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。
技术实现要素：
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。
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：本发明相对于现有的发电机具有以下优点：
1.本发明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.超晶格的纳米尺寸效应使光电池拥有优异的光敏性、光电特性、高电导率、高光吸收系数和高光学带隙，且光电导在光照条件下衰减较小，从而提高了光电池的效率；
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器件的封装，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，多晶硅纳米薄膜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为本发明基于纳米薄膜热电偶和超晶格光电结构的微型发电机对的应用场景示意图；
图2为本发明基于纳米薄膜热电偶和超晶格光电结构的微型发电机的俯视结构示意图；
图3为本发明光电池电极制备完成后的俯视结构示意图；
图4为本发明热电式发电机电极制备完成后的俯视结构示意图；
图5为本发明基于纳米薄膜热电偶和超晶格光电结构的微型发电机a-a’向剖视图。
图中包括：光电池1，热电式发电机2，散热器3，受光面4，dc-dc转换模块5，电池6，无线传感节点7，第一氮化硅薄膜8，衬底9，绒面结构10，背电场结构11，第二氮化硅薄12，超晶格结构13，单晶硅薄膜14，n型掺杂区域15，基区电极16，发射区电极17，二氧化硅层钝化层18，n型多晶硅纳米薄膜19，p型多晶硅纳米薄膜20，热电堆互联金属21，第三氮化硅薄膜22，金属板23，热电式发电机输出电极24，热源25。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
参见图1-5，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1和热电式发电机2，两个部分制作于同一片硅衬底9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8作为两个部分的绝缘结构，避免电学短路。
光电池的衬底9选用长载流子寿命的n型硅片，受光面4采用织构化的倒金字塔绒面结构10，作用是减小入射光的反射；在绒面结构10上涂覆了一层特定厚度的抗反射第二氮化硅薄膜12，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11，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13，每层厚度在2-10nm，超晶格的纳米尺寸效应使光电池1拥有优异的光敏性、光电特性、高电导率、高光吸收系数和高光学带隙，且光电导在光照条件下衰减较小；在超晶格结构13的上方覆盖了一层外延的单晶硅薄膜14，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15，用于和基区电极16形成欧姆接触，单晶硅薄膜14上覆盖一层二氧化硅层钝化层18，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15和发射区电极16，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2主要由水平放置的热电堆和散热金属板23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19和p型多晶硅纳米薄膜20构成，多晶硅纳米薄膜的厚度为1-100nm，因量子限制和声子散射效应，多晶硅纳米薄膜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；两个半导体臂之间采用au作为热电堆互联金属21，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24；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2的冷端通过一块金属板23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23材料为al，与热电堆之间隔有第三氮化硅薄膜22以实现绝缘。
光电池1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2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。
如附图1所示，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25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3，热端的温度则来自光电池1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。
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的制备方法如下：
1)选择n型硅片作为衬底9，磷的掺杂浓度为1×1015cm-3，电阻率约为5ωcm，制作前进行双面抛光，并在氢氟酸溶液中浸泡，去除金属颗粒等杂质；
2)在衬底上采用等离子体增强化学气相淀积(pecdv)工艺制作非晶硅碳化硅纳米超晶格结构13，非晶硅和碳化硅薄膜交替排列，厚度分别为2nm和4nm；
3)在硅片的上表面外延一层单晶硅薄膜14，进行硼离子扩散掺杂，掺杂浓度为1×1020cm-3，形成p+区，作为光电pn结发射极；
4)采用pecvd工艺淀积一层氮化硅，厚度约200nm，并光刻成型，这里采用缓冲的氢氟酸除去特定区域的氮化硅，作为后面磷离子注入的窗口；
5)磷离子注入并退火，用氢氟酸去除剩余区域的氮化硅；
6)采用pecvd工艺淀积一层100nm的二氧化硅并光刻成型，作为二氧化硅层钝化层18，并暴露出电极接触区域；
7)在n型硅片背面制作绒面结构10，再进行p离子注入，形成背电场结构11，接着采用pecvd工艺淀积第二氮化硅薄膜12作为光学抗反射层；
8)蒸发一层2μm厚的al层并光刻，形成光电池的叉指电极，包括基区电极16和发射区电极17；
9)采用pecvd工艺淀积第一氮化硅薄膜8，作为电学绝缘层；
10)采用低压化学气相淀积(lpcdv)工艺生长一层厚度为1-100nm的多晶硅纳米薄膜；
11)分别对多晶硅纳米薄膜相应区域进行n型磷离子掺杂和p型硼离子掺杂，接着进行光刻，以厚光刻胶作为掩膜板进行干法刻蚀，分别形成n型多晶硅纳米薄膜19和p型多晶硅纳米薄膜20；
12)蒸发一层厚度为0.2μm的金层，剥离法成型，形成热电堆互联金属21和热电堆输出电极24；
13)采用pecvd工艺生长第三氮化硅薄膜22，厚度为0.1μm，作为介质绝缘层和保护层；
14)旋涂一层厚度为3μm的聚酰亚胺，并光刻成型，作为牺牲层；
15)电镀一层厚度为1μm的铝，光刻成型，作为器件的散热金属板23；
16)超声清洗后，硅片放入丙酮10分钟，再立即放入乙醇10分钟，释放聚酰亚胺牺牲层，最后冲水并甩干。
区分是否为该结构的标准如下：
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9为n型硅片，光电池的受光面4上制作有绒面结构10、第二氮化硅薄膜12和背电场结构11，超晶格结构13上覆盖了一层外延的单晶硅薄膜14，部分为p型掺杂区域，部分为n型掺杂区域15，超晶格的纳米尺寸效应使光电池拥有优异的光敏性、光电特性、高电导率、高光吸收系数和高光学带隙，且光电导在光照条件下衰减较小，从而提高了光电池的效率；单晶硅薄膜14上淀积了一层二氧化硅层钝化层18，并开了一系列的电极接触孔，与光电池的基区电极16和发射区电极17相连；热电式发电机与光电池之间隔有第一氮化硅薄膜8，热电式发电机的主要功能单元为热电堆，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19和p型多晶硅纳米薄膜20构成，多晶硅纳米薄膜的厚度为1-100nm，因量子限制和声子散射效应，多晶硅纳米薄膜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；两个半导体臂之间采用au作为热电堆互联金属21，同时制作了多个热电堆输出电极24；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23，与热电堆之间隔有第三氮化硅薄膜22。
满足以上条件的结构即视为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。