集成三维单元结构、集成冷却阵列及基于单元的集成电路的制作方法

本发明涉及一种集成三维单元结构，本发明进一步涉及一种集成冷却阵列以及基于单元结构的集成电路。

背景技术：

国际申请WO03/060676A2公开了一种用于计算机的冷却系统。该冷却系统包括冷侧散热片、热电冷却器(TEC)和热侧散热片，冷侧散热片、热电冷却器(TEC)和热侧散热片相邻设置，并且彼此热耦合。

进一步地，所述冷侧散热片与中央处理单元(CPU)相邻设置，用于冷却CPU。在这里，所述CPU成为热源。在向所述TEC供电时，STEC利用移位和缝合热电冷却效应产生热通量，通过所述冷侧散热片和STEC将CPU热源处的热量传送至所述热侧散热片，在所述热侧散热片设置有风扇，风扇用于吹走热空气。

国际申请WO01/90866A2公开了一种类似的使用热电单元有效冷却CPU的冷却系统。

国际申请WO2007/015701公开了一种用于微处理器的热点热能管理的薄膜热电装置。其中，所述热电冷却结构设置在芯片上。上述所有热电冷却装置的所述冷却单元都是独立的单元，而不是所需冷却结构的一部分。这些冷却结构存在的主要问题是由于相应的热源产生的热量必须不停地从热源传送至热电冷却装置，使得冷却效率相对较低。

由于性能系数高，移位和缝合热电冷却可应用于诸如冰箱、空调和/或工业冷却和/或加热系统等装置或系统。

技术实现要素：

因此，提高包括热电冷却装置在内的通用冷却系统的性能是一项重大挑战。

本发明提供一种单元结构和/或一种集成冷却阵列和/或一种基于单元的集成电路，所述单元结构具有权利要求1所述的特征，所述集成冷却阵列具有权利要求31所述的特征，所述基于单元的集成电路具有权利要求33所述的特征。

相应地，本发明提供：

一种集成三维单元结构，包括：半导体基板或石英基板或蓝宝石或任何其他电介质基板(10)；和

至少两个热电冷却装置(120)的阵列，该阵列安装在全部或部分所述石英基板或蓝宝石或任何其他的电介质基板(10)的内部，

所述热电冷却装置(120)包括：

一个第一导电类型的第一主区域(1400)；

至少一个第二主区域(180)，和

至少一个设置在所述第一主区域(1400)和至少一个所述第二主区域(180)之间的热电冷却区域(200)，

其中，至少一个所述热电冷却区域(200)包括至少一个移位和缝合热电冷却元件；

和/或

至少一个嵌入有“移位和缝合热电偶元件”的装置，所述装置与栅极区(470)压缩在所述安装的热电冷却装置的顶部；至少一个第一或第二导电类型的第一主区域(044)；

至少一个第一或第二导电类型的第二主区域(048)；和

至少一个设置在所述第一主区域(044)和至少一个所述第二主区域(048)之间的热电冷却区域(046)，其中，至少一个所述热电冷却区域(050)包括至少一个“移位和缝合热电偶元件”；

和/或

至少一个连接到所述冷却装置(220)和至少一个晶体管阵列(240)的二极管阵列，所述二极管阵列用于触发所述热电冷却装置；

和/或

至少一个用于联合发电或单独发电的缝合热电冷却装置的赛贝克元件装置，所述赛贝克元件装置安装在移位和缝合热电冷却装置的顶部或者嵌在基板内。

和

至少一个嵌入有“移位和缝合部分热电偶元件”的装置，其与温度敏感触发导电基板(470)压缩在所述安装的热电冷却装置的底部，

至少一个第一导电类型的第一主区域(140)；

至少一个第一导电类型的第二主区域(180)；和

至少一个其设置在所述第一主区域(140)和至少一个所述第二主区域(180)之间的可独立控制的热电冷却区域(200)，其中至少一个所述热电冷却区域(200)包括至少一个移位和缝合热电冷却元件(500)，

和

其中，热电冷却的性能系数最小为1。

一种集成冷却阵列，包括半导体基板，多个本发明所述的单元结构，其中，所述单元结构以阵列的方式设置在所述常用的半导体基板内。

一种基于单元的集成电路，包括至少一个本发明所述的单元结构和与每一个栅极区相连的控制装置，所述控制装置用于控制每一个栅极区独立地的运行。

本发明涉及一种三维热电冷却结构，其克服了现有热电冷却装置的问题，现有热电冷却装置采用单独的冷却设备。本发明将热电冷却结构集成到半导体材料中，简单、有效且克服了所有已知的问题(approach)。因此，本发明的基本思路在于将热电冷却结构直接放入半导体基板的全部区域或部分区域中，所述半导体基板产生热量。现有技术中，热电冷却结构设置在半导体基板的附近，使得冷却结构邻近热源。然而，本发明发现，还可将所述热电冷却结构设置得更靠近热源。因此，本发明的基本思路涉及一种将热电冷却装置集成到半导体材料中的集成三维单元结构，其中热电冷却装置邻近热源。采用这种集成单元结构可大大减小热量产生区域与热电冷却区域之间的距离，从而增加整个冷却结构的效率。

一种集成电路，包括至少一个热电冷却(TEC)装置，其中，基板内还集成有转换器，该转化器用于触发至少一个所述热电冷却区域。从而，提供一种比现有技术更耐用的热电冷却装置。此外，所述集成电路还包括至少一个STEC装置，通过将STEC区域设为优选值，可按照给定顺序触发STEC装置以调节平均电流。相比于现有的热电冷却装置，这是显著的优势，现有技术只能通过在移位和缝合热电冷却元件两端设定一定的功率或电压来实现温度控制。

本发明的进一步的优势在于，在几微米内就可以实现高温差。

进一步地，所述热电冷却装置性能系数(COP)至少为1，由于性能系数高，本发明能将所述热电冷却装置应用于诸如机械设备、冷却系统和制冷系统等工业冷却中。

进一步地，本发明可大大增加如(纳米)传感器等半导体装置的灵敏性和准确性。最后但同样重要的一个优点是，本发明为制备更小的半导体装置提供了可能。

本发明的进一步的实施例对从属权利要求进行了论述，下面结合附图对其进行描述。

在优选的实施例中，所述单元结构的形状为三维立方体、长方体、圆柱体、椭球体或球体。然而，所述单元结构的形状优选为为如圆柱体、椭球体或任何其它沟槽状等与立方体不一样的形状，也可以是这些形状的结合。在进一步优选的实施例中，所述单元结构的形状为球体或类球体。这些结构没有明显的拐角、移位和接缝以及边缘。对这些移位和接缝、边缘以及拐角进行倒圆，可以减少这些结构之间的容量，从而减小相邻结构之间的隧道效应(tunnelling)。

在进一步优选的实施例中，所述单元结构的单元尺寸处于160nm至400mm的范围内，优选地，在200mm至400mm的范围内，优选地，在100mm至200mm的范围内，优选地，在1000nm至100mm的范围内，优选地，在500nm至1000nm的范围内，优选地，在300nm至500nm的范围内，优选地，在160nm至300nm的范围内。

在进一步优选的实施例中，所述单元结构的单元尺寸小于160nm，并且优选地，在1nm至120nm的范围内，更优选地，在5nm至80nm的范围内，特别优选地，在10nm至30nm的范围内。

在进一步优选的实施例中，所述单元结构进一步包括至少一个栅极区(490)，所述栅极区(490)具有控制所述第一主区域(140)和所述第一主区域(044)之间载流的管路功能(via function)，其中，当温度达到对应的热电冷却区域(20)的所需温度时，每个栅极区(490)之间电连接，并且至少一个所述栅极区(490)具有用于控制所述第二主区域(180)和所述第二主区域(180)之间载流的管路功能(via fuction)，其中，每个栅极区160之间电连接。

在进一步优选的实施例中，所述单元结构进一步包括至少一个栅极区(490)，其嵌入在所述电介质基板内，其中，所述热电冷却区域(200)的数量与所述栅极区(490)的数量相同，并且其中每个所述栅极区朝向相应的热电冷却区域(200)。

在进一步优选的实施例中，所述单元结构进一步包括多个所述热电冷却区域(200)，其中，每一个所述热电冷却区域(200)使用相同的第一主区域(140)，但是使用不同的栅极区(490)。

