本發(fā)明涉及一種集成三維單元結(jié)構(gòu)，本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種集成冷卻陣列以及基于單元結(jié)構(gòu)的集成電路。

背景技術(shù)：

國際申請WO03/060676A2公開了一種用于計(jì)算機(jī)的冷卻系統(tǒng)。該冷卻系統(tǒng)包括冷側(cè)散熱片、熱電冷卻器(TEC)和熱側(cè)散熱片，冷側(cè)散熱片、熱電冷卻器(TEC)和熱側(cè)散熱片相鄰設(shè)置，并且彼此熱耦合。

進(jìn)一步地，所述冷側(cè)散熱片與中央處理單元(CPU)相鄰設(shè)置，用于冷卻CPU。在這里，所述CPU成為熱源。在向所述TEC供電時，STEC利用移位和縫合熱電冷卻效應(yīng)產(chǎn)生熱通量，通過所述冷側(cè)散熱片和STEC將CPU熱源處的熱量傳送至所述熱側(cè)散熱片，在所述熱側(cè)散熱片設(shè)置有風(fēng)扇，風(fēng)扇用于吹走熱空氣。

國際申請WO01/90866A2公開了一種類似的使用熱電單元有效冷卻CPU的冷卻系統(tǒng)。

國際申請WO2007/015701公開了一種用于微處理器的熱點(diǎn)熱能管理的薄膜熱電裝置。其中，所述熱電冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)置在芯片上。上述所有熱電冷卻裝置的所述冷卻單元都是獨(dú)立的單元，而不是所需冷卻結(jié)構(gòu)的一部分。這些冷卻結(jié)構(gòu)存在的主要問題是由于相應(yīng)的熱源產(chǎn)生的熱量必須不停地從熱源傳送至熱電冷卻裝置，使得冷卻效率相對較低。

由于性能系數(shù)高，移位和縫合熱電冷卻可應(yīng)用于諸如冰箱、空調(diào)和/或工業(yè)冷卻和/或加熱系統(tǒng)等裝置或系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，提高包括熱電冷卻裝置在內(nèi)的通用冷卻系統(tǒng)的性能是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

本發(fā)明提供一種單元結(jié)構(gòu)和/或一種集成冷卻陣列和/或一種基于單元的集成電路，所述單元結(jié)構(gòu)具有權(quán)利要求1所述的特征，所述集成冷卻陣列具有權(quán)利要求31所述的特征，所述基于單元的集成電路具有權(quán)利要求33所述的特征。

相應(yīng)地，本發(fā)明提供：

一種集成三維單元結(jié)構(gòu)，包括：半導(dǎo)體基板或石英基板或藍(lán)寶石或任何其他電介質(zhì)基板(10)；和

至少兩個熱電冷卻裝置(120)的陣列，該陣列安裝在全部或部分所述石英基板或藍(lán)寶石或任何其他的電介質(zhì)基板(10)的內(nèi)部，

所述熱電冷卻裝置(120)包括：

一個第一導(dǎo)電類型的第一主區(qū)域(1400)；

至少一個第二主區(qū)域(180)，和

至少一個設(shè)置在所述第一主區(qū)域(1400)和至少一個所述第二主區(qū)域(180)之間的熱電冷卻區(qū)域(200)，

其中，至少一個所述熱電冷卻區(qū)域(200)包括至少一個移位和縫合熱電冷卻元件；

和/或

至少一個嵌入有“移位和縫合熱電偶元件”的裝置，所述裝置與柵極區(qū)(470)壓縮在所述安裝的熱電冷卻裝置的頂部；至少一個第一或第二導(dǎo)電類型的第一主區(qū)域(044)；

至少一個第一或第二導(dǎo)電類型的第二主區(qū)域(048)；和

至少一個設(shè)置在所述第一主區(qū)域(044)和至少一個所述第二主區(qū)域(048)之間的熱電冷卻區(qū)域(046)，其中，至少一個所述熱電冷卻區(qū)域(050)包括至少一個“移位和縫合熱電偶元件”；

和/或

至少一個連接到所述冷卻裝置(220)和至少一個晶體管陣列(240)的二極管陣列，所述二極管陣列用于觸發(fā)所述熱電冷卻裝置；

和/或

至少一個用于聯(lián)合發(fā)電或單獨(dú)發(fā)電的縫合熱電冷卻裝置的賽貝克元件裝置，所述賽貝克元件裝置安裝在移位和縫合熱電冷卻裝置的頂部或者嵌在基板內(nèi)。

和

至少一個嵌入有“移位和縫合部分熱電偶元件”的裝置，其與溫度敏感觸發(fā)導(dǎo)電基板(470)壓縮在所述安裝的熱電冷卻裝置的底部，

至少一個第一導(dǎo)電類型的第一主區(qū)域(140)；

至少一個第一導(dǎo)電類型的第二主區(qū)域(180)；和

至少一個其設(shè)置在所述第一主區(qū)域(140)和至少一個所述第二主區(qū)域(180)之間的可獨(dú)立控制的熱電冷卻區(qū)域(200)，其中至少一個所述熱電冷卻區(qū)域(200)包括至少一個移位和縫合熱電冷卻元件(500)，

和

其中，熱電冷卻的性能系數(shù)最小為1。

一種集成冷卻陣列，包括半導(dǎo)體基板，多個本發(fā)明所述的單元結(jié)構(gòu)，其中，所述單元結(jié)構(gòu)以陣列的方式設(shè)置在所述常用的半導(dǎo)體基板內(nèi)。

一種基于單元的集成電路，包括至少一個本發(fā)明所述的單元結(jié)構(gòu)和與每一個柵極區(qū)相連的控制裝置，所述控制裝置用于控制每一個柵極區(qū)獨(dú)立地的運(yùn)行。

本發(fā)明涉及一種三維熱電冷卻結(jié)構(gòu)，其克服了現(xiàn)有熱電冷卻裝置的問題，現(xiàn)有熱電冷卻裝置采用單獨(dú)的冷卻設(shè)備。本發(fā)明將熱電冷卻結(jié)構(gòu)集成到半導(dǎo)體材料中，簡單、有效且克服了所有已知的問題(approach)。因此，本發(fā)明的基本思路在于將熱電冷卻結(jié)構(gòu)直接放入半導(dǎo)體基板的全部區(qū)域或部分區(qū)域中，所述半導(dǎo)體基板產(chǎn)生熱量?，F(xiàn)有技術(shù)中，熱電冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)置在半導(dǎo)體基板的附近，使得冷卻結(jié)構(gòu)鄰近熱源。然而，本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，還可將所述熱電冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)置得更靠近熱源。因此，本發(fā)明的基本思路涉及一種將熱電冷卻裝置集成到半導(dǎo)體材料中的集成三維單元結(jié)構(gòu)，其中熱電冷卻裝置鄰近熱源。采用這種集成單元結(jié)構(gòu)可大大減小熱量產(chǎn)生區(qū)域與熱電冷卻區(qū)域之間的距離，從而增加整個冷卻結(jié)構(gòu)的效率。

一種集成電路，包括至少一個熱電冷卻(TEC)裝置，其中，基板內(nèi)還集成有轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)化器用于觸發(fā)至少一個所述熱電冷卻區(qū)域。從而，提供一種比現(xiàn)有技術(shù)更耐用的熱電冷卻裝置。此外，所述集成電路還包括至少一個STEC裝置，通過將STEC區(qū)域設(shè)為優(yōu)選值，可按照給定順序觸發(fā)STEC裝置以調(diào)節(jié)平均電流。相比于現(xiàn)有的熱電冷卻裝置，這是顯著的優(yōu)勢，現(xiàn)有技術(shù)只能通過在移位和縫合熱電冷卻元件兩端設(shè)定一定的功率或電壓來實(shí)現(xiàn)溫度控制。

本發(fā)明的進(jìn)一步的優(yōu)勢在于，在幾微米內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)高溫差。

進(jìn)一步地，所述熱電冷卻裝置性能系數(shù)(COP)至少為1，由于性能系數(shù)高，本發(fā)明能將所述熱電冷卻裝置應(yīng)用于諸如機(jī)械設(shè)備、冷卻系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)等工業(yè)冷卻中。

進(jìn)一步地，本發(fā)明可大大增加如(納米)傳感器等半導(dǎo)體裝置的靈敏性和準(zhǔn)確性。最后但同樣重要的一個優(yōu)點(diǎn)是，本發(fā)明為制備更小的半導(dǎo)體裝置提供了可能。

本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例對從屬權(quán)利要求進(jìn)行了論述，下面結(jié)合附圖對其進(jìn)行描述。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述單元結(jié)構(gòu)的形狀為三維立方體、長方體、圓柱體、橢球體或球體。然而，所述單元結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)選為為如圓柱體、橢球體或任何其它溝槽狀等與立方體不一樣的形狀，也可以是這些形狀的結(jié)合。在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述單元結(jié)構(gòu)的形狀為球體或類球體。這些結(jié)構(gòu)沒有明顯的拐角、移位和接縫以及邊緣。對這些移位和接縫、邊緣以及拐角進(jìn)行倒圓，可以減少這些結(jié)構(gòu)之間的容量，從而減小相鄰結(jié)構(gòu)之間的隧道效應(yīng)(tunnelling)。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述單元結(jié)構(gòu)的單元尺寸處于160nm至400mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地，在200mm至400mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地，在100mm至200mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地，在1000nm至100mm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地，在500nm至1000nm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地，在300nm至500nm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地，在160nm至300nm的范圍內(nèi)。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述單元結(jié)構(gòu)的單元尺寸小于160nm，并且優(yōu)選地，在1nm至120nm的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地，在5nm至80nm的范圍內(nèi)，特別優(yōu)選地，在10nm至30nm的范圍內(nèi)。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述單元結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括至少一個柵極區(qū)(490)，所述柵極區(qū)(490)具有控制所述第一主區(qū)域(140)和所述第一主區(qū)域(044)之間載流的管路功能(via function)，其中，當(dāng)溫度達(dá)到對應(yīng)的熱電冷卻區(qū)域(20)的所需溫度時，每個柵極區(qū)(490)之間電連接，并且至少一個所述柵極區(qū)(490)具有用于控制所述第二主區(qū)域(180)和所述第二主區(qū)域(180)之間載流的管路功能(via fuction)，其中，每個柵極區(qū)160之間電連接。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述單元結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括至少一個柵極區(qū)(490)，其嵌入在所述電介質(zhì)基板內(nèi)，其中，所述熱電冷卻區(qū)域(200)的數(shù)量與所述柵極區(qū)(490)的數(shù)量相同，并且其中每個所述柵極區(qū)朝向相應(yīng)的熱電冷卻區(qū)域(200)。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述單元結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括多個所述熱電冷卻區(qū)域(200)，其中，每一個所述熱電冷卻區(qū)域(200)使用相同的第一主區(qū)域(140)，但是使用不同的柵極區(qū)(490)。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述單元結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括至少一個用于控制第一和第二主區(qū)域之間的載流的柵極區(qū)。每一個柵極區(qū)與對應(yīng)的熱電冷卻區(qū)域之間電連接。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述單元結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括至少一個柵極區(qū)，其嵌入在所述半導(dǎo)體基板內(nèi)。熱電冷卻區(qū)域的數(shù)量與柵極區(qū)的數(shù)量相同，其中每個柵極區(qū)朝向相應(yīng)的熱電冷卻區(qū)域。通過使用每個熱電冷卻區(qū)域的不同的柵極區(qū)，可基于相應(yīng)指令或相應(yīng)的應(yīng)用的詳細(xì)說明，獨(dú)立控制這些熱電冷卻區(qū)域。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述單元結(jié)構(gòu)包括多個熱電冷卻區(qū)域。

