DE2642721A1 - Semiconductor diode for high current density - has metal layers of good thermal conductivity and sufficient thickness between semiconductor surface and contact - Google Patents

Semiconductor diode for high current density - has metal layers of good thermal conductivity and sufficient thickness between semiconductor surface and contact

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Abstract

The diode for high current density has a metallising system for connection of leads to the electrodes of the semiconductor crystal. The connection is carried out by wire bonding, soldering, pressure contacting etc. At least one metal layer is deposited between the semiconductor surface and the respective contact. The layer material has good thermal conductivity and sufficient thickness. This material is preferably silver, copper, gold, or aluminium. The layer thickness is minimum 5 microns, preferably 10 microns and more. The diode may be suitable for avalanche operation, or it may be Schottky diode. The diode structure may show more than one pn-junction. The metal layer may be of a single metal or of an alloy containing nickel and may be galvanically deposited.

Description

HalbleiterbauelementSemiconductor component

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, insbesondere eine Diode für hohe Stromdichten, mit Metallisierungssystemen zum Anschluß von Zuleitungen an die Elektroden des Halbleiterkristalls mittels Drahtbondtechnik, Löten, Druckkontaktieren oder dergleichen.The invention relates to a semiconductor component, in particular one Diode for high current densities, with metallization systems for connecting leads to the electrodes of the semiconductor crystal using wire bonding, soldering, pressure contact or similar.

Es ist bekannt, daß Zweipole, deren Klemmenspannung bei gegebenem Strom bzw. gegebener Stromdichte mit zunehmender Temperatur abnimmt, zu thermischer Instabilität neigen.It is known that two-pole, the terminal voltage at a given Current or given current density decreases with increasing temperature, becoming more thermal Prone to instability.

Dioden sind solche Zweipole : In Durchlaßrichtung besitzen -sie einen negativen Temperaturkoeffizienten. Das bedeutet, daß die Stromverteilung instabil werden kann, sobald ein Flächenelement der--Diode, infolge einer Inhomogenität, etwa eines Lunkers im Lötkontakt, sich stärker erwärmt. als seine Umgebung. In diesem Fall nimmt die Durchlaßspannung dieses Elements ab. Hierdurch übernimmt es mehr Strom und erwärmt sich stärker, wodurch die Durchlaßspannung noch mehr ab nimmt usw.. Es kommt zum gefürchteten "Pinch In" und zur Zerstörung der Diode. Dieser Effekt tritt insbesondere dann besonders häufig auf, wenn Dioden im Sperrbereich als Z-Dioden betrieben werden. So müßte zum Beispiel eine Diode, die im Kraftfahrzeug -als- Hauptstromdiode einer Lichtmaschine eingesetzt ist, beim Betrieb ohne batterie in Sperrichtung denselben Strom zum nehmen können wie in Durchlaßrichtung und dies bei Zeitkonstanten des Systems -in- der Größenordnung von hundert Millisekunden. Da in diesem Fall die am Element liegende Spannung um ein bis zwei Größenordnungen höher ist als in Durchlaß--richtung, erwärmt- sich der Kristall außerordentlich rasch. Diodes are two-pole: they have one in the forward direction negative temperature coefficient. This means that the power distribution is unstable can be, as soon as a surface element of the - diode, due to an inhomogeneity, for example a blow hole in the solder contact, heats up more. than its surroundings. In this Case, the forward voltage of this element decreases. This way it takes on more Current and heats up more, whereby the forward voltage decreases even more etc. It comes to the dreaded "pinch in" and the destruction of the diode. This The effect occurs particularly frequently when the diodes are in the blocking range operated as Zener diodes. For example, a diode should be used in the motor vehicle -as- is used as the main current diode of an alternator when operating without a battery in the reverse direction to be able to take the same current as in the forward direction and this with time constants of the system -in the order of a hundred milliseconds. In this case, the voltage on the element is reduced by one to two orders of magnitude is higher than in the forward direction, the crystal heats up extraordinarily quickly.

