(57)【要約】  縦型の薄膜熱電装置（１０１）が説明される。本発明の少なくとも一実施形態において、熱電装置の熱電素子で、フォノン輸送は電子輸送から分離される。熱電素子は熱電物質に関連する熱化距離よりも薄い厚さを有してよい。本発明の少なくとも一実施形態において、熱電装置は第１の電極と第２の電極との間に絶縁膜を含む。本発明の少なくとも一実施形態において、熱電装置の熱電素子と電極との間のフォノン熱伝導率は、他の寝電装置と比較して、電子熱伝導率を著しく低減することなく低減される。フォノン伝導妨害物質が電極を関連の熱電素子に結合する領域に含まれてもよい。本発明はまた、このような構造を形成し、利用する方法を提供するよう意図される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と第２の電極との間に配置される第１の熱電物質層で、第１の熱電物質に関連する熱化距離より薄い厚さを有する第１の熱電物質層から構成され、前記第１の熱電物質層は、前記第１および第２の電極間の熱電物質の実質的な全体を構成することを特徴とする、熱電装置。
【請求項２】
前記第１の熱電物質層の厚さは約１μｍより薄いことを特徴とする、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項３】
前記第１の電極は、基板に熱的に結合し、基板から電気的に隔離される第１の伝導層をさらに含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の熱電装置。
【請求項４】
前記第１の電極は、前記第１の伝導層と前記第１の熱電物質層との間の第２の伝導層で、前記第１の伝導層と前記第１の熱電物質層との間の拡散を低減する第２の伝導層をさらに含むことを特徴とする、請求項３に記載の熱電装置。
【請求項５】
前記第１の電極は、前記第２の伝導層と前記第１の熱電物質層との間の第３の伝導層で、前記電極の前記第１の熱電物質層への接着力を増加させる第３の伝導層をさらに含むことを特徴とする、請求項４に記載の熱電装置。
【請求項６】
前記第１および第２の電極の少なくとも１つは、電気伝導性のフォノン伝導妨害物質を、少なくとも前記電極を第１の熱電素子に結合する部分にさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項７】
前記フォノン伝導妨害物質が、前記第１の熱電素子に直接結合することを特徴とする、請求項６に記載の熱電装置。
【請求項８】
前記フォノン伝導妨害物質が液体金属であることを特徴とする、請求項６または７に記載の熱電装置。
【請求項９】
前記フォノン伝導妨害物質が、ガリウム、インジウム、ガリウム-インジウム、鉛、鉛-インジウム、セシウムドーピングされたガリウム-インジウム、ガリウム-インジウム-銅、ガリウム-インジウム-すず、および水銀のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項６または７に記載の熱電装置。
【請求項１０】
前記第２の電極は、
前記第１の熱電物質層に結合する第１の伝導層と、
前記第１の伝導層と前記第１の熱電物質層に結合される第２の伝導層で、前記第１の伝導層と前記第１の熱電物質層との間の拡散を低減する第２の伝導層と、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の熱電装置。
【請求項１１】
前記第１の熱電物質層が占める領域以外の領域において、前記第１および第２の電極間に配置される絶縁膜からさらに構成される、請求項１または２に記載の熱電装置。
【請求項１２】
前記第１の電極に結合する第２の熱電物質層からさらに構成され、前記第１の熱電物質層は第１の導電型を有し、前記第２の熱電物質層は前記第１の導電型とは逆の導電型を有する、請求項１に記載の熱電装置。
【請求項１３】
前記第１の熱電物質層は、ｐ型Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３、ｎ型Ｂｉ２Ｔｅ２．８Ｓ
ｅ０．２、ｐ型Ｂｉ-Ｓｂ-Ｔｅ化合物、ｎ型Ｂｉ-Ｔｅ化合物、Ｂｉ２Ｔｅ３超格子、Ｓｂ２Ｔｅ３超格子、ビスマスカルコゲニド、鉛カルコゲニド、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｔｌ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｈｆ、ＫまたはＣｓを含む複雑カルコゲニド化合物、ＳｉＧｅ化合物、ＢｉＳｂ化合物、およびＣｏ、Ｓｂ、Ｎｉ、またはＦｅを含むスクッテルダイト化合物のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の熱電装置。
【請求項１４】
少なくとも前記第１および第２の電極が、単一の基板上に形成されたそれぞれの一体型層の少なくとも部分を含むことを特徴とする、請求項１または１２に記載の熱電装置。
【請求項１５】
各第１の電極と各第２の電極との間に結合される複数の熱電素子のうちの少なくとも１つにおいて、フォノン輸送を電子輸送から分離することから構成され、前記第１および第２の電極は単一の基板上に形成されるそれぞれの一体化層の少なくとも部分から構成される、熱電装置の性能を改善する方法。
【請求項１６】
前記分離することは、前記第１および第２の電極に、熱電素子の界面において電子およびフォノンが熱的均衡状態にない物質を提供することを含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記熱電素子の少なくとも１つと前記各第１の電極との間のフォノン熱伝導率を、電子熱伝導率を著しく低減することなく低減することからさらに構成される、請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記熱電素子の少なくとも１つで発生したジュール熱の半分より、前記熱電素子の少なくとも１つから対応する前記第１の電極へのジュール熱の逆流を低減することからさらに構成される、請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１９】
第１および第２の電極の間に、第１の熱電物質層で、第１の熱電物質層に関連する熱化距離より薄い厚さを有する第１の熱電物質層を形成することから構成され、前記第１の熱電物質層は、前記第１および第２の電極間の熱電物質の実質的な全体を構成することを特徴とする、熱電装置を製造する方法。
【請求項２０】
前記第１の熱電物質層の厚さは約１μｍよりも薄いことを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の熱電物質層が占める領域以外の領域において、少なくとも前記第１および第２の電極間に配置される絶縁膜を形成することからさらに構成される、請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１の電極を形成することは、
電気絶縁物質を基板上に形成することと、
前記電気絶縁物質の選択部分を除去することにより、前記電気絶縁物質内にくぼみを形成することと、