優(yōu)選地，每一個所述熱電冷卻區(qū)域使用相同的第一主區(qū)域，但是使用不同的柵極區(qū)。僅使用一個第一主區(qū)域就可優(yōu)化整個單元結(jié)構(gòu)區(qū)域的布局。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述單元結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括多個熱電冷卻區(qū)域。每個熱電冷卻區(qū)域使用相同的第一主區(qū)域，然而，每個熱電冷卻區(qū)域包括不同的柵極區(qū)。所述第一主區(qū)域可以是源極區(qū)或漏極區(qū)。僅包括一個第一主區(qū)域就可優(yōu)化所述單元結(jié)構(gòu)區(qū)域的結(jié)構(gòu)，所述單元結(jié)構(gòu)包括多個可以互相獨(dú)立控制的轉(zhuǎn)換元件。這種設(shè)置使得可通過單獨(dú)觸發(fā)柵極區(qū)分別選擇相同單元結(jié)構(gòu)內(nèi)的一個或多個熱電冷卻裝置。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述單元結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括多個指狀結(jié)構(gòu)(480)。所述指狀結(jié)構(gòu)從所述第一主區(qū)域徑向延伸。通常但不是必須的，每個指狀結(jié)構(gòu)可包括相互之間順序布置的一個柵極區(qū)、一個熱電冷卻區(qū)域和一個第二主區(qū)域。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，在熱電冷卻裝置內(nèi)的所述指狀結(jié)構(gòu)沿徑向直線延伸，即線性地或直線向前延伸。然后整個設(shè)置形成所述熱電冷卻裝置的星形結(jié)構(gòu)。

在可選實(shí)施例中，所述指狀結(jié)構(gòu)以或多或少緊密堆積的方式徑向延伸，形成彎曲的、螺旋的或任何其他緊密堆積結(jié)構(gòu)，其中所述指狀結(jié)構(gòu)部分是直線狀和/或彎曲的。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述熱電冷卻裝置包括至少4個，優(yōu)選地包括至少6個，特別是更優(yōu)選地包括8個徑向延伸的指狀結(jié)構(gòu)。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述第一主區(qū)域包括表面區(qū)域，所述表面區(qū)域的形狀為矩形，特別地是二次形(quadratic shape)。在這些結(jié)構(gòu)中，若所述熱電冷卻裝置包括四個以上指狀結(jié)構(gòu)是可行的且有利的。然而，第一主區(qū)域的形狀也可為六邊形或八邊形，但是，在這些實(shí)施例中，在第一主區(qū)域的形狀為六邊形的情況下，熱電冷卻裝置包括六個指狀結(jié)構(gòu)是有利的，在第一主區(qū)域的形狀為八邊形的情況下，熱電冷卻裝置包括八個指狀結(jié)構(gòu)是有利的。通常來說，若指狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量取決于第一主區(qū)域的邊界或邊緣的數(shù)量，這是有利的，但這不是必須的。然而，第一主區(qū)域的表面區(qū)域的形狀可以是圓形，特別是橢圓形、環(huán)形或卵形。在這些實(shí)施例里，為了能最有效、最有利地防止隧道效應(yīng)(tunneling)就電場而言，第一主區(qū)域的邊界沒有明顯的邊緣。在第一典型的實(shí)施例中，第一主區(qū)域被設(shè)計(jì)為源極區(qū)，第二主區(qū)域被設(shè)計(jì)為相應(yīng)的漏極區(qū)。在可選的實(shí)施例中，第一主區(qū)域被設(shè)計(jì)為漏極區(qū)。然后，第二主區(qū)域被設(shè)計(jì)為相應(yīng)的源極區(qū)。通常，第一主區(qū)域和第二主區(qū)域?qū)儆谙嗤膶?dǎo)電類型，但這不是必須的。例如，第一主區(qū)域和第二主區(qū)域是p-型半導(dǎo)體材料。第一主區(qū)域和第二主區(qū)域也可是n-型半導(dǎo)體材料。

第一主區(qū)域和第二主區(qū)域的導(dǎo)電類型取決于冷卻區(qū)域的結(jié)構(gòu)，特別是如果冷卻區(qū)域包括數(shù)量一致的STEC–元件，那么第一主區(qū)域是第一導(dǎo)電類型，而第二主區(qū)域是與第一導(dǎo)電類型不同的第二導(dǎo)電類型。在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，熱電冷卻裝置的至少一個移位和縫合熱電冷卻元件包括第三導(dǎo)電類型的第一子域和第四導(dǎo)電類型的第二子域。第三和第四導(dǎo)電類型不相同。例如，第三導(dǎo)電類型是n-型時，第四導(dǎo)電類型是p-型；第三導(dǎo)電類型是p-型半導(dǎo)體材料時，第四導(dǎo)電類型是n-型半導(dǎo)體材料。第一和第二子域在水平方向上都是相互間隔開的。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，至少一個熱電冷卻區(qū)域包括多個移位和縫合熱電冷卻元件。這些移位和縫合熱電冷卻元件順序設(shè)置且相互連接。進(jìn)一步地，多個移位和縫合熱電冷卻元件以彼此間隔的方式設(shè)置，并相連，反之亦然，這樣總有一個第一子域與第二子域相鄰設(shè)置。在這種結(jié)構(gòu)下，一個移位和縫合熱電冷卻元件與另一個移位和縫合熱電冷卻元件等相鄰設(shè)置且相連。

在進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施例中，相應(yīng)的相互間隔開的第一和第二子域之間設(shè)置有界層。典型地，所述界層部分填充有絕緣材料。絕緣材料可以是氧化硅，特別地，熱生長氧化硅(SiO2)，PVD氧化硅、低介電和/或高介電材料(low-K and/or high-K)、氮化硅、氧化鉿或其他任何絕緣材料，該材料可以是也可以不必是半導(dǎo)體基材。特別優(yōu)選的絕緣材料為Al2O3和/或AgO或AuO或CuO，因?yàn)檫@些材料具有優(yōu)越的絕緣比，尤其是在TEC的工作溫度下，絕緣比更好。

在一個優(yōu)選的實(shí)施例中，STEC-元件的第一和第二子域或相鄰的STEC-元件的第一和第二子域在垂直方向上具有相同的距離。這意味著第一和第二子域在垂直方向上相互之間是等距離的。在另一個優(yōu)選的實(shí)施例中，將熱電冷卻區(qū)域內(nèi)的多個STEC–元件按鋸齒形(zig-zag)或相互交錯的方式布置，使得第一和/或第二子域在垂直方向上部分移位和縫合。這意味著，第一和第二子域的縱向間距分別增加或減少了。在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，第一和/或第二子域相對于水平面的移位和縫合部分的角度在5°和85°之間的范圍內(nèi)。特別地，移位和縫合部分的角度在45°和60°之間的范圍內(nèi)，優(yōu)選地，在30°和40°之間的范圍內(nèi)，最優(yōu)選地，在10°和20°之間的范圍內(nèi)。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，靠著這種移位和縫合，可實(shí)現(xiàn)熱電冷卻裝置的熱側(cè)和冷側(cè)之間具有更高的溫度梯度，從而實(shí)現(xiàn)更好的冷卻效果。另外或可選地，較大的移位和縫合能提供較低的觸發(fā)能量。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，熱電冷卻區(qū)域或移位和縫合熱電冷卻元件的第一和/或第二子域?yàn)槎嗖糠纸Y(jié)構(gòu)，特別地，為兩部分結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的進(jìn)一步的實(shí)施例，多部分結(jié)構(gòu)具有第一部分和第二部分，第一部分具有第一移位和縫合部分，第二部分具有第二移位和縫合部分。通常，第一部分與橋接元件直接相連。第二部分與第一部分相連，也可與相鄰的移位和縫合熱電冷卻元件的橋接元件相連。優(yōu)選但不是必須的，第一移位和縫合部分的角度小于第二移位和縫合部分的角度，特別地，第一移位和縫合部分的角度在15°和45°之間的范圍內(nèi)，尤其在25°和35°之間的范圍內(nèi)。于是，第二移位和縫合部分的角度在45°和85°之間的范圍內(nèi)，尤其在60°和70°之間的范圍內(nèi)。

優(yōu)選地，每個第一和第二子域包括兩個邊界接口。相鄰的相互隔開的第一和第二子域的邊界接口通過橋接元件連接。優(yōu)選地，相互隔開的第一和第二子域的橋接元件以交叉的方式設(shè)置。在優(yōu)選的實(shí)施例中，第一橋接元件從所述第一子域的第一邊界接口延伸至所述第二子域的第二邊界接口，以使對應(yīng)的相互隔開的第一和第二子域相互電連接。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，橋接元件包括高導(dǎo)電材料，例如高度摻雜的多晶硅、金屬或高導(dǎo)電合金。因此，常用的橋接元件的材料是鋁、金、銀、鎢、鈦(titan)等，或其合金。在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，設(shè)置有至少一個電屏蔽層。電屏蔽層與熱電冷卻區(qū)域的熱側(cè)相鄰。所述屏蔽層用于提供從半導(dǎo)體基板到所述熱電冷卻區(qū)域的熱側(cè)的導(dǎo)熱率。所述屏蔽層進(jìn)一步用于阻止所述半導(dǎo)體基板和所述熱電冷卻區(qū)域的熱側(cè)之間電連接。因此，屏蔽層覆蓋熱電冷卻區(qū)域，并設(shè)置于相應(yīng)的橋接元件的上方或下方。因此，屏蔽層的作用是對移位和縫合熱電冷卻元件進(jìn)行電保護(hù)，屏蔽層還用于提供高導(dǎo)熱率，以使熱電冷卻區(qū)域的熱側(cè)具有較好的熱傳導(dǎo)。

