專利名稱：?jiǎn)纹瑹犭娔K的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體而言涉及熱電裝置。更特定而言，本發(fā)明提供單片熱電裝置和其制造方法。僅出于舉例說(shuō)明目的，本發(fā)明的實(shí)施例提供實(shí)現(xiàn)工藝復(fù)雜性、步驟數(shù)量和熱電模塊組裝成本的顯著減少的方法，其將需要將單片材料轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€(gè)熱電裝置，但認(rèn)為本發(fā)明可具有其它裝置配置。
背景技術(shù)：
熱電材料為下面這樣的材料為固態(tài)且無(wú)移動(dòng)部分，能例如將明顯量的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)樗┘訜崽荻戎械碾?例如，塞貝克效應(yīng))或者抽走所施加電場(chǎng)中的熱(例如，珀?duì)栙N效應(yīng))。固態(tài)熱機(jī)有多種可能的應(yīng)用，包括從各種熱源(無(wú)論是主熱源還是廢熱源)發(fā)電，以及冷卻空間或諸如微芯片和傳感器的物體。近年來(lái)，對(duì)包括熱電材料的熱電裝置的使用的關(guān)注不斷增加，部分是由于納米結(jié)構(gòu)化材料具有提高的熱電性能(例如，效率，功率密度或者“熱電優(yōu)值” ZT，其中ZT等于S2O/k且S為熱電材料的塞貝克系數(shù)，O為熱電材料的熱導(dǎo)率，且k為熱電材料的熱導(dǎo)率)且也由于對(duì)于回收廢熱為電來(lái)改進(jìn)能量效率或冷卻集成電路以改進(jìn)其性能的迫切的需要。迄今，熱電技術(shù)具有有限的商業(yè)應(yīng)用性，這歸因于與實(shí)現(xiàn)能量發(fā)生或再生的類似手段的其它技術(shù)相比，這些裝置較差的成本性能。盡管并無(wú)其它技術(shù)像熱電技術(shù)那樣適合于輕質(zhì)量和低占據(jù)面積應(yīng)用，熱電技術(shù)仍受到其過(guò)高的成本限制。為了實(shí)現(xiàn)熱電技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用中利用，重要的是包括高性能熱電材料(例如，模塊)的裝置的可制造性。優(yōu)選地生產(chǎn)這些模塊使得確保例如以最小成本的最高性能。在目前可用的商業(yè)熱電模塊中的熱電材料大體上包括締化秘或締化鉛,其為有毒的,難以制造且生產(chǎn)和加工起來(lái)較為昂貴。目前迫切需要可選的能量產(chǎn)生和微型冷卻能力，對(duì)于高度可制造性、低成本、高性能的熱電技術(shù)的推動(dòng)力不斷增長(zhǎng)。某些常規(guī)熱電模塊包括半導(dǎo)體熱電材料，諸如碲化鉍(Bi2Te3)、碲化鉛(PbTe)和硅鍺(SiGe)。此外，制造其它常規(guī)模塊，其包括諸如硫?qū)倩衔?、方鈷礦和籠形包合物。這些材料在創(chuàng)建具有成本效益的熱電系統(tǒng)方面帶來(lái)困難，這歸因于與這些化合物合成和與其隨后制造為熱電模塊相關(guān)聯(lián)的困難，其中包括將金屬接觸層釬焊且粘附到熱電半導(dǎo)體上。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研發(fā)，存在有限的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)以此方式加工此性質(zhì)的材料，且對(duì)其可擴(kuò)展性的基本限制也能限制這種基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。
熱電裝置或模塊需要兩種熱電材料一種為n型半導(dǎo)體，另一種為P型半導(dǎo)體。大部分情況下，這兩種半導(dǎo)體可能為完全不同的材料，而不是相同半導(dǎo)體的兩種互補(bǔ)摻雜的形式。因此，在此情況下，需要建立兩種材料系統(tǒng)而非一種材料系統(tǒng)的合成、釬焊、金屬化、組裝和其它制造技術(shù)。熱電η型和P型半導(dǎo)體通常在分割為熱電柱，電接觸且組裝為制冷(例如，珀?duì)柼?裝置和能量轉(zhuǎn)換(例如，塞貝克)裝置之前，生長(zhǎng)為晶錠。這常常涉及以下面這樣的配置將熱電柱粘結(jié)到金屬接觸件允許電串聯(lián)同時(shí)保持熱并聯(lián)以便同時(shí)在所有柱上形成溫度梯度。為了進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，這些裝置或模塊通常放置于溫度梯度中以便發(fā)電，且對(duì)于珀?duì)柼鋮s而言，常常在它們中感應(yīng)電流以抽走熱。緊湊、固態(tài)發(fā)生器或冷卻器提供優(yōu)于實(shí)現(xiàn)類似任務(wù)的較大熱力學(xué)系統(tǒng)的許多益處。但是，由于上述考慮，其適用性是有限的。與加工和組裝諸如Bi2Te3和PbTe的材料相關(guān)聯(lián)的成本常常限制了熱電技術(shù)在除了少量應(yīng)用中之外的所有應(yīng)用中的使用。照此，需要簡(jiǎn)化從熱電材料生產(chǎn)熱電模塊的方法。排除了將熱電模塊的所有構(gòu)件組裝和集成到加工步驟的單個(gè)集合能簡(jiǎn)化熱電模塊的生產(chǎn)且使之成本降低超過(guò)80%。 從上文可看出需要改進(jìn)熱電模塊和制造該改進(jìn)的熱電模塊的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明大體而言涉及熱電裝置。更特定而言，本發(fā)明提供單片熱電裝置和其制造方法。僅出于舉例說(shuō)明目的，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種實(shí)現(xiàn)工藝復(fù)雜性、步驟數(shù)量和熱電模塊組裝成本的顯著減少的方法，其將需(entail)要單個(gè)基板材料轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€(gè)熱電裝置。在一具體實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于熱電應(yīng)用的單片裝置。該裝置包括一個(gè)或多個(gè)第一熱電元件，其包括基板材料的第一圖案化部分。一個(gè)或多個(gè)第一熱電元件中的每一個(gè)被配置成功能化為η型半導(dǎo)體，其具有O. 2和更大的熱電優(yōu)值ΖΤ。此外，該裝置包括一個(gè)或多個(gè)第二熱電元件，其包括基板材料的第二圖案化部分。中間區(qū)域?qū)⒌诙D案化部分與第一圖案化部分開(kāi)。一個(gè)或多個(gè)第二熱電元件中的每一個(gè)被配置成功能化為P型半導(dǎo)體，其具有O. 2和更大的熱電優(yōu)值ΖΤ。一個(gè)或多個(gè)第一熱電兀件和一個(gè)或多個(gè)第二熱電兀件在空間上被配置成允許形成第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域，第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域分別連接到一個(gè)或多個(gè)第一熱電元件和/或一個(gè)或多個(gè)第二熱電元件中每一個(gè)以形成連續(xù)電路。在可選實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種制造單片熱電裝置的方法。該方法包括提供基板材料，該基板材料具有前表面區(qū)域和后表面區(qū)域。該方法還包括加工基板材料的至少一部分以具有O. 2或者更大的熱電優(yōu)值參數(shù)ΖΤ。另外，該方法包括圖案化基板材料的該部分以形成由中間區(qū)域分開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域。而且，該方法包括加工一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域以得到η型半導(dǎo)體特征；以及加工一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域以得到P型半導(dǎo)體特征。此外，該方法包括配置一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域以允許形成第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域，以電互連一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域使得連續(xù)電路形成于基板材料部分內(nèi)。第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域分別與前表面區(qū)域和后表面區(qū)域中的至少一個(gè)相關(guān)聯(lián)。在又一可選實(shí)施例中，本發(fā)明提供一種用于熱電應(yīng)用的單片裝置。該裝置包括多個(gè)熱電元件，其包括在具有前表面區(qū)域和后表面區(qū)域的單個(gè)基板內(nèi)的材料部分。材料部分被功能化為具有至少O. 2的熱電優(yōu)值ZT。多個(gè)熱電元件在空間上布置成由部分用作熱隔離體和部分用作電互連的中間區(qū)域分開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)η型半導(dǎo)體區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)P型半導(dǎo)體區(qū)域。此外，該單片裝置包括第一圖案化電極，其覆在前表面區(qū)域上在第一配置中電互連多個(gè)熱電元件中的每一個(gè)。而且，該裝置包括第二圖案化電極，其至少部分地覆在后表面區(qū)域上在第二配置中電互連多個(gè)熱電元件中的每一個(gè)。組合第二配置與第一配置以在單個(gè)基板內(nèi)形成連接多個(gè)熱電元件的連續(xù)電路。取決于具體實(shí)施例，利用單片熱電裝置實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明優(yōu)于常規(guī)組裝熱電裝置的優(yōu)點(diǎn)包括允許使用廣范圍的基板材料來(lái)提高功能化區(qū)域的熱電優(yōu)值，以及簡(jiǎn)化在空間上布置多個(gè)熱電元件和配置其熱和電互連的工藝。此外，優(yōu)點(diǎn)在于利用成熟的半導(dǎo)體晶片加工技術(shù)和低成本制造鑄造廠來(lái)顯著地降低熱電裝置的成本。在整個(gè)說(shuō)明書(shū)且特別地在下文中更詳細(xì)地描述這些和其它益處。



