(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電冷却システムであって、
基板上に形成され、それぞれ第１の伝導区域に先細になってその端部が量子低温点を形成するように接続する、第１および第２の熱電素子と、
前記第１の熱電素子に接続された第２の伝導区域と、
前記第２の熱電素子に接続された第３の伝導区域とを含み、
前記第１の熱電素子は、前記第１の伝導区域との接触表面積が、前記第２の伝導区域との接触表面積より小さく、
前記第２の熱電素子は、前記第１の伝導区域との接触表面積が、前記第３の伝導区域との接触表面積より小さく、
前記第１および第２の熱電素子が、第１、第２、および第３の伝導区域が占めている平面と実質的に同一の平面に形成されている熱電冷却システム。
【請求項２】
前記熱電冷却システムを集積回路上に配置して、前記集積回路の領域を冷却する、請求項１に記載の熱電冷却システム。
【請求項３】
前記熱電冷却システムが冷却ユニットを形成しており、複数の冷却ユニットが集合して領域を冷却するように構成されている、請求項１に記載の熱電冷却システム。
【請求項４】
熱電冷却システムであって、
それぞれ第１の伝導区域と先細になってその端部が量子低温点を有するように接続する第１のｎ型熱電素子および第２のｐ型熱電素子と、
前記第１のｎ型熱電素子に接続した第２の伝導区域と、
前記第２のｐ型熱電素子に接続した第３の伝導区域とを含み、
前記第１のｎ型熱電素子、前記第２のｐ型熱電素子、ならびに前記第１、第２、および第３の伝導区域が実質的に同一の平面を占めている熱電冷却システム。
【請求項５】
前記熱電冷却システムを集積回路上に配置して、前記集積回路の領域を冷却する、
請求項４に記載の熱電冷却システム。
【請求項６】
前記熱電冷却システムが冷却ユニットを形成しており、複数の冷却ユニットが集合して領域を冷却するように構成されている、請求項４に記載の熱電冷却システム。
【請求項７】
それぞれ前記第１の伝導区域と先細になってその端部が量子低温点を有するように接続する第３のｎ型熱電素子および第４のｐ型熱電素子をさらに含み、
前記第１のｎ型熱電素子、前記第２のｐ型熱電素子、前記第３のｎ型熱電素子および第４のｐ型熱電素子、ならびに第１伝導区域がすべて同一平面にある、請求項４に記載の熱電冷却システム。
【請求項８】
熱電冷却システムであって、
それぞれ第１の伝導区域とナノワイヤを介して接続される第１のｎ型熱電素子および第２のｐ型熱電素子と、
前記第１のｎ型熱電素子に接続した第２の伝導区域と、
前記第２のｐ型熱電素子に接続した第３の伝導区域とを含み、
前記第１のｎ型熱電素子、前記第２のｐ型熱電素子、ならびに前記第１、第２、および第３の伝導区域が実質的に同一の平面を占めている熱電冷却システム。
【請求項９】
前記第１の伝導区域が中央アイランドを含み、前記中央アイランドが前記２つの熱電素子と接続している、請求項４に記載の熱電冷却システム。
【請求項１０】
熱電冷却システムを形成する方法であって、
絶縁層の上に伝導層を形成して、多層構造を形成するステップと、
前記多層構造の第１の区域および前記多層構造の第２の区域との間において、前記多層構造の第１の部分を取り除くことにより第１の領域を形成するステップと、
前記多層構造の第２の区域および前記多層構造の第３の区域との間において、前記基板から前記多層構造の第２の部分を取り除くことにより第２の領域を形成するステップと、
前記多層構造の前記第１の区域の伝導層と、前記多層構造の前記第２の区域の伝導層との間の前記第１の領域に、第１の熱電素子を形成するステップと、
前記多層構造の前記第２の区域の伝導層と、前記多層構造の前記第３の区域の伝導層との間の前記第２の領域に、第２の熱電素子を形成するステップとを含み、
前記第１の熱電素子は、先細の端部が量子低温点を有するように形成され、前記多層構造の前記第２の区域の伝導層との接触面積が、前記多層構造の前記第１の区域の伝導層との接触面積より小さく、
前記第２の熱電素子は、先細の端部が量子低温点を有するように形成され、前記多層構造の前記第２の区域の伝導層との接触面積が、前記多層構造の前記第３の区域の伝導層との接触面積より小さい、熱電冷却システムを形成する方法。
【請求項１１】
前記第１および第２の熱電素子を形成するステップが電気めっきを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
熱電冷却システムであって、
それぞれが第１の伝導区域に接続しているｎ型熱電素子の第１の列と、
