DE2122487A1 - Halbleiterbauelement mit Aluminiumkontakt - Google Patents

Halbleiterbauelement mit Aluminiumkontakt

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DE2122487A1 DE19712122487 DE2122487A DE2122487A1 DE 2122487 A1 DE2122487 A1 DE 2122487A1 DE 19712122487 DE19712122487 DE 19712122487 DE 2122487 A DE2122487 A DE 2122487A DE 2122487 A1 DE2122487 A1 DE 2122487A1
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Karl Dipl.-Phys. Dr. 8000 München; Porst Alfred 8551 Pretzfeld Platzöder
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Siemens AG
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, "β MAI 1971 Berlin und München Wittelsbacherplatz 2
71/1068
Halbleiterbauelement mit Aluminiumkontakt
Die vorliegende Erfindung bezieht -sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterelement, das einen Halbleiterkörper aus Silicium mit mehreren Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps aufweist, bei dem mindestens eine der äußeren Zonen durch Diffusion dotiert und mit mindestens einer Elektrode aus Aluminium versehen ist.
Ein solches Halbleiterbauelement ist z.B. in der DAS 1 300 beschrieben worden. Dort ist eine Aluminiumschicht auf eine äußere Zone des Halbleiterkörpers aufgedampft und dient als Emitterelektrode.
Aluminium hat jedoch die unangenehme Eigenschaft, sich an Luft mit einer Oxydschicht zu überziehen«. Diese Oxydschicht wächst noch mit der Zeit und vergrößert den thermischen und elektrischen Übergangswiderstand zwischen der Elektrode und den zur Stromzuführung und Kühlung vorgesehenen Zuführungselektroden. Dies kann, insbesonders bei Halbleiterbauelementen mit Druckkontakt, zu einer Erhöhung der Verlustleistung führen. Das Bauelement wird damit stark erwärmt, was z.B. bei einem Thyristor zu Instabilitäten der Sperr- und/oder Kipplinie führen kanu.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Elektroden für ein Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Gattung so auszugestalten, daß eine Oxydation der Aluminiumelektroden vermieden wird.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit einer Schicht aus eingesintertem Silber versehen ist.
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Eine solche Elektrode hat mehrers vorteilhafte Eigenschaften s Das auf den aus Silicium bestehenden Halbleiterkörper aufgebrachte Aluminium haftet wegen seiner großen Affinität zu Sauerstoff auf Silicium ausgezeichnet. Außerdem leitet Aluminium Wärme und Strom gut. Aluminium ist leicht auch in großen Dicken z.Bo durch Aufdampfen auf das Silicium aufzubringen. Die Oxydation des Aluminiums wird durch die Schicht aus eingesintertem Silber verhindert. Silber ist wie Aluminium relativ leicht aufzudampfen und. bildet mit Aluminium eine gut leitende Legierung, während z.B. Gold oder Nickel mit Aluminium schlecht leitende intermetallische Verbindungen ergebene Die eingesinterte Silberschicht haftet im Gegensatz zu einer galvanisch aufgebrachten Silberschicht auch sehr gut auf dem Aluminium.
Zweckmäßigerweise sind bei einem Halbleiterelement, bei dem mehrere Elektroden des Halbleiterkörpers aus Aluminium bestehen, diese mit einer Schicht aus eingesintertem Silber versehen. Eine der Elektroden kann jedoch auch aus einer mit dem Halbleiterkörper durch Legieren oder Löten verbundenen Molybdänplatte bestehen. Vorzugsweise ist die Molybdänplatte auf ihrer dem Halbleiterkörper abgewandten Seite ebenfalls versilbert. Damit läßt sich auch die Molybdänplatte gegen Oxydation schützen, so daß ein guter Wärme- und Stromübergang zur Kontaktelektrode gewährleistet ist.
