KR20170053102A - 열전 소자 및 열전 모듈 - Google Patents

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KR20170053102A
KR20170053102A KR1020160028435A KR20160028435A KR20170053102A KR 20170053102 A KR20170053102 A KR 20170053102A KR 1020160028435 A KR1020160028435 A KR 1020160028435A KR 20160028435 A KR20160028435 A KR 20160028435A KR 20170053102 A KR20170053102 A KR 20170053102A
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Abstract

절연성 기판, 상기 절연성 기판 상의 반도체층, 상기 반도체층 상에 배치되고, 상기 절연성 기판의 일면과 평행한 제 1 방향으로 상호 이격되는 절연층들, 상기 절연층들 상에 배치되는 금속 박막들, 및 상기 반도체층과 상기 제 2 부분들 사이의 금속-반도체 화합물층들을 포함하는 열전 소자를 제공하되, 상기 금속 박막들의 각각은 상기 절연층과 오버랩되는 제 1 부분, 및 상기 제 1 부분으로부터 상기 제 1 방향 또는 상기 제 1 방향의 반대 방향으로 연장되어 상기 반도체층과 연결되는 제 2 부분들을 포함하고, 서로 인접한 상기 금속 박막들의 마주하는 상기 제 2 부분들은 서로 이격될 수 있다.

Description

열전 소자 및 열전 모듈{THERMOELECTRIC ELEMENT AND THERMOELECTRIC MODULE}
본 발명은 열전 소자 및 열전 모듈에 관한 것으로, 상세하게는 반도체 소재 기반의 열전 소자 및 열전 모듈에 관한 것이다.
최근, 청정에너지에 대한 관심이 높아짐에 따라 열전 소자에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 열전 소자는 열 에너지를 전기 에너지로 바꾸거나, 또는 반대로 전기 에너지를 인가하여 온도 차이를 발생시킬 수 있다.
열전 물질의 양단에 금속 전선을 연결하여 열전 물질의 한쪽을 가열하고, 다른 한쪽을 냉각 상태로 유지하면, 양단 간의 온도차에 의한 전압, 즉 열기전력(thermoelectromotive force)이 발생하여 폐회로 내에서 전류가 흐를 수 있다. 이를 제벡 효과(Seebeck effect)라 하며, 열전 소자에 의한 열전 발전의 원리가 된다.
반도체(열전 반도체)를 매개로 금속이 상호 접지되어 형성된 루프에 전류를 흘리면 페르미 에너지 차이로 전위차가 발생하게 되고, 전하가 한쪽 금속 면에서 다른 쪽으로 이동하기 위해 필요한 에너지를 가지고 가기 때문에(흡열) 냉각이 일어나는 반면, 다른 금속 면은 상기 전하가 가지고 온 에너지만큼 열에너지를 내놓기 때문에(방열) 가열이 일어날 수 있다. 이를 펠티어 효과(Peltier effect)라 하며, 열전 소자에 의한 냉각 장치의 작동 원리가 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열전 효율이 높은 열전 소자 및 열전 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 반도체 소재를 이용한 열전 소자 및 열전 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 열전 소자는 절연성 기판, 상기 절연성 기판 상의 반도체층, 상기 반도체층 상에 배치되고, 상기 절연성 기판의 일면과 평행한 제 1 방향으로 상호 이격되는 절연층들, 상기 절연층들 상에 배치되는 금속 박막들, 및 상기 반도체층과 상기 제 2 부분들 사이의 금속-반도체 화합물층들을 포함할 수 있다. 상기 금속 박막들의 각각은 상기 절연층과 오버랩되는 제 1 부분, 및 상기 제 1 부분으로부터 상기 제 1 방향 또는 상기 제 1 방향의 반대 방향으로 연장되어 상기 반도체층과 연결되는 제 2 부분들을 포함할 수 있다. 서로 인접한 상기 금속 박막들의 마주하는 상기 제 2 부분들은 서로 이격될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 절연층들은 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 연장되는 라인 형태를 가질 수 있다. 상기 금속 박막들은 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향을 따라 배치되어 복수의 행과 열을 이룰 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 반도체층은 그의 내부에 형성되고, 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 연장하여 평면적으로 상기 금속 박막들의 상기 제 1 부분들을 가로지르는 트렌치들을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 트렌치는 상기 반도체층을 관통하여 상기 절연성 기판의 일면을 노출시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 반도체층은 p 형 또는 n 형의 도전형을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 반도체층은 0.1 내지 30 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 마주하는 제 2 부분들 사이의 이격 거리는 10 내지 100 나노미터일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 반도체층은 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 상기 금속 박막들은 백금(pt), 타이타늄(Ti), 코발트(Co), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 