ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2014 года по МПК H01L27/16 

Область применения

Настоящее изобретение относится к электронным устройствам и устройствам преобразования тепловой энергии и, в частности, к электронным устройствам и устройствам преобразования тепловой энергии, имеющим термоэлектрический преобразователь.

Уровень техники

Термоэлектрический преобразователь используется для преобразования тепловой энергии в электрическую на основе эффекта Зеебека. Нерассмотренная патентная заявка, Япония, публикация №2000-244023 раскрывает термоэлектрический преобразователь на эффекте Зеебека в полупроводнике.

Раскрытие

Техническая задача

Существует потребность в электронном приборе, объединяющем термоэлектрический преобразователь и, по крайней мере, фотоэлектрический преобразователь или транзистор или диод. Однако из-за трудности создания монолитной интегральной схемы, включающей в себя термоэлектрический преобразователь и, по крайней мере, фотоэлектрический преобразователь или транзистор или диод, в настоящее время эту задачу решают методами гибридной интегральной технологии.

В случае, когда устройство термоэлектрического преобразования содержит термоэлектрические элементы p-типа и n-типа, включающие в себя соответственно полупроводниковые слои p-типа и n-типа, обеспечивающие термоэлектрическое преобразование, возможны взаимные помехи между термоэлектрическими преобразователями p-типа и n-типа.

Соответственно, настоящее изобретение учитывает эту проблему и его целью является создание электронного устройства, позволяющего использовать технологию монолитных интегральных схем для объединения термоэлектрического преобразователя, по крайней мере, с фотоэлектрическим преобразователем или с транзистором или диодом для предотвращения взаимных помех термоэлектрических преобразователей p-типа и n-типа.

Техническое решение

Настоящее изобретение предусматривает электронное устройство, содержащее термоэлектрический преобразователь, включающий в себя полупроводниковый слой, выполняющий термоэлектрическое преобразование, и по меньшей мере фотоэлектрический преобразователь, в котором, по меньшей мере, часть полупроводникового слоя выполняет фотоэлектрическое преобразование или транзистор или диод, имеющий, по меньшей мере, часть полупроводникового слоя, используемого в качестве рабочего слоя. В соответствии с настоящим изобретением обеспечена возможность объединения в монолитной интегральной схеме термоэлектрического преобразователя и, по меньшей мере, фотоэлектрического преобразователя или транзистора или диода.

Настоящее изобретение предусматривает электронное устройство, содержащее термоэлектрический преобразователь, включающий в себя полупроводниковый слой, выполняющий термоэлектрическое преобразование на основе эффекта Зеебека, и, по крайней мере, фотоэлектрический преобразователь, в котором, по меньшей мере, часть полупроводникового слоя выполняет фотоэлектрическое преобразование, или транзистор или диод, имеющий полупроводниковый слой, по меньшей мере, частично используемый в качестве рабочего слоя, причем полупроводниковый слой имеет ширину запрещенной зоны, соответствующую УФ излучению, термоэлектрический преобразователь имеет ИК поглощающую часть, абсорбирующую ИК излучение, и преобразующее его в тепло, и, по крайней мере, часть полупроводникового слоя фотоэлектрического преобразователя УФ излучения обеспечивает фотоэлектрическое преобразование УФ излучения. В соответствии с этой конструкцией возможно объединение в монолитной интегральной схеме фотоэлектрического преобразователя, обнаруживающего УФ излучение, и термоэлектрического преобразователя, обнаруживающего ИК излучение.

Настоящее изобретение предусматривает электронное устройство, содержащее термоэлектрический преобразователь, включающий в себя полупроводниковый слой, выполняющий термоэлектрическое преобразование на основе эффекта Зеебека, и, по меньшей мере, фотоэлектрический преобразователь, в котором, по крайней мере, часть полупроводникового слоя выполняет фотоэлектрическое преобразование, или транзистор или диод, имеющий, по меньшей мере, часть полупроводникового слоя используемого в качестве рабочего слоя, причем полупроводниковый слой имеет ширину запрещенной зоны, соответствующую ИК излучению, термоэлектрический преобразователь имеет поглощающую часть, абсорбирующую ИК излучение, и преобразует его в тепло и, по меньшей мере, часть полупроводникового слоя фотоэлектрического преобразователя выполняет фотоэлектрическое преобразование ИК излучения. В соответствии с этой конструкцией возможно объединение в монолитной интегральной схеме термоэлектрического преобразователя, обнаруживающего ИК излучение в широком диапазоне, и фотоэлектрического преобразователя, обнаруживающего ИК излучение, соответствующее энергии запрещенной зоны полупроводникового слоя.

В рассмотренной выше конструкции полупроводниковый слой содержит полупроводниковые слои p-типа и n-типа, расположенные один над другим, и термоэлектрический преобразователь включает в себя термоэлектрические элементы p-типа и n-типа, при этом полупроводниковые слои p-типа и n-типа этих элементов обеспечивают термоэлектрическое преобразование. В соответствии с этой конструкцией достигается высокая чувствительность термоэлектрического преобразования.

Настоящее изобретение предусматривает электронное устройство, содержащее термоэлектрический преобразователь, содержащий полупроводниковый слой, выполняющий термоэлектрическое преобразование на основе эффекта Зеебека и, по крайней мере, фотоэлектрический преобразователь, в котором, по крайней мере, часть полупроводникового слоя выполняет фотоэлектрическое преобразование, или транзистор или диод, имеющий, по крайней мере, часть полупроводникового слоя, используемого в качестве рабочего слоя, причем полупроводниковый слой содержит полупроводниковые слои p-типа и n-типа, расположенные один над другим, термоэлектрический преобразователь содержит термоэлектрические элементы p-типа и n-типа, причем полупроводниковые слои p-типа и n-типа этих элементов осуществляют термоэлектрическое преобразование, и фотоэлектрическим преобразователем является фотодиод, использующий полупроводниковый слой p-типа и полупроводниковый слой n-типа. В соответствии с этой конструкцией существенно упрощается реализация монолитной интегральной схемы, объединяющей термоэлектрический и фотоэлектрический преобразователи.

В описанной выше конструкции имеется возможность выполнения изолирующей части между термоэлектрическими преобразователями p-типа и n-типа, обеспечивающей электрическую изоляцию полупроводниковых слоев p-типа и n-типа. Эта конструкция позволяет предотвратить возникновение взаимных помех между полупроводниковыми слоями p-типа и n-типа.

В рассмотренной выше конструкции омический электрод, сформированный на полупроводниковом слое и расположенный наверху между полупроводниковыми слоями p-типа и n-типа, является нелегированным омическим электродом, а омический электрод на полупроводниковом слое, расположенный снизу между полупроводниковыми слоями p-типа n-типа, является легированным электродом. Эта конструкция позволяет предотвратить электрическое соединение между указанными омическим электродами.

В рассмотренной выше конструкции возможна модулированная легированная структура полупроводникового слоя. Эта конструкция позволяет получить термоэлектрический преобразователь с желаемыми чувствительностью и обнаружительной способностью.

В рассмотренной выше конструкции возможна реализация большого числа термоэлектрических и фотоэлектрических преобразователей так, что они образуют матрицу, и предусмотрена часть для выбора, обеспечивающая выбор, по крайней мере, одного из множества термоэлектрических и фотоэлектрических преобразователей, которая может содержать транзистор.

Настоящее изобретение предусматривает термоэлектрическое устройство, содержащее полупроводниковый слой, включающий в себя полупроводниковые слои p-типа и n-типа, размещенные один над другим, первый термоэлектрический преобразователь, включающий в себя первый термоэлектрический элемент n-типа с полупроводниковым слоем n-типа, осуществляющим термоэлектрическое преобразование, и первый термоэлектрический элемент p-типа с полупроводниковым слоем p-типа, осуществляющим термоэлектрическое преобразование, второй термоэлектрический преобразователь, включающий в себя второй термоэлектрический элемент n-типа с полупроводниковым слоем n-типа, осуществляющим термоэлектрическое преобразование, и второй термоэлектрический элемент p-типа с полупроводниковым слоем p-типа, осуществляющим термоэлектрическое преобразование, первую балку, включающую в себя первый термоэлектрический элемент n-типа и второй термоэлектрический преобразователь p-типа, вторую балку, включающую в себя первый термоэлектрический элемент p-типа и второй термоэлектрический элемент n-типа, и центральную область, соединенную с первой и второй балкой, содержащую первую изолирующую часть для электрической изоляции, по крайней мере, одного из полупроводниковых слоев p-типа или n-типа между первым и вторым термоэлектрическими элементами, причем первый и второй термоэлектрические элементы соединены последовательно так, что соединены первый термоэлектрический элемент n-типа и второй термоэлектрический элемент p-типа. В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается возможность предотвращения электрических помех между первым и вторым термоэлектрическими преобразователями.

