通过蚀刻半导体晶片制造的低维热电装置制造方法及图纸

在一些实施方式中，本发明专利技术涉及包括纳米结构热电元件的热电装置，所述纳米结构热电元件通过蚀刻掺杂半导体晶片形成。本发明专利技术还涉及制造和使用所述热电装置的方法，以及使用所述装置的系统。所述装置及其制造的特征在于采用“自上而下”方法形成其中使用的纳米结构热电材料或低维热电材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及传热和发电装置，更具体地涉及固态传热装置。
技术介绍
传热装置可用于各种加热/冷却和发电/热回收系统，例如制冷、空调、 电子冷却、工业温度控制和通过废热回收发电。这些传热装置还可调节以 满足具体系统和环境的控热需要。然而，现有的传热装置如依赖于制冷循 环的装置是环境不友好的，具有有限的寿命，并且由于机械部件如压缩机 和制冷剂的使用而体积庞大。与之相比，固态传热装置具有一定的优势，例如高的可靠性、减小的 尺寸和重量、降低的噪音、低的维护成本和更加环境友好。例如，热电装置通过经由n型和p型半导体热电元件的电荷流动来传热，所述n型和p 型半导体热电元件形成串联(或并联)电连接且并联热连接的结构。然而，现有的热电装置由于成本较高且效率低而限于小规模的应用，例如汽车座椅 冷却器、卫星和航天探测器中的发电机和电子设备中的局部控热。在给定的操作温度下，热电装置的传热效率可由品质因数表征，品质 因数取决于该装置所用热电材料的塞贝克系数、导电率和导热率。已利用 多种方法通过改善品质因数值来提高热电装置的传热效率，其中大多集中 于低维热电结构。例如，在一些传热装置中釆用二维超晶格热电材料来增 大这些装置的功率因数值(见例如Hicks等的Experimental study of the effect of quantum-well structures on the thermoelectric figure of merit, Phys. Rev. B, vol. 53(16), R10493-R10496, 1996)。这些装置可能需要通过例如分子束外延 或气相沉积等方法沉积二维超晶格热电材料。其它装置采用一维纳米棒系 统(参见2005年5月26日提交的美国专利申请No. 11/138,615)。然而，所 有这些装置均采用自下而上沉积方法制造。因而，成功制造这些装置需要 沉积技术的大力发展，以使沉积技术对掺杂、结晶度、纯度和其它相关参 数给予足够的控制以产生可靠、高效的热电性能。因而，需要提供通过改善其品质因数获得提高的效率的传热装置，以 及制造这种装置的经济的方法。此外，有利的是提供能够调节以满足具体 系统和环境控热需要的装置。
技术实现思路
在一些实施方式中，本专利技术涉及包括纳米结构热电元件的热电装置， 所述纳米结构热电元件通过蚀刻掺杂半导体晶片(大多可商购)形成。本专利技术 还涉及制造和使用所述热电装置的方法，以及使用所述装置的系统。所述 装置及其制造的特征在于采用自上而下方法形成其中使用的纳米结构热 电材料或低维热电材料，因而使用通过经大量文献证实的方法(提供装置就纟者厚度(device-ready thickness)和装置品质纯度(device-quality purity))制备的材料。在上述一些实施方式中，本专利技术涉及热电装置，所述热电装置包括 (a)其上设置有第一图案化电极的第一导热基底；(b)其上设置有第二图案 化电极的第二导热基底，其中布置所述第一和第二导热基底以使第一和第 二图案化电极形成连续电路；(c)位于第一和第二图案化电极之间的多个热 电元件，其中所述热电元件包括纳米结构，并且其中所述纳米结构通过电 化学蚀刻半导体材料形成；以及(d)设置在多个热电元件与第一和第二图案 化电极中至少 一个之间的连接材料。在上述一些实施方式中，本专利技术涉及制造热电装置的方法，该方法包括以下步骤(a)提供其上设置有第一图案化电极的第一导热基底；(b)提 供其上设置有第二图案化电极的第二导热基底；(c)在第一和第二图案化电 极之间设置多个热电元件，其中所述热电元件包括纳米结构，并且其中所 述纳米结构通过电化学蚀刻半导体形成；以及(d)在多个热电元件与第一和 第二图案化电极之间设置连接材料。以上十分宽泛地概述了本专利技术的特征，从而能够较好地理解以下对本 专利技术的详细描述。随后将描述构成本专利技术权利要求主题的本专利技术的附加特 征和优势。附图说明图1为根据本专利技术一些实施方式包括传热装置的系统的示意图2为根据本专利技术一些实施方式包括传热装置的发电系统的示意图3为根据本专利技术一些实施方式的传热单元的截面图4显示电化学蚀刻掺杂半导体晶片以形成根据本专利技术一些实施方式的纳米结构热电元件的工艺；图5为显示根据本专利技术一些实施方式具有枝状形貌的纳米结构热电元件的扫描电镜(SEM)图像；图6为显示根据本专利技术一些实施方式具有三角形形貌的纳米结构热电元件的SEM图像；图7为显示根据本专利技术一些实施方式具有多个传热单元的传热装置组装模块的侧视图8为显示根据本专利技术一些实施方式具有传热装置阵列的模块的透视图。具体实施例方式所述纳米结构热电元件通过蚀刻掺杂半导体晶片形成。本专利技术还涉及制造 和使用所述热电装置的方法，以及使用所迷装置的系统。所述装置及其制 造的特征在于采用自上而下方法形成其中使用的纳米结构热电材料或低 维热电材料。如本申请所用，术语低维通常是指具有电子二维或一维特征的结构， 受限于在一个或多个小维度上(少数)离散能带的建立。