、 本開示の熱電変換装置の一例を模式的に示す 断面図である 発明を実施するための形態

［001 1］ （本開示の基礎となった知見）

絶縁体及び半導体において、 熱は、 主として、 フオノンと呼ばれる格子振 動によって運ばれる。 絶縁体又は半導体から構成される材料の熱伝 導率は、 材料が有するフオノンの分散関係により決定 される。 フオノンの分散関係と は、 周波数と波数との関係、 又はバンド

構造を意味している。 絶縁体及び半導体において、 熱を運ぶフオノンは、 1 この周波数帯域は、 熱の帯域である。 材料の熱伝導率は、 熱の帯域にあるフオノンの分散関係に より定められる。

［0012］ 上述したフオノニック結晶構造によれば、 貫通孔の周期構造によって、 材 料が有するフオノンの分散関係が制御可能で ある。 即ち、 フオノニック結晶 構造によれば、 材料、 例えば薄膜の母材、 の熱伝導率そのものが制御可能で ある。 とりわけ、 フオノニック結晶構造によるフオノニックバ ンドギャップ （ 巳〇） の形成は、 材料の熱伝導率を大きく低減させうる。 巳〇内にフ オノンは存在できない。 このため、 熱の帯域に位置する 巳◦は、 熱伝導の ギャップとなりうる。 また、 巳◦以外の周波数帯域においても、 フオノン の分散曲線の傾きが 巳◦によって小さくなる。 傾きの低減はフオノンの群 速度を低下させ、 熱伝導速度を低下させる。 これらの点は、 材料自体の熱伝 導率の低減に大きく寄与する。

［0013］ 本開示の熱電変換素子では、 素子が備える一対の熱電変換部が、 規則的に 配列した複数の貫通孔を具備するフオノニッ ク結晶構造を有するフオノニッ ク結晶層を備えている。 第 1実施形態では、 一対の熱電変換部は、 型熱電 変換部及び 1·!型熱電変換部である。 型熱電変換部は、 _方の端部において 〇 2020/174764 9 卩（：171? 2019 /043918

第 1電極と電気的に接続され、 他方の端部において第 2電極と電気的に接続 されている。 1·!型熱電変換部は、 一方の端部において第 1電極と電気的に接 続され、 他方の端部において第 3電極と電気的に接続されている。 第 2実施 形態では、 一対の熱電変換部は、 互いに隣接する、 導電型を同一とする 2つ の熱電変換部である。 一方の熱電変換部は、 一方の端部において第 4電極と 電気的に接続され、 他方の端部において第 5電極と電気的に接続されている 。 他方の熱電変換部は、 一方の端部において第 4電極と電気的に接続され、 他方の端部において第 6電極と電気的に接続されている。 フオノニック結晶 層を備えることにより、 各熱電変換部における上記一方の端部と他方 の端部 との間の熱伝導率の低減が可能となる。 したがって、 本開示の熱電変換素子 では、 熱電変換効率の向上が可能となる。

[0014] （本開示の実施形態）

以下、 本開示の実施形態について、 図面を参照しながら説明する。 なお、 以下で説明する実施形態は、 いずれも包括的、 又は具体的な例を示すもので ある。 以下の実施形態で示される数値、 形状、 材料、 構成要素、 構成要素の 配置位置及び接続形態、 プロセス条件、 ステップ、 ステップの順序等は一例 であり、 本開示を限定する主旨ではない。 また、 以下の実施形態における構 成要素のうち、 最上位概念を示す独立請求項に記載されてい ない構成要素に ついては、 任意の構成要素として説明される。 なお、 各図は、 模式図であり 、 必ずしも厳密に図示されたものではない。

[0015] （第 1実施形態）

第 1実施形態の熱電変換素子の一例が図 1 に示される。 図 1の熱電変換素 子 1は、 型熱電変換部 2、 _n 型熱電変換部 3、 第 1電極 4、 第 2電極 5及 び第 3電極 6を備える。 型熱電変換部 2の一方の端部 1 1 と、 _n 型熱電変 換部 3の一方の端部 1 3とは、 第 1電極 4を介して電気的に接続されている 。 型熱電変換部 2の他方の端部 1 2は、 第 2電極 5と電気的に接続されて いる。 1·!型熱電変換部 3の他方の端部 1 4は、 第 3電極 6と電気的に接続さ れている。 熱電変換素子 1は、 電気エネルギーを熱エネルギーに変換するぺ 〇 2020/174764 10 卩（：171? 2019 /043918

ルティエ素子としても、 熱エネルギーを電気エネルギーに変換するゼ ーべッ ク素子としても、 機能しうる。

[0016] 型熱電変換部 2の一例が図 2八に示される。 図 2八の 型熱電変換部 2 は、 規則的に配列した複数の第 1貫通孔 1 5を具備する第 1 フオノニック結 晶構造を有する第 1 フオノニック結晶層 1 6を備える。 図 2八の 型熱電変 換部 2は、 第 1 フオノニック結晶層 1 6の単層構造体である。 第 1 フオノニ ック結晶構造及び第 1 フオノニック結晶層 1 6におけ

る複数の第 1貫通孔 1 5の貫通方向は、 型熱電変換部 2における一方の端 咅6 1 1 と他方の端部 1 2とを結ぶ方向である。 また、 当該方向は、 例えば、 型熱電変換部 2における一方の端部 1 1及び他方の端部 1 2を構成する面 、 言い換えると、 第 1電極 4及び/又は第 2電極 5との接続面、 に略垂直な 方向である。 本明細書において 「略垂直」 とは、 2つの方向の関係が、 例え ば 5度以下、 好ましくは 3度以下、 より好ましくは 1度以下、 垂直からずれ ている場合にも、 当該関係を垂直とみなす趣旨である。

[0017] 门型熱電変換部 3の一例が図 2巳に示される。 図 2巳の n型熱電変換部 3 は、 規則的に配列した複数の第 2貫通孔 1 7を具備する第 2フオノニック結 晶構造を有する第 2フオノニック結晶層 1 8を備える。 図 2 Bの _n 型熱電変 換部 3は、 第 2フオノニック結晶層 1 8の単層構造体である。 第 2フオノニ ック結晶構造及び第 2フオノニック結晶層 1 8における複数の第 2貫通孔 1 7の貫通方向は、 n型熱電変換部 3における一方の端部 1 3と他方の端部 1 4とを結ぶ方向である。 また、 当該方向は、 例えば、 1·!型熱電変換部 3にお ける一方の端部 1 3及び他方の端部 1 4を構成する面、 言い換えると、 第 1 電極 4及び/又は第 3電極 6との接続面、 に略垂直な方向である。

[0018] 型熱電変換部 2の別の一例が図 3八に示される。 図 3八の 型熱電変換 部 2は、 第 1 フオノニック結晶層 1 6に加えて、 規則的に配列した複数の第 3貫通孔 1 9を具備する第 3フオノニック結晶構造を有する第 3フオノニッ ク結晶層 2 0をさらに備える。 第 1 フオノニック結晶層 1 6と第 3フオノニ ック結晶層 2 0とは、 型熱電変換部 2における一方の端部 1 1 と他方の端 〇 2020/174764 1 1 卩（：171? 2019 /043918

部 1 2とを結ぶ方向に積層されている。 第 1 フオノニック結晶構造及び第 1 フオノニック結晶層 1 6における複数の第 1貫通孔 1 5の貫通方向と、 第 3 フオノニック結晶構造及び第 3フオノニック結晶層 2 0における複数の第 3 貫通孔 1 9の貫通方向とは、 略平行である。 図 3 の 型熱電変換部 2は、 第 1 フオノニック結晶層 1 6及び第 3フオノニック結晶層 2 0の積層構造体 である。 第 1 フオノニック結晶層 1 6と第 3フオノニック結晶層 2 0とは、 互いに接している。 本明細書において 「略平行」 とは、 2つの方向の関係が 、 例えば 5度以下、 好ましくは 3度以下、 より好ましくは 1度以下、 平行か らずれている場合にも、 当該関係を平行とみなす趣旨である。

[0019] 门型熱電変換部 3の別の一例が図 3巳に示される。 図 3巳の n型熱電変換 部 3は、 第 2フオノニック結晶層 1 8に加えて、 規則的に配列した複数の第 4貫通孔 2 1 を具備する第 4フオノニック結晶構造を有する第 4フオノニッ ク結晶層 2 2をさらに備える。 第 2フオノニック結晶層 1 8と第 4フオノニ ック結晶層 2 2とは、 型熱電変換部 3における一方の端部 1 3と他方の端 部 1 4とを結ぶ方向に積層されている。 第 2フオノニック結晶構造及び第 2 フオノニック結晶層 1 8における複数の第 2貫通孔 1 7の貫通方向と、 第 4 フオノニック結晶構造及び第 4フオノニック結晶層 2 2における複数の第 4 貫通孔 2 1の貫通方向とは、 略平行である。 図 3 Bの _n 型熱電変換部 3は、 第 2フオノニック結晶層 1 8及び第 4フオノニック結晶層 2 2の積層構造体 である。 第 2フオノニック結晶層 1 8と第 4フオノニック結晶層 2 2とは、 互いに接している。

[0020] 巳◦の分布は立体的であり、 フオノニック結晶層では、 面内方向だけで はなく厚さ方向の熱流の制御及び当該制御に よる熱伝導率の低減が期待され る。 なお、 本明細書において 「フオノニック結晶層における厚さ方向」 とは 、 規則的に配列した複数の貫通孔の貫通方向を 意味する。 図 3 及び図 3巳 に示される 型熱電変換部 2及び _n 型熱電変換部 3では、 少なくとも 2層の フオノニック結晶層が厚さ方向に積層されて いる。 積層による厚さの増大に より、 型熱電変換部 2及び 型熱電変換部 3における厚さ方向の熱流のよ 〇 2020/174764 12 卩（：171? 2019 /043918

り確実な制御が期待される。

[0021 ] 第 1 フオノニック結晶層 1 6、 第 2フオノニック結晶層 1 8、 第 3フオノ ニック結晶層 2 0及び第 4フオノニック結晶層 2 2の厚さは、 例えば、 1 0 n 以上 5 0 0 1^ 01以下で

ある。 型熱電変換部 2が 2以上のフオノニック結晶層を備える場合、 各フ オノニック結晶層の厚さは、 互いに同一であっても異なっていてもよい。 型熱電変換部 3が 2以上のフオノニック結晶層を備える場合、 各フオノニッ ク結晶層の厚さは、 互いに同一であっても異なっていてもよい。

