CN102511087A - 电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子装置，在该电子装置中热电转换元件、光电转换元件和晶体管和/或二极管被整体集成，或者该电子装置防止p-型热电转换单元和n-型热电转换单元之间的干扰。这种电子装置包括热电转换元件(100)，该热电转换元件(100)包括用于执行热电转换的半导体层(38)；电转换元件(102)在所述光电转换元件(102)中所述半导体层(38)的一部分执行光电转换；以及晶体管(104)和/或二极管，所述晶体管(104)和/或二极管具有所述半导体层(38)的至少一部分作为操作层。

Description

电子装置
技术领域
本发明涉及一种电子装置和一种热转换装置，并且更特别地，涉及一种具有热电转换元件的电子装置和热转换装置。
背景技术
热电转换元件用于利用塞贝克效应(Seebeck effect)将热能转换成电能。公开号为2000-244023的日本未审查的专利申请公开了一种利用半导体的塞贝克效应的热电转换装置。
发明内容
技术问题
电子装置存在一个需求，其中，光电转换元件和晶体管或二极管中的至少一者与热电转换元件集成。然而，因为光电转换元件和晶体管或二极管中的至少一者与热电转换元件的整体集成比较难，到目前为止，光电转换元件和晶体管或二极管中的至少一者与热电转换元件的混合集成已被实行。
在热电转换装置包括p-型热电转换单元和n-型热电转换单元的情况下，所述p-型热电转换单元可能会干扰所述n-型热电转换单元，其中所述p-型热电转换单元包括负责热电转换的p-型半导体层，所述n-型热电转换单元包括负责热电转换的n-型半导体层。
因此，本发明已考虑上述问题，并且本发明的一个目的是提供一种电子装置，该电子装置能够实现光电转换元件和晶体管或二极管中的至少一者与热电转换元件的整体集成，或者防止p-型热电转换单元和n-型热电转换单元之间的干扰。
技术方案
本发明提供一种电子装置，该电子装置包括热电转换元件，该热电转换元件包括用于执行热电转换的半导体层；以及光电转换元件和晶体管或二极管中的至少一者，在所述光电转换元件中所述半导体层的至少一部分执行光电转换，所述晶体管或二极管具有所述半导体层的至少一部分作为操作层。根据本发明，光电转换元件和晶体管或二极管中的至少一者与热电转换元件可以被整体地集成。
本发明提供一种电子装置，该电子装置包括热电转换元件，该热电转换元件包括利用塞贝克效应执行热电转换的半导体层；以及光电转换元件和晶体管或二极管中的至少一者，在所述光电转换元件中所述半导体层的至少一部分执行光电转换，所述晶体管或二极管具有所述半导体层的至少一部分作为操作层，其中，所述半导体层具有与紫外(UV)光对应的带隙能量，所述热电转换元件具有用于吸收红外(IR)射线并将该红外射线转换成热量的红外吸收部分，以及所述光电转换元件的所述半导体层的至少一部分执行紫外线的光电转换。根据此种构造，用于检测紫外光的光电转换元件和用于检测红外射线的热电转换元件可以被整体地集成。
本发明提供一种电子装置，该电子装置包括热电转换元件，该热电转换元件包括利用塞贝克效应执行热电转换的半导体层；以及光电转换元件和晶体管或二极管中的至少一者，在所述光电转换元件中所述半导体层的至少一部分执行光电转换，所述晶体管或二极管具有所述半导体层的至少一部分作为操作层，其中，所述半导体层具有与红外射线对应的带隙能量，所述热电转换元件具有用于吸收红外射线并将该红外射线转换成热量的红外吸收部分，以及所述光电转换元件的所述半导体层的至少一部分执行红外射线的光电转换。根据此种构造，用于检测宽量程红外射线的热电转换元件和用于检测与半导体层的带隙能量对应的红外射线的光电转换元件可以被整体地集成。
在上述构造中，所述半导体层可以包括被堆叠的p-型半导体层和n-型半导体层，以及所述热电转换元件可以包括p-型热电转换单元和n-型热电转换单元，其中，在所述p-型热电转换单元中所述p-型半导体层执行热电转换，在所述n-型热电转换单元中所述n-型半导体层执行热电转换。根据此种构造，可以在高灵敏度下执行热电转换。
本发明提供一种电子装置，该电子装置包括热电转换元件，该热电转换元件包括利用塞贝克效应执行热电转换的半导体层；以及光电转换元件和晶体管或二极管中的至少一者，在所述光电转换元件中所述半导体层的至少一部分执行光电转换，所述晶体管或二极管具有所述半导体层的至少一部分作为操作层，其中，所述半导体层包括堆叠的p-型半导体层和n-型半导体层，所述热电转换元件包括p-型热电转换单元和n-型热电转换单元，其中，在所述p-型热电转换单元中所述p-型半导体层执行热电转换，在所述n-型热电转换单元中所述n-型半导体层执行热电转换，以及所述光电转换元件是使用所述p-型半导体层和所述n-型半导体层的光电二极管。根据此种构造，热电转换元件和光电转换元件的整体集成变得更加可行。
在上述构造中，在所述p-型热电转换单元和所述n-型热电转换单元之间可以提供隔离部分以对所述p-型半导体层和所述n-型半导体层进行电隔离。根据此构造，可以防止所述p-型半导体层和所述n-型半导体层之间的干扰。
在上述构造中，在位于所述p-型半导体层和所述n-型半导体层中的上面位置处的半导体层上形成的欧姆电极可以是非合金欧姆电极，以及在位于所述p-型半导体层和所述n-型半导体层中的下面位置处的半导体层上形成的欧姆电极可以是合金欧姆电极。根据此种构造，可以防止在位于上面位置的半导体层上形成的欧姆电极与在位于下面位置的半导体层上形成的欧姆电极的电连接。
在上述构造中，所述半导体层可以具有调制掺杂结构。根据此种构造，可以获得热电转换元件期望的灵敏度和检测能力(detectability)。
