(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３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的および熱的に伝導性のエミッタ側ステムと、
このエミッタ側ステムに、電気および熱が伝導可能なように、一面が接合された半導体基板と、この半導体基板の他面に設けられたエミッタ電極とを有するエミッタと、
電気的および熱的に伝導性のコレクタ側ステムと、
このコレクタ側ステムに、電気および熱が伝導可能なように、一面が接合された半導体基板と、この半導体基板の他面に設けられたコレクタ電極と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、上記エミッタ側ステムと上記コレクタ側ステムとの間に配置されて上記エミッタ側ステムと上記コレクタ側ステム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、
上記エミッタ側ステムと上記コレクタ側ステム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、
上記封止部材は、上記エミッタ側ステムと上記コレクタ側ステムとに接触し、電気的および熱的に絶縁性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、
上記エミッタ電極および上記コレクタ電極は、単一金属、金属合金、金属と非金属との化合物、半導体材料および不純物ドープ半導体材料の内の何れか一つ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、
上記エミッタ電極および上記コレクタ電極の内の少なくとも上記エミッタ電極は、セシウム（Ｃｓ）、カーボン（Ｃ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、アルミ（Ａｌ）の内の少なくとも一つを含む材料からなる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、
上記エミッタ側ステムおよび上記コレクタ側ステムは、それぞれ、中空部を有し、
この両方の中空部と、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とは、真空であり、
上記両方の中空部と上記隙間とは、上記エミッタ側ステムおよび上記コレクタ側ステムに設けられた通気孔を介して、同じ真空度であ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８】
請求項１に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記スペーサ部は、ＳｉＯ2からなり、上記エミッタ上に一定間隔に分散配置され、
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））≦７．６×１０-7
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９】
請求項６に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記エミッタ側ステムおよび上記コレクタ側ステムは、それぞれ、銅製容器体と、この容器体を蓋すると共に上記通気孔が設けられた銅製平板と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１０】
請求項６に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記エミッタ側ステムの中空部および上記コレクタ側ステムの中空部には、それぞれ、上記両方のステムの熱膨張係数以下の熱伝導性材料が充填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１１】
請求項１０に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記熱伝導性材料は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｖの内の少なくとも一つを有する可変形特性の細線状または板状の材料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、
上記間隔保持部材は、ＳｉＯ2を主成分する材料であり、上記エミッタおよび上記コレクタの熱膨張係数と同等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１３】
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、希ガスが存在しており、
（希ガスの自由分子熱伝導率（ｍ／ｓ・Ｋ））×（隙間の真空度（Ｐａ））≦６７０
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９に記載の電子ヒートポンプ装置において、
上記エミッタおよび上記コレクタは、上記エミッタ側ステムの平板と上記コレクタ側ステムの平板とに挟まれ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、
上記エミッタ側ステムおよび上記コレクタ側ステムは、それぞれ、ＣｕまたはＣｕ合金からな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。
【請求項１７】
エミッタの半導体基板の一面とコレクタの半導体基板の一面との内の少なくとも一方に、スペーサ部を一体に形成するスペーサ形成工程と、
上記エミッタの上記半導体基板の一面にエミッタ電極を形成するエミッタ電極形成工程と、
上記コレクタの上記半導体基板の一面にコレクタ電極を形成するコレクタ電極形成工程と、
上記エミッタの上記半導体基板の一面と上記コレクタの上記半導体基板の一面とを対向させるように重ね合わせて、上記スペーサ部にて上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間に隙間を形成する隙間形成工程と
