热电材料,制造该热电材料的方法,和使用该热电材料的热电变换模块

摘要

本热电材料设置有：半导体基板，形成在基板上的半导体氧化膜，和布置在氧化膜上的热电层。所述半导体氧化膜设置有第一纳米开口部，所述热电层是这样的形式：多个半导体纳米点堆积在第一纳米开口部上以具有粒子填充结构。多个纳米点中的至少一些在其表面中形成有第二纳米开口部，并且通过第二纳米开口部彼此连接，且其晶体取向彼此对齐。该热电材料可以通过以下步骤生产：氧化半导体基板，借此在其上形成半导体氧化膜的步骤；在氧化膜中形成第一纳米开口部的步骤；和通过外延生长在第一纳米开口部上堆积多个纳米点的步骤。通过该构造能够获得具有极好的热电变换性能的热电材料。

说明书

技术领域

本发明涉及使用半导体纳米点(nanodot)的热电材料，并且更具体地涉 及包括由硅、锗或硅基半导体制成的纳米点的热电材料，和使用所述热电 材料的热电变换模块，和制造所述热电材料的方法。

背景技术

近来，为了减少环境负荷，用于有效使用能源的热电变换技术已引起 注意。因此，使用稀土金属例如BiTe，PbTe，或SiGe的高性能热电材料 已常规地开发为热电材料以在使用赛贝克(Seebeck)效应的热电变换技术 中使用。然而，在此种情况下，因为使用稀土金属，因此存在环境负荷和 资源方面的风险的问题。

当评估热电变换性能时，通常使用无量纲性能指数ZT(＝S²σT/k)。S表 示赛贝克系数，σ表示电导率，k表示热导率，并且T表示绝对温度。 性能指数ZT越大，热电变换性能越好。从表示性能指数ZT的公式可以 看出，为了改善热电变换性能，优选使用其中赛贝克系数S和电导率σ 大且热导率k小的热电材料。

为了解决由于使用稀土金属产生的问题，优选使用由Si作为代表的遍 布存在的元素制成的热电材料。然而，在Si的情况下，问题是尽管赛贝克 (Seebeck)系数S和电导率σ足够大，但热导率k也大。

同时，据报道，使用具有纳米结构的材料作为热电材料导致热导率k 的降低，和进一步报导的是，使用具有低维纳米结构的材料导致量子效应 并且因此导致称为功率因数(power factor)的指数(S²σ)的增加(非专利文献 1至3)。

因此，已进行使用纳米结构体例如纳米线，纳米复合物，或纳米多孔 材料开发高性能热电材料的研究(非专利文献4至8)。

此外，据报道，使用具有纳米点结构的材料导致热导率的降低(非专利 文献9)。进行了一些这样的尝试：在硅基板上形成的超薄氧化硅膜中形成 纳米开口部，并且纳米点岛在其上外延生长以用作光学器件(非专利文献 10至12)。此外，进行一些这样的尝试：通过使用Stranski-Kranstranov(SK) 生长，使得SK点超晶格外延生长。

类似的，专利文献1公开了制造半导体光学器件的方法，其中由硅系 化合物制成的纳米点之间以一定间隔外延层叠，在所述间隔中，填充有由 例如Si之类的材料制成的间隔层。专利文献1还表明所述器件用作热电 变换器件([0042]段等)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP2005-303249A

非专利文献

非专利文献1：L.D.Hicks等人，“Thermoelectric figure of merit of a  one-dimensional conductor”，Physical review B，第47卷，第24期，1993 年6月15日，16631-16634。

非专利文献2：HIROMICHI OHTA等人，“Giant thermoelectric Seebeck  coefficient of a two-dimensional electron gas in SrTiO₃”，nature materals第6 卷，2007年2月，129-134。

非专利文献3：L.D.Hicks等人，“Effect of quantum-well structures on  the thermoelectric figure of merit”，Physical review B，第47卷，第19期， 1993年5月15日，12727-12731。

