CN1622356A - 电子热泵器件、激光器组件、光学读头以及电子设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种小型的电子热泵器件，其功耗低，且无需附加的电路就能确保真空隙可靠。所述电子热泵器件包括发射极(1)和集电极(2)。用于将发射极电极(11)与集电极电极(21)之间的间隔，即真空隙(G)，保持恒定的电热绝缘的衬垫部(5)一体化地形成在集电极(2)的半导体基板(20)中，使得能够将真空隙保持为规定的间隔，同时以简单的结构、减少的组件数目，防止热回流。

Description

电子热泵器件、激光器组件、光学读头以及电子设备
技术领域
本发明涉及用于通过例如施加电流而从低温区域向高温区域传热的电子热泵器件。本发明还涉及用于通过使用电子热泵器件来冷却半导体激光二极管设备的激光器组件、装备有所述激光器组件的光学读头、以及装备有所述电子热泵器件的电子设备。
背景技术
近年来，可写光盘装置所记录的图像和数据正在迅速扩展，因此，记录速度以及可写半导体激光二极管的光输出不断提高。
半导体激光二极管设备发光，同时发热，其能量是光(light)的若干倍，因此，要关注的是半导体激光二极管本身所产生的热量可能引起波长波动以及降低寿命。
作为用于冷却半导体激光二极管设备的装置，传统上推荐了一种装备有由珀耳帖效应(peltiert)器件组成的电子热泵器件的半导体激光模块。
如图18所示，所述半导体激光模块(第一现有技术实例)由半导体激光二极管芯片(下文中称为LD芯片)101、用于安装透镜的金属基板104、以及珀耳帖效应(peltiert)器件105组成(见JP10-200208)。
金属基板104通过金属焊接而接合到珀耳帖效应器件105的顶部，并且，为了将LD芯片101的温度保持恒定，在其上安装热敏电阻108。
热量从LD芯片101转移到珀耳帖效应器件105的上表面。通过将电流施加到珀耳帖效应器件105，热量从珀耳帖效应器件105的上表面转移到下表面，并且通过未示出的温度调节电路控制珀耳帖效应器件105的电流，就能够将LD芯片101的温度保持恒定。
此外，作为电子热泵器件，已经推荐了一种与珀耳帖效应器件105结构不同的真空二极管型结构的装置。
如图19所示，所述真空二极管型结构的装置(第二现有技术)起电子热泵器件的作用，其中发射极111与集电极112彼此面对，其间间隔有真空间隙113，通过监控静电电容，对施加到用于调节发射极111和集电极112之间的空间的压电器件114的电压进行反馈控制，使得以从发射极111发出的电子移动到集电极112的方式来施加电压，从而实现热量的传送，从吸热区域115向放热区域116转移(见国际公开号WO99/13562)。
此外，如图20所示，作为真空二极管型结构的另一装置(第三现有技术实例)，给出了一种具有电子冷却功能的真空隙结构的热电子发生器，其中发射极111和集电极112由微小的障壁(barrier)119支撑(见JP2002-540636A)。
该装置是一种利用下述现象的装置，在该现象中，电子从发射极11注入到障壁119，并从障壁119移动到集电极112，电子由障壁119过滤，从而热量与电子一起移动。
然而，第一至第三现有技术实例具有下述的问题。
在第一现有技术实例中，珀耳帖效应器件的冷却效率低，因此，必须提供比半导体激光二极管生成的热量值大数倍的能量，以获得足够的冷却效率。
这是因为，如图21所示，珀耳帖效应器件构造成按顺序电气串联连接第一金属电极121a、p型半导体106、第二金属电极121b、n型半导体107以及第三金属电极121c，利用珀耳帖效应，在珀耳帖效应中，当从外部施加电压使得电子从p型半导体106移动到n型半导体107时，在电子从第一金属电极121a移动到p型半导体106与从n型半导体107移动到第三金属电极121c的接合处产生热量，而在电子从p型半导体106到第二金属电极121b与从第二金属电极121b到n型半导体107的接合处发生吸热，导致在p型半导体106和n型半导体107的两端之间产生温差。然而，在p型半导体106和n型半导体107内，由于如箭头122所示的热传导，存在热流，造成了低冷却效率和高功耗的问题。
如图22所示，在第二现有技术实例中，从发射极111发出的电子移动到集电极112，同时通过电子传送热量。由于从集电极112到发射极111的热转移受到真空隙113的阻隔，实现了如箭头123所示的单向热流，导致高冷却效率和低功耗。
然而，在该第二现有技术实例中，为了将真空隙113保持为10nm或更小，需要用于真空隙113的反馈控制的如图19中所示的压电器件114以及静电电容控制器117，这引起了装置变大从而导致不能降低尺寸和重量的问题。
此外，在第三现有技术实例中，如图22所示，电子从发射极111向集电极112传热。然而，如图20所示，由于热传导，热量流过介于发射极111和集电极112之间的障壁119，这引起了冷却效率差以及高功耗的严重问题，这与上述珀耳帖效应器件的原因相同。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种超小型的电子热泵器件，它不使用压电器件就能够确保真空隙可靠，并实现显著的功耗降低。
为了实现上述目的，提供了一种电子热泵器件，包括：
发射极侧外部电极基板；
包含半导体基板的发射极，所述发射极的半导体基板的一个表面连接到所述发射极侧外部电极基板以允许电传导和热传导，所述发射极的半导体基板的另一表面上设置发射极电极；
集电极侧外部电极基板；
包含半导体基板的集电极，所述集电极的半导体基板的一个表面连接到所述集电极侧外部电极基板以允许电传导和热传导，所述集电极的半导体基板的另一表面上设置集电极电极；
