DE3005302A1 - Varaktor- oder mischerdiode - Google Patents

Varaktor- oder mischerdiode

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DE3005302A1 DE19803005302 DE3005302A DE3005302A1 DE 3005302 A1 DE3005302 A1 DE 3005302A1 DE 19803005302 DE19803005302 DE 19803005302 DE 3005302 A DE3005302 A DE 3005302A DE 3005302 A1 DE3005302 A1 DE 3005302A1
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Description

-Η-
Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt 70
Heilbronn, den 06.12.79 SE2-HN-Ma/lü - HN 78/44
Varaktor- oder Mischerdiode
Die Anmeldung betrifft eine Varaktor- oder Mischerdiode aus einem Halbleiterkörper, der mesaförmig ausgebildet ist und an der Oberfläche des Mesabergs einen eine Sperrschicht bildenden pn-übergang oder einen gleichrichtenden Metallhalbleiterübergang (Schottky-Kontakt) und auf der der Sperrschicht gegenüberliegenden Oberflächenseite des Halbleiterkörpers einen ohmschen Substratkontakt aufweist.
Eine derartige Halbleiteranordnung ist beispielsweise aus 1976 IEEE International Solid-state Circuits Conf., Seiten 120/121, bekannt, wobei der Halbleiterkörper jedoch nur in seinem an die Sperrschicht angrenzenden Bereich mesaförmig ausgebildet ist.
Für Tuneranwendungen, beispielsweise für VHF- und UHF-Fernsehtuner werden Kapazitätsvariationsdioden großer Güte verlangt, die bei möglichst großer Kapazitätsvariationsmöglichkeit einen definierten Kennlinienverlauf der
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Kapazität über der anliegenden Spannung aufweisen. Zur Erzielung einer hohen Güte muß die Diode einen möglichst niedrigen Serienwiderstand aufweisen. Dieser Serienwiderstand setzt sich im wesentlichen aus dem Widerstand der in der Halbleiteranordnung enthaltenen Epitaxieschicht und aus dem Ableitwiderstand zusammen. Dieser Ableitwiderstand wird im wesentlichen vom Skin-Effekt bestimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Serienwiderstand bei Varaktor- oder Mischerdioden weiter zu reduzieren, um damit die Güte der Bauelemente zu erhöhen, wobei insbesondere der Ableitwiderstand bis auf ein vernachlässigbares Minimum reduziert werden soll. Die verbesserte Diode soll mit herkömmlichen Prozeßschritten herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird bei einer Varaktor- oder Mischerdiode der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich der Substratkontakt über die Seitenflächen des Halbleiterkörpers bis zu der mit der Sperrschicht versehenen Oberflächenseite auf dem Mesaberg erstreckt und im geringen Abstand von der Sperrschicht endet.
Dabei ist der Halbleiterkörper vorzugsweise in seiner Gesamtheit mesaförmig ausgebildet und daher mit abgeschrägten Seitenflächen versehen, über die sich von der Rückseite des Halbleiterkörpers der Substratkontakt bis zur Vorderseite erstreckt. Der ohmsche Substratkontakt wird vorzugsweise an den abgeschrägten Seitenflächen des HaIbleiterkörpers und an den mit der Sperrschicht versehenen Oberflächenseite mit einer Glaspassivierungsschicht bedeckt .
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Somit reicht bei der erfindungsgemäßen Varaktor- oder Mischerdiode die das Halbleitersubstrat bedeckende Oberflächenmetallisierung bis dicht an die Sperrschicht, die beispielsweise durch einen Schottky-Kontakt gebildet sein kann, heran, so daß sich ein extrem niedriger Serienwiderstand einstellt. Die meist mehrere μπι dicke Glaspassivierungsschicht trennt die beiden Diodenanschlußkontakte durchbruchssicher voneinander. Diese Glaspassivierungs schicht ermöglicht ferner, daß die Varaktordiode in bisher für diese Bauelemente unüblicher Weise in ein Glasgehäuse eingebaut bzw. eingeschmolzen werden kann. Daraus ergibt sich eine besonders kostengünstige Aufbautechnik für die erfindungsgemäßen Varaktordioden.
