(57)【要約】【課題】  低消費電力で、かつ、真空ギャップ維持に付加回路を不要とする小型の電子ヒートポンプ装置を提供すること。【解決手段】  この電子ヒートポンプ装置は、エミッタ１とコレクタ２とを備える。コレクタ２の半導体基板２０には、エミッタ電極１１とコレクタ電極２１との間の隙間Ｇを一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性のスペーサ部５が一体に形成されているので、部品数を減少した簡単な構成で、熱の逆流を防止しつつ、真空ギャップを所定の間隔に確保できる。【選択図】  図５Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エミッタ側外部電極基板と、
このエミッタ側外部電極基板に、電気および熱が伝導可能なように、一面が連結された半導体基板、および、この半導体基板の他面に設けられたエミッタ電極を有するエミッタと、
コレクタ側外部電極基板と、
このコレクタ側外部電極基板に、電気および熱が伝導可能なように、一面が連結された半導体基板、および、この半導体基板の他面に設けられたコレクタ電極を有するコレクタと
を備え、
上記エミッタと上記コレクタとは、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極とを隙間をあけて対向するように配置され、
かつ、上記エミッタの上記半導体基板と上記コレクタの上記半導体基板との内の少なくとも一方には、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間の上記隙間を一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性のスペーサ部が一体に形成されており、
さらに、上記エミッタ側外部電極基板と上記コレクタ側外部電極基板との間に配置されて上記エミッタ側外部電極基板と上記コレクタ側外部電極基板との間隔を一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性の間隔保持部材と、
上記エミッタ側外部電極基板と上記コレクタ側外部電極基板との間の真空を維持する封止部材と
を備えることを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記エミッタ側外部電極基板および上記コレクタ側外部電極基板は、略直方体状であることを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記エミッタ電極の表面および上記コレクタ電極の表面における最大高さ粗さＲｚの値が、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間隔の最小値の１／２以下であることを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記エミッタ電極の表面および上記コレクタ電極の表面における最大高さ粗さＲｚの値が、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間隔の最小値の１／４以下であることを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項５】
請求項１に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記エミッタ電極の仕事関数は、上記コレクタ電極の仕事関数と略等しいか、もしくは、上記コレクタ電極の仕事関数よりも低いことを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項６】
請求項１に記載の電子ヒートポンプ装置において、
複数の上記スペーサ部は、上記コレクタの上記半導体基板に一体に形成されると共に上記エミッタ電極に接触し、かつ、上記複数のスペーサ部は、互いに間隔をもって、上記コレクタの上記半導体基板上に配置されており、
上記エミッタ電極の面積と、このエミッタ電極に接触する上記複数のスペーサ部の総和した面積との比率をスペーサ部面積比と定義した場合、
（スペーサ部面積比）×（スペーサ部の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ））÷（スペーサ部の厚み（ｎｍ））≦３．０×１０-6
の関係を満足することを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電子ヒートポンプ装置において、
（スペーサ部面積比）×（スペーサ部の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ））÷（スペーサ部の厚み（ｎｍ））≦０．１２×１０-6
の関係を満足することを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項８】
請求項６に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記複数のスペーサ部は、上記コレクタの上記半導体基板の全面に、略一様に分布し、かつ、整列されていることを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項９】
請求項１に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記間隔保持部材は、筒状であり、
（間隔保持部材の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ））×（間隔保持部材の厚み（ｍｍ））÷（間隔保持部材の高さ（ｍｍ））≦０．６
の関係を満足することを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の電子ヒートポンプ装置において、
（間隔保持部材の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ））×（間隔保持部材の厚み（ｍｍ））÷（間隔保持部材の高さ（ｍｍ））≦０．３
の関係を満足することを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記間隔保持部材は、角筒状であることを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間の上記隙間には、上記エミッタ電極および上記コレクタ電極と実質的に反応しない封入ガスが存在しており、
（封入ガスの自由分子熱伝導率（ｍ／ｓ・Ｋ））×（隙間の真空度（Ｐａ））≦３３５０
の関係を満足することを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電子ヒートポンプ装置において、
（封入ガスの自由分子熱伝導率（ｍ／ｓ・Ｋ））×（隙間の真空度（Ｐａ））≦６７
の関係を満足することを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記封入ガスは、希ガスであることを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記エミッタ側外部電極基板および上記コレクタ側外部電極基板は、上記間隔保持部材が、上記エミッタ側外部電極基板の外周部と上記コレクタ側外部電極基板の外周部とに接触している状態において、外部の大気圧と内部の真空とによる圧力差から生じる圧縮応力に対して、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極とが接触しないような剛性、ヤング率および厚みを有することを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記エミッタ側外部電極基板および上記コレクタ側外部電極基板は、上記エミッタ側外部電極基板および上記コレクタ側外部電極基板のたわみ変形量が、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間隔の最小値の１／４以下となるような剛性、ヤング率および厚みを有することを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記エミッタ側外部電極基板および上記コレクタ側外部電極基板は、上記エミッタ側外部電極基板および上記コレクタ側外部電極基板のたわみ変形量が、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間隔の最小値の１／５以下となるような剛性、ヤング率および厚みを有することを特徴とする電子ヒートポンプ装置。
