基于垂直型热电偶和纳米PN结的热电光电集成微型发电机制造技术

本发明专利技术的基于垂直型热电偶和纳米PN结的热电光电集成微型发电机，衬底为N型硅片，光电池的受光面上制作有绒面结构、第二氮化硅薄膜和背电场结构，N型纳米注入区和P型纳米注入区交错排列，纳米注入区上淀积了一层二氧化硅层钝化层，并于特定的区域开了一系列的电极接触孔；热电式发电机与光电池之间隔有第一氮化硅薄膜，热电式发电机的主要功能单元为热电堆，热电堆下电极位于光电池电极上方，垂直衬底表面的N型多晶硅纳米线簇和P型多晶硅纳米线簇构成了热电偶的半导体臂，通过热电堆下电极和热电堆上电极串联成热电堆，金属板位于热电堆的正上方，与热电堆上电极之间隔有一层氮化硅薄膜。

Thermoelectric photoelectric integrated micro generator based on vertical thermocouple and nano PN junction

Based on the vertical thermocouple and nano-PN junction, the thermo-electro-optic integrated micro-generator of the invention has a substrate of N-type silicon wafer, a fabric structure, a second silicon nitride film and a back electric field structure are fabricated on the receiving surface of the photoelectric cell, N-type nano-injection region and P-type nano-injection region are arranged alternately, and a layer of dioxide is deposited on the nano-injection region. Silicon passivation layer and a series of electrode contact holes are opened in a specific area; the first silicon nitride film is separated between the thermoelectric generator and the photovoltaic cell; the main functional unit of the thermoelectric generator is the thermopile; the electrodes under the thermopile are located above the photovoltaic cell electrode; the N-type polysilicon nanowire clusters and the P-type polysilicon nanowires on the vertical substrate surface are arranged. Crystalline silicon nanowire clusters form the semiconductor arm of the thermocouple. A thermopile is formed by connecting the electrodes under the thermopile and the electrodes on the thermopile in series. The metal plate is located directly above the thermopile, and a layer of silicon nitride film is separated from the electrodes on the thermopile.

【技术实现步骤摘要】
基于垂直型热电偶和纳米PN结的热电光电集成微型发电机
本专利技术提出了一种基于垂直型热电偶和纳米PN结的热电光电集成微型发电机，属于微电子机械系统(MEMS)的

