JP5644888B2 - Thermoelectric generator - Google Patents
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Description
本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子発電素子に関する。 The present invention relates to a thermoelectric power generation element that converts thermal energy into electrical energy.
従来より、高温の電極表面から熱電子が放出される現象を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電子発電素子が例えば特許文献１で提案されている。この熱電子発電素子では高効率な発電を実現するために、電極間の距離をナノメートルオーダー程度に短くしてトンネル現象を利用して熱電子放出効率を向上することが検討されている。
Conventionally, for example,
しかし、このような微小な間隔で電極間を保持することは困難であり、機械加工による方法では加工精度上の限界の寸法である。このため、電極間隔を維持するために点接触の絶縁体を電極間に保持する方法（特許文献２、特許文献３）や、電極の表面を櫛歯状に作製して先端部に絶縁層を設ける方法（特許文献４、特許文献５）が提案されている。
However, it is difficult to maintain the gap between the electrodes at such a small interval, and the machining method has a limit on the processing accuracy. For this reason, in order to maintain the electrode interval, a method of holding a point contact insulator between the electrodes (
また、特許文献１にも、半導体作製技術を用いて狭い電極間隔を均一に作製し、絶縁スペーサーを経由する電極間の最短距離を電極間隔より長くして熱損失を低減させる方法が提案されている。このように、電極間隔を維持する方法としてスペーサーを用いる方法は、半導体プロセスを使用して微細加工を行っているので非常に狭い電極間隔を達成できる。さらに、電極間隔の制御および信頼性共に非常に有利であり、安価に作製できる。
しかしながら、電極間隔を維持する方法としてスペーサーを用いる方法では、スペーサーの数が増えるとスペーサー全体の表面積が増え、スペーサーの表面抵抗が減ることからスペーサーの表面を電流がリークしやすくなってしまう。 However, in the method of using spacers as a method for maintaining the electrode interval, the surface area of the spacers increases as the number of spacers increases, and the surface resistance of the spacers decreases, so that current tends to leak from the spacer surfaces.
また、絶縁スペーサーを経由する電極間の最短距離を電極間隔より長くするために電極の面積を小さくして絶縁スペーサーと電極との距離を確保しなければならない。このため、単位面積当たりの電極の面積が狭くなり、単位面積当たりの熱電子発電素子の出力が低くなってしまう。 Further, in order to make the shortest distance between the electrodes via the insulating spacer longer than the electrode interval, the area of the electrode must be reduced to ensure the distance between the insulating spacer and the electrode. For this reason, the area of the electrode per unit area becomes narrow, and the output of the thermionic power generation element per unit area becomes low.
本発明は上記点に鑑み、電極間の電流のリークを低減すると共に、単位面積当たりの出力を確保することができる熱電子発電素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a thermionic power generation element capable of reducing current leakage between electrodes and ensuring output per unit area.
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、熱源からの熱が加わることによって熱電子を熱電子放出面（１ａ）から放出するエミッタ電極（１）と、エミッタ電極（１）の熱電子放出面（１ａ）から放出された熱電子を、対向面（２ａ）を介して移動させるコレクタ電極（２）と、エミッタ電極（１）とコレクタ電極（２）とで挟まれた絶縁層（１５）と、一面（１３ａ）を有する基板（１３）と、を備えている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, an emitter electrode (1) that emits thermoelectrons from a thermionic emission surface (1a) when heat from a heat source is applied, and an emitter electrode (1). An insulating layer sandwiched between a collector electrode (2) for moving the thermoelectrons emitted from the thermionic emission surface (1a) through the opposing surface (2a), and the emitter electrode (1) and the collector electrode (2) (15) and a substrate (13) having one surface (13a).
そして、熱電子放出面（１ａ）と対向面（２ａ）とが同一平面（１４ａ）に位置するようにエミッタ電極（１）と絶縁層（１５）とコレクタ電極（２）が積層された積層構造体（１４）が構成されている。 A laminated structure in which the emitter electrode (1), the insulating layer (15), and the collector electrode (2) are laminated so that the thermionic emission surface (1a) and the opposing surface (2a) are located on the same plane (14a). A body (14) is constructed.
そして、一方の積層構造体（１４）の同一平面（１４ａ）と他方の積層構造体（１４）の同一平面（１４ａ）とが対向配置されると共に、同一平面（１４ａ）が一面（１３ａ）に対して垂直に配置されるように、一方の積層構造体（１４）と他方の積層構造体とが同一の基板（１３）上に配置されていることを特徴とする。 And the same plane (14a) of one laminated structure (14) and the same plane (14a) of the other laminated structure (14) are arranged facing each other, and the same plane (14a) is on one surface (13a). One laminated structure (14) and the other laminated structure are arranged on the same substrate (13) so as to be arranged perpendicularly to the substrate.
