JP3896323B2 - 熱電冷却器およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路チップなどの物体を冷却する装置に関する。特に、本発明は熱電冷却器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータの速度が増大し続けるのにつれて、コンピュータ内の回路が発生させる熱の量も増大し続けている。大部分の回路と用途では、発熱量が増大すると、コンピュータの性能が劣化する。これらの回路は、最も効率的に動作させるには冷却する必要がある。パーソナル・コンピュータなど性能の低い多くのコンピュータでは、ファンとフィンを用いた対流冷却だけで、コンピュータを冷却することができる。しかし、より速い速度で動作してより大量の熱を発生させるメインフレームなど大型コンピュータの場合、これらの解決策は現実的でない。
【０００３】
近年、メインフレームでは、多くの場合、蒸気圧縮冷却器を用いてコンピュータを冷却している。これらの蒸気圧縮冷却器は、多くの家庭で使用されている中央式空気調和装置（セントラル・エアコン）と実質的に同様に動作する。しかしながら、蒸気圧縮冷却器は機械的にきわめて複雑なので、加熱に起因する性能の劣化に最も影響を受けやすい特定の区域を冷却するには、メインフレームの様々な部品に合わせて絶縁体やホースを配置しなければならない。
【０００４】
ずっと簡単で安価な種類の冷却器として、熱電冷却器がある。熱電冷却器は、ペルチエ効果と呼ばれる物理原理を用いている。熱電冷却器は、このペルチエ効果により、電源のＤＣ（直流）電流を異なる２つの物質の両端に印加し、これら２つの物質の接合部において熱を吸収させる。この結果、発熱物体から熱を奪い、ヒート・シンクに輸送して放散させることにより、発熱物体を冷却することができる。熱電冷却器は、集積回路チップ内に設けることができるから、蒸気圧縮冷却器が必要とするような複雑な機械装置を必要とすることなく、特定の発熱部位を直接に冷却することができる。
【０００５】
しかしながら、現在の熱電冷却器は、蒸気圧縮冷却器ほど効率的ではないので、同じ量の冷却を行なうのにより多くの電力を必要としている。さらに、現在の熱電冷却器は、蒸気圧縮冷却器ほどには大きな物体を冷却することができない。したがって、熱電冷却器の効率と冷却能力を改善して、たとえばメインフレーム・コンピュータ、発熱チップの熱管理、ＲＦ通信回路、磁気読み書きヘッド、光デバイス、レーザ・デバイス、車載冷房システムなど、小型の冷却用途から複雑な蒸気圧縮冷却器を追放しうるようにすることが求められている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、熱電冷却器用の熱電素子を形成する方法を提供するものである。一実例では、まず、谷によって分離された複数のとがったチップを備えた第１の基板を形成する。この第１の基板は、金属層で覆われている。この金属層の一部は、絶縁物で覆われており、この金属層の他の部分は露出している。次いで、この金属層の露出している上記他の部分を、熱電材料の保護膜で覆う。次いで、熱電材料の第２の基板を第１の基板のとがったチップの側に融合させる。この融合は、たとえば、第１の基板の裏面を加熱し熱電材料の保護膜をとかすことにより、あるいは、とがったチップ中に電流を流しジュール熱を発生させて熱電材料の保護膜をとかすことにより行なう。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照する。
図１は、従来技術による熱電冷却（ＴＥＣ:Thermoelectric Cooling)装置の高次元のブロック図である。熱電冷却（これ自体は周知の原理である）は、ペルチエ効果に基づいている。熱電冷却は、このペルチエ効果により、電源のＤＣ（直流）電流を異なる２つの物質の両端に印加し、これら２つの物質の接合部において熱を吸収させるものである。典型的な熱電冷却装置では、熱伝導性が良好な不良導体１０８、１０８の間に挟まれたｐ型半導体１０４とｎ型半導体１０６を使用する。ｎ型半導体１０６では電子が過剰である一方、ｐ型半導体１０４では電子が欠乏している。
【０００８】
導体１１０からｎ型半導体１０６に移動する電子のエネルギー状態は、熱源１１２から吸収した熱エネルギーのために高くなっている。この過程には、ｎ型半導体１０６と導体１１４中の電子流を経由して、熱源１１２からヒート・シンク１１６へ熱エネルギーを輸送する効果がある。電子は、導体１１４において低いエネルギー状態に降下して熱エネルギーを放散する。
【０００９】
熱電冷却器１００などの冷却器の成績係数（η）は、冷却器の冷却能力を当該冷却器の総電力消費量で除して得られる比のことである。したがって、成績係数は、次式で与えられる。
【００１０】
【数１】
【００１１】
ただし、αＩＴc なる項は熱電冷却に由来し、（１／２）Ｉ2 Ｒなる項はジュール加熱逆流に由来し、ＫΔＴなる項は熱伝導に由来し、Ｉ2 Ｒなる項はジュール損失に由来し、αＩΔＴなる項はペルチエ電圧に抗してなされた仕事に由来し、αは物質のゼーベック係数であり、Ｔc は熱源の温度であり、ΔＴは熱源とヒート・シンクとの温度差である。
【００１２】
最大成績係数は、電流（Ｉ）を最適化することにより得られ、次式によって与えられる。
【００１３】
【数２】
【００１４】
ただし、
【００１５】
【数３】
【００１６】
および、
【００１７】
【数４】
【００１８】
ただし、εは冷却器の効率因子である。また、性能指数（ＺＴ）は、次式で与えられる。
【００１９】
【数５】
【００２０】
ただし、λは２つの要素から成る。すなわち、電子に由来する要素λe と格子に由来する要素λL とである。したがって、最大効率（ε）は、性能指数（ＺＴ）が無限大に近づくときに達成される。蒸気圧縮冷却器の効率は、約０．３である。図１に示すような既存の熱電冷却器の効率は、通常、０．１未満である。それゆえ、熱電冷却器の効率を蒸気圧縮冷却器と競合しうる範囲にまで大きくするには、性能指数（ＺＴ）を２よりも大きくする必要がある。もし、性能指数（ＺＴ）を２よりも大きくすることができれば、熱電冷却器は、蒸気圧縮冷却器と同じ効率と冷却能力を達成することができる。
【００２１】
次に、図２を参照する。図２は、本発明による改良された構造のインタフェースを備えた熱電冷却器の断面図である。熱電冷却器２００は、熱源２２６を備えている。図示するように電流（Ｉ）を流すと、熱源２２６から熱が奪われ、ヒート・シンク２０２に輸送される。熱源２２６は、冷却したい物体に熱的に接続されている。ヒート・シンク２０２は、たとえば、ヒート・パイプ、フィン、および／または、凝縮器に熱的に接続されており、熱源２２６から奪った熱を放散し、および／または、熱源２２６をさらに冷却する。（「Ａおよび／またはＢ」は「ＡおよびＢ、Ａ、またはＢ」を表わす。）
【００２２】
熱源２２６は、ｐ- 型にドープされたシリコンから成る。熱源２２６は、チップ２５０のｎ+ 型にドープされたシリコン領域２２４、２２２に熱的に接続されている。ｎ+ 型領域２２４、２２２は、導電体であるとともに、良好な熱伝導体でもある。ｎ+ 型領域２２４、２２２は、各々、熱源２２６と逆方向ダイオードを形成しているので、熱源２２６とｎ+ 型領域２２４、２２２との間には電流が流れない。したがって、熱源２２６と導体２１８、２２０とは電気的に絶縁されている。
【００２３】
ヒート・シンク２０２は、ｐ- 型にドープされたシリコンから成る。ヒート・シンク２０２は、ｎ+ 型にドープされたシリコン領域２０４に熱的に接続されている。ｎ+ 型領域２０４は、導電体であるとともに、良好な熱伝導体でもある。ｎ+ 型領域２０４とヒート・シンク２０２は逆方向ダイオードを形成しているので、ｎ+ 型領域２０４とヒート・シンク２０２との間には電流が流れない。したがって、ヒート・シンク２０２と導体２０８とは電気的に絶縁されている。熱電冷却器の電気絶縁に関するこれ以上の情報は、米国特許第６２２２１１３号に記載されている。
【００２４】
ヒート・シンク２０２と熱源２２６をドープしてない非導電性のシリコンで全体的に形成する場合には、ｎ+ 型領域とｐ- 型領域とで逆方向ダイオードを形成して導体２０８とヒート・シンク２０２とを絶縁する必要もないし、導体２１８、２２０と熱源２２６とを絶縁する必要もない。しかし、シリコンをまったく非ドープにするのは、きわめて困難である。したがって、ｎ+ 型領域とｐ- 型領域とで逆方向ダイオードを形成することにより、ヒート・シンク２０２と導体２０８、熱源２２６と導体２１８、２２０がそれぞれ電気的に絶縁されるのを保証している。また、逆方向ダイオードは、図示するようにｐ- 型にドープしたシリコンとｎ+ 型にドープしたシリコンとを用いて形成する代わりに、ｐ+ 型にドープしたシリコンとｎ- 型にドープしたシリコンとを用いて形成することもできる点に留意する必要がある。「ｎ+ 」「ｐ+ 」なる用語は、ここで用いているように、高濃度にドープしたｎ型半導体材料と、高濃度にドープしたｐ型半導体材料とをそれぞれ指している。また、「ｎ- 」「ｐ- 」なる用語は、ここで用いているように、低濃度にドープしたｎ型半導体材料と、低濃度にドープしたｐ型半導体材料とをそれぞれ指している。
【００２５】
熱電冷却器２００は、図１の熱電冷却器１００と構造が似ている。しかし、ｎ型半導体構造インタフェース１０６とｐ型半導体構造インタフェース１０４とは、ドープ領域２０４と導体２０８とにそれぞれ電気的に接続された超格子熱電素子構造体２１０と２１２で置き換えられている。導体２０８は、プラチナ（Ｐｔ）、あるいは他の導電性材料、たとえばタングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン／銅／ニッケル（Ｔｉ／Ｃｕ／Ｎｉ）金属膜などで形成することができる。
【００２６】
超格子とは、数ナノメートル厚の２つの異なる半導体材料を交互に積層した構造体のことである。熱電素子２１０の超格子は交互に積層したｎ型の半導体材料から成り、熱電素子２１２の超格子は交互に積層したｐ型の半導体材料から成る。各熱電素子２１０、２１２中の交互に積層した各材料の層厚は、約１０ナノメートル（ｎｍ）である。２つの半導体材料から成る超格子は、同じ２つの半導体材料から成る合金と比べると熱伝導率（λ）が小さく、導電率（σ）が同じである。
【００２７】
一実施形態では、超格子熱電素子２１２は、ｐ型ビスマス・カルコゲナイド材料の交互積層体、たとえばＢｉ2 Ｔｅ3 ／Ｓｂ2 Ｔｅ3 層とＢｉ0.5 Ｓｂ1.5 Ｔｅ3 層との交互積層体から成り、超格子熱電素子２１０は、ｎ型ビスマス・カルコゲナイド材料の交互積層体、たとえばＢｉ2 Ｔｅ3 層とＢｉ2 Ｓｅｂ3 層との交互積層体から成る。また、熱電素子２１０、２１２用の超格子には、別の半導体材料を用いてもよい。たとえば、熱電素子２１０、２１２用の超格子は、ビスマス・カルコゲナイド材料の代わりに、コバルト・アンチモン方コバルト鉱を用いて形成することができる。
【００２８】
熱電冷却器２００は、複数のチップ２５０をも備えている。電流は、チップ２５０を通って熱電素子２１２に流れ込み、熱電素子２１０から導体２１８に流れ込む。チップ２５０は、たとえばプラチナ（Ｐｔ）などの導電材料から成る保護膜層２１８、２２０で覆われた円錐構造に形成されたｎ+ 型半導体２２２、２２４から成る。プラチナの代わりに用いうる他の導電材料としては、たとえばタングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン／銅／ニッケル（Ｔｉ／Ｃｕ／Ｎｉ）金属膜などがある。チップ２５０の周りと熱電材料２１０、２１２との間の領域は、排気するか、たとえば乾燥窒素などのガスで密封する必要がある。
【００２９】
導電層２１８、２２０を覆うチップ２５０の上には、半導体材料の薄層２１４、２１６が設けられている。層２１４は、チップ２５０にとって最も近くにある熱電素子の超格子２１２とゼーベック係数（α）が同じであるｐ型材料で形成されている。層２１６は、チップ２５０にとって最も近くにある熱電素子の超格子２１０とゼーベック係数（α）が同じであるｎ型材料で形成されている。ｐ型の熱電保護膜層２１４は、熱電冷却器２００が機能するのに必要である。なぜなら、冷却は金属の近くの領域で行なわれ、そこでは電子と正孔が生成されるからである。ｎ型熱電保護膜層２１６は、有益である。なぜなら、最大冷却は、ゼーベック係数の傾き（変化）が最大になる場所で行なわれるからである。現在の研究結果によると、熱電保護膜２１４、２１６の厚さは２〜５ナノメートルにするのが望ましい。