Bei der an der Halbleiteroberfläche oder nahe an der Halbleiteroberfläche liegenden Sperrschicht kann es sich um einen pn-übergang oder um einen gleichrichtenden Metall-Halb leiter über gang handeln. Der an diese Sperrschicht angrenzende Diodenkontakt ist vorzugsweise in einer öffnung in der Glaspassivierungsschicht untergebracht. Dieser Kontakt kann beispielsweise pilzförmig ausgestaltet sein und sich somit über Teilbereiche der Passivierungsschicht erstrecken.
Die erfindungsgemäße Varaktor- oder Mischerdiode soll anhand eines Ausführungsbeispieles noch näher erläutert werden. Dabei wird auch ein Verfahren zur Herstellung dieser Bauelemente beschrieben.
Die Figur 1 zeigt im Schnitt eine fertige Varaktordiode nach der Erfindung, während in der Figur 2 eine perspektivische Außenansicht dieses Bauelementes dargestellt ist.
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In der Figur 3 ist eine in ein Glasgehäuse eingeschmolzene Varaktordiode dargestellt.
Die Figuren 4 bis 7 zeigen verschiedene Fertigungsstadien während der Herstellung der erfindungsgemäßen Varaktordiode .
Die Figur 1 zeigt einen mesaförmigen Halbleiterkörper 1, der beispielsweise aus η -leitendem Silizium oder aus η -leitendem Gallium-Arsenid besteht. Der Halbleiterkörper ist mesaförmig ausgebildet und hat daher gegenüber der Grundfläche abgeschrägte Seitenflächen 11. Diese abgeschrägten Seitenflächen, die dem Halbleiterkörper die Form eines Pyramidenstumpfes verleihen, sind auch aus der perspektivischen Darstellung der Figur 2 ersichtlich. Der Halbleiterkörper 1 weist beispielsweise eine Dicke von 30 - 70 μΐη auf. An einer Oberflächenseite des Halbleiterkörpers befindet sich ein relativ kleinflächiger Restbereich 3 einer schwach dotierten und durch Epitaxie hergestellten Schicht. Bei η -leitendem Grundkörper ist diese Epitaxieschicht 3 schwach n-leitend und ca. 0,2 - 2 μΐη dick. In dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bedeckt die Epitaxieschicht 3 nur einen kleinen Teil einer Oberflächenseite des Halbleiterkörpers und ist durch einen ringförmigen Graben 7 vom Halbleitersubstrat 2 an der Halbleiter-Oberfläche getrennt. Die Epitaxieschicht 3 ist mit einem Metallkontakt 4 bedeckt, der mit der Epitaxieschicht 3 einen gleichrichtenden Schottky-Kontakt bildet.
Der Rückseitenkontakt 8 am Halbleitersubstrat 2 besteht beispielsweise aus Gold oder Silber und weist eine Erweiterung auf, die sich über die Seitenflächen 11
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des Halbleiterkörpers bis zur gegenüberliegenden Oberflächenseite erstreckt und in der Nähe der Sperrschicht bzw. im dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar am Graben 7 endet. Diese Kontakterweiterung 9 besteht beispielsweise aus Gold-Germanium und ist ca. 2 - 5 pm dick.
Der Schottky-Kontakt 4 besteht bei η-leitendem Gallium-Arsenid beispielsweise aus den Schichtenfolgen Wolfram-Platin-Wolfram oder Titan-Wolfram oder aus Molybdän. Für n-leitendes Silizium ist ein Kontakt aus der Schichtenfolge Indium-Germanium-Silber geeignet.
