DE102007010577A1 - Method for manufacturing thermoelectric element, involves arranging electrical contact of electrically conductive contact material at thermoelectric material - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes sowie ein thermoelektrisches Bauelement.The The invention relates to a method for producing a thermoelectric Component and a thermoelectric device.
Aus dem Stand der Technik sind thermoelektrische Bauelemente bekannt, die als Kühler (Peltierkühler) oder Thermogeneratoren in verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt werden. Beispielsweise werden thermoelektrische Kühler zum Kühlen von Computerprozessoren verwendet.Out the prior art thermoelectric components are known as coolers (Peltier coolers) or thermal generators be used in various fields of technology. For example be thermoelectric cooler for cooling Computer processors used.
Insbesondere
sind miniaturisierte thermoelektrische Bauelemente bekannt, die
Abmessungen im Bereich von einigen Mikrometern aufweisen. Ein derartiges
thermoelektrisches Bauelement ist z. B. in der
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, ein thermoelektrisches Bauelement mit verbessertem Wirkungsgrad sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen thermoelektrischen Bauelementes anzugeben.The The problem underlying the present invention is that a thermoelectric device with improved efficiency and a method for producing such a thermoelectric Specify component.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 16 sowie durch ein thermoelektrisches Bauelement mit den Merkmalen der Ansprüche 38 oder 41 gelöst. Besonders bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This Problem is solved by a method having the features of the claims 1 or 16 and by a thermoelectric device with the Characteristics of claims 38 or 41 solved. Especially preferred developments of the invention are in the dependent Claims specified.
Danach wird ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes angegeben, wobei an einem thermoelektrischen Material mindestens ein elektrischer Kontakt angeordnet wird, der Bismut und Gold aufweist.After that is a method of manufacturing a thermoelectric device indicated, wherein on a thermoelectric material at least placing an electrical contact comprising bismuth and gold.
Hiermit wird ein elektrischer Kontakt zum elektrischen Kontaktieren des thermoelektrischen Material eines thermoelektrischen Bauelementes ermöglicht, der einen im Ver gleich zu herkömmlichen elektrischen Kontakten für thermoelektrische Materialien reduzierten Kontaktwiderstand (Übergangswiderstand zwischen dem thermoelektrischen Material und dem Material des elektrischen Kontaktes) aufweist.Herewith is an electrical contact for electrically contacting the thermoelectric material of a thermoelectric device allows the one in comparison to conventional electrical Reduced contacts for thermoelectric materials Contact resistance (contact resistance between the thermoelectric Material and the material of the electrical contact).
Es sei erwähnt, dass allgemein unter einem thermoelektrischen Material ein Material verstanden wird, das einen im Vergleich mit anderen Materialien hohen thermoelektrischen Koeffizienten aufweist, also eine vergleichsweise hohe Temperaturdifferenz bezogen auf eine an das Material angelegte Spannung erzeugen kann. Dabei liegt insbesondere ein Seebeck-Koeffizient von größer als 50 μV/K vor. Besonders vorteilhaft sind thermoelektrische Materialien der Hauptgruppen V/VI und IV/VI.It it should be mentioned that generally under a thermoelectric Material is understood as a material that compares to a material other materials has high thermoelectric coefficients, ie a comparatively high temperature difference relative to one the material can generate applied voltage. This is in particular a Seebeck coefficient of greater than 50 μV / K in front. Thermoelectric materials are particularly advantageous Main groups V / VI and IV / VI.
Des weiteren wird darauf hingewiesen, dass mit der Formulierung, dass der elektrische Kontakt z. B. Bismut und Gold „aufweist" insbesondere der Fall erfasst ist, dass der Kontakt im Wesentlichen nur diese Materialien aufweist, d. h. aus diesen Materialien gebildet ist. Der elektrische Kontakt erstreckt sich bevorzugt angrenzend zu dem thermoelektrischen Material.Of Further, it is noted that with the wording that the electrical contact z. B. bismuth and gold "has" In particular, the case is recorded that the contact is essentially only has these materials, d. H. formed from these materials is. The electrical contact preferably extends adjacent to the thermoelectric material.