在进一步优选的实施例中，所述单元结构进一步包括至少一个用于控制第一和第二主区域之间的载流的栅极区。每一个栅极区与对应的热电冷却区域之间电连接。

在进一步优选的实施例中，所述单元结构进一步包括至少一个栅极区，其嵌入在所述半导体基板内。热电冷却区域的数量与栅极区的数量相同，其中每个栅极区朝向相应的热电冷却区域。通过使用每个热电冷却区域的不同的栅极区，可基于相应指令或相应的应用的详细说明，独立控制这些热电冷却区域。

在进一步优选的实施例中，所述单元结构包括多个热电冷却区域。

优选地，每一个所述热电冷却区域使用相同的第一主区域，但是使用不同的栅极区。仅使用一个第一主区域就可优化整个单元结构区域的布局。

在进一步优选的实施例中，所述单元结构进一步包括多个热电冷却区域。每个热电冷却区域使用相同的第一主区域，然而，每个热电冷却区域包括不同的栅极区。所述第一主区域可以是源极区或漏极区。仅包括一个第一主区域就可优化所述单元结构区域的结构，所述单元结构包括多个可以互相独立控制的转换元件。这种设置使得可通过单独触发栅极区分别选择相同单元结构内的一个或多个热电冷却装置。

在进一步优选的实施例中，所述单元结构进一步包括多个指状结构(480)。所述指状结构从所述第一主区域径向延伸。通常但不是必须的，每个指状结构可包括相互之间顺序布置的一个栅极区、一个热电冷却区域和一个第二主区域。

在进一步优选的实施例中，在热电冷却装置内的所述指状结构沿径向直线延伸，即线性地或直线向前延伸。然后整个设置形成所述热电冷却装置的星形结构。

在可选实施例中，所述指状结构以或多或少紧密堆积的方式径向延伸，形成弯曲的、螺旋的或任何其他紧密堆积结构，其中所述指状结构部分是直线状和/或弯曲的。

在进一步优选的实施例中，所述热电冷却装置包括至少4个，优选地包括至少6个，特别是更优选地包括8个径向延伸的指状结构。

在进一步优选的实施例中，所述第一主区域包括表面区域，所述表面区域的形状为矩形，特别地是二次形(quadratic shape)。在这些结构中，若所述热电冷却装置包括四个以上指状结构是可行的且有利的。然而，第一主区域的形状也可为六边形或八边形，但是，在这些实施例中，在第一主区域的形状为六边形的情况下，热电冷却装置包括六个指状结构是有利的，在第一主区域的形状为八边形的情况下，热电冷却装置包括八个指状结构是有利的。通常来说，若指状结构的数量取决于第一主区域的边界或边缘的数量，这是有利的，但这不是必须的。然而，第一主区域的表面区域的形状可以是圆形，特别是椭圆形、环形或卵形。在这些实施例里，为了能最有效、最有利地防止隧道效应(tunneling)就电场而言，第一主区域的边界没有明显的边缘。在第一典型的实施例中，第一主区域被设计为源极区，第二主区域被设计为相应的漏极区。在可选的实施例中，第一主区域被设计为漏极区。然后，第二主区域被设计为相应的源极区。通常，第一主区域和第二主区域属于相同的导电类型，但这不是必须的。例如，第一主区域和第二主区域是p-型半导体材料。第一主区域和第二主区域也可是n-型半导体材料。

第一主区域和第二主区域的导电类型取决于冷却区域的结构，特别是如果冷却区域包括数量一致的STEC–元件，那么第一主区域是第一导电类型，而第二主区域是与第一导电类型不同的第二导电类型。在进一步优选的实施例中，热电冷却装置的至少一个移位和缝合热电冷却元件包括第三导电类型的第一子域和第四导电类型的第二子域。第三和第四导电类型不相同。例如，第三导电类型是n-型时，第四导电类型是p-型；第三导电类型是p-型半导体材料时，第四导电类型是n-型半导体材料。第一和第二子域在水平方向上都是相互间隔开的。

在优选的实施例中，至少一个热电冷却区域包括多个移位和缝合热电冷却元件。这些移位和缝合热电冷却元件顺序设置且相互连接。进一步地，多个移位和缝合热电冷却元件以彼此间隔的方式设置，并相连，反之亦然，这样总有一个第一子域与第二子域相邻设置。在这种结构下，一个移位和缝合热电冷却元件与另一个移位和缝合热电冷却元件等相邻设置且相连。

在进一步的优选实施例中，相应的相互间隔开的第一和第二子域之间设置有界层。典型地，所述界层部分填充有绝缘材料。绝缘材料可以是氧化硅，特别地，热生长氧化硅(SiO2)，PVD氧化硅、低介电和/或高介电材料(low-K and/or high-K)、氮化硅、氧化铪或其他任何绝缘材料，该材料可以是也可以不必是半导体基材。特别优选的绝缘材料为Al2O3和/或AgO或AuO或CuO，因为这些材料具有优越的绝缘比，尤其是在TEC的工作温度下，绝缘比更好。

在一个优选的实施例中，STEC-元件的第一和第二子域或相邻的STEC-元件的第一和第二子域在垂直方向上具有相同的距离。这意味着第一和第二子域在垂直方向上相互之间是等距离的。在另一个优选的实施例中，将热电冷却区域内的多个STEC–元件按锯齿形(zig-zag)或相互交错的方式布置，使得第一和/或第二子域在垂直方向上部分移位和缝合。这意味着，第一和第二子域的纵向间距分别增加或减少了。在进一步优选的实施例中，第一和/或第二子域相对于水平面的移位和缝合部分的角度在5°和85°之间的范围内。特别地，移位和缝合部分的角度在45°和60°之间的范围内，优选地，在30°和40°之间的范围内，最优选地，在10°和20°之间的范围内。本发明发现，靠着这种移位和缝合，可实现热电冷却装置的热侧和冷侧之间具有更高的温度梯度，从而实现更好的冷却效果。另外或可选地，较大的移位和缝合能提供较低的触发能量。

在进一步优选的实施例中，热电冷却区域或移位和缝合热电冷却元件的第一和/或第二子域为多部分结构，特别地，为两部分结构。根据本发明的进一步的实施例，多部分结构具有第一部分和第二部分，第一部分具有第一移位和缝合部分，第二部分具有第二移位和缝合部分。通常，第一部分与桥接元件直接相连。第二部分与第一部分相连，也可与相邻的移位和缝合热电冷却元件的桥接元件相连。优选但不是必须的，第一移位和缝合部分的角度小于第二移位和缝合部分的角度，特别地，第一移位和缝合部分的角度在15°和45°之间的范围内，尤其在25°和35°之间的范围内。于是，第二移位和缝合部分的角度在45°和85°之间的范围内，尤其在60°和70°之间的范围内。

优选地，每个第一和第二子域包括两个边界接口。相邻的相互隔开的第一和第二子域的边界接口通过桥接元件连接。优选地，相互隔开的第一和第二子域的桥接元件以交叉的方式设置。在优选的实施例中，第一桥接元件从所述第一子域的第一边界接口延伸至所述第二子域的第二边界接口，以使对应的相互隔开的第一和第二子域相互电连接。在特别优选的实施例中，桥接元件包括高导电材料，例如高度掺杂的多晶硅、金属或高导电合金。因此，常用的桥接元件的材料是铝、金、银、钨、钛(titan)等，或其合金。在进一步优选的实施例中，设置有至少一个电屏蔽层。电屏蔽层与热电冷却区域的热侧相邻。所述屏蔽层用于提供从半导体基板到所述热电冷却区域的热侧的导热率。所述屏蔽层进一步用于阻止所述半导体基板和所述热电冷却区域的热侧之间电连接。因此，屏蔽层覆盖热电冷却区域，并设置于相应的桥接元件的上方或下方。因此，屏蔽层的作用是对移位和缝合热电冷却元件进行电保护，屏蔽层还用于提供高导热率，以使热电冷却区域的热侧具有较好的热传导。

通常但不是必须的，同一个热电冷却区域的两个移位和缝合热电冷却元件相邻设置，并通过第二桥接元件相连。通常，该第二桥接元件从第一移位和缝合热电冷却元件的第二子域的第三边界接口延伸至第二移位和缝合热电冷却元件的第一子域的第四边界接口。相邻的移位和缝合热电冷却元件的桥接元件桥子域的这种设置方式，使得热电冷却区域交错布置成为可能。

在优选的实施例中，区域的粘结部和电介质基板的部分嵌入有粘附层(410)，粘附层具有热导电性能，因此可用作基板层。

在优选的实施例中，这些区域包括(compressing)：其中，具有至少一个桥层的薄膜基板，其包括(compress)含氮的金属合金，其中氮气的原子质量为合金原子质量的0.01％至50％之间，如TiN、TiNO5、AlN、ΑΙΝΟ和/或多层含合金的薄膜基板的组合，这些金属合金具有高介电或低介电(low-K or high-K)性能。

