专利名称：热电器件以及热电器件阵列的制作方法
技术领域：
本公开涉及热电器件，以及更具体地，涉及热电器件和热电器件阵列，其中在设置 于高温区与低温区之间的热电物体中的载流子(carrier)移动方向或热流方向与面对高 温区和低温区的表面基本平行。
背景技术：
热电器件是指利用塞贝克(kebeck)效应现象的器件，在塞贝克效应现象中，在 自然界与人造制品诸如机器或建筑物中存在的温度差基于热电转换产生电动势。一般地， 在热电器件中，如在美国专利公开No. 2009-25773中所公开的，在热电物体内的热流方向 或载流子移动方向垂直于面对低温区和高温区的表面。热电转换是指热能到电能的转换，反之亦然。当在热电材料的两端之间引起温度 差时，产生电。另一方面，如果电流施加到热电材料，则在热电材料的两端之间产生温度梯度。在计算机或汽车发动机中产生的热能可以通过利用塞贝克效应被转换为电能，可 以通过利用珀耳帖(Peltier)效应实现各种冷却系统而不需要制冷剂。由于对新能源发 展、废能回收、环境保护等等的兴趣正在增加，所以热电器件也引起了许多关注。热电器件的效率通过优值(ZT)系数和无量纲(non-dimensional)性能系数的图 确定，该ZT系数是热电材料的性能系数，其中ZT系数可以表示如下ZT = ^T(1)
k在等式⑴中，ZT系数与热电材料的塞贝克系数S(伏特/度K)和电导率σ (1/ W-米)成正比，且与导热系数k(瓦特/米-度K)成反比。塞贝克系数S表示每单位温度 变化的电压(dV/dT)，且T表示绝对温度。为了实现高效率热电器件，ZT系数必须大。然而，对于相同的材料，塞贝克系数S、 电导率ο和导热系数k之间具有相关性，因而不能相互独立地控制它们。因此，不容易仅 通过改善热电材料实现高效率热电器件。
发明内容
提供一种能通过减小热电物体与高温区之间的电极以及热电物体与低温区之间 的电极中的接触热阻并增加热电物体中的温度梯度而改善电力效率的热电器件。其它方面将在以下的描述中部分阐述，且部分将通过该描述显而易见或者可通过 对本发明实施方式的实践而了解到。根据本公开的方面，一种热电器件包括低温区；高温区；以及热电物体，形成在 低温区与高温区之间，其中，热H或载流子在热电物体中的移动方向与低温区和高温区的 面对表面基本平行。热H或载流子在热电物体中的移动方向与低温区和高温区的每个面对表面之间的角度可以小于约45度。热电物体可以与低温区和高温区间隔开，并包括第一电极，形成在热电物体的第 一端与低温区之间；以及第二电极，形成在热电物体的第二端与高温区之间。热电器件还可以包括形成在热电物体的第二端与低温区之间或者热电物体的第 一端与高温区之间的绝缘层。面对表面可以是其上形成第一电极或第二电极的表面。热电物体可以在与连接低温区与高温区的最短线垂直的方向上形成。热电物体可以包括金属、金属间化合物、半导体、硼化物或氧化物。热电物体可以包括N型材料或P型材料。根据本公开的另一方面，一种热电器件阵列包括多个第一电极，形成在低温区 上；多个第二电极，形成在高温区上；热电物体，与低温区和高温区间隔开，并通过连接多 个第一电极的一端与多个第二电极的另一端形成，其中热H或载流子在热电物体中的移动 方向与低温区和高温区的面对表面基本平行。多个第一电极的所述一端与多个第二电极的所述另一端通过热电物体而轮流相 反地连接，因而形成曲折结构。热电物体可以形成使得轮流形成N型热电物体和P型热电物体。
通过结合附图对实施方式的以下描述，这些和/或其它方面将变得清晰且更易于 理解，在附图中图IA至图IC是示意性地示出根据本公开的实施方式的热电器件的视图；图2A和图2B是示出根据本公开的实施方式的热电器件阵列的视图；图3是示出根据本公开的实施方式的热电模块的视图；图4A是示出热电器件的视图，该热电器件包括垂直于高温区和低温区的面对表 面形成的热电物体；图4B是示出根据本公开的实施方式的热电器件的视图，该热电器件包括平行于 高温区和低温区的面对表面形成的热电物体；图5是用于描述根据本公开的实施方式形成图2A中示出的热电器件阵列的方法 的视图；图6A是示出根据本公开的实施方式的热电器件的视图；以及图6B是示出通过利用数字分析程序分析在图6A中示出的热电器件的热电物体中 的温度分布的结果的曲线图。
