CN101366128B - 热电隧穿装置 - Google Patents

Abstract

热隧穿装置制作方法和设备。本发明的方法包括：允许在热电装置的热板和冷板之间的电流流动的金属/半导体或者半导体/半导体结合材料组合，以及中断该热电装置的该热板和冷板之间的声子流动，其中中断的流动是由纳米间隙引起，所述纳米间隙是通过在该热电装置的两侧之间施加小电压或小电流而形成。

Description

热电隧穿装置 

技术领域

本公开一般而言涉及电力发生，且更具体而言涉及直接的热-电能量转换电力发生系统。 

背景技术

固态热机(thermal engine)是不使用任何移动部件来执行直接的热-电能量转换的装置。固态热机是由热源驱动，例如引擎放气、来自电机或热系统工作的耗散热量、或者诸如太阳的其它热量源。 

固态热机技术是基于热离子学(thermionics)。热离子学随基本真空管而起源于约一个世纪之前，该真空管是由被真空间隙分隔的两个平行导电板(高温阴极和低温阳极)组成的装置。在工作时，电子脱离阴极，贯穿间隙，且随后被吸收到较冷的阴极内。当电子的动能导致阳极和阴极之间的净电流时，热到电的转换发生。这些早期真空间隙设计具有高制造成本和高于1000摄氏度的高工作温度，且需要非常小的间隙用于工作，该间隙约为几百纳米。 

发明内容

为了最小化现有技术中的限制，以及为了最小化在阅读和理解本说明书时显而易见的其它限制，本发明的实施例提供了一种固态热机以及固态热机制作方法，该固态热机也称为热隧穿装置。 

根据所公开的信息的方法包括：沉积材料，该材料允许在该热隧穿装置的热板和冷板之间的电子流动；以及中断该热隧穿装置的该热板和冷板之间的声子(phonon)流动，其中中断的流动是由真空纳米间隙形成。 

该方法可选地还包括，所沉积的材料为金属，所沉积的材料包括至少两个半导体材料柱，第一柱包括第一掺杂剂类型的半导体材料且第二柱包括第二掺杂剂类型的半导体材料，声子流动被至少一个该半导体材料柱内的层所中断，至少一个该柱内的该层为真空间隙，且该流动被该热隧穿装置上的至少一个金属/半导体接触所中断。 

本公开的装置包括：材料，该材料允许在该热隧穿装置的热板和冷板之间的电子流动；以及附加层，位于该热隧穿装置的该热板和冷板之间，其中该附加层中断该热隧穿装置的该热板和冷板之间的声子流动。 

该装置可选地还包括，为金属/半导体结的允许电子流动的材料，其中真空纳米间隙位于该金属和半导体的表面之间，位于这些表面之间的该真空纳米间隙是通过使电流经过分别位于该热隧穿装置的热侧和冷侧的相对电极之间而形成。允许电子流动的该材料包括至少一个半导体材料柱或者优选地两个半导体材料柱，第一柱包括第一掺杂剂类型的半导体材料且第二柱包括第二掺杂剂类型的半导体材料，声子流动被至少一个该半导体材料柱内的真空纳米间隙所中断，所述真空纳米间隙是通过使电流经过分别位于该热隧穿装置的热板和冷板的相对电极之间而形成。 

附图说明

现在参考附图，附图中相同的参考符号总是表示相应部件： 

图1为现有技术的固态热机的截面图； 

图2示出本公开的装置； 

图3A至3F示出用于制作本公开的装置的工艺步骤； 

图4A至4F示出用于制作本公开的装置的工艺步骤； 

图5示出本发明的备选实施例；以及 

图6为示出本公开的步骤的流程图。 

具体实施方式

在下述说明书中参考附图，附图形成该说明书的一部分且示意性示出本发明若干实施例。应理解，可以使用其它实施例且可以进行结构上的改变而不背离本发明的范围。 

总览 

图1为现有技术的固态热机的截面图。 

装置100包括热电极102、n型柱104、p型柱106、冷电极108、热电极102与两个柱104及106之间的欧姆接触110、p型柱106和冷电极108之间的欧姆接触112、以及n型柱104和冷电极108之间的欧姆接触114。导体116耦合到接触112，导体118耦合到接触114，且开关120还被设置 以使得负载可连接跨过装置100。 

