CN109037062B - 一种具有温差发电机构的iii-v hemt器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有温差发电机构的III‑V HEMT器件，包括源极、栅极、漏极、第一半导层、第二半导体层、第一金属层、N型热电材料、P型热电材料、第二金属层、第三金属层、电绝缘的热良导体散热层、电阻和二极管；而本发明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。
Description
技术领域
本发明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-V HEMT器件。
背景技术
III-V器件(以AlGaN/GaN HEMT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，本发明提出一种全新的思路-利用温差发电技术来回收废热，提高器件的工作效率。
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。同时，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，空穴将由热端扩散到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。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种具有温差发电机构的III-V HEMT器件，以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。
为实现上述发明目的，本发明将采用如下技术方案：
一种具有温差发电机构的III-V HEMT器件，包括源极、栅极、漏极、第一半导层、第二半导体层、第一金属层、N型热电材料、P型热电材料、第二金属层、第三金属层、电绝缘的热良导体散热层、电阻和二极管；
所述的第一半导体层下表面设有第二半导体层，所述的第二半导体层下表面设有多单元第一金属层，所述的每单元的第一金属层下表面的一侧设有一个N型热电材料，所述的每单元第一金属层下表面的另一侧设有一个P型热电材料，每个N型热电材料的下表面设有一个第二金属层，每个P型热电材料的下表面设有一个第三金属层，第二金属层和第三金属层下表面与电绝缘的热良导体散热层连接，所述源极、栅极、漏极均设在第一半导体层的上表面，且所述栅极处在所述源极和漏极之间；所述的多个第一金属层以及多个N型热电材料和多个P型热电材料形成多个单元，每个单元包括一个第一金属层和一个N型热电材料以及一个P型热电材料，每一个单元的P型热电材料下表面的第三金属层与上一个单元的N型热电材料下表面的金属相连，第一个单元N型热电材料下侧的第二金属层与源极相连，最后一个单元的P型热电材料下表面的第三金属层与电阻的一端连接，电阻的另一端与二极管的阳极连接，二极管的阴极与漏极连接，所述的第一半导体层与第二半导体层之间形成异质结，由于极化作用产生二维电子气；所述的源极与漏极通过二维电子气连接；所述栅极设置于源极与漏极之间，用于允许或阻碍二维电子气的通过；
作为优选，所述的第一半导体层的材料为GaN。
作为优选，所述的第二半导体层的材料为AlGaN。
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。
一种具有温差发电机构的III-V HEMT器件的发电方法，第一金属层与第二半导体层下表面相连，所以第一金属层最靠近沟道中的高温区域，第二金属层和第三金属层与电绝缘的热良导体散热层相接触，第一金属层的温度高于第二金属层和第三金属层；P型热电材料一端与第一金属层连接，另一端与第三金属层连接，N型热电材料一端与第一金属层相连，另一端与第二金属层连接，由于塞贝克效应，产生温差电动势，P型热电材料上带正电荷，N型热电材料上带负电荷，形成电势差，P型热电材料相当于温差发电机的正极，N型热电材料相当于温差发电机的负极；温差发电机构采用了级联的方式，每一个单元的负极和下一单元的正极相连，整个温差发电机构的负极和器件的源极相连，整个温差发电机构的正极通过保护电阻和二极管与器件的漏极相连，用于将热电发电机的电流输入至器件沟道中；在同样的源漏电压下，器件的源漏输出电流增大，当器件沟道被低于阈值电压的栅电压关断时，温差发电机构所产生的电流不会在源漏电极之间流动。
本发明的有益效果为：
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。而本发明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是本发明中一种具有温差发电机构的III-V HEMT器件的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
实施例1
本实施例的器件包括源极1、栅极2、漏极3、第一半导层4、位于第一半导体层4下表面的第二半导体层5、位于第二半导体层下表面的第一金属层6、位于第一金属层6下表面的N型热电材料7和P型热电材料8、位于N型热电材料下表面的第二金属9、位于P型热电材料8下表面的第三金属层10、位于第二金属9和第三金属层10下表面的散热层11。所述源极1、栅极2、漏极3均设在第一半导体层4的上表面，且所述栅极2处在所述源极1和漏极3之间。所述每一单元第一金属层6下表面为一对N型热电材料7和P型热电材料8，每一个第一金属层和一对的N型热电材料7和P型热电材料8形成一个单元。第一个单元的N型热电材料7下表面的金属9与源极1相连，最后一个单元的P型热电材料8下表面的第三金属层10通过二极管和电阻与漏极3相连，每一个单元的N型热电材料7下表面的第二金属9与下一单元P型热电材料8下表面的第三金属层10相连。
