DE1050450B - Verfahren zur Herstellung einer Silizium-Halbleiteranordnung mit Legierungselektroden - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Silizium-Halbleiteranordnung mit Legierungselektroden

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DE1050450B
DE1050450B DEW18965A DEW0018965A DE1050450B DE 1050450 B DE1050450 B DE 1050450B DE W18965 A DEW18965 A DE W18965A DE W0018965 A DEW0018965 A DE W0018965A DE 1050450 B DE1050450 B DE 1050450B
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Milo Wayne Slye
Frank Victor Frola
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Westinghouse Electric Corp
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Description

DEUTSCHES
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, mit einem Silizium-Halbleiterkörper und Abnahmeelektroden aus einem Metall oder einer Metallegierung, das bzw. die dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Siliziums möglichst nahe kommt, bei dem die Abnahmeelektroden auf dem Siliziumkörper auflegiert werden und ein Lot aus einer Silberlegierung verwendet wird, vornehmlich für pn-Flächengleichrichter, die zum Betrieb mit Starkstrom besonders geeignet sind.
Die Hauptvorteile des Silizium-pn-Flächengleichrichters bestehen darin, daß er einen hohen Gleichrichterwirkungsgrad bei allen Temperaturen bis zu etwa 220° C hat. Germaniumgleichrichter haben dagegen bei Temperaturen, die sich 100° C annähern, einen sehr niedrigen Wirkungsgrad. Aus Germanium hergestellte Gleichrichter müssen daher mit großer Sorgfalt gekühlt werden, um zu verhindern, daß die Temperaturen ein bestimmtes Höchstmaß, gewöhnlich etwa 8O0C, überschreiten. Hochleistungs-Silizium-Gleichrichter können andererseits ausreichend dadurch luftgekühlt werden, daß die Wärme von diesen auf einfache Rippen oder andere Kühler von mäßiger Größe abgeleitet wird. Siliziumgleichrichter arbeiten daher auch dann zufriedenstellend, wenn die Umgebungstemperaturen sehr hoch sind oder es wegen der hohen Belastungen schwierig sein würde, die Temperaturen der Gleichrichter unter 100° C zu halten.
Die Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit einer pn-Verbindung aus Silizium erfordert die Losung vieler schwieriger Probleme. Das Siliziummaterial selbst muß in Form von außerordentlich dünnen Plättchen verwendet werden, deren Dicke etwa 0.25 mm beträgt. Die Siliziumplättchen sind ziemlich spröde und brüchig, so daß sie, wenn sie etwas höheren mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt werden, brechen. Bruch kann nicht nur während der Herstellung und des Zusammenbaus der Gleichrichter, sondern auch während ihrer Verwendung wegen der verschiedenen Wärmeausdehnung eintreten, die zwischen dem Siliziumplättchen und einem an diesem befestigten Endkontakt stattfindet, wenn der Gleichrichter, in dem das Plättchen verwendet wird, sich beim Gebrauch erwärmt.
Eines der kritischen Probleme bei der Herstellung zufriedenstellender Gleichrichter aus Silizium-Halbleitermaterialien betrifft die rasche und wirksame Ableitung der entstehenden Wärmeverluste. Obwohl Silizium die Fähigkeit hat, elektrischen Strom bei Temperaturen bis zu 220° C gleichzurichten, findet die wirksamste Gleichrichtung bei niedrigeren Temperaturen statt, so daß die niedrigstmöglichen Betriebstemperaturen aufrechterhalten werden sollten. Übermäßig hohe Temperaturen, die bei etwa 220° C be-Verfahren zur Herstellung
einer Silizium-Halbleiteranordnung
mit Legierungselektroden
Anmelder:
Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Vertreter: Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 46
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 10. Mai 1955
Frank Victor Frola, Turtle Creek, Pa.,
und MiIo Wayne Slye, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden
ginnen, können die Wirkungsweise der Gleichrichter beeinträchtigen und sogar zu einem Versagen derselben führen, wenn sie bei solch hohen Temperaturen starken elektrischen Belastungen ausgesetzt sind. Das Siliziumplättchen muß an einer Grundelektrode aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Molybdän, befestigt sein und ein Lötmittel verwendet werden, das guten Wärme- und elektrischen Kontakt gewährleistet. Der hier verwendete Ausdruck »Lötmittel« ist in weitestem Sinn, also auch einschließlich der Hartlotung, zu verstehen.
Andere Probleme, die bei der Herstellung von Gleichrichtern eine Rolle spielen, beziehen sich auf den Schutz der Siliziumplättchen gegen nachteilige atmosphärische Einflüsse und Verunreinigung. Da für beil beabsichtigten Verwendungszweck das Silizium einen höchstmöglichen Reinheitsgrad, gewöhnlich weniger als 1 Gewichtsteil Verunreinigung auf 10 Millionen Teile haben soll, können Feuchtigkeit, kleine Schmutzteilchen u. dgl., die sich auf dem Silizium absetzen, mit dem Siliziumplättchen reagieren oder in dieses hinein diffundieren und eine Beschädigung oder eine Beeinträchtigung seines Gleichrichterwirkungsgrades zur_Folge haben.
