固态冷却或者发电器件及其制作方法

专利名称：固态冷却或者发电器件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固态冷却和/或发电器件。具体而言，本发明涉
及一种包括纳米级(nanoscale)半导体异质结构的热泵。
背景技术：
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。然而就发明人的了解而言， 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"AeyHgera"o"
A/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'gera"ow ，7A a S，/cow^"or //"ero乂wwCow 5Vrw"wre，， ( 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。

发明内容
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。
本发明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。根据本发明，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。
根据本发明的一个实施例，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。
根据本发明的 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。
由于根据本发明的器件，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。
根据本发明的固态冷却/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。它甚至可以集成于计算机 芯片中。该器件不含移动部分，这是减少尺寸的先决条件，并且这 也保证鲁棒性和可靠性。与珀耳帖元件相比的又 一 优点在于效率。根据本发明的真空间
隙器件的效率可以多达常规珀耳帖元件的10倍-15倍。
在从属权利要求中限定了本发明的实施例。本发明的其它目的、 优,泉和新颖特征将从结合附图和权利要求书来考虑的对本发明的如 下具体描述中变得清楚。


现在将参照附图来描述本发明的优选实施例，在附图中
图la示意地图示了作为根据本发明的固态冷却/发电器件中构
建块的量子阱，而图lb是对应电势分布的图解；图2a示意地图示了双势垒，而图2b是对应电势分布的图解； 图3a示意地图示了根据本发明的固态冷却/发电器件的具有纳
米级半导体异质结构的电极布置，而图3b是对应电势分布的图解； 图4a示意地图示了根据本发明 一个实施例的具有超晶格形式的
纳米级半导体异质结构的电极布置，而图4b是对应电势的图解；以
及
法，而图5e示意地图示了在工作场景下的器件。
具体实施例方式
如在背景技术部分中讨论的隧穿真空间隙热泵具有与在例如冷 却器件中的珀耳帖元件相比递送很高效率的可能性。然而，已经表 明用现有制造方法很难实现所期望的理论计算和仿真。在本领域中 建议的真空间隙热泵的主要问题在于要求lA-50A量级的真空间隙 和约lcn^的面积以能够提供商业上关注的产品。提供具有这一量级 间隙的如此之大的电极就如今已知的方法而言、至少就可接受的产 量而言是不可能的。表面粗糙度、杂质等将不可避免地造成间隙宽 度的大的变化，并且有可能在 一 些点造成电极之间的接触从而严重 地损害热泵的功能。根据本发明，在热泵的至少 一 个电极上并且在真空间隙附近提 供纳米级半导体异质结构。就本申请的目的而言，纳米级是指异质 结构的至少 一部分在与电极的平面垂直的方向上具有纳米级区域
(lnm-100nm)的尺度。术语异质结构是指具有至少两个可区别部分 的不同材料或者组成的结构，其中至少一个部分是半导体。
根据本发明，如此布置纳米级半导体异质结构以提供至少一个 势垒，该势垒与真空间隙组合带来在电极之间的量子机械共振隧穿 (下文称为共振隧穿)的可能性。通过共振隧穿，可以针对具体电 子能量实现很高的隧穿可能性，并且共振隧穿可以描述为创建能量 窗或者传送通道，其中该能量窗或者传送通道隧穿可能性很高、理 论上甚至为100%。该器件将称为共振热隧穿热泵(RTH)。
HT的效率高度地依赖于电子的能量，并且可以发现依赖于材料 参数的HT特征能量，就此而言能够实现HT的最佳效率。HT特征 能量涉及HT的电极的费米能量。对于能量约为EF+kBT (费米能量 加上温度乘以波尔兹曼常数)的电子，实现了最佳效率。
根据本发明的RTH的一个实施例，将由纳米级半导体异质结构 提供的共振隧穿能量窗布置为匹配于HT特征能量。优选地，能量最 低的共振隧穿能量窗的较大部分处于或者高于定义为电极的特征能 量的HT的EF+kBT。甚至更优选地，具有最低能量的共振隧穿能量 窗应当在EF+kBT±(kBT的30%)内。利用这一布置，对于利用此类热 隧穿热泵的冷却器件、甚至对于真空间隙比上述现有技术器件所需 真空间隙明显更宽的器件，可以实现很高的效率。使用这一布置， 宽度高达40A的真空间隙有望提供高于珀耳帖元件10倍-15倍的效 率。甚至高达100A的宽度仍提供了明显增长。
