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Die
Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Physik und der Werkstoffwissenschaften
und betrifft ein thermoelektrisches Bauelement, wie es beispielsweise
als Sensor oder als Energiekonverter zum Einsatz kommen kann, und
ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Thermische
Energie in elektrische Energie zu wandeln, ist ein seit langem bekannter
Vorgang. In klassischen Kraftwerken wird dabei aus thermischer Energie
Bewegungsenergie generiert, die dann wiederum in elektrische Energie
umgewandelt wird. Um diese Prozesse mit hoher Effizienz betreiben
zu können, ist eine große Menge an thermischer
Energie notwendig, die sich durch einen Temperaturunterschied von
mehreren 100 K der damit beladenen Medien oder Körper gegenüber
der Umgebungstemperatur auszeichnet.
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Thermische
Energie bei geringen Temperaturunterschieden ist mit der genannten
Prozessabfolge in effektiver Weise nicht in elektrische Energie
zu wandeln. Um derartige thermische Energie – die so genannte
Niedrigtemperaturenergie – in elektrische Energie zu wandeln,
lassen sich thermoelektrische Prozesse mit gutem Erfolg ausnutzen.
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In
einem Material resultiert das Anlegen eines Temperaturgradienten
direkt in einen elektrischen Potentialunterschied. Die Wechselwirkung zwischen
dem Temperatur- und dem Spannungsgradienten wird durch den Seebeck-Koeffizienten
beschrieben. Ein einzelnes thermoelektrisches Grundelement kann
allerdings nur eine sehr geringe elektrische Spannung oder nur einen
sehr geringen elektrischen Strom erzeugen, was die Notwendigkeit
begründet, kaskadenförmige Baugruppen zu realisieren.
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Aus
diesem Grunde finden thermoelektrische Prozesse neben dem Einsatz
in der Leistungsgeneratorik, wo mittels großer Kaskaden
das erforderliche Spannungsniveau erzeugt wird, bevorzugt auch in
der Messtechnik Anwendung. Dort können die geringen elektrischen
Spannungen als sensorische Signale für eine Bestimmung
der Temperatur oder Temperaturdifferenz verwendet werden.
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An
einigen ausgewählten Beispielen sollen im Folgenden Vor-
und Nachteile bestehender Lösungen genannt werden.
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Aus
der
DE 101 12 383
A1 sind ein Thermoelement und ein daraus aufgebauter Thermogenerator
bekannt, der aus einer Vielzahl von übereinander geschichteten
Thermoelementen besteht. Die einzelnen Elemente bestehen jeweils
aus einem quaderförmigen Trägerkörper
aus formbeständigem dielektrischem Material. Zwei gegenüberliegende
Seiten dieses Trägerkörpers sind mit unterschiedlichen
Materialien aus der thermoelektrischen Spannungsreihe beschichtet.
Auf einer dritten Seite stoßen die beiden Metallschichten
zusammen und überlappen sich. Die sich berührenden
Seiten der Thermoelemente in dem Stapel weisen die gleiche Metallbeschichtung auf
und die dritte Seite liegt abwechselnd zu den Stapelaußenseiten
frei.
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Nach
der
DE 10 2006
024 167 A1 ist ein Thermogenerator bekannt, der eine erste
elektrische Spannungsquelle mit einem ersten Spannungsausgang und
eine zweite elektrische Spannungsquelle mit einem zweiten Spannungsausgang
aufweist. Dabei ist die erste elektrische Spannungsquelle aus einem
ersten thermoelektrischen Element gebildet, und es ist ein dritter
Spannungsausgang vorgesehen, der mit dem ersten Spannungsausgang
und dem zweiten Spannungsausgang gekoppelt ist.
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Weiterhin
ist nach der
DE
10 2006 015 492 A1 ein Thermogenerator bekannt, bei der
der Thermogenerator aus einer Vielzahl an Thermoelementen auf einem
Substrat als Hauptfunktionsebene besteht. Jedes Thermoelement weist
einen heißen Thermokontakt und einen kalten Thermokontakt
auf, wobei die Thermokontakte senkrecht zur Hauptfunktionsebene
säulenartig aufgebaut sind.
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Bekannt
sind auch Arbeiten zur Realisierung von thermoelektrischen Kühlern
auf Kapton-Folie, um den Einfluss des Substrates durch Verwendung schlecht
wärmeleitender dünner Materialien auf die Thermoelemente
möglichst gering zu halten [L. M. Goncalves, u.
a., J. Micromech. Microeng. 17 (2007) S168-S173].
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Nachteilig
bei den Lösungen des Standes der Technik ist, dass infolge
der planaren Anordnungen der thermoelektrischen Elemente der elektrische und
thermische Einfluss des Substrates, auf dem die thermoelektrischen
Elemente angeordnet sind, sehr groß ist. Die Wechselwirkungen
mit dem Substrat, die in parasitärer Weise auf die funktionellen
Parameter Einfluss nehmen, können die Effektivität
der Energiewandlung beträchtlich reduzieren.
