JPH03501910A - 超伝導体半導体接合部を使用したペルチエ冷却段 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 超伝導体半導体接合部を使用したペルチェ冷却段本発明はペルチェの分野すなわ ち熱電気冷却装置、特に半導体材料を使用したペルチェ冷却装置に関する。

２、従来技術の説明 ペルチェ冷却装置は良く知られている冷却装置であり、電流が高い熱電係数を有 する異種の材料間の直列の接合部を通過する。電子が異種の材料の接合部を流れ た場合に特有の電子エントロビイにおける変化のために、熱が一方の接合部にお いてフォノンまたは高周波格子振動の形態で発生され、その反対側の接合部で吸 収される。フォノン生成および破壊の結果、一方の接合部は加熱され、他方が冷 却される。接合部の数は冷却および加熱能力を高めるように反対の接合部の素子 の直列接続で繰返されることができる。装置は段状にされてもよく、段状にされ た直列装置にわたる合計温度差を増加するように一方が他方に対して熱沈めされ る。

しかしながら、通常のペルチェ冷却装置の冷却能力はペルチェ接合部の各側を含 む材料中の導電結合の量子エネルギレベルにおける電子分布の積分電子エントロ ビイに依存している。したがって、これは接合部の温度に依存している。有効な 装置が直列の半導体と半導体の接合部または金属と金属の接合部から構成される が、このような従来技術のペルチェ冷却装置は低温、特に１５０　”　Ｋより下 の極低温温度範囲で無効になる。

したがって、極低温温度で効果的に動作し、有効な冷却量を供給するベルチェ冷 却装置構造が必要とされる。

発明の簡単な要約 本発明は、第１の電極、第１の電極に電気結合された超伝導素子、超伝導素子に 電気結合された半導体素子、半導体素子に電気結合された第２の超伝導素子、お よび第２の超伝導素子に電気結合された第２の電極を含むペルチェ冷却装置であ る。電子は第１の超伝導素子、半導体素子、第２の超伝導素子および第２の電極 を通って第１の電極から供給された電圧下において流れる。第１の超伝導素子と 半導体との間の電気接合部はペルチェ冷却をもたらし、一方半導体素子と第２の 超伝導素子との間の電気接合部はペルチェ熱をもたらす。

冷接合部でクライオジェニック温度に冷却し、熱接合部で高温で熱を放出するが 、依然として超伝導転移温度より低い結果として、極低温ペルチェ冷却装置が提 供される。

さらに、ペルチェ冷却装置は第１および第２の常伝導金属素子を含む。第１の超 伝導素子および半導体素子は第１の常伝導金属素子を通して電気結合されている 。第１および第２の常伝導金属素子は第１の超伝導素子と半導体素子間、および 半導体素子と第２の超伝導素子間にそれぞれ配置されている。第１および第２の 常伝導金属素子は対向して互いに間隔を隔てられた位置にある。

第１および第２の超伝導素子は高い転移温度の超伝導セラミックから構成されて いる。

好ましい実施例において、高い転移温度の超伝導材料は以下の形態から構成され 、 ＲＢ　ａ　２　ＣＬｌ　ｓ　Ｏｘ ここでＲは稀土類元素であり、Ｘは有限数である。

示された実施例において、稀土類元素はイツトリウムである。半導体素子はテル ル化蒼鉛である。テルル化蒼鉛はＢｉ２Ｔｅ１の形態から構成され、ｎ型ドープ されている◇別の実施例において、半導体素子は蒼鉛とアンチモンの合金である 。蒼鉛アンチモンはＢ１５ｓＳｂ＋ｓの形態から構成され２、ｎ型ドープされて いる。

さらに、ペルチェ冷却装置は多数の付加的な交互の超伝導体および半導体素子を 含み、それらはそれぞれ互いにおよび第２の超伝導素子に直列に電気結合されて いる。付加的な半導体素子は第２の超伝導素子に電気的に結合され、付加的な半 導体素子は付加的な超伝導素子に結合されている。その直列構造は多数のベルチ ェ接合部を間に含む超伝導体と半導体との交互の配置で連続する。

第１および第２の超伝導素子は単結晶または多結晶バルク子はペルチェ装置を形 成するように交互に金属ストリップにはんだ付けされている。

この発明はまた複数のバルクのイツトリウム・バリウム・銅酸化物セラミック高 転移温度超伝導セグメント、複数の常伝導金属ストリップおよび複数の半導体結 晶セグメントを含ムヘルチェ冷却装置として特徴付けられている。複数の超伝導 結晶セグメントおよび半導体結晶セグメントは交互の連続体を形成し、超伝導セ グメントの１つが半導体セグメントに電気的に結合され、この半導体セグメント が次の超伝導セグメントの１つに電気的に結合され、以下同様にして結合される 。超伝導および半導体セグメントはそれぞれ常伝導金属ストリップの１つを介し て電気的に結合されている。その結果、実際的なペルチェ冷却装置が構成される 。

