[发明专利]过渡金属多重掺杂负温度系数单晶硅热敏电阻

说明书

技术领域

本发明涉及一种过渡金属多重掺杂的负温度系数单晶硅热敏电阻。

背景技术

随着信息技术和电气化的普及和发展，热敏电阻的用量和品种将大幅度增加，特别是一些高B值低阻值热敏电阻元件和传感器将成为该行业的紧缺产品。多年来人们为了提高元件的档次和满足市场对高B值低阻值特种元件的需求，采用了在氧化物材料中掺杂稀土元素、元件制造中采用多层并串结构等技术，但至今未得到满意的结果。而硅单晶热敏电阻在灵敏度、生产效率和制造成本方面比氧化物热敏电阻更具有优势和竞争力，特别是高B值低阻值的硅单晶热敏电阻有着很强的优势。关于用过渡金属离子补偿技术制备硅单晶热敏材料，过去虽有一些研究，但至今尚未能开发和产业化。

目前，国内外各生产厂家使用的热敏功能材料均是以过渡金属的氧化物(如Co₃O₄、Mn₂O₃、Fe₂O₃、NiO、CuO等)的混合物为起始材料经过压锭烧结、流延或压延工艺制备热敏材料。但根据多晶氧化物半导体的固有规律，当材料B值高时，电阻率必然也高，因此用这种材料难以实现高B值低阻值特性。

掺有深能级杂质的补偿硅半导体，其电阻率对温度有程度不同的敏感性，其灵敏系数B值由深能级杂质的能级位置和掺杂浓度有关，这样就有可能通过选择适当的掺杂杂质和浓度得到高B值材料。相同B值的补偿硅热敏材料的电阻率要比氧化物材料的小得多，这样就能制造出高B值低阻值的单晶硅热敏电阻元件。

硅热敏功能材料以硅单晶半导体为基础，掺杂特定金属原子，形成深能级俘获中心，使材料产生热敏特性。这种材料不存在晶粒、晶界、气孔和相分布，材料的均匀性、一致性和重复性优于氧化物陶瓷材料。经过严格控制掺杂原子在硅中的浓度及其分布，易于实现用氧化物陶瓷热敏材料难以实现的高B值低阻值元件，并提高热敏材料和元件的一致性、重复性、稳定性。

迄今为止，与用硅单晶掺锰和铜补偿技术开发热敏电阻材料和元件直接相关的研究未见报导。而间接相关的研究有：在硅中掺杂金或锰等形成热敏材料的报道。1983年日本东芝公司研制出掺金硅热敏电阻，获得B＝4300K，R＝15kΩ；1985-1987年中科院新疆物理所研制出掺金及掺铂硅热敏电阻，并获国家专利(中国发明专利85102901.9，掺金硅互换热敏电阻器，陶国强等；中国发明专利87103486.3，掺金、掺铂单晶硅热敏电阻，陶明德等)。2002-2003年中科院新疆理化技术所研制出掺锰硅热敏电阻，并申请国家专利一项(中国发明专利，专利受理号200310116749.4，一种锰掺杂的负温度系数单晶硅热敏电阻，巴维真等)2004年中科院新疆理化技术研究所研制出锌掺杂单晶硅热敏电阻，并申请国家专利(中国发明专利，专利受理号200410092027.4，一种锌掺杂的负温度系数单晶硅热敏电阻，巴维真等)。但这些研究均未涉及过渡族金属元素多重掺杂的研究。

本发明的主要技术是将过渡族金属杂质锰和铜掺入P型硅单晶中，形成深施主能级。当材料温度升高时，一些被俘获电子热激发至导带，使材料电阻率发生变化，从而呈现热敏特性。

发明内容

本发明目的在于，研制一种过渡金属多重掺杂的负温度系数单晶硅热敏电阻，该热敏电阻采用涂源高温扩散方法，将过渡金属元素锰和铜作为掺杂剂，掺入P型单晶硅中；利用锰和铜在P型单晶硅中的杂质补偿性质，制备出珠状高B值低阻值热敏电阻器，其电学参数为50Ω-1.2KΩ，材料B值4300-4500K。

本发明所述的过渡金属多重掺杂的负温度系数单晶硅热敏电阻，采用涂源高温扩散方法，将过渡金属元素锰和铜作为掺杂剂，掺入P型单晶硅中，利用锰和铜在P型单晶硅中的杂质补偿，制备出珠状热敏电阻器。

所述的热敏电阻过渡金属锰离子掺杂浓度为：3×10¹⁷和铜离子的掺杂浓度为4.5×10¹⁵-4.5×10¹⁶之间。

所述的热敏电阻P型单晶硅片的电阻率为1-4Ωcm。

所述的热敏电阻为高B值低阻值，电学参数为50Ω-1.2KΩ，材料B值为4300-4500K。

所述的单晶硅热敏电阻的制备方法，按下列步骤进行：

a、采用电阻率为1-4Ωcm的P型单晶硅片，用20目金刚砂将两面磨平，将硅片放入去离子水中用超声波清洗去砂，然后用氨水、过氧化氢、去离子水按照1∶1∶5比例配成的洗液煮20分钟，再用冷热去离子水交替清洗3-5遍；