【請求項１８】
パッケージと、
このパッケージの内部に取り付けられる請求項１に記載の電子ヒートポンプ装置と、
この電子ヒートポンプ装置の上記エミッタ側外部電極基板に取り付けられる半導体レーザダイオードチップと、
この半導体レーザダイオードチップの温度を検知する温度検知手段と、
この温度検知手段にて検知された温度に基づいて、上記半導体レーザダイオードチップの温度を所定の温度に保持するように、上記電子ヒートポンプ装置の電力を制御する電力制御手段と
を備えることを特徴とするレーザ部品。
【請求項１９】
請求項１８に記載のレーザ部品を備えることを特徴とする光ピックアップ。
【請求項２０】
請求項１に記載の電子ヒートポンプ装置を備えることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、電流を流すことで熱を低温部から高温部に輸送する電子ヒートポンプ装置に関する。また、この電子ヒートポンプ装置を利用して半導体レーザダイオード素子を冷却するレーザ部品、このレーザ部品を備える光ピックアップ、および、この電子ヒートポンプ装置を備える電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、書込み型光ディスク装置による画像やデータの保存が急速に拡大し、記録速度の向上とともに書込み用半導体レーザダイオードの光出力が増加する一途である。
【０００３】
この半導体レーザダイオード素子は、光を放出するとともにその光のエネルギーの数倍の熱が発生することから、この半導体レーザダイオード自身が発生する熱によって波長の変動や寿命の低下が懸念されている。
【０００４】
この半導体レーザダイオード素子を冷却する装置として、従来、ペルチェ素子モジュールの電子ヒートポンプ装置を備えた半導体レーザモジュールが提案されている。
【０００５】
この半導体レーザモジュール（第１の従来例）は、図１８に示すように、半導体レーザダイオードチップ（以下、ＬＤチップという）１０１と、レンズを搭載する金属基板１０４と、ペルチェ素子１０５とを備える（特開平１０−２００２０８号公報：特許文献１参照）。
【０００６】
上記金属基板１０４は、上記ペルチェ素子１０５の上部に金属ソルダで接着され、上記ＬＤチップ１０１を一定の温度に保つために、サーミスタ１０８が搭載されている。
【０００７】
熱は、上記ＬＤチップ１０１から上記ペルチェ素子１０５の上面に向かい、上記ペルチェ素子１０５に電流を流すことで、熱は、上記ペルチェ素子１０５の上面から下面に移動し、図示しない温調回路で上記ペルチェ素子１０５の電流を制御することで、上記ＬＤチップ１０１を一定温度に保つことができる。
【０００８】
また、電子ヒートポンプ装置として、上記ペルチェ素子１０５とは構造の異なる真空ダイオード型構造の装置が、提案されている。
【０００９】
この真空ダイオード型構造の装置（第２の従来例）は、図１９に示すように、真空ギャップ１１３を挟んでエミッタ電極１１１とコレクタ電極１１２とが対向し、上記エミッタ電極１１１と上記コレクタ電極１１２との間隔は、静電容量をモニタしながらフィードバック制御によりピエゾ素子１１４に加える電圧を調整し、上記エミッタ電極１１１から放出された電子が、上記コレクタ電極１１２へ移動するように電圧を印加することで、吸熱部１１５から奪った熱を放熱部１１６に輸送する電子ヒートポンプ装置として機能する（国際特許ＷＯ９９／１３５６２号公報：特許文献２参照）。
【００１０】
また、他の真空ダイオード型構造の装置（第３の従来例）として、図２０に示すように、エミッタ電極１１１とコレクタ電極１１２を微小な障壁１１９で支えた真空ギャップ構造の電子冷却機能を有する熱電子エネルギー変換器がある（特表２００２−５４０６３６号公報：特許文献３参照）。
【００１１】
この装置は、電子が上記エミッタ電極１１１から上記障壁１１９に注入され、この障壁１１９から上記コレクタ電極１１２に電子が移動する場合に、上記障壁１１９による電子のフィルタリングを行うことで、電子とともに熱が移動する現象を利用した装置である。
【００１２】
しかしながら、上記第１〜第３の従来例には、以下の問題があった。
【００１３】
上記第１の従来例では、ペルチェ素子の冷却効率が低いため、半導体レーザダイオードからの発熱量の数倍のエネルギーを投入しなければ十分な冷却性能を得ることができなかった。
【００１４】
これは、ペルチェ素子の構造が、図２１に示すように、第１の金属電極１２１ａ、ｐ型半導体１０６、第２の金属電極１２１ｂ、ｎ型半導体１０７および第３の金属電極１２１ｃが順に電気的に直列に接続しており、上記ｐ型半導体１０６から上記ｎ型半導体１０７に電子が移動するように外部から電圧を加えた場合に、上記第１の金属電極１２１ａから上記ｐ型半導体１０６、および、上記ｎ型半導体１０７から上記第３の金属電極１２１ｃに電子が移動する接合面では発熱が起こり、逆に、上記ｐ型半導体１０６から上記第２の金属電極１２１ｂ、および、上記第２の金属電極１２１ｂから上記ｎ型半導体１０７に電子が移動する接合面では吸熱が起こり、上記ｐ型半導体１０６および上記ｎ型半導体１０７の両端に温度差が発生するペルチェ効果を応用した素子であるが、上記ｐ型半導体１０６および上記ｎ型半導体１０７の内部を、熱伝導による矢印１２２にて示す熱流があるために、冷却効率が低く消費電力が大きいという課題がある。
【００１５】
一方、上記第２の従来例では、図２２に示すように、エミッタ電極１１１から放出された電子は熱をもってコレクタ電極１１２に移動することで、電子による熱輸送が行われ、上記コレクタ電極１１２から上記エミッタ電極１１１への熱移動は、真空ギャップ１１３によって、遮断されるので、矢印１２３にて示す熱流の一方通行が実現できて、冷却効率が高く消費電力が少なくなる。
【００１６】
しかしながら、この第２の従来例では、上記真空ギャップ１２３を１０ｎｍ以下に維持するために、図１９に示す上記ピエゾ素子１１４や、上記真空ギャップ１１３のフィードバック制御のための静電容量コントローラ１１７が必要であるなどにより、装置が大掛かりになって、小型化や軽量化には適していないという課題がある。
【００１７】
また、上記第３の従来例では、図２２に示すように、電子が熱を上記エミッタ電極１１１から上記コレクタ電極１１２に輸送することになるが、図２０に示すように、上記エミッタ電極１１１と上記コレクタ電極１１２との間に挿入されている障壁１１９の中を熱伝導により熱が流れてしまうため、ペルチェ素子と同様の理由から、冷却効率が悪くて、消費電力が大きくなる課題がある。
【特許文献１】特開平１０−２００２０８号公報
【特許文献２】国際特許ＷＯ９９／１３５６２号公報
【特許文献３】特表２００２−５４０６３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
そこで、この発明の課題は、ピエゾ素子等を用いることなく真空ギャップを確保して、消費電力量を大幅に低減した超小型の電子ヒートポンプ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するため、この発明の電子ヒートポンプ装置は、
エミッタ側外部電極基板と、
このエミッタ側外部電極基板に、電気および熱が伝導可能なように、一面が連結された半導体基板、および、この半導体基板の他面に設けられたエミッタ電極を有するエミッタと、
コレクタ側外部電極基板と、
このコレクタ側外部電極基板に、電気および熱が伝導可能なように、一面が連結された半導体基板、および、この半導体基板の他面に設けられたコレクタ電極を有するコレクタと
を備え、
上記エミッタと上記コレクタとは、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極とを隙間をあけて対向するように配置され、