P Die Silberschicht kann in.allen Fällen zwischen 0,o5 und 10/u dick sein. *
Die Erfindung ist dann besonders vorteilhaft, wenn sowohl die Aluminium- als auch die Silberschicht im gleichen Vakuumgefäß aufgedönpft wird. Dann läßt sich mit Sicherheit· verhindern, daß die aufgedampfte Aluminiumschicht oxydiert« Zu diesem Zweck wird der Halbleiterkörper in ein Vakuumgefäß gebracht, das Vakuumgefäß evakuiert, eine Aluminiumschicht mindestens auf
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eine der Kontaktflächen des Halbleiterkörpers aufgedampft, dann ohne zwischenzeitliche Belüftung des Vakuumgefäßes auf die Aluminiumschicht Silber aufgedampft, bis eine Schichtdicke von 0,05 bis 10/U erreicht ist. Anschließend wird dann die Silberschicht, möglichst im gleichen Vakuum, bei Temperaturen von 200 bis 55O0C vorzugsweise bei 45O0C, eingesintert.
Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren 1 bis 6 näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 den Querschnitt durch einen Halbleiterkörper gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 2 den Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung mit einem Halbleiterkörper nach Figur 1,
Figur 3 den Querschnitt durch einen Halbleiterkörper gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 4 und 5 zwei Ausführungsbeispiele von Schichtfolgen von Elektroden und Zuführungselektroden und
Figur 6 den Querschnitt durch eine Anordnung zum Herstellen von Elektroden für Halbleiterbauelemente gemäß der Erfindung.
In Figur 1 ist ein Halbleiterkörper aus Silicium mit 1 bezeichnet. Der Halbleiterkörper 1 weist an seiner Oberseite eine Aluminiumelektrode 2 auf, die z.B. durch Aufdampfen im Vakuum erzeugt wurde. Die Elektrode 2 ist mit einer Schicht 3 aus gesintertem Silber versehen. Die Schicht 3 wird zv/eckmäßigerweise unmittelbar anschließend nach dem Aufdampfen der Elektrode 2 aufgedampft, da damit die Bildung eines Oxydfilms auf der Elektrode 2 sicher verhindert wird. Anschließend an das Aufdampfen der Silberschicht 3 wird diese bei z.B. 45O0C in die Elektrode 2 eingesintert. Damit wird eine
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gute Haftung des Silbers auf dem ALuminium erreicht. Auf der anderen Seite ist der Halbleiterkörper 1 mit einer Trägerplatte 4 versehen, die aus einem Material mit einem dem Silicium ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z.B. Molybdän, besteht. Diese Trägerplatte dient als die andere Elektrode des Halbleiterkörpers. Der Halbleiterkörper 1, die Elektrode 2, die Silberschicht 5 und die Trägerplatte 4 bilden zusammen ein Halbleiterelement.
• In Figur 2 ist gezeigt, wie das Halbleiterelement nach !Figur 1 mit einem Gehäuse und Zuführungseleketrode zu ainem Halbleiterbauelement zusammengefügt ist. Hierbei k sind gleiche Teile wie in Figur 1 mit gleichen Bezugsseichen versehen. Das Halbleiterelement 1...4 ist zwischen einer Zuführungselektrode 5 und einer Grundplatte 7 eingepreßt« Den notwendigen Kontaktdruck vermittelt eine Anzahl von !federn 9» die sich an einem Widerlager an einer öehäusewand 8 abstützen. Die Gehäusewand 8 ist mit der Grundplatte 7 mechanisch starr verbunden. Die Zuführungselektrode 5 weist eine Zuleitung 6 auf, die durch die Federn 9 hindurchführt. Die Zuführungselektrode 5, die Zuleitung 6 und die Grundplatte 9 dienen zur Zu- bzw. Abführung des Stromes und zur Abführung der im Betrieb entstehenden Yerlustwärme.
W Die Trägerplatte aus Molybdän ist bei dem Halbleiterelement nicht unbedingt notwendig. Anstelle dieser als Elektrode wirkenden Trägerplatte kann wie in Fig. 3 gezeigt, eine weitere Elektrode aus Aluminium 10 vorgesehen sein, die mit einer Silberschicht 11 versehen ist. Die Elektrode und die Schicht 11 werden zweckmäßigerweise auf gleiche Weise wie die Elektrode 2 und die Silberschicht 3 hergestellt.
