Термоэлектрический преобразователь на основе эпитаксиальной структуры

Полезная модель относится к полупроводниковым термоэлектрическим приборам, содержащим переход между различными материалами, и может быть использована для преобразования тепловой энергии в электрическую. Термоэлектрический преобразователь на основе эпитаксиальной структуры содержит последовательно расположенные подложку, буферный слой и легированный донорной примесью слой полупроводника. К легированному донорной примесью слою полупроводника подведены два омических контакта. Контакты образуют, соответственно, исток и сток неравновесных электронов. В подложке выполнено окно из диэлектрического материала с удельной теплопроводностью ниже удельной теплопроводности подложки. Преобразователь позволяет увеличить термоэлектрическую добротность и величину КПД. 4 з.п. ф-лы, 6 илл.

Полезная модель относится к полупроводниковым термоэлектрическим приборам, содержащим переход между различными материалами, и может быть использована для преобразования тепловой энергии в электрическую.

В настоящее время ведется активный поиск технических решений, позволяющих существенно увеличить термоэлектрическую добротность и КПД полупроводниковых термоэлектрических преобразователей.

Актуально создание такого термопреобразователя, который обладает достаточно большой величиной термоэлектрической добротности (термодобротности) Z, технологичен, т.е. позволяет использовать при производстве групповые технологии и отличается низкой себестоимостью. Термоэлектрическая добротность связана с параметрами материала и конструкции термопреобразователя выражением:

В выражении [1] приняты следующие обозначения для параметров:

- удельная электропроводность материала,

- постоянная Зеебека,

- удельная теплопроводность.

Относительно выбора материалов, на основе которых изготавливаются термопреобразователи, можно отметить следующее.

Для металлов и полуметаллов, чем больше величина , тем больше величина и тем меньше величина , которая и так весьма мала (порядка единиц - десятка мкВ/К). Что касается полупроводников, у которых постоянная Зеебека может достигать сотен мВ/К, то у них велика решеточная составляющая удельной теплопроводности и мала удельная электропроводность.

Очевидно, что пути решения задачи увеличения Z следует искать прежде всего в развязке трех вышеупомянутых параметров. Другими словами, нужно, чтобы в конструкции термопреобразователя эти параметры были не зависящими друг от друга.

В последнее десятилетие XX века были найдены вещества, которые в виде образцов макроскопически больших размеров обладали наилучшими термоэлектрическими характеристиками (например, сплав кремния с германием). В тот же период было обнаружено, что давно известные вещества, не обладающие хорошими термоэлектрическими характеристиками в виде образцов макроскопически больших размеров, обладают таковыми в виде образцов столь малого размера, что в них имеют место квантово-размерные эффекты. В результате возникла идея создавать нанокомпозиты - матрицы из веществ первого типа, в которые введены слои (квантовые листы), нити (квантовые нити), точки (квантовые точки) веществ второго типа. Предполагалось, что матрица подобного нанокомпозита будет обладать очень низкой теплопроводностью и электропроводностью по сравнению с совокупностью внедренных в нее квантово-размерных структур, а отдельная структура (например, нить) будет обладать очень высокой электропроводностью, очень высокой постоянной Зеебека.

Один из методов создания подобных нанокомпозитов заключается в подготовке германиевой матрицы, содержащей кремниевые нанонити диаметром до 10 нм каждая. В другом варианте нанокомпозит может представлять собой множество скрепленных (связанных) наночастиц сферической формы (M.Dresselhaus, G.Chen, M.Tang, R.Yang, H.Lee, D.Wang, Z.Ren, J.Fleurial, P.Gogna, Adv. Mat, pp.1-12, 2007). Каждая частица является полупроводником состава Si_0,8 Ge_0,2 с примесью бора (от 1 до 2%). В интервале температур от 300 К до 1300 К удельная теплопроводность этого нанокомпозита слабо зависит от температуры, меняясь в пределах от 27 до 22 мВт/см·К. Термодобротность возрастает - от значения 0,1 до значения 0,7 - примерно линейно с температурой в интервале температур от 300 К до 1000 К, а затем падает до значения 0,55 при температуре 1300 К.

