(57)【要約】  装置は、ガラスに被覆された半導体繊維を含んでおり、その半導体繊維は、第１ｎ-ドープ部と第１ｐ-ドープ部、および第１ｎ-ドープ部に結合された第１伝導体と、第１ｐ-ドープ部に結合された第２伝導体とを含んでいる。【選択図】図１２
2010536173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ｎ-ドープ部と第１ｐ-ドープ部とを有し、ガラスで被覆されている半導体繊維と、
前記第１ｎ-ドープ部に結合されている第１伝導体と、
前記第１ｐ-ドープ部に結合されている第２伝導体と、
を含んで構成されていることを特徴とする装置。
【請求項２】
装置は、ＦＥＴを含んでおり、
繊維は、第２ｎ-ドープ部をさらに含んでおり、
第１ｐ-ドープ部は、第１ｎ-ドープ部と前記第２ｎ-ドープ部との間に位置しており、
絶縁材料が前記第１ｐ-ドープ部と前記ＦＥＴのゲートとの間に位置していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
装置は、ＦＥＴを含んでおり、
繊維は、第２ｐ-ドープ部をさらに含んでおり、
第１ｎ-ドープ部は、第１ｐ-ドープ部と前記第２ｐ-ドープ部との間に位置しており、
絶縁材料が前記第１ｎ-ドープ部と前記ＦＥＴのゲートとの間に位置していることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
ＬＥＤを含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
ＰＶ電池を含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
ガラスは、パイレックス（登録商標）、ホウケイ酸、アルミケイ酸、石英、テルル化鉛ケイ酸、およびそれらの組み合わせで成る群から選択されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
第１ｎ-ドープ部と第１ｐ-ドープ部とを有し、共通ガラスマトリックスで被覆されている複数の半導体繊維を含んだ多芯ケーブルと、
前記繊維の前記第１ｎ-ドープ部に結合されている第１伝導体と、
前記繊維の前記第１ｐ-ドープ部に結合されている第２伝導体と、
を含んで構成されていることを特徴とする装置。
【請求項８】
装置は、ＦＥＴを含んでおり、
それぞれの繊維は、第２ｎ-ドープ部をさらに含んでおり、
第１ｐ-ドープ部は、第１ｎ-ドープ部と前記第２ｎ-ドープ部との間に位置しており、
絶縁材料が、前記第１ｐ-ドープ部と前記ＦＥＴのゲートとの間に位置していることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
装置は、ＦＥＴを含んでおり、
それぞれの繊維は、第２ｐ-ドープ部をさらに含んでおり、
第１ｎ-ドープ部は、第１ｐ-ドープ部と前記第２ｐ-ドープ部との間に位置しており、絶縁材料が前記第１ｎ-ドープ部と前記ＦＥＴのゲートとの間に位置していることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項１０】
ＬＥＤを含んでいることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項１１】
ＰＶ電池を含んでいることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項１２】
ガラスマトリックスは、パイレックス（登録商標）、ホウケイ酸、アルミケイ酸、石英、テルル化鉛ケイ酸、およびそれらの組み合わせで成る群から選択されることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項１３】
装置を製作する方法であって、
半導体材料を収容した密閉ガラス管を加熱装置内に導入するステップと、
前記半導体材料を溶融させ、前記ガラス管を延伸させるに十分な温度にまで加熱するため、前記加熱装置内の温度を前記半導体材料の融点以上にまで高めるステップと、
ガラス被覆された半導体繊維を伸線加工するステップと、
前記半導体繊維内に第１ｎ-ドープ部と第１ｐ-ドープ部とを形成するように該半導体繊維をドーピングするステップと、
前記半導体繊維の前記第１ｎ-ドープ部に結合した第１伝導体を提供するステップと、
前記半導体繊維の前記第１ｐ-ドープ部に結合した第２伝導体を提供するステップと、
を含んで成ることを特徴とする方法。
【請求項１４】
ガラス管が開放端部と閉鎖端部とを有するように該ガラス管の１端を封止するステップと、
顆粒状である半導体材料を前記ガラス管内に導入するステップと、
前記ガラス管を脱気するステップと、
ガラス管が部分的に溶解されて封止されたガラス管を形成するように該ガラス管を部分的に加熱するステップと、
をさらに含んでいることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
装置は、ＦＥＴを含んでおり、
繊維は、第２ｎ-ドープ部をさらに含んでおり、
第１ｐ-ドープ部は、第１ｎ-ドープ部と前記第２ｎ-ドープ部との間に位置しており、絶縁材料が前記第１ｐ-ドープ部と前記ＦＥＴのゲートとの間に位置していることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１６】
装置は、ＦＥＴを含んでおり、
繊維は、第２ｐ-ドープ部をさらに含んでおり、
第１ｎ-ドープ部は、第１ｐ-ドープ部と前記第２ｐ-ドープ部との間に位置しており、
絶縁材料が、前記第１ｎ-ドープ部と前記ＦＥＴのゲートとの間に位置していることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１７】
装置は、ＬＥＤを含んでいることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１８】
装置は、ＰＶ電池を含んでいることを特徴とする請求項１３記載の方法。
【請求項１９】
装置を製作する方法であって、
複数の束ねられ、ガラス被覆された連続的半導体繊維を提供するステップと、
ガラス被覆によって相互に絶縁されており、各繊維が第１ｎ-ドープ部と第１ｐ-ドープ部とを有している複数の連続的半導体繊維を有した多芯ケーブルを製作するため、前記束ねられたガラス被覆繊維を１回以上伸線加工するステップと、
前記半導体繊維の前記第１ｎ-ドープ部に結合した第１伝導体を提供するステップと、
前記半導体繊維の前記第１ｐ-ドープ部に結合した第２伝導体を提供するステップと、
を含んで成ることを特徴とする方法。
【請求項２０】
複数のガラス被覆された連続的半導体繊維を提供するステップと、
前記複数のガラス被覆半導体繊維を束ね、複数の束ねられ、ガラス被覆された連続的半導体繊維を形成するステップと、
を含んでいることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
半導体材料を収容した密閉ガラス管を加熱装置内に導入するステップと、
前記半導体材料を溶融させ、前記ガラス管を延伸させるに十分な温度にまで加熱するように前記加熱装置内の温度を前記半導体材料の融点以上にまで高めるステップと、
ガラス被覆された連続的半導体繊維の１本を含んだガラス被覆繊維を伸線加工するステップと、
をさらに含んでいることを特徴とする請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