通常但不是必須的，同一個熱電冷卻區(qū)域的兩個移位和縫合熱電冷卻元件相鄰設(shè)置，并通過第二橋接元件相連。通常，該第二橋接元件從第一移位和縫合熱電冷卻元件的第二子域的第三邊界接口延伸至第二移位和縫合熱電冷卻元件的第一子域的第四邊界接口。相鄰的移位和縫合熱電冷卻元件的橋接元件橋子域的這種設(shè)置方式，使得熱電冷卻區(qū)域交錯布置成為可能。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，區(qū)域的粘結(jié)部和電介質(zhì)基板的部分嵌入有粘附層(410)，粘附層具有熱導(dǎo)電性能，因此可用作基板層。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，這些區(qū)域包括(compressing)：其中，具有至少一個橋?qū)拥谋∧せ?，其包?compress)含氮的金屬合金，其中氮?dú)獾脑淤|(zhì)量為合金原子質(zhì)量的0.01％至50％之間，如TiN、TiNO5、AlN、ΑΙΝΟ和/或多層含合金的薄膜基板的組合，這些金屬合金具有高介電或低介電(low-K or high-K)性能。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，集成冷卻陣列包括：至少一層摻雜有氮和/或硼和/或硒的薄膜半導(dǎo)體基板和多個如權(quán)利要求1-36任一所述的單元結(jié)構(gòu)，其中所述單元結(jié)構(gòu)以陣列的方式設(shè)置在所述常用的半導(dǎo)體基板內(nèi)。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，集成冷卻陣列包括：至少一層摻雜有氮和/或硼和/或硒的薄層半導(dǎo)體基板或多個相應(yīng)陣列的單元結(jié)構(gòu)，其中所述單元結(jié)構(gòu)以陣列的方式設(shè)置在所述常用的半導(dǎo)體基板內(nèi)。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，集成冷卻陣列包括：第一移位和縫合部分(700)、第二移位和縫合部分(710)、第三移位和縫合部分(720)和第四移位和縫合部分(730)，其中第一移位和縫合部分(700)的長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第一部分長度的1/99至47/500，尤其是第一移位和縫合部分(700)的長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第一部分長度的1/4至1/3，或者尤其是第一移位和縫合部分(700)的長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第一部分長度的1/5至1/4，和/或第二移位和縫合部分(710)的長度在第二子域(032)的長度范圍內(nèi)，是第二部分長度的1/99至47/500，尤其是第二移位和縫合部分(710)的長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第二部分長度的1/4至1/3，或者尤其是第二移位和縫合部分(710)的長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第二部分長度的1/5至1/4，和/或第三移位和縫合部分(720)的長度在第一子域(032a)的長度范圍內(nèi)，是第三部分長度的1/99至47/500，尤其是第三移位和縫合部分(720)的長度在第一子域(030a)的長度范圍內(nèi)，是第三部分長度的1/4至1/3，或者尤其是第第三移位和縫合部分(720)的長度在第一子域030的長度范圍內(nèi)，是第三部分長度的1/5至1/4，和/或第四移位和縫合部分(730)的長度在第一子域(032b)的長度范圍內(nèi)，是第四部分長度的1/99至47/500，尤其是第四移位和縫合部分(730)的長度在第一子域(030b)的長度范圍內(nèi)，是第四部分長度的1/4至1/3，或者尤其是第四移位和縫合部分(730)的長度在第二子域(032b)的長度范圍內(nèi)，是第四部分長度的1/5至1/4。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，集成冷卻陣列包括：每個第一和第二子域(030，032)包括兩個邊界接口(038，040)，其中，所述相鄰但彼此隔開的第一和第二子域(030，032)的邊界接口(038，40)通過橋接元件(036，420)連接。

在非常優(yōu)選的實(shí)施例中，屏蔽層由高導(dǎo)熱和電絕緣材料構(gòu)成。這種高性能絕緣材料幾乎都具有合成金剛石，這是非常有利的。在非常優(yōu)選的實(shí)施例中，合成金剛石在基板內(nèi)熱生長并嵌入在基板內(nèi)。與相應(yīng)的由金屬構(gòu)成的子域相比，這可降低垂直于電流方向的第一和第二子域的直徑。其他至少可以提供良好絕緣性能的材料為氧化硅、低介電材料(low-K)、高介電材料(high-K)及其類似物。通過適當(dāng)摻雜這些材料，屏蔽層可提供良好的導(dǎo)熱率。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，至少設(shè)置有一個冷卻層，該冷卻層與熱電冷卻區(qū)域的冷側(cè)的橋接元件相連。

優(yōu)選地，該冷卻層具有高導(dǎo)熱率，以散發(fā)熱電冷卻區(qū)域的熱量。優(yōu)選的用于冷卻層的材料是合成金剛石

在冷卻陣列的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，單元結(jié)構(gòu)彼此電連接，電連接方式為串聯(lián)。電連接方式也可為并聯(lián)。顯然，這些電連接形式的組合，如部分串聯(lián)和部分并聯(lián)，也是可以的。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，控制裝置包括程序可控裝置，其具有高頻時鐘發(fā)生器和由所述高頻時鐘發(fā)生器觸發(fā)的計(jì)數(shù)器。每個單元結(jié)構(gòu)的柵極區(qū)由所述計(jì)數(shù)器根據(jù)計(jì)數(shù)器讀數(shù)觸發(fā)。在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，每個單元結(jié)構(gòu)的柵極區(qū)或者串聯(lián)或者陣列的方式觸發(fā)。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，集成電路設(shè)置有裝置區(qū)域，其設(shè)置在同一單元結(jié)構(gòu)的相鄰冷卻裝置之間或設(shè)置在相鄰的單元結(jié)構(gòu)的相鄰的冷卻裝置之間。在另一個或可選的實(shí)施例中，裝置區(qū)域設(shè)置在熱電冷卻裝置的冷側(cè)或熱側(cè)。集成電路進(jìn)一步包括至少一個半導(dǎo)體裝置，其設(shè)置在相鄰冷卻裝置之間的集成電路的一個裝置區(qū)域內(nèi)。這一方面使得單元結(jié)構(gòu)的布置變得緊密且區(qū)域得到了優(yōu)化，另一方面使得半導(dǎo)體裝置的布置變得緊密且區(qū)域得到了優(yōu)化。因此，單元結(jié)構(gòu)中未用于熱電冷卻的區(qū)域，優(yōu)選地，可用于其他半導(dǎo)體裝置，例如用于熱量釋放非常高的半導(dǎo)體裝置。于是，這些半導(dǎo)體裝置產(chǎn)生的熱量可通過單元結(jié)構(gòu)，尤其是通過在單元結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱電冷卻裝置，有效地傳輸。

在一些優(yōu)選的實(shí)施例中，半導(dǎo)體裝置可以是下列中的至少一個：傳感器，尤其是高溫傳感器、光學(xué)傳感器或熱傳感器或類似的傳感器。整流元件，例如二極管、惠斯通電橋或任何其他橋結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換元件，尤其是晶體管。晶體管可以是MOSFET，例如NMOS、PMOS、VMOS、功率MOSFET、JFET、雙極性晶體管、IGFET、IGBT或任何其他半導(dǎo)體晶體管?？刂圃？删幊萄b置尤其是微處理器、微控制器和/或可編程邏輯裝置，例如FPGA或PLD。存儲裝置，例如DRAM、ROM、SRAM或類似的存儲裝置。太陽能電池(solarcell)、激光二極管(laserdiode)、LED、微帶(microstrip)及其類似的元件。然而，需要注意的是，這些半導(dǎo)體裝置都是示例性的，本發(fā)明不應(yīng)限于這些實(shí)施例。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，半導(dǎo)體裝置與所述第一主區(qū)域和熱電冷卻裝置彼此隔開。此外，半導(dǎo)體裝置可設(shè)置在至少兩個所述熱電冷卻裝置之間。

在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，參照第一主區(qū)域，半導(dǎo)體裝置設(shè)置在以第一主區(qū)域的中心為起點(diǎn)的半徑為1nm至100μm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地，在500nm至1μm的范圍內(nèi)。

在集成電路裝置的優(yōu)選的實(shí)施例中，第一主區(qū)域被至少兩個徑向延伸的區(qū)域圍繞，而每個區(qū)域包括一個柵極區(qū)，一個第二主區(qū)域和一個熱電冷卻區(qū)域。

這樣，可以單獨(dú)的用第一主區(qū)域?qū)⒍鄠€柵極區(qū)和熱電冷卻區(qū)域連接到能量源。由于本實(shí)施例中第一主區(qū)域的可用性增加，使得在不減少STEC區(qū)域本身的尺寸和/或體積的情況下，減少為實(shí)現(xiàn)可觸發(fā)的STEC區(qū)域的必要體積。

在另一個優(yōu)選的實(shí)施例中，集成電路包括計(jì)數(shù)器，其包括與電源相連的時鐘信號發(fā)生器，其中，至少一個柵極區(qū)通過至少一個傳導(dǎo)元件與所述計(jì)數(shù)器相連。這樣，易于觸發(fā)至少一個STEC區(qū)域。

在另一個優(yōu)選的實(shí)施例中，集成電路如此設(shè)計(jì)的目的是使其能夠在0.5pA至500mA范圍的電流下運(yùn)行，尤其是在1mA至200mA范圍的電流下運(yùn)行，優(yōu)選地，在10pA至100μΑ范圍的電流下運(yùn)行，最優(yōu)選地，在100pA至1μΑ范圍的電流下運(yùn)行。

在另一個優(yōu)選的實(shí)施例中，單元結(jié)構(gòu)設(shè)置有多個可控的熱電冷卻區(qū)域。設(shè)置有至少兩個所述可控的熱電冷卻區(qū)域，尤其是多個所述可控的熱電冷卻區(qū)域具有不同的移位和縫合部分。

在另一個優(yōu)選的實(shí)施例中，設(shè)置有多個熱電冷卻區(qū)域，多個熱電冷卻區(qū)域以星形的方式從所述第一主區(qū)域向外延伸。特別優(yōu)選地，每個星形延伸的熱電冷卻區(qū)域可獨(dú)立地觸發(fā)。

在另一個優(yōu)選的實(shí)施例中，熱電冷卻裝置能夠通過獨(dú)立地觸發(fā)多個所述熱電冷卻區(qū)域?qū)?shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，所述熱電冷卻區(qū)域具有不同的移位和縫合虛擬角s。

在另一個優(yōu)選的實(shí)施例中，熱電冷卻裝置能夠通過獨(dú)立地觸發(fā)熱電冷卻區(qū)域，而作為溫度傳感器使用，所述熱電冷卻區(qū)域具有不同的STEC。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，至少兩個熱電冷卻裝置一個接一個地縱向疊放在電介質(zhì)基板內(nèi)。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，界層設(shè)置在相鄰熱電冷卻裝置之間，其中，所述界層限定了兩個相鄰熱電冷卻裝置間距。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，所述間距至少為5nm，且最優(yōu)選地，間距為5nm至12nm。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，界層至少有部分由絕緣材料構(gòu)成，優(yōu)選地完全由絕緣材料構(gòu)成。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，設(shè)置有至少一個連接裝置。連接裝置設(shè)置在至少兩個熱電冷卻裝置之間，優(yōu)選地設(shè)置在兩個疊放的和/或相連設(shè)置的熱電冷卻裝置之間。連接裝置由熱高導(dǎo)電絕緣材料構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)兩個熱電冷卻裝置之間的熱連接，進(jìn)一步地確保兩個熱電冷卻裝置之間電絕緣。