몰리브데넘(Mo), 탄탈럼(Ta), 망간(Mn), 철(Fe), 루테늄(Ru), 마그네슘(Mg), 어븀(Er), 금(Au), 은(Ag) 및 이들의 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속-반도체 화합물층들은 금속 실리사이드를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 열전 모듈은 제 1 기판, 상기 제 1 기판 상에 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극, 상기 제 1 전극 상에 배치되는 제 1 레그, 상기 제 2 전극 상에 배치되는 제 2 레그, 상기 제 1 레그 및 상기 제 2 레그 상에 배치되는 제 3 전극, 상기 제 3 전극 상에 배치되는 제 2 기판을 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 레그들 각각은 제 1 항의 열전 소자를 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 레그들 각각의 상기 반도체층은 서로 다른 도전형을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 열전 소자는 반도체층 상에 전기전도도를 향상시키기 위한 금속 박막을 갖고, 반도체층과 금속 박막의 경계에 형성되는 금속-반도체 화합물층을 통해 전하의 에너지 준위에 따른 선택적인 장벽을 형성한다. 이를 통해, 열전 소자의 효율을 감소시키는 낮은 에너지 준위의 전하에 의한 열전달을 감소시키고, 열전 효과에 기여하는 높은 에너지 준위의 전하를 선택적으로 통과시킬 수 있다.
또한, 열전 소자의 반도체층은 열전 소자 양단의 온도구배 방향과 수직하는 방향으로 형성된 트렌치를 포함하며, 이는 열전 소자 양단 간의 열전도를 감소시켜 열전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 열전 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 자른 단면도이다.
도 3a 및 도 4a는 본 발명의 다른 실시예들을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 3b 및 도 4b는 도 3 및 도 4의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 자른 단면도들이다.
도 5은 또 다른 실시예들에 따른 열전 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 열전 소자를 구비하는 열전 모듈을 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 면(또는 층)이 다른 면(또는 층) 또는 반도체층상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 면(또는 층) 또는 반도체층상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 면(또는 층)이 개재될 수도 있다.
본 명세서의 다양한 실시예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 영역, 면들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 면들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 면(또는 층)을 다른 영역 또는 면(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서의 제 1 면으로 언급된 면이 다른 실시예에서는 제 2 면으로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시예는 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 열전 소자를 설명하기 위한 사시도이다. 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 자른 단면도이다. 열전 소자는 복수 개의 단위 열전 소자들을 포함할 수 있으나, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 도 1에 도시된 단위 열전 소자를 중심으로 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 절연성 기판(100)이 제공된다. 절연성 기판(100)은 벌크 기판 또는 다공성 기판일 수 있다. 이와는 다르게, 절연성 기판(100)은 멤브레인(membrane)일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 절연성 기판(100)을 통한 열전도를 저하시키기 위하여, 절연성 기판(100)은 그 두께가 얇을수록 바람직하다. 절연성 기판(100)은 열전도도가 낮은 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 절연성 기판(100)은 1 W/mK 이하의 열전도도를 가질 수 있다. 예를 들어, 절연성 기판(100)은 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(SiN) 또는 알루미늄 산화물(Al2O3)을 포함할 수 있다.
반도체층(200)이 절연성 기판(100) 상에 배치될 수 있다. 반도체층(200)은 반도체 물질을 포함하는 박막일 수 있다. 예를 들어, 반도체층(200)은 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 반도체층(200)은 저마늄(Ge), 안티모니(Sb) 또는 텔루륨(Te)을 포함할 수도 있다. 또한, 반도체층(200)은 0.1 내지 30 마이크로미터의 두께를 가질 수 있다. 반도체층(200)의 두께가 상기 범위보다 작은 경우 반도체층(200)의 저항이 높아지며, 반도체층(200)의 두께가 상기 범위보다 클 경우 반도체층(200)을 통한 열전도가 증가하여 열전 소자의 효율이 감소할 수 있다.
