(57)【要約】  従来技術の薄膜デバイスよりも大きな単位表面当たりの熱量をして電気に変換できるよう、熱エネルギーの電気エネルギーへの変換効率を高めるために構成された単純な構造を有するコンパクトな熱電発電器は、基部シリコン・ウェハとカバー・シリコン・ウェハを有し、カバー・シリコン・ウェハは、それぞれの頂部接点が接触し、カバー・シリコン・ウェハと基部シリコン・ウェハとの間の空間は、真空が形成されるか、またはガス、特に空気が存在する空間であるように、ベース・シリコン・ウェハに対向される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが２つの対向する面を有する基部シリコン・ウェハ（１１０）と、カバー・シリコン・ウェハ（１２０）と、からなる面外熱流構成を有する一体型熱電発電器の構成ブロック（１００）であって、
前記基部シリコン・ウェハ（１１０）は、前記２つの対向する面の１つの面の上に、複数の丘（１１１Ｃ）と、前記複数の丘（１１１Ｃ）の間の複数の谷（１１１Ｖ）と、を有し、
前記丘（１１１Ｃ）の各々は、電気的および熱的に絶縁性の材料でできた第２の切頭ピラミッドまたは円錐（１１５）がその上に接続される、前記シリコン・ウェハ内の第１の切頭ピラミッドまたは円錐を含み、前記第２の切頭ピラミッドまたは円錐の大きいほうの基部が、前記シリコン・ウェハ内の前記第１の切頭ピラミッドまたは円錐の小さいほうの基部より小さく、かつ、これに接触しており、
前記第２の切頭ピラミッドまたは円錐の小さいほうの基部およびその側面の少なくとも一部に、前記第１の切頭ピラミッドまたは円錐の小さいほうの基部の少なくとも一部分も越えて延びるｐ型にドープされた熱電材料の層（１１６）があり、
前記第２の切頭ピラミッドまたは円錐の小さいほうの基部と、一端で、前記第１の切頭ピラミッドまたは円錐の小さいほうの基部の少なくとも一部の上の前記熱電材料の層と接触し、前記丘（１１１Ｃ）の前記側面上をそれぞれの谷（１１１Ｖ）の一部まで延在する２つ以上の側面接点（１１７）との上に、頂部電気接点（１１８）があり、
前記カバー・シリコン・ウェハ（１２０）は、前記対向する面の１つの面の上に、複数の谷（１２１Ｖ）と丘（１２１Ｃ）を有し、
前記カバー・シリコン・ウェハ（１２０）の前記１つの面の実質的に全体の上には、電気絶縁材料の層（１２４）があり、
前記カバー・シリコン・ウェハ（１２０）の前記丘（１２１Ｃ）の頂部には、電気接点と頂部熱接点との両方として作用する金属接点があり、
前記カバー・シリコン・ウェハは、それぞれの頂部接点（１１８、１２８）が接触し、
前記カバー・シリコン・ウェハと前記基部シリコン・ウェハとの間の前記空間が真空にされるか、または気体、特に空気が存在する空間であるように、前記基部シリコン・ウェハに対向している、構成ブロック。
【請求項２】
前記接点（１１７、１１８、１２８）は、金属、例えばアルミニウム、銅、銀または金属合金で作られている、請求項１に記載の一体型熱電発電器の構成ブロック（１００）。
【請求項３】
前記基部シリコン・ウェハ（１１０）の前記１つの面の上に、１ｎｍと１μｍとの間からなる厚さを有する電気絶縁材料の層（１１４）がある、請求項１または２に記載の一体型熱電発電器の構成ブロック（１００）。
【請求項４】
前記熱電材料は、ｎ型またはｐ型にドープされた半導体である、請求項１から３のいずれか一項に記載の一体型熱電発電器の構成ブロック（１００）。
【請求項５】
前記第２の切頭ピラミッドまたは円錐（１１５）は、１ミクロンと５００ミクロンとの間の高さを有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の一体型熱電発電器の構成ブロック（１００）。
【請求項６】