Obwohl der Temperaturkoeffizient der Durchbruchspannung Uz bei Spannungen. oberhalb 6 Volt zunächst positiv ist, auf die Stromverteilung also stabilisierend wirkt, sind die Dioden jetzt gefährdet : Durch die aufzunehmende Stoßebcrgie wird die mittlere Kristalltemperatur sehr hoch - -zum Beispiel 300° C -, so daß etwa ein schlecht gekühltes Flächen- bzw.Although the temperature coefficient of the breakdown voltage Uz at voltages. is initially positive above 6 volts, thus stabilizing the current distribution acts, the diodes are now endangered: The shock energy to be absorbed is the mean crystal temperature is very high - for example 300 ° C - so that about a badly cooled surface or

-Volumeleme-nt des Kristalls bereits in den Bereich der durch thermische Paarbildung bedingten Eigenleitung gelangen kann.-Volumeleme-nt of the crystal already in the area of the by thermal Pair formation conditional self-conduction can arrive.

In diesem Bereich wechselt der Temperaturkoeffizient der Durchbruchspannung s sehr - steil von positiven zu negativen -Werten, die -Stromvarteilung wird instabil, es kommt zum "Pinch In", und das Bauelement wird zerstört. The temperature coefficient of the breakdown voltage changes in this area s very - steeply from positive to negative values, the current distribution becomes unstable, "Pinch In" occurs and the component is destroyed.

Ferner ist die Technologie des Metall-Halbleiter-Kontakts, der Hot-Carrier- oder Schottky-Diode, bekanntgeworden. Durch diese Technologie ist es möglich, die Eigenschaften einer Diode gezielt ihrer jeweiligen Aufgabe anzupassen und so zu kostengünstigen Lösungen zu kommen. Bei diesen Dioden wird die Sättigungsstromdichte nicht mehr vom Bandabstand des Kristallmaterials, sondern von der Differenz der Austrittsarbeiten zwischen ifalbleitermaterial und Kontaktmetall bestimmt, wobei die Differenz der Austrittsarbeiten stets kleiner als der Bandabstand des verwendeten Halbleitermaterials ist. Je kleiner diese Differenz ist, desto größer wird nach der Richardsonschen Gleichung die Sättigungsstrondichte, desto kleiner die Durchlaßspannung und die Durchlaßverluste. Da damit verbunden aber auch die Grenztemperatur für den Umschlag des Temperaturkoeffizienten der Durchbruchspannung von positiven zu negativen Werten absinkt, sind Schottky-Dioden dann besonders gefährdet, wenn die stromführende Kristallfläche Fkichenelemente mit höherer Temperatur aufweist. Furthermore, the technology of metal-semiconductor contact, the hot carrier or Schottky diode. This technology makes it possible to achieve the Properties of a Adapting the diode specifically to its respective task and so to come to cost-effective solutions. With these diodes, the saturation current density no longer from the band gap of the crystal material, but from the difference in Work functions between semiconductor material and contact metal are determined, whereby the difference in work functions is always smaller than the band gap of the one used Semiconductor material is. The smaller this difference, the larger it becomes after According to the Richardson equation, the lower the forward voltage, the lower the saturation density and the transmission losses. Since this is also associated with the limit temperature for the The temperature coefficient of the breakdown voltage changes from positive to negative Values drops, Schottky diodes are particularly at risk when the current-carrying Crystal surface has Fkichenelemente with higher temperature.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art so auszubilden, daß Temperaturgradienten innerhalb der stromführenden Kristallfläche des Halbleiterkörpers weitgehend vermieden werden.The invention is based on the object of a semiconductor component of the type mentioned in such a way that temperature gradients within the current-carrying crystal face of the semiconductor body can be largely avoided.