Es ist bekannt, bei Germaniumgleichrichtern zur Vermeidung von mechanischen und thermischen Spannungen Abnahmeelektrodenmaterialien zu verwenden,
809 749 307
die den gleichen Ausdehnungskoeffizienten haben wie der Halbleiter. Auch Blei-Zinn-Silber-Legierungen sind bereits als Lot zur Verbindung dünner metallischer Filme oder feiner Drähte verwendet worden. Schließlich ist die Verwendung von Germanium bei der Einbettung von Silizium bzw. bei der Herstellung einer Verbindung zwischen Silizium und der Grundelektrode bekannt.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung einer Halbleiteranordnung, die den erwähnten Anforderungen entspricht, einen Silizium-Halbleiterkörper und Abnahmeelektroden aus einem Metall oder einer Metallegierung aufweist, das bzw. die dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Siliziums möglichst nahe kommt, wobei dieAbnahmeelektrodcn auf dem Siliziumkörper auflegiert werden und ein Lot aus einer Sil1>erlegierung verwendet wird. Das Verfahren nach der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß eine silberhaltige Legierung mit mindestens einem der Elemente der IV. Nebengruppe des Periodischen Systems, nämlich Silizium, Germanium, Zinn oder Blei, bei einem Silbergehalt von mindestens 5 Gewichtsprozent verwendet wird, während der Rest 20 Gewichtsprozent Silizium, 50 Gewichtsprozent Germanium, 90 Gewichtsprozent Zinn und 95 Gewichtsprozent Blei nicht übersteigt.
Vorzugsweise werden zwei Abnahmeelektroden aus Molybdän, Wolfram oder einer Legierung auf der Basis dieser Metalle auf ein Siliziumplättchen vom n-Leitungstyp durch eine silberhaltige Legierungsschmelze aus mindestens 10 Gewichtsprozent Silber und nicht mehr als 90 Gewichtsprozent Zinn, 16 Gewichtsprozent Silizium, 50 Gewichtsprozent Blei und 30 Gewichtsprozent Germanium auflegiert, wobei zur Umwandlung des Siliziums nahe der oberen Deckelektrode in den p-Typ zwecks Erzeugung einer p-n-Verbindung diese zweite Abnahmeelektrode auf das Siliziumplättchen durch eine Schicht aus einem Material vom p-Typ, nämlich aus Aluminium, oder Aluminiumlegierungen mit mindestens einem der Elemente Silizium, Germanium, Gallium und Indium, legiert wird. Die silberhaltige Legierungsschmelze besteht zweckmäßig aus 2 bis 5 Gewichtsprozent Germanium, 5 bis 16 Gewichtsprozent gelöstem Silizium und im Rest aus Silber.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung werden zweckmäßig übereinanderliegende Schichten, die aus (1) einer Grundelektrode aus Molybdän oder Wolfram oder einer Legierung auf der Basis dieser Metalle mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem des Siliziums möglichst nahekommt, (2) einer etwa 0,25 bis 0.05 mm dünnen Schicht einer Silberlegierung nach der Erfindung, (3) einem etwa 0,25 mm dicken Siliziumplättchen vom n-Typ, (4) einer etwa 0,025 bis 0,05 mm dünnen Legierungsschicht aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen nach der Erfindung und (5) einer Deckelektrode aus dem gleichen Metall wie die Grundelektrode bestehen, im Vakuum unter leichtem Druck auf eine Höchsttemperatur zwischen 850 und 925° C erhitzt, so daß die untere dünne silberhaltige Legierungsschicht und die obere dünne Schicht aus Aluminiummaterial schmilzt und die Anordnung sodann al>gekühlt wird, so daß ein Gleichrichterelement mit einer p-n-Verbindung erhalten wird.
Eine nach diesem Verfahren hergestellte Halbleiteranordnung nach der Erfindung kann sich in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch kennzeichnen, daß eine der Abnahmeelektroden mit einer Wand eines abgedichteten Metallgehäuses verlötet und die andere Elektrode mit einem elektrischen Leiter verbunden ist, der isolierend durch eine andere Wand des Gehäuses geführt ist, und mit dem Gehäuse Kühlmittel verbunden sind, um die durch die Gleichrichteranordnung dem Metallgehäuse mitgeteilte Wärme an die Außenluft abzuleiten. Die Kühlmittel können hierbei durch einen Metallkörper mit einem Hohlraum gebildet werden, in dem ein Metallgehäuse mit enger Passung sitzt und so verlötet ist, daß ein guter Kontakt von ίο Metall zu Metall vorhanden ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand mehrerer beispielsweiser Ausführungsformen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Anordnung vor der Verschmelzung,
Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch eine andere Anordnung,
Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch einen zur Herstellung festhaftend miteinander verbundener Gleichrichterelemente geeigneten Vakuumofen und
Fig. 4 einen senkrechten Schnitt im vergrößerten Maßstab eines vollständigen luftgekühlten Gleichrichters mit einer Silizium-pn-Verbindung.
Es wurde festgestellt, daß es möglich ist, aus-25'gezeichnete Halbleitervorrichtungen und insbesondere pn-Flächengleichrichter dadurch herzustellen, daß Siliziumplättchen mittels ausgewählter Silberlegierungen mit einem wärmeableitenden und stützenden Endkontakt aus Molybdän, Wolfram oder Legierungen auf Basis dieser Metalle festhaftend verbunden werden. Das richtig verbundene Siliziumplättchen ist gegen Beschädigung durch Temperaturschwankungen innerhalb weitester Bereiche geschützt und die im Siliziumplättchen während des Gebrauchs als Gleichrichter entstehende Wärme wird durch das Lötmittel rasch zu den Elektroden abgeleitet.
