一种用于便携式电子设备的无线充电系统的制作方法

本发明属于无线充电技术领域，具体涉及一种用于便携式电子设备的无线充电系统。

背景技术：

随着科技的发展，智能手机、智能手环及无线头戴耳机等便携式电子设备普遍应用于人们的日常生活中。由于使用率高、耗电量大，这些便携式电子设备常常需要频繁充电。在现有技术中，通常利用有线的充电器(充电线)连接交流电源和电子设备的充电接口，利用有线方式将电能传输到便携式电子设备内部的可充电电池中进行存储，从而完成便携式电子设备的充电。

但是，有线充电方式需要利用有线的充电器(充电线)，在充电过程中会占用一定的物理空间，这无疑会给电子设备的使用者带来不便。

目前，越来越多的学者正在致力于研究无线能量传输技术(wirelesspowertransfer，wpt)，无线能量传输也称为无线功率传输，是指能量从能量源传输到电负载的过程通过无线传输实现。

研究证实，可以依靠电磁场或其他的物质进行耦合，实现电能的无线传输，那么，如何利用无线能量传输实现便携式电子设备的无线充电，是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了利用无线能量传输实现便携式电子设备的无线充电，本发明提供了一种用于便携式电子设备的无线充电系统。

具体地，本发明一个实施例提出的一种用于便携式电子设备的无线充电系统，包括：

电能发送模块，用于将输入的工频交流电信号转换为第一高频交流电信号，并利用所述第一高频交流电信号产生交变磁场；

电能接收模块，用于感应所述交变磁场，得到第二高频交流电信号，将所述第二高频交流电信号转换为直流电信号；

可充电电池，与所述电能接收模块连接，用于将所述直流电信号转换为电能并进行存储以为所述便携式电子设备供电。

在本发明的一个实施例中，所述电能发送模块包括：电能源子模块和发射子模块；

其中，所述电能源子模块，用于将输入的所述工频交流电信号进行预设处理，输出双极性方波电压信号作为第一高频交流电信号，其中，所述预设处理包括变压、整流滤波和逆变；

所述发射子模块，与所述电能源子模块连接，用于利用所述第一高频交流电信号产生所述交变磁场。

在本发明的一个实施例中，所述电能接收模块包括接收子模块和能量转换子模块；

其中，所述接收子模块，用于感应所述交变磁场，得到所述第二高频交流电信号；

所述能量转换子模块，与所述接收子模块连接，用于对所述第二高频交流电信号进行平滑处理，并将所述高频交流电信号转换为所述直流电信号。

在本发明的一个实施例中，所述能量转换子模块包括依次连接的整流电路、滤波电路和稳压电路；其中，所述整流电路采用全桥整流方式。

在本发明的一个实施例中，所述整流电路包括整流二极管d2、整流二极管d3、整流二极管d4和整流二极管d5，其中，

所述整流二极管d2的正极分别与所述接收子模块的第二高频交流电信号的负电压端和所述整流二极管d3的负极连接，整流二极管d2的负极与所述滤波电路连接；整流二极管d3的负极分别与所述接收子模块的第二高频交流电信号的负电压端和整流二极管d2的正极连接，整流二极管d3的正极接地；整流二极管d4的正极分别与所述接收子模块的第二高频交流电信号的正电压端和所述整流二极管d5的负极连接，整流二极管d4的负极与所述滤波电路连接；整流二极管d5的负极分别与所述接收子模块的第二高频交流电信号的正电压端和整流二极管d4的正极连接，整流二极管d5的正极接地。

在本发明的一个实施例中，所述整流二极管d2、整流二极管d3、整流二极管d4和整流二极管d5均为基于应变ge的肖特基二极管。

在本发明的一个实施例中，所述基于应变ge的肖特基二极管包括：si衬底(001)、第一ge层(002)、张应变ge层(003)、第一应力ge层(004)、第二应力ge层(006)、al金属层(007)、w金属层(009)、第一电极和第二电极，其中，

所述第一ge层(002)、所述张应变ge层(003)、所述第一应力ge层(004)、所述第二应力ge层(006)依次层叠设置在所述si衬底(001)的表面；

所述al金属层(007)设置在所述第二应力ge层(006)的表面，与所述第一电极连接；

所述w金属层(009)设置在所述第一应力ge层(004)的表面，与所述第二电极连接；

其中，所述第二电极为所述基于应变ge的肖特基二极管的正极，所述第一电极为所述基于应变ge的肖特基二极管的负极。

在本发明的一个实施例中，所述第一应力ge层(004)为厚度为1000～1100nm，掺杂浓度为1.8×10¹⁶～2×10¹⁶cm^-3的n型ge层。

在本发明的一个实施例中，所述第一应力ge层(004)为厚度为800～1000nm，掺杂浓度为1.8×10¹⁴～2×10¹⁴cm^-3的n型ge1-xsnx层。

本发明实施例所提供的方案中，由所述电能发送模块将输入的工频交流电信号转换为第一高频交流电信号，并利用所述第一高频交流电信号产生交变磁场；由所述电能接收模块感应所述交变磁场，得到第二高频交流电信号，将所述第二高频交流电信号转换为直流电信号；与所述电能接收模块连接的所述可充电电池，将所述直流电信号转换为电能并进行存储以为所述便携式电子设备供电；本发明实施例可以通过磁耦合谐振无线电能传输技术实现便携式电子设备的无线充电，提高充电的便利性。

本发明实施例所提供的方案中，无线充电系统整流电路中的整流二极管可以采用肖特基二极管，所述肖特基二极管可以采用si上张应变ge材料或者si上张应变gesn材料。所述si上张应变ge材料和所述si上张应变gesn材料具有较高的电子迁移率，可以显著提升无线充电系统的能量转换效率；

