(57)【要約】  トンネル内での電極間のナノメータ分離を維持するための改良された設計であって、熱トンネル、ダイオード、熱電子、熱光起電、電流制限、リセット可能ヒューズ、継電器、ブレーカー、及び他の装置が開示されている。少なくとも１つの電極は温度によって変更する湾曲形状である。幾つかの実施例はナノメータ分離を制限するために、あるいは電流を止めるために用いている。他の実施例は従来と比べて２つの電極間の熱伝導を減少している。結果として電子装置は簡素な形状でナノメータ間隔を備えた安定した釣り合いで２つの近接した平行電極を維持しており、熱を電気に変換し、電気を冷却に変換し、電流を制限し、あるいは電流を遮断している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向面を有する第１と第２の電極または電極組立体を含む装置であって、（１）前記第１の電極または電極組立体が、湾曲面と、その曲率を変更する機構とを有し、（２）前記湾曲面の中央部分が、最初に、他の電極の前記対向面と接触しており、（３）曲率を変更する前記機構が、前記接触を除去し前記接触をギャップと置き換える装置。
【請求項２】
前記ギャップ距離が、高仕事関数を有する面からの無障壁電子トンネル効果を可能にする１．０ナノメートル未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ギャップ距離が、低仕事関数を有する電極面からの電子熱トンネル効果を可能にする１．０〜１０．０ナノメートルである、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ギャップ距離が、温度と共に変化し、それにより前記ギャップの間の前記電流の流れが安全レベルに制限される、請求項２または請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記温度が、一方または両方の電極の電流もしくは電圧または電圧と電流による内部加熱によって決定され、それにより、電流制限器またはリセット可能ヒューズとして動作する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記温度が、外部熱源によって決定され、前記ギャップが開くか前記外部熱源に送られる電力を制限し、それにより、温度過昇センサ、保護装置または回路遮断器として動作する、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記温度が、外部熱源によって決定され、前記ギャップが、ある設定温度で開き、別の設定温度で閉じ、それにより継電器として動作する、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
前記ギャップ距離が、光子トンネル効果を可能にする１．０〜２００ナノメートルである、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記電極の前記対向面上に半導体材料が蒸着された、請求項２、３または８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記半導体材料が、熱電材料を含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記熱電材料が、
テルル化ビスマス、アンチモン・テルル化ビスマス、テルル化鉛、シリコンゲルマニウム、タリウム、クラスレート、カルコゲニド、および交互層の超格子から成る群から選択された材料から形成される、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記低仕事関数の面が、
セシウム、バリウム、ストロンチウム、およびこれらのいずれかの酸化物からなる群から選択された、請求項３に記載の装置。
【請求項１３】
前記電極の一方が、光電性（photosensitive）であり、他が光電子放出性（photo-emissive）である、請求項８に記載の装置。
【請求項１４】
前記光電材料が、光起電力材料である、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記光電材料が、シリコン、ゲルマニウム、テルル、カドミウム、およびこれらの組み合わせまたは混合物から成る群から選択された、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記光電放出材料が、タングステン、チタン、およびこれらの混合物から選択される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１７】
前記湾曲面が、計画された動作温度と異なる温度で異なる熱膨張率を有する２つの層を接合することにより形成された、請求項１乃至１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
一方の層が、単結晶半導体であり、他方が、金属または合金である、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
一方の層が、低熱膨張合金であり、他方が、高熱膨張金属または合金である、請求項１７に記載の装置。
【請求項２０】
前記半導体が、シリコン、ゲルマニウム、炭化ケイ素およびガリウムひ素から成る群から選択される、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記トンネル効果および接触領域の外側に前記２つの電極を支持するためのセパレータを有する、請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
前記セパレータが、ガラスまたは他の低熱伝導材料から作成された、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記セパレータが、前記２つの電極をある高い温度で支持し、前記接触をなくしかつトンネル効果を許可し、別の高い温度ですべての電子流をなくす、請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
前記セパレータが、ダイヤモンド状炭素皮膜などの潤滑層がある状態またはない状態で蒸着される、請求項１７乃至２３のいずれかに記載の装置。
【請求項２５】
前記セパレータが、金属対向面上に蒸着された、請求項４乃至７または１７乃至２４のいずれかに記載の装置。
【請求項２６】
前記第１の高い温度が、ペルチェ効果伝熱、電気抵抗、光子吸収、またはこれらの組み合わせによって生成される、請求項２３に記載の装置。
【請求項２７】
前記高い温度が、前記接触領域がなくなる前の前記接触領域内の伝熱によって生じ、熱源から生じる前記熱が、ゼーベック効果、熱トンネル効果、熱光起電効果、または温度過昇環境から電気を生成する、請求項２３に記載の装置。
【請求項２８】
前記１対の電極が、真空筐体内に収容された、請求項１乃至２７のいずれかに記載の装置。
【請求項２９】
前記真空筐体が、ガラス管を壁と２枚の金属蓋として含み、一方の電極が、各蓋に電気的かつ熱的に接続された、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記第１の電極を前記第２の電極に押し付ける予圧力を提供するばねを更に含む、請求項２８乃至２９のいずれかに記載の装置。
【請求項３１】
蓋の２つの配列で作成され、一方の配列が前記筐体の上部用で、他方の配列が前記筐体の前記下部用であり、各配列の蓋が、隣接物に電気的に接続された、請求項２８乃至３０のいずれかに記載の複数の装置。
【請求項３２】
前記電気接続のうちのいくつかが、所望の１組の電気接続を達成するために後で除去される、請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
残りの電気接続によって個々の装置が直列接続されて熱電集合が促進される、請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
１組の電極が、共通基板上に積層され、対応する対向電極が、別の共通基板上に積層された、請求項１乃至２７いずれかに記載の複数の装置。
【請求項３５】
前記半導体層が、２枚のウェハを接合し、次に前記半導体層になるように一方のウェハを薄化し平滑化することによって実現された、請求項２、３または８のいずれかに記載の装置。
【請求項３６】
前記ウェハが、圧着、陽極接合、または共晶接合のうちの１つによっては接合される、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記エピタキシャル層が、一方のウェハ上に成長され、次に前記薄化し平滑化する段階が、前記成長した層以外のすべての層を除去する、請求項３５または３６に記載の装置。
【請求項３８】
前記エピタキシャル層が、ｎ型またはｐ型熱電動作するようにドープされたシリコンゲルマニウムである、請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記表面が、パッシベーションのための処理された、請求項１乃至２７または３５乃至３８のいずれかに記載の装置。
【請求項４０】
前記パッシベーションが、金、白金または水素単分子層の薄層である、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記水素単分子層が、フッ化水素に晒されることにより形成された、請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
一方のウェハまたは前記エピタキシャル層が、シリコン、またはビスマス、アンチモン、テルル、セレン、リード、インジウムひ素、亜鉛、ゲルマニウム、銀もしくはこれらの任意の組み合わせの結晶合金である、請求項３５乃至４１のいずれかに記載の装置。
【請求項４３】
前記パッシベーション層が、薄い蒸着された熱電薄膜である、請求項３９に記載の装置。
【請求項４４】
前記パッシベーション熱電薄膜が、ビスマス、テルル、アンチモン、セレン、またはこれらの任意の組み合わせからなる、請求項４３に記載の装置。
【請求項４５】
前記薄い熱電薄膜が、アニールされる、請求項４４に記載の装置。
【請求項４６】
前記熱電層がウェハ上に蒸着され、次に前記ウェハがアニールされ研磨される、請求項９に記載の装置。
【請求項４７】
前記得られた蒸着層、薄化層、エピタキシャル層、またはこれらの任意の組み合わせが、前記ウェハを個々のチップに切断しやすいように垂直線でパターン形成されエッチングされた、請求項３４乃至４６のいずれかに記載の装置。
【請求項４８】
前記セパレータが、前記蒸着層、薄化層、エピタキシャル半導体層または前記パッシベーション層上に形成された、請求項３４乃至４７のいずれかに記載の装置。
【請求項４９】
前記セパレータが、ガラスから形成された、請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記ガラスが、フォトリソグラフィや他の方法によって蒸着され、次にパターン形成された二酸化ケイ素である、請求項４９に記載の装置。
【請求項５１】
真空筐体内にある、請求項２６に記載の装置。
【請求項５２】
