(57)【要約】  本発明は固体冷却／電力発生装置に関し、真空間隙により分離された第１および第２の電極を含んでいる。本発明によれば、少なくとも一方の電極にはナノスケールの半導体ヘテロ構造が設けられ、それは真空間隙（３１５）と結合して第１および第２の電極間の共鳴トンネリングを許す二重障壁共鳴構造を形成する少なくとも１つの量子井戸を含んでいる。
2009535840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空間隙（３１５）により分離された第１および第２の電極を含む固体冷却／電力発生装置であって、少なくとも一方の電極（３０１）にはナノスケールの半導体ヘテロ構造（３０５−３１０）が設けられ、ナノスケールの半導体ヘテロ構造は少なくとも１つの第１の薄膜（３０５）および第２の薄膜（３１０）を含み、第１の薄膜（３０５）の材料は第２の薄膜（３１０）の材料よりも高いバンドギャップを有して量子井戸を形成し、真空間隙（３１５）は第２の薄膜（３１０）に隣接配置され薄膜と結合して第１および第２の電極間の共鳴トンネリングを許す条件を与える少なくとも二重障壁共鳴構造を形成することを特徴とする固体冷却／電力発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体冷却／電力発生装置であって、ナノスケールの半導体ヘテロ構造は複数の別々のエネルギー窓において共鳴トンネリングを提供するように配置され、最低エネルギーを有するエネルギー窓はその大部分が電極の特性エネルギー、電極の特性エネルギーよりも上である固体冷却／電力発生装置。
【請求項３】
請求項１に記載の固体冷却／電力発生装置であって、ナノスケールの半導体ヘテロ構造は複数の別々のエネルギー窓において共鳴トンネリングを提供するように配置され、最低エネルギーを有するエネルギー窓は電極の特性エネルギーと一致する固体冷却／電力発生装置。
【請求項４】
請求項２に記載の固体冷却／電力発生装置であって、最低エネルギーを有するエネルギー窓はｋＢＴの特性エネルギー±３０％の範囲内である固体冷却／電力発生装置。
【請求項５】
請求項１−４のいずれかの項に記載の固体冷却／電力発生装置であって、ナノスケールの半導体ヘテロ構造は各々に超格子配列（４２０）の第２の薄膜（４１０）が続く複数の第１の薄膜（４０５）を含み、超格子は真空間隙（４１５）に隣接する第２の薄膜で終り、第１の薄膜（４０５）の材料は第２の薄膜（４１０）の材料よりも広いバンドギャップを持つ固体冷却／電力発生装置。
【請求項６】
請求項５に記載の固体冷却／電力発生装置であって、第１の薄膜（３０５；４０５）は第１のバンドギャップを有する半導体であり、第２の薄膜（３１０；４１０）は第２のバンドギャップを有する半導体である固体冷却／電力発生装置。
【請求項７】
請求項５に記載の固体冷却／電力発生装置であって、第１の薄膜（３０５；４０５）は絶縁体であり、第２の薄膜（３１０；４１０）は半導体である固体冷却／電力発生装置。
【請求項８】
請求項７に記載の固体冷却／電力発生装置であって、第１の薄膜（３０５；４０５）はＡｌＮから作られ、第２の薄膜（３１０；４１０）はＡｌＧａＮから作られる固体冷却／電力発生装置。
【請求項９】
請求項７に記載の固体冷却／電力発生装置であって、第１の薄膜（３０５；４０５）はＡｌＧａＡｓから作られ、第２の薄膜（３１０；４１０）はＧａＡｓから作られる固体冷却／電力発生装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の固体冷却／電力発生装置であって、第１の薄膜（３０５；４０５）はＳｉから作られ、第２の薄膜（３１０；４１０）はＳｉＧｅから作られる固体冷却／電力発生装置。
【請求項１１】
請求項１−１０のいずれかの項に記載の固体冷却／電力発生装置であって、絶縁材料のナノスケールのスペーサは真空間隙内に設けられ、真空間隙の幅は絶縁スペーサにより規定される固体冷却／電力発生装置。
【請求項１２】
電極間にナノスケールの大きさの真空間隙を有する第１および第２の電極を含む固体冷却／電力発生装置を提供する方法であって、
−スルーホール（５３２）を有するマスク（５３０）を第１の電極上に設けるステップと、
−マスク上に絶縁体を成長させてスルーホール（５３０）を埋め、第１の電極上に絶縁スペーサ（５３５）を設けるステップと、
−マスクを除去して絶縁スペーサ（５３５）をむき出しにするステップと、
−第２の電極を絶縁スペーサ（５３５）上に押圧して、絶縁スペーサが第１および第２の電極間に形成される間隙の幅を規定するステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、さらに、真空間隙を設けるステップの前にとられる手順を含み、この手順はナノスケールの半導体ヘテロ構造を与える電極を提供し、
