DD221598A1

DD221598A1 - PASSIVATION LAYER FOR GAAS-BASED SEMICONDUCTOR COMPONENTS

Info

Publication number: DD221598A1
Application number: DD25907183A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Both; Lutz Eichhorn
Original assignee: Adw Ddr Inst Optik
Priority date: 1983-12-30
Filing date: 1983-12-30
Publication date: 1985-04-24

Abstract

Ziel der Erfindung ist es, Halbleiterbauelemente auf GaAs-Basis mit einer Passivierungsschicht versehen zu koennen, die einen zuverlaessigen und dauerhaften Schutz gegen Feuchtigkeit bietet. Die Aufgabe besteht darin, ein Schichtmaterial anzugeben, dessen thermische und optische Eigenschaften an das GaAs angepasst sind. Erfindungsgemaess ist das Schichtmaterial eine Mischung aus einer dielektrischen Grundkomponente mit einem Volumenanteil groesser 50 % und einer Restkomponente mit einem hoeheren Ausdehnungskoeffizienten als die Grundkomponente und einem Volumenanteil kleiner 50 %, wobei der Ausdehnungskoeffizient der Mischung groesser als der des GaAs-Substrates ist. Zweckmaessigerweise werden als dielektrische Grundkomponente Materialien wie Al2O3, SiO2, Si3N4 oder AlN verwendet. Als Restkomponente sind Metalle geeignet, wie Al, Au oder Ni. Eine bevorzugte Materialmischung fuer die Passivierungsschicht besteht aus 90-95 Vol.-% Al2O3 und 5-10 Vol.-% Al. Die Mischschichten koennen in an sich bekannter Weise durch Verdampfen, Zerstaeuben, Gasphasenabscheidung oder Implantation auf das Bauelement aufgebracht werden.The aim of the invention is to be able to provide GaAs-based semiconductor devices with a passivation layer which provides reliable and lasting protection against moisture. The object is to provide a layer material whose thermal and optical properties are adapted to the GaAs. According to the invention, the layer material is a mixture of a dielectric base component with a volume fraction greater than 50% and a residual component with a higher expansion coefficient than the base component and a volume fraction of less than 50%, wherein the expansion coefficient of the mixture is greater than that of the GaAs substrate. Expediently, materials such as Al 2 O 3, SiO 2, Si 3 N 4 or AlN are used as the basic dielectric component. As a residual component metals are suitable, such as Al, Au or Ni. A preferred material mixture for the passivation layer consists of 90-95 vol.% Al 2 O 3 and 5-10 vol.% Al. The mixed layers can be applied in a conventional manner by evaporation, Zerstaeuben, vapor deposition or implantation on the device.

Description

Field of application of the invention

Die erfindungsgemäße Passivierungsschicht dient dazu, Halbleiterbauelemente auf GaAs-Basis vor Feuchtigkeit zu schützen.The passivation layer according to the invention serves to protect semiconductor devices based on GaAs from moisture.

Characteristic of the known technical solutions

Passivierungsschichten für GaAs-Bauelemente unter Verwendung verschiedener Materialien sind an sich bekannt.Passivation layers for GaAs devices using various materials are known per se.

So sind beispielsweise ein- oder beidseitige Schutzschichten aus AI₂O₃, SiO₂ oder Si₃N₄ bekannt, die in ihrer Dicke an die Wellenlänge angepaßt sind (US-PS 4178564, H 01 S, 3/19). Es ist auch bekannt, S^_xH_x (US-PS 4337433, H 01 S, 3/19) oder Gläser (DE-OS 2843280, H 01 S, 3/19) als Passivierungsmaterial zu verwenden.Thus, for example, one or both sides protective layers of Al ₂ O ₃ , SiO ₂ or Si ₃ N _{4 are} known, which are adapted in their thickness to the wavelength (US-PS 4178564, H 01 S, 3/19). It is also known to use S ^ _x H _x (US Pat. No. 4,337,433, H 01 S, 3/19) or glasses (DE-OS 2843280, H 01 S, 3/19) as the passivation material.