附圖說明

為了更完全地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在結(jié)合附圖的做出以下描述。下面運(yùn)用在附圖的示意圖中指定的示例性實(shí)施例更詳細(xì)地解釋本發(fā)明，其中：

圖1為本發(fā)明所述的單元結(jié)構(gòu)的第一基礎(chǔ)實(shí)施例的剖面圖；

圖2為如圖1所示集成電路裝置的熱電冷卻區(qū)域的剖面圖；

圖2A-2D為本發(fā)明所述的STEC區(qū)域放入不同移位和縫合熱電冷卻元件的剖面圖；

圖3為本發(fā)明所述的單元結(jié)構(gòu)的第二實(shí)施例的平面圖。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，附圖中的元件是為了簡化和清楚而例示的，沒有必要按比例繪制。例如，所選擇的元件僅用于幫助理解本發(fā)明的各種實(shí)施例中這些元件的功能和設(shè)置方式。此外，那些在商業(yè)上有用或必須的常見且眾所周知的元件大多沒有在附圖中示出，以便減少本發(fā)明各種實(shí)施例的抽象視圖。還應(yīng)理解，所描述的方法中的某些動作和/或步驟可以以特定的出現(xiàn)順序來描述或描繪，而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，對于這種順序的特異性實(shí)際上不是必需的。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，由于已經(jīng)簡潔、清晰的描述了，本發(fā)明并未給出具體的實(shí)施例。還應(yīng)理解的是，本說明書中使用的術(shù)語和表達(dá)方式具有與其對應(yīng)的各個學(xué)習(xí)和研究領(lǐng)域的通常含義，除非本文另有規(guī)定。

具體實(shí)施方式

在下文中，在描述本發(fā)明之前，我們希望簡要地討論一些本發(fā)明的總體情況。本發(fā)明總體上涉及熱電冷卻。盡管商業(yè)熱電冷卻模塊直到將近1960年才可用，但現(xiàn)代熱電冷卻器所基于的基本物理原理實(shí)際上可回溯到19世紀(jì)初。在19世紀(jì)初，托馬斯·塞貝克(Thomas Seebeck)發(fā)現(xiàn)電流會在由兩種不同金屬組成的閉合回路中連續(xù)流動，條件是金屬的結(jié)點(diǎn)保持在兩個不同的溫度。這也被稱之為塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)。

熱電效應(yīng)是將溫度差直接轉(zhuǎn)換為電壓，反之亦然。當(dāng)每一側(cè)存在不同的溫度時，熱電裝置產(chǎn)生電壓。相反地，當(dāng)向其施加電壓時，其產(chǎn)生溫度差，其也稱為移位和縫合熱電冷卻效應(yīng)。在原子量級上，所施加的溫度梯度會使材料中產(chǎn)生從熱側(cè)擴(kuò)散到冷側(cè)的荷電載體，無論它們是電子還是電子空穴。這會產(chǎn)生所謂的熱感應(yīng)電流。這種效果可以有利地用于發(fā)電、測量溫度、冷卻或加熱物體等。由于加熱和冷卻的方向取決于施加電壓的信號，所以熱電裝置使得溫度控制器非常便捷。

通常，術(shù)語“熱電效應(yīng)”或“熱電”包括三個單獨(dú)的已發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)，即塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)、移位和縫合熱電冷卻效應(yīng)和所謂的湯姆遜效應(yīng)(Thomson effect)。在許多教科書和現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中，熱電效應(yīng)也可稱為STEC-塞貝克效應(yīng)(STEC-Seebeck effect)，塞貝克效應(yīng)是將溫度差直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。然而，移位和縫合熱電冷卻效應(yīng)與塞貝克效應(yīng)相反，是將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)闇囟炔睢．?dāng)電流流過兩個不同的金屬構(gòu)成的電路時，上部接合處發(fā)熱，熱量在下部接合處被吸收，使得熱量從熱側(cè)傳遞到冷側(cè)。本發(fā)明涉及所謂的移位和縫合熱電冷卻元件，其可以用于移位和縫合熱電冷卻效應(yīng)(shifted and stitched thermoelectric cooling effect)，由于有熱量梯度，因此其也用于熱傳遞以及塞貝克效應(yīng)發(fā)電。在使用移位和縫合熱電冷卻效應(yīng)的情況下，下文中的移位和縫合熱電冷卻也被稱為“移位和縫合熱電冷卻”或簡稱“STEC”。

因此，移位和縫合熱電冷卻元件僅僅是塞貝克效應(yīng)的反面現(xiàn)象，由此，當(dāng)帶電流流入閉合電路時，可在一處不同金屬的交界吸收熱量，在另一處交界釋放熱量。由于塞貝克效應(yīng)和移位和縫合熱電冷卻效應(yīng)是眾所周知的，所以沒有對其物理效應(yīng)作更詳細(xì)地描述。關(guān)于熱電冷卻的原理，本申請全文引用了開羅大學(xué)工程學(xué)院的MPE6350文獻(xiàn)“Electronics Cooling”，特別是第17章。

在下文中，會根據(jù)附圖中的實(shí)施例，更詳細(xì)地描述本發(fā)明。

圖1為本發(fā)明所述的單元結(jié)構(gòu)的第一基礎(chǔ)實(shí)施例的剖面圖。單元結(jié)構(gòu)由附圖標(biāo)記100表示。單元結(jié)構(gòu)100包括基板110，其具有第一頂部表面110a和第二底部表面110b。基板110可以是摻雜的半導(dǎo)體基板，例如摻雜硅的基板。然而，本發(fā)明不限于由硅形成的基板110，其可以由任何其他的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，例如GaAs、SiC及其類似物，或是任何其他的電介質(zhì)基板，例如石英、藍(lán)寶石。

在圖1中，單元結(jié)構(gòu)100包括一個熱電冷卻裝置120，其設(shè)置在半導(dǎo)體基板110內(nèi)。該熱電冷卻裝置120用于散熱，例如同一半導(dǎo)體基板內(nèi)任何集成電路的散熱。因此，根據(jù)本發(fā)明的基本思路，該熱電冷卻裝置120是半導(dǎo)體基板110的集成部。

熱電冷卻裝置120包括一個第一主區(qū)域140，兩個第二主區(qū)域180和兩個熱電冷卻STEC區(qū)域200。第一主區(qū)域140設(shè)置在熱電冷卻裝置120的中央，其是第一導(dǎo)電類型，例如n-型或p-型。根據(jù)熱電冷卻區(qū)域200的結(jié)構(gòu)，兩個第二主區(qū)域180可以是第一導(dǎo)電類型或不同于第一導(dǎo)電類型的第二導(dǎo)電類型。兩個第二主區(qū)域180通過相應(yīng)的熱電冷卻區(qū)域200與第一主區(qū)域140耦合在一起，熱電冷卻區(qū)域200設(shè)置在第一中央設(shè)置的主區(qū)域140和兩個第二邊緣設(shè)置的主區(qū)域180之間。

在本實(shí)施例中，第一主區(qū)域140可以是源極區(qū)或者是漏極區(qū)，而第二主區(qū)域180分別形成漏極區(qū)或源極區(qū)。由此，熱電冷卻裝置120形成兩個可控的轉(zhuǎn)換器，尤其是晶體管，而控制終端由相應(yīng)的柵極區(qū)160構(gòu)成。這些柵極區(qū)160設(shè)置在熱電冷卻區(qū)域200內(nèi)，優(yōu)選地設(shè)置為直接與第一主區(qū)域140相鄰。由于熱電冷卻裝置120具有這樣的結(jié)構(gòu)，所以熱電冷卻區(qū)域200的晶體管和功能都可以獨(dú)立控制。

本質(zhì)特征在于，每個熱電冷卻區(qū)域200包括至少一個移位和縫合熱電冷卻元件。其中熱電冷卻裝置120和移位和縫合熱電冷卻元件的具體結(jié)構(gòu)和功能會結(jié)合圖2A-2D所示的多個實(shí)施例，在下文中有更詳細(xì)地描述。本發(fā)明實(shí)施例中的第一主區(qū)域140、第二主區(qū)域180、柵極區(qū)160和半導(dǎo)電冷卻區(qū)域200都嵌入在基板110內(nèi)。然而，這些區(qū)域都可設(shè)置在鄰近基板110的top或底部表面110a、110b。

在一個有利的實(shí)施例中，集成電路裝置包括至少第一STEC裝置120和第二STEC裝置120。在這種情況下，兩個相鄰的STEC裝置120的徑向延伸的區(qū)域是有距離的，且不重疊的。形成的第一STEC裝置120可與第二STEC裝置120不同。例如，第一STEC裝置120的氧化柵極的厚度、通道區(qū)域的長度、內(nèi)部移位和縫合部分、多個徑向延伸的區(qū)域、至少一個第二區(qū)域180的厚度、摻雜劑濃度和/或摻雜劑類型可以與第二STEC裝置120的相應(yīng)參數(shù)不同。

可選地，集成電路裝置100還可包括至少兩個參數(shù)完全相同的STEC裝置120。

假如集成電路裝置100包括多個STEC裝置120，其中若干STEC裝置120可相互連接，以構(gòu)成可控的三維STEC裝置。例如，所述至少兩個STEC裝置120可相互電連接，并串聯(lián)觸發(fā)。然而，集成電路裝置100不限于在不同的STEC裝置120之間的該種電連接。所述至少兩個STEC裝置120可相互電連接，并并聯(lián)觸發(fā)。進(jìn)一步地，所述至少兩個STEC裝置120可同時串聯(lián)或并聯(lián)觸發(fā)，以產(chǎn)生舌狀冷卻區(qū)域，其在第一層材料內(nèi)，且覆蓋有第二層材料。當(dāng)電流適當(dāng)調(diào)整時，舌狀是可以增加的。因此，第二層材料可以用于重建熱量梯度，或者第一層材料的區(qū)域可以是散熱片。

當(dāng)通過STEC區(qū)域200的電流被柵極區(qū)觸發(fā)時，STEC裝置120周圍會冷卻下來。因此嵌入基板110內(nèi)的熱源可用創(chuàng)新技術(shù)彌補(bǔ)。至少一個熱源可以是外部或內(nèi)部熱源。例如，至少一個熱源可嵌入在基板110內(nèi)。此外，至少一個熱源還可設(shè)置在至少一個STEC裝置120的周圍。優(yōu)選地，至少一個熱源設(shè)置在第一主區(qū)域140的中心點(diǎn)周圍的一定距離內(nèi)。因此，STEC裝置120的冷卻功能可保證即使由于熱源產(chǎn)生熱量，也不會造成損害。