かつ、上記エミッタの上記半導体基板と上記コレクタの上記半導体基板との内の少なくとも一方には、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間の上記隙間を一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性のスペーサ部が一体に形成されており、
さらに、上記エミッタ側外部電極基板と上記コレクタ側外部電極基板との間に配置されて上記エミッタ側外部電極基板と上記コレクタ側外部電極基板との間隔を一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性の間隔保持部材と、
上記エミッタ側外部電極基板と上記コレクタ側外部電極基板との間の真空を維持する封止部材と
を備えることを特徴としている。
【００２０】
ここで、上記エミッタ側外部電極基板および上記コレクタ側外部電極基板は、電気的および熱的に伝導性を有し、例えば、タングステン、タングステンカーバイト、銅、シリコン等の材料からなる。上記エミッタの上記半導体基板、および、上記コレクタの上記半導体基板としては、例えば、ｎ型のＳｉ基板（ウエハ）を用いる。上記間隔保持部材としては、例えば、絶縁性のワッシャや、樹脂製のボルト等を用いる。上記封止部材としては、電気的および熱的に絶縁性であり、例えば、低融点のガラスを用いる。上記エミッタ電極は、例えば、上記エミッタの上記半導体基板の表面に、電子放出が起こり易い導電性材料を薄膜状に形成してなるものである。上記コレクタ電極は、例えば、上記コレクタの上記半導体基板の表面に、導電性材料を薄膜状に形成してなるものである。上記隙間は、真空状態において、上記エミッタ側から上記コレクタ側に移動する高エネルギー電子をフィルタリングする。上記半導体基板に上記スペーサ部が一体に形成されているとは、例えば、上記半導体基板がＳｉ基板である場合、この基板表面に、例えば、熱酸化を施してＳｉＯ2膜を形成し、このＳｉＯ2膜をエッチングすることで、上記スペーサ部が形成される。
【００２１】
この発明の電子ヒートポンプ装置によれば、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間に上記隙間（真空ギャップ）を有するので、この電子ヒートポンプ装置を真空ギャップダイオード構造にできて、熱の逆流を防止して、ペルチェ素子よりも消費電力を少なくできる。
【００２２】
また、上記エミッタの上記半導体基板と上記コレクタの上記半導体基板との内の少なくとも一方には、上記隙間を一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性のスペーサ部が一体に形成されているので、部品数を減少した簡単な構成で、熱の逆流を防止しつつ、真空ギャップを所定の間隔に確保できる。具体的に述べると、従来の真空ギャップダイオード構造の電子ヒートポンプ装置においてエミッタとコレクタの間の真空ギャップを所定の間隔に維持する手段として必要であったピエゾ素子や静電容量コントローラやピエゾフィードバック回路等が不要になって、部品数を減少でき、小型化、軽量化およびコスト削減を図ることができる。
【００２３】
また、上記スペーサ部の厚みを調整して、上記隙間（真空ギャップ）をナノレベルに近づけることで、障壁高さを低減でき、上記エミッタの電子放出の効果を高めることが可能になる。すなわち、上記隙間は、上記エミッタと上記コレクタとの電子トンネル効果の障壁となり、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間隔を小さくすることで、物理的障壁高さを低減できる。
【００２４】
また、エミッタ側外部電極基板とコレクタ側外部電極基板とを備えるので、この電子ヒートポンプ装置を薄く小型にできて、例えば、既存の半導体レーザ等のパッケージ内部に組み込み易くなる。
【００２５】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタ側外部電極基板および上記コレクタ側外部電極基板は、略直方体状である。
【００２６】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、この電子ヒートポンプ装置を略直方体チップ形状にできて、超小型の電子ヒートポンプ装置が実現でき、例えば、半導体レーザ部品のパッケージ内部に電子ヒートポンプ装置が実装可能になって、レーザチップ温度制御機能付の半導体レーザやホログラムレーザを実現できる。
【００２７】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記封止部材は、上記エミッタ側外部電極基板と上記コレクタ側外部電極基板とに接触する。
【００２８】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記封止部材にて、上記エミッタ側外部電極基板と上記コレクタ側外部電極基板との間の真空を確実に維持することができる。
【００２９】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記封止部材は、上記エミッタ側外部電極基板と上記間隔保持部材とに接触する第１の封止部と、上記コレクタ側外部電極基板と上記間隔保持部材とに接触する第２の封止部とである。
【００３０】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記封止部材の使用量を少なくして、コストダウンを図ることができる。
【００３１】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタ電極の表面および上記コレクタ電極の表面における最大高さ粗さＲｚの値が、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間隔の最小値の１／２以下である。
【００３２】
ここで、上記最大高さ粗さＲｚとは、例えば、反りやうねりや表面荒れによるものである。
【００３３】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記最大高さ粗さＲｚの値が、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間隔の最小値の１／２以下であるので、上記両方の電極の表面を平滑にして、上記両方の電極の表面の凹凸による荒れによって発生する不具合を低減する。例えば、表面の凸部同士の対向における上記両方の電極の接触による短絡不良を低減し、表面の凹部同士の対向における間隔（真空ギャップ）の広がりによる電子放出量の減少および冷却量の減少を低減する。すなわち、上記最大高さ粗さＲｚの値が、上記間隔の最小値の１／２を越えると、表面の凹部同士の対向や反りによる間隔（真空ギャップ）の広がりによって、上記エミッタからの電子放出量が減少して冷却量が減少する一方、表面の凸部同士の対向によって、上記両方の電極が接触して短絡不良が生じるおそれがある。
【００３４】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタ電極の表面および上記コレクタ電極の表面における最大高さ粗さＲｚの値が、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間隔の最小値の１／４以下である。
【００３５】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記両方の電極の表面を一層平滑にして、上記両方の電極の表面の凹凸による荒れによって発生する不具合を一層低減する。
【００３６】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタ電極の仕事関数は、上記コレクタ電極の仕事関数と略等しいか、もしくは、上記コレクタ電極の仕事関数よりも低い。
【００３７】
ここで、「仕事関数」とは、一般に、ある材料に何らかのエネルギー（例えば、熱や電界印加等）を与えて、その材料表面から外部のエネルギー障壁（例えば、真空）を超えて電子を取り出す場合における、その材料の電子放出能力を示す物性値であり、低い仕事関数の方が電子の放出量が多いとされる。
【００３８】
上記エミッタ電極および上記コレクタ電極は、導電性の複合材料からなり、例えば、Ａｇ、Ｔｉ、Ａｕ薄膜の表面を酸化セシウムが覆っている構成である。
