DE1283975B - Method for non-blocking contacting of p-conductive gallium arsenide - Google Patents
Method for non-blocking contacting of p-conductive gallium arsenideInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sperrfreien Kontaktierung von p-leitendem Galliumarsenid für Sonnenzellen, bei dem auf die zu kontaktierende Galliumarsenidoberfläche eine Silberschicht aufgebracht wird.The invention relates to a method for blocking-free contacting of p-conducting gallium arsenide for solar cells, where the to be contacted Gallium arsenide surface a silver layer is applied.
Es ist bekannt, zur sperrfreien Kontaktierung von Halbleiterbauelementen auf die zu kontaktierende Oberfläche des Halbleiterkörpers schichtförmige Metallkontakte aufzubringen. Zur Herstellung einer festen mechanischen Verbindung zwischen dem Metallkontakt und dem Halbleiterkörper werden die Kontakte in den Halbleiterkörper einlegiert. Dabei bildet sich eine Schmelze und bei deren Erstarren ein Eutektikum zwischen Kontaktmaterial und Halbleitermaterial.It is known for blocking-free contacting of semiconductor components on the surface of the semiconductor body to be contacted, layered metal contacts to raise. To create a firm mechanical connection between the Metal contact and the semiconductor body are the contacts in the semiconductor body alloyed. This forms a melt and, when it solidifies, a eutectic between contact material and semiconductor material.
Bei einem bekannten Verfahren zur sperrfreien Kontaktierung der p-leitenden Zonen planarer Galliumarsenidtransistoren wird auf die auf 600° C erhitzte Galliumarsenidoberfläche eine Schicht aus Silber mit Magnesiumzusatz aufgedampft und dabei gleichzeitig einlegiert. Ferner ist es bekannt, zur Herstellung -eines ohmschen Kontaktes zwischen einem metallischen Träger aus einer Nickellegierung (Kovar) und einem p-leitendem Galliumarsenidkörper diesen mittels eines Lotes aus einer Zink-Gold-Legierung mit dem Träger zu verbinden.In a known method for blocking-free contacting of the p-conducting Zones of planar gallium arsenide transistors are placed on the gallium arsenide surface heated to 600 ° C a layer of silver with added magnesium is vapor-deposited and alloyed at the same time. It is also known to produce an ohmic contact between a metallic carrier made of a nickel alloy (Kovar) and a p-type gallium arsenide body to connect this to the carrier by means of a solder made of a zinc-gold alloy.
Derartige Kontaktierverfahren können jedoch nicht zur Kontaktierung von Halbleiterbauelementen mit pn-übergängen verwendet werden, bei welchen ein pn-Übergang sehr dicht, beispielsweise im Abstand von 1 t, unter der zu kontaktierenden Halbleiteroberfläche liegt. Die beim Einlegieren der Kontakte auftretende Schmelzzone hat nämlich eine Tiefe von mehr als 1 [,, was zur Zerstörung des pn-Übergangs führen würde. Bei durch Diffusion von Störstellen erzeugten pn-übergängen ergibt sich die zusätzliche Schwierigkeit, daß die zum Einlegieren von Kontakten notwendige Legierungstemperatur eine zusätzliche Diffusion der Störstellen bewirken kann.Such contacting methods cannot, however, be used for contacting of semiconductor components with pn junctions are used in which a pn junction very close, for example at a distance of 1 t, under the semiconductor surface to be contacted lies. The melting zone that occurs when alloying the contacts has a Depth of more than 1 [,, which would destroy the pn junction. At through Diffusion of pn junctions generated by impurities results in the additional difficulty that the alloy temperature required for alloying contacts is an additional one Can cause diffusion of the impurities.