非专利文献4：Allon I.Hochbaum等人，“Enhanced thermoelectric  performance of rough silicon nanowires”，nature Letters，第451卷，2008年 1月10日，06381。

非专利文献5：Sabah K.Bux等人，“Nanostructured Bulk Silicon as an  Effective Thermoelectric Material”，Advanced Functional Materials2009，19， 2445-2452。

非专利文献6：Giri Joshi等人，“Enhanced Thermoelectric  Figure-of-Merit in Nanostructured p-type Silicon Germanium Bulk Alloys”， American Chemical Society NANO LETTERS2008第8卷，第12期， 4670-4674。

非专利文献7：J.-H.Lee等人，“Lattice thermal conductivity of  nanoporous Si：Molecular dynamics study”，APPLIED PHYSICS LETTERS  91，223110 2007。

非专利文献8：G.Geseley等人，“Temperature-dependent thermal  conductivity of porous silicon”，J.Phys.D：Appl.Phys.30(1997)2911-2916。

非专利文献9：G.Pernot，等人，“Precise control of thermal conductivity at  the nanoscale through individual phonon-scattering barriers”，NATURE  MATERIALS，第9卷，2010年6月，491-495。

非专利文献10：Alexander A.Shklyaev等人，“Visible photoluminescence  of Ge dots embedded in SiO/SiO₂matrices”，APPLIED PHYSICS LETTERS 第80卷，第8期，2002年2月25日，1432-1434。

非专利文献11：Alexander A.Shklyaev等人，“High-density ultrasmall  epitaxial Ge islands on Si(111)surfaces with a SIO₂coverage”，PHYSICAL  REVIEW B第62卷，第3期2000年7月15日-I，1540-1543。

非专利文献12：Alexander A.Shklyaev等人，“Three-dimensional Si  islands on Si(001)surfaces”，PHYSICAL REVIEW B第65卷，045307。

发明概述

本发明要解决的问题

如以上描述的，用低维纳米结构，可以获得在热电变换效率方面优越 的热电材料。然而，在具有一维结构的纳米线的情况下，由于其结构而难 以用作热电材料。在薄膜中包括纳米结构的纳米复合物的情况下，因为纳 米结构的晶体取向、纳米结构的尺寸和纳米结构之间的间隔不规则，因此 可控性低。因此，电导率低，并且难以使用量子效应。在纳米多孔结构的 情况下，难以以纳米结构特有的量子效应来增强性能。此外，在使用外延 生长技术的SK点超晶格技术的情况下，难以减少纳米点尺寸的纳米尺度 和纳米点-纳米点之间间隔的纳米尺度，并且难以增加纳米点的面密度，其 导致电导率不能增加很多的问题和导致难以改善性能的问题。

本发明的目的是提供在热电变换性能方面较好的热电材料，和制造该 热电材料的方法。

解决问题的手段

为了达成以上的目的，本发明的第一个方面涉及热电材料，其包括：

半导体基板；

形成在半导体基板上的半导体氧化膜；和

设置半导体氧化膜上的热电层；其中

所述半导体氧化膜在其中形成有第一纳米开口部(纳米窗)，

所述热电层具有此种构造：多个半导体纳米点堆积在第一纳米开口部 上或上方以便形成粒子填充结构，和

所述多个半导体纳米点中的至少一些各自具有形成于其表面的第二纳 米开口部(纳米窗)，并且通过所述第二纳米开口部彼此连接，并且它们的 晶体取向对齐。

根据本发明的第一个方面，优选的是，每个所述半导体纳米点均具有 设置在其表面上的势垒层，和

所述第二纳米开口部在势垒层中形成。

根据本发明的第一个方面，优选的是，每个所述半导体纳米点由选自 由Si，Ge，SiGe，Mg的硅系化合物，Fe的硅系化合物，和Mn的硅系化 合物组成的组中的材料制成。

