(57)【要約】【課題】変換効率を高めることが可能な熱光起電力素子、熱光起電力装置および熱光起電力素子の製造方法を提供する。【解決手段】加熱されることで近接場光を形成するエミッタと、前記エミッタと対向し、前記近接場光を電気に変換する光起電力素子と、前記エミッタと前記光起電力素子との間に設けられ、前記エミッタの表面と前記光起電力素子の表面とに接触するスペーサと、を具備し、前記スペーサの高さは前記エミッタと前記光起電力素子との距離を規定する熱光起電力素子。【選択図】  図１
2019047685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱されることで近接場光を形成するエミッタと、
前記エミッタと対向し、前記近接場光を電気に変換する光起電力素子と、
前記エミッタと前記光起電力素子との間に設けられ、前記エミッタの表面と前記光起電力素子の表面とに接触するスペーサと、を具備し、
前記スペーサの高さは前記エミッタと前記光起電力素子との距離を規定する熱光起電力素子。
【請求項２】
前記エミッタの前記光起電力素子と対向する面には凹凸が設けられている請求項１に記載の熱光起電力素子。
【請求項３】
前記エミッタと前記光起電力素子との距離は、前記スペーサの高さより小さい請求項１または２に記載の熱光起電力素子。
【請求項４】
前記スペーサは絶縁体で形成された柱状の部材であり、
複数の前記スペーサが設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の熱光起電力素子。
【請求項５】
前記光起電力素子は前記表面に設けられた電極を含み、
前記エミッタ、前記スペーサおよび前記光起電力素子は一体型である請求項１から４のいずれか一項に記載の熱光起電力素子。
【請求項６】
前記光起電力素子は、ｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層に接合されたｎ型半導体層とを含み、
前記ｎ型半導体層は、前記ｐ型半導体層よりも前記エミッタに近い請求項１から５のいずれか一項に記載の熱光起電力素子。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の熱光起電力素子を収納する筐体と、
前記筐体に設けられ、前記エミッタに接触し、前記エミッタに熱を伝導する熱伝導体と、を具備する熱光起電力装置。
【請求項８】
光起電力素子を形成する工程と、
前記光起電力素子の表面にスペーサを形成する工程と、
前記光起電力素子の表面を覆い、前記スペーサが露出する開口部を有するレジストマスクを形成する工程と、
メッキ処理により、前記レジストマスクの表面に、前記スペーサと接触するエミッタを形成する工程と、
前記レジストマスクを除去する工程と、を有する熱光起電力素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱光起電力素子、熱光起電力装置および熱光起電力素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加熱されることで近接場光を形成する放射体（エミッタ）と、受光した光を電気に変換する光起電力素子とを組み合わせた熱光起電力素子が開発されている（特許文献１および非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００１−５１２２９５号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】花村克悟、「Development of Thermophotovoltaic Generation of Electricity using Spectral-Controlled Near-Field Thermal Radiation」、Proceedings of the 24th Symposium on Phase Change Oriented Science PCOS 2012、ＰＣＯＳ相変化研究会、２０１２年１１月、ｐｐ．７〜８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エミッタの表面近傍に形成される近接場光の強度は、エミッタから離れるほど低下する。したがって、エミッタと光起電力素子との距離を大きくすると、光起電力素子が受光する近接場光の強度が低下し、光起電力素子で発生するフォトキャリアの数も減少する。この結果、熱光起電力素子の変換効率が低下してしまう。また、エミッタと光起電力素子とが対向する面の大きさが数ｍｍ角以上になる場合、対向面の全面にわたってエミッタと光起電力素子との間の小さい距離を実現するのは難しい。この結果、熱光起電力素子の変換効率が低下してしまう。
【０００６】