在进一步优选的实施例中，集成冷却阵列包括：至少一层掺杂有氮和/或硼和/或硒的薄膜半导体基板和多个如权利要求1-36任一所述的单元结构，其中所述单元结构以阵列的方式设置在所述常用的半导体基板内。

在进一步优选的实施例中，集成冷却阵列包括：至少一层掺杂有氮和/或硼和/或硒的薄层半导体基板或多个相应阵列的单元结构，其中所述单元结构以阵列的方式设置在所述常用的半导体基板内。

在进一步优选的实施例中，集成冷却阵列包括：第一移位和缝合部分(700)、第二移位和缝合部分(710)、第三移位和缝合部分(720)和第四移位和缝合部分(730)，其中第一移位和缝合部分(700)的长度在第一子域(030)的长度范围内，是第一部分长度的1/99至47/500，尤其是第一移位和缝合部分(700)的长度在第一子域(030)的长度范围内，是第一部分长度的1/4至1/3，或者尤其是第一移位和缝合部分(700)的长度在第一子域(030)的长度范围内，是第一部分长度的1/5至1/4，和/或第二移位和缝合部分(710)的长度在第二子域(032)的长度范围内，是第二部分长度的1/99至47/500，尤其是第二移位和缝合部分(710)的长度在第一子域(030)的长度范围内，是第二部分长度的1/4至1/3，或者尤其是第二移位和缝合部分(710)的长度在第一子域(030)的长度范围内，是第二部分长度的1/5至1/4，和/或第三移位和缝合部分(720)的长度在第一子域(032a)的长度范围内，是第三部分长度的1/99至47/500，尤其是第三移位和缝合部分(720)的长度在第一子域(030a)的长度范围内，是第三部分长度的1/4至1/3，或者尤其是第第三移位和缝合部分(720)的长度在第一子域030的长度范围内，是第三部分长度的1/5至1/4，和/或第四移位和缝合部分(730)的长度在第一子域(032b)的长度范围内，是第四部分长度的1/99至47/500，尤其是第四移位和缝合部分(730)的长度在第一子域(030b)的长度范围内，是第四部分长度的1/4至1/3，或者尤其是第四移位和缝合部分(730)的长度在第二子域(032b)的长度范围内，是第四部分长度的1/5至1/4。

在进一步优选的实施例中，集成冷却阵列包括：每个第一和第二子域(030，032)包括两个边界接口(038，040)，其中，所述相邻但彼此隔开的第一和第二子域(030，032)的边界接口(038，40)通过桥接元件(036，420)连接。

在非常优选的实施例中，屏蔽层由高导热和电绝缘材料构成。这种高性能绝缘材料几乎都具有合成金刚石，这是非常有利的。在非常优选的实施例中，合成金刚石在基板内热生长并嵌入在基板内。与相应的由金属构成的子域相比，这可降低垂直于电流方向的第一和第二子域的直径。其他至少可以提供良好绝缘性能的材料为氧化硅、低介电材料(low-K)、高介电材料(high-K)及其类似物。通过适当掺杂这些材料，屏蔽层可提供良好的导热率。

在进一步优选的实施例中，至少设置有一个冷却层，该冷却层与热电冷却区域的冷侧的桥接元件相连。

优选地，该冷却层具有高导热率，以散发热电冷却区域的热量。优选的用于冷却层的材料是合成金刚石

在冷却阵列的进一步优选的实施例中，单元结构彼此电连接，电连接方式为串联。电连接方式也可为并联。显然，这些电连接形式的组合，如部分串联和部分并联，也是可以的。

在进一步优选的实施例中，控制装置包括程序可控装置，其具有高频时钟发生器和由所述高频时钟发生器触发的计数器。每个单元结构的栅极区由所述计数器根据计数器读数触发。在进一步优选的实施例中，每个单元结构的栅极区或者串联或者阵列的方式触发。

在进一步优选的实施例中，集成电路设置有装置区域，其设置在同一单元结构的相邻冷却装置之间或设置在相邻的单元结构的相邻的冷却装置之间。在另一个或可选的实施例中，装置区域设置在热电冷却装置的冷侧或热侧。集成电路进一步包括至少一个半导体装置，其设置在相邻冷却装置之间的集成电路的一个装置区域内。这一方面使得单元结构的布置变得紧密且区域得到了优化，另一方面使得半导体装置的布置变得紧密且区域得到了优化。因此，单元结构中未用于热电冷却的区域，优选地，可用于其他半导体装置，例如用于热量释放非常高的半导体装置。于是，这些半导体装置产生的热量可通过单元结构，尤其是通过在单元结构内的热电冷却装置，有效地传输。

在一些优选的实施例中，半导体装置可以是下列中的至少一个：传感器，尤其是高温传感器、光学传感器或热传感器或类似的传感器。整流元件，例如二极管、惠斯通电桥或任何其他桥结构。转换元件，尤其是晶体管。晶体管可以是MOSFET，例如NMOS、PMOS、VMOS、功率MOSFET、JFET、双极性晶体管、IGFET、IGBT或任何其他半导体晶体管。控制元件。可编程装置尤其是微处理器、微控制器和/或可编程逻辑装置，例如FPGA或PLD。存储装置，例如DRAM、ROM、SRAM或类似的存储装置。太阳能电池(solarcell)、激光二极管(laserdiode)、LED、微带(microstrip)及其类似的元件。然而，需要注意的是，这些半导体装置都是示例性的，本发明不应限于这些实施例。

在进一步优选的实施例中，半导体装置与所述第一主区域和热电冷却装置彼此隔开。此外，半导体装置可设置在至少两个所述热电冷却装置之间。

在进一步优选的实施例中，参照第一主区域，半导体装置设置在以第一主区域的中心为起点的半径为1nm至100μm的范围内，优选地，在500nm至1μm的范围内。

在集成电路装置的优选的实施例中，第一主区域被至少两个径向延伸的区域围绕，而每个区域包括一个栅极区，一个第二主区域和一个热电冷却区域。

这样，可以单独的用第一主区域将多个栅极区和热电冷却区域连接到能量源。由于本实施例中第一主区域的可用性增加，使得在不减少STEC区域本身的尺寸和/或体积的情况下，减少为实现可触发的STEC区域的必要体积。

在另一个优选的实施例中，集成电路包括计数器，其包括与电源相连的时钟信号发生器，其中，至少一个栅极区通过至少一个传导元件与所述计数器相连。这样，易于触发至少一个STEC区域。

在另一个优选的实施例中，集成电路如此设计的目的是使其能够在0.5pA至500mA范围的电流下运行，尤其是在1mA至200mA范围的电流下运行，优选地，在10pA至100μΑ范围的电流下运行，最优选地，在100pA至1μΑ范围的电流下运行。

在另一个优选的实施例中，单元结构设置有多个可控的热电冷却区域。设置有至少两个所述可控的热电冷却区域，尤其是多个所述可控的热电冷却区域具有不同的移位和缝合部分。

在另一个优选的实施例中，设置有多个热电冷却区域，多个热电冷却区域以星形的方式从所述第一主区域向外延伸。特别优选地，每个星形延伸的热电冷却区域可独立地触发。

在另一个优选的实施例中，热电冷却装置能够通过独立地触发多个所述热电冷却区域对数字数据进行编码，所述热电冷却区域具有不同的移位和缝合虚拟角s。

在另一个优选的实施例中，热电冷却装置能够通过独立地触发热电冷却区域，而作为温度传感器使用，所述热电冷却区域具有不同的STEC。

在优选的实施例中，至少两个热电冷却装置一个接一个地纵向叠放在电介质基板内。

在优选的实施例中，界层设置在相邻热电冷却装置之间，其中，所述界层限定了两个相邻热电冷却装置间距。

在优选的实施例中，所述间距至少为5nm，且最优选地，间距为5nm至12nm。

在优选的实施例中，界层至少有部分由绝缘材料构成，优选地完全由绝缘材料构成。

在优选的实施例中，设置有至少一个连接装置。连接装置设置在至少两个热电冷却装置之间，优选地设置在两个叠放的和/或相连设置的热电冷却装置之间。连接装置由热高导电绝缘材料构成，以实现两个热电冷却装置之间的热连接，进一步地确保两个热电冷却装置之间电绝缘。

