DE102016207551B4 - Integrierte thermoelektrische Struktur, Verfahren zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur, Verfahren zum Betrieb derselben als Detektor, thermoelektrischer Generator und thermoelektrisches Peltier-Element - Google Patents

Integrierte thermoelektrische Struktur, Verfahren zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur, Verfahren zum Betrieb derselben als Detektor, thermoelektrischer Generator und thermoelektrisches Peltier-Element Download PDF

Info

Publication number
DE102016207551B4
DE102016207551B4 DE102016207551.9A DE102016207551A DE102016207551B4 DE 102016207551 B4 DE102016207551 B4 DE 102016207551B4 DE 102016207551 A DE102016207551 A DE 102016207551A DE 102016207551 B4 DE102016207551 B4 DE 102016207551B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
spacer
layer
spacers
substrate
integrated thermoelectric
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.)
Active
Application number
DE102016207551.9A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102016207551A1 (de
Inventor
Erik VERHEYEN
Tobias KLEINFELD
Dirk Weiler
Holger Vogt
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Universitaet Duisburg Essen
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Universitaet Duisburg Essen
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 Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Universitaet Duisburg Essen filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority to DE102016207551.9A priority Critical patent/DE102016207551B4/de
Priority to US15/583,066 priority patent/US11322672B2/en
Publication of DE102016207551A1 publication Critical patent/DE102016207551A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102016207551B4 publication Critical patent/DE102016207551B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric 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 heat-exchanging means at the junction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Abstract

Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800), mit folgenden Merkmalen:einem Substrat (110; 210; 410; 510; 610; 710; 810); undeiner Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 820); undmindestens zwei Abstandshaltern (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840), wobei die Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) Leiterstrukturen (132; 142) aufweisen, wobei eine Leiterstruktur (132) eines ersten Abstandshalters (130; 230; 430; 530; 630; 730; 830) ein Material mit einem ersten Seebeck-Koeffizienten aufweist; undwobei eine Leiterstruktur eines zweiten Abstandshalters (140; 240; 440; 540; 640; 740; 840) ein Material mit einem zweiten Seebeck-Koeffizienten, der sich von dem ersten Seebeck-Koeffizienten unterscheidet, aufweist; undwobei die Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) mit einer Toleranz von +/-45 Grad senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats (110; 210; 410; 510; 610; 710; 810) verlaufen; undwobei die Leiterstruktur (132) des ersten Abstandshalters (130; 230; 430; 530; 630; 730; 830) mit der Leiterstruktur (142) des zweiten Abstandshalters (140; 240; 440; 540; 640; 740; 840) elektrisch gekoppelt ist; undwobei die Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) ausgelegt sind, um die Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 820) in einem Abstand zu dem Substrat (110; 210; 410; 510; 610; 710; 810) zu halten,wobei die mindestens zwei Abstandshalter im Inneren hohle Röhren sind und Mantelflächen aufweisen.

