(57)【要約】本発明は、誘電体基板と、前記誘電体基板の内部及び一部に配置された放熱のための少なくとも１つの熱電冷却区画と、を含む集積型３次元セル構造であって、前記熱電冷却区画は、第１の導電型である１つの第１のメイン領域と、少なくとも１つの第２のメイン領域と、前記第１のメイン領域と前記少なくとも１つの第２のメイン領域との間に配置された独立制御可能な少なくとも１つの熱電冷却領域と、を含み、前記少なくとも１つの熱電冷却領域は、少なくとも１つの熱電対素子を含む、集積型３次元セル構造に関する。さらに、本発明は、集積型冷却アレイ、及び、セルをベースとする集積回路に関する。
2017525133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板（１０）と少なくとも１つのアレイとを含む集積型３次元セル構造であって、
前記アレイは、
前記誘電体基板（０１０）の内部及び／若しくは上部及び／若しくは底部及び一部に取り付けられた放熱のための熱電冷却区画（０１２）、及び／又は、
ビア（０６０）によって前記取付けられた熱電冷却区画の上部水平面に嵌入されたシフト−シフト−スティッチ型熱電対素子からなる少なくとも１つの区画、及び／又は、
前記取り付けられたシフト−スティッチ型熱電冷却区画の前記上部水平面上の熱電併給用又は電流生成用のスティッチ型熱電冷却区画におけるゼーベック素子からなるか、基板に嵌入されたゼーベック素子からなる少なくとも１つの区画、から構成され、
前記取り付けられた熱電冷却区画（０１２）は、
第１の導電型である少なくとも１つの独立に制御可能な第１のメイン領域（０１４）と、
第１の導電型である少なくとも１つの第２のメイン領域（０１８）と、
前記第１のメイン領域（０１４）と前記少なくとも１つの第２のメイン領域（０１８）との間に配置された少なくとも１つの熱電冷却領域（０２０）とを含み、
前記少なくとも１つのシフト−シフト−スティッチ型熱電冷却領域（０２０）は、少なくとも１つのシフト−シフト−スティッチ型熱電対素子を含み、
前記ビア（０６０）によって前記取付けられた熱電冷却区画の上部水平面に嵌入されたシフト−シフト−スティッチ型熱電対素子からなる少なくとも１つの区画は、
第１又は第２の導電型である少なくとも１つの第１のメイン領域（０４４）と、
第１又は第２の導電型である少なくとも１つの第２のメイン領域（０４８）と、
前記第１のメイン領域（０４４）と前記少なくとも１つの第２のメイン領域（０４８）との間に配置された少なくとも１つの熱電冷却領域（０４６）、及び／又は、
前記熱電冷却区画をトリガリングするトランジスタ（２４）からなる少なくとも１つのアレイと、を圧縮し、
前記少なくとも１つの熱電冷却領域（０５０）は、少なくとも１つのシフト−シフト−スティッチ型熱電対素子を含む、集積型３次元セル構造。
【請求項２】
３次元の立方体状、矩形状、円柱状、楕円状又は球状を有する、請求項１に記載のセル構造。
【請求項３】
１６０ｎｍから４００ｍｍの範囲内、好ましくは２００ｍｍから４００ｎｍの範囲内、好ましくは１００ｍｍから２００ｍｍの範囲内、好ましくは１０００ｎｍから１００ｍｍの範囲内、好ましくは５００ｎｍから１０００ｎｍの範囲内、好ましくは３００ｎｍから５００ｎｍの範囲内、好ましくは１６０ｎｍから３００ｎｍの範囲内のセル寸法を有する、請求項１〜２の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項４】
１６０ｎｍよりも小さいセル寸法、好ましくは１ｎｍ〜１２０ｎｍの範囲内、より好ましくは５ｎｍ〜８０ｎｍの範囲内、特に好ましくは１０ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内のセル寸法を有する、請求項１又は２に記載のセル構造。
【請求項５】
前記第１のメイン領域（０１４）と前記第１のメイン領域（０４４）との間のキャリア流れを制御するためのビア機能を有すると共に所定レベルの温度になったとき、対応する熱電冷却領域（２００）と電気的に接続される少なくとも１つのビア領域（０６０）を、さらに含む請求項１〜４の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項６】
前記少なくとも１つのビア領域（０６０）が前記誘電体基板内に嵌入されており、熱電冷却領域（２０）の数がビア領域（０６０）の数と一致しており、各々のビア領域がその対応する熱電冷却領域（２０）に向いている、請求項５に記載のセル構造。
【請求項７】
同一の第１のメイン領域（１４）及び異なるビア領域（０６０）を用いた複数の熱電冷却領域（２０）を含む、請求項１〜６の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項８】
前記熱電冷却区画（１２）は、前記第１のメイン領域から放射状に延伸している複数の鉤状構造を含み、
各々の鉤状構造は、互いに連続的に配置された、１つのビア領域（１６）と１つの熱電冷却領域（２０）と１つの第２のメイン領域（１８）とを含む、請求項１〜７の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項９】
前記鉤状構造は、前記熱電冷却区画（１２）における星状構造を形成するように、直線放射状に延伸している、請求項８に記載のセル構造。
【請求項１０】
前記鉤状構造は、前記熱電冷却区画（１２）における渦巻状構造を高密度パッケージとして形成するように、少なくとも部分的に湾曲する形式で放射状に延伸している、請求項８又は９に記載のセル構造。
【請求項１１】
前記熱電冷却区画（１２）は、少なくとも４つ、特に好ましくは少なくとも６つ又は８つの、放射状に延伸する鉤構造を含む、請求項１〜１０の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項１２】
前記第１のメイン領域（１４）は、六角形状、八角形状、矩形状、特に２次元形状を有する表面エリアを含む、請求項１〜１１の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項１３】
前記第１のメイン領域（１４）は、丸い形状、特に略楕円形状又は卵形状を有する表面エリアを含む、請求項１〜１１の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項１４】
前記第１のメイン領域（１４）は、ソース領域又はドレイン領域を形成するように設計されており、前記第２のメイン領域（１８）は、対応するドレイン領域及びソース領域をそれぞれ形成するように設計されている、請求項１〜１３に記載のセル構造。
【請求項１５】
少なくとも１つの熱電対素子が、第３の導電型である第１のサブ領域（３０）と、前記第３の導電型とは異なる前方導電型である第２のサブ領域（３２）と、を含み、
前記第１及び第２のサブ領域（３０、３２）は、互いに離間するように互いにシフト−シフト−スティッチされている、請求項１〜１４の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項１６】
少なくとも１つの熱電冷却領域（２０）が、互いに接続されるように連続配置された複数の熱電対素子を含む、請求項１〜１５の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項１７】
相互離間した対応する第１及び第２のサブ領域（３０、３２）の間には、絶縁材料（３４）によって少なくとも部分的に充填された空間が備えられている、請求項１６に記載のセル構造。
【請求項１８】
隣接する第１と第２のサブ領域と（３０、３２）が離間する距離は、垂直方向において同じである、請求項１６又は１７に記載のセル構造。
【請求項１９】
隣接する第１と第２のサブ領域と（３０、３２）の距離は、当該第１及び／又は第２のサブ領域（３０、３２）が配置され得るジグザグ方式で配置されている、請求項１６〜１８の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項２０】
前記第１及び／又は第２のサブ領域（３０、３２）の、前記水平面に対するシフト−スティッチ実質角度が、５°から８５°の範囲内、特に４５°から６０°の範囲内、好ましくは３０°から４０°の範囲内、最も好ましくは１０°から２０°の範囲内にある、請求項１９に記載のセル構造。
【請求項２１】
シフト−スティッチ熱電対素子における前記第１及び／又は第２のサブ領域（３０、３２）が、複数パーツ型の構造、特に二パーツ型の構造を有する、請求項１９又は２０に記載のセル構造。
【請求項２２】
前記複数パーツ型の構造は、第１のシフト−スティッチ実質角度を有し、前記架橋式接触材と直接に接触した第１のパーツと、第２のシフト−スティッチ実質角度を有し、前記第１のパーツと接続された第２のパーツと、を含み、
前記第１のシフト−スティッチ実質角度は、前記第２のシフト−スティッチ実質角度以上か、又は前記第２のシフト−スティッチ実質角度以下である、請求項２１に記載のセル構造。
【請求項２３】
前記第１のシフト−スティッチ実質角度は、５°から４５°の範囲内、特に２５°から３５°の範囲内にあり、及び／又は、
前記第２のシフト−スティッチ実質角度は、４５°から８５°の範囲内、特に６０°から７０°の範囲内にある、請求項２２に記載のセル構造。
【請求項２４】
前記第１及び第２のサブ領域（３０、３２）の各々が、２つの境界面（３８、４０）を含み、
相互離間した隣接の第１及び第２のサブ領域（３０、３２）の前記境界面（３８、４０）は、架橋式接触材（３６、４２）を介して接続されている、請求項１〜２３の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項２５】
相互離間した対応する第１及び第２のサブ領域（３０、３２）を互いに電気的に接続するための第１の架橋式接触材（３６）が、前記第１のサブ領域（３０）の第１の境界面（３８）から、前記第２のサブ領域（３２）の第２の境界面（４０）まで延伸している、請求項２４に記載のセル構造。
【請求項２６】
前記架橋式接触材（３６、４２）は、高ドープ率のポリシリコン、金属又は合金を含む、請求項２４又は２５に記載のセル構造。
【請求項２７】
同一の熱電冷却領域における少なくとも２つの熱電対素子が、互いに隣接して配置されると共に第２の架橋構造（４２）を介して接続されている、請求項１〜２６の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項２８】
熱電冷却領域の高温側に隣接して配置された少なくとも１つの電気的な遮蔽層が備えられており、
前記遮蔽層は、前記誘電体基板から前記熱電冷却領域の前記高温側までの高熱伝導性を実現するように調整されており、さらに、前記誘電体基板と前記熱電冷却領域の前記高温側との間の電気的接続を防止するように調整されている、請求項１〜２７の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項２９】
前記遮蔽層は、酸化ケイ素、ｌｏｗ−ｋ及び／又はｈｉｇｈ−ｋ、ＡｇＯ、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のような電気的絶縁材料を含む、請求項２８に記載のセル構造。
【請求項３０】
前記熱電冷却領域の低温側において前記架橋式接触材と接触している放熱のための少なくとも１つの、高熱伝導性を有する冷却層が備えられている、請求項１〜２９の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項３１】
誘電体基板と、
前記共用の誘電体基板上のアレイ内に配置された複数の、請求項１〜３０の何れか１項に記載のセル構造と、を含む集積型の冷却アレイ。
【請求項３２】
前記セル構造が、互いに直列及び／又は並列に電気的に接続されている、請求項３１に記載の冷却アレイ。
【請求項３３】
少なくとも１つの、請求項１〜３０の何れか１項に記載のセル構造と、
各ビア領域をそれぞれ独立に制御するように当該ビア領域と接続された制御デバイスと、を含む、セルをベースとする集積回路。
【請求項３４】
前記制御デバイスは、高周波数クロック信号生成器（２４）を有するプログラム制御可能なデバイスと、前記クロック信号生成器（２４）にトリガリングされるカウンタ（２２）と、を含み、
前記カウンタ（２２）は、各々のセル構造における前記ビア領域を、カウント値に応じてトリガリングする、請求項３３に記載の集積回路。
【請求項３５】
各々の前記セル構造における前記ビア領域は、直列又は並列の何れかの形式でトリガリングされる、請求項３３又は３４に記載の集積回路。
【請求項３６】
同一又は異なるセル構造における隣接の熱電冷却区画の間、及び／又は、前記熱電冷却区画の低温側若しくは高温側に配置されるように規定されたデバイス領域は、当該デバイス領域のうちの１つに配置された少なくとも１つ誘電体デバイスをさらに含む、請求項３３〜３５の何れか１項に記載の集積回路。
【請求項３７】
前記誘電体デバイスは、
センサ、特に熱センサ又は光センサと、
整流素子、特にダイオードと、
スイッチング素子、特にトランジスタ、好ましくはＩＧＦＥＴ、ＮＭＯＳ、ＰＭＯＳ、ＶＭＯＳのようなＭＯＳＦＥＴと、
制御素子と、
プログラマブルデバイス、特にマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、及び／又は、ＦＰＧＡ若しくはＰＬＤのようなプロマブル論理デバイスと、
ＤＲＡＭ、ＲＯＭ、ＳＲＡＭのような記憶デバイスと、
太陽電池と、
レーザダイオードと、
ＬＥＤと、
マイクロストリップと、のうち少なくとも１つである、請求項３６に記載の集積回路。
【請求項３８】
前記誘電体デバイスは、前記第１のメイン領域及び前記熱電冷却区画から離間され、及び／又は、少なくとも部分的に熱電冷却区画間に配置されている、請求項３５又は３７に記載の集積回路。
【請求項３９】
第１のシフト−スティッチ型パーツ（７００）が、前記第１のパーツの１／９９から４７／５００の間の前記第１のサブ領域（０３０）の長さ以内、特に前記第１のパーツの１／４から１／３の間の前記第１のサブ領域（０３０）の長さ以内、特に前記第１のパーツの１／５から１／４の間の前記第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、及び／又は、
第２のシフト−スティッチ型パーツ（７１０）が、前記第２のパーツの１／９９から４７／５００の間の前記第２のサブ領域（０３２）の長さ以内、特に前記第２のパーツの１／４から１／３の間の前記第１のサブ領域（０３０）の長さ以内、特に前記第２のパーツの１／５から１／４の間の前記第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、及び／又は、
