專利名稱：通過蝕刻半導(dǎo)體晶片制造的低維熱電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及傳熱和發(fā)電裝置，更具體地涉及固態(tài)傳熱裝置。
背景技術(shù)：
傳熱裝置可用于各種加熱/冷卻和發(fā)電/熱回收系統(tǒng)，例如制冷、空調(diào)、 電子冷卻、工業(yè)溫度控制和通過廢熱回收發(fā)電。這些傳熱裝置還可調(diào)節(jié)以 滿足具體系統(tǒng)和環(huán)境的控?zé)嵝枰Ｈ欢?，現(xiàn)有的傳熱裝置如依賴于制冷循 環(huán)的裝置是環(huán)境不友好的，具有有限的壽命，并且由于機(jī)械部件如壓縮機(jī) 和制冷劑的使用而體積龐大。
與之相比，固態(tài)傳熱裝置具有一定的優(yōu)勢(shì)，例如高的可靠性、減小的 尺寸和重量、降低的噪音、低的維護(hù)成本和更加環(huán)境友好。例如，熱電裝
置通過經(jīng)由n型和p型半導(dǎo)體熱電元件的電荷流動(dòng)來傳熱，所述n型和p 型半導(dǎo)體熱電元件形成串聯(lián)(或并聯(lián))電連接且并聯(lián)熱連接的結(jié)構(gòu)。然而，現(xiàn)
有的熱電裝置由于成本較高且效率低而限于小規(guī)模的應(yīng)用，例如汽車座椅 冷卻器、衛(wèi)星和航天探測(cè)器中的發(fā)電機(jī)和電子設(shè)備中的局部控?zé)帷?br> 在給定的操作溫度下，熱電裝置的傳熱效率可由品質(zhì)因數(shù)表征，品質(zhì) 因數(shù)取決于該裝置所用熱電材料的塞貝克系數(shù)、導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率。已利用 多種方法通過改善品質(zhì)因數(shù)值來提高熱電裝置的傳熱效率，其中大多集中 于低維熱電結(jié)構(gòu)。例如，在一些傳熱裝置中釆用二維超晶格熱電材料來增 大這些裝置的功率因數(shù)值(見例如Hicks等的"Experimental study of the effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit," Phys. Rev. B, vol. 53(16), R10493-R10496, 1996)。這些裝置可能需要通過例如分子束外延 或氣相沉積等方法沉積二維超晶格熱電材料。其它裝置采用一維納米棒系 統(tǒng)(參見2005年5月26日提交的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 11/138,615)。然而，所 有這些裝置均采用"自下而上"沉積方法制造。因而，成功制造這些裝置需要 沉積技術(shù)的大力發(fā)展，以使沉積技術(shù)對(duì)摻雜、結(jié)晶度、純度和其它相關(guān)參 數(shù)給予足夠的控制以產(chǎn)生可靠、高效的熱電性能。因而，需要提供通過改善其品質(zhì)因數(shù)獲得提高的效率的傳熱裝置，以 及制造這種裝置的經(jīng)濟(jì)的方法。此外，有利的是提供能夠調(diào)節(jié)以滿足具體 系統(tǒng)和環(huán)境控?zé)嵝枰难b置。

發(fā)明內(nèi)容
在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及包括納米結(jié)構(gòu)熱電元件的熱電裝置， 所述納米結(jié)構(gòu)熱電元件通過蝕刻摻雜半導(dǎo)體晶片(大多可商購(gòu))形成。本發(fā)明 還涉及制造和使用所述熱電裝置的方法，以及使用所述裝置的系統(tǒng)。所述 裝置及其制造的特征在于采用"自上而下"方法形成其中使用的納米結(jié)構(gòu)熱 電材料或低維熱電材料，因而使用通過經(jīng)大量文獻(xiàn)證實(shí)的方法(提供裝置就
纟者厚度(device-ready thickness)和裝置品質(zhì)純度(device-quality purity))制備的材料。
在上述一些實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及熱電裝置，所述熱電裝置包括 (a)其上設(shè)置有第一圖案化電極的第一導(dǎo)熱基底；(b)其上設(shè)置有第二圖案 化電極的第二導(dǎo)熱基底，其中布置所述第一和第二導(dǎo)熱基底以使第一和第 二圖案化電極形成連續(xù)電路；(c)位于第一和第二圖案化電極之間的多個(gè)熱 電元件，其中所述熱電元件包括納米結(jié)構(gòu)，并且其中所述納米結(jié)構(gòu)通過電 化學(xué)蝕刻半導(dǎo)體材料形成；以及(d)設(shè)置在多個(gè)熱電元件與第一和第二圖案 化電極中至少 一個(gè)之間的連接材料。
