大于约55摄氏 度的DT_和大于约30W/cm 2或大于约70 W/cml^ Q_/A，或在器件的热侧保持在约85摄氏 度或更小的情况下大于约60摄氏度或更大的DTmax和大于约50 W/cm2的Qmax/A。在一些实 施例中，热电模块可以被配置成提供在器件的热侧保持在约120摄氏度或更小的情况下在 相对的第一和第二表面之间大于约60摄氏度或更大的DT max和大于约55 W/cm 2的Qmax/A。
[0080] 像这样，可以通过相对于水平面增大AB-倾斜或者相反地相对于热/电流动方向 减小AB-倾斜来实现热电性能的显著增益，如图1B的图解中所示。特别地，图1B图示了 随着AB-平面的倾斜相对于水平面增大，热电膜的电阻率20减小，热导率30增大，并且塞 贝克（seebeck)系数40基本上不改变。此外，电阻率20以比热导率30增大更大的速率降 低。DT_依赖于这些基本材料参数，如議:_^;^_%|，其中_是塞贝克系数，Tc是冷侧 温度，#是电阻率，并且尤是热导率。由于与热导率通过增大倾斜而增大相比，电阻率在热量 流动方向上降低得更多，所以电阻率和热导率的乘积(喊）减小，并且热电性能随着AB-平 面的相对于热电膜的水平表面接近90度的倾斜而增大(如更高的ZT和DT_10所指示的)， 并且在AB-平面与膜中的热或电传导方向对齐时可以实现最大DT_。换言之，可以通过增 大最低电阻率AB-平面(例如，如下文所提及的C-平面)相对于横向延伸膜表面的倾斜来提 供增大的热电性能，也即，使得沿着膜的厚度(例如，其中的热传导在被提供在热电模块中 时的方向）的电阻率(或P&)小于沿着与该厚度基本上垂直的方向的电阻率(或#〇。
[0081] 相应地，本发明的实施例提供薄膜热电（TE)元件、模块和系统，其中TE元件的 C-平面更紧密地与TE元件中的电和热量流动方向对齐。特别地，如图1A中所示，与标准热 电薄膜相比，热电模块或器件100的N型元件102n和/或P型元件102p具有改进的C-平 面（由阴影线指示)与热量/电流动方向110n、110p的对齐。在一些实施例中，偏差角度％ 和/或(或者也许有效的偏差角度，如果存在多于一个倾斜的话）相对于器件中的热量/ 电流动ll〇P和/或ll〇n的方向可以小于45度，并且甚至小于25度。如图1A中进一步所 示的，n型和p型元件102n和102p两者都被放置在金属化陶瓷头部1051^1051^2间以在 头部1051^1051^之间提供具有电串行连接并且热并行连接的热电元件102n和102p的热 电模块100。特别地，n型和p型元件102n和102p被封装在头部1051^1051^之间，使得其 横向表面(例如与其厚度垂直的表面）沿着头部1051^1051^的表面延伸。在本文中描述的 薄膜热电元件中，热电元件l〇2n和102p具有小于约100微米（ym)并且在一些实施例中 50ym或更小的厚度。
[0082] 因此，在本文中描述的热电模块中，与标准热电薄膜相比，N型和/或P型元件具 有改进的C-平面与头部之间的热量/电流动方向的对齐。依照本文中描述的一些实施例 的薄膜热电元件可以因此提供类似于块热电元件的DT_的大于约60的DT_，但超过50ym 或更小的厚度。
[0083] 为了增大本文中描述的热电膜的C-平面倾斜，本发明的实施例可以使用晶片图 案化、干蚀刻、湿蚀刻和/或小平面涂敷来创建用于生长(BKSIjs.,b(Tes.ySey；b(或其他热电 材料)的具有有利C-晶体平面的增大倾斜的高斜向表面。下面描述在示例生长衬底上的示 例热电膜制造工艺；将理解的是，可以使用许多兼容的生长衬底。另外，将理解的是，本发明 的实施例可以使用其他技术来对生长衬底进行图案化或纹理化以包括使得能够实现热电 材料的结晶取向（也被称为结晶倾斜）的增大倾斜的多个斜向小平面/生长表面。因此，除 了湿和/或干蚀刻之外，在本文中描述的实施例中包括其他化学、电化学、物理、电学、光学 和/或成形或以其他方式修改生长表面以实现包括高斜向生长表面的图案或纹理的其他 手段。