前記第２の切頭ピラミッドまたは円錐（１１５）は、二酸化ケイ素、熱伝導に対する高い抵抗を有する酸化物、ナノメートルのフォノン材料の格子構造、および、シリコンのナノメートルの薄膜の超格子からなる群に属する材料である、請求項１から５のいずれか一項に記載の一体型熱電発電器の構成ブロック（１００）。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の２つ以上のブロックにより形成される一体型熱電発電器（１０００Ｓ、１０００Ｐ、１０００Ｇ）であって、前記２つ以上のブロックは、前記側面接点（１１７）と前記頂部接点（１２８）とによって、直列、並列、若しくはグリッドに接続されるように互いに接続され、ゼーベック効果によって生成された電流が、交互に配置されたｎ型およびｐ型にドープされた熱電材料（１１６）を有するブロックを通って流れる、一体型熱電発電器。
【請求項８】
前記基部ウェハのそれぞれの各頂部接点と前記カバーとの間にフリップ・チップ接合がある、請求項１から８のいずれか一項に記載の一体型熱電発電器。
【請求項９】
前記基部ウェハとカバー・ウェハが、金属−金属接合、金属−金属熱圧着、プラズマ結合（plasma union）、ベンゾシクロブテンを通した結合、ポリアミドを通した結合、金属間化合物を通した結合、固体−液体相互拡散（ＳＬＩＤ）を通した結合、共晶合金による結合、銅酸化物結合、金属−金属酸化物結合、陽極結合（anodic union）、マイクロ・バンプを通した結合からなる群に属する技術によって整列して結合されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の一体型熱電発電器。
【請求項１０】
前記構成物品ブロックの間の電気的接続が、相互接続のためのビアの使用によって前記基部シリコン・ウェハ（１１０）の前記背面上に作られる、請求項７から９のいずれか一項に記載の一体型熱電発電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電発電器に関する。
【０００２】
より具体的には、本発明は、薄膜の形状の熱電材料に基づいており、プレーナー・プロセスおよび３次元の不均一あるいはハイブリッド集積の関連技術によって製造することができる、マイクロエレクトロニクス技術により実現された熱電発電器の構造に関する。
【背景技術】
【０００３】
熱電発電器は、ゼーベック効果として知られている効果を利用する可能性のおかげで、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができるデバイスである。
【０００４】
従来技術の熱電発電器の大部分の機能は、テルル化ビスマスおよびその合金などの性能指数ＺＴの高い熱電材料の使用に基づいている。
【０００５】
にもかかわらず、テルル化ビスマスおよびその合金は、本質的にほとんど入手できず、その結果、熱電発電器は高価であり、大量生産にはほとんど適していない。
【０００６】
さらに、これらの材料は、マイクロエレクトロニクス製造産業で使用される製造プロセスに適合しないため、容易に小型化できない。
【０００７】
その結果、熱電発電器を大規模に実現することや、大きい市場（自動車、家電）を満たすことができず、インターネット・オブ・シングスやウェアラブル・エレクトロニクスなどの開発動向にほとんどそぐわない。
【０００８】
従って、近年、ＭＥＭＳデバイス、ＣＭＯＳデバイス、および、より広くＩＣに典型的なプロセス技術を用いて、小型熱電発電器を実現する可能性が着目されてきている。
【０００９】
熱電発電器は、熱電対の組で構成されている。
【００１０】
熱電対は、２つの導電性材料からなるか、あるいは、典型的には金属を介して実現される高い導電性を有する接続によって一緒に接合された、ｐ型ドープされた半導体およびｎ型ドープされた半導体からなる。
【００１１】
熱電対は、電子デバイスに電力供給するのに十分な電圧を得るために、一般に、電気的には直列に、熱的には並列に接続される。
【００１２】
熱電対の構成は、熱電対に流れる熱流束が、電流が流れる面に平行か、直交かに応じて、面内または面外することができる。
【００１３】
ある視点では、熱電対が面内構成である熱電発電器（Ｙ．ヴァン・アンデルらの出版物の構成を示している図１を参照）の製造プロセスは、熱電対が面外構成になっている熱電発電器の製造プロセスよりも簡単である。
【００１４】
別の視点では、熱電対が面外構成である熱電発電機に対して、熱電対が面内構成である熱電発電器の欠点は、占有面積がより大きく、その結果、小型化ロスが存在することである。マイクロエレクトロニクス産業では、一般に、より大きな面積は、熱電発電器のより高い製造コストを意味する。