ガラス管が開放端部と閉鎖端部とを有するように該ガラス管の１端を封止するステップと、
顆粒状である半導体材料を前記ガラス管内に導入するステップと、
前記ガラス管を脱気するステップと、
ガラス管が部分的に溶解されて封止されたガラス管を形成するように該ガラス管を部分的に加熱するステップと、
をさらに含んでいることを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
装置は、ＦＥＴを含んでおり、
それぞれの繊維は、第２ｎ-ドープ部をさらに含んでおり、
第１ｐ-ドープ部は、第１ｎ-ドープ部と前記第２ｎ-ドープ部との間に位置しており、
絶縁材料が、前記第１ｐ-ドープ部と前記ＦＥＴのゲートとの間に位置していることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２４】
装置は、ＦＥＴを含んでおり、
それぞれの繊維は、第２ｐ-ドープ部をさらに含んでおり、
第１ｎ-ドープ部は、第１ｐ-ドープ部と前記第２ｐ-ドープ部との間に位置しており、
絶縁材料が、前記第１ｎ-ドープ部と前記ＦＥＴのゲートとの間に位置していることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２５】
装置は、ＬＥＤを含んでいることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２６】
装置は、ＰＶ電池を含んでいることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノワイヤ電子装置と、その製造方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
＜関連出願＞
本願は、２００７年８月１０日に出願された米国特許願１１/８３７３６４の優先権を主張し、その全内容を本願に援用する。２００５年１２月９日に出願された米国特許願１１/３０１２８５の全内容を本願に援用する。
【０００３】
＜背景＞                              
一般的に、熱勾配（温度勾配）に曝露されると熱電材料は、電気を発生させ、電流が流されると熱勾配を発生させる。科学者は、実用的な熱電気を開発しようとこの数十年間研究してきた。なぜなら、実用的な熱電気は、（１）冷蔵庫およびエアコンのごとき現存する冷却システムに使用されるフッ化炭素に成り代わることができ、（２）廃熱の一部またはほぼ全部を電気に変換することで火力発電中に有害なエミッションを減少させることができるからである。しかし、実用的な熱電気に対する期待には未だ応えられていない。１つの問題は、その低効率のために、熱電気技術の産業規準を、日常の加熱・暖房製品およびシステム並びに冷却製品およびシステムに機能的に組み込むことができないことである。
【０００４】
熱電気発電器（ＴＥＧ）、熱電気冷蔵庫（ＴＥＲ）および熱電気ヒートポンプのごときバルク（嵩高）形態である熱電気装置は、熱を電気に直変換し、電気を熱に直変換するために使用される。しかし、これらバルク形態熱電気装置のエネルギーの変換効率および性能効率は、従来式のレシプロ型またはロータリ型ヒートエンジンおよび蒸気圧縮システムのものよりも相当に低い。これらの欠点およびこの技術の非成熟度に鑑み、バルク形態熱電気装置は大きな需要を喚起していない。
【０００５】
初期の熱電ジャンクション（接点）は、熱勾配に曝露されると小電流を発生させる２種の異なる金属または合金を特徴とした。熱がジャンクションを越えて運搬されると差動電圧が発生し、熱の一部を電気に変換する。いくつかのジャンクションは、大きな電圧を発生させるために直列に連結し、大きな電流を発生させるために並列に連結することができる。それら両方の場合もあろう。近年の熱電気発電器は、直列の多数のジャンクションを含むことができ、電圧を高めている。このような熱電気発電器は、モジュール式に製造でき、発生電流量を増加させるために並列に接続できる。
【０００６】
１８２１年、トーマス・ヨハン・シーベックは、シーベック効果と称される第１の熱電気効果を発見した。シーベックは、２つのジャンクションの一方が他方よりも高温に保持されたとき、２種類の非類似金属で製造された閉鎖ループの近辺にコンパスが置かれると指針が振れることを発見した。これら２つのジャンクション間で温度差が存在すると電圧差が発生するが、その電圧差は、関与する金属の性質によることが確認された。熱勾配温度（℃）あたりの電圧（またはＥＭＦ：起電力）は、シーベック係数として知られる。
【０００７】
１８３３年、ペルチェは、ペルチェ効果として知られる第２の熱電気効果を発見した。ペルチェは、ジャンクションを越えて電流が流れるといつも非類似金属のジャンクションで温度が変化することを発見した。電流方向に応じて熱は、吸収または放出される。
【０００８】
後年になって、ケルビン卿として知られるウィリアム・トンプソン卿は、トンプソン効果と称される第３の熱電気効果を発見した。これは熱勾配に曝露された１体の均質な電流運搬導電体の加熱または冷却に関する現象である。ケルビン卿は、シーベック係数、ペルチェ係数およびトンプソン係数に相関する４つの等式（ケルビン相関）も確立した。１９１１年、アルテンキルチは、熱電気の原理を利用して熱を電気に、または電気を熱に直接変換することを提案した。彼は、電力発電と冷却のための熱電気理論を確立した。そこでは最良の性能を発揮するためには、シーバック係数（熱-電力）が可能な限り高いことが要求された。この理論は、導電率が可能な限り高く、熱伝導率が可能な限り低いことも必要とした。
【０００９】
アルテンキルチは、材料の熱電力変換効率を決定する規準を確立した。それを彼は、力率（ＰＦ）と命名した。この力率は、式で表される。ＰＦ＝Ｓ２＊σ＝Ｓ２/ρであり、Ｓは、シーベック係数または熱電力であり、σは、導電率であり、ρ（１/σ）は、電気抵抗である。それによってアルテンキルチは、式Ｚ＝Ｓ２＊σ/ｋ＝Ｓ２/（ρ＊ｋ）＝ＰＦ/ｋを確立した。Ｚは、Ｋ−１の大きさを有した熱電気性能指数である。この式は、それに絶対温度Ｔを掛けることで無次元になると考えられる。その温度で無次元熱電気性能指数すなわちＺＴファクタが（Ｓ２＊σ/ｋ）ＴとなるようにＳ、σおよびｋの測定値が求められる。すなわち、熱電気装置の性能を改善するには力率を可能な限り大きくし、ｋ（熱伝導率）を可能な限り小さくする必要がある。
【００１０】
材料のＺＴファクタは、その熱電力変換効率を示す。４０年前に存在した最高ＺＴファクタは、約０．６であった。４０年の研究後、商業ベースで入手できるシステムは、未だに１に接近したＺＴ値程度に限定されている。１を超えるＺＴファクタは、現存する電力発電技術、伝統的な家庭用冷蔵庫、エアコン、等々に代わり得る熱電気発電の第一歩となるであろうと広く認識されている。事実、２．０以上のＺＴファクタを有した実用的な熱電気技術は、次世代の暖房および冷却システムの製造に導くことであろう。上記に鑑み、約２．０以上に増加したＺＴファクタを達成することができる実用的な熱電気技術が求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