圖I為根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的單片熱電裝置的截面示意圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的單片熱電裝置的平面示意圖，其中黑色部分表示功能化P型半導(dǎo)體區(qū)域且白色區(qū)域表示η型半導(dǎo)體區(qū)域。圖3Α至圖3F為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例形成于單晶片材料中的熱電裝置的平面示意圖，單晶片材料具有一個(gè)或多個(gè)η型熱電元件和一個(gè)或多個(gè)P型熱電元件，具有布置于晶片材料的前后之間的巨石陣狀或帶狀結(jié)構(gòu)。圖4為示出了根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施例制造用于熱電應(yīng)用的單片模塊的方法的流程圖。圖5為示出了根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施例制造用于熱電應(yīng)用的單片模塊的方法的流程圖。圖6為示出了根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施例制造用于熱電應(yīng)用的單片模塊的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明大體而言涉及熱電裝置。更特定而言，本發(fā)明提供單片熱電裝置和其制造方法。僅出于舉例說(shuō)明目的，本發(fā)明的實(shí)施例提供一種實(shí)現(xiàn)工藝復(fù)雜性、步驟數(shù)量和熱電模塊組裝成本的顯著減少的方法，其將需要單晶片材料轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€(gè)熱電裝置。根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例，一種實(shí)現(xiàn)工藝復(fù)雜性、步驟數(shù)量和熱電模塊組裝成本的顯著減少的方法，其將需要單晶片材料轉(zhuǎn)變?yōu)檎麄€(gè)熱電裝置。例如，能實(shí)現(xiàn)這種方法的一種這樣的晶片為由硅制成的晶片。在這里概述實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的這種基本結(jié)構(gòu)的示例性方法。首先，功能化基板材料以便實(shí)現(xiàn)合理熱電性能。例如，此可經(jīng)由消去方法(subtractive method)在基板中產(chǎn)生納米結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),例如并非在基板上生長(zhǎng)額外材料而是從基板本身移除材料使得一個(gè)或多個(gè)納米級(jí)形態(tài)保留在基板上。根據(jù)一實(shí)施例，這些納米結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上可為零維、一維、二維或三維的。在另一實(shí)施例中，納米結(jié)構(gòu)化可引發(fā)材料的熱電性能提高。例如，此性能的特征可為“熱電優(yōu)值”Z，給出為Z=S2O /k,，其中S為塞貝克系數(shù)，σ為電導(dǎo)率，且k為熱電材料的熱導(dǎo)率。此更通常地通過(guò)使之與應(yīng)用中相關(guān)物質(zhì)的平均溫度T相乘而表達(dá)為無(wú)量綱優(yōu)值ZT。在一示例中，能通過(guò)以下步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的選定區(qū)域的功能化來(lái)提高熱電優(yōu)值ZT:合金化或摻雜相關(guān)區(qū)域以修改電譜帶結(jié)構(gòu)從而提高電導(dǎo)率同時(shí)減小熱導(dǎo)率。在另一示例中，在納米結(jié)構(gòu)化材料中能具體地實(shí)現(xiàn)在塊體上(若干)數(shù)量級(jí)的ZT改進(jìn)，這是由于電導(dǎo)率的提高和聲子引起的熱導(dǎo)率減小。由于熱電模塊或裝置常常需要η型和P型半導(dǎo)體材料以實(shí)現(xiàn)在溫度梯度中有效操作的串聯(lián)電路，由單件材料制造熱電模塊的方法應(yīng)考慮例如該材料η型和P型摻雜。因此，熱電模塊包括單基板材料，其能在其本身的不同的區(qū)域或體積中η型或P型摻雜。這常常經(jīng)由離子植入或基于溶液的或氣相的摻雜劑來(lái)實(shí)現(xiàn)，其然后退火到諸如硅的基板內(nèi)以制造晶體管和其它功能性裝置。在納米結(jié)構(gòu)在晶片內(nèi)包括功能性熱電體積的情況下，根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例，這些納米結(jié)構(gòu)可被η型或P型摻雜劑摻雜。在一實(shí)施例中，熱電裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于能在成對(duì)的η型與P型柱之間形成電接觸。例如，這能通過(guò)圖案化和蝕刻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)以形成到晶片頂部和底部上并排存在的成對(duì) 相鄰熱電柱的電接觸。接觸能由一個(gè)柱單元在晶片頂部和底部之間轉(zhuǎn)移以便維持串聯(lián)電連接，由此存在大致垂直于晶片的平面軸線的熱梯度。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，經(jīng)由摻雜硅到高載流子濃度、沉積一種或多種金屬和/或從這些金屬形成硅化物來(lái)進(jìn)行接觸。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，被預(yù)加工為包括諸如硅的一種或多種元素的單晶體或多晶體的單晶片材料能轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂笑切桶雽?dǎo)體熱電柱和P型半導(dǎo)體熱電柱的電串聯(lián)、熱并聯(lián)連接的熱電模塊。例如，能以特定方式功能化晶片從而改進(jìn)其熱電優(yōu)值ΖΤ，諸如經(jīng)由在晶片材料內(nèi)形成納米級(jí)特點(diǎn)。根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例，其可金屬化使得熱電技術(shù)能有效地用于通過(guò)所施加的電流而抽走熱或者在所施加的溫度梯度中發(fā)電。圖I為根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的單晶片熱電裝置的截面示意圖。此示意圖只是示例，其不應(yīng)限制所附權(quán)利要求的范圍。如圖所示，單晶片熱電裝置100制于單晶片材料101內(nèi)。加工單晶片材料的一部分以分成分別由中間區(qū)域分開(kāi)的多個(gè)第一區(qū)域和多個(gè)第二區(qū)域。在一實(shí)施例中，單晶片材料包括選自下列的元素制成的晶體或合金或復(fù)合材料Si、Ge、C、Mg、Al、Ni、Fe、W、Ti、Bi、Te、Pb、Ag、Au、Cs、Ca、O、Co、Cr、B、P、As、Sr、Na 等。例如，使用Si晶片基板，目的是為了利用成熟的Si基半導(dǎo)體加工技術(shù)和低成本制造。備選地，由Si-Ge合金、硅化鎂或硅化鐵制成的晶片基板也可為優(yōu)選的基板材料。在一具體實(shí)施例中，使用成熟的半導(dǎo)體制造技術(shù)來(lái)執(zhí)行圖案化工藝以在晶片材料的一部分內(nèi)限定一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域。圖案化技術(shù)可包括光掩膜，電子束或離子束照射，光刻(lithography)、沉積、蝕刻等。在一示例中，從晶片基板101的前側(cè)102執(zhí)行該工藝。每個(gè)限定的第一區(qū)域或第二區(qū)域可具有在立體體積中保持在納米到厘米范圍的尺寸的一定體積的晶片材料的一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)。此外，限定的第一區(qū)域或第二區(qū)域可分別處理或功能化以提高其熱電性質(zhì)。特別地，第一區(qū)域或第二區(qū)域能退火、化學(xué)處理、植入或摻雜以更改其電子譜帶(electronic band)結(jié)構(gòu)來(lái)提高電導(dǎo)率同時(shí)降低熱導(dǎo)率，導(dǎo)致熱電優(yōu)值提高。例如，相對(duì)應(yīng)的第一區(qū)域或第二區(qū)域的所需優(yōu)值ZT能改進(jìn)為O. 2或更大。而且通過(guò)植入相對(duì)應(yīng)的摻雜劑或者通過(guò)熱化學(xué)擴(kuò)散或離子植入，第一區(qū)域或第二區(qū)域能額外地功能化η型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體，分別用作η型和P型熱電元件來(lái)提供載流子電荷。