[发明专利]一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统

说明书

本发明公开了一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统。主要由热电转换模块以及电压转换与储存电路模块组成，热电转换模块主要由多个热电组件组成；每个热电组件主要由热电层和隔离层沿垂直方向上交替层叠构成，相邻两层热电层之间均设置一层隔离层，且在热电层外设置一层隔离层，使得热电组件顶层和底层均为隔离层；芯片产生热能通过热电转换模块将温差转化为电能，经过电压转换及储存模块进行电压放大和储存，电压转换及储存模块输出电压。本发明适用于芯片上特定小面积热点的热量采集和转换，能将热能转化成电能以驱动芯片上其他功能模块的片上能量收集形式为能量循环使用，减少系统能耗提供了可能。

技术领域

本发明涉及一种三维集成电路中的热电转换系统,尤其是涉及以石墨烯二维材料作为热电材料的热电转换模块以及自启动的电压转换模块。本发明属于集成电路与系统电子设计领域。

背景技术

在集成电路与系统低功耗、高性能和超小型化封装发展趋势下，三维集成电路系统级封装已被广泛认可为具有很大的应用潜力。然而芯片模块垂直堆叠的封装内部芯片互联技术也加剧了散热问题。芯片中不同模块里的晶体管工作会产生不规则的热点分布，热点和冷却点之间悬殊的温度差可以通过热电发生器转化成电能，如此有望实现芯片中能量的循环使用。

热电转换基于Thomas Joham Seebeck在1821年发现的塞贝克效应。塞贝克效应描述了一种材料在一定温度差(ΔT)下产生电势差(ΔV)的能力，由该种材料的塞贝克系数S决定：S＝ΔV/ΔT。热电材料的热电转换效率与它的热优值ZT有关：ZT＝S²σT/k，其中S代表材料的塞贝克系数，σ是材料的电导系数，k是材料的热导系数，T是器件工作的绝对温度。ZT值越高，热电材料的热电转换效率越高，所以一种优秀的热电材料，其塞贝克系数和电导率需要大而热导率小。

传统的热电发生器(Thermoelectric Generator,TEG)由多个热电对串联构成，热电对由P型和N型热电材料构成两个脚，该两脚呈热并联电串联形态。以P型热电材料为例，热端空穴浓度较高，空穴从热端向冷端扩散，N型则相反。由此在两脚之间便会形成电势差。

前期对于TEG的工作大多以体材料为热电材料，而在三维集成中，往往能形成几十微米数量级的极小热点，所以低维热电材料相比体材料更适用于特定点的热能转换并且拥有更优良的热电性能。超晶格薄膜和硅纳米线材料的TEG都被研究过，但利用三维集成结构特点的完整且自启动的用于三维集成封装的热电转换系统几乎没有。

将热能转化成电能以驱动芯片上其他功能模块的片上能量收集形式为能量循环使用，减少系统能耗提供了可能，在未来的低耗芯片产业中拥有诱人前景。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的提出了一种三维集成中基于纳米材料的热电转换系统。

本发明采用的技术方案是：

所述的热电转换系统主要由热电转换模块以及电压转换与储存电路模块组成，所述的热电转换模块主要由多个热电组件组成，多个热电组件串联连接；每个热电组件主要由热电层和隔离层沿垂直方向上交替层叠构成，相邻两层热电层之间均设置一层隔离层，且在热电层外设置一层隔离层，使得热电组件顶层和底层均为隔离层；每层隔离层均主要由导热绝缘材料制成，导热绝缘材料的端部替换为导电材料，并且上下相邻两层隔离层中的导电材料布置端部相反，每个热电层均采用四层封闭式石墨烯，上下相邻两层热电层形成一个P-N热电对；相邻两侧热电层之间通过两者之间的隔离层的导电材料导通，顶层隔离层中的导电材料和底层隔离层中的导电材料引出P-N热电对两脚之间由于塞贝克效应产生电压差，作为热电组件的电压输出。

热电组件顶层和底层的隔离层中的导电材料作为热电组件的两极，多个热电组件串联连接通过热电组件的两极相依次串接而成，如图3(b)所示。