通过以下参考附图的详细说明，本发明的其它方面和特征变得明显。但是应当知道，该附图仅仅为解释的目的设计，而不是作为本发明的范围的限定，这是因为其应当参考附加的权利要求。还应当知道，除非另外指出，不必要依比例绘制附图，它们仅仅力图概念地说明此处描述的结构和流程。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种无线充电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种无线充电系统的电能发送模块的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种无线充电系统的电能源子模块的电路原理图；

图4为本发明实施例提供的一种无线充电系统的电能接收模块的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种无线充电系统的整流电路的电路原理图；

图6为本发明实施例提供的一种用于无线充电系统的基于应变ge的肖特基二极管的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种用于无线充电系统的基于应变ge的肖特基二极管的一种制备方法的流程示意图；

图7-1～图7-11为本发明实施例提供的一种用于无线充电系统的基于应变ge的肖特基二极管的一种制备工艺示意图；

图8为本发明实施例提供的一种用于无线充电系统的基于应变ge的肖特基二极管的另一种制备方法的流程示意图；

图8-1～图8-12为本发明实施例提供的一种用于无线充电系统的基于应变ge的肖特基二极管的另一种制备工艺示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

本发明实施例提供了一种用于便携式电子设备的无线充电系统100。所述便携式电子设备泛指可随身携带的、以电力为能源并能够手持的电子设备。例如：笔记本电脑、平板电脑、电子书、手机、视频播放器和电子游戏机等。请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种无线充电系统的结构示意图。

如图1所示，所述无线充电系统100，包括：

电能发送模块110，用于将输入的工频交流电信号转换为第一高频交流电信号，并利用所述第一高频交流电信号产生交变磁场；

电能接收模块120，用于感应所述交变磁场，得到第二高频交流电信号，将所述第二高频交流电信号转换为直流电信号；

可充电电池130，与所述电能接收模块连接，用于将所述直流电信号转换为电能并进行存储以为所述便携式电子设备供电。在本发明实施例中，所述可充电电池130可以为现有的任意一种内置于便携式电子设备的可充电电池，在此，并不对其进行详细说明。

可以理解的是，所述电能发送模块110设置于所述便携式电子设备外部，所述电能接收模块120和所述可充电电池130设置于所述便携式电子设备内部。

以下对电能发送模块110和电能接收模块120分别进行说明。

(一)针对电能发送模块110的说明如下：

如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种无线充电系统的电能发送模块的结构示意图；

所述电能发送模块110包括：电能源子模块1101和发射子模块1102；

1)所述电能源子模块1101，用于将输入的所述工频交流电信号进行预设处理，输出双极性方波电压信号作为第一高频交流电信号；

其中，所述预设处理包括变压、整流滤波和逆变。

所述电能源子模块1101包括交流变压器、整流滤波电路和逆变电路。

为了便于理解所述电能源子模块1101的电路构成，请参考图3，图3为本发明实施例提供的一种无线充电系统的电能源子模块的电路原理图。

在图3中，所述交流变压器为t1(型号为t10-01b)；所述整流滤波电路包括：肖特基二极管d13、肖特基二极管d14、肖特基二极管d15、肖特基二极管d16、可变电阻器r33、保险丝f1、电容c50和c52；所述逆变电路包括：mosfet管q5、mosfet管q6、mosfet管q7和mosfet管q8。输入至所述电能源子模块1101的电能源信号为左侧方框所示的交流电。

具体的，所述交流变压器t1将输入的单相工频220v交流电变换为低压工频交流电。需要说明的是，所述交流变压器t1的输入侧设置有压敏电阻rv1，用于过电压吸收，以防止电源的浪涌过电压。

所述低压工频交流电经整流滤波电路中的全桥不控整流桥(由d13～d16构成)后成为脉动的直流电；所述脉动的直流电经电容c50和c52滤波后成为平直的直流电。需要说明的是，所述全桥不控整流桥的输出侧，设置有压敏电阻r33，用于过电压吸收，以防止电源的浪涌过电压。并且，在r33之后，为了避免出现瞬时大电流对其他元件造成损毁，可以串联一个可恢复保险丝f1以对后续电路进行保护。

逆变电路采用单相全桥逆变方式，mosfet管q5～q8在控制信号作用下，交替开关产生交变电压，输出双极性方波电压信号(第一高频交流电信号v1)。可以理解的是，所述双极性方波电压信号是正极和负极均为方波电压的电信号。第一高频交流电信号v1的电压和频率均可控，目的是为所述发射子模块1102提供稳定的电压和频率。需要说明的是，所述第一高频交流电信号v1的频率与所述发射子模块1102的谐振频率是相同的。

2)所述发射子模块1102，与所述电能源子模块1101连接，用于利用所述第一高频交流电信号产生所述交变磁场；

具体的，所述发射子模块1102将接收到的所述第一高频交流信号v1用于产生交变磁场，并耦合到所述接收子模块1201的接收线圈上。需要说明的是，所述发射子模块1102的谐振频率与所述接收子模块1201的谐振电路的谐振频率相同。

其中，所述发射子模块1102至少包括发射线圈和对应的匹配电容，所述发射线圈和所述匹配电容形成谐振电路。可以理解的是，一种实现谐振电路的方式是，所述发射线圈的两端分别与匹配电容的两端连接，并分别与所述第一高频交流信号v1的正极和负极相连接，即所述发射线圈与所述匹配电容形成并联谐振电路。另一种实现谐振电路的方式是，所述发射线圈的一端连接所述第一高频交流信号v1的正极，所述发射线圈的另一端连接所述匹配电容的一端，所述匹配电容的另一端连接所述第一高频交流信号v1的负极，即所述发射线圈与所述匹配电容形成串联谐振电路。

