專利名稱：集成塞貝克器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成塞貝克(kebeck)效應(yīng)器件及其制造和使用。
背景技術(shù)：
塞貝克(kebeck)和珀耳帖(Peltier)效應(yīng)是相關(guān)的相應(yīng)。當(dāng)一對(duì)半導(dǎo)體p_n結(jié) 相連時(shí)，如果其中一個(gè)結(jié)的溫度高于另一結(jié)的溫度，則電流沿著熱溫差驅(qū)動(dòng)的環(huán)路流動(dòng)。利 用這種效應(yīng)的器件稱作塞貝克效應(yīng)器件，且將熱溫差轉(zhuǎn)換為電。塞貝克效應(yīng)逆向工作時(shí)，稱作珀耳帖效應(yīng)。在珀耳帖效應(yīng)器件中，電流被驅(qū)動(dòng)通過(guò) 一對(duì)p-n結(jié)，且該效應(yīng)使其中一個(gè)結(jié)升溫而另一結(jié)降溫。因此，珀耳帖效應(yīng)器件用作熱泵。效應(yīng)的大小取決于半導(dǎo)體材料以及諸如結(jié)面積之類的其他因素。已經(jīng)提出使用珀耳帖效應(yīng)來(lái)冷卻集成電路。US 6，639，242提出了使用熱電冷卻器用于Si器件。SiGe用作半導(dǎo)體，因?yàn)槠渚?有相當(dāng)好的特性且易于與&器件集成。此外，已知從這種器件生成電功率。例如，US 5，419，780描述了使用熱電器件作 為功率發(fā)生器來(lái)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成器件。發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到集成有源器件生成熱量，這種熱量可以用來(lái)通過(guò)使用塞貝克效 應(yīng)器件而產(chǎn)生電功率。這又可以用于其他器件，例如用來(lái)對(duì)電池充電以供將來(lái)使用，或者備 選地用來(lái)操作珀耳帖效應(yīng)器件以冷卻另一器件?？梢韵氲?，可以使用有源器件之下的塞貝克熱電器件所生成的功率，以使用珀耳 帖熱電器件來(lái)冷卻同一有源器件。在此，熱力學(xué)第二定律造成了困難。珀耳帖器件實(shí)現(xiàn)的 冷卻使器件冷卻，并因此充分降低了塞貝克器件所生成的功率，使得該過(guò)程是低效的。發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，集成器件在其對(duì)于熱量的靈敏度以及變熱和生成熱量的傾向 性方面大有不同。例如，電阻器在使用中將產(chǎn)生大量熱量，但是在升高溫度下仍然順利工 作。相反，一些半導(dǎo)體器件可能具有受溫度嚴(yán)重影響的特性。因此，可以使用塞貝克效應(yīng)器 件來(lái)從在升高溫度下工作的器件獲取熱量，并使用得到的電流來(lái)操作珀耳帖效應(yīng)器件以冷 卻另一器件，該另一器件在降低的溫度下工作。備選地，來(lái)自塞貝克器件的功率可以用來(lái)對(duì)可再充電電池(例如，微電池)充電， 且該電池中儲(chǔ)存的能量可以用于各種目的。具體地，有源器件可以是固態(tài)照明器件，電池中儲(chǔ)存的電荷例如可以用于額外或 緊急照明或者用于對(duì)照明器件的控制器進(jìn)行供電。在另一方面，本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求11所述的制造集成器件的方法。


為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在將參照附圖僅僅以示例方式來(lái)描述實(shí)施例，附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的集成器件的第一實(shí)施例；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的集成器件的第二實(shí)施例；以及圖3至7示出了制造第一或第二實(shí)施例的塞貝克器件時(shí)的步驟。附圖是示意性的而非按比例的。不同附圖中相同或類似部件具有相同附圖標(biāo)記， 且不必重復(fù)描述。