在上述一些實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及制造熱電裝置的方法，該方法包
括以下步驟(a)提供其上設(shè)置有第一圖案化電極的第一導(dǎo)熱基底；(b)提 供其上設(shè)置有第二圖案化電極的第二導(dǎo)熱基底；(c)在第一和第二圖案化電 極之間設(shè)置多個(gè)熱電元件，其中所述熱電元件包括納米結(jié)構(gòu)，并且其中所 述納米結(jié)構(gòu)通過電化學(xué)蝕刻半導(dǎo)體形成；以及(d)在多個(gè)熱電元件與第一和 第二圖案化電極之間設(shè)置連接材料。
以上十分寬泛地概述了本發(fā)明的特征，從而能夠較好地理解以下對(duì)本 發(fā)明的詳細(xì)描述。隨后將描述構(gòu)成本發(fā)明權(quán)利要求主題的本發(fā)明的附加特 征和優(yōu)勢(shì)。


圖1為根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施方式包括傳熱裝置的系統(tǒng)的示意圖2為根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施方式包括傳熱裝置的發(fā)電系統(tǒng)的示意圖3為根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施方式的傳熱單元的截面圖4顯示電化學(xué)蝕刻摻雜半導(dǎo)體晶片以形成根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施方式
的納米結(jié)構(gòu)熱電元件的工藝；
圖5為顯示根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施方式具有枝狀形貌的納米結(jié)構(gòu)熱電元
件的掃描電鏡(SEM)圖像；
圖6為顯示根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施方式具有三角形形貌的納米結(jié)構(gòu)熱電
元件的SEM圖像；
圖7為顯示根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施方式具有多個(gè)傳熱單元的傳熱裝置組
裝模塊的側(cè)視圖8為顯示根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施方式具有傳熱裝置陣列的模塊的透視圖。
具體實(shí)施例方式
所述納米結(jié)構(gòu)熱電元件通過蝕刻摻雜半導(dǎo)體晶片形成。本發(fā)明還涉及制造 和使用所述熱電裝置的方法，以及使用所迷裝置的系統(tǒng)。所述裝置及其制 造的特征在于采用"自上而下"方法形成其中使用的納米結(jié)構(gòu)熱電材料或低 維熱電材料。
如本申請(qǐng)所用，術(shù)語"低維"通常是指具有電子二維或一維特征的結(jié)構(gòu)， 受限于在一個(gè)或多個(gè)小維度上(少數(shù))離散能帶的建立。與本發(fā)明的熱電元件 相關(guān)的術(shù)語"納米結(jié)構(gòu)"引入在至少一個(gè)維度上為納米尺度的特征，例如 納米棒、納米線或納米篩(nanomesh)。通常，這些結(jié)構(gòu)是量子限制的，即具 有特征尺寸，低于所述尺寸時(shí)出現(xiàn)離散能態(tài)。
在隨后的描述中，闡述具體細(xì)節(jié)，例如具體數(shù)量、尺寸等，以充分理 解本發(fā)明的實(shí)施方式。然而，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明可在沒 有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)。在許多情況下，省略了關(guān)于這些考慮等的 細(xì)節(jié)，因?yàn)闊o需這些細(xì)節(jié)來獲得對(duì)本發(fā)明的充分理解并且這些細(xì)節(jié)落在本 領(lǐng)域技術(shù)人員常識(shí)范圍內(nèi)。
大體上參考附圖，應(yīng)當(dāng)理解的是，這些示例出于描述本發(fā)明具體實(shí)施方式
的目的，并不意圖使本發(fā)明受限于此。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施方式具有多個(gè)傳熱裝置的系統(tǒng)10。如