を備えることを特徴とする電子ヒートポンプ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、電気エネルギーから熱エネルギーへの変換（電熱変換）を行う電子ヒートポンプ装置に関し、具体的に述べると、エミッタとコレクタとをナノレベルの距離に近づけ電圧印加することで、エミッタ側からの電子トンネル効果を利用した電子放出を利用し、冷媒やコンプレッサを必要とせず、機械的稼動部が無く、装置の一方の面が冷却、他方の面が加熱されるものである。また、この電子ヒートポンプ装置を利用した電子機器、および、この電子ヒートポンプ装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子ヒートポンプ装置として、一般にペルチェ素子がある。ペルチェ素子とは、図１５に示すように、ｐ型半導体５１、ｎ型半導体５２および金属電極５３を有するペルチェ効果を利用した電子ヒートポンプ装置であり、電圧を印加して電流を供給することで、各々の上記半導体５１，５２と上記電極５３との間で熱の吸収または発熱が生じて、吸熱部分から発熱部分の方向へ熱を移動する。
【０００３】
また、図１６に示すように、上記ペルチェ素子とは構造の異なる電子ヒートポンプ装置として、エミッタ６１とコレクタ６２との間に真空ギャップ６３を形成する真空ダイオード型の電子ヒートポンプ装置があり、具体的には、次の第１〜第４の電子ヒートポンプ装置がある。
【０００４】
第１の電子ヒートポンプ装置は、図１７に示すように、熱的に被冷却対象と接続している（エミッタに相当する）カソード７１と、熱的に被加熱対象と接続している（コレクタに相当する）アノード７２とが、真空ギャップ（真空雰囲気）７３を介して、対向しており、各々の電極７１ａ，７２ａ間に電圧印加して電流を供給している（米国特許５６７５９７２号公報：特許文献１参照）。
【０００５】
そして、上記カソード電極７１ａおよび上記アノード電極７２ａは、アルカリ金属からなる錯体等の低仕事関数の材料から形成されており、上記カソード電極７１ａの仕事関数が、上記アノード電極７２ａの仕事関数より低くなっている。そして、上記カソード７１と上記アノード７２との間に温度差を加えることで、上記カソード電極７１ａから上記アノード電極７２ａへ電子の流れが生じる。
【０００６】
ここで、「仕事関数」とは、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。
【０００７】
第２の電子ヒートポンプ装置は、図１８に示すように、第１の熱伝導部８４と接続するエミッタ８１と、第２の熱伝導部８５とピエゾ素子８６を介して接続されるコレクタ８２とを備える（国際特許ＷＯ９９／１３５６２号公報：特許文献２参照）。
【０００８】
そして、上記エミッタ８１と上記コレクタ８２との間の真空ギャップ８３の間隔は、電気的制御にて上記ピエゾ素子８６を膨張または収縮させることにより、上記エミッタ８１と上記コレクタ８２との間の静電容量を調整しながら所定の間隔を維持する。
【０００９】
第３の電子ヒートポンプ装置は、図１９に示すように、第１の熱伝導部８４と接続するエミッタ８１と、第２の熱伝導部８５とピエゾ素子８６を介して接続されるコレクタ８２とを備える（米国特許６４１７０６０号公報：特許文献３参照）。
【００１０】
そして、上記エミッタ８１と上記コレクタ８２との間の静電容量を随時読み取って、その情報をピエゾフィードバック回路８７にて処理した後、上記ピエゾ素子８６を膨張または収縮させることで、上記エミッタ８１と上記コレクタ８２との間の真空ギャップ８３の距離を、所定の間隔に維持する。
【００１１】
また、上記第２と第３の電子ヒートポンプ装置において、上記エミッタ８１および上記コレクタ８２の製法として、一方の電極材に犠牲層としてＳｉ、Ｔｉ、Ｍｏ等の薄膜を形成し、この上に他方の電極を重ねて３層構造のものを形成する。その後、この３層構造のものを、好ましくは、−１００℃〜−１５０℃に冷却することで上記犠牲層を破壊して、最終的に、上記エミッタ８１および上記コレクタ８２となる２極を形成する。なお、上記犠牲層としてＣｄ、Ｚｎ、Ｎａ、Ｋ等を用い、加熱溶融することで同様に２極を形成する製法もある。
【００１２】
そして、上記真空ギャップ８３を、１０ｎｍ以下、好ましくは、５ｎｍ以下に調整し、両極に電圧印加して、電子を供給することで、上記エミッタ８１側を冷却できると共に上記コレクタ８２側を加熱できる電子ヒートポンプ装置となる。
【００１３】
第４の電子ヒートポンプ装置は、図２０に示すように、エミッタ９１と、コレクタ９２と、上記エミッタ９１と上記コレクタ９２との間の真空ギャップ９３に配置する誘電体９４とを備える（特表２００２−５４０６３６号公報：特許文献４参照）。この誘電体９４は、Ａｌ2Ｏ3またはＳｉＯ2を含む材料を球状やワイヤ状に形成してなり、または、スパッタ等で電極に分散させて形成され、上記真空ギャップ９３の間隔を維持する障壁となる。そして、上記エミッタ９１から上記誘電体（障壁）９４による電子フィルタリングを行うことで、電子と共に熱も移動する。
【００１４】
しかしながら、上記従来の電子ヒートポンプ装置には、以下の問題があった。
【００１５】
図１５に示す上記ペルチェ素子では、電圧を印加し電流を供給することで、各々の上記半導体５１，５２と上記電極５３との間で熱の吸収または発熱が生じるが、各々の上記半導体５１，５２の両端に熱が発生するため、上記半導体５１，５２を通して、矢印５０に示すように熱の逆流が生じ、熱変換効率が劣って、所定の冷却能力を得ようとすると、消費電力が大きくなる課題がある。
【００１６】
また、図１７に示す第１の電子ヒートポンプ装置では、上記真空ギャップ７３を所定の間隔に保つ場合、上記カソード７１と上記アノード７２とをそれぞれ支える必要が生じるが、この構造では、上記各々の電極７１，７２が、熱的に被冷却対象または被加熱対象と直接に接続しているため、この対象物の自重や大気圧を含む応力に対して、上記カソード７１および上記アノード７２がたわみ、所定の間隔に保つことが困難となる。また、最悪の場合、上記カソード７１と上記アノード７２とが接着して、電子ヒートポンプ装置として機能しないことになる。
【００１７】
また、図１８に示す第２の電子ヒートポンプ装置では、上記図１７に示す第１の電子ヒートポンプ装置の課題を改善するため、一方の電極において上記ピエゾ素子８６を用いた容量コントローラ８８で調整することにより、上記真空ギャップ８３を所定の距離に保っている。しかし、上記ピエゾ素子８６を介した静電容量測定のため、電子ヒートポンプとして動作時、上記コレクタ８２側の加熱による上記ピエゾ素子８６の温度容量変化により、上記エミッタ８１と上記コレクタ８２との静電容量が不確定要素となって、上記真空ギャップ８３が所定の間隔を維持することが困難になる。つまり、上記真空ギャップ８３が所定の間隔に維持できないことになる。また、上記コレクタ８２で生じた熱が、上記第２の熱伝導部８５に至る間に、上記ピエゾ素子８６と上記容量コントローラ８８とを連結する配線があることから、上記コレクタ８２から上記第２の熱伝導部８５への熱移動の大幅なロスが生じる。
