專利名稱：固態(tài)冷卻或者發(fā)電器件及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種固態(tài)冷卻和/或發(fā)電器件。具體而言，本發(fā)明涉
及一種包括納米級(nanoscale)半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熱泵。
背景技術：
對固態(tài)冷卻器件的關注在近幾十年已經(jīng)顯著增長。固態(tài)冷卻器 件由電流直接驅(qū)動，而對該器件的不同部分的同時冷卻和加熱歸因 于熱電效應。固態(tài)冷卻器件通常不如常規(guī)致冷器有效但是具有不依 賴于移動機械部分或者不需要潛在有害傳熱流體的優(yōu)點。這些特征 以及固態(tài)冷卻器件可以制造得比常規(guī)致冷器件小得多的事實使固態(tài) 冷卻器件很好地適合于冷卻電子器件以及甚至單個微芯片。引起固 態(tài)冷卻器件的冷卻/加熱效應的物理性質(zhì)也可以用來生成電流。
商業(yè)上大量可用的如今僅有的固態(tài)冷卻器件是基于珀耳帖 (Peltier)元件的冷卻器件。珀耳帖元件于40年代晚期和50年代早 期引入和開發(fā)并且基本上僅針對后來新發(fā)現(xiàn)的半導體材料的良好熱 電性質(zhì)來工作。原理上，尋求具有高導電性和低導熱性的材料，并 且發(fā)現(xiàn)諸如摻雜Bi2Te3的半導體具有適當?shù)男再|(zhì)。在"Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling" (Ioffe, A.F., 1957年, Infosearch， London)中會找到對珀耳帖元件及其性質(zhì)的全面描述。 隨著經(jīng)驗和技術工藝的改進，引入了更好的珀耳帖元件。如今，發(fā) 現(xiàn)基于珀耳帖元件的冷卻器件主要在用于在車輛中使用的移動小尺 寸冷卻器中以及在電子器件和傳感器中作為冷卻元件。
固態(tài)冷卻技術的一種替代原理使用由真空分離的兩個電極，并 且稱為熱隧穿(tunneling)熱泵(TH )。這一原理已經(jīng)知名^艮久， 并且熱泵自19世紀30年代起在科學刊物中已有建議和公布。TH的限制因素是真空層的寬度和電極材料功函數(shù)的量值(magnitude)。 熱泵可以通過供電作為有源冷卻/加熱元件來工作或者作為其中現(xiàn)有 溫度差生成電流的發(fā)電器來工作。這兩個過程互逆。術語"固態(tài)冷卻 /發(fā)電器件，，將在下文中使用，并且應當解釋為涵蓋用于并且也可能優(yōu) 化用于冷卻/加熱和/或發(fā)電的器件。
為了冷卻，當在器件上施加偏置時，如果真空間隙足夠窄，則電 子將隧穿由真空間隙產(chǎn)生的勢壘。由于電子攜帶熱量，所以一個電極 將加熱而另 一 電極將冷卻。按照從將被冷卻的電極提取的熱量除以功 率輸入來定義此類器件的效率。功函數(shù)的量值需要盡可能小，并且 Ag-O-Cs電極在室溫具有約leV的最低測量功函數(shù)。這將真空間隙的 最大寬度限制于約15A以求高效工作，這在實際上不可能實現(xiàn)。相同 結(jié)論適用于發(fā)電器。由于這些約束，真空間隙器件尚不能夠與已知的 珀耳帖元件媲美，并且如今尚無商用產(chǎn)品問世。
在19世紀90年代，科學家們回顧真空間隙TH并且建議用半導 體薄膜系統(tǒng)取代真空間隙。可以實現(xiàn)更低功函數(shù)并且計算表明了極 高的效率。若干年以后發(fā)現(xiàn)光子熱傳導(其被真空間隙阻止)扮演 頗具破壞性的角色，從而基本上致使這些器件的效率相當于(或者 低于)珀耳帖元件。如今在這一領域中仍然進行研究，試圖發(fā)現(xiàn)增 強電子傳送而又阻止光子的新異質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而就發(fā)明人的了解而言， 尚不存在起作用的原器或者商用產(chǎn)品。
最近對于真空間隙TH的關注由于描述如下實驗的一系列文章 而再次增長，這些實驗表明只要真空間隙可以構(gòu)造得足夠薄則真空 間隙TH有大的電勢，例如參見Y. Hishinuma等人的"AeyHgera"o"
