DE2100789A1

DE2100789A1 - Thermistor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2100789A1
Application number: DE19712100789
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. 2000 Hamburg. P Bethe
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1971-01-08
Filing date: 1971-01-08
Publication date: 1972-07-20
Also published as: GB1320111A; FR2121659B1; FR2121659A1; US3745506A

Description

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GÜNTHER M. DAVID

Anmelder: PHiLiPS PAιEuheuWALTUNG GMBH Airtei fHD- 1391

Anmeldung von» 6. Jan, 1971

Philips Patentverwaltung GmbH., Hamburg 1, Steindamm 94

"Thermistor und Verfahren zu seiner Herstellung"

Die Erfindung betrifft einen Thermistor aus einkristallinem Halbleitermaterial mit mindestens zwei auf eine Hauptfläche des Halbleiterkörpers aufgebrachten Elektroden sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Es sind seit längerem Thermistören bekannt, die aus polykristallinen Sinterkcrpern verschiedener Metalloxide bestehen. Diese halbleitenden Thermistoren dienen als temperaturabhängige Widerstände zur elektrischen Messung der Temperatur. Sie zeichnen sich gegenüber den metallischen Widerstandsthermometern durch eine grössere Empfindlichkeit (ca. k% pro C gegenüber Q.kfo pro °C), durch Kleinheit, höheren Widerstand und niedrige Herstellungskosten aus. Hinsichtlich der Herstellungstoleranzen (Widerstand, Empfindlichkeit) und Langzeitkonstanz genügen diese polykristallinen, mit eingesinterten Elektroden versehenen Thermistoren nur geringen Ansprüchen.

Es ist weiter bekannt (US-PS 5 270 309), als Material für Thermistoren eigenleitendes, einkristallines Oereaniun zu verwenden. Bei solchen Thermistoren sind Absolutwert und

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5/Thi/

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Temperaturgang der Leitfähigkeit dann durch physikalische Gesetze genau·vorgegeben.

Es war jedoch bisher nicht möglich, sehr eng tolerierte und über lange Zeit stabile Thermistoren aus Germanium herzustellen, da bei der Herstellung die Streuung der den Widerstand bestimmenden Abmessungen des Halbleiterkörpers und der Elektroden zu groß ist. Diese Schwierigkeit ist auch bei einem weiteren bekannten Thermistor (DT-OS 1 804 012) nicht überwunden, bei dem auf eine Hauptfläche eines einkristallinen Halbleiterkörpers die Elektroden aufgebracht sind, da die Elektroden an den Rändern des Halbleiterkörpers liegen und damit Schwankungen der während der Herstellung durch Ritzen und Brechen nur grob bestimmten äusseren Abmessungen des Halbleiterkörpers in die die genannten elektrischen Werte bestimmende Elektrodengeometrie eingehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nacjiteile der bekannten Thermistoren zu vermeiden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Form, die Größe und der gegenseitige Abstand der Elektroden so gewählt ist, daß die Stromdichte im Halbleiterkörper am Rande der Hauptfläche und auf allen anderen Flächen im Vergleich zur Stromdichte im Zentrum der Hauptfläche sehr gering ist.

Um die Stromdichte im Halbleiterkörper am Rande der Hauptfläche und auf allen anderen Flächen sehr gering zu halten, können gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung zwischen den beiden gespeisten Elektroden auf der Hauptfläche weiter« ungespeiste, den Stromdichteverlauf beeinflussende Feldleitelektroden angeordnet sein. Die Hauptfläche des Halbleiterkörpers kann weiter mit einer leitenden Randbegrenzung versehen sein. Der Halbleiterkörper besteht vorzugsweise aus eigenleitendem Germanium.

