论文部分内容阅读
热电器件可以利用固体内部载流子的运动,实现热能和电能的直接相互转换。有研究报道表明Si纳米线具有很好的热电特性。Si作为半导体工业最重要的材料,不仅储量丰富而且工艺成熟。如果能提高它的热电性能,将它制备成热电器件,用于计算机芯片或微电子器件的冷却,芯片散热问题将有望得到解决。本论文详细研究了金属辅助化学腐蚀制备Si纳米线的方法,Si微纳结构热电器件的制备工艺,分析了器件的热电性能。 首先,利用金属辅助化学腐蚀法制备了高质量的Si纳米线。金属辅助化学腐蚀法具有方法简单、成本较低的优点,但用此方法腐蚀重掺杂Si片时,由于重掺杂Si片电阻率较小,电化学腐蚀过程中电流较大,反应剧烈,对腐蚀条件较敏感,不易形成高质量的Si纳米线。本论文从反应化学势的角度解释了反应机理,利用电子输运模型分析了H2O2浓度、HF浓度、温度和时间对腐蚀的影响,得到了金属辅助化学腐蚀法制备高质量重掺杂Si纳米线的工艺窗口。纳米线制备完成后,测试它的I-V特性发现纳米线与金属电极形成了肖特基接触,利用金属-半导体-金属模型和热离子场发射理论解释了反向偏置的肖特基势垒中电子的输运行为。 第二,开发了Si微纳结构热电器件的制备工艺。利用扩散工艺在n型Si片表面制备了掺硼Si层,将其作为器件功能层。利用Si的各向异性刻蚀定义了器件的岛状结构和中央的微纳结构,利用Si的各向同性刻蚀缩小了微纳结构的尺寸。四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液腐蚀n型Si衬底使器件岛状结构悬空。优化了器件悬空后的匀胶条件,通过降低匀胶转速和加速度,可以使高低不平的样品表面匀胶趋于均匀。该制备方法简单易行,可控性好,成本较低,在提高微纳结构平面热电器件的制备效率等方面具有较大的优势。 第三,测试并分析了基于扩散工艺制备的器件的热电性能。利用有限元分析软件建立了器件、PCB板和铜块热沉之间的传热模型,计算了器件的温度分布情况,理论模型可以与实验数据较好地吻合。将理论计算值和实验测量值相结合,得出了器件的塞贝克系数、电导率、功率因子和热电优值等。