DE2247962B2

DE2247962B2 - Thermoelementanordnung auf Halbleiterbasis

Info

Publication number: DE2247962B2
Application number: DE2247962A
Authority: DE
Inventors: Peter 6741 Minfeld Kolbow; Otto 6729 Woerth Maurer; Herbert Dr. 8000 Muenchen Weiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-09-29
Filing date: 1972-09-29
Publication date: 1978-06-29
Also published as: GB1396807A; FR2201559A1; DE2247962C3; USB399632I5; US4001046A; JPS4973986A; FR2201559B3; DE2247962A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Thermoelementanordnung mit mindestens einem Thermoelement, bei dem eir seinen einen Schenkel bildendes Halbieitergebiet mit einem Ende eines den anderen Schenkel bildenden metallischen Leiters in der heißen Lötstelle elektrisch leitend verbunden ist.

Eine derartige Thermoelementanordnung ist z. B. aus der DE-AS 15 73 178 bekannt Andere bekannte Thermoelemente auf Halbleiterbasis bestehen 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.

Die genannten Thermoelemente bzw. Thermoelementanordnungen sind zwar relativ empfindlich, weisen jedoch infolge ihrer Masse eine derartige thermische Trägheit auf, daß sie schnellen Intensitätsänderungen der einfallenden Strahlung nicht folgen können.

Die von einem Einzelthermoelement abgegebene Thermospannung, die im Millivoltbereich liegt, bedarf einer hohen Verstärkung, um sie auf das für eine Anzeige oder eine weitere Meßwertverarbeitung 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 Einzelthermoelemente 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.

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

Diese Aufgabe wird durch eine Thermoelementanordnung der eingangs genannten Art gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß auf dem Halbleitergebiet eine elektrisch isolierende Schicht angeordet ist, daß der metallische Leiter eine auf der elektrisch isolierenden Schicht angeordnete Leiterbahn ist, die an ihrem einen Ende mit dem Halbleitergebiet elektrisch leitend verbunden ist und daß an d.-;m Halbleitergebiet und an der Leiterbahn jeweils ein elektrischer Anschlußkontakt vorgesehen ist.

Vorzugsweise ist das Halbleitergebiet tin dotiertes Gebiet eines Halbleilerkörpers 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 der elektrische Anschlußkontakt an dem Halbleitergebiet vorgesehen ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren näher erfäutert.

F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Thermoelementanordnung, wobei das Halbleitergebiet ein dotiertes Gebiet eines Halbleiterkörpers ist;

Fig.2 zeigt die Aufsicht der Thermoelementanordnung nach Fig. 1;

Fig.3 zeigt in schematischer Darstellung eine Weiterbildung der Thermoelementanordnung nach Fig.l;

Fig.4 zeigt in schematischer Darstellung die Reihenschaltung von drei Thermoelementanordnungen;

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

In der Fig.l ist das Halbleitergebiet das dotierte Gebiet 2 eines Halbleiterkörpers 1. Vorzugsweise besteht dieser Halbleiterkörper 1 aus n-Siiizium. Das Halbleitergebiet hat dann p-Dotierung. Die Dicke des Halbleiterkörpers 1 beträgt vorzugsweise etwa 200 μηι, während die Dicke des beispielsweise eindiffundierten p-Gebietes 2 etwa 1 bis 2 μπι beträgt. Auf dem Halbleitergebiet 2 und auf der Oberfläche des n-Siliziumhalbleiterkörpers 1 ist eine elektrisch isolierende Schicht 3 aufgebracht. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus S1O2 und ist etwa 2 μίτι 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 vorzugsweise mit Hilfe von fotolithografischen Verfahrensschritten angebracht. Über dem Gebiet 2 ist die Leiterbahn 4, durch die Schicht 3 von dem Halbleitergebiet 2 getrennt, angeordnet. In der einen Aussparung 6 steht die metallische Leiterbahn, die vorzugsweise aus Aluminium besteht und eine Dicke von 1 μηι besitzt, mit dem Gebiet 2 in elektrisch leitender Verbindung. Diese Metall-Halbleiterverbindung entspricht der einen heißen 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. Ein weiterer Anschlußkontakt 9 ist an der metallischen Leiterbahn 4 angeordnet. Zwischen beiden Anschlußkontanten befindet sich das Meßinstrument 5.

Die F i g. 2 zeigt die Aufsicht auf eine wie oben beschriebene Thermoelementanordnung. Die Isolierschicht ist dabei, der besseren Übersicht wegen, nicht Fig.3 zeigt eine Weilerbildung einer 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.

Fig.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 μπι breit. Ihre Abstände untereinander sind vorzugsweise ebenso groß. Die einzelnen in Reihe geschalteten Thermoelemente sind durch die Metallbannen 44 untereinander verbunden. Die elektrisch isolierenden Schichten zwischen den Metalleiterbahnen und den Halbleitergebieten 2 bzw. dem Halbleiterkörper 1 befinden sich unter den Metalleiterbahnen und sind in 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 μπι und bei einer Entfernung der einzelnen Halbleitergebiete untereinander von ebenfalls 10 μπη lassen sich bei einer

.to Länge des Halbleiterkörper von 1 mm 50 Thermoelemente unterbringen. Mit einem solchen Mehrfachthermoelement, das aus 50 einzelnen Thermoelementen besteht, lassen sich trotz Wärmeableitung Thermospan-

,mV

. nungen von ca. 10—^-erreichen.

