CN104205385B

CN104205385B - 通过辐射交换和/或传导/对流的超晶格量子阱热电发电机

Info

Publication number: CN104205385B
Application number: CN201380017756.0A
Authority: CN
Inventors: 大卫·科瑞斯考斯基
Original assignee: UD Holdings LLC
Current assignee: UD Holdings LLC
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2017-11-03
Anticipated expiration: 2033-04-10
Also published as: WO2013155181A1; CN104205385A; CA2869981A1; CA2869981C; DE112013001984T5; US20150068576A1; US9954154B2

Abstract

在至少一个实施例中提供了一种热电发电机。该热电发电机包括一个帽和一个热电堆。将该帽耦合到一个产热装置上用于自其接收热能。该热电堆包括超晶格量子阱材料以及一个吸收器，用于接触该帽以接收该热能以及响应于该热能产生一种电输出用于以下项之一：在存储装置上存储该电输出和用该电输出驱动一个第一装置。

Description

通过辐射交换和/或传导/对流的超晶格量子阱热电发电机

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年4月10日提交的美国临时申请序列号61/622,155和于2013年1月14日提交的美国临时申请序列号61/752,143的权益，这些申请的披露内容通过引用以其全文结合在此。

技术领域

在此描述的实施例总体上涉及一种超晶格量子阱辐射热电发电机(RTEG)和一种超晶格量子阱热电发电机(TEG)以及一种或多种形成其的方法。

背景

IR探测器总体上定义为响应IR辐射的光电探测器。红外探测器的一种类型是一种基于热的探测器。一种基于热的探测器可以在照相机内应用以产生一种物体的图像，该图像在总体上与此类物体相关的热特性上形成。已知基于热的探测器包括辐射热测量计、微辐射热测量计、热电物质和热电堆。热电堆可以产生一种直流电压用于传感和/或发电。热电堆可以包括许多将来自物体的辐射能转换成电能的热电偶。以下参考文献可能与本披露相关：授予何乃塞克(Hynecek)的美国专利号5,436,476、授予艾斯纳(Elsner)等人的5,550,387、授予崔瑟豪斯(Dresselhaus)等人的6,060,656、授予古氏(Gooch)等人的6,690,014、授予盖麦提(Ghamaty)等人的7,038,234、授予许(Hsu)的7,755,048、以及授予柯才晋(Kochergin)的美国专利公开号2011/0168978。

概述

在至少一个实施例中提供了一种热电发电机。该热电发电机包括一个帽和一个热电堆。将该帽耦合(couple)到一个产热装置上用于自其接收热能。该热电堆包括多种超晶格量子阱材料以及一个吸收器，用于接触该帽以接收该热能以及响应于该热能产生一种电输出用于以下项之一：在存储装置上存储该电输出和用该电输出驱动一个第一装置。

附图简要说明

实施例在所附的权利要求中具体地指出。然而，通过参考下面的详细描述结合附图，各种实施例的其他特征将变得更明显并且将得到最好的理解，其中：

图1描绘了根据一个实施例的热探测器；

图2描绘了根据一个实施例的热探测器(仅包括一个吸收器)的横截面图；

图3描绘了根据一个实施例被基于硅的材料封装的超晶格量子阱热电材料；

图4A-4B分别描绘了实现量子阱的一个实施例以及没有实现量子阱效应的另一个实施例；

图5描绘了在沉积过程中由多个氮化硅和超晶格量子阱材料层造成的各种应力；

图6描绘了根据一个实施例的M x N阵列的一个电连接方案；

图7描绘了根据一个实施例的RTEG中的探测器；

图8描绘了太阳和多种热靶穿过5米大气的光谱分布；

图9描绘了多种热靶穿过5米大气的光谱出射度；

图10描绘了对于来自RTEG的输出使用来自表2的参数的模拟的结果；

图11描绘了对于该RTEG的典型夜间条件的电效率对负载的计算机模拟；

图12描绘了在一个实施例中使用与帽处于未连接状态的悬臂的TEG的侧视图；

图13描绘了在一个实施例中TEG的悬臂的俯视图；

图14描绘了用于TEG的p-型臂的放大图，该图展示了它可以由一种氮化硅碱与p-型Si/SiGe QW材料以及沉积在该氮化硅顶部的一种金属膜制成；

图15描绘了一个侧视图，其中使用于该TEG的探测器的两个臂举起以接触一个硅帽；

图16描绘了在该硅帽上布置的一层SiO₂；

图17描绘了一种金属化图案的实例，该金属化图案可以施用到该硅帽的底部；

图18描绘了另一种方式，其中该吸收器可以附接到该帽上；

图19描绘了在附接后该TEG的探测器的侧视图；

图20描绘了另一种探测器设计的俯视图，该探测器设计可以静电地拉升至该帽用于附接；

图21描绘了根据一个实施例的另一种TEG实现方式；

图22描绘了TEG的俯视图，该TEG包括如图2中列举的附接了该帽的热探测器；以及

图23描绘了根据一个实施例将一个深沟槽加入该帽。

详细说明

在此披露了详细的实施例。然而，应当理解的是，所披露的实施例仅仅是示例性的并且这样的实施例可以不同的以及替代的形式来实施。这些图不是必须按比例的；为了显示具体元件的细节，一些特征可能被夸大或缩小。因此，在此披露的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅是作为权利要求中有代表性的基础和/或作为传授本领域技术人员以多样化使用该一个或多个实施例的有代表性的基础。

如在此披露的多个实施例，总体上提供一种热电发电机(或辐射热电发电机)，该热电发电机包括一个晶片级帽，该晶片级帽接收来自产热源(例如，太阳、太阳能、热管、消音器(muffler)、等)的热能的。该晶片级帽可以耦合到或可以不耦合到该产热源上。在一种TEG实现方式中，该晶片级帽可以耦合到该产热源(例如，热管、消音器、等)上这样使得热电堆的一部分附接到该帽上以使得能够将热传递给超晶格量子阱材料，这些超晶格量子阱材料将接收到的热能转换成一种电输出用于在存储装置上存储。在一种RTEG实现方式中，这些超晶格量子阱材料可以接收直接或间接来自太阳或其他电磁辐射的产热源以产生电能而驱动另一种装置(或第一装置)。在该RTEG实现方式的情况下，该帽可以不耦合到该产热源。此外，使一个反射器定位于该热电发电机内并且包括钯或钯的多种合金。这些方面及其他将在此更详细讨论。

在此披露的多个实施例可以提供但不限于多个探测器，这些探测器可以位于与环境交换能量的M x N列的一个阵列中，以或者产生电力或者从环境泵送热(或泵送热到该环境)到探测器。在另一个实施例中，该多个探测器可用于从一个光源(或场景)捕获(或感应)热能，并且为了能量存储的目的基于所感应到的热能提供一个电输出。该探测器总体上包括(除其他事项之外)一个吸收器、一个基板、和/或至少一个臂。该吸收器和/或该至少一个臂可被悬吊在该基板之上。可以设想，该吸收器和/或该至少一个臂可由一种基于超晶格量子阱热电的材料构成。此类构造可使得该吸收器以及该至少一个臂能够实现增强的塞贝克(Seebeck)效应、低电阻率、和足够的热导率。这些方面可以改善探测器性能。还设想了该吸收器和/或该臂可由(但不限于)各种基于硅的介电材料(如氮化硅和/或二氧化硅)封装。用基于硅的介电材料封装超晶格量子阱热电材料可以应力补偿该探测器并且可以增强该探测器的结构完整性，而该吸收器和/或该至少一个臂被悬吊在该基板之上。

