CN102255037A - 半导体制冷器件 - Google Patents
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Abstract
一种半导体制冷器件，包括单晶硅、碲化钕化合层及矾化铊化合层；单晶硅呈薄片状，单晶硅表面设有一层保护层，通过高纯度的碲化钕的化合物及高纯度的矾化铊的化合物分别在单晶硅的两侧进行二次或多次掺杂，形成碲化钕化合层及矾化铊化合层，形成一个PN结。本发明采用高纯度的碲化钕化合物和高纯度的矾化铊化合物对硅片进行二次或多次掺杂，半导体制冷材料的优值系数达到98％以上，制成的半导体制冷器件单片达到几十伏的工作电压和在风冷状态下达到数百瓦的制冷功率，同时可以极大的提高“半导体制冷器件”的可靠性和稳定性，另外，可以将半导体制冷器件的生产合格率提高到了99.9％。
Description
技术领域
本发明涉及一种制冷器件，具体涉及一种半导体制冷器件。
背景技术
“半导体致冷器件”是一种固态器件，是一种节能减排的新型产品。它工作效率高，制冷效率达到95％以上，制热效率可以达到100％，目前还没有一种工作效率达到如此高的产品，起到了节约能源的效果；无污染、无噪音，达到真正的零排放的环保要求；不需要维护；安装使用简单方便；控制简单，只要控制“半导体致冷器件”的工作电流的大小，就可以控制制冷或制热的功率，改变“半导体致冷器件”的工作电压的极性就可以进行制冷或制热的转换；制冷或制热速度快，只有几秒钟的时间就可以达到制冷或制热的效果；冷热转换不需要等待，可以立即转换；冷热温差大，单极的冷热温差可以达到68℃左右，采用二级或多级可以达到更大的冷热温差。
目前，国内外早已有多家企业在生产半导体制冷器件，但是，由于半导体制冷器件的生产工艺的问题，使目前的半导体制冷效率在85％左右，半导体制冷器件的制冷功率(风冷)均在10W，最大为100W的水平，单极功率在0.5W左右，工作电压只有DC.0.15V左右。要组成工作电压为DC.24V，制冷功率为10W的半导体制冷器件就需要几千对的半导体制冷器件串并连组合成一个器件，制作工艺复杂，合格率低下，大约只有78％左右，因基本都是靠人工手工进行制作的，所以生产工作量大，器件性能不稳定，不可靠。因此，半导体制冷器件现在还不能直接使用在需求制冷功率大的产品上，如空调机/器、大容量冰箱等产品，也还没有采用风冷方式的半导体制冷器件在大功率制冷产品使用的相关资料出现。
传统的制冷器件通过用硒和锗对单晶硅的掺杂，并用硅和硒进行延伸，形成的制冷器件制冷效率低，制冷速度慢。
鉴于上述问题，本发明公开了一种半导体制冷器件。其具有如下文所述之技术特征，以解决现有的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体制冷器件，它能将上千至数万个器件集成制作在一片硅片上，并按照要求直接在硅片上进行串并联的连接，制成的半导体制冷器件单片达到几十伏的工作电压和在风冷状态下达到数百瓦的制冷功率，同时可以极大的提高“半导体制冷器件”的可靠性和稳定性，另外，可以将半导体制冷器件的生产合格率提高到了99.9％。
本发明半导体制冷器件的目的是通过以下技术方案实现的：一种半导体制冷器件，包括：单晶硅、碲化钕化合层及矾化铊化合层；所述的单晶硅呈薄片状，单晶硅表面设有一层保护层，通过高纯度的碲化钕的化合物及高纯度的矾化铊的化合物分别在单晶硅的两侧进行二次或多次掺杂，形成所述的碲化钕化合层及矾化铊化合层，形成一个PN结。
上述的半导体制冷器件，其中，所述的单晶硅的纯度大于等于99.95％。
上述的半导体制冷器件，其中，所述的碲化钕的纯度大于等于99.99％。