在装置100中，热电子元件，即n型柱104和p型柱106，将载流子输运离开热电极102并朝向冷电极108。然而，在p型柱106中，移动到冷电极108的载流子为朝热电极102移动的正电荷(空穴)，且当开关120闭合时在导体116和118内产生的电流为在柱106和104内流动的电流之和。装置100中的电流流动是从接触112到接触114。通常，接触110、112和114为金属接触且柱106和104为半导体材料，这些部件组合地提供了热电极102和冷电极108之间的热路径，这减小了热电极102和冷电极108之间的温度差异，由此减小电流及装置100的效率。 

本发明的实施例采用半导体接触以及柱内的真空间隙，以减小由该半导体柱提供的热路径，这使得可以在装置的热侧和冷侧之间维持更大的温度差异。实际上，这些装置允许热电装置的热板和冷板之间的电子流动，但是通过使用各种不同热中断机制来中断该热电装置内的声子流动。该中断机制为真空间隙，该真空间隙沿电流路径形成于热隧穿装置内，减小了热电极102和冷电极108之间的热路径的热导率。 

图2示出本发明的实施例的装置。 

装置200包括热电极202、n型柱204A和204B、p型柱206A和206B、冷电极208、热电极202与两个柱204A及206A之间的欧姆接触210、p型柱206B和冷电极208之间的欧姆接触212、以及n型柱204B和冷电极208之间的欧姆接触214。导体216耦合到接触212，导体218耦合到接触214，且开关220还被设置以使得负载可连接跨过装置200。装置200还包括间隙222和224，其通常为真空间隙222和224，其中真空间隙222示为近似位于由p型柱206A和206B定义的柱的中心，且真空间隙224示为近似位于由n型柱204A和204B定义的柱的中心。然而，真空间隙222和224可以布置在接触210和接触212及214之间的任意点，且如果需要则可以布置在接触210和212/214之间的不同距离。例如，但非限制性地，间隙222可以布置为更靠近冷电极208，且间隙224可以布置为更靠近热电极202，这不背离本发明的范围。间隙222和224可以是其它类型的间隙，例如空气间隙，或者提供较小声子流动的其它间隙，这不背离本发明的范围。 

真空间隙222和224用于与现有技术的装置100相比降低装置200的热导率。给定材料的品质因子Z是由Z＝∏²/κρ给出，其中∏为珀耳帖(Peltier) 系数，κ为材料的热导率，且ρ为电阻率。对于给定材料，热导率和电阻率是关联的，且实际上，电阻率低的材料具有高热导率。用于欧姆接触的金属为出色的电荷载体且也是出色的热导体，且因此，该比例相对没有改变，因为这两项的乘积彼此相反地改变。然而，具有纳米间隙的材料，或者对于本公开的情形，真空间隙222和224改变了该规则，这是因为由于纳米间隙的存在，电阻率虽然增加，但是由于电子可以容易地隧穿穿过通常约0.5至1nm的极窄间隙，电阻率增加不显著，然而热导率急剧减小，因为声子无法穿过该间隙，这导致低的有效热导率，最后的结果为Z的净增加。下降的热导率是由纳米间隙(真空间隙222和224)阻挡从热电极202到冷电极204的声子流动所致，但是穿过间隙222和224的隧穿电子将电阻率维持在相对固定值。 

制作方法

图3A至3F示出用于制作本发明的实施例的装置的工艺步骤。 

在图3A中，具有槽302的玻璃片300被示出。通常为金的金属层304通过标准沉积技术来沉积。这种技术包括溅射、气相沉积及其它技术。再者，尽管通常使用金，不过在本公开的范围内可以使用其它金属，例如银、铝、铂、镍、钨或其它金属。图3B示出在玻璃片300内蚀刻形成的槽306和308。 

