熱電發(fā)生器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施例涉及熱電發(fā)生器,并且更精確的包括半導(dǎo)體材料的熱電發(fā)生器。
[0002]本發(fā)明的可能應(yīng)用顯著地是依靠熱能回收而為低能耗和中能耗電氣裝置供電,諸如:
[0003]—在固定環(huán)境(建筑物,地下)或移動(dòng)環(huán)境(汽車車輛,飛行器)中的分布式通信傳感器;
[0004]-旨在由人體熱量供能的醫(yī)療應(yīng)用的獨(dú)立測(cè)量裝置。
[0005]本發(fā)明也可以適用于例如在微電子電路內(nèi)熱能的回收/耗散的框架中。
【背景技術(shù)】
[0006]集成的熱電發(fā)生器裝置通常包括串聯(lián)耦合的小型化垂直熱電偶并且使用諸如碲化鉍(Bi2Te3)之類的傳統(tǒng)熱電材料。
[0007]然而,這些發(fā)生器的垂直結(jié)構(gòu)和通常的熱電材料傾向于與傳統(tǒng)的CMOS制造方法不兼容。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例,一種熱電發(fā)生器具有與集成制造和與CMOS制造工藝兼容的結(jié)構(gòu)。
[0009]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例,提供了一種熱電發(fā)生器,其有源元件具有基本上平面的結(jié)構(gòu),并且其架構(gòu)允許熱通量在有源元件的平面內(nèi)再分布。
[0010]根據(jù)另一實(shí)施例,提供了一種熱電發(fā)生器,其有源元件通過聲子工程設(shè)計(jì)而被構(gòu)造,并且其沿某些方向減小很多而沿其他方向較高的熱導(dǎo)率使其具有優(yōu)越于當(dāng)前發(fā)生器的熱電特性。
[0011]根據(jù)一個(gè)方面,提供了一種熱電發(fā)生器,包括半導(dǎo)體隔膜,半導(dǎo)體隔膜包含至少一個(gè)PN結(jié),該隔膜懸置在被設(shè)計(jì)用于耦合至冷的熱源的第一支座與被設(shè)計(jì)用于耦合至熱的熱源的第二支座之間。
[0012]形成了熱電發(fā)生器的有源元件的半導(dǎo)體隔膜本質(zhì)上是基本平面的并且通常薄的元件,并且其制造易于集成至CMOS集成電路的制造工藝中。
[0013]隔膜可以平行于支座延伸,例如至少距后者一定距離。
[0014]隨后可以將顯著不同于現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的熱電發(fā)生器的該配置表征為“平面的”,借助于語言,如與現(xiàn)有技術(shù)的垂直結(jié)構(gòu)相反。
[0015]支座可以是剛性的,例如由金屬或半導(dǎo)體材料制成。
[0016]作為變形例,支座可以是柔性的,這允許發(fā)生器例如匹配彎曲表面。
[0017]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例,半導(dǎo)體隔膜包含交替的N型和P型導(dǎo)電類型的若干條帶,從而形成串聯(lián)耦合的若干PN結(jié),每個(gè)PN結(jié)延伸在隔膜的面對(duì)第一支座定位的第一表面、與隔膜的面對(duì)第二支座定位的第二表面之間,所述隔膜由懸置機(jī)構(gòu)懸置,懸置機(jī)構(gòu)包括以交替方式分布在隔膜兩個(gè)表面上的導(dǎo)熱柱體,每個(gè)柱體將PN結(jié)連接至對(duì)應(yīng)的支座。
[0018]若干N和P條帶的存在允許增大的熱電發(fā)生器的功率,并且柱體的交替分布允許熱通量在隔膜平面內(nèi)被再分布。
[0019]根據(jù)又一實(shí)施例,位于一個(gè)面上的導(dǎo)熱柱體包括
[0020]—稱作接觸柱體的至少兩個(gè)柱體,接觸柱體是導(dǎo)電的,耦合至對(duì)應(yīng)支座上至少兩個(gè)位置以便于產(chǎn)生電信號(hào)并且由導(dǎo)熱電絕緣體與對(duì)應(yīng)的支座隔離;
[0021]一稱作連接柱體的柱體,連接柱體是導(dǎo)電的,并且由導(dǎo)熱電絕緣體與對(duì)應(yīng)的支座電隔離。
[0022]位于另一面上的柱體僅包括連接柱體,連接柱體是導(dǎo)電的并且由導(dǎo)熱電絕緣體與對(duì)應(yīng)的支座電隔離。
[0023]對(duì)于懸置隔膜特別有利的是具有聲子結(jié)構(gòu)(phononic structure),換言之包括了具有與隔膜半導(dǎo)體材料的成分不同的包含物(inclus1n)的晶格。