さらに、本発明は熱と冷接合部間の熱伝導を最小にするために稀土類バリウム・ 銅酸化物超伝導体薄膜および半導体の薄いウェハを含む交互アレイを構成する工 程を含むスタックから成るペルチェ冷却装置を構成する方法に関する。各超伝導 フィルムはアレイ中で半導体ウェハに隣接し、それに電気的に結合されそれに先 行して位置する。各半導体ウェハは次の超伝導フィルムに隣接し、それに電気的 に結合される。次に、各半導体ウェハおよび超伝導薄膜は薄膜金属ストリップが 配置されている予め定められたエツジを除きアレイ内で絶縁層によって分離され ている。各半導体と超伝導層の間に配置された金属ストリップは２つのセット中 に配置され構成されている。第１の組は超伝導フィルムと半導体ウェハの一方の 端部に設けられ、第２の組は超伝導フィルムと半導体層の反対側の端部に設けら れる。常伝導金属ストリップの第１および第２の組は交互のアレイを形成する。

Ｓｌの組は複数の冷ベルチェ接合部を形成し、第２の組は複数の熱接合部を含む 。その方法は複数の半導体ウェハ、超伝導フィルムおよび金属ストリップをブレ イズ溶接する工程により連続する。複数の半導体ウェハおよび超伝導フィルム並 びに金属ストリップはブレイズ溶接工程中に同時にプレスされる。

以下の図面において、同一の素子は同一番号により参照され、本発明は良くビジ ュアル化されることができる。

図面の簡単な説明 第１図は本発明によるペルチェ冷却装置が内蔵された赤外線検出器の概略的な側 面図である。

第２図は通常の半導体と半導体のペルチェ接合対にわたって伝送される電子の量 子力学的運動を表すエネルギ図である。

第３図は本発明の超伝導と半導体ベルチェの接合対にわたって伝送された電子の 量子力学的運動を表すエネルギ図である。

第４図は、本発明によるバルク結晶超伝導体および半導体セグメントから構成さ れたペルチェ冷却装置の概略的な斜視図である。

第５図は本発明によりスタックされた薄膜超伝導層および薄い結晶半導体ウェハ から構成されたペルチェ冷却装置の概略的な斜視図であり、一端が切取られた状 態で示されている。

第６図は第５図のベルチェスタックを内蔵した第１図に示されたタイプの赤外線 検出器の一部の展開された斜視図である。

本発明およびその種々の実施例は、以下の詳細な説明を参照することによって良 く理解される。

好ましい実施例の詳細な説明 実際的なベルチェ冷却装置は、超伝導材料の素子によって通常のベルチェ冷却装 置中の半導体素子の１つを置換することによって構成される。好ま１−い実施例 において、超伝導素子として稀土類バリウム・銅酸化物セラミック、特にＹ　Ｂ 　ａ　２　Ｃｕ　３０ｘの形態のイツトリウム・バリウム・銅酸化物超伝導体が 使用される。超伝導素子は、テルル化蒼鉛から成る半導体素子と交互に直列体で 形成される。特性はＢ１８５Ｓｂ１５の形態の蒼鉛アンチモン半導体を代わりに 使用することによって別の実施例において改善されることができる。結果として 、ベルチェ冷却装置は有効な冷凍能力およびＢ５乃至８０６に以下の安定した冷 却温度を具備して構成されることができる。

示された実施例は、各接合部が超伝導体、金属および半導体のサンドイッチから 順々に構成されている積層体を含むベルチェ接合部に関連して記載されている。

超伝導体における対にされた電子接地状態からｎ型半導体の導電バンド中への電 子の流れの結果、ベルチェ冷却装置が行われる。熱吸収は超伝導体のエネルギギ ャップに対する電子対の分解を伴う転移の電子潜在熱から、並びに半導体におけ るもっと高エネルギレベルへの転移から生じる。

次に比較的高い転移温度すなわちほぼ９５’　Ｋのバリウム銅酸化物超伝導体に 関して実施例を示す。セラミック超伝導体は組成ＲＢａ２　Ｃｕｓ　Ｏｘにより 定められ、ここでＲは１つ以上の稀土類元素、好ましくはイツトリウムを表す。

このような高い転移温度のセラミック超伝導体における超伝導性のメカニズムは 現在完全に理解されているわけではない。シカしながら、説明されたセラミック は、ここで参照されているＷｕ氏他による文献に記載されている（　”　Ｓ　ｕ ｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　ａｔ　９３Ｋ　ｉｎ　ａ　Ｎｅｗ　Ｍｉｘｅ ｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｙ−Ｂａ−Ｃｕ　−ＯＣｏｍｐｏｕｎｄ　５ｙｓｔｅｏ　ａｔ 　Ａｍｂｉｅｎｔ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　”　；　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅ ｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ、　５８．　Ｎｏ、９　、１９８７年３月２日）。

したがって、既知のおよび発見されるべき高温超伝導体を含む現在知られており 、これから発明されるいずれの超伝導体が本発明の技術的範囲内に包括されるこ とか明確に理解されなければならない。

第１図を参照すると、参照符号１０により示された赤外線検出器がかなり概略的 な側面図で示されている。焦点平面アレイ１６の形態の赤外線検出器はデユアハ ウジング１２内に収容されていれる。デユアの端部は赤外線エネルギをデユア１ ２に入れる光赤外線透過ウィンドウ１４を具ｉｔ−でいる。