Die Seitenflächen des mesaförmigen Halbleiterkörpers und die mit der Sperrschicht versehene Oberflächenseite wird schließlich noch mit einer 1 - 5 pm dicken Glaspassivierungsschicht 6 bedeckt, in die mit Hilfe der bekannten Maskierungs- und Ätztechnik über dem Schottky-Kontakt 4 eine Öffnung 10 eingebracht wird. In dieser Öffnung wird der Anschlußkontakt 5 untergebracht, der dort die elektrische Verbindung zum Schottky-Kontakt 4 herstellt. Dieser Anschlußkontakt 5 besteht beispielsweise aus Gold oder Silber und hat vorzugsweise eine pilzförmige Gestalt, so daß er sich außerhalb der Öffnung 10 über Teilbereiche der Glaspassivierungsschicht 6 erstreckt.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Varaktor- oder Mischerdiode wird gemäß Figur 3 vorzugsweise in ein Glasgehäuse eingebaut. Dieses Gehäuse besteht aus zwei Metallstempeln 14 und 15, zwischen denen die Varaktordiode so angeordnet wird, daß der Rückseitenkontakt 8 mit dem Stempel 14 und der Anschlußkontakt 5 mit dem Stempel 15 unmittelbar in elektrisch leitender Verbindung steht. Die Gesamtanordnung aus Anschlußelektroden 14 und 15
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und Halbleiterbauelement wird schließlich in ein Quarzglasröhrchen 16 eingeschmolzen, wobei die Schmelztemperatur bei ca. 600 - 650 0C liegt. Mit der Erfindung wird erstmals eine Varaktor- oder Mischerdiode angegeben, die in ein derartiges, aus der sonstigen Diodentechnik bekanntes Quarzglasgehäuse eingeschmolzen werden kann.
In der Figur 4 ist der Ausgangshalblexterkörper 1 dargestellt, der aus einem η -dotierten Substratkörper 2 aus Gallium-Arsenid oder aus Gallium-Aluminium-Arsenid
1 8 besteht und eine Dotierung von beispielsweise 5 χ 10 -
19 3
10 Atomen/cm aufweist. Auf diesen Substratkörper 2 wird danach eine Epitaxieschicht 3a, beispielsweise aus der Gasphase, abgeschieden. Die Schichtdicke beträgt 0,2 2 μΐη; die Dotierung der η-leitenden Schicht liegt bei 10 - 10 Atomen/cm . Das Dotierungsprofil der n-leitenden Schicht 3a wird während der Abscheidung dieser Schicht in vorprogrammierter Weise derart eingestellt, daß sich der gewünschte C(U)-Kennlinien-Verlauf einstellt.
Gemäß der Figur 5 wird die Epitaxieschicht 3a aus der Figur 4 in einzelne Teilbereiche 3 unterteilt, die jeweils einem Diodenbauelement zugeordnet sind. Diese Unterteilung kann nach oder vor dem Aufdampfen der den Schottky-Kontakt bildenden Metallschicht 4 erfolgen.
Wird zuerst der Schottky-Kontakt aufgedampft und danach mit Hilfe der Fotolack- und Ätztechnik in einzelne Bereiche unterteilt, können diese Schottky-Kontaktbereiche als Ätzmaske für die Unterteilung der Epitaxieschicht verwendet werden. Es besteht auch die Möglichkeit, zur Ätzung der Epitaxieschicht einen gesonderten Fotolack- und Ätzprozeß einzusetzen.
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Die Schottky-Kontakte 4, die auf die vorgereinigten Teilbereiche 3 der Epitaxieschicht aufgebracht werden, besteht bei η-leitendem Gallium-Arsenid Halbleitermaterial beispielsweise aus der Schichtenfolge Wolfram-Platin-Wolfram oder Titan-Wolfram oder aus Molybdän. Nach der Strukturierung der Schottky-Kontakte und der Epitaxieschicht werden die den einzelnen Dioden zuzuordnenden Halbleiterbereiche gemäß der Figur 5 mit einer Maske, beispielsweise mit einer Fotolackmaske 17, abgedeckt.
