具有可变横截面连接结构的热电装置
阅读：160发布：2020-05-13
专利汇可以提供具有可变横截面连接结构的热电装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种具有可变横截面连接结构的热电装置包括第一 电极 、第二电极和连接第一电极和第二电极的连接结构。连接结构具有第一部分和第二部分。第二部分的宽度大于第一部分的宽度，第一部分的宽度小于大致相当于经过第一部分的声子的 平均自由程 的宽度。，下面是具有可变横截面连接结构的热电装置专利的具体信息内容。
1.一种具有可变横截面连接结构的热电装置，所述热电装置包括：
第一电极；
第二电极；以及
具有第一部分和第二部分的连接结构，所述连接结构连接所述第一电极和所述第二电极，其中所述第一部分具有宽度且所述第二部分具有宽度，其中所述第二部分的宽度大于所述第一部分的宽度，且其中所述第一部分的宽度小于大致相当于经过所述第一部分的声子的平均自由程的宽度。
2.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述连接结构具有第三部分，其中进一步地，所述第一部分位于所述第二部分和所述第三部分之间，且其中所述第三部分的宽度大于所述第一部分的宽度。
3.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述第二部分包括锥形横截面，且其中所述第一部分连接到位于所述锥形横截面一端的尖端。
4.根据以上权利要求中的任一项所述的热电装置，其中所述第一部分包括从以下材料构成的组中选择的材料：硅、锗、碲化铋、碲化铅、锑化铋、镧硫族化物以及硅、锗、碲化铋、碲化铅、锑化铋、镧硫族化物中的一种或多种的合金。
5.根据以上权利要求中的任一项所述的热电装置，其中所述第一部分与所述第二部分包括相同的材料。
6.根据权利要求1到4中的任一项所述的热电装置，其中所述第一部分与所述第二部分包括不同的材料。
7.根据以上权利要求中的任一项所述的热电装置，其中所述第一部分具有长度，所述第一部分的长度大于大致相当于经过所述第一部分的声子的平均自由程的长度。
8.根据权利要求1所述的热电装置，其中所述第一部分的宽度和所述第二部分的宽度形成过渡，其中所述过渡是平直的。
9.根据以上权利要求中的任一项所述的热电装置，其中所述第二部分具有纳米尺度的宽度。
10.根据以上权利要求中的任一项所述的热电装置，还包括：
多个第二电极，
多个连接结构，所述多个连接结构中的每个连接结构具有第一部分和第二部分，所述多个连接结构中的每个连接结构将所述第一电极连接到所述多个第二电极，其中所述第一部分中的每个第一部分的宽度小于大致相当于经过所述第一部分的声子的平均自由程的宽度，且其中所述多个连接结构中的每个连接结构是n型结构或p型结构。
11.根据权利要求10所述的热电装置，其中将所述n型结构布置成组并连接在所述第一电极和一第二电极之间，将所述p型结构布置成组并连接在所述第一电极和另一第二电极之间，其中所述n型结构的组与所述p型结构的组交替布置，所述第一电极将一组n型结构的一端与相邻组的p型结构的一端相连接。
12.一种制造根据以上权利要求中的任一项所述的热电装置的方法，所述方法包括：
提供至少一个第一电极；
提供一段或多段连接结构材料，其中所述一段或多段连接结构材料中的至少一段连接到所述至少一个第一电极，其中所述连接结构由所述一段或多段连接结构材料形成；以及提供与所述一段或多段连接结构材料中的至少一段接触的至少一个第二电极。
13.根据权利要求12所述的方法，其中提供一段或多段连接结构材料还包括利用催化的纳米线生长工艺来生长所述一段或多段。
14.根据权利要求13所述的方法，其中使用催化的纳米线生长工艺还包括如下至少一项：改变前体以改变所述一段或多段的成分，以及改变施加到所述一段或多段的压力以改变所述一段或多段的直径。
15.根据权利要求12-14中的任一项所述的方法，其中提供所述一段或多段连接结构材料还包括通过应用一种或多种氧化工艺使所述第一段与所述第二段相比具有不同的宽度。
具有可变横截面连接结构的热电装置
背景技术
[0002] 根据ZT测量热电装置的效率，ZT是无量纲的品质因数(figure of merit)，由下式定义
[0003] 方程(1)：