具体实施例方式在以下文中，将参考附图详细地描述根据本公开的实施方式的热电器件。在所公开的图中，为了方便起见，可能夸大了每个组件的宽度、长度和厚度。在整 个说明书中，相似的附图标记表示相似的元件。图IA至图IC是示意性地示出根据本公开的实施方式的热电器件的视图。图IB 示出了沿图IA中的线I1-I2提取的截面图。
参见图IA和图1B，热电物体120形成在低温区100与高温区140之间。第一电 极110形成在低温区100与热电物体120之间，第二电极130形成在热电物体120与高温 区140之间。第一电极110形成在热电物体120的上表面的一端，第二电极130形成在热 电物体120的下表面的另一端，使得热电物体120与低温区100和高温区140分隔开。低温区100和高温区140可以是具有不同温度的区域，在本发明的实施方式中，高 温区140可以具有比低温区100高的温度。低温区100和高温区140可以由柔性或非柔性材料诸如硅、砷化镓(GaAs)、蓝宝 石、石英、玻璃或聚酰亚胺形成。热电物体120是热或载流子(电子、空穴或离子)由于低温区100与高温区140 之间的温度差而沿其移动的路径。参见图1C，热H或载流子在热电物体120中移动的方向 可以与低温区100的面对表面基本平行。热电物体120可以与高温区140的面对表面基本 平行，且可以与连接低温区100和高温区140的最短线垂直。在此，低温区100的面对表面和高温度140的面对表面分别表示低温区100的面 对热电物体120的表面和高温区140的面对热电物体120的表面。在热H或载流子在热电 物体120中的移动方向与低温区100的面对表面之间形成角度θ工，在热H或载流子在热电 物体120中的移动方向与高温区140的面对表面之间形成角度θ 2，其中角度Q1* 02可 以小于约45度。如果低温区100的面对表面和高温区140的面对表面是曲面，则低温区 100和高温区140中分别形成第一电极110和第二电极130的表面可以用作低温区100和 高温区140的面对表面，从而可以确定热H或载流子的移动方向与低温区100之间的角度 Q1或者热H或载流子的移动方向与高温区140之间的角度θ2。热电物体120可以由各种热电材料制成。例如，热电物体120可以由金属、金属间 化合物、半导体、硼化物、氧化物等等形成，更具体地，可以包括BiTe化合物、PbTe化合物、 SiGe化合物等等。热电物体120可以由N型材料或P型材料形成。例如，热电物体120可 以包括第IV族材料和第V族材料或第IV族材料和第III族材料，或者可以掺杂有N型或 P型掺杂剂。第一电极110和第二电极130可以使用在一般的热电器件中使用的任何电极材 料，且例如可以由诸如金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、镍(Ni)、钛(Ti)或钼(Pt)的金属或者导 电金属氧化物形成。热电物体120在图IA至图IC中的热电器件的低温区100与高温区140之间形成 为单一结构，但是本公开不限于此，也可以形成多个热电物体120。图2Α和图2Β是示出根据本公开的实施方式的热电器件阵列的视图。在此，多个 热电物体13和14形成在低温区10与高温区17之间。参见图2Α和图2Β，多个第一电极Ila和lib形成在低温区10的表面上，多个第 二电极16形成在高温区17的表面上。第一电极Ila和lib以及第二电极16通过热电物 体13和14连接。热电物体13和14可以形成在各电极的端部上。即，形成在低温区10上 的第一电极Ila和lib的端部以及形成在高温区17上的第二电极16的端部通过热电物体 13和14被依次相反地(reciprocally)连接，从而形成曲折(zig-zag)结构。在图2A中， 热电物体13和14彼此平行，在图2B中热电物体13和14彼此不平行。