FR2633943A1 - PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF SILICON-GERMANIUM ALLOYS - Google Patents

PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF SILICON-GERMANIUM ALLOYS Download PDF

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Abstract

Un procédé pour la fabrication d'alliages de silicium-germanium, caractérisé en ce que, au départ, un gaz de SiH4 , un gaz de GeCl4 et un gaz dopant du type à conductivité sont introduits dans une enceinte à réaction, en ce qu'un élément d'alliage de silicium-germanium est déposé sur un substrat chauffé à une température non inférieure à 750 degre(s)C dans l'enceinte à réaction, en ce qu'un gaz de SiH4 un gaz de GeCl4 et un autre gaz dopant du type à conductivité opposée à celle du premier gaz dopant sont ensuite introduits sur ledit premier élément d'alliage de silicium-germanium, et en ce qu'un autre (second) élément d'alliage de silicium-germanium du type à conductivité opposée à celle du premier élément d'alliage de silicium-germanium est déposé sur ledit premier élément d'alliage de silicium-germanium, et en ce que cette opération continue en série est répétée deux fois ou plus.A process for the manufacture of silicon-germanium alloys, characterized in that initially an SiH4 gas, a GeCl4 gas and a conductivity type dopant gas are introduced into a reaction vessel, in that a silicon-germanium alloy element is deposited on a substrate heated to a temperature not lower than 750 degree (s) C in the reaction chamber, in that a gas of SiH4 a gas of GeCl4 and another gas dopant of the type with opposite conductivity to that of the first dopant gas are then introduced on said first silicon-germanium alloy element, and in that another (second) silicon-germanium alloy element of the opposite conductivity type to that of the first silicon-germanium alloy element is deposited on said first silicon-germanium alloy element, and in that this continuous operation in series is repeated two or more times.

Description

La présente invention concerne un procédé pour la fabrication de matériauxThe present invention relates to a method for manufacturing materials

à énergie thermique et à énergie électrique directement convertibles, c'est-à-dire de matériaux thermoélectriques, et en particulier d'alliages de silicium-germanium, et un procédé approprié pour le  with directly convertible thermal and electrical energy, that is to say of thermoelectric materials, and in particular of silicon-germanium alloys, and a process suitable for the

traitement d'un élément utilisant de tels alliages.  treatment of an element using such alloys.

En tant que procédé pour la fabrication d'un alliage de siliciumgermanium sous la forme d'un matériau thermoélectrique, il peut être mentionné un procédé de  As a method for manufacturing a silicon germanium alloy in the form of a thermoelectric material, there can be mentioned a method of

frittage de poudre tel que décrit dans R.A. Lefever, G.L.  powder sintering as described in R.A. Lefever, G.L.

McVay et R.J. Baughman: "Preparation of Hot-Pressed Silicon-Germanium Ingot: Part III-Vacuum Hot Pressing", Materials Research Bulletin 9 863 (1974), et sa collection (Partie I et Partie II). Conformément à cette littérature, le procédé de frittage de poudre comprend les opérations suivantes: (1) une opération de fusion de silicium métallique, de germanium métallique et de matériau dopant, (2) une opération de refroidissement de la fusion obtenue au cours de l'opération (1), (3) une opération de broyage d'un alliage de silicium-germanium obtenu au cours de l'opération (2) en particules d'environ 10 meshs, c'est-à-dire passant dans  McVay and R.J. Baughman: "Preparation of Hot-Pressed Silicon-Germanium Ingot: Part III-Vacuum Hot Pressing", Materials Research Bulletin 9 863 (1974), and his collection (Part I and Part II). According to this literature, the powder sintering process comprises the following operations: (1) an operation for melting metallic silicon, metallic germanium and doping material, (2) an operation for cooling the fusion obtained during the operation (1), (3) an operation for grinding a silicon-germanium alloy obtained during operation (2) into particles of approximately 10 mesh, that is to say passing through

les mailles d'un tamis d'ouverture de 0,740 mm.  the mesh of a 0.740 mm opening sieve.

(4) une opération de réduction par moulage des particules d'alliage de silicium-germanium obtenues au cours de l'opération (3) en particules plus fines, et (5) une opération de compression à chaud des particules d'alliage de silicium-germanium obtenues au cours de l'opération (4) dans une enceinte à vide ne dépassant pas 10-5 Torr à environ 1300 C et sous une  (4) an operation of reduction by molding of the silicon-germanium alloy particles obtained during operation (3) into finer particles, and (5) an operation of hot compression of the particles of silicon alloy -germanium obtained during operation (4) in a vacuum enclosure not exceeding 10-5 Torr at around 1300 C and under a

haute pression d'environ 2000 kg/cm2.  high pressure of approximately 2000 kg / cm2.