圖所示，系統(tǒng)10包括例如由標(biāo)記12表示的包括熱電元件18和20的傳熱 模塊，該傳熱模塊將熱量從一個(gè)區(qū)域或物體14傳遞至可作為散熱體耗散傳 遞熱量的另一個(gè)區(qū)域或物體16。傳熱模塊12可用于產(chǎn)生電力或者加熱或冷 卻部件。此外，發(fā)熱部件例如物體14可產(chǎn)生低熱或高熱。如下所述，第一 和第二物體14、 16可以是車輛、渦輪機(jī)、飛機(jī)引擎、固體氧化物燃料電池 或制冷系統(tǒng)的部件。應(yīng)當(dāng)注意的是，如本申請(qǐng)所用，術(shù)語"車輛，，可表示陸上、 空中或海上運(yùn)輸工具。在該實(shí)施方式中，傳熱模塊12包括多個(gè)熱電裝置。 應(yīng)當(dāng)注意的是，通常這些傳熱模塊包括至少一對(duì)所述熱電元件；其中一個(gè) 熱電元件為n型半導(dǎo)體支柱，另一個(gè)熱電元件為p型半導(dǎo)體支柱。
在上述實(shí)施方式中，熱電模塊12包括n型半導(dǎo)體支柱18和p型半導(dǎo) 體支柱20作為熱電元件，其中物體14和物體16之間的溫差在與這些物體 接觸的熱電元件中造成電位差，從而能夠使電流流動(dòng)并產(chǎn)生電力。在該實(shí) 施方式中，n型和p型半導(dǎo)體支柱(熱電元件)18、 20設(shè)置在分別與第一和第 二物體14、 16連接的圖案化電極22和24上。在一些實(shí)施方式中，圖案化 電極22和24可設(shè)置在可與第一和第二物體14、 16連接的導(dǎo)熱基底(未示出) 上。此外，界面層26和28可用于將成對(duì)的n型和p型半導(dǎo)體支柱18、 20 電連接在圖案化電極22和24上。
在上述實(shí)施方式中，如圖l所示，n型和p型半導(dǎo)體支柱18、 20串聯(lián) 電連接且并聯(lián)熱連接。在一些實(shí)施方式中，可使用多對(duì)n型和p型半導(dǎo)體 18、 20形成串聯(lián)電連接且并聯(lián)熱連接的熱電偶以促進(jìn)熱量傳遞。操作時(shí)， 輸入電壓源30提供流過n型和p型半導(dǎo)體18、 20的電流。從而，正負(fù)電 荷載流子將熱能從第一電極22傳遞到第二電極24。因而，熱電模塊12通 過電荷載流子32在第一和第二電極22、 24之間的流動(dòng)促使熱量離開物體 14向物體16傳遞。在一些實(shí)施方式中，可使系統(tǒng)10中輸入電壓源30的極 性反轉(zhuǎn)以使電荷載流子能夠從物體16流向物體14,從而冷卻物體16并使 物體14作為散熱體。如上所述，熱電才莫塊可用于加熱或冷卻物體14和16。 此外，熱電沖莫塊12可用于加熱或冷卻多種應(yīng)用如空調(diào)和制冷系統(tǒng)中的物體， 冷卻例如飛機(jī)引擎、車輛或渦輪機(jī)等應(yīng)用中的各種部件。在一些實(shí)施方式 中，熱電裝置12可通過保持第一和第二物體14、 16之間的溫度梯度來產(chǎn)生電力，以下將分別進(jìn)行描述。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的方面具有傳熱裝置36的發(fā)電系統(tǒng)34。傳熱裝 置36包括p型支柱38和n型支柱40,以通過保持第一基底42和第二基底 44之間的溫度梯度來產(chǎn)生電力。在該實(shí)施方式中，p型和n型支柱38、 40 相互串聯(lián)電連接且并聯(lián)熱連接。操作時(shí)，熱量如標(biāo)記46所示吸入第一界面 42并如標(biāo)記48所示從第二界面44釋出。因此，由于塞貝克效應(yīng)，產(chǎn)生與 第一基底42和第二基底44之間的溫度梯度成比例的電壓50，所述電壓50 可進(jìn)一步用于為隨后詳述的各種應(yīng)用供電。這些應(yīng)用的實(shí)例包括但不限于 用于車輛、渦輪機(jī)和飛機(jī)引擎。另外，所述熱電裝置可連接在發(fā)熱(包括低 熱和高熱)的光伏電池或固體氧化物燃料電池上，從而^t是升整個(gè)系統(tǒng)的效率。
應(yīng)當(dāng)注意的是，可根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)34預(yù)期的發(fā)電容量，使用多個(gè)具有p型和 n型熱電元件38、 40的熱電偶。此外，在特定的應(yīng)用中，所述多個(gè)熱電偶 可串聯(lián)電連接。
圖3示出了圖1和圖2所示傳熱裝置的示例性結(jié)構(gòu)60的截面圖。傳熱 裝置或單元60包括其上設(shè)置有第一圖案化電極64的第一導(dǎo)熱基底62。傳 熱裝置60還包括其上設(shè)置有第二圖案化電極68的第二導(dǎo)熱基底66。在該 實(shí)施方式中，第一和第二導(dǎo)熱基底62、 66包含導(dǎo)熱且電絕緣的陶瓷材料。 例如，電絕緣的氮化鋁或碳化硅陶乾材料可用于第一和第二導(dǎo)熱基底62、 66。然而，其它導(dǎo)熱且電絕緣的材料也可用于第一和第二導(dǎo)熱基底62、 66。 在一些實(shí)施方式中，圖案化電極64和68包括金屬例如鋁、銅等。在一些 實(shí)施方式中，圖案化電極可包括高度摻雜的半導(dǎo)體。此外，可通過采用例 如蝕刻、光致抗蝕圖案化、蔭罩、平版印刷等方法或其它標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體圖案 化方法，實(shí)現(xiàn)第一和第二導(dǎo)熱基底62、 66上電極64和68的圖案化。在目 前預(yù)期的結(jié)構(gòu)中，布置第一和第二導(dǎo)熱基底62、 66,以使第一和第二圖案 化電極64、 68平行且相對(duì)橫向偏移，從而形成連續(xù)電^各。