반도체층(200)은 n 형 또는 p 형의 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 반도체층(200)은 1018 내지 1021 atoms/cm3의 도핑 농도를 가질 수 있다. 이는 반도체층(200)의 전기저항을 낮추어 열전 소자(10)의 효율을 향상시키기 위함이다.
반도체층(200)은 제벡 효과(Seebeck effect)를 통해 열기전력을 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 반도체층(200)은 그의 양단에 온도 차가 발생되면 기전력을 발생시킬 수 있다. 이때, 반도체층(200)의 열전도도와 그 두께의 곱은 절연성 기판(100)의 그것보다 작을 수 있다. 이는 반도체층(200)을 통한 열전도를 낮추기 위함이다. 열전 소자(10) 양단의 온도차에 의해 발생되는 전압 차(즉, 기전력)는 온도차에 비례하며, 반도체층(200)을 통한 열전도가 클 경우 열전 소자(10) 양단의 온도 차가 낮아져 열전 성능이 저하될 수 있다.
절연층들(300)이 반도체층(200) 상에 배치될 수 있다. 절연층들(300)은 절연성 기판(100)의 일면과 평행한 제 1 방향(D1)으로 상호 이격될 수 있다. 절연층들(300)은 10 내지 1000 나노미터의 두께를 가질 수 있다.
절연층들(300)은 반도체층(200) 및 후술되는 금속 박막(400)보다 높은 전기저항을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 절연층들(300)은 실리콘 산화물(SiO2), 알루미늄 산화물(Al2O3), 타이타늄 산화물(TiO2), 하프늄 산화물(HfO2), 텅스텐 산화물(WO) 및 실리콘 질화물(SiN) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
절연층들(300)은 반도체층(200)과 금속 박막(400)의 일부를 절연시킬 수 있다. 이는 전하의 흐름이 반도체층(200) 및 후술되는 금속 박막들(400)을 반복하여 진행되도록 하기 위함이다. 또한, 절연층들(300)은 금속 박막(400)과 반도체층(200) 간의 케미컬 포텐셜 차이로 인해 전하가 역류하는 것을 방지하기 위하여 제공될 수 있다.
금속 박막들(400)이 절연층들(300) 상에 배치될 수 있다. 상세하게는, 금속 박막들(400)의 각각은 제 1 부분(410) 및 제 2 부분들(420)을 포함할 수 있다. 금속 박막들(400)의 제 1 부분(410)은 절연층(300)의 일면 상에 배치되어 절연층(300)과 오버랩 될 수 있다. 금속 박막들(400)의 제 2 부분(420)은 제 1 부분(410)의 양단으로부터 제 1 방향(D1) 및 상기 제 1 방향의 반대 방향으로 연장되어 반도체층(200)의 일부와 연결될 수 있다. 금속 박막들(400)은 100 내지 10000 나노미터의 두께를 가질 수 있다.
금속 박막들(400)은 백금(pt), 타이타늄(Ti), 코발트(Co), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 몰리브데넘(Mo), 탄탈럼(Ta), 망간(Mn), 철(Fe), 루테늄(Ru), 마그네슘(Mg), 어븀(Er), 금(Au), 은(Ag) 및 이들의 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
금속 박막들(400)은 반도체층(200)의 일정 구간을 분로(shunt)하기 위하여 제공될 수 있다. 즉, 반도체층(200)에 의해 생성된 전류는 일 구간에서 금속 박막들(400)을 통해 흐를 수 있다.
금속 박막들(400)은 서로 이격될 수 있다. 상세하게는, 서로 인접한 금속 박막들(400)의 마주하는 제 2 부분들(420)은 서로 이격될 수 있으며, 이를 통해 절연층들(300) 사이의 반도체층(200)의 일부가 노출될 수 있다. 금속 박막들(400)의 서로 마주하는 제 2 부분들(420) 사이의 이격 거리는 10 내지 100 나노미터일 수 있다. 제 2 부분들(420)의 간격이 이보다 큰 경우, 어느 금속 박막(400)의 제 2 부분(420)으로부터 반도체층(200)으로 유입된 전하가 반도체층(200) 내에서 열적 평형을 이룰 수 있다. 이는 반도체층(200)으로 유입된 전하가 인접한 다른 금속 박막(400)으로 흐르지 못하도록 하며, 열전 소자(10)의 효율을 낮출 수 있다. 제 2 부분들(420)의 간격이 상기 범위보다 작은 경우, 인접한 금속 박막들(400)의 제 2 부분들(420) 사이에 단락이 일어날 수 있다.