【００３０】
図１の導体１１０のような導体を、平坦なインタフェースではなくとがったチップ２５０にすると、冷却効率が向上する。チップ２５０の先端における格子熱伝導率（λ）は、格子不整合ゆえにきわめて小さい。たとえば、ビスマス・カルコゲナイドの熱伝導率（λ）は、通常、約１ワット／メートル・ケルビンである。ところが、チップ２５０のようなとがったチップ構造体では、先端部における格子不整合ゆえに、熱伝導率は、約０．１ワット／メートル・ケルビンまで低下してしまう。しかし、熱電材料の導電率は、比較的不変のままである。したがって、この種の材料の場合、性能指数（ＺＴ）は、２．５よりも大きくなる。熱電素子２１０、２１２の超格子として用いうる別の材料は、コバルト・アンチモン方コバルト鉱である。この種の材料は、通常、熱伝導率（λ）がきわめて大きいので、普通は望ましくない。しかし、とがったチップ２５０として用いることにより、熱伝導率を最小値にしうるとともに、これらの材料の性能指数（ＺＴ）を４より大きくしうる。したがって、これらの材料は、熱電素子２１０、２１２として用いるのにきわめて魅力的である。
【００３１】
コールド・ポイント構造の別の利点は、電子を（その運動エネルギーに対応する）波長よりも小さな寸法の中に閉じ込めうる、という点である。この種の閉じ込めによって、輸送に用いうる局所状態密度が増大するとともに、ゼーベック係数が効果的に増大する。したがって、αを増大させ、λを低減させることにより、性能指数ＺＴを増大させうる。
【００３２】
図１に示すような既存の熱電冷却器は、熱源とヒート・シンクとの間で約６０ケルビンの冷却温度差を作りだすことができる。しかし、熱電冷却器２００は、１００ケルビン超の温度差を作りだすことができる。したがって、２つの熱電冷却器を相互接続すると、液体窒素の温度範囲（１００ケルビン未満）まで冷却することができる。しかし、熱電素子２１０、２１２用には、様々な材料を用いることができる。たとえば、テルル化ビスマスのαは、低温（すなわち−１００°Ｃ未満）では極めて小さい。しかし、ビスマス・アンチモン合金は、低温で良好な結果を示す。
【００３３】
当業者が認識しうるように、図２に示す熱電冷却器の構造は、必要な冷却・熱輸送能力、電流源、および電圧源を考慮に入れ、実現方法に応じて変更しうる。たとえば、チップ２５０の列数を図２に示すものよりも多くしたり少なくしたりしうる。図示した例は、本発明に対する構成上の限定を意味しない。
【００３４】
次に、図３を参照する。図３は、本発明による図２に示す熱電冷却器２００の平面図である。熱電冷却器３００は、ｎ型熱電材料部３０２とｐ型熱電材料部３０４を備えている。ｎ型熱電材料部３０２とｐ型熱電材料部３０４の双方とも、シリコン本体を覆う導電材料３０６の薄層を備えている。
【００３５】
ｎ型熱電材料部３０２は、熱電素子２１０用の超格子の最も近い層と同じ型であるｎ型の材料から成る薄層３０８で各々が覆われた円錐形のチップ３１０のアレイを備えている。ｐ型熱電材料部３０４は、熱電素子２１２用の超格子の最も近い層と同じ型であるｐ型の材料から成る薄層３１４で各々が覆われた円錐形のチップ３１２のアレイを備えている。
【００３６】
次に、図４（ａ）と図４（ｂ）を参照する。図４（ａ）と図４（ｂ）は、本発明により図２のチップ２５０の１つとして実現しうるチップの断面図である。チップ４００は、約３５度の円錐角で形成されたシリコンの円錐体４０２を備えている。シリコンの表面は、プラチナ（Ｐｔ）などの導電性材料の薄層４０４で覆われている。チップ４００の先端は、熱電材料の薄層４０６で覆われている。すべての層を堆積したあとの円錐角は、約４５度である。チップ４００の実効ポイント半径は、約５０ナノメートルである。
【００３７】
チップ４０８は、複数のチップ２５０のうちの１つの別の実施形態である。チップ４０８は、先端を導体層４１２と熱電材料４１０で覆ったシリコンの円錐体４１４を備えている。しかし、チップ４０８の円錐角はチップ４００よりもずっと鋭い。チップ４０８の実効ポイント半径は、約１０ナノメートルである。現時点では、チップにとって円錐角が広いほうがよいのか狭いほうかよいのか分かっていない。この実施形態では、図４（ａ）に示すように、チップ用に４５度の円錐角を選んだ。というのは、このような角度が円錐角として可能な範囲の中間に位置するからであり、また、このような形体はプラチナの保護膜を備えたシリコンから容易に形成できるからである。その理由は、シリコンを＜１００＞面にそってＫＯＨエッチングすると、５４度の円錐角が自然に形成されるからである。次いで、導体と熱電材料の保護膜を付加すると、円錐角は約４５度になる。
【００３８】
次に、図５を参照する。図５は、本発明による超格子近傍のチップの温度場を説明する断面図である。チップ５０４は、図２に示す複数のチップ２５０のうちの１つとして実現しうるものである。チップ５０４の先端における実効チップ半径（ａ）は、１０〜５０ナノメートルである。したがって、温度場はきわめて短い距離（ｒ）（約２ａすなわち２０〜１００ナノメートル）内に局所化されている。それゆえ、超格子５０２は、熱流を閉じ込めるのに数層厚しか必要としない。したがって、尖ったチップを用いることにより、熱電冷却器は、５〜１０層の超格子を備えるだけで十分である。
【００３９】
以上のように、数層の超格子しか形成する必要がないので、たとえば熱電冷却器２００のような熱電冷却器を製造するのは容易である。また、熱電冷却器２００は、厚さが約３ミリメートルである既存の熱電冷却器と比べ、きわめて薄く（約１００ナノメートル）製造することができる。
【００４０】
本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の他の利点として、チップ・インタフェースゆえの、図２に示す熱電冷却器２１０、２１２のような熱電冷却器による熱伝導率の最小化がある。また、温度／ポテンシャル降下をチップ近傍の領域に局所化し、１００ナノメートル以下の長さ効果的に縮小しうる。さらに、とがったチップを用いることにより、超格子熱電素子２１０、２１２に必要な層数を最小化しうる。また、本発明によれば、薄膜構造体を電着によって形成することができる。さらに、寸法が小さいので、ｎ型熱電素子とｐ型熱電素子をモノリシック集積化することもできる。
【００４１】
本発明の熱電冷却器を用いて冷却しうるものとしては、たとえば、メインフレーム・コンピュータ内の特定の部位、レーザ装置、光エレクトロニクス部品、光検出器、遺伝学で使用するＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応装置）などが挙げられる。
【００４２】
次に、図６を参照する。図６は、本発明による全金属チップを備えた改良された構造のインタフェースを備えた熱電冷却器の断面図である。上ではｐ+ 型半導体領域２２２とｎ+ 型半導体領域２２４から構成されたシリコン円錐体から構成されたチップ２５０を備えたものとして本発明を説明したけれども、図２のチップ２５０は、図６に示すチップ６５０で置き換えることができる。チップ６５０は、全金属の円錐体６１８、６２０を備えている。図示する実施形態では、円錐体６１８、６２０は、銅で形成されており、ニッケルの保護膜６６０、６６２を備えている。チップ６５０上に熱電保護膜２１６、２１４を備えている点を含め他のすべての点で、熱電冷却器６００は、熱電冷却器２００と同一である。熱電冷却器６００は、熱電冷却器２００と同じ利点を有する。しかし、導電材料で覆われたシリコンの円錐体の代わりに全金属の円錐体を用いることにより、円錐体内の寄生抵抗値がきわめて小さくなっている。これにより、熱電冷却器２００ですでに増大している効率が、熱電冷却器６００ではさらに増大する。熱電材料２１０、２１２と接触している、チップ６５０の領域を取り巻く領域は、真空にするか、熱伝導率の小さなガス、たとえばアルゴンで密封する必要がある。
【００４３】
また、図２と同様に、熱源２２６は、ｐ- 型にドープしたシリコンから成る。しかし、図２と異なり、シリコンの熱源２２６は、ｎ+ 型にドープしたシリコン領域６２４、６２２と熱的に接続されているけれども、図２のシリコン領域２２４、２２２と異なり、チップ構造体６５０の一部を形成していない。けれども、ｎ+ 型にドープしたシリコン領域６２４、６２２は、図２の領域２２４、２２２が成したのと同じ電気絶縁機能を達成している。
【００４４】
図６に示す全金属の円錐体を形成するのに、いくつかの方法を用いうる。たとえば、図７を参照すると、そこには、本発明による全金属のチップを形成するのに用いうる犠牲シリコン・テンプレートの断面図が示されている。まず、円錐形のピットを有する犠牲シリコン・テンプレート７０２を形成したのち、このテンプレート７０２上に金属層を堆積して、全金属の円錐体７０４を形成する。次いで、この全金属の円錐体７０４を熱電冷却器６００中で使用する。
【００４５】
次に、図８を参照する。図８は、本発明による、シリコン犠牲テンプレートを用いて全金属円錐体を形成する典型的な方法を示すフローチャートを示す図である。始めに、シリコンの異方性エッチングによって円錐形のピットを形成して型を形成する（ステップ８０２）。これは、ＫＯＨエッチング、酸化、および／または、収束イオン・ビーム・エッチングを組み合わせて行なう。シリコンのピットを形成するこのような技法は、当技術分野では周知である。
【００４６】
次いで、シリコンの犠牲テンプレートをシード金属、たとえばチタンの薄いスパッタ層で覆う（ステップ８０４）。続いて、銅を電気化学的に堆積して、犠牲シリコン・テンプレート中の谷（円錐形ピット）を充填する（ステップ８０６）。次いで、銅の表面を平坦化する（ステップ８０９）。金属層を平坦化する方法は、当技術分野では周知である。次いで、当技術分野で周知の選択エッチング法によってシリコンの表面を除去する（ステップ８１０）。次いで、このようにして形成した全金属の円錐体を、別の金属、たとえばニッケルの保護膜で覆い、続いて熱電材料の超薄層で覆う。ニッケルの保護膜のために、熱電材料の保護膜の電着が容易になる。
【００４７】
全金属の円錐体を形成するこの方法の１つの利点は、分離プロセス時に銅をシリコン基板からはがすことにすれば、シリコン基板の型を再使用できる点である。シリコン基板の型は、劣化して再使用できなくなるまでに約１０回再使用できる。
【００４８】
このようにテンプレートを形成するのは制御性がきわめて良好であるとともに、これによりきわめて均一な全金属円錐形チップを形成できる。なぜなら、シリコンのエッチングは、予測可能性がきわめて高く、ピットの傾斜と形成する円錐体の鋭さを数ナノメートルの程度まで計算することができるからである。
【００４９】
全金属の円錐体を形成するのに、他の方法を用いることもできる。たとえば、図９を参照すると、そこには、本発明によりパターニングしたフォトレジストを用いて形成した全金属の円錐体９０２の断面図が示されている。この方法では、まず、部分的に形成した熱電冷却器の底部上に金属層を形成する。次いで、パターニングしたフォトレジスト９０４〜９０８を用い、直接電気化学エッチング法で全金属の円錐体９０２を形成する。このようにして形成したチップは、イオン・ビーム・ミリングによるものよりもずっと鋭利である場合が多い。
【００５０】
次に、図１０を参照する。図１０は、本発明により全金属円錐体を形成する典型的な方法を示すフローチャートを示す図である。まず始めに、部分的に製造した熱電冷却器の金属層、たとえば銅層上の複数の小さな部分をパターニングする（ステップ１００２）。その際、部分のアレイ状にフォトレジストをパターニングする。アレイ内の各フォトレジスト領域は、全金属円錐体になるチップを形成する必要のある領域に対応している。次いで、金属を電気化学的に直接にエッチングして、図９に示す円錐体９０２を形成する（ステップ１００４）。次いで、フォトレジストを剥離（はくり）したのち、全金属の円錐体のチップを別の金属、たとえばニッケルでコートする（ステップ１００６）。次いで、第２のコーティングを実行して、全金属円錐体を熱電材料の超薄層でコートする（ステップ１００８）。以上の結果、チップ上に熱電材料層を備えた全金属円錐体が形成される。この全金属円錐体は、熱電冷装置、たとえば熱電冷却器６００中で使用することができる。このようにして形成した全金属の円錐体ポイントは、図８に示す方法を用いて形成したものほど均一ではない。しかし、この方法は、現在最も安価であるから、コストが重要な場合には望ましい方法である。
