CN107425069B - 面向物联网的有热电转换的soi基ldmos功率管 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管，包括M个集成连接的LDMOS单管以及布置于LDMOS单管上的36M个热电偶，且M个LDMOS单管的源区金属极、栅极多晶硅、漏区金属极分别通过金属连线对应相连；M个LDMOS单管上围绕源极、栅极和漏极四周布置有二氧化硅层，且二氧化硅层上分别围绕源极、栅极和漏极布置12个由热电偶金属臂和热电偶N+型多晶硅臂组成的热电偶，并通过金属连线依次串联，形成3M个热电偶模块；热电偶的一端靠近所在模块的电极，其另一端远离所在模块的电极。本发明结构简单，加工方便，节能环保，能够输出M倍于LDMOS单管的塞贝克电压，通过调整LDMOS单管的个数可以改变LDMOS功率管的输出功率、热耗散功率和塞贝克电压。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管，属于微电子机械系统(MEMS)的技术领域。
背景技术
SOI技术，即绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层，能够从物理上和电学上实现器件间的隔离，能够改善集成度和可靠性，被认为是突破硅材料和集成电路限制的新技术。SOI基LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)器件的源极、漏极和栅极电极做在表面，通过内部连接易于和相关电路集成，从而得到了快速发展。
相较于普通的低压小电流MOS器件，LDMOS功率管往往工作在高温下，同时随着器件结温的变化会使LDMOS功率管的性能发生较大变化，因为结温的升高使得器件的功耗增加，器件的功耗又导致结温升高等。因此，为了提高LDMOS功率管的可靠性和使用寿命，我们需要减少不必要的热损耗。
如今，随着物联网的发展和可持续发展的意识日益提高，热电能量收集已经成为一个热点话题。热电发电技术作为一种完全固态的能量转换方式，可以通过使用热电转换材料直接将热能转换为电能，目前正在成为研究热点。
本发明是基于SOI技术和MEMS表面微机械加工工艺设计了一种应用在物联网通讯中的具有热电转换功能的LDMOS功率管。一方面，功率管工作产生大量的热量，需要散热；另一方面，温差发电技术将热能直接转换为电能，需要热源与温差。因此，通过温差发电技术将LDMOS功率管产生的热能转换成电能，实现可持续的能量收集的同时有效缓解LDMOS功率管的散热。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管，具有结构简单、加工方便、节能环保等特点，利用环绕电极布置的热电偶，实现热电能量转换的同时有效增强功率管的散热性能。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管，包括M个集成连接的LDMOS单管以及布置于LDMOS单管上的若干热电偶；
其中，所述LDMOS单管包括SOI衬底及SOI衬底上横向双扩散得到的P阱区、N-漂移区，且P阱区顶部布置有重掺杂的N+型源区，N+型源区上设置有源区金属极；所述N-漂移区顶部远离P阱区的一侧布置有重掺杂的N+型漏区，且N+型漏区上设置有漏区金属极；所述N-漂移区上靠近P阱区的一侧设置有栅极氧化层，且栅极氧化层上设置有栅极多晶硅；
M个LDMOS单管的源区金属极、栅极多晶硅、漏区金属极分别通过金属连线对应相连，构成一个较大的LDMOS功率管；
所述LDMOS单管上围绕源区金属极、栅极多晶硅、漏区金属极四周设置有二氧化硅钝化层，以进行电隔离，且热电偶布置于二氧化硅钝化层上；每个热电偶包括并列设置的热电偶金属臂及热电偶N+型多晶硅臂，相邻的热电偶金属臂及热电偶N+型多晶硅臂之间通过金属连线依次串联。
进一步的，通过LDMOS单管上的温度分布为热电偶提供热源，通过热电偶实现热电能量转换的同时实现LDMOS单管的散热，实现了可持续的能量收集的同时有效缓解了LDMOS功率管的散热。
进一步的，每个LDMOS单管上，所述热电偶分别围绕源区金属极、栅极多晶硅、漏区金属极排列并依次串联，形成三个热电偶模块，且热电偶的一端靠近所在模块的电极，其另一端远离所在模块的电极，从而实现稳定高效的温差发电。
进一步的，每个热电偶模块设置有两个热电偶引出极，且3M个热电偶模块通过金属连线依次串联，留下两个引出极作为塞贝克压差的输出极。这样产生的电动势等于各个热电偶模块之和，再根据测量的电动势来检测热耗散功率的大小。
进一步的，每个热电偶模块包括12个围绕所在模块的电极排列并依次串联的热电偶，根据塞贝克效应实现热电转换，串联热电偶则有利于塞贝克压差的成倍增大。
进一步的，通过检测串联后3M个热电偶模块所产生的塞贝克压差来检测温差的大小，从而检测M个LDMOS单管集成件上的热耗散功率，使用方便且易于实现。