在一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，對(duì)于由半導(dǎo)體或半金屬材料制成的若干類型的基板，使用選自磷、砷、銻的η型摻雜劑且常常使用選自硼、鋁、銦和鎵的P型摻雜劑。由于上文所提到的一種或多種功能化工藝，單晶片裝置100包括由中間區(qū)域117分開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)η型區(qū)域113和一個(gè)或多個(gè)P型區(qū)域115。中間區(qū)域117的特征為在兩個(gè)相鄰的功能性η區(qū)域與P區(qū)域之間的邊界區(qū)域。在一實(shí)施例中，中間區(qū)域117可為從無(wú)窮小到單晶片材料101的部分內(nèi)任何可測(cè)量尺寸的空間。在一具體實(shí)施例中，中間區(qū)域117也可具有晶片材料但預(yù)先配置或功能化為基本上電絕緣體和良好的熱隔離體，具有大約IOW/m · K或更小的熱導(dǎo)率。在另一具體實(shí)施例中，中間區(qū)域117可功能化為用于耦合η型或ρ型半導(dǎo)體與金屬基接觸區(qū)域的電互連。在另一實(shí)施例中，中間區(qū)域127也可存在于該裝置100的功能化區(qū)域與該基板101的任何非功能化區(qū)域之間的邊界處。當(dāng)然，可存在對(duì)單晶片材料內(nèi)的功能化η型區(qū)域和P型區(qū)域相關(guān)聯(lián)的納米結(jié)構(gòu)化、摻雜和交界化處理。例如，η型功能化區(qū)域113和ρ型功能化區(qū)域115中每一個(gè)形成為從前側(cè)102到晶片基板101內(nèi)具有平均深度h。平均深度h可占總晶片厚度的一部分高達(dá)1/2、2/3、3/5、3/4、9/10和更大。在一示例中，h為大約IOOnm和更大。 參看圖1，單晶片裝置100還包括一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體分流器123，一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體分流器130從晶片基板101的前側(cè)102覆在功能化η型區(qū)域113和ρ型區(qū)域115上。此外，可將晶片基板101加工為從基板101的后側(cè)103移除晶片材料IOlA的局部部分。至少晶片材料IOlA的局部部分的移除能高達(dá)基板101的晶片厚度部分的1/2、1/3、2/5、1/4、1/10或更少，以從后側(cè)103暴露功能化η型區(qū)域113和ρ型區(qū)域115。因此，單晶片裝置100還包括一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體分流器125，其從晶片103的后側(cè)覆在功能化η型區(qū)域113和ρ型區(qū)域115上。能使用成熟的半導(dǎo)體加工技術(shù)來(lái)基于功能化區(qū)域的預(yù)定配置和布置來(lái)添加和圖案化導(dǎo)體分流器123和125 二者以形成在不同表面區(qū)域上的電接觸區(qū)域。例如，使用利用各種掩膜的圖案化、金屬沉積、離子蝕刻和更多的技術(shù)。如在圖I中所示的示例那樣，在導(dǎo)體分流器123、125與功能性區(qū)域113、115之間形成的電耦合基本上為分別部分地覆在晶片基板101的前側(cè)102和后側(cè)103上的二維配置。盡管在圖I中未圖示，電接觸區(qū)域也能形成為二維圖案以匹配所有功能化區(qū)域的表面布置。另外，電接觸區(qū)域可包括形成到晶片基板101內(nèi)特定深度的結(jié)構(gòu)，取決于功能化η型區(qū)域113和ρ型區(qū)域115和相對(duì)應(yīng)的中間區(qū)域117的詳細(xì)空間結(jié)構(gòu)。在一具體實(shí)施例中，在前側(cè)102在η型區(qū)域113和ρ型區(qū)域115的導(dǎo)體分流器123之間的電耦合形成第一互連配置，用于橋接η-ρ對(duì)區(qū)域，或者一組η區(qū)域與一組P區(qū)域，或者其它組合。相對(duì)應(yīng)地，在后側(cè)103在暴露的η型區(qū)域113和ρ型區(qū)域115的導(dǎo)體分流器125之間的電耦合形成第二互連配置。第一互連配置與第二互連配置組合以形成在所有功能化區(qū)域之間的完整電路。電路能使得n-Ρ對(duì)柱電串聯(lián)，電并聯(lián)或者串聯(lián)與并聯(lián)的組合。單晶片裝置100能具有兩個(gè)外部引線131和132，外部引線131和132由金屬制成且分別耦合到電路的兩個(gè)端子。作為本發(fā)明的實(shí)施方式，兩個(gè)外電引線131和132可用作兩個(gè)電極，當(dāng)單晶片裝置100使得在前側(cè)102的導(dǎo)體分流器123和在后側(cè)103的導(dǎo)體125經(jīng)受溫度梯度時(shí)，其輸出由熱電效應(yīng)引致的電力。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例，導(dǎo)體分流器123和125能分別被配置為與在應(yīng)用中相對(duì)應(yīng)的外物形成熱接觸。在另一實(shí)施例中，單晶片裝置100也可用于在自電源的外部電壓供應(yīng)到兩個(gè)外部引線131和132時(shí)將熱能從前側(cè)102傳遞到后側(cè)103。
在一具體實(shí)施例中，單晶片裝置100基本上呈平面形狀，目的是為了使前側(cè)和后側(cè)都有更大的表面積用于與熱電應(yīng)用中的相關(guān)物質(zhì)進(jìn)行熱接觸。例如，如圖I所示的那樣，該裝置100可具有沿著垂直于晶片基板101表面的Z方向中的標(biāo)稱尺寸h，主要由功能化η型區(qū)域和P型區(qū)域決定，其次還取決于導(dǎo)體分流器的配置。沿著晶片基板101的平面中的任何x、y方向，該裝置100可具有 由晶片基板101的總功能性部分大小決定的橫向尺寸W。在一實(shí)施例中，標(biāo)稱尺寸h為從前側(cè)102到晶片基板101厚度內(nèi)的平均深度，顯著地小于橫向尺寸w的五分之一。在一示例中，h可小至數(shù)百納米且w可大至任何晶片基板大小。圖2為根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的單片熱電裝置的平面示意圖，其中黑色片表示功能化P型半導(dǎo)體區(qū)域而白色片表示熱電功能化η型半導(dǎo)體區(qū)域。此示意圖只是示例性的，其不應(yīng)限制所附權(quán)利要求的范圍。如圖所示的那樣，可根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例將整個(gè)晶片201加工為熱電裝置200。在一具體實(shí)施例中，晶片201從前表面230或后表面240圖案化和處理以形成分別與多個(gè)第二功能化區(qū)域220分開(kāi)的多個(gè)第一功能化區(qū)域210。組合的第一功能化區(qū)域210和第二功能化區(qū)域220基本上覆蓋除了中間邊界區(qū)域212之外的整個(gè)表面積。在某些實(shí)施例中，邊界區(qū)域212能為任何有限尺寸且甚至減小為無(wú)窮小的大小以允許第一區(qū)域210基本上緊鄰第二功能化區(qū)域220。多個(gè)第一功能化區(qū)域210中的每一個(gè)包括加工為具有P型半導(dǎo)體特征的基板材料的一部分且多個(gè)第二功能化區(qū)域220中每一個(gè)包括加工為具有η型半導(dǎo)體特征的基板材料的一部分。兩個(gè)功能化區(qū)域的特征為超過(guò)O. 2的提高的熱電優(yōu)值ZT。此外，在一示例中，能執(zhí)行η型區(qū)域和ρ型區(qū)域的功能化工藝從前表面230向下部分地到晶片201厚度內(nèi)的深度。帶有所有功能化η型區(qū)域和ρ型區(qū)域的晶片201的前表面230能與圖案化頂部導(dǎo)電分流器耦合。能加工在平面圖中看不到的晶片201的后表面240以移除晶片材料的額外部分來(lái)至少部分地暴露功能化η型和ρ型區(qū)域(210和220)。隨后，圖案化的底部導(dǎo)電分流器可放置成從后表面240與暴露的η型區(qū)域ρ型區(qū)域耦合。在一實(shí)施例中，通過(guò)各種化學(xué)或熱處理將固有晶片材料轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體而將頂部導(dǎo)電分流器和底部導(dǎo)電分流器中的每一個(gè)建置于晶片材料內(nèi)。在另一實(shí)施例中，通過(guò)向晶片基板上添加外部材料而形成兩個(gè)導(dǎo)電分流器。在又一實(shí)施例中，兩個(gè)導(dǎo)電分流器都形成于兩個(gè)外物上，兩個(gè)外物分別與前側(cè)和后側(cè)上的功能化η型和ρ型區(qū)域的相對(duì)應(yīng)布置定制配合?？傊?，總晶片裝置200，單獨(dú)地或在施加到外物上的指定位置，包括連接所有功能化區(qū)域的完整電路。能通過(guò)將在前表面上的導(dǎo)電分流器串聯(lián)和并聯(lián)地連接到后表面上的導(dǎo)電分流器以使得η型區(qū)域中每一個(gè)與P型區(qū)域中每一個(gè)互連而形成電路。如圖2所示的那樣，電路具有分別耦合到前導(dǎo)電分流器的端子或者后導(dǎo)電分流器的端子的兩個(gè)外部電極251和252，取決于具體電子配置。在一具體實(shí)施例中，當(dāng)該裝置在前表面230和后表面240上經(jīng)受溫度梯度時(shí)，整個(gè)晶片熱電裝置200可用于在兩個(gè)外部電極251與252之間生成電偏壓250。前導(dǎo)電分流器被配置成與諸如汽車排氣管或爐體的相關(guān)熱源形成熱接觸，且后導(dǎo)電分流器被配置成與冷卻設(shè)備(例如，運(yùn)行流體冷卻劑)形成熱接觸，使得在前分流器與后分流器之間維持的溫度梯度能引發(fā)經(jīng)由兩個(gè)引線251和252輸出穩(wěn)定電流，用于各種電力應(yīng)用。