CN110828649B - 半导体制冷结构及其于smar温漂校正领域的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体制冷结构及其于SMAR温漂校正领域的用途。所述半导体制冷结构，包括主要由至少一个P型半导体和至少一个N型半导体电连接组成的回路，所述P型半导体包括一个以上共振态掺杂的P型AlGaN/GaN超晶格结构，所述超晶格结构所含受主包括Mg离子。本发明实施例提供的一种基于共振态掺杂实现的半导体制冷器，以P‑AlGaN/GaN超晶格阵列的方式来进行半导体制冷；其中，P‑AlGaN/GaN是基于共振态即自电离态进行的P‑N结超晶格结构，且不依赖其厚度的极化效应，且自电离效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体制冷器，特别涉及一种基于共振态掺杂实现的半导体制冷结构及其于SMAR温漂校正领域的用途，属于半导体技术领域。
背景技术
随着半导体材料的发展，传统的Si基功率器件的设计与制备工艺都逐渐完善，其性能已经接近材料特性所决定的理论极限。而Ⅲ族氮化物(如GaN)具有大禁带宽度(3.39eV)、高电子迁移率(2000cm2/Vs)、高击穿场强(3.3MV/cm)，耐高温(900℃以上)等优点，具有更高的Baliga品质因数和更优的Johnson品质因数(JFoM＝VSATEC/2π)，能够满足下一代电力电子系统对功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更高温度的工作的要求。
随着生长工艺与机理研究不断发展，器件性能也在逐步提高，但也存在一些亟待解决的问题，如在大功率器件封装时，会因散热问题出现比较明显的器件性能退化现象；比如MicroLED，因为发热问题导致发光效率难以达到要求，因此对于功率电子器件封装散热的问题的解决极有意义，最大限度的降温可以改善封装时电学性能的各项指标，在发光效率和热稳定性方面尤其明显。目前使用铜或铝合金被动式散热的结构对于上述问题的解决显得捉襟见肘，管道翅片式散热的结构并不适合，微通道散热又因其工艺难度的增加使得制造成本较高；因此功率电子器件呼唤新的散热方式。
SMR(固态装配型谐振器)组成的滤波器频率易受温度变化干扰使得滤波频段漂移，因此我们急需一种手段来屏蔽温度对其频率影响，保持频率稳定性，而市场上诸多散热装置是被动散热，因此新颖的半导体制冷作为主动散热渐渐成为大家追寻的方式；半导体制冷是基于PN结的帕尔贴效应来制冷的，然而现有的半导体制冷片由于P型掺杂浓度较低导致制冷效率较差，反而容易损耗电路，反而制热效率很高，实现P型材料的高空穴浓度是一个世界性的难题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于共振态掺杂实现的半导体制冷结构及其于SMAR温漂校正领域的用途，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种半导体制冷结构，包括主要由至少一个P型半导体和至少一个N型半导体电连接组成的回路，所述P型半导体包括一个以上共振态掺杂的P型AlGaN/GaN超晶格结构，所述超晶格结构所含受主包括Mg离子。
优选的，所述超晶格结构中Mg离子的掺杂浓度为1019cm-3以上。
在一些较为具体的实施方案中，所述P型半导体包括由n个所述P型AlGaN/GaN超晶格结构形成的阵列，其中，所述n＞0，优选的，0<n≤50。
在一些较为具体的实施方案中，所述P型AlGaN/GaN超晶格结构的厚度为10-30nm。
在一些较为具体的实施方案中，在所述P型AlGaN/GaN超晶格结构之中，由所述受主产生的自电离空穴浓度≥1018cm-3。
在一些较为具体的实施方案中，所述P型AlGaN/GaN超晶格结构包括一个以上AlGaN层和一个以上GaN层，所述AlGaN层和GaN层依次交替分布，其中所述AlGaN层的厚度为5-15nm，所述GaN层的厚度为5-15nm。
在一些较为具体的实施方案中，所述N型半导体包括Si掺杂的GaN。