在上述构造中，可以以多个的形式(in plural numbers)提供所述热电转换元件和所述光电转换元件，以使多个所述热电转换元件和多个所述光电转换元件以矩阵形状排列，以及可以提供选择部件以在多个所述热电转换元件和多个所述光电转换元件之中选择至少一者，而且所述选择部件可以包括所述晶体管。
本发明提供一种热电转换装置，该热电转换装置包括半导体层，该半导体层具有堆叠的p-型半导体层和n-型半导体层；第一热电转换元件，该第一热电转换元件包括第一n-型热电转换单元和第一p-型热电转换单元，其中，在所述第一n-型热电转换单元中所述n-型半导体层执行热电转换，在所述第一p-型热电转换单元中所述p-型半导体层执行热电转换；第二热电转换元件，该第二热电转换元件包括第二n-型热电转换单元和第二p-型热电转换单元，其中，在所述第二n-型热电转换单元中所述n-型半导体层执行热电转换，在所述第二p-型热电转换单元中所述p-型半导体层执行热电转换；第一横梁，该第一横梁包括所述第一n-型热电转换单元和所述第二p-型热电转换单元；第二横梁，该第二横梁包括所述第一p-型热电转换单元和所述第二n-型热电转换单元；以及中心区域，所述第一横梁和所述第二横梁连接到该中心区域，并且该中心区域包括位于所述第一热电转换元件和所述第二热电转换元件之间的第一隔离部分，该第一隔离部分用于对所述p-型半导体层和所述n-型半导体层中的至少一者进行电隔离，其中，所述第一热电转换元件和所述第二热电转换元件被串联以使所述第一n-型热电转换单元和所述第二p-型热电转换单元连接。根据本发明，可以防止所述第一热电转换元件和所述第二热电转换元件之间的电干扰。
在上述构造中，所述第一横梁可以包括第二隔离部分，该第二隔离部分用于对所述第一n-型热电转换单元和所述第二p-型热电转换单元进行电隔离；以及所述第二横梁可以包括第三隔离部分，该第三隔离部分用于对所述第一p-型热电转换单元和所述第二n-型热电转换单元进行电隔离。根据此构造，可以进一步防止所述第一热电转换元件和所述第二热电转换元件之间的电干扰。
有益效果
根据本发明，光电转换元件和晶体管或二极管中的至少一者与热电转换元件能够被整体地集成。
附图说明
图1是示出了根据第一实施方式的电子装置的剖视图；
图2(a)至2(d)是示出了制造热电转换元件100的过程的剖视图；
图3示出了关于各种半导体的晶格常数的带隙能量；
图4是示出了第一实施方式的修改方式的剖视图；
图5是示出了根据第二实施方式的热电转换装置的剖视图；
图6是示出了热电转换装置的顶部平面视图；
图7(a)和7(b)是示出了第二实施方式的修改方式的顶部平面视图；
图8(a)至8(c)是示出了第二实施方式的其他修改方式的顶部平面视图；
图9(a)示出了关于长度(L)和宽度(W)的变化的使用氮化铝镓/氮化镓(AlGaN/GaN)的热电转换装置的灵敏度R，以及图9(b)示出了关于L和W的变化的检测能力D和响应时间τ；
图10(a)示出了关于L和W的变化的使用氧化镁锌/氧化锌(MgZnO/ZnO)的热电转换装置的灵敏度R，以及图10(b)示出了关于L和W的变化的检测能力D和响应时间τ；
图11(a)示出了关于L和W的变化的使用砷化铝镓/砷化铟镓(AlGaAs/InGaAs)的热电转换装置的灵敏度R，以及图11(b)示出了关于L和W的变化的检测能力D和响应时间τ；以及
图12是示出了第四实施方式的框图。
附图标记的说明
10：衬底
12：空腔
20：n-型半导体层
30：p-型半导体层
42：隔离部分
48：吸收部分
60：列选择部件
62：行选择部件
64：选择性晶体管
70a：第一横梁
70b：第二横梁
72：中心区域
90：n-型热电转换单元
92：p-型热电转换单元
100：热电转换元件
102：光电转换元件
104：晶体管
具体实施方式
下面将参考附图对本发明的实施方式进行描述。
(第一实施方式)
图1是示出了根据第一实施方式的电子装置的剖视图。热电转换元件100、光电转换元件102和晶体管104在衬底10上形成。依次放置在由硅(Si)制成的衬底10上的是蚀刻终止层14、n-型半导体层20、电隔离层28和p-型半导体层30。半导体层38包括n-型半导体层20、电隔离层28和p-型半导体层30。热电转换元件100包括p-型热电转换单元92和n-型热电转换单元90。通过被形成至蚀刻终止层14的上表面的隔离部分42来隔离热电转换元件100、光电转换元件102和晶体管104之间的半导体层38。通过被形成至蚀刻终止层14的上表面的隔离部分42来隔离p-型热电转换单元92和n-型热电转换单元90。
在p-型热电转换单元92中，p-型欧姆电极46在p-型半导体层30上的两侧形成。钝化层40在p-型欧姆电极46之间的p-型半导体层30上形成。在n-型热电转换单元90中，p-型半导体层30和电隔离层28被移除，并且n-型欧姆电极44在n-型半导体层20上的两侧形成。钝化层40在n-型欧姆电极44之间的n-型半导体层20上形成。在p-型热电转换单元92和n-型热电转换单元90相接触的位置上，在一个p-型欧姆电极46和一个n-型欧姆电极44上提供吸收部分48。在另一个p-型欧姆电极46和另一个n-型欧姆电极44上分别形成冷垫(cold pad)50。更进一步地，在衬底10上、在p-型热电转换单元92和n-型热电转换单元90下形成空腔12。
在光电转换元件102中，p-型欧姆电极52在p-型半导体层30上形成。钝化层40在其上没有形成p-型欧姆电极52的p-型半导体层30上形成。钝化层40可由允许光电转换元件102执行光电转换的波长的光穿过该钝化层40的材料形成。
在晶体管104中，p-型半导体层30和电隔离层28被移除，并且在n-型半导体层20上提供n-型欧姆电极54(例如，源极和漏极)和栅极56。更进一步地，钝化层40在n-型欧姆电极54和栅极56之间的n-型半导体层20上形成。
