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1. WO2020140757 - SEMICONDUCTOR DEVICE, MANUFACTURING METHOD FOR SAME, AND POWER GENERATION DEVICE

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说明书

发明名称 0001   0002   0003   0004   0005   0006   0007   0008   0009   0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058   0059   0060   0061   0062   0063   0064   0065   0066   0067   0068   0069   0070   0071   0072   0073   0074   0075   0076   0077   0078   0079   0080   0081   0082   0083   0084   0085   0086   0087   0088   0089   0090   0091   0092   0093   0094   0095   0096   0097  

权利要求书

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16  

附图

1   2   3A   3B   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13  

说明书

发明名称 : 半导体装置及其制造方法、发电装置

[0001]
相关申请的交叉引用
[0002]
本申请是以CN申请号为201910001406.4,申请日为2019年1月2日的申请为基础,并主张其优先权,该CN申请的公开内容在此作为整体引入本申请中。

技术领域

[0003]
本公开涉及半导体技术领域,特别涉及一种半导体装置及其制造方法、发电装置。

背景技术

[0004]
近年来,便携式电子器件(例如可穿戴设备)、植入式电子医疗器件等微系统逐渐成为研究热点。这些系统一般包括薄膜晶体管(可以作为开关)和薄膜电池。
[0005]
发明内容
[0006]
根据本公开实施例的一个方面,提供了一种半导体装置,包括:衬底和在所述衬底上的薄膜电池;所述薄膜电池包括:在所述衬底上的至少一个阳极结构、至少一个阴极结构和将所述至少一个阳极结构与所述至少一个阴极结构间隔开的固态电解质层;其中,每个阳极结构包括:在所述衬底的表面上的阳极集流体和在所述衬底的表面上且与所述阳极集流体的侧面连接的阳极层;每个阴极结构包括:在所述衬底的表面上的阴极集流体和在所述衬底的表面上且与所述阴极集流体的侧面连接的阴极层。
[0007]
在一些实施例中,所述半导体装置还包括:在所述衬底上的至少一个薄膜晶体管,每个薄膜晶体管包括:在所述衬底上的第一电极、第二电极和有源层,所述第一电极和所述第二电极分别在所述有源层两侧且分别与所述有源层连接;在所述有源层的背离所述衬底的一侧的介质层;和在所述介质层的背离所述有源层的一侧的栅极。
[0008]
在一些实施例中,所述第一电极和所述第二电极的材料分别与所述阳极集流体的材料相同,或者,所述第一电极和所述第二电极的材料分别与所述阴极集流体的材料相同。
[0009]
在一些实施例中,所述介质层的材料与所述固态电解质层的材料相同。
[0010]
在一些实施例中,所述栅极的材料与所述阴极集流体的材料相同,或者,所述栅极的材料与所述阳极集流体的材料相同。
[0011]
根据本公开实施例的另一个方面,提供了一种发电装置,包括:纳米发电机和如前所述的半导体装置,其中,所述纳米发电机与所述半导体装置电连接。