第３のシフト−スティッチ型パーツ（７２０）が、前記第３のパーツの１／９９から４７／５００の間の前記第１のサブ領域（０３０ａ）の長さ以内、特に前記第３のパーツの１／４から１／３の間の前記第１のサブ領域（０３０ａ）の長さ以内、特に前記第３のパーツの１／５から１／４の間の前記第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、及び／又は、
第４のシフト−スティッチ型パーツ（７３０）が、前記第４のパーツの１／９９から４７／５００の間の前記第１のサブ領域（０３０ｂ）の長さ以内、特に前記第４パーツの１／４及び１／３の間の前記第１のサブ領域（０３０ｂ）の長さ以内、特に前記第４のパーツの１／５及び１／４の間の前記第２のサブ領域（０３２ｂ）の長さ以内であり、
さらに好適な態様の集積型冷却アレイにおいて、
前記第１及び第２のサブ領域（０３０、０３２）の各々が、２つの境界面（０３８、０４０）を含み、相互離間した隣接の第１及び第２のサブ領域（０３０、０３２）における前記境界面（０３８、４０）が架橋式接触材（０３６、４２０）を介して接続されている、請求項３５〜３８の何れか１項に記載の集積回路。
【請求項４０】
前記第１のメイン領域は、１つのビア領域と１つの第２のメイン領域と１つの熱電冷却領域とを含んだ少なくとも２つの、放射状に延伸するドメインに取り囲まれている、請求項３５〜３９の何れか１項に記載の集積回路。
【請求項４１】
電源と接続されたたクロック信号生成器を備えたカウントを含み、少なくとも１つのビア領域が少なくとも１つの接続素子を介して前記カウンタと接続されている、請求項３５〜４０の何れか１項に記載の集積回路。
【請求項４２】
０．５ｐＡから５００ｍＡの範囲内、特に１ｍＡから２００ｍＡの範囲内、好ましくは１０μＡから１２０μＡの範囲内、最も好ましくは１０ｐＡから１μＡの範囲内の電流で動作可能なように設計されている、請求項３５〜４１の何れか１項に記載の集積回路。
【請求項４３】
複数の制御可能な熱電冷却領域（２０）が備えられており、
少なくとも２つの前記制御可能な熱電冷却領域（２０）、特に複数の前記制御可能な熱電冷却領域（２０）が、異なるシフト−スティッチ角度を有する、請求項１〜３０の何れか１項に記載のセル構造。
【請求項４４】
複数の熱電冷却領域が前記第１のメイン領域から外側へ星状に延伸している、請求項１〜３０及び４３のうち何れか１項に記載の区画。
【請求項４５】
星状に延伸している熱電冷却領域の各々が独立にトリガリングされ得る、請求項４４に記載の区画。
【請求項４６】
前記熱電冷却区画は、異なるシフト−スティッチ実質角度の部分を有する前記複数の熱電冷却領域が独立にトリガリングされることにより、デジタルデータの符号化動作が可能できる、請求項１〜３０又は４３〜４５のうち何れか１項に記載の区画。
【請求項４７】
前記熱電冷却区画（１２）は、異なるシフト−スティッチ実質角度の部分を有する前記複数の熱電冷却領域が独立にトリガリングされることにより、温度センサとして動作可能である、請求項１〜３０又は４３〜４６の何れか１項に記載の区画。
【請求項４８】
少なくとも２つの熱電冷却区画（１２）が、一方が他方上に重なるように前記誘電体基板内に積み重なっている、請求項１〜３０又は４３〜４７の何れか１項に記載の区画。
【請求項４９】
隣接して配置された熱電冷却区画（１２）の間には、２つの隣接する熱電冷却区画（１２）の間の距離を規定する中間層が備えられている、請求項１〜３０又は４３〜４７の何れか１項に記載の区画。
【請求項５０】
前記距離は、少なくとも５ｎｍ、好ましくは５ｎｍから１２ｎｍである、請求項４９に記載の区画。
【請求項５１】
前記中間層は、少なくとも部分絶縁、好ましくは完全絶縁の材料を含む、請求項４９又は５０に記載の区画。
【請求項５２】
少なくとも２つの熱電冷却区画（１２）の間に配置された少なくとも１つの接続デバイスが備えられており、
前記接続デバイスは、高熱伝導性及び電気絶縁性を有する材料を含む、請求項１〜３０又は４３〜５１の何れか１項に記載の区画。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔技術分野〕
本発明は、集積型３次元セル構造に関する。さらに本発明は、集積型冷却アレイ、及び、セルをベースとする集積回路に関する。
【０００２】
〔背景技術〕
国際特許出願ＷＯ０３／０６０６７６Ａ２にコンピュータ用の冷却システムが開示されている。そこに開示された該冷却システムは、熱結合となるように互いに隣接配置された、低温側のヒートシンクと熱電冷却器（ＴＥＣ）と高温側のヒートシンクとを含んでいる。該低温側のヒートシンクは、熱源となる中央処理装置（ＣＰＵ）を冷却するように該ＣＰＵに隣接配置されている。そしてＴＥＣが給電されると、ＳＴＥＣは、シフト−スティッチの熱電冷却効果を利用して熱流を形成することにより、ＣＰＵの熱源からの熱を、低温側のヒートシンク及びＳＴＥＣを経由して高温側のヒートシンクへ伝送、放出する。なお、高温側のヒートシンクの場所には、高温側のヒートシンクで熱された空気を送り出すファンが設けられている。
【０００３】
また、国際特許出願ＷＯ０１／９０８６６Ａ２には、ＣＰＵをアクティブに冷却するための熱電ユニットを用いた上記と類似の冷却システムが開示されている。さらに、国際特許出願ＷＯ２００７／０１５７０１には、マイクロプロセッサ内のホットスポット管理のための薄膜型熱電デバイスが開示されている。そこに開示された該熱電冷構造は、チップの上部に配置されている。
【０００４】
上記開示の各熱電冷却デバイスでは、冷却ユニットは分離されたものであり、冷却するべき構造の一部となっていないという点で共通している。これらの冷却構造の主な問題は、対応する熱源から発生した熱を常に該熱源から熱電冷却デバイスへ送る冷却有効性が、比較的に低いということである。
【０００５】
また、代わりに、上記のシフト−スティッチ型熱電冷却構成は、性能係数が高いため、例えば冷却装置、エアコンシステム、工業冷却／加熱システムである。
【０００６】
〔発明の概要〕
ゆえに、従来一般の熱電冷却デバイスを含んでいる冷却システムを改良する必要がある。
【０００７】
本発明によれば、請求項１の特徴を有するセル構造、及び／又は、請求項３１の特徴を有する集積型冷却アレイ、及び／又は、請求項３３の特徴を有する、セルをベースとする集積回路を提供する。
【０００８】
したがって、本発明は下記を提供する。
【０００９】
半導体基板、又は石英基板、又はサファイア若しくは別材質の誘電体基板（１０）と、少なくとも２つのアレイと、を含む集積型３次元セル構造であって、
前記アレイは、
前記サファイア若しくは別材質の誘電体基板（１０）に取り付けられた放熱のための熱電冷却区画（１２０）、及び／又は、
ビア（４７０）によって前記取り付けられた熱電冷却区画の上部水平面に嵌入されたシフト−スティッチ型熱電対素子からなる少なくとも１つの区画、及び／又は、
前記取り付けられたシフト−スティッチ型熱電冷却区画の前記上部水平面上の熱電併給用又は電流生成用のスティッチ型熱電冷却区画におけるゼーベック素子からなるか、基板に嵌入されたゼーベック素子からなる少なくとも１つの区画、及び、
ビア−温度感知トリガリング型導電基板（４７０）によって前記取付けられた熱電冷却区画の底面に嵌入されたシフト−スティッチ型熱電対素子からなる少なくとも１つの区画、から構成され、
前記熱電冷却区画（１２０）は、
第１の導電型である第１のメイン領域（１４００）と、
少なくとも１つの第２のメイン領域（１８０）と、
前記第１のメイン領域（１４００）と前記少なくとも１つの第２のメイン領域（１８０）との間に配置された独立に制御可能な少なくとも１つの熱電冷却領域（２００）と、を含み、
前記少なくとも１つの熱電冷却領域（２００）は、少なくとも１つのシフト−スティッチ型熱電冷却素子を含み、
前記ビア（４７０）によって前記取り付けられた熱電冷却区画の上部水平面に嵌入されたシフト−スティッチ型熱電対素子からなる少なくとも１つの区画は、
第１又は第２の導電型である少なくとも１つの第１のメイン領域（０４４）と、
第１又は第２の導電型である少なくとも１つの第２のメイン領域（０４８）と、
前記第１のメイン領域（０４４）と前記少なくとも１つの第２のメイン領域（０４８）との間に配置された少なくとも１つの熱電冷却領域（０４６）、及び／又は、前記冷却区画（２２０）と接続されたダイオードからなる少なくとも１つのアレイと、
トランジスタ（２４０）からなり前記熱電冷却区画をトリガリングする少なくとも１つのアレイと、を圧縮し、
前記少なくとも１つの熱電冷却領域（０５０）は、少なくとも１つのシフト−スティッチ型熱電対素子を含み、
前記ビア−温度感知トリガリング型導電基板（４７０）によって前記取付けられた熱電冷却区画の底面に嵌入されたシフト−スティッチ型熱電対素子からなる少なくとも１つの区画は、
第１の導電型である１つの第１のメイン領域（１４０）と、
少なくとも１つの第２のメイン領域（１８０）と、
前記第１のメイン領域（１４００）と前記少なくとも１つの第２のメイン領域（１８０）との間に配置された独立に制御可能な少なくとも１つの熱電冷却領域（２００）と、を圧縮し、
前記少なくとも１つの熱電冷却領域（２００）は、少なくとも１つのシフト−スティッチ型熱電冷却素子（５００）を含み、
熱電冷却の性能係数が少なくとも１である、集積型３次元セル構造を提供する。
【００１０】
また、本発明は、半導体基板と、共用型半導体基板上のアレイ内に配置された複数の本発明のセル構造と、を含んだ集積型冷却アレイを提供する。
【００１１】
また、本発明は、少なくとも１つの本発明のセル構造と、ゲート領域を独立に制御するように当該ゲート領域と接続された制御デバイスとを含む、セルをベースとする集積回路を提供する。
【００１２】
本発明は、分離型の冷却手段を用いた従来の熱電冷却デバイスにおける上記問題を解決する３次元熱電冷却構造に関する。また、本発明は、半導体材と熱電冷却構造とを簡単、効果的に統合することで従来手法の問題を解決している。本発明の基本的思想は、半導体基板上で熱が発生するエリア及び部位に熱電冷却構造を直接に設置するところにある。従来手法では、熱源の近傍に冷却構造を設置するために、直接に熱電冷却構造を半導体基板の付近に設置していた。しかし、本発明によれば、熱電冷却構造は、上記熱源のさらに近い近傍に配置することも可能である。そのため、本発明の基本思想は、熱電冷却区画をその対応する熱源の近傍に位置するように半導体材内部に集積してなる集積型３次元セル構造に関するものである。
【００１３】
このような集積型セル構造を用いることにより、熱発生エリアと熱電冷却エリアとの距離は著しく縮小し、冷却構造の全体的効率はより向上する。
【００１４】
また、本発明は、前記少なくとも１つの熱電冷却領域をトリガリングするためのスイッチを基板上に集積した集積回路を提供する。そのため、従来技術における解決策に比べ、より強固な熱電冷却デバイスを提供することができる。さらに、該集積回路は、ＳＴＥＣ領域を流れる電流の平均値を好適な値に調節するために、指定のシーケンス信号によってトリガリングされ得る少なくとも１つのＳＴＥＣ区画を含む。この構成は、上記のシフト−スティッチ型熱電冷却素子の両端に何らかの電力又は電圧を提供することのみで温度を制御する従来技術の熱電冷却デバイスに比べ、かなりの利点を有する。
【００１５】
本発明のもう１つの利点は、僅か数マイクロメートル内の大きな温度差が実現されることである。
【００１６】
また、本発明は、少なくとも１という高い値の性能係数を有する熱電冷却デバイスを実現でき、産業上における機械冷却、冷却システム及び冷凍システムに適用可能である。
【００１７】
さらに、例えば（ナノ）センサのような半導体デバイスの感度及び正確さを著しく向上させることが可能である。最後に、上記に限らず、もっと小さな半導体デバイスを提供できるという主な利点がある。
【００１８】
なお、本発明の他の実施形態は、従属請求項と、図面を参照に後述する構成とによる主体である。
【００１９】
好適な一実施形態において、前記セル構造は、３次元の立方体状、長方体状、円柱状、楕円状又は球状の形状を有する。但し、前記セル構造は、立方体状と異なる形状、例えば円柱状、楕円状又は溝状で有り得ることが好ましい。また、これらの形状の組み合わせも有り得る。特に好適な一実施形態において、前記セル構造は、球状又は溝状の形状を有する。上記構成によれば、別個の角、シフト−スティッチ部分及びエッジが存在しない。該シフト−スティッチ部分、エッジ及び角は、下向きの丸みを有することにより、隣接する構成同士間のキャリアが減少し、該隣接する構成同士間のトンネル効果が低減するという利点を有する。
【００２０】
別の好適な一実施形態において、前記セル構造は、１６０ｎｍから４００ｍｍの範囲内、好ましくは２００ｍｍから４００ｎｍの範囲内、好ましくは１００ｍｍから２００ｍｍの範囲内、好ましくは１０００ｎｍから１００ｍｍの範囲内、好ましくは５００ｎｍから１０００ｎｍの範囲内、好ましくは０３０ｎｍから５００ｎｍの範囲内、好ましくは１６０ｎｍから０３０ｎｍの範囲内のセル寸法を有する。
【００２１】
別の好適な一実施形態において、前記セル構造は、１６０ｎｍよりも小さいセル寸法、特に１ｎｍ〜１２０ｎｍの範囲内、より好ましくは５ｎｍ〜８０ｎｍの範囲内、最も好ましくは１００ｎｍ〜０３０ｎｍの範囲内のセル寸法を有する。
【００２２】
別の好適な一実施形態において、前記セル構造は、前記第１のメイン領域（１４０）と前記第１のメイン領域（０４４）との間のキャリア流れを制御するためのビア機能を有すると共に、所定レベルの温度になったとき、対応する熱電冷却領域（２００）と電気的に接続される少なくとも１つのビア領域（４９０）と、前記第２のメイン領域（１８０）と前記第２のメイン領域（１８０）との間のキャリア流れを制御する前記ビア機能を有すると共に、電気的に接続される少なくとも１つのビア領域（４９０）と、をさらに含む。
【００２３】
別の好適な一実施形態において、さらに前記セル構造において、前記少なくとも１つのビア領域（４９０）が前記誘電体基板に嵌入されており、熱電冷却領域（２００）の数がビア領域（４９０）の数と一致しており、各々のビア領域が、その対応する熱電冷却領域（２００）に向いている。
【００２４】
別の好適な一実施形態において、さらに前記セル構造は、複数の熱電冷却領域（２００）を含み、前記複数の熱電冷却領域（２００）の各々が、同一の第１のメイン領域（１４０）及び異なるビア領域（４９０）を用いている。
【００２５】