【００１８】
また、図１９に示す第３の電子ヒートポンプ装置では、上記図１８に示す第２の電子ヒートポンプ装置における静電容量による上記真空ギャップ８３に関する課題を改善するため、静電容量の測定部位を直接に上記エミッタ８１および上記コレクタ８２とし、上記ピエゾ素子８６を別回路として、上記真空ギャップ８３を所定の間隔に保つために、常時、上記ピエゾ素子８６にてコントロールを行っている。
【００１９】
この場合、上記ピエゾ素子８６による常時動作のギャップ調整回路が必要となり、本来の電子ヒートポンプとして関係の無い回路での消費電力の増加が考えられる。また、個々の電子ヒートポンプ装置を上記回路にて制御するため、ヒートポンプ容量拡大を考慮した場合、複数の電子ヒートポンプ装置を使用するユニット化が困難となる。また、上記コレクタ８２で生じた熱が、上記第２の熱伝導部８５に至る間に、上記ピエゾ素子８６と上記容量コントローラ８８とを連結する配線があることから、上記コレクタ８２から上記第２の熱伝導部８５への熱移動の大幅なロスが生じる。
【００２０】
また、図２０に示す第４の電子ヒートポンプ装置では、上記誘電体９４を、上記エミッタ９１および上記コレクタ９２に対して、一定の面積比率で配置することは困難である。また、上記誘電体９４をスパッタ等で電極に分散配置し、電子フィルタリングを行うことで電子と共に熱も移動するとあるが、上記ペルチェ素子と同様に、上記誘電体９４を熱が逆流して、冷却効率が悪く消費電力が大きくなってしまう課題がある。
【特許文献１】米国特許５６７５９７２号公報
【特許文献２】国際特許ＷＯ９９／１３５６２号公報
【特許文献３】米国特許６４１７０６０号公報
【特許文献４】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】
【００２１】
そこで、この発明の課題は、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】
【００２２】
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、
電気的および熱的に伝導性のエミッタ側ステムと、
このエミッタ側ステムに、電気および熱が伝導可能なように、一面が接合された半導体基板と、この半導体基板の他面に設けられたエミッタ電極とを有するエミッタと、
電気的および熱的に伝導性のコレクタ側ステムと、
このコレクタ側ステムに、電気および熱が伝導可能なように、一面が接合された半導体基板と、この半導体基板の他面に設けられたコレクタ電極と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、上記エミッタ側ステムと上記コレクタ側ステムとの間に配置されて上記エミッタ側ステムと上記コレクタ側ステム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、
上記エミッタ側ステムと上記コレクタ側ステム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。
【００２３】
ここで、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、例えば、低融点のガラスを用いる。上記半導体基板にスペーサ部を一体に形成するとは、例えば、上記半導体基板がＳｉウエハである場合、この基板表面に熱酸化を施してＳｉＯ2膜を形成し、このＳｉＯ2膜をエッチングして上記スペーサ部を形成する。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【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、上記エミッタ側ステムと上記コレクタ側ステムとに接触し、電気的および熱的に絶縁性である。なお、上記封止部材は、上記エミッタ側ステムと上記コレクタ側ステムとを封止する一つの部材であってもよく、あるいは、上記エミッタ側ステムと上記間隔保持部材との間を封止する部分と、上記コレクタ側ステムと上記間隔保持部材との間を封止する部分との別体であってもよい。
【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、上記エミッタ側ステムと上記コレクタ側ステム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、好ましくは１／４以下である。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタ電極および上記コレクタ電極は、単一金属、金属合金、金属と非金属との化合物、半導体材料および不純物ドープ半導体材料の内の何れか一つである。具体的に述べると、例えば、シリサイドであり、ＴｉＳｉ2、ＣｏＳｉ2、ＷＳｉ2、ＰｔＳｉ、ＭｏＳｉ2、Ｐｄ2ＳｉおよびＴａＳｉ2等がある。
【００３３】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記両方の電極の表面の平滑性と上記エミッタからの電子放出とを効果的に実現することができる。
【００３４】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタ電極および上記コレクタ電極の内の少なくとも上記エミッタ電極は、セシウム（Ｃｓ）、カーボン（Ｃ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、アルミ（Ａｌ）の内の少なくとも一つを含む材料からなる。
【００３５】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、少なくとも上記エミッタ電極が、仕事関数の低い材料からなり、特に、上記エミッタ電極をＣｓを含む電極材とすることで、更に低仕事関数化が可能となる。すなわち、上記エミッタ側からの電子放出を高め、電圧印加の量を低減でき、消費電力の低減が可能となる電子ヒートポンプ装置が実現可能となる。
【００３６】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタ側ステムおよび上記コレクタ側ステムは、それぞれ、中空部を有し、