提供共振隧穿中基本的"构建块"是量子阱。通过将一种材料夹 在具有更宽带隙的两层材料之间而在半导体中形成量子阱。在图la 中示意地图示了一种实现一个量子阱的布置。半导体纳米结构100 包括第一材料的薄膜105、第二材料的第二薄膜110和第三材料的第 三薄膜115。 一种常规布置在第一薄膜105和第三薄膜115中使用相同的材料，优选为半导体材料。第二薄膜IIO是带隙比量子阱中的 其它材料更窄的半导体。已知可以按照所需尺度和按照提供所需量 子机械效应的性质来制造的大量半导体材料和半导体组合，例如
AIN/AlGaN/AIN、 AlGaAs/GaAs/AlGaAs和Si/SiGe/Si。在图lb中显 示了量子阱的电势分布。根据基本量子力学，在阱中存在用级别E" E2和E3在图中举例示出的束缚电子态。量子阱的宽度和高度确定这 些状态处于哪个能量以及在两个状态之间的差异有多大。
根据本发明实现谐振隧穿可能性的 一 种优选布置至少包括双势 垒。在图2a中示意地图示了由5个不同材料层构造的双势垒共振隧 穿器件，并且其相应的电势分布示于图2b中。第一薄膜205、第三 薄膜215和第五薄膜225通常并且优选地由相同的第一半导体制成。 第二薄膜210和第四薄膜220这些中间薄膜通常由相同的第二半导 体制成并且形成两个势垒。除了量子阱的宽度与电子波长/的半整数 倍或者整数倍对应的特定电子能量之外，跨两个势垒的隧穿传输可 能性通常很低。由于E (1〃)2,所以电子能量E依赖于波长。在用 箭头Ei、 E2和E3举例图示的这些共振能量处，由于波干扰，电子的 隧穿可能性为100%。这被认为是电子与器件结构共振。这些共振能 量传送通道具有和在与厚度和电势深度与双势垒结构中的电势阱相 同的量子阱中的束缚态大致相同的能量。通过改变结构参数如势垒 高度和阱宽度，共振传送通道可以调节为处于特定能量。对于RTH, 最低传送通道的能量将理想地约为EF+kBT。
为了构造这样的双势垒器件，组成势垒的两层加上与阱对应的 中间层的宽度的总宽度必须小于电子平均自由程，以便让电子能够 隧穿而不会受困于因杂质而散射。作为比较，室温下掺杂半导体的 平均自由禾呈至少为100nm。
如果两个势垒不同(即宽度不同或者材料完全不同从而产生不 同的势垒)，则隧穿可能性将略有减少。另外，能量窗将略有加宽。
在势垒为固体的器件中，如果这样的器件将作为RTH来操作， 则光子所致的热回流将造成低效率。通过用真空间隙取代其中 一个势垒可以形成根据本发明的RTH，光子热回流一皮阻止并且效率有望 大大提升。通过引入共振隧穿，参与导热的电子数目将大为增加， 由此增加了器件的整体效率。
另外可以使用更宽的真空间隙(高达40A-50A),从而使器件 比普通TH更易于构造。
电极包括可以由金属或者掺杂半导体制成的底部。由于不像在 现有技术TH中那样对功函数的量值有硬性约束，所以对电极底部材 料的选择不那么重要。图3a示意地图示了根据本发明的利用RTH 的冷却器件的结构，而图3b图示了对应电势分布。RTH冷却器件 300包括与第一电极301联结的冷贮存器和与热贮存器355联结的第 二电极350。第一电极301包括底部303、第一薄膜305和第二薄膜 310。第二薄膜310与真空间隙315相邻。第一薄膜305和真空间隙 315形成与参照图2a描述的双势垒结构相似的两个势垒。第一薄膜 3 05的材料应当具有比相邻第二薄膜310的材料更宽的带隙。用于薄 膜A和B的可能材料选择是绝缘体或者半导体。由于电子传输窗高 度地依赖于两个薄膜的材料性质，所以它们的材料选择至关重要。 例如，优选电子亲合性低和功函数小的材料(比如A1N和#参杂 AlGaN),因为这意味着势垒将更低，因此增加跨器件的隧穿，从而 提高性能。材料组合包括但不限于例如AlN/AlGaN、 AlGaAs/GaAs 和Si/SiGe。两个薄膜的宽度在器件的设计中也发挥关键作用。第一 薄膜(305 )的宽度不应当过厚，因为较厚的层减少了隧穿的可能性 (优选小于10nm)。第二薄膜(310)的宽度确定能量传输窗位于 何处，并且应当选择为使得最低传输信道接近EF+kBT以求最优的性 能。第二薄膜越宽，传输信道(能量)将越低。薄膜宽度的量级如 上所述才艮据材料选4奪而为lnm-10nm。
向共振隧穿器件添加更多势垒具有拓宽能量传送通道的有益效 果，因为对于双势垒结构而言这一能量通道很窄。半导体超晶格包 括数个势垒并且具有称为'迷你带，的很宽的能量窗。这样的超晶格可 以取代图3中的两个薄膜以得到甚至更宽的传送通道。包括半导体超晶格的RTH代表本发明的第二实施例，并且在图4中示意示出。 在第一电极底部403上提供半导体超晶格420形成第一电极401,该 半导体超晶格包括充当夹入有导电薄膜410的势垒405的多个薄膜。 超晶格401与真空间隙415相邻，该真空间隙作为最后的势垒，其 后跟随第二电极450。可选地，在第二电极450上提供第二纳米级半 导体异质结构，该异质结构包括至少一个势垒薄膜和一个导电薄膜。 可选地，在第二电极450上提供根据上文的超晶格结构。
