晶片规模热电能量收集器的制造方法
【专利摘要】一种集成电路可以包括基板和形成于所述基板上的电介质层。多个p型热电元件和多个n型热电元件可被布置于所述电介质层内。p型热电元件和n型热电元件可以串联连接，同时在p型热电元件和n型热电元件之间交替。
【专利说明】晶片规模热电能量收集器
【技术领域】
[0001]本申请的主题涉及一种热电能量收集器，且更具体地涉及一种集成式单芯片热电能量收集器。
【背景技术】
[0002]热电装置将热(例如，热能)转化为电能。热电装置的热侧和冷侧之间的温差移动热电装置的半导体材料中的电荷载流子以产生电能。热电装置的材料被选择使得它为良好的电导体以产生电流，但为热的不良导体以保持热电装置的两侧之间所需的热差。当将热电装置的一侧置于热源(例如，发动机或电路)附近使得热电装置的一侧更热时，会产生温差。
[0003]通过热电装置能够产生的能量的量至少取决于热电装置中的温差、材料类型和热电装置的尺寸。例如，装置的热侧和冷侧之间的更大温差能产生更多的电流。此外，具有产生电流的更大表面积和/或更大材料的热电装置通常产生更多的电能。这些不同因素根据使用热电装置的应用进行调整。
[0004]现在越来越趋向于按比例减小热电装置的尺寸以用于新的应用(例如自维持传感器或移动装置)并生产可作为集成电路一部分的热电装置。然而，按比例减小热电装置的尺寸带来新的挑战，例如产生足够的能量和保持低的制造成本。此外，热电装置内的传统材料和/或材料的布置可能不能为某些应用提供所需的能量。其它挑战包括处理影响集成电路中毗邻部件的寄生热损失。
[0005]因此，发明人已经意识到本领域对包含高能量密度、低成本并解决寄生热损失的小规模热电装置的需要。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]为了能够理解本发明的特征，以下描述了多个附图。然而应当注意，附图只示出本公开的特定实施方案，且因而不应被视为限制其范围，因为本发明可涵盖其它等效实施方案。
[0007]图1 (a)和图1 (b)示出根据本发明的实施方案的热电能量收集器的示例性配置。
[0008]图2示出根据本发明的实施方案的热电能量收集器100的透视图。
[0009]图3示出根据本发明的另一个实施方案的热电能量收集器的示例性配置。
[0010]图4示出根据本发明的实施方案的具有封盖结构的热电能量收集器的示例性配置。
[0011]图5示出根据本发明的另一个实施方案的热电能量收集器的示例性配置。
【具体实施方式】
[0012]本发明的实施方案可以提供热电能量收集器，热电能量收集器可被提供于集成电路中。在一个实施方案中，集成电路可以包括基板和形成于基板上的电介质层。多个P型热电元件和多个η型热电元件可被布置于所述电介质层内。P型热电元件和η型热电元件可以按交替方式串联电连接。响应于热被施加到热电元件一侧，在热电元件的每个中可以产生电子的流动以提供电能。
[0013]在另一个实施方案中，可在基板上提供盖以封闭多个P型和η型热电元件，所述P型热电元件和η型热电元件被布置于基板上并串联连接，同时在P型热电元件和η型热电元件之间交替。热电元件之间可以保持真空或低压。盖和真空或低压可以减少集成电路周围区域的寄生热损失，并因而沿热电元件保持大的热梯度。
[0014]图1(a)示出根据本发明的实施方案的热电能量收集器100的示例性配置。热电能量收集器100可以包括基板层130上和电介质层120内的多个热电元件110Α、110Β。热电元件110Α、110Β可以包括不同类型的热电材料(例如P型和η型)的元件。热电元件110Α、IlOB可以互连，以使每个热电元件有助于响应于第一侧(例如，热侧)和第二侧(例如，冷侧)之间的温度梯度通过热电能量收集器100提供的总能量。热接触层140可提供于电介质层120上，以支持第一侧和第二侧之间的温度梯度。热接触层140可由良好的热导体材料制成。
[0015]如图1(a)所示，热电能量收集器100可以包括提供有电介质层120的垂直结构并可以形成为单晶片。热电能量收集器100的晶片规模结构允许其与基板130上或基板130附近的其它集成电路部件(图1(a)中未示出)一起集成。
