DE1789063A1 - Traeger fuer Halbleiterbauelemente - Google Patents

Traeger fuer Halbleiterbauelemente

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Guenter Dipl-Phys Dr Winstel
Karl-Heinz Dipl-Phys Zschauer
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Siemens AG
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Description

Me Erfindung betrifft einen Träger für Halbleiterbauelemente zur Verbesserung deren elektrischer Eigenschaften und lebensdauer.
Bei bekannten Halbleiterbauelementen liegt der aktive Teil des Bauelements, z.B. der pn-übergang von Halbleiterdioden, teilweise an der Oberfläche des Halbleiterkristalls und ist somit gegen Verunreinigungen und störende Einflüsse der umgebenden Atmosphäre kaum geschützt. Das hat mit zur Folge, daß keine ausreichenden langzeitstabilitäten der elektrischen Parameter des Bauelements gewährleistet sind. Außerdem wird
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die Punktion von Halbleiterbauelenenten, beispielsweise von Halbleiterdioden, durch die beim Betrieb entstehende Temperaturerhöhung begrenzt, zumal sich in vielen Fällen (z.B. bei Galliunarsenid-Bauelementen) die schädliche Einwirkung der umgebenden Atmosphäre mit steigender Temperatur noch erhöht .
Es ist bekannt, zwecks Abdichtung und/oder Verbesserung der elektrischen Eigenschaften elektrischer Schaltelenente die Elemente wenigstens teilweise mit einer Glaskonposition zu überziehen (deutsche Patentschrift 1 179 277). Diese Gläser mit niedrigen Erweichungspunkt sollen plastisch an der zu überziehenden Oberfläche des Schaltelemente haften» Wegen der relativ geringen Wärmeleitfähigkeit des Glases ist die Abführung der beim Betrieb des Halbleiterbauelements entstehenden Wärme jedoch ungenügend. Außerdem können beim liiv/üichen des Glases Ilolekülketten oder andere im Glas vorhandene Netzwerke aufbrechen, so daß örtlich Ionen frei werden (s. z.B. H. Krebs "Über den strukturellen Aufbau von Gläsern" in "Angewandte Chemie", 78, 1966, Nr. 11, S. 577 - 587) Diese Ionen können'sich z.B. in elektrischen Feld einer Diode so über der Oberfläche der Diode anordnen, daß an tier Dioden-Oberfläche ein Kanal mit gegenüber den Grundmaterial entgegengesetzter Leitfähigkeit entsteht und ein unerwünscht hoher Sperrstrom fließt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Verbesserung der elektrischen .Kigenschaften und lebensdauer von Halbleiterbauelementen zu erzielen, so daß diese hohe Langzeitstabilitäten aufweisen»
Diese Aufgabe wird mit einem Träger für Halbleiterbauelemente erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Träger aus einem Trägerteil aus elektrisch und thermisch leitendem Ilaterial be-
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steht und eine dünne, zumindest auf der dem. Halbleiterbauelement zugewandten Oberfläche des Trägerteils befindliche, festhaftende elektrische Tsolatorschicht aufweist.
Wie bereits erwähnt, hat es sich- gezeigt, daß die Funktion von Halbleiterbauelementen durch die beim Betrieb entstehende Temperaturerhöhung begrenzt wird, mit der in vielen Fällen, z.B. bei G-aAs-Lumineszenzdioden, eine schädliche Einwirkung der umgebenden Atmosphäre verknüpft ist. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese Einflüsse ausgeschaltet werden können, wenn es gelingt, zumindest den aktiven Teil des Halbleiterbauelements, d.h. den Teil, in dem bei Betrieb die größte Wärmemenge entsteht, ::.B. den pnübergang von Halbleiterdioden, mit einem geeignet dimensionierten Träger zu versehen. An den Träger sind dabei folgende Bedingungen,zu stellen: Er muß eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen . Er muß sich zusammensetzen aus elektrisch leitenden und elektrisch isolierenden Bereichen. Die Avis dehnung sko effizienten der verschiedenen Bereiche müssen möglichst gut mit dem Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterbauelements übereine.timmen. Die einzelnen Teile müssen in innigem Kontakt miteinander gebracht werden können, so daß die Verbindung eine genügende mechanische Festigkeit und einen guten Wärmekontakt aufweist„
Dabei hat sich als vorteilhaft erwiesen, als elektrisch und thermisch leitendes Material für den Trägerteil ein Metall, vorzugsweise Tantal, zu verwenden. Tantal erfüllt alle oben genannten Bedingungen und ist außerdem in der lage, spezielle Bestandteile der Atmosphäre wie Sauerstoff zu gettern und damit vor.! Halbleiterbauelement mit Sicherheit fernzuhalten.
