JP2004349398A - Element and device for thermoelectronic conversion - Google Patents

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Hirobumi Funabashi
博文 船橋
Kanae Murata
香苗 村田
Tomoyoshi Tsuchiya
智由 土屋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectronic conversion element having a small heat loss, and to provide a thermoelectronic conversion device using the same. <P>SOLUTION: The thermoelectronic conversion element comprises at least a first electrode, a second electrode which is located face to face with the first one so that constant spacing may be maintained between them and which has a polarity opposite to that of the first one, and an electrode supporting member which is in contact with the first and second electrodes and insulates them. In the thermoelectronic conversion element, a formula H1>Y is satisfied, where Y is a distance between the first and the second electrode and H1 is the shortest distance between the first and the second electrode which goes through the electrode supporting member. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電や冷却に用いられる熱電子変換素子およびこれを用いた熱電子変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱電子変換素子は、熱電子を放出するエミッタ電極と、このエミッタ電極に対向配置されたコレクタ電極と、から基本的に構成される素子である。この熱電子変換素子は、両電極間の温度差を電力に変換（発電）したり、あるいは、両電極間にバイアス電圧を印加することによりエミッタ電極からコレクタ電極へと熱を移動させる（冷却）することができる。
【０００３】
従来の熱電子変換素子は、通常、エミッタ電極側には熱源が接続され、コレクタ電極側にはヒートシンクが接続されており、電極間の距離は少なくとも１μｍ程度以上である。また、電極間の距離を一定に保つための支持部材等が設けられ、また、２つ以上の熱電子変換素子を用いる場合には、熱電子変換素子同士を電気的に接続するための配線等が設けられる。
このような熱電子変換素子では、電極表面を構成する材料の仕事関数を超えるエネルギーを電子に付与することにより、片方の電極から熱電子を放出させる。このため、両電極の表面（電極が対向する面）には、熱電子の放出効率を高くするために、仕事関数の低い材料が用いられる。
【０００４】
しかしながら、電極間距離がミリオーダー程度の従来の熱電子変換素子において、実用上、十分な熱電子変換効率を得るためにはエミッタ電極の温度を１０００Ｋ以上とし、電極間に極めて大きな温度差を生じさせるか、あるいは、熱電子放出効率を向上させるために電極表面に曲率半径の小さな突起を形成することにより、この突起部に電界を集中させて実効的な仕事関数を低減させるなどの工夫が必要であった。
【０００５】
しかし、前者においては、使用環境が極めて限られてしまうという問題があった。また、後者においては、電極間距離の大きさ、ひいては変換効率を定量的に制御することが非常に困難であるという問題があった。
【０００６】
このような問題を解決するために、電極間の距離をナノメーターオーダー程度まで小さくした熱電子変換素子が検討されている（例えば、特許文献１等）。このような微小ギャップタイプの熱電子変換素子は、電極間の熱電子の移動がトンネル現象により発生するもので、原理的には、室温程度の環境下で得られる電極間のわずかな温度差でも、実用上、十分な熱電子変換効率を得ることができることがわかっている。
しかしながら、現時点では、このような微小ギャップタイプの熱電子変換素子の実用化を考慮した十分な検討は殆ど成されておらず、また、実用化する上で解決すべき問題も十分に把握されていなかった。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第６０６４１３７号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上に説明したように本発明は、上記の問題に鑑みて成されたものである。すなわち、第１の本発明は、熱損失の小さい熱電子変換素子およびこれを用いた熱電子変換装置を提供することを課題とする。また、第２の本発明は熱損失の小さい熱電子変換装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、後述する本発明を考案するにおいて、まず、微小ギャップタイプの熱電子変換素子を実用化する上での問題点について、従来技術で提案されている熱電子変換素子／熱電子変換装置や、従来技術の延長線上で容易に考えられる熱電子変換素子／熱電子変換装置を始発点として以下に説明するような種々の検討を行った。
【００１０】
図８は、従来の微小ギャップタイプの熱電子変換装置の一例を示す模式断面図であり、特許文献１に図示されている熱電子変換装置を、各部の機能に着目して簡略化して図示したものである。
図８中、１００は熱電子変換装置、１１０はエミッタ電極、１２０はコレクタ電極、１３０は柱、１６０は熱源に接する熱源側基板、１６１は放熱源に接するヒートシンクのような放熱源側基板を表し、矢印ｄは、エミッタ電極１１０とコレクタ電極１２０との間の電極間隔（ギャップ）を意味する。なお、電極間隔ｄはナノメーターオーダーのスケールを意味するが、これ以外の部分のスケールはナノメーターオーダーよりも十分に大きいスケール（例えば、サブミクロンオーダーのスケールあるいはそれ以上）を意味する。
【００１１】
熱電子変換装置１００は、一定の間隔ｄを保つように対向配置された２つの電極（エミッタ電極１１０およびコレクタ電極１２０）と、この２つの電極の両側に、対向する２つの電極面に対して垂直に設けられた柱１３０とで構成される熱電子変換素子を、隣接する各々の熱電子変換素子の柱１３０を共有するように並列に並べたものである。これら２つの電極の断面形状は長方形で、２つの電極が対向する辺が長手方向である。また、これら２つの電極の短手方向の辺は柱１３０と接触している。
ここで、柱１３０は、対向配置された電極間および隣接する熱電子変換素子の同一極性の電極間を絶縁すると共に、間隔ｄを保つように設けられるものである。また、このように並列に配置された各々の熱電子変換素子のエミッタ電極１１０側には、熱源側基板１６０が設けられており、コレクタ電極１２０側にはヒートシンクのような放熱源側基板１６１が設けられている。
【００１２】
このような熱電子変換装置１００において、電極間隔ｄは、電極同士が接触せずに且つ十分な熱電子変換効率を確保するために約１ｎｍ〜十数ｎｍ程度の範囲内で、いずれの熱電子変換素子においても正確に同じ値に保たれる必要がある。このような微小な間隔を熱電子変換装置１００のいずれの熱電子変換素子においても正確に保つためには、熱電子変換装置１００内に柱１３０をある程度の密度で形成することが不可欠である。
【００１３】
しかしながら、本発明者らが検討したところ、図８に示す熱電子変換装置１００のような構造では、熱源側基板１６０に付与される熱量の多くが柱１３０を介して放熱源側基板１６１へと逃げてしまい、熱電子変換に寄与する熱量が少なく（熱損失が大きく）、故に熱電子変換効率が大幅に悪化するという問題が起こることを見出した。以下にこのような熱損失に関する問題（以下、「第１の問題」と略す場合がある）について、具体的な計算に基づいて説明する。
【００１４】
例えば、電極間隔ｄを４ｎｍ、柱１３を構成する材料として熱伝導率が小さい絶縁体材料であるシリコン酸化物（熱伝導率１．４Ｗ／ｍＫ）、柱１３０の断面形状を１辺２μｍの正方形（断面積４μｍ２）と仮定した場合、柱１３０の１本当りの熱伝導量は１．４×１０−３Ｗ／Ｋ（＝熱伝導率×断面積／電極間隔ｄ）となる。
ここで、図８に示すような断面構造を持ち、熱電子変換素子を１ｃｍ□に密集して配置したような熱電子変換装置を作製する場合、１ｃｍ□当り約４０００本程度の柱が必要となる。
【００１５】
従って、熱源側基板１６０と放熱源側基板１６１との温度差を１℃と仮定した場合、このような１ｃｍ□の熱電子変換装置の柱に起因する熱伝導量は５６Ｗ（柱１３の１本当りの熱伝導量×柱の合計数×温度差）となる。一方、熱電子変換により電極間を流れる熱量は、文献（ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌ．７８、ｐ２５７２〜２５７４、２００１年）に基づいて、電極間隔ｄを４ｎｍ、仕事関数を０．５ｅＶ、温度差を１℃という条件で計算すると約７Ｗである。
【００１６】
すなわち、従来の熱電子変換素子や、これを用いた熱電子変換装置では、熱電子変換に寄与するよりも柱を介して流れる熱量の方が非常に大きく（熱損失が大きく）、実用に耐えないものであった。
【００１７】
一方、図８に示したような断面構造を有する熱電子変換装置を発電に用いる場合、個々の熱電子変換素子から取り出される電圧が小さいために、個々の熱電子変換素子を直列に接続する必要がある。微小ギャップタイプの熱電子変換装置において、現時点ではこのような熱電子変換素子の接続について具体的に検討した例は無いが、以下に説明する３点を考慮すれば、ある程度の構成は推察できよう。
【００１８】
まず、第一に図８に示す例から判るように、微小ギャップタイプの熱電子変換素子を用いた熱電子変換装置は、各部を構成する部材のスケールが、電極間部分ではナノオーダーであり、他の部分ではサブミクロンあるいはそれ以上のオーダーであることから、ＬＳＩ等の半導体デバイスの作製に用いられる成膜、フォトリソグラフィー、エッチング等の公知の製造技術を利用して作製できることがわかる。
【００１９】
第二に、図８に示す微小ギャップタイプの熱電子変換素子を用いた熱電子変換装置では２つの電極が熱電子変換装置の厚み方向に対して積層されており、このような積層構成は、厚み方向に積層された配線と、厚み方向に積層された配線間を垂直方向に接続する層間配線とを設けた構造を有する公知の半導体装置に極めて類似した構造である。このことから、熱電子変換素子間の接続には、このような半導体装置の配線構造を利用することができよう。
【００２０】
第三に、熱電子変換装置全体としての発電量の観点からは、熱電子変換素子の集積度が出来るだけ高いことが好ましく、それゆえ、熱電子変換素子は密集して配置されることが好ましい。
【００２１】
以上３点を考慮すれば、図８に示す熱電子変換装置１００の個々の熱電子変換素子を直列に接続する場合には、図９に示すような構成を有することが想定される。
図９は、図８に示す微小ギャップタイプの熱電子変換装置において、個々の熱電子変換素子を直列に接続した場合の一例を示す模式断面図である。図９において、１０１は熱電子変換装置、１１１、１１２、１１３、１１４はエミッタ電極、１２１、１２２、１２３、１２４はコレクタ電極、１３１、１３２、１３３は柱、１３１’、１３２’、１３３’はエミッタ電極間絶縁部材、１５１，１５２，１５３は素子間接続配線、１６０は熱源側基板、１６１は放熱源側基板を表し、矢印ｄ’は、エミッタ電極１１１（あるいは１１２、１１３、１１４）とコレクタ電極１２１（あるいは１２２、１２３、１２４）との間の電極間隔（ギャップ）を意味する。
【００２２】
ここで、図９中の１１０番台、１２０番台、１６０番台の符号で示す部材は、図８に示す符号１１０、１２０、１６０、１６１で示す部材と同等の機能・構成を有するものであり、図９中の１３０番台および１３０’番台の符号で示す２つの部材から構成される部分は、図８に示す符号１３０と実質的に同等の機能・構成を有するものである。
【００２３】
熱電子変換装置１０１は、熱電子変換装置１００と比べて、対向する２つの電極（３桁の符号番号の１桁目が同じ値の２つの電極）一方の電極の一部が、隣接する熱電子変換素子の反対符号の電極の一部と向き合うように設けられ、これら２つの電極の対向する面（電極面）同士を垂直に接続する素子間接続配線（電極１１１と電極１２２とを接続する素子間接続配線１５１、電極１１２と電極１２３とを接続する素子間接続配線１５２、電極１１３と電極１２４とを接続する素子間接続配線１５３）が設けられているところに特徴がある。
【００２４】
このような構成を有する熱電子変換装置１０１についても、既述した場合と同様に柱１３１、１３２、１３３に起因する熱損失の問題があるが、本発明者らが更に検討したところ、熱源側基板１６０に付与される熱量の多くが柱１３１、１３２、１３３を介して放熱源側基板１６１へと逃げてしまう以外にも、素子間接続配線１５１、１５２、１５３を介して逃げてしまうことにより、熱電子変換に寄与する熱量がより一層少なく（熱損失が大きく）、故に熱電子変換効率がさらに大幅に悪化するという問題が起こることを見出した。以下にこのような素子間接続配線に起因する熱損失に関する問題（以下、「第２の問題」と略す場合がある）について、具体的な計算に基づいて説明する。
【００２５】
例えば、電極間隔ｄ’を４ｎｍとし、素子間接続配線１５１、１５２、１５３を構成する配線材料としてＡｌ（熱伝導率４１９Ｗ／ｍＫ）を用い、素子間接続配線１５１、１５２、１５３の縦横のサイズを１μｍ□（断面積１μｍ２）とすると、素子間接続配線１本当りの熱伝導量は０．１Ｗ／Ｋ（＝熱伝導率×断面積／電極間隔ｄ’）となる。
【００２６】
ここで、熱電子変換装置１０１が、１０００１個の熱電子変換素子を１００００本の素子間接続配線で直列に接続したものであり、熱源側基板１６０と放熱源側基板１６１との温度差を１℃と仮定した場合、このような熱電子変換装置の素子間接続配線に起因する熱伝導量は１０００Ｗ（＝素子間接続配線１本当りの熱伝導量×素子間接続配線の合計数×温度差）となる。一方、熱電子変換により電極間を流れる熱量は、７Ｗである。
【００２７】
すなわち、図９に示すような熱電子変換装置では、熱電子変換に寄与するよりも素子間接続配線を介して流れる熱量の方が非常に大きく（熱損失が大きく）、実用に耐えないものであった。
【００２８】
本発明者らは、以上に説明したような検討を行った結果、熱電子変換素子およびこれを用いた熱電子変換装置の実用化に際しては、熱損失を如何に低減すべきかが極めて重要であることを認識した。また、このような検討を行う過程において、本発明者らは、図８に示す熱電子素子や図９に示す熱電子変換装置において、柱１３０や素子間接続配線１５１、１５２、１５３を経由する熱伝達の最短距離が電極間距離と等しいという構造上の特徴に着目し、熱損失を低減するために以下の本発明を想到するに到った。すなわち、本発明は、
【００２９】
＜１＞ 第１の電極と、該第１の電極に対して一定の間隔を保つように対向して設けられ、前記第１の電極と反対の極性を持つ第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極とに接し且つ絶縁する電極支持部材と、を少なくとも含む熱電子変換素子において、
下式（１）を満たすことを特徴とする熱電子変換素子である。
・式（１） Ｈ１＞Ｙ
〔但し、上記式（１）において、Ｙは、前記第１の電極と前記第２の電極との間隔を表し、Ｈ１は、前記電極支持部材を経由する前記第１の電極と前記第２の電極との最短距離を表す。〕
【００３０】
＜２＞ 下式（２）を満たすことを特徴とする＜１＞に記載の熱電子変換素子である。
・式（２） Ｈ１≧１０×Ｙ
〔但し、上記式（２）において、Ｈ１は、前記式（１）に示すＨ１と同じパラメーターを意味し、Ｙは前記式（１）に示すＹと同じパラメーターを意味する。〕
【００３１】
＜３＞ 下式（３）を満たすことを特徴とする＜１＞または＜２＞に記載の熱電子変換素子である。
・式（３） Ｈ１≧１００×Ｙ
〔但し、上記式（３）において、Ｈ１は、前記式（１）に示すＨ１と同じパラメーターを意味し、Ｙは前記式（１）に示すＹと同じパラメーターを意味する。〕
【００３２】
＜４＞ 前記第１の電極および前記第２の電極が、対向して設けられた電極に対向する電極対向辺を少なくとも含み、
前記電極支持部材が、前記第１の電極の少なくともいずれかの辺および前記第２の電極の少なくともいずれかの辺に接し、
前記電極対向辺と平行な方向に対して、前記第１の電極の電極対向辺の両端部が、前記第２の電極の電極対向辺の両端部よりも外側または内側に位置する断面構造を有する＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の熱電子変換素子であって、
前記電極支持部材が、前記第１の電極の電極対向辺に対して前記第２の電極が設けられた側と反対側に位置する前記第１の電極の少なくともいずれかの辺、および、前記第２の電極の電極対向辺に対して前記第１の電極が設けられた側と反対側に位置する前記第２の電極の少なくともいずれかの辺に接することを特徴とする熱電子変換素子である。
【００３３】
＜５＞ 前記第１の電極および前記第２の電極が、対向して設けられた電極に対向する電極対向辺を少なくとも含み、
前記電極支持部材が、前記第１の電極の少なくともいずれかの辺および前記第２の電極の少なくともいずれかの辺に接し、
前記電極対向辺と平行な方向に対して、前記第１の電極の電極対向辺の両端部の少なくとも一端（第１の端部）が、前記第２の電極の電極対向辺の両端部の少なくとも一端（第２の端部）と重複した断面構造を有する＜１＞〜＜３＞のいずれか１つに記載の熱電子変換素子であって、
前記電極支持部材が、前記第１の電極の電極対向辺に対して前記第２の電極が設けられた側と反対側に位置する前記第１の電極の少なくともいずれかの辺、および、前記第２の電極の電極対向辺に対して前記第１の電極が設けられた側と反対側に位置する前記第２の電極の少なくともいずれかの辺に接し、
且つ、前記第１の端部と前記第２の端部を通る仮想線の、少なくとも前記第１の端部と前記第２の端部との区間において、前記電極支持部材が、少なくとも前記仮想線の一部から前記仮想線の前記第１の電極および第２の電極が設けられた側と反対側に離れるように設けられていることを特徴とする熱電子変換素子である。
【００３４】
＜６＞ ２つ以上の熱電子変換素子を含む熱電子変換装置において、前記２つ以上の熱電子変換素子の、少なくとも１つが＜１＞〜＜５＞のいずれか１つに記載の熱電子変換素子であることを特徴とする熱電子変換装置である。
【００３５】
＜７＞ 第１の電極と、該第１の電極に対して一定の間隔を保つように対向して設けられ、前記第１の電極と反対の極性を持つ第２の電極と、を少なくとも含む熱電子変換素子を２つ以上含み、
前記２つ以上の熱電子変換素子が、各々の熱電子変換素子の同一極性の電極を同一面側に位置するように平面方向に配置され、
前記２つ以上の熱電子変換素子のうち、少なくとも２つの熱電子変換素子において、第１の熱電子変換素子と第２の熱電子変換素子との相反する極性の電極間を導通可能に接続する素子間接続配線を１つ以上含む熱電子変換装置であって、
下式（４）を満たすことを特徴とする熱電子変換装置である。
・式（４） Ｈ２＞Ｚ
〔但し、上記式（４）において、Ｚは、前記第１の熱電子変換素子の第１の電極と第２の電極との間隔、および、前記第２の熱電子変換素子の第１の電極と第２の電極との間隔のいずれか大きい値を表し、Ｈ２は、前記素子間接続配線を経由する前記第１の熱電子変換素子と前記第２の熱電子変換素子との相反する極性の電極間の最短距離を表す。〕
【００３６】
＜８＞ 下式（５）を満たすことを特徴とする＜７＞に記載の熱電子変換装置である。
・式（５） Ｈ２≧１０×Ｚ
〔但し、上記式（５）において、Ｈ２は、前記式（４）に示すＨ２と同じパラメーターを意味し、Ｚは前記式（４）に示すＺと同じパラメーターを意味する。〕
【００３７】
＜９＞ 下式（６）を満たすことを特徴とする＜７＞または＜８＞に記載の熱電子変換装置である。
・式（６） Ｈ２≧１００×Ｚ
〔但し、上記式（６）において、Ｈ２は、前記式（４）に示すＨ２と同じパラメーターを意味し、Ｚは前記式（４）に示すＺと同じパラメーターを意味する。〕
【００３８】
＜１０＞ 前記熱電子変換装置に含まれる全ての素子間接続配線の９９％以上が、前記式（４）〜（６）のいずれか１つを満たすことを特徴とする＜７＞〜＜９＞のいずれか１つに記載の熱電子変換装置である。
【００３９】
＜１１＞ 前記熱電子変換装置に含まれる全ての素子間接続配線の９９．９％以上が、前記式（４）〜（６）のいずれか１つを満たすことを特徴とする＜７＞〜＜１０＞のいずれか１つに記載の熱電子変換装置である。
【００４０】
＜１２＞ 前記第１の熱電子変換素子と前記第２の熱電子変換素子とが平面方向に隣接して配置されていることを特徴とする＜７＞〜＜１１＞のいずれか１つに記載の熱電子変換装置である。
【００４１】
＜１３＞ 前記第１の電極および前記第２の電極が、少なくとも反対の極性を有する電極と対向する電極面と、該電極面の前記反対の極性を有する電極が設けられた側の反対側に設けられた非電極面と、を含み、