そこで、変換効率を高めることが可能な熱光起電力素子、熱光起電力装置および熱光起電力素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る熱光起電力素子は、加熱されることで近接場光を形成するエミッタと、前記エミッタと対向し、前記近接場光を電気に変換する光起電力素子と、前記エミッタと前記光起電力素子との間に設けられ、前記エミッタの表面と前記光起電力素子の表面とに接触するスペーサと、を具備し、前記スペーサの高さは前記エミッタと前記光起電力素子との距離を規定するものである。
【０００８】
本発明に係る熱光起電力素子の製造方法は、光起電力素子を形成する工程と、前記光起電力素子の表面にスペーサを形成する工程と、前記光起電力素子の表面を覆い、前記スペーサが露出する開口部を有するレジストマスクを形成する工程と、メッキ処理により、前記レジストマスクの表面に、前記スペーサと接触するエミッタを形成する工程と、前記レジストマスクを除去する工程と、を有するものである。
【発明の効果】
【０００９】
上記発明によれば、変換効率を高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１（ａ）は第１実施形態に係る熱光起電力素子を例示する断面図である。図１（ｂ）は光起電力素子を例示する平面図である。
【図２】図２（ａ）および図２（ｂ）はエミッタを例示する斜視図である。
【図３】図３は熱光起電力装置を例示する断面図である。
【図４】図４（ａ）から図４（ｄ）は熱光起電力素子の製造方法を例示する断面図である。
【図５】図５（ａ）から図５（ｄ）は熱光起電力素子の製造方法を例示する断面図である。
【図６】図６は第１レジストマスクおよび第２レジストマスクを拡大した平面図である。
【図７】図７（ａ）および図７（ｂ）は熱光起電力素子の製造方法を例示する断面図である。
【図８】図８は第２実施形態に係る熱光起電力素子を例示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
【００１２】
本願発明の一形態は、（１）加熱されることで近接場光を形成するエミッタと、前記エミッタと対向し、前記近接場光を電気に変換する光起電力素子と、前記エミッタと前記光起電力素子との間に設けられ、前記エミッタの表面と前記光起電力素子の表面とに接触するスペーサと、を具備し、前記スペーサの高さは前記エミッタと前記光起電力素子との距離を規定する熱光起電力素子である。これにより、エミッタと光起電力素子が対向する面の広い範囲にわたって、エミッタと光起電力素子の表面同士を近接させることができる。この結果、光起電力素子の表面の広い範囲にわたって光起電力素子が受光する近接場光の強度が大きくなり、光起電力素子は大きな電力を発生させる。したがって熱光起電力素子の変換効率が高くなる。
（２）前記エミッタの前記光起電力素子と対向する面には凹凸が設けられてもよい。エミッタの表面に凹凸を設けることによりエミッタの表面近傍に形成される近接場光の波長選択が可能となる。光起電力素子は、電力に変換しやすい波長域に波長選択された近接場光を受光することができる。このため、光起電力素子の光電変換効率が向上する。したがって熱光起電力素子の変換効率が高くなる。
（３）前記エミッタと前記光起電力素子との距離は、前記スペーサの高さより小さくてもよい。これにより光起電力素子が受光する近接場光の強度が大きくなり、熱光起電力素子の光電変換効率が向上する。したがって熱光起電力素子の変換効率が高くなる。
（４）前記スペーサは絶縁体で形成された柱状の部材であり、複数の前記スペーサが設けられてもよい。スペーサが絶縁体で形成されることにより、スペーサによりエミッタを支持することができ、またスペーサの熱伝導率を低く抑えることができる。これにより、エミッタから光起電力素子への熱伝導が抑制され、光起電力素子の効率の低下および破損が抑制される。
（５）前記光起電力素子は前記表面に設けられた電極を含み、前記エミッタ、前記スペーサおよび前記光起電力素子は一体型であってもよい。一体型であることにより、電極の高さに影響されず、エミッタの表面と光起電力素子の表面とを近づけることができ、光起電力素子の光電変換効率が高くなる。
（６）前記光起電力素子は、ｐ型半導体層と、前記ｐ型半導体層に接合されたｎ型半導体層とを含み、前記ｎ型半導体層は、前記ｐ型半導体層よりも前記エミッタに近くてもよい。ｐｎ接合が形成され、光が入射することでフォトキャリアが発生する。すなわち、光起電力素子は光を電気に変換することができる。また、ｐ型半導体層よりもｎ型半導体層の方が少数キャリアの拡散長が長いため、光起電力素子の光電変換効率を高くすることができる。
（７）上記の熱光起電力素子を収納する筐体と、前記筐体に設けられ、前記エミッタに接触し、前記エミッタに熱を伝導する熱伝導体と、を具備する熱光起電力装置が形成されてもよい。熱伝導体により加熱されたエミッタが表面近傍に近接場光を形成し、近接場光を受光した光起電力素子が電力を出力する。これにより熱を電気に変換することができる。