[0016]如图所示，热电元件110Α、IIOB可以包括不同类型的热电材料(例如,P型和η型)。热电元件110Α、110Β的热电材料可以被选择以响应于热电元件两端之间的温差产生不同极性的电荷载流子从热电元件的一端向相对端的流动。在包含P型材料的热电元件IlOA中，正电荷载流子从热端向相对的冷端流动。相反，在包含η型材料的热电元件IlOB中，电子从具有热源的一端向较冷的相对端流动。
[0017]多个热电元件110Α、IIOB可被连接在阵列中，同时使毗邻的热电元件IIOA和IIOB中的材料类型(例如，在η型和P型之间)交替。通过这种方式，在热电元件IlOA和IlOB两端产生的电压和/或电流可以相加在一起，以产生比热电元件IlOA和IlOB独立实施更大的总电压和/或总电流。例如，具有P型材料的热电元件IlOA可以与具有η型材料的热电元件IIOB串联连接。热电元件110Α、IIOB可以被布置为使得对于给定热电元件的所有毗邻的热电元件包含与给定热电元件的材料不同的材料类型。热电元件IlOA和IlOB的阵列的输出可以并联连接以提供特定应用所需的能量。互连件150可以将热电元件IlOA和IlOB连接至毗邻的热电元件IlOA和110Β。
[0018]虽然每个热电元件110Α、IlOB可以提供少量的能量(例如毫伏)，但将热电元件110Α、110Β连接在阵列中可以提供特定应用所需的更高能量。当热量被施加到热电能量收集器100的一侧时，具有P型材料的热电元件IlOA中的电子将从热电元件IlOA的冷侧向热侧流动，且具有η型材料的热电元件IlOB中的电子将从热电元件IlOB的热侧向冷侧流动。因此，如果热电元件IlOA与热电元件IlOB被串联连接形成热电偶，那么电子将从P型材料的冷侧向P型材料的热侧流动，通过互连件150流入η型材料的热侧并流入η型材料的冷侧。热电元件110A、1 IOB的每个中产生的能量被合并，并提供于热电能量收集器100的输出端。
[0019]图1(b)示出图1(a)所示的热电能量收集器100的等效电路。在热电元件IlOA和IlOB两端产生的电压由Vp和Vn表示。独立的电压和/或电流可以相加在一起以提供并汇总输出电压Vout，且在图示的情形下，电压被相加以获得能够对典型的低功率电子电路供电的有用电压。
[0020]图1(a)不是按比例绘制，而是描述在一个实施方案中的收集器100的粗略尺寸。热电元件110A、1 IOB可以具有使得毗邻电介质层120的热电元件110A、1 IOB的表面最大化的形状。热电元件110AU10B可以为矩形，其中具有较长端的两边毗邻电介质层120且较短边毗邻互连件150。在另一个实施方案中，热电元件110AU10B的至少一侧可以是正方形。
[0021]热电元件110A、1 IOB的材料可以被选择以使得热电元件110A、1 IOB的热阻小于电介质层120的热阻，从而使得电介质层将不会引起太多的热分流。热电元件110AU10B的高热阻还被需要以确保热电元件110AU10B的热侧和冷侧之间保持良好的温差。热电元件110A、IIOB的热阻可以通过控制热电元件110A、IIOB的掺杂水平或通过弓I入散射元件以增强热电元件110A、1 IOB中的光子散射而不过多地影响其导电性来增加。热电元件110A、IlOB —端的掺杂水平的浓度或散射元件相比于热电元件110A、110B的相对端可以增加或降低。
[0022]例如，热电元件IlOA可以是P型BixSb2_xTe3且热电元件IlOB可以是n_型Bi2Te3-xSex0电介质层120可以是聚酰亚胺，因为它具有低的热导率且它有助于热电元件的处理。热接触层140可以是任何电绝缘但导热的层。在一个实施方案中，热接触层140可以由多层构成。例如，热接触层140可以包括薄的非传导层(诸如氧化物或氮化物)以及在其上的一个或多个较厚的金属层以增强热传导。热接触层140可以在到电互连层150的界面处提供绝缘以防止电互连层150电短路。基板130可以是具有足够厚度以促进底侧热传导的任何半导体基板。尽管图中所示将基板130配置为冷侧且将上部热接触层140配置为热侧，但装置也可以起作用，其中基板130作为热侧且上部热接触层140作为冷侧。
