CN100345318C - 增强界面热电冷却器 - Google Patents

Abstract

提供一种效率改进的热电器件。在一个实施例中，热电器件包括第一热元件和与第一热元件电耦接的第二热元件。第一尖端阵列在第一组离散点处物理接近第一热元件(但是不一定与其物理接触)。第二尖端阵列在第二组离散点处物理接近第二热元件(但是不一定与其物理接触)。第一尖端阵列和第二尖端阵列由金属构成，从而降低寄生电阻。

Description

增强界面热电冷却器

技术领域

本发明涉及用于冷却诸如集成电路芯片之类物体的器件，更具体地说，本发明涉及热电冷却器。

背景技术

随着计算机的速度继续提高，计算机内的电路产生的热量持续增大。对于许多电路和应用来说，增大的热量会降低计算机的性能。这些电路需要被冷却，以便最有效地工作。在许多低端计算机中，例如个人计算机中，仅仅通过用于对流冷却的风扇和散热片冷却计算机。但是，对于在更快速度下工作，并且产生多得多的热量的更大计算机，例如主机来说，这些解决方案是不可行的。

目前，许多主机利用蒸汽压缩冷却器冷却计算机。这些蒸汽压缩冷却器的工作基本上和许多家庭中使用的中央空调设备相同。但是，蒸汽压缩冷却器在机械上相当复杂，需要绝热，以及必须有延伸到主机各个部分的软管，以便冷却最易于因过热而降低性能的特定区域。

一种简单得多并且更廉价的冷却器是热电冷却器。热电冷却器利用称为珀尔帖效应的物理原理，根据珀尔帖效应，在两种不同的材料两端施加来自于电源的DC电流，导致热量在这两种不同材料的接合处被吸收。从而，热量从发热物体被除去，并可被传送给冷源而耗散，从而冷却发热物体。可在集成电路芯片内制造热电冷却器，并且热电冷却器可直接冷却特定的发热点，而不需要蒸汽压缩冷却器所需的那种复杂机械系统。

但是，当前的热电冷却器的效率不如蒸汽压缩冷却器，实现相同的冷却量，需要消耗更多的功率。此外，目前的热电冷却器不能象蒸汽压缩冷却器那样极大冷却物体。于是，需要一种效率和冷却能力改进的热量冷却器，从而可从小型制冷应用，例如主机、发热芯片的热量管理、RF通信电路、读/写磁头、光学和激光器件、以及汽车制冷系统中取消复杂的蒸汽压缩冷却器。

发明内容

本发明提供效率改进的热电器件。在一个实施例中，热电器件包括第一热元件和与第一热元件电耦接的第二热元件。第一尖端阵列在第一组离散点处物理接近第一热元件(但是不一定与其物理接触)。第二尖端阵列在第二组离散点处物理接近第二热元件(但是不一定与其物理接触)。第一尖端阵列和第二尖端阵列完全由金属构成，从而降低寄生电阻。

根据本发明，提供一种热电器件，包括：由第一种热电材料构成的第一热元件；与第一热元件电耦接的由第二种热电材料构成的第二热元件；第一尖端阵列，在第一组离散点处邻近第一热元件的平坦表面，从而实现第一尖端阵列和第一热元件间的电传导；和第二尖端阵列，在第二组离散点处邻近第二热元件的平坦表面，从而实现第二尖端阵列和第二热元件之间的电传导；其中第一尖端和第二尖端由金属构成，并具有10或30-50纳米的有效尖端半径。

根据本发明，提供一种热电器件，包括：由第一种热电材料构成的第一热元件；与第一热元件电耦接的由第二种热电材料构成的第二热元件；第一尖端阵列，在第一组离散点处邻近第一热元件，从而实现第一尖端阵列和第一热元件间的电传导；和第二尖端阵列，在第二组离散点处邻近第二热元件，从而实现第二尖端阵列和第二热元件之间的电传导；其中第一尖端和第二尖端由金属构成，该热电器件还包括：涂覆每个第一金属尖端和第二金属尖端的热电材料层，其中尖端上的热电材料层的杂质类型和邻近的第一或第二热元件的相应杂质类型相符；其中第一和第二热元件分别包括第一热电材料构成的超晶格和第二热电材料构成的超晶格。