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Besonders zweckmäßige Verfahren zur Herstellung solcher Thermistoren sind dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden auf die Hauptfläche des Halbleiterkörpers entweder mit photolithographischen Techniken oder mit Hilfe der Siebdrucktechnik aufgebracht werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der zwischen den beiden Elektroden gemessene elektrische Widerstand praktisch ausschließlich durch die Geometrie der Elektroden (d.h. ihre Abmessungen und ihr gegenseitiger Abstand) bestimmt ist, während der Einfluß der Außenabmessungen des Halbleiterkörpers auf den genannten Widerstand vernachlässigt werden kann. Weiter ist durch die Feldkonzentration im Bereich der Elektroden die Empfindlichkeit der übrigen Flächen des Halbleiterkörpers gegenüber Verunreinigungen stark herabgesetzt. Die planare Anordnung der Elektroden gestattet es, zu ihrer Herstellung entweder die hoch-präzisen photolithographischen Techniken oder gegebenenfalls auch die Siebdrucktechnik anzuwenden, so daß die den elektrischen Widerstand des Thermistors bestimmenden geometrischen Größen (Abmessungen und Abstand der Elektroden) sehr genau eingehalten werden können. Diese Techniken haben sich zudem in der Serienfertigung sehr bewährt.

Die weitere Voraussetzung für eine genaue Einhaltung des elektrischen Widerstandes des Thermistors, nämlich genau definierte Materialeigenschaften des Halbleitermaterials, 1st bei eigenleitenden Halbleitereinkristallen gegeben. Für den Tee peratürbereich von -40 bis +300⁰C eignet sich Qernanltm, während für tiefere Temperaturen InSb und für Temperaturen oberhalb von 100⁰C Silizium vorzuziehen ist.

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

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Pig. 1 ein erstes AusfUhrungsbeispiel eines Thermistors nach der Erfindung in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Kalbleiterkörper eines zweiten Ausführungsbeispieles eines Thermistors nach der Erfindung mit zwei zwischen den Hauptelektroden angeordneten Feldleitelektroden,

Fig. 2a einen Schnitt durch den in Fig. 2 dargestellten Halbleiterkörper und

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Halbleiterkörper eines dritten Ausführungsbeispieles eines Thermistors nach der Erfindung mit einer weitgehend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entsprechenden Elektrodenanordnung und einer leitenden Randbegrenzung auf der die Elektroden tragenden Hauptfläche des Halbleiterkörpers.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Thermistors nach der Erfindung, der aus einem quaderförmigen Körper 1 aus eigenleitendem, einkristallinem Germanium besteht. Auf der Hauptfläche des Halbleiterkörpers sind zwei kreisförmige Metallelektroden 2 aus einer Gold/Antimon-Legierung einlegiert, An diesen Elektroden sind zwei Anschlußdrähte j5 aus Gold durch Preßschweißen befestigt. Die die Elektroden 2 tragende Hauptfläche des Halbleiterkörpers ist durch eine Isolierschicht 4 geschützt. Die Unterseite des Halbleiterkörpers, über die dem Thermistor die zu messende Wärme zugeführt wird, ist mit einer weiteren dünnen Isolierschicht 5 abgedeckt.

Bei einem so aufgebauten Thermistor hat die Stromdichte auf der direkten Verbindungslinie zwisohen den beiden kreisförmigen Elektroden 2 ihr Maximum und fällt zum Rand der Hauptfläche hin sehr schnell auf vernachlässigbar kleine Werte ab. Der zwischen den beiden Elektroden 2 gemessene Widerstand ist damit gegenüber Schwankungen in den äusseren Abmessungen des Halbleiterkörpers (a, b, c) außerordentlich unempfindlich.

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Bei einem praktischen Ausfiihrungsbeispiel eines so aufgebauten Thermistors mit den Abmessungen

a = b = 1 mm
c = 0,17 mm
d = 0,1 mm
r = 0,2 mm

ergeben sich folgende Werte:

Aa/a = 10 % : AR₂₀O₀ZR₂₀O₀ « 1 %

= ίο # : AR₂₀O₀Zr₂₀O₀ ~ ι %

Da die Dicke c des Halbleiterkörpers wegen der bei seiner Herstellung angewendeten Läpp- und Ätztechnik noch relativ genau eingehalten werden kann, konnte mit einem AcZc ^von 3 % gerechnet werden, während bei den Kantenlängen a und b wegen der bei der Herstellung der Plättchen angewendeten Ritz-· und Brechtechnik mit Abweichungen von 10 % gerechnet werden muß.

