DE2263277A1

DE2263277A1 - Ohmscher kontakt fuer halbleitermaterialien

Info

Publication number: DE2263277A1
Application number: DE2263277A
Authority: DE
Inventors: Ira Evans Halt
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-12-29
Filing date: 1972-12-23
Publication date: 1973-07-12
Also published as: GB1390775A; JPS4881477A; JPS5138217B2; DE2263277B2

Description

Ohmscher Kontakt für Halbleitermaterialien

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung ohmscher Kontakte auf Halbleitermaterialien und auf die Verbindung des
ohmschen Kontaktes mit einem Kopfstück. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ohmsche Kontakte und das Binden für Halbleiter des p-Typs der Gruppen III-V des periodischen Systems, wie z. B. Galliumarsenid und Galliumphosphid.

Lichtemittierende Dioden, d.h. Pestkörperlampen, sind u. a. eine Art von Vorrichtungen, die vom p-Typ-Halbleitermaterial

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Gebrauch machen. Eine lichtemittierende Diode kann einen p-nübergang enthalten, der Licht emittiert, wenn Strom hindurchfließt und der an dem übergang aus p- und η-leitendem Halbleitermaterial gebildet ist, wie z. B. Galliumphosphid. Die p- und η-leitenden Bereiche werden dadurch hergestellt, daß das Grundmaterial mit gewissen Stör- oder Fremdmaterialien in einem geeigneten Prozess dotiert wird, wie z. B. durch Diffusion oder epitaxiales Aufwachsen. Bei der Herstellung wird ein dünnes Plättchen oder Wafer aus dem Grundmaterial, wie z. B. Galliumphosphid, bearbeitet, um einen p-n-übergang zwischen und paraLlel zu den größeren Oberflächen des Plättchens zu bilden. Das Plättchen wird dann in eine Vielzahl von Pillen oder Pellets geschnitten, die jeweils einen p-n-übergang enthalten. Jedes Pellet wird dann in ein Lampengehäur.«·. eingesetzt, wobei geeignete elektrische Verbindungen mit der p-ieite und η-Seite des Pellets hergestellt werden, so daß Strom durch den p-n-übergang geschickt werden kann, um eine Emission von Licht zu bewirken. Ein Weg, um dies zu erreichen, besteht darin, die Pille mit der p-Seite nach unten auf einem gold-plattier ten Kopfstück aus einem Material mit der Handelsbezeichnung Kovar anzuordnen und auf über 500 C zu erhitzen, um eine Verschmelzung des Pellets mit dem gold-ptattierten Kopfstück zu bewirken. Ein kleiner "Punkt"-Kontakt wird auf der η-Seite des Pellets hergestellt, um die elektrischen Verbindungen zu vervollständigen. Das Kopfstück sorgt für eine elektrische Verbindung mit der p-Seite des Pellets. Die oben erwähnte Erhitzung der Vorrichtung, um das Pellet mit dem Kopfstück zu verschmelzen, hat unerwünschterweise die Neigung, das Licht-Emissionsvermögen der Diode zu verkleinern und Versuche, die für die Verschmelzung verwendete Temperatur herabzusetzen, haben zu unbefriedigenden Bindungen des Diodenpellets mit dem Kopfstück geführt.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet, kurz gesagt, in einem be-

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vorzeigten Ausf ührungsbei spi e I eine Kontakt- und Bindungskombi-

nation aus Materialien für p-leitende Ha IbI eiter der Gruppen ι III-V des periodischen Systems, wie 2. B. Gal Iiumsphosphid oder Galliumarsenid, die auieinanderfolgende Schichten aus Gold, Gold-Zink und Gold umfaßt, die zumindest teilweise in die p-Typ-Gber "f I äche gesintert sind. Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren umfaßt die Verfahrensschritte, daß eine Schicht aus Gold auf einerp-leitenden Oberfläche eines Wafers aus Halbleitermaterial der Gruppe III-V abgeschieden wird, eine Kombinationsschicht aus Gold und einem metallischen Element.der Gruppe II über der Goldschicht abgeschieden wird, eine zusätzliche Schicht aus Gold über der Kombinationsschicht abgeschieden wird, diese Gesamtanordnung erhitzt wird, um die abgeschiedenen Schichten zumindest teilweise in die p-Typ-Oberflache des V/afers zu sintern, und der Wafer schließlich in.Pellets zerschnitten wird. Alternativ kann den oben genannten Verfahrensschritten vorausgehen, daß eine Anfangsschicht aus Gold auf der p-Typ-OberfIäche abgeschieden und in die Oberfläche gesintert oder legiertwird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht von"einer Vakuumverdampfungskammer, in der der elektrische Kontakt und das ei— findungsgemäße ßindungsmateria I auf einer p-leitenden Oberfläche eines Halb Leiterwafers abgeschieden wird.

Fig. 2 und 3 sind Seitenansichten und zeigen den Wafer mit aufgedampftem Material oder Materialien, die auf einem elektrisch erhitzten Banderhitzer erhitzt werden.

F i'j. h ist eine perspektivische Ansicht des Wafers, nachdem die abgeschiedenenMaterialien in seine p-leitende

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mm f. mm

Oberfläche eingeschmolzen sind, -wie es in Fig. 3 gezeigt i st.

Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht des Wafers, nachdem seine Oberfläche angerissen ist, so daß der Wafer in eine Vielzahl von Pellets geschnitten werden kann.

Fig. 6 ist eine Ansicht eines Pellets, das mit der p-Sei te nach unten auf einem Kopfstück angeordnet ist.

Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht des Pellets auf einem Kopfstück.

Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht von einer Festkörperlampe, bei der ein Linsengehäuse an dem Kopfstück gemäß Fig. 6 befestigt ist.

Der Vakuumverdampfungsapparat gemäß Fig. 1 besteht aus einer Basisplatte 11, die mit einer Vakuumöffnung 12 versehen ist, und einer Abdeckung 13, die vorzugsweise aus Glas hergestellt ist und vakuumdicht auf die Basisplatte 11 paßt. Ein Wafer mit einer p-leitenden Oberfläche der Gruppe III-V, wie z. B. Galliumarsenid, Galliumphosphid oder Gal Iiumarsenidphosphid, ist mit der p-leitenden Oberfläche nach unten durch Klemmmittel gehalten oder auf andere Weise an einer Trägerplatte 16 befestigt, die mittels eines an der Basisplatte 11 befindlichen Tragarmes 17 in der Vakuumkammer angeordnet ist. Zwei Schiffchen 18 und 19 werden von aer Basisplatte 11 mittels Ständern 21 getragen, die für eine elektrisehe und thermische Isolation der Schiffchen' 1S , 19 gegenüber der Basisplatte 11 sorgen. Vorzugsweise sind die Schiffchen 18 und 19 aus Metall hergestellt und so angeordnet, daß sie erhitzt werden, indem elektrischer Strom direkt durch das Metall der Schiffchen hindurchgeleitet wird. Das eine Schiffchen 1S trägt Gold 22 und das andere Schiffchen 19 trägt ein metallisches Clement

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23 der Gruppe II, wie z. B. Zink hoher·Re iahe it (bei spie Isweise eine Reinheit von 99,999 %), oder es kann stattdessen eine Kombination aus Gold und einem metalIisch en'E I ement der Gruppe II tragen. Der Apparat wird evakuiert und das das Gold enthaltende Schiffchen .18 wird elektrisch oder durch andere Mittel erhitzt, um so zu bewirken, daß eine Schicht aus Gold auf der unteren Oberfläche des Wafers 14 auf der p-leitenden Seite vorzugsweise mit einer Dicke von etwa 500-5000 A abgeschieden wird. Der Wafer 14, der die dünne Schicht 26 aus Gold trägt, wird auf einem Banderhitzer 31, wie er in Fig. gezeigt ist, mit der Goldschicht 26 auf der Oberseite angeordnet und momentan auf eine Temperatur von etwa 500 - 550 C mittels eines elektrischen Stromes von einer StromquelIe 32 und einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre (wie beispielsweise Wasserstoff oder St ickstoff ) erhitzt, um so die Goldschicht 26 in die p-Typ-Oberflache des Wafers 14 zu sintern oder zu legieren. Der Wafer 14 wird nach einer ausreichenden Abkühlung wieder in der gleichen Weise wie zuvor in dem Apparat gemäß Fig. 1 angeordnet und der Apparat wird evakuiert. Das Schiffchen 18, das Gold 22 enthält, wird erhitzt wie zuvor, damit eine dünne Schicht aus Gold über der Oberfläche der legierten Goldschicht abgeschieden wird, und dann wird das Schiffchen 19, das das metallische Element der Gruppe II,. wie beispielsweise Zink, gleichzeitig mit dem Schiffchen 18 erhitzt, damit auf diese Weise eine Kombinationsschicht aus Gold und dem metallischen Element der Gruppe II auf der soeben abgeschiedenen Goldschicht abgeschieden wird. Alternativ kann das Schiffchen 19 eine Kombination aus Gold und dem metallischen Element der Gruppe II enthalten; In diesem Fall braucht nur das Schiffchen 19 während des vorangegangenen Schrittes erhitzt zu werden. Als nächstes wird das Schiffchen 18 erhitzt, um eine Endschicht aus Gold über den vorangegangenen Schichten abzuscheiden. Somit ist ein "Sandwich" aus Schichten aus Gold, Gold-Zink oder einem anderen metal I ischen Ele-

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ment dor Gruppe II und Gold auf der zunächst legierten GoId-

schicht abgeschieden worden. In diesem dreischichtigen "Sandwich" kann die erste Schicht aus Gold etwa 500-5000 K dick sein, die zweite Schicht aus Gold und dem metallischen Element der Gruppe II kann etwa 2500 - 10 000 8 dick sein, wobei die Menge des metallischen Elementes der Gruppe II in dem Bereich von etwa 1-15 Gew.-% des zusammen damit auftretenden Goldes liegen kann, und die Endschicht aus Gold kann etwa 500-5000 % di ck sein.

Der Wafer 14, der die erste legierte Schicht 26 aus Gold und die "Sandwich"-Schich ten 27 trägt, wird wieder auf einem Banderhitzer 31, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, mit den Schichten 26, 27 auf der oberen Seite angeordnet und mittels eines elektrischen Stromes aus einer Stromquelle 32 in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre (wie beispielsweise Wasserstoff oder Stickstoff) momentan auf eine Temperatur von etwa 500 - 550 C erhitzt, um den dreischichtigen "Sandwich" 27 in die Oberfläche der legierten Goldschicht 26 zu sintern.

Der oben beschriebene Anfangsschritt der Abscheidung der Schicht 26 aus Gold auf der p-leitenden Oberflache und des Sinterns der Legierung in die Oberfläche, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, kann weggelassen werden und die erste Goldschicht des dreischichtigen "Sandwich" kann direkt auf der p-leitenden Oberfläche abgeschieden werden, wenn die Dicke des dreischichtigen "Sandwich" in angemessener Weise steuerbar ist, damit sie relativ dünn ist. Die kombinierten drei Schichten des dreischichtigen "Sandwich" müssen genügend dünn sein, damit sie an der p-leitenden Oberfläche während des anschließenden Erhitzens und Sinterns anhaften (und sich nicht abheben oder abblättern), und trotzdem müssen sie genügend dick sein, um eine Legierung mit dem Oberflächenbereich des p-leitenden Materials zu bilden. Bei der Ausführung dieses alternativen Aus-