Ein niederohmiger Kontaktwiderstand zum thermoelektrischen Material ist für die Kühlleistung (wenn das thermoelektrische Bauelement als Kühler betrieben wird) bzw. für den Wirkungsgrad für die Konversion von Temperaturdifferenzen (Wärmeströme) in Strom (Thermogenerator) eines thermoelektrischen Bauelementes von wesentlicher Bedeutung. Dies ist dadurch bedingt, dass bei einem Stromfluss durch das thermoelektrische Material neben der in dem Volumenbereich des thermoelektrischen Materials abfallenden Joulschen Wärme (~ R·I2, R: Volumenwiderstand des thermoelektrischen Materials; I: Stromstärke durch das Material) eine zusätzliche Joulsche Wärme aufgrund des elektrischen Kontaktwiderstandes zwischen dem Kontaktmaterial und dem thermoelektrischen Material entsteht. Diese zusätzlich durch den Kontaktwiderstand hervorgerufene Joulsche Wärme ist proportional zu 2·Rc·I2 (Rc: Kontaktwiderstand), wobei der Faktor 2 daher rührt, dass in einem thermoelektrischen Bauelement zum Beschalten des thermoelektrischen Materials zwei Kontakte notwendig sind. Somit hängt die an den Kontakten erzeugte Joulsche Wärme proportional vom Kontaktwiderstand ab. Die aufgrund des Kontaktwiderstands hervorgerufene zusätzliche Joulsche Wärme wiederum reduziert die Kühlleistung bzw. die Konversion Wärmestrom zu elektrischer Energie eines thermoelektrischen Bauelementes.A low-resistance contact resistance to the thermoelectric material is for the cooling performance (when the thermoelectric device is operated as a cooler) and for the conversion efficiency of the temperature differences (heat flows) into electricity (thermal generator) of a thermoelectric device essential. This is due to the fact that in a current flow through the thermoelectric material in addition to the falling in the volume range of the thermoelectric material Joule heat (~ R · I 2 , R: volume resistivity of the thermoelectric material, I: current through the material) additional Joule heat due the electrical contact resistance between the contact material and the thermoelectric material is formed. This Joule heat, which is additionally caused by the contact resistance, is proportional to 2 * R c * I 2 (R c : contact resistance), the factor 2 stemming from the fact that two contacts are necessary in a thermoelectric device for connecting the thermoelectric material. Thus, the Joule heat generated at the contacts depends proportionally on the contact resistance. The additional Joule heat caused by the contact resistance in turn reduces the cooling capacity or the conversion of heat flow to electrical energy of a thermoelectric component.
Ein besonders große Rolle spielt der Kontaktwiderstand bei miniaturisierten thermoelektrischen Bauelementen. In diesen Bauelementen ist das Volumen des thermoelektrischen Materials geringer als bei üblichen thermoelektrischen Bauelementen, weshalb das ther moelektrische Material einen geringeren elektrischen (Volumen-) Widerstand aufweist. Der Kontaktwiderstand verringert sich dagegen nur in dem Maße, wie sich die Kontaktfläche zwischen dem thermoelektrischen Material und dem elektrischen Kontakt verringert. Die Kontaktfläche in miniaturisierten Bauelementen ist zumeist jedoch nur unwesentlich kleiner als in nicht-miniaturisierten Bauelementen, so dass der Kontaktwiderstand in miniaturisierten Bauelementen einen größeren Anteil am Gesamtwiderstand des Bauelementes ausmacht. Dies insbesondere, wenn das Bauelement zur Miniaturisierung im Wesentlichen in einer Richtung (die Höhe) verkleinert wird (wie z. B. in vertikalen thermoelektrischen Bauelementen), während die Grundfläche gleich bleibt. Hier reduziert sich zwar der Serienwiderstand des thermoelektrischen Materials proportional zur Höhe, der Kontaktwiderstand bleibt jedoch konstant.A particularly important role is played by contact resistance in miniaturized thermoelectric devices. In these devices, the volume of the thermoelectric material is lower than conventional thermoelectric devices, which is why the ther moelectric material has a lower electrical (volume) resistance. On the other hand, the contact resistance decreases only as the contact area between the thermoelectric material and the electrical contact decreases. The contact area in miniaturized components is, however, only insignificantly smaller than in non-miniaturized components, so that the contact resistance in miniaturized components accounts for a larger proportion of the total resistance of the component. This is especially true if the miniaturization device is substantially reduced in one direction (the height) (such as in vertical thermoelectric devices) while the footprint remains the same. Here, although the series resistance of the thermoelectric material is reduced in proportion to the height, the contact resistance remains constant.
Für thermoelektrische Bauelemente, die aus Massivmaterialien hergestellt werden, spielen die elektrischen Übergangswiderstände zwischen dem aktiven thermoelektrischen Material und dem Kontaktmaterial aufgrund des im Verhältnis zum Kontaktwiderstand hohen Volumenwiderstands des thermoelektrischen Materials eine geringere Rolle. So können kommerziell erhältliche Bauelemente bereits bei einem Kontaktwiderstand im Bereich zwischen 10–9 bis 10–10 Ωm2 ihre typischen Leistungsparameter erreichen.For thermoelectric devices made from bulk materials, the electrical contact resistances between the active thermoelectric material and the contact material play less of a role due to the high volume resistivity of the thermoelectric material relative to the contact resistance. Thus, commercially available components can achieve their typical performance parameters even with a contact resistance in the range between 10 -9 to 10 -10 Ωm 2 .
