能量转换装置及其制造方法和操作方法.pdf

一种能量转换装置及其制造方法和操作方法。该能量转换装置包括：包括多个掺杂区的整体的单晶硅层；振动器，设置在单晶硅层中并且连接到多个掺杂区中的一个掺杂区；第一二极管，其是PN结二极管且允许施加到振动器的输入信号通过；以及第二二极管，其是PN结二极管且允许从振动器输出的信号通过。

权利要求书一种能量转换装置，包括：
包括多个掺杂区的整体的单晶硅层；
振动器，设置在所述单晶硅层中并且连接到所述多个掺杂区中的一个掺杂区；
第一二极管，其是PN结二极管且允许施加到所述振动器的输入信号通过；以及
第二二极管，其是PN结二极管且允许从所述振动器输出的信号通过。
根据权利要求1所述的能量转换装置，其中所述单晶硅层中包括被密封的空间，所述振动器设置在所述空间中。
根据权利要求1所述的能量转换装置，其中所述多个掺杂区包含顺序地设置的第一至第三掺杂区，所述第三掺杂区包括形成所述第一和第二二极管的p型掺杂区和n型掺杂区以及分离所述第三掺杂区的剩余部分与所述第一和第二二极管的掺杂区。
根据权利要求3所述的能量转换装置，其中所述第三掺杂区包含连接到所述空间的多个通孔。
根据权利要求4所述的能量转换装置，还包括设置在所述第三掺杂区上以覆盖所述多个通孔的密封层。
根据权利要求5所述的能量转换装置，其中所述密封层包含多个接触孔，所述第一二极管、所述第二二极管和所述第三掺杂区的在所述第一二极管与所述第二二极管之间的部分通过所述多个接触孔暴露。
根据权利要求6所述的能量转换装置，还包括设置在所述密封层上以彼此间隔开的第一至第三电极，
其中所述第一至第三电极通过所述多个接触孔连接到所述第一和第二二极管以及所述第三掺杂区。
根据权利要求3所述的能量转换装置，其中在所述第一至第三掺杂区之中的相邻掺杂区被相反地掺杂。
根据权利要求1所述的能量转换装置，其中所述振动器包括彼此连接的第一和第二隔膜。
根据权利要求1所述的能量转换装置，其中所述振动器包括被掺杂以具有与所述振动器连接到的所述掺杂区的导电性相同的导电性的部分、以及被掺杂以具有与所述振动器未连接到的所述掺杂区的导电性相同的导电性的部分。
根据权利要求9所述的能量转换装置，其中所述第二隔膜包括被相反地掺杂的两个部分。
根据权利要求9所述的能量转换装置，其中所述第一隔膜包括多个通孔。
根据权利要求11所述的能量转换装置，其中面对所述第二隔膜的掺杂区以及所述振动器组成可变电容器。
根据权利要求13所述的能量转换装置，其中所述第二隔膜和面对所述第二隔膜的所述掺杂区总是彼此平行。
根据权利要求1所述的能量转换装置，还包括具有固定的极化电荷并且设置在所述振动器的表面上的绝缘层。
根据权利要求1所述的能量转换装置，其中通过所述第二二极管输出的所述信号的电压大于所述输入信号的电压。
根据权利要求16所述的能量转换装置，其中通过所述第二二极管输出的所述信号的所述电压根据下列等式大于所述输入信号的所述电压：
Vout=[Cm(max)/Cm(min)]Vin，
其中Vout是通过所述第二二极管输出的所述信号的所述电压，Vin是所述输入信号的所述电压，Cm(max)是包括所述振动器和所述多个掺杂区中的一第一掺杂区的电容器的最大电容，Cm(min)是所述电容器的最小电容。
一种操作能量转换装置的方法，该能量转换装置包括：包含多个掺杂区的整体的单晶硅层；设置在所述单晶硅层中且连接到所述多个掺杂区中的一个掺杂区的振动器；第一二极管，其是PN结二极管且允许施加到所述振动器的输入信号通过；以及第二二极管，其是PN结二极管且允许从所述振动器输出的信号通过，所述方法包括：
驱动所述振动器；以及
通过所述第二二极管输出根据所述振动器的驱动的输出信号。
根据权利要求18所述的方法，其中驱动所述振动器包括施加输入电压到所述第一二极管。
根据权利要求19所述的方法，还包括施加同步信号到在所述第一与第二二极管之间的掺杂区中、与所述第一和第二二极管电分离的区域，从而使所述输出信号高于所述输入电压。
根据权利要求18所述的方法，其中所述振动器通过施加到所述能量转换装置的力驱动，所述输出信号用作用于测量所述力的物理量的数据。
根据权利要求18所述的方法，其中具有固定的极化电荷的绝缘层设置在所述振动器的表面上以使用所述能量转换装置作为俘能器。
根据权利要求20所述的方法，其中所述单晶硅层中包括被密封的空间，所述振动器设置在所述空间中。
根据权利要求20所述的方法，其中所述多个掺杂区包括顺序地设置的第一至第三掺杂区，
其中所述第三掺杂区包括形成所述第一和第二二极管的p型掺杂区和n型掺杂区，
其中所述能量转换装置还包括分离所述第三掺杂区的剩余部分与所述第一和第二二极管的掺杂区。
根据权利要求18所述的方法，其中所述振动器包括彼此连接的第一和第二隔膜。
根据权利要求18所述的方法，其中所述振动器包括被掺杂以具有与所述振动器连接到的所述掺杂区的导电性相同的导电性的区域、以及被掺杂以具有与所述振动器没有连接的所述掺杂区的导电性相同的导电性的区域。
根据权利要求25所述的方法，其中所述第二隔膜包括被相反地掺杂且彼此平行的两个部分。
根据权利要求25所述的方法，其中面对所述第二隔膜的掺杂区和所述振动器组成可变电容器。
根据权利要求28所述的方法，其中所述第二隔膜和面对所述第二隔膜的所述掺杂区总是彼此平行。
