制作集成热电转换器的方法和由此获得的集成热电转换器技术

本公开的实施例涉及制作集成热电转换器的方法和由此获得的集成热电转换器。一种方法包括：提供硅基材料层，具有第一表面以及与第一表面相对并且通过硅基材料层厚度与第一表面隔开的第二表面；形成具有第一塞贝克系数的第一热电半导体材料的多个第一热电有源元件，以及形成具有第二塞贝克系数的第二热电半导体材料的多个第二热电有源元件，第一和第二热电有源元件被形成为从第一表面延伸穿过硅基材料层厚度到第二表面；形成与硅基材料层的第一和第二表面相对应的导电互连件，并且形成电连接至导电互连件的输入电端子和输出电端子，第一和第二热电半导体材料包括在多孔硅或多晶SiGe或多晶硅中选择的硅基材料。晶SiGe或多晶硅中选择的硅基材料。晶SiGe或多晶硅中选择的硅基材料。

【技术实现步骤摘要】
制作集成热电转换器的方法和由此获得的集成热电转换器


[0001]本公开大体上涉及固态
，具体地半导体技术和设备，并且更具体地涉及一种固态集成热电转换器及其制作方法(如热电发电机(又称为“TEG”))。

技术介绍

[0002]通过塞贝克效应将热能直接转换为电能(反之亦然)是一种从热源中收获能量的有前景的方法，特别是在降低的温度梯度被涉及以及不会被利用时(诸如工业厂房的余热、汽车引擎的残热、低温热源)。
[0003]热电发电机是低焓的余热利用设备，例如被用于无电池的散热器阀致动器或手电筒(在这后一种情况下，利用在人体温度与环境温度之间的温度差)。
[0004]热电发电机利用热电材料，该热电材料能够通过将温度差转换为电压来直接从热量中发电。
[0005]好的热电材料应该具有高电导率(σ)和低热导率(κ)二者。具有低热导率确保当材料的一侧变热时，另一材料侧保持冷态，即使在很低的温度梯度下，这也有助于生成显著的电压。
[0006]碲基热电发电机利用基于碲的材料作为热电材料。
[0007]碲化合物(诸如碲化铋(Bi2Te3))展现出良好的塞贝克系数(材料的塞贝克系数(也称为热功率、热电功率、热电灵敏度，是响应于由塞贝克效应引起的跨该材料的温度差而对所引起的热电电压的幅度的测量)、高电导率和低热导率(仅作为示例，碲化铋的热导率为2W/mK)。这些属性使碲化铋适合被用于形成热电发电机的“热电有源元件”(通过“热电有源元件”或“有源元件”表示热电材料中能够通过塞贝克效应将它们两端的温降或温度梯度转换为电位的热电元件)。
[0008]基于碲的热电发电机在设置有金属(Cu或Au)接触区域的一对相对的陶瓷衬底与导线之间包括多个互连的n掺杂碲化铋有源元件和p掺杂碲化铋有源元件(这些有源元件也被称为“支脚”)，其将多个n掺杂和p掺杂的碲化铋有源元件互连。n掺杂碲化铋有源元件通常借助于以下过程被形成为离散元件：涉及从粉末材料开始形成晶锭，然后切割晶锭以形成小球，然后在该小球被放入(在手动或半自动组装阶段中) 两个陶瓷衬底之间形成塞贝克支脚。
[0009]因此，现有的碲基热电发电机是离散组件。碲化铋不适合被用作标准集成电路(IC)制造过程中的材料，该过程是基于硅的。
[0010]而且，碲基热电发电机通常仅在有限的温度范围内(通常，在室温下约为100K)展现出相对良好的效率，以及随着温度升高而迅速劣化的热电属性。这减少了碲基热电发电机的应用领域。
[0011]附加地，碲是相对稀有的元素，这固有地限制了其广泛使用。
[0012]此外，碲化合物(诸如碲化铋)的大量使用可能会带来环境问题，特别是在报废设备处置方面。
[0013]在硅基热电发电机中，基于硅的材料(n掺杂和p掺杂的，以展现出不同的塞贝克系数)被用作热电材料以形成有源元件。
[0014]利用兼容硅技术制造的硅基热电发电机可以被分类为两个系列：在第一系列的设备中，热流平行于衬底，而在另一系列中，热流与衬底正交(“平面外”热通量)。这些集成热电发电机的架构通常包括具有n
‑
p 掺杂支脚的多个基本单元，其以基本单元被热并联并且电串联的这种方式来布置。通常，热流平行于衬底的集成热电发电机可以将热电活性材料的导电支脚沉积在非常高的热阻材料或膜之上(悬挂在衬底之上几百微米)，或者活性材料支脚本身就是独立的(无膜)。
[0015]平面外热通量热电发电机使热损失最小化，简化系统级的热耦合，增强整体性能，并适用于微电子和光电设备等其他应用的小型化和集成。
[0016]M.Tomita等人于2018年6月18至22日在美国檀香山的VLSI技术 2018的第38届IEEE VLSI技术研讨会的论文“10μW/cm2
‑
Class HighPower Density Planar Si
‑
Nanowire Thermoelectric Energy HarvesterCompatible with CMOS
‑
VLSI Technology”批评采用长约10至100μm的硅纳米线作为有源元件的平面硅基热电发电机，这些硅纳米线悬挂在腔体上以切断热电流旁路，以保证跨硅纳米线的温度差。论文的作者提出了一种没有腔体结构的平面短硅纳米线热电发电机的设计概念，该腔体结构使用了在主要热电流附近形成的陡峭温度梯度。
[0017]WO 2018/078515公开了平面外热通量配置的集成热电发电机。发电机还包括顶部封盖层，该顶部封盖层沉积在所述平面非导电覆盖层的相对于所述空隙空间以相对方向定向的自由表面上，以便遮盖非导电覆盖层的通孔。