【００３９】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記エミッタ電極の仕事関数が、上記コレクタ電極の仕事関数と略等しい場合、電流供給の方向を逆方向にすることで、熱の移動方向を反転できる電子ヒートポンプ装置が実現できる。他方、上記エミッタ電極の仕事関数が、上記コレクタ電極の仕事関数よりも低い場合、外部から印加する電圧を低く抑えることができて、消費電力の低減になり、さらに、両方の電極に温度差が生じたとき、上記コレクタ側の加熱による熱電子放出量を低減できて、外部から印加する電圧を低く抑えて、消費電力を少なくできる。
【００４０】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、複数の上記スペーサ部は、上記コレクタの上記半導体基板に一体に形成されると共に上記エミッタ電極に接触し、かつ、上記複数のスペーサ部は、互いに間隔をもって、上記コレクタの上記半導体基板上に配置されており、
上記エミッタ電極の面積と、このエミッタ電極に接触する上記複数のスペーサ部の総和した面積との比率をスペーサ部面積比と定義した場合、
（スペーサ部面積比）×（スペーサ部の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ））÷（スペーサ部の厚み（ｎｍ））≦３．０×１０-6
の関係を満足する。
【００４１】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記スペーサ部面積、上記スペーサ部の分散配置ピッチ、および、上記スペーサ部の厚みを適当にできる。上記スペーサ部を通して熱伝導により発生する損失が冷却熱量の１０％以下にでき、結果的に消費電力が低減される。
【００４２】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、
（スペーサ部面積比）×（スペーサ部の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ））÷（スペーサ部の厚み（ｎｍ））≦０．１２×１０-6
の関係を満足する。
【００４３】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記スペーサ部を通して熱伝導により発生する損失を、０．５％以下に減らすことができて、消費電力が一層低減される。
【００４４】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記複数のスペーサ部は、上記コレクタの上記半導体基板の全面に、略一様に分布し、かつ、整列されている。
【００４５】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記隙間の間隔を、全面にわたって略一様に保つことができる。
【００４６】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記間隔保持部材は、筒状であり、
（間隔保持部材の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ））×（間隔保持部材の厚み（ｍｍ））÷（間隔保持部材の高さ（ｍｍ））≦０．６
の関係を満足する。
【００４７】
ここで、上記間隔保持部材は、上記エミッタの上記半導体基板と上記コレクタの上記半導体基板とに近い熱膨張係数をもつ材料からなり、例えば、ＳｉＯ2を主成分とする低熱膨張ガラス系の材料からなる。
【００４８】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記間隔保持部材の厚みと高さを適当にできる。上記間隔保持部材を通して熱伝導により発生する損失を、冷却熱量の２０％以下にでき、結果的に消費電力が低減される。
【００４９】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、
（間隔保持部材の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ））×（間隔保持部材の厚み（ｍｍ））÷（間隔保持部材の高さ（ｍｍ））≦０．３
の関係を満足する。
【００５０】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記間隔保持部材を通して熱伝導により発生する損失を、冷却熱量の１０％以下に減らすことができ、消費電力が一層低減される。
【００５１】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記間隔保持部材は、角筒状である。
【００５２】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタの上記半導体基板と上記コレクタの上記半導体基板とは、略直方体状であり、上記間隔保持部材は、上記エミッタの上記半導体基板と上記コレクタの上記半導体基板とを包囲するように、上記エミッタ側外部電極基板の外周部と上記コレクタ側外部電極基板の外周部とに接触する四角筒状である。
【００５３】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間の上記隙間には、上記エミッタ電極および上記コレクタ電極と実質的に反応しない封入ガスが存在しており、
（封入ガスの自由分子熱伝導率（ｍ／ｓ・Ｋ））×（隙間の真空度（Ｐａ））≦３３５０
の関係を満足する。
【００５４】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間の上記隙間の真空度を適当にできる。上記隙間（真空ギャップ）を通して熱伝導により発生する損失を、冷却熱量の１０％以下にでき、さらに好ましい場合には、０．５％以下の損失に減らすことができ、結果的に消費電力が低減される。
【００５５】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、
（封入ガスの自由分子熱伝導率（ｍ／ｓ・Ｋ））×（隙間の真空度（Ｐａ））≦６７
の関係を満足する。
【００５６】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記隙間（真空ギャップ）を通して熱伝導により発生する損失を、冷却熱量の０．５％以下に減らすことができ、消費電力が一層低減される。
【００５７】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記封入ガスは、例えば、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン等の希ガスである。
【００５８】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタ側外部電極基板および上記コレクタ側外部電極基板は、上記間隔保持部材が、上記エミッタ側外部電極基板の外周部と上記コレクタ側外部電極基板の外周部とに接触している状態において、外部の大気圧と内部の真空とによる圧力差から生じる圧縮応力に対して、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極とが接触しないような剛性、ヤング率および厚みを有する。
【００５９】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、大気圧による上記両側の外部電極基板の変形を小さくして、上記両側の外部電極基板と連結された上記両方の半導体基板の変形量を少なくできるので、応力変形によって上記隙間（真空ギャップ）が狭くなった最短部分においても、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極の短絡がなく、電子ヒートポンプ装置の初期故障の発生が低減できる。
【００６０】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタ側外部電極基板および上記コレクタ側外部電極基板は、上記エミッタ側外部電極基板および上記コレクタ側外部電極基板のたわみ変形量が、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間隔の最小値の１／４以下となるような剛性、ヤング率および厚みを有する。