图1描绘了根据本发明的一个实施例的探测器10。该探测器10可以是安排在一个Mx N阵列18中的众多中的一个，该阵列被封装进一个可包括光学集中器的真空11内以形成一个辐射热电发电机(RTEG)200。该RTEG 200总体上安排为感应直接或间接地接收自太阳或其他电磁辐射的产热源的热能以响应该热能产生电能来驱动另一个装置和/或以将电能存储在存储装置201如电池中。下文将更详细地讨论RTEG 200。

还认识到该探测器10还可以是安排在该M x N阵列18中的一个或多个以便形成一个热电发电机(TEG)300。该TEG 300可以被封装或可以不被封装进该真空11中。该TEG 300总体上包括其一个部分，该部分被耦合到一个产热源以接收热能。电能可以用于响应该热能产生电能用于驱动另一个装置201和/或用于将电能存储在存储装置203如电池中。下文还将更详细地讨论TEG 300。

将每个探测器10配置为从和/或到探测器10外的环境中吸收/发射电磁辐射(下文中称为辐射)并且基于从该环境交换的一定量的能量来改变其电压电位。读出集成电路(ROIC)19(或读出电路)定位于每个探测器10之下。ROIC 19可以电输出每个探测器10的电压电位。设想该ROIC19可以包括多条电连接线或多个电子装置如总体上在互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路中发现的。每个探测器10可以被微型机制(micro-machined)在该ROIC 19的顶部。在此所披露的实施例还可被结合进一个探测器中，如在2010年3月23日提交的名为“红外探测器(INFRARED DETECTOR)”的PCT申请序列号PCT/US 2010/028293(“该‘293申请”)中提出的，该申请通过引用以其全文结合于此。该探测器10总体上被安排为一个微型桥。该探测器10可以形成为一个热电堆。

虽然如以上所指出的探测器10可用于交换来自环境的辐射或与比该基板或者热的多或者冷的多物体进行交换，该探测器10还接收来自一个光源的热能，如直接或间接地接收自太阳的热能。探测器10响应于该热能提供一个电压输出，用于提供电能来驱动另一个装置201，或用于在一个存储装置203(例如电池或其他合适的机构)上存储电能。

该探测器10包括一个吸收器12、一个第一臂14、一个第二臂15、以及一个基板16。该吸收器12、该第一臂14、以及该第二臂15可包括热电材料并且可由下面将要更详细描述的超晶格量子阱材料形成。该基板16可包括(但不限于)一个单晶硅晶片或一个硅晶片。该基板16可被连接到该ROIC 19上。该吸收器12、该第一臂14、以及该第二臂15总体上被悬吊在该ROIC 19之上。该第一臂14被置于在该吸收器12旁边并且，如果希望的话(附着或不附着)，可以沿着该吸收器12的一个第一侧18延伸，并在一个终端20终止。一个接线柱22被耦合到该第一臂14的终端20。

该ROIC 19的一个输入焊盘24接收该接线柱22。该接线柱22提供了一个从该吸收器12到该ROIC 19的电连接。以一种类似的方式，该第二臂15被置于在该吸收器12旁边并且，如果希望的话(附着或不附着)，可以沿着该吸收器12的一个第二侧26延伸，并在一个终端28终止。一个接线柱30被耦合到该第二臂16的该终端28。该ROIC 19的一个输入焊盘32接收该接线柱30。该接线柱30提供了一个从该吸收器12到该ROIC 19的电连接。总体上，接线柱22和30彼此合作，以支撑该基板16之上的该吸收器12、该第一臂14和该第二臂15(例如，在该基板16上方悬吊该吸收器12、该第一臂14和该第二臂15)。

该吸收器12总体上被配置成交换来自一个场景的辐射并且响应于其而改变温度。该探测器10可以基于接收自该场景的辐射的量改变其电压电位。在该吸收器12与该ROIC19之间放置一个反射器17。该反射器17可以提高该吸收器12吸收辐射的能力。例如，没有被吸收器12吸收的任何热能可以被反射器17反射并且回到吸收器12。可以从该吸收器12水平地移动该第一臂14及该第二臂15的位置，以热隔离该吸收器12。可以令人希望的是降低热传导以提高探测器10性能。此外，可以从该基板16竖直地移动该吸收器12、第一臂14及该第二臂15的位置并且在它们之间定义一个分离间隙34(或空腔)用于将一个探测器与位于该阵列内的其他探测器热隔离。

该探测器10可以包括一侧上的P型材料和另一侧上的N型材料。例如，该吸收器12可被认为包括一个第一部分36、一个第二部分38、和一个有源区(active region)40。该第一臂14和该第一部分36可由P型材料构成。该第二臂15和该第二部分38可由N型材料构成。该有源区40将基于P型的元件(第一臂14和该第一部分36)电耦合到基于N型的元件(第二臂15和该第二部分38)。该有源区40包括一个金属薄膜并且可以具有在其间形成的一个间隙。

图2描绘了根据一个实施例包括仅一个吸收器12的热探测器10′的截面图。在该探测器10'的每一侧上形成了一个电连接21用于自其为一个读出电路(未示出)提供电输出。该吸收器12总体上位于(或悬吊于)一个空腔25之上。认识到的是该探测器10′也可以被安排在该阵列18中以便形成RTEG 200或TEG 300。

已知的是实现一个包括多个臂和一个悬吊在该基板之上的吸收器的探测器。以这种常规的方式，这些臂热隔离该吸收器，这反过来又导致从该吸收器到该基板的热导率上的降低。通过降低该吸收器12与这些臂14、15之间的热导，可以降低热传递/泄漏并且可以实现IR探测器性能上的改进。这种常规方式总体上用下列材料的一种或多种形成热电结构(例如，这些臂和该吸收器)：碲化铋、碲化锑、碲化铅、多晶硅、多晶硅锗、方钴矿、一种纳米复合材料、以及一种超晶格结构，以便实现低热导率。通过用一种或多种上述材料形成探测器并且通过悬吊该吸收器及这些臂，这些条件可导致该吸收器和/或这些臂翘曲或屈曲，这可能导致探测器故障。

在此所描述的实施例认识到(除其他之外)，如与一个发电支撑装置(electricalgeneration support device)一起使用的该吸收器12和/或这些臂14、15可由超晶格量子阱热电材料构成，这些材料可以使得该探测器10能够实现适当的电输出性能特点。此外，在此所披露的实施例设想用氮化硅或二氧化硅封装该吸收器12和/或这些臂14、15的超晶格量子阱材料。用基于硅的材料对该吸收器12和/或这些臂14、15的封装可以补偿或均衡在超晶格量子阱材料沉积的过程中感生的应力，并增加该探测器10的机械强度，而该探测器10的部分被悬吊在该ROIC 16之上。通过增加该探测器10的机械强度并且通过应力补偿该探测器10，该探测器10的翘曲或屈曲可被最小化或完全消除。这些实施例进一步认识到该探测器10的该吸收器12、该第一臂14、以及该第二臂15可由超晶格(例如硅/硅锗(Si/Si_xGe_1-x)，其中x可以是一个整数或一个非整数(下文中称为“Si/SiGe”))量子阱热电材料构成。该第一臂14以及该第一部分36可由P型超晶格量子阱热电材料形成。该第二臂15以及该第二部分38可由N型超晶格量子阱材料形成。

