Способ изготовления полупроводникового терморезистора

 

Использование: изобретение относится к области электронной техники, в частности полупроводниковым терморезисторам. В способе изготовления полупроводникового терморезистора сначала выращивают термочувствительный элемент из монокристалла синтетического полупроводникового алмаза. Затем на нем как на затравке наращивают вокруг всего полупроводникового алмаза тонкий изолирующий слой синтетического диэлектрического алмаза. В последнем выполняют окна и через эти окна к полупроводниковому алмазу присоединяют электрические выводы с образованием высокотемпературных оммических контактов. Дополнительно на слой синтетического диэлектрического алмаза наращивают подогреватель в виде резистивного слоя полупроводникового вырожденного алмаза с электрическими выводами на наружных гранях. В резистивном слое выполняют окна напротив окон в слое диэлектрического алмаза. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области электронной техники, а более конкретно к полупроводниковым терморезисторам (ПТП), предназначенным для использования в качестве термочувствительных элементов датчиков контроля параметров внешней, в том числе агрессивной, среды (температуры, расхода жидкостей и газов, вакуума и др.), принцип действия которых основан на термохимических, термокондуктометрических и термоанемометрических и др. тепловых явлениях.

Известны ПТП на основе металлоксидных полупроводников, кремния и германия [1] Однако им присущ ряд недостатков: большие габариты (десятки мм), низкое быстродействие (постоянная времени единицы сек), низкие максимально допустимые рабочие температуры (до 150^oC), невозможность размещения непосредственно в агрессивных средах без защитных чехлов, что ограничивает применение ПТП в датчиках, особенно для тяжелых условий эксплуатации.

Известен способ изготовления полупроводников терморезистора, включающий выращивание монокристаллов синтетических полупроводникового и диэлектрического алмазов и подсоединение электрических выводов к полупроводниковому алмазу [2] Особенностями ПТП на алмазе являются малые массогабариты, высокое быстродействие и чувствительность, возможности работы при высоких рабочих температурах (до 500^oC). Однако наличие на грани алмаза резистивного слоя подогревателя не позволяет использовать высокую стойкость к агрессивным средам остальных материалов конструкции: алмаза и платиновых выводов и непосредственно размещать ПТП в агрессивных средах. Непосредственный контакт рабочего тела чувствительного элемента с окружающей средой приводит к нестабильности сопротивления в процессе эксплуатации, что ограничивает применение таких ПТП в датчиках.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение стойкости терморезистора к агрессивным средам за счет исключения непосредственного контакта рабочего тела чувствительного элемента с окружающей средой без увеличения массогабаритов и снижения стабильности сопротивления, чувствительности быстродействия.

Указанная задача достигается тем, что в способе изготовления полупроводникового терморезистора, включающем выращивание монокристаллов синтетических полупроводникового и диэлектрического алмазов и подсоединения электрических выводов к полупроводниковому алмазу, в отличие от известного способа по прототипу, сначала выращивают термочувствительный элемент из монокристалла синтетического полупроводникового алмаза, а затем на нем как на затравке наращивают вокруг всего полупроводникового алмаза изолирующий слой синтетического диэлектрического алмаза, причем в последнем выполняют окна, через которые присоединяют электрические выводы к полупроводниковому алмазу с образованием высокотемпературных оммических контактов.

А также тем, что дополнительно на слой синтетического диэлектрического алмаза наращивают подогреватель в виде резистивного слоя полупроводникового вырожденного алмаза с электрическими выводами на наружных гранях, причем в резистивном слое выполняют окна напротив окон в слое диэлектрического алмаза.

А также тем, что монокристалл синтетического полупроводникового алмаза выращивают в системе Ni Mn с легированием шихты примесями B, As, TiC в следующих соотношениях, мас. Ni 55 60; B 0,05 0,15; As 0,5 1,5; TiC 3 6; Mn остальное.

А также тем, что присоединение электрических выводов и вскрытие окон в диэлектрическом и резистивном слоях осуществляют импульсным лазерным излучением с ближним инфракрасным излучением с длительностью импульса 1 2 мкс и энергией (2 4)·10^-3 Дж/м².

А также тем, что длину волны импульсного лазерного излучения поддерживают равной 1,06 мкм.

А также тем, что при образовании омических контактов используют припой на основе меди, серебра, титана и олова, взятых в соотношении (1 1,5) (2 - 2,5) (1,05 1,5) (1,05 1,5) соответственно.

