DE102009027745A1 - Peltier-Seebeck basiertes thermoelektrisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Peltier-Seebeck basiertes thermoelektrisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung Download PDF

Info

Publication number
DE102009027745A1
DE102009027745A1 DE102009027745A DE102009027745A DE102009027745A1 DE 102009027745 A1 DE102009027745 A1 DE 102009027745A1 DE 102009027745 A DE102009027745 A DE 102009027745A DE 102009027745 A DE102009027745 A DE 102009027745A DE 102009027745 A1 DE102009027745 A1 DE 102009027745A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layers
layer
rolled
doped semiconductor
semiconductor material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102009027745A
Other languages
English (en)
Inventor
Thomas Dienel
Joachim Schumann
Armando Rastelli
Oliver G. Schmidt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Original Assignee
Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV filed Critical Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority to DE102009027745A priority Critical patent/DE102009027745A1/de
Publication of DE102009027745A1 publication Critical patent/DE102009027745A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01Manufacture or treatment
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Physik und betrifft ein thermoelektrisches Bauelement, wie es beispielsweise als Energiekonverter zum Einsatz kommen kann. Die Aufgabe der vorliegenden Lösung besteht in der Konzipierung eines thermoelektrischen Bauelementes, bei welchem die Energiewandlung in effizienter Weise erfolgt. Die Aufgabe wird gelöst durch ein thermoelektrisches Bauelement, welches aus getrennt oder gemeinsam mittels der roll-up-Technologie aufgerollten Dünnschichten besteht, 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 verbunden sind. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren, bei dem auf ein elektrisch nichtleitendes Substrat elektrische Kontakte mäanderförmig aufgebracht werden, nachfolgend eine Opferschicht, eine Schicht aus einem p-dotierten Halbleitermaterial, dann eine weitere Opferschicht und danach eine Schicht aus einem n-dotierten Halbleitermaterial aufgebracht wird.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • An einigen ausgewählten Beispielen sollen im Folgenden Vor- und Nachteile bestehender Lösungen genannt werden.
  • 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.
  • Weitere thermoelektrische Elemente sind nach der DE 10 2006 005 596 A1 , DE 102 31 445 A1 , DE 40 22 690 A1 bekannt.
  • 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.
  • 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.
  • 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].
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteilhaft ist es auch, wenn die aufgerollten Dünnschichten eine vollständige Windung bis 20 Windungen aufweisen.
  • Und auch vorteilhaft ist es, wenn die aufgerollten Dünnschichten aus SiGe, FeSi2, MnSi1.76, CoSb3, PbTe, Bi2Te3 bestehen.
  • Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die p- und n-dotierten Schichten des Mehrschichtaufbaus aus InGaAs, AlGaAs, GaAs, Si, Ge, SiGe bestehen.
  • Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn das thermoelektrische Bauelement eine halbleitende Übergitter-Heterostruktur ist.
  • Von Vorteil ist es auch, wenn eine Vielzahl von aufgerollten Dünnschichten vorhanden ist, die nebeneinander und übereinander angeordnet sind.
  • 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.
  • 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.
  • Vorteilhafterweise werden als Opferschicht elektrisch nichtleitende, organische Opferschichtmaterialien eingesetzt.
  • 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.
  • Weiterhin vorteilhafterweise wird das Entfernen der Opferschicht durch Ätzen mit Säuren oder Laugen oder durch Lösen mit Wasser oder Lösungsmitteln durchgeführt.
  • Und auch vorteilhafterweise werden nach dem Aufbringen der Opferschicht oder Opferschichten diese strukturiert, wobei die Strukturierung vorteilhafterweise mittels lithografischer Verfahren realisiert wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Beispielen näher erläutert.
  • Die Kurzbeschreibungen der zugehörigen Abbildungen sind hier zusammengefasst.
  • 1 Querschnittsansicht der Stapelung zweier Kombinationen aus Opferschicht und verspannten Doppelschichten;
  • 2 Verspannte Doppelschichten nach Strukturierung mit aufgebrachten metallischen Leitbahnen;
  • 3 Draufsicht der gerollten Struktur, vgl. 4;
  • 4 Ansicht der fertigen Struktur aus n- und p-leitenden Rollen;
  • 5 Draufsicht auf mäanderartige elektrische Verschaltung von Paaren aus n- und p-leitenden Rollen;
  • 6 Ansicht vollständig prozessierten Struktur, wobei die thermoelektrischen Schenkel aus Paaren von n- und p-leitenden Rollen gebildet werden;
  • 7 Schichtaufbau zur Erzeugung einer gerollten Struktur;
  • 8 Draufsicht auf Schichtaufbau mit Kontaktierung zur Erstellung einer Rolle, die n- und p-leitenden thermoelektrischen Schenkel in sich vereint;
  • 9 Schichtaufbau zur Erzeugung einer gerollten Struktur;
  • 10 Ansicht des gefertigten thermoelektrischen Bauelements, das n- und gleitenden thermoelektrischen Schenkel in einer Rolle vereint;
  • Beispiel 1
  • thermoelektrische Schenkel einzeln:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Beispiel 2
  • thermoelektrische Schenkel paarweise:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Beispiel 3
  • thermoelektrische Schenkel in Rolle vereint:
  • 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
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • 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]