Wie oben ausgeführt, weisen miniaturisierte thermoelektrische Bauelemente aufgrund ihres geringeren Volumens einen deutlich geringeren Eigenwiderstand des thermoelektrischen Materials als nicht-miniaturisierte Bauelemente auf, weshalb der Kontaktwiderstand eine größere Rolle spielt. Mit den Materialien, die bisher zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes zu einem thermoelektrischen Material bei konventionellen oder kommerziellen Bauelementen verwendet werden (mit denen – wie erwähnt – Kontaktwiderstände im Bereich von 10–9 bis 10–10 Ωm2 realisierbar sind), lassen sich lediglich verkleinerte Bauelemente herstellen, die nur einen Bruchteil der theoretisch möglichen Leistung (d. h. der erreichbaren Temperaturdifferenz bzw. der Kühlleistungsdichte im Falle eines Peltierkühlers) aufweisen. Angestrebt werden für derartige miniaturisierte thermoelektrische Bauelemente spezifische Kontaktwiderstände im Bereich zwischen 10–11 bis 10–12 Ωm2.As stated above, miniaturized thermoelectric devices have a significantly lower intrinsic resistance of the thermoelectric material than non-miniaturized devices due to their smaller volume, so that the contact resistance plays a greater role. With the materials that have hitherto been used for making electrical contact with a thermoelectric material in conventional or commercial components (with which - as mentioned - contact resistances in the range of 10 -9 to 10 -10 Ωm 2 can be realized), can only be reduced Produce components that have only a fraction of the theoretically possible power (ie the achievable temperature difference or the cooling power density in the case of a Peltier cooler). The aim is for such miniaturized thermoelectric devices specific contact resistance in the range between 10 -11 to 10 -12 Ωm 2 .
Dies kann mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Kontakt, der durch das Verbinden des Bismut aufweisenden Materialbereiches mit dem Gold aufweisenden Materialbereich hergestellt wird, erreicht werden.This can with the electrical contact according to the invention, the material region comprising the bismuth achieved with the gold-containing material area achieved become.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung weist der elektrische Kontakt zusätzlich Zinn auf. Beispielsweise wird auf einer Bismutschicht eine Gold-Zinn-Schicht erzeugt. Der Kontakt kann insbesondere im Wesentlichen aus Bismut-Gold-Zinn gebildet sein.In A preferred variant of the invention has the electrical contact additionally tin on. For example, on a bismuth layer produces a gold-tin layer. The contact can be especially in Essentially made of bismuth gold-tin.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das thermoelektrische Material an einem ersten Substrat angeordnet und zum Erzeugen des elektrischen Kontaktes erfolgen die folgenden Schritte:
- – Erzeugen eines ersten Materialbereiches auf dem thermoelektrischen Material;
- – Erzeugen eines zweiten Materialbereiches an einem zweiten Substrat;
- – Erzeugen des elektrischen Kontaktes an dem thermoelektrischen Material durch zumindest abschnittsweises Verbinden des ersten Materialbereiches mit dem zweiten Materialbereich.
- - generating a first material region on the thermoelectric material;
- Creating a second material region on a second substrate;
- - Generating the electrical contact to the thermoelectric material by at least partially connecting the first material region with the second material region.
In einer bevorzugten Variante erfolgt das Verbinden des ersten Materialbereichs mit dem zweiten Materialbereich unter Temperaturerhöhung der beiden Materialbereiche, d. h. mittels eines Temperschrittes. Vorteilhaft ist, wenn der erste Materialbereich zusätzlich Gold aufweist oder durch eine Schichtfolge Bismut-Gold-Zinn gebildet ist oder eine derartige Schichtfolge aufweist.In In a preferred variant, the joining of the first material region takes place with the second material area under temperature increase the two material areas, d. H. by means of a tempering step. It is advantageous if the first material area additionally Gold or formed by a layer sequence bismuth gold-tin or has such a layer sequence.
Des Weiteren kann der erste Materialbereich Bismut und/oder Gold, insbesondere in Form von Materialschichten, aufweisen. Zusätzlich weist der erste Materialbereich optional auch Zinn, insbesondere eine Zinnschicht auf. Der erste Materialbereich kann auch aus den genannten Materialien gebildet sein, d. h. im Wesentlichen diese Materialien aufweisen.Of Furthermore, the first material region can be bismuth and / or gold, in particular in the form of material layers. Additionally points the first material region optionally also tin, in particular a Tin layer on. The first material area can also be mentioned from the Be formed materials, d. H. essentially these materials exhibit.
