JP5078908B2

JP5078908B2 - 熱電トンネル装置

Info

Publication number: JP5078908B2
Application number: JP2008545773A
Authority: JP
Inventors: タニエリアン，ミナス・エイチ
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2005-12-15
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2026-12-13
Also published as: JP2009520361A; EP1961051A2; US20070137687A1; CN101366128A; EP1961051B1; WO2007081483A2; CN101366128B; WO2007081483A3

Description

発明の背景
１．発明の分野
本開示は概して電力の生成に関し、より詳細には、直接熱−電エネルギー変換発電システムに関する。

２．関連技術の説明
固体熱エンジンは、移動部品を有さずに直接熱−電エネルギー変換を行なう装置である。固体熱エンジンは、高温源、たとえばエンジンブリードエア、電気機械的もしくは熱システムの動作からの廃熱、または他の何らかの熱源、たとえば太陽によって駆動される。

固体熱エンジン技術は、熱電子学に基づく。熱電子学は、真空ギャップによって分離された２枚の平行な導電板（高温カソードおよび低温アノード）で構成される装置である基本的な真空管によって、ほぼ１世紀前に起こった。動作中、電子はカソードから励起放出し、ギャップを横切り、より低温のアノードに吸収される。電子の動的エネルギーがアノードとカソードとの間の最終的な電流になると、熱から電気への変換が生じる。これらの初期の真空ギャップ設計は製造コストが高く、動作温度が高く摂氏１０００度を上回り、数百ナノメートルのオーダの非常に小さいギャップが動作に必要である。

発明の概要
先行技術における制約を最小にし、かつ本明細書を読み理解すると明らかになるような他の制約を最小にするため、本発明の実施形態は、固体熱エンジンと、熱トンネル装置としても知られる固体熱エンジンを作成するための方法とを提供する。

開示されている情報に係る方法は、熱トンネル装置の高温プレートおよび低温プレートの間に電子が流れるようにする材料を堆積するステップと、熱トンネル装置の高温プレートおよび低温プレートの間のフォノンの流れを遮断するステップとを備え、流れの遮断は真空ナノギャップによって生じる。

このような方法は任意に、堆積される材料は金属であり、堆積される材料は、半導体材料からなる少なくとも２つのカラムを含み、第１のカラムは第１のドーパント型の半導体材料を含み、第２のカラムは第２のドーパント型の半導体材料を含み、フォノンの流れは、半導体材料からなるカラムのうち少なくとも１つの内の層によって遮断され、カラムの少なくとも１つの内の層は真空ギャップであり、流れが熱トンネル装置上の少なくとも１つの金属／半導体接合部によって遮断されることをさらに含む。

本開示に係る装置は、熱トンネル装置の高温プレートおよび低温プレートの間に電子が流れるようにする材料と、熱トンネル装置の高温プレートおよび低温プレートの間の付加的な層とを備え、付加的な層は、熱トンネル装置の高温プレートおよび低温プレートの間のフォノンの流れを遮断する。

このような装置は任意に、電子が流れるようにする金属／半導体接合部である材料をさらに含み、金属面と半導体面との間に真空ナノギャップがあり、面の間の真空ナノギャップは、熱トンネル装置の高温側および低温側にそれぞれ配置される対向する電極の間に電流を通すことによって形成される。電子が流れるようにする材料は、半導体材料からなる少なくとも１つのカラム、または好ましくは半導体材料からなる２つのカラムを含み、第１のカラムは第１のドーパント型の半導体材料を含み、第２のカラムは第２のドーパント型の半導体材料を含み、フォノンの流れは、半導体材料からなるカラムのうち少なくとも１つの内の真空ナノギャップによって遮断され、前記真空ナノギャップは、熱トンネル装置の高温プレートおよび低温プレートにそれぞれ配置される対向する電極の間に電流を通すことによって形成される。

図面を参照し、同様の参照符号は、図面全体を通して対応する部分を表わす。
好ましい実施形態の詳細な説明
以下の説明では、この一部をなす添付の図面を参照する。以下の説明において、この一部をなす添付の図面を参照し、例として本発明のいくつかの実施形態を示す。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を用いてもよく、構造的な変更を行なってもよいと理解される。