Par ailleurs, le brevet japonais Kokai (description  Furthermore, the Japanese patent Kokai (description

initiale) no 190077/83 décrit une invention concernant un matériau thermoélectrique composé d'une solution solide -2- cristalline non-simple comprenant une pluralité d'éléments et un exemple dans celui-ci décrit un procédé pour la production de SixGeyBz (x+y+z = 1). Conformément audit procédé, des matériaux gazeux de SiH4, GeH4 et B2H6 sont introduits dans une enceinte à vide avec un gaz porteur H2 et sont décomposés dans l'enceinte afin d'obtenir ainsi un cristal amorphe ternaire constitué de  initial) no 190077/83 describes an invention relating to a thermoelectric material composed of a non-simple crystalline solid solution -2- comprising a plurality of elements and an example in this describes a process for the production of SixGeyBz (x + y + z = 1). In accordance with said process, gaseous materials of SiH4, GeH4 and B2H6 are introduced into a vacuum enclosure with a carrier gas H2 and are decomposed in the enclosure in order to thus obtain a ternary amorphous crystal consisting of

Si, Ge et B à la vitesse de croissance de 50 A/min.  Si, Ge and B at the growth rate of 50 A / min.

Ainsi, il peut également être mentionné un procédé dans lequel un composé gazeux est utilisé comme matériau et est décomposé en phase vapeur dans une enceinte & vide  Thus, it can also be mentioned a process in which a gaseous compound is used as a material and is decomposed in the vapor phase in an enclosure & vacuum

afin d'obtenir un matériau thermoélectrique.  in order to obtain a thermoelectric material.

En outre, les mémoires des brevets US n 2 552 626 et 4 442 449 décrivent des procédés pour la fabrication d'alliages Si-Ge conformément & un dépôt en phase gazeuse par procédé chimique pour film mince mais la vitesse de croissance des films minces conformément à ces procédés  In addition, the briefs of US Pat. Nos. 2,552,626 and 4,442,449 describe methods for the manufacture of Si-Ge alloys in accordance with chemical vapor deposition for thin film but the growth rate of thin films in accordance to these processes

est inférieure à 500 A/mn.is less than 500 A / min.

Lorsque les matériaux thermoélectriques ainsi préparés sont utilisés sous forme d'unicouples-PN, du silicium-germanium du type P et du siliciumgermanium du type N sont traités de manière classique et fondus pour faire face à leur utilisation et le produit a été collé  When the thermoelectric materials thus prepared are used in the form of unicouples-PN, silicon-germanium of type P and silicon-germanium of type N are processed in a conventional manner and melted to cope with their use and the product has been bonded.

au moyen de patins à chaud et de patins à froid.  by means of hot skates and cold skates.

Le procédé de frittage de poudre, l'un des procédés mentionnés précédemment pour la fabrication de matériaux thermoélectriques, comporte des opérations compliquées comme décrit précédemment et nécessite des conditions de fabrication particulières telles que haute température non inférieure & 1400 C au cours de l'opération de fusion du matériau, haute température avoisinant 1300 C, haute pression d'environ 2000 kg/cm2 et degré de vide élevé non supérieur & 10-5 Torr au cours de l'étape de compression & chaud ou des normes techniques élevées pour réaliser  The powder sintering process, one of the previously mentioned processes for the manufacture of thermoelectric materials, involves complicated operations as described above and requires special manufacturing conditions such as high temperature not lower than 1400 C during the operation. of material melting, high temperature around 1300 C, high pressure of about 2000 kg / cm2 and high vacuum level not higher than 10-5 Torr during the compression stage & hot or high technical standards to achieve

ces conditions.These conditions.

-3- Par ailleurs, dans le procédé de croissance conformément & l'exemple du brevet Kokai n 190077/83 o SiH4, GeH4, et B2H6 sont des matériaux et sont introduits dans une enceinte & vide, la vitesse de croissance est aussi lente que 50 A/mn et une telle vitesse ne répond  -3- Furthermore, in the growth process in accordance with the example of the Kokai patent n 190077/83 o SiH4, GeH4, and B2H6 are materials and are introduced into an empty chamber, the growth rate is as slow as 50 A / mn and such a speed does not respond

pas aux buts de l'industrie.not industry goals.