A/a打omefer Sca/e Dew'gw，， ( Applied Physic Letters,第78 ( 17 )巻，2001 年4月)。在實驗中使用尺寸為1[imxlpm的芯片，而lcmxlcm的 尺寸是商用產(chǎn)品所必需的。利用如今已知的制造方法很難生產(chǎn)面積 如此之大的芯片和10A-20A量級的真空間隙。
在WO 2004/049379中公開了一種用薄(5A-50A )絕緣體層如氧化鋁覆蓋一個或者兩個電極的隧穿真空冷卻器件。該布置通過改 變電極之間電場的形狀來阻止低能電子(低于費米能量)，這些低 能電子會降低無絕緣體層的TH的效率。
在Y. Hishinuma等人的"Facwww T7^環(huán)Zom'c i^/h'gera"ow ，7A a S，/cow^"or //"ero乂wwCow 5Vrw"wre，， ( Applied Physic Letters, 第 81 (22)巻，2002年11月)中，建議通過將半導體應用于真空冷卻 器件的金屬電極來進行對熱電子的相似過濾。通過對施加的強電場 與分層半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)或者具有分級成份的半導體的組合來減少真 空勢壘。分層異質(zhì)結(jié)構(gòu)或者成份梯度的目的在于在金屬與半導體的 界面形成肖特基勢壘并且減少半導體中的焦耳加熱。高的冷卻功率 有所報導；然而，器件的效率由于大的施加電場而仍然較低。
現(xiàn)有技術的出版物清楚地證實基于真空間隙的固態(tài)冷卻/發(fā)電器 件的可能性；然而需要適合于大規(guī)模生產(chǎn)的改進效率和設計以便讓 真空間隙技術在商業(yè)上取代珀耳帖技術。
發(fā)明內(nèi)容
顯而易見，現(xiàn)有技術的真空間隙熱泵和包括此類真空間隙熱泵 的冷卻器件需要明顯改進，以便與珀耳帖元件相比在商業(yè)上具有吸 引力。
本發(fā)明的目的在于提供一種克服現(xiàn)有技術方法弊端的方法。這 通過如權(quán)利要求1所述的器件和如權(quán)利要求12所述的生產(chǎn)方法來實現(xiàn)。
提供 一 種包括由真空間隙分離的第 一 電極和第二電極的固態(tài)冷 卻/發(fā)電器件。根據(jù)本發(fā)明，至少一個電極具有包括至少一個量子阱 的納米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該量子阱與真空間隙組合形成雙勢壘共 振結(jié)構(gòu)，該雙勢壘共振結(jié)構(gòu)提供允許在第 一 電極與第二電極之間共 振隧穿的條件。
優(yōu)選地，納米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)被布置用以在多個分離能量窗 或者傳送通道提供共振隧穿。能量最低的能量窗的較大部分應當高于電極特征能量，其為費米能量加上溫度乘以波爾茲曼常數(shù)
(EF+kBT)。甚至更優(yōu)選地，能量最低的能量窗應當被布置為盡可
能近地匹配于特征能量。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，納米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)至少包括與 第二薄膜連接的第一薄膜和與真空間隙相鄰的第二薄膜。第一薄膜 的材料應當具有比相鄰第二薄膜的材料更寬的帶隙。
根據(jù)一個實施例，納米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以包括在超晶格布 置中各自由第二薄膜跟隨的多個第一薄膜，該超晶格以與真空間隙 相鄰的第二薄膜作為結(jié)束。
一個或者多個第一薄膜可以由A1N制成，而一個或者多個第二 薄膜可以由AlGaN制成。
根據(jù)本發(fā)明的 一種生產(chǎn)固態(tài)冷卻/發(fā)電器件的方法包括以下步
驟