Bekannt ist ferner, Eigenoxid auf der Oberfläche des Bauelementes zu erzeugen und zu stabilisieren (DE-OS 2707721, H 01 S, 3/19). Da all diese Schichten eine ungenügende Haftfestigkeit auf GaAs aufweisen, ist versucht worden, diese zu erhöhen, indem auf dem Halbleiter zunächst eine 5nm starke Aluminiumschicht aufgebracht wird, ähnlich wie dies zur Erzeugung ohmscher Kontakte auf GaAs geschieht (US-PS 4081 824, H 01 L, 23/48). Die reduzierende Wirkung des Aluminiums erhöht die chemischen Bindungskräfte (P.Tihany, Appl.Phys.Lett. 42 (83) 4). Auf diese Aluminiumschicht wird dann die eigentlicheIt is also known to produce and stabilize self-oxide on the surface of the device (DE-OS 2707721, H 01 S, 3/19). Since all of these layers have insufficient adhesion to GaAs, attempts have been made to increase them by first depositing a 5nm thick aluminum layer on top of the semiconductor, similar to that used to create ohmic contacts on GaAs (U.S. Patent No. 4,081,824, H 01 L, 23/48). The reducing action of aluminum increases the chemical binding forces (P. Thihany, Appl. Phys. Lett. 42 (83) 4). On this aluminum layer is then the actual

Schutzschicht aufgebracht. «Protective layer applied. "

Auch bei dieser Lösung treten mechanische Spannungen auf, die die Haftfestigkeit herabsetzen. Die Ursache ist darin zu sehen, daß die Ausdehnungskoeffizienten des GaAs-Substrates und der bisher verwendeten Schichtmaterialien unterschiedlichAlso in this solution occur mechanical stresses that reduce the adhesive strength. The cause can be seen in the fact that the expansion coefficients of the GaAs substrate and the layer materials used previously differ

Des weiteren haben diese Schichten den Nachteil, daß ihr Brechungsindex nicht optimal an das GaAs angepaßt ist.Furthermore, these layers have the disadvantage that their refractive index is not optimally adapted to the GaAs.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, Halbleiterbauelemente auf GaAs-Basis mit einer Passivierungsschicht versehen zu können, die einen zuverlässigen und.dauerhaften Schutz gegen Feuchtigkeit bietet.The object of the invention is to be able to provide GaAs-based semiconductor devices with a passivation layer which provides reliable and permanent protection against moisture.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in ihren thermischen und optischen Parametern an das GaAs angepaßte Passivierungsschicht anzugeben.The invention has for its object to provide a matched in their thermal and optical parameters to the GaAs passivation layer.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Schichtmaterial eine Mischung ist aus einer dielektrischen Grundkomponente mit einem Volumenanteil größer 50% und einer Restkomponente mit einem höheren Ausdehnungskoeffizienten als die Grundkomponente und einem Volumenanteil kleiner 50%, wobei der Ausdehnungskoeffizient der Mischung größer als der des GaAs-Substrates ist.According to the invention the object is achieved in that the layer material is a mixture of a dielectric base component with a volume fraction greater than 50% and a residual component with a higher expansion coefficient than the base component and a volume fraction less than 50%, wherein the expansion coefficient of the mixture is greater than that of the GaAs -Substrates is.

Zweckmäßigerweise werden als dielektrische Grundkomponente Materialien wie AI₂O₃, SiO₂, Si₃N₄ oder AIN verwendet. Als Restkomponente sind Metalle geeignet, wie Al, Au oder Ni. Eine bevorzugte Materialmischung für die Passivierungsschicht besteht aus 90-95VoI.-% AI₂O₃ und 5-10Vol.-% Al.Conveniently, materials such as Al ₂ O ₃ , SiO ₂ , Si ₃ N ₄ or AlN are used as the dielectric base component. As a residual component metals are suitable, such as Al, Au or Ni. A preferred material mixture for the passivation layer consists of 90-95% by volume Al ₂ O ₃ and 5-10% by volume Al.

Durch die Restkomponente werden Ausdehnungskoeffizient und Brechungsindex der Passivierungsschicht so beeinflußt, daß zumindest für den Ausdehnungskoeffizienten Anpassung an das GaAs-Substratmaterial erreicht wird. Der Anteil der Restkomponente muß jeweils so groß sein, daß der dielektrische Charakter der Mischschicht erhalten bleibt. Der optimale Brechungsindex einer Einfachschicht ist gleich der Wurzel aus dem Brechungsindex des Substratmaterials. Für GaAs ist n_opt. = 1,91 bei einer Wellenlänge von 850 nm. Der Ausdehnungskoeffizient von GaAs beträgt 6,65-6,8 · 10""VK. Um eine hohe Haftfestigkeit der Schicht zu erreichen, ist es wünschenswert, daß ihr Ausdehnungskoeffizient 5-10 % größer als der des Substrates ist, um das Entstehen von Rissen und Löchern zu vermindern.By the residual component expansion coefficient and refractive index of the passivation layer are influenced so that at least for the expansion coefficient adaptation to the GaAs substrate material is achieved. The proportion of the residual component must in each case be so large that the dielectric character of the mixed layer is maintained. The optimum refractive index of a single layer is equal to the root of the refractive index of the substrate material. For GaAs, n is _opt . = 1.91 at a wavelength of 850 nm. The coefficient of expansion of GaAs is 6.65-6.8 × 10 -6 VK. In order to achieve a high adhesive strength of the layer, it is desirable that its expansion coefficient is 5-10% larger than that of the substrate in order to reduce the occurrence of cracks and holes.

