CN102099917A - 集成塞贝克器件 - Google Patents

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吉内什·巴拉克里什纳·皮拉伊·库查普拉克尔
约翰·亨德里克·克洛特威克
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    • H01L33/645—Heat extraction or cooling elements the elements being electrically controlled, e.g. Peltier elements

Abstract

一种集成器件包括集成在衬底(2)中的塞贝克器件(4)。发热器件(6)加热塞贝克器件(4)，从而塞贝克器件(4)生成电功率。塞贝克器件对另一器件供电，该另一器件可以是同样集成在衬底中的微电池(8)或用于冷却另一发热器件的珀耳帖效应器件。

Description

集成塞贝克器件
技术领域
本发明涉及一种集成塞贝克(Seebeck)效应器件及其制造和使用。
背景技术
塞贝克(Seebeck)和珀耳帖(Peltier)效应是相关的相应。当一对半导体p-n结相连时，如果其中一个结的温度高于另一结的温度，则电流沿着热温差驱动的环路流动。利用这种效应的器件称作塞贝克效应器件，且将热温差转换为电。
塞贝克效应逆向工作时，称作珀耳帖效应。在珀耳帖效应器件中，电流被驱动通过一对p-n结，且该效应使其中一个结升温而另一结降温。因此，珀耳帖效应器件用作热泵。
效应的大小取决于半导体材料以及诸如结面积之类的其他因素。
已经提出使用珀耳帖效应来冷却集成电路。
US 6,639,242提出了使用热电冷却器用于Si器件。SiGe用作半导体，因为其具有相当好的特性且易于与Si器件集成。
此外，已知从这种器件生成电功率。例如，US 5,419,780描述了使用热电器件作为功率发生器来驱动风扇。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了根据权利要求1所述的集成器件。
发明人已经认识到集成有源器件生成热量，这种热量可以用来通过使用塞贝克效应器件而产生电功率。这又可以用于其他器件，例如用来对电池充电以供将来使用，或者备选地用来操作珀耳帖效应器件以冷却另一器件。
可以想到，可以使用有源器件之下的塞贝克热电器件所生成的功率，以使用珀耳帖热电器件来冷却同一有源器件。在此，热力学第二定律造成了困难。珀耳帖器件实现的冷却使器件冷却，并因此充分降低了塞贝克器件所生成的功率，使得该过程是低效的。
发明人已经认识到，集成器件在其对于热量的灵敏度以及变热和生成热量的倾向性方面大有不同。例如，电阻器在使用中将产生大量热量，但是在升高温度下仍然顺利工作。相反，一些半导体器件可能具有受温度严重影响的特性。因此，可以使用塞贝克效应器件来从在升高温度下工作的器件获取热量，并使用得到的电流来操作珀耳帖效应器件以冷却另一器件，该另一器件在降低的温度下工作。
备选地，来自塞贝克器件的功率可以用来对可再充电电池(例如，微电池)充电，且该电池中储存的能量可以用于各种目的。
具体地，有源器件可以是固态照明器件，电池中储存的电荷例如可以用于额外或紧急照明或者用于对照明器件的控制器进行供电。
在另一方面，本发明涉及根据权利要求11所述的制造集成器件的方法。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将参照附图仅仅以示例方式来描述实施例，附图中：
图1示出了根据本发明的集成器件的第一实施例；
图2示出了根据本发明的集成器件的第二实施例；以及
图3至7示出了制造第一或第二实施例的塞贝克器件时的步骤。
附图是示意性的而非按比例的。不同附图中相同或类似部件具有相同附图标记，且不必重复描述。
具体实施方式
参考图1，器件的第一实施例包括硅衬底2，在该衬底2中集成有塞贝克效应器件4。该器件的可能结构在下面描述。第一发热器件6安装在塞贝克效应器件4上。
微电池(micro-battery)8集成到衬底2中，与塞贝克效应器件隔开。微电池可以是微米或者甚至纳米的尺度。电连接10将塞贝克效应器件连接到微电池8。这些电连接在图中被示意性表示为离开衬底，但是在典型的实际器件中连接10是衬底2上的金属化层。
