專利名稱:熱電器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于例如冷卻諸如集成電路芯片之類物體的熱電器件,更具體地說(shuō)(但不限于),本發(fā)明涉及熱電冷卻器。
背景技術(shù):
隨著計(jì)算機(jī)的速度繼續(xù)提高,計(jì)算機(jī)內(nèi)的電路產(chǎn)生的熱量持續(xù)增大。對(duì)于許多電路和應(yīng)用來(lái)說(shuō),增大的熱量會(huì)降低計(jì)算機(jī)的性能。這些電路需要被冷卻,以便最有效地工作。在許多低端計(jì)算機(jī)中,例如個(gè)人計(jì)算機(jī)中,僅僅通過(guò)用于對(duì)流冷卻的風(fēng)扇和散熱片冷卻計(jì)算機(jī)。但是,對(duì)于在更快速度下工作,并且產(chǎn)生多得多的熱量的更大計(jì)算機(jī),例如主機(jī)來(lái)說(shuō),這些解決方案是不可行的。
目前,許多主機(jī)利用蒸汽壓縮冷卻器冷卻計(jì)算機(jī)。這些蒸汽壓縮冷卻器的工作基本上和許多家庭中使用的中央空調(diào)設(shè)備相同。但是,蒸汽壓縮冷卻器在機(jī)械上相當(dāng)復(fù)雜,需要絕熱,以及必須有延伸到主機(jī)各個(gè)部分的軟管,以便冷卻最易于因過(guò)熱而降低性能的特定區(qū)域。
一種簡(jiǎn)單得多并且更廉價(jià)的冷卻器是熱電冷卻器。熱電冷卻器利用稱為珀?duì)柼?yīng)的物理原理,根據(jù)珀?duì)柼?yīng),在兩種不同的材料兩端施加來(lái)自于電源的DC電流,導(dǎo)致熱量在這兩種不同材料的接合處被吸收。從而,熱量從發(fā)熱物體被除去,并可被傳送給冷源而耗散,從而冷卻發(fā)熱物體??稍诩呻娐沸酒瑑?nèi)制造熱電冷卻器,并且熱電冷卻器可直接冷卻特定的發(fā)熱點(diǎn),而不需要蒸汽壓縮冷卻器所需的那種復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。
但是,當(dāng)前的熱電冷卻器的效率不如蒸汽壓縮冷卻器,實(shí)現(xiàn)相同的冷卻量,需要消耗更多的功率。此外,目前的熱電冷卻器不能象蒸汽壓縮冷卻器那樣極大冷卻物體。于是,需要一種效率和冷卻能力改進(jìn)的熱量冷卻器,從而可從小型制冷應(yīng)用,例如主機(jī)、發(fā)熱芯片的熱量管理、RF通信電路、讀/寫(xiě)磁頭、光學(xué)和激光器件、以及汽車制冷系統(tǒng)中取消復(fù)雜的蒸汽壓縮冷卻器。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種熱電器件。在一個(gè)實(shí)施例中,該熱電器件包括熱元件的第一部分和熱元件的第二部分。熱元件的第一部分與熱板熱耦接。熱元件的第二部分與冷板熱耦接。熱元件的第一部分和熱元件的第二部分之一包括若干尖端,熱元件的第一部分和第二部分中的另一個(gè)包括基本平坦的表面。尖端和基本平坦的表面被安排成彼此接近,從而熱元件的第一部分和第二部分電耦接。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面,提供一種熱電器件,包括與熱板熱耦接的熱元件第一部分;和與冷板熱耦接的熱元件第二部分;其中熱元件的這兩個(gè)部分之一包括若干尖端,熱元件的這兩個(gè)部分中的另一個(gè)包括基本平坦的表面;并且其中所述若干尖端和基本平坦的表面被安排成彼此接近,以便形成電耦接。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面,提供一種供熱電器件之用的熱元件,所述熱元件包括具有基本平坦的表面的第一部分熱電材料;和具有若干尖端的第二部分熱電材料;其中所述若干尖端接近于所述基本平坦的表面,從而在第一部分熱電材料和第二部分熱電材料之間存在導(dǎo)電路徑。
所附權(quán)利要求中陳述了本發(fā)明的特有的新特征。但是,結(jié)合附圖并參考示范實(shí)施例的下述詳細(xì)說(shuō)明,將更好地理解發(fā)明本身、應(yīng)用的優(yōu)選方式以及發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn),其中
圖1描繪了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的熱電冷卻(TEC)器件的高級(jí)方框圖;圖2描繪了根據(jù)本發(fā)明的具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)化界面的熱電冷卻器的橫截面圖;圖3描繪了根據(jù)本發(fā)明的圖2中的熱電冷卻器200的平面圖;圖4A和4B描繪了根據(jù)本發(fā)明的可實(shí)現(xiàn)為圖2中的尖端250之一的尖端的橫截面圖;圖5根據(jù)本發(fā)明描繪了圖解說(shuō)明超晶格附近的尖端的溫度場(chǎng)的橫截面圖;圖6描繪了根據(jù)本發(fā)明的具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)化界面的熱電冷卻器的橫截面圖,所述增強(qiáng)結(jié)構(gòu)化界面具有全金屬尖端;圖7描繪了根據(jù)本發(fā)明的用于形成全金屬尖端的犧牲硅模板的橫截面圖;圖