可以使用例如金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposition)来形成从蚀刻终止层14至p-型半导体层30范围内的层。蚀刻终止层14可以包括例如200nm厚的未掺杂的AlxGa1-xN层(例如，x＝0.6)。n-型半导体层20包括未掺杂的高纯度层22、具有比高纯度层22大的带隙的n-型掺杂电子供应层24、以及欧姆接触层26。高纯度层22可以包括例如10nm厚的未掺杂的氮化镓(GaN)层。电子供应层24可以包括例如用1×1018cm-3的硅掺杂的100nm厚的AlxGa1-xN层(例如，x＝0.25)。欧姆接触层26可以包括例如用4×1018cm-3的硅掺杂的30nm厚的氮化镓(GaN)层。高纯度层22和电子供应层24形成调制掺杂结构，并且在高纯度层22中形成具有高流动性的二维电子气体。
电隔离层28可以包括例如100nm厚的未掺杂的氮化镓(GaN)层。p-型半导体层30包括未掺杂的高纯度层32和具有比高纯度层32大的带隙的p-型掺杂孔供应层34。高纯度层32可以包括例如10nm厚的未掺杂的氮化镓(GaN)层。孔供应层34可以包括例如用1×1019cm-3的镁(Mg)掺杂的100nm厚的AlxGa1-xN层(例如，x＝0.25)。高纯度层32和孔供应层34形成调制掺杂结构，并且在高纯度层32中形成具有高流动性的二维电子气体。
可以使用例如下面的方法形成隔离部分42。利用蚀刻来移除部分层以形成达到蚀刻终止层14的上表面的凹室，所述部分层是从p-型半导体层30至在蚀刻终止层14上形成的层的范围内的层。例如，使用化学气相沉积(CVD)形成500nm厚的绝缘物质(例如氮化硅(SiN)或氮氧化硅(SiON))以填充凹室。从而，形成隔离部分42。此外，可以通过向半导体层38植入离子的方式来形成隔离部分42。例如使用能量为80keV以及剂量为5×1015cm-3的硼或氧来执行这样的离子植入。吸收部分48可以包括使用气相沉积形成的多孔的金(Au)。冷垫50可以包括例如使用气相沉积形成CrAu。钝化层40可以包括例如氧化硅薄膜或氮化硅薄膜。
p-型欧姆电极46和p-型欧姆电极52可以包括非合金欧姆电极，该非合金欧姆电极通过在p-型半导体层30上形成镍(Ni)层并使用气相沉积在该镍层上形成铝(Al)层的方法制成。n-型欧姆电极44和n-型欧姆电极54可以包括合金欧姆电极，该合金欧姆电极例如通过在n-型半导体层20上形成钛(Ti)层并使用气相沉积在该钛层上形成铝层，然后执行热处理的方法制成。栅极56可以包括例如使用气相沉积形成的铂(Pt)层。
图2(a)至2(d)是示出了制造热电转换元件100的过程的剖视图。如图2(a)所示，使用例如金属有机化学气相沉积(MOCVD)在衬底10上形成从蚀刻终止层14至p-型半导体层30之间的层。形成隔离部分42。移除与将要形成n-型热电转换单元90的区域相对应的p-型半导体层30和电隔离层28。像这样，移除与将要形成晶体管的区域相对应的p-型半导体层30和电隔离层28。形成钝化层40以覆盖p-型半导体层30和电隔离层28。
如图2(b)所示，移除部分钝化层40以形成p-型欧姆电极46。像这样，形成光电转换元件102的p-型欧姆电极52。移除部分钝化层40以形成n-型欧姆电极44。像这样，形成晶体管104的n-型欧姆电极54。
如图2(c)所示，分别形成冷垫50以与p-型欧姆电极46和n-型欧姆电极44相接触。形成吸收部分48以与p-型欧姆电极46和n-型欧姆电极44相接触。如图2(d)所示，使用蚀刻来在衬底10上形成空腔12。在这种情况下，可以通过蚀刻终止层14来防止n-型半导体层20的蚀刻。
如图2(a)所示形成隔离部分42和钝化层40，然后如图2(d)所示形成空腔12，这样，由于空腔12的形成从而防止对半导体层38的破坏。特别地，在图2(a)至2(c)的步骤之后执行空腔12的形成，由此，可以不受阻碍地执行图2(a)至2(c)的步骤。
如图2(b)所示，优选地，使用非合金工艺(非热处理工艺)形成p-型欧姆电极46和n-型欧姆电极44中的任意一个类型的电极，以及使用合金工艺(用于合金的热处理工艺)形成p-型欧姆电极46和n-型欧姆电极44之中的另外一个类型的电极。这是因为使用合金工艺形成p-型欧姆电极46和n-型欧姆电极44导致一个类型的欧姆电极的合金(用于合金化的热处理)损坏另一个类型的欧姆电极的合金区域。特别在n-型半导体层20和p-型半导体层30被堆叠的情况下，优选地，与位于n-型半导体层20和p-型半导体层30之中的上面位置处的半导体层进行欧姆接触的欧姆电极是非合金欧姆电极，以及与位于下面位置处的半导体层进行欧姆接触的欧姆电极是合金欧姆电极。如果使用合金工艺在位于上面位置处的半导体层上形成欧姆电极，则合金区域被分散到位于下面位置处的半导体层。因此根据第一实施方式，在位于上面位置处的半导体层是p-型半导体层30的情况下，优选地使用非合金工艺形成p-型欧姆电极46，以及优选地使用合金工艺形成n-型欧姆电极44。同样在n-型半导体层被放置在p-型半导体层之上的情况下，优选地使用非合金工艺形成n-型欧姆电极，以及优选地使用合金工艺形成p-型欧姆电极。从而，可以防止位于上面位置处的半导体层上形成的欧姆电极与位于下面位置处的半导体层电连接。
参考图1，下面描述热电转换元件100。当吸收部分48吸收例如红外射线时，吸收部分48的温度上升。由于吸收部分48和冷垫50之间的温度不同，基于塞贝克效应，在p-型热电转换单元92的半导体层和n-型热电转换单元90中可以发生热电转换。因此，在p-型热电转换单元92中的p-型欧姆电极46之间，以及在n-型热电转换单元90中的n-型欧姆电极44之间产生电动势。热电转换元件100的灵敏度R(V/M)、检测能力D(cm(Hz)1/2/W)和响应时间τ(sec)分别用下面的方程1、2、3表示。
