DE1947799B2 - Verfahren zum sperrschichtfreien kontaktieren eines aus oxidkeramik, insbesondere aus bariumtitanat bestehenden halbleiterbauelementes - Google Patents
Verfahren zum sperrschichtfreien kontaktieren eines aus oxidkeramik, insbesondere aus bariumtitanat bestehenden halbleiterbauelementesInfo
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Description
eines in eine dichte Glasumhüllung eingeschmolzenen elektrischen Bauelements, bei dem das Bauelement
und ein anzubringender Kontakt je mit einer Silber enthaltenden Glasfritte bestrichen und diese Fritten
während des Zuschmelzens der Glasumhiillung miteinander verschmolzen werden (deutsche Patentschrift
1 178 137).
Sodann ist es bekannt, Halbleiterbauelemente mit Edelmetall-Kontakten zu versehen, die kleine Mengen
von Elementen enthalten, mit denen der Halbleiter bereits dotiert ist. In diesem Zusammenhang ist Silber
mit Aluminium dotiert worden (ETZ-A 80, 1959, Heft 15, S. 515 bis 518).
Zur Herstellung eines Anschlußkontakts an einem Siliziumkarbidkörper ist es bekannt, eine Legierung
aus Silizium und einen Aktivator, der aus Aluminium bestehen kann, an die Außenfläche eines monokristallinen
SiC-Körpers zu bringen, um nach Teilschmelzung und Abkühlung ein stöchiometrisches SiC mit
Spuren des Aktivators rekristallisieren zu lassen (deutsche Auslegeschrift 1 073 110).
Zum leitenden Verbinden von Metall mit Kohle od. dgl. ist es bekannt, einen Kitt mit einer oxidischen
Kupferverbindung zu verwenden und diesen bis zur Reduktion zu erhitzen (deutsche Patentschrift
293 880).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei
dem ein sperrschichtfreier Kontakt ohne Vorbehandlung der Oberfläche des Halbleiterbauelements hergestellt
werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Kontaktmaterial das leicht oxydierbare
Metall und außerdem noch ein Reduktions-Aktivator beigemischt wird, der erst oberhalb einer vorgegebenen
Reaktionstemperatur, die erst beim Einbrennen überschritten wird, eine auf dem leicht oxydierbaren
Metall unbeabsichtigt vorhandene Oberflächen-Oxidschicht reduziert.
Bei diesem Verfahren wird das Silber, das leicht oxydierbare Metall und der Reduktionsaktivator in
einem Arbeitsgang aufgetragen. Alle die Sperrschicht unterdrückenden Funktionsabläufe finden dann während
des Einbrennens statt. Das leicht oxydierbare Metall sorgt dafür, daß keine Oxydations-Sperrschicht
entsteht bzw. daß alle sich dort bildenden störenden Oxide sofort in das nicht störende Oxid
des betreffenden Metalls umgewandelt werden. Hierbei ist allerdings zu berücksichtigen, daß sich ein
leicht oxydierbares Metall schon im Normalzustand, also unter dem Einfluß der Luft, mit einer Oxidhaut
überzieht. Dieses Hindernis wird durch die Verwendung des Aktivators überwunden. Der Aktivator wird
erst beim Einbrennen, wenn nämlich seine Reaktionstemperatur überschritten ist, wirksam. Er beseitigt die
Oxidhülle des Metalls durch Reduktion, so daß dieses im Bereich der Übergangszone seine volle Wirkung
entfalten kann. Es ergibt sich ein sehr geringer Übergangswiderstand, der auch später, wenn das Halbleiterbauelement
den Betriebsbedingungen ausgesetzt wird, keine wesentlichen Änderungen erfährt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Aktivator Titanhydrid (TiH2) verwendet wird und die Einbrenntemperatur
über dessen Zersetzungstemperatur liegt. Wenn sich Titanhydrid bei etwa 450° C zersetzt, wird
Oxidhaut des leicht oxydierbaren Metalls durch den frei werdenden Wasserstoff reduziert. In der Elektrodenschicht
verbleibt dann das unschädliche Titan.
während Wasserstoff bzw. Wasser als Gase austreten können. Auch liegt die Zersetzungstemperatur unterhalb
eines Wertes, der beim Einbrennen angewendet werden kann. Ein weiterer brauchbarer Aktivator ist
Zirkonhydrid.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein leicht oxydierbares Metall verwendet, dessen
Schmelzpunkt unter der Einbrenntemperatur liegt. Wenn das Metall beim Einbrennen schmilzt, durchbricht
flüssiges Metall die Oxidhaut und steht zur Reduktion an der Übergangszone zur Verfügung. Auf
diese Weise kann eine geringere Aktivatormenge ausreichen. Das Metall hat eine höhere Reduktionsaktivität
während des Einbrennens und führt daher zu sehr homogenen Kontaktübergängen. Wenn die Schmelztemperatur
des Metalls unter der Reaktionstemperatur des Aktivators liegt, beginnt die Reduktion auch
schon bei einer relativ geringen Temperatur.
Ein für die Praxis hervorragend geeignetes, leich
ίο oxydierbares Metall ist Zink mit einem Schmelzpunkt
von 4200C. Andere brauchbare Metalle sind Blei
(327° C), Zinn (232° C) oder Indium 156° C) oder aber Metallegierungen, die bei niedriger Temperatur
schmelzen, z. B. 25 °/o Indium und 75 0O Blei (227 bis
264° C).
Ein anderes gut brauchbares, leicht oxydierbares Metall ist Aluminium. Zwar wird beim Einbrennen in
der Regel nicht der Schmelzpunkt des Aluminiums von 660° C erreicht werden; es genügt aber die Reduzierung
der Aluminium-Oxidhaut durch den Aktivator. Aluminium ist preiswert und als unmittelbar brauchbares
Pulver handelsüblich.
Zweckmäßigenveise sind die beigemischten Bestandteile
nämlich pulverförmig, insbesondere kolloidal.
Auf diese Weise ergibt sich eine sehr gleichmäßige Verteilung und eine große Reaktionsoberfläche.
Die pulverförmigen Bestandteile können mit besonderem Vorteil einer an sich bekannten Silberpast beigemischt
werden. Da in der Silberpaste kolloidales SiI-ber enthalten ist, werden die drei genannten Mischungsbestandteile
äußerst gleichmäßig verteilt.
In der Praxis hat es sich als günstig herausgestellt,
annähernd gleiche Volumina des leicht oxydierbaren Metalls und des Aktivators beizumischen. Allerdings
sollte das Silber volumenmäßig überwiegen. Beispielsweise können 70 bis 85 Volumprozent Silber, 30 bis
15 Volumprozent leicht oxydierbares Metall und Aktivator beigemischt werden.
Ein sehr unkritisches Kontaktmaterial, das insbesondere
für die Massenfabrikation geeignet ist, besteht aus 80 Volumprozent Silber in Pastenform, 10
Volumprozent Zink und 10 Volumprozent Titanhydrid.
Vorteilhafte Einbrenntemperaturen liegen zwisehen 450 und 600° C, vorzugsweise zwischen 500
und 550° C. Bei diesen Temperaturen ist einerseits die Zersetzungstemperatur des Titanhydrid überschritten,
andererseits aber noch keine so hohe Temperatur erreicht, daß unerwünschte andere Reaktionen auftreten.
Als Einbrenndauer haben sich 10 bis 20 Min. als zweckmäßig erwiesen.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Halbleiterelement ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrode außer Silber noch Titan und ein leicht oxydierbares Metall bzw. deren Oxide enthält.
Durch diese Stoffe wird die Leitfähigkeit des Silbers nicht merklich beeinträchtigt und der ohmsche Charakter
des Kontakts nicht eestört. Umgekehrt erhält
aber die Elektrode durch diese Stoffe eine größere Dicke und Festigkeit.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. Ein Kaltleiter-Widerstandskörper
1 aus Oxidkeramik, hier aus Bariumtitanat, trägt an beiden Stirnseiten! eine aufgebrannte
Elektrode 3, die im wesentlichen aus Silber besteht. An diese Elektrode ist ein Anschlußdraht 4 mittels
Lötung 5 befestigt.
