DE3044514A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung

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DE3044514A1
DE3044514A1 DE19803044514 DE3044514A DE3044514A1 DE 3044514 A1 DE3044514 A1 DE 3044514A1 DE 19803044514 DE19803044514 DE 19803044514 DE 3044514 A DE3044514 A DE 3044514A DE 3044514 A1 DE3044514 A1 DE 3044514A1
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aluminum
electrode
layer
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Keiichi Morita
Hisakithi Hitachi Onodera
Jin Onuki
Ko Soeno
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Hitachi Ltd
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Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan
Halbleiteranordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung, insbesondere auf einen Verbindungsaufbau zwischen einem Halbleitersubstrat und einer aus Molybdän, Wolfram od. dgl. hergestellten Trägerelektrode.
Aluminiumlot (das nur Aluminium oder Aluminium als seinen Hauptbestandteil enthält) wird häufig zur Verbindung eines Halbleitersubstrats mit einer Elektrode zum Tragen des Halbleitersubstrats und zu dessen Versorgung mit elektrischem Strom verwendet. Außerdem werden manchmal Siliziumsubstrate untereinander mit dem Aluminiumlot verbunden. Der Grund, weshalb Aluminium als Hartlot in den vorstehend erwähnten Fällen verwendet wird, ist der, daß Aluminium jedem anderen Hartlot im elektrischen Leitungsund Haftungsverhalten überlegen ist und daß das Aluminiumlot zum Hartlot gehört und verhältnismäßig billig ist.
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Jedoch ergeben siah in einem Fall, wo diejenige Oberfläche des Halbleitersubstrats, die zu verlöten ist, an einem Teil davon eine η-Leitung aufweist, Schwierigkeiten, da ß Aluminium durch Erhitzen beim Verbindungsvorgang mit Silizium legiert wird, daß dadurch eine Schicht mit p-Leitung im η-Teil der Oberfläche gebildet wird und daß der Durchlaßspannungsabfall (im folgenden mit PVD abgekürzt) des Siliziumsubstrats so erhöht wird.
Um die Bildung der p-Schicht in der η-Schicht zu unterdrücken, wurden solche Verfahren, wie Dünnmachen des Aluminiumlots, Zwischenfügung einer aus Antimon, das ein fünfwertiges Element ist, bestehenden Folie zwischen dem Siliziumsubstrat und dem Aluminiumlot oder Eindiffundieren einer großen Phosphormenge in den η-Teil der Oberfläche, angewendet. Jedoch wurden solche Verfahren ohne einen ausgeprägten Effekt durchgeführt.
Außerdem müssen das Siliziumsubstrat und die Elektrode zum Verlöten auf hohe Temperatur erhitzt werden, nachdem Dotierstoffe zur Bestimmung des Leitungstyps in das Siliziumsubstrat eindiffundiert wurden. Demgemäß ändert sich die Verteilung der Dotierstoffe im Siliziumsubstrat, ein Schwermetall, das als Lebensdauer-HKiller" im Siliziumsubstrat wirkt, wird darin eindiffundiert, und so wird das Siliziumsubstrat durch den Verbindungsvorgang nachteilig beeinflußt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung zu entwickeln, bei der sicn ein Halbleitersubstrat mit einer Elektrode mittels eines Aluminiumlots bei niedrigen Temperaturen verbinden läßt,
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damit der FVD des Halbleitersubstrats nicht wäGhst, man eine feste Verbindung des Halbleitersubstrats mit der Elektrode erhält und die Durchbruchsspannung des Halbleitersubstrats nicht verringert wird.
Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgane gelöst wird, ist eine Halbleiteranordnung mit wenigstens einem pn-übergang in einem Halbleitersubstrat, einer an einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegenden n-Halbleiterscnicnt und einer mit der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats mittels Hartlots verbundenen Elektrode, wobei auf der Hauptoberfläcne des Halbleitersubstrats Aluminium als Hauptbestandteil enthaltendes Hartlot vorgesehen ist, mit dem Kennzeicnen, daß zwischen der Elektrode und dem Aluminium als Hauptbestandteil enthaltenden Hartlot ein Kupferlot eingefügt ist.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprücnen geKennzeichnet.