Die freiliegenden Teilbereiche des Halblexterkörpers 2 werden gemäß Figur 6 mit einer chemischen Ätzlösung derart abgetragen, daß die entstehenden Seitenflächen der Teilbereiche einen Neigungswinkel < 90 ° aufweisen, so daß einzelne Mesaberge mit abgeschrägten Seitenflächen 11 entstehen. Die Ätzung, bei der die Gräben 11 entstehen, ist etwa 50 - 100 μπι tief. Für Gallium-Arsenid kommen beispielsweise folgende Ätzlösungen in Betracht:
1. NaOH + H2O2 + H2O
2. NH4OH + H2O2 + H2O
3. H3PO4 +HF+ H2O
Nach diesem Ätzschritt werden die Lackmasken 17 wieder entfernt und die Seitenflächen 11 der durch die Ätzung erzeugten Vertiefungen 18 können nunmehr gemäß Figur 7 mit einer Metallschicht 9, die beispielsweise aus einer Gold-Germanium-Legxerung besteht, beschichtet werden. Die Gold-Germanium-Schicht ist beispielsweise 0,5 μπι dick und wird durch Aufdampfen erzeugt; sie kann gegebenenfalls noch galvanisch mit Gold verstärkt werden, wobei zwischen der Gold-Germanium-Schicht und der galvanisch erzeugte Verstarkungsschxcht eine Nickelzwischenschicht angeordnet werden kann.
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Der aktive Teil des Halbleiterbauelementes wird vorzugsweise mit einem in die Halbleiteroberfläche eingebrachten Graben oder mit einem Guard-Ring geschützt. Ein die Sperrschicht umgebender Graben 7 ist in der Figur 1 dargestellt. Die Ausgestaltung eines Guard-Ringes ergibt sich aus der Figur 7. Dieser Guard-Ring 20 wird so in die Oberfläche des Substrat-Halbleiterkörpers 2 eingelassen, daß er die Epitaxieschicht 3 und damit den auf der Epitaxieschicht angeordneten Schottky-Kontakt 4 ringförmig umgibt. Dieser ringförmige HaIbleiterbereich 20 wird vorzugsweise durch Implantation von Sauerstoffoder Chrom-Ionen erzeugt und weist eine sehr geringe n~- Dotierung auf. Die Ringbreite liegt je nach den gegebenen technologischen Möglichkeiten zwischen 1-4 μΐη. Bei seiner Herstellung können die Metallschichten 9 und 4 als implantationsmaske verwendet werden. Durch diese Maßnahme wird der zwischen dem Schottky-Kontakt 4 und der Metallschicht 9 liegende Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers durch den Guard-Ring 20 ausgefüllt.
Schließlich wird die Halbleiteroberfläche mit der Glaspassivierungsschicht 6 bedeckt, die beispielsweise 1 - 5 μΐί dick ist. über den Schottky-Kontakten 4 wird in die Glasschicht 6 jeweils eine öffnung eingebracht, in der ein pilzförmiger Anschlußkontakt 5 an den Schottky-Kontakt 4 angeordnet wird. Diese pilzförmigen Anschlußelektroden 5, die beispielsweise aus Gold oder Silber bestehen und vorzugsweise durch galvanische Abscheidung erzeugt werden, sind beispielsweise 100 μπι dick und erstrecken sich über die Glaspassxvierungsschicht 6.
Die in der Figur 7 dargestellte Halbleiteranordnung wird nunmehr mit den mit den Anschlußelektroden 5 versehenen Oberflächenseiten auf einem Halter befestigt und auf der
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gegenüberliegenden Seite so weit abgetragen, daß vereinzelte Halbleiterdioden entstehen. Dies ist dann der Fall, wenn die Abtragung des Halbleitermaterials bis zu der gestrichelt dargestellten Linie 19 erfolgt, so daß die Gräben 18 durch die Rückseitenabtragung bzw. Rückseitenätzung angeschnitten werden.
Die Rückseite der Halbleiterkörper wird danach mit einer ohmschen Anschlußelektrode 8 gemäß Fig. 1 aus Gold oder Silber bedeckt. Diese Rückseiten- oder Substratelektroden können dadurch hergestellt werden, daß zunächst eine dünne Metallschicht auf die Halbleiterkörper 2 aufgedampft und schließlich galvanisch verstärkt wird.