Die geschilderten Schwierigkeiten treten insbesondere bei der sperrfreien Kontaktierung von Galliumarsenid-Sonnenzellen auf, deren durch Eindiffundieren von Akzeptorstoffen in den Halbleitergrundkörper erzeugter pn-übergang von der zu kontaktierenden Oberfläche einen Abstand von etwa 1 R, oder weniger besitzt. Bei diesen Sonnenzellen wird die p-leitende Schicht zwischen der zu kontaktierenden Oberfläche und dem pn-übergang deshalb so dünn gewählt, um einen hohen Wirkungsgrad der Sonnenzellen zu erreichen. Eine technisch brauchbare sperrfreie Kontaktierung der p-leitenden Oberfläche der Galliumarsenid-Sonnenzellen kann auch nicht in der Weise bewirkt werden, daß die schichtförmigen Metallkontakte lediglich aufgebracht, beispielsweise aufgedampft, aber nicht einlegiert werden. Eine derartige Kontaktierung würde eine zu geringe mechanische Festigkeit besitzen und zusätzliche Kontaktierungseinrichtungen notwendig machen, die aber gerade bei Sonnenzellen vermieden werden müssen, um ein geringes Gewicht dieser Zellen sowie eine möglichst große, der Lichteinstrahlung ausgesetzte Oberfläche zu erzielen.The difficulties outlined occur in particular with the lock-free Contacting of gallium arsenide solar cells, whose diffusion of Acceptor substances in the semiconductor base body generated pn junction from the one to be contacted Surface is about 1 R or less apart. With these solar cells becomes the p-conductive layer between the surface to be contacted and the pn junction therefore chosen so thinly in order to achieve a high efficiency of the solar cells. A technically useful barrier-free contacting of the p-conductive surface of the Gallium arsenide solar cells cannot be effected in such a way that the layered metal contacts only applied, for example vapor-deposited, but not be alloyed. Such a contact would be too low have mechanical strength and require additional contacting devices which, however, must be avoided, especially with solar cells, to a small extent Weight of these cells as well as the largest possible one exposed to light To achieve surface.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der sperrfreien Kontaktierung von p-leitendem Galliumarsenid für Sonnenzellen die genannten Schwierig- i keiten zu vermeiden.The invention is based on the object of blocking-free contacting of p-conducting gallium arsenide for solar cells the mentioned difficulties to avoid.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf eine auf die zu kontaktierende Galliumarsenidoberfläche aufgebrachte Silberschicht erfindungsgemäß eine Nickelschicht aufgebracht wird und da8 diese Metallschichten durch Tempern zwischen etwa 250 und 400° C mit dem Galliumarsenid verbunden werden.This object is achieved in that on one to be contacted Gallium arsenide surface applied silver layer according to the invention a nickel layer is applied and that these metal layers by annealing between about 250 and 400 ° C with the gallium arsenide.
Durch die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Kombination einer Silber- und einer Nickelschicht werden mechanisch feste Kontakte mit guten elektrischen Eigenschaften erzielt. Die zum Tempern verwendeten Temperaturen liegen unterhalb der Bildungstemperatur eines Eutektikums zwischen dem Kontakt- und dem Halbleitermaterial und unterhalb der zur Herstellung der pn-Übergangs der Sonnenzellen verwendeten Diffusionstemperaturen von etwa 600 bis 900° C. Es wird daher sowohl das Auftreten einer den pn-übergang gefährdenden Schmelzzone als auch eine Veränderung des pn-übergangs durch Diffusion von Dotierstoffen verhindert. Dennoch wird eine feste mechanische Verbindung zwischen dem Halbleiterkörper und den Kontakten erzielt.By the combination used in the method according to the invention a silver and a nickel layer are mechanically strong contacts with good electrical properties achieved. The temperatures used for annealing are below the formation temperature of a eutectic between the contact and the Semiconductor material and below that to produce the pn junction of the solar cells used diffusion temperatures of about 600 to 900 ° C. It is therefore both the occurrence of a melting zone endangering the pn junction as well as a change of the pn junction is prevented by diffusion of dopants. Still one will Fixed mechanical connection between the semiconductor body and the contacts achieved.
Während bei Laboratoriumsversuchen mit Silberkontakten festgestellt wurde, daß die mechanische Festigkeit der Kontakte unzureichend ist, und sich bei Versuchen mit Nickelkontakten ergab, daß die elektrischen Eigenschaften der Nickelkontakte schlechter sind als die elektrischen Eigenschaften der Silberkontakte, zeigte sich in überraschender Weise, daß die erfindungsgemäße Kombination beider Kontaktmaterialien zu sehr guten Kontakten führt.While found in laboratory tests with silver contacts became that the mechanical strength of the contacts is insufficient, and in Experiments with nickel contacts showed that the electrical properties of the nickel contacts are worse than the electrical properties of the silver contacts, it was found surprisingly that the inventive combination of both contact materials leads to very good contacts.