在使用中，发热器件6由于其正常工作而产生热量，这使得发热器件6的温度升高到高于衬底的温度。这建立了热梯度，塞贝克效应器件4将该热梯度转换为电能，该电能用来对微电池8充电。然后，所储存的电荷可以用于其他目的。
图2示出了另一实施例。同样，硅衬底2中集成有塞贝克效应器件4，并且在塞贝克效应器件上安装有第一发热器件6。
然而，在这种情况下，在衬底中设置珀耳帖效应器件12，且在珀耳帖效应器件上安装第二发热器件14。
在使用中，发热器件由于其正常工作而产生热量，这生成了电能。然而，在这种情况下，电能用来驱动珀耳帖效应器件12，该珀耳帖效应器件12使第二器件14冷却。
一些器件产生的热量多于其他器件，一些器件对热的灵敏度高于其他器件。通过使用一个器件中产生的热量来冷却另一器件，可以使对热相对敏感的第二器件冷却并具有改善的功能性。
特别地，本发明用于固态照明。发明人已经认识到固态照明器件产生大量的多余热量，并且使用集成塞贝克效应器件能够有效地捕捉并重复利用这些多余热量中的至少一部分。
本发明不需要使用任何特定形式的塞贝克器件或珀耳帖器件。
塞贝克器件生成的电压由下式给出：
            V＝(SA-SB)ΔT，
其中，SA和SB是材料的塞贝克系数，ΔT是温度差。
使用电功率公式P＝IV＝V2/R，得到塞贝克器件产生的功率，由下式给出：
            P＝S2σ(ΔT2)A/I，
其中，S是塞贝克系数，σ是电导率，A是面积，ΔT是温度差，I是通过负载的电流。该公式中的塞贝克系数是两种材料的塞贝克系数之差。因此，具有较大表面面积的器件是有利的。
参考图3至7，现在将更详细地描述根据图1的塞贝克效应器件的制造方法。图3至7仅仅示出了塞贝克器件4的区域；为了清楚起见，省略了衬底2的其他部分以及其他器件8、12。
首先，在重掺杂硅晶片2中刻蚀深沟槽30，沟槽延伸到要制作的有源器件所处的凹陷32之下。掺杂是第一导电类型的，在该实施例中是p型。
接着，对沟槽进行氧化，以在沟槽表面上形成氧化物薄层34。
然后，在沟槽中沉积与第一导电类型相反的第二导电类型的重掺杂多晶硅36。在该实施例中，多晶硅是n型的。
然后去除位于顶部表面上的任何多晶硅和氧化物。在该实施例中，这通过使用化学机械抛光(CMP)来完成，但是在备选实施例中可以使用刻蚀工艺。
然后沉积至少一个顶部电极38，并将其构图为将p型的衬底区域和n型的多晶硅区域连接在一起。
接着，使用背侧CMP步骤，来露出沟槽30的另一端。在衬底的背面上沉积并构图至少一个底部电极40。
然后，在凹陷32中，在塞贝克阵列上方形成发热器件6。该发热器件可以是分离衬底上的分离器件且简单地安装于凹陷32中，或者凹陷可以填充半导体且使用常规处理步骤在该半导体中形成发热器件。
图7还示出了从顶部电极延伸的连接10。
注意，图7中器件的大面积得到相应的大功率。
在使用珀耳帖效应器件12的实施例中，相同或类似的结构可以方便地用于该器件，从而能够以相同处理步骤来形成该器件。
在这种实施例中，单个衬底12具有形成就绪的结构2，该结构2具有塞贝克效应器件4和珀耳帖效应器件12，塞贝克器件4上安装的一个器件6所产生的热量用来冷却珀耳帖效应器件上安装的另一器件14。
替代沟槽，可以使用孔(hole)、孔隙(pore)或网孔(mesh，网格状槽)结构。
该集成器件优选地包括5-300μm深的沟槽，优选地为10-200μm深，更优选地为20-100μm深，最优选地为25-50μm深，例如30μm；和/或其中3D网孔结构包括内径为1-100μm的空隙，优选地为2-50μm，更优选地为3-25μm，最优选地为4-10μm，例如5μm；或其组合。
尽管该实施例在第一主表面42中的凹陷中安装发热器件6，但是这是可选的，发热器件可以简单地安装在衬底的第一主表面42上。
为了进一步改进功率，在备选实施例中，可以将塞贝克效应大于Si的材料代替Si用于n型半导体、p型半导体、或这两者，例如BiTe。
对于厚度为9.8μm的BiTe，电导率为4.10-5Ωm，对于1mm2的面积、100℃的温度差以及10-6A的电流，给出33.86W。
在优选实施例中，基于其不同的功函数，使用p型和n型碲化铋的组合。
注意，该集成器件可以是任何器件，尽管本发明在产生大量多余热量的集成照明器件情况下特别有利。从多余热量所生成的功率可以用来对电池充电以对控制电路供电、用来使用珀耳帖器件来冷却控制电路、或者甚至用来提供紧急照明。
电池8在以上被描述为微电池，但是电池的尺寸不限于任何具体尺寸。

