德国莱布尼茨固体与材料研究所Heiko Reith：基于独立热电纳米薄膜的低功耗电子微芯片温度控制器

研究背景

温度对微电子设备的性能有多方面的影响，尤其是在电子元件的精度，灵敏度，可靠性，稳定性和可调性等方面，而温度变化受到外部环境和内部功率组件的影响。为了实现高性能和低功耗的电子产品，需要有效地管理多功能微系统的温度分布。目前的散热方法不能在组件层面实现局部温度稳定，而且会降低散热功率和电子设备的寿命。因此需要一种能够主动控制温差的微温控器，以实现低功率元件的节能和宽范围温度控制。目前，基于热电效应的主动固态冷却技术，特别是电子可控热电冷却器，是一种有前途的微温控器的候选方案。但目前的热电冷却器仍存在一些温度控制不良及界面、薄膜品质等问题，因此提高热电材料的品质值和解决界面问题具有重要的研究价值。

On‐Chip Micro Temperature Controllers Based on Freestanding Thermoelectric Nano Films for Low‐Power Electronics 

Qun Jin*, Tianxiao Guo, Nicolás Pérez, Nianjun Yang, Xin Jiang, Kornelius Nielsch*, Heiko Reith*

Nano-Micro Letters (2024)16:126

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01342-3

本文亮点

1. 以新开发的纳米氧化石墨烯薄膜为衬底，采用溅射技术成功制备了致密、扁平的独立Bi₂Te₃基热电纳米薄膜。

2. 采用传统的微机电系统技术集成微芯片温度控制器，实现低功耗电子设备的节能温度控制。

3. 等效热阻可调，可实现100 K mW⁻1f 的超高温控制能力和超过2000 K s⁻1的超快冷却速度，以及高达100万次循环的卓越可靠性。

内容简介

多维集成和多功能组件组装是现代微电子摩尔定律的延伸，近年来得到了广泛的研究。然而，这不可避免地加剧了微系统中温度分布的不均匀性，使得电子元件的精确温度控制极具挑战性。德国莱布尼茨固体与材料研究所Kornelius Nielsch等报道了一种微芯片温度控制器，该控制器包括一对热电腿，总面积为50 × 50 μm2，该热电腿是由致密和扁平的独立Bi₂Te₃基热电纳米薄膜沉积在新开发的纳米氧化石墨烯膜衬底上制成的。其可调谐等效热阻由电流控制，以实现低功耗电子产品的节能温度控制。在380 K时可实现44.5 K的大冷却温差，功耗仅为445 μW，从而实现超过100 K mW⁻1的超高温度控制能力。此外，还观察到超过2000 K s⁻1的超快冷却速率和高达100万次循环的出色可靠性。我们提出的片上温度控制器有望在微电子芯片上实现进一步的小型化和多功能集成。

图文导读

I 引言与实验部分

温度控制在现代电子产品中至关重要。通常，温度变化主要来自外部环境的日和季节温度变化以及在同一微系统中运行内部大功率元件产生的不可避免的加热效应。此外，电子产品向高性能和低功耗方向的小型化，以及物联网中对多维集成器件需求的多样化，使得多功能微系统的温度分布呈现出空间非均匀性和时间不确定性，给热管理带来了进一步的挑战。为了增强固态热传导，减少大功率电子器件与其环境之间的热阻是研究最广泛的被动散热策略(如图1a所示)。当与热对流结合使用商用风扇冷却在系统级或液体冷却在芯片级时，热传导可以显著改善。在这项工作中，我们提出了一种基于协同设计概念的片上微型温控器(μ-Tcer)，它结合了高内在Rth和广泛可控的Rth(如图1c所示)，为低功耗微电子实现了高效和宽范围的温度控制。我们使用新开发的超薄氧化石墨烯薄膜作为衬底，通过溅射技术获得了致密和脂肪独立的Bi₂Te₃基TE纳米薄膜(图1d)，并使用传统的MEMS技术将其集成到μ-TCers中。图1e-h为μ-TCer的结构，主要由一对长~ 25 μm、宽~ 50 μm、厚度为750 nm的n型和p型TE支腿组成。优化后的μ-TCer具有100 K mW⁻1的温度控制能力和5 ms的快速响应时间，以及出色的工作稳定性和循环耐久性。