この両方の中空部と、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とは、真空であり、
上記両方の中空部と上記隙間とは、上記エミッタ側ステムおよび上記コレクタ側ステムに設けられた通気孔を介して、同じ真空度である。
【００３７】
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、および、上記スペーサ部を有する上記コレクタは、上記両方のステムの中空部に挟まれているので、大気圧の応力影響を受けるのは、上記両方のステムの最外部のみとなり、直接に、上記エミッタおよび上記コレクタに応力を加えることが無くなって、圧力たわみによる変形および破壊が生じない構造の電子ヒートポンプ装置が実現可能となる。
【００３８】
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。
【００３９】
ここで、「仕事関数」とは、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。
【００４０】
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、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、かつ、電圧印加の量を低減できて、消費電力の低減が可能となる電子ヒートポンプ装置が実現できる。
【００４１】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記スペーサ部は、低い熱伝導を有するＳｉＯ2からなり、上記エミッタ上に一定間隔に分散配置され、
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））≦７．６×１０-7
好ましくは、
（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））≦４．７×１０-8
の関係を満足する。
【００４２】
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。上記スペーサ部を介しての熱逆流による冷却効率低下を１０％以下にでき、結果として消費電力が低減できる。また、上記エミッタと上記コレクタが応力またはたわみで変形する場合でも、短絡することの予防が可能となる電子ヒートポンプ装置が実現できる。
【００４３】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタ側ステムおよび上記コレクタ側ステムは、それぞれ、銅製容器体と、この容器体を蓋すると共に上記通気孔が設けられた銅製平板とを有する。
【００４４】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記エミッタおよび上記コレクタにて生じた熱を効果的に外部の熱伝導部へ伝える構造となる。
【００４５】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタ側ステムの中空部および上記コレクタ側ステムの中空部には、それぞれ、上記両方のステムの熱膨張係数以下の熱伝導性材料が充填されている。
【００４６】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記エミッタおよび上記コレクタにて生じた熱を効果的に外部の熱伝導部へ伝える構造となる。
【００４７】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記熱伝導性材料は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｖの内の少なくとも一つを有する可変形特性の細線状または板状の材料である。
【００４８】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、熱伝導効果を低減することなく、真空封止時および真空維持時の内部発生ガスを上記熱伝導性材料にて吸着して、冷却効果を維持できる電子ヒートポンプ装置の実現が可能となる。
【００４９】
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、ＳｉＯ2を主成分する材料であり、上記エミッタおよび上記コレクタの熱膨張係数と同等以下である。
【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（絶縁性ワッシャ）は、電子ヒートポンプ装置の製造において、上記エミッタ、上記コレクタおよび上記両方のステムにおける振動および傾き等の外部応力で、上記スペーサ部に急峻で致命的な破壊応力が加わらないように、上記両方のステムを一定間隔に維持および応力分散する作用を有し、かつ、真空封止作業で、上記封止部材が、上記エミッタ電極および上記コレクタ電極に至らないように保護する作用を有する。
【００５１】
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、希ガスが存在しており、
（希ガスの自由分子熱伝導率（ｍ／ｓ・Ｋ））×（隙間の真空度（Ｐａ））≦６７０
好ましくは、
（希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。
【００５２】
ここで、上記希ガスとしては、好ましくは、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノンの内の何れか一つである。
【００５３】
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）を介して上記コレクタ側から熱が逆流して上記エミッタ側の冷却効率を減少させる損失を、冷却熱量の１０％以下に減らすことができて、結果として消費電力を低減できる。
【００５４】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタおよび上記コレクタは、上記エミッタ側ステムの平板と上記コレクタ側ステムの平板とに挟まれる。
【００５５】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、大気圧の圧力が、上記両方のステムの容器体で応力低減されて、上記エミッタおよび上記コレクタは影響を受けない。また、大気圧の圧力による上記スペーサ部の破壊を確実に回避できる。
【００５６】
また、一実施形態の電子ヒートポンプ装置では、上記エミッタ側ステムおよび上記コレクタ側ステムは、それぞれ、ＣｕまたはＣｕ合金からなる。