これによると、スペーサーを用いることなく同一の基板（１３）の一面（１３ａ）において一方の積層構造体（１４）と他方の積層構造体とが対向配置され、各同一平面（１４ａ）にギャップが形成されているので、スペーサーを介した電流のリークはない。したがって、エミッタ電極（１）とコレクタ電極（２）との間での電流リークを低減することができる。 According to this, one laminated structure (14) and the other laminated structure are arranged to face each other on one surface (13a) of the same substrate (13) without using a spacer, and there is a gap in each identical plane (14a). Because it is formed, there is no current leakage through the spacer. Therefore, current leakage between the emitter electrode (1) and the collector electrode (2) can be reduced.
また、基板（１３）の一面（１３ａ）に対して積層構造体（１４）が立てられているため、基板（１３）の一面（１３ａ）の面積よりも広い同一平面（１４ａ）の面積を実現することができる。したがって、基板（１３）の一面（１３ａ）における単位面積当たりの熱電子発電素子の出力を確保することができる。 Moreover, since the laminated structure (14) is erected with respect to one surface (13a) of the substrate (13), an area of the same plane (14a) wider than the area of the one surface (13a) of the substrate (13) is realized. can do. Therefore, the output of the thermoelectron generator per unit area on one surface (13a) of the substrate (13) can be ensured.
請求項２に記載の発明では、エミッタ電極（１）およびコレクタ電極（２）は、半導体不純物が添加された半導体材料によりそれぞれ構成されており、エミッタ電極（１）を構成する半導体材料に添加された半導体不純物のドーパント濃度が、コレクタ電極（２）を構成する半導体材料に添加された半導体不純物のドーパント濃度よりも濃いことを特徴とする。
In the invention according to
これにより、コレクタ電極（２）から放出される熱電子の数をエミッタ電極（１）から放出される熱電子の数よりも少なくすることができる。このため、エミッタ電極（１）の温度に対してコレクタ電極（２）の温度を下げることと同等の効果を得ることができる。したがって、コレクタ電極（２）の温度をエミッタ電極（１）の温度よりも低くしなくても、コレクタ電極（２）のバックエミッションを抑制することができ、ひいては熱電子発電素子の発電効率を向上させることができる。 Thereby, the number of thermoelectrons emitted from the collector electrode (2) can be made smaller than the number of thermoelectrons emitted from the emitter electrode (1). For this reason, an effect equivalent to lowering the temperature of the collector electrode (2) with respect to the temperature of the emitter electrode (1) can be obtained. Therefore, even if the temperature of the collector electrode (2) is not lower than the temperature of the emitter electrode (1), the back emission of the collector electrode (2) can be suppressed, and the power generation efficiency of the thermionic power generation element is improved. Can be made.
請求項３に記載の発明では、エミッタ電極（１）を構成する半導体材料およびコレクタ電極（２）を構成する半導体材料は、それぞれダイヤモンドであることを特徴とする。すなわち、ダイヤモンドは負性電子親和力を持った材料であり、金属に比べて低温での発電効率を高めることができる。
The invention according to
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下に説明する実施形態において、第５実施形態が本発明の実施形態であり、第１乃至第４実施形態は本発明に関連する別発明の実施形態である。また、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the embodiments described below, the fifth embodiment is an embodiment of the present invention, and the first to fourth embodiments are embodiments of another invention related to the present invention. In the following embodiments, the same or equivalent parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。以下で示される熱電子発電素子は、互いに対向配置された一対の電極間を移動する熱電子を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The thermoelectric power generation element shown below converts thermal energy into electrical energy using thermoelectrons that move between a pair of electrodes arranged opposite to each other.
図１は、本実施形態に係る熱電子発電素子の概念図である。この図に示されるように、熱電子発電素子は、互いに対向配置されたエミッタ電極１およびコレクタ電極２からなる一対の電極によって構成され、エミッタ電極１とコレクタ電極２との間を移動する熱電子を利用して、これらの間に接続された負荷３に対して電力を供給する。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a thermionic power generation element according to the present embodiment. As shown in this figure, the thermoelectron power generation element is constituted by a pair of electrodes composed of an
エミッタ電極１として高濃度ドープＮ型ダイヤモンド半導体が用いられ、コレクタ電極２として低濃度ドープＮ型ダイヤモンド半導体が用いられる。エミッタ電極１を加熱して得られる熱電子からの電流（Ｊｅ）は数１で得られる。
A highly doped N-type diamond semiconductor is used as the
とドーパント濃度に依存する。このためエミッタ電極１として高濃度ドープ半導体を用い、コレクタ電極２として低濃度ドープ半導体を用いると、コレクタ電極２からの熱電子放出が抑制され発電効率が向上する。
数１において、Ａはリチャードソン定数、ｎｅはエミッタ電極１のドーパント濃度、Ｔは電極温度、ｅは基本電荷、ｋはボルツマン係数である。また、φＥはエミッタ電極１を構成する半導体材料（つまりダイヤモンド半導体）の仕事関数である。
In
さらに、従来の熱電子発電素子ではコレクタ電極２の温度をエミッタ電極１の温度よりも低くしないと発電せず、コレクタ電極２とエミッタ電極１の温度差が小さくなると発電効率が低くなるという欠点があった。エミッタ電極１として高濃度ドープ半導体、コレクタ電極２として低濃度ダイヤモンド半導体を用いると電極間の温度差がなくとも発電が可能となりコレクタ電極２を冷却する必要がなくなる。
Further, in the conventional thermoelectron power generation element, the
エミッタ電極１とコレクタ電極２の温度が同じ場合、仕事関数が小さいほうが励起される熱電子が多くなる。しかしながら仕事関数が小さな電極から仕事関数が大きな電極に熱電子が到達するためには仕事関数差のエネルギーを超える必要がある。このため励起された電子はエミッタ電極１からコレクタ電極２への数とコレクタ電極２からエミッタ電極１への数が同じとなり発電はしない。
When the temperatures of the
したがって、エミッタ電極１に高濃度ドープ半導体、コレクタ電極２として低濃度ドープ半導体を用いる。コレクタ電極２のドープ濃度をエミッタ電極１よりも薄くしたためコレクタ電極２からエミッタ電極１へ到達する熱電子の量が少なくなり、エミッタ電極１とコレクタ電極２の温度が同じになっても発電が可能となる。
Therefore, a heavily doped semiconductor is used for the
次に、具体的な熱電子発電素子の構成について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は熱電子発電素子の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 Next, a specific configuration of the thermoelectric generator will be described with reference to FIG. Fig.2 (a) is a top view of a thermoelectric power generation element, FIG.2 (b) is AA sectional drawing of Fig.2 (a).
