專利名稱：熱電設備的制作方法
背景技術：
方法
技術領域：
本發明涉及用于冷卻諸如集成電路芯片材料的熱電設備，雖然不排除其它設備，本發明尤其涉及熱電致冷器。
2、技術領域隨著計算機的速度持續增加，計算機中的電路所產生的熱量也持續增加。對很多電路和應用來說，熱量的增加降低了計算機的性能。這些電路需要冷卻以最有效地運行。在很多低端計算機(例如個人計算機)中，可以只用對流散熱的風扇和散熱片來冷卻計算機。然而，對像大型機這樣以更高速度運行并產生多得多的熱量的更大的計算機來說，這些解決方法并不可行。
當前，很多大型機使用蒸汽壓縮致冷器來冷卻計算機。這些蒸汽壓縮致冷器實際上像很多家庭中所用的中央空調機一樣運行。然而，蒸汽壓縮致冷器在機械上非常復雜，需要絕緣以及必須到達大型機的不同部件的軟管，以冷卻對由于過熱而導致性能下降的最為敏感的特定區域。
一種簡單且便宜得多的致冷器是熱電致冷器。熱電致冷器使用稱為珀爾貼效應的物理原理，通過珀爾貼效應可以從電源提供的直流電流施加在兩種不同的材料上，導致在這兩種不同材料的接合處熱量被吸收。因而就把熱量從熱的材料上移走并可以輸送到吸熱設備中以使熱量散發，從而冷卻熱材料。熱電致冷器可以被制作在集成電路芯片中并直接冷卻特定的熱點，而且不需要如蒸汽壓縮致冷器所需的復雜的機械系統。
然而，當前的熱電致冷器不如蒸汽壓縮致冷器有效，熱電致冷器需要消耗更多的能量來達到同樣的散熱量。此外，當前的熱電致冷器不能像蒸汽壓縮致冷器一樣大量地冷卻材料。因此，具有更好的效率和更高的冷卻能力的熱電致冷器正是我們所希望，因此可以從小型冷卻應用中去除蒸汽壓縮致冷器，例如大型計算機、熱芯片的散熱問題、射頻通信電路、磁性讀/寫頭、光學和激光設備以及汽車致冷系統。
發明概述本發明提供一種效率更高的熱電設備。在一種實施方案中，該熱電設備包括一個與冷卻臺熱耦合的電導體和一個與該電導體電耦合的熱電偶。熱偶元件是用熱電材料構造的，有多個觸點，該熱偶元件通過這些觸點電耦合到電導體上。這些熱電耦觸點提供低電阻連接并將電導體和熱偶元件之間的熱導率降至最小。
依照本發明的一個方面，提供一種熱電設備，該設備包括平面電導體；和由熱電材料組成的熱偶元件，帶有多個與電導體電耦合的觸點。
依照本發明的第二個方面，提供一種制作具有觸點式界面的熱偶元件的熱電設備的方法，該方法包括把熱電結晶材料的第一個表面焊接到一個金屬電極；在熱電結晶材料的第二個表面上用圖案制作一個光刻膠掩膜以限定要形成的觸點的位置；并蝕刻在光刻膠掩膜存在下的第二個表面以在熱電結晶材料中形成多個觸點。
附圖概述在所附權利要求中闡明了本發明的新特點。但在結合附圖閱讀本發明時，通過參考下面對一個說明性實施方案的詳細描述可以最好地理解發明本身及優選使用模式，還可進一步了解其中的目標和優勢，附圖中

圖1描繪了一個根據現有技術的熱電致冷設備(TEC)的高層次框圖；圖2描繪了一個合乎本發明的帶有增強的結構化界面的熱電致冷器的橫截面視圖；圖3描繪了合乎本發明的圖2中的熱電致冷器的平面視圖；圖4A和4B根據本發明描繪了可以實現為圖2中的觸點250其中之一的觸點的橫截面視圖；圖5根據本發明描繪了一個橫截面視圖，該視圖描繪接近超觸點的一個觸點的溫度場；
圖6根據本發明描繪了一個帶有增強的結構化界面的熱電致冷器，其中的界面具有全金屬觸點；圖7根據本發明描繪了用于形成全金屬觸點的犧牲硅模板；圖8根據本發明描繪了一個流程圖，該流程描述用犧牲硅基極板制造全金屬圓錐的示例方法；圖9根據本發明描繪用經過圖案制作的光刻膠材料形成的全金屬圓錐的橫截面視圖；圖10根據本發明描繪用光刻膠材料形成全金屬圓錐的示例方法的流程圖；圖11根據本發明描繪了帶有增強的結構化界面的熱電致冷器的橫截面視圖，其中由熱電材料而不是金屬導電層形成了界面上的觸點；圖12根據本發明描繪了一個流程圖，該流程圖描述制作熱電致冷器的示例方法；圖13根據本發明描繪了一個橫截面視圖，該視圖描繪用來產生熱電材料中的觸點所必須的光刻膠材料的定位；圖14根據本發明描繪熱電致冷器中所用的表面上的冷點觸點，它描繪了觸點相對于表面的位置；圖15描繪了一個熱電發電機的示意圖；優選實施方案的詳細描述圖1中描繪了根據現有技術的熱電致冷(TEC)設備的高級框圖。熱電致冷的一個眾所周知的原理是根據珀爾貼效應，珀爾貼效應中在兩個不同的材料之間施加直流電流會使得熱量在這兩種不同材料的結合處被吸收。
