DE2943863A1 - Halbleiterbauelement und verfahren zur kontaktierung eines teilbereichs einer halbleiterflaeche - Google Patents

Halbleiterbauelement und verfahren zur kontaktierung eines teilbereichs einer halbleiterflaeche

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DE2943863A1 DE19792943863 DE2943863A DE2943863A1 DE 2943863 A1 DE2943863 A1 DE 2943863A1 DE 19792943863 DE19792943863 DE 19792943863 DE 2943863 A DE2943863 A DE 2943863A DE 2943863 A1 DE2943863 A1 DE 2943863A1
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Description

Miii). ln-ii, <l.Mi 30. Oktnli Γ>/9
Anwnl ts.ikt fin. : h 6 - P; t . ?O
Dr. |>l»il. HtMiP KpI lei, Köln nsoiihcc 22, CH 3OO6 Hein, Srh ν» ο i 7.
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COPY
Halbleiterbauelement und Vorfahren zur Kontaktierung eines Teilbereichs einer1 Hai h Lo i terfl.;ieho
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement gemäss dom Oberbegriff des Pr t tent.-innpruchfi 1 und ein Kon takt ierungsverfahren gemüss dem Oborbogr i ff der, Patentanspruchs 6.
Unter der nur an einem Teilbereich ihrer· Flache einen le it fähigen Uebergang zum Halbleitersubstrat aufweisenden Kontaktschicht des Halbleiterbauelements ist eine solche zu verstehen, deren Bahnwiderstand (bulk resistance)zwischen dem Teilbereich und dem Halbleitersubstrat klein gegen denjenigen zwischen lern restlichen Bereich der FLüche und dem Halbleitersubstrat ist. Die Kontaktschicht kann beispielsweise aus einem oder mehreren Metallen oder Halbleitermaterialien und gegebenenfalls Dotierstoffen bestehen.
Unter einem Teilbereich einer Flache werden ein oder mehrere nicht notwendig :',unai;i:n.'nhan^onde - FLachenteile verstanden, wobei die Dumme der den Teilbereich bildenden Flächen ein Bruchteil der gesamten Flach»; ist.
Ein Halbleiterbauelement dieser Art ist die durch Protonenbeschuss hergestellte '.Ureifengoometi-ic-Laserdiode (vgl. z.B. J. C. Dyment et ;il, "Proton-Bombardment Formation of Stripe-Geometry Heterostructure Lasern for 300 K CW Operation" Proc. IEEE 60, 726-728). Diese hat an der p- und der n-!3eite je eine deren Oberfläche überdeckende, metallische Schicht zum
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C0PY CWGlNAL INSPECTiQ
ί -1-
Anschluss an die i5 Ie kt roden. Die met.'ill Lsche Schicht an der n-:!eite hat ·ιη ihrer ';an:;en Flüche, diejenige an dei' p-lJeite nur :in einem st.ro i fenförm i^en !V L lbere j ch ihrer Flächt* einen le it fähigen U^ber.jnru": '".um \l 1 ble i torsubs t ra t. ReL der1 Kontaktierung der1 La:: or I io.le w 111 · 11 ■ r ι bisher die beiden me ta 1 I i cc he η • Schichten in ? · i r: ■ -a: Le,": i e run/'S" ΐΊ.·η mit ihren Ha Ib Ie i te runt.orla^en le,-:irt., widurch b : i le ,^e ti Ll:;chich ten über ihr·' .^:in:;o Fläch-1 einen :.·" i t f-ihi ;en 'J'. -hav^nn'-i zu ihren ilalbl e i te run terl':;~en erh ielt-'n . Daraufhin wurde ein stre i fen form itfor Teilbereich der mit lcr p-'lchicht legierten Metallschicht mit eir.(!;n Metalldraht abgedeckt und die Me ta lisch ich t mit Protonen beschossen. Her· Protonenbeschuss wurde so dosiert, dass in der Halblei t ertinterla^e der nicht durch den Praht abgedeckten Metallschicht Kristalldefekte erzeugt und dadurch deren I.e L ί i'äh i^ke L t stark herabgesetzt wurde. Nach dem ProtonentiOScKusr, hatti· darin nur1 noch der durch den Draht !^eschüt:·.' "· -Wesen.·, s t. c· i f->(i \"> fm i,"e Teilbereich der Mctall- :;cliioht ''irr?n 1 ■· i I l'a), i.^en 11. h. fvri,": ::um Ha Ib I e i t.i-rsub:·. tra t. Der Protonenbeschus:; ist aufwendig und hat zudem den Machteil, das.; Ln der Halble i tersch Lcht Kristalldefekte erzeugt werden. Nachte i L i.-ζ int weiter1, (lass die R indr in.^t iefe der Protonen sehr ;:enau kontro Ll iei't werden muss, da sonst entweder die- aktive Ζοη·> der Diode beschädigt oder die Leitfähigkeit in tietn nicht durch den Draht abgedeckten Rereich nur ungenügend herabgesetzt wird.