技术实现思路

[0018]本申请人已经认识到，本领域中提出的硅基热电发电机展现出了缺点。
[0019]硅具有大的电导率和良好的塞贝克系数，但是作为热电材料，它具有比碲化铋(热导率为2W/mK)高的热导率(148W/mK)的缺点。此外，具有腔体的硅基热电发电机由于腔体的存在而具有很低的机械稳定性。已知的硅基热电发电机的其他缺点是：工业化困难；低功率(～100 μW/cm2)；以及高半导体面积消耗。
[0020]本申请人已经解决了设计新颖的热电转换器的问题，该新颖的热电转换器克服了影响已知的热电发电机的缺点。
[0021]本申请人已经发现，热电转换器的有源元件可以以备选材料(本领域中已知的碲化铋和硅除外)实现，该备选材料是良好的热电材料并且适合于标准IC制造技术，从而使得可以制作集成热电转换器。
[0022]本申请人已经发现，适合于实现集成热电转换器的有源元件的替代的良好热电材料是多孔硅，例如n掺杂或p掺杂的。
[0023]n掺杂和p掺杂的多孔硅热电有源元件可以通过转换n
+
和p
+
掺杂的多晶硅来获得。多孔硅有利地具有很小的热导率(孔隙率约为75％时为 0.15至1.5W/mK)。
[0024]本申请人还发现，用于实现集成热电转换器的有源元件的另一合适备选良好热电材料是例如n掺杂或p掺杂的多晶硅锗(多晶SiGe)。多晶SiGe的热导率为3至5W/mK，并且申请人将其用作用于实现热电转换器的有源元件的材料。
[0025]用于实现集成热电转换器的有源元件的另一热电材料是多晶硅，例如n掺杂和p掺杂的。
[0026]根据本公开的一个方面，一种制作平面外(例如具有正交于衬底的热通量)热电转换器包括：
[0027]提供硅基材料层，具有第一表面以及与第一表面相对并且通过硅基材料层厚度与第一表面隔开的第二表面；
[0028]形成具有第一塞贝克系数的第一热电半导体材料的多个第一热电有源元件，并且形成具有第二塞贝克系数的第二热电半导体材料的多个第二热电有源元件，其中第一热电有源元件和第二热电有源元件被形成为从第一表面延伸穿过硅基材料层厚度到第二表面；
[0029]形成与硅基材料层的第一表面和第二表面相对应的导电互连件，以电互连多个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制作热电转换器的方法，包括：在硅基材料层中形成具有第一塞贝克系数的第一热电半导体材料的多个第一热电有源元件、以及具有第二塞贝克系数的第二热电半导体材料的多个第二热电有源元件，所述硅基材料层具有第一表面、与所述第一表面相对的第二表面、以及在所述第一表面与所述第二表面之间的第一厚度，所述第一热电有源元件和所述第二热电有源元件各自被形成为从所述第一表面延伸穿过所述第一厚度到所述第二表面；以及在所述硅基材料层的所述第一表面或所述第二表面中的至少一个表面之上形成导电互连件，所述导电互连件各自将所述多个第一热电有源元件中的第一热电有源元件与所述多个第二热电有源元件中的一个对应的第二热电有源元件电互连；以及形成电耦合至所述导电互连件的输入电端子和输出电端子，其中所述第一热电半导体材料和所述第二热电半导体材料各自包括从由多孔硅、多晶硅锗SiGe和多晶硅组成的组选择的硅基材料。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述硅基材料层是在具有Si
0.7
Ge
0.3
的材料组成的多晶SiGe、或外延多晶硅之中选择的材料。3.根据权利要求1所述的方法，其中具有第一塞贝克系数的所述第一热电半导体材料的所述多个第一热电有源元件被掺杂有受主掺杂剂，并且具有第二塞贝克系数的所述第二热电半导体材料的所述多个第二热电有源元件被掺杂有施主掺杂剂。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述硅基材料层是多晶硅，并且所述方法包括：在衬底的氧化表面上外延生长所述多晶硅层。5.根据权利要求4所述的方法，其中形成具有所述第一塞贝克系数的所述第一热电半导体材料的所述多个第一热电有源元件包括：在所述硅基材料层中形成第一沟槽，以及用掺杂有受主掺杂剂的多晶硅或多晶SiGe填充所述第一沟槽；以及其中形成具有所述第二塞贝克系数的所述第二热电半导体材料的所述多个第二热电有源元件包括：在所述硅基材料层中形成第二沟槽，以及用掺杂有施主掺杂剂的多晶硅或多晶SiGe填充所述第二沟槽。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一沟槽和所述第二沟槽中的每个沟槽被填充有多晶硅，并且所述方法还包括：将填充所述第一沟槽和所述第二沟槽的所述掺杂多晶硅转换为掺杂多孔硅。7.根据权利要求1所述的方法，包括：形成所述硅基材料层包括：迭代以下步骤至少两次：在衬底的氧化表面上形成多晶SiGe层，其中所述多晶SiGe层具有与所述硅基材料层的所述第一厚度相比一部分的厚度；用受主掺杂剂选择性地掺杂所述多晶SiGe层的第一区域；以及用施主掺杂剂选择性地掺杂所述多晶SiGe层的第二区域，其中在所述迭代之后，各个所述多晶SiGe层...

【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：