【００５７】
この一実施形態の電子ヒートポンプ装置によれば、上記エミッタおよび上記コレクタにて生じた熱を効率的に外部の熱伝導部へ伝えることができる。
【００５８】
また、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とを特徴としている。
【００５９】
ここで、電子機器としては、例えば、半導体レーザによる光ピックアップ機器や、冷蔵庫や、空調機等である。
【００６０】
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、簡単な構成で、消費電力を減少でき、真空ギャップを所定の間隔に確保できて、コストの低減と性能の向上とを図ることができる。
【００６１】
また、この発明の電子ヒートポンプ装置の製造方法は、
エミッタの半導体基板の一面とコレクタの半導体基板の一面との内の少なくとも一方に、スペーサ部を一体に形成するスペーサ形成工程と、
上記エミッタの上記半導体基板の一面にエミッタ電極を形成するエミッタ電極形成工程と、
上記コレクタの上記半導体基板の一面にコレクタ電極を形成するコレクタ電極形成工程と、
上記エミッタの上記半導体基板の一面と上記コレクタの上記半導体基板の一面とを対向させるように重ね合わせて、上記スペーサ部にて上記エミッタ電極と上記コレクタ電極との間に隙間を形成する隙間形成工程と
を備えることを特徴としている。
【００６２】
この発明の電子ヒートポンプ装置の製造方法によれば、上記エミッタの上記半導体基板の一面と上記コレクタの上記半導体基板の一面との内の少なくとも一方に、スペーサ部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。もちろん、上記スペーサ部により上記隙間を形成するので、ペルチェ素子よりも消費電力が少なくなる。
【発明の効果】
【００６３】
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が小さく、従来の熱電子ヒートポンプ装置におけるピエゾ素子等の付帯回路が不要になる。
【００６４】
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、コストの低減と性能の向上とを図ることができる。
【００６５】
また、この発明の電子ヒートポンプ装置の製造方法によれば、上記半導体基板に上記隙間を形成する上記スペーサ部を一体に形成しているので、ペルチェ素子より消費電力が小さく、従来の熱電子ヒートポンプ装置におけるピエゾ素子等の付帯回路が不要となる電子ヒートポンプ装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６６】
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。
【００６７】
（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ている。図２は、この電子ヒートポンプ装置の縦断面図を示し、図３は、図２のＡ部拡大図を示す。
【００６８】
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のエミッタ側ステム３と、このエミッタ側ステム３に電気および熱が伝導可能なように接合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のコレクタ側ステム４と、このコレクタ側ステム４に電気および熱が伝導可能なように接合されると共に電子を受け取るコレクタ２と、上記エミッタ側ステム３と上記コレクタ側ステム４との間に配置されて上記エミッタ側ステム３と上記コレクタ側ステム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、上記エミッタ側ステム３と上記コレクタ側ステム４との間の真空を維持する封止部材７とを備える。
【００６９】
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。上記エミッタ側ステム３と上記コレクタ側ステム４とは、電源８に接続される。
【００７０】
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ステム３および上記コレクタ側ステム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（上記エミッタ側ステム３）が、冷却（吸熱）側になり、上記コレクタ２側（上記コレクタ側ステム４）が、放熱（加熱）側になる。
【００７１】
上記エミッタ１は、上記エミッタ側ステム３に電気および熱が伝導可能なように一面が接合された半導体基板１０と、この半導体基板１０の他面の全体的に設けられたエミッタ電極１１とを有する。
【００７２】
上記コレクタ２は、上記コレクタ側ステム４に電気および熱が伝導可能なように一面が接合された半導体基板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。
【００７３】
上記エミッタ１と上記コレクタ２とは、上記エミッタ電極１１と上記コレクタ電極２１とを上記隙間Ｇをあけて対向するように配置される。
【００７４】
上記コレクタ２の上記半導体基板２０には、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。上記スペーサ部５は、上記エミッタ１および上記コレクタ２上に一定間隔に分散配置され、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。
【００７５】
具体的には、上記半導体基板１０，２０として、例えば、ｎ型のＳｉウエハを用いた場合、上記基板２０表面に熱酸化を施してＳｉＯ2膜を形成し、このＳｉＯ2膜をエッチングして上記スペーサ部５が形成される。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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と、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が低減可能となる。
【００７９】
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。
【００８０】