Description

  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine integrierte thermoelektrische Struktur. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Verfahren zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur, ein Verfahren zum Betrieb derselben als Detektor, ein Verfahren zum Betrieb derselben als thermoelektrischer Generator und ein Verfahren zum Betrieb derselben als Peltier-Element
  • Hintergrund der Erfindung
  • Detektion von Infrarot-Strahlung ist ein wichtiges Anwendungsfeld, das zum Beispiel bei berührungsloser Temperaturmessung eingesetzt wird. In diesen Bereich fallen auch falschfarben-bildgebende Vorrichtungen, die ein Abbild einer Temperaturverteilung auf der Oberfläche eines Objekts zulassen.
  • Zurzeit werden hauptsächlich Bolometer für Infrarot-Sensor-Felder (Infrarot-Sensor-Arrays) genutzt, da diese bislang vergleichsweise klein strukturiert werden können und so leichter in ein Bildpunkt-Feld (Pixel-Array) zusammengefasst werden können. Die nächste Sensorgröße ist laut Yole-Bericht und aktueller Literatur mit 12 µm · 12 µm und zukünftig mit 6 µm · 6 µm angegeben. Bolometer haben dabei den Nachteil, dass diese zusätzliches Rauschen „produzieren“ (1/f-Rauschen).
  • Weiterhin ist es möglich Thermostapel („Thermopiles“) zu verwenden. Diese besitzen gegenüber den Bolometern den Vorteil, dass 1/f -Rauschen bei Thermostapeln nicht die Hauptquelle ist. Das Hauptproblem der Thermopiles ist bislang ihre Integrationsgröße auf der Halbleiterscheibe, beziehungsweise dem Wafer. Die Sensorflächen sind zurzeit größer als 20 µm · 20 µm und haben eine thermoelektrische Struktur in lateraler Richtung (zusätzlicher Platzbedarf).
  • Ein vertikaler Ansatz in der Literatur sieht vor, die Prozessierung durch Ätzen auf der Rückseite durchzuführen, wodurch zwar eine 3D Struktur möglich ist, allerdings wieder mit Verlust von Fläche und auch die Wärmeleitfähigkeit ist deutlich größer durch diese Strukturierungsmethode.
  • Eine weitere Veröffentlichung verfolgt einen anderen Ansatz. Der Artikel „DESIGN AND ANALYSIS OF NOVEL MICROMACHINED THERMOCOUPLES WITH VERTICAL FREE-STANDING HIGH-ASPECT-RATIO GEOMETRY“ von M. Wick, H. Hedler und H. Seidel (veröffentlicht in: Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 44, No. 6, 2015) beschreibt den Entwurf und die Analyse von freistehenden dreidimensionalen Thermopaaren für ungekühlte, hochauflösende bildgebende Verfahren für Infrarotanwendungen. Im Gegensatz zu üblichen, horizontalen Thermopaaren bestehen die in dem Artikel beschriebenen Thermopaare aus vertikal orientierten koaxialen Beinen, die von einer Infrarot-Absorberfläche bedeckt sind.
  • Die US 2014/0246066 A1 beschreibt eine thermoelektrische Ernte-Anordnung im Wafer-Maßstab. Eine integrierte Schaltung umfasst ein Substrat und eine dielektrische Schicht, die über dem Substrat gebildet ist. Eine Mehrzahl von p-Typ thermoelektrischen Elementen und eine Mehrzahl von n-Typ thermoelektrischen Elementen ist in der dielektrischen Schicht angeordnet. Die p-Typ thermoelektrischen Elemente und die n-Typ thermoelektrischen Elemente sind in Serie geschaltet, wobei zwischen p-Typ und n-Typ thermoelektrischen Elementen abgewechselt wird.
  • In Anbetracht der obigen Ausführungen ist es wünschenswert, eine integrierte thermoelektrische Struktur sowie ein Verfahren zur Herstellung und Betriebsverfahren zu schaffen, die einen verbesserten Kompromiss im Hinblick auf die Herstellungskosten, Integrationsgröße und Wirkungsgrad bieten.
  • Zudem ist es wünschenswert, eine integrierte vertikale thermoelektrische Struktur für Infrarot-Sensorik, eine Peltier-Kühlung und thermoelektrische Generator-Anwendungen zu schaffen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch die unabhängigen Patentansprüche definiert.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen werden durch die abhängigen Patentansprüche definiert.
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schafft eine integrierte thermoelektrische Struktur mit einem Substrat und einer Schicht, die von mindestens zwei Abstandshaltern in einem Abstand gehalten wird. Die Abstandshalter weisen Leiterstrukturen auf, wobei eine Leiterstruktur eines ersten Abstandshalters ein Material mit einem ersten Seebeck-Koeffizienten aufweist. Ein zweiter Abstandshalter weist eine Leiterstruktur auf, wobei die Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters ein Material mit einem zweiten Seebeck-Koeffizienten aufweist. Der zweite Seebeck-Koeffizient unterscheidet sich von dem ersten Seebeck-Koeffizienten. Weiterhin sind die Abstandshalter so hergestellt, dass sie mit einer Toleranz von +/-45 Grad, vorteilhaft kann auch eine Ausführung mit einer Toleranz von +/-30 Grad sein, senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats verlaufen. Die Leiterstruktur des ersten Abstandshalters und die Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters sind elektrisch gekoppelt und die Abstandshalter sind weiterhin ausgelegt, um die Schicht in einem Abstand zu dem Substrat zu halten.
  • Somit können mit dem hier vorgestellten Design beispielsweise insgesamt kleinere Sensoren erstellt werden, da der Platzbedarf für laterale Tragestrukturen entfallen kann. Hierzu wird die oben beschriebene vertikale Struktur erzeugt, wodurch eine minimal mögliche Sensorfläche deutlich verkleinert werden kann (beispielsweise aufgrund der thermischen Isolierung). Die thermische Isolierung kann zum Beispiel durch den Einsatz der Abstandshalter erzielt werden. Weiterhin ist der Einsatz von zwei im Wesentlichen vertikalen Abstandshaltern vorteilhaft, da diese eine hohe Stabilität gewährleisten können. Zugleich werden die Abstandshalter nicht nur zur thermischen Isolierung verwendet, sondern können vielmehr auch als Thermopaar wirken. Somit ist auch hier die Anzahl von mindestens zwei Abstandshaltern sinnvoll. Zum Beispiel wird auch durch eine Anzahl von mindestens zwei Abstandshaltern eine Verbesserung der Unempfindlichkeit auf Momentenbelastung erzielt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur weist der Abstandshalter eine Grundfläche, eine Mantelfläche und in einem Bereich, der von dem Substrat abgewandt ist, eine an die Mantelfläche anschließende, einen zentralen Bereich des Abstandshalters umgebende, zu der Hauptoberfläche des Substrats mit einer Toleranz von +/-10 Grad parallele obere Fläche auf. Dies bietet den Vorteil, dass die Abstandshalter durch die dünnwandige Herstellung eine niedrigere thermische Leitfähigkeit besitzen und gleichzeitig eine hohe mechanische Stabilität gegeben ist. Weiterhin kann durch die „hutartige“ Struktur, d.h. die Abfolge von Grundfläche, Mantelfläche und oberer Fläche, die der Krempe des Hutes entspräche, eine gute Befestigung der Schicht erfolgen. Diese gute mechanische Kontaktierung sorgt wiederum für einen deutlichen Zugewinn an Stabilität. Tatsächlich kann auch eine mögliche elektrische Kontaktierung durch die obere Fläche deutlich besser erfolgen. Als weiterer Aspekt sei erwähnt, dass der gesamte Abstandshalter, bestehend aus Grundfläche, Mantelfläche und oberer Fläche, einstückig hergestellt werden kann. Dies vereinfacht die Prozessierung und sorgt ebenfalls für eine erhöhte Stabilität. Die Grundfläche der Abstandshalter bietet auch Vorteile, zum Beispiel sorgt diese für eine verbesserte elektrische Kontaktierung des Abstandshalters zu einer möglicherweise vorhandenen Kontaktfläche auf dem Substrat.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur sind der erste und der zweite Abstandshalter nebeneinander angeordnet. Dies bietet zum Beispiel den Vorteil, dass durch die räumliche Trennung diese leichter elektrisch kontaktiert werden können. Auch wird durch die räumliche Trennung die Herstellbarkeit verbessert, da geometrisch ähnliche beziehungsweise abgesehen von dem Material geometrisch gleiche Abstandshalter prozessiert werden können und dies in einem gewählten Abstand.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel grenzt die obere Fläche des Abstandshalters überlappend an die Schicht an, um die Schicht zu halten und/oder elektrisch zu kontaktieren. Dies bietet den Vorteil, zwei unterschiedliche Funktionen in einem Bestandteil der Abstandshalter zu kombinieren. Die obere Fläche kann dabei sowohl für eine mechanische Fixierung der Schicht und weiterhin auch für eine elektrische Kontaktierung vorgesehen sein.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur sind die Abstandshalter auf elektrische Kontakte aufgewachsen. Dies bietet den Vorteil, dass die integrierte thermoelektrische Struktur auf eine bereits prozessierte Schaltung aufgewachsen werden kann, und diese Schaltung zum Beispiel eine Auswerteelektronik für die integrierte thermoelektrische Struktur darstellen kann. Dabei ist es zum Beispiel auch möglich, auf CMOS-Schaltungen die integrierte thermoelektrische Struktur herzustellen, und dabei CMOS-unübliche Materialien zu verwenden. Damit wird die Möglichkeit eröffnet, in einem weiteren Bereich gewünschte Materialien zu verwenden, die, zum Beispiel im Vergleich zu CMOS-üblichen Materialien, bessere thermoelektrische oder mechanische Eigenschaften aufweisen können.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur weist diese zumindest vier Abstandshalter auf, wobei die Leiterstrukturen der Abstandshalter in Serie geschaltet sind. Weiterhin weisen jeweils zwei in der Serienschaltung aufeinanderfolgende Leiterstrukturen Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten auf. Dies bietet den Vorteil, dass die elektrische Spannung, die sich ergibt, im Vergleich zu einem einzelnen thermoelektrischen Paar typischerweise doppelt so groß ist. Zudem erhöht sich die mechanische Stabilität der Struktur weiter.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur sind die Leiterstrukturen der Abstandshalter auf der Seite des Substrats und/oder auf der Seite der Schicht elektrisch kontaktiert. Damit kann die integrierte thermoelektrische Struktur mit einer externen Beschaltung versehen werden. Dabei ist zum Beispiel keine Beschränkung auf eine Schaltung im Substrat vorhanden, vielmehr ist es möglich, eine Beschaltung auch auf der Schicht anzubringen.
  • Erfindungsgemäß sind die Abstandshalter im Inneren hohle Röhren. Dies bietet den Vorteil, dass die thermische Leitfähigkeit der Abstandshalter verringert werden kann und gleichzeitig die mechanische Stabilität erhöht werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur bilden die Leiterstruktur des ersten Abstandshalters und die Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters ein thermoelektrisches Paar. Dies bietet den Vorteil, dass in der Struktur der Abstandshalter wiederum die zwei getrennten Eigenschaften beziehungsweise Aufgaben, auf der einen Seite Herstellen des Abstands der Schicht von dem Substrat und auf der anderen Seite, dass die Abstandshalter die aktiven Elemente der thermoelektrischen Struktur sind, zusammengefasst werden können
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur bestehen die Leiterstruktur des ersten Abstandshalters und die Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters aus Materialien, deren Seebeck-Koeffizienten sich um mindestens 30µV/K, bevorzugt 100µV/K, unterscheiden. Das bietet den Vorteil, dass zum Beispiel die sich einstellende Spannung ausreichend groß werden kann und somit zum Beispiel bei Sensoranwendungen die Empfindlichkeit einen vorteilhaften Wert erreichen kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur geht der erste Abstandshalter in einem oberen Bereich, der von dem Substrat abgewandt ist, in einen ersten Schichtabschnitt der Schicht über und der zweite Abstandshalter geht ebenfalls in einem oberen Bereich, der dem Substrat abgewandt ist, in einen zweiten Schichtabschnitt der Schicht über. Dabei berühren und/oder überlappen sich der erste Schichtabschnitt und der zweite Schichtabschnitt. Weiterhin können der erste Schichtabschnitt und der zweite Schichtabschnitt elektrisch verbunden sein. Das bietet den Vorteil, dass die Schicht aus Teilen der Abstandshalter gebildet werden kann und somit mindestens ein Herstellungsschritt weggelassen werden kann. Weiterhin können damit Überganswiderstände vermieden werden.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur weist die integrierte thermoelektrische Struktur ein wärmeleitendes Bauteil auf, das mit der Schicht thermisch gekoppelt ist, um Wärme von der Schicht wegzuleiten oder Wärme zu der Schicht hinzuleiten. Das bietet den Vorteil, dass die integrierte thermoelektrische Struktur thermisch an Wärmequellen und/oder an Wärmesenken angebunden werden kann, und zum Beispiel als Peltier-Element oder als thermoelektrischer Generator fungieren kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur weist die Schicht einen Strahlungsabsorptionskoeffizienten von mindestens 0,5 auf. Das bietet den Vorteil, dass zum Beispiel bei einer Infrarot-Sensor-Anwendung die Absorption der gewünschten Strahlung ausreichend groß sein kann und somit die Schicht sich ausreichend stark erwärmen kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur ist auf die Schicht eine weitere Schicht aufgebracht, die einen Strahlungsabsorptionskoeffizienten von mindestens 0,5 aufweist. Das bietet zum Beispiel den Vorteil, dass die Absorption ebenfalls erhöht ist, ohne dass beispielweise ein Kompromiss bei der elektrischen Leitfähigkeit der Schicht eingegangen werden muss.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur ist auf der Schicht eine THz-Antenne vorgesehen. Das bietet den Vorteil, dass durch diese THz-Antenne der Messbereich zusätzlich in den THz-Bereich ergänzt werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur ist ein Reflektor in einem Bereich zwischen der Schicht und dem Substrat angeordnet. Das bietet den Vorteil, dass zum Beispiel ein Resonator verwirklich werden kann, der zum Beispiel eine wellenlängenselektive Erwärmung der Schicht ermöglichen kann. Weiterhin kann es durch den Reflektor ermöglicht werden, dass Strahlung, die die Schicht durchdringt, durch den Reflektor zurückgeworfen werden kann, und somit ebenfalls zu der Erwärmung der Schicht beitragen kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur weist der Reflektor eine zu einer Hauptoberfläche des Substrats mit einer Toleranz von +/-10 Grad parallele Reflektorfläche auf. Das bietet den Vorteil, dass zum Beispiel die wellenlängenselektive Erwärmung der Schicht weiter verbessert werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur ist ein Rand der Reflektorfläche als Steuerstruktur angeordnet, um eine Beeinflussung einer elektrischen Eigenschaft des Abstandshalters zu ermöglichen. Das bietet die Möglichkeit, dass zum Beispiel der Reflektor als Steueranschluss (Gate) eines Feldeffekt-Transistors zum Beispiel eines vertikalen Metall-Oxid-Halbleiter-Transistors (MOS-Transistors) genutzt werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur ist die Reflektorfläche zumindest zu einem der Abstandshalter benachbart, um eine Beeinflussung einer elektrischen Eigenschaft des Abstandshalters zu ermöglichen oder die Reflektorfläche ist zumindest einem der Abstandshalter zugewandt, um eine Beeinflussung einer elektrischen Eigenschaft des Abstandshalters zu ermöglichen. Das bietet den Vorteil, dass zum Beispiel der Ladungsträgerfluss beziehungsweise die Ladungsträgerkonzentration im Abstandshalter moduliert werden kann, beispielsweise durch eine an den Reflektor angelegte Spannung.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur ist zwischen der Reflektorfläche und dem Abstandshalter eine Isolationsschicht vorgesehen, die eine Beeinflussung einer elektrischen Eigenschaft des Abstandshalters zulässt. Das bietet den Vorteil, dass zum Beispiel der Seebeck-Koeffizient zeitlich moduliert werden kann.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der integrierten thermoelektrischen Struktur weist der Abstandshalter eine Steuerelektroden-Struktur beziehungsweise Gatestruktur auf. Das bietet den Vorteil, dass zum Beispiel elektrische und thermische Eigenschaften der Abstandshalter beeinflusst werden können.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur. Dabei weist das Verfahren folgende, nicht notwendigerweise in Reihenfolge einer Ausführung widergegebene, Schritte auf: Herstellen eines ersten Abstandshalters, der eine erste Leiterstruktur aufweist, wobei die erste Leiterstruktur ein Material mit einem ersten Seebeck-Koeffizienten aufweist, und wobei der erste Abstandshalter so hergestellt wird, dass der erste Abstandshalter mit einer Toleranz von +/-45 Grad senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats ist; Herstellen eines zweiten Abstandshalters, der eine zweite Leiterstruktur aufweist, wobei die zweite Leiterstruktur ein Material mit einem zweiten Seebeck-Koeffizienten aufweist, der sich von dem ersten Seebeck-Koeffizienten unterscheidet, und wobei der zweite Abstandshalter so hergestellt wird, dass der zweite Abstandshalter mit einer Toleranz von +/-45 Grad senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats ist und Herstellen einer Schicht, wobei der erste Abstandshalter, der zweite Abstandshalter und die Schicht so hergestellt werden, dass die Leiterstruktur des ersten Abstandshalters mit der Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters elektrisch gekoppelt ist, und dass die Schicht von den Abstandshaltern in einem Abstand zu dem Substrat gehalten wird.
  • Das genannte Verfahren verwirklicht die bestimmungsmäßige Herstellung der oben beschriebenen integrierten thermoelektrischen Struktur.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Herstellungsverfahren, wobei die Schicht vor den Abstandshaltern hergestellt wird und wobei die Schicht vor der Herstellung der Abstandshalter durch eine Opferschicht getragen wird. Dabei weist die Herstellung des Abstandshalters folgenden Schritt auf: Aufbringen des Materials mit dem ersten Seebeck-Koeffizienten, so dass das Material mit dem ersten Seebeck-Koeffizienten die Schicht von oben kontaktiert und sich durch eine erste Öffnung in der Schicht und durch eine erste Öffnung in der Opferschicht hin zu dem Substrat oder zu einer auf dem Substrat aufgebrachten Schicht erstreckt. Die Herstellung des zweiten Abstandshalters weist folgenden Schritt auf: Aufbringen des Materials mit dem zweiten Seebeck-Koeffizienten, so dass das Material mit dem zweiten Seebeck-Koeffizienten die Schicht von oben kontaktiert und sich durch eine zweite Öffnung in der Schicht und durch eine zweite Öffnung in der Opferschicht hin zu dem Substrat oder zu einer auf dem Substrat aufgebrachten Schicht erstreckt. Die Opferschicht wird nach der Herstellung des ersten und des zweiten Abstandshalters entfernt. Dieses Herstellungsverfahren kann zum Beispiel den Vorteil bieten, dass dadurch die Schicht und die jeweiligen Abstandshalter sehr gut kontaktiert werden. Zum Beispiel kann die mechanische Verbindung zwischen der Schicht und den Abstandshaltern ebenfalls verbessert werden.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur. Dabei wird vor der Herstellung der Abstandshalter eine integrierte Schaltung auf dem Substrat gebildet.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur. Bei diesem Verfahren werden die Abstandshalter auf Kontaktflächen, die mit elektrischen Leiterstrukturen verbunden sind, gebildet.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Betrieb einer integrierten thermoelektrischen Struktur. Die integrierte thermoelektrische Struktur umfasst dabei ein Substrat, eine Schicht und mindestens zwei Abstandshalter. Diese Abstandshalter weisen Leiterstrukturen auf und die Leiterstruktur eines ersten Abstandshalters weist ein Material mit einem ersten Seebeck-Koeffizienten auf. Die Leiterstruktur eines zweiten Abstandshalters weist ein Material mit einem zweiten Seebeck-Koeffizienten auf, der sich von dem ersten Seebeck-Koeffizienten unterscheidet. Dabei verlaufen die Abstandshalter mit einer Toleranz von +/-45 Grad, vorteilhaft kann auch eine Ausführung mit einer Toleranz von +/-30 Grad sein, senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats. Die Leiterstruktur des ersten Abstandshalters ist mit der Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters elektrisch gekoppelt und die Abstandshalter sind ausgelegt, um die Schicht in einem Abstand zu dem Substrat zu halten. Weiterhin umfasst die Struktur einen Reflektor, wobei der Reflektor in einem Bereich zwischen der Schicht und dem Substrat angeordnet ist. Dabei weist der Reflektor eine zu einer Hauptoberfläche des Substrats mit einer Toleranz von +/-10 Grad parallele Reflektorfläche auf. Eine zu detektierende Strahlung weist ein spektrales Maximum einer vorgegebenen Wellenlänge auf, und der Abstand zwischen der Reflektorfläche und der Schicht ist, mit einer Toleranz von 10%, vorteilhaft auch eine Toleranz von 5%, der vorgegebenen Wellenlänge, gleich einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der vorgegebenen Wellenlänge.
  • Das genannte Verfahren verwirklicht den bestimmungsgemäßen Betrieb der oben beschriebenen integrierten thermoelektrischen Struktur. Insbesondere kann sich hier eine stehende Welle ausbilden, deren Wellenbauch zu einer besonders effizienten Erwärmung der Schicht führen kann.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Betrieb einer integrierten thermoelektrischen Struktur als Detektor zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung. Genutzt wird dabei eine integrierte thermoelektrische Struktur und eine Schaltung, die ausgelegt ist, um eine elektrische Spannung, die sich zwischen substratseitigen und/oder schichtseitigen Anschlüssen des ersten Abstandshalters und des zweiten Abstandshalters ergibt, auszuwerten, um eine Information über eine durch einfallende elektromagnetische Strahlung verursachte Erwärmung der Schicht zu erhalten.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Betrieb einer integrierten thermoelektrischen Struktur als thermoelektrischer Generator zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Genutzt wird dabei eine integrierte thermoelektrische Struktur und eine Schaltung, die ausgelegt ist, um eine elektrische Spannung, die sich zwischen den substratseitigen und/oder schichtseitigen Anschlüssen des ersten Abstandshalters und des zweiten Abstandshalters ergibt, abzugreifen, um elektrische Energie zur Verfügung zu stellen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Betrieb einer integrierten thermoelektrischen Struktur als thermoelektrisches Peltier-Element zum Transport von Wärme. Genutzt wird dabei eine integrierte thermoelektrische Struktur und eine Schaltung, die ausgelegt ist, um einen elektrischen Strom einzuprägen, der über die Leiterstruktur des ersten Abstandshalters und über die Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters verläuft, um Wärme zu transportieren.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 ein schematisches Schnittbild einer integrierten thermoelektrischen Struktur gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 2 ein schematisches Schnittbild einer integrierten thermoelektrischen Struktur gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 3 eine Schrägansicht eines prinzipiellen Aufbau eines Abstandshalters einer integrierten thermoelektrischen Struktur;
    • 4 ein schematisches Schnittbild einer integrierten thermoelektrischen Struktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 5 ein schematisches Schnittbild einer integrierten thermoelektrischen Struktur gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 6 ein schematisches Schnittbild einer integrierten thermoelektrischen Struktur gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 7 ein schematisches Schnittbild einer integrierten thermoelektrischen Struktur gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 8 ein schematisches Schnittbild einer integrierten thermoelektrischen Struktur gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 10 eine tabellarische Darstellung eines Prozessflusses zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur;
    • 11 eine graphische Darstellung eines Prozessflusses zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur; und
    • 12 einen prinzipiellen Aufbau einer Struktur, welche den Seebeck-Effekt nutzen kann.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1
  • 1 zeigt ein schematisches Schnittbild einer integrierten thermoelektrischen Struktur 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die integrierte thermoelektrische Struktur 100 ist ausgelegt, um zum Beispiel als Infrarot-Sensor, Peltier-Element und/oder thermoelektrischer Generator Anwendung zu finden. Die integrierte thermoelektrische Struktur 100 umfasst ein Substrat 110, eine Schicht 120 und mindestens zwei Abstandshalter 130, 140, wobei die Abstandshalter 130, 140 Leiterstrukturen 132, 142 aufweisen, wobei eine Leiterstruktur 132 eines ersten Abstandshalters 130 ein Material mit einer ersten Seebeck-Koeffizienten aufweist. Eine Leiterstruktur 142 eines zweiten Abstandshalter 140 weist ein Material mit einem zweiten Seebeck-Koeffizienten auf, der sich von dem ersten Seebeck-Koeffizienten unterscheidet. Die Abstandshalter 130, 140 verlaufen mit einer Toleranz von +/-45 Grad, vorteilhaft kann auch eine Ausführung mit einer Toleranz von +/- 30 Grad sein, senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats 110. Die Leiterstruktur 132 des ersten Abstandshalter 130 ist mit der Leiterstruktur 142 des zweiten Abstandshalters 140 elektrisch gekoppelt. Die Abstandshalter 130, 140 sind ausgelegt, um eine Schicht 120 in einem Abstand zu dem Substrat 110 zu halten. Weiterhin sind die Abstandshalter 130 und 140 in einem Abstand zueinander angeordnet. Die Schicht 120 verläuft mit einer Toleranz von +/-10 Grad, beziehungsweise im Allgemeinen parallel, zu einer Hauptoberfläche des Substrats 110. Als Hauptoberfläche des Substrats 110 wird eine mittlere Oberfläche bezeichnet, gemittelt über die im Allgemeinen nicht perfekt glatte Oberfläche des Substrats 110, welche zum Beispiel durch weitere Strukturen auf und/oder in dem Substrat 110 höhere und niedrigere Bereiche aufweisen kann. Weiterhin erstreckt sich die Schicht 120 über den Bereich hinaus, der von den Abstandshaltern 130, 140 gestützt wird.
  • Mit anderen Worten lässt sich sagen, dass durch die Abstandshalter 130, 140 eine thermisch isolierte Absorberfläche, d.h. die Schicht 120, die elektrisch leitfähig sein kann, gestützt wird, wobei die Abstandshalter 130, 140 beziehungsweise deren Leiterstrukturen 132, 142 elektrisch leitfähig sind und aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehen. Die verschiedenen Materialien besitzen zusätzlich unterschiedliche Seebeck-Koeffizienten und sind beispielsweise über einen ohmschen Kontakt beziehungsweise mehrere ohmsche Kontakte an der Membran, d.h. der Schicht 120, elektrisch miteinander verbunden, sodass auch mehrere Abstandshalter 130, 140 unter einer Membran elektrisch in Serie/parallel geschaltet werden können.
  • Mit dem hier vorgestellten Design können damit insgesamt kleinere Sensoren im Vergleich zu herkömmlichen Thermostapeln hergestellt werden. Hierzu wird die integrierte thermoelektrische Struktur 100 erzeugt, wodurch die minimal mögliche Sensorfläche verkleinert werden kann, dies aufgrund der thermischen Isolierung der Schicht 120 von dem Substrat 110. Die Sensor-Detektivität ist dabei hauptsächlich von der lithographischen Strukturbreite begrenzt. Durch die Prozessierung mit Atomlagenablagerung (Atomic Layer Deposition, auch als ALD bezeichnet) ist es möglich, sehr dünne Strukturen zu erzeugen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit der Abstandshalter 130, 140 verringert wird. Außerdem ist es durch ALD möglich, Materialsysteme beispielsweise für die Abstandshalter zu nutzen, die CMOS-unüblich sind, wie zum Beispiel Bi2Te3, mit einem guten thermoelektrischen Gütefaktor (zT-Wert).
  • Durch die vertikale Struktur, beziehungsweise durch den vertikalen Aufbau der integrierten thermoelektrischen Struktur zum Beispiel durch die im Wesentlichen „vertikalen“ also zu der Hauptoberfläche des Substrats 110 im Wesentlichen senkrechten Abstandshalter 130, 140, wird die Fläche auf dem Wafer weiter verringert und damit Kosten eingespart. Zusätzlich kann es möglich sein, auf unterschiedlichen Substraten 110, das bedeutet zum Beispiel auf Substraten mit verschiedenen Materialien, diese Thermopile-Strukturen zu erzeugen. Außerdem können die thermoelektrisch aktiven Schichten, d.h. die Leiterstrukturen 132, 142 der Abstandshalter 130, 140, „länger“ gestaltet werden, ohne die Sensorfläche zu vergrößern wie in üblichen kommerziellen Thermopiles. Dadurch kann die für den Betrieb nötige Temperaturdifferenz weiter erhöht werden. Die sehr genaue vertikale Strukturierung, die elektrische Verbindung der Thermopiles (Anzahl von Elementen) und die daraus resultierende Verbindung mit darunter liegenden Strukturen, zum Beispiel zu einer Auswerteelektronik, sowie vor allem CMOS-Kompatibilität, ist neu für Thermopiles. Mit diesem Design können reproduzierbare Sensoren mit hoher Detektivität hergestellt werden, welche CMOSkompatibel sind und kosteneffizient.
  • Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2
  • 2 zeigt ein schematisches Schnittbild einer integrierten thermoelektrischen Struktur 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die integrierte thermoelektrische Struktur 200 umfasst dabei ein Substrat 210, eine Schicht, beziehungsweise Membran, 220 und mindestens zwei Abstandshalter 230, 240. Ein erster Abstandshalter 230 weist dabei eine Grundfläche 238, eine Mantelfläche 234 und, in einem Bereich, der von dem Substrat 210 abgewandt ist, eine an die Mantelfläche 234 anschließende, einen zentralen Bereich des Abstandshalters 230 umgebende, zu der Hauptoberfläche des Substrats 210 mit einer Toleranz von +/-10 Grad parallele obere Fläche 236 auf. Ein zweiter Abstandshalter 240 weist dabei eine Grundfläche 248, eine Mantelfläche 244 und, in einem Bereich, der von dem Substrat 210 abgewandt ist, eine an die Mantelfläche 244 anschließende, einen zentralen Bereich des Abstandshalters 240 umgebende, zu der Hauptoberfläche des Substrats 210 mit einer Toleranz von +/-10 Grad parallel obere Fläche 246 auf. Weiterhin weisen die Abstandshalter 230, 240 entweder Leiterstrukturen mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten auf, oder bestehen aus Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten. Weiterhin umfasst die integrierte thermoelektrische Struktur 200 eine erste leitfähige Fläche 280, die dem ersten Abstandshalter 230, beziehungsweise der Leiterstruktur des ersten Abstandshalters 230, zugeordnet ist und die mit dem ersten Abstandshalter 230 oder der Leiterstruktur des ersten Abstandshalters 230 elektrisch gekoppelt ist. Eine zweite leitfähige Fläche 285 ist dem zweiten Abstandshalter 240, beziehungsweise der Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters 240, zugeordnet. Die zweite leitfähige Fläche 285 ist mit dem zweiten Abstandshalter 240, beziehungsweise der Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters 240, elektrisch gekoppelt. Das Substrat 210 erstreckt sich zwischen den Abstandshaltern 230, 240 dabei im Wesentlichen, d.h. mit einer Toleranz von +/-10%, parallel zu der Schicht 120.
  • Zwischen den Grundflächen 238, 248 der Abstandshalter 230, 240 und der jeweiligen leitfähigen Fläche 280, 285 kann sich beispielsweise jeweils eine weitere Schicht 222, 224 befinden, die das gleiche Material aufweist wie die Schicht 220. Diese weitere Schicht 222, 224 kann Folge der in dem Anwendungsbeispiel gewählten Abfolge und Herangehensweise der Prozessierung sein, dass die Abstandshalter 230, 240 zeitlich nach der Schicht 220, und damit nach den weiteren Schichten 222, 224, prozessiert wurden.
  • Der Aufbau des Abstandshalters 230, und analog dazu auch der Aufbau des Abstandshalters 240, kann als ein oben offener Zylinder dargestellt werden, d.h. mit einer (Zylinder-)Grundfläche 238 und einer (Zylinder-)Mantelfläche 234. Die obere Schicht 236 verläuft als breiter Rand außen um die (Zylinder-)Mantelfläche 230 herum. Der Abstandshalter ist somit im Wesentlichen, d.h. mit einer Toleranz von +/-25%, rotationssymmetrisch.
  • Der Abstandshalter 230, 240 kann allgemein ein oben offener „allgemeiner“ Zylinder (beispielsweise mit einer nicht-kreisrunden Grundfläche 238) sein, wobei der Zylindermantel 234 in einem oberen Bereich außen von einer Randfläche 236 umgeben ist, die im Wesentlichen parallel zu der Zylindergrundfläche 238 beziehungsweise der Hauptoberfläche des Substrats 210 ist.
  • Denkbar wäre es, die Abstandshalter 230, 240 auf bereits prozessierte leitfähige Flächen 280, 285 aufzuwachsen. Dies bietet den Vorteil, bereits im Substrat 210 prozessierte Strukturen, wie zum Beispiel einer Auswerteelektronik, nutzen zu können. In 2 ist ebenfalls dargestellt, dass die obere Fläche 236 des ersten Abstandshalter 230 überlappend an die Schicht 220 angrenzt. Weiterhin ist dargestellt, dass die obere Fläche 246 des zweiten Abstandshalters 240 überlappend an die Schicht 220 angrenzt. Dies bietet die Möglichkeit, dass die oberen Flächen 236, 246 der Abstandshalter 230, 240 die Schicht 220 halten und/oder elektrisch kontaktieren. Dabei ist nicht festgelegt, ob die Abstandshalter 230, 240 die Schicht 220 von oben tragen oder von unten stützen. Beide Ausführungen können Vorteile zum Beispiel bei der elektrischen Kontaktierung, bei der mechanischen Stabilität oder der Herstellung besitzen. Festgelegt werden kann der Bezug der Abstandshalter 230, 240 zu der Fläche 220 zum Beispiel durch die Reihenfolge bei der Prozessierung, ob also die Abstandshalter 230, 240 zum Beispiel zeitlich vor oder nach der Schicht 220 prozessiert werden.
  • In der dargestellten Ausführung der integrierten thermoelektrischen Struktur 200 wäre es denkbar, die Leiterstrukturen der Abstandshalter 230, 240 elektrisch in Serie zu schalten. Eine Erweiterung der integrierten thermoelektrischen Struktur 200 wäre es, dass die integrierte thermoelektrische Struktur 200 mindestens 4 Abstandshalter 230, 240 aufweist und die Leiterstrukturen der Abstandshalter 230, 240 in Serie geschaltet sind. Dabei weisen jeweils zwei in der Serienschaltung aufeinanderfolgende Leiterstrukturen der Abstandshalter 230, 240 Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten auf.
