Полупроводниковое изделие и заготовка для его изготовления

Изобретение относится к полупроводниковым изделиям из кристаллических материалов, предназначенным для термоэлектрических устройств, основанных на эффектах Пельтье и Зеебека, а именно термоэлектрических генераторов, охлаждающих и нагревательных устройств. Сущность: Полупроводниковое изделие имеет два параллельных плоских торца, предназначенных для соединения с электродами, и перпендикулярную им боковую поверхность с несколькими гранями. Изделие изготовлено из кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей плоскости спайности между слоями, перпендикулярные указанным параллельным плоским торцам, и имеет в сечении, параллельном указанным плоским торцам, форму многоугольника. Плоскости спайности между слоями кристаллического материала расположены параллельно диагонали многоугольника. Технический результат: изделие обладает повышенными прочностными качествами при оптимальном сочетании электрофизических и теплофизических свойств. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к полупроводниковой технике и, более конкретно, к полупроводниковым изделиям из кристаллических материалов, предназначенным для термоэлектрических устройств, основанных на эффектах Пельтье и Зеебека, а именно термоэлектрических генераторов, охлаждающих и нагревательных устройств.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны полупроводниковые изделия, преимущественно для термоэлектрических устройств, имеющие два, по существу, параллельных плоских торца, предназначенных для соединения с электродами, и, по существу, перпендикулярную им боковую поверхность с несколькими гранями, изготовленные из кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей плоскости спайности между слоями, по существу, перпендикулярные указанным параллельным плоским торцам, и имеющие в сечении, параллельном указанным плоским торцам, форму многоугольника, в частности - прямоугольника (RU 2120684 С1, 1998). В этих известных полупроводниковых изделиях все плоскости спайности между слоями кристаллического матриала расположены под углами не более 7° к параллельным боковым граням. Известны также аналогичные полупроводниковые изделия, в которых плоскости спайности между слоями кристаллического матриала расположены под углами не более 10° к параллельным боковым граням (WO 98/31056 А1, 1998, RU 2160484 C2, 2000).

Указанные известные полупроводниковые кристаллические изделия хрупки и могут растрескиваться по границам слоев кристаллического материала, проходящим по плоскостям спайности, не только под действием тепловых и механических напряжений, возникающих при работе термоэлектрических устройств, но также при транспортировке изделий до их установки в термоэлектрические устройства и при сборке термоэлектрических устройств. Если растрескивание указанных известных полупроводниковых кристаллических изделий, имеющих плоскости спайности между слоями кристаллического материала, расположенные перпендикулярно торцам, соединенным с электродами, после сборки не вызывает существенного ухудшения работы термоэлектрических устройств, то растрескивание таких изделий при транспортировке и сборке недопустимо.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание полупроводниковых изделий, преимущественно для термоэлектрических устройств, обладающих повышенными прочностными качествами, а также создание заготовок для изготовления таких полупроводниковых изделий.

Эта задача решена тем, что в полупроводниковом изделии, преимущественно для термоэлектрических устройств, имеющем два параллельных плоских торца, предназначенных для соединения с электродами, и перпендикулярную им боковую поверхность с несколькими гранями, изготовленном из кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей плоскости спайности между слоями, перпендикулярные параллельным плоским торцам, и имеющем в сечении, параллельном плоским торцам, форму многоугольника, согласно изобретению плоскости спайности между слоями кристаллического материала расположены параллельно диагонали указанного многоугольника. Такое выполнение уменьшает возможность растрескивания полупроводникового изделия и повышает его прочность.

Углы многоугольника, расположенные против диагонали, могут быть скруглены. Такое выполнение дополнительно уменьшает возможность растрескивания полупроводникового изделия.

Боковая поверхность полупроводникового изделия может быть свободна от разрушающей обработки и может быть покрыта электроизоляционным материалом.

На параллельные плоские торцы полупроводникового изделия может быть нанесено электропроводное покрытие.

