射频收发机中长条型热电与纳米硅薄膜光电集成发电机制造技术

本发明专利技术的射频收发机中长条型热电与纳米硅薄膜光电集成发电机，衬底为N型硅片，制作有非晶硅(a‑Si)薄膜、绒面和背电结结构，正负电极如图2所示进行连接，然后制备了第一氮化硅隔离层，用于隔离热电光电。热电式发电机的主要单元为热电堆，热电堆是由一系列的P型多晶硅纳米线簇和N型多晶硅纳米线簇构成的，溅射一层金属Ti/Au层作为热电堆电极，串联得到如图3所示的热电堆结构，最后PECVD生长第二氮化硅隔离层，电镀一层厚度Al金属层作为器件的散热板。本发电机采用纳米硅薄膜，其热导率远低于传统体材料，可以实现一边维持电子运输，一边抑制热量输送，从而极大的提高了热电发电效率，在热电发电实用化上具有重要意义。

Long strip thermoelectric and nano silicon thin film photoelectric integrated generator in RF transceiver

In the radio frequency transceiver of the present invention, a long strip type thermoelectric and nano silicon film photoelectric integrated generator with a substrate of N type silicon wafer is fabricated. The structure of amorphous silicon (a_Si) film, velvet surface and back junction is fabricated. The positive and negative electrodes are connected as shown in Fig. 2, and the first silicon nitride isolation layer is prepared for isolating thermoelectric photoelectric. The main unit of thermoelectric generator is thermopile. The thermopile is composed of a series of P-type polysilicon nanowire clusters and N-type polysilicon nanowire clusters. The L metal layer acts as the cooling plate of the device. The thermal conductivity of this generator is far lower than that of traditional bulk materials. It can maintain the electronic transport and restrain the heat transfer, thus greatly improving the efficiency of thermoelectric power generation. It is of great significance in the practical application of thermoelectric power generation.

【技术实现步骤摘要】
射频收发机中长条型热电与纳米硅薄膜光电集成发电机
本专利技术提出了一种射频收发机中长条型热电与纳米硅薄膜光电集成发电机，属于微电子机械系统(MEMS)的

