熱電發(fā)生器和集成電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型的實施例涉及熱電發(fā)生器，并且更精確的包括半導體材料的熱電發(fā)生器。
[0002]本實用新型的可能應用顯著地是依靠熱能回收而為低能耗和中能耗電氣裝置供電，諸如:
[0003]—在固定環(huán)境(建筑物，地下)或移動環(huán)境(汽車車輛，飛行器)中的分布式通信傳感器；
[0004]-旨在由人體熱量供能的醫(yī)療應用的獨立測量裝置。
[0005]本實用新型也可以適用于例如在微電子電路內(nèi)熱能的回收/耗散的框架中。
【背景技術】
[0006]集成的熱電發(fā)生器裝置通常包括串聯(lián)耦合的小型化垂直熱電偶并且使用諸如碲化鉍(Bi2Te3)之類的傳統(tǒng)熱電材料。
[0007]然而，這些發(fā)生器的垂直結構和通常的熱電材料傾向于與傳統(tǒng)的CMOS制造方法不兼容。
【實用新型內(nèi)容】
[0008]根據(jù)一個實施例，一種熱電發(fā)生器具有與集成制造和與CMOS制造工藝兼容的結構。
[0009]根據(jù)本公開的一個方面，提供一種熱電發(fā)生器，包括半導體隔膜，所述半導體隔膜包含至少一個PN結，所述至少一個PN結懸置在被設計用于耦合至冷的熱源的第一支座與被設計用于耦合至熱的熱源的第二支座之間。
[0010]可選地，所述半導體隔膜包含交替的N導電類型和P導電類型的若干條帶，從而形成串聯(lián)耦合的若干PN結，每個PN結延伸在所述隔膜的面向所述第一支座定位的第一面與所述隔膜的面向所述第二支座定位的第二面之間，所述隔膜由懸置機構懸置，所述懸置機構包括以交替方式分布在所述隔膜的兩個面上的導熱柱體，每個柱體將PN結連接至對應的支座。
[0011]可選地，位于一個所述面上的柱體包括稱作接觸柱體的至少兩個導電柱體，所述至少兩個導電柱體耦合至對應支座上的至少兩個位置以便于產(chǎn)生電信號并且由導熱電絕緣體與對應的支座隔離，以及位于一個所述面上的柱體包括稱作連接柱體的柱體，該柱體是導電的并且由導熱電絕緣體與對應的支座電隔離，并且位于另一個面上的柱體僅包括稱作連接柱體的柱體，該柱體是導電的并且由導熱電絕緣體與對應的支座電隔離。
[0012]可選地，所述懸置隔膜是聲子結構，所述聲子結構包括不同于隔膜半導體材料的化合物的包含物的晶格。
[0013]可選地，包含物晶格是對稱的并且包括第一定向方向以及第二定向方向，所述第一定向方向包括第一包含物密度，所述第二定向方向包括低于所述第一包含物密度的第二包含物密度，PN結的條帶平行于所述第二定向密度，并且在位于另一個面上的柱體的一個面上的跡線根據(jù)第一定向方向而與位于所述一個面上的相鄰柱體中的任一個對準。
[0014]可選地，所述柱體以交替方式交替交錯地分布在所述隔膜的兩個面上，位于所述隔膜的兩個面中的每一個上的柱體形成方形的群組，在位于另一個面上的柱體的一個面上的跡線在位于所述一個面上的柱體方形中心處。
[0015]可選地，所述包含物晶格是周期性的，所述包含物晶格具有至少一個重復間距，所述至少一個重復間距小于熱聲子的平均自由程并且大于熱聲子的波長。
[0016]可選地，所述包含物晶格包括一連串增大尺寸的各種重復間距。
[0017]可選地，所述包含物晶格包括一連串增大尺寸的包含物。
[0018]可選地，所述半導體材料包括硅，并且所述至少一個重復間距大于2nm并且小于200nmo
[0019]可選地，所述半導體材料包括硅，并且所述隔膜的厚度在10nm和2 μπι范圍內(nèi)。
[0020]可選地，所述隔膜平行于所述支座延伸。
[0021]可選地，所述隔膜與所述支座等距。
[0022]可選地，所述支座是剛性的。
[0023]可選地，所述支座的材料由金屬或半導體材料制成。
[0024]可選地，所述支座是柔性的。
[0025]可選地，所述熱電發(fā)生器以集成方式制造。
[0026]根據(jù)本公開的另一方面，提供一種集成電路，包括根據(jù)上述項所述的熱電發(fā)生器。
