熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及使用其的散熱結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及使用其的散熱結(jié)構(gòu)，熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括一熱電轉(zhuǎn)換單元、一吸熱電極及一導(dǎo)電阻熱層。熱電轉(zhuǎn)換單元具有相對的一第一端及一第二端。吸熱電極設(shè)置于熱電轉(zhuǎn)換單元的第一端。導(dǎo)電阻熱層設(shè)置于熱電轉(zhuǎn)換單元及吸熱電極之間。散熱結(jié)構(gòu)包括彼此相鄰排列的至少一第一熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及至少一第二熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。電子能穿隧導(dǎo)電阻熱層，但聲子會被導(dǎo)電阻熱層阻隔。本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及散熱結(jié)構(gòu)，因電子仍能穿隧導(dǎo)電阻熱層，維持熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及散熱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電率。且能借助導(dǎo)電阻熱層使聲子在介面因材料不匹配，產(chǎn)生散射機制，降低整體熱傳導(dǎo)率。
【專利說明】熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及使用其的散熱結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明關(guān)于一種熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及使用其的散熱結(jié)構(gòu)，尤其是一種利用帕耳帖(Peltier)效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及使用其的散熱結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前散熱的技術(shù)中，大多有利用風(fēng)扇及熱管等方式進行散熱。然而，上述方法皆只能讓所要散熱的物體維持在室溫或是室溫之上的溫度，無法將其溫度降至室溫以下。
[0003]因此，有業(yè)者利用帕耳帖效應(yīng)，制造出能夠主動將熱引導(dǎo)至特定方向的主動式致冷元件。如此致冷元件的原理，是在二種不同的金屬材料接合成的線路上通以直流電，其中一介面端會放熱而另一介面端則會吸熱。由于是借助電流或電子流主動移動熱量，而使得吸熱端材料所降低的溫度能夠低于室溫。其熱通量為Q=ni。π為帕耳帖系數(shù)，I為外加電流。將電子元件放置于吸熱端材料附近，能夠使電子元件的熱被帶走。由于此種致冷元件具有安靜、不需要動件以及可靠度高的特性，且加工可與集成電路整合，而適合應(yīng)用在電子及光電元件的冷卻。此外，還有業(yè)者將此致冷元件應(yīng)用于迷你冰箱、迷你保溫杯及迷你除濕機內(nèi)的冷凝結(jié)構(gòu)中。
[0004]然而，由于致冷元件是由數(shù)個熱電單元在電性上串聯(lián)、熱性上并聯(lián)而成，因此金屬以及熱電單元的介面會存在電阻以及熱阻。當熱電單元的厚度降低時，此介面阻抗對致冷元件的惡化將更顯著。介面電阻將造成焦耳熱，而熱阻將使得熱回流的現(xiàn)象加劇，均導(dǎo)致熱電致冷能力降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于上述問題，本發(fā)明提供一種熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及使用其的散熱結(jié)構(gòu)，借助導(dǎo)電阻熱層阻隔聲子，但電子仍得以穿隧，并借助導(dǎo)電阻熱層使聲子在介面因材料不匹配，產(chǎn)生散射機制，降低整體熱傳導(dǎo)率。
[0006]本發(fā)明提供一種熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，包括一熱電轉(zhuǎn)換單元、一吸熱電極及一導(dǎo)電阻熱層。熱電轉(zhuǎn)換單兀具有相對的一第一端及一第二端。吸熱電極設(shè)置于熱電轉(zhuǎn)換單兀的第一端。導(dǎo)電阻熱層設(shè)置于熱電轉(zhuǎn)換單元及吸熱電極之間。電子能穿隧導(dǎo)電阻熱層，但聲子會被導(dǎo)電阻熱層阻隔。
[0007]上述的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，還包括一放熱電極以及一導(dǎo)電散熱層，放熱電極設(shè)置于熱電轉(zhuǎn)換單元的第二端。導(dǎo)電散熱層設(shè)置于熱電轉(zhuǎn)換單元及放熱電極之間。導(dǎo)電散熱層能迅速帶走介面的熱，以避免熱回流，進而增進熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的散熱效率。