技术介绍
随着物联网技术的快速发展，将会有越来越多的电子设备连接到网络中进行数据交换，其中包括各类无线传感器结点，它们可用于环境和建筑检测、动物跟踪和控制、过程检测、国家安全和健康应用等等。通过优化电路结构和调整收发组件的工作方式，无线传感器结点的功耗可以控制在微瓦量级，这种低功耗的无线网络节点可直接通过能量收集的方式进行供电，避免了定期更换电池的弊端。在众多能量收集方式中，光电和热电转换均可采用固态转换器件，没有可动部件，可靠性高，使用寿命长，无需维护，工作时不会产生噪音。随着材料科学的发展，纳米材料的出现开辟了热电和光电研究的新方向，在热源或光照充足的场合，基于纳米材料和工艺的微型发电机的是无线网络传感节点理想的功率源。
技术实现思路
技术问题:本专利技术的目的是提供一种基于垂直型热电偶和纳米PN结的热电光电集成微型发电机，热电式发电机与光电池分别采用垂直型纳米热电偶与纳米PN结，用以提高输出功率，且集成在同一片衬底上，可同时对环境中的热能和光能进行收集，在复杂周围环境下，两种收集方式可相互补充，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基于垂直型热电偶和纳米PN结的热电光电集成微型发电机。其结构主要包括光电池和热电式发电机，两个部分制作于同一片硅衬底上，实现了热电与光电的单片集成，且光电池和热电式发电机电极位于硅片的同一侧，便于实际应用中的封装，采用第一氮化硅薄膜作为两个部分的绝缘结构，避免电学短路。光电池的衬底选用长载流子寿命的N型硅片，受光面采用织构化的倒金字塔绒面结构，作用是减小入射光的反射；在绒面结构上涂覆了一层特定厚度的抗反射第二氮化硅薄膜，利用氢钝化和固定电荷效应来减小电池的体复合与表面复合；采用离子注入方法制作了一个N-N+高低结，又被称为背电场结构，用于减小表面复合；采用氧化铝模板作为离子注入掩膜，形成交错分布的N型纳米注入区和P型纳米注入区，在纳米注入区上覆盖一层二氧化硅层钝化层，并开了一系列的电极接触孔，用于减少上表面的表面复合，叉指形光电池电极包括基区电极和发射区电极，相比传统的光电池结构，上表面的电极宽度很大，一方面减少了电池的背面反射，另一方面减小了电池的寄生电阻，有利于提高输出性能。热电式发电机主要由水平放置的热电堆和金属板构成。其中热电堆是由多对热电偶串联而成，垂直衬底表面的N型多晶硅纳米线簇和P型多晶硅纳米线簇构成了热电偶的半导体臂，热电堆下电极为钨，热电堆上电极为金，因为热量皆由热电堆的热端传递到冷端，所以热电偶在传热学上并联；为了增加衬底到热电堆的热耦合，热电堆下电极位于光电池电极的上方；为了增加热电式发电机结构的稳定性，热电偶之间填充有聚甲基丙烯酸甲酯；在热电堆的正上方，覆盖了一块金属板，有效地实现了散热，增大了热电堆与周围环境的热耦合，同时，金属板的反光性可以减小光电池的透光损失，提高光电池的光电转换效率，金属板与热电堆上电极之间隔有第三氮化硅薄膜以实现绝缘。光电池的工作原理如下：当具有适当能量的光子入射于光电池的PN结时，光子与构成半导体材料相互作用产生电子和空穴，在PN结区域的电场作用下，电子向N型半导体扩散，空穴向P型半导体扩散，分别聚集于两个电极部分，产生一定的电势差同时输出功率。电极输出功率时，除了光生电流外，由于输出电压，还存在一个与光生电流相反的结“暗电流”，输出到负载的电流实为光生电流和暗电流之差。热电式发电机的工作原理如下：当在发电机冷热端施加一定的温差，热量会从热端面注入，经过热电堆后，最后从冷端面排出，并在热电式发电机上形成一定的温度分布。由于热电堆存在一定的热阻，在热电堆的冷热结点之间会产生相应的温差，基于塞贝克效应热电堆的两端会输出与温差成正比的电势，连接负载后可实现功率输出。该微型发电机在实际应用中，下表面用于接受环境中的光线，而热流的加载方式则有两种。一种是结构上方为热端面，下方冷端面，此时可以将发电机上表面贴在某个热源的表面，而下表面接受环境中的光能；另一种是结构上方为冷端面，而下方为热端面，此时可以仅将下表面接受光照，上表面连接热沉或散热器，热端的温度则来自光电池工作时产生的温度，主要来自于光照生热和电阻的欧姆效应。由于所设计的热电光电集成微型发电机的所有电极均在同一平面，避免了类似过孔的复杂的电学连接；垂直于芯片表面的热流路径，便于器件在应用中的封装。有益效果：本专利技术相对于现有的微型发电机有以下优点：1.本专利技术的微型发电机工艺上采用成熟的CMOS工艺和MEMS工艺制造，优点有体积小、成本低、可批量制造，以及能够和微电子电路实现单片集成；2.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；3.光电池采用全背电极结构，相对传统光电池结构，具有无遮光损失、低电极串阻和便于器件互联的优势；4.在纳米PN结中入射光会进行多次散射，形成所谓的“陷光效应”，从而增加了光子被吸收的机率，并且纳米线对入射光的偏振方向，入射角度，入射波长也不敏感，导致纳米注入区对入射光有很强的捕获能力，从而提高了光电池的转换效率；5.