此外，在第一和第二圖案化電極64、 68之間設(shè)置多個(gè)熱電元件74和 76。此外，所述多個(gè)熱電元件74和76中的每一個(gè)均由熱電材料制成，其 中所述材料為摻雜半導(dǎo)體材料，并且其中熱電元件74為p型摻雜，熱電元 件76為n型摻雜(或相反)。適宜的熱電材料的實(shí)例包括但不限于熱電品質(zhì) 因數(shù)足夠高的InP， InAs， InSb,硅鍺基合金，鉍銻基合金，鉛碲基合金， 鉍碲基合金或其它ni-v、 IV、 IV-VI和II-VI族半導(dǎo)體材料，或者它們的任意組合或合金組合。其它適宜的材料包括三元、四元和更高次化合物半導(dǎo)
體材料。
傳熱裝置60還包括設(shè)置在多個(gè)熱電元件74、 76與第一和第二圖案化 電極64、 68之間的連接材料78,以減小界面的電阻和熱阻。在一些實(shí)施方 式中，熱電元件74、 76和第一圖案化電極64之間的連接材料78可不同于 熱電元件74、 76和第二圖案化電極68之間的連接材料78。在一種實(shí)施方 式中，連接材料78包括銀環(huán)氧(silver epoxy)。應(yīng)當(dāng)注意的是，還可使用其 它導(dǎo)電粘結(jié)劑作為連接材料78。具體地，將連接材料78設(shè)置在基底72和 圖案化電極64之間。
在其它一些實(shí)施方式中，可通過在連接界面處經(jīng)由材料的原子擴(kuò)散擴(kuò) 散粘結(jié)或通過其它方法如半導(dǎo)體界面的晶片熔融粘結(jié)，將熱電元件74和76 粘結(jié)在圖案化電極64和68上。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，擴(kuò)散粘結(jié)造 成表面特征的微變形，從而達(dá)到原子尺度上的充分接觸以使兩種材料互相 粘結(jié)。在一些實(shí)施方式中，可使用金作為用于粘結(jié)的中間層且擴(kuò)散粘結(jié)可 在約300°C的較低溫度下完成。在其它一些實(shí)施方式中，可使用銦或銦合 金作為于約100。C-約150。C進(jìn)行粘結(jié)的中間層。此外，可對(duì)表面進(jìn)行典型 的溶劑清洗步驟，以獲得平坦、清潔的表面來用于擴(kuò)散粘結(jié)。用于所述清 洗步驟的溶劑的實(shí)例包括丙酮、異丙醇、曱醇等。此外，可將金屬涂層設(shè) 置在熱電元件74、 76和基底72的上、下表面上，以促進(jìn)熱電元件與第一 和第二基底62、 66之間的粘結(jié)。在一種實(shí)施方式中，熱電元件74和76可 通過直接擴(kuò)散粘結(jié)與圖案化電極64和68粘結(jié)。或者，熱電元件74和76 可經(jīng)由中間層例如金、金屬或釬焊金屬合金箔與圖案化電極64和68粘結(jié)。 在一些實(shí)施方式中，熱電元件74、 76與第一和第二基底62、 66之間的粘 結(jié)可通過界面層例如銀環(huán)氧實(shí)現(xiàn)。然而，還可采用其它連接方法實(shí)現(xiàn)熱電 元件74、 76與第一和第二基底62、 66之間的粘結(jié)。
在目前預(yù)期的結(jié)構(gòu)中，熱電元件74和76包括量子限制效應(yīng)顯著的納 米結(jié)構(gòu)形貌。通常，這種納米結(jié)構(gòu)形貌涉及尺寸小于約30nm的納米結(jié)構(gòu)， 這種納米結(jié)構(gòu)通常采用電化學(xué)蝕刻法形成。此外，可通過改變熱電元件74、 76的形貌和組成來控制電荷載流子的電子態(tài)密度和聲子傳輸特性，從而提 高熱電裝置由其品質(zhì)因數(shù)表征的效率。如本申請(qǐng)所用，"品質(zhì)因數(shù)"(ZT)是 指熱電裝置性能的測(cè)量并由以下等式表示Zr = a277pA^ (1)
其中a為塞貝克系數(shù)； T為絕對(duì)溫度；
p為熱電材料的電阻率；以及
KT為熱電材料的導(dǎo)熱率。
在一些實(shí)施方式中，圖1-3的傳熱裝置可包括多層，多層中的每一層 均具有多個(gè)熱電元件來提供合適的材料組成和摻雜濃度，以配合冷熱兩側(cè)
之間的溫度梯度，從而獲得最大的品質(zhì)因數(shù)(ZT)和效率。