在另一示例中，前側(cè)可與熱源熱接觸，在晶片表面上具有高到低溫度特征，取決于具體散熱方案，且后側(cè)可與冷卻源(熱沉)熱接觸，且在晶片表面的相對(duì)側(cè)上具有低到高溫度特征，取決于具體冷卻器設(shè)計(jì)。在晶片的空間距離上，在相同距離上存在溫度梯度分布。特別地，當(dāng)兩個(gè)通量布置于相反方向時(shí)，帶有多個(gè)功能化熱電元件的單片裝置200能與每個(gè)η區(qū)域和P區(qū)域的具體圖案化且適當(dāng)?shù)膫?cè)向尺寸側(cè)向?qū)?zhǔn)以適應(yīng)該距離上的溫度梯度變化從而實(shí)現(xiàn)最高的熱電性能效率。在另一具體實(shí)施例中，當(dāng)外部控制電壓施加到兩個(gè)引線251和252時(shí)，單片熱電裝置200能通過(guò)耦合于前分流器與后分流器之間的所有功能化η型和P型區(qū)域而將熱能從相關(guān)表面抽走。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，熱電模塊包括基板材料，基板材料還可包括金屬、絕緣體、半導(dǎo)體或半金屬。例如，基板材料可由下列材料元素之一或其組合制成Si、Ge、C、Mg、Al、Ni、Fe、W、Ti、Bi、Te、Pb、Ag、Au、Cs、Ca、O、Co、Cr、B、P、As、Sr、Na 等。根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例，這些基板材料可具有一定縱橫比使得其在一個(gè)軸線中的厚度(垂直于基板表面)小于在基板平面內(nèi)的兩個(gè)另外軸線中尺寸的五分之一(盡管這并非必需的或者也不受該實(shí)施例限制)，以增加經(jīng)受溫度梯度的相對(duì)接觸面積。而且，可在單晶片材料內(nèi)進(jìn)行0-D、l-D、2-D或3-D納米結(jié)構(gòu)化以將它們中的每一個(gè)功能化為具有提高的優(yōu)值ZT的η型或P型熱電元件。相對(duì)應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)可經(jīng)由一種或多種消去和/或印刷技術(shù)而在基板本身 中生成，其可通過(guò)至少溶液、等離子體、離子蝕刻或卷對(duì)卷(roll to roll)技術(shù)而執(zhí)行。在一具體實(shí)施例中，納米結(jié)構(gòu)，取決于其η型或P型半導(dǎo)體特征，能通過(guò)以特定配置與導(dǎo)電分流器耦合形成一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化體積而分組。納米結(jié)構(gòu)化體積中的每一個(gè)充當(dāng)熱電元件，其在所施加的溫度梯度中生成偏壓或者在所施加的電場(chǎng)中抽走熱。圖3Α至圖3F示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例形成于單晶片材料內(nèi)且以各種配置電耦合的示例性功能化熱電體積。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，功能化熱電體積中的每一個(gè)可簡(jiǎn)化為在連接于兩個(gè)導(dǎo)體分流器之間的單晶片的一部分內(nèi)的成形柱，其中的每一個(gè)與單晶片材料的前側(cè)或背側(cè)熱和電相關(guān)聯(lián)。如圖3Α所示的那樣，簡(jiǎn)單的熱電體積包括分別功能化為具有η型特征或P型特征的一對(duì)柱。在一實(shí)施例中，η型熱電柱包括由摻雜了η型摻雜劑的材料的量子點(diǎn)制成的納米結(jié)構(gòu)。在一示例中，如圖所示的納米結(jié)構(gòu)為豎直地形成于晶片內(nèi)的簡(jiǎn)單量子點(diǎn)復(fù)合物。同樣，緊鄰η型柱，P型熱電柱包括摻雜有P型摻雜劑的晶片材料的一部分且也被配置為量子點(diǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)。在一示例中，熱電體積從前側(cè)電連接到導(dǎo)電分流器，其可由不同于晶片材料的材料制成。例如，第二材料由銅制成以便為良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電材料，且η型柱和P型柱由兩個(gè)圖案化的導(dǎo)電分流器從后側(cè)電連接以形成交替地通過(guò)η型半導(dǎo)體區(qū)域和P型半導(dǎo)體區(qū)域的電路徑。在另一實(shí)施例中，熱電體積再次與不同于基板材料的第三導(dǎo)電材料或與基板本身電接觸。例如，熱電體積與一個(gè)或多個(gè)圖案化導(dǎo)電分流器耦合以形成與第三材料有關(guān)的電接觸件。選擇第三材料形成歐姆接觸件、屏障接觸件、局部互連和擴(kuò)散屏障。例如，對(duì)于基于單硅晶片的熱電裝置而言，硅化物材料在導(dǎo)電分流器與半導(dǎo)體柱之間交界。此外，中間區(qū)域由基板本身制成但再配置為變成基本上良好的熱絕緣體和電絕緣體。例如，分開(kāi)功能性柱的中間區(qū)域可具有小于10W/m · K的熱導(dǎo)率。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，熱電裝置可包括η型熱電體積和P型熱電體積中的一個(gè)或多個(gè)。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，其中具有η型摻雜的納米結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)熱電體積和具有P型摻雜的納米結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)熱電體積的幾何結(jié)構(gòu)在空間上并排地布置于基板材料內(nèi)。圖3Β示出了這些熱電體積的示例，這些熱電體積并排形成且分別耦合到一件導(dǎo)電分流器使得穿過(guò)這些熱電體積的所有電路徑電并聯(lián)，條件是從頂部分流器到底部分流器存在溫度梯度。圖3C示出了一個(gè)或多個(gè)熱電體積分別關(guān)于η型柱和P型柱分組的另一示例。熱電體積分別與頂側(cè)上的共同導(dǎo)體分流器和底側(cè)上的兩個(gè)共同導(dǎo)體分流器耦合成電并聯(lián)。在可選實(shí)施例中，每個(gè)η型組為包括由η型摻雜劑摻雜的晶片材料的一部分形成的一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化柱的熱電體積，和每個(gè)P型組為包括由P型摻雜劑摻雜的晶片材料的一部分形成的一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化柱的熱電體積。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，熱引發(fā)的電流交替地流過(guò)具有η型摻雜的納米結(jié)構(gòu)的熱電體積的η型柱和具有P型摻雜的納米結(jié)構(gòu)的熱電體積的P型柱。圖3D示出了多個(gè)功能化η型和P型區(qū)域交替地并排形成且每對(duì)η型和P型區(qū)域分別交替地與頂部分流器和底部分流器耦合的示例。這導(dǎo)致電串聯(lián)的熱電電路形成。在可選實(shí)施例中，圖3Ε示出了多個(gè)功能化η型和P型區(qū)域，其與頂部導(dǎo)體分流器和底部導(dǎo)體分流器耦合以形成電串聯(lián)和電并聯(lián)組合的熱電路徑。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，基板晶片至少部分地被配置成使得具有η型摻雜納米結(jié)構(gòu)的熱電體積，具有P型摻雜納米結(jié)構(gòu)的熱電體積和具有η型摻雜和P型摻雜納米結(jié)構(gòu)的熱電體積全都存在于從基板晶片的頂表面到底表面的熱流動(dòng)的相同總體方向內(nèi)。
在可選實(shí)施例中，在單晶片材料內(nèi)的功能化熱電體積的特征為主要與晶片基板平行對(duì)準(zhǔn)的納米帶狀結(jié)構(gòu)。圖3F示出了各具有納米帶結(jié)構(gòu)的多個(gè)功能化熱電體積基本上與基板平行布置且一個(gè)η型摻雜結(jié)構(gòu)與一個(gè)P型摻雜并排的示例。沿著基板平面方向，一對(duì)η型摻雜和P型摻雜的帶結(jié)構(gòu)由安置于中間區(qū)域的互連材料耦合。沿著豎直方向，可存在堆疊在一起(由中間區(qū)域分開(kāi))的一個(gè)或多個(gè)冗余成對(duì)的η型和P型帶結(jié)構(gòu)?；ミB材料被配置成逐一耦合它們中的每一個(gè)。在一實(shí)施例中，使用互連材料，在晶片基板內(nèi)形成單片熱電裝置的電路徑以分別電并聯(lián)η型結(jié)構(gòu)或P型結(jié)構(gòu)且也電串聯(lián)所有η型結(jié)構(gòu)與所有P型結(jié)構(gòu)。在一具體實(shí)施例中，互連材料從基板材料轉(zhuǎn)變而來(lái)以具有基本上導(dǎo)電且良好導(dǎo)熱的特征。此外，頂部圖案化的分流器與自晶片基板的頂側(cè)的互連材料的一部分形成電接觸且底部圖案化分流器與自底側(cè)的互連材料的交替部分形成另一熱接觸。頂部分流器和底部分流器被配置成分別與具有溫度梯度的外物形成熱接觸使得形成用于單片熱電裝置的熱路徑。當(dāng)然，可存在許多變型、替代和修改。根據(jù)一具體實(shí)施例，本發(fā)明還提供一種制造用于從溫度梯度生成電流的單片裝置的方法。圖4為示出了根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施例制造用于熱電應(yīng)用的單片裝置的方法的流程圖。此圖只是示例，其不應(yīng)不當(dāng)?shù)叵拗扑綑?quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將識(shí)別其它變型、修改和替代。應(yīng)了解本文所述的示例和實(shí)施例只是出于說(shuō)明目的且鑒于它們的各種修改或變化將給本領(lǐng)域技術(shù)人員建議且包括于此工藝的精神和權(quán)限和所附權(quán)利要求的范疇內(nèi)。如圖4所示的那樣，本方法可簡(jiǎn)單地如下概述。I.開(kāi)始2.提供基板材料；3.功能化基板的一部分以提高熱電優(yōu)值ZT為至少O. 2 ；4.圖案化該功能化部分以形成一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域；5.加工一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域以得到η型半導(dǎo)體特征；6.加工一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域以得到P型半導(dǎo)體特征；
