close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15174

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 15174
(13) C1
(19)
H 01L 35/28 (2006.01)
H 01L 31/04 (2006.01)
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОЛНЕЧНОГО
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ХОЛОДИЛЬНИКА
(21) Номер заявки: a 20080645
(22) 2008.05.21
(43) 2009.12.30
(71) Заявитель: Сычик Василий Андреевич (BY)
(72) Авторы: Латышев Сергей Викторович; Сычик Василий Андреевич (BY)
(73) Патентообладатель: Сычик Василий
Андреевич (BY)
(56) BY 9339 C1, 2007.
BY 9069 C1, 2007.
RU 2181468 C2, 2002.
JP 4280482 A, 1992.
JP 4343278 A, 1992.
BY 15174 C1 2011.12.30
(57)
Способ изготовления солнечного термоэлектрического холодильника, включающий
формирование термоэлектрического элемента, в котором на металлическом основании
формируют структуру из последовательно лежащих p+-слоя широкозонного полупроводника, p-слоя того же полупроводника, n-слоя узкозонного полупроводника, n-слоя того же
широкозонного полупроводника с концентрацией легирующей примеси, изменяющейся
от 1018 см-3 на контактирующей с узкозонным полупроводником нижней границе слоя до
нуля на верхней его границе, i-слоя и p+-слоя того же широкозонного полупроводника и
просветляющего слоя, а затем наносят на просветляющий слой металлический решетчатый омический контакт, который электрически соединяют с указанным металлическим
основанием.
Изобретение относится к технологии создания полупроводниковых термоэлектрических преобразователей на эффекте Пельтье, осуществляющих преобразование солнечной
энергии в минусовые температуры на выходе.
Известен способ изготовления термоэлектрического преобразователя [1], включающий
операции нанесения на подложку из анизотропного материала элементов полупроводни-
BY 15174 C1 2011.12.30
ков n-типа и p-типа, на которых формируют омические контакты. Через соответствующие
промежуточные элементы к омическим контактам присоединяют металлические выводы.
Такой способ изготовления термоэлектрического преобразователя не позволяет создавать
полупроводниковый термоэлектрический холодильник на основе p-n-переходов с высокой
температурой охлаждения.
Известен также способ формирования полупроводникового термоэлектрического холодильника [2] - прототип, который включает операции нанесения на ленту из проводящей
плоской матрицы омических контактов, прикрепления матрицы контактов к изолирующей
пластине, нанесения на p-области полупроводниковых p-n-переходов омических контактов, формирования омических контактов на торцевых сторонах n-областей p-n-переходов,
прикрепления внешних выводов к омическим контактам p-n переходов.
Недостатками способа-прототипа являются:
а) сложная технология формирования омических контактов к p- и n-областям перехода, включая операции изготовления ленты с проводящей пленкой, нанесения на эту пленку матрицы омических контактов, прикрепления омических контактов к изолирующей
пластине и посадку p-n-перехода на эти контакты;
б) в структуре устройства данным методом формируется p-n переход с незначительным потенциальным барьером (десятые доли эВ), поэтому изготовленный таким способом
термоэлектрический преобразователь будет обладать малой температурой охлаждения;
в) созданный таким способом термоэлектрический преобразователь не сможет осуществлять прямое преобразование солнечной энергии в холод.
Техническим результатом изобретения является разработка способа получения солнечного термоэлектирческого холодильника на основе двойной гетероструктуры, что позволит осуществить прямое преобразование солнечной энергии в холод, существенно
увеличить рабочую температуру охлаждения полупроводникового термоэлектрического
преобразователя и повысить стабильность его работы.
Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления солнечного термоэлектрического холодильника, включающий формирование термоэлектрического элемента, в
котором на металлическом основании формируют структуру из последовательно лежащих
p+-слоя широкозонного полупроводника, p-слоя того же полупроводника, n-слоя узкозонного проводника, n-слоя того же широкозонного полупроводника с концентрацией легирующей примеси, изменяющейся от 1018 см-3 на контактирующей с узкозонным полуроводником нижней границе слоя до нуля на верхней его границе, i-слоя и p+-слоя того же
широкозонного полупроводника и просветляющего слоя, а затем наносят на просветляющий слой металлический решетчатый омический контакт, который электрически соединяют с указанным металлическим основанием.
Технология изготовления термоэлектрического солнечного холодильника.
На заданный участок металлического основания с химически чистой поверхностью,
являющегося нижним электродом солнечного термоэлектрического холодильника, наносят методом электронно-лучевого испарения или ионно-плазменного распыления прослойку из кадмия толщиной 0,1 микрон. Температура нагрева металлического основания
составляет 300÷350 °С.
Методом эпитаксии из газовой фазы или молекулярно-лучевой эпитаксии наносят
легированный кадмием, акцепторной примесью монокристаллический слой широкозонного полупроводника - арсенида галлия (GaAs) p-типа проводимости с концентрацией
NA ≅ 5⋅1016 см-3, толщиной 3,5 мкм. Средняя скорость наращивания p-GaAs составляет
20÷30 Å/сек, а температура нагрева основания T = 300÷450 °С. Производят термоотжиг
металлического основания со сформированным p-слоем GaAs в течение 20 минут в среде
инертного газа - аргона при температуре 300÷450 °С для получения сильнолегированного
p+-слоя GaAs с концентрацией NA ≅ 3⋅1020 см-3, который является омическим контактом
широкозонного полупроводника p-GaAs.