Vorteilhafterweise wird Gold als Schutzschicht auf Bismut verwendet. Die Dicke der Schutzschicht kann hierbei derart gewählt sein, dass die Schutzschicht vor dem Inverbindungbringen des ersten Materialbereiches mit dem zweiten Materialbereich im Wesentlichen verbraucht ist („Opferschicht"). Die Schutzschicht weist beispielsweise eine Dicke im Bereich von ca. 5–50 nm auf.advantageously, Gold is used as a protective layer on bismuth. The thickness of the Protective layer may in this case be chosen such that the protective layer before bringing the first material area into contact with the second material area is substantially consumed ("sacrificial layer") Protective layer has, for example, a thickness in the range of about 5-50 nm.
Besonders bevorzugt wird mit einem ersten Materialbereich, der eine Bismutschicht und darüber eine Gold-Zinn-Mischschicht aufweist, ein Temperschritt durchgeführt. Die Gold-Zinn-Mischung wird gegen den Gold aufweisenden (z. B. aus einer Goldschicht mit einer Dicke von einigen um bestehenden) zweiten Materialbereich gelötet (Gold-Zinn-Gold-Lötung).Especially preferred is with a first material region containing a bismuth layer and having a gold-tin mixed layer above, an annealing step carried out. The gold-tin mixture will go against the gold having (for example, a gold layer having a thickness of some soldered to existing) second material area (gold-tin-gold soldering).
Eine Gold-Zinn-Mischschicht kann, z. B. durch Sputtern mit einem Gold/Zinn-Target oder durch (Ko-)Elektronenstrahlverdampfen, bei dem gleichzeitig Gold und Zinn verdampft werden. Die Gold-Zinn-Schicht kann hierbei unmittelbar auf der Bismutschicht oder z. B. auch auf einer oberhalb der Bismutschicht vorhandenen Goldschicht erzeugt werden.A Gold-tin mixed layer can, for. B. by sputtering with a gold / tin target or by (co-) electron beam evaporation in which simultaneously Gold and tin are evaporated. The gold-tin layer can here directly on the bismuth layer or z. B. also on an above the Bismuth layer existing gold layer can be generated.
In einer anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das thermoelektrische Material ein Material der Hauptgruppen V–VI oder IV–VI auf, das p- oder n-dotiert sein kann. In einer Ausführungsform wird als thermoelektrisches Material Bismuttellurid, insbesondere eine (Bi1-x Sbx)2 Te3-Verbindung, verwendet. Aus dem Bismut aufweisenden elektrischen Kontakt interdiffundiert (insbesondere bei Temperatureinwirkung etwa durch Tempern) Tellur aus dem Bismuttellurid mit dem Bismut des elektrischen Kontaktes, so dass sich am Übergang vom thermoelektrischen Material zum elektrischen Kontakt eine im Vergleich mit dem Volumen des thermoelektrischen Materials bismutreiche (und somit p-dotierte) Bismuttellurid-Schicht (Bi1-x Tex-Schicht) bildet. Aufgrund der Tellurverarmung bzw. der Bismutanreicherung am Übergang zum elektrischen Kontakt entsteht ein Übergang von einem hochdotierten p-Halbleiter zu dem elektrischen Kontakt, wodurch ein abrupter Übergang (bezogen auf die Ladungsträgerkonzentration) zwischen dem thermoelektrischen Halbleiter und dem Kontaktmaterial vermieden und somit der gewünschte niederohmige Kontaktwiderstand ermöglicht wird. Ein analoger Mechanismus ergibt sich bei Verwendung eines anderen V–VI-Materials (z. B. Bismutselenid oder Antimontellurid).In another preferred embodiment of the invention, the thermoelectric material comprises a material of the main groups V-VI or IV-VI, which may be p- or n-doped. In one embodiment, bismuth telluride, in particular a (Bi 1-x Sb x ) 2 Te 3 compound, is used as the thermoelectric material. From the bismuth having electrical contact interdiffused (especially at temperature effect as by annealing) tellurium from the bismuth telluride with the bismuth of the electrical contact, so that at the transition from the thermoelectric material to the electrical contact in comparison with the volume of the thermoelectric material bismutreiche (and thus p-doped) bismuth telluride layer (Bi 1-x Te x layer). Due to the tellurium depletion or the bismuth enrichment at the transition to the electrical contact, a transition from a highly doped p-type semiconductor to the electrical contact occurs, thereby avoiding an abrupt transition (based on the charge carrier concentration) between the thermoelectric semiconductor and the contact material and thus the desired low-resistance contact resistance is possible. An analogous mechanism results when using a different V-VI material (eg, bismuth selenide or antimony telluride).