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Weiterhin
bekannt ist das Aufrollen von Festkörperschichten, wenn
diese von einem Substrat abgelöst werden. Dies wurde zum
Beispiel von Prinz [V. Y. Prinz, u. a, Physica E 6 (2000)
828-831] und von Schmidt [O. G. Schmidt, u. a.,
Nature 410 (2001) 168] beschrieben (roll-up-Technologie).
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In
diesen Veröffentlichungen weist die Festkörperschicht,
die eine Dicke von wenigen Nanometer besitzt, einen Verspannungsgradienten
in Wachstumsrichtung auf. Dies kann zum Beispiel durch ein Schichtpaar
realisiert werden, in dem die beiden Schichten durch ihre chemische
Zusammensetzung leicht unterschiedliche Gitterkonstanten besitzen.
Zur Ausnutzung der sich ergebenden Gitterfehlanpassung, wenn man
beide Schichten aufeinander abscheidet, werden die Schichten in
der Reihenfolge abnehmender Gitterkonstante auf eine Opferschicht aufgebracht.
Wird nun diese Opferschicht durch eine selektive Ätzlösung
aufgelöst, dehnt sich die während des Schichtwachstums
zusammengedrückte untere Lage aus, während sich
die obere Lage, die durch die Gitterfehlanpassung gestreckt ist,
zusammenzieht. Durch diese beiden Prozesse beim Ablösen
vom Substrat kann es dazu kommen, dass sich das Schichtpaar aufrollt.
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Dabei
kann die Opferschicht auch strukturiert aufgebracht werden, so dass
durch die spätere Verwendung einer selektiven Ätzlösung
die Opferschicht teilweise oder komplett entfernt wird. Das Schichtenpaar
wird sowohl auf die Opferschicht, als auch auf benachbarte Substratbereiche
aufgebracht. Durch selektive Entfernung der Opferschicht, rollt das
Schichtenpaar in diesem Bereich, während es im Bereich
der direkten Haftung am Substrat nicht rollt. Nach Abschluss des Ätzvorgangs
(im Falle, dass die Opferschicht vollständig entfernt ist)
liegt eine Rolle vor, die in ihrer vollen Länge am Substrat
haftet.
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Neben
der Verwendung zweier gegeneinander verspannter Festkörperschichten,
können auch Einzelschichten einen Verspannungsgradienten
aufweisen. Dieser Verspannungsgradient bildet sich während
des Wachstums der Schicht, durch die Fehlanpassung mit der Gitterkonstante
des unterliegenden Substrats.
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Nachteilig
bei allen Lösungen des Standes der Technik ist, dass durch
die planare Anordnung der thermoelektrischen Bauelemente der elektrische und
thermische Einfluss des Substrates, auf dem die thermoelektrischen
Bauelemente angeordnet sind, sehr groß ist. Diese parasitären
Effekte nehmen zum Teil starken Einfluss auf die intrinsischen Parameter der
Prozesse im Bauelement und verringern deren Effizienz.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Lösung besteht in der Konzipierung
eines thermoelektrischen Bauelementes, bei welchem nur sehr geringe
parasitäre Effekte des Substrates auftreten und damit die Energiewandlung
in effizienter Weise erfolgt. Ferner besteht die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung auch in der Angabe eines einfachen und preiswerten Verfahrens
zur Herstellung des konzipierten Bauelementes.
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Die
Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße thermoelektrisches Bauelement
zur Ausnutzung des Peltier-Seebeck-basierten Wirkprinzips besteht
aus zwei oder mehreren getrennt oder gemeinsam mittels der roll-up-Technologie
aufgerollten Dünnschichten, wovon je eine aus einem p-
und einem n-dotierten Halbleitermaterial besteht und diese den p-
und n-leitenden thermoelektrischen Schenkel bilden, und die aufgerollten
Dünnschichten mäanderartig miteinander über
elektrische Kontakte verbunden sind, und wobei die zwei oder mehreren
aufgerollten Dünnschichten auf einem elektrisch nichtleitenden
Substrat mit maximal 5% ihrer gesamten Fläche mit den elektrischen Kontakten
und dem Substrat stoffschlüssig verbunden sind, und so
die zwei oder mehr Schenkel des thermoelektrischen Bauelementes
bilden.
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Vorteilhafterweise
sind die mindestens zwei getrennt aufgerollten Dünnschichten
zwei Thermoelemente, wobei je eines aus einem p- und einem n-dotierten
Halbleitermaterial besteht, wobei noch vorteilhafterweise eine Vielzahl
von Thermoelementen vorhanden sind, die nebeneinander und/oder übereinander,
und die p- und n-dotierten Thermoelemente immer abwechselnd angeordnet
sind und die über die elektrischen Kontakte mäanderartig
miteinander verbunden sind.
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Weiterhin
vorteilhafterweise sind die p- und n-dotierten Halbleiterschichten
gemeinsam aufgerollt, wobei die entstehende Rolle beide thermoelektrischen
Schenkel beinhaltet, wobei die p- und n-dotierten Halbleiterschichten
zur Ausbildung der mäanderartigen Kontaktierung an einem
Rollenende elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
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Ebenfalls
vorteilhafterweise sind die aufgerollten Dünnschichten
auf einem Substrat angeordnet, wobei das Substrat vorteilhafterweise
aus Resten der Opferschicht, einer Barriere- oder anderen Funktionsschicht
oder aus einem Si- oder GaAs-Substrat besteht.