[0012]
在一些实施例中,所述纳米发电机包括:第一电极层、第二电极层以及在所述第一电极层与所述第二电极层之间的第一材料层和第二材料层,其中,所述第一材料层与所述第一电极层接触,所述第二材料层与所述第二电极层接触;所述至少一个薄膜晶体管包括第一薄膜晶体管和第二薄膜晶体管;所述第一薄膜晶体管的第一电极与所述薄膜电池的阳极集流体电连接,所述第一薄膜晶体管的第二电极和栅极分别与所述纳米发电机的第一电极层电连接,所述第二薄膜晶体管的第一电极与所述薄膜电池的阴极集流体电连接,所述第二薄膜晶体管的第二电极和栅极分别与所述纳米发电机的第二电极层电连接。
[0013]
在一些实施例中,所述第一薄膜晶体管为NMOS晶体管,所述第二薄膜晶体管为PMOS晶体管。
[0014]
根据本公开实施例的另一个方面,提供了一种半导体装置的制造方法,包括:在衬底上形成至少一个阳极结构和至少一个阴极结构,其中,每个阳极结构包括在所述衬底的表面上的阳极集流体和在所述衬底的表面上且与所述阳极集流体的侧面连接的阳极层,每个阴极结构包括在所述衬底的表面上的阴极集流体和在所述衬底的表面上且与所述阴极集流体的侧面连接的阴极层;以及在所述衬底、所述阳极结构和所述阴极结构上形成固态电解质层,其中,所述固态电解质层将所述阳极结构与所述阴极结构间隔开。
[0015]
在一些实施例中,在衬底上形成至少一个阳极结构和至少一个阴极结构的步骤包括:在所述衬底上形成间隔开的至少一个阳极集流体和至少一个阴极集流体;在所述至少一个阳极集流体和所述至少一个阴极集流体之间填充阳极材料;对所述阳极材料进行图案化以形成阳极层,所述阳极层与所述阴极集流体间隔开;在所述阳极层与所述阴极集流体之间填充阴极材料;以及对所述阴极材料进行图案化以形成阴极层,所述阴极层与所述阳极层间隔开。
[0016]
在一些实施例中,在衬底上形成至少一个阳极结构和至少一个阴极结构的步骤包括:在所述衬底上形成间隔开的至少一个阳极集流体和至少一个阴极集流体;在所述至少一个阳极集流体和所述至少一个阴极集流体之间填充阴极材料;对所述阴极材料进行图案化以形成阴极层,所述阴极层与所述阳极集流体间隔开;在所述阴极层与所述阳极集流体之间填充阳极材料;以及对所述阳极材料进行图案化以形成阳极层,所 述阳极层与所述阴极层间隔开。
[0017]
在一些实施例中,在衬底上形成至少一个阳极结构和至少一个阴极结构的步骤包括:在所述衬底上形成间隔开的至少一个阳极集流体和至少一个阴极集流体;通过三维打印工艺分别形成阳极层和阴极层;将所述阳极层与所述阳极集流体的侧面连接,并将所述阴极层与所述阴极集流体的侧面连接,其中,所述阴极层与所述阳极层间隔开。
[0018]
在一些实施例中,在形成所述阳极集流体和所述阴极集流体的过程中,还在所述衬底上形成间隔开的第一电极和第二电极;所述制造方法还包括:在所述衬底上形成位于所述第一电极和所述第二电极之间的有源层,所述第一电极和所述第二电极分别与所述有源层连接;在形成所述固态电解质层的过程中,在所述有源层上形成介质层;以及在形成所述固态电解质层之后,所述制造方法还包括:在所述介质层上形成栅极。
[0019]
在一些实施例中,所述第一电极和所述第二电极的材料分别与所述阳极集流体的材料相同,或者,所述第一电极和所述第二电极的材料分别与所述阴极集流体的材料相同。
[0020]
在一些实施例中,所述介质层的材料与所述固态电解质层的材料相同。
[0021]
在一些实施例中,所述栅极的材料与所述阴极集流体的材料相同,或者,所述栅极的材料与所述阳极集流体的材料相同。
[0022]
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述,本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