根据本发明的第一个方面，优选的是，所述势垒层由SiO₂制成。

根据本发明的第一个方面，优选的是，所述势垒层由Si制成，并且在 其表面上具有由SiO₂制成的氧化层。

根据本发明的第一个方面，优选的是，每个所述半导体纳米点具有从 2nm到50nm范围内的直径。

根据本发明的第一个方面，优选的是，每个所述半导体纳米点具有10¹¹cm^-2或更大的面密度。

根据本发明的第一个方面，优选的是，所述势垒层具有3nm或更小的 厚度。

根据本发明的第一个方面，优选的是，每个所述半导体纳米点包含p- 型或n-型掺杂剂。

本发明的第二个方面涉及一种热电变换模块，其设置有交替布置且电 学上串联连接的p-型和n-型热电元件，其中

所述p-型和n-型热电元件各自包含根据本发明的第一个方面的热电材 料，并且设置在半导体基板的与具有半导体装置的主面相反的主面上。

本发明的第三个方面涉及制造热电材料的方法，所述方法包括：

制备半导体基板的制备步骤；

氧化半导体基板以在半导体基板上形成半导体氧化膜的氧化步骤；

在半导体氧化膜中形成第一纳米开口部的开口步骤；和

外延生长以在第一纳米开口部上堆积多个由半导体材料制成的半导体 纳米点的生长步骤。

根据本发明的第三个方面，优选的是，在生长步骤中，在每个所述半 导体纳米点中形成第二纳米开口部，并且纳米点通过第二纳米开口部彼此 连接。

发明效果

根据本发明，半导体纳米点彼此连接，并且它们的晶体取向对齐，从 而改善电导率。此外，由于纳米点本身的结构而降低热导率，并且由于纳 米结构可以获得量子效应，从而增加功率因数。作为结果，提供在热电变 换性能方面优越的热电材料，和包括使用所述热电材料的热电变换元件的 热电变换模块成为可能。

附图简述

图1是显示根据本发明的第一实施方案的热电材料的透视图。

图2是延线A-A获得的图1的剖视图。

图3A和3B各自是显示制造热电材料的方法的开口步骤的图解，其中 图3A显示形成膜开口前的状态，而图3B显示形成后的状态。

图4A至4C各自是显示制造热电材料的方法的生长步骤的图解，其 中图4A显示产生纳米点的步骤，图4B显示在势垒层中形成层开口部的 步骤，而图4C显示产生新纳米点的步骤。

图5是显示产生由硅化物制成的纳米点的步骤的图解。

图6A是外延生长的Si纳米点的高分辨率断面TEM图像，而图6B 是在图6A中由方格围出的区域的放大视图。

图7是显示根据本发明的第二实施方案的热电变换模块的示意图。

图8是显示本发明的第二实施方案的热电变换模块的透视图。

图9是对应于图7的显示热电变换模块的替代构造的示意图。

发明的实施方案

第一实施方案

将参考图1和2描述根据本发明的第一实施方案的热电材料10。

如在图1和2中显示的，热电材料10包括硅基板1，形成在硅基板1 上的硅氧化膜2，和设置在硅氧化膜2上的热电层3。作为硅基板1，优 选使用单晶硅基板。硅氧化膜2优选是如约单层或双层Si厚度的超薄氧 化膜。热电层3具有此种构造：堆积多个各自由势垒层(在下文中，被称 为势垒层(barrier layer))5环绕的半导体纳米点4以便形成粒子填充结构。

本文中纳米点指具有基本上球形或基本上椭圆形的、具有纳米级尺寸 的纳米晶体。需要注意的是纳米点可以依赖生产过程采用大大不同于基本 上球形或基本上椭圆形的形状。本文中术语“多个(plurality)”指堆积在垂 直方向中的两个以上的纳米点。例如，当用作具有约几十个μm的元件高 度的热电变换元件时，可以使用由10²至10⁵个垂直堆积的纳米点4制成 的热电材料。