１つの基板が、前記フレームの前記内周囲に接合され封止され、前記対向基板が、前記フレームの前記外周囲に接合され封止された、請求項３４乃至５１のいずれかに記載の装置。
【請求項５３】
前記フレームが、低熱伝導率を有する材料で形成された、請求項５２に記載の装置。
【請求項５４】
前記フレーム部材が、ガラスまたはガラス・フリットで形成された、請求項５３に記載の装置。
【請求項５５】
前記ガラスまたはガラス・フリット組成物が、その熱膨脹係数を前記基板材料のものと一致するように不純物によって変更した、請求項５４に記載の装置。
【請求項５６】
前記接合と封止が、真空チャンバ内で行われ、前記チャンバから取り出されたときに前記装置の前記内部が排気される、請求項２８乃至５５のいずれかに記載の装置。
【請求項５７】
前記ガラス・フレームと真空シールが、一体であり、前記基板の一方の上に蒸着された、請求項５６に記載の装置。
【請求項５８】
前記２つの電極間の熱伝導を減少させるために後で除去される犠牲層を有する、請求項５７に記載の装置。
【請求項５９】
蒸着されたガラス・フレームが、各対の電極上に形成された、請求項５８に記載の装置。
【請求項６０】
前記接合と封止材が、ガラス・フリットである、請求項５６に記載の装置。
【請求項６１】
前記接合と封止が、陽極である、請求項５６に記載の装置。
【請求項６２】
前記接合と封止が、圧縮によって形成される、請求項５６に記載の装置。
【請求項６３】
ゲッターを含む請求項２９乃至６２のいずれかに記載の装置。
【請求項６４】
前記ゲッターが、
チタン、セシウム、バリウム、カリウム、ナトリウム、およびこれらの２つ以上の組み合わせから成る群から選択された、請求項６３に記載の装置。
【請求項６５】
請求項１乃至４または請求項５乃至６５のいずれか１項の装置に温度差を与えることを含む、熱を電気エネルギーに変換する方法。
【請求項６６】
前記熱源が、放射線源、環境からの熱、地熱エネルギー、およびエンジンまたは動物代謝により生成された熱から選択される、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記熱源が、人間の生体である、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記熱原が、人間の生体であり、前記装置が、携帯型装置である、請求項６７に記載の方法。
【請求項６９】
前記熱源が、電気、蒸気もしくは内燃機関、燃焼燃料、またはその排出ガスから選択される、請求項６５に記載の方法。
【請求項７０】
前記熱源が、内燃機関またはその排出ガスから選択され、前記装置が、前記機関または排出ガス管路にヒートシンクとして組み込まれた、請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】
自然に生じる温度で操作される、請求項６５に記載の方法。
【請求項７２】
前記装置が、冷却装置、空気調和装置、冷却用ブランケット、冷却用衣類、電子回路冷却装置、または人体または動物体と接触するか内部に収容された冷却装置に使用される、請求項６５に記載の方法。
【請求項７３】
前記電極が、周期的間隔の複数の層に配置された、請求項１乃至６４のいずれかに記載の装置の複合ユニットを含む装置。
【請求項７４】
直列に組み立てられた、請求項１乃至６４のいずれかに記載の装置の複合ユニットを含む装置。
【請求項７５】
並列に組み立てられた、請求項１乃至６４のいずれかに記載の装置の複合ユニットを含む装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極間にきわめて小さい隙間を有しまた場合によっては電極間に熱的分離を必要とするように設計されたダイオード、熱電子、トンネル効果（tunneling）、電流制限、電流遮断および他の装置に関する。本発明は、熱トンネル効果ジェネレータおよびヒートポンプに関連した特定の有用性を有し、また熱電子的および熱電的方法を使用する類似のシステムに適用することができ、またそのような有用性と関連して説明されるが、他の有用性も意図される。これらの熱トンネル効果ジェネレータおよびヒートポンプは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、逆に動作して冷却を提供することができる。本発明は、また、間に電圧が印加されるかまたは生成される２つの電極間に接近した平行な隙間を必要とする任意の装置に適用されてもよい。本発明は、また、電気的挙動が、電流、電圧、または近接熱源などの電極の温度に影響を及ぼす可能性のある温度またはパラメータに強く依存する電流制限器、温度過昇防止装置、継電器、リセット可能ヒューズ、回路遮断器などの切り換え装置に適用され得る。本発明は、また、熱伝導を変更またはプログラムすることができる熱スイッチとして適用され得る。
【背景技術】
【０００２】
ひとつの導体（エミッタ）から別の導体（コレクタ）への高エネルギー電子流の現象は、多くの電子装置で、様々な目的に使用されてきた。例えば、真空管ダイオードは、そのように実現され、物理的現象は、熱電子放出と呼ばれた。そのようなダイオードは、比較的大きい物理間隔によって課される制限のために、きわめて高い温度（１０００ケルビン温度超え）で動作することが要求される。電子がコレクタまでの大きい距離を進み、高い量子障壁を克服するのに十分なエネルギーを得るためには、熱電極が、きわめて高温でなければならない。しかしながら、真空管は、電子ダイオードとその後の増幅器の作成を可能にした。時の経過と共に、これらの装置は、動作温度を下げるために、セシウムのようなアルカリ金属または酸化物を用いて電極を被覆することにより最適化された。熱電子発生の温度は、あいかわらず室温よりかなり高いが、この発生方法は、燃焼、太陽熱集光器、または他の熱源からの熱を電気に変換するには有用である。
【０００３】
後になって、エミッタとコレクタが互いにきわめて接近している場合（約２〜２０ナノメートルの原子距離）に、電子が、きわめて低い温度（室温でさえ）で流れることができることが発見された。この小さい隙間では、２つの電極の原子の電子雲がきわめて接近しているので、熱電子は、実際には、物理的伝導なしにエミッタ雲からコレクタ雲に流れる。この種の電流は、電子雲が交差しているが電極が物理的に接触していないときに流れ、これは、トンネル効果と呼ばれる。走査型トンネル顕微鏡は、例えば、導電面にきわめて近付けられた尖った導電性スタイラスを使用し、スタイラスを表面を横切って走査するときに電流をプロットすることによって、その表面の原子輪郭をマッピングすることができる。特許文献１（Ｂｉｎｎｉｇら）は、走査型トンネル顕微鏡に適用されるそのような方法を教示する。
【０００４】
そのような原子離間距離を大きい面積（例えば、１平方センチメートル、または１平方ミリメートルでも）全体にわたって維持できれば、単一のダイオードと似た装置によって大量の熱を電気に変換することができ、これらの装置は、冷却器として、または様々な熱源からの無駄な熱エネルギーの回収に有用であることが当業界では知られている。非特許文献１、非特許文献２、および非特許文献３を参照されたい。電極の間隔は、「ホット（hot）」電子（フェルミ準位より高いエネルギーを有する電子）が流れることができるほど十分に小さいが、常電導（フェルミ準位以下の電子の流れ）を可能にするほど近くてはならない。場合によっては、真空ギャップを使用して格子フォノン振動による熱コンダクタンスを最小することができ、また同じ発明者による特許文献２（ＰＣＴ／ＵＳ０７／７７０４２）に例示されたようなギャップと隣接した半導体または熱電材料でホット電子のフィルタリングを行うことができる。１平方センチメートル当たり数千ワットの電気から冷却への変換を可能にする有効な分離距離の範囲は、０．５〜２０ナノメートルである。非特許文献１を参照されたい。これらの参考文献は、ひとつの電極から別の電極への電子の移動の仕事関数を低くするために、放射電極上のアルカリ金属または他の材料の被覆または単分子層の利点も提案している。この被覆または単分子層は、更に、動作温度を下げ、また個別の電子フィルタリング手段なしにそのような構成の変換効率を高める。
【０００５】
Ｍａｈａｎは、０．７ｅＶの仕事関数と５００Ｋの低い温度を有する電極を使用する熱電子冷却器の理論効率が、８０％を超えるカルノー効率であること示した。非特許文献４を参照されたい。また、非特許文献５も参照されたい。類推から、電子トンネル効果プロセスの変換効率は、カルノー効率の大きい部分でもあることが予想される。カルノー効率は、達成可能な熱エネルギー変換効率の上限を示す。
【０００６】
電極の離間距離を原子寸法で大きな面積全体に維持することは、導体から熱を取り出すことができる装置の作成において単一の最も重要な問題であった。走査型トンネル顕微鏡は、例えば、振動のない特別な実験環境を必要とし、その動作は、数平方ナノメートルの領域に限定される。動作装置の冷却の測定は、数平方ナノメートルの領域に限定されてきた。非特許文献６を参照されたい。
【０００７】
私の以前の特許文献２（ＰＣＴ／ＵＳ０７／０７７０４２）で、私は、真空チャンバ内で試験された１対のバイメタル電極を使用して数ミリワット程度のきわめて大量のエネルギー変換を達成する装置について述べている。私の前述の特許出願に記載された装置は、ギャップの両側の多くの材料を調査し測定できるようにベルジャー真空装置内にナノメートル・ギャップを形成するために首尾よく使用されてきた。更に、前述の特許文献２（ＰＣＴ／ＵＳ０７／０７７０４２）の適切なギャップ形成方法を備えた完全にパッケージ化された装置が示され、この装置は、真空装置の外部で使用可能な完全に機能的なエネルギー変換製品として働くことができる。また、ギャップを形成し、大量の伝熱を達成し、そのような装置をパッケージ化するための洗練された方法を記載する私の以前の出願である特許文献３（ＰＣＴ／ＵＳ０９／３３６６０）も参照されたい。
【０００８】
従って、入力として熱源を使用しかつ出力として電力を必要とする電気回路を使用するのに便利な、パッケージ内で熱エネルギーを電気エネルギーに効果的かつ効率的に変換する完全にパッケージ化された装置が相変わらず必要とされている。廃熱を含む豊富な熱源が、容易に電源になることができる。そのような装置を使用することにより環境、コスト削減、またはこれらの両方に役立つ例として、以下のものがある。
【０００９】
（１）現在使用されている光起電力装置より高い費用効果で太陽の熱と光を電気に変換すること。
【００１０】
（２）自動車で使用されているような内燃機関によって生成された熱を有用な運動に戻すこと。ガソリン電気ハイブリッド自動車と呼ばれる今日利用されているいくつかの自動車は、電力または内燃機関のどちらも使用して運動を作り出すことができる。今日の内燃機関では、ガソリンのエネルギーの約７５％が無駄な熱に変換される。トンネル効果変換装置は、ハイブリッド自動車のエンジンからその熱エネルギーの多くを回収し、それを後で使用するためのバッテリに入れることができる。特許文献４（Ｃｏｘら）は、燃焼室からの熱を運動に変換し、またエネルギーを蓄積するか運動に変換する方法を教示している。
【００１１】
