本發(fā)明涉及一種面向物聯(lián)網(wǎng)的具有熱電轉(zhuǎn)換功能的砷化鎵基hbt(異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管)器件，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(mems)的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息革命的重要組成部分，它的發(fā)展引發(fā)了人們對于物聯(lián)網(wǎng)中射頻收發(fā)組件自供電技術(shù)的關(guān)注。隨著半導(dǎo)體器件的快速發(fā)展，化合物半導(dǎo)體hbt(異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管)因為砷化鎵(gaas)的高遷移率，相比于bjt(雙極型晶體管)具有更高的開關(guān)速度和截止頻率，又因為hbt的反向擊穿電壓大，可以得到更大的輸出功率。但是，由于hbt工作時電流密度過高，在自身發(fā)熱量過大下造成器件溫度的升高，溫度對電流具有正反饋作用，會造成器件性能變差甚至于器件失效，帶來hbt可靠性問題。

根據(jù)賽貝克效應(yīng)(seebeck效應(yīng))，微型熱電偶電池采用不同的半導(dǎo)體材料制作，其原理十分簡單，只要發(fā)電模塊兩端有溫差就可持續(xù)不斷電力輸出。其中，微型熱電偶電池要解決的一個主要問題是從哪里得到熱源。

本發(fā)明即是基于砷化鎵工藝和mems表面微機(jī)械加工工藝設(shè)計了一種應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)通訊中的具有熱電轉(zhuǎn)換功能的砷化鎵基hbt器件，一方面利用hbt器件正常工作下的溫度分布為溫差發(fā)電供熱，另一方面將hbt器件的廢熱再利用，實現(xiàn)熱電能量轉(zhuǎn)換的同時有利于hbt器件的散熱，這是一種應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)通訊中的hbt器件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種面向物聯(lián)網(wǎng)的具有熱電轉(zhuǎn)換功能的砷化鎵基hbt器件，具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、節(jié)能環(huán)保等特點，利用環(huán)繞電極布置的熱電偶，實現(xiàn)熱電能量轉(zhuǎn)換的同時有效緩解hbt器件的散熱問題。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種面向物聯(lián)網(wǎng)的具有熱電轉(zhuǎn)換功能的砷化鎵基hbt器件，包括砷化鎵基hbt(異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管)及若干熱電偶；

其中，所述砷化鎵基hbt包括從下至上依次設(shè)置的砷化鎵(gaas)襯底、重?fù)诫s的n+型砷化鎵層、輕摻雜的n-型砷化鎵層、p型砷化鎵層、n型鋁砷化鎵(algaas)層以及重?fù)诫s的n+型砷化鎵發(fā)射區(qū)接觸層；

所述n+型砷化鎵層為掩埋集電區(qū)，n-型砷化鎵層為內(nèi)集電區(qū)，p型砷化鎵層為基區(qū)，n型鋁砷化鎵層為發(fā)射區(qū)，且n+型砷化鎵層、p型砷化鎵層及n+型砷化鎵發(fā)射區(qū)接觸層上分別設(shè)置有集電極、基極及發(fā)射極三個金屬引出極；所述砷化鎵基hbt上圍繞集電極、基極及發(fā)射極四周設(shè)置有二氧化硅鈍化層，以進(jìn)行電隔離；

所述熱電偶布置于二氧化硅鈍化層上，且每個熱電偶包括并列設(shè)置的熱電偶金屬臂及熱電偶砷化鎵臂，相鄰的熱電偶金屬臂及熱電偶砷化鎵臂之間通過金屬連線依次串聯(lián)。

進(jìn)一步的，通過hbt器件正常工作下產(chǎn)生的溫度分布為熱電偶提供熱源，通過熱電偶實現(xiàn)熱電能量轉(zhuǎn)換的同時有效緩解了hbt器件的散熱問題，加工方便且節(jié)能環(huán)保。

進(jìn)一步的，所述熱電偶分別圍繞集電極、基極及發(fā)射極排列并依次串聯(lián)，形成三個熱電偶模塊；所述熱電偶的一端靠近所在模塊的電極，以接觸熱源，其另一端遠(yuǎn)離所在模塊的電極，以遠(yuǎn)離熱源，從而實現(xiàn)穩(wěn)定高效的溫差發(fā)電。

進(jìn)一步的，每個熱電偶模塊設(shè)置有兩個熱電偶引出極，且三個熱電偶模塊通過金屬連線依次串聯(lián)，留下兩個引出極作為塞貝克壓差的輸出極。這樣產(chǎn)生的電動勢等于各個熱電偶模塊之和，再根據(jù)測量的電動勢來檢測熱耗散功率的大小。

進(jìn)一步的，針對ηbt正常工作時的溫度分布，每個熱電偶模塊包括12個圍繞所在模塊的電極排列并依次串聯(lián)的熱電偶，根據(jù)塞貝克效應(yīng)實現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換，串聯(lián)熱電偶則有利于塞貝克壓差的成倍增大。