[0022] 型熱電変換部 2が備えるフオノニック結晶層の数は、 限定されない。

型熱電変換部 2が 2以上のフオノニック結晶層を備える場合、 各フオノニッ ク結晶層は、 互いに接するように積層されていても、 他の部材を介して積層 されていても構わない。 n型熱電変換部 3が備えるフオノニック結晶層の数 は、 限定されない。 1·!型熱電変換部 3が 2以上のフオノニック結晶層を備え る場合、 各フオノニック結晶層は、 互いに接するように積層されていても、 他の部材を介して積層されていても構わない 。 他の部材は、 例えば、 3 丨 〇 ₂ 等

の酸化膜、 後述のバッファ層である。

[0023] 図 3八の 型熱電変換部 2を第 1 フオノニック結晶層 1 6の側から見た平 面図が図 4八に示される。 図 3八の 型熱電変換部 2を第 3フオノニック結 晶層 2 0の側から見た平面図が図 4巳に示される。 図 3八、 図 4八及び図 4 巳の 型熱電変換部 2において、 第 1 フオノニック結晶層 1 6が有する第 1 フオノニック結晶構造の構成と、 第 3フオノニック結晶層 2 0が有する第 3 フオノニック結晶構造の構成とは異なってい る。 具体的には、 第 1貫通孔 1 5の配列の周期 と、 第 3貫通孔 1 9の配列の周期 とが異なっている。 第 1 フオノニック結晶構造の構成と第 3フオノニック結晶構造の構成とが異な る場合、 通常、 第 3貫通孔 1 9の少なくとも一部は第 1貫通孔 1 5と連通し ていない。 ただし、 2以上のフオノニック結晶層を備える 型熱電変換部 2 において、 各フオノニック結晶層の構成は同一であって もよい。 〇 2020/174764 13 卩（：171? 2019 /043918

[0024] 図 3 Bのn型熱電変換部 3を第 2フオノニック結晶層 1 8の側から見た平 面図が図 5八に示される。 図 3巳の 型熱電変換部 3を第 4フオノニック結 晶層 2 2の側から見た平面図が図 5巳に示される。 図 3巳、 図 5八及び図 5 Bの _n 型熱電変換部 3において、 第 3フオノニック結晶層 1 8が有する第 3 フオノニック結晶構造の構成と、 第 4フオノニック結晶層 2 2が有する第 4 フオノニック結晶構造の構成とは異なってい る。 具体的には、 第 3貫通孔 1 7の配列の周期 と、 第 4貫通孔 2 1の配列の周期 とが異なっている。 第 2フオノニック結晶構造の構成と第 4フオノニック結晶構造の構成とが異な る場合、 通常、 第 4貫通孔 2 1の少なくとも一部は第 3貫通孔 1 7と連通し ていない。 ただし、 2以上のフオノニック結晶層を備える 型熱電変換部 3 において、 各フオノニック結晶層の構成は同一であって もよい。

[0025] 型熱電変換部 2が備えるフオノニック結晶層の構成と、 _n 型熱電変換部

3が備えるフオノニック結晶層の構成とは、 同一であってもよい。

[0026] 第 1貫通孔 1 5の長さに相当する第 1 フオノニック結晶層 1 6の厚さは、 第 1貫通孔 1 5の直径の 2倍以上であってもよい。 第 2貫通孔 1 7の長さに 相当する第 2フオノニック結晶層 1 8の厚さは、 第 2貫通孔 1 7の直径の 2 倍以上であってもよい。 第 3貫通孔 1 9の長さに相当する第 3フオノニック 結晶層 2 0の厚さは、 第 3貫通孔 1 9の直径の 2倍以上であってもよい。 第 4貫通孔 2 1の長さに相当する第 4フオノニック結晶層 2 2の厚さは、 第 4 貫通孔 2 1の直径の 2倍以上であってもよい。 これらの場合、 各フオノニッ ク結晶層 1 6 , 1 8 , 2 0 , 2 2の上面及び下面の間の距離の増大が可能で ある。 これにより、 各フオノニック結晶層の上面と下面との間の 温度差の増 大が可能となり、 熱電変換効率を向上できる。 なお、 本明細書においてフオ ノニック結晶層の 「上面」 及び 「下面」 とは、 それぞれ、 フオノニック結晶 層を貫通孔の貫通方向に見たときの一方の主 面及び当該一方の主面に対向す る他方の主面を意味する。 「主面」 とは、 最も広い面積を有する面を意味す る。 各フオノニック結晶層の厚さの上限は、 例えば、 当該結晶層が具備する 貫通孔の 〇 2020/174764 14 卩（：171? 2019 /043918

直径の 1 0 0倍以下であり、 8 0倍以下、 6 0倍以下、 5 0倍以下であって もよい。

[0027] 各フオノニック結晶層の体積に対する、 各フオノニック結晶層に含まれる 上記貫通孔の体積の合計の割合、 言い換えるとフオノニック結晶層の空隙率 、 は、 1 0 %以上であってもよい。 この場合、 上記貫通孔を除くフオノニッ ク結晶層の体積の低減が可能となり、 巳〇の効果を向上できる。 これによ り、 フオノニック結晶層の熱伝導率の更なる低減 が可能となり、 熱電変換効 率を向上できる。 フオノニック結晶層の空隙率の上限は、 例えば、 9 0 %以 下であり、 7 0 %以下、 5 0 %以下、 4 0 %以下であってもよい。

[0028] 第 1 フオノニック結晶構造の構成と第 3フオノニック結晶構造の構成とが 異なる場合として、 次の各ケースが例示される。 複数のケースが組み合わさ れていてもよい。 第 2フオノニック結晶構造の構成と第 4フオノニック結晶 構造の構成とが異なる場合も同様である。 なお、 この場合、 以下の説明にお いて、 「第 1貫通孔 1 5」 は 「第 2貫通孔 1 7」 に、 「第 3貫通孔 1 9」 は 「第 4貫通孔 2 1」 に、 それぞれ、 読み替えられる。

第 1貫通孔 1 5の配列の周期 と、 第 3貫通孔 1 9の配列の周期 とが 異なる。

第 1貫通孔 1 5の径〇と、 第 3貫通孔 1 9の径〇とが異なる。

第 1貫通孔 1 5により構成される単位格子 9 1の種類と、 第 3貫通孔 1 9により構成される単位格子 9 1の種類とが異なる。

[0029] 後述のフオノニック結晶構造八に示すように 、 第 1 フオノニック結晶構造 における第 1貫通孔 1 5の配列、 及び第 3フオノニック結晶構造における第 3貫通孔 1 9の配列は、 フオノニック結晶層の全体にわたって一定で あると は限らない。 これを考慮すると、 型熱電変換部 2は、 第 1 フオノニック結 晶構造の構成と第 3フオノニック結晶構造の構成とが異なる場� �として、 以 下の各形態を有しうる。 型熱電変換部 2は、 以下の各形態が任意に組み合 わされた形態を有していてもよい。 门型熱電変換部 3が有しうる第 2フオノ ニック結晶構造と第 4フオノニック結晶構造との関係も同様であ� �。 なお、 〇 2020/174764 1 5 卩（：171? 2019 /043918

この場合、 以下の説明において、 「第 1 フオノニック結晶構造」 は 「第 2フ オノニック結晶構造」 に、 「第 3フオノニック結晶構造」 は 「第 4フオノニ ック結晶構造」 に、 「第 1貫通孔 1 5」 は 「第 2貫通孔 1 7」 に、 「第 3貫 通孔 1 9」 は 「第 4貫通孔 2 1」 に、 それぞれ、 読み替えられる。

[0030] 形態八 ：第 1 フオノニック結晶構造が、 フオノニック結晶領域であるドメ イン八を含む。 第 3フオノニック結晶構造が、 フオノニック結晶領域である ドメイン巳を含む。 第 1貫通孔 1 5及び第 3貫通孔 1 9の貫通方向に見て、 ドメイン八とドメイン巳とは重複している。 ドメイン八における第 1貫通孔 1 5の配列の周期 と、 ドメイン巳における第 3貫通孔 1 9の配列の周期と が異なる。

[0031 ] 形態巳 ：第 1 フオノニック結晶構造が、 フオノニック結晶領域であるドメ イン八を含む。 第 3フオノニック結晶構造が、 フオノニック結晶領域である ドメイン巳を含む。 第 1貫通孔 1 5及び第 3貫通孔 1 9の貫通方向に見て、 ドメイン八とドメイン巳とは重複している。 ドメイン八における第 1貫通孔 1 5の径と、 ドメイン巳における第 3貫通孔 1 9の径とが異なる。

[0032] 形態〇 ：第 1 フオノニック結晶構造が、 フオノニック結晶領域であるドメ イン八を含む。 第 3フオノニック結晶構造が、 フオノニック結晶領域である ドメイン巳を含む。 第 1貫通孔 1 5及び第 3貫通孔 1 9の貫通方向に見て、 ドメイン八とドメイン巳とは重複している。 ドメイン八における第 1貫通孔 1 5により構成される単位格子の種類と、 ドメイン巳における第 3貫通孔 1 9により構成される単位格子の種類とが異な� �。

[0033] フオノニック結晶領域であるドメインは、 貫通孔 1 5 , 1 7 , 1 9 , 2 1 の配列の周期

を として、 平面視において、 例えば、 2 5 ² 以上の面積を有する領域であ る。 フオノ

ニック結晶構造によってフオノンの分散関係 を制御するには、 ドメインは、 少なくとも 2 5 ² 以上の面積を有していてもよい。 平面視において正方形の ドメインでは、 5 以 〇 2020/174764 16 卩（：171? 2019 /043918

上の辺とすることで、 25 ² 以上の面積が確保可能である。

[0034] 平面視による各ドメインの形状は限定されな い。 平面視による各ドメイン の形状は、 例えば、 三角形、 正方形及び長方形を含む多角形、 円、 楕円、 並 びにこれらの複合形状である。 平面視による各ドメインの形状は、 不定形で あってもよい。 また、 フオノニック結晶構造が有するドメインの数 は限定さ れない。 フオノニック結晶構造が有する各ドメインの サイズは限定されない 。 1つのドメインが、 フオノニック結晶層の全体に拡がっていても よい。

[0035] なお、 本明細書において、 「平面視」 とは、 フオノニック結晶構造を構成 する貫通孔の貫通方向に対象物を視ることを 意味する。 対象物が薄膜状であ る場合、 貫通孔の貫通方向は、 典型的には、 対象物の主面に略垂直な方向で ある。