図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、熱電子発電素子は、絶縁基板４と、上述のエミッタ電極１およびコレクタ電極２と、電極５と、を備えて構成されている。このような構成の熱電子発電素子が図示しない真空室に配置されている。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the thermoelectric power generation element is configured to include an insulating
絶縁基板４は例えばＳｉＯ２やガラス等で構成された単一の基板である。絶縁基板４は一面４ａを有している。
The insulating
エミッタ電極１は、熱源からの熱が加わることによって熱電子を放出する熱電子放出面１ａを備えている。コレクタ電極２は、エミッタ電極１に対して一定間隔離間して配置され、エミッタ電極１から放出された熱電子を受け取る対向面２ａを備えている。熱電子放出面１ａと対向面２ａとの間隔は例えば５０μｍ以下であり、１０μｍ以下が好ましい。
The
絶縁基板４の一面４ａを基準としたエミッタ電極１およびコレクタ電極２の高さは例えば１００μｍである。また、エミッタ電極１およびコレクタ電極２の厚みすなわち絶縁基板４の一面４ａの面方向におけるエミッタ電極１およびコレクタ電極２の幅は例えば１０μｍである。そして、図２（ａ）に示されるように、エミッタ電極１とコレクタ電極２はそれぞれ棒状に平行にレイアウトされている。
The height of the
なお、「エミッタ電極１の厚み」とは絶縁基板４の一面４ａの面方向におけるエミッタ電極１の幅であるが、これは熱電子放出面１ａを基準として熱電子放出面１ａに垂直方向のエミッタ電極１の厚みであると言える。同様に、「コレクタ電極２の厚み」とは絶縁基板４の一面４ａの面方向におけるコレクタ電極２の幅であるが、これは対向面２ａを基準として対向面２ａに垂直方向のコレクタ電極２の厚みであると言える。
The “thickness of the
ここで、エミッタ電極１の熱電子放出面１ａとコレクタ電極２の対向面２ａとの間隔が、エミッタ電極１の厚みおよびコレクタ電極２の厚みよりも狭いことが好ましい。これにより、素子の集積度が向上し、ひいては高効率な発電が可能となる。
Here, the distance between the
絶縁基板４の一面４ａにおいて例えば３０μｍ×３０μｍの一定面積に熱電子発電素子を配置することを考える。従来は絶縁基板４の一面４ａに各電極を積層する横型の構造であるので、各電極の対向面積は３０μｍ×３０μｍの範囲内であった。しかし、本実施形態では絶縁基板４の一面４ａに各電極１、２が立てられた縦型の構造になっているので、熱電子発電素子が占有する基板面積が従来と同じでありながら、各電極１、２を高く形成することで各電極１、２の対向面積を広くとることができる。したがって、絶縁基板４の一面４ａの単位面積当たりの各電極１、２の対向面積を従来の横型よりも広くすることができるので、熱電子発電素子の出力を確保できると共に従来の横型構造よりも大きな出力を得ることができる。
Consider placing the thermoelectron generator on a fixed area of, for example, 30 μm × 30 μm on one
エミッタ電極１の熱電子放出面１ａとコレクタ電極２の対向面２ａとが対向配置されている。このような配置により、エミッタ電極１の熱電子放出面１ａから放出された熱電子（図２（ｂ）の「ｅ」）が対向面２ａを介してコレクタ電極２に移動する。
The
また、上述のように、エミッタ電極１およびコレクタ電極２は半導体不純物が添加された半導体材料によりそれぞれ構成されている。半導体材料はダイヤモンドである。そして、エミッタ電極１を構成する半導体材料に添加された半導体不純物のドーパント濃度が、コレクタ電極２を構成する半導体材料に添加された半導体不純物のドーパント濃度よりも濃くなっている。
Further, as described above, the
例えば、エミッタ電極１のドーパント濃度は例えば１×１０２０（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）であり、コレクタ電極２のドーパント濃度は例えば１×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）である。このように、エミッタ電極１のドーパント濃度がコレクタ電極２のドーパント濃度の１０倍になっている。励起される熱電子を多くして発電効率を高めるためには、エミッタ電極１のドーパント濃度を１×１０１９（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）以上とすることが望ましい。エミッタ電極１およびコレクタ電極２に添加する半導体不純物としては、例えば、Ｎ（窒素）、Ｐ（燐）、Ａｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｓ（硫黄）等が用いられる。
For example, the dopant concentration of the
なお、ダイヤモンド半導体に添加される半導体不純物に応じて、エミッタ電極１とコレクタ電極２とがＮ型とＮ型、Ｎ型とＰ型（Ｐ型とＮ型）、Ｐ型とＰ型の導電型の各組み合わせが可能となる。Ｎ型とＰ型（Ｐ型とＮ型）やＰ型とＰ型の各組み合わせの場合、エミッタ電極１およびコレクタ電極２を高温で加熱する必要があるので、Ｎ型とＮ型の組み合わせが好ましい。
Depending on the semiconductor impurities added to the diamond semiconductor, the