[0023]
构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例,并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
[0024]
参照附图,根据下面的详细描述,可以更加清楚地理解本公开,其中:
[0025]
图1是示出根据本公开一个实施例的半导体装置的截面示意图;
[0026]
图2是示出根据本公开另一个实施例的半导体装置的截面示意图;
[0027]
图3A是示出根据本公开一个实施例的薄膜晶体管在正向偏压作用下产生双电层电容的示意图;
[0028]
图3B是示出根据本公开一个实施例的薄膜晶体管在负向偏压作用下产生双电层电容的示意图;
[0029]
图4是示出根据本公开一个实施例的半导体装置的制造方法的流程图;
[0030]
图5至图12是示出根据本公开一些实施例的半导体装置的制造过程中若干阶段的结构的截面示意图;
[0031]
图13是示出根据本公开一个实施例的发电装置的结构示意图。
[0032]
应当明白,附图中所示出的各个部分的尺寸并不必须按照实际的比例关系绘制。此外,相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

具体实施方式

[0033]
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的,决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现,不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整,并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到:除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。
[0034]
本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性,而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素,并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。
[0035]
在本公开中,当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时,在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件,也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时,该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件,也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
[0036]
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同,除非另外特别定义。还应当理解,在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义,而不应用理想化或极度形式化的意义来解释,除非这里明确地这样定义。
[0037]
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
[0038]
本公开的发明人发现,在相关技术中,具有纵向结构的薄膜电池竖直地设置在衬 底上,导致薄膜电池的阴极集流体或阳极集流体处于顶部。这样当薄膜电池与其他器件连接时,由于阴极集流体或阳极集流体与其他器件的结构层(例如源极层、漏极层或栅极层)存在高度差,导致阴极集流体或阳极集流体与其他器件的结构层之间的金属连线容易发生断裂。
[0039]
鉴于此,本公开的实施例提供一种半导体装置,以减小上述金属连线发生断裂的可能性。下面结合附图详细描述根据本公开一些实施例的半导体装置。
[0040]
图1是示出根据本公开一个实施例的半导体装置的截面示意图。如图1所示,该半导体装置包括衬底10和在该衬底10上的薄膜电池。
[0041]
如图1所示,该薄膜电池包括:在该衬底10上的至少一个阳极结构11、至少一个阴极结构12和将该至少一个阳极结构11与该至少一个阴极结构12间隔开的固态电解质层13。该固态电解质层13在该衬底10的表面上。该固态电解质层13覆盖该阳极结构11和该阴极结构12。