一種典型的已知熱電致冷設備100在有很好的導熱性能的不良電導體108和電導體110和114之間使用P-型半導體104和N-型半導體106。N-型半導體106有多余的電子，而P-型半導體106缺少電子。直流電源102被連接在兩個電導體114之間。
因為電子從電導體110運動到N-型半導體106，因為從熱源112吸收到了熱能，因而電子的能級升高。這個過程的效果是熱能通過電子在N-型半導體106和電導體114中的流動從熱源112轉移到散熱片116。電子下降到低能級并在電導體114中釋放熱能。
例如熱電致冷器100的致冷機的優值系數η是致冷機的致冷量除以致冷機所消耗的總能量的比率。因而優值系數由下列公式給出η=αITc-12I2R-KΔTI2R+αIΔT]]>其中αITc項是由于熱電致冷，1/2I2R項是由于焦耳熱回流，KΔT項是由于熱傳導，I2R項是由于焦耳損失，αIΔT項是由于克服珀爾貼電壓所做的功，α是材料的塞貝克系數，K是珀爾貼設備的熱傳導率，Tc是熱源的溫度，ΔT是熱源溫度與散熱片溫度Th之間的溫差。
通過優化電流I可以獲得最大的優值系數，由下列方程給出ηmax=(TcΔT)[γ-Th/Tcγ+1]]]>其中參數γ可以表示為γ=1+α2σλ(Th+Tc2)]]>其中σ是電導率，λ是熱導率。
致冷器ξ的效率因子由方程ϵ=γ-Th/Tcγ+1]]>給出優值系數ZT由ZT=α2σTλ]]>給出其中熱導率λ由兩部分組成λe，由電子引起的部分；λL，由晶格引起；T是溫度Tc和Th的平均值。因此，實現為優值系數ZT的最大效率ε趨向無窮大。蒸汽壓縮致冷器的效率大約是0.3.傳統熱電致冷器，例如圖1中的熱電致冷器100，的效率通常小于0.1。因此，為了把熱電致冷機的效率提高到這樣一個范圍以和蒸汽壓縮致冷機競爭，必須把優值系數ZT提高到大于2。如果實現了優值系數ZT大于2，就可以把熱電致冷機提高到和蒸汽壓縮致冷機一樣的效率和致冷量。
參考圖2，根據本發明描繪了一個帶有增強的結構化界面的熱電致冷器的橫截面視圖。熱電致冷機200包括熱源226，隨著如圖所示的電流I的流動，熱量的熱源中被提取出來并傳遞到散熱片202。熱源226可以熱耦合到需要致冷的材料上。散熱片202可以熱耦合到諸如熱管、散熱片和/或冷凝設備以驅散從熱源226移出的熱量并/或進一步給熱源226致冷。
熱源226由P-型摻雜硅組成。熱源226熱耦合到觸點250的N+型摻雜硅區域224和222。N+型區域224和222能夠導電同時也是良好的導熱體。N+型區域224和222各自和熱源226形成一個反向二極管，這樣就沒有電流在熱源226和N+區域224和222之間流動，因而實現了熱源226和電導體218和220的電絕緣。
散熱片202由P-型摻雜硅組成。散熱片202熱耦合到N+型摻雜硅區域204和206。N+型區域204和206能夠導電同時也是良好的導熱體。N+型區域204和206各自和散熱片202形成一個反向二極管，因此在N+型區域204和206以及散熱片202之間沒有電流流過，因而實現了散熱片202和電導體208之間的電絕緣。與熱電致冷器的電絕緣有關的更多信息可以參見美國專利號US 6,222,113 B1，題為“用于熱電致冷器的電絕緣的超薄材料”，轉讓給了國際商用機器公司(Armonk，New York)并于1999年十二月9日歸檔，因此在這里引用該專利的內容用于各種目的。