通过利用一个包括该吸收器12和/或臂14、15的超晶格量子阱热电堆10，这样一种条件最小化了从该吸收器12穿过这些臂14、15到基板16和/或到放置在该吸收器12附近的任何装置的热损耗，由此将该吸收器12与一个周围的装置热隔离。当来自环境的辐射加热或冷却该吸收器12时，该探测器10产生了一个同该吸收器12与该基板16之间的温度差成比例的输出电压。相应地，如果该吸收器12由含有高热传导的材料形成，则探测器性能可能会由于来自该吸收器12的热能的泄漏而受到不利影响。由于该超晶格量子阱材料提供了一种低热导率，可以在该吸收器12处实现适当的热隔离，由此改善探测器性能。另外，超晶格量子阱材料还提供了高塞贝克系数和高导电性，其使得该探测器10能够提供一个带有高信噪比的输出电压，该输出电压提供了被该吸收器12感应到的辐射的量的高保真度表示。总体上，该探测器10能够提供毫安范围内的电流。

虽然已知常规的探测器包括碲化铋、碲化锑、碲化铅、多晶硅、多晶硅锗、方钴矿、一种纳米复合材料、及一个超晶格结构作为实现悬吊的吸收器和/或悬吊的臂的低热导率的一种手段(即，使来自该探测器的散热或热传递减到最少)，此类材料可能无法提供足够的机械支撑，或不能适当地进行应力补偿。可以看出(如下所示)，在探测器10中使用超晶格量子阱热电材料可提供足够的热导率并且可以用作常规探测器中的材料种类的替换物。

总体而言，为了从热电堆探测器10获得大的响应，从该探测器10(例如吸收器12和/或这些臂14、15)到该热地平面(例如该基板16之内)的热导Gk应该要小。因此，该热电堆材料的热导率应该是尽可能地小。最后，可能令人期望的是该探测器10内的材料具有(a)高塞贝克系数以及(b)高导电性。由n型和p型材料制成的一种热电堆的品质因数定义如下：

其中：

a_p＝p型材料的塞贝克常数以表示

a_n＝n型材料的塞贝克常数以表示

k_p＝p型材料的热导率以表示

k_n＝n型材料的热导率以表示

r_p＝p型材料的电阻率以Ω·m表示

r_n＝n型材料的电阻率以Ω·m表示

这个品质因数假定这些臂14、15具有相同的长度和截面积。表1(下面)示出了对于一个选定组的材料的这个新的品质因数。基于热电堆材料选择的性能改进可以是明显的。

热电堆材料类型

表1：热电偶材料性能比较

对于小间距(例如，≤50μm)阵列，Bi₂Te₃和np Si_0.7Ge_0.3可能不是热电材料的实用选择。拒绝标准np多晶硅的原因是，其热导率可能太大而无法实现合理的探测器灵敏度。而且，该沉积温度可能对于接线柱互补性金属氧化物半导体(CMOS)兼容性而言太高。下面表2中给出了量子阱Si/SiGe、Bi₂Te₃、Si_0.7Ge_0.3和标准的np多晶硅的感兴趣测量值(例如，电阻率、塞贝克系数和热导率)：

表2：Bi₂Te₃/Sb₂Te₃参数、多晶硅参数、QW参数

虽然Bi₂Te₃和Sb₂Te₃可以产生高性能热电堆探测器，选择Bi₂Te₃和Sb₂Te₃可能有若干缺点。例如，(1)探测器电阻可能下降约3kΩ并且结果是电子噪音可能占据支配地位；(2)Bi₂Te₃和Sb₂Te₃的沉积和蚀刻正被大量研究并且可能还尚未成熟(然而，Bi₂Te₃和Sb₂Te₃可以在低温下沉积、图案化并被干法蚀刻)；以及(3)如果没有保持化学计量，Bi₂Te₃和Sb₂Te₃的热电性能可能发生大的改变，这意味着对沉积和非常规沉积过程(如共蒸发)的紧密控制。相比之下，Si/SiGe超晶格量子阱包括CMOS以及微机械系统(MEMS)加工中广泛使用的材料。而且，在Si/SiGe超晶格量子阱实现方式中化学计量可能不是问题，这可能允许以不那么严格的控制进行沉积。

已测量出Bi₂Te₃薄膜的热导率为1.2这可能接近于PECVD氮化硅的热导率，其中热导率可能≤1.18大块Bi₂Te₃的热导率可以是1.7并且较低的热导率可能是非常薄的膜中的一个常见效果。Bi₂Te₃的热导率可能随着膜厚度下降到低于0.5μm而进一步下降。

如上面表2中所示，Bi₂Te₃和氮化硅可以具有相似的热导率。由于这个事实，向这些臂和/或该吸收器(当由Bi₂Te₃形成时)添加大量氮化硅可能导致探测器性能的下降。由于此条件，常规实现方式倾向于避免向基于碲化铋的探测器添加氮化硅或二氧化硅。相比之下，本披露的这些臂14、15和/或该吸收器12可包括带有量子阱Si/SiGe的不同量的氮化硅和/或二氧化硅。此条件可能不会造成探测器性能的显著损耗，因为量子阱Si/SiGe的热导率可以比氮化硅的热导率大约3-4倍。这样，就添加到带有氮化硅的该Si/SiGe量子阱的热导率上的整体增加而言，由氮化硅添加的热导率的增加可以是可忽略的。例如，Si/SiGe量子阱的热导率可以是在3-5W/mK之间。氮化硅的热导率可以是1.2W/mK。添加适量的氮化硅可能不会影响探测器性能，因为Si/SiGe量子阱的热导率可能占据主导地位。总体上，氮化硅的厚度可以是在量子阱臂14、15的总厚度的从10％至100％中的任何地方。例如，如果臂14、15为厚，则氮化硅的厚度可以是在至的范围内。总体上，总热导的最大组分是由于臂14、15。

当碲化铋材料用于形成该探测器中的薄膜以防止热导率上的增加时，可以实现一个悬吊的臂及吸收器结构的基于常规的探测器倾向于避免用氮化硅封装这些臂和/或该吸收器。然而，已经发现如在此所提出的，通过去除封装的氮化硅，这样一种条件可能如以上所指出的有助于该探测器10的翘曲和/或屈曲。例如，封装的氮化硅的去除可能会降低探测器的机械强度并去除应力补偿的能力。如果该探测器不被应力补偿，该探测器可能会翘曲并变得无效。

MEMS加工中另一种有用的电介质可以是二氧化硅。沉积时，二氧化硅通常可能是在压应力下，这种材料连同氮化硅可用于补偿应力并且此外还可以是一种有效的蚀刻停止。薄膜二氧化硅的热导率可以是≤2.0

图3描绘了被基于硅的材料封装的超晶格量子阱热电材料。总体上，该吸收器12和/或这些臂14、15的超晶格量子阱层可以被包夹在一个氮化硅顶层与一个氮化硅底层之间(或包夹在一个二氧化硅顶层与一个二氧化硅底层之间或是包夹在一个氮化硅顶层与一个二氧化硅底层之间(或反之亦然)(见图3中Si/SiGe的交替层的元件29(例如，阻挡层或传导层，其中阻挡层包括Si并且传导层包括SiGe))。参考图1-2，该第一臂14和该第一部分36可以由氮化硅封装的p型超晶格量子阱形成。相反，该第二臂15和该第二部分38可以由氮化硅封装的n型超晶格量子阱形成。一个晶种层(未示出)位于该氮化硅层上方并且可以是<100>单晶硅。