Comme décrit ci-dessus, même dans la technique desdits deux mémoires de brevets US, la vitesse de croissance n'est pas supérieure à 500 k/mn, des alliages Si-Ge de composition homogène en volumes importants ne peuvent pas être obtenus, et par suite une morphologie désirée ne peut pas être attendue pour la couche de croissance. En outre, lorsque les alliages de silicium-germanium ainsi préparés sont utilisés comme éléments thermoélectriques, ceux-ci doivent être traités, par exemple, dans la structure telle que représentée à la fig. 6, mais une connexion en série des branches Si-Ge du "type n" avec des branches Si-Ge du "type p" au moyen de patins & chaud et de patins à froid doit être effectuée généralement par une opération de métallisation et ce que l'on appelle une opération de liaison telle que par soudure. Toutefois, les opérations de connexion sont compliquées et il est difficile de choisir un agent de soudure approprié pour la liaison eu égard au point de la  As described above, even in the technique of said two US patent memories, the growth speed is not greater than 500 k / min, Si-Ge alloys of homogeneous composition in large volumes cannot be obtained, and therefore a desired morphology cannot be expected for the growth layer. Furthermore, when the silicon-germanium alloys thus prepared are used as thermoelectric elements, these must be treated, for example, in the structure as shown in FIG. 6, but a series connection of the Si-Ge branches of the "n type" with Si-Ge branches of the "p type" by means of hot & cold pads and generally must be carried out by a metallization operation and this which is called a bonding operation such as welding. However, the connection operations are complicated and it is difficult to choose a suitable solder for the connection in view of the point of the

fusion et à la qualité de liaison.  fusion and link quality.

La présente invention crée un procédé permettant de résoudre les problèmes propres auxdits procédés connus, à savoir les conditions de fabrication spécifiques telles que haute température, haute pression et degré de vide élevé, et un nouveau procédé pour le moulage d'un élément thermoélectrique qui offre un moyen pour une industrialisation simple, permet que l'élément soit fabriqué à un haut rendement et avec une vitesse de croissance élevée et qui n'exige pas les opérations -4 séparées pour la connexion en série des branches Si-Ge du "type n" avec les branches Si-Ge du "type p" au moyen de patins à chaud et de patins à froid pour le moulage de l'élément, lesdites opérations ayant été nécessaires dans les procédés connus. C'est-à-dire que l'invention est caractérisée en répétant deux fois ou plus une opération continue en série dans laquelle un gaz de SiH4, un gaz de GeC14 et un gaz dopant du type à conductivité sont d'abord introduits dans une enceinte à réaction, un premier alliage de silicium-germanium est déposé sur un substrat chauffé à une température non inférieure à 750 C dans l'enceinte à réaction et un gaz de SiH4, un gaz de GeC14 et un gaz dopant du type à conductivité opposée à celle pour le gaz dopant ci-dessus sont introduits sur ledit premier alliage de silicium-germanium lorsqu'un autre (second) alliage de silicium-germanium est déposé sur ledit premier alliage d'une manière telle que.le premier alliage de silicium-germanium et le second alliage de silicium-germanium peuvent être de types de conductivité opposée. Conformément à l'invention, il est également possible de fabriquer un élément thermoélectrique par un procédé continu en série similaire au procédé ci-dessus, dans lequel le substrat est composé dès le départ d'un alliage de silicium-germanium du type & conductivité, et dans lequel un alliage de silicium-germanium du type de conductivité opposée à celui pour le substrat est déposé  The present invention creates a method for solving the problems specific to said known methods, namely specific manufacturing conditions such as high temperature, high pressure and high degree of vacuum, and a new method for molding a thermoelectric element which offers a means for simple industrialization, allows the element to be manufactured at a high yield and with a high growth speed and which does not require the separate operations -4 for the series connection of the Si-Ge branches of "type n "with Si-Ge branches of the" p type "by means of hot shoes and cold shoes for molding the element, said operations having been necessary in known methods. That is to say, the invention is characterized by repeating two or more times a continuous operation in series in which a gas of SiH4, a gas of GeC14 and a doping gas of the conductivity type are first introduced into a reaction chamber, a first silicon-germanium alloy is deposited on a substrate heated to a temperature not lower than 750 C in the reaction chamber and a gas of SiH4, a gas of GeC14 and a doping gas of the type with opposite conductivity to that for the above doping gas are introduced on said first silicon-germanium alloy when another (second) silicon-germanium alloy is deposited on said first alloy in such a way that the first silicon alloy- germanium and the second silicon-germanium alloy can be of opposite conductivity types. According to the invention, it is also possible to manufacture a thermoelectric element by a continuous process in series similar to the above process, in which the substrate is composed from the start of a silicon-germanium alloy of the type & conductivity, and in which a silicon-germanium alloy of the type of conductivity opposite to that for the substrate is deposited

sur ledit substrat.on said substrate.

L'invention sera à présent décrite plus en détail par référence aux dessins d'accompagnement, dans lesquels: La fig. 1 est une vue schématique du dispositif  The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a schematic view of the device

permettant de réaliser la présente invention.  for carrying out the present invention.

La fig. 2 montre des alliages de silicium-germanium fabriqués en conformité avec l'invention et des  Fig. 2 shows silicon-germanium alloys produced in accordance with the invention and

unicouples de ceux-ci.unicouples of these.

La fig. 3 est un module thermoélectrique des alliages de siliciumgermanium fabriqué en conformité avec l'invention. La fig. 4 montre d'autres alliages de silicium- germanium fabriqués en conformité avec l'invention et des  Fig. 3 is a thermoelectric module of silicon-germanium alloys produced in accordance with the invention. Fig. 4 shows other silicon-germanium alloys produced in accordance with the invention and

multicouples de ceux-ci.multicouples of these.