如果散熱片202和熱源226是完全用未摻雜的非導電硅形成的，就不需要用N+和P-區域形成反向二極管來把導體208從散熱片202電隔離以及把導體218和220從熱源226電隔離開。然而，很難確保硅是完全不摻雜的。因此，由N+和P-區域提供的反向二極管的存在確保散熱片202和熱源226和導體208、218以及220電絕緣。另外，還應該注意可以用其它方式創建使用反向二極管的相同的電絕緣，例如使用P+型摻雜硅和N-型摻雜硅而不是所描繪的P-和N+型。這里所用的術語N+和P+分別指高濃度N摻雜和高濃度P摻雜的半導體材料。這里所用的術語N-和P-分別指低濃度N摻雜和低濃度P摻雜的半導體材料。
熱電致冷器200在結構上與圖1中的熱電致冷器100類似。但是，已經用超晶格熱電偶結構210和212代替了N-型106和P-型104半導體結構界面，210和212由導電體208電耦合。電導體208可以用鉑(Pt)來形成，或者用其它導電材料，例如鎢(W)、鎳(Ni)或鈦銅鎳(Ti/Cu/Ni)金屬薄膜。
超晶格是由兩種不同的半導體材料交替層疊組成的結構，每層有幾個納米厚。熱電偶210是用N-型半導體材料交替層疊形成的，熱電偶212的超觸點是用P-型半導體材料交替層疊形成的。每個熱電偶210或212中的交替材料的每一層都是10納米(nm)厚。兩種半導體材料的超觸點有較低的導熱系數λ，并且有和包括相同的兩種半導體材料的合金相同的導電系數σ。
在一種實施方案中，超觸點熱電偶212包含P-型鉍族元素的硫族化合物材料的交替層，例如Bi2Te3/Sb2Te3和Bi0.5Sb1.5Te3的交替層，熱電偶210的超觸點包括N-型鉍族元素的硫族化合物材料的交替層，例如Bi2Te3和Bi2Se3的交替層。其它類型的半導體材料也可以用于熱電偶210和212的超觸點。例如，可以用鈷銻方鈷態材料來構造熱電偶210和212的超觸點，而不用鉍族元素的硫族化合物材料。
熱電致冷器200還包括觸點250，電流I通過觸點流入熱電偶212，然后從熱電偶210流入導體218。觸點250包括做成尖錐形結構的N+型半導體222和224，其上覆蓋有一層薄薄的導體材料，例如鉑(Pt)。也可以用其它導體材料來代替鉑，例如鎢(W)、鎳(Ni)和鈦銅鎳(Ti/Cu/Ni)金屬薄膜。在觸點250周圍以及觸點250和熱電材料210和212之間的區域應該抽空或用干燥的氮氣密封。
在觸點250的末端覆蓋導電層218和220的是半導體材料薄層214和216。214層是用與熱電偶212的超觸點中離觸點250最近的那一層的塞貝克系數α相同的P-型材料形成的。216層是用與熱電偶210中距觸點250最近的那一層的塞貝克系數α相同的N-型材料形成的。P-型熱電覆蓋層214是熱電致冷器200工作所必需的，因為致冷發生在接近產生電子和空穴的金屬的區域。使用N-型熱電覆蓋層216是有利的，因為最大致冷發生在塞貝克系數的梯度(變化)最大的地方。P-型區域的熱電覆蓋層214大約60nm厚。還沒有完全精確N-型熱電覆蓋層216的具體厚度，但預見到它應該是在一個和熱電覆蓋層214差不多的厚度范圍中。
通過把導體(例如圖1中的導體110)做成尖端的觸點250而不是平面界面，可以提高致冷效率。因為晶格失配，在觸點250的尖端上的晶格熱導率λ非常小。例如，鉍族元素的硫族化合物的熱導率λ通常大約是1瓦特/(米*開氏溫度)。然而，在尖端結構(例如觸點250)中，因為晶格在尖端處不匹配熱傳導率降低為約0.2瓦特/(米*開氏溫度)。而熱電材料的電導率保持相對不變。因此，對這種類型的材料來說優值系數ZT可以提高到2.5。另一種可以用于熱電偶210和212的超觸點的材料是鈷銻方鈷礦。這類材料通常有非常高的熱傳導率λ，使得它們通常并不合乎需要。但通過使用尖端狀的觸點250可以把它們的熱傳導率降至最低并為這些材料產生大于4的優值系數ZT，因而使得這些材料非常適合用在熱電偶210和212中。因此，尖端觸點250的使用進一步提高了熱電致冷器200的效率，使得它可以和蒸汽壓縮致冷器相媲美。
