CN105655473A - 热电发生器 - Google Patents

Abstract

热电发生器，包括具有声子结构的半导体隔膜(2)，包含至少一个PN结(3，4)，悬置在设计用于耦合至冷的热源的第一支座(5)、与设计用于耦合至热的热源的第二支座(6)之间，以及允许热通量在所述隔膜的平面内再分布的架构。

Description

热电发生器

技术领域

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。

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：

－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；

－旨在由人体热量供能的医疗应用的独立测量装置。

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

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

隔膜可以平行于支座延伸，例如至少距后者一定距离。

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。

支座可以是刚性的，例如由金属或半导体材料制成。

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。

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。

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。

根据又一实施例，位于一个面上的导热柱体包括

－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；

－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。

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。

对于悬置隔膜特别有利的是具有声子结构(phononicstructure)，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(inclusion)的晶格。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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2μm范围内。

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。

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。

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。

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。

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

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：

－图1至图3涉及根据本发明的热电发生器的各个实施例；

－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

现在参照图1至图3以便于示出包括在集成电路CI内的根据本发明的热电发生器的一个实施例。

图1示出了根据本发明的热电发生器1的一个实施例的鸟瞰图。图2是沿着图1中线II-II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。

参照图1和图2，可见热电发生器1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。

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。

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。

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。

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。

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F1、与隔膜的面向第二支座6的第二表面F2之间。

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制造工艺中形成的硅衬底的一部分。

金属薄膜(例如不锈钢或铝)也可以用于支座5和6。

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。

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。

位于第一面F1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。

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E1和E2之间产生了电势差。

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。

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。

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F1和F2上(例如柱体7、8、17、18在面F1上，而柱体14在F2上)。

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。

位于面F2上柱体的面F1上的迹线在位于面F1上柱体7、8、17和18的方形的中心处。

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。

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。

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。

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，：

－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)；

－晶格的对称性(六边形、方形等)；

－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；

－对称的包含物形状(方形、圆柱形、三角形)。

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10nm和2μm之间以便于具有比现有技术显著更好的热电特性。

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。

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。

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：沿定向方向包含物密度越高，沿该方向的热导率越低。

在图3中，定向的对角线方向D1具有最大包含物密度。结果，沿这些定向方向D1获得了最低的热导率(称作最小热导率的定向方向)。具有较低包含物密度的方向D2具有较高的热导率。

因此，引导热通量朝向这些方向D2以用于沿着PN结更快和更均匀的再分布热通量。

返回至图1，放大区域示出了具有声子结构2的硅隔膜的包含物晶格RZ的结构。包含物晶格是周期性和对称的。更准确的，该包含物晶格是方形形状，沿第一方向D1具有较高的包含物密度并且沿第二定向方向D2具有较低密度。

如图1中可见，在位于另一面(F2)上的柱体14的一个面(例如F1)上的迹线14、以及位于所述一个面(F1)上的相邻柱体(7，8，17，18)中的任一个上的迹线14沿着第一定向方向D1对准。

结果，在这些柱体之间具有声子结构的硅隔膜的热导率最小，并且获得了较高的热电特性性能以及较大的温度差。因此，由热电发生器产生的电压也将较高。

此外，导致较高热导率的定向方向D2平行于PN结的结。为此原因，可以在结中获得更均匀的温度。

这些热导率特性与隔膜平面中的依靠柱体的交替分布的热通量的再分布的组合允许热电发生器展现所获得的改进的性能特性。

使得制造根据本发明的热电发生器的一个示例的技术的示例展示在图4至图20中。

借由示意和非限定性方式示出了该实施例。可以设计若干变形例。

如图4中所示，在此使用绝缘体上硅类型的衬底，通常由本领域技术人员使用缩写“SOI”(绝缘体上硅)而标注。

绝缘体上硅类型的衬底包括半导体薄膜28，例如由硅制成，位于掩埋绝缘层29的顶部上，通常使用缩写“BOX”(用于掩埋－氧化物)而标注，BOX自身位于载体衬底30(例如半导体阱)的顶部上。

