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KR101352362B1 - Thermoelectric device and method of forming the same, temperature sensing sensor, and heat-source image sensor using the same - Google Patents

Thermoelectric device and method of forming the same, temperature sensing sensor, and heat-source image sensor using the same Download PDF

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KR101352362B1
KR101352362B1 KR1020100088107A KR20100088107A KR101352362B1 KR 101352362 B1 KR101352362 B1 KR 101352362B1 KR 1020100088107 A KR1020100088107 A KR 1020100088107A KR 20100088107 A KR20100088107 A KR 20100088107A KR 101352362 B1 KR101352362 B1 KR 101352362B1
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KR
South Korea
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nanowire
thin film
silicon thin
silicon
forming
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박영삼
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현영훈
전명심
전상훈
정태형
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한국전자통신연구원
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Abstract

열전 소자 및 그 형성방법, 이를 이용한 온도 감지 센서 및 열원 이미지 센서가 제공된다. 열전 소자는 기판 상의 서로 이격되어 배치된 제 1 나노 와이어 및 제 2 나노 와이어, 제 1 나노 와이어의 일단에 연결되는 제 1 실리콘 박막, 제 2 나노 와이어의 일단에 연결되는 제 2 실리콘 박막 및 제 1 나노 와이어의 타단 및 제 2 나노 와이어의 타단에 연결되는 제 3 실리콘 박막을 포함하되, 제 1 나노 와이어 및 제 2 나노 와이어는 기판의 상부면에 대하여 수평한 방향으로 연장된다.A thermoelectric element, a method of forming the same, a temperature sensing sensor, and a heat source image sensor using the same are provided. The thermoelectric device includes a first nanowire and a second nanowire disposed on a substrate, spaced apart from each other, a first silicon thin film connected to one end of the first nanowire, a second silicon thin film connected to one end of the second nanowire, and a first one. And a third silicon thin film connected to the other end of the nanowire and the other end of the second nanowire, wherein the first nanowire and the second nanowire extend in a horizontal direction with respect to the upper surface of the substrate.

Description

열전 소자 및 그 형성방법, 이를 이용한 온도 감지 센서 및 열원 이미지 센서{THERMOELECTRIC DEVICE AND METHOD OF FORMING THE SAME, TEMPERATURE SENSING SENSOR, AND HEAT-SOURCE IMAGE SENSOR USING THE SAME}Thermoelectric element and its formation method, temperature sensing sensor and heat source image sensor using the same {THERMOELECTRIC DEVICE AND METHOD OF FORMING THE SAME, TEMPERATURE SENSING SENSOR, AND HEAT-SOURCE IMAGE SENSOR USING THE SAME}

본 발명은 열전 소자 및 그 형성방법, 온도 감지 센서 및 열원 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나노 와이어를 이용한 열전 소자, 온도 감지 센서 및 열원 이미지 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a thermoelectric element, a method of forming the same, a temperature sensing sensor, and a heat source image sensor, and more particularly, to a thermoelectric element, a temperature sensing sensor, and a heat source image sensor using nanowires.

열전 소자는 열에너지를 전기에너지로 변환하는 소자로서, 최근 에너지 및 친환경 정책을 동시에 충족할 수 있는 대표적인 기술 분야 중 하나이다. 열전 소자의 열원은 태양열, 자동차 폐열, 지열, 체열, 방사능 열 등 지구상에 존재하는 모든 열을 그 에너지원으로 활용할 수 있다.Thermoelectric devices are devices that convert thermal energy into electrical energy and are one of the representative technical fields that can satisfy energy and eco-friendly policies at the same time. The heat source of the thermoelectric element can use all the heat existing on the earth as the energy source such as solar heat, automobile waste heat, geothermal heat, body heat and radioactive heat.

열전 효과(thermoelectric effect)는 1800년대 Thomas Seebeck에 의해 가장 먼저 발견되었다. Seebeck은 비스무스와 구리를 연결하고 그 안에 나침반을 배치하였다. 비스무스의 한쪽을 뜨겁게 가열하면 온도 차이로 인해 전류가 유도되며, 이 유도전류로 인해 발생하는 자기장이 나침반에 영향을 끼쳐 나침반이 움직이는 것을 보여줌으로써 열전효과를 처음으로 규명하였다.The thermoelectric effect was first discovered by Thomas Seebeck in the 1800s. Seebeck connects bismuth with copper and places a compass in it. The hot heating of one side of bismuth induces a current due to the temperature difference, and the magnetic field generated by this induced current affects the compass, demonstrating the thermoelectric effect for the first time.

열전효율을 가늠하는 지표로는 ZT(figure of merit) 값이 사용된다. ZT 값은 Seebeck coefficient의 제곱과 전기전도도 (electric conductivity)에 비례하고, 열전도도 (thermal conductivity)에 반비례한다. 이들은 물질의 고유 특성에 크게 좌우된다. 금속의 경우 Seebeck 계수 값이 수 ㎶/K 수준으로 매우 낮고, Wiedemann-Franz law에 의해 전기전도도와 열전도도 사이에는 비례 관계에 있기 때문에, 금속을 이용한 ZT 값 향상은 불가능하다. 한편, 반도체 물질들에 대한 과학자들의 꾸준한 연구를 통해 각각 체열 및 방사능 열을 그 열원으로 하는 열전소자들이 시장에 나오게 되었다. 하지만 시장규모는 아직 작은 실정이다. 제품화된 열전소자용 물질로는 상온 및 중온 주위에선 Bi2Te3가, 고온에선 SiGe이 적용되고 있다. Bi2Te3의 ZT 값은 상온에선 0.7, 120℃에서 최대값인 0.9를 갖는다. SiGe의 ZT 값은 상온에선 약 0.1, 900℃에서 최대값 0.9를 갖는다.The figure of merit (ZT) is used as an indicator of thermoelectric efficiency. The ZT value is proportional to the square of the Seebeck coefficient and the electrical conductivity and inversely proportional to the thermal conductivity. These are highly dependent on the intrinsic properties of the material. In the case of metal, the Seebeck coefficient value is very low, such as a few kW / K, and according to the Wiedemann-Franz law, there is a proportional relationship between electrical conductivity and thermal conductivity. On the other hand, through constant research by scientists on semiconductor materials, thermoelectric devices whose body heat and radiation heat are the heat sources are brought to the market. However, the market size is still small. As commercialized thermoelectric materials, Bi 2 Te 3 is used around room temperature and medium temperature, and SiGe is used at high temperature. The ZT value of Bi 2 Te 3 has a maximum value of 0.9 at room temperature of 0.7 and 120 ° C. The ZT value of SiGe has a maximum value of 0.9 at about 0.1 and 900 ° C at room temperature.

반도체 산업의 기본 소재인 실리콘을 기반으로 한 연구도 관심을 받고 있다. 실리콘은 열전도도가 150W/m·K로서 매우 높아, ZT 값이 0.01의 값을 가지므로 열전소자로서의 활용이 어려운 것으로 인식되어 왔다. 하지만, 최근 들어 화학 기상 증착(chemical vapor deposition)으로 성장한 실리콘 나노선의 경우에는 열전도도를 0.01배 이하까지 줄일 수 있으며, 이에 따라서 ZT 값이 1에 근접하는 것으로 보고되고 있다. Research based on silicon, the basic material of the semiconductor industry, is also receiving attention. Since silicon has a very high thermal conductivity of 150 W / m · K and a ZT value of 0.01, it has been recognized that it is difficult to be used as a thermoelectric element. However, recently, in the case of silicon nanowires grown by chemical vapor deposition, the thermal conductivity can be reduced to 0.01 times or less, and thus the ZT value is reported to be close to 1.

