热电发生器和集成电路的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型的实施例涉及热电发生器，并且更精确的包括半导体材料的热电发生器。
[0002]本实用新型的可能应用显著地是依靠热能回收而为低能耗和中能耗电气装置供电，诸如:
[0003]—在固定环境(建筑物，地下)或移动环境(汽车车辆，飞行器)中的分布式通信传感器；
[0004]-旨在由人体热量供能的医疗应用的独立测量装置。
[0005]本实用新型也可以适用于例如在微电子电路内热能的回收/耗散的框架中。
【背景技术】
[0006]集成的热电发生器装置通常包括串联耦合的小型化垂直热电偶并且使用诸如碲化铋(Bi2Te3)之类的传统热电材料。
[0007]然而，这些发生器的垂直结构和通常的热电材料倾向于与传统的CMOS制造方法不兼容。
【实用新型内容】
[0008]根据一个实施例，一种热电发生器具有与集成制造和与CMOS制造工艺兼容的结构。
[0009]根据本公开的一个方面，提供一种热电发生器，包括半导体隔膜，所述半导体隔膜包含至少一个PN结，所述至少一个PN结悬置在被设计用于耦合至冷的热源的第一支座与被设计用于耦合至热的热源的第二支座之间。
[0010]可选地，所述半导体隔膜包含交替的N导电类型和P导电类型的若干条带，从而形成串联耦合的若干PN结，每个PN结延伸在所述隔膜的面向所述第一支座定位的第一面与所述隔膜的面向所述第二支座定位的第二面之间，所述隔膜由悬置机构悬置，所述悬置机构包括以交替方式分布在所述隔膜的两个面上的导热柱体，每个柱体将PN结连接至对应的支座。
[0011]可选地，位于一个所述面上的柱体包括称作接触柱体的至少两个导电柱体，所述至少两个导电柱体耦合至对应支座上的至少两个位置以便于产生电信号并且由导热电绝缘体与对应的支座隔离，以及位于一个所述面上的柱体包括称作连接柱体的柱体，该柱体是导电的并且由导热电绝缘体与对应的支座电隔离，并且位于另一个面上的柱体仅包括称作连接柱体的柱体，该柱体是导电的并且由导热电绝缘体与对应的支座电隔离。
[0012]可选地，所述悬置隔膜是声子结构，所述声子结构包括不同于隔膜半导体材料的化合物的包含物的晶格。
[0013]可选地，包含物晶格是对称的并且包括第一定向方向以及第二定向方向，所述第一定向方向包括第一包含物密度，所述第二定向方向包括低于所述第一包含物密度的第二包含物密度，PN结的条带平行于所述第二定向密度，并且在位于另一个面上的柱体的一个面上的迹线根据第一定向方向而与位于所述一个面上的相邻柱体中的任一个对准。
[0014]可选地，所述柱体以交替方式交替交错地分布在所述隔膜的两个面上，位于所述隔膜的两个面中的每一个上的柱体形成方形的群组，在位于另一个面上的柱体的一个面上的迹线在位于所述一个面上的柱体方形中心处。
[0015]可选地，所述包含物晶格是周期性的，所述包含物晶格具有至少一个重复间距，所述至少一个重复间距小于热声子的平均自由程并且大于热声子的波长。
[0016]可选地，所述包含物晶格包括一连串增大尺寸的各种重复间距。
[0017]可选地，所述包含物晶格包括一连串增大尺寸的包含物。
[0018]可选地，所述半导体材料包括硅，并且所述至少一个重复间距大于2nm并且小于200nmo
[0019]可选地，所述半导体材料包括硅，并且所述隔膜的厚度在10nm和2 μπι范围内。
[0020]可选地，所述隔膜平行于所述支座延伸。
[0021]可选地，所述隔膜与所述支座等距。
[0022]可选地，所述支座是刚性的。
[0023]可选地，所述支座的材料由金属或半导体材料制成。
[0024]可选地，所述支座是柔性的。
[0025]可选地，所述热电发生器以集成方式制造。
[0026]根据本公开的另一方面，提供一种集成电路，包括根据上述项所述的热电发生器。