In Figur 4 ist eine mögliche Schichtfolge von Metallen dar- TBA 9/110/1024,/1045 - 5 -
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gestellt, aus denen die Elektroden bzw. Zuführungselektroden des Halbleiterbauelementes nach Figur 2 bestehen können. Auch hierbei sind gleiche Teile wie * in den vorangehenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Zuführungselektrode 5 (Fig..2) besteht aus einer Kupferschicht 51» einer Molybdänschicht 52 und einer Silberschicht 53. Diese drei Schichten aind z.B. durch Hartlöten fest miteinander verbunden. Die Zuführungselektrode wird mit der Silberschicht 53 auf die Silberschicht 3 des Halbleiterelementes gepreßt, wo sie auf Grund des Druckes und der Betriebstemperatur mit dem Halbleiterelement zusammenwächst. Die Molybdänschicht 52 der Zuführungselektrode 5 verhindert auf Grund ihres dem Halb leiterelement zumindest ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eine verschiedene Ausdehnung von Zuführungselektrode und Halbleiterelement im Betrieb. Damit ist sichergestellt, daß der Kontakt zwischen Zuführungselektrode und Halbleiterelement gewährleistet bleibt. Die Grundplatte 7 ist nur schematisch dargestellt. Sie besteht in diesem Fall aus Kupfer. Zwischen der aus Molybdän bestehenden Trägerplatte 4 und der Grundplatte 7 wird zweckmäßigerweise eine Folie 13 angeordnet, die aus etwa 200/u starkem Silber bestehen kann. Da Molybdän und Silber unter den Betriebsbedingungen eines Halbleiterelementes keine Legierung miteinander eingehen, kann sich die Grundplatte, die einen wesentlich höheren Ausdehnungskoeffizienten als das Halbleiterelement aufweist, gleitend gegenüber dem Halbleiterelement bewegen. Der gute Kontakt zwischen der Trägerplatte 4 und der Grundplatte 7 bleibt dabei unter Einwirkung der Federn 9(Fig. 2) bei allen Betriebszuständen erhalten.
In Figur 5 ist eine andere mögliche Schichtfolge von Metallen gezeigt. Die Zuführungselektrode besteht hier aus einem Teil 54 aus Kupfer, der mit einem Überzug 55 aus
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Nickel versehen ist. Zwischen der Nickelschicht und dem Halbleiterelement ist eine Silberfolie 15 von etwa 50/U Stärke angeordnet.. Da Nickel mit Silber unter Betriebsbedingungen nicht legiert, können zwischen Zuführungs- ' elektrode und Halbleiterelement keine thermischen Spannungen entstehen, die z.B. einen gelöteten oder legierten Kontakt zerstören können. Die Unterseite der Trägerplatte des Halbleiterelementes ist mit einer Silberschicht 14 versehen, die die Trägerplatte gegen Oxydation schützte . Zwischen der versilberten Trägerplatte 4 und der Grundplatte 7 aus Kupfer liegt wieder eine Silberfolie 13 von etwa 200/u Stärke. Die Silberschicht 14 und die Folie 13 verwachsen während des Betriebes des Halbleiterbauelementes miteinander· Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Grundplatte 7 und des Halbleiterelementes 1...4 stören bei Lastwechseln nicht, da Silber bei den Betriebsbedingungen des Halbleiterbauelementes selten mit Kupfer legiert und falls es legiert, die. Trägerplatte 4 einen wirksamen mechanischen Schutz gegen thermische Spannungen im Halbleiterelement bewirkt.
In Figur 6 ist eine Anordnung zum Herstellen der Kontakte gemäß der Erfindung gezeigt. In einem Vakuumgefäß 18, das an eine Vakuumpumpe 19 angeschlossen ist, befinden sich zwei Schiffchen 20 und 21, die über Zuleitungen 22, 23, und 25 an nicht näher bezeichnete Suannungsquellen angeschlos-P sen sind. Die Zuleitungen sind jeweils mittels gasdichter Durchführungen 26 und 27 durch das Gehäuse des Vakuumgefäßes geführt* Weiter ist eine Blende 28 vorgesehen, die mittels einer weiteren Durchführung 29 nach außen geführt und drehbar gelagert ist. An der Oberseite des Vakuumgefäßes ist ein Träger 30 vorgesehen, auf dem Halbleiterkörper 31 ruhen. Der Träger 30 ist zweckmäßigerweise mit Öffnungen 32 versehen, durch die die Aluminiia- bzw. Silberdämpfe Zutritt zu den Halbleiterkörpern 31 haben. Der Träger 30 ist mittels einer Welle drehbar gelagert und ist über eine vakuumdichte Durchführung 33 von
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außen zugänglich. Über dem Träger 30 ist noch eine Heizwicklung 34 angeordnet, deren Zuleitungen 35 und 36 durch eine vakuumdichte Durchführung 37 mit einer nicht gezeigten Spannungsquelle verbunden sind.