概観
図１は、関連技術に係る固体熱エンジンの断面図である。

装置１００は、高温電極１０２、ｎ型カラム１０４、ｐ型カラム１０６、低温電極１０８、高温電極１０２とカラム１０４および１０６の両方との間のオーミックコンタクト１１０、ｐ型カラム１０６と低温電極１０８との間のオーミックコンタクト１１２、ならびにｎ型カラム１０４と低温電極１０８との間のオーミックコンタクト１１４を含む。導体１１６がコンタクト１１２に結合し、導体１１８がコンタクト１１４に結合し、スイッチ１２０も設けられ、装置１００の両端に負荷を接続することができる。

装置１００において、熱電素子、すなわちｎ型カラム１０４およびｐ型カラム１０６は、高温電極１０２から離れて低温電極１０８に向けてキャリアを伝達する。しかし、ｐ型カラム１０６では、低温電極１０８に移動するキャリアは高温電極１０２に向かって移動
する正の電荷（正孔）であり、スイッチ１２０が閉じられたときに導体１１６および１１８において生成される電流は、カラム１０６および１０４を流れる電流の和である。装置１００においては、コンタクト１１２からコンタクト１１４に電流が流れる。典型的に、コンタクト１１０、１１２、および１１４は金属コンタクトであり、１０６および１０４は半導体材料であり、組合せると高温電極１０２と低温電極１０８との間に熱経路を生じさせ、高温電極１０２と低温電極１０８との間の温度差を低減し、したがって装置１００の電流および効率を低下させる。

本発明の一実施形態は、半導体コンタクトと、カラム内に真空ギャップとを採用して、半導体カラムによって生じる熱経路を減少させ、これにより装置の高温側と低温側との間の温度差をより大きく維持することができる。本質的に、これらの装置は、熱電装置の高温プレートと低温プレートとの間に電子を流すが、さまざまな異なる熱遮断機構を用いて、熱電装置におけるフォノンの流れを遮断する。遮断機構は真空ギャップであり、電流経路に沿って熱トンネル装置に形成され、高温電極１０２と低温電極１０８との間の熱経路の熱伝導率を低下させる。

図２は本発明の一実施形態に係る装置を示す。
装置２００は、高温電極２０２、ｎ型カラム２０４Ａ、２０４Ｂ、ｐ型カラム２０６Ａ、２０６Ｂ、低温電極２０８、高温電極２０２とカラム２０４Ａおよび２０４Ｂの両方との間のコンタクト２１０、ｐ型カラム２０６Ｂと低温電極２０８との間のコンタクト２１２、ならびにｎ型カラム２０４Ｂと低温電極２０８との間のコンタクト２１４を含む。導体２１６がコンタクト２１２に結合し、導体２１８がコンタクト２１４に結合し、スイッチ２２０も設けられ、装置２００の両端に負荷を接続することができる。装置２００は、典型的に真空ギャップ２２２および２２４であるギャップ２２２および２２４も含み、真空ギャップ２２２は、カラム２０６Ａとカラム２０６Ｂとによって規定されるカラムのほぼ中央にあるものとして示され、真空ギャップ２２４は、カラム２０４Ａとカラム２０４Ｂとによって規定されるカラムのほぼ中央にあるものとして示される。しかし、真空ギャップ２２２および２２４は、コンタクト２１０とコンタクト２１２および２１４との間のいずれかの箇所に配置することができ、所望であれば、コンタクタ２１０と２１２／２１４との間の異なる距離のところに配置することができる。たとえば限定はしないが、本発明の範囲から逸脱することなく、ギャップ２２２を低温電極２０８のより近くに配置することができ、ギャップ２２４を高温電極２０２のより近くに配置することができる。ギャップ２２２および２２４は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の種類のギャップ、たとえばエアギャップ、またはフォノンの流れを小さくする他のギャップであってもよい。

真空ギャップ２２２および２２４は、装置２００の熱伝導率を関連技術の装置１００と比較して低下させるよう機能する。所与の材料についての性能指数Ｚは以下によって与えられる：