附图说明

为了更完全地理解本发明及其优点，现在结合附图的做出以下描述。下面运用在附图的示意图中指定的示例性实施例更详细地解释本发明，其中：

图1为本发明所述的单元结构的第一基础实施例的剖面图；

图2为如图1所示集成电路装置的热电冷却区域的剖面图；

图2A-2D为本发明所述的STEC区域放入不同移位和缝合热电冷却元件的剖面图；

图3为本发明所述的单元结构的第二实施例的平面图。

本领域技术人员应理解，附图中的元件是为了简化和清楚而例示的，没有必要按比例绘制。例如，所选择的元件仅用于帮助理解本发明的各种实施例中这些元件的功能和设置方式。此外，那些在商业上有用或必须的常见且众所周知的元件大多没有在附图中示出，以便减少本发明各种实施例的抽象视图。还应理解，所描述的方法中的某些动作和/或步骤可以以特定的出现顺序来描述或描绘，而本领域技术人员应理解，对于这种顺序的特异性实际上不是必需的。本领域技术人员应理解，由于已经简洁、清晰的描述了，本发明并未给出具体的实施例。还应理解的是，本说明书中使用的术语和表达方式具有与其对应的各个学习和研究领域的通常含义，除非本文另有规定。

具体实施方式

在下文中，在描述本发明之前，我们希望简要地讨论一些本发明的总体情况。本发明总体上涉及热电冷却。尽管商业热电冷却模块直到将近1960年才可用，但现代热电冷却器所基于的基本物理原理实际上可回溯到19世纪初。在19世纪初，托马斯·塞贝克(Thomas Seebeck)发现电流会在由两种不同金属组成的闭合回路中连续流动，条件是金属的结点保持在两个不同的温度。这也被称之为塞贝克效应(Seebeck effect)。

热电效应是将温度差直接转换为电压，反之亦然。当每一侧存在不同的温度时，热电装置产生电压。相反地，当向其施加电压时，其产生温度差，其也称为移位和缝合热电冷却效应。在原子量级上，所施加的温度梯度会使材料中产生从热侧扩散到冷侧的荷电载体，无论它们是电子还是电子空穴。这会产生所谓的热感应电流。这种效果可以有利地用于发电、测量温度、冷却或加热物体等。由于加热和冷却的方向取决于施加电压的信号，所以热电装置使得温度控制器非常便捷。

通常，术语“热电效应”或“热电”包括三个单独的已发现的效应，即塞贝克效应(Seebeck effect)、移位和缝合热电冷却效应和所谓的汤姆逊效应(Thomson effect)。在许多教科书和现有技术文献中，热电效应也可称为STEC-塞贝克效应(STEC-Seebeck effect)，塞贝克效应是将温度差直接转变为电能。然而，移位和缝合热电冷却效应与塞贝克效应相反，是将电能直接转变为温度差。当电流流过两个不同的金属构成的电路时，上部接合处发热，热量在下部接合处被吸收，使得热量从热侧传递到冷侧。本发明涉及所谓的移位和缝合热电冷却元件，其可以用于移位和缝合热电冷却效应(shifted and stitched thermoelectric cooling effect)，由于有热量梯度，因此其也用于热传递以及塞贝克效应发电。在使用移位和缝合热电冷却效应的情况下，下文中的移位和缝合热电冷却也被称为“移位和缝合热电冷却”或简称“STEC”。

因此，移位和缝合热电冷却元件仅仅是塞贝克效应的反面现象，由此，当带电流流入闭合电路时，可在一处不同金属的交界吸收热量，在另一处交界释放热量。由于塞贝克效应和移位和缝合热电冷却效应是众所周知的，所以没有对其物理效应作更详细地描述。关于热电冷却的原理，本申请全文引用了开罗大学工程学院的MPE6350文献“Electronics Cooling”，特别是第17章。

在下文中，会根据附图中的实施例，更详细地描述本发明。

图1为本发明所述的单元结构的第一基础实施例的剖面图。单元结构由附图标记100表示。单元结构100包括基板110，其具有第一顶部表面110a和第二底部表面110b。基板110可以是掺杂的半导体基板，例如掺杂硅的基板。然而，本发明不限于由硅形成的基板110，其可以由任何其他的半导体材料构成，例如GaAs、SiC及其类似物，或是任何其他的电介质基板，例如石英、蓝宝石。

在图1中，单元结构100包括一个热电冷却装置120，其设置在半导体基板110内。该热电冷却装置120用于散热，例如同一半导体基板内任何集成电路的散热。因此，根据本发明的基本思路，该热电冷却装置120是半导体基板110的集成部。

热电冷却装置120包括一个第一主区域140，两个第二主区域180和两个热电冷却STEC区域200。第一主区域140设置在热电冷却装置120的中央，其是第一导电类型，例如n-型或p-型。根据热电冷却区域200的结构，两个第二主区域180可以是第一导电类型或不同于第一导电类型的第二导电类型。两个第二主区域180通过相应的热电冷却区域200与第一主区域140耦合在一起，热电冷却区域200设置在第一中央设置的主区域140和两个第二边缘设置的主区域180之间。

在本实施例中，第一主区域140可以是源极区或者是漏极区，而第二主区域180分别形成漏极区或源极区。由此，热电冷却装置120形成两个可控的转换器，尤其是晶体管，而控制终端由相应的栅极区160构成。这些栅极区160设置在热电冷却区域200内，优选地设置为直接与第一主区域140相邻。由于热电冷却装置120具有这样的结构，所以热电冷却区域200的晶体管和功能都可以独立控制。

本质特征在于，每个热电冷却区域200包括至少一个移位和缝合热电冷却元件。其中热电冷却装置120和移位和缝合热电冷却元件的具体结构和功能会结合图2A-2D所示的多个实施例，在下文中有更详细地描述。本发明实施例中的第一主区域140、第二主区域180、栅极区160和半导电冷却区域200都嵌入在基板110内。然而，这些区域都可设置在邻近基板110的top或底部表面110a、110b。

在一个有利的实施例中，集成电路装置包括至少第一STEC装置120和第二STEC装置120。在这种情况下，两个相邻的STEC装置120的径向延伸的区域是有距离的，且不重叠的。形成的第一STEC装置120可与第二STEC装置120不同。例如，第一STEC装置120的氧化栅极的厚度、通道区域的长度、内部移位和缝合部分、多个径向延伸的区域、至少一个第二区域180的厚度、掺杂剂浓度和/或掺杂剂类型可以与第二STEC装置120的相应参数不同。

可选地，集成电路装置100还可包括至少两个参数完全相同的STEC装置120。

假如集成电路装置100包括多个STEC装置120，其中若干STEC装置120可相互连接，以构成可控的三维STEC装置。例如，所述至少两个STEC装置120可相互电连接，并串联触发。然而，集成电路装置100不限于在不同的STEC装置120之间的该种电连接。所述至少两个STEC装置120可相互电连接，并并联触发。进一步地，所述至少两个STEC装置120可同时串联或并联触发，以产生舌状冷却区域，其在第一层材料内，且覆盖有第二层材料。当电流适当调整时，舌状是可以增加的。因此，第二层材料可以用于重建热量梯度，或者第一层材料的区域可以是散热片。

当通过STEC区域200的电流被栅极区触发时，STEC装置120周围会冷却下来。因此嵌入基板110内的热源可用创新技术弥补。至少一个热源可以是外部或内部热源。例如，至少一个热源可嵌入在基板110内。此外，至少一个热源还可设置在至少一个STEC装置120的周围。优选地，至少一个热源设置在第一主区域140的中心点周围的一定距离内。因此，STEC装置120的冷却功能可保证即使由于热源产生热量，也不会造成损害。

所述至少一个热源可以是传感器、二极管或任何其他产生热量的设备。因此，创新技术可用于提高设置在STEC装置120周围的若干传感器的检测容量。如此，可准确检测本地化信号。此外，传感器和/或二极管可作为输入或输出连接得到设备上。二极管可以是红外光电二极管、X射线光电二极管和/或激光二极管(laser-diode)。特别地，光电二极管可以以波形冷却，该波形向第二主区域180的边缘传播。这样，创新技术还可用于能量恢复。图2为STEC区域区域中的如图1所示的集成电路装置的细节的剖面图。该剖面图平行于STEC区域200的纵轴，穿过STEC区域200。