[0004] 其中S为热电功率，σ为电导率，k为热导率，T为热电装置的温度。热电功率(S)由下式定义
[0005] 方程(2)：
[0008] 在以下附图中以举例方式而非限制方式例示了实施例，其中类似的附图标记表示类似的元件，其中：
[0009] 图1示出了根据本发明实施例的热电装置的一部分的横截面侧视图；
[0010] 图2示出了根据本发明另一实施例的热电装置的一部分的横截面侧视图；
[0011] 图3示出了根据本发明另一实施例的热电装置的一部分的横截面侧视图；
[0012] 图4示出了根据本发明另一实施例的热电装置的横截面侧视图；以及[0013] 图5示出了根据本发明实施例的制造图1-4所示的热电装置的方法的流程图。
具体实施方式
[0014] 为了简单和例示的目的，主要参考其范例描述实施例的原理。在下述说明中，阐述很多具体细节，以提供对实施例的透彻理解。但是，显然，对于本领域技术人员而言，可以实践实施例而不限于这些具体细节。在其他情况下，未详细描述公知的方法和结构，以免不必要地使实施例的描述模糊不清。
[0015] 这里公开的是一种热电装置，其包括至少一个n型部分和至少一个p型部分。每个n型部分和每个p型部分都具有第一电极、第二电极以及一个或多个连接第一电极和第二电极的连接结构。N型部分和p型部分电气串联连接，但热学上并联，使得热电装置的末端可以处于相同的温度。连接结构包括至少两个串联连接的部分，其被配置成使第一电极和第二电极之间的声子传导基本最小化，同时对经过连接结构的电子传导具有成比例地更小的限制效果。
[0016] 首先参考图1，示出了根据实施例的热电装置的部分100的横截面侧视图。图1所示的部分100应被理解为表示热电装置，例如图4所示的热电装置400的n型区域和p型区域之一。应当理解，图1所示的部分100可以包括额外的部件，且这里所述的一些部件可以被去除和/或修改而不脱离包含部分100的热电装置的范围。例如，部分100可以包括热电装置的额外的n型或p型区域，如图4中的热电装置400所示。
[0017] 部分100被配置成从跨越热电装置的温度梯度产生电流或通过热电装置施加电流而产生跨越热电装置的温度梯度。如图1所示，热电装置100包括第一电极102、第二电极104以及多个连接第一电极102和第二电极104的连接结构110。每个连接结构110包括第一部分112和第二部分114。
[0018] 不同材料的热电功率不同，通常，半导体的热电功率大约比金属大100倍。此外，半导体的热电功率的大小取决于掺杂浓度。对于低掺杂半导体而言热电功率一般较大，而对于高掺杂半导体而言一般较小。因此，一方面，由适当掺杂的半导体材料形成连接结构110以产生足够水平的热电功率。
[0019] 根据实施例，第一部分112具有一宽度，该宽度是基本平行于第一电极102和第二电极104延伸的尺度的尺度，其基本上限制了声子传导，对经过第一部分112的电子传导水平的限制效果成比例地更小。更具体而言，对于形成第一部分112的一种或多种材料而言，第一部分112的宽度小于大致相当于声子的平均自由程的宽度且大于大致相当于电子的平均自由程的宽度。可以将声子的平均自由程定义为碰撞之间声子行进的平均距离，其取决于声子经过什么材料行进以及确定声子的平均自由程时材料的温度。此外，可以将电子的平均自由程定义为碰撞之间电子行进的平均距离，其取决于电子经过什么材料行进以及确定电子的平均自由程时材料的温度。
[0020] 一般而言，对于大部分材料和大部分温度而言，电子的平均自由程小于声子的平均自由程。此外，随着第一部分112的宽度与相当于声子平均自由程的宽度之比的减小，声子散射增加。结果，大大增加的声子散射可以完全或接近完全抑制声子传导，减小热导率。相反，通过电子或空穴载流子在半导体中的运动/迁移而发生的电导率将受到显著小的影响，因为对于形成第一部分112的材料而言，第一部分112的宽度大于相当于电子的平均自由程的宽度。这样选择第一部分112的宽度以散射声子，而对电子或空穴载流子经过第一部分112的运动/迁移没有显著负面影响。
[0021] 在常规通常由横向尺寸更大的结构构成的热电装置中，电导率(σ)追随着热导率(k)。相反，第一部分112能够使电导率(σ)与热导率(k)部分解耦，因为在半导体中，电导率主要是由电子运动导致，而热导率主要由声子运动导致。随着112的直径的减小，热导率(k)以比电导率(σ)更大的速率减小。结果，由于两者都与无量纲的品质因数(ZT)有关系，效率将相应地增大。这样一来，且如上所述，第一部分112的宽度一般会使声子运动最小化，同时仍然使电子能够较自由地运动。