冷點結構的另一個優點是電子被限制在小于波長的尺度范圍內(對應于它們的動能)。這種限制增加了遷移可用的局部狀態密度并有效地提高了塞貝克系數。因而，通過增加和降低8，提高了優值系數ZT。
傳統熱電致冷器(如圖1所示)的正常致冷量能夠在熱源和散熱片之間產生約60開氏溫度的溫差。然而，熱電致冷器200能夠產生150開氏溫度的溫差。因而，用兩個相互耦合的熱電致冷器，可以把溫度降低到液氮范圍中(低于100開氏溫度)。但是，需要為熱電偶210和212使用不同的材料。例如，碲化鉍在低溫(即，低于-100攝氏度)時有非常低的α。然而，鉍鈷合金在低溫時卻用得很好。
鈷銻方鈷礦材料相對于鉍族元素的硫族化合物材料的另一個優勢(與溫度無關)是鈷銻方鈷礦材料在結構上更加穩定而鉍族的硫族化合物在結構上不穩固。
本領域的技術人員將理解圖2中的熱電致冷器的結構可以隨實現而變化。例如，所包括的觸點行可能比圖1中所描繪的多或少。所描繪的實例并未打算關于本發明施加結構上的限制。
現在參考圖3，根據本發明描繪了圖2中的致冷器200的平面視圖。熱電致冷器300包括一個N-型熱電材料區302和一個P-型熱電材料區304.N-型區302和P-型304均包括一個覆蓋著硅體的導體材料薄層。
302區包括一個圓錐狀觸點310陣列，每個觸點上覆蓋著一層和熱電偶210的超觸點的最近的一層相同類型的N-型材料308薄層。304區包括一個圓錐狀觸點312陣列，每個觸點上覆蓋著一層和熱電偶212的超觸點的最近一層相同類型的P-型材料314薄層。
現在參考圖4A和4B，根據本發明描繪了可以實現為圖2的觸點250之一的觸點的橫截面視圖。觸點400包括一個用大約35度的錐角形成的硅圓錐。在硅402上覆蓋著一個導體薄層404，例如鉑(Pt)。在觸點400的最頂端覆蓋著一個熱電材料薄層406。在沉積了所有覆蓋層之后錐角大約為45度。觸點400的有效尖端半徑大約是50nm。
觸點408是另一種觸點實現方案，例如實現觸點250之一。觸點408包括一個硅圓錐414，在頂端覆蓋著導電層412和熱電材料層410。但是，觸點408的錐角比觸點400更窄。觸點408的有效尖端半徑約10nm。這時還不知道對觸點來說究竟是更寬還是更窄的錐角更好。在當前實施方案中，選擇了如圖4A中所示的45度的錐角，因為這個角度位于可選錐角范圍的中間并且這樣的結構用鉑層覆蓋的硅容易形成。這是因為沿著硅的100平面用KOH蝕刻自然地形成一個54度的錐角。因而，在加上了導體和熱電材料覆蓋層后錐角約為45度。
現在看圖5，根據本發明描繪了一個橫截面視圖，該視圖描述接近超觸點的觸點的溫度場。觸點504可以實現為圖2中的觸點250之一。觸點504的有效尖端半徑a為30-50nm。因而，溫度場被局限到一個非常小的距離r，約為2a，即60-100nm。因此，超觸點502只需要厚度d約為100nm的少許幾層。因此，使用尖端觸點，熱電致冷器只需要5-10層的超觸點就足夠了。
因而，制造像熱電致冷器200這樣的熱電致冷器并不需要花很多時間，因為只需要形成少量超觸點層，而制作大量超觸點層是很耗時間的。因而，可以把熱電致冷器200做得非常薄(100nm厚)，而當前的熱電致冷器厚度達到了3mm或更厚。
根據本發明的帶有尖端觸點界面的熱電致冷器的其它優勢包括熱電偶(例如圖2中的熱電偶210和212)的熱導率在觸點界面上最小化。另外，溫度/電勢降落被局限在接近觸點的區域，有效地獲得了尺度在100nm以下。此外，使用尖端觸點通過有效地減小熱電偶長度可以使超觸點生長所需的層數最少。本發明還允許薄膜結構的電極沉積并避免倒裝晶片結合。允許更小的尺寸N-型和P-型熱電偶的單片集成。