上記エミッタ電極１１および上記コレクタ電極２１は、単一金属、金属合金、金属と非金属との化合物、半導体材料および不純物ドープ半導体材料の内の何れか一つであり、上記両方の電極１１，２１の表面の平滑性と上記エミッタ１からの電子放出とを効果的に実現することができる。
【００８１】
上記エミッタ電極１１および上記コレクタ電極２１の内の少なくとも上記エミッタ電極１１は、セシウム（Ｃｓ）、カーボン（Ｃ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、プラチナ（Ｐｔ）、アルミ（Ａｌ）の内の少なくとも一つを含む材料からなる。
【００８２】
このように、少なくとも上記エミッタ電極１１が、仕事関数の低い材料からなり、上記エミッタ１側からの電子放出を高め、電圧印加の量を低減でき、消費電力の低減が可能となる。
【００８３】
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い。
【００８４】
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、両方の電極１１，２１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、かつ、電圧印加の量を低減できて、消費電力の低減が可能となる。
【００８５】
上記エミッタ側ステム３および上記コレクタ側ステム４は、それぞれ、中空部３０，４０を有し、この両方の中空部３０，４０と、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とは、真空であり、上記両方の中空部３０，４０と上記隙間Ｇとは、上記エミッタ側ステム３および上記コレクタ側ステム４に設けられた通気孔３２ａ，４２ａを介して、同じ真空度である。
【００８６】
具体的に述べると、上記エミッタ側ステム３は、銅製容器体３１と、この容器体３１を蓋すると共に上記通気孔３２ａが設けられた銅製平板３２とを有する。上記容器体３１と上記平板３２にて囲まれた空間にて、上記中空部３０を形成し、この中空部３０と上記エミッタ側ステム３の外部とが、上記通気孔３２ａを介して、連通する。
【００８７】
同様に、上記コレクタ側ステム４は、銅製容器体４１と、この容器体４１を蓋すると共に上記通気孔４２ａが設けられた銅製平板４２とを有し、上記容器体４１と上記平板４２にて上記中空部４０を形成し、この中空部４０と上記コレクタ側ステム４の外部とが、上記通気孔４２ａを介して、連通する。
【００８８】
そして、上記エミッタ１および上記コレクタ２は、上記エミッタ側ステム３の平板３２と上記コレクタ側ステム４の平板４２とに挟まれる。
【００８９】
このように、上記エミッタ１および上記コレクタ２は、上記両方のステム３，４の中空部３０，４０に挟まれているので、大気圧の応力影響を受けるのは、上記両方のステム３，４の最外部（上記容器体３１，４１）のみとなり、直接に、上記エミッタ１および上記コレクタ２に応力を加えることが無くなって、圧力たわみによる変形および破壊が生じない。
【００９０】
上記エミッタ側ステム３および上記コレクタ側ステム４は、それぞれ、ＣｕまたはＣｕ合金からなるので、上記エミッタ１および上記コレクタ２にて生じた熱を、効果的にかつ効率的に、外部の熱伝導部へ伝えることができる。
【００９１】
上記間隔保持部材６は、上記エミッタ側ステム３の上記平板３２と上記コレクタ側ステム４の上記平板４２との間に介在する。上記間隔保持部材６は、ＳｉＯ2を主成分する材料であり、上記エミッタ１および上記コレクタ２の熱膨張係数と同等以下である。
【００９２】
このように、上記間隔保持部材６は、上記電子ヒートポンプ装置の製造において、上記エミッタ１、上記コレクタ２および上記両方のステム３，４における振動および傾き等の外部応力で、上記スペーサ部５に急峻で致命的な破壊応力が加わらないように、上記両方のステム３，４を一定間隔に維持および応力分散する作用を有し、かつ、真空封止作業で、上記封止部材７が、上記エミッタ電極１１および上記コレクタ電極２１に至らないように保護する作用を有する。
【００９３】
上記封止部材７は、上記エミッタ側ステム３の外周と上記コレクタ側ステム４の外周とを覆うように接触し、電気的および熱的に絶縁性である。具体的には、上記封止部材７は、上記エミッタ側ステム３の上記平板３２と上記コレクタ側ステム４の上記平板４２との間に介在すると共に、上記エミッタ側ステム３の上記平板３２の外周縁と上記コレクタ側ステム４の上記平板４２の外周縁とを覆っている。上記封止部材７としては、例えば、低融点のガラスを用いる。
【００９４】
上記構成の電子ヒートポンプ装置によれば、上記エミッタ電極１１と上記コレクタ電極２１との間に上記隙間Ｇ（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。
【００９５】
また、上記コレクタ２の上記半導体基板２０には、上記隙間Ｇを一定に保つと共に電気的および熱的に絶縁性の上記スペーサ部５が一体に形成されているので、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。
【００９６】
また、上記スペーサ部５の厚みを調整して、上記隙間Ｇ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１の電子放出の効果を高めることが可能になる。
【００９７】
ここで、この電子ヒートポンプ装置における具体的な寸法を示すと、全体の直径が１１．５ｍｍで、全体の厚みが２．３ｍｍである。上記ステム３，４の厚みは、それぞれ、０．９ｍｍである。上記エミッタ１および上記コレクタ２の厚みは、それぞれ、０．２５５ｍｍである。上記エミッタ電極１１および上記コレクタ電極２１の厚みは、それぞれ、５ｎｍである。上記スペーサ部５の厚みは、１０ｎｍで、上記スペーサ部５の平面の大きさは、□１００ｎｍである。また、隣り合う上記スペーサ部５，５のピッチは、２００ｎｍである。
【００９８】
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。
【００９９】
まず、上記エミッタ１の製造方法を説明すると、図４Ａに示すように、エミッタ形成基板である鏡面ｎ型のＳｉウエハ基板１２の一面（表面）の全面を、例えば、Ｐ−ＣＶＭ（Ｐｌａｓｍａ−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、図示しないが、コンタクト用のＡｕ電極を有している。
【０１００】