（３）大気に入れなければならない有害ガスを減少させる。よりエネルギー効率の高いハイブリッド自動車は、大気に排出される有害な排出ガスを減少させることができる分かりやすい例である。エンジンとハイブリッド・エンジンの排気熱を電気に変換し、次にその電気をハイブリッド・バッテリに蓄積するかまたは生成する装置は、さらに、ハイブリッド自動車の効率を高め、放出しなければならない有害ガスを減少させる。熱を除去する必要のある有害ガスの他の例は、冷却で使用される冷却剤であり、トンネル効果変換装置は、放出しなければならない有害ガスを減少させる可能性がある。
【００１２】
（４）入手できるときに熱エネルギーを回収し、次にそれを化学エネルギーとしてバッテリに蓄積し、次に入手できない時に再生すること。トンネル効果変換装置は、日中に太陽のエネルギーを電気に変換し、次にその電気をバッテリに蓄積することができる。夜間は、蓄積されたバッテリ電力を使用して電気を生成することができることができる。
【００１３】
（５）地熱エネルギーからの発電。熱は、地球の表面の多くの場所に存在し、地球内部深くに実質的にきわめて豊富である。効率的なトンネル効果変換装置は、このエネルギー供給を活用することができる。
【００１４】
（６）小型で静かで定置型のソリッドステート装置による冷却の生成。そのようなトンネル効果装置は、かさばる空気機械およびコンプレッサの必要性を置き換えるために空調装置または冷凍用の冷却を提供することができる。
【００１５】
（７）体温からの発電。人体は、約１００ワットの熱を生成し、この熱を、携帯電話、コードレス電話機、音楽プレーヤ、携帯情報端末および懐中電灯のような携帯型製品に役立つ電力に変換することができる。この開示に示されたような熱変換装置は、これらの携帯型製品用のバッテリを動作または充電するのに十分な電力を、身体との部分接触によって印加される熱から生成することができる。
【００１６】
（８）燃焼する燃料からの電力。薪ストーブは、何万ワットもの熱を生成する。このトンネル効果装置は、その熱から、典型的な住宅の電気機器に電力を供給するのに十分な１または２キロワットを生成する可能性がある。天然ガスや石炭などの他の燃料を燃焼させることによる類似の応用例が可能である。その場合、遠隔地域にある住宅が、現代の利便性を得るために、送電網または騒音の多い発電機に接続しなくてもよい。
【００１７】
（９）熱または温度に応じた電気的スイッチングまたは電流制限。これらの装置が、電極の温度に基づいてナノメートル・ギャップの間隔を調整するので、これらの装置は、装置に流れる電流または別の装置（場合によっては故障事象による過熱の危険がある装置）からの熱によって達する温度に応じて、回路内に流れ込む電流を遮断するまたは制限するために使用されてもよい。継電器または回路遮断器として動作するここに開示された装置は、真空筐体内に接点材料が保護されていることによりサイズがかなり小さくなるという利点と、また屋外環境に特有のアーク放電や他の損傷が発生しにくいナノメートル・ギャップを提供することによって電流を制限する能力を有する。
【００１８】
２つの平行電極を２０．０ナノメートル未満離間したギャップで配置する問題と、この発明者および他の発明者により提案された解決策は、私の以前に出願した特許文献２（ＰＣＴ／ＵＳ０７／０７７０４２）および特許文献３（ＰＣＴ／ＵＳ０９／３３６６０）と、非特許文献７に詳しく記載されている。ここで、我々は、大量生産のために低コストで製造することができ、またコンプレッサ、タービンおよび発電機に対して競争力のある価格付けができる専用の真空チャンバにより完全にパッケージ化された装置に焦点を当てる。この装置は、私の前述の特許文献２（ＰＣＴ／ＵＳ０７／０７７０４２）および特許文献３（ＰＣＴ／ＵＳ０９／３３６６０）に記載されたギャップ形成バイメタル電極設計を含む。
【００１９】
２つの導体を大きい領域全体に約１．０〜２０．０ナノメートル離間させる技術は、そのような距離よりもきわめて精度の高い多数のフィードバック制御システムを使用することにより進化してきた。制御システムは、実際の離間距離を測定してそれを所望の離間距離と比較するフィードバック手段と、次に所望の離間距離を維持するために要素を近づけるか遠ざける移動手段とを含む。フィードバック手段は、離間距離が小さくなるほど増える２つの電極間のキャパシタンスを測定することができる。これらの寸法の移動手段は、現時点での最新技術では、圧電、磁気歪または磁気歪現象により運動を生成するアクチュエータである。特許文献５（Ｔａｖｋｈｅｌｉｄｚｅら）、特許文献６（Ｔａｖｋｈｅｌｉｄｚｅら）および特許文献７（Ｔａｌｉａｓｈｖｉｌｉら）には、ひとつの表面を他の表面を使用して成形し、次にフィードバック制御システムを使用して使用前に平行度を決定することを含むような設計が記載されている。ひとつの表面を他の表面に対して成形するのに必要な細密な処理と、平行を維持するための多数のフィードバック制御システムの使用により、この設計手法は、低コストで製造することが難しい。
【００２０】
他の方法は、製造中に電極間の「犠牲層」の挿入を伴う特許文献８（Ｔａｖｋｈｅｌｉｄｚｅら）、特許文献９（Ｔａｌｉａｓｈｖｉｌｉら）、特許文献１０（Ｔａｖｋｈｅｌｉｄｚｅら）、特許文献１１（Ｔａｖｋｈｅｌｉｄｚｅら）、および特許文献１２（Ｔａｖｋｈｅｌｉｄｚｅら）に文書化されている。この場合、犠牲層は、１〜２０ナノメートルの所望の間隔に近い電極間のギャップを作成するために蒸発される。これらの３つの方法は、反りまたは電極間の熱膨張差による製造後の変動の影響を受けやすく、または特許文献１３（Ｔａｖｋｈｅｌｉｄｚｅら）と特許文献１４（Ｔａｖｋｈｅｌｉｄｚｅら）に記載されたような変動を補償するために多くのアクチュエータを必要とする。
【００２１】
所望の間隔を達成しある期間にわたって維持する別の方法は、ポールがテントを持ち上げるように柔軟な電極の間隔を保持する絶縁体スペーサを使用することによるもので、特許文献１５（Ｍａｒｔｉｎｏｖｓｋｙら）、特許文献１６（Ｗｅａｖｅｒ）、特許文献１７（Ｋｕｃｈｅｒｏｖら）、特許文献１８、特許文献１９（Ｔａｖｋｈｅｌｉｄｚｅら）、特許文献２０（Ｍａｒｔｉｎｏｖｓｋｙら）、特許文献２１（Ｗｅａｖｅｒら）、特許文献２２（Ｗｅａｖｅｒら）および特許文献２３（Ｗｅａｖｅｒ）に文書化されている。そのような絶縁体スペーサの１つの欠点は、絶縁体が熱を一方の電極から別の電極に伝え、変換処理効率が低下することである。この方法のもう１つの欠点は、柔軟な電極が、大きい静電力の存在下で時間の経過と共にスペーサの間で伸張または変形し、隙間の方にゆっくり移動し、トンネル効果または熱電子放出以外の導電を可能にすることがあることである。そのような方法によってナノメートル・ギャップを形成する問題のいくつかは、非特許文献８に要約されている。
【００２２】
電極間に所望の真空間隔を実現する別の方法は、特許文献２４（Ｔａｎｉｅｌｉａｎ）、特許文献２５（Ｔａｎｉｅｌｉａｎ）、特許文献２６（Ｔａｎｉｅｌｉａｎ）、特許文献２７（Ｔａｎｉｅｌｉａｎ）および特許文献２８（Ｔａｎｉｅｌｉａｎ）に記載されており、２つの接合されたウェハの界面に小さい空所が作成される。そのような空所は、数ナノメートルのギャップを横切る電子の熱トンネル効果を可能にするほど十分に小さい。そのようなギャップは、熱トンネル効果を支援することができるが、ギャップのまわりに望ましくない熱伝導が生じ、電極間隔の均一性の制御が難しい。
【００２３】
熱トンネル効果ギャップを実現するさらに別の方法は、特許文献２９（Ｗｅａｖｅｒ）に記載されているように、２つのウェハの対向面を接触させ、次にアクチュエータを使用してそれらのウェハを数ナノメートル引き離すことによるものである。この方法は、熱トンネル効果ギャップを作り出すことができるが、この方法は、多数のアクチュエータのコストと、ギャップ領域外のウェハ間の熱伝導とから難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】米国特許第４，３４３，９９３号明細書
【特許文献２】国際公報第２００８／０２７９２８号パンフレット
【特許文献３】国際公報第２００９／１０２７０６号パンフレット
【特許文献４】米国特許第６，６５１，７６０号明細書
【特許文献５】米国特許第６，７２０，７０４号明細書
【特許文献６】米国特許第７，２５３，５４９号明細書
【特許文献７】米国特許出願第２００７／００３３７８２号明細書
【特許文献８】米国特許第６，７７４，００３号明細書
【特許文献９】米国特許第７，１４０，１０２号明細書
【特許文献１０】米国特許出願第２００２／０１７０１７２号明細書
【特許文献１１】米国特許出願第２００６／００３８２９０号明細書
【特許文献１２】米国特許出願第２００１／００４６７４９号明細書
【特許文献１３】米国特許出願第２００５／０１８９８７１号明細書
【特許文献１４】米国特許出願第２００７／００５６６２３号明細書
【特許文献１５】米国特許第６，８７６，１２３号明細書
【特許文献１６】米国特許第７，３０５，８３９号明細書
【特許文献１７】米国特許第６，９４６，５９６号明細書
【特許文献１８】米国特許出願第２００４／００５０４１５号明細書
【特許文献１９】米国特許出願第２００６／０１９２１９６号明細書
【特許文献２０】米国特許出願第２００３／００４２８１９号明細書
【特許文献２１】米国特許出願第２００６／０２０７６４３号明細書
【特許文献２２】米国特許出願第２００７／００６９３５７号明細書
【特許文献２３】米国特許出願第２００８／００４２１６３号明細書
【特許文献２４】米国特許出願第２００４／０１９５９３４号明細書
【特許文献２５】米国特許出願第２００６／０１６２７６１号明細書
【特許文献２６】米国特許出願第２００７／００２３０７７号明細書
【特許文献２７】米国特許出願第２００７／０１３７６８７号明細書
【特許文献２８】米国特許出願第２００８／０１５５９８１号明細書
【特許文献２９】米国特許出願第２００６／００００２２６号明細書
【非特許文献】
【００２５】
【非特許文献１】Y.Hishinuna、T.H.Geballe、B.Y.MoyzhesおよびT.W.Kennyによる「Efficiency of Refrigeration using Thermotunneling and Thermionic Emission in a Vacuum: Use of Nanometer Scale Design」Applied Physics Letters, Volume 78, No.17,23 April 2001
【非特許文献２】Y.Hishinuna、T.H.Geballe、B.Y.Moyzhesによる「Vacuum Thermionic Refrigeration with a Semiconductor Heterojunction Structure」Applied Physics Letters, Volume 81, No.22,25 November 2002
【非特許文献３】Y.Hishinuma、T.H.Geballe、B.Y.MoyzhesおよびT.W.Kennyによる「Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap」Journal of Applied Physics, Volume 94, No.7,1 October 2003
【非特許文献４】G.D.Mahanによる「Thermionic Refrigeration」Journal of Applied Physics, Volume 76, No.7,1 October 1994