本發明的熱電致冷器可以用來給零件致冷，例如大型計算機、激光器、光學電子設備、光電探測器以及遺傳學中的PCR中的特殊位置。
現在參考圖6，根據本發明描繪了一個帶有全金屬觸點的增強型結構化界面的熱電致冷器的橫截面視圖。雖然上面已經把本發明描述為帶有用由N+型半導體區域224和222構成的硅錐體形成的觸點250，可以用圖6中描繪的觸點650代替圖2中的觸點250。蝕點650有全金屬錐618和620。在所描繪的實施方案中，錐體618和620是用銅做成的，各自有一個鎳覆蓋層660和662。熱電致冷器600在所有其它方面都和熱電致熱器200相同，包括在觸點650上有熱電覆蓋層216和214。熱電致冷器600還提供了與熱電致冷器200一樣的好處。然而，使用全金屬錐體而不是在硅錐體上覆蓋導電材料，錐體內的寄生電阻會變得非常低，因而在熱電致冷器200已經提高了的效率之上進一步提高了熱電致冷器600的效率。在觸點650周圍以及觸點650和熱電材料210和212之間的區域應該是真空或用氣體密封，例如干燥的氮氣。
另外，像圖2中的一樣，熱源226由P-型摻雜硅組成。但與與圖2相反的是，熱源226與沒有構成觸點化結構650的一部分的N+型摻雜硅區域624和622熱耦合，而不是與像圖2中的區域224和222那樣形成了觸點化結構的一部分的區域熱耦合。N+型摻雜硅區域624和622仍然執行由圖2中的區域224和222執行的電絕緣功能。
可以用幾種方法來構造圖6中所描繪的全金屬錐體。例如，參考圖7，根據本發明描繪了一個可以用來構造全金屬觸點的犧牲硅極板的橫截面視圖。在構造了具有錐形凹點的犧牲硅極板702之后，在板702上沉積了一層金屬以產生全金屬錐體704。然后全金屬錐體704可以用在熱電致冷器600中。
現在參考圖8，根據本發明描繪了一個流程圖，該流程圖描述了用硅犧牲極板制作全金屬錐體的示例方法。開始，對硅進行非等向性蝕刻產生出錐形凹點以制作出一個模子(步驟802)。這可以通過結合KOH蝕刻、氧化、和/或聚焦離子束蝕刻來完成。這種制作硅錐體的技術在本領域中已經是眾所周知的。
然后在硅犧牲極板上覆蓋種金屬的一個薄濺射層，例如鈦或鉑(步驟804)。優選用鈦，因為鉑形成的觸點比鈦形成的更圓一些，鈦非常適合圓錐凹點。接下來，用電化學方法沉積銅以填滿犧牲硅極板中的凹處(圓錐形凹點)(步驟806)。隨后平面化銅的頂面(步驟808)。
金屬表面平面化的技術在本領域中是眾所周知的。隨后通過本領域中眾所周知的選擇性蝕刻方法移除硅襯底。(步驟810)。隨后在用這種方式產生的全金屬錐體上覆蓋上另一種金屬，例如鎳或鈦，然后在上面再覆蓋一層極薄的熱電材料。鎳或鈦覆蓋層有助于熱電材料覆蓋層的電沉積。用這種方式形成模板非常好控制并且生產出非常一致的全金屬錐形觸點，因為硅蝕刻非常容易預測，并且計算所產生的凹點的梯度和錐體的銳度能夠精確到幾個納米。
也可以使用其它制作全金屬錐體的方法。例如，現在參考圖9，根據本發明描繪了用圖案制作的光刻膠形成的全金屬錐體的橫截面視圖。在這個方法中，在部分完成的熱電致冷器的底部上形成了一層金屬。然后用圖案制作的光刻膠904-908和直接電化學蝕刻方法來形成全金屬錐體902。
現在參考圖10，根據本發明描繪了一個流程圖，該流程圖描述了一個用光刻膠制作全金屬錐體的示例方法。首先，在部分完成的熱電致冷器(例如圖6中的熱電致冷器600)的金屬(例如，銅)層上通過圖案制作一些小塊的光刻膠區域(步驟1002)。光刻膠被圖案制作成小決區域的陣列，陣列中含有光刻膠的每個區域對應于要在其中形成全金屬錐體的尖頂的區域。隨后用電化學方法直接蝕刻金屬(步驟1004)以產生圖9中所描繪的錐體902。然后去除光刻膠，在所有全金屬錐體的尖端覆蓋上另一種金屬，例如鎳(步驟1006)。然后在覆蓋全金屬錐體的第二個金屬覆蓋層上覆蓋一層極薄的熱電材料(步驟1008)。因而，就形成了用在熱電設備(例如熱電致冷器600)中的尖端帶有熱電層的全金屬錐體。用這種方式產生的全金屬錐點不像用圖8中所描述的方法產生的錐點那么均勻一致。但這種方法目前成本更低，因此如果成本是一個很重要的因素的話它會是更理想的方法。