根据本发明的一个方面，提供一种热电器件，包括：

由第一种热电材料构成的第一热元件；

与第一热元件电耦接的由第二种热电材料构成的第二热元件；

在第一组离散点处邻近第一热元件，从而促进第一尖端阵列和第一热元件之间的电传导，但是降低第一尖端阵列和第一热元件之间的热传导的第一尖端阵列；和

在第二组离散点处邻近第二热元件，从而促进第二尖端阵列和第二热元件之间的电传导，同时降低第二尖端阵列和第二热元件之间的热传导的第二尖端阵列；其中

第一尖端和第二尖端由金属构成。

根据本发明的第二方面，提供一种形成供热电器件之用的全金属尖端的方法，所述方法包括：

制备具有带凹痕表面的平坦牺牲模板，所述带凹痕表面具有深度一致的多个凹部；

利用扩展到牺牲模板的凹部中的一层金属覆盖牺牲模板；和

除去牺牲模板，产生具有多个尖端的金属层。

根据本发明的第三方面，提供一种形成供热电器件之用的金属尖角尖端的方法，所述方法包括：

在一层金属上形成图案化光刻胶的掩模；

在存在光刻胶掩模的情况下，蚀刻该层金属，产生金属的基本上为尖角的尖端结构；和

除去光刻胶。

根据本发明的第四方面，提供一种形成供热电器件之用的金属尖角尖端的系统，所述系统包括：

在一层金属上形成图案化光刻胶的掩模的装置；

在存在光刻胶掩模的情况下，蚀刻该层金属，产生金属的基本上为尖角的尖端结构的装置；和

除去光刻胶的装置。

附图说明

所附权利要求中陈述了本发明的特有的新特征。但是，结合附图并参考示范实施例的下述详细说明，将更好地理解发明本身、应用的优选方式以及发明的其它目的和优点，其中：

图1描绘了根据现有技术的热电冷却(TEC)器件的高级方框图；

图2描绘了根据本发明的具有增强结构化界面的热电冷却器的横截面图；

图3描绘了根据本发明的图2中的热电冷却器200的平面图；

图4A和4B描绘了根据本发明的可实现为图2中的尖端250之一的尖端的横截面图；

图5根据本发明描绘了图解说明超晶格附近的尖端的温度场的横截面图；

图6描绘了根据本发明的具有增强结构化界面的热电冷却器的横截面图，所述增强结构化界面具有全金属尖端；

图7描绘了根据本发明的用于形成全金属尖端的牺牲硅模板的横截面图；

图8描绘了图解说明根据本发明利用硅牺牲模板产生全金属圆锥体的示范方法的流程图；

图9描绘了根据本发明的利用图案化光刻胶形成的全金属圆锥体的横截面图；

图10描绘了图解说明根据本发明的利用光刻胶形成全金属圆锥体的示范方法的流程图；

图11描绘了根据本发明的具有增强结构界面的热电冷却器的横截面图，其中在界面处，热电材料而不是金属导电层被形成为尖端；

图12描绘了图解说明根据本发明制备热电冷却器的示范方法的流程图；

图13描绘了图解说明在热电材料中产生尖端所需的光刻胶的定位的横截面图；

图14根据本发明表示了供热电冷却器之用的位于表面上方的冷却尖角尖端，图解说明了所述尖端相对于所述表面的定位；

图15描绘了热电发电机的示意图。

具体实施方式

图1中描绘了根据现有技术的热电冷却(TEC)器件的高级方框图。热电冷却(一个众所周知的原理)以珀尔帖效应为基础，其中在两种不同物质两端施加DC电流，导致热量在这两种不同物质的接合处被吸收。

一种已知的典型热电冷却器件100利用夹在不良导电体108(它具有良好的导热性)和导电体110及114中间的p型半导体104和n型半导体106。N型半导体106具有多余的电子，而p型半导体104缺乏电子。DC电源102连接在两个导电体114之间。

当电子从导电体110移动到n型半导体106时，由于从热源112吸收的热能的缘故，电子的能态被升高。该过程具有借助流经n型半导体106和导电体114，把热能从热源112转移到冷源116的效果。电子在导电体114中降低到低能态而释放热能。

致冷器，比如热电冷却器100，的性能系数η是致冷器的冷却能力除以致冷器的总能耗的比值。从而，由下述等式给出该性能系数：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\αI}{T}_c-\frac{1}{2}{I}^{2}R-\mathrm{K\ΔT}}{I^{2}R+\mathrm{\αI\ΔT}}$

其中项αIT_c是热电冷却产生的，项I²R是焦尔加热逆流(Jouleheating backflow)，项KΔT是热传导产生的，项I²R起源于焦尔损失，项αIΔT起源于克服珀尔帖电压所做的功，α是材料的热电系数，K是珀尔帖器件的热导率，T_C是热源的温度，ΔT是热源的温度与冷源的温度T_h的差。