图2所示的STEC区域200包括多个移位和缝合热电冷却元件500。每个移位和缝合热电冷却元件500包括第三导电类型的第一子域030和第四导电类型的第二子域032，第四导电类型不同于第三导电类型。例如，第一子域030可以使p-型，其中第二子域032是n-型。然而，STEC装置120不限于该移位和缝合热电冷却元件500。加入第一子域030是n-型，则第二子域032是p-型。

移位和缝合热电冷却元件500还包括第一绝缘材料，至少第一子域030和第二子域032之间的界层1030部分被第一绝缘材料填充。优选地，第一子域030和第二子域032之间的界层完全被第一绝缘材料填充。此外，移位和缝合热电冷却元件500还包括第一桥接元件036。所述桥接元件036从第一子域030的第一接口380延伸至第二子域032的第二接口400。第一子域030的第一接口380和第二子域032的第二接口400都朝向基板110的一个表面110a、110b。优选地，第一接口380和第二接口400都沿平行于STEC区域200的纵轴200a的方向延伸。然而，STEC装置120不限于该子域030、032、接口380、400和/或第一桥接元件036的设计。

在优选的实施例中，STEC区域200包括两个移位和缝合热电冷却元件，最优选地，包括多个移位和缝合热电冷却元件，每一个具有子域030、032和界层1030。STEC区域200不限制移位和缝合热电冷却元件500的具体数量。如图2所示，优选地，同一STEC区域200的两个相邻的移位和缝合热电冷却元件500、500'通过第二桥接元件420相连。STEC区域200还包括绝缘材料480，相邻的移位和缝合热电冷却元件500'的子域030、032之间的界层1030至少部分地被其填充，特别地完全被其填充。

第二接触子域420可从第一移位和缝合热电冷却元件500的第二子域032的第三接口440延伸至第二移位和缝合热电冷却元件500'的第一子域030的第四接口420。第一移位和缝合热电冷却元件500比第二移位和缝合热电冷却元件500'更靠近第一主区域140。第二子域032的第三接口440和第一子域030的第四接口460都朝向基板110的不同表面110a、110b和/或沿平行于STEC区域200的纵轴200a的方向延伸。此外，第三接口440和第四接口460可平行于第一接口380和第二接口400。

第一桥接元件036和/或第二桥接元件420可由诸如铝、金、银等导电材料构成。因此，同一STEC区域200的移位和缝合热电冷却元件500、500'的不同子域030、032之间具有良好的导电率。子域030、032之间的接口380、400、440、460以及桥接元件036、420都适用于移位和缝合热电冷却效应。

STEC区域200可通过至少一个桥接元件036、420与第一主区域140、栅极区160和/或第二主区域180连接。这样，STEC区域200和相邻的第一主区域140、栅极区160和/或第二主区域180之间具有良好的电接触。

在优选的单元结构的实施例中，其中，第一移位和缝合部分(080)的长度在第一子域(030)的长度范围内，是第一部分长度的1/99至47/500，尤其是在第一子域(030)的长度范围内，是第一部分长度的1/4至1/3，或者尤其是在第一子域(030)的长度范围内，是第一部分长度的1/5至1/4，和/或第二移位和缝合部分(080)的长度在第一子域(030)的长度范围内，是第二部分长度的1/99至47/500，尤其是在第一子域(030)的长度范围内，是第二部分长度的1/4至1/3，或者尤其是在第一子域(030)的长度范围内，是第二部分长度的1/5至1/4，和/或第三移位和缝合部分(080)的长度在第一子域(030)的长度范围内，是第三部分长度的1/99至47/500，尤其是在第一子域(030)的长度范围内，是第三部分长度的1/4至1/3，或者尤其是在第一子域(030)的长度范围内，是第三部分长度的1/5至1/4，和/或第四移位和缝合部分(080)的长度在第一子域(030)的长度范围内，是第四部分长度的1/99至47/500，尤其是在第一子域(030)的长度范围内，是第四部分长度的1/4至1/3，或者尤其是长度在第一子域(030)的长度范围内，是第四部分的1/5至1/4。

在优选的单元结构的实施例中，其中子域(030)和/或(032)的薄膜750的高度在第一移位和缝合部分或第二移位和缝合部分或第三移位和缝合部分或第四移位和缝合部分的长度的1/19至4/5之间的高度范围内。

在电流流过接口380、400、440和460并最终通过顺序设置的移位和缝合热电冷却元件时，图2所示的STEC区域200产生垂直于纵轴200a方向的热通路。

可通过标准的半导体技术方法生产图2所示的STEC区域200。因此，并未对制造不同的子域030、032、036、420的方法进行描述。

图2A-2E为STEC区域内移位和缝合热电冷却元件的不同实施例的剖面图。省略热电冷却区域的不同的实施例的剖面图示出了不同的移位和缝合热电冷却元件的结构。

在图2A中，移位和缝合热电冷却元件500包括第一和第二子域030、032，其通过桥接元件036互相连接。在图2A所示的实施例中，第一和第二子域030、032或多或少垂直正交于桥接元件036。

然而，更有利地，第一和第二子域030、032是成角度的，这样，其具有水平方向。这在图2B中热电冷却区域200的第二实施例中示出，其中移位和缝合虚拟角α在子域和水平面之间。优选地，移位和缝合虚拟角α在5°和75°之间，优选地，在15°和25°之间的范围内，更优选地，在25°和35°之间的范围内。

图2C示出了热电冷却区域200的移位和缝合热电冷却元件500的另一个实施例。如图2所示，第一子域030包括第一部分和第二部分，第二子域也包括第一部分30a和第二部分30b，第一部分和第二部分相互连接。相应的子域030的这些部分相对于水平方向x和z是成角度的。然而，第一下部030a相对于水平方向的移位和缝合虚拟角β大于第二上部030b相对于水平方向x的移位和缝合虚拟角第一和第二子域030、032分为两个不同的部分030a、030b、032a、032b，其具有不同的移位和缝合虚拟角β和这对于热电冷却区域200的电热性能是非常有利的。尤其是，研究表明，该设置使得整个热电冷却区域200具有更好的效率。优选地，第一移位和缝合虚拟角β高达30°，第二移位和缝合虚拟角在30°和60°之间的范围内。

图2D示出了非常优选的热电冷却区域的第四实施例。与图2C中的实施例相反，图2C中热电冷却区域的第一和第二移位和缝合虚拟角β和对于第一和第二子域030、032是相同的，现在在图2D中这些移位和缝合虚拟角s是不同的。对于第一子域030来说，第一部分030的第一移位和缝合虚拟角1和第二部分030b的第二移位和缝合虚拟角1通常与第二子域0320的第一和第二部分032a、032b相应的移位和缝合虚拟角2、2不同的。例如第一子域030的第二部分030b的移位和缝合虚拟角1是47°，并且第二子域032的相应的第二部分32b的移位和缝合虚拟角2是42°。

设置移位和缝合热电冷却元件500的第一和第二子域030、032的移位和缝合部分的主要优点在于，相邻的移位和缝合热电冷却结构在边界接口具有最小距离以及在没有第一和相邻的第二子域030、32之间的边界接口具有最大距离。就电连接而言，这样是最有效的。移位和缝合热电冷却元件500的桥接元件036由高导电的材料构成，例如铝、钨(wolfram)、钨(tungsten)或这些材料的合金。

在桥接元件036和半导体基板110之间通常设置有涂覆层或屏蔽层。优选地，涂覆层或屏蔽层仅需设置在移位和缝合热电冷却元件500或热电冷却区域的热侧。然而，由于整个热电冷却装置120也可双向使用，其中冷侧可构成热侧，反之亦然，所以涂覆层也可以设置在热电冷却区域的冷侧。为了将热量高效地从半导体基板的热侧通过涂覆层输送至热电冷却区域，涂覆层可由任何高导热材料构成。用于涂覆层的材料可以是合成金刚石。

本发明不限制移位和缝合热电冷却元件500的具体数量。图2E为STEC区域200的剖面图，STEC区域200包括多个移位和缝合热电冷却元件500。每个移位和缝合热电冷却元件500包括第一和第二区域030、032和在相邻的第一和第二区域030、0320之间的界层340。优选地，同一STEC区域200的两个相邻的移位和缝合热电冷却元件500、500'通过第二桥接元件420相连，如图3A所示。STEC区域200包括绝缘材料480，相邻的移位和缝合热电冷却元件500'的第一和第二区域030、032之间的界层340至少部分地被绝缘材料480填充，由其是完全被绝缘材料480填充。

