面向物联网的具有自供电功能的MESFET管放大器的制作方法

本发明涉及微电子机械系统(mems)的技术领域，具体涉及一种面向物联网的具有自供电功能的mesfet管放大器。mesfet(metalepitaxial-semiconductorfieldeffecttransistor)，即金属-半导体场效应晶体管。

背景技术：

继计算机、互联网与移动通信网之后，物联网作为又一次信息产业浪潮，世界上的许多事物，小到手表、手环，大到汽车，只要嵌入一个微型芯片，就使其变得智能化，并且其所需功耗十分低。随着能量收集技术的不断发展，近年来不断出现对微小功率浪费能源收集与利用的报道。将浪费的能量以及环境中无所不在的能量收集起来，转换成电能，为各种电子设备供能，是服务于物联网的有效途径。温差发电技术帮助人们收集环境中的热能，转换成电能，为物联网或可穿戴设备供电，实现能量自供给。

半导体温差发电是一种绿色的能源技术，是一种新型的发电技术，它具有如下优点：(1)结构紧凑、无磨损、无泄漏；(2)寿命长且可靠性高；(3)无有害物排放、无噪音污染。其中，半导体温差发电技术的一个关键问题是温差的产生，也就是热源的获得，又因为mesfet管放大器工作时所产生的废热正好作为热源，如此节约能源的同时减少了环境污染。

本发明即是基于gaas工艺和mems表面微机械加工工艺设计了一种面向物联网的具有自供电功能的mesfet管放大器，这是一种应用在物联网通讯中的mesfet管放大器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种面向物联网的具有自供电功能的mesfet管放大器，具有热电转换功能的mesfet根据seebeck效应，实现热能到电能的转换，将产生的电压输入到大电容，进行电能存储；将产生的电压输入到稳压电路，输出稳定的直流电压，输出作为电源，为mesfet放大器自身提供电能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种面向物联网的具有自供电功能的mesfet管放大器，包括：具有热电转换功能的mesfet放大管、电阻、电容、稳压电路和大电容充电电池；信号通过隔直电容c1输入到mesfet放大管的栅极，电阻r1和电阻r2分别为栅极的上下偏置，mesfet放大管的源极通过电阻r3接地，mesfet放大管的漏极通过电阻r4接到vdd，放大后的信号通过mesfet放大管的漏极输出，mesfet放大管的漏极通过隔直电容c2接负载电阻r5，稳压电路和大电容充电电池接vdd；所述mesfet放大管以半绝缘的gaas为衬底，衬底上设有n型gaas导电沟道层、mesfet源区、mesfet漏区、源区欧姆接触金锗合金层、漏区欧姆接触金锗合金层、栅极肖特基接触金层；所述源区欧姆接触金锗合金层、漏区欧姆接触金锗合金层、栅极肖特基接触金层的四周分别设有绝缘层；所述栅源漏区的绝缘层上分别设有若干个热电偶；所述热电偶包括热电偶金属臂和热电偶砷化镓臂，并用金属连线au将上述热电臂串联，形成热电偶；所述栅源漏区的热电偶之间通过金属连线au串联，栅源漏区分别留出2个热电偶电极；用金属连线au将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，“+”极接稳压电路和大电容充电电池，“-”极接地。

进一步的，所述源区欧姆接触金锗合金层、漏区欧姆接触金锗合金层、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，针对mesfet管放大器正常工作时的温度的分布不同，根据seebeck效应实现热电转换，收集废热，有利于散热，从而提高了可靠性，延长了其使用寿命。

进一步的，输出的塞贝克压差连接到稳压电路和大电容充电电池，可以进行电能存储，通过检测存储电能的大小，从而检测耗散功率的大小。

进一步的，产生的塞贝克电压输出到稳压电路和大电容充电电池，输出稳定的直流电压，连接到mesfet管放大器的电源，实现了自供电的和绿色能源的可持续。

进一步的，所述绝缘层的材质为二氧化硅。

本发明具有如下有益效果：

1.本发明的具有自供电功能的mesfet管放大器的原理、结构简单，利用现有的gaas工艺和mems表面微机械加工易于实现；

2.本发明的具有自供电功能的mesfet管放大器根据seebeck效应，热电偶产生塞贝克电压，通过稳压电路，输出稳定的直流电压，作为放大器的电源供电，实现自供电和绿色能源的可持续；