8描繪了圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明利用硅犧牲模板產(chǎn)生全金屬圓錐體的示范方法的流程圖;圖9描繪了根據(jù)本發(fā)明的利用圖案化光刻膠形成的全金屬圓錐體的橫截面圖;圖10描繪了圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的利用光刻膠形成全金屬圓錐體的示范方法的流程圖;圖11描繪了根據(jù)本發(fā)明的具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)界面的熱電冷卻器的橫截面圖,其中在界面處,熱電材料而不是金屬導(dǎo)電層被形成為尖端;圖12描繪了圖解說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明制備熱電冷卻器的示范方法的流程圖;圖13描繪了圖解說(shuō)明在熱電材料中產(chǎn)生尖端所需的光刻膠的定位的橫截面圖;圖14根據(jù)本發(fā)明表示了供熱電冷卻器之用的位于表面上方的冷卻尖角尖端,圖解說(shuō)明了所述尖端相對(duì)于所述表面的定位;圖15描繪了熱電發(fā)電機(jī)的示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1中描繪了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的熱電冷卻(TEC)器件的高級(jí)方框圖。熱電冷卻(一個(gè)眾所周知的原理)以珀?duì)柼?yīng)為基礎(chǔ),其中在兩種不同物質(zhì)兩端施加DC電流,導(dǎo)致熱量在這兩種不同物質(zhì)的接合處被吸收。
一種已知的典型熱電冷卻器件100利用夾在不良導(dǎo)電體108(它具有良好的導(dǎo)熱性)和導(dǎo)電體110及114中間的p型半導(dǎo)體104和n型半導(dǎo)體106。N型半導(dǎo)體106具有多余的電子,而p型半導(dǎo)體104缺乏電子。DC電源102連接在兩個(gè)導(dǎo)電體114之間。
當(dāng)電子從導(dǎo)電體110移動(dòng)到n型半導(dǎo)體106時(shí),由于從熱源112吸收的熱能的緣故,電子的能態(tài)被升高。該過(guò)程具有借助流經(jīng)n型半導(dǎo)體106和導(dǎo)電體114,把熱能從熱源112轉(zhuǎn)移到冷源116的效果。電子在導(dǎo)電體114中降低到低能態(tài)而釋放熱能。
致冷器,比如熱電冷卻器100,的性能系數(shù)η是致冷器的冷卻能力除以致冷器的總能耗的比值。從而,由下述等式給出該性能系數(shù)η=αITc-12I2R-KΔTI2R+αIΔT]]>其中項(xiàng)αITc是熱電冷卻產(chǎn)生的,項(xiàng)1/2I2R是焦?fàn)柤訜崮媪?Jouleheating backflow),項(xiàng)KΔT是熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的,項(xiàng)I2R起源于焦?fàn)枔p失,項(xiàng)aIΔT起源于克服珀?duì)柼妷核龅墓?,α是材料的熱電系?shù),K是珀?duì)柼骷臒釋?dǎo)率,TC是熱源的溫度,ΔT是熱源的溫度與冷源的溫度Th的差。
通過(guò)優(yōu)化電流I,得到最大性能系數(shù),并且由下述關(guān)系式給出最大性能系數(shù)ηmax=(TcΔT)[γ-Th/Tcγ+1]]]>這里參數(shù)γ可表示成γ=1+α2σλ(Th+Tc2)]]>這里σ是電導(dǎo)率,λ是熱導(dǎo)率。
致冷器的效率因子ε由下述等式給出
ϵ=γ-Th/Tcγ+1]]>品質(zhì)因數(shù)ZT由下述等式給出ZT=α2σTλ]]>其中熱導(dǎo)率λ由兩個(gè)分量組成起源于電子的分量λe,和起源于晶格的分量λL,T是溫度Tc和Th的平均值。于是,品質(zhì)因數(shù)ZT趨近無(wú)窮大,獲得最大效率ε。蒸汽壓縮冷卻器的效率約為0.3。傳統(tǒng)的熱電冷卻器,例如圖1中的熱電冷卻器100的效率一般小于0.1。于是,為了把熱電冷卻器的效率增大到足以和蒸汽壓縮冷卻器競(jìng)爭(zhēng)的范圍,必須把品質(zhì)因數(shù)ZT增大到大于2。如果能夠獲得大于2的品質(zhì)因數(shù),則可實(shí)現(xiàn)獲得和蒸汽壓縮冷卻器相同的效率和冷卻能力的熱電冷卻器。
參考圖2,圖中根據(jù)本發(fā)明,描繪了具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)化界面的熱電冷卻器的橫截面圖。熱電冷卻器200包括熱源226,當(dāng)電流I如圖所示流動(dòng)時(shí),熱量從所述熱源226被吸取并被傳送給冷源202。熱源226可與希望被冷卻的物體熱耦接。冷源202可與諸如熱管、散熱片、和/或冷凝器之類裝置熱耦接,以便耗散從熱源226和/或更多冷卻熱源226除去的熱量。
熱源226由p-型摻雜硅組成。熱源226與尖端250的n+型摻雜硅區(qū)域224和222熱耦接。N+型區(qū)域224和222是導(dǎo)電體,也是良好的導(dǎo)熱體。每個(gè)N+型區(qū)域224和222與熱源226形成反向二極管,以致在熱源226和n+區(qū)域224和222之間不流動(dòng)任何電流,從而形成熱源226與導(dǎo)電體218和220的電絕緣。