在本发明的又一实施例中，数个RTH堆叠于彼此上下，各器件 抽运更少热量。抽运的总热量将等于非堆叠系统，但是效率增加。
可以用半导体业中〃^知的方法如例如MBE或者CVD来制造才艮 据本发明的RTH和包括此类RTH的冷却器件。将参照图5a-e简要 地概括 一 种适当的方法。作为非限制性的例子使用具有 AlGaN/AlN/AlGaN的结构，可以用相同方式提供其它半导体/绝缘 体。在衬底505的顶部上生长金属层510,其充当与外部电路的接触。 此后生成纳米级半导体异质结构，该异质结构包括形成电极底部的 掺杂AlGaN的层503、形成势垒的一个A1N层505和最后的AlGaN 层510。这些层形成第一电极501。如果要生长超晶格，则将生长 A1N和AlGaN的步骤重复预定次数。
即使根据本发明的RTH使得有可能使用在技术上可实现的宽 度，真空间隙仍然是窄的。然而，就约50A的宽度而言，由于弯曲 在电极之间也有接触风险。才艮据本发明的一个实施例，这通过在真 空间隙中放置绝缘间隔物来解决。根据这一实施例，在半导体结构 的顶部上放置具有通孔532 (在图中用虚线框描绘轮廓)的掩模530。 这种掩模可以利用传统的平板印刷方法来制作。A1N然后生长于掩 模的顶部上并且将填充孔532。
在图5b中已经去除掩模从而留下多个A1N柱状物535,从而形 成将有效地控制真空间隙宽度的间隔物。此外，将器件侧部上的材 料向下蚀刻至金属层以能够恰当地接触它。图5b图示了第一电极。
如图5c-图5d所示用相同方式构造第二电极550、但是没有如图5a-图b中所示的异质结构和柱状物。然后抵着第一电极的柱状物侧 按压这一电极的掺杂AlGaN侧，从而形成图5e中示意图示的最终器 件。接触在这里附着到外部电路560，并且器件由提供小型真空室 570的罩565密封。第一电极501和第二电极550连接到相应的贮存 器575和580。在所示实施例中，第一电极是冷却部分，而贮存器 580是冷却贮存器。
控制真空间隙宽度的一种替代方式是在器件中包括压电致动 器，其可以布置用以动态地控制间隙的宽度。
尽管已经结合目前认为是最实用和最优选的实施例描述了本发 明，但是将理解本发明不限于公开的实施例，而是旨在将各种修改 和等效布置涵盖于所附权利要求内。
权利要求
1. 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 薄膜(310; 410)是半导体。
8. 根据权利要求7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 )由A1N制成，而所述一个或者多个第 二薄膜(310; 410)由AlGaN制成。
9. 根据权利要求7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 )由AlGaAs制成，而所述一个或者多个 第二薄膜(310; 410)由GaAs制成。
10. 根据权利要求7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 )由Si制成，而所述一个或者多个第 二薄膜(310; 410)由SiGe制成。
11. 根据权利要求1-10中任一权利要求所述的固态冷却/发电器 件，其中在所述真空间隙中提供绝缘材料的纳米级间隔物，所述真 空间隙的宽度由所述绝缘间隔物限定。
12. —种提供固态冷却/发电器件的方法，所述固态冷却/发电器 件包括第一电极和第二电极，在所述电极之间具有纳米级尺度的真 空间隙，所述方法其特征在于以下步骤-在所述第一电极上提供具有通孔(532 )的掩模(530 );-通过在所述掩模的顶部上生长绝缘体来填充所述通孔(530 )， 由此在所述第一电极上提供绝缘间隔物(535 );-去除所述掩模以显露所述绝缘间隔物(535 );-在所述绝缘间隔物(535 )的顶部上按压所述第二电极，所述 绝缘间隔物由此限定形成于所述第 一 电极与所述第二电极之间的所 迷间隙的宽度。
13. 根据权利要求12所述的方法，还包括在所述提供所述真空 间隙的步骤之前进行的过程，所述过程提供了实现纳米级半导体异 质结构的电极并且包括以下步骤-在衬底(510)的顶部上生长用以充当与外部电路的接触的金属层(510);-通过生长一个掺杂半导体层(515)、继而生长形成势垒的至 少一个第一材料层(520 )以及生长第二材料层(525 ),在所述金属层(510)的顶部上提供所述纳米级半导体异质结构，其中所述第 一材料具有比所述第二材料更宽的带隙。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括以下步骤将交替生 长所述第一材料层(520 )和所述第二材料层(525 )重复预定次数， 以形成超晶格。
全文摘要
本发明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，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。
文档编号H01J21/02GK101438106SQ200780015841
公开日2009年5月20日 申请日期2007年4月30日 优先权日2006年5月2日
发明者M·海弗特 申请人:比康科技公司