近年、ナノ構造の固体熱電気冷却器および熱電気発電器は、対応する性能のバルク形態である熱電気装置によるものよりも高性能である熱電気性能を発揮することが示された。特定の熱電気的に活性である材料（物質）（例：ＰｂＴｅ、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＳｉＧｅ）がナノメートル単位（典型的には約４ｎｍから１００ｎｍ）にサイズ減少されるとＺＴファクタは極端に増加する。このＺＴファクタの増加は、実用的な熱電気発電器と冷却器（冷蔵庫）の開発のために量子の閉じ込めを利用する可能性を増大させた。ナノワイヤおよび量子ドットにおける運搬並びに閉じ込め、超格子面に直角である方向での熱導電性の減少、三元または四元カルコゲン化物およびスクッテルド鉱の最良化のごとき様々な可能性を秘めた方法が近年になって研究されている。しかしながらこれらの方法は、非常に高コストであり、材料の多くが大量に生産できないものである。
【００１２】
異質形態間で効率的にエネルギー変換させる能力は、科学と技術分野における最も高く認められる象徴的進歩である。熱エネルギーの電力への変換は、エネルギー経済における最重要課題の一つである。この分野では、効率あるいは変換方法の微々たる改良であっても大きな経済効果があり、エネルギー利用効率を高め、環境に優しい。同様に、電気機械エネルギー変換は、様々な近代機械の中心的役割を担っている。電子回路の小型化に対する果てしない要求に鑑みて、ナノサイズ装置は、エネルギー変換で需要が高く、さらに大量に発熱する超小型電子回路の冷却技術の開発においても需要が高い。従って、一次元の無機ナノ構造体またはナノワイヤを利用する広範な高効率エネルギー変換装置および熱電気装置に対する需要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の１実施形態は、ガラスに埋入された半導体繊維を含む装置に関する。この繊維は、第１のｎ-ドープ部と第１のｐ-ドープ部とを含み、さらに第１ｎ-ドープ部に結合された第１の伝導体と、第１ｐ-ドープ部に結合された第２の伝導体とを含む。
【００１４】
別実施形態においては、そのような装置は、共通のガラスマトリック内に埋設された複数の半導体繊維を含んだ多芯ケーブルを含む。各繊維は、第１のｎ-ドープ部と第１のｐ-ドープ部とを含み、さらに第１ｎ-ドープ部に結合された第１の伝導体と、第１ｐ-ドープ部に結合された第２の伝導体とを含む。
【００１５】
さらに別実施形態では、そのような装置は、第２のｎ-ドープ部を含んだ電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。ここでのｐ-ドープ部は、第１ｎ-ドープ部と第２ｎ-ドープ部との間に位置する。
【００１６】
さらに別な実施形態では、そのような装置は、第２のｐ-ドープ部を含んだＦＥＴである。ここでのｎ-ドープ部は、第１ｐ-ドープ部と第２ｐ-ドープ部との間に位置する。
【００１７】
別実施形態では、ガラスは、パイレックス（登録商標）、ホウケイ酸、アルミケイ酸、石英、テルル化鉛-ケイ酸、およびそれらの組み合わせから選択される。
【００１８】
別実施形態ではこの装置は、ＬＥＤまたはＰＶセルである。
【００１９】
本発明の他の特徴および形態は、本発明の実施例による特徴を本発明の例示として図示する添付図面を利用した以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。以上の発明の概要は、本発明の範囲を限定しない。本発明は、「請求の範囲」でのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
以下の図面を利用し、いくつかの実施例に従って本発明が詳細に解説されている。これら図面は、本発明による例示的実施例の説明のためにのみ提供されている。よってこれら図面は、本発明の理解を助けるものであり、本発明の範囲の限定は意図されていない。また図面の各要素のサイズは、必ずしも実測値を示さない。
【００２１】
【図１】図１は、本発明の原理に基づく、ガラス被覆体内に埋入された熱電気活性材料を伸線加工する管状炉の断面図である。
【図２】図２は、本発明の原理に基づいて作製されたＰｂＴｅケーブルのＸ線回折パターンである。
【図３】図３は、本発明の原理に基づいて作製されたガラス被覆ＰｂＴｅケーブルの側面図である。
【図４】図４は、図３の４−４線に沿ったガラス被覆ＰｂＴｅケーブルの拡大断面図である。
【図５】図５は、ＰｂＴｅ繊維の第２回目の伸線加工後である図３のガラス被覆ＰｂＴｅケーブルの断面図である。
【図６】図６は、ＰｂＴｅ繊維の第３回目の伸線加工後である図３のガラス被覆ＰｂＴｅケーブルの断面図である。
【図７】図７は、（ＰｂＴｅ繊維の第１回目の伸線加工後である）図４のＰｂＴｅケーブルのＤＣ抵抗を示す点グラフである。
【図８】図８は、（ＰｂＴｅ繊維の第２回目の伸線加工後である）図５のＰｂＴｅケーブルのＤＣ抵抗を示す点グラフである。
【図９】図９は、（ＰｂＴｅ繊維の第３回目の伸線加工後である）図６のＰｂＴｅケーブルのＤＣ抵抗を示す点グラフである。
【図１０】図１０は、１従来型酸化金属電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を図示する。
【図１１】図１１は、１従来型ダイオードを図示する。
【図１２】図１２は、本発明の実施例に従った代表的なナノワイヤＭＯＳＦＥＴを図示する。
【図１３】図１３は、本発明の実施例に従った代表的なナノワイヤＭＯＳＦＥＴを図示する。
【図１４】図１４は、本発明の１実施例に従った代表的ナノワイヤダイオードを図示する。
【図１５】図１５は、本発明の１実施例に従った代表的ナノワイヤ光電池を図示する。
【００２２】
これら図面は、本発明をここで開示する形態そのままに限定するものではない。本発明は、それらの細部を変更しても実施が可能である。よって本発明は、「請求の範囲」およびその均等物によってのみ限定される。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下においては、添付図面を利用して本発明を詳細に説明する。説明を通じて、開示されている好適実施例は、あくまで例示であり、本発明を限定しない。“本発明”とは、それら全ての実施例および全ての均等形態のことである。“本発明”の様々な細部は、「請求の範囲」に記載されている実施形態または実施方法において省略することもできる。
【００２４】
添付図の解説を開始する前に本明細書で使用される用語を定義する。
【００２５】
バルク材料：全３実施例において、典型的には１ミクロンすなわち１マイクロメートルよりも大きなマクロサイズの熱電気材料。
【００２６】
カルコゲン化物：周期表の第ＶＩ族元素
【００２７】
化学蒸着：ウェハをガス混合物（ウェハ面で反応する）内に投入することによるウェハ基板上での薄膜（通常は誘電体/絶縁体）堆積。この工程は、加熱炉内、またはウェハは加熱するが反応器壁は加熱しない反応器内にて中温から高温で実行できる。プラズマ強化化学蒸着堆積は、プラズマ内に反応ガスを励起することで高温の必要性を回避する。
【００２８】
ドーピング：極少量の異物を意図的に非常に純粋な半導体結晶に加えること。加えられた不純物は、半導体に過剰な電子を提供するか、過剰なホールを提供する（電子の不在）。
【００２９】
効率：システムにより発電される電力を供給エネルギーで割り算したものであり、特定材料がいかに効率よく、１つのエネルギー形態を他のエネルギー形態に変換するかを表す。現在利用できる、または現在開発されているバルク形態熱電気装置では８％から１２％程度である。