Erfindungsgemäß ist also eine Halbleiteranordnung vorgesehen, bei der Aiuminiumlot an der Seite eines Halbleitersubstrats angebracht ist, Kupferlot an der Seite einer Elektrode angebracht ist und das Halbleitersubstrat mit der Elektrode mittels des Aluminium- und des Kupferlots verbunden ist. Das Halbleitersubstrat besteht aus einem bekannten Material wie Silizium oder Germanium. Die Elektrode besteht aus einem Metall, das nahezu den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient wie das Halbleitersubstrat aufweist, z. ß. aus Molybdän,
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Wolfram, einer Eisen-Nxckei-Legierung, einer Eiseh-Nickel-Kobalt-Legierung oder einem Verbundmaterial, in dem Kohlenstoffasern in einer Kupfermatrix eingebettet sind.
Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, daß in einem Fall, wo nur eine sehr geringe Siliziummenge in das Aluminium schmilzt, indem man die Verbindungstemperatur verringert, der Grad der Bildung einer p-Schicht in einer η-Schicht verringert wird und daher der FVD des Siliziumsubstrats allenfalls wenig steigt.
Die Erfindung bietet also eine Lötverbindung zwischen einem Halbleitersubstrat und einer Elektrode, bei der die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, wo eine n-Halbleiterschicht freiliegt, mit der Elektrode mittels Hartlotefverbunden wird und das Hartlot Aluminiumlot, das an der Seite des HalbleiterSubstrats vorgesehen ist, und Kupferlot umfaßt, das an der Seite der Elektrode vorgesehen ist. Da eine Festzustandshaftverbindung zwischen Aluminium und Kupfer sogar bei Temperaturen unter der eutektischen Temperatur von 548 C erreicht werden kann, läßt sich das Halbleitersubstrat mit der Elektrode bei den niedrigen Temperaturen verlöten.
Die Erfindung wird unhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer scheibenartigen Diode gemäß der Erfindung;
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Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen den Verbindungstemperaturen und. den Änderungen von FVD, wenn ein Halbleitersubstrat mit einer Trägerelektrode mittels Aluminiumlots und Kupferlots verbunden wird;
Fig. 3 eine Längsschnitt- und Perspektivdarstellung eines Halbleitersubstrat-Trägerteils eines Ausführungsbeispiels eines rückwärtsleitenden Thyristors gemäß der Erfindung; und
Fig. 4 einen Längsschnitt zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Kunststoffeinformungs-Scheibendiode gemäß der Erfindung.
Gemäß Fig. 1, die sin Ausführungsbeispiel einer scheibenartigen Diode gesIQ der Erfindung zeigt, ist eine Diode 1 grob in c;r*oü Te?Ia, nämlich eine Verpackung, ein in der Verpackung ra^ijabrachtes Halbleitersubstrat und Hilfsbauteile, uniorrtsili.. Die Verpackung umfaßt einen keramischen Zylinder 2V Flansche 3 und 4, die aus einer Eisen-Nickel-Legiajriiirig bestehen und mit beiden Enden des keramischen Zylindsss 2 «nit Lot verbunden sind, Kupferelektroden 5 und Sj7 äi<s quer zur Achse des keramischen Zylinders 2 an dessen beiden Enden vorgesehen sind, und Flansche 7 und 8, die aus einer Eisen-Nickel-Legierung bestehen und mit Umfangsteilen der Kupferelektroden 5 bzw. mittels Lots verbunden sind.
Ein Halbleitersubstrat 9 ist mit einer Trägerelektrode 10 durch eine Lotschicht verbunden, die aus einem Aluminiumlot 11 an der Seite des Halbleitersubstrate 9 und einem Kupferlot 12 an der Seite der Trägerelektrode besteht. Die Trägerelektrode 10 ist mit der Kupfer-
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elektrode 5 mittels Au-Sn-Lots 13 od. dgl. verbunden.