前記電気絶縁物質内に形成された前記くぼみ内に、伝導構造を形成することと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の電極を形成することは、
前記伝導構造に電気めっきを施すことと、
前記電気めっきを施された伝導構造と、前記電気絶縁物質とを平坦化することと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の電極を形成することは、高電流密度でのエレクトロマイグレーションを低減する第１の伝導物質を、前記伝導構造の上に形成することをさらに含むことを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１の電極を形成することは、前記伝導構造と前記第１の伝導物質の間に配置される第２の伝導物質で、前記第１の伝導物質の前記伝導構造への接着力を増加する第２の伝導物質を、導電構造の上に形成することをさらに含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２の電極を形成することは、電気伝導性のフォノン伝導妨害物質を、前記第１の熱電物質層上に形成することをさらに含むことを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
前記フォノン伝導妨害物質が液体金属であることを特徴とする、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記フォノン伝導妨害物質が、ガリウム、インジウム、ガリウム-インジウム、鉛、鉛-インジウム、セシウムドーピングしたガリウム-インジウム、ガリウム-インジウム-銅、ガリウム-インジウム-すず、および水銀のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項２６または２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記第２の電極を形成することは、前記フォノン伝導妨害物質上に、前記フォノン伝導妨害物質の酸化を低減する伝導物質を形成することをさらに含むことを特徴とする、請求項２６または２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の電極に結合される第２の熱電物質層を形成することからさらに構成され、前記第１の熱電物質層は第１の導電型を有し、前記第２の熱電物質層は前記第１の導電型とは逆の導電型を有する、請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１の熱電物質層は、ｐ型Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３、ｎ型Ｂｉ２Ｔｅ２．８Ｓｅ０．２、ｐ型Ｂｉ-Ｓｂ-Ｔｅ化合物、ｎ型Ｂｉ-Ｔｅ化合物、Ｂｉ２Ｔｅ３超格子、Ｓｂ２Ｔｅ３超格子、ビスマスカルコゲニド、鉛カルコゲニド、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｔｌ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｈｆ、ＫまたはＣｓを含む複雑カルコゲニド化合物、ＳｉＧｅ化合物、ＢｉＳｂ化合物、およびＣｏ、Ｓｂ、Ｎｉ、またはＦｅを含むスクッテルダイト化合物のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項３２】
少なくとも前記第１および第２の電極が、単一基板上に形成されたそれぞれの一体型層の少なくとも部分を含むことを特徴とする、請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項３３】
基板上に配置され、基板に熱的に結合する第１の電極と、
それぞれ前記第１の電極上に配置され、前記第１の電極に結合する、第１および第２の熱電素子で、前記第１の熱電素子は第１の導電型を有し、前記第２の熱電素子は前記第１の導電型とは逆の導電型を有し、
前記第１の熱電素子上に配置され、前記第１の熱電素子に結合する第２の電極と、
前記第２の熱電素子上に配置され、前記第２の熱電素子に結合する第３の電極と、
から構成され、
前記第１、第２、および第３の電極は前記第１および第２の熱電素子を電気的に直列に、熱的に並列に結合し、
前記第１、第２、および第３の電極は、前記基板上に形成されたそれぞれの一体型層の少なくとも部分を含むことを特徴とする、
一体型熱電装置。
【請求項３４】
前記第１および第２の熱電素子の少なくとも１つの厚さが、前記熱電素子に関連する熱化距離よりも薄いことを特徴とする、請求項３３に記載の一体型熱電装置。
【請求項３５】
前記第１の熱電素子が占める領域以外の領域の、少なくとも前記第１および第２の電極の間に配置される絶縁膜からさらに構成される、請求項３３に記載の一体型熱電装置。
【請求項３６】
前記絶縁膜が、約０．１Ｗ／ｍ-Ｋより小さい熱伝導性を有するポリマーを含むことを特徴とする、請求項３５に記載の一体型熱電装置。
【請求項３７】
前記絶縁膜が、約３．９より小さい誘電定数を有する膜を含むことを特徴とする、請求項３５に記載の一体型熱電装置。
【請求項３８】
前記絶縁膜が、約２より小さい誘電定数を有する膜を含むことを特徴とする、請求項３５に記載の一体型熱電装置。
【請求項３９】
前記絶縁膜がエアロゲルを含むことを特徴とする、請求項３５に記載の一体型熱電装置。
【請求項４０】
前記第１の電極が、前記基板に熱的に結合し、前記基板から電気的に隔離される第１の伝導層をさらに含むことを特徴とする、請求項３３に記載の一体型熱電装置。
【請求項４１】
前記第１の電極が、前記第１の伝導層と前記熱電素子の間の第２伝導層で、前記第１の伝導層と前記熱電素子の間の拡散を低減する第２の伝導層をさらに含むことを特徴とする、請求項４０に記載の一体型熱電装置。
【請求項４２】
前記第１の電極は、前記第２の伝導層と前記熱電素子間の第３の伝導層で、前記電極の前記熱電素子への接着力を増加させる第３の伝導層をさらに含むことを特徴とする、請求項４１に記載の一体型熱電装置。
【請求項４３】
前記電極のうちの少なくとも１つは、少なくとも前記電極をその対応する熱電素子に結合する領域に、電気伝導性のフォノン伝導妨害物質をさらに含むことを特徴とする、請求項３３に記載の一体型熱電装置。
【請求項４４】
前記第２および第３の電極のうちの少なくとも１つが、その関連する熱電素子に電気的および熱的に結合する第１の伝導層と、前記第１の伝導層とその関連する熱電素子に結合する第２の伝導層で、前記第１の伝導層とその関連する熱電素子との間の拡散を低減する第２の伝導層とを、さらに含むことを特徴とする、請求項３３に記載の一体型熱電装置。
【請求項４５】
前記第１および第２の熱電素子の少なくとも１つの厚さが約１μよりも薄いことを特徴とする、請求項３３に記載の一体型熱電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本発明は一般的に熱電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
