| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Энергетика "умной пыли"
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
(НИЯУ МИФИ)
Факультет "Автоматики и электроники"
Кафедра № 27
Домашнее задание №1 по курсу: «Локальные сети персональных компьютеров»
“Энергетика «умной пыли»”
Выполнил студент группы Е9-03
Щигорев Л.А.
Принял преподаватель:
доц. Лапшинский В.А.
Содержание
1. Введение…………………………………………………………………………………….3
2. Легенда……………………………………………………………………………………....4
3. О предыдущих статьях……………………………………………………………………..4
4. Проблемы интеграции CIGS……………………………………………………………….4
5. Прототип и эксперимент…………………………………………………………………...5
5.1 Осаждение пассивационного слоя…..…………………………………………………..6
5.2 Размещение солнечной батареи…………………………………………………………6
5.3 Снятие солнечной батареи..……………………………………………………………...6
5.4 Физические характеристики CIGS солнечных батарей на КМОП чипе ……………..6
6. CMOS чип после интеграции солнечной батареи………………………………………...8
6.1 Вольт-фарадные и вольт-амперные измерения для Cu-PCM приборов………………8
6.2 Функциональность Ringo чипа…………………………………………………………..9
6.3 Функциональность Timepix чипа……………………………………………………….10
7. Заключение………………………………………………………………………………...........….12
8.Список использованной литературы……………………………………………………….13
1. Введение
Данная работа посвящена исследованиям в области умных интеллектуальных систем. В ней освещены некоторые исследования в области новых энергетических решений для «умной пыли» За основу взята легенда об изучении этой проблемы для вымышленного предприятия военно-промышленного комплекса.
2. Легенда
Я являюсь сотрудником предприятия военно-промышленного комплекса, который является ведущим российским поставщиком новейших разработок в области живых интеллектуальных систем для оборонной и гражданской промышленности.
Будучи специалистом в области проблем энергетического обеспечения, я получил задание сделать обзор исследований зарубежных ученых в области интеграции солнечных батарей в КМОП интегральные схемы.
3. О предыдущих статьях
В предыдущих статьях было рассмотрено, что интеграция тонкопленочных солнечных батарей в чипы может быть компактным и энергоэффективным решением проблемы энергообеспечения для автономных беспроводных сетей. В этой статье рассматриваются вопросы, связанные с интеграцией медных индиевых галлиевых селенидных (CIGS) солнечных батарей, использующих сходные экспериментальные подходы, как для кремниевых батарей.
CIGS – полупроводниковый комплекс с халькопиритной кристаллической структурой. Коэффициент поглощения CIGS очень высок – одного микрометра CIGS пленки достаточно для полного поглощения падающего на него света[2].
Интеграция CIGS на КМОП более конкурентно способная, чем интеграция кремниевых батарей. В стандартных промышленных процессах температура слишком велика(> 500˚С [4]) для КМОП соединений. Родственной является задача о термическом увеличении несовпадения между солнечными батареями и подложками, что может привести к появлению трещин. В то же время эффективность интеграции батарей требует концентрации натрия более чем 0,5% в активном слое [5], [6], тогда как натрий известен как наиболее загрязняющий элемент для КМОП структур.
Однако, хорошие предпосылки для проведения исследований существуют. Для всех однопереходных тонкопленочных солнечных батарей, не применяющих монокристаллические полупроводники, CIGS батареи показывают высокий коэффициент эффективности батареи (20,3 ± 0,6%) и модуля (15,7±0,5%) [3]. Ширина запрещенной зоны CIGS солнечной батареи может варьироваться между 1,1 и 1,7 эВ изменением пропорции Ga:In [8].
Первая работа об интеграции CIGS материалов на вершину КМОП была представлена в [11]. В недавней статье [12] представлены первые результаты интеграции CIGS батарей на вершину неупакованного КМОП чипа по технологиям 0,13 и 0,25 мкм.
В данной статье более подробно рассматриваются задачи процесса интеграции. Так же будут рассмотрены новые эксперименты по интеграции для 0, 18 мкм КМОП технологии. Новые эксперименты показывают усовершенствованную фотогальваническую эффективность и повышенный КПД для КМОП структур.
4. Проблемы интеграции CIGS
В конечных микросистемах хочется иметь максимальную фотогальваническую эффективность. Четыре проблемы необходимо преодолеть для достижения этой цели.
Первая – это хорошая адгезия между солнечной батареей и КМОП чипом. Первый фотогальванический слой на стеклянной пластине – молибденовый. В предыдущих статьях[12] сказано, что осажденный молибден стандартным двухстадийным магнетронным напылением может иметь адгезию со стеклом, но плохо держится на КМОП чипе. В новом эксперименте 10-нм титановый слой осаждается перед осаждением молибдена.