【非特許文献５】G.D.Mahan、J.A.SofaoおよびM.Bartkoiwakによる「Multilayer Thermionic Refrigerator」Journal of Applied Physics, Volume 83, No.9,1 May 1998
【非特許文献６】Y.Hishinuma、T.H.Geballe、B.Y.MoyzhesおよびT.W.Kenny「Measurements of Cooling by Room Temperature Thermionic Emission Across a Nanometer Gap」Journal of Applied Physics, Volume 94, No.7,1 October 2003
【非特許文献７】E T EnikovおよびT Makansiによる「Analysis of nanometer vacuum gap formation in ihermo-tunneling devices」Nanotechnology Journal, 2008
【非特許文献８】Marco Aimi、Mehmet Arik、James Bray、Thomas Gorczyca、Darryl MichaelおよびStan Weaver「Thermotunneling Based Cooling Systems for High Efficiency Buildings」General Electric Global Research Center, DOE Report Identifier DE-FC26-04NT42324,2007
【非特許文献９】H.Noro、K.SatoおよびH.Kagechikaによる「The thermoelectric properties and crystallography of Bi-Sb-Te-Se thin films grown by ion beam sputtering」Journal of Applied Physics, 73(3) 1 February 1993
【非特許文献１０】I.Yonenagaらによる「Thermal and electrical properties of Czochralski grown GeSi single crystals」Journal of Physics and Chemistry of Solids 2001
【非特許文献１１】G.Jeffrey SnyderおよびEric S.Tobererによる「Complex Thermoelectric Materials」Nature Materials, Vol.7, February 2008
【非特許文献１２】H.Choi、J.Bae、D.SohおよびS.Hongによる「Selective Epitaxial Growth of SiGe on a SOI Substrate by Using Ultra-High-Vacuum Chemical Vapor Deposition」Journal of the Korean Physical Society, Vol.48, No.4, April 2006, pp.648-652
【非特許文献１３】H.Yinらによる「Strain relaxation of SiGe islands on compliant oxide」Journal of Applied Physics, vol.91, number 12,15 June 2002
【非特許文献１４】R.DiMatteoらによる「Micron-gap ThermoPhotoVoltaics (MTPV)」Thermophotovoltaic Generation of Electricity, American Institute of Physics, 2004
【非特許文献１５】GhoshalおよびGuhaによる「Efficient Switched Thermoelectric Refrigerators for Cold Storage Applications」Journal of Electronic Materials, Vol.38, No.7,2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
この開示は、私の前述の特許文献２（ＰＣＴ／ＵＳ０７／０７７０４２）と特許文献３（ＰＣＴ／ＵＳ０９／３３６６０）に記載されたギャップ形成設計のパッケージ化、製造、およびより具体的な実施詳細の改善を提供する。ここでは、チップ・ペアを製造する新しい２つの方法と、チップ・ペアを真空パッケージに封入する３つの新しい方法が、開示される。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
この２つの新しいチップ製造方法は、先行技術の２つの限界に取り組む。一方の新しい方法は、ウェハを個別のチップにスライスする前に、蒸着した熱電薄膜をウェハレベルでアニールし研磨することを可能にする。他方の新しい方法は、単結晶または多結晶ウェハを薄くし研磨し、次に熱電層として使用することを可能にする。非特許文献９などの多くの従来の論文が、蒸着された熱電薄膜をアニールすることって導入される表面粗さについて述べている。更に、非特許文献１０などの多くの論文が、単結晶が、多結晶または非晶質形態の類似の材料よりも高い熱電性能を提供することを主張している。
【００２８】
更に、３つの新しいパッケージ設計方法はそれぞれコストと信頼性を一意にトレードオフする。第１の好ましいパッケージ設計は、各ギャップ形成チップ・ペアに個別の真空管を使用する。第２のパッケージ設計は、多数のギャップ形成チップ・ペアを単一の真空キャビティに収容することを可能にする。第３のパッケージ設計は、チップ・ペアを製造するために使用されるのと同じウェハ上に真空キャビティを作成する。
【００２９】
当業界で既知のいくつかの技術のいずれによっても、１．０ナノメートル未満の表面粗さを達成することができる。シリコンとガラスウェハが、慣例的にナノメートル以下の粗さに研磨された場合でも、金属膜の蒸着によって、核生成と結晶粒形成から付加的な粗さが生じる。この場合、この表面粗さは、（１）ＣＭＰと呼ばれる化学機械研磨などの研磨後の処理を使用して、（２）蒸着中に基板を冷却して結晶粒形成を防ぐかまたは最小にし、（３）表面を未加工ウェハの表面のような既知の平滑面に表面を押し当てることにより除去することができる。以上その他の研磨技術は、金属、半導体および他の材料上に１．０ナノメートル未満の表面粗さを達成するために当業界で容易に利用可能である。平滑面を実現するためのこれらのすべての場合において、産業界で容易に利用可能な製造装置と処理技術は、チップレベルでの滑らかさに対してウェハ全体の表面を滑らかにしようとするものである。ここで開示される方法は、チップ製造工程に含まれるウェハレベルの平滑化に重点的に取り組む。
【００３０】
開示された装置および方法の他のシステム、装置、特徴および利点は、以下の図面と詳細な説明を検討することで当業者に明らかであるかまたは明らかになる。すべての付加的なシステム、装置、特徴および利点が、この詳細な説明に含まれ、本発明の範囲内にあり、添付の特許請求の範囲によって保護される。
【００３１】
開示された装置および方法の多くの態様が、添付された図１〜図１０を参照してよりよく理解され得る。図面内の構成要素は必ずしも一律の縮尺ではなく、本発明の原理を明確に示すことに重点が置かれている。さらに、図面では、同じ参照数字は、いくつかの図面の全体にわたって対応する部分を必要としない。図面と関連して例示的な実施形態が開示されるが、この開示を本明細書に開示された実施形態に限定するものではない。これとは反対に、全ての代替物、修正物および等価物が対象として含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１ａは、１つの湾曲電極と角にガラス・ポストを有する１つの平坦電極とを有する本発明の単一の接合を示す図である。このチップ・ペアが冷却または冷凍のためにどのように利用されるかを示す。図１ｂは、１つの湾曲電極と角にガラス・ポストを有する１つの平坦電極とを有する本発明の単一の接合を示す図である。この同じチップ・ペアが、温度に応じて熱から電気への変換、電流制限または電流遮断のためにどのように利用されるかを示す図である。
【図２ａ】図１のチップ・ペアを製造する例示的な方法を示し図であり、活性熱電層は、このプロセスでウェハの形で利用可能な単結晶または他の結晶材料である。図２ａは、図２ｂに示されたチップ・ペアを実現する処理の順序を示す。
【図２ｂ】図１のチップ・ペアを製造する例示的な方法を示す図であり、活性熱電層は、このプロセスでウェハの形で利用可能な単結晶または他の結晶材料である。
【図３ａ】図１のチップ・ペアを製造する例示的な方法を示す図であり、活性熱電層が、非晶質薄膜として蒸着され、次にウェハレベルでアニールされ研磨される。図３ａは、図３ｂに示されたチップ・ペアを実現する処理の順序を示す。
【図３ｂ】図１のチップ・ペアを製造する例示的な方法を示す図であり、活性熱電層が、非晶質薄膜として蒸着され、次にウェハレベルでアニールされ研磨される。
【図４ａ】図１、図２または図３のチップ・ペアが、円筒状のガラス壁および金属の上部と下部を有する真空チャンバにどのように封入されかを示す図である。図４ａは、図４ｂに示された完成品を実現するために、以上およびその他の部分がどのように積み重ねられるか示す。
【図４ｂ】図１、図２または図３のチップ・ペアが、円筒状のガラス壁および金属の上部と下部を有する真空チャンバにどのように封入されかを示す図である。
【図５ａ】ギャップ形成を可能にしたまま２つのチップをチップ・ペアで保持するのに必要なばね力を提供するために、図４ｂのスタックに追加されるばねの３つのサンプル設計を示す図である。このばねは、熱が中央から周囲に流れるように設計され、この設計は、ギャップ形成に必要な柔軟性を維持しながら熱伝導と電気伝導を最大にする。
【図５ｂ】ギャップ形成を可能にしたまま２つのチップをチップ・ペアで保持するのに必要なばね力を提供するために、図４ｂのスタックに追加されるばねの３つのサンプル設計を示す図である。このばねは、熱が中央から周囲に流れるように設計され、この設計は、ギャップ形成に必要な柔軟性を維持しながら熱伝導と電気伝導を最大にする。
【図５ｃ】ギャップ形成を可能にしたまま２つのチップをチップ・ペアで保持するのに必要なばね力を提供するために、図４ｂのスタックに追加されるばねの３つのサンプル設計を示す図である。このばねは、熱が中央から周囲に流れるように設計され、この設計は、ギャップ形成に必要な柔軟性を維持しながら熱伝導と電気伝導を最大にする。
【図６ａ】図４ｂの複数の装置をどのように一緒かつ同時に製造し、またひとつのパッケージを近傍のパッケージに結合する直列または並列電気接続をどのように提供するかを示す図である。
【図６ｂｃ】図６ｂは、図４ｂの複数の装置をどのように一緒かつ同時に製造し、またひとつのパッケージを近傍のパッケージに結合する直列または並列電気接続をどのように提供するかを示す図である。図６ｃは、図４ｂの複数の装置をどのように一緒かつ同時に製造し、またひとつのパッケージを近傍のパッケージに結合する直列または並列電気接続をどのように提供するかを示す図である。