7.形成第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域；8.分別配置第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域以耦合第一區(qū)域和第二區(qū)域中的每一個(gè)以形成連續(xù)電路；9.執(zhí)行其它步驟；10.結(jié)束。這些步驟只是示例且不應(yīng)過(guò)度地限制本文的權(quán)利要求。如圖所示的那樣，上述方法提供從單個(gè)基板材料制造熱電裝置的改進(jìn)的技術(shù)。在一優(yōu)選實(shí)施例中，該方法使用至少包括金屬、絕緣體、半導(dǎo)體和/或半金屬的基板材料制成的基板。取決于基板材料，基板的至少一部分可相對(duì)應(yīng)地加工以形成一個(gè)或多個(gè)熱電功能化體積。然后可執(zhí)行另外的步驟以制造單片熱電裝置。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將識(shí)別其它變型、修改和替代。上文所概述的各種步驟可添加、移除，修改，重新布置，重復(fù)，交換次序和/或重疊，如在本發(fā)明的范圍內(nèi)設(shè) 想到的那樣。如圖4所示的那樣，該方法400始于開(kāi)始步驟401。根據(jù)某些實(shí)施例，本發(fā)明提供一種制造基于單個(gè)基板的熱電模塊的方法，單個(gè)基板由至少第一基板材料制成，且第一基板材料包括金屬、絕緣體、半導(dǎo)體和/或半金屬。例如，第一基板材料包括選自下列的材料元素之一或某些的組合Si、Ge、C、Mg、Al、Ni、Fe、W、Ti、Bi、Te、Pb、Ag、Au、Cs、Ca、O、Co、Cr、B、P、As、Sr和Na。該方法400之后為步驟410 :提供這樣的基板材料。在一示例中，基板為晶片，其具有一定縱橫比使得其在其法向軸線中的厚度小于其它軸線中尺寸的五分之一。在又一示例中，該方法包括提供基板材料，其在半導(dǎo)體工業(yè)中以成熟的晶片處理技術(shù)提供。例如，基板為由基本上純單晶或多晶硅制成的標(biāo)準(zhǔn)硅晶片。備選地，可使用由硅-鍺合金、硅化鎂、硅化鐵等制成的晶片基板。因此，可利用在Si基半導(dǎo)體工業(yè)中確立的許多晶片處置和預(yù)處理工藝，其提供以顯著較低成本來(lái)制造所要求保護(hù)的裝置的巨大優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然，可存在其它變型、修改和替代。在制備步驟后基板準(zhǔn)備好之后，能執(zhí)行功能化基板的一部分以形成單片熱電裝置的步驟420。功能化工藝基本上在微觀更改基板材料以提高其熱電性質(zhì)。此包括選擇具有一定電子譜帶隙的材料，更改其電子譜帶隙結(jié)構(gòu)以通過(guò)摻雜或合金化而提高其塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率，通過(guò)納米結(jié)構(gòu)化、摻雜、蝕刻等改變其晶體結(jié)構(gòu)來(lái)更改其聲子散射特征，以便降低熱導(dǎo)率等。最終，功能化工藝的目的是為了至少改進(jìn)熱電優(yōu)值ZT到大于O. 2。在一具體實(shí)施例中，功能化區(qū)域能為熱電元件，其包括具有納米尺寸的功能化基板材料的體積。另一方面，納米結(jié)構(gòu)化用作提高基板材料的具體區(qū)域的熱電優(yōu)值的有效方式。另一方面，納米結(jié)構(gòu)化也變成限定每個(gè)熱電元件用于制造單片熱電裝置的工藝。例如，在該方法400的步驟430中，材料的功能化部分能圖案化以形成各種形態(tài)的一個(gè)或多個(gè)納米級(jí)結(jié)構(gòu)，包括零維特征(諸如量子點(diǎn))，或者一維納米線，或者二維帶，或三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，或者這些低維結(jié)構(gòu)的組合。取決于基板的特定材料，可使用各種成熟技術(shù)來(lái)執(zhí)行圖案化工藝，包括掩膜、化學(xué)或離子蝕刻，粒子束照射或光刻，退火或印刷，以限定一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中每一個(gè)的空間范圍。在一示例中，圖案化基板材料的功能性部分以在基板內(nèi)形成由中間區(qū)域與一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域在空間上分開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域。中間區(qū)域本身可保持基本上基板材料，進(jìn)行特定修改，包括摻雜、合金化或再結(jié)構(gòu)化，或者消去，然后填充外來(lái)材料用于不同目的。在一實(shí)施例中，中間區(qū)域可具有從無(wú)窮小到在第一部分內(nèi)任何可測(cè)量尺寸的空間尺寸。當(dāng)然，可存在許多變型、替代和修改。在限定了空間區(qū)域之后，該方法400還包括步驟440，其加工具有η型半導(dǎo)體特征的一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域中的每一個(gè)；和，步驟450，加工具有P型半導(dǎo)體特征的一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域中的每一個(gè)。在一具體實(shí)施例中，步驟440和450還將功能性區(qū)域制成真正的熱電元件，提供所要求保護(hù)的熱電裝置的電荷載流子和熱路徑。在另一具體實(shí)施例中，兩個(gè)步驟都包括將一種或多種雜質(zhì)元素引入到在上述步驟430中剛剛限定的具體納米結(jié)構(gòu)化區(qū)域中的每一個(gè)內(nèi)。特別地，為了制造熱電裝置，步驟440包括分別在一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)或多個(gè)η型摻雜的納米結(jié)構(gòu)且步驟450包括分別在一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域內(nèi)形成一個(gè)或多個(gè)P型摻雜的納米結(jié)構(gòu)。一個(gè)或多個(gè)η型摻雜的納米結(jié)構(gòu)和一個(gè)或多個(gè)P型摻雜的納米結(jié)構(gòu)可在某些配置中分組以形成一個(gè)或多個(gè)熱電體積來(lái)基本上利用基板材料的功能化部分。熱電體積的空間配置也由該裝置將處置的熱通量或溫度梯度來(lái)決定。在一實(shí)施例中，所有形成的熱電體積基本上位于應(yīng)該從前側(cè)穿過(guò)基板到后側(cè)的熱流動(dòng)的相同的總體方向內(nèi)。在另一實(shí)施例中，所有熱電體積基本上從前側(cè)部分地形成到基板厚度內(nèi)的一定平 均深度。在又一實(shí)施例中，能對(duì)分開(kāi)并排安置的η型區(qū)域和P型區(qū)域的中間區(qū)域的至少一部分進(jìn)行加工，以成為基本上電絕緣且熱隔離體，具有小于10W/m K的所需熱導(dǎo)率。在可選實(shí)施例中，加工中間區(qū)域的部分以變成在最靠近的η型區(qū)域與P型區(qū)域之間的電互連且用作具有圖案化接觸區(qū)域的良好熱導(dǎo)體。在一示例中，基板材料保持在中間區(qū)域內(nèi)。在另一示例中，基板材料從中間區(qū)域移除或消去且新材料能被弓丨入以填充。在一具體實(shí)施例中，基于單基板材料進(jìn)行上文所提到的0-D、l-D、2_D或3_D納米結(jié)構(gòu)化工藝。例如，一個(gè)或多個(gè)相對(duì)應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)經(jīng)由一種或多種消去技術(shù)而在基板中生成。特別地，通過(guò)至少溶液蝕刻、等離子體蝕刻或離子蝕刻技術(shù)來(lái)執(zhí)行一種或多種消去技術(shù)。在一示例中，基板材料包括下列材料元素之一或某些材料元素的組合Si、Ge、C、Mg、Al、Ni、Fe、W、Ti、Bi、Te、Pb、Ag、Au、Cs、Ca、O、Co、Cr、B、P、As、Sr 或 Na。優(yōu)選地，Si、SiGe、硅化鎂、硅化鐵等常常用于提供晶片基板。相對(duì)應(yīng)地，確定一種或多種η型摻雜劑和一種或多種P型摻雜劑來(lái)功能化一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)。用于硅的典型η型摻雜劑包括磷、砷、銻的且P型摻雜劑包括硼、鋁、銦和鎵。當(dāng)然，存在能由本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到的許多變型、替代和修改。上文所提到的示例不應(yīng)不當(dāng)?shù)叵拗票疚囊蟊Ｗo(hù)的范圍。參看圖4，該方法400還包括步驟460 :形成用于制造單片熱電裝置的一個(gè)或多個(gè)η型和P型功能化區(qū)域的第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域。