(57)【要約】熱輸送、冷却、センシング及び発電の方法及び構造。集積回路のような熱源からの熱輸送を増強するために放出性熱輸送を増強するために、フォトニックバンドギャップ構造を用いる。フォトニックバンドギャップ構造は、増強された放射熱の吸収によって熱を電力に変換し、赤外線のような放射線を冷却するためにも用いられる。概念は熱損失及び熱吸収の両方に適用可能であり、単一装置の熱輸送及び吸収の増強に適用可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱スプレッダと；
前記熱スプレッダに結合されたフォトニックバンドギャップ構造と；
前記フォトニックバンドギャップ構造に形成された欠陥キャビティとを備えた熱輸送構造。
【請求項２】
熱源から熱を受けるように配置された前記熱スプレッダにおける領域と；
前記領域に隣接して配置された前記欠陥キャビティとを備えた請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記熱スプレッダに結合された熱電気装置を備えた請求項１に記載の構造。
【請求項４】
前記フォトニックバンドギャップ構造が、前記キャビティの回りに形成されたカラム構造のアレイを備えた請求項１に記載の構造。
【請求項５】
前記カラム構造が約１．７−８．６μｍの範囲の直径を有する請求項４に記載の構造。
【請求項６】
前記カラム構造が、約２．２５μｍの直径と約５μｍのスペーシングとを有する請求項５に記載の構造。
【請求項７】
前記フォトニックバンドギャップ構造が、それに配置した複数の導電性粒子を有する材料を備えた請求項１に記載の構造。
【請求項８】
前記材料が高熱伝導性材料を備え、前記粒子が前記材料に配備された金属、半金属、半導体のうちの一の粒子を備えた請求項７に記載の構造。
【請求項９】
前記粒子が、前記材料の赤外透過特性と異なる赤外透過特性を有する請求項７に記載の構造。
【請求項１０】
前記粒子が、前記構造の各温度に対応する赤外発光ピークの波長の約１．５倍から３倍だけ互いに離隔している請求項７に記載の構造。
【請求項１１】
前記粒子が約１μｍのサイズを有し、約５−３０μｍの間の距離だけ互いに離隔している請求項７に記載の構造。
【請求項１２】
前記フォトニックバンドギャップ構造が、放射性熱輸送及び発光性熱輸送の両方を増強するマイクロフォンを備えた請求項１に記載の構造。
【請求項１３】
熱源から熱を除去する段階と；
放射性熱輸送を可能とするフォトニックバンドギャップ構造を用いる段階と、発光性熱輸送を増強する段階とを備えた熱輸送法。
【請求項１４】
前記フォトニックバンドギャップ構造が欠陥キャビティを配備することを備えた請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記熱源からの熱輸送に沿うように前記キャビティが位置合わせされた請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記フォトニックバンドギャップ構造に複数の欠陥キャビティを備えた請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記熱源が複数の熱源を備え、前記の複数の熱源からの熱輸送にそれぞれ沿うように複数のキャビティが位置合わせする段階を備えた請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
基板と；
前記基板に設けられ熱を発するアクティブ領域と；
前記基板上に配備された熱スプレッダと；
前記熱スプレッダに結合されたフォトニックバンドギャップ構造とを備えた半導体装置。
【請求項１９】
前記基板と前記熱スプレッダとの間に設けられた熱電気装置を備えた請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記フォトニックバンドギャップ構造に形成された欠陥キャビティを備え；
前記キャビティが前記アクティブ領域に沿うように配備されている請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記構造に配備された複数のアクティブ領域と；
前記の複数のアクティブ領域に沿ってそれぞれ配備された前記フォトニックバンドギャップ構造に形成された複数の欠陥キャビティと；を備えた請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
前記基板の第１の部分を備えた前記熱スプレッダと；
前記基板の第２の部分を備えた前記フォトニックバンドギャップ構造と；を備え、
前記第１の部分が前記アクティブ領域と前記第２の部分との間に配備された請求項１８に記載の装置。
【請求項２３】
前記フォトニックバンドギャップ構造が、欠陥キャビティと；
前記キャビティのまわりに形成されたカラム構造のアレイと；を備えた請求項１８に記載の装置。
【請求項２４】
前記カラム構造が、約１．７−８．６μｍの範囲の直径を有する請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記カラム構造が、約２．２５μｍの直径と約５μｍのスペーシングとを有する請求項２３に記載の装置。
【請求項２６】
前記フォトニックバンドギャップ構造が、それに配備した複数の導電性粒子を有する材料を備えた請求項２３に記載の装置。
