專利名稱：半導體致冷取向晶體的制備方法及設備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導體致冷取向晶體的制備方法及利用該方法的專用設備，屬微電子技術(shù)領(lǐng)域。
目前的半導體致冷材料，一般認為以Bi2Te3-Sb2Te3固溶體(P型)和Bi2Te3-Bi2Se3固溶體(N型)的取向晶體為最好，一般由區(qū)熔法或壓制法制備。區(qū)熔法是先經(jīng)過高溫熔煉使Bi、Te、Sb(或Bi、Te、Se)單元素混合物在真空玻璃管內(nèi)充分化合為固溶體，然后通過無外場區(qū)域熔化法生長取向晶體或單晶體。材料的致冷質(zhì)量由優(yōu)值系數(shù)Z= (a2σ)/(k) 反映，其中α為溫差電動勢率，σ為電導率，k為熱導率。目前我國廠家用區(qū)域熔化法生產(chǎn)，Z＝2.0-2.5×10-3/k，日本最好達Z＝2.7×10-3/k，優(yōu)值都較低。另外，目前生產(chǎn)的材料普遍強度不高，容易解理劈裂，造成材料利用率低，制冷器件生產(chǎn)的成品合格率低，也影響器件壽命。
本發(fā)明的目的在于采用新方法使晶體在合適的環(huán)境和條件下進行區(qū)熔生長，以改變晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，同時提高晶體的取向程度，抑制晶體的單晶生長，提高材料的優(yōu)值系數(shù)和強度。
目前區(qū)熔法制備致冷材料都是在無外場條件下進行，我們采用的新方法是在磁場(H＝1800-2500高斯)條件下，區(qū)熔生長Bi2Te3-Sb2Te3和Bi2Te3-Bi2Se3取向晶體。
具體制備方法為1、配料按照N型或P型配方用天平秤量出所需重量的各Bi、Te、Sb(或Se)元素材料。
2、封裝把硬玻璃管清洗烘干后在一端封死，封出一園錐型尖角做取向晶體的生長點。然后把稱量好的各元素材料裝入玻璃管內(nèi)抽真空至10-2mmHg以上后將玻璃管另一端封死。
3、熔煉把封好的玻璃料管裝入可搖動的管式電爐中，在640℃-700℃溫度下熔煉一小時，同時搖動爐體，使單元素混合物熔化后充分化合為化合物固溶體。然后將爐體直立震動5-10分鐘，再從爐中取出玻璃料管冷卻結(jié)晶為固溶體合金錠。
4、在磁場中區(qū)熔將冷卻后的玻璃錠管固定在區(qū)熔設備行走裝置的夾具上，使玻璃管軸線鉛直并與區(qū)熔爐中心軸線一致。將區(qū)熔爐控制在650℃-700℃，然后在磁場(H＝1800-2500高斯)中，使錠管以3-6厘米/小時的速度由上向下運動，這樣晶錠從園錐尖角開始緩慢通過爐區(qū)，在磁場中晶錠由下向上區(qū)熔生長為取向晶體。
5、將區(qū)熔后的玻璃晶錠管取下破碎管壁取出取向晶體錠，截去頭尾檢測后即為制備好的半導體致冷材料，可供切割成各種規(guī)格的致冷元件。
利用上述制備方法在磁場中生長取向晶體的設備見所附設備簡圖(見圖1)。該設備主要是區(qū)熔爐體，電磁鐵和行走裝置三部分。
區(qū)熔爐(2)外殼為耐火材料，爐內(nèi)環(huán)形電阻絲做為水平園環(huán)形熱源，爐體中間是園柱體空腔，形成一均勻的區(qū)熔溫場，爐體中固定有熱電偶(3)。電阻絲聯(lián)接加熱電源，熱電偶聯(lián)接溫度控制儀，溫控儀控制加熱電源以保持所需要的穩(wěn)定溫場。
區(qū)熔爐爐體由三根頂絲(5)支撐，通過頂絲可調(diào)整區(qū)熔爐的高度與水平。頂絲固定在爐架(4)上，爐架(4)與隔熱板(6)一起固定在電磁鐵鐵芯(7)上。
電磁鐵固定在水泥座架(10)上，(8)為線圈繞組，由直流穩(wěn)流電源供電，使一側(cè)鐵芯為N極另一側(cè)為S極，調(diào)整電流可產(chǎn)生不同強度的穩(wěn)定磁場，使晶體在磁場中區(qū)熔生長。在線圈繞組外面有冷卻水管(9)，由水循環(huán)系統(tǒng)提供冷卻水防止線圈繞組溫度過高。
由驅(qū)動設備帶動行走裝置臂(13)，使之可以上下運動，行走裝置臂的上端為一個夾具(11)以夾位裝有晶錠的玻璃管，下端是行走裝置下托(12)，它是一個固定在行走裝置臂上，上端為漏斗形的上下可調(diào)的絲桿，它可輕輕托住玻璃管的園錐形管頭。這樣，當行走裝置由上向下以一定速度運動時，熔區(qū)以相同速度向上運動，使晶錠區(qū)熔生長為取向晶體。
整個設備，在磁鐵以上由玻璃窗罩(14)，下部由金屬外殼(15)封裝，防止外界的溫度干擾。