【００６１】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタ側外部電極基板および上記コレクタ側外部電極基板は、上記エミッタ側外部電極基板および上記コレクタ側外部電極基板のたわみ変形量が、上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間隔の最小値の１／５以下となるような剛性、ヤング率および厚みを有する。
【００６２】
また、この発明のレーザ部品では、
パッケージと、
このパッケージ内部に取り付けられる上記電子ヒートポンプ装置と、
この電子ヒートポンプ装置の上記エミッタ側外部電極基板に取り付けられる半導体レーザダイオードチップと、
この半導体レーザダイオードチップの温度を検知する温度検知手段と、
この温度検知手段にて検知された温度に基づいて、上記半導体レーザダイオードチップの温度を所定の温度に保持するように、上記電子ヒートポンプ装置の電力を制御する電力制御手段と
を備えることを特徴としている。
【００６３】
ここで、上記温度検知手段は、例えば、上記半導体レーザダイオードチップの順方向電圧を検出して、上記半導体レーザダイオードチップの温度を検出する電圧センサである。このレーザ部品は、例えば、半導体レーザ部品やホログラムレーザ部品である。
【００６４】
この発明のレーザ部品によれば、上記電子ヒートポンプ装置を備えるので、消費電力の低減と小型化とを図ることができる。また、この小型の電子ヒートポンプ装置を、既存のレーザ部品のパッケージ内部に、サブマウント素子の替わりとして内蔵することが可能になって、実装スペースを変更することなく、既存のレーザ部品をそのまま使用できる。また、上記温度検知手段および上記電力制御手段を備えるので、上記半導体レーザダイオードチップだけを動作環境温度以下に保つことができて、上記半導体レーザダイオードチップに流す電流の低減効果と、それに伴う上記半導体レーザダイオードチップの発熱量の低減がもたらす上記半導体レーザダイオードチップの長寿命化の効果とが、上記電子ヒートポンプ装置の少ない消費電力で実現できる。
【００６５】
また、この発明の光ピックアップでは、上記レーザ部品を備えることを特徴としている。
【００６６】
この発明の光ピックアップによれば、上記レーザ部品を備えるので、放熱設計の変更や実装スペースの変更なく、上記半導体レーザダイオードチップの温度が安定して、動作環境温度変化に強い光ピックアップを実現できる。
【００６７】
また、この発明の電子機器では、上記電子ヒートポンプ装置を備えることを特徴としている。
【００６８】
ここで、電子機器としては、例えば、冷蔵庫や空調機等である。
【００６９】
この発明の電子機器によれば、上記電子ヒートポンプ装置を備えるので、小型でかつ消費電力を低減できる電子機器を実現できる。
【発明の効果】
【００７０】
この発明の電子ヒートポンプ装置によれば、上記半導体基板に上記隙間を形成する上記スペーサ部が一体に形成されているので、ペルチェ素子より消費電力を小さくし、さらに、ピエゾ素子等を用いることなく真空ギャップを確保して、部品数の減少、および、小型化を図ることができる。また、略直方体状のエミッタ側外部電極基板と略直方体状のコレクタ側外部電極基板とを備えるので、小型化を図って、既存の半導体レーザ等のパッケージ内部に組み込み易くなる。
【００７１】
また、この発明のレーザ部品によれば、上記電子ヒートポンプ装置を備えるので、小型化と性能の向上とを図ることができる。
【００７２】
また、この発明の光ピックアップによれば、上記レーザ部品を備えるので、性能を向上できる。
【００７３】
また、この発明の電子機器によれば、上記電子ヒートポンプ装置を備えるので、小型化と性能の向上とを図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７４】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００７５】
（第１の実施形態）
図１は、この発明の電子ヒートポンプ装置の一実施形態である斜視図を示し、図２は、この電子ヒートポンプ装置の断面図を示す。
【００７６】
この電子ヒートポンプ装置は、電気的および熱的に伝導性を有する略直方体状のエミッタ側外部電極基板３と、このエミッタ側外部電極基板３に電気および熱が伝導可能なように連結されると共に電子を放出するエミッタ１と、電気的および熱的に伝導性を有する略直方体状のコレクタ側外部電極基板４と、このコレクタ側外部電極基板４に電気および熱が伝導可能なように連結されると共に電子を受け取るコレクタ２と、上記エミッタ側外部電極基板３と上記コレクタ側外部電極基板４との間に配置されて上記エミッタ側外部電極基板３と上記コレクタ側外部電極基板４との間隔を一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性の間隔保持部材６と、上記エミッタ側外部電極基板３と上記コレクタ側外部電極基板４との間の真空を維持する封止部材７とを備える。
【００７７】
この電子ヒートポンプ装置は、例えば、幅０．７ｍｍ、長さ１．８ｍｍ、厚み０．７ｍｍの略直方体チップ形状になる。
【００７８】
上記エミッタ１と上記コレクタ２とは、対向して配置され、上記エミッタ１と上記コレクタ２との間には、隙間（真空ギャップ）Ｇを有する。上記エミッタ側外部電極基板３と上記コレクタ側外部電極基板４とは、電源８に接続される。
【００７９】
この電子ヒートポンプ装置の作用を説明すると、上記電源８から上記エミッタ側外部電極基板３および上記コレクタ側外部電極基板４に電流を流すことで、上記エミッタ１および上記コレクタ２に電圧が印加されて電子が供給される。そして、上記エミッタ１側（上記エミッタ側外部電極基板３）が、冷却（吸熱）側になり、上記コレクタ２側（上記コレクタ側外部電極基板４）が、放熱（加熱）側になる。
【００８０】
上記エミッタ１は、図３Ａの平面図と図３Ｂの断面図とに示すように、上記エミッタ側外部電極基板３に電気および熱が伝導可能なように一面が連結された半導体基板１０と、この半導体基板１０の他面の略全体的に設けられたエミッタ電極１１とを有する。
【００８１】
具体的に述べると、上記半導体基板１０は、導電性を得るために表面研磨されたｎ型シリコン基板であり、上記エミッタ電極１１は、上記ｎ型シリコン基板の表面研摩された面に、セシウムが表面を被覆したＴｉ薄膜を５ｎｍ厚みで形成されてなる。上記エミッタ１の外形サイズは、０．３ｍｍ×１．４ｍｍ×０．２ｍｍｔの直方体形状となっている。
【００８２】
上記コレクタ２は、図４Ａの平面図と図４Ｂの断面図とに示すように、上記コレクタ側外部電極基板４に電気および熱が伝導可能なように一面が連結された半導体基板２０と、この半導体基板２０の他面の部分的に設けられたコレクタ電極２１とを有する。この半導体基板２０には、電気的および熱的に絶縁性のスペーサ部５が一体に形成されている。
【００８３】
具体的に述べると、上記半導体基板２０は、導電性を得るために表面研磨されたｎ型シリコン基板であり、このｎ型シリコン基板の表面研磨された面に、熱酸化膜を１０ｎｍ厚みに形成し、フォトエッチングにより１００ｎｍ角にパターニングして、１００μｍピッチで正方形格子状に配置した酸化シリコンのスペーサ部５が形成される。このスペーサ部５の周囲を除いてパターニングしたＴｉ薄膜の５ｎｍ厚みのコレクタ電極７が形成される。上記コレクタ２の外形サイズは、０．３ｍｍ×１．４ｍｍ×０．２ｍｍｔの直方体形状であり、上記スペーサ部５の厚みと、Ｔｉ薄膜の上記コレクタ電極２１の膜厚との差５ｎｍが、上記隙間Ｇとなる。
【００８４】
上記エミッタ１と上記コレクタ２とは、図５Ａに示すように、上記エミッタ電極１１と上記コレクタ電極２１とが対向するように配置し、図５Ｂに示すように、上記エミッタ電極１１が上記スペーサ部５に接触するよう自重で押さえつけることで、上記隙間Ｇが上記半導体基板１０，２０に均一に形成される。
【００８５】
要するに、複数の上記スペーサ部５は、上記コレクタ２の上記半導体基板２０に一体に形成されると共に上記エミッタ電極１１に接触し、さらに、上記複数のスペーサ部５は、互いに間隔をもって、上記コレクタ２の上記半導体基板２０の全面に、略一様に分布して整列されており、上記エミッタ電極１１と上記コレクタ電極２１との間の上記隙間Ｇを一定に保ち、上記スペーサ部５の厚みにて、上記隙間Ｇの大きさが決定される。