そして、エミッタ電極１およびコレクタ電極２は、熱電子放出面１ａおよび対向面２ａが一面４ａに対して垂直に配置されるように、同一の絶縁基板４上に配置されている。ここで、エミッタ電極１およびコレクタ電極２は、絶縁基板４に互いに接触すると共に、絶縁基板４によって互いに電気的に絶縁されている。
The
電極５は、Ｗ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、Ｍｏ（モリブデン）等の高融点金属で形成されている。電極５は、エミッタ電極１やコレクタ電極２の上にそれぞれ形成されている。
The
以上が、熱電子発電素子の具体的な構成である。続いて、この熱電子発電素子の製造方法について、図３を参照して説明する。なお、図３は断面図である。 The above is the specific configuration of the thermoelectric generator. Then, the manufacturing method of this thermoelectric power generation element is demonstrated with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view.
まず、図３（ａ）に示す工程では、ＳｉＯ２等の絶縁基板４を用意し、この絶縁基板４の一面４ａにＮ＋型ダイヤモンド半導体膜６を成膜する。Ｎ＋型ダイヤモンド半導体膜６の形成は、例えばＣＶＤ法やスパッタ法にて行われ、マイクロ波プラズマＣＶＤ、ＲＦプラズマＣＶＤ、ＤＣプラズマＣＶＤ、ＲＦプラズマスパッタ、ＤＣプラズマスパッタなどにより行われる。ダイヤモンドは、単結晶と多結晶のいずれであっても構わない。
First, in the step shown in FIG. 3A, an insulating
図３（ｂ）に示す工程では、Ｎ＋型ダイヤモンド半導体膜６を所定のパターンに形成する。本実施形態では、エミッタ電極１は図２（ａ）のようにストライプ状の平面レイアウトであるので、ストライプ状の平面レイアウトとなるようにＮ＋型ダイヤモンド半導体膜６をパターニングする。このとき、ドライエッチングによる垂直加工が望ましい。
In the step shown in FIG. 3B, the N + type
図３（ｃ）に示す工程では、絶縁基板４の一面４ａのうちＮ＋型ダイヤモンド半導体膜６が除去された部分にＮ−型ダイヤモンド半導体膜７を成膜する。成膜方法は図３（ａ）に示す工程と同じである。Ｎ−型ダイヤモンド半導体膜７を成膜した後、Ｎ−型ダイヤモンド半導体膜７の表面を機械的手法または化学的手法により平坦化する。
In the step shown in FIG. 3C, an N − type
なお、Ｎ−型ダイヤモンド半導体膜７の成膜時に選択成長を行い、絶縁基板４の一面４ａ上のみにＮ−型ダイヤモンド半導体膜７を成膜させても良い。
Alternatively, the N − type
図３（ｄ）に示す工程では、ドライエッチング（トレンチエッチング）により所定の間隔にエミッタ電極１とコレクタ電極２とを分離する。この場合、Ｎ＋型ダイヤモンド半導体膜６とＮ−型ダイヤモンド半導体膜７との界面８を含むようにトレンチエッチングを行うと、Ｎ＋型ダイヤモンド半導体膜６とＮ−型ダイヤモンド半導体膜７とを交互に配置させることができる。トレンチエッチング後のＮ＋型ダイヤモンド半導体膜６がエミッタ電極１となり、Ｎ−型ダイヤモンド半導体膜７がコレクタ電極２となる。半導体プロセスを用いたドライエッチングは１μｍ程度の狭ギャップで深さ１００μｍ程度の溝加工が可能であり、素子の集積化に有効である。
In the step shown in FIG. 3D, the
この後、エミッタ電極１およびコレクタ電極２の上に電極５をそれぞれ形成することで図２に示す熱電子発電素子が完成する。図２では一対のエミッタ電極１およびコレクタ電極２が示されているが、実使用の場合、エミッタ電極１およびコレクタ電極２の対が複数直列接続される。また、エミッタ電極１およびコレクタ電極２を真空封止する。こうして、熱電子発電素子が完成する。
Thereafter, the
次に、上記構成の熱電子発電素子の作動について説明する。上述のように、熱電子発電素子は、電極表面から熱電子が放出される現象を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。具体的には、外部の熱源から熱がエミッタ電極１に加わると、熱電子がエミッタ電極１であるダイヤモンド半導体のフェルミ準位から伝導帯に励起される。ダイヤモンド半導体の伝導帯は負性親和力であるため真空準位より高く、伝導帯に励起された熱電子は障壁なく真空中へ飛び出す。
Next, the operation of the thermoelectric generator having the above configuration will be described. As described above, the thermoelectric power generation element converts thermal energy into electrical energy using a phenomenon in which thermoelectrons are emitted from the electrode surface. Specifically, when heat is applied to the
また、エミッタ電極１とコレクタ電極２との間は真空であり、距離が短く形成されているので、熱電子はエミッタ電極１の表面（つまり熱電子放出面１ａ）からコレクタ電極２の表面（つまり対向面２ａ）まで移動することができる。コレクタ電極２に移動した熱電子は、負荷３を介してエミッタ電極１に戻ることができる。これにより、熱電子発電素子は負荷３に対して電力を供給することができる。
