射频收发机中长条型热电与PN结纳米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PN结纳米光电集成发电机，衬底为N型硅片，制作有绒面、氧化铝膜、光电P型掺杂区、光电N型掺杂区、SiO2隔离层和光电电极，其中光电电极如图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，串联得到热电堆结构。本发电机实现了对太阳光能和射频收发组件工作时产生的热能的转化，热电光电集成能量收集，实现了跨能域的能量转换，采用的硅纳米的热导率远低于传统体材料，可以一边维持电子运输，一边抑制热量输送，从而提高了热电发电效率。

Long strip thermoelectric and PN junction nano photoelectric integrated generators in RF transceivers

In the radio frequency transceiver of the present invention, a long strip type thermoelectric and PN junction nano-photoelectric integrated generator with a substrate of N-type silicon wafer is fabricated, which has a velvet surface, an alumina film, a photoelectric P-type doping region, a photoelectric N-type doping region, a SiO2 isolation layer and a photoelectric electrode. The photoelectric electrode is connected as shown in Fig. 2, and the first silicon nitride isolation layer is prepared. It is used to isolate thermoelectric optoelectronics. The main unit of a thermoelectric generator is a thermopile. The thermopile is composed of a series of P-type polycrystalline silicon nanowire clusters and N-type polycrystalline silicon nanowire clusters. A metal Ti/Au layer is sputtered as the electrodes of the thermopile to obtain the thermopile structure in series. The generator realizes the conversion of solar energy and the heat energy produced by the RF transceiver module when it works. The integrated energy collection of thermoelectricity and Optoelectronics realizes the energy conversion across the energy domain. The thermal conductivity of the silicon nanometer is far lower than that of the traditional bulk material. It can maintain the electronic transport while restraining the heat transfer, thus improving the heat. Electricity generation efficiency.

