DE102007063616A1

DE102007063616A1 - Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes und thermoelektrisches Bauelement

Info

Publication number: DE102007063616A1
Application number: DE102007063616A
Authority: DE
Inventors: Harald Dr. Böttner; Axel Schubert; Joachim Dr. Nurnus; Martin Jaegle
Original assignee: Micropelt GmbH
Current assignee: MICROPATENT B.V., NL
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: DE102007063616B4; DE102007010577B4; DE102007010577A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes, wonach an einem thermoelektrischen Material (1) mindestens ein elektrischer Kontakt in Form eines Platin aufweisenden Materialbereiches angeordnet wird, wobei zwischen dem Platin aufweisenden Materialbereich und dem thermoelektrischen Material (1) ein Antimon aufweisender Teilbereich, insbesondere eine Antimonschicht (10), angeordnet wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein thermoelektrisches Bauelement, mit einem thermoelektrischen Material und einem elektrischen Kontakt in Form eines an dem thermoelektrischen Material (1) angeordneten Platin aufweisenden Materialbereiches. Zwischen dem Platin aufweisenden Materialbereich und dem thermoelektrischen Material (1) ist ein Antimon aufweisender Materialbereich (10) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes sowie ein thermoelektrisches Bauelement.
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.
Insbesondere sind miniaturisierte thermoelektrische Bauelemente bekannt, die Abmessungen im Bereich von einigen Mikrometern aufweisen. Ein derartiges thermoelektrisches Bauelement ist z. B. in der DE 198 45 104 A1 beschrieben.
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.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein thermoelektrisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst. Besonders bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach wird ein Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes angegeben, wonach an einem thermoelektrischen Material mindestens ein elektrischer Kontakt in Form eines Platin aufweisenden Materialbereiches angeordnet wird, wobei zwischen dem Platin aufweisenden Materialbereich und dem thermoelektrischen Material ein Antimon aufweisender Teilbereich, insbesondere eine Antimonschicht, angeordnet wird.
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.
Der elektrische Kontakt erstreckt sich bevorzugt angrenzend zu dem thermoelektrischen 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·R_c·I² (R_c: 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.
Eine 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 thermoelektrische 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 Kontaktwider stand 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.
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.
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.
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 (Bi_1-x Sb_x)₂ Te₃-Verbindung, verwendet.
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 (Te_1-x Se_x)₃-Verbindung und für p-leitende Bereiche des thermoelektrischen Materials beispielsweise eine (Bi_1-x Sb_x)₂ Te₃-basierende Verbindung verwendet.
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.
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.
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.
Auch für derartige Kontakte wurden niederohmige Kontaktwiderstände im Bereich zwischen 10^–11 10^–12 Ohm m² gemessen (per TLM-Verfahren). Als thermoelektrisches Material wird bevorzugt ein V-VI-Material (z. B. Bismuttellurid) verwendet, wobei sich zwischen dem V-VI-Material und dem Platin-Kontakt Phasen ausbilden. Diese Phasen besitzen einen spezifischen elektrischen Widerstand, der wesentlich geringer ist als der des thermoelektrischen V-VI-Materials selbst.
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.
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.
Des Weiteren kann der Platin aufweisende Materialbereich mit Vorteil zwischen einem elektrisch leitfähigen Kontaktmaterial (z. B. aus Kupfer) und dem thermoelektrischen Material angeordnet sein.
Das Anordnen des Antimon aufweisenden Materialbereiches zwischen dem Platin aufweisenden Materialbereich und dem thermoelektrischen Material kann unter Temperaturerhöhung erfolgen, insbesondere derart, dass eine oder mehrere Platin und Antimon aufweisende Phasen entstehen. Wird z. B. Bismuttellurid als thermoelektrisches Material verwendet, enthalten die gebildeten Phasen teilweise zusätzlich Tellur.
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.
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;
– Erzeugen des Antimon aufweisenden Materialbereiches auf dem Platin aufweisenden Materialbereich; und
– Erzeugen des elektrische Kontaktes an dem thermoelektrischen Material durch zumindest abschnittsweises Verbinden des Antimon aufweisenden Materialbereiches mit dem thermoelektrischen 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.