（８）光起電力素子を形成する工程と、前記光起電力素子の表面にスペーサを形成する工程と、前記光起電力素子の表面を覆い、前記スペーサが露出する開口部を有するレジストマスクを形成する工程と、メッキ処理により、前記レジストマスクの表面に、前記スペーサと接触するエミッタを形成する工程と、前記レジストマスクを除去する工程と、を有する熱光起電力素子の製造方法である。これにより、エミッタと光起電力素子との距離を小さくすることができる。この結果、光起電力素子が受光する光の強度が大きくなり、熱光起電力素子の変換効率が向上する。
【００１３】
［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る熱光起電力素子、熱光起電力装置および熱光起電力素子の製造方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００１４】
（第１実施形態）
図１（ａ）は第１実施形態に係る熱光起電力素子１００を例示する断面図であり、図１（ｂ）の線Ａ−Ａに沿った断面を示している。図１（ｂ）は光起電力素子１０を例示する平面図である。図１（ａ）に示すように、熱光起電力素子１００は、光起電力素子１０およびエミッタ３０を有し、光起電力素子１０とエミッタ３０との間には空隙３６が形成されている。
【００１５】
（光起電力素子）
光起電力素子１０は、一辺が例えば１〜２ｃｍの矩形のフォトダイオードであり、基板１１、バッファ層１２、ｐ型吸収層１４（ｐ型半導体層）、ｎ型吸収層１６（ｎ型半導体層）、キャップ層１８およびコンタクト層２０を有する。基板１１の上に、バッファ層１２、ｐ型吸収層１４、ｎ型吸収層１６およびキャップ層１８が順に積層され、これらの層がメサ１９を形成する。ｐ型吸収層１４とｎ型吸収層１６とは接触し、ｐｎ接合を形成する。キャップ層１８の上にコンタクト層２０が設けられ、コンタクト層２０の上に電極２２が設けられている。
【００１６】
図１（ｂ）に示すように、コンタクト層２０および電極２２は格子状に形成されている。電極２２は配線２１に電気的に接続されている。キャップ層１８の表面には複数のスペーサ２８が設けられている。スペーサ２８を介する熱伝導や熱損失を低減するために、スペーサ２８の数は少ないほどよい。スペーサ２８の総数は例えば１６個である。４つのスペーサ２８は四角形を形成し、かつコンタクト層２０および電極２２に囲まれる。コンタクト層２０の上面から基板１１の側面にかけて、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）などの絶縁体で形成された絶縁膜２６が設けられている。基板１１の下面には電極２４が設けられている。
【００１７】
基板１１は、例えば亜鉛（Ｚｎ）がドープされたｐ型インジウムリン（ＩｎＰ）で形成された厚さ３５０μｍの半導体基板である。バッファ層１２は、例えばＺｎがドープされた厚さ０．４μｍのｐ型ＩｎＰで形成されている。基板１１およびバッファ層１２のドープ濃度は例えば１．５×１０１８ｃｍ−３である。ｐ型吸収層１４は例えばＺｎがドープされた、厚さ３μｍのｐ型インジウムガリウム砒素（ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、ｘ＝０．５３）で形成されている。ｐ型吸収層１４のドープ濃度は例えば２．５×１０１７ｃｍ−３である。ｎ型吸収層１６は例えばシリコン（Ｓｉ）がドープされた、厚さ０．４μｍのｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．５３）で形成されている。ｎ型吸収層１６のドープ濃度は例えば１．５×１０１８ｃｍ−３である。キャップ層１８は例えばＳｉがドープされた、厚さ０．０５μｍのｎ型ＩｎＰで形成されている。ドープ濃度は例えば２．５×１０１８ｃｍ−３である。コンタクト層２０は例えばＳｉがドープされた、厚さ０．３μｍのｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．５３）で形成されている。ドープ濃度は例えば２．５×１０１８ｃｍ−３である。
【００１８】
スペーサ２８は例えばＳｉＯ２、ＳｉＮまたはＳｉＯＮなどの絶縁体で形成された、円柱状の部材である。スペーサ２８の直径は例えば２００μｍ、高さｈ１は例えば１００ｎｍである。電極２２は例えば基板１１に近い方から順にチタン層、白金層および金層を積層した金属の積層体（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）であり、厚さは例えば５μｍである。図１（ｂ）に示すように電極２２は格子状であり、例えば幅Ｗ１は５００μｍ、ピッチｐ１は５〜１０ｍｍである。電極２４は例えば基板１１に近い方から順にＡｕ層、Ｚｎ層、Ａｕ層、Ｔｉ層およびＡｕ層を積層した金属の積層体（Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕ／Ｔｉ／Ａｕ）であり、厚さは例えば１０μｍである。
【００１９】
（エミッタ）