[0008]本發(fā)明還提供一種散熱結(jié)構(gòu)，包括彼此相鄰排列的至少一第一熱電轉(zhuǎn)換單元及至少一第二熱電轉(zhuǎn)換單元、至少第一電極、一第二電極及多個導(dǎo)電阻熱層。第一熱電轉(zhuǎn)換單元具有相對的一第一吸熱端及一第一放熱端。第二熱電轉(zhuǎn)換單兀具有相對的一第二吸熱端及一第二放熱端。第一電極銜接第一吸熱端及第二吸熱端。第二電極銜接第一放熱端及第二放熱端。多個導(dǎo)電阻熱層分別設(shè)置于第一熱電轉(zhuǎn)換單元與第一電極之間，以及設(shè)置于第二熱電轉(zhuǎn)換單元與第一電極之間。
[0009]上述的散熱結(jié)構(gòu)，其中，還包括多個導(dǎo)電散熱層，分別設(shè)置于該第一熱電轉(zhuǎn)換單元與該第二電極之間，以及設(shè)置于該第二熱電轉(zhuǎn)換單元與該第二電極之間。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及散熱結(jié)構(gòu)，因電子仍能穿隧導(dǎo)電阻熱層，維持熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及散熱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電率。且能借助導(dǎo)電阻熱層使聲子在介面因材料不匹配，產(chǎn)生散射機制，降低整體熱傳導(dǎo)率。同時借助導(dǎo)電散熱層使到達熱電轉(zhuǎn)換單元與導(dǎo)電散熱層介面的熱可以迅速傳導(dǎo)至放熱電極，避免熱經(jīng)由熱電轉(zhuǎn)換單元回流至吸熱電極。藉此，使得吸熱電極的溫度能夠降得更多且更快。
[0011]以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細描述，但不作為對本發(fā)明的限定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的實施例的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的剖視圖；
[0013]圖2A為圖1的導(dǎo)電阻熱層的剖視圖；
[0014]圖2B為本發(fā)明的另一實施例的導(dǎo)電阻熱層的剖視圖；
[0015]圖2C為本發(fā)明的另一實施例的導(dǎo)電阻熱層的剖視圖；
[0016]圖2D為本發(fā)明的另一實施例的導(dǎo)電阻熱層的剖視圖；
[0017]圖3為熱電轉(zhuǎn)換單元、導(dǎo)電阻熱層及整體的熱傳導(dǎo)率的關(guān)系圖；
[0018]圖4為熱電轉(zhuǎn)換單元及導(dǎo)電阻熱層的厚度比值與整體的熱傳導(dǎo)率的關(guān)系圖；
[0019]圖5A為本發(fā)明的實施例的散熱裝置的剖視圖；
[0020]圖5B為本發(fā)明的實施例的散熱結(jié)構(gòu)的剖視圖。
[0021]其中，附圖標記
[0022]10熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)
[0023]11熱電轉(zhuǎn)換單元
[0024]111 第一端
[0025]112 第二端
[0026]12吸熱電極
[0027]13、13b、13c、13d、23、23a 導(dǎo)電阻熱層
[0028]131、131，第一子層
[0029]132 第二子層
[0030]14放熱電極
[0031]15、25、25a導(dǎo)電散熱層
[0032]16、31 熱源
[0033]17、32 散熱件
[0034]20散熱結(jié)構(gòu)
[0035]21第一熱電轉(zhuǎn)換單元
[0036]211第一吸熱端
[0037]212第一放熱端
[0038]22、22a 第一電極
[0039]24第二電極[0040]26第二熱電轉(zhuǎn)換單元
[0041]261第二吸熱端
[0042]262第二放熱端
[0043]33、33a 隔層
[0044]k0、kl、k2 熱傳導(dǎo)率
[0045]X1、X2 厚度
【具體實施方式】
[0046]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細的描述，以更進一步了解本發(fā)明的目的、方案及功效，但并非作為本發(fā)明所附權(quán)利要求保護范圍的限制。
[0047]請參照圖1，為本發(fā)明的實施例的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)10的剖視圖。本發(fā)明的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)10，包括一熱電轉(zhuǎn)換單元11、一吸熱電極12及一導(dǎo)電阻熱層13。熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)10還包括一放熱電極14、一導(dǎo)電散熱層15。吸熱電極12設(shè)置于熱電轉(zhuǎn)換單兀11的一第一端111。導(dǎo)電阻熱層13設(shè)置于熱電轉(zhuǎn)換單元11及吸熱電極12之間。