Bei der Herstellung des Rückseitenkontaktes 8 (Fig. 1) wird auch die Verbindung zwischen den Metallschichten 9 an den Seitenflächen 11 der Mesaberge und dem Substratanschlußkontakt 8 hergestellt. Nach der Vereinzelung der Halbleiterbauelemente durch Ablösen von der Trägerplatte werden sie, wie bereits beschrieben und in Figur 3 dargestellt, vorzugsweise im Quarzglasgehäuse eingeschmolzen. Es hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäßen Varaktor- oder Mischerdioden einen Serienwiderstand aufweisen, der kleiner als 0,1 Ω ist.
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Claims (11)

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt 70 Heilbronn, den 06.12.79 SE2-HN-Ma/li - HN 78/44 Patentansprüche
1) Varaktor- oder Mischerdiode aus einem Halbleiterkörper, der mesaförmig ausgebildet ist und an der Oberfläche des Mesabergs einen eine Sperrschicht bildenden pn-übergang oder einen gleichrichtenden Metall-Halbleiterübergang (Schottky-Kontakt) und auf der der Sperrschicht
gegenüberliegenden Oberflächenseite des Halbleiterkörpers einen ohmschen Substratkontakt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Substratkontakt (8) über die Seitenflächen (11) des Halbleiterkörpers (1) bis zu der mit der Sperrschicht (12) versehenen Oberflächenseite (13) auf dem Mesaberg erstreckt und im geringen Abstand von
der Sperrschicht (12) endet.
2) Varaktor- oder Mischerdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratkontakt (8) an den Seitenflächen (11) und an der mit der Sperrschicht (12) versehenen Oberflächenseite (13) des Halbleiterkörpers (1) mit einer Glas-Passivierungsschicht (6) bedeckt ist.
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3) Varaktor- oder Mischerdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glas-Passivierungsschicht (6) über der mit der Sperrschicht (12) versehenen Oberflächenseite (13) des Halbleiterkörpers (1) eine Öffnung (10) aufweist, in der ein elektrischer Kontakt (5) für die Diode angeordnet ist.
4) Varaktor- oder Mischerdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der elektrische Kontakt (5) pilzförmig aus der Öffnung (10) in der Passivierungsschicht (6) über diese Passivierungsschicht erstreckt.
5) Varaktor- oder Mischerdiode nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Kontakt aus Silber oder Gold besteht.
6) Varaktor- oder Mischerdiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Kontakt (5) mit einem auf dem Mesaberg des Halbleiterkörpers angeordneten Metallkontakt (4) in Verbindung steht, der mit einer relativ schwach dotierten Oberflächenschicht (3) einen Schottky-Kontakt oder mit einer relativ stark dotierten Oberflächenschicht einen ohmschen Kontakt bildet.
7) Varaktor- oder Mischerdiode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkontakt (4) aus Indium-Germanium-Silber bei η-leitendem Silizium Halbleitermaterial oder aus Wolfram-Platin-Wolfram oder Titan-Wolfram bei n-leitendem Galliumarsenid besteht.
8) Varaktor- oder Mischerdiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratkontakt (8) auf der Rückseite des Halbleiterkörpers
(1) aus Gold oder Silber und an den Seitenflächen (11) des Halbleiterkörpers aus Gold-Germanium besteht.
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9) Varaktor- oder Mischerdiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht von einem "Guard-Ring" (17) umgeben ist.
10) Varaktor- oder Mischerdiode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der "Guard-Ring" (17) aus einem schwach dotierten, durch Ionenimplantation erzeugten Halbleiterbereich besteht.
11) Varaktor- oder Mischerdiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper zwischen zwei, Anschlußelektroden bildenden Metallstempeln (14, 15) in einem Quarz-Glasgehäuse (16) untergebracht ist.
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