2
BY 15174 C1 2011.12.30
На p-слой (область) GaAs методом эпитаксии из газовой фазы или молекулярнолучевой эпитаксии наносят эпитаксиальный слой узкозонного полупроводника - германия
Ge n-типа с одновременным его легированием мышьяком - донорной примесью с концентрацией ND ≅ 2⋅1018 см-3. Средняя скорость наращивания слоя n-Ge составляет 25÷35 Å/сек,
а температура нагрева основания T = 300÷450 °С. Толщина слоя n-Ge составляет 0,8 микрон.
Наносят методом молекулярно-лучевой эпитаксии или эпитаксии из газовой фазы
эпитаксиальный n-слой арсенида галлия - широкозонного полупроводника с переменной
концентрацией легирующей примеси - теллура по длине слоя от ND ≅ 2⋅1018 см-3 на границе с германием до ND ≅ 0 на глубине слоя 2,8 микрон. Режим формирования слоя широкозонного полупроводника n-GaAs молекулярно-лучевой эпитаксией: температура нагрева
основания T = 400÷450 °С, средняя скорость наращивания n-GaAs с переменной концентрацией донорной примеси Te составляет 15÷20 Å/сек, а поток атомов теллура изменяется
в течение формирования n-GaAs от плотности 1018 атом/см2 до нуля в конце процесса.
Продолжают наращивать методом молекулярно-лучевой эпитаксии слой собственного широкозонного полупроводника, нелегированный i-слой GaAs толщиной 0,8 микрон. Скорость наращивания i-слоя арсенида галлия составляет 25÷35 Å/сек при температуре
основания 300÷450 °С.
Формируют методом молекулярно-лучевой эпитаксии или эпитаксии из газовой фазы
сильнолегированный p+-слой широкозонного полупроводника GaAs на i-слое арсенида
галлия, легированный Cd-акцепторной примесью с концентрацией ND ≅ 3⋅1020 см-3, толщиной
0,1 микрон, который является омическим контактом к решетчатому верхнему металлическому контакту солнечного термоэлектрического холодильника p+-GaAs, осуществляют
при температуре основания 400÷450 °С со средней скоростью 20÷30 Å/сек.
На торцевую сторону солнечного термоэлектрического холодильника по периметру
наносят защитный диэлектрический слой диоксида кремния (SiO2) толщиной 1,0 микрон
методом реакции окисления силана кислородом: SiH4 + O2 SiO2 + 2H2 при температуре
процесса 400÷450 °С со средней скоростью 50÷100 Å/сек. Затем на всю поверхность
р+-слоя GaAs наносят методом реакции окисления силана с кислородом просветляющий
слой SiO2 толщиной 0,1 мкм при температуре процесса 400÷450 °С со средней скоростью
30÷50 Å/сек. С помощью оптической фотолитографии вытравливают окна-полоски в просветляющем слое для последующего нанесения решетчатого металлического верхнего
омического контакта.
Наносят на торцевую сторону солнечного термоэлектрического холодильника и всю
поверхность р+-слоя GaAs с просветляющим слоем SiO2 методом электронно-лучевого
испарения, или ионно-плазменного распыления проводящий металлический слой, выполненный структурой кадмий-алюминий-никель суммарной толщиной 1,0÷1,7 микрон.
В результате внешний решетчатый омический контакт электрически соединяется с металлическим основанием. Температура нагрева основания T = 300÷350 °С, скорость формирования металлического слоя составляет 60÷100 Å/сек.
Формируют с помощью оптической фотолитографии в нанесенном методом электронно-лучевого испарения металлическом слое проемы заданной конфигурации путем стравливания в них металла, то есть создают внешний решетчатый омический контакт в
солнечном термоэлектрическом холодильнике.
Завершающей операцией изготовления солнечного термоэлектрического холодильника
является термоотжиг сформированной структуры в инертной среде в течение 10÷15 минут
при температуре 300÷450 °С для создания надежных омических контактов к p+-слоям широкозонного полупроводника - арсенида галлия.
3
BY 15174 C1 2011.12.30
Пример.
Изготовление солнечного термоэлектрического холодильника, выполненного структурой i-nGaAs-nGe плавный изотипный гетеропереход - nGe-pGaAs резкий анизотропный
гетеропереход с омическими контактами, электрически соединенными с металлическим
основанием, в соответствии с представленной на фиг. 1 схемой.
1. На алюминиевом основании 1 размером 10x10 мм с внешним выводом и приготовленной путем шлифовки, полировки, обезжиривания рабочей поверхности наносят подслой кадмия толщиной 0,1 микрон при температуре алюминиевого основания 1 350 °С.