优选的，所述N型半导体的制备方法包括：向GaN内注入Si，注入剂量为1×1015cm-2以上，注入温度为400-550℃，之后在1100℃以上的条件下退火激活。
更优选的，所述GaN的位错密度＜5×106cm-3，表面粗糙度＜0.2nm。
在一些较为具体的实施方案中，所述的半导体制冷结构包括多个N型半导体和多个P型半导体，其中一个N型半导体与相应的一个P型半导体的一端均与一金属导体电性接触，另一端均与另一金属导体电性接触。
进一步的，所述金属导体均设置在绝缘导热基底上。
本发明实施例还提供了一种共振态掺杂的P型AlGaN/GaN超晶格结构，所述超晶格结构的制备方法包括：
采用金属有机化合物化学气相沉淀的方式，于1000～1075℃生长GaN层，并在GaN层中掺入Si，之后于1100℃～1250℃温度条件下退火激活；其中，GaN层中Si的掺入剂量为1×1013cm-3～1×1014cm-3，注入温度为400-550℃；
采用金属有机化合物化学气相沉淀的方式，于1050℃～1150℃在所述GaN层上制作形成AlGaN层，并向所述AlGaN层生长中掺入Mg离子，Mg的掺杂浓度在1019～1020cm-3以上；生长结束后，于800℃～850℃条件下退火稳定90s。
本发明实施例还提供了一种共振态掺杂的P型AlGaN/GaN超晶格结构，一个以上AlGaN层和一个以上GaN层，所述AlGaN层和GaN层依次交替分布；所述超晶格结构所含的至少部分Mg受主能够在所述超晶格结构的带隙中发生自电离，从而使形成的空穴浓度大于1018cm-3。
本发明实施例还提供了一种封装结构，包括半导体器件和与半导体器件配合的散热结构，所述散热结构包括所述的半导体制冷结构。
本发明实施例还提供了一种应用于SMAR的散热组装结构，包括与SMAR和与半导体器件配合的散热模块，所述散热模块包括所述的半导体制冷结构。
在一些较为具体的实施方案中，所述SMAR包括依次设置在阻抗层上的第一电极、压电层和第二电极，所述阻抗层包括交替层叠的多个高阻抗层和多个低阻抗层；优选的，所述SMAR还包括导热衬底，所述阻抗层设置在衬底上，且所述衬底与所述半导体制冷结构固定连接。
本发明实施例还提供了一种半导体制冷结构，包括主要由至少一个P型半导体和至少一个N型半导体电连接组成的回路，所述P型半导体的制备方法包括：在压力为2.2MPa的条件下，对GaN进行Mg离子注入，并于1000～1500℃脉冲退火30min。
优选的，所述Mg离子的掺杂浓度为1019cm-3以上。
优选的，所述脉冲退火为周期脉冲，所述周期为10秒更为优选的，所述脉冲退火的过程包括：于1000℃条件下脉冲退火10秒，之后升温至1500℃脉冲退火10秒，之后再降温至1000℃退火处理10秒，之后再升温至1500℃脉冲退火10秒。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明实施例提供的一种基于共振态掺杂实现的半导体制冷器，以P-AlGaN/GaN超晶格阵列的方式来进行半导体制冷；其中，P-AlGaN/GaN是基于共振态即自电离态进行的P-N结超晶格结构，且不依赖其厚度的极化效应，且自电离效率较高；
2)本发明采用自电离态的半导体制冷器可以与SMAR(固态装配型谐振器)结合来校正温漂对频率；
3)本发明实施例提供的一种基于共振态掺杂实现的半导体制冷器的双向电源既可制冷也可制热，解决了固态装配谐振器这种平面结构能够面对外界温度忽高忽低的困难，且SMAR属于平面结构，易于超晶格结构结合。
附图说明
图1是一种固态装配型谐振器的结构示意图；
图2是本发明一典型实施案例中一种基于共振态掺杂实现的半导体制冷器的结构示意图；
图3是现有技术中一种P-AlGaN/GaN超晶格的机理图；
图4是本发明一典型实施案例中一种P-AlGaN/GaN超晶格的机理图；
图5是本发明实施例提供的一种P-AlGaN/GaN超晶格与现有技术中的一种P-AlGaN/GaN超晶格的自电离状态对比图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
帕尔贴效应：当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。
