CN215496783U - 集成热电转换器 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及一种集成热电转换器。一种集成热电转换器，包括：第一柱结构，第一柱结构包括多孔硅、多晶硅锗或多晶硅中的一项，并且被掺杂有第一导电类型；第二柱结构，第二柱结构包括多孔硅、多晶硅锗或多晶硅中一项，并且被掺杂有第二导电类型；以及第一导电互连结构，与第一柱结构的第一端以及第二柱结构的第一端电接触。利用本公开的实施例的集成热电转换器有利地易于工业化，提供了mA量级的功率电平，半导体面积消耗低，以低温差或高温差工作。

Description

集成热电转换器
技术领域
本公开大体上涉及固态技术领域，具体地半导体技术和设备，并且更具体地涉及一种固态集成热电转换器(如热电发电机(又称为“TEG”))。
背景技术
通过塞贝克效应将热能直接转换为电能(反之亦然)是一种从热源中收获能量的有前景的方法，特别是在降低的温度梯度被涉及以及不会被利用时(诸如工业厂房的余热、汽车引擎的残热、低温热源)。
热电发电机是低焓的余热利用设备，例如被用于无电池的散热器阀致动器或手电筒(在这后一种情况下，利用在人体温度与环境温度之间的温度差)。
热电发电机利用热电材料，该热电材料能够通过将温度差转换为电压来直接从热量中发电。
好的热电材料应该具有高电导率(σ)和低热导率(κ)二者。具有低热导率确保当材料的一侧变热时，另一材料侧保持冷态，即使在很低的温度梯度下，这也有助于生成显著的电压。
碲基热电发电机利用基于碲的材料作为热电材料。
碲化合物(诸如碲化铋(Bi2Te3))展现出良好的塞贝克系数(材料的塞贝克系数(也称为热功率、热电功率、热电灵敏度，是响应于由塞贝克效应引起的跨该材料的温度差而对所引起的热电电压的幅度的测量)、高电导率和低热导率(仅作为示例，碲化铋的热导率为2W/mK)。这些属性使碲化铋适合被用于形成热电发电机的“热电有源元件”(通过“热电有源元件”或“有源元件”表示热电材料中能够通过塞贝克效应将它们两端的温降或温度梯度转换为电位的热电元件)。
基于碲的热电发电机在设置有金属(Cu或Au)接触区域的一对相对的陶瓷衬底与导线之间包括多个互连的n掺杂碲化铋有源元件和p掺杂碲化铋有源元件(这些有源元件也被称为“支脚”)，其将多个n掺杂和p掺杂的碲化铋有源元件互连。n掺杂碲化铋有源元件通常借助于以下过程被形成为离散元件：涉及从粉末材料开始形成晶锭，然后切割晶锭以形成小球，然后在该小球被放入(在手动或半自动组装阶段中)两个陶瓷衬底之间形成塞贝克支脚。
因此，现有的碲基热电发电机是离散组件。碲化铋不适合被用作标准集成电路(IC)制造过程中的材料，该过程是基于硅的。
而且，碲基热电发电机通常仅在有限的温度范围内(通常，在室温下约为100K)展现出相对良好的效率，以及随着温度升高而迅速劣化的热电属性。这减少了碲基热电发电机的应用领域。
附加地，碲是相对稀有的元素，这固有地限制了其广泛使用。
此外，碲化合物(诸如碲化铋)的大量使用可能会带来环境问题，特别是在报废设备处置方面。
在硅基热电发电机中，基于硅的材料(n掺杂和p掺杂的，以展现出不同的塞贝克系数)被用作热电材料以形成有源元件。
利用兼容硅技术制造的硅基热电发电机可以被分类为两个系列：在第一系列的设备中，热流平行于衬底，而在另一系列中，热流与衬底正交(“平面外”热通量)。这些集成热电发电机的架构通常包括具有n-p掺杂支脚的多个基本单元，其以基本单元被热并联并且电串联的这种方式来布置。通常，热流平行于衬底的集成热电发电机可以将热电活性材料的导电支脚沉积在非常高的热阻材料或膜之上(悬挂在衬底之上几百微米)，或者活性材料支脚本身就是独立的(无膜)。
平面外热通量热电发电机使热损失最小化，简化系统级的热耦合，增强整体性能，并适用于微电子和光电设备等其他应用的小型化和集成。
M.Tomita等人于2018年6月18至22日在美国檀香山的VLSI技术2018的第38届IEEEVLSI技术研讨会的论文“10μW/cm2-Class High Power Density Planar Si-NanowireThermoelectric Energy Harvester Compatible with CMOS-VLSI Technology”批评采用长约10至100μm的硅纳米线作为有源元件的平面硅基热电发电机，这些硅纳米线悬挂在腔体上以切断热电流旁路，以保证跨硅纳米线的温度差。论文的作者提出了一种没有腔体结构的平面短硅纳米线热电发电机的设计概念，该腔体结构使用了在主要热电流附近形成的陡峭温度梯度。
WO 2018/078515公开了平面外热通量配置的集成热电发电机。发电机还包括顶部封盖层，该顶部封盖层沉积在所述平面非导电覆盖层的相对于所述空隙空间以相对方向定向的自由表面上，以便遮盖非导电覆盖层的通孔。
实用新型内容
本公开的目的是提供一种集成热电转换器，以至少部分地解决现有技术中存在的上述问题。
根据本公开的一方面，提供了一种集成热电转换器，包括：第一柱结构，所述第一柱结构包括多孔硅、多晶硅锗或多晶硅中的一项，并且被掺杂有第一导电类型；第二柱结构，所述第二柱结构包括多孔硅、多晶硅锗或多晶硅中一项，并且被掺杂有第二导电类型；以及第一导电互连结构，与所述第一柱结构的第一端以及所述第二柱结构的第一端电接触。
根据一个或多个实施例，集成热电转换器包括：围绕所述第一柱结构的第一绝缘结构，以及围绕所述第二柱结构的第二绝缘结构。
根据一个或多个实施例，其中所述第一柱结构包括多晶硅锗，并且所述第一柱结构包括彼此堆叠的多个多晶硅锗层。
根据一个或多个实施例，集成热电转换器包括衬底，其中所述第一柱结构包括多孔硅的第一部分以及多晶硅的第二部分，所述第二部分在所述第一部分与所述衬底之间。
根据一个或多个实施例，其中所述第一柱结构的所述第二部分与所述衬底接触。
利用本公开的实施例的集成热电转换器有利地易于工业化，提供了mA量级的功率电平，半导体面积消耗低，以低温差或高温差工作。
附图说明
本公开的这些和其他特征和优点将通过仅作为非限制性示例提供的示例实施例的以下描述而变得显而易见。
为了更好的易读性，以下描述应该参照所附附图来阅读，其中：
图1A至1G示出了根据本公开的示例实施例的热电转换器的制作方法的一些步骤；
图2A至2P示出了根据本公开的示例实施例的热电转换器的制作方法的一些步骤；
图3A至3L示出了根据本公开的再一示例实施例的热电转换器的制作方法的一些步骤；
图4A至4E示出了在本公开的示例实施例中的图2A至2P或图3A至3L的步骤之后的制作方法的一些步骤(相同或类似的过程步骤也可以在图1A至1G的步骤之后)；
图4F示出了用于形成接触焊盘的示例步骤；
图5在顶部平面图中示出了通过根据本公开的示例实施例的方法获得的热电转换器的布局，示例实施例的方法包括图1A至1G所示的步骤和类似于图4A至4E的步骤；
图6在顶部平面图中示出了通过根据本公开的实施例的方法获得的热电转换器的布局，示例实施例的方法包括图2A至2P或图3A至3L和图4A至4E所示的步骤；
图7示出了根据本公开的实施例的包括热电转换器的电子系统的简化框图；
图8示出了在接合热电晶片和太阳能电池晶片之后使用图4F的热电转换器的太阳能回收设备沿着图9A和9B的剖面线VIII-VIII截取的横截面；
图9A是图8的热电晶片在接合之前的顶部平面图；
图9B是图8的太阳能电池晶片在接合之前的底部平面图；
图10是在又一制造步骤中的图8的太阳能回收设备的横截面；