Die Lötmittelzusammensetzung muß für das Erzielen bestmöglicher Qualität der Siliziumgleichrichter einer Anzahl kritischer Anforderungen gerecht werden. Insbesondere muß das Lötmittel folgende Eigenschaften haben:
1. Benetzbarkeit gegenüber und Bindevermögen mit Silizium sowohl im geschmolzenen als auch im erstarrten Zustand;
2. Benetzbarkeit gegenül>er und Bindevermögen mit Molybdän, Wolfram und Legierungen auf Basis dieser Metalle, sowohl im geschmolzenen als auch im erstarrten Zustand;
3. einen niedrigen elektrischen und Wärmewiderstand;
4. einen geeigneten passenden Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine gute Dehnbarkeit, die es dem Lötmittel ermöglichen, ein Siliziumplättchen mit einer Molybdänelektrode über einen Temperaturbereich von 925 bis —100° C zu vereinigen. ohne vom Silizium wegzubrechen oder dieses zu beschädigen;
5. mit dem Siliziumplättchen nicht in unerwünschter Weise reagiert oder in anderer Weise dessen Eigenschaften beeinträchtigt:
6. einen niedrigen Dampfdruck bei erhöhten Temperaturen, so daß beim Löten oder anderen Arbeitsvorgängen, bei denen hohe Temperaturen auftreten, keine Undichtigkeiten entstellen;
7. kein Flußmittel erfordern, um eine gute Bindung
von Metall zu Metall sicherzustellen.
Im besonderen wurde festgestellt, daß sehr zufriedenstellende Silizium-Halbleiter vorrichtungen dadurch hergestellt werden können, daß das Silizium mit einer 7" Elektrode, beispielsweise aus Molybdän, mittels eines
Silberlots festhaftend verbunden wird, das aus einer sogar noch größer sein kann. Die Grundelektrode ist Legierung aus Sillier und mindestens einem Element aus einem aus der aus Molybdän, Wolfram oder Leaus der IV. Nebengruppe des Periodischen Systems, gierungen auf Basis dieser Metalle bestehenden Gruppe nämlich aus Zinn, Silizium, Germanium und Blei zu- ausgewählten Metall. Sowohl Molybdän als auch sammengesetzt ist. Diese Lötmittel werden allen vor- 5 Wolfram haben einen linearen Ausdehnungskoeffistehend genannten Anforderungen gerecht. Die Legie- zienten, der demjenigen eines Siliziumeinkristalls rungen enthalten mindestens 5% Silber, wobei der (etwa 4,2 · 10—6/° C sehr nahe loommt. Legierungen Rest nicht mehr als 90 Gewichtsprozent Zinn, aus Molylxiän und Wolfram, beispielsweise eine Le-20 Gewichtsprozent Silizium, 50 Gewichtsprozent gierung aus 5 Gewichtsprozent Wolfram und 95 GeGermanium und 95 Gewichtsprozent Blei betragen io wichtsprozent Molybdän, haben ebenfalls nahezu den soll. Besonders gute Ergebnisse wurden mit Zweistoff- gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silizium, legierungen aus Silber und 65 bis 90% Zinn, Silber Sowohl Molybdän als auch Wolfram können mit ge- und 5 bis 16 Gewichtsprozent Silizium, Silber und ringeren Mengen anderer Metalle ohne wesentliche 25 bis 50 Gewichtsprozent Blei und Sill>er und 5 bis Veränderung ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten 30 Gewichtsprozent Germanium erzielt. Dreistofflegie- 15 legiert werden. Beispielsweise kann Molybdän mit 5 rungen aus Silber, Zinn und Silizium, Silber, Blei und bis 25 Gewichtsprozent eines Platinmetalls, z. B. Silizium und Silber, Germanium und Silizium sind Osmium oder Platin, oder mit Chrom, Nickel, Kobalt, besonders vorteilhaft. Beispielsweise können die Drei- Silizium, Kupfer und Silber legiert werden. Ein stofflegieruingen 50 bis 80 Gewichtsprozent Silber und Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen etwa 3,8· 10—" 5 bis 16 Gewichtsprozent Silizium enthalten und als 20 und 5 · 10—e/° C ist für das Zusammenwirken mit Rest Zinn, Blei oder Germanium. Das Silber kann einem Siliziumplättchen zufriedenstellend. Molybdän kleine Mengen anderer Elemente und Verunreini- hat in der Praxis gute Ergebnisse gebracht. Obwohl gungen enthalten, vorausgesetzt jedoch, daß keine we- Molybdän wie auch Wolfram eine ausgezeichnete sentlichen Mengen eines Elements der Gruppe III an- Wärmeleitfähigkeit haben, so daß diese Metalle die wesend sind. 25 Wärme aus dem in Kontakt mit ihnen befindlichen Wenn diese Silberlegierungen auf das Silizium- Silizium rasch ableiten, hat Molylxiän eine viel gerinplättchen aufgebracht werden, löst sich etwas Silizium gere Dichte, so daß es für viele Anwendungsgebiete aus dem Plättchen in der Legierung auf, so daß Zwei- vorzuziehen sein dürfte. Zum Beispiel haben bei Einstoff- und Dreistofflegierungen, die vor dem Auf- richtungen, die einer Bewegung ausgesetzt sind, Gebringen kein Silizium enthalten, nach dem Ver- 30 bilde mit dem leichteren Molybdän eine geringere schmelzen eine kleine, jedoch wesentliche Menge Massenträgheit als solche mit gleicher Größe mit Silizium enthalten. Daher enthält eine Legierung aus Wolfram. Im nachfolgenden wird in der Hauptsache 85 Gewichtsprozent Silber, 10 Gewichtsprozent Zinn auf Molybdän Bezug genommen, es ist jedoch zu be- und 5 Gewichtsprozent Germanium, auf ein Silizium- rücksichtigen, daß Wolfram oder eine Wolfram- oder plättchen aufgebracht, nach dem Verschmelzen 5 bis 35 Xfolybdänlegierung statt dessen verwendet werden 16 Gewichtsprozent Silizium, je nach der Länge der kann.