Das Verfahren·wird so durchgeführt, daß zunächst das Aluminium enthaltende Schiffchen 21 aufgeheizt wird. Dann schlägt sich an der Unterseite der Halbleiterkörper 31 eine Schicht aus Aluminium nieder. Die Blende 28 verdeckt bei diesem Verfahrensschritt das mit Silber gefüllte Schiffchen 22, so daß dieses nicht mit Aluminium bedampft werden kann. Ist eine ausreichende Schichtdicke des Aluminiums erreicht, wird das Schiffchen 21 nicht mehr behei^zt, die Blende 28 nach rechts gedreht und das Schiffchen 20 beheizt. Das im Schiffchen 20 enthaltende Silber verdampft und schlägt sich auf der Aluminiumschicht an dem Halbleiterkörper 31 nieder. Ist eine Schicht mit einer Stärke von 0,05 bis 10/U aufgedampft worden, so wird der Bedampfungsvorgang unterbrochen und die Silberschicht kann in die Aluminiumschicht eingesintert werden. Zu diesem Zweck wird die Heizwicklung 34 aufgeheizt, die die Halbleiterkörper auf eine Temperatur·von etwa 4500C erwärmt.
Besteht eine der Elektroden aus einer Molybdänplatte, so kann diese zur Vermeidung von Oxydationssehichten anschließend an die Aluminiumelektode versilbert werden. Dies kann z.B. mit einer kippbar angeordneten Halterung geschehen, die zuerst die Aluminiumelektrode und dann die Molybdänplatte dem Silber verdampfenden Schiffchen zuwendet. Anschließend wird dann die Aluminiumschicht und die Silberschicht in die darunterliegende Silicium- bzw. Aluminiumschicht eingesintert.
8 Patentansprüche
6 Figuren
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Claims (8)

  1. -β- ■ 212248?
    Θ Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterelement, das einen Halbleiterkörper aus Silicium mit mehreren Zonen abwechselnden Eeitfähigkeitstyps aufweist, bei dem mindestens eine der äußeren Zonen durch Diffusion dotiert und mit mindestens einer Elektrode aus Aluminium versehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrode (2) mit einer Schicht aus eingesintertem Silber (3) versehen ist.
  2. 2.) Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 mit mehreren Elektroden aus Aluminiumj dadurch gekennzeichnet , daß diese Elektroden mit einer Schicht aus eingesintertem Silber versehen sind.
  3. 3.) Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden aus einer mit dem Halbleiterköper durch Legieren oder Löten verbundenen Molybdänplatte (4) besteht.
  4. 4.) Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennze ichnet , daß die Molybdänplatte mindestens an ihrer dem Halbleiterkörper abgewandten Seite versilbert (14» Pig.5) isto
  5. 5.) Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Silberschicht 0,05 bis 10/U dick ist.
  6. 6.) Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper in ein Vakuumgefäß gebracht wird, daß das Vakuumgefäß evakuiert wird, daß eine Aluminiumschicht mindestens auf eine der Kontakt-
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    flächen des Halbleiterkörpers aufgedampft wird, daß dann auf die Aluminiumschicht Silber aufgedampft wird, bis eine Schichtdicke von 0,05 bis 10/U erreicht ist und daß dann die Silberschicht und die Aluminiumschicht .im Vakuum bei !Temperaturen von 200 bis 55O0C gesintert werden.
  7. 7·) Verfahren nach Anspruch 6, d".a durch gekennzeichnet , daß die Silberschicht und die Aluminiumschicht im gleichen Vakuum gesintert werden.
  8. 8.) Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Silberschicht ohne zwischenzeitliche Belüftung des Vakuumgefäßes auf die Aluminiumschicht aufgedampft wird·
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