有益效果：本发明提供的一种面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管，相对于现有技术，具有以下优点：1、结构简单，基于现有的SOI工艺和MEMS表面微机械加工，易于实现，通过塞贝克效应实现废热能量收集的同时有效增强了功率管的散热性能；2、能够输出M倍于LDMOS单管器件的塞贝克电压，通过升压稳压电路后和大电容来进行电能存储，实现自供电；3、通过调整LDMOS单管的个数可以改变LDMOS功率管的输出功率、热耗散功率和塞贝克输出电压。
附图说明
图1为本发明中面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管的俯视图；
图2为本发明中面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管沿P-P’向的剖面图；
图3为本发明中面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管沿Q-Q’向的剖面图；
图4为本发明中面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管沿R-R’向的剖面图；
图5为本发明中面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管沿S-S’向的剖面图；
图6为本发明中面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管上热电偶模块内的热电偶分布图；
图中包括：1、SOI衬底，2、P阱区，3、N-漂移区，4、栅极氧化层，5、栅极多晶硅，6、N+型源区，7、N+型漏区，8、热电偶金属臂，9、热电偶N+型多晶硅臂，10、金属连线，11、二氧化硅钝化层，12、源区金属极，13、漏区金属极，14、LDMOS单管，15、热电偶模块，16、热电偶引出极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1、2所示为一种面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管，包括M个集成连接的LDMOS单管14以及布置于LDMOS单管14上的36M个热电偶；
其中，所述LDMOS单管14包括SOI衬底1及SOI衬底1上横向双扩散得到的P阱区2、N-漂移区3，且P阱区2顶部布置有重掺杂的N+型源区6，N+型源区6上设置有源区金属极12；所述N-漂移区3顶部远离P阱区2的一侧布置有重掺杂的N+型漏区7，且N+型漏区7上设置有漏区金属极13；N-漂移区3上靠近P阱区2的一侧设置有栅极氧化层4，且栅极氧化层4上设置有栅极多晶硅5；
M个LDMOS单管14的源区金属极12、栅极多晶硅5、漏区金属极13分别通过金属连线10对应相连，分别留下LDMOS功率管的源极、栅极、漏极引出极；
如图3、4所示，所述LDMOS单管14上围绕源区金属极12、栅极多晶硅5、漏区金属极13四周设置有二氧化硅钝化层11，以进行电隔离，且热电偶布置于二氧化硅钝化层11上；每个热电偶包括并列设置的热电偶金属臂8及热电偶N+型多晶硅臂9，相邻的热电偶金属臂8及热电偶N+型多晶硅臂9之间通过金属连线10依次串联。
如图5、6所示，每个LDMOS单管14上，所述热电偶分别围绕源区金属极12、栅极多晶硅5、漏区金属极13排列并依次串联，形成三个热电偶模块15；所述热电偶垂直于所在模块的电极的边缘布置，通过LDMOS单管14上的温度分布为热电偶提供热源，通过热电偶实现热电能量转换的同时实现LDMOS单管14的散热。
本实施例中，每个热电偶模块15包括12个串联的热电偶及两个热电偶引出极16，且3M个热电偶模块15通过金属连线10依次串联；通过检测串联后的3M个热电偶模块15所产生的塞贝克压差来实现所述SOI基LDMOS功率管上热耗散功率的检测。
所述面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管的制备方法，包括以下步骤：
S1：准备SOI基P型硅衬底，掺杂浓度为1.0E15cm-3；
S2：为P阱离子注入制备缓冲氧化层，厚度20nm，氧化温度950℃，时间为28min；
S3：进行P阱硼离子注入，剂量为3.0E12cm-2,然后采用BOE(缓冲氧化物刻蚀液)去除缓冲氧化层，时间为20s；
S4：为N-层离子注入制备缓冲氧化层，厚度为20nm，N-层磷离子注入，然后采用BOE去除缓冲氧化层，得到N-漂移区；
S5：为隔离热氧化(LOCOS硅局部氧化隔离)制作一层20nm氧化层，然后采用LPCVD(低压力化学气相沉积法)制作一层100nm氮化硅；
S6：有源区光刻，用干法刻蚀氮化硅，时间为1.5min，然后采用BOE除去氧化层，时间为20s；
S7：用干/湿/干热氧化法制备LOCOS，厚度为400nm，温度为1000℃，时间2小时，然后用H3PO4去除100nm氮化硅，用BOE除去20nm氧化层；
S8：制备栅极氧化层，厚度为20nm，温度为950℃，时间为28min；
S9：淀积栅极多晶硅，厚度为300nm，温度为620℃，时间为70min，在950℃温度下进行扩磷，时间为30min；
