面向片上集成的纳米热电结构及其制冷器件研究

通过采用与CMOS工艺兼容的标准半导体工艺技术，如干法刻蚀，电子束曝光，阳极氧化铝模板，侧墙工艺，制备高热电优值系数的低维硅基纳米热电结构如纳米线、纳米柱，研究其热电物理特性，并研制用于片上集成的热电制冷原型器件。本项目的主要研究内容有高优值系数硅基纳米热电结构的制备技术，纳米热电结构的物性研究，基于纳米热电结构的芯片制冷原型器件研究。本项目的创新性在于研究面向片上集成的纳米热电制冷结构及其器件，涉及到工艺兼容性，纳米热电结构在面向片上集成方面的具体器件研制等关键科学问题。以往的研究多集中于材料探索方面，器件研制方面的研究并不多见。本项目的实施不仅可以探索与CMOS工艺兼容的硅基纳米热电结构的制备技术，材料物性，而且对其在片上集成方面的应用也将有一定的促进作用。

热电材料是一种能够实现热能和电能相互转换的功能材料。与传统的发电机或者制冷器相比，热电器件具有无噪声、无污染、使用寿命长等优点。本项目开展了基于硅纳米结构的热电器件的研究。通过采用与CMOS兼容的标准半导体工艺技术，如干法刻蚀，电子束曝光，湿法腐蚀等，制备了低维硅基纳米热电结构，如纳米线、纳米柱，研究了其热电物理特性，并初步开发了面向片上集成的热电制冷原型器件。项目的具体研究内容包括两种结构的硅基纳米热电器件的制备技术及其热电物理特性的表征。这两种结构分别是水平结构和垂直结构，采用水平结构可以具体分析单根硅纳米线的热电特性，研究其热电机理；垂直结构便于与芯片集成，在实际应用中有重要作用。在水平结构热电器件制备方面，我们重点研究了以下内容：用金属辅助化学腐蚀方法制备硅纳米线，用电泳的方法定点排布硅纳米线，采用扩散的方式在硅片表面形成浓硼层，TMAH腐蚀硅使器件悬空，器件悬空后的光刻工艺。在垂直结构热电器件制备方面，我们主要解决了以下几个工艺难点：通过电子束曝光和干法刻蚀制备硅纳米线阵列，通过蒸发Ge的方式形成Si/Ge核壳结构，用SOG填充硅纳米线阵列，在不平的表面制备加热电极和测试电极。除研究制备工艺外，我们还表征了硅纳米线的尺寸和表面形貌，研究了表面形貌对纳米线和金属接触的影响，测试了纳米线和加热电极的电阻，硅纳米线的塞贝克电压。通过项目的实施，获得了硅纳米线制备关键工艺窗口，并表征分析了其电学特性，在平面器件与垂直器件制备、优化以及分析测试方面取得了一系列有意义的结果。本项目的实施探索了与CMOS兼容的硅基纳米热电结构的制备技术，材料物性，对推进其在芯片及系统方面的应用奠定了良好的基础。