  • Bei der integrierten thermoelektrischen Struktur 200 ist es möglich, dass die Leiterstruktur des ersten Abstandshalters 230 mit der Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters 240 durch den Unterschied der einzelnen Seebeck-Koeffizienten ein thermoelektrisches Paar bildet. Man kann die integrierte thermoelektrische Struktur 200 auch als prinzipiellen Aufbau eines Infrarot-Sensors, eines thermoelektrischen Generators oder eines Peltierkühlers verstehen. Material 1 und 2 stellen zum Beispiel die Abstandshalter 230, 240 der Membran, d.h. der Schicht 220, zum Substrat 210 dar und können gleichzeitig aktive Struktur für die oben genannten Anwendungsszenarien sein. Der ohmsche Kontakt ist an der Membran, d.h. der Schicht 220, vorgesehen, sodass zusätzliche Abstandshalter 230, 240 elektrische beliebig in Serie und/oder parallel geschaltet werden können.
  • Statt zusätzlich aufgebrachter elektrischer Kontakte, ist es denkbar, dass die Membran, d.h. die Schicht 220, auch als elektrischer Kontakt zwischen den einzelnen Abstandshalter 230, 240 dient. Dadurch kann die thermische Masse weiter reduziert werden. Dies kann ein schnelleres Ansprechverhalten zum Beispiel bei einer Detektionsanwendung versprechen.
  • Die Abstandshalter 230, 240 finden in 1 ihre Entsprechung in den Abstandshalter 130, 140. Die genaue Ausführung der Abstandshalter ist dabei nicht festgelegt. Vielmehr ist es gewünscht, dass die Abstandshalter 230, 240 stets die grundlegenden Eigenschaften und Aufgaben der Abstandshalter erfüllen sollen, d.h. mechanische Stabilität erzielen und zugleich aktive thermoelektrische Elemente und Abstandshalter der Schicht 220 von dem Substrat 210 sein.
  • Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3
  • 3 zeigt eine Schrägansicht eines Abstandshalters 300 einer integrierten thermoelektrischen Struktur. Der Abstandshalter 300 umfasst dabei eine Mantelfläche 310 und ein Inneres 320. Weiterhin ist es möglich, dass der Abstandshalter 300 eine Grundfläche und in einem Bereich, der von dem Substrat abgewandt ist, eine an die Mantelfläche 310 anschließende, einen zentralen Bereich des Abstandshalters 300 umgebende, zu der Hauptoberfläche des Substrats mit einer Toleranz von +/-10 Grad parallele obere Fläche aufweist. Somit stellt 3 den prinzipiellen Aufbau eines Abstandshalters 300 dar, mit der Höhe h, dem Außendurchmesser b und der Dicke der „Hülle“ (beziehungsweise Mantelfläche) d.
  • Der Abstandshalter 300 kann dabei so prozessiert sein, dass der Abstandshalter 300 ganz oder teilweise innen hohl ist, oder dass das Innere 320 des Abstandshalters 300 mit einem Material gefüllt ist, dessen thermische Leitfähigkeit geringer ist als eine thermische Leitfähigkeit eines jeweiligen Materials der Mantelfläche 310 der Abstandshalter 300. Beispielweise könnte die gewünschte thermische Leitfähigkeit eine Materials, das das Innere 320 ausfüllt, kleiner als 1/10 der thermischen Leitfähigkeit des Materials der Mantelfläche 310 sein, wobei das Material der Mantelfläche beispielsweise elektrisch leitfähig ist und bei dem ersten Abstandshalter den ersten Seebeck-Koeffizienten und bei dem zweiten Abstandshalter den zweiten Seebeck-Koeffizienten aufweisen kann.
  • Dies bietet den Vorteil, dass eine mechanische Stabilität des Abstandshalters 300 gewährleistet werden kann, bei einer möglichen Verringerung der thermischen Leitfähigkeit des Abstandshalters 300. Die Dimensionen des Abstandshalters können mit einer Höhe h, einem Außendurchmesser b und einer Schichtdicke der Mantelfläche d bezeichnet werden.
  • Mit anderen Worten ausgedrückt: Die Abstandshalter sind dünnwandige im Inneren hohle Gebilde (Röhren), wodurch die thermische Leitfähigkeit von der Schicht (Membran) zum Substrat verringert werden kann. Die Schichtdicken d der Abstandshalter (Röhren) können von einer Monolage bis 200nm reichen, liegen aber bevorzugt zwischen 5nm und 50nm. Der Außendurchmesser b dieser Strukturen liegt beispielsweise bevorzugt im Bereich von 50nm bis 400nm und ist zum Beispiel lediglich von der genutzten lithografischen Auflösung abhängig. Die Höhe h dieser Röhren sollte möglichst groß sein, um die thermische Leitfähigkeit weiter herabzusetzen und um einen möglichst großen Temperaturunterschied zu erzielen. Typisch wären zum Beispiel Höhen h von 1,0µm bis 40µm, wobei die Höhe h bevorzugt im Bereich zwischen 5µm und 20µm für Sensoranwendungen liegt.
  • Der in 3 gezeigte Abstandshalter 300 entspricht beispielsweise den Abstandshaltern 230, 240 der 2, und auch den Abstandshalter 130, 140 der 1, abgesehen davon, dass 3 nicht die Grundfläche und die obere Fläche zeigt. Es lässt sich aber sagen, dass es gewünscht ist, dass der Abstandshalter 300 stets die oben erwähnten grundlegenden Eigenschaften und Aufgaben der Abstandshalter erfüllen soll.
  • Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4
  • 4 zeigt ein schematisches Schnittbild einer integrierten thermoelektrischen Struktur gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die integrierte thermoelektrische Struktur 400 umfasst dabei ein Substrat 410, eine Schicht 420, mindestens zwei Abstandshalter 430, 440, einen Reflektor 460 und mindestens zwei leitfähige Flächen 480, 485. Dabei geht der erste Abstandshalter 430 in einem oberen Bereich, der von dem Substrat 410 abgewandt ist, in einen ersten Schichtabschnitt der Schicht 420 über. Der zweite Abstandshalter 440 geht ebenfalls in einem oberen Bereich, der dem Substrat 410 abgewandt ist, in einen zweiten Schichtabschnitt der Schicht 420 über. Der erste Schichtabschnitt und der zweite Schichtabschnitt können sich dabei berühren und/oder sich überlappen und/oder sind elektrisch miteinander verbunden.
  • Dies bietet den Vorteil, dass die Schicht 410 nicht in einem getrennten Schritt prozessiert wird, sondern dass die Herstellung eines Schichtabschnitts der Schicht 420 mit der Prozessierung des ersten Abstandshalters 430 gleichzeitig erfolgen kann und mit der Prozessierung des zweiten Abstandshalters 440 eine Prozessierung eines weiteren Schichtabschnitts der Schicht 420 erfolgen kann. Möglich wäre es, dass durch den Wegfall eines Übergangswiderstandes von der Schicht 420 zu den jeweiligen Abstandshaltern 430, 440 diese elektrisch besser kontaktiert beziehungsweise verbunden sein können, und dass auch die mechanische Stabilität der Abstandshalter 430, 440 erhöht sein kann. Ebenfalls ist es denkbar, dass durch diese Art der Prozessierung die Schicht 420 mechanisch stabiler im gewünschten Abstand gehalten wird, da ein Schichtabschnitt der Schicht 420 Bestandteil des ersten Abstandshalter 430 sein kann, beziehungsweise aus dem gleichen Material bestehen kann wie der „vertikale“ Teil des Abstandshalters, also die Mantelfläche, und ein weiterer Schichtabschnitt der Schicht 420 Bestandteil des zweiten Abstandshalter 440 sein kann. Durch diese „Einstückigkeit“ wäre es möglich eine deutliche Verbesserung der mechanischen Stabilität zu erzielen.
  • Neben dieser Möglichkeit ist mindestens eine weitere Verbesserung der in 4 dargestellten integrierten thermoelektrischen Struktur 400 denkbar. Um mit der integrierten thermoelektrischen Struktur zum Beispiel eine Infrarot-Detektionsanwendung zu erzielen, können die Schichten der Stützstrukturen beziehungsweise der erste Schichtabschnitt des ersten Abstandshalters 430 und der zweite Schichtabschnitt des zweiten Abstandshalter 440, wie oben beschrieben, überlappen, um so einen elektrischen Kontakt zu erhalten und gleichzeitig eine Schicht 420 (Membran) zu formen, welche idealerweise einen Widerstand von 377Ω/sq, mit einer Toleranz von beispielsweise +/-10%, haben kann. Durch diesen elektrischen Schichtwiderstand kann die Reflexion des einfallenden Lichts verhindert werden. Gleichzeitig sollte eine Reflektorschicht im (2n - 1)λ/4 Abstand, für n = 1 oder Vielfachen von n (natürliche Zahlen), angebracht werden (Abstand zwischen der Reflektorschicht 460 und der (Absorptions-)Schicht 420). Dabei ist λ die zu detektierende Wellenlänge.
  • Der Reflektor 460, beziehungsweise die Reflektorschicht, besitzt beispielsweise einen geringen elektrischen Widerstand von wenigen Ω/sq, zum Beispiel weniger als 10 Ω /sq, um ein Absorption von Strahlung an dieser Stelle zu verhindern und Reflexionen zu maximieren. Durch diese Resonatorstruktur wird eine hohe Absorption in der oberen dünnen Schicht 420 (Membran) erreicht und diese effektiv erwärmt. Kurz umschreiben kann man die integrierte thermoelektrische Struktur 400 so, dass eine Absorptionsschicht 420 aus den aktiven Materialien 1 und 2 aufgebaut ist, mit geeignetem elektrischen Widerstand und elektrischer Verbindung der beiden Materialien an der Membran, d.h. der Schicht 420.
  • Der Reflektor 460 kann beispielsweise als Fläche mit Löchern ausgeführt sein. Durch diese Löcher ragen die Abstandshalter 430, 440. Dabei ist für den Reflektor 460 auch denkbar, dass mehrere Teilbereiche existieren, die voneinander getrennt sein können, zum Beispiel um den Reflektor 460 besser prozessieren zu können oder eine gegebenenfalls zur Herstellung des Reflektors 460 nötige Opferschicht besser nach der Herstellung entfernen zu können.
  • Die in 4 gezeigten Abstandshalter 430, 440 entsprechen beispielsweise den Abstandshaltern 230, 240 der 2, den Abstandshaltern 130, 140 der 1 und beispielsweise auch dem Abstandshalter 300 in 3, abgesehen davon, dass der Abstandshalter 300 in 3 nicht die Grundfläche und die obere Fläche zeigt. Es lässt sich aber sagen, dass es gewünscht ist, dass die Abstandshalter 430, 440 stets die hierin beschriebenen grundlegenden Eigenschaften und Aufgaben der Abstandshalter erfüllen sollen.
  • Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5
  • 5 zeigt ein schematisches Schnittbild einer integrierten thermoelektrischen Struktur 550 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die integrierte thermoelektrische Struktur 500 umfasst dabei ein Substrat 510, eine Schicht 520, mindestens zwei Abstandshalter 530, 540 mit zugeordneten Mantelflächen 534, 544 und zugeordneten oberen Flächen 536, 546. Weiterhin weist die integrierte thermoelektrische Struktur 500 ein wärmeleitendes Bauteil 550 auf, das mit der Schicht 520 thermisch gekoppelt ist, beispielsweise auf die Sicht aufgebracht, beziehungsweise als weitere Schicht auf die Schicht 520 aufgebracht, um Wärme von der Schicht 520 wegzuleiten oder Wärme zu der Schicht 520 hinzuleiten.
  • Weiterhin umfasst die integrierte thermoelektrische Struktur 500 mindestens zwei leitfähige Flächen 580, 585, die den jeweiligen Abstandshaltern 530, 540 zugeordnet sind. Diese leitfähigen Schichten 580, 585 können dabei nicht nur Kontakte einer weiteren Schaltung sein, diese können auch durch ihren Aufbau zu einer erhöhten mechanischen Stabilität der Abstandshalter 530, 540 führen oder zum Beispiel zu einer besseren mechanischen Verbindung zum Substrat 510 beitragen.
  • Das Ausführungsbeispiel kann viele verschiedene Anwendungen ermöglichen. Denkbar wäre zum Beispiel, dass Wärme von im Substrat beziehungsweise auf dem Substrat vorhandenen Schaltungen oder Elementen abgeführt werden soll. Dazu kann über die leitfähigen Flächen 580, 585 ein Strom eingeprägt werden, der über die Abstandshalter 530, 540 fließt, die somit als Peltier-Element wirken können und zum Beispiel die Wärme von dem Substrat 510 zu der Schicht 520 transportieren können. Mit anderen Worten, die Möglichkeit wird durch die integrierte thermoelektrische Struktur 500 eröffnet, diese zum Beispiel als Peltier-Kühler beziehungsweise auch als thermoelektrischen Generator zu verwenden, wobei die obere Seite, d.h. die Schicht 520 mit dem wärmeleitenden Bauteil 550, zum Beispiel als Wärmesenke dienen kann. Dazu kann die Schicht 520 (Membran) mit zum Beispiel zusätzlichen Durchkontaktierungen (Metall-Vias) oder anderen geeigneten wärmeleitenden Materialien zum Wärmeabtransport verbunden werden, um lokale Wärmequellen zu kühlen beziehungsweise die Abwärme von beispielsweise Transistoren durch den Seebeck-Effekt in elektrische Energie zu wandeln. Die Leitungen könnten dann an einen thermisch unkritischen Bereich einer integrierten Schaltung (des ICs) führen und von dort über Bonddrähte nach außen abgeführt werden.
  • Dies wäre zum Beispiel bei thermisch schlecht leitenden oder gedünnten Siliziumsubstraten von Bedeutung, wo eine Wärmeabführung über das Substrat nicht ausreichend möglich ist. Das Anwendungsszenario ließe sich zum Beispiel so umschreiben, dass die Absorptionsschicht, d.h. die Schicht 520, gegebenenfalls mit der thermisch leitfähigen Schicht 550, zur Wärmesenke für im Substrat 510 erzeugte Wärme, zum Beispiel von Transistoren, wird und eine Energieerzeugung/Rückgewinnung über die aktiven Materialien 1 und 2, d.h. über die Abstandshalter 530 und 540, beziehungsweise deren Leiterstrukturen, zulässt.
  • Die in 5 gezeigten Abstandshalter 530, 540 entsprechen beispielsweise den Abstandshaltern 230, 240 der 2, den Abstandshaltern 130, 140 der 1 und beispielsweise auch dem Abstandshalter 300 in 3, abgesehen davon, dass der Abstandshalter 300 in 3 nicht die Grundfläche und die obere Fläche zeigt. Es lässt sich aber sagen, dass es gewünscht ist, dass die Abstandshalter 530, 540 stets die hierin beschriebenen grundlegenden Eigenschaften und Aufgaben der Abstandshalter erfüllen sollen.
  • Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6
  • 6 zeigt ein schematisches Schnittbild einer integrierten thermoelektrischen Struktur gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die integrierte thermoelektrische Struktur 600 umfasst dabei ein Substrat 610, eine Schicht 620 und mindestens zwei Abstandshalter 630, 640. Ein erster Abstandshalter 630 weist dabei eine Mantelfläche 634 und eine obere Fläche 636 auf. Ein zweiter Abstandshalter 640 weist ebenfalls eine Mantelfläche 644 und eine obere Fläche 646 auf. Dargestellt sind ebenfalls eine erste leitfähige Fläche 680 und eine zweite leitfähige Fläche 685. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Schicht 620 einen Strahlungsabsorptionskoeffizienten von mindestens 0,5 auf.
  • Der Strahlungsabsorptionskoeffizient ist dabei an den Strahlungsemissionsgrad ε angelehnt, der den Bruchteil der Leistung angibt, der im Vergleich zu einem schwarzen Strahler emittiert wird, beziehungsweise ist gleich dem Strahlungsemissionsgrad. Im Fall einer Infrarot-Detektionsanwendung kann die Schicht 620 (Membran) aus einem Material mir hoher Strahlungs-Absorption im geeigneten beziehungsweise gewünschten Wellenlängenbereich, zum Beispiel 2µm bis 20µm, bestehen. Hier gäbe es zum Beispiel Metallschwarzschichten als Beispiel für breitbandige, also von der Wellenlänge unabhängige Absorption (zum Beispiel Gold-Black, Silver-Black usw.).
  • Metallschwarzschichten können außerdem auch für thermoelektrische Generatoranwendungen genutzt werden, dort ist dann, je nach gewünschter Strahlungsquelle und gewünschtem Operationsbereich, die Wellenlänge von 200nm bis 2µm für Sonnen- und 2µm bis 20µm für Infrarotstrahlung von Bedeutung. Bei der Nutzung als thermoelektrischer Generator kann die Schicht 620 (Membran), wie für Infrarot-Anwendung, als Kollektor fungieren, welche sich zum Beispiel durch die Sonneneinstrahlung oder Infrarotstrahlung erwärmt und dadurch elektrische Energie über den Seebeck-Effekt erzeugt. Der Kontakt zum Wafer dient dann aus thermischer Sicht, wie auch bei Sensoranwendungen, als Wärmesenke. Allerdings werden nun beispielweise mehrere Elemente (zum Beispiel Thermopaare beispielsweise Paare von Abstandshaltern) in Serie geschaltet, um die erzielbare Spannung zu erhöhen, beziehungsweise parallel geschaltet, um den erreichbaren Strom zu vergrößern. Denkbar wäre eine Kontaktierung in Serie und/oder parallel über Metallelektroden auf dem Wafer. Kurz gesagt kann dadurch eine Absorberstruktur mit nur einer breitbandigen Absorptionsschicht aus zum Beispiel Metallschwarzschichten beziehungsweise einer Metallschwarzschicht verwirklicht werden.
  • Die in 6 gezeigten Abstandshalter 630, 640 entsprechen beispielsweise den Abstandshaltern 230, 240 der 2, den Abstandshaltern 130, 140 der 1 und beispielsweise auch dem Abstandshalter 300 in 3, abgesehen davon, dass der Abstandshalter 300 in 3 nicht die Grundfläche und die obere Fläche zeigt. Es lässt sich aber sagen, dass es gewünscht ist, dass die Abstandshalter 630, 640 stets die hierin beschriebenen grundlegenden Eigenschaften und Aufgaben der Abstandshalter erfüllen sollen.
  • Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7
  • 7 zeigt ein schematisches Schnittbild einer integrierten thermoelektrischen Struktur 700 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die integrierte thermoelektrische Struktur 700 umfasst dabei ein Substrat 710, eine Schicht 720 und mindestens zwei Abstandshalter 730, 740. Ein erster Abstandshalter 730 umfasst dabei eine Mantelfläche 734 und eine obere Fläche 736. Ein zweiter Abstandshalter 740 umfasst ebenfalls eine Mantelfläche 744 und eine obere Fläche 746. Weiterhin weist die integrierte thermoelektrische Struktur 700 einen Reflektor 760 auf, der zwischen dem Substrat 710 und der Schicht 720 angeordnet ist.