[0042]
在一些实施例中,该固态电解质层的材料可以包括有机聚合电解质材料和无机电解质材料中的至少一种。例如,该有机聚合电解质材料可以包括聚乙烯醇+氟化钾(PVA+KF)、聚环氧乙烷+六氟磷酸锂(PEO+LiPF 6)等。例如,该无机电解质材料可以包括多孔SiO 2、多孔Al 2O 3、包括CaCl 2和多孔SiO 2的复合材料、包括LiCl和多孔SiO 2的复合材料、SiO 2纳米颗粒、Al 2O 3纳米颗粒、沸石、磷硅玻璃等。
[0043]
如图1所示,每个阳极结构11包括:在衬底10表面上的阳极集流体111和在该衬底10表面上且与该阳极集流体111的侧面连接的阳极层112。例如,可以在阳极集流体111的一个侧面连接一个阳极层112,也可以在阳极集流体111的两个侧面分别连接一个阳极层112。例如,不同的阳极集流体可以电连接,并且可以通过同一个导线引出。
[0044]
如图1所示,每个阴极结构12包括:在衬底10表面上的阴极集流体121和在该衬底10表面上且与该阴极集流体的侧面连接的阴极层122。例如,可以在阴极集流体121的一个侧面连接一个阴极层122,也可以在阴极集流体121的两个侧面分别连接一个阴极层122。例如,不同的阴极集流体可以电连接,并且可以通过同一个导线引出。
[0045]
至此,提供了根据本公开一些实施例的半导体装置。在该半导体装置中,阳极集流体、阳极层、阴极集流体和阴极层被设置在衬底的表面上。固态电解质层也被设置在该衬底的表面上,而且该固态电解质层将阳极结构和阴极结构间隔开。薄膜电池的 这种结构方式可以称为横向结构。即该薄膜电池具有横向结构。这样可以降低阴极集流体或阳极集流体等的高度。当薄膜电池与其他器件(例如薄膜晶体管)的结构层连接时,可以降低薄膜电池的阴极集流体或阳极集流体与其他器件的结构层之间的高度差。因此,可以减小阴极集流体或阳极集流体与其他器件的结构层之间的金属连线发生断裂的可能性。
[0046]
图2是示出根据本公开另一个实施例的半导体装置的截面示意图。如图2所示,该半导体装置包括衬底10和在该衬底10上的薄膜晶体管。该薄膜晶体管具有与图1中所示的薄膜晶体管的相同或相似的结构,这里不再赘述。
[0047]
在一些实施例中,如图2所示,该半导体装置还可以包括在该衬底10上的至少一个薄膜晶体管。该至少一个薄膜晶体管与该薄膜电池位于该衬底10的同侧。需要说明的是,虽然图2中示出了一个薄膜晶体管,但是本领域技术人员可以理解,在衬底上可以设置两个或更多个薄膜晶体管。
[0048]
在一些实施例中,如图2所示,每个薄膜晶体管包括在衬底10上的第一电极(例如源极)201、第二电极(例如漏极)202和有源层21。该有源层21为半导体层。例如该有源层21的材料可以包括多晶硅和非晶硅等中的至少一种。该第一电极201和该第二电极202分别在该有源层21两侧。该第一电极201和该第二电极202分别与该有源层21连接。
[0049]
在一些实施例中,如图2所示,每个薄膜晶体管还可以包括在有源层21的背离衬底10的一侧的介质层22。例如,该介质层22在该第一电极201、该第二电极202和该有源层21上。
[0050]
在一些实施例中,如图2所示,每个薄膜晶体管还可以包括在介质层22的背离有源层21的一侧的栅极23。该栅极23在该介质层22上。
[0051]
至此,提供了根据本公开另一些实施例的半导体装置。在该半导体装置中,在衬底上集成了薄膜电池和至少一个薄膜晶体管,提高了半导体装置的集成度。由于薄膜电池具有横向结构,因此可以降低薄膜电池与薄膜晶体管的高度差。这样,在将薄膜电池的阴极集流体或阳极集流体与薄膜晶体管的电极(例如源极、漏极或栅极)连接时,可以减小它们之间的金属连线发生断裂的可能性。因此,当将该半导体装置应用到可穿戴设备等柔性显示设备时,可以减小该柔性显示设备被损坏的可能性。
[0052]
在一些实施例中,如图2所示,该半导体装置还可以包括覆盖薄膜电池和薄膜晶体管的平坦化层24。例如,该平坦化层24的材料可以包括树脂等有机材料。
[0053]
在一些实施例中,该半导体装置还可以包括在平坦化层24上的封装层等(图中未示出)。
[0054]
在一些实施例中,第一电极201和第二电极202的材料分别与阳极集流体111的材料相同。在另一些实施例中,第一电极201和第二电极202的材料分别与阴极集流体121的材料相同。这样在集成薄膜晶体管和薄膜电池的过程中,可以方便制造。
[0055]
在一些实施例中,栅极23的材料与阴极集流体121的材料相同。在另一些实施例中,栅极23的材料与阳极集流体111的材料相同。这样可以减少制造过程中所使用的材料的种类,也方便制造。
[0056]
在一些实施例中,介质层22的材料可以与固态电解质层13的材料相同。当薄膜晶体管的栅极没有被施加电压时,作为介质层的固态电解质中的正负离子是自由分布的,该介质层整体呈电中性。在该实施例中通过使用固态电解质材料作为介质层,不但可以方便制造,还可以降低薄膜晶体管的导通电压(或者称为驱动电压)。
[0057]
下面结合图3A和图3B详细介绍以固态电解质作为介质层的薄膜晶体管的工作原理。
[0058]
图3A是示出根据本公开一个实施例的薄膜晶体管在正向偏压作用下产生双电层电容的示意图。图3B是示出根据本公开一个实施例的薄膜晶体管在负向偏压作用下产生双电层电容的示意图。例如,图3A和图3B中的薄膜晶体管为n型沟道的晶体管。
[0059]
如图3A所示,当在栅极23上施加正向偏压时,采用固态电解质材料的介质层22中的正负离子会在该正向偏压所产生的电场的作用下定向移动。正离子会在介质层22与有源层21的界面处积聚,并在有源层21的表面诱导出一层电性与该正离子相反的镜像电荷。这层镜像电荷与正离子层会形成一个很强的界面电容,从而形成双电层(Electric-double-layer)电容。对于n型沟道晶体管来说,这层镜像电荷为积累的电子层。这样在有源层21中形成了n型沟道,因此该薄膜晶体管转变为导通状态。
[0060]
在该器件模型中,在介质层/有源层界面处和栅极/介质层界面处分别形成了一个双电层电容,即总共形成了两个双电层电容。整个器件的电容可以看作这两个双电层电容的串联。由于双电层的厚度很小(该厚度为纳米级),因此栅极单位电容很大,这可以提高栅极耦合效率,因此可以降低该薄膜晶体管的导通电压。
[0061]
如图3B所示,当在栅极23上施加负向偏压时,介质层22中的负离子会在该负向偏压所产生的电场的作用下到达该介质层22与有源层21的界面处。负离子会在介质层22与有源层21的界面处积聚,并在有源层21的表面诱导出一层电性与该负离 子相反的镜像电荷。因此对于n型沟道晶体管来说,带正电的镜像电荷会在有源层21的沟道处积累,而沟道中的电子被负离子排斥耗尽。由于该薄膜晶体管为n型沟道晶体管,在电子被耗尽的情况下,该薄膜晶体管转变为关断状态。
[0062]
图4是示出根据本公开一个实施例的半导体装置的制造方法的流程图。如图4所示,该制造方法可以包括步骤S402~S404。
[0063]
在步骤S402,在衬底上形成至少一个阳极结构和至少一个阴极结构。每个阳极结构包括在衬底的表面上的阳极集流体和在该衬底的表面上且与该阳极集流体的侧面连接的阳极层。每个阴极结构包括在该衬底的表面上的阴极集流体和在该衬底的表面上且与该阴极集流体的侧面连接的阴极层。
[0064]
在一些实施例中,该步骤S402可以包括在衬底上形成间隔开的至少一个阳极集流体和至少一个阴极集流体。接下来,在该至少一个阳极集流体和该至少一个阴极集流体之间填充阳极材料。接下来,对该阳极材料进行图案化以形成阳极层。该阳极层与该阴极集流体间隔开。接下来,在该阳极层与该阴极集流体之间填充阴极材料。接下来,对该阴极材料进行图案化以形成阴极层。该阴极层与该阳极层间隔开。在该实施例中,在形成阳极集流体和阴极集流体之后,先形成阳极层,再形成阴极层,从而形成了阳极结构和阴极结构。
[0065]
在另一些实施例中,该步骤S402可以包括在衬底上形成间隔开的至少一个阳极集流体和至少一个阴极集流体。接下来,在该至少一个阳极集流体和该至少一个阴极集流体之间填充阴极材料。接下来,对该阴极材料进行图案化以形成阴极层。该阴极层与该阳极集流体间隔开。接下来,在该阴极层与该阳极集流体之间填充阳极材料。接下来,对该阳极材料进行图案化以形成阳极层。该阳极层与该阴极层间隔开。在该实施例中,在形成阳极集流体和阴极集流体之后,先形成阴极层,再形成阳极层,从而形成了阴极结构和阳极结构。
[0066]
在另一些实施例中,该步骤S402可以包括在衬底上形成间隔开的至少一个阳极集流体和至少一个阴极集流体。该步骤S402还可以包括通过三维(3D)打印工艺分别形成阳极层和阴极层。接下来,将该阳极层与该阳极集流体的侧面连接,并将该阴极层与该阴极集流体的侧面连接。该阴极层与该阳极层间隔开。在该实施例中,形成阳极集流体和阴极集流体,并通过三维打印工艺分别形成阳极层和阴极层。通过将该阳极层与该阳极集流体的侧面连接以及将该阴极层与该阴极集流体的侧面连接,从而形成阳极结构和阴极结构。该方法更加简单,易于实施。
[0067]
在步骤S404,在衬底、阳极结构和阴极结构上形成固态电解质层。该固态电解质层将该阳极结构与该阴极结构间隔开。该固态电解质层覆盖该阳极结构和该阴极结构。
[0068]