[0024]如對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的那樣,聲子是在硅材料的晶格中原子的振動(dòng)模式。
[0025]通過將空穴(偽聲子晶體)引入例如硅制成的隔膜中而顯著地形成聲子結(jié)構(gòu),以便于導(dǎo)致熱導(dǎo)率顯著減小。為此原因,可以獲得優(yōu)越于當(dāng)前熱電材料的熱電特性。
[0026]包含物的周期性晶格有利地具有至少一個(gè)重復(fù)間距,其小于熱聲子的平均自由行程并且大于熱聲子的波長。
[0027]實(shí)際上,由重復(fù)間距顯著地確定了用于過濾聲子的聲子晶體的效率。
[0028]為了得益于在各個(gè)頻率的熱聲子過濾的累積效應(yīng),構(gòu)思使用增大尺寸的連續(xù)不同重復(fù)間距,換言之重復(fù)間距的梯度。
[0029]也提供了對(duì)增大尺寸的連續(xù)包含物的使用以便于增強(qiáng)在各個(gè)頻率下對(duì)熱聲子的過濾的累積效應(yīng)。
[0030]有利地,具有聲子結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體隔膜可以組合兩個(gè)之前特征(重復(fù)間距和增大尺寸的包含物)以便于進(jìn)一步提高在各個(gè)頻率對(duì)熱聲子的過濾并且因此進(jìn)一步改進(jìn)熱電發(fā)生器的性能。
[0031]當(dāng)半導(dǎo)體材料是硅時(shí),包含物重復(fù)間距有利地大于2nm并且小于200nm,并且隔膜的厚度有利地在1nm和2 μ m范圍內(nèi)。
[0032]包含物的晶格有利地是對(duì)稱的。包含物的晶格的對(duì)稱性提供了有利的效果,從而允許使得特性取決于傳播方向。在包含物的對(duì)稱晶格內(nèi)沿定向方向的包含物的各個(gè)密度影響了對(duì)應(yīng)的定向方向的熱導(dǎo)率。包含物密度越高,則對(duì)應(yīng)的熱導(dǎo)率越低。
[0033]因此優(yōu)選地在具有耦合至分別貼附至不同支座的兩個(gè)相鄰柱體的聲子結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體隔膜的兩個(gè)區(qū)域之間具有更高的包含物密度(換言之較低的熱導(dǎo)率),以便于獲得在這兩個(gè)區(qū)域之間溫度差的最小影響。以相同方式,可以在結(jié)的定向方向中留下較低包含物密度(換言之較高熱導(dǎo)率)以便于獲得沿著這些結(jié)的更均勻溫度。
[0034]因此,根據(jù)一個(gè)實(shí)施例,對(duì)稱的包含物晶格包括,包括第一包含物密度的第一定向方向,以及包括低于第一密度的包含物第二密度的第二定向方向,PN結(jié)的條帶平行于第二定向密度,并且位于柱體的一個(gè)面上與位于另一個(gè)面上的跡線根據(jù)第一定向方向?qū)?zhǔn),相鄰柱體的任一個(gè)位于所述一個(gè)面上。
[0035]根據(jù)另一實(shí)施例,柱體以交替方式交替錯(cuò)位地分布在隔膜的兩個(gè)面上,位于隔膜的兩個(gè)面中的每個(gè)面上的柱體形成了方形的群組,位于另一個(gè)面上的柱體的一個(gè)面上的跡線在位于所述另一個(gè)面上的柱體的方形的中心處。
[0036]有利地以集成方式制造發(fā)生器,并且根據(jù)另一方面,提供了一種集成電路,包括諸如此前所限定的熱電發(fā)生器。
【附圖說明】
[0037]借由非限定性示例所述以及附圖所示,一旦研習(xí)了實(shí)施例及其實(shí)施方式的詳細(xì)說明將使得本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)和特征變得明顯,其中:
[0038]一圖1至圖3涉及根據(jù)本發(fā)明的熱電發(fā)生器的各個(gè)實(shí)施例;
[0039]一圖4至圖20示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的熱電發(fā)生器制造方法的一個(gè)示例的各個(gè)步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0040]現(xiàn)在參照?qǐng)D1至圖3以便于示出包括在集成電路Cl內(nèi)的根據(jù)本發(fā)明的熱電發(fā)生器的一個(gè)實(shí)施例。
[0041]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的熱電發(fā)生器I的一個(gè)實(shí)施例的鳥瞰圖。圖2是沿著圖1中線I1-1I的剖視圖。圖3示出了具有圖1中聲子結(jié)構(gòu)的懸置隔膜的包含物晶格的放大圖。