Заготовка для изготовления полупроводниковых изделий, преимущественно для термоэлектрических устройств, выполненная из кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей плоскости спайности между слоями, согласно изобретению выполнена в виде стержня с прямолинейной осью, имеющего боковую поверхность с несколькими гранями и имеющего в сечении, перпендикулярном оси стержня, форму многоугольника, при этом плоскости спайности между слоями кристаллического материала расположены параллельно оси стержня и параллельно диагонали многоугольника.

Углы многоугольника, расположенные против его диагонали, могут быть скруглены.

Боковая поверхность заготовки может быть покрыта электроизоляционным материалом.

Далее настоящие изобретения раскрыты на примерах осуществления с ссылками на приложенные чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На приложенных чертежах изображено:

на фиг 1 - вид сбоку первого варианта полупроводникового изделия согласно настоящему изобретению;

на фиг.2 - сечение А-А на фиг 1;

на фиг.3 - вид сбоку второго варианта полупроводникового изделия согласно настоящему изобретению;

на фиг.4 - сечение В-В на фиг 3;

на фиг.5 - заготовка для изготовления полупроводникового изделия согласно настоящему изобретению, первый вариант - общий вид;

на фиг.6 - сечение С-С на фиг 5;

на фиг.7 - заготовка для изготовления полупроводникового изделия согласно настоящему изобретению, второй вариант - общий вид;

на фиг.8 - сечение D-D на фиг 7.

на фиг.9 - форма (контейнер) для получения заготовки, показанной на фиг.5, в продольном разрезе;

на фиг.10 - разрез Е-Е на фиг.9.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Показанное на фиг.1 полупроводниковое изделие 1а (первый вариант), предназначенное для термоэлектрических устройств (не показаны), имеет два параллельных плоских торца 2 и 3 и перпендикулярную им боковую поверхность 4. Торцы 2 и 3 предназначены для соединения с электродами термоэлектрического устройства (не показаны). В поперечном сечении А-А, параллельном торцам 2 и 3 (фиг.2), полупроводниковое изделие 1а имеет форму многоугольника, а именно - четырехугольника (на фиг.2 показан квадрат, однако полупроводниковое изделие 1а в поперечном сечении А-А может иметь другую форму, например форму прямоугольника с разными по длине сторонами или параллелограмма, а том числе ромба - на чертежах не показаны). Боковая поверхность 4 имеет четыре грани 5а, 5b, 5c, 5d.

Полупроводниковое изделие la изготовлено из кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей между слоями 6а, 6b, 6с, 6d, 6е, 6f плоскости спайности 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, которые перпендикулярны торцам 2 и 3 и расположены параллельно диагонали 8 четырехугольника, показанной пунктирной линией (фиг.2) и проходящей между углами 9а, 9с четырехугольника. Два остальных угла 9b, 9d четырехугольника, расположенные против диагонали 8, скруглены (фиг.2). На фиг.2 условно показаны шесть слоев кристаллического материала, из которого изготовлено полупроводниковое изделие 1а, однако количество слоев кристаллического материала может быть иным (на фиг.2 не показано).

Боковая поверхность 4 полупроводникового изделия 1а свободна от разрушающей обработки и покрыта слоем 10 электроизоляционного материала (фиг.2). На торцы 2, 3 полупроводникового изделия 1а нанесено электропроводное покрытие 11a, 11b.

Показанное на фиг.3 полупроводниковое изделие 1b (второй вариант), предназначенное для термоэлектрических устройств (не показаны), имеет два параллельных плоских торца 2 и 3 и перпендикулярную им боковую поверхность 4. Торцы 2 и 3 предназначены дня соединения с электродами термоэлектрического устройства (не показаны). В поперечном сечении В-В, параллельном торцам 2 и 3 (фиг.4), полупроводниковое изделие 1b имеет форму многоугольника, а именно - шестиугольника. Боковая поверхность 4 имеет шесть граней 5а, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f. Полупроводниковое изделие 1b изготовлено из кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей между слоями 6а, 6b, 6с, 6d, 6е, 6f плоскости спайности 7а, 7b, 7c, 7d, 7e, которые перпендикулярны торцам 2 и 3 и расположены параллельно диагонали 8 шестиугольника, показанной пунктирной линией (фиг.4) и проходящей между углами 9а, 9d четырехугольника. Четыре остальных угла 9b, 9с, 9е, 9f шестиугольника, расположенные против диагонали 8, скруглены (фиг.4). На фиг.4 условно показаны шесть слоев кристаллического материала, из которого изготовлено полупроводниковое изделие 1b, однако количество слоев кристаллического материала может быть иным (на фиг.4 не показано).