冷源202由p-型摻雜硅組成。冷源202與n+型摻雜硅區(qū)域204和206熱耦接。n+型區(qū)域204和206是導(dǎo)電體,并且是良好的熱導(dǎo)體。每個(gè)N+形區(qū)域204和206及冷源202均構(gòu)成反向二極管,以致在N+型區(qū)域204和206及冷源202之間不流動(dòng)任何電流,從而形成冷源202與導(dǎo)電體208的電絕緣??稍诿绹?guó)專利No6222113 B1,“Electrically IsolatedUltra-Thin Substrates for Thermoelectric CoolerS”(轉(zhuǎn)讓給New York,Armonk的國(guó)際商用機(jī)器公司,申請(qǐng)日1999年12月9日)中找到更多關(guān)于熱電冷卻器的電絕緣的信息,所述專利的內(nèi)容作為參考包含于此。
如果冷源202和熱源226完全由未摻雜的不導(dǎo)電硅構(gòu)成,則不需要利用n+和p-區(qū)域形成反向二極管來(lái)使導(dǎo)體208與冷源202電絕緣,以及使導(dǎo)體218和220與熱源226電絕緣。但是,很難確保硅是完全未摻雜的。于是,由n+和p-區(qū)域形成的反向二極管的存在確保冷源202和熱源226與導(dǎo)體208、218和220電絕緣。另外,應(yīng)注意可以其它方式產(chǎn)生利用反向二極管的相同電絕緣,例如通過(guò)利用p+型摻雜硅和n-型摻雜硅,而不是利用所描繪的p-和n+型摻雜硅。這里使用的術(shù)語(yǔ)n+和p+分別指的是n型高度摻雜半導(dǎo)體材料和p型高度摻雜半導(dǎo)體材料。這里使用的術(shù)語(yǔ)n-和p-分別指的是n型輕度摻雜半導(dǎo)體材料和p型輕度摻雜半導(dǎo)體材料。
熱電冷卻器200的結(jié)構(gòu)類似于圖1中的熱電冷卻器100。但是,N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)界面106和P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)界面104被超晶格熱元件結(jié)構(gòu)210和212代替,超晶格熱元件結(jié)構(gòu)210和212由導(dǎo)電體208電耦接。導(dǎo)電體208可由鉑(Pt)形成,或者由其它導(dǎo)體材料,例如鎢(W)、鎳(Ni)或者鈦銅鎳(Ti/Cu/Ni)金屬薄膜。
超晶格是一種由兩種不同半導(dǎo)體材料的交替層組成的結(jié)構(gòu),每一層厚度為幾納米。熱元件210由N型半導(dǎo)體材料的交替層構(gòu)成,熱元件212的超晶格由P型半導(dǎo)體材料的交替層構(gòu)成。熱元件210和212中每一層交替材料的厚度為10納米。和包含同樣的兩種半導(dǎo)體材料的合金相比,兩種半導(dǎo)體材料的超晶格具有較低的熱導(dǎo)率λ,和相同的電導(dǎo)率σ。
在一個(gè)實(shí)施例中,超晶格熱元件212包含p型的鉍的硫族化物材料的交替層,例如Bi2Te3/Sb2Te3和Bi0.5Sb1.5Te3的交替層,熱元件210的超晶格包括n型的鉍的硫族化物的交替層,例如Bi2Te3和多層Bi2Se3的交替層。其它類型的半導(dǎo)體材料也可用于熱元件210和212的超晶格。例如代替鉍的硫族化物,可用鈷銻方鈷礦材料構(gòu)成熱元件210和212的超晶格。
熱電冷卻器200還包括尖端250,電流I通過(guò)尖端250進(jìn)入熱元件212,隨后從熱元件210進(jìn)入導(dǎo)體218。尖端250包括形成具有薄薄的一層導(dǎo)電材料(例如鉑(Pt))外涂層的尖角圓錐結(jié)構(gòu)的n+型半導(dǎo)體222和224??捎糜谔娲K的其它導(dǎo)體材料包括鎢(W)、鎳(Ni)和鈦銅鎳(Ti/Cu/Ni)金屬薄膜。尖端250和熱電材料210及212之間和周圍的區(qū)域應(yīng)被抽空或者用諸如干燥氮?dú)庵悮怏w密封。
在尖端250的端部覆蓋導(dǎo)電層218和220的是半導(dǎo)體材料薄層214和216。層214由具有和熱元件212的超晶格距尖端250最近的一層相同的熱電系數(shù)α的P型材料形成。層216由具有和熱元件210距尖端250最近的一層相同的熱電系數(shù)α的N型材料形成。由于在產(chǎn)生電子和空穴的金屬附近的區(qū)域中發(fā)生冷卻,因此P型熱電外涂層214是熱電冷卻器200發(fā)生作用所必需的。n型熱電外涂層216是有益的,因?yàn)樵跓犭娤禂?shù)的梯度(變化率)最大的地方產(chǎn)生最大冷卻。P型區(qū)域的熱電外涂層214的厚度約為60納米。n型熱電外涂層216的具體厚度還要充分細(xì)化,不過(guò)預(yù)期它應(yīng)在和熱電外涂層214的厚度類似的厚度范圍內(nèi)。