所述至少一個熱源可以是傳感器、二極管或任何其他產(chǎn)生熱量的設(shè)備。因此，創(chuàng)新技術(shù)可用于提高設(shè)置在STEC裝置120周圍的若干傳感器的檢測容量。如此，可準(zhǔn)確檢測本地化信號。此外，傳感器和/或二極管可作為輸入或輸出連接得到設(shè)備上。二極管可以是紅外光電二極管、X射線光電二極管和/或激光二極管(laser-diode)。特別地，光電二極管可以以波形冷卻，該波形向第二主區(qū)域180的邊緣傳播。這樣，創(chuàng)新技術(shù)還可用于能量恢復(fù)。圖2為STEC區(qū)域區(qū)域中的如圖1所示的集成電路裝置的細(xì)節(jié)的剖面圖。該剖面圖平行于STEC區(qū)域200的縱軸，穿過STEC區(qū)域200。

圖2所示的STEC區(qū)域200包括多個移位和縫合熱電冷卻元件500。每個移位和縫合熱電冷卻元件500包括第三導(dǎo)電類型的第一子域030和第四導(dǎo)電類型的第二子域032，第四導(dǎo)電類型不同于第三導(dǎo)電類型。例如，第一子域030可以使p-型，其中第二子域032是n-型。然而，STEC裝置120不限于該移位和縫合熱電冷卻元件500。加入第一子域030是n-型，則第二子域032是p-型。

移位和縫合熱電冷卻元件500還包括第一絕緣材料，至少第一子域030和第二子域032之間的界層1030部分被第一絕緣材料填充。優(yōu)選地，第一子域030和第二子域032之間的界層完全被第一絕緣材料填充。此外，移位和縫合熱電冷卻元件500還包括第一橋接元件036。所述橋接元件036從第一子域030的第一接口380延伸至第二子域032的第二接口400。第一子域030的第一接口380和第二子域032的第二接口400都朝向基板110的一個表面110a、110b。優(yōu)選地，第一接口380和第二接口400都沿平行于STEC區(qū)域200的縱軸200a的方向延伸。然而，STEC裝置120不限于該子域030、032、接口380、400和/或第一橋接元件036的設(shè)計(jì)。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，STEC區(qū)域200包括兩個移位和縫合熱電冷卻元件，最優(yōu)選地，包括多個移位和縫合熱電冷卻元件，每一個具有子域030、032和界層1030。STEC區(qū)域200不限制移位和縫合熱電冷卻元件500的具體數(shù)量。如圖2所示，優(yōu)選地，同一STEC區(qū)域200的兩個相鄰的移位和縫合熱電冷卻元件500、500'通過第二橋接元件420相連。STEC區(qū)域200還包括絕緣材料480，相鄰的移位和縫合熱電冷卻元件500'的子域030、032之間的界層1030至少部分地被其填充，特別地完全被其填充。

第二接觸子域420可從第一移位和縫合熱電冷卻元件500的第二子域032的第三接口440延伸至第二移位和縫合熱電冷卻元件500'的第一子域030的第四接口420。第一移位和縫合熱電冷卻元件500比第二移位和縫合熱電冷卻元件500'更靠近第一主區(qū)域140。第二子域032的第三接口440和第一子域030的第四接口460都朝向基板110的不同表面110a、110b和/或沿平行于STEC區(qū)域200的縱軸200a的方向延伸。此外，第三接口440和第四接口460可平行于第一接口380和第二接口400。

第一橋接元件036和/或第二橋接元件420可由諸如鋁、金、銀等導(dǎo)電材料構(gòu)成。因此，同一STEC區(qū)域200的移位和縫合熱電冷卻元件500、500'的不同子域030、032之間具有良好的導(dǎo)電率。子域030、032之間的接口380、400、440、460以及橋接元件036、420都適用于移位和縫合熱電冷卻效應(yīng)。

STEC區(qū)域200可通過至少一個橋接元件036、420與第一主區(qū)域140、柵極區(qū)160和/或第二主區(qū)域180連接。這樣，STEC區(qū)域200和相鄰的第一主區(qū)域140、柵極區(qū)160和/或第二主區(qū)域180之間具有良好的電接觸。

在優(yōu)選的單元結(jié)構(gòu)的實(shí)施例中，其中，第一移位和縫合部分(080)的長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第一部分長度的1/99至47/500，尤其是在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第一部分長度的1/4至1/3，或者尤其是在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第一部分長度的1/5至1/4，和/或第二移位和縫合部分(080)的長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第二部分長度的1/99至47/500，尤其是在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第二部分長度的1/4至1/3，或者尤其是在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第二部分長度的1/5至1/4，和/或第三移位和縫合部分(080)的長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第三部分長度的1/99至47/500，尤其是在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第三部分長度的1/4至1/3，或者尤其是在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第三部分長度的1/5至1/4，和/或第四移位和縫合部分(080)的長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第四部分長度的1/99至47/500，尤其是在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第四部分長度的1/4至1/3，或者尤其是長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第四部分的1/5至1/4。

在優(yōu)選的單元結(jié)構(gòu)的實(shí)施例中，其中子域(030)和/或(032)的薄膜750的高度在第一移位和縫合部分或第二移位和縫合部分或第三移位和縫合部分或第四移位和縫合部分的長度的1/19至4/5之間的高度范圍內(nèi)。

在電流流過接口380、400、440和460并最終通過順序設(shè)置的移位和縫合熱電冷卻元件時，圖2所示的STEC區(qū)域200產(chǎn)生垂直于縱軸200a方向的熱通路。

可通過標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體技術(shù)方法生產(chǎn)圖2所示的STEC區(qū)域200。因此，并未對制造不同的子域030、032、036、420的方法進(jìn)行描述。

圖2A-2E為STEC區(qū)域內(nèi)移位和縫合熱電冷卻元件的不同實(shí)施例的剖面圖。省略熱電冷卻區(qū)域的不同的實(shí)施例的剖面圖示出了不同的移位和縫合熱電冷卻元件的結(jié)構(gòu)。

在圖2A中，移位和縫合熱電冷卻元件500包括第一和第二子域030、032，其通過橋接元件036互相連接。在圖2A所示的實(shí)施例中，第一和第二子域030、032或多或少垂直正交于橋接元件036。

然而，更有利地，第一和第二子域030、032是成角度的，這樣，其具有水平方向。這在圖2B中熱電冷卻區(qū)域200的第二實(shí)施例中示出，其中移位和縫合虛擬角α在子域和水平面之間。優(yōu)選地，移位和縫合虛擬角α在5°和75°之間，優(yōu)選地，在15°和25°之間的范圍內(nèi)，更優(yōu)選地，在25°和35°之間的范圍內(nèi)。

圖2C示出了熱電冷卻區(qū)域200的移位和縫合熱電冷卻元件500的另一個實(shí)施例。如圖2所示，第一子域030包括第一部分和第二部分，第二子域也包括第一部分30a和第二部分30b，第一部分和第二部分相互連接。相應(yīng)的子域030的這些部分相對于水平方向x和z是成角度的。然而，第一下部030a相對于水平方向的移位和縫合虛擬角β大于第二上部030b相對于水平方向x的移位和縫合虛擬角第一和第二子域030、032分為兩個不同的部分030a、030b、032a、032b，其具有不同的移位和縫合虛擬角β和這對于熱電冷卻區(qū)域200的電熱性能是非常有利的。尤其是，研究表明，該設(shè)置使得整個熱電冷卻區(qū)域200具有更好的效率。優(yōu)選地，第一移位和縫合虛擬角β高達(dá)30°，第二移位和縫合虛擬角在30°和60°之間的范圍內(nèi)。

圖2D示出了非常優(yōu)選的熱電冷卻區(qū)域的第四實(shí)施例。與圖2C中的實(shí)施例相反，圖2C中熱電冷卻區(qū)域的第一和第二移位和縫合虛擬角β和對于第一和第二子域030、032是相同的，現(xiàn)在在圖2D中這些移位和縫合虛擬角s是不同的。對于第一子域030來說，第一部分030的第一移位和縫合虛擬角1和第二部分030b的第二移位和縫合虛擬角1通常與第二子域0320的第一和第二部分032a、032b相應(yīng)的移位和縫合虛擬角2、2不同的。例如第一子域030的第二部分030b的移位和縫合虛擬角1是47°，并且第二子域032的相應(yīng)的第二部分32b的移位和縫合虛擬角2是42°。

設(shè)置移位和縫合熱電冷卻元件500的第一和第二子域030、032的移位和縫合部分的主要優(yōu)點(diǎn)在于，相鄰的移位和縫合熱電冷卻結(jié)構(gòu)在邊界接口具有最小距離以及在沒有第一和相鄰的第二子域030、32之間的邊界接口具有最大距離。就電連接而言，這樣是最有效的。移位和縫合熱電冷卻元件500的橋接元件036由高導(dǎo)電的材料構(gòu)成，例如鋁、鎢(wolfram)、鎢(tungsten)或這些材料的合金。

在橋接元件036和半導(dǎo)體基板110之間通常設(shè)置有涂覆層或屏蔽層。優(yōu)選地，涂覆層或屏蔽層僅需設(shè)置在移位和縫合熱電冷卻元件500或熱電冷卻區(qū)域的熱側(cè)。然而，由于整個熱電冷卻裝置120也可雙向使用，其中冷側(cè)可構(gòu)成熱側(cè)，反之亦然，所以涂覆層也可以設(shè)置在熱電冷卻區(qū)域的冷側(cè)。為了將熱量高效地從半導(dǎo)體基板的熱側(cè)通過涂覆層輸送至熱電冷卻區(qū)域，涂覆層可由任何高導(dǎo)熱材料構(gòu)成。用于涂覆層的材料可以是合成金剛石。

本發(fā)明不限制移位和縫合熱電冷卻元件500的具體數(shù)量。圖2E為STEC區(qū)域200的剖面圖，STEC區(qū)域200包括多個移位和縫合熱電冷卻元件500。每個移位和縫合熱電冷卻元件500包括第一和第二區(qū)域030、032和在相鄰的第一和第二區(qū)域030、0320之間的界層340。優(yōu)選地，同一STEC區(qū)域200的兩個相鄰的移位和縫合熱電冷卻元件500、500'通過第二橋接元件420相連，如圖3A所示。STEC區(qū)域200包括絕緣材料480，相鄰的移位和縫合熱電冷卻元件500'的第一和第二區(qū)域030、032之間的界層340至少部分地被絕緣材料480填充，由其是完全被絕緣材料480填充。

第二接觸區(qū)域420可從第一移位和縫合熱電冷卻元件500的第二區(qū)域032的第三接口440擴(kuò)展到第二移位和縫合熱電冷卻元件500'的第一區(qū)域030的第四接口460。第一移位和縫合熱電冷卻元件500比第二移位和縫合熱電冷卻元件500'更靠近第一主區(qū)域140。第二區(qū)域032的第三接口440和第一區(qū)域030的第四接口460都朝向基板110的不同的表面110a、110b和/或延STEC區(qū)域200的縱軸200a的方向延伸。此外，第三接口440和第四接口460平行于第一接口380和第二接口400。