如在图2的剖视图中显示的，硅氧化膜2在其中形成有氧化膜开口部 (在下文中，被称为膜开口部)2a。纳米点4设置在膜开口部2a上面和上 方。此外，势垒层5在其中形成有势垒层开口部(在下文中，被称为层开 口部)5a。多个纳米点4中的至少一些通过层开口部5a彼此连接，并且它 们的晶体取向对齐。也就是说，多个纳米点4外延生长并且在硅氧化膜2 上堆积。

如以上描述的，纳米点4被堆积而形成粒子填充结构。本文中粒子填 充结构可以是规则填充结构或随机填充结构。此外，纳米点4中的一些可 以具有规则的填充结构，而另外那些可以具有随机结构。为了改善在热电 层3中纳米点4的填充比，优选纳米点4线性堆积在膜开口部2a上。 然而，如在图2中显示的，可以在一个势垒层5上形成多个层开口部5a， 并且纳米点4可以树枝状地或随机生长。

此外，当在多个纳米点4之间形成空隙时，空隙可以包含由在制造热 电材料10的过程中产生的硅之类的材料制成的部分。

纳米点4由Si，Ge，SiGe，Mg的硅化物，Fe的硅化物，或Mn的硅 化物制成。以上硅化物的化学式分别由Mg₂Si，β-FeSi₂，和MnSi_x表示。 此外，为了显著改善量子效应，纳米点4各自具有优选在1nm至100nm 范围内，或更优选在2nm至50nm范围内的直径。为了改善电导率σ， 纳米点4各自具有优选在10⁹cm^-2至10¹³cm^-2的范围内的面密度，或更优 选10¹¹cm^-2或更大的面密度。为了维持改善的电导率σ，优选纳米点4 在尺寸上基本上均一。

势垒层5由具有比纳米点4的材料的带隙大的带隙的材料制成。例 如，当纳米点4由Si制成时，势垒层5可以由SiO₂制成。当纳米点4 由Ge，SiGe或硅化物制成时，势垒层5可以由Si或SiGe制成。当势垒 层5由不同于SiO₂的以上材料制成时，将在势垒层5的最上表面上形成 由SiO₂制成的表面氧化层(未显示)。为了基本上发挥纳米点4的材料的 热电特性，势垒层5优选具有3nm或更少的厚度。

参考图3A和3B，将对制造根据本发明的第一实施方案的、在纳米点 4由Si制成的情况下的热电材料10的方法进行讨论。

制造热电材料10的方法包括制备硅基板1的制备步骤S1，对硅基 板1的基板表面进行氧化以形成硅氧化膜2的氧化步骤S2，在硅氧化膜 2中形成膜开口部2a的开口步骤S3，和外延生长以在膜开口部2a上堆积 由Si制成的纳米点4的生长步骤S4。

在氧化步骤S2中，硅基板1的表面在低氧分压和高温(例如2×10^-4Pa的氧分压和600℃的温度)条件下氧化，由此形成如单层或双层厚度的 硅氧化膜2。

随后，在开口步骤S3中，在高真空(例如10^-5Pa或更低)和约500℃ 或更高的条件下，用由显示在图3A中的硅蒸发源20产生的Si的分子束 20a照射硅氧化膜2。这样，通过显示在以下式(1)中的反应，硅氧化膜2 消失并且SiO升华，从而形成如在图3B中显示的膜开口部2a。

Si+SiO₂→2SiO↑    ...(1)

随后，在生长步骤S4中，如在图4A中显示的，用Si分子束20a照 射硅氧化膜2。随后，Si原子沉积为硅基板1表面中的Si悬空键，在形 成膜开口部2a之后，暴露所述Si悬空键，借此产生纳米点4。

随后，终止Si分子束20a照射，并且氧化由Si制成的纳米点4，由 此将由SiO₂制成的势垒层5设置在每个纳米点4的周围。随后，如在图 4B中显示的，类似于形成膜开口部2a，根据以上式(1)，再次开始Si分 子束20a的照射以形成层开口部5a。在该步骤，例如可以在与形成膜开 口部2a的开口步骤S3的那些条件相同的真空条件和温度条件中形成层 开口部5a，或鉴于势垒层5尺寸和组成，可以在不同的真空条件和温度 条件形成。