上述的半导体制冷器件，其中，所述的碲化钕化合层在单晶硅的一侧掺杂的厚度为单晶硅的厚度的49.999％-50％，且掺杂的浓度为35％-48％，形成的所述的碲化钕化合层作为半导体制冷器件的P型半导体。
上述的半导体制冷器件，其中，所述的矾化铊的纯度大于等于99.99％。
上述的半导体制冷器件，其中，所述的矾化铊化合层在单晶硅的另一侧掺杂的厚度为单晶硅的厚度的99.999％-50％，且掺杂的浓度为35％-48％，形成的所述的矾化铊化合层作为半导体制冷器件的N型半导体。
一种上述的半导体制冷器件的掺杂方法，其中，该方法至少包括如下步骤：
步骤1，在单晶硅的两侧表面注入杂质离子；
步骤2，在单晶硅的两侧表面进行退火，同时将杂质离子在单晶硅内再分布，恢复单晶硅因高能离子束撞击导致的晶格损伤。
上述的半导体制冷器件的掺杂方法，其中，所述的步骤1中还包括：
步骤1.1，在单晶硅的掺杂面上，杂质离子注入单晶硅的本体中；
步骤1.2，在非掺杂面上，杂质离子被单晶硅的表面的保护层屏蔽。
上述的半导体制冷器件的掺杂方法，其中，所述的步骤1中退火的温度范围为950℃-1050℃；退火的时间范围为25分钟-35分钟。
本发明半导体制冷器件由于采用了上述方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明半导体制冷器件采用高纯度的碲化钕化合物和高纯度的矾化铊化合物对硅片进行二次或多次掺杂，半导体制冷材料的优值系数达到98％以上；利用大规模集成电路的生产工艺将上千至数万个器件集成制作在一片硅片上，并按照要求直接在硅片上进行串并连的连接，使制成的半导体制冷器件单片达到几十伏的工作电压和在风冷状态下达到数百瓦的制冷功率，同时可以极大的提高“半导体制冷器件”的可靠性和稳定性，另外，可以将半导体制冷器件的生产合格率提高到了99.9％。
以下，将通过具体的实施例做进一步的说明，然而实施例仅是本发明可选实施方式的举例，其所公开的特征仅用于说明及阐述本发明的技术方案，并不用于限定本发明的保护范围。
附图说明
为了更好的理解本发明，可参照本说明书援引的以供参考的附图，附图中：
图1是本发明半导体制冷器件的结构示意图。
具体实施方式
根据本发明的权利要求和发明内容所公开的内容，本发明的技术方案具体如下所述。
请参见附图1所示，本发明半导体制冷器件包括单晶硅01、碲化钕化合层02及矾化铊化合层03；单晶硅01呈薄片状，单晶硅01表面设有一层保护层，通过高纯度的碲化钕的化合物及高纯度的矾化铊的化合物分别在单晶硅01的两侧进行二次或多次掺杂，形成碲化钕化合层02及矾化铊化合层03，形成一个PN结。
单晶硅01的纯度大于等于99.95％；碲化钕的纯度大于等于99.99％，碲化钕化合层02在单晶硅01的一侧掺杂的厚度为单晶硅01的厚度的49.999％-50％，且掺杂的浓度为35％-48％；矾化铊的纯度大于等于99.99％，矾化铊化合层03在单晶硅01的另一侧掺杂的厚度为单晶硅01的厚度的49.999％-50％，且掺杂的浓度为35％-48％；高纯度的碲化钕化合物及高纯度的矾化铊化合物对单晶硅01进行二次掺杂或多次掺杂。
单晶硅01、碲化钕化合层02及矾化铊化合层03构成的半导体制冷器件厚度范围约是1.5-2毫米，碲化钕化合层02作为半导体制冷器件的P型半导体，矾化铊化合层03作为半导体制冷器件的N型半导体。
本发明半导体制冷器件的掺杂方法如下：