Zur Herstellung der Elektrode wurde eine handeisübliche Silberpaste (kolloidales Silber in einem organischen
Bindemittel) mit Zinkpulver und Titanhydrid-Pulver vermischt. Das Titanhydrid-Pulver und das
Zinkpulver wurden vor dem Beimischen 30 Min. lang bei 145° C getrocknet. Dann wurde dieses Kontaktmaterial
in Form der Elektrode 3 auf die Kontaktfläche 2 aufgebracht und anschließend während 10
Min. bei 500° C eingebrannt.
Bei einem Bariumtitanat-Körper mit einem Massewiderstand von 60 Ohm ergab sich nach Anbringen
der Elektroden ein fast unveränderter Gesamtwiderstand, wenn bei gleichen Volumenanteilen von Zink
und Titanhydrid das Silbervolumen zwischen 65 und 95 °/o lag. Bei einer Erhöhung der Einbrenndauer auf
15 Min. erzielte man ähnliche Verhältnisse bei einem Silberanteil von 80 bis 90 °/o.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wurde statt Zinkpuiver Aluminiumpulver benutzt. Hier ergeben
sich nur geringfügig über dem Ursprungswert liegende Widerstandswerte, wenn bei gleichem Volumenanteil
von Aluminium und Titanhydrid das Silbervolumen 70 bis 85 °/o betrug.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Verfahren zum sperrschichtfreien Kontaktie- aus einem organischen Träger), aufgetragen und dann
ren eines aus Oxidkeramik, insbesondere aus Bari- 5 eingebrannt. Statt reinen Silbers kann auch eine Silber
umtitanat, bestehenden Halbleiterbauelementes abgebende Verbindung aufgetragen werden (Proceeunter
Verwendung eines leicht oxydierbaren Me- dings, 1956, Electronic Components Symposium, S. 41
tails, wie Aluminium oder Zink, durch Auftragen biä 46).
eines Silber enthaltenden Kontaktmaterials und Hierbei entsteht aber beim Einbrennen an der
anschließendes Einbrennen, dadurch ge- ίο Kontaktfläche eine störende Oxydationssperrschicht,
kennzeichnet, daß dem Kontaktmaterial die einerseits einen hohen Übergangswiderstand zwidas
leicht oxydierbare Metall und außerdem noch sehen Elektrode und Halbleitermaterial hervorruft
ein Reduktions-Aktivator beigemischt wird, der und deren Widerstand andererseits häufig noch
erst oberhalb einer vorgegebenen Reaktionstem- stromrichtungsabhängig ist Insbesondere bei hoch beperatur,
die erst beim Einbrennen überschritten 15 lastbaren Kaltleitern, z. B. für Motoren u. dgl., bei dewird,
eine auf dem leicht oxydierbaren Metall un- nen eine Leistung von mehreren Watt, z. B. 25 W, umbeabsichtigt
vorhandene Oberflächen-Oxid- gesetzt wird, muß ein solcher Übergangswiderstand schicht reduziert. unbedingt vermieden werden, da sich andernfalls die
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Erwärmung auf diese Übergangszone konzentrieren
kennzeichnet, daß als Aktivator Titanhydrid ic und eine unzulässige Temperaturerhöhung hervorru-(TiH2)
verwendet wird und die Einbrenntempera- fen würde.