通过优化电流I，得到最大性能系数，并且由下述关系式给出最大性能系数：

${\mathrm{\η}}_{\max }=\left(\frac{T_c}{\mathrm{\ΔT}}\right)\left[\frac{\mathrm{\γ}-T_h/T_c}{\mathrm{\γ}+1}\right]$

这里参数γ可表示成

$\mathrm{\γ}=\sqrt{1+\frac{{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\σ}}{\mathrm{\λ}}\left(\frac{T_h+T_c}{2}\right)}$

这里σ是电导率，λ是热导率。

致冷器的效率因子ε由下述等式给出：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\γ}-T_h/T_c}{\mathrm{\γ}+1}$

品质因数ZT由下述等式给出：

$\mathrm{ZT}=\frac{{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\σT}}{\mathrm{\λ}}$

其中热导率λ由两个分量组成：起源于电子的分量λ_e，和起源于晶格的分量λ_L，T是温度T_c和T_h的平均值。于是，品质因数ZT趋近无穷大，获得最大效率ε。蒸汽压缩冷却器的效率约为0.3。传统的热电冷却器，例如图1中的热电冷却器100的效率一般小于0.1。于是，为了把热电冷却器的效率增大到足以和蒸汽压缩冷却器竞争的范围，必须把品质因数ZT增大到大于2。如果能够获得大于2的品质因数，则可实现获得和蒸汽压缩冷却器相同的效率和冷却能力的热电冷却器。

参考图2，图中根据本发明，描绘了具有增强结构化界面的热电冷却器的横截面图。热电冷却器200包括热源226，当电流I如图所示流动时，热量从所述热源226被吸取并被传送给冷源202。热源226可与希望被冷却的物体热耦接。冷源202可与诸如热管、散热片、和/或冷凝器之类装置热耦接，以便耗散从热源226和/或更多冷却热源226除去的热量。

热源226由p-型掺杂硅组成。热源226与尖端250的n+型掺杂硅区域224和222热耦接。N+型区域224和222是导电体，也是良好的导热体。每个N+型区域224和222与热源226形成反向二极管，以致在热源226和n+区域224和222之间不流动任何电流，从而形成热源226与导电体218和220的电绝缘。

冷源202由p-型掺杂硅组成。冷源202与n+型掺杂硅区域204和206热耦接。n+型区域204和206是导电体，并且是良好的热导体。每个N+形区域204和206及冷源202均构成反向二极管，以致在N+型区域204和206及冷源202之间不流动任何电流，从而形成冷源202与导电体208的电绝缘。可在美国专利No6222113 B1，“Electrically IsolatedUltra-Thin Substrates for Thermoelectric Coolers”(转让给New York，Armonk的国际商用机器公司，申请日1999年12月9日)中找到更多关于热电冷却器的电绝缘的信息，所述专利的内容作为参考包含于此。

如果冷源202和热源226完全由未掺杂的不导电硅构成，则不需要利用n+和p-区域形成反向二极管来使导体208与冷源202电绝缘，以及使导体218和220与热源226电绝缘。但是，很难确保硅是完全未掺杂的。于是，由n+和p-区域形成的反向二极管的存在确保冷源202和热源226与导体208、218和220电绝缘。另外，应注意可以其它方式产生利用反向二极管的相同电绝缘，例如通过利用p+型掺杂硅和n-型掺杂硅，而不是利用所描绘的p-和n+型掺杂硅。这里使用的术语n+和p+分别指的是n型高度掺杂半导体材料和p型高度掺杂半导体材料。这里使用的术语n-和p-分别指的是n型轻度掺杂半导体材料和p型轻度掺杂半导体材料。

热电冷却器200的结构类似于图1中的热电冷却器100。但是，N型半导体结构界面106和P型半导体结构界面104被超晶格热元件结构210和212代替，超晶格热元件结构210和212由导电体208电耦接。导电体208可由铂(Pt)形成，或者由其它导体材料，例如钨(W)、镍(Ni)或者钛铜镍(Ti/Cu/Ni)金属薄膜。

超晶格是一种由两种不同半导体材料的交替层组成的结构，每一层厚度为几纳米。热元件210由N型半导体材料的交替层构成，热元件212的超晶格由P型半导体材料的交替层构成。热元件210和212中每一层交替材料的厚度为10纳米。和包含同样的两种半导体材料的合金相比，两种半导体材料的超晶格具有较低的热导率λ，和相同的电导率σ。