La fig. 5.est un module thermoélectrique desdits autres alliages de silicium-germanium fabriqués en conformité avec l'invention, et La fig. 6 est un module thermoélectrique d'éléments connus.  Fig. 5.is a thermoelectric module of said other silicon-germanium alloys manufactured in accordance with the invention, and FIG. 6 is a thermoelectric module of known elements.

L'invention sera décrite par référence à la fig. 1.  The invention will be described with reference to FIG. 1.

Ainsi qu'on le verra à partir de la fig. 1, le gaz de N2, le gaz de SiH4, le gaz dopant et le gaz de H2 des gaz utilisés dans l'invention sont fournis à travers des conduites 1, 2, 3 et 4. Les références numériques 11, 12  As will be seen from FIG. 1, the N2 gas, the SiH4 gas, the doping gas and the H2 gas of the gases used in the invention are supplied through pipes 1, 2, 3 and 4. The reference numerals 11, 12

et 13 sont les contrôleurs de débit des gaz respectifs.  and 13 are the respective gas flow controllers.

L'hydrogène fourni à travers la conduite 4 est utilisé pour la substitution de gaz dans le dispositif et sous la  The hydrogen supplied through line 4 is used for gas substitution in the device and under the

forme d'un gaz porteur de GeC14 stocké dans une cuve 40.  form of a gas carrying GeC14 stored in a tank 40.

Tout d'abord, un substrat 31 est placé dans une enceinte à réaction 32. Avant la croissance d'un alliage, l'intérieur de l'enceinte à réaction est vidé au moyen d'un pompe à vide 23 et est converti par H2, et ensuite  First, a substrate 31 is placed in a reaction chamber 32. Before the growth of an alloy, the interior of the reaction chamber is emptied by means of a vacuum pump 23 and is converted by H2 , and then

une quantité prédéterminée de H2 est amenée à s'écouler.  a predetermined amount of H2 is caused to flow.

Le H2 est placé sous une pression prédéterminée au moyen d'une soupape d'entrée à pression constante 24 et est ensuite évacué. Au même moment, durant cette opération, le SiH4 et un gaz dopant du type à conductivité dans la même quantité que dans les conditions de croissance initiales, et en plus du GeCl4 entraînant le gez porteur de H2, sont amenés à s'écouler à partir d'un tuyau 50 dans un dispositif d'adsorption 27. Le substrat est alimenté avec de l'électricité provenant d'une source de -6- puissance 35 et est élevé jusqu'à une température désirée. Le substrat 31 est contrôlé à une température constante au moyen d'un pyromètre 34 pour un contrôle de température à travers un trou de visée 33. La croissance est effectuée en arrêtant l'écoulement de H2 et en introduisant dans l'enceinte & réaction les matériaux gazeux s'écoulant dans le tuyau 50. Le dépôt ultérieur d'un alliage de silicium-germanium du type & conductivité opposée est effectué de manière telle que les matériaux gazeux sont immédiatement arrêtés au moment o le dépôt initial s'est terminé, H2 est amené & s'écouler pour évacuer lesdits gaz, et ensuite ledit alliage de silicium-germanium du type à conductivité opposée est déposé conformément à l'opération à laquelle il a été  The H2 is placed under a predetermined pressure by means of a constant pressure inlet valve 24 and is then discharged. At the same time, during this operation, the SiH4 and a doping gas of the conductivity type in the same amount as under the initial growth conditions, and in addition to the GeCl4 causing the gez carrying H2, are caused to flow from from a pipe 50 into an adsorption device 27. The substrate is supplied with electricity from a power source 35 and is raised to a desired temperature. The substrate 31 is controlled at a constant temperature by means of a pyrometer 34 for temperature control through a sighting hole 33. The growth is carried out by stopping the flow of H2 and by introducing into the enclosure & reaction gaseous materials flowing in the pipe 50. The subsequent deposition of a silicon-germanium alloy of the opposite conductivity type is carried out in such a way that the gaseous materials are immediately stopped when the initial deposition is completed, H2 is brought to flow to evacuate said gases, and then said silicon-germanium alloy of the opposite conductivity type is deposited in accordance with the operation to which it has been

fait allusion précédemment.alluded previously.

Dans un autre procédé, GeC14 et SiH4 sont amenés à s'écouler en continu tels qu'ils sont tandis que seul un gaz dopant est arrêté et, après un court laps de temps, un gaz dopant du type à conductivité opposée est envoyé  In another method, GeC14 and SiH4 are caused to flow continuously as they are while only one doping gas is stopped and, after a short time, a doping gas of the opposite conductivity type is sent

pour le dépôt des alliages.for depositing alloys.