S10：光刻栅极多晶硅，干法刻蚀栅极多晶硅，时间为35s；
S11：进行硼离子注入，剂量为1.5E14cm-2，加热向栅极多晶硅下面推进，温度为950℃，时间为20min，得到P阱区；
S12：进行源区和漏区的N+离子注入，剂量为5.0E15cm-2，得到重掺杂的N+型源区和N+型漏区；
S13：低温氧化，刻蚀接触区开口，得到二氧化硅钝化层，并对其化学机械抛光，以备制作热电偶；
S14：溅射一层800nm金属铝作为源区金属极、漏区金属极；
S15：涂覆光刻胶，光刻出N型热电臂窗口，采用LPCVD生长一层N+型多晶硅，其掺杂浓度和厚度分别为5.0E16cm-3和0.7um，形成热电偶N+型多晶硅臂；
S16：蒸发生长金属铝层，反刻Al，刻蚀金属图形，形成热电偶金属铝型热电臂；
S17：涂覆光刻胶，保留特定图案光刻胶，用H3PO4:CH2COOH:HNO3＝100:10:1反刻Al，温度为50℃，时间为3min，将N型多晶硅热电臂与金属Al型热电臂用金属铝连线连接起来，形成完整的热电偶，除去光刻胶；
S18：如图1、5所示，蒸铝连线，连接源极、栅极、漏极和热电偶电极，留下两个电极作为塞贝克压差的输出极。
本发明中，有序的连接M个LDMOS单管器件以及其上的36M个热电偶，得到一个较大的LDMOS功率管和塞贝克电压。在传统LDMOS功率管的源区、栅区、漏区电极层四周，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，按照图6所示的图案制作36个由热电偶金属臂和热电偶N+型多晶硅臂组成的热电偶，用金属连线将其串联。本发明根据塞贝克效应，以36M个热电偶环绕源极、栅极和漏极摆放，实现能量收集的同时缓解了散热问题；能够输出M倍于LDMOS单管的塞贝克电压，并通过升压稳压电路和大电容，进行电能存储，实现可持续的自供电；通过调整LDMOS单管的个数可以改变其输出功率、热耗散功率和塞贝克输出电压。
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。
Claims (6)
1.一种面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管，其特征在于，包括M个集成连接的LDMOS单管(14)以及布置于LDMOS单管(14)上的若干热电偶；
其中，所述LDMOS单管(14)包括SOI衬底(1)及SOI衬底(1)上横向双扩散得到的P阱区(2)、N-漂移区(3)，且P阱区(2)顶部布置有重掺杂的N+型源区(6)，N+型源区(6)上设置有源区金属极(12)；所述N-漂移区(3)顶部远离P阱区(2)的一侧布置有重掺杂的N+型漏区(7)，且N+型漏区(7)上设置有漏区金属极(13)；所述N-漂移区(3)上靠近P阱区(2)的一侧设置有栅极氧化层(4)，且栅极氧化层(4)上设置有栅极多晶硅(5)；
M个LDMOS单管(14)的源区金属极(12)、栅极多晶硅(5)、漏区金属极(13)分别通过金属连线(10)对应相连；
所述LDMOS单管(14)上围绕源区金属极(12)、栅极多晶硅(5)、漏区金属极(13)四周设置有二氧化硅钝化层(11)，且热电偶在二氧化硅钝化层(11)上分别围绕源区金属极(12)、栅极多晶硅(5)、漏区金属极(13)四周设置；每个热电偶包括并列设置的热电偶金属臂(8)及热电偶N+型多晶硅臂(9)，相邻的热电偶金属臂(8)及热电偶N+型多晶硅臂(9)之间通过金属连线(10)依次串联。
2.根据权利要求1所述的面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管，其特征在于，通过LDMOS单管(14)上的温度分布为热电偶提供热源，通过热电偶实现热电能量转换的同时实现LDMOS单管(14)的散热。
3.根据权利要求2所述的面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管，其特征在于，每个LDMOS单管(14)上，所述热电偶分别围绕源区金属极(12)、栅极多晶硅(5)、漏区金属极(13)排列并依次串联，形成三个热电偶模块(15)，且热电偶的一端靠近所在模块的电极，其另一端远离所在模块的电极。
4.根据权利要求3所述的面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管，其特征在于，每个热电偶模块(15)设置有两个热电偶引出极(16)，且3M个热电偶模块(15)通过金属连线(10)依次串联。
5.根据权利要求4所述的面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管，其特征在于，每个热电偶模块(15)包括12个串联的热电偶。
6.根据权利要求4所述的面向物联网的有热电转换的SOI基LDMOS功率管，其特征在于，通过检测串联后3M个热电偶模块(15)所产生的塞贝克压差来实现所述LDMOS功率管上热耗散功率的检测。
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