エネルギー変換デバイス

专利摘要:
トンネル内電極、熱トンネル、ダイオード、熱電子デバイス、熱電デバイス、熱光起電デバイス、及びその他のデバイス間でナノメータ分離を維持する改良された設計が開示されている。少なくとも一方の電極は、湾曲形状である。すべての実施例では、従来技術と比べると、２つの電極間の熱伝導が減少している。ある実施例では、小さな接触領域の周囲で大きなトンネル領域が与えられている。他の実施例では、接触領域が完全に取り除かれている。その結果として、ナノメータ間隔を持った安定平衡な２つの近接した平行電極を維持する電子デバイスが得られ、前記電子デバイスは簡素化された製造可能性をもって簡素な形状で大きな領域を有し、熱を電気にあるいは電気を冷却に変換するのに使用される。
公开号:JP2011514670A
申请号:JP2010546863
申请日:2009-02-10
公开日:2011-05-06
发明作者:マカンシ，タレック
申请人:テンプロニクス，インコーポレイテッド；
IPC主号:H01L35-32

专利说明:

[0001] 本願は、２００８年２月１５日に出願された米国暫定出願シリアル番号第６１／０６５，９１５号による優先権を主張し、その内容を参照により援用する。]
[0002] 本発明は、二極管デバイス、熱電子デバイス、トンネル型デバイス、および電極間に非常に小さな間隔を有するように設計され、場合によっては電極間の断熱も必要とするその他のデバイスに関する。本発明は、熱トンネル型発電機およびヒートポンプに適用することができ、熱電子方式および熱電方式を利用する同様のシステムにも適用することができる。こういった熱トンネル型発電機およびヒートポンプは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、それとは逆に冷却を行うように動作することもできる。本発明は、電圧の印加または発生がその間で行われる２つの電極の、接近した平行な間隔付けを行う必要がある、任意のデバイスに適用することもできる。]
背景技術

[0003] １つの導体（エミッタ）から別の導体（コレクタ）への高エネルギーの電子流現象が、数多くの電子デバイスで様々な目的のために利用されてきた。例えば二極真空管がこの方法で実装され、その物理現象は熱電子放出と呼ばれた。比較的大きい物理的間隔が使用可能であることによって課せられる制限から、こういった二極管では、非常に高い温度（１０００ケルビン以上）で動作する必要があった。この高温側の電極は、電子がコレクタまでの長い距離を移動し、高い量子障壁を超えるのに十分なエネルギーを得るために非常に高い温度にする必要があった。とはいえ、この真空管によって電子二極管の構築が可能になり、後に増幅器が開発された。次第にこういったデバイスは、動作温度を低下させようと、セシウムなどのアルカリ金属、または酸化物を使用して電極をコーディングすることによって最適化された。熱電子を生成するための温度は、やはり室温よりもはるかに高いが、この発電方法は、燃焼から、または太陽熱集中装置からの熱を電気に変換するのに役立つ。]
[0004] その後、２〜２０ナノメートルのような原子間距離程度で、エミッタとコレクタが互いに非常に接近している場合、はるかに低い温度、さらには室温で電子が流れることができることが発見された。この小さな間隔では、２つの電極の原子の電子雲が非常に接近しているため、物理的な伝導作用がなくても、熱い電子がエミッタの雲からコレクタの雲へ実際に流れる。電子雲は交差しているが電極は物理的に接触していないこのタイプの電流は、トンネル電流と呼ばれる。例えば走査型トンネル顕微鏡では、導電表面に非常に接近させる、尖った導電性の探針を使用し、その探針がその表面を横切って走査するときの電流をプロットすることによって、表面の原子の輪郭をマッピングすることができる。特許文献１に、走査型トンネル顕微鏡検査に適用されるかかる方法が教示されている。]
[0005] かかる原子の離隔距離を、広い領域（例えば１平方センチメートルさらには１平方ミリメートル）にわたって維持した場合、単独の二極管のようなデバイスによって、かなりの熱を電気に変換できることがこの業界で知られている。こういったデバイスは、冷却器として役立つか、あるいは廃熱エネルギーを各種供給源から回収する際に役立つはずである。非特許文献１〜３を参照されたい。電極間の間隔付けは、「熱い」電子（フェルミ準位を超えるエネルギーを有する電子）が流れるほど小さくしなければならないが、通常の伝導（フェルミ準位以下の電子流）が可能になるほどは接近させない。場合によっては、音子の格子振動による熱伝導を最小限にするために、真空の間隙を使用してもよい。本願と同じ発明者による特許文献２で例示されている、間隙に隣接する半導体または熱電材料は、熱い電子を選択的に通すことができる。数千ワット／平方センチメートルの電気から冷却への変換を可能にする実現可能な分離距離範囲は、０．５〜２０ナノメートルである（非特許文献１を参照）。これらの参考文献ではまた、一方の電極からもう一方の電極へ電子を伝達する際の仕事関数を低くするために、エミッタ電極にアルカリ金属またはその他の材料からなるコーティングまたは単分子層を施す利点も示唆されている。このコーティングまたは単分子層によってさらに、電子を選択的に通すための分離手段を備えない構成の動作温度が低下し、変換効率が向上する。]
[0006] Ｍａｈａｎは、仕事関数０．７ｅＶかつ低温の温度５００Ｋの電極を使用する熱電子冷却器の理論的効率が、カルノー効率の８０％を上回ることを示した（非特許文献４、５を参照）。類推によって、電子トンネルプロセスの変換効率も、カルノー効率に対してやはり高い比率を占めることが想定される。カルノー効率は、熱エネルギー変換の実現可能な効率の上限を示す。]
[0007] 広い領域にわたって原子サイズの電極離隔距離を維持するということは、熱を導体から取り出すことができるデバイスを構築する際の、唯一最大の課題であった。例えば走査型トンネル顕微鏡は、振動のない特殊な実験室環境を必要とし、その動作は、数平方ナノメートルの領域に限られている。作業装置における冷却の測定領域は２、３平方ナノメートルに限られていた（非特許文献３を参照）。]
[0008] 最近では、ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７７０４２（特許文献２）で、真空チャンバ内で試験されたバイメタル電極対を使用して、はるかに大きな、数ミリワットまたは数分の１ワットのエネルギー変換を実現するデバイスが開発された。この、本願と同じ発明者による特許出願に記載されているデバイスを使用することによって、間隙の両側の材料を数多く調査／測定できるようなベルジャー真空装置内において、ナノメートル間隙の形成に成功した。さらに、ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０７７０４２（特許文献２）の成功した間隙形成方法によって完全にパッケージ化されたデバイスを、本明細書に提示する。このデバイスは、真空装置の外で使用可能な、十分に機能的なエネルギー変換製品として機能することができる。]
[0009] したがって、入力として熱源向けにも、出力として電源を必要とする電気回路向けにも便利なパッケージに入った、費用対効果が高い形で効率的に熱エネルギーを電気エネルギーに変換する、完全にパッケージ化されたデバイスがやはり必要である。廃熱を含む、豊富な熱源が簡単に、電気の供給源になる可能性がある。かかるデバイスを使用すると環境に良い、または費用節減になる、またはその両方であるはずの事例には、以下のものが含まれる。
（１）現在用いられている光起電性のデバイスよりも費用対効果が高い形で、太陽熱および太陽光を電気に変換する事例。
（２）自動車などで使用される内燃機関で発生した熱を回収して、有用な運動に戻す事例。今日利用可能な一部の自動車は、電気ガソリンハイブリッド自動車と呼ばれ、運動を生み出すのに、電力も内部燃焼も使用することができる。今日の内燃機関では、ガソリンのエネルギーの約７５％が廃熱に変換される。トンネル型変換デバイスは、ハイブリッド自動車のエンジンから、その熱エネルギーの大部分を回収することができ、その回収エネルギーを後で使用するためにバッテリに入れる。特許文献３に、燃焼チャンバからの熱を変換し、そのエネルギーを蓄積または運動に変換する方法が教示されている。
（３）有毒ガスの大気流入要求を低減させる事例。エネルギー効率がよりよいハイブリッド自動車は、有毒な排気ガスの大気への漏れを低減できる明らかな例である。ハイブリッド・エンジンのエンジン熱および排熱を変換してハイブリッド・バッテリで電気を蓄積または発生させる装置がさらに、ハイブリッド自動車の効率を向上させ、有毒ガスを放出する要求を低減させるはずである。熱を取り除くのに必要な、冷却で使用されるクーラントが、有毒ガスの他の事例であり、トンネル型変換デバイスは、有毒ガスを排出する要求を低減させる可能性がある。
（４）熱エネルギーを利用可能な場合に回収し、次いでそれをバッテリに化学エネルギーとして蓄積し、熱エネルギーを利用可能でない場合にそれを再利用する事例。トンネル型変換デバイスは、日中、太陽エネルギーを電気に変換することができ、次いでそれをバッテリに蓄積する。夜間は、蓄積したバッテリ電力を、電気を発生させるために使用することができる。
（５）地熱エネルギーによる発電の事例。地表には数多くの場所に熱が存在し、地球の奥深くに実質的に無限に存在する。効率的なトンネル型変換デバイスにより、このエネルギー資源を利用することができる。
（６）コンパクトな静音の据置式半導体デバイスによって冷却を引き起こす事例。かかるトンネル型デバイスは、エアコン用の冷却を行うことも、あるいは、かさばる空気機械およびコンプレッサのニーズに取って代わる冷却を行うこともできる。
（７）体熱による発電の事例。人体は熱を約１００ワット発生させ、この熱を、携帯電話、コードレス電話、音楽プレーヤ、携帯情報端末、懐中電灯などのハンドヘルド製品に有用な電力に変換することができる。本明細書に開示されている熱変換デバイスは、人体との部分的な接触により加わる熱から、こういったハンドヘルド製品用のバッテリを動作または充電させるのに十分な電力を生成することができる。
（８）燃焼燃料からの電力の事例。薪ストーブは、数万ワットの熱を発生させる。かかるトンネル型デバイスは、その熱から１または２キロワットを生成することができる。これは、典型的な家庭電化製品に電力供給するのに十分である。天然ガス、石炭などのその他の燃料を燃焼させることによって、同様に適用することが可能である。これで、僻地の家でも場合によっては、文明の利器を備えるために、送電線網に接続したり、騒音がでる発電機に接続したりする必要がなくなる。]
[0010] ２０．０ナノメートル未満の分離間隙の内部に２つの平行な電極を集積する課題と、本発明者他から提案されたその解決策が、特許文献２と非特許文献６に詳しく記載されている。ここで、圧縮機、タービン、および発電機と比較して、大量生産のために低コストで製造することができ、競争力のある価格を付けることができる、それ自体の真空チャンバを有する、完全にパッケージ化されたデバイスに注目する。このデバイスは、その内部に、特許文献２に概要が示されている間隙形成用のバイメタル電極設計をふくんでいる。]
[0011] １平方センチメートルの領域で約２．０〜２０．０ナノメートルだけ２つの導体を分離する技術が、その間隔に非常に精密なフィードバック制御システムの配列を使用することによって実現されている。制御システムは、実際の離隔距離を計測して、それを所望の離隔距離と比較するフィードバック手段と、次いで所望の離隔距離を維持するために、より近くまたは遠くへ各要素を運ぶ移動手段とを含む。このフィードバック手段は、２つの電極間の静電容量を計測することができる。この静電容量は、離隔距離が低減すると増加する。こういった寸法用の移動手段は、現況技術では、圧電現象、磁気歪現象、または電気歪現象により動きを生じさせるアクチュエータである。特許文献４〜６に、一方の表面の形状をもう一方の表面を使用して形成するステップと、次いでフィードバック制御システムを用いて、使用前に平行度を確定するステップを含んだかかる設計について記載されている。こういった、一方の表面の形をもう一方の表面に突き合せて形成し、平行度を維持するために複数のフィードバック制御システムを使用することに伴なう綿密なプロセスが理由で、この設計手法は、低コスト製造にとって障害になっている。]
[0012] その他の方法が特許文献７〜１１に記載されている。この方法は製作時に電極間に「犠牲層」を挿入するものである。この場合、犠牲層は、２〜２０ナノメートルという所望の間隔付けに近い間隙を電極間に作り出すために蒸着される。上記の３つの方法は、特許文献１２および１３に記載されているように、電極間における歪みまたは熱膨張の差による製作後の変動の影響を受けやすいか、あるいはアクチュエータの配列によってこういった変動を補償する必要がある。]
[0013] ポールがテントを支える方法のように、可撓性を有する電極の間隔を保持する誘電体スペーサを使用することによって、一定期間にわたって所望の間隔を実現、維持する別の方法が、特許文献１４〜２２に記載されている。こういった誘電体スペーサの１つの不利な点は、その誘電体スペーサが一方の電極からもう一方の電極へ熱を伝え、それによって変換プロセスの効率が低下することである。この方法の他の不利な点は、大きな静電気力の存在すると、可撓性を有する電極が、スペーサ間で徐々に引き延ばされ、または変形し、電界電子放出または熱電子放出ではなく伝導が可能になる間隔へとゆっくり移動する可能性があることである。上記の方法を用いてナノメートル間隙を形成する課題の一部については、非特許文献７に概要が示されている。]
[0014] ２つの貼り合わせたウエハの界面に小さな空隙が作られる、電極間に所望の真空間隔付けを実現する他の方法が、特許文献２３〜２７に開示されている。こういった空隙は、２、３ナノメートルの間隙を横切る電子の熱トンネルが可能になるほど小さく、熱トンネルを支援できるが、間隙の周辺で不要な熱伝導が行われ、電極間隔の均一性の制御が難しい。]
[0015] 熱トンネルの間隙を実現する他の方法は、特許文献２８に記載されているように、２つのウエハの対向面を接触させ、次いでアクチュエータを使用して２、３ナノメートル引き離すことによって行う方法である。この方法は、熱トンネルの間隙を作り出すことはできるが、複数のアクチュエータにコストがかかり、間隙領域の外側でウエハ間に熱が伝導するという難点がある。]
[0016] 米国特許第４，３４３，９９３号明細書
国際公開第２００８／０２７９２８号パンフレット
米国特許第６，６５１，７６０号明細書
米国特許第６，７２０，７０４号明細書
米国特許第７，２５３，５４９号明細書
米国特許出願公開第２００７／００３３７８２号明細書
米国特許第６，７７４，００３号明細書
米国特許第７，１４０，１０２号明細書
米国特許出願公開第２００２／０１７０１７２号明細書
米国特許出願公開第２００６／００３８２９０号明細書
米国特許出願公開第２００１／００４６７４９号明細書
米国特許出願公開第２００５／０１８９８７１号明細書
米国特許出願公開第２００７／００５６６２３号明細書
米国特許第６，８７６，１２３号明細書
米国特許第７，３０５，８３９号明細書
米国特許第６，９４６，５９６号明細書
米国特許出願公開第２００４／００５０４１５号明細書
米国特許出願公開第２００６／０１９２１９６号明細書
米国特許出願公開第２００３／００４２８１９号明細書
米国特許出願公開第２００６／０２０７６４３号明細書
米国特許出願公開第２００７／００６９３５７号明細書
米国特許出願公開第２００８／００４２１６３号明細書
米国特許出願公開第２００４／０１９５９３４号明細書
米国特許出願公開第２００６／０１６２７６１号明細書
米国特許出願公開第２００７／００２３０７７号明細書
米国特許出願公開第２００７／０１３７６８７号明細書
米国特許出願公開第２００８／０１５５９８１号明細書
米国特許出願公開第２００６／００００２２６号明細書]
先行技術