それぞれが前記第１の伝導区域に接続しているｐ型熱電素子の第１の列と、
前記ｎ型素子のそれぞれに接続している第２の伝導区域と、
前記ｐ型素子のそれぞれに接続している第３の伝導区域とを含み、
ｎ型素子の前記第１の列とｐ型素子の前記第１の列が、全体に電流を流すことにより前記第１の伝導区域を冷却する熱電冷却器のアレイを形成し、
ｎ型素子の前記第１の列とｐ型素子の前記第１の列が、前記第１の伝導区域と実質的に同一の平面を占め、
前記複数のｎ型素子の少なくとも１つは、先細の端部が量子低温点を有するように形成され、前記第１の伝導区域との接触表面積が、前記第２の伝導区域との接触表面積より小さく、
前記複数のｐ型素子の少なくとも１つは、先細の端部が量子低温点を有するように形成され、前記第１の伝導区域との接触表面積が、前記第３の伝導区域との接触表面積より小さい、熱電冷却システム。
【請求項１３】
前記熱電冷却システムを集積回路上に配置して、前記集積回路の領域を冷却する、
請求項１２に記載の熱電冷却システム。
【請求項１４】
前記熱電冷却システムが冷却ユニットを形成しており、複数の冷却ユニットが集合して領域を冷却するように構成されている、請求項１２に記載の熱電冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却技術に関し、より詳細には、ペルチェ効果を実施する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上昇し続けるにつれて、コンピュータ内の回路で発生する熱量も増加し続けている。多くの回路および応用例については、熱が増加するとコンピュータの性能が落ちてしまう。これらの回路は、最も効率的に動作するために冷却する必要がある。パーソナルコンピュータなど多くのローエンド・コンピュータでは、コンピュータは、対流冷却用のファンとフィンを使用するだけで冷却することが可能である。しかし、より高速で動作し、はるかに多くの熱を発生するメインフレームなど、より大きなコンピュータについては、これらの解決策は実用的ではない。
【０００３】
現在、多くのメインフレームは、蒸気圧縮冷却器を用いてコンピュータを冷却している。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ユニットと本質的に同じ働きをする。しかし、蒸気圧縮冷却器は機械的に極めて複雑であり、過熱によって性能の低下を最も受けやすい特定の領域を冷却するために、メインフレームの様々な部分に通さなければならない断熱材やホースが必要である。
【０００４】
熱電冷却器は、はるかに単純で安価なタイプの冷却器である。熱電冷却器は、ペルチェ効果として知られている物理原理を利用する。ペルチェ効果によって、２種の異種材料の両端に電源からの直流電流を流すと、２種の異種材料の接合部で熱が吸収される。したがって、熱は、熱い物質から除去され、放熱器に運ばれて放散し、これにより熱い物質を冷却する。熱電冷却器は、集積回路チップ内に製作することができ、蒸気圧縮冷却器が必要とするような複雑な機械的システムの必要性なしに、特定の熱い個所を直接冷却することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、現在の熱電冷却器は、蒸気圧縮冷却器ほど効率的ではなく、同一量の冷却を実現するのにより多くの電力を消費することを必要とする。さらに、現在の熱電冷却器は、蒸気圧縮冷却器と同量の物質を冷却することができない。したがって、効率および冷却能力が改善された熱電冷却器があれば望ましいことであり、それにより、例えば、メインフレーム・コンピュータ、「ホット・チップス」の熱管理、高周波通信回路、磁気読取り書込みヘッド、光学およびレーザ装置、および自動車冷房装置などの小さな冷却用途から複雑な蒸気圧縮冷却器を無くすことができるであろう。
【０００６】
通常の熱電冷却器はまた、上から下へ形成されている。すなわち、熱電素子は、低温伝導区域（熱源）が（例えば）システムの底部に、かつ高温伝導区域が（対応して）システムの頂部に垂直に配置されている。こうした冷却システムは、製作するのが複雑であり、大きな容積を占めている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電子加熱技術の改良を教示する。好ましい実施形態では、熱電冷却システムは、（垂直ではなく）横方向すなわち水平方向に構築され、熱電材料を伝導体と接触させる役割を果たす複数の尖ったチップを有している。