在一个实施例中，超晶格热元件212包含p型的铋的硫族化物材料的交替层，例如Bi₂Te₃/Sb₂Te₃和Bi_0.5Sb_1.5Te₃的交替层，热元件210的超晶格包括n型的铋的硫族化物的交替层，例如Bi₂Te₃和多层Bi₂Se₃的交替层。其它类型的半导体材料也可用于热元件210和212的超晶格。例如代替铋的硫族化物，可用钴锑方钴矿材料构成热元件210和212的超晶格。

热电冷却器200还包括尖端250，电流I通过尖端250进入热元件212，随后从热元件210进入导体218。尖端250包括形成具有薄薄的一层导电材料(例如铂(Pt))外涂层的尖角圆锥结构的n+型半导体222和224。可用于替代铂的其它导体材料包括钨(W)、镍(Ni)和钛铜镍(Ti/Cu/Ni)金属薄膜。尖端250和热电材料210及212之间和周围的区域应被抽空或者用诸如干燥氮气之类气体密封。

在尖端250的端部覆盖导电层218和220的是半导体材料薄层214和216。层214由具有和热元件212的超晶格距尖端250最近的一层相同的热电系数α的P型材料形成。层216由具有和热元件210距尖端250最近的一层相同的热电系数α的N型材料形成。由于在产生电子和空穴的金属附近的区域中发生冷却，因此P型热电外涂层214是热电冷却器200发生作用所必需的。n型热电外涂层216是有益的，因为在热电系数的梯度(变化率)最大的地方产生最大冷却。P型区域的热电外涂层214的厚度约为60纳米。n型热电外涂层216的具体厚度还要充分细化，不过预期它应在和热电外涂层214的厚度类似的厚度范围内。

通过把导电体，例如图1中的导体110形成为尖角尖端250，而不是平坦界面，增大了冷却效率。由于晶格失配的缘故，在尖端250的顶端的晶格热导率λ很小。例如，铋的硫族化物的热导率λ通常接近于1瓦/米·开。但是，在尖角尖端结构中，例如在尖端250中，由于尖角的晶格失配的缘故，热导率被降低到约0.2瓦/米·开。但是，热电材料的电导率保持相对不变。于是，对于这种材料，品质因数ZT可增大到大于2.5。可用于热元件210和212的超晶格的另一种材料是钴锑方钴矿。这些类型的材料一般具有很高的热导率λ，使得它们通常不合乎需要。但是，通过利用尖角尖端250，热导率可被降低到一个极小值，并且对于这些材料产生大于4的品质因数ZT，从而使得在热元件210和212中应用这些材料很有吸引力。于是，尖角尖端250的应用进一步提高了热电冷却器200的效率，从而使热电冷却器200可与蒸汽压缩冷却器相比。

冷却尖角结构的另一优点在于电子被限制在小于波长(对应于它们的动能)的范围内。这种限制增大了适用于传送的状态的局部密度，有效提高了热电系数。从而，通过增大″和降低8，提高了品质因数ZT。

如图1中图解说明的传统热电冷却器的标准冷却能力能够产生热源和冷源之间约60开的温差ΔT。但是，热电冷却器200能够产生约150开的温差。从而借助相互耦接的两个热电冷却器，能够冷却到液氮温度区(小于100开)。但是，可能需要对热元件210和212使用不同的材料。例如，碲化铋在低温(即低于-100℃)下具有很低的α。但是，锑化铋合金在低温下可很好地工作。

和铋的硫族化物材料相比，钴锑方钴矿材料的和温度无关的另一优点是钴锑方钴矿材料在结构上更稳定，而铋的硫族化物材料结构稳定性较差。

本领域的普通技术人员会认识到图2中的热电冷却器的结构可依具体实现而变化。例如，和图1中描绘的热电冷却器相比，可包含更多行或者更少行的尖端250。图示的例子并不意味着对本发明结构上的限制。

现在参见图3，图中根据本发明描绘了图2中的热电冷却器200的平面图。热电冷却器300包括n型热电材料部分302和p型热电材料部分304。n型部分302和p型部分304都包括覆盖硅本体的一薄层导电材料306。

部分302包括锥形尖端310的阵列，每个锥形尖端310覆盖有和热元件210的超晶格的最近一层相同类型的一薄层n型材料308。部分304包括锥形尖端312的阵列，每个锥形尖端312覆盖有和热元件212的超晶格的最近一层相同类型的一薄层p型材料314。