-在襯底的頂部上生長金屬層，其用以充當與外部電路的接觸； -通過生長一個摻雜半導體層、繼而生長形成勢壘的至少一個第 一材料層以及生長第二材料層，在金屬層的頂部上提供納米級半導 體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中第一材料具有比第二材料更寬的帶隙。 在一個實施例中，用以下步驟補充該方法 -在將與真空間隙相鄰的第二材料層上提供具有通孔的掩模； -通過在掩模的頂部上生長絕緣體來填充通孔； -去除掩模以顯露絕緣間隔物；
-在絕緣間隔物的頂部上按壓第二電極，絕緣間隔物由此限定形 成于第 一 電極與第二電極之間的間隙的寬度。
由于根據(jù)本發(fā)明的器件，就可以提供效率很高并且有可能以合 理成本來制造的基于真空間隙的固態(tài)冷卻/發(fā)電器件。
根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)冷卻/發(fā)電器件的 一 個優(yōu)點在于它可以制作得 很小、因此很好地適合于冷卻電子器件。它甚至可以集成于計算機 芯片中。該器件不含移動部分，這是減少尺寸的先決條件，并且這 也保證魯棒性和可靠性。與珀耳帖元件相比的又 一 優(yōu)點在于效率。根據(jù)本發(fā)明的真空間
隙器件的效率可以多達常規(guī)珀耳帖元件的10倍-15倍。
在從屬權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的實施例。本發(fā)明的其它目的、 優(yōu),泉和新穎特征將從結(jié)合附圖和權(quán)利要求書來考慮的對本發(fā)明的如 下具體描述中變得清楚。
現(xiàn)在將參照附圖來描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例，在附圖中
圖la示意地圖示了作為根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)冷卻/發(fā)電器件中構(gòu)
建塊的量子阱，而圖lb是對應電勢分布的圖解；圖2a示意地圖示了雙勢壘，而圖2b是對應電勢分布的圖解； 圖3a示意地圖示了根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)冷卻/發(fā)電器件的具有納
米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電極布置，而圖3b是對應電勢分布的圖解； 圖4a示意地圖示了根據(jù)本發(fā)明 一個實施例的具有超晶格形式的
納米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電極布置，而圖4b是對應電勢的圖解；以
及
法，而圖5e示意地圖示了在工作場景下的器件。
具體實施例方式
如在背景技術部分中討論的隧穿真空間隙熱泵具有與在例如冷 卻器件中的珀耳帖元件相比遞送很高效率的可能性。然而，已經(jīng)表 明用現(xiàn)有制造方法很難實現(xiàn)所期望的理論計算和仿真。在本領域中 建議的真空間隙熱泵的主要問題在于要求lA-50A量級的真空間隙 和約lcn^的面積以能夠提供商業(yè)上關注的產(chǎn)品。提供具有這一量級 間隙的如此之大的電極就如今已知的方法而言、至少就可接受的產(chǎn) 量而言是不可能的。表面粗糙度、雜質(zhì)等將不可避免地造成間隙寬 度的大的變化，并且有可能在 一 些點造成電極之間的接觸從而嚴重 地損害熱泵的功能。根據(jù)本發(fā)明，在熱泵的至少 一 個電極上并且在真空間隙附近提 供納米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。就本申請的目的而言，納米級是指異質(zhì) 結(jié)構(gòu)的至少 一部分在與電極的平面垂直的方向上具有納米級區(qū)域
(lnm-100nm)的尺度。術語異質(zhì)結(jié)構(gòu)是指具有至少兩個可區(qū)別部分 的不同材料或者組成的結(jié)構(gòu)，其中至少一個部分是半導體。
根據(jù)本發(fā)明，如此布置納米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)以提供至少一個 勢壘，該勢壘與真空間隙組合帶來在電極之間的量子機械共振隧穿 (下文稱為共振隧穿)的可能性。通過共振隧穿，可以針對具體電 子能量實現(xiàn)很高的隧穿可能性，并且共振隧穿可以描述為創(chuàng)建能量 窗或者傳送通道，其中該能量窗或者傳送通道隧穿可能性很高、理 論上甚至為100%。該器件將稱為共振熱隧穿熱泵(RTH)。