所描繪的制作全金屬錐體的方法僅僅是實例而已。也可以用其它方法來制作用于熱電致冷器的全金屬錐體。此外，也可以用除銅以外的其它類型的金屬用于全金屬錐體。
現在參考圖11，根據本發明描繪了帶有增強型結構化界面的熱電致冷器的橫截面視圖，在這種熱電致冷器中用熱電材料而不是金屬導體材料來制作界面上的觸點。熱電致冷器1100包括冷板1116和熱板1102，其中冷板與要冷卻的物質熱接觸。熱導體1114和1118分別在導電板1112和1120之間提供熱耦合。熱導體1114和1118是用重N摻雜(N+)半導體材料做成的，N+半導體材料通過和冷板1116的P-材料形成反向偏置二極管來提供冷板1116和導體1112和1120之間的電絕緣。因而，熱量就通過導體1112和1120從冷板1116傳遞出來并最終傳遞到熱板1102，通過熱板可以在不提供熱電致冷器1100和要冷卻的物質之間的電耦合而驅散熱量。同樣，熱導體1104在導電板1108和熱板1102之間提供熱連接，同時通過和上述熱板1102的P-摻雜半導體材料形成反向偏置二極管保持熱板和導電板1108之間的電絕緣。熱導體1104也是N+型摻雜半導體材料。在這個實施方案中導體板1108、1112和1120是用鉑(Pt)構成的。但也可以使用其它既導熱又導電的材料。另外，應該提到的是觸點1130-1140周圍以及觸點1130-1140和熱電材料1122和1110之間的區域應該抽成真空或者用氣體(例如干燥的氮氣)密封。
這個實施方案中，不是通過圖2和6中的金屬電極中的尖端陣列來提供熱電偶和熱源(冷端)金屬電極(導體)之間的接觸，而是通過熱電偶1124和1126中的尖端陣列1130-1140來提供熱電偶和金屬電極之間的尖端陣列接觸。在上面參考圖2和圖6的所描述的實施方案中，冷端的金屬電極是直接形成在硅觸點上，或者直接蝕刻金屬圖案來形成全金屬觸點。但這些方法需要用電化學方法在冷電極和熱電極上沉積熱電材料。電沉積的材料趨向于多晶而且沒有超平的表面。另外，表面熱電特性可能勝過或劣于單晶熱電材料。退火提高了多晶材料的熱電特性，但表面光滑度低于100nm粗糙度水平仍然是一個問題。
本實施方案的觸點1130-1140可以通過電化學蝕刻用單晶或多晶熱電材料來形成。
在一種實施方案中，熱電偶1124由單晶Bi2Te3/Sb2Te3和Bi0.5Sb1.5Te3的超晶格組成，熱電偶1126由單晶Bi2Te3/Bi2Se3和Bi2Te2.0Se0.1的超晶格形成。導電板1120上覆蓋著與距離薄層1120最近的蝕點1130-1134的材料相同的熱電材料薄層1122。導電板1112上覆蓋著與距離薄層1112最近的觸片1136-1140的材料相同的熱電材料的一個薄層1110。
現在參考圖12，根據本發明描繪了一個流程圖，該流程圖描述了制作熱電致冷器(例如圖11中的熱電致冷器1100)的一個示例方法。
首選通過傳統方法把優化的單晶材料和金屬電極結合起來或把金屬電極沉積在單晶材料上以形成電極連接圖形(步驟1202)。然后通過圖13中描繪的光刻膠1302-1306將熱電材料的另一側制作圖案(步驟1204)，金屬電極在電化學鍍液中用作陽極來以電化學方法蝕刻表面(步驟1206)。通過在適當的時間控制和停止蝕刻過程形成圖13中所描繪的觸點1308-1312。
通過化學-機械拋光使第二個單晶襯底變薄，然后用電化學方法蝕刻整個襯底成為納米量級的薄膜(步驟1210)。帶有超薄襯底的第二個襯底形成了冷端，用壓力把這兩個襯底(一個帶有極薄的熱電材料，另一個帶有熱電觸點)固定在一起(步驟1212)。這個結構在除觸點表面的所有區域中保持高的結晶度。另外，同樣的方法還可以用來制作多晶結構，而不是單晶結構。
