热电发生器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明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]本发明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]本发明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。
【发明内容】
[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。
[0010]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。
[0011]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PN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。
[0012]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。
[0013]隔膜可以平行于支座延伸，例如至少距后者一定距离。
[0014]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。
[0015]支座可以是刚性的，例如由金属或半导体材料制成。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]根据又一实施例，位于一个面上的导热柱体包括
[0020]—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；
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]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。
[0031]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1nm和2 μ m范围内。
[0032]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。
[0033]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，可以在结的定向方向中留下较低包含物密度(换言之较高热导率)以便于获得沿着这些结的更均匀温度。
[0034]因此，根据一个实施例，对称的包含物晶格包括，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结的条带平行于第二定向密度，并且位于柱体的一个面上与位于另一个面上的迹线根据第一定向方向对准，相邻柱体的任一个位于所述一个面上。
[0035]根据另一实施例，柱体以交替方式交替错位地分布在隔膜的两个面上，位于隔膜的两个面中的每个面上的柱体形成了方形的群组，位于另一个面上的柱体的一个面上的迹线在位于所述另一个面上的柱体的方形的中心处。
[0036]有利地以集成方式制造发生器，并且根据另一方面，提供了一种集成电路，包括诸如此前所限定的热电发生器。
【附图说明】
[0037]借由非限定性示例所述以及附图所示，一旦研习了实施例及其实施方式的详细说明将使得本发明的其他优点和特征变得明显，其中:
[0038]一图1至图3涉及根据本发明的热电发生器的各个实施例；
[0039]一图4至图20示意性示出了根据本发明的热电发生器制造方法的一个示例的各个步骤。
【具体实施方式】
[0040]现在参照图1至图3以便于示出包括在集成电路Cl内的根据本发明的热电发生器的一个实施例。
[0041]图1示出了根据本发明的热电发生器I的一个实施例的鸟瞰图。图2是沿着图1中线I1-1I的剖视图。图3示出了具有图1中声子结构的悬置隔膜的包含物晶格的放大图。
[0042]参照图1和图2，可见热电发生器I在此包括具有平面几何形状的薄半导体隔膜
2。隔膜2为悬置的:隔膜由在第一支座5和第二支座6之间的柱体7 — 23保持。两个支座5和6设计用于分别与冷的热源和热的热源耦合。
[0043]热的热源可以例如是集成电路的热的部分，并且冷的热源可以是集成电路的较冷部分。
[0044]作为变形例，热的热源可以例如是承载了热流体的管道，而冷的热源为环境空气。
[0045]如果发生器放置在例如手表中，热的热源可以是人类表皮而冷的热源为环境空气。
[0046]在此，隔膜2位于距离支座5和6相等距离处。结构的该对称性显著地允许促进隔膜的形成。
[0047]隔膜包括交替的N和P掺杂的条带3、4，从而形成了串联连接的若干PN结3、4。每个PN结延伸在隔膜的面向第一支座5的第一表面Fl、与隔膜的面向第二支座6的第二表面F2之间。
[0048]两个支座的材料可以是金属或硅。例如，支座6可以是在传统的CMOS制造工艺中形成的娃衬底的一部分。
[0049]金属薄膜(例如不锈钢或铝)也可以用于支座5和6。
[0050]支座可以是刚性的，或者可以与硅薄膜2相同方式展现某些柔性。
[0051]柱体7至23是导热和导电的。每个柱体连接了一侧上的PN结并且由导热电绝缘体(例如24对于柱体8)与对应的支座隔离。
[0052]位于第一面Fl上的柱体包括称作接触柱体25和26的两个导电柱体，接触柱体25和26耦合至支座5上的两个位置E1、E2以便于产生电信号。它们由导热电绝缘体(例如27对于接触柱体26)与支座5隔离。
[0053]当支座5和6分别耦合至冷的热源和热的热源时，热电隔膜2经受了热梯度，其在两个位置El和E2之间产生了电势差。
[0054]其他柱体实际上是称作连接柱体的柱体。面F2与支座5之间的空间仅包括连接柱体 11、12、13。
[0055]称作连接柱体8、9、19、11、12、13的这些柱体有助于在隔膜靠近PN结的平面内再分布热通量。
[0056]如图1和图2所示，柱体7至23以交替方式交替错开地分布在隔膜2的两个面Fl和F2上(例如柱体7、8、17、18在面Fl上，而柱体14在F2上)。
[0057]可见，位于隔膜的两个面中的每一个上的柱体形成了方形的群组，例如柱体7、8、17 和 18。
[0058]位于面F2上柱体的面Fl上的迹线在位于面Fl上柱体7、8、17和18的方形的中心处。
[0059]现在特别地参照图3以便于显示硅薄膜的包含物晶格的特征元件的示例。
[0060]为了保存晶格的电特性而与此同时减少声子的传播，优选地工作在弹道状态下，换言之引入尺寸小于声子的平均自由程(对于硅在300K下约200nm)的包含物结构。
[0061]图3示出了具有声子结构的硅薄隔膜，包括与薄隔膜材料相比展示了机械性能的图案(包含物)的周期集合。因此，包含物可以包括不同于隔膜的半导体材料，例如Ge或SiGe，或者简单地采用空气填充。
[0062]此外，对于声子结构有利的是单独地或者优选地与以下至少一些组合展现以下特性，:
[0063]一重复间距P小于热声子的平均自由程(在硅中在300K约200nm)并且大于热声子的波长(在硅中在300K约2nm)；
[0064]一晶格的对称性(六边形、方形等);
[0065]—包含物的周期尺寸t (声子晶格)小于热声子的平均自由程并且大于热声子的波长；
[0066]一对称的包含物形状(方形、圆柱形、三角形)。
[0067]此外，隔膜的厚度e也具有影响。因此，该厚度对于硅通常位于1nm和2 μ m之间以便于具有比现有技术显著更好的热电特性。
[0068]此外，由图3中所示半导体隔膜内声子结构的对称性所提供的另一有利效果是诱导了取决于传播方向的特性。
[0069]换言之，相同频率的声子模式获取了根据传播方向的不同速度。
[0070]在具有声子结构的所述隔膜的情形中，这对应于这样的事实:沿定向方向