Zeit und den Temperaturen, denen die Lötmittellegie- Die Molybdängrundelektrode 12 wird durch rung und das Silizium ausgesetzt sind. Schleifen, Ätzen und Waschen, beispielsweise durch Ausgezeichnete Ergebnisse werden mit Legierungen Schleifen mittels Sandstrahl, sorgfältig gereinigt, um erzielt, die 2 bis 5 Gewichtsprozent Germanium und 40 alle Oberflächenverunreinigungen wegzunehmen. Für als Rest 98 bis 95 Gewichtsprozent Silber enthalten. das Erzielen einer bestmöglichen Bindung hat es sich Dünne Schichten dieser Zweistoffsilberlegierungen als wünschenswert erwiesen, vorher einen dünnen wurden auf die Siliziumplättchen aufgebracht, wobei Überzug 13 und 14 aus Silber oder aus einer Silberdie Silberlegierung nach dem Erhitzen des Ganzen auf legierung auf beide Stirnflächen des Kontakts 12 auf-Hartlöttemperaturen das Silizium erwärmte und eine 45 zubringen. Ursprünglich wurde ein Silberüberzug 13 festhaftende Verbindung mit diesem einging und ein nur auf die Unterseite aufgebracht. Ein zufrieden-Teil des Siliziums in die Silberlegierung hinein- stellendes Verfahren für das Aufbringen des Silbers diffundierte, so daß die geschmolzene Bindemittel- besteht darin, die Stirnflächen mit Silber oder einer schicht 5 bis 16 Gewichtsprozent Silizium, 1 bis 95% Silber und 5 Vo Germanium enthaltenden Legie-4,5 Gewichtsprozent Germanium und als Rest Silber 50 rung entweder in Form einer dünnen Schicht oder enthalten kann. Die Germanium-Silber-Legierung ist eines feinen Pulvers aufzubringen und das auf diese streckbar und kann leicht zu dünnen Filmen von einer Weise bebandelte Molybdän in einem Vakuum oder Dicke von 0,025 bis 0,05 mm ausgewalzt werden. Die in einer Wasserstoffatmosphäre auf 1200° C zu erdünnen Filme können dann zu kleinen Stücken von hitzen. Das Silber benetzt dabei rasch die Oberfläche etwa der gleichen Fläche wie die Siliziumplättchen 55 des Molybdäns und breitet sich auf diesem gleichausgeschnitten oder ausgestanzt und auf die letzteren mäßig aus. In anderen Fällen wurden die Molybdänaufgebracht werden. Die Legierung kann jedoch auch flächen zuerst mit einem Nickelphosphidüberzug verin Pulver- oder körniger Form hergestellt und eine sehen. Der Nickelphosphidüberzug wurde chemisch dünne Schicht derselben auf den Endkontakt entweder mittels einer wäßrigen Lösung, die beispielsweise trocken oder in Form einer Paste in einem flüchtigen 60 0,02 Mol Nickelsulfat je Liter, 0.07 Mol NiCL, je Lösungsmittel, beispielsweise Äthylalkohol, auf- Liter und 0,225 Mol Natriumhypophosphit je Liter gebracht werden. enthielt, durch einfaches Eintauchen der Molybdänin Fig. 1 der Zeichnung ist eine Anordnung der teile aufgebracht. Nachdem die Teile für einen Zeit-Gleichrichterbestandteile 10 vor dem Erhitzen in raum von 5 bis 30 Minuten eingetaucht waren, wurden einem Ofen dargestellt, in dem alle Bestandteile zu 65 sie aus der Lösung herausgenommen, getrocknet und einem einteiligen Gleichrichter verschmelzen und sich dann eine Viertelstunde oder langer auf eine Tenipeverbinden. Die Anordnung 10 weist eine Grundelek- ratur von 1200° C erhitzt. Hierbei wird ein dünner trode 12 auf, die von beträchtlicher Dicke von etwa Überzug aus Nickelphosphid, der 95% oder mehr 0,5 bis 2,5 mm sein und einen Durchmesser von 6,4 Nickel enthält, auf den Molybdänfläclien erhalten, der bis 50.8 mm haben kann und bei großen Gleichrichtern 70 dann in der üblichen Weise mit einer Silhercvanid-
5 Gewichtsprozent Silizium, 5 Gewichtsprozent Indium; 85 Gewichtsprozent Aluminium, 5 Gewichtsprozent Silizium, 5 Gewichtsprozent Indium und 5 Gewichtsprozent Germanium; und 88 Gewichtsprozent Aluminium, 5 Gewichtsprozent Silizium, 2 Gewichtsprozent Indium, 3 Gewichtsprozent Germanium und 2 Gewichtsprozent Indium verwendet werden. Es ist hierbei erforderlich, daß die Aluminiumschicht 20 wesentlich kleiner ist als die Fläche des Silizium-
Galvanisierlösung silberplattiert wird, so daß ein Silberüberzug 14 von annähernd 0,025 mm Dicke entsteht.
Hierauf wird auf den Silberüberzug 14 der
Molybdänelektrode 12 eine Schicht 16 der Silberlegierung aufgebracht, die als Lötmittel zwischen dem
Siliziumplättchen 18 und der Grundelektrode 12 wirkt.