Also, since the space between the
そして、エミッタ電極１とコレクタ電極２はそれぞれが単体で真空中に存在しているわけではなく、絶縁基板４の一面４ａに接触して保持されている。このため、この絶縁基板４の一面４ａを介してエミッタ電極１からコレクタ電極２に電流がリークする可能性がある。ここで、従来のようにエミッタ電極１とコレクタ電極２との間にスペーサーを配置した場合、スペーサーの表面がリーク電流の経路となる。もちろん、スペーサーが１つでは両電極１、２の間隔を保持できないので、スペーサーを多数用いている。したがって、リーク電流が流れる領域はスペーサーの数に比例して増加する。
The
一方、本実施形態では、スペーサーを用いることなく単一の絶縁基板４によってエミッタ電極１の熱電子放出面１ａとコレクタ電極２の対向面２ａとのギャップが形成されているので、スペーサーを介した電流のリークはない。また、リーク電流が流れるとしても、リーク電流は図２（ａ）に示される絶縁基板４の一面４ａのうちエミッタ電極１とコレクタ電極２との間の領域のみにしか流れない。したがって、エミッタ電極１とコレクタ電極２との間での電流リークを低減することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the gap between the
以上説明したように、本実施形態では、エミッタ電極１の熱電子放出面１ａとコレクタ電極２の対向面２ａとが絶縁基板４の一面４ａに対して垂直に配置されるように、エミッタ電極１およびコレクタ電極２が同一の絶縁基板４に保持されていることが特徴となっている。
As described above, in this embodiment, the
これにより、スペーサーを用いずにエミッタ電極１とコレクタ電極２とを対向配置させることができるので、スペーサーを介する電流のリークを無くすことができる。また、電流のリークがあったとしても、絶縁基板４の一面４ａのうち両電極１、２間の領域にしかリーク電流は流れない。したがって、エミッタ電極１とコレクタ電極２との間での電流リークを低減することができる。
As a result, the
また、絶縁基板４の一面４ａに対して垂直に各電極１、２が立てられているため、絶縁基板４の一面４ａにおける熱電子発電素子の占有面積を拡大することなく熱電子発電素子の出力を確保することができる。そして、各電極１、２の電極間隔と電極高さの比（アスペクト比）を高くできるので、より大きな出力を得ることができる。
Further, since the
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、絶縁基板４が特許請求の範囲の「絶縁体」に対応する。
For the correspondence between the description of the present embodiment and the description of the claims, the insulating
（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図４は、本実施形態に係る熱電子発電素子の平面レイアウトを示した図である。この図に示されるように、エミッタ電極１およびコレクタ電極２は、それぞれ櫛歯状にレイアウトされている。そして、エミッタ電極１間にコレクタ電極２が配置され、コレクタ電極２間にエミッタ電極１が配置されている。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, parts different from the first embodiment will be described. FIG. 4 is a diagram showing a planar layout of the thermoelectric generator according to this embodiment. As shown in this figure, the
このようなレイアウト構成によると、エミッタ電極１のうちコレクタ電極２と対向する面が全て熱電子放出面１ａとなる。また、コレクタ電極２のうちエミッタ電極１と対向する面が全て対向面２ａとなる。すなわち、エミッタ電極１およびコレクタ電極２が櫛歯状にレイアウトされていないもの（例えば図２（ａ））に対して、単一のエミッタ電極１において熱電子放出面１ａの面積を増加させることができ、単一のコレクタ電極２において対向面２ａの面積を増加させることができる。
According to such a layout configuration, the entire surface of the
さらに、負荷３との電気的接続を担う電極５は各電極１、２に１つ設けるだけで良い。このため、一対のエミッタ電極１およびコレクタ電極２を所定の数だけ電気的に接続する構造に比べて電気的接続構造を簡素化できる。
Furthermore, only one
（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図５（ａ）は本実施形態に係る熱電子発電素子の平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
(Third embodiment)
In the present embodiment, parts different from the first and second embodiments will be described. Fig.5 (a) is a top view of the thermoelectric power generation element which concerns on this embodiment, FIG.5 (b) is BB sectional drawing of Fig.5 (a).
