一种金刚石集成半导体制冷器结构及其制备方法技术

一种金刚石集成半导体制冷器结构及其制备方法，涉及半导体制冷器结构及其制备方法。解决现有金刚石基半导体制冷器无法实现主

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石集成半导体制冷器结构及其制备方法


[0001]本专利技术涉及半导体制冷器结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着芯片设计、制造和封装领域不断向高集成度、高密度及高功率化的快速发展，将面临严峻的散热问题。与传统的有源冷却方法相比，半导体热电冷却器由于其可靠性、静音性、兼容性和可控性，更易与电子产品集成，成为一种有效的热管理解决方案。但其仍存在制冷效率低、需外供电源增加能耗及受制于冷
‑
热端温度差等缺点。且常规半导体制冷片采用氧化铝或氮化铝等绝缘材料作为基板，存在热导率偏低等问题，无法实现被动冷却效果，需全程电源供电进行主动冷却，增加了系统能耗。由于金刚石在块体材料中表现超高的热导率，并且具有电绝缘、低热膨胀、高强度及耐腐蚀等优点，具有极佳的被动散热效果，但现有采用金刚石基板的半导体制冷器是以金刚石替换传统基板材料，其仅能满足主导式制冷，无法实现被动冷却效果，即现有金刚石基半导体制冷器无法实现主
‑
被动一体式。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决现有金刚石基半导体制冷器无法实现主
‑
被动一体式的问题，进而提供一种金刚石集成半导体制冷器结构及其制备方法。
[0004]一种金刚石集成半导体制冷器结构，它由金刚石衬底、下金属电极、第一型热电偶、第二型热电偶、金刚石生长层一、上金属电极及金刚石生长层二组成；
[0005]所述的第一型热电偶及第二型热电偶组成热电偶组；
[0006]所述的金刚石衬底表面由下至上依次设置多个下金属电极、多个热电偶组及多个上金属电极，且上金属电极及下金属电极将多个热电偶组中第一型热电偶与第二型热电偶交错串联；
[0007]相邻第一型热电偶及第二型热电偶之间设有金刚石生长层一，金刚石生长层一及上金属电极上设有金刚石生长层二。
[0008]一种金刚石集成半导体制冷器结构的制备方法，它是按以下步骤进行：
[0009]一、对金刚石衬底进行清洗，通过光刻和物理气相沉积技术，在金刚石衬底表面沉积下金属电极；
[0010]二、通过光刻和物理气相沉积技术，或者通过焊接技术，在下金属电极表面制备交错排列的第一型热电偶和第二型热电偶；所述的第一型热电偶和第二型热电偶高度相同；
[0011]三、利用化学气相沉积技术，先抽真空至反应舱真空度小于5
×
10
‑5mbar，通入氢气并启动微波发生器产生等离子体，然后升高反应舱内气压和微波功率，直至气压达到200mbar～300mbar、微波功率达到3000W～4000W及金刚石衬底温度达到600℃～1000℃，再向反应舱内通入甲烷和氮气，在气压为200mbar～300mbar、微波功率为3000W～4000W、金刚石衬底温度为600℃～1000℃、甲烷占反应舱内总气体体积的1％～4％及氮气占反应舱内总气体体积的0.01％～0.1％条件下，在金刚石衬底及下金属电极表面上沉积金刚石生长
层直至完全覆盖下金属电极，然后在气压为200mbar～300mbar、微波功率为3000W～4000W、金刚石衬底温度为600℃～1000℃、甲烷占反应舱内总气体体积的2％～8％及氮气占反应舱内总气体体积的0.01％～0.1％条件下，继续沉积金刚石生长层，直至金刚石生长层和第一型热电偶、第二型热电偶上端面齐平，得到金刚石生长层一；
[0012]四、通过光刻和物理气相沉积技术，在第一型热电偶和第二型热电偶表面沉积上金属电极；
[0013]五、利用化学气相沉积技术，先抽真空至反应舱真空度小于5
×
10
‑5mbar，通入氢气并启动微波发生器产生等离子体，然后升高反应舱内气压和微波功率，直至气压达到200mbar～300mbar、微波功率达到3000W～4000W及金刚石衬底温度达到600℃～1000℃，再向反应舱内通入甲烷和氮气，在气压为200mbar～300mbar、微波功率为3000W～4000W、金刚石衬底温度为600℃～1000℃、甲烷占反应舱内总气体体积的1％～4％及氮气占反应舱内总气体体积的0.01％～0.1％条件下，在金刚石生长层一及上金属电极表面上沉积金刚石生长层直至完全覆盖金刚石生长层一及上金属电极，然后在气压为200mbar～300mbar、微波功率为3000W～4000W、金刚石衬底温度为600℃～1000℃、甲烷占反应舱内总气体体积的2％～8％及氮气占反应舱内总气体体积的0.01％～0.1％条件下，继续沉积金刚石生长层，直至金刚石生长层达到厚度要求，得到金刚石生长层二，即完成金刚石集成半导体制冷器结构的制备方法。
[0014]本专利技术的有益效果是：
[0015]1、用尺寸更大的超高热导率金刚石衬底接触热电偶热端，利于热端热量在金刚石衬底内扩散导出，可缓解制冷器热端自发热现象，避免热量上冷端传递；
[0016]2、通过光刻和沉积技术可直接制备金属电极和热电偶，可满足微型化集成制造；