금속-반도체 화합물층(500)이 금속 박막(400)의 제 2 부분들(420)과 반도체층(200) 사이에 배치될 수 있다. 평면적으로, 금속-반도체 화합물층(500)은 제 1 방향(D1)으로 절연층(300)의 양측에 배치될 수 있다. 즉, 금속-반도체 화합물층(500)은 금속 박막(400)과 반도체층(200)이 연결되는 영역에 배치될 수 있다. 이때, 금속-반도체 화합물층(500)은 도 2에 도시된 바와 같이, 그의 일부가 반도체층(200)에 매립된 형태를 가질 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 금속-반도체 화합물층(500)의 두께는 1 내지 100나노미터일 수 있다.
금속-반도체 화합물층(500)은 반도체층(200)을 구성하는 물질과 금속 박막들(400)을 구성하는 물질의 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속-반도체 화합물층(500)은 PtSi, TiSi2, Co2Si, CoSi, CoSi2, NiSi, NiSi2, WSi2, MoSi2, TaSi2, MnSix, FeSi2, Ru2Si3, Mg2(Si, Sn), ErSi, AuSi 또는 AgSi와 같은 금속 실리사이드를 포함할 수 있다.
금속-반도체 화합물층(500)은 금속 박막들(400)과 반도체층(200)을 교차하여 지나는 전하의 흐름에서, 금속 박막(400)과 반도체층(200)의 접합에 의한 쇼트키 베리어(schottky barrier)를 감소시키기 위하여 제공될 수 있다. 또한, 금속-반도체 화합물층(500)은 전하의 에너지 준위에 따른 선택적인 장벽을 형성하며, 이로 인해 높은 에너지의 전하들만 금속-반도체 화합물층(500)을 통과할 수 있다. 에너지 장벽을 통과하는 전하들의 평균 에너지가 높을 경우 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 향상시키며, 하기 수학식 1로 계산되는 열전 소자의 성능 지수(figure of merit)를 증가시킬 수 있다.
Figure pat00001
여기서, ZT는 성능 지수, S는 제벡 계수, σ는 전기전도도, κ는 열전도도, 그리고 T는 절대온도를 의미한다.
도 3a 및 도 4a는 본 발명의 다른 실시예들을 설명하기 위한 사시도들이고, 도3b 및 도 4b는 도 3 및 도 4의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 자른 단면도들이다. 여기서, 설명의 편의를 위해, 상술한 내용과 다르거나, 설명되지 않은 점을 위주로 설명하며, 생략된 부분은 본 발명의 상술한 내용의 실시예에 따른다.
도 3a 및 도 3b를 참조하여, 반도체층(200)은 그의 내부에 트렌치들(210)을 포함할 수 있다. 상세하게는, 트렌치들(210)은 반도체층(200)의 일면으로부터 그의 내부를 향하여 형성될 수 있다. 트렌치들(210)은 제 1 방향(D1)과 수직한 제 2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 트렌치들(210)은 금속 박막들(400)의 제 1 부분들(410)을 가로지를 수 있다. 즉, 절연층(300) 및 금속 박막(400)은 평면적으로 트렌치들(210)과 교차할 수 있다. 이때, 반도체층(200) 상에 배치되는 절연층들(300) 및 금속 박막들(400)은 트렌치들(210)의 내면을 덮을 수 있다. 반도체층(200)은 트렌치들(210)에 의해 분리될 수도 있다. 즉, 트렌치들(210)은, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 반도체층(200)을 관통하여 절연성 기판(100)의 일부를 노출시킬 수 있다.
이와는 다르게, 반도체층(200)은 트렌치들(210)에 의해 분리되지 않을 수 있다. 즉, 트렌치들(210)는, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 반도체층(200)을 관통하지 않을 수도 있다.