【００３０】
性能指数：電熱気性能指数（フィギュア・オブ・メリット）ＺＴは、ＺＴ＝（Ｓ２＊σ/ｋ）＊Ｔで表される。Ｓは、シーベック係数、Ｔは、絶対温度、σは、電気抵抗およびｋは、熱伝導率である。
【００３１】
テルル化鉛：ＰｂＴｅは、Ｂｉ２Ｔｅ３以外で最も普通に使用される熱電気物質（材料）の１つである。ＰｂＴｅは、典型的には電力発電に使用される。なぜなら、この物質は、その最大ＺＴを４００℃から５００℃に温度範囲で提供し、約２００℃から５００℃の実効範囲を有する。
【００３２】
ナノ：１０億分の１すなわち０．００００００００１の単位。例えば、シリコンチップをエッチングする紫外線の波長は、数百ナノメートルである。ナノメートルの単位記号は、ｎｍである。
【００３３】
量子閉じ込め：量子閉じ込め現象は、電気運搬体（キャリア：電子またはホール）が導電体（伝導体）のサイズ減少によって空間的に閉じ込められたときに発生する。例えば、非常に薄い導電膜は、膜の平面に対して垂直方向に拡散する自由度を制限することでキャリアの自由度を減少させる。このような膜は、二次元構造であるとされ、膜内の電気運搬体は、１方向で閉じ込められた（規制された）量子であると考えられる。運搬体の移動は、膜面にて可能な２方向で発生する。一方、ワイヤにおいては、量子閉じ込めは２方向で発生し、運搬体の移動に利用できる唯一の方向はワイヤ沿いである。
【００３４】
シーベック係数：熱勾配に曝露されたときに材料内で発生する起電力であり、通常は、絶対温度（Ｋ）にてマイクロボルトとして表される。材料の熱発電力すなわちシーベック係数は、ＺＴファクタの決定に大きな役割を担う。
【００３５】
熱伝導率：熱伝導率は、単位温度勾配に対する単位断面積と単位厚を有した物質を通過して移動する熱量を表す物質の本質的な特質である。熱伝導率は、媒質である物体の固有の特質ではあるが、温度によって変動する。空気の熱伝導性は、水蒸気と比して約５０％大きく、水の熱伝導率は、空気の約２５倍である。固体、特に金属の熱伝導率は、空気の何千倍である。
【００３６】
本発明は、複数の１次元繊維を含んで成る“ナノワイヤ”、“ナノケーブル”、“ナノアレイ”、“ナノヘテロ構造物”または“ナノへテロ複合物”に関する。本発明のナノワイヤは、一般的に両者間に接合面またはジャンクションを形成している、少なくとも１種の熱電気活性物質と少なくとも１種の他の組成的および構造的に異なる物質（例：ガラス）とを含むヘテロ構造体を含んでいる。この熱電気活性物質は、量子閉じ込めの利点を増強させるために厚みと直径がナノ寸法に縮小されており、熱電気活性物質の熱電気効率は増強されている。ここでは、この熱電気活性物質を“熱電気材料”とも称する。好適には、その被覆物質には、構成原子の長範囲規律配置が存在しない無形物質あるいは非結晶物質を含んで成るガラスのごとき適したガラス物質が含まれる。
【００３７】
＜ナノワイヤの大要＞
本発明の１実施例による高ＺＴ値を示すナノワイヤの製造方法が解説されている。ナノワイヤの増強された物理的性能および特質は、次の効果または特質によるものである：運搬体の量子閉じ込め現象；空格子及び/又は変移のごときによる物理的欠陥の少なさ；結晶粒境界の減少；単結晶形成；および好適結晶粒配向性。前述したように、電熱気性能指数式Ｚは、熱電気装置の高温ジャンクションの温度のごとき絶対温度Ｔを掛け算することで無次元となる。続いて、無次元熱電気性能指数ＺＴ＝（Ｓ２＊σ/ｋ）＊Ｔは、熱電気物質および熱電気装置の性能およびエネルギー変換効率の式にて利用することができる。
【００３８】
ＰｂＴｅのナノワイヤにおいて、ＰｂＴｅのバルク形態の熱伝導率（ｋ）を考察するなら、式ＺＴ＝（Ｓ２＊σ/ｋ）＊Ｔを使って計算すると７５０ＫでのＺＴファクタはまだ非常に大きい（約２．０以上）。ＺＴファクタは、約３００Ｋから７５０Ｋでは、温度と共に増加する。ＰｂＴｅ熱電気ナノワイヤでは、Ｓ２＊σの値は、一定のレベルでピークを迎える傾向にある。この際、ＺＴファクタは、ナノワイヤの太さ（幅）が減少するに連れて増加する。しかし、一定のナノワイヤの幅に到達した後は、ＺＴファクタは、幅の減少と共に減少する。このＰｂＴｅナノワイヤは、ＰｂとＴｅの化学量論的組成を変更することで、あるいは少量の成分/不純物を加えることでｎ型またはｐ型の伝導を発揮するように容易に加工することができる。
【００３９】
ＰｂＴｅを含んで多数の熱電気物質（材料）は、酸素に敏感である。酸素は、熱電気性能を劣化させる。この理由で、このような熱電気物質を密閉し、目標である環境条件範囲内で酸素による汚染から保護することが有利である。もちろん利用条件下の条件要素と環境とに耐久性がなければその熱電気装置は、商業的には利用できない。
【００４０】
ＰｂＴｅが好適な熱電気材料ではあるが、本発明の範囲から逸脱することなく、例えばＢｉ２Ｔｅ３、ＳｉＧｅ、ＺｎＳｂ、およびＺｎ３．２Ｃｄ０．３Ｓｂ３のごときアンチモン化亜鉛カドミウム等の他の熱電気材料であっても利用することができる。これら熱電気材料は、当初においては顆粒状または粉末状のごとき好都合な形態でよい。
【００４１】
前記の方法で繊維が引き伸ばし加工（伸線加工）されて提供されるナノワイヤケーブルが作製されると、導電率（σ）と熱電気起電力（Ｓ）が測定され、パラメータＳ２＊σの変動が記録される。パラメータＳ２＊σは、実験的に決定され、温度値（Ｋ）が掛け算され、知られた熱伝導率（ｋ）で割り算されて本発明のナノワイヤのＺＴ値が提供される。
【００４２】
ファン・デル・ポーの４-プローブ型機器を使用した埋入ナノワイヤを使用しないガラス被覆の試験では、サンプルの抵抗性が非常に高く、機器は、伝導性を一切測定できなかった。同様に、従来方法（例：カルフォルニア州マウンテンビュー市のＭＭＲテクノロジーが販売するシーベック係数決定システムを採用）を使用した熱起電力の測定は、ガラス被覆の高い抵抗性に妨害されて一切結果を出さなかった。しかし、ＰｂＴｅ埋入ケーブルの導電性および熱電気起電力は容易に測定され、導電率と熱電気起電力の測定値は、ケーブルに沿った連続性ナノワイヤによるものであることが示された。
【００４３】
本発明のナノワイヤケーブルの好適な熱電気材料は、その有利な熱電気特性および価格の観点からＰｂＴｅである。バルク形態のＰｂＴｅの知られた熱伝導率値を使用し、７５０Ｋで計算されたＺＴ（Ｓ２＊σ/ｋ）＊Ｔ）ファクタは、２．５以上である。ＰｂＴｅのＳ２＊σは、一定のナノワイヤ幅でピーク値を示す傾向がある。バルク形態ＰｂＴｅの最も知られたＺＴファクタが約０．５であるため、約２．０以上の得られるＺＴファクタは、１以上の運搬体の量子閉じ込めよって大きく増強されると考えられる。ＺＴファクタは、最大値に到達するまでナノワイヤ幅（太さ）の減少に連れて増加する。その後、ＺＴファクタは、ナノワイヤ幅のさらなる減少と共に減少し始める。専門家であれば理解するであろうが、適した熱電気特性を備えた他の熱電気材料（例：Ｂｉ２Ｔｅ３）であっても本発明の範囲を逸脱せずに利用できる。
【００４４】
本発明によれば、ナノワイヤの最大径は、好適には、約２００ｎｍ以下であり、最も好適には、約５ｎｍから約１００ｎｍである。ナノワイヤの断面が円形ではない場合には、この“径”は、ナノワイヤの断面の長径と短径の平均長である（この場合、断面は、ナノワイヤの長さ方向に対して直角）。約５０ｎｍから約１００ｎｍの径を有するナノワイヤが、以下で説明するようにガラス被覆物に埋入された熱電気材料の伸線加工法により製造できる。