第一橋接元件036和/或第二橋接元件420由導(dǎo)電材料構(gòu)成，例如鋁、金、銀等或包含這些材料中的至少一種的合金。這樣，同一STEC區(qū)域200的移位和縫合熱電冷卻元件500、500'的不同區(qū)域030、032之間具有良好的導(dǎo)電率和良好的導(dǎo)熱率。區(qū)域030、032之間的接口380、400、440、460和橋接元件036、420都適用于移位和縫合熱電冷卻效應(yīng)。

STEC區(qū)域200通過至少一個橋接元件036、420與第一區(qū)域140、柵極區(qū)160和/或第二主區(qū)域180相連。這樣，STEC區(qū)域200和相鄰的第一主區(qū)域140、柵極區(qū)160和/或第二主區(qū)域180之間具有良好的電連接。

在橋接元件036和半導(dǎo)體基板110之間通常設(shè)置有涂覆層或屏蔽層(未示出)。優(yōu)選地，涂覆層或屏蔽層僅需設(shè)置在移位和縫合熱電冷卻元件500或熱電冷卻區(qū)域的熱側(cè)。然而，由于整個熱電冷卻裝置100也可雙向使用，其中冷側(cè)可構(gòu)成熱側(cè)，反之亦然，所以涂覆層也可以設(shè)置在熱電冷卻區(qū)域的冷側(cè)。為了將熱量高效地從半導(dǎo)體基板的熱側(cè)通過涂覆層輸送至熱電冷卻區(qū)域，涂覆層可由任何高導(dǎo)熱材料構(gòu)成。用于涂覆層的材料可以是合成金剛石。

可通過標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體技術(shù)方法生產(chǎn)圖3和3A所示的STEC區(qū)域200。因此，并未對制造不同的子域030、032、036、420的方法的描述。

然而，如果移位和縫合熱電冷卻元件是部分移位和縫合，分層生產(chǎn)相應(yīng)的第一和第二主區(qū)域以及第一和第二區(qū)域030、032和橋接元件是很有利的。每層要盡可能薄，以確保不同區(qū)域的邊緣平滑。

集成電路裝置的實(shí)施例的平面圖。集成電路裝置示意地包括基板110和一個熱電冷卻(STEC)裝置120，熱電冷卻(STEC)裝置120嵌入在基板內(nèi)?；?10可以是半導(dǎo)體基板。例如基板110可由硅構(gòu)成。然而，集成電路裝置不限于由硅構(gòu)成的基板110。

盡管示出了僅僅一個STEC裝置120，更多數(shù)量的STEC裝置120可嵌入在基板110內(nèi)，創(chuàng)新技術(shù)尤其適用于將高密度的STEC裝置120設(shè)置在同一基板110內(nèi)。

集成電路裝置的STEC裝置120至少部分地涂覆(cover)有絕緣材料。并且至少一個STEC裝置120可嵌入在基板110的至少一部分內(nèi)，基板110由至少兩層不同的材料構(gòu)成。例如，第一層材料被第二層材料覆蓋。第二層材料可以是絕緣材料。

STEC裝置120包括第一導(dǎo)電類型的第一主區(qū)域140和多個柵極區(qū)160。STEC裝置120的柵極區(qū)160與第一主區(qū)域140電連接。例如，至少一個柵極區(qū)160可直接接觸第一主區(qū)域140的接口。然而，集成電路裝置不限于STEC裝置120這樣的實(shí)施例。柵極區(qū)160還可通過至少一個導(dǎo)電通道(未示出)與第一主區(qū)域140電連接。至少一個柵極區(qū)160由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，其可由相應(yīng)的觸發(fā)信號觸發(fā)。因此，至少一個柵極區(qū)160也叫做STEC柵極。

STEC裝置120還包括多個第二導(dǎo)電類型的第二主區(qū)域180，其與第一導(dǎo)電類型不同。如果第一主區(qū)域140是n-型，第二主區(qū)域180是p-型。

相應(yīng)地，具有p-型的第一主區(qū)域140的STEC裝置120包括至少一個n-型的第二主區(qū)域180。第一主區(qū)域140比至少一個第二主區(qū)域180和/或至少一個柵極區(qū)160具有更高的電流容量。

第一和第二主區(qū)域140、180設(shè)計(jì)為STEC裝置120的源極/漏極區(qū)。因此，可通過第一主區(qū)域140和至少一個第二主區(qū)域180來施加電壓。由此，可以將STEC裝置120表述為至少一個晶體管，該晶體管具有設(shè)計(jì)為源極/漏極區(qū)的主區(qū)域140、180，并具有至少一個用于控制電流流量的柵極區(qū)160。如果將第一主區(qū)域140(優(yōu)選為p-型)設(shè)計(jì)為源極區(qū)，則將第二主區(qū)域180(優(yōu)選為n-型)設(shè)計(jì)為漏極區(qū)。相應(yīng)地，STEC裝置120包括設(shè)計(jì)為漏極區(qū)的第一主區(qū)域140(優(yōu)選為p-型)和設(shè)計(jì)為源極區(qū)的第二主區(qū)域180(優(yōu)選為n-型)。

至少一個熱電冷卻(TEC)區(qū)域200設(shè)置在第一主區(qū)域140和STEC裝置12的至少一個第二主區(qū)域180之間。STEC區(qū)域200包括至少一個移位和縫合熱電冷卻元件50。STEC區(qū)域200還與相鄰的柵極區(qū)160電接觸。

因此，通過每個STEC區(qū)域200的電流由相應(yīng)的柵極區(qū)160控制。該電流為例如從第一主區(qū)域140通過至少一個柵極區(qū)160并通過至少一個相鄰的STEC區(qū)域200到至少一個第二主區(qū)域180的電流。如圖3所示，STEC區(qū)域200將相鄰的柵極區(qū)160連接到第二主區(qū)域180。然而，STEC裝置120不限于至少一個STEC區(qū)域200的設(shè)置。至少一個STEC區(qū)域200還可將相鄰的柵極區(qū)160連接到第一主區(qū)域140，其中，至少一個第二主區(qū)域180直接與柵極區(qū)160接觸。

在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，第一主區(qū)域140被多個徑向延伸的區(qū)域圍繞，其中，每個區(qū)域包括一個柵極區(qū)160，一個第二主區(qū)域180和一個STEC區(qū)域200。例如，在平面圖中，STEC裝置120可以是星狀結(jié)構(gòu)(見圖3)。STEC裝置120可以是-或多或少是-橢圓或圓形的設(shè)計(jì)。STEC裝置120的該種設(shè)計(jì)允許時間、地點(diǎn)和溫度的差異，并且因此而適用于敏感的冷卻系統(tǒng)。由于流過每個徑向延伸的區(qū)域的電流由其柵極區(qū)160所控制，可能會產(chǎn)生穿過該STEC裝置120的第一STEC區(qū)域200的第一熱通路，其中，與此同時，同一STEC裝置120的第二STEC區(qū)域200不會產(chǎn)生第二熱通路。這樣，可以降低靠近第一STEC區(qū)域200的冷側(cè)散熱片的第一側(cè)內(nèi)的溫度，而不會(大大地)降低接觸第二STEC區(qū)域200的冷側(cè)散熱片的第二側(cè)的溫度。

如果STEC裝置120包括具有至少兩個STEC區(qū)域200的至少兩個徑向延伸的區(qū)域，這些STEC區(qū)域200的縱軸會將STEC裝置120的周圍分為至少兩個子域，這些子域中央的內(nèi)部移位和縫合

相等。此外，同一STEC裝置120的所有子域可以是二次形(quadratic shape)。然而，縱軸還可將同一STEC裝置120的周圍分為具有不同二次形(quadratic shape)的至少兩個子域。再者，同一STEC裝置120的子域在其中央可具有不同的內(nèi)部移位和縫合。

平行于基板110的主表面的STEC裝置120的尺寸可在1nm至100um的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，平行于主表面的STEC裝置120的尺寸可在200nm至160nm的范圍內(nèi)。這樣，很容易將許多不同的半導(dǎo)體裝置合并、嵌入到圖3所示的STEC裝置120中。例如，STEC裝置120可用于超大型的IC、微處理器單元，(三維)多核微處理器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)微處理器、微控制器、具有至少一個芯片的系統(tǒng)和傳感器裝置。然而，創(chuàng)新技術(shù)的性能不限于上面所列的示例。

第一主區(qū)域140可具有可允許多個柵極區(qū)160直接與其接觸的形狀。例如，第一主區(qū)域的形狀可為正方形、矩形、五邊形、六邊形、八邊形、圓柱形或橢圓形。對于至少一個柵極區(qū)160的情況，其形狀可選擇簡單的正方形或矩形。這樣，可保證第一主區(qū)域140與其至少一個柵極區(qū)160之間良好的電接觸。至少一個第二主區(qū)域180與至少一個STEC區(qū)域200的形狀也可以是正方形或矩形。這樣，在相鄰的柵極區(qū)160按要求驅(qū)動時，可以保證通過至少一個STEC區(qū)域200的電流產(chǎn)生熱通路。

平行于基板110表面的第一主區(qū)域140的尺寸可以比相應(yīng)的至少一個柵極區(qū)160的尺寸大。同時，平行于表面110a、110b的第一主區(qū)域140的尺寸可以比垂直于縱軸20a的至少一個STEC區(qū)域200的寬度大。優(yōu)選地，柵極區(qū)160的長度和/或平行于相鄰的STEC區(qū)域200的縱軸200a的第二主區(qū)域180的長度比相應(yīng)的第一主區(qū)域140的尺寸小。例如，柵極區(qū)160的長度和/或平行于相鄰的STEC區(qū)域200的縱軸200a的第二主區(qū)域180的長度可以是相應(yīng)的相鄰的第一主區(qū)域140的尺寸的100％至90％，優(yōu)選地，為200％至400％。類似地，柵極區(qū)160的寬、STEC區(qū)域200的寬度和/或垂直于縱軸200a的第二主區(qū)域180的寬度可以是相應(yīng)的相鄰的第一主區(qū)域140的尺寸的100％至90％，優(yōu)選地，為200％至400％。

第二主區(qū)域180可具有垂直于相鄰的STEC區(qū)域200的縱軸200a的寬度，相當(dāng)于相鄰的STEC區(qū)域的寬度和相接觸的柵極區(qū)160的寬度。然而，STEC裝置120并不限于這樣的實(shí)施例。

例如，至少一個第二主區(qū)域180的寬度可是相鄰的STEC區(qū)域的寬度和/或相接觸的柵極區(qū)160的寬度的至少2倍。在優(yōu)選的實(shí)施例中，集成電路裝置還包括計(jì)數(shù)器220，其包括與電源供給器260連接的時鐘信號發(fā)生器240。至少一個柵極區(qū)160通過至少一個接觸元件280，如控制信號線與計(jì)數(shù)器220相連。電源供給器260可提供DC控制信號，其為，例如，0.1V和24V之間，尤其在0.1V和1V之間。