【請求項２７】
前記材料が高熱伝導性材料を備え、前記粒子が前記材料に配備された金属、半金属、半導体のうちの一の粒子を備えた請求項２３に記載の装置。
【請求項２８】
前記粒子が、前記材料の赤外透過特性と異なる赤外透過特性を有する請求項２６に記載の装置。
【請求項２９】
前記粒子が、前記構造の各温度に対応する赤外発光ピークの波長の約１．５倍から３倍だけ互いに離隔している請求項２６に記載の装置。
【請求項３０】
前記粒子が約１μｍのサイズを有し、約５−３０μｍの間の距離だけ互いに離隔している請求項２６に記載の装置。
【請求項３１】
前記フォトニックバンドギャップ構造が、放射性熱輸送及び発光性熱輸送の両方を増強するマイクロフォンを備えた請求項１８に記載の装置。
【請求項３２】
センシング面を有する赤外センサと；
赤外放射の前記センシング面へのカップリングを増強するように配備されたフォトニックバンドギャップ構造；とを備えたセンシング装置。
【請求項３３】
前記フォトニックバンドギャップ構造が、アレイ状に形成されたカラム構造のアレイを備えた請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記フォトニックバンドギャップ構造が、前記のカラム構造のアレイに配備された欠陥キャビティを備えた請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
前記フォトニックバンドギャップ構造が、それに配備した複数の導電性粒子を有する材料を備えた請求項３２に記載の装置。
【請求項３６】
前記材料が高熱伝導性材料を備え、前記粒子が前記材料に配備された金属、半金属、半導体のうちの一の粒子を備えた請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記粒子が、前記材料の赤外透過特性と異なる赤外透過特性を有する請求項３５に記載の装置。
【請求項３８】
前記粒子が約１μｍのサイズを有し、約５−３０μｍの間の距離だけ互いに離隔している請求項３５に記載の装置。
【請求項３９】
熱吸収要素と；
前記要素に結合された熱から電気への変換装置と；
前記の熱から電気への変換装置への熱のカップリングを増強するように配備されたフォトニックバンドギャップ構造と；を備えた熱変換装置。
【請求項４０】
前記フォトニックバンドギャップ構造が、アレイ状に形成されたカラム構造のアレイを備えた請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
前記フォトニックバンドギャップ構造が、前記のカラム構造のアレイに配備された欠陥キャビティを備えた請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記フォトニックバンドギャップ構造が、それに配備した複数の導電性粒子を有する材料を備えた請求項３９に記載の装置。
【請求項４３】
前記材料が高熱伝導性材料を備え、前記粒子が前記材料に配備された金属、半金属、半導体のうちの一の粒子を備えた請求項４２に記載の装置。
【請求項４４】
前記粒子が、前記材料の赤外透過特性と異なる赤外透過特性を有する請求項４２に記載の装置。
【請求項４５】
前記粒子が約１μｍのサイズを有し、約５−３０μｍの間の距離だけ互いに離隔している請求項４２に記載の装置。
【請求項４６】
前記の熱から電気への変換装置からの変換された電力を受ける携帯コンピュータ及び通信装置のうちの一を備えた請求項３９に記載の装置。
【請求項４７】
センシング面を有する赤外センサと；
赤外放射の前記センシング面へのカップリングを増強するように配備された第１のフォトニックバンドギャップ構造；とを備えたセンシング装置と：
前記センサへの赤外線の発光を増強するように配備されかつ第２のフォトニックバンドギャップ構造を備えた赤外増強発光構造と：を具備した装置。
【請求項４８】
前記の第１のフォトニックバンドギャップ構造及び第２のフォトニックバンドギャップ構造のうちの少なくとも一が、アレイ状に形成されたカラム構造のアレイを備えた請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
前記の第１のフォトニックバンドギャップ構造及び第２のフォトニックバンドギャップ構造のうちの少なくとも一が、前記のカラム構造のアレイに配備された欠陥キャビティを備えた請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記の第１のフォトニックバンドギャップ構造及び第２のフォトニックバンドギャップ構造のうちの少なくとも一が、それに配備した複数の導電性粒子を有する材料を備えた請求項４７に記載の装置。
【請求項５１】
前記材料が高熱伝導性材料を備え、前記粒子が前記材料に配備された金属、半金属、半導体のうちの一の粒子を備えた請求項５０に記載の装置。
【請求項５２】
前記粒子が、前記材料の赤外透過特性と異なる赤外透過特性を有する請求項５０に記載の装置。
【請求項５３】
前記粒子が約１μｍのサイズを有し、約５−３０μｍの間の距離だけ互いに離隔している請求項５０に記載の装置。
【請求項５４】
熱吸収要素と；
前記要素に結合された熱から電気への変換装置と；
前記の熱から電気への変換装置への熱のカップリングを増強するように配備された第１のフォトニックバンドギャップ構造と；を備えた熱変換装置と：