图1. 片上微型温度控制器的设计理念。(a)温度控制原理图:高功率电子器件通过超低固有热阻Rₜₕ的散热器冷却；(b)通过超高固有热阻(Rth)的微加热器加热；(c)通过具有广泛可控等效热阻的微热电(TE)温度控制器控制。注意，a中的加热效应主要通过b和c共享的底物引起b和c中的温度函数；(d)纳米多孔碳纳米管(CNT)膜、氧化石墨烯(GO)纳米膜和密集TE膜的扫描电镜图像；(e)微温控器(μ-TCer)的俯视图伪彩色SEM图像，f显示了横向的多层微观结构；(g)真空中TCer三维原理图中TE腿的特写图像，由工作电流Iw驱动的TE温度控制电路(蓝色箭头)和使用加热电流Ih测量温度和模拟低功耗电子器件的Pt传感器(绿色箭头)组成；(h)μ-TCer的垂直多层纳米结构示意图，g图中用白色圆标记。

从1 × 1 cm2的硅/氮化硅(Si/Si₃N₄)衬底开始，包括~ 300 μm厚的Si和~ 100 nm厚的双面Si₃N₄层，在图像化光刻胶的保护下，用CF₄气体反应离子蚀刻(RIE)部分蚀刻Si₃N₄层。在40% KOH条件下，在353 K下去除Si层约300分钟后，获得了独立的Si₃N₄窗口。其次，使用标准光刻，磁控溅射和lift-off工艺将温度传感器电极(Pt/Ti, 38/6 nm，图1e-h中绿色标记)沉积在Si₃N₄窗口上，然后在473K绝缘层上进行50 nm厚的SiO₂原子层沉积(ALD)。接下来，光刻胶在SiO₂层上进行光刻，打开电极，用CF₄气体进行反应离子蚀刻(RIE)性能测量。第三，通过溅射和图案刻蚀可以获得工作电极(Au/Cr, 180/20 nm，图1e-h中用黄色标记)。值得注意的是，上述SiO₂层的关键作用是在TCer中Pt绝缘传感器和Au工作电极(如图1g的多层结构所示)。第四，利用RIE用CF₄气体彻底蚀刻Si₃N₄窗口和SiO₂的不必要部分，确保μ-TCer具有良好的隔热条件。最后，通过聚焦双光束技术(FEI, Helios 600i)将分别制备的n型和p型独立Bi₂Te₃基TE薄膜集成到上述制备的芯片上。片上集成的μ-TCer如SEM图(图1e、f)和三维原理图(图1g、h)所示。PPMS系统可以提供高真空(~0.01 mTorr)和精确的环境温度设定(280 – 380 K)，用于μ-TCers的性能测试(类似于微电子器件的工作温度范围)。采用热补偿法(双电流)进行冷却功率和效率测试，一个是工作电流(Iw)，另一个是加热电流(Ih)，模拟微元件的焦耳效应，同时监测实时温度。

II  超低功耗电子器件的冷却

Iw、T、α、R分别为μ-TCer的工作电流、绝对温度、塞贝克系数和内阻。因此，T作为电力电子元件(具有加热电流) μ-TCer的主要指标，可以通过调节Iw的大小和方向来控制(图2a)。对于超低功耗组件(Ih=5 μA且Ph<50 nW)，由于Peltier效应和焦耳效应的综合影响，随着Iw从0增加到-1mA，加热温度差异会持续增加。相反，当Iw反向时，冷却温度差随着Iw的增加而减小，并在增加前达到最小值(0–5 mA)。因此，ΔTc对于温度控制范围至关重要，这也是区分热电偶(TECs)和只有加热功能的微型加热器的独特特征。

为了对比分析几何参数对冷却性能的影响(图2b)，我们制作了一系列不同截面长比(S/L)的器件(标号NO.1 – NO.8)。随着S/L值的增加，最大冷却温度差异会增加，这是由于通过Pt传感器的导热损失相对减少。相反，随着S/L值的增加，Rth值会减小，因为它们之间存在倒数关系。ΔTc和Rth是μ-TCer的两个关键参数 (详细比较见图2c)。