焦点平面アレイ１６は、焦点平面１６に対してストレイ放射線を阻止し、一方赤 外線エネルギにウィンドウ１４に対向したシールド１８中の端部開口２０を通過 させる包囲された冷却シールド１８内に維持されている。シールド１８は、ウィ ンドウ１４の下のデユア１２内の焦点平面アレイ１６上に赤外−の焦点を結ぶ示 されていない光学系を含んでいてもよい。焦点平面アレイは参照符号２２で示さ れたベルチェ冷却装置上に設けられ、それに熱結合されている。冷却装置２２は 、冷却シールド１８もまた結合されているセラミック基体検出カード２４上に設 けられる。

カード２４はデユア１２の直上内に位置され、通常のジュールトムソン（Ｊ　ｏ ｕｌｅ　−Ｔ　ｈｏｍｓｏｎ）クライオスタット２６に熱結合されている。クラ イオスタット２６は、その冷却剤がアルゴンの場合に検出カード２４がほぼ８７ ’　Ｋのクライオジェニック温度にされるように赤外線検出器１０内に第１の冷 却段階をもたらす。ベルチェ冷却装置２２はさらにその冷却接合端部でほぼ６５ 乃至８０°Ｋに温度を下げる。このようにして、焦点平面アレイは最適冷却動作 温度に維持されている。

赤外線検出器１０およびベルチェ冷却装置２２に関してさらに詳細に考慮する前 に、第１に通常の半導体と半導体のベルチェ接合対に沿った距離の関数として電 子運動エネルギを表す第２図の電子エネルギ図を参照する。第２図において、図 の垂直軸は電子エネルギを表し、一方水平軸は接合部の平面に垂直方向のベルチ ェ接合部を横切る距離を表す。第２図の左の領域３０は第１のベルチェ接合部の 直ぐ左側の通常のｎ型半導体の素子長を表す。下方帯域３２は、原子価バンドの 上部およびフェルミレベル３８より下のほぼ５／２　ｋ　Ｔに近い電子エネルギ 状態を表すレベル指示部３６を具備したｎ型半導体内の部分的に満たされた原子 価バンドを表す。原子価バンドにおける満たされた電子状態の熱分布は、示され ていない禁止バンド内のアクセプタレベルから熱イオン化されたホールとして生 成され、原子価バンドに下方に移動し、正電荷のキャリアとして導電性に寄与す る。第１のベルチェ接合部において、電子はｎ型半導体から通常の金属層３７を 通ってフェルミレベル３８に近いエネルギレベルでｎ型半導体４２に流れる。

ｎ型半導体は金属層３７の直ぐ右側に位置され、ｎ型半導体４２内の部分的に満 たされた導電バンド４０によっ−Ｃ特徴付けられる。エネルギレベル指示部４６ は、導電バンドの底部およびフェルミレベル３８より上のほぼ５／ｋＴに近い電 子エネルギ状態を表す。導電バンド中の満たされた電子エネルギ状態の熱分布は 、示されていない禁制バンド内のドナーレベルから熱イオン化された電子として 生成され、導電バンドに上方に移動し、負に荷電されたキャリアとして導電性に 寄与する。

ｎ型半導体の直ぐ右端に隣接しているのはもう１つの常導電金属層４４であり、 原子価バンド３２および満たされたエネルギレベル３４によって特徴付けられた ｎ型半導体素子４８が続く。

第２図のｐ−ｎ−ｐ接合部にわたる電位の結果として電流が流されたとき、物理 的な法則により第２図の図中の左におけるｎ型半導体領域３０のレベル３６にお ける原子価バンド３２内の電子がエネルギにおいて増加し、金属層３７を通して ｎ型半導体４２の導電バンド４０内の４６のような導電バンドエネルギレベルに 移送されることができる。しかしながら、電子のエネルギにおける増加はエネル ギ保存の法則にしたがって一部は供給電圧およびフォノンの吸収または格子振動 のためであり、第２図の左端接合部の近くで冷却として感知される。フォノンは 吸収され、したがって接合部は冷却する。その後、電子は金属層４４の近くの第 ２の接合部に対してｎ型半導体４２を通してさらに高い状態のエネルギレベル４ ６に移送される。ここで電子は、ｎ型半導体４８の原子価バンド３２の上部に近 いエネルギ状態３４を仮定するためにｎ型半導体４２とｎ型半導体４８との間の 接合部を横切って移送されるので量子力学的にエネルギにおいて減少する。再度 エネルギ保存の法則により電子は接合転移期間中にフォノンとして表されたエネ ルギを放出し、これは格子振動または熱に変換される。したがって、金属層４４ ０近くの接合部は高温接合部である。

第３図の類似したエネルギ図に概略的に示されたような本発明にしたがって構成 されたベルチェ冷却装置を考える。本発明のベルチェ冷却装置は、超伝導体とｐ 型半導体装置換するように通常のベルチェ冷却装置を修正することによって実伴 うがジュール加熱を伴わず、半導体の特徴である熱導電損失を伴わない転移のそ の潜在熱による等価な熱電力を提供する。その結果、クライオジェニック温度で 動作するベルチェ冷却装置を構成することができる。第２図に関連して説明され たメカニズムに基づいた通常の半導体のベルチェ冷却装置は、特にｐ型半導体に おける高い熱損失および減少された熱電係数のために事実上はぼ１５０°により 下で使用できない。

