(57)【要約】【課題】  構造を複雑化することなく、従来の電子熱電素子と比較して飛躍的に安定した冷却／加熱特性を示す電子熱電素子を提供する。【解決手段】  電子冷却素子５０は、Ｎ型シリコン基板５１、自然酸化膜５２、金属膜５３、Ｎ型シリコン基板５１と金属膜５３とに電圧を印加する電源、及び、電源線を備えている。電子冷却素子５０では、Ｎ型シリコン基板５１の表面に自然酸化膜５２が形成されており、自然酸化膜５２上に金属膜５３が形成されている。そして、そして、Ｎ型シリコン基板５１及び金属膜５３には、電源線が接続されている。【選択図】  図５
2006073899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極と陽極とが対向して配置されており、陰極に負電圧を印加するとともに陽極に正電圧を印加する電子熱電素子であって、
上記陰極と上記陽極との間には、絶縁層が設けられており、
上記陰極、及び、上記陽極の少なくとも一方が、Ｎ型半導体からなることを特徴とする電子熱電素子。
【請求項２】
陰極と陽極とが、Ｎ型半導体からなる層と対向して配置されており、陰極に負電圧を印加するとともに陽極に正電圧を印加する電子熱電素子であって、
上記陰極と上記Ｎ型半導体からなる層との間、及び、上記陽極と上記Ｎ型半導体からなる層との間には、それぞれ絶縁層が設けられていることを特徴とする電子熱電素子。
【請求項３】
上記陰極と上記陽極とは、上記絶縁層の同一平面上に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の電子熱電素子。
【請求項４】
上記陰極と上記Ｎ型半導体からなる層との間に設けられている絶縁層が第１の絶縁層であり、
上記陽極と上記Ｎ型半導体からなる層との間に設けられている絶縁層が第２の絶縁層であり、
上記陰極、上記第１の絶縁層、上記Ｎ型半導体からなる層、上記第２の絶縁層、上記陽極の順で積層されていることを特徴とする請求項２に記載の電子熱電素子。
【請求項５】
上記陰極および上記陽極は、上記絶縁層と接していることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電子熱電素子。
【請求項６】
上記陰極、または、上記陽極が金からなることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の電子熱電素子。
【請求項７】
上記陰極を冷却し、上記陽極を加熱することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の電子熱電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子トンネル効果を用いて一方から他方へと熱を移動させることによって、冷却および／または加熱を行う電子熱電素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子熱電素子は、一方の電極から他方の電極へと熱を移動させることによって、一方の電極を冷却し、他方の電極を加熱することができる。このような性質を有する電子熱電素子は、小型冷蔵庫やレーザ発信器の冷却装置の電子冷却素子として利用されている。
【０００３】
このような電子冷却素子としては、ペルチェ素子、電子トンネル効果を用いた冷却素子、ジョセフソン接合素子がある。以下、各素子について簡単に説明する。
【０００４】
ペルチェ素子は、図１０に示すように、金属１０１とＮ型半導体（陽極）１０２、Ｐ型半導体（陰極）１０３とを組み合わせ、Ｎ型半導体側を正電位、Ｐ型半導体側を負電位にすることにより、金属１０１が冷却されるというものである。一般にペルチェ素子の冷却性能指数（ＣＯＰ）は、以下の式で与えられる。
【０００５】
ＣＯＰ∝（αｐ−αｎ）２÷｛√（ρｐｋｐ）＋√（ρｎｋｎ）｝  …（１）
ここで、αは半導体の熱起電能、ρは半導体の比抵抗、ｋは半導体の熱伝導率を示す。また、添字ｐ、ｎはそれぞれＰ型、Ｎ型であることを意味している。上記ＣＯＰの値が大きいほど冷却能力は高く、高効率の冷却素子を得ることができる。ペルチェ素子は、従来のコンプレッサーと比較してコンパクトな設計が実現可能である。また、ペルチェ素子は、ＣＯ２などの老廃物を排出しない。このため、ペルチェ素子は、小型冷蔵庫やレーザ発信器の冷却などの幅広い用途で実用化されている。このようなペルチェ素子に関する文献としては、例えば特許文献１が挙げられる。
【０００６】
また、電子トンネル効果とは、真空もしくは絶縁体を隔てた対向する２つの電極間を電子が移動する現象であり、より詳しくは、真空空間に形成されたエネルギー障壁を、所望のエネルギーをもった電子が通過することによって起こる現象である。このような現象を利用して冷却を行う素子が、電子トンネル効果を用いた冷却素子である。
【０００７】
ジョセフソン接合素子は、電子トンネル効果の一種である「ジョセフソン効果」を用いた半導体素子であり、図１１に示すように、金属（陰極）１１１、絶縁トンネル障壁（絶縁体）１１２、および超電導体（陽極）１１３から構成される。ここで、超電導体１１３はエネルギーギャップΔを有している。任意の動作温度Ｔにおいて、金属１１１中のいくつかの電子はフェルミ・レベルＥＦ以上の状態まで熱的に励起され、それに対応しているＥＦ以下のホール状態を残している。任意の動作温度Ｔにおいて、金属１１１と超電導体１１３の間にバイアス電圧Ｖｂｉａｓを印加すると、金属１１１中の、ＥＦ近傍のエネルギーを有する電子のうち、エネルギーギャップΔとバイアス電圧による電子エネルギーｅＶｂｉａｓの差より大きい電子のみが絶縁トンネル障壁１１２を通過することができ、その際に金属１１１が冷却されるというものである。なお、絶縁トンネル障壁１１２を通過して超電導体１１３に到達した電子は準粒子となる。