前記第１の熱電子変換素子のいずれか一方の電極のいずれかの部分と、前記第２の熱電子変換素子の、前記第１の熱電子変換素子のいずれか一方の電極と反対の極性を有する電極の非電極面とが、前記素子間接続配線により導通可能に接続されたことを特徴とする＜１２＞に記載の熱電子変換装置である。
【００４２】
＜１４＞ 前記第１の熱電子変換素子のいずれか一方の電極のいずれかの部分が、電極面であることを特徴とする＜１３＞に記載の熱電子変換装置である。
【００４３】
＜１５＞ 前記熱電子変換素子が、前記第１の電極と前記第２の電極とに接し且つ絶縁する電極支持部材を含み、
前記２つ以上の熱電子変換素子のうち、少なくともいずれか１つの熱電子変換素子が、下式（７）を満たすことを特徴とする＜７＞〜＜１４＞のいずれか１つに記載の熱電子変換装置である。
・式（７） Ｈ１＞Ｙ
〔但し、上記式（７）において、Ｙは、前記第１の電極と前記第２の電極との間隔を表し、Ｈ１は、前記電極支持部材を経由する前記第１の電極と前記第２の電極との最短距離を表す。〕
【００４４】
＜１６＞ 前記第１の電極および前記第２の電極の平面方向の形状が略方形であり、前記形状の第１の主辺の長さと前記第１の主辺に直交する第２の主辺の長さとの比が１０以下であることを特徴とする＜７＞〜＜１５＞のいずれか１つに記載の熱電子変換装置である。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を第１の本発明と第２の本発明とに大きくわけて説明する。
【００４６】
（第１の本発明）
本発明者らは、既述した第１の問題を解決するために、以下の第１の本発明を考案した。
すなわち、第１の本発明は、第１の電極と、該第１の電極に対して一定の間隔を保つように対向して設けられ、前記第１の電極と反対の極性を持つ第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極とに接し且つ絶縁する電極支持部材と、を少なくとも含む熱電子変換素子において、下式（１）を満たすことを特徴とする。
・式（１） Ｈ１＞Ｙ
【００４７】
但し、上記式（１）において、Ｙは、前記第１の電極と前記第２の電極との間隔（より正確には対向する２つの電極の面と面との間隔を意味する。以下、「電極間隔」と略す場合がある。）を表し、Ｈ１は、前記電極支持部材を経由する前記第１の電極と前記第２の電極との最短距離を表す。
【００４８】
従って、第１の本発明によれば、熱損失の小さい熱電子変換素子を提供することができる。また、このような熱電子変換素子を２つ以上含む熱電子変換装置を作製した場合には、熱損失の小さい熱電子変換装置を提供することができる。
【００４９】
図８に示したような従来の微小ギャップタイプの熱電子変換素子を用いた熱電子変換装置１００においては、個々の熱電子変換素子の柱１３０等の電極支持部材を経由する対向する電極間の最短距離が、電極間距離と同一である上に、電極間距離は数ナノメーター程度の非常に短い距離であるため、熱が最短経路で対向する電極に移動することができ、これが熱損失を大きくしていた。
【００５０】
しかしながら、第１の本発明では、第１の電極と第２の電極との間隔Ｙよりも、電極支持部材を経由する第１の電極と第２の電極との最短距離Ｈ１の方が大きく、電極間を伝達する熱が電極間隔Ｙよりもより長い距離を移動して一方の電極から対向する他方の電極へと移動することになるため、従来よりも熱損失を小さくすることができる。
【００５１】
なお、ＹおよびＨ１の値は、上記の式（１）の関係を少なくとも満たしていればよいが、下式（２）を満たすことが好ましく、下式（３）を満たすことが更に好ましい。
・式（２） Ｈ１≧１０×Ｙ
・式（３） Ｈ１≧１００×Ｙ
但し、上記式（２）および（３）において、Ｈ１は、前記式（１）に示すＨ１と同じパラメーターを意味し、Ｙは前記式（１）に示すＹと同じパラメーターを意味する。
ＹおよびＨ１の値が、式（２）の関係を満たさない場合には、電極支持部材を構成する材料等によっては、十分に熱損失を小さくすることが出来ない場合がある。
【００５２】
また、図８に示すように熱電子変換素子を平面方向に２つ以上並列に配置した熱電子変換装置とする場合には、熱電子変換装置に含まれる全ての熱電子変換素子のうち、少なくともいずれか１つが、上記式（１）〜（３）のいずれかを満たしていればよい。
しかしながら、熱電子変換装置に、少なくとも式（１）の関係を満たさない熱電子変換素子がある程度含まれている場合には、これらの熱電子変換素子における熱損失が大きくなり、熱電子変換装置全体として熱損失を十分に小さくすることができない場合がある。このような観点からは、全ての熱電子変換素子の９０％以上が上記式（１）〜（３）のいずれかを満たしていることが好ましく、全ての熱電子変換素子の９９％以上が上記式（１）〜（３）のいずれかを満たしていることがより好ましい。
【００５３】
なお、本発明において、第１の電極と第２の電極とは、お互いに反対の極性を有し、熱電子の授受が可能なようにそれぞれの電極の少なくとも一部分が対向するように配置されるものである。なお、これら２つの電極のいずれか一方は、熱電子を放出する所謂エミッタ電極と呼ばれるものであり、もう一方はエミッタ電極から放射された熱電子を捕捉するコレクタ電極と呼ばれるものである。
【００５４】
また、本発明において、「電極支持部材」は、既述したように少なくとも対向配置された第１の電極と第２の電極とに接し、且つ、両者を絶縁するものであれば特に限定されない。電極支持部材を構成する材料は特に限定されず、１つの部材のみから構成されていてもよく、複数の部材を組み合わせて構成されたものであってもよい。また、熱伝導率をより小さくするために、電極支持部材はポーラスな構造を有するものであってもよい。
【００５５】
しかしながら、電極支持部材は、少なくともその主要部あるいは全体が、熱伝導率が低い絶縁体からなることが好ましい。このような絶縁体としては、その熱伝統率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましく、２Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることがより好ましく、例えば、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ポリイミド等を用いることができる。
【００５６】
第１の本発明において、熱電子変換素子は、少なくとも式（１）の関係を満たすものであれば、その具体的な構造は特に限定されない。しかしながら、図８に示す従来の熱電子変換装置のうちの１つの熱電子変換素子に着目した場合、式（１）の関係を満たす構造は、（Ａ）対向配置された２つの電極のいずれか一方の幅を異なる場合、および（Ｂ）対向配置された２つの電極の幅が同じ場合、の２つに大きく分類して考えることができる。なお当該幅とは、熱電子素子を厚み方向に切断した断面において、厚み方向と垂直に交わる方向を意味する。
【００５７】
まず、（Ａ）対向配置された２つの電極のいずれか一方の幅が異なる場合について説明する。
この場合、第１の本発明の熱電子変換素子は、第１の電極および第２の電極が、対向して設けられた電極に対向する電極対向辺を少なくとも含み、電極支持部材が、前記第１の電極の少なくともいずれかの辺および前記第２の電極の少なくともいずれかの辺に接し、前記電極対向辺と平行な方向に対して、前記第１の電極の電極対向辺の両端部が、前記第２の電極の電極対向辺の両端部よりも外側または内側に位置する断面構造を有し、前記電極支持部材が、前記第１の電極の電極対向辺に対して前記第２の電極が設けられた側と反対側に位置する前記第１の電極の少なくともいずれかの辺、および、前記第２の電極の電極対向辺に対して前記第１の電極が設けられた側と反対側に位置する前記第２の電極の少なくともいずれかの辺に接することが好ましい。
【００５８】
このような構成の具体例を図１に示す。図１は、第１の本発明の熱電子変換素子の構成の一例を示す模式断面図である。
図１中、２００、２０１、２０２は熱電子変換素子、２１０は第１の電極、２２０は第２の電極、２３０、２３０’、２３１、２３１’、２３２、２３２’は柱、２６０および２６１は基板（符号２６０および２６１で示される基板のいずれか一方が熱源側、他方が放熱源側を意味する）を表す。
【００５９】
なお、第１の電極２１０および第２の電極２２０の断面は、電極対向辺が長手方向である長方形であり、図１中の４辺に付された記号は、Ａが第１の辺（電極対向辺）を、Ｂが第１の辺Ａと平行な第２の辺を、ＣおよびＣ’が第１の辺Ａおよび第２の辺と垂直な第３の辺を意味する。ここで、第２の辺Ｂおよび第３の辺Ｃ（Ｃ’）は、第１の辺（電極対向辺）Ａに対して対向するように設けられた電極と反対側に位置するものである。
【００６０】
図１（Ａ）〜（Ｃ）に示す熱電子変換素子２００、２０１、２０２は、図８に示す熱電子変換装置１００に含まれる個々の熱電子変換素子と、基本的な構成・機能はほぼ同じである。しかしながら、熱電子変換素子２００、２０１、２０２は、図８に示されている熱電子変換素子と比べて、対向する２つの電極の第１の辺（電極対向辺）の長さが異なる点に特徴がある。
このため、対向する２つの電極２１０および２２０の間の電極支持部材を経由する最短距離は、電極間隔よりも大きくなる。
【００６１】
例えば、図１（Ａ）に示す熱電子変換素子２００では、電極支持部材である柱２３０（２３０’）が、第１の電極２１０の第３の辺Ｃ（Ｃ’）および第２の電極２２０の第３の辺Ｃ（Ｃ’）に接している点では、図８に示す熱電子変換素子と同様である。
【００６２】
しかし、図８に示す熱電子変換素子では、電極支持部材である柱１３０を経由する２つの電極間の最短距離が、電極間隔であるのに対し、熱電子変換素子２００では、電極支持部材である柱２３０（２３０’）を経由する２つの電極間の最短距離が、電極間隔（以下、「距離Ａ」と略す）に、第１の電極２１０の第１の辺（電極対向辺）Ａ及び第３の辺Ｃ（Ｃ’）の交点と、第２の電極２２０の第１の辺（電極対向辺）Ａ及び第３の辺Ｃ（Ｃ’）の交点との第１の辺（電極対向辺）Ａに平行な方向の距離（以下、「距離Ｂ」と略す）を加えたものである。
【００６３】
なお、説明の都合上、図１では距離Ｂよりも距離Ａの方が長く見えるが、微小ギャップタイプの熱電子変換素子においては、実際には、電極間隔である距離Ａはナノメーターオーダーであるのに対し、第１の辺（電極対向辺）Ａに平行な方向（すなわち、熱電子変換素子の縦横のサイズ方向）の距離である距離Ｂは熱電子変換素子のサイズや対向する各々の電極のサイズ等にもよるものの概ね数十ナノメーターからミクロンオーダー程度となる。
【００６４】
これは、微小ギャップタイプの熱電子変換素子においては、図１（Ａ）に示すような構成とすることにより、電極支持部材である柱２３０（２３０’）を経由する２つの電極間の最短距離は、電極間隔よりも概ね１０１倍〜１０３倍オーダー程度の大きさを確保することができることを意味する。
【００６５】
したがって、電極間の電極支持部材を経由する熱の移動距離は、従来の熱電子変換素子よりも大きく、特に微小ギャップタイプの熱電子変換素子では、素子のサイズ等にもよるが、一般的には従来の熱電子変換素子よりも概ね１０１倍〜１０３倍オーダー程度の大きさとすることができる。
【００６６】
なお、図１（Ｂ）に示す熱電子変換素子２０１や、図１（Ｃ）に示す熱電子変換素子２０２は、電極間の電極支持部材を経由する熱の最短移動距離を、図１（Ａ）に示す熱電子変換素子２００に対して、更に第３の辺Ｃ（Ｃ’）と平行な方向に延長した構成を有するものである。
【００６７】
具体的には熱電子変換素子２００の柱２３０（２３０’）の第２の電極２２０の第３の辺Ｃ（Ｃ’）に接する部分を、第２の電極２２０の第１の辺（電極対向辺）Ａ側から基板２６１側へと溝を設けるように一部を除去したものが熱電子変換素子２０１であり、熱電子変換素子２００の柱２３０（２３０’）の第２の電極２２０の第３の辺Ｃ（Ｃ’）に接する部分を、第２の電極の第１の辺（電極対向辺）Ａ側から基板２６１側へと溝を設けるように全て除去したものが熱電子変換素子２０２である。なお、熱電子変換素子２０２においては、柱２３０（２３０’）および基板２６１からなる２種類の部材が電極支持部材として機能する。
【００６８】
なお、図１に示すような熱電子変換素子においては、対向する２つの電極のうちのいずれか一方の幅（図１に示す第１の辺（電極対向辺）Ａ方向の長さ）を小さくすることが前提となるために、距離Ｂが長くなればなるほど熱電子変換に寄与する電極面積が小さくなり、熱電子変換素子１つ当りの熱電子変換効率が低下するという問題が起こる場合がある。
【００６９】
従って、第１の本発明の熱電子変換素子が、図１に例示したような対向する２つの電極のうちのいずれか一方の幅が小さい熱電子変換素子である場合には、電極支持部材を経由する第１の電極と第２の電極との最短距離Ｈ１は、第１の電極と第２の電極との間隔Ｙの１００００倍以下であることが好ましい。
【００７０】
このように、図１に例示したような対向する２つの電極のうちのいずれか一方の幅が小さい熱電子変換素子では、Ｈ１／Ｙ比が大きすぎる場合には電極面積に起因する熱電子変換効率の低下が起こる場合があり、Ｈ１／Ｙ比が小さすぎる場合には既述したように熱損失に起因する熱電子変換効率の低下が起こる場合がある。
【００７１】
図２は、このような関係について示したグラフである。図２中、横軸はＨ１／Ｙ比、縦軸は熱電子変換効率を示し、いずれも相対スケールである。Ｈ１／Ｙ比の増加に伴い熱電子変換効率は増加し、極大点Ｍを経て減少に転ずる。ここで、極大点Ｍよりも左側の熱電子変換効率の落ち込みは主に熱損失に起因するものであり、極大点Ｍよりも右側の熱電子変換効率の落ち込みは主に片方の電極面積の減少に起因するものである。
このため、実用上は、熱電子変換効率が極大となるように、Ｙの値に対してＨ１の値を設定することが好ましい。
【００７２】
なお、図２に示したグラフは、一例であり、グラフのプロファイルは図１に例示したような一方の電極の面積が他方よりも小さい熱電子変換素子の構造によって異なるものの、基本的には極大点Ｍを有する凸型のプロファイルである。
【００７３】
次に、（Ｂ）対向配置された２つの電極の幅を同じ場合について説明する。
この場合、第１の本発明の熱電子変換素子は、第１の電極および第２の電極が、対向して設けられた電極に対向する電極対向辺を少なくとも含み、電極支持部材が、前記第１の電極の少なくともいずれかの辺および前記第２の電極の少なくともいずれかの辺に接し、前記電極対向辺と平行な方向に対して、前記第１の電極の電極対向辺の両端部の少なくとも一端（第１の端部）が、前記第２の電極の電極対向辺の両端部の少なくとも一端（第２の端部）と重複した断面構造を有し、前記電極支持部材が、前記第１の電極の電極対向辺に対して前記第２の電極が設けられた側と反対側に位置する前記第１の電極の少なくともいずれかの辺、および、前記第２の電極の電極対向辺に対して前記第１の電極が設けられた側と反対側に位置する前記第２の電極の少なくともいずれかの辺に接し、且つ、前記第１の端部と前記第２の端部を通る仮想線の、少なくとも前記第１の端部と前記第２の端部との区間において、前記電極支持部材が、少なくとも前記仮想線の一部から前記仮想線の前記第１の電極および第２の電極が設けられた側と反対側に離れるように設けられていることが好ましい。
【００７４】
このような構成の具体例を図３に示す。図３は、第１の本発明の熱電子変換素子の他の構成例を示す模式断面図である。
図３中、３００、３０１は熱電子変換素子、３１０は第１の電極、３２０は第２の電極、３３０、３３０’、３３１、３３１’は柱、３６０および３６１は基板（符号３６０および３６１で示される基板のいずれか一方が熱源側、他方が放熱源側を意味する）を表し、第１の電極３１０および第２の電極３２０の４辺に付された記号は、Ａが第１の辺（電極対向辺）を、Ｂが第２の辺を、ＣおよびＣ’が第３の辺を意味し、Ｄ１（Ｄ１’）が第１の電極３１０の第１の辺（電極対向辺）Ａの端部（第１の端部）、Ｄ２（Ｄ２’）が第２の電極３２０の第１の辺（電極対向辺）Ａの端部（第２の端部）を表す。なお、図３に示す対向する２つの電極の断面形状は図１に説明した場合と同様である。
【００７５】
図３（Ａ）〜（Ｂ）に示す熱電子変換素子３００、３０１は、図８に示す熱電子変換装置１００に含まれる個々の熱電子変換素子と、基本的な構成・機能はほぼ同じである。しかしながら、熱電子変換素子３００、３０１は、図８に示されている熱電子変換素子と比べて、第１の端部Ｄ１（Ｄ１’）と第２の端部Ｄ２（Ｄ２’）を通る仮想線の、少なくとも第１の端部Ｄ１（Ｄ１’）と第２の端部Ｄ２（Ｄ２’）との区間において、電極支持部材３３０や３３１（あるいは３３０’や３３１’）が少なくとも仮想線の一部から一定の距離を置いて対向する２つの電極から離れるように設けられている点に特徴がある。
このため、対向する２つの電極３１０および３２０の間の電極支持部材を経由する最短距離は、電極間隔よりも大きくなる。。
【００７６】
例えば、図３（Ａ）に示す熱電子変換素子３００では、電極支持部材である柱３３０（３３０’）が、第１の電極３１０の第３の辺Ｃ（Ｃ’）および第２の電極３２０の第３の辺Ｃ（Ｃ’）に接している点では、図８に示す熱電子変換素子と同様である。
【００７７】
しかし、図８に示す熱電子変換素子では、電極支持部材である柱３３０を経由する２つの電極間の最短距離が、電極間隔であるのに対し、熱電子変換素子３００では、電極支持部材である柱３３０（３３０’）を経由する２つの電極間の最短距離が、電極間隔（距離Ａ）に、第１の端部Ｄ１（Ｄ１’）と第２の端部Ｄ２（Ｄ２’）を通る仮想線から、２つの電極で囲まれた空間を熱電子変換素子３００の平面方向に延長するように柱３３０（３３０’）に設けられた凹溝の底辺までの第１の辺（電極対向辺）Ａに平行な距離を２倍した長さ（以下、「距離Ｃ」）と略す）を加えたものである。
【００７８】
なお、説明の都合上、図３では距離Ｃと距離Ａとはほぼ同じ長さに見えるが、微小ギャップタイプの熱電子変換素子においては、実際には、電極間隔である距離Ａはナノメーターオーダーであるのに対し、第１の辺（電極対向辺）Ａに平行な方向（すなわち、熱電子変換素子の縦横のサイズ方向）の距離である距離Ｃは熱電子変換素子のサイズや対向する各々の電極のサイズ等にもよるもののサブミクロンからミクロンオーダー程度となる。
【００７９】
これは、微小ギャップタイプの熱電子変換素子においては、図３（Ａ）に示すような構成とすることにより、電極支持部材である柱３３０（３３０’）を経由する２つの電極間の最短距離は、電極間隔よりも概ね１０１倍〜１０３倍オーダー程度の大きさを確保することができることを意味する。
【００８０】
したがって、電極間の電極支持部材を経由する熱の移動距離は、従来の熱電子変換素子よりも大きく、特に微小ギャップタイプの熱電子変換素子では、素子のサイズ等にもよるが、一般的には従来の熱電子変換素子よりも概ね１０１倍〜１０３倍オーダー程度の大きさとすることができるため、熱損失を小さくすることができる。
【００８１】
なお、図３（Ｂ）に示す熱電子変換素子３０１は、電極間の電極支持部材を経由する熱の最短移動距離を、図３（Ａ）に示す熱電子変換素子３００に対して、更に第３の辺Ｃ（Ｃ’）と平行な方向に延長した構成を有するものである。具体的には熱電子変換素子３００の柱３３０（３３０’）の第１の電極３１０（および第２の電極３２０）の第３の辺Ｃ（Ｃ’）に接する部分を、第１の電極３１０（および第２の電極３２０）の第１の辺（電極対向辺）Ａ側から基板３６０（および基板３６１）側へと溝を設けるように一部を除去したものが熱電子変換素子３０１である。
また、このような第３の辺Ｃ方向に沿った溝構造は、いずれか一方の電極のみに設けただけでもよいし、基板３６０や基板３６１まで達するように設けられたものであってもよい。
【００８２】
以上の図１および３に説明した熱電子変換素子は、公知の技術を利用することにより作製できるが、熱電子変換素子の作製の容易さの観点からは、図１（Ａ）に示す熱電子変換素子２００や、図３（Ａ）に示す熱電子変換素子３００が好ましい。
また、図１および図３に例示したような構造は、微小ギャップタイプの熱電子変換素子に好適であるが、勿論、ミリオーダー程度の電極間隔を有する従来の熱電子変換素子にも適用することができる。
【００８３】
また、図１および３に例示したような構造を持つ熱電子変換素子は、ＬＳＩ等の半導体デバイスの作製に用いられる成膜、フォトリソグラフィー、エッチング等の公知の製造技術を利用して作製できる。
以下に、具体例として図１（Ａ）に示す熱電子変換素子２００に類似した構造を持つ熱電子変換素子の製造過程について説明するが、第１の本発明の熱電子変換素子の製造方法は、以下に説明する例のみに限定されるものではない。
【００８４】
図４は、第１の本発明の熱電子変換素子の作製工程の一例について示す模式断面図である。図４中、４００は、（完成した）熱電子変換素子、４１０は熱源あるいは放熱源を兼ねる基板、４２０は第１の電極、４３０は犠牲層、４３１はエッチングホール、４４１、４４２、４４２’は絶縁層（電極間支持部材）、４４３、４４４はエッチングホール、４５０は（第２の電極の一部として機能する）金属層、４５０’は第２の電極を表す。
【００８５】
熱電子変換素子の作製に際しては、図４（Ａ）に示すように、熱源あるいは放熱源を兼ねる基板４１０を用意し、この基板４１０の片面に図４（Ｂ）および（Ｃ）に示すように第１の電極４２０として金属を蒸着し、さらにこの第１の電極４２０上に犠牲層４３０を成膜する。この際、犠牲層４３０の厚みは、最終的に作製される熱電子変換素子の対向配置される２つの電極間の距離と一致するようにその厚みが調整され、例えば、厚みを４ｎｍとすることができる。
【００８６】
また、犠牲層４３０を成膜した後、電極間支持部材として機能する絶縁層を、対向配置される２つの電極間に接して設けることができるように、犠牲層４３０をパターニングすることによって、犠牲層４３０の一部に、エッチングホール４３１を第１の電極４２０に達する深さまで形成する。