Gute Erfolge wurden mit Filmen oder Folien aus
Silber und Silberlegierungen erzielt, wobei die Folien
eine Dicke von 0,025 bis 0,05 mm und im wesentlichen io plättchens 18 und daß sie auf diesem mit einem bedie gleiche Fläche wie das daraufgebrachte Silizium- trächtlichen Abstand von den Ecken oder dem Rand plättchen 18 hatten. Das Silber oder die Silberlegie- des letzteren zentriert ist. Es ist nicht erforderlich, rung kann jedoch auch in Form von Pulver, Paste daß die Aluminiumschicht 20 eine Folie oder eine geu. dgl. mit zufriedenstellenden Ergebnissen auf- sonderte Schicht ist. Es wurde festgestellt, daß es gebracht werden. Die Oberseite der Grundelektrode 12 15 möglich ist, die Schicht aus Aluminium oder aus einer ist ebenso wie die Unterseite des Siliziumplättchens 18 Aluminiumbasislegierung in einem Vakuum auf die eben dargestellt. Hierbei ist zu erwähnen, daß, obwohl Unterseite des oberen Kontakts 22 aufzudampfen. Geebenflächige Teile in der Herstellung besonders gebenenfalls können die ausgewählten Mittelteile der zweckmäßig sind, auch andere Formen hergestellt und Oberseite des Siliziumplättchens einen aufgedampften verwendet werden können. In allen Fällen ist es er- 20 Überzug aus Aluminium oder aus einer Aluminiumforderlich, daß die aneinander anliegenden Flächen der basislegierung durch Abdecken des Randes des
Plättchens erhalten.
Die Deckelektrode 22 ist vorzugsweise aus dem gleichen Metall wie die untere Elektrode, nämlich aus 25 Molybdän, Wolfram oder aus Legierungen auf Basis dieser Metalle. Die obere Elektrode weist einen flachen Scheibenteil 24 auf, dessen Fläche kleiner ist als die Oberseite des Siliziumplättchens 18. Die Deckelektrode 22 ist mit einem sich nach oben erstreckenden Siliziumplättchen, beispielsweise unter 0,12 mm, zu 30 Knopf 26 ausgebildet, der mit einer Eintiefung 28 vereiner Verwerfung oder anderen Fehlern führen kann. sehen ist, die zur Aufnahme des Endes eines Leiters Das Siliziumplättchen ist ein Einkristall und hat
η-Leitfähigkeit und wird mit feinpolierten oder geläppten Flächen hergestellt, die in einem Lösungsmittel, beispielsweise HF-HNO3 und in einer Queck- 35
silberlösung, wie in der LTSA.-Patentschrift 2 705 192
beschrieben, geätzt werden, um Obernächenverunreinigungen, lose Teilchen, Vorsprünge, Rauhigkeit u. dgl.
zu beseitigen.
Grundelektrode und des Siliziumplättchens genau einander angepaßt sind, so daß eine gute Bindung des Silberlegierungslots und damit eine bestmögliche Wärmeleitfähigkeit erzielt werden.
Das Siliziumplättchen 18 hat gewöhnlich eine Dicke von etwa 0,25 mm. Eine wesentlich größere Dicke, beispielsweise von 0,64 mm, ergibt eine geringere Gleichrichterwirkung, während ein wesentlich dünneres
dient. Die Deckelektrode 22 läßt sich leicht aus Molybdän durch spanabhebende Bearbeitung herstellen. Es wurde festgestellt, daß es wünschenswert ist, nur die Eintiefung 28 des Kontaktes 22 mit einem dünnen überzug29 eines geeigneten Lötmittels zu versehen, beispielsweise aus einer Legierung von 70 Gewichtsprozent Silber und 30 Gewichtsprozent Gold, einer Legierung von 97 Gewichtsprozent Silber und
Auf die Oberseite des Siliziumplättchens 18 wird 40 3 Gewichtsprozent Germanium, aus Gold allein oder
eine dünne Schicht 20 aufgebracht, beispielsweise eine Folie von einer Dicke von 0,025 bis 0,05 mm, aus Aluminium oder aus einer Legierung auf Aluminiumbasis und vorzugsweise eine Legierung von Aluminium mit
aus einer 95 Gewichtsprozent Silber und 5 Gewichtsprozent Silizium enthaltenden Legierung. Hierbei muß mit Sorgfalt darauf geachtet werden, daß kein Silber an oder in der Nähe der Ränder des Deckelcktroden-
einem Element aus der Gruppe III oder IV, beispiels- 45 rands 24 und der Aluminiumschicht 20 vorhanden ist.
weise Silizium, Gallium, Indium und Germanium, deren Aufgabe nicht nur darin besteht, das Verlöten oder Verbinden des Siliziumplättchens mit einer Deckelektrode 22 zu ermöglichen, sondern auch eine p-Leit-
um zu vermeiden, daß eine Kurzschlußverbindung entsteht.
Die Deckelektrode 22 kann von einfacherer Konstruktion, als in Fig. 1 gezeigt, fein. Beispielsweise
fähigkeit durch Diffusion in den oberen Teil des 50 können runde Scheiben aus einem Molybdänblech von
a-leitfähigen Siliziumplättchens erzeugt. Die Schicht 20 kann aus reinem Aluminium sein, in dem nur geringfügige Mengen von Verunreinigungen vorhanden sind, wie Magnesium, Natrium, Zink u. dgl., oder eine Legierung mit Aluminium als Hauptbestandteil und als Rest Silizium, Gallium, Indium und Germanium. Diese Elemente können einzeln oder es können zwei oder alle anwesend sein. Die genannten Legierungen sollen bis zu etwa 300° C fest sein. So kann eine Folie
0,76 bis 1,27 mm Dicke ausgestanzt werden und dann die runden Scheiben bis zu einer Tiefe von 0,38 bis 0.64 mm zur Bildung einer Eintiefung ausgesenkt werden, die dann mit einem Lötmittel. beispielsAveise aus einer Legierung aus 950Zo Silber und 5°/« Germanium, überzogen wird.