Идея использовать в качестве вещества термопреобразователя нанокомпозит состоит в следующем. Поверхность, например, квантово-размерной нити затрудняет передачу импульса свободного носителя заряда, движущегося вдоль нити, в направлении, перпендикулярном боковой поверхности нити. При этом передача импульса фонона, принадлежащего продольной ветви колебаний атомов нити, фононам поверхности нити не затруднена. Поэтому, подвижность одномерного газа свободных носителей заряда может быть очень большой (автоматически - и удельная электропроводность), а решеточная теплопроводность нити - уменьшенной по сравнению с нитью макроскопически большого диаметра. Кроме того, считается, что постоянная Зеебека металла связана с тем значением производной плотности состояний по энергии, которое соответствует энергии, близкой к уровню Ферми, а для газа носителей низкой размерности плотность энергетических состояний является многократно разрывной функцией энергии. Поэтому и постоянная Зеебека должна быть больше для низкоразмерного газа свободных носителей заряда, чем для трехмерного газа.

В соответствии с этими рассуждениями наилучшая стратегия повышения термодобротности состоит в поиске веществ, в которых плотность состояний электронного газа была бы как можно больше и за счет большой эффективной массы носителя заряда, принадлежащего одной долине энергетического спектра, и за счет многодолинности спектра. Эта высокая плотность состояний должна была стать разрывной функцией энергии вследствие квантово-размерного эффекта.

Теория подвижности газа свободных носителей заряда низкой размерности разрабатывается давно, и ее выводы достаточно надежно подтверждены экспериментами, в которых использовались образцы различных веществ. Была проанализирована теоретическая основа предположения о связи постоянной Зеебека с особенностями газа свободных носителей заряда низкой размерности.

Имея в виду термодобротность, постоянная Зеебека низкоразмерного электронного газа должна быть выше, чем трехмерного по трем причинам.

Первой причиной является, понижение решеточной составляющей удельной теплопроводности в образце проводящего вещества (не матрицы), в котором возникает квантово-размерный эффект. Таким образом, уменьшается знаменатель выражения [1] для термодобротности.

Второй причиной является увеличение постоянной Зеебека электронного газа низкой размерности. Поскольку величина пропорциональна плотности состоянии G, производная на уровне Ферми может быть очень большой, если плотность состояний - разрывная функция энергии.

Третьей причиной является возможность исключить из процессов дрейфа и диффузии электроны определенных энергий. Имеется в виду, что если время релаксации энергии электрона, например, уменьшается с ростом энергии электрона, то это приводит к уменьшению удельной электропроводности вещества. Тогда, используя сверхрешетки, гетеропереходы и т.п. структуры соответствующей размерности, можно отсеять электроны больших энергий - исключить их числа способных участвовать в переносе электрического тока.

Так из уровня техники известен термоэлектрический преобразователь на основе эпитаксиальной структуры, содержащей последовательно расположенные подложку, буферный слой и легированный донорной примесью слой полупроводника, являющийся наиболее близким аналогом к заявленной полезной модели (см. патент US 5900071, кл. H01L 35/16, опубл. 04.05.1999). Недостатком известного решения является малая (меньше 1) величина термоэлектрической добротности, небольшие (не превышающие 20%) величины КПД и технологические трудности, связанные с изготовлением преобразователя.

Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении термодобротности и КПД термоэлектрического преобразователя. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в термоэлектрическом преобразователе на основе эпитаксиальной структуры, содержащей последовательно расположенные подложку, буферный слой и легированный донорной примесью слой полупроводника, выполнены два омических контакта к легированному донорной примесью слою полупроводника, образующих соответственно, исток и сток неравновесных электронов, а в подложке выполнено окно, заполненное диэлектрическим материалом с удельной теплопроводностью ниже удельной теплопроводности подложки. Между истоком и стоком в легированном донорной примесью слое полупроводника могут быть выполнены одинаковые по форме каналы со встроенным электрическим полем, обеспечивающие протекание по ним термоэлектрического потока электронов от истока к стоку, причем длина каналов предпочтительно превышает их толщину. Целесообразно также, чтобы толщина каждого канала превышала его максимальную ширину, и при этом ширина каждого канала возрастала в направлении от истока к стоку. В этом случает уровень легирования донорной примесью слоя полупроводника и ширина каждого канала на границе с истоком предпочтительно выбираются из условия обеспечения величины потенциального барьера между истоком и каналами, формируемого зарядами донорной примеси вместе с зарядами поверхностных состояний в каждом канале, вблизи истока от 0,05 эВ до 0,25 эВ. В другом варианте исполнения ширина каждого канала на границе со стоком предпочтительно выбрана из условия отсутствия потенциального барьера между стоком и каждым каналом, формируемого зарядами донорной примеси и зарядами поверхностных состояний.