【００８７】
次に、図４（Ｄ）に示すように、エッチングホール４３１を埋め込み、犠牲層４３０全体を覆うようにシリコン酸化物等の絶縁層を成膜し、この絶縁層をパターニングすることによって、絶縁層をエッチングホール４４３により絶縁層４４１および絶縁層４４２に分断するようにエッチングホール４４３を犠牲層４３０に達する深さまで形成する。
この際、エッチングホール４４３は、基板４１０の平面方向に対して、元々エッチングホール４３１が存在した部分とずれた位置に設けられる。このため、絶縁層４４１は、この絶縁層４４１のエッチングホール４４３側の部分が犠牲層４３０を覆うようにして設けられる形になる。
【００８８】
その後、図４（Ｅ）に示すように、エッチングホール４４３を、金属を蒸着することによって埋め込み、金属層４５０を形成し、更に、図４（Ｆ）に示すように絶縁層４４２を、金属層４５０と絶縁層４４２との界面から少し離れた位置に、エッチングホール４４４を犠牲層４３０に達する深さまで形成する。
【００８９】
次に、図４（Ｇ）に示すようにエッチングホール４４４を介して、犠牲層４３０をサイドエッチングすることにより除去し、その後、図４（Ｈ）に示すようにエッチングホール４４４を、絶縁物、例えばシリコン酸化物等を成膜することにより、エッチングホール４４４の近傍の犠牲層４３０が存在した部分も含めて埋め込む。
最後に、図４（Ｉ）に示すように絶縁層（電極支持部材）４４１、４４２’および金属層４５０の成す平面上に金属を蒸着して第２の電極４５０’を形成し、熱電子変換素子４００を得ることができる。
【００９０】
以上に説明したような第１の本発明の熱電子変換素子、あるいは、これを用いた熱電子変換装置は、発電や冷却に利用することができる。また、第１の本発明の熱電子変換素子は、対向する電極間の間隔が数ｎｍ程度の微小ギャップタイプの熱電子変換素子や、ミリオーダー程度の従来の熱電子変換素子のいずれであってもよいが、熱損失を抑制する効果が大きい電極間隔が１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の微小ギャップタイプの熱電子変換素子であることが好ましい。
【００９１】
（第２の本発明）
本発明者らは、既述した第２の問題を解決するために、以下の第２の本発明を考案した。
すなわち、第２の本発明は、第１の電極と、該第１の電極に対して一定の間隔を保つように対向して設けられ、前記第１の電極と反対の極性を持つ第２の電極と、を少なくとも含む熱電子変換素子を２つ以上含み、前記２つ以上の熱電子変換素子が、各々の熱電子変換素子の同一極性の電極を同一面側に位置するように平面方向に配置され、前記２つ以上の熱電子変換素子のうち、少なくとも２つの熱電子変換素子において、第１の熱電子変換素子と第２の熱電子変換素子との相反する極性の電極間を導通可能に接続する素子間接続配線を１つ以上含む熱電子変換装置であって、下式（４）を満たすことを特徴とする。
・式（４） Ｈ２＞Ｚ
【００９２】
但し、上記式（４）において、Ｚは、前記第１の熱電子変換素子の第１の電極と第２の電極との間隔、および、前記第２の熱電子変換素子の第１の電極と第２の電極との間隔のいずれか大きい値を表し、Ｈ２は、前記素子間接続配線を経由する前記第１の熱電子変換素子と前記第２の熱電子変換素子との相反する極性の電極間の最短距離を表す。
【００９３】
従って、第２の本発明によれば、熱損失の小さい熱電子変換装置を提供することができる。
【００９４】
図９に示したような微小ギャップタイプの熱電子変換素子を用いた熱電子変換装置１０１においては、隣接する熱電子変換素子の異なる極性の電極間を接続する素子間接続配線１５１、１５２、１５３を経由する最短距離が、対向配置された２つの電極間の距離と同一である上に、電極間距離は数ナノメーター程度の非常に短い距離であるため、熱が最短経路で隣接する熱電子変換素子の反対極性を有する電極に移動することができ、これが熱損失を大きくしていた。
【００９５】
しかしながら、第２の本発明では、第１の熱電子変換素子の第１の電極と第２の電極との間隔、および、第２の熱電子変換素子の第１の電極と第２の電極との間隔のいずれか大きい値であるＺ値よりも、素子間接続配線を経由する第１の熱電子変換素子と第２の熱電子変換素子との相反する極性の電極間の最短距離Ｈ２の方が大きい。
【００９６】
このため、素子間配線を介して熱電子変換素子間を伝達する熱が、対向配置された２つの電極の間隔Ｚ（素子間配線を介して接続された２つの熱電子変換素子の対向配置された２つの電極の間隔が異なる場合には、いずれか大きい方の値）よりもより長い距離を移動して素子間配線で接続された一方の電極から対向する他方の電極へと移動することになるため、従来よりも熱損失を小さくすることができる。
【００９７】
なお、ＺおよびＨ２の値は、上記の式（４）の関係を少なくとも満たしていればよいが、下式（５）を満たすことが好ましく、下式（６）を満たすことが更に好ましい。
・式（５） Ｈ２≧１０×Ｚ
・式（６） Ｈ２≧１００×Ｚ
但し、上記式（５）および（６）において、Ｈ２は、前記式（４）に示すＨ２と同じパラメーターを意味し、Ｚは前記式（４）に示すＺと同じパラメーターを意味する。
ＺおよびＨ２の値が、式（５）の関係を満たさない場合には、素子間配線を構成する材料等によっては、十分に熱損失を小さくすることが出来ない場合がある。
【００９８】
なお、熱損失抑制の観点からは、Ｈ２の値は大きければ大きい程好ましいが、大きすぎる場合には素子間接続配線の電気抵抗に起因する抵抗損失が大きくなるため、結果として、発電効率に関係する熱電子変換効率の低下を招いてしまう場合がある。このような観点からは、Ｈ２の値はＹの値の１００００倍以下であることが好ましい。
【００９９】
このようにＨ２／Ｚ比が大きすぎる場合には抵抗損失に起因する熱電子変換効率の低下が起こる場合があり、Ｈ２／Ｚ比が小さすぎる場合には既述したように熱損失に起因する熱電子変換効率の低下が起こる場合がある。
図５は、このような関係について示したグラフである。図５中、横軸はＨ２／Ｚ比、縦軸は熱電子変換効率を示し、いずれも相対スケールである。Ｈ２／Ｚ比の増加に伴い熱電子変換効率は増加し、極大点Ｍを経て減少に転ずる。ここで、極大点Ｍよりも左側の熱電子変換効率の落ち込みは主に熱損失に起因するものであり、極大点Ｍよりも右側の熱電子変換効率の落ち込みは主に抵抗損失に起因するものである。
このため、実用上は、熱電子変換効率が極大となるように、Ｚの値に対してＨ２の値を設定することが好ましい。
【０１００】
なお、図５に示したグラフのプロファイルは一例であり、素子間接続配線で直列に接続された部分の構造材料等によって異なるものの、基本的には極大点Ｍを有する凸型のプロファイルである。
【０１０１】
また、第２の本発明の熱電子変換装置は、この熱電子変換装置に含まれる全ての素子間接続配線の少なくともいずれか１つが上記式（４）〜（６）のいずれかを満たしていればよい。
しかしながら、熱電子変換装置に、少なくとも式（４）の関係を満たさない素子間接続配線がある程度含まれている場合には、これらの素子間接続配線に起因した熱損失が大きくなり、熱電子変換装置全体として熱損失を十分に小さくすることができない場合がある。このような観点からは、熱電子変換装置に含まれる全ての素子接続配線の９９％以上が上記式（４）〜（６）のいずれかを満たしていることが好ましく、９９．９％以上が上記式（４）〜（６）のいずれかを満たしていることがより好ましい。
【０１０２】
なお、第２の本発明において、熱電子変換装置に含まれる熱電子変換素子は、各々の熱電子変換素子の同一極性の電極を同一面側に位置するように平面方向に配置される。
但し、第２の本発明において「平面方向に配置する」とは、少なくとも各々の熱電子変換素子の電極面（但し、当該電極面とは、熱電子の授受に関与する面を意味し、図９に示す熱電子変換装置のように素子間接続配線の起点となる部分のように、熱電子の授受に関与しない面を含まない）が平面方向に重ならないように配置されることを意味する。また、垂直方向に対しては、各々の熱電子変換素子の同符号の電極の位置が揃うように配置されていてもよいし、ズレて配置されていてもよいが、実用上は、電極厚みや電極間の間隔等、少なくとも厚み方向の寸法構成が同じ熱電子変換素子を、同符号の電極の位置が揃うように配置されることが好ましい。
【０１０３】
また、各々の熱電子変換素子の同一極性の電極を同一面側に位置するように平面方向に配置されるのであれば、式（４）を満たすように素子間接続配線で接続される２つの熱電子変換素子は、必ずしも隣接していなくてもよい。例えば、平面方向にある程度の間隔を置いて２つの熱電子変換素子を配置し、これらを素子間接続配線で接続した場合は、特に熱電子変換素子が微小ギャップタイプである場合には、上記の式（４）はもとより式（５）や式（６）も容易に満たすことができる。
【０１０４】
このように平面方向に間隔を置いて、素子接続配線で接続される２つの熱電子変換素子を配置する場合、容易に素子接続配線部に起因する熱損失を抑制して高い熱電子変換効率を得ることができる。しかし、熱電子変換装置全体としては、熱電子変換に寄与する実効面積（熱電子変換装置の単位面積当りに配置される熱電子変換素子の集積密度）が小さくなり、発電を行う場合には、熱電子変換装置が大型化したり、あるいは、十分な電圧を確保できなくなる場合がある。
【０１０５】
このような観点からは、少なくとも素子間接続配線で直列に接続される２つの熱電子変換素子は、平面方向に隣接して配置されていることが好ましい。また、実効面積を確保する上では、熱電子変換装置に含まれる全ての熱電子変換素子（例えば、直列以外に並列で接続された熱電子変換素子等を含む）が、隣接して配置されていることが好ましい。
【０１０６】
なお、当該隣接とは、熱電子変換素子の平面方向の最大長さに対して、素子間接続配線で接続された２つの熱電子変換素子端部間の平面方向の最短距離が十分に小さい場合を意味する。
【０１０７】
なお、各々の熱電子変換素子を隣接して平面方向に配置する場合、その配列は特に限定されないが、実効面積を大きくするためには、平面方向に同一の形状・サイズの熱電子変換素子を桝目配列や千鳥配列等、公知の２次元的配列により規則的に配置することが好ましい。また、熱電子変換素子の平面方向の形状は特に限定されないが、規則的な配列に適した単純な形状であることが好ましく、さらに、実効面積を大きくできる観点からは正方形や長方形であることがより好ましい。
【０１０８】
また、素子間接続配線で接続される２つの熱電子変換素子が平面方向に隣接して配置されておらず、両者の間隔が大きく離れている場合には、平面方向の素子間接続配線の距離が長くなり過ぎてしまい素子間接続配線の内部抵抗が大きくなってしまう場合がある。しかしながら、素子間接続配線で接続される２つの熱電子変換素子を平面方向に隣接して配置した場合には、素子間接続配線の距離を短くすることができるためこのような問題も容易に解決することができる。
【０１０９】
また、第２の本発明に用いられる素子間接続配線は、少なくとも導電性を有する材料から構成されるものであれば特に限定されないが、導電性を有すると共に、低い熱伝導性を有する材料であることが好ましい。このような導電性材料としては、比抵抗が５×１０−４Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、５×１０−５Ω・ｃｍ以下であることがより好ましく、また、熱伝導率が１０００Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましく、１００Ｗ／ｍＫ以下であることがより好ましい。
【０１１０】
素子間接続配線を構成する材料としては公知の導電性材料を用いることができ、例えば、Ａｌ（比抵抗：２．７０×１０−６Ω・ｃｍ、熱伝導率：４１９Ｗ／ｍＫ）、Ｃｕ（比抵抗：１．７０×１０−６Ω・ｃｍ、熱伝導率：３９２Ｗ／ｍＫ）、Ｔｉ（比抵抗：５．５０×１０−５Ω・ｃｍ、熱伝導率：１７．２Ｗ／ｍＫ）、コバール＜ＦｅＮｉＣｏ＞（比抵抗：４．９０×１０−６Ω・ｃｍ、熱伝導率：１７Ｗ／ｍＫ）等を用いることができる。
【０１１１】
第２の本発明において、熱電子変換装置に含まれる少なくとも１つの素子接続配線が、少なくとも式（４）の関係を満たすものであれば、熱電子変換装置の具体的な構造は特に限定されないが、具体的には以下のような構成を有することが好ましい。
すなわち、第１の電極および第２の電極が、少なくとも反対の極性を有する電極と対向する電極面と、該電極面の前記反対の極性を有する電極が設けられた側の反対側に設けられた非電極面とを含み、第１の熱電子変換素子のいずれか一方の電極のいずれかの部分と、第２の熱電子変換素子の、前記第１の熱電子変換素子のいずれか一方の電極と反対の極性を有する電極の非電極面とが、素子間接続配線により導通可能に接続されていることが好ましい。
【０１１２】
また、当該いずれかの部分は特に限定されないが、電極面であってもよい。但し、当該電極面とは、この面が素子間接続配線に覆われていない場合において、熱電子の授受に関与することが可能な面か否かを問わず、熱電子の授受に関与することが可能な面と垂直方向に同じ高さに位置する面も含むことを意味する。
このような構成は、素子間接続配線を介して接続される２つの熱電子変換素子の平面方向の間隔が小さい場合に、素子間接続配線の距離を大きくすることが容易であるため、熱損失を小さくするために有効である。
【０１１３】
以下にこのような構成の具体例を図面を用いて説明するが、第２の本発明の熱電子変換装置は、以下に説明する例のみに限定されるものではない。
図６は、第２の本発明の熱電子変換装置の一例を示す模式断面図であり、具体的には、熱電子変換装置の素子間接続配線周辺の部分の模式断面図について示したものである。
【０１１４】
図６において、５００は熱電子変換装置、５１１は第１の熱電子変換素子の第１の電極、５１２は第２の熱電子変換素子の第１の電極、５２１は第１の熱電子変換素子の第２の電極、５２２は第２の熱電子変換素子の第２の電極、５３１は絶縁層（電極間支持部材）、５５１は素子間接続配線、５５２は素子間接続配線（第１の配線部分）、５５３は素子間接続配線（第２の配線部分）、５５４は素子間接続配線（第３の配線部分）、５６０はヒートシンク等の放熱源側基板、５６１は熱源側、５７１、５７２は熱源側熱伝導物質、５９１は第１の電極５１１および第２の電極５２１の間に設けられた空間、５９２は第１の電極５１２および第２の電極５２２の間に設けられた空間を意味する。
【０１１５】
ここで、図６に示す熱電子変換装置６００は、以下に説明するような構成を有するものである。まず、基板５６０上に第１の電極側に接するように、第１の電極５１１および第２の電極５２１を含む第１の熱電子変換素子と、第１の電極５１２および第２の電極５２２を含む第２の熱電子変換素子とが設けられている。なお、基板５６０を介した第１の熱電子変換素子の第１の電極５１１と第２の熱電子変換素子の第１の電極５１２との電気的短絡を防ぐために、基板５６０の第１の電極５１１、５１２が設けられた側の面には絶縁層（不図示）が設けられている。
【０１１６】
また、第１の熱電子変換素子において、第１の電極５１１の平面方向の長さは、第２の電極５２１の平面方向の長さよりも大きく、第２の電極５２１の両端部が第１の電極５１１の（平面方向の）両端部よりも内側に位置するように設けられている（但し、図６中において片方の端部側は不図示）。また、第１の電極５１１および第２の電極５２１の間に設けられた空間５９１の（平面方向の）両端部は、第１の電極５１１の両端部と、第２の電極の両端部との間に位置するように設けられている。これらの関係は第２の熱電子変換素子についても同様である。
【０１１７】
さらに、基板５６０上には、第１の熱電子変換素子および第２の熱電子変換素子を絶縁し、且つ、それぞれの熱電子変換素子の対向配置された２つの電極を絶縁するように絶縁層（電極支持部材）５３１が設けられており、第１の熱電子変換素子および第２の熱電子変換素子は、絶縁層５３１により完全に覆われている。
なお、第１の熱電子変換素子の第２の電極５２１と熱源側５６１との間には、熱源側５６１から熱が第２の電極５２１に効率的に伝達できるように、第２の電極５２１の熱源側５６１の面と接し絶縁層５３１を垂直方向に貫通するように熱源側熱伝導物質５７１が設けられ、第２の熱電子変換素子の第２の電極５２２と熱源側５６１との間には、熱源側５６１から熱が第２の電極５２２に効率的に伝達できるように、第２の電極５２２の熱源側５６１の面と接し絶縁層５３１を垂直方向に貫通するように熱源側熱伝導物質５７２が設けられている。
【０１１８】
また、絶縁層５３１、熱源側熱伝導物質５７１、５７２の熱源側５６１の面は、基板５６０と平行に設けられている。なお、熱源側熱伝導物質５７１、熱源側５６１、熱源側熱伝導物質５７２を介して第１の熱電子変換素子の第２の電極５２１と、第２の熱電子変換素子の第２の電極５２２との間の電気的短絡を防ぐために、第２の電極５２１（５２２）および熱源側熱伝導物質５７１（５７２）の界面には絶縁層（不図示）が設けられている。
【０１１９】
ここで、素子間接続配線５５１は、第１の熱電子変換素子の第１の電極５１１の電極面（当該電極面とは、第１の電極５１１の第２の熱電子変換素子側の端部と、空間５９１の第２の熱電子変換素子側の端部との間の領域の電極面を意味する）と、第２の熱電子変換素子の第２の電極５２２の非電極面とを接点として、第１の熱電子変換素子と第２の熱電子変換素子とを直列に接続している。
【０１２０】
素子間接続配線５５１は、大きく分けると３つの直線状の配線からなり、具体的には、第１の熱電子変換素子の第１の電極５１１の電極面から熱源側５６１へと、垂直方向に絶縁層５３１内を通り、熱源側５６１に到達しないように設けられた第１の配線部分５５２と、第１の配線部分５５２から、基板５６０が成す面と平行に絶縁層５３１内を通って、第２の熱電子変換素子の第２の電極５２２の非電極面上に達するように設けられた第２の配線部分５５３と、第２の配線部分５５３と、第２の熱電子変換素子の第２の電極５２２の非電極面とを、絶縁層５３１内を垂直方向に貫通するように設けられた第３の配線部分５５４と、から構成される。
【０１２１】
図６に示す熱電子変換装置５００の構成は、基本的には図９に示す熱電子変換装置１０１と類似したものであるが、熱電子変換装置１０１と比べて２つの熱電子変換素子間を直列に接続するために設けられる素子接続配線の構成が大きく異なっている点に特徴がある。
【０１２２】
すなわち、熱電子変換装置１０１においては、既述したように素子間接続配線の距離は電極間隔と同じであるが、熱電子変換装置５００では、空間５９１の厚み方向に平行な素子間接続配線５５１の第１の配線部５５２が既に電極間隔よりも大きく、さらに、この第１の配線部５５２の長さに加えて、第２の配線部５５３および第３の配線部５５４の長さが加算されたものである。
【０１２３】
なお、図６に示す熱電子変換装置５００が、微小ギャップタイプの熱電子変換素子である場合には、電極間隔（空間５９１、５９２の垂直方向の長さ）はナノメーターオーダーであるのに対し、これら以外の部材のスケール（垂直方向および平面方向）は熱電子変換素子のサイズや対向する各々の電極のサイズ等にもよるものの概ね数十ナノメーターからミクロンオーダー程度となる。
【０１２４】
これは、微小ギャップタイプの熱電子変換素子においては、図６に示すような構成とすることにより、素子間接続配線を経由する２つの電極間の最短距離は、電極間隔よりも概ね１０１倍〜１０３倍オーダー程度の大きさを確保することができることを意味する。
【０１２５】
したがって、素子間接続配線を経由する２つの電極間の熱の移動距離は、図９に示したような従来技術の延長線上で容易に想到される熱電子変換素子よりも大きく、特に微小ギャップタイプの熱電子変換素子では、素子のサイズ等にもよるが、一般的には図９に示したような熱電子変換素子よりも概ね１０１倍〜１０３倍オーダー程度の大きさとすることができるため、熱損失を小さくすることができる。
【０１２６】
なお、既述したような素子間接続配線の長さによる熱損失と抵抗損失とのトレードオフ関係（熱電子発電効率）の最適化は、熱電子変換素子５００の作製に際して、主に第２の配線部分５５３の長さ、また必要であれば補助的に第１の配線部分５５２や第３の配線部分５５４の長さも調整することにより容易に行うことができる。
【０１２７】
以上、図６に例示したような構造を持つ熱電子変換素子５００は、ＬＳＩ等の半導体デバイスの作製に用いられる成膜、フォトリソグラフィー、エッチング等の公知の製造技術を利用して作製できる。
以下に、具体例として図６に示す熱電子変換装置５００の製造過程について説明するが、第２の本発明の熱電子変換装置の製造方法は、以下に説明する例のみに限定されるものではない。
【０１２８】
図７は、図６に示す熱電子変換装置５００の作製工程の一例について示す模式断面図である。図７中、図６に示す符号と同一の番号を付した部材は、図６に示すものと同様の部材であり、また、５９３、５９４は犠牲層、５５５、５５６はコンタクトホール、５５７は（犠牲層エッチング用の）エッチングホール、５５８、５５９は（熱的コンタクトのための）エッチングホールを表す。
【０１２９】
まず、表面が絶縁層（不図示）で覆われた放熱源側基板５６０上にスパッタリング法等により金属膜を形成する。次に、この金属膜上にレジストを形成し、フォトリソグラフィ法によりレジストパターンを形成した後、このレジストパターンに沿ってＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｈｃｉｎｇ）等の方法により金属層をエッチングして、基板５６０上に第１の熱電子変換素子の第１の電極５１１と第２の熱電子変換素子の第１の電極５１２とを形成し、最後にこれら２つの電極上に残ったレジストを除去する（図７（Ａ））。
【０１３０】