[0036] 貫通孔 1 5, 1 7, 1 9, 2 1の配列の周期 は、 例えば、 1 n 以上 3

00 01以下である。 これは、 熱を運ぶフオノンの波長が、 主として 1 门 01 から 3001^ の範囲に及ぶためである。 周期 は、 平面視において隣接す る貫通孔 1 5, 1 7, 1 9, 2 1間の中心間距離により定められる。

[0037] 貫通孔 1 5, 1 7, 1 9, 2 1の径〇は、 周期 に対する比

表して、 例えば、 5である。 比 0/ ＜0. 5である場合、 フ オノニック結晶構造における空隙率が過度に 低下して、 熱流が十分に制御さ れない、 例えば熱伝導率が十分に低下しない、 ことがある。 比口/ の上限 は、 隣接する貫通孔 1 5, 1 7, 1 9, 2 1同士が接しないために、 例えば 、 〇. 9未満である。 径口は、 貫通孔 1 5, 1 7, 1 9, 2 1の開口の径で ある。 貫通孔 1 5, 1 7, 1 9, 2 1の開口の形状が平面視において円であ る場合、 径口は当該円の直径である。 貫通孔 1 5, 1 7, 1 9, 2 1の開口 の形状は平面視において円でなくてもよい。 この場合、 径口は、 開口の面積 と同じ面積を有する仮想の円の直径により定 められる。

[0038] 規則的に配列した複数の貫通孔 1 5, 1 7, 1 9, 2 1 により構成される 単位格子 9 1の種類は、 例えば、 正方格子 （図 6八） 、 六方格子 （図 6巳）

、 長方格子 （図 6〇 及び面心長方格子 （図 60） である。 ただし、 単位格 〇 2020/174764 17 卩（：171? 2019 /043918

子 9 1の種類は、 これらの例に限定されない。

[0039] 型熱電変換部 2、 _n 型熱電変換部 3、 並びに 型熱電変換部 2及び _n 型 熱電変換部 3が備えうるフオノニック結晶層を構成する� �料 IV!は、 典型的に は、 型又は n型の適切な半導体型 （導電型） となるように不純物元素がド —プされた半導体材料である。 半導体材料は、 例えば、 シリコン （3 丨） 、

、 である。 材料 IV!は、 半導体材料以外の材料であってもよく、 当該材 料は、 例えば、 丁 丨 1\1、 3 丨 1\1、 〇 ₂ である。 ただし、 材料 IV!は、 上記例に 限

定されない。

[0040] なお、 3 丨系半導体材料は、 一般に、 半導体材料としては比較的高い熱伝 導率を有している。 このため、 3 丨系半導体材料から構成される熱電変換部 を備える従来の熱電変換素子では、 高い熱電変換効率の達成が困難であった 。 一方、 本開示の熱電変換素子では、 熱電変換部はフオノニック結晶層を備 えている。 このため、 本開示の熱電変換素子では、 熱電変換部が 3 丨系半導 体材料により構成される場合においても、 高い熱電変換効率の達成が可能と なる。

[0041 ] また、 3 丨系半導体材料により熱電変換部が構成可能 であることは、 例え ば、 以下のメリッ トをもたらす。

- 3 I系半導体材料により構成されるべース基板� � 例えば 3 丨 ウェハ、 上 への熱電変換素子及び当該素子を備える熱電 変換装置の形成が可能となる。

- 3 I系半導体材料により構成されるべース基板� �内部への熱電変換素子 及び/又は熱電変換装置の埋設が可能となる� � これにより、 例えば、 熱電変 換素子及び/又は熱電変換装置を埋設したベ� �ス基板上への 0 ? II等の電子 デバイスの形成が可能となる。 これは、 例えば、 冷却用のペルティエ素子及 び/又はペルティエ式冷却装置が埋設された� �子デバイスの製造が可能とな ることを意味する。

[0042] 第 1 フオノニック結晶構造及び第 2フオノニック結晶構造は、 以下の形態 〇 2020/174764 18 卩（：171? 2019 /043918

を有していてもよい。 第 1 フオノニック結晶構造は、 フオノニック結晶領域 である第 1 ドメイン及び第 2 ドメインを含む。 第 1 ドメインは、 第 1貫通孔 1 5の貫通方向に垂直な断面を見たときに、 第 1方向に規則的に配列した複 数の第 1貫通孔 1 5を具備する。 第 2 ドメインは、 第 1貫通孔 1 5の貫通方 向に垂直な断面を見たときに、 第 1方向とは異なる第 2方向に規則的に配列 した複数の第 1貫通孔 1 5を具備する。 第 2フオノニック結晶構造は、 フオ ノニック結晶領域である第 3 ドメイン及び第 4 ドメインを含む。 第 3 ドメイ ンは、 第 2貫通孔 1 7の貫通方向に垂直な断面を見たときに、 第 3方向に規 則的に配列した複数の第 2貫通孔 1 7を具備する。 第 4 ドメインは、 第 2貫 通孔 1 7の貫通方向に垂直な断面を見たときに、 第 3方向とは異なる第 4方 向に規則的に配列した複数の第 2貫通孔 1 7を具備する。

[0043] 第 1 フオノニック結晶構造、 第 2フオノニック結晶構造、 第 3フオノニッ ク結晶構造及び第 4フオノニック結晶構造は、 以下の形態を有していてもよ い。 第 1 フオノニック結晶構造は、 フオノニック結晶領域である第 1 ドメイ ン及び第 2 ドメインを含む。 第 1 ドメインは、 第 1貫通孔 1 5の貫通方向に 垂直な断面を見たときに、 第 1方向に規則的に配列した複数の第 1貫通孔 1 5を具備する。 第 2 ドメインは、 第 1貫通孔 1 5の貫通方向に垂直な断面を 見たときに、 第 1方向とは異なる第 2方向に規則的に配列した複数の第 1貫 通孔 1 5を具備する。 第 2フオノニック結晶構造は、 フオノニック結晶領域 である第 3 ドメイン及び第 4 ドメインを含む。 第 3 ドメインは、 第 2貫通孔 1 7の貫通方向に垂直な断面を見たときに、 第 3方向に規則的に配列した複 数の第 2貫通孔 1 7を具備する。 第 4 ドメインは、 第 2貫通孔 1 7の貫通方 向に垂直な断面を見たときに、 第 3方向とは異なる第 4方向に規則的に配列 した複数の第 2貫通孔 1 7を具備する。 第 3フオノニック結晶構造は、 フオ ノニック結晶領域である第 5 ドメイン及び第 6 ドメインを含む。 第 5 ドメイ ンは、 第 3貫通孔 1 9の貫通方向に垂直な断面を見たときに、 第 5方向に規 則的に配列した複数の第 3貫通孔 1 9を具備する。 第 6 ドメインは、 第 3貫 通孔 1 9の貫通方向に垂直な断面を見たときに、 第 5方向とは異なる第 6方 向に規則的に配列した複数の第 3貫通孔 1 9を具備する。 第 4フオノニック 結晶構造は、 フオノニック結晶領域である第 7 ドメイン及び第 8 ドメインを 含む。 第 7 ドメインは、 第 4貫通孔 2 1の貫通方向に垂直な断面を見たとき に、 第 7方向に規則的に配列した複数の第 4貫通孔 2 1 を具備する。 第 8 ド メインは、 第 4貫通孔 2 1の貫通方向に垂直な断面を見たときに、 第 7方向 とは異なる第 8方向に規則的に配列した複数の第 4貫通孔 2 1 を具備する。

[0044] これらのように、 配列の方向により区分される複数種のドメイ ンを含むフ オノニック結晶構造を、 以下、 フオノニック結晶構造 Aと記載する。 配列の 方向は、 単位格子の方位により定めることができる。

[0045] 本発明者らの検討によれば、 フオノニック結晶構造によってもたらされる 熱伝導率の低減の程度は、 熱の伝達方向と、 フオノニック結晶構造の単位格 子の方位 (or i entat i on)

とが成す角度に依存する。 これは、 P B Gの帯域広さ、 P B Gの数及びフオ ノンの平均群

速度といった熱伝導に関わる要素が、 当該角度に依存するためと考えられる 。 また、 熱の伝達に関して、 マクロ的には高温から低温の方向にフオノン は 流れる。 一方、 ナノメートルの才ーダーにあるミクロ領域に 着目すると、 フ オノンの流れる方向には指向性がみられない 。 即ち、 ミクロ的にはフオノン の流れる方向は一様ではない。

[0046] 上述の各特許文献及び非特許文献には、 単位格子の方位が一様に揃った複 数のフオノニック結晶領域を有する部材が開 示されている。 しかし、 これら の部材では、 ミクロで見て、 ある特定の方向に流れるフオノンに対しては 相 互作用が最大となるものの、 それ以外の方向に流れるフオノンに対しては 相 互作用が弱まる。 一方、 フオノニック結晶構造 Aは、 単位格子の方位が互い に異なる 2以上のフオノニック結晶領域を有する。 このため、 ミクロで見て 、 複数の方向に流れる各フオノンに対する相互 作用を高めることができる。 この特徴は、 熱流の制御の自由度のさらなる向上をもたら す。

[0047] 以下の説明は、 第 1 フオノニック結晶層 1 6、 第 2フオノニック結晶層 1 〇 2020/174764 20 卩（：171? 2019 /043918

8、 第 3フオノニック結晶層 2 0及び第 4フオノニック結晶層 2 2から選ば れる少なくとも 1つのフオノニック結晶層が有しうるフオノ� �ック結晶構造 八に関する。 複数のフオノニック結晶層がフオノニック結 晶構造八を有する 場合、 各フオノニック結晶層が有するフオノニック 結晶構造八の具体的な構 成は同一であっても異なっていてもよい。