所述发射极和集电极配置成所述发射极电极和所述集电极电极彼此相对并隔有间隔，
在所述发射极的半导体基板和所述集电极的半导体基板中的至少一个上一体化地形成至少一个衬垫部，所述衬垫部保持所述发射极电极和所述集电极电极之间的间隔，并且是电热绝缘的，
所述电子热泵器件还包括：
电热绝缘的、置于所述发射极侧外部电极基板和所述集电极侧外部电极基板之间的、用于将所述发射极侧外部电极基板和所述集电极侧外部电极基板之间的间隔保持为恒定值的间隔保持构件；以及
用于在所述发射极侧外部电极基板和所述集电极侧外部电极基板之间保持真空的密封构件。
在此，发射极侧外部电极基板和集电极侧外部电极基板具有电导性和热导性，由诸如钨、碳化钨、铜和硅之类的材料制成。发射极的半导体基板和集电极的半导体基板由例如n型Si基板(晶片)制成。间隔保持构件由例如绝缘垫圈和树脂螺拴组成。密封构件是电热绝缘的，例如由低熔点玻璃制成。发射极电极由例如形成在发射极的半导体基板的表面上的导电材料制成的薄膜构成，容易发射电子。集电极电极由例如形成在集电极的半导体基板的薄膜上的导电材料制成的薄膜构成。真空状态的间隔对从发射极侧移动到集电极侧的高能量电子进行过滤。衬垫部一体化地形成在半导体基板上，例如通过对Si晶片制成的半导体基板的薄膜进行热氧化以形成SiO2膜并蚀刻SiO2膜来形成。
根据本发明的电子热泵器件，在发射极电极和集电极电极之间存在间隔(真空隙)，能够向电子热泵器件提供真空隙二极管结构，从而允许防止热回流，实现比珀耳帖效应器件更低的功耗。
此外，将间隔保持恒定并且是电热绝缘的衬垫部一体化地形成在发射极的半导体基板和集电极的半导体基板中的至少一个中，能够将真空隙保持为规定的间隔，同时以简单的结构和少量的组件防止热回流。更为特别地，就不需要传统的真空隙二极管结构的电子热泵器件中所要求的作为将发射极和集电极之间的真空隙保持为规定的间隔的手段的压电元件、电容控制器、压电反馈电路等，从而能够减少组件的数量，使得尺寸、重量以及成本降低。
此外，调节衬垫部的厚度使得间隔(真空隙)的大小接近纳米级，使得障壁高度降低，增强了发射极的电子发射效果。更为具体地，上述间隔构成了防止电子在发射极和集电极之间的隧道效应的障壁，并且减小发射极电极和集电极电极之间的间隔能够降低实际障壁的高度。
此外，包括发射极侧外部电极基板和集电极侧外部电极基板的电子热泵器件能够形成得更薄更小，从而允许将电子热泵器件安装在例如现有的半导体激光器组件等的封装件中。
在一个实施例中，所述发射极侧外部电极基板和所述集电极侧外部电极基板为近似长方体形状。
根据该实施例，电子热泵器件为近似长方体芯片形状，从而能够实现超小型的电子热泵器件。这允许将电子热泵器件安装例如半导体激光器组件的封装中，从而实现具有控制激光器芯片温度的功能的半导体激光器和全息激光器。
在一个实施例中，密封构件能够牢靠地将发射极侧外部电极基板和集电极侧外部电极基板之间保持真空。
在又一实施例中，密封构件与发射极侧外部电极基板和间隔保持构件相接触的第一密封段，以及与集电极侧外部电极基板和间隔保持构件相接触的第二密封段。
根据该实施例，就能够减小密封构件的体积，以实现成本降低。
在一个实施例中，所述发射极电极的表面和所述集电极电极的表面的最大粗糙度Rz的值不大于所述发射极电极和所述集电极电极之间的间隔的最小值的1/2。
“最大粗糙度Rz”是由例如翘曲的、波状的以及粗糙的表面引起的不均匀度。
根据该实施例，最大粗糙度Rz的值不大于发射极电极和集电极电极之间的间隔的最小值的1/2。从而，两个电极的表面都得以平滑以减少可能由电极的表面粗糙度引起的挠曲。例如，能够减少由于表面凸出部分彼此相对造成两个电极相接触而引起的短路故障，并能够缓和由于表面凹陷部分彼此相对造成间隔(真空隙)扩大而引起电子发射量和冷却量中的下降。更为具体地来说，如果最大粗糙度Rz的值超过间隔的最小值的1/2，那么由于表面凹陷部分彼此相对和翘曲造成间隔(真空隙)扩大而引起发射极的电子发射量降低，从而降低冷却量，同时表面凸出部分彼此相对会使得两个电极相接触，从而引起短路故障。
在一个实施例中，所述发射极电极的表面和所述集电极电极的表面的最大粗糙度Rz的值不大于所述发射极电极和所述集电极电极之间的间隔的最小值的1/4。
根据该实施例，两个电极的表面被更为精确地平滑，以进一步减少由电极的表面粗糙度引起的挠曲。
在一个实施例中，所述发射极电极的逸出功近似等于或小于所述集电极电极的逸出功。
“逸出功”在此是指把某一能量(如热和电场)施加给一给定材料时代表该材料的电子发射能力的物理特性值，电子从材料的表面逸出外部能量势垒(如真空)，其中，逸出功越低意味着电子发射量越大。
发射极电极和集电极电极由导电复合材料构成，并构造成用氧化铯覆盖由例如Ag、Ti或Au制成的薄膜的表面。
根据该实施例，在发射极电极的逸出功近似等于集电极电极的逸出功的情况下，将电流馈电方向反向就能够实现能够反转热传递方向的电子热泵器件。在发射极电极的逸出功小于集电极电极的逸出功的情况下，就能够降低来自外部的施加电压，导致功耗降低。此外，当在两个电极之间产生温差时，就能够通过加热集电极侧，降低热电子发射量以及来自外部的施加电压，从而允许功耗降低。
在一个实施例中，多个衬垫部一体化地形成在所述集电极的半导体基板中，并与发射极电极相接触，多个衬垫部彼此相间隔地配置在所述集电极的半导体基板上，
当把与发射极电极相接触的多个衬垫部的总面积与发射极电极的面积的比率定义为衬垫部面积比时，满足下述的关系式：
(衬垫部面积比)×(衬垫部热导率(W/m·K))÷(衬垫部厚度(nm))≤3.0×10-6。
根据该实施例，可以适当地设置衬垫部的面积、衬垫部的分布节距、以及衬垫部的厚度。可以把通过衬垫部的热传导引起的损耗降低到不超过冷却量的10％，从而导致功耗降低。