Hierbei ist zu erwähnen, daß die Deckelektrode nicht unbedingt eine solche Eintiefung zu haben braucht, wenn sie auch für das Anlöten eines Leiters
aus 95 Gewichtsprozent Aluminium und 5 Gewichts- 60 vorteilhaft ist. Die Deckelektrode kann von beliebiger
prozent Silizium; 88 Gewichtsprozent Aluminium und 11,6 Gewichtsprozent Silizium; 90 Gewichtsprozent Aluminium und 10 Gewichtsprozent Germanium; 47 Gewichtsprozent Aluminium und 53 Gewichts-
geeigneter Form otter Ausbildung sein, die eine feste Verbindung eines Leiters mit dem Kontakt, z. B. durch Löten, ermöglich und zufriedenstellend ist. In manchen Fällen ist es gelungen, die Zahl dei
prozent Germanium; 88 Gewichtsprozent Aluminium 65 Teile des Gleichrichters in der in Fig. 2 gezeigten
und 12 Gewichtsprozent Indium; 96 Gewichtsprozent Aluminium und 4 Gewichtsprozent Indium; 50 Gewichtsprozent Aluminium, 20 Gewichtsprozent Silizium, 20Gewichtsprozent Indium und lOGewichtsprozent Germanium; 90 Gewichtsprozent Aluminium, 7.j
Weise zu verringern. Die in Fig. 2 dargestellte Anordnung 40 weist einen Endkontakt 42 aus Molybdän auf, auf dessen Oberseite und Unterseite ein Überzug bzw. 44 von einer Dicke von etwa 0,05 mm aus Silber oder Silberlegierung aufgebracht ist. Der
Silberüberzug kann aus einer Folie aus Silberlegierung bestehen, die auf die Oberseite und auf die Unterseite der Molybdänschicht42 aufgebracht wird, worauf das Ganze in einen Ofen mit einer Schutzatmosphäre aus Wasserstoff oder in dem ein Vakuum herrscht, eingebracht und auf 1200° C 15 Minuten lang erhitzt wird, um das Silber mit dem Molybdän zu verschmelzen. Eine geeignete Legierung für diesen Überzug 43, 44 ist eine Legierung aus 95 Gewichtsprozent Silber und 5 Gewichtsprozent Germanium. Der Rest des Aggregats, nämlich das Siliziumplättchen 16, die Aluminiumschicht 20 und der obere Kontakt 22, können ähnlich wie bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung sein.
Die in Fig. 1 oder 2 gezeigte Anordnung wird sodann in einen Ofen 50 von der in Fig. 3 gezeigten Art gebracht. !Dieser Ofen weist einen Sockel 52 auf, durch den Leitungen 54 geführt sind, welche mit einer Pumpe oder einer anderen Einrichtung verbunden sind, die ein hohes Vakuum erzeugen kann, während eine andere Leitung 56 für das Einleiten eines Schutzgases, wie Helium, Argon od. dgl., und für den Lufteinlaß dient. Der eigentliche Ofen weist eine Glocke 58 aus hitzebeständigem Glas, beispielsweise aus einem 96°/oigen Siliziumdioxydglas, auf, die an ihrem unteren Rand durch eine am Sockel 52 angeordnete Dichtung 60 abgedichtet ist. Eine auf dem Sockel 52 angeordnete Stütze 62 aus feuerfestem oder schwerschmelzbarem Material trägt einen Graphitblock 64, der mit einem oder mehreren Hohlräumen 66 ausgebildet ist, die zur Aufnahme des Aggregats 10, beispielsweise von der in Fig. 1 gezeigten Art, bestimmt sind. Auf dem Kontakt 22 des Aggregats ist ein Gewicht 68 aus einem nicht reaktionsfähigen Metall mit einem hohen Schmelzpunkt oder aus einem anderen Material angeordnet, um auf das Aggregat einen geeigneten leichten Druck auszuüben. Um die Glocke 58 ist eine diese umgebende Heizvorrichtung 70 mit einem Heizelement 74 in einer ringförmigen Aussparung 72 so verstellbar angeordnet, daß die Wärme auf den Graphitblock strahlt.
In der Praxis wird eine Anzahl Aggregate 10 in den Graphitblock 64 gelegt, die Glocke 58 aufgesetzt und in die Dichtung 60 eingesetzt und der Raum innerhalb der Glocke 58 über die Leitung 54 abgesaugt. Der Druck innerhalb der Glocke wird auf einen außerordentlich niedrigen Wert von weniger als 0,01 Torr herabgesetzt. Hierauf \vird Wärme auf den Graphitblock 64 durch Belieferung des Widerstandsheizelements 74 mit Strom gestrahlt. Da bei der Erhitzung sich gewöhnlich Gase entwickeln, wird das Absaugen während des Betriebs fortgesetzt. Innerhalb der Eintiefung 66 des Graphitblocks ist, benachbart der Anordnung 10, ein Thermoelement vorgesehen, um die in dieser herrschende Temperatur bestimmen zu können.
Die für eine zufriedenstellende Verbindung der Anordnung 10 notwendigen Höchsttemperaturen lagen zwischen 850 und 925° C. Die Schicht 20 aus Aluminium oder Aluminiumlegierung ergibt keine einwandfreie Benetzung des Siliziums und des Molybdäns, bis Temperaturen von mindestens etwa 570° C erreicht sind, und für beste Ergebnisse sind gewöhnlich 800° C erforderlich. Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Ofentcmpcraturen so geregelt wurden, daß die Anordnung 10 eine Höchsttemperatur zwischen 870 und 900° C hatte. Diese Höchsttemperaturen wurden für einen kurzen Zeitraum, gewöhnlich nicht länger als 1 Minute, aufrechterhalten und die Temperatur dann sofort herabgesetzt. Es wurden keine besonderen Unterschiede bei Gleichrichtern festgestellt, bei denen die Erhitzungsund die entsprechende Abkühlungsgeschwindigkeit innerhalb solcher Grenzen verändert wurde, daß der Temperaturanstieg von 100 auf 875° C während eines Zeitraums von nur 5 Minuten oder von 60 Minuten herbeigeführt wurde. Es wurde ferner festgestellt, daß die vorgenannten Silberlote sowohl das Silizium als auch das Molybdän rasch benetzen und eine kleine
ίο Menge des Siliziums innerhalb einer kurzen Zeit nach dem Erreichen ihres Schmelzpunktes auflösen. Die Aufrechterhaltung der Temperatur über große Zeiträume bei geschmolzener Silberlegierung führt zu keinen wesentlich verbesserten Ergebnissen.