На фиг.1 представлен предлагаемый термопреобразователь, вид сверху;

на фиг.2 - срез эпитаксиальной структуры А-А по фиг.1;

на фиг.3 - распределение положений дна зоны проводимости Е_C(х) по длине канала в равновесном и неравновесном случаях, а также величины характерных смещений уровня Ферми в стоке F_ДР и F_ДИФ, образующиеся при подаче потока тепла на исток;

на фиг.4 показаны сечения каналов вблизи истока и стока, распределение зарядов поверхностных состояний и распределения высоты потенциального барьера E_C(y) по оси у и срезу В1-В1;

на фиг.5 - то же, по срезу В2-В2;

на фиг.6 показано расположение границ областей объемных зарядов в каналах и зона объединения областей объемных зарядов в каналах, позволяющая формировать в каналах область встроенного электрического поля с компонентой , обеспечивающей дрейф неравновесных электронов от истока к стоку термопреобразователя на длине дрейфа L_дрейфа .

Термоэлектрический преобразователь на основе эпитаксиальной структуры содержит последовательно расположенные подложку 1, буферный слой 2 и легированный донорной примесью слой полупроводника 3. В подложке выполнено окно 4, заполненное диэлектрическим материалом с низкой удельной теплопроводностью, ниже удельной теплопроводности подложки 1. К слою полупроводника 3, легированного донорной примесью, подходят два омических контакта, образующих соответственно, исток 5 и сток 6 неравновесных электронов. Между истоком 5 и стоком 6 в легированном донорной примесью слое полупроводника 3 выполнены одинаковые по форме каналы 7 со встроенным электрическим полем, длина которых превышает толщину, а толщина превышает максимальную ширину, причем ширина каждого канала возрастает в направлении от истока 5 к стоку 6.

Преобразователь изготавливают следующим образом.

Предлагаемый термоэлектрический преобразователь изготавливается на основе эпитаксиальной структуры, выполненной из полупроводников семейства А₃В₅ (например, GaAs) с достаточно низкой величиной удельной теплопроводности (для GaAs =0.55 Вт/см·К при Т=300 К). В процессе выращивания эпитаксиальной структуры на полуизолирующей подложке 1 формируют буферный слой 2 и легированный донорной примесью слой полупроводника 3. В подложке 1 методом литографии формируется окно 4, которое заполняется диэлектрическим материалом с низкой величиной удельной теплопроводности (например, полиимидом). В легированном донорной примесью слое полупроводника 3 методом литографии формируют каналы 7. Затем проводят формирование омических контактов 5 и 6 к легированному донорной примесью слою полупроводника 3.

Для получения большой (превышающей 1) величины термоэлектрической добротности необходимо, чтобы:

- длина каналов превышала их толщину;

- ширина каждого канала возрастала в направлении от истока к стоку;

- толщина каждого канала превышала его максимальную ширину;

- уровень легирования донорной примесью слоя полупроводника и ширина каждого канала на границе с истоком были выбраны так, чтобы величина потенциального барьера между истоком и каналами, формируемого зарядами донорной примеси вместе с зарядами поверхностных состояний в каждом канале, вблизи истока была равна от 0,05 эВ до 0,25 эВ;

- ширина каждого канала на границе со стоком была выбрана так, чтобы потенциальный барьер между стоком и каждым каналом, формируемый зарядами донорной примеси и зарядами поверхностных состояний, отсутствовал.