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Und
auch vorteilhafterweise weist das aufgerollte Dünnschichtmaterial
eine Dicke von 4 nm bis 200 nm und Längen von 0,5 μm
bis 5 mm auf.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn die aufgerollten Dünnschichten eine vollständige
Windung bis 20 Windungen aufweisen.
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Und
auch vorteilhaft ist es, wenn die aufgerollten Dünnschichten
aus SiGe, FeSi2, MnSi1.76, CoSb3, PbTe, Bi2Te3 bestehen.
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Weiterhin
vorteilhaft ist es, wenn die p- und n-dotierten Schichten des Mehrschichtaufbaus
aus InGaAs, AlGaAs, GaAs, Si, Ge, SiGe bestehen.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist es, wenn das thermoelektrische Bauelement eine halbleitende Übergitter-Heterostruktur
ist.
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Von
Vorteil ist es auch, wenn eine Vielzahl von aufgerollten Dünnschichten
vorhanden ist, die nebeneinander und übereinander angeordnet
sind.
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Auch
von Vorteil ist es, wenn die aufgerollten Dünnschichten
weitere Funktions- und Hilfsschichten aufweisen, die vorteilhafterweise
Barriereschichten, Isolatorschichten, Rollhilfsschichten, Abdeckschichten
sind, und wobei vorteilhafterweise die Barriereschicht aus AlGaAs,
Oxiden oder Nitriden (SiO2, SiN) besteht.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung
eines thermoelektrischen Bauelementes, werden
- a)
auf ein elektrisch nichtleitendes Substrat elektrische Kontakte
mäanderförmig aufgebracht, nachfolgend werden
eine oder mehrere elektrisch nichtleitende Opferschichten ganz oder
teilweise auf das Substrat und höchstens teilweise auf
die elektrischen Kontakte aufgebracht, oder eine elektrisch nichtleitende
Opferschicht, die als Substrat dient, mit mäanderförmigen
elektrischen Kontakten versehen wird, danach eine oder mehrere Schichten
aus einem p-dotierten Halbleitermaterial mindestens auf Teile der
elektrischen Kontakte und die Opferschicht aufgebracht wird, dann
mindestens eine weitere Opferschicht aufgebracht wird, danach eine
oder mehrere Schichten aus einem n-dotierten Halbleitermaterial
mindestens auf Teile der elektrischen Kontakte und die Opferschicht
aufgebracht wird, daran anschließend die Opferschichten
teilweise oder vollständig entfernt werden,
- b) und wobei die Aufbringung der Schichten aus dem p- oder n-dotierten
Halbleitermaterial derart erfolgt, dass in den Schichten aus dem
p- oder n-dotierten Halbleitermaterial ein Spannungsgradient vorliegt,
der nach der Entfernung der Opferschichten zum Aufrollen der Schicht
aus einem p- und/oder n-dotierten Halbleitermaterial führt,
- c) und wobei das Aufrollen so durchgeführt wird, dass
die Dünnschichten nach dem Aufrollen jeweils mit maximal
5% ihrer gesamten Fläche mit den elektrischen Kontakten
und dem Substrat stoffschlüssig verbunden sind,
- d) und wobei die Anordnung der aufgerollten Schichten aus einem
p- oder n-dotierten Halbleitermaterial auch in umgekehrter Reihenfolge
realisierbar ist und/oder neben- oder übereinander realisiert
wird.
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Vorteilhafterweise
werden als Opferschicht elektrisch nichtleitende, organische Opferschichtmaterialien
eingesetzt.
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Ebenfalls
vorteilhafterweise wird auf die elektrischen Kontakte und die Opferschicht(en)
eine Rollhilfsschicht und darauf dann mindestens teilweise die Schicht
aus einem p- oder n-dotierten Halbleitermaterial aufgebracht, wobei
noch vorteilhafterweise als Rollhilfsschicht eine Schicht aus Al2O3, SiO2 oder
Si3N4 aufgebracht
wird.
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Weiterhin
vorteilhafterweise wird das Entfernen der Opferschicht durch Ätzen
mit Säuren oder Laugen oder durch Lösen mit Wasser
oder Lösungsmitteln durchgeführt.
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Und
auch vorteilhafterweise werden nach dem Aufbringen der Opferschicht
oder Opferschichten diese strukturiert, wobei die Strukturierung
vorteilhafterweise mittels lithografischer Verfahren realisiert
wird.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn die Schichten aufgebracht werden, wobei während
des Aufbringens der Schicht aus einem p- oder n-dotierten Halbleitermaterial
innerhalb der Schicht ein Verspannungsgradient durch Gitterfehlanpassung
ausgebildet wird.
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Und
auch vorteilhaft ist es, wenn ein Substrat eingesetzt wird, welches
aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht, oder aus Resten
der Opferschichten, oder aus Barriere- oder anderen Funktionsschichten
besteht.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist es, wenn auf alle aufgebrachten Schichten eine Schicht
aus einem Isolatormaterial komplett überdeckend aufgebracht
wird, so dass während des Aufrollprozesses durch Auflösen
der Opferschicht keine zusätzliche elektrische Kontaktierung
entsteht.
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Weiterhin
vorteilhaft ist es, wenn eine oder mehrere Schichten aus einem p-dotierten
Halbleitermaterial mindestens auf Teile der elektrischen Kontakte
und auf eine Opferschicht aufgebracht werden, dann mindestens eine
elektrisch nichtleitende Barriereschicht aufgebracht wird, danach
eine oder mehrere Schichten aus einem n-dotierten Halbleitermaterial
mindestens auf Teile der elektrischen Kontakte und die Barriereschicht
aufgebracht werden, und daran anschließend die p- und n-dotierten
Halbleiterschichten an dem den Kontakten gegenüberliegenden
Rollenende elektrisch miteinander verbunden werden, und dann die
Opferschicht vollständig entfernt wird, wobei noch vorteilhafterweise
als Barriereschichten Schichten aus AlGaAs, Oxiden oder Nitriden
(SiO2, SiN) aufgebracht werden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung liegen thermoelektrische
Bauelemente vor, mit welchen eine elektrische Leistung oder eine
thermische Kühlleistung erzeugt werden kann. Das erfindungsgemäße
thermoelektrische Bauelement kann also als Thermogenerator oder
als Kühler fungieren. Aufgrund der erfindungsgemäßen
räumlichen Gestaltung der einzelnen Thermoelemente in aufgerollter Form
kommt es zu der funktionellen Besonderheit, dass die den Ladungsträgerstrom
führenden aufgerollten Thermoelemente gleichzeitig als
Wärmestromführung genutzt werden können.
Damit wird gemäß der erfindungsgemäßen
Lösung eines thermischen Energiekonverters die aus den
bekannten Lösungen von planaren Anordnungen der Thermoelemente
bekannte Trennung zwischen elektrischer Funktionalität
und thermischen Management aufgehoben und erstmals ein thermoelektrisches
Bauelement angegeben, dessen Konstruktion den Energiewandlungsprozess
einschließlich des erforderlichen thermischen Handlings
in optimaler Weise intrinsisch miteinander verbindet.
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Bezüglich
der räumlichen Orientierung von Wärmestrom und
Temperaturgradient ist festzustellen, dass der Temperaturgradient
entlang der Zylinderachse der aufgerollten Schichten ausgenutzt
oder erzeugt wird. Diese Geometrie ermöglicht es, die erfindungsgemäße
Anordnung für die Kühlung von „hot spots” zu
verwenden. In diesem Falle sind die zwei oder mehr aufgerollten
Dünnschichten parallel angeordnet und mäanderartig über
elektrische Kontakte verbunden. Für die vorliegende Erfindung
soll unter einer mäanderartigen Kontaktierung der Dünnschichten
beispielsweise im Falle von je einer aufgerollten p- und n-dotierten
Dünnschicht verstanden werden, dass der elektrische Kontakt
von der Stromquelle zu dem einen Rollenende der p-dotierten aufgerollten Dünnschicht
geführt ist, vom anderen Rollenende dieser p-dotierten
aufgerollten Dünnschicht zum am nächsten liegenden
Rollenende der n-dotierten aufgerollten Dünnschicht und
vom anderen Rollenende der n-dotierten Dünnschicht zur
Stromquelle zurück. In diesem Falle (siehe auch 2)
verläuft der Temperaturgradient axial entlang der aufgerollten
Dünnschichten von dem direkt verbundenen Rollenenden der
p- und n-dotierten aufgerollten Dünnschichten zu den Rollenenden,
die mit der Stromquelle verbunden sind.
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Mit
der erfindungsgemäßen Lösung werden die
elektrischen und vor allem aber die thermischen Substratverluste
(parasitärer Einfluss des Substrates) nahezu gegen Null
geführt, da der stoffschlüssige Kontaktbereich
mit den elektrischen Kontakten auf dem Substrat maximal 5% der gesamten
aufgerollten Fläche einer Schicht aus einem p- und/oder n-dotierten
Halbleitermaterial beträgt.
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Dabei
ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter der stoffschlüssigen
Verbindung zu verstehen, dass maximal 5% der gesamten aufgerollten Fläche
der Dünnschichten mit den elektrischen Kontakten und auch
mit dem Substrat stoffschlüssig verbunden sind. Das Substrat
ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer elektrisch nicht
leitend und kann beispielsweise aus Resten der Opferschicht, einer
Barriere- oder anderen Funktionsschicht oder allgemein aus einem
Substrat bestehen.