[0022] 第一部分112的长度是基于使连接结构110中的电阻量基本最小化的距离计算的。更具体而言，第一部分112的长度范围可以从相当于形成第一部分112的材料的声子的一个或几个平均自由程的长度到几个微米。不过，因为电阻与第一部分112的长度成正比，所以第一部分112的长度较短是合乎需要的，以便减小电阻。
[0023] 根据实施例，第二部分114具有一宽度，确定该宽度的大小，以允许经过第二部分114传导声子和电子。更具体而言，第二部分114的宽度可以大于相当于经过第二部分114的材料的声子的平均自由程的宽度。在一个方面中，第二部分114的更大宽度用于减小其电阻，因此，第二部分114可以具有比相当于经过第二部分114的材料的声子的平均自由程的宽度大很多倍的宽度。
[0024] 此外，第二部分114具有可以最小化的长度，以便使连接结构110中的电传导最大化。
[0025] 通过使第一部分112与第二部分114串联，在与长度和宽度类似于第一部分112的恒定横截面常规连接结构相比时，可以大大减小连接结构110的总电阻。不过，连接结构110可以具有与恒定横截面常规连接结构可比拟的，尽管有些更小的散射声子的能力。
[0027] 作为具体范例，第一部分112和第二部分114由硅构成。在硅中，声子的平均自由程大约为100nm，而电子或空穴的平均自由程大约为10nm。这样一来，在本范例中，第一部分112具有介于10nm和100nm之间的宽度。此外，第二部分114具有大于100nm的宽度。
[0028] 作为另一具体范例，连接结构110中的每个都具有由锗构成的第一部分112和由硅构成的第二部分114，在界面处有异质结。在本范例中，使用多种材料对连接结构110的制造方法有利，如这里在下文中更详细描述的。
[0029] 不过，根据另一个范例，在制造连接结构110期间可以用多种材料形成合金。在本范例中，锗扩散到硅中的速率可以比硅扩散到锗中的速率更快。在形成过程中通过相互扩散将不同材料组合成合金的情况下，附加的益处是声子散射在合金中显著增大，在这种情况下，合金为硅锗合金。可以通过在沉积连接结构110期间改变多种材料，例如前体的比例来实现连接结构110成分的逐渐变化。此外，不同材料的不同晶格常数诱发的应变也可能增大声子散射。
[0030] 现在参考图2，示出了根据另一实施例的热电装置的部分200的横截面侧视图。类似于图1中所示的部分100，图2所示的部分200应被理解为表示热电装置，例如图4所示热电装置400的n型区域和p型区域之一。应当理解，图2所示的热电装置的部分200可以包括额外的部件，且这里所述的一些部件可以被去除和/或修改而不脱离包含部分200的热电装置的范围。
[0031] 如图2所示，部分200包括第一电极102、第二电极104以及多个连接第一电极102和第二电极104的连接结构210。连接结构210中的每个都由第一部分112、第二部分114和第三部分216构成。
[0032] 部分200的连接结构210与图1所示的部分100的连接结构110执行基本相同的功能。这样一来，对于形成第一部分112的一种或多种材料而言，连接结构210中的每个的第一部分112的宽度小于大致相当于声子的平均自由程的宽度且大于大致相当于电子的平均自由程的宽度。此外，第二部分114的宽度大于大致相当于形成第二部分114的一种或多种材料的声子的平均自由程的宽度。类似于第二部分114，第三部分216的宽度也大于大致相当于形成第三部分216的一种或多种材料的声子的平均自由程的宽度。
[0033] 参考图3，示出了根据另一实施例的热电装置的部分300的横截面侧视图。类似于图1中所示的部分100和图2中所示的部分200，图3所示的部分300应被理解为表示热电装置，例如图4所示热电装置400的n型区域和p型区域之一。应当理解，图3所示的热电装置的部分300可以包括额外的部件，且这里所述的一些部件可以被去除和/或修改而不脱离包含部分300的热电装置的范围。
[0034] 如图3所示，部分300包括第一电极102、第二电极104以及多个连接第一电极102和第二电极104的连接结构310。连接结构310中的每个都由第一部分112和第二部分314构成。