【０００８】
また、電子トンネル効果を利用したヒートポンプに関する文献として、特許文献２がある。このヒートポンプは図１２に示すように、陰極１２１および陽極１２２と、これらの電極に各々負電圧と正電圧を印加して電流を供給するための電源１２３と、両電極の表面に被覆された低仕事関数材料１２４とで構成される。陰極１２１と陽極１２２はスペーサー１２６を用い、０．１〜１μｍの間隔の真空空間１２５を介して、対向配置されている。低仕事関数材料１２４は、動作温度でトンネル電子１２７、及び熱電子１２７を放出する材料であり、仕事関数が約０．３ｅＶ以下のものが用いられる。上記構成により、低仕事関数材料１２４の表面から、その接触する電極の温度によりエネルギーを供給されたトンネル電子１２７、及び熱電子１２７が真空空間１２５内に放出される。
【０００９】
電源１２３を用いて図１２に示すように電圧を印加すると、陰極１２１からトンネル電子１２７、及び熱電子１２７が放出され、真空空間１２５を移動して陽極１２２へ取り込まれる。陰極１２１からトンネル電子１２７、及び熱電子１２７が放出される際には、陰極１２１の有する熱は冷却される。一方、運動エネルギーをもったトンネル電子１２７、及び熱電子１２７が供給される陽極１２２は温度が上昇する。このようにして陰極１２１が冷却されると同時に陽極１２２は加熱されるというものである。
【００１０】
上述のようなヒートポンプに用いられる低仕事関数材料の具体的な例として、特許文献３には、クラウンエーテルやアザクラウンとアルカリ金属、アルカリ土類金属との錯体、ダイヤモンド、サファイアにアルカライドを蒸着した化合物が、特許文献４には、セシウムとモリブデン、ニッケル、プラチナ、タングステンなどとの化合物が、特許文献４には、ダイヤモンド、あるいはナトリウム、カリウム、ルビジウム、リチウムなどの不純物をドーピングしたダイヤモンドなどが記載されている。
【特許文献１】特昭５８−１７３８７６号公報（昭和５８年１０月１２日公開）
【特許文献２】米国特許第５７２２２４２号明細書（登録日：１９９８年３月３日）
【特許文献３】米国特許第５６７５９７２号明細書（登録日：１９９７年１０月１４日）
【特許文献４】米国特許第５９９４６３８号明細書（登録日：１９９９年１１月３０日）
【特許文献５】米国特許第６０６４１３７号明細書（登録日：２０００年５月１６日）
【特許文献６】特開平４−２８９６２８号公報（公開日：１９９２年１０月１４日）
【特許文献７】国際公開公報  ＷＯ９９／１３５６２（公開日：１９９９年３月１８日）
【非特許文献１】ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．７８、Ｎｏ．１７、２５７２頁、２００１年
【非特許文献２】ＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ、Ｖｏｌ．１６６、Ｎｏ．２、１３３〜１３６頁、１９９０年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述のペルチェ素子、ジェセフソン接合素子、及び、電子トンネル効果を用いた冷却素子には、以下の問題を有する。
【００１２】
まず、ペルチェ素子に関しては、従来のコンプレッサーやファンに比べ、冷却能力が極端に低いため、高コストになってしまうという問題を有する。ペルチェ素子の冷却能力が低い原因としては、冷温側電極であるＮ型半導体のジュール熱、すなわち、高温側電極であるＰ型半導体から低温側電極であるＮ型半導体への熱の流入が挙げられる。
【００１３】
上記Ｎ型半導体のジュール熱は、ＲＩ２／２で表される。ここで、ＲはＮ型半導体の電気抵抗であり、ＩはＮ型半導体を流れる電流である。
【００１４】
温度ＴＨのＰ型半導体から温度ＴＣのＮ型半導体への熱の流入量は、
ｋ（ＴＨ−ＴＣ）…  （２）
であらわされる。ここで、ｋは半導体の熱伝導率であり、Ｐ型半導体及びＮ型半導体の熱伝導率をそれぞれｋｐ、ｋｎとし、断面積ｓｐ、ｓｎ、長さをｌとすると、
ｋ＝ｋｐ・ｓｐ／ｌ  ＋  ｋｎ・ｓｎ／ｌ…  （３）
となる。上記（３）式から、Ｐ型半導体からＮ型半導体への熱の流入量を低下させるためには、Ｐ型半導体及びＮ型半導体の熱伝導率ｋｐ、ｋｎを低下させればよいことがわかる。また、上記（１）式より、冷却性能指数（ＣＯＰ）を大きくするためには、熱起電能α（＝αｐ−αｎ）を大きくすればよいことがわかる。すなわち、従来のペルチェ素子では、Ｐ型半導体及びＮ型半導体の熱伝導率ｋｐ、ｋｎが小さく、かつ、熱起電能αの大きな材料を用いることで冷却効率を大きくしていた。熱伝導率ｋが小さく、熱起電能αの大きな材料としては、例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｓｂ２Ｔｅ３、または、前記材料の化合物などが挙げられる。
【００１５】
しかしながら、上記のように冷却効率を大きくしても、なお、ペルチェ素子は、従来のコンプレッサー式に対して冷却性能が劣る。例えば、容量６０Ｌの冷蔵庫において、庫内温度を５７℃から５℃に冷却する場合の冷却性能指数（ＣＯＰ）を計算すると、コンプレッサー式では約１．２であるのに対し、ペルチェ式では約０．６であり、コンプレッサー式に対し、半分の冷却効率となってしまう。
【００１６】
これに対して、電子トンネル効果を用いた冷却素子（以下、電子トンネル効果素子と呼ぶ）、及び、ジョセフソン接合素子では、熱のやり取りを行う電極の間を絶縁体、若しくは真空にすることで、熱の逆流を防ぎ、ペルチェ素子に比べ冷却能力を高くすることが可能である。
【００１７】
但し、ジョセフソン接合素子の場合は、放熱側の電極に超電導体を用いているため、安定した冷却効率を得るためには、この電極の温度制御を行わなければならない。温度制御にかかる熱量は損失となるため、素子単体での冷却能力は高くても、トータルの冷却能力は必ずしも高くならない。