En outre, la répétition de ces opérations permet de disposer d'alliages de silicium-germanium composés de couches multiples constituées par des dépôts en  In addition, the repetition of these operations makes it possible to have silicon-germanium alloys composed of multiple layers constituted by deposits in

alternance d'alliages du type à conductivité opposée.  alternation of alloys of the opposite conductivity type.

Après l'achèvement de la croissance, l'écoulement des matériaux gazeux est arrêté et seul H2, sous la forme d'un gaz porteur, est amené à s'écouler. Après le laps de  After the completion of growth, the flow of gaseous materials is stopped and only H2, in the form of a carrier gas, is caused to flow. After the lapse of

temps désiré, 1 température du substrat est abaissée.  desired time, 1 substrate temperature is lowered.

Après l'abaissement complet de la température du substrat, N2 est amené à s'écouler dans l'enceinte à réaction 32 afin de remplacer ainsi l'intérieur de l'enceinte par N2. Pour s'assurer d'un remplacement complet, celui-ci est effectué au moyen d'une pompe à  After the temperature of the substrate has been completely lowered, N2 is caused to flow into the reaction chamber 32 so as to replace the interior of the chamber with N2. To ensure a complete replacement, it is carried out by means of a

vide lorsque le produit est évacué.  empty when the product is discharged.

Conformément au procédé pour la fabrication 7- d'alliages de siliciumgermanium de l'invention, sous la forme d'un matériau thermoélectrique, il est possible d'obtenir des alliages de silicium-germanium d'une  According to the process for the manufacture 7- of silicon-germanium alloys of the invention, in the form of a thermoelectric material, it is possible to obtain silicon-germanium alloys of a

composition homogène à travers les actions suivantes.  homogeneous composition through the following actions.

C'est-à-dire que les gaz à l'intérieur de l'enceinte & réaction 32 deviennent homogènes en ce qu'un composé gazeux sous la forme d'un matériau est utilisé, et en ce que le matériau est suffisamment agité, en s'appuyant sur la convection naturelle à l'intérieur de l'enceinte à réaction. Ensuite, les matériaux atteignent la surface du substrat o lesdits gaz sont soumis à une énergie thermique présentée par le substrat afin d'être décomposés, lorsqu'un alliage de silicium-germanium recherché se dépose successivement sur la surface du substrat. Du fait que l'alliage de silicium-germanium passe par un état fondu à ce moment, celui-ci n'est pas soumis & une séparation et il en résulte qu'il est possible d'obtenir un alliage de silicium-germanium de composition homogène. Dans le cas o la pression à l'intérieur de l'enceinte à réaction 32 est particulièrement plus élevée que la pression atmosphérique, la convection naturelle se produit facilement dans l'enceinte et, par suite, les matériaux gazeux s'épuisent effectivement et une vitesse de  That is to say that the gases inside the enclosure & reaction 32 become homogeneous in that a gaseous compound in the form of a material is used, and in that the material is sufficiently agitated, by relying on natural convection inside the reaction chamber. Then, the materials reach the surface of the substrate where said gases are subjected to a thermal energy presented by the substrate in order to be decomposed, when a desired silicon-germanium alloy is deposited successively on the surface of the substrate. Because the silicon-germanium alloy goes through a molten state at this time, it is not subjected to separation and it follows that it is possible to obtain a silicon-germanium alloy of composition homogeneous. In the case where the pressure inside the reaction vessel 32 is particularly higher than atmospheric pressure, natural convection occurs easily in the vessel and, as a result, the gaseous materials effectively deplete and a speed of

croissance élevée et un haut rendement sont réalisés.  high growth and high yield are achieved.

Lorsqu'un silicium polycristallin pour semi-  When a semi-polycrystalline silicon

conducteur est fabriqué en s'appuyant sur une dé-  conductor is manufactured by relying on a

composition thermique de SiH4, il est considéré que la température appropriée pour la surface du substrat se trouve comprise dans le plage de 750 C & 850 C. Ceci est dû à ce que, en raison de l'uniformité (que l'on désigne ci-après par morphologie) de la surface, la couche du substrat se détériore à mesure que la température s'élève. Il n'est, par suite, pas permis d'élever la température du substrat au hasard en tenant compte du 8 - problème tel que le rendement au moment du traitement de contour. Avec le présent procédé pour la préparation d'un alliage silicium-germanium, toutefois, il a été confirmé par test qu'en utilisant un gaz de GeCl4, la morphologie est très bonne même dans le cas d'une température supérieure à celle qui se trouve dans la surface du substrat au moment de la seule décomposition thermique de SiH4. L'élévation de la température du substrat peut par  thermal composition of SiH4, it is considered that the suitable temperature for the surface of the substrate is in the range of 750 C & 850 C. This is due to the fact that, due to the uniformity (which is designated ci -after by morphology) of the surface, the substrate layer deteriorates as the temperature rises. It is therefore not allowed to raise the temperature of the substrate at random taking into account the 8 - problem such as the yield at the time of the contour treatment. With the present process for the preparation of a silicon-germanium alloy, however, it has been confirmed by test that using a gas of GeCl4, the morphology is very good even in the case of a temperature higher than that which is found in the surface of the substrate at the time of the only thermal decomposition of SiH4. The rise in the temperature of the substrate can by

suite accélérer la vitesse de croissance.  further accelerate the growth speed.