하지만, 기존 기술을 활용한 실리콘 나노선 기반 열전소자의 집적화 및 제품화는 큰 어려움에 직면하고 있는데, 가장 큰 이유 중의 하나는 대량생산이 가능한 나노선 제작 방법의 부재를 들 수 있다. 대부분의 제작 방법들은 촉매 (catalyst) 혹은 비촉매 (non-catalyst) 방식 등을 활용하여, 퍼니스 (furnace) 안에서 각각 개별적으로 성장시키는 방법을 택하고 있다. 하지만, 이와 같은 개별 성장 방식은, 다음의 두 가지 단점을 가지고 있다. 첫째, 한 방향으로만 일관되게 나노선들이 성장되지 않고, 일부 나노선들은 원하지 않는 방향으로 성장하면서 다른 나노선들의 성장을 방해하기 때문에, 고품질의 나노선 획득에 큰 제약 조건으로 작용한다. 둘째, 퍼니스 안에서 개별 성장시킨 나노선들을 소자로 이동한 후, 소자에 부착하여 사용하여야 한다. 즉, 나노선과 소자의 일체형 제작이 이루어지지 않아, 대량 생산이 불가능하며, 또한 이 과정에서 많은 시간이 소요되기 때문에 비용 증가가 매우 커진다.However, integration and commercialization of silicon nanowire-based thermoelectric devices using existing technologies face great difficulties. One of the biggest reasons is the absence of a method for manufacturing nanowires that can be mass-produced. Most of the production methods use a catalyst or non-catalyst method to grow individually in a furnace. However, such an individual growth method has two disadvantages. First, nanowires do not grow consistently in only one direction, and some nanowires grow in undesired directions and interfere with the growth of other nanowires, which places great constraints on obtaining high-quality nanowires. Second, the nanowires grown in the furnace must be moved to the device and then attached to the device. In other words, the integrated production of nanowires and the device is not made, mass production is impossible, and the cost increases because the process takes a lot of time.

본 발명의 목적은 생산이 용이한 열전 소자 및 그 형성방법, 이를 이용한 온도 감지 센서 및 열원 이미지 센서를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a thermoelectric element and a method of forming the same, a temperature sensor and a heat source image sensor using the same.

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 기판 상의, 서로 이격되어 배치된 제 1 나노 와이어 및 제 2 나노 와이어, 상기 제 1 나노 와이어의 일단에 연결되는 제 1 실리콘 박막, 상기 제 2 나노 와이어의 일단에 연결되는 제 2 실리콘 박막 및 상기 제 1 나노 와이어의 타단 및 상기 제 2 나노 와이어의 타단에 연결되는 제 3 실리콘 박막을 포함하되, 상기 제 1 나노 와이어 및 상기 제 2 나노 와이어는 상기 기판의 상부면에 대하여 수평한 방향으로 연장된다.According to an embodiment of the present invention, a thermoelectric device includes a first nanowire and a second nanowire disposed on a substrate and spaced apart from each other, a first silicon thin film connected to one end of the first nanowire, and one end of the second nanowire. And a second silicon thin film connected to the second silicon thin film and a third silicon thin film connected to the other end of the first nanowire and the second end of the second nanowire, wherein the first nanowire and the second nanowire are formed on an upper portion of the substrate. It extends in a direction horizontal to the plane.

본 발명의 실시예에 따른 상기 실리콘 박막들 및 상기 나노 와이어들은 동일한 평면에 제공될 수 있다.The silicon thin films and the nanowires according to the exemplary embodiment of the present invention may be provided on the same plane.

본 발명의 실시예에 따른 상기 실리콘 박막들 및 상기 나노 와이어들은 동일한 두께를 가질 수 있다.The silicon thin films and the nanowires according to the exemplary embodiment of the present invention may have the same thickness.

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 상기 실리콘 박막들에 전기적으로 각각 연결되는 제 1, 제 2 및 제 3 금속 박막들 및 상기 제 3 금속 박막에 전기적으로 연결되는 흡수체를 더 포함할 수 있다.The thermoelectric device according to the embodiment of the present invention may further include first, second and third metal thin films electrically connected to the silicon thin films, and an absorber electrically connected to the third metal thin film.

본 발명의 실시예에 따른 상기 흡수체는 열을 흡수하여 상기 제 3 금속 박막을 통하여 상기 제 3 실리콘 박막에 전달할 수 있다.The absorber according to the embodiment of the present invention may absorb heat and transfer the heat to the third silicon thin film through the third metal thin film.

본 발명의 실시예에 따른 상기 제 1 및 제 2 나노 와이어들은 실리콘을 포함할 수 있다.The first and second nanowires according to the embodiment of the present invention may include silicon.

본 발명의 실시예에 따른 상기 제 1 나노 와이어는 엔형 도펀트를 포함하며, 상기 제 2 나노 와이어는 피형 도펀트를 포함할 수 있다.The first nanowire according to an embodiment of the present invention may include an N-type dopant, and the second nanowire may include an etched dopant.

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 상기 제 1 실리콘 박막, 상기 제 2 실리콘 박막 및 상기 제 3 실리콘 박막 각각은 도핑 영역을 더 포함하되, 상기 도핑 영역은 상기 금속 박막들에 연결되는 콘택들과 오믹 콘택을 형성할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the thermoelectric device may further include a doped region in each of the first silicon thin film, the second silicon thin film, and the third silicon thin film, wherein the doped regions may be connected to the metal thin films. Ohmic contacts can be formed.

본 발명의 실시예에 따른 상기 금속 박막들은 동일한 물질을 포함할 수 있다.The metal thin films according to the embodiment of the present invention may include the same material.

본 발명의 실시예에 따른 상기 금속 박막들은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 질화티타늄(TiN) 또는 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.The metal thin films according to the embodiment of the present invention may include at least one of copper (Cu), aluminum (Al), titanium (Ti), cobalt (Co), titanium nitride (TiN), or tungsten (W). .

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 상기 기판 상에 제공된 절연막을 더 포함하며, 상기 제 1, 제 2, 제 3 실리콘 박막 및 상기 제 1 및 제 2 나노 와이어들은 상기 절연막 상에 배치될 수 있다.The thermoelectric device according to the embodiment of the present invention may further include an insulating film provided on the substrate, and the first, second, third silicon thin films and the first and second nanowires may be disposed on the insulating film. .

본 발명의 실시예에 따른 온도 감지 센서는 열원의 열에너지를 전기에너지로 변환하는 열전 소자, 상기 전기 에너지를 상기 열원의 온도값과 비교하여 연산하는 중앙처리부, 및 상기 중앙처리부에서 연산된 데이터를 저장하며, 상기 중앙처리부와 데이터를 교환하는 데이터 저장부를 포함할 수 있다.Temperature sensor according to an embodiment of the present invention is a thermoelectric element for converting the thermal energy of the heat source into electrical energy, a central processing unit for comparing the electrical energy with the temperature value of the heat source, and stores the data calculated in the central processing unit It may include a data storage for exchanging data with the central processing unit.

본 발명의 실시예에 따른 열원 이미지 센서는 앤드(AND) 논리회로, 상기 앤드 논리회로에 의하여 턴-온되는 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자에 전기적으로 연결된 열전 소자를 각각 포함하는 복수 개의 단위 픽셀들, 상기 복수 개의 단위 픽셀들을 선택하며, 상기 앤드 논리회로에 전기적으로 연결된 로우 멀티플렉서 및 컬럼 멀티플렉서, 상기 턴-온된 스위칭 소자를 통하여 상기 열전 소자의 전기 에너지를 증폭하는 전류 증폭기들 및 상기 전류 증폭기들에 의하여 증폭된 신호를 전달받아 영상을 출력하는 디스플레이를 포함한다.A heat source image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention may include a plurality of unit pixels each including an AND logic circuit, a switching element turned on by the AND logic circuit, and a thermoelectric element electrically connected to the switching element, A row multiplexer and a column multiplexer, wherein the plurality of unit pixels are selected and electrically connected to the AND logic circuit, current amplifiers amplifying electrical energy of the thermoelectric element through the turned-on switching element, and by the current amplifiers And a display for receiving an amplified signal and outputting an image.

