CN110752784B - 表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可循环能源收集技术领域，公开了一种表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机及其制备方法，该发电机自下而上依次为金属电极、半导体衬底、表面粗糙层、金属，金属电极与半导体衬底为欧姆接触，金属与半导体衬底为肖特基接触，所述的表面粗糙层是对半导体衬底一侧抛光面采用粗糙处理所形成的具有粗糙形貌的表面层，金属直接压在表面粗糙层上，二者接触并可相对移动，形成表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机。该发电机结构工艺简单，原材料成本较低，同时突破了传统半导体物理框架，为利用肖特基势垒中的表面态提供了直接证据。

Description

表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种动态肖特基发电机及其制备方法，尤其涉及一种表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机及其制备方法，属于能源获取器件技术领域。

背景技术

由于便携设备飞速发展和供电电源缓慢发展的矛盾，人们对于小范围可回收能源循环利用需求日益增加。目前常见的能源回收种类有太阳能、水能、热能、机械能等，基于这些能源循环的发电机都需要一个内电场来输出电能，同时具体原理存在较大差异。发电的性能往往和内电场的大小正相关，同时需要高效率的发电机理提升能源回收效率，安全的强电场和高效率发电机理成为了新型发电机性能评价的关键因素。受限于思维定势，静态肖特基器件中表面态往往会对器件性能产生负面影响，控制表面态是静态肖特基器件的主要研究方向，但表面态在动态肖特基器件中的作用还没有被探索过。近年来肖特基势垒的强内建电场(～10⁶V/m)被发现可以用于发电，基于动态肖特基势垒的发电机展示出了较强的应用潜能。微观载流子高效回弹的新颖机理，强大且宏观不对外表现的内建电场可以达到安全、高效输出电能的目的。但是普通肖特基发电机的输出电流和功率(通常约为～10¹A/m²,～10¹W/m²)还难以达到小范围能源回收循环的要求，其背后蕴藏的物理内涵还有待开发。

本发明提出的表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机突破传统半导体物理框架中表面态纯负面作用的思维定式，为利用肖特基势垒区表面态的正面作用提供了证据。在运动能量收集形式不变的情况下，通过表面处理形成高表面态的表面粗糙层。其中表面态在动态回弹过程中充当额外的回弹中心，在不增加输入功率的情况下可以增强势垒区的载流子回弹，从而等效于非线性增强电源内电场，形成超高的电流密度和功率密度输出。在无需整流的情况下，可以宏观输出目前已知较高的短路电流密度和功率密度(～10⁵A/m²,～10³W/m²)，且内阻较小，与实际便携电子设备的内阻更匹配，同时器件制备工艺非常简单，对半导体、金属的质量的要求不高，具有良好的应用前景，也为利用肖特基器件中的表面态提供了可能性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机及其制备方法。

本发明的表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机，自下而上依次为金属电极、半导体衬底、表面粗糙层、金属，金属电极与半导体衬底为欧姆接触，金属与半导体衬底为肖特基接触，所述的表面粗糙层是是在半导体衬底一侧抛光面上进行粗糙处理所形成的具有粗糙形貌的表面层，金属直接压在表面粗糙层上，二者接触并可相对移动，形成表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机。

上述技术方案中，进一步的，所述的半导体衬底为双面抛光的硅、砷化镓、铟镓砷、氧化锌、锗、氮化镓或者磷化铟。所述的粗糙处理为采用砂纸进行打磨、或化学腐蚀的手段在半导体衬底表面形成凹槽或腐蚀坑，或者采用气相沉积或溶液旋涂的方法在半导体衬底表面形成相应半导体颗粒从而形成表面粗糙形貌。

进一步的，所述的金属是金、银、铜、铁、铝、铂、钛、镍、铬中的一种，选用与所采用的具体半导体衬底可形成肖特基接触的金属。

进一步的，所述的金属采用针状形态压在表面粗糙层上以形成良好稳定的接触。

进一步的，所述的金属电极是选自金、钯、银、钛、铬、镍、铂和铝中的一种或者几种的复合电极，与所采用的具体半导体衬底材料形成欧姆接触。

制备上述高电流密度动态肖特基发电机的方法，过程如下：

先在双面抛光的半导体衬底材料背面制作金属电极形成欧姆接触；再对半导体衬底材料的正面进行粗糙处理形成高表面态的表面粗糙层，选用可与半导体衬底材料形成肖特基接触的金属，将所述金属压到表面粗糙层上，二者相互接触形成肖特基势垒，金属电极、及所述金属分别用引线引出，即得到表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机，利用风力、潮汐或机械运动驱动金属与表面粗糙层相对移动，表面粗糙层的表面态充当回弹中心，增强单位时间内载流子回弹，可非线性增强直流电信号，从而将风能、潮汐能或机械能转换为直流电信号输出。