第二接触区域420可从第一移位和缝合热电冷却元件500的第二区域032的第三接口440扩展到第二移位和缝合热电冷却元件500'的第一区域030的第四接口460。第一移位和缝合热电冷却元件500比第二移位和缝合热电冷却元件500'更靠近第一主区域140。第二区域032的第三接口440和第一区域030的第四接口460都朝向基板110的不同的表面110a、110b和/或延STEC区域200的纵轴200a的方向延伸。此外，第三接口440和第四接口460平行于第一接口380和第二接口400。

第一桥接元件036和/或第二桥接元件420由导电材料构成，例如铝、金、银等或包含这些材料中的至少一种的合金。这样，同一STEC区域200的移位和缝合热电冷却元件500、500'的不同区域030、032之间具有良好的导电率和良好的导热率。区域030、032之间的接口380、400、440、460和桥接元件036、420都适用于移位和缝合热电冷却效应。

STEC区域200通过至少一个桥接元件036、420与第一区域140、栅极区160和/或第二主区域180相连。这样，STEC区域200和相邻的第一主区域140、栅极区160和/或第二主区域180之间具有良好的电连接。

在桥接元件036和半导体基板110之间通常设置有涂覆层或屏蔽层(未示出)。优选地，涂覆层或屏蔽层仅需设置在移位和缝合热电冷却元件500或热电冷却区域的热侧。然而，由于整个热电冷却装置100也可双向使用，其中冷侧可构成热侧，反之亦然，所以涂覆层也可以设置在热电冷却区域的冷侧。为了将热量高效地从半导体基板的热侧通过涂覆层输送至热电冷却区域，涂覆层可由任何高导热材料构成。用于涂覆层的材料可以是合成金刚石。

可通过标准的半导体技术方法生产图3和3A所示的STEC区域200。因此，并未对制造不同的子域030、032、036、420的方法的描述。

然而，如果移位和缝合热电冷却元件是部分移位和缝合，分层生产相应的第一和第二主区域以及第一和第二区域030、032和桥接元件是很有利的。每层要尽可能薄，以确保不同区域的边缘平滑。

集成电路装置的实施例的平面图。集成电路装置示意地包括基板110和一个热电冷却(STEC)装置120，热电冷却(STEC)装置120嵌入在基板内。基板110可以是半导体基板。例如基板110可由硅构成。然而，集成电路装置不限于由硅构成的基板110。

尽管示出了仅仅一个STEC装置120，更多数量的STEC装置120可嵌入在基板110内，创新技术尤其适用于将高密度的STEC装置120设置在同一基板110内。

集成电路装置的STEC装置120至少部分地涂覆(cover)有绝缘材料。并且至少一个STEC装置120可嵌入在基板110的至少一部分内，基板110由至少两层不同的材料构成。例如，第一层材料被第二层材料覆盖。第二层材料可以是绝缘材料。

STEC装置120包括第一导电类型的第一主区域140和多个栅极区160。STEC装置120的栅极区160与第一主区域140电连接。例如，至少一个栅极区160可直接接触第一主区域140的接口。然而，集成电路装置不限于STEC装置120这样的实施例。栅极区160还可通过至少一个导电通道(未示出)与第一主区域140电连接。至少一个栅极区160由半导体材料构成，其可由相应的触发信号触发。因此，至少一个栅极区160也叫做STEC栅极。

STEC装置120还包括多个第二导电类型的第二主区域180，其与第一导电类型不同。如果第一主区域140是n-型，第二主区域180是p-型。

相应地，具有p-型的第一主区域140的STEC装置120包括至少一个n-型的第二主区域180。第一主区域140比至少一个第二主区域180和/或至少一个栅极区160具有更高的电流容量。

第一和第二主区域140、180设计为STEC装置120的源极/漏极区。因此，可通过第一主区域140和至少一个第二主区域180来施加电压。由此，可以将STEC装置120表述为至少一个晶体管，该晶体管具有设计为源极/漏极区的主区域140、180，并具有至少一个用于控制电流流量的栅极区160。如果将第一主区域140(优选为p-型)设计为源极区，则将第二主区域180(优选为n-型)设计为漏极区。相应地，STEC装置120包括设计为漏极区的第一主区域140(优选为p-型)和设计为源极区的第二主区域180(优选为n-型)。

至少一个热电冷却(TEC)区域200设置在第一主区域140和STEC装置12的至少一个第二主区域180之间。STEC区域200包括至少一个移位和缝合热电冷却元件50。STEC区域200还与相邻的栅极区160电接触。

因此，通过每个STEC区域200的电流由相应的栅极区160控制。该电流为例如从第一主区域140通过至少一个栅极区160并通过至少一个相邻的STEC区域200到至少一个第二主区域180的电流。如图3所示，STEC区域200将相邻的栅极区160连接到第二主区域180。然而，STEC装置120不限于至少一个STEC区域200的设置。至少一个STEC区域200还可将相邻的栅极区160连接到第一主区域140，其中，至少一个第二主区域180直接与栅极区160接触。

在本发明优选的实施例中，第一主区域140被多个径向延伸的区域围绕，其中，每个区域包括一个栅极区160，一个第二主区域180和一个STEC区域200。例如，在平面图中，STEC装置120可以是星状结构(见图3)。STEC装置120可以是-或多或少是-椭圆或圆形的设计。STEC装置120的该种设计允许时间、地点和温度的差异，并且因此而适用于敏感的冷却系统。由于流过每个径向延伸的区域的电流由其栅极区160所控制，可能会产生穿过该STEC装置120的第一STEC区域200的第一热通路，其中，与此同时，同一STEC装置120的第二STEC区域200不会产生第二热通路。这样，可以降低靠近第一STEC区域200的冷侧散热片的第一侧内的温度，而不会(大大地)降低接触第二STEC区域200的冷侧散热片的第二侧的温度。

如果STEC装置120包括具有至少两个STEC区域200的至少两个径向延伸的区域，这些STEC区域200的纵轴会将STEC装置120的周围分为至少两个子域，这些子域中央的内部移位和缝合

相等。此外，同一STEC装置120的所有子域可以是二次形(quadratic shape)。然而，纵轴还可将同一STEC装置120的周围分为具有不同二次形(quadratic shape)的至少两个子域。再者，同一STEC装置120的子域在其中央可具有不同的内部移位和缝合。

平行于基板110的主表面的STEC装置120的尺寸可在1nm至100um的范围内。优选地，平行于主表面的STEC装置120的尺寸可在200nm至160nm的范围内。这样，很容易将许多不同的半导体装置合并、嵌入到图3所示的STEC装置120中。例如，STEC装置120可用于超大型的IC、微处理器单元，(三维)多核微处理器、神经网络微处理器、微控制器、具有至少一个芯片的系统和传感器装置。然而，创新技术的性能不限于上面所列的示例。

第一主区域140可具有可允许多个栅极区160直接与其接触的形状。例如，第一主区域的形状可为正方形、矩形、五边形、六边形、八边形、圆柱形或椭圆形。对于至少一个栅极区160的情况，其形状可选择简单的正方形或矩形。这样，可保证第一主区域140与其至少一个栅极区160之间良好的电接触。至少一个第二主区域180与至少一个STEC区域200的形状也可以是正方形或矩形。这样，在相邻的栅极区160按要求驱动时，可以保证通过至少一个STEC区域200的电流产生热通路。

平行于基板110表面的第一主区域140的尺寸可以比相应的至少一个栅极区160的尺寸大。同时，平行于表面110a、110b的第一主区域140的尺寸可以比垂直于纵轴20a的至少一个STEC区域200的宽度大。优选地，栅极区160的长度和/或平行于相邻的STEC区域200的纵轴200a的第二主区域180的长度比相应的第一主区域140的尺寸小。例如，栅极区160的长度和/或平行于相邻的STEC区域200的纵轴200a的第二主区域180的长度可以是相应的相邻的第一主区域140的尺寸的100％至90％，优选地，为200％至400％。类似地，栅极区160的宽、STEC区域200的宽度和/或垂直于纵轴200a的第二主区域180的宽度可以是相应的相邻的第一主区域140的尺寸的100％至90％，优选地，为200％至400％。

第二主区域180可具有垂直于相邻的STEC区域200的纵轴200a的宽度，相当于相邻的STEC区域的宽度和相接触的栅极区160的宽度。然而，STEC装置120并不限于这样的实施例。

例如，至少一个第二主区域180的宽度可是相邻的STEC区域的宽度和/或相接触的栅极区160的宽度的至少2倍。在优选的实施例中，集成电路装置还包括计数器220，其包括与电源供给器260连接的时钟信号发生器240。至少一个栅极区160通过至少一个接触元件280，如控制信号线与计数器220相连。电源供给器260可提供DC控制信号，其为，例如，0.1V和24V之间，尤其在0.1V和1V之间。