2. На алюминиевое основание 1 с подслоем кадмия молекулярно-лучевой эпитаксией
из двух источников наносят монокристаллический p-слой арсенида галлия 2, легированный кадмием с концентрацией NA ≅ 5⋅1016 см-3, толщиной 3,5 микрон. Скорость наращивания p-слоя GaAs поддерживают равной 20 Å/сек, а температуру нагрева основания
T = 400 °С.
3. Производят термоотжиг алюминиевого основания 1 p-слоем GaAs в течение 20 минут
в среде аргона при температуре 400 °С для получения сильнолегированного p+-слоя GaAs
3 с концентрацией NA ≅ 3⋅1020 см-3, являющегося омическим контактом к p-слою GaAs.
4. Наносят на p-слой GaAs 2 методом молекулярно-лучевой эпитаксии из двух источников эпитаксиальный слой германия 4 n-типа толщиной 0,8 мкм с одновременным его
легированием мышьяком до концентрации ND ≅ 2⋅1018 см-3. Средняя скорость наращивания слоя Ge 4 составляет 30 Å/сек, а температура нагрева алюминиевого основания 1 T = 400 °С.
5. Посредством молекулярно-лучевой эпитаксии из двух источников наносят эпитаксиальный n-слой GaAs 5 толщиной 2,8 микрон с переменной концентрацией донорной
примеси - теллура по толщине n-слоя GaAs 5 от плотности потока теллура 1018 атом/см2
до нуля в конце процесса формирования n-слоя GaAs 5. Температура нагрева алюминиевого основания T = 400 °С, скорость формирования n-слоя GaAs 5 составляет 20 Å/сек.
6. Продолжают наращивать на n-слое GaA 5 слой собственного полупроводника i-GaAs
6 молекулярно-лучевой эпитаксией из одного источника толщиной 0,8 микрон. Скорость
наращивания i-слоя GaAs 6 составляет 30 Å/сек при температуре алюминиевого основания 1 400 °С.
7. Формируют методом молекулярно-лучевой эпитаксии из двух источников на i-слое
GaAs 6 сильнолегированный p+-слой GaAs 7 путем повышения интенсивности потока легирующей примеси - кадмия. Температура нагрева алюминиевого основания 1 поддерживают 400 °С, скорость наращивания слоя 20 Å/сек, а концентрацию p+-слоя GaAs 6
обеспечивают на уровне NA ≅ 3⋅1020 см-3. Толщина сформированного p+-слоя GaAs 7 составляет 0,1 микрон.
8. На торцевую сторону сформированной структуры солнечного термоэлектрического
холодильника по периметру наносят защитный диэлектрический слой SiO2 8 толщиной
1,0 микрон методом реакции окисления силана кислородом при температуре процесса
400 °С со средней скоростью 50 Å/сек.
9. На всю поверхность p+-слоя GaAs 7 методом реакции окисления силана с кислородом наносят просветляющий слой 9 из SiO2 толщиной 0,1 микрон.
Температура процесса T = 400 °С, а скорость формирования просветляющего слоя 9
30 Å/сек.
10. С помощью оптической фотолитографии вытравливают в просветляющем слое 8
окна-полоски для последующего нанесения верхнего металлического контакта в солнечном термоэлектрическом холодильнике.
11. Наносят через металлическую маску на торцевую сторону солнечного электрического холодильника часть поверхности алюминиевого основания 1 и на p+-слой GaAs 7
электронно-лучевым испарением при температуре алюминиевого основания 1 300 °С металлический слой в виде структуры слой кадмия толщиной 0,05 микрон, слой алюминия
4
BY 15174 C1 2011.12.30
толщиной 1 микрон и слой никеля толщиной 0,5 микрон. Средняя скорость наращивания
металлического слоя 60 Å/сек.
12. Формируют с помощью оптической фотолитографии в металлическом слое 10
проемы заданной конфигурации путем стравливания металла через незащищенные фоторезисом его части до поверхности просветляющего слоя 9, то есть формируют верхний решетчатый омический контакт, который электрически связан с алюминиевым основанием 1.
13. Осуществляют термоотжиг нанесенного металлического слоя 10 типа кадмийалюминий-никель в среде аргона в течение 15 минут при температуре 300 °С для формирования надежных омических контактов к p+-слоям GaAs.
Изготовленный предложенным способом солнечный термоэлектрический холодильник, представляющий последовательно соединенные резкий гетеропереход pGaAs-nGe и
плавный гетеропереход n-Ge-nGaAs-iGaAs размером рабочей поверхности 10x10 мм при
интенсивности солнечного излучения с энергией 65 мВт/см2, позволяет получить предельную температуру охлаждения - (3÷5) °С; надежность безотказной работы устройства
составляет 105 часов.
Технико-экономические преимущества солнечного термоэлектрического холодильника, полученного предлагаемым способом, в сравнении с базовым устройством, полученным способом-прототипом:
1. Более чем в три раза с +10 до -3 °С возрастает предельная температура охлаждения
рабочей поверхности.
2. Более чем в два раза повышается стабильность работы солнечного термоэлектрического холодильника.
Источники информации:
1. Патент США 5022928, МПК5, H 01L 35/28, 1993.
2. Патент BY 9339 C1, 2007.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
185 Кб
Теги
by15174, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа