TW521141B - Cold point design for efficient thermoelectric coolers - Google Patents

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Description

521141 A7 B7 __ 五、發明説明（1 ) 發明背景 相關專利申請案 本申請案與以下美國專利申請案相關：申請號_ (ffiM 序號 AUS9-2000-0414)，名稱 ENHANCED INTERFACE THERMOELECTRIC COOLERS WITH ALL-METAL TIPS，申請曰 _;申請號_(IBM 序號 AUS9-2000-0415-US1)，名
稱 THERMOELECTRIC COOLERS WITH ENHANCED STRUCTURED INTERFACES，申請曰_:及申請號_(IBM序號
AUS9-2000-0556-US1)，名稱 ENHANCED INTERFACE THERMOELECTRIC COOLERS USING ETCHED THERMOELECTRIC MATERIAL TIPS，申請日 _。上述共同讓渡的美國專 利申請案皆在此併供參考。 1 .技術範_ : 本發明有關於冷卻物件（如積體電路晶片）的裝置，且本 發明尤其有關於熱電冷卻器。 2 .前案說明： 隨著電腦的速度繼續增加，電腦中電路產生的熱量也繼 續增加，對於許多電路及應用，熱的增加會使電腦的性能 劣化，這些電路因而需要冷卻以更有效率的執行，在許多 低端電腦（如個人電腦）中，僅使用風扇及鰭形件以對流冷 卻方式冷卻電腦，惟，對於大型電腦（如主電腦）其以更高 的速度執行且產生更多的熱，這些解決方法是行不通的。 目別4多主電腦利用蒸氣壓縮冷卻器以冷卻電腦，這些 蒸氣壓縮冷卻器的功能大致與許多家庭中使用的中央空調 -4 - ^紙張尺度適用中國國$^^(CNS) A4規格(210 X 297公釐)~"
装
線
五、發明説明（ 2 B7
器相同，惟，蒸氣壓縮冷卻器的機械複雜性較大，且需要 絕緣及軟管其通過主電腦的各個部分以使特別區域冷卻， 該區域由於過熱而最容易使性能下降。 一種更簡單且便宜的冷卻器是熱電冷卻器，熱電冷卻器 利用一種稱為皮特勒（Peltier)效應的物理原理，它是指電源 的DC電流施加在二個不同材料時會在二個不同材料的接 面吸收熱。因此將熱從熱源去除且傳導到要散熱的熱沈， 因而能增熱源。熱電冷卻器是在積體電路晶片中製造且可 以在不必複雜的機械系統（其為蒸氣壓縮冷卻器需求的）之 下，直接使特定熱源冷卻。 惟，目前熱電冷卻器的效率比蒸氣壓縮冷卻器低，且需 要更多的電力以達成相同的冷卻量，此外，目前熱電冷卻 器可冷卻的元件比蒸氣壓縮冷卻器少，因此期望一種增強 型且冷卻容量高的熱電冷卻器，以便將複雜的蒸氣壓縮冷 卻器從小冷束應用中去除’該應用如：主電腦，熱晶片的 熱管理，RF通訊電路，磁性讀寫頭，光學及雷射裝置，及 汽車冷凍系統。 發明總結 本發明提供一種熱電裝置，在一實例中，熱電裝置包 括：一熱元件之第一部分及熱元件之第二部分。熱元件之 第一部分與一熱板熱連接，熱元件之第二部分與一冷板熱 連接，熱元件之第一及第二部分之一包括複數個接頭，而 熱元件之第一及第二部分之另一包括一實質平面。接頭及 實質平面配置成接近，俾熱元件之第一及第二部分電連 ____ - 5 · 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） ' 一 "" 521141 A7 B7 五、發明説明 接。 附圖簡單說明 本發明的新穎特徵將在後附申請專利範圍中說明，惟， 配a附圖及參考緣示實例的以下詳細說明，即可更了解本 發明本身，及其較佳使用模式，其他目的及優點等，呈 中： 〆、 圖1是習用熱電冷卻（TEC)裝置的高階方塊圖； 圖2是根據本發明具有強化結構介面的熱電冷卻器的剖 面圖； 圖3疋根據本發明圖2中熱電冷卻器2〇〇的正視圖； 圖4A及4B是接頭的剖面圖，根據本發明該接頭如圖2的 接頭250 ; 、圖5的剖面圖是根據本發明而說明接近超格子的接頭的 溫度場； 圖6是根據本發明熱電冷卻器的剖面圖，該冷卻器的全 金屬接頭都具有強化結構介面； 圖7是根據本發明用 M ^ ^ 〗用以形成全金屬接頭的犧牲矽模板的 刮面圖； 的流程圖是根據本發明而說明使用犧牲石夕模 造全金屬錐的典型方法； 圖9疋根據本發明全今凰 王金屬錐的刮面圖，該錐使用定圖案 的光防蝕塗層； j < 口本 圖1 〇的流程圖杲姐诚士六 據本1明而說明使用光防蝕塗層以形 成全金屬錐的典型方法·
521141 A7 B7 五、發明説明（4 ) 圖1 1是具有強化結構介面的熱電冷卻器的剖面圖，其中 根據本發明熱電材料（而不是金屬導電層）形成在介面的接 頭； 圖1 2的流程圖是根據本發明而說明製造熱電冷卻器的典 型方法； 圖1 3的剖面圖說明在熱電材料中製造接頭所需的光防蝕 塗層定位； 圖1 4的圖形是根據本發明而顯示用在熱電冷卻器的表面 上的冷點接頭，以說明接頭相對於表面的定位；及 圖15是熱電力產生器的示意圖。 較佳實例詳細說明 參考附圖尤其是參考圖1，以說明習用的熱電冷卻（TEC ) 裝置的高階方塊圖。熱電冷卻是根據皮特勒（Peltier)效應的 習用原理，它是指電源102的DC電流施加在二個不同材料 時會在二個不同材料的接面吸收熱。一典型熱電冷卻裝置 利用p -型半導體104及η -型半導體106夾在不良電導體108之 間以具有良好的導熱性，η -型半導體106有過多的電子，而 ρ -型半導體104的電子則不足。 當電子從電導體110移到η-型半導體106時，因為從熱源 112吸收熱而使電子的能量狀態升高，此過程具有將電子 通過η-型半導體106及電導體114而到達熱沈116而傳熱的效 應，電子在電導體114中降到低能量狀態以釋出熱能。 冷;東庫（如熱電冷卻器100)的性能係數是冷束庫的冷卻 容量除以冷凍庫的總功率消粍量的值，因此用以下公式表 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)
裝 玎 線 521141 A7 B7 五 發明説明（ 示性能係數： 〇ITc^I2R-KAT 巧一 Ι2Ε^αίΔΤ 其中項aITe是熱電冷卻，項1/2 I2R是焦耳回熱，項ΚΔΤ是 導熱，項I2R是焦耳損失，項αΙΔΤ是皮特勒電壓所作的 工，α是材料的西貝克（Seebeck)係數，Te是熱源溫度，而 △ T是熱源與熱沈間的溫度差。 藉由使電流I達到最佳而導出性能的極大係數，且用以 下關係表示：
裝 其中 % f?(¥)
/+1 玎
線 其中ε是冷凍庫的效率因子，優值Z T用以下公式表示： ΖΓ =
crcfT 其中λ是由二項組成： λ e是電子項，而λ L是格子項。因 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐） 521141 A7 B7 五、發明説明（6 此當優值Z T接近無限大時’即達到極大效率ε，氣體壓縮 式冷凍庫的效率約為〇· 3 ’習用熱電冷卻器（如圖1的熱電冷 卻器100)的效率一般小於〇. 1。因此為了將熱電冷卻器的效 率增加到此一範園，以配合氣體壓縮式冷凍庫必須將優值 ΖΤ增加到大於2，若能使優值ΖΤ大於2，則要將熱電冷卻 器分成數級以達成與氣體壓縮式冷凍庫相同的效率及冷卻 容量。 麥考圖2 ’它是根據本發明具有強化結構介面的熱電冷 卻咨的剖面圖’熱電冷卻器2〇〇包括熱源226，由此引出電 流I ’吸收熱且送入熱沈202，熱源226與欲冷卻的物質作熱 連接，熱沈202與裝置（如熱管，鰭狀件，及/或冷凝器）熱 連接以便將熱從熱源226散去及/或進一步冷卻熱源226。 熱源226包括ρ -型摻雜矽，熱源226與接頭250的η +型換雜 矽區域224及222熱的連接，Ν +型區域224及222是導電的且是 良好導熱體。各Ν+型區域224及222與熱源226形成一逆向二 極體以使熱源226與η+型區域224及222之間無電流，因而使 熱源226與電導體218及220電的絕緣。 熱沈202包括ρ -型摻雜矽，熱沈202與η +型摻雜矽區域2〇4 及206熱的連接，Ν +型區域204及206是導電的且是良好導熱 體。各Ν +型區域204及206與熱沈202形成一逆向二極體以使 熱沈202與Ν +型區域204及206之間無電流，因而使熱沈202與 電導體208電的絕緣。關於熱電冷卻器的電絕緣更進一步資 訊可參考美國專利申請案號09/458,270，名稱Electrically Isolated Ultra-Thin Substrates for Thermoelectric Coolers (IBM 案號 AUS9- -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210x 297公釐)
裝
線 521141 A7 _B7_ 五、發明説明（7 ) 99-0413-US1) ’其讓渡給位於Armonk, New York的ffiM公司，申 請日1999/ 12/09，其内容在此併供參考。 若熱沈202及熱源226完全由未摻雜的非導電矽製造，則 不必用η +及p -區域形成逆向二極體以使導體208與熱沈 202，及導體218及220與熱源226電的絕緣，惟，這極難確保 矽完全未受摻雜，因此η +及ρ -區域提供的逆向二極體可確 保熱沈202及熱源226與導體208，218，及220是電的絕緣。而 且該注意的是可以用它種方式使用逆向二極體以到達相同 的電絕緣，如使用上述ρ -及η +型以外的ρ +型掺雜碎及η -型摻雜矽。本文使用的名詞η+及ρ+分別是指高度η摻雜及 高度ρ摻雜的半導體材料，本文使用的名詞η -及ρ -分別是 指輕度η摻雜及輕度ρ摻雜的半導體材料。 熱電冷卻器200與圖1熱電冷卻器1〇〇的結構類似，惟，已 用超格子熱元件結構210及212(其藉由電導體208而電的連接） 取代Ν -型1〇6及ρ -型1〇4半導體結構介面。電導體208是由鉑 (Pt)製造，或是由其他導電材料製造，如鎢（w)，鎳 (Ni)，或鈦銅鎳（Ti/cu/Ni)金屬膜。 超格子是一種結構由二個不同半導體材料（各為數奈米 厚）的交替層組成，熱元件210是由N -型半導體材料的交替 層組成’而熱元件212的超格子是由ρ -型半導體材料的交替 層組成’在各熱元件210及212的交替材料的各層是10奈米 (nm)厚，二個半導體材料的超格子具有低的導熱係數λ， 及相同的導電係數σ，以作為包括相同的二個半導體材料 的合金。 — ___-10 . __ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(21〇χ297公釐） 521141 A7 _B7___ 五、發明説明（8 ) 在一實例，超格子熱元件212包括p -型鉍黃銅類材料如 Bi2Te3/Sb2Te3層與Bio.5StM.5Te3層交替，而熱元件210的超格子包 括η -型鉍黃銅類材料的交替層，如Bi2Te3層與Bi2Se3層交替。 也可使用它種半導體材料用於熱元件210及212的超格子， 例如在不使用鉍黃銅類材料之下，熱元件210及212的超格 子可以由鉛ί弟方鉛礦材料製造。
裝
線 熱電冷卻器200也包括接頭250而電流I即通過它而進入熱 元件212且接著從熱元件210進入導體218。接頭250包括η +型 半導體222及224形成在錐狀結構中，該結構含有由導電材 料（如鉑（Pt))製造的薄覆蓋層218及210。也可使用其他導電 材料以取代鉑，如鎢（W)，鎳（Ni)，及鈦銅鎳（Ti/Cu/Ni) 金屬膜，接頭250及熱電材料210，212之間及四周的區域應 該抽真空，或是用氣體（如乾氮氣）熔接密封。 蓋住導電層218及220的接頭250的末端是半導體材料214及 216的薄層，層214由p -型材料製造，其具有的西貝克係數 α與熱元件212的超格子至接頭250的最近層相同。層216由 η -型材料製造，其具有的西貝克係數α與熱元件210至接頭 250的最近層相同。對於熱電冷卻器200的功能而言ρ -型熱 電覆蓋層214是必要的，因為冷卻發生在接近金屬的區域其 中產生電子及電洞。n-型熱電覆蓋層216是較佳的，因為會 發生極大冷卻其中西貝克係數的梯度（變化）是極大的。Ρ -型區域的熱電覆蓋層214約為60 nm厚，η-型熱電覆蓋層 216的明確厚度必須定義明確，但可預期的是它的厚度範圍 應該與熱電覆蓋層214的厚度範圍類似。 _- 11 -_ 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X 297公釐） 521141 A7 B7
五、發明説明（9 藉由將電導體（如圖1的導體110)製造在尖接頭25〇而不a 平的介面，即可增加冷卻效率。因為格子不匹 疋 I “曰G，所以在 接頭250點的格子導熱度λ是極小的，例如鉍黃鋼類材料白、 導熱度λ —般約為1瓦/公尺*凱氏溫度，惟，在尖接〶社 構（如接頭250)中，由於格子不匹配而使導熱度減少到約 瓦/公尺*凱氏溫度，惟，熱電材料的導電度仍相對的維^ 不變。因此對於這種材料優值ζ Τ會增加到大於2· 5，另一 種可用於熱元件210及212的材料是鈷銻方鍺礦，這些類材 料一般具有極高的導熱度；I，因而通常是不良的。惟，藉 由使用尖接頭250，可以將導熱度減少到極小，且對於這些 材料可產生大於4的優值ΖΤ，因而使得這些材料極適用於 熱元件210及212。因此尖接頭250的使用進一步增加熱電冷 卻器200的效率，以便能與氣體壓縮冷凍庫相比。 冷點結構的另一優點是將電子限制在小於波長（對應其 動能）的大小，這種限制增加可供運輸的區域狀態密度， 且有效增加西貝克係數，因此藉由增加α及減少λ，即可 增加優值Ζ 丁。 習用熱電冷卻器（圖1 )的正常冷卻容量能產生在熱源與 約6 0凱氏溫度的熱沈之間產生一溫度微分△τ，惟，熱電 冷卻器200能在150凱氏溫度時產生一溫度微分，因此將二 個熱電冷卻器接在一起，即能將溫度冷卻到液態氫的範圍 (小於100凱氏溫度），惟，對於熱元件210及212需要使用不 同的材料，例如蹄化鉍在低溫（即小於-100攝氏度）時具有 極低的α，惟，鉍銻合金在低溫下的性能良好。 —..... - 12 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公 ^1141 五 發明説明（ A7 B7 與紐黃銅㈣料㈣料方料㈣的另—優點（與溫 度操關）是事實上钴銻方始礦材料的結構較料，而叙黃 鋼類材料的結構較弱。 熟於此技藝者了解圖2的熱電冷卻器結構是依應用而不 同，例如可包括比圖！所示更多或更少列的接頭25〇，圖中 的例子並不意欲將本發明限制在該結構。 參考圖3，以顯示根據本發明圖2中熱電冷卻器糊正 视圖’熱電冷卻器300包括n-型熱電材料段職p_型熱電 材料段304，η-型段302及p-型段3〇4都包括薄的導電材料層 306以覆蓋矽本體。 段302包括錐形接頭陣列31〇，各覆蓋著薄的型材料層 308 ’其與用於熱元件21〇的超格子的最接近層的類型相 同。段304包括錐形接頭陣列312，各覆蓋著薄的卜型材料 層314,其與用於熱元件212的超格子的最接近層的類型相 同。 參考圖4 Α及4 Β的接頭的剖面圖，根據本發明該接頭 圖2的接頭250,接頭400包括一矽錐其已藉由約35度的錐 而形成。薄的導電材料層4〇4(如鉑（pt))覆蓋著矽4〇2，薄 為廷材料廣406覆蓋著接頭4〇〇的一端，已沈積所有的層 後，錐角約為45度’接頭400的有效接頭半徑約為5〇奈米。 接頭408是接頭（如接頭250)的另一實例，接頭408包括一 矽錐414具有一導電層412及熱電材料層41〇覆蓋該點。惟， 接頭408比接頭400的錐角更尖銳，接頭4〇8的有效接頭半徑 約為1 0奈米’此時尚不知道接頭的較寬或較窄錐角為較 裝 言丁 如 角 之 線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公 -13- 521141 五 、發明説明（ 11 佳，在本會例中 因此該角度錐角的可已==錐角是45度(圖4A)， 始的石夕形成該結構：：？π 圍的中㈤，且因為易於用覆蓋著 自然形成54产Κ化疋因為沿耆矽的100平面的ΚΟΗ蝕刻 錐角即约45;，因此在已加上導電及熱電層之後， 顏^㈤θ面圖以根據本發明而說明接近超格子的接 二I? ?頭504如圖2的接頭25°，接頭5°4的有效接頭 ^ 于、米因此溫度場區域化到極小的距離r，其 0 4等& 2a或6(MGG奈米’因此超格子5随需要少數層的厚 度d ’其約為100奈米。因此使用尖的接頭，僅具有5到工 層的熱電冷卻器用於超格子即足夠了。 