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 형성방법은 기판 상에 절연막 및 실리콘층을 차례로 형성하고, 상기 실리콘층 상에, 제 1 선폭을 가지는 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴에 애싱 공정을 진행하여, 상기 제 1 선폭보다 더 좁은 제 2 선폭을 가지는 포토레지스트 미세 패턴을 형성하는 것, 그리고 상기 포토레지스트 미세 패턴을 마스크로 상기 실리콘층에 식각 공정을 진행하여 제 1, 제 2 나노 와이어를 형성하는 것을 포함한다.In the method of forming a thermoelectric element according to an exemplary embodiment of the present invention, an insulating film and a silicon layer are sequentially formed on a substrate, a photoresist pattern having a first line width is formed on the silicon layer, and an ashing process is performed on the photoresist pattern. Proceeding to form a photoresist fine pattern having a second line width narrower than the first line width, and performing an etching process on the silicon layer using the photoresist fine pattern as a mask to form first and second nanowires. It includes forming a.

본 발명의 실시예에 따른 상기 제 1, 제 2 나노 와이어를 형성하는 것은 상기 제 1 나노 와이어의 일단과 연결되는 제 1 실리콘 박막을 형성하고, 상기 제 2 나노 와이어의 일단과 연결되는 제 2 실리콘 박막을 형성하며, 상기 제 1 나노 와이어의 타단 및 상기 제 2 나노 와이어의 타단과 연결되는 제 3 실리콘 박막을 형성하는 것을 포함할 수 있다.Forming the first and second nanowires according to an embodiment of the present invention forms a first silicon thin film connected to one end of the first nanowire, and second silicon connected to one end of the second nanowire. The method may include forming a thin film, and forming a third silicon thin film connected to the other end of the first nanowire and the other end of the second nanowire.

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 형성방법은 상기 제 1 나노 와이어에 엔형 도펀트를 도핑하는 것, 그리고 상기 제 2 나노 와이어에 피형 도펀트를 도핑하는 것을 포함할 수 있다.The method of forming a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention may include doping an en-type dopant on the first nanowire and doping a dopant on the second nanowire.

본 발명의 실시예에 따르면, 나노 와이어들이 기판에 대하여 수평 방향으로 연장된다. 이는 나노 와이어들이 반도체 공정(CMOS 공정)에 의하여 형성되기 때문이다. 퍼니스에서 별도로 형성되는 것이 아니라, 사진식각 공정 및 애싱 공정을 이용하여 형성되므로, 나노 와이어를 형성하는 공정 시간이 감소되며, 대량 생산이 가능할 수 있다. 또한, 나노 와이어의 균일성이 확보되어, 열전 소자의 성능이 향상될 수 있다.According to an embodiment of the invention, the nanowires extend in a horizontal direction with respect to the substrate. This is because nanowires are formed by a semiconductor process (CMOS process). Instead of being formed separately in the furnace, it is formed using a photolithography process and an ashing process, so that the process time for forming the nanowires is reduced and mass production may be possible. In addition, the uniformity of the nanowires is secured, and thus the performance of the thermoelectric device may be improved.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2 내지 3b는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자를 구체적으로 설명하기 위한 도면들이다. 도 3a는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ′라인을 따라 취해진 단면도이고, 도 3b는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ′라인을 따라 취해진 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 온도 감지 센서를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열원 이미지 센서의 기본 동작 원리를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6a 내지 7c는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다.
1 is a schematic diagram illustrating a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 to 3b are views for explaining a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention in detail. 3A is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 2, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line II-II ′ of FIG. 2.
4 is a conceptual diagram illustrating a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.
5 is a circuit diagram illustrating a basic operation principle of a heat source image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
6A to 7C are diagrams for describing a method of forming a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become more readily apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다.In this specification, when an element is referred to as being on another element, it may be directly formed on another element, or a third element may be interposed therebetween. Further, in the drawings, the thickness of the components is exaggerated for an effective description of the technical content. The same reference numerals denote the same elements throughout the specification.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다. Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional views and / or plan views that are ideal illustrations of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Thus, the shape of the illustrations may be modified by manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but also include changes in the shapes that are generated according to the manufacturing process. Thus, the regions illustrated in the figures have schematic attributes, and the shapes of the regions illustrated in the figures are intended to illustrate specific types of regions of the elements and are not intended to limit the scope of the invention. Although terms such as first, second, third, and the like are used to describe various components in various embodiments of the present specification, these components should not be limited by such terms. These terms have only been used to distinguish one component from another. The embodiments described and exemplified herein also include their complementary embodiments.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In the present specification, the singular form includes plural forms unless otherwise specified in the specification. The terms "comprises" and / or "comprising" used in the specification do not exclude the presence or addition of one or more other elements.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자를 설명하기 위한 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 절연막(110)이 배치된다. 상기 기판(100)은 실리콘 기판 또는 소이(SOI: Silicon On Insulator) 기판일 수 있다. 상기 절연막(110)은 상기 기판(100) 상에 제공된 실리콘 산화막일 수 있다. 또는, 상기 절연막(110)은 소이(SOI: Silicon On Insulator) 기판의 매몰 절연막(buried oxide)일 수 있다. 상기 절연막(110) 상에, 서로 이격되어 제 1 나노 와이어(132) 및 제 2 나노 와이어(134)가 배치된다. 상기 제 1 나노 와이어(132) 및 제 2 나노 와이어(134)는 상기 절연막(110)의 상부면에 대하여 수평한 방향으로 연장된다.Referring to FIG. 1, an insulating film 110 is disposed on a substrate 100. The substrate 100 may be a silicon substrate or a silicon on insulator (SOI) substrate. The insulating layer 110 may be a silicon oxide layer provided on the substrate 100. Alternatively, the insulating layer 110 may be a buried oxide of a silicon on insulator (SOI) substrate. The first nanowire 132 and the second nanowire 134 are disposed on the insulating layer 110 to be spaced apart from each other. The first nanowire 132 and the second nanowire 134 extend in a horizontal direction with respect to the upper surface of the insulating film 110.

상기 제 1 나노 와이어(132)의 일단과 연결되는 제 1 실리콘 박막(122)이 배치되고, 상기 제 2 나노 와이어(134)의 일단과 연결되는 제 2 실리콘 박막(124)이 배치된다. 상기 제 1, 제 2 나노 와이어(132, 134)의 타단과 연결되는 제 3 실리콘 박막(126)이 배치된다. 상기 제 1 나노 와이어(132)는 엔형 도펀트를 포함하며, 상기 제 2 나노 와이어(134)는 피형 도펀트를 포함할 수 있다.A first silicon thin film 122 connected to one end of the first nanowire 132 is disposed, and a second silicon thin film 124 connected to one end of the second nano wire 134 is disposed. The third silicon thin film 126 is connected to the other ends of the first and second nanowires 132 and 134. The first nanowire 132 may include an n-type dopant, and the second nanowire 134 may include a doped dopant.

상기 제 1 실리콘 박막(122)은 엔형 도펀트를 포함할 수 있으며, 상기 제 2 실리콘 박막(124)은 피형 도펀트를 포함할 수 있다. 상기 제 3 실리콘 박막들(126)은 피형 또는 엔형 도펀트를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 나노 와이어(132)에 인접한 제 3 실리콘 박막(126)은 엔형 도펀트를 포함할 수 있으며, 상기 제 2 나노 와이어(134)에 인접한 제 3 실리콘 박막(126)은 피형 도펀트를 포함할 수 있다.The first silicon thin film 122 may include an N-type dopant, and the second silicon thin film 124 may include a doped dopant. The third silicon thin films 126 may include a p-type or en-type dopant. Specifically, the third silicon thin film 126 adjacent to the first nanowire 132 may include an N-type dopant, and the third silicon thin film 126 adjacent to the second nanowire 134 may have a doped dopant. It may include.

