Monolithic integration of VLS silicon nanowires into planar thermoelectric microgenerators

Abstract

La creciente demanda de energía portátil requerida por sistemas miniaturizados está impulsando el desarrollo de nuevas tecnologías y materiales para lograr una eficiente generación de energía a una microescala. Los microgeneradores termoeléctricos ofrecen una oportunidad para recolectar el calor residual de dispositivos electrónicos y convertirlo en energía, eliminando a la vez dicho calor. La baja eficiencia de conversión termoeléctrica de los materiales semiconductores utilizados actualmente en microelectrónica ha limitado su aplicación para fines de aprovechamiento energético. Sin embargo, recientemente se ha constatado una mejora de varios órdenes de magnitud en las propiedades termoeléctricas del silicio cuando se presenta en forma de nanohilos, abriéndose de esta manera la oportunidad para la integración de generadores termoeléctricos en microtecnología de silicio. En esta tesis se han integrado monolíticamente matrices densas y ordenadas de nanohilos de silicio (Si NWs) en un dispositivo micromecanizado también en silicio. La técnica VLS-CVD ha sido utilizada para el crecimiento lateral controlado de los nanohilos. La microestructura ha sido apropiadamente diseñada para adaptar el crecimiento tridimensional de las matrices de nanohilos de silicio en una arquitectura plana y para asegurar el acceso eléctrico a los nanohilos. Adicionalmente, el dispositivo permite el establecimiento de un gradiente de temperatura interno plano cuando se pone en contacto con una fuente de calor, lo que da lugar a un microgenerador termoeléctrico completo en el que los nanohilos de silicio actúan como el material termoeléctrico nanoestructurado. Esta tesis tiene por objeto presentar los primeros desarrollos de integración de materiales termoeléctricos, técnicas de caracterización y tecnologías de fabricación realizados en el IMB-CNM (CSIC), sentando las bases para el desarrollo de futuras generaciones de microgeneradores termoeléctricos. Esta tesis se compone de cuatro capítulos. En el primer capítulo se presenta una breve introducción al mundo de la termoelectricidad, revisando el estado del arte de materiales y dispositivos termoeléctricos. El segundo capítulo está enfocado en las técnicas experimentales y tecnológicas empleadas a lo largo del estudio. El capítulo tres describe el proceso seguido para el diseño, simulación y fabricación de un microgenerador termoeléctrico plano basado en una sola matriz de nanohilos de silicio. Finalmente, el capítulo cuatro estudia el aumento en el rendimiento de los microgeneradoes termoeléctricos mediante matrices de nanohilos de silicio conectadas transversalmente, adaptando y explotando aún más el crecimiento lateral 3D de nanohilos de silicio VLS.

The increasing demand for portable power required by miniaturized systems is driving the development of new technologies and materials to achieve efficient energy generation at the microscale. Apart from removing heat from electronic devices, thermoelectric microgenerators offer an attractive opportunity to harvest waste heat converting it into power. The low thermoelectric conversion efficiency of current bulk microelectronics semiconductor materials has limited their implementation for energy harvesting purposes. However, recent studies have proven, at single nanowire level, that nanostructuring of silicon into nanowires greatly enhances the thermoelectric properties of this material, opening up the opportunity for the integration of thermoelectric generators into silicon microtechnology. In this thesis, dense and well-ordered arrays of silicon nanowires (Si NWs) have been monolithically integrated into a silicon micromachined device. The VLS-CVD technique has been used for the controlled lateral growth of nanowires. The microstructure has been appropriately designed to adapt the tridimensional growth of the Si NWs arrays to a planar architecture, and to assure electrical accessibility to the nanowires. Additionally, the device allows an internal in-plane temperature gradient to be established when placed in contact with a heat source, giving rise to a complete thermoelectric microgenerator in which the Si NWs act as the nanostructured thermoelectric material. This thesis is intended to bring new background in thermoelectric materials integration, characterization techniques and fabrication technologies to the IMB-CNM (CSIC), paving the way for the development of future generations of thermoelectric microgenerators. The work presented in this thesis is divided into four chapters. The first chapter introduces thermoelectricity and its underlying physics, reviewing the state-of-the-art of thermoelectric materials and devices. The second chapter focuses on the experimental and technological tools employed along this study. The third chapter describes the process followed for the design, simulation and fabrication of the building block of the proposed planar thermoelectric microgenerators based on a single Si NWs array. Finally, chapter four studies the enhanced performance of thermoelectric microgenerator structures by means of transversally linked Si NWs arrays, further adapting and exploiting the 3D lateral growth of VLS Si NWs.