好ましい実施形態では、熱電素子およびこれが接続する伝導区域は、すべて同一の平面を実質的に占めており、その結果この装置は、垂直に配置または形成された冷却システムより小さくなっている。熱電材料上の鋭い先端は、集束イオンビーム技術または電子ビーム・リソグラフィを用いて形成することが好ましい。他の好ましい実施形態では、こうした熱電冷却デバイスのアレイを製作して、様々な形状および冷却ニーズのナノスコピック領域を冷却する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照する。まず図１を参照すると、従来技術による熱電冷却（ＴＥＣ）デバイスのハイレベル構成図が図示してある。周知の原理である熱電冷却は、ペルチェ効果に基づくものである。ペルチェ効果によって、２種の異種材料の両端に電源１０２から直流電流を流すと、２種の異種材料の接合部で熱が吸収される。通常の熱電冷却デバイスは、ｐ型半導体１０４とｎ型半導体１０６を使用しており、これらは、熱伝導性が優れた非導電体１０８の間に挟まれている。Ｎ型半導体１０６では電子が過剰であり、一方、ｐ型半導体１０４では電子が不足している。
【０００９】
電子が、導電体１１０からｎ型半導体１０６へ移動すると、電子のエネルギー状態は熱源１１２から吸収された熱エネルギーによって上昇する。このプロセスは、熱源１１２から、ｎ型半導体１０６と導電体１１４を通る電子の流れを介して、吸熱器１１６へ熱エネルギーを移動させる効果を有する。前記電子は、低エネルギー状態へ下降して、導電体１１４で前記熱エネルギーを放出する。尚、ｐ型半導体材料１０４についても、同様かつ同等の現象が発生していることに留意されたい。
【００１０】
熱電冷却器１００などの冷却装置の動作係数（coefficient of performance）hは、冷却装置の冷却能力を冷却装置の全消費電力で除した比である。したがって、動作係数は、次式で与えられる。
【数１】
0004716647.tif 000002
式中、項aＩＴｃは熱電冷却によるものであり、項１／２Ｉ２Ｒはジュール加熱逆流（Joule heating backflow）によるものであり、項ＫDＴは熱伝導によるものであり、項Ｉ２Ｒはジュール損失によるものであり、項aＩDＴはペルチェ電圧に対してなされた仕事によるものであり、aは材料のゼーベック係数であり、Ｔｃは熱源の温度であり、DＴは熱源の温度と吸熱器の温度の差である。
【００１１】
最大動作係数は、電流Ｉを最適化することによって得られ、次の関係式で与えられる。
【数２】
0004716647.tif 000003
式中、
【数３】
0004716647.tif 000004
である。また、
【数４】
0004716647.tif 000005
であり、eは冷却装置の効率因子である。性能係数ＺＴは、次式で与えられる。
【数５】
0004716647.tif 000006
式中、lは２種の成分から構成される。すなわち、電子による成分le、および格子による成分lＬである。したがって、性能係数ＺＴが無限大に近づくと最高効率eが得られる。蒸気圧縮冷却装置の効率は約０．３である。図１の熱電冷却器１００など、通常の熱電冷却器の効率は、一般に０．１未満である。したがって、熱電冷却器の効率を蒸気圧縮冷却装置に匹敵するような領域まで上昇させるには、性能係数ＺＴを２より大きくしなければならない。２より大きい性能係数ＺＴの値が得られれば、熱電冷却器は、蒸気圧縮冷却装置と同等の効率および冷却能力を獲得したと言うことができる。
【００１２】
図２は、好ましい実施形態による１次元ユニットセル冷却装置を示す図である。２つの金属接点２０２、２０４が示されている。これらは、外部電源に接続され、熱電セルを流れる電流を提供する。セルは、ｐ型熱電素子２０８およびｎ型熱電素子２１０を有する。これら２つの素子の間に、セルの低温部としての役割を果たす他の伝導材料２０６がある。
【００１３】
電流が熱電素子２０８、２１０を経由して高温側２０２から高温側２０４へ流れると、ペルチェ効果により、低温区域２０６が冷却され、高温区域２０２、２０４が加熱される。
【００１４】
尚、熱電素子２０８、２１０は、端部が低温区域２０６へ向かって先細になっていることに留意されたい。この先細の端部が量子低温点（quantum cold point）を形成する。低温点は、電子の閉じ込めやフォノンの不連続も形成し、これにより、材料の格子を介した振動エネルギーの移動を制限し、したがって熱電素子２０８、２１０から低温区域２０６への熱伝達を制限する。これらの効果は、熱電冷却デバイスの冷却効率を改善するものである。
【００１５】