方程1
R＝α·N·S·Rth
方程2
D＝R(A·Δf/(4·kB·T·Rel))1/2
方程3
τ＝Rth·C
其中，α是热吸收系数，N是在一对p-型热电转换单元92和n-型热电转换单元90被串联时的对数(1ogarithm)(在后面将被详细描述)，S是塞贝克系数，Rth是半导体层的热阻，A是吸收部分48的面积，Δf是带宽，KB是波尔兹曼(Boltzmann)系数，T是绝缘温度，Rel是半导体层的电阻，以及C是热电转换单元的热容。
在方程1中，应该增加半导体层的热阻Rth来增加灵敏度R。因此，p-型热电转换单元92和n-型热电转换单元90的半导体层被变薄而且以横梁的形式被提供，以及在衬底10上形成空腔12，从而增加半导体层的热阻Rth。但是，当p-型热电转换单元92和n-型热电转换单元90被变薄而且以横梁的形式被提供时，那么半导体层的电阻Rel可以增加。从而，检测能力D降低。因而，n-型半导体层20和p-型半导体层30包括调制掺杂结构，从而形成具有高流动性的二维电子和二维孔。因此，n-型半导体层20和p-型半导体层30的电阻Rel可以降低。从而，可以获得期望的灵敏度R和检测能力D。
同样参考图1，下面描述光电转换元件102。光电转换元件102具有包括p-型半导体层30、电隔离层28和n-型半导体层20的PIN结构。PIN结构能允许入射光的光电转换。
同样参考图1，下面描述晶体管104。晶体管104具有高电子迁移率晶体管(HEMT)结构，该HEMT结构具有在n-型半导体层20的调制掺杂结构中形成的电子气体通道。在这种方式下，n-型半导体层20可以被用作操作层，该n-型半导体层20是半导体层38的一部分。在晶体管104中，p-型半导体层30可以被用作操作层。此外，在晶体管104中，栅极56能够作为阳极以及n-型欧姆电极54能够作为阴极，以使晶体管104可以用作二极管。
根据第一实施方式，热电转换元件100包括用于执行热电转换的半导体层38。在光电转换元件102中，半导体层38的至少一部分执行光电转换。因此，当光电转换元件102使用用于执行热电转换的半导体层38的至少一部分来执行光电转换时，在这种方式下，热电转换元件100和光电转换元件102可以被整体地集成。热电转换元件100能够在从远红外到近红外的宽量程内进行光的检测。与此同时，光电转换元件102在与半导体层的带隙对应的窄量程内检测光。因此，宽量程的检测器和窄量程的检测器的整体集成是可能的。
此外，在晶体管104中，半导体层38的至少一部分可以被用作操作层。从而，热电转换元件100和晶体管104可以被整体地集成。可替换地，可以使用例如二极管来替代晶体管。
如上所述，光电转换元件102和晶体管104中的至少一者与热电转换元件100可以被整体地集成。可替换地，可以使用例如二极管来替代晶体管，。
进一步地，半导体层38包括具有与紫外(UV)光对应的带隙能量的层(在第一实施方式中，氮化镓(GaN)层，氮化铝镓(AlGaN)层)，并且光电转换元件102的半导体层38的至少一部分执行紫外光的光电转换。因此，光电转换元件102可以作为用于检测紫外光的紫外(UV)检测器。热电转换元件100的吸收部分48可以作为红外(IR)吸收部分来吸收红外射线并将该红外射线转换成热量。因此，热电转换元件100可以作为用于检测红外射线的红外(IR)检测器。从而，紫外检测器和红外检测器可以被整体地集成。
图3示出了关于各种半导体的晶格常数的带隙能量。具有与紫外线对应的带隙的半导体层可以包括半导体层38，如在第一实施方式中所述的，该半导体层38由氮化镓(GaN)或氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)的晶体混合物制成。可替换地，可以使用包含氧化锌(ZnO)的半导体层。例如，可将氧化锌(ZnO)或氧化锌(ZnO)和氧化镁(MgO)的晶体混合物用于半导体层。同样，也可使用硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、硫化镁(MgS)或硒化镁(MgSe)。
半导体层38包括堆叠的p-型半导体层30和n-型半导体层20。热电转换元件100包括p-型热电转换单元92和n-型热电转换单元90，其中，在所述p-型热电转换单元92中所述p-型半导体层30执行热电转换，在所述n-型热电转换单元90中所述n-型半导体层20执行热电转换。从而，可以在高灵敏度下执行热电转换。
另外，光电转换元件102是使用p-型半导体层30和n-型半导体层20的光电二级管。从而，热电转换元件100和光电转换元件102的整体集成变得更加可行。
此外，在p-型热电转换单元92和n-型热电转换单元90之间提供隔离部分42以对p-型半导体层30和n-型半导体层20进行电隔离。从而，可以防止p-型半导体层30和n-型半导体层20之间的干扰。
图4是示出了第一实施方式的修改方式的剖视图。如图4所示，在衬底10上、在光电转换元件102下也可形成空腔12a。当在衬底10上、在光电转换元件102下形成空腔12a时，在这种方式下，可以将由于光电效应由光的吸收产生的噪声在例如由Si制成的衬底10中抑制。
(第二实施方式)
根据第二实施方式，提供一种热电转换装置。图5是示出了根据第二实施方式的热电转换装置的剖视图。如图5所示，热电转换装置被配置以使如在第一实施方式中描述的第一热电转换元件100a和第二热电转换元件100b被串联。此外，第一热电转换元件100a的第一n-型热电转换单元90a和第一p-型热电转换单元92a，与第二热电转换元件100b的第二n-型热电转换单元90b和第二p-型热电转换单元92b被串联。
