[發明專利]具有有利晶體傾斜的薄膜熱電器件

有效

• 申請號: 201380069567.8
• 申請日: 2013-11-05
• 公開（公告）號: CN105051924B
• 公開（公告）日: 2018-10-26
• 發明（設計）人: R.P.沃多;P.A.迪恩;T.P.施奈德;J.R.威廉森
• 申請（專利權）人: 內克斯特里姆熱敏技術公司
• 主分類號: H01L35/02
• 分類號: H01L35/02;H01L35/34
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 王岳;張懿

一種制造熱電器件的方法包括提供具有從其表面突出的多個斜向生長表面的襯底。在這些斜向生長表面上生長相應的熱電材料層，并且相應的熱電材料層聚結以共同地限定連續的熱電膜。與襯底表面相對的熱電膜表面可以是基本上平坦的，并且熱電膜的結晶取向可以相對于沿著其厚度的方向以約45度或更小的角度傾斜。還討論了相關的器件和制造方法。

優先權要求

本申請要求來自2013年3月15日提交的發明名稱為“具有有利晶體傾斜的薄膜熱電器件”的美國專利申請No.13/833651的優先權，該美國專利申請要求來自2012年11月6日提交的發明名稱為“具有有利晶體傾斜的薄膜熱電器件”的美國臨時專利申請No.61/722946的優先權，它們的公開內容由此通過引用全部合并在本文中。

技術領域

本發明涉及薄膜熱電材料和相關制造方法。

背景技術

熱電材料可以用來根據珀爾帖效應提供冷卻和/或功率生成。固態熱電冷卻的應用可以被預期為改進電子設備、光子設備和諸如例如RF接收機前端、處理器、可編程門陣列、紅外（IR）成像器、激光二極管、發光二極管、超靈敏磁特征傳感器和/或超導電子的傳感器的性能。

傳統的熱電器件可以通過組裝如分別在圖25 A和25 B中的透視視圖和截面視圖中所示的P和N熱電元件（TE）的陣列來制造。TE可以被焊接到頂和底高熱導率襯底或頭部。頭部可以相互平行地取向并將TE“夾在中間”。導電跡線可以被形成于頂頭部和底頭部并且可形成具有交替的P元件和N元件的串行電路。在該結構中，TE中的電流和通過元件的熱量流動兩者都可以基本上與頭部的取向正交，如圖25 B中所示。

熱電器件的性能可以是器件中使用的（多個）熱電材料的（多個）品質因數（ZT）的函數，品質因數由以下給出：

（等式1）

其中，分別是塞貝克系數、絕對溫度、電導率和總熱導率。對于給定的載流子密度（d）和對應的α，材料系數Z可以根據晶格熱導率（K_L）、電熱導率（K_e）和載流子遷移率（μ）表達，產出下面的等式（2）：

（等式2）

其中，L0是洛倫茲數。現有技術的熱電器件可以使用合金，諸如對于200度K到400度K溫度范圍的和。對于某些合金，K_L可以比μ更強烈地減小，導致增強的ZT。并且，DT_max（或ΔT_max）是熱電模塊的另一個品質因數，并且可以被限定為在未施加熱量負載時熱電薄膜的較高溫度側（“熱”側）與較低溫度側（“冷”側）之間的最大工作溫度差。施加最佳電流（I_max）以實現該最大冷卻。在熱（熱量排放）側保持在固定溫度的情況下限定DTmax。當熱量負載從零增大時，工作溫度差ΔT減小。ΔT在以瓦特量化的被稱為Qmax的特定熱量負載下減小到零。這是在給定溫度下能夠由熱電器件泵送的最大熱量。最大熱量泵送密度是每器件單位面積Q_max（Qmax/A）。

在塊熱電材料中，晶體的c軸可以具有高傾斜度，使得在從塊材料制造熱電模塊時熱/電傳導路徑可以基本上與塊材料中的最低電阻率方向對齊。然而，高傾斜塊材料的薄化可能是困難的，因為材料通常并不足夠耐久以經受住用于小于約100μm的薄化工藝。