在本发明实施例中，所述发射线圈可以设计成平面螺旋方式，该方式能够减小电磁辐射，并有利于缩小所述发射子模块1102的体积。

当然，在本发明实施例中，所述发射子模块1102还可以包括底板和盖板，所述底板用于放置所述发射线圈和所述匹配电容，所述盖板用于和所述底板对接，实现对所述发射线圈和所述匹配电容的密封保护。

(二)针对电能接收模块120的说明如下：

如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种无线充电系统的电能接收模块的结构示意图；

所述电能接收模块120包括接收子模块1201和能量转换子模块1202；

1)所述接收子模块1201，用于感应所述交变磁场，得到所述第二高频交流电信号；

具体的，所述接收子模块1201用于感应所述发射子模块1102产生的交变磁场，经接收线圈感应后输出第二高频交流电信号v2(正极和负极均为高频电压的信号)；需要说明的是，所述接收子模块1201的谐振频率与所述发射子模块1102的谐振电路的谐振频率相同。

与所述发射子模块1102类似，所述接收子模块1201至少包括接收线圈和对应的匹配电容，所述接收线圈和对应的匹配电容形成谐振电路。同样的，所述接收线圈可以与对应的匹配电容形成并联谐振电路或串联谐振电路。在本发明实施例中，所述接收子模块1201的谐振频率范围与所述发射子模块1102的谐振频率范围对应。

当然，在本发明实施例中，所述接收子模块1201还可以包括pcb基板，所述pcb基板用于安置所述接收线圈与对应的匹配电容。一种实现方式中，所述接收线圈可以是采用覆铜技术在pcb基板上制作出的平面螺旋线圈。

本领域技术人员可以理解的是，本发明实施例采用的无线传输技术是磁耦合谐振无线电能传输技术。也就是说：所述发射子模块1102中的发射线圈与对应的匹配电容发生谐振，产生较大电流，从而产生较强的电磁场。所述发射子模块1102中的匹配电容的电场能因为谐振，与所述发射子模块1102中的磁场能不断进行交换。而所述发射子模块1102中的磁场有一部分铰链到所述接收子模块1201中的接收线圈中，在所述接收线圈中可以感应所述电磁场得到感应电流，因此电能量从所述发射子模块1102传递到了所述接收子模块1201，两者之间通过形成电磁能量的无线传输。

2)所述能量转换子模块1202，与所述接收子模块连接，用于对所述第二高频交流电信号进行平滑处理，并将所述高频交流电信号转换为所述直流电信号。

具体的，所述能量转换子模块1202对所述接收子模块1201输出的第二高频交流电信号v2进行整流、滤波和稳压处理，将高频交流电信号转换成稳定的直流电，将所述直流电经由电路传输给所述可充电电池，实现对所述可充电电池的充电。

其中，所述能量转换子模块1202包括依次连接的整流电路、滤波电路和稳压电路。

为了理解所述能量转换子模块1202的电路构成，以下结合图5进行说明，图5为本发明实施例提供的一种无线充电系统的整流电路的电路原理图。

需要说明的是，为了体现整流电路、滤波电路和稳压电路的连接关系，在图5中同样示出了滤波电路和稳压电路。具体的，图5中虚线框a为整流电路，方框b为滤波电路，方框c为稳压电路。本发明实施例中，所述滤波电路可以采用现有的任意一种滤波电路，稳压电路可以采用现有的任意一种稳压电路，在此并不对本发明实施例中的滤波电路和稳压电路的具体电路形式进行说明。其中：

所述整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路，经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压。可以称为单向脉动性直流电压。所述整流电路可以由变压器、整流二极管、晶闸管和滤波器等组成。

在本发明实施例中，可以采用任意一种整流电路，比如半波整流电路、全波整流电路或桥式整流电路等。如图5中a所示，在可选的一种实现方式中，所述整流电路可以采用全桥整流方式，这是因为全桥整流不仅能够利用正、负周期的能量，而且接收到的电流与所述接收子模块1201的电流大小相同，可以减小电能损耗，使能量得到最大限度的利用。

所述整流电路包括整流二极管d2、整流二极管d3、整流二极管d4和整流二极管d5。可选的一种实现方式中，由于肖特基二极管反向恢复时间极短(可以小到几纳秒)，正向导通压降可以达到仅0.4v，并且能承受低电压大电流，在本发明实施例中，所述整流二极管d2～d5可以采用肖特基二极管，以保证较高的整流效率，及电路的稳定性。

如图5中a所示，整流电路的连接方式为：

所述整流二极管d2的正极分别与所述接收子模块的第二高频交流电信号的负电压端和所述整流二极管d3的负极连接，整流二极管d2的负极与所述滤波电路连接；整流二极管d3的负极分别与所述接收子模块的第二高频交流电信号的负电压端和整流二极管d2的正极连接，整流二极管d3的正极接地；整流二极管d4的正极分别与所述接收子模块的第二高频交流电信号的正电压端和所述整流二极管d5的负极连接，整流二极管d4的负极与所述滤波电路连接；整流二极管d5的负极分别与所述接收子模块的第二高频交流电信号的正电压端和整流二极管d4的正极连接，整流二极管d5的正极接地。