热电式发电机采用混合型结构，即热流路径垂直于芯片表面，而电流路径平行于芯片表面，垂直于芯片表面的热流路径简化了微型发电机的封装，而位于芯片平面内的热电堆，可采用IC兼容工艺制作，具有较高的集成密度和较大的输出电压密度；6.因量子限制和声子散射效应，多晶硅纳米线的热导率远低于传统体材料，提高了热电式发电机的转换效率；7.光电池与热电式发电机均为固态能量转换器，没有可动部件，可靠性高，使用寿命长，无需维护，工作时不会产生噪音；8.微型发电机的所有电极均在同一平面，避免了类似过孔的复杂电学连接。附图说明图1为本专利技术基于垂直型热电偶和纳米PN结的热电光电集成微型发电机的应用场景示意图；图2为本专利技术基于垂直型热电偶和纳米PN结的热电光电集成微型发电机的俯视结构示意图；图3为本专利技术光电池电极制备完成后的俯视结构示意图；图4为本专利技术热电式发电机电极制备完成后的俯视结构示意图；图5为本专利技术基于垂直型热电偶和纳米PN结的热电光电集成微型发电机A-A’向剖视图。图中包括：光电池1，热电式发电机2，受光面3，散热器4，热源5，DC-DC转换模块6，可充电电池7，无线传感节点8，第一氮化硅薄膜9，硅片10，绒面结构11，第二氮化硅薄膜12，背电场结构13，N型纳米注入区14，P型纳米注入区15，二氧化硅层钝化层16，基区电极17，发射区电极18，金属板19，N型多晶硅纳米线簇20，P型多晶硅纳米线簇21，热电堆下电极22，热电堆上电极23，聚甲基丙烯酸甲酯24，第三氮化硅薄膜25。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1-5，本专利技术提出了一种基于垂直型热电偶和纳米PN结的热电光电集成微型发电机。其结构主要包括光电池1和热电式发电机2，两个部分制作于同一片硅片10上，实现了热电与光电的单片集成，且光电池1和热电式发电机2电极位于硅片的同一侧，便于实际应用中的封装，采用第一氮化硅薄膜9作为两个部本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于垂直型热电偶和纳米PN结的热电光电集成微型发电机，其特征是：该微型发电机由制作于同一N型硅片(10)上的光电池(1)和热电式发电机(2)两个部分构成，中间隔有第一氮化硅薄膜(9)，硅片(10)的受光面(3)上制作有绒面结构(11)、第二氮化硅薄膜(12)和背电场结构(13)；N型纳米注入区(14)和P型纳米注入区(15)交错分布，在纳米注入区上淀积了一层二氧化硅层钝化层(16)，并于特定的区域开了一系列的电极接触孔，与光电池的基区电极(17)和发射区电极(18)相连；热电式发电机与光电池之间隔有第一氮化硅薄膜(9)，热电式发电机(2)的主体为热电堆，由多对热电偶通过热电堆下电极(22)和热电堆上电极(23)串联而成，垂直衬底表面的N型多晶硅纳米线簇(20)和P型多晶硅纳米线簇(21)构成了热电偶的半导体臂，热电偶之间填充有聚甲基丙烯酸甲酯(24)，在热电堆的正上方，覆盖了一块金属板(19)；N型纳米注入区(14)和P型纳米注入区(15)采用氧化铝模板作为离子注入掩膜，氧化铝模板上纳米开孔直径为1‑100nm，在纳米PN结中入射光会进行多次散射，形成所谓的“陷光效应”，从而增加了光子被吸收的机率，并且纳米线对入射光的偏振方向，入射角度，入射波长也不敏感，导致N型纳米注入区(14)和P型纳米注入区(15)对入射光有很强的捕获能力，从而提高了光电池(1)的转换效率；N型多晶硅纳米线簇(20)和P型多晶硅纳米线簇(21)由深紫外光刻形成，含有的多晶硅纳米线数量为50‑200，直径为1‑100nm，高度为2‑10um，因量子限制和声子散射效应，N型多晶硅纳米线簇(20)和P型多晶硅纳米线簇(21)的热导率远低于传统体材料，提高了热电式发电机的转换效率。...

【技术特征摘要】
1.一种基于垂直型热电偶和纳米PN结的热电光电集成微型发电机，其特征是：该微型发电机由制作于同一N型硅片(10)上的光电池(1)和热电式发电机(2)两个部分构成，中间隔有第一氮化硅薄膜(9)，硅片(10)的受光面(3)上制作有绒面结构(11)、第二氮化硅薄膜(12)和背电场结构(13)；N型纳米注入区(14)和P型纳米注入区(15)交错分布，在纳米注入区上淀积了一层二氧化硅层钝化层(16)，并于特定的区域开了一系列的电极接触孔，与光电池的基区电极(17)和发射区电极(18)相连；热电式发电机与光电池之间隔有第一氮化硅薄膜(9)，热电式发电机(2)的主体为热电堆，由多对热电偶通过热电堆下电极(22)和热电堆上电极(23)串联而成，垂直衬底表面的N型多晶硅纳米线簇(20)和P型多晶硅纳米线簇(21)构成了热电偶的半导体臂，热电偶之间填充有聚甲基丙烯酸甲酯(24)，在热电堆的正上方，覆盖了一块金属板(19)；N型纳米注入区(14)和P型纳米注入区(15)采用氧化铝模板作为离子注入掩膜，氧化铝模板...

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