共振态：也叫自电离态，原子由于两个价电子被激发而产生的电离过程。具有两个以上电子的原子,由于受电子碰撞或吸收光子,可能有两个价电子同时跃迁到激发态，成为双重激发原子。如果其总激发能大于原子的第一电离电位，则此双重激发态将位于原子能级图的连续能谱区。这种双重激发原子可能是不稳定的，其中一个电子会返回基态，另一个电子则脱离原子成为自由电子，其动能等于总激发能与第一电离电位之差。
SMR(固态装配型谐振器)：薄膜体声波谐振器(FBAR)是一种通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波而形成谐振，这一谐振技术可以用来制作薄膜频率整形器件等先进元器件。还有一种方式是采用"声波镜"形成反射面来实现,这种结构被称为"固态装配谐振器(SMR)。
SMR这种谐振器在工作时经常会受到温度对其频率的影响使得其发生温漂，此时本发明利用共振态掺杂的P-AlGaN/GaN超晶格结构以及高温Si注入的n-GaN形成的PN结对其进行温漂修正，同时，采用双向电源进行升温和降温的测量修正，打开正方向电源时，冷端制冷，打开反向电源时进行制热，从而减少外界温度对其频率的影响。
共振态掺杂是指在超晶格结构中受主发生的自电离，使得Mg受主在超晶格结构的带隙中发生自电离从而产生较高的空穴浓度，由于其共振态掺杂的效果使得其在不用退火的情况下，空穴浓度可达1018cm-3，其机理与以往的AlGaN/GaN超晶格结构不同，这种结构不需要依赖厚度带来的极化效应，这种经过调制外延的单个超晶格结构的厚度只有10nm左右，其中的Mg离子会与N进行2p轨道之间的耦合，使Mg发生自电离，使得空穴浓度较高，这样形成的PN结有较大的电流，克服了市场上PN结电流密度低的缺点。
图1是SMR(固态装配型谐振器)的侧面结构图，所述的SMR(固态装配型谐振器)低阻抗层由溅射的Mo(厚度由需要决定)组成，高阻抗层由SiO2组成，下电极有溅射的MO组成，压电层由溅射的AlN组成，上电极由Ti/Au组成。
具体的，SMR(固态装配型谐振器)中下电极MO由溅射方式完成，厚度为200nm；压电层AlN的厚度大约250nm，由溅射方式完成，Ti/Au作为上电极，厚度为50nm/150nm；低阻抗层所用的MO以及高阻抗所生长的SiO2会根据声波在其中传播的速度的1/4而设定。
具体的，压电层即AlN层对MO层的压电效应会产生交变电场，交变电场引起机械振动，机械振动会产生机械波，并且空气中声波的速度只有340m/s，而压电层产生的声波速度大约是10400m/s，因此面对空气时相当于0阻抗。通过下面的阻抗层过滤掉所需的声波时，面对空气可以发生全反射，得到所需声波对应频率，但其会受温度的影响，因此才需要基于共振态掺杂的半导体制冷(制热)片来校正温漂对频率的影响。
请参阅图2，一种基于共振态掺杂实现的半导体制冷器包括两个绝缘陶瓷片04、与绝缘陶瓷片04紧贴的复数个金属导体03以及设置在两个金属导体03之间的P型半导体元件01和N型半导体元件02，所述P型半导体元件包括由复数个P-AlGaN/GaN超晶格结构或P-GaN/GaN超晶格结构组成的超晶格阵列，P-AlGaN/GaN超晶格结构包括一个以上的AlGaN层和一个以上的GaN层，所述AlGaN层和GaN层依次交替设置；或者，所述P-GaN/GaN超晶格结构包括两个以上依次叠层设置的GaN层；该超晶格阵列的数量可以是一个或者多个。所述N型半导体元件02为采用高温Si注入的GaN，其电子浓度会大大增加并且激活率可达90％以上，电子浓度可达1020cm-3；金属导体03的材质可以是金属铜或铜铝合金，厚度为1μm左右，绝缘陶瓷片04的厚度为2μm左右。
具体的，P-AlGaN/GaN超晶格结构为采用共振态掺杂获得的P形材料，由于其自电离空穴浓度可达1018cm-3，AlGaN厚度为5-15nm，GaN厚度为5-15nm，超晶格阵列中P-AlGaN/GaN超晶格结构的数量可达50个，总厚度可达500nm。