Bei der Auswahl des Materials für den Trägerteil ist es insbesondere im Hinblick auf eine Anpassung des thermischen Aus-.
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debnungskoeffizienten an .das Material des Halbleiterbauelements mitunter zweckmäßig, wenn der Trägerteil aus mindestens zwei Schichten verschieden elektrisch und thermisch leitender Materialien-, vorzugsweise aus mindestens zwei Metallschichten, besteht. Als Material für den Trägerteil ist dabei eine mit einer Kupferschicht versehene Tantalschicht bevorzugt geeignet.
Die dünne, zumindest auf der dem Halbleiterbauelement zugewandten oberfläche des Trägerteils befindliche Isolatorschicht ist vorteilhafterweise eine Oxidschicht und besteht vorzugsweise aus einem Oxid eines Metalls des Trägerteils.
Als Material für den Trägerteil kommen neben dem bevorzugten Tantal jedoch auch andere Metalle, z.B. Titan, in Frage ο Wesentlich ist, daf3 die als Trägerteil zu verwendenden Metalle dem Tantal ähnliche vorteilhafte/Eigenschaften aufweisen. Zu diesen besonders vorteilhaften Eigenschaften gehören die hohe Wärmeleitfähigkeit, ein dem Halbleitermaterial ähnlicher Ausdehnungskoeffizient des Metalls und dessen Oxids, relativ... leichte Oxydierbarkeit des Metalls, das festhaftende OxIdschichten zu bilden gestattet, so daß die Verbindung der Metallschicht mit der Oxidschicht eine genügend mechanische Festigkeit und einen guten Wärmekontakt aufweist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, den Trägerteil plattenförmig auszubilden, so daß der Träger in einem Planartechnik-Verfahren hergestellt werden kann. Für ein solches-Herstellungsverfahren ist Tantal ebenfalls bevorzugt geeignet, da auf dieses Metall eine festhaftende Schicht aus Tantaloxid aufgebracht werden kann, die eine sehr gute elektrische Isoüatorschicht bildet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist der mit einer elektrischen Isolatorschicht versehene TriJgerteil in mehrere,
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gegeneinander isolierte Trägerteilstücke unterteilt. Biese Ausführungsform ist vor allem dann zweckmäßig, wenn mehr als zwei verschieden dotierte Bereiche des mit .einem Träger'zu versehenden Halbleiterbauelements auf verschiedenen elektrischen Potentialen liegen und deshalb isoliert sein müssen, wie das z.B. bei Transistoren der Fall ist.
Ist das Halbleiterbauelement beispielsweise ein Widerstand oder eine Diode, dann sind die elektrischen Kontakte zweck-. mäßig auf die elektrische Isolatorschicht aufgebracht. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß mindestens ein elektrischer Kontakt des Bauelements auf die elektrische Isolatorschicht aufgebracht ist und mindestens ein anderer elektrischer Kontakt durch die Isolatorschicht hindurch mit dem Trägerteil verbunden ist.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der Figuren 1 bis 4. In den Figuren sind^glciche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehene
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Träger für Halbleiterbauelemente im Schnitt dargestellt. Der Trägerteil 3 aus elektrisch und thermisch leitendem Material ist auf der dem Halbleiterbauelement 1 zugewandten Oberfläche mit einer f-jsthaftenden elektrischen Isolatorschicht 2 versehen.