【００１５】
面内構成の小型熱電発電器の例は、非特許文献１〜４、特許文献１に記載されている。
【００１６】
面外構成の小型熱電発電器の例は、非特許文献５〜７に記載されている。
【００１７】
非特許文献５に記載され、図２に示される小型熱電発電器を参照すると、この小型熱電発電器は、フリップ・チップ・ボンディング技術によって得られている。それにもかかわらず、使用される材料は、既知のタイプ、すなわち、テルル化ビスマスおよびその合金であり、スパッタリングによってシリコン・ウェハ上に堆積される。
【００１８】
非特許文献６に記載され、図３に示される熱電発電器を参照すると、この熱電発電器は表面マイクロ・マシニングによって実現されている。
【００１９】
特に、この熱電発電器は、ＢｉＣＭＯＳ技術によって実現された2つの熱電対によって構成される。
【００２０】
前記熱電対の高温部分と低温部分との間の絶縁は、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon：シリコンの局所酸化）酸化物障壁によって実現されている。
【００２１】
熱電材料は、ｎ型部分を実現するために部分的にリンでドープされ、ｐ型部分を実現するために部分的にホウ素でドープされた、多結晶シリコンで厚さ４００ｎｍの層である。
【００２２】
アルミニウムのブリッジの存在により、そうでなければ隣接する熱電部品の間に存在するであろうｐｎ接合の形成を回避している。
【００２３】
熱エネルギーの電気エネルギーへの変換効率を高めるために、シリコン基板に複数の空洞が実現されている。
【００２４】
非特許文献７に記載され、図４に示される熱電発電器を参照すると、この熱電発電器は、アルミニウムで互いに接続された、ｐ型およびｎ型のポリＳｉＧｅで実現される熱電対で構成されている。
【００２５】
特に、前記熱電発電器の熱電対は自立している。
【００２６】
熱電材料は、熱電材料の端部での温度差を増加させるために、下にある材料が除去されたことにより、ブリッジの形状を実質的に有する。
【００２７】
前記熱電発電器の下部及び上部は、フリップ・チップ・ボンディング技術及び接着剤ペーストによって一緒に封止されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２８】
【特許文献１】米国特許第７８７５７９１号明細書
【非特許文献】
【００２９】
【非特許文献１】Y. Van Andel、外３名、「Membrane-less in-plane bulk-micromachined thermopiles for energy harvesting（エネルギー収穫のための膜のない面内バルク・マイクロマシニング・サーモパイル）」、Microelectronic Engineering、2010年、第87巻、p.1294-1296
【非特許文献２】Xie, J.、外２名、「Design, fabrication and characterization of CMOS MEMS-based thermoelectric power generators（ＣＭＯＳ  ＭＥＭＳベースの熱電発電器の設計、製作および特性評価）」、J. Micromech. Syst.、2010年、第19巻、p.317-324
【非特許文献３】Kao, P.-H.、外３名、「Fabrication and characterization of CMOS-MEMS thermoelectric micro generators（ＣＭＯＳ‐ＭＥＭＳ熱電マイクロ発電器の作製と特性評価）」、Sensors 2010、第10号、p.1315-1325
【非特許文献４】Wang, Z.、外５名、「Characterization of a bulk-micromachined membraneless in-plane thermopile（バルク・マイクロマシンされた、膜のない面内サーモパイルの特性評価）」、J. Electron. Mater.、2011年、第40巻、p.499-503.13