次に、上記と同様にして成膜、パターニング、エッチング等を行うことにより、図７（Ｂ）に示すように、第１の電極５１１（５１２）上に犠牲層５９３（５９４）を形成する。なお、犠牲層５９３（５９４）は、その端部が、第１の電極５１１（５１２）の端部よりも内側に位置するように形成される。
【０１３１】
さらに、第２の電極５２１（５２２）を、上記と同様にして成膜・パターニング等を行うことにより、図７（Ｃ）に示すように、犠牲層５９３（５９４）の上に形成する。なお、第２の電極５２１（５２２）は、その端部が、犠牲層５９３（５９４）の端部よりも内側に位置するように形成される。
【０１３２】
その後、基板５６０上を、第１の熱電子変換素子および第２の熱電子変換素子も覆うように絶縁層５３１’を成膜し、更に、図７（Ｄ）に示すようにコンタクトホール５５５、５５６およびエッチングホール５５７等を形成するために、絶縁膜５３１’を上記と同様にパターニング、エッチング等を行う。
【０１３３】
なお、コンタクトホール５５５は、素子間接続配線（第１の配線部部分）５５２を形成するために設けられるもので、第１の電極５１１の犠牲層５９３で覆われていない電極面から、絶縁層５３１’を垂直方向に貫通するように設けられるものであり、コンタクトホール５５６は、素子間接続配線（第３の配線部分）５５４を形成するために設けられるもので、第２の電極５２２の非電極面から絶縁層５３１’を垂直方向に貫通するように設けられるものである。
【０１３４】
また、エッチングホール５５７は、犠牲層５９４をエッチングして除去するために設けられるもので、第２の熱電子変換素子の第１の熱電子変換素子が設けられた側と反対側の、第２の電極５２２で覆われていない犠牲層５９４の第２の電極５２２側の面から、絶縁層５３１’を略垂直方向に貫通するように設けられるものである。なお、エッチングホール５５７の形成と同時に、犠牲層５９３をエッチングして除去するためのエッチングホール（不図示）も形成される。
【０１３５】
次に、図７（Ｅ）に示すように、エッチングホール（不図示）を介して犠牲層５９３を選択的にエッチングして除去することにより空間５９１を形成し、エッチングホール５５７を介して犠牲層５９４を選択的にエッチングして除去することにより空間５９２を形成する。
【０１３６】
さらに、図７（Ｆ）に示すように、エッチングホール（不図示）と繋がっている空間５９１およびエッチングホール５５７と繋がっている空間５９２を真空封止するために、絶縁層５３１’を覆い、また、エッチングホール（不図示）およびエッチングホール５５７を埋め込むために絶縁層５３１”を形成する。
【０１３７】
さらに、図７（Ｇ）に示すようにコンタクトホール５５５、５５６を金属を成膜することにより埋め込んで、素子間接続配線（第１の配線部分）５５２および素子間接続配線（第３の配線部分）５５４を形成すると共に、パターニングおよびエッチングを利用して、両者を接続する素子間接続配線（第２の配線部分）５５２を形成する。
【０１３８】
次に、絶縁層５３１”上に沿って設けられた素子間接続配線（第２の配線部分）５５３も覆うように、絶縁層５３１”上に絶縁層５３１’’’を成膜し、さらに図７（Ｈ）に示すように熱源側熱伝導物質５７１、５７２を設けるためのエッチングホール５５８、５５９を、絶縁層５３１’’’、５３１”、５３１’を垂直に貫通し、第２の電極５２１、５２２にほぼ到達する深さまで上記と同様にパターニングを行なう。但し、このパターニング時のエッチングは、第２の電極５２１、５２２の熱源側５６１表面に薄い絶縁層（不図示）が残留するように行なう。
【０１３９】
最後に、図７（Ｉ）に示すようにエッチングホール５５８、５５９を金属で埋めこんで熱源側熱伝導物質５７１、５７２を形成することにより熱電子変換装置５００が作製される。
【０１４０】
以上に説明したような第２の本発明の熱電子変換装置は、発電に利用することができる。また、第２の本発明の熱電子変換装置は、対向する電極間の間隔が１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の微小ギャップタイプの熱電子変換素子や、対向する電極間の間隔がミリメートルオーダーの従来の熱電子変換素子のいずれであってもよい。
しかしながら、後者の場合は、図９に示すように熱電子変換素子同士を素子間接続配線で接続しても、素子間接続配線を経由する電極間の最短距離がミリメートルオーダー程度と熱損失を抑制するに十分な距離であるため、実用上は微小ギャップタイプの熱電子変換素子であることが特に好ましい。
【０１４１】
また、第２の本発明の熱電子変換装置は、その構成部材として、個々の熱電子変換素子が、少なくとも対向配置された相互に極性の異なる電極を有し、他の熱電子変換素子と電気的に接続するための素子間接続配線を有するものであれば特に限定されないが、これら２つの電極に接し且つ両者を絶縁する電極支持部材が設けられていることが好ましい。
【０１４２】
この場合、電極支持部材が、既述した式（１）を少なくとも満たしていることが好ましく、また、電極支持部材も含む熱電子変換素子の構成は、第２の本発明の特徴に加えて、少なくとも式（１）も満たすものであれば特に限定されないが、既述した第１の本発明の特徴を兼ね備えていることが好ましい。具体例を挙げれば、このような熱電子装置は、図６に示したような素子間接続配線の構造と、既述した図１や図３に示したような電極間支持部材の構造とを兼ね備えたものであってもよい。このような構成を有する熱電子変換装置は、素子間接続配線および電極支持部材の両方に起因する熱損失の両方を抑制することができる。
【０１４３】
なお、熱電子変換素子の第１の電極および第２の電極の平面方向の形状は特に限定されないが、略方形であることが好ましい。この場合の方形形状の第１の主辺の長さと、第１の主辺に直交する第２の主辺の長さとの比（第１の主辺／第２の主辺、あるいは、第２の主辺／第１の主辺）が１０以下であることが好ましく、５以下であることがより好ましく、１であることが特に好ましい。
このように、第１の主辺の長さと第２の主辺の長さとの比を小さくすることにより、電極の内部抵抗を小さくすることができる。これは、電極平面方向の電流の流れは、電極の素子間接続配線と接触する部分を起点とするため、電極平面のいずれの点もこの起点部分に近い方が、電極の内部抵抗を小さくすることができるためである。
【０１４４】
但し、電極の形状が略方形であるとは、４つの直線からなる正方形、長方形、あるいは、平行四辺形は勿論、これらの方形の輪郭を成す４つの辺の一部が欠けていたり出っ張っていたりする変則的な形状の方形ものも含む。
なお、第１の主辺およびこれに直交する第２の主辺は、正方形や長方形の場合には、これらの方形の輪郭を形成する４つの辺のうちの直交する２つの辺をそれぞれ意味するが、平行四辺形の場合には、いずれか一方の主辺（例えば、第１の主辺）が、平行四辺形の輪郭を形成する４つの辺の内のいずれか１つの辺を意味し、もう一方の主辺（第２の主辺）が第１の主辺と直交し、この第１の主辺および第１の主辺と対向する辺の間に位置する垂線であることを意味する。
また、変則的な形状の場合は、欠けや出っ張りのある部分を無視して、４つの直線からなる純粋な正方形、長方形、あるいは、平行四辺形とみなして上記と同様に第１の主辺および第２の主辺を定める。
【０１４５】
【発明の効果】
以上に説明したように、第１の本発明によれば、熱損失の小さい熱電子変換素子およびこれを用いた熱電子変換装置を提供することができる。また、第２の本発明によれば熱損失の小さい熱電子変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の本発明の熱電子変換素子の一例を示す模式断面図である。
【図２】Ｈ１／Ｙ比と熱電子変換効率との関係の一例を示すグラフである。
【図３】第１の本発明の熱電子変換素子の他の例を示す模式断面図である。
【図４】第１の本発明の熱電子変換素子の作製工程の一例について示す模式断面図である。
【図５】Ｈ２／Ｚ比と熱電子変換効率との関係の一例を示すグラフである。
【図６】第２の本発明の熱電子変換装置の一例を示す模式断面図である。
【図７】図６に示す熱電子変換装置５００の作製工程の一例について示す模式断面図である。
【図８】従来の微小ギャップタイプの熱電子変換装置の一例を示す模式断面図である。
【図９】図８に示す微小ギャップタイプの熱電子変換装置において、個々の熱電子変換素子を直列に接続した場合の一例を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１００、１０１ 熱電子変換装置
１１０、１１１、１１２、１１３、１１４ エミッタ電極
１２０、１２１、１２２、１２３、１２４ コレクタ電極
１３０、１３１、１３２、１３３ 柱
１３１’、１３２’、１３３’ エミッタ電極間絶縁部材
１５１，１５２，１５３ 素子間接続配線
１６０ 熱源に接する熱源側基板
１６１ 放熱源に接するヒートシンクのような放熱源側基板
２００、２０１、２０２ 熱電子変換素子
２１０ 第１の電極
２２０ 第２の電極
２３０、２３０’、２３１、２３１’、２３２、２３２’ 柱
２６０、２６１ 基板
３００、３０１ 熱電子変換素子
３１０ 第１の電極
３２０ 第２の電極
３３０、３３０’、３３１、３３１’ 柱
３６０、３６１ 基板
４００ （完成した）熱電子変換素子
４１０ 熱源あるいは放熱源を兼ねる基板
４２０ 第１の電極
４３０ 犠牲層
４３１ エッチングホール
４４１、４４２、４４２’ 絶縁層（電極間支持部材）
４４３、４４４ エッチングホール
４５０ （第２の電極の一部として機能する）金属層
４５０’ 第２の電極
５００ 熱電子変換装置
５１１ 第１の熱電子変換素子の第１の電極
５１２ 第２の熱電子変換素子の第１の電極
５２１ 第１の熱電子変換素子の第２の電極
５２２ 第２の熱電子変換素子の第２の電極
５３１、５３１’、５３１”、５３１’’’ 絶縁層（電極間支持部材）
５５１ 素子間接続配線
５５２ 素子間接続配線（第１の配線部分）
５５３ 素子間接続配線（第２の配線部分）
５５４ 素子間接続配線（第３の配線部分）
５５５、５５６ コンタクトホール
５５７、５５８、５５９ エッチングホール
５６０ ヒートシンク等の放熱源側基板
５６１ 熱源側
５７１、５７２ 熱源側熱伝導物質
５９１、５９２ 空間
５９３、５９４ 犠牲層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermoelectric conversion element used for power generation and cooling, and a thermoelectric conversion device using the same.
[0002]
[Prior art]
The thermionic conversion element is an element basically composed of an emitter electrode that emits thermoelectrons and a collector electrode that is arranged to face the emitter electrode. This thermoelectric conversion element converts the temperature difference between the two electrodes into electric power (generates power), or transfers heat from the emitter electrode to the collector electrode by applying a bias voltage between the two electrodes (cooling). can do.
[0003]
In conventional thermoelectric conversion elements, a heat source is usually connected to the emitter electrode side, and a heat sink is connected to the collector electrode side, and the distance between the electrodes is at least about 1 μm. In addition, a support member or the like for keeping the distance between the electrodes constant is provided, and when two or more thermionic conversion elements are used, wiring or the like for electrically connecting the thermionic conversion elements to each other is provided. Is provided.
In such a thermionic conversion element, thermoelectrons are emitted from one of the electrodes by applying energy exceeding the work function of the material constituting the electrode surface to the electrons. For this reason, a material having a low work function is used for the surfaces of the two electrodes (the surfaces facing the electrodes) in order to increase the efficiency of emitting thermoelectrons.
[0004]
However, in a conventional thermoelectron conversion element in which the distance between the electrodes is on the order of millimeters, in order to obtain sufficient thermoelectron conversion efficiency in practical use, the temperature of the emitter electrode is set to 1000 K or more, and an extremely large temperature difference occurs between the electrodes. In order to improve the thermionic emission efficiency, it is necessary to take measures such as forming a projection with a small radius of curvature on the electrode surface to concentrate the electric field on this projection to reduce the effective work function. Met.
[0005]
However, the former has a problem that the use environment is extremely limited. In the latter case, there is a problem that it is very difficult to quantitatively control the size of the inter-electrode distance and consequently the conversion efficiency.
[0006]
In order to solve such a problem, a thermoelectric conversion element in which the distance between the electrodes is reduced to about the order of nanometers has been studied (for example, Patent Document 1). In such a small gap type thermoelectric conversion element, the transfer of thermoelectrons between the electrodes is caused by a tunnel phenomenon, and in principle, even a slight temperature difference between the electrodes obtained under an environment of about room temperature. It has been found that sufficient thermoelectron conversion efficiency can be obtained in practical use.
However, at the present time, sufficient studies have not been sufficiently conducted in consideration of the practical use of such a small gap type thermoelectric conversion element, and problems to be solved in practical use have been sufficiently grasped. Did not.
[0007]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 6,064,137
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the present invention has been made in view of the above problems. That is, a first object of the present invention is to provide a thermionic conversion element having a small heat loss and a thermionic conversion device using the same. Another object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion device having a small heat loss.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In devising the present invention to be described later, the present inventors first discuss the problems in practical use of a micro-gap type thermo-electron conversion element. Various investigations, which will be described below, were carried out using a conversion device and a thermoelectric conversion element / thermoelectric conversion device that can be easily considered as an extension of the conventional technology as a starting point.
[0010]
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional micro-gap type thermo-electron conversion device, in which the thermo-electron conversion device shown in Patent Document 1 is simplified and shown focusing on the function of each part. Things.
8, reference numeral 100 denotes a thermoelectron conversion device; 110, an emitter electrode; 120, a collector electrode; 130, a column; , An arrow d indicates an electrode gap (gap) between the emitter electrode 110 and the collector electrode 120. In addition, the electrode interval d means a scale on the order of nanometers, but the scale of other portions means a scale sufficiently larger than the order of nanometers (for example, a scale on the order of submicrons or more).