图6是示出了根据第二实施方式的热电转换装置的顶部平面视图。该热电转换装置包括中心区域72、第一横梁70a以及第二横梁70b。第一横梁70a和第二横梁70b通过如图5所示的空腔12被从衬底10上分开。第一横梁70a和第二横梁70b中的每一个的一端被机械地连接至中心区域72。第一横梁70a和第二横梁70b中的每一个的另外一端被机械地连接至外部支撑部74。第一横梁70a设置有第一热电转换元件100a的第一n-型热电转换单元90a和第二热电转换元件100b的第二p-型热电转换单元92b。通过第二隔离部分42a对第一n-型热电转换单元90a和第二p-型热电转换单元92b之间的半导体层进行电隔离。第二横梁70b设置有第二热电转换元件100b的第二n-型热电转换单元90b和第一热电转换元件100a的第一p-型热电转换单元92a。通过第三隔离部分42b对第二n-型热电转换单元90b和第一p-型热电转换单元92a之间的半导体层进行电隔离。
在中心区域72的中央提供吸收部分48。同样在中心区域72的周围提供第一导线45a，该第一导线45a用于连接第一n-型热电转换单元90a的n-型欧姆电极44和第一p-型热电转换单元92a的p-型欧姆电极46。进一步地，提供第二导线45b，该第二导线45b用于连接第二n-型热电转换单元90b的n-型欧姆电极44和第二p-型热电转换单元92b的p-型欧姆电极46。而且，在吸收部分48和第一导线45a之间和在吸收部分48和第二导线45b之间提供中心区域72的第一隔离部分42c，并且起到对第一热电转换元件100a和第二热电转换元件100b进行电隔离的作用。此外，位于吸收部分48的下表面和第一隔离部分42c的上表面之间的p-型欧姆电极46被热连接至吸收部分48。在p-型欧姆电极46之下的第一隔离部分42c用虚线表示。此外，在吸收部分48之下的p-型欧姆电极46用虚线表示。第一横梁70a和第二横梁70b中的每一个的另一端设置有冷垫50。第二隔离部分42a、第三隔离部分42b以及第一隔离部分42c起对在蚀刻终止层14上的半导体层38进行电隔离的作用，如同根据第一实施方式的隔离部分42一样。第一横梁70a和第二横梁70b中的每一个的宽度和长度可分别例如为6μm和152μm。中心区域72的每边例如为52μm。
根据第二实施方式，第一横梁70a和第二横梁70b设置有热电装换单元，从而显著增加热阻和灵敏度。第一热电转换元件100a和第二热电转换元件100b被串联以使第一p-型热电转换单元92a和第二n-型热电转换单元90b被连接至在图6的左下位置上的支撑部74。为第一横梁70a提供第一n-型热电转换单元90a和第二p-型热电转换单元92b。为第二横梁70b提供第二n-型热电转换单元90b和第一p-型热电转换单元92a。因此，方程1的对数N可以被设为2，从而显著增加灵敏度。
在第一横梁70a和第二横梁70b被连接至的中心区域72中，还提供第一隔离部分42c，该第一隔离部分42c在第一热电转换元件100a和第二热电转换元件100b之间对p-型半导体层30和n-型半导体层20中的至少一者进行电隔离。在中心区域72包括p-型半导体层30和n-型半导体层20中的至少一者的情况下，由于在中心区域72中的半导体层，第一热电转换元件100a和第二热电转换元件100b可能会电干扰。因此，第一隔离部分42c对p-型半导体层30和n-型半导体层20中的至少一者进行电隔离。从而，可以防止第一热电转换元件100a和第二热电转换元件100b之间的电干扰。特别在使用合金工艺形成p-型欧姆电极46和n-型欧姆电极44中的至少一者的情况下，由于与使用合金工艺形成的欧姆电极对应的导电半导体层，可能会促进第一热电转换元件100a和第二热电转换元件100b之间的电干扰。由此，优选地，中央区域72的第一隔离部分42c对与使用合金工艺形成的欧姆电极对应的导电半导体层进行电隔离。
此外，第一横梁70a优选地包括用于对第一n-型热电转换单元90a和第二p-型热电转换单元92b进行电隔离的第二隔离部分42a，以及第二横梁70b优选地包括用于对第一p-型热电转换单元92a和第二n-型热电转换单元90b进行电隔离的第三隔离部分42b。从而，可以在第一横梁70a和第二横梁70b中进一步防止第一热电转换元件100a和第二热电转换元件100b之间的电干扰。
图7(a)和7(b)是示出了第二实施方式的修改方式的顶部平面视图。如图7(a)所示，在中心区域72中可以提供光电转换元件102。如图7(b)所示，在中心区域72中可以提供光电转换元件102和吸收部分48。
图8(a)至8(c)是示出了第二实施方式的其他修改方式的顶部平面视图。如图8(a)所示，可以提供中心区域72的第一隔离部分42c以穿过吸收部分48。在吸收部分48下面的第一隔离部分42c用虚线表示。如图8(b)所示，在吸收部分48和导线45b之间提供第一隔离部分42c，而在吸收部分48和导线45a之间不提供第一隔离部分42c。如图8(c)所示，在吸收部分48和导线45a之间提供第一隔离部分42c，而在吸收部分48和导线45b之间不形成第一隔离部分42c。在这种方式下，可以提供第一隔离部分42c以对第一热电转换元件100a和第二热电转换元件100b进行电隔离。特别地，提供第一隔离部分42c以使第一热电转换元件100a和第二热电转换元件100b之间没有空间，由此，第一热电转换元件100a和第二热电转换元件100b可以被完全电隔离。