ExempleAExampleA

Un substrat de graphite 60 de la dimension 23 x 3 x 940 mm a été directement alimenté avec de l'électricité pour chauffage dans une enceinte à réaction d'environ mm de diamètre intérieur et de 1300 mm de hauteur, et ledit substrat a été maintenu & 870 C. Les phosphine (PH3) et diborane (B2H6) ont été choisis comme gaz dopants. Au départ, du monosilane (SiH4), du tétrachlorure de germanium (GeC14) et B2H6 ont été introduits dans l'enceinte à réaction dans la proportion de 210 Nml/min, 620 mg/min et 0,10 Nml/min, respectivement. Du fait que GeCl4 est un liquide à température ambiante, son écoulement a été contrôlé par l'écoulement du gaz porteur (H2) et par la pression de vapeur de GeC14. Ensuite, sous la forme de dépôts de silicium-germanium, les écoulements de SiH4, GeCl4 et B2H6 ont été accrus dans la proportion de la surface de l'alliage de silicium-germanium que l'on a fait croître. B2H6 a été arrêté à partir de son alimentation en 18 heures après le début de l'introduction du gaz dans l'enceinte à réaction et la fourniture de PH3 a été commencée. PH3 a été envoyé dans la proportion de 1,8 fois B2H6, période durant laquelle l'intérieur de l'enceinte à réaction 32 a été conservé sous 1,4 fois la pression atmosphérique. Le temps de réaction total a été établi & 36 heures. Il a été observé  A graphite 60 substrate of the dimension 23 x 3 x 940 mm was directly supplied with electricity for heating in a reaction chamber of approximately mm in internal diameter and 1300 mm in height, and said substrate was maintained & 870 C. Phosphine (PH3) and diborane (B2H6) were chosen as doping gases. Initially, monosilane (SiH4), germanium tetrachloride (GeC14) and B2H6 were introduced into the reaction vessel in the proportion of 210 Nml / min, 620 mg / min and 0.10 Nml / min, respectively. Because GeCl4 is a liquid at room temperature, its flow was controlled by the flow of carrier gas (H2) and by the vapor pressure of GeC14. Then, in the form of silicon-germanium deposits, the flows of SiH4, GeCl4 and B2H6 were increased in the proportion of the surface area of the silicon-germanium alloy that was grown. B2H6 was stopped from its supply in 18 hours after the start of the introduction of the gas into the reaction vessel and the supply of PH3 was started. PH3 was sent in the proportion of 1.8 times B2H6, period during which the interior of the reaction vessel 32 was kept under 1.4 times atmospheric pressure. The total reaction time was established at 36 hours. It has been observed

que la vitesse de croissance était de 2,4 Mm/min.  that the growth rate was 2.4 mm / min.

L'alliage obtenu était tel que sa couche intérieure était de Si0,83 Geo, 17 du type P (B: 5,2 x 1019 atomes/cc) et que sa couche extérieure était de Si0,83 Ge0,17 du type N (P: 4,8 x 1019 atomes/cc). Un unicouple d'éléments du type P et N a été découpé de l'alliage obtenu dans le procédé représenté à la fig. 2 et, comme représenté à la fig. 3, 17 paires desdits unicouples ont été connectées du côté & basse température pour préparer un module de test 83. Le rendement testé dudit module a montré que la différence de température était de 600 C et la sortie de 2, 4 W. Bigmple 2 Un substrat de graphite 61 de la dimension 23 z 3 z 940 mm a été directement alimenté avec de l'électricité pour chauffage dans une enceinte à réaction d'environ mm de diamètre intérieur et de 1300 mm de hauteur et ledit substrat a été maintenu à 870 C. Des phosphine (PH3) et diborane (B2H6) ont été choisis comme gaz  The alloy obtained was such that its inner layer was Si0.83 Geo, 17 of the P type (B: 5.2 x 1019 atoms / cc) and that its outer layer was of Si0.83 Ge0.17 of the N type ( P: 4.8 x 1019 atoms / cc). A unicouple of elements of type P and N was cut from the alloy obtained in the process shown in fig. 2 and, as shown in FIG. 3, 17 pairs of said unicouples were connected on the & low temperature side to prepare a test module 83. The performance tested of said module showed that the temperature difference was 600 C and the output of 2.4 W. Bigmple 2 A graphite substrate 61 of the dimension 23 z 3 z 940 mm was directly supplied with electricity for heating in a reaction chamber of approximately mm of internal diameter and 1300 mm in height and said substrate was maintained at 870 C. Phosphine (PH3) and diborane (B2H6) were chosen as the gas

dopants.doping.

