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面向 物联网的具有自供电功能的HEMT管 放大器

阅读：388发布：2020-05-08

专利汇可以提供面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出一种面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器 ,包括：面向物联网的GaAs基具有热电转换功能的HEMT放大管、电阻、电容、稳压电路和大电容充电电池。面向物联网的具有热电转换功能的HEMT放大管在传统的HEMT源漏栅的金属电极四周制作一层氧化硅层，上面各制作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。将塞贝克电压的“‑”极接地，“+”极输出到稳压电路和大电容充电电池。根据Seebeck效应，HEMT放大管将自身工作时产生的废热回收转换成电能，进行电能存储和自供电，增强散热性能的同时延长使用寿命。，下面是面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器，其特征是：包括：具有热电转换功能的HEMT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HEMT放大管的栅极，电阻R1和电阻R2分别为HEMT放大管的栅极的上下偏置，电阻R1的另一端接到VDD，电阻R2的另一端接地，HEMT放大管的源极通过电阻R3接地，HEMT放大管的漏极通过电阻R4接到VDD，放大后的信号通过HEMT放大管的漏极输出，HEMT放大管的漏极通过隔直电容C2接负载电阻R5，负载电阻R5的另一端接地，稳压电路和大电容充电电池接VDD；所述具有热电转换功能的HEMT放大管产生塞贝克电压，塞贝克电压的输出极“+”极接稳压电路和大电容充电电池，“-”极接地。
2.根据权利要求1所述的面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器，所述具有热电转换功能的HEMT放大管以半绝缘的GaAs为衬底(1)，在衬底(1)上设有本征GaAs层(2)、本征AlGaAs层(3)、N+AlGaAs层(4)、源区欧姆接触GaAs极(5)，漏区欧姆接触GaAs极(6)、源区(12)、漏区(13)、栅极金属层(7)、源区金属层(14)、漏区金属层(15)；所述栅极金属层(7)、源区金属层(14)、漏区金属层(15)的四周分别设有绝缘层(11)；所述栅极金属层(7)、源区金属层(14)、漏区金属层(15)四周的绝缘层(11)上分别设有若干个热电偶，热电偶之间通过金属连线(10)串联，并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(18)，“-”极接地；所述热电偶由金属热电臂(8)和砷化镓热电臂(9)通过金属连线(10)串联而成。
3.根据权利要求2所述的面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器，其特征是：所述栅极金属层(7)、源区金属层(14)、漏区金属层(15)的左右侧各摆放4个热电偶，上下侧各摆放2个热电偶。
4.根据权利要求1或2所述的面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器，其特征是：所述具有热电转换功能的HEMT放大管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。
5.根据权利要求1或2所述的面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器，其特征是：所述塞贝克电压接稳压电路和大电容充电电池，可进行电能存储，通过检测存储电量的大小，从而检测热耗散功率的大小。
6.根据权利要求1或2所述的面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器，其特征是：所述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，为放大器提供电能，实现自供电的同时实现了绿色能源的可持续。
7.根据权利要求2所述的面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器，其特征是：所述绝缘层(11)的材质为二氧化硅。

说明书全文

面向物联网的具有自供电功能的HEMT管 放大器

技术领域

[0001] 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HEMT管放大器。HEMT是高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor)的缩写。

背景技术

[0002] 随着微电子技术的进步，物联网得到较快的发展，尤其是无线传感网络。其基本单元是无线传感网络节点，它体积较小，大多由容量有限的电池供电，而电池有限的使用寿命限制了传感器节点的寿命，进而影响整个无线传感网络的寿命。传感器网络节点有着数目巨大、分布广泛、环境复杂等特点，因此，为节点进行充电或者更换电池变得有些不经济和不现实。当储能元件能量耗完，整个系统处于瘫痪状态。因此，解决无线传感网络节点的能源问题变得十分必要。

[0003] 近年来，能量收集技术得到了迅速的发展。微型能量收集技术可以将环境中的能量收集起来，并转化成电能用来给电子设备供电。其中，半导体温差发电技术对环境中的废热进行回收，不仅节约能源，还可以减少环境污染，对节能减排有重要意义。

[0004] 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HEMT管放大器，这是一种应用在物联网通讯中的HEMT管放大器。

