DE1489271A1 - Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturbestaendigen,stossfesten und niedrigohmigen mechanischen Verbindung zwischen den metallischen Elektroden und dem Halbleiterkoerper eines thermoelektrischen Generators - Google Patents

Description

Telefon 76 29 97

Berlin, den 20. Dezember 1965

EUROPÄISCHE ATOMGEMEINSCHAFT (EURATOM)

PATENTANMELDUNG

"Verfahren zur Herstellung einer hochtemperaturbeständigen,

stoßfesten und niedrigohmigen mechanischen Verbindung zwischen den metallischen Elektroden und dem Halbleiterkörper idsnes .thermoelektrischen Generators"

Erfinder : R.H. GILLOT

Thermoelektrische Generatoren auf Halbleiterbasis mit nuklear

• beheizter Kathode dienen zur direkten Umwandlung von Kernenergie in elektrische Energie» Als P-Halbleitermaterial eignet sich vor allem Germanium-Tellurid, das einen besonders ausgeprägten Seebeck-Effekt zeigt. Der Halbleiterkörper ist anöden- und kathodenseitig fest mit Elektroden aus Reineisen verbunden. Im Betrieb wird die Kathode durch Kernstrahlung auf die jeweilige Arbeitstemperatur (über 500⁰C) aufgeheizt. An den Elektroden entsteht eine Gleichspannung von ca. 1OQ m Volt, die mit Strömen von 1 bis 3

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belastet werden kann· Um mit thermoelektrischen Generatoren technisch ausnutzbare Spannungen zu erhalten, muß eine größere Zahl von Halbleiterelementen (60 bis 200 Stück) elektrisch in Reihe geschaltet «erden.

Die Verbindung des Halbleiterkörpers mit der beheizten Elektrode stellt das technologisch schwierigste Problem beim Bau eines thermoelektrischen Generators dar. Ohne besondere Vorkehrungen diffundiert nämlich dauernd Kathodenmaterial, also Eisen, in den Halbleiterkörper, wodurch einerseits dieser nach gewisser Zeit seine Halbleitereigenschaften verliert, und andererseits die mechanische Verbindung mit der Elektrode brüchig wird. Abhilfe schaffen Diffusionsbarrieren, die die Eisendiffusion in den Halbleiterkörper verhindern oder erschweren. Die bisher angewandten Techniken zur Herstellung diffusionsfreier Elektrodenverbindungen sind umständlich und apparativ aufwendig} ihre Ergebnisse sind nicht mit Sicherheit reproduzierbar. Ein grundsätzliches Erschwernis besteht darin, dassdie bisherigen TechnikeB die alleinige Verwendbarkeit von Beineisenelektroden voraussetzen, da Reineisen den Halbleiter nicht so stKrk wie andere Metalle vergiftet.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer mechanischen Verbindung zwischen den Anschlußelektroden und dem Halbleiterkörper, das nicht auf Eisenelektroden beschränkt ist, sicher reproduzierbar und einfach in der Durchführung ist, und das diffusionsfeste Verbindungen liefert. Die Verbindungen erweisen sich als mechanisch fest und elektrisch beständig. Ihr elektrischer Kontaktwiderstand liegt unter 100 Mikroohm/cm . Als Halbleitermaterial dient GeTe.

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Gemäß der Erfindung ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß auf die zuvor polierte Elektrodenanschlußflache des Halbleiterkörpers eine Reineisenschicht von ca. 5 bis 50Ji aufgebracht und anschließend bei einer Temperatur von ca. 550 C unter Inertgasatmosphäre vollständig in den Körper eindiffundiert wird, daß dann die Anschlußfläche erneut präpariert, d.h. von gegebenenfalls nicht eindiffundierten Reineisenresten befreit, auf optische Güte poliert und entfettet wird, und daß alsdann der

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Halbleiterkörper an der Elektrode unter Zwischenfügung einer dehnbaren metallischen Folie von ca. 7 bis 10 u, aus thermisch stabilem Material, z.B. Gold durch Beheizen auf eine Temperatur von ca. 550 C während ca« 5 h unter gleichzeitigem Anpressen der Elektrode und des Halbleiterkörpers an die Folie mechanisch verbunden wird. Die auf diese Weise erhaltene Verbindung ist hochtemperaturbeständig, stoßfest und niedrigohmig. Das im ersten Verfahrensschritt in den Halbleicerkörper eindiffundierte Seineisen bildet eine Diffusionsbarriere geringer Eindringtiefe gegen das Folienmaterial; das Folienmaterial seinerseits verhindert im Falle der Kathode das Eindiffundieren von Elektrodenmaterial unter dem Einfluß der Kathodenarbeitstemperatur im Betrieb. Dadurch bleibt die mechanische Bindeschicht voll wirksam. Die Diffusionebarriere erreicht bei Eisenbeschichtung von 5 bis 5Ou eine Stärke von ca* 10 bis 10Ou.

Der Versuch, den Halbleiterkörper an den Elektroden allein durch das dehnbare Folienmaterial zu binden scheitert daran, daß dasselbe beim Beheizen der Kontaktzone in den Halbleiterkörper abwandert - im Falle des Goldes binnen 1 h»," wobei es mit dem Halbleitermaterial eine feste Lösung bildet. Es bleibt also kein Bindematerial, und vor allem, keine Diffusionebarriere für das

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.Elektrodenmaterial zurück.