图4A-4B分别描绘了实现量子阱效应的一个实施例以及没有实现量子阱效应的另一个实施例。参照图4A，该探测器的一部分(例如，第一臂14、第二臂15、和/或吸收器16)可包括任意数目的膜41。这些膜41可包括Si和Si/Ge的交替层(例如，Si和Si/Ge的超晶格)。每一层Si和Si/Ge可具有≤的厚度。该探测器10内的量子阱材料的总厚度可以是≤一个第一触点42位于一端上，并且一个第二触点44位于另一端上。该第一触点42可被水平地远离该第二触点44放置。通过将该第一触点42水平地远离该第二触点44放置，少量的电流和热量可横向流动，从该第一触点42穿过这些Si/SiGe层到该第二触点44(例如，平面内)。这样一种条件使得该第一臂14、该第二臂、和/或该吸收器16能够实现量子阱效应。

提高热电材料的性能的一种方式可以是形成组分调制材料(compositionallymodulated material)，主要是通过相邻阻挡层在多层膜的活性层中对载流子进行量子阱限制。如在此所披露的方式是用一种材料包围每个电有源层，该材料具有一个足以形成电荷载流子的障碍的频带偏移(band offset)。热电性能上的改善(例如塞贝克效应、电阻率和热导率)预计要由态密度的增加(例如增强的塞贝克)、载流子迁移率的增加(例如较低的电阻)、以及由于量子阱与阻挡层之间的应变导致的受抑制的声子流(例如较低的热导率)产生。层厚度可以是≤

图4B描绘了该第一触点42被从该第二触点44垂直地移动位置。少量的电流和热量可以在跨平面的方向上流动，该方向与上文提到的从该第一触点42穿过这些Si/SiGe层到该第二触点44的量子阱配置的平面内方向垂直。虽然可以降低热导率，然而此实现方式无法实现量子阱效应。

图5描绘了在一个或多个吸收器12中和/或在这些臂14、15中在沉积的过程中由这些氮化硅层和超晶格量子阱材料导致的各种应力。例如，在沉积时如量子阱Si/SiGe的材料可以是在压应力的状态下。在压应力下，各种Si和SiGe层可相对于该基板16扩展。在这种应力状态下，当被悬吊并附着在两个点时(例如在接线柱22、30)，Si和Si/Ge的这些层(无论是在该吸收器12中和/或这些臂14、15中)可能会在该基板16之上屈曲。

另一方面，当沉积时，氮化硅可以是在抗张强度的状态下。在拉张应力下，每一层氮化硅可能都会相对于该基板16收缩。在这种应力状态下，当被悬吊并附着在两个点时(例如在接线柱22、30)，每个氮化硅层可被该基板16拉伸。通过使用氮化硅和量子阱Si/SiGe的预定厚度和沉积参数，可以构造一个几乎无应力的探测器。总体上，由于这两个应力(例如压缩和拉伸)是相反类型的事实，通过将这些Si和Si/Ge层与这些氮化硅层组合可以形成一个几乎无应力的薄膜。每一层的厚度可取决于每一层中的应力的幅度。

总体上，如果该探测器10的这些层(例如Si和Si/Ge及氮化硅的层)具有相等且相反的应力水平，那么这些层在彼此顶部的沉积可能产生一个几乎无应力的膜。例如，用代表材料m₁(例如Si和Si/Ge的层)的应力，并且用代表材料m₂(例如氮化硅层)的应力。在拉张应力下的材料可以具有一个正值，并且在压应力下的材料可以具有一个负值。用t₁代表第一组层(例如Si和Si/Ge)的厚度并且用t₂代表第二组层(例如氮化硅)的厚度。为了生产一个应力补偿的探测器10，可能需要满足下面的等式：

此表达式可以很容易地被推广到两组以上的层。

如以上所指出，量子阱Si/SiGe在沉积时可以是在压应力的状态下，并且氮化硅在沉积时可以是在拉张应力的状态下，由量子阱Si/SiGe的沉积造成的压应力可以被氮化硅的沉积造成的拉张应力抵消，这可能会导致一个几乎无应力的悬吊探测器实现方式。

总体上，每一层SiGe都可以是吸收器12和/或臂14、15中的n或p型掺杂。这些Si层可以不被掺杂并且因此是不导电的。吸收器12和/或臂14、15中的一个或多个硅锗层的掺杂浓度大约是在5x 10^18至5x 10^19原子/cm^3之间。n型与p型的掺杂浓度可以是不相同的。n型臂和P型臂的电阻应该是相同的以最大化塞贝克效应，这就是为什么不同的硅锗层的掺杂浓度不同，因为它可以被调整以实现等效的臂电阻。而且，随着掺杂浓度上升，电阻下降，但塞贝克效应也下降。实现了硅锗层的最佳掺杂浓度，以确保n型与P型臂之间的电阻是相同的，并且此外，实现最大的信噪比。

在该探测器10中使用基于超晶格量子阱的热电材料提供了(但并不限于)适当的热导率、增强的塞贝克效应、以及低电阻率，这可以提高探测器性能。用基于硅的材料(如氮化硅和/或氧化硅或其他合适的材料)封装基于超晶格量子阱的材料可以增加该探测器10的机械强度以及应力补偿由超晶格量子阱材料的不同层造成的抵消应力。总之，本披露设想当与基于硅的材料结合时在该探测器10中使用超晶格量子阱热电材料可提供(i)由于热导率的可接受水平而增强的探测器性能、已发现的与超晶格量子阱热电材料有关找到的增强的塞贝克效应和低电阻率，及(ii)由超晶格量子阱热电材料与封装的硅基材料之间的抵消应力造成的增强的机械强度/应力补偿。

除了Si/SiGe量子阱系统之外，其他的量子阱系统如Si/SiC和B₄C₄/B₉C₉可以同样使用。

RTEG

如以上所指出，如图1和2中所说明的实现方式可以与RTEG 200结合使用。在此情况下，RTEG 200可以包括多个探测器10(或10′)，这些探测器被安排进该封装进真空11中的M x N阵列18中。该RTEG 200总体上安排为感应直接或间接地接收自太阳或其他辐射源的热能以响应该热能产生电能来驱动另一个装置201和/或以将电能存储在存储装置203如电池中。

返回参见图1，为了最大化该RTEG 200的效率，可能需要一个具有在1与10毫托之间的真空11来最小化在吸收器16上产生的热的导热损耗。尽管不同的污染气体可能最终从该真空封装的环境内的材料中排除，氢气是典型地可以从该真空封装的环境内的不同材料中排除的主要污染物。为了维持高真空环境，可以将一种收气剂(例如可以吸收排气污染物的材料)置于该真空封装的环境内以“收取”或“吸收”该污染物。如在此提出的认识到的是钯和/或钯的某些合金(例如，钯-银)(在下文中统称为“钯”)可以在该真空封装的环境内用于吸收氢气。