[0017] Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum: Use of Nanometer Scale Design, by Y. Hishinuna, T.H. Geballe, B.Y. Moyzhes, and T.W. Kenny, Applied Physics Letters, Volume 78, No. 17, 23 April 2001
Vacuum Thermionic Refrigeration with a Semiconductor Heterojunction Structure, by Y. Hishinuna, T.H. Geballe, B.Y. Moyzhes, Applied Physics Letters, Volume 81, No. 22, 25 November 2002
Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap, by Y. Hishinuma, T.H. Geballe, B.Y. Moyzhes, and T.W. Kenny, Journal of Applied Physics, Volume 94, No. 7, 1 October 2003
Thermionic Refrigeration, By G. D. Mahan, Journal of Applied Physics, Volume 76, No. 7, 1 October 1994
Multilayer Thermionic Refrigerator, By G.D. Mahan, J.A. Sofao and M. Bartkoiwak, Journal of Applied Physics, Volume 83, No. 9, 1 May 1998
“Analysis of nanometer vacuum gap formation in thermo-tunneling devices”, by E T Enikov and T Makansi, Nanotechnology Journal, 2008
“Thermotunneling Based Cooling Systems for High Efficiency Buildings”, by Marco Aimi, Mehmet Arik, James Bray, Thomas Gorczyca, Darryl Michael, and Stan Weaver, General Electric Global Research Center,DOE Report Identifier DE-FC26-04NT42324, 2007
Complex Thermoelectric Materials, by G. Jeffrey Snyder and Eric S. Tober, Nature Materials, Vol. 7, February 2008
Thermal and electrical properties of Czochralski grown GeSi single crystals, by I. Yonenaga et. al. Journal of Physics and Chemistry of Solids2001
“Selective Epitaxial Growth of SiGe on aSOISubstrate by Using Ultra-High-Vacuum Chemical Vapor Deposition”, by H. Choi, J. Bae, D. Soh, and S. Hong, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 48, No. 4, April 2006, pp. 648-652
“Strain relaxation of SiGe islands on compliant oxide”, by H. Yin et. al. Journal of Applied Physics, vol. 91 , number 12, 15 June 2002
Micron-gap ThermoPhotoVoltaics (MTPV), by R. DiMatteo et al, Thermophotovoltaic Generation of Electricity, American Institute of Physics, 2004]
発明が解決しようとする課題