传统的肖特基势垒器件，性能往往都会受到表面态的负面影响，在之前的报道中，减少、控制表面态也都是提高肖特基势垒器件性能研究中热门的方向。本发明首次发现通过打磨半导体衬底表面形成粗糙形貌，此时表面产生了大量悬挂键，形成高表面态，可以使得整个肖特基发电机性能得到巨幅提升，该发现突破了传统半导体物理的理论，我们认为这是利用了肖特基势垒中的高表面态增强了载流子回弹，从而提升电流密度和功率密度输出，是表面态领域研究的首创性发现，可以在对材料质量、制备工艺要求不高的情况下制备出有实际应用价值的动态肖特基发电机。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

与传统的肖特基发电机相比，本发明半导体材料、金属材料制备都非常简单，且能利用表面的缺陷，在宏观条件下接触后相互移动可得到超高密度的直流电，适用于小内阻的电子器件供能和小范围能源的高效回收利用，突破了传统半导体物理中表面态的负面影响的定式，利用表面态非线性加强载流子回弹，大幅提高了器件性能。

附图说明

图1为表面态增强的高电流密度肖特基发电机的剖面结构示意图。

图2为表面态增强的高电流密度肖特基发电机的三维结构示意图及内部载流子回弹示意图。

图3为基于铁/p型高表面态硅的肖特基发电机的短路电流、开路电压输出。

图4为基于铁/p型高表面态硅的肖特基发电机在不同负载下的功率输出。

图5为基于铁/p型砷化镓的肖特基发电机在不同表面态情况下的电流输出对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

参照图1，本发明的表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机，自下而上依次为金属电极、半导体衬底、表面粗糙层、金属，金属电极与半导体衬底为欧姆接触，金属与半导体衬底为肖特基接触，半导体衬底采用商用的双面抛光的硅、砷化镓、铟镓砷、氧化锌、锗、氮化镓或者磷化铟，所述的表面粗糙层可以是采用100-300目的砂纸在半导体衬底一侧抛光面上进行打磨所形成的具有粗糙形貌的表面层，也可以采用化学腐蚀的方法在半导体衬底表面形成尺寸100μm以下的腐蚀坑，此外，还可以采用气相沉积或溶液旋涂的方法在半导体衬底表面直接形成分散的相应半导体材料的颗粒层，其中颗粒大小控制在100μm以下，上述方法都可以在半导体衬底上形成粗糙表面，之后，将金属直接压在表面粗糙层上，二者保持接触，当发生横向移动后可形成电能输出。在相对移动的过程中，肖特基势垒内部的扩散载流子和漂移载流子的平衡被打破，在内建电场和原子内场的协同作用下反弹形成电能输出，传统半导体物理中界面处表面态会影响器件性能，但在本发明的肖特基发电机中，仅粗糙处理形成的高表面态可与内建电场共同作用回弹载流子，增强发电机性能，其动态过程如图2所示。

实施例1：

1)用180目的砂纸打磨重掺杂p型硅的一侧抛光面，形成半导体表面粗糙层，即形成高表面态；

2)在高表面态p型重掺的硅片另一侧面上制作电极，材质为100nm银电极，烘干后依次浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；

3)选择金属铁，将其制成针状以便形成良好的肖特基接触；

4)将铁针压于高表面态p型重掺硅粗糙表面，引线连出，形成肖特基发电机，控制铁针与粗糙表面发生横向相对运动即可产生电流输出。

所述的铁/高表面态p型硅肖特基直发电机结构示意图如图1所示。将铁针在硅表面移动，即可得到大小约为60.0mV的开路电压和2.7×10⁵A/m²的短路电流密度，如图3所示。输出功率密度与内阻有关，在最佳内阻匹配(3.0Ω)的情况下，高表面态增强肖特基发电机可以达到的最大功率密度为1262.0W/m²，如图4所示。

实施例2：

1)用300目砂纸打磨p型砷化镓一侧表面形成高表面态，在另一面制作电极，材料为20nm镍和100nm金，然后依次浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；

2)取部分经1)处理的高表面态p型砷化镓，使用硫化铵浸泡15min，去离子水清洗3遍，使表面悬挂键被硫填满，去除其表面粗糙层，得到低表面态的p型砷化镓作为对照；

3)选取金属铁，做成针状以便形成良好的肖特基势垒；

4)将铁针压于高/低表面态p型砷化镓表面，引线连出，形成肖特基发电机，控制铁针与砷化镓表面横向相对运动即可产生电能输出。

所述的铁/砷化镓发电机输出性能如图5所示，可以看出，铁/高表面态密度的砷化镓形成的肖特基发电机可以得到～10²A/m²的短路电流密度输出，而铁/低表面态密度的砷化镓形成的肖特基发电机可以得到～10¹A/m²的短路电流密度输出。