技术介绍
射频收发组件是雷达技术和射频通信的重要组成部分，而功率放大器又是每一个射频收发组件中发射机电路的基本模块，其线性要求及技术的局限限制了功放的效率，同时带来大量的热损耗，射频功放的能耗更是占到了总能耗的60％左右。采用长条型热电与纳米硅薄膜光电集成发电机，其中，纳米硅薄膜的热导率远低于传统体材料，从而极大的提高了热电发电效率，在热电发电实用化上具有重要意义。通过对功率放大器工作时产生的热耗损功率进行回收，收集的电能可以通过DC-DC升压稳压电路后存贮在电池中，这不仅能够减少能源不必要的浪费，还可以为周边的无线传感节点或者监控模块等低功耗设备供电。太阳能作为免费的能源，将光电进行集成，能够大大提高能量的收集，可以实现更加持久的能量供给。
技术实现思路
技术问题:本专利技术的目的是提供一种射频收发机中长条型热电与纳米硅薄膜光电集成发电机，光电池部分采用纳米硅薄膜结构，热电能量收集则采用垂直型，用以提高输出功率，同时集成热电光电可对环境中的热能和光能进行多能源利用，在复杂野外环境下，两种收集方式也可以互为补充，协同供电。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种射频收发机中长条型热电与纳米硅薄膜光电集成发电机。该结构主要包括光电池部分和热电能量收集部分，两者制备于同一衬底之上，实现了光电-热电的单片集成。选择N型硅作为衬底，掺磷浓度为1.0E15cm-3，电阻率约为2Ωcm。制作前进行双面抛光，并在0.55％的HF酸溶液中浸泡，去除金属颗粒等杂质；然后，在衬底上制备非晶硅碳化硅周期性多层膜，背面外延进行硼掺杂，掺杂浓度为1.0E20cm-3，形成P+区，作为发射极。再采用PECVD工艺淀积氮化硅，厚度约200nm，作为后续工艺的掩膜。去除未曝光的光刻胶，露出需要做BSF(背面区域)的区域，用BHF(缓冲的氢氟酸)除去需要做BSF区域的氮化硅，利用HF和HNO3除去BSF区域的发射区，制备BSF，形成N+。然后利用BHF溶液除去旧的氮化硅层(被污染)，在重新PECVD淀积氮化硅层。FS(前表面)制绒面采用在四甲基氢氧化铵和异丙胺水溶液利用110面特性刻蚀出金字塔结构；除去背面氮化硅层，在FS进行P扩散，制作FSF。然后在850℃和氧气氛围中进行退火，以激活注入到FS和BS的离子。然后在整个BS热蒸发淀积约2um厚的金属Al，作为背接触电极，利用特定工艺除去BSF接触区和发射区的Al层，形成交叉的正负电极及连接。采用LPCVD工艺制备一层厚度为1μm的氮化硅隔离层，并刻蚀开孔，填充金属铝，作为光电与热电连接。采用LPCVD工艺生长一层厚度为2μm的多晶硅，并刻蚀成型，溅射一层厚度为0.15μm的Ti/Au层，干法刻蚀成型，形成热电堆的电极，分别对多晶硅的相应区域进行N型磷离子掺杂和P型硼离子掺杂，形成热电堆的N型臂和P型臂，采用电子束光刻技术在形成多晶硅纳米线。接着，旋涂一层厚度为3μm的聚酰亚胺，光刻成型，采用PECVD工艺生长一层厚度为0.1μmSi3N4层，作为介质绝缘层，最后电镀一层厚度为2μm的Al金属层，作为器件的散热板，释放聚酰亚胺牺牲层。本发电机用于射频收发组件中，光电池部分，其受光面朝外，用于接受环境中的不同方向的光线，由于本征纳米硅薄膜(a-Si)的存在，可提供反射电场，抑制了载流子界面复合，提升了光电效率。热电部分，由于功率放大器作为射频收发组件的核心模块之一，且其热耗损严重，故将一端贴在功率放大器上方，对功放工作产生的热能进行收集，减少能源浪费。光电和热电能量收集之后，通过DC-DC转换模块后，被存贮在电池中，可为无线传感网自身的无线传感节点和监控电路等低功耗设备供电。有益效果：本专利技术相对于现有的发电机具有以下优点：1.本专利技术的微纳发电机工艺上采用成熟的CMOS工艺和MEMS工艺制造，其原理、结构简单，可批量制造，能够和微电子电路实现单片集成；2.本专利技术的微纳发电机采用纳米硅薄膜，其热导率远低于传统体材料，可以实现一边维持电子运输，一边抑制热量输送，从而极大的提高了热电发电效率，在热电发电实用化上具有重要意义；3.实现了热电-光电两种能量收集方式的单片集成，在复杂周围环境下，两种收集方式可相互补充，协同供电；4.光电池采用背面结结构以及异质结，相对传统光电池结构，同时减少了载流子复合和光线反射，大大提高了光电效率；5.纳米硅薄膜对长波段具有高光敏性，能有效吸收可见光且光照稳定性强，是高效率、低能耗的理想材料；6.热电式发电机采用平面加工工艺，制备成功后垂直使用，同时兼顾光电的受光和热电的温差实现；7.光电池与热电式发电机都没有可动部件，可靠性高，使用寿命长，无需维护。