Die Oberseite des n-leitfähigen Siliziumplättchens 18 wird durch die geschmolzene Aluminiumschicht 20 benetzt, wobei das Aluminium in das n-leitfähige Siliziumplättchen hineindiffundiert und eine p-leitfähige Schicht benachbart dem Aluminium erzeugt, das nahezu die gleiche Fläche wie die Schicht 20 an der Oberseite hat. Im Silizium bildet sich daher eine pn-Verbindung.
Die zur Verbindung des Siliziums mit der Molybdän-Basiselektrode 12 erforderliche Temperatur hängt von dem Schmelzpunkt des Silberlots 16 ab. Obwohl einige der erfindungsgemäßen Lote, wie festgestellt wurde, schon bei etwa 225° C schmelzen, wird die Verwendung von Loten vorgezogen, deren Schmelzpunkt mindestens 400° C beträgt und vorzugsweise bei etwa 600 bis 700° C liegt. Die Benetzung des Siliziums tritt nicht unter etwa 570° C ein und gewöhnlich bei etwa 800° C. In keinem Fall ist es wünschenswert, ein Lot zu verwenden, das eine Temperatur erfordert, die wesentlich über 925° C liegt, um ein Schmelzen und eine Bindung herbeizuführen. Es wurde festgestellt, daß bei Temperaturen, die wesentlich höher als 950° C liegen, eine nachteilige Wirkung im Silizium eintritt, so daß unbefriedigende Gleichrichter erhalten werden.
Nachdem die Anordnung 10 oder 40 im Ofen erhitzt
worden ist, um das Schmelzen der Silberbasislote und eine Verbindung der einzelnen Teile zu einer einteiligen Diode bzw. zu einem einteiligen Gleichrichter herbeizuführen, werden die erhaltenen Dioden in ein hermetisch abgedichtetes Aletallgehäuse gebracht. Sodann wird die Grundelektrode 12 am Metallgehäuse mittels des Überzugs 13 festgelötet, so daß Wärme an das Gehäuse abgeleitet werden kann. Das Metallgehäuse weist eine wirksame Kühleinrichtung zur Ableitung der Wärme an die Außenluft auf. Wenn gewünscht, kann das Gehäuse teilweise oder völlig mit einer isolierenden dielektrischen Flüssigkeit zur weiteren Verbesserung der Wärmeableitung gefüllt werden. Die \"erwendtmg einer solchen dielektrischen Flüssigkeit ist jedoch nicht erforderlich.
Eine besonders zufriedenstellende vollständige luftgekühlte Gleichrichtervorrichtung ist in Fig. 4 gezeigt. Der dargestellte vollständige Gleichrichter 100 weist einen Körper 102 aus Aluminium oder Kupfer oder einem anderen geeigneten Metall oder einer Metalllegierung von guten Wärmeleitungseigenschaften auf. Der Umfang des Kühlkörpers 102 ist mit Rippen zur raschen Wärmeableitung an die Luft versehen. Der Kühlkörper 102 ist mit einem Hohlraum 106 ausgebildet, in den mit enger Passung ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse 108 eingesetzt wird, das die Gleichrichteranordnung 10 umschließt. Das Gehäuse 108 kann mit den Wänden des Hohlraums 106 verlötet werden. Ein in der Eintiefung 28 im oberen Kontakt 22 festgelöteter biegsamer Leiter 110 aus Kupfer oder

Claims (5)

Silber erstreckt sich nach oben und ist mit der Innenwandung 112 einer Buchse 114 verlötet. Die Buchse 114 ist mit einem elektrisch isolierenden Ring 116 aus Glas versehen, der mit einem mit einem Flansch 118 ausgebildeten Ring aus einer als Kovarlegierung bekannten Nickel-Eisen-Chrom-Legierung festhaftend verbunden ist, der durch ein Lot 120 mit der Wandung des Metallgehäuses 108 hermetisch vereinigt ist. Ein biegsamer Leiter 122 ist an einem im Außenteil der Buchse 114 vorgesehenen Napf 124 befestigt. Der gleichzurichtende Wechselstrom wird durch den Leiter 122 der Buchse 114 zugeführt, von der aus er seinen Weg zum Leiter 110 und zum oberen Teil des Siliziumplättchens 18 nimmt, das eine pn-Verbindung aufweist. Am Körper 102 ist durch nicht gezeigte Mittel ein weiterer Stromleiter befestigt. Der elektrische Strom wird durcrf den anderen Leiter, die Basiselektrode 12 und das Siliziumplättchen, die sich im Stromkreis befinden, weitergeleitet. Nach der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform hergestellte Gleichrichter zeigten bei der Prüfung außerordentlich zufriedenstellende Ergebnisse. Sie können bei Umgebungstemperaturen von unter —100 bis etwa 220° C verwendet werden. So konnten beispielsweise mit einem Siliziumplättchen von einem Durchmesser von 6,4 mm Ströme von 5 bis 30 A je nach der Größe der Kühlrippen 104 und der verfügbaren Kühlmöglichkeit gleichgerichtet werden. Durch Anblasen der kreisförmigen Kühlrippen 104, deren Tiefe etwa 25 mm betrug, mit einem Gebläse konnten für kurze Zeiträume von etwa einer Stunde mit der gleichen Einheit Ströme von 60 A bei 100 V gleichgerichtet werden. In einem Falle wurde mit einem Siliziumgleichrichter der in Fig. 4 gezeigten Art mit einem Siliziumplättchen, -dessen Durdimesser 15,8 mm betrug, während eines kurzen Zeitraums