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.
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.
Zusätzlich wird auf der Platinschicht bzw. auf dem Platinmaterial des zweiten Substrates eine Antimonschicht angeordnet. 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.
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.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein thermoelektrisches Bauelement mit mindestens einem an einem thermoelektrischen Material angeordneten elektrischen Kontakt in Form eines Platin aufweisenden Materialbereiches, wobei zwischen dem Platin aufweisenden Materialbereich und dem thermoelektrischen Material ein Antimon aufweisender Materialbereich angeordnet ist.
Ein derartiges thermoelektrisches Bauelement wird bevorzugt durch ein wie oben erläutertes Verfahren erzeugt.
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. 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.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren genauer erläutert. Es zeigen:
1 schematisch ein erstes, nicht erfindungsgemäßes Beispiel eines Herstellungsverfahrens;
2 ein zweites, nicht erfindungsgemäßes Beispiel eines Herstellungsverfahrens;
3 ein drittes, nicht erfindungsgemäßes Beispiel eines Herstellungsverfahrens;
4 ein viertes, nicht erfindungsgemäßes Beispiel eines Herstellungsverfahrens;
5 ein fünftes, nicht erfindungsgemäßes Beispiel eines Herstellungsverfahrens;
6 eine erste Variante des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung;
7 und 8 eine zweite Variante des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung;
9 eine dritte Variante des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung.
1 zeigt schematisch eine Momentaufnahme beim Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes. Ein schichtartiges thermoelektrisches Material 1 (z. B. Bismuttellurid) ist an einem Substrat 2 (z. B. ein Silizium-Substrat) angeordnet. Das Substrat 2 weist eine elektrisch isolierende Schicht (nicht dargestellt) auf, die das thermoelektrische Material 1 vom Substrat 2 elektrisch isoliert. Die isolierende Schicht ist z. B. aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid gebildet. Zwischen dem thermoelektrischen Material 1 und dem Substrat 2 (d. h. genauer zwischen dem Material 1 und der isolierenden Schicht) befindet sich eine elektrisch leitfähige Kontaktstruktur 3 (z. B. aus Kupfer), über die das thermoelektrische Material 1 an seiner dem Substrat 2 zugewandten Seite elektrisch kontaktiert wird. Des Weiteren ist auf dem thermoelektrischen Material 1 (d. h. an dessen dem Substrat 2 abgewandten Seite) ein erster Materialbereich in Form einer Bismutschicht 6 erzeugt worden.
An einem zweiten (zum ersten Substrat 2 zunächst separaten) Substrat 4 (das z. B. ebenfalls aus Silizium mit SiO₂ als Deckschicht gebildet sein kann) ist ein zweiter Materialbereich in Form einer Goldschicht 5 angeordnet. Zum Erzeugen eines elektrischen Kontaktes auf dem thermoelektrischen Material 1 wird der erste Materialbereich mit dem zweiten Materialbereich (d. h. die Bismutschicht 6 mit der Goldschicht 5) verbunden, d. h. die Substrate 2 und 4 werden mit einander zugewandten Schichten 5, 6 zusammengefügt. Das Verbinden der Materialbereiche erfolgt insbesondere unter Temperaturerhöhung im Bereich der miteinander zu verbindenden Schichten 5 und 6, wodurch sich ein Übergang Bi-(Au₂Bi)-Au ausbildet. Der auf diese Weise erzeugte elektrische Kontakt zwischen dem thermoelektrischen Material und der verbliebenen Au-Schicht weist einen im Vergleich zu vorbekannten Kontaktmaterialien niedrigeren Kontaktwiderstand aufweist.