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Vorteile
der erfindungsgemäßen Lösung liegen
- – in ihrer Skalierbarkeit in den Abmessungen
von mm-Bereich über den μm-Bereich bis in den nm-Bereich,
- – in ihrer Integrierbarkeit in bekannte Si-Technologie-basierte
Elektronik und Hybrid-Elektronik,
- – in ihrer Ausnutzung einer breiten Materialauswahl
an n- und p-dotierten Halbleitermaterialien,
- – in ihrer Anwendung insbesondere bei der Kühlung
von dynamischen „hot spots”, da die Kühlleistung
unmittelbar vor Ort bereitgestellt werden kann, und
- – in ihrer strukturellen Modifizierbarkeit.
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Die
strukturelle Modifizierbarkeit der erfindungsgemäßen
Lösung besteht darin, dass diese sich sowohl als Mehrschichtaufbau
aus einem p- oder n-dotierten Halbleitermaterial realisieren lässt, als
auch auf Basis thermoelektrischer Schichten von morphologisch unterschiedlichem
Zustand, wie z. B. von amorphen, polykristallinen, texturierten
oder epitaktischen Schichten. Dabei kann es im Einzelfall erforderlich
sein, Rollhilfsschichten auf Basis verspannter Festkörperschichten
zu verwenden.
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Weitere
Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung
ergeben sich aus der Aufroll-Technologie, vor allem aus ihrem „selbstorganisierten” Herstellungsprozess.
Die Spannungszustände in den aufgerollten Dünnschichten
können gegenüber vergleichbaren Bauelementen,
die nach der Planartechnologie hergestellt worden sind, deutlich
minimiert werden, was ebenfalls positiven Einfluss auf die thermoelektrische Effizienz
ausübt.
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Durch
die elektrische und thermische Separierung der thermoelektrischen
Bauelemente vom Substrat während des Herstellungsprozesses
kann ein positiver Einfluss auf die Gesamteffizienz Z·T
der einzelnen Thermoelemente und damit des Gesamtsystems erreicht
werden. Weiterhin kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lösung
dank der aufgerollten Dünnschichten im Falle des Einsatzes
in gasförmigen und flüssigen Medien eine intrinsische
Wärmestromführung realisiert werden.
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Schließlich
ist die vorgeschlagene Anordnung wegen des skalierbaren Längen-Durchmesser-Verhältnisses
der aufgerollten Dünnschichten mit großen Temperaturgradienten
belastbar, was für einen hohen Wirkungsgrad dienlich ist.
Zur Erhöhung der Dichte thermoelektrischer Funktionselemente
auf dem Substrat kann das von Deneke [C. Deneke und O. G.
Schmidt, Physica E 23 (2004) 269-273] vorgeschlagene Unterätzen
zweier Verspannungsträger genutzt werden. Dabei liegen
zwei Stapel, die aus je einer Opferschicht und einer verspannungstragenden
Doppelschicht bestehen, übereinander. Die identische Zusammensetzung
der Opferschichten ermöglicht deren paralleles selektives Ätzen
und die Ausbildung zweier Rollen auf dem Substrat. Es werden jedoch
keinerlei elektronische oder thermoelektrische Bauelemente auf Basis
dieser verdoppelten Strukturen in Betracht gezogen.
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Zur
Verbesserung der thermischen Effizienz, im Besonderen bei der Nutzung
von Siliziumsubstraten, kann auf der Substratrückseite
ein Abdünnungsbereich eingebracht werden, welcher parasitäre
Wärmeströme über das Substrat minimiert.
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Die
Einkopplung der Wärme kann in der vorgeschlagenen Anordnung
direkt über den Kontakt zum Substrat erfolgen, oder über
Wärmeleiter an die heiße Seite der Thermoelementkaskade
herangeführt werden.
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Auf
die aufzurollenden Schichten, die gleichzeitig die Träger
der thermoelektrischen Funktion sein können, können
weitere Lagen thermoelektrisch relevanter Materialien (FeSi2, MnSi1.76, CoSb3, PbTe, Bi2Te3) flächig aufgebracht werden. Die
Aufbringung kann dabei über die thermische Verdampfung,
Molekularstrahlepitaxie oder Sputtern erfolgen. In diesem Falle
würden die aufzurollenden Schichten, die als Verspannungsträger
dienen, keine Funktionsträger sein und lediglich als Rollhilfsschichten
dienen. Als Verspannungsträger dient diejenige Schicht
oder Schichten im Schichtverbund, welches eine Verspannung in sich
trägt und das Aufrollen des Schichtverbundes initiiert.
Dies kann beispielsweise eine Rollhilfsschicht sein.
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Als
Materialien für die aufzurollenden Schichten können
zum Beispiel kristalline Halbleitermaterialien, wie SiGe oder GaAs
mit den Opferschichten aus SiO2 beziehungsweise AlAs präpariert werden
(Ätztechnologie). Für polykristalline und amorphe
Thermoelektrika, die sich bei niedrigen Temperaturen abscheiden
lassen, können auch organische Photolacke oder Hydrogele
als Opferschicht verwendet werden (Resisttechnologie). Die Abscheidung
der aufzurollenden Schichten und gegebenenfalls weiterer Komponenten
kann durch Aufdampfen oder Sputtern auf die Photolack-Opferschicht
erfolgen. Zur Strukturierung können Schattenmasken zum
Einsatz kommen. Die Photolack-Opferschicht kann beispielsweise durch
ein organisches Lösungsmittel selektive gelöst
werden. Die freiwerdende Verspannung in den aufzurollenden Schichten führt
zu deren Wölbung und der Aufrollvorgang setzt ein.