现在参见图4A和4B，图中根据本发明描绘了可被实现为图2中的尖端250之一的尖端的横截面图。尖端400包括以约35度的圆锥角形成的硅圆锥体。导电材料(例如铂(Pt))薄层404覆盖硅402。热电材料薄层406覆盖尖端400的顶端。沉积所有各层之后的圆锥角约为45度。尖端400的有效尖端半径约为50纳米。

尖端408是尖端，比如尖端250之一的备选实施例。尖端408包括具有位于尖角之上的导电层412和热电材料层410的硅圆锥体414。但是，尖端408具有比尖端400更小的圆锥角。尖端408的有效尖端半径约为10纳米。目前不清楚对于尖端来说，是较宽的圆锥角较好，还是较窄的圆锥角较好。本实施例中，如图4A中所示，对于尖端选择了45度的圆锥角，因为这样的角度在可能的圆锥角范围的中间，并且因为易于利用带有铂外涂层的硅形成这种结构。这是因为沿着硅的100晶面的KOH蚀刻自然形成54度的圆锥角。从而，在增加导电和热电外涂层之后，圆锥角约为45度。

现在参见图5，图中根据本发明描绘了图解说明超晶格附近的尖端的温度场的横截面图。尖端504可实现成图2中的尖端250之一。尖端504具有约30-50纳米的有效尖端半径a。从而，温度场局限于很小的距离r，大约等于2a或者约为60-100纳米。于是，超晶格502只需要为几层厚，厚度d约为100纳米。于是，通过利用尖角尖端，只具有5-10层超晶格的热电冷却器就足够了。

从而，制造诸如热电冷却器200之类的热电冷却器并不特别费时，因为只需要形成几层超晶格，而不是形成许多层超晶格，形成许多层超晶格会非常费时。从而，和现有技术的热电冷却器(其厚度约为3毫米级或者更大)相比，热电冷却器200可被制造成很薄(约为100纳米厚)。

根据本发明的具备尖角尖端界面的热电冷却器的其它优点包括尖端界面处诸如图2中的热元件210和212之类的热元件的热导率的极小化。另外，温降/压降被局限在尖端附近的区域中，有效实现100纳米以下长度的规模。此外，通过有效降低热元件长度，利用尖角尖端使超晶格生长的层数降至最少。本发明还允许薄膜结构的电解沉积，避免倒装式接合。较小的尺寸便于n型和p型热元件的单片集成。

本发明的热电冷却器可用于冷却物品，例如主机、激光器、光电器件、光电检测器和遗传学中的PCR(PCR in genetics)内的特定局部。

现在参见图6，图中根据本发明描绘了具有全金属尖端的增强结构化界面的热电冷却器的横截面图。虽然上面把本发明描绘成具有由硅圆锥体构成的尖端250，所述硅圆锥体由n+半导体区224和222构成，不过图2中的尖端250可由如图6中所示的尖端650代替。尖端650具有全金属圆锥体618和620。在图示的实施例中，圆锥体618和620由铜构成，并且具有镍外涂层660和662。在所有其它方面，热电冷却器600和热电冷却器200相同，包括具有尖端650之上的热电外涂层216和214。热电冷却器600还提供和热电冷却器200相同的好处。但是，通过利用全金属圆锥体，而不是利用被导电材料覆盖的硅圆锥体，圆锥体内的寄生电阻变得很小，从而和热电冷却器200的已增大的效率相比，进一步提高热电冷却器600的效率。环绕尖端650的区域和尖端650与热电材料210及212之间的区域应是真空，或者密封干燥氮气之类的气体。

另外，如图2中所示，热源226由p-型掺杂硅构成。但是，和图2相反，热源226与不构成尖端结构650一部分的n+型掺杂硅区域624及622热耦接，而不是与如同图2中的区域224和222那样构成尖端结构一部分的区域热耦接。N+型掺杂硅区域624和622仍然完成由图2中的区域224及222实现的电绝缘功能。

可利用几种方法来形成如图6中所示的全金属圆锥体。例如，现在参见图7，图中根据本发明描绘了可用于形成全金属尖端的牺牲硅模板的横截面图。在已构成具有圆锥凹坑的牺牲硅模板702之后，可在模板702上沉积一层金属，从而产生全金属圆锥体704。全金属圆锥体704随后可用在热电冷却器600中。

现在参见图8，根据本发明描绘了图解说明通过利用硅牺牲模板产生全金属圆锥体的示范方法的流程图。开始，利用硅的各向异性蚀刻制备锥形凹坑，产生模子(步骤802)。这可通过KOH蚀刻、氧化和/或聚焦离子束蚀刻的组合来实现。制备硅圆锥体的这种技术在本领域中众所周知。