Erfindungsgemä.ß wird diese Aufgabe durch mindestens eine Metallschicht aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit und hinreichender Dicke zwischen Halbleiteroberfläche und Bond-, Löt, Druckkontakt oder dergleichen gelöst.According to the invention, this object is achieved by at least one metal layer made of a material with good thermal conductivity and sufficient thickness between Semiconductor surface and bond, solder, pressure contact or the like solved.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.The invention is explained in more detail with the aid of the drawing.

Es zeigen: Fig. 1 eine herkömmliche Schottky-Diode im Schnitt, Fig. 2 eine Schottky-Diode gemäß der Erfindung im Schnitt.They show: FIG. 1 a conventional Schottky diode in section, Fig. 2 shows a Schottky diode according to the invention in section.

In Figur 1 ist mit 1 der aus Kupfer bestehende Gehäuseboden der Schottky-Diode bezeichnet. Mit 2 ist ein hochdotiertes Silizium-Substrat bezeichnet. Dieses Substrat weist an seiner Oberseite eine gezielt dotierte Epitaxieschicht 3 auf. Auf den äußeren Rand der Epitaxieschicht 3 ist eine dünne Oxidschicht 5 und auf diese eine dicke Oxidschicht 4 aufgebracht.In FIG. 1, 1 is the housing bottom of the Schottky diode, which is made of copper designated. With a highly doped silicon substrate is designated. This substrate has a specifically doped epitaxial layer 3 on its upper side. On the outside The edge of the epitaxial layer 3 is a thin oxide layer 5 and a thick one on top of it Oxide layer 4 applied.

Die dünne Oxidschicht 5 dient dabei als Feldoxid zur Unterdrückung von Feldemission am Rand des Metall-Halbleiterkontakts. Mit 6 ist eine Aluminiumschicht bezeichnet, die eine Dicke von etwa 2 bis 5/um hat. Auf diese Aluminiumschicht ist eine vergleichsweise dünne Nickelschicht 7 aufgebracht, durch die eine lötbare Oberfläche erzeugt wird. Mit 8 ist eine Lotschicht aus Blei-Zinn-Weichlot und mit 9 ein Kopfdraht aus Kupfer bezeichnet. An seiner Unterseite ist das Silizium-Substrat 2 über eine Zwischenschicht 10 aus Nickelsilizid, eine Nickelsehicht 11 und eine Lotschicht 12 aus Blei-Zinn-Weichlot mit dem Gchäuseboden 1 verötet. Die beiden Nickelschichten 7 und 11 können zusätzlich iit einer Hauchvergoldung überzogen sein, um eine bessere Benetzung mit dem Blei-Zinn-Weichlot zu erreichen.The thin oxide layer 5 serves as a field oxide for suppression of field emission at the edge of the metal-semiconductor contact. With 6 is an aluminum layer referred to, which has a thickness of about 2 to 5 / µm. On top of this aluminum layer is a comparatively thin nickel layer 7 is applied through which a solderable surface is produced. With 8 is a solder layer made of lead-tin-soft solder and with 9 a head wire made of copper. On its underside, the silicon substrate 2 is on a Intermediate layer 10 made of nickel silicide, a nickel layer 11 and a solder layer 12 made of lead-tin-soft solder soldered to the housing base 1. The two layers of nickel 7 and 11 can also be covered with a touch of gold for a better finish To achieve wetting with the lead-tin-soft solder.

Wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer (Gehäuseboden und Kopfdraht) und Silizium dürfen die Lotschichten 8 und 12 nicht zu dünn gemacht werden. Sie müssen nämlich die bei Temperaturänderungen auftretenden Schubspannungen aufnehmen können. Da sie von Hause aus schlechte Wärmeleiter sind, wird der thermische Kurzschluß des aus Kupfer bestehenden Kopfdrahts 9 durch die ca. 30 um dicke Lotschicht 8 in Bezug auf die Epitaxieschicht 3 der IIalbleiterkristalls nahezu unwirksam. Das gleiche gilt auch für den Lötkontakt am Gehäuseboden. Doch ist dort die Auswirkung erheblich geringer, da zwischen der Epitaxieschicht 3 und dem Lot 12 das ca. 150 um dicke Substrat aus Silizium liegt, und da Silizium eine erheblich bessere Wärmeleitfähigkeit als ein Blei-Zinn-Weichlot besitzt. Besonders kritisch wird dieser Aufbau des Kontaktierungssystems, wenn sich in einer der Lotschiejiten 8 oder 12, wie bei 13 angedeutet, ein Lunker oder eine nicht benetzende Stelle befindet.Because of the different expansion coefficients of copper (case back and head wire) and silicon must not make the solder layers 8 and 12 too thin will. This is because you have to withstand the shear stresses that occur when the temperature changes be able to record. Since they are inherently poor conductors of heat, the thermal Short circuit of the head wire 9, which is made of copper, through the approximately 30 μm thick layer of solder 8 in relation to the epitaxial layer 3 of the semiconductor crystal is almost ineffective. The same applies to the solder contact on the bottom of the housing. Yet there is the effect considerable less, since between the epitaxial layer 3 and the solder 12 it is approximately 150 μm thick The substrate is made of silicon, and since silicon has a significantly better thermal conductivity than a lead-tin soft solder. This structure of the contacting system becomes particularly critical, if there is a blowhole in one of the Lotschiejiten 8 or 12, as indicated at 13 or a non-wetting point.

Deshalb ist bei dem erfindungsgcmäßen Ausführungsbeispiel nach Figur 2 die dünne Aluminium-Nickel-Schicht 6, 7 durch die Silberschicht 111 verstärkt, deren Dicke mindestens etwa 5 lum, bevorzugt jedoch 10 und mehr /um beträgt. Um insbesondere bei nicht hermetisch dichtem Einbau die Wanderung von Silberionen zu verhindern, ist eine nickelschicht 15 zur Versiegelung der Oberflache vorgesehen.Therefore, in the embodiment according to the invention according to FIG 2 the thin aluminum-nickel layer 6, 7 reinforced by the silver layer 111, the thickness of which is at least about 5 μm, but preferably 10 and more μm. Around especially if the installation is not hermetically sealed, the migration of silver ions increases prevent, a nickel layer 15 is provided to seal the surface.

Die Erfindung ist nicht auf das anhand der Figur 2 beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.The invention is not based on the exemplary embodiment described with reference to FIG limited.

Vielmehr kann beispielsweise die Schicht 14 auch aus anderen, gut wärmeleitenden Idetallen oder Metallegierungen bestehen.Rather, for example, the layer 14 can also consist of others, well thermally conductive Idetallen or metal alloys exist.

Ein besonders einfaches System ergibt sich, wenn das Kontaktmetall entsprechend Figur 1 aus Aluminium besteht. In diesem Fall läßt sich die Schicht 6 entsprechend dicker ausführen, so daß die Schichten 7 und 14 entfallen können. Allerdings ist Aluminium nicht ganz so wirksam wie Silber oder Kupfer.A particularly simple system results when the contact metal according to Figure 1 consists of aluminum. In this case, the layer 6 make correspondingly thicker, so that the layers 7 and 14 can be omitted. However, aluminum is not quite as effective as silver or copper.

Wegen seiner Duktilität ist Gold als Zwischenschicht lli besonders geeignet.Because of its ductility, gold is a special intermediate layer III suitable.

An die Stelle des Aluminiums kann auch ein anderes Metall, wie beispielsweise Chrom, Palladium, Platin, Titan oder ein anderes geeignetes Material treten, das dann allerdings nur in Schichtdicken um 0,2 /um angewandt wird, wobei sich der Aufbau der Schichten nach den physikalischen Gegebenheiten richtet.Instead of aluminum, another metal, such as, for example, can also be used Chromium, palladium, platinum, titanium or any other suitable material that occurs then, however, only in layer thicknesses around 0.2 / um is used, whereby the structure the layers according to the physical conditions.