【００５１】
全金属円錐体を形成する図示した方法は、単なる例にすぎない。熱電冷却器として使用する全金属円錐体を形成するのに、他の方法を用いてもよい。さらに、全金属円錐体用に銅とは別の他の種類の金属を用いてもよい。
【００５２】
次に、図１１を参照する。図１１は、金属導電層以外の熱電材料をインタフェースにおいてチップに形成した、本発明による改良された構造のインタフェースを備えた熱電冷却器の断面図である。熱電冷却器１１００は、コールド・プレート１１１６とホット・プレート１１０２を備えている。コールド・プレート１１１６は、冷却すべき物体と熱的に接触している。熱伝導体１１１４と１１１８は、それぞれ導電性プレート１１１２と１１２０との間で熱的に結合している。熱伝導体１１１４と１１１８は、高濃度にドープされた（ｎ+ ）半導体材料から成り、コールド・プレート１１１６のｐ- 型材料と逆バイアス・ダイオードを形成することにより、コールド・プレート１１１６と導体１１１２、１１２０との間を電気的に絶縁している。したがって、熱は、コールド・プレート１１１６から、導体１１１２、１１２０を通り、最終的にホット・プレート１１０２に輸送される。そして、熱電冷却器１１００と冷却すべき物体との間を電気的に結合することなく、ホット・プレート１１０２から放熱される。同様に、熱伝導体１１０４は、ｐ- 型にドープされた半導体材料から成るホット・プレート１１０２とで逆バイアス・ダイオードを形成することより、ホット・プレート１１０２と導電プレート１１０８との間を電気的に絶縁しながら、導電プレート１１０８とホット・プレート１１０２と間を熱的に結合している。熱伝導体１１０４も、ｎ+ 型にドープされた半導体材料から成る。導電プレート１１０８、１１１２、１１２０は、この実施形態では、プラチナ（Ｐｔ）から成る。しかし、導電性を有するとともに熱伝導性を有する他の材料を用いることもできる。また、留意点を挙げると、熱電材料１１２２、１１１０近傍のチップ１１３０〜１１４０を取り巻く領域は、排気して真空にするか、熱伝導率の小さなガス、たとえばアルゴンで密封する必要がある。
【００５３】
この実施形態では、図２や図６に示すようにポイント電極において金属を備えたポイントのアレイを通して、熱電素子と熱源（コールド端）金属電極（導体）との間を接触させるのではなく、熱電素子と金属電極とを接触させるポイントのアレイは、熱電素子１１２４、１１１２６から成るポイント（チップ）１１３０〜１１４０のアレイによって構成されている。この実施形態のチップ１１３０〜１１４０は、単結晶または多結晶の熱電材料を用い電気化学エッチングによって形成する。
【００５４】
一実施形態では、熱電素子１１２４は単結晶のＢｉ2 Ｔｅ3 ／Ｓｂ2 Ｔｅ3 とＢｉ0.5 Ｓｂ1.5 Ｔｅ3 の超格子から成り、熱電素子１１２６はＢｉ2 Ｔｅ3 ／Ｂｉ2 Ｓｅ3 とＢｉ2 Ｔｅ2.0 Ｓｅ0.1 の超格子から成る。導電プレート１１２０は、薄層１１２０の最も近くにあるチップ１１３０〜１１３４の材料と同じ熱電材料の薄層１１２２でコートされている。導電プレート１１１２は、薄層１１１２の最も近くにあるチップ１１３６〜１１４０の材料と同じ熱電材料の薄層１１１０２でコートされている。
【００５５】
次に、図１２を参照する。図１２は、本発明によりたとえば図１１の熱電冷却器１１００のような熱電冷却器を形成るす典型的な方法を示すフローチャートを示す図である。まず、最適化した単結晶材料を金属電極１３０１に既存の手段で貼り付けて、あるいは、単結晶材料上に金属電極を堆積して、図１３に示す電極接続パターンを形成する（ステップ１２０２）。次いで、熱電材料１３１４の反対側をフォトレジスト１３０２〜１３０６をマスクとしてパターニングする（ステップ１２０４）。次いで、電気化学槽中で金属電極を陽極として表面をエッチングする（ステップ１２０６）。エッチング工程を制御し適切な時機に停止させることにより、図１３に示すチップ１３０８〜１３１２が形成される。
【００５６】
次いで、第２の単結晶基板をＣＭＰ（chemical-mechanical polishing:化学機械研磨）によって薄くしたのち、基板全体を電気化学的にエッチングしてナノメートル膜を形成する（ステップ１２１０）。この第２の超薄基板は、コールド端を形成する。次いで、２つの基板（一方は超薄熱電材料を備え、他方は熱電チップを備えている）を軽い圧力によって張り合わせる（ステップ１２１２）。この構造体は、チップにおけるインタフェース部以外のすべての領域で高度の結晶性を維持している。また、同様の方法を用いて、単結晶構造体以外に多結晶構造体を製造することもできる。
【００５７】
次に、図１４を参照する。図１４は、本発明により熱電冷却器で使用される表面に対するチップの位置決めの様子を示す、当該表面上のコールド・ポイント・チップを示す図である。上では、全金属チップ、金属コート・チップ、熱電チップを問わず、チップがチップの対向面と接触するものとして説明したけれども、図１４に示すように、チップは対向面のきわめて近くまで近接するが完全には接触しないのが望ましい。図１４のチップ１４０２は、対向面１４０４の近傍に位置しているが、対向面１４０４と物理的に接触していない。チップ１４０２は、対向面１４０４から約１ナノメートル以下の距離ｄだけ離れているのが望ましい。実際には、数千個のチップを備えた熱電冷却器の場合、対向面を完全平面には形成できないことに起因して、チップの中には対向面と接触するものもあるし、接触しないものある。
【００５８】
チップを対向面との接触状態から引き離すと、熱電冷却器のコールド・プレートとホット・プレートとの間の熱伝導性は低下する。しかし、チップと対向面との間に電子のトンネリングが起こるから、導電性は維持される。
【００５９】
上では、本発明のチップを完全にとがったチップとして示すとともに説明した。しかし、図１４に示すように、実際のチップは、通常、チップ１４０２のようにわずかに丸みをおびている。チップが完全にとがった状態に近いほど、チップのクール温度とホット・プレートのホット温度との間の温度傾斜を達成するのに必要な超格子の層数は少なくて済む。
【００６０】
チップ１４０２の湾曲端の曲率半径ｒ0 は、約数十ナノメートルである。表面１４０４下の熱電材料の連続する層間の温度差は、チップ１４０２の湾曲端の曲率半径ｒ0 の２〜３倍離れると、０に近づく。したがって、必要な超格子の層１４０６〜１４１４は、数層でしかない。それゆえ、チップに対向する熱電材料は、本発明のチップを用いてホット・プレートとコールド・プレートとの間を電気的に接続すると、最も効果的である。これは、従来技術と対照的である。従来技術では、チップなしに超格子を使って温度傾斜を０に近づけるのに十分な厚さを得るには、１００００層以上の超格子を必要とした。このような数の層は、非現実的であった。これに対して、本発明は、５〜６層しか使わないから、ずっと現実的である。
【００６１】
上では冷却用に用いるとがったインタフェースを備えた熱電冷却装置（すなわちペルチエ装置）を参照して本発明を説明したけれども、当業者が容易に認識しうるように、本発明は発電用にも用いることができる。当業者にとって周知のように、熱電装置は、（上述したように）ペルチエ・モードで用いて冷却に使うことも、ゼーベック・モードで用いて発電に使うこともできる。次に、図１５を参照する。図１５は、熱電発電装置の概略図である。図１５には、説明と理解を容易にするために、本発明のクール・ポイント・チップを用いた熱電発電装置ではなく、従来技術による熱電発電装置が示してある。しかし、留意点を挙げると、本発明による熱電発電装置の一実施形態では、熱電素子１５０６、１５０４は、たとえば上で詳述したクール・ポイント・チップのうちの任意のものを置き換えたものである（すなわち、それらのものを代表するものである）。
【００６２】
熱電発電装置１５００では、図１に示すように電源１０２から熱電装置中に電流を流すのではなく、熱電装置１５００の両端に温度差（ＴH −ＴL)を与える。この温度差（ＴH −ＴL)によって、図１５に示すように、抵抗性負荷素子１５０２を通じて電流（Ｉ）が流れる。これは、図１の動作モードとは逆の動作モードである。
【００６３】
したがって、電源１０２を負荷抵抗器１５０２で置き換え、熱素子１５１２と１５１６をそれぞれ異なる熱源ＱH とＱL に接触させて温度差（ＴH−ＴL ）を維持する以外、熱電装置１５００は、部品としては、図１の熱電冷却器１００と同一である。したがって、熱電発電装置１５００は、熱伝導特性が良好な不良導体１５０８、１５０８の間に挟まれたｐ型半導体１５０４とｎ型半導体１５０６を用いている。熱電発電の詳細は、ロウ博士編『熱電工学のＣＲＣハンドブック』第４７９〜４８８頁（CRC Handbook of Thermoelectrics, edited by D. M. Rowe, Ph. D., D. Sc., CRC Press, New York, (1995) pp.479-488)、および、ベジャン著『高等工業熱力学（第２版）』第６７５〜６８２頁（Advanced Engineering Thermodynamics, 2nd Edition, by Adiran Bejan, John Wiley & Sons, Inc., New York (1997), pp. 675-682）に記載されている。
【００６４】
次に、図１６〜図２５を参照する。図１６〜図２５は、本発明によるとがったチップを備えた熱電素子を形成する方法の各工程における断面図である。この方法で製造される熱電素子は、たとえば熱電冷却器２００などの熱電冷却器用の熱電素子として用いうる。まず始めに、図１６に示すように、たとえば上述したシリコンの型からはがすことより、シリコン基板または銅基板などのとがったチップ基板１６０２を形成する。続いて、図１７に示すように、とがったチップ基板１６０２を、たとえばスパッタリングまたは蒸着プロセスにより、たとえばチタン（Ｔｉ）またはプラチナ（Ｐｔ）などの金属層１６０４でコートする。次いで、図１８に示すように、金属層１６０４上にたとえばシリコン酸化膜などの誘電体薄膜１６０６を堆積する。次いで、図１９に示すように、金属と絶縁物（誘電体）をコートしたとがった基板１６０２のチップ１６１０〜１６１２だけが露出するように、チップ１６１０〜１６１２の間の谷に犠牲平坦化誘電体１６０８を充填する。
【００６５】
続いて、図２０に示すように、犠牲誘電体１６０８と誘電体薄膜１６０６をチップ１６１０〜１６１２が露出するまでエッチングする。次いで、図２１に示すように、熱電材料のオーバーコート１６１３〜１６１５をチップ１６１０〜１６１２上に約５ナノメートルの厚さに、電気化学法、または、ＣＶＤ（chemical vapor deposition:化学気相堆積法) によって選択的に成長させる。次いで、図２２に示すように、犠牲誘電体１６０８を除去する。次いで、図２３に示すように、とがったチップ１６１０〜１６１２を備えたとがったチップ基板１６０２を、表面が実質的に平坦な熱電基板１６１７と機械的に位置合わせする。単結晶の熱電基板１６１７は、一面１６１９が研磨されており、反対面は表面がＮｉ１６１８のスパッタ堆積によってメタライズされている。次いで、図２４に示すように、とがったチップ１６１０〜１６１２に対向するとがったチップ基板１６０２の端面を約５５０°Ｃに加熱して熱電（ＴＥ）オーバーコート１６１３〜１６１５をとかし、チップ１６１０〜１６１２上の熱電（ＴＥ）材料を熱電基板１６１７に融合させる。あるいは、図２５に示すように、チップ１６１０〜１６１２中をポイントまで電流を流し、ジュール熱によってチップ１６１０〜１６１２近傍の熱電材料１６１３〜１６１５をとかして、チップ１６１０〜１６１２を熱電基板１６１７に融合させてもよい。
【００６６】