图11是在又一制造步骤中的图10的太阳能回收设备的沿着图12A和12B的剖面线XI-XI截取的横截面；
图12A是图11的热电晶片的顶部平面图；
图12B是图11的太阳能电池晶片的底部平面图；
图13是描绘了图11的太阳能回收设备的可能连接的方案；
图14和15示出了在不同制造步骤中的另一太阳能回收设备的横截面；
图16是不同的太阳能回收设备的横截面；
图17是本文公开的系统的示意性表示；以及
图18是根据本公开的可以被用于太阳能回收设备的太阳能电池晶片的示例的横截面。
要指出的是，附图中的图绘不一定按比例绘制。
具体实施方式
在下文中，将参照附图，其示出了根据本公开的示例实施例的热电转换器的制作方法的一些步骤。在附图中，相同和/或对应的元件由相同的附图标记表示。
首先参照图1A至1G，其示出了根据本公开的示例实施例的制作方法的一些步骤。
从硅衬底(第一硅晶片)105开始，硅衬底105的表面被氧化(例如借助于热氧化)以形成氧化物层110，例如二氧化硅(SiO2)。然后，多晶SiGe层115是在氧化物层110之上形成的。所得的结构是在图1A中示意性地描绘的。
多晶SiGe层115是例如多晶Si0.7Ge0.3层。多晶SiGe层115可以例如借助于沉积来形成，例如但不限于化学沉积，例如化学气相沉积(CVD)；在多种不同的CVD技术中，例如低压CVD(LPCVD)可以被利用。沉积是从硅烷(SiH4)和锗烷(GeH4)进行的。备选地，SiGe多晶硅层115可以借助于在外延反应器中的外延生长来形成。两种技术均产生保形的多晶SiGe层115。
多晶SiGe层115可以例如具有一些微米的厚度，例如大约1μm。
然后，如图1B和图1C所描绘的，n+掺杂和p+掺杂的多晶SiGe的交替的n+掺杂区域120a和p+掺杂区域120b各自在多晶SiGe层115中形成。掺杂剂(用于n+掺杂区域120a的施主掺杂剂和用于p+掺杂区域120b的施主掺杂剂)可以通过离子注入被选择性地引入多晶SiGe层115中。例如，合适的施主掺杂剂可以是磷或砷，合适的受主掺杂剂可以是硼。n+掺杂区域120a和p+掺杂区域120b可以例如具有在多晶SiGe层115中形成的基本平行带的形状(其中“平行”旨在沿着与图1B和图1C的图纸平面正交的方向)，n+掺杂区域120a和p+掺杂区域120b交替并且例如(但不限于)彼此连续(在图纸的从左到右的方向上)。
形成多晶SiGe层并且在多晶SiGe层中形成n+掺杂区域和p+掺杂区域的步骤被重复两次或多次。如图1D所描绘的，多晶SiGe的每个新层是在多晶SiGe的先前层上形成的(例如通过与第一多晶SiGe层115相同的技术)，并且在每个新形成的多晶SiGe层中是以与在先前的(多个)多晶SiGe层中形成的先前形成的n+掺杂区域120a和p+掺杂区域120b对准的方式(例如在从图1D的图纸的底部到顶部的方向上垂直)形成的(例如通过离子注入)。通过这种方式，n+掺杂区域的堆叠125a和p+掺杂区域的堆叠125b被获得，由此热电转换器的热电元件将被形成。通过这种方式，n+掺杂区域的堆叠125a和p+掺杂区域的堆叠125b采取以多晶SiGe层的堆叠形成的基本平行带的形式(其中再次，“平行”旨在沿着与图1D的图纸平面正交的方向)，n+掺杂区域的堆叠125a和p+掺杂区域的堆叠125b交替并且例如(但不限于)彼此连续(沿着图纸从左到右的方向)，如例如在1E中可见的。
形成多晶SiGe层并且在多晶SiGe层中形成n+和p+掺杂区域的步骤的重复次数取决于多晶SiGe层中的每个多晶SiGe层的厚度(堆叠的多晶SiGe层可以具有全部相同的厚度或彼此不同的厚度)，并且取决于多晶SiGe层的堆叠的期望整体厚度。即使针对相对较低的温度梯度，多晶SiGe层的堆叠的整体厚度也应该使得确保n+掺杂区域的堆叠125a和p+掺杂区域的堆叠125b的底部和顶部之间具有足够的热差。例如，多晶SiGe层的堆叠的整体厚度可以为几十微米，特别是大约10μm至大约30μm(因此，针对通用的多晶SiGe层的示例厚度约为1μm，形成多晶SiGe层并在多晶SiGe层中形成n+掺杂区域和p+掺杂区域的步骤被重复数十次)。
然后沟槽130是在n+掺杂区域的堆叠125a和p+掺杂区域的堆叠125b中形成的。沟槽130例如被形成为圆柱壳。沟槽130向下延伸至氧化物层110。多个沟槽130被沿着每个堆叠125a和125b形成，其为带状形状，如图1E所示。每个沟槽130界定n+掺杂区域的相应堆叠125a的相应(例如圆柱形)部分133a或p+掺杂区域的相应堆叠125b的相应(例如圆柱形)部分133b，这些部分133a和133b保持与相应的n+掺杂区域的堆叠125a和p+掺杂区域的堆叠125b的其余部分分离。n+掺杂区域的堆叠125a和p+掺杂区域的堆叠125b的(例如圆柱形)部分133a和133b将形成热电转换器的热电有源元件(例如“支脚”)。
借助于氧化过程，沟槽130被氧化物填充，并且结构的顶表面(例如与硅衬底105相对的表面)由氧化物层135覆盖。氧化物可以例如是SiO2。具体地，氧化过程可以涉及热氧化过程，以用氧化物涂覆沟槽130的侧壁，随后使用TEOS(原硅酸四乙酯)填充沟槽并且用氧化物层135覆盖结构表面来沉积厚的氧化物层。所得结构如图1F所示。通过这种方式，由沟槽130界定的n+掺杂区域的堆叠125a和p+掺杂区域的堆叠125b的(例如圆柱形)部分与相应的n+掺杂区域的堆叠125a和p+掺杂区域的堆叠125b的剩余部分保持绝缘。如所提及的，由沟槽130界定的n+掺杂区域的堆叠125a和p+掺杂区域的堆叠125b的(例如圆柱形)部分将形成热电转换器的热电元件(例如“支脚”)133a(n掺杂的，例如具有第一塞贝克系数，特别是具有第一符号，例如正的)和133b(p掺杂的，例如具有第二不同的塞贝克系数，特别是具有相对的符号，例如负的)。
如在图1G中可见的，对应于由沟槽130界定的n+掺杂热电元件133a和p+掺杂热电元件133b，接触开口在氧化物层135中形成，并且例如金属的导电层140在氧化物层135上形成、然后被图案化，以限定互连n+掺杂热电元件133a和p+掺杂热电元件133b的导线143。然后，该结构的表面被氧化物(例如SiO2)层145覆盖。
现在参照2A至图2P，其示出了根据本公开的另一示例实施例的方法的一些步骤。
从硅衬底(第一硅晶片)205开始，硅衬底205的表面被氧化以形成氧化物层210，例如二氧化硅(SiO2)。
然后，多晶硅(“磊晶多晶”)的(相对较厚的)层215在氧化物层210之上形成。例如，多晶硅层215是借助于在外延反应器中的外延生长来形成的。
所得结构是在图2A中描绘的。
多晶硅层215的厚度d应该诸如即使针对相对较低的环境温度梯度，也确保在将要在其中形成的热电元件的底部与顶部之间具有足够的热差(如下文所描述的)。例如，层215的厚度可以是几十微米，特别是从大约10μm到大约30μm。
然后多晶硅层215的表面被氧化以形成氧化物层220，例如二氧化硅(SiO2)层。所得结构如图2B所示。
如图2C所示，然后沟槽225是在多晶硅层215中形成的。沟槽225向下延伸至覆盖硅衬底205的表面的氧化物层210。沟槽225可以例如是圆柱形的。沟槽225可以例如具有大约3μm的宽度w。
然后如图2D所描绘的，例如借助于热氧化，沟槽225的壁被氧化物层230(例如二氧化硅(SiO2)层)覆盖。通过这种方式，氧化物230的圆柱壳是在沟槽225内创建的。