然而，集成電路裝置不受限于控制信號的特定值。時鐘信號發(fā)生器240可通過0.0001KHz和100GHz之間的頻率觸發(fā)柵極區(qū)160。但是集成電路裝置不受限于時鐘信號發(fā)生器240的特定的時鐘頻率。

至少一個由計(jì)數(shù)器220驅(qū)動的柵極區(qū)160作為開/關(guān)轉(zhuǎn)換器的控制終端，用于控制STEC裝置120周圍的熱電冷卻的時間、位置和溫度。換言之，STEC裝置120的周圍由于場效應(yīng)可控的柵極在時間、位置和溫度上有差別，使得至少一個柵極區(qū)160由計(jì)數(shù)器220的控制信號觸發(fā)。然而，控制機(jī)構(gòu)也可以是雙極性轉(zhuǎn)換器。

STEC裝置120還包括附加區(qū)域，其可設(shè)置在第一主區(qū)域140和至少一個柵極區(qū)160之間、在至少一個柵極區(qū)160和其相鄰的STEC區(qū)域和/或至少一個STEC區(qū)域200和其相鄰的第二主區(qū)域180之間。例如，該附加區(qū)域可以是空白(clean)區(qū)域。

在第二實(shí)施例中，第一主區(qū)域的形狀為八角形，這樣，其具有組合在一起的八個熱電冷卻裝置，這些熱電冷卻裝置從八角形的第一主區(qū)域的一側(cè)，星形并且直線地向外延伸。

移位和縫合熱電冷卻元件的結(jié)構(gòu)的兩個進(jìn)一步的實(shí)施例。

在圖2A所示的實(shí)施例中，移位和縫合熱電冷卻元件包括不同導(dǎo)電類型的第一子域030和第二子域032，其相互間隔開。兩個子域030、032通過橋接元件036相互連接。

在圖2A所示的實(shí)施例中，第一和第二子域是立方體的，如矩形的或圓柱形的(未示出)。這是第一和第二子域030、032的常用且有利的結(jié)構(gòu)。

移位和縫合熱電冷卻元件的非常優(yōu)選的實(shí)施例。此處，第一和第二子域是圓形的、橢圓的或類似橢圓形的。第一和第二子域是三維橢球體。第一和第二子域可具有旋轉(zhuǎn)的球體或橢球的結(jié)構(gòu)。第一和第二子域根據(jù)應(yīng)用的半導(dǎo)體技術(shù)，可是加長(扁長)或扁平(扁圓)的球體。如果橢圓繞主軸旋轉(zhuǎn)，結(jié)果即是扁長(加長)的球體，像英式橄欖球或美國足球一樣。如果橢圓繞短軸旋轉(zhuǎn)，結(jié)果即是扁圓(扁平)的球體，像扁豆一樣。如果產(chǎn)生的橢圓是圓形，結(jié)果即是球體。第一和第二區(qū)域030、032也還可是圓柱體，其包括兩個半球，兩個半球連接到圓柱體兩側(cè)的平面上。圓柱體還可以是橢圓形圓柱體、拋物線形圓柱體或雙曲線形的圓柱體。

如圖2E所示的形狀的好處在于，不論第一和第二區(qū)域030、032的形狀是加長的或扁平的，其具有或多或少的對應(yīng)于橋接元件36的小型的接觸區(qū)域。

這種熱電效果非常有益的：

當(dāng)電流通過接口380、400、440和460，進(jìn)而通過串聯(lián)設(shè)置的移位和縫合熱電冷卻元件500。圖2、2A所示的STEC區(qū)域200提供了基本在垂直于縱軸200a的方向(即表面110a、110b的方向)的熱通路。因此，提供了一種熱電冷卻結(jié)構(gòu)，其具有很高的熱電冷卻容量。

在圖2B、2C、2D、2E所示的實(shí)施例中，移位和縫合熱電冷卻元件500、500'的第一和第二區(qū)域030,032的移位和縫合d和移位和縫合部分，這樣，其具有垂直的方向或水平的方向。在這里，在第一和第二區(qū)域030,032的方向與水平面之間存在移位和縫合虛擬角α。

水平面由第一和第二表面110a、110b以及橋接元件036、42的方向限定。優(yōu)選地，移位和縫合虛擬角α在30°和75°之間。然而，本發(fā)明的另一個發(fā)現(xiàn)是，當(dāng)移位和縫合虛擬角α在30°和40°之間的范圍內(nèi)時，尤其是當(dāng)移位和縫合虛擬角α精確地是35°時，可實(shí)現(xiàn)最好的導(dǎo)熱性能。

下文中，參照圖2C-2D，描述移位和縫合熱電冷卻元件500的進(jìn)一步的實(shí)施例。

在圖2B、2C、2D、2E所示的實(shí)施例中，移位和縫合熱電冷卻元件或多或少與水平方向?qū)?zhǔn)，即移位和縫合熱電冷卻元件500設(shè)置為與第一和第二表面110a、110b平行。然而，這不是必須的。

移位和縫合熱電冷卻元件500的方向由橋接元件的方向限定。

另一種移位和縫合熱電冷卻元件500的實(shí)施例。在這里，移位和縫合熱電冷卻元件500的方向與第一和第二表面110a、110b的方向不同，即，移位和縫合熱電冷卻元件以移位和縫合部分的方式設(shè)置在半導(dǎo)體基板內(nèi)。因此，在移位和縫合熱電冷卻元件500的方向與水平方向之間存在移位和縫合虛擬角αl，水平方向由第一和第二表面110a、110b限定。

通過設(shè)定這些集成移位和縫合熱電冷卻元件500的移位和縫合部分，可將STEC區(qū)域200設(shè)置在半導(dǎo)體基板內(nèi)，半導(dǎo)體基板不僅僅與一個方向?qū)?zhǔn)，即水平方向，其還至少部分地與垂直方向?qū)?zhǔn)。如圖2D的實(shí)施例所示，其中多個移位和縫合熱電冷卻元件500的移位和縫合部分串聯(lián)(與圖2C所示類似)，其中，移位和縫合熱電冷卻元件500的移位和縫合部分的串聯(lián)以移位和縫合虛擬角的方式設(shè)置，限定移位和縫合虛擬角1。

圖2E示出了移位和縫合熱電冷卻元件的非常優(yōu)選的實(shí)施例。在這里，第一和第二區(qū)域030、032由相互連通的立方體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，所述立方體結(jié)構(gòu)具有類移位和縫合部分的剖視圖，因此形成了菱形(rhombus)?；A(chǔ)移位和縫合虛擬角α設(shè)置在橋元件036反方向一側(cè)。

移位和縫合熱電冷卻元件的進(jìn)一步的實(shí)施例。在這里，第一和第二區(qū)域30、32具有多部分結(jié)構(gòu)。每個第一和第二區(qū)域包括多個部分，本發(fā)明中為4部分。每個相應(yīng)的區(qū)域的不同部分相互間設(shè)置為移位要素，使得相應(yīng)的第一和第二區(qū)域030、032類階梯形結(jié)構(gòu)。不同部分可相互替換，設(shè)置其使得移位和縫合部分2由類階梯形結(jié)構(gòu)的斜度限定，其中多部分結(jié)構(gòu)包括一部分和第二部分，第一部分具有第一移位和縫合部分，所述第二部分與第一部分相連，所述第二部分具有第二移位和縫合部分，其中，第一部分與橋接元件直接接觸，其中，第一移位和縫合部分區(qū)域小于、等于或大于第二移位和縫合部分，其中，多部分結(jié)構(gòu)包括第三部分和第四部分，第三部分具有第三移位和縫合部分，第四部分與第三部分相連，其具有第四移位和縫合部分，其中，第三部分與橋接元件直接接觸，其中第三移位和縫合部分區(qū)域小于、等于或大于第四移位和縫合部分，其中，第一移位和縫合部分(080)的長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第一部分長度的1/99和47/500，尤其是，在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第一部分長度的1/4和1/3，或者，特別地，在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第一部分長度的1/5和1/4，和/或第二移位和縫合部分(080)的長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第二部分長度的1/99和47/500，尤其是，在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第而部分長度的1/4和1/3，或者，特別地，在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第二部分長度的1/5和1/4，和/或第三移位和縫合部分(080)的長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第三部分長度的1/99和47/500，尤其是，在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第三部分長度的1/4和1/3，或者，特別地，在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第三部分長度的1/5和1/4，和/或第四移位和縫合部分(080)的長度在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第四部分長度的1/99和47/500，尤其是，在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第四部分長度的1/4和1/3，或者，特別地，在第一子域(030)的長度范圍內(nèi)，是第四部分長度的1/5和1/4。

投射的俯視圖或平面圖解釋說明了本發(fā)明所述的單元結(jié)構(gòu)的第三實(shí)施例。STEC裝置的指狀結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域520，其包括熱電冷卻區(qū)域200。還可設(shè)置有其他半導(dǎo)體裝置，例如，傳感器540，整流元件，轉(zhuǎn)換元件56，控制元件，可編程裝置580，存儲裝置，激光二極管(laserdiode)600或其他類似裝置。這可以在這些部分中設(shè)置一部分上述裝置。

基于單元的集成電路的實(shí)施例。該基于單元的集成電路的附圖標(biāo)記為100。基于單元的集成電路包括多個不同的單元110、112，其設(shè)置為陣列。一些單元110包括本發(fā)明所述的單元結(jié)構(gòu)，即單元結(jié)構(gòu)100，其包括熱電冷卻裝置。其他的集成電路100的單元112可以包括其他裝置，例如存儲裝置、控制裝置，如微處理器和類似裝置。進(jìn)一步地，設(shè)置有至少一個控制裝置120。所述控制裝置120與單元結(jié)構(gòu)100(圖2未示出)的各個柵極區(qū)相連，以通過使用相應(yīng)的觸發(fā)控制信號獨(dú)立地控制分別在單元結(jié)構(gòu)100內(nèi)的各個裝置的運(yùn)行。

下文簡要地描述本發(fā)明所述的單元結(jié)構(gòu)的幾個其他的實(shí)施例：

在實(shí)施例中，第一主區(qū)域160為圓形，并且熱電冷卻區(qū)域200裝置以星形的方式向外延伸。第一主區(qū)域也可以是卵形或橢圓形。該設(shè)置對于熱電冷卻區(qū)域200與第一主區(qū)域140的電連接是有益的。

在實(shí)施例中，第一主區(qū)域是二次形(quadratic shape)。這種情況下，所有的四個熱電冷卻裝置可設(shè)置在一起。

然而，在實(shí)施例中，第一主區(qū)域140的每側(cè)中的兩個，仍以星形的方式延伸。

在所有在先的實(shí)施例中，熱電冷卻裝置直線或線性設(shè)置。在一些實(shí)施例中是有利的。然而，這不是必須的。在實(shí)施例中，熱電冷卻區(qū)域?yàn)轭惵菪?。這里，熱電冷卻區(qū)域首先或多或少線性地向外延伸，然后示出螺旋結(jié)構(gòu)，使得以最佳的方式使用半導(dǎo)體所提供的區(qū)域。STEC區(qū)域200的螺旋形結(jié)構(gòu)可以是向內(nèi)螺旋也可以是向外螺旋。