技術背景
マイクロプロセッサ、レーザーダイオードなどの電子装置は、運転中、著しい量の熱を生成する。もしこの熱が放散されないと、これは装置の性能に悪影響を与える。小さな装置のための一般的な冷却システムは、受動的冷却方法と能動的冷却方法に基づく。受動的冷却方法はヒートシンクおよびヒートパイプを含む。このような受動的冷却方法は、空間的制約により限られた冷却容量を提供するであろう。能動的冷却方法は、機械的蒸気圧縮冷凍機や熱電冷却器などの装置の使用を含むであろう。冷却システムに基づく蒸気圧縮は、一般的に、コンプレッサー、コンデンサー、および蒸発器などの重要なハードウェアを必要とする。必要とされる大きな容量、可動の機械的部品、不良な信頼性および、ハードウェアの関連するコストのため、このような蒸気圧縮に基づくシステムの使用は、小さな電子装置を冷却するのに適切ではないであろう
たとえばペルチェ装置を用いる熱電冷却は、小さな電子装置を冷却するのに適切な冷却アプローチを提供する。一般的なペルチェ熱電冷却装置は、２つの金属電極を有する半導体を含む。これらの電極間に電圧が印加されると、熱は冷却効果を引き起こす一方の電極において吸収されると同時に、加熱効果を引き起こすもう一方の電極において生成される。これらの熱電ペルチェ装置の冷却効果は、小さな電子装置のソリッドステートの冷却を提供するべく用いられてよい。
【０００３】
熱電冷却装置のいくつかの一般的な用途は、小規模の冷却、たとえば、大型汎用コンピュータ、温度管理集積回路、磁気読み取り／書き取りヘッド、光学およびレーザー装置、および自動車冷房システムの小規模の冷却の分野にある。しかし、従来の蒸気圧縮に基づく冷却システムと異なり、熱電装置は可動部分を持たない。可動部分がないことは、従来の冷却システムと比較して、信頼性を増し、熱電冷却装置のメンテナンスを軽減する。熱電装置は小さなサイズに製造されることができ、小規模の用途に魅力的なものとなる。加えて、熱電装置に冷媒がないことは、環境面および安全面での利点を有する。熱電冷却器は真空および／もしくは無重力環境で運転でき、性能に影響することなく異なる方向に向けられることができる。
【０００４】
しかし、一般的な熱電装置は、従来の冷却システムと比較して低い効率により制限される。通常、熱電装置の効率は、物質特性に依存し、性能指数（ＺＴ）によって数値化される：
【０００５】
【数１】
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【０００６】
：式中、
Ｓは物質の特性であるゼーベック係数、Ｔは熱電物質の平均温度、σは熱電物質の電気伝導率、λは熱電物質の熱伝導率を表す。一般的な熱電装置は１より小さな熱電性能指数を有する。相対的に、従来の蒸気圧縮冷凍機と同じくらい効率的な熱電装置は、約３の性能指数を有するであろう。
【０００７】
性能指数の上記の関係を参照すると、高い電気伝導率と低い熱伝導率を有する物質を用いる熱電装置は、一般的に高い性能指数を有する。このことは、電気伝導率を大幅に低減することなく熱伝導率を低減することを要求する。物質の高い電気伝導率を保ちつつ熱伝導率を低減させることで熱電装置の性能指数を増加させる、多様なアプローチが提案されてきた。
【０００８】
格子整合基板上に成長した超格子は、一般的にいくつかから数百の半導体物質の交互の薄膜層からなる周期構造であり、それぞれの層は、一般的に厚さが１０から５００オングストロームの間であり、低減された熱伝導率を有する。Ｂｉ２Ｔｅ３およびＳｂ２Ｔｅ３などの物質の一般的な超格子は、ＧａＡｓおよびＢａＦ２ウェーハ上に、超格子界面に垂直な方向への電子輸送を高める一方、熱輸送を阻止するような方法で成長する。しかし、超格子は一般的に半導体ウェーハ上に成長し、金属表面に輸送され、実現が困難であろう。
【０００９】
物質の熱伝導性はまた、量子ドット（すなわち、電荷担体が三次元全ての方向から閉じ込められる構造）およびナノワイヤ（すなわち、半導体物質の超微細管）を用いて低減することができるだろう。低次元構造における電荷の量子閉じ込めは、より大きなゼーベック係数をもたらし、したがって、よりよい熱電性能指数をもたらす。
【００１０】
コールドポイントもまた、熱電装置の性能指数を増加させるのに用いられてよい。コールドポイントは、熱電装置の熱電極と冷電極の間のとがったコンタクトである。コールドポイントは、コンタクトにおいて電気伝導の熱伝導に対する高い割合を有し、このことは熱電装置の性能指数を改善するであろう。これらの熱電装置を用いて、１．３から１．６の範囲の性能指数が達成されることができる。しかし、コールドポイントの一般的な製造プロセスは、正確なリソグラフおよび機械的な位置合わせを必要とする。これらの位置合わせの製造プロセスの公差はしばしば、性能の悪化をもたらす、なぜなら、コールドポイントの範囲と高さの均一さを維持するのは困難だからである。実際には、ナノメーターレベルの平面性を実現することは困難であり、ポイントの割り込みもしくはコンタクトの欠如をもたらすであろう。これらの電流集中効果はポイントの割り込みを流れる電流を増加させ、接触不良を起こしているポイントの電流を低減させる。加えて、構造化されたコールドポイント装置はそれぞれのコールドポイントに近い小さな領域の局部的な冷却のみを実現する。冷却の実際の領域（すなわち、冷電極と熱電極の間のコールドポイントの周りの領域）は、装置における冷却されるべき全体的な領域に比較して小さい。冷却領域が小さいことは、大きな熱依存と不良な効率性という結果をもたらす。
【００１１】
したがって、改善された熱電冷却装置および、これらの装置を提供する改善された技術が望まれる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
発明の開示
縦型の、薄膜熱電装置が説明される。本発明の少なくとも一実施形態において、熱電装置の熱電素子において、フォノン輸送は電子輸送から分離される。熱電素子の厚さは、熱電物質に関連する熱化距離よりも薄いであろう。本発明の少なくとも一実施形態において、熱電装置は、第１の電極と第２の電極の間に絶縁膜を含む。本発明の少なくとも一実施形態において、熱電装置の熱電素子と電極の間のフォノン熱伝導率は、他の熱電装置と比較して、電子熱伝導性を大幅に低減することなく、低減される。電極を関連する熱電素子に結合する領域にフォノン伝導妨害物質が含まれてよい。本発明はまた、このような構造を形成し、用いる方法を提供する意図もある。
【００１３】
上述は要約であり、したがって必然的に、詳細の単純化、一般化、省略を含む。結果として、当業者は、前述の要約はただの例示的なものであり、本発明を多少なりとも限定するものではないということを理解するであろう。ここに説明される発明の概念は、単独で、もしくは多様な組み合わせにおいて用いられることが意図される。請求の範囲によってのみ定義される、本発明のその他の外観、発明的特徴、利点は、以下に説明される詳細な説明により明らかになるであろう。
【００１４】