−外部電気回路へのコンタクトとして作用する金属層（５１０）を基板（５１０）上に成長させるステップと、
−ドーピングされた半導体の一層（５１５）を成長させ、続いてポテンシャル障壁を形成する第１の材料の少なくとも一層（５２０）および第２の材料の層（５２５）を成長させることにより金属層（５１０）の上にナノスケールの半導体ヘテロ構造を設けるステップであって、第１の材料は第２の材料よりも広いバンドギャップを有するステップと、
を含む方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、さらに、第１の材料の層（５２０）および第２の材料の層（５２５）の成長を交互に行い、予め定められた回数繰り返して超格子を形成するステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は固体冷却および／または電力発生装置に関する。特に、本発明はナノスケールの半導体ヘテロ構造を含むヒートポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
固体冷却装置に対する関心は最近の数十年にわたって著しい高まりを見せている。固体冷却装置は直接電流により駆動され、デバイスの異なる部分の同時冷却および加熱は熱電効果による。固体冷却装置は典型的に従来の冷却器よりも効率が低いが、いかなる可動機械部品にも頼らない、または潜在的に危険な熱伝達流体を必要としないという利点がある。これらの特徴、および固体冷却装置は従来の冷却装置よりも遥かに小型にできるという事実、により固体冷却装置は電子装置さらには単一マイクロチップの冷却によく適したものとすることができる。固体冷却装置の冷却／加熱効果を生じる物理的性質を使用して電流を発生させることもできる。
【０００３】
今日、かなりの量で市販されている固体冷却装置はペルチェ素子に基づく冷却装置である。ペルチェ素子は４０年代の終りから５０年代の初めにかけて導入かつ開発され、基本的には当時新たに発見された半導体材料の良好な熱電気的性質で作動する。原則として、高導電率で低熱伝導率の材料が追求され、Ｂｉ２Ｔｅ３等のドーピングした半導体が適切な性質を有することが判った。ペルチェ素子とそれらの性質の包括的説明が“Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｍｅｎｔｓ  ａｎｄ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｏｌｉｎｇ”、Ｉｏｆｆｅ，Ａ．Ｆ．，１９５７，Ｉｎｆｏｓｅａｒｃｈ，Ｌｏｎｄｏｎに記載されている。経験および技術が改善されるにつれ、より良いペルチェ素子が導入されるようになった。今日、ペルチェ素子に基づく冷却装置は主として車両内で使用する移動小型クーラ内で見いだされ、また電子デバイスおよびセンサ内の冷却素子として見いだされる。
【０００４】
固体冷却技術に対する代替原理は、サーモトンネリング・ヒートポンプ（ＴＨ）として知られる真空により分離された２つの電極を使用する。この原理も長い間知られており、ヒートポンプは１９３０年代以来科学的ジャーナルに示唆され出版されてきている。ＴＨの制約要因は真空層の幅、および電極材料仕事関数の大きさである。ヒートポンプは電気を供給することによりアクティブ冷却／加熱素子として働いたり、既存の温度差が電流を発生する電力発生器として働くことができる。２つのプロセスは互いに逆である。以後、「固体冷却／電力発生装置」という用語が使用され冷却／加熱および／または電力発生に使用され、恐らくは、そのために最適化されたデバイスを包含するものと解釈しなければならない。
【０００５】
冷却に対しては、デバイスにバイアスを加えると、十分狭い場合に真空間隙により生成されるポテンシャル障壁を電子が通過する。電子は熱を運ぶため、一方の電極は加熱し他方は冷却する。このようなデバイスの効率は、冷却される電極から取り出される熱を入力電力で除して定義される。仕事関数の大きさはできるだけ小さくする必要があり、Ａｇ−Ｏ−Ｃｓ電極は室温で測定された最低仕事関数がおよそ１ｅＶである。これは効率的な動作のための真空間隙の最大幅を１５Å程度に制限するが、実際に実現するのは不可能である。同じ結論は電力発生器にもあてはまる。これらの制約により真空間隙デバイスは既知のペルチェ素子と競合することができず、今日の市場に市販品は存在しない。
【０００６】