前記要素への熱の放出を増強するように配備された熱増強放出構造と：を具備した装置。
【請求項５５】
前記の第１のフォトニックバンドギャップ構造及び第２のフォトニックバンドギャップ構造のうちの少なくとも一が、アレイ状に形成されたカラム構造のアレイを備えた請求項５４に記載の装置。
【請求項５６】
前記の第１のフォトニックバンドギャップ構造及び第２のフォトニックバンドギャップ構造のうちの少なくとも一が、前記のカラム構造のアレイに配備された欠陥キャビティを備えた請求項５５に記載の装置。
【請求項５７】
前記の第１のフォトニックバンドギャップ構造及び第２のフォトニックバンドギャップ構造のうちの少なくとも一が、それに配備した複数の導電性粒子を有する材料を備えた請求項５４に記載の装置。
【請求項５８】
前記材料が高熱伝導性材料を備え、前記粒子が前記材料に配備された金属、半金属、半導体のうちの一の粒子を備えた請求項５７に記載の装置。
【請求項５９】
前記粒子が、前記材料の赤外透過特性と異なる赤外透過特性を有する請求項５７に記載の装置。
【請求項６０】
前記粒子が約１μｍのサイズを有し、約５−３０μｍの間の距離だけ互いに離隔している請求項５７に記載の装置。
【請求項６１】
放熱源と；
前記放熱源からの熱を吸収する前記熱要素と；を備えた請求項５４に記載の装置。
【請求項６２】
携帯電子装置へ変換された電力を供給する前記装置を備えた請求項５４に記載の装置。
【請求項６３】
前記携帯電子装置が、コンピュータ装置又は通信装置のうちのいずれかを備えた請求項６２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱輸送の構造体及びその方法、特に冷却、センシング及び発電用の自発放出増強型熱輸送のため用の構造体及びその方法に関するものである。本発明はまた、冷却、センシング及び発電の構造及びその方法にも関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
長い間、自発発光は放射性元素の特有でかつ不変の特性と考えられてきた。しかしながら、パーセルは、キャビティ中の原子が自由空間の原子より早く放射することを示した（Ｅ．Ｍ．Ｐｕｒｃｅｌｌ，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ，６９，６８１（１９４６））。パーセルは、波長λでの自発発光がで与えられるｆ倍増加される（ここで、ｆ〜（λ３／ａ３）（ａ：キャビティの寸法））ことを示した。例えば、パーセルは、マトリックスに組み込まれる１０−３ｃｍの直径金属粒子によって、無線周波数１０７Ｈｚ（λ〜３ｘ１０３ｃｍ）での自発発光率が、ｆ〜λ３／ａ３＝（３ｘ１０３）３／（１０−３）３〜２．７ｘ１０１９倍増加されることを示唆した。無線周波数の熱平衡時定数は、５ｘ１０２１秒からわずか３分まで低下する。
【０００３】
プランクの放射法則から、周波数νでの自発発光は、式（１）で与えられる確率Ａνから導出される。
【数１】
2004515075.tif 000003
上述の係数は、上記パーセル因子ｆで修正される。
【０００４】
室温若しくは室温近傍における自発発光を考察する。ウィーンの法則によれば、温度Ｔでのピーク発光波長（λＴ）は以下の通りである：
【数２】
2004515075.tif 000004
【０００５】
まず、このピーク波長での発光を考察すると、以下の式が得られる：
【数３】
2004515075.tif 000005
無線周波数（上述の場合、ν〜１０７Ｈｚ）での自発発光と比較すると、赤外波長（ν〜３．１×１０１３Ｈｚ）で（３００Ｋで）自発発光の確率は、式（１）からすでに高い。このため、全てのボディについて、３００Ｋで主要量の放射が観察されている。
【０００６】
たとえＩＲ波長での上記自発発光がＩＲイメージング目的に対してかなり重要であろうと、３００Ｋよりわずかに高い温度でさえ、ボディの自発発光からのエネルギー損失（散逸）がかなり小さい。全ての周波数を含む温度（Ｔ）での黒体から放射されるエネルギーフラックス（Φ）は、以下のステファン−ボルツマンの法則で与えられる：
【数４】
2004515075.tif 000006
ここで、ε＝放射率、
σ＝ステファン−ボルツマン定数＝５．６７２×１０−５ ｅｒｇ／ｓｅｃ・ｃｍ２・ｄｅｇ４
＝５．６７２×１０−１２ Ｗ／ｃｍ２・ｄｅｇ４
３００Ｋでε＝１の黒体については、以下の式が得られる：
【数５】
2004515075.tif 000007
【０００７】
３００Ｋ近傍で用いられる多くの電子製品及び他の感度の高い冷却装置に用いられるような、熱拡散の観点からは、このΦは小さい。（１．２ＧＨｚペンティアム（登録商標）プロセッサのような）電子製品からの大部分の熱の除去は、伝達プロセス（フィンを介して空気を吹きかける）を介して、又は、多くのサーバー及びメインフレームコンピュータエレクトロニクスの場合のように、他の伝導／熱移動プロセス（液体を流す）を介して実施される。これらの熱移動プロセスはせいぜい、ペンティアム（登録商標）チップがオーバーヒートしないのにちょうど間に合う程度、又は、サーバーの信頼性に疑う余地がないというのにちょうど間に合う程度でしかない。しかしながら、このような解決では、２ＧＨｚ及びそれ以上の範囲で作動するコンピュータエレクトロニクスにおける多くの将来の冷却装置に対しては十分ではない。これは次の場合に特にそうである：すなわち、散逸するのに要する電力密度レベル（源からスプレッダ−シンク側への熱広がり効果をいくらか効果に入れたもの）が数１０ワット／ｃｍ２の範囲に用意に入りうる時、高性能薄膜熱電気製品がチップから熱を積極的に引き出すために用いられる場合である。ダボイス（Ｌ．Ｈ．Ｄｕｂｏｉｓ）第１８回熱電気製品に関する国際会議のプロシーディングス第１巻，（１９９９年），ＩＥＥＥプレス、カタログ番号９９ ＴＨ８４０７及びその文献に記載された参考文献を参照されたい。