【００１８】
一方、特許文献１に記載の電子トンネル効果を利用した電子トンネル効果素子（文献では、ヒートポンプ）の場合には、熱のやり取りを行う電極間が真空であり、かつ電極の温度制御を行う必要がないため、ペルチェ素子やジョセフソン接合素子に比べ、高い冷却効率を実現できる。
【００１９】
しかしながら、従来のコンプレッサーに匹敵する程度の冷却能力を実現するためには、電極間の真空空間（すなわち、電極間の距離）を非常に狭くし、かつ電極材料として仕事関数が極端に低い材料を用いる必要がある。
【００２０】
以下、非特許文献１をもとに、電極間の真空空間、および電極材料の仕事関数を見積もる。
【００２１】
非特許文献１によると、冷却性能指数（ＣＯＰ）は、トンネル電子により運ばれる熱量（以下、Ｑｔｕｎとする）、熱電子により運ばれる熱量（以下、ＱＲとする）、真空空間を移動するトンネル電子数（以下、Ｊｔｕｎとする）、真空空間を移動する熱電子数（以下、ＪＲとする）、及び対向電極間に印加する電圧（以下、Ｖｂｉａｓとする）を用いて、
ＣＯＰ＝（Ｑｔｕｎ＋ＱＲ）÷｛（Ｊｔｕｎ＋ＪＲ）×Ｖｂｉａｓ｝  …（４）
とあらわされる。
【００２２】
ここで、
Ｊｔｕｎ＝Ｎ（Ｅｘ）×Ｄ（Ｅｘ、Ｖｘ）  …（５）
ＪＲ＝α×Ｔ２×ｅｘｐ（−β／Ｔ）  …（６）
とあらわされる。
【００２３】
上式中のＮ（Ｅｘ）はエネルギーＥｘをもつ電子数、Ｄ（Ｅｘ、Ｖｘ）はエネルギーＥｘ、ポテンシャルエネルギーＶｘを持つ電子の状態密度、Ｔは温度、α、βは定数である。さらに、Ｑｔｕｎ、ＱＲとＪｔｕｎ、ＪＲは、
Ｑｔｕｎ＝∫（ｋＢ×Ｔ＋Ｅｘ）×Ｊｔｕｎ（Ｅｘ）ｄＥｘ  …（７）
ＱＲ＝（γ＋η×Ｔ）×ＪＲ  …（８）
の関係にある。
【００２４】
なお、Ｑｔｕｎの積分範囲は−∞〜ｑＶｍａｘであり、γ、ηは定数である。上式において、ＱＲは温度Ｔのみの関数であるのに対し、Ｑｔｕｎは温度Ｔ、電子エネルギーＥｘ、ポテンシャルエネルギーＶｘの関数である。ここで、Ｖｘは、
Ｖｘ∝φ／ｑ−Ｖｂｉａｓ×ｘ／ｄ  …（９）
とあらわされる。
【００２５】
なお、φは対向電極の仕事関数、ｄは真空空間距離を表している。上式より、冷却能力を高めるためには、仕事関数φをできるだけ低くするとともに、真空空間距離ｄをできるだけ狭くする必要がある。図１３に、真空空間距離ｄを５ｎｍとし、仕事関数φを変化させたときの、冷却性能指数（ＣＯＰ）変化を示す。初期庫内温度は５７℃であり、庫内を５℃に冷却する場合の結果である。また、同一温度差におけるコンプレッサー、およびペルチェ素子の冷却性能指数は、前述したようにそれぞれ、１．２、０．６である。図の結果より、コンプレッサーと同等の冷却性能１．２を実現するためには、真空空間距離ｄを５ｎｍという小さな値にしてもなお、電極材料としては０．６ｅＶ以下の低仕事関数材料を用いなければならないことがわかる。
【００２６】
特許文献３、特許文献４、特許文献５では、０．６ｅＶ以下の低仕事関数として、クラウンエーテルやアザクラウンとアルカリ金属との錯体、セシウム化合物などが記載されている。
【００２７】
しかしながら、上記低仕事関数材料は、その製法が複雑であり、かつ大気中での特性が不安定である。クラウンエーテルとカリウムの化合物Ｋ＋（１５Ｃ５）２−について、非特許文献２で取り上げられている。この文献では、上記化合物のエミッション電流の測定により仕事関数を０．２〜０．５であると見積もっている。文献中では、仕事関数の値が大きくばらついている事に関しての記載がないが、周辺環境や試料の封入方法により、材料の仕事関数が大きくばらつくことを示唆している。
【００２８】
また、特許文献６では、Ｃｓ２Ｏをフィラメント材料として用いた場合、その仕事関数が０．８ｅＶであると記載している。しかしながら、上記結果はフィラメントを８００Ｋ付近に加熱した場合の結果であり、室温での仕事関数は１．０を超えてしまう。また、製法についても、Ｃｓ（ＯＨ）２溶液を精製し、フィラメントに塗布して８００Ｋ以上の温度で長時間焼成すると、Ｃｓ２Ｏが生成されるとあるが、溶液の精製方法によっては、所望の特性を得られないという難しさがある。
【００２９】
さらに、図１２にあるような従来のヒートポンプ構造では、陽極と陰極で熱応力によるたわみが発生するため、常に５ｎｍという狭い真空空間を維持することは不可能である。なお、特許文献７において、真空空間を機械式圧電モーターや電磁アクチュエーターで制御する方法が提案されているが、空間ギャップを高精度でセンシングする手段と、それをフィードバックする手段が必要であり、複雑な冷却システムになってしまうという課題があった。
【００３０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、構造を複雑化することなく、従来の電子熱電素子と比較して飛躍的に安定した冷却／加熱特性を示す電子熱電素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本発明の電子熱電素子は、上記の課題を解決するために、陰極と陽極とが対向して配置されており、陰極に負電圧を印加するとともに陽極に正電圧を印加する電子熱電素子であって、上記陰極と上記陽極との間には、絶縁層が設けられており、上記陰極、及び、上記陽極の少なくとも一方が、Ｎ型半導体からなることを特徴としている。
【００３２】
本発明の熱電素子は、陰極に負電圧を印加するとともに陽極に正電圧を印加することによって、冷却および／または加熱を行うものである。
【００３３】