【図７】図７ａは、図１ａ、図１ｂ、図２ａ、図２ｂ、図３ａまたは図３ｂに示されたような多数のチップ・ペアを１つの真空キャビティに封入し、個々の部品の数量と取り扱いを少なくする別の方法を示す図である。図７ａは、真空キャビティの上部、下部および壁を示す。図７ｂは、図１ａ、図１ｂ、図２ａ、図２ｂ、図３ａまたは図３ｂに示されたような多数のチップ・ペアを１つの真空キャビティに封入し、個々の部品の数量と取り扱いを少なくする別の方法を示す図である。図７ｂは、チップ・ペアがキャビティ内にどのように取り付けられているかを示す。
【図８ａ】チップ・ペアを製造するために使用される同一ウェハ上に真空パッケージを製造する方法を示す図である。図４ｂと図７ｂのようなガラス壁に使用される個別の部品の代わりに、個々のチップ・ペア用のガラス壁が、１つのウェハ上に蒸着され、他のウェハに接合される。
【図８ｂ】チップ・ペアを製造するために使用される同一ウェハ上に真空パッケージを製造する方法を示す図である。図４ｂと図７ｂのようなガラス壁に使用される個別の部品の代わりに、個々のチップ・ペア用のガラス壁が、１つのウェハ上に蒸着され、他のウェハに接合される。
【図９ａ】本発明により製造された装置の業界標準の性能指数ＺＴで測定された熱電性能を示す図である。図９ａは、ギャップが形成されたときのｐ型装置のＺＴが上昇する様子を示す図である。
【図９ｂ】本発明により製造された装置の業界標準の性能指数ＺＴで測定された熱電性能を示す図である。図９ｂは、ギャップが形成されたときのｎ型装置のＺＴが上昇する様子を示す図である。
【図１０】熱電層の代わりに金属層を有する本発明で述べるように製造された装置の電流と電圧の挙動の関係を示す図である。示された電流電圧挙動が、パワー・エレクトロニクス産業で使用される他の装置の電流制限およびリセット可能ヒューズ挙動と類似している。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
いくつかの図面全体に類似の参照数字が類似の要素を指す図面を更に具体的に参照し、本開示の装置と方法の例示的実施形態が、いくつかの図面に示される。
【００３４】
図１ａでは、一方が湾曲し他方が実質的に平坦な２つの電極が示されている。１片の単結晶シリコン１００が基板として働き、この基板は、上から下への電導性を実現するために０．００１〜０．０１Ωｃｍのレベルに高濃度にドープされる。限定ではなく、基板１００には、炭化ケイ素、ゲルマニウム、ガリウムひ素、およびコバールのような低熱膨張合金などの、他の金属または半導体を使用することができる。シリコン基板１００の両側の金属層１０１および１０２は、電流を分散させる働きをし、この電流がシリコン基板１００の領域全体に流れることを可能にし、それにより各基板の上から下への電流の流れの抵抗が減少する。上側基板の上部の金属層１０１は、基板１００上の他方の金属層１０２より厚いか、または横方向に大きく、またはより高温で蒸着または他の方法で接着されるか、これらの組み合わせである。最も内側の層１０３は、熱電的に活性な材料である。金属層１０１をシリコン基板１００に蒸着または他の方法により高温で接着させると、湾曲した上側電極が形成される。１対の層１００および１０１が蒸着または接着後に室温まで冷えるとき、金属１０１の熱収縮がシリコン１００よりも大きいので、機械的応力が生じ、図示された湾曲形状となる。この湾曲は、両方の横寸法で起こり、湾曲形状がドームになるが、図１ａと図１ｂは断面図だけを示す。限定ではなく、微細加工または内部真空キャビティの引っ張り力など、湾曲面を達成する他の手段が含まれる。
【００３５】
動作において、図１ａと図１ｂの２つの電極は、互いに押し合うように付勢されたばねであり、この図の装置は、真空チャンバ内に配置されている。図１ａに示されたように装置を冷却のために活動化するために、線１１０を介して最上金属層１０１と最下金属層１０２の間に電圧１０９が印加される。この電圧によって熱電活性層１０３に電流が流れ、この電流は、熱を、材料１０３がｐ型の場合には電流と同じ方向に、材料１０３がｎ型材料の場合には電流と逆方向に移動させる。
【００３６】
好ましい実施形態の熱電材料１０３は、テルル化ビスマスＢｉ2Ｔｅ3またはその合金派生物である。限定なしに、Ｂｉ2Ｔｅ3の代わりに、他のまたはより複雑な熱電材料を使用してもよい。この発明の特徴は、ナノメートル・ギャップが、高温側から低温側への熱伝導を減少させ、それにより装置の性能が、先行技術のような特別な材料にあまり依存しなくなることである。複雑な熱電材料の一例は、超格子であり、超格子は、複数のきわめて薄い膜からなる熱電薄膜であり、それらの膜の境界が、格子熱伝導を減少させる。複雑な熱電材料の他の例には、クラスレートとカルコゲニドが挙げられる。複雑な熱電材料の総合的な検討は、非特許文献１１に提供される。大きいかより大きい格子熱伝導率を有する材料を含めることにより、本発明の装置の候補材料の空間を拡大することができる。これらの新しい材料の可能性は、多くの理由のために重要である。低い格子熱伝導率を有する周期表の元素は、比較的大きい原子量を有するものである。比較的大きい原子量を有する半導体と金属は、（１）毒性、（２）放射能、（３）高コスト、（４）天然または人工形態の希少性、および／または（５）高温に耐えることができないことを含む望ましくない特性を有する。例えば、毒性は、従来の熱電材料の主な問題である。従来の装置に使用されているテルルとアンチモンと類似の元素とは有毒である。シリコンとゲルマニウムは、無毒で豊富にある低コストの半導体である。しかしながら、シリコンとゲルマニウムは、それらの格子熱伝導率がテルルとアンチモンの数倍高いので、従来の熱電装置には使用されない。シリコンとゲルマニウムは、格子熱伝導が真空ギャップによって最小にされるので、図１ａと図１ｂの実施形態ではちょうどうまく動作する。
【００３７】
また、熱電装置を発電で使用するために、熱電装置を高温で動作させることが好ましい。熱力学の法則では、エンジン内の温度デルタが高いほどエンジンの効率が高い。高効率の発電機を維持するには１０００ケルビンに近いきわめて高い温度が必要とされ、これらの温度は、石炭、ガスまたは原子力エネルギーによって燃料供給される発電所エンジンに日常的に使用されている。熱電装置は、既存の発電所と競合するために、これらの同じ温度を保持する必要がある。ビスマス、テルルおよびアンチモンはそれぞれ、５４４Ｋ、７２３Ｋおよび９０４Ｋの融点を有する。これらの低い融点のため、従来の熱電装置の動作温度は、５００Ｋに制限されていた。装置の高温側が５００Ｋであり、低温側が、室温すなわち３００Ｋまで冷却される場合、理論的な最高効率は、４０％であり、これは無限のＺＴを想定している。しかしながら、シリコンとゲルマニウムは、１６８３Ｋと１２１１Ｋの融点を有し、従って、熱力学的効率で既存の発電所と競合するのに必要な最高１０００Ｋの温度を保持することができる。シリコンゲルマニウムの熱電性能の詳細は、非特許文献１０を参照されたい。そのような材料の表面挙動の詳細は、非特許文献１２と、非特許文献１３を参照されたい。
【００３８】
図１ｂに示されたような発電用装置を活動化するために、熱源１１１が、下側電極に適用され、上側電極と下側電極の間に温度勾配が生じ、この勾配によって、上側電極と下側電極の間にゼーベック電圧と呼ばれる電圧１１２が生じる。高温側から低温側への熱伝導が最小の物理的支持を提供するために、基板の各角に絶縁体セパレータ１０８が配置される。好ましい実施形態では、これらのセパレータは、二酸化ケイ素で作成される。図１ａと図１ｂにおけるセパレータ１０８の高さは、上側電極の温度が上昇したときに、シリコンと金属の熱膨張差によって上側電極が平らになり、角のセパレータが支持体になるので、最終的に中央にギャップができるように選択される。
【００３９】
図１ａと図１ｂに示された本発明の最も内側の熱電層１０３の中央部分は、本発明の特徴である１つの独特な例外を除き、従来の熱電装置と類似している。標準の熱電装置では、中央部分の活性層１０３は、上から下まで連続的になる。本発明の装置では、活性層１０３は、数ナノメートル以下のギャップで中断される。このギャップは、ギャップのない先行技術の材料と同じように、電子がトンネルして熱を移動させるのに十分に短い。また、ギャップは、フォノンの流れ、すなわち格子振動を防ぐのに十分に大きく、それにより熱伝導が減少し、性能と効率が高まる。
【００４０】
本発明の別の利点は、ある範囲の温度で動作できることである。従来の熱電装置では、Ｂｉ2Ｔｅ3および類似の材料は、低温で使用され（格子熱伝導率が低いが融点が低い）、ＳｉＧｅなどの他の材料は、より高温で使用される（格子熱伝導率が高いが融点が高い）。本発明は、図１ａと図１ｂに示された真空ギャップによって格子熱伝導がある程度または完全になくなるので、ＳｉＧｅなどの材料を全範囲の温度で使用することができる。
【００４１】
熱電装置は一般に可逆的であり、これは、装置に電流が流れると冷却が行われ、逆に片側に熱が加えられると電圧が生じることを意味する。本発明の装置も可逆的であり、図１ａと図１ｂは、２つの動作モードのそれぞれの好ましい構成を示す。図１ａは、冷却のための好ましい構成を示し、図１ｂは、熱による発電の好ましい構成を示す。
【００４２】
図１ａでは、厚い銅の層を有する湾曲したバイメタル電極１１３は高温側である。電圧源１０９は、線１１０を介して装置の上と下に電圧を供給する。この電圧は、装置の中心の熱電材料を通る電流の流れを生成し、この電流の流れは、熱電材料がｎ型であると仮定すると、下側電極から上側電極に熱を移動させる。限定ではなく、印加電圧１０９を逆にすることによって電流が逆に流れる類似の図を作成することができ、ｐ型の材料の場合に、熱は、やはり下側電極から上側電極に流れる。
【００４３】
図１ａの装置が遮断されたとき、電圧１０９はゼロであり、２つの電極の間に中央接点が存在する。電流の流れは、上側電極に熱を移動させ、その温度を上昇させる。この温度の上昇によって、上側電極が平らになって最終的に中心にギャップができ、上側電極はこのとき、支持のために角セパレータ１０８を使用する。角セパレータ１０８は、微小移動を容易にし且つ摩擦の影響を少なくするために、セパレータの上面もしくは接面１１３上またはこれらの両方に蒸着されたダイヤモンド状炭素膜（ＤＬＣ）などの潤滑膜を有してもよい。中央のギャップは、均衡値に達するまでサイズが大きくなる。外乱によってギャップが均衡値より大きくなる場合は、ギャップが２つの電極間の回路を遮断するので、流れる電流が減少する。電流が減少するということは、上側電極に移動する熱が減少するということであり、上側電極の温度が低下し、平衡状態に復帰するまで、下側電極の方に湾曲が戻る。これと反対に、外乱によってギャップがその均衡値より小さくなると、流れる電流が多くなり、上側電極の温度が上昇し、上側電極が、平衡状態に戻るまで下側電極から離れるように曲がる。
【００４４】