计算使用氮化镓(GaN)和氮化铝镓(AlGaN)的热电转换装置的灵敏度R和检测能力D。首先，使用方程1计算灵敏度R。假设热吸收系数α是1，对数N是2以及氮化镓(GaN)的塞贝克系数S是1500μV/K。热阻Rth根据第一横梁70a和第二横梁70b中的每一个的长度L、p-型热电转换单元92和n-型热电转换单元90中的每一个的宽度W、以及p-型热电转换单元92和n-型热电转换单元90的半导体层的厚度tp和tn来计算。例如，在L＝137μm，W＝1.5μm，tp＝0.55μm以及tn＝0.34μm时，Rth是3.4×105K/W。这样，灵敏度R是2000V/M。
图9(a)示出了灵敏度R关于使用氮化铝镓/氮化镓(AlGaN/GaN)的热电转换装置的长度(L)和宽度(W)的变化。如图9(a)所示，灵敏度R随L的增加和W的降低按比例地增加。
使用方程2计算检测能力D。在假设带宽Δf＝1且绝缘温度T＝300K下，吸收部分48的面积A应该与L成比例，如图9(a)所示。电阻Rel根据L和W来计算。例如，在面积A＝52×52μm2，L＝137μm以及W＝1.5μm时，Rel是320KΩ。这样，检测能力D是7×108cm(Hz)1/2/W。在假设热容C是4×10-9J/K下，响应时间τ是1.3ms。
图9(b)示出了检测能力D和响应时间τ关于L和M的变化。如图9(b)所示，检测能力D随L的增加和W的降低按比例地增加。
如在图9(a)和9(b)中，计算使用氧化锌(ZnO)和氧化锌镁(ZnMgO)的热电转换装置的灵敏度R和检测能力D。首先，使用方程1计算灵敏度R。假设热吸收系数α是1，对数N是2以及氧化锌(ZnO)的塞贝克系数S是1140μV/K。如在图9(a)中，热阻Rth根据L、W、tp和tn来计算。例如，在L＝137μm，W＝1.5μm，tp＝0.55μm以及tn＝0.34μm时，Rth是1.75×106K/W。这样，灵敏度R是8000V/M。
图10(a)示出了灵敏度R关于L和M的变化。如图10(a)所示，R随L的增加和W的降低按比例地增加。
使用方程2计算检测能力D。在假设带宽Δf＝1且绝缘温度T＝300K下，吸收部分48的面积A应该与L成比例，如图10(a)所示。电阻Rel根据L和W来计算。例如，在面积A＝52×52μm2，L＝137μm以及W＝1.5μm时，Rel是310KΩ。这样，检测能力D是8×108cm(Hz)1/2/W。在假设热容C是5.3×10-9J/K时，响应时间τ是9.2ms。
图10(b)示出了检测能力D和响应时间τ关于L和M的变化。如图10(b)所示，检测能力D随L的增加和W的降低按比例地增加。
如图9(a)至10(b)所示，优选地，横梁长度L为100μm或者更大。特别在氮化铝镓/氮化镓(A1GaN/GaN)调制掺杂结构或在氧化锌/氧化锌镁(ZnO/MgZnO)调制掺杂结构中，横梁长度L可以是100μm或者更大。
根据第一实施方式的光电转换元件和晶体管中的至少一者和根据第二实施方式的热电转换装置可以被整体地集成。
(第三实施方式)
根据第三实施方式，提供一种用来检测红外射线的光电转换元件。如图1所示，根据第一实施方式，蚀刻终止层14可以包括例如200nm厚的未掺杂的AlxGa1-xAa层(例如，x＝0.6)。高纯度层22可以包括例如10nm厚的未掺杂的InxGa1-xAs层(例如，x＝0.25)。电子供应层24可以包括例如用1×1018cm-3的硅掺杂的100nm厚的AlxGa1-xAs层(例如，x＝0.25)。欧姆接触层26可以包括例如用4×1018cm-3的硅掺杂的30nm厚的砷化镓(GaAs)层。
电隔离层28可以包括例如100nm厚的未掺杂的砷化镓(GaAs)层。高纯度层32可以包括例如10nm厚的未掺杂的InxGa1-xAs层(例如，x＝0.25)。孔供应层34可以包括例如用1×1019cm-3的锌(Zn)掺杂的100nm厚的AlxGa1-xAs层(例如，x＝0.25)。
p-型欧姆电极46和p-型欧姆电极52可以包括例如非合金欧姆电极，该非合金欧姆电极通过在p-型半导体层30上形成钛(Ti)层并且使用气相沉积在该钛层上形成金(Au)层的方式制成。n-型欧姆电极44和n-型欧姆电极54可以包括例如合金欧姆电极，该合金欧姆电极通过在n-型半导体层上形成AuGe层并且使用气相沉积在该AuGe层上形成镍(Ni)层，然后执行热处理的方式制成。
计算和第二实施方式一样的热电转换装置的灵敏度R和检测能力D。首先，使用方程1计算灵敏度R。假设热吸收系数α是1，对数N是2以及氮化镓(GaN)的塞贝克系数S是1250μV/K。例如，在L＝137μm，W＝1.5μm，tp＝0.55μm以及tn＝0.34μm时，Rth是3.6×106K/W。这样，灵敏度R是1800V/M。
图11(a)示出了灵敏度R关于L和W的变化。如图11(a)所示，R随L的增加和W的降低按比例地增加。
使用方程2计算检测能力D。在假设带宽Δf＝1且绝缘温度T＝300K时，吸收部分48的面积A应该与L成比例，如图11(a)所示。电阻Rel根据L和W来计算。例如，在面积A＝52×52μm2，L＝137μm以及W＝1.5μm时，Rel是420KΩ。这样，检测能力D是2.27×109cm(Hz)1/2/W。在假设热容C是3.5×10-9J/K下，响应时间τ是13ms。
图11(b)示出了检测能力D和响应时间τ关于L和M的变化。如图11(b)所示，检测能力D随L的增加和W的降低按比例地增加。
如图9(a)至11(b)所示，在如第二实施方式中使用包括氮化镓(GaN)的半导体层来形成热电转换元件的情况下，灵敏度R和检测能力D比根据第三实施方式的包括砷化镓(GaAs)的热电转换元件的灵敏度和可检测性低，但是响应时间τ可以更快。根据第三实施方式，包括砷化镓(GaAs)的热电转换元件的灵敏度R和检测能力D可以增加。