上述したように、従来のペルチェ素子では、冷却側電極であるＮ型半導体のジュール熱（＝ＲＩ２／２）、すなわち、高温側電極であるＰ型半導体から低温側電極であるＮ型半導体への熱の流入による熱損失があるため、コンプレッサーに対し冷却効率が劣るという問題を有していた。Ｐ型半導体からＮ型半導体への熱の流入による熱損失量を低下させるために、熱伝導率ｋを低下させる必要がある。この熱伝導率ｋは、キャリア（電子）の因子ｋｅｌと結晶格子の振動による因子ｋｐｈとの和としてあらわすことができる。
【００３４】
上記の構成によれば、上記陰極と上記陽極との間には、絶縁層が設けられており、上記陰極、及び、上記陽極の少なくとも一方が、Ｎ型半導体からなる。すなわち、上記の構成によれば、少なくとも金属（陰極または陽極）―絶縁層―Ｎ型半導体という構造を有している。それゆえ、上記の構成によれば、電子が、金属（陰極または陽極）―絶縁層―Ｎ型半導体間を移動するに際し、金属（陰極または陽極）中の低エネルギーの電子（逆流電子）が絶縁層を通過することがない。すなわち、電子の逆流がない。このため、上記熱伝導率ｋのうち、キャリア（電子）の因子であるｋｅｌをなくすことができる。
【００３５】
それゆえ、上記の構成によれば、従来のペルチェ素子に比べ、冷却効率や加熱効率が高いという効果を奏する。
【００３６】
また、上記の構成によれば、上記陰極及び上記陽極は金属からなるので、従来のジョセフソン接合素子のように、超伝導体からなる電極を温度制御する必要がない。それゆえ、上記の構成によれば、温度制御にかかる熱量を損失することなく、冷却効率や加熱効率が高い電子熱電素子を提供することができる。
【００３７】
さらに、上記の構成によれば、従来の電子トンネル効果素子のように、陰極と陽極との真空空間ギャップを調節するために複雑なギャップ調節機構を設ける必要としないことから、より簡単な構造の電子冷却素子を実現することができる。
【００３８】
以上のように、本発明の電子熱電素子は、上記のような構成を有していることによって、その構造を複雑化することなく、冷却および／または加熱特性を安定させ、冷却効率や加熱効率を向上させることができる。
【００３９】
ところで、本発明の電子熱電素子は、陰極側が冷却され、陽極側が加熱されるため、対象物の冷却および加熱という２つの目的に利用することができる。すなわち、本発明の電子熱電素子は、その陰極側の機能を利用すれば電子冷却素子となり、その陽極側の機能を利用すれば電子加熱素子となる。例えば、本発明にかかる電子熱電素子を冷却装置の冷却素子として用いれば、従来のコンプレッサー式の冷却装置と同程度の性能を有し、かつ、よりコンパクトな装置を実現することができる。
【００４０】
本発明の電子熱電素子は、上記の課題を解決するために、陰極と陽極とが、Ｎ型半導体からなる層と対向して配置されており、陰極に負電圧を印加するとともに陽極に正電圧を印加する電子熱電素子であって、上記陰極と上記Ｎ型半導体からなる層との間、及び、上記陽極と上記Ｎ型半導体からなる層との間には、それぞれ絶縁層が設けられていることを特徴としている。
【００４１】
上記の構成によれば、上記陰極と上記Ｎ型半導体からなる層との間、及び、上記陽極と上記Ｎ型半導体からなる層との間には、それぞれ絶縁層が設けられている。すなわち、上記の構成によれば、金属からなる陰極―絶縁層―Ｎ型半導体からなる層、及び、金属からなる陽極―絶縁層―Ｎ型半導体からなる層という構造を有している。
【００４２】
このため、上記の構成によれば、電子が、金属からなる陰極―絶縁層―Ｎ型半導体からなる層間、及び、金属からなる陽極―絶縁層―Ｎ型半導体からなる層間を移動するに際し、電子の逆流がなく、上記キャリア（電子）の因子であるｋｅｌをなくすことができる。このため、上記の構成によれば、従来のペルチェ素子に比べ、冷却効率や加熱効率が高いという効果を奏する。
【００４３】
また、上記の構成によれば、ジョセフソン接合素子と比較して、電極を温度制御する必要がないという点で、冷却効率や加熱効率が高いという効果を奏する。
【００４４】
さらに、上記の構成によれば、電子トンネル効果素子と比較して、複雑なギャップ調節機構を必要としないことから、より簡単な構造の電子冷却素子を実現できる。
【００４５】
また、本発明の電子熱電素子では、上記陰極と上記陽極とは、上記絶縁層の同一平面上に設けられていてもよい。
【００４６】
また、本発明の電子熱電素子では、上記陰極と上記Ｎ型半導体からなる層との間には、第１の絶縁層が設けられ、上記陽極と上記Ｎ型半導体からなる層との間には、第２の絶縁層が設けられ、上記陰極、上記第１の絶縁層、上記Ｎ型半導体からなる層、上記第２の絶縁層、上記陽極の順で積層されていてもよい。
【００４７】
また、本発明の電子熱電素子では、上記陰極または上記陽極と、上記絶縁層とが互いに接していることが好ましい。
【００４８】
また、本発明の電子熱電素子では、上記陰極、または、上記陽極が金からなることが好ましい。
【００４９】
上記の構成によれば、金は、一般的な電極材料と比較して、上記Ｎ型半導体との仕事関数差が大きい。本発明の電子熱電素子における冷却（加熱）効果は、上記陰極または上記陽極とＮ型半導体との仕事関数差に依存して大きくなる。それゆえ、上記の構成によれば、Ｎ型半導体との仕事関数差が大きい金は、最適である。
【００５０】
また、本発明の電子熱電素子では、上記陰極を冷却し、上記陽極を加熱することが好ましい。
【発明の効果】
【００５１】
本発明の電子熱電素子は、以上のように、上記陰極と上記陽極との間には、絶縁層が設けられており、上記陰極、及び、上記陽極の少なくとも一方が、Ｎ型半導体からなる。それゆえ、本発明の電子熱電素子は、その構造を複雑化することなく、冷却および／または加熱特性を安定させ、冷却効率や加熱効率を向上させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
〔実施の形態１〕
本発明の第１の実施の形態について図１ないし図７に基づいて説明すると以下の通りである。本実施形態では、本発明の電子熱電素子の一例として、小型冷蔵庫やレーザ発信器の冷却装置に内蔵される電子冷却素子を挙げて説明する。なお、「電子熱電素子」とは、「電子トンネル効果」を利用した熱電素子のことをいう。