與先前采用"自下而上"方法形成納米結(jié)構(gòu)制造納米結(jié)構(gòu)熱電裝置的方 法相比(參見2005年5月26日提出的美國(guó)專利申請(qǐng)No. 11/138,615),本發(fā) 明采用自上而下方法。參考圖4，在一些實(shí)施方式中，電化學(xué)蝕刻n型或p 型摻雜半導(dǎo)體晶片92(熱電元件74和76的前體)，從而形成包含納米或低維
置的熱電元件。如上所述，這種相對(duì)于相應(yīng)的塊體母材表現(xiàn)出提高的熱電 性能的納米結(jié)構(gòu)通常包括尺寸小于約30 nm的特征。
制造上述熱電元件時(shí)，在一些實(shí)施方式中選擇厚度為數(shù)百微米量級(jí)的 摻雜晶片，其中選擇摻雜密度以得到特定的熱電性能(通常所述摻雜密度為 約1017-102Q cm—3)。然后通過陽極氧化(約幾伏特(V))蝕刻所述晶片。根據(jù)晶 片材料和陽極氧化條件，晶片通過蝕刻變?yōu)榧{米結(jié)構(gòu)。所述納米結(jié)構(gòu)可以 是多種形貌中的一種，所述形貌包括但不限于枝狀形貌、三角形形貌、豎 直柱狀孔、納米篩及其組合。
作為制造上述熱電元件的實(shí)例，對(duì)于(100)取向的n-InP晶片(電阻率為 1.07xl(T3 ohm-cm; 380-420 (im厚的晶片)，使用賊射涂覆的TiW/Au作為后 觸點(diǎn)，在相對(duì)作為參比的SCE(飽和甘汞電極)小于1.6 V的陽極氧化電位下， 獲得三角形形貌，在相對(duì)SCE大于1.6 V的電位下，觀察到枝狀形貌。所 有這些示例性陽極氧化均在添加或未添加硝酸的1M HC1溶液中(200 mL 1M HC1溶液中添加3 mL硝酸)以類似于Fujikura等在"Electrochemical Formation of Uniform and Straight Nano-Pore Arrays on (001) InP Surfaces and Their Photoluminescence Characteristics," Jpn. J. Appl. Phys.， Vol 39, pp. 4616-4620, 2000中描述的方式進(jìn)行。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，所述兩種形貌均可能 表現(xiàn)出提高的熱電性能，條件是納米尺度特征的尺寸小于出現(xiàn)離散能態(tài)的尺寸。圖5為顯示具有枝狀形貌的InP納米結(jié)構(gòu)熱電元件的掃描電鏡(SEM) 圖像，圖6顯示具有三角形形貌的InP納米結(jié)構(gòu)熱電元件。有關(guān)InP陽極蝕 刻的其它纟田節(jié)見Langa等的"Formation of Porous Layers with Different Morphologies During Anodic Etching of n-InP," Electrochemical and Solid-State Lett., 3(11)， 514-516 (2000)。
如圖3所示，引入納米結(jié)構(gòu)熱電元件。具體地，使用適宜的連接材料 和方法(如上所述)將納米結(jié)構(gòu)熱電元件粘結(jié)在圖案化電極上。
對(duì)上述方法的實(shí)施方式的改變包括(a)第二制備步驟，該步驟包括濕 法蝕刻陽極氧化晶片，從而形成納米線或其它納米結(jié)構(gòu)；(b)表面鈍化步驟， 以減少電子缺陷態(tài)；以及(c)利用絕緣材料(例如聚合物)填充納米結(jié)構(gòu)晶片 94中的空隙，以增強(qiáng)機(jī)械支撐。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式具有多個(gè)傳熱裝置或傳熱單元60的傳 熱裝置或組裝模塊140的截面?zhèn)纫晥D。在所示實(shí)施方式中，傳熱單元60安 裝于相對(duì)的基底142和144之間并電連接以形成組裝才莫塊140。以這種方式， 傳熱裝置60共同產(chǎn)生所需的加熱或冷卻能力，可利用這種能力從一個(gè)物體 或區(qū)域向另一物體或區(qū)域傳遞熱量，或者通過從溫度較高的表面吸收熱量 并向溫度較低的散熱體釋放所吸收的熱量而產(chǎn)生發(fā)電能力。在一些實(shí)施方 式中，可經(jīng)由導(dǎo)電連接材料例如填充銀的環(huán)氧或金屬合金連接多個(gè)傳熱單 元60?？筛鶕?jù)傳熱裝置所需的處理方法和所需的操作溫度選擇連接多個(gè)傳 熱裝置60的導(dǎo)電連接材料或金屬合金。最后，經(jīng)由引線146和148將組裝 模塊60連接在輸入電壓源上。操作時(shí)，輸入電壓源提供流過傳熱單元60 的電流，從而在基底142和144之間經(jīng)由熱電構(gòu)件形成電荷流動(dòng)。