至此,提供了根据本公开一些实施例的半导体装置的制造方法。在该制造方法中,在衬底上形成至少一个阳极结构和至少一个阴极结构;以及在该衬底、该阳极结构和该阴极结构上形成固态电解质层。该固态电解质层将该阳极结构与该阴极结构间隔开。这样在衬底上形成了具有横向结构的薄膜电池。
[0069]
在一些实施例中,在形成阳极集流体和阴极集流体的过程中,还在衬底上形成间隔开的第一电极和第二电极。该第一电极和该第二电极作为薄膜晶体管的两个电极。例如,该第一电极和该第二电极的材料分别与阳极集流体的材料相同。又例如,该第一电极和该第二电极的材料分别与阴极集流体的材料相同。
[0070]
在一些实施例中,所述制造方法还可以包括:在该衬底上形成位于该第一电极和该第二电极之间的有源层。该第一电极和该第二电极分别与该有源层连接。
[0071]
在一些实施例中,在形成固态电解质层的过程中,在该有源层上形成介质层。例如,该介质层的材料与该固态电解质层的材料相同。
[0072]
在一些实施例中,在形成固态电解质层之后,所述制造方法还可以包括在该介质层上形成栅极。例如,该栅极的材料与阴极集流体的材料相同。又例如,该栅极的材料与阳极集流体的材料相同。
[0073]
图5至图12是示出根据本公开一些实施例的半导体装置的制造过程中若干阶段的结构的截面示意图。下面结合图5至图12以及图2详细描述根据本公开一些实施例的半导体装置的制造过程。
[0074]
首先,如图5所示,提供衬底10。例如,该衬底10可以为玻璃等刚性衬底,也可以为PI(Polyimide,聚酰亚胺)或PDMS(polydimethylsiloxane,聚二甲基硅氧烷)等柔性衬底。
[0075]
接下来,如图5所示,例如通过沉积、光照和刻蚀等工艺在衬底10上形成间隔开的至少一个阳极集流体111、至少一个阴极集流体121、第一电极201和第二电极202。例如,该第一电极201和该第二电极202的材料分别与阳极集流体111的材料相同。当然,本领域技术人员可以理解,该第一电极201和该第二电极202的材料也可以分别与阴极集流体121的材料相同。
[0076]
接下来,如图6所示,在该衬底10上形成位于该第一电极201和该第二电极202之间的有源层21。该第一电极201和该第二电极202分别与该有源层21连接。例如, 可以通过镀膜、光照和刻蚀等工艺或者通过FMM(Fine Metal Mask,精细金属掩模版)蒸镀工艺形成该有源层21。例如,在需要形成NMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor,N型沟道金属氧化物半导体)晶体管的情况下,该有源层21可以采用经过n型掺杂剂(例如磷)掺杂的半导体材料;在需要形成PMOS(P-channel Metal Oxide Semiconductor,P型沟道金属氧化物半导体)晶体管的情况下,该有源层21可以采用经p型掺杂剂(例如硼)掺杂的半导体材料。
[0077]
接下来,如图7所示,例如,通过FMM蒸镀工艺在阳极集流体111和阴极集流体121之间填充阳极材料112。
[0078]
接下来,如图8所示,例如通过光照和刻蚀等工艺,对该阳极材料进行图案化以形成阳极层112。该阳极层112与该阴极集流体121间隔开。这样形成了阳极结构11。该阳极结构11包括阳极集流体111和阳极层112。
[0079]
接下来,如图9所示,例如,通过FMM蒸镀工艺在该阳极层112与该阴极集流体121之间填充阴极材料122。
[0080]
接下来,如图10所示,例如通过光照和刻蚀等工艺,对阴极材料进行图案化以形成阴极层122。该阴极层122与该阳极层112间隔开。这样形成了阴极结构12。该阴极结构12包括阴极集流体121和阴极层122。
[0081]
接下来,如图11所示,在衬底10、阳极结构11和阴极结构12上形成固态电解质层13,并在第一电极201、第二电极202和有源层21上形成介质层22。该介质层22的材料包括固态电解质材料。该介质层与固态电解质层13间隔开。例如,可以通过溅射等工艺在图10所示的结构上形成固态电解质材料,并通过光照和刻蚀等工艺对该固态电解质材料进行图案化以形成图11中的固态电解质层13和介质层22。
[0082]
接下来,如图12所示,例如通过沉积和刻蚀等工艺在该介质层22上形成栅极23。
[0083]
接下来,例如通过沉积和平坦化等工艺在图12所示的结构上形成平坦化层24,从而形成如图2所示的结构。
[0084]
至此,提供了根据本公开一些实施例的半导体装置的制造方法。在该制造方法中,在形成用于薄膜电池的阳极集流体和阴极集流体、以及用于薄膜晶体管的第一电极、第二电极和有源层之后,先形成阳极层,再形成阴极层,从而形成了阳极结构和阴极结构,然后形成薄膜电池和薄膜晶体管的其他结构。利用该制造方法,实现了薄膜电池和薄膜晶体管集成在同一个衬底上。