添付の図面を参照することで、本発明はよりよく理解され、数々の目的、特徴、利点が当業者にとって明らかになるであろう。
【００１５】
異なる図面における同一の参照記号は同様もしくは同一の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
発明を実施する形態
典型的な熱電装置（図１の熱電装置１０１）は、構造の正面（すなわち“上”面）にコンタクト（たとえば、コンタクト２２４および２２６）を、構造の裏側に熱的に結合したコンタクト（たとえばコンタクト２０６）を含む。ここでは、構造の裏側に熱的に“結合した”コンタクトは、構造の裏側に直接的または間接的に結合してよい。運転中、熱電装置の正面のコンタクトは、基板の裏面に熱的に結合したコンタクトの温度（たとえばＴＣＯＬＤ）と大幅に異なる温度（たとえばＴＨＯＴ）を有する。縦型熱電装置は、電気的に直列に結合し、熱的に並列に結合した、ｎ型熱電素子およびｐ型熱電素子（たとえば、熱電素子２１２および２１６）を含む。たとえば、熱電装置１０１の運転中、熱エネルギーをコンタクト２０６からコンタクト２２４および２２６の方へ垂直に輸送するペルチェ効果を引き起こすコンタクト２２４および２２６の間に、電圧差が加えられる。
【００１７】
１より大きい性能指数を有する熱電装置は、熱電装置の性能指数（すなわち、ＺＴ＝Ｓ２Ｔσ／λ）の熱伝導率の成分（λ）を、他の熱電装置と比較して低減することにより、電気伝導率を著しく低減することなく実現されるであろう。熱電装置の熱伝導率（λ）は、２つの成分、すなわち、電子による熱伝導率（以下、電子熱伝導率λｅと呼ばれる）と、フォノンによる熱伝導率（以下、フォノン熱伝導率λｐと呼ばれる）を含む。フォノンは、エネルギーと波長を有する粒子と見なされる固体内の振動波である。フォノンは固体中を音速で動き、固体中で熱と音を運ぶ。したがって、λ＝λｅ＋λｐである。一般的には、λｐはλの主要な成分を形成する。λの値は、λｅもしくはλｐの値を低減することにより低減することができる。λｅを低減することにより、電気伝導率σが低減され、それにより、性能指数ＺＴの全体的な低減が引き起こされる。しかし、λｅに著しく影響を及ぼすことなくλｐを低減することで、σに影響を及ぼすことなくλの値を低減することができ、性能指数の対応する増加を実現することができる。
【００１８】
フォノン熱伝導率λｐの低減は、極薄膜半導体熱電素子を用いることによりフォノン伝導を電子伝導から切り離して分離し、フォノン伝導妨害構造を用いてフォノン伝導を選択的に減衰させることで、電子伝導に著しく影響を及ぼすことなく実現される。熱電装置１０１内でフォノン伝導妨害物質および極薄熱電膜を用いることは、λｐの値を低減し、それによりλの値を低減し、性能指数を増加させる。
【００１９】
たとえば、図２Ａの熱電装置２０は厚さｔを有する熱電素子２４を含む。電流が電極２２から電極２６に流れ、電子が逆方向に流れるように、電位が熱電素子２４に加えられる。一旦電極２６から熱電素子２４に注入されると、電極２６と熱電素子２４の間のコンタクトの表面からの有限距離Λのために、電子は、熱電素子２４内のフォノンと熱平衡状態にない。この有限距離Λは熱化距離として知られている。熱化距離は、その後に電子とフ
ォノンの間の熱平衡が発生する、電子が走行した距離である。たとえば、物質が加熱されると、電子は動き始めて熱エネルギーを伝導し、フォノンと衝突し、そのエネルギーをフォノンと共有する。結果として、フォノンの温度は、電子とフォノンの間の熱平衡が実現するまで上がる。本発明のいくつかの実施形態において、熱電素子の厚さｔは距離Lよりも薄い。したがって、電子とフォノンは熱電素子２４において熱平衡の状態になく、エネルギー輸送において相互に影響しない。
【００２０】
フォノン輸送過程および電子輸送過程が一旦分離されると、低音速を有する物質（すなわち、フォノン伝導妨害物質）と他の物質との熱伝導メカニズムの差が利用されるであろう。金属（固体と同じく液体）における熱伝導は電子とフォノンの輸送によるものである。電極２６は、高電子伝導率を有するフォノン伝導妨害媒体（すなわち、低音速を有する物質）を含んでよい。フォノン伝導妨害物質は、液体金属と、セシウムドーピングにより作られる界面と、超低音速、すなわち１２００ｍ／ｓより低い音速を有するインジウム、鉛、タリウムなどの固体金属とを（限定なしに）含む。正味の影響として、熱電冷却器の電極間のフォノン熱伝導は、電気伝導率を減少させることなく著しく低減し、すなわち、λｐ＜０．５Ｗ／ｍ-Ｋである。
【００２１】
ここで、“液体金属”とは、装置の運転温度もしくはその他の注目している温度の少なくとも一部分の間、液体状態にある金属を指す。液体金属の例は、少なくともガリウムおよびガリウム合金を含む。液体金属もしくは液体金属合金は一般的に、固体金属よりもイオン配列および結晶構造が少ない。このことにより、液体金属においては、固体金属のフォノン熱伝導率と比較して、より低い音速とごくわずかなフォノン熱伝導率λｐをもたらされる。液体金属のフォノン熱伝導率は、０．１Ｗ／ｍ-Ｋより小さい熱伝導率値を有する一般的な固相ガラスもしくはポリマーのフォノン伝導率よりも小さい。結果として、液体金属の熱伝導率は主に、電子によるものである。しかし、フォノン伝導妨害媒体は高い電子伝導率を有し、電子は最小の抵抗で界面障壁を突き抜けることができるので、電子伝導が同様に妨害されることはない。つまり、電子伝導はフォノン伝導から、効果的に切り離され、もしくは分離される。
【００２２】
電極２６として用いられる物質の型に関わらず、熱電材料２４および電極２６の音速のミスマッチは、カピッツァ熱抵抗などの界面熱抵抗を導入する。関連するフォノン熱伝導率λｐの減少（場合によってはごくわずかな量）は、熱電装置２０の熱伝導率を低減する。本発明に基づいたいくつかの装置において、熱伝導率は主に電子熱伝導率λｅによるもの、すなわち、λ→λｐでありうる。熱伝導率の低減は、性能指数の改良に寄与する。
【００２３】
図２Ｂは、典型的な熱電装置２０における電子の温度およびフォノンの温度の変動を示す。電極２６の電子の温度は約ＴＣであり、一方電極２２の電子の温度は約ＴＨである。熱電素子２４の電子の温度（すなわち、温度３０）の変動は非線形であり、熱伝導方程式により支配される。電極２２のフォノンの温度は、固体内の電子-フォノン結合のため、ＴＨにほぼ等しい。しかし、界面のフォノンの熱インピーダンスのため、電極２６（すなわち、フォノン伝導妨害物質を含む電極）において、熱電素子界面における熱電層内のフォノンの温度は電極の温度と同じではない。熱電素子２４のフォノンの温度（すなわち、温度２８）は、図２Ｂに示されるように、電極２２の温度、すなわちＴＨと、電極２６のフォノンの温度との間で変化する。熱電素子２４内の電子の温度とフォノンの温度は平衡状態にない。
【００２４】
ケルビン関係を用いて得られる熱電素子（たとえば、熱電素子２４）内の電子-フォノンシステムの熱輸送を記述する一次結合方程式、電荷保存方程式、エネルギー保存方程式は以下の通りである：
【００２５】
【数２】
2007518281.tif 000004
【００２６】