상기 제 3 실리콘 박막(126)이 열원에 노출되어 온도가 상승하여, 상기 제 3 실리콘 박막(126)과 제 1 실리콘 박막(122) 사이 및 상기 제 3 실리콘 박막(126)과 제 2 실리콘 박막(124) 사이의 온도차에 의하여 전류가 유도될 수 있다. 즉, 상기 온도차에 의하여, 전자(e)가 상기 제 1 나노 와이어(132)를 통하여 제 3 실리콘 박막(126)으로부터 제 1 실리콘 박막(122)쪽으로 이동하며, 정공(h)은 상기 제 2 나노 와이어(134)를 통하여 제 3 실리콘 박막(126)으로부터 제 1 실리콘 박막(122)쪽으로 이동하여 시계 방향의 전류 흐름이 형성될 수 있다.The third silicon thin film 126 is exposed to a heat source to increase the temperature, and thus, between the third silicon thin film 126 and the first silicon thin film 122 and between the third silicon thin film 126 and the second silicon thin film ( The current can be induced by the temperature difference between 124). That is, due to the temperature difference, electrons e move from the third silicon thin film 126 toward the first silicon thin film 122 through the first nanowire 132, and the hole h is the second nano. A clockwise current flow may be formed by moving from the third silicon thin film 126 toward the first silicon thin film 122 through the wire 134.

도 2 내지 3b는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자를 구체적으로 설명하기 위한 도면들이다. 도 3a는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ′라인을 따라 취해진 단면도이고, 도 3b는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ′라인을 따라 취해진 단면도이다.2 to 3b are views for explaining a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention in detail. 3A is a cross-sectional view taken along the line II ′ of FIG. 2, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line II-II ′ of FIG. 2.

도 2 내지 3b를 참조하면, n영역과 p영역을 포함하는 기판(100) 상에 절연막(110)이 제공된다. 상기 기판(100)은 반도체 기판 또는 소이(SOI) 기판일 수 있다. 상기 절연막(110)은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다. 상기 절연막(110)은 소이(SOI) 기판의 매몰 절연막(buried oxide)일 수 있다. n 영역의 상기 절연막(110) 상에 제 1 나노 와이어(132)가 배치된다. p 영역의 상기 절연막(110) 상에, 상기 제 1 나노 와이어(132)과 이격된 제 2 나노 와이어(134)이 배치된다.2 to 3B, an insulating film 110 is provided on the substrate 100 including n and p regions. The substrate 100 may be a semiconductor substrate or a SOI substrate. The insulating layer 110 may include a silicon oxide layer. The insulating layer 110 may be a buried oxide of a SOI substrate. The first nanowire 132 is disposed on the insulating layer 110 in the n region. The second nanowire 134 spaced apart from the first nanowire 132 is disposed on the insulating layer 110 in the p region.

상기 제 1 나노 와이어(132)의 일단에 연결되는 제 1 실리콘 박막(122)이 상기 절연막(110) 상에 배치된다. 상기 제 2 나노 와이어(134)의 일단에 연결되는 제 2 실리콘 박막(124)이 상기 절연막(110) 상에 배치된다. 상기 제 1 및 제 2 나노 와이어들(132, 134)의 타단에 연결되는 제 3 실리콘 박막(126)이 상기 절연막(110) 상에 배치된다. 상기 제 1 및 제 2 나노 와이어들(132, 134)은 상기 기판(100) 또는 절연막(110)의 상부면에 대하여 수평한 방향으로 연장된다.A first silicon thin film 122 connected to one end of the first nanowire 132 is disposed on the insulating layer 110. A second silicon thin film 124 connected to one end of the second nanowire 134 is disposed on the insulating layer 110. A third silicon thin film 126 connected to the other ends of the first and second nano wires 132 and 134 is disposed on the insulating layer 110. The first and second nanowires 132 and 134 extend in a horizontal direction with respect to the upper surface of the substrate 100 or the insulating film 110.

상기 제 1 및 제 2 나노 와이어들(132, 134)은 실리콘을 포함할 수 있다. 상기 제 1 나노 와이어(132)는 엔형 도펀트를 포함할 수 있으며, 상기 제 2 나노 와이어(134)는 피형 도펀트를 포함할 수 있다. 상기 실리콘 박막들(122, 124, 126) 및 상기 나노 와이어들(132, 134)은 동일한 평면에 제공될 수 있다. 또한, 상기 실리콘 박막들(122, 124, 126) 및 상기 나노 와이어들(132, 134)은 동일한 두께를 가질 수 있다.The first and second nanowires 132 and 134 may include silicon. The first nanowire 132 may include an N-type dopant, and the second nanowire 134 may include an etched dopant. The silicon thin films 122, 124, and 126 and the nanowires 132 and 134 may be provided in the same plane. In addition, the silicon thin films 122, 124, and 126 and the nanowires 132 and 134 may have the same thickness.

상기 제 1 실리콘 박막(122)은 제 1 도핑 영역(123)을 포함하며, 상기 제 2 실리콘 박막(124)은 제 2 도핑 영역(125)을 포함하며, 상기 제 3 실리콘 박막(126)은 제 3 도핑 영역(127)을 포함한다. 상기 제 1, 제 2 및 제 3 도핑 영역들(123, 125, 127) 각각은 도펀트를 포함할 수 있다. 상기 제 1 도핑 영역(123)은 상기 제 1 실리콘 박막(122)과 동일한 도전형을 가지며, 상기 제 2 도핑 영역(125)은 상기 제 2 실리콘 박막(124)과 동일한 도전형을 가질 수 있다. 상기 제 1 실리콘 박막(122)과 상기 제 1 도핑 영역(123)은 엔형 도펀트를 가질 수 있다. 상기 제 2 실리콘 박막(124)과 제 2 도핑 영역(125)은 피형 도펀트를 가질 수 있다. 상기 제 3 도핑 영역은 n영역에 제공된 엔형 도핑 영역(127n) 및 p영역에 제공된 피형 도핑 영역(127p)를 포함할 수 있다. 상기 n영역에 배치되는 제 3 실리콘 박막(126)은 엔형 도펀트를 가지며, 상기 p영역에 배치되는 제 3 실리콘 박막(126)은 피형 도펀트를 가질 수 있다.The first silicon thin film 122 includes a first doped region 123, the second silicon thin film 124 includes a second doped region 125, and the third silicon thin film 126 is formed of a first doped region 123. Three doped regions 127. Each of the first, second and third doped regions 123, 125, and 127 may include a dopant. The first doped region 123 may have the same conductivity type as the first silicon thin film 122, and the second doped region 125 may have the same conductivity type as the second silicon thin film 124. The first silicon thin film 122 and the first doped region 123 may have an N-type dopant. The second silicon thin film 124 and the second doped region 125 may have a doped dopant. The third doped region may include an n-type doped region 127n provided in the n region and a typed doped region 127p provided in the p region. The third silicon thin film 126 disposed in the n region may have an N-type dopant, and the third silicon thin film 126 disposed in the p region may have a doped dopant.

상기 실리콘 박막들(122, 124, 126) 및 상기 나노 와이어들(132, 134)을 덮는 제 1 층간 절연막(140)이 배치된다. 상기 제 1 층간 절연막(140)은 실리콘 산화막을 포함할 수 있다. 상기 제 1 층간 절연막(140)에, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 실리콘 박막들(122, 124, 126)에 각각 연결되는 제 1, 제 2 및 제 3 메탈 콘택들(142, 144, 146)이 배치된다. 상기 제 3 메탈 콘택(146)은 도 2에 도시된 바와 다르게, n영역에 제공된 엔형 메탈 콘택과 p영역에 제공된 피형 메탈 콘택으로 분리되어 배치될 수 있다.The first interlayer insulating layer 140 covering the silicon thin films 122, 124, and 126 and the nanowires 132 and 134 is disposed. The first interlayer insulating layer 140 may include a silicon oxide layer. First, second and third metal contacts 142, 144, and 146 connected to the first interlayer insulating layer 140 and the first, second and third silicon thin films 122, 124, and 126, respectively. ) Is placed. Unlike the illustrated in FIG. 2, the third metal contact 146 may be separated into an N-type metal contact provided in the n-region and a to-be-shaped metal contact provided in the p-region.