一种制造能量转换装置的方法，该方法包括：
在第一硅层上形成第一氧化区，该第一硅层是单晶的且用p型或n型掺杂材料掺杂；
在所述第一硅层上生长第二硅层，该第二硅层以与所述第一硅层相反的方式掺杂；
形成连接到所述第一氧化区域并围绕部分所述第一和第二硅层的第二氧化区域，其中由所述第二氧化区域围绕的所述部分第二硅层连接到形成在所述第二氧化区域上方的所述第二硅层的部分；
在所述第二硅层上生长第三硅层，该第三硅层是单晶层且用与所述第二硅层相反的方式掺杂；
在第二硅层的形成于所述第二氧化区域上方的所述部分上形成连接到所述第二氧化区域的第三氧化区域，其中所述第三氧化区域通过氧化所述第二硅层的顶表面形成；
在所述第三硅层上形成第一和第二PN结二极管，所述第一和第二PN结二极管与所述第三氧化区域间隔开且通过所述第三硅层的剩余部分彼此电分离；
通过去除所述第一至第三氧化区域的氧化物，形成与所述第一和第三硅层间隔开且仅连接到所述第二硅层的振动器；以及
密封从其去除了所述氧化物的部分，
其中所述第二和第三硅层通过使用外延生长形成。
根据权利要求30所述的方法，其中形成所述第二氧化区域包括：
在所述第一氧化区域外且高于所述第一氧化区域的位置的位置处，形成连接到所述第一氧化区域的第二十一氧化区域；以及
在所述第一氧化区域上方且在所述第一氧化区域内的、高于所述第二十一氧化区域的位置的位置处，形成连接到所述第二十一氧化区域以平行于所述第一氧化区域的第二十二氧化区域，其中所述第二十二氧化区域的中间部分保持为未氧化部分。
根据权利要求30所述的方法，其中所述形成所述第三氧化区域包括：
在高于所述第二氧化区域的位置的位置处，在所述第二硅层上形成连接到所述第二氧化区域的第三十一氧化区域；以及
在高于所述第三十一氧化区域的位置的位置处，在所述第二硅层上形成连接到所述第三十一氧化区域的第三十二氧化区域，其中所述第三十二氧化区域通过氧化在所述第三十一氧化区域与所述第三硅层之间的整个第二硅层而形成。
根据权利要求32所述的方法，其中所述第三十二氧化区域延伸到所述第三硅层。
根据权利要求30所述的方法，其中形成所述第一和第二PN结二极管包括：
在所述第三硅层中且在所述第三氧化区域的一侧，形成连接到所述第二硅层且与所述第三氧化区域间隔开的第一n型掺杂区；
在所述第三硅层中且在所述第三氧化区域与所述第一n型掺杂区之间，形成连接到所述第二硅层且与所述第一n型掺杂区间隔开的第二n型掺杂区，其中所述第二n型掺杂区在所述第三氧化区域的将连接到所述第二硅层的所述一侧形成在所述第三硅层中；
在所述第三氧化区域的另一侧且在所述第三硅层中，形成第三n型掺杂区，所述第三n型掺杂区未连接到所述第二n型掺杂区和在所述第二n型掺杂区外的所述第二硅层；以及
在所述第三氧化区域的所述一侧、在形成在所述第三硅层中的所述第一n型掺杂区中形成p型掺杂区，
其中所述第一n型掺杂区和所述第二n型掺杂区同时形成。
根据权利要求30所述的方法，其中形成所述振动器包括：
在所述第三硅层中形成通孔，所述第三氧化区域通过该通孔暴露；以及
经过所述通孔湿法蚀刻所述第一至第三氧化区域的氧化物。
根据权利要求30所述的方法，其中所述第一至第三氧化区域通过以下步骤形成：
注入氧离子；以及
退火在注入所述氧离子之后获得的所得结构。
根据权利要求35所述的方法，其中所述密封包括形成密封层，该密封层形成在所述第三硅层上以密封所述通孔。
根据权利要求37所述的方法，还包括：
在所述密封层上形成多个通孔，所述第一和第二PN结二极管通过所述多个通孔暴露且在所述第一和第二PN结二极管之间的第三硅层通过所述多个通孔暴露；以及
在所述密封层上形成连接到所述暴露的第一PN结二极管的第一电极、连接到所述暴露的第二PN结二极管的第二电极、以及连接到所述暴露的第三硅层的第三电极。
一种能量转换装置，包括：
电容器；
第一二极管，其为硅PN结二极管且允许施加到所述电容器的输入信号从其通过；和
第二二极管，其为硅PN结二极管且允许从所述电容器输出的信号从其通过。
根据权利要求39所述的能量转换装置，其中所述电容器包括振动器和整体的单晶硅层的掺杂区。
根据权利要求39所述的能量转换装置，其中：
所述第一二极管包括掺杂有p型掺杂材料的第一硅区和掺杂有n型掺杂材料的第二硅区；且
所述第二二极管包括掺杂有p型掺杂材料的第三硅区和掺杂有n型掺杂材料的第四硅区。

说明书能量转换装置及其制造方法和操作方法
技术领域
本公开涉及微转换装置，更具体而言，涉及能量转换装置及其制造方法和操作方法。
背景技术
通过使用升压转换器可以获得高于输入电压的输出电压。已知电荷泵和倍压器作为升压转换器。
在电荷泵中，因为增益与级数成正比，所以为了获得高增益，需要增加根据步骤提供的级数。
在倍压器中，因为需要互补的切换信号，所以会发生切换损失。在电荷泵和倍压器中，单元级中的增益小于2。
升压转换器可以通过使用微机电系统（MEMS）与电路一起被制造在基板上。然而，因为使用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的MEMS仅能使用多晶材料，所以MEMS具有与材料相关的问题。另外，会根据材料和热分布发生应力问题，还会发生钝化问题。
