Brevet FR2963165A1 — publié le 20120127

B 10-2192FR 1 Procédé de génération d'énergie électrique dans un dispositif semi- conducteur, et dispositif correspondant L'invention concerne les circuits intégrés, et plus particulièrement la génération d'énergie électrique dans un circuit intégré autre que celle produite par une alimentation classique comme par exemple une batterie. Selon un mode de mise en oeuvre et de réalisation, il est ainsi proposé un procédé et un circuit intégré permettant de récupérer de l'énergie électrique à partir du fonctionnement propre du circuit intégré, pour éventuellement stocker cette énergie électrique afin de pouvoir par exemple alimenter une partie spécifique du circuit intégré et/ou recharger une batterie. Il devient alors possible d'augmenter considérablement la durée de vie de la batterie et/ou de diminuer la taille de celle-ci. Selon un aspect, il est proposé un procédé de génération d'énergie électrique dans un dispositif comprenant un circuit intégré disposé dans et/ou sur un substrat ; ainsi à titre d'exemple non limitatif, le circuit intégré peut être réalisé dans et/ou sur le substrat ou bien être collé sur le substrat ; ledit procédé comprend une réalisation dans le substrat d'une structure formant jonction semi-conductrice PN en couplage thermique avec le circuit intégré, et une production d'énergie électrique par ladite structure soumise à un flux thermique résultant du fonctionnement du circuit intégré. Le flux thermique auquel est soumis la jonction PN permet la génération de charges, notamment par agitation thermique dans la zone de charge d'espace (zone désertée) de la jonction PN. Le coefficient de génération de charge est fonction notamment de la bande interdite du matériau semi-conducteur utilisé et de la température. Les charges ainsi générées pourront être collectées pour par exemple être stockées. Ainsi, il est possible d'utiliser le dégagement de chaleur d'un composant électronique en fonctionnement, considéré en général comme défavorable pour produire de l'énergie électrique. Selon un mode de mise en oeuvre, on réalise ladite structure de sorte qu'elle s'étende principalement dans la direction du flux thermique. Cette orientation dans le sens du flux thermique permet de soumettre la jonction PN à un gradient thermique, ce qui favorise le drainage des charges générées. Ainsi la quantité de charges collectées est plus importante. Selon un mode de mise en oeuvre, la réalisation de ladite structure comprend une réalisation dans le substrat d'une couche semi- conductrice s'étendant sous le circuit intégré sensiblement parallèlement au circuit intégré et de type de conductivité opposé à celui du substrat et une réalisation de tranchées semi-conductrices de même type de conductivité que celui de ladite couche et contactant ladite couche et s'étendant sensiblement perpendiculairement à ladite couche en direction du circuit intégré. La structure en tranchée permet d'obtenir une surface de jonction importante. La quantité d'énergie électrique produite selon l'invention étant proportionnelle à la surface de la jonction, cette structure permet la production d'une quantité d'énergie plus importante. Selon un mode de mise en oeuvre, la réalisation de ladite structure comprend une réalisation dans le substrat d'un caisson plus fortement dopé que le substrat, les tranchées étant réalisées dans le caisson et la couche semi-conductrice étant réalisée au contact du caisson. Ladite couche semi-conductrice a avantageusement une surface sensiblement identique à celle du circuit intégré. Ainsi toute la zone irradiée par l'énergie thermique, c'est-à-dire principalement le volume délimité par le parallélépipède situé sous le circuit intégré peut être utilisé pour réaliser des tranchées. Selon un autre mode de mise en oeuvre, ladite structure comprend des matériaux semi-conducteurs ayant des bandes interdites différentes, par exemple du silicium et du germanium et/ou un alliage de silicium-germanium, ou bien un alliage dont la bande interdite est inférieure à celle du silicium (par exemple InSb) permettant l'absorption des rayonnements infrarouges émis par le circuit et permettant ainsi la génération de paires électrons/trous. Ainsi, avec un matériau ayant une bande interdite plus faible que le silicium par exemple les charges générées au sein des zones de charge d'espace sont plus nombreuses. Selon un mode de mise en oeuvre supplémentaire, on connecte des moyens électriquement conducteurs sur la partie N et sur la partie P de ladite structure et on stocke l'énergie électrique produite, par exemple dans un condensateur. Selon un autre aspect, il est proposé un dispositif, comprenant un circuit intégré disposé dans et/ou sur un substrat, une structure formant jonction semi-conductrice PN réalisée dans le substrat et en couplage thermique avec le circuit intégré, des moyens électriquement conducteurs connectés à la partie N et à la partie P de ladite structure pour véhiculer l'énergie électrique produite par ladite structure quand elle est soumise à un flux thermique résultant du fonctionnement du circuit intégré. Selon un mode de réalisation, ladite structure s'étend principalement dans la direction du flux thermique. Selon un mode de réalisation, ladite structure comprend au sein du substrat une couche semi-conductrice s'étendant sous le circuit intégré sensiblement parallèlement au circuit intégré et de type de conductivité opposé à celui du substrat et des tranchées semi- conductrices de même type de conductivité que celui de ladite couche et contactant ladite couche et s'étendant sensiblement perpendiculairement à ladite couche en direction du circuit intégré. La structure peut comprendre au sein du substrat un caisson plus fortement dopé que le substrat et contenant lesdites tranchées. Selon un autre mode de réalisation, ladite couche semi-conductrice a une surface sensiblement identique à celle du circuit intégré. Selon un autre mode de réalisation, ladite structure comprend des matériaux semi-conducteurs ayant des bandes interdites différentes, ou bien une bande interdite inférieure à celle du silicium. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend des moyens électriquement conducteurs sur la partie N et sur la partie P de ladite structure et des moyens de stockage reliés aux moyens électriquement conducteurs. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de mise en oeuvre et de réalisation, nullement limitatifs, et des dessins annexés, sur lesquels : - les figures 1 à 4 illustrent de façon schématique des modes de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; et - les figures 5 à 11 illustrent schématiquement un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Sur la figure 1, la référence CI désigne un circuit intégré de structure classique comportant une partie active, alimenté par une source d'alimentation primaire SRC et comportant des composants actifs, par exemple des transistors. Ce circuit intégré CI dégage de la chaleur lorsqu'il est en fonctionnement. La température du circuit intégré peut atteindre une centaine de degrés Celsius voire 125°C sur les jonctions des transistors. Le substrat S est couplé thermiquement avec le circuit intégré CI. Ainsi la chaleur générée par le circuit intégré se répartit dans le substrat suivant un flux thermique dont le gradient est représenté par la flèche G. Au sein de ce substrat S, par exemple en silicium, se trouve une structure STR formant jonction PN. Cette structure STR comporte une couche CS contenant un matériau de type P+ par exemple du silicium, surmontée de tranchées TR contenant également le matériau de type P+ et s'étendant sensiblement perpendiculairement à la couche CS et sensiblement parallèlement au gradient G au sein d'un caisson W formé de silicium dopé N+. Plus précisément, comme illustré sur la figure 2, chaque tranchée TR comprend ici quatre faces et chacune de ces quatre faces est en contact avec le caisson dopé N+, ce qui permet la réalisation par tranchée d'une jonction PN. Sur la figure 2, chaque tranchée est représentée à l'envers par rapport à la figure 1, avec des tranchées TR d'une hauteur par exemple de 200 µm s'étendant en quinconce sur l'ensemble de la couche CS. A titre d'exemple de réalisation, dans le cas d'un circuit intégré d'une taille d' l cm sur 1 cm, chacune des bases des tranchées est un carré de 1 µm de côté. Les différentes tranchées sont à titre d'exemple de réalisation espacées d' l µm. Cette structure permet d'obtenir une surface de jonction importante. Ainsi 1 cm' contient 2,5 10' tranchées de 1 µm de côté, ce qui correspond à une surface de jonction égale à 2 1010 µm2 (4 x 200 x 2,5 10'). Chacune de ces jonctions PN comprend à l'interface entre le matériau dopé P+ et le matériau dopé N+ une zone de charge d'espace ou zone désertée. Quand les zones de charge d'espace sont soumises à une forte température, des charges y sont générées par exemple par agitation thermique. Les charges générées sont collectées par des moyens électriquement conducteurs MC. Des moyens de stockage, tels qu'un condensateur C, pouvant être réalisés dans le circuit intégré, permettent de stocker l'énergie électrique collectée. Par la suite l'énergie électrique collectée peut être utilisée par exemple comme source secondaire d'énergie électrique pour l'alimentation du circuit intégré. Le substrat comprend également, dans cet exemple, en face arrière une couche de passivation CP, par exemple réalisée en SiO2. Pour les jonctions PN, la taille des zones de charge d'espace est d'autant plus importante que le dopage des matériaux P+ et N+ est faible, ce qui permet une génération des charges plus importante. Mais plus le dopage est faible plus la résistance des zones P+ et N+ est importante, ce qui ne facilite pas l'évacuation des charges vers les moyens électriquement conducteurs MC. L'homme du métier saura choisir de manière avantageuse les dopages P+ et N+ de manière à réaliser un compromis entre la résistance et la taille de la charge d'espace. Lorsque le caisson W est réalisé avec du Silicium dopé N+, et que la zone P+ est réalisée avec du Silicium dopé P+, avec une concentration de dopants de 1021 at/cm3, il est possible avec une surface de jonction telle que mentionnée ci avant d'obtenir par exemple un courant jusqu'à 86mA pour 1 cm2. Comme on peut le voir sur la figure 3, il est également possible d'utiliser pour la zone P+ plusieurs matériaux. A titre d'exemple de réalisation, on peut utiliser pour la zone P+ périphérique de la tranchée TR du silicium P+ épitaxié dopé in situ et pour la zone P+ interne du polysilicium P+. Comme on peut le voir sur la figure 4, il est également possible d'utiliser pour les zones P+ et N+ des matériaux dont les valeurs de bandes interdites sont différentes. En effet, cela permet d'avoir plus de porteurs et donc plus de charges collectées. A titre d'exemple de réalisation, on utilise pour la zone N+ du silicium N+, pour une zone N+ en périphérie directe de la zone P+ du SiGeN+ (épitaxié dopé in situ) ou du GeN+ et respectivement en zone P+ du SiGe P+ ou du Ge P+. On obtient alors une hétérojonction avec des matériaux de bandes interdites différentes. L'utilisation de germanium est intéressante car le courant d'obscurité dans le germanium est plus fort que dans le silicium. On