面向物联网的砷化镓基具有热电转换功能的MESFET器件的制作方法

本发明提出了面向物联网的砷化镓基具有热电转换功能的mesfet器件，属于微电子机械系统(mems)的技术领域。mesfet(metalepitaxial-semiconductorfieldeffecttransistor)，即金属-半导体场效应晶体管。

背景技术：

mesfet器件基于砷化镓工艺，具有五倍于硅的迁移率和两倍于硅的饱和速度，砷化镓半绝缘衬底有利于消除自由载流子吸收微波功率的问题，所以mesfet多用用于高频器件、蜂窝式电话、雷达和微波器件等。mesfet工作下会产生较大的热损耗，高功耗带来器件自身温度的上升，过高的温度会影响电路的性能导致其可靠性的下降，进而缩短器件的使用寿命。

随着物联网通信、无线传感器网络、便携式电子设备等低功耗系统的快速发展，人们越来越需要长工作寿命的独立电源技术。当下，电池仍然是广泛使用的电源，但是其容量有限，需要定期更换，给人们的生活带来诸多不便。此外，一次性电池会造成环境污染。热电能量转换技术较为简单，只要在热电堆两端存在温差就可以得到一定规模的功率输出。

本发明即是基于砷化镓工艺和mems表面微机械加工工艺设计了一种具有热电转换功能的mesfet器件，一方面实现了温差发电的热源供给，另一方面将mesfet器件的废热利用，实现热电能量转换，这是一种应用在物联网通讯中的mesfet器件。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于提供一种基于砷化镓工艺和mems表面微机械加工工艺的面向物联网的具有热电转换功能的mesfet器件；当mesfet处于工作状态时，由于器件各处的温度值不同，为热电偶提供了热源和温差，根据seebeck效应，设计一系列热电偶，实现热电能量转换的同时缓解了散热问题；通过检测塞贝克电压大小来检测热耗散功率的大小。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种面向物联网的砷化镓基具有热电转换功能的mesfet器件，所述mesfet器件以半绝缘的gaas为衬底，在衬底上设有n型gaas导电沟道层、源区、漏区、源极欧姆接触金锗镍/金极、漏极欧姆接触金锗镍/金极、栅极肖特基接触金极；所述源极欧姆接触金锗镍/金极、漏极欧姆接触金锗镍/金极、栅极肖特基接触金极的四周分别设有绝缘层；所述mesfet器件的栅源漏区的绝缘层上分别设有若干个热电偶；所述热电偶包括金属au型热电臂和砷化镓型热电臂，上述两个热电臂之间用金属连线au串联，形成热电偶；所述mesfet器件的栅源漏区的热电偶之间通过金属连线au串联，并分别留出2个热电偶电极；用金属连线au将mesfet器件的栅源漏区的热电偶电极串联，留下两个热电偶电极作为塞贝克电压的输出极“+”极和“-”极。