  • Mit dieser Anordnung kann eine resonante Absorberstruktur für Infrarot-Detektionsanwendung verwirklicht werden, welche aus einer elektrisch leitfähigen Dünnschicht, d.h. der Schicht 720, mit etwa 377Ω/sq als Schichtwiderstand, besteht beziehungsweise diese Dünnschicht umfasst. Diese Schicht 720 kann beispielsweise aus TiN, Ti, Al, W, Cu oder ähnlichen Materialien bestehen. In einem Abstand von (2n - 1)λ/4 für n = 1 oder Vielfachen von n (natürliche Zahlen), beispielsweise für ganzzahlige Werten von n, wobei λ die zu detektierende Wellenlänge ist, wird unter die dünne Schicht 720 beziehungsweise unter der dünnen Schicht 720 eine Reflektorschicht, d.h. der Reflektor 760, angebracht. Zum Beispiel wird der Reflektor 760 in einem Abstand von 2,5µm unter der Schicht 720 für eine (nutz-)Wellenlänge von 10µm angebracht. Diese Reflektorschicht 760 besitzt einen geringen elektrischen Widerstand (wenige Ω), um eine Absorption von Strahlung an dieser Stelle zu verhindern und Reflexionen zu maximieren. Für diese resonante Struktur mit einem Abstand von zum Beispiel λ/4 von der Membran, d.h. der Schicht 720, zu dem Reflektor 760, ist als Material für den Reflektor 760 zum Beispiel ein Metall wie Ti, TiN, Al, W, Cu oder ähnliche möglich. Durch diese Resonator-Struktur wird eine hohe Absorption in der oberen dünnen Membran, d.h. der Schicht 720, erreicht und diese effektiv erwärmt.
  • Die in 7 gezeigten Abstandshalter 730, 740 entsprechen beispielsweise den Abstandshaltern 230, 240 der 2, den Abstandshaltern 130, 140 der 1 und beispielsweise auch dem Abstandshalter 300 in 3, abgesehen davon, dass der Abstandshalter 300 in 3 nicht die Grundfläche und die obere Fläche zeigt. Es lässt sich aber sagen, dass es gewünscht ist, dass die Abstandshalter 630, 640 stets die hierin beschriebenen grundlegenden Eigenschaften und Aufgaben der Abstandshalter erfüllen sollen.
  • Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8a und 8b
  • 8a zeigt ein Detailausschnitt 800a eines schematischen Schnittbilds einer integrierten thermoelektrischen Struktur und 8b ein schematisches Schnittbild einer integrierten thermoelektrischen Struktur 800b gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei zeigt 8a einen Detailausschnitt 800a von 8b der integrierten thermoelektrischen Struktur 800b. Der Ausschnitt 800a umfasst einen ersten Abstandshalter 830, von dem nur die linke Teilbereich dargestellt ist, mit einer Mantelfläche 834, einer oberen Fläche 836 und einer Grundfläche 838. Weiterhin umfasst der Ausschnitt 800a die leitfähige Fläche 880, die dem Abstandshalter 830 zugeordnet sein kann und die zwischen einer weiteren Fläche 822, die zum Beispiel Folge der Herstellung der Schicht 820 sein kann und zum Beispiel der weiteren Schicht 222 der 2 entsprechen kann, und einen Substrat angeordnet sein kann. Mit anderen Worten: Die Schicht 822 liegt zwischen der Grundfläche 838 des Abstandshalters und der leitfähigen Fläche 880, wobei die leitfähige Fläche 880 unmittelbar oder durch eine oder mehrere Schichten getrennt auf dem Substrat 810 angeordnet ist.
  • Ebenfalls umfasst der Ausschnitt eine Schicht 820 und einen Reflektor 860 mit zugehöriger leitfähiger Fläche 862. Die leitfähige Fläche 862 kann zum Beispiel ein Kontakt einer zugehörigen Schaltung sein, die es erlaubt den Reflektor 860 auf ein elektrisches Potential zu bringen. Weiterhin wird der Reflektor 860 von einem Abstandshalter 866 in einem Abstand zu dem Substrat beziehungsweise der leitfähigen Fläche 862 gehalten, d.h. es kann beispielsweise der Reflektor 860 auf einer Säule, die dem Abstandshalter 866 entspricht und die auf der leitfähigen Fläche 862 aufgewachsen ist, ruhen. Der Reflektor 860 weist weiterhin eine leitfähige Fläche 864 auf, die als Gate bezeichnet werden kann, und die zum Beispiel die Aufgabe erfüllt, eine Gatefläche zu vergrößern. Dies kann sich so darstellen, dass die Gatefläche 864 mit dem Reflektor 860 im Querschnitt eine T-Form bildet, wobei der obere Balken, der liegend angeordneten T-Form, die Gatefläche 864 darstellt. Diese Gatefläche 864 kann sich dann zum Beispiel in einer ringförmigen Ausprägung um den Abstandshalter 830, beziehungsweise um dessen Mantelfläche 834 erstrecken. Dabei ist sinnvollerweise eine isolierende Schicht 870 zwischen der Gatefläche 864 und der Mantelfläche 834 vorgesehen. Mit der beschriebenen Schichtenfolge - Reflektor 860, gefolgt von der durch den Reflektor kontaktierten leitfähigen (Gate-)Fläche 864, der isolierenden Schicht 870 und der leitfähigen Mantelfläche 834 - kann dieser Aufbau als vertikaler Feldeffekttransistor interpretiert werden, wobei davon ausgegangen wird, dass beispielsweise eine Dicke der isolierenden Schicht 870, eine Dicke der Mantelfläche 834 und eine Ladungsträgerkonzentration in der leitfähigen Mantelfläche 834 gewählt sind, um eine (signifikante) Beeinflussung von elektrischen Eigenschaften der Mantelfläche 834 durch ein an die Gate-Fläche 864 angelegtes Potential zu ermöglichen.
  • Somit kann zum Beispiel mit Hilfe eines gewählten Potentials des Reflektors 860 eine Beeinflussung einer elektrischen Eigenschaft der Mantelfläche 834 des Abstandshalters 830 erfolgen, beziehungsweise damit eine Beeinflussung einer elektrischen Eigenschaft des Abstandshalters 830. Denkbar wäre zum Beispiel eine Beeinflussung der Ladungsträgerkonzentration oder des Ladungsträgerflusses.
  • 8b zeigt eine schematische Darstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur 800b. Die integrierte thermoelektrische Struktur umfasst dabei ein Substrat 810 und eine Schicht 820. Weiterhin ist ein erster Abstandshalter 830 mit zugehöriger Mantelfläche 834, einer oberen Fläche 836 und einer Grundfläche 838 dargestellt. Dem ersten Abstandshalter 830 ist eine erste leitfähige Fläche 880 zugeordnet, die zum Beispiel einen Kontakt zu einer Auswerteelektronik darstellen kann. Weiterhin ist ein zweiter Abstandshalter 840 mit zugehöriger Mantelfläche 844, oberer Fläche 846 und Grundfläche 848 dargestellt. Dem zweiten Abstandshalter 840 ist eine zweite leitfähige Fläche 885 zugeordnet, die zum Beispiel einen Kontakt zu einer Auswerteelektronik darstellen kann. Weiterhin ist ein Reflektor 860 mit zugehöriger leitfähiger Fläche 862 gezeigt. Dieser Reflektor 860 weist grundsätzlich denselben Aufbau wie der Reflektor 860 in 8a auf, d.h. dieser ruht wiederum auf einer Säule 866. Nicht zu erkennen ist bei der Darstellung 800b das Gate, d.h. die Abfolge der leitfähigen (Gate-)Fläche 864 und der isolierenden Schicht 870, gefolgt von der Mantelfläche 834 des ersten Abstandshalters 830.
  • Die Verwendung der Gatestruktur kann man dabei auch wie folgt beschreiben: Über einen elektrischen Kontakt, d.h. zum Beispiel über die leitfähige Schicht 862, auf dem Wafer zum Reflektor 860, beispielsweise über die Abstandshalter 866 des Reflektors 860, kann der Reflektor 860 als Gate eines vertikalen MOS-Transistors genutzt werden. Durch dieses Gate kann der Ladungsträgerfluss beziehungsweise die Ladungsträgerkonzentration in dem Abstandshalter 830, und durch einen ähnlichen Aufbau auch in dem Abstandshalter 840, beziehungsweise in dem jeweiligen Abstandshalter-Material über ein elektrisches Feld gesteuert werden, wodurch elektrische und thermische Eigenschaften sowie der Seebeck-Koeffizient zeitlich moduliert beeinflusst werden können.
  • Dabei können die Geometrie beziehungsweise die Dimensionen der Reflektorfläche 860, der leitfähigen Gatefläche 864, der isolierenden Schicht 870 und eines leitfähigen Teils der Mantelfläche 834 so ausgelegt werden, dass durch Anlegen einer Spannung, beispielsweise gegenüber einem Bezugspotential des Abstandshalters 830, an den Reflektor 860 in einem leitfähiger Bereich des Abstandshalters 830 ein Feldeffekt auftritt, der eine Beeinflussung elektrischer Eigenschaften des leitfähigen Bereichs des Abstandhalters 830 zulässt.
  • Denkbar wäre es, dass der gesamte Reflektor 860 beziehungsweise, falls mehrere getrennte Reflektoren 860 prozessiert wurden, alle Reflektoren 860 auf das gleiche Potential gebracht werden, und somit alle Abstandshalter 830, 840 näherungsweise gleich beeinflusst werden können. Es ist dahingegen auch möglich, bei entsprechender Prozessierung, mehrere Reflektoren 860 auf unterschiedliche Potentiale zu heben, um gezielt verschiedene Abstandshalter 830, 840 unterschiedlich zu beeinflussen.
  • Denkbar wäre es in dem Zusammenhang auch, die Seebeck-Koeffizienten der einzelnen Abstandshalter 830, 840 so zu beeinflussen, dass kein thermoelektrischer Effekt mehr auftritt. Dadurch kann unter Umständen eine insgesamt bessere Wärmeleitung erzielt werden.
  • Denkbar wäre auch zum Beispiel die Verwendung der Reflektoren beziehungsweise Gatestrukturen 860 als Verschluss zum Zurücksetzen, beziehungsweise als Shutter zum Reset, oder eine Verwendung zum verbesserten Aufheizen. Dazu sind beispielsweise lediglich zusätzliche Metallelektroden, d.h. die leitfähigen Flächen 862, auf dem Wafer nötig, worüber ein elektrisches Potential an das Gate angelegt werden kann. In 8a ist in hellgrau das Gateoxid 870 dargestellt, welches optional ohnehin bereits als Schutz vor dem Freistellungsprozess (Releaseprozess) bei der Herstellung als Schritt eingeplant ist, siehe dazu in dem Abschnitt „Prozessfluss eines Herstellungsverfahrens“ den optionalen Schritt in Schritt (12).
  • Um die aktive Gatefläche zu vergrößern, kann zusätzlich vor dem Gateoxid 870, beispielsweise durch das Gateoxid 870 isoliert von einem äußeren Umfang des Abstandshalters 830, ein Metall zum Beispiel per Atomic Layer Deposition abgeschieden werden, sodass die als leitfähige (Gate-)Fläche 864 bezeichnete Struktur gebildet wird. Infrage dafür kommen zum Beispiel Ti oder TiN. Diese Struktur 864 ist in 8 durch einen gestrichelten Bereich links vom Gateoxid, also der isolierenden Schicht 870, gekennzeichnet.
  • Kurz gesagt stellt die beschriebene Anordnung eine Erweiterung der Resonatorstruktur um ein Gate am Reflektor, welches über das Gateoxid eine Steuerwirkung auf den Ladungsträgertransport beziehungsweise die Ladungsträgerkonzentration in Material 1 und 2 ausübt, dar.
  • Selbstverständlich kann die in dem Ausführungsbeispiel als Reflektor 860 bezeichnete Struktur auch nur als steuerndes Gate zur Beeinflussung des Verhaltens der Abstandshalter 830, 840 verwendet werden, ohne dass die Struktur 860 als Reflektor wirkt. Dabei könnte zum Beispiel der Reflektor 860, d.h. die ausgeprägte Reflektorfläche 860, anders gestaltet werden, und unter Umständen mechanisch stabiler und leichter herzustellen sein.
  • Die in 8 gezeigten Abstandshalter 830, 840 entsprechen beispielsweise den Abstandshaltern 230, 240 der 2, den Abstandshaltern 130, 140 der 1 und beispielsweise auch dem Abstandshalter 300 in 3, abgesehen davon, dass der Abstandshalter 300 in 3 nicht die Grundfläche und die obere Fläche zeigt. Es lässt sich aber sagen, dass es gewünscht ist, dass die Abstandshalter 830, 840 stets die hierin beschriebenen grundlegenden Eigenschaften und Aufgaben der Abstandshalter erfüllen sollen.
  • Herstellungsverfahren
  • Im Folgenden wird anhand der 9 ein Verfahren 900 zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur erläutert. Das Verfahren 900 umfasst in einem Schritt 910 das Herstellen eines ersten Abstandshalters, der eine erste Leiterstruktur aufweist, wobei die erste Leiterstruktur ein Material mit einem ersten Seebeck-Koeffizienten aufweist, und wobei der erste Abstandshalter so hergestellt wird, dass der erste Abstandshalter mit einer Toleranz von +/-45 Grad senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats ist.
  • Das Verfahren 900 umfasst weiterhin in einem Schritt 920 das Herstellen eines zweiten Abstandshalters, der eine zweite Leiterstruktur aufweist, wobei die zweite Leiterstruktur ein Material mit einem zweiten Seebeck-Koeffizienten aufweist, der sich von dem ersten Seebeck-Koeffizienten unterscheidet, und wobei der zweite Abstandshalter so hergestellt wird, dass der zweite Abstandshalter mit einer Toleranz von +/-45 Grad senkrecht zu der Hauptoberfläche des Substrats ist.
  • Weiterhin umfasst das Verfahren 900 in einem Schritt 930 das Herstellen einer Schicht, wobei der erste Abstandshalter, der zweite Abstandshalter und die Schicht so hergestellt werden, dass die Leiterstruktur des ersten Abstandshalters mit der Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters elektrisch gekoppelt ist, und dass die Schicht von den Abstandshaltern in einem Abstand zu dem Substrat gehalten wird.
  • Im Folgenden werden einige Details des oben beschriebenen Verfahrens zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur erläutert. Bei dem Verfahren wird beispielsweise die Schicht vor den Abstandshaltern hergestellt. Die Schicht wird dabei vor der Herstellung der Abstandshalter durch eine Opferschicht getragen. Die Herstellung des ersten Abstandshalter weist dabei folgenden Schritt auf: Aufbringen des Materials mit dem ersten Seebeck-Koeffizienten, so dass das Material mit dem ersten Seebeck-Koeffizienten die Schicht von oben kontaktiert und sich durch eine erste Öffnung in der Schicht und durch eine erste Öffnung in der Opferschicht hin zu dem Substrat oder zu einer auf dem Substrat aufgebrachten Schicht erstreckt.
  • Die Herstellung des zweiten Abstandshalters weist folgenden Schritt auf: Aufbringen des Materials mit dem zweiten Seebeck-Koeffizienten, so dass das Material mit dem zweiten Seebeck-Koeffizienten die Schicht von oben kontaktiert und sich durch eine zweite Öffnung in der Schicht und durch eine zweite Öffnung in der Opferschicht hin zu dem Substrat oder zu einer auf dem Substrat aufgebrachten Schicht erstreckt.
  • Die Opferschicht wird nach der Herstellung des ersten Abstandshalters und des zweiten Abstandshalters entfernt.
  • Mit dem beschriebenen Verfahren wird die Herstellung der in 1 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiele ermöglicht.
  • Im Folgenden wird ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur erläutert. Bei dem Verfahren wird vor der Herstellung der Abstandshalter eine integrierte Schaltung auf dem Substrat gebildet. Dabei kann zum Beispiel eine Auswerteschaltung für ein Signal von der integrierten thermoelektrischen Struktur gebildet werden.
  • Prozessfluss eines Herstellungsverfahrens gemäß Fig. 10 und Fig. 11
  • 10 zeigt einen Prozessfluss zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur in tabellarischer Darstellung, 11 zeigt eine dazugehörige graphische Darstellung des Prozessflusses. Die Schritte werden im Folgenden erläutert. Die darin dargestellte zeitliche Abfolge an Prozessschritten gilt dabei nicht im Allgemeinen, sondern stellt nur eine Möglichkeit der Ausführung dar. Der Prozessfluss weist folgende Schritte auf:
    • In den ersten dargestellten Schritten (1 - 4) erfolgt eine Strukturierung von Metallelektroden, d.h. beispielsweise der in 8 dargestellten leitfähigen Flächen 880, 885, auf dem Wafer, welcher zum Beispiel in 8 dem Substrat 810 entspricht. In diesem Schritt kann auch die leitfähige Fläche 862, d.h. der Kontakt für das Gate 860, prozessiert werden. Weiterhin können in diesem Schritt ebenfalls elektrische Kontakte, z.B. zu einer Auswerteelektronik im beziehungsweise auf dem zuvor bearbeiteten Substrat 810, prozessiert werden.
  • Die nachfolgend dargestellten Schritte (4.1 - 4.8) beschreiben die Herstellung des optionalen Reflektors 860 und/oder der optionalen Gatestruktur 860. Dafür kann z.B. ein Opfermaterial, wie z.B. Polyimid, Si, SiO2 oder Nitrid, in gewünschter Höhe beziehungsweise Dicke auf dem Substrat 810 aufgebracht werden, durch welche die spätere Höhe des Reflektors 860 über dem Substrat 810 bzw. der leitfähigen Schicht 862 festgelegt wird. Weiterhin können Löcher strukturiert werden, welche die Herstellung der Abstandshalter 866 der Reflektorschicht 860 ermöglichen können. Durch z.B. ALD oder physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapour deposition, auch als PVD bezeichnet) kann eine Metallisierung erfolgen, sodass zum Beispiel eine Schicht mit einem elektrischen Widerstand von wenigen Ohm als Reflektor 860 entsteht. Nach der Herstellung des Reflektors 860 können z.B. Löcher in die Reflektorstruktur 860 prozessiert werden, die z.B. für eine nachfolgende Strukturierung der Abstandshalter 830, 840 verwendet werden können. Dazu werden Löcher in die Metallschicht des Reflektors 860 strukturiert, für die Abstandshalter 830, 840 der Membran, d.h. der Schicht 820. Anschließend erfolgt ein Tiefenätzen bis zum Beispiel zu den Kontaktflächen 880, 885 auf dem Substrat 810. Mit diesen Schritten kann eine optionale Reflektorstruktur prozessiert werden.
