[發(fā)明專利]基于納米薄膜熱電偶和超晶格光電結(jié)構(gòu)的微型發(fā)電機

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810208223.5
• 申請日: 2018-03-14
• 公開（公告）號: CN108598207A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 廖小平;嚴嘉彬
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: H01L31/0525
• 分類號: H01L31/0525;H01L31/0352;H01L31/028;H01L31/0224;H01L31/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明的基于納米薄膜熱電偶和超晶格光電結(jié)構(gòu)的微型發(fā)電機，襯底為N型硅片，光電池的受光面上制作有絨面結(jié)構(gòu)、第二氮化硅薄膜和背電場結(jié)構(gòu)，在襯底的上表面，超晶格結(jié)構(gòu)上覆蓋了一層外延的單晶硅薄膜，部分為P型摻雜區(qū)域，部分為N型摻雜區(qū)域，單晶硅薄膜上淀積了一層二氧化硅層鈍化層，與光電池的基區(qū)電極和發(fā)射區(qū)電極相連；熱電式發(fā)電機的主要功能熱電堆是由許多熱電偶串聯(lián)而成，而每個熱電偶又由N型多晶硅納米薄膜和P型多晶硅納米薄膜構(gòu)成，多晶硅納米薄膜的厚度為1?100nm；在熱電堆的上方，通過犧牲層釋放制作出的空腔結(jié)構(gòu)，空腔的上方為金屬板，與熱電堆之間隔有第三氮化硅薄膜。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提出了一種基于納米薄膜熱電偶和超晶格光電結(jié)構(gòu)的微型發(fā)電機，屬于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

能量收集技術(shù)可用于替換傳統(tǒng)的電池為各種低功耗的電子器件與電路供電，是目前的研究熱電之一。然而，單一的能量收集方式存在著輸出功率不足和容易受到環(huán)境干擾的弊端，為了克服這些問題，將多種能量收集方式進行集成是未來的發(fā)展趨勢。其中光能收集與熱能收集均可采用固態(tài)轉(zhuǎn)換器件，沒有可動部件，可靠性高，使用壽命長，無需維護，工作時不會產(chǎn)生噪音，將熱電與光電集成，可同時對環(huán)境中的熱源和光能進行收集，具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，納米材料由于存在著量子限制和聲子散射效應(yīng)，可提升熱電光電的輸出性能，擴展了器件的應(yīng)用空間。

發(fā)明內(nèi)容

技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種基于納米薄膜熱電偶和超晶格光電結(jié)構(gòu)的微型發(fā)電機，光電池與熱電式發(fā)電機分別采用超晶格與多晶硅納米薄膜結(jié)構(gòu)，用以提高輸出功率，且集成在同一片襯底上，可同時對環(huán)境中的熱能和光能進行收集，在復(fù)雜周圍環(huán)境下，兩種收集方式可相互補充，協(xié)同供電。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于納米薄膜熱電偶和超晶格光電結(jié)構(gòu)的微型發(fā)電機。其結(jié)構(gòu)主要包括光電池和熱電式發(fā)電機，兩個部分制作于同一片硅襯底上，實現(xiàn)了熱電與光電的單片集成，且光電池和熱電式發(fā)電機電極位于硅片的同一側(cè)，便于實際應(yīng)用中的封裝，采用第一氮化硅薄膜作為兩個部分的絕緣結(jié)構(gòu)，避免電學(xué)短路。

光電池的襯底選用長載流子壽命的N型硅片，受光面采用織構(gòu)化的倒金字塔絨面結(jié)構(gòu)，作用是減小入射光的反射；在絨面結(jié)構(gòu)上涂覆了一層特定厚度的抗反射第二氮化硅薄膜，利用氫鈍化和固定電荷效應(yīng)來減小電池的體復(fù)合與表面復(fù)合；采用離子注入方法制作了一個N-N+高低結(jié)，又被稱為背電場結(jié)構(gòu)，用于減小表面復(fù)合；非晶硅和碳化硅納米薄膜交替排列構(gòu)成超晶格結(jié)構(gòu)，在超晶格結(jié)構(gòu)的上方覆蓋了一層外延的單晶硅薄膜，部分為P型摻雜區(qū)域，作為光電池的發(fā)射區(qū)，部分為N型摻雜區(qū)域，用于和基區(qū)電極形成歐姆接觸，單晶硅薄膜上覆蓋一層二氧化硅層鈍化層，并開了電極接觸孔，用于減少上表面的表面復(fù)合，叉指形光電池電極包括基區(qū)電極和發(fā)射區(qū)電極，相比傳統(tǒng)的光電池結(jié)構(gòu)，上表面的電極寬度很大，一方面減少了電池的背面反射，另一方面減小了電池的寄生電阻，有利于提高輸出性能。

熱電式發(fā)電機主要由水平放置的熱電堆和散熱金屬板構(gòu)成；其中熱電堆是由許多熱電偶串聯(lián)而成，而每個熱電偶又由N型多晶硅納米薄膜和P型多晶硅納米薄膜構(gòu)成，多晶硅納米薄膜的厚度為1-100nm；兩個半導(dǎo)體臂之間采用金(Au)作為熱電堆互聯(lián)金屬，因為熱量皆由熱電堆的熱端傳遞到冷端，所以熱電偶在傳熱學(xué)上并聯(lián)，電學(xué)上串聯(lián)；為了方便測試和避免局部偏差導(dǎo)致整個器件的失效，制作了多個熱電堆輸出電極；在熱電堆的上方，通過犧牲層釋放制作出的空腔結(jié)構(gòu)，進一步增強了冷熱兩端之間的熱隔離；熱電式發(fā)電機的冷端通過一塊金屬板有效地實現(xiàn)了散熱，增大了熱電堆與周圍環(huán)境的熱耦合，金屬板材料為鋁(Al)，與熱電堆之間隔有第三氮化硅薄膜以實現(xiàn)絕緣；由于熱流路徑垂直于芯片表面，便于器件在應(yīng)用中的封裝。