트렌치들(210)은 전하의 흐름이 금속 박막(400)과 반도체층(200)을 교번하며 흐르지 않고, 반도체층(200)을 통하여 누전되는 것을 방지하기 위해 제공될 수 있다. 또한, 트렌치들(210)은 반도체층(200)을 통한 열전도를 낮추기 위하여 제공되며, 반도체층(200)을 통한 열전도가 클 경우 열전 소자(10) 양단의 온도차가 낮아져 열전 성능이 저하될 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예들에 따른 열전 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 5를 참조하여, 열전 소자는 복수의 금속 박막들을 포함할 수 있다. 상세하게는, 금속 박막들(400)은 제 1 방향(D1) 및 제 2 방향(D2)을 따라 배치되어 복수의 행과 열을 이룰 수 있다. 이때, 금속 박막들(400)은 제 2 방향(D2)으로 인접한 금속 박막(400)과 상호 전기적으로 절연될 수 있다.
절연층들(300)은 제 2 방향(D2)으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 절연층들(300)은 제 2 방향(D2)으로 연장된 라인 형태를 가질 수 있다. 즉, 제 2 방향(D2)으로 인접한 금속 박막들(400) 각각은 제 2 방향(D2)으로 연장된 하나의 절연층(300)과 오버랩될 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것을 아니며, 절연층들(300)은 상호 분리되어 있을 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 열전 소자는 반도체층 상에 전기전도도를 향상시키기 위한 금속 박막을 갖고, 반도체층과 금속 박막의 경계에 형성되는 금속-반도체 화합물층을 통해 전하의 에너지 준위에 따른 선택적인 장벽을 형성한다. 이를 통해, 열전 소자의 효율을 감소시키는 낮은 에너지 준위의 전하에 의한 열전달을 감소시키고, 열전 효과에 기여하는 높은 에너지 준위의 전하를 선택적으로 통과시킬 수 있다.
또한, 열전 소자의 반도체층은 열전 소자 양단의 온도구배 방향과 수직하는 방향으로 형성된 트렌치를 포함하며, 이는 열전 소자 양단 간의 열전도를 감소시켜 열전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 열전 소자를 구비하는 열전 모듈을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 제 1 기판(21)이 제공될 수 있다. 제 1 기판(21)은 예를 들면, 알루미늄 산화물(Al2O3) 또는 알루미늄 질화물(AlN)의 세라믹 기판일 수 있다.
제 1 전극(31) 및 제 2 전극(32)이 제 1 기판(21) 상에 배치될 수 있다. 제 1 전극(31)과 제 2 전극(32)은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 제 1 전극(31)과 제 2 전극(32)은 금속 전극일 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(31)과 제 2 전극(32)은 Cu를 포함할 수 있다.
제 1 레그(10a)가 제 1 전극(31) 상에 배치될 수 있다. 제 1 레그(10a)는 본 발명에 따른 열전 소자일 수 있다. 제 1 레그(10a) 일측의 금속 박막(400a)은 제 1 전극(31)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제 2 레그(10b)가 제 2 전극(32) 상에 배치될 수 있다. 제 2 레그(10b)는 본 발명에 따른 열전 소자일 수 있다. 제 2 레그(10b) 일측의 금속 박막(400b)은 제 2 전극(32)과 연결될 수 있다. 이때, 제 1 레그(10a) 및 제 2 레그(10b)는 서로 다른 도전형을 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 레그(10a)는 n 형 도전형의 반도체층(200a)을 갖는 열전 소자일 수 있다. 예를 들어, 제 2 레그(10b)는 p 형 도전형의 반도체층(200b)을 갖는 열전 소자일 수 있다. 제 1 레그(10a) 및 제 2 레그(10b)는 온도 구배가 존재하는 그의 양단 사이에 기전력을 형성할 수 있다.
제 3 전극(33)이 제 1 레그(10a)와 제 2 레그(10b) 상에 배치될 수 있다. 제 3 전극(33)은 제 1 레그(10a)와 제 2 레그(10b)를 전기적으로 연결할 수 있다. 예를 들어, 제 3 전극(33)은 제 1 레그(10a) 일측의 금속 박막(400a)과 전기적으로 연결되고, 제 2 레그(10b) 일측의 금속 박막(400b)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제 3 전극(33)은 금속 전극일 수 있다. 예를 들어, 제 3 전극(33)은 Cu를 포함할 수 있다.
제 2 기판(22)이 제 3 전극(33) 상에 배치될 수 있다. 제 2 기판(22)은 예를 들면, 알루미늄 산화물(Al2O3) 또는 알루미늄 질화물(AlN)의 세라믹 기판일 수 있다. 제 1 기판(21) 및 제 2 기판(22)은 고온부 및 저온부 중 어느 하나에 각각 접촉하여 제 1 레그(10a) 및 제 2 레그(10b)의 양단 사이에 온도 구배를 형성할 수 있다.