  • Nach diesen optionalen Prozessschritten kann ein weiterer Prozessschritt (5 bzw. 4.9) erfolgen, der insbesondere der Herstellung der Schicht 820 dient. Dazu kann (wiederum) ein Opfermaterial aufgebracht werden, beispielsweise Polysilizium, sodass ein gewünschter Abstand zum Reflektor 860, wie zum Beispiel λ/4, mit λ als Wellenlänge eines zu detektierenden spektralen Maximums eine Strahlung, eingestellt wird, oder sodass ein gewünschter Abstand, der zum Beispiel in einer Größenordnung beziehungsweise in einem Bereich von 8µm bis 12µm liegen kann, zu dem Substrat 810 entsteht. In anderen Worten, die Dicke des Opfermaterials definiert den Abstand zwischen Schicht 820 und Reflektor 860 beziehungsweise Substrat 810.
  • Weitere Schritte (6 - 8) können beispielweise sein, dass wiederum Löcher prozessiert werden und dass anschließend durch Tiefenätzen bis zu den Kontakten 880, 885 die Herstellung der Abstandshalter 830, 840 vorbereitet wird. Falls die optionale Resonatorstruktur 860 vorhanden ist, können die Löcher z.B. an den Stellen prozessiert werden, an welchen diese bereits während der Prozessierung des Reflektors 860 vorgesehen waren, d.h. an den Stellen, an denen bereits Löcher in den Reflektor 860 strukturiert wurden, d.h. bei den Schritten (4.6 - 4.8).
  • Weiterhin ist ein Schritt (9) dargestellt, der der Herstellung der Schicht 820 dient. Die Herstellung kann z.B. durch PVD erfolgen, wobei z.B. ein Metall wie Al oder Ti verwendet wird. Dabei kann darauf geachtet werden, die Seitenflanken der Löcher, die zur Herstellung der Abstandshalter 830, 840 dienen, nicht zu beschichten. Dieser Prozessschritt kann auch später erfolgen, wie zum Beispiel nach der Herstellung der Abstandshalter, durch die Wahl der Reihenfolge kann z.B. festgelegt werden, ob die Schicht 820 sich ober- oder unterhalb der oberen Schicht 836, 846 der Abstandshalter 830, 840 befindet.
  • Ein weiterer Schritt (10) dient dem Verschließen der Löcher, die zur Prozessierung der Abstandshalter 830, 840 strukturiert wurden, nahe der Oberfläche. Dafür kann zum Beispiel Photoresist verwendet werden. Weiterhin können auch geeignete SiO2-Prozesse verwendet werden.
  • In einem weiteren Schritt (11) wird ein Loch durch Belichten und Ätzen für die weitere Prozessierung, d.h. für die Herstellung eines ersten Abstandshalters 830, geöffnet.
  • Bei dem folgenden Schritt (12) kann für die Prozessierung des ersten Abstandshalters 830 zum Beispiel ein erstes Material (Material 1) mit einem ersten Seebeck-Koeffizienten per ALD durch Beschichtung aufgebracht werden. Dabei entsteht z.B. ein Röhrchen, d.h. der erste Abstandshalter 830, in dem zuvor strukturierten Loch. Ein optionaler Schritt kann in diesem Zusammenhang unter Verwendung von z.B. Al2O3 erfolgen. Dabei wird eine Al2O3-Schicht per ALD hergestellt, die als Schutz der aktiven thermoelektrischen ALD-Schicht, die den Abstandshalter 830 bildet, dient. Diese Al2O3-Schicht kann einen Schutz vor einem späteren Freistellungsschritt (Release-Schritt) darstellen. Dazu kann zum Beispiel vor und/oder nach der ALD der Abstandshaltermaterialien die Al2O3-Schicht als Schutzschicht aufgebracht werden. Dieser Schritt kann zum Beispiel vor und/oder nach der der Prozessierung des ersten Abstandshalters 830 ausgeführt werden. Hier kann zum Beispiel ein Beschichten der Seitenflächen der Löcher erwünscht sein, um die Mantelfläche 834 des Abstandshalters 830 zu schützen. Die Al2O3-Schicht kann zum Beispiel auch die isolierende Schicht 870 des Feldeffekt-Transistors darstellen. Die Schicht, die beispielsweise die Grundfläche 838 des ersten Abstandshalters 830, die Mantelfläche 834 des ersten Abstandshalters 830 und auch die obere Fläche 836 des ersten Abstandshalters 830 bildet, kann beispielsweise so aufgebracht werden, dass die Wände der Öffnung, die für den ersten Abstandshalter 830 vorgesehen ist, zuverlässig durchgehend beschichtet werden, und so dass die thermoelektrische Schicht, die den ersten Abstandshalter 830 bildet, in einer Umgebung der Öffnung, die für den ersten Abstandshalter 830 vorgesehen ist, die Schicht 820 kontaktiert.
  • In den folgenden Schritten (13 - 15) können die nicht benötigte ALD-Schicht von Material 1 des ersten Abstandshalters 830 und nicht benötigte Bereiche mit beispielsweise Photoresist beziehungsweise SiO2 entfernt werden.
  • Ein weiterer Schritt (16) dient dem Verschließen der Löcher, die zur Prozessierung der Abstandshalter 830, 840 strukturiert wurden, nahe der Oberfläche. Dafür kann zum Beispiel Photoresist verwendet werden oder es können auch zum Beispiel geeignete SiO2-Prozesse verwendet werden.
  • In einem weiteren Schritt (17) wird ein Loch durch Belichten und Ätzen für die weitere Prozessierung, d.h. für die Herstellung des zweiten Abstandshalters 840, geöffnet.
  • Bei dem folgenden Schritt kann für die Prozessierung des zweiten Abstandshalters 840 zum Beispiel ein zweites Material (Material 2) mit einem zweiten Seebeck-Koeffizienten per ALD durch Beschichtung aufgebracht werden. Dabei entsteht z.B. ein Röhrchen, d.h. der zweite Abstandshalter 840, in dem zuvor strukturierten Loch. Ein optionaler Schritt kann in diesem Zusammenhang erfolgen, unter Verwendung von z.B. Al2O3 oder einem anderen, isolierenden und/oder ätzbeständigen, Material. Dabei wird eine Al2O3-Schicht per ALD hergestellt, die als Schutz der aktiven thermoelektrischen ALD-Schicht, die den Abstandshalter 840 bildet, dient. Diese Al2O3-Schicht kann einen Schutz vor einem späteren Freistellungsschritt (Release-Schritt) darstellen. Dazu kann zum Beispiel vor und/oder nach der ALD der Abstandshaltermaterialien die Al2O3-Schicht als Schutzschicht aufgebracht werden. Dieser Schritt kann zum Beispiel vor und/oder nach der der Prozessierung des zweiten Abstandshalters 840 ausgeführt werden. Hier kann zum Beispiel ein Beschichten der Seitenflächen der Löcher erwünscht sein, um die Mantelfläche 844 des Abstandshalters 840 zu schützen. Die Al2O3-Schicht kann zum Beispiel auch die isolierende Schicht des Feldeffekt-Transistors darstellen.
  • In den folgenden Schritten (18 - 20) können die nicht benötigte ALD-Schicht von Material 2 des zweiten Abstandshalters 840 und nicht benötigte Bereiche mit beispielsweise Photoresist beziehungsweise SiO2 entfernt werden.
  • Der abschließende Schritt (21) kann sein, dass ein „Release“ der Schicht erfolgt, beispielsweise durch ein Wegätzen der Opfermaterialschicht, sodass zum Beispiel eine freistehende Struktur entsteht. Dabei zeigt 21a ein mögliches Endergebnis der Struktur, bei einer Herstellung ohne Reflektor und 21b zeigt ein mögliches Endergebnis der Struktur, bei der Herstellung mit Reflektor 860 beziehungsweise mit Gate.
  • Betriebsverfahren
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zum Betrieb einer integrierten thermoelektrischen Struktur erläutert. Die integrierte thermoelektrische Struktur umfasst dabei ein Substrat, eine Schicht und mindestens zwei Abstandshalter. Die Abstandshalter weisen dabei Leiterstrukturen auf. Die Leiterstruktur eines ersten Abstandshalters weist ein Material mit einem ersten Seebeck-Koeffizienten auf. Die Leiterstruktur eines zweiten Abstandshalters weist ein Material mit einem zweiten Seebeck-Koeffizienten auf, der sich von dem ersten Seebeck-Koeffizienten unterscheidet. Die Abstandshalter verlaufen mit einer Toleranz von +/-45 Grad, vorteilhaft kann auch eine Ausführung mit einer Toleranz von +/-30 Grad sein, senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats. Weiterhin ist die Leiterstruktur des ersten Abstandshalters mit der Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters elektrisch gekoppelt. Die Abstandshalter sind weiterhin ausgelegt, um die Schicht in einem Abstand zu dem Substrat zu halten.
  • Weiterhin weist die integrierte thermoelektrische Struktur einen Reflektor auf, der in einem Bereich zwischen der Schicht und dem Substrat angeordnet ist. Dabei weist der Reflektor eine zu einer Hauptoberfläche des Substrats mit einer Toleranz von +/-10 Grad parallele obere Reflektorfläche auf. Weiterhin weist eine zu detektierende Strahlung ein spektrales Maximum bei einer vorgegebene Wellenlänge auf, wobei ein Abstand zwischen der Reflektorfläche und der Schicht mit einer Toleranz von 5% der vorgegebenen Wellenlänge gleich einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der vorgegebenen Wellenlänge ist. Sinnvoll kann hier sein, dass der Abstand beispielweise so gewählt ist, dass sich die Schicht am Ort eines Bauches einer stehenden Welle befindet, die durch eine Reflexion der zu detektierenden Strahlung durch den Reflektor entsteht. Dadurch kann eine Wellenlängenselektivität beziehungsweise eine hohe Empfindlichkeit zum Beispiel bei einem spektralen Maximum erreicht werden. Denkbar wäre selbstverständlich auch der umgekehrte Fall, dass der Abstand zwischen Schicht und Reflektor so gewählt ist, dass sich am Ort der Schicht ein Knoten einer stehenden Welle ausbildet und somit diese Wellenlänge beziehungsweise Frequenz von einer Detektion ausgenommen wird.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zum Betrieb einer integrierten thermoelektrischen Struktur zur Strahlungsdetektion erläutert. Die integrierte thermoelektrische Struktur verwirklicht einen Detektor zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung. Dazu findet eine Auswerteschaltung Verwendung, die ausgelegt ist, um eine elektrische Spannung, die sich zwischen substratseitigen und/oder schichtseitigen Anschlüssen des ersten Abstandshalters und des zweiten Abstandshalters ergibt, auszuwerten, um eine Information über eine durch die einfallende elektromagnetische Strahlung verursachte Erwärmung der Schicht zu erhalten. Durch die Erwärmung der Schicht stellt sich auf Grund des Seebeck-Effekts eine Spannung ein, die zwischen den Abstandshaltern gemessen werden kann. Somit kann mit der Anordnung Strahlung detektiert werden.
  • Im Folgenden wir ein Verfahren zum Betrieb einer integrierten thermoelektrischen Struktur als Generator erläutert. Die integrierte thermoelektrische Struktur verwirklicht einen thermoelektrischen Generator zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Dazu findet eine Schaltung Verwendung, die ausgelegt ist, um eine elektrische Spannung, die sich zwischen den substratseitigen und/oder schichtseitigen Anschlüssen des ersten Abstandshalters und des zweiten Abstandshalters ergibt, abzugreifen, um elektrische Energie zur Verfügung zu stellen. Hierbei wird wiederum der Seebeck-Effekt genutzt.
  • Im Folgenden wird ein Verfahren zum Betrieb einer integrierten thermoelektrischen Struktur zum Wärmetransport erläutert. Die integrierte thermoelektrische Struktur verwirklicht ein thermoelektrisches Peltier-Element zum Transport von Wärme. Dazu findet eine Schaltung Anwendung, die ausgelegt ist, um einen elektrischen Strom einzuprägen, der über die Leiterstruktur des ersten Abstandshalters und über die Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters verläuft, um Wärme zu transportieren. Hierbei wird der sogenannte Peltier-Effekt genutzt, der es ermöglicht eine Temperaturdifferenz auszubilden, die sich in dem Fall über den Abstandshalter bildet. Damit kann eine beliebige Seite gekühlt oder erwärmt werden.
  • Allgemeine Anmerkungen zur integrierte thermoelektrischen Struktur
  • Zu diesen Ausführungsbeispielen können noch weitere, in den Ausführungsbeispielen nicht gut oder nicht erkennbare, Details genannt werden. Durch den räumlich getrennten Aufbau der Abstandshalter (Material 1 und Material 2 an verschiedenen Positionen) können diese einfach elektrisch kontaktiert werden, sowohl auf der Membran-, d.h. der Schichtseite, als auch auf der Substratseite, wodurch eine einfache Prozessierung möglich ist. Darüber hinaus können die Abstandshalter auf fertige CMOS-Wafer prozessiert werden, ohne das Silizium vom eigentlichen Wafer entfernen zu müssen, d.h. ohne Opferschichtverfahren in Bezug auf das Substrat.
  • Weiterhin kann die Membran, d.h. die Schicht, sowohl unter als auch oberhalb der Abstandshalteroberkante sein. Dies lässt somit verschiedene Prozessierungsabfolgen zu. Durch die geringe Wärmeleitung der Abstandshalter kann ein Temperaturgradient zum Substrat aufgebaut werden, wenn die Membran sich durch zum Beispiel Infrarot-Strahlung erwärmt. Durch den Temperaturgradienten, welcher überwiegend über die Abstandshalter abfällt, wird in den Materialien 1 und 2, d.h. in dem ersten Abstandshalter, beziehungsweise dessen Leiterstruktur, und in dem zweiten Abstandshalter, beziehungsweise dessen Leiterstruktur, ein Ladungsträgergradient erzeugt, dem ein elektrisches Feld entgegengerichtet ist. Die daraus resultierende Spannung Uth kann als Messgrößer oder zur Energiegewinnung eingesetzt werden (Seebeck-Effekt). Siehe auch 12.
  • 12 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer Struktur, welche den Seebeck-Effekt nutzen kann. Die unterschiedlichen Materialien sind durch 1 und 2 dargestellt. Die Temperaturdifferenz zeigt von oben (heiß) nach unten (kalt). Die Spannung Uth kann zum Beispiel über elektrische Kontakte der Abstandshalter zum Beispiel an der Substratoberfläche abgegriffen beziehungsweise angelegt werden. Wird hingegen ein Strom in Materialien 1 und 2 eingeprägt, so kann dadurch die Ladungsträgerkonzentration beeinflusst werden und Wärme „transportiert“ werden (Peltier-Effekt).
  • Der gesamte thermische Leitwert wird durch die thermischen Leitwerte der Abstandshalter und deren Anzahl bestimmt und sollte idealerweise gleich der thermischen Abstrahlung für einen optimalen Infrarot-Sensor sein, d.h. Gs,th = Gth · N. Die Abstandshalter können innen hohl und dünnwandig prozessiert werden und der gesamte Durchmesser ist dabei nur von der genutzten lithografischen Auflösung abhängig. Dadurch kann eine sehr hohe Wärmeisolierung erreicht werden und somit die Sensorfläche verkleinert werden bei gleicher Sensitivität.
  • Die Abstandshalter tragen aber nicht nur zur thermischen Isolierung bei, sondern können darüber hinaus auch durch den Unterschied der einzelnen Seebeck-Koeffizienten die aktiven Materialien für beispielsweise Temperatur-, Infrarot-Sensor, thermoelektrische Generatoren oder Peltier-Kühlung sein. Für diese Abstandshalter werden Materialien, zum Beispiel ZnO, AZO oder andere, bevorzugt, welche möglichst niedrige thermische Leitwerte, hohe elektrische Leitfähigkeit und (beispielsweise betragsmäßig) hohe Seebeck-Koeffizienten, mit einer möglichst großen absoluten Differenz aufweisen. Daraus folgt, dass diese Materialien eine möglichst gute thermoelektrische Gütezahl zT besitzen sollen. Aus diesen möglichen Materialien wäre Bismuttellurid als sehr gutes Material für einen Abstandshalter zu nennen, da Bismuttellurid eine hohe Gütezahl für Raumtemperaturanwendungen hat.
  • Weiterhin kann durch eine Implementierung einer THz-Antenne auf der Membran der Messbereich zusätzlich in den THz-Bereich ergänzt werden, die THz-Antenne ersetzt dabei (beispielsweise für einen bestimmten Frequenzbereich) den Absorber für Wärmestrahlung.
  • Mögliche Einsatzgebiete
  • Die Messung von Fern-Infrarot-Strahlung, sei es als Einzelsensor oder Array, mit thermoelektrischen Sensoren soll mit dieser Erfindung verbessert werden und insbesondere Mikrochip integrierbar sein.
  • Mit der Erfindung können laterale Thermostapel vermieden werden, welche einen zusätzlichen Platzbedarf schaffen. Die herkömmlicherweise großen Sensorflächen sind den gut wärmeleitenden thermoelektrischen Strukturen verschuldet, welche einige µm breit und dick sind und für integrierte Thermopiles meistens aus dotiertem poly-Silizium bestehen können. Um eine möglichst große thermische Isolierung zu erreichen, wird herkömmlicherweise der Silizium-Wafer unter der Membran weggeätzt. Dadurch wird Siliziumfläche verloren, welche für weitere Elektronik hätte genutzt werden können.
  • Vorteile der erfindungsgemäßen integrierten thermoelektrischen Struktur sind demgegenüber ein deutlich verringerter Platzbedarf. Somit können zum Beispiel die Bildpunkt-Felder („Pixel-Arrays“) einer Infrarot-Sensor-Anordnung deutlich kleiner strukturiert werden und dadurch kann zum Beispiel die Auflösung eines Sensors, der auf dieser Technologie beruht, bei gleichbleibender Fläche deutlich höher ausfallen.
  • Weiterhin muss für die integrierte thermoelektrische Struktur keine weitere Fläche, zum Beispiel Siliziumfläche, des Substrats geopfert werden, diese dazugewonnene Fläche (beispielsweise unter der Schicht) kann für weitere integrierte Strukturen verwendet werden. Denkbar wären zum Beispiel Auswerteelektroniken für die Thermostapel. Es ist aber auch denkbar, dass die integrierte thermoelektrische Struktur als Peltier-Element, zum Beispiel als aktiver Kühler, für im Substrat prozessierte Strukturen verwendet wird. Auch hier zeigt sich, dass die vorgestellte Erfindung deutliche Vorteile gegenüber üblichen, lateralen Thermostapeln bietet. Die thermische Anbindung kann deutlich besser erfolgen, da die integrierte thermoelektrische Struktur direkt auf das Substrat aufgewachsen werden kann.
  • Die integrierte thermoelektrische Struktur kann natürlich auch als thermoelektrischer Generator verwendet werden. Auch hier sind der verringerte Platzbedarf und die direkte thermische Anbindung an Wärmequellen im Substrat ein deutlicher Vorteil der Erfindung.