最后，如在图4C中显示的，Si原子沉积于层开口部5a上，借此产 生新的纳米点4。这时，很多纳米点4通过层开口部5a彼此连接，并且 它们的晶体取向对齐。也就是说，通过重复显示在图4A至4C中的过程， 多个纳米点4外延生长并堆积在硅氧化膜2中所形成的膜开口部2a上和 上方。

已分别描述了开口步骤S3和生长步骤S4。然而，当用Si产生纳米 点4时，在开口步骤S3中膜开口部2a的形成，和在生长步骤S4中纳 米点4的产生将通过用Si分子束20a照射硅氧化膜2连续进行。

在本实施方案中，膜开口部2a通过Si分子束20a的照射形成，而其 也可以由锗蒸发源(未显示)产生的Ge分子束的照射形成。在后一种情况 下，通过显示在以下式(2)中的反应，硅氧化膜2消失且SiO和GeO升 华而形成膜开口部2a。

Ge+SiO₂→SiO↑+GeO↑    ...(2)

对本实施方案中由Si制成的纳米点4的情况已进行了论述。当纳米 点4由SiGe，硅化物等制成时，采用多个蒸发源进行开口步骤S3和生长 步骤S4。例如，如在图5中显示的，当纳米点4由铁的硅化物制成时， 用由硅蒸发源20产生的Si分子束20a形成膜开口部2a。随后，例如可 以在250℃至600℃的大气温度，通过Si分子束20a和由铁蒸发源22产 生的Fe分子束22a的照射产生由铁的硅化物制成的纳米点4。可以在相 同条件下产生由锰的硅化物或镁的硅化物制成的纳米点。

此外，产生纳米点4之后，可以通过例如Si，SiGe，硅化物等的材 料的分子束的照射来提供由所需材料制成的势垒层5。因此，当势垒层5 由除SiO₂外的材料制成时，势垒层5被氧化而在其表面上形成由SiO₂制 成的表面氧化层，并随后如以上描述的，施用Si分子束20a(Ge分子束)， 借此根据以上式(1)或(2)形成层开口部5a。

图6A是通过以上方法生产的热电材料的热电层部分的高分辨率断面 TEM图像，其显示外延生长在单晶硅基板上的Si纳米点的断面。产生纳 米点以便形成约3nm的直径。由SiO₂制成的势垒层如单层或双层厚，也 就是说，其厚度小于1nm，以致其在图6A中是看不到的。同时，如在图 6B(其是在图6A由方格围出的区域的放大视图)中显示的，发现基本上在 圈出的区域中产生圆形的由Si制成纳米点。此外，发现在圈出的区域之间 产生空隙，并且纳米点随机分布和堆积。

通过2ω方法测量如以上描述生产的热电材料的热导率k。在2ω方 法中，向热电材料施加具有频率ω的电压，在2ω的频率产生焦耳(Joule) 热变化，并且因此，热电材料的电阻值也在2ω的频率变化。根据该原理， 测量输出电压的幅度以获得热导率k。

因此，热导率k显示非常小的值，例如k＝0.67±0.11W/mK。当将 该值与本体Si的约150W/mK的热导率k比较时，发现如在本实施方案 的情况中由堆积的纳米点制成的热电层的热导率k值大幅降低。此外，通 常已知当材料将被制成无定形时，声子散射增加，并且热导率k值最小化。 通过根据该实施方案的生产方法生产的热电材料的热导率k的值大幅小 于无定形硅的2.0W/mK的热导率。

在该实施方案中，已描述包括具有多个纳米点4的热电层3的热电材 料10，和制造该热电材料的方法。根据热电层3包括多个纳米点4的该 实施方案，由于纳米结构导致的声子散射的增加降低了热导率k。尤其是， 当纳米点4由Si制成时，可以大幅降低有问题的热导率k，这可以从2ω 方法的结果看出。