热电物体13和14可以由N型或P型材料形成，且N型的热电物体13和P型的热电物体14可以依次形成在第一电极Ila与第二电极16之间以及第一电极lib与第二电极 16之间。热电物体13和14的端部可通过第一电极Ila和lib与低温区10连接，热电物体 13和14的另一端可以通过第二电极16与高温区17连接。绝缘层12可以形成在热电物 体13的端部与低温区10之间，且绝缘层15可以形成在热电物体14的端部与高温区17之 间。例如，N型热电物体13与低温区10间隔开，第一电极Ila形成在低温区10与N型热 电物体13的第一端之间，绝缘层12形成在低温区10与N型热电物体13的第二端之间。P 型热电物体14与高温区17间隔开，第二电极16形成在高温区17与P型热电物体14的第 二端之间，绝缘层15形成在高温区17与P型热电物体14的第一端之间。绝缘层12和15可以由绝缘材料诸如氧化物、氮化物、有机材料等形成。当热电器 件形成时，绝缘层12和15可以支持热电物体13和14使得热电物体13和14不直接接触 低温区10或高温区17。绝缘层12和15可以由具有低导热系数的材料形成，从而防止热被 传输到绝缘层12和15。图3是示出根据本公开的实施方式的热电模块的视图。如在图3中所示，第一电 极11和第二电极16以及第一电极11与第二电极16之间的热电物体13和14的多个图案 形成在低温区10与高温区17之间。在热电物体13和14中产生的载流子可以通过第一电 极11和第二电极16与热电模块的外部连接。根据本公开的当前实施方式的热电模块可以连接到供热源，热电模块的第一电极 11和第二电极16可以与外部电子器件(例如，耗电器件或储电器件)连接。在下文中，将描述在热电器件中，热电物体中的热或载流子移动方向垂直地以及 平行地形成在低温区与高温区之间的情形。热电器件中的热阻可以包括热电物体中的热阻RTEe、热电物体与低温区之间的接 触热阻R以及热电物体与高温区之间的接触热阻R。在此，假设热电物体与低温区之间的接 触热阻R以及热电物体与高温区之间的接触热阻R相同。热电器件的温度梯度可以包括在 高温区与低温区之间的温度差ATramW及在热电物体的两端之间的温度差ΔΤτκ。如果在 高温区与低温区之间存在温度差AIram，则热电物体的两端之间的温度差Δ Ttk可以通过 以下方程式给出 Δ Tteg = ( Δ Ttotal X Rteg) / (2R+RTEG)可以从该方程式看出，随着接触热阻R减小以及热电物体中的热阻Rtk增加，热电 物体两端之间的温度差Δ Tteg增加，导致热电器件的电力产生效率增加。在根据本公开的实施方式的热电器件中，热电物体中的热H或载流子移动方向与 低温区和高温区的面对表面基本平行，从而增加了热电物体中的热阻(Rtk)，减小了热电物 体与电极之间的接触热阻R，提供了优良的性能，如将参考图4Α和图4Β更详细地描述的。图4Α是示出包括垂直于高温区32和低温区30的面对表面形成的热电物体31的 热电器件的视图。参见图4Α，热电物体31形成在低温区30与高温区32之间。一般地，在连接低温区和高温区的热电物体中的热阻与热电物体的长度成正比， 与热电物体的横截面积成反比。因而，在图4Α中，随着热电物体31的横截面积Al减小以 及热电物体31的长度Hl增加，热电物体31中的热阻增加，因而性能效率在某程度上减小。 随着热电物体31的横截面积Al减小，热电物体31中的热阻增加，热电物体31与低温区30之间的接触热阻以及热电物体31与高温区32之间的接触热阻也增加。因为热电器件通过低温区30与高温区32之间的温度差产生载流子，所以在高接 触热阻的情形下难以在热电物体31中获得足够的温度梯度。热电物体31的横截面积Al 和长度Hl可以根据制造工艺确定。随着长度Hl与横截面积Al的比率，即，H1/A1增加，众 所周知，制造工艺将变得更复杂。因此，在图4A中示出的结构在增加热电物体的热阻方面 受到限制。在一般的热电器件阵列中，多个热电器件布置在低温区与高温区之间，其中该低 温区和高温区是两个基板，因而不容易增加热电物体31的长度HI。