[0011]
The thermoelectron conversion device 100 includes two electrodes (an emitter electrode 110 and a collector electrode 120) that are arranged to face each other so as to keep a constant distance d, and two electrode faces on both sides of the two electrodes. The thermo-electron conversion elements composed of vertically provided columns 130 are arranged in parallel so as to share the columns 130 of adjacent thermo-electron conversion elements. The cross-sectional shape of these two electrodes is rectangular, and the side facing the two electrodes is the longitudinal direction. The short sides of these two electrodes are in contact with the pillar 130.
Here, the columns 130 are provided so as to insulate between the electrodes arranged opposite to each other and between the electrodes of the same polarity of the adjacent thermoelectron conversion elements, and to maintain the interval d. Further, a heat source side substrate 160 is provided on the emitter electrode 110 side of each of the thermoelectric conversion elements thus arranged in parallel, and a heat radiation source side substrate 161 such as a heat sink is provided on the collector electrode 120 side. Is provided.
[0012]
In such a thermoelectron conversion device 100, any one of the thermoelectrons can be set within a range of about 1 nm to about several tens of nm in order to prevent the electrodes from contacting each other and to secure a sufficient thermoelectron conversion efficiency. It is necessary that the conversion element be kept at exactly the same value. In order to accurately maintain such a small interval in any of the thermoelectron conversion elements of the thermoelectron conversion device 100, it is essential to form the columns 130 in the thermoelectron conversion device 100 with a certain density.
[0013]
However, the present inventors have studied that, in a structure such as the thermionic conversion device 100 shown in FIG. 8, most of the amount of heat applied to the heat source It has been found that a problem arises in that the heat escapes and the amount of heat contributing to the thermoelectron conversion is small (heat loss is large), and thus the thermoelectron conversion efficiency is greatly deteriorated. Hereinafter, such a problem related to heat loss (hereinafter, may be abbreviated as “first problem”) will be described based on specific calculations.
[0014]
For example, the electrode interval d is 4 nm, silicon oxide (thermal conductivity: 1.4 W / mK), which is an insulator material having a low thermal conductivity, is used as a material for forming the column 13, and the cross-sectional shape of the column 130 is a square having a side of 2 μm. (Cross-sectional area 4μm 2 ), The amount of heat conduction per pillar 130 is 1.4 × 10 -3 W / K (= thermal conductivity × cross-sectional area / electrode spacing d).
Here, when manufacturing a thermoelectron conversion device having a cross-sectional structure as shown in FIG. 8 and thermoelectric conversion elements densely arranged at 1 cm square, about 4000 columns per cm square are required. Become.
[0015]
Therefore, assuming that the temperature difference between the heat source side substrate 160 and the heat radiation source side substrate 161 is 1 ° C., the amount of heat conduction caused by such a 1 cm square thermoelectric conversion device column is 56 W (one of the columns 13). Thermal conductivity per unit x total number of columns x temperature difference). On the other hand, based on literature (APPLIED PHYSICS LETTERS Vol. 78, p2572-2574, 2001), the amount of heat flowing between the electrodes due to thermionic conversion is 4 nm for the electrode spacing d, 0.5 eV for the work function, and 1 for the temperature difference. Calculated under the condition of ° C., it is about 7 W.
[0016]
That is, in the conventional thermoelectron conversion element and the thermoelectron conversion device using the same, the amount of heat flowing through the pillar is much larger than that contributing to the thermoelectron conversion (large heat loss), and it can withstand practical use. There was no one.
[0017]
On the other hand, when a thermoelectric conversion device having a cross-sectional structure as shown in FIG. 8 is used for power generation, since the voltage taken out from each thermoelectric conversion element is small, it is necessary to connect each thermoelectric conversion element in series. There is. At present, there has been no specific example of such a thermoelectric conversion element connection in a micro-gap type thermoelectric conversion device, but a certain configuration can be inferred by considering the following three points. .
[0018]
First, as can be seen from the example shown in FIG. 8, in the thermoelectron conversion device using the micro gap type thermoelectron conversion element, the scale of the members constituting each part is nano-order in the portion between the electrodes, Since the other parts are on the order of submicron or more, it can be seen that they can be manufactured using known manufacturing techniques such as film formation, photolithography, and etching used for manufacturing semiconductor devices such as LSIs.
[0019]
Second, in the thermoelectron conversion device using the microgap type thermoelectron conversion element shown in FIG. 8, two electrodes are stacked in the thickness direction of the thermoelectron conversion device. This structure is very similar to a known semiconductor device having a structure in which wirings stacked in the thickness direction and interlayer wirings connecting the wirings stacked in the thickness direction in a vertical direction are provided. From this, it is possible to use the wiring structure of such a semiconductor device for the connection between the thermionic conversion elements.
[0020]
Third, from the viewpoint of the amount of power generated by the thermoelectric conversion device as a whole, it is preferable that the degree of integration of the thermoelectric conversion elements be as high as possible, and therefore, it is preferable that the thermoelectric conversion elements be densely arranged. .
[0021]
Considering the above three points, when connecting the individual thermoelectron conversion elements of the thermoelectron conversion device 100 shown in FIG. 8 in series, it is assumed that the configuration shown in FIG. 9 is provided.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example in which individual thermoelectron conversion elements are connected in series in the micro gap type thermoelectron conversion device shown in FIG. 9, 101 is a thermoelectron conversion device, 111, 112, 113, and 114 are emitter electrodes, 121, 122, 123, and 124 are collector electrodes, 131, 132, and 133 are pillars, and 131 ', 132', and 133 'are An emitter-electrode insulating member, 151, 152, and 153 are element-to-element connection wirings, 160 is a heat-source-side substrate, 161 is a heat-dissipation-side substrate, and an arrow d 'indicates the emitter electrode 111 (or 112, 113, 114) and the collector. It means an electrode interval (gap) between the electrode 121 (or 122, 123, 124).
[0022]
Here, members indicated by reference numerals 110, 120, and 160 in FIG. 9 have the same functions and configurations as members indicated by reference numerals 110, 120, 160, and 161 shown in FIG. The part composed of the two members indicated by reference numerals 130 and 130 'in FIG. 9 has substantially the same function and configuration as the reference numeral 130 shown in FIG.
[0023]
The thermoelectron conversion device 101 is different from the thermoelectron conversion device 100 in that a part of one of two opposing electrodes (two electrodes having the same value in the first digit of the three-digit code number) has a part of an adjacent thermal electrode. An inter-element connection wire (connecting the electrode 111 and the electrode 122) that is provided so as to face a part of the electrode of the opposite sign of the electron conversion element and vertically connects opposing surfaces (electrode surfaces) of these two electrodes. It is characterized in that inter-element connection wiring 151, inter-element connection wiring 152 connecting electrode 112 and electrode 123, and inter-element connection wiring 153 connecting electrode 113 and electrode 124) are provided.
[0024]
The thermoelectric conversion device 101 having such a configuration also has a problem of heat loss caused by the columns 131, 132, and 133, as in the case described above. A large amount of heat applied to the substrate 160 escapes to the heat radiation source side substrate 161 via the pillars 131, 132, and 133, and also escapes via the element connection wirings 151, 152, and 153. It has been found that the amount of heat contributing to the thermoelectron conversion is further reduced (heat loss is large), and therefore, the problem that the thermoelectron conversion efficiency is further greatly reduced occurs. Hereinafter, a problem (hereinafter, may be abbreviated as “second problem”) relating to heat loss due to such an inter-element connection wiring will be described based on specific calculations.
[0025]
For example, the electrode spacing d ′ is 4 nm, Al (thermal conductivity 419 W / mK) is used as a wiring material forming the inter-element connection wirings 151, 152, 153, and the vertical and horizontal sizes of the inter-element connection wirings 151, 152, 153. Is 1 μm square (cross-sectional area 1 μm 2 ), The heat conduction amount per one element connection wiring is 0.1 W / K (= thermal conductivity × cross-sectional area / electrode distance d ′).
[0026]
Here, the thermoelectron conversion device 101 is a device in which 10001 thermoelectric conversion elements are connected in series by 10,000 element connection wirings, and the temperature difference between the heat source side substrate 160 and the heat radiation source side substrate 161 is 1 When the temperature is assumed to be ° C., the thermal conductivity due to the inter-element connection wiring of such a thermionic converter is 1000 W (= the amount of heat conduction per one inter-element connection wiring × the total number of inter-element connection wirings × temperature difference). ). On the other hand, the amount of heat flowing between the electrodes due to thermionic conversion is 7W.
[0027]
That is, in the thermo-electron conversion device as shown in FIG. 9, the amount of heat flowing through the inter-element connection wiring is much larger than that contributing to thermo-electron conversion (heat loss is large), and is not practical. there were.
[0028]
The present inventors have conducted studies as described above, and as a result, it is extremely important how to reduce heat loss when a thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion device using the same are put to practical use. I realized that. In the course of conducting such a study, the inventors of the present invention use the column 130 and the element-to-element connection wirings 151, 152, 153 in the thermionic element shown in FIG. 8 and the thermionic converter shown in FIG. Focusing on the structural feature that the shortest distance of heat transfer is equal to the distance between the electrodes, the present invention has been made to reduce the heat loss. That is, the present invention
[0029]
<1> a first electrode, a second electrode having a polarity opposite to that of the first electrode, provided opposite to the first electrode so as to keep a constant distance from the first electrode, and A thermoelectric conversion element comprising at least an electrode support member in contact with and insulating the second electrode and the second electrode,
A thermoelectric conversion element characterized by satisfying the following expression (1).
Formula (1) H1> Y
[However, in the above formula (1), Y represents the distance between the first electrode and the second electrode, and H1 represents the distance between the first electrode and the second electrode passing through the electrode support member. Indicates the shortest distance from the electrode. ]
[0030]
<2> The thermoelectric conversion element according to <1>, wherein the following formula (2) is satisfied.
・ Formula (2) H1 ≧ 10 × Y
[However, in the above formula (2), H1 means the same parameter as H1 shown in the formula (1), and Y means the same parameter as Y shown in the formula (1). ]
[0031]
<3> The thermoelectric conversion element according to <1> or <2>, wherein the following formula (3) is satisfied.
・ Formula (3) H1 ≧ 100 × Y
[However, in the above formula (3), H1 means the same parameter as H1 shown in the formula (1), and Y means the same parameter as Y shown in the formula (1). ]
[0032]
<4> the first electrode and the second electrode include at least an electrode-facing side facing an electrode provided to face,
The electrode support member is in contact with at least one side of the first electrode and at least one side of the second electrode,
It has a cross-sectional structure in which both ends of the electrode facing side of the first electrode are located outside or inside both ends of the electrode facing side of the second electrode with respect to a direction parallel to the electrode facing side. The thermoelectric conversion element according to any one of <1> to <3>,
The electrode supporting member is at least one side of the first electrode located on a side opposite to the side on which the second electrode is provided with respect to an electrode-facing side of the first electrode; and The thermoelectron conversion element is characterized by being in contact with at least one side of the second electrode located on the side opposite to the side on which the first electrode is provided with respect to the electrode facing side of the second electrode. .
[0033]
<5> the first electrode and the second electrode include at least an electrode-facing side facing an electrode provided to face,
The electrode support member is in contact with at least one side of the first electrode and at least one side of the second electrode,
At least one end (first end) of both ends of the electrode facing side of the first electrode is at least one of both ends of the electrode facing side of the second electrode in a direction parallel to the electrode facing side. The thermoelectric conversion element according to any one of <1> to <3>, having a cross-sectional structure overlapping one end (second end),
The electrode supporting member is at least one side of the first electrode located on a side opposite to the side on which the second electrode is provided with respect to an electrode-facing side of the first electrode; and Contacting at least one side of the second electrode located on the side opposite to the side on which the first electrode is provided with respect to the electrode facing side of the second electrode;
In addition, at least in the section between the first end and the second end of the imaginary line passing through the first end and the second end, the electrode support member may include at least the imaginary line. Is provided so as to be separated from a part of the virtual line to a side opposite to a side where the first electrode and the second electrode are provided on the virtual line.
[0034]
<6> In a thermoelectron conversion device including two or more thermoelectron conversion elements, at least one of the two or more thermoelectron conversion elements is the thermoelectron according to any one of <1> to <5>. A thermoelectronic conversion device, which is a conversion element.
[0035]
<7> At least including a first electrode and a second electrode having a polarity opposite to that of the first electrode, the second electrode being provided to face the first electrode so as to keep a constant distance from the first electrode. Including two or more thermoelectric conversion elements,
The two or more thermionic conversion elements are arranged in a planar direction so that electrodes of the same polarity of each thermionic conversion element are located on the same surface side,
In at least two of the two or more thermoelectron conversion elements, the first thermoelectron conversion element and the second thermoelectron conversion element are electrically connected to each other between electrodes of opposite polarities. A thermoelectron conversion device including at least one element connection wiring,
A thermoelectric conversion device characterized by satisfying the following expression (4).
・ Formula (4) H2> Z
[However, in the above equation (4), Z is the distance between the first electrode and the second electrode of the first thermoelectric conversion element, and the first electrode of the second thermoelectric conversion element. H2 represents the larger value of the distance between the first thermoelectric conversion element and the second thermoelectric conversion element via the inter-element connection wiring. Indicates the shortest distance between electrodes. ]
[0036]
<8> The thermoelectric conversion device according to <7>, wherein the following formula (5) is satisfied.
・ Formula (5) H2 ≧ 10 × Z
[However, in the above formula (5), H2 means the same parameter as H2 shown in the formula (4), and Z means the same parameter as Z shown in the formula (4). ]
[0037]
<9> The thermoelectric conversion device according to <7> or <8>, wherein the following expression (6) is satisfied.
・ Formula (6) H2 ≧ 100 × Z
[However, in the above formula (6), H2 means the same parameter as H2 shown in the formula (4), and Z means the same parameter as Z shown in the formula (4). ]
[0038]
<10> 99% or more of all inter-element connection wirings included in the thermionic conversion device satisfy any one of the expressions (4) to (6). <7> to <9 > The thermoelectric conversion device according to any one of the above.
[0039]
<11> 99.9% or more of all inter-element connection wires included in the thermionic conversion device satisfy any one of the expressions (4) to (6). The thermoelectric conversion device according to any one of <10>.
[0040]
<12> The method according to any one of <7> to <11>, wherein the first thermoelectric conversion element and the second thermoelectric conversion element are arranged adjacent to each other in a planar direction. It is a thermoelectron conversion device of description.
[0041]
<13> the first electrode and the second electrode are at least on the electrode surface facing the electrode having the opposite polarity, and on the opposite side of the electrode surface on which the electrode having the opposite polarity is provided. A non-electrode surface provided,
Any part of any one electrode of the first thermoelectric conversion element and the polarity of the second thermoelectron conversion element opposite to any one electrode of the first thermoelectric conversion element <12> The thermoelectron conversion device according to <12>, wherein the non-electrode surface of the electrode is electrically connected to the non-electrode surface by the inter-element connection wiring.
[0042]
<14> The thermoelectric conversion device according to <13>, wherein any one of the electrodes of the first thermoelectric conversion element is an electrode surface.
[0043]
<15> The thermoelectron conversion element includes an electrode support member that is in contact with and insulates the first electrode and the second electrode,
At least one of the two or more thermionic conversion elements satisfies the following expression (7): <7> to <14>. It is a thermoelectronic conversion device.
Equation (7) H1> Y
[However, in the above equation (7), Y represents the distance between the first electrode and the second electrode, and H1 is the distance between the first electrode and the second electrode passing through the electrode support member. Indicates the shortest distance from the electrode. ]
[0044]
<16> The shape of the first electrode and the second electrode in the planar direction is substantially rectangular, and the length of the first main side of the shape and the second main side orthogonal to the first main side The thermoelectric conversion device according to any one of <7> to <15>, wherein the ratio to the length is 10 or less.
[0045]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in broad terms into the first present invention and the second present invention.
[0046]
(First invention)
The present inventors have devised the following first present invention in order to solve the first problem described above.
That is, the first aspect of the present invention provides a second electrode having a polarity opposite to that of the first electrode, provided opposite to the first electrode so as to keep a constant distance from the first electrode. In a thermoelectric conversion element including at least an electrode and an electrode supporting member that is in contact with and insulates the first electrode and the second electrode, the following formula (1) is satisfied.
Formula (1) H1> Y
[0047]
However, in the above formula (1), Y represents the distance between the first electrode and the second electrode (more precisely, the distance between the surfaces of two opposing electrodes. H1 represents the shortest distance between the first electrode and the second electrode via the electrode support member.
[0048]
Therefore, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a thermionic conversion element with small heat loss. Further, when a thermoelectric conversion device including two or more such thermoelectric conversion elements is manufactured, a thermoelectric conversion device with small heat loss can be provided.
[0049]
In a thermoelectric conversion device 100 using a conventional micro-gap type thermoelectric conversion element as shown in FIG. 8, between the opposing electrodes via an electrode support member such as a column 130 of each thermoelectric conversion element. The shortest distance is the same as the inter-electrode distance, and the inter-electrode distance is a very short distance of about several nanometers, so that heat can move to the opposing electrode in the shortest path, which reduces heat loss. Was bigger.
[0050]
However, in the first aspect of the present invention, the shortest distance H1 between the first electrode and the second electrode via the electrode support member is larger than the distance Y between the first electrode and the second electrode, Since the heat transmitted between the electrodes moves a longer distance than the electrode interval Y and moves from one electrode to the other opposing electrode, heat loss can be reduced as compared with the related art.
[0051]
The values of Y and H1 only need to satisfy at least the relationship of the above expression (1), but preferably satisfy the following expression (2), and more preferably satisfy the following expression (3).
・ Formula (2) H1 ≧ 10 × Y
・ Formula (3) H1 ≧ 100 × Y
However, in the above formulas (2) and (3), H1 means the same parameter as H1 shown in the formula (1), and Y means the same parameter as Y shown in the formula (1).
When the values of Y and H1 do not satisfy the relationship of the expression (2), it may not be possible to sufficiently reduce the heat loss depending on the material constituting the electrode supporting member.
[0052]
In addition, as shown in FIG. 8, when a thermoelectron conversion device in which two or more thermoelectron conversion elements are arranged in parallel in a planar direction is used, at least, of all the thermoelectron conversion devices included in the thermoelectron conversion device, It is only necessary that one of them satisfies any of the above formulas (1) to (3).
However, when the thermionic converter includes at least some thermionic converters that do not satisfy the relationship of the formula (1), the heat loss in these thermionic converters increases, and the entire thermionic converter becomes large. In some cases, the heat loss cannot be sufficiently reduced. From such a viewpoint, it is preferable that 90% or more of all thermionic conversion elements satisfy any of the above formulas (1) to (3), and 99% or more of all thermionic conversion elements have the above-described formula. More preferably, any one of the formulas (1) to (3) is satisfied.
[0053]
In the present invention, the first electrode and the second electrode have polarities opposite to each other, and are arranged so that at least a part of each electrode faces each other so that thermal electrons can be transferred. Things. One of these two electrodes is called a so-called emitter electrode that emits thermoelectrons, and the other is a collector electrode that captures thermoelectrons emitted from the emitter electrode.
[0054]
Further, in the present invention, the “electrode support member” is not particularly limited as long as it is in contact with at least the first electrode and the second electrode that are arranged to face each other as described above and insulates both. The material constituting the electrode support member is not particularly limited, and may be composed of only one member, or may be composed of a combination of a plurality of members. In order to further reduce the thermal conductivity, the electrode supporting member may have a porous structure.
[0055]
However, it is preferable that at least a main part or the whole of the electrode support member is made of an insulator having low thermal conductivity. Such an insulator preferably has a thermal tradition coefficient of 10 W / m · K or less, more preferably 2 W / m · K or less. 2 , Si 3 N 4 , Polyimide and the like can be used.
[0056]
In the first aspect of the present invention, the specific structure of the thermionic conversion element is not particularly limited as long as it satisfies at least the relationship of the formula (1). However, when focusing on one thermionic conversion element of the conventional thermionic conversion device shown in FIG. 8, the structure satisfying the relationship of the expression (1) is (A) one of the two electrodes arranged opposite to each other. When the width of one of the electrodes is different, and (B) when the width of the two electrodes arranged opposite to each other is the same, it can be roughly classified into two. The width means a direction perpendicular to the thickness direction in a cross section of the thermoelectric element cut in the thickness direction.
[0057]
First, (A) the case where the width of one of the two electrodes arranged opposite to each other is different will be described.
In this case, in the thermoelectric conversion element according to the first aspect of the present invention, the first electrode and the second electrode include at least an electrode-facing side facing an electrode provided to face the electrode, and the electrode supporting member includes the first electrode and the second electrode. Both ends of the electrode facing side of the first electrode are in contact with at least one side of the first electrode and at least one side of the second electrode, and in a direction parallel to the electrode facing side, It has a cross-sectional structure located outside or inside both ends of the electrode facing side of the second electrode, and the electrode support member is configured such that the second electrode is located on the electrode facing side of the first electrode. At least one side of the first electrode located on the side opposite to the side on which the first electrode is provided, and on the side opposite to the side on which the first electrode is provided with respect to the electrode facing side of the second electrode. Touches at least one side of the second electrode located Door is preferable.
[0058]
FIG. 1 shows a specific example of such a configuration. FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of the configuration of the thermionic conversion element of the first invention.
In FIG. 1, reference numerals 200, 201, and 202 denote thermoelectric conversion elements, 210 denotes a first electrode, 220 denotes a second electrode, 230, 230 ', 231, 231', 232, and 232 'denote columns, and 260 and 261 denote columns. A substrate (one of the substrates denoted by reference numerals 260 and 261 indicates a heat source side, and the other indicates a heat radiation source side).
[0059]
Note that the cross section of the first electrode 210 and the second electrode 220 is a rectangle in which the electrode facing side is the longitudinal direction, and the symbol attached to the four sides in FIG. B) means the second side parallel to the first side A, and C and C ′ mean the third side perpendicular to the first side A and the second side. Here, the second side B and the third side C (C ′) are located on the side opposite to the electrode provided so as to face the first side (electrode facing side) A. .
[0060]
The thermoelectric conversion elements 200, 201, and 202 shown in FIGS. 1A to 1C are almost the same as the individual thermoelectric conversion elements included in the thermoelectric conversion device 100 shown in FIG. Is the same. However, the thermoelectric conversion elements 200, 201, and 202 differ from the thermoelectric conversion elements shown in FIG. 8 in that the lengths of the first sides (electrode-facing sides) of the two opposing electrodes are different. There are features.
Therefore, the shortest distance between the two opposing electrodes 210 and 220 via the electrode support member is larger than the electrode interval.
[0061]
For example, in the thermoelectric conversion element 200 illustrated in FIG. 1A, the column 230 (230 ′), which is an electrode support member, includes the third side C (C ′) of the first electrode 210 and the second electrode 220. This is similar to the thermionic conversion element shown in FIG. 8 in that it is in contact with the third side C (C ′).
[0062]
However, in the thermoelectron conversion element shown in FIG. 8, the shortest distance between two electrodes via the column 130 which is an electrode support member is an electrode interval. The shortest distance between two electrodes passing through a certain column 230 (230 ′) is equal to the distance between the electrodes (hereinafter, abbreviated as “distance A”), the first side (electrode facing side) A of the first electrode 210 and The first side (electrode facing) of the intersection of the third side C (C ′) and the intersection of the first side (electrode facing side) A and the third side C (C ′) of the second electrode 220 The distance in the direction parallel to the side A) (hereinafter, abbreviated as “distance B”) is added.
[0063]
In addition, for the sake of explanation, the distance A appears to be longer than the distance B in FIG. 1. However, in the thermoelectric conversion element of the small gap type, the distance A, which is the electrode interval, is actually on the order of nanometers. On the other hand, the distance B, which is the distance in the direction parallel to the first side (electrode facing side) A (that is, the vertical and horizontal size directions of the thermoelectric conversion element), is the size of the thermoelectric conversion element and each of the opposing electrodes. Although it depends on the size, etc., it is generally on the order of tens of nanometers to microns.
[0064]
This is because, in the thermoelectric conversion element of the small gap type, the shortest distance between the two electrodes via the column 230 (230 ′) as the electrode support member is obtained by adopting the configuration shown in FIG. Is about 10 times larger than the electrode spacing. 1 Double to 10 3 This means that a size on the order of double order can be secured.
[0065]
Therefore, the distance of heat transfer between the electrodes via the electrode support member is larger than that of the conventional thermoelectron conversion element. Particularly, in the thermoelectric conversion element of a small gap type, it depends on the size of the element, etc. Is about 10 times higher than that of the conventional thermoelectric conversion element. 1 Double to 10 3 It can be about twice as large.
[0066]
Note that the thermoelectric conversion element 201 illustrated in FIG. 1B and the thermoelectron conversion element 202 illustrated in FIG. 1C have the shortest movement distance of heat passing between the electrodes via the electrode supporting member in FIG. ) Has a configuration further extended in a direction parallel to the third side C (C ′).
[0067]
Specifically, a portion of the column 230 (230 ′) of the thermoelectron conversion element 200 that is in contact with the third side C (C ′) of the second electrode 220 is connected to the first side (electrode facing) of the second electrode 220. The part which is partially removed so as to provide a groove from the side A side to the substrate 261 side is the thermoelectron conversion element 201, and the second electrode 220 of the column 230 (230 ′) of the thermoelectron conversion element 200 3 is completely removed from the first side (electrode facing side) A side of the second electrode so as to provide a groove from the side A to the substrate 261 side. It is. In the thermoelectric conversion element 202, two types of members including the columns 230 (230 ') and the substrate 261 function as electrode support members.
[0068]
In the thermionic conversion element as shown in FIG. 1, the width of one of the two opposing electrodes (the length in the direction of the first side (electrode facing side) A in FIG. 1) is reduced. Therefore, there is a case where the longer the distance B is, the smaller the electrode area contributing to the thermoelectron conversion becomes, and the problem is that the thermoelectron conversion efficiency per thermoelectron conversion element is reduced. .
[0069]
Therefore, when the thermoelectron conversion element of the first invention is a thermoelectron conversion element in which one of two opposed electrodes as illustrated in FIG. It is preferable that the shortest distance H1 between the first electrode and the second electrode that passes through is 10,000 times or less the distance Y between the first electrode and the second electrode.
[0070]
As described above, in the thermoelectron conversion element in which one of the two electrodes facing each other as illustrated in FIG. 1 has a small width, when the H1 / Y ratio is too large, the thermoelectron conversion due to the electrode area is caused. The efficiency may be reduced, and when the H1 / Y ratio is too small, the thermal electron conversion efficiency may be reduced due to heat loss as described above.
[0071]
FIG. 2 is a graph showing such a relationship. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the H1 / Y ratio, and the vertical axis indicates the thermionic conversion efficiency, all of which are relative scales. The thermoelectron conversion efficiency increases with an increase in the H1 / Y ratio, and starts to decrease through the maximum point M. Here, the drop of the thermoelectron conversion efficiency on the left side of the maximum point M is mainly caused by heat loss, and the drop of the thermoelectron conversion efficiency on the right side of the maximum point M is mainly a decrease in the area of one electrode. It is caused by
For this reason, in practice, it is preferable to set the value of H1 to the value of Y so that the thermoelectron conversion efficiency is maximized.
[0072]
The graph shown in FIG. 2 is an example, and although the profile of the graph differs depending on the structure of the thermoelectric conversion element in which the area of one electrode is smaller than the other as illustrated in FIG. It is a convex profile having a point M.
[0073]
Next, (B) a case in which the two electrodes arranged opposite to each other have the same width will be described.
In this case, in the thermoelectric conversion element according to the first aspect of the present invention, the first electrode and the second electrode include at least an electrode-facing side facing an electrode provided to face the electrode, and the electrode supporting member includes the first electrode and the second electrode. At least one of both ends of the electrode facing side of the first electrode in a direction in contact with at least one side of the first electrode and at least one side of the second electrode and parallel to the electrode facing side. One end (a first end) has a cross-sectional structure overlapping at least one end (a second end) of both ends of the electrode-facing side of the second electrode, and the electrode support member is provided with the first electrode. At least one side of the first electrode located on the side opposite to the side on which the second electrode is provided with respect to the electrode facing side of the second electrode, and the electrode facing side of the second electrode. The first electrode located on the side opposite to the side on which the first electrode is provided. In at least a section between the first end and the second end of an imaginary line that is in contact with at least one side of the electrode and passes through the first end and the second end. Preferably, the electrode support member is provided so as to be separated from at least a part of the virtual line on a side of the virtual line opposite to a side on which the first electrode and the second electrode are provided.
[0074]
FIG. 3 shows a specific example of such a configuration. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing another configuration example of the thermionic conversion element of the first invention.
In FIG. 3, 300 and 301 are thermoelectric conversion elements, 310 is a first electrode, 320 is a second electrode, 330, 330 ', 331, 331' are pillars, and 360 and 361 are substrates (reference numerals 360 and 361). One of the substrates shown is a heat source side, and the other is a heat radiation source side). In the symbols attached to the four sides of the first electrode 310 and the second electrode 320, A is the first side. (Electrode facing side), B means the second side, C and C 'mean the third side, and D1 (D1') means the first side (electrode facing side) A of the first electrode 310. (First end), D2 (D2 ′) represents the end (second end) of the first side (electrode facing side) A of the second electrode 320. The cross-sectional shape of the two opposing electrodes shown in FIG. 3 is the same as that described in FIG.
[0075]
The thermoelectric conversion elements 300 and 301 shown in FIGS. 3A and 3B have substantially the same basic configuration and functions as the individual thermoelectric conversion elements included in the thermoelectric conversion device 100 shown in FIG. is there. However, the thermoelectric conversion elements 300 and 301 are imaginary through the first end D1 (D1 ′) and the second end D2 (D2 ′) as compared with the thermoelectric conversion element shown in FIG. In at least a section of the line between the first end D1 (D1 ′) and the second end D2 (D2 ′), the electrode support members 330 and 331 (or 330 ′ and 331 ′) are at least one of the virtual lines. It is characterized in that it is provided so as to be separated from two opposing electrodes at a certain distance from the part.
Therefore, the shortest distance between the two opposing electrodes 310 and 320 via the electrode support member is larger than the electrode interval. .
[0076]
For example, in the thermoelectron conversion element 300 shown in FIG. 3A, the column 330 (330 ′) serving as an electrode support member is formed by the third side C (C ′) of the first electrode 310 and the second electrode 320. This is similar to the thermionic conversion element shown in FIG. 8 in that it is in contact with the third side C (C ′).
[0077]
However, in the thermoelectron conversion element shown in FIG. 8, the shortest distance between two electrodes via the column 330 as the electrode support member is the electrode interval, whereas in the thermoelectron conversion element 300, the electrode support member The shortest distance between two electrodes via a certain column 330 (330 ') passes through the first end D1 (D1') and the second end D2 (D2 ') at the electrode interval (distance A). A first side (electrode-facing side) from the virtual line to the bottom of a concave groove provided in the column 330 (330 ') so as to extend the space surrounded by the two electrodes in the plane direction of the thermoelectric conversion element 300 ) A length that is twice the distance parallel to A (hereinafter abbreviated as “distance C”).
[0078]
For the sake of explanation, the distance C and the distance A appear to be almost the same length in FIG. 3, but in a thermoelectric conversion element of the small gap type, the distance A, which is the electrode interval, is actually on the order of nanometers. On the other hand, the distance C, which is the distance in the direction parallel to the first side (electrode-facing side) A (that is, the vertical and horizontal size direction of the thermoelectric conversion element), is the size of the thermoelectric conversion element and Although it depends on the size of the electrode and the like, it is on the order of submicron to micron.
[0079]
This is because, in the thermoelectric conversion element of the minute gap type, the shortest distance between the two electrodes via the column 330 (330 ′) as the electrode support member is obtained by adopting the configuration shown in FIG. Is about 10 times larger than the electrode spacing. 1 Double to 10 3 This means that a size on the order of double order can be secured.
[0080]
Therefore, the distance of heat transfer between the electrodes via the electrode support member is larger than that of the conventional thermoelectron conversion element. Particularly, in the thermoelectric conversion element of a small gap type, it depends on the size of the element, etc. Is about 10 times higher than that of the conventional thermoelectric conversion element. 1 Double to 10 3 Since the size can be about twice as large, heat loss can be reduced.
[0081]
Note that the thermoelectric conversion element 301 illustrated in FIG. 3B has a further minimum moving distance of heat passing through the electrode support member between the electrodes than the thermoelectric conversion element 300 illustrated in FIG. 3 has a configuration extending in a direction parallel to the side C (C ′). Specifically, a portion of the column 330 (330 ') of the thermoelectron conversion element 300 that is in contact with the third side C (C') of the first electrode 310 (and the second electrode 320) is connected to the first electrode 310. The thermionic conversion element 301 is partially removed so as to provide a groove from the first side (electrode facing side) A side of the (and the second electrode 320) to the substrate 360 (and the substrate 361) side. .
Further, such a groove structure along the third side C direction may be provided only on one of the electrodes, or may be provided so as to reach the substrate 360 or the substrate 361. .
[0082]
1 and 3 described above can be manufactured by using a known technique. However, from the viewpoint of ease of manufacturing the thermoelectric conversion element, the thermoelectron conversion element illustrated in FIG. The conversion element 200 or the thermionic conversion element 300 shown in FIG.
Further, the structure as exemplified in FIGS. 1 and 3 is suitable for a thermoelectric conversion element of a small gap type. Can be.
[0083]
The thermionic conversion element having the structure illustrated in FIGS. 1 and 3 can be manufactured by using known manufacturing techniques such as film formation, photolithography, and etching used for manufacturing a semiconductor device such as an LSI.
Hereinafter, as a specific example, a manufacturing process of a thermionic conversion element having a structure similar to the thermionic conversion element 200 shown in FIG. 1A will be described. However, the present invention is not limited to only the examples described below.
[0084]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of the manufacturing process of the thermoelectric conversion element of the first invention. In FIG. 4, 400 is a (completed) thermoelectron conversion element, 410 is a substrate also serving as a heat source or a heat radiation source, 420 is a first electrode, 430 is a sacrificial layer, 431 is an etching hole, 441, 442, 442 ' Insulating layers (inter-electrode supporting members), 443 and 444 represent etching holes, 450 represents a metal layer (functioning as a part of the second electrode), and 450 ′ represents the second electrode.
[0085]
In manufacturing the thermionic conversion element, as shown in FIG. 4A, a substrate 410 which also serves as a heat source or a heat radiating source is prepared, and one surface of the substrate 410 is provided as shown in FIGS. 4B and 4C. A metal is deposited as the first electrode 420, and a sacrificial layer 430 is formed over the first electrode 420. At this time, the thickness of the sacrificial layer 430 is adjusted so as to match the distance between the two electrodes arranged to face each other in the thermoelectric conversion element to be finally manufactured. For example, the thickness is set to 4 nm. Can be.
[0086]
Further, after forming the sacrificial layer 430, the sacrificial layer 430 is patterned so that an insulating layer functioning as an inter-electrode support member can be provided in contact with the two electrodes arranged opposite to each other. An etching hole 431 is formed in part of the layer 430 to a depth reaching the first electrode 420.
[0087]
Next, as shown in FIG. 4D, an etching layer 431 is buried, an insulating layer such as silicon oxide is formed so as to cover the entire sacrifice layer 430, and the insulating layer is patterned to form an insulating layer. Is formed to a depth reaching the sacrifice layer 430 so that is divided into the insulating layer 441 and the insulating layer 442 by the etching hole 443.
At this time, the etching hole 443 is provided at a position shifted from the portion where the etching hole 431 originally existed in the plane direction of the substrate 410. Thus, the insulating layer 441 is provided so that a portion of the insulating layer 441 on the side of the etching hole 443 covers the sacrificial layer 430.
[0088]
After that, as shown in FIG. 4E, the etching hole 443 is buried by vapor deposition of a metal to form a metal layer 450. Further, as shown in FIG. An etching hole 444 is formed at a position slightly away from the interface between 450 and insulating layer 442 to a depth reaching sacrificial layer 430.
[0089]
Next, as shown in FIG. 4G, the sacrificial layer 430 is removed by side-etching through the etching hole 444, and then, as shown in FIG. For example, by forming a film of silicon oxide or the like, a portion including the sacrificial layer 430 near the etching hole 444 is buried.
Finally, as shown in FIG. 4I, a metal is deposited on a plane formed by the insulating layers (electrode supporting members) 441 and 442 ′ and the metal layer 450 to form a second electrode 450 ′, The element 400 can be obtained.
[0090]
The thermoelectric conversion element of the first aspect of the present invention as described above, or a thermoelectric conversion device using the same can be used for power generation and cooling. Further, the thermoelectric conversion element of the first aspect of the present invention is either a thermoelectric conversion element of a minute gap type in which a distance between opposing electrodes is about several nanometers or a conventional thermoelectric conversion element of about millimeter order. However, it is preferable that the thermoelectric conversion element is a small gap type thermoelectric conversion element having a large electrode spacing of about 1 nm to 10 nm, which has a large effect of suppressing heat loss.
[0091]
(Second present invention)
The present inventors have devised the following second present invention in order to solve the above-mentioned second problem.
That is, the second invention provides a second electrode having a polarity opposite to that of the first electrode, the second electrode having a polarity opposite to that of the first electrode. And two or more thermoelectron conversion elements including at least two thermoelectron conversion elements, and the two or more thermoelectron conversion elements are arranged in a planar direction such that electrodes of the same polarity of each thermoelectron conversion element are located on the same surface side. Being disposed, at least two of the two or more thermionic conversion elements can conduct between opposing polar electrodes of the first and second thermionic conversion elements. A thermoelectric conversion device including at least one element-to-element connection wiring connected to the device, wherein the following formula (4) is satisfied.
・ Formula (4) H2> Z
[0092]
However, in the above equation (4), Z is a distance between the first electrode and the second electrode of the first thermoelectric conversion element, and Z is a distance between the first electrode and the second electrode of the second thermoelectric conversion element. H2 represents an electrode having an opposite polarity between the first thermoelectron conversion element and the second thermoelectron conversion element via the inter-element connection wiring. Represents the shortest distance between
[0093]
Therefore, according to the second aspect of the present invention, it is possible to provide a thermoelectron conversion device with small heat loss.
[0094]
In the thermoelectron conversion device 101 using a thermoelectric conversion element of a small gap type as shown in FIG. 9, element connection wirings 151, 152, 153 for connecting electrodes of different polarities of adjacent thermoelectron conversion elements. Is the same as the distance between two opposing electrodes, and the distance between the electrodes is very short, on the order of a few nanometers. It was possible to move to the opposite polarity electrode of the conversion element, which increased the heat loss.
[0095]
However, in the second aspect of the present invention, the distance between the first electrode and the second electrode of the first thermoelectric conversion element, and the distance between the first electrode and the second electrode of the second thermoelectric conversion element are different. The shorter distance H2 between the opposite polarity electrodes of the first and second thermoelectron conversion elements via the inter-element connection wiring than the Z value which is the larger value of the distance between the electrodes. Is big.