实施例3：

1)用240目砂纸打磨重掺杂n型硅的一侧抛光面，形成半导体表面粗糙层，即形成高表面态；

2)在高表面态n型硅另一面制作电极，材料为20nm钛和100nm金，然后依次浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；

3)选择金属金，做成针状以便形成良好的肖特基势垒；

4)将金针压于高表面态n型硅粗糙表面，引线连出，形成肖特基发电机；

所述的金/高表面态n型硅移动肖特基结直流发电机，只需将金针在硅表面移动，就可以得到～10⁴A/m²的短路电流密度输出。

实施例4：

1)用150目砂纸打磨n型氮化镓的一侧抛光面，形成半导体表面粗糙层，即形成高表面态；

2)在高表面态n型氮化镓另一面制作电极，材料为20nm铬和100nm金，面积大约占表面的5％。然后先后浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；

3)选择金属金，做成针状以便形成良好的肖特基势垒；

4)将金针压于高表面态n型氮化镓粗糙表面，引线连出，形成肖特基发电机；

所述的金/高表面态n型氮化镓移动肖特基结直流发电机，只需将金针在氮化镓表面移动，就可以得到直流电流输出。

实施例5：

1)用180目砂纸打磨重掺杂p型硅的一侧抛光面，形成半导体表面粗糙层，即形成高表面态；

2)在高表面态p型硅另一面制作电极，材料为100nm的银，退火烘干后依次浸入丙酮、异丙醇溶液中进行表面清洗，用去离子水清洗后取出吹干；

3)选择金属铝膜，以形成较大的接触面积；

4)将铝膜压于高表面态p型硅粗糙表面，引线连出，形成肖特基发电机；

所述的铝/高表面态p型硅移动肖特基结直流发电机，只需将铝膜在硅表面移动，就可以得到电流输出。

本发明的发电机利用表面态在肖特基势垒界面的非线性增强回弹作用，可将机械能等能量转换为直接可用的电能，其达到的超高的电流密度和功率密度让其在可回收能-电能转化元器件中有着重要的应用价值，尤其可适用于小范围能源的回收利用中。

Claims (6)

1.一种表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机的制备方法，其特征在于，所述发电机自下而上依次为金属电极、半导体衬底、表面粗糙层、金属，金属电极与半导体衬底为欧姆接触，金属与半导体衬底为肖特基接触，所述的表面粗糙层是在半导体衬底一侧抛光面上进行粗糙处理所形成的具有粗糙形貌的表面层，金属直接压在表面粗糙层上，二者接触并可相对移动，形成表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机；其制备过程如下：

先在双面抛光的半导体衬底材料背面制作金属电极形成欧姆接触；再对半导体衬底材料的正面进行粗糙处理形成表面粗糙层，选用可与半导体衬底材料形成肖特基接触的金属，将所述金属压到表面粗糙层上，二者相互接触形成肖特基势垒，金属电极、及所述金属分别用引线引出，即得到表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机，利用风力、潮汐或其他机械运动驱动金属与表面粗糙层相对移动，表面粗糙层的表面态充当回弹中心，增强单位时间内载流子回弹，可非线性增强直流电信号，从而将风能、潮汐能或其他机械能转换为直流电信号输出。

2.根据权利要求1所述的表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机的制备方法，其特征在于，所述的半导体衬底为双面抛光的硅、砷化镓、铟镓砷、氧化锌、锗、氮化镓或者磷化铟。

3.根据权利要求1所述的表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机的制备方法，其特征在于，所述的粗糙处理为采用砂纸进行打磨、化学腐蚀、气相沉积、或溶液旋涂，在半导体衬底表面形成粗糙形貌的表面层。

4.根据权利要求1所述的表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机的制备方法，其特征在于，所述的金属是金、银、铜、铁、铝、铂、钛、镍、铬中的一种，选用与所采用的具体半导体衬底可形成肖特基接触的金属。

5.根据权利要求1所述的表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机的制备方法，其特征在于，所述的金属采用针状形态压在表面粗糙层上。

6.根据权利要求1所述的表面态增强的高电流密度动态肖特基发电机的制备方法，其特征在于，所述的金属电极是选自金、钯、银、钛、铬、镍、铂和铝中的一种或者几种的复合电极，与所采用的具体半导体衬底材料形成欧姆接触。

Images