【００８６】
上記エミッタ電極１１の表面および上記コレクタ電極２１の表面における最大高さ粗さＲｚの値は、上記エミッタ電極１１と上記コレクタ電極２１との間隔の最小値の１／２以下、好ましくは１／４以下である。
【００８７】
このように、上記最大高さ粗さＲｚの値が、上記エミッタ電極１１と上記コレクタ電極２１との間隔の最小値の１／２以下であるので、上記両方の電極１１，２１の表面を平滑にして、上記両方の電極１１，２１の表面の凹凸による荒れによって発生する不具合を低減する。
【００８８】
例えば、表面の凸部同士の対向における上記両方の電極１１，２１の接触による短絡不良を低減し、表面の凹部同士の対向における間隔（真空ギャップ）の広がりによる電子放出量の減少および冷却量の減少を低減する。
【００８９】
すなわち、上記最大高さ粗さＲｚの値が、上記間隔の最小値の１／２を越えると、表面の凹部同士の対向や反りによる間隔（真空ギャップ）の広がりによって、上記エミッタ１からの電子放出量が減少して冷却量が減少する一方、表面の凸部同士の対向によって、上記両方の電極１１，２１が接触して短絡不良が生じるおそれがある。
【００９０】
上記エミッタ電極１１の仕事関数は、上記コレクタ電極２１の仕事関数と略等しいか、もしくは、上記コレクタ電極２１の仕事関数よりも低く、上記エミッタ電極１１および上記コレクタ電極２１は、導電性の複合材料からなり、例えば、Ａｇ、Ｔｉ、Ａｕ薄膜の表面を酸化セシウムが覆っている構成である。
【００９１】
このように、上記エミッタ電極１１の仕事関数が、上記コレクタ電極２１の仕事関数と略等しい場合、電流供給の方向を逆方向にすることで、熱の移動方向を反転できる電子ヒートポンプ装置が実現できる。他方、上記エミッタ電極１１の仕事関数が、上記コレクタ電極２１の仕事関数よりも低い場合、外部から印加する電圧を低く抑えることができて、消費電力の低減になり、さらに、両方の電極１１，２１に温度差が生じたとき、上記コレクタ２側の加熱による熱電子放出量を低減できて、外部から印加する電圧を低く抑えて、消費電力を少なくできる。
【００９２】
次に、図６にスペーサ部面積比と冷却量低下率との関係を示す。
【００９３】
図６は、以下の［表１］をプロットしたものである。
【００９４】
［表１］
2005158917.tif 000003
【００９５】
ここで、スペーサ部面積比は、エミッタ電極に接触する複数のスペーサ部の総和の面積／エミッタ電極の面積であり、冷却量低下率は、スペーサ部の熱伝導による損失／電子が輸送した冷却熱量である。このスペーサ部は、低い熱伝導を有するＳｉＯ2からなり、このスペーサ部の熱伝導率は、１．２Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００９６】
図６から分かるように、スペーサ部面積と、熱伝導による損失となる熱量とは、比例関係にあって、スペーサ部のサイズおよびピッチは熱伝導損失から決定する。
【００９７】
具体的に述べると、スペーサ部の厚みが１０ｎｍである場合、スペーサ部面積比が１．０×１０-6であれば、スペーサ部の存在による冷却量の低下は、０．３５％程度となるため、実施例では、１００μｍピッチで３×１４＝４２箇所のスペーサ部を配置して、スペーサ部面積比１．０×１０-6を実現している。
【００９８】
すなわち、
（スペーサ部面積比）×（スペーサ部の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ））÷（スペーサ部の厚み（ｎｍ））≦０．１２×１０-6
の条件を満足する場合である。
【００９９】
このスペーサ部のピッチが２５μｍ程度であれば、５．７％程度のスペーサ損失であるため、同じスペーサ部面積比１．６×１０-5を達成するために、スペーサ部のサイズを、１個２００ｎｍ角と４倍にした場合には、スペーサ部のピッチを１００μｍとすることで、同じ５．７％程度のスペーサ損失とできる。
【０１００】
一方、スペーサ部面積比が２．５×１０-5の場合には、スペーサ損失が８．８％程度のため、スペーサ部面積をこれ以上増加させると、スペーサによる損失が無視できなくなるため、
（スペーサ部面積比）×（スペーサ部の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ））÷（スペーサ部の厚み（ｎｍ））≦３．０×１０-6
の条件を越えないようスペーサ部配置とサイズを決定している。
【０１０１】
次に、図７に隙間真空度と冷却量低下率との関係を示す。
【０１０２】
図７は、以下の［表２］をプロットしたものである。
【０１０３】
［表２］
2005158917.tif 000004
【０１０４】
ここで、隙間真空度は、隙間（真空ギャップ）の真空度であり、冷却量低下率は、隙間（真空ギャップ）の熱伝導による損失／電子が輸送した冷却熱量である。この隙間には、自由分子熱伝達率が０．６７ｍ／ｓ・Ｋであるアルゴンガス（封入ガス）を封入している。
【０１０５】
図７から分かるように、隙間真空度と冷却量低下率とは比例関係にあって、この隙間真空度は熱伝導損失から決定する。具体的に述べると、隙間真空度が１００Ｐａ以下になるように真空保持することで、真空ギャップの熱伝導による損失を０．２％程度に抑えることができる。
【０１０６】
すなわち、
（封入ガスの自由分子熱伝導率（ｍ／ｓ・Ｋ））×（隙間の真空度（Ｐａ））≦６７
の条件を満足している。
【０１０７】
一方、隙間真空度を５０００Ｐａ程度まで低下させた場合には、真空ギャップの熱伝導損失が９．９％程度となり、これ以上の真空度低下は熱伝導損失が無視できなくなる。
【０１０８】
すなわち、
（封入ガスの自由分子熱伝導率（ｍ／ｓ・Ｋ））×（隙間の真空度（Ｐａ））≦３３５０
の条件を超えることがないように真空度を保持させている。
【０１０９】
次に、上記間隔保持部材６は、熱伝導率１．２Ｗ／ｍ・Ｋで、シリコンの上記半導体基板１０，２０の熱膨張係数に近い低熱膨張の硼珪酸ガラス材料からなり、図示しないが、上記間隔保持部材６の肉厚は、熱伝導による損失に比例する。
【０１１０】
そこで、実施例では、上記間隔保持部材６を、肉厚０．１ｍｍ、高さ０．４ｍｍ、外形サイズ横０．７ｍｍ、縦１．８ｍｍの方形筒状とすることで、上記間隔保持部材６による熱伝導損失を、８％程度に抑えることができる。
【０１１１】
すなわち、
（間隔保持部材の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ））×（間隔保持部材の厚み（ｍｍ））÷（間隔保持部材の高さ（ｍｍ））≦０．３
の条件を満足している。
【０１１２】
一方、上記間隔保持部材６の肉厚を０．２ｍｍと厚くした場合、熱伝導損失は１６％となり、これ以上の肉厚増加は熱伝導損失が無視できなくなる。
【０１１３】
すなわち、
（間隔保持部材の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ））×（間隔保持部材の厚み（ｍｍ））÷（間隔保持部材の高さ（ｍｍ））≦０．６
の条件は越えることがないように上記間隔保持部材６の肉厚を確保している。
【０１１４】
次に、上記エミッタ側外部電極基板３および上記コレクタ側外部電極基板４は、上記間隔保持部材６が、上記エミッタ側外部電極基板３の外周部と上記コレクタ側外部電極基板４の外周部とに接触している状態において、外部の大気圧と内部の真空とによる圧力差から生じる圧縮応力に対して、上記エミッタ電極１１と上記コレクタ電極２１とが接触しないような剛性、ヤング率および厚みを有する。
【０１１５】
具体的に述べると、上記エミッタ側外部電極基板３および上記コレクタ側外部電極基板４は、圧縮応力による応力変形で、上記隙間Ｇが短絡しないよう、剛性の高い材料としてタングステンからなり、寸法を０．７ｍｍ×１．８ｍｍ×０．１５ｍｍｔとすることで、大気圧によるたわみ量が、０．７６ｎｍ程度に抑えている。
【０１１６】
なお、上記エミッタ側外部電極基板３および上記コレクタ側外部電極基板４の材料として、タングステン以外でもタングステンカーバイトや銅やシリコンを用いてもよく、上記エミッタ側外部電極基板３および上記コレクタ側外部電極基板４の厚みを調整して、たわみ量を上記隙間Ｇの５ｎｍの１／５である１ｎｍ以下に抑えることができ、上記エミッタ側外部電極基板３および上記コレクタ側外部電極基板４として使用可能な材料になる。