図５（ａ）および図５（ｂ）に示されるように、本実施形態に係る熱電子発電素子は、上述のエミッタ電極１およびコレクタ電極２と、電極５と、を備えている他、さらに導電層９と、ＳｉＯ２層１０と、Ｓｉ基板１１と、を備えている。
As shown in FIG. 5A and FIG. 5B, the thermoelectric generator according to this embodiment includes the above-described
Ｓｉ基板１１の上にＳｉＯ２層１０が形成されており、ＳｉＯ２層１０の一面１０ａに導電層９が形成されている。導電層９はエミッタ電極１とコレクタ電極２にそれぞれ対応して設けられている。各導電層９は物理的にも電気的にも分離されている。導電層９として例えばＳｉが採用されている。
A SiO 2 layer 10 is formed on the
そして、一方の導電層９の上にエミッタ電極１と取り出し用の電極５とが形成されている。また、他方の導電層９の上にコレクタ電極２と取り出し用の電極５とが形成されている。
An
このような構造は、Ｓｉ基板１１上にＳｉＯ２層１０を形成し、さらにＳｉＯ２層１０の一面１０ａに導電層９を形成する。そして、第１実施形態と同様に、導電層９の上にエミッタ電極１とコレクタ電極２を形成し、さらに導電層９をパターニングすることでエミッタ電極１用の導電層９とコレクタ電極２用の導電層９を形成する。そして、最後に電極５を形成する。
In such a structure, the SiO 2 layer 10 is formed on the
以上のように、取り出し用の電極５を導電層９上に設けることにより、電極５のコンタクト抵抗を下げることができる。
As described above, the contact resistance of the
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、Ｓｉ基板１１およびＳｉＯ２層１０で構成されるもの、またはＳｉＯ２層１０そのものが特許請求の範囲の「基板」に対応する。また、ＳｉＯ２層１０の一面１０ａが特許請求の範囲の「一面」に対応する。
In addition, regarding the correspondence between the description of the present embodiment and the description of the scope of claims, the structure constituted by the
（第４実施形態）
本実施形態では、第３実施形態と異なる部分について説明する。図６は、本実施形態に係る熱電子発電素子の断面図であり、図５（ａ）のＢ−Ｂ断面に相当する図である。図６に示されるように、本実施形態ではＳｉ基板１１ではなく導電性基板１２が用いられている。導電性基板１２としては金属材料が採用される。このように、土台となる基板として導電性基板１２を採用することもできる。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, parts different from the third embodiment will be described. FIG. 6 is a cross-sectional view of the thermoelectric generator according to this embodiment, and corresponds to a cross section taken along the line BB in FIG. As shown in FIG. 6, in this embodiment, a
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、導電性基板１２およびＳｉＯ２層１０で構成されるものが特許請求の範囲の「基板」に対応する。
As for the correspondence between the description of the present embodiment and the description of the scope of claims, what is constituted by the
（第５実施形態）
本実施形態では、第１〜第４実施形態と異なる部分について説明する。上記各実施形態では、エミッタ電極１とコレクタ電極２とが対向配置されていたが、本実施形態ではエミッタ電極１とコレクタ電極２との積層体が対向配置されている。
(Fifth embodiment)
In the present embodiment, parts different from the first to fourth embodiments will be described. In each of the above embodiments, the
図７は、本実施形態に係る熱電子発電素子の断面図である。この図に示されるように、本実施形態に係る熱電子発電素子は、導電性基板１３と、一対の積層構造体１４と、電極５と、を備えている。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the thermoelectric generator according to this embodiment. As shown in this figure, the thermoelectric power generation device according to this embodiment includes a
導電性基板１３は例えば高濃度のＳｉやＭｏ、Ｗ等の金属材料等で構成された基板であり、一面１３ａを有している。
The
積層構造体１４は、上述のエミッタ電極１およびコレクタ電極２と、絶縁層１５と、を備えて構成されている。絶縁層１５はエミッタ電極１とコレクタ電極２とを絶縁するものであり、エミッタ電極１とコレクタ電極２とに挟まれている。絶縁層１５としてＳｉＯ２やＰ型ダイヤモンド半導体等の材料が採用される。
The
また、エミッタ電極１の熱電子放出面１ａとコレクタ電極２の対向面２ａとが同一平面１４ａに位置するようにエミッタ電極１と絶縁層１５とコレクタ電極２が積層されて一つの積層構造体１４が構成されている。導電性基板１３の一面１３ａに対して垂直方向のエミッタ電極１とコレクタ電極２の高さはそれぞれ５０μｍ〜１００μｍである。当該垂直方向の絶縁層１５の高さは数μｍである。
The
そして、一方の積層構造体１４の同一平面１４ａと他方の積層構造体１４の同一平面１４ａとが対向配置されると共に、各同一平面１４ａが導電性基板１３の一面１３ａに対して垂直に配置されるように、各積層構造体が同一の導電性基板１３上に配置されている。
The
さらに、コレクタ電極２の上と導電性基板１３のうち一面１３ａとは反対側の面にそれぞれ取り出し用の電極５が設けられている。上記の熱電子発電素子の平面レイアウトは、例えば図２（ａ）に示される棒状のレイアウトと同じである。
Further, an
以上が、本実施形態に係る熱電子発電素子の全体構成である。続いて、この熱電子発電素子の製造方法について、図８を参照して説明する。なお、図８は断面図である。 The above is the overall configuration of the thermoelectric power generation element according to the present embodiment. Then, the manufacturing method of this thermoelectric power generation element is demonstrated with reference to FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view.