HT的效率高度地依賴于電子的能量，并且可以發(fā)現(xiàn)依賴于材料 參數(shù)的HT特征能量，就此而言能夠?qū)崿F(xiàn)HT的最佳效率。HT特征 能量涉及HT的電極的費米能量。對于能量約為EF+kBT (費米能量 加上溫度乘以波爾茲曼常數(shù))的電子，實現(xiàn)了最佳效率。
根據(jù)本發(fā)明的RTH的一個實施例，將由納米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu) 提供的共振隧穿能量窗布置為匹配于HT特征能量。優(yōu)選地，能量最 低的共振隧穿能量窗的較大部分處于或者高于定義為電極的特征能 量的HT的EF+kBT。甚至更優(yōu)選地，具有最低能量的共振隧穿能量 窗應當在EF+kBT±(kBT的30%)內(nèi)。利用這一布置，對于利用此類熱 隧穿熱泵的冷卻器件、甚至對于真空間隙比上述現(xiàn)有技術器件所需 真空間隙明顯更寬的器件，可以實現(xiàn)很高的效率。使用這一布置， 寬度高達40A的真空間隙有望提供高于珀耳帖元件10倍-15倍的效 率。甚至高達100A的寬度仍提供了明顯增長。
提供共振隧穿中基本的"構(gòu)建塊"是量子阱。通過將一種材料夾 在具有更寬帶隙的兩層材料之間而在半導體中形成量子阱。在圖la 中示意地圖示了一種實現(xiàn)一個量子阱的布置。半導體納米結(jié)構(gòu)100 包括第一材料的薄膜105、第二材料的第二薄膜110和第三材料的第 三薄膜115。 一種常規(guī)布置在第一薄膜105和第三薄膜115中使用相同的材料，優(yōu)選為半導體材料。第二薄膜IIO是帶隙比量子阱中的 其它材料更窄的半導體。已知可以按照所需尺度和按照提供所需量 子機械效應的性質(zhì)來制造的大量半導體材料和半導體組合，例如
AIN/AlGaN/AIN、 AlGaAs/GaAs/AlGaAs和Si/SiGe/Si。在圖lb中顯 示了量子阱的電勢分布。根據(jù)基本量子力學，在阱中存在用級別E" E2和E3在圖中舉例示出的束縛電子態(tài)。量子阱的寬度和高度確定這 些狀態(tài)處于哪個能量以及在兩個狀態(tài)之間的差異有多大。
根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)諧振隧穿可能性的 一 種優(yōu)選布置至少包括雙勢 壘。在圖2a中示意地圖示了由5個不同材料層構(gòu)造的雙勢壘共振隧 穿器件，并且其相應的電勢分布示于圖2b中。第一薄膜205、第三 薄膜215和第五薄膜225通常并且優(yōu)選地由相同的第一半導體制成。 第二薄膜210和第四薄膜220這些中間薄膜通常由相同的第二半導 體制成并且形成兩個勢壘。除了量子阱的寬度與電子波長/的半整數(shù) 倍或者整數(shù)倍對應的特定電子能量之外，跨兩個勢壘的隧穿傳輸可 能性通常很低。由于E (1〃)2,所以電子能量E依賴于波長。在用 箭頭Ei、 E2和E3舉例圖示的這些共振能量處，由于波干擾，電子的 隧穿可能性為100%。這被認為是電子與器件結(jié)構(gòu)共振。這些共振能 量傳送通道具有和在與厚度和電勢深度與雙勢壘結(jié)構(gòu)中的電勢阱相 同的量子阱中的束縛態(tài)大致相同的能量。通過改變結(jié)構(gòu)參數(shù)如勢壘 高度和阱寬度，共振傳送通道可以調(diào)節(jié)為處于特定能量。對于RTH, 最低傳送通道的能量將理想地約為EF+kBT。
為了構(gòu)造這樣的雙勢壘器件，組成勢壘的兩層加上與阱對應的 中間層的寬度的總寬度必須小于電子平均自由程，以便讓電子能夠 隧穿而不會受困于因雜質(zhì)而散射。作為比較，室溫下?lián)诫s半導體的 平均自由禾呈至少為100nm。
如果兩個勢壘不同(即寬度不同或者材料完全不同從而產(chǎn)生不 同的勢壘)，則隧穿可能性將略有減少。另外，能量窗將略有加寬。
在勢壘為固體的器件中，如果這樣的器件將作為RTH來操作， 則光子所致的熱回流將造成低效率。通過用真空間隙取代其中 一個勢壘可以形成根據(jù)本發(fā)明的RTH，光子熱回流一皮阻止并且效率有望 大大提升。通過引入共振隧穿，參與導熱的電子數(shù)目將大為增加， 由此增加了器件的整體效率。