【００５３】
本実施形態の電子冷却素子は、「電子トンネル効果」を利用したものであるため、ここでは先ず、この電子トンネル効果について詳述する。
【００５４】
「電子トンネル効果」とは、真空もしくは絶縁体を隔てた対向する２つの電極間を電子が移動する現象である。より詳しくは、絶縁体に形成されたエネルギー障壁を、所望のエネルギーを持った電子が通過するという効果である。このエネルギー障壁の高さは、電子を放出する陰極側の金属の仕事関数に依存している。つまり、陰極側の電極材料の仕事関数が低いほど、真空空間に形成されるエネルギー障壁は低くなる。
【００５５】
ところで、陰極側から放出される電子は、高いエネルギーを有する熱電子、中程度のエネルギーを有するトンネル電子、低いエネルギーを有する逆流電子という３種類の電子に分類される。これら３種類の電子のうち、熱電子はエネルギー障壁を飛び越えて陽極に到達することができる。また、トンネル電子の一部もエネルギー障壁を通過して陽極に到達することができる。それゆえ、熱電素子の冷却および／または加熱特性に影響を与えるのは、熱電子およびトンネル電子の数である。
【００５６】
本発明では、例えば、金属膜―絶縁体―Ｎ型半導体という構造を用いることにより、従来の電子冷却素子に対して、以下のようなメリットがある。
【００５７】
まず、ペルチェ素子に対しては、熱損失が少なく、冷却効率の高い素子を実現することができる。上述したように、ペルチェ素子がコンプレッサーに対し冷却効率が劣る原因として、冷却側電極であるＮ型半導体のジュール熱（＝ＲＩ２／２）、すなわち、高温側電極であるＰ型半導体から低温側電極であるＮ型半導体への熱の流入による熱損失がある。このうち、Ｐ型半導体からＮ型半導体への熱の流入による熱損失量を低下させるためには、熱伝導率ｋを低下させる必要がある。ここで、上記熱伝導率ｋについて、もう少し詳細に考察する。
【００５８】
熱伝導率ｋは、キャリア（電子）の因子ｋｅｌと結晶格子の振動による因子ｋｐｈとに分けることができる。すなわち、熱伝導率ｋは、
ｋ＝ｋｅｌ＋ｋｐｈ  …（１０）
とあらわすことができる。本発明に係る構造では、金属とＮ型半導体の間に絶縁層を挿入させているため、電子が、金属（陰極または陽極）―絶縁層―Ｎ型半導体間を移動するに際し、金属（陰極または陽極）中の低エネルギーの電子（逆流電子）が絶縁層を通過することがない。すなわち、電子の逆流がない。このため、上記熱伝導率ｋのうち、キャリア（電子）の因子であるｋｅｌをなくすことができる。このため、本発明の電子冷却素子は、ペルチェ素子と比較して、冷却効率が高いという効果を奏する。
【００５９】
また、本発明の電子冷却素子は、ジョセフソン接合素子と比較して、電極を温度制御する必要がないという点で冷却効率が高い。
【００６０】
さらに、本発明の電子冷却素子は、電子トンネル効果素子と比較して、複雑なギャップ調節機構を必要としないという理由から、より簡単な構造の電子冷却素子を実現できる。
【００６１】
次に、本実施形態の電子冷却素子の構造について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の電子冷却素子１０の概略構成を示した断面図である。
【００６２】
電子冷却素子１０は、図１に示すように、金属からなる陰極１１、絶縁層１２ａ、絶縁層１２ｂ、Ｎ型半導体層（Ｎ型半導体からなる層）１３、金属からなる陽極１４、陰極１１と陽極１４とに電圧を印加する電源１５、及び、電源線１６を備えている。
【００６３】
また、陰極１１と陽極１４とは、互いに対向して配置されている。そして、陰極１１及び陽極１４には、電源線１６が接続されている。これにより、陰極１１及び陽極１４と、電源１５とが電気的に接続する。また、陰極１１と陽極１４とは、近接して対向した構成となっており、陰極１１及び陽極１４の対向面の離間距離は、１０ｎｍ以下となっていることが好ましい。電子冷却素子１０では、この離間距離は１ｎｍとなっている。
【００６４】
さらに、陰極１１と陽極１４との間には、Ｎ型半導体層１３が設けられている。そして、陰極１１とＮ型半導体層１３との間に、絶縁層１２ａが設けられており、絶縁層１２ａは、陰極１１とＮ型半導体層１３との互いの対向面で接するようにして設けられている。また、Ｎ型半導体層１３と陽極１４との間に、絶縁層１２ｂが設けられており、絶縁層１２ｂは、Ｎ型半導体層１３と陽極１４との互いの対向面で接するようにして設けられている。
【００６５】
電子冷却素子１０では、陰極１１及び絶縁層１２ａ、または、絶縁層１２ｂ及び陽極１４が離れて設けられている場合、陰極１１中の電子またはＮ型半導体層１３中の電子が、スムーズに絶縁層１２ａまたは絶縁層１２ｂを通過しないので好ましくない。また、絶縁層１２ａまたは絶縁層１２ｂが取り外し可能に設けられている場合であっても、同様に陰極１１中の電子またはＮ型半導体層１３中の電子が、スムーズに絶縁層１２ａまはた絶縁層１２ｂを通過しないので好ましくない。
【００６６】
なお、「Ｎ型半導体」とは、多数キャリアが電子である外因性半導体、すなわち、伝導電子密度が正孔密度よりも多い外因性半導体のことをいう。このようなＮ型半導体としては、ＳｉやＧｅにごく少量のＡｓ、若しくはＰを入れた結晶が一般的に用いられている。
【００６７】
陰極１１及び陽極１４は、Ｎ型半導体層１３とのエネルギーギャップが異なる導電性材料からなるものであればよい。すなわち、陰極１１及び陽極１４は、Ｎ型半導体層１３とフェルミ準位が異なるものであればよい。
【００６８】
好ましくは、陰極１１及び陽極１４は、金属からなり、Ｎ型半導体層１３との仕事関数差が大きいものである。以下、Ｎ型半導体としてのＮ型Ｓｉと各種金属との仕事関数差を、表１に示す。