ｐおよびｎ型熱電素子の先細端部は、いくつかの方法で製作または形成することができる。例えば、この鋭い先端は、集束イオンビームを用いて余分な材料を削り出すことによって形成することができる。しかし、この方法は、集積回路などのデバイスの大量生産に実施するには遅く難しい。個々の素子の先細端部を形成するより好ましい方法は、何らかのリソグラフィ法、好ましくは電子ビーム・リソグラフィを使用することである。電子ビーム・リソグラフィでは、必要な尖った構造を作るためにマスキングしてエッチングすることが必要であるが、この方法は、集束イオンビームと比べて、より鋭い細部を形成することができ、生産の状況においてはより速くより容易に実施しうる。好ましい実施形態では、ｎ型熱電素子は、Ｂｉ２Ｔｅ２．７Ｓｅ０．３からなる。ｐ型熱電素子は、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３からなることが好ましい。もちろん、これらの特殊な材料は、本発明が意図する熱電素子を作るための唯一可能なものではない。
【００１６】
図３は、本発明の好ましい実施形態による他の実施例を示す図である。この実施例では、個々の熱電素子２０８、２１０の先細端部は、ナノワイヤと取り替えてある。ナノワイヤは、１次元電子移動効果を利用する金属ナノチューブや熱電ナノワイヤでもよい。これらは、Thermoelectrics: Basic Principles and New Materials Development, byG. Nolas, J. Sharp, and H. Goldsmid (Springer, Berlin, 2001)に記載されており、これを参照により本明細書に組み込む。しかし、ナノワイヤは、原子間力顕微鏡などの手段を用いて配置しなければならないので、大量生産の状況において実施するのは難しい。
【００１７】
図４〜８は、好ましい実施形態による熱電冷却器の一部の製作工程のステップを示す側面図である。これらの説明は、好ましい２要素熱電冷却器の形成工程を示すものである。（好ましい実施形態には、ｎ型およびｐ型熱電素子の両方が含まれる。）
【００１８】
図４は、ポリイミドまたはＳｉＯ２３０４の層で覆われた基板３０２（ガラスなど）を示している。層３０４は、通常、数百ミクロンの厚みである。尚、図は原寸に比例していない。層３０４の上には、ＳｉＮ層３０６が形成されている。この層は、接着層としての役割を果たす。ＳｉＮ層３０６は、金属の層３０８、好ましくはＣｕで覆われている。この層は、数ミクロン程度の厚みであることが好ましい。金属層３０８は、第２のＳｉＮ層３０６で覆われている。
【００１９】
図５は、同じ領域で、マスクをした異方性エッチングを様々な層に行って、領域３１０Ａおよび３１０Ｂから材料を取り除いた後を示す。既知のマスキングおよびエッチング方法を用いて、基板３０２の表面まで前記材料を除去することが好ましい。
【００２０】
図６は、等方性エッチ工程によって、ＳｉＯ２層３０４から、図示したように形成されているトレンチ縁部近傍のＳｉＯ２材料をアンダーカットした後の領域を示す。これらのエッチングは、示された前記金属層を３つの部分３０８Ａ、３０８Ｂ、３０８Ｃにさらに分離する。
【００２１】
図７は、２つのブリッジ３１４Ａ、３１４Ｂが、前記金属層３０８の側部の間、すなわち３０８Ａと３０８Ｂの間、および３０８Ｂと３０８Ｃの間に形成されていることを除いて、図６と同様の構造を示す。この実施例のブリッジ３１４Ａは、ｎ型材料から形成され、電気めっき技術を用いて成長させる。ブリッジ３１４Ｂは、ｎ型材料をマスクしながら、ｐ型材料から形成される。金属区域の間のこれらのｎ型およびｐ型材料のブリッジは、熱電冷却素子としての役割を果たす。
【００２２】
もちろん、ｎおよびｐ型熱電素子の相対的位置を逆にすることもできる。
【００２３】
この実施形態では、熱電素子およびそれらが接続する伝導区域は同一の面を占めている、すなわち、これらは横に配列して形成されており、これらはすべて基板３０２上に同一の相対高さに形成されていることが分かる。リソグラフィによって形状を正確に制御することができるので、これらの鋭い先端を形成する上でこうした横構造は縦構造より製作しやすい。好ましい実施形態のデバイスは、これらの鋭い先端の機械的位置決めを必要とせずに、半導体加工フローの一部として形成することができる。
【００２４】
好ましい一実施形態では、熱電素子３１４Ａ、３１４Ｂはさらに加工される。素子３１４Ａが金属層３０８Ｂと接合する接合部では、素子３１４Ａの端部は、尖った形状になっている（図９参照）。同じく、素子３１４Ｂは、金属層３０８Ｂと接合するところで尖った形状になっている。これについては以下でさらに説明する。