在一具體實(shí)施例中，形成第一圖案化導(dǎo)體，其覆在晶片基板前側(cè)上的一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域上，且形成第二圖案化導(dǎo)體，其覆在后側(cè)上的一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域上。第一圖案化導(dǎo)體和第二圖案化導(dǎo)體首先用作形成連續(xù)電路徑的電導(dǎo)體且其次用作熱接觸區(qū)域，熱接觸區(qū)域被配置為用于單片熱電裝置的熱路徑的閘。在某些實(shí)施例中，經(jīng)由功能化中間區(qū)域形成電互連。第一圖案化導(dǎo)體和第二圖案化導(dǎo)體主要被配置為該裝置的熱接觸區(qū)域。第一圖案化導(dǎo)體和第二圖案化導(dǎo)體都應(yīng)當(dāng)為至少良好的熱導(dǎo)體且被成形為與指定的外物進(jìn)行良好的熱接觸。隨后，該方法400包括步驟470 :通過(guò)連接特定配置的η型和ρ型功能化熱電區(qū)域中的每一個(gè)來(lái)配置第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域以形成連續(xù)電路，且同時(shí)配置第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域分別與具有溫度梯度的外物形成熱接觸。在一示例中，如電分流器的導(dǎo)電材料被圖案化以從晶片基板任一側(cè)與具體配置的功能化η型和ρ型區(qū)域中的每一個(gè)電耦合從而形成連續(xù)電路。此步驟可利用許多成熟的半導(dǎo)體加工技術(shù)，諸如圖案化，電鍍、涂布、濺鍍等來(lái)與預(yù)定空間配置的功能化η型區(qū)域和ρ型區(qū)域中的每一個(gè)形成電接觸。特別地，分流器配置可得到串聯(lián)、并聯(lián)或者串聯(lián)與并聯(lián)的具體組合的多個(gè)電連接。在一實(shí)施例中，能通過(guò)在界面處添加第二材料來(lái)提高熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率來(lái)輔助在第一分流器之間的電接觸。在又一實(shí)施例中，對(duì)于在施加的溫度梯度中生成偏壓或者在施加的電場(chǎng)中抽走熱的各種熱電應(yīng)用，確定分流器與一個(gè)或多個(gè)功能化η型區(qū)域和ρ型區(qū)域的耦合?？蛇x地，如圖3F所示的那樣，通過(guò)加工中間區(qū)域且將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)或多個(gè)互連而實(shí)現(xiàn)在η型與ρ型功能化區(qū)域之間的電接觸。該步驟470還包括使用圖案化、摻雜、蝕刻或類似技術(shù)來(lái)形成在晶片基板內(nèi)的這些互連本身，然后與自晶片基板的前側(cè)或后側(cè)的一種或多種配置的第一圖案化導(dǎo)體或第二圖案化導(dǎo)體形成熱接觸。在一實(shí)施例中，第一圖案化導(dǎo)體和第二圖案化導(dǎo)體包括晶片基板的部分，其中基板材料被再配置為變成良好熱導(dǎo)體。備選地，方法400包括以下可選步驟從基板的一側(cè)部分地移除基板材料使得能引入圖案化導(dǎo)體之一以與包括在η型摻雜區(qū)域和ρ型摻雜區(qū)域的所有納米結(jié)構(gòu)的暴露的熱電體積形成熱鏈路(thermal link)。這可通過(guò)包括物理、化學(xué)或甚至機(jī)械方式的一種或多種材料消 去技術(shù)來(lái)執(zhí)行。消去工藝能以納米級(jí)來(lái)進(jìn)行以具體地移除在先前功能化的η型和ρ型區(qū)域附近的基板材料。此外，所引入的導(dǎo)體可為不同于基板材料的材料，其能由具體熱電應(yīng)用決定，其中不僅需要與具體相關(guān)材料良好的電接觸而且還優(yōu)選與具體相關(guān)材料的良好熱接觸。此外，該方法400可包括其它步驟480來(lái)完成最終步驟499中的單片熱電裝置的制造工藝。例如，其它步驟可包括形成一對(duì)外電引線。兩個(gè)引線中的每一個(gè)可分別耦合到與在先前步驟中形成的連續(xù)電路相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)電端子。某些額外步驟可包括分別配置前側(cè)和后側(cè)以與具體熱電應(yīng)用中相對(duì)應(yīng)的相關(guān)區(qū)域形成優(yōu)化的熱接觸。在又一示例中，一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化熱電體積由至少第二材料電接觸。在又一示例中，一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化熱電體積與第三材料或第一基板材料進(jìn)一步電接觸。圖5和圖6為示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例制造單片熱電模塊的可選方法的示意流程圖。這些圖只是示例且不應(yīng)限制本文的權(quán)利要求的范圍。如圖5所示的那樣，該方法包括開(kāi)始步驟501和提供基板材料的步驟510，基板材料選自下列元素之一或組合Si、Ge、C、Mg、Al、Ni、Fe、W、Ti、Bi、Te、Pb、Ag、Au、Cs、Ca、O、Co、Cr、B、P、As、Sr 或 Na。步驟520包括圖案化基板材料的一部分以形成由中間區(qū)域分開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域。中間區(qū)域可為無(wú)窮小或者與基板材料內(nèi)任何可測(cè)量的尺寸一樣大。圖案化的一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域或一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域可包括形成為各種形態(tài)，具有0D、1D、2D或3D特征的多個(gè)納米結(jié)構(gòu)。步驟530包括加工具有η型半導(dǎo)體特征的一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域；且步驟540包括加工具有ρ型半導(dǎo)體特征的一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域。這些步驟可使用摻雜、擴(kuò)散、基于溶液的合金化，離子植入或類似處理以將適當(dāng)雜質(zhì)元素引入到包括基板材料的具體區(qū)域內(nèi)。此外，該方法500包括步驟550以功能化一個(gè)或多個(gè)η型區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)P型區(qū)域且轉(zhuǎn)變其譜帶或材料結(jié)構(gòu)以具體地提高熱電優(yōu)值ZT至少高于O. 2。之后，該方法還包括步驟560 :形成第一接觸區(qū)域與第二接觸區(qū)域以使得一個(gè)或多個(gè)η型功能化區(qū)域中每一個(gè)和一個(gè)或多個(gè)P型功能化區(qū)域中每一個(gè)互連。第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域可為電接觸或熱接觸或二者皆是。該方法然后包括步驟570配置第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域以形成連接η型和ρ型功能化區(qū)域中的每一個(gè)的連續(xù)電路來(lái)將它們中的每一個(gè)轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑹犭娔K的熱電元件。其它步驟580可包括形成電插座且配置由該模塊應(yīng)用的與具體物體的熱接觸區(qū)域。當(dāng)然，可存在其它的變型、替代和修改。如圖6所示的那樣，該方法600包括開(kāi)始步驟601和步驟610 :提供預(yù)先加工為具有一個(gè)或多個(gè)η型摻雜區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)ρ型摻雜區(qū)域的基板材料。基板材料可選自下列材料元素之一或其組合Si、Ge、C、Mg、Al、Ni、Fe、W、Ti、Bi、Te、Pb、Ag、Au、Cs、Ca、O、Co、Cr、B、P、As、Sr或Na等。在一個(gè)或多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，基板材料使用Si或SiGe合金或化合物硅化鎂或硅化鐵。N摻雜劑為磷、砷、銻且P摻雜劑將為硼、鋁、銦和鎵，視實(shí)施例而定。步驟620包括功能化一個(gè)或多個(gè)η型區(qū)域且轉(zhuǎn)變其譜帶或材料結(jié)構(gòu)以具體地提高熱電優(yōu)值ZT至少高于O. 2。步驟630包括功能化一個(gè)或多個(gè)ρ型區(qū)域且轉(zhuǎn)變其譜帶或材料結(jié)構(gòu)以具體地提高熱電優(yōu)值ZT至少高于O. 2。功能化工藝還可包括納米結(jié)構(gòu)化一個(gè)或多個(gè)η型區(qū)域或者一個(gè)或多個(gè)P型區(qū)域以形成各種形態(tài)，具有0D、1D、2D或3D特征的多個(gè)納米結(jié)構(gòu)。步驟630還包括使用摻雜、擴(kuò)散、基于溶液的合金化、離子植入或類似處理來(lái)更改每個(gè)納米結(jié) 構(gòu)化區(qū)域內(nèi)的電子譜帶結(jié)構(gòu)或電子-聲子散射方案。另外，該方法600包括步驟640 :形成第一接觸區(qū)域與第二接觸區(qū)域以使得一個(gè)或多個(gè)η型功能化區(qū)域中每一個(gè)和一個(gè)或多個(gè)ρ型功能化區(qū)域中每一個(gè)互連。