DE2247962A1

DE2247962A1 - Thermoelementanordnung auf halbleiterbasis

Info

Publication number: DE2247962A1
Application number: DE19722247962
Authority: DE
Inventors: Peter Kolbow; Otto Dr Maurer; Herbert Dr Weiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-09-29
Filing date: 1972-09-29
Publication date: 1974-04-04
Also published as: GB1396807A; DE2247962B2; FR2201559A1; DE2247962C3; USB399632I5; US4001046A; JPS4973986A; FR2201559B3

Description

. SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den 2 9. SER 1972 Berlin und München Wittelsbacherplats 2

72/7120

Thennoelementanordnung auf Halbleiterbasis

Die Erfindung bezieht sich auf eine Thennoelementanordnung auf Halbleiterbasis.

Thermoelemente auf Halbleiterbasis sind bekannt. Sie bestehen beispielsweise aus zwei kleinen Halbleiterblöcken verschiedenen Leitungstyps, deren mit einem Metallbügel verbundene Enden von der zu messenden Strahlung erwärmt werden. Die an den anderen Enden abgreifbare Thermospannung ist der von der umgesetzten Strahlungsleistung verursachten Temperaturerhöhung proportional. Derartige Thermoelemente auf Halbleiterbasis sind zwar relativ empfindlich, weisen jedoch infolge ihrer Masse eine derartige thermische Trägheit auf, daß si® schnellen Intensitätsänderungen der einfallenden Strahlung nicht folgen können.

Die von einem Einzelthermoelement abgegebene Theraospannung, die im Millivoltbereich liegt, "bedarf einer hohen Terstärkung, um sie auf das für eine Anzeige oder eine weitere leßwertverarbeitung notwendige Signalniveau, anzuheben. Da eine hohe Gleichspannungsverstärkung in der Praxis erhebliche Probleme mit sich bringt, werden häufig aus in Reihe geschalteten Einzelelementen gebildete Mehrfachthermoelemente verwendet, deren Ausgangsspannung der Summe aller Thermospannungen entspricht. Bedingung dabei ist, daß jedes der Einzelelemente die gleiche Strahlungsleistung empfängt, wenn die Temperatur einer homogenen Strahlungsquelle gemessen werden soll. In der Praxis ist dies, insbesondere bei Strahlungspyrometern, bei denen das Meßobjekt auf der relativ großen Empfängerfläche eines Mehrfachthermoelements abzubilden ist, schwer zu verwirklichen.

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Es besteht demgemäß die Aufgabe, eine Thermoelementanordnung auf Halbleiterbasis mit hoher Empfindlichkeit und geringer thermischer Trägheit zu schaffen, die zur Herstellung von Hehrfachthermoelementen möglichst kleiner geometrischer Abmessungen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Thermoelementanordnung auf Halbleiterbasis gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Halbleitergebiet, eine elektrisch isolierende Schicht, eine Leiterbahn und zwei Anschlußkontakte vorgesehen sind, wobei die Leiterbahn an ihrem einen Ende mit dem Halbleitergebiet elektrisch leitend verbunden ist und wobei die elektrisch Isolierende Schicht außerhalb dieser Verbindung zwischen der Leiterbahn und dem Halbleitergebiet angeordnet ist.

Vorzugsweise ist das Halbleitergebiet ein dotiertes Gebiet eines Halbleiterkörpers und vorzugsweise sind in der elektrisch isolierenden Schicht zwei Aussparungen vorgesehen, wobei in der einen Aussparung die Leiterbahn mit dem Halbleitergebiet elektrisch leitend verbunden ist und wobei in der anderen Aussparung ein Anschlußkontakt zwischen dem Halbleitergebiet und einem weiteren Anschluß vorgesehen ist.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Figuren bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihrer Weiterbildungen hervor.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Thermoelementanordnung, wobei das Halbleitergebiet ein dotiertes Gebiet eines Halbleiterkörpers ist;

Figur 2 zeigt die Aufsicht einer erfindungsgemäßen Thermoelementanordnung nach Figur 1;

Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Thermoelementanordnung nach

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Figur 1|

Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung die Reihenschaltung von drei erfindungsgemäßen Thermoelementanordnungen;

Figur 5 zeigt in schematischer Darstellung eine Thermoelementanordnung, wobei auf einem Substrat Halbleitermaterial aufgebracht ist.