そして、図４Ｂ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、例えば５ｎｍの厚みに、形成する。その後、所定のサイズにダイシングして、図４Ｃ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。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、説明を省略するが、上記エミッタ１の製造方法を、図５のフローチャートの工程Ｓ１〜工程Ｓ４に示す。
【０１０１】
ここで、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。また、ダイシングの形状としては、生産性を考えて、四角い形状でもよく、または、他の形状、例えば、ステム内に収まる小径の円板状ウエハそのものを用いてもよい。
【０１０２】
次に、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６Ａに示すように、コレクタ形成基板である鏡面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。
【０１０３】
そして、図６Ｂ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、例えば１０ｎｍの厚みのＳｉＯ2絶縁酸化膜２３を形成し、図６Ｃ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６Ｄに示すように、フォトエッチングによって、例えば、□１００ｎｍにパターニングして、２００ｎｍ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。
【０１０４】
そして、上記Ｓｉウエハ基板２２を洗浄および乾燥した後、図６Ｅ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に第２のレジスト２５を重ねて、図６Ｆ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Ａｇ薄膜２６を、例えば５ｎｍの厚みに、形成する。
【０１０５】
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、所定のサイズにダイシングして、図６Ｇ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、Ａｇ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、説明を省略するが、上記コレクタ２の製造方法を、図７のフローチャートの工程Ｓ１〜工程Ｓ９に示す。
【０１０６】
次に、上記エミッタ側ステム３の製造方法を説明すると、図８Ａに示すように、帽子型の容器体３１の開口部に、通気孔３２ａを有する平板３２を接着して、図８Ｂに示すように、上記容器体３１の開口部を上記平板３２にて蓋をして、上記エミッタ側ステム３を製造する。また、図示しないが、上記コレクタ側ステム４も上記エミッタ側ステム３と同様に製造する。
【０１０７】
次に、図９に示すように、上記エミッタ側ステム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を形成し、上記コレクタ側ステム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２９を形成する。なお、この接合方法としては、Ａｕ−Ｓｎ共晶はんだ等の方法がある。
【０１０８】
その後、真空加熱処理（真空脱ガス処理）しながら、上記エミッタ側ユニット１９と上記コレクト側ユニット２９とを、上記間隔保持部材６を介して、重ね合わせ、図１０に示すように、両方のステム３，４の外周を覆うように、低融点ガラス材でできたプリフォームの上記封止部材７を取り付け、熱処理を施すことで、上記封止部材７が融けて、フリットシールが完了し、図１１に示すように、内部が真空の電子ヒートポンプ装置が完成する。
【０１０９】
上記構成の電子ヒートポンプ装置の製造方法によれば、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。
【０１１０】
次に、図１２にスペーサ部面積比と冷却量低下率との関係を示す。
【０１１１】
図１２は、以下の［表１］をプロットしたものである。
【０１１２】
［表１］
2005150230.tif 000003
【０１１３】
ここで、スペーサ部面積比は、エミッタ電極に接触する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となる。
【０１１４】
図１２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。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２．０×１０-7であれば、スペーサ部存在による冷却量の低下は、２％程度となるため、実施例では、２００μｍピッチでスペーサ部を配置して、スペーサ部面積比２．５×１０-7を実現している。
【０１１５】
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））≦  ４．７×１０-8
の条件を満足する場合である。
【０１１６】
決められた形状のスペーサ部であれば、ピッチを１５０μｍや１ｍｍと可変しても、スペーサ部総面積が同じであれば、同程度の熱伝導率が期待されることは言うまでも無い。
【０１１７】
一方、スペーサ部面積比が６．３×１０-6の場合には、スペーサ部熱損失は６８％程度と無視できない熱損失量となり、スペーサ部面積をこれ以上増加させるとヒートポンプとしての機能が困難となる。
【０１１８】
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））≦  ７．６×１０-7
の条件を超えないようスペーサ部配置とサイズを決定している。
【０１１９】
したがって、スペーサ部を介しての熱逆流による冷却効率低下を１０％以下にでき、消費電力が低減できる。また、上記エミッタと上記コレクタが応力またはたわみで変形する場合でも、短絡することの予防が可能となる電子ヒートポンプ装置が実現できる。
【０１２０】
次に、図１３に真空度と冷却量低下率との関係を示す。
【０１２１】
図１３は、以下の［表２］をプロットしたものである。
【０１２２】
［表２］
2005150230.tif 000004
【０１２３】