通過(guò)把導(dǎo)電體,例如圖1中的導(dǎo)體110形成為尖角尖端250,而不是平坦界面,增大了冷卻效率。由于晶格失配的緣故,在尖端250的頂端的晶格熱導(dǎo)率λ很小。例如,鉍的硫族化物的熱導(dǎo)率λ通常接近于1瓦/米·開(kāi)。但是,在尖角尖端結(jié)構(gòu)中,例如在尖端250中,由于尖角的晶格失配的緣故,熱導(dǎo)率被降低到約0.2瓦/米·開(kāi)。但是,熱電材料的電導(dǎo)率保持相對(duì)不變。于是,對(duì)于這種材料,品質(zhì)因數(shù)ZT可增大到大于2.5??捎糜跓嵩?10和212的超晶格的另一種材料是鈷銻方鈷礦。這些類型的材料一般具有很高的熱導(dǎo)率λ,使得它們通常不合乎需要。但是,通過(guò)利用尖角尖端250,熱導(dǎo)率可被降低到一個(gè)極小值,并且對(duì)于這些材料產(chǎn)生大于4的品質(zhì)因數(shù)ZT,從而使得在熱元件210和212中應(yīng)用這些材料很有吸引力。于是,尖角尖端250的應(yīng)用進(jìn)一步提高了熱電冷卻器200的效率,從而使熱電冷卻器200可與蒸汽壓縮冷卻器相比。
冷卻尖角結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點(diǎn)在于電子被限制在小于波長(zhǎng)(對(duì)應(yīng)于它們的動(dòng)能)的范圍內(nèi)。這種限制增大了適用于傳送的狀態(tài)的局部密度,有效提高了熱電系數(shù)。從而,通過(guò)增大″和降低8,提高了品質(zhì)因數(shù)ZT。
如圖1中圖解說(shuō)明的傳統(tǒng)熱電冷卻器的標(biāo)準(zhǔn)冷卻能力能夠產(chǎn)生熱源和冷源之間約60開(kāi)的溫差ΔT。但是,熱電冷卻器200能夠產(chǎn)生約150開(kāi)的溫差。從而借助相互耦接的兩個(gè)熱電冷卻器,能夠冷卻到液氮溫度區(qū)(小于100開(kāi))。但是,可能需要對(duì)熱元件210和212使用不同的材料。例如,碲化鉍在低溫(即低于-100℃)下具有很低的α。但是,銻化鉍合金在低溫下可很好地工作。
和鉍的硫族化物材料相比,鈷銻方鈷礦材料的和溫度無(wú)關(guān)的另一優(yōu)點(diǎn)是鈷銻方鈷礦材料在結(jié)構(gòu)上更穩(wěn)定,而鉍的硫族化物材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到圖2中的熱電冷卻器的結(jié)構(gòu)可依具體實(shí)現(xiàn)而變化。例如,和圖1中描繪的熱電冷卻器相比,可包含更多行或者更少行的尖端250。圖示的例子并不意味著對(duì)本發(fā)明結(jié)構(gòu)上的限制。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖3,圖中根據(jù)本發(fā)明描繪了圖2中的熱電冷卻器200的平面圖。熱電冷卻器300包括n型熱電材料部分302和p型熱電材料部分304。n型部分302和p型部分304都包括覆蓋硅本體的一薄層導(dǎo)電材料306。
部分302包括錐形尖端310的陣列,每個(gè)錐形尖端310覆蓋有和熱元件210的超晶格的最近一層相同類型的一薄層n型材料308。部分304包括錐形尖端312的陣列,每個(gè)錐形尖端312覆蓋有和熱元件212的超晶格的最近一層相同類型的一薄層p型材料314。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖4A和4B,圖中根據(jù)本發(fā)明描繪了可被實(shí)現(xiàn)為圖2中的尖端250之一的尖端的橫截面圖。尖端400包括以約35度的圓錐角形成的硅圓錐體。導(dǎo)電材料(例如鉑(Pt))薄層404覆蓋硅402。熱電材料薄層406覆蓋尖端400的頂端。沉積所有各層之后的圓錐角約為45度。尖端400的有效尖端半徑約為50納米。
尖端408是尖端,比如尖端250之一的備選實(shí)施例。尖端408包括具有位于尖角之上的導(dǎo)電層412和熱電材料層410的硅圓錐體414。但是,尖端408具有比尖端400更小的圓錐角。尖端408的有效尖端半徑約為10納米。目前不清楚對(duì)于尖端來(lái)說(shuō),是較寬的圓錐角較好,還是較窄的圓錐角較好。本實(shí)施例中,如圖4A中所示,對(duì)于尖端選擇了45度的圓錐角,因?yàn)檫@樣的角度在可能的圓錐角范圍的中間,并且因?yàn)橐子诶脦в秀K外涂層的硅形成這種結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)檠刂璧?00晶面的KOH蝕刻自然形成54度的圓錐角。從而,在增加導(dǎo)電和熱電外涂層之后,圓錐角約為45度。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖5,圖中根據(jù)本發(fā)明描繪了圖解說(shuō)明超晶格附近的尖端的溫度場(chǎng)的橫截面圖。尖端504可實(shí)現(xiàn)成圖2中的尖端250之一。尖端504具有約30-50納米的有效尖端半徑a。從而,溫度場(chǎng)局限于很小的距離r,大約等于2a或者約為60-100納米。于是,超晶格502只需要為幾層厚,厚度d約為100納米。于是,通過(guò)利用尖角尖端,只具有5-10層超晶格的熱電冷卻器就足夠了。
從而,制造諸如熱電冷卻器200之類的熱電冷卻器并不特別費(fèi)時(shí),因?yàn)橹恍枰纬蓭讓映Ц?,而不是形成許多層超晶格,形成許多層超晶格會(huì)非常費(fèi)時(shí)。從而,和現(xiàn)有技術(shù)的熱電冷卻器(其厚度約為3毫米級(jí)或者更大)相比,熱電冷卻器200可被制造成很薄(約為100納米厚)。