В рассмотренной выше конструкции возможно наличие второй изолирующей части на первой балке для электрической изоляции первого термоэлектрического элемента n-типа и второго термоэлектрического элемента p-типа и третьей изолирующей части на второй балке для электрической изоляции первого термоэлектрического элемента p-типа и второго термоэлектрического элемента n-типа. Эта конструкция обеспечивает дополнительные возможности предотвращения электрических помех между первым и вторым термоэлектрическими преобразователями.

Получаемые преимущества

В соответствии с настоящим изобретением обеспечивается возможность реализации термоэлектрического преобразователя и, по меньшей мере, фотоэлектрического преобразователя или транзистора или диода в виде монолитной интегральной схемы.

Описание чертежей

на фиг.1 показан поперечный разрез электронного устройства в соответствии с первым вариантом реализации изобретения;

на фиг.2(а)-2(d) показаны поперечные разрезы, поясняющие процесс изготовления термоэлектрического преобразователя 100;

на фиг.3 показан поперечный разрез модификации первого варианта реализации изобретения;

на фиг.4 показан поперечный разрез термоэлектрического преобразователя в соответствии со вторым вариантом реализации изобретения;

на фиг.5 показан вид сверху термоэлектрического преобразователя;

на фигурах 6(а) и 6b) показаны виды сверху модификаций второго варианта реализации изобретения;

на фигурах 7(а)-7(с) показаны виды сверху других модификаций второго варианта реализации изобретения;

на фиг.8(а) показан график чувствительности R термоэлектрического преобразователя на основе AIGaN/GaN в зависимости от L и W, а на фиг.9(b) - графики обнаружительной способности D и времени реакции τ в зависимости от L и W;

на фиг.9(а) показана чувствительность R термоэлектрического преобразователя на основе MgZnO/ZnO в зависимости от L и W, а на фиг.10(b) - графики обнаружительной способности D и времени реакции τ в зависимости от L и W;

на фиг.10(а) показаны графики чувствительность R термоэлектрического преобразователя на основе AlGaAs/InGaAs в зависимости от L и W, а на фиг.10(b) - графики обнаружительной способности D и времени реакции τ в зависимости от L и W и

на фиг. 11 - представлена блок-схема, поясняющая четвертый вариант реализации изобретения.

Расшифровка номеров позиций на чертежах

10: подложка

12: полость

20: полупроводниковый слой n-типа

30: полупроводниковый слой p-типа

42: изолирующая часть

48: поглощающая часть

60: часть для выбора столбцов

62: часть для выбора строк

64: выбирающий транзистор

70а: первая балка

70b: вторая балка

72: центральная область

90: термоэлектрический элемент n-типа

92: термоэлектрический элемент p-типа

100: термоэлектрический преобразователь

102: фотоэлектрический преобразователь

104: транзистор

Лучший вариант реализации

Ниже описаны варианты реализации данного изобретения со ссылками на чертежи.

Первый вариант реализации изобретения

На фиг.1 показан поперечный разрез электронного устройства в соответствии с первым вариантом реализации изобретения. Термоэлектрический преобразователь 100, фотоэлектрический преобразователь 102 и транзистор 104 выполнены на подложке 10. На подложке 10, изготовленной из кремния (Si), последовательно размещены слой 14 прекращения травления, полупроводниковый слой 20 n-типа, электрический изоляционный слой 28 и полупроводниковый слой 30 p-типа. Полупроводниковый слой 38 включает в себя полупроводниковый слой 20 n-типа, электрический изоляционный слой 28 и полупроводниковый слой 30 p-типа. Термоэлектрический преобразователь 100 содержит термоэлектрический элемент 92 p-типа и термоэлектрический элемент 90 n-типа. Полупроводниковый слой 38 между термоэлектрическим преобразователем 100, фотоэлектрическим преобразователем 102 и транзистором 104 изолирован с помощью изолирующей части 42, примыкающей к верхней поверхности слоя 14 прекращения травления. Термоэлектрический элемент 92 p-типа и термоэлектрический элемент 90 n-типа изолированы с помощью изолирующей части 42, примыкающей к верхней поверхности слоя 14 прекращения травления.

В термоэлектрическом элементе 92 p-типа омические электроды 46 сформированы на обеих сторонах полупроводникового слоя 30 p-типа. Пассивирующий слой 40 нанесен между омическими электродами 46 на полупроводниковом слое 30 p-типа. В термоэлектрическом элементе 90 n-типа полупроводниковый слой 30 p-типа и электрический изоляционный слой 28 удалены, и омические электроды 44 n-типа сформированы на обеих сторонах полупроводникового слоя 20 n-типа. Пассивирующий слой 40 нанесен на полупроводниковый слой 20 n-типа между омическими электродами 44 n-типа. Поглощающая часть 48 сформирована на одном омическом электроде 46 p-типа и одном омическом электроде 44 n-типа на месте соединения термоэлектрического элемента 92 p-типа и термоэлектрического элемента 90 n-типа. Холодные контактные площадки 50 соответственно выполнены на других омических электродах 46 p-типа и электродах 44 n-типа. Кроме того, в подложке под термоэлектрическим элементом 92 p-типа и термоэлектрическим элементом 90 n-типа выполнена полость 12.

В фотоэлектрическом преобразователе 102, омические электроды 52 p-типа установлены на полупроводниковом слое 30 p-типа. Пассивирующий слой 40 нанесен на полупроводниковый слой 30 p-типа, на участке, где омические электроды 52 p-типа не формируются. Пассивирующий слой 40 может быть нанесен на материал, пропускающий излучение с длиной волны, на которой работает фотоэлектрический преобразователь 102.

В транзисторе 104 полупроводниковый слой 30 p-типа и электрический изоляционный слой 28 удалены, и омический электрод 54 n-типа (например, электроды истока и стока) и электрод 56 затвора выполнены на полупроводниковом слое 20 n-типа. Кроме того, пассивирующий слой 40 наносят на полупроводниковый слой 20 n-типа между омическим электродом 54 n-типа и электродом затвора 56.

Слои, расположенные от слоя 14 прекращения травления до полупроводникового слоя 30 p-типа, формируют, например, с использованием химического металлоорганического вакуумного напыления (ХМОВН). Слой 14 прекращения травления включает в себя, например, нелегированный слой AlxGa1-xN (например, х=0.6) толщиной 200 нм. Полупроводниковый слой 20 n-типа включает нелегированный слой 22 высокой степени чистоты, легированный слой 24 n-типа с источником электронов, имеющий большую ширину запрещенной зоны по сравнению со слоем 22 высокой степени чистоты, и омический контактный слой 26. Слой 22 высокой степени чистоты представляет собой, например, нелегированный слой GaN толщиной 10 нм. Слой источника электронов 24 выполнен, например, на основе слоя AlxGa1-xN (например, х=0.25) толщиной 100 нм, легированный Si с концентрацией 1×10¹⁸ см^-3. Омический контактный слой 26 включает в себя, например, слой GaN толщиной 30 нм, легированный Si с концентрацией 4×10¹⁸ см^-3. Слой 22 высокой степени чистоты и слой 24 источника электронов формируют модулированную легированную структуру, и в слое 22 высокой степени чистоты образуется двумерный электронный газ, имеющий высокую подвижность.

Электрический изолирующий слой 28 содержит, например, нелегированный слой GaN толщиной 100 нм. Полупроводниковый слой 30 p-типа содержит нелегированный слой 32 высокой степени чистоты и легированный слой 34 p-типа с источником дырок, имеющий запрещенную зону с большей шириной, по сравнению со слоем 32. Слой 32 высокой степени очистки содержит, например, нелегированный слой GaN толщиной 10 нм. Слой 34 источника дырок включает в себя, например, слой AlxGa1-xN толщиной 100 нм (например, х=0.25), легированный Mg с концентрацией 1×10¹⁹ см^-3. Слой 32 высокой степени очистки и слой 34 источника дырок образуют модулированную легирования структуру, и двумерный газ, имеющий высокую подвижность, образуется в слое 32.