此外，现有的MEMS装置被制造以满足特定目的。因此，难以使用现有的MEMS装置用于除了其指定目的之外的目的。
发明内容
提供一种可以具有高增益和高可靠性并可以用于多种目的的能量转换装置。
提供制造这样的能量转换装置的方法。
提供操作这样的能量转换装置的方法。
将在下面的描述中部分地阐述额外的方面，且部分将通过该描述变得明显，或者通过呈现的实施方式的实践而了解。
根据本发明的一方面，能量转换装置包括：包括多个掺杂区的整体的单晶硅层；振动器，设置在单晶硅层中并且连接到多个掺杂区中的一个掺杂区；第一二极管，其是PN结二极管且允许施加到振动器的输入信号通过；以及第二二极管，其是PN结二极管且允许从振动器输出的信号通过。
单晶硅层中可以包括被密封的空间，振动器设置在所述空间中。
多个掺杂区可以包括顺序地设置的第一至第三掺杂区，第三掺杂区可以包括形成第一和第二二极管的p型掺杂区和n型掺杂区，能量转换装置还可以包括分离第三掺杂区的剩余部分与第一和第二二极管的掺杂区。
第三掺杂区可以包括连接到所述空间的多个通孔。
能量转换装置还可以包括设置在第三掺杂区上以覆盖多个通孔的密封层。
密封层可以包括多个接触孔，第一二极管、第二二极管和第三掺杂区的在第一二极管与第二二极管之间的部分通过所述多个接触孔暴露。
能量转换装置还可以包括设置在密封层上以彼此间隔开的第一至第三电极，其中第一至第三电极通过多个接触孔连接到第一和第二二极管以及第三掺杂区。
在第一至第三掺杂区之中的相邻掺杂区可以被相反地掺杂。
振动器可以包括彼此连接的第一和第二隔膜（diaphragm）。
振动器可以包括被掺杂以具有与振动器连接到的掺杂区的导电性相同的导电性的部分、以及被掺杂以具有与振动器未连接到的掺杂区的导电性相同的导电性的部分。
第二隔膜可以包括被相反地掺杂的两个部分。
第一隔膜可以包括多个通孔。
振动器和面对第二隔膜的掺杂区可以组成可变电容器。
第二隔膜和面对所述第二隔膜的掺杂区可以总是彼此平行。
能量转换装置还可以包括具有固定的极化电荷并且设置在振动器的表面上的绝缘层。
通过第二二极管输出的信号的电压大于输入信号的电压。
通过第二二极管输出的信号的电压根据下列等式大于输入信号的电压：Vout=[Cm(max)/Cm(min)]Vin，其中Vout是通过第二二极管输出的信号的电压，Vin是输入信号的电压，Cm(max)是包括振动器和多个掺杂区中的一第一掺杂区的电容器的最大电容，Cm(min)是该电容器的最小电容。
根据本发明的另一方面，提供操作能量转换装置的方法，其中该能量转换装置包括：包括多个掺杂区的整体的单晶硅层；设置在单晶硅层中且连接到多个掺杂区中的一个掺杂区的振动器；第一二极管，其是PN结二极管且允许施加到振动器的输入信号通过；以及第二二极管，其是PN结二极管且允许从振动器输出的信号通过。所述方法包括：驱动振动器；以及通过第二二极管输出根据振动器的驱动的输出信号。
驱动振动器可以包括施加输入电压到第一二极管。
该方法还可以包括施加同步信号到在第一与第二二极管之间的、在掺杂区中与第一和第二二极管电分离的区域，从而使输出信号高于输入电压。
振动器可以通过施加到能量转换装置的力驱动，输出信号可以用作用于测量所述力的物理量的数据。
具有固定的极化电荷的绝缘层可以设置在振动器的表面上以使用能量转换装置作为俘能器（energy harvester）。
单晶硅层中可以包括被密封的空间，振动器可以设置在所述空间中。
多个掺杂区可以包括顺序地设置的第一至第三掺杂区，其中第三掺杂区包括形成第一和第二二极管的p型掺杂区和n型掺杂区，其中能量转换装置还包括分离第三掺杂区的剩余部分与第一和第二二极管的掺杂区。
振动器可以包括被掺杂以具有与振动器连接到的掺杂区的导电性相同的导电性的区域、以及被掺杂以具有与振动器未连接到的掺杂区的导电性相同的导电性的部分。
根据本发明的另一方面，制造能量转换装置的方法包括：在第一硅层上形成第一氧化区，该第一硅层是单晶的且用p型或n型掺杂材料掺杂；在第一硅层上生长第二硅层，该第二硅层以与第一硅层相反的方式掺杂；形成连接到第一氧化区域并围绕部分第一和第二硅层的第二氧化区域，其中由第二氧化区域围绕的所述部分第二硅层连接到形成在第二氧化区域上方的第二硅层的一部分；在第二硅层上生长第三硅层，该第三硅层是单晶层且用与第二硅层相反的方式掺杂；在第二硅层的形成于第二氧化区域上方的所述部分上形成连接到第二氧化区域的第三氧化区域，其中第三氧化区域通过氧化第二硅层的顶表面形成；在第三硅层上形成与第三氧化区域间隔开且通过第三硅层的剩余部分彼此电分离的第一和第二PN结二极管；通过去除第一至第三氧化区域的氧化物，形成与第一和第三硅层间隔开且仅连接到第二硅层的振动器；以及密封从其去除了氧化物的部分，其中第二和第三硅层通过使用外延生长形成。
形成第二氧化区域可以包括：在第一氧化区域外且高于第一氧化区域的位置的位置处，形成连接到第一氧化区域的第二十一氧化区域；以及在第一氧化区域上方且在第一氧化区域内的、高于第二十一氧化区域的位置的位置处，形成连接到第二十一氧化区域以平行于第一氧化区域的第二十二氧化区域，其中第二十二氧化区域的中间部分保持为未氧化部分。