tür über dessen Zersetzungstemperatur liegt. Zur Beseitigung dieser Oxydationssperrschicht ist
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch es bekannt, auf die aufgebrannte Elektrode eine Zinkgekennzeichnet, daß ein leicht oxydierbares Me- oder Zinnschicht aufzubringen und einer solchen Ertall
verwendet wird, dessen Schmelzpunkt unter 25 wärmung auszusetzen, daß Zink oder Zinn durch die
der Einbrenntemperatur liegt. Elektrode hindurch diffundiert und daß Oxidmaterial
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in der Sperrschicht so weit reduziert, daß die störendadurch
gekennzeichnet, daß die beigemischten den Eigenschaften der Sperrschicht ganz oder teil-Bestandteile
pulverförmig, insbesondere kollo- weise beseitigt werden. Hierbei muß an das Einbrenidal
sind. 30 nen ein Diffusions-Arbeitsschritt und eine Nachbe-
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge- handlung bei erhöhter Temperatur anschließen. Der
kennzeichnet, daß die pulverförmigen Bestand- verbleibende Übergangswiderstand ist für viele Fälle
teile einer an sich bekannten Silberpaste beige- zu hoch und steigt mit der Zeit irreversibel bis zu 40" 0
mischt werden. an (britische Patentschrift 973 990).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 35 Sodann ist es zur Vermeidung einer Sperrschicht
dadurch gekennzeichnet, daß annähernd gleiche beim Kontaktieren eines aus Oxidkeramik bestehen-Volumina
des leicht oxydierbaren Metalls und des den Halbleiterelementes bekannt, auf die Kontakt-Aktivators
beigemischt werden. fläche Aluminium oder Zink aufzudampfen, auf diese
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, Schicht ein Silber enthaltendes Kontaktmaterial aufdadurch
gekennzeichnet, daß 70 bis 85 Volum- 40 zutragen und dieses anschließend einzubrennen. Auch
prozent Silber, 30 bis 15 Volumprozent leicht oxy- dieses Verfahren ist zweistufig. Durch Anwendung
dierbares Metall und Aktivator beigemischt wer- verhältnismäßig niedriger Einbrenntemperaturen soll
den. verhindert werden, daß das Silber sich mit dem aufge-
8. Verfahren nach Anspruch 2,6 und 7, da- dampften Metall legiert (USA.-Patentschrift
durch gekennzeichnet, daß 80 Volumprozent SiI- 45 3 027 529). Statt Aluminium oder Zink ist auch schon
ber in Pastenform, 10 Volumprozent Zink und 10 metallisches Idium oder eine metallische Indium-Volumprozent
Titanhydrid verwendet werden. Gallium-Legierung auf den Oxidkeramikkörper auf-
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, getragen worden, bevor das Silber aufgebracht und
dadurch gekennzeichnet, daß die Einbrenntempe- eingebrannt wurde (belgische Patentschrift 673 266).
ratur zwischen 450 und 600° C, vorzugsweise 50 Ferner ist es zur Kontaktierung eines aus Oxidkerazwischen
500 und 550° C, liegt. mik bestehenden Halbleiterbauelementes bekannt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 dessen Oberfläche zunächst zu reduzieren, bevor das
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbrenn- Silber enthaltende Kontaktmaterial aufgetragen und
dauer 10 bis 20 Min. beträgt. eingebrannt wird. Diese Reduzierung kann beispiels-
55 weis in einer Säure bei Anwesenheit eines unedlen Metalls, wie Zink oder Aluminium, vorgenommen
werden (deutsche Patentschrift 859 916). Die Reduktion kann aber auch elektrolytisch oder durch ein Beglimmen
vorgenommen werden (deutsche Offenle-
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum 60 gungsschrift 1 490 268).
sperrschichtfreien Kontaktieren eines aus Oxidkera- Zur Kontaktierung der genannten Halbleiterkörper
mik, insbesondere aus Bariumtitanat, bestehenden ist es ferner bekannt, eine Paste aus gepulvertem Zinn,
Halbleiterbauelementes unter Verwendung eines leich einer niedrig schmelzenden Glasfritte und einem
oxydierbaren Metalls, wie Aluminium oder Zink, durch flüchtigen organischen Träger aufzubringen und so
Auftragen eines Silber enthaltenden Kontaktmaterials 65 stark zu erwärmen, bis sich der organische Träger ver-
und anschließendes Einbrennen. flüchtigt und die Glasbildung eintritt (deutsche Pa-
Es ist bekannt, ein aus Oxidkeramik bestehendes tentschrift 1 123 019).
Halbleiterbauelement, z. B. Bariumtitanat (BaTiO3), Sodann kennt man ein Verfahren zur Herstellung
Halbleiterbauelement, z. B. Bariumtitanat (BaTiO3), Sodann kennt man ein Verfahren zur Herstellung
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