図１ａの装置は、活性層１０３を熱電性材料に選択することによって、ペルチェ効果とも呼ばれる熱電冷却方法に応用することができる。限定なしに、テルル化ビスマス、アンチモン・テルル化ビスマス、テルル化鉛、シリコンゲルマニウム、および他の多くの材料が、熱電効果を示すことが知られている。図１ａの装置に適用される熱電方法の場合は、ギャップが無障壁でもよく、これは、ギャップを越えるために電子が平均エネルギーより高いエネルギーを必要ないことを意味する。熱電材料１０３のバンドギャップの量子障壁は、熱の移動を可能にするより高いエネルギー電子を既にフィルタリングしている。したがって、この場合、２つの活性層１０３間のナノメートル・ギャップは、単に、格子熱伝導を遮断するだけでよい。また、図１ａの装置は、活性層１０３を低仕事関数材料であるように選択することによって、熱トンネル効果冷却方法にも応用することができる。低仕事関数材料の例は、セシウム、バリウム、ストロンチウムおよびそれらの酸化物である。層１０３は、単分子層、サブ単分子層、多数単分子層、または蒸着膜の形態をとってもよい。図１ａの装置に熱トンネル効果方法が適用される場合、ギャップ長は、より高いエネルギー電子だけが越えることができる障壁を導入する。熱トンネル効果の応用例において、ナノメートル・ギャップは、電子をフィルタリングする量子障壁としても格子熱伝導の遮断としても働く。
【００４５】
図１ｂの発電の好ましい構成では、湾曲したバイメタル電極が低温側であることに注意されたい。熱は、熱源１１１からの板状電極に印加される。例えば太陽光集中応用例では、動作中に熱源の温度が変化する可能性があるので、ギャップをその最適値から変化させない側に熱を印加することが望ましい。熱電装置に典型的なものとして、熱源１１１は、熱電性材料内に温度勾配を作り出し、これにより、電力１１２を必要とする電気回路または蓄電装置に線１１０を介して印加することができる電圧が生じる。
【００４６】
熱源１１１で熱が加えられないとき、２つの電極の間に中央接点が存在する。熱源が作動したとき、その熱の一部が中央接点を通って流れ、上側電極１１３の温度が上昇する。温度が上昇すると、上側電極１１３が平らになり、最終的に、上側電極が角セパレータ１０８の上に乗っているので、中央にギャップができる。冷却の場合と同じように、平衡状態のギャップが形成される。外乱によってギャップが平衡状態より大きくなると、ギャップを通る熱が減少するので上側電極が冷え、それにより、上側電極１１３が下側電極の方に曲がり、平衡状態に復帰する。外乱によってギャップが平衡状態より小さくなると、中央の熱伝導が増えることにより上側電極の温度が高くなり、それにより平衡状態のギャップに戻るまで曲がって中央が離れる。
【００４７】
図１ｂの装置は、活性層材料１０３が熱電性材料であるように選択することによって、ゼーベック効果とも呼ばれる熱電発電効果に応用されてもよい。この場合も、限定ではなく、ペルチェ効果を示す前述の同じ材料が、ゼーベック効果も示す。図１ｂの装置は、また、活性層１０３が低仕事関数材料であるように選択することによって、熱トンネル効果発電に応用されてもよい。限定なしに、熱トンネル効果冷却に有効な材料と同じ材料が、熱トンネル効果発電にも有効である。図１ｂの装置は、下側活性層材料１０３を光電子放出性（photo-emissive）であるように選択し、上側層１０３を光電性（photosensitive）であるように選択することによって、熱光電法（thermo-photovoltaic method）に応用されてもよい。光電放出材料は、熱の印加に応じて光子を放射する。光電材料は、光子を受け取ると電気を生成する。また、光子は、図１ｂに示されたものなどの真空ギャップを通り抜けることができて、それにより、熱的分離を維持したまま熱が電気に変換される。光子トンネリングに必要なギャップの長さは、一般に、波長よりはるかに小さい。可視光の場合、波長が４００〜７００ナノメートルであり、したがって、有効な光子トンネリングに十分なギャップ長はわずか１ｎｍ〜２００ｎｍである。限定なしで、光電放出材料の例は、タングステンとチタンである。また、限定なしで、光電材料の例には、シリコン、ゲルマニウム、テルル、カドミウムおよびこれらの組み合わせなどの光起電力材料がある。熱光電法の概要は、非特許文献１４を参照されたい。
【００４８】
図１ａと図１ｂに示された装置は、電気的スイッチングに利用されてもよい。この場合、活性層１０３は、劣化なしに多数サイクルの接触と開放を許容できる良導体になる。この目的に使用される材料例は金であるが、限定なしに、金と錫、金とインジウム、金と銀、黄銅などの他の金属および合金も使用することができる。
【００４９】
図１ｂの装置は、電源と電気負荷の間に電気的に直列に配置されてもよい。負荷の故障による過剰電流の流れは、装置内の電極を加熱し、中央にギャップを生じさせる。この場合、このギャップは、過熱もしくは破損又は過熱と破損の組み合わせを防ぐ安全レベルに電流を制限するのに役立つ。この実施形態では、装置は、リセット可能ヒューズとして働いている。このヒューズの従来の先行技術のヒューズより優れた１つの利点は、本発明の装置が、故障が修理された後で完全に回復し、従来のヒューズが燃え尽きたときのような交換が必要ないことである。
【００５０】
同様に、図１ｂの装置の熱源は、装置の電気的遮断をトリガすることができ、それにより回路遮断器として働く。熱源は、温度過昇状態が起きたときにそれ自体の電源を遮断する加熱要素でよい。熱源は、炎、煙または他の危険な高温状況の存在でもよく、装置は電力を遮断するか警報に論理信号を提供する。
【００５１】
限定ではなく、図１ａと図１ｂの装置は、他の実施形態では、リセット可能ヒューズ、回路遮断器、温度過昇保護装置の同等機能を提供するように構成されてもよく、または単に真空チャンバ内に保護された電気接点を備えた大電流開閉器として構成されてもよい。更に、図１ａと図１ｂの装置は、継電器と同等機能を提供してもよく、継電器は、装置に取り付けられた加熱要素に電力を提供することによってトリガされる。
【００５２】
図１ｂの装置は、また、熱スイッチングを提供するか熱ダイオードとして機能してもよい。熱源１１１の温度が上昇しギャップが形成されたときに、装置の下から上への伝熱量が変化する。熱スイッチングは、ストーブ、炉、太陽熱温水器、その他多数のものの温度の調整に用途を有する。更に、この種の熱スイッチングは、高温側からの熱が低温側に逆流する前に低温側を切断することによって従来の熱電装置の効率を高める熱ダイオードとして働くように提案されている。非特許文献１５を参照されたい。
【００５３】
図２ａは、図１に示されたチップ・ペアを作成する１つの方法を示す。本発明のナノメートル・ギャップの特徴は、シリコン、ゲルマニウムおよびシリコンゲルマニウムなどの他の半導体材料の使用を可能にし、またこれらの半導体が、円形ウェハの形で容易に入手可能なので、図２ａの方法は、そのようなウェハが、図１の熱電層１０３の材料としてどのように使用されるかを示す。図２ａの方法のその他の目的は、半導体および微小電気機械（ＭＥＭ）産業で容易に入手可能な標準的な設備と処理を使用することである。
【００５４】
図２ａの基板ウェハ２０１は、図１のチップ基板１００の材料を提供し、このウェハは、電気抵抗を少なくするために固有抵抗０．００１Ω−ｃｍに高濃度にドープされている。図２ａの別のウェハ２０３は、図１の熱電層１０３のための材料を提供する。熱電材料が、ウェハ２０３の材料と異なる材料であることが望ましい場合、この事例では、結晶層２０２は、キャリア・ウェハになるウェハ２０３上にエピタキシャル（ＥＰＩ）層として成長されてもよい。限定ではなく、ＥＰＩ層は、結晶シリコンゲルマニウム層、金属・有機物化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）を使用して成長された結晶テルル化ビスマス層、または基板ウェハ２０１上に成長させることができる他の結晶層でよい。必要に応じて、熱電層になる材料２０２または２０３のどちらかが、固有抵抗と型（ｎまたはｐ）の両方に関して最良にドープされてもよい。内部金属２０４および２０５は、図１の層１０２によって示された目的のために、図２ａの２つのウェハ２０１および２０３の表面に付着される。また、これらの金属層２０４および２０５は、その表面が、ウェハ２０１とウェハ２０３の金属間ウェハ接合を容易にする最終層で被覆される。この金属被覆は、ＭＥＭ産業で一般的な金と金の圧縮結合を達成するために金にでもよい。または、金属被覆は、この産業で一般的な共晶結合を達成するために金とインジウムまたは他の合金でもよい。限定なしで、他の金属間ウェハ接合技術も可能である。ウェハ２０１および２０３が、内部金属によって接合された後で、ウェハ２０３の外側面は、ＥＰＩ層まで適切な熱電層になるように所望の厚さまで研磨される。本発明にとってギャップ接面が滑らかでなければならないので、ウェハ２０３の外側面は、原子レベルで平滑になるまで研磨される。ここで、熱電層が作成され、基礎となる金属が存在する。個別のダイを画定しウェハのソーカットを提供するために、ダイシング・ストリート２０７がパターン形成されエッチングされる。例えば、シリコンをリアクティブイオンエッチングでエッチングし、次にフォトリソグラフィによって画定されたように金属を湿式または乾式処理でエッチングすることにより、これらのダイシング・ストリート２０７を製造することができる。限定なしで、ダイシング・ストリート２０７を遂行するために他の方法を使用してもよい。ウェハのギャップ対抗面が作成された後で、裏側金属２１０が付着され、ダイシング・ストリート２０８がパターン形成されエッチングされる。図２ａのそのような裏側金属２１０は、湾曲したバイメタル・ダイを有するウェハ２１１を実現するために高温で蒸着される。同様に、平坦なダイを作成するウェハ２１２を実現するために、裏側金属が室温で蒸着されてもよい。最後に、セパレータ２０９は、ウェハ２１２の各ダイの角に、限定なしで二酸化ケイ素または他の材料として蒸着される。次に、これらのウェハ２１１および２１２は、図２ｂに示されたダイ・ペアを作成するためにスライスされ、ダイ・ペアは、図１に示されたように配置されてもよい。
【００５５】
図２ａのウェハ２１１および２１２のギャップ対向面、またはこれらのウェハからスライスされた同等のダイのギャップ対向面は、本発明に関して述べたように有効に機能するために、いくつかの表面処理を必要とすることがある。例えば、熱電層がシリコンまたはシリコンゲルマニウムの場合、これらの材料は、空気にさらされたときにきわめて素早く酸化する。しかしながら、５ｎｍの金などのパッシベーション層を付着させると、この望ましくない酸化が防止される。きわめて薄い金属層は、厚さが材料中を移動する電子の平均自由行程より小さいときには、装置の熱電性能に影響を及ぼさないと考えられる。別のパッシベーション層は、表面をフッ化水素の液体または蒸気にさらすことによって得られ、このフッ化水素は、存在する酸化物を除去する働きをし、また次にチップ・ペアを真空チャンバ内に密閉することを可能にする時間期間の再酸化を防ぐ水素原子の単分子層を提供する。場合によって、基礎となるシリコンまたはシリコンゲルマニウム層と類似のキャリア濃度を有するパッシベーション層を使用し、また酸化物や他の表面反応物を防ぐことが望ましいことがある。テルル化ビスマス型の合金または類似の材料の薄い５ｎｍの層は、望ましいキャリア濃度を有し、表面反応に耐えることが知られている。限定なしに他のパッシベーション層が使用されてもよい。
【００５６】
図３ａは、熱電層が蒸着され、結晶になるようにアニールされ、次にアニール中に生じる凹凸を除去するように研磨される場合の類似のプロセス・フローを示す。この方法では、熱電層が、金属面上に形成される。蒸着されたテルル化ビスマスは、多結晶が複数の配向になるのでアニールされたときに凹凸になり、一部分が表面から突出することが知られている。非特許文献９を参照されたい。