形成第三氧化区域可以包括：在高于第二氧化区域的位置的位置处，在第二硅层上形成连接到第二氧化区域的第三十一氧化区域；以及在高于第三十一氧化区域的位置的位置处，在第二硅层上形成连接到第三十一氧化区域的第三十二氧化区域，其中第三十二氧化区域通过氧化在第三十一氧化区域与第三硅层之间的整个第二硅层而形成。
第三十二氧化区域可以延伸到第三硅层。
形成第一和第二PN结二极管可以包括：在第三硅层中且在第三氧化区域的一侧，形成连接到第二硅层且与第三氧化区域间隔开的第一n型掺杂区；在第三硅层中且在第三氧化区域与第一n型掺杂区之间，形成连接到第二硅层且与第一n型掺杂区间隔开的第二n型掺杂区，其中第二n型掺杂区在第三氧化区域的将连接到第二硅层的所述一侧形成在第三硅层中；在第三氧化区域的另一侧且在第三硅层中，形成未连接到第二n型掺杂区和在第二n型掺杂区外的第二硅层的第三n型掺杂区；以及在第三氧化区域的所述一侧、在形成在第三硅层中的第一n型掺杂区中形成p型掺杂区，其中第一n型掺杂区和第二n型掺杂区同时形成。
形成振动器可以包括：在第三硅层中形成通孔，第三氧化区域通过该通孔暴露；以及经过通孔湿法蚀刻第一至第三氧化区域的氧化物。
第一至第三氧化区域可以通过以下步骤形成：注入氧离子；以及退火在注入氧离子之后获得的所得结构。
密封可以包括形成密封层，该密封层形成在第三硅层上以密封通孔。
该方法还可以包括：在密封层上形成多个通孔，第一和第二PN结二极管通过该多个通孔暴露且在第一和第二PN结二极管之间的第三硅层通过该多个通孔暴露；以及在密封层上形成连接到所述暴露的第一PN结二极管的第一电极、连接到所述暴露的第二PN结二极管的第二电极、以及连接到所述暴露的第三硅层的第三电极。
根据本发明的另一方面，能量转换装置包括：电容器；第一二极管，其为硅PN结二极管且允许施加到该电容器的输入信号从其通过；和第二二极管，其为硅PN结二极管且允许从该电容器输出的信号从其通过。
电容器包括振动器和整体的单晶硅层的掺杂区。
第一二极管包括掺杂有p型掺杂材料的第一硅区和掺杂有n型掺杂材料的第二硅区，且第二二极管包括掺杂有p型掺杂材料的第三硅区和掺杂有n型掺杂材料的第四硅区。
附图说明
通过结合附图对实施方式的以下描述，这些和/或其它方面将变得明显且更易于理解，在附图中：
图1是示出根据本发明一实施方式的能量转换装置的截面图；
图2是图1的能量转换装置的等效电路图；
图3是示出在图1的能量转换装置中第二隔膜（diaphragm）接触第一掺杂区时的瞬间的截面图；
图4至图16是示出根据本发明一实施方式的制造能量转换装置的方法的截面图；以及
图17至图19是示出能量转换装置用作各种器件的情形的截面图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施方式。为了清晰，夸大了附图中示出的层或区域的厚度。
图1是示出根据本发明一实施方式的能量转换装置的截面图。
参见图1，能量转换装置不包括清晰的分界面（clear interface）或者在层之间的接触表面，其是包括整体三维（3D）结构的单层。能量转换装置包括第一掺杂区20、第二掺杂区30、第三掺杂区40、第一和第二密封层22和50、第一和第二隔膜（diaphragm）32和34、以及具有预定体积的空间60。下电极板10附接到第一掺杂区20的底表面。第一至第三电极80、82和84设置在第二密封层50上。
第一掺杂区20是用p型掺杂材料掺杂的区域。代替p型掺杂材料，第一掺杂区20可以包括n型掺杂材料。第二掺杂区30设置在第一掺杂区20上。第二掺杂区20是用n型掺杂材料掺杂的区域。代替n型掺杂材料，第二掺杂区20可以包括p型掺杂材料。第一和第二隔膜32和34从第二掺杂区30延伸。因此，第一和第二隔膜32和34可以是部分第二掺杂区30。第一密封层22设置在第一和第二掺杂区20和30之间。第一密封层22连接到第一和第二掺杂区20和30。第一密封层22设置在一部分第一掺杂区20上。例如，第一密封层22可以是硅氧化物层。第三掺杂区40设置在第二掺杂区30上。一部分第三掺杂区40连接到第二掺杂区30。第三掺杂区40包括形成在其中的多个通孔52。通孔52连接到空间60。第二密封层50形成在第三掺杂区40上。第二密封层50填充在通孔52中并覆盖通孔52。第二密封层50可以仅填充在一些通孔52中。第三掺杂区40可以包括在水平方向上相互间隔开的第四掺杂区42、第五掺杂区44和第六掺杂区46。第四掺杂区42、第五掺杂区44和第六掺杂区46的掺杂材料可以与第二掺杂区30的掺杂材料相同。第四和第五掺杂区42和44连接到第二掺杂区30。第六掺杂区46与第二掺杂区30间隔开。第三掺杂区40设置在第二掺杂区30与第六掺杂区46之间。因为第三掺杂区40和第六掺杂区46是分别用p型和n型材料掺杂的硅区，所以第三和第六掺杂区40和46可以组成PN结二极管（在下文中，称为第二二极管）。通孔52形成在彼此间隔开的第五掺杂区44之间。第四掺杂区42连接到第二掺杂区30，并由第三掺杂区40围绕。第四掺杂区42可以包括第七掺杂区48。第七掺杂区48可以设置在第四掺杂区42内。第七掺杂区48接触第二密封层50，第七掺杂区48的底部和侧壁由第四掺杂区42围绕。第七掺杂区48可以是用p型掺杂材料掺杂的硅区。第四掺杂区42可以是用n型掺杂材料掺杂的硅区。因此，第四和第七掺杂区42和48可以组成PN结二极管（在下文中，称为第一二极管）。第五掺杂区44是用于分离第三掺杂区40中的第一和第二二极管的区域。第一二极管和第二二极管的方向可以彼此相反。第一和第二二极管通过第一隔膜32彼此连接。空间60形成在第一和第三掺杂区20和40之间。空间60可以设置在多个通孔52下面。空间60可以是第一和第二隔膜32和34振动的位置。空间60通过第一和第二掺杂区20和40、第一密封层22和第二密封层50密封。第一隔膜32和第二隔膜34经由连接柱36彼此连接。第一隔膜32设置在第二隔膜34上方。第一和第二隔膜32和34可以用作单一振动器32+34。