以上、円錐形のチップを参照して本発明を説明したけれども、他の形のチップ、たとえば角錐形のチップを用いてもよい。実際、熱電冷却器の両端に電流を流す手段をなし分離した実質的にとがったチップであるかぎり、その形体は、対称でなくとも均一でなくともかまわない。本発明は、すべてのちいさな冷却器で使用することができる。たとえば、メインフレーム・コンピュータの冷却、発熱する集積回路チップの熱管理、ＲＦ通信回路、ディスク駆動装置用の磁気ヘッドの冷却、光装置の冷却、レーザ装置の冷却などで使用することができる。
【００６７】
以上、説明と記述を目的に本発明を述べたが、本発明は、ここに開示した形でつきるわけでもそれらに限定されるわけでもない。当業者にとって、多くの変更と変形が明らかである。実施形態は、本発明の原理と実際上の応用を最もよく説明するため、および、想到しうる特定の用途に適した様々な変更を備えた様々な実施形態について、当業者が本発明を理解しうるように選んだ。
【００６８】
まとめとして以下の事項を開示する。
（１）熱電冷却器用の熱電素子を形成する方法であって、
金属層によって覆われた複数のとがったチップを備えた第１の基板を形成するステップであって、前記金属層の一部が絶縁層で覆われており、前記金属層の残りの部分が露出している、ステップと、
前記露出している金属層の部分を熱電材料の保護膜で覆うステップと、
熱電材料の第２の基板を前記熱電材料の保護膜に融合させるステップと
を備えた方法。
（２）複数のとがったチップを備えた基板を形成するステップが、
複数の谷によって分離された複数のとがったチップを備えた基板を形成するステップと、
前記基板を金属層でコートするステップと、
前記金属層を絶縁材料の層でコートするステップと、
前記谷に犠牲材料を充填するステップと、
前記犠牲材料および前記絶縁材料を除去して前記複数のチップを露出させるステップと
を備えた、
上記（１）に記載の方法。
（３）熱電材料の第２の基板を前記熱電材料の保護膜に融合させる前記ステップが、
前記熱電材料の保護膜をとかすステップ
を備えている、
上記（１）に記載の方法。
（４）前記第１の基板を加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
上記（３）に記載の方法。
（５）前記第１の基板を約５５０°Ｃまで加熱する、
上記（４）に記載の方法。
（６）前記チップ中に電流を流し前記熱電材料の保護膜をジュール加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
上記（３）に記載の方法。
（７）熱電冷却器用の熱電素子を形成するシステムであって、
金属層によって覆われた複数のとがったチップを備えた第１の基板を形成する手段であって、前記金属層の一部が絶縁層で覆われており、前記金属層の残りの部分が露出している、手段と、
前記露出している金属層の部分を熱電材料の保護膜で覆う手段と、
熱電材料の第２の基板を前記熱電材料の保護膜に融合させる手段と
を備えたシステム。
（８）複数のとがったチップを備えた基板を形成する手段が、
複数の谷によって分離された複数のとがったチップを備えた基板を形成する手段と、
前記基板を金属層でコートする手段と、
前記金属層を絶縁材料の層でコートする手段と、
前記谷に犠牲材料を充填する手段と、
前記犠牲材料および前記絶縁材料を除去して前記複数のチップを露出させる手段と
を備えた、
上記（７）に記載のシステム。
（９）熱電材料の第２の基板を前記熱電材料の保護膜に融合させる前記手段が、
前記熱電材料の保護膜をとかす手段
を備えている、
上記（７）に記載のシステム。
（１０）前記第１の基板を加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
上記（９）に記載のシステム。
（１１）前記第１の基板を約５５０°Ｃまで加熱する、
上記（１０）に記載のシステム。
（１２）前記チップ中に電流を流し前記熱電材料の保護膜をジュール加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
上記（９）に記載のシステム。
（１３）熱電冷却器で使用する熱電素子を形成する方法であって、
熱電保護膜で覆われた複数のとがったチップを備えた第１の基板を形成するステップと、
熱電材料の第２の基板を前記第１の基板の前記複数のとがったチップに融合させるステップと
を備えた方法。
（１４）前記第２の基板を融合させる前記ステップが、
前記第２の基板を前記複数のとがったチップに機械的に位置合わせするステップと、
前記熱電保護膜をとかすステップと
を備えた、
上記（１３）に記載の方法。
（１５）前記第１の基板を加熱することにより、前記熱電保護膜をとかす、
上記（１４）に記載の方法。
（１６）前記第１の基板を約５５０°Ｃまで加熱する、
上記（１５）に記載の方法。
（１７）前記チップ中に電流を流し前記熱電材料の保護膜をジュール加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
上記（１４）に記載の方法。
（１８）複数のとがったチップを備えた第１の基板であって、、前記チップの先端が熱電材料から成る保護膜によって選択的に覆われている、第１の基板と、
平坦な熱電材料の第２の基板と、
前記熱電材料から成る保護膜と前記平坦な熱電材料との間に形成された融合接続部と
を備えた熱電冷却器。
（１９）前記平坦な熱電材料が超格子材料から成る、
上記（１８）に記載の熱電冷却器。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術による熱電冷却（ＴＥＣ）装置の高次元のブロック図である。
【図２】 本発明による改良された構造のインタフェースを備えた熱電冷却器の断面図である。
【図３】 本発明による、図２の熱電冷却器の平面図である。
【図４】 本発明による、図２のチップ２５０のうちの１つとして実現しうるチップの断面図である。
【図５】 本発明による超格子近傍のチップの温度場を説明する断面図である。
【図６】 本発明による全金属チップを備えた改良された構造のインタフェースを備えた熱電冷却器の断面図である。
【図７】 本発明による全金属チップ形成用の犠牲シリコン・テンプレートの断面図である。
【図８】 本発明により犠牲シリコン・テンプレートを用いて全金属円錐体を形成する典型的な方法を示すフローチャートを示す図である。
【図９】 本発明によりパターニングしたフォトレジストを用いて形成した全金属円錐体の断面図である。
【図１０】 本発明によりフォトレジストを用いて全金属円錐体を形成するの典型的な方法を示すフローチャートを示す図である。
【図１１】 本発明によりインタフェースにおいて金属導電層以外の熱電金属をチップに形成した改良された構造のインタフェースを備えた熱電冷却器の断面図である。
【図１２】 本発明により熱電冷却器を形成する典型的な方法を示すフローチャートを示す図である。
【図１３】 熱電材料中にチップを形成するのに必要なフォトレジストの位置決めを説明する断面図である。
【図１４】 本発明による表面に対するチップの位置決めを説明する、熱電冷却器で用いる、表面上のコールド・ポイント・チップを示す図である。
【図１５】 熱電発電装置の概略図である。
【図１６】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図１７】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図１８】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図１９】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図２０】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図２１】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図２２】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図２３】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図２４】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図２５】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【符号の説明】
１００ 熱電冷却器
１０４ ｐ型半導体
１０６ ｎ型半導体
１０８ 熱伝導性が良好な不良導体
１１０ 導体
２１０ 超格子熱電素子構造体
２１２ 超格子熱電素子構造体
１１４ 導体
１１６ ヒート・シンク
２００ 熱電冷却器
２０２ ヒート・シンク
２１８ 導体
２２０ 導体
２２２ ｎ+ 型領域
２２４ ｎ+ 型領域
２２６ 熱源
２５０ チップ
３００ 熱電冷却器
３０２ ｎ型熱電材料部
３０４ ｐ型熱電材料部
３０８ 薄層
３１０ チップ
３１２ チップ
３１４ 薄層
４００ チップ
４０２ 円錐体
４０４ 薄層
４０８ チップ
４１０ 熱電材料
４１２ 導体層
４１４ 円錐体
５０２ 超格子
５０４ チップ
６００ 熱電冷却器
６１８ 円錐体
６２０ 円錐体
６２２ シリコン領域
６２４ シリコン領域
６５０ チップ
６６０ 保護膜
６６２ 保護膜
７０２ テンプレート
７０４ 金属層
９０２ 全金属の円錐体
９０４〜９０８ フォトレジスト
１１００ 熱電冷却器
１１０２ ホット・プレート
１１１０ 熱電材料
１１１２ 導電性プレート
１１１４ 熱伝導体
１１１６ コールド・プレート
１１１８ 熱伝導体
１１２０ 導電性プレート
１１２２ 熱電材料
１１２４ 熱電素子
１１２６ 熱電素子
１１３０〜１１４０ ポイント
１３０８〜１３１２ チップ
１４０２ チップ
１４０４ 対向面
１４０６〜１４１４ 超格子の層
１５００ 熱電発電装置
１５０２ 負荷抵抗器
１５０４ 熱電素子
１５０６ 熱電素子
１５０８ 熱伝導特性が良好な不良導体
１５１２ 熱素子
１５１６ 熱素子
１６０２ チップ基板
１６０４ 金属層
１６０６ 誘電体薄膜
１６０８ 犠牲平坦化誘電体
１６１０〜１６１２ チップ
１６１３〜１６１５ 熱電材料のオーバーコート
１６１７ 熱電基板
１６１８ メタライズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路チップなどの物体を冷却する装置に関する。特に、本発明は熱電冷却器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータの速度が増大し続けるのにつれて、コンピュータ内の回路が発生させる熱の量も増大し続けている。大部分の回路と用途では、発熱量が増大すると、コンピュータの性能が劣化する。これらの回路は、最も効率的に動作させるには冷却する必要がある。パーソナル・コンピュータなど性能の低い多くのコンピュータでは、ファンとフィンを用いた対流冷却だけで、コンピュータを冷却することができる。しかし、より速い速度で動作してより大量の熱を発生させるメインフレームなど大型コンピュータの場合、これらの解決策は現実的でない。
【０００３】
近年、メインフレームでは、多くの場合、蒸気圧縮冷却器を用いてコンピュータを冷却している。これらの蒸気圧縮冷却器は、多くの家庭で使用されている中央式空気調和装置（セントラル・エアコン）と実質的に同様に動作する。しかしながら、蒸気圧縮冷却器は機械的にきわめて複雑なので、加熱に起因する性能の劣化に最も影響を受けやすい特定の区域を冷却するには、メインフレームの様々な部品に合わせて絶縁体やホースを配置しなければならない。
【０００４】
ずっと簡単で安価な種類の冷却器として、熱電冷却器がある。熱電冷却器は、ペルチエ効果と呼ばれる物理原理を用いている。熱電冷却器は、このペルチエ効果により、電源のＤＣ（直流）電流を異なる２つの物質の両端に印加し、これら２つの物質の接合部において熱を吸収させる。この結果、発熱物体から熱を奪い、ヒート・シンクに輸送して放散させることにより、発熱物体を冷却することができる。熱電冷却器は、集積回路チップ内に設けることができるから、蒸気圧縮冷却器が必要とするような複雑な機械装置を必要とすることなく、特定の発熱部位を直接に冷却することができる。
【０００５】