由于提高ΔTc和Rth以提高温度可控性和效率的方法无法同时实现，需要根据实际应用重新设计具体的几何参数。在本研究中，当S/L值从1.3 μm增加到2.3 μm时，Rth和η值迅速下降(图2b, c)，但数值增长缓慢。这是由于单级TCer中散热器的局部温度升高。多级冷却策略(例如，结合水/空气冷却系统的TEC和多级TEC)可以在降低效率的同时克服这一瓶颈。值得注意的是，它们不适合作为要求结构简单紧凑的片上μ-TCer。综合考虑，适宜的S/L值为1.5 μm (NO.7)。

图2. 冷却性能表征。(a)优化几何参数后μ-TCer的温差ΔTc与工作电流Iw和加热电流Ih的关系；(b)一系列μ-TCers (NO.1 – NO.8)及其拟合线的截面长比(S/L)的函数；(c)前人报道的微TECs(方形)和μ-TECs(圆形)的冷却性能比较。请注意，颜色条表示其内在Rth阀值。

图3a显示了温度依赖的值。具体来说，它可以在100-380 K的环境温度下实现约2 K到约45 K的温差，这比具有有序微结构的柔性多孔TE膜的性能提高了100%。例如，这种集成在芯片上的μ-TCer可以在380 K的环境中为超低功耗组件建立并维持一个恒定的335 K温度区域，使其非常适合用于现代微电子设备甚至低温电子设备的温度控制。图3显示了我们的μ-TCer的温度依赖设备TE性能，这些性能被评估以解释设备集成在其冷却能力中的关键作用。通过集成密集和平坦的TE膜制造的TCer(NO.7)的冷却性能显著高于由多孔TE膜集成的TCer(NO.9)(见图3a)。前者的实验值也比后者更好地匹配预测值，这是基于他们的设备优点(在图3b中定义为ZTD = α2 ×Rth/R×T)。具体来说，这两个μ-TCer的α值是可比的，不会受到纳米多孔结构的显著影响，并且随着温度的升高而增加(见图3c)。然而，与Rth(图3d)相比，由于界面效应(约30%)和多孔结构，R值在300 K时增加了约40%，主要导致冷却性能的降低(见图3a)。可以得出的结论是，高冷却能力应归因于自立式TE膜的高性能和他们的高质量集成以减少界面效应，这些都得益于自立式TE膜的密度和平整度的改善。此外，界面工程预计将进一步优化界面质量，从而提高冷却性能。

图3. 器件热电性能。温度依赖性(a)实验(数据点)与计算(线)最大冷却温差；(b)无因次装置性能图ZTD；(c)器件塞贝克系数α；(d)热阻Rth和(e)内阻R，分别为密实TE膜的NO.7(绿色)和多孔TE膜的NO.9(黑色)，a中的插图显示了多孔TE膜的形态细节。

III  低功耗电子器件的温度控制

在保持稳定温度控制的同时，有效地传递低功耗电子器件的热功率(Ph)对于μ-TCer至关重要。μ-TCer的电功率(Pc)和制冷性能(COP)与温度差(ΔT)之间呈线性关系。图4a展示了μ-TCer的电功率随温度(Ts和Ta)变化的情况。其中，蓝色区域表示电功率小于零，这是基于塞贝克效应的热电生成函数所致。靠近蓝色区域的上方和下方分别表示制冷和加热的电功率。图4b显示了电功率随温度Ts的变化，最低点位于约376 K(点1)，这是由于约70 μW的加热效应导致的约26 K的ΔT(介于376 K和350 K之间)。在这个ΔT驱动下，μ-TCer实现了最大0.5 μW的热电功率，相当于片上热电发生器，从而导致最小电功率为-0.5 μW。为了完全传递70 μW的热功率，需要55 μW的电功率来消除T(在Ts=Ta=350 K的点4处)，从而实现COP为1.36。当Ts低于约345 K时，由于过度制冷，电功率随ΔT迅速增加，甚至超过100 μW。图4c总结了平均COP随变化的情况。在可变温度环境中，所有随着平均COP的增加而增加，直到达到各自的最大值。例如，当温度范围为280 – 360 K时，最低平均电功率约为30 μW，理想平均COP为2.3，与大多数空调系统相当。此外，即使最低为280 K，当从280 K增加到320 K时，最大值也会增加，尽管最佳Ts增加了10 K，平均COP值高达9。这表明μ-TCer在可穿戴和植入式电子产品中具有实际应用前景。图4d显示了在Ta为350 K时，加热功率依赖性值随着电功率Ph的变化情况。随着电流Iw的增加，加热功率依赖性显著减小，甚至在制冷模式下可以达到零，这表明微电子的热功率通过Peltier和Thomson效应传递而没有形成ΔT。对于约5 μW的电功率，加热功率依赖性可以在±7.5 MK W⁻1的范围内调节，比本征热电阻高出约20倍。因此，μ-TCer更适用于低功耗电子器件。广泛可控的温度是实现高能效温度控制的关键，包括微区温度控制、超高耐热性以及TE制冷、制热和发电的结合。