【００２５】
図８は、尖った区域４１４Ａ、４１４Ｂを有する本発明の構造の上面図である。
前記ブリッジ材料（図７の３１４Ａ、３１４Ｂ）は、区域３０８Ａおよび区域３０８Ｃをそれぞれ区域３０８Ｂに接続している。図８において、３１４Ａと３１４Ｂの斜線区域（Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇと表示）を、好ましくは集束イオンビーム・エッチングまたはフォトマスクと化学エッチングを使用して取り除く。これらの部分を取り除くと、尖ったブリッジ４１４Ａおよび４１４Ｂがそれぞれ残る。区域４１４Ａと４１４Ｂの先細の端部に注意されたい。
【００２６】
図９は、図４〜８の本発明の冷却システムを完成した上面図を示す。Ｎ型半導体材料４１４Ａは、区域４０８Ａと区域４０８Ｂの間の間隙にかかっており、一方、ｐ型半導体４１４Ｂは、区域４０８Ｂと区域４０８Ｃの間の間隙にかかっている。これらのｎおよびｐ型半導体が熱電素子としての役割を果たす。
【００２７】
尖った先端を有する熱電素子を作ることによって、冷却効率の上昇が得られる。低温端冷却器（cold point cooler）の詳細は、下記の文献で得ることができる。これらの文献を参照により本明細書に組み込む。米国特許出願第０９／７３１，６１６号、第０９／７３１，９９９号、第０９／７３１，６１４号、第０９／７３１，９９７号、U.Ghoshal, S. Ghoshal, C. McDowell, L. Shi, S. Cordes, and M. Farinelli,"ENHANCED THERMOELECTRIC COOLING AT COLD JUNCTION INTERFACES,"Applied Physics Letters, vol. 80, no. 16, April 22 (2002)。低温端は、ゼーベック係数を上昇させ非平衡電子フォノン交互作用効果を引き出す電子閉じ込めをもたらし、さらにフォノンの不連続も引き出す。これにより、材料の格子を介したエネルギーの移動を制限し、したがって熱電素子２０８、２１０から低温区域２０６への熱伝達を制限する。これらの効果は、熱電冷却デバイスの冷却効率を改善するものである。
【００２８】
図１０は、本発明の冷却システムの、他の好ましい実施形態を実行した２次元セルを示す上面図である。この２次元ユニット冷却セルは、２つのｐ型熱電素子５０２、５０４、および２つのｎ型熱電素子５０６、５０８を含む。４つの素子はすべて、中央アイランド５１０に接続している。このアイランド５１０は、このデバイスに電流を流すと、ペルチェ効果によりこれらの素子によって冷却される。４つの素子すべてはまた、先に議論したように、前記中央アイランド５１０に向かって先細の端部を有している。これらのｎ型およびｐ型熱電素子は、他の（外側の）端部で伝導体に接続している。これらの伝導体は、冷却装置において、高温端部吸熱器としての役割を果たす。運転中は、ｎ型素子が接続している伝導体は、ｐ型素子が接続している伝導体より高い電位に保持されている。これによって、電流は、ｎ型素子の外側から中央アイランドへ、および中央アイランドからｐ型素子を経由して外側の伝導体へ流れる。この実施形態についての正しい電流の流れの方向を図中に示す。この構造により、中央アイランドが冷却される。
【００２９】
こうした冷却セルの寸法は、１０ミクロン程度である。中央の素子の寸法が小さいので、非常に小さな面積をスポット冷却することができる。これらのスポットを、低ノイズ・トランジスタなどの集積回路の部品とすることができ、あるいは、イメージ・センサなどのアレイに複製することができる。
【００３０】
図１１は、本発明のシステムの一実施形態による２次元熱電冷却セルを示す。この２次元ユニット冷却セルは、２つのｐ型熱電素子５１４、５１６、および２つのｎ型熱電素子５１８、５２０を含む。４つの素子はすべて、中央アイランド５１０に接続している。このアイランド５１０は、このデバイスに電流を流すと、ペルチェ効果によって冷却される。熱電素子の先細端部の代わりに、これらの素子はナノワイヤを介して中央アイランドに接続している。ナノワイヤが熱電材料で構成されていれば、アイランドとの接合部で冷却現象が起こる。一方、カーボン・ナノチューブを使用すると、熱電素子５１４〜５２０で冷却が起こるが、この冷却効果は、前記カーボン・ナノチューブのより高い熱伝導度によってアイランドへ運ばれる。