На чертежах и в тексте приняты следующие обозначения:

8 - распределение положения дна зоны проводимости по длине канала E_C (x) в равновесном случае;

9 - распределение положения дна зоны проводимости по длине канала E_C(x) в случае, когда заряд неравновесных электронов эмитированных из истока полностью компенсирует заряд доноров в канале (при этом диффузионный перенос электронов от истока к стоку продолжается);

10 - распределение положения дна зоны проводимости по длине канала E_C(x) в случае, когда заряд неравновесных электронов, эмитированных из истока, превышает заряд доноров в канале (перенос электронов от истока к стоку прекращается - имеет место состояние динамического равновесия, когда диффузионный поток неравновесных электронов от истока к стоку полностью компенсируется встречным дрейфовым потоком);

F_ДР - величина смещения уровня Ферми в стоке для случая, когда заряд неравновесных электронов, эмитированных из истока, полностью компенсирует заряд доноров в канале (при этом диффузионный перенос электронов от истока к стоку продолжается);

F_ДИФ - величина смещения уровня Ферми в стоке для случая, когда заряд неравновесных электронов, эмитированных из истока, превышает заряд доноров в канале (перенос электронов от истока к стоку прекращается - имеет место состояние динамического равновесия, когда диффузионный поток неравновесных электронов от истока к стоку полностью компенсируется встречным дрейфовым потоком);

11 - распределение заряда поверхностных состояний по боковым граням канала, поверхностям канала, буферного слоя и подложки;

E_C(y) - распределение положения дна зоны проводимости перпендикулярно плоскости симметрии канала;

F(x) - распределение положения уровня Ферми по длине канала;

_b|_max - максимальная величина потенциального барьера между истоком и каналами, формируемого зарядами донорной примеси вместе с зарядами поверхностных состояний в каждом канале;

T_И - температура истока термоэлектрического преобразователя;

T_С - температура стока термоэлектрического преобразователя;

L_дрейфа - длина дрейфа, т.е. расстояние, на котором происходит дрейфовый процесс переноса неравновесных электронов в канале к стоку термопреобразователя;

- Х - компонента вектора напряженности электрического поля в зоне объединения областей объемных зарядов в каналах;

12 - точка, в которой формируется _b|_max;

13 - диапазон координат y, в которых имеет место объединение областей объемных зарядов в каналах;

14 - точка, в которой формируется _b=0.

15 - положения границ областей объемных зарядов в каналах, которые формируются зарядами доноров в каналах и зарядами поверхностных состояний, расположенных соответственно, на грани 16 и на грани 17 канала 7;

l - расстояние по нормали от грани 2 до точки в канале, где формируется электрическое поле с компонентой .

На чертежах не показаны слои оксинитридного покрытия, обеспечивающего стабилизацию свойств поверхности преобразователя и тепловая изоляция, подавляющая тепловые потоки в направлении координат y и z, которые ухудшают эффективность термопреобразователя.

В полупроводниках семейства А₃В₅ с донорным легированием заряд поверхностных состояний отрицательный, что вместе с положительным зарядом доноров в каналах позволяет сформировать в каналах потенциальный рельеф, увеличивающий термоэлектрическую добротность. Потенциальный рельеф характеризуется зависимостями E_C(x) и E_C(y), которые показаны на фиг.3-5.