Es sind ferner verschiedene andere Kontaktierungen fur otreifengeometrie-Laserdioden bekannt. Beispielsweise wurde aif die
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COPy BAD
p-üchicht zuerst eine Jso 1 ierschieht (aus öiO„) aufgebracht, wor-iufnin diese in einem streifenförmigen Teilbereich weggeätzt und erst dann die Metallschicht aufgebracht und legiert wurde. Weiter wurde die Metallschicht zuerst auf die ganze Oberfläche der p-Gchicht aufgebracht und legiert, worauf sie mittels eines Maskier- und Aetzverfahrens bis auf einen streifenfbrjnigen Teil wieder entfernt wurde. Auch diese bekannten Kontakt ierungsverfahren sind ausserordentlich aufwendig, da stets mehrere Arbeitsgänge erforderlich sind.
lier iirfindur.g liegt die Aufgabe zugrunde, die Kontaktierung von Halbleiterbauelementen der eingangs genannten Art, insbesondere von Streifengeometrie-Laserdioden, zu vereinfachen und die Bildung von Fristalldefekten im Halblitermaterial zu vermeiden.
l'ie erfindur.gsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der Ansprüche 1 und 6.
Lt. folgenden werden anhand der beiliegenden Zeichnung zwei Ausführur.gsbeispiele des erfir.dungsgeniässen Halbleiterbauelements und ein Beispiel eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Kontaktierung eines Teilbereichs einer Halbleiterfläche näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen stark vergrösserten Querschnitt durch eine Streifengemometrie-Laserdiode mit Kontaktschichten,
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Fig. 2 eine Variante der Kontaktschicht an der p-Seite der Laserdiode nach Fig. 1 und
Fig. 3 eine schematische, perspektivische Ansicht einer für das Kontaktieren eines Streifens einer Halbleiterfläche verwendeten Vorrichtung.