Возможен, например, следующий метод формирования изолирующей части 42. Части слоев, простирающиеся от полупроводникового слоя 30 p-типа до слоя, сформированного на слое 14 прекращения травления, удаляют путем травления с образованием выемки вплоть до верхней поверхности слоя 14. Для заполнения выемки с помощью химического вакуумного напыления (ХВН) наносят, например, изолятор SiN или SiON толщиной 500 нм. Таким образом, формируют изолирующую часть 42. Возможно также формирование изолирующей части 42 путем ионной имплантации в полупроводниковый слой 38. Такую имплантацию выполняют, например, с использованием бора или кислорода при следующих условиях: энергия 80 кэВ и концентрация 5×10¹⁸ см^-3. Поглощающая часть 48 содержит пористое золото (Au), полученное вакуумным напылением. Холодные контактные площадки 50 содержат, например, CrAu, нанесенный путем вакуумного напыления. Пассивирующий слой 40 включает в себя, например, пленку оксида или нитрида кремния.

Омические электроды 46 p-типа и омические электроды 52 p-типа содержат, например, нелегированные электроды, изготовленные путем формирования слоя N1 на полупроводниковом слое 30 p-типа и слоя Al на слое Ni с помощью вакуумного напыления. Омические электроды 44 n-типа и 54 n-типа включают в себя, например, легированные омические электроды, изготовленные путем нанесения слоя Ti на полупроводниковый слой 20 n-типа и слоя Al на слой Ti методом вакуумного напыления с последующей термической обработкой. Электрод затвора 56 имеет, например, слой Pt, нанесенный вакуумным напылением.

На фигурах 2(а)-2(d) представлены поперечные разрезы, иллюстрирующие процесс изготовления термоэлектрического преобразователя 100. Как показано на фиг.2(а), слои от слоя 14 прекращения травления до полупроводникового слоя 30 формируют на подложке 10 с использованием, например, вакуумного напыления (XMOBH). Формируют изолирующую часть 42. Полупроводниковый слой 30 p-типа и электрический изолирующий слой 28, соответствующие области, где должен формироваться термоэлектрический элемент 90 n-типа, удаляют. Также удаляют полупроводниковый слой 30 p-типа и электрический изолирующий слой 28, соответствующие области формирования транзистора. Пассивирующий слой 40 формируют так, чтобы закрыть полупроводниковый слой 30 p-типа и электрический изолирующий слой 28.

Как показано на фиг.2(b), участки пассивирующего слоя 40 удаляют для формирования омических электродов 46 p-типа. Соответственно формируют омические электроды 52 p-типа для фотоэлектрического преобразователя 102. Для формирования омических электродов 44 n-типа удаляют участки пассивирующего слоя 40. Таким же образом формируют омические электроды 54 n-типа для транзистора 104.

Как показано на фиг.2(с), соответственно формируют холодные контактные площадки 50, чтобы обеспечить контакт с омическим электродом 46 p-типа и омическим электродом 44 n-типа. Поглощающую часть 48 формируют, чтобы обеспечить контакт с омическими электродами 46 p-типа и 44 n-типа. Как показано на фиг.2(d), полость 12 в подложке 10 получают путем травления полупроводникового слоя. В этом случае обеспечивается возможность предотвращения травления полупроводникового слоя 20 n-типа с помощью слоя 14 прекращения травления.

Изолирующая часть 42 и пассивирующий слой 40 формируют, как показано на фиг.2(а), и затем формируют полость 12, как показано на фиг.2(d), таким образом, предотвращается повреждение полупроводникового слоя 38 из-за формирования полости 12. В частности, формирование полости 12 выполняют после операций, показанных на фигурах 2(а)-2(с), благодаря чему обеспечивается возможность беспрепятственного выполнения этих операций.

Как показано на фиг.2(b), желательно, чтобы формирование омических электродов любого одного типа 46 p-типа или 44 n-типа выполнялось без легирования (без термической обработки), а другого типа - с использованием процесса легирования (с термической обработкой для легирования). Это связано с тем, что формирование омических электродов 46 p-типа и 44 n-типа при использовании процесса легирования (с термообработкой для легирования) для электродов одного типа, разрушает область формирования омических электродов другого типа. В частности, в случае, когда полупроводниковый слой 20 n-типа и полупроводниковый слой 30 p-типа расположены один над другим, желательно, чтобы омические электроды, обеспечивающие контакт с верхним полупроводниковым слоем, расположенные наверху между полупроводниковым слоем 20 n-типа и полупроводниковым слоем 30 p-типа были нелегированными, а омические электроды, обеспечивающие омический контакт с полупроводниковым слоем, расположенные снизу, были легированными. Если омические электроды на полупроводниковом слое наверху формируют с использованием процесса легирования, то область легирования распространяется вплоть до полупроводникового слоя внизу. Таким образом, в случае, если полупроводниковый слой, находящийся наверху, является полупроводниковым слоем 30 p-типа, то в соответствии с первым вариантом реализации изобретения омические электроды 46 p-типа желательно формировать без использования легирования, а для формирования омических электродов 44 n-типа желательно использовать процесс легирования. Также в случае, когда полупроводниковый слой n-типа помещен на полупроводниковый слой p-типа, омические электроды n-типа желательно формировать без использования легирования, а для омических электродов p-типа желательно использовать процесс легирования. Таким образом, предотвращается возможность электрического контакта омических электродов, расположенных на верхнем полупроводниковом слое, с нижним полупроводниковым слоем.

В соответствии с фиг.1 ниже рассматривается термоэлектрический преобразователь 100. Когда поглощающая часть 48 абсорбирует, например, ИК излучение, ее температура увеличивается. Из-за разности температур поглощающей части 48 и холодных контактных площадок 50 вследствие эффекта Зеебека обеспечивается термоэлектрическое преобразование в полупроводниковом слое p-типа термоэлектрического элемента 92 и в полупроводниковом слое n-типа термоэлектрического элемента 90. Таким образом, между омическим электродом 46 p-типа в термоэлектрическом элементе 92 p-типа и омическим электродом 44 n-типа в термоэлектрическом элементе 90 n-типа возникает электродвижущая сила. Чувствительность R (V/W), обнаружительная способность D (см (Гц)½/W) и время реакции τ (с) термоэлектрического преобразователя 100 определяются в соответствии с приведенными ниже уравнениями 1, 2 и 3.

Уравнение 1

R=α·N·S·R_th

Уравнение 2

D=R(A·Δf/(4·k_B·T·R_el))^1/2

Уравнение 3

τ=R_th·C

где α - коэффициент теплопоглощения, N - логарифм, если пара из термоэлектрического элемента 92 p-типа и термоэлектрического элемента 90 n-типа соединены последовательно (будет подробно описано далее), S - коэффициент Зеебека, R_th - тепловое сопротивление полупроводникового слоя, А - площадь поглощающей части 48, Δf - полоса пропускания, k_B - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, R_el - электрическое сопротивление полупроводникового слоя и C - теплоемкость термоэлектрического элемента.

В уравнении 1 для повышения чувствительности R необходимо увеличивать тепловое сопротивление R_th полупроводникового слоя. Поэтому полупроводниковый слой термоэлектрического элемента 92 n-типа делают тоньше и выполняют в виде балки, а в подложке 10 образована полость 12, способствующая увеличению теплового сопротивления R_th полупроводникового слоя. Однако, если термоэлектрический элементы 92 p-типа и 90 n-типа сделаны тонкими и выполнены в виде балки, электрическое сопротивления R_el полупроводникового слоя будет увеличиваться и в связи с этим уменьшается обнаружительная способность D. Соответственно полупроводниковый слой 20 n-типа и полупроводниковый слой 30 p-типа имеют модулированную легированную структуру так, что возникают двумерные электроны и двумерные дырки, имеющие высокую подвижность. Таким образом, возможно снижение электрического сопротивления R_el - полупроводникового слоя 20 n-типа и полупроводникового слоя 30 p-типа. Благодаря этому обеспечивается возможность получения желаемой чувствительности R и обнаружительной способности D.