図８（ａ）に示す工程では、導電性基板１３を用意し、この導電性基板１３の一面１３ａの上に第１実施形態と同様の方法でＮ＋型ダイヤモンド半導体膜６、絶縁層１５、およびＮ−型ダイヤモンド半導体膜７をそれぞれ成膜する。
In the step shown in FIG. 8A, a
続いて、図８（ｂ）に示す工程では、ドライエッチング（トレンチエッチング）を行い、Ｎ＋型ダイヤモンド半導体膜６、絶縁層１５、およびＮ−型ダイヤモンド半導体膜７の積層体を所定の間隔に分離する。これにより、一対の積層構造体１４を形成する。
Subsequently, in the step shown in FIG. 8B, dry etching (trench etching) is performed, and the stacked body of the N + type
この後、コレクタ電極２の上と導電性基板１３のうち一面１３ａとは反対側の面にそれぞれ電極５を形成することにより図７に示す熱電子発電素子が完成する。
Thereafter, the
次に、上記構成の熱電子発電素子の作動について説明する。エミッタ電極１から飛び出した熱電子がコレクタ電極２に移動するという基本的な動作は第１実施形態と同じである。しかしながら、本実施形態ではエミッタ電極１とコレクタ電極２とが対向配置されていない。このため、熱電子は図７に示されるように同一の積層構造体１４のエミッタ電極１からコレクタ電極２に移動したり、一方の積層構造体１４のエミッタ電極１から他方の積層構造体１４のコレクタ電極２に移動したりする。
Next, the operation of the thermoelectric generator having the above configuration will be described. The basic operation in which the thermoelectrons jumping out from the
以上説明したように、本実施形態では積層構造体１４の同一平面１４ａを対向配置させ、各同一平面１４ａを導電性基板１３の一面１３ａに対して垂直に配置したことが特徴となっている。これにより、スペーサーを用いることなく単一の導電性基板１３の一面１３ａに各積層構造体を配置することができ、さらに各同一平面１４ａにギャップが形成されているので、スペーサーを介したリーク電流が流れないようにすることができる。リーク電流が流れるとしても、絶縁層１５のうち同一平面１４ａを構成する部分のみである。したがって、エミッタ電極１とコレクタ電極２との間での電流リークを低減することができる。
As described above, the present embodiment is characterized in that the
また、導電性基板１３の一面１３ａに対して積層構造体１４が立てられているため、導電性基板１３の一面１３ａの面積よりも広い同一平面１４ａの面積を実現することができる。すなわち、熱電子発電素子の占有面積を一定に維持しつつ、導電性基板１３の一面１３ａにおける単位面積当たりの熱電子発電素子の出力を確保することができる。また、各電極１、２の高さを大きくすることができるので、熱電子発電素子の出力を向上させることができる。
Moreover, since the
さらに、積層構造体１４は導電性基板１３の一面１３ａにＮ＋型ダイヤモンド半導体膜６、絶縁層１５、およびＮ−型ダイヤモンド半導体膜７を順に連続に成膜することができるので、積層構造体１４を作りやすい構造である。
Furthermore, since the
なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、導電性基板１３が特許請求の範囲の「基板」に対応する。
For the correspondence between the description of the present embodiment and the description of the claims, the
（他の実施形態）
上記各実施形態で示された熱電子発電素子の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。
(Other embodiments)
The configurations of the thermoelectric generators shown in the above embodiments are examples, and the present invention is not limited to the configurations described above, and other configurations capable of realizing the present invention may be employed.
