固态冷却或者发电器件及其制作方法技术

本发明专利技术涉及提供一种包括由真空间隙分离的第一电极和第二电极的固态冷却／发电器件。根据本发明专利技术，至少一个电极具有包括至少一个量子阱的纳米级半导体异质结构３０１，该量子阱与真空间隙３１５组合形成双势垒共振结构，该双势垒共振结构提供允许在第一电极与第二电极之间的共振隧穿的条件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种固态冷却和/或发电器件。具体而言，本专利技术涉及一种包括纳米级(nanoscale)半导体异质结构的热泵。
技术介绍
对固态冷却器件的关注在近几十年已经显著增长。固态冷却器 件由电流直接驱动，而对该器件的不同部分的同时冷却和加热归因 于热电效应。固态冷却器件通常不如常规致冷器有效但是具有不依 赖于移动机械部分或者不需要潜在有害传热流体的优点。这些特征 以及固态冷却器件可以制造得比常规致冷器件小得多的事实使固态 冷却器件很好地适合于冷却电子器件以及甚至单个微芯片。引起固 态冷却器件的冷却/加热效应的物理性质也可以用来生成电流。商业上大量可用的如今仅有的固态冷却器件是基于珀耳帖 (Peltier)元件的冷却器件。珀耳帖元件于40年代晚期和50年代早 期引入和开发并且基本上仅针对后来新发现的半导体材料的良好热 电性质来工作。原理上，寻求具有高导电性和低导热性的材料，并 且发现诸如掺杂Bi2Te3的半导体具有适当的性质。在Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling (Ioffe, A.F., 1957年, Infosearch， London)中会找到对珀耳帖元件及其性质的全面描述。 随着经验和技术工艺的改进，引入了更好的珀耳帖元件。如今，发 现基于珀耳帖元件的冷却器件主要在用于在车辆中使用的移动小尺 寸冷却器中以及在电子器件和传感器中作为冷却元件。固态冷却技术的一种替代原理使用由真空分离的两个电极，并 且称为热隧穿(tunneling)热泵(TH )。这一原理已经知名^艮久， 并且热泵自19世纪30年代起在科学刊物中已有建议和公布。TH的限制因素是真空层的宽度和电极材料功函数的量值(magnitude)。 热泵可以通过供电作为有源冷却/加热元件来工作或者作为其中现有 温度差生成电流的发电器来工作。这两个过程互逆。术语固态冷却 /发电器件，，将在下文中使用，并且应当解释为涵盖用于并且也可能优 化用于冷却/加热和/或发电的器件。为了冷却，当在器件上施加偏置时，如果真空间隙足够窄，则电 子将隧穿由真空间隙产生的势垒。由于电子携带热量，所以一个电极 将加热而另 一 电极将冷却。按照从将被冷却的电极提取的热量除以功 率输入来定义此类器件的效率。功函数的量值需要尽可能小，并且 Ag-O-Cs电极在室温具有约leV的最低测量功函数。这将真空间隙的 最大宽度限制于约15A以求高效工作，这在实际上不可能实现。相同 结论适用于发电器。由于这些约束，真空间隙器件尚不能够与已知的 珀耳帖元件媲美，并且如今尚无商用产品问世。在19世纪90年代，科学家们回顾真空间隙TH并且建议用半导 体薄膜系统取代真空间隙。可以实现更低功函数并且计算表明了极 高的效率。若干年以后发现光子热传导(其被真空间隙阻止)扮演 颇具破坏性的角色，从而基本上致使这些器件的效率相当于(或者 低于)珀耳帖元件。如今在这一领域中仍然进行研究，试图发现增 强电子传送而又阻止光子的新异质结构。然而就专利技术人的了解而言， 尚不存在起作用的原器或者商用产品。最近对于真空间隙TH的关注由于描述如下实验的一系列文章 而再次增长，这些实验表明只要真空间隙可以构造得足够薄则真空 间隙TH有大的电势，例如参见Y. Hishinuma等人的AeyHgeraoA/a打omefer Sca/e Dew'gw，， ( Applied Physic Letters,第78 ( 17 )巻，2001 年4月)。在实验中使用尺寸为1[imxlpm的芯片，而lcmxlcm的 尺寸是商用产品所必需的。利用如今已知的制造方法很难生产面积 如此之大的芯片和10A-20A量级的真空间隙。在WO 2004/049379中公开了一种用薄(5A-50A )绝缘体层如氧化铝覆盖一个或者两个电极的隧穿真空冷却器件。该布置通过改 变电极之间电场的形状来阻止低能电子(低于费米能量)，这些低 能电子会降低无绝缘体层的TH的效率。在Y. Hishinuma等人的Facwww T7^環Zom'c i^/h'geraow ，7A a S，/cow^or //ero乂wwCow 5Vrwwre，， ( Applied Physic Letters, 第 81 (22)巻，2002年11月)中，建议通过将半导体应用于真空冷却 器件的金属电极来进行对热电子的相似过滤。通过对施加的强电场 与分层半导体异质结构或者具有分级成份的半导体的组合来减少真 空势垒。分层异质结构或者成份梯度的目的在于在金属与半导体的 界面形成肖特基势垒并且减少半导体中的焦耳加热。高的冷却功率 有所报导；然而，器件的效率由于大的施加电场而仍然较低。现有技术的出版物清楚地证实基于真空间隙的固态冷却/发电器 件的可能性；然而需要适合于大规模生产的改进效率和设计以便让 真空间隙技术在商业上取代珀耳帖技术。
技术实现思路