n+掺杂多晶SiGe层235在该结构的表面(例如与硅衬底205相对的表面)之上形成的。n+掺杂多晶SiGe层235例如是n+掺杂的多晶Si0.7Ge0.3多晶硅层。n+掺杂多晶SiGe层235可以例如借助于沉积来形成，特别是化学沉积，甚至更特别是化学气相沉积(CVD)；在多种不同的CVD技术中，低压CVD(LPCVD)可以被利用。沉积是从硅烷(SiH4)和锗烷(GeH4)进行的。n+掺杂多晶SiGe是保形的。在沉积过程期间，n+掺杂多晶SiGe填充沟槽225(其壁被氧化物230覆盖)。所得结构如图2E所示。
借助于化学机械抛光(“CMP”)步骤，n+掺杂多晶SiGe层235被从氧化物层220的表面之上去除，仅留下沟槽225内的n+掺杂多晶SiGe的(例如圆柱形)部分237(其壁被氧化物230覆盖)，如图2F所描绘的。
然后，其他沟槽240在层215中形成。与沟槽225相似，其他沟槽240向下延伸至覆盖硅衬底205的表面的氧化物层210。其他沟槽240可以例如是圆柱形的。与沟槽225相似，沟槽240可以例如具有大约3μm的宽度。其他沟槽240被形成以获得图2G所示的结构，其中其他沟槽240与沟槽225交替。
然后如图2H所描绘的，例如借助于热氧化过程，其他沟槽240的壁被氧化物层245(例如二氧化硅(SiO2)层)覆盖。通过这种方式，氧化物245的圆柱壳是在沟槽240内创建的。
p+掺杂多晶SiGe层247是在该结构的表面之上形成的。p+掺杂多晶SiGe层247例如是p+掺杂的多晶Si0.7Ge0.3层。p+掺杂多晶SiGe层247可以例如借助于沉积来形成，特别是化学沉积，甚至更特别是化学气相沉积(CVD)；在多种不同的CVD技术中，低压CVD(LPCVD)可以被利用。沉积是从硅烷(SiH4)和锗烷(GeH4)进行的。p+掺杂多晶SiGe是保形的。在沉积过程期间，p+掺杂多晶SiGe填充另外的沟槽240(其壁被氧化物245覆盖)。所得结构如图2L所示。
借助于化学机械抛光(“CMP”)步骤，p+掺杂多晶SiGe层247被从氧化物层220的表面之上去除，仅留下另外的沟槽240内的p+掺杂多晶SiGe的(例如圆柱形)部分249(其壁被氧化物245覆盖)，如图2M所描绘的。
通过这种方式，由沟槽225和245(其壁被氧化物230和245覆盖)界定的n+掺杂多晶SiGe的(例如圆柱形)部分237和p+掺杂多晶SiGe的(例如圆柱形)部分249与周围的多晶硅层215保持绝缘。这些n+掺杂多晶SiGe的(例如圆柱形)部分237和p+掺杂多晶SiGe的部分249将会形成热电转换器的热电元件(例如“支脚”)。
要指出的是，在图2M中可见的n+掺杂多晶SiGe的部分237中的每个部分和p+掺杂多晶SiGe的部分249中的每个部分可以标识沿着与图2M的图纸平面正交的方向(如可以在稍后描述的图5处清楚地理解的)延伸的n+掺杂多晶SiGe的部分237的相应阵列(各自形成在相应的沟槽225内，其壁被氧化物230覆盖)和n+掺杂多晶SiGe的部分249的相应阵列(各自形成在相应的又一沟槽240内，其壁被氧化物245覆盖)。
然后结构的表面(与硅衬底205相对)被氧化，以形成覆盖结构的整个表面的氧化物层250，例如二氧化硅(SiO2)层，如图2N所示。
如在图2P中可见的，对应于n+掺杂多晶SiGe的部分237中的每个部分和p+掺杂多晶SiGe的部分249中的每个部分，接触开口在氧化物层250上形成，并且例如金属的导电层255在氧化物层250上形成、然后被图案化，以限定互连热电元件235与245的第一导线257。然后，该结构的表面被又一氧化物层260覆盖，例如SiO2。氧化物层250和260一起形成嵌入第一导线257的表面氧化物层270。
在备选实施例中，代替分别由n+掺杂的多晶SiGe和p+掺杂的多晶SiGe制成，热电元件235和245可以分别由n掺杂的多孔硅和p掺杂的多孔硅制成。如前述内容所提及的，多孔硅有利地具有很小的热导率(孔隙率约为75％时为0.15至1.5W/m K)。n掺杂的多孔硅和p掺杂的多孔硅热电元件235和245可以通过分别转换n+和p+掺杂的多晶硅来获得。
图3A至图3L描绘了形成由多孔硅制成的热电元件235和245的过程的一些步骤。
从图2B所示的结构开始，如图3A所描绘的，掩模层305(例如氮化硅层或厚氧化物层)是在氧化物层220之上形成的。
如图3B所示，然后沟槽310是通过选择性蚀刻来形成的，该沟槽310从掩模层305的表面开始(其保护该结构在沟槽未被形成时免受蚀刻)向下延伸至覆盖硅衬底205的氧化物层210。沟槽310可以类似于先前描述的实施例的沟槽225(例如具有大约3μm的宽度的圆柱形沟槽)。
如图3C所描绘的，然后沟槽310的壁是例如借助于热氧化过程由氧化物层315涂覆的。
如图3D所示，例如氮化硅的掩模层320然后在整个结构之上被沉积。掩模层320的材料渗透到沟槽310中并且涂覆沟槽310的壁和底部。
移动到图3E，该结构受到蚀刻，在蚀刻过程期间，掩模层320的一部分被蚀刻掉；当掩模层320的材料和氧化物层210的沟槽310底部的部分被去除时，蚀刻停止，从而使硅衬底205在沟槽310的底部暴露。
类似于图2E至图2M的过程步骤然后被执行，以用n+掺杂的多晶硅和p+掺杂的多晶硅填充沟槽310。
在化学机械抛光步骤之后，在图3F中所描绘的结构被获得(在该附图和以下附图中，在步骤3E的蚀刻之后仍保留在沟槽310的顶表面和侧壁上的氮化硅层为了更好的易读性而未被示出)。沟槽310分别被填充有n+掺杂的多晶硅立柱325a和p+掺杂的多晶硅的(例如圆柱形)立柱325b。
然后n+掺杂的多晶硅立柱325a和p+掺杂的多晶硅的立柱325b被转换为n+掺杂的多孔硅立柱和p+掺杂的多孔硅的立柱。为此，结构被浸入例如由聚四氟乙烯制成的槽或阳极化电池中，该槽或阳极化电池被填充有氟化氢(HF)酸的溶液并且设置有阳极和阴极。要被处理的结构被连接至阳极(阴极可以例如是由铂制成的网状电极)。HF酸影响n+掺杂的多晶硅立柱325a和p+掺杂的多晶硅的立柱325b，从而将它们转化为n+掺杂的多孔硅立柱和p+掺杂的多孔硅的立柱。优选地，在n+掺杂的多晶硅立柱325a和p+掺杂的多晶硅的立柱325b的底部(基部)被转换为多孔硅之前，该过程被停止。这确保了多孔硅的完整性在制作过程的后续阶段期间被保存。所得结构在图3G中描绘，其中附图标记330a和330b分别表示n+掺杂的多孔硅的立柱和p+掺杂的多孔硅的立柱，并且附图标记335表示未经历向多孔硅的转化的立柱330a和330b的底部。
要指出的是，在实施例中，将n+掺杂的多晶硅立柱325a和p+掺杂的多晶硅的立柱325b转换为n+掺杂的多孔硅的立柱和p+掺杂的多孔硅的立柱的步骤可以被避免：本申请人发现即使性能不如n+掺杂的多孔硅和p+掺杂的多孔硅，n+掺杂的多晶硅和p+掺杂的多晶硅也是作为热电材料的可行选择。
在实施例中，该过程可以设想在结构的表面之上形成(例如通过沉积)多晶硅层340。然后施主掺杂剂离子和受主掺杂剂离子被选择性地注入到多晶硅340中，以各自在n+掺杂的多孔硅330a和p+掺杂的多孔硅330b的立柱之上形成n+掺杂的多晶硅区域345a和p+掺杂的多晶硅区域345b。所得结构如图3H所描绘。然后多晶硅层340的剩余部分(除了n+掺杂的多晶硅区域345a和p+掺杂的多晶硅区域345b之外)被蚀刻掉，以获得图3L所描绘的结构。通过这种方式，在n+掺杂的多孔硅330a和p+掺杂的多孔硅330b的立柱之上的n+掺杂的多晶硅区域345a和p+掺杂的多晶硅区域345b提供到n+掺杂的多孔硅330a和p+掺杂的多孔硅330b的立柱的扩大的接触面积，这可以促进形成到立柱的电接触。类似的考虑可以应用于前述内容描述的前两个实施例。