例えば、第５実施形態では、導電性基板１３の一面１３ａの上にエミッタ電極１が形成されているが、コレクタ電極２が形成されていても良い。すなわち、積層構造体１４は導電性基板１３の一面１３ａの上にコレクタ電極２、絶縁層１５、およびエミッタ電極１の順に積層されたものでも良い。
For example, in the fifth embodiment, the
また、積層構造体１４は平面レイアウトが棒状であるが、図４に示されるように櫛歯状に形成されていても良い。
The
さらに、積層構造体１４は図９（ａ）に示されるように、積層構造体１４に穴１４ｂが空けられた構造でも良い。この場合、積層構造体１４の一部が「一方の積層構造体１４」となり、この積層構造体１４の一部の壁面が当該一方の積層構造体１４の同一平面１４ａとなる。また、積層構造体１４の他の部分が「他方の積層構造体１４」となり、この積層構造体１４の他の部分の壁面が当該他方の積層構造体１４の同一平面１４ａとなる。
Furthermore, the
図９（ａ）に示される積層構造体１４には１つの穴１４ｂが設けられた構造になっているが、図９（ｂ）に示されるように多数の穴１４ｂが設けられた構造でも良い。なお、図９に示される構造においても、コレクタ電極２、絶縁層１５、エミッタ電極１の順に積層されていても良い。
Although the
１ エミッタ電極
１ａ 熱電子放出面
２ コレクタ電極
２ａ 対向面
４ 絶縁基板
４ａ 一面
１０ ＳｉＯ２層
１０ａ 一面
１１ Ｓｉ基板
１２ 導電性基板
１３ 導電性基板
１３ａ 一面
１４ 積層構造体
１４ａ 同一平面
１５ 絶縁層
DESCRIPTION OF
Claims (3)
熱源からの熱が加わることによって熱電子を熱電子放出面（１ａ）から放出するエミッタ電極（１）と、
前記エミッタ電極（１）の前記熱電子放出面（１ａ）から放出された前記熱電子を、対向面（２ａ）を介して移動させるコレクタ電極（２）と、
前記エミッタ電極（１）と前記コレクタ電極（２）とで挟まれた絶縁層（１５）と、
一面（１３ａ）を有する基板（１３）と、を備え、
前記熱電子放出面（１ａ）と前記対向面（２ａ）とが同一平面（１４ａ）に位置するように前記エミッタ電極（１）と前記絶縁層（１５）と前記コレクタ電極（２）が積層された積層構造体（１４）が構成されており、
一方の積層構造体（１４）の同一平面（１４ａ）と他方の積層構造体（１４）の同一平面（１４ａ）とが対向配置されると共に、前記同一平面（１４ａ）が前記一面（１３ａ）に対して垂直に配置されるように、前記一方の積層構造体（１４）と前記他方の積層構造体とが同一の前記基板（１３）上に配置され、
同一の積層構造体（１４）のエミッタ電極（１）からコレクタ電極（２）に熱電子が移動するとともに、前記一方の積層構造体（１４）のエミッタ電極（１）から前記他方の積層構造体（１４）のコレクタ電極（２）にも熱電子が移動するようになっており、
前記熱電子放出面（１ａ）の合計面積は、前記基板（１３）の一面（１３ａ）の面積よりも大きいことを特徴とする熱電子発電素子。 A thermionic power generation element for converting by utilizing hot electrons to move between a pair of electrodes thermal energy into electrical energy,
An emitter electrode (1) that emits thermoelectrons from a thermionic emission surface (1a) by applying heat from a heat source;
A collector electrode (2) for moving the thermoelectrons emitted from the thermoelectron emission surface (1a) of the emitter electrode (1) through an opposing surface (2a);
An insulating layer (15) sandwiched between the emitter electrode (1) and the collector electrode (2);
A substrate (13) having one surface (13a),
The emitter electrode (1), the insulating layer (15), and the collector electrode (2) are laminated so that the thermoelectron emission surface (1a) and the opposing surface (2a) are located on the same plane (14a). A laminated structure (14) is formed,
The same plane (14a) of one laminated structure (14) and the same plane (14a) of the other laminated structure (14) are arranged to face each other, and the same plane (14a) is on the one surface (13a). The one laminated structure (14) and the other laminated structure are arranged on the same substrate (13) so as to be arranged perpendicularly to the substrate ,
Thermal electrons move from the emitter electrode (1) of the same stacked structure (14) to the collector electrode (2), and the other stacked structure from the emitter electrode (1) of the one stacked structure (14). Thermoelectrons move to the collector electrode (2) of (14),
The thermoelectron generator according to claim 1, wherein the total area of the thermoelectron emission surface (1a) is larger than the area of one surface (13a) of the substrate (13) .
前記エミッタ電極（１）を構成する半導体材料に添加された半導体不純物のドーパント濃度が、前記コレクタ電極（２）を構成する半導体材料に添加された半導体不純物のドーパント濃度よりも濃いことを特徴とする請求項１に記載の熱電子発電素子。 The emitter electrode (1) and the collector electrode (2) are each composed of a semiconductor material to which a semiconductor impurity is added,
The dopant concentration of the semiconductor impurity added to the semiconductor material constituting the emitter electrode (1) is higher than the dopant concentration of the semiconductor impurity added to the semiconductor material constituting the collector electrode (2). The thermoelectric power generation element according to claim 1.
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