发明内容

[0005] 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HEMT管放大器，具有热电转换功能的HEMT放大管根据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HEMT放大器供电。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器，包括：面向物联网的GaAs基具有热电转换功能的HEMT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HEMT放大管的栅极，电阻R1和电阻R2分别为栅极的上下偏置，HEMT放大管的源极通过电阻R3接地，HEMT放大管的漏极通过电阻R4接到VDD，放大后的信号通过HEMT放大管的漏极输出，HEMT放大管的漏极通过隔直电容C2接负载电阻R5；所述HEMT放大管以半绝缘的GaAs为衬底，在衬底上含有本征GaAs层、本征AlGaAs层、N+AlGaAs层、N型GaAs层、源区、漏区、栅极金属层、源漏区金属层；所述栅极金属层、源漏区金属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；所述热电偶由金属热电臂和砷化镓热电臂组成，并用金属连线将上述热电臂串联起来，栅源漏区热电偶分别留出2个热电偶电极；
用金属连线将栅源漏区的热电偶电极连接，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，稳压电路和大电容充电电池接VDD。

[0008] 进一步的，所述栅极金属层、源区金属层、漏区金属层的左右侧各摆放4个热电偶，上下侧各摆放2个热电偶。

[0009] 进一步的，由于GaAs基具有热电转换功能的HEMT放大管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。

[0010] 进一步的，输出的塞贝克压差接稳压电路和大电容充电电池，可以进行电能存储，通过检测存储电量的大小，从而检测热耗散功率的大小。

[0011] 进一步的，产生的塞贝克电压输出到稳压电路和大电容，输出稳定的直流电压，为放大器提供电能，实现自供电的同时实现了绿色能源的可持续。

[0012] 进一步的，所述绝缘层的材质为二氧化硅。

[0013] 本发明具有如下有益效果：

[0014] 1、本发明采用HEMT，具有截止频率高、工作速度快、短沟道效应小和噪声性能好的优点；

[0015] 2、本发明的具有自供电功能的HEMT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；

[0016] 3、本发明的具有自供电功能的HEMT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；

[0017] 4、本发明的具有自供电功能的HEMT管放大器对废热进行充分吸收，增强了其散热性能，延长了使用寿命。附图说明

[0018] 图1为本发明面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器的示意图；

[0019] 图2为本发明面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器的俯视图；

[0020] 图3为本发明面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器P-P’向的剖面图；

[0021] 图4为本发明面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器Q-Q’向的剖面图；

[0022] 图5为本发明面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器中的热电偶摆放的俯视图(图3中的热电偶16)；

[0023] 图中标号：半绝缘GaAs衬底1，本征GaAs层2，本征AlGaAs层3，N+AlGaAs层4，源区欧姆接触GaAs极5，漏区欧姆接触GaAs极6，栅极金属层7，金属热电臂8，砷化镓热电臂9，金属连线10，绝缘层11，HEMT源区12，HEMT漏区13，源区金属层14，漏区金属层15，热电偶16，金属过孔17，稳压电路和大电容充电电池18。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

[0025] 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HEMT管放大器，主要包括：具有热电转换功能的HEMT、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HEMT放大管的栅极，电阻R1和电阻R2分别为栅极的上下偏置，HEMT放大管的源极通过电阻R3接地，HEMT放大管的漏极通过电阻R4接到VDD，放大后的信号是通过HEMT的漏极输出，HEMT放大管的漏极通过隔直电容C2接负载电阻R5。其中，当HEMT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。

[0026] 在半绝缘GaAs衬底1上生长GaAs缓冲层，然后外延生长一层厚度为60nm的本征砷化镓层2。随后在分别生长一厚度为20nm的本征AlGaAs层3和掺杂浓度为1018cm-3的20nm厚的N+AlGaAs层4，再生长一层掺杂浓度为3.5×1018cm-3的源区欧姆接触GaAs极5和漏区欧姆接触GaAs极6，台面腐蚀隔离有源区并进行磷离子注入，掺杂浓度为3.5×1018cm-3，得到源区12和漏区13；涂覆光刻胶，光刻去除电极接触位置的光刻胶，真空蒸发金锗镍/金后剥离，合金化形成欧姆接触，得到源区金属层14和漏区金属层15；涂覆光刻胶，光刻去除HEMT栅极位置的光刻胶，生长一层Ti/Pt/Au，厚度为0.5μm；去除光刻胶以及光刻胶上的金属，形成肖特基接触的栅极金属层7，从而得到传统的HEMT器件。