[0096]
For this reason, the heat transmitted between the thermionic conversion elements via the inter-element wiring is dissipated by the distance Z between the two opposing electrodes (the opposing arrangement of the two thermo-electron conversion elements connected via the inter-element wiring). When the distance between the two electrodes is different, the distance between the two electrodes is moved longer than the larger one of the two electrodes to move from one electrode connected by the element-to-element wiring to the other opposing electrode. Therefore, heat loss can be reduced as compared with the related art.
[0097]
It is sufficient that the values of Z and H2 satisfy at least the relationship of the above expression (4), but preferably satisfy the following expression (5), and more preferably satisfy the following expression (6).
・ Formula (5) H2 ≧ 10 × Z
・ Formula (6) H2 ≧ 100 × Z
However, in the above formulas (5) and (6), H2 means the same parameter as H2 shown in the formula (4), and Z means the same parameter as Z shown in the formula (4).
If the values of Z and H2 do not satisfy the relationship of Expression (5), the heat loss may not be sufficiently reduced depending on the material constituting the inter-element wiring.
[0098]
From the viewpoint of suppressing heat loss, the larger the value of H2 is, the more preferable it is. However, if the value is too large, the resistance loss due to the electric resistance of the inter-element connection wiring increases. In some cases, lowering the conversion efficiency of thermionic electrons. From such a viewpoint, the value of H2 is preferably not more than 10,000 times the value of Y.
[0099]
When the H2 / Z ratio is too large, the thermoelectron conversion efficiency may decrease due to the resistance loss. When the H2 / Z ratio is too small, the H2 / Z ratio may decrease due to the heat loss as described above. In some cases, the thermoelectron conversion efficiency may decrease.
FIG. 5 is a graph showing such a relationship. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the H2 / Z ratio, and the vertical axis indicates the thermoelectron conversion efficiency, all of which are relative scales. The thermoelectron conversion efficiency increases with an increase in the H2 / Z ratio, and starts to decrease through the maximum point M. Here, the drop in thermoelectron conversion efficiency on the left side of the maximum point M is mainly due to heat loss, and the drop in thermoelectron conversion efficiency on the right side of the maximum point M is mainly due to resistance loss. It is.
For this reason, in practice, it is preferable to set the value of H2 with respect to the value of Z so that the thermoelectron conversion efficiency is maximized.
[0100]
Note that the profile of the graph shown in FIG. 5 is an example, and is basically a convex profile having the maximum point M, although it differs depending on the structural material and the like of the portion connected in series by the element connection wiring.
[0101]
In the thermoelectric conversion device according to the second aspect of the present invention, at least one of all inter-element connection wires included in the thermoelectric conversion device satisfies any of the above formulas (4) to (6). Just fine.
However, if the thermoelectron conversion device includes at least some inter-element connection wirings that do not satisfy the relationship of equation (4), the heat loss due to these inter-element connection wirings increases and the thermo-electron conversion In some cases, the heat loss of the entire apparatus cannot be sufficiently reduced. From such a viewpoint, it is preferable that 99% or more of all the element connection wirings included in the thermionic conversion device satisfy any one of the above formulas (4) to (6), and 99.9% or more. More preferably, any one of the above formulas (4) to (6) is satisfied.
[0102]
In the second aspect of the present invention, the thermionic conversion elements included in the thermionic conversion device are arranged in the plane direction such that electrodes of the same polarity of each thermionic conversion element are located on the same surface side.
However, in the second aspect of the present invention, “disposed in the plane direction” means at least an electrode surface of each thermoelectron conversion element (however, the electrode surface means a surface involved in transfer of thermoelectrons, and 9 does not include a surface that does not participate in the transfer of thermoelectrons, such as a portion serving as a starting point of an inter-element connection wiring as in the thermoelectric conversion device shown in FIG. 9). . Further, in the vertical direction, the electrodes of the same sign of each thermoelectric conversion element may be arranged so as to be aligned, or may be arranged so as to be shifted, but in practice, the electrode thickness is Preferably, thermionic conversion elements having at least the same dimensional configuration in the thickness direction, such as the distance between electrodes and the like, are arranged so that the positions of the electrodes with the same reference numerals are aligned.
[0103]
Further, if the electrodes of the same polarity of each thermionic conversion element are arranged in the plane direction so as to be located on the same surface side, two electrodes connected by element connection wiring so as to satisfy Expression (4) are satisfied. Thermionic conversion elements do not necessarily have to be adjacent. For example, when two thermionic conversion elements are arranged at a certain interval in the plane direction and they are connected by element-to-element connection wiring, especially when the thermionic conversion element is a minute gap type, Equation (5) and equation (6) as well as equation (4) can be easily satisfied.
[0104]
In the case where two thermoelectron conversion elements connected by the element connection wiring are arranged at intervals in the plane direction as described above, heat loss caused by the element connection wiring part can be easily suppressed to achieve high thermoelectron conversion efficiency. Obtainable. However, as a whole, the effective area (integration density of thermionic conversion elements arranged per unit area of the thermionic converter) contributing to thermionic conversion becomes small, and when power is generated, In some cases, the thermoelectric conversion device becomes large or a sufficient voltage cannot be secured.
[0105]
From such a viewpoint, it is preferable that at least two thermoelectric conversion elements connected in series by the element connection wiring are arranged adjacent to each other in the planar direction. In order to secure the effective area, all thermionic conversion elements included in the thermionic conversion device (including, for example, thermionic conversion elements connected in parallel other than in series) are arranged adjacently. Is preferred.
[0106]
Note that the term “adjacent” means that the shortest distance in the plane direction between two thermoelectron conversion element ends connected by the inter-element connection wiring is sufficiently small with respect to the maximum length of the thermoelectron conversion element in the plane direction. Means
[0107]
When the thermoelectric conversion elements are arranged adjacent to each other in the plane direction, the arrangement is not particularly limited, but in order to increase the effective area, thermoelectric conversion elements having the same shape and size in the plane direction are required. It is preferable to arrange them regularly in a known two-dimensional array such as a grid array or a staggered array. The shape of the thermionic conversion element in the planar direction is not particularly limited, but is preferably a simple shape suitable for regular arrangement, and further, from the viewpoint of increasing the effective area, may be a square or a rectangle. More preferred.
[0108]
If the two thermoelectric conversion elements connected by the inter-element connection wiring are not arranged adjacent to each other in the plane direction and the distance between the two is large, the distance of the inter-element connection wiring in the plane direction is large. May become too long, and the internal resistance of the element connection wiring may increase. However, when two thermoelectric conversion elements connected by the inter-element connection wiring are arranged adjacent to each other in the plane direction, the distance between the inter-element connection wirings can be shortened, so that such a problem can be easily solved. can do.
[0109]
The inter-element connection wiring used in the second aspect of the present invention is not particularly limited as long as it is made of a material having at least conductivity, and is a material having conductivity and low thermal conductivity. Is preferred. Such a conductive material has a specific resistance of 5 × 10 -4 Ω · cm or less, preferably 5 × 10 -5 It is more preferably Ω · cm or less, and the thermal conductivity is preferably 1000 W / mK or less, more preferably 100 W / mK or less.
[0110]
A known conductive material can be used as a material constituting the inter-element connection wiring. For example, Al (specific resistance: 2.70 × 10 -6 Ω · cm, thermal conductivity: 419 W / mK), Cu (specific resistance: 1.70 × 10 -6 Ω · cm, thermal conductivity: 392 W / mK), Ti (specific resistance: 5.50 × 10 5) -5 Ω · cm, thermal conductivity: 17.2 W / mK), Kovar <FeNiCo> (resistivity: 4.90 × 10 -6 Ω · cm, thermal conductivity: 17 W / mK) or the like can be used.
[0111]
In the second aspect of the present invention, the specific structure of the thermionic conversion device is not particularly limited as long as at least one element connection wiring included in the thermionic conversion device satisfies at least the relationship of Expression (4). Specifically, it is preferable to have the following configuration.
That is, the first electrode and the second electrode are provided at least on the electrode surface facing the electrode having the opposite polarity, and on the opposite side of the electrode surface on which the electrode having the opposite polarity is provided. A non-electrode surface, any part of any one electrode of the first thermoelectric conversion element, and any one electrode of the first thermoelectric conversion element of the second thermoelectric conversion element It is preferable that the non-electrode surface of the electrode having the opposite polarity to the non-electrode surface is conductively connected by the element connection wiring.
[0112]
Further, any one of the portions is not particularly limited, but may be an electrode surface. However, the electrode surface is to be involved in the transfer of thermoelectrons regardless of whether or not the surface is capable of participating in the transfer of thermoelectrons when the surface is not covered with the inter-element connection wiring. Means that the surface is located at the same height in the vertical direction as the possible surface.
With such a configuration, when the distance between the two thermionic conversion elements connected via the inter-element connection wiring in the planar direction is small, it is easy to increase the distance between the inter-element connection wirings. This is effective for reducing.
[0113]
Hereinafter, a specific example of such a configuration will be described with reference to the drawings. However, the thermoelectric conversion device according to the second aspect of the present invention is not limited to the example described below.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of the thermoelectric conversion device according to the second embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of a portion around a connection wire between elements of the thermoelectric conversion device. is there.
[0114]
6, reference numeral 500 denotes a thermoelectron conversion device; 511, a first electrode of a first thermoelectron conversion element; 512, a first electrode of a second thermoelectron conversion element; and 521, a first thermoelectron conversion element. The second electrode 522 is a second electrode of the second thermoelectric conversion element, the reference numeral 531 is an insulating layer (support member between electrodes), 551 is a connection wiring between elements, and 552 is a connection wiring between elements (first wiring). 553, an element connection wiring (second wiring part), 554, an element connection wiring (third wiring part), 560, a heat sink side substrate such as a heat sink, 561, a heat source side, and 571, 572. 591 denotes a space provided between the first electrode 511 and the second electrode 521, and 592 denotes a space provided between the first electrode 512 and the second electrode 522. .
[0115]
Here, the thermoelectric conversion device 600 shown in FIG. 6 has a configuration as described below. First, a first thermoelectron conversion element including a first electrode 511 and a second electrode 521 and a first electrode 512 and a second electrode 522 are provided on a substrate 560 so as to be in contact with the first electrode. And a second thermionic conversion element. Note that in order to prevent an electrical short circuit between the first electrode 511 of the first thermoelectric conversion element and the first electrode 512 of the second thermoelectric conversion element via the substrate 560, the first electrode An insulating layer (not shown) is provided on the surface on the side where 511 and 512 are provided.
[0116]
Further, in the first thermoelectric conversion element, the length of the first electrode 511 in the plane direction is larger than the length of the second electrode 521 in the plane direction, and both ends of the second electrode 521 are in the first direction. The electrode 511 is provided so as to be located inside both ends (in the planar direction) of the electrode 511 (however, one end side is not shown in FIG. 6). In addition, both ends (in the planar direction) of the space 591 provided between the first electrode 511 and the second electrode 521 are formed between the both ends of the first electrode 511 and both ends of the second electrode. It is provided so as to be located between them. These relationships are the same for the second thermoelectric conversion element.
[0117]
Further, an insulating layer is provided on the substrate 560 so as to insulate the first thermoelectric conversion element and the second thermoelectric conversion element, and to insulate two electrodes of each thermoelectric conversion element that are opposed to each other. (Electrode support member) 531 is provided, and the first thermoelectric conversion element and the second thermoelectric conversion element are completely covered with the insulating layer 531.
Note that the second electrode 521 is provided between the second electrode 521 of the first thermoelectric conversion element and the heat source side 561 so that heat can be efficiently transmitted from the heat source side 561 to the second electrode 521. The heat source side heat conductive material 571 is provided so as to be in contact with the surface of the heat source side 561 and vertically penetrate the insulating layer 531, and between the second electrode 522 of the second thermoelectric conversion element and the heat source side 561. In order to efficiently transfer heat from the heat source side 561 to the second electrode 522, the heat source side heat conduction is performed so as to be in contact with the surface of the second electrode 522 on the heat source side 561 and penetrate the insulating layer 531 in the vertical direction. A substance 572 is provided.
[0118]
The surfaces of the insulating layer 531 and the heat source side heat conductive materials 571 and 572 on the heat source side 561 are provided in parallel with the substrate 560. Note that the second electrode 521 of the first thermoelectric conversion element and the second electrode 522 of the second thermoelectric conversion element are connected via the heat source side heat conductive material 571, the heat source side 561, and the heat source side heat conductive material 572. An insulating layer (not shown) is provided at the interface between the second electrode 521 (522) and the heat source side heat conductive material 571 (572) in order to prevent an electrical short circuit between the second electrode 521 (522) and the heat source side heat conductive material 571 (572).
[0119]
Here, the inter-element connection wiring 551 is connected to the electrode surface of the first electrode 511 of the first thermoelectric conversion element (the electrode surface is the end of the first electrode 511 on the second thermoelectric conversion element side). And the end of the space 591 on the side of the second thermoelectron conversion element on the electrode side) and the non-electrode surface of the second electrode 522 of the second thermoelectron conversion element. The first thermoelectric conversion element and the second thermoelectric conversion element are connected in series.
[0120]
The element-to-element connection wiring 551 is roughly composed of three linear wirings. Specifically, the element connection wiring 551 extends vertically from the electrode surface of the first electrode 511 of the first thermoelectric conversion element to the heat source side 561. The first wiring portion 552 provided so as not to reach the heat source side 561 through the insulating layer 531 and the first wiring portion 552 passes through the insulating layer 531 in parallel with the plane formed by the substrate 560. A second wiring portion 553, a second wiring portion 553 provided to reach a non-electrode surface of the second electrode 522 of the second thermoelectron conversion element, and a second wiring portion 553 of the second thermoelectron conversion element. And a third wiring portion 554 provided to penetrate the non-electrode surface of the second electrode 522 in the insulating layer 531 in the vertical direction.
[0121]
The configuration of the thermoelectron conversion device 500 shown in FIG. 6 is basically similar to the thermoelectron conversion device 101 shown in FIG. It is characterized in that the configuration of element connection wiring provided for connecting in series is greatly different.
[0122]
That is, in the thermoelectron conversion device 101, as described above, the distance of the inter-element connection wiring is the same as the electrode interval, but in the thermoelectron conversion device 500, the inter-element connection wiring 551 parallel to the thickness direction of the space 591. The first wiring portion 552 is already larger than the electrode spacing, and the lengths of the second wiring portion 553 and the third wiring portion 554 are added to the length of the first wiring portion 552. It is a thing.
[0123]
In the case where the thermoelectron conversion device 500 shown in FIG. 6 is a micro gap type thermoelectron conversion element, the electrode spacing (vertical length of the spaces 591 and 592) is on the order of nanometers. The scale (vertical direction and planar direction) of the other members is generally on the order of several tens of nanometers to microns, depending on the size of the thermionic conversion element, the size of each of the electrodes facing each other, and the like.
[0124]
This is because, in the micro-gap type thermoelectric conversion element, the shortest distance between two electrodes via the element-to-element connection wiring is approximately 10 times smaller than the electrode interval by employing the configuration shown in FIG. 1 Double to 10 3 This means that a size on the order of double order can be secured.
[0125]
Therefore, the heat transfer distance between the two electrodes via the inter-element connection wiring is larger than that of the thermionic conversion element easily conceived on an extension of the prior art as shown in FIG. In general, the thermoelectric conversion element of the above does not depend on the size of the element and the like, but is generally about 10 times larger than the thermoelectric conversion element as shown in FIG. 1 Double to 10 3 Since the size can be about twice as large, heat loss can be reduced.
[0126]
The optimization of the trade-off relationship between the heat loss and the resistance loss (thermionic power generation efficiency) due to the length of the inter-element connection wiring as described above is mainly performed when the thermoelectric conversion element 500 is manufactured. This can be easily performed by adjusting the length of the wiring portion 553 and, if necessary, the lengths of the first wiring portion 552 and the third wiring portion 554.
[0127]
As described above, the thermionic conversion element 500 having the structure illustrated in FIG. 6 can be manufactured by using a known manufacturing technique such as film formation, photolithography, and etching used for manufacturing a semiconductor device such as an LSI.
Hereinafter, the manufacturing process of the thermionic converter 500 shown in FIG. 6 will be described as a specific example, but the method of manufacturing the thermionic converter according to the second embodiment of the present invention is not limited to the example described below. Absent.
[0128]
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a manufacturing process of the thermoelectric conversion device 500 illustrated in FIG. 7, members denoted by the same reference numerals as those shown in FIG. 6 are the same members as those shown in FIG. 6, and 593 and 594 are sacrificial layers, 555 and 556 are contact holes, and 557 are ( Etching holes (for sacrificial layer etching) 558, 559 represent etching holes (for thermal contact).
[0129]
First, a metal film is formed by a sputtering method or the like on a heat radiation source side substrate 560 whose surface is covered with an insulating layer (not shown). Next, a resist is formed on the metal film, a resist pattern is formed by a photolithography method, and then the metal layer is etched along the resist pattern by a method such as RIE (Reactive Ion Ethcing). First, the first electrode 511 of the first thermoelectric conversion element and the first electrode 512 of the second thermoelectric conversion element are formed, and finally, the resist remaining on these two electrodes is removed (FIG. 7). (A)).
[0130]
Next, by performing film formation, patterning, etching, and the like in the same manner as described above, a sacrificial layer 593 (594) is formed over the first electrode 511 (512) as shown in FIG. Note that the sacrificial layer 593 (594) is formed such that its end is located inside the end of the first electrode 511 (512).
[0131]
Further, the second electrode 521 (522) is formed on the sacrificial layer 593 (594) as shown in FIG. 7C by performing film formation and patterning in the same manner as described above. Note that the second electrode 521 (522) is formed such that its end is located inside the end of the sacrificial layer 593 (594).
[0132]
After that, an insulating layer 531 'is formed over the substrate 560 so as to cover the first thermoelectric conversion element and the second thermoelectric conversion element, and further, as shown in FIG. In order to form 556, an etching hole 557, and the like, the insulating film 531 'is patterned and etched in the same manner as described above.
[0133]
Note that the contact hole 555 is provided for forming the element-to-element connection wiring (first wiring portion) 552, and extends from the electrode surface of the first electrode 511 which is not covered with the sacrificial layer 593 to the insulating layer. The contact hole 556 is provided to form an inter-element connection wiring (third wiring portion) 554, and is provided on the second electrode 522. It is provided so as to vertically penetrate the insulating layer 531 ′ from the electrode surface.
[0134]
Further, the etching hole 557 is provided for etching and removing the sacrificial layer 594, and is provided on the second thermoelectric conversion element on the side opposite to the side on which the first thermoelectric conversion element is provided. The sacrificial layer 594 that is not covered with the electrode 522 is provided so as to penetrate the insulating layer 531 ′ in a substantially vertical direction from the surface on the second electrode 522 side. At the same time as the formation of the etching hole 557, an etching hole (not shown) for etching and removing the sacrificial layer 593 is also formed.
[0135]
Next, as shown in FIG. 7E, a space 591 is formed by selectively etching and removing the sacrificial layer 593 through an etching hole (not shown), and the space 591 is formed through the etching hole 557. A space 592 is formed by selectively etching and removing 594.
[0136]
Further, as shown in FIG. 7F, the insulating layer 531 'is covered with a vacuum to seal a space 591 connected to an etching hole (not shown) and a space 592 connected to the etching hole 557. Then, an insulating layer 531 ″ is formed to fill the etching hole (not shown) and the etching hole 557.
[0137]
Further, as shown in FIG. 7G, the contact holes 555 and 556 are buried by forming a metal film to form an element connection wiring (first wiring part) 552 and an element connection wiring (third wiring part). 554), and an inter-element connection wiring (second wiring portion) 552 for connecting them is formed by using patterning and etching.