상기 제 1 층간 절연막(140) 상에 제 2 층간 절연막(150)이 배치된다. 상기 제 2 층간 절연막(150)은 상기 제 1 층간 절연막(140)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 상기 제 1, 제 2 및 제 3 메탈 콘택들(142, 144, 146)과 각각 전기적으로 연결되는 제 1 금속 박막(152), 제 2 금속 박막(154), 제 3 금속 박막(156)이 상기 제 2 층간 절연막(150)에 배치된다. 상기 제 1, 제 2 및 제 3 금속 박막들(152, 154, 156)은 동일한 물질을 포함할 수 있다. 상기 제 1, 제 2 및 제 3 금속 박막들(152, 154, 156)은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 질화티타늄(TiN) 또는 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 제 1, 제 2 및 제 3 금속 박막들(152, 154, 156)은 상기 제 1, 제 2 및 제 3 메탈 콘택들(142, 144, 146)과 동일한 물질을 포함할 수 있다.A second interlayer insulating layer 150 is disposed on the first interlayer insulating layer 140. The second interlayer insulating layer 150 may include the same material as the first interlayer insulating layer 140. The first metal thin film 152, the second metal thin film 154, and the third metal thin film 156 electrically connected to the first, second and third metal contacts 142, 144, and 146, respectively, The second interlayer insulating layer 150 is disposed. The first, second and third metal thin films 152, 154 and 156 may include the same material. The first, second and third metal thin films 152, 154, and 156 may include copper (Cu), aluminum (Al), titanium (Ti), cobalt (Co), titanium nitride (TiN), or tungsten (W). It may include at least one of. The first, second and third metal thin films 152, 154, and 156 may include the same material as the first, second and third metal contacts 142, 144, and 146.

상기 제 2 층간 절연막(150) 및 상기 금속 박막들(152, 154, 156) 상에 제 3 층간 절연막(160)이 배치된다. 상기 제 3 층간 절연막(160)은 상기 제 2 층간 절연막(150)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 상기 제 3 층간 절연막(160)에 상기 제 3 금속 박막(156)과 접촉하는 콘택(162)이 배치된다. 상기 제3 층간 절연막(160) 상에, 상기 콘택(162)과 연결되는 흡수체(170)가 배치된다. 상기 흡수체(170)는 외부의 열을 흡수하는 역할을 할 수 있다. 상기 흡수체(170)는 티타늄 산화막을 포함할 수 있다. 상기 콘택(162)은 상기 흡수체(170)와 동일한 물질을 포함할 수 있다. 상기 흡수체(170)는 상기 제 3 실리콘 박막(126)에 열을 전달하여, 상기 제 3 실리콘 박막(126)과 제 1 실리콘 박막(122) 사이 및 상기 제 3 실리콘 박막(126)과 제 2 실리콘 박막(124) 사이에 온도차를 형성할 수 있다.A third interlayer insulating layer 160 is disposed on the second interlayer insulating layer 150 and the metal thin films 152, 154, and 156. The third interlayer insulating layer 160 may include the same material as the second interlayer insulating layer 150. A contact 162 in contact with the third metal thin film 156 is disposed on the third interlayer insulating layer 160. An absorber 170 connected to the contact 162 is disposed on the third interlayer insulating layer 160. The absorber 170 may serve to absorb external heat. The absorber 170 may include a titanium oxide film. The contact 162 may include the same material as the absorber 170. The absorber 170 transfers heat to the third silicon thin film 126, thereby between the third silicon thin film 126 and the first silicon thin film 122 and between the third silicon thin film 126 and the second silicon. A temperature difference may be formed between the thin films 124.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 온도 감지 센서를 설명하기 위한 개념도이다.4 is a conceptual diagram illustrating a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 온도 감지 센서(200)는 열원(210)의 열에너지를 흡수하여 전기에너지로 변환하는 열전 소자(220)를 포함한다. 상기 열전 소자(220)는 도 2 내지 3b를 참조하여 설명한 구성요소들을 포함한다. 열원(210)과 열전 소자(220)에 의하여 변환된 전기 에너지값을 중앙처리부(230)에서 연산한다. 상기 중앙처리부(230)는 열원(210)의 온도와 전기 에너지값의 관계를 데이터 저장부(240)에 저장한다. 온도 감지 센서(200)는 열원(210)의 온도에 따라 온도를 표시하는 표시부(250)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 온도 감지 센서(200)은 실리콘 나노 와이어를 이용하여 열원(210)의 온도를 감지할 수 있다.Referring to FIG. 4, the temperature sensor 200 includes a thermoelectric element 220 that absorbs thermal energy of the heat source 210 and converts the thermal energy into electrical energy. The thermoelectric element 220 includes the components described with reference to FIGS. 2 to 3b. The central processing unit 230 calculates the electric energy value converted by the heat source 210 and the thermoelectric element 220. The central processor 230 stores the relationship between the temperature of the heat source 210 and the electric energy value in the data storage 240. The temperature sensor 200 may include a display unit 250 that displays a temperature according to the temperature of the heat source 210. According to an embodiment of the present invention, the temperature sensor 200 may detect the temperature of the heat source 210 using the silicon nanowires.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열원 이미지 센서의 기본 동작 원리를 설명하기 위한 회로도이다.5 is a circuit diagram illustrating a basic operation principle of a heat source image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 열원 이미지 센서(300)는 도 2 내지 3b에서 설명한 열전 소자(310), 앤드(AND) 논리회로(320) 및 스위칭 소자(330)를 가지는 단위 픽셀들(Unit pixel)을 포함한다. 상기 스위칭 소자(330)는 상기 앤드 논리회로(320)에 의하여 턴-온(turn-on)될 수 있다. 상기 복수 개의 단위 픽셀들(unit pixel)을 선택하며, 상기 앤드 논리회로(320)에 전기적으로 연결된 로우 멀티플렉서(340) 및 컬럼 멀티플렉서(350)가 제공된다. 상기 열전 소자(310)의 위치에 대응하는 열에너지는 선택된 단위 픽셀들(unit pixel)의 열전 소자(310)에 의하여 전기 에너지로 전환된다. 선택된 단위 픽셀들(unit pixel)의 상기 스위칭 소자(330)가 턴-온되면, 상기 열전 소자(310)에서 변환된 전기 에너지가 출력된다. 출력된 전기 에너지는 저잡음 전류 증폭기(low noise current amplifier, 360)에서 증폭된 후 전압 값으로 변환된다. 상기 변환된 전압 값은 디스플레이(370)에 의하여 이미지로 구현될 수 있다.Referring to FIG. 5, the heat source image sensor 300 may include unit pixels including the thermoelectric element 310, the AND logic circuit 320, and the switching element 330 described with reference to FIGS. 2 to 3B. Include. The switching element 330 may be turned on by the AND logic circuit 320. A row multiplexer 340 and a column multiplexer 350 are selected to select the plurality of unit pixels and are electrically connected to the AND logic circuit 320. Thermal energy corresponding to the position of the thermoelectric element 310 is converted into electrical energy by the thermoelectric element 310 of the selected unit pixels. When the switching element 330 of the selected unit pixels is turned on, the electric energy converted by the thermoelectric element 310 is output. The output electrical energy is amplified by a low noise current amplifier 360 and then converted into a voltage value. The converted voltage value may be implemented as an image by the display 370.

도 6a 내지 7c는 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자의 형성방법을 설명하기 위한 도면들이다. 도 6a 내지 6f는 나노 와이어의 형성방법을 설명하기 위한 도면들이며, 도시의 편의를 위하여 한 쌍의 나노 와이어를 보여준다.6A to 7C are diagrams for describing a method of forming a thermoelectric device according to an exemplary embodiment of the present invention. 6A to 6F are diagrams for describing a method of forming nanowires, and show a pair of nanowires for convenience of illustration.