【００３１】
図１２および１３はブロック図であり、矩形のパターンに整列した１次元冷却セルのアレイの図を示す。この実施例では、このアレイは、その間に共通の伝導レール６１０を配置した２セットの熱電冷却システムを有する。この特別な構造では、熱を吸収する３つの「高温」レール６０６、６１０、６１４があり、前記熱電冷却システムの動作中に冷却される２つの「低温」レール６０８、６１２がある。
【００３２】
個々の熱電素子それぞれが除去する熱の総量は小さいので、冷却素子をカスケードに接続したこうしたアレイは、ある意味で有用である。いくつかの冷却素子を結合してアレイとすることによって、複数の素子が持つメリットを比較的狭い面積で得ることができる。図１２の実施例の構造では、前記アレイの左端部６０２は冷却デバイスとして使用され、一方、高温端部６０４は熱を熱グラウンドまたは他の利用に放散する。
【００３３】
図１３は、図１２の部分詳細図を示す。この図では、外側レール６０６、６１４、および中央レール６１０は、熱電冷却デバイスから熱を吸収する。低温レール６０８、６１２は、熱電素子の作用で冷却される。
【００３４】
この冷却器のアレイは、その間に共通の吸熱レール６１０を有する２列の冷却器を備えている。この実施例の中央レール６１０は、高電位に保持されており、一方、外側レール６０６、６１４は比較的低い電位に保持されている。これにより、電流はレール６１０からｎ型熱電素子を通り、それぞれ６０８または６１２を通り、次いでアレイの外側の列のｐ型熱電素子（例えば、ｐ型熱電素子６１６）を通って流れる。上記のように、これによって低温レール６０８、６１２が冷却される。
【００３５】
図１４は、正方形に整列された２次元冷却セルのアレイ７００を示す。この実施例の実施形態では、図１０または１１の２次元冷却ユニット７０２のいくつかが、冷却ユニットのアレイ内に組み込まれている。ユニットセル７０２のそれぞれの中央には、低温アイランド７０４が示されている。このタイプのアレイは、小面積、すなわち、例えば集積回路またはイメージセンサ・アレイ上の小面積のシステムを冷却するのに有用である。冷却器の寸法が小さいので正確なポイントに配置して、所望の領域だけを冷却することができるので、チップ上の面積を削減することができる。
【００３６】
本発明の記述は、例示および説明の目的で提供されたものであり、網羅的であること、あるいは、開示された形で本発明を限定することを意図したものではない。多くの修正および変更が、当分野の技術者なら明らかであろう。この実施形態は、本発明の原理および実用的な用途を最もよく説明するために選択されかつ記述されたものであり、かつ、様々な実施形態および考慮した特定の使用に適切な様々な修正について、当分野の他の技術者が本発明を理解できるように選択されかつ記述されたものである。
【００３７】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００３８】
（１）熱電冷却システムであって、
基板上に形成され、それぞれ第１の伝導区域に接続された、第１および第２の熱電素子と、
前記第１の熱電素子に接続された第２の伝導区域と、
前記第２の熱電素子に接続された第３の伝導区域とを含み、
前記第１の熱電素子は、前記第１の伝導区域との接触表面積が、前記第２の伝導区域との接触表面積より小さく、
前記第２の熱電素子は、前記第１の伝導区域との接触表面積が、前記第３の伝導区域との接触表面積より小さく、
前記第１および第２の熱電素子が、第１、第２、および第３の伝導区域が占めている平面と実質的に同一の平面に形成されている熱電冷却システム。
（２）前記熱電冷却システムを集積回路上に配置して、前記回路の領域を冷却する、上記（１）に記載の冷却システム。
（３）前記熱電冷却システムが冷却ユニットを形成しており、複数の冷却ユニットが集合して領域を冷却するように構成されている、上記（１）に記載の冷却システム。
（４）熱電冷却システムであって、
それぞれ第１の伝導区域と結合したｎ型熱電素子およびｐ型熱電素子と、
前記ｎ型素子に接続した第２の伝導区域と、
前記ｐ型素子に接続した第３の伝導区域とを含み、
前記ｎ型素子、前記ｐ型素子、ならびに前記第１、第２、および第３の伝導区域が実質的に同一の平面を占めている熱電冷却システム。
（５）前記熱電冷却システムを集積回路上に配置して、前記回路の領域を冷却する、上記（４）に記載の熱電冷却システム。
（６）前記熱電冷却システムが冷却ユニットを形成しており、複数の冷却ユニットが集合して領域を冷却するように構成されている、上記（４）に記載の熱電冷却システム。