第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域可為電接觸或熱接觸或二者皆是。該方法然后包括步驟650配置第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域以形成連接η型和ρ型功能化區(qū)域中的每一個(gè)的連續(xù)電路來(lái)將它們中的每一個(gè)轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑹犭娔K的熱電元件。其它步驟660可包括形成電插座且配置由該模塊應(yīng)用的與具體物體的熱接觸區(qū)域。當(dāng)然，可存在其它的變型、替代和修改。上文所述的工藝或步驟的順序提供根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例制造用于熱電應(yīng)用的單晶片裝置的方法。如圖所示的那樣，該方法使用包括提供基板材料作為建置本文所要求保護(hù)的裝置的功能化區(qū)域的基礎(chǔ)的步驟組合。另外，該方法使用至少部分地位于由要求保護(hù)的裝置所經(jīng)受的熱流動(dòng)的相同總體方向內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化熱電體積的步驟組合。也可提供其它可選方案，其中添加步驟，移除一個(gè)或多個(gè)步驟，或者以不同的順序提供一個(gè)或多個(gè)步驟，而不偏離本文權(quán)利要求的范圍。本方法的另外細(xì)節(jié)能見(jiàn)于整個(gè)本說(shuō)明書(shū)和下文中。在另一實(shí)施例中，進(jìn)行0-D、l-D、2-D或3-D納米結(jié)構(gòu)化，且經(jīng)由一種或多種印刷技術(shù)在基板中生成具有一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化體積的一個(gè)或多個(gè)相對(duì)應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)。在又一示例中，通過(guò)至少壓印、沉積或卷對(duì)卷技術(shù)來(lái)執(zhí)行一種或多種印刷技術(shù)。在又一不例中，第一基板材料可包括下列材料兀素之一或其組合Si、Ge、C、Mg、Al、Ni、Fe、W、Ti、Bi、Te、Pb、Ag、Au、Cs、Ca、O、Co、Cr、B、P、As、Sr 或 Na,基板具有一定縱橫比使得其在其一個(gè)軸線中的厚度小于兩個(gè)其它軸線中尺寸的五分之一，且一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化體積充當(dāng)熱電體積，其在所施加的溫度梯度中生成偏壓或者在所施加的電場(chǎng)中抽走熱。在又一示例中，一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)為P型摻雜。在又一示例中，一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化體積與至少第二材料電接觸。在又一示例中，一個(gè)或多個(gè)納米結(jié)構(gòu)化體積與第三材料或第一基板材料進(jìn)一步電接觸。根據(jù)某些實(shí)施例，熱電裝置包括一個(gè)或多個(gè)η型摻雜的納米結(jié)構(gòu)和一個(gè)或多個(gè)ρ型摻雜的納米結(jié)構(gòu)。根據(jù)某些實(shí)施例，熱電裝置包括一個(gè)或多個(gè)η型摻雜的納米結(jié)構(gòu)和一個(gè)或多個(gè)P型摻雜的納米結(jié)構(gòu)，且一個(gè)或多個(gè)η型摻雜的納米結(jié)構(gòu)和一個(gè)或多個(gè)P型摻雜的納米結(jié)構(gòu)并排地位于基板內(nèi)。例如，熱引致的電流交替地流過(guò)具有一個(gè)或多個(gè)η型摻雜納米結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)η型柱和具有一個(gè)或多個(gè)P型摻雜納米結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)P型柱。

盡管描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)了解存在等效于所描述實(shí)施例的其它實(shí)施例。此外，應(yīng)了解本發(fā)明并不受到具體圖示的實(shí)施例限制。
權(quán)利要求
1.一種用于熱電應(yīng)用的單片裝置，所述裝置包括 一個(gè)或多個(gè)第一熱電元件，其包括基板材料的第一圖案化部分，所述一個(gè)或多個(gè)第一熱電元件中的每一個(gè)都配置成功能化為η型半導(dǎo)體，其具有O. 2和更大的熱電優(yōu)值ZT ;以及 一個(gè)或多個(gè)第二熱電元件，其包括基板材料的第二圖案化部分，所述第二圖案化部分由中間區(qū)域與所述第一圖案化部分開(kāi)，所述一個(gè)或多個(gè)第二熱電元件中的每一個(gè)都配置成功能化為P型半導(dǎo)體，其具有O. 2和更大的熱電優(yōu)值ZT ； 其中所述一個(gè)或多個(gè)第一熱電元件和所述一個(gè)或多個(gè)第二熱電元件在空間上被配置成允許形成第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域，所述第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域分別連接到所述一個(gè)或多個(gè)第一熱電元件中每一個(gè)和/或所述一個(gè)或多個(gè)第二熱電元件中的每一個(gè) 以形成連續(xù)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述基板材料包括選自下列材料元素的第一組合:Si、Ge、C、Mg、Al、Ni、Fe、W、Ti、Bi、Te、Pb、Ag、Au、Cs、Ca、O、Co、Cr、B、P、As、Sr和Na。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述第一圖案化部分包括選自下列的功能 化為η型半導(dǎo)體的材料元素的第二組合:Si、Ge、C、Mg、Al、Ni、Fe、W、Ti、Bi、Te、Pb、Ag、Au、Cs、Ca、O、Co、Cr、B、P、As、Sr和Na，且所述第二圖案化部分包括選自下列的功能化P型半導(dǎo)體的材料元素的第三組合Si、Ge、C、Mg、Al、Ni、Fe、W、Ti、Bi、Te、Pb、Ag、Au、Cs、Ca、O、Co、Cr、B、P、As、Sr 和 Na。·
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于， 所述一個(gè)或多個(gè)第一熱電元件被配置成彼此串聯(lián)，并聯(lián)，或者既并聯(lián)又串聯(lián)地電耦合； 所述一個(gè)或多個(gè)第二熱電元件被配置成彼此串聯(lián)，并聯(lián)，或者既并聯(lián)又串聯(lián)地電耦合； 所述一個(gè)或多個(gè)第一熱電元件之一或全部被配置成與所述一個(gè)或多個(gè)第二熱電元件之一或全部串聯(lián)地電耦合且并聯(lián)地?zé)狁詈稀?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)第一熱電元件和所述一個(gè)或多個(gè)第二熱電元件中的每一個(gè)包括納米結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述納米結(jié)構(gòu)包括選自下列的形態(tài)零維(OD)點(diǎn)、一維(ID)線、二維(2D)帶和三維(3D)網(wǎng)絡(luò)和其組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述第一接觸區(qū)域和所述第二接觸區(qū)域分別包括第一電導(dǎo)體和第二電導(dǎo)體，所述第一電導(dǎo)體被配置成形成與第一外物熱接觸且第二電導(dǎo)體被配置成形成與第二外物熱接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述第一電導(dǎo)體和所述第二電導(dǎo)體分別包括所述基板材料的第三圖案化部分和所述基板材料的第四圖案化部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述第一電導(dǎo)體和所述第二電導(dǎo)體分別包括第一外物部分和第二外物部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述第一電導(dǎo)體和第二電導(dǎo)體分別位于所述基板材料的相同側(cè)上或所述基板材料的相對(duì)側(cè)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述連續(xù)電路被配置成在所述第一外物和所述第二外物經(jīng)受一個(gè)或多個(gè)溫度梯度時(shí)汲取所引發(fā)的電流。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述連續(xù)電路被配置成供應(yīng)控制電流以在第一外物與所述第二外物之間弓I起傳熱。
13.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述中間區(qū)域包括基板材料，所述基板材料被再配置成具有約10W/m · K和更小的熱導(dǎo)率以隔離所述第一圖案化部分和第二圖案化部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，所述中間區(qū)域包括導(dǎo)電材料，所述導(dǎo)電材料被配置成耦合所述一個(gè)或多個(gè)第一熱電元件中的每一個(gè)的至少兩個(gè)端子，和分別地所述一個(gè)或多個(gè)第二熱電元件中每一個(gè)的兩個(gè)端子。