Das verwendete thermoelektrische Material weist z. B. eine Bandlücke im Bereich von ca. 100 meV bis 400 meV auf; insbesondere bei Verwendung im Raumtemperaturbereich. Als n-leitendes Material wird z. B. eine Bi2(Te1-x Sex)3-Verbindung und für p-leitende Bereiche des thermoelektrischen Materials beispielsweise eine (Bi1-x Sbx)2 Te3-basierende Verbindung verwendet.The thermoelectric material used has z. B. a band gap in the range of about 100 meV to 400 meV; especially when used in the room temperature range. As n-conductive material is z. B. a Bi 2 (Te 1-x Se x ) 3 compound and for p-type regions of the thermoelectric material, for example, a (Bi 1-x Sb x ) 2 Te 3 -based compound used.
Je nach gewünschter Einsatztemperatur können den n-leitenden Materialien Anteile von Antimon im Metalluntergitter bzw. den p-leitenden Materialien Anteile von Selen im Chalkogen-Untergitter zur Optimierung zugesetzt werden. Die im thermoelektrischen Material nötige Ladungsträgerkonzentration wird entweder durch Fremddotierung und/oder durch den Chalkogengehalt (d. h. durch die Eigendotierung) der Materialien eingestellt. Charakteristisch ist bei den V–VI-Materialien, dass ein Chalkogenüberschuss ein n-leitendes Material, ein Chalkogenmangel dagegen zu einem p-leitenden Material führt.ever according to the desired operating temperature can n-type materials proportions of antimony in the metal substructure or the p-type materials shares of selenium in the chalcogen sublattice to Optimization can be added. The thermoelectric material necessary carrier concentration will either by external doping and / or by the chalcogen content (i.e. self-doping) of the materials. Characteristic is at the V-VI materials that a chalcogen surplus an n-type material, a chalcogen deficiency on the other hand to a p-type Material leads.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes vorgesehen, wobei an einem thermoelektrischen Material ein elektrischer Kontakt in Form eines Platin aufweisenden Materialbereiches erzeugt wird.In A second aspect of the invention is a method of manufacturing a thermoelectric device provided, wherein on a thermoelectric material is an electrical contact in the form of a Platinum having material area is generated.
Der Platin aufweisende Materialbereich ist insbesondere im Wesentlichen aus Platin gebildet und wird z. B. in Form einer Platinschicht erzeugt. Zudem kann sich der Platin aufweisende Materialbereich angrenzend an das thermoelektrische Material erstrecken. Das Erzeugen des Materialbereiches erfolgt bevorzugt durch einen Vakuumprozess, wie z. B. Sputtern, thermisches Aufdampfen oder Elektronenstrahlaufdampfen.Of the In particular, platinum-containing material region is substantially made of platinum and z. B. generated in the form of a platinum layer. In addition, the platinum having material area adjacent extend to the thermoelectric material. Creating the material area is preferably carried out by a vacuum process, such. Sputtering, thermal evaporation or electron beam evaporation.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens des zweiten Erfindungsaspektes wird mit dem Platin aufweisenden Materialbereich ein Temperschritt durchgeführt, d. h. die Temperatur im Bereich des Platin aufweisenden Materialbereiches zeitlich begrenzt erhöht wird. Insbesondere wird beim Tempern der Platin aufweisende Materialbereich auf eine Temperatur zwischen 200 und 300°C erwärmt.In a particularly preferred embodiment of the method of the second Invention aspect is with the platinum having material area Tempering performed, d. H. the temperature in the area the platinum-containing material area increased in time becomes. In particular, when annealing the platinum having material area heated to a temperature between 200 and 300 ° C.
Auch für derartige Kontakte wurden niederohmige Kontaktwiderstände im Bereich zwischen 10–11 und 10–12 Ohm m2 gemessen (per TLM-Verfahren). Als thermoelektrisches Material wird bevorzugt wiederum ein V–VI-Material (z. B. Bismuttellurid) verwendet, wobei sich zwischen dem V–VI-Material und dem Platin-Kontakt Phasen ausbilden. Diese Phasen besitzt einen spezifischen elektrischen Widerstand, der wesentlich geringer ist als der des thermoelektrischen V–VI-Materials selbst.Low-resistance contact resistances in the range between 10 -11 and 10 -12 ohm m 2 were also measured for such contacts (by TLM method). As the thermoelectric material, a V-VI material (eg, bismuth telluride) is again preferably used, whereby phases are formed between the V-VI material and the platinum contact. These phases have a resistivity substantially lower than that of the V-VI thermoelectric material itself.