【非特許文献５】Bottner H．、外３名、「New high density micro structured thermogenerators for stand alone sensor systems（スタンド・アロン・センサ・システムのための新しい高密度マイクロ構造の熱発電器）」、第26回国際熱電変換学会大会（International Conference on Thermoelectrics）予稿集、2007年、ICT 2007（2007年6月3−7日）、p.306-309
【非特許文献６】M．Strasser、外３名、「Miniaturized thermoelectric generators based on poly-Si and poly-SiGe surface micromachining（ポリＳｉおよびポリＳｉＧｅ表面マイクロ・マシニングに基づく小型熱電発電器）」、Sensors and Actuators、2002年、第97-98巻、p.535-542
【非特許文献７】Su, J.、外７名、「A batch process micromachined thermoelectric energy harvester: Fabrication and characterization（バッチ・プロセスでマイクロ・マシニングされた熱電エネルギーハーベスター：製造と特性評価）」、J. Micromech. Microeng.、2010年、doi: 10.1088/0960-1317/20/10/104005
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
本発明の目的は、熱エネルギーの電気エネルギーへの変換効率を高めるように構成された単純な構造を有するコンパクトな寸法の熱電発電器を提供することにより、前記欠点を克服することであり、従来技術の薄膜デバイスよりも大きい単位表面当たりの熱量を電流に変換することができるようにする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
したがって、本明細書の不可欠な部分である添付の特許請求の範囲による熱電発電器は、本発明の目的を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
本発明は、添付の図面を特に参照して、実施形態に従って、限定の目的ではなく単に例示の目的で、説明される。
【図１】従来技術による、面内構成のデバイスのレイアウトを示す。
【図２】従来技術による、薄膜技術で実現された、面外構成のＴＥＧの概略図を示す。
【図３】従来技術による、ＢｉＣＭＯＳによって実現された面外構成における２つの熱電対の概略図を示す。
【図４】従来技術による自立構造の例を示す。
【図５】本発明による熱電発電器の部分断面図を示す。
【図６】図５の熱電発電器の第１の基板の断面図を（ａ）に、図５の熱電発電器の第２の基板の一部を（ｂ）に示す。
【図７】図５の熱電発電器の一部分の斜視図を示し、電気的および熱的に分離する材料の層が、中実のあるいは部分的に中空の切頭のピラミッドとして形状付けられ、熱電材料で覆われた、第１の基板の第１の丘の部分に配置され、後者は金属導体と接触している。
【図８】本発明による熱電発電器の実施形態の基本要素の側面断面図を示す。
【図９】本発明の一態様による、直列に接続された図７による要素の斜視図を示す。
【図１０】本発明の一態様による、平行に接続された図７による要素の斜視図を示す。
【図１１】本発明の一態様による、グリッドとして接続された図７による要素の斜視図を示す。
【図１２】本発明による熱電発電器の実施形態の異なる基本要素の斜視図を示す。
【図１３】本発明の一態様による、グリッドとして接続された図１２による要素の斜視図を示す。
【図１４】構成ブロック間の電気的接続が相互接続ＶＩＡＳによってベース・シリコン・ウェハの後部上に実現される、本発明のさらなる実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図５〜図８を参照すると、本発明による熱電発電器の構成ブロック１００が示されている。
【００３４】
熱電発電器１００の前記部分は、