Боковая поверхность 4 полупроводникового изделия 1b свободна от разрушающей обработки и покрыта слоем 10 электроизоляционного материала (фиг.4). На торцы 2, 3 полупроводникового изделия 1b нанесено электропроводное покрытие 11а, 11b.

Показанная на фиг.5 заготовка 12а для изготовления первого варианта полупроводникового изделия 1а выполнена в виде стержня с прямолинейной осью 13. В поперечном сечении С-С, перпендикулярном оси 13 (фиг.6), стержень 12а имеет форму многоугольника, а именно четырехугольника (на фиг.6 показан квадрат, однако стержень 12а в поперечном сечении С-С может иметь другую форму, например прямоугольника или ромба, не показаны).

Стержень 12а имеет боковую поверхность 4 с четырьмя гранями 5а, 5b, 5с, 5d (фиг.6). Заготовка 12а выполнена из кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей между слоями 6а, 6b, 6с, 6d, 6е, 6f плоскости спайности 7а, 7b, 7c, 7d, 7e, которые расположены параллельно оси 13 и параллельно диагонали 8 четырехугольника, показанной пунктирной линией (фиг.6) и проходящей между углами 9а, 9с четырехугольника. Два остальных угла 9b, 9d четырехугольника, расположенные против диагонали 8, скруглены (фиг.6). На фиг.6 условно показаны шесть слоев кристаллического материала, из которого изготовлена заготовка 12а, однако количество слоев кристаллического материала может быть иным (на фиг.6 не показано).

Боковая поверхность 4 заготовки 12а покрыта слоем 10 электроизоляционного материала (фиг.6).

Показанная на фиг.7 заготовка 12b для изготовления второго варианта полупроводникового изделия 1b выполнена в виде стержня с прямолинейной осью 13. В поперечном сечении D-D, перпендикулярном оси 13 (фиг.8), стержень 12b имеет форму многоугольника, а именно - шестиугольника. Стержень 12b имеет боковую поверхность 4 с шестью гранями 5а, 5b, 5 с, 5d, 5е, 5f (фиг.8). Заготовка 12b выполнена из кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей между слоями 6а, 6b, 6с, 6d, 6е, 6f плоскости спайности 7а, 7b, 7c, 7d, 7e, которые расположены параллельно оси 13 и параллельно диагонали 8 шестиугольника, показанной пунктирной линией (фиг.8) и проходящей между углами 9а, 9d шестиугольника. Четыре остальных угла 9b, 9с, 9е, 9f шестиугольника, расположенные против диагонали 8, скруглены (фиг.8). На фиг.8 условно показаны шесть слоев кристаллического материала, из которого изготовлено полупроводниковое изделие 1b, однако количество слоев кристаллического материала может быть иным (на фиг.8 не показано).

Боковая поверхность 4 заготовки 12b покрыта слоем 10 электроизоляционного материала (фиг.8).

Полупроводниковые изделия la, lb изготовляют следующим образом.

Сначала из кристаллического материала изготовляют заготовки 12а, 12b, имеющие заданную ориентацию слоев материала вдоль осей 13 и относительно диагоналей 8.

Для этого используют контейнер, показанный на фиг.9.

Контейнер 14 образован двумя частями 14а, 14b, имеющими стык по плоскости 15 (фиг.9 и 10). В каждой части 14а, 14b контейнера 14 выполнены выемки 16а, 16b, образующие полость 16, имеющую в поперечном сечении форму, соответствующую форме поперечного сечения заготовки 12а или 12b. Для получения заготовки 12а выемки 16а, 16b имеют в поперечном сечении форму треугольников, как показано на фиг.10, для получения заготовки 12b выемки 16а, 16b имеют в поперечном сечении форму трапеции (не показано на чертежах).