さらなる情報はＶ．ＺａｋｏｒｄｏｎｅｔｓとＧ．Ｌｏｇｉｎｏｖによる“Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ”（３１，２６５（１９９７））；Ｍ．ＢａｒｔｋｏｗｉａｋとＧ．Ｍａｈａｎによる“Ｂｏｕｎｄａｒｙ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｉｎ  Ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍ  Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ”、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，  Ｖｏｌ．５４５，２６５  （１９９９）；およびＢ．Ｋ．Ｒｉｄｌｅｙによる“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ  ａｎｄ  Ｐｈｏｎｏｎｓ  ｉｎ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｍｕｌｔｉ-ｌａｙｅｒｓ”（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，  １９９７，  Ｃｈａｐｔｅｒ  １１．７）より得られるであろう。
【００２７】
これらの一次結合方程式は境界条件にしたがって解かれるであろう。ｘ＝０の境界において熱電素子に注入された電子は、電極２６の温度にほぼ等しい温度を有し、すなわちＴｅ（０）＝ＴＣである。同様に、熱電素子の他方の境界における電子の温度は電極２２の温度にほぼ等しい。フォノンもまた電極２２の温度とほぼ等しい温度であり、すなわちＴｅ（ｔ）＝Ｔｐ（ｔ）＝ＴＨである。
【００２８】
電極２２および熱電素子２４の境界を越えるフォノン温度のごくわずかな傾斜を仮定する、すなわち、
【００２９】
【数３】
2007518281.tif 000005
【００３０】
であり、一次結合方程式は解かれ、熱フラックスｑ０を熱電素子２４表面の温度の関数として確定するであろう。
【００３１】
【数４】
2007518281.tif 000006
【００３２】
ゼーベック冷却効果を含む電極２６における正味冷却フラックスＪｑは、Ｊｑ＝ＳＴｃ｜Ｊ｜＋ｑ０である。熱電素子２４の有効熱伝導率は、
【００３３】
【数５】
2007518281.tif 000007
【００３４】
である。
ｔ／Λ→０、λ→λｅであるため、熱伝導率はほぼ電子熱伝導率前後にまで低減する。特性熱化距離Λは、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３およびＢｉ２Ｔｅ２．８Ｓｅ０．２カルコゲニドについて約５００ナノメーターである。したがって、ｔから１００ナノメーターの膜厚を有する熱電装置は、約０．２のｔ／Λを有し、この熱電素子の熱伝導率は、電子熱伝導率にほぼ等しい。ゆえに熱電装置は、フォノングラス電子結晶（ＰＧＥＣ）限界内において性能指数の限界値で動作する。薄膜熱電構造の性能指数は：
【００３５】
【数６】
2007518281.tif 000008
【００３６】
である。
【００３７】
【数７】
2007518281.tif 000009
【００３８】
ジュール熱の逆流の低減は、より大きな温度差でのより高性能な動作を可能にする。また、熱電装置の最低端の温度は：
【００３９】
【数８】
2007518281.tif 000010
【００４０】
と得られるであろう。
最大の性能係数（ＣＯＰ）であるη、すなわち、冷電極における冷却力の、冷却器により消費される全体の電力に対する比率は、次の関係により得られる：
【００４１】
【数９】
2007518281.tif 000011
【００４２】
熱量効率εは、熱電装置のＣＯＰの、同じ温度間（ＴＨおよびＴＣ）で動作する理想的なカルノー冷凍機のＣＯＰに対する比率である。
【００４３】
【数１０】
2007518281.tif 000012
【００４４】
Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３もしくはＢｉ２Ｔｅ３材料に基づく熱電装置の場合、Ｓ〜２２０μＶ／Ｋｅｌｖｉｎで、ゆえにε〜０．３である。本発明に基づいた熱電装置の熱量効率が機械的蒸気圧縮冷凍機に対抗することが理解できるであろう。
【００４５】
ｎ型半導体の接合点の金属は、電流フローの同じ方向に、ｐ型半導体の接合点の金属と逆の温度差を生み出す。一般的な熱電装置の設計は、ｐ型半導体の熱電素子に、直列に電気的に、並列に熱的に結合したｎ型半導体の熱電素子を含むことで、この特性に適合する。このような熱電装置を製造する工程は、異なる型の熱電素子を別々の基板に製造すること、もしくは熱電素子を１つの基板に製造するが関連する電極を別々の基板に形成することを含むであろう。別々の基板を製造することは、使用可能な熱電装置構成を形成する複雑さとコストを増加させるであろう。分離基板を統合して、使用可能な構成に構成された熱電装置を形成することは、基板をハンダ付けすることを含むであろう。ハンダ接合は一般的に、膨張や破損の影響を受けやすく、複数の基板を含む熱電装置の安定性に悪影響を及ぼすであろう。
【００４６】
単一基板上の関連した電極に熱的および電気的に結合した、第１および第２の導電型の熱電素子を含む、一体型（すなわち、単一基板上に統一された）熱電装置を生産するのに、薄膜処理が用いられてよく、複数の基板、部品、もしくは組み立て部を取り付ける、ハンダ接合、その他の構造、もしくは機構の必要性を低減する。通常、薄膜（すなわち、約１μｍ厚、たとえば、約５μｍから２０μｍ厚）、および超薄膜（すなわち、約１μｍよりも薄い、たとえば、０．１μｍから０．５μｍ厚）の熱電層は、厚い（すなわち、約２０μｍよりも厚い）熱電膜よりもクラッキングの影響を受けにくく、熱電装置の製造のしやすさをさらに改善する。
【００４７】
ここで縦型の熱電装置と呼ばれるものは、熱電素子の背面の熱コンタクトの温度（たとえばＴＣＯＬＤ）とは大幅に異なる温度（たとえばＴＨＯＴ）を有する、熱電装置の正面に熱コンタクトを含む熱電装置のことである。本発明のいくつかの実施形態に一致する、製造の連続的な段階にある縦型の熱電装置の断面図が、図３から図１０に示される。
【００４８】