도 6a를 참조하면, 기판(400) 상에 절연막(410)이 형성된다. 상기 절연막(410)으로 형성될 수 있다. 상기 절연막(410) 상에 실리콘층(430)이 형성된다. 이와 다르게, 상기 기판(400), 절연막(410) 및 실리콘층(430)은 소이(SOI: Silicon On Insulator) 기판에 의하여 준비될 수 있다. 상기 실리콘층(430)은 그 두께를 수십 nm, 예를 들면 40nm로 박막화된다. 상기 실리콘층(430)을 박막화하는 것은 열 산화(thermal oxidation) 공정 및 산화막 제거 공정을 반복하여 진행하는 것을 포함할 수 있다. 상기 산화막 제거 공정은 습식 식각 공정을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6A, an insulating film 410 is formed on the substrate 400. It may be formed of the insulating film 410. The silicon layer 430 is formed on the insulating layer 410. Alternatively, the substrate 400, the insulating layer 410, and the silicon layer 430 may be prepared by a silicon on insulator (SOI) substrate. The silicon layer 430 has a thickness of several tens of nm, for example, 40 nm. Thinning the silicon layer 430 may include repeating a thermal oxidation process and an oxide film removing process. The oxide film removing process may include a wet etching process.

도 6b를 참조하면, 상기 실리콘층(430) 상에 포토레지스트 패턴(420)이 형성된다. 상기 포토레지스트 패턴(420)의 제 1 최소 선폭(W1)은 180nm 일 수 있다. 상기 포토레지스트 패턴(420)은 KrF 엑시머 레이저를 이용하는 스텝퍼(stepper)에 의하여 형성될 수 있다. 상기 포토레지스트 패턴(420)을 마스크로 식각 공정을 진행하여, 제 1 예비 실리콘 박막(422a), 제 2 예비 실리콘 박막(424a) 및 제 3 예비 실리콘 박막(426a) 그리고 제 1 예비 나노 와이어(432a) 및 제 2 예비 나노 와이어(434a)가 형성될 수 있다.Referring to FIG. 6B, a photoresist pattern 420 is formed on the silicon layer 430. The first minimum line width W1 of the photoresist pattern 420 may be 180 nm. The photoresist pattern 420 may be formed by a stepper using a KrF excimer laser. The photoresist pattern 420 is etched using a mask to form a first preliminary silicon thin film 422a, a second preliminary silicon thin film 424a, a third preliminary silicon thin film 426a, and a first preliminary nanowire 432a. ) And the second preliminary nanowire 434a may be formed.

도 6c를 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(420)에 애싱(ashing) 공정을 진행하여, 상기 제 1 최소 선폭(W1)보다 더 좁은 제 2 최소 선폭(W2)을 가지는 포토레지스트 미세 패턴(425)이 형성된다. 상기 제 2 최소 선폭(W2)은 약 30nm로 형성될 수 있다. 상기 애싱 공정은 산소 플라즈마 애싱 공정일 수 있다.Referring to FIG. 6C, an ashing process is performed on the photoresist pattern 420 so that the photoresist fine pattern 425 having a second minimum line width W2 that is narrower than the first minimum line width W1. Is formed. The second minimum line width W2 may be formed to about 30 nm. The ashing process may be an oxygen plasma ashing process.

도 6d를 참조하면, 상기 포토레지스트 미세 패턴(425)을 마스크로 상기 제 1 예비 실리콘 박막(422a), 제 2 예비 실리콘 박막(424a) 및 제 3 예비 실리콘 박막(426a) 그리고 제 1 예비 나노 와이어(432a) 및 제 2 예비 나노 와이어(434a)에 식각 공정을 진행하여, 제 1 실리콘 박막(422), 제 2 실리콘 박막(424) 및 제 3 실리콘 박막(426) 그리고 제 1 나노 와이어(432) 및 제 2 나노 와이어(434)가 형성된다. 상기 제 1 나노 와이어(432) 및 제 2 나노 와이어(434)는 약 30nm의 선폭을 가질 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 나노 와이어들(432, 434)는 상기 기판(400)의 상부면에 대하여 수평한 방향으로 연장된다.Referring to FIG. 6D, the first preliminary silicon thin film 422a, the second preliminary silicon thin film 424a, the third preliminary silicon thin film 426a, and the first preliminary nanowire using the photoresist fine pattern 425 as a mask. An etching process is performed on the 432a and the second preliminary nanowires 434a to form the first silicon thin film 422, the second silicon thin film 424, the third silicon thin film 426, and the first nano wire 432. And a second nanowire 434 is formed. The first nanowire 432 and the second nanowire 434 may have a line width of about 30 nm. The first and second nanowires 432 and 434 extend in a horizontal direction with respect to the upper surface of the substrate 400.

상기 실리콘 박막들(422, 424, 426) 및 상기 나노 와이어들(432, 434)은 실질적으로 동일한 평면에 형성될 수 있다. 이는 하나의 포토레지스트 미세 패턴(425)에 의하여 동시에 형성되기 때문이다. 또한, 상기 실리콘 박막들(422, 424, 426) 및 상기 나노 와이어들(432, 434)은 동일한 두께를 가질 수 있다.The silicon thin films 422, 424, and 426 and the nanowires 432 and 434 may be formed on substantially the same plane. This is because they are simultaneously formed by one photoresist fine pattern 425. In addition, the silicon thin films 422, 424, and 426 and the nanowires 432 and 434 may have the same thickness.

도 6e 및 6f는 각각 애싱 공정 전후의 상기 제 1 및 제 2 나노 와이어(432, 434)의 주사 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope) 사진을 보여준다. 도 6e에서 나노 와이어의 선폭은 160.9nm인 반면, 애싱 공정 후인 도 6f에서 나노 와이어의 선폭은 31.1nm임을 알 수 있다.6E and 6F show Scanning Electron Microscope (SEM) photographs of the first and second nanowires 432 and 434 before and after the ashing process, respectively. In FIG. 6E, the line width of the nanowires is 160.9 nm, whereas in FIG. 6F after the ashing process, the line widths of the nanowires are 31.1 nm.

도 7a 내지 7c는 제 1 및 제 2 나노 와이어들(432, 434)이 형성된 후의 공정을 나타내는 도면들이며, 상기 제 1 및 제 2 나노 와이어들(432, 434) 각각을 복수 개로 나타내었다.7A to 7C are diagrams illustrating a process after the first and second nanowires 432 and 434 are formed, and each of the first and second nanowires 432 and 434 is shown in plural.

도 7a를 참조하면, 상기 제 1 나노 와이어(432)에 엔형 도펀트가 도핑된다. 상기 엔형 도펀트를 도핑함으로써, 상기 기판(400)은 n 영역을 포함할 수 있다. 상기 n영역에, 상기 제 1 실리콘 박막(422) 및 상기 제 1 나노 와이어(432)에 인접한 제 3 실리콘 박막(426)의 일부가 제공될 수 있다. 제 2 나노 와이어(434)에 피형 도펀트가 도핑된다. 상기 피형 도펀트를 도핑함으로써, 상기 기판(400)은 p 영역을 포함할 수 있다. 상기 p영역에, 상기 제 2 실리콘 박막(424) 및 상기 제 2 나노 와이어(434)에 인접한 제 3 실리콘 박막(426)의 일부가 제공될 수 있다.Referring to FIG. 7A, an N-type dopant is doped into the first nanowire 432. By doping the N-type dopant, the substrate 400 may include n regions. A portion of the third silicon thin film 426 adjacent to the first silicon thin film 422 and the first nanowire 432 may be provided in the n region. The doped dopant is doped in the second nanowire 434. By doping the dopant, the substrate 400 may include a p region. In the p region, a portion of the third silicon thin film 426 adjacent to the second silicon thin film 424 and the second nanowire 434 may be provided.

