具有温差发电机构的III-VHEMT器件的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有温差发电机构的III‑VHEMT器件的制备方法，现有的GaN器件在工作过程中会产生大量的热，使沟道温度上升，从而使器件的导通电阻增大，使器件的输出电流下降，造成能源浪费的问题。由于器件的能量密度高，所以沟道过热，现有的器件采用的解决策略是将这些热量用散热器发散掉。而本发明专利技术在器件中引入了温差发电机构，回收了现有器件沟道中被浪费的能量，提高了器件的效率，减小了能量的损失，具有节约能源的优势。

【技术实现步骤摘要】
具有温差发电机构的III-VHEMT器件的制备方法
本专利技术涉及半导体器件领域，尤其涉及一种具有温差发电机构的III-VHEMT器件的制备方法。
技术介绍
III-V器件(以AlGaN/GaNHEMT为例)具有禁带宽度大、击穿电压大，工作温度高、截止频率高、能量密度高的优点。因此，它在微波通信领域(5G通信等)以及电力电子领域有非常重要的应用。由于AlGaN/GaN器件的功率密度极高，因此，在器件工作过程中，将产生极大的热量。为了保持器件温度，保证器件的工作效率，现有器件一般采取如下措施：(1)降低器件的热阻：比如减薄衬底。(2)使用热导率高的材料，比如使用金属热沉、使用金刚石基的衬底或者涂层。(3)配合精密的散热设计，比如器件结构的设计。以上措施或使用其中一种，或配合使用。但是，其根本目的都是为了将器件产生的热量散失，保证器件的沟道温度不致过热。这势必造成巨大的能量浪费。为了避免这一弊端，本专利技术提出一种全新的思路。据粗略统计，当今世界能源消耗产生的有用能量仅为三分之一，其余三分之二皆被浪费掉，所以从整个世界可持续发展的角度而言，废热回收具有极其重要的意义。电能成为日益重要的能源，而半导体器件是一种将电能分配再利用的器件，其效率对于资源的节约有重要的意义。温差发电技术可以使微小的温差直接转化成电能，并且无气态或液态介质，安全无污染，具有无机械运动、无噪音、体积小的优点。这使得温差发电在余热回收中得到了广泛的应用。温差发电主要利用了塞贝克效应。塞贝克效应源于材料内部载流子(携带负电荷的电子和携带正电荷的空穴)在具有温差分布情况下的重新分布与运动特性。对于处于均匀温度场的孤立均质导体，载流子在材料中分布是均匀的。但是当材料两端存在温差时，位于热端的载流子的动能升高，有更多的载流子受热激发进入导带或者价带，成为可以自由移动的载流子。相应的，会在材料的热端和冷端形成载流子的浓度梯度，在浓度梯度的作用下，热端的载流子将会向冷端扩散。这种载流子的扩散将会打破半导体材料内部的载流子的均匀分布，随着载流子在冷端的富集，电荷的集中将会产生一个所谓的“内建电场”。很显然，该内建电场将会阻止载流子的进一步扩散。浓度梯度导致的扩散和内建电场的阻止扩散，最终将趋于动态平衡，使导体内的载流子两个方向的运动相等，整体上无载流子运动。此时导体两端也就产生出一个与之相关的电动势即塞贝克电势。如果将一块P型热电材料和一块N型热电材料的一端互相连接，并且在连接端提供热源，P型和N型热电材料的另一端给予散热。由于塞贝克效应，空穴将有热端扩散到P型热电材料的冷端，而电子将从热端扩散到N型热电材料的冷端。当将该结构的两个冷端通过外电路连接时，电子将通过导线和负载流向P型热电材料的冷端，空穴将通过导线和负载向N型热电材料的冷端扩散，电子和空穴的运动方向相反，在运动过程中复合消失，但是，电流的方向由P型半导体的冷端流向N型半导体冷端，这就是温差发电的原理。利用温差发电机构，可以实现将微电子器件工作过程中产生的热能转化成电能，从而减少能量损失，提高能量利用的效率。
技术实现思路
本专利技术的针对现有技术的不足，提供一种可实现具有温差发电机构的III-VHEMT器件的方法，以实现收集现有器件工作过程中产生的热量，将其转换成电能，调高能源利用效率的目的。本专利技术一种具有温差发电机构的III-VHEMT器件的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：(a)在选定衬底101和缓冲层102上形成第二半导体层5和第一半导体层4并在所述第二半导体层5和第一半导体层4之间形成异质结构，且在异质结构的界面处第二半导体5一侧形成二维电子气(2DEG)12；(b)在第一半导体层4上进行离子注入隔离，定义器件的有源区，在有源区，2DEG得以保留，在非有源区，2DEG因离子注入而耗尽；(c)在所述第一半导体4上制作源电极1和漏电极3；所述源电极1和漏电极3通过形成于该异质结构中的2DEG电连接；(d)在所述第一半导体的一侧对器件进行保护，并去除所述的衬底材料101和缓冲层材料102；(e)在所述的第二半导体5一侧，对第二半导体进行减薄；(f)在所述第二半导体5上构造多单元第一金属层6；(g)在所述每一单元第一金属层6上构造N型半导体热电材料7；(h)在所述每单元第一金属层6上构造P型半导体热电材料8；(i)在所述每单元N型热电材料7上构造第二金属层9；(j)在所述每单元P型热电材料8上构造第三金属层10，并保证除第一单元的第一金属层9和最后一单元的第三金属层10之外，每一单元的第三金属层10和下一单元的第一金属层9进行级联；(k)在第一金属层9和第三金属层10上构造电绝缘散热层，并保证散热层跟每一单元的第一金属层9和第三金属层10有良好的接触。(l)将第一单元的第一金属层9和HEMT器件的源极1进行电连接，将最后一单元的第三金属层10通过一电阻13和一个二极管14的阳极连接，将二极管的阴极和HEMT器件的漏极3连接。(m)器件整体封装。作为优选，所述的第一半导体层的材料为AlGaN。作为优选，所述的第二半导体层的材料为GaN。作为优选，所述的P型热电材料采用NaCo2O4。作为优选，所述的N型热电材料采用SiGe。作为优选，所述的第一金属层采用金属Ag。作为优选，所述的第二金属层采用金属Cu。作为优选，所述的第三金属层采用Cu-Mo合金制成。作为优选，所述的电绝缘的热良导体散热层采用BN复合陶瓷材料制成。本专利技术的有益效果为：现有的GaN器件在工作过程中会产生大量的热，使沟道温度上升，从而使器件的导通电阻增大，使器件的输出电流下降，造成能源浪费的问题。由于器件的能量密度高，所以沟道过热，现有的器件采用的解决策略是将这些热量用散热器发散掉。而本专利技术在器件中引入了温差发电机构，回收了现有器件沟道中被浪费的能量，提高了器件的效率，减小了能量的损失，具有节约能源的优势。附图说明图1是本专利技术中一种具有温差发电机构的III-VHEMT器件的结构示意图；图2是本专利技术中一种具有温差发电机构的III-VHEMT器件的工艺步骤示意图。(a)材料生长(b)源、漏电极制备(c)栅电极制备(d)去除衬底和缓冲层(e)第二半导体层减薄(f)第一金属层制备(g)N型热电材料制备(h)P型热电材料制备(i)第二金属层制备(j)第三金属层制备及各热电发电单元互联(k)绝缘散热层制备(l)热电发电机构电极与器件源、漏电极互联。具体实施方式下面结合附图和实施例，详细描述本专利技术的技术方案：本专利技术一种具有温差发电机构的III-VHEMT器件的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：如图2(a)-(i)所示，步骤(a)在选定衬底101和缓冲层102上形成第二半导体层5和第一半导体层4并在所述第二半导体层5和第一半导体层4之间形成异质结构，且在异质结构的界面处第二半导体5一侧形成二维电子气(2DEG)12；步骤(b)在第一半导体层4上进行离子注入隔离，定义器件的有源区，在有源区，2DEG得以保留，在非有源区，2DEG因离子注入而耗尽；步骤(c)在所述第一半导体4上制作源电极1和漏电极3；所述源电极1和漏电极3通过形成于该异质结构中的2DEG电连接；步骤(d)在所述第一半导体的一侧对器件进行保护，并去除所述的衬底本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有温差发电机构的III‑VHEMT器件的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：(a)在选定衬底和缓冲层上形成第二半导体层和第一半导体层，并在所述第二半导体层和第一半导体层之间形成异质结构，且在异质结构的界面处第二半导体一侧形成二维电子气；(b)在第一半导体层上进行离子注入隔离，定义器件的有源区，在有源区，二维电子气得以保留，在非有源区，二维电子气因离子注入而耗尽；(c)在所述第一半导体上制作源电极和漏电极；所述源电极和漏电极通过形成于该异质结构中的二维电子气电连接；(d)在所述第一半导体的一侧对器件进行保护，并去除所述的衬底材料和缓冲层材料；(e)对第二半导体进行减薄；(f)在所述第二半导体底部构造多单元第一金属层；(g)在所述每一单元第一金属层上构造N型半导体热电材料；(h)在所述每单元第一金属层上构造P型半导体热电材料；(i)在所述每单元N型热电材料上构造第二金属层；(j)在所述每单元P型热电材料上构造第三金属层，并保证除第一单元的第一金属层和最后一单元的第三金属层之外，每一单元的第三金属层和下一单元的第一金属层进行级联；(k)在第一金属层和第三金属层上构造电绝缘散热层，并保证散热层跟每一单元的第一金属层和第三金属层有良好的接触；(l)将第一单元的第一金属层和HEMT器件的源极进行电连接，将最后一单元的第三金属层通过一电阻和一个二极管的阳极连接，将二极管的阴极和HEMT器件的漏极连接；(m)器件整体封装。...