硅薄膜28的厚度确定热电隔膜2的最终厚度。根据在此之前所限定的特征，优选地具有在10nm和2μm之间的厚度。

图5至图9涉及用于对薄膜28的注入的步骤。

在图5中，方法开始于沉积光敏抗蚀剂层31以用于在以下步骤中准备光刻32。可以例如使用已知为HSQ的负性无机抗蚀剂层。

随后采用使用曝光梯度的光刻32(图6)。通过应用激光直写，随后获得了在抗蚀剂层31上曝光的各个深度。

抗蚀剂层31在显影(图7)之后现在具有可变厚度分布，并且用作在以下步骤中用于离子注入稀释的掩模。

如图8中所示，可以使用相对于用作掩模的抗蚀剂31具有选择性的第二有机抗蚀剂33(例如已知为SAL601的抗蚀剂)。在第二级光刻和第二抗蚀剂33显影之后，执行N型掺杂剂34的注入。无机抗蚀剂掩模31的垂直分布允许横向地调制掺杂剂的浓度以便于改进热电效率。

类推地，如图9中所示，应用对有机抗蚀剂35(例如已知为SAL601的抗蚀剂)新层的第三级光刻以及P型掺杂剂36的注入。最后执行对薄膜28的退火以用于激活掺杂剂。

以此方式，PN结3’、4’已经形成为与硅薄膜28串联耦合。这不同于此前所述的PN结3、4之处在于它们尚未拥有声子结构。

可以注意，采用在有源隔膜(薄膜28)平面内浓度调制而注入掺杂剂元素在此是可选的。其可以通过曝光梯度光刻工艺或者允许形成稀释掩模的任何其他方法而实施。

声子结构的形成示出在图10至图13中。

图10是薄膜28的P型掺杂剂4’的区域的放大图。正光敏感性或电敏抗蚀剂37(例如已知为PMMA或ZEP520的抗蚀剂)的层沉积在薄膜上。

通过在如图11中所示步骤中执行电子束光刻38，可以通过电子束直写获得声子晶体的图案。

在图11中所示步骤中暴露的区域随后在图12中所示的步骤中去除，接着刻蚀硅以便于形成包含物39。

备选地，可以通过诸如纳米压印之后干法或湿法刻蚀的其他构造方法执行声子结构的形成。

最终，在图13中所示步骤中去除正电子敏感性抗蚀剂的层。结果，形成了具有声子结构的包含PN结(3，4)的热电薄膜28。

热电发生器的制造的后续步骤示出在图14至图20中。

首先，对声子结构薄膜执行金属层40的沉积，例如通过“PECVD”沉积，其确定了柱体的高度。

在已经沉积了第一层光敏抗蚀剂之后，构造掩模用于通过光学光刻确定柱体几何形状。溅射工艺随后用于形成位于金属层40和构造抗蚀剂层顶部上的电绝缘体41的层。后者通过称作“剥离”的工艺移除，并且在导热电绝缘体层的未覆盖金属区域上通过光-热激光烧蚀而执行对柱体的最终微结构化，如图14中所示。

在图15中，临时粘附抗蚀剂42的层沉积在包括金属柱体的隔膜的面F2上。接着将临时支座43键合至临时粘附抗蚀剂42的层上，临时支座43由对于稍后湿法刻蚀步骤具有抵抗性的材料构成。

随后执行物理和化学刻蚀步骤以便于从SOI衬底移除硅衬底30和氧化物层29。结果，薄膜28准备好用于在面F1上形成柱体，如图16中所示。

面F1的金属柱体以类似于图14中所示方式而形成。可以注意，在薄膜两面上以交替方式交错的实施了金属柱体。每个柱体与PN结耦合，并且两面的柱体并未在相同垂直平面上对准，如图17中所示。