Gleichzeitig ist vorteilhaft, dass die im Bereich der Grenzfläche zwischen dem elektrischen Kontakt und dem thermoelektrischen Material gebildete Phasen gleichzeitig auch als Diffusionsbarriere zwischen dem thermoelektrischen Material und weiteren Materialien wirkt, die auf dem Platin aufweisenden Materialbereich deponiert werden, wie z. B. weitere Metallschichten oder auch thermoelektrisches Material.simultaneously is advantageous that in the area of the interface between the electrical contact and the thermoelectric material formed Phases at the same time as a diffusion barrier between the thermoelectric Material and other materials that have on the platinum acts Material area are deposited, such. B. more metal layers or else thermoelectric material.
In einer bevorzugten Weiterbildung weist der Platin aufweisende Materialbereich zusätzlich Titan auf. Insbesondere wird der Materialbereich durch eine Schichtfolge Titan-Platin-Titan-Platin gebildet oder weist eine derartige Schichtfolge auf. Mit einer derartigen Schichtfolge wird bevorzugt ebenfalls ein Temperschritt, wie oben erläutert, durchgeführt.In In a preferred development, the platinum-containing material region in addition titanium on. In particular, the material area formed by a layer sequence of titanium-platinum-titanium-platinum or has such a layer sequence. With such a layer sequence is preferably also a tempering step, as explained above, carried out.
Des Weiteren kann der Platin aufweisende Materialbereich mit Vorteil zwischen einem elektrisch leitfähigen Kontaktmaterial (z. B. aus Kupfer) und dem thermoelektrischen Material angeordnet sein.Of Further, the platinum having material area with advantage between an electrically conductive contact material (z. B. copper) and the thermoelectric material may be arranged.
In einer weiteren Variante wird zwischen dem Platin aufweisenden Materialbereich und dem thermoelektrischen Material ein Antimon aufweisender Materialbereich angeordnet. Dies kann unter Temperaturerhöhung erfolgen, insbesondere derart, dass eine oder me hrere Platin und Antimon aufweisende Phasen entstehen. Wird z. B. Bismuttellurid als thermoelektrisches Material verwendet, enthalten die gebildeten Phasen teilweise zusätzlich Tellur.In Another variant is between the platinum-containing material area and the thermoelectric material, an antimony-containing material region arranged. This can be done with temperature increase, in particular such that one or more of the platinum and antimony-containing phases arise. If z. B. bismuth telluride as a thermoelectric material partially used in addition to the phases formed Tellurium.
Bevorzugt werden der Platin aufweisende und der Antimon aufweisende Material schichtförmig ausgebildet, wobei die Dicke der Platinschicht so gewählt wird, dass die Platinschicht ein Eindiffundieren von Antimon in die Kontaktstruktur verhindert. Die Dicke der Platinschicht wird insbesondere in Abhängigkeit von der Dicke oder allgemein der Beschaffenheit der Antimonschicht bemessen. Insbesondere ist die Platinschicht so beschaffen, dass sie nach einem Temperaturschritt nicht vollständig aufgebraucht, d. h. in eine Pt-Sb-Mischphase übergegangen ist, sondern dick genug ist, um weiterhin als Diffusionssperre zu wirken.Prefers become the platinum-containing and the antimony-containing material layered, wherein the thickness of the platinum layer is chosen so that the platinum layer diffusing from Antimony in the contact structure prevented. The thickness of the platinum layer in particular depending on the thickness or generally the nature of the antimony layer. In particular the platinum layer so that it after a temperature step not completely used up, d. H. went into a Pt-Sb mixed phase is thick enough to continue to act as a diffusion barrier Act.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Herstellungsverfahren gemäß dem zweiten Erfindungsaspekt die Schritte:
- – Anordnen des thermoelektrischen Materials an einem ersten Substrat;
- – Erzeugen eines elektrisch leitfähigen Kontaktmaterials an einem zweiten Substrat;
- – Erzeugen des Platin aufweisenden Materialbereiches auf dem Kontaktmaterial; und
- – Erzeugen des elektrischen Kontaktes an dem thermoelektrischen Material durch zumindest abschnittsweises Verbinden des Platin aufweisenden Materialbereiches mit dem thermoelektrischen Material.
- - placing the thermoelectric material on a first substrate;
- - generating an electrically conductive contact material on a second substrate;
- - Generating the platinum-containing material region on the contact material; and
- - Generating the electrical contact to the thermoelectric material by at least partially connecting the platinum-containing material region with the thermoelectric material.
In dieser Variante wird demnach eine an einem (zweiten) Substrat ausgebildete Kontaktstruktur (Kontaktmaterial) mit Platin, insbesondere einer Platinschicht, versehen und mit einem an einem weiteren (ersten), zunächst separaten Substrat abgeschiedenen thermoelektrischen Material in Verbindung gebracht, wodurch ein niederohmiger elektrischer Kontakt zwischen der Kontaktstruktur und dem thermoelektrischen Material erzeugt wird.In Accordingly, this variant is formed on a (second) substrate Contact structure (contact material) with platinum, in particular one Platinum layer, provided with one on another (first), initially separate substrate deposited thermoelectric Material associated, creating a low-impedance electrical Contact between the contact structure and the thermoelectric Material is generated.