具體實(shí)施例方式參考圖1，器件的第一實(shí)施例包括硅襯底2，在該襯底2中集成有塞貝克效應(yīng)器件 4。該器件的可能結(jié)構(gòu)在下面描述。第一發(fā)熱器件6安裝在塞貝克效應(yīng)器件4上。微電池(micro-battery) 8集成到襯底2中，與塞貝克效應(yīng)器件隔開。微電池可以 是微米或者甚至納米的尺度。電連接10將塞貝克效應(yīng)器件連接到微電池8。這些電連接在 圖中被示意性表示為離開襯底，但是在典型的實(shí)際器件中連接10是襯底2上的金屬化層。在使用中，發(fā)熱器件6由于其正常工作而產(chǎn)生熱量，這使得發(fā)熱器件6的溫度升高 到高于襯底的溫度。這建立了熱梯度，塞貝克效應(yīng)器件4將該熱梯度轉(zhuǎn)換為電能，該電能用 來(lái)對(duì)微電池8充電。然后，所儲(chǔ)存的電荷可以用于其他目的。圖2示出了另一實(shí)施例。同樣，硅襯底2中集成有塞貝克效應(yīng)器件4，并且在塞貝 克效應(yīng)器件上安裝有第一發(fā)熱器件6。然而，在這種情況下，在襯底中設(shè)置珀耳帖效應(yīng)器件12，且在珀耳帖效應(yīng)器件上安 裝第二發(fā)熱器件14。在使用中，發(fā)熱器件由于其正常工作而產(chǎn)生熱量，這生成了電能。然而，在這種情 況下，電能用來(lái)驅(qū)動(dòng)珀耳帖效應(yīng)器件12，該珀耳帖效應(yīng)器件12使第二器件14冷卻。一些器件產(chǎn)生的熱量多于其他器件，一些器件對(duì)熱的靈敏度高于其他器件。通過(guò) 使用一個(gè)器件中產(chǎn)生的熱量來(lái)冷卻另一器件，可以使對(duì)熱相對(duì)敏感的第二器件冷卻并具有 改善的功能性。特別地，本發(fā)明用于固態(tài)照明。發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到固態(tài)照明器件產(chǎn)生大量的多余 熱量，并且使用集成塞貝克效應(yīng)器件能夠有效地捕捉并重復(fù)利用這些多余熱量中的至少一 部分。本發(fā)明不需要使用任何特定形式的塞貝克器件或珀耳帖器件。塞貝克器件生成的電壓由下式給出V = (Sa-Sb) ΔΤ,其中，是材料的塞貝克系數(shù)，ΔΤ是溫度差。使用電功率公式P = IV = V2/R，得到塞貝克器件產(chǎn)生的功率，由下式給出P = S2Q (ΔΤ2)Α/Ι,其中，S是塞貝克系數(shù)，ο是電導(dǎo)率，A是面積，ΔΤ是溫度差，I是通過(guò)負(fù)載的電 流。該公式中的塞貝克系數(shù)是兩種材料的塞貝克系數(shù)之差。因此，具有較大表面面積的器 件是有利的。參考圖3至7，現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述根據(jù)圖1的塞貝克效應(yīng)器件的制造方法。圖3至7僅僅示出了塞貝克器件4的區(qū)域；為了清楚起見，省略了襯底2的其他部分以及其他器 件8、12。首先，在重?fù)诫s硅晶片2中刻蝕深溝槽30，溝槽延伸到要制作的有源器件所處的 凹陷32之下。摻雜是第一導(dǎo)電類型的，在該實(shí)施例中是ρ型。接著，對(duì)溝槽進(jìn)行氧化，以在溝槽表面上形成氧化物薄層34。然后，在溝槽中沉積與第一導(dǎo)電類型相反的第二導(dǎo)電類型的重?fù)诫s多晶硅36。在 該實(shí)施例中，多晶硅是η型的。然后去除位于頂部表面上的任何多晶硅和氧化物。在該實(shí)施例中，這通過(guò)使用化 學(xué)機(jī)械拋光(CMP)來(lái)完成，但是在備選實(shí)施例中可以使用刻蝕工藝。然后沉積至少一個(gè)頂部電極38，并將其構(gòu)圖為將ρ型的襯底區(qū)域和η型的多晶硅 區(qū)域連接在一起。接著，使用背側(cè)CMP步驟，來(lái)露出溝槽30的另一端。在襯底的背面上沉積并構(gòu)圖 至少一個(gè)底部電極40。然后，在凹陷32中，在塞貝克陣列上方形成發(fā)熱器件6。該發(fā)熱器件可以是分離襯 底上的分離器件且簡(jiǎn)單地安裝于凹陷32中，或者凹陷可以填充半導(dǎo)體且使用常規(guī)處理步 驟在該半導(dǎo)體中形成發(fā)熱器件。圖7還示出了從頂部電極延伸的連接10。注意，圖7中器件的大面積得到相應(yīng)的大功率。在使用珀耳帖效應(yīng)器件12的實(shí)施例中，相同或類似的結(jié)構(gòu)可以方便地用于該器 件，從而能夠以相同處理步驟來(lái)形成該器件。