根据第三实施方式，半导体层38包括具有与红外射线对应的带隙能量的层(例如，砷化铟镓(InGaAS))。在光电转换元件102中，半导体层的至少一部分将红外射线转换成电信号。从而，热电转换元件100可以在从远红外到近红外的宽量程内检测红外射线。另一方面，光电转换元件102可以检测与半导体层的带隙对应的红外射线。因此，宽量程红外检测器(是在大约10μm波长下的远红外检测器)和窄量程红外检测器(是在大约1μm波长下的近红外检测器)可以被整体地集成。第三实施方式可以被应用至例如用于检测宽量程红外射线和窄量程红外射线的图像传感器。
(第四实施方式)
根据第四实施方式，提供一种图像传感器，该图像传感器包括被集成的热电转换元件100和光电转换元件102。图12是示出了第四实施方式的框图。这里，热电转换元件100和光电转换元件102以矩阵形状排列。可以使用根据第一至第三实施方式所述的热电转换元件100和光电转换元件102作为这些热电转换元件100和光电转换元件102。热电转换元件100和光电转换元件102中的每一个被安置在选择性晶体管64的源极和地之间。选择性晶体管64的栅极被连接至行选择线68，选择性晶体管64的漏极被连接至列选择线66。行选择部件62和列选择部件60选择所述行选择线68和列选择线66，从而从预定的热电转换元件100和光电转换元件102中输出信号。
根据第四实施方式，如图12所示，多个热电转换元件100和光电转换元件102以矩阵形状排列。选择部件(例如，选择性晶体管64，行选择部件62和列选择部件60)选择该多个热电转换元件100和光电转换元件102中的至少一个。从而，可以输出从该多个热电转换元件100和光电转换元件102中选择出的一者的信号。
在第四实施方式中，晶体管104被用作选择性晶体管64、行选择部件62和列选择部件60。简要地，选择部件包括晶体管104。从而，图像传感器的热电转换元件100和光电转换元件102可以被整体地集成。实施例是一个包括集成的红外检测器和紫外检测器的图像传感器。还有一个实施例是一个包括集成的远红外检测器和近红外检测器的图像传感器。
根据第一至第三实施方式，半导体层38可以包括例如氮化铝镓(AlGaN)，氮化镓(GaN)，氧化锌(ZnO)，氧化镁锌(MgZnO)，砷化铝镓(AlGaAs)，砷化铟镓(InGaAs)，以及还例如硼化铟(InP)，砷化铟铝(InAlAs)，砷化镓(GaAs)，硼化铟镓(InGaP)，砷化铟(InAs)，氮化铟镓(InGaN)，碳化硅(SiC)，氧化锌镉(ZnCdO)，氧化镉(CdO)，氧化镁(MgO)，氧化镉(CdO)，硫化锌镁(ZnMgS)，硫化锌(ZnS)，硒化锌(ZnSe)，硫化镁(MgS)，硒化镁(MgSe)，硅(Si)，锗化硅(SiGe)及其组合。
在n-型半导体层20和p-型半导体层30中的调制掺杂结构可以包括例如，氮化铝镓/氮化镓(AlGaN/GaN)，氧化镁锌/氧化锌(MgZnO/ZnO)和砷化铝镓/砷化铟镓(AlGaAs/InGaAs)，以及还例如硼化铟/砷化铟镓(InP/InGaAs)，砷化铟铝/硼化铟(InAlAs/InP)，砷化铟铝/砷化铟镓(InAlAs/InGaAs)，砷化铟镓/砷化铟镓(AlGaAs/AlGaAs)，砷化铟镓/砷化镓(AlGaAs/GaAs)，砷化铝镓/砷化铟(AlGas/InAs)，硼化铟镓/砷化铟镓(InGaP/InGaAs)，硼化铟镓/砷化铝镓(InGaP/AlGaAs)，硼化铟镓/砷化镓(InGaP/GaAs)，氮化铟镓/砷化铟(InGaN/InAs)，氮化铝镓/氮化铝镓(AlGaN/AlGaN)，氮化铝镓/氮化铟镓(AlGaN/InGaN)，氮化铝铟/氮化铟镓(AlInN/InGaN)，氮化铝镓/碳化硅(AlGaN/SiC)，氮化镓/碳化硅(GaN/SiC)，氮化镓/氮化铟镓(GaN/InGaN)，氧化锌镁/氧化锌镉(ZnMgO/ZnCdO)，氧化锌镉/氧化镉(ZnCdO/CdO)，氧化镁/氧化锌镉(MgO/ZnCdO)，氧化镁/氧化锌(MgO/ZnO)，氧化镁/氧化镉(ZnO/CdO)，氧化镉镁/氧化镉(CdMgO/CdO)，硫化锌镁/硫化锌(ZnMgS/ZnS)，硫化锌/硒化锌(ZnS/ZnSe)，硫化镁/硒化镁(MgS/MgSe)，硒化镁/硒化锌(MgSe/ZnSe)，硫化镁/硫化锌(MgS/ZnS)和硅/锗化硅(Si/SiGe)。
衬底10可根据半导体层38的类型包括硅衬底，并且还包括例如具有在其上形成的硼掺杂硅外延层的硅衬底，具有向其植入的硼(B)离子的硅衬底，具有在其上形成的氧化硅或氮化硅的绝缘层的硅衬底，砷化镓(GaAs)衬底，硼化铟(InP)衬底，氮化镓(GaN)衬底，碳化硅(SiC)衬底，氧化锌(ZnO)衬底，蓝宝石(sapphire)衬底，具有在其上形成的氧化硅、氮化硅或氮化铝的绝缘层的蓝宝石衬底，或者玻璃衬底。
尽管第一至第三实施方式描述通过吸收部分48吸收红外射线，但是吸收部分48可吸收其他电磁波，如微波等。吸收微波的吸收部分可以设置有例如用于接收微波的天线和用于将由天线接收到微波的能量转换成热量的电阻或二极管。
尽管已出于说明的目的公开了本发明的优选实施方式，但是本发明不限于这些具体的实施方式，在不脱离所附权利要求中所公开的本发明范围及精神的情况下，各种修改和变形均是可能的。

Claims (10)

1.一种电子装置，该电子装置包括：
热电转换元件，该热电转换元件包括利用塞贝克效应执行热电转换的半导体层，以及
晶体管或二极管和光电转换元件中的至少一者，在所述光电转换元件中所述半导体层的至少一部分执行光电转换，所述晶体管或二极管具有所述半导体层的至少一部分作为操作层，
其中，所述半导体层具有与紫外光对应的带隙能量，
所述热电转换元件具有用于吸收红外射线并将该红外射线转换成热量的红外吸收部分，以及