Hierbei kann das Kontaktmaterial als Kontaktstruktur auf das Substrat strukturiert werden (mittels eines Halbleiterprozesses wie z. B. Ätzen oder Lift-Off) und mit der Platinschicht versehen werden, bevor es mit dem thermoelektrischen Material kontaktiert wird. Dies ist insbesondere bei vertikal aufgebauten thermoelektrischen Bauelementen vorgesehen. Hier wird eine Kontaktstruktur (Elektroden) für eine serielle Verschaltung von alternierenden thermoelektrischen n- und p-Materialien (die sich auf einem ersten Substrat befinden) zunächst auf einem (zweiten) Substrat strukturiert, bevor die Kontaktstruktur mit dem thermoelektrischen Material, d. h. das zweite mit dem ersten Substrat, verbunden wird.in this connection For example, the contact material can be structured as a contact structure on the substrate be (by means of a semiconductor process such as etching or lift-off) and be provided with the platinum layer before it is contacted with the thermoelectric material. This is in particular with vertically constructed thermoelectric components intended. Here is a contact structure (electrodes) for a serial interconnection of alternating thermoelectric n and p materials (which are located on a first substrate) first structured on a (second) substrate before the contact structure with the thermoelectric material, d. H. the second with the first Substrate, is connected.
Als Material für derartige Kontaktstrukturen wird z. B. Gold, Silber oder Kupfer verwendet. Derartige, aus diesen Materialien gebildete Kontaktstrukturen sollen jedoch keinen unmittelbaren Kontakt zum thermoelektrischen Material bekommen, um ein Hineindiffundieren des Materials in das thermoelektrische Material zu vermeiden. Deshalb wird auf ihnen Platinmaterial (der Platin aufweisende Materialbereich des elektrischen Kontaktes, z. B. in Form einer Platinschicht) als Diffusionsbarriere erzeugt. Vorzugsweise wird eine Platinschicht mit einer Dicke zwischen 10 bis 500 nm deponiert. Das Deponieren von Platin erfolgt – wie oben bereits zur zweiten Erfindungsvariante erläutert – bevorzugt mit einem Vakuumverfahren und einer anschließenden Temperung.When Material for such contact structures is z. Gold, Used silver or copper. Such, from these materials However, formed contact structures should not be in direct contact get to the thermoelectric material to diffuse into it of the material in the thermoelectric material. Therefore becomes platinum material on them (platinum-containing material area the electrical contact, z. B. in the form of a platinum layer) as Diffusion barrier generated. Preferably, a platinum layer deposited with a thickness between 10 to 500 nm. The dumping of Platinum takes place - as already above for the second variant of the invention explained - preferably with a vacuum process and a subsequent annealing.
Zusätzlich ist in einer besonders bevorzugten Weiterbildung dieser Erfindungsvariante vorgesehen, auf der Platinschicht bzw. auf dem Platinmaterial des zweiten Substrates eine Antimonschicht anzuordnen. Hierbei kann zunächst z. B. mit einem Vakuumprozess die Platinschicht auf das Kontaktmaterial aufgebracht und in einem nachfolgenden Schritt die Antimonschicht erzeugt werden. Insbesondere wird die Antimonschicht auf der Platinschicht unter Temperaturerhöhung im Bereich des zweiten Substrates erzeugt, d. h. während der Deposition des Antimons wird das zweite Substrat bzw. die Platinschicht erwärmt.additionally is in a particularly preferred embodiment of this variant of the invention provided on the platinum layer or on the platinum material of second substrate to arrange an antimony layer. Here can initially z. B. with a vacuum process, the platinum layer applied to the contact material and in a subsequent step the antimony layer are generated. In particular, the antimony layer becomes on the platinum layer with temperature increase in the range of the second substrate, d. H. during the deposition of antimony, the second substrate or platinum layer is heated.