[0023]互连件150可以被包括在热电元件的热侧和冷侧上以连接毗邻的热电元件。热电元件可以包括热侧上被耦接至第一热电元件的第一互连件和冷侧上被耦接至第二热电元件的第二互连件。第一热电元件110A、IIOB和最末热电元件110A、IIOB处的互连件150可以是输出端，以连接到其它电路部件(例如，外部电路、负载或能量存储装置)。互连件150可以包括半导体材料或金属连接器(例如，金、铜或铝)。
[0024]在示例性实施方案中，电介质层120可以是高电介质击穿材料，诸如聚酰亚胺、二氧化硅、氮化硅等。电介质层120可以使热电元件110A、110B电绝缘。电介质层120可以抑制热量传导脱离热电元件110A、110B。电介质层120可以具有比基板130和/或热电元件110AU10B更低的热导率。电介质层120可以在四侧围绕热电元件110A、110B以热分流热电元件110A、110B，并允许在热电元件110A、1 IOB两端产生热梯度和允许大部分热量转移至热电能量收集器100的侧面。与基板130和/或热接触层140的热阻相比，热电元件110AU10B具有更高的热阻，以允许可用热梯度落在热电元件两端而非热接触层或基板130上。因此，热电元件110AU10B的热侧和冷侧之间保持最大温差。
[0025]热电元件110A、110B和互连件150之间可以包括阻挡金属160，以使热电元件110AU10B的半导体材料与金属互连件150隔离，同时保持热电元件110AU10B和互连件150之间的电连接。可以包括阻挡金属160以防止互连件150扩散到热电元件110A、1 IOB的半导体材料中。
[0026]当热量被施加到热电能量收集器100的一侧(例如，热侧)时，电子在具有P型材料的热电元件IlOA中沿一个方向流动，而在具有η型材料的热电元件IlOB中沿另一个方向流动。因为热电元件110Α、IlOB被串联连接，所以热电元件110Α、110Β的每个中产生的能量被组合以在热电能量收集器100的输出端提供组合能量。输入的热量通过热接触层140分布至热电元件110A、1 IOB的热侧，而基板130冷却热电元件110A、1 IOB的冷侧。
[0027]图2示出根据本公开的实施方案的热电能量收集器200的透视图。如图2所示，热电元件210Α、210Β被提供于基板层230上。电介质层220被提供于基板层230上以使热电元件210Α、210Β彼此电隔离。热电元件210Α、210Β可布置成阵列，以使得热电元件210Α、2IOB同时使毗邻的热电元件2IOA和2IOB中的材料类型(例如，在η型和ρ型之间)交替。互连件250可以串联连接热电元件210Α、210Β。热接触层240可以将施加的热量分散到热电元件 210Α、210Β。
[0028]图3示出根据本公开的另一个实施方案的热电能量收集器300的示例性配置。热电能量收集器300可以包括基板层330上和基板层330上电介质层320内的多个热电元件310Α、310Β。热电元件310Α、310Β可以布置成阵列，同时使毗邻的热电元件310Α和310Β内的材料类型(例如，在η型和ρ型之间)交替。多个热电元件310Α、3IOB可以通过互连件350串联连接。热接触层340可被提供于热电元件310Α、310Β上以分散施加到热电能量收集器300上的热量。
[0029]热电能量收集器300可以包括热接触层340和电介质层320之间的附加基板层370。基板层370可以具有高导热率以分散来自外部热源的热量。基板层370可以是氮化
招基板。
[0030]热电能量收集器300可以包括基板330中和/或基板330表面上的一个或多个电路部件380。电路部件380可以耦接热电能量收集器300的输出端。电路部件380可以接收热电能量收集器300产生的能量和/或控制热电能量收集器300。电路部件380可以是通过热电能量收集器300供电的传感器(例如，车辆传感器、医用植入物和/或无线传感器)的一部分。在一个实施方案中，电流可以通过电路部件380供应到热电元件310Α、310Β以使得热电能量收集器300用作冷却器。用作冷却器的热电能量收集器300可以冷却基板330内或提供于基板330附近或基板330表面上的电路部件380。施加到热电元件310Α、310Β的电流可以生成电荷载流子的流动，这在可用于冷却电路部件380的热电能量收集器300的两侧之间产生温差。