图3C随后示出玻璃片300结合到半导体晶片310。通常晶片310为硅，但是可以是其它半导体材料而不背离本公开的范围。晶片310被掺杂且可以具有分级掺杂，最高掺杂位于晶片310的背侧(远离玻璃片300)。玻璃片300结合到晶片310通过典型结合工艺来完成。图3D示出槽302被蚀刻更深，直到金属层304通过该通路可以被电学访问，通过增加槽302的深度312，图3E示出槽302已经以金属314金属化，该金属314电学接触金属304，且图3F示出晶片310的背侧已经以金属316金属化。金属314和316可以是金，或者是铝、银、镍、钨或其它金属，且可视需要而互不相同。金属316接触晶片的背侧形成欧姆接触。接触314和316电学对应于图2中的接触210和212。 

图4A至4F示出用于制作本发明的实施例的装置的工艺步骤。 

在图4A，具有槽402的玻璃片400被示出。通常为金的金属层404通过标准沉积技术来沉积。这种技术包括溅射、气相沉积及其它技术。再者，尽管通常使用金，不过在本公开的范围内可以使用其它金属，例如银、铝、 铂、镍、钨或其它金属。图4B示出在玻璃片400内蚀刻形成的槽406和408。 

图4C示出具有槽412和414的晶片410。晶片410为半导体晶片，通常为硅，但是视需要可以是其它半导体材料，表面的掺杂可以不同于体的掺杂且可以由两层不同掺杂的层组成。图4D随后示出玻璃片400结合到晶片410。玻璃片400结合到晶片410通过典型结合工艺来完成。玻璃片400也被蚀刻使得槽402更深，如深度416所示，以达到金属层404。 

图4E示出晶片410的蚀刻418，该蚀刻418进行到晶片410内掺杂剂层的深度。再者，氧化物420生长在晶片410背面上。图4F示出氧化物420的蚀刻、槽402的金属化422、以及氧化物420从接触区域移除后槽418的金属化424。金属化422和424可以是金，或者是铝、银、镍、钨或其它金属，且可视需要而互不相同，只要该金属提供欧姆接触。 

图5示出本发明的备选实施例。 

装置500被示出，其包括玻璃片502和玻璃片504。玻璃片502具有槽506，而玻璃片504具有槽508。实际上，玻璃片502为玻璃片504的镜像。玻璃片504具有欧姆接触510和半导体柱512及514，其中柱512掺杂剂类型不同于柱514。玻璃片502和504在界面516结合在一起。 

一般而言，通过非常薄真空间隙分离的金属到金属电极在制成热隧穿装置时不具有高的效率。原因在于，非常多的电子可以跨过该间隙从一个金属电极到另一个金属电极，即使净流仍然是从高温侧到冷侧。换言之，热电子电流为两个大电流之间的小差值。这两个大电流有效地增加了纳米间隙的热导率，因为电子不仅承载电而且还承载热能。因此，金属到金属电极热隧穿装置的效率低。相反，金属/半导体结(肖特基接触)或者半导体/半导体结，例如p-n结仅允许高能电子流动或者单向电子流动，使得尽管与金属/金属情形相比，载流子数目小，但是热电子转换效率高，因为跨过该真空间隙的每个电子传输的平均能量高得多。 

在两个接触，例如金属层304和晶片310(图3)、金属层404和晶片410(图4)、半导体层312或314与其镜像(图5)之间形成纳米间隙的方法如下：超过预定值的固定电压或固定电流施加跨过两个相对电极，从而在两个电极之间形成纳米间隙。预定电压和电流值的示例为2V的电压或者几百毫安的电流。所施加的电压或电流按照小增量来进行，直到测量到界面的有效电阻的突变，类似于保险丝的“燃烧”，尽管是以受控方式完成。当电压施 加跨过电极时，焦耳加热和强电迁移效应发生。焦耳加热是当电流流过具有电阻的介质时形成的热量，由焦耳定律给出。由于电场的存在，电迁移沿多晶中的晶界驱动原子。结果为多晶结构的重新排布。电迁移效应在半导体技术中是公知的，经常导致在集成电路互连中产生孔洞，由此使其失效。在晶片结合工艺中结合不完全，由此在两个相对电极表面之间形成固有纳米缺陷，这使得上述过程发生。 