3.本发明的具有自供电功能的mesfet管放大器对废热进行充分吸收，有利于散热，提高了可靠性。

附图说明

图1为本发明面向物联网的具有自供电功能的mesfet管放大器的示意图；

图2为本发明面向物联网的具有自供电功能的mesfet管放大器的俯视图；

图3为本发明面向物联网的具有自供电功能的mesfet管放大器的p-p’向剖面图；

图4为本发明面向物联网的具有自供电功能的mesfet管放大器的q-q’向剖面图；

图5为本发明面向物联网的具有自供电功能的mesfet管放大器中的热电偶摆放的俯视图(即图3的热电偶11)。

图中包括：gaas衬底1，二氧化硅保护层2，mesfet源区3，mesfet漏区4，源区欧姆接触金锗合金层5，漏区欧姆接触金锗合金层6，栅极肖特基接触金层7，热电偶的金属臂8，热电偶的砷化镓臂9，金属连线10，热电偶11，n型gaas导电沟道层12，稳压电路和大电容电池13。

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1-5，本发明提出了一种面向物联网的具有自供电功能的mesfet管放大器。该mesfet管放大器主要包括：具有热电转换功能的mesfet放大管、电阻、电容、稳压电路和大电容充电电池等。信号通过隔直电容c1输入到mesfet放大管的栅极，电阻r1和电阻r2构成偏置，放大后的信号通过mesfet的漏极输出。其中，选择半绝缘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gaas导电沟道层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3和mesfet漏区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源极欧姆接触金锗合金极5和漏极欧姆接触金锗合金极6，传统的mesfet器件制得。

在mesfet器件栅区制作一层绝缘层2，用以隔离mesfet和热电偶，避免短路，绝缘层的材质为二氧化硅。同时，进行抛光，以便在二氧化硅上制作热电偶。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2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“+”极和“-”极。

将塞贝克压差输出极的“-”电极接地，“+”电极接稳压电路和大电容，进行电能存储，输出稳定的直流电压，为mesfet放大器供电，实现了自供电和绿色能源的可持续。

本发明的面向物联网的具有自供电功能的mesfet管放大器制备方法如下：

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gaas导电沟道层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3欧姆接触区域和mesfet漏区4欧姆接触区域，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源极欧姆接触金锗合金极5和漏极欧姆接触金锗合金极6；

15)涂覆光刻胶，保留源区欧姆接触金锗合金层5，漏区欧姆接触金锗合金层6，栅极肖特基接触金层7上方的光刻胶；

16)外延生长一层0.2μm的sio2绝缘层2，并化学机械抛光；

17)去除栅极7上面的光刻胶和sio2绝缘层2；

18)涂覆光刻胶，除去热电偶砷化镓臂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，形成热电偶砷化镓臂9的形状，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/金作为热电偶金属臂8，其厚度为270nm；

22)剥离，得到热电偶的金属臂8，除去光刻胶；

23)如图2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“+”极和“-”极；

24)将塞贝克电压的“-”电极接地，“+”电极接稳压电路和大电容电池13，输出稳定的直流电压，为放大器提供电能；

25)按照图2所示，连接各个电阻、电容等，得到具有自供电功能的mesfet管放大器。

区分是否为该结构的标准如下：

本发明的面向物联网的具有自供电功能的mesfet管放大器包括具有热电转换功能的mesfet管、放大器电路、稳压电路和大电容充电电池等。信号通过隔直电容c1输入到mesfet放大管的栅极，电阻r1和电阻r2分别为栅极的上下偏置，mesfet放大管的源极通过电阻r3接地，mesfet放大管的漏极通过电阻r4接到vdd，放大后的信号通过mesfet放大管的漏极输出，mesfet放大管的漏极通过隔直电容c2接负载电阻r5，稳压电路和大电容充电电池接vdd。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个由热电偶金属臂和热电偶砷化镓臂组成的热电偶，用金属au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“+”和“-”。将塞贝克电压的“-”极接地，“+”极输出到稳压电路和大电容，进行电能存储，输出稳定的直流电压，为放大器提供电能，实现自供电，是可持续的绿色能源。

满足以上条件的结构即视为本发明的面向物联网的具有自供电功能的mesfet管放大器。

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。