[0031]阻挡金属360可以被包括在热电元件310Α、310Β和互连件350之间，以将热电元件310Α、310Β的半导体材料与金属互连件350隔离，同时保持热电元件310Α、310Β和互连件350之间的电连接。
[0032]图4示出根据本公开的实施方案的具有封盖结构的热电能量收集器400的示例性配置。热电能量收集器400可以包括封盖基板470以封闭提供于基板430上的热电元件410Α、410Β。封盖基板470可以允许基板430和封盖基板470之间保持低压或真空。
[0033]封盖基板470可以将热电兀件410Α、410Β封闭在封盖基板470和基板410之间。封盖基板470可在压力或真空下附接到基板410以使得低压或真空被提供于热电元件410Α、410Β周围。[0034]封盖基板470和/或低压或真空可减少热电元件410A、410B周围区域的寄生热损失。减少寄生热损失允许按比例缩小热电能量收集器400并使其被包括作为集成电路的一部分。减少的少量寄生热损失允许其它电路与热电能量收集器400被包含在一起。
[0035]封盖基板470可以允许通过热电能量收集器400收集更多的能量。真空或低压允许热电元件410A、410B的热侧和冷侧之间的温度梯度最大化。
[0036]类似于图1至图3所示的实施方案，热电元件410A、410B可布置成阵列，其中使毗邻的热电元件410A、410B中的材料类型(例如，在η型和ρ型之间)交替。多个热电元件410Α、410Β可以通过互连件450串联连接。热接触层440可被提供于热电元件410Α、410Β上以分散热量至热电元件410Α、410Β。
[0037]阻挡金属460可以被包括在热电元件410Α、410Β和互连件450之间，以将热电元件410Α、410Β的材料与互连件450隔离，同时保持热电元件410Α、410Β和互连件450之间的电连接。
[0038]在一个实施方案中，在将封盖基板470粘接到基板430之前，P型热电元件和η型热电兀件两者均可被提供于封盖基板470和基板430中的一个上。在另一个实施方案中，在将封盖基板470粘接到基板430之如，ρ型热电兀件可被提供于封盖基板470和基板430中的一个上且η型热电元件可被提供于封盖基板470和基板430中的另一个上。将封盖基板470粘接到基板430将耦接ρ型热电元件和η型热电元件。
[0039]如图1至图4所示，热电元件被示为具有矩形垂直结构。然而，热电元件可以包括各种形状和方向。图5示出根据本发明的另一个实施方案的热电能量收集器500的示例性配置。热电能量收集器500可以包括基板层530上和基板层530上电介质层520内的多个热电元件510Α、510Β。热电元件510Α、510Β可布置成阵列，同时使毗邻的热电元件5IOA和510Β中的材料类型(例如，在η型和ρ型之间)交替。多个热电元件510Α、510Β可以通过互连件550串联连接。热接触层540可被提供于热电元件510Α、510Β上以分散施加到热电能量收集器500的热量。
[0040]如图5所示，热电元件510Α和510Β可以是倾斜的。另外，热电元件510Α和510Β可以包括热电元件510Α和510Β中连接至互连件550的一端或两端上的连接部分510C。电介质层520可允许热电元件5IOA和5IOB包括各种形状和方向。热电元件5IOA和5IOB的方向和/或形状可以根据热电能量收集器500的可用空间和/或系统性能要求而改变。改变热电元件510Α和510Β的方向可以减少可用空间(例如，垂直空间)，同时使毗邻电介质层520的热电元件510Α和510Β的表面面积最大化。