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FührungsbeiSpieles der Erfindung wird der Wafer in dem Apparat gemäß Figur 1 angeordnet, wie es oben beschrieben wurde, und die erste Goldschicht des dreischichtigen "Sandwich" wird direkt auf die p-leitende Oberfläche aufgedampft, woran sich die Schicht aus Gold und dem Element der Gruppe II und dann die letzte Goldschicht anschließt, u i e es oben beschrieben wurde. Die kombinierte Dicke der drei Schichten sollte gesteuert werden, so daß die Gesamtdicke etwa 2000 - 7500 8 beträgt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die erste Goldschicht etwa 500 a, die Gold-Zinkschicht etwa 1000 8 und die letzte Goldschicht etwa 500 A dick gemacht wird. Somit hat'das zuerst beschriebene AusführungsbeispieI,'obwohI es besondere Herstellungsschritte erforderlich macht, einen Vortei I insofern, als die Schichtdicken weniger kritisch s i n'd, da die erste Goldschicht zunächst allein in die p-Typ-OberfIäche legiert wird, woraufhin die Dicken der übrigen Schichten nicht so kritisch sind. In beiden AusführungsbeispieI en können aber zufriedenstellende Ergebnisse erhalten werden, wenn die Mittelschicht des "Sandwich" nur aus Zink oder einem anderen metallischen Element der Gruppe II besteht, obwohl die Kombination mit Gold, wie sie oben beschrieben wurde, den Vorteil hat, daß sie vei— hindern hilft, daß Zink (oder das andere metallische Element der Gruppe II) während des Erhitzungs- und Sinterungsschrittes wegdampft. Wenn das "Sandwich" gesintert wird, wird das Zink oder das andere metallische Element der Gruppe II über das Gol'd des "Sandwiches" verteilt bzw. dispergiert.

In dieser Stufe kann der Wafer 14 etwa so.aussehen, wie er in Figur 4 gezeigt ist. Nun wird er über Kreuz angeritzt, wie es durch die Bezugszahlen 36 in Figur 5 angegeben ist, um einzelne Pillen oder Pellets 37 zu umgrenzen, und dann wird er geschnitten, urn eine Vielzahl einzelner Pillen oder Pellets 37 zu bilden. Ein Pellet 37 wird mit der p-Seite nach unten auf einem no Id-pI attierten Kopfstück angeordnet, wie es in Fig. 6

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gezeigt ist, in der das Kopfstück 38, d-as aus Kovar bestehen kann, mit einer Goldschicht 39 plattiert ist. Die gestrichelte Linie 41 gibt die £indringungstiefe der gesinterten Zusammensetzung aus Gold und dem metallischen Element der Gruppe II in das Pellet 37 an, wie sie vorstehend beschrieben worden ist. Unter der Annahme, daß der Wafer 37 einen p-n-übergang enthält, würde dieser übergang etwa in der Weise angeordnet sein, wie es durch die gestrichelte Linie 42 angegeben ist, wobei der obere Teil 43 des Wafers 37 aus η-leitendem Material besteht.

Das Kopfstück 38 und das Pellet 37, wie siein Fig. 6 gezeigt sind, werden dann durch irgendwelche zweckmäßigen Mittel, beispielsweise in einem Ofen oder indem das Kopfstück 38 auf einem Banderhitzer angeordnet wird, in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre (beispielsweise Wasserstoff oder Stickstoff) momentan auf eine Temperatur zwischen 400 C und 500 C erhitzt, um das Pellet 37 mit der Goldplattierung 39 des Kopfstückes 38 zu verschmelzen, was aufgrund des Schmelzens des Goldes 39 und der Materialzusammensetzung geschieht, die in die p-leitende Oberfläche des Pellets gesintert worden ist, wie es vorstehend beschrieben wurde.