根據(jù)本發(fā)明的具備尖角尖端界面的熱電冷卻器的其它優(yōu)點(diǎn)包括尖端界面處諸如圖2中的熱元件210和212之類的熱元件的熱導(dǎo)率的極小化。另外,溫降/壓降被局限在尖端附近的區(qū)域中,有效實(shí)現(xiàn)100納米以下長(zhǎng)度的規(guī)模。此外,通過(guò)有效降低熱元件長(zhǎng)度,利用尖角尖端使超晶格生長(zhǎng)的層數(shù)降至最少。本發(fā)明還允許薄膜結(jié)構(gòu)的電解沉積,避免倒裝式接合。較小的尺寸便于n型和p型熱元件的單片集成。
本發(fā)明的熱電冷卻器可用于冷卻物品,例如主機(jī)、激光器、光電器件、光電檢測(cè)器和遺傳學(xué)中的PCR(PCR in genetics)內(nèi)的特定局部。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖6,圖中根據(jù)本發(fā)明描繪了具有全金屬尖端的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)化界面的熱電冷卻器的橫截面圖。雖然上面把本發(fā)明描繪成具有由硅圓錐體構(gòu)成的尖端250,所述硅圓錐體由n+半導(dǎo)體區(qū)224和222構(gòu)成,不過(guò)圖2中的尖端250可由如圖6中所示的尖端650代替。尖端650具有全金屬圓錐體618和620。在圖示的實(shí)施例中,圓錐體618和620由銅構(gòu)成,并且具有鎳外涂層660和662。在所有其它方面,熱電冷卻器600和熱電冷卻器200相同,包括具有尖端650之上的熱電外涂層216和214。熱電冷卻器600還提供和熱電冷卻器200相同的好處。但是,通過(guò)利用全金屬圓錐體,而不是利用被導(dǎo)電材料覆蓋的硅圓錐體,圓錐體內(nèi)的寄生電阻變得很小,從而和熱電冷卻器200的已增大的效率相比,進(jìn)一步提高熱電冷卻器600的效率。環(huán)繞尖端650的區(qū)域和尖端650與熱電材料210及212之間的區(qū)域應(yīng)是真空,或者密封干燥氮?dú)庵惖臍怏w。
另外,如圖2中所示,熱源226由p-型摻雜硅構(gòu)成。但是,和圖2相反,熱源226與不構(gòu)成尖端結(jié)構(gòu)650一部分的n+型摻雜硅區(qū)域624及622熱耦接,而不是與如同圖2中的區(qū)域224和222那樣構(gòu)成尖端結(jié)構(gòu)一部分的區(qū)域熱耦接。N+型摻雜硅區(qū)域624和622仍然完成由圖2中的區(qū)域224及222實(shí)現(xiàn)的電絕緣功能。
可利用幾種方法來(lái)形成如圖6中所示的全金屬圓錐體。例如,現(xiàn)在參見(jiàn)圖7,圖中根據(jù)本發(fā)明描繪了可用于形成全金屬尖端的犧牲硅模板的橫截面圖。在已構(gòu)成具有圓錐凹坑的犧牲硅模板702之后,可在模板702上沉積一層金屬,從而產(chǎn)生全金屬圓錐體704。全金屬圓錐體704隨后可用在熱電冷卻器600中。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖8,根據(jù)本發(fā)明描繪了圖解說(shuō)明通過(guò)利用硅犧牲模板產(chǎn)生全金屬圓錐體的示范方法的流程圖。開(kāi)始,利用硅的各向異性蝕刻制備錐形凹坑,產(chǎn)生模子(步驟802)。這可通過(guò)KOH蝕刻、氧化和/或聚焦離子束蝕刻的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。制備硅圓錐體的這種技術(shù)在本領(lǐng)域中眾所周知。
隨后利用諸如鈦或鉑之類籽晶金屬的濺射薄層涂覆硅犧牲模板(步驟804)。優(yōu)選鈦,因?yàn)楹外佅啾?,鉑形成稍圓的尖端,它和圓錐形凹坑非常一致。隨后,電化學(xué)沉積銅,以便填充犧牲硅模板中的凹部(圓錐形凹坑)(步驟806)。隨后平整銅的上表面(步驟808)。平整一層金屬的方法在本領(lǐng)域中眾所周知。隨后借助本領(lǐng)域眾所周知的選擇性蝕刻方法除去硅基體(步驟810)。隨后利用諸如鎳或鈦之類另一金屬的涂層,接著用極薄的熱電材料層覆蓋按照這種方式產(chǎn)生的全金屬圓錐體。鎳或鈦外涂層有助于熱電材料涂層的電解沉積。
這種產(chǎn)生全金屬圓錐體的方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)生的模子可以重復(fù)使用。在模子退化而變得不可使用之前,模子最多可使用約10次。按照這種方式形成模板能夠很好地受到控制,并且產(chǎn)生非常均勻的全金屬圓錐尖端,因?yàn)楣栉g刻是完全能夠預(yù)測(cè)的,并且可準(zhǔn)確到幾納米計(jì)算產(chǎn)生的凹坑的斜度和圓錐體的銳度。