Таким образом, в качестве термочувствительного элемента используется монокристалл полупроводникового алмаза, а на его поверхности как на затравке выращивается тонкий слой монокристалла диэлектрического алмаза и тем самым формируется рабочее тело ПТП, защищенное слоем алмаза. Затем на такой кристалл наращивается второй тонкий слой низкоомного вырожденного полупроводникового алмаза, который после присоединения к противоположным граням выводов выполняет роль объемного резистора подогревателя. Омические контакты и выводы к термочувствительному элементу присоединяются через окна в наращенных слоях, вскрываемые с помощью лазерного излучения. Аналогичным образом присоединяются выводы к граням резистора подогревателя. Требуемое сопротивление подогревателя и при необходимости устранение закороток между слоем материала подогревателя и термочувствительного элемента осуществляется лазерным фрезерованием. Диэлектрический слой обеспечивает электрическую развязку термочувствительного элемента и подогревателя и их хороший тепловой контакт, устраняет непосредственный контакт поверхности термочувствительного элемента с окружающей средой (корпусирование) и тем самым повышает стабильность его сопротивления. Кроме того, объединение в едином монокристалле термочувствительного элемента, защитного покрытия и подогревателя повышает быстродействие по сравнению с любыми другими способами герметизации, а равенство коэффициентов температурного расширения всех частей такой конструкции обеспечивает высокую механическую прочность и герметичность в интервале рабочих температур 25 500^oC.

На фиг. 1 приведен поперечный разрез ПТП в плоскости присоединения выводов; на фиг. 2 поперечный разрез ПТП с подогревателем в виде резистивного слоя полупроводникового вырожденного алмаза со своими омическими контактами и выводами; на фиг. 3 зависимости электрического сопротивления ПТП (R, Ом) от тела подогревателя (I_n, мА) патентуемой конструкции (кривая 1) и конструкции по прототипу (кривая 2); на фиг. 4 интервалы разбросов величины электрических сопротивлений патентуемой конструкции (кривая 1), конструкции по прототипу (кривая 2) по результатам выдержки в электрическом режиме 150 мВт в течение 100 ч.

ПТП состоит (фиг. 1) из монокристалла полупроводникового алмаза 1, изолированного оболочкой диэлектрического алмаза 2, в которой выполнены окна 3. Через окна 3 к полупроводниковому алмазу 1 присоединены омические контакты 4 с выводами 5. На оболочке диэлектрического алмаза 2 может быть наращен (фиг. 2) подогреватель 6 в виде резистивного слоя полупроводникового вырожденного алмаза со своими омическими контактами 7 и выводами 8. В подогревателе 6 выполняют окна 9 напротив окон 3 для размещения омических контактов 4 с выводами 5 диэлектрического алмаза 2. На монокристалл полупроводникового алмаза р-типа проводимости кубического габитуса размером около 0,8·10^-3 м в камере высокого давления наращивается как на затравке слой толщиной 5 20 мкм диэлектрического алмаза, а затем слой толщиной 5 - 20 мкм сильнолегированного вырожденного полупроводникового р-типа алмаза. Технологические условия синтеза обеспечивают легирование (концентрацию бора и компенсирующей примеси азота) исходного алмаза затравки и резистивного слоя в зависимости от предъявляемых требований к параметрам термочувствительности элемента и подогревателя. Например, для величин номинальных сопротивлений 30 кОм и 100 Ом соответственно необходимые концентрации составляют: бора около 10¹⁹ м^-3 и 10²³ м^-3, азота менее 10¹⁹ м^-3. Выраженный характер электропроводности резистивного слоя обеспечивает незначительную температурную зависимость его сопротивления, близкую к металлической.

Монокристалл синтетического полупроводникового алмаза выращивают в системе Ni Mn с легированием шихты примесями B, As, TiC в следующих соотношениях, мас. Ni 55 60; B 0,05 0,15; As 0,5 1,5; TiC 3 6; Mn - остальное.

Использование легированной шихты со средним содержанием ингредиентов, т. е. Ni 57,5; As 1,0; B 0,1; TiC 4,5; Mn 36,9 мас. позволяет получить разброс кристаллов (отклонение от заданного значения электропроводности) равный ± 5% а использование шихты с другим содержанием ингредиентов в пределах указанных интервалов позволяет получить разброс кристаллов ± 8% что в несколько раз меньше по сравнению с техническим решением по прототипу, у которого этот параметр ± 20% (фиг. 4).