（７）それぞれ前記第１の伝導区域と結合した第３および第４の熱電素子をさらに含み、前記ｎ型熱電素子、前記ｐ型熱電素子、前記第３および第４の熱電素子、ならびに第１伝導区域がすべて同一平面にある、上記（４）に記載の熱電冷却システム。
（８）前記ｎ型およびｐ型熱電素子が、第１の伝導区域と結合している先端に向かって実質的に先細になっている、上記（４）に記載の熱電冷却システム。
（９）前記ｎ型およびｐ型熱電素子が、ナノワイヤを用いて前記第１の伝導区域と結合している、上記（４）に記載の熱電冷却システム。
（１０）前記第１の伝導区域が第１の中央アイランドを含み、前記熱電冷却システムが複数の中央アイランドを含み、前記複数の中央アイランドがそれぞれ少なくとも２つの熱電素子と接続している、上記（４）に記載の熱電冷却システム。
（１１）熱電冷却システムであって、
複数の熱電素子を含み、前記複数の素子のそれぞれが共通の伝導区域への接続を有し、
前記複数の素子および前記共通の伝導区域が実質的に同一の平面を占めている熱電冷却システム。
（１２）前記複数の熱電素子のそれぞれが、前記共通の伝導区域と接触している先細の端部を有する、上記（１１）に記載の熱電冷却システム。
（１３）前記熱電冷却システムを集積回路上に配置して、前記回路の領域を冷却する、上記（１１）に記載の熱電冷却システム。
（１４）前記熱電冷却システムが冷却ユニットを形成しており、複数の冷却ユニットが集合して領域を冷却するように構成されている、上記（１１）に記載の熱電冷却システム。
（１５）熱電冷却システムを形成する方法であって、
上に絶縁層を有する基板を形成するステップと、
前記絶縁層の上に伝導層を形成して、多層構造を形成するステップと、
第１の領域で、前記第１の領域が前記多層構造の第１の区域および前記多層構造の第２の区域と境界を接するように、前記基板から前記多層構造の第１の部分を取り除くステップと、
第２の領域で、前記第２の領域が前記多層構造の第２の区域および前記多層構造の第３の区域と境界を接するように、前記基板から前記多層構造の第２の部分を取り除くステップと、
前記多層構造の前記第１の区域の伝導層と、前記多層構造の前記第２の区域の伝導層の間に、第１の熱電素子を形成するステップと、
前記多層構造の前記第２の区域の伝導層と、前記多層構造の前記第３の区域の伝導層の間に、第２の熱電素子を形成するステップとを含む方法。
（１６）前記第１の熱電素子は、前記多層構造の前記第２の区域の前記第２の伝導層との接触面積が、前記多層構造の前記第１の区域の前記伝導層との接触面積より小さく、
前記第２の熱電素子は、前記多層構造の前記第２の区域の前記第２の伝導層との接触面積が、前記多層構造の前記第３の区域の前記伝導層との接触面積より小さい、上記（１５）に記載の方法。
（１７）前記第１および第２の熱電素子を形成するステップが電気めっきを含む、上記（１５）に記載の方法。
（１８）前記熱電冷却システムを集積回路上に配置して、前記回路の領域を冷却する、上記（１５）に記載の方法。
（１９）前記熱電冷却システムが冷却ユニットを形成しており、複数の冷却ユニットが集合して領域を冷却するように構成されている、上記（１５）に記載の方法。
（２０）熱電冷却システムであって、
上に絶縁層を有する基板を形成する手段と、
前記絶縁層の上に伝導層を形成して、多層構造を形成する手段と、
第１の領域で、前記第１の領域が前記多層構造の第１の区域および前記多層構造の第２の区域と境界を接するように、前記基板から前記多層構造の第１の部分を取り除く手段と、
第２の領域で、前記第２の領域が前記多層構造の第２の区域および前記多層構造の第３の区域と境界を接するように、前記基板から前記多層構造の第２の部分を取り除く手段と、
前記多層構造の前記第１の区域の伝導層と、前記多層構造の前記第２の区域の伝導層の間に、第１の熱電素子を形成する手段と、
前記多層構造の前記第２の区域の伝導層と、前記多層構造の前記第３の区域の伝導層の間に、第２の熱電素子を形成する手段とを含む熱電冷却システム。
（２１）前記第１の熱電素子は、前記多層構造の前記第２の区域の前記第２の伝導層との接触面積が、前記多層構造の前記第１の区域の前記伝導層との接触面積より小さく、
前記第２の熱電素子は、前記多層構造の前記第２の区域の前記第２の伝導層との接触面積が、前記多層構造の前記第３の区域の前記伝導層との接触面積より小さい、上記（２０）に記載の熱電冷却システム。
（２２）前記冷却システムを集積回路上に配置して、前記回路の領域を冷却する、上記（２０）に記載の熱電冷却システム。