【００６９】
【表１】
2006073899.tif 000003
【００７０】
表１に示すように、Ａｕ（金）は、一般的な電極材料（Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ等）と比較して、Ｎ型Ｓｉとの仕事関数差が大きい。電子冷却素子１０における冷却（加熱）効果は、陰極１１及び陽極１４と、Ｎ型半導体層１３との仕事関数差の大きさに依存する。それゆえ、陰極１１及び陽極１４としては、Ｎ型半導体層１３との仕事関数差が大きいＡｕ（金）が好ましい。また、表１に示すように、Ｐｔ（白金）及びＰｔＳｉも、Ａｕ（金）と同程度に、Ｎ型Ｓｉとの仕事関数差を有する。それゆえ、陰極１１及び陽極１４として、Ａｕ（金）以外にも、Ｐｔ（白金）、または、ＰｔＳｉを用いることも可能である。
【００７１】
なお、ここでいう「金属」は、単体のみならず、金属錯体、金属化合物、または、その他の金属を含む無機・有機化合物も含まれる。電子冷却素子１０においては、陰極１１及び陽極１４を金からなる膜、すなわち、金蒸着膜で構成している。
【００７２】
また、絶縁層１２ａ及び絶縁層１２ｂは、熱酸化Ｓｉやアルミナ等のような、高い絶縁性を有する材料からなることが好ましい。さらに、絶縁層１２ａ及び絶縁層１２ｂとしては、上記の高い絶縁性に加えて、熱伝導率が低い材料からなることが好ましい。このような材料としては、例えばモット絶縁体が挙げられる。
【００７３】
また、電源線１６の材料としては、銅やタングステン等の、電気抵抗が低い材料が好ましい。さらに、熱損失をできる限り低減させるために、電子冷却素子１０では、陰極１１及び陽極１４それぞれと、電源線１６との接触面積をできるだけ狭くすることが望ましい。
【００７４】
なお、本実施形態では、Ｎ型半導体層１３としてのＮ型シリコン基板上に、絶縁層１２ａまたは絶縁層１２ｂとしての自然酸化膜を形成した。そして、その上にメタルマスクを用いたスパッタリングを行うことにより、陰極１１または陽極１４として、２箇所の金薄膜エリアを形成させた。こうすることにより、２箇所の金属薄膜エリア、すなわち陰極１１と陽極１４とが、互いに絶縁される。
【００７５】
電子冷却素子１０では、電源１５が、陰極１１に負電圧を印加するとともに陽極１４に正電圧を印加している。これにより、陰極１１中の熱電子は、電子トンネル効果により、絶縁層１２ａを通過し、Ｎ型半導体層１３に到達する。また、Ｎ型半導体層１３中の熱電子は、電子トンネル効果により絶縁層１２ｂを通過し、陽極１４中に移動する。このとき、陰極１１側では吸熱（冷却）される一方、陽極１４側では放熱（加熱）される。
【００７６】
以下に、電子冷却素子１０の動作原理について、図２を参照して説明する。図２は、電子冷却素子１０の動作原理を示す模式図である。なお、図２では、電子冷却素子１０において陰極１１が設けられている側を冷却側Ａとし、陽極１４が設けられている側を加熱側Ｂとしている。また、図２では、陰極１１及び陽極１４のフェルミ準位と、Ｎ型半導体層１３のフェルミ準位との差をＶＦとしている。
【００７７】
図２に示すように、電子冷却素子１０において、陰極１１に負電圧を印加するとともに陽極１４に正電圧を印加する場合、電流Ｉは、加熱側Ｂから冷却側Ａへ流れる。それゆえ、電子は、冷却側Ａから加熱側Ｂへ移動する。
【００７８】
陰極１１中に存在する電子のうち、フェルミ準位近傍の電子２５は、電子トンネル効果により、絶縁層１２ａを通過してＮ型半導体層１３中に移動する。このとき、Ｎ型半導体層１３中に移動した電子２５は、Ｎ型半導体層１３のフェルミ準位に遷移する。このため、電子２５のエネルギーは、ＶＦだけ増加する。その結果、電子２５は、陰極１１からエネルギーを吸収することになり、陰極１１が冷却される。
【００７９】
一方、Ｎ型半導体層１３中に存在する電子のうち、フェルミ準位近傍の電子２６は、電子トンネル効果により、絶縁層１２ｂを通過して陽極１４中に移動する。このとき、陽極１４中に移動した電子２６は、陽極１４のフェルミ準位に遷移する。このため、電子２６のエネルギーは、ＶＦだけ減少する。その結果、電子２６は、陽極１４へエネルギーを放出することになり、陽極１４が加熱される。
【００８０】
上記の原理に基づいて電子冷却素子を製作し、抵抗値の電圧依存性を調べた結果について、図３〜図７を参照して、以下に説明する。図３は、Ｎ型シリコン基板の表面に、自然酸化膜を形成した電子冷却素子３０の一部構成の概略を示した断面図である。また、図４は、電子冷却素子３０における抵抗値の電圧依存性を示したグラフである。また、図５は、Ｎ型シリコン基板上に自然酸化膜を形成し、その上に金属膜を形成した電子冷却素子５０の概略構成を示す断面図である。また、図６は、電子冷却素子５０における抵抗値の電圧依存性を示したグラフである。図７は、電子冷却素子５０における抵抗値の温度依存性を示したグラフである。
【００８１】
図３に示すように、電子冷却素子３０は、Ｎ型シリコン基板３１、自然酸化膜３２、Ｎ型シリコン基板３１と自然酸化膜３２に電圧を印加する電源３５、及び、電源線３６を備えている。電子冷却素子３０では、Ｎ型シリコン基板３１の表面に自然酸化膜３２が形成されている。そして、Ｎ型シリコン基板３１及び自然酸化膜３２には、電源線３６が接続されている。なお、電子冷却素子３０における、Ｎ型シリコン基板３１と自然酸化膜３２とはそれぞれ、電子冷却素子１０におけるＮ型半導体層１３と、絶縁層１２ａまたは１２ｂとに対応する。また、上記自然酸化膜３２は、電気抵抗測定の結果、約５ｎｍであることが確認された。
【００８２】
このような電子冷却素子３０に対して、４端子プローブを用いて、電圧を変化させたときの電流値を測定することで、抵抗値の電圧依存性を調べた。その結果を図４に示す。図４に示すように、電子冷却素子３０では、高電圧を印加するに従い、抵抗値が低下していることがわかった。