[0018] 特許文献２に記載されている間隙形成設計の実装、製作、およびより具体的な実装の細部における改良が本明細書の開示により提供される。]
課題を解決するための手段

[0019] コストと信頼性がそれぞれ一義的にトレードオフになっている、４つのパッケージ設計手法が提供される。第１の好ましいパッケージ設計は、真空壁としても、電極基板としても、任意選択で相互接続用の回路基板としても機能する、可撓性を有するガラスと可撓性を有するシリコンを使用する。第２のパッケージ設計は、金属挿入物を有する全てガラス製の基板を使用する。第３のパッケージ設計は、真空適合性と可撓性を有するプラスチック材料を使用する。この材料により、コストは低下するが、プラスチックのガス放出により信頼性が低くなり、壁の剛性が低く、孔隙が多少生じる。第４のパッケージ設計は、可撓性がない厚みのあるガラス壁を使用し、したがって間隙形成機構は、外部の振動または衝撃からの外乱をあまり受けない。ただし、この設計は製造コストが高くなる。]
[0020] 上記４つの設計のそれぞれごとに、２つの実施形態が可能である。一実施形態では、各トンネル接合がそれ自体の真空チャンバを有し、別個のコネクタが、複数の接合の相互接続を可能にするために必要である。第２の実施形態では、複数の接合が、内部に相互接続も含まれている１つの真空チャンバを共有する。これに限定されることなく、各図には、単一の接合実施形態が部分集合になる、複数の接合の実施形態が示されている。]
[0021] １．０ナノメートル未満の表面粗さを、この業界で知られている複数の技法のうちの任意のものによって実現することができる。シリコン・ウエハおよびガラス・ウエハは１ナノメートル未満の粗さまで型通りに研磨されるが、金属膜の蒸着によって核および粒子が形成されることから、それに加えて粗くなる。このとき、この表面の粗さを以下によって取り除くことができる。（１）ＣＭＰと呼ばれる化学的機械研磨などの研磨後プロセスを使用する、（２）粒子形成を妨げるまたは最小化するために蒸着中に基板を冷却する、または（３）その表面を未処理ウエハの表面などの周知の平坦な表面に押し付ける。金属、半導体、またはその他の材料上で１．０ナノメートル未満の表面粗さを実現するための、こういった研磨技法およびその他の研磨技法は、この業界では簡単に利用することができる。]
[0022] 本明細書に開示されたデバイスおよび方法のその他のシステム、デバイス、特徴および利点は、当技術分野の技術者には明らかであるか、あるいは以下の図面および詳細な説明をよく読めば明らかになる。全ての追加のシステム、デバイス、特徴、および利点が、この説明に含まれ、本発明の範囲に包含され、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。]
[0023] 添付の図面を参照すると、本明細書に開示されたデバイスおよび方法の多数の態様をより理解することができる。これらの図面の構成部品は、必ずしもスケーリングされておらず、代わりに本発明の原理をはっきり示すことに重点が置かれている。さらに、図面では、同じ参照番号が、複数の図にわたる部品に対応している必要はない。図面に関していくつかの例示的実施形態が明らかにされるが、本明細書の開示をここに明示されている実施形態に限定する意図はない。それどころか、その意図するところは、全ての代替形態、変更形態および均等物を包含することにある。]
図面の簡単な説明

[0024] 図１ａは、中心で接触している１個の湾曲した電極と１個の平坦な電極を備える、本発明の単一の接合の断面図である。図１ｂは、中心で接触している１個の湾曲した電極と１個の平坦な電極を備える、本発明の単一の接合における内部表面領域の図である。
図２ａは、中心の接触を一定の動作条件下で１ナノメートルの間隙と置き換えるためにコーナー支柱が追加された、単一の接合の断面図である。図２ｂは、中心の接触を一定の動作条件下で１ナノメートルの間隙と置き換えるためにコーナー支柱が追加された、単一の接合における内部表面領域の図である。
図３aは、図１ａおよび１ｂまたは図２ａおよび２ｂの接合の、電気的活性時に冷却を行う使用方法を示す図である。図３ｂは、図３ａと同じデバイスの、熱を電気に変換する使用方法を示す図である。
図４ａ〜図４ｄは、直列に電気接続された複数の接合を単一の真空パッケージに一体にする方法を示す図である。シリコンが部分的な真空壁としてに加えて可撓性を有する基板として機能し、可撓性を有するガラスが残りの真空壁としてに加えて熱アイソレータとして機能する。
図５ａおよび図５ｂは、熱電接合を作り出し、その接合を互いに接続する膜積層体を含んだ図４のデバイスの詳細な断面図である。
基板および真空壁として可撓性を有するガラスを使用し、接合から離間したところの熱伝導を改善するための金属挿入物がそのガラス内に含まれている、図５ａおよび図５ｂの代替実施形態の図である。
可撓性を有し真空適合性を有するプラスチックを真空壁として使用し、別個のシリコン・ダイを基板として使用する、図５ａおよび図５ｂの他の代替実施形態の図である。
図８ａおよび図８ｂは、剛性を有するガラスを真空壁として使用し、可撓性を有するシリコンを基板として使用する、図５ａおよび図５ｂの他の代替実施形態を示す図である。
図９ａは、いくつかの材料を取り除くことによって、バイメタル配置の中心における曲率を低減する（これにより、トンネル活性領域は増大する）ための構成を示す図である。この構成は、図１〜図８の実施形態の任意のものまたは全てに適用することができる。図９ｂは、穴の曲率半径および半径をプロットした図である。
図１０ａは、電子流のためのより大きなトンネル領域と結合された小さな接触領域を可能にする点で図１ａおよび図１ｂと図２ａおよび図２ｂと類似する、他の幾何的構造の図である。
図１０ｂは、電子流のためのより大きなトンネル領域と結合された小さな接触領域を可能にする点で図１ａおよび図１ｂと図２ａおよび図２ｂと類似する、他の幾何的構造の図である。
図２ａに示されているものと同様のデバイスの図である。
チップ温度に対してペルティエ係数をプロットした図である。] 図１ 図１０ａ 図１０ｂ 図１ａ 図１ｂ 図２ 図２ａ 図２ｂ 図３ 図３ａ
実施例

[0025] 熱電デバイスの性能指数は次式で示される。



αはゼーベック係数（単位温度差当たりのボルト）、Ｔは温度（ケルビン）、Ｋは熱伝導度（単位温度差当たりのワット）、Ｒは電気抵抗である。電気抵抗Ｒはさらに、以下のように表すことができる。



ρは熱電材料の電気抵抗率、Ｌはこの材料内で電子が移動しなければならない長さ、Ａｅは電子流の断面積である。熱伝導度Ｋはさらに、以下のように表すことができる。



Ｌはやはり材料の長さである。金属または半導体における熱伝導度には２つの仕組みが存在する。１つは電子流によるもの、もう１つは音子流によるものである。この音子流による熱伝導度はまた、格子熱伝導度とも呼ばれる。この等式では、κｅは電子による熱伝導度成分、Ａｅはやはり電子が流れることができる断面積である。κｌは音子による熱伝導度成分、Ａｌは音子が流れることができる断面積である。このＲとＫの式をＺＴの上記公式に代入すると、以下の等式が得られる。