[0138]
Next, an insulating layer 531 ″ ″ is formed over the insulating layer 531 ″ so as to cover the inter-element connection wiring (second wiring portion) 553 provided along the insulating layer 531 ″. As shown in FIG. 7H, the etching holes 558 and 559 for providing the heat source side heat conductive materials 571 and 572 vertically penetrate the insulating layers 531 ′ ″, 531 ″ and 531 ′, and the second electrode 521 is formed. The patterning is performed in the same manner as described above to a depth almost reaching 522. However, the etching during this patterning is performed so that a thin insulating layer (not shown) remains on the heat source side 561 surface of the second electrodes 521 and 522. Do.
[0139]
Finally, as shown in FIG. 7I, the etching holes 558 and 559 are filled with metal to form the heat source side heat conductive materials 571 and 572, whereby the thermoelectric conversion device 500 is manufactured.
[0140]
The thermoelectric conversion device according to the second aspect of the present invention as described above can be used for power generation. The thermoelectric conversion device according to the second aspect of the present invention is a thermoelectric conversion element of a minute gap type in which the distance between the opposing electrodes is about 1 nm to 10 nm, or a conventional thermoelectron in which the distance between the opposing electrodes is millimeter order. Any of the conversion elements may be used.
However, in the latter case, even if the thermionic conversion elements are connected to each other by the inter-element connection wiring as shown in FIG. 9, the shortest distance between the electrodes via the inter-element connection wiring is on the order of millimeters, thereby suppressing heat loss. In practice, it is particularly preferable to use a thermoelectric conversion element of a small gap type because the distance is sufficient to perform the measurement.
[0141]
In the thermoelectric conversion device according to the second aspect of the present invention, each of the thermoelectric conversion elements has, as constituent members, at least electrodes having opposite polarities and having mutually different polarities. There is no particular limitation as long as it has element-to-element connection wiring for electrical connection, but it is preferable to provide an electrode support member that contacts these two electrodes and insulates them.
[0142]
In this case, it is preferable that the electrode support member satisfies at least the above-described formula (1). The configuration of the thermoelectron conversion element including the electrode support member is in addition to the features of the second aspect of the present invention. There is no particular limitation as long as it also satisfies at least the formula (1), but it is preferable that it also has the features of the first invention described above. To give a specific example, such a thermoelectronic device has a structure of an inter-element connection wiring as shown in FIG. 6 and a structure of an inter-electrode support member as shown in FIGS. 1 and 3 described above. It may have a combination. The thermionic conversion device having such a configuration can suppress both heat loss caused by both the element connection wiring and the electrode support member.
[0143]
The shape of the first electrode and the second electrode of the thermoelectron conversion element in the plane direction is not particularly limited, but is preferably substantially rectangular. In this case, the ratio of the length of the first main side of the rectangular shape to the length of the second main side orthogonal to the first main side (first main side / second main side, or second main side) Is preferably 10 or less, more preferably 5 or less, and particularly preferably 1.
Thus, by reducing the ratio of the length of the first main side to the length of the second main side, the internal resistance of the electrode can be reduced. This is because the current flow in the direction of the electrode plane starts from the portion where the electrode contacts the inter-element connection wiring, so that any point on the electrode plane closer to this starting point reduces the internal resistance of the electrode. This is because it can be done.
[0144]
However, that the shape of the electrode is substantially rectangular means that a square, a rectangle, or a parallelogram composed of four straight lines, or, of course, a part of the four sides forming the outline of these rectangles is missing or protruding. Includes irregularly shaped squares.
In the case of a square or a rectangle, the first main side and the second main side orthogonal to the first main side respectively mean two orthogonal sides of the four sides forming these rectangular outlines. Is a parallelogram, one of the main sides (for example, the first main side) means any one of the four sides forming the outline of the parallelogram, The other main side (second main side) is perpendicular to the first main side, and means a perpendicular line located between the first main side and the side opposite to the first main side. .
Further, in the case of an irregular shape, ignoring a portion having a chip or a protrusion, it is regarded as a pure square, rectangle, or parallelogram made of four straight lines, and the first main side and A second main side is determined.
[0145]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, it is possible to provide a thermionic conversion element having a small heat loss and a thermionic conversion device using the same. Further, according to the second aspect of the present invention, it is possible to provide a thermoelectron conversion device with small heat loss.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing one example of a thermionic conversion element of the first invention.
FIG. 2 is a graph showing an example of a relationship between an H1 / Y ratio and a thermoelectron conversion efficiency.
FIG. 3 is a schematic sectional view showing another example of the thermionic conversion element of the first invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing one example of a manufacturing process of the thermoelectric conversion element of the first invention.
FIG. 5 is a graph showing an example of the relationship between the H2 / Z ratio and the thermionic conversion efficiency.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing one example of the thermoelectric conversion device of the second invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of the thermoelectric conversion device 500 shown in FIG.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional micro-gap type thermoelectric conversion device.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example in which individual thermoelectron conversion elements are connected in series in the micro gap type thermoelectron conversion device shown in FIG.
[Explanation of symbols]
100, 101 thermoelectric conversion device
110, 111, 112, 113, 114 Emitter electrode
120, 121, 122, 123, 124 Collector electrode
130, 131, 132, 133 pillar
131 ', 132', 133 'Insulating member between emitter electrodes
151, 152, 153 Wiring between elements
160 Heat source side substrate in contact with heat source
161 heat sink side substrate such as heat sink in contact with heat sink
200, 201, 202 Thermionic conversion element
210 First electrode
220 second electrode
230, 230 ', 231, 231', 232, 232 'pillar
260, 261 substrate
300, 301 Thermionic conversion element
310 first electrode
320 second electrode
330, 330 ', 331, 331' pillar
360, 361 substrate
400 (completed) thermoelectric conversion element
410 Substrate that also serves as heat source or heat radiation source
420 first electrode
430 sacrificial layer
431 Etching hole
441, 442, 442 'Insulating layer (supporting member between electrodes)
443, 444 Etching hole
450 Metal layer (acting as part of second electrode)
450 'second electrode
500 Thermionic converter
511 First Electrode of First Thermoelectric Conversion Element
512 First electrode of second thermoelectric conversion element
521 Second Electrode of First Thermoelectric Conversion Element
522 Second electrode of second thermoelectric conversion element
531, 531 ′, 531 ″, 531 ″ ″ insulating layer (supporting member between electrodes)
551 Wiring between elements
552 element connection wiring (first wiring part)
553 element connection wiring (second wiring part)
554 element connection wiring (third wiring part)
555,556 Contact hole
557, 558, 559 Etching hole
560 heat sink side substrate such as heat sink
561 Heat source side
571, 572 Heat source side heat conductive material
591, 592 space
593,594 Sacrificial layer

Claims (16)

第１の電極と、該第１の電極に対して一定の間隔を保つように対向して設けられ、前記第１の電極と反対の極性を持つ第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極とに接し且つ絶縁する電極支持部材と、を少なくとも含む熱電子変換素子において、
下式（１）を満たすことを特徴とする熱電子変換素子。
・式（１） Ｈ１＞Ｙ
〔但し、上記式（１）において、Ｙは、前記第１の電極と前記第２の電極との間隔を表し、Ｈ１は、前記電極支持部材を経由する前記第１の電極と前記第２の電極との最短距離を表す。〕A first electrode, a second electrode provided opposite to the first electrode so as to keep a constant distance from the first electrode, and a second electrode having a polarity opposite to that of the first electrode; An electrode supporting member that is in contact with and insulates the second electrode;
A thermoelectric conversion element characterized by satisfying the following expression (1).
Formula (1) H1> Y
[However, in the above formula (1), Y represents the distance between the first electrode and the second electrode, and H1 represents the distance between the first electrode and the second electrode passing through the electrode support member. Indicates the shortest distance from the electrode. ] 下式（２）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の熱電子変換素子。
・式（２） Ｈ１≧１０×Ｙ
〔但し、上記式（２）において、Ｈ１は、前記式（１）に示すＨ１と同じパラメーターを意味し、Ｙは前記式（１）に示すＹと同じパラメーターを意味する。〕The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the following expression (2) is satisfied.
・ Formula (2) H1 ≧ 10 × Y
[However, in the above formula (2), H1 means the same parameter as H1 shown in the formula (1), and Y means the same parameter as Y shown in the formula (1). ] 下式（３）を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電子変換素子。
・式（３） Ｈ１≧１００×Ｙ
〔但し、上記式（３）において、Ｈ１は、前記式（１）に示すＨ１と同じパラメーターを意味し、Ｙは前記式（１）に示すＹと同じパラメーターを意味する。〕The thermoelectric conversion element according to claim 1 or 2, wherein the following formula (3) is satisfied.
・ Formula (3) H1 ≧ 100 × Y
[However, in the above formula (3), H1 means the same parameter as H1 shown in the formula (1), and Y means the same parameter as Y shown in the formula (1). ] 前記第１の電極および前記第２の電極が、対向して設けられた電極に対向する電極対向辺を少なくとも含み、
前記電極支持部材が、前記第１の電極の少なくともいずれかの辺および前記第２の電極の少なくともいずれかの辺に接し、
前記電極対向辺と平行な方向に対して、前記第１の電極の電極対向辺の両端部が、前記第２の電極の電極対向辺の両端部よりも外側または内側に位置する断面構造を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の熱電子変換素子であって、
前記電極支持部材が、前記第１の電極の電極対向辺に対して前記第２の電極が設けられた側と反対側に位置する前記第１の電極の少なくともいずれかの辺、および、前記第２の電極の電極対向辺に対して前記第１の電極が設けられた側と反対側に位置する前記第２の電極の少なくともいずれかの辺に接することを特徴とする熱電子変換素子。The first electrode and the second electrode include at least an electrode-facing side facing an electrode provided to face,
The electrode support member is in contact with at least one side of the first electrode and at least one side of the second electrode,
It has a cross-sectional structure in which both ends of the electrode facing side of the first electrode are located outside or inside both ends of the electrode facing side of the second electrode with respect to a direction parallel to the electrode facing side. It is a thermionic conversion element according to any one of claims 1 to 3,
The electrode supporting member is at least one side of the first electrode located on a side opposite to the side on which the second electrode is provided with respect to an electrode facing side of the first electrode; and A thermionic conversion element, which is in contact with at least one side of the second electrode located on the side opposite to the side on which the first electrode is provided with respect to the electrode facing side of the second electrode. 前記第１の電極および前記第２の電極が、対向して設けられた電極に対向する電極対向辺を少なくとも含み、
前記電極支持部材が、前記第１の電極の少なくともいずれかの辺および前記第２の電極の少なくともいずれかの辺に接し、
前記電極対向辺と平行な方向に対して、前記第１の電極の電極対向辺の両端部の少なくとも一端（第１の端部）が、前記第２の電極の電極対向辺の両端部の少なくとも一端（第２の端部）と重複した断面構造を有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の熱電子変換素子であって、
前記電極支持部材が、前記第１の電極の電極対向辺に対して前記第２の電極が設けられた側と反対側に位置する前記第１の電極の少なくともいずれかの辺、および、前記第２の電極の電極対向辺に対して前記第１の電極が設けられた側と反対側に位置する前記第２の電極の少なくともいずれかの辺に接し、
且つ、前記第１の端部と前記第２の端部を通る仮想線の、少なくとも前記第１の端部と前記第２の端部との区間において、前記電極支持部材が、少なくとも前記仮想線の一部から前記仮想線の前記第１の電極および第２の電極が設けられた側と反対側に離れるように設けられていることを特徴とする熱電子変換素子。The first electrode and the second electrode include at least an electrode-facing side facing an electrode provided to face,
The electrode support member is in contact with at least one side of the first electrode and at least one side of the second electrode,
At least one end (first end) of both ends of the electrode facing side of the first electrode is at least one of both ends of the electrode facing side of the second electrode in a direction parallel to the electrode facing side. The thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3, having a cross-sectional structure overlapping one end (a second end).
The electrode supporting member is at least one side of the first electrode located on a side opposite to the side on which the second electrode is provided with respect to an electrode-facing side of the first electrode; and Contacting at least one side of the second electrode located on the side opposite to the side on which the first electrode is provided with respect to the electrode facing side of the second electrode;
In addition, at least in the section between the first end and the second end of the imaginary line passing through the first end and the second end, the electrode support member may include at least the imaginary line. The thermoelectric conversion element is provided so as to be separated from a part of the virtual line to a side opposite to a side on which the first electrode and the second electrode of the virtual line are provided. ２つ以上の熱電子変換素子を含む熱電子変換装置において、前記２つ以上の熱電子変換素子の、少なくとも１つが請求項１〜５のいずれか１つに記載の熱電子変換素子であることを特徴とする熱電子変換装置。In a thermoelectron conversion device including two or more thermoelectron conversion elements, at least one of the two or more thermoelectron conversion elements is the thermoelectron conversion element according to any one of claims 1 to 5. A thermoelectric conversion device characterized by the above-mentioned. 第１の電極と、該第１の電極に対して一定の間隔を保つように対向して設けられ、前記第１の電極と反対の極性を持つ第２の電極と、を少なくとも含む熱電子変換素子を２つ以上含み、
前記２つ以上の熱電子変換素子が、各々の熱電子変換素子の同一極性の電極を同一面側に位置するように平面方向に配置され、
前記２つ以上の熱電子変換素子のうち、少なくとも２つの熱電子変換素子において、第１の熱電子変換素子と第２の熱電子変換素子との相反する極性の電極間を導通可能に接続する素子間接続配線を１つ以上含む熱電子変換装置であって、
下式（４）を満たすことを特徴とする熱電子変換装置。
・式（４） Ｈ２＞Ｚ
〔但し、上記式（４）において、Ｚは、前記第１の熱電子変換素子の第１の電極と第２の電極との間隔、および、前記第２の熱電子変換素子の第１の電極と第２の電極との間隔のいずれか大きい値を表し、Ｈ２は、前記素子間接続配線を経由する前記第１の熱電子変換素子と前記第２の熱電子変換素子との相反する極性の電極間の最短距離を表す。〕Thermionic electron conversion including at least a first electrode and a second electrode provided opposite to the first electrode so as to keep a constant distance from the first electrode and having a polarity opposite to that of the first electrode. Including two or more elements,
The two or more thermionic conversion elements are arranged in a planar direction so that electrodes of the same polarity of each thermionic conversion element are located on the same surface side,
In at least two of the two or more thermoelectron conversion elements, the first thermoelectron conversion element and the second thermoelectron conversion element are electrically connected to each other between electrodes of opposite polarities. A thermoelectron conversion device including at least one element connection wiring,
A thermoelectric conversion device characterized by satisfying the following expression (4).
・ Formula (4) H2> Z
[However, in the above equation (4), Z is the distance between the first electrode and the second electrode of the first thermoelectric conversion element, and the first electrode of the second thermoelectric conversion element. H2 represents the larger value of the distance between the first thermoelectric conversion element and the second thermoelectric conversion element via the inter-element connection wiring. Indicates the shortest distance between electrodes. ] 下式（５）を満たすことを特徴とする請求項７に記載の熱電子変換装置。
・式（５） Ｈ２≧１０×Ｚ
〔但し、上記式（５）において、Ｈ２は、前記式（４）に示すＨ２と同じパラメーターを意味し、Ｚは前記式（４）に示すＺと同じパラメーターを意味する。〕The thermoelectric conversion device according to claim 7, wherein the following expression (5) is satisfied.
・ Formula (5) H2 ≧ 10 × Z
[However, in the above formula (5), H2 means the same parameter as H2 shown in the formula (4), and Z means the same parameter as Z shown in the formula (4). ] 下式（６）を満たすことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の熱電子変換装置。
・式（６） Ｈ２≧１００×Ｚ
〔但し、上記式（６）において、Ｈ２は、前記式（４）に示すＨ２と同じパラメーターを意味し、Ｚは前記式（４）に示すＺと同じパラメーターを意味する。〕The thermoelectric conversion device according to claim 7 or 8, wherein the following expression (6) is satisfied.
・ Formula (6) H2 ≧ 100 × Z
[However, in the above formula (6), H2 means the same parameter as H2 shown in the formula (4), and Z means the same parameter as Z shown in the formula (4). ] 前記熱電子変換装置に含まれる全ての素子間接続配線の９９％以上が、前記式（４）〜（６）のいずれか１つを満たすことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１つに記載の熱電子変換装置。10. The method according to claim 7, wherein 99% or more of all inter-element connection wirings included in the thermoelectric conversion device satisfy any one of the expressions (4) to (6). The thermoelectric conversion device according to any one of the above. 前記熱電子変換装置に含まれる全ての素子間接続配線の９９．９％以上が、前記式（４）〜（６）のいずれか１つを満たすことを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１つに記載の熱電子変換装置。11. 99.9% or more of all inter-element connection wires included in the thermoelectric conversion device satisfy any one of the formulas (4) to (6). The thermoelectric conversion device according to any one of the above. 少なくとも、前記素子間接続配線で導通可能に接続された前記第１の熱電子変換素子と前記第２の熱電子変換素子とが平面方向に隣接して配置されていることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１つに記載の熱電子変換装置。At least the first thermoelectric conversion element and the second thermoelectric conversion element, which are electrically connected by the inter-element connection wiring, are arranged adjacent to each other in a planar direction. The thermoelectric conversion device according to any one of 7 to 11. 前記第１の電極および前記第２の電極が、少なくとも反対の極性を有する電極と対向する電極面と、該電極面の前記反対の極性を有する電極が設けられた側の反対側に設けられた非電極面と、を含み、
前記第１の熱電子変換素子のいずれか一方の電極のいずれかの部分と、前記第２の熱電子変換素子の、前記第１の熱電子変換素子のいずれか一方の電極と反対の極性を有する電極の非電極面とが、前記素子間接続配線により導通可能に接続されたことを特徴とする請求項１２に記載の熱電子変換装置。The first electrode and the second electrode are provided on an electrode surface facing at least an electrode having an opposite polarity, and on an opposite side of the electrode surface on which the electrode having the opposite polarity is provided. A non-electrode surface;
Any part of any one electrode of the first thermoelectric conversion element and the polarity of the second thermoelectron conversion element opposite to any one electrode of the first thermoelectric conversion element 13. The thermionic conversion device according to claim 12, wherein the non-electrode surface of the electrode has a conductive connection with the inter-element connection wiring. 前記第１の熱電子変換素子のいずれか一方の電極のいずれかの部分が、電極面であることを特徴とする請求項１３に記載の熱電子変換装置。14. The thermoelectric conversion device according to claim 13, wherein any one of the electrodes of the first thermoelectric conversion element is an electrode surface. 前記熱電子変換素子が、前記第１の電極と前記第２の電極とに接し且つ絶縁する電極支持部材を含み、
前記２つ以上の熱電子変換素子のうち、少なくともいずれか１つの熱電子変換素子が、下式（７）を満たすことを特徴とする請求項７〜１４のいずれか１つに記載の熱電子変換装置。
・式（７） Ｈ１＞Ｙ
〔但し、上記式（７）において、Ｙは、前記第１の電極と前記第２の電極との間隔を表し、Ｈ１は、前記電極支持部材を経由する前記第１の電極と前記第２の電極との最短距離を表す。〕The thermoelectron conversion element includes an electrode support member that is in contact with and insulates the first electrode and the second electrode,
15. The thermoelectrons according to claim 7, wherein at least one of the two or more thermoelectric conversion elements satisfies the following expression (7). Conversion device.
Equation (7) H1> Y
[However, in the above equation (7), Y represents the distance between the first electrode and the second electrode, and H1 is the distance between the first electrode and the second electrode passing through the electrode support member. Indicates the shortest distance from the electrode. ] 前記第１の電極および前記第２の電極の平面方向の形状が略方形であり、前記形状の第１の主辺の長さと前記第１の主辺に直交する第２の主辺の長さとの比が１０以下であることを特徴とする請求項７〜１５のいずれか１つに記載の熱電子変換装置。The planar shape of the first electrode and the second electrode is substantially rectangular, and the length of a first main side of the shape and the length of a second main side orthogonal to the first main side are The thermoelectric conversion device according to any one of claims 7 to 15, wherein the ratio is 10 or less.
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