[0042]參照?qǐng)D1和圖2,可見熱電發(fā)生器I在此包括具有平面幾何形狀的薄半導(dǎo)體隔膜
2。隔膜2為懸置的:隔膜由在第一支座5和第二支座6之間的柱體7 — 23保持。兩個(gè)支座5和6設(shè)計(jì)用于分別與冷的熱源和熱的熱源耦合。
[0043]熱的熱源可以例如是集成電路的熱的部分,并且冷的熱源可以是集成電路的較冷部分。
[0044]作為變形例,熱的熱源可以例如是承載了熱流體的管道,而冷的熱源為環(huán)境空氣。
[0045]如果發(fā)生器放置在例如手表中,熱的熱源可以是人類表皮而冷的熱源為環(huán)境空氣。
[0046]在此,隔膜2位于距離支座5和6相等距離處。結(jié)構(gòu)的該對(duì)稱性顯著地允許促進(jìn)隔膜的形成。
[0047]隔膜包括交替的N和P摻雜的條帶3、4,從而形成了串聯(lián)連接的若干PN結(jié)3、4。每個(gè)PN結(jié)延伸在隔膜的面向第一支座5的第一表面Fl、與隔膜的面向第二支座6的第二表面F2之間。
[0048]兩個(gè)支座的材料可以是金屬或硅。例如,支座6可以是在傳統(tǒng)的CMOS制造工藝中形成的娃襯底的一部分。
[0049]金屬薄膜(例如不銹鋼或鋁)也可以用于支座5和6。
[0050]支座可以是剛性的,或者可以與硅薄膜2相同方式展現(xiàn)某些柔性。
[0051]柱體7至23是導(dǎo)熱和導(dǎo)電的。每個(gè)柱體連接了一側(cè)上的PN結(jié)并且由導(dǎo)熱電絕緣體(例如24對(duì)于柱體8)與對(duì)應(yīng)的支座隔離。
[0052]位于第一面Fl上的柱體包括稱作接觸柱體25和26的兩個(gè)導(dǎo)電柱體,接觸柱體25和26耦合至支座5上的兩個(gè)位置E1、E2以便于產(chǎn)生電信號(hào)。它們由導(dǎo)熱電絕緣體(例如27對(duì)于接觸柱體26)與支座5隔離。
[0053]當(dāng)支座5和6分別耦合至冷的熱源和熱的熱源時(shí),熱電隔膜2經(jīng)受了熱梯度,其在兩個(gè)位置El和E2之間產(chǎn)生了電勢(shì)差。
[0054]其他柱體實(shí)際上是稱作連接柱體的柱體。面F2與支座5之間的空間僅包括連接柱體 11、12、13。
[0055]稱作連接柱體8、9、19、11、12、13的這些柱體有助于在隔膜靠近PN結(jié)的平面內(nèi)再分布熱通量。
[0056]如圖1和圖2所示,柱體7至23以交替方式交替錯(cuò)開地分布在隔膜2的兩個(gè)面Fl和F2上(例如柱體7、8、17、18在面Fl上,而柱體14在F2上)。
[0057]可見,位于隔膜的兩個(gè)面中的每一個(gè)上的柱體形成了方形的群組,例如柱體7、8、17 和 18。
[0058]位于面F2上柱體的面Fl上的跡線在位于面Fl上柱體7、8、17和18的方形的中心處。
[0059]現(xiàn)在特別地參照?qǐng)D3以便于顯示硅薄膜的包含物晶格的特征元件的示例。
[0060]為了保存晶格的電特性而與此同時(shí)減少聲子的傳播,優(yōu)選地工作在彈道狀態(tài)下,換言之引入尺寸小于聲子的平均自由程(對(duì)于硅在300K下約200nm)的包含物結(jié)構(gòu)。
[0061]圖3示出了具有聲子結(jié)構(gòu)的硅薄隔膜,包括與薄隔膜材料相比展示了機(jī)械性能的圖案(包含物)的周期集合。因此,包含物可以包括不同于隔膜的半導(dǎo)體材料,例如Ge或SiGe,或者簡(jiǎn)單地采用空氣填充。
[0062]此外,對(duì)于聲子結(jié)構(gòu)有利的是單獨(dú)地或者優(yōu)選地與以下至少一些組合展現(xiàn)以下特性,:
[0063]一重復(fù)間距P小于熱聲子的平均自由程(在硅中在300K約200nm)并且大于熱聲子的波長(在硅中在300K約2nm);
[0064]一晶格的對(duì)稱性(六邊形、方形等);
[0065]—包含物的周期尺寸t (聲子晶格)小于熱聲子的平均自由程并且大于熱聲子的波長;
[0066]一對(duì)稱的包含物形狀(方形、圓柱形、三角形)。
[0067]此外,隔膜的厚度e也具有影響。因此,該厚度對(duì)于硅通常位于1nm和2 μ m之間以便于具有比現(xiàn)有技術(shù)顯著更好的熱電特性。
[0068]此外,由圖3中所示半導(dǎo)體隔膜內(nèi)聲子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性所提供的另一有利效果是誘導(dǎo)了取決于傳播方向的特性。
[0069]換言之,相同頻率的聲子模式獲取了根據(jù)傳播方向的不同速度。
[0070]在具有聲子結(jié)構(gòu)的所述隔膜的情形中,這對(duì)應(yīng)于這樣的事實(shí):沿定向方向