图4A至图4E示出了根据本公开的示例实施例的用于继续制作先前描述的实施例中的任何一个实施例的热电转换器的方法的一些步骤。尽管将在下文中描述的制作方法的步骤也适用于到目前为止描述的任何实施例，但是仅出于简单的原因，它们将参照图2A至图2P中描述的第二实施例被描述和示出。
如图4A所示，从图2P的结构开始，第二硅晶片405被接合至与硅衬底(第一硅晶片)205相对的结构的表面。
然后如图4B所示(在该附图以及以下附图图4C和图4D中，该结构与图4A相比被上下颠倒地描绘)，硅衬底(第一硅晶片)205被去除。在去除硅衬底(第一硅晶片)205之后，氧化物层210保持未被覆盖。
对应于热电元件237和249，接触开口在氧化物层210中被形成，并且例如金属的导电层410在氧化物层210上被形成，然后被图案化以限定互连热电元件237和249的第二导线413。所得结构如图4C所示。
然后，该结构的表面被又一氧化物(例如SiO2)层415覆盖，从而获得图4D的结构。
然后第二硅晶片405被选择性地蚀刻以形成沟槽，仅在热电元件237、249之上留下第二硅晶片的材料，并且在第二硅晶片405被去除的情况下，覆盖第一导线257的氧化物层260被蚀刻并且去除，以使第一导线257的部分257′、257″暴露；第一导线257的暴露部分257′、257″将形成热电转换器的接触焊盘，以焊接接合线265(图1G的结构中的导线143的类似部分将形成接触焊盘)。所得结构如图4E所示(类似于图2A至图2P定向)。
在使用中，结构的存在第二硅晶片405(的一部分)(左侧且未去除)的一侧将例如是热电转换器的“热”侧(例如热电转换器被插入的环境的温度较高的一侧)，而结构的相对侧在使用中将是例如热电转换器的“冷”侧(例如热电转换器被插入的环境温度较低的一侧)。自然地，在使用中，热电转换器的“热”侧和“冷”侧的作用可以被反转：通常，热电转换器的两侧将在使用中经历温度梯度。第二硅晶片405的被留下并且未被去除的(一个或多个)部分可以形成设备的结构支撑件。
图4F示出了4D和图4E的用于形成接合线265的接触焊盘的步骤的备选方案。在这种情况下，接触焊盘可以是第二导线413的互连热电元件237和249的部分。为了打开接触焊盘的接触区域，氧化物层415被选择性地蚀刻。不必选择性地蚀刻第二硅晶片405，该第二硅晶片405可以被留下以充当用于该结构的机械支撑件。
图5示出了通过图1A至图1G的制作过程和图4A至图4E所示的后续步骤获得的结构的布局。该设备包括多个第一热电元件133a(n掺杂的，例如具有第一塞贝克系数，特别是具有第一符号，例如正的)以及多个第二热电元件133b(p掺杂的，例如具有第二不同的塞贝克系数，特别是具有相对的符号，例如负的)。每个第一热电元件和每个第二热电元件在设备的“热”侧具有第一端，并且在设备的“冷”侧具有第二端。第一热电元件133a和第二热电元件133b以彼此平行延伸的交替阵列被布置，并且通过导线143(此处形成第一导线257)和第二导线413以“之字形”方式接触(在热电元件的相对端，“热”侧和“冷”侧)。第一导线257具有输入接触焊盘257′和输出接触焊盘257″。
第一热电元件133a和第二热电元件133b被热并联并且电串联。
图6示出了通过图2A至图2P(或图3A至图3L)和图4A至图4D和图4F的制作过程获得的结构的布局。
因此，图6的设备包括多个第一热电元件237(n掺杂的，例如具有第一塞贝克系数，特别是具有第一符号，例如正的)以及多个第二热电元件249(p掺杂的，例如具有第二不同的塞贝克系数，特别是具有相对的符号，例如负的)。每个第一热电元件237和每个第二热电元件249在设备的“热”侧具有第一端，并且在设备的“冷”侧具有第二端。第一热电元件237和第二热电元件249以彼此平行延伸的交替行或阵列被布置，并且通过第一导线257和第二导线413以“之字形”方式接触(在热电元件的相对端，“热”侧和“冷”侧)。第二导线413具有输入接触焊盘413′和输出接触焊盘413″。
第一热电元件237和第二热电元件249被热并联并且电串联。
图7以简化框图示意性地示出了根据本公开的实施例的包括热电转换器的电子系统700。
系统700包括热电转换器705，例如热电发电机，该热电转换器705适用于在系统700所处的环境中将由箭头710表示的热转换为电能，该电能被用于对系统700的电池715进行充电。电池715将电能供应给应用720，例如电子子系统，诸如智能手表、可穿戴设备、手电筒等。
所提出的解决方案展现出多个优点。它易于工业化，提供了mA量级的功率电平，半导体面积消耗低，以低温差或高温差工作。而且，所提出的解决方案允许将标准热电设备的大小从宏观尺度减小到微观尺度，并且利用半导体(硅)制造技术典型的技术步骤。
根据本公开的热电转换器可以在若干实际应用中被利用，诸如：可穿戴和健身设备、计步器和心率计、智能手表和护腕、用于智能家居和城市的无线传感器节点以及其他能量收获系统，如下面参照图17讨论的。
此外，如本文所公开的，根据本公开的热电转换器可以被用于太阳能回收设备中。
图8至图13示出了根据本公开的示例实施例的用于使用先前描述的实施例中的任何一个实施例的热电转换器来制造太阳能回收设备的方法的一些步骤。尽管将在下文中描述的制作方法的步骤也适用于到目前为止描述的任何实施例，但是为了简单起见，它们将参照图4A至图4D和图4F描述的过程步骤的延续被描述和示出。在图8、图10的横截面中(沿着图9A、图9B的截面平面VIII-VIII截取)以及在图11的横截面中(沿着图12A、图12B的截面平面XI-XI截取)，仅第一导线257是完全可见的；第二导线413仅部分可见。
如图8所示，第三硅晶片501被接合至图4F的结构的表面500A，此处由500表示并且也称为热电发电机结构500；表面500A与第二硅晶片405相对。第三硅晶片501可以是硅晶片，特别是单晶硅，其掺杂有受主掺杂剂，因此为P型，并且具有第一表面501A和第二表面501B。第三硅晶片501在其第一表面501A处被接合至热电发电机结构500。
为此，接合多层502被使用；例如，接合多层502可以包括在热电发电机结构500的表面500A上延伸的第一接合层504；在第三硅晶片501的第一表面501A上延伸的第二接合层505；以及中间接合层506。第一接合层504和第二接合层505的材料可以是铜(Cu)；并且中间接合层506的材料可以是锡(Sn)。
第一接合层504、第二接合层505和中间接合层506可以被施加在热电发电机结构500的表面500A上或第三硅晶片501的第一表面501A上。在备选方案中，第一接合层504可以被施加到热电发电机结构500的表面500A上，第二接合层505可以被施加到第三硅晶片501的第一表面501A上，并且中间接合层506可以被施加到第一接合层504或第二接合层505中的一者上。
在一些实施例中，接合多层502被限定为形成环形部分502A，该环形部分502A围绕容纳热电发电机结构500中的热电元件237、249的区域(也参见图9A和9B)。接合多层502还形成中间指状部分502B，其可以以各种方式被布置，以便允许良好的接合并且允许连接在热电发电机结构500的表面500A上或在第三硅晶片501的第一表面501A上延伸。
