对于促进 DX（数字化转型）至关重要的物联网 (IoT) 正在迅速普及，各种 IoT 设备以及构成这些设备的设备和元件正在积极开发。适用于自动驾驶物联网设备的电源、传感器等，热电转换（塞贝克效应）预计将使用[术语表1]。热电转换是固体物质中发生温差时发生的一种物理现象，将热能直接转换为电能。由于没有运动部件，因此具有寿命长、免维护、可靠性高等多种优点。能量收集9760_9963半导体微加工技术使用 [3] 的密集平面π型热电元件[4]。
迄今为止，采用薄膜样品的热电器件已采用与 CMOS/MEMS 工艺兼容的 SiGe 基热电半导体，以及广泛使用的 Bi-Te 基和 Pb-Te 基热电半导体。在这项研究中，我们开发了一种不含剧毒元素、成本低廉、对环境影响较小的方法。II-IV族化合物热电半导体Mg 即 [5]2锡0.8Ge0.2采用作为p型层材料。近年来，该研究小组一直致力于研究具有高热电动势和低电阻的Mg2锡0.8Ge0.2的薄膜样品。这个镁2锡0.8Ge0.2制造了平面 π 型热电元件。作为p型层，并且可以在室温下形成的铋(Bi)作为n型层。镁2锡0.8Ge0.2（膜厚240nm）是具有高结晶度和晶体取向的外延薄膜分子束外延法[6] 形成于蓝宝石（0001）单晶基板上。在洁净室中执行此薄膜样品光刻[7]和干蚀刻[8]进行微加工，获得了平面π型热电元件（图（b））。对于连接p型层和n型层的电极层，考虑到粘附性、机械耐久性和对反复温度变化的耐久性，我们采用了Cr（10 nm，接触）/ Ni（100 nm）/ Pt（10 nm，顶部）的三层电极结构。为了获得驱动物联网设备所需的输出电压，原型热电元件经过微加工，在 12 平方毫米的面积内形成 36 个 π 结。 p型层和n型层的宽度均为150μm，p型层和n型层之间的间隙为20μm。
与基于薄膜样品制造的类似热电器件相比，所制造的平面π型热电器件表现出较大的输出电压（>05 V）和最大功率（06 μW）。作为驱动 IoT 设备的准则，需要 05 V 或更高的电源电压，我们能够通过该元件实现这一目标。此外，考虑p型层和n型层的横截面积计算的最大输出密度为21 mW cm-2已达到。该值处于薄膜组件的最高水平，达到市售散装组件的1/100至1/10。即使考虑到在微细加工的干法蚀刻过程中发生的p型层和n型层的损坏和损失，也可以清楚地看出，微细加工已经在高水平上进行。
图：（a）π结的放大图，（b）通过半导体微加工制造的热电元件的照片，（c）π结的显微照片。
由于运行过程中产生的热量释放，许多电子设备和元件内部的温度显着升高。特别是在计算机中的CPU等电子设备中，大量的设备在狭小的空间内高密度地构建，因此工作时的内部热密度（数千至10,000 W·cm-2) 具有与太阳相当的高值。这种电子元件和热电元件的融合会产生异常高的热密度，被认为不仅为物联网设备提供了新的可能性，而且还为与各种电子设备和元件以及传感器应用的集成提供了新的可能性。这项研究是探索热电转换新可能性的第一步，我们可以预见，物联网设备和各种电子设备将变得更加复杂，并随着它们变得更小、更小型化而投入实际使用。
标题：由微加工制备的II-IV半导体薄膜组成的小型面内π型热电器件
作者：Isao Ohkubo(NIMS)、Masayuki Murata(AIST)、Mariana S L Lima（筑波大学）、Takeaki Sakurai（筑波大学）、Yuko Sugai(NIMS)、Akihiko Ohi(NIMS)、Takashi Aizawa(NIMS)、Takao Mori(NIMS)
杂志：今日材料能源
发布日期和时间：2022 年 6 月 18 日，在线
网址：https://doiorg/101016/jmtener2022101075