電子及電洞的載子能穿隧導(dǎo)電阻熱層13，但聲子會被導(dǎo)電阻熱層13阻隔。其中，由于導(dǎo)電阻熱層13足以使載子(電子及電洞)穿隧導(dǎo)電阻熱層13，因此不會影響電子及電洞的傳導(dǎo)。導(dǎo)電阻熱層13的厚度小于或與聲子平均自由路徑(phonon mean free path)相近時,會產(chǎn)生尺寸效應(yīng)，由于兩種材料界面不匹配(mismatch)而能造成聲子在邊界發(fā)生碰撞散射的行為更加明顯，可降低導(dǎo)電阻熱層13的等效熱傳導(dǎo)率(effective thermal conductivity),并降低熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)10的整體的熱傳導(dǎo)率。
[0048]于本實施例中，放熱電極14設(shè)置于熱電轉(zhuǎn)換單兀11的相對于第一端111的一第二端112。導(dǎo)電散熱層15設(shè)置于熱電轉(zhuǎn)換單元11及放熱電極14之間。導(dǎo)電散熱層15能使電子傳導(dǎo)及聲子穿透。其中，吸熱電極12接觸一熱源16，放熱電極14接觸一散熱件17。
[0049]于本實施例中，熱電轉(zhuǎn)換單元11能例如以N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體構(gòu)成。吸熱電極12及放熱電極14能分別選自鉬、金、鎳、鈀、銅、鋁、銀、鈦、鉭、鎢、鑰、鉻、鈷、鐵、鋯、鉿、釩、銥、鉬合金、金合金、鎳合金、鈀合金、銅合金、鋁合金、銀合金、鈦合金、鉭合金、鎢合金、鑰合金、鉻合金、鈷合金、鐵合金、錯合金、鉿合金、f凡合金、銥合金及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一，但不限于此。吸熱電極12及放熱電極14的制造方法包含物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition, PVD)、化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)>原子層沉積(Atomic Layer Deposition, ALD)及電鍍法,但并不限于上述方法。
[0050]于本實施例中，導(dǎo)電散熱層15的厚度能小于lOOnm。導(dǎo)電散熱層15能選自石墨烯、納米碳管、納米線及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一，但不限于此。更甚者，導(dǎo)電散熱層15能以單層的石墨烯構(gòu)成。導(dǎo)電散熱層15的制造方式能利用化學(xué)氣相沉積法，機械剝離法、磊晶成長法或氧化石墨烯化學(xué)還原法，但不限于此。
[0051]于本實施例中，導(dǎo)電阻熱層13的厚度為電子可穿隧導(dǎo)電阻熱層13的厚度，因此不影響熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)10的導(dǎo)電性。且導(dǎo)電阻熱層13的厚度小于或與聲子的平均自由路徑相近，以使得聲子在導(dǎo)電阻熱層13產(chǎn)生邊界散射，降低整體熱傳導(dǎo)率。導(dǎo)電阻熱層13能利用原子層沉積、化學(xué)氣相沉積法或物理氣相沉積法成長，但并不限于上述方法。
[0052]請參照圖2A，為圖1的導(dǎo)電阻熱層13的剖視圖。于本實施例中，導(dǎo)電阻熱層13的結(jié)構(gòu)包括一第一子層131,但不限定于此。第一子層131的材質(zhì)能選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一。第一子層131的厚度能夠小于10nm。
[0053]于其他實施例中，導(dǎo)電阻熱層能包括多個子層，此些子層能以相異或相同的材質(zhì)堆疊構(gòu)成。請參照圖2B，為本發(fā)明的另一實施例的導(dǎo)電阻熱層的剖視圖。導(dǎo)電阻熱層13b的結(jié)構(gòu)包括一第一子層131及一第二子層132，但不限定于此。第一子層131的材質(zhì)能選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構(gòu)成的群組之的其中之一。第一子層131的厚度能夠小于10nm。第二子層132的材質(zhì)選自金屬硅化物、金屬氮化物、金屬氮硅化物、金屬碳化物、金屬碳硅化物、非晶形合金及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一。第二子層132的厚度能夠小于lOOnm。舉例而言，導(dǎo)電阻熱層13b的結(jié)構(gòu)中，第一子層131的材質(zhì)能為氧化物，第二子層132的材質(zhì)能為金屬氮化物，但不限于此。
[0054]請參照圖2C，為本發(fā)明的另一實施例的導(dǎo)電阻熱層的剖視圖。導(dǎo)電阻熱層13c的結(jié)構(gòu)包括一第一子層131及一第一子層131’，但不限定于此。第一子層131、131’的材質(zhì)能各自選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一。第一子層131及第一子層131’的各自的材質(zhì)能夠相異。第一子層131、131’的總厚度能夠小于10nm。舉例而言，導(dǎo)電阻熱層13c的結(jié)構(gòu)中，第一子層131的材質(zhì)能為氧化物，第一子層131’的材質(zhì)能為氮化物，但不限于此。
