一种热电器件及其制备方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种热电器件及其制备方法。

背景技术：

当今，化石能源短缺和环境污染问题凸显，能源的多元化和高效多级利用成为系统解决能源与环境问题的一个重要技术途径。热电器件作为一种自给自足的能源，它根据塞贝克效应（seebeckeffect）能将热能直接转换为电能，在适合的温度下能保持实际上的无限的有效寿命，这使其作为一种能源领域的高新技术成为国际研究的热点之一。

根据塞贝克效应而制作的热电器件，其效率可由热电品质因数zt来表征，计算公式为：

zt=σ*s²*t/κ

其中，σ为电导率，s为赛贝克系数，t为工作温度，κ为热导率。

由品质因数zt的计算公式可以看出，提高热电器件效率的关键是研制具有高赛贝克系数和电导率，以及低热导率的热电材料。

而研究证明，在大大降低热电材料的热导率后，虽然可以提高纳米线对应的zt值，但是与此同时也非常有可能会使得纳米线具有较高的电阻，这同样会降低热电器件的性能；如何制备性能良好且zt值较高的热电器件成为了一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够提高热电品质因数的热电器件及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种热电器制备方法，包括以下步骤：提供第一衬底和第二衬底，在第一衬底上形成氧化层，在第二衬底上形成硅锗锡合金层；

键合氧化层和硅锗锡合金层，并去除第二衬底；

刻蚀硅锗锡合金层，以形成若干纳米线；

淀积介质层，以隔离纳米线；

在若干纳米线的两端形成接触电极，在接触电极的外侧形成加热电极；

退火处理。

优选地，硅锗锡合金层的层厚小于或等于500纳米。

优选地，纳米线的长度不小于50微米。

优选地，在若干纳米线的两端形成接触电极，在接触电极的外侧形成加热电极的步骤包括：

自介质层的顶层向下刻蚀形成接触孔，接触孔位于纳米线的两端；

在接触孔的孔底且与纳米线的接触处形成硅化物；

淀积金属；

基于金属在接触孔处形成接触电极，在接触电极的外侧形成加热电极。

优选地，硅化物为nisi、tisi2或cosi2中的任意一种；硅化物的层厚小于或等于50纳米。

优选地，金属为ni、ti、cu、pt、cr、au、al中的任意一种。

优选地，氧化层为二氧化硅，介质层为二氧化硅或氮化硅中的任意一种；

采用热氧化法、化学气相沉积法、原子层沉积法或物理气相沉积法形成氧化层和介质层。

优选地，第一衬底和第二衬底均为iv、ii-v、iii-v和ii-vi族化合物半导体材料中的任意一种。

本发明还提供一种热电器件，包括：

第一衬底，形成在第一衬底上的氧化层，形成在氧化层上的若干纳米线，若干纳米线均为硅锗锡纳米线；用于隔离纳米线的介质层；与每一纳米线的两端均接触的接触电极，以及设置在接触电极外侧的加热电极。

优选地，纳米线的厚度小于或等于500纳米。

优选地，纳米线的长度不小于50微米。

优选地，接触电极与纳米线的接触处形成有硅化物。

优选地，硅化物为nisi、tisi2或cosi2中的任意一种；硅化物的层厚小于或等于50纳米。

优选地，接触电极和加热电极的材料均为ni、ti、cu、pt、cr、au、al中的任意一种。

优选地，氧化层为二氧化硅，介质层为二氧化硅或氮化硅中的任意一种。

优选地，第一衬底为iv、ii-v、iii-v和ii-vi族化合物半导体材料中的任意一种。

综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过刻蚀硅锗锡合金层形成若干纳米线，即形成的纳米线为硅锗锡合金，由于将硅与第ⅳ组中的其他元素，如锗和锡合金化，能够大大增加纳米线的电导率和载流子迁移率，降低纳米线的热导率，因此，采用发明提供的热电器件的制备方法制备而成的热电器件，因形成了硅锗锡纳米线，从而提高了热电品质因数zt，增加了热电转换效率。

附图说明

图1是本发明提供的热电器制备方法的流程图；

图2至图15是本发明提供的热电器件制备方法每一步骤对应的结构变化图。

其中，10.第一衬底，11.氧化层，20.第二衬底，21.硅锗锡合金层，22.纳米线，30.介质层，40.接触电极，400.接触孔，401.金属层，402.硅化物，41.加热电极，42.金属。

具体实施方式

下面结合附图说明根据本发明的具体实施方式。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

为了提高热电器件的热电品质因数，本发明提供一种热电器件及其制备方法。

图1示出了本发明提供的一种热电器件制备方法的一个实施例，包括以下步骤：

s10、具体参见图2和图3，提供第一衬底10和第二衬底20，在第一衬底10上形成氧化层11，在第二衬底20上形成硅锗锡合金层21；

在本步骤中，可以通过热氧化法、化学气相沉积法、原子层沉积法或物理气相沉积法在第一衬底10上形成一层氧化层11。可以通过外延生长的方式在第二衬底20上形成一层硅锗锡合金层21。

优选地，氧化层11为二氧化硅，厚度小于或等于10微米。

优选地，硅锗锡合金层21的厚度在大于0小于或等于500纳米之间选取合适值。

示例地，第一衬底10和第二衬底20均为iv、ii-v、iii-v和ii-vi族化合物半导体材料中的任意一种，如硅衬底、锗衬底、锗硅衬底、soi衬底或goi衬底。

优选地，第一衬底10和第二衬底20为硅衬底，硅衬底的制备成本较低、原料丰裕，且具有良好的性能，便于热电器件的制备。

当然，第一衬底10、第二衬底20和氧化层11还可为其他满足工作要求的任意一种现有材料。第一衬底10、氧化层11、第二衬底20和硅锗锡合金层21的厚度可以根据实际需求选取任意合适值。