別の好適な一実施形態において、前記セル構造は、前記第１及び第２のメイン領域間のキャリア流れを制御するための少なくとも１つのゲート領域をさらに含む。それぞれのゲート領域は、その対応する熱電冷却領域と電気的に接続される。
【００２６】
別の好適な一実施形態において、前記セル構造は、前記半導体基板に嵌入された少なくとも１つのゲート領域を含む。熱電冷却領域の数はゲート領域の数に一致しており、それぞれのゲート領域は、対応する熱電冷却領域に向いている。それぞれの熱電冷却領域のための異なるゲート領域を用いることにより、これらの熱電冷却領域を、所望の要求又は所望の適用仕様に基づいて独立に制御することができる。
【００２７】
別の好適な一実施形態において、前記セル構造は複数の熱電冷却領域を含む。好ましくは、複数の熱電冷却領域の各々は、同一の第１のメイン領域及び異なるゲート領域を用いている。１つのみの第１のメイン領域を利用することにより、セル構造全体において、エリアが最大限に活用されるレイアウトを実現することができる。
【００２８】
好適な一実施形態において、前記セル構造は、複数の熱電冷却領域を含む。前記複数の熱電冷却領域の各々は、前記同一の第１のメイン領域を用いると共に、異なるゲート領域を含んでいる。前記第１のメイン領域は、ソース領域又はドレイン領域であってもよい。１つのみの第１のメイン領域を有することにより、前記セル構造においては、エリアが最大限に活用され、互いに独立制御され得る幾つかのスイッチング素子を含んだ構造を実現することができる。このような配置によれば、前記ゲート領域を独立にトリガリングすることで同一のセル構造内の１つ以上の熱電冷却区画を個別に選択することができる。
【００２９】
好適な一実施形態において、前記熱電冷却区画は、複数の鉤状構造（４８０）を含む。該鉤状構造は、前記第１のメイン領域から放射状に延伸していることが好ましい。各々の鉤状構造は、一例として、１つのゲート領域と、１つの熱電冷却領域と、１つの第２のメイン領域と含んでもよいが、これに限定されない。一例として、該１つのゲート領域と、１つの熱電冷却領域と、１つの第２のメイン領域とは、互いに連続的に配置される。
【００３０】
別の好適な一実施形態において、前記熱電冷却区画内の前記鉤状構造は、直線状、例えば直列に、又はまっすぐに前方に放射状に延伸している。このように全体的に配置することにより、前記熱電冷却区画の星状構造を形成する。
【００３１】
代替の実施形態において、前記鉤状構造は、メアンダ状、渦巻状又は他の高密度パッケージ（ｄｅｎｓｅ  ｐａｃｋａｇｅ）構造を形成するように、高密度パッケージ内でおおよそ放射状に延伸すると共に部分的に直列及び／又は湾曲している。
【００３２】
別の好適な一実施形態において、前記熱電冷却区画は、放射状に延伸する鉤状構造を少なくとも４つ、好ましくは少なくとも６つ、特に好ましくは８つ含む。
【００３３】
別の好適な一実施形態において、前記第１のメイン領域は、長方体状、とりわけ２次元形状を有する表面エリアを含む。この構成は、特に前記熱電冷却区画が４つ以上の鉤状構造を含んだとき、実用的及び有効である。但し、前記第１のメイン領域は、六角形又は八角形の形状を有してもよい。ゆえに、この構成は、前記第１のメイン領域が六角形である場合の６つの鉤状構造と、第１のメイン領域が八角形である場合の８つの鉤状構造とを含んだとき、有効である。
【００３４】
一般的に言えば、鉤状構造は、その総数が前記第１のメイン領域の境界線又はエッジの総数に応じた場合に有利であるが、これに限定されない。但し、前記第１のメイン領域の前記表面エリアは、丸い形状、特に略楕円状、円状又は卵状を有してもよい。上記実施形態は、第1のメインエリアの前記境界線に個別のエッジが存在しないため、電界におけるトンネル効果を効率良く防止できるという好適な利点を有する。第１の代表的実施形態において、前記第１のメイン領域はソース領域を形成するように設計され、前記第２のメイン領域は、ドレイン領域に対応するように設計されている。また、代替の実施形態において、前記第１のメイン領域は、ドレイン領域を形成するように設計され、前記第２のメイン領域はソース領域に対応する設計されている。
【００３５】
一例として、前記第１のメイン領域及び前記第２のメイン領域は、同一の導電型であってもよいが、これに限定されない。例えば、前記第１のメイン領域及び第２のメイン領域は、ｐ型半導体材料からなってもよい。代替の構成として、前記第１のメイン領域及び前記第２のメイン領域は、ｎ型半導体材料からなってもよい。冷却領域の構造によっては、特に冷却領域が単数数量のＳＴＥＣ素子を含むことよっては、前記第１のメイン領域は第１の導電型であり、一方で、前記第２のメイン領域は前記第１の導電型とは異なる第２の導電型である。別の好適な一実施形態において、前記熱電冷却区画における少なくとも１つのシフト−スティッチ型熱電冷却素子は、第３の導電型である第１のサブ領域と、第４の導電型である第２のサブ領域とを含んでいる。前記第３及び第４の導電型は互いに異なる。例えば、第３の導電型はｎ型又はｐ型半導体材料であり、一方で、前記第４の導電型はｐ型又はｎ型半導体材料である。前記第１及び第２のサブ領域は、水平方向において互に離間している。
【００３６】
好適な一実施形態において、少なくとも１つの熱電冷却領域は複数のシフト−スティッチ型熱電冷却素子を含んでいる。各々のシフト−スティッチ型熱電冷却素子は、互いに接続するように連続配置されている。さらに、前記複数のシフト−スティッチ型熱電冷却素子は、常に１つの第１のサブ領域が第２のサブ領域に隣接して配置される（またはその逆もしかり）ように、互に離間して配置され接続されてもよい。この構成によれば、１つのシフト−スティッチ型熱電冷却素子が、上記のように第２のシフト−スティッチ型熱電冷却素子に隣接して配置、接続される。
【００３７】
別の好適な一実施形態において、互に離間した第１及び第２のサブ領域の間は、空間を有する。該空間は、少なくとも部分的に絶縁材料によって充填されている。該絶縁材料は、二酸化ケイ素、特に熱成長した二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、ＰＶＤ二酸化ケイ素、ｌｏｗ−ｋ、ｈｉｇｈ−ｋ、窒化ケイ素、酸化ハフニウム、又は、半導体ベース材を必要しない他の何らかの絶縁材料であってもよい。該絶縁材料は、特にＴＥＣの動作温度下における絶縁比率が優れることから、Ａｌ２Ｏ３、及び／又はＡｇＯ、若しくはＡｕＯ、若しくはＣｕＯであることが特に好ましい。
【００３８】
好適な一実施形態において、ＳＴＥＣ素子又は隣接のＳＴＥＣ素子における第１及び第２のサブ領域は、垂直投影において等距離を有する。つまり、これらの第１及び該第２のサブ領域間の距離は、垂直方向において同じである。別の最も好適な一実施形態において、熱電冷却領域内の前記複数のＳＴＥＣ素子をジグザグ状又は千鳥状に配置することにより、前記第１及び／又は第２のサブ領域は、垂直配置されたシフト−スティッチ部分になる。これは、前記第１及び第２のサブ領域間の、垂直方向における距離がそれぞれ増加又は減少することを意味する。別の好適な一実施形態において、前記第１及び／又は第２のサブ領域のシフト−スティッチ部分は、前記水平面に対して５°から８５°の範囲内にある。特に、前記シフト−スティッチ部分は、４５°〜６０°の範囲内、好ましくは３０°から４０°の範囲内、最も好ましくは１０°から２０°の範囲内にある。本発明では、このシフト−スティッチ部分によっては、前記熱電冷却区画の高温側と低温側との間に高い温度勾配を達成し得るため、より良い冷却が可能となる。加えて、又は代わりに、より高いシフト−スティッチを提供することにより、トリガリングエネルギーをより低減させることができる。
【００３９】
別の好適な一実施形態において、熱電冷却領域又はシフト−スティッチ熱電冷却素子における、前記第１及び／又は第２のサブ領域は、複数パーツ型の構造、特に二パーツ型の構造を有する。さらに詳しい形態として、該複数パーツ型の構造は、第１のシフト−スティッチ型パーツを有する第１のパーツと、第２のシフト−スティッチ型パーツを有する第２のパーツと、を有する。前記第１のパーツは、一例として、前記架橋式接触材と直接に接触している。
【００４０】
前記第２のパーツは、第１のパーツと接触していてもよく、隣接のシフト−スティッチ型熱電冷却素子の架橋式接触材と接触していてもよい。好ましくは、前記第１のシフト−スティッチ部分は、前記第２のシフト−スティッチ型パーツよりも低いことが好ましいが、これに限定されない。特に、前記第１のシフト−スティッチ型パーツは、１５°から４５°の範囲内、特には２５°から３５°の範囲内にある。したがって、前記第２のシフト−スティッチ部分は、４５°から８５°の範囲内、特には６０°から７０°の範囲内にある。第１及び第２のサブ領域の各々は、２つの境界面を有することが好ましい。隣接若しくは相互離間した第１及び第２のサブ領域の前記境界面は、架橋式接触材を介して接続される。相互離間した第１及び第２のサブ領域における該架橋式接触材は、千鳥状に配置されることが好ましい。好適な一実施形態において、第１の架橋式接触材は、相互離間した対応する第１及び第２のサブ領域が互いに電気的に接続されるように、前記第１のサブ領域の第１の境界面から前記第２のサブ領域の第２の境界面まで延伸している。特に好適な一実施形態において、前記架橋式接触材は、非常に高い導電性を有する材料、例えば高ドープ率のポリシリコン、高導電性の合金を含む。したがって、前記架橋式接触材の典型的な材料は、アルミニウム、金、銀、ウォルフラムやチタン、又はこれらの合金である。また、別の好適な一実施形態において、少なくとも１つの電気遮蔽層が備えられている。この電気遮蔽層は、熱電冷却領域の高温側に隣接して配置される。該遮蔽層は、前記半導体基板から前記熱電冷却領域の前記高温側までの高い熱伝導率を実現するように調整されている。さらに、該遮蔽層は、前記半導体基板と前記熱電冷却領域の前記高温側との間の電気的接続を防止するように調整されている。その結果として、該遮蔽層は、前記熱電冷却領域を覆うと共に、前記対応する架橋式接触材の上部又は底部に配置される。したがって、これらの遮蔽層は、前記シフト−スティッチ型熱電冷却素子を電気的に保護し、かつ、前記熱電冷却領域の前記高温側からの熱を最適に伝導するための高い熱伝導性を実現するように設計される。
【００４１】
一例として、同一の熱電冷却領域における２つのシフト−スティッチ型熱電冷却素子が、互いに隣接するように配置されると共に、第２の架橋式接触材を介して接続されてもよいが、これに限定されない。この第２の架橋構造は、一例として、第１のシフト−スティッチ型熱電冷却素子における前記第２のサブ領域の第３の境界面から、第２のシフト−スティッチ型熱電冷却素子における前記第１のサブ領域の第４の境界面まで、延伸している。隣接するシフト−スティッチ型熱電冷却素子におけるサブ領域を跨ぐ該架橋式接触素子を上記のように配置するにより、千鳥状方式の熱電冷却領域を実現することが可能となる。
【００４２】
好適な一実施形態において、前記誘電体基板内の上記領域及びパーツは、熱伝導性質を有する基板層として用いられる／である付着層（４１０）の付着によって嵌入されている。
【００４３】
好適な一実施形態において、前記の領域は、前記架橋における少なくとも１つの薄膜基板層を圧縮し、該薄膜基板層は、窒素が合金原子量の０．０１％から５０％を占める窒素含有合金、例えばＴｉＮ、ＴｉＮ０、５、ＡｌＮ、ＡｌＮ０、１、及び／又は、ｈｉｇｈ−ｋ又はｌｏｗ−ｋの性質を有する合金含有基板による複合層の組み合わせを圧縮する。
【００４４】
別の好適な一実施形態において、前記集積型冷却アレイは、窒素、及び／又はホウ素、及び／又はセレニウムがドープされた少なくとも１つの薄膜型半導体基板層と、請求項１から３６の何れ１項に記載の複数のセル構造とを含み、前記セル構造は、共用の半導体基板におけるアレイ内に配置されている。
【００４５】
別の好適な一実施形態において、集積型冷却アレイは、窒素、及び／又はホウ素、及び／又はセレニウムがドープされた少なくとも１つの薄層型半導体基板層と、アレイに沿う複数のセル構造とを含み、前記セル構造は、共用の半導体基板上に圧縮されたアレイ内に配置されている。
【００４６】
別の好適な一実施形態において、前記集積型冷却アレイにおいて、前記第１のシフト−スティッチ型パーツ（７００）は、前記第１のパーツの１／９９から４７／５００の間の前記第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、特に前記第１のパーツの１／４から１／３の間の前記第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、又は特に前記第１のパーツの１／５から１／４の間の前記第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、及び／又は、前記第２のシフト−スティッチ型パーツ（７１０）は、前記第２のパーツの１／９９から４７／５００の間の前記第２のサブ領域（０３２）の長さ以内であり、特に前記第２のパーツの１／４から１／３の間の前記第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、又は特に前記第２のパーツの１／５から１／４の間の前記第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、及び／又は、前記第３のシフト−スティッチ型パーツ（７２０）は、前記第３のパーツの１／９９から４７／５００の間の前記第１のサブ領域（０３０ａ）の長さ以内であり、特に前記第３のパーツの１／４から１／３の間の前記第１のサブ領域（０３０ａ）の長さ以内であり、又は特に前記第３のパーツの１／５から１／４の間の前記第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、及び／又は、前記第４のシフト−スティッチ型パーツ（７３０）は、前記第４のパーツの１／９９から４７／５００の間の前記第１のサブ領域（０３０ｂ）の長さ以内であり、特に前記第４パーツの１／４及び１／３の間の前記第１のサブ領域（０３０ｂ）の長さ以内であり、又は特に前記第４のパーツの１／５及び１／４の間の前記第２のサブ領域（０３２ｂ）の長さ以内である。
【００４７】
別の好適な一実施形態として、集積型冷却アレイは、前記第１及び第２のサブ領域（０３０、０３２）の各々は２つの境界面（０３８、０４０）を含み、相互離間した隣接の第１及び第２のサブ領域（０３０、０３２）における前記境界面（０３８、４０）は架橋式接触材（０３６、４２０）を介して接続されている。
【００４８】