しかしながら、現在の熱電冷却器は、蒸気圧縮冷却器ほど効率的ではないので、同じ量の冷却を行なうのにより多くの電力を必要としている。さらに、現在の熱電冷却器は、蒸気圧縮冷却器ほどには大きな物体を冷却することができない。したがって、熱電冷却器の効率と冷却能力を改善して、たとえばメインフレーム・コンピュータ、発熱チップの熱管理、ＲＦ通信回路、磁気読み書きヘッド、光デバイス、レーザ・デバイス、車載冷房システムなど、小型の冷却用途から複雑な蒸気圧縮冷却器を追放しうるようにすることが求められている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、熱電冷却器用の熱電素子を形成する方法を提供するものである。一実例では、まず、谷によって分離された複数のとがったチップを備えた第１の基板を形成する。この第１の基板は、金属層で覆われている。この金属層の一部は、絶縁物で覆われており、この金属層の他の部分は露出している。次いで、この金属層の露出している上記他の部分を、熱電材料の保護膜で覆う。次いで、熱電材料の第２の基板を第１の基板のとがったチップの側に融合させる。この融合は、たとえば、第１の基板の裏面を加熱し熱電材料の保護膜をとかすことにより、あるいは、とがったチップ中に電流を流しジュール熱を発生させて熱電材料の保護膜をとかすことにより行なう。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照する。
図１は、従来技術による熱電冷却（ＴＥＣ:Thermoelectric Cooling)装置の高次元のブロック図である。熱電冷却（これ自体は周知の原理である）は、ペルチエ効果に基づいている。熱電冷却は、このペルチエ効果により、電源のＤＣ（直流）電流を異なる２つの物質の両端に印加し、これら２つの物質の接合部において熱を吸収させるものである。典型的な熱電冷却装置では、熱伝導性が良好な不良導体１０８、１０８の間に挟まれたｐ型半導体１０４とｎ型半導体１０６を使用する。ｎ型半導体１０６では電子が過剰である一方、ｐ型半導体１０４では電子が欠乏している。
【０００８】
導体１１０からｎ型半導体１０６に移動する電子のエネルギー状態は、熱源１１２から吸収した熱エネルギーのために高くなっている。この過程には、ｎ型半導体１０６と導体１１４中の電子流を経由して、熱源１１２からヒート・シンク１１６へ熱エネルギーを輸送する効果がある。電子は、導体１１４において低いエネルギー状態に降下して熱エネルギーを放散する。
【０００９】
熱電冷却器１００などの冷却器の成績係数（η）は、冷却器の冷却能力を当該冷却器の総電力消費量で除して得られる比のことである。したがって、成績係数は、次式で与えられる。
【００１０】
【数１】
ただし、αＩＴc なる項は熱電冷却に由来し、（１／２）Ｉ2 Ｒなる項はジュール加熱逆流に由来し、ＫΔＴなる項は熱伝導に由来し、Ｉ2 Ｒなる項はジュール損失に由来し、αＩΔＴなる項はペルチエ電圧に抗してなされた仕事に由来し、αは物質のゼーベック係数であり、Ｔc は熱源の温度であり、ΔＴは熱源とヒート・シンクとの温度差である。
【００１２】
最大成績係数は、電流（Ｉ）を最適化することにより得られ、次式によって与えられる。
【００１３】
【数２】
ただし、
【００１５】
【数３】
および、
【００１７】
【数４】
ただし、εは冷却器の効率因子である。また、性能指数（ＺＴ）は、次式で与えられる。
【００１９】
【数５】
ただし、λは２つの要素から成る。すなわち、電子に由来する要素λe と格子に由来する要素λL とである。したがって、最大効率（ε）は、性能指数（ＺＴ）が無限大に近づくときに達成される。蒸気圧縮冷却器の効率は、約０．３である。図１に示すような既存の熱電冷却器の効率は、通常、０．１未満である。それゆえ、熱電冷却器の効率を蒸気圧縮冷却器と競合しうる範囲にまで大きくするには、性能指数（ＺＴ）を２よりも大きくする必要がある。もし、性能指数（ＺＴ）を２よりも大きくすることができれば、熱電冷却器は、蒸気圧縮冷却器と同じ効率と冷却能力を達成することができる。
【００２１】
次に、図２を参照する。図２は、本発明による改良された構造のインタフェースを備えた熱電冷却器の断面図である。熱電冷却器２００は、熱源２２６を備えている。図示するように電流（Ｉ）を流すと、熱源２２６から熱が奪われ、ヒート・シンク２０２に輸送される。熱源２２６は、冷却したい物体に熱的に接続されている。ヒート・シンク２０２は、たとえば、ヒート・パイプ、フィン、および／または、凝縮器に熱的に接続されており、熱源２２６から奪った熱を放散し、および／または、熱源２２６をさらに冷却する。（「Ａおよび／またはＢ」は「ＡおよびＢ、Ａ、またはＢ」を表わす。）
【００２２】
熱源２２６は、ｐ- 型にドープされたシリコンから成る。熱源２２６は、チップ２５０のｎ+ 型にドープされたシリコン領域２２４、２２２に熱的に接続されている。ｎ+ 型領域２２４、２２２は、導電体であるとともに、良好な熱伝導体でもある。ｎ+ 型領域２２４、２２２は、各々、熱源２２６と逆方向ダイオードを形成しているので、熱源２２６とｎ+ 型領域２２４、２２２との間には電流が流れない。したがって、熱源２２６と導体２１８、２２０とは電気的に絶縁されている。
【００２３】
ヒート・シンク２０２は、ｐ- 型にドープされたシリコンから成る。ヒート・シンク２０２は、ｎ+ 型にドープされたシリコン領域２０４に熱的に接続されている。ｎ+ 型領域２０４は、導電体であるとともに、良好な熱伝導体でもある。ｎ+ 型領域２０４とヒート・シンク２０２は逆方向ダイオードを形成しているので、ｎ+ 型領域２０４とヒート・シンク２０２との間には電流が流れない。したがって、ヒート・シンク２０２と導体２０８とは電気的に絶縁されている。熱電冷却器の電気絶縁に関するこれ以上の情報は、米国特許第６２２２１１３号に記載されている。
【００２４】
ヒート・シンク２０２と熱源２２６をドープしてない非導電性のシリコンで全体的に形成する場合には、ｎ+ 型領域とｐ- 型領域とで逆方向ダイオードを形成して導体２０８とヒート・シンク２０２とを絶縁する必要もないし、導体２１８、２２０と熱源２２６とを絶縁する必要もない。しかし、シリコンをまったく非ドープにするのは、きわめて困難である。したがって、ｎ+ 型領域とｐ- 型領域とで逆方向ダイオードを形成することにより、ヒート・シンク２０２と導体２０８、熱源２２６と導体２１８、２２０がそれぞれ電気的に絶縁されるのを保証している。また、逆方向ダイオードは、図示するようにｐ- 型にドープしたシリコンとｎ+ 型にドープしたシリコンとを用いて形成する代わりに、ｐ+ 型にドープしたシリコンとｎ- 型にドープしたシリコンとを用いて形成することもできる点に留意する必要がある。「ｎ+ 」「ｐ+ 」なる用語は、ここで用いているように、高濃度にドープしたｎ型半導体材料と、高濃度にドープしたｐ型半導体材料とをそれぞれ指している。また、「ｎ- 」「ｐ- 」なる用語は、ここで用いているように、低濃度にドープしたｎ型半導体材料と、低濃度にドープしたｐ型半導体材料とをそれぞれ指している。
【００２５】
熱電冷却器２００は、図１の熱電冷却器１００と構造が似ている。しかし、ｎ型半導体構造インタフェース１０６とｐ型半導体構造インタフェース１０４とは、ドープ領域２０４と導体２０８とにそれぞれ電気的に接続された超格子熱電素子構造体２１０と２１２で置き換えられている。導体２０８は、プラチナ（Ｐｔ）、あるいは他の導電性材料、たとえばタングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン／銅／ニッケル（Ｔｉ／Ｃｕ／Ｎｉ）金属膜などで形成することができる。
【００２６】
超格子とは、数ナノメートル厚の２つの異なる半導体材料を交互に積層した構造体のことである。熱電素子２１０の超格子は交互に積層したｎ型の半導体材料から成り、熱電素子２１２の超格子は交互に積層したｐ型の半導体材料から成る。各熱電素子２１０、２１２中の交互に積層した各材料の層厚は、約１０ナノメートル（ｎｍ）である。２つの半導体材料から成る超格子は、同じ２つの半導体材料から成る合金と比べると熱伝導率（λ）が小さく、導電率（σ）が同じである。
【００２７】
一実施形態では、超格子熱電素子２１２は、ｐ型ビスマス・カルコゲナイド材料の交互積層体、たとえばＢｉ2 Ｔｅ3 ／Ｓｂ2 Ｔｅ3 層とＢｉ0.5 Ｓｂ1.5 Ｔｅ3 層との交互積層体から成り、超格子熱電素子２１０は、ｎ型ビスマス・カルコゲナイド材料の交互積層体、たとえばＢｉ2 Ｔｅ3 層とＢｉ2 Ｓｅｂ3 層との交互積層体から成る。また、熱電素子２１０、２１２用の超格子には、別の半導体材料を用いてもよい。たとえば、熱電素子２１０、２１２用の超格子は、ビスマス・カルコゲナイド材料の代わりに、コバルト・アンチモン方コバルト鉱を用いて形成することができる。
【００２８】
熱電冷却器２００は、複数のチップ２５０をも備えている。電流は、チップ２５０を通って熱電素子２１２に流れ込み、熱電素子２１０から導体２１８に流れ込む。チップ２５０は、たとえばプラチナ（Ｐｔ）などの導電材料から成る保護膜層２１８、２２０で覆われた円錐構造に形成されたｎ+ 型半導体２２２、２２４から成る。プラチナの代わりに用いうる他の導電材料としては、たとえばタングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン／銅／ニッケル（Ｔｉ／Ｃｕ／Ｎｉ）金属膜などがある。チップ２５０の周りと熱電材料２１０、２１２との間の領域は、排気するか、たとえば乾燥窒素などのガスで密封する必要がある。
【００２９】
導電層２１８、２２０を覆うチップ２５０の上には、半導体材料の薄層２１４、２１６が設けられている。層２１４は、チップ２５０にとって最も近くにある熱電素子の超格子２１２とゼーベック係数（α）が同じであるｐ型材料で形成されている。層２１６は、チップ２５０にとって最も近くにある熱電素子の超格子２１０とゼーベック係数（α）が同じであるｎ型材料で形成されている。ｐ型の熱電保護膜層２１４は、熱電冷却器２００が機能するのに必要である。なぜなら、冷却は金属の近くの領域で行なわれ、そこでは電子と正孔が生成されるからである。ｎ型熱電保護膜層２１６は、有益である。なぜなら、最大冷却は、ゼーベック係数の傾き（変化）が最大になる場所で行なわれるからである。現在の研究結果によると、熱電保護膜２１４、２１６の厚さは２〜５ナノメートルにするのが望ましい。
【００３０】
図１の導体１１０のような導体を、平坦なインタフェースではなくとがったチップ２５０にすると、冷却効率が向上する。チップ２５０の先端における格子熱伝導率（λ）は、格子不整合ゆえにきわめて小さい。たとえば、ビスマス・カルコゲナイドの熱伝導率（λ）は、通常、約１ワット／メートル・ケルビンである。ところが、チップ２５０のようなとがったチップ構造体では、先端部における格子不整合ゆえに、熱伝導率は、約０．１ワット／メートル・ケルビンまで低下してしまう。しかし、熱電材料の導電率は、比較的不変のままである。したがって、この種の材料の場合、性能指数（ＺＴ）は、２．５よりも大きくなる。熱電素子２１０、２１２の超格子として用いうる別の材料は、コバルト・アンチモン方コバルト鉱である。この種の材料は、通常、熱伝導率（λ）がきわめて大きいので、普通は望ましくない。しかし、とがったチップ２５０として用いることにより、熱伝導率を最小値にしうるとともに、これらの材料の性能指数（ＺＴ）を４より大きくしうる。したがって、これらの材料は、熱電素子２１０、２１２として用いるのにきわめて魅力的である。
【００３１】
コールド・ポイント構造の別の利点は、電子を（その運動エネルギーに対応する）波長よりも小さな寸法の中に閉じ込めうる、という点である。この種の閉じ込めによって、輸送に用いうる局所状態密度が増大するとともに、ゼーベック係数が効果的に増大する。したがって、αを増大させ、λを低減させることにより、性能指数ＺＴを増大させうる。
【００３２】
図１に示すような既存の熱電冷却器は、熱源とヒート・シンクとの間で約６０ケルビンの冷却温度差を作りだすことができる。しかし、熱電冷却器２００は、１００ケルビン超の温度差を作りだすことができる。したがって、２つの熱電冷却器を相互接続すると、液体窒素の温度範囲（１００ケルビン未満）まで冷却することができる。しかし、熱電素子２１０、２１２用には、様々な材料を用いることができる。たとえば、テルル化ビスマスのαは、低温（すなわち−１００°Ｃ未満）では極めて小さい。しかし、ビスマス・アンチモン合金は、低温で良好な結果を示す。