[0017]3、直接在热电偶上原位沉积上金属电极作为冷端，且直接原位制备金刚石生长层二，消除连接界面，有效降低冷端和待制冷芯片间热阻。
[0018]4、冷端顶部金刚石生长层二可直接和待制冷芯片连接，利于热量扩散，实现近结热传导。
[0019]5、利用金刚石的超高导热特性，可在热电偶不通电工作情况下，促进在芯片低功耗运行时芯片热点的均温和热迅速导出，实现无源高效被动散热。
[0020]6、在芯片高功耗模式下可开启热电偶，实现无源被动高导热金刚石结合有源主动式热电偶制冷，有效提高半导体制冷器的散热效率，可根据芯片发热情况灵活切换主/被动制冷模式，避免热电偶长期工作，减小能耗。
[0021]本专利技术用于一种金刚石集成半导体制冷器结构及其制备方法。
[0022]说明书附图
[0023]图1为本专利技术金刚石集成半导体制冷器结构的示意图；
[0024]图2为本专利技术金刚石集成半导体制冷器结构的制备流程示意图；
[0025]图3为实施例一步骤三沉积金刚石生长层一5后的样品侧切面光学显微镜图；
[0026]图4为实施例一步骤四利用光刻胶经过光刻工艺制备掩膜层的光学显微镜图；
[0027]图5为实施例一步骤四沉积上金属电极6后的光学显微镜图；
[0028]图6为金刚石集成半导体制冷器结构的散热效果验证，(a)被动冷却时对比实验的金刚石集成半导体制冷器结构，(b)被动冷却时实施例一金刚石集成半导体制冷器，(c)主
动冷却时对比实施例的金刚石集成半导体制冷器结构，(d)为主动冷却时实施例一金刚石集成半导体制冷器；
[0029]图7为金刚石集成半导体制冷器结构在主动和被动冷却时表面模拟芯片最高温度和时间关系曲线图。
具体实施方式
[0030]具体实施方式一：结合图1具体说明，本实施方式一种金刚石集成半导体制冷器结构，它由金刚石衬底1、下金属电极2、第一型热电偶3、第二型热电偶4、金刚石生长层一5、上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金刚石集成半导体制冷器结构，其特征在于它由金刚石衬底(1)、下金属电极(2)、第一型热电偶(3)、第二型热电偶(4)、金刚石生长层一(5)、上金属电极(6)及金刚石生长层二(7)组成；所述的第一型热电偶(3)及第二型热电偶(4)组成热电偶组；所述的金刚石衬底(1)表面由下至上依次设置多个下金属电极(2)、多个热电偶组及多个上金属电极(6)，且上金属电极(6)及下金属电极(2)将多个热电偶组中第一型热电偶(3)与第二型热电偶(4)交错串联；相邻第一型热电偶(3)及第二型热电偶(4)之间设有金刚石生长层一(5)，金刚石生长层一(5)及上金属电极(6)上设有金刚石生长层二(7)。2.根据权利要求1所述的一种金刚石集成半导体制冷器结构，其特征在于所述的第一型热电偶(3)及第二型热电偶(4)分别为N型掺杂半导体材料或P型掺杂半导体材料，且第一型热电偶(3)与第二型热电偶(4)材料不同。3.根据权利要求1所述的一种金刚石集成半导体制冷器结构，其特征在于所述的金刚石生长层一(5)、第一型热电偶(3)及第二型热电偶(4)上端面齐平。4.根据权利要求1所述的一种金刚石集成半导体制冷器结构，其特征在于所述的金刚石衬底(1)为单晶或多晶金刚石片；所述的金刚石衬底(1)、金刚石生长层一(5)及金刚石生长层二(7)的热导率均为1000W/mK～2500W/mK。5.根据权利要求1所述的一种金刚石集成半导体制冷器结构，其特征在于所述的热电偶组与金刚石生长层一(5)占金刚石衬底(1)上表面积的10％～50％。6.根据权利要求1所述的一种金刚石集成半导体制冷器结构，其特征在于所述的下金属电极(2)和上金属电极(6)均为钛、钼、铬、钨、镍、金、银、铂、钌和铱中的一种或多种依次沉积得到。7.根据权利要求1所述的一种金刚石集成半导体制冷器结构，其特征在于所述的金刚石衬底(1)的厚度为100μm～2000μm；所述的第一型热电偶(3)及第二型热电偶(4)的厚度均为10μm～1000μm；所述的下金属电极(2)和上金属电极(6)的厚度均为0.1μm～10μm；所述的金刚石生长层二(7)的厚度为100μm～1000μm。8.如权利要求1所述的一种金刚石集成半导体制冷器结构的制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行：一、对金刚石衬底(1)进行清洗，通过光刻和物理气相沉积技术，在金刚石衬底(1)表面沉积下金属电极(2)；二、通过光刻和物理气相沉积技术，或者通过焊接技术，在下金属电极(2)表面制备交错排列的第一型热电偶(3)和第二型热电偶(4)；所述的第一型热电偶(3)和第二型热电偶(4)高度相同；三、利用化学气相沉积技术，先抽真空至反应舱真空度小于5
×
10
‑5mbar，通入氢气并启动微波发生器产生等离子体，然后升高反应舱内气压和微波功率，直至气压达到200mbar～300mbar、微波功率达到3000W～4000W及金刚石衬...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵柯臣，朱嘉琦，关晓宇，赵继文，代兵，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：