СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ТЕРМОРЕЗИСТОРА Российский патент 1997 года по МПК H01C13/00 

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.

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.

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.