第３図に見られるような発明の接合部において、第１の超伝導素子４９は常伝導 バンド５３および超伝導バンド５０並びにそれらの間のエネルギギャップ５２に よって特徴付けられている。

冷却は、接合部に対して供給された電位の影響下の電子が超電流を引起こす電子 対を含む超伝導バンド５０から常伝導バンド５３およびｎ型半導体５６の導電バ ンド５４に転移したときに生じる。フォノンはこの電子転移において吸収され、 したがって冷却が達成される。またｎ型半導体５６は導電バンド５４によって特 徴付けられており、満たされたエネルギレベル６０を表す。超伝導体４９内にお いて超伝導バンド５０から常伝導バンド５３への量子力学的転移を行うために超 伝導体４９内の電子はギャップ５２をジャンプしなければならず、エネルギ保存 の法則にしたがって、供給電圧により部分的におよび超伝導体４９とｎ型半導体 ５８との間に介在する常伝導金属層８２の近くにおけるフォノンの吸収によって かなりのものがジャンプする。これは超伝導相から常伝導相へ転移したときの潜 在性電子熱と呼ばれ、金属層８２の接合部付近における温度の下降として感知さ れる。

前のように、電子はｎ型半導体５６と第２の超伝導素子６６との間の常伝導金属 層６４の近くの接合部に半導体５６の導電バンド５４を通して導かれる。また超 伝導素子６６は超伝導バンド５０、常伝導バンド５３およびそれらの間のエネル ギギャップ５２によって特徴付けられている。金属層６４の近くの接合部を横断 する過程において、電子はｎ型半導体５６の導電バンド５４から超伝導体６６の 超伝導バンド５０内にあると考えられる超伝導エネルギ状態へ転移する際にエネ ルギにおいて減少する。電子は超伝導バンド５０へ転移し、熱またはフォノンが 放出される。

接合部５Ｂ−６４−８８は熱する。

その結果、第２図の通常のベルチェ接合とほぼ同じ大きさの熱電力が第３図のベ ルチェ接合対において実現される。しかしながら、超伝導ベルチェ接合は半導体 接合のように低温によって劣化されず、高い冷却損失を受けない。

エネルギの保存は失われた電子エネルギがベルチェ熱として感知された金属層６ ４の接合部の近くで放出されたフォノンのように他の部分に現れることを意味す るが、エネルギはまた２つの接合部にわたって電子をバイアスするＤＣ電力から 消費される。供給電圧および入力エネルギは、熱電圧に対して電子を移動し、オ ーム摩擦を克服、するために必要である。

本発明による超伝導冷却装置と比較すると、通常のベルチェ冷却装置の相対的な 特性は以下の計算を考えることによって良く理解することができる。冷却装置は ８７６にの熱沈めに結合されており、テルル化蒼鉛半導体材料（ｎ型Ｂ１２Ｔｅ ａ）とイツトリウム・バリウム・銅酸化物（ＹＢａ２Ｃｕ３０□）セラミック超 伝導体とのベルチェ接合を使用すると仮定する。この冷却装置は通常のテルル化 蒼鉛ベルチェ接合に対して明確に比較されることができる。これらの材料に関し て以下の式に適切に挿入される公表された材料パラメータを使用すると、動作レ ベルの最適係数および電力要求は通常の赤外線検出器パッケージと両立可能な幾 何学的構成の実際のクライオジェニック冷却装置に適していることを示すことが できる。事実、超伝導体のベルチェ冷却装置はクライオジェニック温度で通常の 半導体のベルチェ冷却を行う。

動作係数（ＣＯＰ）は、パワー人力によって分割された純冷凍出力によって与え られる。ベルチェ冷却装置に関して、純冷凍出力は全体的冷凍から１／２のジュ ール熱損失および熱伝導損失を引く、すなわち以下の式により与えられる。

Ｑ−純冷凍出力 ＝Ｎ（耳ａ１　”　ａ２］　”Ｃ−［Ｉ２／２］［（ＰＩＬｌ／Ａ１）　”　（ Ｐ２Ｌ２／Ａ２）−ＴＴ（ｋＩＡ１／Ｌｌ）　＋　（ｋ２Ａ２／Ｌ２）］）　（ Ｉ１ここでａｒ−ｊ番目の材料の熱電力（Ｖ／Ｋ）、ｐ＋−ｊ番目の材料の電気 比抵抗（オーム−１）、ｋ＋−ｊ番目の材料の熱伝導性（Ｗ／　Ｃｍ−Ｋ）、ニ ー接合を流れる電流（Ａ）、 Ａ＋−ｊ番目の材料レッグの断面積（ｃｆｆ）、Ｌ＋−ｊ番目の材料レッグの長 さく　ｃｍ）、Ｎ−装置における連続した接合部の数、Ｔ−ＴＨ−Ｔ、−高温（ Ｔ）ｌ　）と低温（Ｔｃ　）接合間の温度差。

同様に、パワー人力はジュール電力損失とトムソン電気作用の合計、すなわち以 下の式によって与えられる。

Ｐ　＝Ｎ（Ｉ２［（Ｐ２Ｌ２／Ａ２）＋　（ｐ２Ｌ２／Ａ２）牛耳ａ１　＋　ａ ２］　Ｔ）　（２）ココテη−カルノー（Ｃａｒｎｏｔ　）効果−Ｔｃ　／　［ ＴＨＴｃ　］７−　［（１＋ＺＴ）１／２−ＴＨ／Ｔ（］／［１＋ＺＴ）１／２ ＋　１］別の有効な式は以下の式によって与えられるゼロ冷凍に維持されること ができる最大Ｔである。