【００３３】
当業者が認識しうるように、図２に示す熱電冷却器の構造は、必要な冷却・熱輸送能力、電流源、および電圧源を考慮に入れ、実現方法に応じて変更しうる。たとえば、チップ２５０の列数を図２に示すものよりも多くしたり少なくしたりしうる。図示した例は、本発明に対する構成上の限定を意味しない。
【００３４】
次に、図３を参照する。図３は、本発明による図２に示す熱電冷却器２００の平面図である。熱電冷却器３００は、ｎ型熱電材料部３０２とｐ型熱電材料部３０４を備えている。ｎ型熱電材料部３０２とｐ型熱電材料部３０４の双方とも、シリコン本体を覆う導電材料３０６の薄層を備えている。
【００３５】
ｎ型熱電材料部３０２は、熱電素子２１０用の超格子の最も近い層と同じ型であるｎ型の材料から成る薄層３０８で各々が覆われた円錐形のチップ３１０のアレイを備えている。ｐ型熱電材料部３０４は、熱電素子２１２用の超格子の最も近い層と同じ型であるｐ型の材料から成る薄層３１４で各々が覆われた円錐形のチップ３１２のアレイを備えている。
【００３６】
次に、図４（ａ）と図４（ｂ）を参照する。図４（ａ）と図４（ｂ）は、本発明により図２のチップ２５０の１つとして実現しうるチップの断面図である。チップ４００は、約３５度の円錐角で形成されたシリコンの円錐体４０２を備えている。シリコンの表面は、プラチナ（Ｐｔ）などの導電性材料の薄層４０４で覆われている。チップ４００の先端は、熱電材料の薄層４０６で覆われている。すべての層を堆積したあとの円錐角は、約４５度である。チップ４００の実効ポイント半径は、約５０ナノメートルである。
【００３７】
チップ４０８は、複数のチップ２５０のうちの１つの別の実施形態である。チップ４０８は、先端を導体層４１２と熱電材料４１０で覆ったシリコンの円錐体４１４を備えている。しかし、チップ４０８の円錐角はチップ４００よりもずっと鋭い。チップ４０８の実効ポイント半径は、約１０ナノメートルである。現時点では、チップにとって円錐角が広いほうがよいのか狭いほうかよいのか分かっていない。この実施形態では、図４（ａ）に示すように、チップ用に４５度の円錐角を選んだ。というのは、このような角度が円錐角として可能な範囲の中間に位置するからであり、また、このような形体はプラチナの保護膜を備えたシリコンから容易に形成できるからである。その理由は、シリコンを＜１００＞面にそってＫＯＨエッチングすると、５４度の円錐角が自然に形成されるからである。次いで、導体と熱電材料の保護膜を付加すると、円錐角は約４５度になる。
【００３８】
次に、図５を参照する。図５は、本発明による超格子近傍のチップの温度場を説明する断面図である。チップ５０４は、図２に示す複数のチップ２５０のうちの１つとして実現しうるものである。チップ５０４の先端における実効チップ半径（ａ）は、１０〜５０ナノメートルである。したがって、温度場はきわめて短い距離（ｒ）（約２ａすなわち２０〜１００ナノメートル）内に局所化されている。それゆえ、超格子５０２は、熱流を閉じ込めるのに数層厚しか必要としない。したがって、尖ったチップを用いることにより、熱電冷却器は、５〜１０層の超格子を備えるだけで十分である。
【００３９】
以上のように、数層の超格子しか形成する必要がないので、たとえば熱電冷却器２００のような熱電冷却器を製造するのは容易である。また、熱電冷却器２００は、厚さが約３ミリメートルである既存の熱電冷却器と比べ、きわめて薄く（約１００ナノメートル）製造することができる。
【００４０】
本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の他の利点として、チップ・インタフェースゆえの、図２に示す熱電冷却器２１０、２１２のような熱電冷却器による熱伝導率の最小化がある。また、温度／ポテンシャル降下をチップ近傍の領域に局所化し、１００ナノメートル以下の長さ効果的に縮小しうる。さらに、とがったチップを用いることにより、超格子熱電素子２１０、２１２に必要な層数を最小化しうる。また、本発明によれば、薄膜構造体を電着によって形成することができる。さらに、寸法が小さいので、ｎ型熱電素子とｐ型熱電素子をモノリシック集積化することもできる。
【００４１】
本発明の熱電冷却器を用いて冷却しうるものとしては、たとえば、メインフレーム・コンピュータ内の特定の部位、レーザ装置、光エレクトロニクス部品、光検出器、遺伝学で使用するＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応装置）などが挙げられる。
【００４２】
次に、図６を参照する。図６は、本発明による全金属チップを備えた改良された構造のインタフェースを備えた熱電冷却器の断面図である。上ではｐ+ 型半導体領域２２２とｎ+ 型半導体領域２２４から構成されたシリコン円錐体から構成されたチップ２５０を備えたものとして本発明を説明したけれども、図２のチップ２５０は、図６に示すチップ６５０で置き換えることができる。チップ６５０は、全金属の円錐体６１８、６２０を備えている。図示する実施形態では、円錐体６１８、６２０は、銅で形成されており、ニッケルの保護膜６６０、６６２を備えている。チップ６５０上に熱電保護膜２１６、２１４を備えている点を含め他のすべての点で、熱電冷却器６００は、熱電冷却器２００と同一である。熱電冷却器６００は、熱電冷却器２００と同じ利点を有する。しかし、導電材料で覆われたシリコンの円錐体の代わりに全金属の円錐体を用いることにより、円錐体内の寄生抵抗値がきわめて小さくなっている。これにより、熱電冷却器２００ですでに増大している効率が、熱電冷却器６００ではさらに増大する。熱電材料２１０、２１２と接触している、チップ６５０の領域を取り巻く領域は、真空にするか、熱伝導率の小さなガス、たとえばアルゴンで密封する必要がある。
【００４３】
また、図２と同様に、熱源２２６は、ｐ- 型にドープしたシリコンから成る。しかし、図２と異なり、シリコンの熱源２２６は、ｎ+ 型にドープしたシリコン領域６２４、６２２と熱的に接続されているけれども、図２のシリコン領域２２４、２２２と異なり、チップ構造体６５０の一部を形成していない。けれども、ｎ+ 型にドープしたシリコン領域６２４、６２２は、図２の領域２２４、２２２が成したのと同じ電気絶縁機能を達成している。
【００４４】
図６に示す全金属の円錐体を形成するのに、いくつかの方法を用いうる。たとえば、図７を参照すると、そこには、本発明による全金属のチップを形成するのに用いうる犠牲シリコン・テンプレートの断面図が示されている。まず、円錐形のピットを有する犠牲シリコン・テンプレート７０２を形成したのち、このテンプレート７０２上に金属層を堆積して、全金属の円錐体７０４を形成する。次いで、この全金属の円錐体７０４を熱電冷却器６００中で使用する。
【００４５】
次に、図８を参照する。図８は、本発明による、シリコン犠牲テンプレートを用いて全金属円錐体を形成する典型的な方法を示すフローチャートを示す図である。始めに、シリコンの異方性エッチングによって円錐形のピットを形成して型を形成する（ステップ８０２）。これは、ＫＯＨエッチング、酸化、および／または、収束イオン・ビーム・エッチングを組み合わせて行なう。シリコンのピットを形成するこのような技法は、当技術分野では周知である。
【００４６】
次いで、シリコンの犠牲テンプレートをシード金属、たとえばチタンの薄いスパッタ層で覆う（ステップ８０４）。続いて、銅を電気化学的に堆積して、犠牲シリコン・テンプレート中の谷（円錐形ピット）を充填する（ステップ８０６）。次いで、銅の表面を平坦化する（ステップ８０９）。金属層を平坦化する方法は、当技術分野では周知である。次いで、当技術分野で周知の選択エッチング法によってシリコンの表面を除去する（ステップ８１０）。次いで、このようにして形成した全金属の円錐体を、別の金属、たとえばニッケルの保護膜で覆い、続いて熱電材料の超薄層で覆う。ニッケルの保護膜のために、熱電材料の保護膜の電着が容易になる。
【００４７】
全金属の円錐体を形成するこの方法の１つの利点は、分離プロセス時に銅をシリコン基板からはがすことにすれば、シリコン基板の型を再使用できる点である。シリコン基板の型は、劣化して再使用できなくなるまでに約１０回再使用できる。
【００４８】
このようにテンプレートを形成するのは制御性がきわめて良好であるとともに、これによりきわめて均一な全金属円錐形チップを形成できる。なぜなら、シリコンのエッチングは、予測可能性がきわめて高く、ピットの傾斜と形成する円錐体の鋭さを数ナノメートルの程度まで計算することができるからである。
【００４９】
全金属の円錐体を形成するのに、他の方法を用いることもできる。たとえば、図９を参照すると、そこには、本発明によりパターニングしたフォトレジストを用いて形成した全金属の円錐体９０２の断面図が示されている。この方法では、まず、部分的に形成した熱電冷却器の底部上に金属層を形成する。次いで、パターニングしたフォトレジスト９０４〜９０８を用い、直接電気化学エッチング法で全金属の円錐体９０２を形成する。このようにして形成したチップは、イオン・ビーム・ミリングによるものよりもずっと鋭利である場合が多い。
【００５０】
次に、図１０を参照する。図１０は、本発明により全金属円錐体を形成する典型的な方法を示すフローチャートを示す図である。まず始めに、部分的に製造した熱電冷却器の金属層、たとえば銅層上の複数の小さな部分をパターニングする（ステップ１００２）。その際、部分のアレイ状にフォトレジストをパターニングする。アレイ内の各フォトレジスト領域は、全金属円錐体になるチップを形成する必要のある領域に対応している。次いで、金属を電気化学的に直接にエッチングして、図９に示す円錐体９０２を形成する（ステップ１００４）。次いで、フォトレジストを剥離（はくり）したのち、全金属の円錐体のチップを別の金属、たとえばニッケルでコートする（ステップ１００６）。次いで、第２のコーティングを実行して、全金属円錐体を熱電材料の超薄層でコートする（ステップ１００８）。以上の結果、チップ上に熱電材料層を備えた全金属円錐体が形成される。この全金属円錐体は、熱電冷装置、たとえば熱電冷却器６００中で使用することができる。このようにして形成した全金属の円錐体ポイントは、図８に示す方法を用いて形成したものほど均一ではない。しかし、この方法は、現在最も安価であるから、コストが重要な場合には望ましい方法である。
【００５１】
全金属円錐体を形成する図示した方法は、単なる例にすぎない。熱電冷却器として使用する全金属円錐体を形成するのに、他の方法を用いてもよい。さらに、全金属円錐体用に銅とは別の他の種類の金属を用いてもよい。
【００５２】
次に、図１１を参照する。図１１は、金属導電層以外の熱電材料をインタフェースにおいてチップに形成した、本発明による改良された構造のインタフェースを備えた熱電冷却器の断面図である。熱電冷却器１１００は、コールド・プレート１１１６とホット・プレート１１０２を備えている。コールド・プレート１１１６は、冷却すべき物体と熱的に接触している。熱伝導体１１１４と１１１８は、それぞれ導電性プレート１１１２と１１２０との間で熱的に結合している。熱伝導体１１１４と１１１８は、高濃度にドープされた（ｎ+ ）半導体材料から成り、コールド・プレート１１１６のｐ- 型材料と逆バイアス・ダイオードを形成することにより、コールド・プレート１１１６と導体１１１２、１１２０との間を電気的に絶縁している。したがって、熱は、コールド・プレート１１１６から、導体１１１２、１１２０を通り、最終的にホット・プレート１１０２に輸送される。そして、熱電冷却器１１００と冷却すべき物体との間を電気的に結合することなく、ホット・プレート１１０２から放熱される。同様に、熱伝導体１１０４は、ｐ- 型にドープされた半導体材料から成るホット・プレート１１０２とで逆バイアス・ダイオードを形成することより、ホット・プレート１１０２と導電プレート１１０８との間を電気的に絶縁しながら、導電プレート１１０８とホット・プレート１１０２と間を熱的に結合している。熱伝導体１１０４も、ｎ+ 型にドープされた半導体材料から成る。導電プレート１１０８、１１１２、１１２０は、この実施形態では、プラチナ（Ｐｔ）から成る。しかし、導電性を有するとともに熱伝導性を有する他の材料を用いることもできる。また、留意点を挙げると、熱電材料１１２２、１１１０近傍のチップ１１３０〜１１４０を取り巻く領域は、排気して真空にするか、熱伝導率の小さなガス、たとえばアルゴンで密封する必要がある。