例如，图8的热电元件237、249形成彼此并联耦合的多个热电模块510(参见图9A)。在图8、图10和图11的实施例中，每个热电模块510可以包括也如图6所示的耦合的一行热电元件237和一行热电元件249(参见例如图6)；在备选方案中，每个热电模块510可以包括例如图6所示的整个结构。
在一些实施例中，热电模块510通过连接件511耦合，该连接件511可以部分地形成在氧化物层270中并且部分地形成在氧化物层415上(图8)。以接合多层502的环形部分502A中断，连接件511被耦合至布置在热电发电机结构500的外围的输入焊盘512和输出焊盘513。输入焊盘512和输出焊盘513可以以本身已知的方式通过过孔耦合至输入接触焊盘413′和输出接触焊盘413″。另外，环形部分502A形成阳极焊盘514，如下文解释的。
在图10中，N+型掺杂物种的注入是通过其第二表面501B在第三晶片501中执行的。例如，合适的N+型掺杂物种可以是磷或砷。
然后，注入物通过强激光束脉冲来退火和激活。脉冲长度可以约为一百纳秒(＜200ns)。由此，阴极区域520被形成。由脉冲生成的热量足以进行局部退火，从而消除局部注入损伤并且激活掺杂剂。具体地，使用非常短的脉冲，在金属区域中没有产生温度变化；因此，接合多层502、第一导线257和第二导线413以及连接511不受影响。
阴极区域520与第三晶片501(下面也称为P型衬底521)的基础部分一起形成二极管，该二极管能够以本身已知的方式将太阳能转换为电流。由此，第三晶片501形成太阳能光伏电池晶片201。
在图11中，第三晶片501被蚀刻，以去除其覆盖焊盘512至514的一部分(还参见图12A、12B，其示出了热电发电机结构500和第三晶片501尚未被接合在一起)。蚀刻可以通过激光或刀片切割来执行。因此，凹部525被形成，其暴露出焊盘512至514。
电线530被接合至输入焊盘512和输出焊盘513，并且外部连接531A、531B各自被接合至阳极焊盘514和阴极区域520。外部连接531A、531B可以是电线或电缆。
由此，太阳能光伏热电模块550被获得。
图13示出了三个太阳能光伏热电模块550以形成混合太阳能回收设备570的示例连接件。通常，多个太阳能光伏热电模块550可以被彼此串联或并联地耦合，其中通过相应的外部连接531A、531B，所有太阳能光伏热电模块550的输入焊盘512被耦合在一起，并且所有太阳能光伏热电模块550的输出焊盘513被耦合在一起。混合太阳能光伏热电设备570能够有效地回收电能。
常规的太阳能电池仅能够以接近太阳能电池带隙的频率吸收太阳辐射的光子能量，并且剩余的能量被转换为热能并且被浪费。此外，转换效率随温度下降。
与此相反，利用图8至图12的太阳能光伏热电模块，在太阳能光伏电池晶片501处产生的余热可以由热电发电机结构500回收，并且总功率是由热电发电机500供应的功率与由太阳能光伏电池晶片501供应的功率的总和，从而提供协同作用。
制造可以使用半导体工业中的常用技术来进行。例如，太阳能光伏电池晶片501在前端之前被接合。通过这种方式，在接合期间由于活塞施加在两个晶片上的压力而可能发生的(例如金属区域的)可能破裂被避免。
图14和图15示出了通过气溶胶喷射印刷半导体材料获得的热电发电机的另一实施例。具体地，无掩模中尺度材料沉积(M3D)可以被用于沉积半导体材料。根据本公开的一个方面，相对导电类型的碲化铋(Bi2Te3)区域被印刷。
例如，图14示出了第一晶片600和第二晶片601。第一晶片600和第二晶片601可以是硅晶片，例如单晶硅晶片。晶片600、601中的一个晶片(此处是第二晶片601)是P型的。
第一晶片600具有表面600A，备选地，在该表面600A上P型碲化铋区域604和第一粘附区域605已经使用M3D来沉积。
第二晶片601具有表面601A，备选地，在该表面601A上N型碲化铋区域606和第二粘附区域607已经使用M3D来沉积。
P型碲化铋区域604和第一粘附区域605被沉积在第一晶片600的表面600A上延伸的第一金属区域610上。N型碲化铋区域606和第二粘附区域607被沉积在第二金属区域611上。第一金属区域610和第二金属区域611可以例如是金(Au)。
例如，碲化铋区域604或606以及粘附区域605或607在每个金属区域610上被形成，并且P型碲化铋区域604与相邻的第一粘附区域605之间的距离与N型碲化铋区域606和相邻的第二粘附区域607之间的距离相同。
另外，尽管在图14至图15中完全可见，金属区域610、611通常具有图5或图6所示的用于导线143或257和413的图案，以用于串联连接碲化铋区域604、606。粘附区域605和607可以是锡银(Sn-Ag)合金，并且具有比碲化铋区域604、606低的厚度。此处，碲化铋区域604、606具有相同的厚度，例如在范围20至30μm内；粘附区域605、607具有相同的厚度，例如在范围1至2μm内。
通过将一个晶片(此处为第二晶片601)上下颠倒并且将P型碲化铋区域604接合至第二粘附区域607、并且将N型碲化铋区域606接合至第一粘附区域605(图15)，第一晶片600和第二晶片601被彼此接合在一起。
接合可以通过在低温(例如约400℃)处施加压力(例如1至20MPa)来完成。
在接合之后，碲化铋区域604、606形成热电元件。
然后，N+型掺杂物种的注入物在晶片600、601中的一个晶片(此处是第二晶片601)中通过其暴露表面执行。例如，磷或砷离子被注入。
然后，注入物通过强激光束脉冲来退火和激活，从而形成阴极区域620。第二晶片601的其余部分形成阳极区域621。
图15的结构可以经受上文参照图11、图12A和图12B讨论的制造步骤。
由此，太阳能光伏热电模块650被获得。
如图13所示，多个太阳能光伏热电模块650可以被耦合，以形成混合太阳能回收设备。
图16示出了类似于图15的太阳能光伏热电模块650，但是针对在此处被形成在同一晶片(此处是第一晶片600)上的碲化铋区域604、606和此处由附图标记705表示的被形成在另一晶片(此处是第二晶片601)上的粘附区域的布置的太阳能光伏热电模块750。其他元件已经由图14至图15的相同附图标记表示。
在一些实现方式中，在图16的实施例中，通过M3D印刷技术，P型碲化铋区域604和N型碲化铋区域606被印刷在第一晶片600上(在形成第一金属区域610之后)，并且粘附区域705被全部印刷在第二晶片601上(在形成第二金属区域611之后)。
在接合第一晶片600和第二晶片601之后，太阳能光伏热电模块750被获得。
如图17所示，由图15的太阳能光伏热电模块650或图16的太阳能光伏热电模块750回收的能量可以通过使用无源冷却系统来增加。
图17示出了太阳能回收系统800，其包括太阳能收集器面板801和用于使冷却流体再循环的环路802。在所考虑的实施例中，冷却流体是水，并且以下描述是考虑到水而进行的；然而，其他冷却流体可以被使用。
具有冷水输入水龙头804和暖水输出水龙头805的槽803被沿着水再循环环路802布置。
太阳能收集器面板801容纳如图13所示地耦合在一起的多个太阳能光伏热电模块550、650或750。太阳能光伏热电模块550、650或750可以被附接至界定沿着环路802布置的水室811的支撑壁810。水室811具有输入(冷)侧811A和输出(暖)侧811B；槽803被布置在水室811的输出(暖)侧811B附近。
由于在输入(冷)侧811A与输出(暖)侧811B之间的温度梯度，以及由于连通容器的原理，环路802中的水无需泵来循环。