【００４５】
好適には、本発明のケーブルは、直径がケーブルの端から端まで高均等性を示すように製造される。本発明の実施形態によっては、ガラス被覆物の最大径は、ケーブル長全体にわたって約１０％以下の範囲で変動することができる。さほど精度が要求されない利用形態では、ナノワイヤの直径はさらに大きな範囲（例：５ｎｍから５００ｎｍ）で変動できる。好適には、電気的にガラスは、それが被覆に利用される熱電気材料よりも数乗分、電気抵抗率が高い。一般的にケーブルは、半導体ワイヤで構成され、ワイヤのドーピングおよび組成は、主として、ｐ型熱電気特性またはｎ型熱電気特性を示すワイヤを作製するための熱電気材料組成の変更により制御される。有利には、ケーブルはコスト効果が高い超熱電気装置の開発に利用される。
【００４６】
本発明によれば、ガラス被覆された熱電気材料の伸線加工法は、熱電気材料の個別繊維（単繊維）を形成するためにガラス被覆熱電気材料の伸線（引き延ばし）が関与する。これら単繊維の直径は、好適には約５００ミクロン以下であり、好適には５ミクロン以下であり、さらに好適には、１から３ミクロンである。専門家であれば理解するであろうが、これら繊維は、本発明の範囲を逸脱せずに５００ミクロン以上の直径を有することができる。繊維束を反復的に伸線加工することでケーブル径は、５ｎｍから１００ｎｍのサイズに縮減することができる。またケーブル断面のワイヤ密度を１０９/ｃｍ２以上に増加させることができる。このようなケーブルは、次の特質を備える。
運搬体の量子閉じ込め；空格子及び/又は変移のごときによる物理的欠陥の減少；結晶粒境界の減少；単結晶形成；および増強された熱電力発電効率のための好適結晶粒配向性。
【００４７】
ガラス被覆熱電気材料を伸線加工する方法は、さらにケーブルを束にし、連続的に数回にわたって再伸線を施し、ガラス被覆熱電気繊維を含んだ多芯ケーブルを製造するステップを含む。例として、ケーブルの繊維を形成する材料は、ＰｂＴｅまたはＢｉ２Ｔｅ３でよい。得られるケーブルは、ガラス被覆により相互絶縁されている複数の個別繊維を含んだ多芯ケーブルを含む。熱電気材料の物理的、化学的、熱的および機械的特性に合致する特定の組成を含むように特定のガラス被覆物が選択できる。好適には、ガラス被覆物は、熱電気繊維を形成する金属材料、合金材料または半導体材料よりも数乗分大きな電気抵抗を有している。大抵の利用に適した商業ベースのガラスは、パイレックス（登録商標）、ビコーおよび石英ガラスであるが、これらに限定されない。
【００４８】
本発明のさらに別な形態によれば、繊維を形成する金属材料、合金材料または半導体材料は、個別のケーブルが熱電気装置のｎ型コンポーネントおよびｐ型コンポーネントとして使用できるようにｎ型またはｐ型のケーブルとなるように様々である。ケーブルは、繊維の太さ、すなわち繊維径を所定範囲に減少させて熱電力発電効率を高めることで量子の閉じ込め減少を発揮できるように選択することができる。
【００４９】
＜ナノワイヤの製造方法＞
図１で示す垂直管状炉１０は、ガラス被覆熱電気繊維の伸線加工のための加熱に利用される。特に、垂直管状炉１０は、少なくとも一部に熱電気材料２２が充填されている真空空間２０を形成するために、縮小断面部１８で封閉されているガラス管１４を含んだプレフォーム１２を受領する中央管孔１１を含む。この加熱炉は、ガラス被覆熱電気繊維２４を製造するため、１回以上の伸線加工のために熱電気材料２２とガラス管１４とを溶解するのに使用される。
【００５０】
さらに図１で示す垂直管状炉１０は、加熱炉覆体２６、断熱材２８およびマフラ管３０を含む。マフラ管３０に適した材料は、アルミのごとき導電材料である。垂直管状炉１０は、そこに埋設されたヒータコイル３４をさらに含む。付け加えると、ヒータコイル３４は、マフラ管３０と断熱材２８との間に配置されており、耐熱セメント３８がヒータコイル３４と断熱材２８との間に配置され、ヒータコイル３４により発生された熱を内側に向け、マフラ管３０内に高温ゾーン４０を形成する。ヒータコイル３４には、セラミック絶縁体４８を使用して絶縁されているリード線４４が提供されている。さらに、熱電対プローブ５０が高温ゾーン４０内の温度測定のために提供されている。このプローブ５０は、約１インチの長さである。
【００５１】
ガラス被覆された金属、合金または半導体ロッドのアレイを含んだ熱電気的に活性である熱電気材料２２の伸線加工法を解説する。まず、適した熱電気材料２２が選択される。本発明の好適な熱電気材料は、当初には顆粒形態であるＰｂＴｅ等である。別の適した熱電気材料は、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＳｉＧｅおよびＺｎＳｂ等である。続くステップは、ガラス管１４を形成するための適したガラス材料の選択である。好適には、ガラス材料は、熱電気材料の融点よりも少々高い繊維伸線加工温度範囲を有するように選択される（例：ＰｂＴｅでは９２０℃以上）。垂直管状炉１０は、ガラス管１４の１端を封止に利用される。あるいはブロートーチまたは他の加熱装置を、ガラス管１４を封止して真空空間２０を創出するために使用することができる。
【００５２】
ガラス管１４の１端の封止処理に続くステップは、真空空間２０内に熱電気顆粒材料を導入し、ガラス管の開いている端部を真空ポンプに接続してガラス管を真空処理することである。真空ポンプが作動中に、ガラス管１４の中間部分が加熱されてガラスが部分的に溶融され、真空の影響下で変形（崩壊）する。部分溶解したガラス管は、第１の伸線加工操作に関与する熱電気材料を含んだアンプル５４を提供する。次のステップは、熱電気材料２２を含んだアンプル５４の端部を垂直管状炉１０内に導入することである。本実施形態では、管状炉１０は、アンプル５４が垂直に導入されるように設計されている。この熱電気顆粒材料を収容したアンプル５４の端部は、ヒータコイル３４に隣接する高温ゾーン４０内に配置される。
【００５３】
アンプル５４が垂直管状炉１０内に適正に入れられると、温度が上昇し、熱電気顆粒材料を収容したガラス管は、従来型ガラス伸線加工装置の場合と同様に伸線加工に適した温度にまで溶解する。前述したように、ガラス組成物は、好適には、繊維伸線加工温度範囲が熱電気顆粒材料の融点よりも少々高くなるように設定される。例えば、ＰｂＴｅが熱電気材料として選択される場合には、ＰｂＴｅ繊維を被覆するガラスの伸線加工のためには、パイレックス（登録商標）ガラスが適した材料である。ガラス管１４と熱電気材料２２の物理的、機械的および熱的な特性は、得られるケーブルの特性に影響を及ぼす。好適には、熱電気材料２２の特性に対して最低範囲の偏差である特性を示すガラスが被覆材料として選択される。
【００５４】
上述したガラス管１４は、７ｍｍの外径と２．７５ｍｍの内径を有した商業的に入手できるパイレックス（登録商標）管でよい。このパイレックス（登録商標）管は、約３．５インチの長さにわたってＰｂＴｅ顆粒材料で充填される。ガラス管１４の脱気は、約３０ミリトールの真空状態下における一晩の処理により達成できる。脱気処理後、熱電気材料２２を充填したガラス管１４の部分は、トーチで数分間穏やかに加熱され、残留ガスが除去される。続いてガラス管１４は、熱電気材料２２の上方にて真空状態で封止処理される。
【００５５】