Zum Aufbringen der schichtförmigen Metallkontakte auf die Herstellung dünner Metallschichten erlauben und eine enge Berührung zwischen dem Metallkontakt und- der Halbleiteroberfläche ergeben. Beispielsweise können die Kontakte elektrolytisch aufgebracht werden: Besonders vorteilhaft ist es jedoch, die Kontakte im Vakuum aufzudampfen. Beim Aufdampfen kann die Dicke der aufgebrachten Metallschichten gut reguliert werden. Ferner besteht durch die Verwendung geeigneter Blenden die Möglichkeit, in einfacher Weise die Form der Kontakte zu bestimmen. :Zudem ergibt gerade das Aufdampfverfahren eine innige Berührung zwischen dem Metallkontakt und der Halbleiteroberfläche. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, damit beim Tempern eine gleichmäßige Verbindung zwischen dem Kontakt-und dem Halbleitermaterial hergestellt wird.For applying the layered metal contacts to the production Thinner layers of metal allow and close contact between the metal contact and the semiconductor surface. For example, the contacts can be electrolytic applied: It is particularly advantageous, however, to place the contacts in a vacuum to evaporate. With vapor deposition, the thickness of the applied metal layers can be good be regulated. Furthermore, by using suitable panels, there is the possibility of to easily determine the shape of the contacts. : In addition, this is exactly what results Vapor deposition process creates an intimate contact between the metal contact and the semiconductor surface. This is of particular importance so that an even connection during annealing is achieved is established between the contact and the semiconductor material.
Um eine gute Verbindung zwischen dem Halbleitermaterial und dem Metallkontakt ohne Störung des pn-übergangs zu erzielen, ist es vorteilhaft, sehr dünne Metallschichten zu verwenden. Die Dicke der aufgebrachten Silberschicht beträgt vorzugsweise etwa 0,4 bis 1 g,, die Dicke der auf diese Silberschicht aufgebrachten Nickelschicht etwa 0,2 g.To ensure a good connection between the semiconductor material and the metal contact To achieve this without disturbing the pn junction, it is advantageous to use very thin metal layers to use. The thickness of the applied silver layer is preferably approximately 0.4 to 1 g ,, the thickness of the nickel layer applied to this silver layer about 0.2 g.
Gute sperrfreie, mechanisch feste Kontakte können beim erfindungsgemäßen Verfahren bereits mit Temperzeiten von 20 bis 30 Minuten erzielt werden. Das Tempern kann vorteilhaft unter Inertgasatmosphäre, beispielsweise unter strömendem Argon von etwa einer Atmosphäre Druck, vorgenommen werden. Durch Verwendung von Inertgas erübrigen sich spezielle Vakuumeinrichtungen, dennoch werden Reaktionen der Metallschichten bzw. der Halbleiteroberfläche mit der Luft verhindert.Good lock-free, mechanically strong contacts can be used in the case of the invention Process can already be achieved with tempering times of 20 to 30 minutes. The tempering can advantageously under an inert gas atmosphere, for example under flowing argon of about one atmosphere pressure. By using inert gas special vacuum devices are unnecessary, but reactions of the metal layers are possible or the semiconductor surface with the air.
Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird auf die Metallkontakte nach dem Tempern zum Anlöten der notwendigen Anschlußdrähte eine Zinnschicht in der Weise aufgebracht, daß die Kontakte mit flüssigem Zinn in Berührung gebracht werden-Das Aufbringen erfolgt so, daß nur das flüssige Zinn, jedoch keine Hilfsvorrichtung die Kontakte berührt. An die auf diese Weise hergestellte Zinnschicht, die eine gute Verbindung mit der Unterlage bildet, kann dann ein Anschlußdraht, beispielsweise ein dünner verzinnter Kupferdraht, angelötet werden.According to a further embodiment of the invention, the metal contacts after tempering to solder the necessary connection wires a tin layer in applied in such a way that the contacts are brought into contact with liquid tin - The application is carried out in such a way that only the liquid tin, However no auxiliary device touches the contacts. To the one made in this way Tin layer, which forms a good connection with the base, can then be a connecting wire, for example, a thin tinned copper wire, can be soldered on.