所述光电转换元件的半导体层的所述至少一部分执行紫外光的光电转换。
2.一种电子装置，该电子装置包括：
热电转换元件，该热电转换元件包括利用塞贝克效应执行热电转换的半导体层，以及
晶体管或二极管和光电转换元件中的至少一者，在所述光电转换元件中所述半导体层的至少一部分执行光电转换，所述晶体管或二极管具有所述半导体层的至少一部分作为操作层，
其中，所述半导体层具有与红外射线对应的带隙能量，
所述热电转换元件具有用于吸收红外射线并将该红外射线转换成热量的红外吸收部分，以及
所述光电转换元件的半导体层的所述至少一部分执行红外射线的光电转换。
3.根据权利要求1或2所述的电子装置，其中，所述半导体层包括堆叠的p-型半导体层和n-型半导体层，以及
所述热电转换元件包括p-型热电转换单元和n-型热电转换单元，在所述p-型热电转换单元中所述p-型半导体层执行热电转换，在所述n-型热电转换单元中所述n-型半导体层执行热电转换。
4.一种电子装置，该电子装置包括：
热电转换元件，该热电转换元件包括利用塞贝克效应执行热电转换的半导体层，以及
晶体管或二极管和光电转换元件中的至少一者，在所述光电转换元件中所述半导体层的至少一部分执行光电转换，所述晶体管或二极管具有所述半导体层的至少一部分作为操作层，
其中，所述半导体层包括堆叠的p-型半导体层和n-型半导体层，
所述热电转换元件包括p-型热电转换单元以及n-型热电转换单元，在所述p-型热电转换单元中所述p-型半导体层执行热电转换，在所述n-型热电转换单元中所述n-型半导体层执行热电转换，以及
所述光电转换元件是使用所述p-型半导体层和所述n-型半导体层的光电二极管。
5.一种电子装置，该电子装置包括：
热电转换元件，该热电转换元件包括利用塞贝克效应执行热电转换的半导体层，以及
晶体管或二极管和光电转换元件中的至少一者，在所述光电转换元件中所述半导体层的至少一部分执行光电转换，所述晶体管或二极管具有所述半导体层的至少一部分作为操作层，
其中，所述半导体层包括堆叠的p-型半导体层和n-型半导体层，
所述热电转换元件包括p-型热电转换单元以及n-型热电转换单元，在所述p-型热电转换单元中所述p-型半导体层执行热电转换，在所述n-型热电转换单元中所述n-型半导体层执行热电转换，以及
在所述p-型热电转换单元与所述n-型热电转换单元之间提供隔离部分以对所述p-型半导体层和所述n-型半导体层进行电隔离。
6.一种电子装置，该电子装置包括：
热电转换元件，该热电转换元件包括利用塞贝克效应执行热电转换的半导体层，以及
晶体管或二极管和光电转换元件中的至少一者，在所述光电转换元件中所述半导体层的至少一部分执行光电转换，所述晶体管或二极管具有所述半导体层的至少一部分作为操作层，
其中，所述半导体层包括堆叠的p-型半导体层和n-型半导体层，
所述热电转换元件包括p-型热电转换单元以及n-型热电转换单元，在所述p-型热电转换单元中所述p-型半导体层执行热电转换，在所述n-型热电转换单元中所述n-型半导体层执行热电转换，以及
在位于所述p-型半导体层和所述n-型半导体层中的上面位置处的半导体层上形成的欧姆电极是非合金欧姆电极，以及在位于所述p-型半导体层和所述n-型半导体层中的下面位置处的半导体层上形成的欧姆电极是合金欧姆电极。
7.一种电子装置，该电子装置包括：
热电转换元件，该热电转换元件包括利用塞贝克效应执行热电转换的半导体层，以及
晶体管或二极管和光电转换元件中的至少一者，在所述光电转换元件中所述半导体层的至少一部分执行光电转换，所述晶体管或二极管具有所述半导体层的至少一部分作为操作层，
其中，所述半导体层具有调制掺杂结构。
8.根据权利要求1-7中任意一项权利要求所述的电子装置，其中，以多个的形式提供所述热电转换元件和所述光电转换元件，以使多个所述热电转换元件和多个所述光电转换元件以矩阵形状排列，以及提供选择部件以在多个所述热电转换元件和多个所述光电转换元件中选择至少一者，并且所述选择部件包括所述晶体管。
9.根据权利要求1或2所述的电子装置，其中，所述半导体层包括堆叠的p-型半导体层和n-型半导体层，以及
所述热电转换元件包括：
第一热电转换元件，该第一热电转换元件包括第一n-型热电转换单元和第一p-型热电转换单元，在所述第一n-型热电转换单元中所述n-型半导体层执行热电转换，在所述第一p-型热电转换单元中所述p-型半导体层执行热电转换，
第二热电转换元件，该第二热电转换元件包括第二n-型热电转换单元和第二p-型热电转换单元，在所述第二n-型热电转换单元中所述n-型半导体层执行热电转换，在所述第二p-型热电转换单元中所述p-型半导体层执行热电转换，
第一横梁，该第一横梁包括所述第一n-型热电转换单元和所述第二p-型热电转换单元，
第二横梁，该第二横梁包括所述第一p-型热电转换单元和所述第二n-型热电转换单元，以及
中心区域，所述第一横梁和所述第二横梁连接至该中心区域，并且该中心区域包括位于所述第一热电转换元件与所述第二热电转换元件之间的第一隔离部分，该第一隔离部分用于对所述p-型半导体层和所述n-型半导体层中的至少一者进行电隔离，
其中，所述第一热电转换元件和所述第二热电转换元件被串联从而连接所述第一n-型热电转换单元和所述第二p-型热电转换单元。
10.根据权利要求9所述的电子装置，其中，所述第一横梁包括第二隔离部分，该第二隔离部分用于对所述第一n-型热电转换单元和所述第二p-型热电转换单元进行电隔离，以及所述第二横梁包括第三隔离部分，该第三隔离部分用于对所述第一p-型热电转换单元和所述第二n-型热电转换单元进行电隔离。
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