此外，至少一些纳米点4被连接，并且其晶体取向对齐，从而改善电 导率σ。量子效应可以由于纳米结构而获得，从而增加功率因数S²σ。因 此，性能指数ZT大幅增加，并且因此可以提供在热电性能方面较好的热 电材料10。

根据在专利文献1中公开的半导体装置，设置间隔层并且因此间隔层 的材料与纳米点的材料的比例高(参见图10)。因此，纳米点的材料的热电 特性没有被充分实现。同时，该实施方案(其中纳米点4堆积，且其中在 每个纳米点4周围设置势垒层5)导致高比例的纳米点4的材料，并且可 以由于纳米结构实现材料较好的热电特性。

此外，纳米点4各自设置在硅氧化膜2中形成的膜开口部2a上，其 导致纳米点4横跨SiO₂的无定形结构外延生长，这增加了声子散射。

此外，纳米点4各自具有厚度为10nm以下的势垒层5，即，如围绕 其圆周的几个原子层一样的厚度，并且通过在势垒层5中形成的层开口部 5a与其它纳米点4连接。可以通过连续的分子束照射产生该结构，从而 简化热电材料10的生产过程。

在以上已经描述了在硅基板1上的硅氧化膜2中形成膜开口部2a的 情况，而甚至当在除硅基板外的半导体基板上形成半导体氧化膜时，可以 通过在该氧化膜中形成开口部获得与本实施方案中的热电材料10相同的 结构的热电材料。半导体氧化膜可以是通过氧化SiGe混合晶体基板形成 的Si_xGe_yO_z膜，通过氧化Ge基板形成的GeO_x膜等。当使用Si分子束时， 通过由以下式(3)和(4)表示的反应形成开口部。

Si_xGe_yO_z+aSi→bSiO↑+cGeO↑    ...(3)

GeO_x+dSi→eSiO↑+GeO↑    ...(4)

当使用Ge分子束时，通过由以下式(5)和(6)表示的反应形成开口部。

Si_xGe_yO_z+fGe→gSiO↑+hGeO↑    ...(5)

GeO_x+iGe→jGeO↑    ...(6)

系数a至j由x，y和z确定。开口部还可以在通过氧化由SiFe_xO_y的 化学式表示的硅化物形成的氧化膜中形成。

此外，尽管已描述了由半导体制成的基板用作热电材料10的基板的 情况，但是可以这样提供半导体基板：通过电子束加热等将半导体薄膜沉 积在玻璃基板上。备选地，另一种半导体薄膜可以在硅基板等上形成。

第二实施方案

将参考用于描述第一实施方案的图1等描述根据本发明的第二实施方 案的热电材料60。

在根据第一实施方案的制造热电材料的方法的生长步骤S4中，用材 料(例如Si，Ge，SiGe，或纳米点4的硅化物)的分子束执行照射(参见图 4A至4C)。同时，根据该实施方案的生长步骤S4中，用掺杂剂(即除了 纳米点54的材料的分子束之外的供体原子或受体原子)的分子束执行照 射。因此，掺杂热电层53的纳米点54，并且热电材料60用作p-型半导 体或n-型半导体。除了以上外，热电材料60的构造和制造热电材料60 的方法的步骤与第一实施方案中的那些相同，并且对其给出相同的附图标 记并省略其描述。

例如，当纳米点54由Si或Ge制成时，受体原子可以包括硼，铝， 镓和铟，同时供体原子可以包括磷，砷和锑。当纳米点54由除Si和Ge 外的材料制成时，受体原子或供体原子可以包括本领域技术人员公知的材 料。

图7是显示根据本发明的第二实施方案的热电变换模块70的示意图。 热电变换模块70包括使用热电材料60的热电变换元件。本文中热电变 换模块指多个热电变换元件的装配体。

如在图7中显示的，热电变换模块70具有热电变换元件，也就是说， 交替布置在电极72a和72b之间的p-型热电元件71a和n-型热电元件 71b。电极72a设置在硅基板81的模块面上，而电极72b具有电绝缘材 料73，比如设置在其上的陶瓷板。