１９９０年代中に、科学者は真空間隙ＴＨを顧み、真空間隙を半導体薄膜系で置換することを示唆した。より低い仕事関数を達成することができ、極端に高い効率が計算により示された。数年後に、フォノン熱伝導（真空間隙により阻止される）が非常に有害な役割を演じ、基本的にこれらのデバイスの効率をペルチェ素子と同程度としてしまう（または、より悪くする）ことが判った。フォノンを阻止しながら電子輸送を改善する新しいヘテロ構造を見つけ出そうと、今日でもなおこの分野の研究が行われている。しかしながら、発明者の知識範囲内で実際的なプロトタイプや市販品は存在しない。
【０００７】
最近になって、真空間隙を十分薄く作りさえすれば、真空間隙ＴＨの大きな可能性を示す実験について説明する一連の文献により、真空間隙ＴＨに対する関心が再び高まってきている。たとえば、“Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  Ｂｙ  Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  ａｎｄ  Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｉｎ  Ｖａｃｕｕｍ；Ｕｓｅ  ｏｆ  Ｎａｎｏｍｅｔｅｒ  Ｓｃａｌｅ  Ｄｅｓｉｇｎ”，Ｙ．Ｈｉｓｈｉｎｕｍａ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ  ｌ７８（１７），Ａｐｒ．２００１参照。実験では１μｍ×１μｍサイズのチップが使用されたが、商業製品に対しては１ｃｍ×１ｃｍのサイズが必要である。今日既知の製作方法では、このように大きな面積および１０−２０Å程度の真空間隙を有するチップを作り出すのは極めて困難である。
【０００８】
ＷＯ２００４／０４９３７９にはトンネリング真空冷却装置が開示されており、一方または両方の電極が薄い（５−５０Å）絶縁体層、たとえば、酸化アルミニウムにより被覆されている。この構成は、電極間の電界形状を変えることにより、いかなる絶縁体層も無いＴＨの効率を減少させる低エネルギーの電子（フェルミエネルギーよりも低い）のトンネリングを阻止する。
【０００９】
“Ｖａｃｕｕｍ  Ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，Ｙ．Ｈｉｓｈｉｎｕｍａ  ｅｔ  ａｌ．Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ．８１（２２），Ｎｏｖ．２００２．には、真空冷却装置の金属電極に半導体を応用することによるホットエレクトロンのフィルタリングが示唆されている。強い印加電界と積層半導体ヘテロ構造または傾斜組成を有する半導体の組合せにより真空障壁が低減される。積層ヘテロ構造や組成傾斜の目的は金属−半導体界面にショットキー障壁を形成し、半導体内のジュール加熱を低減することである。高い冷却力が報告されているが、印加電界が大きいためデバイスの効率はまだ低い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来技術の出願は真空間隙に基づく固体冷却／電力発生装置の可能性を明らかに示している。しかしながら、真空間隙技術を商業的にペルチェ技術の代わりとするには、大規模生産に適した効率および設計の改善が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（発明の概要）
明らかに、このような構成の従来技術のヒートポンプおよび冷却装置はペルチェ素子に較べて商業的に魅力的なものとなるには著しい改善を必要とする。
【００１２】
本発明の目的は従来技術の方法の欠点を克服する方法を提供することである。これは請求項１に記載のデバイス、および請求項１２に記載の製造方法により達成される。
【００１３】
固体冷却／電力発生装置は真空間隙により分離された第１および第２の電極を含んで提供される。本発明に従って少なくとも一方の電極にはナノスケールの半導体ヘテロ構造が設けられ、それは真空間隙と結合して第１および第２電極間の共鳴トンネリングを許す条件を与える二重障壁共鳴構造を形成する少なくとも１つの量子井戸を含んでいる。
【００１４】
好ましくは、ナノスケールの半導体ヘテロ構造は複数の別々のエネルギー窓または輸送チャネルにおいて共鳴トンネリングを提供するようにされている。最低エネルギーを有するエネルギー窓はその大部分が電極の特性エネルギー、フェルミエネルギー＋ボルツマン定数×温度（ＥＦ＋ｋＢＴ）、よりも上でなければならない。より一層好ましくは、最低エネルギーを有するエネルギー窓はできるだけぴったりと特性エネルギーと一致するようにしなければならない。
【００１５】
本発明の一実施例では、ナノスケール半導体ヘテロ構造は少なくとも第２の薄膜につながる第１の薄膜を含み、第２の薄膜は真空間隙に隣接している。第１の薄膜の材料は隣接する第２の薄膜の材料よりも広いバンド・ギャップを持たなければならない。