Bi2Te3、Sb2Te3，Bi2Se3是以離子鍵為主的化合物。熔區(qū)內(nèi)的正負離子在熱運動和對流運動的同時受到洛侖茲力的作用，增加加了熔區(qū)內(nèi)的攪拌作用，抑制固液界面附近的溫度起伏，穩(wěn)定固液界面，使生長出的晶體材料組分、雜質(zhì)分布均勻，使(0001)晶面平行于軸向取向生長的同時在其他方向上均勻窄面生長(如圖2圖3所示)。并且磁場的存在增加了相變驅(qū)動力提高了晶體結(jié)合能，使晶體點陣常數(shù)比無磁場時變小，使能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。從而在強磁場中制備的致冷材料優(yōu)值和強度都得到提高。
測試結(jié)果表明，在磁場中生長致冷材料可以使優(yōu)值系數(shù)提高10%左右，材料強度提高一倍。新方法只需在現(xiàn)有區(qū)熔設備中附加上磁場即可施行，容易推廣，具有實用價值。致冷材料的優(yōu)值系數(shù)和強度的提高可以促進致冷器件的成品率和致冷效率的提高，從而帶來經(jīng)濟效益和社會效益。
新方法還可以促進磁場對于晶體生長的影響的研究，有一定的理論價值。


圖1為磁場生長取向晶體的設備簡圖，圖中各部分說明如下1-裝晶錠的玻璃管2-區(qū)熔爐體3-熱電偶4-爐架5-頂絲6-隔熱板7-電磁鐵鐵芯8-線圈繞組9-冷卻水管10-水泥座架11-行走裝置夾具12-絲桿托13-行走裝置臂14-玻璃窗罩15-金屬外殼16-晶錠17-熔區(qū)18-取向晶體圖2為無磁場生長的取向晶體中(0001)晶面的取向橫截面圖。
圖3為磁場中生長的取向晶體中(0001)晶面的取向橫截面圖。
實施例、編號PO18，P型材料，配方為74%Sb2Te3+26%Bi2Te3+3%Te區(qū)熔溫度670℃，區(qū)熔速度3.5厘米/小時。
在上述相同條件下，無磁場時生長的晶體的優(yōu)值系數(shù)Z＝2.37×10-3K-1，硬度為12.24HVI，負荷為48.0公斤/厘米2。而在H＝2100高斯的磁場中生長的晶體的優(yōu)值系數(shù)Z＝2.6×10-3K-1，硬度為24.80HVI，負荷為88.00公斤/厘米2。此例優(yōu)值系數(shù)提高9%，強度提高83.3%。
權(quán)利要求
1.一種在磁場中制備半導體致冷取向晶體的方法，包括配料、封裝、熔煉等步驟，本發(fā)明的特征在于在上述步驟之后將冷卻結(jié)晶為固溶體的合金錠在磁場中進行區(qū)熔處理，方法如下將冷卻后裝有合金錠的玻璃錠管固定在區(qū)熔設備行走裝置的夾具上，使玻璃管軸線鉛直并與區(qū)熔爐中心軸線一致，區(qū)熔爐溫控制在650-700℃，然后在磁場H=1800-2500高斯中，使錠管以3-6厘米/小時的速度由上向下運動，晶錠從園錐尖角開始緩慢通過爐區(qū)，在磁場中晶錠由下向上區(qū)熔生長為取向晶體。
2.用于權(quán)利要求1所述方法的裝置，其特征在于該裝置由區(qū)熔爐體，電磁鐵和行走裝置三部分組成，其區(qū)熔爐體(2)的中間為一園柱形空腔，由環(huán)形電阻絲形成一水平的園環(huán)形熱源，爐體中固定有熱電偶(3)并與溫控儀連接，區(qū)熔爐爐體由三根頂絲(5)支撐，頂絲固定在爐架(4)上，爐架(4)與隔熱板(6)固定在電磁鐵芯(7)上，行走裝置臂(13)由驅(qū)動設備帶動使之可上下運動，行走裝置臂的上端為一個夾具(11)，下端是行走裝置下托(12)，(12)是一個固定在行走裝置臂上，上端為漏斗形的上下可調(diào)的絲桿，磁鐵以上有玻璃窗罩(14)，下部由金屬外殼(15)封閉整個設備。
全文摘要
一種制備半導體致冷取向晶體的方法及利用該方法的設備，特征是在常規(guī)的封裝和熔煉之后在磁場中進行區(qū)熔處理，從而使生長出的晶體材料組分、雜質(zhì)分布均勻，提高了晶體結(jié)合能，使晶體點陣常數(shù)比無磁場時變小，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，材料優(yōu)值和強度都得到提高，從而可以提高致冷器件的成品率和致冷效率。
文檔編號C30B13/30GK1045427SQ89100990
公開日1990年9月19日 申請日期1989年3月9日 優(yōu)先權(quán)日1989年3月9日
發(fā)明者趙秀平, 李將錄, 榮劍英, 趙洪安, 董興才, 夏德勇 申請人:哈爾濱師范大學