在能量转换装置开始操作之前，第一和第二隔膜32和34可以彼此平行。在能量转换装置操作时，第一和第二隔膜32和34可以在空间60中振动。第一和第二隔膜32和34可以由于施加到能量转换装置的电信号、施加到能量转换装置的动量或者用于加速能量转换装置的外部物理力或冲击而振动。虽然第一隔膜32在空间60中振动，但是第一隔膜32和第三掺杂区40彼此充分间隔开，从而彼此不接触。第一隔膜32和第二掺杂区30可以在水平方向上设置在相同水平处。第一隔膜32连接到第二掺杂区30。第一隔膜32可以是第一掺杂区30的一部分。多个通孔32h可以形成在第一隔膜32中。连接柱36可以由与第一隔膜32相同的材料形成。第二隔膜34可以在水平方向上设置在与第一密封层22相同的水平。第二隔膜34和第一掺杂区20彼此间隔开。在能量转换装置操作时，第二隔膜34可以瞬时接触第一掺杂区20。第二隔膜34可以包括下层20a和设置在下层20a上的上层30a。下层20a和上层30a是整体的并且彼此连接。下层20a和上层30a可以由相同的材料形成且可以用不同的掺杂材料掺杂。下层20a可以由与第一掺杂区20的材料相同的材料（例如，单晶硅层）形成。下层20a用与第一掺杂区20的掺杂材料相同的掺杂材料掺杂。上层30a可以用与第二掺杂区30的材料相同的材料形成。上层30a可以用与第二掺杂区30的掺杂材料相同的掺杂材料掺杂。因为第二隔膜34包括下层20a，其由与第一掺杂区20相同的材料形成且具有与第一掺杂区20相同的掺杂特性，所以当第二隔膜34在能量转换装置操作时接触第一掺杂区20时，瞬时形成PN结电容器，由此获得相对高的电容。形成在第三掺杂区40上的第二密封层50覆盖第四至第七掺杂区42、44、46和48。多个接触孔形成在第二密封层50中。第六掺杂区46和第七掺杂区48通过多个接触孔暴露。第三掺杂区40的在通孔52与邻近第六掺杂区46的第五掺杂区44之间的顶表面通过多个接触孔中的其中之一暴露。相互间隔开的第一至第三电极80、82和84设置在第二密封层50上。第一电极80通过其中一个接触孔接触第七掺杂区48。电压可以通过第一电极80施加到能量转换装置。第二电极82通过其中一个接触孔接触第三掺杂区40。预定电压或特定的外部信号可以通过第二电极82施加到能量转换装置。第三电极84通过其中一个接触孔接触第六掺杂区46。从能量转换装置输出的电压，例如升高的电压（boosted voltage），可以通过第三电极84输出到外部。
图2是图1的能量转换装置的等效电路图。
在图2中，二极管D1相应于图1中的第一二极管，二极管D2相应于图1中的第二二极管。二极管D1和D2如图2所示地布置。如果图1中的第一至第七掺杂区20、30、40、42、44、46和48被相反地掺杂，则图2中的二极管D1和D2可以相反地布置。在图2中，电容器Cm，即，可变电容器，相应于图1中的通过振动器32+34、第一掺杂区20以及在振动器32+34与第一掺杂区20之间的间隙形成的电容器。电容器Cload是在图1的能量转换装置外面的负载电容器（未示出）。另外，在图2中，Vin是施加到图1的第一电极80的输入电压，Vcont是施加到图1的第二电极82的电压。Vout是通过图1的第三电极84输出到外部的输出电压。此外，图2的Vc是施加到图1的振动器32+34的电压。因为电压和电容彼此成反比，并且振动器32+34是电容器Cm的元件，所以电压Vc根据振动器32+34的振动而随时间变化。
将参考图2简要说明图1的能量转换装置的操作。
施加输入电压Vin并对电容器Cm充电。当电容器Cm的电容是最大电容且电荷不变时，电压Vc根据振动器32+34的振动而与电容器Cm的电容的变化率成比例地增加。在该情形下，二极管D1被反向偏置至电压Vc，二极管D2被正向偏置至电压Vc。因此，电容器Cload由电容器Cm的电荷通过二极管D2被充电以具有电压Vc的电势。这样的事件在振动器32+34振动时连续发生并且电容器Cm的电容在最大值与最小值之间变化。因此，如果振动器32+34比电路的时间常数（time constant）更快地振动，则可以获得具有纹波（ripple）但是高于输入电压Vin的直流（DC）输出电压Vout。输出电压Vout可以通过以下等式定义：
Vout=[Cm(max)/Cm(min)]Vin    ……(1)
在等式1中，Cm(max)表示电容器Cm的最大电容，Cm(min)表示Cm的最小电容。
普通电容器的电容与组成该普通电容器的电极的面积成正比，且与电极之间的间距成反比。因此，当第二隔膜34与第一掺杂区20之间的间隙最大时，电容器Cm的电容最小。