第１の基板または下部基板１１０（シリコン・ウェハ）と、
下部基板に対向する第２の基板または上部基板１２０（シリコン・ウェハ）
を備える。
【００３５】
図５では、２つの基本要素１３０が下部基板１１０において、接続１４０とともに示され、以下に、より詳細に説明される（図９、１０、１１を参照）。下部および上部基板の間には、空気ギャップまたは真空ギャップ１５０が存在している。
【００３６】
図６（ａ）を参照すると、下部基板１１０の構造が示されている。それは、交互に現れる丘１１１Ｃと谷１１１Ｖとを有する表面１１１を有する。
【００３７】
図６（ｂ）を参照すると、上部基板１２０の構造が示されている。それは、交互に現れる丘１２１Ｃと谷１２１Ｖとを有する表面１２１を有する。
【００３８】
前記第１の基板１１０及び前記第２の基板１２０は、図５で明確であるように、第１の基板１１０のそれぞれの丘１１１Ｃが前記第２の基板１２０のそれぞれの山１２１Ｃと対向し、第１の基板１１０のそれぞれの谷１１１Ｖが第２の基板１２０のそれぞれの谷１２１Ｖと対向するように、互いに向かい合わされている。両方の層のそれぞれの丘は、それらの頂部を介して接触している。
【００３９】
第１の基板１の谷１１１Ｖおよび第２の基板２の谷１２１Ｖは、前記基板間の隙間に存在する空気の熱抵抗を増大させるのに寄与する。
【００４０】
図示された実施形態では、前記基板のそれぞれは、それぞれのシリコン・ウェハからなる。
【００４１】
下部基板１１０を参照すると、全表面１１１上に、数ナノメートルから１ミクロンの範囲であり得る厚さを有する、例えば、酸化シリコンまたは窒化シリコンの、電気的絶縁材料の第１層１１４が、シリコン・ウェハと接触している。
【００４２】
電気的絶縁材料１１４の第１の層と接触して、丘１１１Ｃの本体をなす電気的絶縁材料（例えば、酸化シリコン、窒化シリコン）の局在する層１１５が存在する。この局在する層１１５の厚さは、1ミクロンから数百ミクロン、熱電材料（後述する）が数百ナノメートルのオーダーである場合は、好ましくは数十ミクロンのオーダーの範囲である。この丘の材料には、標準的なフォト・リソグラフィー技術によって、任意の基部形状、例えば、長方形または正方形（図示の例）の基部を有する、切頭ピラミッド形状、または円錐台形状が与えられる。この領域における材料の幾何学的形状およびその熱特性は、基本要素を構成するその他の部品のそれよりも著しく高い熱抵抗を構成するようにされる（丘の材料は電気的絶縁性でなければならず、熱的視点では熱電材料のそれに比べてできるだけ低い熱伝導率を有していなければならない）。
【００４３】
局在する層１１５の下には、ｐ型の、またはｎ型の、熱電材料の層１１６がある。この熱電材料は、角錐台または円錐台の構造体１１５のすべての側面に（または２つの面のみに）堆積される（図７参照）。厚さは、１０〜１０００ｎｍの間であり得るが、ＴＥＧが設計される特定の用途に応じて、１ミクロンより大きくすることもできる。
【００４４】
ＴＥ材料の例は、高濃度にドープされた、ＳｉまたはＳｉＧｅのような半導体である。
【００４５】
第１の基板１１０および第２の基板１２０は、熱電材料の端部に向かってより多くの熱流を運ぶために、薄くされたまたは超薄型の結晶性シリコン・ウェハとすることができる。
【００４６】
最後に、第１の絶縁層１１４の上の、谷の約半分と丘の始まりとの間に延びる金属１１７が堆積される。丘１１１Ｃの頂部において、熱電材料１１６上にさらに別の金属１１８が存在する。これらの全ての金属は、電気的接点である。切頭ピラミッド形状または円錐台形状の構造の丘の頂部に載っている金属１１８の基部も熱接触である。
【００４７】
下部層１１０の基本要素１３０が、図７に斜視図で示されている。また、金属１１７の延長部と考えることができるかもしれない、丘の頂部を囲む、金属１１９が示されている。
【００４８】
熱電材料の薄膜に重ね合わされた前記金属接点の間の電気的接点１１８、１１９は、電気的接触抵抗を低減するために、ＴｉＳｉ２、ＷＳｉ２、ＭｏＳｉ２、ＰｔＳｉ２およびＣｏＳｉ２からなる群に属するシリサイドの膜を含む多層界面を介して固定され得る。同様に、Ｗ、Ｔｉ、Ｔａおよび金属と接触している窒化チタン膜からなる群に属する高融点金属の中間膜を含む多層界面を介して同じ金属コンタクトを固定することができる。