進(jìn)一步的，通過檢測三個熱電偶模塊所產(chǎn)生的塞貝克壓差來檢測溫差的大小，從而檢測砷化鎵基hbt上熱耗散功率的大小，使用方便且易于實現(xiàn)。

進(jìn)一步的，所述集電極、基極及發(fā)射極三個金屬引出極采用ti/pt/au金屬制成，而分別與n+型砷化鎵層、p型砷化鎵層及n+型砷化鎵發(fā)射區(qū)接觸層形成歐姆接觸。

有益效果：本發(fā)明提供的一種面向物聯(lián)網(wǎng)的具有熱電轉(zhuǎn)換功能的砷化鎵基hbt器件，相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)點：1、結(jié)構(gòu)簡單，基于現(xiàn)有的gaas工藝和mems表面微機(jī)械加工，易于實現(xiàn)，并且能夠通過塞貝克電壓大小實時檢測hbt器件工作時熱耗散功率的大??；2、基于hbt的溫度分布，布置了一組熱電偶，實現(xiàn)熱電能量轉(zhuǎn)換的同時有效緩解了hbt器件的散熱問題，具有良好的經(jīng)濟(jì)實用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中面向物聯(lián)網(wǎng)的具有熱電轉(zhuǎn)換功能的砷化鎵基hbt器件的俯視圖；

圖2為本發(fā)明中面向物聯(lián)網(wǎng)的具有熱電轉(zhuǎn)換功能的砷化鎵基hbt器件沿p-p’向的剖面圖；

圖3為本發(fā)明中面向物聯(lián)網(wǎng)的具有熱電轉(zhuǎn)換功能的砷化鎵基hbt器件沿q-q’向的剖面圖；

圖4為本發(fā)明中面向物聯(lián)網(wǎng)的具有熱電轉(zhuǎn)換功能的砷化鎵基hbt器件沿r-r’向的剖面圖；

圖5為本發(fā)明中面向物聯(lián)網(wǎng)的具有熱電轉(zhuǎn)換功能的砷化鎵基hbt器件沿s-s’向的剖面圖；

圖6為本發(fā)明中面向物聯(lián)網(wǎng)的具有熱電轉(zhuǎn)換功能的砷化鎵基hbt器件上熱電偶模塊內(nèi)的熱電偶分布圖；

圖中包括：1、砷化鎵襯底，2、n+型砷化鎵層，3、n-型砷化鎵層，4、p型砷化鎵層，5、n型鋁砷化鎵層，6、n+型砷化鎵發(fā)射區(qū)接觸層，7、金屬過孔，8、熱電偶金屬臂，9、熱電偶砷化鎵臂，10、金屬連線，11、二氧化硅鈍化層，12、集電極，13、基極，14、發(fā)射極，15、熱電偶模塊，16、熱電偶引出極。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1-5所示為一種面向物聯(lián)網(wǎng)的具有熱電轉(zhuǎn)換功能的砷化鎵基hbt器件，包括砷化鎵基hbt及若干熱電偶；

其中，所述砷化鎵基hbt包括從下至上依次設(shè)置的砷化鎵(gaas)襯底1、重?fù)诫s的n+型砷化鎵層2、輕摻雜的n-型砷化鎵層3、p型砷化鎵層4、n型鋁砷化鎵(algaas)層5以及重?fù)诫s的n+型砷化鎵發(fā)射區(qū)接觸層6；

所述n+型砷化鎵層2為掩埋集電區(qū)，n-型砷化鎵層3為內(nèi)集電區(qū)，p型砷化鎵層4為基區(qū)，n型鋁砷化鎵層5為發(fā)射區(qū)，且n+型砷化鎵層2、p型砷化鎵層4及n+型砷化鎵發(fā)射區(qū)接觸層6上分別設(shè)置有集電極12、基極13及發(fā)射極14三個金屬引出極；所述砷化鎵基hbt上圍繞集電極12、基極13及發(fā)射極14四周設(shè)置有二氧化硅鈍化層11，形成溝道區(qū)；

所述熱電偶布置于二氧化硅鈍化層11上，且每個熱電偶包括并列設(shè)置的熱電偶金屬臂8及熱電偶砷化鎵臂9，相鄰的熱電偶金屬臂8及熱電偶砷化鎵臂9之間通過金屬連線10依次串聯(lián)。

如圖6所示，所述熱電偶分別圍繞集電極12、基極13及發(fā)射極14排列并依次串聯(lián)，形成三個熱電偶模塊15；所述熱電偶垂直于所在模塊的電極的邊緣布置，通過砷化鎵基hbt上的溫度分布為熱電偶提供熱源，通過熱電偶實現(xiàn)熱電能量轉(zhuǎn)換的同時實現(xiàn)砷化鎵基hemt的散熱。