Вскрытие окон в слоях и присоединение выводов на средних режимах параметров лазерного излучения и средних значениях ингредиентов припоя в пределах указанных интервалов этих значений позволяет получить прочные омические контакты прочность на отрыв контакта равна 0,04 кг на один контакт, а осуществление присоединения на других режимах и с другим соединением ингредиентов припоя несколько снижает прочность присоединения выводов омическими контактами до 0,03 кг на один контакт, что тоже является вполне допустимым для успешного использования.

Размер навески электрического сплава выбирается в зависимости от диаметра окна так, чтобы после расплавления оно было полностью закрыто (фиг. 2). Лазерная технология позволяет получать сильно аморфинизированную структуру материала припоя, что обеспечивает его коррозионную стойкость, сопоставимую с алмазом. В зависимости от уровня легирования мелкой акцепторной примесью бором и степени компенсации фоновой глубокой донорной примеси азота, определяемыми прежде всего составом исходной шихты и режимом синтеза, номинальное сопротивление термочувствительного элемента выбирается в интервале 0,5 100 кОм.

Основные параметры предложенной конструкции ПТП: номинальное сопротивление при 25^oC в интервале 0,5 50 кОм при допуске ± 5% температурный коэффициент сопротивления 1,5 3,5/K; номинальное сопротивление подогревателя 50 500 Ом при допуске ± 10% диапазон рабочих температур 25 500^oC. Стойкость к агрессивным средам определяется стойкостью материалов выводов, которая довольно высокая в случае платины или никеля.

Быстродействие ПТП определяется величиной тепловой постоянной, которая примерно равна 50 мс, для обеих конструкций. Однако эта величина примерно в 5-10 раз меньше, если использовать для прототипа герметизацию в керамический корпус для обеспечения высокой стойкости к агрессивным средам. Таким образом, наличие диэлектрического слоя позволяет устранить непосредственный контакт термочувствительного элемента с окружающей средой и отказаться от дорогостоящих корпусов в ряде применений ПТП в датчиках, предназначенных для контроля параметров агрессивных сред.

Таким образом, наличие алмазного покрытия на термочувствительном элементе ПТП позволяет устранить непосредственный контакт термочувствительного элемента с окружающей средой, изолировать его от подогревателя, отказаться от дорогостоящих корпусов и, тем самым, сохранить высокое быстродействие и повысить стабильность ПТП на основе алмаза.

Испытания показали надежность предложенной конструкции и возможность ее использования в различных датчиках.

Формула изобретения

1. Способ изготовления полупроводникового терморезистора, включающий выращивание монокристаллов синтетических полупроводникового и диэлектрического алмазов и подсоединение электрических выводов к полупроводниковому алмазу, отличающийся тем, что сначала выращивают термочувствительный элемент из монокристалла синтетического полупроводникового алмаза, а затем на нем, как на затравке, наращивают вокруг всего полупроводникового алмаза изолирующий слой синтетического диэлектрического алмаза, причем в последнем выполняют окна, через которые присоединяют выводы к полупроводниковому алмазу с образованием высокотемпературных омических контактов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно на слой синтетического диэлектрического алмаза наращивают подогреватель в виде резистивного слоя полупроводникового вырожденного алмаза с электрическими выводами на наружных гранях, причем в резистивном слое выполняют окна напротив окон в слое диэлектрического алмаза.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что монокристалл синтетического полупроводникового алмаза выращивают в системе Ni Mn с легированием шихты примесями B, As, TiC в следующих соотношениях, мас.

Ni 55 60 B 0,05 0,15 As 0,5 1,5 TiC 3,6 Mn Остальное 4. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что присоединение выводов и вскрытие окон в диэлектрическом и резистивных слоях осуществляют импульсным лазерным излучением с ближним инфракрасным излучением, с длительностью импульса 1 2 мкс и энергией (2 4) · 10^-3 Дж/м².

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что длину волны импульсного лазерного излучения поддерживают равной 1,06 мкм.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при образовании омических контактов используют припой на основе меди, серебра, титана и олова, взятых в соотношении (1 1,5) (2 2,5) (1,05 1,5) (1,05 1,5) соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4