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Nachfolgend
wird die Erfindung an mehreren Beispielen näher erläutert.
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Die
Kurzbeschreibungen der zugehörigen Abbildungen sind hier
zusammengefasst.
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1 Querschnittsansicht
der Stapelung zweier Kombinationen aus Opferschicht und verspannten
Doppelschichten;
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2 Verspannte
Doppelschichten nach Strukturierung mit aufgebrachten metallischen
Leitbahnen;
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3 Draufsicht
der gerollten Struktur, vgl. 4;
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4 Ansicht
der fertigen Struktur aus n- und p-leitenden Rollen;
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5 Draufsicht
auf mäanderartige elektrische Verschaltung von Paaren aus
n- und p-leitenden Rollen;
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6 Ansicht
vollständig prozessierten Struktur, wobei die thermoelektrischen
Schenkel aus Paaren von n- und p-leitenden Rollen gebildet werden;
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7 Schichtaufbau
zur Erzeugung einer gerollten Struktur;
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8 Draufsicht
auf Schichtaufbau mit Kontaktierung zur Erstellung einer Rolle,
die n- und p-leitenden thermoelektrischen Schenkel in sich vereint;
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9 Schichtaufbau
zur Erzeugung einer gerollten Struktur;
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10 Ansicht
des gefertigten thermoelektrischen Bauelements, das n- und gleitenden
thermoelektrischen Schenkel in einer Rolle vereint;
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Beispiel 1
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thermoelektrische Schenkel einzeln:
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Auf
ein GaAs-Substrat (1) wird zunächst eine Opferschicht
(2) aus AlAs mittels Aufdampfen aufgebracht (1).
Anschließend erfolgt die Abscheidung der ersten Doppelschicht
(3) die als erster Verspannungsträger dient. Diese
Doppelschicht (3) besteht aus einer unteren Lage (3a)
und einer oberen Lage (3b), wobei die untere Lage eine
größere Gitterkonstante als die obere Lage aufweist.
Die untere Lage ist eine 20 nm dicke Schicht aus InGaAs, während
die obere Lage aus 30 nm reinem GaAs besteht. Dazu werden die Doppelschichten
während der Abscheidung zur Bereitstellung einer n-Dotierung
mit Silizium dotiert. Anschließend erfolgt die Abscheidung
einer weiteren Opferschicht (2) und der zweiten Doppelschicht
(3), die als zweiter Verspannungsträger dient,
jeweils aus den gleichen Materialien und Abmessungen. Die beiden
Opferschichten (2) sind elektrisch isolierend. Die zweite
Doppelschicht (3) erhält eine p-Dotierung mit
Zink.
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Um
die erste und zweite Doppelschicht (3) getrennt voneinander
aufrollen zu können, ist eine Strukturierung des Gesamtsystems
aus Opferschichten (2) und Doppelschichten (3)
notwendig. Dieser Prozess erfolgt durch Aufbringen einer Fotomaske und
einen anschließenden Ätzprozess („shallow etch”).
Dabei werden Randbereiche der zweiten Doppelschicht (3)
und der zweiten Opferschicht (2) soweit entfernt, dass
eine Kontaktierung der ersten Doppelschicht (3) entlang
der Rollrichtung realisiert werden kann. Damit entstehen auch Startkanten,
an denen der Aufrollvorgang der zweiten Doppelschicht (3)
in Gang gesetzt werden kann. Danach werden in einem weiteren Lithografie-
und Ätzschritt („deep etch”) die Startkanten
für den Aufrollvorgang der ersten Doppelschicht (3)
erzeugt.
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Auf
die teilweise freigelegten Bereiche der ersten Doppelschicht (3)
und die Randbereiche der zweiten Doppelschicht (3) werden
metallische Leiterbahnen (6) aus Aluminium aufgebracht.
Nach 2 verlaufen die Leiterbahnen (6) dabei
parallel zur Rollrichtung möglichst nah an den Seitenkanten
der Doppelschichten (3). Die Verbindungen zwischen diesen Leiterbahnen
(6) sind so gewählt, dass sich zusammen mit den
entstehenden Rollen eine elektrische Reihenschaltung aller Elemente
ergibt. Im nächsten Schritt werden die beiden Doppelschichten
(3) aufgerollt.
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Das
selektive Ätzen der AlAs-Opferschichten (2) in
Flusssäure (HF) als Ätzmittel führt dazu,
dass sich die zwei Doppelschichten (3) voneinander und vom
Substrat (1) lösen und, der eingebauten Gitterfehlanpassung
folgend, ein Aufrollen einsetzt. Dabei werden alle Schichten mitgenommen.