15.一種制造單片熱電裝置的方法，所述方法包括 提供基板，所述基板材料具有前表面區(qū)域和后表面區(qū)域； 加工所述基板材料的至少一部分以具有O. 2和更大的熱電優(yōu)值參數(shù)ZT ； 圖案化所述基板材料的所述部分以形成由中間區(qū)域分開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域； 加工具有η型半導(dǎo)體特征的一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域； 加工具有P型半導(dǎo)體特征的一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域；以及 配置所述一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域和所述一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域以允許形成第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域以電互連所述一個(gè)或多個(gè)第一區(qū)域和所述一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域，使得連續(xù)電路形成于所述基板材料的所述部分內(nèi)，所述第一接觸區(qū)域和所述第二接觸區(qū)域分別與所述前表面區(qū)域和后表面區(qū)域中的至少一個(gè)相關(guān)聯(lián)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，所述基板材料包括選自下列的元素的組合:Si、Ge、C、Mg、Al、Ni、Fe、W、Ti、Bi、Te、Pb、Ag、Au、Cs、Ca、O、Co、Cr、B、P、As、Sr 或者Na。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，加工所述基板材料的至少所述部分包括將材料元素進(jìn)行合金化處理，將所述基板材料的所述部分進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)化處理，修改所述基板材料的所述部分的電子譜帶結(jié)構(gòu)以提高熱電優(yōu)值參數(shù)ZT。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，將所述單個(gè)基板材料的至少所述部分圖案化包括使用選自下列的印刷技術(shù)壓印、掩膜、束照射、光刻、化學(xué)蝕刻、離子蝕刻、沉積和卷對(duì)卷加工。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域和所述一個(gè)或多個(gè)第二區(qū)域分別包括布置于所述基板材料內(nèi)的第一多個(gè)納米結(jié)構(gòu)和第二多個(gè)納米結(jié)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述第一多個(gè)納米結(jié)構(gòu)和所述第二多個(gè)納米結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)包括選自下列的形態(tài)零維(OD)點(diǎn)、一維(ID)線、二維(2D)帶和三維(3D)網(wǎng)絡(luò)和其組合。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，加工所述一個(gè)或多個(gè)第一/第二區(qū)域包括在所述第一 /第二多個(gè)納米結(jié)構(gòu)內(nèi)在空間上用一個(gè)或多個(gè)η型/p型摻雜劑來(lái)?yè)诫s所述基板材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于還包括加工所述基板材料的所述部分內(nèi)的所述中間區(qū)域以至少部分地特征化為熱導(dǎo)率為約10W/m · K和更小的熱絕緣體或者部分地特征化為在所述第一多個(gè)納米結(jié)構(gòu)和第二多個(gè)納米結(jié)構(gòu)中每一個(gè)之間的互連。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述配置包括 確定所述第一多個(gè)納米結(jié)構(gòu)和所述第二多個(gè)納米結(jié)構(gòu)的空間配置； 從所述前表面區(qū)域和后表面區(qū)域的至少一個(gè)中部分地移除基板材料以顯露在所述基板材料內(nèi)的所述第一多個(gè)納米結(jié)構(gòu)和第二多個(gè)納米結(jié)構(gòu)； 使用第一圖案化導(dǎo)體以與第一接觸區(qū)域相關(guān)聯(lián)用于根據(jù)所述空間配置來(lái)互連所述第一多個(gè)納米結(jié)構(gòu)和所述第二多個(gè)納米結(jié)構(gòu)； 使用第二圖案化導(dǎo)體以與第二接觸區(qū)域相關(guān)聯(lián)來(lái)根據(jù)所述空間配置來(lái)互連所述第一多個(gè)納米結(jié)構(gòu)和所述第二多個(gè)納米結(jié)構(gòu)；以及 基本上熱隔離所述第一接觸區(qū)域與所述第二接觸區(qū)域。
24.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于還包括當(dāng)所述第一接觸區(qū)域和所述第二接觸區(qū)域分別與具有溫度梯度的外物形成熱接觸時(shí)，形成到所述連續(xù)電路的兩個(gè)外部電引線，以輸出電力。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于還包括在所述兩個(gè)外部電引線兩端施加電壓以分別經(jīng)由所述第一接觸區(qū)域和所述第二接觸區(qū)域而在具有熱接觸的兩個(gè)外物之間引發(fā)熱能傳遞。
26.一種用于熱電應(yīng)用的單片裝置，所述裝置包括 多個(gè)熱電元件，其包括在具有前表面區(qū)域和后表面區(qū)域的單個(gè)基板內(nèi)的材料部分，所述材料部分被功能化為具有O. 2和更大的熱電優(yōu)值ZT，所述多個(gè)熱電元件在空間上布置成具有由作為部分熱隔離體和部分電互連的中間區(qū)域分隔的一個(gè)或多個(gè)η型半導(dǎo)體區(qū)域和一個(gè)或多個(gè)P型半導(dǎo)體區(qū)域； 第一圖案化電極覆在所述前表面區(qū)域上以與第一配置中的多個(gè)熱電元件中每一個(gè)電互連；以及 第二圖案化電極覆在所述后表面區(qū)域上以與第一配置中的所述多個(gè)熱電元件中的每一個(gè)電互連；結(jié)合所述第二配置和所述第一配置以在單個(gè)基板內(nèi)形成連接所述多個(gè)熱電元件的連續(xù)電路。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，所述一個(gè)或多個(gè)η型半導(dǎo)體區(qū)域和所述一個(gè)或多個(gè)P型半導(dǎo)體區(qū)域中的每一個(gè)包括特征為約low/m · K和更小的低熱導(dǎo)率的單片材料的納米結(jié)構(gòu)化體積。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其特征在于，所述單片材料的納米結(jié)構(gòu)化體積包括選自下列的形態(tài)零維(OD)點(diǎn)、一維(ID)線、二維(2D)帶、三維(3D)網(wǎng)絡(luò)和其組合。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于，所述ID線形態(tài)包括從所述前表面區(qū)域附近到所述后表面區(qū)域附近基本上豎直對(duì)準(zhǔn)的多個(gè)納米線結(jié)構(gòu)。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其特征在于，所述2D帶形態(tài)包括基本上平行于所述前/后表面區(qū)域?qū)?zhǔn)的多個(gè)納米帶結(jié)構(gòu)。
31.根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于，所述第一圖案化電極和所述第二圖案化電極被配置成分別與具有溫度梯度的兩個(gè)外物的形成熱接觸以在所述連續(xù)電流內(nèi)引發(fā)電流。
32.根據(jù)權(quán)利要求26所述的裝置，其特征在于還包括所述連續(xù)電路的一對(duì)外引線，所述一對(duì)外引線被配置成接收外接控制電壓以分別通過(guò)與所述第一圖案化電極和第二圖案化電極的熱接觸來(lái)在所述前表面區(qū)域與所述后表面區(qū)域之間引發(fā)熱能傳遞。
全文摘要
一種用于熱電應(yīng)用的單片裝置包括一個(gè)或多個(gè)第一熱電元件和一個(gè)或多個(gè)第二熱電元件，其分別包括基板材料的第一圖案化部分和第二圖案化部分。每個(gè)第一/第二熱電元件被配置成功能化為熱電優(yōu)值ZT大于0.2的n/p型半導(dǎo)體。部分地功能化為熱隔離和/或部分電互連的中間區(qū)域?qū)⒌诙D案化部分與第一圖案化部分分開(kāi)。一個(gè)或多個(gè)第一熱電元件和一個(gè)或多個(gè)第二熱電元件在空間上被配置成允許形成第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域，第一接觸區(qū)域和第二接觸區(qū)域分別連接到一個(gè)或多個(gè)第一熱電元件中每一個(gè)和/或一個(gè)或多個(gè)第二熱電元件中的每一個(gè)以形成連續(xù)電路。
文檔編號(hào)H01L27/16GK102782855SQ201080061421
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月13日
發(fā)明者馬修·L·斯卡林 申請(qǐng)人:阿爾法貝特能源公司