特に好適な一実施形態において、前記遮蔽層は、高熱伝導性及び電気的絶縁性を有する材料を含む。このような高い伝導性を有する絶縁材料は、好適には人造ダイヤモンドを含む。特に好適な一実施形態において、前記人造ダイヤモンドは、前記基板上に熱成長することで嵌入されている。こうすることで、電流方向に垂直する前記第１及び第２のサブ領域の直径を、金属から構成された対応するサブ領域の場合に比べ、より減らすことが可能になる。良好な絶縁を少なくとも実現する他の材料は、酸化ケイ素、ｌｏｗ−ｋ、ｈｉｇｈ−ｋなどである。これらの材料を適宜ドープすることにより、良好な熱伝導性を実現することもできる。
【００４９】
別の好適な一実施形態において、少なくとも１つの冷却層が備えられている。該冷却層は前記熱電冷却領域の低温側において前記架橋式接触材に接触している。好ましくは、該冷却層は、前記熱電冷却領域からの熱を放熱するための高い熱伝導性を有する。当該冷却層の好ましい材料は、人造ダイヤモンドである。
【００５０】
前記冷却アレイの別の好適な一実施形態として、前記セル構造は、互いに直列接続するように電気的に接続されている。代替の構成として、前記セル構造は、互いに並列接続するように配置されていてもよい。なお、言うまでもないが、これらの種類の電気的接続の組み合わせ、例えば部分的な直列と部分的な並列との組み合わせも可能である。
【００５１】
別の好適な一実施形態において、前記制御デバイスは、周波数クロック信号生成器と、該クロック信号生成器によってトリガリングされるカウンタとを有するプログラムで制御可能なデバイスを含む。前記カウンタは、カウント値に応じて、各々のセル構造における前記ゲート領域をトリガリングする。別の好適な一実施形態において、各々の前記セル構造における前記ゲート領域は、直列又は行列の何れかの方式でトリガリングされる。
【００５２】
別の好適な一実施形態において、前記集積回路のデバイス領域は、同一のセル構造又は隣接のセル構造における隣接の冷却区画同士間によって規定される。それに加え、又は代わりに、前記デバイス領域は、前記熱電冷却区画の低温側又は高温側に配置される。前記集積回路は、隣接する熱電冷却区画同士間の前記集積回路の前記デバイス領域の１つに配置された少なくとも１つの半導体デバイスを、さらに含む。これにより、前記セル構造において、エリアが最大限に活用されるようなコンパクトな配置及び半導体デバイスを同時に実現することができる。そのため、前記セル構造内の、熱電冷却のためではないエリアを、他の半導体デバイス、例えば、熱放射の強い半導体デバイスのために用いることが好ましい。そして、このような半導体デバイスから発生する熱は、対応するセル構造、特に前記セル構造の前記熱電冷却区画によって効果的に輸送されてもよい。
【００５３】
一部の好適な実施形態において、前記半導体デバイスは、次のうち、少なくとも１つであってもよい：センサ、特に熱センサ、光センサ、熱感知センサ又は類似するもの；整流素子、例えばダイオード、ホイートストンブリッジ、他の何らかのブリッジ構造；スイッチング素子、特にＭＯＳＦＥＴのようなトランジスタ、ＮＭＯＳ、ＰＭＯＳ、ＶＭＯＳ、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＪＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、ＩＧＦＥＴ、ＩＧＢＴ、又は他の何らかの半導体トランジスタ；制御素子；ＦＰＧＡやＰＬＤのようなプログラマブルデバイス、特にマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プロマブル論理デバイス；記憶デバイス、例えばＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ又は類似するもの；太陽電池；レーザダイオード；ＬＥＤ；マイクロストリップ及び類似するものなど。但し、これらの半導体デバイスは単なる例示であり、本発明は上記の形態に制限されるものではない。
【００５４】
別の好適な一実施形態において、前記半導体デバイスは、前記第１のメイン領域及び前記熱電冷却区画から離間している。加えて、前記半導体デバイスは、少なくとも２つの前記熱電冷却区画の間に配置されてもよい。
【００５５】
別の好適な一実施形態において、前記第１のメイン領域について、前記半導体デバイスは、前記第１のメイン領域の中心から１ｎｍ〜１００μｍの範囲内、好ましくは５００ｎｍから１μｍの範囲内の配置半径を有する。
【００５６】
前記集積回路デバイスの好適な一実施形態において、前記第１のメイン領域は、放射状に延伸する少なくとも２つのドメインに取り囲まれ、各々のドメインは、１つのゲート領域と、１つの第２のメイン領域と、１つの熱電冷却領域とを含む。
【００５７】
このように、１個の第１のメイン領域を用いて、複数のゲート領域及び複数の熱電冷却領域をエネルギー源に接続することができる。この実施形態では、前記第１のメイン領域がもたらした利便性向上により、ＳＴＥＣ領域自体の寸法及び／又は体積を減らさずに、該ＳＴＥＣ領域の可トリガリング性の実現に必要な体積を減らすことができる。
【００５８】
別の好適な実施形態において、前記集積回路は、電源に接続したクロック信号生成器を備えたカウントを含み、前記少なくとも１つのゲート領域は、少なくとも１つの接続素子を介して前記カウンタと接続されている。したがって、少なくとも１つのＳＴＥＣ領域のトリガリングは容易に行える。
【００５９】
別の好適な実施形態において、前記集積回路は、０．５ｐＡから５００ｍＡの範囲内、特に１ｍＡから２００ｍＡの範囲内、好ましくは１ｐＡから１００μＡの範囲内、最も好ましくは１００ｐＡから１μＡの範囲内の電流で動作可能なように設計されている。
【００６０】
前記セル構造の別の好適な実施形態において、複数の制御可能な熱電冷却領域が備えられており、少なくとも２つの前記制御可能な熱電冷却領域、特に複数の前記制御可能な熱電冷却領域が、異なるシフト−スティッチ部分を有する。
【００６１】
別の好適な実施形態において、複数の熱電冷却領域が備えられており、前記複数の熱電冷却領域は、前記第１のメイン領域から外側へ星状に延伸している。星状に延伸している熱電冷却領域の各々は、独立にトリガリングされ得ることが特に好ましい。
【００６２】
別の好適な実施形態において、前記熱電冷却区画は、異なるシフト−スティッチ部分を有する前記熱電冷却領域が独立にトリガリングされることにより、デジタルデータを符号化することが可能できる。
【００６３】
別の好適な実施形態において、前記熱電冷却区画は、異なるＳＴＥＣを有する前記熱電冷却領域が独立にトリガリングされることにより、温度センサとして動作可能である。
【００６４】
好適な一実施形態において、少なくとも２つの熱電冷却区画が、一方が他方上に重なるように前記半導体基板内に積み重なっている。
【００６５】
好適な一実施形態において、隣接配置された熱電冷却区画の間には、２つの隣接する熱電冷却区画の間の距離を規定する中間層が備えられている。
【００６６】
好適な一実施形態において、前記距離は、少なくとも５ｎｍ、より好ましくは５ｎｍから１２０ｎｍである。
【００６７】
好適な一実施形態において、前記中間層は、少なくとも部分的に絶縁、好ましくは完全に絶縁する材料を含む。
【００６８】
好適な一実施形態において、少なくとも１つの接続デバイスが備えられており、前記接続デバイスは、少なくとも２つの熱電冷却区画の間、好ましくは積み重なるように及び／又は隣接するように配置された２つの熱電冷却区画の間に配置されている。前記接続デバイスは、２つの熱電冷却区画間の熱結合を実現し、さらに２つの熱電冷却区画間の電気隔離性を保証するための高熱伝導性及び電気絶縁性を有する材料を含む。
【００６９】
〔図面の簡単な説明〕
本発明及び本発明の利点に関するより完全な理解のために、ここで、添付されている図面と共に以下の記載が参照される。この発明は、概略図において明記されている例示的な実施形態を用いて、以下、より詳細に説明される。この概略図において、
図１は、本発明に係るセル構造の、第一の、基本的な実施形態の断面図を示す。
【００７０】
図２は、図１に示したような集積回路デバイスのための熱電冷却領域の一区画を示す断面図である。
【００７１】
図２Ａ〜２Ｄは、本発明に係る、異なるシフト−スティッチ型熱電冷却素子の、一つのＳＴＥＣ領域の断面図を示す。
【００７２】
図３は、本発明に係るセル構造の第二の実施形態の平面図を示す。
【００７３】
熟練した技術者は、図中の要素は、簡素化及び明確化のために図示されているものであり、必ずしも一定のスケール比率で記載されるものではないことを認識するでしょう。例えば、選択された要素は、本発明の様々な実施形態における、これら要素の機能性と配置とのより良い理解を助けるために使われているに過ぎない。また、本発明のこれら様々な実施形態に関するより曖昧さの無い見方を助けるべく、商業的な実施の形態において有用な又は必要な、一般的だが良く理解されている要素については凡そ描写はしなかった。さらに、順序に関する係る特定性は実際には要しないことを当業者は理解するところ、記載された方法における或るアクション及び／又はステップが、ある特定の発生順番で記載されている又は描写されているかもしれない点について、正しく認識されたい。当業者は、本発明の実施形態は、説明における簡潔化及び明瞭化のために図示されているのではないことを、正しく認識するであろう。本明細書における用語及び表現は、ここに、ある特定の意味を定義付けしていない限り、それぞれの対応する分野の調査及び研究に関する用語及び表現に従った一般的な意味を有するものと理解される。
【００７４】
〔発明の詳細な実施形態〕
以下、本発明に関して記載をする前に、我々は、簡単に本発明の幾つかの一般的な側面に関して議論をしたい。本発明は概して熱電冷却に向けられたものである。商業的な熱電冷却モジュールはおよそ１９６０年まで入手できなかったものの、現代の熱電クーラーの元となる基礎となる物理現象は、実際のところ１８００年代の初頭までさかのぼる。１８００年代の初頭に、トーマス・ゼーベックは、金属同士の接合が二つの異なる温度に維持されている場合に、二つの異なる金属で構成された閉回路内を電流が連続的に流れることを発見した。これはまたゼーベック効果として知られている。
【００７５】
熱電効果は、温度差から電圧への（その逆もまたしかり）直接的な変換である。熱電デバイスは、その両端において異なる温度が有る場合に、電圧を生成する。逆に、熱電デバイスに電圧が印加されると当該熱電デバイスは温度の相違を生成し、これはまたシフト−スティッチ型熱電冷却効果として知られている。原子スケールにおいては、付与された温度勾配は、材料中における電荷キャリア（これらは電子又は正孔である）を高温側から低温側へと拡散させる。これは、いわゆる熱誘導型の電流を生じさせる。この効果は、電気の生成、温度の測定、対象物の冷却又は加熱等のために、都合よく利用され得る。加熱及び冷却の方向が、印加される電圧の標示によって決定されるので、熱電デバイスは非常に便利な温度コントローラーとなる。
【００７６】
伝統的に、「熱電効果」又は「熱電性」という用語は、３つの別々に認識される効果であるゼーベック効果、シフト−スティッチ型熱電冷却効果、及び、いわゆるトムソン効果を包含する。多くの教科書及び従来技術文献では、熱電効果はまたＳＴＥＣゼーベック効果とも称される。ゼーベック効果とは、温度差を直接的に電気に変換するものである。但し、シフト−スティッチ型熱電冷却効果はゼーベック効果の反転現象である。二つの異なる金属からなる回路に電流を流した場合に、より上側の接合で熱が放出されるとともに、より下側の接合でこの熱が吸収されることによって、高温側から低温側への熱の移動が導かれる。
【００７７】
本発明は、シフト−スティッチ型冷却効果のため、すなわち熱の移動のためにも用いることができ、ゼーベック効果による、熱勾配による電気の生成のためにも用いることもできる、いわゆるシフト−スティッチ型熱電冷却素子に向けられたものである。シフト−スティッチ型熱電冷却効果を用いる場合、以降は、シフト−スティッチ型熱電冷却はまた「シフト−スティッチ型熱電冷却」又は省略して「ＳＴＥＣ」とも称するものとする。
【００７８】
すなわち、シフト−スティッチ型熱電冷却素子は、ちょうどゼーベック効果と反対の現象であり、すなわち、閉回路内で電流が流れるときに、熱エネルギーが一つの異なる金属接合において吸収され、かつ熱エネルギーが他の接合において放出され得る。
【００７９】
ゼーベック効果の基礎、及び、シフト−スティッチ型熱電冷却効果の基礎は良く知られているため、これらの物理的効果についてより詳細には記載しない。熱電冷却の原理に関して、文献ＭＰＥ６３５０：「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏｏｌｉｎｇ”,  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｃａｉｒｏ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ,  Ｆａｃｕｌｔｙ  ｏｆ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,  ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ  Ｃｈａｐｔｅｒ  １７」を、ここに、文献の特定により完全に引用する。
【００８０】
以下、本発明は、図中の実施形態に関して、より詳細に記載される。
【００８１】
図１は、本発明に係るセル構造の、第１の基本的な実施形態の断面図を示している。当該セル構造は、参照番号１００によって示される。セル構造１００は、第１の上面１１０ａ及び第２の底面１１０ｂを有している基板１１０を含んでいる。基板１１０は、ドープ半導体基板、例えば、ドープシリコン基板であってもよい。但し、本発明は、シリコンで形成された基板１１０に限定されず、ＧａＡｓ、ＳｉＣ等の任意の他の半導体材料又はクオーツ、サファイア等の任意の他の誘電体基板でもあり得る。
【００８２】
図１において、セル構造１００は、１つの熱電冷却区画１２０を含み、熱電冷却区画１２０は、半導体基板１１０内に配置されている。この熱電冷却区画１２０は、放熱のために（例えば、同一半導体基板内の任意の集積回路の放熱のために）使用される。それ故、この熱電冷却区画１２０は、本発明の基本的な考えによれば、半導体基板１１０の集積部である。
【００８３】