figur 7 zeigt ein typisches Kopfstück 38, mit dem das Pellet 37 verbunden ist, wie es oben beschrieben wurde. Ein erster Leiterdraht oder Ständer 46 ist an dem Kopfstück 38 befestigt und ein zweiter Leiterdraht oder Ständer 47 führt durch eine Öffnung in dem Kopfstück 38 hindurch und ist mittels eines Isoliermaterials 48/ wie beispielsweise Glas, an dem Kopfstück befestigt und gegenüber diesen isoliert. Ein Kontakt 49 mit "Punkt"-Größe wird durch bekannte Mittel auf der oberen oder η-leitenden Oberfläche des Pellets 3S gebildet, und ein feiner Verbindungsdraht 51 wird elektrisch und mechanisch an dem Punktkontakt 49 und dem oberen Ende 52 des zweiten Verbindungsdrahtes 47 befestigt. Ein Schutzgehäuse 56 kann über dem Kopfstück

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38 angeordnet und an diesem befestigt werden, wie es in Figur 3 gezeigt ist, und kann mit einer Linse 57 in einer öffnung an den äußeren Enden versehen sein, so daß, wenn der Wafer 37 der Lichtemittierenden Diode Licht aussendet, weil Strom durch den p-n-übergang 42 mittels einer an die Leiterdrahte 46 und 47 angelegten Spannung geschickt wird, das emittierte Licht durch die Linse 57 in einer gewünschten Weise fokussiert wird;

Die erfindungsgemäße Kontakt- und Bi ndepiater i alzusammensetzung , die vorstehend beschrieben wurde, gestattet, daß das Pellet 37 mit dem Kopfstück 38 bei einer niedrigeren Temperatur, beispielsweise etwa iOO C oder weniger, als derjenigen Temperatur verbunden werden kann, die bisher erforderlich war, um das p-leitende Material direkt mit der .Goldplatt i erung 39 des Kopfstückes 38 zu verbinden. Gleichzeitig wird eine Bindung mit sehr hoher mechanischer Festigkeit erhalten. Somit wird eine gute Bindung bei niedrigerer Temperatur erhalten und somit wird die Wahrscheinlichkeit herabgesetzt, daß das Lichtemissionsvermögen, der einen p-n-übergang aufweisenden Diode, beeinträchtigt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren des Aufbringens des elektrischen Kontakt- und Bindematerials auf die p-leitende Oberfläche der Pellets 37 gestattet, daß eine temporäre elektrische Verbindung mit der p-Seite hergestelIt wird, während ein anderer elektrischsr Kontakt mit dem "Punkt"-Kontakt 49 hergestellt wird, der. vorher auf der η-Seite der Diode in bekannter Weise hergestellt worden ist, so daß das Lichtemissionsvermögen und andere Eigen-, schäften der Diode gemessen werden können, bevor die Diode mit einem Kopfstück verbunden wird. Dadurch können defekte Dioden ausgesondert werden, bevor ..sie .mit dem relativ teuren Kopfstück verbunden werden.

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Neben der Erzielung der guten Verbindung bei einer niedrigen Temperatur sorgt die Erfindung auch für einen höchst erstrebenswerten kleinen Verbindungswiderstand zwischen der p-leitenden Oberfläche und dem Kopfstück, der zu einem erhöhten Wirkungsgrad, einer vergrößerten Lichtausbeute und einer geringeren Erwärmung der Lampe während des Betriebes führt.

Die nützliche Funktion des Zinkes oder des anderen metallischen Elementes der Gruppe II in dem erfindungsgemäßen Kontakt besteht darin, daß es das Gold "dotiert", das mit dem p-Typ-Materia.l der Gruppe III-V legiert ist, um so für einen ohmschen Kontakt mit einem kleinen Widerstand zu sorgen. Oie metallischen Elemente der Gruppe II "benetzen" jedoch p-Typ-Materialίen der Gruppen III-V nicht gut, wogegen das verbundene Gold diese Funktion gut ausübt. Metallische Elemente der Gruppe II haben relativ hohe Dampfdrücke und tendieren zum Verdampfen, wenn' sie für den Sinterungsschritt erhitzt werden. Ein Zweck der Goldschichten, die die metallische Schicht der Gruppe II blank macht, besteht darin, die Verdampfung des metallischen Elementes der Gruppe II zu reduzieren oder zu verhindern, da es sich über das Gold verteilt, anstatt zu verdampfen, wenn es und das Gold in die Oberfläche des p-leitenden Materials der Gruppe III-V während des Erhitzens und Sinterns eingeschmolzen werden.

