[发明专利]基于纳米薄膜热电偶和超晶格光电结构的微型发电机

说明书

本发明的基于纳米薄膜热电偶和超晶格光电结构的微型发电机，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，在衬底的上表面，超晶格结构上覆盖了一层外延的单晶硅薄膜，部分为P型掺杂区域，部分为N型掺杂区域，单晶硅薄膜上淀积了一层二氧化硅层钝化层，与光电池的基区电极和发射区电极相连；热电式发电机的主要功能热电堆是由许多热电偶串联而成，而每个热电偶又由N型多晶硅纳米薄膜和P型多晶硅纳米薄膜构成，多晶硅纳米薄膜的厚度为1‑100nm；在热电堆的上方，通过牺牲层释放制作出的空腔结构，空腔的上方为金属板，与热电堆之间隔有第三氮化硅薄膜。

技术领域

本发明提出了一种基于纳米薄膜热电偶和超晶格光电结构的微型发电机，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术

能量收集技术可用于替换传统的电池为各种低功耗的电子器件与电路供电，是目前的研究热电之一。然而，单一的能量收集方式存在着输出功率不足和容易受到环境干扰的弊端，为了克服这些问题，将多种能量收集方式进行集成是未来的发展趋势。其中光能收集与热能收集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，将热电与光电集成，可同时对环境中的热源和光能进行收集，具有广泛的应用前景。此外，纳米材料由于存在着量子限制和声子散射效应，可提升热电光电的输出性能，扩展了器件的应用空间。

发明内容

技术问题:本发明的目的是提供一种基于纳米薄膜热电偶和超晶格光电结构的微型发电机，光电池与热电式发电机分别采用超晶格与多晶硅纳米薄膜结构，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，本发明提出了一种基于纳米薄膜热电偶和超晶格光电结构的微型发电机。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；非晶硅和碳化硅纳米薄膜交替排列构成超晶格结构，在超晶格结构的上方覆盖了一层外延的单晶硅薄膜，部分为P型掺杂区域，作为光电池的发射区，部分为N型掺杂区域，用于和基区电极形成欧姆接触，单晶硅薄膜上覆盖一层二氧化硅层钝化层，并开了电极接触孔，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散热金属板构成；其中热电堆是由许多热电偶串联而成，而每个热电偶又由N型多晶硅纳米薄膜和P型多晶硅纳米薄膜构成，多晶硅纳米薄膜的厚度为1-100nm；两个半导体臂之间采用金(Au)作为热电堆互联金属，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，电学上串联；为了方便测试和避免局部偏差导致整个器件的失效，制作了多个热电堆输出电极；在热电堆的上方，通过牺牲层释放制作出的空腔结构，进一步增强了冷热两端之间的热隔离；热电式发电机的冷端通过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，金属板材料为铝(Al)，与热电堆之间隔有第三氮化硅薄膜以实现绝缘；由于热流路径垂直于芯片表面，便于器件在应用中的封装。