Eine eine Elektrodenschicht bildende Aluminiumschicht 14 ist durch Verdampfungstechnik auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 9 abgeschieden, und ein innerer Puffer 15 aus Wolfram ist zwischen der Aluminiumschicht 14 und der Kupferelektrode eingefügt. Zwischen der Aluminiumschicht 14 und dem inneren Puffer 15 und zwischen dem inneren Puffer 15 und der Kupferelektrode 6 ist kein Lot verwendet, doch wird der innere Puffer 15 in direktem Kontakt mit der Aluminiumschicht 14 und der Kupferelektrode 6 gehalten.
Im einzelnen wird ein Paar von (nicht dargestellten) Strahlkörpern aus Aluminium gegen die Kupferelektroden und 6 gepreßt. Aufgrund des auf die Strahlkörper einwirkenden Drucks werddn die Flanschen 7 und 8 gebogen, und so wird der innere Puffer 15 in enge Berührung mit der Aluminiumschicht 14 und der Kupferelektrode 6 gebracht. Wolfram legiert sich bei einer Temperatur von z. B. 120 C, auf die die Diode J1 durch die darin während einer Arbeitsdauer entwickelten Wärme erhitzt wird, nicht mit Kupfer und Aluminium.
Ein pn-übergang im Halbleitersubstrat 9 liegt an dessen Seitenfläche frei. Um das freiliegende Ende des pn-Ubergangs in einem stabilen Zustand zu halten und die Verläßlichkeit der Eigenschaften des Hälbleitersubstrats 9 zu verbessern, ist die Seitenfläche des Halbleitersubstrate 9 mit einem solchen Passivierungsmaterial 16 wie Silikongummi überzogen.
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Um ein Fließen des Passiviermaterials 16 und eine Bewegung des inneren Puffers 15 in Querrichtung zu verhindern, ist auf der Aluminiumschicht 14 ein Isolierzylinder 17 vorgesehen, der im Kontakt mit einer abgeschrägten Seitenfläche der Kupferelektrode 6 gehalten wird.
Der untere Hauptoberflächenteil des Halbleitersubstrats 9, auf dem das Aluminiumlot 11 vorgesehen ist, weist η-Leitung auf.
Das Halbleitersubstrat 9 und die Trägerelektrode 10 werden beispielsweise folgendermaßen verlötet.
Der untere Hauptoberflächenteil des Halbleitersubstrats 9, das den pn-übergang enthält, wird stark mit einem Donator dotiert. Das Aluminiumlot 11 wird durch Aufdampfen auf die untere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 9 abgeschieden, so daß es eine Dicke von etwa 20 .um hat, und dann wird das Halbleitersubstrat 9 10 min in N2-GaS bei 400 0C gehalten, um die Bindefestigkeit zwischen dem Aluminiumlot 11 und dem das Halbleitersubstrat 9 bildenden Silizium zu verbessern. Andererseits wird das Kupferlot 12 durch Vakuumaufdampfen auf die aus Wolfram bestehende Trägerelektrode 10 abgeschieden, um eine Dicke von 10 .um zu erhalten. Eine Nickelschicht kann zwischen dem Kupferlot 12 und der Trägerelektrode 10 vorgesehen werden, um die Bindefestigkeit dazwischen zu verbessern. Falls die
z. B. .galvanisch Nickelschicht vorgesehen wird, beschichtet man/eine Oberfläche der Trägerelektrode 10 mit Nickel, so daß eine Nickelschicht mit einer Dicke von etwa 10 .um gebildet wird, und danach wird die Trägerelektrode 10 30 min
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unter Vakuumbedingungen auf 750 0C gehalten. Anschließend wird das Kupferlot 12 auf der Nickelschicht abgeschieden, und danach hält man die Trägerelektrode 10 10 min in N„-Gas bei 400 0C, um die Bindefestigkeit zwischen der Nickelschicht und dem die Trägerelektrode 10 bildenden Wolfram und die Bindefestigkeit zwischen der Nickelschicht und dem Kupferlot 12 zu verbessern.
Nachdem die vorstehend erläuterte Vorbehandlung durchgeführt wurde, werden das Halbleitersubstrat 9 und die Trägerelektrode 10 in eine solche Lage gebracnt, daß das Aluminiumlot 11 und das Kupferlot 12 in gegenseitigen Kontakt gelangen, und dann 30 min unter Vakuumbedingungen bei 450 C zwecks ihrer gegenseitigen Verbindung gehalten.