Claims (33)

  1. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800), mit folgenden Merkmalen: einem Substrat (110; 210; 410; 510; 610; 710; 810); und einer Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 820); und mindestens zwei Abstandshaltern (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840), wobei die Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) Leiterstrukturen (132; 142) aufweisen, wobei eine Leiterstruktur (132) eines ersten Abstandshalters (130; 230; 430; 530; 630; 730; 830) ein Material mit einem ersten Seebeck-Koeffizienten aufweist; und wobei eine Leiterstruktur eines zweiten Abstandshalters (140; 240; 440; 540; 640; 740; 840) ein Material mit einem zweiten Seebeck-Koeffizienten, der sich von dem ersten Seebeck-Koeffizienten unterscheidet, aufweist; und wobei die Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) mit einer Toleranz von +/-45 Grad senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats (110; 210; 410; 510; 610; 710; 810) verlaufen; und wobei die Leiterstruktur (132) des ersten Abstandshalters (130; 230; 430; 530; 630; 730; 830) mit der Leiterstruktur (142) des zweiten Abstandshalters (140; 240; 440; 540; 640; 740; 840) elektrisch gekoppelt ist; und wobei die Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) ausgelegt sind, um die Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 820) in einem Abstand zu dem Substrat (110; 210; 410; 510; 610; 710; 810) zu halten, wobei die mindestens zwei Abstandshalter im Inneren hohle Röhren sind und Mantelflächen aufweisen.
  2. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß Anspruch 1, wobei jeder der Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) eine Grundfläche, eine Mantelfläche (234; 244; 310; 434; 444; 534; 544; 634; 644; 734; 744; 834; 844) und, in einem Bereich, der von dem Substrat (110; 210; 410; 510; 610; 710; 810) abgewandt ist, eine an die Mantelfläche (234; 244; 310; 434; 444; 534; 544; 634; 644; 734; 744; 834; 844) anschließende, einen zentralen Bereich des Abstandshalters (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) umgebende, zu der Hauptoberfläche des Substrats (110; 210; 410; 510; 610; 710; 810) mit einer Toleranz von +/-10 Grad parallele obere Fläche (236; 246; 436; 446; 536; 546; 636; 646; 736; 746; 836; 846) aufweist.
  3. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der erste Abstandshalter (130; 230; 430; 530; 630; 730; 830) und der zweite Abstandshalter (140; 240; 440; 540; 640; 740; 840) nebeneinander angeordnet sind.
  4. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß Anspruch 2, wobei die obere Fläche (236; 246; 436; 446; 536; 546; 636; 646; 736; 746; 836; 846) des Abstandshalters (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) überlappend an die Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 820) angrenzt, um die Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 820) zu halten und/oder elektrisch zu kontaktieren.
  5. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) auf elektrische Kontakte aufgewachsen sind.
  6. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Leiterstrukturen (132; 142) der zwei Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) elektrisch in Serie geschaltet sind.
  7. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die integrierte thermoelektrische Struktur zumindest vier Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) aufweist; und wobei die Leiterstrukturen (132; 142) der Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) in Serie geschaltet sind; und wobei jeweils zwei in der Serienschaltung aufeinanderfolgende Leiterstrukturen (132; 142) Materialien mit unterschiedlichen Seebeck-Koeffizienten aufweisen.
  8. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Leiterstrukturen (132; 142) der Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) auf der Seite des Substrats (110; 210; 410; 510; 610; 710; 810) und/oder auf der Seite der Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 820) elektrisch kontaktiert sind.
  9. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Leiterstruktur (132) des ersten Abstandshalters (130; 230; 430; 530; 630; 730; 830) und die Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters (140; 240; 440; 540; 640; 740; 840) durch den Unterschied der einzelnen Seebeck-Koeffizienten ein thermoelektrisches Paar bilden.
  10. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Leiterstruktur (132) des ersten Abstandshalters (130; 230; 430; 530; 630; 730; 830) und die Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters (140; 240; 440; 540; 640; 740; 840) aus Materialien bestehen, deren Seebeck-Koeffizienten sich um mindestens 30µV/K unterscheiden.
  11. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der erste Abstandshalter (130; 230; 430; 530; 630; 730; 830) in einem oberen Bereich, der von dem Substrat (110; 210; 410; 510; 610; 710; 810) abgewandt ist, in einen ersten Schichtabschnitt der Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 820) übergeht; und wobei der zweite Abstandshalter (140; 240; 440; 540; 640; 740; 840) in einem oberen Bereich, der dem Substrat (110; 210; 410; 510; 610; 710; 810) abgewandt ist, in einen zweiten Schichtabschnitt der Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 720) übergeht; und wobei der erste Schichtabschnitt und der zweite Schichtabschnitt sich berühren und/oder sich überlappen und/oder elektrisch miteinander verbunden sind.
  12. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) ein wärmeleitendes Bauteil (550) aufweist, das mit der Schicht thermisch gekoppelt ist, um Wärme von der Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 820) wegzuleiten oder Wärme zu der Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 820) hinzuleiten.
  13. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 820) einen Strahlungsabsorptionskoeffizienten von mindestens 0,5 aufweist.
  14. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei auf die Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 820) eine weitere Schicht aufgebracht ist; und wobei die weitere Schicht einen Strahlungsabsorptionskoeffizienten von mindestens 0,5 aufweist.
  15. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei eine THz-Antenne auf der Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 820) vorgesehen ist.
  16. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei ein Reflektor (460; 760; 860) in einem Bereich zwischen der Schicht (120; 220; 420; 520; 620; 720; 820) und dem Substrat (110; 210; 410; 510; 610; 710; 810) angeordnet ist.
  17. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß Anspruch 16, wobei der Reflektor (460; 760; 860) eine zu einer Hauptoberfläche des Substrats (110; 210; 410; 510; 610; 710; 810) mit einer Toleranz von +/-10 Grad parallele Reflektorfläche aufweist.
  18. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß Anspruch 17, wobei ein Rand der Reflektorfläche als Steuerstruktur angeordnet ist, um eine Beeinflussung einer elektrischen Eigenschaft des Abstandshalters (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) zu ermöglichen.
  19. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 18, wobei die Reflektorfläche benachbart zumindest zu einem der Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) ist, um eine Beeinflussung einer elektrischen Eigenschaft des Abstandshalters (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) zu ermöglichen; oder wobei die Reflektorfläche zumindest einem der Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) zugewandt ist, um eine Beeinflussung einer elektrischen Eigenschaft des Abstandshalters (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) zu ermöglichen.
  20. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei zwischen der Reflektorfläche und einem Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) eine Isolationsschicht vorgesehen ist, die eine Beeinflussung einer elektrischen Eigenschaft des Abstandshalters (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) zulässt.
  21. Integrierte thermoelektrische Struktur (100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800) gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei der Abstandshalter (130; 140; 230; 240; 300; 430; 440; 530; 540; 630; 640; 730; 740; 830; 840) eine Gatestruktur aufweist.
  22. Verfahren (900) zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur auf einem Substrat, mit folgenden Schritten: Herstellen (910) eines ersten Abstandshalters, der eine erste Leiterstruktur aufweist, wobei die erste Leiterstruktur ein Material mit einem ersten Seebeck-Koeffizienten aufweist, und wobei der erste Abstandshalter so hergestellt wird, dass der erste Abstandshalter mit einer Toleranz von +/-45 Grad senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats ist; Herstellen (920) eines zweiten Abstandshalters, der eine zweite Leiterstruktur aufweist, wobei die zweite Leiterstruktur ein Material mit einem zweiten Seebeck-Koeffizienten aufweist, der sich von dem ersten Seebeck-Koeffizienten unterscheidet, und wobei der zweite Abstandshalter so hergestellt wird, dass der zweite Abstandshalter mit einer Toleranz von +/-45 Grad senkrecht zu der Hauptoberfläche des Substrats ist; Herstellen (930) einer Schicht; wobei der erste Abstandshalter, der zweite Abstandshalter und die Schicht so hergestellt werden, dass die Leiterstruktur des ersten Abstandshalters mit der Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters elektrisch gekoppelt ist, und dass die Schicht von den Abstandshaltern in einem Abstand zu dem Substrat gehalten wird, wobei der erste Abstandhalter und der zweite Abstandshalter so hergestellt werden, dass die Abstandshalter im Inneren hohle Röhren sind und Mantelflächen aufweisen.
  23. Verfahren (900) zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur auf einem Substrat gemäß Anspruch 22, wobei die Schicht vor den Abstandshaltern hergestellt wird, wobei die Schicht vor der Herstellung der Abstandshalter durch eine Opferschicht getragen wird, wobei die Herstellung des ersten Abstandshalters folgende Schritte aufweist: Aufbringen des Materials mit dem ersten Seebeck-Koeffizienten, so dass das Material mit dem ersten Seebeck-Koeffizienten die Schicht von oben kontaktiert und sich durch eine erste Öffnung in der Schicht und durch eine erste Öffnung in der Opferschicht hin zu dem Substrat oder zu einer auf dem Substrat aufgebrachten Schicht erstreckt; wobei die Herstellung des zweiten Abstandshalters folgende Schritte aufweist: Aufbringen des Materials mit dem zweiten Seebeck-Koeffizienten, so dass das Material mit dem zweiten Seebeck-Koeffizienten die Schicht von oben kontaktiert und sich durch eine zweite Öffnung in der Schicht und durch eine zweite Öffnung in der Opferschicht hin zu dem Substrat oder zu einer auf dem Substrat aufgebrachten Schicht erstreckt; und wobei die Opferschicht nach der Herstellung des ersten Abstandshalters und des zweiten Abstandshalters entfernt wird.
  24. Verfahren zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur auf einem Substrat gemäß einem der Ansprüche 22 oder 23, bei dem vor der Herstellung der Abstandshalter eine integrierte Schaltung auf dem Substrat gebildet wird.
  25. Verfahren zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur auf einem Substrat gemäß einem der Ansprüche 22 bis 24, bei dem die Abstandshalter auf Kontaktflächen, die mit elektrischen Leiterstrukturen verbunden sind, gebildet werden.
  26. Verfahren zum Betrieb einer integrierten thermoelektrischen Struktur mit: einem Substrat; und einer Schicht; und mindestens zwei Abstandshaltern, wobei die Abstandshalter Leiterstrukturen aufweisen, wobei eine Leiterstruktur eines ersten Abstandshalters ein Material mit einem ersten Seebeck-Koeffizienten aufweist; und wobei eine Leiterstruktur eines zweiten Abstandshalters ein Material mit einem zweiten Seebeck-Koeffizienten, der sich von dem ersten Seebeck-Koeffizienten unterscheidet, aufweist; und wobei die Abstandshalter mit einer Toleranz von +/-45 Grad senkrecht zu einer Hauptoberfläche des Substrats verlaufen; und wobei die Leiterstruktur des ersten Abstandshalters mit der Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters elektrisch gekoppelt ist; und wobei die Abstandshalter ausgelegt sind, um die Schicht in einem Abstand zu dem Substrat zu halten, wobei die mindestens zwei Abstandshalter im Inneren hohle Röhren sind und Mantelflächen aufweisen; und einem Reflektor; und wobei der Reflektor in einem Bereich zwischen der Schicht und dem Substrat angeordnet ist; und wobei der Reflektor eine zu einer Hauptoberfläche des Substrats mit einer Toleranz von +/-10 Grad parallele Reflektorfläche aufweist; und wobei eine zu detektierende spektrale Spitze eine vorgegebenen Wellenlänge aufweist; und wobei ein Abstand zwischen der Reflektorfläche und der Schicht mit einer Toleranz von 10% der vorgegebenen Wellenlänge gleich einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der vorgegebenen Wellenlänge ist.
  27. Detektor zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung, mit folgenden Merkmalen: einer integrierten thermoelektrischen Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21; einer Auswerteschaltung, die ausgelegt ist, um eine elektrische Spannung, die sich zwischen substratseitigen und/oder schichtseitigen Anschlüssen des ersten Abstandshalters und des zweiten Abstandshalters ergibt, auszuwerten, um eine Information über eine durch die einfallende elektromagnetische Strahlung verursachte Erwärmung der Schicht zu erhalten.
  28. Thermoelektrischer Generator zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie, mit folgenden Merkmalen: eine integrierten thermoelektrischen Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21; einer Schaltung, die ausgelegt ist, um eine elektrische Spannung, die sich zwischen den substratseitigen und/oder schichtseitigen Anschlüssen des ersten Abstandshalters und des zweiten Abstandshalters ergibt, abzugreifen, um elektrische Energie zur Verfügung zu stellen.
  29. Thermoelektrisches Peltier-Element zum Transport von Wärme, mit folgenden Merkmalen: eine integrierte thermoelektrische Struktur gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21; einer Schaltung, die ausgelegt ist, um einen elektrischen Strom einzuprägen, der über die Leiterstruktur des ersten Abstandshalters und über die Leiterstruktur des zweiten Abstandshalters verläuft, um Wärme zu transportieren.
  30. Integrierte thermoelektrische Struktur gemäß Anspruch 1, wobei die Schicht thermisch von dem Substrat isoliert ist.
  31. Integrierte thermoelektrische Struktur gemäß Anspruch 1, wobei die Schicht ausgelegt ist, um als thermisch isolierte Absorberfläche zu wirken.
  32. Integrierte thermoelektrische Struktur gemäß Anspruch 30 oder 31, wobei die Abstandshalter zur thermischen Isolation und als Thermopaar wirken.
  33. Integrierte thermoelektrische Struktur gemäß Anspruch 30 oder 31 oder 32, wobei die Struktur eine freistehende Struktur ist.
DE102016207551.9A 2016-05-02 2016-05-02 Integrierte thermoelektrische Struktur, Verfahren zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur, Verfahren zum Betrieb derselben als Detektor, thermoelektrischer Generator und thermoelektrisches Peltier-Element Active DE102016207551B4 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016207551.9A DE102016207551B4 (de) 2016-05-02 2016-05-02 Integrierte thermoelektrische Struktur, Verfahren zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur, Verfahren zum Betrieb derselben als Detektor, thermoelektrischer Generator und thermoelektrisches Peltier-Element
US15/583,066 US11322672B2 (en) 2016-05-02 2017-05-01 Integrated thermoelectric structure, method for manufacturing an integrated thermoelectric structure, method for operating same as a detector, thermoelectric generator and thermoelectric Peltier element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016207551.9A DE102016207551B4 (de) 2016-05-02 2016-05-02 Integrierte thermoelektrische Struktur, Verfahren zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur, Verfahren zum Betrieb derselben als Detektor, thermoelektrischer Generator und thermoelektrisches Peltier-Element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102016207551A1 DE102016207551A1 (de) 2017-11-16
DE102016207551B4 true DE102016207551B4 (de) 2023-07-27