Die in Fig. 1 dargestellte Streifengeometrie-Laserdiode ist eine GaAlAs-Doppelheterostruktur mit einer P-Gan Al As-Schicht 1, einer p-GaAs-Schicht 2 und einer n-Gan Aln As-Schicht 3· Auf die p-Schicht 1 und die n-Schicht 3 ist je eine etwa 0,5 bis 1 Mikrometer dicke Metallschicht 4 bzw. 5 angebracht. Die Kontaktschicht 4 M der p-oeite enthält Gold als Hauptbestandteil und einige Prozente Zink als Dotierstoff . Sie ist nur in einem streifenförmigen Teilbereich 6 mit der p-Schicht 1 legiert. Der etwa 10 Mikrometer breite Streifen 6 erstreckt sich über die ganze Diodenlänge von etwa 300 Mikrometer. Der legierte Streifen 6 hat eine leitfähige Uebergangszone 7 zur p-Schicht 1. Die Zone 7 bildet einen sogenannten ohm'sehen Metall-Halbleiterkontakt bzw. einen sogenannten entarteten Schottky-Kontakt, der infolge der im Bereich der Zone 7 in die p-Schicht 1 einlegierten Legierungsbestandteile und der dadurch stark erhöhten Dotierung der p-Schicht einen rein ohm'sehen Widerstand (ohne jegliche gleichrichtende Wirkung) hat. Die restlichen Teile 8 und 9 der Metallschicht 4, die sich vom Streifen 6 bis zu den Seiten der Diode erstrecken, sind
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nicht mit der p-Schicht 1 legiert, so dass der Kontaktwiderstand am Uebergang zwischen dem Bereich 8, 9 und der p-Schicht 1 ausserordentlich hoch ist und etwa das Hundertfache desjenigen am Uebergang des Streifens 6 beträgt. Die Schicht 4 hat somit nur am Streifen 6 einen leitfähigen Uebergang zur p-Schicht 1. Die Metallschicht 5 an der n-3eite besteht aus einem Gold-Zinn-Ge.iiisch, das über die ganze Fläche mit der n-Schicht 3 legiert ist, also über die ganze Fläche eine leitfähige Uebergangszone 10 zur n-Schicht 3 hat
Bei der in Fig. 2 dargestellten Variante ist die Schicht 4 mit einer zweiten Metallschicht 11, z.B. aus Gold, überzogen, welche die beim Legieren des Steifens 6 in der Schicht 4 entstandenen, leichten Vertiefungen 12 ausfüllt und eine glatte, ebene Oberfläche aufweist. Dies , ist iacoiern vorteilhaft, ^ Is d'imit nie Leitfähigkeit in Querrichtung un>1 der Ueberg'in^swiderst.-md zwischen legiertem Gebiet und Elektrode verbessert werden kann. Ausserdem kann dndurch dns Anlöten eines Kontoktdr:.ihts bzw. dns Auflöten der Kontaktschicht auf eine Wärmesenke erleichtert werden.
Die metallischen Schichten 4, 5 können auch anders zusammengesetzt sein. Beispielsweise kann die Schicht 4 aus Aluminium oder einem Gold/Indium- oder Gold/Chrom-Gemisch bestehen.
Im folgenden wird das Verfahren zur Kontaktierung eines Teilbereichs einer Halbleiterfläche am Beispiel der Kontaktierung
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eines GaAlAs-Plättchens 13 (Fig. 3) für Laserdioden der in Fig. 1 dargestellten Art erläutert: In einem ersten Verfahrensschritt wird je eine Metallschicht auf die p- und n-Schicht des Plättchens 13 aufgebracht, indem je zuerst eine Lage Gold, dann eine Lage Zink bzw. Zinn und schliesslich wieder eine Lage Gold aufgedampft wird, wobei die Dicke der ersten beiden Lagen einige zehn, die der letzten Lage einige hundert nm beträgt. Darauf wird mittels der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung ein streifenförmiger Bereich 14 der Metallschicht 15 auf der p-Seite des Plättchens 13 legiert. Die Vorrichtung besteht aus einem "Q-Switch"-Nd:YAG-Laser 16 und einer plan-konvexen Zylinderlinse 17, die den Laserstrahlimpuls auf den streifenförmigen Bereich 14 der Schicht 15 fokussiert. Die Impuls intensität und die Impulsdauer wird einerseits so gross bemessen, dass das Gold und Zink im Streifen 14 der Schicht 15 zusammenschmilzt und mit der p-Schicht legiert, wobei Gold- und Zinkatome in die p-3chicht diffundieren. Andererseits ist die Impulsintensität und die Impulsdauer so klein gewählt, dass nur der bestrahlte Streifen 14 im Fokus der Zylinderlinse 17 auf die für das Schmelzen und Legieren erforderliche Temperatur erhitzt wird, die übrigen Teile der Schicht 15 dagegen durch den Wärmestrom vorn StieLfen 14 nicht auf die Legierungstemperatur erhitzt werden. Diese Bedingungen hat im Beispiel ein Laserstrahlimpuls mit einer Impulsenergie von 40 mJoule und einer Impulsdauer von 40 ns erfüllt, wobei der Strahldurchmesser 5 mm und die Brennweite der Zylinderlinse 40 mm betrugen. Dass der Streifen 14 legiert wurde, lässt sich leicht an
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einem Farbumschlag erkennen.