Вторая проблема – натрий и медь – обязательные составные части CIGS солнечных батарей. Однако, эти металлы имеют большой коэффициент диффузии во внешних диэлектриках и кремнии и активны как свободные заряды. Поэтому диффузионный барьер должен быть управляем между чипом и солнечной батареей. Нитрид кремния широко используется как диффузионный барьер против свободных ионов[16], и в данном эксперименте используется 300-нм осажденный слой плазменно улучшенных химических паров (ПУХП) нитрида кремния.
Третья проблема заключается в том, что процесс создания стандартной CIGS солнечной батареи использует плазменные процессы, которые могут повредить транзисторы, расположенные под батареей[17]. Однако, известно, что 150-200-нм диэлектрический слой может блокировать возможные повреждения[18]; поэтому ранее упоминаемый диффузионный барьерный слой служит решением второй проблемы.
Пиковая температура процесса является четвертой проблемой. Наибольшая эффективность процесса получена при температурах 500-550˚С. Некоторые КМОП соединения, особенно алюминиевые, не могут выдержать таких температур, ведущих к разрушению, формированию бугров и коррозии[20]. Некоторые статьи сообщают, однако, что хорошими температурами для процессов изготовления солнечных батарей подходят температуры 310-450˚С[21].
5. Прототип и эксперимент
На рисунке 1 показан схематичный вид CIGS солнечной батареи, которая интегрирована на переднюю часть КМОП чипа. Солнечная батарея может также быть интегрирована и на заднюю часть.
5.1 Осаждение пассивационного слоя
До интеграции солнечной батареи пассивационный слой размещается на поверхности чипа. Слой состоит из SiO2, Si3N4, и SiO2, осажденного ПУХП при Т = 300˚С. Тонкий слой TiW добавлен снизу, исполнен как катализатор травления. Было обнаружено, что верхний слой SiO2 способствует адгезии лучше чем Si3N4. После пассивации чип отжигается при температуре 425˚С в азоте. Небольшие изменения в параметрах транзистора могут ожидаться при этой стадии процесса, потому что ПУХП Si3N4 размещение и последующий отжиг в азоте влияет на пассивацию Si-SiO2 контакта в КМОП транзисторах[25].
5.2 Размещение солнечной батареи
CIGS солнечные батареи были выполнены Нанкайским университетом(КНР) при использовании трехстадийного процесса выпаривания, описанном в [4] и в [26]. Сравнивая с предыдущей работой [12], в новом эксперименте первый 10-нм титановый слой напылен для улучшения адгезии молибдена, использующей 1-2 мкм осаждение молибдена магнетронным напылением в реакторе. Затем, 20-30 нм предшествующий слой фторида натрия был термически испарен для того чтобы поддержать натрий на адсорбционном слое CIGS, который необходим для эффективности солнечной батареи[5]. После этого р-тип CIGS абсорбированный слой был испарен трехстадийным методом [4] на чипе со слоем молибдена и стеклянной подложкой в той же камере без вакуумного тормоза. N-тип буферный слой из CdS был размещен в специальной ванне при 80˚С ; затем, 50-нм слой ZnO и 300-нм слой алюминия с примесями ZnO были последовательно расположены радиочастотным магнетронным напылением как оконные слои. В заключение, никилево-алюминиевая решетка электродов была термически выпарена на прибор.
Конечная площадь солнечной батареи составила 0,29 см2.
5.3 Снятие солнечной батареи
После получения характеристик изготовленной солнечной батареи, батарейные слои и пассивационные слои на КМОП чипе были сняты для оголения связей тестовой структуры. Для снятия Al-Ni, ZnO:Al и CdS использовался хлорный водород; испаренный оксид азота использовался для травления CIGS адсорбционного слоя и молибденового электрода.
5.4 Физические характеристики CIGS солнечных батарей на КМОП чипе
На рисунке 2 показана интегрированная фотогальваническая батарея на разных типах КМОП чипов и PCM. С левой стороны показаны чипы перед установкой батареи, а с правой – создания солнечной батареи.
Рисунки 3 и 4 показывают срез чипа с солнечной батареей на вершине в гелий ионном микроскопе (ГИМ). На рисунке 3 мы видим металлические уровни Timepix чипов и структуры CIGS солнечных батарей “слой-на-слой”. Рисунок 4 иллюстрирует кристаллическую структуру из молибдена, CIGS, оксида цинка и алюминия. Молибден и CIGS имеют колонную поликристаллическую структуру. Размер слоя молибденовой ячейки составляет около 60 нм. Размер ячейки CIGS чуть больше 0,5 мкм. Детальный анализ представлен в [28]. Эти размеры ячеек зависят от условий процесса [29], [30].