[0048] フオノニック結晶構造八の一例が図 7に示される。 図 7には、 フオノニッ ク結晶層 5 6の一部を平面視した状態が示されている。 フオノニック結晶層 5 6は、 第 1 フオノニック結晶層 1 6、 第 2フオノニック結晶層 1 8、 第 3 フオノニック結晶層 2 0及び第 4フオノニック結晶層 2 2から選ばれる少な くとも 1つのフオノニック結晶層でありうる。 フオノニック結晶層 5 6は、 例えば、 1 0门 5 0 0 n 以下の厚さを有する薄膜である。 フオノニ ック結晶層 5 6は、 平面視において、 長方形である。 フオノニック結晶層 5 6には、 フオノニック結晶層 5 6の厚さ方向に延びる複数の貫通孔 5〇が設 けられている。 フオノニック結晶層 5 6が有するフオノニック結晶構造八は 、 複数の貫通孔 5 0が面内方向に規則的に配列した二次元フオ� �ニック結晶 構造である。 なお、 フオノニック結晶構造八に関する以下の説明 において、 フオノニック結晶構造八を有する結晶層が第 2フオノニック結晶層 1 8であ る場合は、 「第 1 ドメイン」 は 「第 3 ドメイン」 に、 「第 2 ドメイン」 は 「 第 4 ドメイン」 に、 それぞれ、 読み替えられる。 フオノニック結晶構造八を 有する結晶層が第 3フオノニック結晶層 2 0である場合は、 「第 1 ドメイン 」 は 「第 5 ドメイン」 に、 「第 2 ドメイン」 は 「第 6 ドメイン」 に、 それぞ れ、 読み替えられる。 フオノニック結晶構造八を有する結晶層が第 4フオノ ニック結晶層 2 2である場合は、 「第 1 ドメイン」 は 「第 7 ドメイン」 に、 「第 2 ドメイン」 は 「第 8 ドメイン」 に、 それぞれ、 読み替えられる。

[0049] フオノニック結晶構造八は、 フオノニック結晶領域である第 1 ドメイン 5

1 八及び第 2 ドメイン 5 1 巳を有する。 第 1 ドメイン 5 1 八は、 平面視にお いて、 第 1方向に規則的に配列した複数の貫通孔 5 0を具備するフオノニッ ク単結晶構造を有する。 第 2 ドメイン 5 1 巳は、 平面視において、 第 1方向 〇 2020/174764 21 卩（：171? 2019 /043918

とは異なる第 2方向に規則的に配列した複数の貫通孔 5 0を具備するフオノ ニック単結晶構造を有する。 各々の単結晶構造内において、 複数の貫通孔 5 〇の径及び配列周期は同一である。 また、 各々の単結晶構造内において、 規 則的に配列した複数の貫通孔 5 0の単位格子 9 1 八， 9 1 巳の方位は同一で ある。 第 1 ドメイン 5 1 八及び第 2 ドメイン 5 1 巳の形状は、 平面視におい て、 長方形である。 第 1 ドメイン 5 1 八の形状と、 第 2 ドメイン 5 1 巳の形 状とは、 平面視において、 同一である。 フオノニック結晶構造八は、 複数の フオノニック単結晶構造の複合体であるフオ ノニック多結晶構造 5 2でもあ る。

[0050] 図 8八及び図 8巳に示すように、 フオノニック結晶構造八では、 第 1 ドメ イン 5 1 八に

おける単位格子 9 1 八の方位 5 3八と、 第 2 ドメイン 5 1 巳における単位格 子 9 1 巳の方位 5 3巳とが、 平面視において、 互いに異なっている。 方位 5 3八と方位 5 3巳とが成す角度は、 平面視において、 例えば 1 0度以上であ る。 ただし、 単位格子 9 1 八及び単位格子 9 1 巳が同一であって、 n回回転 対称性を有する場合、 方位 5 3 と方位 5 3巳とが成す角度の上限は 3 6 0 度未満である。 なお、 単位格子が複数の _n に対して _n 回回転対称性を有 するとき、 上記角度の上限を定める门には最大の nが使用される。 例えば、 六方格子は、 2回回転対称性、 3回回転対称性及び 6回回転対称性を有する 。 このとき、 角度の上限を定める には 「6」 が使用される。 即ち、 六方格 子である単位格子 9 1 八， 9 1 巳について、 方位 5 3八と方位 5 3巳とが成 す角度は 6 0度未満である。 フオノニック結晶構造八は、 単位格子の方位が 互いに異なる 2以上のフオノニック結晶領域を少なくとも� �している。 この 条件が満たされる限り、 フオノニック結晶構造八は、 任意のフオノニック結 晶領域及び/又はフオノニック結晶構造を有� �ない領域をさらに含んでいて もよい。

[0051 ] 単位格子の方位は、 任意の規則に基づいて決定できる。 ただし、 異なるド メイン間において、 同じ規則を適用して単位格子の方位を定める 必要がある 〇 2020/174764 22 卩（：171? 2019 /043918

。 単位格子の方位は、 例えば、 単位格子を構成する平行でない二辺の成す角 を二等分する直線の伸長方向である。 ただし、 異なるドメイン間において、 同じ規則で二辺を定める必要がある。

[0052] 図 7のフオノニック結晶構造八の領域 1の拡大図が、 図 9に示される。

隣接する第 1 ドメイン 5 1 八と第 2 ドメイン 5 1 巳との界面 5 5において、 単位格子 9 1 八， 9 1 巳の方位 5 3八， 5 3巳が変化している。 単位格子の 方位が変化する界面 5 5は、 フオノニック結晶構造 をマクロに流れる熱に 対する大きな界面抵抗をもたらす。 この界面抵抗は、 第 1 ドメイン 5 1 八と 第 2 ドメイン 5 1 巳との間で生じる、 フオノン群速度のミスマッチに基づく 。 この界面抵抗は、 フオノニック結晶構造八を有するフオノニッ ク結晶層 5 6における熱伝導率の低減に寄与する。 なお、 図 9の界面 5 5は、 平面視に おいて、 直線状に延びている。 また、 界面 5 5は、 平面視において、 長方形 のフオノニック結晶層 5 6の幅方向に延びている。 幅方向は、 マクロな熱の 伝達方向により定められたフオノニック結晶 層 5 6の中心線の伸張方向に垂 直な方向でありうる。 界面 5 5は、 平面視において、 マクロな熱の伝達方向 に略垂直にフオノニック結晶構造八を分割し ている。

[0053] 図 7のフオノニック結晶構造八において、 第 1 ドメイン 5 1 八における複 数の貫通孔 5 0の配列の周期 と、 第 2 ドメイン 5 1 巳における複数の貫通 孔 5 0の配列の周期 とは等しい。

[0054] 図 7のフオノニック結晶構造八において、 第 1 ドメイン 5 1 八において規 則的に配列した複数の貫通孔 5 0の径と、 第 2 ドメイン 5 1 巳において規則 的に配列した複数の貫通孔 5 0の径とが等しい。

[0055] 図 7のフオノニック結晶構造八において、 第 1 ドメイン 5 1 八における単 位格子 9 1 八の種類と、 第 2 ドメイン 5 1 巳における単位格子 9 1 巳の種類 とは、 同一である。 図 7の単位格子 9 1 八及び単位格子 9 1 巳は、 いずれも 六方格子である。

[0056] フオノニック結晶構造八が有するドメインの 数は限定されない。 フオノニ ック結晶構造八が有するドメインの数が多く なるほど、 ドメイン間の界面に 〇 2020/174764 23 卩（：171? 2019 /043918

よる界面抵抗の作用が大きくなる。

[0057] 以下、 フオノニック結晶構造八の更なる例が示され る。

[0058] 図 1 0及び図 1 1のフオノニック結晶構造八である多結晶構� � 5 2では、 隣接する第 1 ドメイン 5 1 八及び第 2 ドメイン 5 1 巳の界面 5 5が、 平面視 において、 長方形のフオノ

ニック結晶層 5 6の長辺の方向に延びている。 この点以外、 図 1 0及び図 1 1のフオノニック結晶構造八は、 図 7のフオノニック結晶構造八と同様の構 成を有する。 図 1 1は、 図 1 0の領域 2の拡大図である。

[0059] 図 7及び図 1 〇のフオノニック結晶構造八では、 平面視において、 第 1 ド メイン 5 1 八のサイズ及び第 2 ドメイン 5 1 巳のサイズが同一である。 ただ し、 平面視において、 フオノニック構造八が有する第 1 ドメイン 5 1 八及び 第 2 ドメイン 5 1 巳のサイズは互いに異なっていてもよい。

[0060] 図 1 2及び図 1 3のフオノニック結晶構造八である多結晶構� � 5 2では、 平面視において、 第 1 ドメイン 5 1 巳が第 2 ドメイン 5 1 八により囲まれて いる。 第 1 ドメイン 5 1 八の外形は、 平面視において、 長方形である。 第 2 ドメイン 5 1 巳の形状は、 平面視において、 長方形である。 第 1 ドメイン 5 1 八のサイズと第 2 ドメイン 5 1 巳のサイズとは、 平面視において、 異なっ ている。 第 2 ドメイン 5 1 巳と、 第 2 ドメイン 5 1 巳を囲む第 1 ドメイン 5 1 八との界面 5 5は、 平面視において、 第 2 ドメイン 5 1 巳の外縁を構成し ている。 これらの点以外、 図 1 2及び図 1 3のフオノニック結晶構造八は、 図 7のフオノニック結晶構造八と同様の構成を� �する。 図 1 3は、 図 1 2の 領域 3の拡大図である。

[0061 ] また、 図 1 2及び図 1 3のフオノニック結晶構造八では、 界面 5 5が屈曲 部を有している。

[0062] さらに、 図 1 2及び図 1 3のフオノニック結晶構造八は、 フオノニック結 晶層 5 6の辺に接していない第 2 ドメイン 5 1 巳を有する。

[0063] 図 1 4のフオノニック結晶構造八である多結晶構� � 5 2では、 平面視にお いて、 第 1 ドメイン 5 1 八と第 2 ドメイン 5 1 巳とが離間して配置されてい 〇 2020/174764 24 卩（：171? 2019 /043918

る。 より具体的には、 平面視において、 貫通孔 5 0を有さない領域 2 0 1が 、 フオノニック結晶層 5 6の長辺方向における第 1 ドメイン 5 1 八と第 2 ド メイン 5 1 巳との間に設けられている。 この点以外、 図 1 4のフオノニック 結晶構造 は、 図 7のフオノニック結晶構造 と同様の構成を有する。

[0064] 図 1 5のフオノニック結晶構造八である多結晶構� � 5 2では、 平面視にお いて、 第 1 ドメイン 5 1 八と第 2 ドメイン 5 1 巳とが離間して配置されてい る。 より具体的には、 平面視において、 ランダムに設けられた貫通孔 5 0を 有する領域 2 0 2が、 フオノニック結晶層 5 6の長辺方向における第 1 ドメ イン 5 1 八と第 2 ドメイン 5 1 巳との間に設けられている。 領域 2 0 2では 、 平面視において、 貫通孔 5 0は規則的に配列していない。 又は、 領域 2 0 2では、 平面視において、 規則的に配列した領域の面積が、 例えば、 2 5 ² 未