【００４９】
上部基板１２０を参照すると、全面１２１上に、例えば、数ナノメートルと１ミクロンとの間であり得る厚さを有するシリコン酸化物またはシリコン窒化物の電気的絶縁材料の第１層１２４が、シリコン・ウェハと接触して存在する。
【００５０】
丘１２１Ｃの頂部において、絶縁層１２４上に電気的接点１２８が堆積される。
【００５１】
上部層および下部層の丘の頂部に位置付けられた接点は、本発明によるデバイスにおいて接触している。図８は、この接触を拡大図で示している。
【００５２】
上記のシリコン・ウェハは、層転写のために、スマートカット処理またはＳｏｉｔｅｃ社によるスマート・スタッキング（商標）技術によって微細加工され、一緒に接合されてよい。
【００５３】
下部基板の実施形態に関する限り（下部チップ、図６（a））、既知の技術および将来の技術を使用することができる。特に、例えば以下のように進めることが可能である。
１）単結晶シリコンの基板から開始し、（１μｍまたは２μｍの厚さの）熱酸化膜が堆積される。この酸化物は、後続のエッチングのためのマスクとして役立つ。
２）フォト・リソグラフィー・プロセスにより、谷の彫りこみ（１１１Ｖ）の実現のために熱酸化物上に開口部が作られる。
３）化学エッチング（湿式）およびプラズマ・エッチング（反応性イオン・エッチ）の組み合わせにより、谷（１１１Ｖ）がボトム・チップのシリコン基板上に実現される。
４）ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapour Deposition：低圧化学蒸着）技術、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition：プラズマ強化化学蒸着）技術、またはＳＯＧ（Spin On Glass：スピン・オン・ガラス）の堆積法により、厚い酸化シリコンの膜（１μｍから１０μｍの厚さ）が堆積される。
５）制御された斜面を有する丘構造（１１５）（参考文献：OPTICS EXPRESS、2012年、第20巻、第20号、p.22934）が、フォト・リソグラフィ・マスクと、厚いシリコン酸化物の化学エッチング（湿式）とプラズマ・エッチング（反応性イオン・エッチ）の組合せとを通じて実現される。
６）先の攻撃の間に暴露されたシリコン上に熱酸化物を成長させる（数百ナノメートルの厚さ）。この酸化物は、基板を電気的に絶縁するのに用いられる。
７）熱電材料が堆積され（「ｐ」型または「ｎ」型）、フォト・リソグラフィーのために、熱電材料の活性領域が厚い酸化物の丘の上で画定される。
８）スパッダリング法により金属膜が堆積され、ボトム・チップの相互接続領域がフォト・リソグラフィーによって画定される。
【００５４】
上部基板（図６（ｂ））の実現に関する限り、既知の技術および将来の技術を使用することができる。特に、例えば以下のように進めることが可能である。
１）単結晶シリコンの基板から開始し、（１μｍまたは２μｍの厚さの）熱酸化物を成長させる。この酸化物は、後続のエッチングのためのマスクとして役立つ。
２）フォト・リソグラフィー・プロセスによって、熱酸化物に開口部が作られる。
３）化学エッチング（湿式）およびプラズマ・エッチング（反応性イオン・エッチ）の組み合わせにより、谷（１２１Ｖ）がトップ・チップのシリコン基板上に実現される。
４）湿式エッチングにより、熱酸化膜を除去する。
５）ＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapour Deposition：低圧化学蒸着）技術、またはＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition：プラズマ強化化学蒸着）技術を通じて、シリコン窒化膜が堆積される。この窒化膜は、次のステップで説明するように、トップ・チップのウェハ上に実現される相互接続を電気的に絶縁するのに役立つ。
６）スパッダリング技術を通じて金属膜が堆積され、フォト・リソグラフィーによって、トップ・チップの相互接続の領域が画定される。