[0084]替换地或附加地，可以在生长衬底上提供纹理化的层以创建依照本文中描述的一 些实施例的高斜向生长表面。另外，使用或不使用表面改变中间层(如下面参考图11-13描 述的）的这些的任何组合也被包括在本发明的实施例中。如下面更详细描述的，（多个）表 面改变层可以还创建用于生长具有增大斜向的热电材料的有利条件和/或可以引起多个 斜向生长表面以增大热电材料的晶体倾斜。斜向生长表面可以经由化学、电化学、物理、电 学、光学或其他方式而被有意地添加到表面改变介质和/或对于表面改变层的沉积或生长 方法可以是固有的。
[0085] 另外，在本文中参考沟槽来描述一些实施例。在实践中，包括斜向生长表面的这些 沟槽可以采取包括条纹、矩形、圆形和/或六边形特征的各种形状。这些沟槽可以被限定在 特定位置中或者可以在本质上是自排列且随机的，只要生成使得能够将热电膜聚结到具有 有利晶体倾斜的平坦层中的斜向小平面。
[0086] 图2A到5B图示了根据本发明的一些实施例制造薄膜热电器件的方法。特别地， 图2A-4A图示了包括沿着(例如，与之对齐）（100)晶体平面(在本文中也被称为（100)表 面)的表面215a的衬底205a，在其中形成包括（101 )、彳〖U丨)和（100 )晶体平面的突出小平面 或侧壁表面220a。图2B-4B图示了包括与（100)晶体平面基本上平行的宏观表面215b的 衬底205b，在其中形成具有小平面或侧壁表面220b(例如，包括{ 110 }和{ 111}晶体平面） 的沟槽。在图2A-4B中，小平面220a、220b相对于衬底205b的（100)表面215a、215b斜向 约45度或更大。更一般地，依照本发明的实施例，可以蚀刻或以其他方式图案化用于热电 膜的表面以创建准备好TE晶体生长的斜向生长表面(在本文中也被称为斜向小平面)。斜 向小平面/表面220a、220b可以从衬底表面突出约0. 1微米（ym)或更多。在一些实施例 中，斜向表面可以限定从衬底突出约0. 1ym到约5ym的三角形或"有峰"特征。
[0087] 在图2A和2B的示例中，使用掩模(例如，光刻胶、_、Si士^等）来图案化衬底 205a、205b以限定从衬底表面215a、215b突出的斜向生长表面220a、220b。例如，可以使用 各向异性化学蚀刻来在衬底205a、205b中暴露斜向生长表面220a、220b。由小平面或表面 220a、220b限定或暴露的特别结晶平面可以取决于掩模中的条纹或其他图案的取向以及 蚀刻化学。可以使用允许使用蚀刻以在下面的衬底中显露斜向生长表面的任何掩模技术， 包括自对齐方法。在一些实施例中，本文中描述的衬底或晶片可以指的是硅（Si)、砷化镓 (GaAs)、氟化钡（BaF)、碳化硅（SiC)、氮化镓（GaN)、氮化铝（A1N)、蓝宝石和/或玻璃。所参 考的晶体平面一般指的是立方体系统指数，但是其他相当的平面被意图用于六边形或其他 晶体结构。
[0088] 现在参考图3A-4B，在斜向生长表面上沉积薄膜热电材料302、402。例如，可以使 用M0CVD或MBE来沉积具有C晶体平面的增大的倾斜的V-VI薄膜，诸如碲化铋《BUT巧i。可 以使用外延生长，由此薄膜热电材料可以对准（register)到下面的斜向生长表面而不必跟 随同一倾斜或结构。可以使用有利于（111)、（101)和（110)斜向生长表面中的一个或多个 的外延生长条件(例如，在这样的小平面上提供较高的成核或生长速率的条件）和在沟槽和 (100)小平面的底部中的限制生长。例如，(说含金在具有斜向小平面的衬底上 的生长期间，较高的生长温度、较大的Te通量和/或较低的Sb通量有助于使较高倾斜表面 相对于较低倾斜表面更优先成核。另外或替换地，可以为了更好的聚结而使用衬底截断或 掩蔽来减小或防止在一个表面上的生长并且有利于在一"侧"上的生长(也即，在特别小平 面或侧壁表面上的优先或选择性生长)。
[0089] 例如，图3A和3B图示了由于掩蔽或较少的有利生长表面的原因而优先在特别小 平面(每个沟槽的侧壁220a、220b中的左边的一个）上成核的V-VI薄膜生长302。一个斜 向表面相对于另一个的甚至轻微的倾斜或不对称(例如，2度）可能足以促进在该斜向表面 上的优先生长。然而在其他实施例中，可以在沟槽的两个侧壁表面/小平面220a、220b上 准许或促进生长。例如，图4A和4B图示了在两个斜向生长表面/沟槽侧壁220a、220b上 成核的V-VI薄膜生长402。所生长的薄膜302、402的结晶取向由图3A-4B中所示的阴影线 指示，并且结晶取向的倾斜可以受斜向生长表面220a、220b影响。