Die Erfindung ist nützlich beim Aufbringen eines kleinen "Punkt"-Kontaktes auf die Oberfläche des p-leitenden Materials der Gruppe III-V, was durch Aufdampfen des Goldes und des metallischen Elementes der Gruppe II durch eine kleine öffnung in einer Maske erreicht werden kann.

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Claims

Patent anspr,(ich e

I.johmscher Kontakt -für ein Halbleitermaterial des p-Typs der Gruppen III-IV, gekennzeichnet durch eine gesinterte Kombination von Schichten aus Gold, einem metallischen Element der Gruppe II und Gold in der genannten Reihenfolge.
2. Kontakt nach Anspruch 1, dadurch geke.nnz e i c h η e t, daß das metallische Element der Gruppe II Zink ist. ■ ■ .
3. Kontakt nach Anspruch 1, da durch g e k β η η ζ ei c h η e t, daß mit dem metallischen Element, der Gruppe II in der zweiten Schicht Gold kombiniert ist«,
4. Kontakt nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η -

ζ e i c h η e t, daß die Menge des metallischen Elementes der Gruppe II in der- 2wei ten-Schicht etwa Λ - 15 Gew,-.% des Goldes in der zweiten Schicht beträgt..
5. Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Gruppen HI-V GaIliumarseni d , GaIliumphosphid oder Galt iumarsenidphosphid ist.' . . . ·. . , .,-■_■■_.- ■ ,.
6. Kontakt nach Anspruch 1, d a d u r c h g e H e η η zeichnet, daß er in einer.Festkörper lampe mit einem Material der G.ruppen III-V verwendet ist, das einen p-n-übergang an der Grenzfläche eines Bereiches des p-Typs und eines Bereiches des η-Typs aufweist.

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7. Verfahren zur Herstellung eines ohms'chen Kontaktes auf einem p-leitenden Material der Gruppen HI-V,' dadurch gekennzeichnet, daß eine Schicht aus Gold auf einer Oberfläche des Materials abgeschieden wird, eine Schicht, die ein metallisches Element der Gruppe II enthält, über der Goldschicht abgeschieden. wird, eine Schicht aus Gold über der Kombinationsschicht abgeschieden wird und eine Erhitzung erfolgt, um die abgeschiedenen Schichten zumindest teilweise in die Oberfläche des Materials zu sintern.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennz e i c h η e t, daß die Schicht, die ein metallisches Element der Gruppe II enthält. Gold in Kombination mit dem metallischen Element der Gruppe II enthält.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Goldschicht vor dem Sintern eine Dicke von etwa 500 - 5000 A besitzt, die Kombinationsschicht vor dem Sintern eine Dicke von etwa 1000-10 000 8, wobei die Menge des metallischen Elementes der Gruppe II in dem Bereich von etwa .1 - 15 Gew.-% des verbindenden Goldes beträgt, und die letzte Goldschicht vor dem Sintern eine Dicke von etwa 500 - 5000 % hat.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge k e η η -zeichnet, daß das metallische Element der Gruppe II Zink ist.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gek en nzeichnet, daß das Material der Gruppen III-V Galliumarsenid, Galliumphosphid oder GaIliumarsenidphosphid ist.

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12. Vorfahren nach Anspruch 7, d a d-u. r c h g e ken n ZGi c h η e t, daß zusätzlich,eine Vorschicht aus Gold auf der ßberi Lache des Materials abgeschieden und erhitzt wird, um an der Oberfläche eine Legierung aus Gold und dem p-leitenden Material der Gruppe Hi-V zu bilden.

13, Verfahren nach Anspruch 12, dad u r c h. g 6 k e η η ** ζ e ich η et, daß die Vorschieht aus Gold vor dem Erhitzen zur Bildung der Legierung eine Dicke von etwa 500 - 500Q % hat. ■■■■·■ :

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