图4. 用于低功耗电子设备的温度控制。(a)~ 70-μW元件的恒温控制功耗P与Ts和Ta的关系，详细数据见图S8；(b)功耗P对 ( Ta= 350k)，在a中用水平白色虚线表示；(c)从最低环境温度到360 K不同温度范围内的平均COP对Ts；(d)在350k时不同Iw下的加热功率依赖性和相对热阻。

IV 可控性和稳定性

为了评估μ-TCer的可靠性，文章研究了μ-TCer在交流电Iw驱动下的温度控制稳定性和循环耐久性。图5a显示，在连续测试(包括冷却和加热)过程中，控制温度每循环变化小于0.1 K，1000次循环后变化小于0.2 K，表现出良好的运行稳定性。在排除Ta函数的影响后，连续运行的相对温度变化约为0.4%，比之前报道的最高值提高了一个数量级。循环次数对控制温度的影响也进行了表征，以进一步评估循环耐久性和响应时间(图5b)。~ 200 ms的测试周期远长于珀耳帖效应和焦耳效应的时间常数，以保证测试精度。循环100万次后，温度变化仍小于0.2 K，具有良好的控温稳定性和可靠性。μ-TCer从380 K (Ta)冷却到350 K (Ta)只需要~4 ms，进一步将温度降低到342 K(63.2%)只需5 ms的响应时间，总共30 ms就足以在整个1 M周期内将温度稳定在320 K。这种响应时间与面外微型tec的响应时间相当，比商业和学术研究中传统的批量tec的响应时间短几个数量级。由于其热容量小，冷却功率密度高，2000 K s⁻1的平均冷却速率比散装TE冷却器高3个数量级。具有优异可靠性的主要因素有四个方面：(1)独立柔性膜具有良好的柔性，能够吸收热应力或应变，从而提高结构稳定性；(2)简单的单偶结构使其串联电路比包含数百个TE支腿的TEC故障风险更低；(3)与基于超晶格薄膜的或块状tec中报道的安培级Iw相比，低Iw(~3 mA)具有产生更少热量的优点，并且避免了潜在的击穿效应和对附近电子设备的电磁干扰；(4)真空封装环境最大限度地减少了器件材料的化学降解，从而提高了TE性能的稳定性。因此，该μ-TCer可用于低功耗温度敏感电子器件的精确温度控制。它还可以对片上激光器和MEMS时钟的频率调制做出重要贡献。

图5. 微型TE TCer的可控性和稳定性：使用交流工作电流(−0.5/1.85 mA)分别加热和冷却，循环次数依赖于微型TE TCer的控制温度结果。(a)连续测试结果(加热2秒，冷却2秒)；(b)单周期间歇测试结果(~ 80ms冷却)。

V  总结

文章报道了一种微芯片温度控制器，该控制器由沉积在新开发的超薄氧化石墨烯纳米膜上的单层致密扁平独立TE膜组成，并进一步展示了其在低功耗温度敏感微电子元件的微区热管理中的实现。它结合了大内禀Rth和从正到负广泛可调的特点，实现了节能的温度控制。焦耳效应和珀耳耳效应的结合使其具有超快的冷却速度(2000 K/s)和突出的冷却温差(~ 45 K)。极其紧凑的器件结构结合优越的可靠性(> 1 M)可能是其实际应用的重要保证。综上所述，该文章建立了新的设计理念，对原型器件进行了温度控制分析。未来希望这种温度控制器能够不断克服节能微电子技术中出现的新挑战。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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