Family

ID=60156967

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102016207551.9A Active DE102016207551B4 (de) 2016-05-02 2016-05-02 Integrierte thermoelektrische Struktur, Verfahren zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur, Verfahren zum Betrieb derselben als Detektor, thermoelektrischer Generator und thermoelektrisches Peltier-Element

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11322672B2 (de)
DE (1) DE102016207551B4 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7232978B2 (ja) 2017-12-11 2023-03-06 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 赤外線センサおよび赤外線センサのボロメータ赤外線受光部を冷却する方法
US10461172B2 (en) * 2017-12-21 2019-10-29 International Business Machines Corporation Vertical transistors having improved gate length control using uniformly deposited spacers

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140246749A1 (en) 2013-01-10 2014-09-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Infrared detector and infrared image sensor including the same
US20140246066A1 (en) 2013-01-08 2014-09-04 Analog Devices Technology Wafer scale thermoelectric energy harvester
WO2016046713A1 (en) 2014-09-22 2016-03-31 Consorzio Delta Ti Research Silicon integrated, out-of-plane heat flux thermoelectric generator
WO2016055892A1 (en) 2014-10-09 2016-04-14 Consorzio Delta Ti Research 3d integrated thermoelectric generator operating in an out-of-plane heat flux configuration with internal voids and heat conduction paths conditioning vias

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6441368B1 (en) * 2000-11-17 2002-08-27 Raytheon Company Infrared/visible energy protection for millimeter wave bolometer antenna method and apparatus
US7465871B2 (en) * 2004-10-29 2008-12-16 Massachusetts Institute Of Technology Nanocomposites with high thermoelectric figures of merit
ITBO20060225A1 (it) * 2006-03-31 2007-10-01 Cruing S R L Gruppo operativo per l'incisione e/o il taglio di articoli in particolare pannelli.
US20070261730A1 (en) * 2006-05-12 2007-11-15 General Electric Company Low dimensional thermoelectrics fabricated by semiconductor wafer etching
US20070277866A1 (en) * 2006-05-31 2007-12-06 General Electric Company Thermoelectric nanotube arrays
KR20090103874A (ko) * 2006-11-13 2009-10-01 메사추세츠 인스티튜트 오브 테크놀로지 태양 열전기 변환
CN101871818B (zh) * 2010-06-25 2012-05-23 清华大学 红外探测器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140246066A1 (en) 2013-01-08 2014-09-04 Analog Devices Technology Wafer scale thermoelectric energy harvester
US20140246749A1 (en) 2013-01-10 2014-09-04 Samsung Electronics Co., Ltd. Infrared detector and infrared image sensor including the same
WO2016046713A1 (en) 2014-09-22 2016-03-31 Consorzio Delta Ti Research Silicon integrated, out-of-plane heat flux thermoelectric generator
WO2016055892A1 (en) 2014-10-09 2016-04-14 Consorzio Delta Ti Research 3d integrated thermoelectric generator operating in an out-of-plane heat flux configuration with internal voids and heat conduction paths conditioning vias

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
NAMIGO, E.L.: Characterization of in-situ doped poly-SiGe thermoelectric materials. In: AIP Conf. Proc., 1719, 2016, S. 030013-1 – 030013-4

Also Published As

Publication number Publication date
DE102016207551A1 (de) 2017-11-16
US20170317260A1 (en) 2017-11-02
US11322672B2 (en) 2022-05-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69716546T2 (de) Infrarot-Detektor und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102012217807B4 (de) Thermoelektrische Vorrichtungen und Verfahren zum Herstellen derselben
DE69032785T2 (de) Strahlungsdetektormatrix mit strahlungsempfindlichen brücken
DE69811968T2 (de) Herstellungsverfahren für einen infrarotempfindlichen Strahlungsdetektor, insbesondere einen infrarotempfindlichen Bolometer
DE68923589T2 (de) Infrarot-Detektor.
DE69210735T2 (de) Ungekühlter Infrarot-Detektor und Herstellungsverfahren dazu
DE69123575T2 (de) Thermischer infrarotdetektor des bolometertyps mit halbleiterfilm
DE19633849B4 (de) Infrarotdetektor und Herstellungsverfahren für diesen
DE102012203792A1 (de) Infrarotsensor, Wärmebildkamera und Verfahren zum Herstellen einer Mikrostruktur aus thermoelektrischen Sensorstäben
DE112011103431T5 (de) Übergitter-Quantentopf-lnfrarotdetektor
WO2010094051A1 (de) Resonatorelement und resonator-pixel für mikrobolometer-sensor
DE3437334A1 (de) Infrarotdetektor
DE112013004116T5 (de) CMOS-Bolometer
DE60224880T2 (de) Mikrobolometer und verfahren zu dessen herstellung
DE102014213369B4 (de) Strahlungsdetektor und verfahren zur herstellung eines strahlungsdetektors und array von solchen strahlungsdetektoren
DE102016207551B4 (de) Integrierte thermoelektrische Struktur, Verfahren zur Herstellung einer integrierten thermoelektrischen Struktur, Verfahren zum Betrieb derselben als Detektor, thermoelektrischer Generator und thermoelektrisches Peltier-Element
DE112015002133T5 (de) Bolometer und Verfahren zur Messung elektromagnetischer Strahlung
EP2205950B1 (de) Vorrichtung zur detektion von wärmestrahlung mit hoher auflösung und verfahren zu deren herstellung
DE102016212423B4 (de) Strahlungsdetektor und Herstellung
DE102012216814A1 (de) Infrarot-Fotosensor
DE60308811T2 (de) Thermischer Infrarotdetektor mit erhöhtem Füllfaktor, Methode zu dessen Herstellung und Matrix von thermischen Infrarotdetektoren
DE102007063616A1 (de) Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes und thermoelektrisches Bauelement
DE102007038726B4 (de) Dünnschicht-Thermoelement-Anordnung, thermoelektrischer Sensor, Thermogenerator und Verfahren zur Herstellung der Dünnschicht-Thermoelement-Anordnung
DE202019005436U1 (de) Metalllagenfreies Thermopaar
DE202019005425U1 (de) Metalllagenfreies thermoelektrisches Kühlelement

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01L0035320000

Ipc: H10N0010170000

R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final