ΔＴ、、、　−Ｚ　（Ｔｃ　’）　２　／２設計を比較すると、超伝導ベルチェ 冷却装置は１３＠にの最大ΔＴを維持し、一方半導体ペルチェ冷却装置は４°に だけを維持する。この動作比較だけでも半導体ペルチェ冷却装置がこれらのクラ イオジェニック温度で使用できないことを示すのに十分である。さらに次に開示 されるような動作分析は超伝導ペルチェ冷却装置が実際的な装置であることを示 す。

高温接合部の温度が８７”　Ｋであり、低温接合部の温度が８０″′にであり、 超伝導体の転移温度が９５°にであると仮定し、上記の式および材料に対して公 表されたパラメータを使用することによってＺＴＯ値は超伝導ペルチェ冷却装置 に対して０．３６であることが明らかになる。これは７″にのΔＴに対して０． ３５のＣＯＰを生成する。超伝導体の熱電力は８７’　Ｋの熱沈め温度における 温度依存性バンドギャップエネルギの１／定数と超伝導体転移温度との積を示す 。比較可能な通常の半導体のベルチェ冷却装置は７″にの同じＴにゼロ有効ＣＯ Ｐを与える。

赤外線検出装置に対する典型的なベルチェ冷却装置設計構造は、素子の寸法が両 接合材料に対してＡ　−０，００３４ｄおよびＬ−０，１３ｃｍの単一段の９連 続液合装置を含む。前と同じ温度状態でＣＯＰを最適にする電流を使用した７５ ミリワツトの冷凍に対して、電流、パワー人力および放出される熱価は公表され た材料パラメータを使用すると、本発明による超伝導体ベルチェ冷却装置に対し て０．８アンペア、２１５ミリワツトパワ一人力および２９０　ミリワット熱放 出である。

通常の設計に比較すると、本発明による超伝導体ペルチェ冷却装置は著しく改善 されている。

高い転移温度の超伝導体が改善されて転移温度が上げられたため、本発明の超伝 導ペルチェ冷却装置と通常のベルチェ冷却装置との間の特性の差は一層大きくな ると予測される。

さらに熱沈め温度も上げられ、ＪＴクライオスタットではない別のタイプのクラ イオ冷却装置が第１段のクライオ冷却装置として使用されることができる。

第４図のベルチェ冷却装置は、通常の半導体冷却装置を構成する通常の方法を表 している。本発明は、超伝導素子によって置換されるｎ型半導体素子によりこの ようにして構成されてもよい。第４図において、冷却装置２２は２つのセラミッ クカード間に挾まれている冷却および加熱のための一連の接合を形成するために 電気的に対にされた長方形の平行六面体の形態の半導体と超伝導素子のチェッカ ーボードレイアウトから構成されている。上部セラミックカード９４は低温ペル チェ接合部と熱接触しており、冷熱沈めを表わし、一方下部セラミックカード１ ００は高温ベルチェ接合部と熱接触しており、温熱沈めに熱結合されなければな らない。アルミニウム電気接触子のパターンはセラミックカードの接合接触面上 に設けられている。電気接触子６８および７０は指示された極性を有する外部電 源への接続用である。セラミックカード１００上に設けられた接触子６８は第１ のｎ型半導体素子７２にはんだ付けされ電気的に結合されている。半導体素子７ ２の他端は、セラミックカード９４上に設けられている電気接触パッド７６には んだ付けされ電気結合されている。接触パッド７６は隣接した超伝導素子７８ま で延在し、素子７８にはんだ付けされ電気結合される。超伝導体はバルクイツト リウム・バリウム・銅酸化物から構成されている。半導体素子はｎ型テルル化蒼 鉛半導体から構成されている。カード１００上に設けられた第３の接触パッド８ ２は、素子７８の他端ににはんだ付けされ電気結合されている。パッド８２は隣 接した右側のｎ型半導体素子に延在する。

半導体から超伝導体への接続のこの連続パターンは、最後の素子の超伝導体８６ に到達するまで装置全体を通って延在する。

素子８６は接触パッド７０にはんだ付けされ電気接触されている。

ベルチェ冷却装置２２を通る電子流は、電極６８゛からの半導体層７２から流出 する電子が右側から隣接したパターンで存在している一連の超伝導体から半導体 素子を通って素子７８のベースにその上部エツジまで流れ、金属接触パッド７６ を横断してその上部で半導体７２中に流れ、それから下方に底部の金属接触パッ ド６８に流れ装置から出るように蛇行している。