另外可以使用更寬的真空間隙(高達40A-50A),從而使器件 比普通TH更易于構(gòu)造。
電極包括可以由金屬或者摻雜半導體制成的底部。由于不像在 現(xiàn)有技術TH中那樣對功函數(shù)的量值有硬性約束，所以對電極底部材 料的選擇不那么重要。圖3a示意地圖示了根據(jù)本發(fā)明的利用RTH 的冷卻器件的結(jié)構(gòu)，而圖3b圖示了對應電勢分布。RTH冷卻器件 300包括與第一電極301聯(lián)結(jié)的冷貯存器和與熱貯存器355聯(lián)結(jié)的第 二電極350。第一電極301包括底部303、第一薄膜305和第二薄膜 310。第二薄膜310與真空間隙315相鄰。第一薄膜305和真空間隙 315形成與參照圖2a描述的雙勢壘結(jié)構(gòu)相似的兩個勢壘。第一薄膜 3 05的材料應當具有比相鄰第二薄膜310的材料更寬的帶隙。用于薄 膜A和B的可能材料選擇是絕緣體或者半導體。由于電子傳輸窗高 度地依賴于兩個薄膜的材料性質(zhì)，所以它們的材料選擇至關重要。 例如，優(yōu)選電子親合性低和功函數(shù)小的材料(比如A1N和#參雜 AlGaN),因為這意味著勢壘將更低，因此增加跨器件的隧穿，從而 提高性能。材料組合包括但不限于例如AlN/AlGaN、 AlGaAs/GaAs 和Si/SiGe。兩個薄膜的寬度在器件的設計中也發(fā)揮關鍵作用。第一 薄膜(305 )的寬度不應當過厚，因為較厚的層減少了隧穿的可能性 (優(yōu)選小于10nm)。第二薄膜(310)的寬度確定能量傳輸窗位于 何處，并且應當選擇為使得最低傳輸信道接近EF+kBT以求最優(yōu)的性 能。第二薄膜越寬，傳輸信道(能量)將越低。薄膜寬度的量級如 上所述才艮據(jù)材料選4奪而為lnm-10nm。
向共振隧穿器件添加更多勢壘具有拓寬能量傳送通道的有益效 果，因為對于雙勢壘結(jié)構(gòu)而言這一能量通道很窄。半導體超晶格包 括數(shù)個勢壘并且具有稱為'迷你帶，的很寬的能量窗。這樣的超晶格可 以取代圖3中的兩個薄膜以得到甚至更寬的傳送通道。包括半導體超晶格的RTH代表本發(fā)明的第二實施例，并且在圖4中示意示出。 在第一電極底部403上提供半導體超晶格420形成第一電極401,該 半導體超晶格包括充當夾入有導電薄膜410的勢壘405的多個薄膜。 超晶格401與真空間隙415相鄰，該真空間隙作為最后的勢壘，其 后跟隨第二電極450。可選地，在第二電極450上提供第二納米級半 導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括至少一個勢壘薄膜和一個導電薄膜。 可選地，在第二電極450上提供根據(jù)上文的超晶格結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的又一實施例中，數(shù)個RTH堆疊于彼此上下，各器件 抽運更少熱量。抽運的總熱量將等于非堆疊系統(tǒng)，但是效率增加。
可以用半導體業(yè)中〃^知的方法如例如MBE或者CVD來制造才艮 據(jù)本發(fā)明的RTH和包括此類RTH的冷卻器件。將參照圖5a-e簡要 地概括 一 種適當?shù)姆椒?。作為非限制性的例子使用具?AlGaN/AlN/AlGaN的結(jié)構(gòu)，可以用相同方式提供其它半導體/絕緣 體。在襯底505的頂部上生長金屬層510,其充當與外部電路的接觸。 此后生成納米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，該異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括形成電極底部的 摻雜AlGaN的層503、形成勢壘的一個A1N層505和最后的AlGaN 層510。這些層形成第一電極501。如果要生長超晶格，則將生長 A1N和AlGaN的步驟重復預定次數(shù)。