満である。 ここで、 は、 貫通孔 5 0の配列の周期である。 この点以外、 図 1 5のフオノニック結晶構造八は、 図 7のフオノニック結晶構造八と同様の 構成を有する。

[0065] 図 1 6のフオノニック結晶構造八である多結晶構� � 5 2は、 平面視におい て、 互いに異なった形状を有する複数のドメイン 5 1 八， 5 1 巳， 5 1 〇，

5 1 0 , 5 1 巳， 5 1 及び 5 1 ◦を含んでいる。 各々のドメイン内におい て、 複数の貫通孔 5 0の配列の周期及び単位格子の方位は同一で� �る。 しか し、 ドメイン間では、 単位格子の方位が互いに異なっている。 また、 平面視 において、 各ドメインのサイズ及び形状は互いに異なっ ている。 この形態で は、 これまで例示した形態に比べて、 フオノニック結晶構造 の全体で見た ときに、 より多くの単位格子の方位が存在する。 このため、 単位格子の方位 が異なることに基づく熱伝導率の低減効果が より顕著となる。 また、 この形 態では、 ドメイン間の界面 5 5が、 平面視において、 複数のランダムな方向 に延びている。 このため、 界面抵抗に基づく熱伝導率の低減効果がより 顕著 となる。

[0066] また、 図 1 6のフオノニック結晶構造八では、 隣接する第 1 ドメイン 5 1 〇 2020/174764 25 卩（：171? 2019 /043918

八と第 2 ドメイン 5 1 巳との界面 5 5が、 平面視において、 フオノニック結 晶層 5 6の幅方向から傾いた方向に延びている。 界面 5 5は、 平面視におい て、 屈曲部も有している。

[0067] フオノニック結晶構造八である多結晶構造 5 2は、 貫通孔 5 0の配列の周 期 及び/又は貫通孔 5 0の径〇が互いに異なる第 1 ドメイン 5 1 八及び第 2 ドメイン 5 1 巳を含んでいてもよい。 図 1 7八に示される第 1 ドメイン 5 1 八における貫通孔 5 0の径〇と、 図 1 7巳に示される第 2 ドメイン 5 1 巳 における貫通孔 5 0の径〇とは互いに異なっている。 なお、 図 1 7八に示さ れる第 1 ドメイン 5 1 八における貫通孔 5 0の配列の周期 と、 図 1 7巳に 示される第 2 ドメイン 5 1 巳における貫通孔 5 0の配列の周期 とは同一で ある。

[0068] 図 1 8に示されるフオノニック結晶構造八は、 相対的に小さな周期 及び 径口を有する複数の貫通孔 5 0が規則的に配列した第 1 ドメイン 5 1 八と、 相対的に大きな周期 及び径口を有する複数の貫通孔 5 0が規則的に配列し た第 2 ドメイン 5 1 巳とを有する。 また、 図 1 8のフオノニック結晶構造八 は、 相対的に小さな周期 及び径口を有する複数の貫通孔 5 0を具備する領 域 9 2と、 相対的に大きな周期 及び径口を有する複数の貫通孔 5 0を具備 する領域 9 3とを有する。 領域 9 2と領域 9 3とは隣接している。 領域 9 2 及び領域 9 3は、 それぞれ、 図 1 6に示される例と同様に、 平面視において 、 互いに異なった形状を有し、 かつ、 単位格子の方位が各々互いに異なる複 数のドメインを含んでいる。 また、 領域 9 2及び領域 9 3は、 マクロな熱の 伝達方向に略平行にフオノニック結晶構造 を分割している。 この形態では 、 第 1 ドメイン 5 1 八で形成される 巳◦の周波数帯域と第 2 ドメイン 5 1 巳で形成される 巳◦の周波数帯域とが異なるため、 熱伝導率の低減の効果 が特に顕著となる。

[0069] 図 1 9に示されるフオノニック結晶構造八では、 相対的に小さな周期 及 び径口を有する複数の貫通孔 5 0が規則的に配列した第 1 ドメイン 5 1 八と 、 相対的に大きな周期 及び径口を有する複数の貫通孔 5 0が規則的に配列 〇 2020/174764 26 卩（：171? 2019 /043918

した第 2 ドメイン 5 1 巳とを含む。 図 1 9のフオノニック結晶構造八は、 平 面視において、 互いに異なった形状を有し、 かつ、 単位格子の方位が各々互 いに異なる複数のドメインを含んでいる。 この形態では、 第 1 ドメイン 5 1 八で形成される 巳◦の周波数帯域と第 2 ドメイン 5 1 巳で形成される 巳 ◦の周波数帯域とが異なるため、 熱伝導率の低減の効果が特に顕著となる。

[0070] フオノニック結晶層 5 6の形状は、 平面視において、 例えば、 三角形、 正 方形及び長方形を含む多角形、 円、 楕円、 並びにこれらの複合形状である。 ただし、 フオノニック結晶層 5 6の形状は、 上記例に限定されない。

[0071 ] 型熱電変換部 2及び _n 型熱電変換部 3の形状は、 平面視において、 例え ば、 三角形、 正方形及び長方形を含む多角形、 円、 楕円、 並びにこれらの複 合形状である。 ただし、 型熱電変換部 2及び _n 型熱電変換部 3の形状は、 上記例に限定されない。 型熱電変換部 2及び/又は _n 型熱電変換部 3は、 直方体又は立方体の形状を有していてもよい 。

[0072] 型熱電変換部 2は、 2以上の第 1 フオノニック結晶層 1 6及び/又は 2 以上の第 3フオノニック結晶層 2 0を備えていてもよい。 また、 型熱電変 換部 2は、 第 1 フオノニック結晶構造及び第 3フオノニック結晶構造とは具 体的な構成の異なるフオノニック結晶構造を 有するさらなるフオノニック結 晶層を備えていてもよい。

[0073] n型熱電変換部 3は、 2以上の第 2フオノニック結晶層 1 8及び/又は 2 以上の第 4フオノニック結晶層 2 2を備えていてもよい。 また、 型熱電変 換部 3は、 第 2フオノニッ

ク結晶構造及び第 4フオノニック結晶構造とは具体的な構成の� �なるフオノ ニック結晶構造を有するさらなるフオノニッ ク結晶層を備えていてもよい。

[0074] 第 1電極 4、 第 2電極 5及び第 3電極 6は、 導電性材料により構成される 。 導電性材料は、 典型的には、 金属である。 金属は、 例えば、 クロム （〇 「 ） 、 アルミニウム （八 I） 、 金 である。

[0075] 熱電変換素子 1は、 上述した以外の任意の層及び/又は部材を備� �ていて もよい。 部材の一例は、 ベース基板である。 熱電変換素子 1は、 型熱電変 〇 2020/174764 27 卩（：171? 2019 /043918

換部 2、 n型熱電変換部 3、 第 1電極 4、 第 2電極 5及び第 3電極 6から選 ばれる少なくとも 1つの部材が、 ベース基板の上、 又は内部に設けられた形 態を有しうる。

[0076] ベース基板は、 典型的には、 半導体材料から構成される。 半導体材料は、 例えば、 3 丨である。 3 丨から構成されるべース基板の上面には、 酸化膜が 形成されていてもよい。 酸化膜は、 例えば、 3 丨 〇 ₂ 膜である。 ベース基板は 、 3 丨 ウェハであってもよい。 ただし

、 ベース基板の構成は、 上記例に限定されない。

[0077] フオノニック結晶層 5 6の上記とは別の一例が、 図 2 0八及び図 2 0巳に 示される。 図 2 0巳には、 図 2 0八のフオノニック結晶層 5 6の断面 2 0巳 - 2 0巳が示される。 図 2 0八及び図 2 0巳に示されるフオノニック結晶層 5 6は、 複数のピラー 3 1 を更に備える。 ピラー 3 1は、 直線状に延びる柱 状体である。 ピラー 3 1の各々は、 フオノニック結晶層 5 6の貫通孔 5 0に 充填されている。 ピラー 3 1の周面は、 酸化膜 3 2により被覆されている。 この形態では、 空孔である貫通孔 5 0がピラー 3 1 により充填されている。 このため、 例えば、 フオノニック結晶層 5 6における貫通孔 5 0の貫通方向 に対する特性の制御の自由度が向上可能とな る。 より具体的には、 例えば、

2以上のフオノニック結晶層 5 6の積層構造体である熱電変換部において、 フオノニック結晶構造に基づく低い熱伝導率 が保持されたまま、 一方の端部 1 1 , 1 3と他方の端部 1 2 , 1 4との間の電子伝導性の向上が可能となる

[0078] ピラー 3 1が充填されたフオノニック結晶層 5 6と、 ピラー 3 1 とが同一 の材料により構成される場合、 ピラー 3 1の周面は酸化膜 3 2により被覆さ れている。 ピラー 3 1が充填されたフオノニック結晶層 5 6と、 ピラー 3 1 とが異なる材料により構成される場合、 酸化膜 3 2は必ずしも必要ではない

[0079] ピラー 3 1 をさらに備えるフオノニック結晶層 5 6は、 例えば、 第 1 フオ ノニック結晶層 1 6及び/又は第 2フオノニック結晶層 1 8である。 ピラー 〇 2020/174764 28 卩（：171? 2019 /043918

3 1は、 第 1貫通孔 1 5及び第 2貫通孔 1 7の双方に充填されていてもよい 。 ピラー 3 1 をさらに備えるフオノニック結晶層 5 6は、 第 1 フオノニック 結晶層 1 6、 第 2フオノニック結晶層 1 8、 第 3フオノニック結晶層 2 0及 び第 4フオノニック結晶層 2 2から選ばれる少なくとも 1つのフオノニック 結晶層であってもよい。 ピラー 3 1は、 第 1貫通孔 1 5、 第 2貫通孔 1 7、 第 3貫通孔 1 9及び第 4貫通孔 2 1 に充填されていてもよい。

[0080] ピラー 3 1は、 典型的には、 半導体材料により構成される。 ピラー 3 1 を 構成する材料は、 例えば、 3 I , 3 1 0 6 , 3 I 0 , 丁 1 1\1、 3 1 1\1、 〇 ₂ である。 ただし、 ピラー