傳熱裝 置60通過這種電荷流動(dòng)促進(jìn)基底142和144之間的熱量傳遞。類似地，通 過保持兩基底142和144之間的溫度梯度，傳熱裝置60可在不同的應(yīng)用中 用于產(chǎn)生電力和/或熱回收。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式具有傳熱熱電元件104陣列的傳熱模 塊150的透視圖。在該實(shí)施方式中，傳熱裝置104以二維陣列形式使用以 滿足環(huán)境或應(yīng)用的控?zé)嵝枰?。傳熱裝置104可組裝在傳熱模塊150中，其 中裝置104串聯(lián)電連接且并聯(lián)熱連接以使電荷能夠從模塊150中的第一物 體流向第二物體16， ^v而^足進(jìn)^^塊150中第一和第二物體14、 16之間的熱 量傳遞。應(yīng)當(dāng)注意的是，電壓源30可為電壓差，利用該電壓差實(shí)現(xiàn)第一或
12第二物體14、 16的加熱或冷卻?；蛘?，當(dāng)用于發(fā)電時(shí)電壓源30可表示模 塊150產(chǎn)生的電壓。
上述方法的各個(gè)方面在各種加熱/冷卻系統(tǒng)例如制冷、空調(diào)、電子冷卻、 工業(yè)溫度控制等中具有實(shí)用性。上述傳熱裝置可用于空調(diào)、水冷器、氣候 調(diào)節(jié)座椅和制冷系統(tǒng)(包括家用和工業(yè)制冷)。例如，所述傳熱裝置可用于低 溫制冷，例如用于液化天然氣(LNG)或超導(dǎo)裝置。此外，上述傳熱裝置可用 于冷卻各種系統(tǒng)例如但不限于車輛、渦輪機(jī)和飛機(jī)引擎中的部件。例如， 可將傳熱裝置連接在飛機(jī)引擎的部件例如風(fēng)扇、壓縮機(jī)、燃燒室或渦輪外 殼上。電流可流過熱電裝置產(chǎn)生溫差，從而提供對(duì)所述部件的冷卻。
或者，本申請(qǐng)所描述的傳熱裝置可利用天然或人造熱源來發(fā)電。例如， 本申請(qǐng)所描述的傳熱裝置可結(jié)合基于地?zé)岬臒嵩词褂?，其中熱源和周圍環(huán) 境(無論是水或空氣等)之間的溫差促使電力產(chǎn)生。類似地，在飛機(jī)引擎中， 引擎中心空氣流和外部空氣流之間的溫差造成可用于產(chǎn)生電力的穿越引擎 外殼的溫差。這種電力可用于傳感器、傳動(dòng)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)或補(bǔ)充運(yùn)轉(zhuǎn)，或者 用于飛機(jī)引擎或飛機(jī)的任何其它電力應(yīng)用?？蓱?yīng)用本申請(qǐng)所述熱電裝置的 其它應(yīng)用實(shí)例包括燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽渦輪機(jī)、車輛等。所述熱電裝置可連接 在發(fā)熱的光伏電池或固體氧化物燃料電池上，從而提升整個(gè)系統(tǒng)的效率。
上述傳熱裝置還可用于熱能轉(zhuǎn)換和控?zé)?。?yīng)當(dāng)注意的是，可根據(jù)物體 期望的控?zé)嵝枰x擇所述傳熱裝置的材料和制造方法。所述裝置可用于微 電子系統(tǒng)例如微處理器和集成電路的冷卻。此外，所述傳熱裝置可用于半 導(dǎo)體裝置、光子器件和紅外傳感器的控?zé)帷?br> 本發(fā)明相對(duì)現(xiàn)有方法的主要優(yōu)勢(shì)在于至少對(duì)于一些實(shí)施方式而言， 本發(fā)明允許使用可購(gòu)自晶片供應(yīng)商并具有已知電、結(jié)構(gòu)和熱性能的半導(dǎo)體 晶片作為經(jīng)由電化學(xué)蝕刻制造本申請(qǐng)所述低維度熱電結(jié)構(gòu)的原材料。本發(fā) 明的方法允許快速、廉價(jià)、重復(fù)制造能夠容易地與實(shí)際設(shè)備結(jié)合的低維熱 電裝置。
引入下述實(shí)施例以示例本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。本領(lǐng)i或^支術(shù)人員應(yīng)當(dāng) 理解，下述實(shí)施例中披露的方法僅僅表示本發(fā)明的示例性實(shí)施方式。然而， 根據(jù)本發(fā)明本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思和范圍的情況 下，可對(duì)所述具體實(shí)施方式
作出多種改變并仍可獲得類似或相同的結(jié)果。實(shí)施例1
本實(shí)施例用于示例半導(dǎo)體晶片的蝕刻，以根據(jù)本發(fā)明 一 些實(shí)施方式制 造用于熱電裝置的低維或納米結(jié)構(gòu)熱電元件。