Ниже в связи с фиг.1 также рассматривается фотоэлектрический преобразователь 102. Фотоэлектрический преобразователь 102 имеет PIN структуру, содержащую полупроводниковый слой 30 p-типа, электрический изолирующий слой 28 и полупроводниковый слой 20 n-типа. PIN структура обеспечивает фотоэлектрическое преобразование инфракрасного излучения.

Ниже в связи с фиг.1 также рассматривается транзистор 104. Транзистор 104 имеет структуру транзистора с высокой подвижностью электронов (ВПЭТ) с каналом двумерного электронного газа, сформированным в модулированной легированной структуре полупроводникового слоя 20 n-типа. Таким образом, полупроводниковый слой 20, являющийся частью полупроводникового слоя 38, используется как рабочий слой. В транзисторе 104 полупроводниковый слой 30 p-типа используется как рабочий слой. Возможно использование транзистора 104 в качестве диода, при этом электрод затвора 56 выполняет функции анода, а омический электрод 54 n-типа служит катодом.

В соответствии с первым вариантом реализации изобретения термоэлектрический преобразователь 100 включает в себя полупроводниковый слой 38, осуществляющий термоэлектрическое преобразование. В фотоэлектрическом преобразователе 102, по крайней мере, часть полупроводникового слоя 38 обеспечивает фотоэлектрическое преобразование. Таким образом, если фотоэлектрический преобразователь 102 осуществляет фотоэлектрическое преобразование, используя, по крайней мере, часть полупроводникового слоя 38, выполняющего термоэлектрическое преобразование, то возникает возможность объединения термоэлектрического 100 и фотоэлектрического 102 преобразователей в монолитной интегральной схеме. Термоэлектрический преобразователь 100 обеспечивает детектирование излучения в широком диапазоне от дальней до ближней ИК области спектра. При этом фотоэлектрический преобразователь 102 детектирует излучение в узком диапазоне, соответствующем ширине запрещенной зоны полупроводникового слоя. Таким образом, возможно объединение в монолитной интегральной схеме детекторов, работающих в широком и узком диапазонах.

Также в транзисторе 104, по крайней мере, часть полупроводникового слоя 38 используется как рабочий слой. Таким образом, обеспечивается возможность объединения в монолитной интегральной схеме термоэлектрического преобразователя 100 и транзистора 104. В качестве альтернативы транзистору возможно использование диода.

Как указано выше, возможно объединение в монолитной интегральной схеме термоэлектрического преобразователя 100 и, по меньшей мере, фотоэлектрического преобразователя 102 или транзистора 104. В качестве альтернативы транзистору возможно использование диода.

Кроме того, полупроводниковый слой 38 содержит слой с шириной запрещенной зоны, соответствующей УФ излучению (в первом варианте реализации изобретения слой GaN, слой AlGaN), и, по крайней мере, часть полупроводникового слоя 38 фотоэлектрического элемента 102 осуществляет фотоэлектрическое преобразование УФ излучения. Поэтому обеспечивается возможность использования фотоэлектрического преобразователя 102 в качестве УФ детектора для обнаружения УФ излучения. Поглощающая часть 48 термоэлектрического преобразователя 100 обеспечивает возможность поглощения ИК излучение и преобразования его в тепло. Отсюда возможность использования термоэлектрического преобразователя 100 как ИК детектора для обнаружения ИК излучения. Таким образом, возможно объединение УФ и ИК детекторов в монолитной интегральной схеме.

Полупроводниковый слой, имеющий запрещенную зону, соответствующую УФ излучению, включает в себя полупроводниковый слой 38, изготовленный из GaN или смеси кристаллов AIN и GaN, как показано в первом варианте реализации изобретения. В качестве альтернативы возможен полупроводниковый слой, содержащий ZnO. Например, для полупроводникового слоя возможно применение ZnO или смеси кристаллов ZnO и MgО, а также ZnS, ZnSe, MgS или MgSe.

Полупроводниковый слой 38 содержит полупроводниковый слой 30 p-типа и полупроводниковый слой 20 n-типа, расположенные один над другим. Термоэлектрический преобразователь 100 включает в себя термоэлектрический элемент 92 p-типа, причем полупроводниковый слой 30 p-типа выполняет термоэлектрическое преобразование, и термоэлектрический элемент 90 n-типа, с полупроводниковым слоем 20 n-типа, осуществляющим термоэлектрическое преобразование. Таким образом, обеспечивается возможность термоэлектрического преобразования с высокой чувствительностью.

При этом функции фотоэлектрического преобразователя 102 выполняет фотодиод, использующий полупроводниковый слой 30 p-типа и полупроводниковый слой 20 n-типа. Следовательно, объединение в интегральной схеме термоэлектрического преобразователя 100 и фотоэлектрического преобразователя 102 становится значительно более простым.

Кроме того, изолирующая часть 42 между термоэлектрическим элементом 92 p-типа и термоэлектрическим элементом 90 n-типа выполнена так, чтобы изолировать полупроводниковый слой 30 p-типа от полупроводникового слоя 20 n-типа. Благодаря этому возможно предотвращение взаимных электрических помех между полупроводниковыми слоями 30 p-типа и 20 n-типа.

На фиг.3 представлен чертеж поперечного сечения, показывающий модификацию первого варианта реализации изобретения. Фиг.3 показывает возможность выполнения полости 12а в подложке 10 под фотоэлектрическим преобразователем 102. Если полость 12а сформирована таким способом в подложке 10 под фотоэлектрическим преобразователем 102, то это позволяет подавить помехи, обусловленные поглощением светового излучения и связанные с фотоэлектрическими эффектами в подложке 10, изготовленной, например, из Si.

Второй вариант реализации изобретения

В соответствии со вторым вариантом реализации изобретения предлагается термоэлектрическое преобразовательное устройство. На фиг.4 показан чертеж поперечного сечения термоэлектрического преобразовательного устройства в соответствии со вторым вариантом реализации изобретения. Как показано на фиг.4, термоэлектрическое преобразовательное устройство построено так, что первый термоэлектрический преобразователь 100а и второй термоэлектрический преобразователь 100b, описанные в первом варианте реализации изобретения, соединены последовательно. Также последовательно соединены в первом термоэлектрическом преобразователе 100а первый термоэлектрический элемент 90а n-типа и первый термоэлектрический элемент 92а p-типа и во втором термоэлектрическом преобразователе 100b второй термоэлектрический элемент 90b n-типа и второй термоэлектрический элемент 92b p-типа.

На фиг.5 представлен вид сверху на термоэлектрическое преобразовательное устройство в соответствии со вторым вариантом реализации изобретения. Термоэлектрическое преобразовательное устройство содержит центральную область 72, первую балку 70а и вторую балку 70b. Первая балка 70а и вторая балка 70b отделены от подложки 10 полостями 12, как показано на фиг.4. Первые концы первой балки 70а и второй балки 70b механически связаны с центральной областью 72. Другие концы этих балок механически связаны с внешней опорой 74. На первой балке 70а находится первый термоэлектрический элемент 90а n-типа первого термоэлектрического преобразователя 100а, а на второй балке 70b - второй термоэлектрический элемент 92b p-типа второго термоэлектрического преобразователя 100b. Полупроводниковый слой между первым термоэлектрическим элементом 90а n-типа и вторым термоэлектрическим элементом 92b p-типа электрически изолирован с помощью второй изолирующей части 42а. На второй балке 70b размещен второй термоэлектрический элемент 90b n-типа второго термоэлектрического преобразователя 100b и первый термоэлектрический элемент 92а p-типа первого термоэлектрического преобразователя 100а. Полупроводниковый слой между вторым термоэлектрическим элементом 90b n-типа и первым термоэлектрическим элементом 92а p-типа электрически изолированы с помощью третьей изолирующей части 42b.

В средней части центральной области 72 предусмотрена поглощающая часть 48. При этом вблизи центральной области 72 проходит первый проводник 45а, соединяющий омические электроды 44 n-типа первого термоэлектрического элемента 90а n-типа и омические электроды 46 p-типа первого термоэлектрического элемента 92а p-типа. Кроме того, предусмотрен второй проводник 45b, соединяющий омические электроды 44 n-типа второго термоэлектрического элемента 90b n-типа и омические электроды 46 p-типа второго термоэлектрического элемента 92b p-типа. Кроме того, между поглощающей частью 48 и первым проводником 45а и между поглощающей частью 48 и вторым проводником 45b в центральной области 72 предусмотрена первая изолирующая часть 42с, обеспечивающая электрическую изоляцию первого термоэлектрического преобразователя 100а и второго термоэлектрического преобразователя 100b. При этом омический электрод 46 p-типа, расположенный между нижней поверхностью поглощающей части 48 и верхней поверхностью первой изолирующей части 42с, имеет тепловую связь с поглощающей частью 48. Первая изолирующая часть 42с под омическим электродом 46 p-типа показана пунктирной линией. Омический электрод 46 p-типа под поглощающей частью 48 также отмечен пунктирной линией. Другие концы первой балки 70а и второй балки 70b снабжены холодными контактными площадками 50. Вторая изолирующая часть 42а, третья изолирующая часть 42b и первая изолирующая часть 42с служат для изоляции полупроводникового слоя 38 на слое 14 прекращения травления, подобно изолирующей части 42 в первом варианте реализации изобретения. Ширина и длина первой балки 70 а и второй балки 70b составляют 6 мкм и 152 мкм соответственно. Каждая сторона центральной области 72 равна, например, 52 мкм.

В соответствии со вторым вариантом реализации изобретения термоэлектрические элементы расположены на первой балке 70а и второй балке 70b, благодаря чему достигается значительное увеличение теплового сопротивления и чувствительности. Первый термоэлектрический преобразователь 100а и второй термоэлектрический преобразователь 100b соединены последовательно так, что первый термоэлектрический элемент 92а p-типа и второй термоэлектрический элемент 90b n-типа соединены с опорой 74 внизу слева на фиг.5. Первый термоэлектрический элемент 90а n-типа и второй термоэлектрический элемент 92b p-типа размещены на первой балке 70а. Второй термоэлектрический элемент 90b n-типа и первый термоэлектрический элемент 92а p-типа размещены на второй балке 70b. Поэтому в уравнении 1 логарифм N нужно принять равным 2, что существенно увеличивает чувствительность.

В центральной области 72, с которой соединены первая балка 70а и вторая балка 70b, имеется также первая изолирующая часть 42с, благодаря чему обеспечивается электрическая изоляция, по крайней мере, одного из полупроводниковых слоев 30 p-типа или 20 n-типа между первым термоэлектрическим преобразователем 100а и вторым термоэлектрическим преобразователем 100b. В случае, когда центральная область 72 включает в себя, по меньшей мере, один из полупроводниковых слоев 30 p-типа или 20 n-типа, возможны электрические взаимные помехи между первым термоэлектрическим преобразователем 100а и вторым термоэлектрическим преобразователем 100b из-за наличия полупроводникового слоя в центральной области 72. Поэтому первая изолирующая часть 42с обеспечивает электрическую изоляцию, по меньшей мере, одного из полупроводниковых слоев 30 p-типа или 20 n-типа. Благодаря этому появляется возможность предотвратить взаимные электрические помехи между первым термоэлектрическим преобразователем 100а и вторым термоэлектрическим преобразователем 100b. В частности, если, по крайней мере, один из омических электродов 46 p-типа или 44 n-типа формируют методом легирования, возможно возникновение условий, способствующих появлению взаимных электрических помех между первым термоэлектрическим преобразователем 100а и вторым термоэлектрическим преобразователем 100b из-за проводящего полупроводникового слоя, соответствующего омическому электроду, сформированному в процессе легирования. Поэтому желательно, чтобы первая изолирующая часть 42с центральной области 72 обеспечивала электрическую изоляцию проводящего полупроводникового слоя, соответствующего омическому электроду, сформированному в процессе легирования.

При этом желательно, чтобы первая балка 70а включала в себя вторую изолирующую часть 42а, обеспечивающую электрическую изоляцию первого термоэлектрического элемента 90а n-типа и второго термоэлектрического элемента 92b p-типа, а вторая балка 70b включала в себя третью изолирующую часть 42b для электрической изоляции первого термоэлектрического элемента 92а p-типа и второго термоэлектрического элемента 90b n-типа. Таким образом, обеспечивается дополнительная возможность предотвращения взаимных электрических помех между первым термоэлектрическим преобразователем 100а и вторым термоэлектрическим преобразователем 100b на первой балке70а и второй балке 70b.

На фиг.6(а) и 6(b) представлены виды сверху модификаций второго варианта реализации изобретения. Как показано на фиг.6(а), существует возможность выполнения фотоэлектрического преобразователя 102 в центральной области 72. На фиг.6(b) показана возможность выполнения фотоэлектрического преобразователя 102 и поглощающей части 48 в центральной области 72.

На фиг.7(а)-7(с) представлены виды сверху других модификаций второго варианта реализации изобретения. Как показано на фиг.7(а), возможно такое выполнение первой изолирующей части 42с центральной области 72, что она пересекает поглощающую часть 48. Первая изолирующая часть 42с под поглощающей частью 48 показана пунктирной линией. Как показано на фиг.7(b), первая изолирующая часть 42с расположена между поглощающей частью 48 и проводником 45b и она не может формироваться между поглощающей частью 48 и проводником 45а. Как показано на фиг.7(с), первая изолирующая часть 42с расположена между поглощающей частью 48 и проводником 45а, и она не может формироваться между поглощающей частью 48 и проводником 45b. Таким образом, первая изолирующая часть 42с выполнена так, чтобы обеспечить электрическую изоляцию первого термоэлектрического преобразователя 100a и второго термоэлектрического преобразователя 100b. В частности, первая изолирующая часть 42с обеспечивает отсутствие свободного промежутка между термоэлектрическими преобразователями 100а и 100b, благодаря чему первый термоэлектрический преобразователь 100а и второй термоэлектрический преобразователь 100b полностью изолированы электрически друг от друга.

Возможен расчет чувствительности R и обнаружительной способность D термоэлектрического преобразовательного устройства, выполненного с использованием GaN и AlGaN. Во-первых, определяем чувствительность R из уравнения 1. Полагаем, что коэффициент теплового поглощения α=1, логарифм N=2, и коэффициент Зеебека S=1500 мкВ/К. Тепловое сопротивление R_th вычисляют исходя из длины L первой балки 70а и второй балки 70b, ширины W термоэлектрических элементов 92 p-типа и 90 n-типа и толщины tp, tn полупроводниковых слоев термоэлектрических элементов 92 и 90 соответственно p-типа и n-типа. Например, при L=137 мкм, W=1,5 мкм, tp=0,55 мкм и tn=0,34 мкм, R_th=3,4×105 К/Вт. Соответственно чувствительность R=2000 В/Вт.

На фиг.8(а) показана зависимость чувствительности R от L и W устройства термоэлектрического преобразования, выполненного с использованием AlGaN/GaN. Как показано на фиг.8(а), чувствительность R растет пропорционально L и уменьшается с увеличением W.

Обнаружительная способность D определяется из уравнения 2. Полагаем, что полоса Δf=1 и абсолютная температура Т=300К, площадь А поглощающей части 48 предполагается пропорциональной L, как показано на рис.8(а). Электрическое сопротивление R_el находим с учетом L и W. Например, при площади А=52×52 мкм², L=137 мкм и W=1,5 мм, R_el=320 кОм. Соответственно обнаружительная способность D=7×10⁸ см (Гц)^1/2/Вт. Полагая теплоемкость С=4×10^-9 Дж/К, получаем время реакции τ=1,3 мс.

На рис.8(b) показаны зависимости обнаружительной способности D и времени реакции τ от L и W. Как показано на фиг.8(b), обнаружительная способность D растет пропорционально L и уменьшается с увеличением W.

Чувствительность R и обнаружительная способность D устройства термоэлектрического преобразования на основе ZnO и ZnMgO, показанные на фигурах 8(а) и 8(b), определены расчетным путем. Во-первых, из уравнения 1 определена чувствительность R. Принимаем, что коэффициент теплового поглощения α=1, логарифм N=2 и коэффициент Зеебека S для ZnO составляет 1140 мкВ/К. Тепловое сопротивление R_th, показанное на фиг.8(а), определено с учетом L, W, tp и tn. Например, при L=137 мкм, W=1,5 мкм, tp=0,55 мкм и tn=0,34 мкм, R_th=1,75×106 К/Вт. Соответственно чувствительность R=8000 В/Вт.