（２３）前記熱電冷却システムが冷却ユニットを形成しており、複数の冷却ユニットが集合して領域を冷却するように構成されている、上記（２０）に記載の電熱冷却システム。
（２４）熱電冷却システムであって、
それぞれが第１の伝導区域に接続しているｎ型熱電素子の第１の列と、
それぞれが前記第１の伝導区域に接続しているｐ型熱電素子の第１の列と、
前記ｎ型素子のそれぞれに接続している第２の伝導区域と、
前記ｐ型素子のそれぞれに接続している第３の伝導区域とを含み、
ｎ型素子の前記第１の列とｐ型素子の前記第１の列が、前記冷却システムに電流を流すと集合して前記第１の伝導区域を冷却する熱電冷却器のアレイを形成し、
ｎ型素子の前記第１の列とｐ型素子の前記第１の列が、前記第１の伝導区域と実質的に同一の平面を占めている熱電冷却システム。
（２５）前記複数のｎ型素子の少なくとも１つは、前記第１の伝導区域との接触表面積が、前記第２の伝導区域との接触表面積より小さく、
前記複数のｐ型素子の少なくとも１つは、前記第１の伝導区域との接触表面積が、前記第３の伝導区域との接触表面積より小さい、上記（２４）に記載の熱電冷却システム。
（２６）前記熱電冷却システムを集積回路上に配置して、前記回路の領域を冷却する、上記（２４）に記載の熱電冷却システム。
（２７）前記熱電冷却システムが冷却ユニットを形成しており、複数の冷却ユニットが集合して領域を冷却するように構成されている、上記（２４）に記載の熱電冷却システム。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による代表的な熱電冷却システムを示す図である。
【図２】好ましい実施形態による１次元ユニット冷却セルを示す図である。
【図３】ナノワイヤを用いた好ましい実施形態による１次元ユニット冷却セルを示す図である。
【図４】好ましい実施形態による熱電冷却システムを形成するための製作ステップを示す図である。
【図５】好ましい実施形態による熱電冷却システムを形成するための製作ステップを示す図である。
【図６】好ましい実施形態による熱電冷却システムを形成するための製作ステップを示す図である。
【図７】好ましい実施形態による熱電冷却システムを形成するための製作ステップを示す図である。
【図８】好ましい実施形態による熱電冷却システムを形成するための製作ステップを示す図である。
【図９】好ましい実施形態による熱電冷却システムの上面図を示す図である。
【図１０】好ましい実施形態による２次元ユニット冷却セルを示す図である。
【図１１】ナノワイヤを用いた好ましい実施形態による２次元ユニット冷却セルを示す図である。
【図１２】好ましい実施形態による１次元熱電冷却デバイスのアレイを示す図である。
【図１３】図１２の細部を示す図である。
【図１４】２次元ユニット冷却セルのアレイを示す図である。
【符号の説明】
１００  熱電冷却器
１０２  電源
１０４  ｐ型半導体
１０６  ｎ型半導体
１０８  非導電体
１１０  導電体
１１２  熱源
１１４  導電体
１１６  吸熱器
２０２  金属接点（高温側）（高温区域）
２０４  金属接点（高温側）（高温区域）
２０６  低温区域
２０８  ｐ型熱電素子
２１０  ｎ型熱電素子
２１２  ナノワイヤ
３０２  基板
３０４  ＳｉＯ２層
３０６  ＳｉＮ層
３０８  金属層
３０８Ａ  金属層の第１の部分
３０８Ｂ  金属層の第２の部分
３０８Ｃ  金属層の第３の部分
３１０Ａ  第１の領域
３１０Ｂ  第２の領域
３１４Ａ  ブリッジ（熱電素子）
３１４Ｂ  ブリッジ（熱電素子）
４１４Ａ  尖ったブリッジ（ｎ型半導体）
４１４Ｂ  尖ったブリッジ（ｐ型半導体）
５０２  ｐ型熱電素子
５０４  ｐ型熱電素子
５０６  ｎ型熱電素子
５０８  ｎ型熱電素子
５１０  中央アイランド
５１２  ナノワイヤ
５１４  ｐ型熱電素子
５１６  ｐ型熱電素子
５１８  ｎ型熱電素子
５２０  ｎ型熱電素子
６０２  左端部（熱源レール）
６０４  高温端部
６０６  外側レール（高温レール）
６０８  低温レール
６１０  中央レール（共通の吸熱レール）
６１２  低温レール
６１４  外側レール（高温レール）
６１６  ｐ型熱電素子
６１８  ｎ型熱電素子
７００  ２次元冷却セルの正方形アレイ
７０２  ２次元冷却ユニット
７０４  低温アイランド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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