Da die Verbindungstemperatur niedriger ist, ist die in das Aluminium hinemscnmelzende Siliziummenge klein und der Grad der Bildung einer p-Schicht in der η-Schicht ist gering.
Fig. 2 zeigt den Verlauf des Wertes Δ FVD (d. h. FVD-Änderungen) in einem Fall, wo Halbleitersubstrate, deren jedes einen p-n-n -Aufbau hat und an seinen beiden Oberflächen mit aufgedampften Aluminiumschienten jeweils einer Dicke von 12 bis 15 ,um versehen ist, bei verschiedenen Temperaturen innerhalb eines Bereichs von 500 bis 7 20 0C gehalten werden, um das Halbleitersubstrat und die Aluminiumschichten zu verbinden. Im einzelnen zeigt der vorstenend erwähnte Λ FVD-Wert den Unterscnied zwischen dem FVD des Halbleitersubstrats unmittelbar naen der Abscheidung der Aluminiumschichten auf dem
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Halbleitersubstrat und demjenigen, nachdem das Halbleitersubstrat der oben erwähnten Wärmebehandlung unterworfen wurde, d. h. den FVD-Zuwachs, der durch die Bildung einer p-Neuwachstumsschicht auf einer n-Schicht verursacht wird. Die xn Fig. 2 dargestellten Ergebnisse wurden von Messungen erhalten,die bei einer Stromdiente
von 3,2b MA/m durchgeführt wurden. Wie Fig.. 2 erkennen läßt, hängt ^ FVD stark von der Verbindungstemperatur ab und ist für die bei 720 bzw. 500 0C gehaltenen Halbleitersubstrate gleich 1,0 bzw. etwa 0,05 V.
Aluminium und Kupfer bilden eine eutektische Legierung bei einer Temperatur von 548 0C, docn läßt sich eine Festzustandhaftverbindung in vollem Ausmaß zwischen Aluminium und Kupfer auch bei Temperaturen unter der vorstehend erwähnten eutektischen Temperatur erreichen.
Im obigen Ausführungsbeispiel haften das Alumihiumlot 11 und das Kupferlot 12 gut aneinander, und außerdem wächst <?Λ FVD nur wenig, da das Halbleitersubstrat 9 und die Trägerelektrode 10 zur gegenseitigen Verbindung bei nur 4bO °C gehalten werden.
Übrigens wurde das Aluminiumlot 11 analysiert, nachdem es bei 450 0C gehalten worden < war, und man fand, daß Silizium nur mit einer Konzentration von wenigen Prozent in das Aluminiumlot 11 hineinschmolz und daß die p-Schicht kaum in der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 9 abgeschieden war.
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Außerdem wurde der Lotbereich mit dem Aluminiumlot 11 und dem Kupferlot 12 einer überschallstromprüfung unterworfen/ und man fand, daß das Lot 11 und'idas Lot 12 gut aneinander hafteten. Weiter hatte das Halbleitersubstrat 9, bei dem die Aluminiumschichten 11 und 14 mit dem Substrat 9 durch die oben erwähnte Wärmebehandlung verbunden waren, den gleichen FVD wie ein Halbleitersubstrat, das aufgedampfte Aluminiumschichten trug, jedoch keiner Wärmebehandlung unterworfen war.
Falls die Nickelschicht im Rahmen des vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiels ausgelassen wird, entfällt der Schritt der Bildung der Nickelschicht im Rahmen des erläuterten Herstellungsverfahrens. Dabei ist die Verbindungsfestigkeit zwischen dem Kupferlot 12 und der Wolframelektrode 10 der im obigen Ausführungsbeispiel etwas unterlegen, doch die FVD-Charakteristik ist nahezu die gleiche wie die im Ausführungsbeispiel.