【００８３】
次に、Ｎ型シリコン基板上に自然酸化膜を形成し、その上に金属膜を形成した電子冷却素子５０について、同様に抵抗値の電圧依存性を調べた。図５に示すように、電子冷却素子５０は、Ｎ型シリコン基板５１、自然酸化膜５２、金属膜５３、Ｎ型シリコン基板５１と金属膜５３とに電圧を印加する電源５６、及び、電源線５６を備えている。電子冷却素子５０では、Ｎ型シリコン基板５１の表面に自然酸化膜５２が形成されており、自然酸化膜５２上に金属膜５３が形成されている。そして、そして、Ｎ型シリコン基板５１及び金属膜５３には、電源線５６が接続されている。
【００８４】
また、Ｎ型シリコン基板５１と金属膜５３とは、近接して対向した構成となっており、Ｎ型シリコン基板５１及び金属膜５３の対向面の離間距離は、１０ｎｍ以下となっていることが好ましい。電子冷却素子５０では、この離間距離は１ｎｍとなっている。
【００８５】
なお、電子冷却素子５０における、Ｎ型シリコン基板５１、自然酸化膜５２、及び、金属膜５３はそれぞれ、電子冷却素子１０におけるＮ型半導体層１３、絶縁層１２ａまたは１２ｂ、及び、陰極１１または陽極１４に対応する。また、上記金属膜５３は、２００ｎｍの金蒸着膜をスパッタリングにより形成したものである。
【００８６】
このような電子冷却素子５０に対して、４端子プローブを用いて、電圧を変化させたときの電流値を測定することで、抵抗値の電圧依存性を調べた。ここで、図５に示すように、上記４端子のプローブのうち、２端子を金属膜５３上に接続させ、残りの２端子を自然酸化膜５２上に接続させた。そして、金属膜５３に負電圧を印加するとともに、自然酸化膜５２に正電圧を印加することで、測定を実施した。その結果を図６に示す。図６に示すように、電子冷却素子５０では、高電圧を印加するに従い、抵抗値が増加していることがわかった。
【００８７】
また、電子冷却素子５０において、Ｎ型シリコン基板５１側を所定の温度に加熱しながら、１．０Ｖの電位差を与え、抵抗値の温度依存性を調べた。その結果を図７に示す。図７は、２５℃（室温）、５０℃、及び、７５℃の３種類の温度に対して、１．０Ｖの電位差を与えたときに、抵抗値を測定した結果を示す。図７に示すように、温度が高くなるに従い、抵抗値が低下していることがわかった。
【００８８】
図７の結果より、図３の結果、すなわち、上記電子冷却素子３０における抵抗値の電圧依存性の結果は、Ｎ型シリコン基板３１に高電圧を印加したために、Ｎ型シリコン基板３１が発熱したことにより、抵抗値が低下したと考えられる。
【００８９】
ここで、電子冷却素子５０における抵抗値の電圧依存性に着目する。Ｎ型シリコン基板５１に高電圧を印加すると、通常、Ｎ型シリコン基板５１及び電極部（金属膜５３）は、発熱する。このため、電子冷却素子５０では、図７の結果と同様に、高電圧を印加するに従い、抵抗値が低下すると考えられる。しかしながら、図６に示すように、電子冷却素子５０では、高電圧を印加するに従い、抵抗値が増加している。
【００９０】
これらの結果から、電子冷却素子５０において、金属膜５３に負電圧を印加するとともに自然酸化膜５２に正電圧を印加することにより、電子が、Ｎ型シリコン基板５１−自然酸化膜５２−金属膜５３間を移動する過程で、冷却効果が発生していることが考えられる。すなわち、図１に示す電子冷却素子１０においては、電子がＮ型半導体層１３−絶縁層１２ａ−陰極１１間を移動する過程で、冷却効果が発生していると考えられる。それゆえ、電子冷却素子５０では、Ｎ型シリコン基板３１が冷却部として機能する。
【００９１】
なお、本実施の形態では、冷却装置などに利用される電子冷却素子について述べているが、本発明の電子熱電素子は、電子冷却素子としてのみではなく、電子加熱素子として使用することも可能である。
【００９２】
本実施形態の電子冷却素子１０または電子冷却素子５０は、上記のような構造を有することによって、従来構造に比べ飛躍的に安定した冷却特性を得ることができる。そのため、この電子冷却素子１０または電子冷却素子５０を用いれば、コンプレッサー式と同程度の性能を示し、かつ、コンパクトな冷却装置を実現することができる。
【００９３】
〔実施の形態２〕
本発明の第２の実施の形態について図８及び図９に基づいて説明すると以下の通りである。本実施形態では、本発明の電子熱電素子の一例として、小型冷蔵庫やレーザ発信器の冷却装置に内蔵される電子冷却素子を挙げて説明する。なお、本実施形態の電子冷却素子も、実施の形態１と同様、「電子トンネル効果」を利用したものである。
【００９４】
上記実施の形態１で示した電子冷却素子５０では、冷却部であるＮ型シリコン基板５１が電源線５６と直接接続されているので、電源線５６の熱伝導による損失が大きいと考えられる。これに対して、本実施形態は、Ｎ型シリコン基板に電源線が接続されておらず、より実用化しやすい電子冷却素子である。
【００９５】
以下に、本実施形態の電子冷却素子について、図８及び図９を参照して説明する。図８は、本実施形態の電子冷却素子８０の概略構成を示した断面図である。また、図９は、電子冷却素子８０における抵抗値の電圧依存性を示したグラフである。
【００９６】
図２に示す電子冷却素子の動作原理に基づいて、上記電子冷却素子５０よりも実用化した電子冷却素子８０を製作した。図８に示すように、電子冷却素子８０は、Ｎ型シリコン基板８１、自然酸化膜８２、陰極８３、陽極８４、陰極８３と陽極８４とに電圧を印加する電源８５、及び、電源線８６を備えている。Ｎ型シリコン基板８１上には、自然酸化膜８２が形成されている。そして、自然酸化膜８２の同一平面上に、陰極８３と陽極８４とが形成されている。そして、陰極８３及び陽極８４には、電源線８６が接続されている。これにより、陰極８３と陽極８４とが電気的に接続されている。
【００９７】