【００５３】
この実施形態では、図２や図６に示すようにポイント電極において金属を備えたポイントのアレイを通して、熱電素子と熱源（コールド端）金属電極（導体）との間を接触させるのではなく、熱電素子と金属電極とを接触させるポイントのアレイは、熱電素子１１２４、１１１２６から成るポイント（チップ）１１３０〜１１４０のアレイによって構成されている。この実施形態のチップ１１３０〜１１４０は、単結晶または多結晶の熱電材料を用い電気化学エッチングによって形成する。
【００５４】
一実施形態では、熱電素子１１２４は単結晶のＢｉ2 Ｔｅ3 ／Ｓｂ2 Ｔｅ3 とＢｉ0.5 Ｓｂ1.5 Ｔｅ3 の超格子から成り、熱電素子１１２６はＢｉ2 Ｔｅ3 ／Ｂｉ2 Ｓｅ3 とＢｉ2 Ｔｅ2.0 Ｓｅ0.1 の超格子から成る。導電プレート１１２０は、薄層１１２０の最も近くにあるチップ１１３０〜１１３４の材料と同じ熱電材料の薄層１１２２でコートされている。導電プレート１１１２は、薄層１１１２の最も近くにあるチップ１１３６〜１１４０の材料と同じ熱電材料の薄層１１１０２でコートされている。
【００５５】
次に、図１２を参照する。図１２は、本発明によりたとえば図１１の熱電冷却器１１００のような熱電冷却器を形成るす典型的な方法を示すフローチャートを示す図である。まず、最適化した単結晶材料を金属電極１３０１に既存の手段で貼り付けて、あるいは、単結晶材料上に金属電極を堆積して、図１３に示す電極接続パターンを形成する（ステップ１２０２）。次いで、熱電材料１３１４の反対側をフォトレジスト１３０２〜１３０６をマスクとしてパターニングする（ステップ１２０４）。次いで、電気化学槽中で金属電極を陽極として表面をエッチングする（ステップ１２０６）。エッチング工程を制御し適切な時機に停止させることにより、図１３に示すチップ１３０８〜１３１２が形成される。
【００５６】
次いで、第２の単結晶基板をＣＭＰ（chemical-mechanical polishing:化学機械研磨）によって薄くしたのち、基板全体を電気化学的にエッチングしてナノメートル膜を形成する（ステップ１２１０）。この第２の超薄基板は、コールド端を形成する。次いで、２つの基板（一方は超薄熱電材料を備え、他方は熱電チップを備えている）を軽い圧力によって張り合わせる（ステップ１２１２）。この構造体は、チップにおけるインタフェース部以外のすべての領域で高度の結晶性を維持している。また、同様の方法を用いて、単結晶構造体以外に多結晶構造体を製造することもできる。
【００５７】
次に、図１４を参照する。図１４は、本発明により熱電冷却器で使用される表面に対するチップの位置決めの様子を示す、当該表面上のコールド・ポイント・チップを示す図である。上では、全金属チップ、金属コート・チップ、熱電チップを問わず、チップがチップの対向面と接触するものとして説明したけれども、図１４に示すように、チップは対向面のきわめて近くまで近接するが完全には接触しないのが望ましい。図１４のチップ１４０２は、対向面１４０４の近傍に位置しているが、対向面１４０４と物理的に接触していない。チップ１４０２は、対向面１４０４から約１ナノメートル以下の距離ｄだけ離れているのが望ましい。実際には、数千個のチップを備えた熱電冷却器の場合、対向面を完全平面には形成できないことに起因して、チップの中には対向面と接触するものもあるし、接触しないものある。
【００５８】
チップを対向面との接触状態から引き離すと、熱電冷却器のコールド・プレートとホット・プレートとの間の熱伝導性は低下する。しかし、チップと対向面との間に電子のトンネリングが起こるから、導電性は維持される。
【００５９】
上では、本発明のチップを完全にとがったチップとして示すとともに説明した。しかし、図１４に示すように、実際のチップは、通常、チップ１４０２のようにわずかに丸みをおびている。チップが完全にとがった状態に近いほど、チップのクール温度とホット・プレートのホット温度との間の温度傾斜を達成するのに必要な超格子の層数は少なくて済む。
【００６０】
チップ１４０２の湾曲端の曲率半径ｒ0 は、約数十ナノメートルである。表面１４０４下の熱電材料の連続する層間の温度差は、チップ１４０２の湾曲端の曲率半径ｒ0 の２〜３倍離れると、０に近づく。したがって、必要な超格子の層１４０６〜１４１４は、数層でしかない。それゆえ、チップに対向する熱電材料は、本発明のチップを用いてホット・プレートとコールド・プレートとの間を電気的に接続すると、最も効果的である。これは、従来技術と対照的である。従来技術では、チップなしに超格子を使って温度傾斜を０に近づけるのに十分な厚さを得るには、１００００層以上の超格子を必要とした。このような数の層は、非現実的であった。これに対して、本発明は、５〜６層しか使わないから、ずっと現実的である。
【００６１】
上では冷却用に用いるとがったインタフェースを備えた熱電冷却装置（すなわちペルチエ装置）を参照して本発明を説明したけれども、当業者が容易に認識しうるように、本発明は発電用にも用いることができる。当業者にとって周知のように、熱電装置は、（上述したように）ペルチエ・モードで用いて冷却に使うことも、ゼーベック・モードで用いて発電に使うこともできる。次に、図１５を参照する。図１５は、熱電発電装置の概略図である。図１５には、説明と理解を容易にするために、本発明のクール・ポイント・チップを用いた熱電発電装置ではなく、従来技術による熱電発電装置が示してある。しかし、留意点を挙げると、本発明による熱電発電装置の一実施形態では、熱電素子１５０６、１５０４は、たとえば上で詳述したクール・ポイント・チップのうちの任意のものを置き換えたものである（すなわち、それらのものを代表するものである）。
【００６２】
熱電発電装置１５００では、図１に示すように電源１０２から熱電装置中に電流を流すのではなく、熱電装置１５００の両端に温度差（ＴH −ＴL)を与える。この温度差（ＴH −ＴL)によって、図１５に示すように、抵抗性負荷素子１５０２を通じて電流（Ｉ）が流れる。これは、図１の動作モードとは逆の動作モードである。
【００６３】
したがって、電源１０２を負荷抵抗器１５０２で置き換え、熱素子１５１２と１５１６をそれぞれ異なる熱源ＱH とＱL に接触させて温度差（ＴH−ＴL ）を維持する以外、熱電装置１５００は、部品としては、図１の熱電冷却器１００と同一である。したがって、熱電発電装置１５００は、熱伝導特性が良好な不良導体１５０８、１５０８の間に挟まれたｐ型半導体１５０４とｎ型半導体１５０６を用いている。熱電発電の詳細は、ロウ博士編『熱電工学のＣＲＣハンドブック』第４７９〜４８８頁（CRC Handbook of Thermoelectrics, edited by D. M. Rowe, Ph. D., D. Sc., CRC Press, New York, (1995) pp.479-488)、および、ベジャン著『高等工業熱力学（第２版）』第６７５〜６８２頁（Advanced Engineering Thermodynamics, 2nd Edition, by Adiran Bejan, John Wiley & Sons, Inc., New York (1997), pp. 675-682）に記載されている。
【００６４】
次に、図１６〜図２５を参照する。図１６〜図２５は、本発明によるとがったチップを備えた熱電素子を形成する方法の各工程における断面図である。この方法で製造される熱電素子は、たとえば熱電冷却器２００などの熱電冷却器用の熱電素子として用いうる。まず始めに、図１６に示すように、たとえば上述したシリコンの型からはがすことより、シリコン基板または銅基板などのとがったチップ基板１６０２を形成する。続いて、図１７に示すように、とがったチップ基板１６０２を、たとえばスパッタリングまたは蒸着プロセスにより、たとえばチタン（Ｔｉ）またはプラチナ（Ｐｔ）などの金属層１６０４でコートする。次いで、図１８に示すように、金属層１６０４上にたとえばシリコン酸化膜などの誘電体薄膜１６０６を堆積する。次いで、図１９に示すように、金属と絶縁物（誘電体）をコートしたとがった基板１６０２のチップ１６１０〜１６１２だけが露出するように、チップ１６１０〜１６１２の間の谷に犠牲平坦化誘電体１６０８を充填する。
【００６５】
続いて、図２０に示すように、犠牲誘電体１６０８と誘電体薄膜１６０６をチップ１６１０〜１６１２が露出するまでエッチングする。次いで、図２１に示すように、熱電材料のオーバーコート１６１３〜１６１５をチップ１６１０〜１６１２上に約５ナノメートルの厚さに、電気化学法、または、ＣＶＤ（chemical vapor deposition:化学気相堆積法) によって選択的に成長させる。次いで、図２２に示すように、犠牲誘電体１６０８を除去する。次いで、図２３に示すように、とがったチップ１６１０〜１６１２を備えたとがったチップ基板１６０２を、表面が実質的に平坦な熱電基板１６１７と機械的に位置合わせする。単結晶の熱電基板１６１７は、一面１６１９が研磨されており、反対面は表面がＮｉ１６１８のスパッタ堆積によってメタライズされている。次いで、図２４に示すように、とがったチップ１６１０〜１６１２に対向するとがったチップ基板１６０２の端面を約５５０°Ｃに加熱して熱電（ＴＥ）オーバーコート１６１３〜１６１５をとかし、チップ１６１０〜１６１２上の熱電（ＴＥ）材料を熱電基板１６１７に融合させる。あるいは、図２５に示すように、チップ１６１０〜１６１２中をポイントまで電流を流し、ジュール熱によってチップ１６１０〜１６１２近傍の熱電材料１６１３〜１６１５をとかして、チップ１６１０〜１６１２を熱電基板１６１７に融合させてもよい。
【００６６】
以上、円錐形のチップを参照して本発明を説明したけれども、他の形のチップ、たとえば角錐形のチップを用いてもよい。実際、熱電冷却器の両端に電流を流す手段をなし分離した実質的にとがったチップであるかぎり、その形体は、対称でなくとも均一でなくともかまわない。本発明は、すべてのちいさな冷却器で使用することができる。たとえば、メインフレーム・コンピュータの冷却、発熱する集積回路チップの熱管理、ＲＦ通信回路、ディスク駆動装置用の磁気ヘッドの冷却、光装置の冷却、レーザ装置の冷却などで使用することができる。
【００６７】
以上、説明と記述を目的に本発明を述べたが、本発明は、ここに開示した形でつきるわけでもそれらに限定されるわけでもない。当業者にとって、多くの変更と変形が明らかである。実施形態は、本発明の原理と実際上の応用を最もよく説明するため、および、想到しうる特定の用途に適した様々な変更を備えた様々な実施形態について、当業者が本発明を理解しうるように選んだ。
【００６８】
まとめとして以下の事項を開示する。
（１）熱電冷却器用の熱電素子を形成する方法であって、
金属層によって覆われた複数のとがったチップを備えた第１の基板を形成するステップであって、前記金属層の一部が絶縁層で覆われており、前記金属層の残りの部分が露出している、ステップと、
前記露出している金属層の部分を熱電材料の保護膜で覆うステップと、
熱電材料の第２の基板を前記熱電材料の保護膜に融合させるステップと
を備えた方法。
（２）複数のとがったチップを備えた基板を形成するステップが、
複数の谷によって分離された複数のとがったチップを備えた基板を形成するステップと、
前記基板を金属層でコートするステップと、
前記金属層を絶縁材料の層でコートするステップと、
前記谷に犠牲材料を充填するステップと、
前記犠牲材料および前記絶縁材料を除去して前記複数のチップを露出させるステップと
を備えた、
上記（１）に記載の方法。
（３）熱電材料の第２の基板を前記熱電材料の保護膜に融合させる前記ステップが、
前記熱電材料の保護膜をとかすステップ
を備えている、
上記（１）に記載の方法。
（４）前記第１の基板を加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
上記（３）に記載の方法。
（５）前記第１の基板を約５５０°Ｃまで加熱する、
上記（４）に記載の方法。
（６）前記チップ中に電流を流し前記熱電材料の保護膜をジュール加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