例如，在实施例中，环路802可以包括在地平面下方(在图17中由830指示)延伸的地下区段820。具体地，通过将地下区段820布置在低于地平面830的深度8至10m处，从冷却水中的特别有效的热量提取被获得，并且制冷机或泵是不被需要的。
通过使冷却水再循环，环路802提供了太阳能收集器面板801的冷却，并且因此降低太阳能光伏电池晶片501、601的温度并且增加光伏效应。
图18示出了太阳能光伏电池晶片900的可能实施例。
在被氢钝化(a-Si:H)的情况下，太阳能光伏电池晶片900基于非晶硅的使用，并且包括由具有N型导电性的第一掺杂层901形成的堆叠；覆盖第一掺杂层901的中间本征层902；以及具有P型导电性的第二掺杂层903，其覆盖中间本征层902。
例如，图18的结构可以通过在第三晶片501之上沉积铝层905、第一掺杂层901、中间本征层902、第二掺杂层903、透明导电氧化物(TCO)层906和玻璃层907而从图8的结构开始获得。
在实施例中，第一掺杂层901可以具有大约10nm的厚度；中间本征层902可以具有约400nm的厚度；并且第二掺杂层901可以具有大约10nm的厚度。
TCO层906可以是例如铟锡氧化物。
由于电子-空穴复合在掺杂硅中特别高的事实，中间本征层902提供对光辐射的有效吸收，而第一掺杂层901和第二掺杂层903提供对电子电流的有效生成。因此，太阳能光伏电池晶片900非常有效，并且可以有利地与本文描述的热电发电机结构组合，例如与热电发电机结构500组合。
一种制作集成热电转换器的方法可以被概述为包括：提供硅基材料层(115；215)，硅基材料层具有第一表面以及与第一表面相对并且通过硅基材料层厚度与第一表面隔开的第二表面；形成具有第一塞贝克系数的第一热电半导体材料的多个第一热电有源元件(133a；237；330a)，并且形成具有第二塞贝克系数的第二热电半导体材料的多个第二热电有源元件(133b；249；330b)，其中第一热电有源元件和第二热电有源元件被形成为从第一表面延伸穿过硅基材料层(115；215)的厚度到第二表面；形成与硅基材料层(115；215)的第一表面和第二表面相对应的导电互连件(143、413；257、413)，以电互连多个第一热电有源元件和多个第二热电有源元件，以及形成电连接至导电互连件的输入电端子(257′)和输出电端子(257″)，其中第一热电半导体材料和第二热电半导体材料包括在多孔硅或多晶SiGe或多晶硅之间选择的硅基材料。
所述硅基材料层(115；215)可以是在聚SiGe(具体地聚Si0.7Ge0.3)或磊晶多晶硅中选择的材料。
具有第一塞贝克系数的第一热电半导体材料的所述多个第一热电有源元件(133a；237；330a)可以包括掺杂有受主掺杂剂或施主掺杂剂的掺杂多孔硅或多晶SiGe或多晶硅，并且具有第二塞贝克系数的所述第二热电半导体材料的所述多个第二热电有源元件(133b；249；330b)可以包括各自掺杂有施主掺杂剂或受主掺杂剂的掺杂多孔硅或多晶SiGe或多晶硅。
所述提供硅基材料层(115；215)可以包括在衬底的氧化表面上外延生长多晶硅层(115；215)。
所述形成具有第一塞贝克系数的第一热电半导体材料的多个第一热电有源元件(237)可以包括在硅基材料层(215)中形成第一沟槽(225、230)，用受主或施主掺杂剂掺杂的多晶硅或多晶SiGe填充第一沟槽，以及其中所述形成具有第二塞贝克系数的第二热电半导体材料的多个第二热电有源元件(249)可以包括在硅基材料层(215)中形成第二沟槽(240、245)，用施主或受主掺杂剂掺杂的多晶硅或多晶SiGe填充第二沟槽。
该方法还可以包括将填充第一沟槽和第二沟槽的掺杂多晶硅转换为掺杂多孔硅。
所述提供硅基材料层可以包括迭代至少两次以下步骤：在衬底(205)的氧化表面上形成多晶SiGe层(115)，其中与所述硅基材料层厚度相比，所述多晶SiGe层(115)具有一部分的厚度；用受主或施主掺杂剂选择性地掺杂多晶SiGe层的第一区域(120a)，以及用施主或受主掺杂剂选择性地掺杂多晶SiGe层的第二区域(120b)，使得在所述迭代之后，各个多晶SiGe层(115)的堆叠具有与所述硅基材料层厚度相对应的整体厚度,在各个多晶SiGe层的堆叠中形成沟槽(130)，以获得掺杂第一区域和掺杂第二区域的分离部分(133a、133b)。
一种集成热电转换器可以被概述为包括：硅基材料层(115；215)，具有第一表面以及与第一表面相对并且通过硅基材料层厚度与第一表面隔开的第二表面；具有第一塞贝克系数的第一热电半导体材料的多个第一热电有源元件(133a；237；330a)以及具有第二塞贝克系数的第二热电半导体材料的多个第二热电有源元件(133b；249；330b)，其中第一热电有源元件和第二热电有源元件从第一表面延伸穿过硅基材料层厚度到第二表面；与硅基材料层的第一表面和第二表面相对应的导电互连件(143、413；257、413)，以电互连多个第一热电有源元件和多个第二热电有源元件；以及电连接至导电互连件的输入电端子(257′)和输出电端子(257″)，其中第一热电半导体材料和第二热电半导体材料包括在多孔硅或多晶硅或多晶SiGe之间选择的硅基材料。
所述硅基材料层可以是在聚SiGe(具体地聚Si0.7Ge0.3)或磊晶多晶硅之间选择的材料。
具有第一塞贝克系数的所述第一热电半导体材料可以是掺杂有受主掺杂剂或施主掺杂剂的多孔硅或多晶硅或多晶SiGe，并且具有第二塞贝克系数的所述第二热电半导体材料可以是各自掺杂有施主掺杂剂或受主掺杂剂的多孔硅或多晶硅或多晶SiGe。
多个第一热电有源元件和第二热电有源元件中的每个热电有源元件以及第二热电有源元件中的每个第二热电有源元件可以具有在硅基材料层的第一表面处的第一端和在第二表面处的第二端，并且导电互连件可以将通用的第一热电有源元件的第一端电连接至第二热电有源元件的第一端并且将通用的第一热电有源元件的第二端电连接至另一第二热电有源元件的第二端，使得多个第一热电有源元件和多个第二热电有源元件被串联连接并且彼此交替。
电子系统(600)可以被概述为包括热电转换器。
本申请人已经认识到，本领域中提出的硅基热电发电机展现出了缺点。
硅具有大的电导率和良好的塞贝克系数，但是作为热电材料，它具有比碲化铋(热导率为2W/mK)高的热导率(148W/mK)的缺点。此外，具有腔体的硅基热电发电机由于腔体的存在而具有很低的机械稳定性。已知的硅基热电发电机的其他缺点是：工业化困难；低功率(～100μW/cm2)；以及高半导体面积消耗。
本申请人已经解决了设计新颖的热电转换器的问题，该新颖的热电转换器克服了影响已知的热电发电机的缺点。
本申请人已经发现，热电转换器的有源元件可以以备选材料(本领域中已知的碲化铋和硅除外)实现，该备选材料是良好的热电材料并且适合于标准IC制造技术，从而使得可以制作集成热电转换器。
本申请人已经发现，适合于实现集成热电转换器的有源元件的替代的良好热电材料是多孔硅，例如n掺杂或p掺杂的。
n掺杂和p掺杂的多孔硅热电有源元件可以通过转换n+和p+掺杂的多晶硅来获得。多孔硅有利地具有很小的热导率(孔隙率约为75％时为0.15至1.5W/m K)。
本申请人还发现，用于实现集成热电转换器的有源元件的另一合适备选良好热电材料是例如n掺杂或p掺杂的多晶硅锗(多晶SiGe)。多晶SiGe的热导率为3至5W/mK，并且申请人将其用作用于实现热电转换器的有源元件的材料。
用于实现集成热电转换器的有源元件的另一热电材料是多晶硅，例如n掺杂和p掺杂的。
根据本公开的一个方面，一种制作平面外(例如具有正交于衬底的热通量)热电转换器包括：