流程图

图6为示出本公开的步骤的流程图。 

框600示出沉积材料，该材料允许在热隧穿装置的热板和冷板之间的电子流动。 

框602示出中断热隧穿装置的热板和冷板之间的声子流动，其中中断的流动是由纳米间隙形成。 

结论

概言之，本发明的实施例提供了制作热隧穿装置的方法和设备。 

本公开的方法包括：沉积材料，该材料允许在该热隧穿装置的热板和冷板之间的电流流动；以及中断该热隧穿装置的该热板和冷板之间的声子(热能)流动，其中中断的流动是由真空间隙形成。 

该方法可选地还包括，所沉积的材料为金属，所沉积的材料包括至少两个半导体材料柱，第一柱包括第一掺杂剂类型的半导体材料且第二柱包括第二掺杂剂类型的半导体材料，声子流动被至少一个该半导体材料柱内的层所中断，至少一个该柱内的该层为真空间隙，且该流动被该热隧穿装置上的至少一个金属/半导体接触所中断。 

本公开的装置包括：材料，该材料允许在该热隧穿装置的热板和冷板之间的电子流动；以及附加层，位于该热隧穿装置的该热板和冷板之间，其中该附加层中断该热隧穿装置的该热板和冷板之间的声子流动。 

该装置可选地还包括，为金属/半导体结的允许电子流动的材料，其中真空纳米间隙位于该金属和半导体的表面之间，位于这些表面之间的该真空纳米间隙是通过使电流经过分别位于该热隧穿装置的热侧和冷侧的相对电极之间而形成，允许电子流动的该材料包括至少两个半导体材料柱，第一柱包括第一掺杂剂类型的半导体材料且第二柱包括第二掺杂剂类型的半导体材料，声子流动被至少一个该半导体材料柱内的真空纳米间隙所中断，所述真 空纳米间隙是通过使电流经过分别位于该热隧穿装置的热侧和冷侧的相对电极之间而形成。 

出于说明和描述的目的给出了对本发明优选实施例的前述描述。不是旨在将本发明穷举或限制于所披露的确切形式。鉴于上述教导，可以进行许多调整和改变。本发明的范围不是由该详细描述限制，而应由所附权利要求及其等同特征限定。 

Claims (9)

1.一种热隧穿装置制作方法，包括：

沉积金属/半导体结构，所述金属/半导体结构允许在所述热隧穿装置的热板和冷板之间的电流流动；以及

中断所述热隧穿装置的所述热板和冷板之间的声子流动，其中中断的流动是由真空纳米间隙形成，所述真空纳米间隙是通过使电流经过分别位于所述装置的热侧和冷侧的相对电极之间而形成。

2.如权利要求1所述的方法，其中所沉积的材料包括至少两个半导体材料柱，第一柱包括第一掺杂剂类型的半导体材料且第二柱包括第二掺杂剂类型的半导体材料。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述声子流动被至少一个所述半导体材料柱内的层中断。

4.如权利要求3所述的方法，其中至少一个所述柱内的所述层为真空间隙。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述声子流动被所述热隧穿装置上的至少一个金属/半导体接触中断。

6.一种热隧穿装置，包括：

金属/半导体结，允许在所述热隧穿装置的热板和冷板之间的电子流动；以及

附加层，位于所述热隧穿装置的所述热板和冷板之间，其中所述附加层包括中断所述热隧穿装置的所述热板和冷板之间的声子流动的真空纳米间隙。

7.如权利要求6所述的热隧穿装置，其中表面之间的所述真空纳米间隙是通过使电流经过分别位于所述装置的所述热板和冷板的相对电极之间而形成。

8.如权利要求7所述的热隧穿装置，其中允许电流流动的所述金属/半导体结包括至少两个半导体材料柱，第一柱包括第一掺杂剂类型的半导体材料且第二柱包括第二掺杂剂类型的半导体材料。

9.如权利要求8所述的热隧穿装置，其中声子流动被至少一个所述半导体材料柱内的真空纳米间隙中断，所述真空纳米间隙是通过使电流经过分别位于所述装置的所述热板和冷板的相对电极之间而形成。

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