In Figur 2 ist eine mit einem erfindungsgemäßen Träger versehene Lumineszenzdiode im Schnitt dargestellt. Die Lumineszenzdiode 1 setzt sich aus zwei entgegengesetzt dotierten Zonen, einer ή-Zone 4 und einer p-Zone 5, beispielsweise eines GaAs-GrundkristaMs zusammen. Die η-dotierte Kristallzone 4 ist in der Figur scheibenförmig dargestellt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dieser Kristallzone 4 zur Verminderung
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der Reflexionsverluste des durch diese Zone 4 austretenden, in der Diode erzeugten Lumineszenzlichtes eine, unter .dem Namen "Yieierstrass-Gfiometrie" in anderem. Zusammenhang bekanntgewordene, spezielle geometrische Form zu verleihen. Dabei "besteht die Zone 4 aus einem zylinderförmigen Teil, an den sich ein halbkugelförmiger Teil anschließt; die Hohe des zylinderförmigen Teils ist gleich dem Quotienten aus dem Radius des halbkugelförmigen"Teils und dem Brechungsindex des verwendeten Halbleitermaterials. Mittels dieser Geometrie
φ wird erreicht, daß- die im Halbleiterkristall entstandene Strahlung diesen Kristall nahezu parallel und senkrecht nach oben verläßt und nur geringe Streuverluste auftreten. Der ebene großflächige Trägerteil 3 besteht aus einem Metall, insbesondere aus Tantal. Auf der der Lumineszenzdiode 1 zugekehrten Seite ist der Trägerteil 3 mit einem zur Zone 5 der Diode 1 führenden Nickelkontaktstück 6 und einer das Kontaktstück 6 umschließenden Oxidschicht 2 des verwendeten !Ietails, insbesondere Tantaloxidschicht, versehen. Auf diese Schicht 2 irrt eine den Nickelkontakt 6 mit Abstand umgebende Chromnickelschicht 7 aufgebracht, deren der Diode 1 zugekehrte Oberfläche zweckmäßig vergoldet ist. Der dünne Goldfilm ist in der Figur mit dem Bezugszeichen 8 versehen. Der liickelkontakt 6
™ ist über eine dünne Zinnschicht 9 mit der Zone 5 der Diode * und die vergoldete Chromnickelsehicht 7 ist über eine dünne Zinnschicht 9 mit der Zone 4 der Diode 1 dicht verbunden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Nickelkontakt 6 auf den Trägerteil 3 aufzulöten. Der Nickelkontakt 6 kann aber beispielsweise auch durch Punktschweißen, durch elektrolytisches Abscheiden oder Aufdampfen des Nickels auf den Trägerteil 3 aufgebracht werden. Hierzu wird die nicht zu kontaktierende Tantaloberfläche in bekannter V/eise beim Punktschweißen mit einer .Fotolackschicht, beim elektrolytischen Abschei-■ den oder Aufdampfen mit einer geeigneten Maske bedeckt. Die
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das Kontaktstück 6 umschließende Tantaloxidsclricht 2 wird vorteilhaft thermisch aufoxydiert und day auf der llickolkontaktobcrfläche dabei entstandene nickeloxid- in Wasserstoffatmosphäre reduziert. Es kann aber auch zweckmäßig sein, die Tanteloxidschieht auf elektrolytischem Wege auf den vorzugsweise aus Tantal bestehenden Trägerteil 3 aufzubringen. Beidiesem Verfahren wird das vorzugsweise aus Hickel bestehende I,Ieta.llkontaktstück 6 erst nach dem Aufbringen der Tantaloxidschicht 3 an der vorgesehenen, durch Ätzen freigelegten Stelle auf den Tantalträgerteil aufgedampft.