在图7中，为了方便起见，热电变换模块70看起来是以二维方式布 置，但实际上热电变换模块70以如在图8中显示的三维方式布置。在图 8中，电极72a和72b未显示。

模块面(在其上设置有热电变换模块70)的相反面，具有形成在其上的 硅氧化膜82。硅氧化膜82具有设置在其上的半导体装置83例如 MOSFET(参见图7)。

热电变换模块70热电变换由半导体装置83的操作产生的焦耳热并 且传输至硅基板81的模块面。

如在图7中显示的，p-型和n-型的热电元件71a和71b是电学上串联 连接的。如以上描述的通过掺杂产生的热电材料60可以用作p-型和n-型 的热电元件71a和71b。

可以设置电极72a，以使得将金属(例如铝)沉积在半导体基板81上， 并且随后进行光刻步骤。通常，因为在形成半导体装置83过程中包括金 属的沉积和光刻步骤，因此可以在形成装置83的同时设置电极72a。p- 型和n-型热电元件71a和71b结合至电极72a和72b，以便电学上串联 连接。这样，将热电变换模块70设置在硅基板81的模块面上。此外， 可以将结合部件插入在p-型和n-型热电元件71a和71b与电极72a和72b 之间。

同时，图9显示根据本实施方案的热电变换模块70的替代构造。根 据该构造，通过利用热扩散高度掺杂不纯物(例如铝)，在硅基板81的上 面的面上形成导电层74，并且随后，如在图9中显示的，通过蚀刻步骤形 成电极72a。随后，通过氧化电极72a在电极72a上形成硅氧化膜(未显 示)，之后进行以上描述的开口步骤S3和生长步骤S4。因此，将其中制 备了p-型和n-型热电元件71a和71b和电极72a的热电材料60设置在硅 基板81上。

如上所述，根据该实施方案，热电材料60的纳米点54具有受体原子 或供体原子，从而热电材料60可以被用作在热电变换模块70中的p-型 和n-型热电元件71a和71b。

当热电变换模块70设置在半导体装置83(例如LSI)的反面上时，从 半导体装置83产生的废热通过热电变换模块70变换为电能。这导致这 样的优点：不需要消耗电力来冷却半导体装置83，从而阻止由于废热导 致的温度升高，并且进一步地，可以有效利用废热，以致可以在整个系统 中大幅增强能量效率。

此外，根据图9中显示的替代构造，可以省略结合p-型和n-型热电元 件71a和71b的步骤，并且热电模块70的形成可以完全合并在半导体装 置83的形成中，以致可以容易和有效地设置热电模块70。

对在该实施方案中生产的热电材料60的p-型和n-型半导体用作热电 发电模块的情况，已经进行了论述，而它们可以基于相似的构造用作Peltier 模块。

例如，可以将两个根据该实施方案的热电模块70层叠在LSI的反面 (模块面)，第一模块(更靠近LSI)作为Peltier模块，而第二模块作为热电 发电模块。当运转Peltier模块时，该模块的LSI侧被冷却并且其相反侧 被加热至高温。该热量转移至热电发电模块以发电。与其它情况类似，这 使能够有效使用废热来改善整个系统的能量效率。

此外，当通过例如使多晶硅基板的表面结晶而设置的硅基板1生产根 据本发明的热电材料10或60时，热电材料10或60可以合适地用于制 造太阳能电池。

工业实用性

根据本发明的热电材料可以广泛地用于制造用于交互变换热能和电能 的热电变换元件，发光元件(例如激光)，和太阳能电池。

附图标记说明

1    硅基板

2    硅氧化膜

2a   氧化膜开口部(第一纳米开口部)

3    热电层

4    纳米点

5    势垒层

5a   势垒层开口部(第二纳米开口部)

10，60    热电材料

20   硅蒸发源

22   铁蒸发源

70   热电变换模块

83   半导体装置