Bei dem in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist das Aluminiumlot 11 an der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 9 vorgesehen, doch kann das Aluminiumlot 11 auch durch ein aus einer Aluminium-Silizium-Legierung bestehendes Lot ersetzt werden, um die Hafteigenschaft zu verbessern. Im einzelnen schmilzt, wenn
das aus einer Aluminium-Silizium-Legierung bestehende Lot anstelle des Aluminiumlots 11 verwendet wird, eine geringere Siliziummenge in das Lot beim Erhitzungsvorgang hinein, und daher läßt sich die Bildung einer p-Schicht in der η-Schicht noch mehr unterdrücken. Außerdem bildet sich an der Grenzfläche zwischen dem Kupferlot und dem Aluminium-Silizium-Legierungslot eine Aluminium, Silizium und Kupfer enthaltende ternäre Legierung. Die
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eutektische Temperatur der ternären Legierung ist 520 C und damit niedriger als die eutektische Temperatur (54 8 0C) der binären Aluminium-Silizium-Legierung. Demgemäß lassen sich das Halbleitersubstrat 9 und die Trägerelektrode 10 bei niedrigeren Temperaturen im Vergleich mit dem Fall verbinden, wo das Aluminiumlot 11 verwendet wird. So wird die Bildung einer p-Schicht in der η-Schicht noch viel mehr unterdrückt, und der erwähnte Wert *\ FVD ist sehr gering.
Weiter sind, wenn eine eutektische Aluminium-Silizium-Legierung anstelle des Aluminiumlots 11 verwendet wird, die oben erwähnten Effekte ausgeprägter, und außerdem ist die Bindefestigkeit zwischen dem Halbleitersubstrat 9 und der Trägerelektrode 10 nahezu die gleiche wie die im Fall, wo das Aluminiumlot 11 verwendet wird.
Wie oben erläutert, ist die Erfindung in dem Fall wirksam, wo eine n-Hauptoberfläche eines Siliziumsubstrats mit einer Elektrode aus Wolfram, Molybdän, einer Eisen-Nickel-Legierung od. dgl. verbunden wird. Außerdem ist die Erfindung auf einen Aufbau anwendbar, bei dem ein Siliziumsubstrat mit einer Elektrode bei niedrigen Temperaturen verbunden werden muß, um eine Verbiegung der Elektrode zu vermeiden, und sie ist ebenfalls bei verschiedenen Halbleiteranordnungen, wie z. B. Dioden, Transistoren und Thyristoren, anwendbar. Darüber hinaus ist die Erfindung auch auf einen Fall anwendbar, wo gleichzeitig eine p-Schicht und eine n-Schicht in einer Hauptoberfläche eines Siliziumsubstrats nebeneinander existieren, und sie ist auch bei solchen
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Halbleiteranordnungen anwendbar, die Germaniumsubstrate aufweisen.
Fig. 3 zeigt einen Fall, wo eine Schicht mit p-Leitung und eine Schicht mit η-Leitung in einer unteren Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats 29 vorliegen.
Das in Fig. 3 dargestellte Halbleitersubstrat 29 dient als rückwärtsleitender Thyristor und umfaßt eine p-Emitterschicht 29a, eine stark dotierte n-Basisschicht 29b, eine schwach dotierte n-Basisschicht 29c, eine p-Basisschicht 29d und eine n-Emitterschicht 29e. Das Halbleitersubstrat 29 hat die Form eines Kegelstumpfs. Die p-Emitterschicht 29a ist in der Form eines Ringes in einer unteren Hauptoberfläche des Substrats 29 vorgesehen, und die n-Emitterschicht 29e ist in der oberen Hauptoberfläche des Substrats 29 in der Form eines Ringes ausgebildet, dessen ümfangsbereich an einem Teil davon weggeschnitten ist. Eine Trägerelektrode 25,' die aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, das eine Kupfermatrix und Kohlenstoffasern enthält, ist mit der unteren Hauptoberfläche des Substrats 29 erfindungsgemäß verbunden. Das Hartlot zur Verbindung der Trägerelektrode 25 und des Substrats 29 enthält Aluminiumlot 31, das an der Seite der unteren Hauptoberfläche vorgesehen ist, und Kupferlot 32, das an der Seite der Trägerelektrode 25 vorgesehen ist. Eine Kathodenschicht 34 ist durch Aufdampfen auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats 29 abgeschieden, und eine Steuerelektrodenschicht ist durch Aufdampfen auf dem Teil der oberen Hauptoberfläche abgeschieden, wo die p-Basisschicht 29d in der Form eines Kreissegments freiliegt.