3 1 を構成する材料は、 上記例に限定されない。

[0081 ] 酸化膜 3 2は、 例えば、 3 丨 〇 ₂ 膜である。 ただし、 酸化膜 3 2は、 上記例 に限定され

ない。

[0082] ピラー 3 1が充填された第 1 フオノニック結晶層 1 6 （又は第 2フオノニ ック結晶層 1

8） 及びピラー 3 1が充填された第 3フオノニック結晶層 2 0 （又は第 4フ オノニック結晶層 2 2） を備える 型熱電変換部 2 （又は n型熱電変換部 3 ） の一例が図 2 1 に示される。 図 2 1の 型熱電変換部 2 （又は n型熱電変 換部 3） は、 図 2 0八及び図 2 0巳に示されるフオノニック結晶層 5 6を、 第 1 フオノニック結晶層 1 6 （又は第 2フオノニック結晶層 1 8） 及び第 3 フオノニック結晶層 2 0 （又は第 4フオノニック結晶層 2 2） として備える 。 図 2 1の 型熱電変換部 2 （又は n型熱電変換部 3） は、 2層のフオノニ ック結晶層 5 6を備える 2層構造体である。 第 1 フオノニック結晶層 1 6 （ 又は第 2フオノニック結晶層 1 8） と第 3フオノニック結晶層 2 0 （又は第 4フオノニック結晶層 2 2） との間には、 バッファ層 2 3が配置されている 。 第 1 フオノニック結晶層 1 6 （又は第 2フオノニック結晶層 1 8） におけ るピラー 3 1 （酸化膜 3 2を除く） を構成する材料と、 バッファ層 2 3を構 成する材料とは同一である。 また、 バッファ層 2 3を構成する材料と、 第 3 〇 2020/174764 29 卩（：171? 2019 /043918

フオノニック結晶層 2 0 （又は第 4フオノニック結晶層 2 2） を構成する材 料 （ピラー 3 1及び酸化膜 3 2を除く） とは同一である。

[0083] フオノニック結晶層 5 6の上記とは別の一例が、 図 2 2八及び図 2 2巳に 示される。 図 2 2巳には、 図 2 2八のフオノニック結晶層 5 6の断面 2 2巳 - 2 2巳が示される。 図 2 2八及び図 2 2巳に示されるフオノニック結晶層 5 6は、 複数のピラー 3 1 を更に備える。 ピラー 3 1の各々は、 フオノニッ ク結晶層 5 6の貫通孔 5 0に充填されている。 ピラー 3 1 を構成する材料は 、 フオノニック結晶層 5 6を構成する材料とは異なっている。

[0084] ピラー 3 1が充填された第 1 フオノニック結晶層 1 6 （又は第 2フオノニ ック結晶層 1 8） 及びピラー 3 1が充填された第 3フオノニック結晶層 2 0 （又は第 4フオノニック結晶層 2 2） を備える 型熱電変換部 2 （又は _n 型 熱電変換部 3） の一例が図 2 3に示される。 図 2 3の 型熱電変換部 2 （又 は门型熱電変換部 3） は、 第 1 フオノニック結晶層 1 6 （又は第 2フオノニ ック結晶層 1 8） 、 第 3フオノニック結晶層 2 0 （又は第 4フオノニック結 晶層 2 2） 及び第 1 フオノニック結晶層 1 6 （又は第 2フオノニック結晶層 1 8） がこの順に配置された、 3つのフオノニック結晶層 5 6を有する 3層 構造体である。 最下層である第 1 フオノニック結晶層 1 6 （又は第 2フオノ ニック結晶層 1 8） と第 3フオノニック結晶層 2 0 （又は第 4フオノニック 結晶層 2 2） との間には、 第 1バッファ層 2 3八が配置されている。 第 3フ オノニック結晶層 2 0 （又は第 4フオノニック結晶層 2 2） と最上層である 第 1 フオノニック結晶層 1 6 （又は第 2フオノニック結晶層 1 8） との間に は、 第 2バッファ層 2 3巳が配置されている。 第 1 フオノニック結晶層 1 6 （又は第 2フオノニック結晶層 1 8） におけるピラー 3 1 を構成する材料と 、 第 2バッファ層 2 3巳を構成する材料とは同一である。 第 3フオノニック 結晶層 2 0 （又は第 4フオノニック結晶層 2 2） におけるピラー 3 1 を構成 する材料と、 第 1バッファ層 2 3八を構成する材料とは同一である。 第 1 フ オノニック結晶層 1 6 （又は第 2フオノニック結晶層 1 8） を構成する材料 （ピラー 3 1 を除く） と、 第 1バッファ層 2 3八を構成する材料とは同一で 〇 2020/174764 30 卩（：171? 2019 /043918

ある。 第 3フォノニック結晶層 2 0 （又は第 4フォノニック結晶層 2 2） を 構成する材料 （ピラー 3 1 を除く） と、 第 2バッファ層 2 3巳を構成する材 料とは同一である。 図 2 3の 型熱電変換部 2 （又は n型熱電変換部 3） は 、 2種類の材料により構成される。 当該 2種類の材料は、 いずれも、 半導体 材料でありうる。

[0085] 本開示の熱電変換素子は、 化学気相成長 （＜3 0） 、 スパッタリング及び 蒸着等の各種の薄膜形成手法；並びに、 電子線リソグラフイー、 フォトリソ グラフイー、 ブロック共重合体リソグラフイー、 選択的エッチング及びケモ メカニカルポリッシング （〇1\/1 ） 等の各種の微細加工手法及びパターン形 成手法；の組み合わせによる製造が可能であ る。 ブロック共重合体リソグラ フイーは、 フォノニック結晶構造の形成に適している。

[0086] 本開示の熱電変換素子を製造する方法の一例 が、 図 2 4八〜図 2 4 0の参 照により、 以下に説明される。 本開示の熱電変換素子を製造する方法は、 以 下の例に限定されない。

[0087] 図 2 4八 ：ベース基板 4 1が準備される。 ベース基板 4 1 の上面には、 酸 化膜 4 2が設けられている。 酸化膜 4 2は、 例えば、 3 丨 〇 ₂ 膜である。

[0088] 図 2 4巳 ：酸化膜 4 2の上に、 金属層 4 3が形成される。 金属層 4 3は、 後に、 第 1電極 4となる。 金属層 4 3は、 例えば、 〇 「層である。 金属層 4 3は、 例えば、 スパッタリングにより形成される。 金属層 4 3の厚さは、 例 である。

[0089] 図 2 4〇 ：金属層 4 3の上に、 半導体層 4 4が形成される。 半導体層 4 4 は、 例えば、 多結晶 3 丨層である。 半導体層 4 4は、 例えば、 〇 〇により 形成される。 半導体層 4 4の厚さは、 例えば 2 0 0 n である。

[0090] 図 2 4 0 :半導体層 4 4の上に、 ハードマスク 4 5が形成される。 ハード マスク 4 5は、 例えば、 3 丨 〇 ₂ 層である。 ハードマスク 4 5は、 例えば、 〇 ▽ 0により形成される。

ハードマスク 4 5の厚さは、 例えば、 3 0 n mである。 ハードマスク 4 5は 、 半導体層 4 4に対するフォノニック結晶構造の形成に使� �される。 〇 2020/174764 31 卩（：171? 2019 /043918

[0091 ] 図 2 4巳 ：ハードマスク 4 5の上に、 ブロック共重合体の自己組織化膜 4

6が形成される。 自己組織化膜 4 6は、 フォノニック結晶構造を形成するた めのブロック共重合体リソグラフイーに使用 される。

[0092] 図 2 4 ： ブロック共重合体リソグラフイーにより、 規則的に配列した複 数の貫通孔 4 7がハードマスク 4 5に形成される。

[0093] 図 2 4◦ :ハードマスク 4 5をレジストとする選択的エッチングによっ� � 、 半導体層 4 4に対して、 平面視したときに複数の貫通孔 4 7に対応する位 置に、 規則的に配列した複数の貫通孔 5 0が形成される。 形成された複数の 貫通孔 5 0は、 フォノニック結晶構造を構成する。 半導体層 4 4は、 フォノ ニック結晶層 5 6となる。

[0094] 図 2 4 1 ^~ 1 :ハードマスク 4 5及び自己組織化膜 4 6が除去される。

[0095] 図 2 4 丨 ： フォノニック結晶層 5 6における貫通孔 5 0の内周面に酸化膜

3 2が形成される。 酸化膜 3 2は、 例えば、 3 丨 〇 ₂ 膜である。 酸化膜 3 2は 、 例えば、 熱酸化により

形成される。 酸化膜 3 2の厚さは、 例えば、 1 n mである。

[0096] 図 2 4」 ： フォノニック結晶層 5 6における貫通孔 5 0の内部に半導体が 充填されて、 酸化膜 3 2を周面に有するピラー 3 1が形成される。 ピラー 3 1は、 例えば、 多結晶 3 丨 により構成される。 ピラー 3 1は、 例えば、 0 V 口により形成される。 また、 このとき、 ピラー 3 1 を構成する半導体材料に より構成される層 4 8がフォノニック結晶層 5 6の上に形成される。

[0097] 層 4 8が除去される。 このようにして

、 ピラー 3 1 をさらに備えるフォノニック結晶層 5 6が形成される。

[0098] 図 2 4 : フォトリソグラフイー等の手法を用い、 フォノニック結晶層 5

6の一部の領域に不純物イオンが注入及びド� �プされて、 型熱電変換部 2 を形成する。 不純物イオンは、 例えば、 ホウ素イオンである。

[0099] 図 2 4 IV! : フォトリソグラフイー等の手法を用い、 フォノニック結晶層 5

6における 型熱電変換部 2とは異なる領域に不純物イオンが注入及び� �ー プされて、 1·!型熱電変換部 〇 2020/174764 32 卩（：171? 2019 /043918

3を形成する。 不純物イオンは、 例えば、 リンイオンである。 型熱電変換 部 2と _n 型熱電変換部 3とは、 互いに離間している。

[0100] 図 2 4 ：全体が熱処理 （アニール） されて、 ドープした不純物イオンを 活性化する。

[0101 ] 図 2 4〇 ： 型熱電変換部 2の上に第 2電極 5が形成される。 n型熱電変 換部 3の上に第 3電極 6が形成される。 第 2電極 5及び第 3電極 6は、 例え ば、 八 I により構成される。 これにより、 熱電変換素子 1が形成される。 フ ォノニック結晶層 5 6における 型熱電変換部 2と _n 型熱電変換部 3との間 の領域は、 絶縁部 4 9として残される。 絶縁部 4 9は、 規則的に配列した複 数の貫通孔 （第 5貫通孔） 5 0を具備するフォノニック結晶構造 （第 5フォ ノニック結晶構造） を有する。 この形態によれば、 型熱電変換部 2と _n 型 熱電変換部 3との間における素子 1の面内方向の熱伝導率が低減可能となる 。 また、 この低減により、 熱電変換素子 1の熱電変換効率のさらなる向上が 可能となる。