[0041]尽管以上已经参考特定实施方案描述了本发明，但本发明不限于以上实施方案和附图所示的特定配置。例如，示出的一些部件可以彼此结合作为一个实施方案，或一个部件可以分成几个子部件，或可以添加任何其它已知或可用的部件。本领域那些技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和实质特征的前提下，可以用其它方式实施本发明。因而，这些实施方案应在所有方面被认为是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而非由前面的描述来指示，且因而在权利要求的含义和等效范围内的所有变化被涵盖在权利要求中。
【权利要求】
1.一种集成电路，其包括: 基板； 电介质层，其被形成于所述基板上； 多个P型热电兀件，其被布置于所述电介质层内；和 多个η型热电元件，其被布置于所述电介质层内，其中所述P型热电元件和所述η型热电元件串联连接，同时在所述P型热电元件和所述η型热电元件之间交替。
2.根据权利要求1所述的集成电路，其还包括被布置于所述P型热电元件和所述η型热电元件上的热接触层。
3.根据权利要求1所述的集成电路，其中每个热电元件具有顶部和底部，其中一个热电元件的所述顶部被连接到第一毗邻热电元件的所述顶部，且所述一个热电元件的所述底部被连接到第二毗邻热电元件的所述底部。
4.根据权利要求3所述的集成电路，其中所述热电元件通过互连件连接，且在每个互连件和所述热电元件之间包含阻挡金属。
5.根据权利要求1所述的集成电路，其中每个P型热电元件仅毗邻η型热电元件。
6.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述电介质层是聚酰亚胺层。
7.根据权利要求6 所述的集成电路，其还包括所述聚酰亚胺层上的热接触层。
8.根据权利要求7所述的集成电路，其还包括所述聚酰亚胺层和所述热接触层之间的氮化铝层。
9.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述P型热电元件和所述η型热电元件具有比所述电介质层的热导率更高的热导率。
10.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述电介质层是电绝缘体，并比所述基板和所述热电元件具有更低的热导率。
11.一种集成电路，其包括: 基板； 多个P型和η型热电元件，其被布置于所述基板上并串联连接，同时在所述P型热电元件和所述η型热电元件之间交替；和 在所述基板上的盖，其用于封闭所述盖和所述基板之间的所述热电元件。
12.根据权利要求11所述的集成电路，其中在所述热电元件周围以及所述盖和所述基板之间提供低压。
13.根据权利要求11所述的集成电路，其还包括被布置于所述盖上的热接触层。
14.根据权利要求11所述的集成电路，其中每个热电元件具有顶部和底部，其中一个热电元件的所述顶部被连接到第一毗邻热电元件的所述顶部，且所述一个热电元件的所述底部被连接到第二毗邻热电元件的所述底部。
15.根据权利要求14所述的集成电路，其中所述热电元件通过互连件连接，且在每个互连件和所述热电元件之间包含阻挡金属。
16.根据权利要求11所述的集成电路，其中每个P型热电元件仅毗邻η型热电元件。
17.一种热电能量收集器，其包括: 基板； 热电偶阵列，其被布置于所述基板上并通过互连件串联连接，每个热电偶包括P型材料的第一元件和η型材料的第二元件，所述第一元件和所述第二元件通过所述互连件在一端率禹接；和 电介质，其被提供于所述第一元件和所述第二元件之间以电隔离所述第一元件和所述第一元件及所述第二元件。
18.根据权利要求17所述的热电能量收集器，其还包括被布置于所述电介质上的热接触层。
19.根据权利要求18所述的热电能量收集器，其还包括所述电介质和所述热接触层之间的氮化铝层。
20.根据权利要求17所述的热电能量收集器，其还包括每个互连件与所述第一元件和所述第二元件之间的阻挡金属。
【文档编号】H01L27/16GK103972259SQ201410007637
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月8日 优先权日:2013年1月8日
【发明者】陈宝兴 申请人:美国亚德诺半导体公司