Ein sowohl Platin als auch Antimon aufweisender Kontakt hat den Vorteil, dass er einen geringen Kontaktwiderstand aufweist und gleichzeitig als effiziente Diffusionsbarriere zwischen dem thermoelektrischen Material und dem Kontaktmaterial (Gold, Silber oder Kupfer) dient. Der so gebildete elektrische Kontakt kann sowohl zusammen mit einem n-als auch mit einem p-dotierten thermoelektrischen Material verwendet werden.One both platinum and antimony-containing contacts have the advantage that it has a low contact resistance and at the same time as an efficient diffusion barrier between the thermoelectric Material and the contact material (gold, silver or copper) is used. The electrical contact thus formed can be used both together with a used as well as with a p-doped thermoelectric material become.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein thermoelektrisches Bauelement mit mindestens einem an einem thermoelektrischen Material angeordneten elektrischen Kontakt, der Bismut und Gold aufweist oder aus diesen Materialien gebildet ist. Ein derartiges thermoelektrisches Bauelement wird bevorzugt nach dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren gemäß dem ersten Erfindungsaspekt hergestellt.The The invention further relates to a thermoelectric device with at least one arranged on a thermoelectric material electrical Contact containing bismuth and gold or of these materials is formed. Such a thermoelectric device is preferably according to the above-described manufacturing method according to the produced first aspect of the invention.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des thermoelektrischen Bauelementes sieht vor, dass das thermoelektrische Material an einem ersten Substrat angeordnet und der elektrische Kontakt zwischen dem thermoelektrischen Material und einem zweiten Substrat (bzw. einer auf dem zweiten Substrat angeordneten Struktur) ausgebildet ist.A sees preferred embodiment of the thermoelectric device in that the thermoelectric material is attached to a first substrate arranged and the electrical contact between the thermoelectric Material and a second substrate (or one on the second Substrate arranged structure) is formed.
Des Weiteren umfasst die Erfindung ein thermoelektrisches Bauelement mit einem thermoelektrischen Material und einem elektrischen Kontakt in Form eines an dem thermoelektrischen Material angeordneten Platin aufweisenden Materialbereiches. Ein derartiges thermoelektrisches Bauelement wird bevorzugt durch ein Verfahren gemäß dem oben erläuterten zweiten Erfindungsaspekt erzeugt.Of Furthermore, the invention comprises a thermoelectric component with a thermoelectric material and an electrical contact in the form of a platinum disposed on the thermoelectric material having material area. Such a thermoelectric Component is preferred by a method according to the produced above explained second aspect of the invention.
In einer bevorzugten Weiterbildung dieses thermoelektrischen Bauelementes ist der elektrische Kontakt zwischen dem thermoelektrischen Material und einem elektrisch leitfähigen Kontaktmaterial, insbesondere aus Gold, Silber oder Kupfer, ausgebildet, z. B. mit mäanderförmigem Verlauf. Hier kann der elektrische Kontakt eine Platinschicht und zusätzlich eine an das thermoelektrische Material angrenzende Antimonschicht aufweisen. Das elektrisch leitfähige Kontaktmaterial ist z. B. an einem weiteren Substrat ausgebildet. Als thermoelektrisches Material kommen insbesondere – wie oben bereits mit Bezug zu den erfindungsgemäßen Verfahrensvarianten erwähnt – V–VI oder IV–VI-Materialien in Frage.In a preferred embodiment of this thermoelectric device is the electrical contact between the thermoelectric material and an electrically conductive contact material, in particular made of gold, silver or copper, formed, for. B. with meandering Course. Here, the electrical contact can be a platinum layer and in addition, an antimony layer adjacent to the thermoelectric material exhibit. The electrically conductive contact material is z. B. formed on a further substrate. As thermoelectric Material come in particular - as already mentioned above mentioned to the process variants of the invention - V-VI or IV-VI materials in question.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren genauer erläutert. Es zeigen:The The present invention will be described below with reference to exemplary embodiments explained in more detail with reference to the figures. It demonstrate:
An
einem zweiten (zum ersten Substrat
Eine
zweite Variante des ersten Erfindungsaspektes zeigt
Wiederum
analog zu
Eine
dritte Variante des ersten Erfindungsaspektes stellt
Der
auf dem Substrat
Die
Eine
zweite Herstellungsvariante gemäß dem zweiten
Erfindungsaspekt zeigt
Die
Variante gemäß der
Die
Beim
oder nach dem Erzeugen der Antimonschicht
Bevorzugt
wird das thermoelektrische Material
Es
wird darauf hingewiesen, dass generell die Herstellungsvarianten
der
- 11
- thermoelektrisches Materialthermoelectric material
- 22
- erstes Substratfirst substratum
- 33
- KontaktstrukturContact structure
- 44
- zweites Substratsecond substratum
- 55
- Goldschichtgold layer
- 66
- Bismutschichtbismuth
- 77
- Goldschichtgold layer
- 88th
- Gold-Zinn-SchichtGold-tin layer
- 99
- Platinschichtplatinum layer
- 1010
- Antimonschichtantimony layer
- 101101
- Mischphasemixed phase
- 102102
- ÜbergangsbereichTransition area
- 1111
- Titanschichttitanium layer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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