专利名称：热泵式吸热发光双效半导体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用电能发光并制冷的半导体器件，属半导体器件技术领域。
背景技术：
半导体制冷技术和半导体发光技术被广泛地应用于工农业生产和日常生活的众多领域中。一般的半导体制冷技术是将制冷半导体的两端分别作为制冷端和制热端，制冷时，回路通有电流，制冷端的接触面吸热，制热端的接触面发热。为了保证发出的热不被传导到制冷端，必须使制冷端与制热端距离足够大。但是连接上述两端的是半导体，电阻率很高，距离越长，能量消耗越大，同时温差大，冷热两端的接触电势就不同，该差异必须由电源提供能量补足，因此目前的制冷半导体效率不可能达到很高。
而对于半导体发光技术而言，现有技术已经使发光效率达到了很高程度，但由于P-N结发光侧的引出线是细金属线，将导致该引出线失去制冷效果。在目前广泛使用的LED设计制造上只考虑了P-N结的发光效率，没有考虑金属-半导体接触面制冷效率。为了确保欧姆接触，在半导体为低掺杂时还需要在金属-半导体接触面之间加一重掺杂层，在重掺杂下金属-半导体接触面的空间电荷层宽度很薄，以至载流子可以隧道穿越而不是越过势垒，这样的结果是实现了在正反向偏压下基本上对称的纯(低)电阻性质的I-V曲线，同时失去了吸热效果，使得P-N结的发光能量主要由电源提供，这样最大效率也只能做到100％。
随着人们对于节约能源、保护环境意识的不断增加，对于制冷技术的要求也越来越高，如何提高半导体制冷效率是人们关注的问题。传统热泵以介质的冷热温度能量为传递的因果关系，因此必须将冷源和热源绝热隔离，隔离的效果直接影响热泵效率。热泵之所以有用，就是人们需要一定的温度差，但温度差越大(吸热端温度低于放热端时)，热泵效率越低，这就使得热泵的效率受到限制。因此，如果能够解决隔离的效果，将会直接提高半导体制冷的效率。更进一步，如果能够使制冷端和制热端互相没有影响，就不必考虑隔离的问题，而从根本上解决了提高半导体制冷效率的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种使半导体制冷端和制热端互不影响的、能够实现高效率制冷和发光的热泵式吸热发光双效半导体。
解决上述问题的技术方案是一种热泵式吸热发光双效半导体，其结构是采用高发光效率的N型半导体和P型半导体，它们的一端相互直接接触，形成P-N结，另一端分别通过半导体-金属接触面与两个金属导体相连接，这两个金属导体分别作为与电源正、负极相接的引出线；所述金属-半导体接触面的厚度应使制冷端接触电势达到发光端电势的30-100％。
上述热泵式吸热发光双效半导体，所述金属-半导体接触面的厚度为1-1000微米。
上述热泵式吸热发光双效半导体，所述半导体-金属接触面采用多层不同能级的导电材料顺序叠加构成，或者采用电子或空穴浓度梯度半导体功能材料制成，对于前者，P型半导体选用功函数较大的金属与其接触，所述金属为铂，镍，金；N型半导体选用功函数较小的金属与其接触，所述金属为钇，钡，锶，采用低势垒接触；并在该金属层外再镀一层引线金属。
上述热泵式吸热发光双效半导体，所述电子或空穴浓度梯度半导体功能材料为磷化镓(GaP)，磷化砷镓(GaAsP)，氮化镓(GaN)，氮化铟镓(InGaN)或磷化铟镓铝(InGaAlP)半导体材料中的一种。
上述热泵式吸热发光双效半导体，P-N结发光侧的引出线采用串联的N型和P型半导体平滑过渡或多层电子或空穴浓度梯度半导体功能材料制造，其输出端接金属引线。
本发明取消了一般制冷半导体发热端的金属导体，改为P型半导体与N型半导体直接接触，形成P-N结，使制热端过电流时大部分能量消耗在发光而不再发热或极少发热，其制冷端就可以极大缩短与P-N结(原制热端)的距离，连接上述两端的半导体长度可以大大减小，能量消耗大量降低。同时，采用多层不同能级的导电材料或电子空穴浓度梯度半导体功能材料以增加金属-半导体接触面的厚度，一方面可以提高制冷端的有效体积，提高制冷量，也减少了接触面与外部的温差，保证温度效应产生足够的接触电势，与P-N结发光端接触电势相匹配。另一方面，可以使接触电势沿电流方向更均匀，减少电势突变，达到减低阻耗，确保欧姆接触的目的。在实际应用中，这种热泵式吸热发光双效半导体具有如下优点1.全部元件为固体，运行稳定、维护量少、寿命长，可以制冷、发光同时利用。