Ein zweites, nicht erfindungsgemäßes Beispiel zeigt 2. Analog zu 1 ist auf einem ersten Substrat 2 eine Schicht aus einem thermoelektrischen Material 1 angeordnet, wobei sich zwischen dem thermoelektrischen Material 1 und dem Substrat 2 eine elektrisch leitfähige Kontaktstruktur 3 befindet. Im Unterschied zur 1 besteht der erste Materialbereich jedoch nicht nur aus einer Bismutschicht, sondern weist neben einer Bismutschicht 6, die auf dem thermoelektrischen Material 1 erzeugt wurde, zudem eine Goldschicht 7 auf. Auf der Goldschicht 7 befindet sich darüber hinaus eine weitere Materialschicht 8, die eine Gold-Zinn-Mischung aufweist.
Wiederum analog zu 1 wird zum Herstellen des thermoelektrischen Bauelementes ein zweites Substrat 4 mit einem als Goldschicht 5 ausgebildeten zweiten Materialbereich mit dem ersten Substrat 2 derart zusammengefügt, dass der erste Materialbereich (der die Bismutschicht 6, die Goldschicht 7 sowie die Gold-Zinn-Schicht 8 umfasst) mit dem zweiten Materialbereich (d. h. mit der Goldschicht 5) verbunden wird. Hierdurch wird auf dem thermoelektrischen Material 1 ein elektrischer Kontakt erzeugt.
Ein drittes, nicht erfindungsgemäßes Beispiel stellt 3 dar. Analog zu den 1 und 2 ist auf einem ersten Substrat 2 eine elektrische Kontaktstruktur 3 und darüber eine Schicht aus einem thermoelektrischen Material 1 angeordnet. Auf dem thermoelektrischen Material 1 befindet sich ein erster Materialbereich, der neben einer Bismutschicht 6 eine Schicht 8 aus einer Gold-Zinn-Mischung umfasst. Der Unterschied zur 2 besteht somit darin, dass sich zwischen der Bismutschicht 6 und der Gold-Zinn-Schicht 8 keine zusätzliche Goldschicht befindet.
Der auf dem Substrat 2 angeordnete erste Materialbereich wird – wie bei den anhand der 1 und 2 beschriebenen Ausführungsformen – mit einer an einem zweiten Substrat angeordneten Goldschicht 5 in Verbindung gebracht (insbesondere unter thermischer Einwirkung), wodurch ein niederohmiger elektrischer Kontakt auf dem thermoelektrischen Material 1 erzeugt wird.
Die 4 und 5 beziehen sich auf die Herstellung eines thermoelektrisches Bauelementes gemäß weiteren, nicht erfindungsgemäßen Beispielen. Wie in 4 dargestellt, wird gemäß einer ersten Variante ein thermoelektrisches Material 1 an einem Substrat 2 angeordnet, wobei sich analog zu den 1 bis 3 eine elektrische Kontaktstruktur 3 (Kontaktmaterial) zwischen dem thermoelektrischen Material 1 und dem Substrat 2 befindet. An dem thermoelektrischen Material 1 ist ein elektrischer Kontakt in Form einer Platinschicht 9 angeordnet. Die Platinschicht 9 befindet sich hierbei auf dem thermoelektrischen Material 1, d. h. an dessen dem Substrat 2 abgewandten Seite.
Gemäß 5 ist eine Platinschicht 9 als elektrischer Kontakt zwischen einer Kontaktstruktur 3 und einem thermoelektrischen Material 1 angeordnet, so dass die elektrische Kontaktstruktur 3 über den elektrischen Kontakt mit dem thermoelektrischen Material 1 elektrisch verbunden ist. Zusätzlich kann natürlich auch auf der dem Substrat 2 abgewandten Seite des thermoelektrischen Materials 1 eine Platinschicht als weiterer elektrischer Kontakt angeordnet werden.
Das Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß 6 entspricht vom Prinzip her der Variante der 5, wobei zusätzlich eine Antimonschicht 10 zwischen der Platinschicht 9 und dem thermoelektrischen Material 1 angeordnet ist, wobei die Platinschicht 9 und die Antimonschicht 10 zusammen den elektrischen Kontakt zum thermoelektrischen Material bilden. Auch hier kann ein selbstverständlich ein weiterer derartiger elektrischer Kontakt an der dem Substrat abgewandten Seite des thermoelektrischen Materials angeordnet werden, um auf beiden Seiten des thermoelektrischen Material einen niederohmigen Kontakt zu schaffen.