提供硅基材料层，具有第一表面以及与第一表面相对并且通过硅基材料层厚度与第一表面隔开的第二表面；
形成具有第一塞贝克系数的第一热电半导体材料的多个第一热电有源元件，并且形成具有第二塞贝克系数的第二热电半导体材料的多个第二热电有源元件，其中第一热电有源元件和第二热电有源元件被形成为从第一表面延伸穿过硅基材料层厚度到第二表面；
形成与硅基材料层的第一表面和第二表面相对应的导电互连件，以电互连多个第一热电有源元件和多个第二热电有源元件，以及
形成电连接至导电互连件的输入电端子和输出电端子。
第一热电半导体材料和第二热电半导体材料包括在多孔硅或多晶SiGe或多晶硅之间选择的硅基材料。
在实施例中，硅基材料层是在聚SiGe(具体地聚Si0.7Ge0.3)或磊晶多晶硅之间选择的材料。
在实施例中，具有第一塞贝克系数的第一热电半导体材料的多个第一热电有源元件包括掺杂有受主掺杂剂或施主掺杂剂的掺杂多孔硅或多晶SiGe或多晶硅，并且具有第二塞贝克系数的所述第二热电半导体材料的多个第二热电有源元件包括各自掺杂有施主掺杂剂或受主掺杂剂的掺杂多孔硅或多晶SiGe或多晶硅。
在实施例中，所述提供硅基材料层包括在衬底的氧化表面上外延生长多晶硅层。
在实施例中，所述形成具有第一塞贝克系数的第一热电半导体材料的多个第一热电有源元件包括：
在硅基材料层中形成第一沟槽；以及
用受主或施主掺杂剂掺杂的多晶硅或多晶SiGe填充第一沟槽。
在实施例中，所述形成具有第二塞贝克系数的第二热电半导体材料的多个第二热电有源元件包括：
在硅基材料层中形成第二沟槽；以及
用施主或受主掺杂剂掺杂的多晶硅或多晶SiGe填充第二沟槽。
在实施例中，该方法还可以包括将填充第一沟槽和第二沟槽的掺杂多晶硅转换为掺杂多孔硅。
在实施例中，所述提供硅基材料层包括：
迭代至少两次以下步骤：
在衬底的氧化表面上形成多晶SiGe层，其中与所述硅基材料层厚度相比，所述多晶SiGe层具有一部分的厚度；
用受主或施主掺杂剂选择性地掺杂多晶SiGe层的第一区域；以及
用施主或受主掺杂剂选择性地掺杂多晶SiGe层的第二区域，
使得在所述迭代之后，各个多晶SiGe层的堆叠具有与所述硅基材料层厚度相对应的整体厚度；以及
在各个多晶SiGe层的堆叠中形成沟槽，以获得掺杂第一区域和掺杂第二区域的分离部分。
根据本公开的另一方面，提出了一种平面外集成热电转换器。该设备包括：
硅基材料层，具有第一表面以及与第一表面相对并且通过硅基材料层厚度与第一表面隔开的第二表面；
具有第一塞贝克系数的第一热电半导体材料的多个第一热电有源元件以及具有第二塞贝克系数的第二热电半导体材料的多个第二热电有源元件，其中第一热电有源元件和第二热电有源元件从第一表面延伸穿过硅基材料层厚度到第二表面；
与硅基材料层的第一表面和第二表面相对应的导电互连件，以电互连多个第一热电有源元件和多个第二热电有源元件，以及
电连接至导电互连件的输入电端子和输出电端子。
第一热电半导体材料和第二热电半导体材料包括在多孔硅或多晶硅或多晶SiGe中选择的硅基材料。
在实施例中，所述硅基材料层是在聚SiGe(具体地聚Si0.7Ge0.3)或磊晶多晶硅中选择的材料。
在实施例中，具有第一塞贝克系数的所述第一热电半导体材料是掺杂有受主掺杂剂或施主掺杂剂的多孔硅或多晶硅或多晶SiGe，并且具有第二塞贝克系数的所述第二热电半导体材料是各自掺杂有施主掺杂剂或受主掺杂剂的多孔硅或多晶硅或多晶SiGe。
在实施例中：
多个第一热电有源元件和第二热电有源元件中的每个热电有源元件和第二热电有源元件中的每个第二热电有源元件具有在硅基材料层的第一表面处的第一端以及在第二表面处的第二端，导电互连件电连接：
通用的第一热电有源元件的第一端至第二热电有源元件的第一端；以及
通用的第一热电有源元件的第二端至另一第二热电有源元件的第二端，使得多个第一热电有源元件和多个第二热电有源元件被串联连接并且彼此交替。
根据本公开的再一方面，一种包括根据先前方面的热电转换器的电子系统被提出。
使用这种备选材料形成热电转换器的有源元件所带来的优点是：
工业化的容易程度；
功率电平约为1mA(而常规的热电发电机结构的特征功率电平针对典型的ΔT＝10K约为100μW/cm2)；
以低或高ΔT工作的能力；
没有机械稳定性问题；以及
低面积消耗。
本公开还可以基于以下示例实现方式来理解。
示例实现方式1：一种制作热电转换器的方法，包括：在硅基材料层中形成具有第一塞贝克系数的第一热电半导体材料的热电有源元件以及具有第二塞贝克系数的第二热电半导体材料的多个第二热电有源元件，所述硅基材料层具有第一表面、与所述第一表面相对的第二表面以及在所述第一表面与所述第二表面之间的第一厚度，所述第一热电有源元件和所述第二热电有源元件各自被形成为从所述第一表面延伸穿过所述第一厚度到所述第二表面；以及在所述硅基材料层的所述第一表面或所述第二表面中的至少一个表面之上形成导电互连件，所述导电互连件各自将所述多个第一热电有源元件中的第一热电有源元件与所述多个第二热电有源元件中的一个对应的第二热电有源元件电互连；以及形成电耦合至所述导电互连件的输入电端子和输出电端子，其中所述第一热电半导体材料和所述第二热电半导体材料各自包括从由多孔硅、多晶硅锗(SiGe)和多晶硅组成的组选择的硅基材料。
示例实现方式2：根据示例实现方式1所述的方法，其中所述硅基材料层是在具有Si0.7Ge0.3的材料组成的多晶SiGe或外延多晶硅之中选择的材料。
示例实现方式3：根据示例实现方式1所述的方法，其中具有第一塞贝克系数的所述第一热电半导体材料的所述多个第一热电有源元件被掺杂有受主掺杂剂，并且具有第二塞贝克系数的所述第二热电半导体材料的所述多个第二热电有源元件被掺杂有施主掺杂剂。
示例实现方式4：根据示例实现方式1所述的方法，其中所述硅基材料层是多晶硅，并且所述方法包括在衬底的氧化表面上外延生长所述多晶硅层。
示例实现方式5：根据示例实现方式4所述的方法，其中形成具有具有所述第一塞贝克系数的所述第一热电半导体材料的所述多个第一热电有源元件包括：在所述硅基材料层中形成第一沟槽，以及用掺杂有受主掺杂剂的多晶硅或多晶SiGe填充所述第一沟槽；以及其中形成具有所述第二塞贝克系数的所述第二热电半导体材料的所述多个第二热电有源元件包括：在所述硅基材料层中形成第二沟槽，以及用掺杂有施主掺杂剂的多晶硅或多晶SiGe填充所述第二沟槽。
示例实现方式6：根据示例实现方式5所述的方法，其中所述第一沟槽和所述第二沟槽中的每个沟槽被填充有多晶硅，以及所述方法还包括：将填充所述第一沟槽和所述第二沟槽的所述掺杂多晶硅转换为掺杂多孔硅。
示例实现方式7：根据示例实现方式1所述的方法，包括：形成所述硅基材料层包括：迭代以下步骤至少两次：在衬底的氧化表面上形成多晶SiGe层，其中多晶SiGe层具有与所述硅基材料层的所述第一厚度相比一部分的厚度；用受主掺杂剂选择性地掺杂所述多晶SiGe层的第一区域；以及用施主掺杂剂选择性地掺杂所述多晶SiGe层的第二区域，其中在所述迭代之后，各个所述多晶SiGe层的堆叠具有与所述硅基材料层的所述第一厚度相对应的整体厚度；以及在所述各个多晶SiGe层的所述堆叠中形成沟槽，从而获得掺杂第一区域和掺杂第二区域的分离部分。
示例实现方式8：根据示例实现方式1所述的方法，还包括：将所述硅基材料层接合至非晶硅的太阳能光伏电池晶片。
示例实现方式9：根据示例实现方式8所述的方法，其中接合所述硅基材料层包括形成与所述太阳能光伏电池晶片电接触的导电接合层，以及形成用于所述太阳能光伏电池晶片的第一电接触件。