[0085]
在另一些实施例中,可以在形成图6所示的结构后,先形成阴极层,再形成阳极 层,以分别形成阴极结构和阳极结构,从而形成如图10所示的结构。然后形成薄膜电池和薄膜晶体管的其他结构。这样也能形成如图2所示的半导体装置。
[0086]
在另一些实施例中,可以通过三维打印工艺分别形成阳极层和阴极层。然后将阳极层设置在如图6所示结构中的阳极集流体的侧面,以及将阴极层设置在如图6所示结构中的阴极集流体的侧面,从而形成如图10所示的结构。然后形成薄膜电池和薄膜晶体管的其他结构。这样也能形成如图2所示的半导体装置。该方法更加易于实施。
[0087]
在一些实施例中,可以将图2所示的半导体装置应用于对纳米发电机的能量的收集,从而形成具有自驱动储能功能的发电装置。
[0088]
图13是示出根据本公开一个实施例的发电装置的结构示意图。下面结合图13详细描述根据本公开一些实施例的发电装置。
[0089]
如图13所示,该发电装置包括纳米发电机500和半导体装置600。该纳米发电机500与该半导体装置600电连接。
[0090]
在一些实施例中,如图13所示,该半导体装置600包括薄膜电池630和至少一个薄膜晶体管。例如,该至少一个薄膜晶体管可以包括第一薄膜晶体管610和第二薄膜晶体管620。例如,该第一薄膜晶体管610为NMOS晶体管,该第二薄膜晶体管620为PMOS晶体管。该第一薄膜晶体管610、该第二薄膜晶体管620和该薄膜电池630集成在同一个衬底上。
[0091]
在一些实施例中,该纳米发电机可以是摩擦纳米发电机。例如,如图13所示,该纳米发电机500可以包括第一电极层(或者称为上电极)501、第二电极层(或者称为下电极)502以及在该第一电极层501与该第二电极层502之间的第一材料层511和第二材料层512。该第一材料层511与该第一电极层501接触,该第二材料层512与该第二电极层502接触。该第一材料层511与该第二材料层512对电子的束缚能力不同。例如,该第一材料层511的材料可以包括聚四氟乙烯等,该第二材料层512的材料可以包括尼龙等。
[0092]
在一些实施例中,如图13所示,第一薄膜晶体管610的第一电极与薄膜电池的阳极集流体(图13中未示出)电连接。该第一薄膜晶体管610的第二电极和栅极分别与该纳米发电机500的第一电极层501电连接。该第二薄膜晶体管620的第一电极与该薄膜电池630的阴极集流体(图13中未示出)电连接。该第二薄膜晶体管620的第二电极和栅极分别与纳米发电机的第二电极层502电连接。
[0093]
在上述发电装置中,纳米发电机的第一、第二电极层分别通过作为开关的薄膜晶 体管与薄膜电池的阳极集流体、阴极集流体相连接。
[0094]
当纳米发电机500在摩擦过程中产生流动的电荷时,正电荷通过纳米发电机的第一电极层501经过第一薄膜晶体管(例如NMOS晶体管)610流向薄膜电池630的阳极集流体,电子通过纳米发电机的第二电极层502经过第二薄膜晶体管(例如PMOS晶体管)620流向薄膜电池630的阴极集流体,从而实现了对电荷的收集。
[0095]
而当纳米发电机500在摩擦过程中产生反向流动的电荷时,电子从纳米发电机的第一电极层501流出,正电荷从纳米发电机的第二电极层502流出。由于第一薄膜晶体管610是NMOS晶体管,电子到达该第一薄膜晶体管610的栅极时会使得该第一薄膜晶体管截止,因此电子不能到达薄膜电池630的阳极集流体。由于第二薄膜晶体管620是PMOS晶体管,正电荷到达该第二薄膜晶体管620的栅极时会使得该第二薄膜晶体管截止,因此正电荷不能到达薄膜电池630的阴极集流体。这样实现了对反向流动的电荷的阻隔。因此,上述发电装置可以实现自驱动储能的功能。
[0096]
至此,已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思,没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述,完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
[0097]
虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明,但是本领域的技术人员应该理解,以上示例仅是为了进行说明,而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解,可在不脱离本公开的范围和精神的情况下,对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