2.环温热能利用效率大大提高。单功能(制冷或发光)利用，其输出入功率之比都将大于现有元件的效率；双功能时效率将更高。
3.制冷效率高于现有半导体制冷元件，略低于或相当于现有流行的制冷系统，可以达到80-200％，发光效率高于现有LED，可以达到100-280％。
4.制冷速度快，体积小，无需散热附件，适于小型设备使用。
5.节约能源，对环境无污染。
图1是本发明的结构示意图；图2是制冷端采用多层不同能级导电材料叠加时的结构示意图；图3是制冷端采用梯度材料时的结构示意图；图4是PN结和梯度材料依次间隔串联时的结构示意图；图5是现有技术结构示意图；图6是半导体平滑过渡梯度功能材料串联时的结构示意图。
图中标记如下N型半导体1、P型半导体2、多层不同能级的导电材料3、电子或空穴浓度梯度半导体功能材料4、金属导体5、电源6。
具体实施例方式
本发明利用了半导体制冷技术和半导体发光技术，将这两种技术进行了新的结合，这种结合不仅充分利用了半导体原有的功能特性，还极大提高了环温热能利用效率，单功能(制冷或发光)利用，其输出入功率之比都将大于现有元件的效率，双功能时效率将更高。
从图中可以看到，本发明取消了半导体发热端连接的金属导体，由P型半导体与N型半导体直接接触，形成P-N结。同时选择合适的P型和N型半导体材料，提高接触电势，使P-N结在通过电流时大部分能量消耗在发光而不是发热，而光能可以通过透明材料及反射材料导出或放散。由于制热端的P-N结不再发热或极少发热，制冷端就可以极大缩短与P-N结的距离。从原理上讲，连接上述两端的半导体长度可以降为零，能量消耗大量降低。现有制冷半导体要求较低的热导率，要求选材的热电优值参数最大化，但导电性与导热性的矛盾使热电优值参数很难得到高值。现有材料的热电优值参数都小于1。只有大于1，才有可能在用于空调时，达到一般空调的效率。本发明反而允许较高的热导率，甚至P-N结的少量发热还可以作为制冷端的热能量输入(单发光用途时)。该类材料容易获得，能够达到高发光效率的肖特基N型半导体-金属结也可以实现双效半导体功效。
图1～4给出了不同组合形式的PN结结构图，从图中可以看到，为了实现制冷端的吸热效果，必须增加金属-半导体接触面的厚度，本发明采用多层不同能级的导电材料顺序叠加构成，或者选用电子或空穴浓度梯度半导体功能材料替代金属-半体接触面效果更好。这样一方面可以提高制冷端的有效体积，提高制冷容量，也减少接触面与外部的温差，保证温度效应产生足够的接触电势，与P-N结发光端接触电势相匹配；另一方面可以使接触电势沿电流方向更均匀，减少电势突变，达到减低阻耗，确保欧姆接触的目的。但是这种厚度也不能无限延长，否则也会增加电阻损耗。一般原则是电阻压降不大于接触电势的十分之一左右；制冷接触面内部温度与发光接触面温度差不高于30℃，温差大必然造成制冷端和发光端的接触电势差异的增大，该差值将由电源补偿，必然降低整体效率，一般控制在10℃以内为好。
半导体-金属接触面采用多层不同能级的导电材料顺序叠加构成，对于P型半导体选用功函数较大的金属与其接触，对于N型半导体选用功函数较小的金属与其接触，并且，必须要在该金属层外再镀一层引线金属(如铝，铜，锌)，该层金属主要功能是1.与内层金属(直接与半导体接触的金属)的接触面是吸热主体；2.该金属对内层金属起保护作用；3.起引出线作用。要确保引线金属不能直接与半导体接触。
增加金属-半导体接触面的厚度使温度效应产生足够的接触电势，使制冷端接触电势达到发光端电势的30-100％。由此计算的制冷接触面厚度大约是1-1000微米。为了进一步减少温度差，可以采用侧面开孔换热及传热改用热导材料等办法。电子或空穴浓度梯度半导体功能材料可采用现有发光二极管常用半导体材料磷化镓(GaP)，磷化砷镓(GaAsP)，氮化镓(GaN)，氮化铟镓(InGaN)，磷化铟镓铝(InaAlP)等。