【０００８】
高電力エレクトロニクス及び高電力ＶＣＳＥＬＳのスポット冷却については、簡単な伝達（対流）冷却では不十分である。また、空気を吹き出す、又は、液体を流すことによる上記の冷却方法は面倒であり、不要な複雑さをシステムに持ち込むものである。
【０００９】
本発明の目的は、熱移動を増強する方法及び熱移動が増強された構造を提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、自発発光をを介して熱移動を増強する方法及び熱移動（熱伝達、熱輸送）が増強された構造を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、ＩＲ放射を効率的に吸収する能力を有する方法及びその構造であって、それによってより優れたセンシング装置の製造を可能とするものを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、ＩＲ放射を効率的に吸収する能力を有する方法及びその構造であって、それによってより優れた熱−電力変換装置の製造を可能とするものを提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、本発明による熱−電力変換装置を用いて電力を用いて携帯型コンピュータ及び通信装置を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
これらの目的及び他の目的は、熱スプレッダ（熱伝搬器）を有する熱伝達構造と、熱スプレッダに結合されたフォトニックバンドギャップ構造と、フォトニックバンドギャップ構造における欠陥キャビティとを用いて達成することができる。熱スプレッダに熱源から熱を受けるための領域を設けてもよいし、欠陥キャビティをその領域に隣接して配置してもよい。熱電気装置は熱スプレッダに接続してもよい。
【００１５】
フォトニックバンドギャップ構造は、キャビティの回りに形成されたカラム構造のアレイを備えてもよい。カラム構造は、放出された放射線の波長に基づいた直径と間隔とを有してもよい。
【００１６】
フォトニックバンドギャップ構造はまた、一の金属を有する高熱伝導度材料と、半金属と、材料内に配置した半導体粒子とを備えてもよい。粒子は材料の赤外線透過特性とは異なる赤外線透過特性を有してもよい。粒子は、材料内で、構造の各温度に対応して赤外線放射ピークの波長の０．５倍から３倍だけ離隔していてもよい。
【００１７】
フォトニックバンドギャップ構造は、放熱性（ｒａｄｉａｔｉｖｅ）及び放出性（ｅｍｉｓｓｉｖｅ）熱移動を増強するマイクロフィンを備えてもよい。
【００１８】
本発明の目的は、熱源から熱を除去する段階と、フォトニックバンドギャップ構造を用いて放熱性熱輸送させる段階と、放出性熱輸送を増強する段階とを備えた熱輸送の方法によって達成することもできる。この方法は、フォトニックバンドギャップ構造に欠陥キャビティを配備する段階と、熱源からの熱輸送に沿うようにキャビティを配置する段階と、フォトニックバンドギャップ構造に複数の欠陥キャビティを配備する段階と、複数の熱源からのそれぞれの熱輸送に沿うように配置する段階とを含んでもよい。
【００１９】
本発明による装置は、熱スプレッダに接続されたフォトニックバンドギャップ構造を有することができる。フォトニックバンドギャップ構造は熱スプレッダの一部として形成してもよい。熱源が電子集積回路である場合には、フォトニックバンドギャップ構造は、集積回路の基板の一部として形成されてもよい。
【００２０】
本発明による装置は、センシング面を有する赤外線センサとそのセンシング面への赤外線のカップリングを増強するために配備されたフォトニックバンドギャップ構造とを備えたセンシング装置であってもよい。
【００２１】
本発明による装置は、熱吸収要素と、その要素に結合された熱−電気（熱から電気への）変換装置と、前記熱吸収要素への熱のカップリングを増強するために備えたフォトニックバンドギャップ構造とを備えた熱電気変換装置であってもよい。他の実施形態では、本発明による装置は、赤外線センサと第１のフォトニックバンドギャップ構造とを有するセンシング装置と、センサへの赤外線の放射を増強するために配備された赤外線増強放射構造とを備えてもよい。
【００２２】
他の実施形態では、装置は、熱吸収要素を有する熱電気変換装置と、熱−電気変換装置と、第１のフォトニックバンドギャップ構造と、前記要素への熱の放出を増強するように配備されかつ熱増強放出構造とを備えている。
【００２３】
本発明による装置は携帯用のサイズとしてもよく、また、携帯電子装置への変換電力を供給するように適合されてもよい。また、本発明による装置は、人の手のような放熱熱源からの熱を吸収するように適合されていてもよい。
【００２４】