即使根據(jù)本發(fā)明的RTH使得有可能使用在技術上可實現(xiàn)的寬 度，真空間隙仍然是窄的。然而，就約50A的寬度而言，由于彎曲 在電極之間也有接觸風險。才艮據(jù)本發(fā)明的一個實施例，這通過在真 空間隙中放置絕緣間隔物來解決。根據(jù)這一實施例，在半導體結(jié)構(gòu) 的頂部上放置具有通孔532 (在圖中用虛線框描繪輪廓)的掩模530。 這種掩?？梢岳脗鹘y(tǒng)的平板印刷方法來制作。A1N然后生長于掩 模的頂部上并且將填充孔532。
在圖5b中已經(jīng)去除掩模從而留下多個A1N柱狀物535,從而形 成將有效地控制真空間隙寬度的間隔物。此外，將器件側(cè)部上的材 料向下蝕刻至金屬層以能夠恰當?shù)亟佑|它。圖5b圖示了第一電極。
如圖5c-圖5d所示用相同方式構(gòu)造第二電極550、但是沒有如圖5a-圖b中所示的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和柱狀物。然后抵著第一電極的柱狀物側(cè) 按壓這一電極的摻雜AlGaN側(cè)，從而形成圖5e中示意圖示的最終器 件。接觸在這里附著到外部電路560，并且器件由提供小型真空室 570的罩565密封。第一電極501和第二電極550連接到相應的貯存 器575和580。在所示實施例中，第一電極是冷卻部分，而貯存器 580是冷卻貯存器。
控制真空間隙寬度的一種替代方式是在器件中包括壓電致動 器，其可以布置用以動態(tài)地控制間隙的寬度。
盡管已經(jīng)結(jié)合目前認為是最實用和最優(yōu)選的實施例描述了本發(fā) 明，但是將理解本發(fā)明不限于公開的實施例，而是旨在將各種修改 和等效布置涵蓋于所附權(quán)利要求內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種固態(tài)冷卻/發(fā)電器件，包括由真空間隙(315)分離的第一電極和第二電極，所述器件的特征在于至少一個所述電極(301)具有納米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)(305-310)，所述納米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括至少一個第一薄膜(305)和第二薄膜(310)，其中所述第一薄膜(305)的材料具有比所述第二薄膜(310)的材料更高的帶隙，由此形成量子阱，并且所述真空間隙(315)被布置為與所述第二薄膜(310)相鄰，使得所述真空間隙與所述薄膜組合形成至少雙勢壘共振結(jié)構(gòu)，所述雙勢壘共振結(jié)構(gòu)提供允許在所述第一電極與所述第二電極之間的共振隧穿的條件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)冷卻/發(fā)電器件，其中所述納米級 半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)被布置用以在多個分離能量窗提供共振隧穿，其中 能量最低的所述能量窗的較大部分高于作為所述電極的特征能量的 所述電極的特征能量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)冷卻/發(fā)電器件，其中所述納米級 半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)被布置用以在多個分離能量窗提供共振隧穿，其中 能量最低的所述能量窗匹配于所述電極的特征能量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)冷卻/發(fā)電器件，其中能量最低的 所述能量窗在所述特征能量土1cbT的30%內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的固態(tài)冷卻/發(fā)電器 件，其中所述納米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)包括在超晶格布置(420)中各 自由第二薄膜(410)跟隨的多個第一薄膜(405 ),所述超晶格以 與所述真空間隙(415)相鄰的第二薄膜作為結(jié)束，以及其中所述第 一薄膜(405 )的材料應當具有比所述第二薄膜(410)的材料更寬 的帶隙。