[0055]請參照圖2D，為本發(fā)明的另一實施例的導(dǎo)電阻熱層的剖視圖。導(dǎo)電阻熱層13d的結(jié)構(gòu)包括一第一子層131、一第二子層132及一第一子層131’，但不限定于此。第一子層131、131’的材質(zhì)能各自選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一。第一子層131及第一子層131’的各自的材質(zhì)能夠相異。第一子層131、131’的各自的厚度能夠小于10nm。第二子層132的材質(zhì)選自金屬硅化物、金屬氮化物、金屬氮硅化物、金屬碳化物、金屬碳硅化物、非晶形合金及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一。第二子層132的厚度能夠小于lOOnm。舉例而言，導(dǎo)電阻熱層13d的結(jié)構(gòu)中，第一子層131的材質(zhì)能為氧化物，第二子層132的材質(zhì)能為金屬硅化物。第一子層131’的材質(zhì)能為氮化物，但不限于此。
[0056]熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的熱電轉(zhuǎn)換效率和熱電優(yōu)值ZT (figure of merit)相關(guān)，ZT可表示為，ZT = CS2 σ/k )T，其中K為熱傳導(dǎo)率，σ為導(dǎo)電率、T為絕對溫度、S為席貝克(Seebeck)系數(shù)。因此，席貝克系數(shù)及導(dǎo)電率愈高，熱傳導(dǎo)率愈低，則轉(zhuǎn)換效率愈佳。在聲子散射而使得聲子傳遞速度減慢的情況下，熱傳導(dǎo)率能夠下降，使得熱電優(yōu)值ZT可上升。因此，本發(fā)明能借助導(dǎo)電阻熱層13而維持導(dǎo)電性以及降低熱傳導(dǎo)率，故可提升熱電優(yōu)值ΖΤ。
[0057]導(dǎo)電阻熱層13的熱傳導(dǎo)率，以及熱電轉(zhuǎn)換單元11和導(dǎo)電阻熱層13的厚度比值，兩者與整體熱傳導(dǎo)率的關(guān)系，將以下列舉例說明。請參照圖3，為熱電轉(zhuǎn)換單元11、導(dǎo)電阻熱層13及整體的熱傳導(dǎo)率的關(guān)系圖。以鉍碲基底(BiTe-based)熱電材料為例。于鉍碲基底熱電材料所制成的熱電轉(zhuǎn)換單元11的厚度為Iym時，熱電轉(zhuǎn)換單元11的熱傳導(dǎo)率k2大約為lW/mK。故在只有熱電轉(zhuǎn)換單元11而無導(dǎo)電阻熱層13時，整體熱傳導(dǎo)率k0為IW/mK。當導(dǎo)電阻熱層13的厚度為納米尺度時，導(dǎo)電阻熱層13的厚度愈薄，導(dǎo)電阻熱層13的熱傳導(dǎo)率kl隨之下降。將導(dǎo)電阻熱層13的厚度降低至Inm時，導(dǎo)電阻熱層13的熱傳導(dǎo)率kl約為0.01W/mK。于圖3中，將導(dǎo)電阻熱層13設(shè)置于熱電轉(zhuǎn)換單元11時，理想上可使熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)整體的熱傳導(dǎo)率kO從只有熱電轉(zhuǎn)換單元11時的lW/mK降低至0.91W/mK。因此，導(dǎo)電阻熱層13的設(shè)置能夠使整體的熱傳導(dǎo)率kO下降。與未設(shè)置導(dǎo)電阻熱層13的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相比，設(shè)置了導(dǎo)電阻熱層13的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)能具有較低的熱傳導(dǎo)率。當導(dǎo)電阻熱層13的厚度為電子可穿隧的厚度時，導(dǎo)電阻熱層13不會影響熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性。因此，在不影響導(dǎo)電率的情況下，設(shè)置導(dǎo)電阻熱層13能提升熱電優(yōu)值ZT。
[0058]請參照圖4，為熱電轉(zhuǎn)換單元及導(dǎo)電阻熱層的厚度比值與整體的熱傳導(dǎo)率的關(guān)系圖。厚度X2為熱電轉(zhuǎn)換單元的厚度，厚度Xl為導(dǎo)電阻熱層的厚度。熱電轉(zhuǎn)換單元的厚度X2及導(dǎo)電阻熱層的厚度Xl的比值能為100至10000的范圍。當熱電轉(zhuǎn)換單元的厚度X2及導(dǎo)電阻熱層的厚度Xi的比值由10000降低至1000甚至降低至100時，熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)整體的熱傳導(dǎo)率kO可以再降低。當導(dǎo)電阻熱層的厚度為電子可穿隧的厚度時，導(dǎo)電阻熱層不會影響熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性。在設(shè)置有熱電轉(zhuǎn)換單元及導(dǎo)電阻熱層時，又能比單獨僅有熱電轉(zhuǎn)換單元時具有更低的熱傳導(dǎo)率。更甚者，若是再降低熱電轉(zhuǎn)換單元及導(dǎo)電阻熱層的厚度比值，更能降低熱傳導(dǎo)率。因此，本發(fā)明能借助維持導(dǎo)電性以及降低熱傳導(dǎo)率，而提升熱電優(yōu)值ZT。