【００５５】
この手法は、次の出版物を参照している。
・S. M. Sze著、「半導体デバイス、物理と技術（Semiconductor Devices, Physics and Technology）」、第２版、ジョン・ウィリー・アンド・サンズ（John Wiley and Sons）、2002年
・Yoshio Nishi編、Robert Doering編、「半導体製造技術ハンドブック（Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology）」、第2版、CRCプレス、2007年
・Fernando Ramiro-Manzano、外４名、「A fully integrated high-Q Whispering-Gallery Wedge Resonator」、OPTICS EXPRESS、2012年、第20巻、第20号、p.22934
【００５６】
本明細書で提案されるデバイスを、従来技術によるそれらと異なるようにするいくつかの特徴は、
−吊り下げまたは橋梁構造の欠如。
−熱を電気に変換する能力が結果として増大する、熱電材料の３次元構造。
−下層と上層との間のより大きい断熱。その結果、外部との熱結合能力の向上と、したがって熱電変換能力の増大。
−熱を運ぶ、下部基板および上部基板の要素の間のより良好な熱接触（従来技術に対する改善は、フリップ・チップ接合または金属−金属接合の使用による。）。
−熱流束と電気流束の両方の強化された管理：高い熱抵抗を有する丘の材料の使用と空洞内の空気／真空の存在が、ＴＥ材料内でより良い熱伝達を可能にする。例えば、図３の従来技術の解決策では、酸化ケイ素の存在は、熱い部分と冷たい部分との間に熱的短絡を生じさせ、それと対照的に、図４の解決策では、熱い部分と冷たい部分は、本明細書で開示された、点１１１Ｖおよび１２１Ｖで示されたウェハの彫りこみがある解決策よりも近くにある。
−薄くして、結果として基板損失が低減された基板の使用。ウェハは、依然として機械的に安定な構造の限界まで薄くする（範囲は１０〜１００ミクロンであり得る）ことができる。
【００５７】
熱電材料の端部で最大の温度差（ΔＴｅｆｆｅｃｔｉｖｅ）を有する熱電発電器を得るため、そして下部基板と上部基板との間のより良好な熱的分離を可能にするために、Strasserらによる文献に開示されている酸化物層ＬＯＣＯＳの代わりに、エア・ギャップまたは真空にあるギャップが利用される。
【００５８】
対照的に、SuやLeonovらによる文献に開示されているデバイスについては、下部基板と上部基板との一体化がフリップ・チップ接合または金属‐金属接合によって、ΔＴｅｆｆｅｃｔｉｖｅを決定する熱流の損失を必然的にもたらす接着剤を使用せずに行われているため、より大きいΔＴｅｆｆｅｃｔｉｖｅが得られている。さらに、薄くされた基板の使用は、関連のある熱損失を低減することを可能にする。ポリマー材料または熱ペーストの使用を想定する接合ではなく、金属を通した、または酸化物を通した接合の存在により、劣化することなく高温に達することが可能になる。
【００５９】
基本要素から出発してＴＥＧを得るためには、より多くのｐ型およびｎ型の基本要素を最も適切な方法で接続することが必要である。基本要素は、熱電材料が、多数の電荷が電子で構成される高濃度に（例えばホウ素で）ドープされた半導体（例えばシリコン）からなる場合には、ｎ型であり、熱電材料（例えばシリコン）が、多数の電荷がホールである高濃度にドープされた半導体（例えばリンを含む）からなる場合には、ｐ型である。
【００６０】
以下に、ｐ型の２つの基本要素（１００Ｐ）とｎ型の２つ（１００Ｎ）との間の電気的接続を示す。
ａ）ｐ型とｎ型の基本要素の２対の直列接続１０００Ｓ。図９を参照。
ｂ）基本要素ｐとｎの２対の並列接続１０００Ｐ。図１０を参照。
ｃ）基本要素ｐとｎの２対のグリッド接続１０００Ｇ。図１１を参照。
【００６１】
図９〜１１には基本要素間の異なる電気的接続が示されており、矢印は、熱電発電器の上部基板を温度Ｔｈｏｔの熱浴と接触させ、熱電発電器の下部基板を温度Ｔｃｏｌｄのものと接触させたとした仮定での電流が流れる方向を示す。
【００６２】