Die 7 und 8 betreffen eine weitere Variante der Erfindung, wobei die 7 die Situation vor einer Temperaturerhöhung (Temperschritt) und 8 nach dem Temperschritt zeigt. Analog der in den 4 bis 6 illustrierten Herstellungsverfahren ist an einem Substrat 2 eine Kontaktstruktur 3 angeordnet. Auf der Kontaktstruktur 3 ist eine Platinschicht 9 vorgesehen, auf der sich wiederum eine Antimonschicht 10 befindet. Ein thermoelektrisches Material 1 ist an einem (zweiten) Substrat (nicht dargestellt) angeordnet und kann mit der Platin-Antimonschicht 9, 10 in Kontakt gebracht werden.
Beim oder nach dem Erzeugen der Antimonschicht 10 wird ein Temperschritt durchgeführt, d. h. die Temperatur wird im Bereich der Platin- und der Antimonschicht 9, 10 erhöht. Der Temperschritt wird derart ausgeführt, d. h. der Temperaturverlauf wird derart gewählt, dass sich oberhalb der Platinschicht 9 ein Materialbereich in Form einer oder mehrerer Phasen 101 aus Platin und Antimon einstellt. Hierbei geht ein Teil der Platinschicht in die Mischphase über, so dass die Dicke der Platinschicht nach dem Tempern geringer ist als vor dem Tempern. Dennoch ist die verbleibende Platinschicht dick genug, um ein Eindiffundieren von insbesondere Antimon in die Kontaktstruktur 3 im Wesentlichen zu verhindern. Um die Wirkung der verbleibenden Platinschicht als Diffusionssperre nach dem Tempern sicherzustellen, wird sie mit einer Dicke erzeugt, die von der (vorgesehenen) Dicke der Antimonschicht (d. h. von der für die Mischphase zur Verfügung stehenden Antimonmenge) abhängt.
Bevorzugt wird das thermoelektrische Material 1 vor oder während des Temperschrittes mit der Antimonschicht 10 in Kontakt gebracht. Weist das thermoelektrische Material z. B. Bismuttellurid (oder ein anderes Tellur haltiges V-VI-Material) auf, entsteht zwischen der (verbliebenden) Platinschicht 9 und dem thermoelektrischen Material 1 Phasen 101, die neben Platin und Antimon auch Tellur aufweisen. Zusätzlich wird ein Übergangsbereich 102 erzeugt, der von der Platinschicht 9 zum thermoelektrischen Material 1 hin eine abnehmende Tellurkonzentration aufweist.
9 zeigt eine Abwandlung des in den 7 und 8 beschriebenen Verfahrens. Anstelle einer einzelnen Platinschicht ist ein Schichtsystem, das mehrere abwechselnd übereinander angeordnete Platin- und Titanschichten 9, 11 aufweist, vorgesehen. Das Tempern und Verbinden des an einem separaten Substrat angeordneten thermoelektrischen Materials 1 kann wie mit Bezug zu 7, 8 erläutert erfolgen. Insbesondere ent steht nach dem Tempern ein Platin-Titan-Gefüge als Diffusionssperre und zwischen dem Platin-Titan-Gefüge und dem thermoelektrischen Material eine Platin und Antimon aufweisende Mischphase.
Es wird darauf hingewiesen, dass generell die Herstellungsvarianten der 1–3 und 4–9 auch miteinander kombiniert werden können. So kann z. B. ausgehend von der Schichtfolge der 5 oder 6 (bei der sich ein Platinkontakt zwischen dem Substrat und dem thermoelektrischen Material befindet) ein weiterer Kontakt oberhalb des thermoelektrischen Materials gemäß einer Variante des ersten Erfindungsaspektes hergestellt werden (z. B. ein Eismut-Gold-Kontakt).