【０１１７】
次に、この発明の電子ヒートポンプ装置の製造方法について説明する。
【０１１８】
まず、上記エミッタ側外部電極基板３および上記コレクタ側外部電極基板４は、それぞれ、タングステン薄板から０．７ｍｍ×１．８ｍｍ×０．１５ｍｍｔのサイズで切り出されて形成される。
【０１１９】
続いて、上記エミッタ１の製造方法を説明すると、図８Ａに示すように、６インチで厚み０．２ｍｍｔの鏡面ｎ型のＳｉウエハ基板１２の一面（表面）の全面を、例えば、ＣＶＭ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）、ＥＥＭ（Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）によって、極めて平滑なサブナノレベルまで鏡面化する。なお、上記Ｓｉウエハ基板１２の他面（裏面）には、コンタクト用のＡｕ電極を有している。
【０１２０】
そして、図８Ｂに示すように、上記Ｓｉウエハ基板１２の平滑で清浄な一面に、スパッタリング等でセシウムが表層に被覆されたＴｉ薄膜１３を、５ｎｍの厚みに、形成する。その後、０．３ｍｍ×１．４ｍｍ×０．２ｍｍｔのサイズにダイシングして、図８Ｃに示すように、Ｓｉウエハ基板１２からなる上記半導体基板１０と、Ｔｉ薄膜１３からなる上記エミッタ電極１１とを有する上記エミッタ１を製造する。
【０１２１】
なお、スパッタリング以降は、乾燥した真空工程での製造となる。また、ダイシング方法としては、例えば、ステルスダイシングという機械的にウエハ変形を加えないで切断する方法が最も好ましい。
【０１２２】
また、説明が重複するため説明を省略するが、このエミッタ１の製造方法を、図９のフローチャートの工程Ｓ１〜工程Ｓ４に示す。
【０１２３】
続いて、上記コレクタ２の製造方法を説明すると、上記エミッタ１の製造方法と同様に、図１０Ａに示すように、６インチで厚み０．２ｍｍｔの鏡面ｎ型のＳｉウエハ基板２２の一面（表面）の全面を、極めて平滑なサブナノレベルまで鏡面化する。なお、このＳｉウエハ基板２２の他面（裏面）には、図示しないが、コンタクト用のＡｕ電極を有している。
【０１２４】
そして、図１０Ｂに示すように、上記Ｓｉウエハ基板２２の平滑で清浄な一面に、熱酸化を施して、１０ｎｍの厚みのＳｉＯ2絶縁酸化膜２３を形成し、図１０Ｃに示すように、このＳｉＯ2絶縁酸化膜２３に第１のレジスト２４を重ねて、図１０Ｄに示すように、フォトエッチングによって、１００ｎｍ角にパターニングして、１００μｍピッチで正方形格子状に配置した酸化シリコンのスペーサ部５を形成する。
【０１２５】
そして、上記Ｓｉウエハ基板２２を洗浄および乾燥した後、図１０Ｅに示すように、上記スペーサ部５および上記第１のレジスト２４を第２のレジスト２５にて被覆して、図１０Ｆに示すように、上記Ｓｉウエハ基板２２の一面に、スパッタリング等でＴｉ薄膜２６を、５ｎｍの厚みに、形成する。
【０１２６】
その後、上記第１のレジスト２４および上記第２のレジスト２５を剥離し、上記Ｓｉウエハ基板２２を洗浄し、０．３ｍｍ×１．４ｍｍ×０．２ｍｍｔのサイズにダイシングして、図１０Ｇに示すように、一面に上記スペーサ部５が一体に形成されたＳｉウエハ基板２２からなる上記半導体基板２０と、Ｔｉ薄膜２６からなる上記コレクタ電極２１とを有する上記コレクタ２を製造する。また、説明が重複するため説明を省略するが、上記コレクタ２の製造方法を、図１１のフローチャートの工程Ｓ１１〜工程Ｓ１９に示す。
【０１２７】
続いて、図１２Ａに示すように、上記エミッタ側外部電極基板３に上記エミッタ１を接近させて、図１２Ｂに示すように、Ａｕ−Ｓｕ等の共晶をロウ材として、上記エミッタ側外部電極基板３に上記エミッタ１を電気的および熱的に接合して、エミッタ側ユニット１９を形成する。また、図示しないが、同様に、上記コレクタ側外部電極基板４に上記コレクタ２を電気的および熱的に接合して、コレクト側ユニットを形成する。
【０１２８】
その後、上記エミッタ側ユニット１９および上記コレクト側ユニット等の以下の工程に使用する部品を全て、脱ガス処理するために、高温にてベーキングする（真空加熱処理（真空脱ガス処理））。なお、この工程から完成までは、真空一貫工程にて実施することで、内部の真空ギャップを保持できる。
【０１２９】
そして、図１３Ａに示すように、上記間隔保持部材６を、上記コレクタ側ユニット２９上に上記コレクタ２の周囲を覆うように置き、さらに、上記エミッタ側ユニット１９のエミッタ１を、上記間隔保持部材６の開口部に、嵌め込むようにダイボンドして、図１３Ｂに示すように、略直方体状の中間体３９を形成する。
【０１３０】
その後、図１４Ａに示すように、上記両方の外部電極基板３，４と上記間隔保持部材６とが接着できるように、四枚の低融点ガラス材料のプリフォーム成型品３８を、上記中間体３９の四辺に押し付けた後、熱処理することで、図１４Ｂに示すように、フリットシール（上記封止部材７）が完了し、電子ヒートポンプ装置５１が完成する。
【０１３１】
なお、説明が重複するため説明を省略するが、上記エミッタ側ユニット１９および上記コレクタ側ユニット２９の形成から、上記電子ヒートポンプ装置５１の完成までを、図１５のフローチャートの工程Ｓ２１〜工程Ｓ２５に示す。
【０１３２】
上記構成の電子ヒートポンプ装置によれば、上記コレクタ２の上記半導体基板２０の一面に、上記スペーサ部５を一体に形成しているので、簡単な構成で、熱の逆流を防止しつつ、真空ギャップを所定の間隔に確保した電子ヒートポンプ装置を実現できる。具体的に述べると、従来の真空ギャップダイオード構造の電子ヒートポンプ装置においてエミッタとコレクタの間の真空ギャップを所定の間隔に維持する手段として必要であったピエゾ素子や静電容量コントローラやピエゾフィードバック回路等が不要になって、部品数を減少でき、小型化、軽量化およびコスト削減を図ることができる。
【０１３３】
また、略直方体状のエミッタ側外部電極基板３と略直方体状のコレクタ側外部電極基板４とを備えるので、この電子ヒートポンプ装置を略直方体チップ形状にできて、例えば、既存の半導体レーザ等のパッケージ内部に組み込み易くなる。
【０１３４】
このように超小型の電子ヒートポンプ装置が実現できるので、例えば、半導体レーザ部品のパッケージ内部に電子ヒートポンプ装置が実装可能になって、レーザチップ温度制御機能付の半導体レーザやホログラムレーザを実現できる。
【０１３５】
（第２の実施形態）
次に、この発明のレーザ部品は、図１６の斜視図と図１７の要部拡大図に示すように、パッケージ５６と、このパッケージ５６の内部に取り付けられる上記電子ヒートポンプ装置５１と、この電子ヒートポンプ装置５１の上記エミッタ側外部電極基板３に取り付けられる半導体レーザダイオードチップ５２（以下、ＬＤチップという）と、このＬＤチップ５２の温度を検知する温度検知手段６１と、この温度検知手段６１にて検知された温度に基づいて、上記ＬＤチップ５２の温度を所定の温度に保持するように、上記電子ヒートポンプ装置５１の電力を制御する電力制御手段６２とを備える。
【０１３６】
また、上記レーザ部品は、上記パッケージ５６の内部のステム５３に取り付けられた受光素子５４と、上記パッケージ外部に取り付けられたホログラム素子５５とを備え、上記ＬＤチップ５２からレーザビーム５７を出射するホログラムレーザ部品である。
【０１３７】
上記温度検知手段６１は、上記ＬＤチップ５２の順方向電圧を検出して、上記ＬＤチップ５２の温度を検出する。
【０１３８】
このように、上記レーザ部品は、上記電子ヒートポンプ装置５１を備えるので、消費電力の低減と小型化とを図ることができる。また、この小型の電子ヒートポンプ装置５１を、既存のレーザ部品のパッケージ内部に、サブマウント素子の替わりとして内蔵することが可能になって、実装スペースを変更することなく、既存のレーザ部品をそのまま使用できる。例えば、上記電子ヒートポンプ装置５１を上記ステム５３に搭載した後、上記電子ヒートポンプ装置５１に上記ＬＤチップ５２を搭載することで、従来の上記パッケージ５６の外形寸法を変更することなく、既存のレーザ部品をそのまま使用できる。
【０１３９】