熱電材料では、従来の熱電デバイスの場合Ａｅ＝Ａｌであり、したがってＫＲ＝κρになる。熱電デバイスでは、効率に影響を及ぼす電気的な損失を低減するために、電気抵抗を最小限にすることが望ましい。また、高温側から低温側への熱の逆流による損失が最小限になるように、熱伝導度を最小限にすることも望ましい。従来の熱電デバイスでは、電子は熱電気的に活性な材料を介してしか伝わることができない。図１ａおよび図１ｂに示されている本発明の一実施形態では、断面積の一部分を電子および音子が伝わるが、電子だけがはるかに広い面積をトンネルすることができる。音子流よりも電子流の面積を広くすることによって、デバイスの性能をかなり向上させることができる。本発明の要は、ＡｌをＡｅよりも小さくすることができるデバイスである。この差によりＺＴがより大きく、効率および性能がより高くなる。] 図１ａ 図１ｂ
[0026] 図２に示されている本発明の別の実施形態では、音子は伝達不可だが、電子はやはり断面積全体にわたってトンネルすることができ、それにより、性能および効率が図１ａおよび図１ｂに示されているよりもいっそう向上する。この場合、Ａｌはゼロになり、それによってＺＴ、効率および性能がいっそう大きくなる。] 図１ａ 図１ｂ 図２
[0027] 各図面では全体を通して同じ参照番号が同じ要素を示し、これらの図面をより詳細に参照すると、図１〜１２に、本明細書に開示されているデバイスおよび方法の例示的実施形態が示されている。] 図１ 図１０ａ 図１０ｂ 図１１ 図１２ 図２ 図３ 図４ 図５ 図６
[0028] 図１ａでは、２つの電極が示されている。一方は湾曲し、もう一方は基本的に平坦である。一片の単結晶シリコン１００が基板として機能し、この基板は、上端から下端まで電気伝導を可能にするために、０．００１〜０．０１Ωｃｍのレベルまで高濃度にドープされる。これに限定されることなく、シリコン・カーバイド、ゲルマニウム、ガリウム砒素などのその他の半導体を基板１００に使用することもできる。金属層１０１と１０２の両タイプが電流を一面に広げる働きをして、その電流がシリコン基板１００の領域全体を挟んで流れることが可能になり、それによってこのデバイスの上端から下端への電流抵抗が低減する。金属層１０１は、金属層１０２よりも厚さが厚いか、横方向が長く、あるいは厚さも厚く横方向も長い。層１０３は、熱電気的に活性な材料である。高い温度でシリコン基板１００に金属層１０１を蒸着またはその他の方法で付着させると、湾曲した上側電極が形成される。層１００と１０１の対の蒸着または接着後、室温まで冷却すると、シリコン１００よりも金属１０１の熱収縮が大きいことから、図示されている湾曲形状を引き起こす機械的応力が生じる。この湾曲は両横方向の寸法に生じ、それによってこの湾曲形状はドーム形になるが、図１ａでは断面図のみを示す。これに限定されることなく、湾曲した表面を実現する構成には、微細機械加工や内部真空空洞の引張力などのその他の構成も含まれる。] 図１ａ
[0029] 動作中、図１ａの２つの電極は、互いに押し付けるように荷重がかかったばねになる。この図の装置は、真空チャンバ内に配置される。冷却のためにこのデバイスを作動させるには、最上部の金属層１０１と最下部の金属層１０２の間に電圧を印加する。この電圧により熱電気的に活性な層１０３を通過する電流が生じ、この電流によって、材料１０３がｐ型の場合はその電流と同じ方向に熱が移動し、材料１０３がｎ型の材料の場合はその電流と反対方向に熱が移動する。発電のためにこのデバイスを作動させるには、下側電極に熱を印加し、これにより下側電極と上側電極の間に温度勾配が生じ、この勾配によって、上部電極と下部電極の間にゼーベック電圧と呼ばれる電圧が発生する。] 図１ａ
[0030] 図１ａに示されている本発明の中心部分１０７は、１つの独自の例外を除いて、従来の熱電デバイスと同様である。この例外が、本発明の要となる態様である。標準的な熱電デバイスでは、中心部分１０７にある活性層１０３は上端から下端まで連続的であるはずである。本発明のデバイスでは、活性層１０３は、図１ｂに示されている接触領域１０４を垂直に貫いて、ある程度連続性を有する。この接触領域１０４では、電子と音子の両方が熱を伝えることができ、電子が電気を伝えることができる。接触領域１０４を取り囲む領域１０５が特に着目する箇所である。このデバイスの幾何形状は、電子は非接触の真空間隙領域１０５をトンネルできるが、真空層により結晶格子が途切れることから音子は全く流れることができないように設計されている。したがって、電子流１０５の領域は、音子流１０４の領域よりも大きい。領域１０６はシリコン基板の全領域であり、真空の間隙が大きすぎて電子がトンネルできないことから電子も音子も流れることができない領域を含むことができる。] 図１ａ 図１ｂ
[0031] 図１ａのデバイスの性能指数ＺＴの改善度を見積もるために、活性層材料１０３は、最も広く用いられる熱電材料のＢｉ２Ｔｅ３であると仮定する。さらに、動作温度Ｔは室温すなわち３００ケルビンであると仮定する。この材料については、パラメータ値が広く公表されており、α＝２６０マイクロボルト／ケルビン、ρ＝０．００１Ωセンチメートル、κｅ＝０．４ワット／メートル・ケルビン、κｌ＝１．６ワット／メートル・ケルビンである。従来の熱電デバイスではＡｅ＝Ａｌである。これらの値を以下のＺＴの公式に代入する。



上記ＺＴの公式を計算すると１．０４という値になる。この値は、Ｂｉ２Ｔｅ３デバイスの、公表され、一般に引用されているＺＴ性能（Ａｅ＝Ａｌ時）である。次に図１ａおよび図１ｂを参照し、音子流の領域１０４の半径が電子流の領域１０５の半径の４分の１であると仮定すると、Ａｌ／Ａｅは１／１６であり、これにより上記等式からＺＴ＝４．０６が得られる。したがって、図１ａおよび図１ｂに示されている実施形態では、熱電性能の性能指数ＺＴを従来のデバイスのおよそ４倍にできることがわかる。これに限定されることなく、Ｂｉ２Ｔｅ３の代わりに複合熱電材料を用いてもよい。複合熱電材料の一例は超格子である。超格子は複数の非常に薄い膜からなる熱電膜であり、この膜の境界が格子熱伝導度を低減させる。複合熱電材料の他の例には、クラスレートやカルコゲニドが含まれる。複合熱電材料の総括については、非特許文献８に記載されている。] 図１ａ 図１ｂ
[0032] 図２ａおよび図２ｂに、４つのセパレータ１０８が４つのコーナーの電極の間にそれぞれ配置された、図１ａおよび図１ｂの実施形態の変形形態が示されている。図２ａは断面図なので、これらのセパレータのうち２つのみが示されている。こういったセパレータは、ガラスまたはその他の熱／電気伝導度が低いと好ましい誘電体材料で形成することができる。セパレータ１０８の高さの選択は、上側電極が発熱するとシリコンと金属の熱膨張の差によって上側電極が平坦になり、コーナーのセパレータが支持体になるので、最終的に中心に間隙が形成されるように行われる。図２ａの間隙が２つの電極の間に１ｎｍ以下の真空層を作り出すように制御されると、図１ｂの１０４で示されている接触領域はなくなり、全ての音子流が遮断される。ただし、電子は、領域１０５においてトンネルすることができる。この場合Ａｌ＝０であり、以下のＺＴの公式により、