掺杂时要求采用纯度为≥99.99％的氦气或氮气进行保护。为保证掺杂的均匀性应采用离子注入和退火再分布掺杂技术。离子注入是通过高能离子束轰击单晶硅01的表面，在掺杂面上，杂质离子被注入单晶硅01薄片本体，在其他部位，杂质离子被单晶硅01薄片表面的保护层屏蔽，完成选择掺杂的过程。进入单晶硅01薄片中的杂质离子在一定的位置形成一定的分布。通常，离子注入的深度(平均射程)较浅且浓度较大，必须重新使它们再分布。掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由注入杂质离子的数目(剂量)决定。同时，由于高能粒子的撞击，导致单晶硅01的硅结构的晶格发生损伤，为恢复晶格损伤，在离子注入后要进行退火处理，根据注入的杂质数量不同，退火温度在950℃～1050℃之间，退火时间大约在30min左右。在退火的同时，掺入的杂质同时向单晶硅01的硅体内进行再分布，如果需要，还要进行后续的高温处理以获得所需的结深和分布。掺杂的次数具体的生产设备而定，其目的是要达到掺杂的厚度和浓度。如果设备控制精度高，一般采用二次掺杂就可以达到所需要的掺杂的厚度和浓度，形成了一个PN结。
综上所述，本发明半导体制冷器件采用高纯度的碲化钕化合物和高纯度的矾化铊化合物对硅片进行二次或多次掺杂，半导体制冷材料的优值系数达到98％以上；利用大规模集成电路的生产工艺将上千至数万个器件集成制作在一片硅片上，并按照要求直接在硅片上进行串并连的连接，使制成的半导体制冷器件单片达到几十伏的工作电压和在风冷状态下达到数百瓦的制冷功率，同时可以极大的提高“半导体制冷器件”的可靠性和稳定性，另外，可以将半导体制冷器件的生产合格率提高到了99.9％。
上述内容为本发明半导体制冷器件的具体实施例的列举，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
Claims (9)
1.一种半导体制冷器件，其特征在于，包括：单晶硅(01)、碲化钕化合层(02)及矾化铊化合层(03)；所述的单晶硅(01)呈薄片状，单晶硅(01)表面设有一层保护层，通过高纯度的碲化钕的化合物及高纯度的矾化铊的化合物分别在单晶硅(01)的两侧进行二次或多次掺杂，形成所述的碲化钕化合层(02)及矾化铊化合层(03)，形成一个PN结。
2.根据权利要求1所述的半导体制冷器件，其特征在于：所述的单晶硅(01)的纯度大于等于99.95％。
3.根据权利要求1所述的半导体制冷器件，其特征在于：所述的碲化钕的纯度大于等于99.99％。
4.根据权利要求1所述的半导体制冷器件，其特征在于：所述的碲化钕化合层(02)在单晶硅(01)的一侧掺杂的厚度为单晶硅(01)的厚度的49.999％-50％，且掺杂的浓度为35％-48％，形成的所述的碲化钕化合层(02)作为半导体制冷器件的P型半导体。
5.根据权利要求1所述的半导体制冷器件，其特征在于：所述的矾化铊的纯度大于等于99.99％。
6.根据权利要求1所述的半导体制冷器件，其特征在于：所述的矾化铊化合层(03)在单晶硅(01)的另一侧掺杂的厚度为单晶硅(01)的厚度的49.999％-50％，且掺杂的浓度为35％-48％，形成的所述的矾化铊化合层(03)作为半导体制冷器件的N型半导体。
7.一种权利要求1所述的半导体制冷器件的掺杂方法，其特征在于：该方法至少包括如下步骤：
步骤1，在单晶硅(01)的两侧表面注入杂质离子；
步骤2，在单晶硅(01)的两侧表面进行退火，同时将杂质离子在单晶硅(01)内再分布，恢复单晶硅(01)因高能离子束撞击导致的晶格损伤。
8.根据权利要求7所述的半导体制冷器件的掺杂方法，其特征在于：所述的步骤1中还包括：
步骤1.1，在单晶硅(01)的掺杂面上，杂质离子注入单晶硅(01)的本体中；
步骤1.2，在非掺杂面上，杂质离子被单晶硅(01)的表面的保护层屏蔽。
9.根据权利要求7所述的半导体制冷器件的掺杂方法，其特征在于：所述的步骤1中退火的温度范围为950℃-1050℃；退火的时间范围为25分钟-35分钟。
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