与本专利技术的热电元件 相关的术语纳米结构引入在至少一个维度上为纳米尺度的特征，例如 纳米棒、纳米线或納米筛(nanomesh)。通常，这些结构是量子限制的，即具 有特征尺寸，低于所述尺寸时出现离散能态。在随后的描述中，阐述具体细节，例如具体数量、尺寸等，以充分理 解本专利技术的实施方式。然而，对本领域技术人员而言，显然本专利技术可在没 有这些具体细节的情况下实现。在许多情况下，省略了关于这些考虑等的 细节，因为无需这些细节来获得对本专利技术的充分理解并且这些细节落在本 领域技术人员常识范围内。大体上参考附图，应当理解的是，这些示例出于描述本专利技术具体实施方式的目的，并不意图使本专利技术受限于此。图1示出了根据本专利技术一些实施方式具有多个传热装置的系统10。如图所示，系统10包括例如由标记12表示的包括热电元件18和20的传热 模块，该传热模块将热量从一个区域或物体14传递至可作为散热体耗散传 递热量的另一个区域或物体16。传热模块12可用于产生电力或者加热或冷 却部件。此外，发热部件例如物体14可产生低热或高热。如下所述，第一 和第二物体14、 16可以是车辆、涡轮机、飞机引擎、固体氧化物燃料电池 或制冷系统的部件。应当注意的是，如本申请所用，术语车辆，，可表示陆上、 空中或海上运输工具。在该实施方式中，传热模块12包括多个热电装置。 应当注意的是，通常这些传热模块包括至少一对所述热电元件；其中一个 热电元件为n型半导体支柱，另一个热电元件为p型半导体支柱。在上述实施方式中，热电模块12包括n型半导体支柱18和p型半导 体支柱20作为热电元件，其中物体14和物体16之间的温差在与这些物体 接触的热电元件中造成电位差，从而能够使电流流动并产生电力。在该实 施方式中，n型和p型半导体支柱(热电元件)18、 20设置在分别与第一和第 二物体14、 16连接的图案化电极22和24上。在一些实施方式中，图案化 电极22和24可设置在可与第一和第二物体14、 16连接的导热基底(未示出) 上。此外，界面层26和28可用于将成对的n型和p型半导体支柱18、 20 电连接在图案化电极22和24上。在上述实施方式中，如图l所示，n型和p型半导体支本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电装置包括：　ａ）其上设置有第一图案化电极的第一导热基底；　ｂ）其上设置有第二图案化电极的第二导热基底，其中布置所述第一和第二导热基底，以使所述第一和第二图案化电极连接形成连续电路；　ｃ）位于所述第一和第二图案化电极 之间的多个热电元件，其中所述热电元件包含多个纳米结构，并且其中所述纳米结构通过电化学蚀刻掺杂半导体材料形成；和　ｄ）设置在所述多个热电元件与所述第一和第二图案化电极中至少一个之间的连接材料。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-5-12 11/433,0871. 一种热电装置包括a)其上设置有第一图案化电极的第一导热基底；b)其上设置有第二图案化电极的第二导热基底，其中布置所述第一和第二导热基底，以使所述第一和第二图案化电极连接形成连续电路；c)位于所述第一和第二图案化电极之间的多个热电元件，其中所述热电元件包含多个纳米结构，并且其中所述纳米结构通过电化学蚀刻掺杂半导体材料形成；和d)设置在所述多个热电元件与所述第一和第二图案化电极中至少一个之间的连接材料。2. 权利要求1的热电装置，其中所述第一和第二导热基底包含电绝缘 的氮化铝陶瓷材料或电绝缘的碳化硅材料。3. 权利要求1的热电装置，其中形成所述纳米结构的所述半导体材料 为主要选自下列中的热电材料硅锗基合金；铋锑基合金；铅碲基合金； 铋碲基合金；m-V、 V、 IV、 IV-VI和II-VI族半导体材料；以及它们的三元 和四元合金组合。4. 权利要求l的热电装置，其中形成所述纳米结构的所述半导体材料 为选自InP、 InAs、 InSb及其组合的ni-V族半导体材料。5. 权利要求1的热电装置，其中所述多个纳米结构具有选自枝状形貌、 三角形形貌、竖直柱状孔、纳米筛及其组合的形貌。6. 权利要求l的热电装置，其中所述多个热电元件中的每一个热电元 件包含p型材料或n型材料。7. 权利要求1的热电装置，其中将所述多个热电元件引入多个传热单 元，其中所述多个传热单元在相对的基底之间电连接。8. 权利要求1的热电装置，其中构造所述装置以通过基本保持所述第 一和第二导热基底之间的温度梯度来产生电力。9. 权利要求1的热电装置，其中在所述第一和第二导热基底之间引入 电流使得能够经由所述第一和第二导热基底之间的电荷流动在所述第一和 第二导热基底之间传递热量。10. 权利要求1的热电装置，其中所述热电元件串联电连接且并联热连接。11. 权利要求1的热电装置，其中所述装置为选自车辆、电源、加热系 统、冷却系统及其组合的系统的整体部件。12. —种制造热电装置的方法，所述方法包括以下步骤a) 提供其上设置有第一图案化电极的第一导热基底；b) 提供其上设置有第二图案化电极的第二导热基底；c) 在所述第一和第二图案化电极之间设置多个热电元件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：法齐拉塞克，弗雷德沙里菲，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]