[发明专利]一种金刚石集成半导体制冷器结构及其制备方法

说明书

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‑被动一体式的问题。结构由金刚石衬底、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；方法：一、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；二、通过光刻和物理气相沉积技术，或者通过焊接技术，制备第一型热电偶和第二型热电偶；三、利用化学气相沉积技术，制备金刚石生长层一；四、通过光刻和物理气相沉积技术，沉积上金属电极；五、利用化学气相沉积技术，制备金刚石生长层二。本发明用于金刚石集成半导体制冷器结构及其制备。

技术领域

本发明涉及半导体制冷器结构及其制备方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

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；

所述的第一型热电偶及第二型热电偶组成热电偶组；

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；

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。

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：

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；

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；

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；

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；