На фиг.9(а) показана чувствительность R в зависимости от L и W. Как показано на фиг.9(а), чувствительность R растет пропорционально L и уменьшается с увеличением W.

Обнаружительная способность D определяется из уравнения 2. Полагаем, что полоса Δf=1 и абсолютная температура Т=300К, площадь А поглощающей части 48 предполагается пропорциональной L, как показано на рис.9(а). Электрическое сопротивление R_el находим с учетом L и W. Например, при площади А=52×52 мкм², L=137 мкм и W=1,5 мкм, R_el=310 кОм. Соответственно обнаружительная способность D=8×10⁸ см (Гц)^1/2/Вт. Полагая теплоемкость С=5,3×10^-9 Дж/К, время реакции τ=9,2 мс.

На фиг.9(b) показана зависимость обнаружительной способности D и времени реакции τ от L и W. Как показано на фиг.9(b), обнаружительная способность D растет пропорционально L и уменьшается с увеличением W.

Как показано на фигурах 8(а)-9(b), желательно, чтобы длина балки была не менее 100 мкм. В частности, в модулированных легированных структурах с AlGaN/GaN или с ZnO/MgZnO обеспечивается возможность получения длины L не менее 100 мкм.

Термоэлектрическое преобразовательное устройство в соответствии со вторым вариантом реализации изобретения и, по меньшей мере, с фотоэлектрическим преобразователем или с транзистором в соответствии с первым вариантом исполнения изобретения обеспечивает возможность объединения в монолитной интегральной схеме.

Способ реализации изобретения

Третий вариант реализации изобретения

В соответствии с третьим вариантом реализации изобретения, предусмотрен фотоэлектрический преобразователь, обнаруживающий ИК излучение. Как показано на фиг.1, в соответствии с первым вариантом реализации изобретения слой 14 прекращения травления содержит, например, нелегированный слой AlxGat-xAa (например, х=0,6) толщиной 200 нм. Слой 22 высокой степени чистоты содержит, например, слой InxGal-xAs (например, х=0,25). Слой 24 источника электронов содержит, например, слой AlxGat-xAs (например, х=0.25) толщиной 100 нм, легированный Si с концентрацией 1×10¹⁸ см^-3. Слой 26 омического контакта содержит, например, слой GaAs толщиной 30 нм, легированный Si с концентрацией 4×10¹⁸ см^-3.

Электрический изолирующий слой 28 содержит, например, нелегированный слой GaAs толщиной 100 нм. Слой высокой чистоты 32 содержит, например, нелегированный слой InxGal-xAs (например, х=0.25) толщиной 10 нм. Слой 34 источника дырок содержит, например, слой AlxGat-xAs (например, х=0.25), легированный Zn с концентрацией 1×10¹⁹ см^-3.

Омические электроды 46 p-типа и омические электроды 52 p-типа содержат, например, нелегированные омические электроды, изготовленные путем формирования слоя Ti на полупроводниковом слое 30 p-типа и слоя Au на слое Ti путем вакуумного напыления. Омические электроды 44 n-типа и омические электроды 54 n-типа содержат, например, легированные омические электроды, изготовленные путем формирования слоя AuGe на полупроводниковом слое n-типа и слоя Ni на слое AuGe с помощью вакуумного напыления и последующей термической обработки.

Чувствительность R и обнаружительная способность D подобного термоэлектрического преобразовательного устройства согласно второму варианту реализации изобретения определяется расчетным путем. Во-первых, вычисляется чувствительность R согласно уравнению 1. Полагаем, что коэффициент теплового поглощения α=1, логарифм N=2 и коэффициент Зеебека S для GaN составляет 1250 мкВ/К. Например, при L=137 мкм, W=1,5 мкм, tp=0,55 мкм и tn=0.34 мкм, R_th=3,6×106 К/Вт. При этом чувствительность R равна 1800 В/Вт.

На фиг.10(а) показана зависимость чувствительности R от L и W. Как показано на фиг.10(а), чувствительность R растет пропорционально L и уменьшается с увеличением W.

Обнаружительная способность D определяется из уравнения 2. Полагаем, что полоса Δf=1 и абсолютная температура Т=300К, площадь А поглощающей части 48 принимаем пропорциональной L, как показано на фиг.10(а). Электрическое сопротивление R_el находим с учетом L и W. Например, при площади А=52×52 мкм², L=137 мкм и W=1,5 мкм, R_el=420 кОм. При этом обнаружительная способность D=2,27×109 см (Гц)^1/2/Вт. Полагая, что теплоемкость С=3,5×10^-9 Дж/К, время реакции τ=13 мс.

На фиг.10(b) показана зависимости обнаружительной способности D и времени реакции τ от L и W. Как показано на фиг.10(b), обнаружительная способность D растет пропорционально L и уменьшается с увеличением W.

Как видно из фигур 8(а)-10(b), в случае, когда термоэлектрический преобразователь согласно второму варианту реализации изобретения выполнен с использованием полупроводникового слоя GaN, его чувствительность R и обнаружительная способность D ниже, чем в термоэлектрическом преобразователе на основе GaAs согласно третьему варианту реализации изобретения, однако преобразователь на основе GaN имеет более высокое быстродействие. В соответствии с третьим вариантом реализации изобретения возможно увеличение чувствительности R и обнаружительной способности D термоэлектрического преобразователя на основе GaAs.

В соответствии с третьим вариантом реализации изобретения полупроводниковый слой 38 включает в себя слой (например, InGaAs), имеющий ширину запрещенной зоны, соответствующую ПК излучению. В фотоэлектрическом преобразователе 102, по крайней мере, часть полупроводникового слоя обеспечивает преобразование ПК излучения в электрический сигнал. При этом термоэлектрический преобразователь 100 способен детектировать ИК излучение в широком диапазоне от дальней до ближней области ИК спектра. С другой стороны, фотоэлектрический преобразователь 102 детектирует ИК излучение, соответствующее запрещенной зоне полупроводникового слоя. Таким образом, обеспечивается возможность объединения в монолитной интегральной схеме широкополосного детектора ИК излучения (детектора ИК излучения дальней области ИК спектра с длиной волны около 10 мкм) и узкополосного детектора ИК излучения (детектора ИК излучения ближней области ИК спектра с длиной волны около 1 мкм). Третий вариант реализации изобретения пригоден, например, для использования в качестве датчика изображения при детектировании как широкополосного, так и узкополосного ИК излучения.

Четвертый вариант реализации изобретения

В соответствии с четвертым вариантом реализации изобретения предусмотрен датчик изображения, содержащий объединенные термоэлектрические преобразователи 100 и фотоэлектрические преобразователи 102. На фиг.11 представлена блок-схема, поясняющая четвертый вариант реализации изобретения. Здесь термоэлектрические преобразователи 100 и фотоэлектрические преобразователи 102 выполнены в виде матрицы. В качестве термоэлектрических преобразователей 100 и фотоэлектрических преобразователей 102 возможно применение рассмотренных ранее термоэлектрического 100 и фотоэлектрического 102 преобразователей, выполненных в соответствии с первым, вторым или третьим вариантом реализации изобретения. Каждый из термоэлектрических преобразователей 100 и фотоэлектрических преобразователей 102 помещен между истоком и общим проводом цепи выбирающего транзистора 64. Затвор выбирающего транзистора 64 подключен к цепи 68 выбора строки, а сток - к цепи 66 выбора столбца. Часть 62 для выбора строк и часть 60 для выбора столбцов обеспечивает выбор цепи 68 для выбора строк и цепи 66 для выбора столбцов, тем самым позволяя вывести на выход сигнал заданного термоэлектрического преобразователя 100 и фотоэлектрического преобразователя 102.

В соответствии с четвертым вариантом реализации изобретения, как показано на фиг.11, ряд термоэлектрических преобразователей 100 и ряд фотоэлектрических преобразователей 102 выполнены в виде матрицы. Часть для выбора (например, выбирающий транзистор 64, часть 62 для выбора строк и часть 60 для выбора столбцов) обеспечивает выбор, по крайней мере, одного устройства из ряда термоэлектрических преобразователей 100 и ряда фотоэлектрических преобразователей 102. Таким образом, достигается возможность вывода сигнала одного из многих термоэлектрических преобразователей 100 и фотоэлектрических преобразователей 102.