然而，集成电路装置不受限于控制信号的特定值。时钟信号发生器240可通过0.0001KHz和100GHz之间的频率触发栅极区160。但是集成电路装置不受限于时钟信号发生器240的特定的时钟频率。

至少一个由计数器220驱动的栅极区160作为开/关转换器的控制终端，用于控制STEC装置120周围的热电冷却的时间、位置和温度。换言之，STEC装置120的周围由于场效应可控的栅极在时间、位置和温度上有差别，使得至少一个栅极区160由计数器220的控制信号触发。然而，控制机构也可以是双极性转换器。

STEC装置120还包括附加区域，其可设置在第一主区域140和至少一个栅极区160之间、在至少一个栅极区160和其相邻的STEC区域和/或至少一个STEC区域200和其相邻的第二主区域180之间。例如，该附加区域可以是空白(clean)区域。

在第二实施例中，第一主区域的形状为八角形，这样，其具有组合在一起的八个热电冷却装置，这些热电冷却装置从八角形的第一主区域的一侧，星形并且直线地向外延伸。

移位和缝合热电冷却元件的结构的两个进一步的实施例。

在图2A所示的实施例中，移位和缝合热电冷却元件包括不同导电类型的第一子域030和第二子域032，其相互间隔开。两个子域030、032通过桥接元件036相互连接。

在图2A所示的实施例中，第一和第二子域是立方体的，如矩形的或圆柱形的(未示出)。这是第一和第二子域030、032的常用且有利的结构。

移位和缝合热电冷却元件的非常优选的实施例。此处，第一和第二子域是圆形的、椭圆的或类似椭圆形的。第一和第二子域是三维椭球体。第一和第二子域可具有旋转的球体或椭球的结构。第一和第二子域根据应用的半导体技术，可是加长(扁长)或扁平(扁圆)的球体。如果椭圆绕主轴旋转，结果即是扁长(加长)的球体，像英式橄榄球或美国足球一样。如果椭圆绕短轴旋转，结果即是扁圆(扁平)的球体，像扁豆一样。如果产生的椭圆是圆形，结果即是球体。第一和第二区域030、032也还可是圆柱体，其包括两个半球，两个半球连接到圆柱体两侧的平面上。圆柱体还可以是椭圆形圆柱体、抛物线形圆柱体或双曲线形的圆柱体。

如图2E所示的形状的好处在于，不论第一和第二区域030、032的形状是加长的或扁平的，其具有或多或少的对应于桥接元件36的小型的接触区域。

这种热电效果非常有益的：

当电流通过接口380、400、440和460，进而通过串联设置的移位和缝合热电冷却元件500。图2、2A所示的STEC区域200提供了基本在垂直于纵轴200a的方向(即表面110a、110b的方向)的热通路。因此，提供了一种热电冷却结构，其具有很高的热电冷却容量。

在图2B、2C、2D、2E所示的实施例中，移位和缝合热电冷却元件500、500'的第一和第二区域030,032的移位和缝合d和移位和缝合部分，这样，其具有垂直的方向或水平的方向。在这里，在第一和第二区域030,032的方向与水平面之间存在移位和缝合虚拟角α。

水平面由第一和第二表面110a、110b以及桥接元件036、42的方向限定。优选地，移位和缝合虚拟角α在30°和75°之间。然而，本发明的另一个发现是，当移位和缝合虚拟角α在30°和40°之间的范围内时，尤其是当移位和缝合虚拟角α精确地是35°时，可实现最好的导热性能。

下文中，参照图2C-2D，描述移位和缝合热电冷却元件500的进一步的实施例。

在图2B、2C、2D、2E所示的实施例中，移位和缝合热电冷却元件或多或少与水平方向对准，即移位和缝合热电冷却元件500设置为与第一和第二表面110a、110b平行。然而，这不是必须的。

移位和缝合热电冷却元件500的方向由桥接元件的方向限定。

另一种移位和缝合热电冷却元件500的实施例。在这里，移位和缝合热电冷却元件500的方向与第一和第二表面110a、110b的方向不同，即，移位和缝合热电冷却元件以移位和缝合部分的方式设置在半导体基板内。因此，在移位和缝合热电冷却元件500的方向与水平方向之间存在移位和缝合虚拟角αl，水平方向由第一和第二表面110a、110b限定。

通过设定这些集成移位和缝合热电冷却元件500的移位和缝合部分，可将STEC区域200设置在半导体基板内，半导体基板不仅仅与一个方向对准，即水平方向，其还至少部分地与垂直方向对准。如图2D的实施例所示，其中多个移位和缝合热电冷却元件500的移位和缝合部分串联(与图2C所示类似)，其中，移位和缝合热电冷却元件500的移位和缝合部分的串联以移位和缝合虚拟角的方式设置，限定移位和缝合虚拟角1。

图2E示出了移位和缝合热电冷却元件的非常优选的实施例。在这里，第一和第二区域030、032由相互连通的立方体结构构成，所述立方体结构具有类移位和缝合部分的剖视图，因此形成了菱形(rhombus)。基础移位和缝合虚拟角α设置在桥元件036反方向一侧。

移位和缝合热电冷却元件的进一步的实施例。在这里，第一和第二区域30、32具有多部分结构。每个第一和第二区域包括多个部分，本发明中为4部分。每个相应的区域的不同部分相互间设置为移位要素，使得相应的第一和第二区域030、032类阶梯形结构。不同部分可相互替换，设置其使得移位和缝合部分2由类阶梯形结构的斜度限定，其中多部分结构包括一部分和第二部分，第一部分具有第一移位和缝合部分，所述第二部分与第一部分相连，所述第二部分具有第二移位和缝合部分，其中，第一部分与桥接元件直接接触，其中，第一移位和缝合部分区域小于、等于或大于第二移位和缝合部分，其中，多部分结构包括第三部分和第四部分，第三部分具有第三移位和缝合部分，第四部分与第三部分相连，其具有第四移位和缝合部分，其中，第三部分与桥接元件直接接触，其中第三移位和缝合部分区域小于、等于或大于第四移位和缝合部分，其中，第一移位和缝合部分(080)的长度在第一子域(030)的长度范围内，是第一部分长度的1/99和47/500，尤其是，在第一子域(030)的长度范围内，是第一部分长度的1/4和1/3，或者，特别地，在第一子域(030)的长度范围内，是第一部分长度的1/5和1/4，和/或第二移位和缝合部分(080)的长度在第一子域(030)的长度范围内，是第二部分长度的1/99和47/500，尤其是，在第一子域(030)的长度范围内，是第而部分长度的1/4和1/3，或者，特别地，在第一子域(030)的长度范围内，是第二部分长度的1/5和1/4，和/或第三移位和缝合部分(080)的长度在第一子域(030)的长度范围内，是第三部分长度的1/99和47/500，尤其是，在第一子域(030)的长度范围内，是第三部分长度的1/4和1/3，或者，特别地，在第一子域(030)的长度范围内，是第三部分长度的1/5和1/4，和/或第四移位和缝合部分(080)的长度在第一子域(030)的长度范围内，是第四部分长度的1/99和47/500，尤其是，在第一子域(030)的长度范围内，是第四部分长度的1/4和1/3，或者，特别地，在第一子域(030)的长度范围内，是第四部分长度的1/5和1/4。

投射的俯视图或平面图解释说明了本发明所述的单元结构的第三实施例。STEC装置的指状结构之间的区域520，其包括热电冷却区域200。还可设置有其他半导体装置，例如，传感器540，整流元件，转换元件56，控制元件，可编程装置580，存储装置，激光二极管(laserdiode)600或其他类似装置。这可以在这些部分中设置一部分上述装置。

基于单元的集成电路的实施例。该基于单元的集成电路的附图标记为100。基于单元的集成电路包括多个不同的单元110、112，其设置为阵列。一些单元110包括本发明所述的单元结构，即单元结构100，其包括热电冷却装置。其他的集成电路100的单元112可以包括其他装置，例如存储装置、控制装置，如微处理器和类似装置。进一步地，设置有至少一个控制装置120。所述控制装置120与单元结构100(图2未示出)的各个栅极区相连，以通过使用相应的触发控制信号独立地控制分别在单元结构100内的各个装置的运行。