[0027]根據(jù)一個實施例，提供了一種熱電發(fā)生器，其有源元件具有基本上平面的結構，并且其架構允許熱通量在有源元件的平面內(nèi)再分布。
[0028]根據(jù)另一實施例，提供了一種熱電發(fā)生器，其有源元件通過聲子工程設計而被構造，并且其沿某些方向減小很多而沿其他方向較高的熱導率使其具有優(yōu)越于當前發(fā)生器的熱電特性。
[0029]根據(jù)一個方面，提供了一種熱電發(fā)生器，包括半導體隔膜，半導體隔膜包含至少一個ΡΝ結，該隔膜懸置在被設計用于耦合至冷的熱源的第一支座與被設計用于耦合至熱的熱源的第二支座之間。
[0030]形成了熱電發(fā)生器的有源元件的半導體隔膜本質上是基本平面的并且通常薄的元件，并且其制造易于集成至CMOS集成電路的制造工藝中。
[0031]隔膜可以平行于支座延伸，例如至少距后者一定距離。
[0032]隨后可以將顯著不同于現(xiàn)有技術的傳統(tǒng)結構的熱電發(fā)生器的該配置表征為“平面的”，借助于語言，如與現(xiàn)有技術的垂直結構相反。
[0033]支座可以是剛性的，例如由金屬或半導體材料制成。
[0034]作為變形例，支座可以是柔性的，這允許發(fā)生器例如匹配彎曲表面。
[0035]根據(jù)一個實施例，半導體隔膜包含交替的N型和P型導電類型的若干條帶，從而形成串聯(lián)耦合的若干PN結，每個PN結延伸在隔膜的面對第一支座定位的第一表面、與隔膜的面對第二支座定位的第二表面之間，所述隔膜由懸置機構懸置，懸置機構包括以交替方式分布在隔膜兩個表面上的導熱柱體，每個柱體將PN結連接至對應的支座。
[0036]若干N和P條帶的存在允許增大的熱電發(fā)生器的功率，并且柱體的交替分布允許熱通量在隔膜平面內(nèi)被再分布。
[0037]根據(jù)又一實施例，位于一個面上的導熱柱體包括
[0038]—稱作接觸柱體的至少兩個柱體，接觸柱體是導電的，耦合至對應支座上至少兩個位置以便于產(chǎn)生電信號并且由導熱電絕緣體與對應的支座隔離；
[0039]一稱作連接柱體的柱體，連接柱體是導電的，并且由導熱電絕緣體與對應的支座電隔離。
[0040]位于另一面上的柱體僅包括連接柱體，連接柱體是導電的并且由導熱電絕緣體與對應的支座電隔離。
[0041]對于懸置隔膜特別有利的是具有聲子結構(phononic structure)，換言之包括了具有與隔膜半導體材料的成分不同的包含物(inclus1n)的晶格。
[0042]如對本領域技術人員已知的那樣，聲子是在硅材料的晶格中原子的振動模式。
[0043]通過將空穴(偽聲子晶體)引入例如硅制成的隔膜中而顯著地形成聲子結構，以便于導致熱導率顯著減小。為此原因，可以獲得優(yōu)越于當前熱電材料的熱電特性。
[0044]包含物的周期性晶格有利地具有至少一個重復間距，其小于熱聲子的平均自由行程并且大于熱聲子的波長。
[0045]實際上，由重復間距顯著地確定了用于過濾聲子的聲子晶體的效率。
[0046]為了得益于在各個頻率的熱聲子過濾的累積效應，構思使用增大尺寸的連續(xù)不同重復間距，換言之重復間距的梯度。
[0047]也提供了對增大尺寸的連續(xù)包含物的使用以便于增強在各個頻率下對熱聲子的過濾的累積效應。
[0048]有利地，具有聲子結構的半導體隔膜可以組合兩個之前特征(重復間距和增大尺寸的包含物)以便于進一步提高在各個頻率對熱聲子的過濾并且因此進一步改進熱電發(fā)生器的性能。
[0049]當半導體材料是硅時，包含物重復間距有利地大于2nm并且小于200nm，并且隔膜的厚度有利地在10nm和2 μ m范圍內(nèi)。
[0050]包含物的晶格有利地是對稱的。包含物的晶格的對稱性提供了有利的效果，從而允許使得特性取決于傳播方向。在包含物的對稱晶格內(nèi)沿定向方向的包含物的各個密度影響了對應的定向方向的熱導率。包含物密度越高，則對應的熱導率越低。
[0051]因此優(yōu)選地在具有耦合至分別貼附至不同支座的兩個相鄰柱體的聲子結構的半導體隔膜的兩個區(qū)域之間具有更高的包含物密度(換言之較低的熱導率)，以便于獲得在這兩個區(qū)域之間溫度差的最小影響。以相同方式，可