因此，当热电物体31中 的热H或载流子的移动方向垂直于低温区30和高温区32的面对表面时，热电物体31的热 阻增加存在限制。图4B是示出包括平行于低温区300和高温区302的面对表面形成的热电物体301 的热电器件的视图。参见图4B，热电物体301形成在低温区300与高温区302之间。热电物体301的横截面积A2通过两个因素(即，热电物体301的厚度和宽度)可 改变。因此，可通过控制这两个因素将热电物体301的横截面积A2减小较大量。热电物体 301的横截面积A2可以独立于热电物体301与低温区300之间的接触面积以及热电物体 301与高温区302之间的接触面积而改变。也可以减小热电物体301的横截面积A2同时增 加接触面积。与图4A中通过可处理的厚度来确定热电物体31的长度Hl不同，在图4B中，热电 物体301的长度H2可以使用光掩模而容易地改变，与可处理的厚度无关。因此，在图4B中， 确定热电物体301的热阻的热电物体301的长度H2和横截面积A2可以彼此独立地设计， 因而长度H2与横截面积A2的比率H2/A2可以较大。因此，与图4A中示出的热电器件相比，在图4B中示出的热电器件可以容易地改善 电力产生效率。根据本公开的实施方式的热电器件可以以各种方式形成，其尺寸不受限制。图5 是用于描述根据本公开的实施方式形成图2A中示出的热电器件阵列的方法的视图。参见图5，第一电极41和绝缘层42形成在第一基板40上的预定区域中。第一电 极41和绝缘层42可以形成为具有相同的高度。牺牲层(未示出)形成在第一基板40上， 且平坦化至与第一电极41和绝缘层42相同的高度，之后形成热电物体43。热电物体43被 图案化以连接到第一电极41的端部和绝缘层42。之后，在通过蚀刻工艺去除牺牲层时，第 一基板40和热电物体43可以间隔开预定间距。为了快速蚀刻存在于热电物体43下面的 牺牲层，可以在热电物体43中形成蚀刻孔h。对于第二基板400，可以使用与第一基板40相同的工艺以形成第二电极401、绝缘 层402和热电物体403。通过接合第一基板40和第二基板400，可以形成在图2A中示出的 热电器件阵列。在该工艺中，利用N型材料在第一基板40上形成热电物体43以及利用P型材料 在第二基板400上形成热电物体403可以分离地进行。在该情形下，与其中N型热电物体 和P型热电物体必须依次形成在单一基板上的现有的垂直型热电器件相比，热电器件可以 更容易地制造。当热电物体垂直于两个基板的面对表面形成时，在接合两个基板的工艺中 不容易施加高压力。然而，在图5中，可以施加高压力，因而减小了在接合表面上产生的电阻或接触热阻。图6A是示出根据本公开的实施方式的热电器件的视图，图6B是示出通过使用数 字分析程序分析在图6A中示出的热电器件的热电物体53中的温度分布的结果的曲线图。参见图6A，热电物体53平行于高温区50和低温区55的面对表面形成在高温区 50与低温区55之间。第一电极51和绝缘层52形成在热电物体53与高温区50之间，第二 电极M在形成绝缘层52的区域中形成在低温区55与热电物体53之间。在此，热电物体53的厚度是大约2 μ m,且在该热电物体53的产生温度梯度的区 域的长度是大约140 μ m。高温区50和低温区55使用硅晶片形成，其厚度是大约300 μ m。 假设热电物体53与高温区50或低温区55之间的间距是2 μ m,则高温区50的温度是大 约35°C，低温区55的温度是大约25°C。使用大约100W/m2K的对流传热系数(convective heat transfer coefficient)。铜(Cu)用作第一电极51和第二电极M的材料，二氧化硅 (SiO2)用于绝缘层52。多晶硅锗(SiGe)用于热电物体53。在高温区50与低温区55之间的温度差是大约10°C的条件下，分析热电物体53在 纵向的温度分布，该分析结果在图6B的曲线图中示出。在图6B中，X轴表示热电物体53的 d方向长度，Y轴表示摄氏温度。参见图6B，热根据高温区50与低温区55之间的温度差移动。能看出，热电物体 53与第一电极51接合的区域的温度是大约34. 