Преимущества предлагаемой полезной модели достигаются путем одновременного обеспечения высоких величин постоянной Зеебека и удельной электропроводности каналов с обеспечением значительно меньшей величины удельной теплопроводности подложки термоэлектрического преобразователя по сравнению с величиной удельной теплопроводности каналов. Высокая величина постоянной Зеебека достигается из-за эффекта сложения дрейфовой и диффузионной компонент, входящих в величину термоэлектродвижущей силы (ТЭДС). Высокая величина удельной электропроводности каналов обеспечивается высокой концентрацией электронов, переносимых из металла истока в область дрейфа каналов (при перегреве истока относительно стока) через сравнительно низкий потенциальный барьер высотой _b|_max. При этом работают два физических механизма, обеспечивающих перенос электронов из истока в область дрейфа каналов: механизм термоэлектронной эмиссии и механизм надбарьерной диффузии. Значительно меньшая величина удельной теплопроводности подложки термоэлектрического преобразователя по сравнению с величиной удельной теплопроводности каналов обеспечивается выбором диэлектрика, которым заполняется окно в подложке. При использовании в качестве диэлектрика например, полиимида, удельная теплопроводность подложки в направлении потока тепла определяется величиной удельной теплопроводности полиимида, которая равна 0,0014÷0,002 . Из полупроводников семейства А₃В₅ по теплопроводности наиболее оптимальны GaAs (0,55 при Т=300 К) и InAs (0,27 при Т=300 К). Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет создать в структуре значительный перепад температур при малом тепловом потоке.

Поясним сказанное выше на примере.

Предположим, что между шиной истока и шиной стока создан перепад температур, равный T=Т_И-Т_С=50 К. Этому перепаду температур соответствует поток тепла в термопреобразователе в направлении оси x, который складывается из потоков тепла через каналы и через подложку. При толщине эпитаксиальной структуры, равной 300 мкм, ширине термопреобразователя, равной 1 см, и расстоянии между истоком и стоком, равном 1 см, эти тепловые потоки дают тепловую мощности, величины которых составляют соответственно, 4,125·10 ^-3 Вт и 2,55·10^-3 Вт. Величина теплового потока через подложку вычислена в предположении, что удельная теплопроводность подложки равна средней удельной теплопроводности диэлектрика (полиимид), которая равна 0,0017 . Суммарная толщина каналов и буферного слоя выбрана равной 3 мкм. Величина теплового потока через каналы вычислена в предположении, что каналы наполовину заполняют промежуток между истоком и стоком.

Концентрация электронов N_ТЭ(_b), преодолевающих потенциальный барьер высотой _b|_max (см. фиг.3) из-за термоэлектронной эмиссии и попадающих в область дрейфа оказывается достаточно высокой: N_ТЭ2·10¹⁸ см^-3 при _b|_max=0.1 эВ. Этот результат оказывается достижимым благодаря высокой плотности состояний электронов на уровне Ферми в металле истока и благодаря выбору сравнительно низкой высоты потенциального барьера. Концентрация неравновесных электроно N_ДИФ(_b), преодолевающих потенциальный барьер высотой _b|_max (см. фиг.3) из-за надбарьерной диффузии и попадающих в область дрейфа также оказывается достаточно высокой: N_ДИФ(_b}4·10¹⁸ см^-3 при _b|_max=0.1 эВ. Этот результат оказывается достижимым благодаря заметной разнице между температурами истока и стока.

На фиг.3 показано характерное положение дна зоны проводимости по длине канала E_C(x) - 9 - в случае, когда заряд неравновесных электронов, эмитированных из истока, в канал полностью компенсирует заряд доноров в канале. При этом дрейфовый перенос электронов от истока к стоку прекращается, а диффузионный перенос электронов от истока к стоку продолжается. Величина смещения уровня Ферми в стоке F_ДР относительно его положения в истоке в этом случае оказывается равной высоте барьера _b|_max. Величина F_ДР является одной из двух компонент, образующих ТЭДС. Перенос электронов от истока к стоку прекращается, т.е. имеет место состояние динамического равновесия, в том случае, когда диффузионный поток неравновесных электронов от истока к стоку полностью компенсируется встречным дрейфовым потоком. Этому состоянию образца на фиг.1-2 соответствует характерное распределение положения дна зоны проводимости по длине канала 7. При отсутствии переноса электронов от истока к стоку уровень Ферми в стоке смещается относительно его положения в истоке на дополнительную величину F_ДИФ. Таким образом, величина ТЭДС оказывается равной сумме двух величин: _b|_max и F_ДИФ.

Результаты вычислений показывают, что F_ДИФ превышает величину 0.12 эВ. Таким образом, при таком наборе параметров величина ТЭДС оказывается равной 0.22 В при концентрации электронов в каналах, превышающей 2·10 ¹⁸ см^-3. Отсюда следует, что при выбранных =0,55 , L_дрейфа=1 см и перепаде температур Т_И -Т_С=50 К, величина термоэлектрической добротности оказывается равной не менее 5.