Au départ, du monosilane (SiH4), du tétrachlorure de germanium (GeC14) et B2H6 ont été introduits dans l'enceinte à réaction dans la proportion de 210 Nml/min, 620 mg/min et 0,10 Nml/min, respectivement. Du fait que GeC14 est un liquide à température ambiante, son écoulement a été contrôlé par l'écoulement du gaz porteur (H2) et par la pression de vapeur de GeC14. Ensuite, sous la forme de dépôts de silicium-germanium, les écoulements de 8iH4, GeC14 et B2H6 ont été accrus dans la même  Initially, monosilane (SiH4), germanium tetrachloride (GeC14) and B2H6 were introduced into the reaction vessel in the proportion of 210 Nml / min, 620 mg / min and 0.10 Nml / min, respectively. Because GeC14 is a liquid at room temperature, its flow was controlled by the flow of carrier gas (H2) and by the vapor pressure of GeC14. Then, in the form of silicon-germanium deposits, the flows of 8iH4, GeC14 and B2H6 were increased in the same

proportion que la surface de l'alliage de silicium-  proportion that the surface of the silicon alloy-

germanium amené A croître. B2H6 a été arrêté depuis son alimentation en 18 heures après le début de l'introduction du gaz dans l'enceinte à réaction, et la fourniture de PH3 a été commencée. PH3 a été envoyé dans  germanium brought to grow. B2H6 was stopped from its supply in 18 hours after the start of the introduction of the gas into the reaction vessel, and the supply of PH3 was started. PH3 has been sent to

la proportion de 1,8 fois B2H6 pendant 18 heures.  the proportion of 1.8 times B2H6 for 18 hours.

- 10 -- 10 -

En répétant lesdites opérations en série, des éléments d'alliage de silicium-germanium des types à conductivité opposée ont été déposés en alternance permettant ainsi d'obtenir des multicouples de structure à couches multiples. Le temps de réaction total a été établi à 144 heures durant lesquelles l'enceinte à réaction a été maintenue de manière interne sous 1,4 fois la pression atmosphérique. Il a été observé que la  By repeating said operations in series, elements of silicon-germanium alloy of the opposite conductivity types were deposited alternately, thus making it possible to obtain multicouples of structure with multiple layers. The total reaction time was established at 144 hours during which the reaction vessel was maintained internally under 1.4 times atmospheric pressure. It has been observed that the

vitesse de croissance était de 2,4 pm/min.  growth rate was 2.4 µm / min.

L'alliage obtenu était tel que la couche du type P était de SiO,83 Ge0,17 (B: 5,2 x 1019 atomes/cc) et que la couche du type N était de Si0,83 Ge0, 17 (P: 4,8 x  The alloy obtained was such that the P-type layer was SiO, 83 Ge0.17 (B: 5.2 x 1019 atoms / cc) and that the N-type layer was Si0.83 Ge0, 17 (P: 4.8 x

1019 atomes/cc).1019 atoms / cc).

Un multicouple d'éléments du type P et N a été découpé des alliages obtenus dans le procédé représenté à la fig. 4, et un module de test 846(pourvu de patins à froid et un film conducteur au niveau du multicouple du type Pet N de la fig. 4) représenté à la fig. 5 a été préparé. Le rendement testé dudit module a montré que la différence de température était de 6000C et la sortie de  A multicouple of elements of type P and N has been cut from the alloys obtained in the process shown in FIG. 4, and a test module 846 (provided with cold pads and a conductive film at the level of the multicouple of the Pet N type of FIG. 4) shown in FIG. 5 has been prepared. The tested efficiency of said module showed that the temperature difference was 6000C and the output of

540 mW.540 mW.

Le procédé pour la fabrication d'alliages de silicium-germanium sous la forme d'un matériau thermoélectrique conformément à l'invention entraîne les  The process for the production of silicon-germanium alloys in the form of a thermoelectric material in accordance with the invention results in the following:

effets mentionnés ci-après.effects mentioned below.

1) Du fait que les alliages croissent en phase vapeur, le type de conductivité peut facilement être  1) Because the alloys grow in the vapor phase, the type of conductivity can easily be

converti en changeant le gaz dopant devant être fourni.  converted by changing the dopant gas to be supplied.

Ceci supprime les opérations de métallisation et de liaison des électrodes du côté à haute température pour ce que l'on appelle le pontage entre l'alliage de type P et l'alliage de type N lorsque l'on traite les deux éléments. Ainsi, les éléments peuvent être constitués facilement et ils ne sont pas contaminés par un adhésif  This eliminates the metallization and bonding operations of the electrodes on the high temperature side for what is called bridging between the P type alloy and the N type alloy when the two elements are treated. Thus, the elements can be formed easily and they are not contaminated by an adhesive

ou analogue.or the like.