peut également utiliser des matériaux dont la bande interdite est inférieure à celle du silicium (InSb par exemple) afin d'absorber le rayonnement infrarouge du circuit et générer ainsi des porteurs. Les figures 5 à 11 représentent un exemple de procédé de réalisation de la structure formant jonction PN suivant l'invention. Dans une première étape (figure 5), on procède au dopage de la face arrière du silicium S de manière à obtenir un substrat Si dopé N+, formant le caisson W. Dans une seconde étape (figure 6), on grave des tranchées dans le caisson W par toute technique bien connue de l'homme du métier. Dans une troisième étape (figure 7), les tranchées sont remplies en faisant croître par épitaxie du silicium dopé P+. La couche CS est également formée. Dans une quatrième étape (figure 8), on procède à la passivation de la plaque en ajoutant une couche de passivation CP. A titre d'exemple de réalisation, cette couche CP est du SiO2. Dans une cinquième étape (figure 9), la plaque est retournée et dans une sixième étape (figure 10) le circuit intégré CI est réalisé en face avant de la plaque de manière à ce que la structure STR formant jonction PN soit thermiquement couplée avec le circuit intégré CI. Dans une septième étape (figure 11), des moyens de connexion MC sont ajoutés en face avant de la structure formant jonction PN ainsi réalisée. Ces moyens MC sont électriquement conducteurs et isolés du substrat. Ils peuvent être réalisés par exemple par des vias traversants connus par l'homme du métier sous la dénomination anglosaxonne de TSV (« Through Silicon Via ») Dans la description qui vient d'être faite, la jonction PN comporte une zone N+ dans le substrat et une zone P+ dans les tranchées; cela étant il aurait été possible de former une jonction PN en utilisant un substrat P+ et des tranchées de type N. REVENDICATIONS1. Procédé de génération d'énergie électrique dans un dispositif comprenant un circuit intégré disposé dans et/ou sur un substrat, ledit procédé comprenant une réalisation dans le substrat (S) d'une structure (STR) formant jonction semi-conductrice PN en couplage thermique avec le circuit intégré (CI), et une production d'énergie électrique par ladite structure soumise à un flux thermique résultant du fonctionnement du circuit intégré. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on réalise ladite structure de sorte qu'elle s'étende principalement dans la direction du flux thermique (G). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la réalisation de ladite structure (STR) comprend une réalisation dans le substrat d'une couche semi-conductrice (CS) s'étendant sous le circuit intégré sensiblement parallèlement au circuit intégré et de type de conductivité opposé à celui du substrat et une réalisation de tranchées semi-conductrices (TR) de même type de conductivité que celui de ladite couche et contactant ladite couche et s'étendant sensiblement perpendiculairement à ladite couche en direction du circuit intégré. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel la réalisation de ladite structure comprend une réalisation dans le substrat d'un caisson (W) plus fortement dopé que le substrat, les tranchées (TR) étant réalisées dans le caisson et la couche semi-conductrice (CS) étant réalisée au contact du caisson. 5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel ladite couche semi-conductrice a une surface sensiblement identique à celle du circuit intégré. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite structure comprend du silicium et/ou au moins un matériau semi-conducteur qui a une bande interdite inférieure à celle du silicium. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on connecte des moyens électriquement conducteurs sur lapartie N et sur la partie P de ladite structure et on stocke l'énergie électrique produite. 8. Dispositif, comprenant un circuit intégré disposé dans et/ou sur un substrat, une structure formant jonction semi-conductrice PN réalisée dans le substrat (S) en couplage thermique avec le circuit intégré (CI), des moyens électriquement conducteurs connectés à la partie N et à la partie P de ladite structure pour véhiculer l'énergie électrique produite par ladite structure quand elle est soumise à un flux thermique résultant du fonctionnement du circuit intégré. 9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel ladite structure s'étend principalement dans la direction du flux thermique (G). 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, dans lequel ladite structure comprend au sein du substrat une couche semi-conductrice (CS) s'étendant sous le circuit intégré sensiblement parallèlement au circuit intégré et de type de conductivité opposé à celui du substrat (S) et des tranchées semi-conductrices (TR) de même type de conductivité que celui de ladite couche et contactant ladite couche et s'étendant sensiblement perpendiculairement à ladite couche en direction du circuit intégré (CI). 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel la structure comprend au sein du substrat un caisson (W) plus fortement dopé que le substrat et contenant lesdites tranchées (TR). 12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, dans lequel ladite couche semi-conductrice (CS) a une surface sensiblement identique à celle du circuit intégré. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, dans lequel ladite structure forme une hétérojonction PN. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, comprenant des moyens électriquement conducteurs (MC) sur la partie N et sur la partie P de ladite structure et des moyens de stockage (C) reliés aux moyens électriquement conducteurs.