In der Figur 1 ist das Halbleitergebiet das dotierte Gebiet eines Halbleiterkörpers 1. Vorzugsweise besteht dieser Halbleiterkörper 1 aus n-Siliziumv D_as Halbleitergebiet hat dann p-Dotierung. Die Dicke des Halbleiterkörpers 1 beträgt vorzugsweise etwa 200 m, während die Dicke des beispielsweise eindiffundierten p-Gebietes 2 etwa 1 Ms 2 ax beträgt. Auf dem Halbleitergebiet 2 und auf der Oberfläche des n-Siliziumhalbleiterkörpers 1 ist eine elektrische isolierende Schicht aufgebracht. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus SiO₂ und ist etwa 2 /u dick. Im Bereich des Gebietes 2 sind in dieser elektrisch isolierenden Schicht 3 die Aussparungen 6 und 7 angeordnet. Diese Aussparungen 6, 7 in der Schicht 3 werden Torzugsweise mit Hilfe von fotolithografischen Verfahrensschritten angebracht. Über dem Gebiet 2 ist die Leiterbahn 4, durch die Schicht 3 von dem Halbleitergebiet 2 getrennt, angecoänet. In der einen Aussparung 6 steht die metallische Leiterbahn, die vorzugsweise aus Aluminium besteht und eine Dicke von 1 /u besitzt, mit dem Gebiet 2 in elektrisch leitender Terbindung. Diese Metall-Halbleiterverbindung·entspricht der einen Lötstelle eines herkömmlichen, aus Drähten zusammengelöteten Thermoelementes. Die Leiterbahn, die vorzugsweise aufgedampft ist, verläuft bis kurz vor die Aussparung 7. In dieser Aussparung 7 befindet sich ein Anschlußkontakt 8. Eine weitere Anschlußstelle 9 ist an der metallischen Leiterbahn angeordnet. Zwischen beiden Anschlußstellen befindet sioii das Meßinstrument 5·

Die Figur 2 zeigt die Aufsicht auf eine wie oben beschriebene, erfindungsgemäße Thermoelementanordnung. Die Isolierschicht

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Ist dabei» der besseren Übersicht wegen, nicht dargestellt.

Figur 3 zeigt eine Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Thermoelementanordnung, bei der die Metalleiterbahn neben dem Diffusionsgebiet angeordnet ist. Die Metalleiterbahn führt ebenfalls in die Nähe der Aussparung 7· Die elektrisch isolierende Schicht befindet sich unter der Metalleiterbahn 4 und ist in der Figur nicht dargestellt.

Figur 4 zeigt ein Mehrfachthermoelement, das aus mehreren der beschriebenen Thermoelementanordnungen in Reihenschaltung besteht. Dabei sind die Halbleitergebiete 2, die elektrischen Isolierschichten und die Leiterbahnen der einzelnen Thermoelemente vorzugsweise in den gleichen Verfahrensschritten hergestellt. Die einzelnen Halbleitergebiete sind in einem Halbleiterkörper angeordnet. Die Halbleitergebiete sind vorzugsweise 10 /U breit. Ihre Abstände untereinander sind vorzugsweise ebenso groß. Die einzelnen in Reihe geschalteten Thermoelemente sind durch die Metallbahnen 44 untereinander verbunden. Die elektrisch isolierenden Schichten zwischen den Metalleiterbahnen und den Halbleitergebieten 2 bzw. dem Halbleiterkörper 1 befinden sich unter den Metallleiterbahnen und sind Ik der Figur nicht dargestellt. Das Meßinstrument 5 Ist mit Hilfe der Metalleiterbahnen 41 mit dem ersten Thermoelement der Reihe und mit Hilfe der Leiterbahn 42 mit dem letzten Thermoelement verbunden. '

Bei einer Breite der Halbleitergebiete von 10 /U und bei einer Entfernung der einzelnen Halbleitergebiete untereinander von ebenfalls 10 ni lassen sich bei einer Länge des Halbleiterkörpers von 1 mm 50 Thermoelemente unterbringen. Mit einem solchen Mehrfachthermoelement, das aus 50 einzelnen Thermoelementen besteht, lassen sich trotz Wärmeableitung Thermospannungen von ca. 10 ^jw erreichen.

Bei den oben beschriebenen erfindungsgemäßen Thermoelementan-YPA 9/712/0106 4098U/Ü748 -5-

Ordnungen ist das Halbleitergebiet, vorzugsweise das p-dotierte Silizium, gegenüber dem n-Siliziumkörper durch den pn-übergang elektrisch praktisch isoliert. Beim Erwärmen der Kontaktstelle in der Aussparung 6 zwischen der Leiterbahn und dem Diffusionsgebiet ist die Temperaturerhöhung sehrsshnell meßbar, da sowohl das p-Gebiet als auch die Leiterbahn nur eine Dicke von etwa 1 /um haben und die zu erwärmende Masse daher äußerst gering ist. Die Zeitkonstante eines wie oben beschrieben aufgebauten Thermoelementes liegt bei <10 msec*

Für den Fall, daß im obigen Beispiel die thermische Kopplung. zwischen dem Halbleitergebiet und dem η-Silizium zu groß ist, oder für den Fall, daß die elektrische Isolation zwischen die-

dera
sen beiden Gebieten Halbleitergebiet und dem Siliziumkörper verbessert werden soll, wird folgende Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Thermoelementanordnung angegeben» In der Figur 5 ist eine solche Thermoelementanordnung schematisch dargestellt. Einzelheiten der Figur 5₉ die bereits in den anderen Figuren beschrieben sind, tragen die entsprechenden Bezugszeichen. Das dotierte Halbleitergebiet, das das Bezugszeichen 22 trägt, ist zur besseren thermischen elektrischen Isolation gegen seine Umgebung auf ein isolierendes Trägersubstrat 11 aufgebracht. Vorzugsweise beträgt die Dicke des Halbleitergebietes 2 /U. Das Halbleitergebiet besteht vorzugsweise aus p-dotiertem Silizium und ist auf das isolierende Trägersubstrat aufgedampft.~ Vorzugsweise besteht dieses Trä~ gersubstrat aus Spinell oder aus Saphir« Die Empfindlichkeit solcher Thermoelementanordnungen ist besonders groß» Für ein einzelnes, wie oben beschrieben aufgebautes Thermoelements, beträgt sie etwa 500 /U V/°C .