然而，即使這樣，熱電冷卻區(qū)域還可以具有類彎曲結(jié)構(gòu)。

在圖2G中，熱電冷卻區(qū)域包括類螺旋形，然而，該螺旋的整體形狀是矩形或二維的?；蚨嗷蛏俚?，熱電冷卻區(qū)域的類鋸齒形(zig-zag)結(jié)構(gòu)。

所有上述的圖2A-2H中的實(shí)施例都是常見的，熱電冷卻區(qū)域200具有第一部分是有利的，在第一部分中，熱電冷卻區(qū)域直接與第一主區(qū)域140耦合，熱電冷卻區(qū)域或多或少線性延伸，以提供其到第一主區(qū)域的距離。在設(shè)置第一部分后，然后熱電冷卻區(qū)域200以上述類彎曲、類螺旋、類鋸齒形(zig-zag)或任何其他矩形或非矩形的方式交叉(criss-cross)。

在同一熱電冷卻區(qū)域內(nèi)的相鄰的移位和縫合熱電冷卻元件之間的距離是相等的。在實(shí)施例中，大多數(shù)同一熱電冷卻區(qū)域內(nèi)的移位和縫合熱電冷卻元件具有相同的距離。然而，為了形成緊密堆積結(jié)構(gòu)和類鋸齒形(zig-zag)結(jié)構(gòu)、類彎曲形狀或類螺旋形狀，一些相鄰設(shè)置的移位和縫合熱電冷卻元件具有更大的距離。

在一些實(shí)施例中，在同一熱電冷卻區(qū)域200內(nèi)的相鄰的移位和縫合熱電冷卻元件500相互間具有相同的距離，如圖2E中的實(shí)施例所示。如果，例如，熱電冷卻區(qū)域200為類彎曲形狀、類螺旋形狀或任何其他緊密堆積裝置，提供熱電冷卻區(qū)域的緊密結(jié)構(gòu)是特別合適的。

圖2C和2D示出了熱電冷卻區(qū)域200的其他實(shí)施例。在這里，不同于在先的實(shí)施例，同一熱電冷卻區(qū)域200內(nèi)的相鄰的移位和縫合熱電冷卻元件500之間的距離是不同的。在提供單元結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱電冷卻區(qū)域的緊密結(jié)構(gòu)是特別有利的，例如類彎曲形狀、類螺旋形狀或任何其他熱電冷卻區(qū)域的緊密堆積結(jié)構(gòu)。

集成冷卻陣列的第二實(shí)施例。該集成冷卻陣列包括共計(jì)7個本發(fā)明所述的集成單元結(jié)構(gòu)100。其中，集成單元結(jié)構(gòu)對應(yīng)于圖2D的實(shí)施例。

STEC裝置的進(jìn)一步的實(shí)施例的剖視圖。其中，熱電冷卻裝置包括多個移位和縫合熱電冷卻元件500。每個熱電冷卻區(qū)域200通過相應(yīng)的柵極區(qū)連接到第一主區(qū)域。該進(jìn)一步實(shí)施例的基本原則是，每個不同的熱電冷卻區(qū)域200相對于半導(dǎo)體基板110的方向具有不同的移位和縫合部分。這提供了熱電冷卻區(qū)域200的星形構(gòu)造和結(jié)構(gòu)。熱電冷卻區(qū)域200或多或少從第一主區(qū)域向外延伸。

然而，圖2僅示出了熱電冷卻裝置二維投影的剖視圖，不言而喻，多個STEC區(qū)域200也可以在三維空間中延伸。

由于熱電冷卻裝置不僅能使熱量從熱源分散至散熱片，還有其他的作用，因此，該實(shí)施例是熱電冷卻裝置的一種非常智能的應(yīng)用。

在第一應(yīng)用中，可以將該種熱電冷卻裝置用作熱傳感器。由于每個不同的移位和縫合熱電冷卻區(qū)域(或其中的移位和縫合熱電冷卻元件)在施加給定溫度時的反應(yīng)不同，因此這是可以實(shí)現(xiàn)的?？梢杂^察到，熱電冷卻裝置觸發(fā)不同熱電冷卻區(qū)域的相應(yīng)的柵極區(qū)。然后，測量的電流是溫度和相應(yīng)的熱電冷卻區(qū)域200的移位和縫合部分的函數(shù)。這是一種非常智能的溫度傳感器。

同樣地，還可以用該種熱電冷卻裝置來對數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼。根據(jù)本實(shí)施例，通過適當(dāng)?shù)赜|發(fā)不同的移位和縫合熱電冷卻區(qū)域200，例如，改變溫度、觸發(fā)電流、移位和縫合部分及其他來實(shí)現(xiàn)編碼數(shù)據(jù)。結(jié)果是，數(shù)據(jù)可通過改變溫度、移位和縫合部分、觸發(fā)電流進(jìn)行編碼。圖3為了溫度-時間示意圖，其示出了本發(fā)明所述的熱電冷卻裝置的運(yùn)行方式。根據(jù)已知的熱電冷卻裝置，使用移位和縫合熱電冷卻元件(虛線所示)，溫度首先冷卻到角點(diǎn)A，通過已知的熱電冷卻裝置，該角點(diǎn)構(gòu)成了最低的實(shí)現(xiàn)的溫度。在該角點(diǎn)之后，溫度會稍微上升到中間角點(diǎn)B。

后來，溫度T再次稍微下降。

根據(jù)本發(fā)明所述的熱電冷卻裝置，曲線(加粗線)平穩(wěn)下降，其沒有角點(diǎn)，到達(dá)較低的臨界值C。該臨界值C大大低于所述角點(diǎn)A。

熱電冷卻區(qū)域的兩部分的剖視圖。其中兩個熱電冷卻裝置120、120'堆疊在半導(dǎo)體基板110內(nèi)，在垂直方向上，一個在另一個上面。

在堆疊的相鄰設(shè)置的熱電冷卻裝置之間，設(shè)置有界層130。界層限定了兩個相鄰設(shè)置的熱電冷卻裝置120、120'之間的距離D。在優(yōu)選的實(shí)施例中，距離D至少是5nm，最優(yōu)選地，在5nm和120nm之間。通常地但不是必須地，距離D隨著半導(dǎo)體基板110內(nèi)熱電冷卻裝置120、120'的堆疊層的數(shù)量的增加而增大。

界層130由至少部分絕緣材料構(gòu)成，優(yōu)選完全由絕緣材料構(gòu)成，目的是為了電分離相鄰設(shè)置的熱電冷卻裝置120、120'，并使得熱電冷卻裝置120、120'緊密堆積?？偟膩碚f，這可以確保整個裝置具有非常高的效率和良好的冷卻容量。

在優(yōu)選的實(shí)施例中，設(shè)置有至少一個連接裝置140。連接裝置140設(shè)置在至少兩個熱電冷卻裝置120之間，優(yōu)選地在兩個堆疊和/或相鄰設(shè)置的熱電冷卻裝置120、120'之間。連接裝置140由高導(dǎo)熱和電絕緣材料構(gòu)成，目的是為了使兩個熱電冷卻裝置120之間熱連接，并且進(jìn)一步保證兩個熱電冷卻裝置120相互電絕緣。

下文中，我們想描述本發(fā)明所述的熱電冷卻裝置120的一些典型的、但不是必須的性能：

熱導(dǎo)率：必須高；

電導(dǎo)率：必須高；

電阻率：必須低；

晶體密度(Crystal density)：必須低，以增加在晶體中的聲速，進(jìn)而增加導(dǎo)熱率；

賽貝克系數(shù)：必須高，以避免或減少因電子和空穴傳輸造成的混合傳導(dǎo)；

導(dǎo)熱系數(shù)：必須盡可能低，以減少接口效應(yīng)及進(jìn)一步的問題。然而，本發(fā)明的實(shí)施例和應(yīng)用已在上面示出并描述，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，在不脫離本文所描述的發(fā)明構(gòu)思的情況下，可以進(jìn)行更多的修改(在上述基礎(chǔ)上)。因此，除了在所附權(quán)利要求的精神之外，本發(fā)明不受限制。

因此，前面的詳細(xì)描述被認(rèn)為是說明性的而不是限制性的，并且應(yīng)當(dāng)理解，以下權(quán)利要求包括這些權(quán)利要求中描述的所有等同物，其意在限定本發(fā)明的精神和范圍，在前述描述中任何內(nèi)容均不旨在排除所要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍或其任何等同物。

在本文中，諸如第一和第二，頂部和底部和類似的關(guān)系術(shù)語可以僅用于將一個實(shí)體或動作與另一個實(shí)體或動作區(qū)分開，而不必要求或暗示這些實(shí)體或動作之間的任何實(shí)際關(guān)系或順序。此外，術(shù)語“包括/包含”、“具有/有”、“包含/包括”、“包含/含有”或其任何其變體，意在涵蓋非排他性包括，使得該過程、方法、物品、裝置，不僅包括那些元件/步驟，而是可以包括其他未列出的、或這些過程、方法、物品或裝置所固有的元件/步驟。此外，除非另有說明，否則術(shù)語“a/an”定義為一個或多個。

附圖標(biāo)記：

100 單元結(jié)構(gòu)

110 基板

110a 基板頂部表面

110b 基板底部表面

120、120' STEC裝置

140 第一主區(qū)域

160 柵極區(qū)

180 第二主區(qū)域

200 熱電冷卻區(qū)域、STEC區(qū)域

200a STEC區(qū)域縱軸

210 二極管

220 計(jì)數(shù)器

240 時鐘信號發(fā)生器

260 電源供給器

280 控制信號線

030 第一子域

032 第二子域

340 界層

036 橋接元件

380 第一接口

400 第二接口

410 粘結(jié)層

420 第二接觸子域

440 第三接口

460 第四接口

470 溫度敏感觸發(fā)導(dǎo)電基板

480 指狀結(jié)構(gòu)

490 導(dǎo)電基板

500、500' 移位和縫合熱電冷卻元件

520 區(qū)域

540 傳感器

560 轉(zhuǎn)換元件

580 可編程裝置

600 激光二極管(laser diode)

700 第一移位和縫合部分

710 第二移位和縫合部分

720 第三移位和縫合部分

730 第四移位和縫合部分

750 薄膜厚度

1000 基于單元的集成電路

1100 單元,單元包括單元結(jié)構(gòu)

1120 其他單元

1200 控制裝置

1030 界層

1400 連接裝置

A 角點(diǎn)

B 角點(diǎn)

C 臨界值

D 距離

T 溫度

t 時間

S1-S4 觸發(fā)控制信號