An Hand eines Ausführungsbeispiels und einer Figur soll das Verfahren gemäß der Erfindung näher erläutert werden: Zur sperrfreien Kontaktierung der p-leitenden Schicht einer Galliumarsenid-Solarzelle, die einen durch Eindiffundieren von Zink bei etwa 700° C in den n-leitenden Galliumarsenidgrundkörper erzeugten pn-Übergang besitzt, der von der Oberfläche der p-leitenden Schicht etwa 1 #t entfernt ist, wird in einer handelsüblichen Aufdampfapparatur auf die Oberfläche der p-leitenden Schicht zunächst eine Silberschicht mit einer Dicke von etwa 0,4 bis 1 R, im Vakuum aufgedampft. Anschließend wird auf diese Silberschicht eine Nickelschicht mit einer Dicke von etwa 0,2 R, aufgedampft. Die Solarzelle befindet sich beim Aufdampfen auf einer Temperatur von etwa 200° C. Zum Aufdampfen wird eine Schablone verwendet, die so ausgebildet ist, daß die aufgedampften Metallkontaktschichten die Form des griechischen Buchstabens Pi besitzen.The method is intended to be based on an exemplary embodiment and a figure are explained in more detail according to the invention: For blocking-free contacting of the p-conducting Layer of a gallium arsenide solar cell that creates one by diffusing in zinc at about 700 ° C in the n-conducting gallium arsenide base produced pn-junction which is about 1 #t away from the surface of the p-type layer, is applied to the surface of the p-conducting in a commercially available vapor deposition apparatus First layer a silver layer with a thickness of about 0.4 to 1 R, in a vacuum vaporized. Then a nickel layer with a Thickness of about 0.2 R, vapor deposited. The solar cell is in the process of vapor deposition at a temperature of around 200 ° C. A stencil is used for vapor deposition, which is designed so that the vapor-deposited metal contact layers have the shape of the Greek letter pi.
In der Figur ist schematisch eine Solarzelle nach dem Aufdampfen der Metallkontaktschichten dargestellt. Der n-leitende Galliumarsenidgrundkörper ist mit 1., die eindiffundierte p-leitende Schicht mit 2 bezeichnet. Auf die Oberfläche der p-leitenden Schicht ist zur Kontaktierung eine Silberschicht 3 und auf diese eine Nickelschicht 4 aufgedampft.In the figure, a solar cell is shown schematically after the vapor deposition of the metal contact layers. The n-conducting gallium arsenide base body is labeled 1, the diffused p-conducting layer is labeled 2. A silver layer 3 and a nickel layer 4 are vapor-deposited onto the surface of the p-conductive layer for contacting purposes.
Nach dem Aufdampfen wird die Solarzelle aus der Aufdampfapparatur genommen und auf einer U-förmigen, mittels Stromdurchgang erhitzten Graphitlegierschleife bei einer Temperatur von etwa 300° C unter strömendem Argon von etwa einer Atmosphäre Druck etwa 30 Minuten lang getempert.After the vapor deposition, the solar cell is removed from the vapor deposition apparatus and placed on a U-shaped graphite alloy loop heated by the passage of current at a temperature of about 300 ° C under flowing argon of about one atmosphere Annealed print for about 30 minutes.
Nach dem Tempern wird die Solarzelle in geeigneter Weise eingespannt und der Metallkontakt mit einem an einem Lötkolben befindlichen Zinntropfen in Berührung gebracht. Durch Bewegen der eingespannten Solarzelle gegenüber dem Zinntropfen wird die Oberfläche des Kontaktes mit Zinn benetzt. Die Temperatur des geschmolzenen Zinntropfens liegt über dem Schmelzpunkt des Zinns von 230° C. Die Benetzung des Metallkontaktes durch das Zinn ist sehr gut. Die entstehende Zinnschicht besitzt eine Dicke von etwa 0,2 bis 0,4 mm. An dem Zinnstreifen, der längs des ganzen Kontaktes verläuft, wird dann ein Anschlußdraht aus Kupfer, dessen Ende verzinnt ist, angelötet.After the tempering, the solar cell is clamped in a suitable manner and the metal contact is in contact with a drop of tin on a soldering iron brought. By moving the clamped solar cell in relation to the tin drop the surface of the contact is wetted with tin. The temperature of the melted Tin drop is above the melting point of tin of 230 ° C. The wetting of the Metal contact through the tin is very good. The resulting tin layer has a thickness of about 0.2 to 0.4 mm. On the tin strip along the whole contact runs, a connecting wire made of copper, the end of which is tinned, is then soldered on.
Das Mengenverhältnis zwischen den den Metallkontakt bildenden Metallen Silber und Nickel kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren variiert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß besonders feste Kontakte erzielt werden, wenn weniger Nickel als Silber verwendet wird, d. h., wenn die Schichtdicke des auf die Halbleiteroberfläche aufgebrachten Silbers größer ist als die Schichtdicke des auf das Silber aufgebrachten Nickels.The quantitative ratio between the metals forming the metal contact Silver and nickel can be varied in the process according to the invention. It has However, it has been shown that particularly strong contacts are achieved when less nickel is used as silver, d. i.e. when the layer thickness of the on the semiconductor surface applied silver is greater than the layer thickness of the applied silver Nickel.
Claims (7)
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