也可使用其它的形成全金屬圓錐體方法。例如,現(xiàn)在參見(jiàn)圖9,圖中根據(jù)本發(fā)明描繪了利用圖案化光刻膠形成的全金屬圓錐體902的橫截面圖。在該方法中,在局部制備的熱電冷卻器的底部上形成一層金屬。圖案化光刻膠904-908隨后被用于利用直接電化學(xué)蝕刻方法形成全金屬圓錐體902。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖10,根據(jù)本發(fā)明描繪了圖解說(shuō)明利用光刻膠形成全金屬圓錐體的示范方法的流程圖。開(kāi)始,在諸如圖6中的熱電冷卻器600之類局部制備的熱電冷卻器的金屬層,例如銅上,對(duì)小區(qū)段光刻膠進(jìn)行構(gòu)圖(步驟1002)??稍诰哂泄饪棠z的區(qū)段陣列中對(duì)光刻膠構(gòu)圖,其中該陣列內(nèi)的每個(gè)光刻膠區(qū)域?qū)?yīng)于其中希望形成全金屬圓錐體的尖端的區(qū)域。隨后直接對(duì)該金屬進(jìn)行電化學(xué)蝕刻(步驟1104),產(chǎn)生如圖9中描繪的圓錐體902。隨后除去光刻膠,并且然后用另一種金屬,例如鎳涂覆全金屬圓錐體的尖端(步驟1006)。之后可利用一層極薄的熱電材料涂覆覆蓋在全金屬圓錐體上的第二金屬(步驟1008)。從而,可形成具有位于尖端上的熱電層的全金屬圓錐體,所述全金屬圓錐體可用于諸如熱電冷卻器600之類的熱電器件中。按照這種方式產(chǎn)生的全金屬圓錐尖角不如利用圖8中圖解說(shuō)明的方法產(chǎn)生的那些全金屬圓錐尖角均勻。但是,目前該方法較便宜,于是,如果成本是一個(gè)重要因素,則該方法是更合意的方法。
上面描繪的制備全金屬圓錐體的方法只是例子。也可使用其它方法制備供熱電冷卻器使用的全金屬圓錐體。此外,除銅之外的其它類型的金屬也可用于全金屬圓錐體。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖11,圖中根據(jù)本發(fā)明描繪了具有增強(qiáng)結(jié)構(gòu)界面的熱電冷卻器的橫截面圖,其中熱電材料,而不是金屬導(dǎo)電層被形成為界面處的尖端。熱電冷卻器1100包括冷板1116和熱板1102,其中冷板與要冷卻的物體熱接觸。導(dǎo)熱體1114和1118分別形成導(dǎo)電板1112和1120之間的熱耦接。導(dǎo)熱體1114和1118由高度摻雜的n型(n+)半導(dǎo)體材料構(gòu)成,所述高度摻雜的n型(n+)半導(dǎo)體材料通過(guò)與冷板1116的p-材料形成反向偏壓二極管,提供冷板1116和導(dǎo)體1112及1120之間的電絕緣。從而,熱量通過(guò)導(dǎo)體1112和1120從冷板1116轉(zhuǎn)移走,并且最終轉(zhuǎn)移到熱板1102而由之發(fā)散,而不在熱電冷卻器1110和要冷卻的物體之間形成電耦接。類似地,導(dǎo)熱體1104提供導(dǎo)電板1108和熱板1102之間的熱連接,同時(shí)如上所述,通過(guò)與熱板1102p-摻雜半導(dǎo)體材料形成反向偏壓二極管,保持熱板和導(dǎo)電板1109之間的電絕緣。導(dǎo)熱體1104也是n+型摻雜半導(dǎo)體材料。本實(shí)施例中,導(dǎo)電板1108、1112及1120由鉑(Pt)構(gòu)成。但是,也可利用既導(dǎo)電又導(dǎo)熱的其它材料。另外應(yīng)提及的是環(huán)繞尖端1130-1140的區(qū)域和尖端1130-1140與熱電材料1122及1110之間的區(qū)域應(yīng)被抽空以產(chǎn)生真空,或者應(yīng)密封諸如干燥氮?dú)庵惖臍怏w。
本實(shí)施例中,不是通過(guò)圖2和6中所示的金屬電極中的尖角陣列形成熱元件和熱源(冷端)金屬電極(導(dǎo)體)之間的接觸,而是借助熱元件1124和1126中的尖角1130-1140的陣列提供熱元件和金屬電極之間的觸點(diǎn)陣列。在上面參考圖2和6說(shuō)明的實(shí)施例中,在硅尖端上形成位于冷端的金屬電極,或者直接蝕刻金屬圖案,以形成全金屬尖端。但是,這些方法需要借助電化學(xué)方法在冷電極和熱電極上沉積熱電材料。電解沉積的材料趨向于多晶,不具有極平的表面。另外表面熱電性質(zhì)可以優(yōu)于單晶熱電材料,也可能不優(yōu)于單晶熱電材料。退火改進(jìn)多晶材料的熱電性質(zhì),但是低于100納米粗糙度的表面光滑度仍是一個(gè)問(wèn)題。借助電化學(xué)蝕刻,本實(shí)施例的尖端1130-1140可由單晶或多晶熱電材料形成。
在一個(gè)實(shí)施例中,熱元件1124由單晶Bi2Te3/Sb2Te3和Bi0.5Sb1.5Te3的超晶格構(gòu)成,熱元件1126由單晶Bi2Te3/Bi2Se3和Bi2Te2.0Se0.1的超晶格構(gòu)成。利用和最接近薄層1120的尖端1130-1134的材料相同的薄層熱電材料1122涂覆導(dǎo)電板1120。利用和最接近薄層1112的尖端1136-1140的材料相同的薄層熱電材料1110涂覆導(dǎo)電板1112。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖12,圖中根據(jù)本發(fā)明描繪了圖解說(shuō)明制備諸如圖11中所示熱電冷卻器1110之類的熱電冷卻器的示范方法的流程圖。首先借助常規(guī)手段把最佳的單晶材料結(jié)合到金屬電極上,或者把金屬電極沉積到單晶材料上,從而形成電極連接圖案(步驟1202)。隨后利用如圖13中所示的光刻膠1302-1306對(duì)熱電材料1314的另一側(cè)構(gòu)圖(步驟1204),金屬電極在電化學(xué)鍍槽中被用作陽(yáng)極,從而電化學(xué)蝕刻表面(步驟1206)。通過(guò)控制并在恰當(dāng)時(shí)候停止蝕刻處理,形成如圖13中所示的尖端1308-1312。