【００１６】
一実施例では、ナノスケール半導体ヘテロ構造は超格子配列内で各々に第２の薄膜が続く複数の第１の薄膜を含み、超格子は真空間隙に隣接する第２の薄膜で終わる。
【００１７】
第１の薄膜はＡｌＮで作ることができ第２の薄膜はＡｌＧａＮで作ることができる。
【００１８】
本発明による固体冷却／電力発生装置の製造方法は、
−外部電気回路へのコンタクトとして作用する金属層を基板上に成長させるステップと、
−ドーピングされた一つの半導体層を成長させ、続いてポテンシャル障壁を形成する第１の材料の少なくとも一層、および第２の材料の層を成長させることにより金属層上にナノスケール半導体ヘテロ構造を設けるステップであって、第１の材料は第２の材料よりも広いバンド・ギャップを有するステップと、を含んでいる。
【００１９】
一実施例では、この方法に、
−スルーホールを有するマスクを第２の材料の層上に真空間隙に隣接するように設けるステップと、
−マスク上に絶縁体を成長させてスルーホールを埋めるステップと、
−マスクを除去して絶縁スペーサをむき出しにするステップと、
−絶縁スペーサ上の第２の電極を押圧して、第１および第２の電極間に形成される間隙の幅を絶縁スペーサが規定するステップと、
が補足される。
【００２０】
本発明に従ったデバイスにより、非常に高い効率を有し手頃なコストで製作できる真空間隙に基づく固体冷却／電力発生装置を提供することができる。
【００２１】
本発明に従った固体冷却／電力発生装置の一つの利点は、小型にできるため電子デバイスの冷却によく適していることである。それはコンピュータチップに内蔵することもできる。このデバイスには可動部品が無く、それはサイズ低減のための必要条件であり、頑丈さおよび信頼度を保証する。
【００２２】
ペルチェ素子と較べた時のもう１つの利点は効率である。本発明に従った真空間隙装置は従来のペルチェ素子よりも１０−１５倍も効率的とすることができる。
【００２３】
本発明の実施例が従属項に明示される。本発明の他の目的、利点および新しい特徴は本発明の以下の詳細な説明を添付図および特許請求の範囲と共に考慮すれば自明である。
【実施例】
【００２４】
（詳細な説明）
次に、添付図を参照しながら本発明の好ましい実施例を説明する。発明の背景で検討したように、サーモトンネリング真空間隙ヒートポンプはたとえば冷却装置内のペルチェ素子と較べて非常に高い効率を与える可能性がある。しかしながら、期待できる理論的計算およびシミュレーションは既存の製作方法で実現するのは極端に困難であることを示している。従来技術で示唆された真空間隙ヒートポンプの主な問題は、商業的に興味のある製品を提供できるようにするのに１ｃｍ２位の面積を有する１−５０Å程度の真空間隙が要求条件であることである。この程度の間隙を有するこのように大きな電極を、今日既知の方法で、少なくとも受け入れられる歩留りで提供することは不可能である。表面粗さ、不純物等は不可避的に間隙の幅に大きな変動を生じ、恐らくはあるポイントで電極間のコンタクトを生じてヒートポンプの機能を深刻に悪化させる。
【００２５】
本発明に従って、ヒートポンプの少なくとも一方の電極上で真空間隙の近くにナノスケール半導体ヘテロ構造が設けられる。本出願の目的に対して、ナノスケールとは電極の面に垂直な方向にナノ領域（１−１００ｎｍ）の大きさを有するヘテロ構造の少なくとも一部のことである。ヘテロ構造という用語は異なる材料または組成の少なくとも２つの区別できる部分を有する構造のことであり、少なくとも１つの部分は半導体である。
【００２６】
本発明に従って、ナノスケール半導体ヘテロ構造は、真空間隙と結合して、以後共鳴トンネリングと呼ばれる、電極間の量子力学的共鳴トンネリングの可能性を与える少なくとも１つのポテンシャル障壁を提供するように配置される。共鳴トンネリングを介して、特定の電子エネルギーに対して非常に高いトンネリング確率を達成することができ、共鳴トンネリングは、トンネリング確率が非常に高い、理論的には１００％にさえなる、エネルギー窓または輸送チャネルを生成すると説明することができる。このデバイスは共鳴サーモトンネリング・ヒートポンプ（ＲＴＨ）と呼ぶことができる。
【００２７】
ＨＴの効率は電子のエネルギーに非常に依存し、材料パラメータによって決まるＨＴ特性エネルギーに対しては、ＨＴの最適エネルギーを達成できるものを見つけ出すことができる。ＨＴ特性エネルギーはＨＴの電子の電極のフェルミ・エネルギーに関連している。最適エネルギーはＥＦ＋ｋＢＴ（フェルミ・エネルギー＋ボルツマン定数×温度）付近のエネルギーを有する電子に対して達成される。
【００２８】