熱電冷却区画１２０は、１つの第１のメイン領域１４０、２つの第２のメイン領域１８０及び２つの熱電冷却ＳＴＥＣ領域２００を含んでいる。第１のメイン領域１４０は、熱電冷却区画１２０内の中央に配置されており、第１の導電型（例えば、ｎ型又はｐ型）である。熱電冷却領域２００の構造に応じて、２つの第２のメイン領域１８０は、第１の導電型又は当該第１の導電型とは異なる第２の導電型であってもよい。２つの第２のメイン領域１８０は、対応している熱電冷却領域２００を通じて、第１のメイン領域１４０と電気結合されている。熱電冷却領域２００は、第１の中央配置型メイン領域１４０と２つの第２のエッジ配置型メイン領域１８０との間に配置されている。
【００８４】
この場合、第１のメイン領域１４０は、ソース領域又はドレイン領域であってもよく、一方で、第２のメイン領域１８０は、その結果、ドレイン領域又はソース領域をそれぞれ形成する。従って、熱電冷却区画１２０は、２つの制御可能なスイッチ、特に、トランジスタを形成し、一方で、コントロールターミナルは、対応しているゲート領域１６０によって形成される。これらのゲート領域１６０は、熱電冷却領域２００内に配置され、そして、好ましくは、第１のメイン領域１４０に直接隣接して配置される。熱電冷却区画１２０のこの構造を有しているので、両方のトランジスタ、ひいては両方の熱電冷却領域２００の機能性は、独立して制御され得る。
【００８５】
ここで、必須の特徴は、熱電冷却領域２００のそれぞれが、少なくとも１つのシフト−スティッチ型熱電冷却素子を含んでいることである。熱電冷却区画１２０及びそこでのシフト−スティッチ型熱電冷却素子の詳細な構造及び機能性は、図２Ａ〜２Ｄに示したいくつかの実施形態に関して、より詳細に以下に記載される。第１のメイン領域１４０、第２のメイン領域１８０、ゲート領域１６０及び半電気的冷却領域２００は、本実施形態中に存在しており、基板Ｌ内に嵌入されている。但し、これらの領域はまた、基板１１０の上面１１０ａ又は底面１１０ｂに隣接して配置されてもよい。
【００８６】
１つの有利な実施形態において、集積回路デバイスは、少なくとも、第１のＳＴＥＣ区画１２０及び第２のＳＴＥＣ区画１２０を含んでいる。この場合、２つの隣接するＳＴＥＣ区画１２０の放射状に延伸しているドメインは、離れ且つ重なり合っていない。第１のＳＴＥＣ区画１２０は、第２のＳＴＥＣ区画１２０とは異なって形成されてもよい。例えば、第１のＳＴＥＣ区画１２０は、第２のＳＴＥＣ区画１２０の対応しているパラメータとは異なる、ゲート酸化物の厚さ、チャネル領域の長さ、内部のシフト−スティッチ部分、放射状に延伸しているドメインの数、少なくとも１つの第２のメイン領域１８０の厚さ、ドーパント濃度及び／又はドーパントタイプを有していてもよい。あるいは、集積回路デバイス１００はまた、同一のパラメータを備えた少なくとも２つのＳＴＥＣ区画１２０を含んでいてもよい。
【００８７】
集積回路デバイス１００が複数のＳＴＥＣ区画１２０を含んでいる場合には、これらのＳＴＥＣ区画１２０の数個は、制御可能な三次元のＳＴＥＣデバイスを形成するために、互いに接続されていてもよい。例えば、少なくとも２つのＳＴＥＣ区画１２０は、互いに直列に、電気的に接続され且つ動作させられてもよい。但し、集積回路デバイス１２０は、異なるＳＴＥＣ区画１２間のそのような電気的な接続に限定されない。少なくとも２つのＳＴＥＣ区画１２０はまた、互いに並列に、電気的に接続され且つ動作させられてもよい。さらに、少なくとも２つのＳＴＥＣ区画１２０は、第２の層材料によって被覆された第１の層材料内に舌形状の冷却エリアが作り出されると同時に、連続して又は並行して動作させられてもよい。舌形状は増加してもよく、結果的に電流が調整される。従って、第２の層材料は、熱勾配の再構成のために使用されてもよく、又は第１の層材料の領域は、ヒートシンクであってもよい。
【００８８】
電流がＳＴＥＣ領域２００を通ってゲート領域によって引き起こされるときに、ＳＴＥＣ区画１２０の周囲は冷却される。それ故、基板１００内に埋め込まれた熱源は、発明の技術を用いて補われてもよい。少なくとも１つの熱源は、外部の熱源又は内部の熱源であってもよい。例えば、少なくとも１つの熱源はまた、基板１００内に埋め込まれてもよい。さらには、少なくとも１つの熱源はまた、少なくとも１つのＳＴＥＣ区画１２の周囲に配置されてもよい。好ましくは、少なくとも１つの熱源は、第１のメイン領域１４０の中間点の周囲に距離をあけて配置される。従って、ＳＴＥＣ区画１２０の冷却機能は、熱源によって生成された熱に起因して生じる損傷が生じないことを保証する。
【００８９】
少なくとも１つの熱源は、センサ、ダイオード又は任意の他の熱生成デバイスであり得る。発明の技術は、それ故、ＳＴＥＣ区画１２０の周囲に配置された数個のセンサのキャパシティを検出することを改善するために使用され得る。従って、局所的な信号が、正確に検出され得る。さらには、センサ及び／又はダイオードは、デバイスへの入力又は出力として接続されてもよい。ダイオードは、赤外フォトダイオード、Ｘ線フォトダイオード及び／又はレーザダイオードであってもよい。特に、フォトダイオードは、第２のメイン領域１８の端部に向かって伝搬する波状のような形式で冷却されてよい。従って、発明の技術はまた、エネルギー回収のために使用され得る。図２は、ＳＴＥＣ領域のエリアにおける図１の集積回路デバイスの細部の断面を示している。この断面は、ＳＴＥＣ領域２００の縦軸と平行にＳＴＥＣ領域２００を通っている。
【００９０】
図２に示したＳＴＥＣ領域２００は、数個のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００を含んでいる。各シフト−スティッチ型熱電冷却素子５００は、第３の導電型の第１のサブ領域０３０及び第３の導電型とは異なる第４の導電型の第２のサブ領域０３２を含んでいる。例えば、第１のサブ領域０３０はｐ型であってもよく、ここでは、第２のサブ領域０３２はｎ型である。但し、ＳＴＥＣ区画１２０は、そのようなシフト−スティッチ型熱電冷却素子５０に限定されない。第１のサブ領域０３０がｎ型である場合には、第２のサブ領域０３２はｐ型である。
【００９１】
シフト−スティッチ型熱電冷却素子５００はまた、第１の絶縁材料を含んでおり、当該第１の絶縁材料は、第１のサブ領域０３０と第２のサブ領域０３２との間の空間３４０を少なくとも部分的に充填している。好ましくは、第１の絶縁材料は、第１のサブ領域０３０と第２のサブ領域０３２との間の空間を完全に充填している。さらには、シフト−スティッチ型熱電冷却素子５００は、第１の架橋式接触材０３６をさらに含んでいる。第１の接触部材０３６は、第１のサブ領域０３０の第１の界面３８０から第２のサブ領域０３２の第２の界面４００へと延伸している。第１のサブ領域０３０の第１の界面３８０及び第２のサブ領域０３２の第２の界面４００は、両方が、基板１１０の１つの面１１０ａ、１１０ｂに向けられていてもよい。好ましくは、第１の界面３８０及び第２の界面４００は、両方が、ＳＴＥＣ領域２００の縦軸２００ａと平行に延伸している。但し、ＳＴＥＣ区画１２０は、サブ領域０３０、サブ領域０３２、界面３８０、界面４００及び／又は第１の架橋式接触材０３６の設計に限定されない。
【００９２】
好ましい実施形態において、ＳＴＥＣ領域２００は、少なくとも２つのシフト−スティッチ型熱電冷却素子を含み、最も好ましくは複数のシフト−スティッチ型熱電冷却素子を含み、当該シフト−スティッチ型熱電冷却素子は、サブ領域０３０、サブ領域０３２及び空間３４０をそれぞれ有している。ＳＴＥＣ領域２００は、特定の数のそのようなシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００に限定されない。好ましくは、同一のＳＴＥＣ領域２００の２つの隣接するシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００、５００’は、図２に示すように、第２の架橋式接触材４２０を介して接続される。ＳＴＥＣ領域２００はまた、絶縁材料４８０を含み、絶縁材料４８０は、隣接するシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００’のサブ領域０３０とサブ領域０３２との間の空間３４０を、少なくとも部分的に、特に完全に充填している。
【００９３】
第２の接触サブ領域４２０は、第１のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００の第２のサブ領域０３２の第３の界面４４０から、第２のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００’の第１のサブ領域０３０の第４の界面４６０へ延伸していてもよい。第１のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００は、第２のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００’よりも、第１のメイン領域１４０により近接している。第２のサブ領域０３２の第３の界面４４０及び第１のサブ領域０３０の第４の界面４６０は、両方が、基板１００の異なる面１１０ａ、１１０ｂに向けられていてもよく、及び／又はＳＴＥＣ領域２００の縦軸２００ａに平行に延伸していてもよい。さらには、第３の界面４４０及び第４の界面４６０は、第１の界面３８０及び第２の界面４００に平行に通っていてもよい。
【００９４】
第１の架橋式接触０３６部材及び／又は第２の架橋式接触材４２０は、アルミニウム、金、銀等の導電材料を含んでいてもよい。従って、同一のＳＴＥＣ領域２００のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００、５００’の異なるサブ領域０３０及びサブ領域０３２との間の良好な電気伝導性が提供される。サブ領域０３０、０３２及び架橋式接触材０３６、４２０との間の界面３８０、４００、４４０、４６０は、シフト−スティッチ型熱電冷却効果に適している。
【００９５】
ＳＴＥＣ領域２００は、第１のメイン領域１４０、ゲート領域１６０及び／又は第２のメイン領域１８０と、少なくとも１つの架橋式接触材０３６、４２０を介して接続されていてもよい。従って、ＳＴＥＣ領域２００と、隣接する第１のメイン領域１４０、ゲート領域１６０及び／又は第２のメイン領域１８０と間の良好な電気的接続が提供される。
【００９６】
好ましいセル構造の実施形態において、前記第１のシフト−スティッチ型パーツ（０８０）は、前記第１のパーツの１／９９から４７／５００の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、特に、前記第１のパーツの１／４から１／３の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、又は特に、前記第１のパーツの１／５から１／４の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、及び／又は、第２のシフト−スティッチ型パーツ（０８０）は、前記第２のパーツの１／９９から４７／５００の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、特に前記第２のパーツの１／４から１／３の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、又は特に、前記第２のパーツの１／５から１／４の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、及び／又は、前記第３のシフト−スティッチ型パーツ（０８０）は、前記第３のパーツの１／９９から４７／５００の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、特に、前記第３のパーツの１／４から１／３の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、又は特に、前記第３のパーツの１／５から１／４の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、及び／又は、第４のシフト−スティッチ型パーツ（０８０）は、前記第４のパーツの１／９９から４７／５００の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、特に、前記第４パーツの１／４及び１／３の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、又は特に、前記第４のパーツの１／５から１／４の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内である。
【００９７】
好適なセル構造の実施形態において、サブ領域（０３０）又は（０３２）の薄膜の高さ７５０）は、（ｉ）第１のシフト−スティッチ型パーツの長さ、又は、（ｉｉ）第２のシフト−スティッチ型パーツの長さ、又は、（ｉｉｉ）第３のシフト−スティッチ型パーツの長さの、１／１９から４／５までの範囲の高さである。
【００９８】
図２に示されるＳＴＥＣ領域２００は、電流が界面３８０、４００、４４０、及び４６０を通過し、その結果、連続して配置されたシフト−スティッチ型熱電冷却素子を通過する場合に、長軸２００ａに垂直な方向に熱流束を供給する。それゆえ、非常に高い熱電冷却性能を実現する熱電冷却素子が設けられる。
【００９９】
図２に示されるＳＴＥＣ領域２００は、半導体技術における標準的な方法によって製造されてよい。それゆえ、各種のサブユニット０３０、０３２、０３６、４２０を製造するための方法については、本明細書では説明しない。
【０１００】
図２Ａ〜図２Ｅは、ＳＴＥＣ領域におけるシフト−スティッチ型熱電冷却素子の様々な実施形態の断面図を示す。熱電冷却素子の断面における様々な実施形態の断面図は、シフト−スティッチ型熱電冷却素子の様々な実施形態における構造を示す。
【０１０１】
図２Ａにおいて、シフト−スティッチ型熱電冷却素子５００は、第１のサブ領域０３０及び第２のサブ領域０３２を備えている。第１のサブ領域０３０及び第２のサブ領域０３２は、架橋式接触材０３６によって相互に接続されている。図２Ａの実施形態において、第１のサブ領域０３０及び第２のサブ領域０３２は、おおよそ垂直に配置されており、架橋式接触材０３６と直交する。
【０１０２】
但し、第１のサブ領域０３０、０３２に角度を付し、水平方向に配向させることは、より有益である。このことは、図２Ｂにおける熱電冷却領域２００の第２の実施形態に関して示されている。図２Ｂでは、シフト−スティッチ部分αが、サブ領域と水平面との間に存在している。このシフト−スティッチ部分αは、５°から７５°までの範囲にあることが好ましい。シフト−スティッチ部分αは、１５°から２５°までの範囲にあることが好ましく、２５°から３５°までの範囲にあることがより好ましい。