[0102] （第 2実施形態）

第 2実施形態の熱電変換素子の一例が図 2 5に示される。 第 1実施形態の 熱電変換素子 1は、 一対の熱電変換部として 1つの素子内に 型熱電変換部 2及び _n 型熱電変換部 3を備えた、 当業者に 型と称される素子である。 本 開示の熱電変換素子は、 型に限定されない。 第 2実施形態の熱電変換素子 は、 型とは異なる素子である。

[0103] 図 2 5の熱電変換素子 6 1は、 互いに隣接する 2つの熱電変換部 6 2 , 6

3を備える。 熱電変換部 6 2 , 6 3の導電型は、 同一である。 言い換えると 、 熱電変換素子 6 1は、 互いに隣接する 2つの 型熱電変換部又は _n 型熱電 変換部を備える。 また、 熱電変換素子 6 1は、 第 4電極 6 4、 第 5電極 6 5 及び第 6電極 6 6を備える。 一方の熱電変換部 6 2の一方の端部 1 1 と、 他 方の熱電変換部 6 3の一方の端部 1 3とは、 第 4電極 6 4を介して電気的に 接続されている。 第 4電極 6 4は、 熱電変換部 6 2の下面と熱電変換部 6 3 の上面とを電気的に接続する。 このために、 第 4電極 3 4は、 各々の熱電変 〇 2020/174764 33 卩（：171? 2019 /043918

換部 6 2 , 6 3において一方の端部 1 1 , 1 3と他方の端部 1 2 , 1 4とを 結ぶ方向に延びるビア配線 6 7を有する。 第 5電極 6 5と第 6電極 6 6との 間に電流を流したときに、 隣接する熱電変換部 6 2 , 6 3における電流の流 れる方向は同一 （図 2 5中の矢印を参照） である。 熱電変換素子 3 1は、 当 業者にユニレッグ型として知られた素子であ る。 ユニレッグ型の素子では、 例えば、 型の素子において生じうる 型熱電変換部と门型熱電変換部との 間の熱膨張係数の相違による問題が回避可能 となる。 熱電変換部 6 2 , 6 3 は、 同一の熱電変換材料から構成されてもよい。

[0104] 熱電変換部 6 2は、 型熱電変換部 2又は _n 型熱電変換部 3が備えうる、 上述の任意のフオノニック結晶層を備えうる 。 また、 熱電変換部 6 3は、 型熱電変換部 2又は _n 型熱電変換部 3が備えうる、 上述の任意のフオノニッ ク結晶層を備えうる。 熱電変換部 6 2が備えるフオノニック結晶層と熱電変 換部 6 3が備えるフオノニック結晶層とは、 同一であっても異なっていても よい。 また、 熱電変換素子 6 1は、 熱電変換部 6 2 , 6 3がフオノニック結 晶層を備える限り、 ユニレッグ型として知られた任意の構成をと ることがで きる。

[0105] 熱電変換部 6 2 , 6 3を構成する材料は、 型熱電変換部 2又は _n 型熱電 変換部 3を構成する材料と同じであってもよい。 第 4電極 6 4、 第 5電極 6 5及び第 6電極 6 6を構成する材料は、 第 1電極 4、 第 2電極 5及び第 3電 極 6を構成する材料と同じであってもよい。

[0106] [熱電変換装置]

本開示の熱電変換装置は、 基板；前記基板上に設けられた第 1絶縁層；前 記第 1絶縁層

上に設けられた熱電変換モジュール；前記熱 電変換モジュール上に設けられ た第 2絶縁層；第 1配線；及び第 2配線、 を具備する。 前記熱電変換モジュ —ルは、 2以上の熱電変換素子により構成される熱電� �換素子群、 及び前記 熱電変換素子群と接続された一対の接続電極 を備える。 前記 2以上の熱電変 換素子は、 前記一対の接続電極の間において、 電気的に直列に互いに接続さ 〇 2020/174764 34 卩（：171? 2019 /043918

れている。 前記第 1配線は、 一方の前記接続電極に電気的に接続されてい る 。 前記第 2配線は、 他方の前記接続電極に電気的に接続されてい る。 前記熱 電変換素子は、 上記説明した本開^^の熱電変換素子である。

[0107] 熱電変換モジュールにおいて、 2以上の熱電変換素子は、 典型的には、 ア レイ状に配列されている。 アレイは、 1次元のアレイであっても、 2次元の アレイであっても、 3次元のアレイであってもよい。

[0108] 本開示の熱電変換装置が備えうる熱電変換モ ジュールの一例が図 2 6八に 示される。 図 2 6八の熱電変換モジュール 1 0 1 （1 0 1 八） は、 2以上の 熱電変換素子 1 により構成される熱電変換素子群を備える。 また、 熱電変換 モジュール 1 0 1 八は、 熱電変換素子群に接続された一対の接続電極 1 0 2 八， 1 0 2巳を備える。 接続電極 1 0 2八は、 熱電変換モジュール 1 0 1 八 の一方の端部に位置する熱電変換素子 1の第 2電極 5に接続されている。 接 続電極 1 0 2巳は、 熱電変換モジュール 1 0 1 八の他方の端部に位置する熱 電変換素子 1の第 3電極 6に接続されている。 2以上の熱電変換素子 1は、 一対の接続電極 1 0 2八， 1 0 2巳の間において、 電気的に直列に互いに接 続されている。 熱電変換モジュール 1 0 1 八において、 2以上の熱電変換素 子 1は、 1次元のアレイ状に配列されている。

[0109] 本開示の熱電変換装置が備えうる熱電変換モ ジュールの別の一例が図 2 6 巳に示される。 図 2 6巳の熱電変換モジュール 1 0 1 （1 0 1 巳） は、 2以 上の熱電変換素子 6 1 により構成される熱電変換素子群を備える。 また、 熱 電変換モジュール 1 〇 1 巳は、 熱電変換素子群に接続された一対の接続電極 1 0 2八， 1 0 2巳を備える。 接続電極 1 0 2八は、 熱電変換モジュール 1 0 1 巳の一方の端部に位置する熱電変換素子 6 1の第 5電極 6 5に接続され ている。 接続電極 1 0 2巳は、 熱電変換モジュール 1 0 1 の他方の端部に 位置する熱電変換素子 6 1の第 6電極 6 6に接続されている。 2以上の熱電 変換素子 6 1は、 一対の接続電極 1 0 2八， 1 0 2巳の間において、 電気的 に直列に互いに接続されている。 熱電変換モジュール 1 〇 1 巳において、 2 以上の熱電変換素子 6 1は、 1次元のアレイ状に配列されている。 〇 2020/174764 35 卩（：171? 2019 /043918

[01 10] 本開示の熱電変換装置が備えうる熱電変換モ ジュールの別の一例が図 2 7 に示される。 図 2 7の熱電変換モジュール 1 0 3は、 2以上の熱電変換素子 1 により構成される熱電変換素子群を備える。 また、 熱電変換モジュール 1 〇 3は、 熱電変換素子群に接続された一対の接続電極 1 0 2八， 1 0 2巳を 備える。 2以上の熱電変換素子 1は、 一対の接続電極 1 0 2八， 1 0 2巳の 間において、 電気的に直列に互いに接続されている。 熱電変換モジュール 1 0 3において、 2以上の熱電変換素子 1は、 2次元のアレイ状に配列されて いる。 また、 熱電変換モジュール 1 0 3は、 2以上の熱電変換モジュール 1 0 1 を備えると見ることもできる。 この見方によれば、 熱電変換モジュール 1 0 3では、 4つの熱電変換モジュール 1 0 1が平面上に配列されている。 図 2 7の例では、 熱電変換モジュール 1 0 1は、 2以上の熱電変換素子 1 を 備える図 2 6八の熱電変換モジュール 1 0 1 八である。 少なくとも 1つの熱 電変換モジュール 1 〇 1は、 2以上の熱電変換素子 6 1 を備える図 2 6巳の 熱電変換モジュール 1 〇 1 巳であってもよい。

[01 1 1 ] 本開示の熱電変換装置が備えうる熱電変換モ ジュールの別の一例が図 2 8 に示される。 図 2 8に示される熱電変換モジュール 1 0 4は、 2以上の熱電 変換素子 1 により構成される熱電変換素子群を備える。 また、 熱電変換モジ ュール 1 0 4は、 熱電変換素子群に接続

された一対の接続電極 1 0 2八， 1 0 2巳を備える。 2以上の熱電変換素子 1は、 一対の接続電極 1 0 2八， 1 0 2巳の間において、 バス電極 1 0 5を 用いて、 電気的に直列に互いに接続されている。 熱電変換モジュール 1 0 4 において、 2以上の熱電変換素子 1は、 3次元のアレイ状に配置されている 。 また、 熱電変換モジュール 1 0 4は、 2以上の熱電変換モジュール 1 0 1 を備えると見ることもできる。 この見方によれば、 熱電変換モジュール 1 〇 4では、 4つの熱電変換モジュール 1 0 1が 4層にわたって熱電変換モジュ —ル 1 0 4の厚さ方向に配列されている。 図 2 8の例では、 熱電変換モジュ —ル 1 0 1は、 2以上の熱電変換素子 1 を備える図 2 6八の熱電変換モジュ —ル 1 0 1 八である。 少なくとも 1つの熱電変換モジュール 1 0 1は、 2以 〇 2020/174764 36 卩（：171? 2019 /043918