図１（ａ）に示すように、エミッタ３０は、光起電力素子１０のｐ型吸収層１４および電極２２に対向する。エミッタ３０は例えばチタン・タングステンの合金（Ｔｉ−Ｗ）などの金属で形成され、厚さは例えば５００〜１０００μｍである。エミッタ３０は例えば光起電力素子１０と同じサイズを有し、一辺が１〜２ｃｍである。図２（ａ）はエミッタ３０を例示する斜視図である。図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、エミッタ３０の光起電力素子１０に対向する面には凹凸が形成されている。エミッタ３０表面の突出部分（ピラー３２）は四角柱状であり、２次元グリッド状に配置されている。ピラー３２の上面は例えば正方形であり、幅Ｗ２（一辺の長さ）は例えば９００ｎｍである。ピラー３２間のピッチｐ２は例えば１０００ｎｍであり、ピラー３２の高さｈ２は２００ｎｍである。
【００２０】
図２（ｂ）はエミッタ３０を例示する斜視図であり、エミッタ３０を光起電力素子１０側から見ている。図２（ｂ）に示すように、エミッタ３０の表面にはテラス３４が設けられ、テラス３４は図１（ａ）のスペーサ２８と対向する。テラス３４を囲む円形の溝３８が設けられている。図２（ｂ）に斜線で示した面、つまりテラス３４の表面と、溝３８の外のエミッタ３０の表面とは同一平面内にある。テラス３４は例えば円柱状であり、直径は１００μｍである。溝３８の深さは例えば５０ｎｍであり、直径は例えば２０２μｍである。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、ピラー３２の表面とテラス３４の表面とは同じ高さに位置し、同一平面内にある。テラス３４の表面はスペーサ２８と接触する。エミッタ３０のテラス３４以外の部分は光起電力素子１０およびスペーサ２８には接触せず、光起電力素子１０とエミッタ３０との間には空隙３６が形成される。エミッタ３０のピラー３２の表面は、コンタクト層２０の表面よりもキャップ層１８の表面に近い。光起電力素子１０とピラー３２の表面との距離ｄは、スペーサ２８の高さｈ１によって規定され。例えば高さｈ１が１００ｎｍであり、距離ｄは２０ｎｍである。
【００２２】
（熱光起電力装置）
図３は熱光起電力装置１１０を例示する断面図である。熱光起電力装置１１０は、熱光起電力素子１００、筐体４０および熱伝導体４２を備える。筐体４０は内部が空洞の容器であり、熱光起電力素子１００を収納する。筐体４０の一部には熱伝導体４２が設けられている。筐体４０は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）など熱伝導率の低い材料で形成され、熱伝導体４２は例えばアルミナ（酸化アルミニウム、Ａｌ２Ｏ３）など筐体４０よりも熱伝導率の高い材質で形成されている。熱伝導体４２には、例えば銀（Ａｇ）ペーストなどを用いてエミッタ３０が固定されている。光起電力素子１０は筐体４０および熱伝導体４２には接触しない。光起電力素子１０は、筐体４０の壁面（例えば熱伝導体４２と反対側の壁面）に設けられたヒートシンク４１に、銀ペーストなどの熱伝導性のよい媒体を介して接している。これにより光起電力素子１０は筐体４０から外部に放熱し、冷却される。筐体４０の内側は真空引きされており、気圧は例えば１Ｐａ程度である。すなわち熱光起電力素子１００は真空状態で密封され、光起電力素子１０とエミッタ３０との間は真空状態で保持される。
【００２３】
筐体４０の外部にある、温度４００〜８００℃の熱源４４に熱伝導体４２を接触させる。熱源４４は室温より高温であり、例えば工場の炉および煙突の外壁などである。熱源４４から熱伝導体４２を通じて、エミッタ３０へと熱が伝導される。これによりエミッタ３０の温度は熱源４４と同程度まで上昇し、エミッタ３０は近接場光を形成する。エミッタ３０の放射光の波長は例えば赤外光の帯域に含まれる。エミッタ３０の側面から放射される光の総量は小さく、面積の大きな上面に形成される近接場光の総量は大きい。また、図２（ａ）などに示したように、エミッタ３０の表面には凹凸が設けられているため、エミッタ３０の表面近傍の近接場光の波長が制御される。具体的には、エミッタ３０表面のピラー３２のピッチや高さを変えることで、所望の特定の波長域の近接場光の強度を選択的に大きくすることができる。この特定の波長域近接場光の強度は表面近傍（例えば表面から数十ｎｍの範囲）で非常に大きく、表面から離れると急激に減衰する。
【００２４】
エミッタ３０表面近傍に形成された近接場光は光起電力素子１０に入射する。ｐｎ接合を構成するＩｎＧａＡｓのバンドギャップ（０．７３ｅＶ）よりも大きなエネルギーの光が入射すると、ｐｎ接合部においてフォトキャリアが発生する。電子が電極２２に移動し、正孔が電極２４に移動することで、電流が流れる。電極２２と電気的に接続された配線２１および２３、ならびに電極２４に接続した配線２５を用いて、熱光起電力装置１１０は電力を出力する。このように、熱光起電力装置１１０は、熱源４４の熱を電気に変換することができる。
【００２５】