【０１０３】
図２Ｃは、熱電冷却領域２００におけるシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００の別の実施形態を示す。図２Ｃによれば、第１のサブ領域０３０は、第１の部分及び第２の部分を備えている。また、第２のサブ領域は、互いに接続された第１の部分３０ａ及び第２の部分３０ｂを備えている。対応するサブ領域０３０のこれら両方の部分は、水平方向ｘ及びｚに対して、角度が付されている。但し、水平方向に対して角度が付されたシフト−スティッチ部分βは、水平方向ｘに関する第２の上部０３０ｂのシフト−スティッチ部分よりも高い。第２のサブ領域０３０と０３２とを、２つの異なるシフト−スティッチ部分βを有する０３０ａ、０３０ｂ、０３２ａ、０３２ｂへと分ける場合は、熱電冷却領域２００の電気的及び熱的な特性に関して有益である。特に、この構成において、熱電冷却領域２００の全体は特に優れた効率を有する。第１のシフト−スティッチ部分βは３０°よりも大きい範囲にあることが好ましく、第２のシフト−スティッチ部分は３０°から６０°までの範囲にあることが好ましい。
【０１０４】
図２Ｄは、熱電冷却領域の特に好適な第４の実施形態を示す。図２Ｃの実施形態に比べ、熱電冷却領域における第１及び第２のシフト−スティッチ部分は、第１のサブ領域０３０又は第２のサブ領域０３２のいずれかと同様に、これらシフト−スティッチ部分が異なる。一般的に、第１の領域０３０に関して、第１の領域０３０のシフト−スティッチ部分１、及び第２の領域０３０ｂのシフト−スティッチ部分１は、第２のサブ領域０３２０の第１よび第２の部分０３２ａ、０３２ｂに比べ、対応するシフト−スティッチ部分２、２と異なる。例えば、第１の領域０３０の第２の部分０３０ｂにおけるシフト−スティッチ部分１は４７°であり、第２のサブ領域０３２における対応する第２の部分３２ｂのシフト−スティッチ部分２は４２°である。
【０１０５】
シフト−スティッチ型熱電冷却素子５００の第１のサブ領域０３０及び第２のサブ領域０３２にシフト−スティッチ型パーツを設けることの主たる利点は、隣接するシフト−スティッチ熱電冷却構造が、境界面において常に最小距離を有し、かつ、隣接する第１のサブ領域０３０と第２のサブ領域０３２との間に境界面が存在しない場合に最大距離を有することにある。このことは、電気的結合に関して特に効果的である。シフト−スティッチ型熱電冷却素子５００の架橋式接触材０３６は、電気的に高い導電性を有する材料、例えばアルミニウム、ウォルフラム、タングステン、及びこれらの材料の合金を含んでいる。
【０１０６】
一般的に、架橋式接触材０３６と半導体基板１１０との間には、コーティング層又はシールド層が設けられている。コーティング層又はシールド層は、シフト−スティッチ型熱電冷却素子５００又は熱電冷却領域の高温側のみに必要であることが好ましい。但し、このようなコーティング層を熱電冷却領域の低温側に設けることもできる。全体的な熱電冷却区画１２０は、低温側が高温側を形成できる場合の方向、又はその逆の方向のいずれにも用いられてよいためである。コーティング層は、当該コーティング層を介して、半導体基板の高温側から熱電冷却領域のコーティング層へと熱を効果的に輸送するために、熱的に高い伝導性を有する任意の材料を含んでいてよい。コーティング層におけるこのような材料は、人造ダイヤモンドであってよい。
【０１０７】
本発明は、特定の数のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００に限定されない。図２Ｅにおいて、Ａは複数のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００を備えるＳＴＥＣ領域２００の断面を示す。シフト−スティッチ型熱電冷却素子５００のそれぞれは、第１の領域０３０と、第２の領域０３２と、第１の領域０３０と第２の領域０３２との間の空間３４０を備える。同一のＳＴＥＣ領域２００における、２つの隣接するシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００、５００’は、第２の架橋式接触材４２０によって接続されることが好ましい。このことは、図３Ａに示されている。ＳＴＥＣ領域２００は、隣接するシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００’の第１の領域０３０と第２の領域０３２との間の空間３４０を、少なくとも部分的に、特に完全に充填した絶縁材料４８０を含んでいる。
【０１０８】
第２の接触領域４２０は、第１のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００の第２の領域０３２の第３の界面４４０から、第２のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００’の第１の領域０３０の第４の界面４６０へと広がっていてよい。第１のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００は、第２のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００’に比べて、第１のメイン領域１４０に近接している。第２の領域０３２の第３の界面４４０及び第１の領域０３０第４の界面４６０はいずれも、基板１００の異なる表面１１０ａ、１１０ｂに向かっていてもよいし、及び／又は、ＳＴＥＣ領域２００の長軸２００ａに平行に伸びていてもよい。さらに、第３の界面４４０及び第４の界面４６０は、第１の界面３８０及び第２の界面４００と平行に通っていてもよい。
【０１０９】
第１の架橋式接触材０３６及び／又は第２の架橋式接触材４２０は、電気伝導性を有する材料、例えばアルミニウム、金、銀など、あるいはこれらの材料の少なくとも１つを含む合金を含んでいる。その結果、同一のＳＴＥＣ領域２００におけるシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００、５００’の異なる領域０３０と０３２との間において、良好な電気伝導性及び特に良好な熱伝導性が与えられる。領域０３０と０３２との間の界面３８０、４００、４４０、４６０、及び、架橋式接触材０３６、４２０は、シフト−スティッチ型熱電冷却効果に好適である。
【０１１０】
ＳＴＥＣ領域２００は、少なくとも１つの架橋式接触材０３６、４２００を介して、第１のメイン領域１４０、ゲート領域１６０、及び／又は、第２のメイン領域１８０と接続されていてもよい。そのため、ＳＴＥＣ領域２００と、隣接する第１のメイン領域１４０、ゲート領域１６０、及び／又は、第２のメイン領域１８０との間の良好な電気的接続が実現される。
【０１１１】
一般的に、架橋式接触材０３６と半導体基板１１０との間には、コーティング層又はシールド層（不図示）が設けられている。コーティング層又はシールド層は、シフト−スティッチ型熱電冷却素子５００又は熱電冷却領域の高温側にのみ必要であることが好ましい。但し、このようなコーティング層を熱電冷却領域の低温側に設けることもできる。全体的な熱電冷却区画１００は、低温側が高温側を形成できる場合の方向、又はその逆の方向のいずれにも用いられてよいためである。コーティング層は、当該コーティング層を介して、半導体基板の高温側から熱電冷却領域へと熱を効果的に輸送するために、熱的に高い伝導性を有する任意の材料を含んでいてよい。コーティング層におけるこのような材料は、人造ダイヤモンドであってよい。
【０１１２】
図３及び図３Ａに示されるＳＴＥＣ領域２００は、半導体技術における標準的な方法によって製造されてよい。それゆえ、各種のサブユニット０３０、０３２、０３６、４２０を製造するための好適な方法については、本明細書では説明しない。
【０１１３】
但し、シフト−スティッチ型熱電冷却素子がシフト−スティッチ型のパーツである場合には、第１の領域０３０、第２の領域０３２、及び架橋式接触材と同様に、対応する第１のメイン領域及び第２のメイン領域を層によって製造することは有益である。各層は、これらの異なる領域に滑らかなエッジを確実に設けるために、可能な限り薄いことが好ましい。
【０１１４】
集積回路デバイスの実施形態の平面図について述べる。概略的に、集積回路デバイスは、基板１１０と、当該基板に組み込まれた１つの熱電冷却（ＳＴＥＣ）区画１２０とを備える。基板１１０は、半導体基板であってよい。例えば、基板１００はシリコンを含んでいてよい。但し、集積回路デバイスは、シリコンによって形成された基板１００に限定されない。
【０１１５】
ＳＴＥＣ区画１２０が１つであっても、非常に多くの数のＳＴＥＣ区画１２０が基板１００に組み込まれてよい。本発明の技術は、同一の基板１００に高密度のＳＴＥＣ区画１２０を設けることに特に適している。
【０１１６】
集積回路デバイスのＳＴＥＣ区画１２０は、絶縁材料によって少なくとも部分的に覆われてよい。また、少なくとも１つのＳＴＥＣ区画１２０は、異なる材料の少なくとも２つの層を備えた基板１００の少なくとも１つの部分に組み込まれてもよい。例えば、第１の層の材料は、第２の層の材料によって覆われてもよい。第２の層の材料は、絶縁材料であってよい。
【０１１７】
ＳＴＥＣ区画１２０は、第１の導電型の第１のメイン領域１４０と、複数のゲート領域１６０とを備える。ＳＴＥＣ区画１２０のゲート領域１６０は、第１のメイン領域１４０と電気的に接続されている。例えば、少なくとも１つのゲート領域１６０は、第１のメイン領域１４０の界面と直接的に接触してよい。但し、集積回路デバイスは、このようなＳＴＥＣ区画１２０の実施形態に限定されない。ゲート領域１６０は、少なくとも１つの導電性のチャネル（不図示）を介して、第１のメイン領域１４０と電気的に接続されてもよい。少なくとも１つのゲート領域１６０は、対応するトリガー信号によってトリガーされ得る半導体材料を含んでいる。このため、少なくとも１つのゲート領域１６０は、ＳＴＥＣゲートと称されてもよい。
【０１１８】
また、ＳＴＥＣ区画１２０は、第１の導電型とは異なる第２の導電型の、複数の第２のメイン領域１８０を備えている。第１のメイン領域１４０がｎ型である場合、第２のメイン領域１８０はｐ型である。
【０１１９】
同様に、ｐ型の第１のメイン領域を有するＳＴＥＣ区画１２０は、少なくとも１つのｎ型の第２のメイン領域１８０を備えている。第１のメイン領域１４０は、少なくとも１つの第２のメイン領域１８０及び／又は少なくとも１つのゲート領域１６０に比べて、電気的により高い電流量を有していてよい。
【０１２０】
第１のメイン領域１４０及び第２のメイン領域１８０は、ＳＴＥＣ区画１２０のソース／ドレイン領域として設計されている。このため、第１のメイン領域１４０及び少なくとも１つの第２のメイン領域１８０を介して、電圧を印加することが可能である。それゆえ、ＳＴＥＣ区画１２０は、メイン領域１４０、１８０を備えた少なくとも１つのトランジスタとして説明できる。当該トランジスタは、ソース／ドレイン領域として設計されており、電流の流れを制御するための少なくとも１つのゲート領域１６０を有する。第１のメイン領域１４０（好ましくはｐ型）がソース領域として設計されている場合、第２のメイン領域１８０（好ましくはｎ型）はドレイン領域として設計されている。同様に、ドレイン領域として設計された第１のメイン領域１４０（好ましくはｎ型）を有するＳＴＥＣ区画１２０は、ソース領域として設計された第２のメイン領域１８０（好ましくはｐ型）を備えている。
【０１２１】
少なくとも１つの熱電冷却（ＴＥＣ）領域２００は、ＳＴＥＣ区画１２における、第１のメイン領域１４０と少なくとも１つの第２のメイン領域１８０との間に配置されている。ＳＴＥＣ領域２００は、少なくとも１つのシフト−スティッチ型熱電冷却素子５０を備えている。また、ＳＴＥＣ領域２００は、隣接するゲート領域１６０に電気的に接触している。
【０１２２】
このように、各ＳＴＥＣ領域２００を通過する電流は、対応するゲート領域１６０によって制御されている。例えば、そのような電流は、第１のメイン領域１４０からの電流であって、その少なくとも１つのゲート領域及び少なくとも１つの隣接するＳＴＥＣ領域２００を通過し、少なくとも１つの第２のメイン領域１８０に至る電流であってもよい。図３に示されているように、ＳＴＥＣ領域２００は、隣接するゲート領域１６０をその第２のメイン領域１８０に接続するものであってもよい。但し、ＳＴＥＣ区画１２０は、少なくとも１つのＳＴＥＣ領域２００のそのような構成には限定されない。少なくとも１つの第２のメイン領域１８０がそのゲート領域１６０に直接接触しており、また、少なくとも１つのＳＴＥＣ領域２００が、隣接するゲート領域１６０を第１のメイン領域１４０に接続するようになっていてもよい。
【０１２３】
本発明の好ましい実施形態では、放射状に延伸するいくつかのドメインによって第１のメイン領域１４０が囲まれており、各ドメインが、１つのゲート領域１６０、１つの第２のメイン領域１８０、及び、１つのＳＴＥＣ領域２００を含んでいる。例えば、平面図において、ＳＴＥＣ区画１２０は、星状構造に似ていてもよい（図３参照）。ＳＴＥＣ区画１２０のデザインは、概ね、楕円又は円であってもよい。そのような形態のＳＴＥＣ区画１２０は、時間、場所、及び、温度に応じて変化を生じさせることが可能であり、したがって、感応型冷却システムに有用である。放射状に延伸する各ドメインを通過する電流がそのゲート領域１６０によって制御されるので、そのＳＴＥＣ区画１２０の第１のＳＴＥＣ領域２００を通過する第１の熱流束を、同じＳＴＥＣ区画１２０の第２のＳＴＥＣ領域を通過する第２の熱流束の生成を同時に引き起こすことなく、生成することができる。従って、第２のＳＴＥＣ領域２００に接する第２の側の冷却側ヒートシンクの温度を（著しく）下げることなく、第１のＳＴＥＣ領域２００に隣接する第１の側の冷却側ヒートシンク内の温度を下げることができる。
【０１２４】
ＳＴＥＣ区画１２０が、少なくとも２つのＳＴＥＣ領域２００と共に放射状に延伸する少なくとも２つのドメインを含む場合、これらのＳＴＥＣ領域２００の長手軸によって、ＳＴＥＣ区画１２０の周囲が、少なくとも２つのサブセクションに分けられてもよい。これらのサブセクションは、中心において、同じように、内部シフト−スティッチされている。さらに、同じＳＴＥＣ区画１２０の全てのサブセクションは、同じ２次元形状をしていてもよい。ただし、前記長手軸は、ＳＴＥＣ区画１２０の周囲を、２次元形状が異なる少なくとも２つのサブセクションに分けてもよい。さらに、同じＳＴＥＣ区画１２０の前記複数のサブセクションは、中心における内部シフト−スティッチが異なっていてもよい。