Величина КПД без учета влияния сопротивления нагрузки может быть оценена из следующих соображений. Дрейфовая составляющая термоэлектрического тока при =0,1 - и концентрации неравновесных электронов в каналах, равной 2·10¹⁸ см^-3, равна 9 мА при толщине каналов, равной 2 мкм. Эта составляющая термоэлектрического тока формирует величину ТЭДС, равную 0.1 В. Диффузионная составляющая термоэлектрического тока формирует величину ТЭДС, равную 0.12 В при величине диффузионного тока, равной 9 мА. Таким образом, при принятом наборе параметров в термопреобразователе выделяется электрическая мощность, равная 3.96·10^-3 Вт при суммарной тепловой мощности, равной 6,675·10^-3 Вт. Это соотношение мощностей дает достаточно большую величину КПД, равную 59%.

Принцип формирования области встроенного электрического поля в области дрейфа на длине дрейфа L_дрейфа иллюстрируется фиг.4-5. На фиг.6 показана составляющая вектора напряженности электрического поля , которая формирует потенциальный рельеф вдоль длины канала. Для в приближении областей объемного заряда, полностью обедненных электронами и дырками, имеет место выражение [2]:

В выражении [2] приняты следующие обозначения:

q - модуль заряда электрона;

N _s - плотность отрицательно заряженных поверхностных состояний;

- относительная диэлектрическая проницаемость канала;

₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость;

N_D - концентрация доноров в канале;

- угол между гранью 16 и гранью 17 каждого канала 7.

Из выражения [2] видно, что благодаря выбору величины угла при больших величинах N_D, возможно варьирование максимальной величины потенциального барьера между истоком и каналами _b|_max в широких пределах. В частности, заданием этого угла можно получать величины менее 0,1 В/см. Величина расстояния по нормали от грани 17 до плоскости симметрии канала l_С выбирается такой, чтобы вблизи стока величина в плоскости симметрии канала оказалась равной нулю, что имеет место при выполнении условия [3]:

Величина расстояния по нормали от грани 17 до плоскости симметрии канала l_И выбирается такой, чтобы вблизи истока величина в плоскости симметрии канала оказалась больше ноля, что имеет место при выполнении условия [4]:

Таким образом, предлагаемый термопреобразователь позволяет увеличить термоэлектрическую добротность (больше 1) и величину КПД (более 20%).

1. Термоэлектрический преобразователь на основе эпитаксиальной структуры, содержащей последовательно расположенные подложку, буферный слой и легированный донорной примесью слой полупроводника, отличающийся тем, что в нем выполнены два омических контакта к легированному донорной примесью слою полупроводника, образующих соответственно исток и сток неравновесных электронов, а в подложке выполнено окно, заполненное диэлектрическим материалом с удельной теплопроводностью ниже удельной теплопроводности подложки.

2. Термоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что между истоком и стоком в легированном донорной примесью слое полупроводника выполнены одинаковые по форме каналы со встроенным электрическим полем, обеспечивающие протекание по ним термоэлектрического потока электронов от истока к стоку, причем длина каналов превышает их толщину.

3. Термоэлектрический преобразователь по п.2, отличающийся тем, что толщина каждого канала превышает его максимальную ширину, причем ширина каждого канала возрастает в направлении от истока к стоку.

4. Термоэлектрический преобразователь по п.3, отличающийся тем, что уровень легирования донорной примесью слоя полупроводника и ширина каждого канала на границе с истоком выбраны из условия обеспечения величины потенциального барьера между истоком и каналами, формируемого зарядами донорной примеси вместе с зарядами поверхностных состояний в каждом канале, вблизи истока от 0,05 до 0,25 эВ.

5. Термоэлектрический преобразователь по п.3, отличающийся тем, что ширина каждого канала на границе со стоком выбрана из условия отсутствия потенциального барьера между стоком и каждым каналом, формируемого зарядами донорной примеси и зарядами поверхностных состояний.