第５図を参照すると、本発明したがっているが別の構造のベルチェ冷却装置が露 出された断面と共に斜視図で示されている。冷却装置２２は、指示された極性に よりバイアスされる銅の電気接触子６８′および７０゛を含む。接触子６８′は 、第１のｎ型半導体ウェハ層７２にはんだ付けされ電気的に結合されている。典 型的に低い熱伝導性のセラミックから構成され熱膨張係数に一致する薄い絶縁層 ７４は半導体層に隣接しており、半導体に接着されている。絶縁層７４は第５図 に示されているように典型的にニッケルおよびインジウムのような蒸着された金 属層から構成された、常伝導金属層７６の薄いフィルムを設けられた上部水平ス トリップを除いて半導体層７２の右面のほとんどをカバーする。絶縁層７４は示 された実施例のイツトリウム・バリウム・銅酸化物からなる超伝導体７８のスパ ッタされた薄いフィルム上に位置している。次に、第２の絶縁層８０および常伝 導金属層８２は第５図に示されるように絶縁層７４および金属ストリップ７Ｂと 比較すると逆の配置であることを除き超伝導層７８の右側に設けられる。次に第 ２の半導体層８４は絶縁層８０および金属ストリップ８２に隣接し接触するよう に設けられる。したがって、層７２乃至８４を含む積層体の部分はペルチェ冷却 装置スタックの第１の２つの接合部を構成し、半導体と超伝導層７２−７８−７ ８は冷接合であり、層シーケンス７ｇ−８２−８４は高温接合である。

示された実施例において論じられるように、半導体層７２および９０はｎ型テル ル化蒼鉛半導体から構成されている。一連の半導体層、絶縁層、金属ストリップ 、超伝導層等は、所望の数の接合が得られるまで第５図に概略的に示されている ように連続的に周期的なパターンで連続する。電極７０から超伝導層８θ中へ流 れる電子が層８６のベースからその上部エツジまで流れ、金属ストリップ８８を 横断して半導体ストリップ９０に、流れ、それから周期的スタック構造で次に隣 接した超伝導層に接着されている底部金属ストリップ（示されていない）まで半 導体層９０に沿って下方に流れるように、ベルチェ冷却装置２２を通る電子流が 蛇行していることは容易に理解できる。

第５図に示されているような冷却装置２２の製造方法は、薄いフィルム材料をそ の間に含む平面の半導体ウェハダイのスタックされたシーケンスが一度に一緒に はんだ溶接されるか、或はインジウム接触部により一緒にプレスされることにお いて特有である。

第３図、第４図および第５図に関連して冷却装置スタックおよびその物理的性質 が説明されてきたが、次に赤外線検出器１０内の冷却装置２２の取付けを詳細に 示した第６図の展開された部分的斜視図を参照する。第１図および第６図に示さ れた２段階冷却の概念は一般に赤外線検出器において使用される通常のクライオ 冷却装置技術にまさる利点を与える。

通常のジュールトムソンクライオスタットは、はぼ７７″にへの冷却を行なうた めの窒素ガスおよびほぼａｓ’　Ｋの温度を得るための窒素とネオンの混合ガス を必要とする。これより低い冷却温度は、大型のクライオスタットだけでなく所 定の適用の全て、特に空間および重量制限のあるミサイルのような適用において 常に使用できるとは限らない重く高価な蓄積気体システムも必要な２ガス、２段 階のジュール・トムソンクライオスタットを必要とする。このような混合ガスは 、さらに多数の軍事上の加熱環境に対してそれらを使用不可能にする劣った冷凍 容量の悪影響を受ける。窒素ガスでもアルゴンよりかなり低い冷凍力しか持たな い。したがって、７７″に以下の低温で使用される通常のクライオスタットは、 典型的に長い冷却温度に達するまでの時間および高い周辺温度制限のような欠点 を呈する。

第１図および第６図のＩＲ検出器ｌＯにおいて、アルゴンガスは検出カード２４ でほぼ８７６の低温を達成するために第１段階のジュール・トムソンクライオス タット２６において使用される。これはベルチェ冷却装置２２において使用され る稀土類・バリウム・銅酸化物セラミックのほぼ９５°にの超伝導体転移温度の 直ぐ下である。これは、重要な軍事的設計利点を有する全てのミサイルシステム において使用されるジュール・トムソン冷却ガスの標準化を可能にする。

さらに、アルゴンの高い冷凍力のために、固有に速い冷却時間およびデユアおよ びクライオスタット装置の全体的な寸法の減少が可能である。

ベルチェ冷却装置２２を含む第２の冷却段階は、８７’　Ｋより低い広範囲の低 温を達成するように構成され、高度の温度安定性を提供するように閉ループ温度 制御を行うために容易に使用されることができる。したがって、随意に赤外線検 出器１０内の低温を８７６により低く設定することができることにより、低温動 作は安定し、どのようなタイプの検出器またはアレイが使用されてもその動作特 性を最適化するように安定に一定化されることができる。例えば、ショッツキ（ Ｓ　ｃｈｏｔｔｋｙ）赤外線焦点平面アレイは強い暗電流温度依存性および約７ ８°にの臨界動作ニーを有する。雑音はこの温度より上で増加し、検出器の感度 は大幅に低下する。このような焦点平面アレイを冷却するために通常使用される 窒素ジュール・トムソンクライオスタットはこのようなアレイに縁部温度安定性 および冷却パワーを提供する。クライオ冷却装置によって与えられた温度におけ るどの小さい振動も赤外線検出器の感度、利得および固定されたパターン雑音に 大きい影響を及ぼす。