図３を参照すると、基板（たとえば基板２０２）は、シリコン、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、熱伝導磨きセラミック基板、磨き金属、またはその他の適切な物質であってよい。誘電体層、たとえば誘電体層２０４が、基板２０２上に形成される。誘電体層は、熱酸化物、ＣＶＤテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）酸化物、ＰＥＣＶＤ酸化物、スピンオンガラス、またはその他の適切な物質であってよい。本発明の典型的な実施形態において、誘電体層２０４の厚さは０．５μｍである。基板“上に形成される”誘電体層とは、ここでは、介在構造を含んでもよく、もしくは誘電体層は基板上に直接形成されてもよい。誘電体層２０４は、コンタクトリソグラフィ、紫外線ステッパー、電子ビーム、もしくはその他の適切な技術を用いてパターン形成されてよく、プラズマエッチング、ウェットエッチング、もしくはその他の適切な技術でエッチングされて、内部に伝導リンク２０６が形成される井戸を形成してもよい。本発明の一実施形態において、伝導リンク２０６は銅から形成される。銅シードはＴａＮ／Ｔａ／Ｃｕ自己イオン化プラズマ（ＳＩＰ）物理的気相成長法（ＰＶＤ）、ＴａＮ原子層成長法（ＡＬＤ）障壁およびＣｕ  ＳＩＰ  ＰＶＤ、もしくはその他の適切な技術により形成されてよい。銅シードはそこで、電気めっきを施され、次に化学機械平坦化（ＣＭＰ）を施されて伝導リンク２０６を融電体層２０４と平坦化してもよい。伝導リンク２０６はまた、アルミニウム、もしくはその他の適切な物質から形成されてよい。
【００４９】
パターン形成された伝導構造は、図４に示されるように、伝導リンク２０６、パターン形成された伝導層２０８および２１０から形成される。伝導層２１０は、高電流密度でのエレクトロマイグレーションを防ぎ、伝導材料と半導体熱電材料との間に良好な界面を形
成するため、プラチナから形成されてよい。しかし、プラチナは酸化物もしくは金属のいくつかとはよく接着しない。したがって、本発明の実施形態のいくつかにおいては、伝導層２１０の伝導リンク２０６への接着を改善するべく伝導層２０８が含まれる。伝導層２０８は、チタニウム-タングステン（ＴｉＷ）の超薄（たとえば１０から３０ｎｍ）層により形成されてよい。伝導層２０８および２１０は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、電子ビーム蒸着、またはその他の適切な技術で形成されてよく、続いて金属パターン形成（たとえば、コンタクトリソグラフィ、紫外線ステッパー、電子ビーム、もしくはその他の適切な技術）、マスク、およびメタルエッチング（プラズマエッチング、ウェットエッチング、もしくはその他の適切な技術）を施される。約２００から４００Åの厚さを有するであろう、伝導層２０８および２１０により形成される構造もまた、その他の伝導物質、たとえば、Ｎｉにより形成されてよく、拡散を防ぐ別々の層を含まないかもしれない。
【００５０】
図５Ａを参照すると、熱電素子（たとえばｐ型熱電素子２１２）が基板２０２上に形成される。熱電素子２１２は薄型もしくは超薄型であってよく、本発明の一実施形態においては、熱電素子２１２の厚さは約０．１μである。熱電素子２１２は任意の多様な熱電物質から、熱電物質を形成する対応する技術によって形成されてよい。たとえば、熱電素子２１２は、物理的気相成長法（ＰＶＤ）、電気蒸着、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、もしくはその他の適切な技術を用いて形成されてよい。本発明のいくつかの実施形態において、熱電素子２１２は、上述のように、高力率（Ｓ２σ）、および自身の特性熱化距離より薄い厚さを有する。典型的な熱電半導体物質は、ｐ型Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３、ｎ型Ｂｉ２Ｔｅ２．８Ｓｅ０．２、ｎ型Ｂｉ２Ｔｅ３、ＢｉＴｅ３／Ｓｂ２Ｔｅ３超格子などの構成化合物の超格子、ＰｂＴｅなどの鉛カルコゲニド、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｔｌ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｈｆ、Ｋ、もしくはＣｓを含む複合カルコゲニド化合物、ＳｉＧｅ化合物、ＢｉＳｂ化合物、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｎｉ、もしくはＦｅを含むＣｏＳｂ３などのスクッテルダイト化合物、従来の合金半導体ＳｉＧｅ、ＢｉＳｂ合金、もしくはその他の適切な熱電物質を含む。物質の選択は、熱電装置が動作するよう意図された温度に基づいてよい。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態において、熱電物質は一般的な半導体パターン形成技術によりパターン形成され（たとえば、基板上にフォトレジスト層を形成すること、フォトレジストを選択的に露出してエッチングされる領域を規定すること、選択的に露出された領域に基づきフォトレジストの領域を選択的にエッチングすること、そして下にある、今は露出した物質層をエッチングすること）、熱電素子２１２を形成する。パターン形成されたハードマスク、たとえば図５Ｂのマスク２１４は、熱電素子２１２上に形成され（たとえばＰＥＣＶＤ酸化物、スピンオンガラス、もしくはその他の適切な物質をパターン形成することで）、熱電素子２１２をそれに続く処理の影響から保護する。
【００５２】
図７を参照すると、熱電素子、たとえばｎ型熱電素子２１６は、基板２０２上に形成される。熱電素子２１６は薄型もしくは超薄型であってよく、本発明の一実施形態において、熱電素子２１６の厚さは約０．１μｍである。熱電素子２１６は、任意の熱電物質から、上述の熱電物質を形成する対応する技術により形成されてよい。熱電物質は一般的な半導体パターン形成技術によりパターン形成されて熱電素子２１６を形成してよい。熱電素子２１６の形成に続いて、マスク２１４が、たとえばウェットエッチング、プラズマエッチング、もしくはその他の適切な技術により除去される。ここで留意すべきは、n型熱電素子およびｐ型熱電素子を形成する順序は逆であってもよいことである。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態において、熱電素子は図６Ａから６Ｃに示される技術により形成される。ｐ型熱電物質、たとえば熱電物質２１１が、基板上に形成される（図６Ａ）。熱電物質２１１は薄型もしくは超薄型であってよく、本発明の一実施形態において、熱電物質２１１の厚さは約０．１μｍである。熱電物質２１１は任意の熱電物質から、上
述の熱電物質を形成する対応する技術により形成されてよい。ハードマスク、たとえばマスク２１５が、熱電物質２１１上に形成される。マスク２１５は、ＰＥＣＶＤ酸化物、スピンオンガラス、もしくは適切な技術により形成された、その他の適切な物質である。マスク２１５はパターン形成されて熱電物質２１１の一部分を露出する。熱電物質２１１の露出された部分は、ｐ型からｎ型に（もしくは場合によってはｎ型からｐ型に）変換される。
【００５４】
変換技術は、熱電物質２１１をアニーリングすること、高濃度の第２の型の多数キャリアを有する物質を埋め込むこと、熱電物質２１１上に形成された薄膜からの拡散、熱電物質２１１上に形成された薄膜との反応、もしくはその他の適切な技術を含んでよい。そしてマスク２１５はウェットエッチング、プラズマエッチング、もしくはその他の適切な技術により除去されて、図６Ｃに示されるように熱電物質２１１および熱電物質２１３を露出する。そして熱電物質２１１および熱電物質２１３は、フォトリソグラフィステップおよびエッチングステップを用いてパターン形成されて、図７に示されるように、熱電素子２１２および２１６を形成する。一般的な熱電素子の幅は約３μｍから８μｍである。ここで留意すべきは、ｎ型熱電素子およびｐ型熱電素子を形成する順序は逆であってもよいことである。