為 習 電 Q此氣造熱電冷卻器（如熱電冷卻器2〇〇)並非極耗時因 僅必須形成數層超格子而不是極耗時的許多層。因此與 用煞屯々卻备（其厚度至少是3亳米）相比，製造出的熱 冷卻咨200可以是極薄（約ι〇〇奈米厚）。 以 元 根據本發明具尖接頭介面的熱電冷卻器的其他優點包括 熱元件（如圖2的熱元件210及212)在接頭介面的導熱度是極 小，而且，將溫度/電壓降區域化到接近接頭的區域， 有效達成降到次100奈米的長度。此外，藉由有效減少熱〜 件長度及使用尖的接頭可以使超格子層的成長數目減到極 小，本發明也允許薄膜結構的電沈積及避免晶片反裝接 合。小的尺寸可達成η -型及p -型熱元件的單片整合·。 中 中 本發明的熱電冷卻器可用以冷卻以下項目，如主電腦 的特定點，雷射，光電裝置，電導體檢測器，及遺傳學 14- 521141 A7 B7 五、發明説明（12 的 PCR。 參考圖6的根據本發明熱電冷卻器的剖面圖，該冷卻器 的全金屬接頭都具有強化結構介面，雖然在上述本發明的 說明中接頭250是由η +半導體區域224及222的矽錐製造，但 圖2的接頭250也可以用圖6的接頭650取代。接頭650具有全 金屬錐618及620，在圖中的實例，錐618及620是由銅製造且 具有鎳的覆蓋層660及662，熱電冷卻器600與熱電冷卻器200 完全相同，包括在接頭650上具有熱電覆蓋層216及214。熱 電冷卻器600也提供與熱電冷卻器200相同的優點，惟，在 使用全金屬錐（而不是矽錐覆蓋著導電材料），錐中的寄生 電阻變的極小，因而除了熱電冷卻器2〇〇已增加的效率外， 更進一步增加熱電冷卻器600的效率。接頭650四周的區域 及接頭650與熱電材料210及212之間的區域應該抽真空，或 是用氮氣熔接密封。 而且在圖2中，熱源226包括ρ -型摻雜矽，惟與圖2相 比，熱源226與η +型摻雜矽區域624及622熱連接，該區域624 及622不形成接頭結構650的一部分，且不與一些區域熱連 接’該區域形成接頭結構的一部分與圖2的區域224及222相 同。ri+型摻雜矽區域624及622仍執行由圖2區域224及222執 行的絕緣功能。 使用數種方法以形成如圖6所示的全金屬錐，例如參考 圖7 ’以顯示根據本發明用以形成全金屬接頭的犧牲矽模 板的剖面圖。犧牲矽模板702已形成具有錐形點之後，一層 金屬即沈積在模板702上以製造全金屬錐704，接著在熱電 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐）
裝 訂
線 521141 A7
發明説明 冷卻器600中使用全金屬錐7〇4。 、參考圖8的流程圖以根據本發明而說明使用犧牲矽模板 以製造全金屬錐的典型方法，首先时的各向異性蚀刻而 製造錐形點以產生模子（步驟8G2)，這是由κ。紐刻，氧 化，及/或聚焦離子束蝕刻的合併而達成，該製造碎錐的 技術是習用的。
裝
接著用籽晶金屬（如鈦或鉑）的薄濺擊層塗在犧牲矽模板 上（步驟8G4) ’鈥是較佳的因為銷與欽相比會形成稍微較圓 的接頭’而與錐形點更配合。接著將銅以電化學方式沈積 以填補犧牲々模板中的谷（錐形點）（步驟8()6)。接著將銅的 上表面平面化（步驟808)，使金屬層平面化的方法是習用 的，接著用習料選擇性姓刻方法將二氧化石夕⑽2)基材 去除（步驟810)。依此製造的全金屬錐接著用另一種金屬 (如鎳或鈦）層覆蓋，且接著用超薄的熱電材料層覆蓋，鎳 或欽層有助於熱電材料覆蓋層的電沈積。 此製造全金屬錐的方法的優點是模子可重覆使用，模子 可重覆使用約10次直到模子壞去不能使用。依形成的模板 可以受到極佳控制，且產生極均一的全金屬錐形點因為矽 蝕刻是可以咼度預測的，且能計算出點的斜度及製造出的 錐的尖銳度到數奈米。 也可使用形成全金屬錐的其他方法，例如參考圖9，以 顯示根“據本發明全金屬錐902的剖面圖，該錐使用定圖案的 光防蝕塗層。在此方法中，在未完成的熱電冷卻器的底部 形成一金屬層，接著使用定圖案的光防蝕塗層9〇4到9〇8以 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） -16 521141