Durch den Ablösevorgang kann die Gitterfehlanpassung in
den verspannten Doppelschichten relaxieren, so dass sich die leicht
gepresste Struktur der unteren Lage (3a) ausdehnt, während
sich die leicht gestreckte Struktur der oberen Lage (3b)
zusammenzieht. Dies führt dazu, dass sich das gesamte Schichtsystem vom
Substrat weg wölbt und ein Rollvorgang in Gang gesetzt
wird. Bei diesem Rollprozess werden die auf den Doppelschichten
(3) befindlichen Leiterbahnen eingerollt. Das Aufrollen
aller Doppelschichten erfolgt in die gleiche Richtung. Das Aufrollen
stoppt, wenn der Bereich der Verbindung zwischen den Leiterbahnen
(6) erreicht ist.
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4 zeigt
das Ergebnis des Aufrollvorgangs mit der kompletten Struktur, in
der auch die elektrische Reihenschaltung der abwechselnd n- (4) und
p-leitenden (5) Rollen (thermoelektrische Funktionselemente
= n- und p-Schenkel des thermoelektrischen Bauelements) zu erkennen
sind. Nach 3 sind auch die mäanderartig
angeordneten Kontakte (6) zu sehen. Der Temperaturgradient
(7) verläuft entlang der thermoelektrischen Funktionselemente.
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Beispiel 2
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thermoelektrische Schenkel paarweise:
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Auf
einem Si-Substrat wird zunächst eine Opferschicht (2)
aus Ge mittels Sputtern aufgebracht (siehe 1). Anschließend
erfolgt die Abscheidung der ersten Doppelschicht (3) die
als erster Verspannungsträger dient. Diese Doppelschicht
(3) besteht aus einer unteren Lage (3a) und einer
oberen Lage (3b), wobei die untere Lage eine größere
Gitterkonstante als die obere Lage aufweist. Die untere Lage ist eine
10 nm dicke Schicht aus GeSi mit einem Überschuss an Ge,
während die obere Lage ebenfalls aus 10 nm GeSi mit einem Überschuss
an Si besteht. Dazu werden die Doppelschichten (3) während
der Abscheidung zur Bereitstellung einer n- Dotierung mit Phosphor
dotiert. Anschließend erfolgt die Abscheidung einer weiteren
Opferschicht (2) und der zweiten Doppelschicht (3)
jeweils aus den gleichen Materialien und Abmessungen, wobei die
zweite Doppelschicht eine p-Dotierung mittels Aluminium erhält.
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Diese
Schichtfolge wird nun mittels fotolithografischer Masken und anschließender Ätzprozesse strukturiert.
Dabei werden sowohl Startkanten für den späteren
Aufrollprozess erzeugt, als auch der zweite Verspannungsträger
(3) strukturiert. Durch den letztgenannten Vorgang, wird
der erste Verspannungsträger (3) in soweit freigelegt,
dass eine elektrische Kontaktierung in Form von Leiterbahnen entlang
der Seitenkanten aufgebracht werden kann. Auf beide Verspannungsträger
werden elektrische Kontakte (6) aus Gold entlang der Seitenkanten
und damit parallel zur späteren Rollrichtung aufgebracht.
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Durch
selektives Ätzen der Ge-Opferschichten (2) mit
H2O2 werden beide verspannten Doppelschichten (3) aufgerollt.
Die Kontaktierung der Rollen, die thermoelektrische Funktionselemente
sind und die Schenkel des thermoelektrischen Bauelements bilden,
wird so vorgenommen, dass eine elektrische Reihenschaltung mit einander
abwechselnden Paaren aus n- und p-leitenden Rollen entsteht (5).
Jeweils zwei Elemente (Rollen) der gleichen Ladungsträgerart
sind also parallel geschaltet und bilden somit einen thermoelektrischen
Schenkel (6). Alle Rollen sind thermisch
parallel geschaltet. Der Temperaturgradient (7) verläuft
entlang der thermoelektrischen Funktionselemente.
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Beispiel 3
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thermoelektrische Schenkel in Rolle vereint:
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Gemäß 7 wird
auf ein GaAs-Substrat (1) eine AlAs-Opferschicht (2)
mittels Aufdampfen strukturiert abgeschieden, so dass Bereiche das
Substrats nicht von der Opferschicht bedeckt werden, da sie später
als Träger der elektrischen Kontaktierung zwischen den
thermoelektrischen Funktionselementen dienen sollen. Auf diese AlAs-Opferschicht
(2) wird anschließend eine Doppelschicht (3),
die als Verspannungsträger dient, mittels Sputtern abgeschieden.
Die Doppelschicht (3) besteht aus zwei Lagen mit zueinander
leicht unterschiedlichen Gitterkonstanten. Die Reihenfolge der beiden
Lagen wird dabei so gewählt, dass direkt auf der AlAs-Opferschicht
(2) die Lage aus InGaAs mit einem relativen Überschuss
an InAs mit der größeren Gitterkonstante (3a),
und anschließend die Lage aus GaAs mit der kleineren Gitterkonstante
(3b) abgeschieden wird. Beide Lagen der Doppelschicht (3)
sind mit einer n-Dotierung (Si) versehen.