Claims (15)

1.一种集成器件，包括：
-集成在衬底(2)中的塞贝克器件(4)，该衬底具有相对的第一主表面和第二主表面(42，44)；
-在第一主表面(42)处位于塞贝克器件上的第一器件(6)，该第一器件是在使用中产生热量的器件；
-另一器件(8，12)，该另一器件连接至塞贝克器件且由塞贝克器件供电，该另一器件是集成在衬底(2)中的可再充电电池或珀耳帖效应器件。
2.根据权利要求1所述的集成器件，其中，衬底(2)是半导体衬底，塞贝克器件(4)包括在衬底中处于第一器件下、向第二主表面(44)延伸的多个孔、沟槽或网孔(30)。
3.根据权利要求2所述的集成器件，其中，衬底被掺杂为第一导电类型，塞贝克器件进一步包括：
-所述多个孔、沟槽或网孔中的绝缘层(34)；
-所述孔、沟槽或网孔中与第一导电类型相反的导电类型的半导体(36)，该半导体通过所述绝缘层与衬底绝缘；
-与第一器件相邻的所述孔、沟槽或网孔的顶部处的至少一个顶部电极(38)；以及
-在所述孔、沟槽或网孔与顶部电极相反的一端处的至少一个底部电极(40)，用于根据顶部电极和底部电极之间的电势生成电功率。
4.根据权利要求3所述的集成器件，其中，孔、沟槽或网孔(30)从第一器件(4)穿过衬底延伸至与第一主表面相对的第二主表面，且底部电极(40)位于衬底的第二主表面(44)上。
5.根据任一前述权利要求所述的集成器件，包括衬底第一主表面中的凹陷(32)，产生热量的器件(6)安装在该凹陷(32)中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的集成器件，其中，所述另一器件是珀耳帖器件(12)，且所述集成器件进一步包括位于珀耳帖器件上的第二器件(14)以便通过珀耳帖器件来冷却。
7.根据权利要求6所述的集成器件，其中，珀耳帖器件(12)的结构与塞贝克器件(14)的结构相同。
8.根据任一前述权利要求所述的集成器件，其中，所述另一器件是可再充电电池(8)，该可再充电电池(8)连接至塞贝克器件从而可以通过塞贝克器件来再充电。
9.根据权利要求8所述的集成器件，其中，可再充电电池(8)包括多个延伸进入半导体衬底中的孔。
10.根据任一前述权利要求所述的集成器件，其中，第一器件(6)是固态照明器件。
11.一种制造集成器件的方法，包括：
-形成集成在衬底(2)中的塞贝克器件(4)，该衬底具有相对的第一主表面和第二主表面(42，44)；
-形成集成在衬底(2)中的另一器件(8，12)，该另一器件连接至塞贝克器件且由塞贝克器件供电；和
-在衬底(2)的第一主表面(42)处使第一器件(6)位于塞贝克器件(4)上，该第一器件是在使用中产生热量的器件。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述另一器件是珀耳帖效应器件(12)，该珀耳帖效应器件(12)以用来形成塞贝克效应器件(6)的相同方法步骤来形成。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述另一器件是电池(8)。
14.根据权利要求11、12或13所述的方法，其中，形成塞贝克器件包括：
-提供被重掺杂为第一导电类型的半导体衬底(2)；
-形成向第二主表面延伸的多个孔、沟槽或网孔，所述多个孔、沟槽或网孔具有朝向第一主表面的第一端以及朝向第二主表面的第二端；
-在所述多个孔、沟槽或网孔的侧壁上形成绝缘层(34)；
-在所述孔、沟槽或网孔中沉积与第一导电类型相反导电类型的半导体(36)，该半导体通过所述绝缘层(34)与衬底(2)绝缘；
-从所述孔、沟槽或网孔的第一端去除相反导电类型的半导体(36)以及绝缘层(34)；
-在所述孔、沟槽或网孔的第一端形成至少一个顶部电极(38)；
-从第二主表面部分去除衬底，以露出所述孔、沟槽或网孔的第二端；和
-在所述孔、沟槽或网孔与顶部电极相反的一端形成底部电极(40)，用于根据顶部电极和底部电极之间的电势生成电功率。
15.一种收集热电功率的方法，通过将电子移至根据权利要求1-10中任一项所述的集成器件中的电池，以及将热能移至根据权利要求1-10中任一项所述的集成器件中的珀耳帖阵列，来收集热电功率。
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