本発明のＲＴＨの一実施例では、ナノスケール半導体ヘテロ構造により提供される、共鳴トンネリング・エネルギー窓はＨＴ特性エネルギーと釣り合うようにされる。好ましくは、最低エネルギーを有する共鳴トンネリング・エネルギー窓はその大部分が、電極の特性エネルギーとして定義される、ＥＦ＋ｋＢＴであるかそれよりも上である。より一層好ましくは、最低エネルギーを有する共鳴トンネリング・エネルギー窓はＥＦ＋ｋＢＴ±（ｋＢＴの３０％）以内でなければならない。この構成により、前記した従来技術デバイスに対して要求されるよりも著しく広い真空間隙を有するデバイスであっても、このようなサーモトンネリング・ヒートポンプを利用した冷却装置は非常に高い効率を達成することができる。この構成を使用すると、４０Åまでの幅を有する真空間隙はペルチェ素子よりも１０−１５倍高い効率が得られることが期待される。１００Åまでの幅でも相当な増加が得られる。
【００２９】
共鳴トンネリングを提供する時の基本的な「ビルディングブロック」は量子井戸である。量子井戸はより広いバンドギャップを有する材料の２層間に材料を挟むことにより半導体内に形成される。１つの量子井戸となる構成が図１ａに略示されている。半導体ナノ構造１００は第１の材料の薄膜１０５、第２の材料の第２の薄膜１１０および第３の材料の第３の薄膜１１５からなっている。簡便な構成では第１の薄膜１０５および第３の薄膜１１５内に同じ材料、好ましくは半導体材料を使用する。第２の薄膜１１０は量子井戸内の他の材料よりも狭いバンドギャップを有する半導体である。多数の材料および半導体の組合せが知られており、それらは所要の大きさおよび所要の量子力学的効果を与える性質を有するものを製造することができる。たとえば、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ，ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓおよびＳｉ／ＳｉＧｅ／Ｓｉである。量子井戸のポテンシャル・プロファイルが図１ｂに表示されている。基本的量子力学に従って、レベルＥ１、Ｅ２およびＥ３で図示される束縛電子状態が井戸内に存在する。量子井戸の幅および高さは、これらの状態がどのエネルギーであるか、また２つの状態間の差はどれほどの大きさかを決定する。
【００３０】
共鳴トンネリングに対する可能性を作り出す本発明による好ましい構成は少なくとも二重ポテンシャル障壁を含んでいる。異なる材料の５層から作られた二重障壁共鳴トンネリングデバイスが図２ａに略示されており、その対応するポテンシャル・プロファイルが図２ｂに例示されている。第１の薄膜２０５、第３の薄膜２１５および第５の薄膜２２５は、典型的にまた好ましくは同じ第１の半導体である。中間薄膜、第２の薄膜２１０および第４の薄膜２２０は典型的に同じ第２の半導体であり、２つのポテンシャル障壁を形成する。２つのポテンシャル障壁を横切るトンネリング透過確率は、量子井戸の幅が電子波長ｌの半整数または整数倍に対応する、特定の電子エネルギーを除いて通常は非常に低い。電子エネルギーＥは波長にＥ〜（１／ｌ）２のように依存する。典型的に矢符Ｅ１、Ｅ２およびＥ３で例示されているこれらの共鳴エネルギーにおいて、電子のトンネリング確率は波の干渉により１００％である。電子はデバイス構造と共鳴していると言われる。これらの共鳴エネルギー輸送チャネルは、二重障壁構造内のポテンシャル井戸と同じ厚さおよび同じポテンシャル深さを有する量子井戸内の束縛状態とほぼ同じエネルギーを有する。ポテンシャル障壁高さおよび井戸幅等の構造パラメータを変えることにより、共鳴輸送チャネルを特定のエネルギーに位置するように同調させることができる。ＲＴＨに対して、最低輸送チャネルのエネルギーは理想的にはＥＦ＋ｋＢＴ付近である。
【００３１】
このような二重障壁デバイスを作り上げるために、壁に対応するポテンシャル障壁を構成する２つの層の合計幅と、井戸に対応する中間層の幅の和は、電子が不純物で散乱することなく通過できるように電子の平均自由行程よりも小さくなければならない。比較のために、ドーピングされた半導体内の平均自由行程は室温において少なくとも１００ｎｍである。
【００３２】
２つのポテンシャル障壁が同一でなければ（すなわち、異なるポテンシャル障壁を作り出す異なる幅、または完全に異なる材料）トンネリング確率は幾分低減される。さらに、エネルギー窓が幾分広げられる。
【００３３】
障壁が固体であるデバイスでは、このようなデバイスがＲＴＨとして作動されるならば、フォノンによる熱の逆流により低効率となる。ポテンシャル障壁の１つを真空間隙と置換して本発明によるＲＴＨを形成することにより、フォノン熱逆流は阻止され効率の非常に大きな上昇が期待される。共鳴トンネリングを導入することにより、熱伝導に関与する電子の数は非常に増加し、デバイスの全体効率が高くなる。さらに、より広い真空間隙（４０−５０Åまで）を使用することができ、正規のＴＨよりもデバイスの製作が容易になる。