在一个实施例中，满足下述关系式：
(衬垫部面积比)×(衬垫部热导率(W/m·K))÷(衬垫部厚度(nm))≤0.12×10-6。
根据该实施例，可以把通过衬垫部的热传导引起的损耗降低到不超过0.5％，从而导致功耗进一步降低。
在一个实施例中，多个衬垫部近似均匀地分布在所述集电极的半导体基板的整个表面上，并对齐。
根据该实施例，就能够将间隔的大小在整个表面上保持得几乎相同。
在一个实施例中，间隔保持构件是管形的，并且满足下述关系式：
(间隔保持构件热导率(W/m·K))×(间隔保持构件厚度(mm)])÷(间隔保持构件高度(nm))≤0.6。
在此，间隔保持构件由具有与发射极的半导体基板和集电极的半导体基板接近的热膨胀系数的材料制成，例如包含SiO2作为主成分的低热膨胀系数的玻璃材料。
根据该实施例，可以适当地设置间隔保持构件的厚度和高度。可以把通过间隔保持构件的热传导引起的损耗降低到不超过冷却热量的20％，从而导致功耗降低。
在一个实施例中，满足下述关系式：
(间隔保持构件热导率(W/m·K))×(间隔保持构件厚度(mm)])÷(间隔保持构件高度(nm))≤0.3。
根据该实施例，可以把通过间隔保持构件的热传导引起的损耗降低到不超过冷却热量的10％，从而导致功耗进一步降低。
在一个实施例中，间隔保持构件是矩形管形的。
在又一个实施例中，发射极的半导体基板和集电极的半导体基板是近似长方体形的，间隔保持构件是矩形管形的，与发射极侧外部电极基板的外周部以及集电极侧外部电极基板的外周部相接触，以包围发射极的半导体基板和集电极的半导体基板。
在一个实施例中，在所述发射极电极和所述集电极电极之间的间隔中具有与所述发射极电极和所述集电极电极实质上不发生反应的填充气体，并且满足下述关系式：
(填充气体自由分子热导率(m/s·K))×(间隔的真空度(Pa))≤3350。
根据该实施例，可以适当地设置发射极电极和集电极电极之间的间隔的真空度。可以把通过间隔(真空隙)的热传导引起的损耗限制到不超过冷却热量的10％，更为较佳的是降低到不超过0.5％，从而导致功耗降低。
在一个实施例中，满足下述关系式：
(填充气体自由分子热导率(m/s·K))×(间隔的真空度(Pa))≤67。
根据该实施例，可以把通过间隔(真空隙)的热传导引起的损耗降低到不超过冷却热量的0.5％，从而导致功耗进一步降低。
在又一个实施例中，所述填充气体是诸如氩气、氖气、氪气、氙气之类的稀有气体。
在一个实施例中，所述发射极侧外部电极基板和集电极侧外部电极基板具有能够防止在间隔保持构件与发射极侧外部电极基板的外周部和集电极侧外部电极基板的外周部接触的状态中，外部气压与内部真空之间的压力差产生的压缩应力造成发射极电极和集电极电极接触的硬度、杨式模量和厚度。
根据该实施例，就能够减少由于气压造成的两个外部电极基板上的形变，并减少分别连接到外部电极基板的半导体基板的形变量，从而即时在由于应力变形使间隔(真空隙)变窄而造成的最短距离的部分中，发射极电极和集电极电极也不会短路，从而能够减少电子热泵器件的初始故障。
在一个实施例中，所述发射极侧外部电极基板和集电极侧外部电极基板具有将发射极侧外部电极基板和集电极侧外部电极基板的每一个的挠曲形变量设置为不大于发射极电极和集电极电极之间的间隔的最小值的1/4的硬度、杨式模量和厚度。
在一个实施例中，所述发射极侧外部电极基板和集电极侧外部电极基板具有将发射极侧外部电极基板和集电极侧外部电极基板的每一个的挠曲形变量设置为不大于发射极电极和集电极电极之间的间隔的最小值的1/5的硬度、杨式模量和厚度。
本发明的一种激光器组件，包括：
封装件；
安装在所述封装件内的如上所述的电子热泵器件；
安装在所述电子热泵器件的发射极侧外部电极基板上的半导体激光二极管芯片；
用于检测所述半导体激光二极管芯片的温度的温度检测器；
用于根据所述温度检测器检测的温度，控制提供给所述电子热泵器件的电功率，以把所述半导体激光二极管芯片的温度保持为规定的温度的电功率控制器。
在此，温度检测器是例如用于通过检测半导体激光二极管芯片的正向电压来检测半导体激光二极管芯片的温度的电压传感器。激光器组件的例子包括半导体激光器组件和全息激光器组件。
根据本发明的激光器组件，提供电子热泵器件，允许功耗降低和小型化。此外，能够将小尺寸的电子热泵器件结合于现存的激光器组件封装中，作为局部安装(submount)元件的替代物，这允许使用现存的激光器组件而不用改变安装间隔(mounting space)。而且，温度检测器和电功率控制器设置成仅可把半导体激光二极管芯片的温度保持为等于或小于工作环境温度，因此，利用电子热泵器件中的小功耗，就能够实现减少施加到半导体激光二极管芯片的电流的效果，从而实现延长半导体激光二极管芯片的寿命的效果，这是由半导体激光二极管芯片中的发热量的降低而引起的。
此外，本发明的光学读头包括上述激光器组件。
根据本发明的光学读头，提供上述激光器组件，能够实现确保半导体激光二极管芯片的温度稳定，并不受工作环境温度的变化的影响的光学读头，而不用改变放热设计或改变安装间隔。
本发明的电子设备包括所述电子热泵器件。
在此，电子设备的例子包括例如电冰箱和空调等等。
根据本发明的电子设备，提供上述电子热泵器件，使得能够实现小型化且允许功耗降低的电子设备。
根据本发明的电子热泵器件，用于形成半导体基板之间的间隔的衬垫部一体化地形成在半导体基板上，能够实现比珀耳帖效应器件更低的功耗，并还确保真空隙可靠而不用适用珀耳帖效应器件等，从而减少组件数量和尺寸。
而且，设置近似长方体形的发射极侧外部电极基板和近似长方体形的集电极侧外部电极基板，允许使电子热泵器件结合于现有半导体激光器等的封装中时更小型化和便捷。
此外，在本发明的激光器组件中，提供所述电子热泵器件，实现小型化和性能改善。