【００５７】
この場合も、図３ａに示された方法に使用される基板としてシリコンウェハが使用される。ギャップ型の膜スタック３０２は、蒸着され、限定なしに、金属層、チタンなどの接着層、および最終熱電層３０３を含むことができる。限定なしに、熱電層は、ビスマス、テルル、アンチモン、セレン、鉛、またはこれらの任意の組み合わせ、または場合によっては高熱伝導率を有するものを含む望ましい熱電特性を有することが知られた他の半導体材料でよい。次に、ウェハ全体が、好ましくは不活性ガスを含む加熱チャンバに入れられ、長時間熱処理することによってアニールされる。テルル化物合金の熱処理温度は、一般に、摂氏２００〜３００度である。熱処理によって、膜が非晶質から多結晶に変化し、また層３０３の表面が凹凸になる。方法の次の工程は、化学機械平坦化（ＣＭＰ）を使用してウェハの熱電面を研磨することである。表面が滑らかになった後で、ダイシング・ストリート３０４が、パターン形成されエッチングされてもよい。次に、そのようなギャップ側の膜を有する得られたウェハを使用して、二酸化ケイ素セパレータを有する湾曲したバイメタル構造または平坦構造を作成してもよい。バイメタル・ダイが、ウェハ３０７から切断され、裏側金属が高温で蒸着される。平坦なダイが、ウェハ３０８から切断され、裏側金属が室温で付着され、各ダイの角に二酸化ケイ素セパレータが蒸着される。次に、図３ｂの上側のダイを作成するために、バイメタル・ウェハ３０７がスライスされる。次に、図３ｂの下側のダイを作成するために、平坦なウェハ３０８がスライスされる。酸化を防ぐために表面処理が必要な場合がある。次に、図３Ｂからのチップは、図１に示されたように配置されてもよい。
【００５８】
図４ａと図４ｂは、図１ａ、図１ｂ、図２ｂまたは図３ｂのチップ・ペアが小さい真空パッケージ内に収容されている様子を示す。蓋４０１は、上部と下部を提供し、必要に応じて壁４０７と一致した熱膨張率の材料で作成される。電気と熱が上部と下部を通って流れ、従って、蓋４０１は、好ましくは金属からなる。壁４０７は、高温側と低温側を分離し、従って二酸化ケイ素またはガラスからなること好ましい。蓋４０１に使用される金属がコバールの場合、蓋とガラスは、類似の熱膨張率を有し、温度勾配と熱サイクルによってパッケージが壊れるのを防ぐ。銅スプレッダ４０３が、チップ４０５および４０６を蓋４０１に電気的かつ熱的に接続する。限定なしに、はんだ、金属接着剤、または他の適切な接続材料４０２が、チップと蓋を接続する。真空シール材料４０６は、金属とガラスを真空気密シールで封止し、限定ではなく、ガラス・フリット、金インジウム、または他の適切な材料からなってもよい。図４ｂに、完全に組み立てられた後のパッケージ化されたチップ・ペアが示される。
【００５９】
前述したように、図１ａ、図１ｂ、図２ｂおよび図３ｂのチップ・ペアは、押し合わされて中央で接触するのにある程度の引力を必要とし、湾曲したダイのバイメタルの力が、この力に抗して作用して中央にギャップを形成することができる。この引力は、図４ｂのパッケージ化された装置の真空圧力によって提供されてもよく、この力を提供するために蓋がわずかに内側に変形する。この手法は、場合によって、必要な力を提供することもあり、個別の力機構を必要することもある。例えば、真空力は、大気圧と高度とともに変化する。また、超高感度カメラのような装置のいくつかの用途では、この装置が別の真空チャンバ内にあることが好ましい場合があり、その場合には、引力は利用できない。個別の独立したばね力が、望ましいかまたは必要な場合、図５ａ〜図５ｃは、使用される可能性のある３つの異なるタイプのばねを示す。ばねは、適切な引力を提供する他に、電気伝導と熱伝導の要件を満たさなければならない。好ましい材料は、銅または銀であり、その理由は、これらの金属が、電気と熱の両方に最も高い伝導性を有するからである。コストのトレードオフを行わなければならない場合は、アルミニウムなどの他の材料が使用されてもよい。限定ではなく、ばねは、他の金属や金属の合金で作成されてもよい。図５ａ〜図５ｃの例示的なばねにおいて、図４ａの銅スプレッダ４０３は、はんだまたは銀接着剤でばねの中央に取り付けられ、ばねの周囲は、やはりはんだまたは銀接着剤で蓋に取り付けられる。他の実施形態では、ばねは、銅スプレッダの代わりになることがある。図５ａのばねの例５０１は、熱が流れることができる領域を最大にしながら柔軟性を高めるために１つの波形と多くの放射状スリットを有する。図５ｂのばねの例５０２は、波形のない類似の設計であり、垂直方向の形成が不要なので製造が比較的容易である。図５ｃのばねの例５０３は、柔軟性をさらに高める螺旋状のスリットを有する。限定なしに、本発明に他の多くのばね設計と材料が適している可能性がある。
【００６０】
図６ａ〜図６ｃは、大量生産とカスタム化を容易にするために図４ｂの装置の配列６０３を同時に組み立て電気的に接続する方法を示す。蓋４０１の配列が、タブ６０１によって接続される。一番下の蓋の配列に、ガラス管の配列が取り付けられる。次に、銅スプレッダ、チップ・ペアおよび接着剤を含む図４ａに示された他の物品が、電子組み立て産業で一般的なピック・アンド・プレース機械を使用して、ガラス管の内部に積層される。次に、上の蓋の配列が、真空チャンバ内のガラス管に封止される。真空チャンバから取り除かれて、各パッケージは、内部に真空圧力を保持する。この配列のサイズと形状は、シリコンウェハの直径と一致するように選択されてもよく、従って、ＳＵＳＳ  Ｍｉｃｒｏｔｅｃによって製造されたような標準的な真空ウェハ接合機械を使用することができる。次に、タブ６０１を切断線６０２に沿って切断することにより、大きい配列６０３からカスタム・サイズ６０４のより小さい配列を容易に切断することができる。最終的に、より小さい配列６０４で得られ、上と下の蓋はすべて、タブによって隣接した蓋に電気的に接続される。最後に、個別の装置の直列電気接続に必要のないタブが切断され、また線６０６および６０７が、最初と最後の電気接続に取り付けられて、特定の製品仕様または特定の顧客の要件を満たす最終製品６０５が作成される。
【００６１】
図４ａ〜図４ｂと図６ａ〜図６ｃのパッケージ方法は、各ダイ・ペアの個別の真空パッケージを必要とする。そのような組み立ては、多くの作業と多くの小部品の取り扱いを伴う。図７ａ〜図７ｂに示されたような別のパッケージは、多数のチップ・ペアを１つの真空筐体に収容することを可能にする。酸化アルミニウムや窒化アルミニウムなどの真空適合材料で作成された回路基板７０１および７０４は、チップ・ペア４０４および４０５を電気的に直列接続する銅クラッド・トレース７０６を有する。端接続７０５は、冷却の場合は電源または発電の場合は電気負荷に接続するためにパッケージの外側に配置される。ガラス・フレーム７０２が、２つの面を分離し、フレームの幅全体の熱的分離を提供する。上７０１と下７０４の回路基板とガラス・フレーム７０２の間の封止材料は、この場合も、ガラス・フリット、金インジウム合金、または真空に適合する他の適切な封止材でよい。
【００６２】
図８ａ〜図８ｂに、必要な部品の取り扱いがさらに少ないパッケージ方法を示す。これらの図で、シリコンウェハ８０１および８０２は、図８ｂの個別パッケージ８０３および８０４の上と下になる。真空パッケージの図８ａのガラス壁８０７は、ガラス・セパレータとウェハのギャップ側の他のフィーチャとに沿って蒸着される。ここで、ガラス壁は、水平部材であるが、この場合もガラス・フリットや類似の封止材８０５を使用して上側基板に接合される。ウェハソーでのチップのスライスに耐えるようなウェハ８０１と８０２の十分な剛性を提供するために、ガラス壁層８０７の前に犠牲層８０８が蒸着される。ウェハ８０１および８０２が、真空接合線８０５に沿って接合された後、パッケージ化されたダイ・ペアの配列全体が、図８ｂに示された構造を得るようにスライスされてもよい。これらの個別のパッケージは、今日産業界で使用されるテルル化ビスマスペレットと同じように取り扱われ組み立てられてもよい。この手法の別の利点は、様々なダイ・ペアが、性能または不良に基づいて分離されグループ化されてもよいことである。図７ａ〜図７ｂの手法は、ダイ・ペアのうちの１つが不良の場合に性能の妥協または全体の破棄を必要とする。
【００６３】
図３ｂの寸法と仕様に従ってチップ・ペアを製造した。次に、このチップ・ペアを、ベルジャー真空チャンバ内で２つのばね電極の間に取り付けた。真空圧力は、０．０５  ｍＴｏｒｒであった。電圧を印加し、この電圧を徐々に上昇させた。小さい熱電対を各チップに同様に取り付けて、各電極の温度を測定した。２つの温度、電圧および電流の読み出し値から、業界標準の性能指数ＺＴを計算した。ＺＴが高いほど効率が高い。図９ａ〜図９ｂに、ＺＴと屈曲側の温度の２つのグラフを示す。図９ａは、ｐ型装置の測定されたＺＴを示し、図９ｂは、ｎ型装置の測定されたＺＴを示す。ギャップを作り出す屈曲チップの温度が高いほどＺＴが大きくなることは明からである。図９ａのｐ型装置の場合、装置の支配的挙動が、熱電的なものから熱トンネル効果的なものに移行するので、熱電層のｐ型挙動は、最終的に、ナノメートル真空ギャップのｎ型挙動によって劣化する。
【００６４】
熱電層の代わりに金の層を使用したということ以外図３ｂの寸法と仕様に従って別のチップ・ペアを製造した。次に、そこのチップ・ペアを、ベルジャー真空チャンバ内で２つのばね電極の間に取り付けた。電圧を印加し、この電圧を徐々に高めた。図１０は、このチップ・ペアの電流と印加電圧の関係（ＩＶ曲線）のグラフを示す。電流は、ギャップができるまで増え、次にギャップが電子流の障壁になり、抵抗が増大し、ＩＶ曲線が横ばいになる。ＩＶ曲線の形は、Tyco Electronicsによって製造されたPolyswitchファミリの装置のような電流制限とリセット可能ヒューズである。従って、本発明のギャップ形成装置を使用して、そのような装置を作成することができる。
【００６５】
低電圧と大電流が、熱電接合の特性を決定するので、ほとんどの熱電モジュールは、内部で接合を直列接続する。多くの直列接続された接合を有することによって、利用可能な供給または負荷電圧が、個別の接合電圧の合計とよく一致することができる。これらの直列接続は、熱が、ｐ型接合では電流と共に流れ、ｎ型接合では電流と反対に流れることを意味する。
【００６６】
この装置と方法の前述の実施形態、詳細には「好ましい」実施形態は、単に、可能な実施態様の例であり、また本発明の原理を明確に理解するための単なる説明であることに注意されたい。本明細書で述べたトンネル効果および自動位置決め電極装置の多くの様々な実施形態が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく設計されかつ／または製造されてもよい。そのような修正と変形はすべて、本開示の範囲内で本明細書に含まれ、かつ添付の特許請求の範囲によって保護される。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲に示された点を除き、限定されない。
【符号の説明】
【００６７】
１００  シリコン基板
１０１，１０２  金属層
１０３  熱電材料
１０８  セパレータ
１１０  線
１１１  熱源
１１３  上側電極
【図１】
2012514856.tif 000003
【図２ａ】
2012514856.tif 000004