Thermoelementanordnungen, die wie oben beschrieben aufgebaut sind, lassen sich ebenfalls mehrfach schalten. Dabei sind die einzelnen Thermoelemente vorzugsweise auf einem gemeinsamen Spinell oder Saphir-Trägersubstrat aufgebracht«

5 Figuren

15 Patentansprüche ο ι 4 / 0 7 4 8

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Claims

Patentansprüche

( 1·/Thermoelementanordnung auf Halbleiterbasis, dadurch gekennzeichnet , daß ein Halbleitergebiet (2), eine elektrisch isolierende Schicht (3), eine Leiterbahn (4) und zwei Anschlußkontakte (8, 9) vorgesehen sind, wobei die Leiterbahn an ihrem einen Ende mit dem Halbleitergebiet elektrisch leitend verbunden ist und wobei die elektrisch isolierende Schicht außerhalb dieser Verbindung zwischen der Leiterbahn und dem Halbleitergebiet angeordnet 1st.
2. Thermoelementanordnung-nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Halbleitergebiet ein dotiertes Gebiet eines Halbleiterkörpers ist, daß in der auf dem Halbleitergebiet befindlichen elektrisch isolierenden Schicht Aussparungen (6 und 7) vorgesehen sind, wobei die Leiterbahn an ihrem einen Ende In der Aussparung (6) mit dem Halbleitergebiet elektrisch leitend verbunden Ist und wobei In der anderen Aussparung (7) ein Anschlußkontakt zwischen dem Halbleitergebiet und einem weiteren Anschluß vorgesehen ist.
3* Thermoelementanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Leiterbahn über dem Halbleitergebiet angeordnet ist und bis zu der Aussparung führt, in der der Anschlußkontakt vorgesehen ist (Fig. 2).
4. Thermoelementanordnung nach Anspruch 2_f dadurch gekennzeichnet , daß die Leiterbahn teilweise über dem Halbleitergebiet und teilweise neben dem Halbleitergebiet angeordnet ist (FIg. 3).
5. Thermoelementanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß mehrere einzelne Empfänger in Reihe geschaltet sind, wobei die Halbleitergebiete der einzelnen Empfänger in einem gemeinsamen Halbleiterkörper eindiffundiert sind (Fig. 4).

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6. Thermoelementanordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand der Halbleitergebiete voneinander und die Breite der Halbleitergebiete jeweils etwa

10 /U betragen. .
7. Thermoelementanordnung nach .Anspruch 1, dadurch g e k e η η - · zeichnet , daß das Halblgitergebiet (22) aus Halbleitermaterial besteht, das auf ein isolierendes Trägersulbstrat (11) aufgebracht ist (Fig 5).
8. Thermoelementanordnung nach Anspruch Yu dadurch g -e k--e η η zeichnet , daß mehrere, einzelne Themoelementasordnungen in Reihe geschaltet sind_s wobei die Halbleitergebiete der einzelnen Thermoelementanordnungen auf einen gemeinsamen isolierenden Träger substrat aufgebracht sind..
9. Thermoelementanordnung nach Anspruch 8, dadurch .g e k e η η zeichnet"* daß die Abstände der⁵ Halbl©itergebi©te untereinander und die Breite der Halbleiter-gebiete 5©^w©ils etwa 10 /u betragen.
10. Thermoelementanordnung nach einem der Aasprlieh© 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet $

lierende Schicht eine SiOg-Schicht ist.
11. Thermoelementanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Leiterbahn aus Aluminium ist
12. Thermoelementanordnung nach Anspruch Z₉ dadurch g e k e η η -

■j

zeichnet , daß der Halbleiterkörper aus a-leitsadem. Silizium, ist und daß das Halbleitergebiet <sia p°dotlertes Gebiet des η-leitenden Siliziumkörpers ist»
13. Thermoelementanordnung nach Anspruch 7«, dadurch g e k^-e η η -

zeichnet , daß das- aus Halbleitermaterial bestehende

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Halbleitergebiet aus p-dotiertem Silizium ist#
14. Thermoelementanordnung nach Anspruch 7, dadurch g e Ic e η η zeichnet , daß das Trägersubstrat ein Spinellsubstrat ist.
15. Thermoelementanordnung nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Trägersubstrat ein Substrat aus
Saphir ist.

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