上の熱電変換素子 6 1 を備える図 2 6巳の熱電変換モジュール 1 0 1 巳であ ってもよい。

[01 12] 本開示の熱電変換装置の一例が図 2 9に示される。 図 2 9に示される熱電 変換装置 1 1 2は、 第 1絶縁層 1 0 6、 第 1絶縁層 1 0 6上に設けられた熱 電変換モジュール 1 〇 4及び熱電変換モジュール 1 0 4上に設けられた第 2 絶縁層 1 0 7を備える。 熱電変換モジュール 1 0 4は、 3つの熱電変換モジ ュール 1 0 1が 3層にわたって熱電変換モジュール 1 0 4の厚さ方向に配列 されている以外は、 図 2 8に示される熱電変換モジュール 1 0 4と同じであ る。 ただし、 図 2 9の熱電変換モジュール 1 0 4では、 各々の熱電変換モジ ュール 1 0 1の間には絶縁層 1 0 8が配置されている。 また、 熱電変換モジ ュール 1 0 1 , 1 0 4が備える熱電変換素子 1 を構成する熱電変換部である 型熱電変換部 2と _n 型熱電変換部 3との間、 及び 2以上の熱電変換素子 1 の各々の間には、 絶縁部 1 0 9が設けられている。 絶縁部 1 0 9は、 型熱 電変換部 2と 型熱電変換部 3との間、 及び 2以上の熱電変換素子 1の各々 の間のいずれか一方に設けられていてもよい 。 熱電変換装置 1 1 2は、 第 1 配線 1 1 〇及び第 2配線 1 1 1 をさらに備える。 第 1配線 1 1 0は、 熱電変 換モジュール 1 0 4の一方の接続電極 1 0 2八に電気的に接続されている。 第 2配線 1 1 1は、 熱電変換モジュール 1 0 4の他方の接続電極 1 0 2巳に 電気的に接続されている。 熱電変換装置 1 1 2は、 例えば、 基板 （ベース基 板） の上、 又は内部に設けられている。 熱電変換装置 1 1 2は、 第 1配線 1 1 〇及び第 2配線 1 1 1 を入力配線又は出力配線として、 ペルティエ式冷却 装置及び/又は熱電発電装置として機能しう� �。 図 2 9の例では、 熱電変換 モジュール 1 0 1は、 2以上の熱電変換素子 1 を備える図 2 6八の熱電変換 モジュール 1 0 1 八である。 少なくとも 1つの熱電変換モジュール 1 0 1は 、 2以上の熱電変換素子 6 1 を備える図 2 6巳の熱電変換モジュール 1 0 1 巳であってもよい。 この場合、 熱電変換モジュール 1 0 1 巳における絶縁部 1 0 9は、 熱電変換素子 6 1 を構成する熱電変換部 6 2 , 6 3の間、 及び/ 又は、 2以上の熱電変換素子 6 1の各々の間に位置しうる。 〇 2020/174764 37 卩（：171? 2019 /043918

[01 13] 本開示の熱電変換装置の別の一例が図 3 0に示される。 図 3 0に示される 熱電変換装置 1 2 1は、 図 2 9に示される熱電変換装置 1 1 2が基板 1 2 2 の内部に配置された構成を有する。

[01 14] 本開示の熱電変換装置の別の一例が図 3 1 に示される。 図 3 1 に示される 熱電変換装置 1 2 4は、 第 1絶縁層 1 0 6、 第 1絶縁層 1 0 6上に設けられ た熱電変換モジュール 1 2 3及び熱電変換モジュール 1 2 3上に設けられた 第 2絶縁層 1 0 7を備える。 熱電変換モジュール 1 2 3は、 熱電変換素子 1 における 型熱電変換部 2及び 型熱電変換部 3の各々について、 3層のフ ォノニック結晶層 5 6の積層構造体であることが明確に示されて� �る以外は 、 図 2 6八に示される熱電変換モジュール 1 0 1 （ 1 0 1 八） と同じである 。 ただし、 図 3 1 に示される熱電変換モジュール 1 2 3では、 熱電変換素子 1 における 型熱電変換部 2と 型熱電変換部 3との間、 及び 2以上の熱電 変換素子 1の各々の間には、 絶縁部 1 0 9が設けられている。 熱電変換装置 1 2 4は、 第 1配線 1 1 0及び第 2配線 1 1 1 をさらに備える。 第 1配線 1 1 0は、 熱電変換モジュール 1 2 3の一方の接続電極 1 0 2八に電気的に接 続されている。 第 2配線 1 1 1は、 熱電変換モジュール 1 2 3の他方の接続 電極 1 0 2巳に電気的に接続されている。 熱電変換装置 1 2 4は、 基板 1 2 2の内部

に設けられている。 熱電変換モジュール 1 2 3は、 図 2 6巳の熱電変換モジ ュール 1 0 1 （ 1 0 1 巳） であって、 熱電変換部 6 2 , 6 3が 3層のフォノ ニック結晶層 5 6の積層構造体であるモジュールと同じであ� �てもよい。

[01 15] 本開示の熱電変換装置の別の一例が図 3 2に示される。 図 3 2に示される 熱電変換装置 1 2 5は、 2つの熱電変換装置 1 2 1 八， 1 2 1 巳が電気的に 直列に接続された構成を有する。 各々の熱電変換装置 1 2 1 ， 1 2 1 巳は 、 図 3 0に示される熱電変換装置 1 2 1である。 熱電変換装置 1 2 1 八は、 第 1配線 1 1 〇 及び第 2配線 1 1 1 を備える。 熱電変換装置 1 2 1 巳は 、 第 1配線 1 1 〇巳及び第 2配線 1 1 1 巳を備える。 熱電変換装置 1 2 1 八 と熱電変換装置 1 2 1 巳とは、 第 1配線 1 1 0八及び第 2配線 1 1 1 巳を介 〇 2020/174764 38 卩（：171? 2019 /043918

して電気的に直列に接続されている。 第 1配線 1 1 〇巳が、 熱電変換装置 1 2 5の第 1配線 1 1 0として機能する。 第 2配線 1 1 1 が、 熱電変換装置 1 2 5の第 2配線 1 1 1 として機能する。

[01 16] 本開示の熱電変換装置は、 その 2以上を自由に組み合わせることができる 。 2以上の本開示の熱電変換装置の組み合わせ� �より、 カスケード化を図る ことも可能である。 カスケード化の形態は限定されない。

[01 17] 第 1絶縁層 1 0 6、 第 2絶縁層 1 0 7、 絶縁層 1 0 8及び絶縁部 1 0 9を 構成する材料は、 例えば、 3 丨 〇 ₂ 等の酸化物である。 ただし、 第 1絶縁層 1 0 6、 第 2絶縁層 1 0 7

、 絶縁層 1 〇 8及び絶縁部 1 0 9を構成する材料は、 上記例に限定されない

[01 18] 接続電極 1 0 2八， 1 0 2巳、 第 1配線 1 1 0及び第 2配線 1 1 1 を構成 する材料は、 例えば、 〇 八 丨、 八リ、 八 9、 〇リ等の金属である。 ただ し、 接続電極 1 〇 2八， 1 0 2巳、 第 1配線 1 1 0及び第 2配線 1 1 1 を構 成する材料は、 上記例に限定されない。

[01 19] 本開示の熱電変換装置において、 絶縁部 1 0 9は、 規則的に配列した複数 の第 5貫通孔を具備する第 5フオノニック結晶構造を有していてもよい� � 言 い換えると、 本開示の熱電変換装置では、 熱電変換モジュールが、 熱電変換 素子を構成する熱電変換部の間、 及び/又は、 2以上の熱電変換素子の各々 の間に、 絶縁部 1 〇 9をさらに備え、 絶縁部 1 0 9が、 規則的に配列した複 数の第 5貫通孔を具備する第 5フオノニック結晶構造を有していてもよい� � この形態によれば、 熱電変換素子の面内方向の熱伝導率が更に低 減可能とな る。 また、 この低減により、 熱電変換装置の熱電変換効率のさらなる向上 が 可能となる。

[0120] 本開示の熱電変換装置において、 基板 1 2 2、 第 1絶縁層 1 0 6、 第 2絶 縁層 1 〇 7、 絶縁層 1 0 8、 第 1配線 1 1 0及び第 2配線 1 1 1から選ばれ る少なくとも 1つの部材が、 規則的に配列した複数の第 6貫通孔を具備する 第 6フオノニック結晶構造を有していてもよい� � この形態によれば、 熱電変 〇 2020/174764 39 卩（：171? 2019 /043918

換装置における面内方向の熱伝導率が低減 可能となる。 また、 この低減によ り、 熱電変換装置の熱電変換効率のさらなる向上 が可能となる。 さらに、 基 板 1 2 2の内部に熱電変換装置が設けられている場� �等には、 基板 1 2 2の 面内方向への熱電変換装置からの熱の拡散を 抑制できる。 熱の拡散の抑制は 、 例えば、 基板 1 2 2上への電子デバイスの構築の自由度を向上� �せうる。

[0121 ] 第 5フオノニック結晶構造及び第 6フオノニック結晶構造は、 第 1 フオノ ニック結晶構造の説明において上述した具体 的なフオノニック結晶構造の構 成と同じ構成をとりうる。

産業上の利用可能性

[0122] 本開示の熱電変換素子は、 例えば、 ペルティエ素子又はゼーベック素子と して種々の用途に使用可能である。

符号の説明

[0123] 1 熱電変換素子 （ 型）

2 型熱電変換部

3 型熱電変換部

4 第 1電極

5 第 2電極

6 第 3電極

1 1 端部

1 2 端部

1 3 端部

1 4 端部

1 5 第 1貫通孔

1 6 第 1 フオノニック結晶層

1 7 第 2貫通孔

1 8 第 2フオノニック結晶層

1 9 第 3貫通孔

2 0 第 3フオノニック結晶層 〇 2020/174764 40 卩（：171? 2019 /043918

2 1 第 4貫通孔

22 第 4フオノニック結晶層

23 バッファ層

23八 第 1バッファ層

23巳 第 2バッファ層

3 1 ピラー

32 酸化膜

4 1 ベース基板

42 酸化膜

43 金属層

44 半導体層

45 ハードマスク

46 自己組織化膜

47 貫通孔

48 層

49 絶縁部

50 貫通孔

5 1 八 第 1 ドメイン

5 1 巳 第 2 ドメイン

52 フオノニック多結晶構造

53八， 53巳 方位

55 界面

56 フオノニック結晶層

6 1 熱電変換素子 （ュニレッグ型）

62, 63 熱電変換部

64 第 4電極

65 第 5電極

66 第 6電極 \¥02020/174764 41 卩（：171?2019/043918

67 ビア配線

9 1 , 9 1 八， 9 1 巳 単位格子

92 領域

93 領域

1 01 , 1 01 八， 1 01 6 熱電変換モジュール

1 02 ， 1 02巳 接続電極

1 03 熱電変換モジュール

1 04 熱電変換モジュール

1 05 バス電極

1 06 第 1絶縁層

1 07 第 2絶縁層

1 08 絶縁層

1 09 絶縁部

1 1 0, 1 1 0八， 1 1 06 第 1配線

1 1 1 , 1 1 1 八， 1 1 1 6 第 2配線

1 1 2 熱電変換装置

1 2 1 , 1 2 1 巳 熱電変換装置

1 22 基板

1 23 熱電変換モジュール

1 24 熱電変換装置

1 25 熱電変換装置

201 領域

202 領域