[0059]舉例而言，于本實施例中，熱電轉(zhuǎn)換單元11例如以N型半導(dǎo)體所構(gòu)成。于吸熱電極12及放熱電極14施加偏壓，而使吸熱電極12的電位低于放熱電極14的電位。電子流會從吸熱電極12移動至熱電轉(zhuǎn)換單元11，再移動至放熱電極14。電子從吸熱電極12移動至熱電轉(zhuǎn)換單元11時，能把吸熱電極12的熱一并移動至熱電轉(zhuǎn)換單元U。電子從熱電轉(zhuǎn)換單元11移動至放熱電極14時，能把熱電轉(zhuǎn)換單元11的熱一并移動至放熱電極14。藉此，熱源16的熱，能夠借助電子的移動，從吸熱電極12移動至熱電轉(zhuǎn)換單元11，再移動至放熱電極14,最后從散熱件17逸散。
[0060]其中，由電子攜帶而移動至熱電轉(zhuǎn)換單元11與導(dǎo)電散熱層15介面的熱量，會經(jīng)由高熱傳導(dǎo)率(大于300W/mK)的導(dǎo)電散熱層15,而在導(dǎo)電散熱層15的水平方向迅速傳遞。且聲子能夠穿透導(dǎo)電散熱層15至放熱電極14，而可避免聲子因溫差的驅(qū)動力回流至熱電轉(zhuǎn)換單元11。即使部分的聲子回流至熱電轉(zhuǎn)換單元11與導(dǎo)電阻熱層13的介面，由于導(dǎo)電阻熱層13的低熱傳導(dǎo)率(小于0.1ff/mK)造成熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)10的整體的熱傳導(dǎo)率降低，故可減少聲子回流至吸熱電極12。
[0061]另外，再舉例而言，于本實施例中，熱電轉(zhuǎn)換單元11例如以P型半導(dǎo)體所構(gòu)成。于吸熱電極12及放熱電極14施加偏壓，而使吸熱電極12的電位高于放熱電極14的電位。電流會從吸熱電極12移動至熱電轉(zhuǎn)換單元11，再移動至放熱電極14。電洞從吸熱電極12移動至熱電轉(zhuǎn)換單元11時，能把吸熱電極12的熱一并移動至熱電轉(zhuǎn)換單元U。電洞從熱電轉(zhuǎn)換單元11移動至放熱電極14時，能把熱電轉(zhuǎn)換單元11的熱一并移動至放熱電極14。藉此，熱源16的熱，能夠借助電流的移動，從吸熱電極12移動至熱電轉(zhuǎn)換單元11，再移動至放熱電極14，最后從散熱件17逸散。
[0062]其中，由電洞攜帶而移動至熱電轉(zhuǎn)換單元11與導(dǎo)電散熱層15介面的熱量，會經(jīng)由高熱傳導(dǎo)率(大于300W/mK)的導(dǎo)電散熱層15,而在導(dǎo)電散熱層15的水平方向迅速傳遞。且聲子能夠穿透導(dǎo)電散熱層15至放熱電極14，而可避免聲子因溫差的驅(qū)動力回流至熱電轉(zhuǎn)換單元11。即使部分的聲子回流至熱電轉(zhuǎn)換單元11與導(dǎo)電阻熱層13的介面時，由于導(dǎo)電阻熱層13的低熱傳導(dǎo)率(小于0.lW/mK)，造成熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)10的整體的熱傳導(dǎo)率降低，故可減少聲子回流至吸熱電極12。
[0063]請參照圖5A，為本發(fā)明的實施例的散熱裝置的剖視圖。本發(fā)明的散熱裝置，用以將一熱源31的熱量傳遞至一散熱件32。散熱裝置由多個散熱結(jié)構(gòu)20以電性串連且熱性并聯(lián)的方式所組成。散熱結(jié)構(gòu)20將詳述如下。
[0064]請參照圖5B，為本發(fā)明的實施例的散熱結(jié)構(gòu)20的剖視圖。散熱結(jié)構(gòu)20包括彼此相鄰排列的一第一熱電轉(zhuǎn)換單元21及一第二熱電轉(zhuǎn)換單元26、第一電極22及22a、一第二電極24、導(dǎo)電阻熱層23及23a及導(dǎo)電散熱層25及25a。第一熱電轉(zhuǎn)換單元21具有相對的一第一吸熱端211及一第一放熱端212。第二熱電轉(zhuǎn)換單兀26具有相對的一第二吸熱端261及一第二放熱端262。第一電極22及22a分別銜接第一吸熱端211及第二吸熱端261。第二電極24銜接第一放熱端212及第二放熱端262。導(dǎo)電阻熱層23設(shè)置于第一熱電轉(zhuǎn)換單兀21與第一電極22之間。導(dǎo)電阻熱層23a設(shè)置于第二熱電轉(zhuǎn)換單兀26與第一電極22a之間。
[0065]于本實施例中，第一電極22及22a設(shè)置于熱源31，以帶走熱源31的熱。第一電極22及22a與熱源31之間能設(shè)置一絕緣導(dǎo)熱隔層33，如果熱源31與第一電極22及22a的接觸面具有絕緣導(dǎo)熱的功效，亦可以不加此絕緣導(dǎo)熱隔層33。第二電極24設(shè)置于散熱件32，以逸散熱量。第二電極24與散熱件32之間能設(shè)置一絕緣導(dǎo)熱隔層33a，如果散熱件32與第二電極24的接觸面具有絕緣導(dǎo)熱的功效，亦可不加此絕緣導(dǎo)熱隔層33a。