此外，在本发明的光学读头中，提供所述激光器组件，实现性能改善。
此外，在本发明的电子设备中，提供所述电子热泵器件，实现小型化和性能改善。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施例的电子热泵器件的透视图；
图2是示出电子热泵器件的垂直剖面图；
图3A是示出发射极的平面图；
图3B是示出发射极的剖面图；
图4A是示出集电极的平面图；
图4B是示出集电极的剖面图；
图5A是解释发射极和集电极的组合的第一处理过程视图；
图5B是解释发射极和集电极的组合的第二处理过程视图；
图6是示出衬垫部面积比与冷却量下降率之间的关系的图表；
图7是示出间隔的真空度和冷却量下降率之间的关系的图表；
图8A是示出发射极制造方法的第一处理过程的视图；
图8B是示出发射极制造方法的第二处理过程的视图；
图8C是示出发射极制造方法的第三处理过程的视图；
图9是示出发射极制造方法的流程图；
图10A是示出集电极制造方法的第一处理过程的视图；
图10B是示出集电极制造方法的第二处理过程的视图；
图10C是示出集电极制造方法的第三处理过程的视图；
图10D是示出集电极制造方法的第四处理过程的视图；
图10E是示出集电极制造方法的第五处理过程的视图；
图10F是示出集电极制造方法的第六处理过程的视图；
图10G是示出集电极制造方法的第七处理过程的视图；
图11是示出集电极制造方法的流程图；
图12A是解释发射极和发射极侧外部电极基板的组合的第一处理过程的视图；
图12B是解释发射极和发射极侧外部电极基板的组合的第二处理过程的视图；
图13A是解释发射极侧单元、间隔保持构件以及集电极侧单元的组合的第一处理过程的视图；
图13B是解释发射极侧单元、间隔保持构件以及集电极侧单元的组合的第二处理过程的视图；
图14A是解释中间体与密封构件的组合的第一处理过程的视图；
图14B是解释中间体与密封构件的组合的第二处理过程的视图；
图15是示出用于从发射极侧单元和集电极侧单元制造电子热泵器件的方法的流程图；
图16是示出本发明的一个实施例中的激光器组件的部分切开的不完整的透视图；
图17是解释激光器组件的主要部分的构成的视图；
图18是示出结合了传统珀耳帖效应器件的激光器组件的构成的简示图(第一
现有技术实例)；
图19是示出传统真空二极管型电子热泵器件的简示图(第二现有技术实例)；
图20是示出传统电子冷却设备的简示图(第三现有技术实例)；
图21是示出珀耳帖效应器件的操作的说明图；
图22是示出真空二极管型电子热泵器件的操作的说明图；
图23是示出本发明的电子设备的示意图。
具体实施方式
下面，将参考附图，连同实施例一起详细描述本发明。
(第一实施例)
图1是示出根据本发明的一个实施例的电子热泵器件的透视图，图2是示出该电子热泵器件的剖面图。
该电子热泵器件包括：具有电导性和热导性且近似长方体形状的发射极侧外部电极基板3、连接到所述发射极侧外部电极基板3以允许电传导和热传导，并发射电子的发射极1、具有电导性和热导性且近似长方体形状的集电极侧外部电极基板4、连接到所述集电极侧外部电极基板4以允许电传导和热传导，并接收电子的集电极2、配置在所述发射极侧外部电极基板3和所述集电极侧外部电极基板4之间，用于将所述发射极侧外部电极基板3和所述集电极侧外部电极基板4之间的间隔保持恒定的电热绝缘的间隔保持构件6、以及用于在所述发射极侧外部电极基板3和所述集电极侧外部电极基板4之间保持真空的密封构件7。
所述电子热泵器件具有近似立方体的芯片形状，例如0.7mm宽、1.8mm长以及0.7mm厚。发射极1和集电极2彼此相对配置，在发射极1和集电极2之间存在间隔(真空隙)G。发射极侧外部电极基板3和集电极侧外部电极基板4连接到电源8。
下面的说明给出所述电子热泵器件的操作。当从电源8向发射极侧外部电极基板3和集电极侧外部电极基板4施加电流时，电压施加到发射极1和集电极2，供给电子。然而，发射极1侧(发射极侧外部电极基板3)变成冷却(吸热)侧，而集电极2侧(集电极侧外部电极基板4)变成放热(加热)侧。
如图3A的平面图和图3B的剖面图所示，发射极1具有半导体基板10，半导体基板10具有连接到发射极侧外部电极基板3的一个表面，以允许电传导和热传导，并具有几乎设置在所述半导体基板10的整个另一表面上的发射极电极11。
更为具体地，半导体基板10是n型硅基板，其表面被抛光以实现电导性，发射极电极11是形成在n型硅基板10的抛光表面上的5nm厚的Ti薄膜，其表面覆盖有铯。发射极1是长方体形状，其外部尺寸是0.3mm×1.4mm×0.2mm。
如图4A的平面图和图4B的剖面图所示，集电极2具有半导体基板20，半导体基板20具有连接到集电极侧外部电极基板4的一个表面，以允许电传导和热传导，并具有设置在半导体基板20的另一表面的一部分上的集电极电极21。在半导体基板20中，一体地形成电热绝缘的衬垫部(spacer section)5。
更为具体地来说，半导体基板20是n型硅基板，其表面被抛光以实现电导性，10nm厚的热氧化物形成在n型硅基板的抛光的表面上，并通过光刻图案化成100nm见方，形成以方点阵配置中的100μm节距配置的氧化硅衬垫部5。除去衬垫部5的外围使5nm厚的Ti薄膜图案化以形成集电极电极21。集电极2是长方体形状，其外部尺寸是0.3mm×1.4mm×0.2mm。衬垫部5和由Ti薄膜组成的集电极电极21之间的5nm的厚度差异构成间隔G。
如图5A所示，发射极1和集电极2配置成发射极电极11与集电极电极21彼此面对，如图5B所示，发射极电极11通过其自身重量下压以使得与衬垫部5相接触，借此在半导体基板10和20之间均匀地形成了间隔G。