钯作为收气剂

反射器17可以包括钯并且可以直接放置在吸收器16之下。该吸收器16与该反射器17之间的距离可以是该吸收器16与该封装的环境之间的最小距离(例如取决于设计从1至4微米的任何地方)。气体污染物(contaminate)(如氢气)的热导可以随着该吸收器16与该反射器17的距离减小而增大。总体上，在气体的存在下由于两个板之间的距离减小，热导随着板间隔减小而增大。这样，可以优选的是将钯放置在该吸收器16与该反射器17之间的一个点处，该点提供该吸收器16与该反射器17之间的最小距离。此外，该钯(或收气剂)可以几乎覆盖该M x N阵列18的整个表面区域(例如增加该收气剂材料的表面区域)，这样使得可以实现该收气剂的整体效用的增加。

除了是一种优异的氢气收气剂之外，钯(或镜面加工的钯(specular finishedPalladium))总体上包括在5与15微米之间的高反射率(例如，>98％)，由此提供了一种理想的反射器17的材料。该吸收器16背侧的“有效的”发射率由以下等式给出：

在最坏情况下，其中该吸收器16背侧的发射率是单位值(unity)(ε_吸收器＝1)，一个基于钯的反射器17可以导致该吸收器背后的有效发射率为0.02(假设钯的反射率为98％并且使用ε_反射器＝1–0.98＝0.02)，这可以维持该吸收器16的高温并且可以增加该RTEG 200的发电效率。

除了钯的收气剂和反射特性之外，钯的熔化温度，1555C，比用于CMOS/MEMS加工的铝合金的熔化温度(例如，这典型地是约450C)高的多。由于更高的熔化温度，沉积Si/SiGe量子阱材料的加工步骤可以在更高的温度下进行。当与探测器10的微桥施工技术结合使用时，这样一种条件可以改善RTEG 200的整体性能。

量子阱材料的高温沉积

接线柱CMOS温度限制可以通过进行，但不限于，以下项避免：(a)避免使用CMOS电路和/或(b)修改CMOS工艺这样使得可以在沉积材料如铝合金之前沉积一种或多种量子阱材料。此类材料总体上呈现出最终的低熔化温度。量子阱材料的高温沉积可以提供以下项：(1)可以使该基板的温度升高到450C(或例如650C)之上，这将允许晶种层在沉积过程中更好地结晶；(2)更高的沉积温度可以允许Si/SiGe量子阱材料中的更多的应力，这可能使得更宽的操作温度范围成为可能(例如可以实现该更宽的操作温度范围因为应力可以提高Si/SiGe量子阱材料的热电特性并且可以维持应力直到量子阱材料接近其初始沉积的温度)；(3)如果对于适当的装置操作，很多量子阱层是必需的，则有可能的是随着添加更多的层，量子阱材料的沉积可能开始失去其短程结晶有序(例如使用高温加工可能允许在已经沉积的叠层(layer stack)顶部沉积一个新的晶种层以“重新开始”短程(short term)结晶有序以允许随后的叠层以适当的结晶有序程度沉积)；以及(4)对于带有很多层的量子阱结构，维持适当的短程结晶有序的另一种方式可以是使部分沉积的堆在高温下退火以使该部分沉积的量子阱堆更好地结晶并且然后在该退火操作之后结束该沉积。

电连接

ROIC 19的一个功能可能是电结合探测器10或10′(下文中统称10)的每一个的输出。例如，可以将该M x N阵列18中的这些探测器10串联地放置以产生大的电压连同少量的电流。相反地，可以将这些探测器10并联地放置以产生大的电流连同小的电压。在任一种情况中，有用输出功率可以是相同的。不同的串联和并联组合可以提供不同程度的输出电压和输出电流。可以有益的是具有大的电压和小电流，因为电连接可能不会如此大以便携带大量的电流。

图6描绘了由M x N阵列18形成的RTEG 200的一种电连接方案。使用这种电连接方案，对于所有探测器的均匀的辐射交换，来自阵列18的有效输出电压可以是M*V，其中V是一个单一探测器10的输出电压。有效的输出电阻可以是R*M/N。总可用功率可以是该阵列的开路电压，M*V，乘以该阵列的短路电流，N*V/R，其是M*N*V²/R，如预期的。

如图6中所示的实例电连接的另外的益处是：如果任一个探测器发生故障，可以有多个路径用于电流继续流动以使得该RTEG 200能够继续运行。如果整行发生故障，则该RTEG 200可能变得不能工作。

多个不同的热电发电机设计正在被开发，它们可以用于将废热或热源直接转换成电力。此类设计可以包括来自柴油卡车以及汽车和热电发电机(包括空间应用)的废热回收。Bi2Te3合金、PbTe合金、以及SiGe基材料可以用于偏远地区例如深空探测器或通常的直接转换中的发电。然而，在大部分废热回收和直接热转换应用中，可能需要从热到电力的能量转换过程的效率上的改进。热电能转换装置的效率可能受到这些材料的性能的限制，其通常根据品质因数，Z，测量。

使用热电组件(使用QW材料)上的困难是热和电流必须沿着这些QW层流动。这种限制可能使得构造常规热电组件变得困难。此外，多个实体所使用的方式可能要求差不多1000或更多个QW材料层。如在此所提出的方式可能利用热传递的辐射交换原理。此条件可能允许简单的多的机械构造并且在QW材料使用中可能会更有效，这种材料在材料制造过程中在10或更大的因子的成本节约的情况下可能仅需要10至100层的材料。如在此所提出的方式还可能以一种串联/并联的电配置使用更薄的有源层用于增加的电压输出以降低对该装置的内在的载流要求。

发电量可能是非常小的(例如，微瓦至毫瓦)来驱动，例如，远程传感器。此外，因为这些装置是平的并且在尺寸与形状上与常规太阳能电池类似，所以可以生产大面板以从温差产生千瓦的电力，其中到该温差的一侧的热传递可以是辐射的并且该温差的另一侧上的热传递可以是传导和/或对流。工地系统的维护成本可以被降低，因为废热被转换成呈电力形式的可用的能量。

图7描绘了根据一个实施例的RTEG 200′中的一个探测器10。RTEG 200′包括任意数目的安排进阵列18中的探测器10。探测器10包括该吸收器12、第一臂14、以及第二臂15，它们被置于真空11中并且在ROIC 19附近。总体上将晶片级帽(或帽)202置于该RTEG 200′的阵列18中的每个探测器10之上以封装探测器10的该阵列18。在一个实例中，该帽202可以由硅形成用于接收红外辐射(IR)以允许从约3微米至14微米的IR的波长通过。在另一个实例中，该帽202可以由石英形成用于接收来自太阳能源如太阳的能量.总体上该帽202以晶片级形成并且可以是0.5mm厚。

空腔204形成(或蚀刻)进ROIC 19中，这样使得吸收器12和臂14、15悬吊在ROIC 19附近。空腔204的厚度可以是5μm(例如，从吸收器12的底部部分至ROIC 19的顶部部分)。通过将吸收器12、第一臂14、以及第二臂15放置进空腔204内，可以实现高填充因子，这对应于可以在阵列18内组装的探测器10的增加的数目。

将一个包围部分206沉积在ROIC 19上用于接收帽202并且将其粘结至ROIC 19。当将帽202通过包围部分206粘结至ROIC 19时形成吸收器12的真空密封。随着帽202的布置形成的真空11防止空气与吸收器12和臂14、15接触以确保如辐射通过帽202并且到吸收器12和臂14、15上的热能不经历由于空气的存在的温度变化。