便用直接電化學_方法製造全金屬錐9〇2。 參考圖10的流程圖以根據本發明而說明使用光防蝕塗層 =形成全金屬錐的典型方法，首I在未完成的熱電冷卻 斋（如圖6的熱電冷卻器600)的金屢層（如銅）上將部分光防 蝕塗層定圖案(步驟_。光防蝕塗層在具有光防蝕塗層 的段陣列中定圖案’其中陣列中的各光㈣塗層區域對應 一些區域，其中期望形成全金屬錐的接頭，接著用電化學 方式直接蝕刻金屬（步驟1004)以製造如圖9所示的錐9〇2。接 著去除光防蝕塗層，且接著用另一種金屬（如鎳）塗在全金 屬錐的接頭（步驟1006)。全金屬錐上的第二金屬塗層接著 塗上超薄的熱電材料層（步驟1〇〇8),因此可形成全金屬錐 其在接頭上具有一熱電層，該金屬錐可用在熱電裝置（如 熱電冷卻器600)。依此產生的全金屬錐形點與圖8方法所產 生的相比’不必是均一的。惟，目前此方法較便宜因此若 成本是重要因素，則此方法是較佳的方法。 上述製造全金屬錐的方法只是例子，也可使用其他方法 以製造全金屬錐以用於熱電冷卻器，此外，除了銅以外對 於全金屬錐也可使用它種金屬。 參考圖1 1具有強化結構介面的熱電冷卻器的剖面圖，其 中根據本發明熱電材料（而不是金屬導電層）形成在介面的 接頭。熱電冷卻器1100包括冷板1116及熱板11〇2，其中冷板 與要冷卻的物質作熱接觸，熱導體1114及1118分別提供導電 板1112與1120間的熱連接，熱導體1114及1118是由重度n摻雜 (η + )半導體材料製造，以藉由形成與冷板1116的ρ -材料白勺
逆向偏壓二極體而提供冷板i 1 16與導體丨丨12及1 12〇之間的絕 緣。因此熱從冷板1116經由導體丨1丨2及1120而傳到熱板 1102 ’由此在熱電冷卻器1100與要冷卻的物質之間無電連接 足下而散溢。類似的，熱導體11〇4提供導電板11〇8與熱板 1102之間的熱連接’同時如上所述藉由形成與熱板丨1〇2的p -摻雜半導體材料的逆向偏壓二極體而維持熱板與導電板 1108之間的絕緣。熱導體丨丨〇 4及丨丨〇 6也是一種n +型摻雜 半導體材料。在此實例，導電板11〇8，丨112，112〇是由鉑（pt) 製造，惟，也可使用其他材料其係電及熱的導體。而且， 疏左意的是接頭1130到1140四周的區域及接頭mo到1140與 熱電材料1122及1110之間的區域應該抽真空或是用乾氮熔接 密封。 在此貫例中’不經由金屬電極中的點陣列而提供熱元件 與熱源（冷端）金屬電極（導體）間的接觸（圖2及6 )，相反的 由熱元件1124及1126中的點陣列113〇到114〇提供熱元件與金 屬電極間的點陣列接觸，在上述參考圖2及6的實例中，冷 ‘的金屬包極形成在矽接頭上，或者直接蝕刻金屬圖案以 形成全金屬接頭。惟，這些方法需要藉由電化學方法而將 熱電材料沈積在冷電極及熱電極上，電沈積材料於聚晶且. 不具有極平的表面。而且，表面熱電特性不一定比單晶熱 電材料優良。回火可改良聚晶材料的熱電特性，但是低於 l〇〇nm粗糙度的表面光滑度仍是問題，藉由電化學蝕刻可 以從單晶或是聚晶熱電材料形成本實例的接頭113〇到。 在一實例中，熱元件1丨24包括單晶Bi2Te3/Sb2Te3及Bi〇 5Sbi 5Te3 ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ 1126^ * ^ ,¾ Bi2Te3/Bi2Se3^Bi,Te2,Se0,^ 521141
超格子形成。導電板1120塗上熱電材料的薄層1122，該材料 與接頭1130到1134(最接近薄層112〇)的材料相同’導電板 m2塗上熱電材料的薄層1110,該材料與接頭1136到ιΐ4〇(最 接近薄層1112)的材料相同。 參考圖1 2的流程圖以便根據本發明而說明製造熱電冷卻 器（如圖11的熱電冷卻器1100)的典型方法，最佳單晶材料 首先藉由習用裝置（或金屬電極）沈積在單晶材料而與金屬 電極接合，以形成電極連線圖案（步驟12〇2),熱電材料1314 的另一側接著由光防蝕塗層1302到1306定圖案（圖丨3 K步驟 1204)，而且在電化學浴中使用金屬電極作為陽極以電化學 蝕刻表面（步驟1206)，圖13所示的接頭13〇8到1312則藉由在 適當時間控制及中止I虫刻過程而形成。 