在第二隔膜34如图3所示地接触第一掺杂区20时，电容器Cm的电容最大。此时，振动器32+34与第一掺杂区20之间产生PN结。因此，电容器Cm具有结电容。结电容可以根据掺杂浓度和施加到形成在彼此瞬间接触的第一掺杂区20与振动器32+34之间的PN结的反向偏置电压的大小确定。因为掺杂浓度被调整为具有高于施加到PN结的反向偏置电压的击穿电压，所以可以因此确定结电容。当以此方式获得结电容时，可以实现比具有平行板结构的现有电容器中通过减小电极之间的间距而可能获得的电容比（capacitance ratio）更高的电容比。因此，与传统能量转换装置相比，能量转换装置可以更高地提升电压。也就是说，能量转换装置可以具有比传统能量转换装置高的增益。
如图3所示，当振动器32+34被驱动时，第一隔膜32弯曲，第二隔膜34不弯曲且保持平行于第一掺杂区20。即使在第一隔膜32向上弯曲时，第二隔膜34和第一掺杂区20也继续保持彼此平行。因此，在第二隔膜34被驱动时，第一掺杂区20与第二隔膜34的面对第一掺杂区20的表面之间的间距可以改变。然而，当第二隔膜34位于任意（arbitrary）位置时，都可以防止第一掺杂区20与第二隔膜34之间的间距随着表面的部分而变化。因此，当第二隔膜34位于任意位置时，在该位置获得的电容都可以被最大化。
图4至图16是示出根据本发明一实施方式制造能量转换装置的方法的截面图。在该情形下，与图1至图3中的元件相同的元件用相同的附图标记表示，将不再给出其说明。
参见图4，掩模M1形成在用p型掺杂材料掺杂的第一硅层200上。第一硅层200可以是单晶硅层，并可以具有例如指定的晶向<111>。代替p型掺杂材料，第一硅层200可以用n型掺杂材料掺杂。第一硅层200的顶表面的暴露部分由掩模M1定义。氧离子70注入到第一硅层200的顶表面的暴露部分中。接着，氧离子70注入到其中的第一硅层200被退火。因此，第一氧化区域70a形成在第一硅层200的顶表面下面。设置在第一硅层200的顶表面与第一硅层200的第一氧化区域70a之间的部分相应于图1的第二隔膜34的下板20a。第一氧化区域70a的深度、厚度和宽度可以随着掩模M1的图案化（patterning）以及离子注入条件（例如，注入能量）而变化。在第一氧化区域70a形成之后，去除掩模M1。
参见图5，第二硅层300形成在包括第一氧化区域70a的第一硅层200上。第二硅层300可以是单晶硅层。第二硅层300可以以与第一硅层200的掺杂方式相反的方式掺杂。例如，当第一硅层200用p型掺杂材料掺杂时，第二硅层300可以用n型掺杂材料掺杂。第二硅层300可以经由外延生长形成。第二硅层300可以原位形成，并可以在形成的同时掺杂。部分第二硅层300变成图1的振动器32+34。因此，在形成第二硅层300时，可以通过考虑部分第二硅层300变成图1的振动器32+34而确定第二硅层300的厚度。为了便于说明，在图5中的第一硅层200与第二硅层300之间具有边界线。然而，因为第二硅层300经由外延生长形成，所以实际上在第一硅层200与第二硅层300之间并不存在边界线。因此，第一硅层200与第二硅层300是整体的。
参见图6，掩模M2形成在第二硅层300上。掩模M2设置在第一氧化区域70a上方。掩模M2形成在第一氧化区域70a上方且在第一氧化区域70a内，第一氧化区域70a的边缘可以位于掩模M2周围。当存在掩模M2时，氧离子72被注入到第二硅层300的顶表面中。在注入氧离子72之后获得的所得结构被退火。接着，去除掩模M2。彼此间隔开的第二氧化区域72a由于氧离子72的注入以及退火而形成在第一硅层200与第二硅层300之间。第二氧化区域72a在高于第一氧化区域70a的位置形成在第一氧化区域70a的相反两侧。每个第二氧化区域72a包括在第一氧化区域70a外的第一硅层200的上部分和第二硅层300的下部分。每个第二氧化区域72a延伸到第一氧化区域70a的边缘以接触第一氧化区域70a。每个第二氧化区域72a的位置可以通过掩模M2的图案化以及氧离子72的离子注入能量而确定。每个第二氧化区域72a的部分硅氧化物层可以用作第一密封层22。因此，每个第二氧化区域72a可以比随后形成的氧化区域或第一氧化区域70a厚，从而在随后的湿法蚀刻之后部分地保留。
图7A是沿图7B的线7‑7’截取的截面图，图7B是图7A的俯视平面图。
参见图7A和图7B，在第二氧化区域72a形成之后，掩模M3形成在第二硅层300上。与掩模M1和M2类似，掩模M3可以是例如光敏膜图案。
掩模M3暴露第二硅层300的顶表面的与第一氧化区域70a相应的一部分。如图7B所示，第二硅层300的顶表面的暴露部分的中间部分被掩模M3覆盖。第二硅层300的顶表面的暴露部分的被掩模M3覆盖的中间部分相应于将在随后的工艺中形成的、图1的连接柱36。以此方式形成掩模M3之后，氧离子74注入到第二硅层300的顶表面的暴露部分中。接着，去除掩模M3。接着，退火注入氧离子74之后获得的所得结构。因此，第三氧化区域74a形成在第二硅层300中。第三氧化区域74a形成在比第二氧化区域72a高的位置。第三氧化区域74a设置在第一氧化区域70a上方且在第一氧化区域70a内。第二硅层300的没有被氧化的部分设置在第三氧化区域74a的中心。因此，第三氧化区域74a允许第二硅层300的没有被氧化的部分设置在第三氧化区域74a的中心，并且围绕第二硅层300的没有被氧化的部分。第三氧化区域74a连接到第二氧化区域72a。