所与の材料について熱伝導率および電気抵抗率は関連しており、本質的に、電気抵抗率が低い材料は熱伝導率が高い。オーミックコンタクトに用いられる金属は良好な電荷キャリアであり、良好な伝熱体でもあり、したがって２つの項の積が互いに逆に変化すると、その比率は相対的に変化しない。しかし、ナノギャップを有する材料、または本開示の場合
、真空ギャップ２２２および２２４がその法則を変える。なぜなら、電気抵抗率がナノギャップの存在によって上昇はするものの、あまり著しく変化しないためである。これは、電子は典型的に０．５〜１ｎｍのオーダの非常に狭いギャップを容易に通り抜けることができるが、フォノンは通り抜けられないため熱伝導率が大幅に低下し、それゆえ熱伝導率の効果が低下し、最終的にＺが増大する結果となることによる。熱伝導率の低下は、高温電極２０２から低温電極２０４へのフォノンの流れを阻止するナノギャップ（真空ギャップ２２２および２２４）によって生じるが、ギャップ２２２および２２４を通り抜ける電子によって、電気抵抗率は比較的一定の値に維持される。

製造技術
図３Ａ〜図３Ｆは、本発明の一実施形態に係る装置を製造するのに用いられるプロセスステップを示す。

図３Ａにおいて、トレンチ３０２を有するガラスシート３００を示す。典型的に金である金属の層３０４は、標準的な堆積技術を用いて堆積される。このような技術は、スパッタリング、蒸着、および他の技術を含む。さらに、金属が典型的に用いられるものの、他の金属、たとえば銀、アルミニウム、プラチナ、ニッケル、タングステン、または他の金属を本開示の範囲内において用いることができる。図３Ｂは、ガラスシート３００にエッチングされたトレンチ３０６および３０８を示す。

図３Ｃは半導体ウェハ３１０へのガラスシート３００のボンディングを示す。典型的にウェハ３１０はシリコンであるが、本開示の範囲から逸脱することなく、他の半導体材料であり得る。ウェハ３１０はドーピングされ、傾斜したドーピングを有することができ、最も高いドーピングは（ガラスシート３００から離れて）ウェハ３１０の裏側にある。ガラスシート３００のウェハ３１０へのボンディングは、典型的なボンディングプロセスを用いて行なわれる。図３Ｄは、金属層３０４がビアを介して電気的に到達可能になるまで、トレンチ３０２の深さ３１２を増大させることによってトレンチ３０２がより深くエッチングされていることを示し、図３Ｅは、金属３０４に電気的に接触する金属３１４でトレンチ３０２が金属被覆されていることを示し、図３Ｆは、ウェハ３１０の裏側が金属３１６で金属被覆されていることを示す。金属３１４および３１６は、金もしくはアルミニウム、銀、ニッケル、タングステン、または他の金属であり、所望であれば、互いに異なり得る。金属３１６は、ウェハの裏側にオーミックコンタクトで接触する。コンタクト３１４および３１６は、図２のコンタクト２１０および２１２に電気的に対応する。

図４Ａ〜図４Ｆは、本発明の一実施形態に係る装置を製造するのに用いられるプロセスステップを示す。
図４Ａにおいて、トレンチ４０２を有するガラスシート４００を示す。典型的に金である金属の層４０４は、標準的な堆積技術を用いて堆積される。このような技術は、スパッタリング、蒸着、および他の技術を含む。さらに、金属が典型的に用いられるものの、他の金属、たとえば銀、アルミニウム、プラチナ、ニッケル、タングステン、または他の金属を本開示の範囲内において用いることができる。図４Ｂは、ガラスシート４００にエッチングされているトレンチ４０６および４０８を示す。

図４Ｃは、トレンチ４１２および４１４を有するウェハ４１０を示す。ウェハ４１０は半導体ウェハ、典型的にシリコンであるが、所望であれば他の半導体材料であり得、表面上のドーピングはその大部分と異なってもよく、異なってドーピングされた２つの層からなってもよい。図４Ｄは半導体ウェハ４１０へのガラスシート４００のボンディングを示す。ガラスシート４００のウェハ４１０へのボンディングは、典型的なボンディングプロセスを用いて行なわれる。深さ４１６に示すようにトレンチ４０２がより深くなって、金属層４０４に到達するように、ガラスシート４００もエッチングされる。

図４Ｅは、ウェハ４１０のエッチング４１８を示し、ウェハ４１０のドーパント層のある深さまで行なわれる。さらに、酸化物４２０をウェハ４１０の裏側に成長させる。図４Ｆは、酸化物４２０のエッチング、トレンチ４０２の金属被覆４２２、およびコンタクト領域から酸化物４２０が除去された状態でのトレンチ４１８の金属被覆４２４を示す。金属被覆４２２および４２４は、金もしくはアルミニウム、銀、ニッケル、タングステン、または他の金属であり、所望であれば、オーミックコンタクトをもたらす限り互いに異なり得る。