所述滤波电路可以把整流输出的波形非平直的近似直流电，修整为尽可能平直的直流电，为后续电路提供稳定电流。所述滤波电路可以由多个滤波电容构成。

所述稳压电路用于保护后续电路，避免输出的瞬间大电压影响后续电路的正常运行。由于接收线圈和发射线圈的位置可能并非完全对应，可能导致接收线圈部分耦合，因此产生的电压的幅值可能变化，在这种情况下，采用高效率的稳压电路，可以保证所述电能接收模块120的效率。

可选的，在本发明实施例中，在所述稳压电路之后，可以设置一个附加电路用于接收稳压电路输出的+5v电压信号，并对所述+5v电压信号进行控制，以实现输出恒流恒压的电信号，并将恒流恒压的电信号提供给所述可充电电池。其中，所述附加电路可以包括电池管理芯片等。

本发明实施例所提供的方案中，由所述电能发送模块将输入的工频交流电信号转换为第一高频交流电信号，并利用所述第一高频交流电信号产生交变磁场；由所述电能接收模块感应所述交变磁场，得到第二高频交流电信号，将所述第二高频交流电信号转换为直流电信号；与所述电能接收模块连接的所述可充电电池，将所述直流电信号转换为电能并进行存储以为所述便携式电子设备供电；本发明实施例可以通过磁耦合谐振无线电能传输技术实现便携式电子设备的无线充电，提高充电的便利性。本发明实施例可以通过磁耦合谐振无线电能传输技术实现便携式电子设备的无线充电，可以提高充电的便利性。

实施例二

磁耦合谐振无线传输技术属于微波无线能量传输技术中的一种。转换效率是评价微波无线能量传输的关键指标。也就是说，无线充电系统整流电路内的整流二极管决定着最高转换效率的大小。理论证实，使用高迁移率材料的肖特基二极管由于载流子速度较快，对于高频信号响应会更加及时，因而更适合在高频下工作，有利于提升最大转换效率。

基于上述思想，本发明实施例提供了一种用于无线充电系统的基于应变ge的肖特基二极管，所述基于应变ge的肖特基二极管可以用于代替实施例一中能量转换子模块1202中的整流二极管d2～d5，当然，也可以用于代替电能源子模块1101中的肖特基二极管d13～d15。请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种用于无线充电系统的基于应变ge的肖特基二极管的结构示意图。

如图6所示，所述基于应变ge的肖特基二极管，包括：

si衬底(001)、第一ge层(002)、张应变ge层(003)、第一应力ge层(004)、第二应力ge层(006)、al金属层(007)、w金属层(009)、第一电极和第二电极，其中，

所述第一ge层(002)、所述张应变ge层(003)、所述第一应力ge层(004)、所述第二应力ge层(006)依次层叠设置在所述si衬底(001)的表面；

所述al金属层(007)设置在所述第二应力ge层(006)的表面，与所述第一电极连接；

所述w金属层(009)设置在所述第一应力ge层(004)的表面，与所述第二电极连接；

其中，所述第二电极(a2)为所述整流二极管的正极，所述第一电极(a1)为所述整流二极管的负极。

一种实现方式中，所述si衬底(001)为厚度为300～400μm的单晶si衬底。

硅作为一种半导体，由于其稳定性高，常被用作肖特基二极管的衬底。由于电子比空穴迁移率大，为了获得良好的频率特性，在本发明实施例中，可以用单晶si制备衬底。

一种实现方式中，所述张应变ge层(003)是对所述第一ge层(002)表面上的第二ge层进行热退火后形成的。

由于si和ge材料的热膨胀系数不同，可以通过si衬底与ge材料之间的热失配在ge材料层中引入应力，通过施加应力引起能带结构的调制；反映在能带图上，表现为导带底的曲率发生改变，实际上改变的是导带电子的有效质量，该改变可以引起各散射机制中散射概率的改变，进而提高电子迁移率。

鉴于此，在本发明实施例中，可以在si衬底上采用低温温度先形成第一ge层，再采用高温温度形成第二ge层。

形成所述第一ge层和所述第二ge层的方式可以包括分子束外延生长(molecularbeamepitaxy，mbe)法、化学气象淀积法(chemicalvapordeposition，cvd)和磁控溅法等等。当然，在本发明实施例中，形成所述第一ge层和所述第二ge层的方式不限于以上所述方式。

由于第二ge层的形成会产生位错等缺陷，通过热退火处理，可以减小生长和掺杂过程中第二ge层中产生的缺陷和激活掺杂元素，提高质量，使形成的第二ge层变成高质量的应变ge成品。

在本发明实施例中，在所述张应变ge层(003)上，可以形成轻掺杂浓度的第一应力ge层(004)，目的是为了在后续基于所述第一应力ge层(004)形成肖特基接触，继而形成电极a2。

其中，一种实现方式中，所述第一应力ge层(004)为厚度为1000～1100nm，掺杂浓度为1.8×10¹⁶～2×10¹⁶cm^-3的n型ge层。

另一种实现方式中，所述第一应力ge层(004)为厚度为800～1000nm，掺杂浓度为1.8×10¹⁴～2×10¹⁴cm^-3的n型ge1-xsnx层。

本领域技术人员可以理解的是，掺杂浓度为1.8×10¹⁶～2×10¹⁶cm^-3和掺杂浓度为1.8×10¹⁴～2×10¹⁴cm^-3均属于轻掺杂，在后续可以基于所述第一应力ge层(004)形成肖特基接触，继而形成电极a2。