【０１２５】
基板１００の主面に平行なＳＴＥＣ区画１２０のサイズは、１ｎｍから１００μｍまでの範囲にあってもよい。前記主面に平行なＳＴＥＣ区画１２０のサイズは、２００ｎｍから１６０ｎｍまでの範囲にあることが好ましい。このようにして、図３に示されているＳＴＥＣ区画１２０の多数の異なる半導体デバイスへの組み入れ及び組み込みが容易になる。ＳＴＥＣ区画１２０には、例えば、大規模ＩＣ、マイクロプロセッサユニット、（３次元）マルチコアプロセッサ、ニューラルネットワークマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、少なくとも１つのチップを備えたシステム、センサデバイスが適用されてもよい。ただし、本発明の技術の実施は、前述の例には限定されない。
【０１２６】
第１のメイン領域１４０は、いくつかのゲート領域１６０が直接接する形をとっていてもよい。例えば、第１のメイン領域１４０は、正方形、長方形、五角形、六角形、八角形、円柱形、又は、楕円形をとってもよい。少なくとも１つのゲート領域１６０に関して、単純な正方形又は長方形が選択されてもよい。このようにして、第１のメイン領域１４０とその少なくとも１つのゲート領域１６０との間の電気的接続を確実に良好にできる。少なくとも１つの第２のメイン領域１８０及び少なくとも１つのＳＴＥＣ領域２００も、正方形又は長方形をとってもよい。このようにして、隣接するゲート領域１６０が駆動されると、それに応じて、少なくとも１つのＳＴＥＣ領域２００を通過して熱流束を生成する電流が得られる。
【０１２７】
基板１１０の表面に平行な第１のメイン領域１４０の寸法は、少なくとも１つのゲート領域１６０の対応する寸法よりも大きくてもよい。また、表面１１０ａ、１１０ｂに平行な第１のメイン領域１４０の寸法は、少なくとも１つのＳＴＥＣ領域２００の幅であってその長手軸２０ａに垂直な幅よりも、大きくてもよい。ゲート領域１６０の長さ、及び／又は、隣接するＳＴＥＣ領域２００の長手軸２００ａに平行な第２のメイン領域１８０の長さは、第１のメイン領域１４０の対応する寸法よりも短いことが好ましい。例えば、ゲート領域１６０の長さ、及び／又は、隣接するＳＴＥＣ領域２００の長手軸２００ａに平行な第２のメイン領域１８０の長さは、隣接する第１のメイン領域１４０の対応する寸法の１００％から９０％、好ましくは２００％から４００％であってもよい。同様に、ゲート領域１６０の幅、ＳＴＥＣ領域２００の幅、及び／又は、長手軸２００ａに垂直な第２のメイン領域１８０の幅は、隣接する第１のメイン領域１４０の対応する寸法の１００％から９０％（好ましくは２００％から４００％）であってもよい。
【０１２８】
第２のメイン領域１８０は、隣接するＳＴＥＣ領域２００の長手軸２００ａに垂直な幅であって、隣接するＳＴＥＣ領域の幅、及び、接しているゲート領域１６０の幅に一致する幅を有していてもよい。ただし、ＳＴＥＣ区画１２０は、そのような形態には限定されない。
【０１２９】
例えば、少なくとも１つの第２のメイン領域１８０の幅は、隣接するＳＴＥＣ領域の幅、及び／又は、接しているゲート領域１６０の幅の少なくとも２倍であってもよい。
【０１３０】
好ましい実施形態では、集積回路デバイスが、電源２６に接続されたクロック信号生成器２４を有するカウンタ２２をも備えている。少なくとも１つのゲート領域１６０は、少なくとも１つの接続素子２８０、例えば、制御信号ラインを介して、カウンタ２２０に接続されている。電源２６は、ＤＣ制御信号（例えば、０．１〜２４ボルト、とりわけ、０．１〜１Ｖ）を供給してもよい。ただし、集積回路デバイスは、前記制御信号の特定の値には限定されない。クロック信号生成器２４は、ゲート領域１６０を０．０００１ｋＨｚ〜１００ＧＨｚの間の周波数で駆動してもよい。ただし、集積回路デバイスは、クロック信号生成器２４の特別なクロック周波数には限定されない。
【０１３１】
カウンタ２２０によって駆動される少なくとも１つのゲート領域１６０は、ＳＴＥＣ区画１２０の周囲の熱電冷却を時間、位置、及び、温度に関して制御するオン／オフスイッチの制御素子として働いている。換言すれば、前記少なくとも１つのゲート領域１６０は、カウンタ２２０の制御信号によって、電解効果を制御可能な気体によってＳＴＥＣ区画１２０の周囲に時間、位置、及び、温度に関して差異が生じるように、駆動される。ただし、そのような制御機構は、バイポーラスイッチであってもよい。
【０１３２】
また、ＳＴＥＣ区画１２０は、追加の領域を備えていてもよく、追加の領域が配置されるのは、第１のメイン領域１４０と少なくとも１つのゲート領域１６０との間、少なくとも１つのゲート領域１６０と、その隣接するＳＴＥＣ領域２００との間、及び／又は、少なくとも１つのＳＴＥＣ領域２００とその隣接する第２のメイン領域１８０との間であってもよい。追加の領域は、例えば、クリーン領域であってもよい。
【０１３３】
第２の実施形態では、第１のメイン領域が八角形をしており、従って、全部で８つの熱電冷却区画を備えている。８つの熱電冷却区画は、八角形の第１のメイン領域の一辺から、星形を成すようにまっすぐ外側に向けて延びている。
【０１３４】
シフト−スティッチ型熱電冷却素子の構造に関するさらに２つの実施形態
図２Ａの実施形態では、シフト−スティッチ型熱電冷却素子が、導電型が異なる第１のサブ領域０３０及び第２のサブ領域０３２を備えている。第１のサブ領域０３０及び第２のサブ領域０３２は、互いに空間を隔てている。２つのサブ領域０３０、０３２は、架橋式接触材０３６を介して互いに接続されている。
【０１３５】
図２Ａの実施形態では、第１のサブ領域０３０及び第２のサブ領域０３２は、立方体、例えば、長方形又は円柱（図示せず）の形をとってもよい。これは非常に一般的であり、第１のサブ領域及び第２のサブ領域０３０、０３２における有利な構造でもある。
【０１３６】
シフト−スティッチ型熱電冷却素子の非常に好ましい実施形態。ここでは、第１のサブ領域及び第２のサブ領域は、円形、楕円形、又は、楕円に似た形をしている。第１の領域及び第２の領域０３０、０３２は、３次元の楕円面の形をしている。これらの領域０３０、０３２は、回転楕円形、又は、回転楕円面の形をとってもよい。領域０３０、０３２は、適用される半導体技術に応じたもの、すなわち、細長い（上下に長い）、又は、平たい（上下に短い）回転楕円体であってもよい。もし、楕円がその長軸の周りを回転すると、その結果は、ラグビーボールやアメリカンフットボールのような細長い（上下に長い）回転楕円形となる。もし、楕円がその短軸の周りを回転すると、その結果は、レンズマメのような平たい（上下に短い）回転楕円形となる。もし、生成する楕円形が円形である場合、その結果は球となる。第１の領域及び第２の領域０３０、０３２は、２つの半球を備えた円柱であって、その両側の面に前記２つの半球がついている円柱の形をとってもよい。前記円柱は、楕円柱、放物柱、又は双曲柱であってもよい。
【０１３７】
図２Ｅに示されている３つの形状の利点は、次の通りである。即ち、第１の領域及び第２の領域０３０、０３２における、対応する架橋式接触材３６に対する接触領域が、前記第１の領域及び第２の領域０３０、０３２の形状が細長いか平らかに依るものの、ある程度小さくなる。
【０１３８】
これは、熱的、電気的には非常に有利である。
【０１３９】
電流が、界面３８０、４００、４４０及び４６０を通る（従って、連続して配置されている複数のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００を通る）と、図２、２Ａに示されているＳＴＥＣ領域２００は、基本的に、長手軸２００ａに垂直な方向（即ち、表面１１０ａ、１１０ｂの配向）に熱流束をもたらす。このようにして、非常に高い熱電冷却能力を可能にする熱電冷却構造が実現される。
【０１４０】
図２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅに示されている実施形態では、シフト−スティッチ型熱電冷却素子５００、５００’の第１の領域及び第２の領域０３０、０３２は、シフト−スティッチ部分ｄ又はシフト−スティッチ型パーツであり、垂直配向及び水平配向のいずれかを有している。ここで、シフト−スティッチ部分αは、第１の領域及び第２の領域０３０、０３２の方向と水平面との間に存在する。
【０１４１】
前記水平面は、第１の面及び第２の表面１１０ａ、１１０ｂによって画定され、架橋式接触材０３６、４２の配向によっても画定される。このシフト−スティッチ部分αは、３０°〜７５°の間であることが好ましい。但し、本発明におけるもう一つの発見は、シフト−スティッチ部分αが３０°〜４０°の範囲にある場合、とりわけシフト−スティッチ部分αが厳密に３５°である場合に、最良の熱伝導特性が実現されることである。
【０１４２】
以降では、シフト−スティッチ型熱電冷却素子５００のさらなる実施形態について、図２Ｃ〜図２Ｄに関連して説明する。
【０１４３】
図２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅの実施形態では、複数のシフト−スティッチ型熱電冷却素子が、概ね水平方向に並べられている。即ち、複数のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００が第１の面及び第２の表面１１０ａ、１１０ｂに平行に並べられている。ただし、これは、必須ではない。
【０１４４】
シフト−スティッチ型熱電冷却素子５００の配向は、架橋式接触材の配向によって規定される。
【０１４５】
別のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００の実施形態。ここでは、シフト−スティッチ型熱電冷却素子５００の配向が、第１の表面及び第２の表面１１０ａ、１１０ｂの配向とは異なっている。即ち、シフト−スティッチ型熱電冷却素子がシフト−スティッチ型パーツの形態で半導体基板の内部に配置されている。その結果、シフト−スティッチ部分α１が、シフト−スティッチ型熱電冷却素子５００の配向と、第１の表面及び第２の表面１１０ａ、１１０ｂによって規定される水平方向との間に存在する。
【０１４６】
このような種類のシフト−スティッチ型パーツが統合された複数のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００を設けることによって、以下が可能となる。即ち、１つの方向（即ち、水平方向）のみに並べられておらず、少なくとも部分的に垂直方向にも並べられている、複数のＳＴＥＣ領域２００を、半導体基板内に設けることが可能となる。これは、図２Ｄの実施形態に示されており、複数のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００（シフト−スティッチ型パーツ）が、直列接続（図２Ｃのものと類似）をなすように配置されている。複数のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００（シフト−スティッチ型パーツ）の直列接続は、シフト−スティッチ部分α１を規定するシフト−スティッチ型パーツの形態で配置される。
【０１４７】
図２Ｅは、シフト−スティッチ型熱電冷却素子の非常に好ましい実施形態を示している。ここで、第１の領域及び第２の領域０３０、０３２は、相互接続された立方体形状で形成されている。前記立方体形状は、シフト−スティッチ状の断面を有し、これによって、菱面体を形成する。ベースのシフト−スティッチ部分αは、架橋式接触材０３６の反対側に設けられる。
【０１４８】
シフト−スティッチ型熱電冷却素子のさらなる実施形態。ここでは、第１の領域及び第２の領域３０、３２が複数パーツ型の構造を取っている。第１の領域及び第２の領域の各々は、複数の部分（本ケースでは、４つの部分）を備えている。対応する領域の異なる複数の部分の各々は、対応する第１の領域及び第２の領域０３０、０３２の各部分が階段状の構造のステップを形成するように、互いにずらして配置されている。互いにずれている前記異なる複数の部分は、シフト−スティッチ部分α２がこの階段状の構造のスロープによって規定されるように、配置されている。複数パーツ型の構造は、第１のシフト−スティッチ部分を有する第１のパーツと、前記第１のパーツと接続され、第２のシフト−スティッチ型パーツを有する第２のパーツと、を備えている。前記第１のパーツは、架橋式接触材と直接接触しており、前記第１のシフト−スティッチ部分は、前記第２のシフト−スティッチ型パーツよりも、少ないか、同数か、又は、多い。前記複数パーツ型の構造は、第３のシフト−スティッチ部分を有する第３のパーツと、前記第２のパーツと接続され、第３のシフト−スティッチ部分を有する第４のパーツと、を備えている。前記第３のパーツは、架橋式接触材と直接接触しており、前記第３のシフト−スティッチ部分は、前記第４のシフト−スティッチ型パーツよりも、少ないか、同数か、又は、多い。前記第１のシフト−スティッチ型パーツ（０８０）は、前記第１のパーツの１／９９から４７／５００の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、特に、前記第１のパーツの１／４から１／３の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、又は特に、前記第１のパーツの１／５から１／４の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、及び／又は、第２のシフト−スティッチ型パーツ（０８０）は、前記第２のパーツの１／９９から４７／５００の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、特に、前記第２のパーツの１／４から１／３の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、又は特に、前記第２のパーツの１／５から１／４の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、及び／又は、前記第３のシフト−スティッチ型パーツ（０８０）は、前記第３のパーツの１／９９から４７／５００の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、特に、前記第３のパーツの１／４から１／３の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、又は特に、前記第３のパーツの１／５から１／４の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、及び／又は、第４のシフト−スティッチ型パーツ（０８０）は、前記第４のパーツの１／９９から４７／５００の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、特に、前記第４パーツの１／４及び１／３の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内であり、又は特に、前記第４のパーツの１／５から１／４の間の第１のサブ領域（０３０）の長さ以内である。