長波長の水銀カドミウムテルルのような別の検出器において、ダイオードの抵抗 と面積との積およびアレイ均一性は温度依存性なので、７７°により低い温度が 要求され、最適な動作を実行するために６５°Ｋが好ましい。したがって、第１ 図および第６図の構造により冷却された赤外線検出器は容易に使用されることが 可能であり、ショッツキまたはこのタイプの長波長の赤外線検出器において明ら かに利点を有する。

さらに、アルコ°ンのジュールやトムソンクライオスタット段階の使用は直接的 に検出器および冷却シールドの基体集合を冷却し、その結果急速な冷却時間が得 られる。焦点平面アレイ自身の集合だけがベルチェ冷却装置２２によって冷却さ れる。焦点平面アレイの熱量は非常に小さいので、ベルチェ冷却装置はシステム 全体の冷却時間を速めるためにアルゴンのジュールトムソンクライオスタットの 設計と組合せてアレイの熱量に合わせて設計されることができる。

第６図の実施例において、ベルチェ冷却装置はその高温接合部がカード２４と熱 接触するようにセラミック検出カード２４上に設けられている。したがって、対 向面９２に設けられた低温接合部は焦点平面アレイとの熱接触に利用される。第 ６図から、冷却シールド１８はクライオスタット２Ｇの隣接部分である場合のよ うに機械的に熱的にカード２４に結合されることが理解できる。クライオスタッ ト２６または冷却シールド１８はベルチェ冷却装置２２と直接的に熱接触してい ない。しかしながら、ベルチェ冷却装置２２は焦点平面アレイ１６の下の中間ア ルミナ基体９４に直接的に熱結合されている。検出器アレイ９８と共に焦点平面 アレイの部分である読取り集積回路チップ９６は基体９４上に設けられてそれと 熱接触しており、検出器アレイ９８は読取り集積回路チップ９６上に設けられて いる。したがって、ベルチェ冷却装置２２が冷却しなければならない熱量および その低温接合部に熱結合される質量は検出器１０の残りの部分の熱量と比較する と非常に小さい素子９４−９６−９８の質量だけである。

当業者は、本発明の技術的範囲を逸脱することなく多数の修正および変更を行う ことができる。例えば、示された実施例はテルル化蒼鉛半導体に関連して記載さ れているが、改善された特性はイツトリウム・バリウム、酸化銅セラミック超伝 導体と組合せて別の半導体を使用することにより得られる。

例えば、ｎ型蒼鉛・アンチモン（Ｂ　！　ｓｓ　Ｓ　ｂ　＋　ｓ）は超伝導ベル チェ冷却装置において使用される満足できる半導体であることが認められており 、テルル化蒼鉛より良好であることが予め認められている。例えば、イツトリウ ム・バリウム・銅酸化物セラミックおよび蒼鉛・アンチモンベルチェ冷却装置に 対する動作係数は、半導体素子としてテルル化蒼鉛を使用する類似の冷却装置に 対する０、６５に比較して、はぼ１，９であることが認められた。特に、８７″ にの熱沈めおよび８０°にの低温により７５ミリワツトの冷凍がそれぞれ４０ミ リワツトのパワー人力を伴うことが認められた。熱放出は１１５　ミリワット具 備した葛伝導ペルチェ冷却装置は超伝導体におけるジュール熱損失がないため満 足できるように動作する。超伝導体の熱電力を使用しない超伝導体ベルチェ冷却 装置のＣｏＰは７°にのＴで０．６５である。

したがフて、示された実施例は単に例示および明瞭化のために与えられたに過ぎ ないことを理解しなければならず、以下の請求の範囲の各請求項において限定さ れる以外に本発明を限定するものとして考えるべきではない。