本實施例中，每個熱電偶模塊15包括12個依次串聯(lián)的熱電偶及兩個熱電偶引出極16，且三個熱電偶模塊15通過金屬連線10依次串聯(lián)，留下兩個引出極16作為塞貝克壓差的輸出極，進(jìn)而通過檢測三個熱電偶模塊15所產(chǎn)生的塞貝克壓差來檢測砷化鎵基hbt上熱耗散功率的大小。

具體實施過程中，n+型砷化鎵層2的摻雜濃度為5.0e18cm^-3，且厚度為1.0um；所述n-型砷化鎵層3的摻雜濃度為7.0e16cm^-3，且厚度為0.5um；所述p型砷化鎵層4的摻雜濃度為2.0e19cm^-3，且厚度為0.05um(小于100nm)；所述n型鋁砷化鎵層5的摻雜濃度為2.0e17cm^-3，且厚度為0.2um；所述n+型砷化鎵發(fā)射區(qū)接觸層6的摻雜濃度為5.0e18cm^-3，且厚度為0.2um。

具體實施過程中，所述集電極12、基極13及發(fā)射極14三個金屬引出極采用ti/pt/au金屬制成；所述熱電偶砷化鎵臂9由摻雜濃度為5.0e17cm^-3的n+型砷化鎵制成，所述熱電偶金屬臂8采用金鍺鎳/金制成，且兩者的厚度一致為270nm。

所述面向物聯(lián)網(wǎng)的具有熱電轉(zhuǎn)換功能的砷化鎵基hbt器件的制備方法，包括以下步驟：

s1：在半絕緣的砷化鎵襯底1上采用分子束外延法生長一層砷化鎵層，并對其進(jìn)行重?fù)诫s，得到n+型砷化鎵層2，作為hbt有源層，其方塊電阻值為100到130ω/□；

s2：在n+型砷化鎵層2上涂覆光刻膠，去除集電區(qū)(c)位置的光刻膠，并生成一層輕摻雜的n-型砷化鎵層3，作為內(nèi)集電區(qū)；

s3：在n-型砷化鎵層3上生長一層非常薄的p型摻雜的砷化鎵層4，作為基區(qū)；

s4：在p型砷化鎵層4上涂覆光刻膠，去除基區(qū)(b)位置的光刻膠，并生成一層n型algaas層5，作為發(fā)射區(qū)；

s5：在n型algaas層5上生長一層n+型gaas發(fā)射區(qū)接觸層6，剝離光刻膠；

s6：在n+型砷化鎵層2、p型砷化鎵層4及n+型gaas發(fā)射區(qū)接觸層6上涂覆光刻膠，去除金屬引出極位置的光刻膠，并生長一層ti/pt/au金屬層，去除金屬引出極位置外的光刻膠以及光刻膠上的金屬，得到hbt的集電極12、基極13和發(fā)射極14；

s7：圍繞集電極12、基極13及發(fā)射極14四周生長一層0.2um厚的so2鈍化層11，并對其進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，作為制作熱電偶的基準(zhǔn)面；

s8：在so2鈍化層11上涂覆光刻膠，去除熱電偶砷化鎵臂9位置的光刻膠，并外延生長一層重?fù)诫s的n+型砷化鎵，根據(jù)熱電偶砷化鎵臂9的形狀反刻n+砷化鎵，形成熱電偶砷化鎵臂9；

s9：去除so2鈍化層11上熱電偶金屬臂8位置的光刻膠，并濺射金鍺鎳/金作為熱電偶金屬臂8，剝離后得到熱電偶金屬臂8；

s10：涂覆光刻膠，蒸發(fā)一層0.3um厚的金屬層用作連接熱電偶砷化鎵臂9和熱電偶金屬臂8的金屬連線10，去除光刻膠，在每個熱電偶模塊15內(nèi)留下兩個熱電偶引出極16；

s11：如圖5所示，在集電極12和基極13模塊的熱電偶引出極16上面生長一層so2鈍化層11，對其進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，并在熱電偶引出極16位置做金屬過孔7，淀積金屬金引出至基極13和發(fā)射極14水平面；如圖1所示，通過淀積一層金將熱電偶引出極16進(jìn)行連接，留下兩個電極作為塞貝克壓差的輸出極。

本發(fā)明的面向物聯(lián)網(wǎng)的具有熱電轉(zhuǎn)換功能的砷化鎵基hbt器件，具有36個串聯(lián)的熱電偶。在傳統(tǒng)的hbt的集電極、基極和發(fā)射極的金屬電極層四周，制作一層二氧化硅層，進(jìn)行電隔離，同時作為制作熱電偶的基準(zhǔn)面；在二氧化硅上面，按照圖6所示的圖案制作36個由熱電偶金屬臂和熱電偶砷化鎵臂組成的熱電偶，用金屬連線將其串聯(lián)。本發(fā)明根據(jù)塞貝克效應(yīng)，以36個熱電偶環(huán)繞集電極、基極和發(fā)射極擺放，實現(xiàn)熱電能量轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)能量收集的同時緩解了散熱問題，以及通過塞貝克壓差也可以檢測hbt器件上熱耗散功率的大小。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。