運用時には、垂直管状炉１０は、ガラス被覆熱電気繊維の伸線加工に使用される。垂直管状炉１０は、約１インチ程度の短い高温ゾーン４０を含む。そこでは、プレフォーム１２が垂直管状炉１０内に置かれ、その加熱管の端部は、高温ゾーン４０の少々下側に位置する。加熱炉を約１０３０℃にすると下方の管端部に懸かる重量は、ガラス管１４を自重によって延伸させるのに十分となる。ガラス管１４の下端が加熱炉の下方の開口部に現れると、手で引っ張れるようにトングで掴むことができる。プレフォーム１２は、繊維伸線加工中にプレフォーム材料を使い切れるように定期的に手で前進させることができる。好適には、繊維２４は、約７０ミクロンから約２００ミクロンの繊維径である。本発明の別実施形態によれば、伸線加工は、繊維径の変動を非常に小さく留めることができる自動伸線加工装置を使用して実行することができる。
【００５６】
本発明のさらに別な実施形態によれば、短繊維部分を、ヘテロ構造物の伸線加工後に短片となるように破断するか切断することで形成することができる。例として、これら短片は、機械加工によって約３インチの長さにすることができる。続いてこれら短片を別のパイレックス（登録商標）管内で束ね、以下で解説するように垂直管状炉を使用するかブロートーチによってガラス管の１端を封止する。適した数の繊維がガラス管に充填されると、開いた端部は、真空ポンプに接続され、中間部が加熱される。この加熱によってガラス管を崩壊させてガラス管を封止させ、第２の伸線加工のためのアンプルを形成する。これで複数の多芯繊維を有したケーブルが作製される。この第２伸線加工後に繊維は集められ、さら別の封止ガラス管の空洞部に入れられる。この空洞部が適した数の繊維で満たされると、プレフォームは、脱気され、真空下で密閉される。その後に繊維伸線加工が２度の伸線加工を経た繊維に対して実行される。このプロセスは、必要な回数だけ反復され、約１００ｎｍ径の最終熱電気材料の直径が得られる。
【００５７】
＜ナノワイヤ構造物およびその特性＞
バルク形態ナノワイヤおよびヘテロ構造ナノワイヤの電子特性を特徴付けるためには、ガラス被覆熱電気材料のＸ線回折特性を決定することが重要である。図２は、本発明の原理に従って構築されたＰｂＴｅケーブルのＸ線回折パターンを示す。そこでは、ＰｂＴｅの特徴的スペクトルは、ガラスのＸ線回折パターン上に重ねられている。このＸ線回折パターンは、ＰｂＴｅピークの存在を明確に示し、さらに他のピークの不在を明確に示していることが重要である。すなわち、繊維伸線加工中にガラス材料は、ＰｂＴｅと反応せず、失透もさせなかったことを示している。これらピークは、ＰｂＴｅ結晶のピークに固有なものである。
【００５８】
図３は、前述のガラス被覆された熱電気的に活性である材料を伸線加工する方法で製造されたガラス被覆ＰｂＴｅケーブル６０を図示する。特に、ケーブル６０は、束ねられ、溶融されて実質的に任意の長さでケーブル（またはボタン）を形成する複数の複繊維６４を含む。このボタンを破断あるいは切断する等で所定の長さを有した複数の短ケーブルを製造する。図４は、図３の４−４線に沿ったガラス被覆ＰｂＴｅケーブル６０の拡大断面図である。ケーブル６０は、複数の繊維６４を含み、約５．２ｍｍの繊維径を有し、約３００Ｋの温度における１回のＰｂＴｅ繊維伸線加工により製造されたものである。
【００５９】
本発明のこの好適実施形態によれば、ケーブル６０は、束ねられ、数回にわたって連続的に再延伸され、ガラス被覆により相互に絶縁された複数の個別熱電気繊維を有した多芯ケーブルが作製される。図５は、２回の伸線加工を経た後のＰｂＴｅ繊維によるガラス被覆ＰｂＴｅケーブル６０の断面図である。この２回目の伸線加工を経たケーブルは、約２．７８ｍｍの太さを有している。図６は、３回の伸線加工後のＰｂＴｅ繊維によるガラス被覆ＰｂＴｅケーブル６０の断面図である。このケーブルは、約２．０９ｍｍの太さを有している。
【００６０】
図６は、本発明の１実施例による複数の熱電気繊維６７および６９を有した多芯ケーブル６５を図示する。ケーブル６５は、ケーブル６０と同様に製作される。ケーブル６５において、繊維６７は、繊維６９で成る材料とは異なる熱電気材料で成る。１実施形態においては、熱電気繊維６７は、ｐ-ドープ熱電気材料で成り、熱電気材料６９は、ｎ-ドープ熱電気材料で成る。ケーブル６０と同様に、ケーブル６５は、続く伸線加工プロセスに先立って複数の複繊維６４を溶融することで作製される。しかし、ケーブル６０の場合と同じ繊維を使用する代わりに、ケーブル６５の作製に使用される繊維は、複数の熱電気材料を含む。例えば、１ストランドの繊維は、ホウ素等の受容体ドーパントによってｐ-ドープでき、別繊維は、ｎ-ドープできる。このようにケーブル６５は、ｎ-ドープおよびｐ-ドープ繊維の組み合わせを有するであろう。
【００６１】
ケーブル６５も複数の短ケーブルを製作するために破断や切断をすることができる。短ケーブルを再び束ね、望む直径を有したケーブルを製作するために再び伸線加工することができる。
【００６２】
図３から図６は、ケーブル内のワイヤ密度が１０９/ｃｍ２に増加する際の微小構造の進展を図示する。これら微小構造は、光学顕微鏡および走査電子顕微鏡を使用して観察できる。例として、ガラスマトリックス内におけるＰｂＴｅワイヤの存在を明確に示すためにエネルギー分散分光法が利用できる。
【００６３】
＜熱電気特性の特徴付け＞
１実施形態は、ケーブル全長に沿ってガラスに被覆されている繊維の連続性および電気接続性を提供する。電気接続性は、異なる太さ部位のケーブルの電気抵抗を測定することで容易に証明できる。本発明の１好適実施形態によれば、ガラス被覆の抵抗は、その中に熱電気ワイヤが存在しなければ連続的熱電気繊維の約７乗倍から８乗倍の大きさである。
【００６４】
熱電気ワイヤの電気接続性を確認するのに使用されるサンプルは、いくつかの繊維伸線加工ステップの１つに続いてプレフォームから準備されるＰｂＴｅの“ボタン”形態である。図７から図９で示すガラス被覆熱電気ワイヤの抵抗は、約１オーム以下である。一方、熱電気ワイヤを含まないガラス被覆の抵抗は、１０８オーム以上である。これは、ＰｂＴｅ被覆ケーブルの約８乗倍の大きさである。電気抵抗のこの相違は、ここで説明する本発明方法により伸線加工されたガラス被覆熱電気ワイヤが１端から他端まで電気連続性を有することを示している。
【００６５】
図７は、ＰｂＴｅ繊維を１度伸線加工した後のＰｂＴｅケーブル６０のＤＣ抵抗を示すグラフである。ケーブルの抵抗（オーム）は、電流（アンペア）に対して測定されている。特に、ケーブル６０のＤＣ抵抗は、電流が増加すると安定的に減少する。図８は、ＰｂＴｅ繊維を２度伸線加工した後のケーブル６０のＤＣ抵抗を示すグラフであり、図９は、ＰｂＴｅ繊維を３度伸線加工した後のケーブル６０のＤＣ抵抗を示すグラフである。
【００６６】
本発明の原理に基づいて製作された好適なケーブルは、電気絶縁材料に埋入された少なくとも１本の熱電気繊維を含む。この熱電気材料は、オプション的に量子閉じ込め現象を示すものである。本発明のこの好適実施形態によれば、各繊維の太さは、熱電気材料の単結晶の幅と実質的に同じである。各繊維は、実質的に同じ結晶配向性を有している。この好適なケーブルは、全繊維相互間に電気連続性が存在するように共に溶融または焼結された複数の繊維を含む。あるいはケーブルの繊維全部間ではなく、その一部間に電気連続性が存在する。
【００６７】