使InP晶片((100)取向，500 pm厚，1017-1018 cm-3摻雜，n型)與Pt后觸 點(diǎn)電接觸。將以這種方式制得的InP電極浸入1M HC1含水電解液。使InP 露出4mm2的窗口，以采用3電極結(jié)構(gòu)相對(duì)參比電極在l-2V的陽極電位下 于室溫在黑暗中進(jìn)行陽極氧化。根據(jù)所用電壓和溶液條件，采用提供適宜 蝕刻深度的陽極氧化時(shí)間，從而在形成納米結(jié)構(gòu)過程中提供高水平的控制。
實(shí)施例2
本實(shí)施例用于示例根據(jù)本發(fā)明一些實(shí)施方式蝕刻半導(dǎo)體晶片向熱電裝 置的引入。
在構(gòu)造引入實(shí)施例1的蝕刻晶片的裝置時(shí)，可采取以下步驟(l)可對(duì) 晶片進(jìn)行蝕刻，達(dá)到超過晶片總厚度的50%,從而在晶片相當(dāng)大的部分上 形成所需的形貌；(2)在隨后的步驟中，可任選地采用已有方法(即從溶液中 旋涂填充物、氣相沉積法)使用絕緣材料(例如聚合物)填充蝕刻結(jié)構(gòu)的空隙， 以增強(qiáng)機(jī)械支撐；(3)然后，如本申請(qǐng)所述，采用已知的粘結(jié)方法，將數(shù)量 相等的p型和n型蝕刻晶片粘結(jié)在上述裝置60中圖案化導(dǎo)熱基底62和66 的金屬電極上，對(duì)裝置進(jìn)行組裝。p型和n型蝕刻晶片包括裝置的熱電元件 并且如圖1和圖3所示以交替方式布置。
應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實(shí)施方式的上述結(jié)構(gòu)、功能和操作中的一些對(duì)于 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明不是必需的，包含在本說明書中僅僅出于賦予一個(gè)或多個(gè)示例 性實(shí)施方式完整性的目的。另外，應(yīng)當(dāng)理解的是，以上所參考的專利文獻(xiàn) 和公開出版物中描述的具體結(jié)構(gòu)、功能和操作可結(jié)合本發(fā)明實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于 其實(shí)現(xiàn)并非必不可少。因而，應(yīng)當(dāng)理解的是，除諸如以上具體所述以外， 可在實(shí)際未脫離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明構(gòu)思和范圍的情況下，實(shí)現(xiàn)本 發(fā)明。
權(quán)利要求
1. 一種熱電裝置包括a)其上設(shè)置有第一圖案化電極的第一導(dǎo)熱基底；b)其上設(shè)置有第二圖案化電極的第二導(dǎo)熱基底，其中布置所述第一和第二導(dǎo)熱基底，以使所述第一和第二圖案化電極連接形成連續(xù)電路；c)位于所述第一和第二圖案化電極之間的多個(gè)熱電元件，其中所述熱電元件包含多個(gè)納米結(jié)構(gòu)，并且其中所述納米結(jié)構(gòu)通過電化學(xué)蝕刻摻雜半導(dǎo)體材料形成；和d)設(shè)置在所述多個(gè)熱電元件與所述第一和第二圖案化電極中至少一個(gè)之間的連接材料。
2. 權(quán)利要求1的熱電裝置，其中所述第一和第二導(dǎo)熱基底包含電絕緣 的氮化鋁陶瓷材料或電絕緣的碳化硅材料。
3. 權(quán)利要求1的熱電裝置，其中形成所述納米結(jié)構(gòu)的所述半導(dǎo)體材料 為主要選自下列中的熱電材料硅鍺基合金；鉍銻基合金；鉛碲基合金； 鉍碲基合金；m-V、 V、 IV、 IV-VI和II-VI族半導(dǎo)體材料；以及它們的三元 和四元合金組合。
4. 權(quán)利要求l的熱電裝置，其中形成所述納米結(jié)構(gòu)的所述半導(dǎo)體材料 為選自InP、 InAs、 InSb及其組合的ni-V族半導(dǎo)體材料。
5. 權(quán)利要求1的熱電裝置，其中所述多個(gè)納米結(jié)構(gòu)具有選自枝狀形貌、 三角形形貌、豎直柱狀孔、納米篩及其組合的形貌。
6. 權(quán)利要求l的熱電裝置，其中所述多個(gè)熱電元件中的每一個(gè)熱電元 件包含p型材料或n型材料。
7. 權(quán)利要求1的熱電裝置，其中將所述多個(gè)熱電元件引入多個(gè)傳熱單 元，其中所述多個(gè)傳熱單元在相對(duì)的基底之間電連接。
8. 權(quán)利要求1的熱電裝置，其中構(gòu)造所述裝置以通過基本保持所述第 一和第二導(dǎo)熱基底之間的溫度梯度來產(chǎn)生電力。
9. 權(quán)利要求1的熱電裝置，其中在所述第一和第二導(dǎo)熱基底之間引入 電流使得能夠經(jīng)由所述第一和第二導(dǎo)熱基底之間的電荷流動(dòng)在所述第一和 第二導(dǎo)熱基底之間傳遞熱量。