随后利用诸如钛或铂之类籽晶金属的溅射薄层涂覆硅牺牲模板(步骤804)。优选钛，因为和钛相比，铂形成稍圆的尖端，它和圆锥形凹坑非常一致。随后，电化学沉积铜，以便填充牺牲硅模板中的凹部(圆锥形凹坑)(步骤806)。随后平整铜的上表面(步骤808)。平整一层金属的方法在本领域中众所周知。随后借助本领域众所周知的选择性蚀刻方法除去硅基体(步骤810)。随后利用诸如镍或钛之类另一金属的涂层，接着用极薄的热电材料层覆盖按照这种方式产生的全金属圆锥体。镍或钛外涂层有助于热电材料涂层的电解沉积。

这种产生全金属圆锥体的方法的一个优点在于产生的模子可以重复使用。在模子退化而变得不可使用之前，模子最多可使用约10次。按照这种方式形成模板能够很好地受到控制，并且产生非常均匀的全金属圆锥尖端，因为硅蚀刻是完全能够预测的，并且可准确到几纳米计算产生的凹坑的斜度和圆锥体的锐度。

也可使用其它的形成全金属圆锥体方法。例如，现在参见图9，图中根据本发明描绘了利用图案化光刻胶形成的全金属圆锥体902的横截面图。在该方法中，在局部制备的热电冷却器的底部上形成一层金属。图案化光刻胶904-908随后被用于利用直接电化学蚀刻方法形成全金属圆锥体902。

现在参见图10，根据本发明描绘了图解说明利用光刻胶形成全金属圆锥体的示范方法的流程图。开始，在诸如图6中的热电冷却器600之类局部制备的热电冷却器的金属层，例如铜上，对小区段光刻胶进行构图(步骤1002)。可在具有光刻胶的区段阵列中对光刻胶构图，其中该阵列内的每个光刻胶区域对应于其中希望形成全金属圆锥体的尖端的区域。随后直接对该金属进行电化学蚀刻(步骤1104)，产生如图9中描绘的圆锥体902。随后除去光刻胶，并且然后用另一种金属，例如镍涂覆全金属圆锥体的尖端(步骤1006)。之后可利用一层极薄的热电材料涂覆覆盖在全金属圆锥体上的第二金属(步骤1008)。从而，可形成具有位于尖端上的热电层的全金属圆锥体，所述全金属圆锥体可用于诸如热电冷却器600之类的热电器件中。按照这种方式产生的全金属圆锥尖角不如利用图8中图解说明的方法产生的那些全金属圆锥尖角均匀。但是，目前该方法较便宜，于是，如果成本是一个重要因素，则该方法是更合意的方法。

上面描绘的制备全金属圆锥体的方法只是例子。也可使用其它方法制备供热电冷却器使用的全金属圆锥体。此外，除铜之外的其它类型的金属也可用于全金属圆锥体。

现在参见图11，图中根据本发明描绘了具有增强结构界面的热电冷却器的横截面图，其中热电材料，而不是金属导电层被形成为界面处的尖端。热电冷却器1100包括冷板1116和热板1102，其中冷板与要冷却的物体热接触。导热体1114和1118分别形成导电板1112和1120之间的热耦接。导热体1114和1118由高度掺杂的n型(n+)半导体材料构成，所述高度掺杂的n型(n+)半导体材料通过与冷板1116的p-材料形成反向偏压二极管，提供冷板1116和导体1112及1120之间的电绝缘。从而，热量通过导体1112和1120从冷板1116转移走，并且最终转移到热板1102而由之发散，而不在热电冷却器1110和要冷却的物体之间形成电耦接。类似地，导热体1104提供导电板1108和热板1102之间的热连接，同时如上所述，通过与热板1102p-掺杂半导体材料形成反向偏压二极管，保持热板和导电板1109之间的电绝缘。导热体1104也是n+型掺杂半导体材料。本实施例中，导电板1108、1112及1120由铂(Pt)构成。但是，也可利用既导电又导热的其它材料。另外应提及的是环绕尖端1130-1140的区域和尖端1130-1140与热电材料1122及1110之间的区域应被抽空以产生真空，或者应密封诸如干燥氮气之类的气体。