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

技术介绍
随着物联网的发展，短距离无线通信技术的应用越来越广，其中，无线传感网络WSN作为感知外界的末梢神经网络，在军事、物流管理等领域有着巨大的应用需求，也成为了无线通信领域的焦点。射频收发机是实现传感节点间以及节点和终端设备之间无线通信的主要模块，该模块消耗无线传感网的绝大部分功耗，与此同时，射频收发机也存在大量的能源浪费。采用长条型热电与PN结纳米光电集成发电机，采用的硅纳米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，在热电发电实用化上具有重要意义。可以对射频收发机工作时产生的大量浪费的热能进行回收，然后通过DC-DC升压稳压电路存贮到电池中，再提供给无线传感网系统中的低功耗模块。此外，太阳能电池能够解决能源衰竭和环境污染问题，光电部分将太阳能直接转化为电，作为热电能量收集的补充。
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PN结纳米光电集成发电机，光电池部分采用PN结纳米结构，热电能量收集则采用长条型，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PN结纳米光电集成发电机。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4寸的N型硅片作为衬底，其厚度为350μm，晶向为<100>，电阻率为10Ω/□，少子寿命大于500us。采用一种添加剂制绒优化工艺，得到绒面。接着，利用ADL(原子层沉积法是一种镀膜工艺)备制氧化铝膜，清洗除杂。采用纳米改性工艺进行表面微区修饰清洗，去除硅片表面的微缺陷和有害杂质。制备多孔阳极氧化铝模板，将多孔阳极氧化铝模板转移到硅衬底得到样片，对样片进行掺杂，得到太阳能光电器件纳米阵列结构的P型掺杂区和N型掺杂区，去除多孔阳极氧化铝模板，通过PECVD法在样片上淀积一层SiO2隔离层。开孔，利用PECVD在样片上电极一层金作为电极和汇流条，电极金属连接如图2所示，利用PECVD在样片上淀积一层第一氮化硅隔离层作为电隔离。然后，采用LPCVD工艺生长一层厚度为2um的多晶硅，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，并刻蚀成型，得到热电堆的P型臂和热电堆的N型臂，深紫外光刻得到多晶硅纳米线。再溅射一层厚度为0.15μm的Ti/Au层，干法刻蚀成型，形成热电堆的电极，热电堆电极连接如图3所示。采用PECVD工艺生长一层厚度为0.1μmSi3N4层，作为第二氮化硅隔离层，最后电镀一层厚度为2μm的Al金属层，作为器件的散热板。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，由于采用背面结结构，消除了正面电极遮光，提升了光电效率。热电部分，由于射频收发组件热耗损严重，故将一端贴在其上方，对射频收发组件工作时产生的大量热能进行收集，实现可持续的绿色能源。光电和热电能量收集之后，通过DC-DC升压稳压电路后，存贮在电池中，可为无线传感网中的低功耗模块供电。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硅纳米，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.本专利技术的微纳发电机实现了热电-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.光电池部分采用背面结结构以及异质结，相对传统光电池结构，消除了正面电极遮光，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.热电式发电机部分采用平面加工工艺，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；6.光电池与热电式发电机部分都没有可动部件，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PN结纳米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PN结纳米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PN结纳米光电集成发电机热电结构俯视图；图中包括：N型硅衬底1，绒面2，氧化铝膜3，光电P型掺杂区4，光电N型掺杂区5，SiO2隔离层6，光电电极7，第一氮化硅隔离层8，热电堆的P型臂9，热电堆的N型臂10，热电堆的电极11，第二氮化硅隔离层12，散热板13。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PN结纳米光电集成发电机。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4寸的N型硅片作为衬底1，其厚度为350μm，晶向为<100>，电阻率为10Ω/□，少子寿命大于500us。采用一种添加剂制绒优化工艺，制绒液中HF/HNO3的体积比为1:2～1:6(例，1:3，1:4)，分散剂小于0.1％(例，0.09％、0.05％，0.01％)腐蚀温度为6～25℃(例6℃、15℃、25℃)，硅片单面减薄量约4～5um，得到绒面2。接着，利用ADL(原子层沉积法是一种镀膜工艺)备制氧化铝膜3，清洗除杂。采用纳米改性工艺进行表面微区修饰清洗，去除硅片表面的微缺陷和有害杂质。制备多孔阳极氧化铝模板，将多孔阳极氧化铝模板转移到硅衬底得到样片，对样片进行掺杂，得到太阳能光电器件纳米阵列结构的P型掺杂区4和N型掺杂区5，去除多孔阳极氧化铝模板，通过PECVD法在样片上淀积一层SiO2隔离层6。开孔，利用PECVD在样片上电极一层金作为电极7和汇流条，电极金属连接如图2所示，利用PECVD在样片上淀积一层第一氮化硅隔离层8作为电隔离。然后，采用LPCVD工艺生长一层厚度为2um的多晶硅，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，并刻蚀成型，得到热电堆的P型臂9和热电堆的N型臂10，深紫外光刻得到多晶硅纳米线。再溅射一层厚度为0.15μm的Ti/Au层，干法刻蚀成型，形成热电堆的电极11，热电堆电极连接如图3所示。采用PECVD工艺生长一层厚度为0.1μmSi3N4层，作为第二氮化硅隔离层12，最后电镀一层厚度为2μm的Al金属层，作为器件的散热板13。本专利技术的射频收发机中长条型热电与PN结纳米光电集成发电机的制备方法如下：1)选择4寸的N型硅片作为衬底1，其厚度为350μm，晶向为<100>，电阻率为10Ω/□，少子寿命大于500us；2)制绒。采用一种添加剂制绒优化工艺，制绒液中HF/HNO3的体积比为1:2～1:6(例，1:3，1:4)，分散剂小于0.1％(例，0.09％、0.05％，0.01％)腐蚀温度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种射频收发机中长条型热电与PN结纳米光电集成发电机，其特征是：该微纳发电机由制作于同一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(8)，光电部分制作有绒面(2)，氧化铝膜(3)，光电P型掺杂区(4)，光电N型掺杂区(5)，SiO2隔离层(6)，光电电极(7)；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)、热电堆的电极(11)，第二氮化硅隔离层(12)，散热板(13)；背面区域光电P型掺杂区(4)和光电N型掺杂区(5)及其电极(7)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(11)材料为金，金属板(13)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PN结纳米光电集成发电机，其特征是：该微纳发电机由制作于同一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(8)，光电部分制作有绒面(2)，氧化铝膜(3)，光电P型掺杂区(4)，光电N型掺杂区(5)，SiO2隔离层(6)，光电电极(7)；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)、热电堆的电极(11)，第二氮化硅隔离层(12)，散热板(13)；背面区域光电P型掺杂区(4)和光电N型掺杂区(5)及其电极(7)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...

【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