[0035] 连接结构310与图1和2所示的部分100和200的连接结构110、200执行基本相同的功能。对于形成第一部分112的一种或多种材料而言，连接结构310中的每个的第一部分112的宽度小于大致相当于声子的平均自由程的宽度且大于大致相当于电子的平均自由程的宽度。类似于图1和2所示的第二部分114，第二部分314的一部分的宽度大于大致相当于形成第二部分314的一种或多种材料的声子的平均自由程的宽度。不过，与图1和2所示的第二部分114不同的是，第二部分314具有锥形形状，底位于第二电极104上，顶连接到第一部分112并与第一部分112具有类似宽度。尽管将第一部分112和第二部分314图示为在其相交位置320处大小相同，但应该理解，第一部分112和第二部分314之一可以比第一部分112和第二部分314中的另一个具有更大宽度，这不脱离连接结构310的范围。在这种情况下，在第一部分112和第二部分314的相交处320可以形成间断性(discontinuity)。
[0036] 在替代实施例中，尽管未示出，第一部分112也具有锥形形状，类似于第二部分314，锥形形状的底与第一电极102接触。在这一实施例中，第一部分112和第二部分314的尖端彼此接触，对于形成第一部分112和第二部分314中任一个或两者的一种或多种材料而言，尖端中的至少一个具有的宽度小于或大致相当于声子的平均自由程且大于大致相当于电子的平均自由程的宽度。此外，在第一部分112和第二部分314的尖端的相交处320可以形成间断性。在这种情况下，尖端之一可以具有比形成所述尖端之一的一种或多种材料的声子的平均自由程更大的宽度。
[0037] 参考图4，示出了根据实施例的热电装置400的横截面侧视图。应当理解，图4所示的热电装置400可以包括额外的部件，且这里所述的一些部件可以被去除和/或修改而不脱离热电装置400的范围。例如，热电装置400可以包括任意数量的第一电极、第二电极和连接结构。
[0038] 如图4所示，热电装置400包括第一电极102、一对第二电极104和一对连接结构410。第一电极102被示为通过一对p型和n型连接结构410连接到第二电极104。尽管p型和n型连接结构410中的每个都被示为将第一电极102连接到相应的第二电极104，但应该理解，多个p型和n型连接结构410可以将第一电极102连接到第二电极104。
[0039] 尽管图4中未明确示出，但热电装置400的连接结构410可以具有图1-3中所示连接结构110、210和310中的任一个的形状。此外，除了连接结构410之外，还可以为热电装置400提供机械支撑。机械支撑可以包括例如绝缘体或从热电装置400的形成过程中保留下来的氧化物层。
[0040] 现在参考图5，示出了根据实施例制造图1-4所示的热电装置400的部分100、200和300的方法500的流程图。应当理解，图5中所示的方法500可以包括额外的步骤，可以去除和/或修改这里所述的一些步骤而不脱离方法500的范围。
[0041] 在步骤502，可以提供至少一个第一电极102。例如，可以通过任何适当工艺，例如生长、化学气相沉积、溅射、蒸镀、构图、键合等中的一种或多种形成所述至少一个第一电极102，以提供所述至少一个第一电极102。作为另一范例，可以预制至少一个第一电极102，提供的步骤可以包括相对于至少一个第二电极104设置至少一个第一电极102。
[0042] 在步骤504，可以提供一段或多段连接结构材料，使得一段或多段材料中的至少一个与第一电极102接触。例如，可以通过任何适当的形成工艺形成一段或多段连接结构材料来提供一段或多段连接结构材料，形成工艺例如是生长、催化或无催化化学气相沉积、物理气相沉积、分子束沉积、分子束外延、激光烧蚀、溅射、选择性蚀刻等。作为另一范例，可以预制一段或多段连接结构材料，提供的步骤可以包括设置一段或多段连接结构材料，从而将一段或多段连接结构材料中的至少一段设置成与第一电极102接触。
[0043] 一段或多段连接结构材料由形成连接结构110、210、310、410的材料构成。就此而言，一段连接结构材料可以包括形成第一部分112的一种或多种材料，另一段连接结构材料可以包括形成第二部分114、314的一种或多种材料，等等。此外，当在步骤504提供多段连接结构材料时，可以将这些段扩散在一起以如上所述增强声子散射。在任何情况下，在形成连接结构110、210、310、410期间，可以将不同段的连接结构110、210、310、410形成为具有可变的横截面。