一种实现方式中，所述第二应力ge层(006)是对所述第一应力ge层(004)的局部表面进行p离子注入后形成的。

形成所述第二应力ge层(006)是为了在后续基于所述第二应力ge层(006)形成欧姆接触，继而形成电极a1。

其中，一种实现方式中，所述第二应力ge层(006)的掺杂浓度为10²⁰cm^-3。

掺杂浓度为10²⁰cm^-3属于重掺杂，目的是为了在后续基于所述第二应力ge层(006)形成欧姆接触。

需要说明的是，在本发明实施例中，基于欧姆接触形成的第一电极a1与基于肖特基接触形成的第二电极a2可以位于同一面，相比第一电极a1和第二电极a2分别位于上下面的肖特基二极管，本发明实施例提供的肖特基二极管采用的是平面工艺。

本发明实施例所提供的方案中，所述肖特基二极管可以采用si上张应变ge材料或者si上张应变gesn材料。所述si上张应变ge材料和所述si上张应变gesn材料具有较高的电子迁移率，适用于无线充电系统内的肖特基二极管，可大大提升能量转换效率；

本发明通过si衬底与ge材料之间的热失配实现了应用于肖特基二极管中的ge材料的应变，步骤简单，且s-ge/si衬底半导体与si工艺兼容，具有明显的成本优势。且本发明在ge外延层上进一步外延n型ge层作为肖特基二极管工作的有源区，使得其器件抗闩锁效应好，所得n型ge层材料质量更高，器件性能更高；

本发明通过si衬底与外延材料之间的热失配实现了应用于肖特基二极管中的gesn材料的应变，在ge材料中加入sn组分，能够调制能带结构，在和应变的共同作用下可以实现材料电子迁移率的提高。该过程步骤简单，且s-gesn/si衬底半导体由于与si工艺兼容，具有明显的成本优势；

本发明采用了平面工艺制造方法制造肖特基二极管，更易于集成和工艺控制。

实施例三

本实施例在实施例二的基础上，提供一种用于无线充电系统的基于应变ge的肖特基二极管的制备方法，其中，以该方法制备出的所述基于应变ge的肖特基二极管的所述第一应力ge层(004)为厚度为1000～1100nm，掺杂浓度为1.8×10¹⁶～2×10¹⁶cm^-3的n型ge层。请参见图7、图7-1～图7-11，图7为本发明实施例提供的一种用于无线充电系统的基于应变ge的肖特基二极管的一种制备方法的流程示意图，图7-1～图7-11为本发明实施例提供的一种用于无线充电系统的基于应变ge的肖特基二极管的一种制备方法的工艺示意图。

具体地，如图7所示，该制备方法包括如下步骤：

s701，制备厚度为300～400μm的单晶si衬底；

如图7-1所示，可以制备厚度为300～400μm的单晶si衬底(001)。300～400μm是肖特基器件制备中使用晶圆的一个典型厚度规格。

s702，在275℃～325℃温度下，利用分子束外延方式在所述衬底的一侧表面上，生长厚度为50nm的第一ge层；

如图7-2所示，可以在275℃～325℃温度下，利用分子束外延方式在衬底(001)的上表面上，生长厚度为50nm的第一ge层(002)。

考虑生长的第一ge层002很薄，分子束外延是最合适的生长方式。

275℃～325℃温度为预设的低温温度，这个温度可以将因为晶格失配造成的位错密度尽量限制在50nm这个厚度的缓冲层内。50nm这个厚度适合在作为低温ge层的第一ge层(002)的上表面，继续生长高温ge层。

s703，在500℃～600℃温度下，利用分子束外延方式在所述第一ge层的表面上，生长厚度为900nm～950nm的第二ge层；

如图7-3所示，可以在500℃～600℃温度下，利用分子束外延方式在所述第一ge层(002)的表面上，淀积厚度为900nm～950nm的第二ge层(0031)。

500℃～600℃温度为预设的高温温度，在高温温度下生长ge层可以促进结构结晶质量的提高。

发明人在应变ge用于无线能量传输的肖特基二极管仿真时发现：如果要满足肖特基二极管的基本性能要求，所述第二ge层厚度需要大于800nm，但是太厚的第二ge层又会降低器件速度，经过折中考虑，所述第二ge层的厚度确定为900nm～950nm，该厚度可以使所述第二ge层在后续的退火处理中，保证不增加rms(rate-monotonicscheduling，调度算法)值。

s704，在750℃～850℃温度的氢气(h2)环境下，将所述第二ge层进行10～15分钟的热退火处理，得到张应变ge层；

为了提高晶格质量，可以在一个固定的温度或循环变化的温度中，进行热退火处理。在本发明实施例中，可以选取温度750℃～850℃。而为了加快ge原子在表面的扩散速度，可以选取h2气环境，且h2气比惰性气体成本低，在热解过程中不会引入别的杂质。在上述环境下，可以将所述第二ge层(0031)进行10～15分钟的热退火处理，将所述第二ge层(0031)变化为张应变ge层(003)。

s705，自然冷却所述衬底、所述第一ge层和所述张应变ge层，并用稀氢氟酸和去离子水循环清洗所述张应变ge层；

在本发明实施例中，可以使用稀氢氟酸(hf(dhf):h2o＝1:1.5)和去离子水(dl)循环清洗所述张应变ge层，以去除所述张应变ge层表面的油污和氧化层，获得清洁的表面，便于后续在所述张应变ge层上形成第一n型ge层。

当然，本发明实施例中，清洁所述张应变ge层的方式不限于以上所述。

s706，在500℃～600℃温度下，在所述张应变ge层上形成厚度为1000nm～1100nm的第一n型ge层；

如图7-4所示，可以利用分子束外延等方式，在500℃～600℃温度下，在s705得到的张应变ge层(003)上淀积厚度为1000nm～1100nm的第一n型ge层(004)。其中，所述第一n型ge层004的n型掺杂浓度为1.8×10¹⁶～2×10¹⁶cm^-3。