更为精确地来说，多个衬垫部5与集电极2的半导体基板20一体化地形成，并与发射极电极11相接触。此外，多个衬垫部5彼此对齐以几乎均匀地分布在集电极2的半导体基板20的整个表面上，借此发射极电极11和集电极电极21之间的间隔G保持恒定，而衬垫部5的厚度决定了间隔G的大小。
发射极电极11的表面和集电极电极21的表面的最大粗糙度Rz的值不大于发射极电极11与集电极电极21之间的间隔的最小值的1/2，最好不大于1/4。
从而由于最大粗糙度Rz的值不大于发射极电极11和集电极电极21之间的间隔的最小值的1/2，电极11和21的表面都变得平滑，减少了由于电极11和21的表面粗糙度而引起的缺陷。
例如，能够减少由于表面凸出部分彼此相对造成电极11和21相接触而引起的短路故障，并能够缓和由于表面凹陷部分彼此相对造成间隔(真空隙)扩大而引起电子发射量和冷却量中的下降。
更为具体地来说，如果最大粗糙度Rz的值超过间隔的最小值的1/2，那么由于表面凹陷部分彼此相对和翘曲造成间隔(真空隙)扩大而引起发射极1的电子发射量降低，从而降低冷却量，同时表面凸出部分彼此相对会使得电极11和21相接触，从而引起短路故障。
发射极电极11的逸出功(work function)近似等于或小于集电极电极21的逸出功。发射极电极11和集电极电极21由导电复合材料构成，并构造成用氧化铯覆盖由例如Ag、Ti或Au制成的薄膜的表面。
在发射极电极11的逸出功近似等于集电极电极21的逸出功的情况下，将电流馈电方向反向就能够实现能够反转热传递方向的电子热泵器件。在发射极电极11的逸出功小于集电极电极21的逸出功的情况下，就能够降低来自外部的施加电压，导致功耗降低。此外，当在两个电极11和21之间产生温差时，就能够通过加热集电极2侧，降低热电子发射量以及来自外部的施加电压，从而允许功耗降低。
现在，图6示出衬垫部面积比与冷却量下降率之间的关系。
图6是采用下述的表1绘制的图表。
                                                               表1
冷却量下降率
    衬垫部面积比    衬垫部厚度5nm     衬垫部厚度10nm     衬垫部厚度15nm
    1.0E-06    0.71％     0.35％     0.24％
    4.0E-06    2.83％     1.41％     0.94％
    1.6E-05    11.32％     5.66％     3.77％
    2.5E-05    17.69％     8.84％     5.90％
    4.4E-05    31.45％     15.73％     10.48％
    1.0E-04    70.80％     35.40％     23.60％
“衬垫部面积比”在这里是指与发射极电极相接触的衬垫部的总面积与发射极电极的面积之比，“冷却量下降率”是由于衬垫部的热传导造成的损耗与电子输送的冷却热量的比。每个衬垫部由具有低热导率的SiO2制成，衬垫部的热导率是1.2W/m·K。
如图6所示，衬垫部面积与作为热传导导致的损耗的热量成比例关系，衬垫部的大小和节距由热传导损耗决定。
更为具体地来说，假设衬垫部的厚度是10nm，衬垫部面积比是1.0×10-6，那么，由于衬垫部的存在而造成的冷却量下降将达到大约0.35％。因此，在该实施例中，3×14＝42个衬垫部以100μm的节距设置，以实现1.0×10-6的衬垫部面积比。
应满足下面的条件：
(衬垫部面积比)×(衬垫部热导率[W/m·K])÷(衬垫部厚度[nm])≤0.12×10-6。
如果衬垫部的节距为大约25μm，则衬垫损失为大约5.7％。因此，如果衬垫部尺寸设置为每个200nm见方，即先前尺寸的4倍，那么为了获得1.6×10-5的相同衬垫部面积比，衬垫部节距应设置为100μm，以具有相似的大约5.7％的衬垫损失。
在衬垫部面积比为2.5×10-5的场合，衬垫损失大约是8.8％，并且如果衬垫部面积进一步增加，由于衬垫造成的损失变得显著。因此，确定衬垫部的配置和尺寸，以满足下述条件：
(衬垫部面积比)×(衬垫部热导率[W/m·K])÷(衬垫部厚度[nm])≤3.0×10-6。
接着，图7示出真空度和冷却量下降率之间的关系。
图7是采用下述的表2绘制的图表。
                                         表2
    真空度(Pa)     冷却量下降率
    100     0.2％
    1000     2.0％
    5000     9.9％
    10000     19.7％
    50000     98.7％
“真空度”在这里是指间隔(真空隙)的真空度，“冷却量下降率”是由于间隔(真空隙)中的热传导造成的损耗与电子输送的冷却热量的比。间隔中填充具有0.67m/s·K的自由分子热导率的氩气(填充气体)。作为氩气的替代，可在间隔中填充注入He、Ne、Kr等之类的稀有气体。
如图7所示，发射极和集电极之间的真空隙中的真空度与冷却量下降率成比例关系，真空度由热传导损耗决定。更为具体地来说，通过保持真空使得真空度为100Pa或更低，由于真空隙中的热传导而造成的损耗可限制在约0.2％。
也就是说，满足下述条件：
(填充气体自由分子热导率[m/s·K])×(间隔的真空度[Pa])≤67。
在真空度降低到大约5000Pa的情况下，真空隙的热传导损耗变为大约9.9％，并且如果真空度变得更低，热传导损耗变得显著。
更为精确地来说，将真空度保持为满足下述条件：
(填充气体自由分子热导率[m/s·K])×(间隔的真空度[Pa])≤3350。