上記のＢｉ２Ｔｅ３の定量化された材料パラメータの場合、室温で５．０７というＺＴが得られる。] 図１ａ 図１ｂ 図２ａ 図２ｂ
[0033] これまでに述べた本発明のＺＴの計算では、仮定として、従来の熱電デバイスに今日広く用いられている熱電材料Ｂｉ２Ｔｅ３の特性を用いている。図２ａおよび図２ｂに示されている実施形態の場合は、熱電材料の格子熱伝導度は、真空間隙領域１０５により全ての音子流が阻止されることから無関係である。図１ａおよび図１ｂに示されている中心を接触させる手法では、大部分の音子流が阻止される。こういった理由から、本発明に最適な熱電材料は、従来のデバイスの最適条件として確立されてきたＢｉ２Ｔｅ３でなくてもよい。格子熱伝導度が大きい、あるいはそれより大きい材料が含まれると、本発明のデバイスための候補材料の余地を広げることができる。こういった新しい材料の可能性は、多数の理由で重要である。周期律表における格子熱伝導度が低い元素は、原子量が比較的大きな元素である。原子量が比較的大きな半導体および金属は、（１）毒性、（２）放射性、（３）高コスト性、（４）天然の形であれ人工の形であれ稀少性、（５）より高い温度に対する不耐性といった、望ましくない物性を有する傾向がある。] 図１ａ 図１ｂ 図２ａ 図２ｂ
[0034] 例えば毒性は、従来の熱電材料では主要な懸案事項である。従来のデバイスで使用されている、テルルおよびそれと同様のアンチモンのような元素は毒性を有する。シリコンおよびゲルマニウムは、無毒性で豊富かつ安価な半導体である。しかしながら、シリコンおよびゲルマニウムは、その格子熱伝導度がテルルおよびアンチモンよりも数倍高いので、従来の熱電デバイスでは使用されない。シリコンおよびゲルマニウムは、図２ａおよび図２ｂの実施形態では、格子熱伝導度が真空の間隙によって最小化されることから、まさに効果的に機能するはずである。] 図２ａ 図２ｂ
[0035] また、熱電デバイスを発電に使用するには、そのデバイスを高い温度で動作させることが強く求められる。熱力学的法則から、機関の温度差が高いほど、その機関の効率が高いことがわかる。高効率の発電機を維持するには、１０００ケルビンに迫る非常に高い温度が必要である。こういった温度は、石炭、ガス、または核エネルギーが燃料として供給される発電所の機関では日常的に使用されている。熱電デバイスが、既存の発電所に匹敵するには、その同じ温度を維持する必要がある。ビスマス、テルル、およびアンチモンはそれぞれ、５５５Ｋ、７２３Ｋ、９０４Ｋという融点を有する。これらの融点が低いことから、従来の熱電デバイスの動作温度は５００Ｋに制限されてきた。この従来のデバイスの高温側が５００Ｋで、低温側が室温すなわち３００Ｋまで冷却されるとすると、理論的な最大効率は４０％であり、これは無限大のＺＴを前提とする。しかしながら、シリコンおよびゲルマニウムは１６９３Ｋ、１２１１Ｋという融点を有し、したがって、熱力学的効率の点で既存の発電所に匹敵するのに必要な、最大１０００Ｋまでの温度を維持することができる。シリコン・ゲルマニウムの熱電性能の詳細については、非特許文献９を参照されたい。こういった材料の表面挙動の詳細については、非特許文献１０、および非特許文献１１を参照されたい。]
[0036] 本発明の他の利点は、一定温度範囲にわたる動作能力である。従来の熱電デバイスでは、Ｂｉ２Ｔｅ３およびそれと同様の材料が低い温度（格子熱伝導度は低いが、融点が低い）で使用され、ＳｉＧｅなどのその他の材料がより高い温度（格子熱伝導度は高いが、融点が高い）で使用される。本発明によると、図１ａおよび図１ｂと図２ａおよび図２ｂに示されている真空の間隙によって格子熱伝導度が部分的にまたは完全になくなることから、ＳｉＧｅなどの材料を全温度範囲で使用することが可能になる。] 図１ａ 図１ｂ 図２ａ 図２ｂ
[0037] 熱電デバイスは一般に可逆である。つまり、熱電デバイスを電流が通過すると冷却が引き起こされ、逆に、熱を一方の側にかけると電圧が発生する。本発明のデバイスもまた可逆であり、図３ａおよび図３ｂに、２つの動作モードのそれぞれについて好ましい構成が示されている。図３ａに好ましい冷却構成、図３ｂに好ましい熱による発電構成が示されている。] 図３ａ 図３ｂ
[0038] 図３ａでは、厚みのある銅層付きの湾曲したバイメタル電極１１３が高温側にある。電圧源１０９が、このデバイスの上端と下端にワイヤ１１０を介して電圧を印加する。この電圧により、デバイスの中心の熱電材料を通る電流が発生し、この電流によって、使用されている熱電材料がｎ型であると仮定すると、下部電極から上部電極へ熱が移動する。これに限定されることなく、印加する電圧１０９を逆にすることによって、電流が反対方向に流れる同様の図を作ることができ、ｐ型の材料を用いると、熱はやはり下部電極から上部電極へ流れるはずである。] 図３ａ
[0039] 図３ａのデバイスがオフの場合、電圧１０９はゼロであり、２つの電極の間で中心が接触している。電流によって熱が上部電極へ移動し、その温度が上昇する。この上昇した温度により上部電極が平坦になり、それによって最終的に中心に間隙が作り出される。ここで上部電極は支持用のコーナー・セパレータを使用する。中心の間隙の大きさは、平衡値に達するまで大きくなる。外乱により間隙が平衡値よりも大きくなる場合、その間隙によって２つの電極間の回路が開放されるので、流れる電流が少なくなる。電流が少ないということはつまり、上側電極へ移動する熱が少なくなり、その温度が下がり、再び平衡が確立するまで上側電極は屈曲して下部電極の方へ戻る。逆に、外乱により間隙がその平衡値よりも小さくなる場合、流れる電流が多くなり、より多くの熱が移動し、上部電極の温度が上昇し、再び平衡が確立するまで上側電極は屈曲して下部電極から離れる。] 図３ａ
[0040] 図３ａのデバイスは、活性層１０３を熱電気的に感受性を有する材料であるよう選択することによって、ペルティエ効果とも呼ばれる熱電冷却方式に利用することができる。テルル化ビスマス、テルル化アンチモン・ビスマス、テルル化鉛、シリコンゲルマニウム、およびその他の多数の材料が、熱電効果を示すことで知られているが、これに限定されることはない。図３ａのデバイスに適用された熱電気的方式の場合、間隙を障壁フリーにすることができる。この意味は、間隙を横断する電子は、平均より高いエネルギーを必要とするということである。熱電材料１０３のバンドギャップの量子障壁はすでに、熱の移動を可能にするより高いエネルギーの電子を選択的に通すようになっている。したがって、この場合、格子熱伝導を妨げるには、２つの活性層１０３の間にナノメートル間隙があればよい。図３ａのデバイスはまた、活性層１０３を仕事関数が低い材料になるように選択することによって、熱トンネル冷却方式に利用することもできる。仕事関数が低い材料の例は、セシウム、バリウム、ストロンチウムおよびそれらの酸化物である。層１０３は、単原子層、準単原子層、複合単原子層、または蒸着膜の形をとることができる。図３ａのデバイスに適用された熱トンネル方式の場合、間隙の長さは、より高いエネルギーの電子のみが横断できる障壁を形成する。熱トンネルの適用例では、ナノメートル間隙が、電子を選択的に通すための量子障壁と、格子熱伝導度の途切れの両方として機能する。] 図３ａ
[0041] 図３ｂにおける好ましい発電構成では、湾曲したバイメタル電極がここでは低温側であることに留意されたい。熱が、熱源１１１から平坦な電極に印加される。熱源の温度が動作中に変動する可能性があることから、例えば集光型太陽熱発電用途と同様に、間隙をその最適値から変化させない側に熱を適用すると好ましい。熱電デバイスでは典型的であるように、熱源１１１により、熱電気感受性を有する材料内部に温度勾配が生じ、その熱電気感受性を有する材料は、電力１１２を必要とする電気回路にワイヤ１１０を介してもたらすことができる電圧を作り出す。] 図３ｂ
[0042] 熱源１１１に熱が印加されない場合、２つの電極の間で中心が接触している。熱源がオンになると、この熱の一部分が中心接点を介して流れて、上部電極１１３の温度が上昇する。この上昇した温度により上部電極１１３が平坦になり、このとき上部電極がコーナー・セパレータ１０８上に載置されていると、最終的に中心に間隙が生じる。冷却の場合と同様に、平衡間隙が形成される。外乱により間隙が平衡より大きくなる場合、間隙を横切る熱がより少ないことから上部電極が冷却され、これにより上部電極１１３が下部電極の方に屈曲し、再び平衡が確立する。外乱により間隙が平衡よりも小さくなる場合、中心で増大した熱伝導度により、上部電極の温度が上昇し、再び平衡間隙が確立されるまで、その電極の中心が屈曲して離間する。]
[0043] 図３ｂのデバイスは、活性層１０３を熱電気的に感受性を有する材料にするよう選択することによって、ゼーベック効果とも呼ばれる熱電発電効果に利用することができる。やはり、これに限定されることなく、ペルティエ効果を示す上記と同じ材料も、ゼーベック効果を示す。図３ｂのデバイスはまた、活性層１０３を仕事関数が低い材料になるように選択することによって、熱トンネル型の発電に利用することもできる。これに限定されることなく、熱トンネル型の冷却に役立つ同じ材料も、熱トンネル型の発電に役立つ。図３ｂのデバイスはまた、下側活性層材料１０３を光電子放出性を有するように選択し、上側層１０３を感光性を有するように選択することによって、熱光電方式にも適用することができる。光電子放出性材料は、熱の印加に応答して光子を放出する。感光性を有する材料は、光子を受け取ると電気を生成する。光子はまた、図３ｂに示されているものなどの真空の間隙をトンネルすることができ、それによって断熱性を保持しながら熱を電気に変換する。光子のトンネルに必要な間隙の長さは一般に、波長よりもはるかに小さい。可視光では、波長は４００〜７００ナノメートルであり、したがって１ｎｍ〜２００ｎｍという間隙長さは効果的な光子のトンネルには十分小さい。これに限定されることなく、光電子放出性材料の例には、タングステンやチタンがある。またこれに限定されることなく、感光性を有する材料の例には、シリコン、ゲルマニウム、テルル、カドミウム、およびそれらの組合せなどの光起電性の材料が含まれる。熱光電方式の概要については、非特許文献１２を参照されたい。] 図３ｂ