열전 모듈은 복수로 제공되어 인접한 다른 열전 모듈과 어레이를 형성할 수 있다. 예를 들어, 하나의 열전 모듈의 제 1 전극(31)은 인접한 다른 열전 모듈의 제 2 전극(32)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 복수의 열전 모듈들의 제 3 전극(33)은 상호 전기적으로 절연될 수 있다.
열전 모듈은 열 에너지를 이용하여 전류를 발생시킬 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 열전 모듈은 제 1 및 제 2 전극(31, 32)과 연결되어 회로를 구성하는 외부 소자(40)를 더 포함하되, 외부 소자(40)는 저항 소자일 수 있다. 제 1 및 제 2 레그들(10a, 10b)에 의해 생성된 기전력에 의해 외부 소자(40)에 전류가 흐를 수 있다.
이와 유사한 원리로, 열전 모듈의 외부 소자(40)를 전원으로 하여 전류의 흐름을 발생시킬 경우, 고온부의 열을 저온부로 방출시킬 수 있어 열전 냉각기로 이용할 수 있으며, 전원의 극성을 달리 하여 열의 흐름을 반대 방향으로 할 수도 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 열전 소자
100: 절연성 기판 200: 반도체층
300: 절연층 400: 금속 박막
500: 금속-반도체 화합물층

Claims (10)

  1. 절연성 기판;
    상기 절연성 기판 상의 반도체층;
    상기 반도체층 상에 배치되고, 상기 절연성 기판의 일면과 평행한 제 1 방향으로 상호 이격되는 절연층들;
    상기 절연층들 상에 배치되는 금속 박막들, 상기 금속 박막들의 각각은 상기 절연층과 오버랩되는 제 1 부분, 및 상기 제 1 부분으로부터 상기 제 1 방향 또는 상기 제 1 방향의 반대 방향으로 연장되어 상기 반도체층과 연결되는 제 2 부분들을 포함하고; 및
    상기 반도체층과 상기 제 2 부분들 사이의 금속-반도체 화합물층들을 포함하되,
    서로 인접한 상기 금속 박막들의 마주하는 상기 제 2 부분들은 서로 이격되는 열전 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층들은 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 연장되는 라인 형태를 갖고,
    상기 금속 박막들은 상기 제 1 방향 및 상기 제 2 방향을 따라 배치되어 복수의 행과 열을 이루는 열전 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은 그의 내부에 형성되고, 상기 제 1 방향과 교차하는 제 2 방향으로 연장하여 평면적으로 상기 금속 박막들의 상기 제 1 부분들을 가로지르는 트렌치들을 포함하는 열전 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 트렌치는 상기 반도체층을 관통하여 상기 절연성 기판의 일면을 노출시키는 열전 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은 p 형 또는 n 형의 도전형을 갖는 열전 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은 0.1 내지 30 마이크로미터의 두께를 갖는 열전 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 마주하는 제 2 부분들 사이의 이격 거리는 10 내지 100 나노미터인 열전 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층은 실리콘(Si)을 포함하고,
    상기 금속 박막들은 백금(pt), 타이타늄(Ti), 코발트(Co), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 몰리브데넘(Mo), 탄탈럼(Ta), 망간(Mn), 철(Fe), 루테늄(Ru), 마그네슘(Mg), 어븀(Er), 금(Au), 은(Ag) 및 이들의 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 열전 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 금속-반도체 화합물층들은 금속 실리사이드를 포함하는 열전 소자.
  10. 제 1 기판;
    상기 제 1 기판 상에 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극;
    상기 제 1 전극 상에 배치되는 제 1 레그;
    상기 제 2 전극 상에 배치되는 제 2 레그;
    상기 제 1 레그 및 상기 제 2 레그 상에 배치되는 제 3 전극;
    상기 제 3 전극 상에 배치되는 제 2 기판을 포함하되,
    상기 제 1 및 제 2 레그들 각각은 제 1 항의 열전 소자를 포함하되,
    상기 제 1 및 제 2 레그들 각각의 상기 반도체층은 서로 다른 도전형을 갖는 열전 모듈.
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