本实施例中，不是通过图2和6中所示的金属电极中的尖角阵列形成热元件和热源(冷端)金属电极(导体)之间的接触，而是借助热元件1124和1126中的尖角1130-1140的阵列提供热元件和金属电极之间的触点阵列。在上面参考图2和6说明的实施例中，在硅尖端上形成位于冷端的金属电极，或者直接蚀刻金属图案，以形成全金属尖端。但是，这些方法需要借助电化学方法在冷电极和热电极上沉积热电材料。电解沉积的材料趋向于多晶，不具有极平的表面。另外表面热电性质可以优于单晶热电材料，也可能不优于单晶热电材料。退火改进多晶材料的热电性质，但是低于100纳米粗糙度的表面光滑度仍是一个问题。借助电化学蚀刻，本实施例的尖端1130-1140可由单晶或多晶热电材料形成。

在一个实施例中，热元件1124由单晶Bi₂Te₃/Sb₂Te₃和Bi_0.5Sb_1.5Te₃的超晶格构成，热元件1126由单晶Bi₂Te₃/Bi₂Se₃和Bi₂Te_2.0Se_0.1的超晶格构成。利用和最接近薄层1120的尖端1130-1134的材料相同的薄层热电材料1122涂覆导电板1120。利用和最接近薄层1112的尖端1136-1140的材料相同的薄层热电材料1110涂覆导电板1112。

现在参见图12，图中根据本发明描绘了图解说明制备诸如图11中所示热电冷却器1110之类的热电冷却器的示范方法的流程图。首先借助常规手段把最佳的单晶材料结合到金属电极上，或者把金属电极沉积到单晶材料上，从而形成电极连接图案(步骤1202)。随后利用如图13中所示的光刻胶1302-1306对热电材料1314的另一侧构图(步骤1204)，金属电极在电化学镀槽中被用作阳极，从而电化学蚀刻表面(步骤1206)。通过控制并在恰当时候停止蚀刻处理，形成如图13中所示的尖端1308-1312。

借助化学-机械抛光使第二单晶基体变薄，随后把整个基体电化学蚀刻成纳米薄膜(步骤1210)。具有极薄基体的第二基体形成冷端，借助压力把这两个基体(一个基体具有极薄的热电材料，另一基体具有热电尖端)夹在一起(步骤1212)。除了位于尖端的界面之外，该结构在所有区域中保持高结晶度。另外，除了单晶结构之外，相同的方法可用于制备多晶结构。

现在参见图14，根据本发明描绘了供热电冷却器使用的在表面上方的冷尖角尖端，图解说明了尖端相对于表面的定位。虽然迄今描绘的尖端(不论是以全金属尖端或者涂覆金属的尖端的形式，还是以热电尖端的形式形成)与面对尖端的表面接触。但是，虽然尖端可与相对表面接触，不过尖端最好在相对表面的附近，而不接触该表面，如图14中所示。图14中的尖端1402位于相对表面1404附近，但是未与相对表面物理接触。尖端1402与相对表面1404的距离d最好应约为5纳米级或者更小。实际上，在热电冷却器包含成千上万尖端的情况下，由于相对表面并非理想平面，一些尖端可能与相对表面接触，而其它尖端可能不接触相对表面。

通过消除尖端与相对表面的接触，可降低热电冷却器的冷板和热板之间热导率的数量。但是，由于尖端和相对表面之间的电子隧道效应的缘故，电导率得到保持。

上面描绘了本发明的尖端，并且本发明的尖端主要被描绘成完美的尖角尖端。但是，如图14中所示，实际上，尖端一般具有稍圆的端部，如尖端1402的情况一样。但是，尖端越接近理想的尖角尖端，则实现尖端的冷却温度和热板的加热温度之间的温度梯度所需的超晶格的数目越少。

尖端1402的弯曲端的曲率半径r₀最好约为数十纳米。在尖端1402的端部曲率半径r₀的2-3倍的距离上，表面1404下热电材料的相邻区域间的温差接近于零。于是，只需要几层超晶格1406-1414。从而，当利用本发明的尖端形成热板和冷板之间的电接触时，与尖端相对的超晶格材料是可行的。这和使用不用尖端的超晶格结构的现有技术形成对照，在该现有技术中，为了具备足以使温度梯度接近于零的足够厚度，需要10000层或更多层的超晶格。这样的层数是不可行的，但是如本实施例中那样，只使用5或6层可行得多。

虽然主要关于具有用于冷却的尖端界面的热电冷却器件(或者珀尔帖器件)说明了本发明，不过本领域的技术人员会认识到本发明也可用于发电。本领域的技术人员会充分认识到可以珀尔帖模式(如上所述)把热电器件用于致冷，也可以塞贝克模式把热电器件用于发电。现在参见图15，图中描绘了热电发电机的示意图。为了易于理解及说明热电发电，描绘了按照现有技术的热电发电机，而不是利用本发明的冷却尖角尖端的热电发电机。但是，应注意在根据本发明的热电发电机的一个实施例中，用冷却尖角尖端，例如如上详细说明的任意冷却尖角尖端实施例替换热元件1506和1504。