好適には、ケーブルのガラス被覆は、２成分、３成分あるいはそれ以上の数の成分によるパイレックス（登録商標）、ケイ酸ホウ素、ケイ酸アルミニウム、石英、テルル化鉛ケイ酸及び/又はそれらの組み合わせのごときガラス構造体の電気絶縁材料を含んだものである。この熱電気材料は、金属、半金属、合金および半導体で成る群から選択されるものであり、数ナノメートルから数キロメートルに至るケーブル長にわたって電気接続性および量子閉じ込め現象を示す。ケーブルのＺＴファクタは、好適には少なくとも０．５であり、さらに好適には少なくとも１．５であり、最も好適には少なくとも２．５である。
【００６８】
＜フォトリトグラフ装置の概説＞
電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、ダイオードおよび発光ダイオード（ＬＥＤ）のごとき従来の半導体装置並びに光電池は、典型的には純粋にフォトリトグラフ処理によって製造される。図１０と図１１は、フォトリトグラフ処理によって製造されたそのような２つの装置を図示する。図１０は、金属酸化物半導体ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ）１０００を図示する。ＭＯＳＦＥＴ１０００は、ｎ-チャンネルＭＯＳＦＥＴであり、基板（図示せず）上に形成されたｐ型井戸層１０１０を含む。ｐ型井戸層１０１０は、前もってｐ型ドーパントにより電荷中性半導体をドーピングすることで製作される。井戸層１０１０が形成されると、２つのｎ-ドープ井戸１０１５ａと１０１５ｂが製作される。井戸１０１５ａと井戸１０１５ｂは、井戸層１０１０の表面をマスク処理し、ｎ-ドープ井戸１０１５ａと１０１５ｂがマスクされていない状態で設置されている表面を残しておくことで製作される。ＭＯＳＦＥＴ１０００は、絶縁層１０２０とゲート１０２５をも含む。
【００６９】
ゲート１０２５は、金属または多結晶体（ドープシリコン）あるいは他の適した材料から製作できる。絶縁層１０２０は、典型的には酸化物材料から製作される。ＭＯＳＦＥＴ１０００では、電圧をゲート１０２５に印加するとＭＯＳＦＥＴチャンネルに空乏領域が発生する。この空乏領域は、２つのｎ-ドープ領域１０１５ａと１０１５ｂとの間に導電性を提供する。典型的には、この現象は、ゲートの電圧がソースの電圧よりも０．６Ｖ高いときに起きる。
【００７０】
図１１は、半導体ダイオード１１００を図示する。これは、２つの異なる材料層の単純なサンドイッチ形態である。ダイオード１１００は、ｎ-ドープ層１１１０とｐ-ドープ層１１２０を含む。ｎ-ドープ層１１１０とｐ-ドープ層１１２０は、合体してダイオード１１００を形成する。中性状態では、ｎ-ドープ層１１１０とｐ-ドープ層１１２０は、空乏ゾーン１１３０を形成する。これは、ｎ-ドープ層１１１０とｐ-ドープ層１１２０それぞれからの電子とホールの移動によって引き起こされる。空乏ゾーン１１３０は、電荷的に中立である。非バイアス状態では、空乏ゾーン１１３０が存在するためダイオード１１００は、電流を流さない。前方バイアスモードでは、ダイオード１１００は、電子をｎ-ドープ層１１１０からｐ-ドープ層１１２０に流し、ホールをｐ-ドープ層１１２０からｎ-ドープ層１１１０に流す。ダイオード１１００は、ｎ-ドープ層１１１０がｐ-ドープ層１１２０よりもさらに負電荷とされると前方バイアスモードとなる。一方、ダイオード１１００は、ｎ-ドープ層１１１０がｐ-ドープ層１１２０よりもさらに正電荷とされると逆バイアスモードとなる。ダイオード１１００が逆バイアス状態であると電流は流れない。
【００７１】
典型的には、ＬＥＤのごとき光電気装置も類似したリトグラフ処理により製造される。以下で説明するように、これらの一般的装置（例：ＦＥＴ、２極トランジスタ、ダイオード、ＬＥＤ、ロジックゲート）は、本発明の様々な実施形態による方法を活用して製作されたナノワイヤを利用して製造できる。
【００７２】
＜ナノワイヤＦＥＴ＞
図１２は、本発明の１実施例によるＦＥＴ１２００を図示する。ＦＥＴ１２００は、ケーブル１２１０、酸化物層１２２０、およびゲート層１２３０を含む。ＦＥＴ１２００を製造するにあたり、ケーブル１２１０は、ケーブル６０（図３）またはケーブル６５（図６）の形態を採用することができる。前述したように、ケーブル６０は、束ねられ、その後に望む直径となるまで１回または、複数回にわたって伸線加工された複数の繊維６４により製作される。ケーブル６０の複数の繊維６４は、ｎ-ドープ材料またはｐ-ドープ材料（Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＰｂＴｅ、等々）のごとき同種半導体材料で成る。ＦＥＴ１２００では、ケーブル１２１０の中央部は、ｐ-ドープされており、２端部は、ｎ-ドープされている。ゲート１２３０は、ケーブル１２１０のｐ-ドープ部分（すなわちＦＥＴチャンネル）に位置するように配置される。このように、ゲート１２３０がバイアスされた状態であるときｎ-チャンネル反転層がケーブル１２１０の中央部に創出される。
【００７３】
ＦＥＴ１２００では、酸化物層１２２０がケーブル１２１０を被覆する。酸化物層１２２０は、ケーブル１２１０とゲート層１２３０の間で絶縁層として作用する。１実施例では、酸化物層１２２０は、オプションであり、ＦＥＴ１２００の製作に必須なものではない。この実施例では、ケーブル１２１０のガラス被覆物は、酸化鉛、二酸化テリリウム、二酸化ケイ素、または他の適した絶縁材料のごときを含有したガラスのごとき酸化物複合材料により製作可能である。
【００７４】
ゲート層１２３０は、金属、多結晶体または他の適した材料で製作できる。ゲート層１２３０は、ケーブル１２１０および酸化物層１２２０を製作した後、コーティング処理を施して製作できる。あるいは、ゲート層１２３０は、ケーブル１２１０を挿入することができる予備作製された中空筒体であってもよい。あるいは、ケーブル１２１０、酸化物層１２２０およびゲート層１２３０は、押線加工プロセスを利用して同時進行的に製作することもできる。
【００７５】
本発明の別実施形態では、ＦＥＴ１２００のケーブル１２１０は、繊維６４（図３）に類似した半導体材料の単繊維を含む。この実施形態では、この単繊維を被覆するガラス被覆物は、絶縁酸化物層としても作用する。その後、ｎ型ドーパントまたはｐ型ドーパントをケーブル１２１０の各端部にドーピングすることでドレーンとソースが製作される。もしケーブル１２１０がｐ型半導体材料で製作されるならｎ型ドーパントがドーピングされ、もしケーブル１２１０がｎ型半導体材料で製作されるならｐ型ドーパントがドーピングされる。このようにケーブル１２１０の中央部または中間部は、ケーブル１２１０の両端とは対極の半導体組成を有する。ＦＥＴを完成させるため、ゲート層１２３０がケーブル１２１０の中央部上に配置される。
【００７６】
図１３は、本発明の１実施例による別なＦＥＴ１３００を図示する。ＦＥＴ１３００は、繊維１３１０、ドープ部分１３２０ａおよび１３２０ｂ、酸化物層１３３０およびゲート１３４０を含む。繊維１３１０は、単半導体ガラス被覆繊維であり、繊維６４に類似する。別実施形態においては、繊維１３１０はケーブル６０に類似した半導体繊維の束である。
【００７７】
ＦＥＴ１３００において、繊維１３１０は、ｐ-ドープ半導体材料で製作される。ＦＥＴのソースとドレーンを製作するため、繊維１３１０の各端部１３１０は、ｎ型ドーパントでドーピングされる。ｎ-ドープ部１３２０ａは、ソースとして機能し、ｎ-ドープ部１３２０ｂは、ドレーンとして機能する。ドープ部１３２０ａと１３２０ｂは、ｐ-ドープ状態である繊維１３１０の中央部（すなわちチャンネル）によって分離状態である。言い換えると、ＦＥＴ１３００では、ゲートは、繊維を包囲しないが、繊維の側部に隣接して位置する。