В четвертом варианте реализации изобретения транзистор 104 используют как выбирающий транзистор 64, часть 62 служит для выбора строк и часть 60 - для выбора столбцов. Короче говоря, часть для выбора включает в себя транзистор 104. Таким образом, существует возможность объединения термоэлектрических преобразователей 100 и фотоэлектрических преобразователей 102 датчика изображения в монолитной интегральной схеме. Типичным является датчик изображения, содержащий объединенные ИК детектор и УФ детектор. Также типичным является датчик изображения, содержащий объединенные детекторы дальней и ближней областей ИК спектра.

В соответствии с первым, вторым и третьим вариантами реализации изобретения полупроводниковый слой 38 содержит, например, соединения AlGaN, GaN, ZnO, MgZnO, AlGaAs, InGaAs и дополнительно, например, InP, InAlAs, GaAs, InGaP, InAs, InGaN, SiC, ZnCdO, CdO, MgO, CdO, ZnMgS, ZnS, ZnSe, MgS, MgSe, Si, SiGe, а также их сочетания.

Модулированная легированная структура в полупроводниковом слое 20 n-типа и полупроводниковом слое 30 p-типа содержит, например, следующие соединения: AlGaN/GaN, MgZnO/ZnO и AlGaAs/InGaAs и дополнительно, например, InP/InGaAs, InAlAs/InP, InAlAs/InGaAs, AlGaAs/AlGaAs, AlGaAs/GaAs, AlGas/InAs, InGaP/InGaAs, InGaP/AlGaAs, InGaP/GaAs, InGaN/InAs, AlGaN/AlGaN, AlGaN/InGaN, AlInN/InGaN, AlGaN/SiC, GaN/SiC, GaN/InGaN, ZnMgO/ZnCdO, ZnCdO/CdO, MgO/ZnCdO, MgO/ZnO, ZnO/CdO, CdMgO/CdO, ZnMgS/ZnS, ZnS/ZnSe, MgS/MgSe, MgSe/ZnSe, MgS/ZnS и Si/SiGe.

Возможны подложки 10, включающие в себя в зависимости от типа полупроводникового слоя 38, подложку Si и дополнительно сформированную на ней, например, положку Si, имеющую эпитаксиальный слой Si, легированный В, подложку Si с имплантированными ионами В, подложку Si, имеющую сформированный на ней изолирующий слой оксида кремния или нитрида кремния, подложку GaAs, подложку InP, подложку GaN, подложку SiC, подложку ZnO, сапфировую подложку, сапфировую подложку, имеющую изолирующий слой из оксида кремния, нитрида кремния или нитрида алюминия на ней, или подложку из стекла.

Хотя в первом, втором и третьем вариантах реализации изобретения рассматривается поглощение ИК излучения посредством поглощающей части 48, поглощающая часть 48 позволяет абсорбировать и другие электромагнитные волны, например, микроволны (сантиметрового и миллиметрового диапазона) и др. Возможно использование поглощающей части, например, с антенной, принимающей микроволны, и резистором или диодом для преобразования в тепло энергии принимаемых антенной микроволн.

Предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения раскрыты в качестве примеров, настоящее изобретение не ограничено приведенными конкретными исполнениями и возможны различные модификации и варианты без выхода за рамки и отступления от духа изобретения, как оно раскрыто в приведенной патентной формуле.

Изобретение относится к электронной технике. Сущность: электронное устройство содержит термоэлектрический преобразователь (100) с гетероструктурными полупроводниковыми слоями (38), выполняющими термоэлектрическое преобразование, фотоэлектрический преобразователь (102), в котором, по меньшей мере, часть гетероструктурного полупроводникового слоя (38) выполняет фотоэлектрическое преобразование, транзистор (104) и/или диод, содержащий, по крайней мере, часть полупроводниковых слоев гетероструктуры, выполняющих функции рабочего слоя. Технический результат: возможность использования технологии монолитных интегральных схем для объединения термоэлектрического преобразователя с фотоэлектрическим преобразователем и транзистором и/или диодом, предотвращение помех между термоэлектрическими элементами p-типа и n-типа. 6 н. и 7 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Электронное устройство, содержащее:
термоэлектрический преобразователь, содержащий полупроводниковые слои гетероструктуры, включающей гетероструктурные полупроводниковые слои p-типа и гетероструктурные полупроводниковые слои n-типа, осуществляющие термоэлектрическое преобразование с использованием эффекта Зеебека, и по меньшей мере, либо фотоэлектрический преобразователь, в котором, по крайней мере, часть полупроводниковых слоев гетероструктуры выполняет фотоэлектрическое преобразование, либо транзистор или диод, имеющий, по крайней мере, часть полупроводниковых слоев гетероструктуры, выполняющих функции рабочего слоя,
причем полупроводниковые слои гетероструктуры имеют ширину запрещенной зоны, соответствующую ультрафиолетовому (УФ) излучению, термоэлектрический преобразователь имеет поглощающую часть, абсорбирующую инфракрасное (ИК) излучение и преобразующую его в тепло, и, по крайней мере, часть полупроводниковых слоев гетероструктуры фотоэлектрического преобразователя обеспечивает фотоэлектрическое преобразование УФ излучения.

2. Электронное устройство по п.1, в котором предусмотрено несколько термоэлектрических и фотоэлектрических преобразователей так, что несколько термоэлектрических преобразователей и несколько фотоэлектрических преобразователей выполнены в форме матрицы, причем предусмотрена часть для выбора, позволяющая выбирать, по крайней мере, один из нескольких термоэлектрических и один из нескольких фотоэлектрических преобразователей, причем также имеется транзистор.

3. Электронное устройство по п.1, в котором гетероструктурные полупроводниковые слои p-типа и гетероструктурные полупроводниковые слои n-типа расположены друг над другом с расположенным между ними электрическим изоляционным слоем, и термоэлектрический преобразователь содержит:
первый термоэлектрический преобразователь, содержащий первый термоэлектрический элемент n-типа с гетероструктурными полупроводниковыми слоями n-типа, обеспечивающими термоэлектрическое преобразование, и первый термоэлектрический элемент p-типа с гетероструктурными полупроводниковыми слоями p-типа, обеспечивающими термоэлектрическое преобразование,
второй термоэлектрический преобразователь, содержащий второй термоэлектрический элемент n-типа с гетероструктурными полупроводниковыми слоями n-типа, обеспечивающими термоэлектрическое преобразование, и второй термоэлектрический элемент p-типа с гетероструктурными полупроводниковыми слоями p-типа, обеспечивающими термоэлектрическое преобразование,
первую балку, содержащую первый термоэлектрический элемент n-типа и второй термоэлектрический элемент p-типа,
вторую балку, содержащую первый термоэлектрический элемент p-типа и второй термоэлектрический элемент n-типа,
центральную область, с которой соединены первая и вторая балка и которая содержит первую изолирующую часть для электрической изоляции по крайней мере одного из гетероструктурных полупроводниковых слоев p-типа и гетероструктурных полупроводниковых слоев n-типа между первым термоэлектрическим преобразователем и вторым термоэлектрическим преобразователем,
причем первый термоэлектрический преобразователь и второй термоэлектрический преобразователь соединены последовательно таким образом, что соединены первый термоэлектрический элемент n-типа и второй термоэлектрический элемент p-типа.

4. Электронное устройство по п.3, в котором первая балка содержит вторую изолирующую часть для электрической изоляции первого термоэлектрического элемента n-типа и второго термоэлектрического элемента p-типа и вторая балка содержит третью изолирующую часть для электрической изоляции первого термоэлектрического элемента p-типа и второго термоэлектрического элемента n-типа.

5. Электронное устройство по п.1, в котором гетероструктурные полупроводниковые слои p-типа и гетероструктурные полупроводниковые слои n-типа расположены один над другим с расположенным между ними электрическим изоляционным слоем, и
термоэлектрический преобразователь содержит термоэлектрический элемент p-типа, с гетероструктурными полупроводниковыми слоями p-типа, выполняющими термоэлектрическое преобразование, и термоэлектрический элемент n-типа с гетероструктурными полупроводниковыми слоями n-типа, выполняющими термоэлектрическое преобразование.