Claims (26)

  1. Thermoelektrisches Bauelement, zur Ausnutzung des Peltier-Seebeck-basierten Wirkprinzips, bestehend 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.
  2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die mindestens zwei getrennt aufgerollten Dünnschichten zwei Thermoelemente sind, wobei je eines aus einem p- und einem n-dotierten Halbleitermaterial besteht,
  3. Bauelement nach Anspruch 2, bei dem eine Vielzahl von Thermoelementen vorhanden sind, die nebeneinander und die p- und n-dotierten Thermoelemente immer abwechselnd angeordnet sind und die über die elektrischen Kontakte mäanderartig miteinander verbunden sind.
  4. Bauelement nach Anspruch 2, bei dem eine Vielzahl von Thermoelementen vorhanden sind, die übereinander und die p- und n-dotierten Thermoelemente immer abwechselnd angeordnet sind und die über die elektrischen Kontakte mäanderartig miteinander verbunden sind.
  5. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die p- und n-dotierten Halbleiterschichten gemeinsam aufgerollt sind, 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.
  6. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die aufgerollten Dünnschichten auf einem Substrat angeordnet sind, wobei das Substrat vorteilhafterweise aus Resten der Opferschicht, einer Barriere- oder anderen Funktionsschicht oder aus einem Si- oder GaAs-Substrat besteht.
  7. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das aufgerollte Dünnschichtmaterial eine Dicke von 4 nm bis 200 nm und Längen von 0,5 μm bis 5 mm aufweist.
  8. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die aufgerollten Dünnschichten eine vollständige Windung bis 20 Windungen aufweisen.
  9. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die aufgerollten Dünnschichten aus SiGe, FeSi2, MnSi1.76, CoSb3, PbTe, Bi2Te3 bestehen.
  10. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die p- und n-dotierten Schichten des Mehrschichtaufbaus aus InGaAs, AlGaAs, GaAs, Si, Ge, SiGe bestehen.
  11. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das thermoelektrische Bauelement eine halbleitende Übergitter-Heterostruktur ist.
  12. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem eine Vielzahl von aufgerollten Dünnschichten vorhanden ist, die nebeneinander und übereinander angeordnet sind.
  13. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die aufgerollten Dünnschichten weitere Funktions- und Hilfsschichten aufweisen.
  14. Bauelement nach Anspruch 13, bei dem als weitere Funktions- und Hilfsschichten Barriereschichten, Isolatorschichten, Rollhilfsschichten, Abdeckschichten vorhanden sind.
  15. Bauelement nach Anspruch 14, bei dem die Barriereschicht aus AlGaAs, Oxiden oder Nitriden (SiO2, SiN) besteht.
  16. Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Bauelementes, bei dem a) auf ein elektrisch nichtleitendes Substrat elektrische Kontakte mäanderförmig aufgebracht werden, nachfolgend eine oder mehrere elektrisch nichtleitende Opferschichten ganz oder teilweise auf das Substrat und höchstens teilweise auf die elektrischen Kontakte aufgebracht werden, 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.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem als Opferschicht elektrisch nichtleitende, organische Opferschichtmaterialien eingesetzt werden.
  18. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem 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 wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem als Rollhilfsschicht eine Schicht aus Al2O3, SiO2 oder Si3N4 aufgebracht wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das Entfernen der Opferschicht durch Ätzen mit Säuren oder Laugen oder durch Lösen mit Wasser oder Lösungsmitteln durchgeführt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem nach dem Aufbringen der Opferschicht oder Opferschichten diese strukturiert werden, wobei die Strukturierung vorteilhafterweise mittels lithografischer Verfahren realisiert wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem 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.
  23. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem ein Substrat eingesetzt wird, welches aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht, oder aus Resten der Opferschichten, oder aus Barriere- oder anderen Funktionsschichten besteht.
  24. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem 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.
  25. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem 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.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem als Barriereschichten Schichten aus AlGaAs, Oxiden oder Nitriden (SiO2, SiN) aufgebracht werden.
DE102009027745A 2008-07-16 2009-07-15 Peltier-Seebeck basiertes thermoelektrisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung Ceased DE102009027745A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009027745A DE102009027745A1 (de) 2008-07-16 2009-07-15 Peltier-Seebeck basiertes thermoelektrisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008040472.1 2008-07-16
DE102008040472 2008-07-16
DE102009027745A DE102009027745A1 (de) 2008-07-16 2009-07-15 Peltier-Seebeck basiertes thermoelektrisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102009027745A1 true DE102009027745A1 (de) 2010-01-21

