Способ изготовления полупроводникового термоэлемента

(51) Н 011 35/28 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОИ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Белорусский национальный технический университет СЬ 1 чик Василий Андреевич (ВУ)(72) Авторы Сычик Василий Андреевич Шумило Виктор Степанович Шамкалович Владимир Иванович Калантаева Татьяна Владимировна (ВУ)(73) Патентообладатели Белорусский национальный технический университет Сычик Василий Андреевич (ВУ)Способ изготовления полупроводникового термоэлемента, включающий формирование п- и р-областей р-п-перехода и нанесение на его торцевые стороны омических контактов, отличающийся тем, что р-п-переход формируют в виде гетероперехода путем нанесения на металлическое основание с внешним выводом силЬнолегированного п-слоя из бинарного соединения Ап 1 Вт, наращивания на п-слое п-слоя из узкозонного бинарного соединения Ап 1 Вт, нанесения на п-слой варизонного слоя соединения Ап 1 хАп 21 ХВт с изменением параметра степени концентрации компонента в растворе х от 1 до 0 для снижения содержания компонента Ап 1, наращивания на варизонном слое р-слоя из широкозонного бинарного соединения Ап 2 Вт, наращивания на р-слое силЬнолегированного р-слоя из бинарного соединения Ап 2 Вт а на р-слой наносят металлический слой, на котором формируют внещний вывод.Изобретение относится К технологии формирования полупроводниковых термопреобразователей, функционирующих на эффекте Пельтье.Известен способ изготовления полупроводникового термоэлемента 1, включающий операции нанесения на подложку из анизотропного материала чередующих элементов из полупроводниковых материалов п-типа и р-типа, на которых формируют омические контакты. Через соответствующие промежуточные элементы к омическим контактам присоединяют металлические выводы. Такой способ изготовления не позволяет создавать полупроводниковый термоэлемент на основе р-п переходов, который обладает малой температурой охлаждения.Прототипом предлагаемого изобретения является способ формирования полупроводникового термоэлемента 2, который включает операции нанесения на ленту с проводящей полоской матрицы омических контактов, прикрепления матрицы контактов к изолирующей пластине, нанесения на р-области полупроводниковых р-п переходов омических контактов, формирования омических контактов на торцевых сторонах п-областей р-п переходов, прикрепления внешних выводов к омическим контактам р-п переходов.Недостатками способа прототипа являютсяа) в структуре устройства данным методом формируется р-п переход, потенциальный барьер которого незначителен (десятые доли эВ), поэтому изготовленный таким методом полупроводниковый термоэлемент будет обладать невысокой температурой охлажденияб) сложная технология формирования омических контактов к р-п областям перехода,включающая операции изготовления ленты с проводящей пленкой, нанесения на эту пленку матрицы омических контактов, прикрепления омических контактов к изолирующей пластине и посадку изготовленного р-п перехода на эти контактыв) невысокая стабильность работы полупроводникового термоэлемента, поскольку формирование омических контактов к р- и п-областям перехода включает много операций с высокотемпературным нагревом, что также создает возможность внесения загрязнений в р- и п-области и ухудшения электрических свойств термоэлементов.Техническим результатом изобретения является разработка способа получения полупроводникового термоэлемента на основе гетероперехода из бинарных соединений типа АпВш, что позволит существенно увеличить рабочую температуру охлаждения полупроводникового термоэлемента и повысить стабильность его работы.Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления полупроводникового термоэлемента, включающем формирование п- и р-областей р-п перехода и нанесение на его торцевые стороны омических контактов, - и р-п переход формируют в виде гетероперехода путем нанесения на металлическое основание с нешним выводом сильнолегированного п-слоя из бинарного соединения Ап 1 Вш, наращивания на п-слое п-слоя узкозонного бинарного соединения Ап 1 хАп 21 хВт с изменением параметра степени концентрации компонента в растворе х от 1 до О для снижения содержания компонента Ап 1, наращивания на р-слое сильнолегированного р-слоя из бинарного соединения Ап 2 Вт, а на р-слой наносят металлический слой, на котором формируют внешний вывод.Температура охлаждения полупроводникового термоэлемента на основе кремниевого р-п перехода, полученного способом-прототипом, не превышает -1 О С, а температура термоэлемента, на основе бинарных соединений АпВт, полученного предлагаемым способом,превышает -20 С, причем существенно улучшается стабильность работы термоэлемента.Технология изготовления полупроводникового термоэлемента.На заданный участок металлического основания, являющегося нижним электродом полупроводникового термоэлемента, методом эпитаксии из газовой фазы или молекулярно-лучевой эпитаксии наносят сильнолегированный п-слой п-области гетероперехода из бинарного соединения АпВш - узкозонного полупроводника. При формировании п-слоя молекулярно-лучевой эпитаксией температура нагрева металлического основания составляет 3 ОО 4 ОО С, а средняя скорость его наращивания с одновременным легированиемдонорной примесью до концентрации на 5 1020 см 3 составляет У 10 18 А/с. Затем после формирования п-слоя заданной толщины (О,2 О,4 мкм) снижают плотность потока легирующей примеси и наращивают оставшуюся п-область гетероперехода из бинарного соединения Ап 1 Вш, которая легирована донорной примесью с концентрацией на 5 (38)-1018 см 3.На п-области из бинарного соединения Ап 1 Вш формируют варизонный слой Ап 1 хАп 21 ХВШ посредством эпитаксии из газовой фазы или молекулярно-лучевой эпитаксией. Например, если п-область гетероперехода выполнена из узкозонного бинарного соединения 1 пА 5, а р-область гетероперехода выполнена из широкозонного бинарного соединения баАз, то варизонный слой реализуется структурой 1 пх 6 а 1 ХА 5, где х - параметр степени концентрации компонента в растворе, путем монотонного снижения интенсивности потока компонента Ап 1 от максимального значения до нуля и монотонного повышения интенсивности потока компонента Ап 2 от нуля до максимального значения. Параметр х изменяется от 1 до нуля. Режим формирования варизонного слоя Ап 1 ХАп 21 хВт из бинарного соединения молекулярно-лучевой эпитаксией температура нагрева п-области составляла 300400 С, средняя скорость наращивания варизонного слоя У 5 515 А/с. Варизоннь 1 й слой в процессе формирования акцепторной примесью с концентрацией На 10141015 см 3. Этот слой является промежуточным между п- и р-областями п-р гетероперехода, он обеспечивает соответствие в постоянных решеток р- и п-областей, а также плавность и непрерывность изменения ширины запрещенной зоны Е от значения Е 31 узкозонного полупроводника п-типа до значения Е 32 широкозонного полупроводника р-типа, то есть исключается появление разрывов валентной зоны и зоны проводимости и потенциальных барьеров для переноса электронов через гетеропереход.Наносят на сформированный варизонный слой Ап 1 хАп 21 ХВт посредством эпитаксии из газовой фазы или молекулярно-лучевой эпитаксии слой акцепторного полупроводника,то есть р-область гетероперехода из бинарного соединения Ап 2 Вт, который легируется в процессе роста акцепторной примесью с концентрацией На 5 1015.10 см 3. Режим формирования р-области гетероперехода молекулярно-лучевой эпитаксией температура нагрева металлического основания 300400 С, средняя скорость наращивания слоя у 21518 А/с.Наращивают на р-области гетероперехода сильнолегированный р-слой бинарного соединенияАп 2 Вт толщиной 0,10,3 мкм путем повышения плотности потока акцепторной примеси до получения в р-слое концентрации акцепторной примеси На 5 1020 см 3.Наносят на сформированный сильнолегированный р-слой р-области гетероперехода ионно-плазменным или электронно-лучевым распылением металлический слой, являющийся омическим контактом к р-слою. Осуществляют термоотжиг нанесенного металлического слоя в инертной среде в течение 10-15 мин при температуре 250300 С.