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Entwicklung hochtemperaturstabiler Metall-Halbleiter-Kontakte mittels Laserstrahlmikroschweißen

Ernst, Henrik

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung und Herstellung diskreter, hochtemperaturstabiler Metall-Halbleiter-Kontakte für die Anwendung in thermoelektrischen Sensorsystemen beschrieben. Ein Laserstrahlmikroschweiß-verfahren wurde verwendet, um spezielle Thermoelementkontakte auf den Halbleitern Silizium, Eisendisilizid und Siliziumkarbid herzustellen. Der Schwerpunkt der Arbeit lag in der Auswahl geeigneter Kontaktmaterialien und der Entwicklung prozesssicherer Kontaktierungsmethoden sowie der Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften und der Mikrostruktur der Kontakte. Zur Überprüfung der Stabilität der Kontakte beim Einsatz der Sensoren unter extremen Umgebungsbedingungen wurden Lagerungstests und Temperaturwechseltests in einem weiten Temperaturbereich von -190 °C bis 800 °C durchgeführt. Mit dem Laserschweißverfahren gelang es, ein einfaches und prozesssicheres Verfahren zur Herstellung diskreter Einzelkontakte mit außerordentlich guten elektrischen Eigenschaften sowie sehr guter Langzeitstabilität beim Hochtemperatureinsatz zu entwickeln. Die beim Laserschweißen auftretende Dotierungssegregation an der Metall-Halbleiter-Kontaktfläche erlaubt eine sehr einfache Herstellung Ohmscher Kontakte mit niedrigem Kontaktwiderstand,auch bei Verwendung von gering dotiertem Halbleitermaterial zur Steigerung der Empfindlichkeit des thermoelektrischen Sensorsystems. In diesem Zusammenhang konnte ein wesentlicher Beitrag zur Entwicklung eines hochempfindlichen, thermoelektrischen Sensorsystems für den industriellen Einsatz geliefert werden.

This thesis describes the development and production of discrete, high temperature stable metal semiconductor contacts for the use in thermoelectric sensor systems. Special contacts between thermocouples and semiconductor materials like silicon, iron disilicide and silicon carbide were prepared by laser micro-welding. The main focus was on the selection of appropriate contact materials and the development of qualified processes as well as the characterization of the electrical parameters and microstructure of the metal semiconductor contacts. Long-term stability tests were performed in a temperature range between -190 to 800 °C to verify the sensor performance and especially the stability of the contact systems under extreme environmental conditions. By using laser micro-welding an easy and reliable process for the production of discrete metal-semiconductor contacts with outstanding electrical performance and very good high temperature stability could be installed. The agglomeration of doping elements at the metal semiconductor interface during the laser welding process leads to very low contact resistance even though semiconductor materials with low doping concentration are used to increase the sensitivity of the thermoelectric sensor system. Based on the development of these special metal semiconductor contacts a high sensitive thermoelectric sensor system could be established for industrial use.

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Ernst, Henrik: Entwicklung hochtemperaturstabiler Metall-Halbleiter-Kontakte mittels Laserstrahlmikroschweißen. 2011.

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