10. 權(quán)利要求1的熱電裝置，其中所述熱電元件串聯(lián)電連接且并聯(lián)熱連接。
11. 權(quán)利要求1的熱電裝置，其中所述裝置為選自車輛、電源、加熱系 統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及其組合的系統(tǒng)的整體部件。
12. —種制造熱電裝置的方法，所述方法包括以下步驟a) 提供其上設(shè)置有第一圖案化電極的第一導(dǎo)熱基底；b) 提供其上設(shè)置有第二圖案化電極的第二導(dǎo)熱基底；c) 在所述第一和第二圖案化電極之間設(shè)置多個(gè)熱電元件，其中所述熱 電元件包含多個(gè)納米結(jié)構(gòu)，并且其中所述納米結(jié)構(gòu)通過電化學(xué)蝕刻摻雜半 導(dǎo)體材料形成；和d) 在所述多個(gè)熱電元件與所述第一和第二圖案化電極之間設(shè)置連接 材料。
13. 權(quán)利要求12的方法，其中所述第一和第二導(dǎo)熱基底包含電絕緣的 氮化鋁陶瓷材料或電絕緣的碳化硅材料。
14. 權(quán)利要求12的方法，其中形成所述納米結(jié)構(gòu)的所述半導(dǎo)體材料為 主要選自下列中的熱電材料硅鍺基合金；鉍銻基合金；鉛碲基合金；鉍 碲基合金；III-V、 IV、 V、 IV-VI和II-VI族半導(dǎo)體材料；以及它們的三元和 四元合金組合。
15. 權(quán)利要求12的方法，其中形成所述納米結(jié)構(gòu)的所述半導(dǎo)體材料為 選自InP、 InAs、 InSb及其組合的III-V族半導(dǎo)體材料。
16. 權(quán)利要求12的方法，其中所述納米結(jié)構(gòu)具有選自枝狀形貌、三角 形形貌、豎直柱狀孔、納米篩及其組合的形貌。
17. 權(quán)利要求12的方法，其中所述多個(gè)熱電元件中的每一個(gè)熱電元件 包含p型材料或n型材料。
18. —種系統(tǒng)，包括a) 熱源；b) 散熱體；和c) 熱電裝置，其連接在所述熱源和所述散熱體之間并構(gòu)造用于冷卻或 產(chǎn)生電力，所述熱電裝置包括i) 其上設(shè)置有第一圖案化電極的第一導(dǎo)熱基底；ii) 其上設(shè)置有第二圖案化電極的第二導(dǎo)熱基底，其中布置所述第一和 第二導(dǎo)熱基底，以使所述第一和第二圖案化電極連接，從而形成連續(xù)電路；iii) 位于所述第一和第二圖案化電極之間的多個(gè)熱電元件，其中所述熱電元件包含多個(gè)納米結(jié)構(gòu)，并且其中所述納米結(jié)構(gòu)通過電化學(xué)蝕刻摻雜半導(dǎo)體材料形成；和iv) 設(shè)置在所述多個(gè)熱電元件與所述第一和第二圖案化電極中至少一 個(gè)之間的連接材料。
19. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述第一和第二導(dǎo)熱基底包含電絕緣的氮化鋁陶乾材料或電絕緣的碳化硅材料。
20. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中形成所述納米結(jié)構(gòu)的所述半導(dǎo)體材料為 主要選自下列中的熱電材料硅鍺基合金；鉍銻基合金；鉛碲基合金；鉍 碲基合金；III-V、 IV、 V、 IV-VI和II-VI族半導(dǎo)體材料；以及它們的三元和 四元組合。
21. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)納米結(jié)構(gòu)具有選自枝狀形貌、 三角形形貌、豎直柱狀孔、納米篩及其組合的形貌。
22. 權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)熱電元件中的每一個(gè)熱電元件 包含p型材料或n型材料。
全文摘要
在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及包括納米結(jié)構(gòu)熱電元件的熱電裝置，所述納米結(jié)構(gòu)熱電元件通過蝕刻摻雜半導(dǎo)體晶片形成。本發(fā)明還涉及制造和使用所述熱電裝置的方法，以及使用所述裝置的系統(tǒng)。所述裝置及其制造的特征在于采用“自上而下”方法形成其中使用的納米結(jié)構(gòu)熱電材料或低維熱電材料。
文檔編號(hào)H01L35/30GK101449403SQ200780017100
公開日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2007年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月12日
發(fā)明者弗雷德·沙里菲, 法齊拉·塞克 申請(qǐng)人:通用電氣公司