[0066]第一熱電轉(zhuǎn)換單元21及第二熱電轉(zhuǎn)換單元26具有相異的極性。第一熱電轉(zhuǎn)換單兀21設(shè)置于第一電極22及第二電極24之間。導(dǎo)電阻熱層23設(shè)置于第一電極22及第一熱電轉(zhuǎn)換單元21之間。第二熱電轉(zhuǎn)換單元26設(shè)置于第一電極22a及第二電極24之間。導(dǎo)電阻熱層23a設(shè)置于第一電極22a及第二熱電轉(zhuǎn)換單元26之間。導(dǎo)電阻熱層23及23a的結(jié)構(gòu)與圖1、圖2A至圖2D中的導(dǎo)電阻熱層13、13b、13c、13d類似。故在此不再贅述。另外，導(dǎo)電阻熱層23及23a所構(gòu)成的材料、層數(shù)、厚度及制造方法，能夠彼此相同或是相異。導(dǎo)電散熱層25設(shè)置于第一熱電轉(zhuǎn)換單兀21及第二電極24之間。導(dǎo)電散熱層25a設(shè)置于第二熱電轉(zhuǎn)換單元26及第二電極24之間。導(dǎo)電散熱層25及25a的結(jié)構(gòu)與圖1中的導(dǎo)電散熱層15類似。故在此不再贅述。
[0067]于本實施例中，第一熱電轉(zhuǎn)換單元21以N型半導(dǎo)體所構(gòu)成，第二熱電轉(zhuǎn)換單元26以P型半導(dǎo)體所構(gòu)成，但不以此為限，而可彼此交換。第一電極22、第一電極22a及第二電極24能選自鉬、金、鎳、鈕、銅、招、銀、鈦、鉭、鶴、鑰、鉻、鈷、鐵、錯、鉿、f凡、銥、鉬合金、金合金、鎳合金、IE合金、銅合金、招合金、銀合金、鈦合金、鉭合金、鶴合金、鑰合金、鉻合金、鈷合金、鐵合金、錯合金、鉿合金、f凡合金、銥合金及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一，但不限于此。而且，第一電極22、第一電極22a及第二電極24能以相同或是相異的材料構(gòu)成。第一電極22、第一電極22a及第二電極24的制造方法包含物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、原子層沉積及電鍍法，但并不限于上述方法。而且，第一電極22、第一電極22a及第二電極24能以相同或是相異的方法制造。
[0068]于本實施例中，電子可穿隧導(dǎo)電阻熱層23及23a，而不影響導(dǎo)電性。導(dǎo)電阻熱層23及23a的厚度小于或與聲子的平均自由路徑相近，以使得聲子在導(dǎo)電阻熱層23及23a產(chǎn)生邊界散射，降低整體熱傳導(dǎo)率。本發(fā)明能借助維持導(dǎo)電性以及降低熱傳導(dǎo)率，可以提升熱電優(yōu)值ZT。
[0069]于本實施例中，導(dǎo)電散熱層25及25a的厚度能小于lOOnm。導(dǎo)電散熱層25及25a能選自石墨烯、納米碳管、納米線及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一，但不限于此。更甚者，導(dǎo)電散熱層25及25a能以單層的石墨烯構(gòu)成。導(dǎo)電散熱層25及25a的制造方式能利用化學(xué)氣相沉積法，機械剝離法、磊晶成長法或氧化石墨烯化學(xué)還原法，但不限于此。導(dǎo)電散熱層25及25a所構(gòu)成的材料、層數(shù)、厚度及制造方法，能夠彼此相同或是相異。在第一熱電轉(zhuǎn)換單元21及第二熱電轉(zhuǎn)換單元26共用一個第二電極24時，于其他實施例中，導(dǎo)電散熱層所構(gòu)成的材料、層數(shù)、厚度及制造方法彼此相同時能合為同一層。
[0070]舉例而言，于本實施例中，第一熱電轉(zhuǎn)換單元21例如以N型半導(dǎo)體所構(gòu)成。第二熱電轉(zhuǎn)換單元26例如以P型半導(dǎo)體所構(gòu)成。于使用散熱結(jié)構(gòu)20時，能對第一電極22及22a能施加偏壓，而使第一電極22的電位低于第一電極22a的電位,并使第一電極22a、第二熱電轉(zhuǎn)換單元26、第二電極24、第一熱電轉(zhuǎn)換單元21及第一電極22形成回路。
[0071]如圖5B的右側(cè)所示，電子流會從第一電極22移動至第一熱電轉(zhuǎn)換單元21，再移動至第二電極24。電子從第一電極22移動至第一熱電轉(zhuǎn)換單元21時，能把第一電極22的熱一并移動至第一熱電轉(zhuǎn)換單元21。電子從第一熱電轉(zhuǎn)換單元21移動至第二電極24時，能把第一熱電轉(zhuǎn)換單元21的熱一并移動至第二電極24。藉此，圖中熱源31右側(cè)的熱，能夠借助電子流的移動，從第一電極22移動至第一熱電轉(zhuǎn)換單元21，再移動至第二電極24，最后從散熱件32逸散。
[0072]如圖5B的左側(cè)所示，電流會從第一電極22a移動至第二熱電轉(zhuǎn)換單元26，再移動至第二電極24。電洞從第一電極22a移動至第二熱電轉(zhuǎn)換單元26時，能把第一電極22a的熱一并移動至第二熱電轉(zhuǎn)換單元26。電洞從第二熱電轉(zhuǎn)換單元26移動至第二電極24時，能把第二熱電轉(zhuǎn)換單元26的熱一并移動至第二電極24。藉此，熱源31左側(cè)的熱，能夠借助電流的移動，從第一電極22a移動至第二熱電轉(zhuǎn)換單元26，再移動至第二電極24，最后從散熱件32逸散。