参见图8，第三硅层400形成在其中设置第三氧化区域74a的第二硅层300上。第三硅层400可以是单晶硅层。第三硅层400可以用与第一硅层200的掺杂材料相同的掺杂材料掺杂。第三硅层400可以经由外延生长形成。在生长第三硅层400时，第三硅层400可以被掺杂。第三硅层400可以原位形成并掺杂。因为第三硅层400经由外延生长形成，所以第三硅层400可以从第二硅层300连续地生长。因此，第三硅层400和第二硅层300可以形成为整体的，并且在第二硅层300和第三硅层400之间不存在界面或接触面。
参见图9，掩模M4形成在第三硅层400上，其中第三硅层400的顶表面的一部分通过掩模M4暴露。掩模M4可以是光敏膜图案。第三硅层400的通过掩模M4暴露的部分顶表面相应于第二硅层300的形成在第三氧化区域74a上方的部分。也就是说，掩模M4限定设置在第三氧化区域74a上方的部分第二硅层300。
当掩模M4形成时，氧离子76注入到第三硅层400的顶表面中。氧离子76经过第三硅层400的顶表面的暴露部分而到达第二硅层300，氧离子76注入到形成在第三氧化区域74a上方的部分第二硅层300中。通过调整氧离子76的离子注入能量，氧离子76可以到达形成在第三氧化区域74a上方的部分第二硅层300。在氧离子76注入之后，去除掩模M4。接着，退火注入氧离子76之后获得的所得结构。因此，第四氧化区域76a形成在形成于第三氧化区域74a上方的部分第二硅层300中，或者第四氧化区域76a由形成在第三氧化区域74a上方的部分第二硅层300形成。第四氧化区域76a可以垂直于第三氧化区域74a形成。第四氧化区域76a可以形成在关于第三氧化区域74a的中心对称的两个位置。第四氧化区域76a连接到第三氧化区域74a。虽然第四氧化区域76a形成在第二硅层300中，但是第四氧化区域76a可以延伸到第二硅层300的顶表面以接触第三硅层400。第四氧化区域76a可以在形成第三硅层400之前形成。
参见图10，掩模M5形成在第三硅层400上，该掩模M5定义将形成第五氧化区域78a的区域。氧离子78注入到通过掩模M5定义的区域中。在该情形下，通过调整氧离子78的离子注入能量，氧离子78可以到达将形成第五氧化区域78a的区域。在注入氧离子78之后，去除掩模M5。接着，退火注入氧离子78之后获得的所得结构。因此，第五氧化区域78a如图10所示地形成。
参见图11，第四掺杂区42、第五掺杂区44和第六掺杂区46形成在第三硅层400中。通过注入相同的掺杂材料例如n型掺杂材料以及通过执行用于扩散的热处理，第四至第六掺杂区42、44和46可以通过离子注入形成。当第四至第六掺杂区42、44和46是n型掺杂区时，第四至第六掺杂区42、44和46可以分别称为第一n型掺杂区、第二n型掺杂区和第三n型掺杂区。第四至第六掺杂区42、44和46相互间隔开。第四和第五掺杂区42和44可以同时形成。第六掺杂区46可以在形成第四和第五掺杂区42和44之前或之后形成。第四和第五掺杂区42和44形成在第二硅层300上以彼此连接。第六掺杂区46形成为与第二硅层300间隔开。第五掺杂区44可以形成为彼此面对，在第五掺杂区44之间具有第五氧化区域78a。也就是说，第五掺杂区44设置在第五氧化区域78a周围。第四掺杂区42和第六掺杂区46设置在第五掺杂区44外。第四掺杂区42设置在第五掺杂区44左侧，第六掺杂区46设置在第五掺杂区44右侧。第四和第五掺杂区42和44可以从第二硅层300延伸到第三硅层400的顶表面。
参见图12，第七掺杂区48形成在第四掺杂区42中。通过经离子注入而注入掺杂材料（例如p型掺杂材料）到一部分第四掺杂区42中并且通过执行用于扩散的热处理，可以形成第七掺杂区48。第七掺杂区48与第四掺杂区42的周边部分间隔开。第七掺杂区48的顶表面可以是第三硅层400的顶表面的一部分。第四和第七掺杂区42和48是用相反的掺杂材料掺杂的区域。第二硅层300和第四掺杂区42是具有相同掺杂材料的单晶硅层。因此，第四和第七掺杂区42和48可以形成PN二极管。此外，因为第六掺杂区46包括用p型材料掺杂的硅层并且用n型材料掺杂的第三硅层400围绕第六掺杂区46，所以第六掺杂区46和形成在第六掺杂区46周围的第三硅层400可以形成PN二极管。第五掺杂区44可以是形成为在第三硅层400中分离两个PN结二极管的区域。
参见图13，多个通孔52形成在第三硅层400的形成在第五掺杂区44之间的部分中，也就是说，形成在第五氧化区域78a上方。第五氧化区域78a的一部分通过通孔52暴露。接着，第一至第五氧化区域70a、72a、74a、76a和78a的硅氧化物经过通孔52被去除。结果，如图14所示，一个空间60形成在第一至第五氧化区域70a、72a、74a、76a和78a中。第一至第五氧化区域70a、72a、74a、76a和78a的硅氧化物可以通过在图13的所得结构上执行湿法蚀刻而被去除。例如，通过将图13的所得结构浸在包含相对于硅氧化物具有相对高的蚀刻选择性的湿法蚀刻剂（例如，氢氟酸（HF）溶液）的容器中预定时间，可以去除第一至第五氧化区域70a、72a、74a、76a和78a的硅氧化物。