도 7b를 참조하면, 상기 제 1 실리콘 박막(422)에 오믹 콘택(ohmic contact)을 위한 제 1 도핑 영역(423)이 형성되며, 상기 제 2 실리콘 박막(424)에 오믹 콘택을 위한 제 2 도핑 영역(425)이 형성된다. 상기 제 1 도핑 영역(423)은 엔형 도펀트를 포함하며, 상기 제 2 도핑 영역(425)은 피형 도펀트를 포함한다. 상기 제 3 실리콘 박막(426)의 엔형 영역에 오믹 콘택을 위한 제 3 도핑 영역(427n)이 형성되며, 상기 제 3 실리콘 박막(426)의 피형 영역에 오믹 콘택을 위한 제 4 도핑 영역(427p)이 형성된다. 상기 제 3 도핑 영역(427n)은 엔형 도펀트를 포함하며, 상기 제 4 도핑 영역(427p)은 피형 도펀트를 포함한다. 여기서, 오믹 콘택은 실리콘 박막과 아래에서 설명될 메탈 콘택 또는 금속 박막 사이에서 저항을 감소시키는 것을 말한다.Referring to FIG. 7B, a first doped region 423 is formed in the first silicon thin film 422 for ohmic contact, and a second doping is formed in the second silicon thin film 424 for ohmic contact. Region 425 is formed. The first doped region 423 includes an n-type dopant and the second doped region 425 includes an doped dopant. A third doped region 427n for ohmic contact is formed in the N-type region of the third silicon thin film 426, and a fourth doped region 427p for ohmic contact is formed in the to-be-shaped region of the third silicon thin film 426. Is formed. The third doped region 427n includes an N-type dopant, and the fourth doped region 427p includes an doped dopant. Here, ohmic contact refers to reducing resistance between the silicon thin film and the metal contact or metal thin film to be described below.

도 7c를 참조하면, 상기 실리콘 박막들(422, 424, 426) 및 상기 나노 와이어들(432, 434)을 덮는 제 1 층간 절연막(440)이 형성된다. 상기 제 1 층간 절연막(440)은 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다. 상기 제 1 층간 절연막(440)에, 상기 제 1 도핑 영역(423)에 접촉하는 제 1 메탈 콘택(442)이 형성되고, 상기 제 2 도핑 영역(425)에 접촉하는 제 2 메탈 콘택(444)이 형성되며, 상기 제 3 도핑 영역(427n) 및 제 4 도핑 영역(427p)에 접촉하는 제 3 메탈 콘택(446)이 형성된다. 상기 제 3 메탈 콘택(446)은 도 7c와 도시된 바와 다르게, 상기 제 3 도핑 영역(427n)에 접촉하는 메탈 콘택과 상기 제 4 도핑 영역(427p)에 접촉하는 메탈 콘택으로 분리되어 형성될 수 있다.Referring to FIG. 7C, a first interlayer insulating layer 440 is formed to cover the silicon thin films 422, 424, and 426 and the nanowires 432 and 434. The first interlayer insulating film 440 may be formed of a silicon oxide film. In the first interlayer insulating layer 440, a first metal contact 442 is formed to contact the first doped region 423, and a second metal contact 444 is in contact with the second doped region 425. Is formed, and a third metal contact 446 is formed in contact with the third doped region 427n and the fourth doped region 427p. Unlike the example illustrated in FIG. 7C, the third metal contact 446 may be divided into a metal contact in contact with the third doped region 427n and a metal contact in contact with the fourth doped region 427p. have.

상기 제 1 층간 절연막(440) 상에 제 2 층간 절연막(450)이 형성된다. 상기 제 2 층간 절연막(450)은 상기 제 1 층간 절연막(440)과 동일한 물질, 예를 들면 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다. 상기 제 2 층간 절연막(450)에, 상기 제 1 메탈 콘택(442)과 접촉하는 제 1 금속 박막(452), 상기 제 2 메탈 콘택(444)과 접촉하는 제 2 금속 박막(454) 및 상기 제 3 메탈 콘택(446)과 접촉하는 제 3 금속 박막(456)이 형성된다. 상기 제 1, 제 2 및 제 3 금속 박막들(452, 454, 456)은 동일한 물질로 형성될 수 있다. 상기 제 1, 제 2 및 제 3 금속 박막들(452, 454, 456)은 상기 제 1, 제 2 및 제 3 메탈 콘택들(442, 444, 446)과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 상기 제 1, 제 2 및 제 3 금속 박막들(452, 454, 456)은 예를 들면, 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 질화티타늄(TiN) 또는 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.A second interlayer insulating layer 450 is formed on the first interlayer insulating layer 440. The second interlayer insulating film 450 may be formed of the same material as the first interlayer insulating film 440, for example, a silicon oxide film. A first metal thin film 452 in contact with the first metal contact 442, a second metal thin film 454 in contact with the second metal contact 444, and the second interlayer insulating layer 450. A third metal thin film 456 is formed in contact with the three metal contacts 446. The first, second and third metal thin films 452, 454, and 456 may be formed of the same material. The first, second and third metal thin films 452, 454, and 456 may be formed of the same material as the first, second and third metal contacts 442, 444, and 446. The first, second and third metal thin films 452, 454, and 456 may be formed of, for example, copper (Cu), aluminum (Al), titanium (Ti), cobalt (Co), titanium nitride (TiN), or It may be formed of at least one of tungsten (W).

상기 제 2 층간 절연막(450) 상에 제 3 층간 절연막(460)이 형성된다. 상기 제 3 층간 절연막(460)은 예를 들면, 실리콘 산화막으로 형성될 수 있다. 상기 제 3 층간 절연막(460)에, 상기 제 3 금속 박막(456)과 접촉하는 콘택(462)이 형성된다. 상기 제 3 층간 절연막(460) 상에, 상기 콘택(462)과 연결되는 흡수체(470)가 형성된다. 상기 흡수체(470)는 티타늄 산화막으로 형성될 수 있다. 상기 콘택(462)은 상기 흡수체(470)와 동일한 물질로 형성될 수 있다.A third interlayer insulating layer 460 is formed on the second interlayer insulating layer 450. The third interlayer insulating film 460 may be formed of, for example, a silicon oxide film. A contact 462 in contact with the third metal thin film 456 is formed on the third interlayer insulating layer 460. An absorber 470 connected to the contact 462 is formed on the third interlayer insulating layer 460. The absorber 470 may be formed of a titanium oxide film. The contact 462 may be formed of the same material as the absorber 470.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제 1 나노 와이어(432) 및 제 2 나노 와이어(434)가 사진식각 공정 및 애싱 공정에 의하여 형성된다. 즉, 상기 제 1 나노 와이어(432) 및 제 2 나노 와이어(434)는 퍼니스에서 별도로 형성되는 것이 아니라, 반도체 공정(CMOS 공정)을 이용하여 형성된다. 따라서, 나노 와이어를 형성하는 공정 시간이 감소되며, 대량 생산이 가능할 수 있다. 또한, 나노 와이어의 균일성이 확보되어, 열전 소자의 성능이 향상될 수 있다. 도 4에서 설명한 중앙처리부(230), 데이터 저장부(240), 앤드 논리회로(320), 스위칭 소자(330), 로우 멀티플렉서(340), 컬럼 멀티플렉서(350) 및 저잡음 전류 증폭기(360)는 CMOS 소자를 포함하며, 전술된 CMOS 공정으로 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the first nanowire 432 and the second nanowire 434 are formed by a photolithography process and an ashing process. That is, the first nanowire 432 and the second nanowire 434 are not formed separately in the furnace but are formed using a semiconductor process (CMOS process). Thus, the process time for forming the nanowires is reduced, and mass production may be possible. In addition, the uniformity of the nanowires is secured, and thus the performance of the thermoelectric device may be improved. The central processing unit 230, the data storage unit 240, the AND logic circuit 320, the switching element 330, the low multiplexer 340, the column multiplexer 350, and the low noise current amplifier 360 described in FIG. 4 are CMOS. Device, and may be formed by the above-described CMOS process.