接着，用具有1.2W/m·K的热导率、并具有与硅半导体基板10和20接近的低热膨胀系数的硼硅酸(boron silicate)玻璃材料制成间隔保持构件6。虽然未示出，但是间隔保持构件6的厚度与由于热传导而造成的损耗成比例。
因此，在该实施例中，把间隔保持构件6形成为方形柱状(square cylinder)形状，厚为0.1mm、高为0.4mm，其外部尺寸为0.7mm宽、1.8mm深，使得能够通过间隔保持构件6将热传导损耗抑制在大约8％的水平。
更为精确地来说，满足下述条件：
(间隔保持构件热导率[W/m·K])×(间隔保持构件厚度[mm])÷(间隔保持构件高度[nm])≤0.3。
在间隔保持构件6的厚度增加到0.2mm的情况下，热传导损耗变为16％，而厚度的进一步增加使得热传导损耗变得显著。
更为精确地来说，将间隔保持构件6的厚度保持为满足下述条件：
(间隔保持构件热导率[W/m·K])×(间隔保持构件厚度[mm])÷(间隔保持构件高度[nm])≤0.6。
接着，发射极侧外部电极基板3和集电极侧外部电极基板4具有硬度、杨式模量和厚度，能够防止间隔保持构件6与发射极侧外部电极基板3的外周部和集电极侧外部电极基板4的外周部接触的状态中，外部气压与内部真空之间的压力差产生的压缩应力造成发射极电极11和集电极电极21接触。
更为具体地来说，发射极侧外部电极基板3和集电极侧外部电极基板4由具有高硬度的钨材料制成，以防止间隔G由于压缩应力造成的应力形变而短路，并且它们的尺寸设置为0.7mm×1.8mm×0.15mm，以把由于气压造成的挠曲量限制在大约0.76nm。
要注意到，作为发射极侧外部电极基板3和集电极侧外部电极基板4的材料，除了钨之外，还可使用碳化钨、铜和硅。通过调节发射极侧外部电极基板3和集电极侧外部电极基板4的厚度，可把挠曲量抑制到不超过1nm，即5nm的间隔G的1/5，成为适合于发射极侧外部电极基板3和集电极侧外部电极基板4的材料。
现在给出关于本发明的电子热泵器件的制造方法的说明。
首先，从钨薄板切割0.7mm×1.8mm×0.15mm尺寸的发射极侧外部电极基板3和集电极侧外部电极基板4。
现在给出关于发射极1的制造方法的说明。如图8A所示，通过例如CVM(化学汽化加工)和EEM(弹性发射加工)，将长6英寸、厚0.2mm的镜面抛光的n型Si晶片基板12的一个表面(顶部表面)完全抛光成极其平滑如镜的状态，达到亚纳米级别的程度。注意到，在Si晶片基板12的另一表面(背部表面)上设置用于连接的Au电极(未示出)。
然后，如图8B所示，在Si晶片基板12的平滑而洁净的表面上形成例如5nm厚的Ti薄膜13，该Ti薄膜13的表面通过溅射等方法覆盖有铯。然后，将晶片切割成0.3mm×1.4mm×0.2mm，以制造如图8C所示的由Si晶片基板12制成的半导体基板10和由Ti薄膜13制成的发射极电极11组成的发射极1。
注意到，在溅射步骤之后，制造工序进行干燥真空步骤。此外，作为切割方法，例如，一种用于切割晶片而不造成晶片机械形变的称为隐秘切割的方法是最佳的方法。
尽管省略描述以避免重复，但是发射极1的制造方法示于图9的流程图中的步骤S1到步骤S4。
现在给出关于集电极2的制造方法的说明。如图10A所示，如利用发射极1的制造方法，将6英寸直径、厚0.2mm的镜面抛光的n型Si晶片基板22的一个表面(顶部表面)完全抛光成极其平滑如镜的状态，达到亚纳米级别的程度。注意到，在Si晶片基板22的另一表面(背部表面)上设置用于连接的Au电极(未示出)。
然后，如图10B所示，将Si晶片基板22的平滑且洁净的表面进行热氧化，形成厚10nm的SiO2绝缘膜23，并且，如图10C所示，将第一抗蚀层24设置在SiO2绝缘膜23上。然后，如图10D所示，进行光刻，把SiO2绝缘膜23图案化形成100nm见方，从而形成以100nm节距配置的方点阵配置的氧化硅衬垫部5。
然后，如图10E所示，在清洁并干燥Si硅晶片22之后，将第二抗蚀层25置于衬垫部5和第一抗蚀层24上，并且如图10F所示，在Si硅晶片基板22的一个表面上，通过溅射等方法形成例如5nm厚的Ti薄膜26。
此后，除去第一抗蚀层24和第二抗蚀层25，清洁Si晶片基板22，并将其切割成0.3mm×1.4mm×0.2mm，借此制造如图10G所示的集电极2，集电极2具有半导体基板20和由Ti薄膜26制成的集电极电极21，半导体基板20由Si晶片基板22以及一体化形成在Si晶片基板22的一个表面上的衬垫部5组成。尽管省略描述以避免重复，但是集电极2的制造方法示于图11的流程图中的步骤S11到步骤S19。
接着，如图12A所示，将发射极1接近于发射极侧外部电极基板3，并如图12B所示，利用诸如Au-Su之类的共晶体作为钎料(brazing filler material)，将发射极1与发射极侧外部电极基板3电热接合，以形成发射极侧单元19。此外，虽然未示出，但是类似地，集电极2与集电极侧外部电极基板4电热接合，以形成集电极侧单元。
此后，为了排气，用于随后步骤的所有组件，包括发射极侧单元19和集电极侧单元，进行高温烘焙(真空加热(真空排气))。注意到，从该步骤到整个装置完成，所有的处理过程都是在真空条件下进行的，以确保内部的真空隙。
然而，如图13A所示，将间隔保持构件6置于集电极侧单元29上，以覆盖集电极2的外周，此外，发射极侧单元19的发射极1通过芯片焊接(die-bond)以适合于间隔保持构件6的孔径，借此，如图13B所示，形成了近似长方体形状的中间体39。
然后，如图14A所示，为了接合外部电极基板3、4以及间隔保持构件6，将低熔点玻璃材料制成的4个预制件38压接在中间体39的四个侧表面上，并进行加热处理。从而，如图14B所示，完成了熔接密封(密封构件7)，并且完成了电子热泵器件51。