図５は本発明の代替的な実施形態を示す。
ガラスシート５０２およびガラスシート５０４を含む装置５００を示す。ガラスシート５０２はトレンチ５０６を有し、ガラスシート５０４はトレンチ５０８を有する。本質的に、ガラスシート５０２はガラスシート５０４の鏡像である。ガラスシート５０４はオーミックコンタクト５１０と、半導体カラム５１２および５１４とを有し、カラム５１２のドーパント型はカラム５１４とは異なる。ガラスシート５０２および５０４はインターフェイス５１６において互いに接合される。

一般的に、非常に薄い真空ギャップで分離された金属−金属電極は、熱トンネル装置に作成された場合、効率が高くない。その理由は、最終的な流れは高温側から低温側に向けてではあるが、一方の金属電極から他方にギャップを横切ることができる電子が非常に多いためである。言い換えると、熱電電流は２つの大電流の間のわずかな差である。これらの２つの大きな電子流により、ナノギャップの熱伝導率が効果的に向上する。なぜなら、電子は電気だけでなく熱エネルギーも伝えるためである。したがって、金属−金属電極熱トンネル装置は効率が低い。これに対し、金属／半導体接合部（ショットキコンタクト）もしくは半導体／半導体接合部、たとえばｐ−ｎ接合部は、金属／金属の場合に比べてキャリア数が少ないにもかかわらず熱電変換効率が高くなるように、高エネルギー電子のみを流す、または一方向に電子を流すことができる。これは、真空ギャップを横切る電子当たりに伝送される平均エネルギーがずっと大きいためである。

２つのコンタクト、たとえば金属層３０４およびウェハ３１０（図３）、金属層４０４およびウェハ４１０（図４）、半導体層３１２または３１４およびそれらの鏡像（図５）の間のようにナノギャップを形成する方法は以下のとおりである。２つの電極間にナノギャップを形成するために、予め規定した値を超える一定の電圧または一定の電流を２つの対向する電極の両端に印加する。予め規定される電圧および電流の値の例は、電圧２ボルトまたは電流数百ミリアンペアである。電圧または電流の印加は、インターフェイスの効果的な抵抗において急激な変化が測定されるまで、わずかな増分にて行なわれ、制御されたやり方ではあるが、ヒューズの「焼付」と異なっていなくもない。電極の両端に電圧が印加されると、ジュール加熱および強いエレクトロマイグレーション効果が生じる。ジュール加熱は、ジュールの法則によって与えられるとおり、電流が電気抵抗率を有する媒体を流れるときに発生する熱である。エレクトロマイグレーションは、電界の存在によって、多結晶中の結晶粒界に沿って原子を励進する。その結果、多結晶構造が再編成される。エレクトロマイグレーション効果は半導体技術において周知であり、集積回路配線においてボイドの発生に繋がることが多く、したがって配線不良が生じる。２つの対向する電極面間に固有のナノ欠陥が存在するため、このプロセスが起こる。これは、ウェハボンディングプロセス中の不完全なボンディングの結果である。

フローチャート
図６は本開示のステップを示すフローチャートである。

ボックス６００は、熱トンネル装置の高温プレートと低温プレートとの間に電子が流れ
るようにする材料を堆積するステップを示す。

ボックス６０２は、熱トンネル装置の高温プレートと低温プレートとの間のフォノンの流れを遮断するステップを示し、流れの遮断はナノギャップによって生じる。

結論
要約すると、発明の実施形態は、熱トンネル装置を作成するための方法および装置を提供する。

本開示に係る方法は、熱トンネル装置の高温プレートおよび低温プレートの間に電子が流れるようにする材料を堆積するステップと、熱トンネル装置の高温プレートおよび低温プレートの間のフォノン（熱エネルギー）の流れを遮断するステップとを備え、流れの遮断は真空ナノギャップによって生じる。

このような方法は任意に、堆積される材料が金属であること、堆積される材料が、半導体材料からなる少なくとも２つのカラムを有すること、第１のカラムが第１のドーパント型の半導体材料を含むこと、第２のカラムが第２のドーパント型の半導体材料を含むこと、フォノンの流れが半導体材料からなるカラムのうち少なくとも１つの内の層によって遮断されること、カラムのうち少なくとも１つの内の層は真空ギャップであること、および流れが熱トンネル装置上の少なくとも１つの金属／半導体コンタクトによって遮断されることをさらに含む。