在热电发电机1500中，不是如图1中所示使电流从电源102流经热电器件，而是在热电器件1500两端产生温差T_H-T_L。这样的温差T_H-T_L产生流经电阻负荷元件1502的电流I，如图15中所示。这是和图1中描绘的工作方式相反的工作方式。

于是，除了用电阻器1502替换电源102，以及分别利用热源Q_H和Q_L使热元件1512和1516保持恒定温度T_H和T_L之外，热电器件1500在组件方面与图1中的热电器件102相同。从而，热电冷却器件1500利用夹在具有良好导热性的不良导电体1508之间的p型半导体1504和n型半导体1506。元件1504、1506和1508分别对应于图1中的元件104、106和108。热电器件1500还包括对应于图1中的导电体110和114的导电体1510和1514。可在 CRC Handbook of Thermoelectrics(D.M.Rowe，Ph.D.，D.Sc.，CRC Press，New York，(1995)pp.479-488)和 Advanced Engineering Thermodynamics(2^nd Edition，Adiran Bejan，John Wiley&Sons，Inc.，New York(1997)，pp.675-682)中找到关于热电发电的更多信息，这两篇文献作为参考包含于此。

上面主要就圆锥形尖端说明了本发明，不过，也可采用其它形状的尖端，例如金字塔形尖端。事实上，尖端的形状不必对称或一致，只要它提供一组离散的基本上为尖角的尖端即可，通过所述一组尖角尖端，可提供热电冷却器两端之间的电传导。本发明可用在任意小型致冷应用中，例如冷却主机、发热芯片和RF通信电路的热量管理，冷却磁盘驱动器的磁头，汽车致冷，以及冷却光学和激光器件。

出于举例说明的目的描绘了本发明，但是并未穷尽或者局限于本发明所公开的形式。对于本领域的普通技术人员来说，许多修改和变化是明显的。实施例的选择和描绘是为了更好地说明本发明的原理和实际应用，以及使本领域的其它普通技术人员能够把本发明理解为按想像得到的具体用途加以各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1、一种热电器件，包括：

由第一种热电材料构成的第一热元件；

与第一热元件电耦接的由第二种热电材料构成的第二热元件；

第一尖端阵列，在第一组离散点处邻近第一热元件的平坦表面，从而实现第一尖端阵列和第一热元件间的电传导；和

第二尖端阵列，在第二组离散点处邻近第二热元件的平坦表面，从而实现第二尖端阵列和第二热元件之间的电传导；其中

第一尖端和第二尖端由金属构成，并具有10或30-50纳米的有效尖端半径。

2、按照权利要求1所述的热电器件，其中金属是铜。

3、按照权利要求1所述的热电器件，其中金属尖端包括被涂覆一层第二金属的第一金属。

4、按照权利要求3所述的热电器件，其中第二金属包括镍。

5、按照权利要求1-4任一所述的热电器件，其中第一尖端和第二尖端呈圆锥形。

6、按照权利要求1-4任一所述的热电器件，其中第一尖端和第二尖端呈金字塔形。

7、按照权利要求1-4任一所述的热电器件，其中第一和第二热元件分别包括第一热电材料构成的超晶格和第二热电材料构成的超晶格。

8、一种热电器件，包括：

由第一种热电材料构成的第一热元件；

与第一热元件电耦接的由第二种热电材料构成的第二热元件；

第一尖端阵列，在第一组离散点处邻近第一热元件，从而实现第一尖端阵列和第一热元件间的电传导；和

第二尖端阵列，在第二组离散点处邻近第二热元件，从而实现第二尖端阵列和第二热元件之间的电传导；其中

第一尖端和第二尖端由金属构成，并具有10或30-50纳米的有效尖端半径，该热电器件还包括：

涂覆每个第一金属尖端和第二金属尖端的热电材料层，其中尖端上的热电材料层的杂质类型和邻近的第一或第二热元件的相应杂质类型相符；

其中第一和第二热元件分别包括第一热电材料构成的超晶格和第二热电材料构成的超晶格。

9、按照权利要求8所述热电器件，其中第一尖端和第二尖端呈圆锥塔形。

10、按照权利要求8所述热电器件，其中第一尖端和第二尖端呈金字塔形。

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