よい放射体はよい吸収体なので、自発発光の増強について示した概念は吸収が増大するようにデザインされた構造にも同様に適用可能である。このような概念は、熱放射の吸収にもとづく電力の発生と共に、赤外センサーに有効な赤外線のセンシングに適用可能である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
半導体チップ若しくは冷却を要する他の装置若しくは構造からの熱の増強された放射熱輸送を得る。これは、熱スプレッダを有するように、又は、冷却を要する装置若しくは構造にフォトニックバンドギャップ構造を集積することによって、本発明を実現してもよい。（赤外波長での）自発発光は、放射性熱損失の増大によって増強される。
【００２６】
熱スプレッダ上に集積された第１の実施形態によるフォトニックバンドギャップ構造の模式図を図１Ａに示す。アクティブ熱電気（ＴＥ）装置３は、半導体装置２の活性領域１のような所望の領域から熱をポンピングする（取り出す）。装置３は、点Ａで１００Ｗ／ｃｍ２より大きい熱をポンピングすることがてきる薄膜ＴＥ装置であってもよい。ＴＥ装置３にポンピングされた熱は、点Ｂで熱スプレッダ４に放出する。熱スプレッダ４は、ダイアモンド若しくはＳｉＣのような高い熱伝導度を有する多くの材料から作製することができる。
【００２７】
熱スプレッダ４は、装置２とほぼ同じ寸法を有するように、また、ＴＥ装置３は活性領域１とほぼ同じ寸法を有するように示した。これは単に模式図を描く上でのものであり、そのように限定するものではない。例えば、活性領域は、装置の２の表面のほとんどをカバーすることができ、熱スプレッダの寸法は、製品、所望の結果若しくは他のファクターに依存して、装置２と比べて小さいか若しくは大きいかいずれかであってもよい。
【００２８】
熱はＢからＣへ広がり、究極のヒートシンクの配置である。熱伝導度及びスプレッダの厚さに依存して、点ＢからＣへ行くので、Ｃでの電力密度は、１００Ｗ／ｃｍ２でポンピングする薄膜ＴＥ装置については、５〜１０Ｗ／ｃｍ２の範囲であってもよい。冷却電流密度が５〜１０Ｗ／ｃｍ２であるバルクＴＥ装置については、Ｃでの電力密度は０．５〜１Ｗ／ｃｍである。式（２）から、従来の熱スプレッダを用いて、すなわち、本発明によるフォトニックバンドギャップ／欠陥構造コンビネーションなしで、以下が得られることに留意されたい。
【数６】
2004515075.tif 000008
【００２９】
フォトニックバンドギャップ構造（ＰＢＳ）５は、スプレッダ４に取り付けられ、若しくは、組み込まれている。ＰＢＳ５は、熱スプレッダ４と同じ材料から成るのが好ましいが、そうすることが必要というわけではない。異なる材料から成るＰＢＳ５は、密接に熱接触して熱スプレッダに取り付けられてもよい。欠陥キャビティ６はＰＢＳ５の中心に形成されてもよい。図２Ａ及び図２Ｂで示したように、このようなＰＢＳ材料が欠陥キャビティを集積すると、キャビティ６はλ≒１０μｍで増強放射熱損失を示す。他の波長、例えば、λ≦１０μｍでも改善される。増強（エンハンス）される放射性特性は、ＰＢＳとその隣接キャビティであって熱が散逸するところとの間の相互作用に起因するものであることに留意されたい。ＰＢＳ５の欠陥キャビティ６は、図１で示したように活性熱生成領域の直下の熱広がり領域に一致するのが好ましい。このような構造は自発発光増強熱輸送を称せされ（ＳＥＥＨＴ）、フォトニックバンドギャップ構造を用いてここで実現される。
【００３０】
図１Ｂは、ＴＥ装置３が省かれ、ＰＢＳ５を有する熱スプレッダ４が裏側で装置２に直接取り付けられた図１Ａの実施形態の変形を示している。図１Ｃには、他の変形であって、独立の熱スプレッダが省かれ、ＰＢＳ５が裏側で装置２に直接取り付けられた実施形態を示した。ＰＢＳ５は裏側以外の位置に配備することができる。例えば、ＰＢＳ５及びその関連欠陥キャビティを活性領域の上に配置することができる。図１Ｄには、ＰＢＳ５が装置２の一部として形成された実施形態を示した。
【００３１】
図１Ｅ及び図１Ｆに詳細図を示した。図１Ｅには、増強された熱散逸８、すなわち、伝達（対流）熱損失と、増強された放射性熱損失とを示している。散逸８は、マイクロフィンのように作用するＰＢＳ５における構造と異なるコンポーネント（図示せず）を含んでもよい。図１Ｅでは、放射性プロセスによる熱輸送（熱移動）効率は、発光ダイオードにおける増強された光ルミネセンス効率と同程度に、キャビティ領域（広がり（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）によってチップから熱が届くところ）からＰＢＳ領域への漏れのモードによって増強される。図１Ｆは、図１Ｄの構造において、熱散逸（ｈｅａｔ ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ）８及び熱放射（ｈｅａｔ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）９を示している。
【００３２】
本発明によるＰＢＳ５の例を図２Ａから図２Ｃに示す。ＰＢＳ５は、キャビティ６とアレイ状に配置されたカラム構造から成るフォトニックバンドギャップ構造７とを含んでいる。キャビティ６は、図２Ａで正方形、図２Ｂでは六角形、図２Ｃでは円形であるが、他の形状も可能であることに留意されたい。キャビティはフォトニックバンドギャップ構造の周期性を中断するものである。これによって、自発発光が急激に増大し、ひいては熱散逸が急激に増大する。