包围部分206总体上由金形成。包围部分206的金与ROIC 19的硅形成一种共晶接合。包围部分206的总厚度可以是8μm。此外，ROIC 19的总厚度可以是325μm。该吸收器12与该帽202的底部之间的高度是20μm。空腔204可以具有5μm的厚度。

如以上所指出，由于超晶格量子阱材料的存在，该吸收器12和/或臂14、15使得能够增加热电阻以及增加电导，这些超晶格量子阱材料增加了总性能，如果在一种成像应用(例如照相机)中以及用于能量存储/产生应用(例如RTEG 200或200′)所实施的。这样一种条件使得该RTEG能够产生电力用于在存储装置201上存储或用于驱动另一个装置203。该另一个装置203可以从存储装置201在后面的时间点被驱动。该存储装置201可以是一个或多个电池或一个超级电容器。

太阳能转换

阳光转换成电力已经被光伏(PV)和太阳能热能发电主导。广泛地部署了PV电池，大多数作为平板，然而依赖光学集中器和机械热机的太阳能热发电可以在大型发电设备处看到。当前的商业PV太阳电池板转换效率在AM 1.5G(1kW/m²)下是15％-17％。在一个实例中，在AM 1.5G下，一个Si/SiGe量子阱RTEG 200或200′(下文中称为“200”)可以具有24％的效率。使用一个适度的太阳能集中器，可以将三个太阳的等效物，3kW/m²，定向到该RTEG200上，这可以产生35％的效率，与当前的可商购的PV技术相比，这可以提供差不多两倍的增加。使用高日光集聚，可以将五百个太阳的等效物，500kW/m²，定向到该RTEG上，这可以产生60％的效率，该效率可以超过当前的可商购的多结聚光光伏(CPV)技术。为了太阳能转换操作，吸收器12的顶部可以具有小于2微米波长的高发射率和大于2微米至约25微米的波长的低发射率。

图8描绘了多个ZT值(Z乘以(吸收器12的绝对温度+基板16的绝对温度)除以2)以及对应的效率，可以实现一种理想的热电。图8中的一个感兴趣点是对于非常高的ZT值，高效率可以在较低的温度下达到。图8描绘了其中该RTEG 200(结合了在此提出的这些方面)与现有的太阳能发电技术进行了比较的方式。如确定的，非常高的ZT值可以是有可能的并且有效的发电可以在更低的温差下提供。

对于RTEG 200，用于实现密封环境的晶片级帽(例如帽202)可以是一种抗反射涂覆的石英或蓝宝石以允许从约0.2微米至2微米的波长通过。

从热物体发电

图9描绘了多种热靶穿过5米大气的光谱出射度。要注意的是，一种热物体(稍高于沸水的温度(400K))可以产生大约来自太阳的地球拦截的能量密度。图10描绘了对于Si/SiGe QW系统来自使用来自表2(参见上面)的参数的模拟的结果。这说明了高电转换效率可以获得并且说明了该效率可以与温差成比例如对于一种热机所预期的。吸收器16的顶部部分可以具有对于约5至14微米的波长的高发射率。对于IR辐射电转换，用于实现密封环境的晶片级帽(例如帽202)应该是抗反射涂覆的硅以允许从约2微米至12微米的波长通过。

使用辐射冷却的日夜时间发电

在晴空条件下的室外辐射冷却普遍发生，因为大气发射率在8-13微米的波长区间内是低的、特别是如果空气是干燥的。在获得此红外冷却的一个因素是通过使用一个选择性吸收器12，该吸收器具有在8-13微米“窗口”内的低反射率，但是具有在别处的高反射率。仅考虑辐射平衡，在近室温下的冷却能力可以是约100W/m²。在这些条件下，Si/SiGe超晶格量子阱RTEG 200预期的效率可以是约2％，由此在夜里在寒冷的天空下提供约2W/m²的发电。取决于气候条件，由于太阳能保温(solar insulation)，昼间作业可以允许加热该RTEG200，升高温差，并且因此提高输出功率。对于这种方式的发电，沙漠条件是最佳的。图11描绘了对于典型的夜间沙漠条件的电输出对负载的计算机模拟。

应用可以包括，但不限于，(a)使用小型RTEG 200面板的低功率器件(几百毫瓦)的连续供电；和/或(b)较大面板，它们可以用于在夜里运行低功率设备和/或对电池201充电。

在一个实例中，用于实现密封环境的晶片级帽202可以是一种抗反射涂覆的硅以允许从约2微米至12微米的波长通过。认识到的是帽200可以按照不同的波长通过改变用于帽202上的材料的类型并且还基于吸收器12的特征来定制。

认识到的是如在此披露的以及结合RTEG 200和TEG 300使用的探测器可以如2012年4月19日提交的国际申请号PCT/US 2011/055220(“该‘220”申请)、题名为“超晶格量子阱红外探测器(SUPERLATTICE QUANTUM WELL INFRARED DETECTOR)”中提出的方式构造，该申请通过引用以其全文结合在此。

TEG

一个Si/SiGe量子阱标准TEG能够达到已经在此预测的电转换效率。一个挑战可能是在具有低的热导率的基板上获得令人满意的量子阱(QW)膜。所使用的基板材料可能必须考虑必须最小化的寄生热泄漏。另外，所选择的基板材料可以是沉积膜的平台。对于发电和冷却应用二者，由于基板热损耗，性能可能是受限的。QW材料可以具有最好的测量的功率因数并且与低热导率基板结合，可以提供高TEG模块。

为了达到QW材料可以获得的效率水平，TEG 300中的辐射和传导损耗应该被最小化。可以最小化这样的损耗并且允许使用QW效应(参见图4A)的一种方式可以是使用悬臂，如下面披露的。

图12描绘了在一个实施例中使用与帽202处于未连接状态的悬臂的TEG3 00中的探测器的侧视图。总体上，该TEG 300包括其一部分，该部分耦合到一个产热源302以接收热能用于响应该热能产生电能用于驱动另一个装置201和/或用于将电能存储在存储装置203如电池中。

该TEG 300总体上包括多个安排进阵列18中的探测器10。每个探测器10包括第一臂14a-14b(例如，悬臂)、第二臂15a-15b(例如，悬臂)、第一接线柱304、第二接线柱306、以及吸收器12。如以上所指出，该吸收器12包括该第一部分36、该第二部分38、以及有源区40。这些第一臂14a-14b和/或该第一部分36可由P型材料构成。这些第二臂15a-15n和该第二部分38可由N型材料构成。该有源区40将基于P型的元件(第一臂14b和该第一部分36)电耦合到基于N型的元件(第二臂15a和该第二部分38)。然而，认识到的是在一些实施例中，该吸收器12可以不包括或者P型或者N型材料并且可能仅仅包括有源区40。换言之，P型和N型材料在吸收器12中的量可以基于一种具体实现方式的所希望的标准改变。

总体上将第一接线柱304配置成支撑第一臂14a-14b，以及该ROIC 16之上的吸收器12的一侧。总体上将第二接线柱306配置成支撑第二臂14a-14b，以及该ROIC 19之上的吸收器12的另一侧。第一接线柱304和第二接线柱306各自使得从第一臂14a-14b和第二臂15a-15b分别到ROIC 19的电导成为可能。第一接线柱304和第二接线柱306的高度是在2μm-10μm之间。