该发电机结构共有10个发电单元，每个发电单元包含一个P型热电材料和一个N型热电材料N型热电材料。P型和N型热电材料的厚度为20nm～1000nm厚。
在本实施例中，所述第二半导体层5下表面经过减薄处理，便于热量传导至温差发电机构。在本实施例中，第一半导体层4采用GaN制成，第二半导体层5采用AlGaN制成。第一半导体层4与第二半导体层5之间形成异质结，由于极化作用产生二维电子气(2DEG)12。所述源极1与漏极3通过二维电子气12连接。所述栅极2设置于源极1与漏极3之间，用于允许或阻碍二维电子气12的通过。源极1、漏极3采用Ti/Al/Ni/Au金属制作，栅极2可采用任意合适金属或其他材料制成。电阻13和二极管14采用商用器件管芯。
在本实施例中，P型热电材料8采用NaCo2O4，N型热电材料7采用SiGe。两种材料的制备方法采用射频磁控溅射等常规微电子工艺。
在本实施例中，第一金属层6采用金属Ag、第二金属9采用金属Cu和第三金属层10采用Cu-Mo合金制成，作为温差发电机的电极。
在本实施例中，散热层11采用BN复合陶瓷材料制成。所述BN复合陶瓷材料导热性能较好，且性价比较高，可以在低温或常温下通过磁控溅射方式获得。
本例的工作原理为：由于第一金属层6与下表面经过减薄处理的第二半导体层5相接触，非常靠近器件沟道中的高温区域，故第一金属层6的温度很高。第二金属层9和第三金属层10分别与散热层11相接触，由于散热层11的散热作用，使第二金属层9和第三金属层10温度较低。P型热电材料8和N型热电材料N型热电材料7通过与第一金属层6相连，由于塞贝克效应，产生温差电动势，所以第二金属层9上带负电荷，第三金属层10上带正电荷，形成电势差。由于一个单元形成的电势差很低，故采用多级串联的方式，除了末单元P型热电材料8下的第三金属层10外，每一单元P型热电材料8的第三金属层10均与下一单元N型热电材料N型热电材料7的第二金属层9相连，形成一个多级的温差发电机构。首单元N型热电材料下的第二金属层9为发电机的负极，与源极1相连。末单元P型热电材料下的第三金属层10为发电机的正极，通过电阻和二极管与漏极3相连，其中加入电阻为了防止电路短路，加入二极管是避免电流反流到温差发电机中，另外当整个HEMT器件的外加电压与温差发电机构所产生的电压不等时，电阻和二极管可以起到自动平衡电压的作用。温差发电机通过与源极1、漏极3的相连，将温差发电机产生的电流输入至器件的沟道中。因此，在同样的源漏电压下，器件的源、漏输出电流增大，起到了提高器件性能，减少能耗的作用。
最后应说明的是，以上实施方案仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述方案所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明装置方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种具有温差发电机构的III-V HEMT器件，其特征在于：包括源极、栅极、漏极、第一半导体层、第二半导体层、第一金属层、N型热电材料、P型热电材料、第二金属层、第三金属层、电绝缘的热良导体散热层、电阻和二极管；
所述的第一半导体层下表面设有第二半导体层，所述的第二半导体层下表面设有多个第一金属层，所述的第一金属层下表面的一侧设有一个N型热电材料，所述的第一金属层下表面的另一侧设有一个P型热电材料，每个N型热电材料的下表面设有一个第二金属层，每个P型热电材料的下表面设有一个第三金属层，第二金属层和第三金属层下表面与电绝缘的热良导体散热层连接，所述源极、栅极、漏极均设在第一半导体层的上表面，且所述栅极处在所述源极和漏极之间；所述的N型热电材料和P型热电材料形成多个单元，每个单元包括一个N型热电材料和一个P型热电材料，每一个单元的P型热电材料下表面的第三金属层与上一个单元的N型热电材料下表面的金属层相连，第一个单元N型热电材料下侧的第二金属层与源极相连，最后一个单元的P型热电材料下表面的第三金属层与电阻的一端连接，电阻的另一端与二极管的阳极连接，二极管的阴极与漏极连接，所述的第一半导体层与第二半导体层之间形成异质结，由于极化作用产生二维电子气；所述的源极与漏极通过二维电子气连接；所述栅极设置于源极与漏极之间，用于允许或阻碍二维电子气的通过。
2.根据权利要求1所述的一种具有温差发电机构的III-V HEMT器件，其特征在于：所述的第一半导体层的材料为GaN。
3.根据权利要求1所述的一种具有温差发电机构的III-V HEMT器件，其特征在于：所述的第二半导体层的材料为AlGaN。
4.根据权利要求1所述的一种具有温差发电机构的III-V HEMT器件，其特征在于：所述的P型热电材料采用NaCo2O4。
5.根据权利要求1所述的一种具有温差发电机构的III-V HEMT器件，其特征在于：所述的N型热电材料采用SiGe。
6.根据权利要求1所述的一种具有温差发电机构的III-V HEMT器件，其特征在于：所述的第一金属层采用金属Ag。
7.根据权利要求1所述的一种具有温差发电机构的III-V HEMT器件，其特征在于：所述的第二金属层采用金属Cu。
8.根据权利要求1所述的一种具有温差发电机构的III-V HEMT器件，其特征在于：所述的第三金属层采用Cu-Mo合金制成。
9.根据权利要求1所述的一种具有温差发电机构的III-V HEMT器件，其特征在于：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。
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2018
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