[发明专利]集成塞贝克器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成塞贝克(Seebeck)效应器件及其制造和使用。

背景技术

塞贝克(Seebeck)和珀耳帖(Peltier)效应是相关的相应。当一对半导体p-n结相连时，如果其中一个结的温度高于另一结的温度，则电流沿着热温差驱动的环路流动。利用这种效应的器件称作塞贝克效应器件，且将热温差转换为电。

塞贝克效应逆向工作时，称作珀耳帖效应。在珀耳帖效应器件中，电流被驱动通过一对p-n结，且该效应使其中一个结升温而另一结降温。因此，珀耳帖效应器件用作热泵。

效应的大小取决于半导体材料以及诸如结面积之类的其他因素。

已经提出使用珀耳帖效应来冷却集成电路。

US 6,639,242提出了使用热电冷却器用于Si器件。SiGe用作半导体，因为其具有相当好的特性且易于与Si器件集成。

此外，已知从这种器件生成电功率。例如，US 5,419,780描述了使用热电器件作为功率发生器来驱动风扇。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了根据权利要求1所述的集成器件。

发明人已经认识到集成有源器件生成热量，这种热量可以用来通过使用塞贝克效应器件而产生电功率。这又可以用于其他器件，例如用来对电池充电以供将来使用，或者备选地用来操作珀耳帖效应器件以冷却另一器件。

可以想到，可以使用有源器件之下的塞贝克热电器件所生成的功率，以使用珀耳帖热电器件来冷却同一有源器件。在此，热力学第二定律造成了困难。珀耳帖器件实现的冷却使器件冷却，并因此充分降低了塞贝克器件所生成的功率，使得该过程是低效的。

发明人已经认识到，集成器件在其对于热量的灵敏度以及变热和生成热量的倾向性方面大有不同。例如，电阻器在使用中将产生大量热量，但是在升高温度下仍然顺利工作。相反，一些半导体器件可能具有受温度严重影响的特性。因此，可以使用塞贝克效应器件来从在升高温度下工作的器件获取热量，并使用得到的电流来操作珀耳帖效应器件以冷却另一器件，该另一器件在降低的温度下工作。

备选地，来自塞贝克器件的功率可以用来对可再充电电池(例如，微电池)充电，且该电池中储存的能量可以用于各种目的。

具体地，有源器件可以是固态照明器件，电池中储存的电荷例如可以用于额外或紧急照明或者用于对照明器件的控制器进行供电。

在另一方面，本发明涉及根据权利要求11所述的制造集成器件的方法。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在将参照附图仅仅以示例方式来描述实施例，附图中：

图1示出了根据本发明的集成器件的第一实施例；

图2示出了根据本发明的集成器件的第二实施例；以及

图3至7示出了制造第一或第二实施例的塞贝克器件时的步骤。

附图是示意性的而非按比例的。不同附图中相同或类似部件具有相同附图标记，且不必重复描述。

具体实施方式

参考图1，器件的第一实施例包括硅衬底2，在该衬底2中集成有塞贝克效应器件4。该器件的可能结构在下面描述。第一发热器件6安装在塞贝克效应器件4上。

微电池(micro-battery)8集成到衬底2中，与塞贝克效应器件隔开。微电池可以是微米或者甚至纳米的尺度。电连接10将塞贝克效应器件连接到微电池8。这些电连接在图中被示意性表示为离开衬底，但是在典型的实际器件中连接10是衬底2上的金属化层。

在使用中，发热器件6由于其正常工作而产生热量，这使得发热器件6的温度升高到高于衬底的温度。这建立了热梯度，塞贝克效应器件4将该热梯度转换为电能，该电能用来对微电池8充电。然后，所储存的电荷可以用于其他目的。

图2示出了另一实施例。同样，硅衬底2中集成有塞贝克效应器件4，并且在塞贝克效应器件上安装有第一发热器件6。

然而，在这种情况下，在衬底中设置珀耳帖效应器件12，且在珀耳帖效应器件上安装第二发热器件14。

在使用中，发热器件由于其正常工作而产生热量，这生成了电能。然而，在这种情况下，电能用来驱动珀耳帖效应器件12，该珀耳帖效应器件12使第二器件14冷却。

一些器件产生的热量多于其他器件，一些器件对热的灵敏度高于其他器件。通过使用一个器件中产生的热量来冷却另一器件，可以使对热相对敏感的第二器件冷却并具有改善的功能性。

特别地，本发明用于固态照明。发明人已经认识到固态照明器件产生大量的多余热量，并且使用集成塞贝克效应器件能够有效地捕捉并重复利用这些多余热量中的至少一部分。