提案された本発明の別の可能な実施形態は、図１２に示すとおり、切頭ピラミッド形の丘２１１Ｃを有する下部層２３０の基部ブロックと、切頭ピラミッドの２つの側面のみの上の熱電材料２１６の堆積と、側面２１７および上部２１８の電気的接点とを想定している。
【００６３】
図５に示す基本要素から始まる熱電発電器を得るためには、ｐ型およびｎ型の複数の基本要素をいかに示されるように接続する必要がある。単なる例として、図１３は、ｐ型とｎ型の基本要素２３０Ｐ、２３０Ｎの間のグリッド型接続２０００Ｇを示している。
【００６４】
構成ブロックは、電流の流れにおいて、ｐ型要素とｎ型要素を交互に行うことによって接合される。構成ブロックのアラインメントによる結合は、チップ・オン・チップ・モード、チップ・オン・ウェハ、ウェハ・オン・ウェハで、あるいは、チップ・オン・ウェハ・オン・基板もしくはチップ・オン・チップ・オン・基板・モードで行われる。
【００６５】
図１４を参照すると、前記構成ブロック間の電気的接続が、相互接続ＶＩＡＳの使用によって基部シリコン・ウェハ１１０の背面上に実現されている、本発明の別の有利な実施形態が強調されている。ＶＩＡＳの存在は、上で開示した幾何学的形状の残りとの相乗効果を構成する。実際には、熱は経路に沿わなければならないため、より良い放熱ができ、基板に入り込むことなく、それを横切ってシリコン基板を越えて排熱される。さらに、これらのＶＩＡＳにおいて、電気エネルギーが同時に通過する。ＶＩＡＳは、好ましくは、薄くされたウェハ内に実現される。
【００６６】
発明の効果
有利には、本発明の目的である熱電発電器は、発電器の両端の温度差を最大にすることを可能にする。第２の利点は、従来技術の熱電発電器（例えば、Strasserらによる刊行物や、Suらによる刊行物に記載されているものなど）とは異なり、本発明の目的である熱電発電器の内部に吊り下げ構造または橋梁構造がないという事実によって与えられる。機械的な観点から、前記吊り下げ構造または橋梁構造は、熱電発電器の構造を弱め、および／または、前記熱電発電器を高温（６０℃以上）に耐えるのに、および／または、例えば、フリップ・チップ接合または金属‐金属接合のような、特定のタイプの接合によって密封されるのに不向きにする。
【００６７】
したがって、吊り下げ構造または橋梁構造が存在しないことにより、本発明の目的である熱発生器は、機械的な観点からより強固になる。
【００６８】
さらに、この構造は小型化が可能であり、従来の電子デバイスに直接、またはシリコン上もしくはヘテロジニアス・インテグレーションに直接組み込むことができる。
【００６９】
出力で得ようと望む電気量に応じて基本要素を電気的に直列および／または並列に配置することにより、特定のアプリケーションの要求に応答するために、より複雑なアーキテクチャに基本要素を配置することが可能である。例えば、基本要素間の直列並列電気相互接続を処理することによって、ある範囲内の発電器の電気的な出力量を変更することが可能であり、例えば、ｎ個の基本要素がすべて電気的に直列に配置されている場合、最大供給電圧と最大電気抵抗（ｎ個の一元の抵抗が直列）が得られ、ｎ個の基本要素が並列に配置されている場合、最小の抵抗（ｎ個の一元の抵抗が並列）を有する発電器が得られ、直列−並列接続により、完全に直列または完全に並列の２つの極端の間で変調され得る電気的応答を得ることを可能にする。
【００７０】
本発明は、その好ましい実施形態によって、限定される目的ではなく、例示として説明されてきたが、添付の特許請求の範囲によって規定されるような保護の範囲からこの理由によって逸脱することなく、当業者によって変更および／または修正がなされ得ることが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６（ａ）】
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【図６（ｂ）】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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