-
Auf
diese in sich verspannten Doppelschichten (3) wird nun
eine Schicht aus Al0,33Ga0,67As
zur Zwischenisolation eine Barriereschicht (8) mittels Aufdampfen
aufgebracht. Diese wird nicht durch den späteren Ätzprozess
der Opferschicht (2) angegriffen. Die Zwischenisolation
(8) ist dabei so zu strukturieren, dass parallel zur späteren
Rollrichtung metallische Kontaktstreifen aus Aluminium (6)
auf den Verspannungsträger (3) aufgebracht werden
können.
-
Die
metallischen Kontaktstreifen dienen sowohl zur Kontaktierung benachbarter
Rollen untereinander (immer am vorderen Ende der Rollen), als auch
zur Kontaktierung der des n-leitenden Verspannungsträgers
(3) mit einer im weiteren aufzubringenden zweiten thermoelektrischen
Funktionsschicht (9). Diese GaAs-Schicht wird dabei so
abgeschieden, dass der hintere Kontaktstreifen überdeckt
wird, während der vordere Kontaktstreifen nicht bedeckt wird.
Durch Dotierung mit Zink ist die obere thermoelektrische Funktionsschicht
(9) p-leitend.
-
Auf
die p-leitende GaAs-Schicht (9) wird nun mittels fotolithografischer
Masken ein Kontaktstreifen (6) strukturiert so aufgebracht,
dass er mit dem Kontaktstreifen (6) auf dem n-leitenden
Verspannungsträger (3) verbunden ist. Dazu ist
es notwendig, den Kontaktstreifen über den Zwischenisolator
(8) verläuft (8).
-
Abschließend
wird eine weitere Isolationsschicht (10) aufgebracht, die
sich über die gesamte Fläche des sich auf der
Doppelschicht (3) befindlichen Schichtsystems erstreckt.
Die obere Isolationsschicht (10) liegt nach dem Aufrollvorgang
zwischen p- und n-leitender Schicht der Windungsaußenseite jeder
Windung der Rollen. In 9 wird ein Schnittbild durch
die komplette Schichtstruktur im Bereich der direkten Kontaktierung
zwischen p- und n-leitender Schicht gezeigt.
-
Durch
selektives Ätzen der AlAs-Opferschicht (2) mit
HF als selektivem Ätzmittel wird der verspannte Schichtaufbau
entlang seiner Startkante vom Substrat (1) gelöst
und bewegt sich von diesem weg. Bei diesem Aufrollen werden sowohl
die n-leitende Lage der Doppelschicht (3), als auch die
darauf aufgebrachte Schichtfolge aus Zwischenisolation (8) mit
elektrischer Zwischenkontaktierung (6), p-leitender Schicht
(9) und der zweiten Isolationsschicht (10) und
die bereits eingebrachten elektrischen Leitbahnen (6) zur
Kontaktierung der einzelnen Bestandteile erfasst.
-
Mit
der Dauer des Ätzprozesses kann die Anzahl der entstehenden
Windungen beziehungsweise der zurückgelegte Rollstrecke
festgelegt und gesteuert werden.
-
Das
Ergebnis des Aufrollens ist ein vollständiges thermoelektrische
Bauelement (11) gemäß 10.
Innerhalb einer Rolle sind beide thermoelektrischen Schenkel enthalten.
Durch die Wahl der Kontaktierung sind die beiden Schenkel elektrisch
in Reihe geschaltet. Die beiden Reservoirs (Wärmequelle
und -senke) sollen sich dabei an der Vorder- bzw. Rückseite
der Rolle befinden. Damit sind beide Schenkel thermisch parallel
geschaltet, die Richtung des Wärmegefälles (7)
verläuft also axial.
-
- 1
- Substrat
- 2
- Opferschicht
- 3
- Doppelschicht
-
- a.
Größere Gitterkonstante
-
- b.
Kleinere Gitterkonstante
- 4
- Fertige
Rolle aus n-dotiertem Halbleitermaterial
- 5
- Fertige
Rolle aus p-dotiertem Halbleitermaterial
- 6
- Zuleitungen
Leiterbahnen
- 7
- Richtung
des Wärmegefälles
- 8
- Zwischenisolator
(Barriereschicht)
- 9
- Halbleiterschicht
p-leitend
- 10
- Deckisolator
- 11
- Fertige
Rolle aus n- und p-dotiertem Halbleitermaterial
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10112383
A1 [0007]
- - DE 102006005596 A1 [0008]
- - DE 10231445 A1 [0008]
- - DE 4022690 A1 [0008]
- - DE 102006024167 A1 [0009]
- - DE 102006015492 A1 [0010]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - L. M. Goncalves,
u. a., J. Micromech. Microeng. 17 (2007) S168-S173 [0011]
- - V. Y. Prinz, u. a, Physica E 6 (2000) 828-831 [0013]
- - O. G. Schmidt, u. a., Nature 410 (2001) 168 [0013]
- - C. Deneke und O. G. Schmidt, Physica E 23 (2004) 269-273 [0048]