具体的，N型半导体元件02为Si高温注入的GaN，GaN中Si注入剂量为1×1015cm-2以上，由于GaN材料特性本身呈N型，并且经过400-500℃高温Si注入的GaN的电子浓度会大大增加，并且激活率可达90％以上，电子浓度可达1020cm-3，位错密度＜5×106cm-3，表面粗糙度＜0.2nm，且GaN材料有着禁带宽度大、热导率高、耐高温、抗辐射、耐酸碱、高强度和高硬度等特性，是现在世界上人们最感兴趣的半导体材料之一。
具体的，该绝缘陶瓷片04可以是五边形结构，目的是为了增大其接触面积，便于更好的传导热量，达到制冷的效果。
请参阅图3和图4，图3是现有技术中一种P-AlGaN/GaN超晶格的机理图，掺入Mg的激活能较低，Mg的电离效率会更高；图4是本发明一典型实施案例中一种超晶格结构P-AlGaN/GaN超晶格的机理图，较之如图3中所示的现有技术中一种P-AlGaN/GaN超晶格，本发明的AlGaN中掺入Mg离子形成P-AlGaN，且本发明的超晶格厚度薄；P-AlGaN/GaN超晶格结构由于其Mg受主在超晶格结构中的势垒较低，因此空穴的掺杂效率会较高；经过调制的p-AlGaN/GaN中Mg几乎没有任何势垒，因此可以发生自电离从而产生极高的空穴浓度；以及，Mg通过与GaN中N的2p轨道进行耦合从而产生自电离。
请参阅图5，基由Mg与N的2p轨道耦合，发生自电离，图4是本发明一典型实施案例中一种超晶格结构P-AlGaN/GaN超晶格结构的效率更高。
GaN属于第三代半导体，与第一二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.2eV)，亦被称为高温半导体材料。其优异的性能使其能在更苛刻的环境下工作，提高其工作效率。
具体的，一种基于共振态掺杂实现的半导体制冷器的制备方法可以包括：
1)制作P-AlGaN/GaN超晶格：采用金属有机化合物化学气相沉淀的方式，于1000～1075℃生长GaN层，并在GaN层中掺入Si，之后于1100℃～1250℃温度条件下退火激活；其中，GaN层中Si的掺入剂量为1×1013cm-3～1×1014cm-3，注入温度为400-550℃；
采用金属有机化合物化学气相沉淀的方式，于1050℃～1150℃在所述GaN层上制作形成AlGaN层，并向所述AlGaN层生长中掺入Mg离子，Mg的掺杂浓度在1019～1020cm-3以上；生长结束后，于800℃～850℃条件下退火稳定90s。
2)将P-AlGaN/GaN超晶格的两端与图形化的金属电极连接，金属电极可以是Ti(20nm)/Al(100nm)/Ti(20nm)/TiN(60nm)四层金属，之后于600℃、氮气氛围下退火90s；
3)上下两个金属电极的两端与导热性能较好、烧结的陶瓷薄片连接，陶瓷薄片大的厚度约500nm
本本发明实施例提供的一种基于共振态掺杂实现的半导体制冷器与SMAR的连接过程：通过在两个构件(半导体制冷器与SMAR)的连接处各生长1μm的Au并通过键合机加热到500℃进行键合，两者便可紧密连接并进行导热。
本发明实施例提供的半导体制冷器采用P-AlGaN/GaN的超晶格结构作为P型半导体元件，其机理是Mg离子在超晶格结构的能带中发生“自电离”，自电离态又叫共振态，这种自电离的方式相比于SiGe掺入Na离子这种能级跃迁发生电离方式是不同的，Mg在其特意调制掺杂的AlGaN/GaN超晶格结构中几乎是没有势垒的，其效率比SiGe的电离效率要高的多，并且，这种特意调制掺杂的P-AlGaN/GaN超晶格结构与以往的AlGaN/GaN超晶格结构不同，其不依赖于通常超晶格结构厚度的极化效应而产生少量的空穴。
其次，本发明实施例利用这种自电离的方式与SMAR(固态装配型谐振器)进行结合，来校正SMAR受到温度影响时其频率的不正常变化，SMAR(固态装配型谐振器)是通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波而形成谐振，这一谐振技术可以用来制作薄膜频率整形器件等先进元器件，其频率易受外界温度的影响，本发明通过双向电源既可以制冷校正温度过高对其频率的影响，又可以制热来校正温度过低对其频率的影响。