【００３３】
また、キャビティ６のサイズは、製品に依存して変化してもよい。キャビティは通常、フォトニックバンドギャップ構造における中断を形成するために、個々のＰＢＳカラム構造より大きい。最密パッキングも考えられる。また、サイズは、ピーク生成領域とパーセル効果から反応係数（ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｆａｃｔｏｒ）とをもとに最適化することができる。サイズは、熱源のサイズ若しくは熱移動経路のサイズに関連して選択してもよい。
【００３４】
図２Ａ及び図２Ｂで示したフォトニックバンドギャップ構造によって囲繞された欠陥キャビティ６は、自発発光強度（すなわち、放射性熱損失能）において少なくとも１０倍の増大を示し得る。キャビティが小さいほど、すなわち、熱が発生するのが小さい領域ほど、高い反応係数を得ることができる。言い替えると、キャビティは一又は多くの特定領域からの熱を除去するように配置してもよい。
【００３５】
図２Ｄは、図２ＡのＰＢＳ５の断面斜視図である。構造６及び７は、半導体プロセスで用いるような公知のエッチング技術を用いてＰＢＳ５の材料をエッチングすることによって形成してもよい。構造７を画定するために、例えば、マスキング材料を用いた乾式若しくは湿式エッチングを用いてもよい。構造７は独立に形成され、熱スプレッダと共に集積されてもよい。
【００３６】
図３で示した例では、３００Ｋのピーク波長に対応するλ≒１０μｍに対する、フォトニックバンドギャップに対する格子定数ａは、
ａ／λ＝０．５、又は、ａ≒５μｍ、
及び、円形構造に対する半径は、
ｒ／ａ＝０．４５、又は、ｒ≒２．２５μｍ、である。
図３では、ａ≒５μｍ及びｒ≒２．２５μｍに対して、１０μｍ程度のピッチを有するフォトニックバンドギャップ構造を得る。このデザインは１０μｍに対するものではあり、放射性発光は１０μｍ程度の広い波長域を超えて生ずるが、他の波長と同様に比例の改善が期待されることを留意されたい。
【００３７】
このデザインが３００Ｋのピーク波長に対応するλ≒１０μｍに対するものであることの留意されたい。熱浴若しくは装置が高めの温度、例えば、４００Ｋで作動すると、期待されるピークはλ〜７．３μｍである。上述の例に対しては、格子定数は〜３．７μｍであり、構造の直径ｒは〜１．７μｍである。このような作動温度は、
高温度Ｓｉ電力エレクトロニクス熱スプレッダ製品及び高温／高電力ＳｉＣ及びＧａＮ装置に対して同様に有効である。
【００３８】
ＰＢＳが例えば７７Ｋのような低めの熱浴温度に対して設計されると、期待されるピークはλ〜３８μｍである。上述の例では、ａは〜１９μｍであり、ｒは〜８．６μｍである。明らかに、大きめの“ａ”及び“ｒ”の方が実施するのは用意であり、廉価である。このような熱スプレッダは、低温エレクトロニクス、超伝導モーター及び発電機のような低温製品に対して同様に有効である。
【００３９】
熱スプレッダ４は、図１Ａ及び図１Ｅで示した寸法ｈ１及びｈ２を有する。典型的には、熱スプレッダでは、Ｂで届いた熱を効果的に拡散するようにｈ１を最小化するのが好ましい。しかしながら、熱スプレッダの物理的なハンドリングには、最小厚さに所定の制限がある。図１Ａ及び図１Ｅで示した熱スプレッダでは、ｈ１は２５μｍから３００μｍの範囲であるのが好ましい。ｈ２は、信頼性高く作製できる所望の構造の厚さを考慮することによって同様に支配される。ｈ１に対するｈ２の厚さ比は必要ならば最大化することができる。寸法ｈ２は、３００Ｋでの応用に対して約１−１０μｍの範囲である。
【００４０】
図１Ｄに、（エレクトロニクスを含む）基板の底部自体が同程度の自発発光増強熱除去を実現するようにパターニングされている図１Ａ構造の他の変形を示す。これによって、熱電気装置と同様に熱スプレッダの使用を回避する。このような構成は、高熱伝導度を有するＳｉが熱スプレッダや自発発光増強放射体として作用できるように、Ｓｉ母体のエレクトロニクスにおいて考えることができる。また、熱波動と光波動とを区別することに留意されたい。通常の熱散逸と付加的な自発発光増強光波との区別について図１Ｄが示されていることに再度留意されたい。
【００４１】
自発発光光波は、熱電気冷却若しくは液体冷却のようなメカニズムによって低温に維持された黒体吸収体（図示せず）によって吸収できることも考えられる。
【００４２】
本発明による増強自発発光装置の第２の実施形態を図４に示した。導電性粒子１１を熱スプレッダに組み込んで、増強された放射性熱放射体１０を作った。例として、約２μｍ粒子（金属）をＳｉＣ、ＡｌＮ若しくはＳＩのような熱スプレッダに組み込んだ。自発放射発光に対する３００Ｋでのパーセル反応係数ｆは、λ≒１０μｍでかつａ≒２μｍに対して：
ｆ≒λ３／ａ３≒１２５
式（２）及びｆが１２５であることから、図４の構造について：
Φ≒１２５×４．３９×１０−２ Ｗ／ｃｍ２ ≒ ５．５ Ｗ／ｃｍ２
１．０μｍ粒子を組み込むと、放射性発光増強（エンハンスメント）は、従来の熱スプレッダを超える、１０００程度であり、Φは４４ Ｗ／ｃｍ２ である。このサイズの粒子は、充填あるいは過形成（ｏｖｅｒｇｒｏｗｈ）によるセルフアセンブリングによって組み込むことができれば、放射性熱損失メカニズムについての範囲がかなり増強される。