Mit den genannten Abmessungen des Halbleiterkörpers ergibt Λ sich ein elektrischer Widerstand des Kiermistors bei 20°C von 1,6 kfl+l#. Der Meßbereich liegt zwischen -40 und +300⁰C. Bei 0,8 mW Belastung tritt eine Eigenerwärmung von 1°C auf.

Bei kreisförmigen Elektroden tritt an ihnen eine starke Feldkonzentration auf, die die elektrische Belastbarkeit des •Hiermistors nach oben begrenzt. Eine Vergrösserung des Elektrodendurchmessers führt jedoch zu einer unerwünschten Widerstandserniedrigung sowie, wegen des tieferen Eindringens des elektrischen Strömungsfeldes, zu einem verstärkten Einfluß etwaiger Schwankungen in der Dicke des Halbleiterkörpers.

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Für höhere elektrische Belastungen eignet sich daher ein gemäß Fig. 2 ausgebildeter Thermistor besser, bei dem zwar ein grösserer Teil des Volumens des Halbleiterkörpers elektrisch belastet wird, dennoch aber der Einfluß der Abmessungen dieses Körpers auf den elektrischen Widerstand gegenüber dem AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 1 nicht vergrößert ist.

Der in Fig. 2 dargestellte Thermistor besteht ebenfalls aus einem Körper aus eigenleitendem, einkristallinem Halbleitermaterial, auf dessen Hauptfläche zwei über Anschlußdrfihte j5 kontaktierte baUcenförmige Metallelektroden 2 angeordnet sind. Zwischen diesen gespeisten Elektroden 2 liegen zwei ebenfalls balkenförmige Feldleitelektroden 6, die die Stromdichte im oberflächennahen Bereich des Halbleiterkörpers vergrössern und damit den Einfluß der Dicke des Halbleiterkörpers trotz des großen Abstandes der gespeisten Elektroden 2 gering halten. In der einen Schnitt durch den Halbleiterkörper zeigenden Fig. 2a sind die Stromfäden i und Potentiallinien φ eingezeichnet und lassen den genannten Effekt erkennen. Zur Erzielung einer möglichst gleichmäßigen Feldverteilung ist der Abstand der beiden Feldleitelektroden 6 gegeneinander gegenüber dem Abstand der Feldleitelektroden von den gespeisten Elektroden etwas vergrößert. Der Thermistor besteht also praktisch aus einer Serienschaltung von drei Einzelwiderständen zwischen zwei jeweils balkenförmigen Elektroden.

Das Prinzip der Feldleitelektroden 1st selbstverständlich auch bei anders geformten Elektroden, z.B. bei den kreisförmigen Elektroden gemäß Fig. 1 anwendbar. Die Zahl der Feld·· leitelektroden kann beliebig gewählt werden.

Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeisplel eines Iherelstors nach der Erfindung, bei dem auf der Haupt fläche eines eigenleitenden, einkristallinen Halbleiterkörpers entsprechend dem

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Ausführungsbeispiel nach Pig. 2 zwei balkenförmige, über Anschlußdrähte j5 kontaktierte gespeiste Elektroden 2 und zwischen diesen zwei balkenförmige Feldleitelektroden 6 angeordnet sind. Darüber hinaus ist Jedoch bei diesem Ausführungsbeispiel auf der Hauptfläche des Halbleiterkörpers noch eine leitende Randbegrenzung angeordnet, die jedoch elektrisch nicht kontaktiert ist. Diese Randbegrenzung 7 führt parallel zu dem zwischen den gespeisten Elektroden 2 fließenden Strom 11 einen zusätzlichen Strom 12, so daß sich eine weitere Verbesserung der Verteilung der elektrischen Energie ergibt. Da der elektrische Widerstand des Pfades für den Strom 12 Im wesentlichen durch den Abstand zwischen den Elektroden 2 und der inneren Begrenzung der leitenden Randbegrenzung bestimmt wird, der bei der Herstellung sehr genau eingehalten werden kann, bleibt die Breite der Randbegrenzung, die von den Streuungen der ausseren Abmessungen des Halbleiterkörpers abhängig ist, ohne wesentlichen Einfluß auf den Gesamtwiderstand. Diese Randbegrenzung hat den weiteren Vorteil, daß die bei der Trennung der einzelnen Halbleiterkörper voneinander erforderliche Ritzung mit einem Diamanten nicht die zähe Isolierschicht (z.B. eine SiOp-Schicht) zu durchdringen braucht, Dies läßt sich bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. und 2 nur durch einen zusätzlichen, die Ritzlinien von der Isolierschicht freiätzenden Verfahrensschritt erreichen.