図１（ａ）に示した距離ｄを小さくすることで光起電力素子１０が受光する光の強度を高めることができる。したがって、熱から電気への変換効率を高めるため、光起電力素子１０とエミッタ３０とを近づけることが好ましい。特に、エミッタ３０の光起電力素子１０に対向する面の近傍には近接場光が局在するため、光の密度が非常に高い。距離ｄを例えば１００ｎｍ程度まで小さくすることで、光起電力素子１０の表面が近接場光の局在する領域に位置し、光起電力素子１０の受光する光の強度が大幅に向上することになる。この結果、光起電力素子１０のｐｎ接合部で発生するフォトキャリアの数が大きくなり、出力する電力も増大する。したがって熱光起電力素子１００の変換効率が高くなる。
【００２６】
（製造方法）
図４（ａ）から図５（ｄ）、図７（ａ）および図７（ｂ）は熱光起電力素子１００の製造方法を例示する断面図である。図６は第１レジストマスク５０および第２レジストマスク５２を拡大した平面図である。図４（ａ）に示すように、ウェハ状態の基板１１の上面に、例えば有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により、バッファ層１２、ｐ型吸収層１４、ｎ型吸収層１６、キャップ層１８およびコンタクト層２０を、順にエピタキシャル成長する。図４（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィおよびウェットエッチングにより、コンタクト層２０の一部を除去し、コンタクト層２０を格子状に成型する。キャップ層１８の一部は露出する。エッチャントとしてリン酸（Ｈ３ＰＯ４）と過酸化水素水（Ｈ２Ｏ２）との混合溶液を用いる。
【００２７】
図４（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィおよびウェットエッチングにより、ｐ型吸収層１４、ｎ型吸収層１６およびキャップ層１８の一部を除去して、メサ１９を形成する。エッチャントとして臭化水素（ＨＢｒ）と臭素（Ｂｒ）との混合溶液を用いる。図４（ｄ）に示すように、絶縁膜２６およびスペーサ２８を形成する。例えばプラズマ化学気相成長法（プラズマＣＶＤ）により、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮまたはＳｉＯＮなど絶縁体の膜（例えば厚さ１００ｎｍ）を、基板１１の表面を覆うように形成する。フォトリソグラフィおよびエッチングにより、この膜から絶縁膜２６およびスペーサ２８を形成する。絶縁体の膜の厚さが、スペーサ２８の高さとなる。
【００２８】
図５（ａ）に示すように、真空蒸着法およびフォトリソグラフィにより、電極２２および２７を形成する。電極２２はコンタクト層２０と重なる格子状であり、コンタクト層２０の上面に接触する。電極２７は基板１１の外周部に位置し、バッファ層１２に接触する。図５（ｂ）に示すように、真空蒸着法により、基板１１の下面全体に電極２４を形成する。これにより光起電力素子１０が形成される。
【００２９】
図５（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィにより、例えば厚さ２０ｎｍの第１レジストマスク５０を形成する。第１レジストマスク５０は基板１１を覆い、メサ１９の上から基板１１の上面にかけて設けられている。第１レジストマスク５０は、スペーサ２８上に開口部５０ａを有し、電極２７上に開口部５０ｂを有する。開口部５０ａの直径は例えば１００μｍである。高さ１００ｎｍのスペーサ２８が表面に配列されているため、スペーサ２８の高さの数分の一程度の厚さ（例えば２０ｎｍ）の薄い第１レジストマスク５０を、基板１１の表面に均一に形成することができる。
【００３０】
図５（ｄ）に示すように、フォトリソグラフィを用いて、第２レジストマスク５２を形成する。第２レジストマスク５２は、第１レジストマスク５０の上面に接触し、メサ１９の上に位置し、コンタクト層２０およびスペーサ２８には重ならない。図６は第１レジストマスク５０および第２レジストマスク５２を拡大した平面図である。図６に示すように第２レジストマスク５２は格子状である。第２レジストマスク５２の厚さは例えば２００ｎｍであり、幅Ｗ３は１００ｎｍであり、第２レジストマスク５２が形成する格子のピッチｐ３は１０００ｎｍである。
【００３１】
図７（ａ）に示すようにエミッタ３０を形成する。第１レジストマスク５０および第２レジストマスク５２の表面に沿って、例えばスパッタリング法により厚さ５０ｎｍのＮｉ−Ｗの下地層（不図示）を形成し、電極２７から電流を流すことで電界メッキ処理を行う。下地層はメッキ層と一体となり、エミッタ３０を形成する。エミッタ３０は、第１レジストマスク５０および第２レジストマスク５２、かつ光起電力素子１０に対向する。
【００３２】