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Im Halbleitersubstrat 29 sind ein Thyristorbereich und ein Diodenbereich gebildet. Den Thyristorbereich bilden die p-Emitterschicht 29a, die n-Basisschichten 29b und 29c, die p-Basisschicht 29d und die η-Emitterschicht 29e, und die Durchlaßrichtung des Thyristors wird durch die Richtung von der unteren Hauptoberfläche zur oberen Hauptoberfläche des Substrats 29 gegeben. Der Diodenbereich umfaßt die p-Basisschicht 29d und die n-Basisschichten 29b und 29c, und die Durchlaßrichtung der Diode ist durch die Richtung von der oberen Hauptoberfläche zur unteren Hauptoberfläche des Substrats 29 gegeben. Mit anderen Worten liegen der Thyristorbereich und der Diodenbereich nebeneinander bei mechanischer Vereinigung im Halbleitersubstrat 29, wobei ihre Durchlaßrichtungen umgekehrt sind.
Die Trägerelektrode 25 nutzt die ausgezeichnete elektrischeund thermische Leitung der Kupfermatrix und die niedrige Wärmeausdehnung der Kohlenstoffasern aus, und der Wärmeausdehnungskoeffizient der Trägerelektrode 25 läßt sich gleich dem des Halbleitersubstrats 29 mmachen, indem man das Mischverhältnis zwischen der Kupfermatrix und den Kohlenstoffasern entsprechend einstellt. Die Kohlenstoffasern sind in der Kupfermatrix in einer netzartigen, spiralförmigen, zufälligen oder anderen Anordnung verteilt, und eine, dieser Anordnungen wird je nach den verschiedenen Anwendungsfällen gewählt.
Es soll nun ein Fall erläutert werden, wo die spiralförmige Anordnung verwendet wird. Kupferüberzogene Kohlenstoffasern werden in eine Kupferaufschwemmung getaucht, um Kupferpulver an den Oberflächen der Fasern haften zu lassen, und dann auf einen Kupferkern oder -stab aufgewicKelt. Dann wird der Kupferkern zur Bildung eines HonlKörpers entfernt. Der so gebildete Hohlkörper
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wird mit Kupferpulvern gefüllt und dann unter Pressen erhitzt, um ein gewünscntes Verbundmaterial zu erhalten. Das so erhaltene Verbundmaterial enthält 2. B. 50 Vol. % Kupfer und 50 Vol. % Kohlenstoff. In diesem Fall sind die Kohlenstoffasern spiralförmig in einer zur Achse des Kerns senkrechten Ebene angeordnet, und die Trägerelektrode 25 ist so gebildet, daß die vorstehend erwähnte Ebene freiliegt.
Fett wird von der Oberfläche der TrägereleKtrode 25 entfernt, und die Elektrode 25 wird in Wasser gewaschen. Dann taucht man die Elektrode 25 in eine 50 %ige Salpetersäurelösung und scheidet anschließend Kupferlot 32 mit einer Dicke von 10 .um galvanisch auf der Trägerelektrode 25 ab. Das Kupferlot 32 kann auch durch Aufdampfen abgeschieden werden.
Anschließend wird die Trägerelektrode 25 in H2-GaS auf eine Temperatur von 2(JO bis 300 C erhitzt, um eine feste Haftung des Kupferlots 32 an der Trägerelektrode 2b zu erzielen. Andererseits wird Aluminiumlot 31 mit einer Dicke von Ib bis 20 ,um durch Aufdampfen auf der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 29 abgeschieden, und dann wird das Substrat 29 IO min in N2-Gas bei 400 0C gehalten, um eine feste Haftung des Aiuminiumlots 31 an der unteren Hauptoberfläche zu erreichen. Nachfolgend werden das Halbleitersubstrat 29 und die Trägerelektrode 25 in einer Einspannvorrichtung festgelegt und 20 mm bei 5 2O 0C gehalten, um das Substrat 29 mit der Trägerelektrode 25 zu verbinden.
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Das Aluminiumlot 31 wirkt als Hartlot für die p-Emitterschicht 29a und nicht nur als Hartlot, sondern auch als Akzeptor für die n-Basisschicht 29b. Jedoch ist, da das Halbleitersubstrat 29 und die Trägerelektrode 25 bei einer niedrigen Temperatur verbunden werden, die Bildung einer p-Schicht in der Oberfläche der n-Basisschicht 29t> gering, und'1 daher steigt der FVD des Substrats kaum.