示例实现方式10：根据示例实现方式9所述的方法，其中所述太阳能光伏电池晶片包括第一导电类型的第一区域，所述方法包括注入掺杂物种以形成与所述第一导电类型相对的第二导电类型的第二区域，以及形成电耦合至所述第二区域的第二电接触件。
示例实现方式11：一种制作热电转换器的方法，包括：在第一晶片和第二晶片上形成导电互连件；通过根据图案的无掩模中尺度材料沉积，在所述第一硅晶片或所述第二硅晶片中的至少一个硅晶片的所述导电互连件上印刷第一导电类型和第二导电类型的半导体区域；在所述第一硅晶片或所述第二硅晶片中的所述至少一个硅晶片的另一个硅晶片上形成导电材料的接合区域，所述接合区域被布置为与所述图案对应；以及使所述半导体区域与所述接合区域接触；以及通过向所述第一硅晶片和所述第二硅晶片施加压力来将所述半导体区域接合至所述接合区域。
示例实现方式12：根据示例实现方式11所述的方法，其中所述半导体区域是碲化铋区域。
示例实现方式13：根据示例实现方式11所述的方法，其中使用无掩模中尺度材料沉积形成接合区域。
示例实现方式14：根据示例实现方式11所述的方法，包括：在所述第一硅晶片的远离所述第二硅晶片的表面上形成阳极区域。
示例实现方式15：根据示例实现方式14所述的方法，包括：在所述第一硅晶片中形成阴极区域。
示例实现方式16：一种集成热电转换器，包括：第一柱结构，第一柱结构包括多孔硅、多晶硅锗或多晶硅中的一项，并且被掺杂有第一导电类型；第二柱结构，第二柱结构包括多孔硅、多晶硅锗或多晶硅中的一项，并且被掺杂有第二导电类型；以及第一导电互连件结构，与所述第一柱结构的第一端以及所述第二柱结构的第一端电接触。
示例实现方式17：根据示例实现方式16所述的集成热电转换器，包括：围绕所述第一柱结构的第一绝缘结构，以及围绕所述第二柱结构的第二绝缘结构。
示例实现方式18：根据示例实现方式16所述的集成热电转换器，其中所述第一柱结构包括多晶硅锗，并且所述第一柱结构包括彼此堆叠的多个多晶硅锗层。
示例实现方式19：根据示例实现方式16所述的集成热电转换器，包括：衬底，其中所述第一柱结构包括多孔硅的第一部分以及多晶硅的第二部分，所述第二部分在所述第一部分与所述衬底之间。
示例实现方式20：根据示例实现方式19所述的集成热电转换器，其中所述第一柱结构的所述第二部分与所述衬底接触。
示例实现方式21：根据示例实现方式16所述的集成热电转换器，其中所述多个第一热电有源元件中的每个热电有源元件以及所述多个第二热电有源元件中的每个热电有源元件是圆柱形的。
示例实现方式22：根据示例实现方式16所述的集成热电转换器，包括：第三柱结构，第三柱结构包括多孔硅、多晶硅锗或多晶硅中的一项，并且被掺杂有所述第二导电类型；以及第二导电互连件结构，与所述第一柱结构的第二端和所述第三柱结构的第二端电接触。
示例实现方式23：根据示例实现方式16所述的集成热电转换器，包括：第四柱结构，第四柱结构包括多孔硅、多晶硅锗或多晶硅中的一项，并且被掺杂有所述第一导电类型；以及第三导电互连件结构，与所述第二柱结构的第二端和所述第四柱结构的第二端电接触。
示例实现方式24：根据示例实现方式16所述的集成热电转换器，包括：绝缘层，覆盖所述第一导电互连件结构；以及在所述绝缘层上的硅晶片。
示例实现方式25：一种集成太阳能光伏热电模块，包括：衬底晶片；第一导电互连件，在所述衬底晶片上；在所述衬底层上的热电转换器结构，所述热电转换器结构包括具有第一塞贝克系数的第一热电半导体材料的多个第一热电有源元件和具有第二塞贝克系数的第二热电半导体材料的多个第二热电有源元件，所述第一热电有源元件和所述第二热电有源元件为立柱形状、并且各自具有第一端和第二端，每个第一热电有源元件的所述第一端通过相应的第一导电互连件电耦合至第二热电有源元件的所述第一端；第二导电互连件，耦合至所述第一热电有源元件和所述第二热电有源元件的所述第二端；非晶硅的太阳能电池晶片，接合至所述热电转换器结构，所述太阳能电池晶片包括阳极区域和阴极区域；第一输入电端子和第一输出电端子，电耦合至所述导电互连件；以及第二输入电端子和第二输出电端子，各自电耦合至所述阳极区域和阴极区域。
示例实现方式26：一种集成热电转换器，包括：硅基材料层，具有第一表面和与第一表面相对的第二表面，所述第二表面通过所述硅基材料的第一厚度与所述第一表面分离；具有第一塞贝克系数的第一热电半导体材料的多个第一热电有源元件；以及具有第二塞贝克系数的第二热电半导体材料的多个第二热电有源元件；所述第一热电有源元件和所述第二热电有源元件各自从所述第一表面延伸穿过所述硅基材料层；导电互连件，在所述硅基材料层的所述第一表面或所述第二表面的至少一个表面上，并且各自电接触所述多个第一热电有源元件中的第一热电有源元件以及所述多个第二热电有源元件中的对应一个第二热电有源元件；以及电耦合至所述导电互连件的输入电端子和输出电端子，其中所述第一热电半导体材料和所述第二热电半导体材料各自包括从由多孔硅、多晶硅锗(SiGe)和多晶硅组成的组选择的硅基材料。
示例实现方式27：根据示例实现方式26所述的热电转换器，其中所述硅基材料层是在具有Si0.7Ge0.3的材料组成的多晶SiGe或外延多晶硅之间选择的材料。
示例实现方式28：根据示例实现方式26所述的热电转换器，其中具有第一塞贝克系数的所述第一热电半导体材料被掺杂有受主掺杂剂，并且具有第二塞贝克系数的所述第二热电半导体材料被掺杂有施主掺杂剂。
示例实现方式29：根据示例实现方式26所述的热电转换器，其中：所述多个第一热电有源元件中的每个第一热电有源元件以及所述多个第二热电有源元件具有在所述硅基材料层的所述第一表面处的第一端以及在所述硅基材料层的所述第二表面处的第二端；以及所述导电互连件电连接：第一热电有源元件的第一端至第二热电有源元件的第二端；以及所述第一热电有源元件的第二端至另一第二热电有源元件的第二端，使得所述多个第一热电有源元件以及所述多个第二热电有源元件串联耦合并且彼此交替。
上述各种实施例可以被组合以提供另外的实施例。实施例的各个方面可以被修改以提供其他实施例。
鉴于上面详述的描述，这些和其他改变可以对实施例进行。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限于本说明书和权利要求中所公开的具体实施例，而是应被解释为包括所有可能的实施例以及这种权利要求被赋予的等效物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (5)

1.一种集成热电转换器，其特征在于，包括：
第一柱结构，所述第一柱结构包括多孔硅、多晶硅锗或多晶硅中的一项，并且被掺杂有第一导电类型；
第二柱结构，所述第二柱结构包括多孔硅、多晶硅锗或多晶硅中一项，并且被掺杂有第二导电类型；以及
第一导电互连结构，与所述第一柱结构的第一端以及所述第二柱结构的第一端电接触。
2.根据权利要求1所述的集成热电转换器，其特征在于，包括：围绕所述第一柱结构的第一绝缘结构，以及围绕所述第二柱结构的第二绝缘结构。
3.根据权利要求1所述的集成热电转换器，其特征在于，所述第一柱结构包括多晶硅锗，并且所述第一柱结构包括彼此堆叠的多个多晶硅锗层。
4.根据权利要求1所述的集成热电转换器，其特征在于，包括衬底，其中所述第一柱结构包括多孔硅的第一部分以及多晶硅的第二部分，所述第二部分在所述第一部分与所述衬底之间。
5.根据权利要求4所述的集成热电转换器，其特征在于，所述第一柱结构的所述第二部分与所述衬底接触。
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