[发明专利]基于多晶硅纳米薄膜热电偶和纳米PN结的微型能量收集器

说明书

本发明的基于多晶硅纳米薄膜热电偶和纳米PN结的微型能量收集器，衬底为N型硅片，光电池的受光面上制作有绒面结构、第一氮化硅薄膜和背电场结构，N型纳米注入区和P型纳米注入区交替排列，上方淀积了一层二氧化硅层钝化层，并开了一系列的电极接触孔；热电式能量收集器的主要部件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；两个半导体臂之间采用Au作为热电堆互联金属，同时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，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多晶硅纳米薄膜热电偶和纳米PN结的微型能量收集器，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。

背景技术

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，可分别用于热源和光照充足的场合，是无线网络传感节点等低功耗电子器件和电路理想的功率源。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。此外，将多种能量收集方式进行集成是未来的发展趋势，能够克服单一的能量收集方式输出功率不足和容易受到环境干扰的弊端。

发明内容

技术问题:本发明的目的是提供一种基于多晶硅纳米薄膜热电偶和纳米PN结的微型能量收集器，光电池与热电式能量收集器分别采用纳米PN结与纳米薄膜结构，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多晶硅纳米薄膜热电偶和纳米PN结的微型能量收集器。其结构主要包括光电池和热电式能量收集器，两个部分制作于同一片硅片上，实现了热电与光电的单片集成，且光电池和热电式能量收集器的电极位于硅片的同一侧，便于实际应用中的封装，采用第二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一氮化硅薄，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；在纳米注入区上方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，光电池叉指电极覆盖于电极接触孔上。

热电式能量收集器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；微型能量收集器的冷端通过一块金属板21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。

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。