【００５５】
熱電素子２１２および２１６に結合した電極が基板上に形成される。これらの電極は、フォノン伝導妨害物質、すなわち、イオン配列および結晶構造が減少した物質を含んでよく、上述のように、物質のごくわずかなフォノン伝導という結果をもたらす。フォノン伝導妨害物質が、基板上に、ＰＶＤ、電子ビーム蒸着、ＣＶＤ、もしくはその他の適切な技術により形成される。フォノン伝導妨害物質は、液体金属や、たとえばインジウム、鉛、鉛-インジウム、およびタリウムなどのいくつかの金属固体や、セシウムドーピングした固体／固体界面を含む、たいていの液体を含む。フォノン伝導妨害物質は、ガリウム、インジウム、鉛、すず、鉛-インジウム、鉛-インジウム-すず、ガリウム-インジウム、ガリウム-インジウム-すず、表面にセシウムドーピングを施したガリウム-インジウムを含んでよい。本発明の一実施形態において、フォノン伝導妨害物質は６５から７５質量パーセントのガリウムと、２０から２５パーセントのインジウムを含む。すず、銅、亜鉛、およびビスマスなどの物質もまた、わずかな比率で存在してよい。典型的な物質は、６６パーセントのガリウム、２０パーセントのインジウム、１１パーセントのすず、１パーセントの銅、１パーセントの亜鉛、および１パーセントのビスマスを含む。その他の典型的な物質は、水銀、ビスマス-すず合金（たとえば５８質量パーセントのビスマスと４２質量パーセントのすず）、およびビスマス-鉛合金（たとえば、５５パーセントのビスマスと４５パーセントの鉛）を含む。
【００５６】
一般的に、液体金属と熱電素子との間の電気的接続は、主に、液体金属と熱電素子の間の界面のサブナノメーターのトンネル障壁を越える電子トンネル効果により確立される。このトンネル障壁は、液体金属の分子の熱電素子の分子との非接着性により形成される。トンネルギャップの電気伝導特性は、原子ギャップに依存し、原子ギャップは、液体金属のぬれ張力特性と表面張力特性とに同様に依存する。小さなトンネルギャップとの接点は、ほぼ理想的な電気伝導に近づく。液体金属と熱電素子の界面にセシウム気相ドーピングを施した液体金属がまた用いられ、フォノン熱伝導率の値をさらに低減することができる。液体金属の液滴は、マイクロピペット分注技術、圧送注入技術、ジェットプリント、もしくはスパッタリング手法により形成されてよい。液体金属を用いる場合、物的障壁（たとえば、融電体物質から形成される障壁）が、液体金属を含むために用いられてよい。
【００５７】
本発明の一実施形態において、フォノン伝導妨害物質、たとえばインジウムは、その場でＴｉＷの層により覆われる。フォノン伝導妨害物質は、コンタクトリソグラフィ、紫外線ステッパー、電子ビーム、もしくはその他の適切な技術を用いてパターン形成されてよ
い。インジウムエッチマスクに続いてプラズマエッチング、ウェットエッチング、もしくはＴｉＷ／Ｉｎをエッチングするその他の適切な技術が施され、図８のフォノン伝導妨害素子２１８および２２０が形成される。図９を参照すると、絶縁体２２２が、ＰＥＣＶＤ酸化物、スピンオンガラス、もしくはその他の適切な技術を用いて基板上に形成される。コンタクトホール２２３と２２５が、絶縁体２２２内に、プラズマエッチング、ウェットエッチング、もしくはその他の適切な技術を用いて形成される。コンタクト２２４および２２６は、一般的にアルミニウム、銅、もしくはその他の適切な伝導物質によって形成される（図１０）。伝導物質は、基板上に（たとえば、ＰＶＤ、ＣＶＤ、蒸着、もしくはその他の適切な技術を用いて）形成され、パターン形成され、（たとえば、ウェットエッチング、プラズマエッチング、もしくはその他の適切な技術を用いて）エッチングされてコンタクト２２４および２２６を形成する。コンタクト２２４および２２６は、伝導リンク２０６から熱的絶縁される。
【００５８】
再び図９を参照すると、本発明のいくつかの実施形態において、絶縁体２２２は低誘電率誘電体層（すなわち、たとえば熱的成長したＳｉＯ２の誘電定数である３．９よりも低い誘電定数を有する物質層）、超低誘電率誘電体層（すなわち、約２．０よりも低い誘電定数を有する物質層）、もしくは低熱伝導率層（すなわち、約０．１Ｗ／ｍ-Ｋもしくはそれより低い熱伝導率を有する物質層、たとえばパリレン）である。本発明のいくつかの実施形態において、絶縁体２２２を形成するのに犠牲技術が用いられてよい。たとえば、犠牲層（たとえば、低誘電率層であるＳｉＯ２、もしくはその他の適切な物質層）が基板上に形成され、パターン形成されて、任意の上述の技術により、コンタクトホール２２３および２２５を形成してもよい。コンタクト２２４および２２６が形成された後、犠牲層が除去され（たとえばエッチングにより除去される）、超低誘電定数および／もしくは低熱伝導率を有する層が形成される。本発明のいくつかの実施形態において、絶縁体２２２はアロゲルである。標準的な温度および圧力において、空気が０．０２６Ｗ／ｍ-Ｋの熱伝導率を有するのに対し、数種のエアロゲルは、０．００５Ｗ／ｍ-Ｋより低い熱伝導率を有する。
【００５９】
本発明のいくつかの実施形態において、縦型の熱電装置は、図１１から２０に示される、製造の連続的な段階に一致して製造される。図１１を参照すると、誘電体層（たとえば、１００ｎｍのＳｉＯ２誘電体層２０４）が、図３を参照して上に説明されたように、基板（たとえば基板２０２）上に形成される。本発明のいくつかの実施形態において、誘電体層２０４は、上述のように、パターン形成されて伝導リンクを形成する。しかし、本発明のいくつかの実施形態において、図１１に示されるように、伝導層（たとえば、伝導層２０６、２０８および２１０）が、上述の技術を用いて、誘電体層２０４上に形成される。典型的な実施形態において、伝導層２０６は約８００ｎｍ厚のアルミニウム物質であり、伝導層２０８は、１０ｎｍ厚のチタニウム-タングステン物質であり、伝導層２１０は、２０ｎｍ厚のプラチナ物質である。しかし、同様の特性を有するその他の伝導構造が用いられてもよい。伝導層はマスク（たとえばマスク３０２）および半導体技術（たとえば伝導層２０８および２１０のドライエッチングおよび伝導層２０６のウェットエッチング）を用いてパターン形成され、図１２に示される構造を形成する。
【００６０】
図１３を参照すると、マスク３０２が除去され、前述のように、ｐ型熱電層（たとえば、熱電物質３０３）が基板上に形成される。典型的な実施形態において、熱電物質３０３の厚さは約１００ｎｍである。電気伝導層３０４が基板上に形成される。典型的な電気伝導層３０４は、プラチナもしくはその他のフォノン伝導妨害物質の、超薄（約１０ｎｍ）層である。その他のマスク（たとえばフォトレジストマスク３０６）が、基板上に形成され、熱電物質３０３および電気伝導層３０４が、上述され図１４に示される技術を用いて、粗くパターン形成されて（すなわち、熱電素子の最終的な寸法よりも大幅に大きな寸法にパターン形成されて）、エッチングされる。マスク３０６は、電気伝導層３０４がエッ