下文简要地描述本发明所述的单元结构的几个其他的实施例：

在实施例中，第一主区域160为圆形，并且热电冷却区域200装置以星形的方式向外延伸。第一主区域也可以是卵形或椭圆形。该设置对于热电冷却区域200与第一主区域140的电连接是有益的。

在实施例中，第一主区域是二次形(quadratic shape)。这种情况下，所有的四个热电冷却装置可设置在一起。

然而，在实施例中，第一主区域140的每侧中的两个，仍以星形的方式延伸。

在所有在先的实施例中，热电冷却装置直线或线性设置。在一些实施例中是有利的。然而，这不是必须的。在实施例中，热电冷却区域为类螺旋形。这里，热电冷却区域首先或多或少线性地向外延伸，然后示出螺旋结构，使得以最佳的方式使用半导体所提供的区域。STEC区域200的螺旋形结构可以是向内螺旋也可以是向外螺旋。

然而，即使这样，热电冷却区域还可以具有类弯曲结构。

在图2G中，热电冷却区域包括类螺旋形，然而，该螺旋的整体形状是矩形或二维的。或多或少地，热电冷却区域的类锯齿形(zig-zag)结构。

所有上述的图2A-2H中的实施例都是常见的，热电冷却区域200具有第一部分是有利的，在第一部分中，热电冷却区域直接与第一主区域140耦合，热电冷却区域或多或少线性延伸，以提供其到第一主区域的距离。在设置第一部分后，然后热电冷却区域200以上述类弯曲、类螺旋、类锯齿形(zig-zag)或任何其他矩形或非矩形的方式交叉(criss-cross)。

在同一热电冷却区域内的相邻的移位和缝合热电冷却元件之间的距离是相等的。在实施例中，大多数同一热电冷却区域内的移位和缝合热电冷却元件具有相同的距离。然而，为了形成紧密堆积结构和类锯齿形(zig-zag)结构、类弯曲形状或类螺旋形状，一些相邻设置的移位和缝合热电冷却元件具有更大的距离。

在一些实施例中，在同一热电冷却区域200内的相邻的移位和缝合热电冷却元件500相互间具有相同的距离，如图2E中的实施例所示。如果，例如，热电冷却区域200为类弯曲形状、类螺旋形状或任何其他紧密堆积装置，提供热电冷却区域的紧密结构是特别合适的。

图2C和2D示出了热电冷却区域200的其他实施例。在这里，不同于在先的实施例，同一热电冷却区域200内的相邻的移位和缝合热电冷却元件500之间的距离是不同的。在提供单元结构内的热电冷却区域的紧密结构是特别有利的，例如类弯曲形状、类螺旋形状或任何其他热电冷却区域的紧密堆积结构。

集成冷却阵列的第二实施例。该集成冷却阵列包括共计7个本发明所述的集成单元结构100。其中，集成单元结构对应于图2D的实施例。

STEC装置的进一步的实施例的剖视图。其中，热电冷却装置包括多个移位和缝合热电冷却元件500。每个热电冷却区域200通过相应的栅极区连接到第一主区域。该进一步实施例的基本原则是，每个不同的热电冷却区域200相对于半导体基板110的方向具有不同的移位和缝合部分。这提供了热电冷却区域200的星形构造和结构。热电冷却区域200或多或少从第一主区域向外延伸。

然而，图2仅示出了热电冷却装置二维投影的剖视图，不言而喻，多个STEC区域200也可以在三维空间中延伸。

由于热电冷却装置不仅能使热量从热源分散至散热片，还有其他的作用，因此，该实施例是热电冷却装置的一种非常智能的应用。

在第一应用中，可以将该种热电冷却装置用作热传感器。由于每个不同的移位和缝合热电冷却区域(或其中的移位和缝合热电冷却元件)在施加给定温度时的反应不同，因此这是可以实现的。可以观察到，热电冷却装置触发不同热电冷却区域的相应的栅极区。然后，测量的电流是温度和相应的热电冷却区域200的移位和缝合部分的函数。这是一种非常智能的温度传感器。

同样地，还可以用该种热电冷却装置来对数字数据进行编码。根据本实施例，通过适当地触发不同的移位和缝合热电冷却区域200，例如，改变温度、触发电流、移位和缝合部分及其他来实现编码数据。结果是，数据可通过改变温度、移位和缝合部分、触发电流进行编码。图3为了温度-时间示意图，其示出了本发明所述的热电冷却装置的运行方式。根据已知的热电冷却装置，使用移位和缝合热电冷却元件(虚线所示)，温度首先冷却到角点A，通过已知的热电冷却装置，该角点构成了最低的实现的温度。在该角点之后，温度会稍微上升到中间角点B。

后来，温度T再次稍微下降。

根据本发明所述的热电冷却装置，曲线(加粗线)平稳下降，其没有角点，到达较低的临界值C。该临界值C大大低于所述角点A。

热电冷却区域的两部分的剖视图。其中两个热电冷却装置120、120'堆叠在半导体基板110内，在垂直方向上，一个在另一个上面。

在堆叠的相邻设置的热电冷却装置之间，设置有界层130。界层限定了两个相邻设置的热电冷却装置120、120'之间的距离D。在优选的实施例中，距离D至少是5nm，最优选地，在5nm和120nm之间。通常地但不是必须地，距离D随着半导体基板110内热电冷却装置120、120'的堆叠层的数量的增加而增大。

界层130由至少部分绝缘材料构成，优选完全由绝缘材料构成，目的是为了电分离相邻设置的热电冷却装置120、120'，并使得热电冷却装置120、120'紧密堆积。总的来说，这可以确保整个装置具有非常高的效率和良好的冷却容量。

在优选的实施例中，设置有至少一个连接装置140。连接装置140设置在至少两个热电冷却装置120之间，优选地在两个堆叠和/或相邻设置的热电冷却装置120、120'之间。连接装置140由高导热和电绝缘材料构成，目的是为了使两个热电冷却装置120之间热连接，并且进一步保证两个热电冷却装置120相互电绝缘。

下文中，我们想描述本发明所述的热电冷却装置120的一些典型的、但不是必须的性能：

热导率：必须高；

电导率：必须高；

电阻率：必须低；

晶体密度(Crystal density)：必须低，以增加在晶体中的声速，进而增加导热率；

赛贝克系数：必须高，以避免或减少因电子和空穴传输造成的混合传导；

导热系数：必须尽可能低，以减少接口效应及进一步的问题。然而，本发明的实施例和应用已在上面示出并描述，但是对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本文所描述的发明构思的情况下，可以进行更多的修改(在上述基础上)。因此，除了在所附权利要求的精神之外，本发明不受限制。

因此，前面的详细描述被认为是说明性的而不是限制性的，并且应当理解，以下权利要求包括这些权利要求中描述的所有等同物，其意在限定本发明的精神和范围，在前述描述中任何内容均不旨在排除所要求保护的本发明的范围或其任何等同物。

在本文中，诸如第一和第二，顶部和底部和类似的关系术语可以仅用于将一个实体或动作与另一个实体或动作区分开，而不必要求或暗示这些实体或动作之间的任何实际关系或顺序。此外，术语“包括/包含”、“具有/有”、“包含/包括”、“包含/含有”或其任何其变体，意在涵盖非排他性包括，使得该过程、方法、物品、装置，不仅包括那些元件/步骤，而是可以包括其他未列出的、或这些过程、方法、物品或装置所固有的元件/步骤。此外，除非另有说明，否则术语“a/an”定义为一个或多个。

附图标记：

100 单元结构

110 基板

110a 基板顶部表面

110b 基板底部表面

120、120' STEC装置

140 第一主区域

160 栅极区

180 第二主区域

200 热电冷却区域、STEC区域

200a STEC区域纵轴

210 二极管

220 计数器

240 时钟信号发生器

260 电源供给器

280 控制信号线

030 第一子域

032 第二子域

340 界层

036 桥接元件

380 第一接口

400 第二接口

410 粘结层

420 第二接触子域

440 第三接口

460 第四接口

470 温度敏感触发导电基板

480 指状结构

490 导电基板

500、500' 移位和缝合热电冷却元件

520 区域

540 传感器

560 转换元件

580 可编程装置

600 激光二极管(laser diode)

700 第一移位和缝合部分

710 第二移位和缝合部分

720 第三移位和缝合部分

730 第四移位和缝合部分

750 薄膜厚度

1000 基于单元的集成电路

1100 单元,单元包括单元结构

1120 其他单元

1200 控制装置

1030 界层

1400 连接装置

A 角点

B 角点

C 临界值

D 距离

T 温度

t 时间

S1-S4 触发控制信号