参见图14，在形成空间60之后，通孔52变成空间60的入口孔。在空间60中形成振动器32+34，振动器32+34包括第一硅层200的相应于下层20a的部分以及第二硅层300的相应于第一和第二隔膜32和34以及连接柱36的部分，并由第一至第五氧化区域70a、72a、74a、76a和78a围绕。振动器32+34包括第一隔膜32和第二隔膜34。已经参考图1说明了第一和第二隔膜32和34，因而将不再重复其说明。
在湿法蚀刻图13的所得结构时，即使去除其它氧化区域70a、74a、76a和78a的硅氧化物之后，第二氧化区域72a的硅氧化物（其比其它氧化区域70a、74a、76a和78a的硅氧化物厚）也可以部分地保留，或者可以被完全去除。在湿法蚀刻之后，如果部分第二氧化区域72a保留，则该部分可以用作第一密封层22。如果第二氧化区域72a经由湿法蚀刻被完全去除，则从其去除了第二氧化区域72a的部分的入口可以在随后的密封期间被密封。
参见图15，第二密封层50形成在第三硅层400上以覆盖通孔52。第二密封层50可以通过使用零级真空密封（zero‑level vacuum sealing）形成。第二密封层50可以是例如硅氧化物层或硅氮化物层。在形成第二密封层50时，可以填充通孔52。在形成第二密封层50之后，多个接触孔50h1、50h2和50h3形成在第二密封层50中。第七掺杂区48通过第一接触孔50h1暴露。第三硅层400的在第五掺杂区44之间的部分通过第二接触孔50h2暴露。第六掺杂区46通过第三接触孔50h3暴露。
参见图16，相互间隔开的第一至第三电极80、82和84形成在第二密封层50上。下电极10形成在第一硅层200的底表面上。第一电极80填充在第一接触孔50h1中并接触第七掺杂区48。第二电极82填充在第二接触孔50h2中，并接触第三硅层400。第三电极84填充在第三接触孔50h3中，并接触第六掺杂区46。因此，制造了能量转换装置。
将说明根据本发明一实施方式的驱动能量转换装置的方法。通过该说明，显然能量转换装置可用于各种目的。
图17是示出能量转换装置用作升压转换器的情形的截面图。
参见图17，当输入电压Vin施加到第一电极80且同步信号（synchronizing signal）施加到第二电极82时，可以获得根据振动器32+34的驱动而与电容的变化率成比例的输出电压Vout。在图17中，开关不是必需的，并且能量转换装置可以根据电容的变化率而用作具有数十分贝的增益的DC转换器。
图18是示出能量转换装置用作物理传感器的情形的截面图。
参见图18，在输入电压Vin施加到能量转换装置的第一电极80的状态下，当动量施加到能量转换装置或者用于加速能量转换装置的外力施加到能量转换装置时，电容可以随时间变化。因此，通过使用等式2，可以获得根据时间的输出电压Vout，并且可以算出根据时间的动量或加速度。因此，能量转换装置可以用作用于计算根据时间的物理变量的传感器。
Vout(t)=[Cm(t)/Cm(min)]Vin    ……(2)
图19是示出能量转换装置用作俘能器（energy harvester）的情形的截面图。
参见图19，当能量转换装置用作俘能器时，介电层90可以进一步形成在能量转换装置的第二隔膜34的表面上。介电层90可以形成在振动器32+34的整个表面上。介电层90可以在形成第二密封层50之前形成。在该情形下，介电层90可以经由原子层沉积（ALD）形成。在介电层90形成之后，可以形成第二密封层50和第一至第三电极80、82和84。在图19中，介电层90可以具有固定的极化电荷。这样的极化电荷可以通过施加外部电压到能量转换装置而产生。当动量在介电层90具有固定的极化电荷时施加到图19的能量转换装置时，产生根据等式3的电能。也就是说，图19的能量转换装置将外部机械能转换成电能。
Vout(t)=Qfix/C(t)                ……(3)
在等式3中，Qfix表示在介电层90中产生的固定电荷。
根据本发明的一个或多个实施方式的能量转换装置具有整体的单晶3D结构。因此，由于在组成能量转换装置的元件之间不存在接触表面或界面，所以能量转换装置可以具有比传统的能量转换装置高的可靠性。
此外，因为能量转换装置的所有元件形成在单一基板（单晶硅基板）上，所以可以降低材料成本。因为根据本发明的一个或多个实施方式的能量转换装置的制造方法涉及简单地重复执行外延生长、掺杂、离子注入和退火，所以可以简化整体工艺并可以简化所使用的设备。因为外延生长、掺杂、离子注入和退火是在互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺中使用的工艺，所以可以使用CMOS工艺。
此外，能量转换装置可以根据输入信号和环境物理条件而用于各种目的。
特别地，当能量转换装置用作升压转换器时，因为PN结电容和机械电容（mechanical capacitance）连接并因而获得高电容比（capacitance ratio），所以能量转换装置可以用作具有相对高的增益的DC升压转换器。
虽然已经参照本发明的示例性实施方式具体示出并描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的各种变化而不脱离由权利要求所限定的本发明的精神和范围。