[0073]其中，熱量會由載子攜帶而移動至第一熱電轉(zhuǎn)換單元21與導(dǎo)電散熱層25的介面以及第二熱電轉(zhuǎn)換單兀26與導(dǎo)電散熱層25a的介面,并會經(jīng)由高熱傳導(dǎo)率(大于300W/mK)的導(dǎo)電散熱層25及25a，而在導(dǎo)電散熱層25及25a的水平方向迅速傳遞。且聲子能夠穿透導(dǎo)電散熱層25及25a至第二電極24，避免聲子因溫差的驅(qū)動力回流至第一熱電轉(zhuǎn)換單元21以及第二熱電轉(zhuǎn)換單元26。即使部分的聲子回流至第一熱電轉(zhuǎn)換單元21與導(dǎo)電阻熱層23的介面以及第二熱電轉(zhuǎn)換單元26與導(dǎo)電阻熱層23a的介面時，由于導(dǎo)電阻熱層23及23a的低熱傳導(dǎo)率(小于0.lW/mK)，造成散熱結(jié)構(gòu)20整體的熱傳導(dǎo)率降低，故可減少聲子回流至第一電極22及22a。
[0074]本發(fā)明所述的氧化物，能包含氧化硅，但不限于此。氮化物能包含氮化硅但不限于此。氮氧化物包含氮氧化硅，但不限于此。碳化物能包含碳化硅、氮碳化硅，但不限于此。碳氧化物包含氧化石墨稀、碳氧化硅，但不限于此。金屬碳化物能包含碳化鈦、碳化鉿、碳化鋯、碳化鉭、碳化釩、碳化鈮、碳化鉻、碳化鑰、氮化鎢，但不限于此。金屬氮化物能包含氮化鈦、氮化鉭、氮化鉬、氮化鎢、氮化鑰、氮化鋯、氮化鉻、氮化銅、氮化鋅、氮化鐵，但不限于此。金屬硅化物能包含硅化鎳、硅化鉬、硅化鉭、硅化鈦、硅化鎢、硅化鈷、硅化鑰、硅化鐵、硅化錳、硅化鉿、硅化金，但不限于此。金屬氮硅化物能包含氮硅化鉭，但不限于此。金屬碳硅化物能包含碳娃化鈦，但不限于此。金屬氧化物能包含氧化鉿、氧化鈦、氧化鉭、氧化招、氧化釔、氧化銦、氧化fL、氧化鑭、氧化錯，但不限于此。金屬氮氧化物能包含氮氧化鉿、氮氧化鉭、氮氧化鋁鉭、氮氧化鋁、氮氧化鈦，但不限于此。
[0075]綜上所述，本發(fā)明因?qū)щ娮锜釋铀哂械暮穸榷闺娮哟┧?，維持熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及使用其的散熱結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電率，且能借助導(dǎo)電阻熱層使聲子阻隔，降低整體熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)率，而已被引導(dǎo)至熱電轉(zhuǎn)換單元與導(dǎo)電散熱層之間的熱，則因?qū)щ娚釋友杆賻ё邿岬哪芰?，降低熱回流至吸熱電極。藉此，使得吸熱電極的溫度能夠降得更多且更快，進而增進熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的熱電轉(zhuǎn)換效率。
[0076]當然，本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括: 一熱電轉(zhuǎn)換單兀，具有相對的一第一端及一第二端； 一吸熱電極，設(shè)置于該熱電轉(zhuǎn)換單元的該第一端；以及 一導(dǎo)電阻熱層，設(shè)置于該熱電轉(zhuǎn)換單元及該吸熱電極之間。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，該熱電轉(zhuǎn)換單元的厚度及該導(dǎo)電阻熱層的厚度的比值為100至10000的范圍。
3.如權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，該導(dǎo)電阻熱層包括: 至少一第一子層，該第一子層的材質(zhì)選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構(gòu)成的群組的其中之
4.如權(quán)利要求3所述的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一子層的總厚度小于10nm。
5.如權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，該導(dǎo)電阻熱層包括: 至少一第一子層，該第一子層的材質(zhì)選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一；以及 至少一第二子層，該第二子層的材質(zhì)選自金屬娃化物、金屬氮化物、金屬氮娃化物、金屬碳化物、金屬碳硅化物、非晶形合金及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一。
6.如權(quán)利要求5所述的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一子層的厚度小于10nm，該第二子層的厚度小于lOOnm。
7.如權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，該吸熱電極選自鉬、金、鎳、鈀、銅、招、銀、鈦、鉭、鶴、鑰、鉻、鈷、鐵、錯、鉿、f凡、銥、鉬合金、金合金、鎳合金、IE合金、銅合金、招合金、銀合金、鈦合金、鉭合金、鶴合金、鑰合金、鉻合金、鈷合金、鐵合金、錯合金、鉿合金、鑰；合金、銥合金及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一。