また、上記温度検知手段６１および上記電力制御手段６２を備えるので、上記ＬＤチップ５２だけを動作環境温度以下に保つことができて、上記ＬＤチップ５２に流す電流の低減効果と、それに伴う上記ＬＤチップ５２の発熱量の低減がもたらすＬＤチップ５２の長寿命化の効果とが、上記電子ヒートポンプ装置５１の少ない消費電力で実現できる。
【０１４０】
次に、このレーザ部品の動作を具体的に説明する。上記ＬＤチップ５２として、ＤＶＤ書込み用の発振波長６５０ｎｍ付近の赤色レーザで高速書込み用の２００ｍＷ光出力レーザチップを用いる。
【０１４１】
上記ステム５３の温度が７０℃となるような周辺環境温度にて、上記ＬＤチップ５２を動作させる場合、上記電源８から上記電子ヒートポンプ装置５１に、ＤＣ電圧を１．４５Ｖ、ＤＣ電流を７０ｍＡ、供給することで、上記ＬＤチップ５２が光出力２００ｍＷ出射時に発生する熱量３５２ｍＷを、上記エミッタ側外部電極基板３の吸熱面から吸収し、上記コレクタ側外部電極基板４の放熱面から上記ステム５３を通じて外部に放出する。この結果、上記エミッタ側外部電極基板３の吸熱面の温度を５０℃に、上記コレクタ側外部電極基板４の放熱面の温度を７０℃に維持している。
【０１４２】
この場合、上記電子ヒートポンプ装置５１には、１．４５Ｖ×７０ｍＡ＝１０２ｍＷの電力を冷却のために使用しているが、上記ＬＤチップ５２の温度が、７０℃から５０℃に低下したため、上記ＬＤチップ５２の消費電力の減少が１０８ｍＷになる。また、上記ステム５３から放熱する熱量は、従来のホログラムレーザと同等なため、同じ放熱設計された光ピックアップでも放熱設計変更することなしに、上記ＬＤチップ５２の温度を安定して保持することができる。
【０１４３】
なお、上記ＬＤチップ５２の温度については、上記温度検知手段６１によって、レーザ駆動制御回路における順方向電圧値をモニタして、上記電力制御手段６２によって、上記電子ヒートポンプ装置５１への投入電力をフィードバック制御する方法で一定温度に保持することができる。
【０１４４】
上記第１の実施形態および上記第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態に示すとおり、０．７ｍｍ×１．８ｍｍ×０．７ｍｍｔの超小型電子ヒートポンプ装置が実現できることで、本装置を半導体レーザダイオードのパッケージ内部に組み込む上記第２の実施形態が実現でき、レーザ部品の大きさを変えることなく、上記ＬＤチップの温度を一定で動作させることができる。
【０１４５】
特に、高温環境にて半導体レーザダイオードを動作させる場合、ＬＤチップの温度は動作環境以上に上がっており、ＬＤチップの温度特性として同じ光出力を得る為に必要な動作電流が増加することになるが、本発明の電子ヒートポンプ装置と組み合わせることで、ＬＤチップだけを動作環境温度以下に保つことができて、ＬＤチップに流す電流の低減効果とそれに伴うＬＤチップ発熱量の低減がもたらすＬＤチップの長寿命化の効果が、少ないヒートポンプ消費電力で実現できる。
【０１４６】
このように、電子ヒートポンプ装置の消費電力が少ないため、光ピックアップの放熱設計を変更することなく、ＬＤチップの温度を一定に保つ機能を備えたホログラムレーザ部品や半導体レーザ部品が使用可能になる。
【０１４７】
（第３の実施形態）
次に、図示しないが、この発明の光ピックアップは、上記レーザ部品を備えている。この光ピックアップによれば、上記レーザ部品を備えるので、放熱設計の変更や実装スペースの変更なく、上記ＬＤチップの温度が安定して、動作環境温度変化に強い光ピックアップを実現できる。
【０１４８】
（第４の実施形態）
次に、図示しないが、この発明の電子機器は、上記電子ヒートポンプ装置を備える。ここで、電子機器としては、例えば、冷蔵庫や空調機等である。このの電子機器によれば、上記電子ヒートポンプ装置を備えるので、小型でかつ消費電力を低減できる電子機器を実現できる。
【０１４９】
なお、この発明は上述の実施形態に限定されず、例えば、個々の製造工程において、蒸着やＣＶＤ等の他の加工法でも製膜等できることは明らかである。また、上記エミッタ１の上記半導体基板１０と上記コレクタ２の上記半導体基板２０との内の少なくとも一方に、上記スペーサ部５を一体に形成すればよい。また、Ａｕ−Ｓｕ等の共晶ダイボンド以外に、上記エミッタ１の上記半導体基板１０の一面に、上記エミッタ側外部電極基板３に対して電気および熱が伝導可能となる層を一体に形成してもよく、上記コレクタ２側も同様である。
【図面の簡単な説明】
【０１５０】
【図１】本発明の電子ヒートポンプ装置の一実施形態を示す斜視図である。
【図２】電子ヒートポンプ装置の縦断面図である。
【図３Ａ】エミッタの平面図である。
【図３Ｂ】エミッタの断面図である。
【図４Ａ】コレクタの平面図である。
【図４Ｂ】コレクタの断面図である。
【図５Ａ】エミッタとコレクタの組み合わせを説明する第１の工程図である。
【図５Ｂ】エミッタとコレクタの組み合わせを説明する第２の工程図である。
【図６】スペーサ部面積比と冷却量低下率との関係を示すグラフ図である。
【図７】隙間真空度と冷却量低下率との関係を示すグラフ図である。
【図８Ａ】エミッタの製造方法を示す第１の工程図である。
【図８Ｂ】エミッタの製造方法を示す第２の工程図である。
【図８Ｃ】エミッタの製造方法を示す第３の工程図である。
【図９】エミッタの製造方法を示すフローチャートである。
【図１０Ａ】コレクタの製造方法を示す第１の工程図である。
【図１０Ｂ】コレクタの製造方法を示す第２の工程図である。
【図１０Ｃ】コレクタの製造方法を示す第３の工程図である。
【図１０Ｄ】コレクタの製造方法を示す第４の工程図である。
【図１０Ｅ】コレクタの製造方法を示す第５の工程図である。
【図１０Ｆ】コレクタの製造方法を示す第６の工程図である。
【図１０Ｇ】コレクタの製造方法を示す第７の工程図である。
【図１１】コレクタの製造方法を示すフローチャートである。
【図１２Ａ】エミッタとエミッタ側外部電極基板との組み合わせを説明する第１の工程図である。
【図１２Ｂ】エミッタとエミッタ側外部電極基板との組み合わせを説明する第２の工程図である。
【図１３Ａ】エミッタ側ユニットと間隔保持部材とコレクタ側ユニットとの組み合わせを説明する第１の工程図である。
【図１３Ｂ】エミッタ側ユニットと間隔保持部材とコレクタ側ユニットとの組み合わせを説明する第２の工程図である。
【図１４Ａ】中間体と封止部材との組み合わせを説明する第１の工程図である。
【図１４Ｂ】中間体と封止部材との組み合わせを説明する第２の工程図である。
【図１５】エミッタ側ユニットとコレクタ側ユニットから電子ヒートポンプ装置を製造する方法を示すフローチャートである。
【図１６】本発明のレーザ部品の一実施形態を示す一部切欠斜視図である。
【図１７】レーザ部品の要部の構成説明図である。
【図１８】従来のペルチェ素子搭載レーザ部品（第１の従来例）を示す簡略構成図である。
【図１９】従来の真空ダイオード型電子ヒートポンプ装置（第２の従来例）を示す簡略構成図である。
【図２０】従来の電子冷却素子（第３の従来例）を示す簡略構成図である。
【図２１】ペルチェ素子の動作説明図である。
【図２２】真空ダイオード型電子ヒートポンプ装置の動作説明図である。
【符号の説明】
【０１５１】
１    エミッタ
１０  半導体基板
１１  エミッタ電極
２    コレクタ
２０  半導体基板
２１  コレクタ電極
３    エミッタ側外部電極基板
４    コレクタ側外部電極基板
５    スペーサ部
６    間隔保持部材
７    封止部材
５１  電子ヒートポンプ装置
５２  半導体レーザダイオードチップ
５６  パッケージ
６１  温度検知手段
６２  電力制御手段
Ｇ    隙間
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１０Ｆ】
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【図１０Ｇ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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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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