【００４３】
粒子１１は、ＳｉＣ、ＡｌＮ、Ｓｉ、ダイヤモンド等の高熱伝導性熱スプレッダのマトリックス状の、金属、半導体、若しくは半金属から成ってもよい。粒子１１は、その赤外発光特性が熱スプレッダの特性と異なり、基板マトリックス及び粒子が電磁気学な発光の観点からの連続体を形成しないように設計されるのが好ましい。このような発光特性は、考察中の波長の複合屈折率をたどることができる。粒子と基板マトリックスとの間の屈折率の数％の差が、自発発光率における十分な増強を作り出すことが期待される。大きめの屈折率差も増強に役立つ。
【００４４】
各温度に対応するＩＲ発光ピークの波長の約１．５倍から３倍だけ（直線距離で）互いに離隔されているのが好ましい。例えば、３００Ｋの温度では、１０μｍでの発光ピークでは、隣接する１μｍ粒子間の空間的な離隔は５μｍから３０μｍの範囲である。放射性発光プロセスの効率は、連続体を形成するこれらの粒子間のカップリングに起因したこの空間距離に依存する。通常の熱散逸８及び付加的な自発発光増強光波９も図４に示した。数μｍ離隔したμｍサイズ粒子のこのような規則的なアセンブル（集合）は、エピタキシャル堆積、化学的気相堆積、（コロイド化学のような）単純化学プロセス、若しくは、セルフアセンブリ法を用いて作ってもよい。さらに、図４では、薄膜熱電気冷却装置３を（図１と同様に）組み込んで、高冷却電力密度アクティブ冷却を高フラックス密度放射性熱散逸プロセスと組み合わせてもよい。
【００４５】
３００Ｋでのこのような自発高放射性熱フラックスが、将来のエレクトロニクス冷却において熱除去問題をさらに制御可能となるものである。熱電気冷却装置を有する若しくは有しない全固体自発発光冷却（ＳＥＥＲ：ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ−ｅｍｉｓｓｉｏｎ−ｅｎｈａｎｃｅｄ−ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）システムを作ることも可能である。アクティブ冷却が必要な熱電気装置を使用可能である。これらのＳＥＥＨＴ装置が薄膜装置において必要であってもよい。しかしながら、熱浴での約０．５ Ｗ／ｃｍ２の熱フラックスを有する熱電気装置がこれらの概念から恩恵を得る。
【００４６】
増強熱除去に適用されるような自発発光の増強について図１Ａの構造についての他の変形は、図５Ａ及び図５Ｂで示したように、熱スプレッダ４上にμｍサイズ（１μｍから２０μｍ）の構造１２をパターニングされたものである。欠陥キャビティは含まれてはいない。構造はマイクロフィンについて２倍であり、自発対流熱損失を増強する。例えば、約２μｍの構造を標準のフォトリソグラフィ技術を用いて熱スプレッダ４上にパターニングすることができる。この２μｍジオメトリは、割安の組み立てについて大領域ジオメトリにおいて今日のリソグラフィを用いて用意に実現できる。通常の熱散逸と付加的な自発発光増強光波との区別が図５Ａに示されていることを再度留意されたい。これらの３つの構造についてのサイズ及びパターンの差異は、ｆ≒λ３／ａ３的な反応係数をもとに予想される。
【００４７】
先述のように、自発発光増強熱輸送構造（ＳＥＥＨＴ）を用いると、全固体システムにおいて（熱電気を用いようが用いまいが）有効な冷却構成を組み立てることが可能である。このような利点は、図６のマルチチップモジュールについて図解した。（垂直方向の集積を示す）この図は、３次元マルチチップモジュール（ＭＣＭ）を作製するのと同様に、横方向次元で倍率を変えることができる。このような３次元ＭＣＭは、多種のチップレベルでの冷却装置を有し、熱はＳＥＥＨＴ構造を用いて周縁部（外側リング及び内側リング）から放射される。
【００４８】
モジュール電力ライン２０及びモジュール信号ライン２１をスプレッダ２２上に示した。ＰＢＳ構造２３はスプレッダ２２の両側上に形成された。この例では、構造は導電性材料充填型ＰＢＳ構造であるが、上述の他のＰＢＳも使用してもよいことは理解されたい。熱冷却装置２４は、エレクトロニクスチップ若しくは装置２５から熱を除去する。レベル間ＴＥ電力接続３０と同一レベル若しくはレベル内接続３１と共に、レベル間信号経路２８及びレベル間電力経路２９も示した。多くの構成が可能である。
【００４９】
このような３次元自発発光増強熱輸送マルチチップモジュール（３Ｄ ＳＥＥＨＴ−ＭＣＭ）の概略図を図７に示した。液体冷却熱吸収黒体コア４０及び４１を、周縁でのＳＥＥＨＴ構造４３から放射された放射熱を吸収するために、リングの内側及びリングの外側に組み込むことができる。ＳＥＥＨＴ構造４３は熱電気装置４４を有する熱スプレッダを有する。導電性粒子充填ＰＢＳ構造を有するＳＨＥＥＨＴ構造を符号４５で示した。ＳＨＥＥＴ装置は符号４４及び４５で交互に示したが、他の構成も可能である。コアを冷却維持し、それとＳＥＥＨＴ構造との間の温度差を高め、それによって、放射性熱吸収を増強する。コアを高発光性（従って吸収性）材料で適当に被覆して、このプロセスを促進することができる。“液体”冷却物を、アクティブなエレクトロニクスがない領域に閉じ込める。これによって、このような状況のシステムの複雑さを容易に低減できる。
【００５０】