また、陰極８３及び陽極８４と、Ｎ型シリコン基板８１とは、近接して対向した構成となっており、陰極８３及び陽極８４と、Ｎ型シリコン基板８１との対向面の離間距離は、１０ｎｍ以下となっていることが好ましい。電子冷却素子８０では、この離間距離は１ｎｍとなっている。
【００９８】
このような電子冷却素子８０において、陰極８３に負電圧を印加するとともに陽極８４に正電圧を印加すると、陰極８３と自然酸化膜８２を介して接する、Ｎ型シリコン基板８１で冷却が起こる。一方、Ｎ型シリコン基板８１と自然酸化膜８２を介して接する、陽極８４では加熱が起こる。
【００９９】
ぞこで、電子冷却素子８０において、陰極８３に負電圧を印加するとともに陽極８４に正電圧を印加して、４端子プローブを用いて電圧を変化させたときの電流値を測定することで、抵抗値の電圧依存性を調べた。その結果を図９に示す。図９に示すように、電子冷却素子８０では、高電圧を印加するに従い、抵抗値が増加している。また、この抵抗値の上昇率は、図５の結果、すなわち、電子冷却素子５０における抵抗値の上昇率と比較して、若干低くなっている。これは、陰極８３と陽極８４とが、自然酸化膜８２の同一平面上に設けられているため、陽極８４からの発熱の影響を受けることに起因する。しかしながら、図９に示すように、電子冷却素子８０では、明らかに電圧に依存して、抵抗値が上昇しているので、冷却効果が発生していることがわかる。
【０１００】
また、より現実的に実用化するためには、図１に示すような電子冷却素子１０の構成とすればよい。すなわち、図１に示すように、Ｎ型半導体層１３を絶縁層１２ａ及び絶縁層１２ｂで挟持し、絶縁層１２ａ及び絶縁層１２ｂそれぞれにおいて、Ｎ型半導体層１３と対向する面に陰極１１及び陽極１４が設けられた構成とすればよい。このような構成とすることで、陽極１４にて発生する熱を外部に逃すことができ、陰極１１における冷却効果をより向上させることが可能になる。
【０１０１】
本実施形態の電子冷却素子８０は、上記のような構造を有することによって、従来構造に比べ飛躍的に安定した冷却特性を得ることができる。そのため、この電子冷却素子８０を用いれば、コンプレッサー式と同程度の性能を示し、かつ、コンパクトな冷却装置を実現することができる。
【０１０２】
さらに、本実施の形態では、冷却装置などに利用される電子冷却素子について述べているが、本発明の電子熱電素子は、電子冷却素子としてのみではなく、電子加熱素子として使用することも可能である。
【０１０３】
また、本発明の電子熱電素子は、金属からなる陽極、絶縁層、金属からなる陰極この順に積層された構造を有し、上記陽極、及び、上記陰極の少なくとも一方が、Ｎ型半導体からなる構成であるともいえる。
【０１０４】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
従来の冷却素子と比較してコンパクトな構造でありながら、高い冷却特性を有しているため、冷却装置に有効に利用することができる。また、本発明の電子熱電素子は、一体で冷却および加熱の両方の機能を備えていることから、加熱・冷却装置の電子熱電素子として利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の実施の一形態の電子冷却素子の概略構成を示した断面図である。
【図２】上記電子冷却素子の動作原理を示す模式図である。
【図３】Ｎ型シリコン基板の表面に、自然酸化膜を形成した電子冷却素子の一部構成の概略を示した断面図である。
【図４】上記電子冷却素子における抵抗値の電圧依存性を示したグラフである。
【図５】Ｎ型シリコン基板上に自然酸化膜を形成し、その上に金属膜を形成した電子冷却素子の概略構成を示す断面図である。
【図６】上記電子冷却素子における抵抗値の電圧依存性を示したグラフである。
【図７】上記電子冷却素子における抵抗値の温度依存性を示したグラフである。
【図８】本発明の実施の他の形態の電子冷却素子の概略構成を示した断面図である。
【図９】上記電子冷却素子における抵抗値の電圧依存性を示したグラフである。
【図１０】従来の冷却素子の一例であるペルチェ素子の構造を示す模式図である。
【図１１】従来の冷却素子の一例であるジョセフソン接合素子の構造を示す模式図である。
【図１２】従来の電子トンネル効果を用いたヒートポンプの構造を示す模式図である。
【図１３】従来のヒートポンプにおける電極材料の仕事関数と冷却性能指数（ＣＯＰ値）との相関関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０７】
１０、３０、５０、８０    電子冷却素子（電子熱電素子）
１１、８３    陰極
１４、８４    陽極
１２ａ    絶縁層（第１の絶縁層）
１２ｂ    絶縁層（第２の絶縁層）
１３    Ｎ型半導体層（Ｎ型半導体からなる層）
３１、５１、８１    Ｎ型シリコン基板（Ｎ型半導体からなる層）
３２、５２、８２    自然酸化膜（絶縁層）
５３    金属膜（陰極または陽極）
【図１】
2006073899.tif 000004
【図２】
2006073899.tif 000005
【図３】
2006073899.tif 000006
【図４】
2006073899.tif 000007
【図５】
2006073899.tif 000008
【図６】
2006073899.tif 000009
【図７】
2006073899.tif 000010
【図８】
2006073899.tif 000011
【図９】
2006073899.tif 000012
【図１０】
2006073899.tif 000013
【図１１】
2006073899.tif 000014
【図１２】
2006073899.tif 000015
【図１３】
2006073899.tif 000016