エミッタ３０が第１レジストマスク５０に沿うことで、第１レジストマスク５０の厚さ程度まで、エミッタ３０と光起電力素子１０との表面間の距離ｄを近接させることができる。高さ１００ｎｍのスペーサ２８が表面に複数、ほぼ均等な間隔で配列されていることにより、スペーサ２８の高さの数分の一程度といった薄い第１レジストマスク５０の厚さが、エミッタ３０の形成中も維持される。エミッタ３０が第２レジストマスク５２に沿うことで、第２レジストマスク５２の形状が、エミッタ３０の表面に凹凸（ピラー３２）として転写される。具体的には、第２レジストマスク５２の厚さがピラー３２の高さを規定し、幅Ｗ３およびピッチｐ３がピラー３２の幅およびピラー３２間のピッチを規定する。またエミッタ３０のうち、第１レジストマスク５０の開口部５０ａ内に位置し、スペーサ２８と接触する部分がテラス３４となる。
【００３３】
図７（ｂ）に示すように、例えば酸素プラズマ中のアッシングにより、第１レジストマスク５０および第２レジストマスク５２を除去する。これにより光起電力素子１０とエミッタ３０との間に空隙３６が形成される。ダイシングを行うことで、ウェハから例えば一辺１〜２ｃｍ程度のセル型の熱光起電力素子１００を形成する（図１（ａ）参照）。基板１１のうち電極２７が配置された部分は光起電力素子１０から切り離される。図３に示したように、熱光起電力素子１００を筐体４０にパッケージすることで、熱光起電力装置１１０を形成することができる。
【００３４】
第１実施形態によれば、光起電力素子１０とエミッタ３０との間にスペーサ２８が設けられ、距離ｄはスペーサ２８の高さｈ１によって規定される（図１（ａ））。すなわち、光起電力素子１０とエミッタ３０とをスペーサ２８の高さｈ１の数分の一程度まで近づけることができ、光起電力素子１０はエミッタ３０の表面近傍に形成される近接場光を効率よく受光する。このため、発生するフォトキャリアの数が増大し、光起電力素子１０は大きな電力を発生することができる。したがって熱光起電力素子１００の変換効率が高くなる。
【００３５】
図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、エミッタ３０の光起電力素子１０に対向する面には凹凸が設けられているため、エミッタ３０の表面近傍に形成される近接場光の波長を制御できる。光起電力素子１０をエミッタ３０に近づけることで、表面近傍に局在する波長選択された近接場光を受光することができる。すなわち光起電力素子１０が受光する電力に変換できる波長帯の近接場光の強度が大きくなり、出力する電力も大きくなる。すなわち光起電力素子１０の光電変換効率が高くなる。したがって熱光起電力素子１００の変換効率が向上する。
【００３６】
エミッタ３０と光起電力素子１０との距離ｄは、スペーサ２８の高さｈ１の数分の一である。すなわち図４（ｄ）において形成するスペーサ２８の高さｈ１を調整することで、距離ｄを任意に定めることができる。高さｈ１は例えば１００ｎｍであり、距離ｄは２０ｎｍであり、コンタクト層２０および電極２２の厚さよりも小さい。このためエミッタ３０はメサ１９の表面に近づく。近接場光はエミッタ３０の表面に局在し、近接場光の強度は表面に近いほど大きいため、距離ｄは、小さければ小さいほどよい。ただし表面の粗さや微小突起などによってエミッタ３０と光起電力素子１０の表面同士が接触しないように、距離ｄは１０ｎｍ程度より大きいことが好ましい。これにより光起電力素子１０が受光する近接場光の強度が大きくなり、出力する電力も大きくなる。したがって熱光起電力素子１００の変換効率が向上する。
【００３７】
スペーサ２８はＳｉＯ２、ＳｉＮまたはＳｉＯＮなどの絶縁体で形成された柱状の部材であり、エミッタ３０を支持する。スペーサ２８の熱伝導率は、金属で形成されたエミッタ３０および電極などの熱伝導率より低い。スペーサ２８の直径は例えば２００μｍと小さい。このため、エミッタ３０から光起電力素子１０に熱が伝わりにくい。したがって、熱による光起電力素子の破損および光電変換効率の低下などは抑制される。スペーサ２８の直径を小さくし、かつスペーサ２８の数を少なくするほど光起電力素子１０への熱伝導が抑制される。その一方、スペーサ２８を大きくし、数を増やすことで、スペーサ２８によりエミッタ３０を安定して支持することができる。スペーサ２８の直径は例えば３００μｍ以下、２００μｍ以下、１００μｍ以上などとする。スペーサ２８の数は１６個としたが、１６個以上でも、１６個以下でもよい。
【００３８】
図１（ａ）に示すように、エミッタ３０のテラス３４がスペーサ２８と接触し、エミッタ３０のテラス３４以外の部分はスペーサ２８に接触しない。このため、エミッタ３０から光起電力素子１０への熱伝導が抑制される。テラス３４の直径を例えば１００ｎｍ程度と小さくすることで、スペーサ２８とキャップ層１８との接触が抑制され、かつテラス３４の熱抵抗が大きくなる。したがって光起電力素子１０の温度上昇が効果的に抑制される。また、図２（ｂ）に示すように、テラス３４の周囲には溝３８が設けられている。これにより熱伝導は効果的に抑制される。
【００３９】