权利要求书

[权利要求 1]
一种半导体装置,包括: 衬底和在所述衬底上的薄膜电池; 所述薄膜电池包括: 在所述衬底上的至少一个阳极结构、至少一个阴极结构和将所述至少一个阳极结构与所述至少一个阴极结构间隔开的固态电解质层; 其中,每个阳极结构包括:在所述衬底的表面上的阳极集流体和在所述衬底的表面上且与所述阳极集流体的侧面连接的阳极层; 每个阴极结构包括:在所述衬底的表面上的阴极集流体和在所述衬底的表面上且与所述阴极集流体的侧面连接的阴极层。
[权利要求 2]
根据权利要求1所述的半导体装置,还包括:在所述衬底上的至少一个薄膜晶体管,每个薄膜晶体管包括: 在所述衬底上的第一电极、第二电极和有源层,所述第一电极和所述第二电极分别在所述有源层两侧且分别与所述有源层连接; 在所述有源层的背离所述衬底的一侧的介质层;和 在所述介质层的背离所述有源层的一侧的栅极。
[权利要求 3]
根据权利要求2所述的半导体装置,其中, 所述第一电极和所述第二电极的材料分别与所述阳极集流体的材料相同,或者,所述第一电极和所述第二电极的材料分别与所述阴极集流体的材料相同。
[权利要求 4]
根据权利要求2所述的半导体装置,其中, 所述介质层的材料与所述固态电解质层的材料相同。
[权利要求 5]
根据权利要求2所述的半导体装置,其中, 所述栅极的材料与所述阴极集流体的材料相同,或者,所述栅极的材料与所述阳极集流体的材料相同。
[权利要求 6]
一种发电装置,包括: 纳米发电机和如权利要求2所述的半导体装置,其中,所述纳米发电机与所述半导体装置电连接。
[权利要求 7]
根据权利要求6所述的发电装置,其中, 所述纳米发电机包括:第一电极层、第二电极层以及在所述第一电极层与所述第二电极层之间的第一材料层和第二材料层,其中,所述第一材料层与所述第一电极层接触,所述第二材料层与所述第二电极层接触; 所述至少一个薄膜晶体管包括第一薄膜晶体管和第二薄膜晶体管; 所述第一薄膜晶体管的第一电极与所述薄膜电池的阳极集流体电连接,所述第一薄膜晶体管的第二电极和栅极分别与所述纳米发电机的第一电极层电连接,所述第二薄膜晶体管的第一电极与所述薄膜电池的阴极集流体电连接,所述第二薄膜晶体管的第二电极和栅极分别与所述纳米发电机的第二电极层电连接。
[权利要求 8]
根据权利要求7所述的发电装置,其中, 所述第一薄膜晶体管为NMOS晶体管,所述第二薄膜晶体管为PMOS晶体管。
[权利要求 9]
一种半导体装置的制造方法,包括: 在衬底上形成至少一个阳极结构和至少一个阴极结构,其中,每个阳极结构包括在所述衬底的表面上的阳极集流体和在所述衬底的表面上且与所述阳极集流体的侧面连接的阳极层,每个阴极结构包括在所述衬底的表面上的阴极集流体和在所述衬底的表面上且与所述阴极集流体的侧面连接的阴极层;以及 在所述衬底、所述阳极结构和所述阴极结构上形成固态电解质层,其中,所述固态电解质层将所述阳极结构与所述阴极结构间隔开。
[权利要求 10]
根据权利要求9所述的制造方法,其中,在衬底上形成至少一个阳极结构和至少一个阴极结构的步骤包括: 在所述衬底上形成间隔开的至少一个阳极集流体和至少一个阴极集流体; 在所述至少一个阳极集流体和所述至少一个阴极集流体之间填充阳极材料; 对所述阳极材料进行图案化以形成阳极层,所述阳极层与所述阴极集流体间隔开; 在所述阳极层与所述阴极集流体之间填充阴极材料;以及 对所述阴极材料进行图案化以形成阴极层,所述阴极层与所述阳极层间隔开。
[权利要求 11]
根据权利要求9所述的制造方法,其中,在衬底上形成至少一个阳极结构和至少一个阴极结构的步骤包括: 在所述衬底上形成间隔开的至少一个阳极集流体和至少一个阴极集流体; 在所述至少一个阳极集流体和所述至少一个阴极集流体之间填充阴极材料; 对所述阴极材料进行图案化以形成阴极层,所述阴极层与所述阳极集流体间隔开; 在所述阴极层与所述阳极集流体之间填充阳极材料;以及 对所述阳极材料进行图案化以形成阳极层,所述阳极层与所述阴极层间隔开。
[权利要求 12]
根据权利要求9所述的制造方法,其中,在衬底上形成至少一个阳极结构和至少一个阴极结构的步骤包括: 在所述衬底上形成间隔开的至少一个阳极集流体和至少一个阴极集流体; 通过三维打印工艺分别形成阳极层和阴极层; 将所述阳极层与所述阳极集流体的侧面连接,并将所述阴极层与所述阴极集流体的侧面连接,其中,所述阴极层与所述阳极层间隔开。
[权利要求 13]
根据权利要求10或11所述的制造方法,其中, 在形成所述阳极集流体和所述阴极集流体的过程中,还在所述衬底上形成间隔开的第一电极和第二电极; 所述制造方法还包括:在所述衬底上形成位于所述第一电极和所述第二电极之间的有源层,所述第一电极和所述第二电极分别与所述有源层连接; 在形成所述固态电解质层的过程中,在所述有源层上形成介质层;以及 在形成所述固态电解质层之后,所述制造方法还包括:在所述介质层上形成栅极。
[权利要求 14]
根据权利要求13所述的制造方法,其中, 所述第一电极和所述第二电极的材料分别与所述阳极集流体的材料相同,或者,所述第一电极和所述第二电极的材料分别与所述阴极集流体的材料相同。
[权利要求 15]
根据权利要求13所述的制造方法,其中, 所述介质层的材料与所述固态电解质层的材料相同。
[权利要求 16]
根据权利要求13所述的制造方法,其中, 所述栅极的材料与所述阴极集流体的材料相同,或者,所述栅极的材料与所述阳极集流体的材料相同。

附图

[ 图 1]  
[ 图 2]  
[ 图 3A]  
[ 图 3B]  
[ 图 4]  
[ 图 5]  
[ 图 6]  
[ 图 7]  
[ 图 8]  
[ 图 9]  
[ 图 10]  
[ 图 11]  
[ 图 12]  
[ 图 13]