1: thermoelektrisches Material
2: erstes Substrat
3: Kontaktstruktur
4: zweites Substrat
5: Goldschicht
6: Bismutschicht
7: Goldschicht
8: Gold-Zinn-Schicht
9: Platinschicht
10: Antimonschicht
101: Mischphase
102: Übergangsbereich
11: Titanschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19845104 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Bauelementes, wobei an einem thermoelektrischen Material (1) mindestens ein elektrischer Kontakt in Form eines Platin aufweisenden Materialbereiches angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Platin aufweisenden Materialbereich und dem thermoelektrischen Material (1) ein Antimon aufweisender Teilbereich, insbesondere eine Antimonschicht (10), angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Platin aufweisende Materialbereich eine Platinschicht (9) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Platin aufweisende Materialbereich zusätzlich Titan, insbesondere eine Titanschicht (11), aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Platin aufweisende Materialbereich eine auf dem thermoelektrischen Material (1) angeordnete Titanschicht (11) und darüber eine Schichtfolge Platin-Titan-Platin aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Bereich des Platin aufweisenden Materialbereiches zeitlich begrenzt erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Platin aufweisende Materialbereich während der Temperaturerhöhung einer Temperatur zwischen 200° und 300°C ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antimon aufweisende Materialbereich unter Temperaturerhöhung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerhöhung derart erfolgt, dass zwischen dem Platin aufweisenden Materialbereich und dem thermoelektrischen Material mindestens eine Phase (101) entsteht, die Platin und Antimon aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur auf eine Temperatur im Bereich von näherungsweise 150–450°C erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Platin aufweisende Materialbereich in Form einer Platinschicht (9) ausgebildet ist, deren Dicke so gewählt ist, dass die Platinschicht (9) auch nach der Temperaturerhöhung dick genug ist, um ein Eindiffundieren von Antimon in das Kontaktmaterial (3) im Wesentlichen zu verhindern
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antimon aufweisende Materialbereich in Form einer Antimonschicht (10) ausgebildet ist und die Dicke der Platinschicht (9) in Abhängigkeit von der Dicke der Antimonschicht (10) bemessen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Material (1) ein V-VI-Material ist und die mindestens eine Phase (101) einen Anteil des VI-Materials enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Material (1) Bismuttellurid ist und die Phase (101) Platin, Antimon und Tellur aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das thermoelektrische Material (1) an einem ersten Substrat angeordnet wird; – ein elektrisch leitfähiges Kontaktmaterial (3) an einem zweiten Substrat angeordnet wird; – der Platin aufweisenden Materialbereich auf dem Kontaktmaterial (3) erzeugt wird; – auf dem Platin aufweisenden Materialbereich ein Antimon aufweisender Materialbereich, insbesondere eine Antimonschicht (10), angeordnet wird; und – des elektrische Kontakt an dem thermoelektrischen Material (1) durch zumindest abschnittsweises Verbinden des Antimon aufweisenden Materialbereiches mit dem thermoelektrischen Material (1) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktmaterial Gold, Silber und/oder Kupfer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Antimon aufweisende Materialbereich auf dem Platin aufweisenden Materialbereich unter Temperaturerhöhung im Bereich des zweiten Substrates erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Material (1) p-dotiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Material (1) n-dotiert ist.
Thermoelektrisches Bauelement, mit – einem thermoelektrischen Material (1); und – einem elektrischen Kontakt in Form eines an dem thermoelektrischen Material (1) angeordneten Platin aufweisenden Materialbereiches, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Platin aufweisenden Materialbereich und dem thermoelektrischen Material (1) ein Antimon aufweisender Materialbereich (10) angeordnet ist.
Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Platin aufweisende Materialbereich zwischen dem thermoelektrischen Material (1) und einem elektrisch leitfähigen Kontaktmaterial (3) ausgebildet ist.
Thermoelektrisches Bauelement nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Platin aufweisenden Materialbereich und dem thermoelektrischen Material (1) mindestens eine Platin und Antimon aufweisende Phase angeordnet ist.
Thermoelektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Material (1) Bismuttellurid oder Bleitellurid aufweist.
Thermoelektrisches Bauelement nach den Ansprüchen 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Platin aufweisenden Materialbereich und dem thermoelektrischen Material (1) mindestens eine Platin, Antimon und Tellur aufweisende Phase angeordnet ist.