【００３４】
電極は金属またはドーピングされた半導体で作ることができるベースを含んでいる。仕事関数の大きさには従来技術のＴＨのような厳しい制限がないため、電極ベース材料の選択はあまり重要ではない。図３ａは本発明に従ったＲＴＨを利用した冷却装置の構造を略示しており、図３ｂは対応するポテンシャルプロファイルを略示している。ＲＴＨ冷却装置３００は第１の電極３０１に接続された冷熱源３０２および温熱源３５５に接続された第２の電極３５０を含んでいる。第１の電極３０１はベース３０３、第１の薄膜３０５および第２の薄膜３１０からなっている。第２の薄膜３１０は真空間隙３１５に隣接している。第１の薄膜３０５および真空間隙３１５は図２ａにおいて説明した二重障壁構造と類似した２つのポテンシャル障壁を形成する。第１の薄膜３０５の材料は隣接する第２の薄膜３１０の材料よりも広いバンドギャップを持たなければならない。薄膜ＡおよびＢに対して可能な材料の選択は絶縁体または半導体である。電子透過窓は２つの薄膜の材料の性質に非常に依存するため、それらの材料選択は非常に重要である。たとえば、電子親和力および仕事関数の低い材料（ＡｌＮおよびドーピングされたＡｌＧａＮ）が好まれ、それはポテンシャル障壁が低く、従ってデバイス両端間のトンネリングを増し性能を高めることを意味するためである。材料の組合せとして、限定はしないがたとえば、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓおよびＳｉ／ＳｉＧｅが含まれる。２つの薄膜の幅もデバイスの設計において重大な役割を果たす。第１の薄膜（３０５）の幅は厚すぎてはならず、それはより厚い層はトンネリング確率を低減するためである（好ましくは、１０ｎｍよりも薄い）。第２の薄膜（３１０）の幅はエネルギー透過窓がどこにあるかを決定し、最低透過チャネルが最適性能に対してＥＦ＋ｋＢＴに近くなるように選択しなければならない。第２の薄膜が幅広いほど、透過チャネルは（エネルギーが）低くなる。前記したように、薄膜の幅の大きさは材料選択に応じて１−１０ｎｍ程度である。
【００３５】
共鳴トンネリングデバイスにさらにポテンシャル障壁を付加するとエネルギー輸送チャネルを広げる効果があり、二重障壁構造ではこのエネルギーチャネルは非常に狭いためこれは有益である。半導体超格子はいくつかのポテンシャル障壁からなり、「ミニバンド」と呼ばれる非常に広いエネルギー窓を有する。このような超格子は、さらに広い輸送チャネルとして図３の２つの薄膜を置換することができる。半導体超格子を含むＲＴＨは本発明の第２の実施例を表し、図４に例示されている。導電性薄膜４１０に挟まれたポテンシャル障壁４０５として作用する複数の薄膜を含む半導体超格子４２０が第１の電極ベース４０３上に設けられ、第１の電極４０１を形成する。超格子４０１は最後のポテンシャル障壁である真空間隙４１５に隣接し、第２の電極４５０がそれに続く。随意、少なくとも１つのポテンシャル障壁薄膜および１つの導電性薄膜を含む第２のナノスケール半導体ヘテロ構造が第２の電極４５０上に設けられる。あるいは、前記した超格子構造が第２の電極４５０上に設けられる。
【００３６】
本発明のさらなる実施例では、いくつかのＲＴＨが互いに積重ねられ、各デバイスはより少量の熱を取り出す。取り出される総熱量は非積重システムに等しいが、効率が高められる。
【００３７】
このような本発明によるＲＴＨおよび冷却装置は、たとえば、ＭＢＥまたはＣＶＤ等の半導体産業において既知の方法で製作することができる。適切な方法を図５ａ−ｅについて簡単に概説する。ＡｌＧａＮ／ＡＩｎ／ＡｌＧａＮを有する構造が非制約的に例として使用され、他の半導体／絶縁体も同様に提供することができる。外部電気回路へのコンタクトとして作用する金属層５１０が基板５０５上に成長される。その後ナノスケール半導体ヘテロ構造が成長され、それは電極のベースを形成する一層のドーピングされたＡｌＧａＮ５０３、ポテンシャル障壁を形成する一層のＡｌＮ５０５、および最後のＡｌＧａＮ５１０層からなっている。超格子の第１の電極５０１を形成する層が成長され、ＡｌＮおよびＡｌＧａＮを成長させるステップは所定の回数だけ繰り返される。
【００３８】
たとえ本発明に従ったＲＴＨにより技術的に達成可能な幅を使用できても、真空間隙は狭くなる。しかしながら、５０Å付近の幅では曲げによる電極間のコンタクトの危険性がある。本発明の一実施例では、真空間隙内に絶縁性スペーサを置いてこれに対処する。この実施例では、スルーホール５３２（点線で略示する）を有するマスク５３０が半導体基板上に配置される。このようなマスクは従来のリソグラフィ方法により作り出すことができる。次に、ＡｌＮがマスク上に成長されホール５３２を埋める。