Завершающей операцией изготовления полупроводникового термоэлемента является прикрепление к сформированному металлическому слою омического контакта внешнего электрического вывода.Изготовление полупроводникового термоэлемента типа п 1 пАз-руаг 1 пхба 1 хА 5-р 6 аА 5 предлагаемым способом осуществляют на установке молекулярно-лучевой эпитаксии в соответствии с представленным на чертеже (фигура).1. На алюминиевом основании 1 размеров 55 мм с внешним выводом и приготовленной путем шлифовки, полировки, обезжиривания рабочей поверхностью наносят электронно-лучевым испарением слой теллура толщиной 0,010,03 мкм при температуре алюминиевого основания 1 300 С.2. На алюминиевую подложку с подслоем теллура молекулярно-лучевой эпитаксией из двух источников наносят сильнолегированный п-слой 2 арсенида индия толщиной 0,2 мкм при температуре алюминиевого основания 1 350 С. Скорость наращивания п-слоя 2 под В 17007 С 12005.06.30держивают равной 15 А/с, при этом легирующей примесью является селен, а ее концентрацию в п-слое 2 обеспечивают на уровне 1020 см 3.3. Снижая плотность потока испаряемого селена, наращивают в едином цикле молекулярно-лучевой эпитаксией п-область 3 гетероперехода - термоэлектрического преобразователя, то есть слой арсенида индия легированного селеном с концентрацией донорной примеси Мб 5-1018 см 3 толщиной 0,5 мкм. Ширина запрещенной зоны 1 пА 5 Е 31 0,36 эВ.4. Наносят на п-область 3 посредством молекулярно-лучевой эпитаксии из трех источников варизоннь 1 й рт-слой 4 состава 1 пх 6 а 1 хА 5. Формирование руд-слоя 4 осуществляют при температуре алюминиевого основания 1 350 С и скорости наращивания 10 А/с. Слой 4 легируют кадмием-акцепторной примесью в процессе роста до концентрации На 5 1015 см-З, его толщина 0,3 мкм. Ширина запрещенной зоны руаГ-СЛОЯ 4 изменяется от 0,36 эВ до 1,43 эВ.5. Посредством молекулярно-лучевой эпитаксии наносят на сформированный варизонный слой 4 р-область 5 гетероперехода из бинарного соединения баАз толщиной 3 мкм. Процесс осуществляют из двух источников при температуре алюминиевого основания 1 350 С со средней скоростью 15 А/с. В процессе наращивания р-области 5 ее легируют акцепторной примесью-кадмием с концентрацией На 5 5-1016 см-З. Ширина запрещенной зоны р-области из баАз Ед 2 1,43 эВ.6. Формируют на р-области 5 сильнолегированный р-слой 6 молекулярно-лучевой эпитаксией путем повышения интенсивности потока легирующей примеси - кадмия. Температуру нагрева алюминиевого основания 1 поддерживают 350 С, скорость наращивания 15 А/с, а концентрацию р-слоя 6 обеспечивают на уровне На 5 1020 см 3. Толщина сформированного р-слоя 6 составляет 0,2 мкм.7. Наносят на сформированный р-слой 6 электронно-лучевым испарением при температуре алюминиевого основания 1 250 С последовательно подслой теллура толщиной 0,02 мкм, слой алюминия толщиной 1 мкм ислой никеля толщиной 0,5 мкм. Средняя скорость наращивания металлических слоев 60 А/с.8. Осуществляют термоотжиг нанесенного металлического слоя 7 типа теллуралюминий-никель в среде аргона в течение 15 мин при температуре 250 С.9. Методом пайки или термокомпрессионной сварки присоединяют к металлическому слою 7 внещний медный или алюминиевый вывод 8.Изготовленный предложенным способом полупроводниковый термоэлемент на основе бинарных соединений АпВт, представляющий гетеропереход типа 111 пА 5-раГ 1 пх 6 а 1 хА 5 рбаАз размером рабочей поверхности 55 мм обладает следующими параметрами напряжение питания 1,55 В рабочий ток 10 0,25 А предельная температура охлаждения поверхности термоэлемента - 24 С.Технико-экономические преимущества полупроводникового термоэлемента, полученного предлагаемым способом в сравнении с базовым устройством, полученным способомпрототипом1. Более чем в 2 раза возрастает предельная температура охлаждения поверхности термоэлемента.2. Более чем в 3 раза повышается стабильность работы полупроводникового термоэлемента.Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.