Die V/ahl einer kurzen Impulsdauer von einem Bruchteil einer Mikrosekunde (vorzugsweise einigen 10 ns) vermeidet nicht nur ein Legieren der an den Streifen 14 angrezenden Teile der Metallschicht 15, sondern fuhrt auch zu einer ausserordentlich dünnen Uebergangszone 7, d.h. einer geringen Eindringtiefe der Legierungsbestandteile und einer nur oberflächlichen Erhitzung der p-Schicht. Während die Legierungsbestandteile in Legierungsöfen über 1 Mikrometer tief in die Halbleiterschicht diffundieren, wurde nach dem Legieren mit dem Laserstrahlimpuls von 40ns Dauer eine Diffusionstiefe von weniger als lOOnm gemessen. Diese geringe Diffusionstiefe ist deshalb vorteilhaft, weil die p-Schicht der Diode entsprechend äusserst dün/ gewählt werden kann, ohne dass die Gefahr einer Diffusion von Legierungsbestandteilen in die aktive (p-n) Zone der Diode besteht. Je dünner aber die p-Schicht gewählt werden kann, desto besser ist der Wärmeabfluss von der aktiven Zone der Diode, was für den Dauerstrichbetrieb der Diode von entscheidender Bedeutung ist.
Schliesslich wird die ganze Metallschicht an der η-Seite des Plättchens 13 legiert, was ebenfalls mit einem "Q-Switch"-Nd: YAG-Laser erfolgt, wobei vorzugsweise ebenfalls eine kurze Impulsdauer von dnem Bruchteil einer Mikrosekunde gewählt, aber die ganze Fläche oder aneinander anschliessende Teilflächen nacheinander bestrahlt werden. Die n-Kontaktschicht kann auch vor dem Aufbringen der p-Kontaktschicht aufgedampft und in her-
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kömclicher Weise legiert werden.
Bei einer Variante des Verfahrens wird nach dem Legieren eine weitere joldschicht auf die Schicht 15 aufgedampft, elektrolytisch abgeschieden oder gesputtert, wodurch die im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebene Kontaktschicht erhalten wird.
Die Schicht 15 kann auch mit einer ihre nicht legierten Teile stärker als den legierten Streifen 14 angreifenden Aetzlösung, z.B. (für Gold) einer gesättigten Lösung von KON in Wasser geätzt werden. B^i geeignet gewählter Aetzdauer wird dann eine glatte, ebene Oberfläche der Schicht lr; erhalten. Nach längerer .'etzung (evtl. mit verschiedenen A.et;:mitteln) überragt der Streifen 14 stufenartig die -:r.rrenzenden, nicht legierten Schicht teile, vooei diese gewünschtem" alls auch vollständig weggeätzt werden können, so dass nur noch der Streifen 14 auf der p-Schicht, verbleibt. Dabei kann auch noch ein Teil der nicht durch den Streifen 14 abgedeckten Halbleiterschicht bzw. -schichten weggeätzt werden.
Die Erfindung ist weder auf Laserdioden noch auf das Kontaktieren eines streifenförrr.igen Teiles einer Halbleiterfläche beschränkt, sondern lässt sich auf beliebige Halbleiterbauelemente anwenden, bei denen ein Teilbereich einer Halbleiterfläche kontaktiert werden soll. Beispielsweise kann das Halbleiterbauelement eine integierte Schaltung mit mehreren Dioden, Transis-
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toren oder dergl. sein. Zur Kontaktierung des Halbleitersubstrats fur diese kann eine auf die ganze Substratfläche aufgebrachte, metallische Schicht in einem Teilbereich, d.h. in verschiedenen Fläcnenteilen der gewünschten Form, je für eine Diode, einen Transistor oder dergl. mit dem !,substrat legiert werden. Dazu Kann anstelle dor Zylinderlinse 17 in Fig. '3 ein Hologramm verwendet werden, das den Laserstrahlimpuls auf die verschiedenen Flächenteile der gewünschten Form fokussiert. Ebenso können Blenden oder Masken verwendet werden, die den Laserstrahlimpuls nur auf die gewünschten Flächenteile durchlassen .