本発明は、長いＩＲ波長での熱の自発放射発光の増強を用いて、ＳＥＥＨＴと称する効率的な熱スプレッダについての新しいアプローチを提供する。所定の状況の下では、これらのＳＥＥＨＴ構造が、ブラッグ散乱を引き起こす周期的なＰＢＳから恩恵を受け、特に長いＩＲ波長について調整された発光トラッピングを防止する。図１Ａ−１Ｄ及び図２Ａ−２Ｃの欠陥キャビティの回りの周期構造はこの目的を果たし、図１のＳＥＥＨＴ存在面において適切に形成できる。長波長についてのこのようなＰＢＳの寸法は、可視波長域及び近ＩＲ波長でのＰＢＳのＬＥＤへの応用で必要なサブミクロン構造よりかなり大きめの（かつ、低コストリソグラフィを用いて容易に実現可能な）２μｍの範囲であることに留意されたい。
【００５１】
他の２つの変形も、上述の観点で可能である。自発吸収増強センサ（ＳＡＥＳ）として記載することができるものを得るために、同様の概念の使用を含んでいる。これは、吸収のよい吸収体は散逸のよい散逸体であるという一般的な考えからくるものである。温度（Ｔ）で黒体から放射されるエネルギーフラックスを増強する上述の概念は、温度（Ｔ）で黒体によって放射的に吸収できるエネルギーフラックスにも応用可能である。これは、物体の温度を検出する赤外センサを改善するデザインに役立つものである。この場合には、上述のＰＢＳ構造は、吸収放射を増強するために、黒体若しくはセンサの表面に適用される。欠陥キャビティを用いてもよいが、図４のような構造が増強吸収に対して用いられるならば必要はない。
【００５２】
他に、自発吸収増強型の熱電気変換器（ＳＡＥＴＥＣ）として記載できるものを得るために、同様な概念の使用を含んでいる。温度（Ｔ）での黒体から放射されるエネルギーフラックスを増強するという上述の概念は、温度（Ｔ）で黒体によって放射的に吸収できるエネルギーフラックスにも応用可能である。これは、熱−電気電力源を改善するデザインに役立つものである。例えば、図８で示したような携帯装置では、ＳＡＥＴＥＣ装置は、熱電気電力変換器のような装置によって電気に変換できる手から放射される熱をよりよく吸収できる。手からの熱は約１０−１５Ｗの範囲である。また、自発発光増強型熱輸送（ＳＥＥＨＴ）装置は手につけて、手のひらからの熱を効率的に放射する。ＳＥＥＨＴ装置とＳＥＴＥＣ装置との組合せは、携帯装置に供給される電力を最大にするために使用でき、電池バックアップを増強するか、又は、電池を交換するか、又は、頻繁な電池の充電の必要性を低減する。
【００５３】
ＳＥＴＥＣは、ユーザーが携帯装置を取り出すときに、手からの熱が検出されて携帯装置の電源が入るように、検出器としても機能し、若しくは、検出器を組み込むことができる。
【００５４】
上述の観点で、本発明の多くの変形及び変更が可能である。特許請求の範囲内で、本発明が上述の実施形態と異なるように実施してもよいことは理解されたい。例えば、ＰＢＳ及びＳＥＥＨＴ構造を、装置若しくは上述の半導体装置と異なる構造に取り付け若しくは形成してもよい。本発明の原理は、幅広く冷却装置、生物装置、機械的装置（それ自体内に熱を生成する）、電力発電装置（様々な部分で熱を生成する）、圧電装置、磁気装置、光学装置、セラミック装置及びプラスチック装置のような冷却を要する装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明による装置の第１の実施形態の概略図である。
【図１Ｂ】本発明による装置の第１の実施形態の変形の概略図である。
【図１Ｃ】本発明による装置の第１の実施形態の他の変形の概略図である。
【図１Ｄ】本発明による装置の第１の実施形態の他の変形の概略図である。
【図１Ｅ】通常の熱散逸と放射性熱放出を示す図１Ａの装置の模式である。
【図１Ｆ】通常の熱散逸と放射性熱放出を示す図１Ｄの装置の模式である。
【図２Ａ】矩形キャビティを有するフォトニックバンドギャップ構造の概略図である。
【図２Ｂ】六角形キャビティを有するフォトニックバンドギャップ構造の概略図である。
【図２Ｃ】円形キャビティを有するフォトニックバンドギャップ構造の概略図である。
【図２Ｄ】キャビティを有するフォトニックバンドギャップ構造の概略斜視図である。
【図３】フォトニックバンドギャップ構造におけるアレイ構造のサイズ及びスペーシングの概略図である。
【図４】本発明による装置の第２の概略図である。
【図５】（Ａ）本発明による構造の概略側面図である。（Ｂ）本発明による構造の概略底面図である。
【図６】本発明によるマルチチップモジュールの概略図である。
【図７】本発明による３次元マルチチップモジュールの概略図である。
【図８】本発明による熱輸送装置を用いた携帯装置の概略図である。
【符号の説明】
２　装置
３　アクティブ熱電気（ＴＥ）装置
４　熱スプレッダ
５　フォトニックバンドギャップ構造
【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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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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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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