借助化學(xué)-機(jī)械拋光使第二單晶基體變薄,隨后把整個(gè)基體電化學(xué)蝕刻成納米薄膜(步驟1210)。具有極薄基體的第二基體形成冷端,借助壓力把這兩個(gè)基體(一個(gè)基體具有極薄的熱電材料,另一基體具有熱電尖端)夾在一起(步驟1212)。除了位于尖端的界面之外,該結(jié)構(gòu)在所有區(qū)域中保持高結(jié)晶度。另外,除了單晶結(jié)構(gòu)之外,相同的方法可用于制備多晶結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖14,根據(jù)本發(fā)明描繪了供熱電冷卻器使用的在表面上方的冷尖角尖端,圖解說(shuō)明了尖端相對(duì)于表面的定位。雖然迄今描繪的尖端(不論是以全金屬尖端或者涂覆金屬的尖端的形式,還是以熱電尖端的形式形成)與面對(duì)尖端的表面接觸。但是,雖然尖端可與相對(duì)表面接觸,不過(guò)尖端最好在相對(duì)表面的附近,而不接觸該表面,如圖14中所示。圖14中的尖端1402位于相對(duì)表面1404附近,但是未與相對(duì)表面物理接觸。尖端1402與相對(duì)表面1404的距離d最好應(yīng)約為5納米級(jí)或者更小。實(shí)際上,在熱電冷卻器包含成千上萬(wàn)尖端的情況下,由于相對(duì)表面并非理想平面,一些尖端可能與相對(duì)表面接觸,而其它尖端可能不接觸相對(duì)表面。
通過(guò)消除尖端與相對(duì)表面的接觸,可降低熱電冷卻器的冷板和熱板之間熱導(dǎo)率的數(shù)量。但是,由于尖端和相對(duì)表面之間的電子隧道效應(yīng)的緣故,電導(dǎo)率得到保持。
上面描繪了本發(fā)明的尖端,并且本發(fā)明的尖端主要被描繪成完美的尖角尖端。但是,如圖14中所示,實(shí)際上,尖端一般具有稍圓的端部,如尖端1402的情況一樣。但是,尖端越接近理想的尖角尖端,則實(shí)現(xiàn)尖端的冷卻溫度和熱板的加熱溫度之間的溫度梯度所需的超晶格的數(shù)目越少。
尖端1402的彎曲端的曲率半徑r0最好約為數(shù)十納米。在尖端1402的端部曲率半徑r0的2-3倍的距離上,表面1404下熱電材料的相鄰區(qū)域間的溫差接近于零。于是,只需要幾層超晶格1406-1414。從而,當(dāng)利用本發(fā)明的尖端形成熱板和冷板之間的電接觸時(shí),與尖端相對(duì)的超晶格材料是可行的。這和使用不用尖端的超晶格結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有技術(shù)形成對(duì)照,在該現(xiàn)有技術(shù)中,為了具備足以使溫度梯度接近于零的足夠厚度,需要10000層或更多層的超晶格。這樣的層數(shù)是不可行的,但是如本實(shí)施例中那樣,只使用5或6層可行得多。
雖然主要關(guān)于具有用于冷卻的尖端界面的熱電冷卻器件(或者珀?duì)柼骷?說(shuō)明了本發(fā)明,不過(guò)本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到本發(fā)明也可用于發(fā)電。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會(huì)充分認(rèn)識(shí)到可以珀?duì)柼J?如上所述)把熱電器件用于致冷,也可以塞貝克模式把熱電器件用于發(fā)電?,F(xiàn)在參見(jiàn)圖15,圖中描繪了熱電發(fā)電機(jī)的示意圖。為了易于理解及說(shuō)明熱電發(fā)電,描繪了按照現(xiàn)有技術(shù)的熱電發(fā)電機(jī),而不是利用本發(fā)明的冷卻尖角尖端的熱電發(fā)電機(jī)。但是,應(yīng)注意在根據(jù)本發(fā)明的熱電發(fā)電機(jī)的一個(gè)實(shí)施例中,用冷卻尖角尖端,例如如上詳細(xì)說(shuō)明的任意冷卻尖角尖端實(shí)施例替換熱元件1506和1504。
在熱電發(fā)電機(jī)1500中,不是如圖1中所示使電流從電源102流經(jīng)熱電器件,而是在熱電器件1500兩端產(chǎn)生溫差TH-TL。這樣的溫差TH-TL產(chǎn)生流經(jīng)電阻負(fù)荷元件1502的電流I,如圖15中所示。這是和圖1中描繪的工作方式相反的工作方式。
于是,除了用電阻器1502替換電源102,以及分別利用熱源QH和QL使熱元件1512和1516保持恒定溫度TH和TL之外,熱電器件1500在組件方面與圖1中的熱電器件102相同。從而,熱電冷卻器件1500利用夾在具有良好導(dǎo)熱性的不良導(dǎo)電體1508之間的p型半導(dǎo)體1504和n型半導(dǎo)體1506。元件1504、1506和1508分別對(duì)應(yīng)于圖1中的元件104、106和108。熱電器件1500還包括對(duì)應(yīng)于圖1中的導(dǎo)電體110和114的導(dǎo)電體1510和1514??稍贑RC Handbook of Thermoelectrics(D.M.Rowe,Ph.D.,D.Sc.,CRC Press,New York,(1995)pp.479-488)和Advanced Engineering Thermodynamics(2ndEdition,Adiran Bejan,John Wiley&Sons,Inc.,New York(1997),pp.675-682)中找到關(guān)于熱電發(fā)電的更多信息,這兩篇文獻(xiàn)作為參考包含于此。