現在參考圖14，根據本發明描繪了一副圖，該圖顯示了用在熱電致冷器中的表面上的冷端觸點并描繪了觸點相對于表面的定位。雖然到目前為止已經把觸點(無論是全金屬觸點、帶有金屬覆蓋層的觸點或熱電觸點)描述為與觸點相對的表面相接觸，但即使觸點可以和相對的表面相接觸，優選的卻是讓觸點接近相對的表面而不是接觸它，如圖14所描繪的那樣。圖14中的觸點1402距對立的表面1404很近但和它并沒有物理接觸。優選地，觸點1402應該距對立面1404約5nm遠或更近一些。實際上，在一個包含幾千個觸點的熱電致冷器中，有些觸點和對立面有接觸，有些沒有，這是由對立面的平面偏差所造成的。
通過阻止觸點和對立面接觸，可以減少熱電致冷器的冷板和熱板之間的熱導率。但保持了電導率，這是因為觸點和對立面之間的電子的隧道效應。
已經描述了本發明的觸點，并把它們主要描繪成理想的尖端蝕點。但是，如圖14所示，實際觸點通常有一個略微圓一些的尖頂，和觸點1402相同。然而，觸點越接近理想的尖端，實現觸點的低溫和熱板的高溫之間的溫度梯度所需的超晶格的數量越少。
優選地，觸點1402的弧端的曲率半徑r0約為幾十納米。表面1404下的熱電材料的相鄰區域之間的溫差在距離為兩倍或三倍于蝕點1402頂端的曲率半徑r0處趨近于0。因此，超觸點1406-1414中只需少數幾層。因而，在用本發明的觸點來實現冷板和熱板之間的電接觸時與觸點相對的超觸點材料是可行的。這和現有技術相反，在現有技術中使用沒有觸點的超觸點結構，需要有10000甚至更多層的超觸點才能有足夠的厚度使溫度梯度趨向于0。這樣多的層數是不實用的，但在本發明中只用5到6層就已經足夠了。
雖然已經主要通過參照帶有用于致冷的尖端化界面的熱電致冷設備(或珀爾貼設備)描述了本發明，但本領域的技術人員應該認識到本發明也可以用于發電。本領域的技術人員很好地認識到了熱電設備可以珀爾貼模式用于致冷(如上所述)或以賽貝克模式用于發電。現在參考圖15，描繪了一個熱電發電機的示意圖。為了便于理解和說明熱電發電機，描繪了一個符合現有技術的熱電發電機而不是使用本發明的冷點觸點的熱電發電機。但應該注意到在根據本發明的熱電發電機的一種實施方案中，熱電偶1506和1504由冷點觸點代替，如同上面以更詳細的方式所描述過的那些冷點觸點實施方案。
在熱電發電機1500中，并不是像圖1中所描述的那樣讓電流從電源102流過熱電設備，而是在熱電設備1500兩端創造一個溫度差TH-TL。溫差TH-TL導致如圖15中所示的電流I流經電阻負載元件1502。這是和圖1中所描述的操作模式相反的操作模式。
因此，除了用電阻器1502代替電源102并分別用熱源QH-QL分別維持熱元件1512和1516及恒溫TH和TL，熱電設備1500在部件上和圖1中的熱電設備102相同。因而，熱電致冷設備1500利用夾在具有良好導熱性的弱電導體1508之間的P-型半導體1504和N-型半導體1506。元件1504、1506和1508分別對應于圖1中的元件104、106和108。熱電設備1500還包括與圖1中的電導體110和114對應的電導體1510和1514。在熱電CRC手冊D.M.Rowe、Ph.D.、D.Sc.編輯，紐約CRC出版社(1995)pp479-488和高級工程熱力學第二版AdiranBejan編寫，由紐約Wiley&Sons公司出版pp675-682中可以找到與熱電發電機有關的更多信息。前者由。后者由。這里引入這兩本書用于各種目的。
已經主要參照圓錐形的觸點描述了本發明，但也可以使用其它形狀的觸點，例如錐體形觸點。事實上，觸點的形狀并不一定得是對稱或一致的，只要它能提供一組離散的充分尖的觸點并通過這些觸點在熱電致冷器的兩端之間提供導電即可。本發明擁有可以用在任意小型致冷應用中的應用，例如致冷大型計算機、過熱芯片的和RF通信電路的散熱問題，致冷硬盤驅動器的磁頭、汽車致冷以及致冷光學和激光設備。