光起電力素子１０は、ｐ型吸収層１４とｎ型吸収層１６とを含み、これらの層はｐｎ接合を形成する。エミッタ３０からの光が入射することで、ｐｎ接合部においてフォトキャリアが発生し、電力が出力される。ｎ型吸収層１６はｐ型吸収層１４よりもエミッタ３０に近く、エミッタ３０からの光はｎ型吸収層１６を透過して入射する。ｎ型吸収層１６の光の吸収率はｐ型吸収層１４よりも低いため、光の減衰が抑制される。エミッタ３０は、光起電力素子１０と同程度のサイズ、またはメサ１９と同程度のサイズであり、メサ１９の全体と対向することが好ましい。エミッタ３０の表面から放出される光の大部分がメサ１９に入射することで、熱光起電力素子１００の変換効率が向上する。
【００４０】
エミッタ３０表面近傍に形成された近接場光のうち、最大の強度を有する光のエネルギーが、ｐｎ接合部のバンドギャップエネルギー以上であることが好ましい。光により生成されるフォトキャリアが多くなり、大きな電力を得ることができる。光の強度が最大となるエミッタ３０表面からの距離、および波長などは、ピラー３２の寸法（長さＬ２、高さｈ２、ピッチｐ２）などにより定まる。光のエネルギーがｐｎ接合部のバンドギャップエネルギー以上であり、かつ光の強度が最大となるようなピラー長さとするように、ピラー３２の寸法を調整する。
【００４１】
エミッタ３０を光起電力素子１０とは別に作成し、エミッタ３０と光起電力素子１０とを接合してもよい。例えばフォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチングなどにより、Ｎｉ−Ｗのブロックからエミッタ３０を形成する。光起電力素子１０にスペーサ２８を設け、エミッタ３０の凹凸のある面を光起電力素子１０に近づけ、テラス３４をスペーサ２８に接触させる。これにより熱光起電力素子１００を形成する。
【００４２】
別々に作製した光起電力素子とエミッタとを組み合わせて熱光起電力素子を作製する場合、光起電力素子およびエミッタの表面が反りおよびうねりなどを有すると、光起電力素子とエミッタの表面間の距離が不均一になり、例えば数百ｎｍ程度のばらつきが生じることがある。表面間距離が小さくなり両者が接触してしまうと、エミッタから光起電力素子へと熱が伝わりやすくなる。光起電力素子が加熱されることで効率が低下し、また高温になった光起電力素子が破損する恐れがある。一方、距離が大きい部分では、光起電力素子に入射する近接場光の強度が低下し、変換効率が低くなる。例えば距離が１μｍ以上の部分では、近接場光の効果が得られず、その強度が大幅に低下し、熱光起電力素子の変換効率も低くなる。
【００４３】
距離ｄを均一にするためには、本実施形態のように、エミッタ３０は、光起電力素子１０と一体に製造することが好ましい。すなわち、図５（ｃ）から図７（ｂ）に示すように、光起電力素子１０の表面に第１レジストマスク５０および第２レジストマスク５２を設け、さらにその上にエミッタ３０を形成する。第１レジストマスク５０は光起電力素子１０の表面に沿って形成され、エミッタ３０は第１レジストマスク５０および第２レジストマスク５２の表面に沿って形成される。この結果、光起電力素子１０に反りなどがあっても距離ｄは均一に近くなる。スペーサ２８の高さｈ１を例えば１００ｎｍにすれば、光起電力素子１０とエミッタ３０とが対向する領域の全体にわたって、距離ｄは２０ｎｍとなる。エミッタ３０から光起電力素子１０への熱の伝導および光の減衰を抑制することができる。
【００４４】
また、エミッタ３０が第２レジストマスク５２に沿うため、簡単にピラー３２を形成することができる。特に、メッキ処理により、エミッタ３０を第１レジストマスク５０および第２レジストマスク５２の表面に沿い、かつピラー３２を有するように形成することができる。微細加工を行わなくてよいため、工程が簡単になる。
【００４５】
電極２２は光起電力素子１０への光の入射を妨げるため、電極２２の面積は小さいことが好ましい。面積を小さくするため、図１（ｂ）に示すように電極２２は格子状とすることが好ましい。電極２２を格子状とすることで、例えば１本の線状の電極より電気抵抗を低くすることができる。
【００４６】
熱光起電力素子１００を筐体４０に収納することで熱光起電力装置１１０が形成される。エミッタ３０を熱伝導体４２に接触させて加熱することで、エミッタ３０表面近傍に近接場光が形成される。近接場光を受光した光起電力素子１０が電力を出力する。これにより外部の熱源４４の熱を電気に変換することができる。例えば４００℃の熱源４４を用いてエミッタ３０を加熱すると、０．９９ｍＷ／ｃｍ２の光起電力を得ることができる。この温度において強度が最も大きい近接場光の波長は例えば４．３μｍであるが、エミッタ３０の表面のピラー３２により、近接場光の強度の波長分布を変えることができる。具体的には、光起電力素子１０のｐｎ接合のバンドギャップエネルギー（０．７３ｅＶ）よりも光子エネルギーが大きい近接場光の波長域（例えば波長１．７μｍよりも短波長）における強度分布を、ピラー３２がない場合に比べて高めることができる。
【００４７】
筐体４０の内部の空間は真空引きされているため、エミッタ３０および熱伝導体４２から光起電力素子１０へと熱が伝わりにくい。したがって、熱による光起電力素子の破損および光電変換効率の低下などが抑制される。