也可以注意，柱体与在柱体顶部上导热电绝缘体的厚度在隔膜两面上是相等的。

如图18中所示，第一支座5通过传统的转移和接合步骤而沉积在位于面F1的金属柱体7至10的顶部上的绝缘层上，第一支座5例如被设计用于耦合至冷的热源的柔性金属箔片(诸如不锈钢、铝等，具有良好热导率)。

传统地，随后形成接触通孔以用于电连接至位置E1、E2(图19)。

最终，可以溶解在薄膜面F2上的临时粘附抗蚀剂42以便于释放它并且用于获得热电发生器1的隔膜2。设计用于耦合至热的热源的第二支座6以类似于第一支座5的方式形成(图20)。

因此获得了集成的热电发生器1，包括具有声子结构的悬置半导体隔膜2。

Claims (18)

1.一种热电发生器，包括半导体隔膜(2)，所述半导体隔膜(2)包含至少一个PN结(3，4)，所述至少一个PN结(3，4)悬置在被设计用于耦合至冷的热源的第一支座(5)与被设计用于耦合至热的热源的第二支座(6)之间。

2.根据权利要求1所述的热电发生器，其中，所述半导体隔膜(2)包含交替的N导电类型(3)和P导电类型(4)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(5)定位的第一面与所述隔膜的面向所述第二支座(6)定位的第二面之间，所述隔膜(2)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(F1，F2)上的导热柱体(7－23)，每个柱体将PN结连接至对应的支座。

3.根据权利要求2所述的热电发生器，其中，位于一个所述面上的柱体包括称作接触柱体(25，26)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(E1，E2)以便于产生电信号并且由导热电绝缘体(27)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(24)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。

4.根据前述权利要求任一项所述的热电发生器，其中，所述悬置隔膜(2)是声子结构(27)，所述声子结构(27)包括不同于隔膜半导体材料的化合物的包含物(39)的晶格。

5.根据权利要求4以及权利要求2和3中任一项所述的热电发生器，其中，包含物晶格(RZ)是对称的并且包括第一定向方向(D1)以及第二定向方向(D2)，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(D2)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(3和4)平行于所述第二定向密度(D2)，并且在位于另一个面上的柱体(15)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(8，9，18，19)中的任一个对准。

6.根据权利要求5所述的热电发生器，其中，所述柱体(7－23)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(15)的一个面上的迹线在位于所述一个面上的柱体(8，9，18，19)的方形中心处。

7.根据权利要求4至6任一项所述的热电发生器，其中，所述包含物晶格(RZ)是周期性的，所述包含物晶格(RZ)具有至少一个重复间距(p)，所述至少一个重复间距(p)小于热声子的平均自由程并且大于热声子的波长。

8.根据权利要求7所述的热电发生器，其中，所述包含物晶格(RZ)包括一连串增大尺寸的各种重复间距(p)。

9.根据权利要求7和8中任一项所述的热电发生器，其中，所述包含物晶格(RZ)包括一连串增大尺寸的包含物。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的热电发生器，其中，所述半导体材料(2)包括硅，并且所述至少一个重复间距(p)大于2nm并且小于200nm。

11.根据前述权利要求中任一项所述的热电发生器，其中，所述半导体材料(2)包括硅，并且所述隔膜的厚度(e)在10nm和2μm范围内。

12.根据前述权利要求中任一项所述的热电发生器，其中，所述隔膜(2)平行于所述支座(5，6)延伸。

13.根据前述权利要求中任一项所述的热电发生器，其中，所述隔膜(2)与所述支座(5，6)等距。

14.根据前述权利要求中任一项所述的热电发生器，其中，所述支座(5，6)是刚性的。

15.根据权利要求14所述的热电发生器，其中，所述支座(5，6)的材料由金属或半导体材料制成。

16.根据权利要求1至13中任一项所述的热电发生器，其中，所述支座(5，6)是柔性的。

17.根据前述权利要求中任一项所述的热电发生器，所述热电发生器以集成方式制造。

18.一种集成电路，包括根据权利要求1至17中任一项所述的热电发生器。