进一步的，mesfet器件正常工作下产生的温度分布为热电偶提供热源，根据seebeck效应实现热电转换的同时缓解了散热问题，串联热电偶则有利于塞贝克电压的倍增。

进一步的，通过检测塞贝克电压，可以检测到热耗散功率的大小。

进一步的，所述源区欧姆接触金锗镍/金层、漏区欧姆接触金锗镍/金层、栅极肖特基接触金层的左右侧各摆放4个热电偶，上下侧各摆放2个热电偶。

进一步的，所述绝缘层的材质为二氧化硅。

本发明的有益效果有：

1.本发明的砷化镓基具有热电转换功能的mesfet器件的原理、结构简单，用现有的gaas工艺和mems表面微机械加工易于实现；

2.本发明通过检测塞贝克电压大小，可以实现对mesfet器件工作时热耗散功率大小的检测；

3.本发明基于mesfet的温度分布，设计了一组热电偶，根据seebeck效应，将器件的热能转换成电能，实现热电能量转换，缓解了散热问题。

附图说明

图1为本发明面向物联网的砷化镓基具有热电转换功能的mesfet器件俯视图；

图2为本发明面向物联网的砷化镓基具有热电转换功能的mesfet器件的p-p’向的剖面图；

图3为本发明面向物联网的砷化镓基具有热电转换功能的mesfet器件的q-q’向的剖面图；

图4为本发明面向物联网的砷化镓基具有热电转换功能的mesfet器件的r-r’向的剖面图；

图5为本发明面向物联网的砷化镓基具有热电转换功能的mesfet器件上的热电偶摆放的俯视图(即图1两个虚线框之间的热电偶11)；

图6为本发明面向物联网的砷化镓基具有热电转换功能的mesfet的s-s’向的剖面图。

图中包括：gaas衬底1，二氧化硅绝缘层2，源区3，漏区4，源极欧姆接触金锗镍/金极5，漏极欧姆接触金锗镍/金极6，栅极肖特基接触极7，金属au型热电臂8，热电偶的砷化镓型热电臂9，金属连线10，热电偶11，n型有源层12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1-6，本发明提出了一种面向物联网的基于砷化镓基具有热电转换功能的mesfet器件。主要包括：mesfet和热电偶。当mesfet正常工作时，由于沟道区的温度分布不同，从而为热电偶提供了温差。在半绝缘gaas衬底1用等离子体增强型化学气相淀积工艺(pecvd)生长一层氮化硅，光刻和刻蚀氮化硅层，除去mesfet有源区的氮化硅，进行n型mesfet有源区离子注入，形成n型mesfet的n型有源层12，使用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除；光刻栅区，除去栅区的光刻胶，电子束蒸发钛/铂/金，去除光刻胶以及光刻胶上的钛/铂/金，加热使钛/铂/金与n型砷化镓有源层形成肖特基接触，得到栅极肖特基接触极7；涂覆光刻胶，光刻并刻蚀n型mesfet源极和漏极区域形成n型重掺杂区域，注入后得到mesfet源区欧姆接触区域3和mesfet漏区欧姆接触区域4，随后进行快速退火；光刻源极和漏极，除去源极和漏极的光刻胶，真空蒸发金锗镍/金，剥离后合金化形成欧姆接触，得到mesfet源极欧姆接触金锗镍/金极5和漏极欧姆接触金锗镍/金极6，传统的mesfet器件制得。

在mesfet器件栅区制作一层二氧化硅绝缘层2，用以隔离mesfet和热电偶，避免短路。同时，进行抛光，以便在二氧化硅绝缘层2上制作热电偶。如图5所示，热电偶通过外延生长一层n+砷化镓作为热电偶砷化镓臂9，反刻n+砷化镓，形成掺杂浓度为10¹⁷cm^-3的热电偶砷化镓臂9；除去将要保留金锗镍/金的光刻胶，溅射金锗镍/金作为热电偶金属臂，剥离后得到热电偶的金属au型热电臂8，其厚度为270nm；蒸发一层金层用作金属连线连接栅区的12个热电偶，留出下方两个电极作为栅区热电偶的输出电极。随后，重复栅区制作热电偶过程，在源漏区各制作12个热电偶，按照如图1所示进行连线，最后留下两个热电偶电极作为塞贝克电压输出极。该面向物联网的砷化镓基具有热电转换功能的mesfet器件可以将器件工作产生的热能转换为电能，实现能量收集的同时缓解了散热问题；通过检测输出塞贝克电压的大小来实现对热耗散功率大小的检测。

本发明的面向物联网的砷化镓基具有热电转换功能的mesfet器件制备方法如下：

1)准备半绝缘gaas衬底1；

2)淀积氮化硅层，用等离子体增强型化学气相淀积工艺(pecvd)生长一层氮化硅；

3)光刻和刻蚀氮化硅层，除去mesfet有源区的氮化硅；

4)n型mesfet有源区离子注入，注硼之后，在氮气氛围下进行退火；

5)退火后在高温下进行n+杂质再分布，形成n型mesfet的n型有源层12；

6)使用干法刻蚀技术将氮化硅全部去除；

7)光刻栅区，除去栅区的光刻胶；

8)电子束蒸发钛/铂/金；

9)去除光刻胶以及光刻胶上的钛/铂/金；

10)加热，使钛/铂/金与n型砷化镓有源层形成肖特基接触，得到栅极肖特基接触极7；

11)涂覆光刻胶，光刻并刻蚀n型mesfet源极和漏极区域形成n型重掺杂区域，注入后得到mesfet源区欧姆接触区域3和mesfet漏区欧姆接触区域4，随后进行快速退火；

12)光刻源极和漏极，除去源极和漏极的光刻胶；

13)真空蒸发金锗镍/金；

14)剥离，合金化形成欧姆接触，得到mesfet源极欧姆接触金锗镍/金极5和漏极欧姆接触金锗镍/金极6；

15)涂覆光刻胶，保留源极欧姆接触金锗镍/金极5、漏极欧姆接触金锗镍/金极6和栅极肖特基接触极7上方的光刻胶；

16)外延生长一层0.2μm的二氧化硅绝缘层2，并化学机械抛光；

17)去除栅极肖特基接触极7上面的光刻胶和二氧化硅保护层；

18)涂覆光刻胶，除去砷化镓型热电臂9形状的光刻胶；

19)外延生长一层n+砷化镓作为热电偶砷化镓臂，形成砷化镓型热电臂9的形状和欧姆接触区，反刻n+砷化镓，形成掺杂浓度为10¹⁷cm^-3的砷化镓型热电臂9，除去光刻胶；

20)光刻：除去将要保留金锗镍/金的光刻胶；

21)溅射金锗镍/金作为热电偶的金属au型热电臂8，其厚度为270nm，其中金锗镍与砷化镓形成欧姆接触；

22)剥离，得到热电偶的金属臂8，除去光刻胶；

23)如图1所示，涂覆光刻胶，蒸发一层0.3um厚的金层用作连接砷化镓臂9和金属臂8等的金属连线，去除光刻胶，留下两个电极作为塞贝克电压的输出极。

区分是否为该结构的标准如下：

本发明的面向物联网的砷化镓基具有热电转换功能的mesfet器件，具有36个串联的热电偶。在传统的mesfet的栅极金层四周有源层上方，制作一层二氧化硅层，进行电隔离，同时作为制作热电偶的基准面。在二氧化硅上面，制作了12个由金属au型热电臂和砷化镓型热电臂组成的热电偶，用金属连线将其串联，留出两个栅区热电偶电极，串联源漏区的热电偶电极，留下两个电极作为塞贝克电压的输出极。本结构基于mesfet的温度分布，根据seebeck效应，实现热电能量转换的同时缓解了散热问题，通过检测塞贝克电压大小可以检测热耗散功率的大小。

满足以上条件的结构即视为本发明的面向物联网的砷化镓基具有热电转换功能的mesfet器件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。