【００４８】
（第２実施形態）
図８は第２実施形態に係る熱光起電力素子２００を例示する断面図である。図８に示すように、熱光起電力素子２００は、光起電力素子１０とエミッタ６０とを有する。エミッタ６０の光起電力素子１０に対向する面には、テラス６２は設けられているが、エミッタ３０のようなグリッド状の凹凸は設けられていない。すなわちエミッタ６０はエミッタ３０よりも平坦である。エミッタ６０と光起電力素子１０との間には空隙６４が形成されている。他の構成は第１実施形態と同じである。
【００４９】
第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、光起電力素子１０とエミッタ６０とをスペーサ２８の高さｈ１程度まで近づけることができる。このため、光起電力素子１０はエミッタ６０表面近傍に形成される近接場光を効率よく受光し、大きな電力を発生することができる。この結果、変換効率が高くなる。
【００５０】
エミッタ６０の表面に凹凸は形成されていないため、近接場光の波長選択促進は発生しにくい。近接場光の波長分布はエミッタ６０の温度により定まる。エミッタ６０を例えば４００℃まで加熱すると、強度が最も大きい近接場光の波長は例えば４．３μｍである。エミッタ６０と光起電力素子１０との距離ｄを可能な限り小さくする。例えば距離ｄを２０ｎｍとすることで、光起電力素子１０に入射する近接場光の強度が大きくなり、発生する電力が増大する。図３の例と同様に、熱光起電力素子２００を筐体４０に収納し、熱光起電力装置を形成することができる。
【００５１】
例えばエミッタ６０と光起電力素子１０とを別々に形成し、両者を接合してもよい。この場合、図８に示すようにエミッタ６０はメサ１９と対向するサイズを有していればよい。ただし前述のように、光起電力素子１０の反りなどの影響により、エミッタ６０と光起電力素子１０との距離が不均一になる恐れがある。例えば光起電力素子１０は数百ｎｍの反りを有し、エミッタ６０は例えば１００ｎｍのうねりを有する恐れがある。両者の接触を抑制するために距離を５００ｎｍまで大きくすると、光起電力素子１０に到達する近接場光の強度が減少する。例えば４００℃の熱源を用いて得られる熱光起電力は０．３９ｍＷ／ｃｍ２である。距離を小さくし、変換効率を高めるため、図４（ａ）から図７（ｂ）の工程と同様に光起電力素子１０上に第１レジストマスク５０を設け、メッキ処理により第１レジストマスク５０の上にエミッタ６０を形成すればよい。第２レジストマスク５２は設けなくてよい。
【００５２】
基板１１、バッファ層１２およびキャップ層１８はＩｎＰ以外の化合物半導体で形成されてもよい。ｐ型吸収層１４、ｎ型吸収層１６およびコンタクト層２０はＩｎＧａＡｓ以外の化合物半導体で形成されてもよい。
【００５３】
ｐ型吸収層１４とｎ型吸収層１６とは互いに異なる導電型を有していればよく、層のうち一方をｎ型、他方をｐ型とする。これによりｐｎ接合が形成され、光の入射によりフォトキャリアが生成される。エミッタ３０の放射光のうち強度の大きい光のエネルギーが、ｐｎ接合部のバンドギャップよりも大きいことが好ましい。前述のように、ｎ型半導体の光の吸収率はｐ型半導体よりも低い。したがってｎ型吸収層１６をｐ型吸収層１４よりもエミッタ３０に近い側の層とする。これにより光の減衰が抑制される。
【符号の説明】
【００５４】
１０                光起電力素子
１１                基板
１２                バッファ層
１４                ｐ型吸収層
１６                ｎ型吸収層
１８                キャップ層
１９                メサ
２０                コンタクト層
２１、２３、２５    配線
２２、２４          電極
２６                絶縁膜
２８                スペーサ
３０、６０          エミッタ
３２                ピラー
３４、６２          テラス
３６、６４          空隙
３８                溝
４０                筐体
４１                ヒートシンク
４２                熱伝導体
４４                熱源
５０                第１レジストマスク
５０ａ、５０ｂ      開口部
５２                第２レジストマスク
１００、２００      熱光起電力素子
１１０              熱光起電力装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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