- il -- he -

2) N'étant pas soumis & une séparation, il est possible d'obtenir un alliage de silicium-germanium de  2) Not being subjected to separation, it is possible to obtain a silicon-germanium alloy of

composition très homogène.very homogeneous composition.

3) Du fait que le procédé ne comporte pas d'opération de pulvérisation ni de moulage, pas plus que d'opération de fusion, la contamination provoquée par lavage ou par poche pour la pulvérisation et le moulage peut être évitée. 4) Le procédé n'exige pas de condition particulière telle que haute température, haute pression et degré de vide élevé, ni de technique avancée pour obtenir ceci, de sorte que l'équipement de fabrication est de faible dimension et que des éléments de consommation moindre  3) Because the process does not involve a spraying or molding operation, any more than a melting operation, contamination caused by washing or by bagging for spraying and molding can be avoided. 4) The process does not require any particular condition such as high temperature, high pressure and high degree of vacuum, nor advanced technique to achieve this, so that the manufacturing equipment is small in size and that consumption elements lesser

pourront être utilisés.can be used.

5) Du fait que les opérations de fabrication deviennent plus simples, le procédé est capable de diminuer le contrôle des articles au cours de chaque opération et les postes administratifs dans les  5) As the manufacturing operations become simpler, the process is capable of reducing the control of the articles during each operation and the administrative posts in the

conditions de fabrication.manufacturing conditions.

6) Particulièrement sous les pressions non inférieures & la pression atmosphérique, une convexion naturelle peut efficacement être utilisée et, par suite, une vitesse de croissance et un haut rendement peuvent être assurés. Le présent procédé est par suite utile, particulièrement en tant que procédé pour la fabrication d'alliages de silicium-germanium pour une production  6) Particularly under pressures not lower than atmospheric pressure, natural convection can be effectively used and, therefore, growth rate and high yield can be ensured. The present process is therefore useful, particularly as a process for the manufacture of silicon-germanium alloys for production

thermoélectrique qui utilise de grandes quantités.  thermoelectric which uses large quantities.

7) Bn surveillant l'évacuation de gaz par chromatographie gazeuse ou analogue durant l'opération de fabrication, il est facilement possible de gérer les  7) Bn monitoring the evacuation of gas by gas chromatography or the like during the manufacturing operation, it is easily possible to manage the

conditions de fabrication d'un alliage de silicium-  conditions for manufacturing a silicon alloy-

germanium.germanium.

- 12 -- 12 -

REYEN1CATIONREYEN1CATION

1. Un procédé pour la fabrication d'alliages de silicium-germanium, caractérisé en ce que, au départ, un gaz de SiH4, un gaz de GeC14 et un gaz dopant du type à conductivité sont introduits dans une enceinte à  1. A process for the manufacture of silicon-germanium alloys, characterized in that, at the start, a gas of SiH4, a gas of GeC14 and a doping gas of the conductivity type are introduced into a chamber with

réaction, en ce qu'un élément d'alliage de silicium-  reaction, in that a silicon alloy element-

germanium est déposé sur un substrat chauffé à une température non inférieure à 750 C dans l'enceinte à réaction, en ce qu'un gaz de SiH4, un gaz de GeC14 et un autre gaz dopant du type à conductivité opposée à celle du premier gaz dopant sont ensuite introduits sur ledit premier élément d'alliage de silicium-germanium, et en ce  germanium is deposited on a substrate heated to a temperature not lower than 750 C in the reaction enclosure, in that a gas of SiH4, a gas of GeC14 and another doping gas of the type with conductivity opposite to that of the first gas dopant are then introduced on said first element of silicon-germanium alloy, and in this

qu'un autre (second) élément d'alliage de silicium-  than another (second) element of silicon alloy-

germanium du type à conductivité opposée à celle du premier élément d'alliage de silicium-germanium est  germanium of the type with conductivity opposite to that of the first element of silicon-germanium alloy is

déposé sur ledit premier élément d'alliage de silicium-  deposited on said first silicon alloy element-

germanium, et en ce que cette opération continue en série  germanium, and in that this operation continues in series

est répétée deux fois ou plus.is repeated two or more times.

2. Un procédé pour la fabrication d'alliages de silicium-germanium comme décrit à la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau dudit substrat est un alliage de silicium-germanium du type à conductivité, et en ce que l'élément d'alliage de silicium-germanium déposé en premier sur ledit substrat est du type à conductivité opposée à celle du premier élément d'alliage.  2. A process for the manufacture of silicon-germanium alloys as described in claim 1, characterized in that the material of said substrate is a silicon-germanium alloy of the conductivity type, and in that the element silicon-germanium alloy deposited first on said substrate is of the type with conductivity opposite to that of the first alloying element.

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GB2221923A (en) 1990-02-21
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