上面主要就圓錐形尖端說(shuō)明了本發(fā)明,不過(guò),也可采用其它形狀的尖端,例如金字塔形尖端。事實(shí)上,尖端的形狀不必對(duì)稱或一致,只要它提供一組離散的基本上為尖角的尖端即可,通過(guò)所述一組尖角尖端,可提供熱電冷卻器兩端之間的電傳導(dǎo)。本發(fā)明可用在任意小型致冷應(yīng)用中,例如冷卻主機(jī)、發(fā)熱芯片和RF通信電路的熱量管理,冷卻磁盤驅(qū)動(dòng)器的磁頭,汽車致冷,以及冷卻光學(xué)和激光器件。
出于舉例說(shuō)明的目的描繪了本發(fā)明,但是并未窮盡或者局限于本發(fā)明所公開(kāi)的形式。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),許多修改和變化是明顯的。實(shí)施例的選擇和描繪是為了更好地說(shuō)明本發(fā)明的原理和實(shí)際應(yīng)用,以及使本領(lǐng)域的其它普通技術(shù)人員能夠把本發(fā)明理解為按想像得到的具體用途加以各種修改的各種實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種熱電器件,包括與熱板熱耦接的第一部分熱元件;和與冷板熱耦接的第二部分熱元件;其中熱元件的這兩個(gè)部分之一包括若干尖端,熱元件的這兩個(gè)部分中的另一個(gè)包括基本平坦的表面;并且其中所述若干尖端和所述基本平坦的表面被安排成彼此接近,以便形成電耦接。
2.按照權(quán)利要求1所述的熱電器件,其中所述若干尖端中至少一個(gè)尖端不與所述平坦表面物理接觸。
3.按照權(quán)利要求1所述的熱電器件,其中所述若干尖端中至少一個(gè)尖端與所述平坦表面物理接觸。
4.按照權(quán)利要求1所述的熱電器件,其中所述若干尖端標(biāo)稱上在所述平坦表面的100納米之內(nèi)。
5.按照前述任意權(quán)利要求所述的熱電器件,其中在所述若干尖端的熱電材料和平坦表面的熱電材料之間存在晶格失配。
6.按照前述任意權(quán)利要求所述的熱電器件,其中第一部分熱元件和第二部分熱元件之間的間隙構(gòu)成真空。
7.按照權(quán)利要求1-5任一所述的熱電器件,其中熱電冷卻器被密封,第一部分熱元件和第二部分熱元件之間的間隙包含氮?dú)狻?br>
8.按照權(quán)利要求7所述的熱電器件,其中氮?dú)馐歉稍锏獨(dú)狻?br>
9.按照權(quán)利要求1-4任一所述的熱電器件,其中包含基本平坦的表面的熱元件部分包含兩種熱電材料的超晶格,熱元件的另一部分包含和這兩種熱電材料的超晶格的最近一層相同類型的熱電材料。
10.按照前述任意權(quán)利要求所述的熱電器件,其中所述若干尖端的形狀均為圓錐形。
11.按照前述任意權(quán)利要求所述的熱電器件,其中所述尖端具有圓形端部。
12.按照前述任意權(quán)利要求所述的熱電器件,其中電源與熱電器件耦接,從而熱電器件按照致冷方式工作。
13.按照權(quán)利要求1-11任一所述的熱電器件,其中在熱板和冷板之間維持溫度梯度,以致熱電器件按照發(fā)電方式工作。
14.一種供熱電器件之用的熱元件,所述熱元件包括具有基本平坦的表面的第一部分熱電材料;和具有若干尖端的第二部分熱電材料;其中所述若干尖端接近于所述基本平坦的表面,從而在第一部分熱電材料和第二部分熱電材料之間存在導(dǎo)電路徑。
15.按照權(quán)利要求14所述的熱元件,其中第一部分熱電材料包括兩種熱電材料的超晶格。
16.按照權(quán)利要求14或15所述的熱元件,其中所述若干尖端的形狀都基本上呈圓錐形。
17.按照權(quán)利要求14-16任一所述的熱元件,其中所述若干尖端都包含圓形端部。
18.按照權(quán)利要求14-17任一所述的熱元件,其中標(biāo)稱上所述若干尖端距離所述基本平坦的表面的距離都小于100納米。
19.按照權(quán)利要求14-17任一所述的熱元件,其中所述若干尖端中至少一個(gè)尖端與所述基本平坦的表面物理接觸。
20.按照權(quán)利要求14-17任一所述的熱元件,其中所述若干尖端中至少一個(gè)尖端不與所述基本平坦的表面物理接觸。
全文摘要
提供一種熱電器件(200)。在一個(gè)實(shí)施例中,該熱電器件包括熱元件的第一部分和熱元件的第二部分。熱元件的第一部分與熱板(226)熱耦接。熱元件的第二部分與冷板(202)熱耦接。熱元件的第一部分和熱元件的第二部分之一包括若干尖端(250),熱元件的第一部分和第二部分中的另一個(gè)包括基本平坦的表面。所述尖端(250)和所述基本平坦的表面被安排成彼此接近,從而使熱元件的第一部分和第二部分電耦接。
文檔編號(hào)H01L35/00GK1493090SQ01819961
公開(kāi)日2004年4月28日 申請(qǐng)日期2001年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月7日
發(fā)明者烏塔姆·S·高莎爾, 烏塔姆 S 高莎爾 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司