為說明和描述起見已經給出了對本發明的描述，但它并不是僅限于本發明中所公開的形式。對本領域的技術人員來說很多更改和變化都是顯而易見的。所選擇并描述的實施方案是為了更好地說明本發明的原理、實際應用并使本領域的技術人員能夠理解本發明帶有不同更改的不同實施方案可以適用于所設想的特定應用。
權利要求
1.一種熱電設備，包括平面電導體；及由配置成多個觸點的熱電材料組成的熱電偶，這些觸點與電導體電耦合。
2.如權利要求1所述的熱電設備，其中熱電材料是單晶材料。
3.如權利要求1所述的熱電設備，其中熱電材料是多晶材料。
4.如權利要求1所述的熱電設備，其中熱電材料包括兩種熱電材料的超晶格。
5.如權利要求4所述的熱電設備，其中兩種熱電材料包括Bi0.5Sb1.5Te3和Bi2Te3/Sb2Te3。
6.如權利要求4所述的熱電設備，其中兩種熱電材料包括Bi2Te2.9Se0.1和Bi2Te3/Bi2Se3。
7.如上述任一權利要求所述的熱電設備，其中電導體是由鉑構成的。
8.上述任意權利要求所述的熱電設備，還包括電導體上的一層熱電材料，其中熱電材料由和熱電偶相同的雜質類型的熱電材料組成。
9.上述任意權利要求所述的熱電設備，其中多個觸點中至少有一個和電導體的表面有物理接觸。
10.上述任意權利要求所述的熱電設備，其中多個觸點中至少有一個和電導體的表面沒有物理接觸。
11.權利要求1到8中任意一個權利要求中的熱電設備，其中多個觸點的末端通常在距電導體最近的表面100nm以內。
12.上述任意權利要求中的熱電設備，其中熱電設備是一個熱電致冷器。
13.權利要求1到11的任意一個權利要求中的熱電設備，其中熱電設備是一個熱電發電機。
14.制造帶有觸點化界面的熱電偶的熱電設備的一種方法，該方法包括把熱電晶體材料的第一個表面和一個金屬電極結合起來；在熱電晶體材料的第二個表面上通過圖案制作光刻膠掩膜以確定要形成觸點的位置；在有光刻膠掩模存在的情況下蝕刻第二個表面以在熱電晶體材料中形成多個觸點。
15.根據權利要求14中所述的方法，其中熱電晶體材料是單晶材料。
16.權利要求14中的方法，其中熱電晶體材料是多晶材料。
17.權利要求14到16中任意一個權利要求中的方法，蝕刻熱電晶體材料的第二個表面的步驟包括實行電化學蝕刻。
18.權利要求14到17的任意一個權利要求中的方法，其中的熱電設備用于熱電致冷器。
19.權利要求14到17中任意一個權利要求中的方法，其中的熱電設備是用在熱電發電機中的。
20.一種制造帶有觸點化界面的熱電偶的熱電設備的系統，該系統包括用于把熱電晶體的第一個表面和金屬電極結合起來的裝置；用于在熱電晶體材料的第二個表面上通過圖案制作光刻膠掩模以確定要形成觸點的位置的裝置；用于在光刻膠掩模存在的情況下蝕刻第二個表面以在熱電晶體材料中形成多個觸點的裝置。
21.權利要求20中的系統，其中熱電晶體材料是單晶材料。
22.權利要求20中的系統，其中熱電晶體材料是多晶材料。
23.權利要求20中的系統，其中用于蝕刻熱電晶體材料的第二個表面的裝置包括實行電化學蝕刻。
24.權利要求20中的系統，其中熱電設備用于熱電致冷器。
25.權利要求20中的系統，其中的熱電設備是用在熱電發電機中的。
全文摘要
提供了一種效率更高的熱電設備。在一種實施方案中，該熱電設備包括與冷板熱耦合的電導體和與該電導體電耦合的熱電偶。熱電偶由熱電材料構成并且有多個觸點，熱電偶通過這些觸點與電導體電耦合。熱電觸點提供低阻抗連接，同時使電導體和熱電偶之間的熱導率最小。
文檔編號H01L35/16GK1552106SQ01818485
公開日2004年12月1日 申請日期2001年11月23日 優先權日2000年12月7日
發明者U·S·戈薩爾, U S 戈薩爾 申請人:國際商業機器公司