所述第一n型ge层(004)属于轻掺杂，可以用于产生肖特基接触，进而在后续基于肖特基接触形成第二电极a2。

s707，在所述第一n型ge层的表面涂抹第一光刻胶，并曝光所述第一n型ge层表面所述第一区域的所述第一光刻胶；

可以理解的是，对一区域涂抹光刻胶可以对该区域进行保护。在本发明实施例中，首先如图7-5所示，在所述第一n型ge层(004)的整个表面涂抹第一光刻胶(005)；然后曝光所述第一n型ge层(004)表面上第一区域的第一光刻胶(005)，使得所述第一区域(如图7-6所示)失去光刻胶的保护，以便于后续仅对所述第一区域进行离子注入操作。

其中，所述第一区域为所述第一n型ge层的表面上，小于所述第一n型ge层的表面积的一个区域，如图7-6所示，所述第一区域可以为所述第一n型ge层表面左侧的一个区域。

s708，利用离子注入工艺向所述第一区域注入磷(p)离子，形成n型掺杂浓度为10²⁰cm^-3的第二n型ge层；

如图7-6所示，可以利用离子注入工艺向所述第一区域注入p离子，形成n型掺杂浓度为10²⁰cm^-3的第二n型ge层(006)。

所述第二n型ge层(006)的厚度小于所述第一n型ge层(004)的厚度。所述第二n型ge层(006)的表面与所述第一n型ge层(004)的表面平齐。

所述第二n型ge层(006)为重掺杂，可以用于产生欧姆接触，进而基于欧姆接触形成第一电极a1。

关于利用离子注入工艺向所述第一区域注入p离子的具体过程在此不进行详细描述。

s709，去除所述第一n型ge层表面的所述第一光刻胶，并在600℃～1000℃温度的氢气环境中加热所述衬底、所述第一ge层、所述张应变ge层、所述第一n型ge层和所述第二n型ge层；

如图7-7所示，可以首先去除所述第一n型ge层(004)表面的第一光刻胶(005)，然后在600℃～1000℃温度的h2气环境中加热所述001、002-004及006层。

在600℃～1000℃的h2环境中加热所述衬底和各个层，可以修复离子注入造成的表面晶体损伤。

s710，利用电子束蒸发方式，在包含所述第二n型ge层的第一n型ge层表面，淀积厚度为10～20nm的al(铝)层，并利用刻蚀工艺刻蚀所述第一n型ge层表面上，除所述第一区域之外的其它区域的所述al层，将剩余的所述al层作为所述第一电极；

可以在图7-7的包含所述第二n型ge层(006)的第一n型ge层(004)表面上，利用电子束蒸发方式，淀积厚度为10～20nm的al层(007)，形成欧姆接触；并利用刻蚀工艺刻蚀所述第一n型ge层(004)表面上，除所述第一区域之外的其它区域的所述al层(007)，将剩余的所述al层(007)(如图7-8所示)作为第一电极a1。

在肖特基二极管的制备过程中，淀积的金属可以选择铝、金、钼、镍和钛等，考虑到形成肖特基接触所需材料的功函数和制造成本，在本发明实施例中，所述金属确定为铝。而对于金属的淀积方式来说，由于电子束蒸发方式最常用，效率也最高，因此，本发明实施例采用电子束蒸发方式。

在本发明实施例中，刻蚀工艺可以采用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺等。

s711，在所述第一电极和所述第一n型ge层表面上涂抹第二光刻胶，并曝光所述第二区域的所述第二光刻胶；

可以将图7-8的所述第一电极和所述第一n型ge层(004)表面上涂抹第二光刻胶(008)，并曝光第二区域的第二光刻胶，得到的第二光刻胶如图7-9的008所示。

其中，所述第二区域为所述第一n型ge层的表面上，小于所述第一n型ge层的表面积的一个区域，如图7-9所示，所述第二区域可以为所述第一n型ge层表面右侧的一个区域。所述第二区域的面积可以与所述第一区域的面积相同。

s712，在剩余所述第二光刻胶和所述第一n型ge层表面上，利用电子束蒸发方式淀积10～20nm厚的w(钨)层；

如图7-10所示，可以在图7-9的剩余的所述第二光刻胶(008)和所述第一n型ge层(004)表面上，利用电子束蒸发方式淀积10～20nm厚的w层(009)，形成肖特基接触。

s713，在包含所述第二n型ge层的所述第一n型ge层表面上，剥离除所述第二区域之外的其它区域的所述第二光刻胶及所述第二光刻胶上的所述w层，将剩余所述w层作为所述第二电极。

如图7-11所示，可以将7-10中包含所述第二n型ge层(006)的所述第一n型ge层(004)表面上，除所述第二区域之外的其它区域的所述第二光刻胶(008)及所述第二光刻胶上的所述w层(009)进行剥离，将第一n型ge层(004)表面剩余的w层(009)作为第二电极a2。其中，图7-11中a1和a2上方的竖线和圈圈代表导线。可以理解的是，图7-11即为所生成的肖特基二极管。

由于欧姆接触需要重掺杂，肖特基接触需要轻掺杂，在本发明实施例中，电极a1和a2的位置是为了满足掺杂浓度要求与肖特基器件的功能需求而设计的。

需要说明的是，在本发明实施例中，基于欧姆接触形成的第一电极a1与基于肖特基接触形成的第二电极a2可以位于同一面，相比第一电极a1和第二电极a2分别位于上下面的肖特基二极管，本发明实施例提供的用于微波无线能量传输的肖特基二极管采用的是平面工艺。