Die das Nickelkontaktstück 6umscMießende Uhromnickelschicht wird vorteilhaft im Vakuum auf die Tantaloxidnchicht 3 zweckmäßig in einer solchen Dicke aufgedampft und anschließend vergoldet, daß die Nickelkontaktoberfläche und die Oberfläche der vergoldeten. Chromnickelschicht in einer Ebene liegen« Erhebt sich beispielsweise der Nickelkontakt 1-5/um über der Oberfläche des bevorzugt aus Tantal bestehenden Trägerteils 3, dann muß die Gesamtdicke der Schichten 2, 7 und 8 n\7i?ckmäßig auch . 15/ün betragen,Wobei die Tantaloxidschicht 2 den größten Anteil an der Gesamtdieke liefert und der Goldfilin 8 nicht dicker als etwa 0,1 bis 1 /um ist.
Anschließend werden die beiden .voneinander isolierten, zweckmäßig in einer Ebene liegenden Kontaktoberflächen mit den beiden verzinnten, in einer Ebene liegenden Diodenkontaktoberflächen 9 dicht verlötet und die Kontaktoberfläche 8 mit einer Stromzuführung 10 versehen. Die andere Stromzuführung kann direkt über den Tantalträgerteil 3 und das aus Hickel bestehende Iletallkontaktstück 6 erfolgen.
Figur 3 zeigt ein anderes, mit einem erfindungsgemäßen Träger versehenes Halbleiterbauelement, das unter dem Namen "Gunn-Oszillator"-bekanntgeworden ist. Der Gunn-Oszillator 1 setzt
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sich aus einer semiisolierenden Zone 11 und einer n-dotierten Zone 12, vorzugsweise eines GaAs-Kristalls, zusammen. Auf der dem Halbleiterkörper 1 zugekehrten Seite ist der aus einem 1,Ietall, vorzugsweise aus Tantal, bestehende Trägerteil
3 mit einem zur Zone 12 der Diode führenden Metallkontaktstück 6, vorzugsweise Nickelkontaktstück, und einer das Kontaktstück 6 umschließenden Oxidschicht 3 des verwendeten Metalls, vorzugsweise Tantaloxidschicht, versehen. Auf diese Schi.cht 3 ist eine den Nickelkontakt 6 mit Abstand umgebende, vorzugsweise aus Chromnickel bestehende Schicht 7 aufgebracht, deren der Diode 1 zugekehrte Oberfläche zweckmäßig vergoldet ist. Diese dünne Goldschicht ist mit dem Bezugszeichen 8 versehen. Der Nickelkontakt 6 ist über eine dünne Zinnschicht 9 rait der. Zone 12 der Diode und die vergoldete Chromnickelschicht 7 über eine dünne Zinnschicht 9 mit der Zone 11 der Diode 1 dicht verbunden.
In Figur 4 ist eine aus drei in Figur 3 dargestellten Gunn-Oszillatoren gebildete integrierte Schaltung in Draufsicht dargestellt, die mit einem Träger gemäß der Erfindung versehen ist. In dieser Figur sind nur die n-Zone 12 und die semiisolierende Zone 11 des GaAs-Kristalls sowie die zweckmäßig in einer Ebene liegenden verzinnten Diodenkontaktoberflächen 9 dargestellt. Die beiden voneinander isolierten, in einer Ebene liegenden Kontaktoberflächen, die auf den ebenen Trägerteil aufgebracht sind, wurden zur besseren Übersicht weggelassen.
Der erfindungsgemäße Träger für Halbleiterbauelemente ist auch zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften und Lebensdauer von anderen, hier nicht ausdrücklich erwähnten Halbleiterbauelementen geeignet, zu diesen gehören beispielsweise Transistoren und Lawinendioden.