【技术特征摘要】
1.具有温差发电机构的III-VHEMT器件的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：(a)在选定衬底和缓冲层上形成第二半导体层和第一半导体层，并在所述第二半导体层和第一半导体层之间形成异质结构，且在异质结构的界面处第二半导体一侧形成二维电子气；(b)在第一半导体层上进行离子注入隔离，定义器件的有源区，在有源区，二维电子气得以保留，在非有源区，二维电子气因离子注入而耗尽；(c)在所述第一半导体上制作源电极和漏电极；所述源电极和漏电极通过形成于该异质结构中的二维电子气电连接；(d)在所述第一半导体的一侧对器件进行保护，并去除所述的衬底材料和缓冲层材料；(e)对第二半导体进行减薄；(f)在所述第二半导体底部构造多单元第一金属层；(g)在所述每一单元第一金属层上构造N型半导体热电材料；(h)在所述每单元第一金属层上构造P型半导体热电材料；(i)在所述每单元N型热电材料上构造第二金属层；(j)在所述每单元P型热电材料上构造第三金属层，并保证除第一单元的第一金属层和最后一单元的第三金属层之外，每一单元的第三金属层和下一单元的第一金属层进行级联；(k)在第一金属层和第三金属层上构造电绝缘散热层，并保证散热层跟每一单元的第一金属层和第三金属层有良好的接触；(l)将第一单元的第一金属层和HEMT器件的源极...

【专利技术属性】
技术研发人员：董志华，蒋俊杰，刘国华，李仕琦，刘杰，程知群，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33