このような装置は任意に、電子が流れるようにする金属／半導体接合部である材料をさらに含み、金属面と半導体面との間に真空ナノギャップがあり、面の間の真空ナノギャップは、熱トンネル装置の高温側および低温側にそれぞれ配置される対向する電極の間に電流を通すことによって形成され、電子が流れるようにする材料は、半導体材料からなる少なくとも１つのカラムを含み、第１のカラムは第１のドーパント型の半導体材料を含み、第２のカラムは第２のドーパント型の半導体材料を含み、フォノンの流れは、半導体材料からなるカラムのうち少なくとも１つの内の真空ナノギャップによって遮断され、前記真空ナノギャップは、熱トンネル装置の高温プレートおよび低温プレートにそれぞれ配置される対向する電極の間に電流を通すことによって形成される。

発明の好ましい実施形態についての上記の記載は、例示および説明の目的で呈示した。網羅的なものでも、発明を開示した形態そのものに限定するものでもない。上記の教示に鑑み、多くの修正および変更が可能である。発明の範囲はこの詳細な説明によってではなく、ここに添付の請求項およびその同等物によって限定されるものとする。

関連技術に係る固体熱エンジンの断面図である。本開示に係る装置を示す図である。本開示に係る装置を製造するのに用いられるプロセスステップを示す図である。本開示に係る装置を製造するのに用いられるプロセスステップを示す図である。本開示に係る装置を製造するのに用いられるプロセスステップを示す図である。本開示に係る装置を製造するのに用いられるプロセスステップを示す図である。本開示に係る装置を製造するのに用いられるプロセスステップを示す図である。本開示に係る装置を製造するのに用いられるプロセスステップを示す図である。本開示に係る装置を製造するのに用いられるプロセスステップを示す図である。本開示に係る装置を製造するのに用いられるプロセスステップを示す図である。本開示に係る装置を製造するのに用いられるプロセスステップを示す図である。本開示に係る装置を製造するのに用いられるプロセスステップを示す図である。本開示に係る装置を製造するのに用いられるプロセスステップを示す図である。本開示に係る装置を製造するのに用いられるプロセスステップを示す図である。本発明の代替的な実施形態を示す図である。本開示のステップを示すフローチャートである。

Claims

熱トンネル装置を作成するための方法であって、
熱トンネル装置の高温プレートおよび低温プレートの間に電流が流れるようにする金属／半導体構造を堆積するステップであって、堆積される材料は、半導体材料からなる少なくとも２つのカラムを含み、第１のカラムは第１のドーパント型の半導体材料を含み、第２のカラムは第２のドーパント型の半導体材料を含むステップと、
熱トンネル装置の高温プレートおよび低温プレートの間のフォノンの流れを遮断するステップであって、流れの遮断は前記カラムに設けられ、前記半導体材料に挟まれた真空ナノギャップによって生じ、前記真空ナノギャップは、装置の高温側および低温側にそれぞれ配置される対向する電極の間に電流を通すことによって形成される、方法。
第１のカラムに設けられた真空ナノギャップと第２のカラムに設けられた真空ナノギャップとが、前記高温側に配置される電極と前記低温側に配置される電極との間の異なる距離のところに配置される、請求項１記載の方法。
熱トンネル装置であって、
熱トンネル装置の高温プレートおよび低温プレートの間に電流が流れるようにする金属／半導体構造であって、半導体材料からなる少なくとも２つのカラムを含み、第１のカラムは第１のドーパント型の半導体材料を含み、第２のカラムは第２のドーパント型の半導体材料を含む構造と、
前記カラムに設けられ、前記半導体材料に挟まれた真空ナノギャップであって、熱トンネル装置の高温プレートおよび低温プレートの間のフォノンの流れを遮断し、装置の高温側および低温側にそれぞれ配置される対向する電極の間に電流を通すことによって形成される、真空ナノギャップとを備えた、熱トンネル装置。
第１のカラムに設けられた真空ナノギャップと第２のカラムに設けられた真空ナノギャップとが、前記高温側に配置される電極と前記低温側に配置される電極との間の異なる距離のところに配置される、請求項３記載の装置。