【００３９】
図５ｂではマスクは除去されていくつかのＡｌＮピラー５３５が残り、真空間隙幅を効果的に制御するスペーサを形成する。さらに、デバイスの側面上の材料がエッチングにより金属層まで除去され、それと適切にコンタクトできるようにされる。図５ｂは第１の電極を例示している。
【００４０】
第２の電極５５０は図５ｃ−ｄのように同様に作られるが、図５ａ−ｂに示すようなヘテロ構造およびピラーはない。次に、この電極のドーピングされたＡｌＧａＮ側が第１の電極のピラー側に押圧されて最終デバイスが形成され、それは図５ｅに略示されている。コンタクトは、ここでは、外部電気回路５６０に取り付けられ、デバイスは包囲体５６５により封止されて小型真空室５７０が提供される。第１の電極５０１および第２の電極５８０は各熱源５７５および５８０に接続される。例示した実施例では、第１の電極は冷却部であり熱源５８０は冷却熱源である。
【００４１】
真空間隙の幅を制御する代替方法はデバイス内に圧電アクチュエータを含むことであり、それは間隙の幅をダイナミックに制御するように配置することができる。
【００４２】
現在最も実際的で好ましい実施例と考えられるものについて本発明を説明してきたが、本発明は開示された実施例に限定されず、添付特許請求の範囲内でのさまざまな修正および等価構成をカバーするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１ａ】本発明による固体冷却／電力発生装置内のビルディングブロックである量子井戸の略図である。
【図１ｂ】対応するポテンシャル・プロファイルのグラフである。
【図２ａ】二重ポテンシャル障壁の略図である。
【図２ｂ】対応するポテンシャル・プロファイルのグラフである。
【図３ａ】本発明による固体冷却／電力発生装置のナノスケール半導体ヘテロ構造を有する電極構成の略図である。
【図３ｂ】対応するポテンシャル・プロファイルのグラフである。
【図４ａ】本発明の一実施例による超格子の形状のナノスケール半導体ヘテロ構造を有する電極構成の略図である。
【図４ｂ】対応するポテンシャル・プロファイルのグラフである。
【図５ａ】本発明による固体冷却／電力発生装置の製造方法を示す図である。
【図５ｂ】本発明による固体冷却／電力発生装置の製造方法を示す図である。
【図５ｃ】本発明による固体冷却／電力発生装置の製造方法を示す図である。
【図５ｄ】本発明による固体冷却／電力発生装置の製造方法を示す図である。
【図５ｅ】動作状況におけるデバイスの略図である。
【図１ａ−ｂ】
2009535840.tif 000003
【図２ａ−ｂ】
2009535840.tif 000004
【図３ａ−ｂ】
2009535840.tif 000005
【図４ａ−ｂ】
2009535840.tif 000006
【図５ａ−ｄ】
2009535840.tif 000007
【図５ｅ】
2009535840.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月19日(2008.6.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空間隙（３１５）により分離された第１および第２の電極を含む固体冷却／電力発生装置であって、少なくとも一方の電極（３０１）にはナノスケールの半導体ヘテロ構造（３０５−３１０）が設けられ、該ナノスケールの半導体ヘテロ構造は少なくとも１つの第１の薄膜（３０５）および第２の薄膜（３１０）を含み、該第１の薄膜（３０５）の材料は該第２の薄膜（３１０）の材料よりも高いバンドギャップを有して量子井戸を形成し、前記真空間隙（３１５）は前記第２の薄膜（３１０）に隣接配置され薄膜と結合して前記第１および第２の電極間の共鳴トンネリングを許す条件を与える少なくとも二重障壁共鳴構造を形成することを特徴とする固体冷却／電力発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の固体冷却／電力発生装置であって、前記ナノスケールの半導体ヘテロ構造は複数の別々のエネルギー窓において共鳴トンネリングを提供するように配置され、最低エネルギーを有するエネルギー窓はその大部分が電極の特性エネルギーよりも上である固体冷却／電力発生装置。
【請求項３】
請求項１に記載の固体冷却／電力発生装置であって、前記ナノスケールの半導体ヘテロ構造は複数の別々のエネルギー窓において共鳴トンネリングを提供するように配置され、最低エネルギーを有するエネルギー窓は電極の特性エネルギーと一致する固体冷却／電力発生装置。