19 Patentansprüche ΟΑ_ __
4 Figuren ßAD ORiGHMAL
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Claims (19)

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1. Träger für Halbleiterbauelemente zur Verbesserung deren elektrischer Eigenschaften und Lebensdauer, gekennzeichnet durch einen Trägerteil aus elektrisch und thermisch leitendem. Material und eine dünne, zumindest auf der dem Halbleiterbauelement zugewandten Oberfläche des Trägerteils befindliche, festhaftende elektrische Isolatorschicht.
2. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerteil aus einem Metall besteht.
3. Träger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerteil aus Tantal besteht.
4. Träger nach Anspruch 1, dadurch-gekennzeichnet, daß der Trägerteil aus mindestens zwei Schichten verschieden elektrisch und thermisch leitender Materialien besteht.
5. Träger nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerteil aus mindestens zwei Metallschichten besteht.
6. Träger nach Anspruch 1,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerteil aus einer Tantalschicht und einer Kupferschicht besteht.
7. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerteil plattenförmig ausgebildet ist.
8. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne,'zumindest auf der dem Halbleiterbauelement zugewandten Oberfläche des Trägerteils befindliche Isolatorschicht eine Oxidschicht ist.
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wtA.
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9. Trager nach einem der Ansprüche 1 biß 8, dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Isolatorschicht aua einem Oxid einer. Metalls des Trägerteils besteht.
10. Träger nach einen der Ansprüche 1 bis 9> dadurch gekennzeichnet, daß die Isölatorschicht aus Tantaloxid besteht.
11. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeich net, daß der mit einer elektrischen Isolatorschicht versehene Tragerteil in mehrere, gegeneinander isolierte Trligertoilstüclte unterteilt ist.
12. Halbleiterbauelement mit einem Träger nach einem der Ansprü
1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakte des Bauelements auf die elektrische Isolatorschicht der, Trägerteils aufgebracht sind.
13. Halbleiterbauelement mit einem Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein elektrischer Kontakt des Bauelementes auf die elektrische Isolatorschieht aufgebracht ist und mindestens ein anderer elektrischer Kontakt durch die Isolatorschicht hindurch mit dem 'i'rägertcll verbunden ist.
H. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der elektrischen Isolatorschicht aufgebrachte Kontakt eine Chroranickelschicht ist.
15· Ilalbleiterbauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Isolatorschicht hindurch mit dem Trägerteil verbundene Kontakt aus Nickel besteht.
16. Lumineszenzdiode mit einem Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerteil aus Tantal
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und die elektrische Isolatorschicht aus Tantaloxid "besteht, daß ein durch die Isolatorschicht hindurch mit dem Trägerteil verbundenes elektrisches Nickelkontaktstück zu der einen Zones der Diode führt und daß eine den zweiten elektrischen Kontakt "bildende, auf der Isolatorschicht aufgebrachte Chromnickel-. schicht mit der anderen Zone der Diode fest verbunden ist.
17. Lumineszenzdiode nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ghromnickelsehicht vergoldet ist.
18. Lumineszenzdiode nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die der Diode zugewandten Metallkontaktoberflachen mit einer'dünnen Zinnschicht versehen sind.
19. Verfahren zum Herstellen einer Lumineszenzdiode nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem ebenen Trügerteil aus Tantal ein Nickelkontaktstück aufgelötet, eine dieses Kontaktstück umschließende Tantaloxidschicht thermisch aufoxydiert und das auf der NickelkontaktstückOberfläche entstehende Niclceloxid in Y/asserstoffatmosphäre reduziert wird, daß die das Nickelkontaktstück umschließende Chromnickeischicht im Valruum auf die Tantaloxidschicht in einer solchen Dicke aufgedampft und anschließend vergoldet wird, daß die Nickelkontaktstückoberfläche und die Oberfläche der vergoldeten Ghromnickelschicht in einer Ebene liegen und daß das zu einer Zone der Diode führende Metallkontaktstück und die das I-Ietallkontaktstück mit Abstand umgebende, mit der anderen Zone der Diode zu verbindende Metallschicht mit den beiden verzinnten, in einer Ebene liegenden Kontaktoberflächen der Diode dicht verlötet werden.
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