藉由化學機械研磨而使第二單晶基材變薄，接著電化學 蝕刻整個基材到奈米膜（步驟1210)，含超薄基材的第二基 材形成冷端，且施壓以便將二個基材（一是含超薄熱電材 料者，而另-是含熱電接頭者)夾在一起(步驟1212)，此結 構可以在接頭的介面以外的所有區域維持高度結晶，而 且’相同的方法可用以製造聚晶材料而不是單晶結構。 參考圖14的圖形以根據本發明而顯示用在熱電冷卻器的 表面上的冷點接頭，以說明接頭相對於表面的定位。雖然 已將接頭以熱電接頭來說明（不論是在全金屬或塗有金屬 的接頭上產生）’其與接頭的相對表面接觸，$，雖然接 頭與相對表面接觸，最好在不接觸表面之下接頭接近該相 對表面（圖14)。圖丨4的接頭丨402接近相会表面丨4〇4但是未
裝
線
521141
與相對表面作貫體接觸，較佳的，接頭14〇2應該與相對表 面1404相隔一距離d(約5奈米或更小），實際上，在含有數 千個接頭的熱電冷卻器中，部分接頭與相對表面接觸，而 其他接頭則未作接觸這是因為與相對表面的完美平面有偏 差。 藉由使接頭不與相對表面接觸，熱電冷卻器的冷板與熱 板之間的導熱量即可減少，惟可維持導電，這是因為接頭 與相對表面間電子的隧道效應。 已將本發明的接頭當成完美的尖銳接頭來說明，惟如圖 14所示，實際上的接頭一般具有稍微更圓的末端（如接頭 02所示）丨隹接 >員愈接近完美的尖銳，在熱板的熱溫與冷 板的冷溫之間達成溫度梯度所需的超格子數目即愈少。 較佳的，接頭丨4〇2的彎曲末端的曲度半徑。為數十奈 米’表面1404下方熱電材料的相鄰區域間的溫度差，在接 頭1402的末端的曲度半徑Γ()的2到3倍距離之下會接近〇。因 此少數幾層超格子1406到1414即夠了。因此當使用本發明的 接 >員on使熱板與冷板產生電接觸時，與接頭相反的超格子 材料是可行的。這與習用成對比，其中為了使用無接頭的 超格子結構，需要至少1〇〇〇〇層的超格子以具有足夠厚度， 其中允_溫度梯度接近0。如此多的層是不可行的，但是 本發明僅使用5或6層則是更可行。 雖然已主要參考熱電冷卻裝置（皮特勒裝置）其含有用於 冷卻的尖接頭介面來說明本發明，熟於此技藝者了解能利 用本發明來產生電，熟於此技藝者了解熱電裝置可用於皮
297公釐） 521141 A7 B7 五、發明説明（18 ) 特勒模式（如上所述）以用在冷凍’或是用於西貝克模式以 用在電力產生。參考圖15，以顯示熱電力產生器的示意 圖。為了易於了解及解釋熱電力的產生，將以習用的熱電 力產生器，而不是以利用本發明的冷點接頭的熱電力產生 器來說明’惟’該注意的是在根據本發明的熱電力產生為 實例中，熱元件1506及1504可以被冷點接頭（如以上任何冷 點接頭實例所詳述的）取代。 在熱電力產生器1500中，在電流不從電源102通過熱電裝 置之下（圖1)，在熱電裝置1500中產生溫度微分TH-TL，該 溫度微分Τ η - T L會經由電阻性負載元件1502而產生電流 I (如圖1 5所示）。此操作模式與圖1所示的操作模式相反。 因此在不以電阻1502取代電源102之下，且維持熱元件 1512及1516分別與熱源QH及QL分別具有一定溫度ΤΗ及TL之 下，熱電裝置1500在組成元件上與圖1的熱電裝置102相 同。因此熱電冷卻裝置1500利用p -型半導體1504及η -型半導 體1506，其夾在不良導體1508之間，以具有良好的導熱性。 各元件1504，1506，及1508分別對應圖1的元件104，106，及 108。熱電裝置1500也包括電導體1510及1514對應圖1的電導 體110及114，關於熱電力產生的更多資訊可參考CRC Handbook of Thermoelectrics, edited by D. M. Rowe，Ph.D.，D.Sc.，CRC Press，New York，（1995) pp· 479-488，及 Advanced Engineering Thermodynamics. 2nd Edition, by Adiran Bejan, John Wiley & Sons, Inc., New York (1997)，pp· 675-582，其皆在此併供參考。 主要已參考錐形接頭來說明本發明，惟，也可使用它種 ____-21 -__ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐）