Bei der Herstellung der beschriebenen Thermistoren werden die Elektroden und gegebenenfalls die Randbegrenzung auf die Hauptfläche des Halbleiterkörpers durch die bei der Massenherstellung von Halbleiterbauelementen üblichen Verfahren aufgebracht. Dies ist hauptsächlich das Aufdampfen unter Verwendung photolithographisch hergestellter Masken. Dabei werden zunächst die Hauptflächen aller (jetzt noch zusammenhängenden) Halbleiterkörper mit einer geeigneten Isolierschicht, z.B. aus SiO₂, bedeckt, aus der dann nach Aufbringen einer Maske

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aus Photolack die Flächen wieder herausgeätzt werden, auf denen der Halbleiterkörper zur Bildung der Elektroden und gegebenenfalls der Randbegrenzung mit Metall bedeckt werden soll. Ist dies geschehen, wird das Metall, z.B. Gold, aufgedampft und gegebenenfalls in die Oberfläche des Halbleiterkörpers einlegiert.

Es ist jedoch unter Umständen auch möglich, die die Elektroden und gegebenenfalls die Randbegrenzung bildenden Metallschicht ten mit Hilfe der Siebdrucktechnik auf die Hauptflächen der Halbleiterkörper aufzubringen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Thermistor aus einkristallinem Halbleitermaterial mit mindestens zwei auf eine Hauptfläche des Halbleiterkörpers aufgebrachten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Form, die Größe und der gegenseitige Abstand der Elektroden (2,6) so gewählt ist, daß die Stromdichte im Halbleiterkörper am Rande der Hauptfläche und auf allen anderen Flächen im Vergleich zur Stromdichte im Zentrum der Hauptfläche sehr gering ist.

2. Thermistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden gespeisten Elektroden (2) auf der Hauptfläche weitere ungespeiste, den Stromdichteverlauf beeinflussende Feldleitelektroden (6) angeordnet sind.

j5. Thermistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form und Größe der Feldleitelektroden (6) von Form und Größe der gespeisten Elektroden (2) verschieden sind.

4. Thermistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen den Feldleitelektroden (6) einerseits und den Feldleitelektroden und den gespeisten Elektroden (2) andererseits verschieden groß sind.

5. Thermistor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeisten Elektroden (2) kreisförmig sind.

6. Thermistor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptfläche (l) des Halbleiterkörpers mit einer leitenden Randbegrenzung (7) versehen ist.

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γ. Thermistor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptfläche des Halbleiterkörpers mit einer Schutzschicht (K) versehen ist.

8. Thermistor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht aus Siliziumdioxid besteht.

9. Thermistor nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die der Hauptfläche gegenüberliegende Fläche des Halbleiterkörpers mit einer aus Siliziumdioxid oder Aluminium oxid bestehenden Schutzschicht (5) versehen ist.

10. Thermistor nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus eigenleitendem Germanium, Silizium oder Indium-Antimonid besteht.

11. Verfahren zum Herstellen eines Thermistors nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und gegebenenfalls die Randbegrenzung unter Verwendung photolithographischer Techniken auf die Hauptfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht werden.

12. Verfahren zum Herstellen eines Thermistors nach mindestens ■ einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß

die Elektroden und gegebenenfalls die Randbegrenzung mit Hilfe der Siebdrucktechnik auf die Hauptfläche des Halblei terkcrpers aufgebracht werden.

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