[0044] 上記の図１〜図３では、単一の熱電接合の好ましい実施形態を示した。図４ａ〜図４ｄでは、金属膜が蒸着された標準的なシリコン基板を使用して、標準的なウエハ貼り合わせ方法および装置を使用して高温側と低温側を一緒に真空封止した複数の接合をどのように製作できるかを示す。] 図１ 図２ 図３
[0045] 図４ａでは、中間にガラス・フレーム１１４用いて、上部基板１１５が下部基板１１６共にどのように得られるかを示す。これらの３つの構成部品１１５、１１６、および１１４はまた、真空チャンバの壁も含む。上部１１５および下部１１６はそれぞれ、重なった周に沿ってガラス・フリットまたはその他の真空封止接着剤を使用して、ガラス・フレーム１１４に取り付けられる。下部基板１１６はガラス・フレームよりも、真空シールよりも外に向かって延びて、電気接続部１２０を露出する。こういった電気接続部により、デバイスを冷却用電源または発電用の電気的負荷に接続することができる。図４ｄの下部シリコン基板１１６は、熱電積層体１１８および２０３およびそれに関連付けられた相互接続回路１１７の支持体として機能する。図１ａおよび図１ｂと図２ａおよび図２ｂと対比して、図４ａおよび図４ｂのシリコン基板を介して電流が流れなくともよいことに留意されたい。図４ａおよび図４ｂのこの実施形態で使用されるシリコン基板は、シリコンが短絡回路にならないように、ドープされないか、またはわずかにドープされる。この図４ｄの基板１１６はまた、真空パッケージの下部として機能する。図４ｃの上部シリコン基板１１５は厚みのある金属パッド１０１を有する。これらのパッドは、厚みのある金属１０１とシリコン基板１１５の間におけるバイメタルの応力によって引き起こされる局所的な湾曲が室温および動作温度で生じるように、シリコン基板１１５に高温で蒸着または付着される。上部基板はまた熱電積層体も有し、この熱電積層体は、図４ｄの下部基板の熱電積層体１０３および１１８に面する。上部基板の熱電積層体は図４ｃに示されていない。図４ｂのガラス・フレーム１１４の主な機能は、ガラスがシリコンよりもはるかに低い熱伝導度を有することから、高温側と低温側の間の熱伝導度を最小限にすることである。上部／下部シリコン基板を直に向かい合わせて周を貼り合わせると、熱伝導度が高くなり、性能が低下するはずである。図４ｂのガラス・フレーム１１４の側幅は、所望の断熱量を達成するように選択することができる。] 図１ａ 図１ｂ 図２ａ 図２ｂ 図４ａ 図４ｂ 図４ｃ 図４ｄ
[0046] 図５ａに、膜積層体付近の詳細部を含んだ、図４のデバイスの断面図が示されている。図５ｂの挿入図は、図５ａの拡大図である。ガラス・フレーム１１４が、外周封止剤１２１を使用して上部基板１１５に貼り合わせられ、真空封止される。外周封止剤１２１はガラス・フリット、半田、圧着、またはその他の適当な材料であってよい。同様の外周封止剤１２１で、上記ガラス・フレーム１１４が下部基板に貼り合わせられる。電気接続用のパッド１２０が外部に露出する。ゲッタ１２２が、デバイスの寿命が尽きるまでの間、残留ガス、放出ガス、または侵入ガスと反応するように、真空の空洞内部に配置される。これは理想的な真空状態に近い状態を維持するのに役立つ。電気パターン１１７が熱電パッドを互いに接続し、それらを外部パッドに接続する。任意選択のガラス支柱１０８が、動作中に間隙が形成されると各熱電積層体のコーナー・セパレータとして機能する。デバイスがオフすると、熱電積層体の中心接触部が、上部電極と下部電極を互いに引き寄せる真空圧力に対抗する支えとなる。膜１０１は、基板１１５よりも高い熱膨張係数を有する、厚みのある膜である。この膜１０１は、上述した理由のために、高い温度で基板１１５に蒸着または貼り合わせられる。銅、アルミニウム、スズ、その他多くの金属および合金が膜１０１に適する。膜１１９は、チタン、タングステン、または、厚みのある膜１０１と基板１１５の間の良好な接着を可能にするその他の合金などの、別の金属からなる厚みのない層である。これに限定されることなく、その他の接着層が当業者に知られている。] 図４ 図５ａ 図５ｂ
[0047] 次に、このデバイスの内側部分に蒸着された膜について説明する。接着層１０２は、基板１１５または１１６と、高い電気伝導度を有する膜１０２との間の良好な接着を可能にする。膜１０２は、熱電積層体から熱電積層体へ、そして外部接続部へと大部分の電流を伝える。膜１１８が熱電気的に活性な層であり、この層は、半導体、酸化物、仕事関数が低い材料、上記に述べた感光性を有する層または光電子放出層であってよい。]
[0048] 熱電接合は低い電圧と高い電流を特徴とすることから、大部分の熱電デバイスでは熱電接合を直列に内部接続する。数多くの直列接続された接合を有することによって、個々の接合電圧の合計と利用可能な供給電圧または負荷電圧を、より効果的に整合させることができる。こういった直列接続では、つまり、ｐ型接合では熱は電流と共に流れ、ｎ型接合では熱は電流に対向して流れることができる。]
[0049] 図４ｄの熱電膜１０３に好ましい材料は、冷却構成では、ｎ型積層体の場合テルル化ビスマスであり、ｐ型積層体の場合テルル化アンチモン・ビスマスである。図４ｄおよび図５ｂの膜１１８は、ｐ型材料が、ｎ型材料１０３と対してどのように使用されるかの例を示している。発電動作では、膜１０３および１１８に好ましい材料は、それぞれ各種組成を有するシリコン・ゲルマニウムである。これに限定されることなく、膜１０３の材料は、超格子熱電材料、量子井戸、適切にドープされた半導体、またはその他の熱電材料にすることもできる。] 図４ｄ 図５ｂ
[0050] 図６に、図４ａおよび図４ｂと図５ａおよび図５ｂのデバイスの代替実施形態が示されている。ガラス１２４が、上部基板と下部基板の両方として使用される。ガラスはシリコン（１５０ワット／メートル・度）よりもはるかに低い熱伝導度（１ワット／メートル・度）を有するので、熱電接合から外側へ熱を伝えるには別の手段が役立つ。ガラス基板１２４の金属挿入物１２３がこの手段を提供し、これで熱電接合から外側へ熱をよく伝達する経路が存在する。金属挿入物１２３はまた任意選択で、金属パターン１１７を使用して熱電接合同士を接続するための電気的経路を形成する。こういった金属パターンは、基板の上面と下面によって画成される真空空洞の内側または外側に配置することができる。厚みのある金属パッド１０１によりバイメタル構成が設けられ、やはり湾曲が生じる。図６のデバイスの残りの部品および動作は、これに非常によく似た図４ａおよび図４ｂと図５ａおよび図５ｂの図から明らかである。] 図４ａ 図４ｂ 図５ａ 図５ｂ 図６
[0051] 図７に、可撓性を有するプラスチック真空壁１２７を使用する、図４ａおよび図４ｂと図５ａおよび図５ｂのデバイスの他の代替実施形態が示されている。ポリイミドやカプトンなどの可撓性を有するプラスチック材料は、放出ガスが非常に少ない、したがって真空環境に適合していることで知られている。図７では、シリコン基板１００、任意選択のガラス支柱１０８、バイメタル構成がやはり使用される。ポリイミド真空壁１２７は電気パターン１１７を有し、この電気パターン１１７は、スルーホール１２６とワイヤに簡単に電気接続するための半田パッド１２５とを使用して熱電積層体間の接続と外部接続への接続を行う。真空シール１２５が外周の周りに設けられる。この外周真空封止を実現する１つの方法は、銅または同様の金属のパターン１２８を配置し、封止剤として半田１２５を使用することである。これに限定されることなく、その他の封止技術を適用することもできる。ポリイミドは多孔質であることで知られており、金属膜、シリコン二酸化物、またはその他の膜などの非多孔質材料の厚みのない層が場合によっては必要である（図示せず）。] 図４ａ 図４ｂ 図５ａ 図５ｂ 図７
[0052] 図４〜図７に示されている実施形態はすべて、真空壁として可撓性を有する材料を使用する。いくつかの実装形態では、特に過酷な環境において、剛性を有するパッケージが所望される、または必要である場合がある。図８ａおよび図８ｂに、真空壁が剛性を有するガラス基板１２９である代替実施形態が示されている。剛性を有するシリコン基板１００が、外側への電気接続および熱接続を可能にするために、ガラスにある穴１３１から露出している。図８ａおよび図８ｂのデバイスの製作では、上側基板および下側基板１２９は穴１３１を備えるガラス・ウエハとして開始される。これらの基板は、穴１３１以外は、真空空洞の上端および下端として機能する。シリコン基板１００はこの穴１３１の外周の周りで真空封止される。ガラス格子１３０が、上側基板と下側基板の間に挿入され、真空シールによって外周が貼り合わせられる。バイメタル構成が、厚みのある金属層１０１と組み合わせた中間のシリコン・ダイ１００によって実現し、このバイメタル構成と剛性を有するシリコン・ダイとの電気接続が、金属バンプ１３４によって行われる。可撓性を有する熱界面層１３２が、屈曲時に順応できるようにしながら熱の流れを可能にするように、可撓性シリコン・ダイと剛性シリコン・ダイの間に配置される。熱界面層１３２はこれに限定されることなく、グラファイトであってもよい。任意選択のガラス支柱１０８は、やはり同じ機能に役立つ。図８ａの点線は、個々のデバイスがウエハソー、超音波ソー、レーザ・アブレータ、または同様のマシンを使用して裁断される箇所を示す切断線である。図８ｂには、裁断された最終的なパッケージが１つ示されている。このパッケージの外側全体は、スルーホール１３１によって露出している金属以外は、剛性を有するガラスである。そういった金属は、剛性を有するシリコン基板に蒸着されている。図８ｂの上面および下面が、図８ａの上部および下部シリコン基板ウエハ１２９からのものであり、図８ｂの側壁が、ガラス基板ウエハ間に挿入されたガラス格子１３０を半分にしたものであることに留意されたい。] 図４ 図５ 図６ 図７ 図８ａ 図８ｂ
[0053] 上記の説明から、以下が性能指数ＺＴの公式になる。