Der Anteil der Restkomponente ist deshalb so zu bemessen, daß sich der Ausdehnungskoeffizient der Schicht auf 7-7,3 · 10~⁶/K erhöht (in erster Näherung linearer Zusammenhang). Gleichzeitig wird durch den Metallzusatz der Brechungsindex erhöht. Da die Metalle im Wellenlängenbereich des nahen Infrarot einen komplexen Brechungsindex haben, muß das Transmissionsbzw. Reflexionsvermögen für optoelektronische Bauelemente bei ihrer Betriebswellenlänge ermittelt werden. Hohe Metallzusätze vergrößern die Absorption und verringern die dielektrischen Eigenschaften der Schicht. Daher sollten ^Mischungen, die schon bei geringen Metallzusätzen eine Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten erreichen, vorgezogen werden, wie z. B. Al in AI₂O₃ oder in AIN.The proportion of the residual component is therefore to be dimensioned such that the coefficient of expansion of the layer to 7-7.3 x 10 ^-6 / K increases (linear in a first approximation, the context). At the same time, the refractive index is increased by the metal addition. Since the metals in the wavelength range of the near infrared have a complex refractive index, the Transmissionsbzw. Reflectance for optoelectronic devices are determined at their operating wavelength. High metal additions increase the absorption and reduce the dielectric properties of the layer. Therefore, mixtures which achieve an adaptation of the coefficient of expansion even with small additions of metal should be preferred, for example. Al in Al ₂ O ₃ or in AlN.

Die Mischschichten können in an sich bekannter Weise durch Verdampfen, Zerstäuben, Gasphasenabscheidung oder Implantation auf das Bauelement aufgebracht werden.The mixed layers can be applied to the component in a manner known per se by evaporation, sputtering, vapor deposition or implantation.

embodiment

Für eine Passivierungsschicht wird als dielektrische Grundkomponente AI₂O₃ gewählt. AI₂O₃ hat einen Ausdehnungskoeffizienten von 6,5 · 10~⁶/K. Um einen Wert von 5-10% über dem von GaAs zu erreichen, wird als Restkomponente ein Anteil von 6-9VoI.-% Al eingebaut, das einen Ausdehnungskoeffizienten von 23 · 10~⁶/K hat. Damit erhöht sich auch das Reflexionsvermögen dieser Schicht bei einer Dicke von λ/2η von 5% auf 10% und es wird Anpassung an den optimalen Brechungsindex erreicht.For a passivation layer, Al ₂ O _{3 is} selected as the dielectric base component. Al ₂ O ₃ has an expansion coefficient of 6.5 × 10 ^-6 / K. In order to achieve a level of 5-10% higher than that of GaAs, a proportion of 6-9VoI .-% Al is incorporated as a residual component, which has an expansion coefficient of 23 × 10 ^-6 / K. This also increases the reflectivity of this layer at a thickness of λ / 2η from 5% to 10% and it is achieved adaptation to the optimum refractive index.

Die erfindungsgemäße Passivierungsschicht für GaAs-Bauelemente zeichnet sich bei weitgehender Anpassung ihrer optischen Eigenschaften an das GaAs vor allem durch eine hohe Haftfähigkeit aus. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Funktionsfähgkeit und Lebensdauer der mit ihr beschichteten Bauelemente aus.The passivation layer according to the invention for GaAs devices is characterized by largely matching its optical properties to the GaAs mainly by a high adhesion. This has an advantageous effect on the functional capability and service life of the components coated with it.

Claims

A passivation layer for semiconductor devices based on GaAs, characterized by a mixture of a dielectric base component with a volume fraction greater than 50% with a residual component having a coefficient of expansion greater than the dielectric base component and a volume fraction of less than 50%, wherein the expansion coefficient of the mixture is greater than that of GaAs substrate is.

-1- 259 071 1

Invention claims:

2. Passivierungsschicht according to item 1, characterized in that are used as the dielectric base component Al ₂ O ₃ , SiO ₂ , Si ₃ N ₄ or AIN.

3. Passivierungsschicht according to item 1 and 2, characterized in that are used as the residual component having a higher expansion coefficient than the base component metals such as Al, Au or Ni.

4. passivation layer according to item 1, 2 and 3, characterized in that it consists of 90-95VoL- ⁰ ZoAI ₂ O ₃ and 5-10VoI .-% Al.