[0044] 不过，任选地，在步骤506，如果在步骤504期间未生成可变横截面，可以修改一段或多段连接结构材料。如果执行的话，可以修改一段或多段连接结构材料，以形成具有如上所述的相应的第一部分112和第二部分114、314的一个或多个连接结构110、210、310、410。可以通过任何适当工艺或工艺组合来修改一段或多段连接结构材料，工艺例如是掩蔽、选择性蚀刻、氧化、扩散、光刻等中的一种或多种。
[0045] 作为特定范例，可以由多段由不同材料构成的连接结构材料形成一个或多个连接结构110、210、310、410。在本范例中，多段连接结构材料之一包括锗，另一段连接结构材料包括硅。掩蔽包括硅的连接结构材料段以保护它不受环境氧化。然后氧化连接结构材料段，在未被掩蔽的包括锗的连接结构材料段上形成二氧化锗(GeO2)。然后可以有选择地去除连接结构材料的锗段上的二氧化锗而不去除硅，以形成第一部分112，使得第一部分112的宽度小于第二部分114、314。此外或替代地，可以不从连接结构材料的锗段去除二氧化锗，因为包括热传导和电传导的主要传导将经过连接结构的未氧化区域。这样一来，可以有选择地去除二氧化锗以获得经过连接结构的期望的传导性质。此外，可以将连接结构材料的锗段形成的第一部分112的宽度减小到小于大致相当于经过第一部分112的声子的平均自由程的宽度。
[0046] 在另一个范例中，连接结构段也是由Ge和Si形成并且所述段被氧化。不过，在本范例中，Si段不受掩蔽的保护。Si和Ge段都被氧化，但速率不同，使得不同段的宽度减小不同的量。在本范例的进一步明确表达中，然后将氧化的结构暴露于选择性蚀刻剂，例如水，其去除Ge氧化物但不去除Si氧化物。重复上述氧化和蚀刻工艺以较之Si段的直径多得多地减小Ge段的直径，生成连接段的期望的可变横截面。
[0047] 作为另一特定范例，连接结构110、210、310、410中的一个或多个通过由不同材料构成的多种连接结构材料形成，通过利用不同材料的不同扩散速率形成第一部分112和第二部分114。在本范例中，连接结构段之一包括锗，连接结构段中的另一个包括硅。一般而言，锗扩散到硅中比硅扩散到锗中更快。扩散速率的这种差异导致从连接结构的锗段向连接结构的硅段输送了净质量，这导致连接结构的初始锗段与连接结构的初始硅段相比具有更细的锥形段。
[0048] 在步骤508，可以提供至少一个第二电极104。例如，可以通过任何适当工艺，例如生长、化学气相沉积、溅射、蚀刻、光刻等中的一种或多种形成至少一个第二电极104，以提供至少一个第二电极104。或者，如在步骤504和506中所述，可以在形成连接结构110、210、310之前提供至少一个第二电极104。不过，在提供连接结构110、210、310之后提供至少一个第二电极104可以更容易地促进通过利用催化的纳米线生长的工艺形成热电装置
100-400。例如，可以在利用催化的纳米线的整个工艺中改变压力，以便改变连接结构110、
210、310的直径。
100-400。例如，可以在利用催化的纳米线的整个工艺中改变压力，以便改变连接结构110、
210、310的直径。
[0049] 作为另一具体范例，可以使用方法500来形成热电装置400，其具有形成为图4所示的n型和p型半导体的连接结构410。在本范例中，将热电装置400形成为具有多个连接结构410，其中，将特定的一对电极102、104之间的一个或多个连接结构410掺杂成p型或n型半导体，并将特定的另一对电极102、104之间的一个或多个连接结构410掺杂成n型或p型半导体中的另一种。更具体而言，例如，可以在提供n型连接结构410的同时掩蔽p型连接结构410，可以在提供p型连接结构410的同时掩蔽n型连接结构410，以基本防止p型和n型连接结构410之间的交叉污染。
[0050] 这里已描述和图示的是实施例及其一些变化。仅仅通过例示来阐述这里使用的术语、描述和附图，而并非意在构成限制。本领域的技术人员将认识到，在主题及其等同物的精神和范围之内很多变化是可能的，意在由以下权利要求界定主题，其中所有术语都以其最宽的合理意义表达含义，除非另有陈述。
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