音子のトンネル面積すなわち接触面積Ａｌに対して、電子トンネル面積Ａｅが大きいにより、ＺＴが高くなり、それによってデバイスの性能が向上することは明らかである。図１〜図８に示した前の実施形態では、領域ＡｅおよびＡｌはバイメタルの曲率によって決まり、このバイメタルの曲率は、基板および厚みのある金属膜に使用される材料の物性と幾何形状（厚みおよび幅）の関数である。図９ａに、使用される材料または電極の寸法を変更せずに曲率をさらに低減させるための構成が示されている。バイメタルの厚みのある膜１３５の中心領域にある金属層が取り除かれるか、基板１３６に蒸着されないか、またははるかに薄い厚みで蒸着され、それによって１３７に位置する空隙が残る。この最終的な成果物が、中心の曲率がより小さい、すなわち中心の曲率半径がより大きいデバイスになる。図９ｂに、Ｙ軸１３８が曲率半径、Ｘ軸１３９が穴１３７の半径を示すグラフが示されている。グラフ１４０の値は、ＡＮＳＹＳソフトウェアを使用したコンピュータ・シミュレーションで生成された。このグラフで示されているように、中心におけるバイメタルの曲率半径は、穴の直径が大きくなるにつれて増大する。このシミュレーションでは、図９ａにある方形のバイメタル構造の横寸法は１０ミリメートルである。穴の半径がバイメタルの半幅の大きさに向かって大きくなるにつれて、中心１４１における曲率半径が限度なく大きくなる。これは、この手法によって非常に小さな中心曲率を実現できることを示している。] 図１ 図２ 図３ 図４ 図５ 図６ 図７ 図８ 図９ａ 図９ｂ
[0054] 図１０ａおよび図１０ｂに、トンネル領域によって取り囲まれた局所的接触領域を実現するためのその他の類似する幾何形状が示されている。図１０ａでは、トンネル領域は、接触時により薄くなる環状リングを取り囲む、環状のリングである。図１０ｂでは、トンネル領域は、接触時により薄くなるストライプを取り囲む、直線状のストライプである。図１ａおよび図１ｂと図２ａおよび図２ｂに示されているものと同じ概念を用いる、他の類似する多数の幾何形状が可能である。] 図１０ａ 図１０ｂ 図１ａ 図１ｂ 図２ａ 図２ｂ
[0055] 図１１に、本発明の概念を試験するために構築された図２ａと非常に類似している装置が示されている。各電極は１平方センチメートルであった。バイメタル構成は、厚さ２７０ミクロンのシリコン・ダイ２０４に半田付けされた、厚さ１２５ミクロンの真鍮プレート２００からなっていた。コーナー・セパレータ２０８が厚さ６０ミクロンの紙で形成され、それぞれ約１平方ミリメートルのコーナー接触面積からなっていた。熱電層は、ビスマス１０ナノメートルの後にテルル１５ナノメートルを、全厚が１ミクロンに達するまで繰り返し蒸着することによって形成された。銅膜２０２および２０６は厚さ３．０ミクロンであり、電流拡散層として働き、これにより電流がシリコン・ダイ２０４の領域全体にわたって伝わることができるようになった。チタン接着層２０３および２０５が、シリコン・ダイ２０４の上面と下面の両方において銅とシリコンの間に配置された。シリコン・ダイ２０４上の全ての層が、高真空圧に維持された電子ビーム蒸着システムにおける純粋な元素源からの熱蒸着を使用して順次蒸着された。製作後、完成した電極は、Ｂｉ２Ｔｅ３膜を焼鈍するために、摂氏２００度で約１時間焼成された。下部電極は、図１１に示されているように上下反対に配置される以外は、上部電極と全く同様に製作された。] 図１１ 図２ａ
[0056] 図１１に示されている電極対全体が、真空ベルジャー内で、ばね荷重式の電気コネクタの間に配置された。このばね荷重式のコネクタに、ＤＣ電源からの電圧が印加された。電圧計により、ちょうど真鍮プレートのところの電圧を読み取ることができ、２本の小型熱電対により、各真鍮プレート上の温度を読み取ることができた。このデバイスを通過する電流は、電源における計測器から読み取った。] 図１１
[0057] 実験中は、印加する電圧を徐々に上昇させ、各電極の電圧、電流、および温度を複数のデータ点で計測した。供給電圧が上昇すると、電流が増加し、このデバイスの電気抵抗により両方の電極が発熱した。電極対が約摂氏５０度まで発熱すると、ナノメートル間隙が生じ始めた。]
[0058] 図１２に、ナノメートル間隙が形成されたことと、熱電効果がナノメートル真空間隙の形成によって強化されたことが示されている。図１２では、平均電極温度の複数の読取り値の軸２１２に対して、ペルティエ係数の軸２１１が示された。ペルティエ係数はゼーベック係数に比例する。このデバイスが摂氏約５７度まで発熱すると、間隙が生じはじめ、ペルティエ係数が急上昇する。これにより、本発明の間隙形成手段の利点が証明される。円形のデータ点２１３は、四角形のデータ点２１４と反対方向の電流を示す。この実験のＺＴは０．２であると見積もられた。] 図１２
[0059] 上記の計測に使用された装置における多数の制限事項により、１．０４という現況技術のＺＴよりも良好なＺＴを実証することはできなかった。膜蒸着プロセスの化学量論比が不均一であったことが原因で、間隙形成前のペルティエ係数およびゼーベック係数が低かった。Ｂｉ２Ｔｅ３の想定されるペルティエ係数値は、約０．０６ワット／アンペアである。間隙がない場合のこの実験における計測値は、約０．０１５ワット／アンペアであった。より低い計測値は、交互層由来の不均一な化学量論比が原因である可能性がある。というのは、ペルティエ係数はその材料の正確な化学量論比に強く依存するからである。表面の粗さは、必要な１ナノメートルよりもはるかに大きかった。シリコン・ダイに半田付けされた真鍮プレートの曲率は、半導体ファウンドリにおける高温基板の蒸着により可能となるはずのものよりもはるかに大きい。最後に、紙製のスペーサにより、好ましい実施形態でガラス・セパレータであるものよりもはるかに大きい熱逆流がもたらされた。ガラス・セパレータは、横方向を、この実験で使用された紙製スペーサの１０００ミクロンではなく、２５ミクロンになるように半導体加工によって製作することができる。こういった制限がなければ、現況技術のＺＴ全体にまさるかなりの改善が期待されたであろう。]
[0060] このデバイスの複数のユニットを並列と直列に接続することによって、より高レベルのエネルギー変換を実現したり、電圧を電源または電気的負荷に整合させたりすることができる。]
[0061] 本発明のデバイスおよび方法の上記の各実施形態、特に「好ましい」実施形態は、可能な実装形態例にすぎず、本発明の原理をはっきり理解するためだけに記載されていることを強調すべきであろう。本発明に記載されている自己位置決め式トンネル型電極デバイスの多数の様々な実施形態を、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに設計かつ／または製作することができる。かかる変更形態および変形形態は全て、この開示の範囲内で本明細書に含まれ、以下の特許請求の範囲によって保護されるためのものとなる。したがって本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲に示されている以外は限定されるものではない。]
[0062] １００シリコン基板
１０１金属層
１０２ 金属層
１０３熱電積層体
１０４ 接触領域
１０５ 接触領域を取り囲む領域
１０６ シリコン基板の全領域
１０７ 中心部分
１０８セパレータ
１０９電圧源
１１０ワイヤ
１１１熱源
１１２電力
１１３バイメタル電極
１１４ガラス・フレーム
１１５ 上部基板
１１６ 下部基板
１１７相互接続回路
１１８ 熱電積層体
１１９接着層
１２０電気接続部
１２１外周封止剤
１２２ゲッタ
１２３金属挿入物
１２４ガラス基板
１２５半田パッド
１２６スルーホール
１２７プラスチック真空壁
１２８パターン
１２９ ガラス基板
１３０ ガラス格子
１３１ 穴
１３２熱界面層
１３４金属バンプ
１３５ バイメタル膜
１３６ 基板
１３７ 穴
１３８ Ｙ軸
１３９ Ｘ軸
１４０グラフ
１４１ 中心
２００真鍮プレート
２０２銅膜
２０３ 接着層
２０４シリコン・ダイ
２９５ 接着層
２０６ 銅膜
２０８コーナー・セパレータ
２１１ペルティエ係数の軸
２１２平均電極温度の軸
２１３円形のデータ点
２１４四角形のデータ点]