Bei den oben beschriebenen Thermoelementanordnungen 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 sehr schnell meßbar, da sowohl das p-Gebiet als auch die Leiterbahn nur eine Dicke von etwa 1 μιτι 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 diesen beiden Gebieten, dem Halbleitergebiet und dem Siliziumkörper verbessert werden soll, wird folgende Weiterbildung einer Thermoelementanordnung angegeben. In der F i g. 5 ist eine solche Thermoelementanordnung schematisch dargestellt. Einzelheiten der F i g. 5, 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 μηι. Das Halbleitergebiet besteht vorzugsweise aus p-doiiertem Silizium und ist auf das isolierende Trägersubstrat aufgedampft. Vorzugsweise besteht dieses Trägersubstrat aus Spinell oder aus Saphir. Die Empfindlichkeit solcher Thermoelementanordnungen ist besonders eroß. Für ein einzelnes-, wie oben

5 6

beschrieben aufgebautes Thermoelement, beträgt sie schalten. Dabei sind die einzelnen Thermoelemente

etwa 500 μλ/ΛΟ. vorzugsweise auf einem gemeinsamen Spinell oder

Thermoelementanordnungen, die wie oben bcschric- Saphir-Tragersubstrat aufgebracht, ben aufgebaut sind, lassen sich ebenfalls mehrfach

Hierzu 2 Blalt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thermoelementanordnung mit mindestens einem Thermoelement, bei dem ein seinen einen Schenkel bildendes Halbleitergebiet mit einem Ende eines den anderen Schenkel bildenden metallischen Leiters in der heißen Lötstelle elektrisch leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Halbleitergebiet (2, 22) eine elektrisch isolierende Schicht (3) angeordnet ist, daß der metallische Leiter eine auf der elektrisch isolieren-. den Schicht (3) angeordnete Leiterbahn (4) ist, die an ihrem einen Ende mit dem Halbieitergebiet (2, 22) elektrisch leitend verbunden ist und daß an dem Halbleitergebiet (2, 22) und an der Leiterbahn (4) jeweils ein elektrischer Anschlußkontakt (8, 9) vorgesehen ist.

2. Thermoelementanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitergebiet (2) ein dotiertes Gebiet eines Halbleiterkörpers (1) ist, daß in der auf dem Halbleitergebiet (2) befindlichen elektrisch isolierenden Schicht (3) zwei Aussparungen (6, 7) vorgesehen sind, daß die Leiterbahn (4) an ihrem einen Ende in der einen Aussparung (6) mit dem Halbleitergebiet (2) elektrisch leitend verbunden ist und daß der elektrische Anschlußkontakt (IB) an dem Halbleitergebiet (2) in der anderen Aussparung (7) angeordnet ist.

3. Thermoelementanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) über dem Halbleilergebiet (2) angeordnet ist und bis zu der anderen Aussparung (V) führt, in der der Anschlußkontakt (8) an dem Halbleitergebiet (2) vorgesehen ist (Fig. 2).

4. Thermoelementanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) teilweise über dem Halbieitergebiet (2) und teilweise neben dem Halbieitergebiet (2) angeordnet ist (F ig. 3).

5. Thermoelementanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einzelne Thermoelemente in Reihe geschaltet sind, wobei die Halbleitergebiete (2) der einzelnen Thermoelemente in einem gemeinsamen Halbleiterkörper (1) eindiffundiert sind (F i g. 4).

6. Thermoelementanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Halbleitergebiete (2) voneinander und die Breite der so Halbleitergebiete (2) jeweils etwa 10 μπι betragen.

7. Thermoelementanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbieitergebiet (22) aus Halbleitermaterial besteht, das auf ein isolierendes Trägersubstrat (11) aufgebracht ist (F ig. 5).

8. Thermoelementanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere einzelne Thermoelementanordnungen in Reihe geschaltet sind, wobei die Halbleitergebiete (2) der einzelnen Thermoelementanordnungen auf einem gemeinsamen isolierenden Trägersubstrat (11) aufgebracht sind.

9. Thermoelementanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Halbleitergebiete (2) untereinander und die Breite der Halbleitergebiete jeweils etwa 10 μιτι betragen.

10. Thermoelementanordnung nach einem der

Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Schicht (3) eine SiO₂-Schicht ist.

11. Thermoelementanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn (4) aus Aluminium ist.

12. Thermoelementanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper

(I) aus η-leitendem Silizium ist und daß das Halbieitergebiet (2) ein p-dotiertes Gebiet des η-leitenden Siliziumkörpers ist.

13. Thermoelementanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aus Halbleitermaterial bestehende Halbieitergebiet (22) aus p-dotiertem Silizium ist

14. Thermoelementanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat

II1) ein Spinellsubstrat ist.

15. Thermoelementanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat (11) ein Substrat aus Saphir ist.