现有技术已经使发光效率达到了很高程度，但是，由于P-N结发光侧的引出线是细金属线，将导致该引出线失去制冷效果。解决办法是改用多层结构金属-半导体接触面或电子或空穴浓度梯度半导体功能材料做引出线，发光方向与P-N结垂直。为了取得更高的效率，可以采用N型和P型半导体平滑过渡或多层电子或空穴浓度梯度半导体功能材料串联的办法，除输出端需金属引线外，全为半导体材料。或者是引出线仍是细金属线，在不过多减少发光量的前提下，改善金属-半导体接触面厚度。
对比现有技术，本发明在以下方面有重大不同1.双效半导体一端是吸热，另一端是发光，反向的能量传递渠道不同于热泵，热泵的热端热源可以直接通过物体导热将热量返回到制冷端，而双效半导体发出的光只有在转换成热后才能通过物体导热将热量返回到制冷端，这就不需要绝热隔离，反而是温度差越小越好，吸热发光两端越近越好，只要求最大限度地将光能量全部转递出去。因此双效半导体的效率理论上讲可以比热泵作的更高。
2.现有的LED虽然也都具有一定的双效半导体的功效，但是在没计制造上只考虑了P-N结的发光效率，没有考虑金属-半导体接触面制冷效率，为了确保欧姆接触，在半导体为低掺杂时还需要在金属-半导体接触面之间加一重掺杂层，在重掺杂下金属-半导体接触面的空间电荷层宽度很薄，以至载流子可以隧道穿越而不是越过势垒，这样的结果是实现了在正反向偏压下基本上对称的纯(低)电阻性质的I-V曲线，同时失去了吸热效果，使得P-N结的发光能量主要由电源提供，这样最大效率也只能做到100％。而本发明的热泵式吸热发光双效半导体采用多层材料增加金属-半导体接触面的厚度或改用电子或空穴浓度梯度半导体功能材料的办法，确保吸热端(金属-半导体接触过度层)载流子是越过势垒而不是隧道穿越同时不产生整流效应。并通过改变结构，选用高效导热材料或热管元件，努力减少吸热-发光两端的温差，充分提高金属-半导体接触面制冷效率，使P-N结的发光能量更多地由金属-半导体接触面吸热能量提供。因此双效半导体的效率可以比现有LED作的更高，可以达到100-280％。
本发明的单制冷功能可广泛用于冰箱，空调等各种需要冷源的场合。单发光功能可广泛用于家庭，街道，广场，汽车等各种照明场合。双功能共用时可以同时满足家庭制冷照明功效，但需要一些导光设施。
权利要求
1.一种热泵式吸热发光双效半导体，其特征在于采用N型半导体和P型半导体，它们的一端相互直接接触，形成P-N结，另一端分别通过半导体-金属接触面与两个金属导体相连接，这两个金属导体分别作为与电源正、负极相接的引出线；所述金属-半导体接触面的厚度应使制冷端接触电势达到发光端电势的30-100％。
2.根据权利要求1所述的热泵式吸热发光双效半导体，其特征在于所述金属-半导体接触面的厚度为1-1000微米。
3.根据权利要求2所述的热泵式吸热发光双效半导体，其特征在于所述半导体-金属接触面采用多层不同能级的导电材料顺序叠加构成，或者采用电子或空穴浓度梯度半导体功能材料制成，对于前者，P型半导体选用功函数较大的金属与其接触，所述金属为铂，镍，金；N型半导体选用功函数较小的金属与其接触，所述金属为钇，钡，锶，采用低势垒接触；并在该金属层外再镀一层引线金属。
4.根据权利要求3所述的热泵式吸热发光双效半导体，其特征在于所述电子或空穴浓度梯度半导体功能材料为磷化镓、磷化砷镓、氮化镓、氮化铟镓、或磷化铟镓铝半导体材料中的一种。
全文摘要
一种热泵式吸热发光双效半导体，属半导体器件技术领域，用于提高半导体的吸热发光效率问题。其技术方案是采用高发光效率的N型半导体和P型半导体，它们的一端相互直接接触，形成P－N结，另一端分别通过半导体－金属接触面与两个金属导体相连接，这两个金属导体分别作为与电源正、负极相接的引出线；所述金属－半导体接触面的厚度和材料选择应使制冷端接触电势达到发光端电势的30－100％。本发明制冷、发光同时利用，环温热能利用效率大大提高；制冷效率高于现有半导体制冷元件，可以达到80－200％，发光效率高于现有LED，可以达到100－280％；制冷速费快，体积小，无需散热附件，适于小型设备使用；节约能源，对环境无污染。
文档编号H01L35/28GK1858919SQ200610012628
公开日2006年11月8日 申请日期2006年4月25日 优先权日2006年4月25日
发明者秦熠, 秦友刚 申请人:秦熠