注意到，尽管省略描述以避免重复，但是从形成发射极侧单元19和集电极侧单元29的步骤到电子热泵器件的完成的整个处理过程示于图15的流程图中的步骤S21到步骤S25。
根据如上构造的电子热泵器件，衬垫部5一体化地形成在集电极2的半导体基板20的一个表面上。这就使得能够以简单的结构实现将真空隙保持为规定的大小，同时防止热回流的电子热泵器件。更为具体地来说，就不需要传统的真空隙二极管结构的电子热泵器件中所要求的作为将发射极和集电极之间的真空隙保持为规定的大小的手段的压电元件、电容控制器、压电反馈电路等，从而能够减少组件的数量，使得尺寸、重量以及成本降低。
此外，由于使用近似长方体形状的发射极侧外部电极基板3和近似长方体形状的集电极侧外部电极基板4，可把电子热泵器件形成为近似长方体芯片形状，从而便于将电子热泵器件集成于例如半导体激光器等的新的或现存的封装结构中。
从而，可以实现超小型的电子热泵器件，例如，可以使得将电子热泵器件安装在半导体激光器的封装中成为可能，从而实现具有控制激光器芯片温度的功能的半导体激光器和全息激光器。
(第二实施例)
接着，如图16的透视图以及图17的主要部分放大视图所示，本发明的激光器组件包括封装件56、安装在封装件56中的电子热泵器件51、安装在电子热泵器件51的发射极侧外部电极基板3上的半导体激光二极管芯片52(下文中称为LD芯片)、用于检测LD芯片52的温度的温度检测器61、以及用于根据温度检测器61检测出的温度，控制提供给电子热泵器件51的电功率，以将LD芯片52保持在预定温度的电功率控制器62。
而且，所述激光器组件是一种全息激光器组件，它包括安装在封装件56内的芯柱53上的光接收元件54，以及依附于所述封装件56的外部的全息器件55，所述激光器组件从LD芯片52发出激光束57。
温度检测器61检测LD芯片52的正向电压，以检测LD芯片52的温度。
从而，所述激光器组件包括允许实现功耗降低和小型化的电子热泵器件51。此外，能够将小尺寸的电子热泵器件结合于现存的激光器组件封装中，作为局部安装(submount)元件的替代物，这允许使用现存的激光器组件而不用改变安装间隔(mounting space)。例如，在芯柱53上安装电子热泵器件51之后，将LD芯片安装在电子热泵器件51上，就能够使用现存的激光器组件而不同改变传统的封装件56的外部尺寸。
而且，温度检测器61和电功率控制器62设置成仅可把LD芯片52的温度保持为等于或小于工作环境温度，因此，利用电子热泵器件51中的小功耗，就能够实现减少施加到LD芯片52的电流的效果，从而实现延长LD芯片52的寿命的效果，这是由LD芯片52中的发热量的降低而引起的。
现在给出关于激光器组件的具体操作的说明。作为LD芯片52，使用了一种高速写入200mW光输出激光器芯片，它是具有650nm附近的振荡波长的DVD写入红色激光。
在以把芯柱53的温度设置为70℃的周围环境温度下操作LD芯片52的情况下，从电源8向电子热泵器件51施加1.45V的直流电压和70mA的直流电流，使得当LD芯片52发出200mW的光输出时产生的352W的热量从发射极侧外部电极基板3的吸热表面吸收，并通过芯柱53从集电极侧外部电极基板4的放热表面向外放出。结果，发射极侧外部电极基板3的吸热表面的温度保持为50℃，集电极侧外部电极基板4的放热表面保持为70℃。
在该情况下，电子热泵器件51消耗1.45V×70mA＝102mW的电功率，用于冷却。由于LD芯片52的温度从70℃降低到50℃，LD芯片52的功耗降低108mW。此外，从芯柱53排放的热量与传统全息激光器相等同，使得能够在具有相同放热设计而不改变放热设计的光学读头中的LD芯片52的温度得以稳定保持。
注意到，通过下述方法将LD芯片52的温度保持恒定，该方法中，温度检测器61监控激光驱动控制电流中的正向电压值，电功率控制器62对要馈给电子热泵器件51的电功率进行反馈控制。
根据第一实施例和第二实施例，可以如第一实施例所示那样实现0.7mm×1.8mm×0.7mm的超小型电子热泵器件，从而可实现第二实施例，即把超小型的电子热泵器件结合于半导体激光二极管封装中，允许LD芯片以恒定的温度工作，而不用改变激光器组件的大小尺寸。
特别是，在半导体激光二极管在高温环境下工作的情况中，LD芯片的温度等于或大于工作环境温度，因此为了获得相同的光输出，必须增加工作电流，这是由于LD芯片的温度特性。然而，使用本发明的电子热泵器件与LD芯片的组合，就能够仅把LD芯片的温度保持在等于或小于工作环境温度，因此，利用电子热泵器件中的小功耗，就能够实现减少施加到LD芯片的电流的效果，从而实现由施加电流的降低造成LD芯片的发热量的降低而引起的延长LD芯片52的寿命的效果。
从而，电子热泵器件中的小功耗允许使用具有将LD芯片保持在规定温度的功能的全息激光器组件和半导体激光器组件，而不用改变光学读头的放热设计。
(第三实施例)
接着，虽然未示出，但是本发明的光学读头包括上述激光器组件。根据所述光学读头，提供所述激光器组件，这使得能够实现能够确保LD芯片的温度稳定，并不受工作环境温度的变化的影响的光学读头，而不用改变放热设计或改变安装间隔。
(第四实施例)
接着，如图23所示，本发明的电子设备包括本体81、设置于本体81上的多个电子热泵器件51、温度检测器61以及电功率控制器62。电子热泵器件51、温度检测器61以及电功率控制器62分别与图17所示的相同。在此，电子设备的例子包括电冰箱和空调。根据所述电子设备，提供上述电子热泵器件，使得能够实现小型化且允许功耗降低的电子设备。
应理解，本发明并不限于上述实施例，在各制造步骤中，允许通过诸如蒸发和CVD(化学汽相淀积)之类的其它处理方法来制造各种膜。此外，衬垫部5可一体化地至少形成在发射极1的半导体基板10上或集电极2的半导体基板20上。此外，除了诸如Au-Su之类的共晶体芯片焊接之外，可在发射极1的半导体基板10的一个表面上一体化地形成一个层，以允许向发射极侧外部电极基板3进行热传导和电传导，对于集电极侧2来说同样适用。