Кроме того, в одной части контейнера 14 выполнена выемка, образующая затравочную полость 17, и в другой части контейнера выполнена выемка, образующая литниковый канал 18, с которым соединена загрузочная полость 19.

Размер затравочной полости 17 в направлении, перпендикулярном плоскости 15, намного меньше, чем размеры полости 17 в остальных направлениях, например, при толщине полости 17 в направлении, перпендикулярном плоскости 15, равной 0,2 мм, ее протяженность в остальных направлениях составляет около 10 мм.

В загрузочную полость 19 контейнера 14 помещают исходный материал 21 для получения заготовки 12а или 12b. Контейнер 14 помещают в камеру (не показана на чертежах), в которой находятся нагреватели 20а, 20b, 20с, 20d. Камеру заполняют инертной средой под давлением, близким к атмосферному. Температуру в камере повышают до температуры большей, чем температура плавления загруженного материала 21, в результате чего он расплавляется и заполняет полость 16 и затравочную полость 17. Затем изменяют температуру нагревателей 20а, 20b, 20с, 20d таким образом, что происходит кристаллизация материала в полости 16 в направлении от затравочной полости 17 к литниковому каналу 18 со скоростью, не превышающей 0,1 мм/мин.

В результате получают заготовки 12а или 12b со слоистой структурой, имеющей между слоями 6а, 6b, 6с, 6d, 6е, 6f плоскости спайности, которые расположены параллельно оси 13 и параллельно диагонали 8 (фиг.2 и 8).

Боковую поверхность 4 заготовок 12а, 12b без дополнительной обработки, которая может разрушить наружный слой кристаллического материала, покрывают электроизоляционным материалом 10. Затем заготовки 12а, 12b разрезают перпендикулярно осям 13 на части и наносят на торцы этих частей электропроводное покрытие 11a, 11b.

Описанные полупроводниковые изделия, изготовленные из описанных заготовок, обладают повышенными прочностными качествами при оптимальном сочетании электрофизических и теплофизических свойств.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Изобретение может быть применено в термоэлектрических генераторах, термоэлектрических охлаждающих и нагревательных устройствах, а также в измерительных и иных устройствах.

1. Полупроводниковое изделие, преимущественно, для термоэлектрических устройств, имеющее два, по существу, параллельных плоских торца, предназначенных для соединения с электродами, и, по существу, перпендикулярную им боковую поверхность с несколькими гранями, изготовленное из кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей плоскости спайности между слоями, по существу, перпендикулярные указанным параллельным плоским торцам, и имеющее в сечении, параллельном указанным плоским торцам, форму многоугольника, отличающееся тем, что указанные плоскости спайности между слоями кристаллического материала расположены, по существу, параллельно диагонали указанного многоугольника.

2. Полупроводниковое изделие по п.1, отличающееся тем, что углы указанного многоугольника, расположенные против указанной диагонали, скруглены.

3. Полупроводниковое изделие по п.1, отличающееся тем, что его указанная боковая поверхность свободна от разрушающей обработки.

4. Полупроводниковое изделие по п.1, отличающееся тем, что его указанная боковая поверхность покрыта электроизоляционным материалом.

5. Полупроводниковое изделие по п.1, отличающееся тем, что на его указанные параллельные плоские торцы нанесено электропроводное покрытие.

6. Заготовка для изготовления полупроводниковых изделий, преимущественно, для термоэлектрических устройств, выполненная из кристаллического материала со слоистой структурой, имеющей плоскости спайности между слоями, отличающаяся тем, что она выполнена в виде стержня с, по существу, прямолинейной осью, имеющего боковую поверхность с несколькими гранями и имеющего в сечении, перпендикулярном указанной оси стержня, форму многоугольника, при этом указанные плоскости спайности между слоями кристаллического материала расположены, по существу, параллельно указанной оси стержня и параллельно диагонали указанного многоугольника.

7. Заготовка по п.6, отличающаяся тем, что углы указанного многоугольника, расположенные против указанной диагонали, скруглены.

8. Заготовка по п.6, отличающаяся тем, что ее указанная боковая поверхность покрыта электроизоляционным материалом.