【図２ｂ】
2012514856.tif 000005
【図３ａ】
2012514856.tif 000006
【図３ｂ】
2012514856.tif 000007
【図４ａ】
2012514856.tif 000008
【図４ｂ】
2012514856.tif 000009
【図５ａ】
2012514856.tif 000010
【図５ｂ】
2012514856.tif 000011
【図５ｃ】
2012514856.tif 000012
【図６ａ】
2012514856.tif 000013
【図６ｂｃ】
2012514856.tif 000014
【図７】
2012514856.tif 000015
【図８ａ】
2012514856.tif 000016
【図８ｂ】
2012514856.tif 000017
【図９ａ】
2012514856.tif 000018
【図９ｂ】
2012514856.tif 000019
【図１０】
2012514856.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成23年7月4日(2011.7.4)
【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】
対向面を有する第１と第２の電極または電極組立体を含む装置であって、（１）前記第１の電極または電極組立体が、湾曲面と、その曲率を変更する機構とを有し、（２）前記湾曲面の中央部分が、最初に、他方の電極の対向面と接触しており、（３）曲率を変更する前記機構が、前記接触を除去し前記接触をギャップと置き換える装置。
【請求項２】
前記ギャップ距離が、高仕事関数を有する表面からの無障壁電子トンネル効果を可能にする１．０ナノメートル未満であり、または前記ギャップ距離が、低仕事関数を有する電極面からの電子熱トンネル効果を可能にする１．０〜１０．０ナノメートルであり、または前記ギャップ距離が、光子トンネル効果を可能にする１．０〜２００ナノメートルである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記ギャップ距離が、温度により変化し、それにより前記ギャップを通る前記電流の流れが安全レベルに制限される、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
（ａ）前記温度が、一方または両方の電極の電流もしくは電圧または電流と電圧による内部加熱によって決定され、それにより電流制限器またはリセット可能ヒューズとして動作し、
（ｂ）前記温度が、外部熱源によって決定され、前記ギャップが、前記外部熱源に送られる電力を開放するまたは制限し、それにより温度過昇センサ、保護装置または回路遮断器として動作し、
（ｃ）前記温度が、外部熱源によって決定され、前記ギャップが、ある設定温度で開き、別の設定温度で閉じ、それにより継電器として動作する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
（ａ）テルル化ビスマス、アンチモン・テルル化ビスマス、テルル化鉛、シリコンゲルマニウム、タリウム、クラスレート、カルコゲニド、および交互層の超格子から選択された半導体材料、好ましくは熱電材料が、前記電極の対向面上に蒸着され、
（ｂ）前記低仕事関数の面が、セシウム、バリウム、ストロンチウム、およびこれらのいずれかの酸化物から成る群から選択され。（ｃ）前記電極の一方が光電性であり、他方が光電子放出性であり、（ｉ）前記光電材料が、好ましくは光起電力材料であり、好ましくはシリコン、ゲルマニウム、テルル、カドミウム、およびこれらの組み合わせまたは混合物から選択され、（ｉｉ）前記光電放出材料が、好ましくはタングステン、チタンおよびこれらの混合物から選択される特徴のうちのいずれかによって特徴付けられた、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記湾曲面が、前記計画された動作温度と異なる温度で異なる熱膨張率を有する２つの層を接合することによって形成された、請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
（ａ）１つの層が、好ましくはシリコン、ゲルマニウム、炭化ケイ素およびガリウムひ素から成る群から選択された単結晶半導体であり、他方が、金属または合金であり、
（ｂ）１つの層が、低熱膨張合金であり、他方が、高熱膨張金属または合金であり、
（ｃ）２つの電極を支持するために、トンネル効果および接触領域の外側に、好ましくはガラスまたは他の低熱伝導材料から形成されたセパレータを有し、
（ｄ）ある高い温度で前記２つの電極を支持して、前記接触をなくすがトンネル効果を許容し、別の高い温度ですべての電子流をなくすセパレータを有し、（ｉ）前記第１の高い温度が、ペルチェ効果伝熱、電気抵抗、光子吸収、またはこれらの組み合わせによって生成され、または（ｉｉ）前記高い温度が、前記接触領域がなくなる前に前記接触領域内の熱伝導によって生じ、前記熱源から生じる前記熱が、ゼーベック効果、熱トンネル効果、熱光起電効果、または温度過昇環境から電気を生成し、
（ｅ）ダイヤモンド状炭素皮膜などの潤滑層がある状態またはない状態で蒸着されるセパレータを有し、
（ｆ）前記金属対向面に蒸着されたセパレータを有し、
（ｇ）前記１対の電極が真空筐体内に収容され、前記真空筐体が、好ましくは壁としてガラス管と２つの金属蓋とを有し、一方の電極が、各蓋に電気的且つ熱的に接続され、さらに任意選択で、第１の電極を第２の電極に押し付ける予圧力を提供するばねを有し、前記真空筐体が、好ましくは蓋の２つの配列で作成され、前記配列の一方が前記筐体の上部用で、前記配列の他方が前記筐体の下部用であり、各配列の蓋が、隣接している蓋に電気的に接続され、前記電気接続のいくつかが、必要に応じて、所望の１組の電気接続を達成するために後で除去され、残りの電気接続が、必要に応じて、熱電集合を促進するために個々の装置の直列接続になる特徴のうちのいずれかによって特徴付けられた、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
１組の電極が、共通基板上に積層され、対応する対向電極が、別の共通基板上に積層された、請求項１乃至６いずれかに記載の複数の装置。
【請求項９】
前記半導体層が、２つのウェハを接合し、次に前記半導体層になるように一方のウェハを薄化し平滑化することによって達成され、（ｉ）前記ウェハは、好ましくは、圧着、陽極接合、または共晶接合によって接合され、（ｉｉ）エピタキシャル層、好ましくはｎ型またはｐ型熱電動作するようにドープされたシリコン−ゲルマニウムが、一方のウェハ上に成長され、次に前記薄化と平滑化が、前記成長された層以外のすべての層を除去する、請求項２または３に記載の装置。
【請求項１０】
前記表面が、パッシベーションのために、好ましくは金、白金の薄層、または好ましくはフッ化水素にさらすことにより形成された水素単分子層により処理された、請求項１乃至８のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
（ａ）１つのウェハまたは前記エピタキシャル層が、シリコン、またはビスマス、アンチモン、テルル、セレン、鉛、インジウムひ素、亜鉛、ゲルマニウム、銀もしくはこれらの任意の組み合わせの結晶合金であり、
（ｂ）前記パッシベーション層が、好ましくはビスマス、テルル、アンチモン、セレンまたはこれらの任意の組み合わせからなる薄い蒸着熱電薄膜であり、前記薄い熱電薄膜が、必要に応じてアニールされる、請求項８または９の装置。
【請求項１２】
前記熱電層が、ウェハ上に蒸着され、次に前記ウェハが、アニールされ研磨される、請求項５に記載の装置。
【請求項１３】
（ａ）前記得られた蒸着層、薄化層、およびエピタキシャル層またはこれらの任意の組み合わせが、前記ウェハの個々のチップへの切断を容易にするために垂直線でパターン形成されエッチングされ、
（ｂ）前記セパレータが、前記蒸着層、薄化層、またはエピタキシャル半導体層もしくはパッシベーション層上に形成され、前記セパレータが、好ましくはガラスから形成され、前記ガラスには、好ましくは二酸化ケイ素が蒸着され、次にフォトリソグラフィまたは他の方法によってパターン形成される特徴のうちのいずれかによって特徴付けられた、請求項８乃至１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
真空筐体内にある、請求項７に記載の装置。
【請求項１５】
フレームを含み、一方の基板が、前記フレームの前記内周囲に接合され封止され、前記対向基板が、前記フレームの前記外周囲に接合され封止され、
（ａ）前記フレームが、好ましくは、低熱伝導率を有する材料から形成され、前記フレーム材料が、好ましくはガラスまたはガラス・フリットから形成され、前記ガラスまたはガラス・フリット組成物が、その熱膨脹率を基板材料のものと一致させるように不純物によって変質された特徴と、
（ｂ）前記接合と封止が、真空チャンバ内で行われ、前記チャンバから取り出されたときに前記装置の前記内部が排気され、好ましくは前記ガラス・フレームと前記真空シールが、一体であり、前記基板の一方の上に蒸着され、必要に応じて、２つの電極間の熱伝導を減少させるために後で除去される犠牲層を有し、蒸着されたガラス・フレームが、好ましくは、各対の電極上に形成された特徴と、
（ｃ）前記接合および封止材料が、ガラス・フリットである特徴と、
（ｄ）前記接合と封止が、陽極である特徴と、
（ｅ）前記接合と封止が、圧縮によって形成された特徴とのうちのいずれかによって特徴付けられた、請求項８乃至１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
ゲッターをさらに含み、前記ゲッターが、好ましくは、チタン、セシウム、バリウム、カリウム、ナトリウム、およびこれらの２つ以上の組み合わせからなる群から選択される、請求項７乃至１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
請求項１乃至１５のいずれかに記載の装置に温度差を与える段階を含む、熱を電気エネルギーに変換する方法。
【請求項１８】
（ａ）前記熱源が、放射線源、環境からの熱、地熱エネルギー、エンジンもしくは動物代謝、好ましくは人間の生体から生成された熱、電気、蒸気もしくは内燃機関、燃焼燃料、またはこれらの排出ガスからの熱、または内燃機関またはその排出ガスからの熱から選択され、前記装置は、ヒートシンクとして前記機関またはガス排出管路に組み込まれ、
（ｂ）前記装置が、自然に生じる温度で動作し、
（ｃ）前記装置が、冷凍装置、空気調和装置、冷却用ブランケット、冷却用衣類、電子回路冷却装置、または人間または動物の体内と接触されたかまたは内部に収容された冷却装置に使用される特徴のうちのいずれかによって特徴付けられた、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１乃至１７のいずれかに記載の装置の複合ユニットを含む装置であって、前記電極が、周期的間隔の複数の層で配列され、前記複合ユニットが、好ましくは直列または並列に組み立てられた装置。
【国際調査報告】
2012514856.tif 000021
2012514856.tif 000022