Family

ID=41382120

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102009027745A Ceased DE102009027745A1 (de) 2008-07-16 2009-07-15 Peltier-Seebeck basiertes thermoelektrisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102009027746A Ceased DE102009027746A1 (de) 2008-07-16 2009-07-15 Thermionisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102009027746A Ceased DE102009027746A1 (de) 2008-07-16 2009-07-15 Thermionisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2304818B1 (de)
DE (2) DE102009027745A1 (de)
WO (1) WO2010007110A2 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2808509A1 (de) 2013-05-31 2014-12-03 Volkswagen Aktiengesellschaft Abgasanlage mit Abgasrohr und Dosiereinrichtung zur Dosierung eines Reagenzes sowie Kraftfahrzeug mit einer solchen Abgasanlage
DE102013216373A1 (de) 2013-08-19 2015-03-12 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Thermoelektrischer Formkörper und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102016220024A1 (de) 2016-10-13 2018-04-19 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Verfahren zur herstellung mindestens eines dreidimensionalen bauelementes zur uni-, bi-, tri- oder multidirektionalen messung und/oder generierung von vektorfeldern und dreidimensionales bauelement zur uni-, bi-, tri- oder multidirektionalen messung und/oder generierung von vektorfeldern

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2503610A1 (de) 2011-03-22 2012-09-26 Technical University of Denmark Struktur, die zur Herstellung eines Thermogenerators, Thermogenerator, der diese Struktur umfasst, und Verfahren zu dessen Herstellung
JP6423953B2 (ja) * 2014-08-26 2018-11-14 株式会社村田製作所 ペロブスカイト誘電体層を有する巻回型コンデンサおよびその製造方法
CN107077967A (zh) * 2014-08-26 2017-08-18 株式会社村田制作所 电容器及其生产工艺
JP2019504495A (ja) * 2016-02-04 2019-02-14 株式会社村田製作所 巻回型コンデンサおよびその製造方法
WO2017134699A1 (en) 2016-02-04 2017-08-10 Murata Manufacturing Co., Ltd. Roll-up type capacitor and process for producing the same
WO2018100496A1 (en) * 2016-12-02 2018-06-07 King Abdullah University Of Science And Technology Strain-induced topological transformation of thermoelectric responsive thin films

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4022690A1 (de) 1989-07-18 1991-01-31 Mitsubishi Metal Corp Thermoelektrisches element und verfahren zur herstellung desselben
DE10112383A1 (de) 2001-03-15 2002-10-02 Karlsruhe Forschzent Thermoelement und daraus aufgebauter Thermogenerator
DE10231445A1 (de) 2002-07-11 2004-01-29 Infineon Technologies Ag Thermoelektrisches Element und Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Elements
DE102006005596A1 (de) 2006-02-06 2007-08-09 O-Flexx Technologies Gmbh Thermoelektrisches Element sowie Verfahren zu dessen Herstellung
DE102006015492A1 (de) 2006-04-03 2007-10-04 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauelement, insbesondere Thermogenerator, und Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes
DE102006024167A1 (de) 2006-05-23 2007-11-29 Enocean Gmbh Thermogenerator

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5286304A (en) * 1991-10-24 1994-02-15 Enerdyne Corporation Thermoelectric device and method of manufacturing
DE10159415B4 (de) 2001-12-04 2012-10-04 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Verfahren zur Herstellung einer Mikrospule und Mikrospule
JP4345279B2 (ja) * 2002-09-13 2009-10-14 ソニー株式会社 熱電変換装置の製造方法
JP4334878B2 (ja) * 2003-02-06 2009-09-30 学校法人立命館 熱電変換デバイスユニット

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4022690A1 (de) 1989-07-18 1991-01-31 Mitsubishi Metal Corp Thermoelektrisches element und verfahren zur herstellung desselben
DE10112383A1 (de) 2001-03-15 2002-10-02 Karlsruhe Forschzent Thermoelement und daraus aufgebauter Thermogenerator
DE10231445A1 (de) 2002-07-11 2004-01-29 Infineon Technologies Ag Thermoelektrisches Element und Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Elements
DE102006005596A1 (de) 2006-02-06 2007-08-09 O-Flexx Technologies Gmbh Thermoelektrisches Element sowie Verfahren zu dessen Herstellung
DE102006015492A1 (de) 2006-04-03 2007-10-04 Robert Bosch Gmbh Mikromechanisches Bauelement, insbesondere Thermogenerator, und Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes
DE102006024167A1 (de) 2006-05-23 2007-11-29 Enocean Gmbh Thermogenerator

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C. Deneke und O. G. Schmidt, Physica E 23 (2004) 269-273
L. M. Goncalves, u. a., J. Micromech. Microeng. 17 (2007) S168-S173
O. G. Schmidt, u. a., Nature 410 (2001) 168
V. Y. Prinz, u. a, Physica E 6 (2000) 828-831

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2808509A1 (de) 2013-05-31 2014-12-03 Volkswagen Aktiengesellschaft Abgasanlage mit Abgasrohr und Dosiereinrichtung zur Dosierung eines Reagenzes sowie Kraftfahrzeug mit einer solchen Abgasanlage
DE102013009179A1 (de) 2013-05-31 2014-12-04 Volkswagen Aktiengesellschaft Abgasanlage mit Abgasrohr und Dosiereinrichtung zur Dosierung eines Reagenzes sowie Kraftfahrzeug mit einer solchen Abgasanlage
DE102013216373A1 (de) 2013-08-19 2015-03-12 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Thermoelektrischer Formkörper und Verfahren zu seiner Herstellung
DE102016220024A1 (de) 2016-10-13 2018-04-19 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Verfahren zur herstellung mindestens eines dreidimensionalen bauelementes zur uni-, bi-, tri- oder multidirektionalen messung und/oder generierung von vektorfeldern und dreidimensionales bauelement zur uni-, bi-, tri- oder multidirektionalen messung und/oder generierung von vektorfeldern

Also Published As

Publication number Publication date
WO2010007110A2 (de) 2010-01-21
EP2304818A2 (de) 2011-04-06
DE102009027746A1 (de) 2010-09-23
EP2304818B1 (de) 2012-05-30
WO2010007110A3 (de) 2010-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2304818B1 (de) Thermoelektrisches bauelement und verfahren zu seiner herstellung
DE3214070C2 (de) Schenkel für ein Thermoelement, Thermoelement und thermoelektrische Wandlervorrichtung
AT410492B (de) Thermoelektrisches element mit mindestens einer n-schicht und mindestens einer p-schicht
AT505168B1 (de) Thermoelektrisches element
DE112014006636B4 (de) Thermoelektrischer Wandler und Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Wandlers
DE102007050860A1 (de) Thermoelektrisches Wandlermodul und thermoelektrische Wandlereinrichtung
US20110168978A1 (en) High Efficiency Thermoelectric Materials and Devices
DE112017005855T5 (de) Nanodrahttransistor mit Source und Drain induziert durch elektrische Kontakte mit negativer Schottky-Barrierenhöhe
DE102010043281A1 (de) Thermoelektrischer Generator mit thermoelektrischem Modul mit mäanderförmiger p-n-Anordnung
WO2010084059A2 (de) Thermoelektrisches halbleiterbauelement
DE10231445A1 (de) Thermoelektrisches Element und Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Elements
KR100795374B1 (ko) 가열 냉각용 및 발전용 박막형 열전모듈 제조방법
WO2018041301A1 (de) Photovoltaikmodul mit integriert serienverschalteten stapel-solarzellen und verfahren zu seiner herstellung
DE19716343C2 (de) Halbleiter-Thermoelementanordnung
DE10333084A1 (de) Thermogenerator und Verfahren zu dessen Herstellung
EP2917944B1 (de) Thermoelektrisches element sowie verfahren zu dessen herstellung
DE102009032906A1 (de) Modul mit mehreren thermoelektrischen Elementen
DE102004030043B4 (de) Verfahren zum Herstellen eines Thermoelements
DE102020116005A1 (de) Finnen-feldeffekttransistorvorrichtung mit niedrigdimensionalem material und verfahren
DE10232376A1 (de) Verfahren zum Herstellen einer Mäanderstruktur, Mäanderstruktur und thermoelektrisches Element
DE102008032856A1 (de) Wärmeüberträger für ein thermoelektrisches Dünnschichtelement
DE112018001069B4 (de) Verfahren zum Ausbilden einer Halbleitereinheit und Halbleitereinheit
KR20210020461A (ko) 3차원 적층 구조의 나노선을 구비한 나노선 열전소자 및 이의 제조방법
AT520418B1 (de) Thermoelektrischer Generator mit Heuslerscher Legierung
DE102021206526A1 (de) Tunneldiode mit negativem differentiellen Widerstand und Verfahren zur Herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R016 Response to examination communication
R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final

Effective date: 20140604