Auch in allen anderen nur denkbaren Fällen läßt sich der Gegenstand der Erfindung, nämlich die dicke Zwischenschicht aus gut wärmeleitendem Material, anwenden. Sie ist besonders wichtig bei Paarungen mit niedriger Differenz der Austrittsarbeiten, wenn eine hohe Stoßstromfestigkeit erreicht werden soll. Auch bei Avalanche-Dioden mit normalem pn-Übergang läßt sich damit eine höhere Stoßstromfestigkeit erzielen.The object can also be used in all other conceivable cases of the invention, namely the thick intermediate layer made of a material that conducts heat well, use. It is particularly important for pairings with a low difference in work functions, if a high surge current resistance is to be achieved. Even with avalanche diodes With a normal pn junction, a higher surge current resistance can be achieved.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (12)

A n 5 p r ü c h e 1. Halbleiterbauelement, insbesondere Diode für hohe Stromdichten, mit Metallisicrungssystemen zum Anschluß von Zuleitungen an die Elektroden des Halbleiterkristalls mittels Drahtbondtechnik Löten, Druckkontaktieren oder dergleichen, gekennzeichnet durch mindestens eine Metallschicht aus cinem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit und iinreichender Dicke zwischen Halbleiteroberfläche und Bond-, Löt-, Druckkontakt oder dcrgleichen. A n 5 p r ü c h e 1. Semiconductor component, in particular diode for high current densities, with metallization systems for connecting leads to the Electrodes of the semiconductor crystal by means of wire bonding soldering, pressure contact or the like, characterized by at least one metal layer made of a material with good thermal conductivity and sufficient thickness between the semiconductor surface and bond, solder, pressure contact or the like. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus einem der Metalle Silber, Kupfer, Gold oder Aluminium besteht. 2. Semiconductor component according to claim 1, characterized in that that the metal layer consists of one of the metals silver, copper, gold or aluminum consists. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Metallschicht mindestens 5 vorzugsweise jedoch 10 /um und mehr, beträgt. 3. Semiconductor component according to claim 1 or 2, characterized in that that the thickness of the metal layer is at least 5, but preferably 10 μm and more, amounts to. 4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es alls einer Diode besteht, für die ein Betrieb in Avalanche-Bereich erlaubt ist. 4. Semiconductor component according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that it all consists of one diode, for which an operation in the avalanche range allowed is. 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch LI, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode eine Schottky-Diode mit einem Metall-Halbl->iter-Kontakt ist. 5. Semiconductor component according to claim LI, characterized in that that the diode is a Schottky diode with a metal half-> iter contact. 6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Struktur mit mehr als einem pn-Übergang. 6. Semiconductor component according to one of claims 1 to 5, characterized by a structure with more than one pn junction. 7. IIalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine dicke Metallisierung, die nur aus einem einzigen Metall besteht. 7. Semiconductor component according to one of claims 1 to 6, characterized through a thick metallization that consists of only one single metal. 8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall aus Aluminium besteht. 8. Semiconductor component according to claim 7, characterized in that that the metal is made of aluminum. 9. Halbleiterbauelement nach einen der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Metallschicht aus Silber, die mit einer Schicht aus Nickel oder aus einem Metall mit ähnlichen Eigenschaften abgedeckt ist. 9. Semiconductor component according to one of claims 1 to 6, characterized by a metal layer of silver, which is combined with a layer of nickel or of a Metal with similar properties is covered. 10. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach einem der Anspruche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht galvanisch abgeschieden wird.10. A method for producing a semiconductor component according to a of Claims 1 to 9, characterized in that the metal layer is galvanic is deposited. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet-, daß die Metallschicht erst nach dem Ätzen der Kontaktmuster aufgebracht wird.11. The method according to claim 10, characterized in that the metal layer is only applied after the etching of the contact pattern. 12. Verfahren zur -Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aufgedampft oder aufgesputtert wird.12. A method for manufacturing a semiconductor component according to a of Claims 1 to 9, characterized in that the metal layer is vapor-deposited or is sputtered on.
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