根据上述描述了本发明，显然，本发明可以各种方式进行改变。这些改变都不应被认为是背离本发明的范围和要旨，所有这些改变对于本领域的技术人员来说都是显而易见的。

Claims (20)

1.一种电子热泵器件，其特征在于，包括：
发射极侧外部电极基板；
包含半导体基板的发射极，所述发射极的半导体基板的一个表面连接到所述发射极侧外部电极基板以允许电传导和热传导，所述发射极的半导体基板的另一表面上设置发射极电极；
集电极侧外部电极基板；
包含半导体基板的集电极，所述集电极的半导体基板的一个表面连接到所述集电极侧外部电极基板以允许电传导和热传导，所述集电极的半导体基板的另一表面上设置集电极电极；
所述发射极和集电极配置成所述发射极电极和所述集电极电极彼此相对并隔有间隔，
在所述发射极的半导体基板和所述集电极的半导体基板中的至少一个上一体化地形成至少一个衬垫部，所述衬垫部保持所述发射极电极和所述集电极电极之间的间隔，并且是电热绝缘的，
所述电子热泵器件还包括：
电热绝缘的、置于所述发射极侧外部电极基板和所述集电极侧外部电极基板之间的、用于将所述发射极侧外部电极基板和所述集电极侧外部电极基板之间的间隔保持为恒定值的间隔保持构件；以及
用于在所述发射极侧外部电极基板和所述集电极侧外部电极基板之间保持真空的密封构件。
2.如权利要求1所述的电子热泵器件，其特征在于，所述发射极侧外部电极基板和所述集电极侧外部电极基板为近似长方体形状。
3.如权利要求1所述的电子热泵器件，其特征在于，所述发射极电极的表面和所述集电极电极的表面的最大粗糙度Rz的值不大于所述发射极电极和所述集电极电极之间的间隔的最小值的1/2。
4.如权利要求1所述的电子热泵器件，其特征在于，所述发射极电极的表面和所述集电极电极的表面的最大粗糙度Rz的值不大于所述发射极电极和所述集电极电极之间的间隔的最小值的1/4。
5.如权利要求1所述的电子热泵器件，其特征在于，所述发射极电极的逸出功近似等于或小于所述集电极电极的逸出功。
6.如权利要求1所述的电子热泵器件，其特征在于，多个衬垫部一体化地形成在所述集电极的半导体基板中，并与发射极电极相接触，多个衬垫部彼此相间隔地配置在所述集电极的半导体基板上，
当把与发射极电极相接触的多个衬垫部的总面积与发射极电极的面积的比率定义为衬垫部面积比时，满足下述的关系式：
(衬垫部面积比)×(衬垫部热导率(W/m·K))÷(衬垫部厚度(nm))≤3.0×10-6。
7.如权利要求6所述的电子热泵器件，其特征在于，满足下述关系式：
(衬垫部面积比)×(衬垫部热导率(W/m·K))÷(衬垫部厚度(nm))≤0.12×10-6。
8.如权利要求6所述的电子热泵器件，其特征在于，多个衬垫部近似均匀地分布在所述集电极的半导体基板的整个表面上，并对齐。
9.如权利要求1所述的电子热泵器件，其特征在于，间隔保持构件是管形的，并且满足下述关系式：
(间隔保持构件热导率(W/m·K))×(间隔保持构件厚度(mm)])÷(间隔保持构件高度(nm))≤0.6。
10.如权利要求9所述的电子热泵器件，其特征在于，满足下述关系式：
(间隔保持构件热导率(W/m·K))×(间隔保持构件厚度(mm)])÷(间隔保持构件高度(nm))≤0.3。
11.如权利要求9所述的电子热泵器件，其特征在于，间隔保持构件是矩形管形的。
12.如权利要求1所述的电子热泵器件，其特征在于，在所述发射极电极和所述集电极电极之间的间隔中具有与所述发射极电极和所述集电极电极实质上不发生反应的填充气体，并且满足下述关系式：
(填充气体自由分子热导率(m/s·K))×(间隔的真空度(Pa))≤3350。
13.如权利要求12所述的电子热泵器件，其特征在于，满足下述关系式：
(填充气体自由分子热导率(m/s·K))×(间隔的真空度(Pa))≤67。
14.如权利要求12所述的电子热泵器件，其特征在于，所述填充气体是稀有气体。
15.如权利要求1所述的电子热泵器件，其特征在于，所述发射极侧外部电极基板和集电极侧外部电极基板具有能够防止在间隔保持构件与发射极侧外部电极基板的外周部和集电极侧外部电极基板的外周部接触的状态中，外部气压与内部真空之间的压力差产生的压缩应力造成发射极电极和集电极电极接触的硬度、杨式模量和厚度。
16.如权利要求15所述的电子热泵器件，其特征在于，所述发射极侧外部电极基板和集电极侧外部电极基板具有将发射极侧外部电极基板和集电极侧外部电极基板的每一个的挠曲形变量设置为不大于发射极电极和集电极电极之间的间隔的最小值的1/4的硬度、杨式模量和厚度。
17.如权利要求16所述的电子热泵器件，其特征在于，所述发射极侧外部电极基板和集电极侧外部电极基板具有将发射极侧外部电极基板和集电极侧外部电极基板的每一个的挠曲形变量设置为不大于发射极电极和集电极电极之间的间隔的最小值的1/5的硬度、杨式模量和厚度。
18.一种激光器组件，其特征在于，包括：
封装件；
安装在所述封装件内的如权利要求1所述的电子热泵器件；
安装在所述电子热泵器件的发射极侧外部电极基板上的半导体激光二极管芯片；
用于检测所述半导体激光二极管芯片的温度的温度检测器；
用于根据所述温度检测器检测的温度，控制提供给所述电子热泵器件的电功率，以把所述半导体激光二极管芯片的温度保持为规定的温度的电功率控制器。
19.一种包括如权利要求18所述的激光器组件的光学读头。
20.一种包括如权利要求1所述的电子热泵器件的电子设备。
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