在這種實(shí)施例中，單個(gè)襯底12具有形成就緒的結(jié)構(gòu)2，該結(jié)構(gòu)2具有塞貝克效應(yīng)器 件4和珀耳帖效應(yīng)器件12，塞貝克器件4上安裝的一個(gè)器件6所產(chǎn)生的熱量用來(lái)冷卻珀耳 帖效應(yīng)器件上安裝的另一器件14。替代溝槽，可以使用孔(hole)、孔隙(pore)或網(wǎng)孔(mesh，網(wǎng)格狀槽)結(jié)構(gòu)。該集成器件優(yōu)選地包括5-300 μ m深的溝槽，優(yōu)選地為10-200 μ m深，更優(yōu)選地為 20-100 μ m深，最優(yōu)選地為25-50 μ m深，例如30 μ m ；和/或其中3D網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)包括內(nèi)徑為 1-100 μ m的空隙，優(yōu)選地為2-50 μ m,更優(yōu)選地為3-25 μ m,最優(yōu)選地為4-10 μ m,例如5 μ m ；
或其組合。盡管該實(shí)施例在第一主表面42中的凹陷中安裝發(fā)熱器件6，但是這是可選的，發(fā) 熱器件可以簡(jiǎn)單地安裝在襯底的第一主表面42上。為了進(jìn)一步改進(jìn)功率，在備選實(shí)施例中，可以將塞貝克效應(yīng)大于Si的材料代替Si 用于η型半導(dǎo)體、ρ型半導(dǎo)體、或這兩者，例如BiTe。對(duì)于厚度為9. 8μπι的BiTe,電導(dǎo)率為4. 10_5Ωπι，對(duì)于Imm2的面積、100°C的溫度 差以及ΙΟ、的電流，給出33. 86W。在優(yōu)選實(shí)施例中，基于其不同的功函數(shù)，使用ρ型和η型碲化鉍的組合。注意，該集成器件可以是任何器件，盡管本發(fā)明在產(chǎn)生大量多余熱量的集成照明 器件情況下特別有利。從多余熱量所生成的功率可以用來(lái)對(duì)電池充電以對(duì)控制電路供電、 用來(lái)使用珀耳帖器件來(lái)冷卻控制電路、或者甚至用來(lái)提供緊急照明。電池8在以上被描述為微電池，但是電池的尺寸不限于任何具體尺寸。
權(quán)利要求
1.一種集成器件，包括-集成在襯底O)中的塞貝克器件G)，該襯底具有相對(duì)的第一主表面和第二主表面 (42，44)；-在第一主表面0 處位于塞貝克器件上的第一器件(6)，該第一器件是在使用中產(chǎn) 生熱量的器件；-另一器件(8，12)，該另一器件連接至塞貝克器件且由塞貝克器件供電，該另一器件 是集成在襯底O)中的可再充電電池或珀耳帖效應(yīng)器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成器件，其中，襯底( 是半導(dǎo)體襯底，塞貝克器件(4)包 括在襯底中處于第一器件下、向第二主表面G4)延伸的多個(gè)孔、溝槽或網(wǎng)孔(30)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成器件，其中，襯底被摻雜為第一導(dǎo)電類型，塞貝克器件進(jìn) 一步包括-所述多個(gè)孔、溝槽或網(wǎng)孔中的絕緣層(34)；-所述孔、溝槽或網(wǎng)孔中與第一導(dǎo)電類型相反的導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體(36)，該半導(dǎo)體通 過(guò)所述絕緣層與襯底絕緣；-與第一器件相鄰的所述孔、溝槽或網(wǎng)孔的頂部處的至少一個(gè)頂部電極(38)；以及-在所述孔、溝槽或網(wǎng)孔與頂部電極相反的一端處的至少一個(gè)底部電極(40)，用于根 據(jù)頂部電極和底部電極之間的電勢(shì)生成電功率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成器件，其中，孔、溝槽或網(wǎng)孔(30)從第一器件(4)穿過(guò)襯 底延伸至與第一主表面相對(duì)的第二主表面，且底部電極GO)位于襯底的第二主表面G4) 上。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的集成器件，包括襯底第一主表面中的凹陷(32)，產(chǎn)生 熱量的器件(6)安裝在該凹陷(32)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的集成器件，其中，所述另一器件是珀耳帖器件 (12)，且所述集成器件進(jìn)一步包括位于珀耳帖器件上的第二器件(14)以便通過(guò)珀耳帖器 件來(lái)冷卻。