国際調査報告 シｈ１−絆−間１＾Ｉ−噂蔦・い−ＰＣτ／１．ｓ　６９１０２６ε。

国際調査報告 ＵＳ　８９０２６６４

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の電極と、 前記第１の電極に電気的に結合されている超伝導層と、前記超伝導層に電気的に 結合された半導体層と、前記半導体層に電気的に結合された第２の超伝導層と、 前記第２の超伝導層に電気的に結合された第２の電極とを具備し、 電子が供給電圧の下に前記第１の電極から前記第１の超伝導層、半導体層、第２ の超伝導層および第２の電極を通って流れ、前記第１の超伝導層と半導体との間 の電気接合がペルチエ冷却を行い、一方前記半導体層と前記第２の超伝導層との 間の電気接合がペルチエ加熱を行い、それによってクライオジェニックペルチエ 冷却スタックが提供されるペルチエ冷却スタック。
2. （２）第１および第２の常伝導金属層を含み、前記第１の超伝導層および半導体 層は前記第１の常伝導金属層を通って互いに電気的に結合され、前記半導体層お よび前記第２の超伝導層は前記第２の常伝導金属層を通って互いに電気的に結合 され、前記第１および第２の常伝導金属層は前記第１の超伝導層と半導体層との 間および前記半導体層と前記第２の超伝導層との間に、それぞれ互いに対向して 間隔を隔てられた位置に設けられている請求項１記載のペルチエ冷却スタック。
3. （３）前記第１および第２の超伝導層は高温超伝導セラミックである請求項１記 載のペルチエ冷却スタック。
4. （４）高温超伝導セラミックは以下の組成からなり、ＲＢａ２Ｃｕ８Ｏｘ ここでＲは稀土類元素であり、ｘは有限数である請求項３記載のペルチエ冷却ス タック。
5. （５）前記稀土類元素はイットリウムである請求項４記載のペルチエ冷却スタッ ク。
6. （６）前記半導体層はテルル化蒼鉛である請求項１記載のペルチエ冷却スタック 。
7. （７）前記テルル化蒼鉛はＢｉ２Ｔｅ３の形態である請求項１記載のペルチエ冷 却スタック。
8. （８）前記テルル化蒼鉛はｎドープされている請求項７記載のペルチエ冷却スタ ック。
9. （９）前記半導体層は蒼鉛アンチモンの合金である請求項１記載のペルチエ冷却 スタック。
10. （１０）前記蒼鉛アンチモンはＢｉ８５Ｓｂ１５の組成からなる請求項９記載の ペルチエ冷却スタック。
11. （１１）前記蒼鉛アンチモン合金はｎドープされている請求項１０記載のペルチ エ冷却スタック。
12. （１２）第１の電極と、 複数の超伝導層の第１のものが前記第１の電極に電気的に結合された複数の超伝 導層と、 超伝導および半導体層の複数が超伝導および半導体層の交互のシーケンスを構成 し、その各層は連続したペルチエ接合を含むように前記別の複数の層からの層に 隣接して位置され、それと電気的に結合され、ペルチエ接合が各電気的に結合さ れ隣接した対の前記半導体および超伝導層の間に形成される複数の半導体層と、 電子が供給電圧の下に前記第１の電極から超伝導および半導体層の前記交互のシ ーケンスを通って流れ、第１の組の前記超伝導層と半導体層の間のペルチエ接合 がペルチエ冷却を行い、一方第２の組の前記半導体層と前記超伝導層の間のペル チエ接合がペルチエ加熱を行う前記複数の超伝導層の前記層の最後のものに電気 的に結合された第２の電極とを具備しているペルチエ冷却スタック。
13. （１３）前記半導体層はテルル化蒼鉛である請求項１２記載のペルチエ冷却スタ ック。
14. （１４）前記半導体層は蒼鉛アンチモンの合金である請求項１２記載のペルチエ 冷却スタック。
15. （１５）前記稀土類元素はイットリウムである請求項１４記載のペルチエ冷却ス タック。
16. （１６）前記蒼鉛アンチモンはＢｉ８５Ｓｂ１５の組成からなる請求項１５記載 のペルチエ冷却スタック。
17. （１７）前記第１および第２の超伝導層は薄いフィルム層であり、前記半導体層 は平坦なウエハダイであり、前記超伝導および半導体層は同時にブレイズ溶接お よびプレスされて前記ペルチエスタックを形成する請求項１記載のペルチエ冷却 スタック。
18. （１８）複数の薄いフィルムのイットリウム・バリウム・銅酸化物セラミック高 温超伝導層と、 複数の常伝導金属の薄いフィルムと、 前記複数の超伝導層および半導体ウエハが次の前記超伝導層の１つに電気的に結 合され隣接している前記半導体層の１つに電気的に結合され隣接した前記超伝導 層の１つの交互のアレイを形成し、前記超伝導および半導体層はそれぞれ前記常 伝導金属の薄いフィルムの１つを通して一緒に電気結合され、それによって実際 的なクライオジェニックベルチエ冷却装置が提供される複数の平坦な半導体ウエ ハとを具備しているペルチエ冷却スタック。
19. （１９）前記複数の超伝導および半導体層の前記アレイは、前記複数の層を同時 にプレイズ溶接およびプレスすることによって結合され、インジウムの薄いフィ ルムを間に有する交互のアレイにされる請求項１８記載のペルチエ冷却スタック 。
20. （２０）前記半導体ウエハはｎドープされたＢｉ８５Ｓｂ１５の組成からなる請 求項１８記載のペルチエ冷却スタック。
21. （２１）各超伝導フィルムがアレイにおいて半導体ウエハに隣接し電気的に結合 されて先行し、次に各半導体ウエハは後続した超伝導の薄いフィルムに隣接して 電気的に結合され、各半導体ウエハおよび超伝導の薄いフィルムが薄いフィルム の金属ストリップが配置されている予め定められたエッジを除き前記アレイ内で 絶縁層により分離され、前記金属ストリップは２組に配置され構成された各半導 体および超伝導層の間に位置され、第１の組は前記超伝導フィルムおよび半導体 ウエハの一方のエッジ上に配置され、第２の組は前記超伝導フィルムおよび半導 体層の反対側のエッジに配置され、前記第１および第２の組の常伝導金属ストリ ップは交互のアレイを形成し、前記第１の組は複数の低温ペルチエ接合部を構成 し、前記第２の組は複数の高温ペルチエ接合部を構成する稀土類のバリウム・銅 酸化物超伝導体の薄いフィルムと半導体の平坦なウエハの交互のアレイを構成し 、 前記複数の半導体ウエハ、超伝導フィルムおよび金属ストリップを一緒にプレイ ズ溶接し、 前記ブレイズ溶接工程期間中に前記複数の半導体ウエハ、超伝導フィルムおよび 金属ストリップを一緒に同時にブレスする工程を含むペルチエ冷却スタックを製 造する方法。