裝 訂
線 521141 五 A7 B7 發明説明（19 ) 形狀的接頭，如金字塔形接頭。事實上，接頭的形狀不必 對稱或均一，只要它提供一組大致尖銳的接頭即可，其中 可提供熱電冷卻器的二端之間的導電。本發明可應用在任 何小-型冷凍應用中，如冷卻主電腦，熱晶片及r F通訊電 路的熱管理，冷卻硬碟機的磁頭，汽車冷凍，及冷卻光學 及雷射裝置。 已將本發明作了說明，但它並不意欲是無所不包或是限 制本發明在上述形手，熟於此技藝者了解許多改良及變 化。上述選擇作說的實例只是為了最佳解釋本發明的原 理’實際應用，及使熟於此技藝者了解本發明的各種實 例，而且允許為了特別用途可以作各種改良。 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

Claims (1)

  1. 521141 A B c D 六、申請專利範圍 1. 一種熱電裝置，包括： 一熱元件之第一部分，與一熱板熱連接；及 一熱元件之第二部分，與一冷板熱連接； 其中熱元件之二個部分之一包括複數個接頭，而熱元 件之二個部分之另一包括一實質平面；及 其中複數個接頭及實質平面配置成接近以提供電連 接。 2·如申請專利範圍第1項之熱電裝置，其中複數個接頭之 至少一者未與平面實體接觸。 3.如申請專利範圍第1項之熱電裝置，其中複數個接頭之 至少一者與平面實體接觸。 4·如申請專利範圍第1項之熱電裝置，其中複數個接頭額 定在平面之1〇〇奈米中。 5.如申請專利範圍第1項之熱電裝置，其中在複數個接頭 之熱電材料與平面之熱電材料間有一格子不匹配。 6·如申請專利範圍第1項之熱電裝置，其中熱元件之第一 與第二部分間之間隙包括一真空。 7.如申請專利範圍第1項之熱電裝置，其中熱電冷卻器係 溶接密封，且熱元件之第一與第二部分間之間隙包括一 氮氣。 8·如申請專利範圍第7項之熱電裝置，其中氮氣係乾氮 氣。 入 9·如申請專利範圍第1項之熱電裝置，其中包括一實質平 面之熱元件之一部分包括二個熱電材料之超格子，而熱 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇 x 297公釐) 521141 A8 B8 C8 ---- D8 __ 六、申請專利範固 70件之其他部分包括一熱電材料類，其與二個熱電材料 <超格子之最接近層相同。 1〇·如申請專利範圍第1項之熱電裝置，其中複數個接頭之 每一者係實質錐形。 1L如令凊專利範圍第1項之熱電裝置，其中接頭具有圓形 末端。 12·如申請專利範圍第1項之熱電裝置，其中一電源接到熱 t裝置’俾熱電裝置在一冷卻模式中操作。 13·如申凊專利範圍第1項之熱電裝置，其中在冷板與熱板 間維持一溫度梯度，俾熱電裝置在一電力產生模式中操 作。 $ 14· 一種用於熱電裝置之熱元件，該熱元件包括： 熱電材料之第一部分，具有一實質平面；及 熱電材料之第二部分，具有一複數個接頭； 其中複數個接頭接近實質平面，俾在熱電材料之第一 與弟一部分間存在一導電路徑。 15·如申請專利範圍第14項之熱元件，其中熱電材料之第一 部分包括兩種熱電材料之超格子。 16·如申請專利範圍第14項之熱元件，其中複數 一者包括一實質錐形。 、母 Π·如申請專利範圍第14項之熱㈣，其中複數個接頭之 一者包括一圓的末端。 18.如申請專利範圍第14項之熱元件，其中複數個接頭之一 一者與實質平面相距額定小於1〇〇奈米。 、《母 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X撕公嫠) 521141 8 8 8 8 A BCD 申請專利範圍 19. 如申請專利範圍第1 4項之熱元件，其中複數個接頭之至 少一者與實質平面實體接觸。 20. 如申請專利範圍第1 4項之熱元件，其中複數個接頭之至 少一者未與實質平面實體接觸。 -25- 本紙張尺度通用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公董.)
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