反射器17位于第一臂14b和第二臂15b之下。该反射器17可以提高该吸收器12吸收热能的能力。该反射器17可以由铝或钯形成。该反射器17可以将没有被吸收器12吸收的热能(例如，未用的热能)反射回吸收器12。该反射器17还可以将热能反射回第一臂14a-14n和第二臂15a-15b。在该TEG 300在真空中实施的情况下,基于钯的反射器17还可以充当一种收气剂。

帽202总体上位于吸收器12、第一臂14a-14b、第二臂15a-15b、接线柱304和306、反射器17以及ROIC 19之上。帽202可以由硅形成并且是一个金属化表面。帽202包括一个沉积在其底部部分上的耦合层309(或金(或替代地铝)层309(然而，金是优选的))。下文将更详细地讨论耦合层309的相关性。帽202可以是一种高度导热材料。总体上，将帽202安排为接触产热装置302。下文将更详细地描述此方面。

图13描绘了图12的TEG 300的探测器10的方面的俯视图。例如，吸收器12的有源区40总体上由铝或优选地金形成。有源区40的金覆盖一层氮化硅。虽然在一些情况下，吸收器12不包括超晶格量子阱材料，有源区40的金可以仍然沉积在一个氮化硅层上，因为该氮化硅层也用作一个基底。间隙308在吸收器12的有源区40之间形成。如所示的，吸收器12不包括任何超晶格量子阱材料并且包括金覆盖的氮化硅层。第一臂14a-14b和第二臂15a-15b各自包括超晶格量子阱材料。第一臂14a-14b和第二臂15a-15b各自可以具有的总厚度的Si/SiGe(例如处于的10至50层)。此外，第一臂14a或14b和第二臂各自的宽度可以是10μm。由于被间隙308隔开，有源区40各自的宽度可以是200μm。间隙308的宽度可以是1μm。由于被间隙308隔开，每个有源区40的总长度是200μm。

总体上，第一臂15a-15b可以由P型Si/SiGe量子阱材料形成，其位于氮化硅上以应力补偿这些P型超晶格量子阱材料。第二臂16a-16b可以由N型Si/SiGe量子阱形成，其位于氮化硅上以应力补偿这些N型超晶格量子阱材料。

图14描绘了图14的TEG 300的探测器10的一侧的放大图。如所示，吸收器12总体上包括有源区40，该有源区40包括一个金(或铝)的金属膜并且不包括超晶格量子阱材料。将第二臂14b和有源区40各自沉积在氮化硅层307的顶部。该氮化硅层307应力补偿超晶格量子阱P型层并且支撑这些层在ROIC 19(以及基板16)之上。认识到的是另外的实现方式可以包括吸收器12(包括超晶格量子阱材料)。

图15描绘了图12的TEG 300的探测器10的方面的侧视图，其中使吸收器12(例如有源区40或金属膜)升高到接触帽202。例如，可以使该吸收器12的有源区40静电地升高到接触帽202。沉积在有源区40上的金可以接触帽202的金层309(例如，耦合层309将有源区40耦合到帽202上)。总体上，当与金(例如，金层309)以及沉积在有源区40上的金扩散时，帽202的硅特性导致一个更低的熔点。共晶接合是基于硅(Si)与多种金属形成合金并且形成共晶系的能力。确定的共晶形成总体上包括Si与金或与铝。金/硅共晶物的熔点是370C，比单独材料的熔点低的多并且比铝/硅共晶物的熔点(580C)低的多。

虽然没有示出，但是帽202附接到基板16。在将帽202附接到基板16上之后，将有源区40附接到帽202上。当帽202附接到基板16时并且当有源区40附接到帽202时，形成一个内室310以提供真空。为了完成吸收器12(例如有源区40)的附接，对帽202以及基板16(或TEG电连接)施加电压。在一个实例中，电压极性可以是对于帽202是正的并且对于基板/TEG300电连接是负的。随着电压增加，吸收器12可以被向上拉向帽202。当吸收器12到达帽202时，吸收器12可以通过，例如一个CO₂激光器附接到帽202上。

如以上所指出，可以将帽202耦合到产热源302。该产热源302将热能输送到帽202。帽202将该热能传导至与该帽202接触的吸收器12(或有源区40的金属膜)。进而，该热能被输送至产生电流(或功率)的臂14a-14b和15a-15b的超晶格量子材料。使这样的电流通过接线柱304和ROIC 19，并且然后存储在存储装置203中或提供给另一个装置201用于驱动该装置。使帽202附接到吸收器12可以提供大量的热传递至量子阱材料，该量子阱材料可以提供大量的发电。

如以上所指出，超晶格量子阱在臂14a-14b和15a-15b上(并且还在吸收器12上，如果实施为包括这样的材料)的存在可以使得能够增加热阻以及增加电导，这也增加了TEG300的总性能。另一个优点可以是在将热传递至TEG时的帽面积202的有效利用(高达70％)，这可以增加TEG效率。此外，将帽202附接至有源区40上可以允许该热沿着量子阱层流动，这可能是在这些超晶格量子阱材料中实现所希望的量子阱效应必须的。

认识到的是可以将该TEG 300耦合至任意数量的产热源202如，但不限于，用于汽车应用的消音器(或发动机)，其中所希望的是得到能量，或住宅和/或商业机构中用于驱动多个装置的热水管(或炉)。

图16描绘了根据一个实施例的另一个TEG 300’的探测器10的方面的另一个侧视图。该TEG 300′的探测器10总体上包括吸收器12、第一臂14、第二臂15、第一接线柱304以及第二接线柱306。使该吸收器12升高至接触帽202的金层309。该吸收器12可以具有其一个部分，该部分包括超晶格量子阱材料。该吸收器12还包括有源区40，其中一个氮化硅层被金覆盖。使该有源区40接触帽202的金层309。

可以将帽202耦合到产热源302上。该产热源302将热能输送到帽202。帽202将该热能传导至金层309，该金层309进而将该热能传导至有源区40以及形成吸收器12、第一臂14以及第二臂15的超晶格量子材料。通过第一臂14、第二臂15以及吸收器12的超晶格量子材料将该热能转换成电能并且电流(或功率)通过接线柱304、306至ROIC 19。可以将电流存储在存储装置203中或提供给装置201用于驱动该装置。

将一个绝缘层314施用至帽202。在一个实例中，该绝缘层314可以是二氧化硅(或SiO₂)。在绝缘层314与ROIC 16之间施用一个焊料层313以形成密封(例如，为要位于其中的探测器10创建真空)。该绝缘层314对最小化传递至ROIC 19的热起作用。

图17描绘了可以施用到TEG 300(或300′(下文中统称300))的帽202的底部的实例金属化图案320(例如，金层309的图案)。例如，该金属化图案320总体上包括多个金层309。每个金层309如说明的可以与一个相应的探测器10联合。在每个金层309之间形成间隙316以使每个探测器10彼此电绝缘。将每个金层309安排为接触吸收器12和/或第一和第二臂14、15。此外，每个金层309还可以具有0.01至0.1的电阻率ρ。认识到的是该帽202(例如，硅帽)可以具有ρ≥1ohm/cm的高电阻率。