8.如權(quán)利要求1所述的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括: 一放熱電極，設(shè)置于該熱電轉(zhuǎn)換單元的該第二端；以及 一導(dǎo)電散熱層，設(shè)置于該熱電轉(zhuǎn)換單元及該放熱電極之間。
9.如權(quán)利要求8所述的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，該導(dǎo)電散熱層選自石墨烯、納米碳管、納米線及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一。
10.如權(quán)利要求8所述的熱電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其特征在于，該放熱電極選自鉬、金、鎳、鈀、銅、招、銀、鈦、鉭、鶴、鑰、鉻、鈷、鐵、錯、鉿、I凡、銥、鉬合金、金合金、鎳合金、IE合金、銅合金、鋁合金、銀合金、鈦合金、鉭合金、鎢合金、鑰合金、鉻合金、鈷合金、鐵合金、鋯合金、鉿合金、釩合金、銥合金及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一。
11.一種散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括: 彼此相鄰排列的至少一第一熱電轉(zhuǎn)換單元及至少一第二熱電轉(zhuǎn)換單元，該第一熱電轉(zhuǎn)換單元具有相對的一第一吸熱端及一第一放熱端，該第二熱電轉(zhuǎn)換單元具有相對的一第二吸熱端及一第二放熱端； 至少一第一電極，銜接該第一吸熱端及該第二吸熱端； 至少一第二電極，銜接該第一放熱端及該第二放熱端；以及 多個導(dǎo)電阻熱層，分別設(shè)置于該第一熱電轉(zhuǎn)換單元與該第一電極之間，以及設(shè)置于該第二熱電轉(zhuǎn)換單元與該第一電極之間。
12.如權(quán)利要求11所述的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一熱電轉(zhuǎn)換單元的厚度及各該導(dǎo)電阻熱層的厚度的比值為100至10000的范圍，該第二熱電轉(zhuǎn)換單元的厚度及各該導(dǎo)電阻熱層的厚度的比值為100至10000的范圍。
13.如權(quán)利要求11所述的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，各該導(dǎo)電阻熱層包括: 至少一第一子層，該第一子層的材質(zhì)選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一。
14.如權(quán)利要求13所述的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一子層的總厚度小于10nm。
15.如權(quán)利要求11所述的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，各該導(dǎo)電阻熱層包括: 至少一第一子層，該第一子層的材質(zhì)選自氧化物、金屬氧化物、氮化物、氮氧化物、金屬氮氧化物、碳化物、碳氧化物及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一；以及 至少一第二子層，該第二子層的材質(zhì)選自金屬娃化物、金屬氮化物、金屬氮娃化物、金屬碳化物、金屬碳硅化物、非晶形合金及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一。
16.如權(quán)利要求15所述的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一子層的厚度小于10nm，該第二子層的厚度小于lOOnm。
17.如權(quán)利要求11所述的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，該第一電極及該第二電極分別選自鉬、金、鎳、鈕、銅、招、銀、鈦、鉭、鶴、鑰、鉻、鈷、鐵、錯、鉿、f凡、銥、鉬合金、金合金、鎳合金、IE合金、銅合金、鋁合金、銀合金、鈦合金、鉭合金、鎢合金、鑰合金、鉻合金、鈷合金、鐵合金、鋯合金、鉿合金、f凡合金、銥合金及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一。
18.如權(quán)利要求11所述的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括: 多個導(dǎo)電散熱層，分別設(shè)置于該第一熱電轉(zhuǎn)換單元與該第二電極之間，以及設(shè)置于該第二熱電轉(zhuǎn)換單元與該第二電極之間。
19.如權(quán)利要求18所述的散熱結(jié)構(gòu)，其特征在于，該些導(dǎo)電散熱層選自石墨烯、納米碳管、納米線及其組合所構(gòu)成的群組的其中之一。
【文檔編號】H01L35/02GK103545440SQ201210320013
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月13日
【發(fā)明者】徐曉萱, 鄭淳護, 周雅文, 林育立 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院