需要进一步说明的是，第一衬底10和第二衬底20的材料可以相同或不相同，厚度可以相等或不相等。

s11、具体参见图4、图5和图6，键合氧化层11和硅锗锡合金层21，并去除第二衬底20；

在本步骤中，可以将具有氧化层11的第一衬底10朝上，然后倒置具有硅锗锡合金层21的第二衬底20，使硅锗锡合金层21与氧化层11面面相对，采用现有任意一种键合方式，将两者紧密贴合，形成为一个整体。

而后，采用现有任意一种减薄工艺或减薄工艺与腐蚀液腐蚀工艺相结合的方式，完全去除第二衬底20，最终使硅锗锡合金层21外露。

s12、具体参见7，刻蚀硅锗锡合金层21，以形成若干纳米线22；

在本步骤中，可以通过光刻和刻蚀工艺，对露出的硅锗锡合金层21进行刻蚀，从而获得若干纳米线22。

若干纳米线22的长度不小于50微米；以在纳米线22沿其延伸方向上的两端产生足够大的温度差；其中，此温度差的范围为：50至2000℃。

纳米线22的根数大于或等于1根；以俘获足够多的热量来产生更多的能量。其中，纳米线22具体的长度还可以根据不同的实际情况选取合适值。

s13、具体参见8，淀积介质层30，以隔离纳米线22；

待纳米线22形成后，在已形成的结构上沉积一层介质层30；其中，介质层30可以是二氧化硅或氮化硅中的任意一种。淀积形成的介质层30将纳米线22的顶层和侧壁以及纳米线所在的平面（氧化层11）完全覆盖。

当然，介质层30也可以选择具有绝缘或隔离作用的其他材料。

可以采用热氧化法、化学气相沉积法、原子层沉积法或物理气相沉积法形成介质层30。

s14、具体图14和图15，在若干纳米线22的两端形成接触电极40，在接触电极40的外侧形成加热电极41。

形成接触电极40以及在接触电极40的外侧形成加热电极41的方法如下：

s140、具体参见图9和图10，其中图10是图9的a-a向剖视图，自介质层30的顶层向下刻蚀形成接触孔400，接触孔400位于纳米线22的两端，接触孔400是通过刻蚀介质层30形成，且与纳米线22接触部分的孔底是终止于纳米线22的表面，介质层30的层厚整体上一致，因此，不与纳米线22接触部分的孔底是终止于氧化层11。

s141、具体参见图11和图12，在第一接触孔400的孔底形成硅化物402；

在本步骤中，硅化物402可以是nisi、tisi2或cosi2中的任意一种；硅化物402的层厚小于或等于50纳米。硅化物402直接与纳米线22接触，相对金属电极直接与纳米线22的接触，能够低接触电阻，提高热电器件性能。

具体地，可以在已形成的结构上淀积一层金属层401，并去除接触孔400外的金属层401，而接触孔400内的金属层401与纳米线22两端的表面接触并反应形成硅化物402；

s142、具体参见图13至图15，淀积金属42，并金属42在接触孔400处形成接触电极40，在接触电极40的外侧形成加热电极41；

在本步骤中，金属42为ni、ti、cu、pt、cr、au、al中的任意一种，淀积金属42的层厚能够将接触孔400填满且将介质层30的顶层完全覆盖即可。

可以采用光刻刻蚀工艺，首先将需要刻蚀掉的区域定义出来，然后采用干法刻蚀或湿法刻蚀工艺将该区域中的金属42刻蚀掉，最终形成接触电极40和加热电极41。

还可以采用剥离工艺基于金属42形成接触电极40和加热电极41。

s15、退火处理。

在本步骤中，可以采用现有任意一种退火工艺，对已形成的结构进行退火处理，以修复表面缺陷或释放内部应力。

本发明还提供一种利用步骤s10至步骤s15制备而成的热电器件，具体参见图14和图15，其中，图15是图14的a-a向剖视图，包括第一衬底10，形成在第一衬底10上的氧化层11，形成在氧化层11上的若干纳米线22，若干纳米线22均为硅锗锡纳米线；用于隔离纳米线的介质层30；与每一纳米线22的两端均接触的接触电极40，以及设置在接触电极40外侧的加热电极41。

在上述实施例的基础上，进一步地，纳米线22的厚度小于或等于500纳米。

在上述实施例的基础上，进一步地，纳米线22的长度不小于50微米。

在上述实施例的基础上，进一步地，接触电极40与纳米线22的接触处形成有硅化物402。

在上述实施例的基础上，进一步地，硅化物402为nisi、tisi2或cosi2中的任意一种；硅化物402的度厚小于或等于50纳米。

在上述实施例的基础上，进一步地，接触电极40和加热电极41的材料均为ni、ti、cu、pt、cr、au、al中的任意一种。

在上述实施例的基础上，进一步地，氧化层11为二氧化硅，介质层30为二氧化硅或氮化硅中的任意一种。

当然，氧化层11和介质层30也可以是能够满足性能要求的其他材料。

在上述实施例的基础上，进一步地，第一衬底10为iv、ii-v、iii-v和ii-vi族化合物半导体材料中的任意一种，如硅衬底、锗衬底、锗硅衬底、soi衬底或goi衬底等。

综合以上，本发明通过刻蚀硅锗锡合金层形成若干纳米线，即形成的纳米线为硅锗锡合金，由于将硅与第ⅳ组中的其他元素，如锗和锡合金化，能够大大增加纳米线的电导率和载流子迁移率，降低纳米线的热导率，因此，采用发明提供的热电器件的制备方法制备而成的热电器件，因形成了硅锗锡纳米线，从而提高了热电品质因数zt，增加了热电转换效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。