[0090] 图5A和5B图示了V-VI外延膜502a、502b在具有与{110}和{111}晶体平面对 齐或以其他方式包括{ 110 }和{ 111}晶体平面的小平面/斜向侧壁表面220b的沟槽中的 生长。V-VI印i生长持续以填充沟槽，直到在邻近小平面/生长平面上的生长聚结为止，导 致具有基本上平坦的表面510a、510b的V-VI热电膜502a、502b。像这样，在分离的生长地 点220b上形成的V-VI层聚结以共同地限定连续的热电膜502a、502b，其可以或可以不在其 中包括裂缝或微裂缝。热电膜502a、502b的C-平面具有相对于生长衬底的表面以约45度 或更大（或者当在热电模块中实现时相对于热或电传导沿着膜502a、502b的厚度的方向以 约45度或更小）的角度倾斜的结晶取向（由阴影线指示)。
[0091] 特别地，图5A图示了在图3B中发起的主导地在{110}和{111}小平面220b中的 一个上的epi-生长和聚结的持续，导致具有基本上同质的结晶倾斜的热电膜502a。图5B 图示了从图4B中发起的竞争{ 110}和{ 111}小平面220b的epi-生长和聚结的持续，导致 具有异质结晶倾斜的热电膜502b，其中所述异质结晶倾斜具有相对于由生长衬底的表面限 定的（100)平面约45度或更大的总平均斜向。在图5B中，在邻近印i生长平面之间的竞 争生长可以聚结或编织在一起以通过(例如）以下来限定V-VI膜502b的基本上平坦的表 面：（i)在超越另一个的另一个表面上的生长和在生长在一起的平行表面或小平面上的生 长；（ii)在相互混合或稳定的两个邻近表面或小平面上的生长；或者（iii)(i)和（ii)的 组合。可以在不使用后续热处理工艺的情况下实现C-平面的聚结倾斜。聚结的膜502a、 502b可以是基本上平坦的(例如，具有如从表面到小平面的顶峰测量的超过生长膜小于约 20%的厚度t中的变化)，并且可以因此限定可耐受如下面描述的后续薄膜热电模块制造工 艺中的处理的连续层。
[0092] 尽管上面参考特别衬底和斜向生长表面取向来描述，但是也可以使用其他衬底和 /或斜向生长表面。然而，将理解的是，并非所有这样的取向都将必然导致依照如本文中描 述的本发明的实施例的外延膜聚结。
[0093] 例如，图6A和6B图不了与本发明的一些实施例所使用的斜向生长表面相比并不 导致外延膜聚结的一些斜向生长表面取向。如图6A和6B中所示，在（100)衬底的表面中形 成与图2A到5B的实施例中所示的那些类似的斜向生长表面，但是斜向生长表面沿着{ 111} 晶体平面延伸。例如，{ 111}小平面可以是通过使用暴露细长区域的掩模或者在与|0|方 向平行延伸的表面中的"条纹"而各向异性湿蚀刻（100)衬底所形成的沟槽侧壁。由于V-VI 膜生长是外延的，热电膜相对于衬底的晶格对齐影响生长。
[0094] 特别地，在用于在（100)GaAs衬底上的外延生长的图6A的示例中，条纹被 取向为与〈〇11>方向平行，使得蚀刻显露包括{ 111}平面的砷小平面。所生长的A: 膜 的C-平面相对于（100)GaAs衬底表面倾斜大于约45度。然而，如图6A的照片中所示，在 邻近小平面上生长的Bi:T幻膜可以不聚结；因此，根据本文中描述的本发明的实施例，图6A的斜向生长表面可以并不有助于热电膜的生长。
[0095] 类似地，在图6B的示例中，条纹被取向为与:嘴致|>方向平行，使得蚀刻显露包括 { 111}平面的镓小平面。由这些小平面限定或暴露的{ 111}平面相对于（100 )GaAs衬底表 面倾斜约55度，导致所生长的翻膜的C-平面相对于{ 111 }GaAs小平面的(约15-20度） 的附加斜向。再次地，然而，如图6B的照片中所示，在邻近小平面上生长的BbTq膜可以不 聚结；因此，根据本文中描述的本发明的实施例，图6B的斜向生长表面可以同样地并不有 助于热电膜的生长。
[0096] 相比之下，在根据本发明的一些实施例的图6C和6D的示例中，衬底605c、605d中 的条纹被取向为与〈〇1〇>方向平行，使得蚀刻显露（101)和|賴平面以及