6. Электронное устройство, содержащее:
термоэлектрический преобразователь, содержащий полупроводниковые слои гетероструктуры, включающей гетероструктурные полупроводниковые слои p-типа и гетероструктурные полупроводниковые слои n-типа, осуществляющие термоэлектрическое преобразование с использованием эффекта Зеебека, и по меньшей мере, либо фотоэлектрический преобразователь, в котором, по крайней мере, часть указанных полупроводниковых слоев гетероструктуры выполняет фотоэлектрическое преобразование, либо транзистор или диод, имеющий, по крайней мере, часть указанных полупроводниковых слоев гетероструктуры, выполняющих функции рабочего слоя,
причем указанные полупроводниковые слои имеют ширину запрещенной зоны, соответствующей ИК излучению,
термоэлектрический преобразователь имеет поглощающую часть, абсорбирующую ИК излучение, и преобразующую его в тепло, и
по крайней мере, часть указанных полупроводниковых слоев фотоэлектрического преобразователя обеспечивают фотоэлектрическое преобразование ИК излучения.

7. Электронное устройство по п.6 (бывшему 2), в котором гетероструктурные полупроводниковые слои p-типа и гетероструктурные полупроводниковые слои n-типа расположены один над другим с расположенным между ними электрическим изоляционным слоем, и термоэлектрический преобразователь содержит термоэлектрический элемент p-типа, в котором полупроводниковые гетероструктурные слои p-типа выполняют термоэлектрическое преобразование и термоэлектрический элемент n-типа, в котором полупроводниковые гетероструктурные слои n-типа выполняют термоэлектрическое преобразование.

8. Электронное устройство по п.6 (бывшему 2), в котором гетероструктурные полупроводниковые слои p-типа и гетероструктурные полупроводниковые слои n-типа расположены один над другим с расположенным между ними электрическим изоляционным слоем, и термоэлектрический преобразователь содержит:
первый термоэлектрический преобразователь, содержащий первый термоэлектрический элемент n-типа с гетероструктурными полупроводниковыми слоями n-типа, обеспечивающими термоэлектрическое преобразование, и первый термоэлектрический элемент p-типа с гетероструктурными полупроводниковыми слоями p-типа, обеспечивающими термоэлектрическое преобразование,
второй термоэлектрический преобразователь, содержащий второй термоэлектрический элемент n-типа с гетероструктурными полупроводниковыми слоями n-типа, обеспечивающими термоэлектрическое преобразование, и второй термоэлектрический элемент p-типа с гетероструктурными полупроводниковыми слоями p-типа, обеспечивающими термоэлектрическое преобразование,
первую балку, содержащую первый термоэлектрический элемент n-типа и второй термоэлектрический элемент p-типа,
вторую балку содержащую первый термоэлектрический элемент p-типа и второй термоэлектрический элемент n-типа,
центральную область, с которой соединены первая и вторая балка и которая содержит первую изолирующую часть для электрической изоляции, по крайней мере, одного из гетероструктурных полупроводниковых слоев p-типа или гетероструктурных полупроводниковых слоев n-типа между первым термоэлектрическим преобразователем и вторым термоэлектрическим преобразователем,
причем первый термоэлектрический преобразователь и второй термоэлектрический преобразователь соединены последовательно таким образом, что соединены первый термоэлектрический элемент n-типа и второй термоэлектрический элемент p-типа.

9. Электронное устройство по п.8 (бывшему 11), в котором первая балка содержит вторую изолирующую часть для электрической изоляции первого термоэлектрического элемента n-типа и второго термоэлектрического элемента p-типа и вторая балка содержит третью изолирующую часть для электрической изоляции первого термоэлектрического элемента p-типа и второго термоэлектрического элемента n-типа.

10. Электронное устройство, содержащее:
термоэлектрический преобразователь, содержащий полупроводниковые слои гетероструктуры, осуществляющие термоэлектрическое преобразование с использованием эффекта Зеебека, и
по меньшей мере, либо фотоэлектрический преобразователь, в котором, по крайней мере, часть указанных полупроводниковых слоев гетероструктуры выполняет фотоэлектрическое преобразование, либо транзистор или диод, имеющий, по крайней мере, часть указанных полупроводниковых слоев гетероструктуры, выполняющих функции рабочего слоя,
причем указанные полупроводниковые слои гетероструктуры содержат гетероструктурные полупроводниковые слои p-типа и гетероструктурные полупроводниковые слои n-типа, расположенные друг над другом,
термоэлектрический преобразователь содержит термоэлектрический элемент p-типа с гетероструктурными полупроводниковыми слоями p-типа, обеспечивающими термоэлектрическое преобразование и термоэлектрический элемент n-типа, с гетероструктурными полупроводниковыми слоями n-типа, обеспечивающими термоэлектрическое преобразование, и
фотоэлектрический преобразователь является фотодиодом, использующим гетероструктурные полупроводниковые слои p-типа и гетероструктурные полупроводниковые слои n-типа.

11. Электронное устройство, содержащее:
термоэлектрический преобразователь, включающий в себя полупроводниковые слои гетероструктуры, осуществляющие термоэлектрическое преобразование с использованием эффекта Зеебека, и
по меньшей мере, либо фотоэлектрический преобразователь, в котором, по крайней мере, часть указанных полупроводниковых слоев гетероструктуры выполняет фотоэлектрическое преобразование, либо транзистор или диод, имеющий, по крайней мере, часть указанных полупроводниковых слоев гетероструктуры, выполняющих функции рабочего слоя,
причем указанные полупроводниковые слои содержат гетероструктурные полупроводниковые слои p-типа и гетероструктурные полупроводниковые слои n-типа, расположенные друг над другом с расположенным между ними электрическим изоляционным слоем,
термоэлектрический преобразователь содержит термоэлектрический элемент p-типа, в котором гетероструктурные полупроводниковые слои p-типа обеспечивают термоэлектрическое преобразование и термоэлектрический элемент n-типа, в котором гетероструктурные полупроводниковые слои n-типа обеспечивают термоэлектрическое преобразование, и
имеется изолирующая часть, расположенная между термоэлектрическим элементом p-типа и термоэлектрическим элементом n-типа, обеспечивая электрическую изоляцию гетероструктурных полупроводниковых слоев p-типа и гетероструктурных полупроводниковых слоев n-типа.

12. Электронное устройство, содержащее:
термоэлектрический преобразователь, содержащий полупроводниковые слои гетероструктуры, осуществляющие термоэлектрическое преобразование с использованием эффекта Зеебека, и
по меньшей мере, либо фотоэлектрический преобразователь, в котором, по крайней мере, часть указанных полупроводниковых слоев гетероструктуры выполняет фотоэлектрическое преобразование, либо транзистор или диод, имеющий, по крайней мере, часть указанных полупроводниковых слоев гетероструктуры, выполняющих функции рабочего слоя,
причем указанные полупроводниковые слои гетероструктуры содержат гетероструктурные полупроводниковые слои p-типа и гетероструктурные полупроводниковые слои n-типа, расположенные друг над другом, с расположенным между ними электрическим изоляционным слоем,
указанный термоэлектрический преобразователь содержит термоэлектрический элемент p-типа с гетероструктурными полупроводниковыми слоями p-типа, обеспечивающими термоэлектрическое преобразование и термоэлектрический элемент n-типа с гетероструктурными полупроводниковыми слоями n-типа, обеспечивающими термоэлектрическое преобразование, и
омический электрод, сформированный на указанных полупроводниковых слоях наверху между полупроводниковым слоем p-типа и полупроводниковым слоем n-типа, является нелегированным омическим электродом, а омический электрод, сформированный на указанных полупроводниковых слоях внизу между полупроводниковыми слоями p-типа и полупроводниковыми слоями n-типа, является легированным электродом.

13. Электронное устройство, содержащее:
термоэлектрический преобразователь, содержащий полупроводниковые слои гетероструктуры, которые содержат гетероструктурные полупроводниковые слои p-типа и гетероструктурные полупроводниковые слои n-типа, осуществляющие термоэлектрическое преобразование с использованием эффекта Зеебека, и по меньшей мере, либо фотоэлектрический преобразователь, в котором, по крайней мере, часть указанных полупроводниковых слоев выполняет фотоэлектрическое преобразование, либо транзистор или диод, имеющий, по крайней мере, часть указанных полупроводниковых слоев, выполняющих функции рабочего слоя,
причем указанные полупроводниковые слои имеют модулированную легированную структуру.