本发明实施例所提供的方案中，采用的张应变ge材料具有较高的迁移率，适用于无线充电系统内的肖特基二极管，可大大提升能量转换效率。本发明通过si衬底与ge材料之间的热失配实现了应用于肖特基二极管中的ge材料的应变，步骤简单，且s-ge/si衬底半导体与si工艺兼容，具有明显的成本优势。本发明采用了平面工艺制造方法制造肖特基二极管，更易于集成和工艺控制。本发明在ge外延层上进一步外延n型ge层作为肖特基二极管工作的有源区，使得其器件抗闩锁效应好，所得n型ge层材料质量更高，器件性能更高。

实施例四

本实施例在实施例二的基础上，提供另一种用于无线充电系统的基于应变ge的肖特基二极管的制备方法，其中，以该方法制备出的所述基于应变ge的肖特基二极管的所述第一应力ge层(004)为厚度为800～1000nm，掺杂浓度为1.8×10¹⁴～2×10¹⁴cm^-3的n型ge1-xsnx层。。请参见图8、图8-1～图8-12，图8为本发明实施例提供的一种用于无线充电系统的基于应变ge的肖特基二极管的另一种制备方法的流程示意图，图8-1～图8-12为本发明实施例提供的一种用于无线充电系统的基于应变ge的肖特基二极管的另一种制备方法的工艺示意图。

具体地，如图8所示，该制备方法包括如下步骤：

s801，制备厚度为300～400μm的单晶si衬底；

如图8-1所示，可以制备厚度为300～400μm的单晶si衬底(001)。

s802，在275℃～325℃温度下，利用分子束外延方式在所述衬底的一侧表面上，生长厚度为50nm的n型ge薄膜层作为第一ge层；

如图8-2所示，可以在275℃～325℃温度下，利用分子束外延方式在衬底(001)的上表面上，生长厚度为50nm的n型ge薄膜层作为第一ge层(002)。

s803，在500℃～600℃温度下，以ph3作为磷掺杂源，利用分子束外延方式在所述第一ge层的表面上生长厚度为900nm～950nm的第二ge层；

如图8-3所示，可以在500℃～600℃温度下，以ph3作为磷掺杂源，利用分子束外延方式在所述第一ge层(002)的表面上，淀积厚度为900nm～950nm的第二ge层(0031)。

500℃～600℃温度为预设的高温温度，在高温温度下生长ge层可以促进结构结晶质量的提高。

发明人在应变ge用于无线能量传输的肖特基二极管仿真时发现：如果要满足肖特基二极管的基本性能要求，所述第二ge层厚度需要大于800nm，但是太厚的第二ge层又会降低器件速度，经过折中考虑，所述第二ge层的厚度确定为900nm～950nm，该厚度可以使所述第二ge层在后续的退火处理中，保证不增加rms(rate-monotonicscheduling，调度算法)值。

s804，在750℃～850℃温度的氢气环境下，将所述第二ge层进行10～15分钟的热退火处理，得到张应变ge层；

关于该步骤的介绍，可以参见实施例三的相关步骤，在此不再赘述。

在上述温度及气体环境下，可以将所述第二ge层(0031)进行10～15分钟的热退火处理，将所述第二ge层(0031)变化为张应变ge层(003)。

s805，自然冷却所述衬底、所述第一ge层和所述张应变ge层，并用稀氢氟酸和去离子水循环清洗所述张应变ge层；

在本发明实施例中，可以使用稀氢氟酸(hf(dhf):h2o＝1:1.5)和去离子水(dl)循环清洗所述张应变ge层(003)，以去除所述张应变ge层(003)表面的油污和氧化层，获得清洁的表面，便于后续在所述张应变ge层上形成第一n型ge1-xsnx层。

当然，本发明实施例中，清洁所述张应变ge层的方式不限于以上所述。

s806，确定纯度为99.9999％的ge作为ge源，纯度为99.9999％的sn作为sn源；基于所述ge源和所述sn源，在温度90～100℃及基准压力3×10^-10torr的环境下，利用分子束外延方式，在所述张应变ge层上生长厚度为800～1000nm的第一n型ge1-xsnx层；其中，所述0.01<x<0.04。

如图8-4所示，可以利用分子束外延方式，在温度90～100℃及基准压力3×10^-10torr的环境下，利用所述ge源和所述sn源，在所述张应变ge层(003)上生长厚度为800～1000nm的第一n型ge1-xsnx层(004)。其中，所述第一n型ge1-xsnx层的掺杂浓度为1.8×10¹⁴～2×10¹⁴cm^-3。

所述第一n型ge1-xsnx层(004)属于轻掺杂，可以用于产生肖特基接触，进而在后续基于肖特基接触形成第二电极a2。

发明人在应变ge用于无线能量传输的肖特基二极管仿真时，发现满足gesn材料质量的基本性能要求，所述第一n型ge1-xsnx层的厚度需要在800nm以上，厚度大于800nm可以提高gesn材料的质量，但是该厚度太大又会降低器件速度，因此，经过折衷考虑，将所述第一n型ge1-xsnx层的厚度确定为800～1000nm。

x表示所述第一n型ge1-xsnx层中sn组分的比例，x大于0.01是由于sn占比大于该值才会在gesn能带结构中起作用，x小于0.04是考虑到sn在ge中的固溶度，以及避免引入太多sn而造成晶格失配等缺陷。

s807，在所述第一n型ge1-xsnx层的表面涂抹第一光刻胶，并曝光所述第一n型ge1-xsnx层表面所述第一区域的所述第一光刻胶；

在本发明实施例中，首先如图8-5所示，在所述第一n型ge1-xsnx层(004)的整个表面涂抹第一光刻胶(005)；然后曝光所述第一n型ge1-xsnx层(004)表面上第一区域的第一光刻胶(005)，使得所述第一区域(如图8-6所示)失去光刻胶的保护，以便于后续仅对所述第一区域进行离子注入操作。