【００７８】
酸化物層１３３０は、繊維１３１０のガラス被覆物である。図示のように、酸化物層１３３０は、繊維１３１０の各端部で除去されているが、中央部では、残され、ゲート１３４０と繊維１３１０との間のバリアを提供する。ドープ部１３２０ａと１３２０ｂ上のガラス被覆層は、エッチング処理によって除去できる。ＦＥＴ１３００を完成するため、ゲート１３４０が酸化物層１３３０上に配置される。
【００７９】
本発明の別実施形態では、ケーブル１３１０は、ｎ-ドープされており、ドープ部１３２０ａと１３２０ｂは、ｐ-ドープされている。この実施形態では、ｐ-チャンネル増強ＭＯＳＦＥＴが製造される。
【００８０】
＜ナノワイヤＬＥＤおよび光電池（ＰＶ）＞
一般的に、全ＬＥＤは、電磁放射線を放射する。その放射線が可視光線であるか否かは電磁放射線の波長による。その最も単純な形態であるＬＥＤは、ｐ-ｎ接合ダイオードである。一般的に、放射線は、自由電子がｎ-ドープ領域からｐ-ドープ領域に移動するときに発生する。これは、再結合プロセスと称される。この再結合プロセス中に電子やホールのごとき電荷運搬体が光子または電磁波の形態でエネルギー放出する。再結合プロセス時の半導体材料のバンドギャップは、放出された放射線の周波数のファクタである。
【００８１】
ＬＥＤを利用するため、繊維（例：図３の繊維６４）が幅広バンドギャップを有した、リン化ガリウム、ヒ化リン化ガリウム、窒化ガリウム、窒化インジウムガリウム、セレン化亜鉛または他の適した半導体材料のごとき半導体材料で製作できる。
【００８２】
図１４は、本発明の１実施例によるナノワイヤで製造された一般的なＬＥＤ１４００を図示する。ＬＥＤ１４００は、オーム接点１４１０ａと１４１０ｂおよびケーブル部１４２０と１４２５を含む。オーム接点１４１０ａは、ケーブル部１４２０の１端に配置され、ケーブル部１４２０内で複数の繊維６４との電気的に接触する。１実施形態では、ケーブル部１４２０は、ｎ-ドープ繊維を含み、ケーブル部１４２５は、ｐ-ドープ繊維を含む。ケーブル部１４２０とケーブル部１４２５は、１箇所以上のｐ-ｎジャンクション（接合部）を接合部１４３０において形成する。ＬＥＤを完成させるため、別のオーム接点１４１０ｂがケーブル部１４２５のその端部に提供される。オーム接点１４１０ａと１４１０ｂを電気的に連結することによって回路が完成すると、電子は、ケーブル部１４２０からケーブル部１４２５に移動するか、逆方向に移動し、副産物として発光する。ケーブル部１４２０と１４２５は、図３から図６に関して解説したプロセスと同様なプロセスによって製作できる。
【００８３】
図１５は、本発明の１実施例によるナノワイヤＰＶ電池１５００を図示する。ＰＶ電池１５００は、ケーブル部１５１０と１５２０を含む。ケーブル部１５１０は、ケーブルの上方であり、ケーブル部１５２０は、そのケーブルの中央または下方である。ケーブル部１５１０は、ｎ型半導体材料で製作され、ケーブル部１５２０は、ｐ型半導体材料で製作されている。両方のケーブル部１５１０と１５２０は、図３から図６の製作方法と同様なプロセスによって製作されている。ダイオードの場合と同様に、ケーブル部１５３０は、中立空乏領域１５３０を形成する。ここでは電流は流れない。しかし、ケーブル部１５１０が光子によってエネルギー付与されると、中立領域１５３０の状態は、妨害される。ケーブル部１５１０からのエネルギー電子は、均衡するようにケーブル部１５２０に移動される。ＰＶ電池を完成させるため、ケーブル部１５１０上に透明電極１５４０を形成する等で外部電流通路がケーブル部１５１０と１５２０の間に提供される。同様に、別な電極１５５０（非透明）がケーブル部１５２０の底部に取り付けられなければならないであろう。
【００８４】
ｐ-ｎ接合を内部に形成するために繊維またはケーブルをドーピングするには任意の適したドーピング技術が利用できる。例えば、ｐ型繊維またはｐ型繊維を含んだケーブルを伸線加工し、繊維の上をｎ型ドーピングしてｐ-ｎ接合を形成する。このドーピングは、気相ドーピング（例えば、インジウム蒸気または、インジウム含有ガスを加熱されたｎ型ＰｂＴｅワイヤに吹き付ける）、液相ドーピング、固相ドーピング（すなわち、金属層をケーブルのワイヤの上に積層し、その金属層の金属原子をワイヤの上に拡散させる）、またはイオンインプラントによって実施できる。ｐ-ｎ接合装置を説明しているが、ｐ-ｉ-ｎ型装置であっても同様に形成できる。本来的な半導体領域は、ｐ型領域とｎ型領域との間に位置する。よって、増強された物理性能および特性を備えた半導体層池または熱電気装置は、次の特性または、効果を有する：運搬体の量子閉じ込め現象；空格子及び/又は変移のごときによる物理的欠陥の少なさ；結晶粒境界の減少または排除；単結晶形成；および好適結晶粒配向性。専門家であれば理解しようが、本発明は、本発明の説明を目的として挙げられているこれらの実施例あるいは実施形態以外であっても実践が可能である。本発明は、「請求の範囲」でのみ限定される。これら実施形態の細部の均等物であっても利用することができる。
【００８５】
本発明の様々な実施例および実施形態を解説してきたが、それらは、例示を目的としてのみ提供されており、本発明の限定の意図はない。同様に、様々な図面がそれら実施例の構造または他の形態を図示しているが、これらは、本発明の特徴および機能性の理解を助けるためである。本発明は、これら図示さ、解説されている特徴には限定されず、それら以外の構造および特徴であっても本発明の実施には有効であろう。本発明の所望される特徴を実施するため、代用の機能、論理または物理的形態をいかに活用するかは専門家にとっては明らかであろう。また、ここで図示および解説されているもの以外に複数の異なる構造モジュールが様々な形態で利用できる。さらに、フロー図、操作の説明および方法のステップの種々な変形も可能である。
【００８６】
以上、本発明は、様々な代表的実施形態を利用して解説されているが、それぞれに解説されている様々な特徴、形態および機能性は、本発明をそれらの利用例に限定せず、単独または他の組み合わせにて利用することができる。よって、本発明の範囲は、それら実施例および実施形態に限定されない。
【００８７】
本明細書で使用される用語および言い回しは、限定的に解釈されるべきではなく、他のものを含む可能性を秘めている。例えば、“含む”なる用語は、その他のものも含まれる可能性を有して使用されている。また、“例”とは、文字通り、あくまでも“例”である。
【００８８】
“および”あるいは“または”とは、いずれも“及び/又は”の意味を含蓄して使用されている。
【００８９】
“モジュール”とは、全ての部品が共通パッケージ形態で設計されていることを必ずしも意味しない。モジュールの様々な個々の要素を独立的あるいは非モジュール式に使用することも可能である。
【００９０】
さらに、ここで解説する様々な実施例は、代表的なブロック図、フロー図、等々で解説されている。これら図示されている実施例の様々な細部変更は、可能である。例えば、ブロック図並びにその解説は、特定の構造および設計を必須とするものではない。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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