上記（３）に記載の方法。
（７）熱電冷却器用の熱電素子を形成するシステムであって、
金属層によって覆われた複数のとがったチップを備えた第１の基板を形成する手段であって、前記金属層の一部が絶縁層で覆われており、前記金属層の残りの部分が露出している、手段と、
前記露出している金属層の部分を熱電材料の保護膜で覆う手段と、
熱電材料の第２の基板を前記熱電材料の保護膜に融合させる手段と
を備えたシステム。
（８）複数のとがったチップを備えた基板を形成する手段が、
複数の谷によって分離された複数のとがったチップを備えた基板を形成する手段と、
前記基板を金属層でコートする手段と、
前記金属層を絶縁材料の層でコートする手段と、
前記谷に犠牲材料を充填する手段と、
前記犠牲材料および前記絶縁材料を除去して前記複数のチップを露出させる手段と
を備えた、
上記（７）に記載のシステム。
（９）熱電材料の第２の基板を前記熱電材料の保護膜に融合させる前記手段が、
前記熱電材料の保護膜をとかす手段
を備えている、
上記（７）に記載のシステム。
（１０）前記第１の基板を加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
上記（９）に記載のシステム。
（１１）前記第１の基板を約５５０°Ｃまで加熱する、
上記（１０）に記載のシステム。
（１２）前記チップ中に電流を流し前記熱電材料の保護膜をジュール加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
上記（９）に記載のシステム。
（１３）熱電冷却器で使用する熱電素子を形成する方法であって、
熱電保護膜で覆われた複数のとがったチップを備えた第１の基板を形成するステップと、
熱電材料の第２の基板を前記第１の基板の前記複数のとがったチップに融合させるステップと
を備えた方法。
（１４）前記第２の基板を融合させる前記ステップが、
前記第２の基板を前記複数のとがったチップに機械的に位置合わせするステップと、
前記熱電保護膜をとかすステップと
を備えた、
上記（１３）に記載の方法。
（１５）前記第１の基板を加熱することにより、前記熱電保護膜をとかす、
上記（１４）に記載の方法。
（１６）前記第１の基板を約５５０°Ｃまで加熱する、
上記（１５）に記載の方法。
（１７）前記チップ中に電流を流し前記熱電材料の保護膜をジュール加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
上記（１４）に記載の方法。
（１８）複数のとがったチップを備えた第１の基板であって、、前記チップの先端が熱電材料から成る保護膜によって選択的に覆われている、第１の基板と、
平坦な熱電材料の第２の基板と、
前記熱電材料から成る保護膜と前記平坦な熱電材料との間に形成された融合接続部と
を備えた熱電冷却器。
（１９）前記平坦な熱電材料が超格子材料から成る、
上記（１８）に記載の熱電冷却器。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術による熱電冷却（ＴＥＣ）装置の高次元のブロック図である。
【図２】 本発明による改良された構造のインタフェースを備えた熱電冷却器の断面図である。
【図３】 本発明による、図２の熱電冷却器の平面図である。
【図４】 本発明による、図２のチップ２５０のうちの１つとして実現しうるチップの断面図である。
【図５】 本発明による超格子近傍のチップの温度場を説明する断面図である。
【図６】 本発明による全金属チップを備えた改良された構造のインタフェースを備えた熱電冷却器の断面図である。
【図７】 本発明による全金属チップ形成用の犠牲シリコン・テンプレートの断面図である。
【図８】 本発明により犠牲シリコン・テンプレートを用いて全金属円錐体を形成する典型的な方法を示すフローチャートを示す図である。
【図９】 本発明によりパターニングしたフォトレジストを用いて形成した全金属円錐体の断面図である。
【図１０】 本発明によりフォトレジストを用いて全金属円錐体を形成するの典型的な方法を示すフローチャートを示す図である。
【図１１】 本発明によりインタフェースにおいて金属導電層以外の熱電金属をチップに形成した改良された構造のインタフェースを備えた熱電冷却器の断面図である。
【図１２】 本発明により熱電冷却器を形成する典型的な方法を示すフローチャートを示す図である。
【図１３】 熱電材料中にチップを形成するのに必要なフォトレジストの位置決めを説明する断面図である。
【図１４】 本発明による表面に対するチップの位置決めを説明する、熱電冷却器で用いる、表面上のコールド・ポイント・チップを示す図である。
【図１５】 熱電発電装置の概略図である。
【図１６】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図１７】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図１８】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図１９】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図２０】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図２１】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図２２】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図２３】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図２４】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【図２５】 本発明によるとがったチップ・インタフェースを備えた熱電冷却器の製造工程を説明する断面図である。
【符号の説明】
１００ 熱電冷却器
１０４ ｐ型半導体
１０６ ｎ型半導体
１０８ 熱伝導性が良好な不良導体
１１０ 導体
２１０ 超格子熱電素子構造体
２１２ 超格子熱電素子構造体
１１４ 導体
１１６ ヒート・シンク
２００ 熱電冷却器
２０２ ヒート・シンク
２１８ 導体
２２０ 導体
２２２ ｎ+ 型領域
２２４ ｎ+ 型領域
２２６ 熱源
２５０ チップ
３００ 熱電冷却器
３０２ ｎ型熱電材料部
３０４ ｐ型熱電材料部
３０８ 薄層
３１０ チップ
３１２ チップ
３１４ 薄層
４００ チップ
４０２ 円錐体
４０４ 薄層
４０８ チップ
４１０ 熱電材料
４１２ 導体層
４１４ 円錐体
５０２ 超格子
５０４ チップ
６００ 熱電冷却器
６１８ 円錐体
６２０ 円錐体
６２２ シリコン領域
６２４ シリコン領域
６５０ チップ
６６０ 保護膜
６６２ 保護膜
７０２ テンプレート
７０４ 金属層
９０２ 全金属の円錐体
９０４〜９０８ フォトレジスト
１１００ 熱電冷却器
１１０２ ホット・プレート
１１１０ 熱電材料
１１１２ 導電性プレート
１１１４ 熱伝導体
１１１６ コールド・プレート
１１１８ 熱伝導体
１１２０ 導電性プレート
１１２２ 熱電材料
１１２４ 熱電素子
１１２６ 熱電素子
１１３０〜１１４０ ポイント
１３０８〜１３１２ チップ
１４０２ チップ
１４０４ 対向面
１４０６〜１４１４ 超格子の層
１５００ 熱電発電装置
１５０２ 負荷抵抗器
１５０４ 熱電素子
１５０６ 熱電素子
１５０８ 熱伝導特性が良好な不良導体
１５１２ 熱素子
１５１６ 熱素子
１６０２ チップ基板
１６０４ 金属層
１６０６ 誘電体薄膜
１６０８ 犠牲平坦化誘電体
１６１０〜１６１２ チップ
１６１３〜１６１５ 熱電材料のオーバーコート
１６１７ 熱電基板
１６１８ メタライズ
Claims (19)
- 熱電冷却器用の熱電素子を形成する方法であって、
金属層によって覆われた複数のとがったチップを備えた第１の基板を形成するステップであって、前記金属層の一部が絶縁層で覆われており、前記金属層の残りの部分が露出している、ステップと、
前記露出している金属層の部分を熱電材料の保護膜で覆うステップと、
熱電材料の第２の基板を前記熱電材料の保護膜に融合させるステップと
を備えた方法。 - 複数のとがったチップを備えた基板を形成するステップが、
複数の谷によって分離された複数のとがったチップを備えた基板を形成するステップと、
前記基板を金属層でコートするステップと、
前記金属層を絶縁材料の層でコートするステップと、
前記谷に犠牲材料を充填するステップと、
前記犠牲材料および前記絶縁材料を除去して前記複数のチップを露出させるステップと
を備えた、
請求項１に記載の方法。 - 熱電材料の第２の基板を前記熱電材料の保護膜に融合させる前記ステップが、
前記熱電材料の保護膜をとかすステップ
を備えている、
請求項１に記載の方法。 - 前記第１の基板を加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
請求項３に記載の方法。 - 前記第１の基板を約５５０°Ｃまで加熱する、
請求項４に記載の方法。 - 前記チップ中に電流を流し前記熱電材料の保護膜をジュール加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
請求項３に記載の方法。 - 熱電冷却器用の熱電素子を形成するシステムであって、
金属層によって覆われた複数のとがったチップを備えた第１の基板を形成する手段であって、前記金属層の一部が絶縁層で覆われており、前記金属層の残りの部分が露出している、手段と、
前記露出している金属層の部分を熱電材料の保護膜で覆う手段と、
熱電材料の第２の基板を前記熱電材料の保護膜に融合させる手段と
を備えたシステム。 - 複数のとがったチップを備えた基板を形成する手段が、
複数の谷によって分離された複数のとがったチップを備えた基板を形成する手段と、
前記基板を金属層でコートする手段と、
前記金属層を絶縁材料の層でコートする手段と、
前記谷に犠牲材料を充填する手段と、
前記犠牲材料および前記絶縁材料を除去して前記複数のチップを露出させる手段と
を備えた、
請求項７に記載のシステム。 - 熱電材料の第２の基板を前記熱電材料の保護膜に融合させる前記手段が、
前記熱電材料の保護膜をとかす手段
を備えている、
請求項７に記載のシステム。 - 前記第１の基板を加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
請求項９に記載のシステム。 - 前記第１の基板を約５５０°Ｃまで加熱する、
請求項１０に記載のシステム。 - 前記チップ中に電流を流し前記熱電材料の保護膜をジュール加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
請求項９に記載のシステム。 - 熱電冷却器で使用する熱電素子を形成する方法であって、
熱電保護膜で覆われた複数のとがったチップを備えた第１の基板を形成するステップと、
熱電材料の第２の基板を前記第１の基板の前記複数のとがったチップに融合させるステップと
を備えた方法。 - 前記第２の基板を融合させる前記ステップが、
前記第２の基板を前記複数のとがったチップに機械的に位置合わせするステップと、
前記熱電保護膜をとかすステップと
を備えた、
請求項１３に記載の方法。 - 前記第１の基板を加熱することにより、前記熱電保護膜をとかす、
請求項１４に記載の方法。 - 前記第１の基板を約５５０°Ｃまで加熱する、
請求項１５に記載の方法。 - 前記チップ中に電流を流し前記熱電材料の保護膜をジュール加熱することにより、前記熱電材料の保護膜をとかす、
請求項１４に記載の方法。 - 複数のとがったチップを備えた第１の基板であって、、前記チップの先端が熱電材料から成る保護膜によって選択的に覆われている、第１の基板と、
平坦な熱電材料の第２の基板と、
前記熱電材料から成る保護膜と前記平坦な熱電材料との間に形成された融合接続部と
を備えた熱電冷却器。 - 前記平坦な熱電材料が超格子材料から成る、
請求項１８に記載の熱電冷却器。
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