本发明实施例提供的一种基于共振态掺杂实现的半导体制冷器，以P-AlGaN/GaN超晶格阵列的方式来进行半导体制冷；其中，P-AlGaN/GaN是基于共振态即自电离态进行的P-N结超晶格结构，且不依赖其厚度的极化效应，且自电离效率较高；本发明采用自电离态的半导体制冷器可以与SMAR(固态装配型谐振器)结合来校正温漂对频率；本发明实施例提供的一种基于共振态掺杂实现的半导体制冷器的双向电源既可制冷也可制热，解决了固态装配谐振器这种平面结构能够面对外界温度忽高忽低的困难，且SMAR属于平面结构，易于超晶格结构结合。
具体的，SMAR只需以键合的方式放在所述基于共振态掺杂实现的半导体制冷器上面即可，这两种平面结构易于结合；组装后可实现对SMAR的外界温度范围调控，调控范围为-20℃～30℃。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种半导体制冷结构，包括主要由至少一个P型半导体和至少一个N型半导体电连接组成的回路，其特征在于：
所述P型半导体包括一个以上共振态掺杂的P型AlGaN/GaN超晶格结构，所述超晶格结构所含受主包括Mg离子，所述P型AlGaN/GaN超晶格结构包括一个以上AlGaN层和一个以上GaN层，所述AlGaN层和GaN层依次交替分布，所述共振态掺杂的P型AlGaN/GaN超晶格结构的制备方法包括：采用金属有机化合物化学气相沉淀的方式，于1000~1075℃生长GaN层，并在GaN层中掺入Si，之后于1100℃~1250℃温度条件下退火激活；其中，GaN层中Si的掺入剂量为1×1013cm-3~1×1014cm-3，注入温度为400-550℃；
采用金属有机化合物化学气相沉淀的方式，于1050℃~1150℃在所述GaN层上制作形成AlGaN层，并向所述AlGaN层生长中掺入Mg离子，Mg的掺杂浓度为1019~1020cm-3；生长结束后，于800℃~850℃条件下退火稳定90s。
2.根据权利要求1所述的半导体制冷结构，其特征在于：所述P型半导体包括由n个所述P型AlGaN/GaN超晶格结构形成的阵列，n＞0。
3.根据权利要求1或2所述的半导体制冷结构，其特征在于：所述P型AlGaN/GaN超晶格结构的厚度为10-30nm。
4.根据权利要求3所述的半导体制冷结构，其特征在于：在所述P型AlGaN/GaN超晶格结构所含的至少部分Mg受主能够在超晶格结构的带隙中发生自电离，由所述Mg受主产生的自电离空穴浓度≥1018cm-3。
5.根据权利要求1或2所述的半导体制冷结构，其特征在于：所述AlGaN层的厚度为5-15nm，所述GaN层的厚度为5-15nm。
6.根据权利要求1所述的半导体制冷结构，其特征在于：所述N型半导体包括Si掺杂的GaN。
7.根据权利要求6所述的半导体制冷结构，其特征在于：所述N型半导体的制备方法包括：向GaN内注入Si，注入剂量为1×1015cm-2以上，注入温度为400-550℃，之后在1100℃以上温度条件下退火激活。
8. 根据权利要求6所述的半导体制冷结构，其特征在于：所述GaN的位错密度＜5×106cm-3，表面粗糙度＜0.2 nm。
9.根据权利要求1所述的半导体制冷结构，其特征在于包括多个N型半导体和多个P型半导体，其中一个N型半导体与相应的一个P型半导体的一端均与一金属导体电性接触，另一端均与另一金属导体电性接触。
10.根据权利要求9所述的半导体制冷结构，其特征在于：所述金属导体均设置在绝缘导热基底上。
11.一种封装结构，包括半导体器件和与半导体器件配合的散热结构，其特征在于：所述散热结构包括权利要求1-10中任一项所述的半导体制冷结构。
12.一种应用于SMAR的散热组装结构，包括与SMAR和与半导体器件配合的散热模块，其特征在于：所述散热模块包括权利要求1-10中任一项所述的半导体制冷结构。
13.根据权利要求12所述的散热组装结构，其特征在于：所述SMAR包括依次设置在阻抗层上的第一电极、压电层和第二电极，所述阻抗层包括交替层叠的多个高阻抗层和多个低阻抗层。
14.根据权利要求13所述的散热组装结构，其特征在于：所述SMAR还包括导热衬底，所述阻抗层设置在衬底上，且所述衬底与所述半导体制冷结构固定连接。
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