[0027] 在HEMT器件栅区制作一层绝缘层11，用以隔离HEMT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17 -3
外延生长一层N+砷化镓作为砷化镓热电臂9，反刻N+砷化镓，形成掺杂浓度为10 cm 的砷化镓热电臂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，剥离后得到金属热电臂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。然后，在栅区热电偶输出电极上方生长一层二氧化硅，化学机械抛光，再做金属过孔，引出栅区热电偶的输出电极到源漏区一个水平面。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。将塞贝克电压输出极的“-”电极接地，“+”电极接稳压电路和大电容，将产生的塞贝克电压输入到大电容进行电能存储；将产生的塞贝克电压连接到VDD，为HEMT放大器供电，实现了自供电和绿色能源的可持续。

[0028] 本发明的面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器的制备方法如下：

[0029] 1)准备砷化镓衬底1，选用外延的半绝缘砷化镓衬底，其中外延N+砷化镓的掺杂浓度为1018cm-3，其方块电阻值为100到130Ω；

[0030] 2)分子束外延法生长一层厚度为60nm的本征GaAs层2；

[0031] 3)分子束外延法生长一层厚度为20nm的本征AlGaAs层3；

[0032] 4)生长一层厚度为20nm的N+型AlGaAs层4，掺杂浓度为1×1018cm-3，控制厚度与掺杂浓度，使得HEMT管为增强型；

[0033] 5)生长一层N+型GaAs层，掺杂浓度为3.5×1018cm-3；

[0034] 6)台面腐蚀隔离有源区，得到源区欧姆接触GaAs极5和漏区欧姆接触GaAs极6；

[0035] 7)生长氮化硅；

[0036] 8)光刻氮化硅层，刻出源漏区域，进行磷(P)离子注入，掺杂浓度为3.5×1018cm-3，形成源区12和漏区13，除去氮化硅；

[0037] 9)涂覆光刻胶，光刻去除电极接触位置的光刻胶；

[0038] 10)真空蒸发金锗镍/金；

[0039] 11)剥离，合金化形成欧姆接触，得到源区金属层14和漏区金属层15；

[0040] 12)涂覆光刻胶，光刻去除HEMT栅极位置的光刻胶；

[0041] 13)生长一层Ti/Pt/Au，厚度为0.5μm；

[0042] 14)去除光刻胶以及光刻胶上的金属，形成肖特基接触的栅极金属层7；

[0043] 15)涂覆光刻胶，保留HEMT栅极金属层7上方的光刻胶；

[0044] 16)外延生长一层0.2μm的绝缘层11，并化学机械抛光；

[0045] 17)去除栅极金属层7上面的光刻胶和SiO2层；

[0046] 18)涂覆光刻胶，保留HEMT栅极金属层7上方的光刻胶，除去热电偶砷化镓臂9形状的光刻胶；

[0047] 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的砷化镓热电臂9；

[0048] 20)涂覆光刻胶，除去将要制备热电偶金属臂的光刻胶；

[0049] 21)溅射金锗镍/金作为金属热电臂8，其厚度为270nm；

[0050] 22)剥离，得到金属热电臂8；

[0051] 23)涂覆光刻胶，蒸发一层0.3um厚的金层用作连接砷化镓热电臂9和金属热电臂8等的金属连线，去除光刻胶，留下两个热电偶引出极；

[0052] 24)在栅区热电偶引出极上方生长一层SiO2绝缘层11，化学机械抛光，并在引出极位置做金属过孔17，淀积金属金引出；

[0053] 25)重复15)---24)步骤，在源漏区制作热电偶，淀积金层10将引出极如图2所示进行连接，留下两个电极作为塞贝克压差的输出极“+”和“-”电极。

[0054] 26)将塞贝克电压的“-”电极接地，“+”电极通过稳压电路和大电容充电电池18连接到放大器的电源；

[0055] 27)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HEMT管放大器。

[0056] 区分是否为该结构的标准如下：

[0057] 本发明的面向物联网的具有自供电功能的HEMT管放大器包括具有热电转换功能的HEMT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HEMT放大管的栅极，电阻R1和R2构成偏置，放大后的信号通过HEMT的漏极输出。在传统的HEMT源漏栅的金属电极四周制作一层氧化硅层，上面各制作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。

[0058] 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HEMT管放大器。

[0059] 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。

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