bei Gebläsekühlung ein Strom von 700 A gleichgerichtet. Bei einer Siliziumdiode mit einem Durchmesser von 6,4 mm betrug der Spannungsabfall in der Durchlaßrichtung 0,1 bis 1 V bei 30 A. Der Rückstrom betrug 1 mA bei 100 V. Mit Gleichrichtern der in Fig. 4 dargestellten Art konnten mit Erfolg elektrische Ströme mit Spannungen bis zu 300 V gleichgerichtet werden. Der Rückstrom nimmt bei über Raumtemperatur ansteigender Temperatur langsam zu. Bei 100 V hatte der Siliziumgleichrichter bei 160° C einen Rückstrom von etwa 10 mA. Nach der Erfindung hergestellte Gleichrichter haben für lange Zeiträume bei Temperaturen von 200° C ohne Schwierigkeiten und mit einem für solch hohe Temperaturen bemerkenswerten Wirkungsgrad gearbeitet. Für Gleichrichter, die in Rundfunkgeräten, Fernsehgeräten und anderen elektronischen Vorrichtungen verwendet werden sollen, die nur schwache gleichgerichtete Ströme, beispielsweise von 1 bis 100 mA erfordern, kann die Gleichrichteranordnung 10 in einem Glas- oder Keramikbehälter mit zwei Buchsen von der bei 114 in Fig. 4 dargestellten Art angeordnet werden. die mit den Glaswänden für die Durchführung der Leiter in das Innere abgedichtet sind, wobei der Endkontakt 12 mit den Glaswänden mittels eines Metallüberzugs, beispielsweise einer Platinschicht, an der Glaswand verlötet ist. um die Wärme zur Glaswand abzuleiten. Patent λ νs ρ r ü c η ε :
1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit einem Silizium-Halbleiterkörper und Abnahmeelektroden aus einem Metall oder einer Metallegierung, das bzw. die dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Siliziums möglichst nahe kommt, bei dem die Abnahmeelektroden auf dem Siliziumkörper auflegiert werden und ein Lot aus einer Silberlegierung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine silberhaltige Legierung mit mindestens einem der Elemente der IV. Nebengruppe des Periodischen Systems, nämlich Silizium, Germanium, Zinn oder Blei, bei einem Silbergehalt von mindestens 5 Gewichtsprozent verwendet wird, während der Rest 20 Gewichtsprozent Silizium, 50 Gewichtsprozent Germanium, 90 Gewichtsprozent Zinn und 95 Gewichtsprozent Blei nicht übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei ■ Abnahmeelektroden aus Molybdän, Wolfram oder einer Legierung auf der Basis dieser Metalle auf ein Siliziumplättchen von n-Leitungstyp durch eine silberhaltige Legierungsschmelze aus mindestens 10Gewichtsprozent Silber und nicht mehr als 90 Gewichtsprozent Zinn, 16 Gewichtsprozent Silizium, 50 Gewichtsprozent Blei und 30 Gewichtsprozent Germanium auflegiert werden, wobei zur Umwandlung des Siliziums nahe der oberen Deckelektrode in den p-Typ zwecks Erzeugung einer pn-Verbindung diese zweite Abnahmeelektrode auf das Siliziumplättchen durch eine Schicht aus einem Material vom p-Typ, nämlich aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen mit mindestens einem der Elemente Silizium, Germanium, Gallium und Indium, legiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine silberhaltige Legierungsschmelze aus 2 bis 5 Gewichtsprozent Germanium, 5 bis 16 Gewichtsprozent Silizium und Silber als Rest verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Vakuum auf eine Höchsttemperatur zwischen 850 und 925 0C übereinanderliegende Schichten, die aus (1) einer Grundelektrode aus Molybdän oder Wolfram oder einer Legierung auf der Basis dieser Metalle mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem des Siliziums möglichst nahekommt, (2) einer etwa 0,25 bis 0,05 mm dünnen Schicht einer Silberlegierung nach Anspruch 1, (3) einem etwa 0,25 mm dicken Siliziumplättchen vom n-Typ, (4) einer etwa 0,025 bis 0,05 mm dünnen Legierungsschicht aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen nach Anspruch 2, und (5) einer Deckelektrode aus dem gleichen Metall wie die Grundelektrode bestehen, unter leichtem Druck erhitzt werden, so daß die untere dünne silberhaltige Legierungsschicht und die obere dünne Schicht aus Aluminiummaterial schmilzt und das Aggregat sodann abgekühlt wird, so daß ein Gleichrichterelement mit einer pn-Verbindung erhalten wird.
5. Halbleiteranordnung, hergestellt nach dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Abnahmeelektroden mit einer Wand eines abgedichteten Metallgehäuses verlötet und die andere Elektrode mit einem elektrischen Leiter verbunden ist, der isolierend durch eine andere Wand des Gehäuses geführt ist. und mit dem Gehäuse Kühlmittel verbunden sind, um die durch die Gleichrichteranordnung dem Metallgehäuse mitgeteilte Wärme an die Außenluft abzuleiten.
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