6. CMOS чип после интеграции солнечной батареи
В этом разделе будет рассмотрена функциональность CMOS после интеграции солнечной батареи. Во всех случаях одинаковые функциональные тесты проводятся до и после размещения солнечной батареи для сравнения.
6.1 Вольт-фарадные и вольт-амперные измерения для Cu-PCM приборов
Вольт-фарадные характеристики МОП-конденсаторов и вольт-амперные характеристики МОП-транзисторов были измерены при помощи системы Keithley 4200 и с помощью станции Karl Suss PM8 в университете Твенте (Нидерланды).
Площадь МОП-конденсатора с толщиной оксида 2,2 нм – 1,44*10-6 см2. Емкостные измерения проводились при частоте 1 МГц. Полевой МОП-транзистор имеет длину затвора 130 нм. Исток транзистора и корпус заземлены, напряжения на стоке и затворе изменяются. На рисунке 5 представлены вольт-фарадная и вольт-амперная характеристики приборов после интеграции CIGS при темературе 400˚С. Для всех состояний процесса приведены параметры в таблице 1. Здесь отражены изменеия flatband напряжения VFB, порогового напряжения Vth и подпорогового размаха S.
В эксперименте, где размещение NaF было не проведено для изолирования от загрязнения натрием, получены вполне сопоставимые результаты. Из таблицы 1 можно заключить, что ионное загрязнение в большинстве случаев составляет 1010 см-2 В заключение отметим, что КМОП PCM по технологии 0,13 мкм не должен показывать значительных изменений от внедрения солнечной батареи.
6.2 Функциональность Ringo чипа
RO широко используется как инструмент для изучения полевых МОП. В нашем эксперименте измеряются расход энергии и выходная частота при различных напряжениях 17-стадийного RO до и после интеграции солнечной батареи на приборе Keithley SCS 4200 и осциллоскопе Agilent/HP 54642A. В этом случае солнечная батарея преднамеренно размещалась рядом с RO структурой. На рисунке 7 изображены полученные характеристики.
6.3 Функциональность Timepix чипа
Timepix чип – это КМОП чип смешанных сигналов, сделанный по технологии 0,25-мкм. Он спроектирован для соединения с полупроводниковым сенсорным слоем(например, CdTe) с помощью сетки шариков(ball-grid) путем 2-D рентгенолучевой литографией.
Программное обеспечение Pixelman и автоматическая станция тестирования применялись для функциональных тестов Timepix чипов в университете Nikhef в Амстердаме. Программа тестирует функциональность 256 клонок по 256 пикселей. Каждый пиксель содержит 550 транзисторов. Следует отметить, что чипы после интеграции были получены категорией качества ниже исходных. Группа пикселей по этой причине работали неправильно после интеграции батарей. Заключение о результатах проведенных испытаний отображены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты функциональных тестов Timepix чипов после различных испытаний
Величины, указанные в таблице показывают количество колонок, прошедших тесты до и после интеграции. Хорошие результаты получены со всеми Timepix чипами при заднем размещении CIGS солнечных батарей. До максимальной температуры процесса 425˚С чипы сохраняют полную функциональность.
Функциональность чипов неблагоприятно воспринимает интеграцию батарей спереди. Чип теряет часть функциональности уже при 400˚С и теряет ее при больших температурах. Некоторые потери функциональности обнаружены при температуре 450˚С для чипов с задней интеграцией. Это связано с тем, что окно для процесса интеграции сзади очень компактно.
Сравнивая результаты с Cu-PCM чипами, можно предположить, что обнаруженные неудачи связаны с тем, что комбинация высоких температур и механического воздействия могут влиять на более уязвимые алюминиевые соединения, чем на медные.
7. Заключение
Мы пришли к выводу, что тонкопленочные CIGS солнечные батареи могут быть интегрированы на КМОП чипы. Функциональность может сохраняться как при медных,так и при алюминиевых межсоединениях, как было показано с технологиями 0,13-, 0,18-, и 0,25 мкм. В ходе механических испытаний было показано, что лучше размещать солнечные батареи сзади. При переднем размещении температуры процессов должны быть меньше 400˚С. В представлениях о CIGS технологии это предполагает потерю эффективности солнечных батарей.
В случае технологического процесса более чем 0,25 мкм, КМОП ИМС должны быть планарными. Они должны быть покрыты диффузионным барьером и, по возможности, адгезионным слоем, нанесенным обычным фотогальваническим процессом. Процесс интеграции на каждый чип отдельно, который описан в этой работе, подходит для “вафельного” процесса. |
| Категория: Аналитика (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) | Добавил: elkelan (02.11.2012)
|
| Просмотров: 858
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|