Der Teilbereich der Halbleiterfläche kann statt durch einen Lnserstrahli.T.puis auch durch Relativbewegung zu einem kontinuierlichen, beispielsweise durch eine sphärische Linse fokussierten Laserstrahl legiert werden.
Zur Verringerung von !\.·:πρ<· <·■·. turgradionten kann dio Halble i terunterlage mit der Kontaktschicht (evtl. in Schutzgasatmosphäre) vor und während dor Bestrahlung auf eine Temperatur erwärmt werden, die kleiner als die für das Legieren der Kontaktschicht mit der H: Ibleiteruriterlage erforderliche Temperatur ist. Dabei ist natürlich die Intensität des Laserstrahles entsprechend kleiner zu bemessen.
RK/ms/eb-6104
14.11./17.11.78
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OBIGWAL INSPECTED

Claims (10)

Patentansprüche
1. Halbleiterbauelement mit einer Kontaktschicht, die
über ihre ganze Fläche unmittelbar an ihrer Halbleiterunterlage anliegt, ,-jedoch nur an einem Teilbereich ihrer Fläche einen leitfähigen Uebergang ζω Halbleitersubstrat hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (4) nur in dem Teilbereich (6) mit der Halbleiterunterlage (1) legiert ist.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (4) eine metallische '.schicht ist.
3. Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Teilbereich (6) legierte Kontaktschicht (4) mit einer zweiten, metallischen Schicht (11) überzogen ist.
4. Element nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bzw. wenigstens eine der beiden metallischen
Schichten (4, 11) Gold als Hauptbestandteil enthält.
5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ausgeführt
als Laserdiode, dadurch gekennzeichnet, dass die eine (4) ■ der beiden die Oberflächen der p- und η-Seite (I, 3) der
Diode überdeckenden Kontaktschichten (4, 5) nur im Bereich
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eines Streifens (6) mit der Halbleiterunterlage (.1) legiert ist.
6. Verfahren zur Kontakt ienin;· eines Teilbereichs einer Halbleitorf lache, bei dom eine Kontaktschicht unmittelbar auf die ganze Halbloiterflache aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass nur der an dem zu kontaktierenden Teilbereich der Halbleiterfläche liegende Teilbereich (14) der Kontaktschicht (15) mit einem Laserstrnhl bestrahlt wird, und die Intensität des Laserstrahls s? gross und die Bestrahlungszeit so kurz bemessen wird, dass nur der bestrahlte Teilbereich (14) der Kontaktschicht (15) auf die für das Legieren mit der Halbleiterunterlage (13) erforderliche Temperatur erhitzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, zur Kontaktierung eines otreifens der Oberfläche der p- oder n-Hoite einer Laserdiode, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl mittels einer Zylinderlinse (17) auf einen streifenförmigen Teilbereich (14) der auf die ganze Oberfläche aufgebrachten Kontaktschicht (15) fokussiert wird.
8. Verfahren nacn Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungszeit ein Bruchteil einer Mikrosekunde ist.
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ORIGINAL INSPECTED
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (15) nach der Bestrahlung mit dem Laserstrahl mit einem den nicht legierten Bereich stärker als den legierten Teilbereich (14) angreifenden Aetzmittel geätzt wird.
10. Verfahren nach einem der \nspruche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterunterlage (13) mit der Kontaktschicht (15) vor und während der Bestrahlung mit dem Laserstrahl auf eine Temperatur erwärmt wird, die kleiner als die fur das Legieren der Kontaktschicht (15) mit der Halbleiterunterlage (13) erforderliche Temperatur ist.
RK/eb-6104
17.11.78
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