132: 제 1 나노 와이어 134: 제 2 나노 와이어
122: 제 1 실리콘 박막 124: 제 2 실리콘 박막
126: 제 3 실리콘 박막 152: 제 1 금속 박막
154: 제 2 금속 박막 156: 제 3 금속 박막
170: 흡수체
132: first nanowire 134: second nanowire
122: first silicon thin film 124: second silicon thin film
126: third silicon thin film 152: first metal thin film
154: second metal thin film 156: third metal thin film
170: absorber

Claims (16)

기판 상의, 서로 이격되어 배치된 제 1 나노 와이어 및 제 2 나노 와이어;
상기 제 1 나노 와이어의 일단에 연결되는 제 1 실리콘 박막;
상기 제 2 나노 와이어의 일단에 연결되는 제 2 실리콘 박막; 및
상기 제 1 나노 와이어의 타단 및 상기 제 2 나노 와이어의 타단에 연결되는 제 3 실리콘 박막을 포함하되,
상기 제 1 나노 와이어 및 상기 제 2 나노 와이어는 상기 기판의 상부면에 대하여 수평한 방향으로 연장되고,
상기 실리콘 박막들 및 상기 나노 와이어들은 동일한 평면에 제공되는 열전 소자.
First and second nanowires spaced apart from each other on the substrate;
A first silicon thin film connected to one end of the first nanowire;
A second silicon thin film connected to one end of the second nanowire; And
A third silicon thin film connected to the other end of the first nanowire and the other end of the second nanowire,
The first nanowire and the second nanowire extend in a horizontal direction with respect to an upper surface of the substrate;
And the silicon thin films and the nanowires are provided in the same plane.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 실리콘 박막들 및 상기 나노 와이어들은 동일한 두께를 가지는 열전 소자.
The method according to claim 1,
And the silicon thin films and the nanowires have the same thickness.
청구항 1에 있어서,
상기 실리콘 박막들에 전기적으로 각각 연결되는 제 1, 제 2 및 제 3 금속 박막들; 및
상기 제 3 금속 박막에 전기적으로 연결되는 흡수체를 더 포함하는 열전 소자.
The method according to claim 1,
First, second and third metal thin films electrically connected to the silicon thin films, respectively; And
The thermoelectric device further comprises an absorber electrically connected to the third metal thin film.
청구항 4에 있어서,
상기 흡수체는 열을 흡수하여 상기 제 3 금속 박막을 통하여 상기 제 3 실리콘 박막에 전달하는 열전 소자.
The method of claim 4,
The absorber absorbs heat and transfers the heat to the third silicon thin film through the third metal thin film.
청구항 4에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 나노 와이어는 실리콘을 포함하는 열전 소자.
The method of claim 4,
The first and second nanowires comprise silicon.
청구항 6에 있어서,
상기 제 1 나노 와이어는 엔형 도펀트를 포함하며, 상기 제 2 나노 와이어는 피형 도펀트를 포함하는 열전 소자.
The method of claim 6,
Wherein the first nanowire comprises an N-type dopant, and the second nanowire comprises a doped dopant.
청구항 4에 있어서,
상기 제 1 실리콘 박막, 상기 제 2 실리콘 박막 및 상기 제 3 실리콘 박막각각은 도핑 영역을 더 포함하되, 상기 도핑 영역은 상기 제 1, 제 2 및 제 3 금속 박막들과 연결된 콘택들과 오믹 콘택을 형성하는 열전 소자.
The method of claim 4,
Each of the first silicon thin film, the second silicon thin film, and the third silicon thin film may further include a doped region, wherein the doped region may form an ohmic contact with contacts connected to the first, second and third metal thin films. Forming a thermoelectric element.
청구항 4에 있어서,
상기 제 1, 제 2 및 제 3 금속 박막들은 동일한 물질을 포함하는 열전 소자.
The method of claim 4,
And the first, second and third metal thin films comprise the same material.
청구항 9에 있어서,
상기 제 1, 제 2 및 제 3 금속 박막들은 구리(Cu), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 코발트(Co), 질화티타늄(TiN) 또는 텅스텐(W) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 열전 소자.
The method of claim 9,
The first, second and third metal thin films may include at least one of copper (Cu), aluminum (Al), titanium (Ti), cobalt (Co), titanium nitride (TiN), or tungsten (W). device.
청구항 1에 있어서,
상기 기판 상에 제공된 절연막을 더 포함하며,
상기 실리콘 박막들 및 상기 나노 와이어들은 상기 절연막 상에 배치되는 열전 소자.
The method according to claim 1,
Further comprising an insulating film provided on the substrate,
And the silicon thin films and the nano wires are disposed on the insulating layer.
열원의 열에너지를 전기에너지로 변환하는, 청구항 1의 열전 소자;
상기 전기 에너지를 상기 열원의 온도값과 비교하여 연산하는 중앙처리부; 및
상기 중앙처리부에서 연산된 데이터를 저장하며, 상기 중앙처리부와 데이터를 교환하는 데이터 저장부를 포함하는 온도 감지 센서.
A thermoelectric element of claim 1 for converting thermal energy of a heat source into electrical energy;
A central processing unit for comparing the electrical energy with a temperature value of the heat source; And
And a data storage unit for storing data calculated by the central processing unit and exchanging data with the central processing unit.
앤드(AND) 논리회로, 상기 앤드 논리회로에 의하여 턴-온되는 스위칭 소자 및 상기 스위칭 소자에 전기적으로 연결된 청구항 1의 열전 소자를 각각 포함하는 복수 개의 단위 픽셀들;
상기 복수 개의 단위 픽셀들을 선택하며, 상기 앤드 논리회로에 전기적으로 연결된 로우 멀티플렉서 및 컬럼 멀티플렉서;
상기 턴-온된 스위칭 소자를 통하여 상기 열전 소자의 전기 에너지를 증폭하는 전류 증폭기들; 및
상기 전류 증폭기들에 의하여 증폭된 신호를 전달받아 영상을 출력하는 디스플레이를 포함하는 열원 이미지 센서.
A plurality of unit pixels each including an AND logic circuit, a switching element turned on by the AND logic circuit, and a thermoelectric element of claim 1 electrically connected to the switching element;
A row multiplexer and a column multiplexer for selecting the plurality of unit pixels and electrically connected to the AND logic circuit;
Current amplifiers for amplifying electrical energy of the thermoelectric element through the turned-on switching element; And
And a display configured to receive a signal amplified by the current amplifiers and to output an image.
기판 상에 절연막 및 실리콘층을 차례로 형성하는 것;
상기 실리콘층 상에, 제 1 선폭을 가지는 포토레지스트 패턴을 형성하는 것;
상기 포토레지스트 패턴에 애싱 공정을 진행하여, 상기 제 1 선폭보다 더 좁은 제 2 선폭을 가지는 포토레지스트 미세 패턴을 형성하는 것; 그리고
상기 포토레지스트 미세 패턴을 마스크로 상기 실리콘층에 식각 공정을 진행하여 제 1 및 제 2 나노 와이어들을 형성하는 것을 포함하는 열전 소자의 형성방법.
Sequentially forming an insulating film and a silicon layer on the substrate;
Forming a photoresist pattern having a first line width on the silicon layer;
Performing an ashing process on the photoresist pattern to form a photoresist fine pattern having a second line width narrower than the first line width; And
And etching the silicon layer using the photoresist fine pattern as a mask to form first and second nanowires.
청구항 14에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 나노 와이어들을 형성하는 것은:
상기 제 1 나노 와이어의 일단과 연결되는 제 1 실리콘 박막을 형성하고, 상기 제 2 나노 와이어의 일단과 연결되는 제 2 실리콘 박막을 형성하며, 상기 제 1 나노 와이어의 타단 및 상기 제 2 나노 와이어의 타단과 연결되는 제 3 실리콘 박막을 형성하는 것을 포함하는 열전 소자의 형성방법.
The method according to claim 14,
Forming the first and second nanowires is:
Forming a first silicon thin film connected to one end of the first nanowire, forming a second silicon thin film connected to one end of the second nanowire, and forming another second thin film of the first nanowire and a second end of the second nanowire. A method of forming a thermoelectric element comprising forming a third silicon thin film connected to the other end.
청구항 15에 있어서,
상기 제 1 나노 와이어에 엔형 도펀트를 도핑하는 것; 그리고
상기 제 2 나노 와이어에 피형 도펀트를 도핑하는 것을 더 포함하는 열전 소자의 형성방법.
16. The method of claim 15,
Doping an N-type dopant to the first nanowire; And
And forming a dopant to the second nanowire.
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