其中，所述第一区域为所述第一n型ge1-xsnx层的表面上，小于所述第一n型ge1-xsnx层的表面积的一个区域，如图8-6所示，所述第一区域可以为所述第一n型ge1-xsnx层表面左侧的一个区域。

s808，利用离子注入工艺向所述第一区域注入磷离子，形成n型掺杂浓度为10²⁰cm^-3的第二n型ge1-xsnx层；

如图8-6所示，可以利用离子注入工艺向所述第一n型ge1-xsnx层的第一区域注入p离子，形成n型掺杂浓度为10²⁰cm^-3的第二n型ge1-xsnx层(006)。

所述第二n型ge1-xsnx层(006)的厚度小于所述第一n型ge1-xsnx层(004)的厚度。所述第二n型ge1-xsnx层(006)的表面与所述第一n型ge1-xsnx层(004)的表面平齐。

所述第二n型ge1-xsnx层(006)为重掺杂，可以用于产生欧姆接触，进而基于欧姆接触形成第一电极a1。

关于利用离子注入工艺向所述第一区域注入p离子的具体过程在此不进行详细描述。

s809，去除所述第一n型ge1-xsnx层表面的所述第一光刻胶；

如图8-7所示，可以去除所述第一n型ge1-xsnx层(004)表面的所述第一光刻胶(005)。

之后，可选的，可以在600℃～1000℃温度的h2气环境中加热所述001、002-004及006层，以修复离子注入造成的表面晶体损伤。

s810，利用电子束蒸发方式，在包含所述第二n型ge1-xsnx层的第一n型ge1-xsnx层表面，淀积厚度为10～20nm的al(铝)层；

关于淀积的金属的选择和金属的淀积方式的选择，可以参见实施例三相关步骤的描述，在此不再赘述。

如图8-8所示，可以在图8-7的包含所述第二n型ge1-xsnx层(006)的第一n型ge1-xsnx层(004)表面上，利用电子束蒸发方式，淀积厚度为10～20nm的al层(007)，形成欧姆接触。

s811，利用刻蚀工艺刻蚀所述第一n型ge1-xsnx层表面上，除所述第一区域之外的其它区域的所述al层，将剩余的所述al层作为所述第一电极；

如图8-9所示，可以利用刻蚀工艺刻蚀图8-8的al层(007)表面上，除所述第一区域之外的其它区域的al层(007)，将剩余的所述al层(007)作为所述第一电极a1。在本发明实施例中，刻蚀工艺可以采用干法刻蚀工艺或湿法刻蚀工艺等。

s812，在所述第一电极和所述第一n型ge1-xsnx层表面上涂抹第二光刻胶，并曝光所述第二区域的所述第二光刻胶；

可以在图8-9的所述第一电极的表面，和所述第一n型ge1-xsnx层(004)的表面上涂抹第二光刻胶，并曝光所述第一n型ge1-xsnx层(004)表面上第二区域的所述第二光刻胶，剩余的第二光刻胶如图8-10的008所示。

其中，所述第二区域为所述第一n型ge1-xsnx层的表面上，小于所述第一n型ge1-xsnx层的表面积的一个区域，如图8-10所示，所述第二区域可以为所述第一n型ge1-xsnx层表面右侧的一个区域。所述第二区域的面积可以与所述第一区域的面积相同。

s813，在剩余所述第二光刻胶和所述第一n型ge1-xsnx层表面上，利用电子束蒸发方式淀积10～20nm厚的w(钨)层；

如图8-11所示，可以在图8-10的所述第二光刻胶(008)和所述第一n型ge1-xsnx层(004)表面上，利用电子束蒸发方式淀积10～20nm厚的w层(009)，形成肖特基接触。

s814，在包含所述第二n型ge1-xsnx层的所述第一n型ge1-xsnx层表面上，剥离除所述第二区域之外的其它区域的所述第二光刻胶及所述第二光刻胶上的所述w层，将剩余所述w层作为所述第二电极。

如图8-12所示，可以将图8-11中包含所述第二n型ge1-xsnx层(006)的所述第一n型ge1-xsnx层(004)表面上，除所述第二区域之外的其它区域的所述第二光刻胶(008)及所述第二光刻胶上的所述w层(009)进行剥离，将剩余的所述w层(009)作为第二电极a2。其中，图8-12中a1和a2上方的竖线和圈圈代表导线。可以理解的是，图8-12即为所生成的肖特基二极管。和实施例三相同，本发明实施例提供的肖特基二极管采用的是平面工艺。

本发明实施例采用si上张应变gesn材料制作用于无线充电系统的肖特基二极管。所述si上张应变gesn材料具有较高的电子迁移率，适用于微波无线能量传输系统内的肖特基二极管，可大大提升能量转换效率。本发明通过si衬底与外延材料之间的热失配实现了应用于肖特基二极管中的gesn材料的应变，ge材料中加入sn组分，调制能带结构，在和应变的共同作用下实现材料迁移率的提高。该过程步骤简单，且s-gesn/si衬底半导体由于与si工艺兼容，具有明显的成本优势。本发明采用了平面工艺制造方法制造用于微波无线能量传输的肖特基二极管，更易于集成和工艺控制。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。