Im folgenden sei das neue Verfahren an Hand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.

An einem etäbchenformigen Halbleiter aus Germanium-Tellurid von

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20 mm Länge und 30 mm Querschnitt werden die Elektrodenanschlußflächen in an sich bekannter Weise präpariert, d.h. abgeschliffen und poliert. Auf die polierten Flächen wird eine Schicht reinen Eisens von 10 a Dicke aufgebracht, z. B. durch Aufdampfen • im Vakuum, oder durch elektrolytisches Abscheiden oder durch Aufsprühen mit Ionenplasma oder desgleichen.

Dana, wird der Halbleiterkörper mit seinen beschichteten Elektrodenanschlußflachen in eine Art Schraubzwinge eingespannt, deren Form und Werkstoff auf die thermische Ausdehnung des Halbleiterkörpers beim Diffusionsglühen abgestimmt ist. In einem normalen Glühofen wird der Halbleiterkörper dann bei ca. 550⁰C und Atmo« sphärendruck während ca. 7 h. temperiert, wobei das aufgeschichtete Reineisen in den Halbleiterkörper eindiffundiert. Während dessen wird durch den Ofen ein Gasstrom aus reinem Argon oder, besser, aus einer Mischung von 88 % Stickstoff und 12 % Wasserstoff, geleitet.

Nach dem Glühen wird der Halbleiterkörper aus dem Ofen und der Spannvorrichtung herausgenommen, und die Elektrodenanschlußflachen werden von etwaigen Eisenresten durch Abschleifen befreit. Die Eisenreste müssen sorgfältig entfernt werden, weil die Bindestellen zwischen den Eisenresten und der Diffusionszone sehr brüchig sind. Ihre Belassung würde die spätere mechanische Verbindung zwischen Halbleiterkörper und Elektroden vergeblich machen.

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Bei der Untersuchung der nach dem erfindungegemässen Verfahren hergestellten Elektrodenverbindung mit Hilfe der Elektronenstrahlscm.de wurde festgestellt, daß die oben erwähnte Diffusionszone aus etwa 50 % Eisen in fester Lösung mit Germaniumtellurid besteht. Die Zone bleibt stabil* da durch die erfindungsgemasse Behandlung und die nachfolgend noch zu beschreibende Befestigung des Halbleiterkörpers der Materialnachschub aus der Elektrode unterbunden wird.

Die Befestigung des Halbleiterkörpers an den Elektroden geht in folgender Weise vor sich ;

Die von den Eisenrückständen befreiten Elektrodenanschlußflachen werden mechanisch auf optische Güte poliert und in Trichloräthylen entfettet. Dann wird ein Sandwich gebildet, bestehend aus der betreffenden Elektrode» der Metallfolie, und dem Halbleiterkörper. Als Metallfolie wird eine Goldfolie von 10 Ji_fals Elektrode eine Eisenelektrode verwandt« Das Sandwich wird in eine mechanische Spannvorrichtung ähnlich der oben erwähnten Schraubzwinge eingespannt, und in den bereits erwähnten Diffusionsofen gegeben. Hier wird das Sandwich unter den gleichen Bedingungen wie bei der ersten Beheizung während ca· 5 h. temperiert. Dabei verbindet sich der Halbleiterkörper _t mit der Elektrode durch Lötung.

Die mikroskopische Analyse zeigt eine nur kaum noch erkennbare Kontaktlinie zwischen Gold und Elektrodenmaterial einerseits, und zwischen Gold und Diffusionszone andererseits. ν

Der Halbleiterkörper kann mit beiden Elektroden gleich-

; zeitig oder nacheinander verbunden werden. Als Folienmaterial kommt auch Kupfer in.,.Frage.

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Claims (2)

1. |.^., v. . -IJt

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   PATENTANSPRÜCHE

   /i)yVerfahren zur Herstellung einer hochtemperaturbeatändigen, stößfesten und niedrigohmigen mechanischen Verbindung zwischen den Metallelektroden und dem GeTe-Halbleiterkörper eines thermoelektrischen Generators { dadurch gekennzeichnet, daß aaf die zuvor polierte(n) Elektrodenanschlußflache(n) des Halbleiterkörpers eine Reineisenschicht von ca; 5 his 50 η aufgebracht und anschliessend bei einer Temperatur von ca. 550 C unter Inertgasatmosphäre vollständig in den Körper eindiffundiert wird, daß dann die Anschlußfläche erneut präpariert, d.h. von gegebenenfalls nicht ein&iffundierteη Reineisenresten befreit, auf optische Güte poliert und entfettet wird, und daß alsdann der Halbleiterkörper an der (den) Elektrode(n) unter Zwischenfügung einer dehnbaren metallischen Folie von ca. 7 bis 10 λχ aus thermisch stabilem Material durch Beheizen auf eine Temperatur von ca. 550 C während ca. 5 h» unter gleichzeitigem Anpressen der Elektrode(n) und des Halbleiterkörpers an die Folie mechanisch verbunden wird.
2. 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung in einem Glühofen stattfindet, durch welchen Argongas oder eine Mischung aus 88 % Stickstoff und 12 % Wasserstoff geleitet wird.

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