Um die Bindefestigkeit des Aluminiumlots 31 und des Kupferlots 32 mit der anderen Lots zu vergleichen, wurde eine Probe gebildet, in der Blei, Silber und Zinn enthaltendes Lot anstelle des Aluminiumlots 31 und des Kupferlots 32 verwendet wurde. Die erwähnte Probe und eine Aluminiumlot und Kupferlot verwendende Probe gemäß der Erfindung wurden einer Wärmedauerfestigkeitsprüfung unterworfen. Bei der Prüfung wurde ein Wärmezyklus, der eine Periode zum Aufheizen der Proben von O bis 150 C und eine andere Periode zum Abkühlen der Proben von 150 auf 0 C umfaßte, wiederholt. Der Wärmewiderstand der Probe gemäß der Erfindung war auch nach einer 20 000 fachen Wiederholung des Wärmezyklus gleich dem Anfangswert. Dagegen war der Wärmewiderstand der das Pb-Ag-Sn-Lot verwendenden Probe erheblich vermindert auch wenn der Wärmezyklus nur 10 000 mal wiederholt worden war. Außerdem konnte bei einem Druckversuch die Probe gemäß der Erfindung Drücke bis zu 400 bar aushalten, während die das Pb-Ag-Sn-Lot verwendende Probe nur einen Druck von 100 bar aushalten konnte.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kunststoffeinbettungsdiode gemäß der Erfindung, bei der die obere und die untere Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats
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mit Trägerelektroden verbunden sind.
Gemäß Fig. 4 enthält das Halbleitersubstrat 49 eine stark dotierte η-Schicht 49a, eine schwach dotierte η-Schicht 49b und eine p-Schicht 49c, und eine Nut 49d ist in einem Umfangsteil der oberen Hauptoberfläche des Substrats 49 ausgebildet. Ein ρή-Ubergang liegt an einer Innenwand der Nut 49d frei, und eine als Passivierschicht dienende Glasschicht 56 ist innerhalb der Nut 49 ausgebackeri oder gesintert. Die untere und die obere Hauptoberfläche des Substrats 49 sind mit einer Trägerelektrode 45 bzw. einer Trägerelektrode verbunden, die aus einem eine Kupfermatrix und Kohlenstoff asern enthaltenden Verbundmaterial, wie es im Zusammenhang mit dem in Fig. 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel erläutert wurde, hergestellt wurden.
Die untere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats ist mit einer Nickelschicht 58 versehen, auf der das Aluminiumlot 51 und das Kupferlot 5 2 in dieser Reihenfolge vorgesehen sind.
Auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats 49 sind Aluminiumlot 59 und Kupferlot 60 in dieser Reihenfolge vorgesehen.
Ein Kunstharzformteil 61 aus Epoxyharz od. dgl. ist ringsum das Halbleitersubstrat 49 und die Trägerelektroden 45 und 54 vorgesehen. Weiter ist, um die Einwirkung einer Beanspruchung, die durch die Wärmeschrumpfung des Kunstharzformteils 61 infolge der Aushärtung
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des Kunstharzes entsteht, auf die Glasschicht 56 zu verhindern, ein Puffermaterial 62, wie z. B. Silikonkautschuk, auf der Glasschicht 56 vorgesehen.
Das in Fig. 4 veranschaulichte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den in den Fig. 1 bis 3 veranschaulichten Ausführungsbeispielen dadurch, daß die Nickelschicht 58 auf der unteren Hauptoberfläche des HalbleiterSubstrats 49 vorgesehen ist. Wenn das Halbleitersubstrat 49 mit der Trägerelektrode 45 verlötet wird, diffundieren einige Kupferatome des Kupferlots durch das Aluminiumlot 51 inpas Substrat 49. Die Kupferatome im Halbleitersubstrat 49 wirken als eine Art von Verunreinigung, die sich von einem Donator und einem Akzeptor, die den Leitungstyp des Substrats 49 bestimmen, unterscheidet. Mit anderen Worten wirken die Kupferatome als Lebensdauer-"Killer". Wenn eine hohe Sperrspannung über den pn-übergang im Substrat 49 anliegt, erzeugt der Lebensdauer-"KiHer" einen Leckstrom. Wenn der Le'ckstrom stark ist, kann das Substrat 49 die angelegte Sperrspannung nicht aushalten, und daher entsteht der Durchbruch. Wenn die Kupferatome in das Substrat 49 diffundieren, wächst also der Leckstrom, und die Durchbruchsspannung sinkt.