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)冷卻/發(fā)電器件，其中所述一個或 者多個第一薄膜(305; 405 )是具有第一帶隙的半導體，而所述一 個或者多個第二薄膜(310; 410)是具有第二帶隙的半導體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)冷卻/發(fā)電器件，其中所述一個或 者多個第一薄膜(305; 405 )是絕緣體，而所述一個或者多個第二 薄膜(310; 410)是半導體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)冷卻/發(fā)電器件，其中所述一個或 者多個第一薄膜(305; 405 )由A1N制成，而所述一個或者多個第 二薄膜(310; 410)由AlGaN制成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)冷卻/發(fā)電器件，其中所述一個或 者多個第一薄膜(305; 405 )由AlGaAs制成，而所述一個或者多個 第二薄膜(310; 410)由GaAs制成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的固態(tài)冷卻/發(fā)電器件，其中所述一個 或者多個第一薄膜(305; 405 )由Si制成，而所述一個或者多個第 二薄膜(310; 410)由SiGe制成。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一權(quán)利要求所述的固態(tài)冷卻/發(fā)電器 件，其中在所述真空間隙中提供絕緣材料的納米級間隔物，所述真 空間隙的寬度由所述絕緣間隔物限定。
12. —種提供固態(tài)冷卻/發(fā)電器件的方法，所述固態(tài)冷卻/發(fā)電器 件包括第一電極和第二電極，在所述電極之間具有納米級尺度的真 空間隙，所述方法其特征在于以下步驟-在所述第一電極上提供具有通孔(532 )的掩模(530 );-通過在所述掩模的頂部上生長絕緣體來填充所述通孔(530 )， 由此在所述第一電極上提供絕緣間隔物(535 );-去除所述掩模以顯露所述絕緣間隔物(535 );-在所述絕緣間隔物(535 )的頂部上按壓所述第二電極，所述 絕緣間隔物由此限定形成于所述第 一 電極與所述第二電極之間的所 迷間隙的寬度。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括在所述提供所述真空 間隙的步驟之前進行的過程，所述過程提供了實現(xiàn)納米級半導體異 質(zhì)結(jié)構(gòu)的電極并且包括以下步驟-在襯底(510)的頂部上生長用以充當與外部電路的接觸的金屬層(510);-通過生長一個摻雜半導體層(515)、繼而生長形成勢壘的至 少一個第一材料層(520 )以及生長第二材料層(525 ),在所述金屬層(510)的頂部上提供所述納米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述第 一材料具有比所述第二材料更寬的帶隙。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括以下步驟將交替生 長所述第一材料層(520 )和所述第二材料層(525 )重復預定次數(shù)， 以形成超晶格。
全文摘要
本發(fā)明涉及提供一種包括由真空間隙分離的第一電極和第二電極的固態(tài)冷卻/發(fā)電器件。根據(jù)本發(fā)明，至少一個電極具有包括至少一個量子阱的納米級半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)301，該量子阱與真空間隙315組合形成雙勢壘共振結(jié)構(gòu)，該雙勢壘共振結(jié)構(gòu)提供允許在第一電極與第二電極之間的共振隧穿的條件。
文檔編號H01J21/02GK101438106SQ200780015841
公開日2009年5月20日 申請日期2007年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月2日
發(fā)明者M·海弗特 申請人:比康科技公司