【請求項４】
請求項２に記載の固体冷却／電力発生装置であって、前記最低エネルギーを有するエネルギー窓はｋＢＴの特性エネルギー±３０％の範囲内である固体冷却／電力発生装置。
【請求項５】
請求項１−４のいずれかの項に記載の固体冷却／電力発生装置であって、前記ナノスケールの半導体ヘテロ構造は各々に超格子配列（４２０）の第２の薄膜（４１０）が続く複数の第１の薄膜（４０５）を含み、前記超格子は真空間隙（４１５）に隣接する第２の薄膜で終り、前記第１の薄膜（４０５）の材料は前記第２の薄膜（４１０）の材料よりも広いバンドギャップを持つ固体冷却／電力発生装置。
【請求項６】
請求項５に記載の固体冷却／電力発生装置であって、前記第１の薄膜（３０５；４０５）は第１のバンドギャップを有する半導体であり、前記第２の薄膜（３１０；４１０）は第２のバンドギャップを有する半導体である固体冷却／電力発生装置。
【請求項７】
請求項５に記載の固体冷却／電力発生装置であって、前記第１の薄膜（３０５；４０５）は絶縁体であり、前記第２の薄膜（３１０；４１０）は半導体である固体冷却／電力発生装置。
【請求項８】
請求項７に記載の固体冷却／電力発生装置であって、前記第１の薄膜（３０５；４０５）はＡｌＮから作られ、前記第２の薄膜（３１０；４１０）はＡｌＧａＮから作られる固体冷却／電力発生装置。
【請求項９】
請求項７に記載の固体冷却／電力発生装置であって、前記第１の薄膜（３０５；４０５）はＡｌＧａＡｓから作られ、前記第２の薄膜（３１０；４１０）はＧａＡｓから作られる固体冷却／電力発生装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の固体冷却／電力発生装置であって、前記第１の薄膜（３０５；４０５）はＳｉから作られ、前記第２の薄膜（３１０；４１０）はＳｉＧｅから作られる固体冷却／電力発生装置。
【請求項１１】
請求項１−１０のいずれかの項に記載の固体冷却／電力発生装置であって、絶縁材料のナノスケールのスペーサが前記真空間隙内に設けられ、前記真空間隙の幅は前記絶縁スペーサにより規定される固体冷却／電力発生装置。
【請求項１２】
電極間にナノスケールの大きさの真空間隙を有する第１および第２の電極を含む固体冷却／電力発生装置を提供する方法であって、前記方法は、
−外部電気回路へのコンタクトとして作用する金属層またはドーピングされた半導体層ベース（５１０）を基板（５１０）上に成長させるステップと、
−ドーピングされた半導体の一層（５１５）を成長させ、続いてポテンシャル障壁を形成する第１の材料の少なくとも一層（５２０）および第２の材料の層（５２５）を成長させることにより金属層またはドーピングされた半導体層ベース（５１０）の上にナノスケールの半導体ヘテロ構造を設けるステップであって、前記第１の材料は前記第２の材料よりも広いバンドギャップを有するステップと、
により前記第１の電極を形成するステップを含み、さらに、
−スルーホール（５３２）を有するマスク（５３０）を前記第１の電極上に設けるステップと、
−前記マスク上に絶縁体を成長させて前記スルーホール（５３２）を埋め、前記第１の電極上に絶縁スペーサ（５３５）を設けるステップと、
−前記マスクを除去して前記絶縁スペーサ（５３５）をむき出しにするステップと、
−前記第２の電極を前記絶縁スペーサ（５３５）上に押圧して、前記絶縁スペーサが前記第１および第２の電極間に形成される間隙の幅を規定するステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、さらに、前記第１の材料の層（５２０）および前記第２の材料の層（５２５）の成長を交互に行い、予め定められた回数繰り返して超格子を形成するステップを含む方法。
【請求項１４】
電極間にナノスケールの大きさの真空間隙を有する第１および第２の電極を含む固体冷却／電力発生装置内で使用する制御された幅を有するナノスケールの大きさの真空間隙を設ける方法であって、前記方法は、
−スルーホール（５３２）を有するマスク（５３０）を第１の電極上に設けるステップと、
−前記マスク上に絶縁体を成長させて前記スルーホール（５３２）を埋め、前記第１の電極上に絶縁スペーサ（５３５）を設けるステップと、
−前記マスクを除去して前記絶縁スペーサ（５３５）をむき出しにするステップと、
−前記第２の電極を前記絶縁スペーサ（５３５）上に押圧して、前記絶縁スペーサが前記第１および第２の電極間に形成される間隙の幅を規定するステップと、
を含む方法。
【国際調査報告】
2009535840.tif 000009
2009535840.tif 000010
2009535840.tif 000011
2009535840.tif 000012