Die Nickelschicht 58 dient als Schirmschicht, die eine Diffusion der Kupferatome in das Substrat 49 verhindert, wenn das Substrat 49 mit der Trägerelektrode verlötet wird. Daher sinkt die Durchbruchsspannung des Substrats 49 nicht.
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Das Aluminiumlot 51 haftet gut an der Nickelschicht 58, und die Nickelschicht 58 wird in ohmschem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 49 gehalten. Dementsprechend gibt es hinsichtlich der Verbindung zwischen dem Aluminiumlot und dem Halbleitersubstrat 49 kein Problem. Weiter wird, da die Nickelschicht 58 einen unmittelbaren Kontakt des Aluminiumlots 51 mit der η-Schicht 49a verhindert, keine p-Schicht in der η-Schicht 49a gebildet.
Die Verbindung zwischen dem Aluminiumlot 51 und dem Kupferlot 52 und die Verbindung zwischen dem Aluminiumlot und dem Kupferlot 60 lassen sich bei einer niedrigen Temperatur erreichen. Daher wird das Halbleitersubstrat durch diesen Verbindungsvorgang kaum beeinträchtigt.
Die Nickelschicht 58 kann auch durch Titan, Chrom, Molybdän, Wolfram od. dgl. ersetzt werden.
Strahlkörper aus Aluminium werden gegen die Trägerelektroden 45 und 54 gepreßt, wie im Zusammenhang mit dem in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel erläutert wurde.
Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, kann erfindungsgemäß ein Halbleitersubstrat fest mit einer Elektrode bei einer niedrigen Temperatur verbunden werden, ohne daß der Durchlaßspannungsabfall des Halbleitersubstrats wächst.
Außerdem ist, obwohl die scheibenartigen Halbleiteranordnungen in den Ausführungsbeispielen gezeigt wurden, die Verpackung für Halbleiteranordnungen nicht auf diejenige des Scheibentyps beschränkt, sondern auch andere Verpackungen, wie z. B. eine Sockelmontagepackung, eine Glaseinformungspackung und eine hermetische Dosentyppackung können verwendet werden.
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Claims (5)

  1. Ansprüche
    Halbleiteranordnung mit wenigstens einem pn-übergang in einem Halbleitersubstrat, einer an einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegenden n-Halbleiterschicht und einer mit der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats mittels Hartlots verbundenen Elektrode, wobei auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats Aluminium als Hauptbestandteil enthaltendes Hartlot vorgesehen ist,
    dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Elektrode (10; 25; 45, 54) und dem Aluminium als Hauptbestandteil enthaltenden Hartlot (11; 31; 51, 59) ein Kupferlot (12; 32; 52, 60) eingefügt ist.
  2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Elektrode (10; 25; 45, 54) aus einem Werkstoff der aus Molybdän, Wolfram, einer Eisen-Nickel-Legierung und einem in der Art wie Einbetten von Kohlenstoffasern in einer Kupfermatrix hergestellten Verbundwerkstoff bestehenden Gruppe hergestellt ist.
  3. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Aluminiumhartlot (11; 31; 51, 59) aus einem Werkstoff der Gruppe Aluminium und einer Aluminium-Silizium-Legierung besteht.
    81-(A516O-O2)-TF
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  4. 4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß eine p-Halbleiterschicht (29a) und die n-Halbleiterschicht (29b) an der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (29) freiliegen.
  5. 5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (49) mit einer Metallschicht (58) der Gruppe Nickel, Titan, Chrom, Molybdän und Wolfram versehen ist und das Aluminiumhartlot (59) auf dieser Metallschicht (58) vorgesehen ist.
    130036/OSSS
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