ここで、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を封入している。
【０１２４】
図１３から分かるように、エミッタとコレクタ間の最終的な真空ギャップの真空度と、冷却量低下率とは、比例関係にあって、この真空度は熱伝導損失から決定する。具体的に述べると、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６％程度に抑えられることができる。
【０１２５】
すなわち、
（希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。
【０１２６】
一方、真空度を１０００Ｐａ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６０％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。
【０１２７】
すなわち、
（希ガスの自由分子熱伝導率（ｍ／ｓ・Ｋ））×（隙間の真空度（Ｐａ））≦６７０
の条件を超えることがない様に真空度を保持させている。
【０１２８】
したがって、上記隙間（真空ギャップ）を介して上記コレクタ側から熱が逆流して上記エミッタ側の冷却効率を減少させる損失を、冷却熱量の１０％以下に減らすことができて、消費電力を低減できる。
【０１２９】
（第２の実施形態）
図１４は、この発明の他の実施形態を示し、上記第１の実施形態の電子ヒートポンプ装置４５を複数使用したモジュールを示している。すなわち、このモジュールは、例えばＳｉＯ２を主成分とする箱型の絶縁断熱材４６と、この絶縁断熱材４６に埋め込まれた複数の上記電子ヒートポンプ装置４５とを備える。この複数の電子ヒートポンプ装置４５は、直列に結線されているが、並列または直並列混載に結線してもよい。
【０１３０】
上記構成のモジュールによれば、単一素子で対応できない冷却能力が必要な場合、モジュール化することで、広い面積での冷却パネルが実現できる。
【０１３１】
（第３の実施形態）
次に、この発明の別の実施形態として、図２を参照すると、上記エミッタ側ステム３の中空部３０および上記コレクタ側ステム４の中空部４０には、それぞれ、上記両方のステム３，４の熱膨張係数以下の熱伝導性材料が充填されている。この熱伝導性材料により、上記エミッタ１および上記コレクタ２にて生じた熱を効果的に外部の熱伝導部へ伝えることができる。
【０１３２】
また、この熱伝導性材料は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｖの内の少なくとも一つを有する可変形特性の細線状または板状の材料であり、熱伝導効果を低減することなく、真空封止時および真空維持時の内部発生ガスを上記熱伝導性材料にて吸着して、冷却効果を維持できる。
【０１３３】
（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ている。この電子機器としては、例えば、半導体レーザによる光ピックアップ機器や、冷蔵庫や、空調機等である。
【０１３４】
こ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、簡単な構成で、消費電力を減少でき、真空ギャップを所定の間隔に確保できて、コストの低減および性能の向上を図ることができる。
【０１３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１３６】
【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３】図２のＡ部拡大断面図である。
【図４Ａ】エミッタの製造方法を示す第１の工程図である。
【図４Ｂ】エミッタの製造方法を示す第２の工程図である。
【図４Ｃ】エミッタの製造方法を示す第３の工程図である。
【図５】エミッタの製造方法を示すフローチャートである。
【図６Ａ】コレクタの製造方法を示す第１の工程図である。
【図６Ｂ】コレクタの製造方法を示す第２の工程図である。
【図６Ｃ】コレクタの製造方法を示す第３の工程図である。
【図６Ｄ】コレクタの製造方法を示す第４の工程図である。
【図６Ｅ】コレクタの製造方法を示す第５の工程図である。
【図６Ｆ】コレクタの製造方法を示す第６の工程図である。
【図６Ｇ】コレクタの製造方法を示す第７の工程図である。
【図７】コレクタの製造方法を示すフローチャートである。
【図８Ａ】ステムの製造方法を示す第１の工程図である。
【図８Ｂ】ステムの製造方法を示す第２の工程図である。
【図９】電子ヒートポンプ装置の第１の組立状態を示す斜視図である。
【図１０】電子ヒートポンプ装置の第２の組立状態を示す斜視図である。
【図１１】完成した電子ヒートポンプ装置を示す斜視図である。
【図１２】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１３】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１４】電子ヒートポンプ装置を搭載したモジュールを示す斜視図である。
【図１５】ペルチェ素子の動作説明図である。
【図１６】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。
【図１７】従来の第１の電子ヒートポンプ装置を示す簡略構成図である。
【図１８】従来の第２の電子ヒートポンプ装置を示す簡略構成図である。
【図１９】従来の第３の電子ヒートポンプ装置を示す簡略構成図である。
【図２０】従来の第４の電子ヒートポンプ装置を示す簡略構成図である。
【符号の説明】
【０１３７】
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    エミッタ側ステム
３０  中空部
３１  容器体
３２  平板
３２ａ  通気孔
４    コレクタ側ステム
４０  中空部
４１  容器体
４２  平板
４２ａ  通気孔
５    スペーサ部
６    間隔保持部材
７    封止部材
Ｇ    隙間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図６Ｇ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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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