图18描绘了根据一个实施例的另一个TEG 300的探测器10的方面的侧视图。如所示，探测器10不包括将吸收器12隔成多个有源区40的间隙308。这一条件使得当与如图12和15中所示的上述元件之间的距离相比时，帽202的底部(或在金层309的底部)与悬吊隔膜(例如第一臂14a-14b、第二臂15a-15b、以及吸收器12)的顶部之间的距离能够是相对较小的。该吸收器12可以是一种柔性的一片式吸收器，该吸收器可以静电地上升至附接该帽202。

图19描绘了如图22中所说明的当吸收器12升高至接触帽202时的TEG 300的探测器的侧视图。如以上所指出，间隙308不存在于此实现方式中，从而导致吸收器12行进以便接触帽202的较短的距离。此条件可以提供吸收器12与帽202之间的更大的接触面，这使得更多的热传递至吸收器12，由此导致更大的电能。

图20描绘了根据一个实施例与TEG 300结合的另一个测器10的俯视图。吸收器12包括一个铝层或金层(例如，2μm厚)，该铝层或金层覆盖位于有源区40之下的氮化硅层307(例如，2μm厚)。将吸收器12静电地升高用于附接至帽202上。第一臂14b和第二臂15a总体上是柔性的以使得当在探测器10与帽202之间施加适当的电压时吸收器12能够被拉高至接触帽202。第一臂14b和第二臂15a可以除了覆盖氮化硅层307的铝层或金层之外包括有源区40。

第一臂14上的第一部分320可以包括P型超晶格量子阱材料。第二臂15a上的第二部分322可以包括N型超晶格量子阱材料。如所示，超晶格量子阱材料的第二部分322的尺寸是长5μm以及厚1γm。铝层或金层和氮化硅层307的总厚度是约2μm。氮化硅层307的厚度可以是在0.5μm与1μm之间。总体上，第一臂14b和第二臂15a的长度可以是130μm。

图21描绘了根据一个实施例的另一个TEG 300的探测器10′(参见图2)的方面的侧视图。如所示，探测器10′包括吸收器12和有源区40。应注意，该探测器10′不包括第一臂14和第二臂15。吸收器12的一部分包括p型超晶格量子阱材料和n型超晶格量子阱材料。该吸收器12的剩余部分包括有源区40，该有源区包括金层(或铝层)。如所示，使包括金层(或铝层)的有源区40耦合该硅帽202的金层(或铝层)309b上。这可以提供一种更容易的键合操作，因为不存在二氧化硅充当一种绝热体。使剩余的金层309a和309c直接耦合至ROIC 19(或基板16)。该ROIC 19总体上嵌入该基板16内。例如，位于该基板16内的电子装置形成该ROIC 19。金层(或铝层)309a-309c的厚度是约8γm。

图22描绘了图21的TEG 300的探测器10′的俯视图。吸收器12包括位于其上的p型和n型超晶格量子阱材料的第一部分。基板16包括位于其上的p型和n型超晶格量子阱材料的第二部分。此条件可能适用于热能传递。如所示，使吸收器12上的p型和n型超晶格量子阱材料的第一部分电且热地耦合至ROIC 16上的p型和n型超晶格量子阱材料的第二部分，这样使得将一个电输出提供给阵列18中的下一个探测器10′。可以将如概括地示出的有源区40附接至帽202。在此情况下，有源区40之间的金层和帽202上的金层309的总厚度可以是有源区40之下的氮化硅层的厚度是1至2μm。此外，探测器10′的总长度是200μm。

虽然图22描绘了基板16(或ROIC 19)接收(或分享)部分超晶格量子阱材料，认识到的是该基板16可以不包括超晶格量子阱材料并且反而可以接收有源区40的金属化膜。此条件可能还适用于热能传递或热传递。

图23描绘了根据一个实施例的TEG 300中的帽202的实现方式。如图28中所说明的帽202可以结合图21的探测器10′使用。帽202包括(或限定)一个沟槽322a、322b，分别在金层(或铝层)309a、309c附近。每个沟槽322a、322b的宽度可以是约10μm并且每个沟槽322a、322b的长度可以是100μm。这些沟槽322a、322b使得来自产热装置302的热能流能够基本上流至吸收器12并且用于通过金层309a、309c抑止热能传递至ROIC 16。例如，使帽202的腿324a、324b处的热阻增加，由此导致更少的热流过在ROIC 16处的金层309a、309b之间形成的机械附接。

加热/冷却

在此披露的所有装置可以作为热泵用于加热或冷却物体。为了以此模式运行这些装置，可以将电流放进输出端并且该装置(RTEG或TEG)可以然后作为热泵运行。

虽然已经展示并描述了本发明的多个实施例，但是这些实施例并不旨在展示和描述本发明的所有可能的形式。而是，在本说明书中所使用的词语是描述性词语而并非限制性词语，并且可以理解的是可以做出不同修改而不背离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种热电发电机，包括：

一个帽，该帽被配置为联接到一个产热装置上以从该产热装置接收热能；以及

悬吊在一个空腔之上的一个吸收器，该吸收器接触该帽以接收该热能以及响应于该热能通过所述吸收器上的超晶格量子阱材料提供一种电输出用于以下项之一：存储装置上存储该电输出和用该电输出驱动一个第一装置；

其中该帽包括一个联接层，该联接层的第一部分用以将悬吊的该吸收器联接到该帽上，并且

其中该帽由硅形成以与该联接层以及该吸收器扩散这样使得在其间形成一种共晶接合以将该吸收器联接到该帽上。

2.如权利要求1所述的热电发电机，其中该联接层包括金和铝之一。

3.如权利要求1所述的热电发电机，进一步包括位于臂上的热电材料，所述臂被附接到接收所述超晶格量子阱材料的一部分从而与该吸收器产生温差的一个基板上。

4.如权利要求1所述的热电发电机，其中该吸收器包括一个用以接触该帽的有源区。

5.如权利要求1所述的热电发电机，其中该帽包括一个附接部分，该附接部分使用该联接层的第一部分附接到该吸收器，并且其中该附接部分远离该帽朝向该吸收器延伸。

6.如权利要求1所述的热电发电机，进一步包括一个基板，以用于接收该联接层的第二部分和第三部分和使用该联接层的第二部分和第三部分将该帽附接到该基板。

7.一种热电发电机，包括：

一个帽，该帽被配置为联接到一个产热源上以从该产热源接收热能；以及

一个吸收器，包括悬吊在一个空腔之上的一个有源区，该吸收器接触该帽以接收该热能并且响应于该热能通过所述吸收器上的超晶格量子阱材料产生一种电输出用于以下项之一：在存储装置上存储该电输出和用该电输出驱动一个第一装置；

其中该帽包括一个联接层，该联接层的第一部分用以将该有源区联接到该帽上，并且

其中该帽由硅形成以与该联接层以及该有源区扩散这样使得在其间形成一种共晶接合以将该有源区联接到该帽上。

8.如权利要求7所述的热电发电机，其中该联接层包括金和铝之一。

9.如权利要求7所述的热电发电机，进一步包括位于臂上的热电材料，所述臂被附接到接收所述超晶格量子阱材料的一部分从而与该吸收器产生温差的一种基板上。

10.如权利要求7所述的热电发电机，其中该帽包括一个附接部分，该附接部分使用该联接层的第一部分附接到该吸收器，并且其中该附接部分远离该帽朝向该吸收器延伸。

11.如权利要求7所述的热电发电机，进一步包括一个基板，以用于接收该联接层的第二部分和第三部分和使用该联接层的第二部分和第三部分将该帽附接到该基板。