权利要求:

請求項1
対向面を有する第１および第２の電極または電極組立体を備えるデバイスであって、少なくとも一方の前記電極または電極組立体が、一方の電極対向面の湾曲を有し、該一方の電極対向面の湾曲が、もう一方の電極対向面から、電子または光子のトンネルを可能にする距離だけ離れているデバイス。
請求項2
前記距離が、高い仕事関数を有する表面からの障壁フリーの電子トンネルを可能にする１．０ナノメートル未満である、請求項１に記載のデバイス。
請求項3
前記距離が、低い仕事関数を有する電極表面からの電子の熱トンネルを可能にする１．０〜１０．０ナノメートルである、請求項１に記載のデバイス。
請求項4
前記距離が、光子のトンネルを可能にする１．０〜２００ナノメートルである、請求項１に記載のデバイス。
請求項5
半導体材料が、前記電極の前記対向面に蒸着される、請求項２乃至４のいずれかに記載のデバイス。
請求項6
前記半導体材料が熱電材料を含む、請求項５に記載のデバイス。
請求項7
前記熱電材料が、テルル化ビスマス、テルル化アンチモン・ビスマス、テルル化鉛、シリコン・ゲルマニウム、タリウム、クラスレート、カルコゲニド、または交互層の超格子からなるグループから選択された材料で形成される、請求項６に記載のデバイス。
請求項8
前記低い仕事関数を有する表面が、セシウム、バリウム、ストロンチウム、またはそれらの任意のものからなる酸化物からなるグループから選択される、請求項３に記載のデバイス。
請求項9
前記電極の一方が感光性を有し、もう一方が光電子放出性を有する、請求項４に記載のデバイス。
請求項10
前記感光性を有する材料が光起電性材料である、請求項９に記載のデバイス。
請求項11
前記感光性を有する材料が、シリコン、ゲルマニウム、テルル、カドミウム、およびその組合せまたは混合物からなるグループから選択される、請求項９に記載のデバイス。
請求項12
前記光電子放出性材料が、タングステン、チタン、およびその混合物から選択される、請求項９に記載のデバイス。
請求項13
前記第１および第２の電極の一部分が互いに接触する、請求項１乃至１２のいずれかに記載のデバイス。
請求項14
前記第１および第２の電極が、中心を有する接触領域を形成し、一方または両方の電極が湾曲して前記中心領域から離れている、請求項１３に記載のデバイス。
請求項15
前記第１および第２の電極が、円形の接触領域を形成し、一方または両方の電極が湾曲して、前記円形を取り囲む環状のリングを形成する領域で離間している、請求項１３に記載のデバイス。
請求項16
前記第１および第２の電極が、ライン形の接触領域を形成し、一方または両方の電極が湾曲して、前記ラインを取り囲む矩形領域で離間している、請求項１３に記載のデバイス。
請求項17
前記湾曲した表面が、前記計画した動作温度と異なる温度で、異なる熱膨張係数を有する２つの層を貼り合わせることによって形成される、請求項１乃至１６のいずれかに記載のデバイス。
請求項18
一方の層が単結晶半導体で、もう一方の層が金属または金属合金である、請求項１７に記載のデバイス。
請求項19
一方の層がガラスで、もう一方の層が金属または金属合金である、請求項１７に記載のデバイス。
請求項20
前記半導体が、シリコン、ゲルマニウム、シリコン・カーバイド、およびガリウム砒素からなるグループから選択される、請求項１８に記載のデバイス。
請求項21
前記２つの電極を支持するためのセパレータを、前記トンネル領域の外側に含む、請求項１７に記載のデバイス。
請求項22
前記セパレータがガラスで形成される、請求項２１に記載のデバイス。
請求項23
前記セパレータが、一定温度に達すると前記２つの電極を支持し、それによって前記接触領域がなくなるが、前記トンネル領域が保持される、請求項２１に記載のデバイス。
請求項24
前記高い温度が、ペルティエ効果の熱伝達、電気抵抗、光子吸収、またはその組合せによって生じる、請求項２３に記載のデバイス。
請求項25
前記高い温度が、前記接触領域において、それがなくなる前に熱伝導によって生じ、熱源からの前記熱により、ゼーベック効果、熱トンネル効果、または熱光起電力効果から電気が作り出される、請求項２３に記載のデバイス。
請求項26
１セットの電極が共通基板上に層を形成し、それに対応する対向電極が別の共通基板上に層を形成する、請求項１乃至２５のいずれかに記載の複数のデバイス。
請求項27
真空容器内にある、請求項２６に記載のデバイス。
請求項28
フレームを含み、一方の基板が、前記フレームの内周に貼り合わせられ封止され、前記対向基板が、前記フレームの外周に貼り合わせられ封止される、請求項２６に記載のデバイス。
請求項29
前記フレームが、熱伝導度が低い材料で形成される、請求項２８に記載のデバイス。
請求項30
前記フレーム材料が、ガラスで形成される、請求項２９に記載のデバイス。
請求項31
前記ガラスの組成が、その熱膨張係数を前記基板材料のものと一致させるように、不純物によって変更される、請求項３０に記載のデバイス。
請求項32
前記貼り合わせと封止が真空チャンバ内で行われ、前記デバイスが前記チャンバから取り出されるとその内部が真空のままになる、請求項２８に記載のデバイス。
請求項33
前記基板が、可撓性を有するガラスで形成される、請求項２６に記載のデバイス。
請求項34
前記トンネル領域またはその付近に配置された、高い熱／電気伝導度を有する挿入物をさらに含む、請求項３３に記載のデバイス。
請求項35
前記挿入物が、前記ガラス基板の熱膨張係数にほぼ一致する熱膨張係数を有する、請求項３４に記載のデバイス。
請求項36
前記挿入材料がタングステンである、請求項３５に記載のデバイス。
請求項37
前記真空容器が、電気経路および熱経路を露出する穴を備える、剛性を有するガラスである、請求項２７に記載のデバイス。
請求項38
前記穴の内部表面の外周に貼り合わせられ、封止されるシリコン・ダイ基板をさらに含む、請求項３７に記載のデバイス。
請求項39
前記貼り合わせ／封止材料がガラス・フリットである、請求項２８に記載のデバイス。
請求項40
前記貼り合わせ／封止が陽極である、請求項２８に記載のデバイス。
請求項41
前記貼り合わせ／封止が圧着によって形成される、請求項２８に記載のデバイス。
請求項42
前記真空容器が、真空適合性を有する、または非多孔質の真空適合性を有する膜でコーティングされた、弾性的に可撓性を有するプラスチックを備える、請求項２７に記載のデバイス。
請求項43
前記プラスチックがポリイミドを含む、請求項４２に記載のデバイス。
請求項44
（ａ）前記電極を互いに電気接続する金属パターン、（ｂ）外部電源または電気的負荷に接続する金属パターン、および／または（ｃ）これらの任意の組合せの半田を含んだ、真空封止するためのパッドとして機能する金属パターンを備える、請求項４２に記載のデバイス。
請求項45
ゲッタを含む、請求項２６に記載のデバイス。
請求項46
前記ゲッタが、チタン、セシウム、バリウム、カリウム、ナトリウム、およびそれらの２つ以上の組合せからなるグループから選択される、請求項４５に記載のデバイス。
請求項47
請求項１乃至２５のいずれかに記載のデバイスに温度差を与えるステップを含む、熱を電気エネルギーに変換する方法。
請求項48
前記熱源が、放射線源、環境からの熱、地熱エネルギー、およびエンジンまたは動物の代謝から生成された熱のうちから選択される、請求項４７に記載の方法。
請求項49
前記熱源が生きた人体である、請求項４７に記載の方法。
請求項50
前記熱源が生きた人体であり、前記デバイスがハンドヘルド・デバイスである、請求項４７に記載の方法。
請求項51
前記熱源が、電気、蒸気もしくは内燃機関、燃焼燃料、またはそれらの排気ガスのうちから選択される、請求項４７に記載の方法。
請求項52
前記熱源が、内燃機関またはその排気ガスのうちから選択され、前記デバイスが、前記エンジンまたはガス排気管路にヒートシンクとして組み込まれる、請求項４７に記載の方法。
請求項53
自然に生じる温度で動作する、請求項４７に記載の方法。
請求項54
前記デバイスが、冷却器、エア・コンディショナ、冷却ブランケット、冷却服、または人体もしくは動物の体に接触またはその内部に含まれる冷却デバイスで使用される、請求項４７に記載の方法。
請求項55
前記電極が、周期的間隔を有する多段層に配置される、請求項１乃至２５のいずれかに記載のデバイスからなる複数のユニットを備えるデバイス。
請求項56
直列に組み立てられた、請求項１乃至２５のいずれかに記載のデバイスからなる複数のユニットを備えるデバイス。
請求項57
並列に組み立てられた、請求項１乃至２５のいずれかに記載のデバイスからなる複数のユニットを備えるデバイス。