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的集成器件，其中，珀耳帖器件(12)的結(jié)構(gòu)與塞貝克器件(14) 的結(jié)構(gòu)相同。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的集成器件，其中，所述另一器件是可再充電電池(8)， 該可再充電電池(8)連接至塞貝克器件從而可以通過(guò)塞貝克器件來(lái)再充電。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的集成器件，其中，可再充電電池(8)包括多個(gè)延伸進(jìn)入半導(dǎo)體 襯底中的孔。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的集成器件，其中，第一器件(6)是固態(tài)照明器件。
11.一種制造集成器件的方法，包括-形成集成在襯底( 中的塞貝克器件G)，該襯底具有相對(duì)的第一主表面和第二主表 面(42，44)；-形成集成在襯底O)中的另一器件(8，12)，該另一器件連接至塞貝克器件且由塞貝 克器件供電；和-在襯底O)的第一主表面0 處使第一器件(6)位于塞貝克器件(4)上，該第一器 件是在使用中產(chǎn)生熱量的器件。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述另一器件是珀耳帖效應(yīng)器件(12)，該珀耳 帖效應(yīng)器件(1 以用來(lái)形成塞貝克效應(yīng)器件(6)的相同方法步驟來(lái)形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述另一器件是電池(8)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11、12或13所述的方法，其中，形成塞貝克器件包括 -提供被重?fù)诫s為第一導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體襯底O)；-形成向第二主表面延伸的多個(gè)孔、溝槽或網(wǎng)孔，所述多個(gè)孔、溝槽或網(wǎng)孔具有朝向第 一主表面的第一端以及朝向第二主表面的第二端；-在所述多個(gè)孔、溝槽或網(wǎng)孔的側(cè)壁上形成絕緣層(34)；-在所述孔、溝槽或網(wǎng)孔中沉積與第一導(dǎo)電類型相反導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體(36)，該半導(dǎo) 體通過(guò)所述絕緣層(34)與襯底( 絕緣；-從所述孔、溝槽或網(wǎng)孔的第一端去除相反導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體(36)以及絕緣層(34)； -在所述孔、溝槽或網(wǎng)孔的第一端形成至少一個(gè)頂部電極(38)； -從第二主表面部分去除襯底，以露出所述孔、溝槽或網(wǎng)孔的第二端；和 -在所述孔、溝槽或網(wǎng)孔與頂部電極相反的一端形成底部電極(40)，用于根據(jù)頂部電 極和底部電極之間的電勢(shì)生成電功率。
15.一種收集熱電功率的方法，通過(guò)將電子移至根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的集 成器件中的電池，以及將熱能移至根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的集成器件中的珀耳 帖陣列，來(lái)收集熱電功率。
全文摘要
一種集成器件包括集成在襯底(2)中的塞貝克器件(4)。發(fā)熱器件(6)加熱塞貝克器件(4)，從而塞貝克器件(4)生成電功率。塞貝克器件對(duì)另一器件供電，該另一器件可以是同樣集成在襯底中的微電池(8)或用于冷卻另一發(fā)熱器件的珀耳帖效應(yīng)器件。
文檔編號(hào)H01L35/34GK102099917SQ200980128461
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月23日
發(fā)明者吉內(nèi)什·巴拉克里什納·皮拉伊·庫(kù)查普拉克爾, 約翰·亨德里克·克洛特威克 申請(qǐng)人:Nxp股份有限公司