附图说明图1为本专利技术射频收发机中长条型热电与纳米硅薄膜光电集成发电机剖面图；图2为本专利技术射频收发机中长条型热电与纳米硅薄膜光电集成发电机光电结构俯视图；图3为本专利技术射频收发机中长条型热电与纳米硅薄膜光电集成发电机热电结构俯视图；图中包括：N型硅衬底1，非晶硅(a-Si)薄膜2，发射极P+区3，氮化硅层4，BSF(背面区域)区5，绒面6，FS(前表面)区7，背接触电极金属Al层8，热电堆的P型臂9，热电堆的N型臂10，聚酰亚胺层11，Ti/Au层12，第一氮化硅隔离层13，第二氮化硅隔离层14，散热板金属Al层15。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步说明。参见图1-3，本专利技术提出了一种射频收发机中长条型热电与纳米硅薄膜光电集成发电机。该结构主要包括光电池部分和热电能量收集部分，两者制备于同一衬底之上，实现了光电-热电的单片集成。选择N型硅作为衬底1，掺磷浓度为1.0E15cm-3，电阻率约为2Ωcm。制作前进行双面抛光，并在0.55％的HF酸溶液中浸泡，去除金属颗粒等杂质；然后，在衬底上制备非晶硅(a-Si)薄膜2，背面外延进行硼掺杂，掺杂浓度为1.0E20cm-3，作为发射极P+区3。再采用PECVD工艺淀积氮化硅4，厚度约200nm，作为后续工艺的掩膜。去除未曝光的光刻胶，露出需要做BSF(背面区域)的区域，用BHF(缓冲的氢氟酸)除去需要做BSF区域的氮化硅，利用HF和HNO3除去BSF区域的发射区，制备BSF(背面区域)区5，形成N+。然后利用BHF溶液除去旧的氮化硅层(被污染)，在重新PECVD淀积氮化硅层。FS(前表面)7制绒面6采用在四甲基氢氧化铵和异丙胺水溶液利用110面特性刻蚀出金字塔结构；除去背面氮化硅层，在FS进行P扩散，制作FSF。然后在850℃和氧气氛围中进行退火，以激活注入到FS和BS的离子。然后在整个BS热蒸发淀积约2um厚的金属Al，作为背接触电极8，利用特定工艺除去BSF接触区和发射区的Al层，形成交叉的正负电极，正负电极连接如图2所示进行连接，最后引出两个pad作为光电部分的输出，至此光电池部分完成。随后，采用LPCVD工艺制备一层厚度为1μm的氮化硅隔离层13，并刻蚀开孔，填充金属铝，作为光电层与热电层的电连接。采用LPCVD工艺生长一层厚度为2μm的多晶硅，并刻蚀成型，溅射一层厚度为0.15μ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种射频收发机中长条型热电与纳米硅薄膜光电集成发电机，其特征是：该微纳发电机由制作于同一层N型硅衬底(1)上的光电池和热电发电机两个部分构成，中间隔有第一氮化硅隔离层(13)，光电部分制作有非晶硅(a‑Si)薄膜(2)、发射极P+区(3)、氮化硅层(4)，BSF(背面区域)区(5)、绒面结构(6)、FS(前表面)区(7)和背接触电极金属Al层(8)；热电发电机部分包括热电堆的P型臂(9)、热电堆的N型臂(10)、聚酰亚胺层(11)和Ti/Au层(12)、第二氮化硅隔离层(14)和散热板金属Al层(15)；非晶硅(a‑Si)薄膜(2)由非晶硅和碳化硅薄膜交替排列而成，非晶硅子层厚度为4nm；BSF(背面区域)n+区(5)和发射极P+区(3)及其电极相互交错，电极呈叉指形状排列；热电堆的P型臂(9)和热电堆的N型臂(10)中的多晶硅纳米线簇含有的纳米线数量为50‑200，多晶硅纳米线由深紫外光刻形成，直径为1‑100nm，高度为2‑10um；热电堆电极(12)材料为金，金属板(15)材料为铝；采用的纳米硅薄膜的热导率远低于传统体材料，可以实现一边维持电子运输，一边抑制热量输送，从而极大的提高了热电发电效率。...

【技术特征摘要】
1.一种射频收发机中长条型热电与纳米硅薄膜光电集成发电机，其特征是：该微纳发电机由制作于同一层N型硅衬底(1)上的光电池和热电发电机两个部分构成，中间隔有第一氮化硅隔离层(13)，光电部分制作有非晶硅(a-Si)薄膜(2)、发射极P+区(3)、氮化硅层(4)，BSF(背面区域)区(5)、绒面结构(6)、FS(前表面)区(7)和背接触电极金属Al层(8)；热电发电机部分包括热电堆的P型臂(9)、热电堆的N型臂(10)、聚酰亚胺层(11)和Ti/Au层(12)、第二氮化硅隔离层(14)和散热板金属Al层(15)；非晶硅(a-Si)薄膜(2)由非晶硅和碳化硅薄膜交替排列而成，非晶硅子层厚度为4nm；BSF(背面区域)n+区(5)和发射极P+区(3)及其电极相互交错，电极呈叉指形状排列；热电堆的P型臂(9)和热电堆的N型臂(10)中的多晶硅纳米线簇含有的纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖小平，陈友国，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32