【０１４９】
本発明に係るセル構造の第３の実施形態を示す投影上面図又は平面図。ＳＴＥＣ区画の鉤状構造間のエリア５２０は、熱電冷却領域２００を含むが、センサ５４０、整流素子、スイッチング素子５６、制御素子、プログラマブルデバイス５８０、メモリデバイス、他の半導体デバイス、レーザダイオード６００等の他の半導体デバイスが設けられていてもよい。これらの部分にこれらのデバイスの一部を配置するのみとすることも可能である。
【０１５０】
セルをベースとする集積回路の実施形態。このセルをベースとする集積回路は、参照数字１００で示されている。セルをベースとする集積回路は、アレイ状に配置されている異なる複数のセル１１０、１１２を有している。これらのセル１１０のいくつかは、本発明に係るセル構造（即ち、熱電冷却区画を有するセル構造１００）を有している。集積回路１００の他のセル１１２は、メモリ、制御デバイス（例えば、マイクロプロセッサ）等の他のデバイスを備えている。更に、少なくとも１台の制御デバイス１２０が設けられている。セル構造１１００の内部の各デバイスの動作を、対応するトリガー制御信号を用いて独立制御するために、この制御デバイス１００が、対応するセル構造１１００の各ゲート領域に接続されている（図２に示さず）。
【０１５１】
以降、本発明に係るセル構造のいくつかのその他の実施形態について、簡単に説明する。
【０１５２】
一実施形態では、第１のメイン領域１６０が円形をしており、熱電冷却領域２００の区画が、星状に外側に向かって延びている。第１のメイン領域を楕円形又は長円形にすることも可能であってもよい。この構成は、熱電冷却領域２００と第１のメイン領域１４０との間の電気的接続に関して有利である。
【０１５３】
前記実施形態において、第１のメイン領域は正方形をしている。この場合、全部で４つの熱電冷却区画を設けることが可能になっていてもよい。ただし、該実施形態では、それらの２つは、第１のメイン領域１４０の各辺において星状に延びている。
【０１５４】
前述の全ての実施形態では、熱電冷却区画が直列且つ直線的に実現されている。これは、いくつかの実施形態では有利である。但し、これは必須ではない。前記実施形態では、熱電冷却区画が螺旋形をしている。ここで、熱電冷却領域は、まず概ね外側に向かって直線的に伸びており、その次に螺旋形を示している。これは、半導体の与えられた領域を最適に利用するためである。ＳＴＥＣ領域２００の螺旋は、内向き螺旋形であってもよいし、外向き螺旋形であってもよい。
【０１５５】
ただし、実際には、熱電冷却領域はメアンダ状の形をとってもよい。
【０１５６】
２Ｇにおいて、前記熱電冷却領域は渦巻状の形状を含み、前記渦巻状の形状は全体的には長方体状又は２次元形状である。
【０１５７】
前記熱電冷却領域におけるおおよそのジグザグ構造。
【０１５８】
図２Ａ〜２Ｈについて説明した全ての上記実施形態は、前記熱電冷却領域２００が、前記第１のメイン領域１４０と該第１のメイン領域から距離を取るようにおおよそ直線状に延伸する前記熱電冷却領域とが直接に結合される第１の部分を有する、という点で共通する。そして、該第１の部分に続き、前記熱電冷却領域２００は、上述したように、例えばメアンダ状、渦巻状、ジグザグ状、又は他の何らかの規則若しくは不規則の方式で、ある程度に十字状に交叉する。
【０１５９】
同一の熱電冷却領域における隣接のシフト−スティッチ型熱電冷却素子間の距離は同じである。一実施形態として、同一の熱電冷却領域における大部分の前記シフト−スティッチ型熱電冷却素子は、同じ距離を有する。但し、一部の隣接配置されたシフト−スティッチ熱電冷却素子は、前記高密度パッケージ、及び前記ジグザグ状、メアンダ状又は渦巻状を実現するために、大きめな距離を有する。
【０１６０】
一部の実施形態において、図２Ｅに示された具体例のように、同一の熱電冷却領域２００における隣接のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００同士間は同じ距離を有する。この構成は、例えば熱電冷却領域２００がメアンダ状、渦巻状、又は他の何らかの高密度パッケージ区画を有する場合には、該熱電冷却領域における高密度パッケージの実現に特に好適である。
【０１６１】
図２Ｃ及び２Ｄは、熱電冷却領域２００の別の実施形態を示す。ここで、上記の実施形態とは異なり、同一の熱電冷却領域２００における隣接のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００同士間の距離は、同じではない。この構成は、前記セル構造内の前記熱電冷却領域における高密度パッケージ、例えば前記熱電冷却領域におけるメアンダ状、渦巻状、又は他の何らかの高密度パッケージを実現する場合に特に有利である。
【０１６２】
集積型冷却アレイの第２の実施形態として、該集積型冷却アレイは、計７個の本発明の集積型セル構造１００を含む。なお、該集積型セル構造は図２Ｄの実施形態に対応している。
【０１６３】
ＳＴＥＣ区画の更なる実施形態の断面図において、前記熱電冷却区画は、複数のシフト−スティッチ型熱電冷却素子５００を有する熱電冷却領域２００を複数含む。前記熱電冷却領域２００は、対応するゲート領域を介して第１のメイン領域に接続されている。該更なる実施形態の基本原則は、異なる熱電冷却領域２００の各々が、前記半導体基板１００の配向に応じて異なるシフト−スティッチ部分を有する、ということである。これにより、前記熱電冷却領域２００の星状構成及び星状構造が実現される。前記熱電冷却領域２００は前記第１のメイン領域から、おおよそ星状に延伸している。
【０１６４】
一方、図２は、前記熱電冷却区画の２次元断面図のみを示しているが、複数のＳＴＥＣ領域２００は、３次元に延伸してもよいことは言うまでもない。
【０１６５】
この実施形態は、前記熱電冷却区画によれば、熱源からヒートシンクへの放熱のみならず、他の応用も可能になるため、該区画に対する賢い応用が可能となる。
【０１６６】
第１の応用として、このような熱電冷却区画は、熱センサとして使用することができる。なぜなら、異なるシフト−スティッチ熱電冷却領域（又はそれに含まれるシフト−スティッチ型熱電冷却素子）の各々が、指定の温度下に置かれるとき、異なる反応を示すからである。当該温度は、異なる熱電冷却領域における前記対応するゲート領域をトリガリングすることで、前記熱電冷却区画によって検知される。この場合、測定電流は、前記対応する熱電冷却領域２００の温度及びシフト−スティッチ部分の関数である。これにより、非常に賢い温度センサを実現可能である。
【０１６７】
同様に、このような熱電冷却区画をデジタルデータの符号化のために利用することも可能である。このような応用によれば、異なるシフト−スティッチ熱電冷却領域２００に対する適宜なトリガリング、例えば温度の変化、トリガリング電流、シフト−スティッチ部分などを利用してデータを符号化することが可能になる。その結果、データを、温度の変化、前記シフト−スティッチ部分、前記トリガリング電流を利用して符号化することができる。
【０１６８】
図３は、本発明における熱電冷却区画の動作を説明するための温度−時間図である。シフト−スティッチ型熱電冷却素子（点線）を用いる既知の熱電冷却区画によれば、温度は、まず、該既知の熱電冷却区画によって達成可能な最低温度であるアンギュラーポイントＡまで降温する。該アンギュラーポイントの次に、該温度は、中間アンギュラーポイントＢまで僅かに上昇する。その後、該温度Ｔは再び僅かに増加する。
【０１６９】
本発明における熱電冷却区画に関する曲線（太線）は、アンギュラーポイントを有さずに着実に下降すると共に、低めの閾値Ｃに近付く。該閾値Ｃは、上記アンギュラーポイントＡよりも大いに低い。
【０１７０】
熱電冷却領域における２つの部分の断面図において、２つの熱電冷却区画１２０、１２０’は、一方が他方に重なるように、前記半導体基板１１０上に垂直方向に積み重なっている。
【０１７１】
上記積み重なるように隣接配置された熱電冷却区画の同士間は、中間層１３０が備えられている。該中間層は、隣接配置された２つの熱電冷却区画１２０、１２０'の間の距離Ｄによって規定される。好適な一実施形態において、該距離Ｄは、少なくとも５ｎｍ、最も好ましくは５ｎｍから１２０ｎｍである。一例として、該距離Ｄは、前記半導体基板１１０上の熱電冷却区画１２０、１２０’の積層数に応じて増加するが、これに限定されない。
【０１７２】
前記中間層１３０は、前記隣接配置された熱電冷却区画１２０、１２０’を電気的に隔離すると共に、前記積み重なった熱電冷却区画１２０、１２０'における高密度パッケージを実現するために、少なくとも部分的に絶縁、好ましくは完全に絶縁する材料からなる。いずれにしても、これにより、区画全体における相当高い冷却能力が保証される。
【０１７３】
好適な一実施形態において、少なくとも１つの接続デバイス１４０が備えられている。該接続デバイス１４０は、少なくとも２つの熱電冷却区画１２０間、好ましくは積層及び／又は隣接配置された２つの熱電冷却区画１２０、１２０'の間に配置される。該接続デバイス１４０は、２つの前記熱電冷却区画１２０間の熱結合を実現し、さらに２つの前記熱電冷却区画１２０間の電気隔離性を保証するために、高熱伝導性及び電気絶縁性を有する材料を含む。
【０１７４】
以下は、本発明における前記熱電冷却区画１２０の幾つかの典型的特徴を説明するが、これらに限定されない。
・熱伝導性：必ず高い。
・導電率：必ず高い。
・電気抵抗：必ず低い。
・クリスタル密度：クリスタル内の振とう速度を増加するために必ず低い。それにより熱伝導性が増加する。
・ゼーベック係数：電子と正孔との両方の輸送による混在伝導を回避、又は低減させために必ず高い。
・熱伝導係数：界面効果及び他の問題を低減させるために必ず可能な限り低い。
【０１７５】
本発明の実施形態及び応用を以上に図示、説明したが、本明細書に記載の発明思想を逸脱しない範囲で、上記の説明以外の様々な変更（上記簡単に説明した構成以上のもの）も可能であることは、当業者にとって明白である。したがって、本発明は、以上の構成に限定されず、添付される請求項の精神に限定されるものである。
【０１７６】
ゆえに、上述した詳細な説明は、限定ではなく、例示と見做すべきことが意図されている。また、請求項に記載の構成に対する全ての均等的構成を含む請求項は、本発明の精神及び範囲を定義することが意図され、このことは理解されるべきである。また、上述した説明は、特許請求する本発明の範囲、又はその均等的構成を否定するものではない。
【０１７７】
本明細書において、関連用語、例えば第１及び第２、上部及び底部、又はそれに類似するものは、実体又は動作間における実際の関係や順序を要求又は示唆せずに、当該実体又は動作を別の実体又は動作から区別するために使用されている。また、用語「含む／含んでいる」、「有する／有している」、「備える／備えている」、「包含する／包含している」又はこれらの活用は、非除外的内包が意図され、例えばプロセス、方法、物品、装置をカバーすることと、当該要素／ステップのみではなく、上記プロセス、方法、物品、装置にリストされていない要素／ステップ又は固有の要素／ステップを包含することと、が意図されている。さらに、用語「１／一」は、別途で詳述に定めない限り、１つ以上という意味として定義される。
【図面の簡単な説明】
【０１７８】
【図１】本発明に係るセル構造の、第一の基本的な実施形態の断面図である。
【図２】図１に示したような集積回路デバイスのための熱電冷却領域の一区画を示す断面図である。
【図２Ａ】本発明に係る異なるシフト−スティッチ型熱電冷却素子のＳＴＥＣ領域の断面図である。
【図２Ｂ】本発明に係る異なるシフト−スティッチ型熱電冷却素子のＳＴＥＣ領域の断面図である。
【図２Ｃ】本発明に係る異なるシフト−スティッチ型熱電冷却素子のＳＴＥＣ領域の断面図である。
【図２Ｄ】本発明に係る異なるシフト−スティッチ型熱電冷却素子のＳＴＥＣ領域の断面図である。
【図３】本発明に係るセル構造の第二の実施形態の平面図である。
【符号の説明】
【０１７９】
１００  セル構造
１１０  基板
１１０ａ  基板の上面
１１０ｂ  基板の底面
１２０、１２０’  ＳＴＥＣ区画
１４０  第１のメイン領域
１６０  ゲート領域
１８０  第２のメイン領域
２００  熱電冷却領域、ＳＴＥＣ領域
２００ａ  ＳＴＥＣ領域の長手軸
２１０  ダイオード
２２０  カウンタ
２４０  クロック信号生成器
２６０  電源
２８０  制御信号ライン
０３０  第１のサブ領域
０３２  第２のサブ領域
３４０  空間
０３６  架橋式接触材
３８０  第１の界面
４００  第２の界面
４１０  付着層
４２０  第２の接触サブ領域
４４０  第３の界面
４６０  第４の界面
４７０  ビア、温度感知トリガリング型導電基板
４８０  鉤状構造
４９０  ビア、導電基板
５００、５００’  シフト−スティッチ型熱電冷却素子
５２０  エリア
５４０  センサ
５６０  スイッチング素子
５８０  プログラマブルデバイス
６００  レーザダイオード
７００  第１のシフト−スティッチ型パーツ
７１０  第２のシフト−スティッチ型パーツ
７２０  第３のシフト−スティッチ型パーツ
７３０  第４のシフト−スティッチ型パーツ
７５０  薄膜の高さ
１０００  セルをベースとする集積回路
１１００  セル、セル構造からなるセル
１１２０  別のセル
１２００  制御デバイス
１０３０  中間層
１４００  接続デバイス
Ａ  アンギュラーポイント
Ｂ  アンギュラーポイント
Ｃ  閾値
Ｄ  距離
Ｔ  温度
ｔ  時間
Ｓ１〜Ｓ４  トリガー制御信号
【図１】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３】
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【国際調査報告】
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