显而易见，现有技术的真空间隙热泵和包括此类真空间隙热泵 的冷却器件需要明显改进，以便与珀耳帖元件相比在商业上具有吸 引力。本专利技术的目的在于提供一种克服现有技术方法弊端的方法。这 通过如权利要求1所述的器件和如权利要求12所述的生产方法来实现。提供 一 种包括由真空间隙分离的第 一 电极和第二电极的固态冷 却/发电器件。根据本专利技术，至少一个电极具有包括至少一个量子阱 的纳米级半导体异质结构，该量子阱与真空间隙组合形成双势垒共 振结构，该双势垒共振结构提供允许在第 一 电极与第二电极之间共 振隧穿的条件。优选地，纳米级半导体异质结构被布置用以在多个分离能量窗 或者传送通道提供共振隧穿。能量最低的能量窗的较大部分应当高于电极特征能量，其为费米能量加上温度乘以波尔兹曼常数(EF+kBT)。甚至更优选地，能量最低的能量窗应当被布置为尽可能近地匹配于特征能量。根据本专利技术的一个实施例，纳米级半导体异质结构至少包括与 第二薄膜连接的第一薄膜和与真空间隙相邻的第二薄膜。第一薄膜 的材料应当具有比相邻第二薄膜的材料更宽的带隙。根据一个实施例，纳米级半导体异质结构可以包括在超晶格布 置中各自由第二薄膜跟随的多个第一薄膜，该超晶格以与真空间隙 相邻的第二薄膜作为结束。一个或者多个第一薄膜可以由A1N制成，而一个或者多个第二 薄膜可以由AlGaN制成。根据本专利技术的 一种生产固态冷却/发电器件的方法包括以下步骤-在衬底的顶部上生长金属层，其用以充当与外部电路的接触； -通过生长一个掺杂半导体层、继而生长形成势垒的至少一个第 一材料层以及生长第二材料层，在金属层的顶部上提供纳米级半导 体异质结构，其中第一材料具有比第二材料更宽的带隙。 在一个实施例中，用以下步骤补充该方法 -在将与真空间隙相邻的第二材料层上提供具有通孔的掩模； -通过在掩模的顶部上生长绝缘体来填充通孔； -去除掩模以显露绝缘间隔物；-在绝缘间隔物的顶部上按压第二电极，绝缘间隔物由此限定形 成于第 一 电极与第二电极之间的间隙的宽度。由于根据本专利技术的器件，就可以提供效率很高并且有可能以合 理成本来制造的基于真空间隙的固态冷却/发电器件。根据本专利技术的固态冷却/发电器件的 一 个优点在于它可以制作得 很小、因此很好地适合于冷却电子器件。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种固态冷却／发电器件，包括由真空间隙（３１５）分离的第一电极和第二电极，所述器件的特征在于：至少一个所述电极（３０１）具有纳米级半导体异质结构（３０５－３１０），所述纳米级半导体异质结构包括至少一个第一薄膜（３０５）和第二薄膜（３１０），其中所述第一薄膜（３０５）的材料具有比所述第二薄膜（３１０）的材料更高的带隙，由此形成量子阱，并且所述真空间隙（３１５）被布置为与所述第二薄膜（３１０）相邻，使得所述真空间隙与所述薄膜组合形成至少双势垒共振结构，所述双势垒共振结构提供允许在所述第一电极与所述第二电极之间的共振隧穿的条件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-5-2 60/796,531;SE 2006-5-2 0600983-11. 一种固态冷却/发电器件，包括由真空间隙(315)分离的第一电极和第二电极，所述器件的特征在于至少一个所述电极(301)具有纳米级半导体异质结构(305-310)，所述纳米级半导体异质结构包括至少一个第一薄膜(305)和第二薄膜(310)，其中所述第一薄膜(305)的材料具有比所述第二薄膜(310)的材料更高的带隙，由此形成量子阱，并且所述真空间隙(315)被布置为与所述第二薄膜(310)相邻，使得所述真空间隙与所述薄膜组合形成至少双势垒共振结构，所述双势垒共振结构提供允许在所述第一电极与所述第二电极之间的共振隧穿的条件。2. 根据权利要求1所述的固态冷却/发电器件，其中所述纳米级 半导体异质结构被布置用以在多个分离能量窗提供共振隧穿，其中 能量最低的所述能量窗的较大部分高于作为所述电极的特征能量的 所述电极的特征能量。3. 根据权利要求1所述的固态冷却/发电器件，其中所述纳米级 半导体异质结构被布置用以在多个分离能量窗提供共振隧穿，其中 能量最低的所述能量窗匹配于所述电极的特征能量。4. 根据权利要求2所述的固态冷却/发电器件，其中能量最低的 所述能量窗在所述特征能量土1cbT的30%内。5. 根据权利要求1-4中任一权利要求所述的固态冷却/发电器 件，其中所述纳米级半导体异质结构包括在超晶格布置(420)中各 自由第二薄膜(410)跟随的多个第一薄膜(405 ),所述超晶格以 与所述真空间隙(415)相邻的第二薄膜作为结束，以及其中所述第 一薄膜(405 )的材料应当具有比所述第二薄膜(410)的材料更宽 的带隙。6. 根据权利要求5所述的固态冷却/发电器件，其中所述一个或 者多个第一薄膜(305; 405 )是具有第一带隙的半导体，而所述一 个或者多个第二薄膜(310; 410)是具有第二带隙的半导体。7. 根据权利要求5所述的固态冷却/发电器件，其中所述一个或 者多个第一薄膜(305; 405 )是绝缘体，而所述一个或者多个第二 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：M海弗特，
申请(专利权)人：比康科技公司，
类型：发明
国别省市：SE[瑞典]