134°C，热电物体53的内部温度朝第二电极 54线性降低。在图6B中示出的结果证明由于高温区50与低温区55之间的温度差而在热 电物体53中在纵向方向(即，平行于高温区50和低温区55的面对表面)产生温度梯度。还可以看出，从高温区50通过绝缘层52到低温区55的热转移量小，且热电物体 53与高温区50之间的空白空间中以及热电物体53与低温区55之间的空白空间中的热对 流转移受限。根据本公开的实施方式，通过引导热H或载流子在热电器件的热电物体中基本平 行于高温区和低温区的面对表面移动，能增加热电物体中的热阻。通过热电物体与电极之 间的大接触面积能减小接触热阻，从而改善电力产生效率。虽然以上已经详细描述了多个内容，但是它们应该理解为实施方式的实例而不是 本公开的范围的限制。因此，本公开的范围应该由权利要求书的技术精神限制，而不是前述 的实施方式。
权利要求
1.一种热电器件，包括低温区；高温区；以及热电物体，形成在所述低温区与所述高温区之间，其中，热或载流子在所述热电物体中的移动方向与所述低温区和所述高温区的面对表 面基本平行。
2.根据权利要求1所述的热电器件，其中热或载流子在所述热电物体中的所述移动方 向与所述低温区和所述高温区的每个所述面对表面之间的角度小于45度。
3.根据权利要求1所述的热电器件，其中所述热电物体与所述低温区和所述高温区间 隔开，并包括第一电极，形成在所述热电物体的第一端与所述低温区之间；以及第二电极，形成在所述热电物体的第二端与所述高温区之间。
4.根据权利要求3所述的热电器件，还包括形成在所述热电物体的所述第二端与所述 低温区之间或者所述热电物体的所述第一端与所述高温区之间的绝缘层。
5.根据权利要求3所述的热电器件，其中所述面对表面是其上形成所述第一电极或所 述第二电极的表面。
6.根据权利要求1所述的热电器件，其中所述热电物体沿与连接所述低温区与所述高 温区的最短线垂直的方向形成。
7.根据权利要求1所述的热电器件，其中所述热电物体包括金属、金属间化合物、半导 体、硼化物或氧化物。
8.根据权利要求7所述的热电器件，其中所述热电物体包括N型材料或P型材料。
9.一种热电器件阵列，包括多个第一电极，形成在低温区上；多个第二电极，形成在高温区上；热电物体，与所述低温区和所述高温区间隔开，并通过连接所述多个第一电极的一端 与所述多个第二电极的另一端而形成，其中热或载流子在所述热电物体中的移动方向与所述低温区和所述高温区的面对表 面基本平行。
10.根据权利要求9所述的热电器件阵列，其中所述热或载流子在所述热电物体中的 移动方向与所述低温区和所述高温区的每个所述面对表面之间的角度小于45度。
11.根据权利要求9所述的热电器件阵列，其中所述面对表面是其上形成所述第一电 极或所述第二电极的表面。
12.根据权利要求9所述的热电器件阵列，其中所述热电物体沿与连接所述低温区与 所述高温区的最短线垂直的方向形成。
13.根据权利要求9所述的热电器件阵列，其中所述多个第一电极的所述一端与所述 多个第二电极的所述另一端通过所述热电物体而轮流相反地连接，因而形成曲折结构。
14.根据权利要求13所述的热电器件阵列，其中所述热电物体形成使得轮流形成N型 热电物体和P型热电物体。
15.根据权利要求9所述的热电器件阵列，其中所述热电物体包括金属、金属间化合物、半导体、硼化物或氧化物。
16.根据权利要求15所述的热电器件阵列，其中所述热电物体包括N型材料或P型材料。
17.根据权利要求9所述的热电器件阵列，还包括形成在所述热电物体的一端或另一 端与所述低温区或所述高温区之间的绝缘层。
全文摘要
本发明公开了一种热电器件以及热电器件阵列。该热电器件可包括在高温区与低温区之间设置为水平结构的热电物体。该热电器件阵列中，多个热电物体设置在高温区与低温区之间。
文档编号H01L35/30GK102130289SQ20111000787
公开日2011年7月20日 申请日期2011年1月14日 优先权日2010年1月14日
发明者赵镇佑 申请人:三星电子株式会社