[0027]根据一个实施例，提供了一种热电发生器，其有源元件具有基本上平面的结构，并且其架构允许热通量在有源元件的平面内再分布。
[0028]根据另一实施例，提供了一种热电发生器，其有源元件通过声子工程设计而被构造，并且其沿某些方向减小很多而沿其他方向较高的热导率使其具有优越于当前发生器的热电特性。
[0029]根据一个方面，提供了一种热电发生器，包括半导体隔膜，半导体隔膜包含至少一个ΡΝ结，该隔膜悬置在被设计用于耦合至冷的热源的第一支座与被设计用于耦合至热的热源的第二支座之间。
[0030]形成了热电发生器的有源元件的半导体隔膜本质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集成电路的制造工艺中。
[0031]隔膜可以平行于支座延伸，例如至少距后者一定距离。
[0032]随后可以将显著不同于现有技术的传统结构的热电发生器的该配置表征为“平面的”，借助于语言，如与现有技术的垂直结构相反。
[0033]支座可以是刚性的，例如由金属或半导体材料制成。
[0034]作为变形例，支座可以是柔性的，这允许发生器例如匹配弯曲表面。
[0035]根据一个实施例，半导体隔膜包含交替的N型和P型导电类型的若干条带，从而形成串联耦合的若干PN结，每个PN结延伸在隔膜的面对第一支座定位的第一表面、与隔膜的面对第二支座定位的第二表面之间，所述隔膜由悬置机构悬置，悬置机构包括以交替方式分布在隔膜两个表面上的导热柱体，每个柱体将PN结连接至对应的支座。
[0036]若干N和P条带的存在允许增大的热电发生器的功率，并且柱体的交替分布允许热通量在隔膜平面内被再分布。
[0037]根据又一实施例，位于一个面上的导热柱体包括
[0038]—称作接触柱体的至少两个柱体，接触柱体是导电的，耦合至对应支座上至少两个位置以便于产生电信号并且由导热电绝缘体与对应的支座隔离；
[0039]一称作连接柱体的柱体，连接柱体是导电的，并且由导热电绝缘体与对应的支座电隔离。
[0040]位于另一面上的柱体仅包括连接柱体，连接柱体是导电的并且由导热电绝缘体与对应的支座电隔离。
[0041]对于悬置隔膜特别有利的是具有声子结构(phononic structure)，换言之包括了具有与隔膜半导体材料的成分不同的包含物(inclus1n)的晶格。
[0042]如对本领域技术人员已知的那样，声子是在硅材料的晶格中原子的振动模式。
[0043]通过将空穴(伪声子晶体)引入例如硅制成的隔膜中而显著地形成声子结构，以便于导致热导率显著减小。为此原因，可以获得优越于当前热电材料的热电特性。
[0044]包含物的周期性晶格有利地具有至少一个重复间距，其小于热声子的平均自由行程并且大于热声子的波长。
[0045]实际上，由重复间距显著地确定了用于过滤声子的声子晶体的效率。
[0046]为了得益于在各个频率的热声子过滤的累积效应，构思使用增大尺寸的连续不同重复间距，换言之重复间距的梯度。
[0047]也提供了对增大尺寸的连续包含物的使用以便于增强在各个频率下对热声子的过滤的累积效应。
[0048]有利地，具有声子结构的半导体隔膜可以组合两个之前特征(重复间距和增大尺寸的包含物)以便于进一步提高在各个频率对热声子的过滤并且因此进一步改进热电发生器的性能。
[0049]当半导体材料是硅时，包含物重复间距有利地大于2nm并且小于200nm，并且隔膜的厚度有利地在10nm和2 μ m范围内。
[0050]包含物的晶格有利地是对称的。包含物的晶格的对称性提供了有利的效果，从而允许使得特性取决于传播方向。在包含物的对称晶格内沿定向方向的包含物的各个密度影响了对应的定向方向的热导率。包含物密度越高，则对应的热导率越低。
[0051]因此优选地在具有耦合至分别贴附至不同支座的两个相邻柱体的声子结构的半导体隔膜的两个区域之间具有更高的包含物密度(换言之较低的热导率)，以便于获得在这两个区域之间温度差的最小影响。以相同方式，可