チングされた後除去されてよく、電気伝導層３０４は、熱電物質３０３の残りを（たとえばＢＣｌ３を用いて）エッチングするためのマスクとして用いられてよい。
【００６１】
図１５を参照すると、ｎ型熱電層（たとえば熱電物質３０８）が、前述された技術により、基板上に形成される。典型的な実施形態において、熱電物質３０８の厚さは約１００ｎｍである。電気伝導層３１０が基礎となる構造の上に形成される。典型的な電気伝導層３１０は、プラチナもしくはその他のフォノン伝導妨害物質の超薄（約１０ｎｍ）層である。熱電物質３０８および電気伝導層３１０は、図１６に示されるように、マスク（たとえばフォトレジストマスク３１２）を用いて、微細にパターン形成される（すなわち、熱電素子のほぼ最終的な寸法にパターン形成される）。伝導層３１０をエッチングした後マスク３１２は除去されてよく、そこで伝導層３１０は、残りの熱電物質３０８を（たとえばＢＣｌ３を用いて）エッチングするためにマスクとして用いられてよい。そこで熱電物質３０３および電気伝導層３０４は、図１７に示されるように、マスク（たとえばフォトレジストマスク３１４）を用いて、微細にパターン形成される。マスク３１４は、伝導層３０４をエッチングした後除去されてもよく、そこで伝導層３０４は、熱電物質３０３の残りを（たとえばＢＣｌ３を用いて）エッチングするためにマスクとして用いられてよい。基板はアニールされてよく、続いて上述のように、絶縁体２２２（図１８）が形成される（たとえば５００ｎｍのＳｉＯ２）。コンタクトホールが絶縁体２２２（図１９）内に形成され、コンタクト２２４と２２６（図２０）が上述のように形成される。
【００６２】
一実施形態において、熱電素子３０３はｐ型熱電素子であり、熱電素子３０８はｎ型である。コンタクト２２４は陽電位に結合し、コンタクト２２６は陰電位に結合し、伝導構造２０６、２０８、２１０は、熱電素子３０３を熱電素子３０８に電気的に直列に連結し、コンタクト２２４および２２６は温度ＴＨＯＴを有し、伝導構造は温度ＴＣＯＬＤを有するであろう。すなわち熱電素子３０３および３０８は電気的に直列に、そして温度的に並列に結合する。
【００６３】
基板上に一体となって形成された複数の熱電装置（すなわち、図１の熱電素子１０１）は、電源と直列配置に電気的に結合して、より広い領域への熱輸送を提供し、特定の用途にあわせられるであろう。図１１を参照すると、たとえば、直列配置１１００において、陽電圧を上端誘電体（図示されない）のボンドパッド開口（たとえば開口１１０１）で、陰電圧を上端誘電体のボンドパッド開口（たとえば開口１１０３）で、伝導リンク２０６に印加することで、電流が生成されるであろう。図２２を参照すると、典型的な用途において、熱電冷却器１２０４は装置１２０２からの熱をヒートシンク１２０６に輸送する。熱電冷却器１２０４は、装置１２０２のホットスポットの局部的な冷却を提供するよう構成されてよい。
【００６４】
熱電装置を実施する技術の多様な実施形態が説明された。ここに示された本発明の説明は例示的なものであり、以下に続く請求の範囲に示される発明の範囲を限定するものではない。たとえば、本発明は主に熱電冷却装置に関連して説明されたが、本発明はまた、電力を発生させる発電機として用いられてもよい。ペルチェ様式（上述のように）で構成された熱電装置は冷却のために用いられてもよく、ゼーベック方式で構成された熱電装置が電力発生に用いられてよい。ここに開示される実施形態のその他の変形および改良が、ここに示される説明に基づき、以下に続く請求の範囲に示される発明の範囲から逸脱することなく、なされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明のいくつかの実施形態に基づいた縦型熱電装置の断面図である。
【図２Ａ】本発明のいくつかの実施形態に基づいた熱電素子の断面図である。
【図２Ｂ】熱電素子内の電子温度とフォノン温度の変動を示す。
【図３】図３から図１０は本発明のいくつかの実施形態に一致する、製造の連続的な段階における縦型熱電装置の断面図であり、とりわけ、本発明のいくつかの実施形態に一致する、融電体層にはめこまれた伝導構造を含む基板の断面図である。
【図４】本発明のいくつかの実施形態に一致する、パターン形成された伝導構造を含む基板の断面図である。
【図５Ａ】本発明のいくつかの実施形態に一致する、第１の型の熱電素子を含む基板の断面図である。
【図５Ｂ】本発明のいくつかの実施形態に一致する、第１の型の熱電素子上にマスクを含む基板の断面図である。
【図６Ａ】本発明のいくつかの実施形態に一致する、第１の型の熱電物質を含む基板の断面図である。
【図６Ｂ】本発明のいくつかの実施形態に一致する、第１の型の熱電物質の部分上にマスクを含む基板の断面図である。
【図６Ｃ】本発明のいくつかの実施形態に一致する、第２の型の熱電物質を含む基板の断面図である。
【図７】本発明のいくつかの実施形態に一致する、第１の型の熱電素子と第２の型の熱電素子とを含む基板の断面図である。
【図８】本発明のいくつかの実施形態に一致する、第１の型の熱電素子および第２の型の熱電素子上にフォノン伝導妨害物質を含む基板の断面図である。
【図９】本発明のいくつかの実施形態に一致する、絶縁層を含む基板の断面図である。
【図１０】本発明のいくつかの実施形態に一致するコンタクトを含む基板の断面図である。
【図１１】図１１から図２０は本発明のいくつかの実施形態に一致する、縦型熱電装置を製造する方法を示し、本発明のいくつかの実施形態に一致する、誘電体層および伝導層を含む基板の断面図を示す。
【図１２】本発明のいくつかの実施形態に一致する、パターン形成されたフォトレジストおよび導体構造を含む基板の断面図を示す。
【図１３】本発明のいくつかの実施形態に一致する、第１の型の熱電層および第１の型の熱電層上の伝導層を含む基板の断面図を示す。
【図１４】本発明のいくつかの実施形態に一致する、粗くパターン形成された第１の型の熱電構造を含む基板の断面図を示す。
【図１５】本発明のいくつかの実施形態に一致する、第２の型の熱電物質および第２の型の熱電物質上の伝導層を含む基板の断面図を示す。
【図１６】本発明のいくつかの実施形態に一致する、微細にパターン形成された第２の型の熱電構造を含む基板の断面図を示す。
【図１７】本発明のいくつかの実施形態に一致する、微細にパターン形成された第１の型の熱電構造を含む基板の断面図を示す。
【図１８】本発明のいくつかの実施形態に一致する、誘電体層を含む基板の断面図を示す。
【図１９】本発明のいくつかの実施形態に一致する、コンタクトホールを含む基板の断面図を示す。
【図２０】本発明のいくつかの実施形態に一致する、コンタクトを含む基板の断面図を示す。
【図２１】本発明のいくつかの実施形態に一致する、熱電装置の上面図を示す。
【図２２】本発明のいくつかの実施形態に一致する、熱電装置の典型的な用途を示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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