DE4113969A1 - Verfahren zur herstellung von ohmschen kontakten fuer verbindungshalbleiter - Google Patents
Verfahren zur herstellung von ohmschen kontakten fuer verbindungshalbleiterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
von ohmschen Kontakten auf einer N-dotierten Halb
leiterschicht eines III-V-Verbindungshalbleiters.
N-Typ-Verbindungshalbleiterkristalle, insbesondere
GaAs, AlGaAs und GaP, werden in großem Umfang als Sub
stratmaterial für Halbleiter-Lumineszenzdioden verwen
det, die sichtbares Licht oder Licht im nahen Infrarot
emittieren. Das aktive, lichterzeugende Gebiet der
Dioden wird auf dem Substratmaterial hergestellt. Die
Substratrückseite wird normalerweise mit einem ohmschen
Kontakt versehen. Die meisten bekannten ohmschen Kon
takte für N-Typ III-V-Verbindungshalbleiterkristalle
werden mit Hilfe eines sogenannten Legierprozesses her
gestellt. Der für das Legieren charakteristische Vor
gang ist das Aufschmelzen eines Metallfilms auf der
Halbleiteroberfläche. Der Metallfilm besteht bei Kon
takten auf N-Gebiet III-V-Verbindungshalbleiter im all
gemeinen aus einer eutektischen AuGe- oder AuGeNi-
Legierung. Gemäß einer heute allgemein akzeptierten Er
klärung für das ohmsche Verhalten der legierten Kon
takte wird während des Legiervorgangs ein Teil des III-V-Ver
bindungshalbleiterkristalls in der Metallschmelze
gelöst, um dann während des Abkühlens auszukristalli
sieren und epitaktisch auf dem III-V-Verbindungshalb
leiterkristall wieder aufzuwachsen. In der auf diese
Weise neu entstehenden Schicht ist genügend Germanium
enthalten, um den III-V-Verbindungshalbleiterkristall
so hoch N-Typ zu dotieren, daß an der Potentialschwelle
zwischen Kontaktmetall und Halbleiterkristall die
Feldemission dominiert. Um das gute ohmsche Verhalten
der Kontakte zu erreichen, das bei legierten AuGe- und
AuGeNi-Kontakten beobachtet wird, ist eine Dotierungs-
Konzentration von mindestens 5.1019 cm-3 erforderlich.
Ein typischer Nachteil der legierten Kontakte ist deren
Inhomogenität sowohl in der lateralen als auch in der
vertikalen Richtung bezüglich der Halbleiteroberfläche.
Durch den Legierungsprozeß entsteht im allgemeinen eine
rauhe, inhomogene Grenzfläche, die von einer Vielzahl
verschieden großer, Germanium enthaltender, tröpfchen
förmiger oder mikrokristalliner Erhebungen gebildet
wird.
Abhängig von der Größe der Energielücke zwischen
Leitungs- und Valenzband des Substratmaterials und von
der Energie der Strahlung, die die Halbleiter-
Lumineszenzdiode erzeugt, ist das Substratmaterial
zumindest teilweise transparent für die erzeugte
Strahlung. Die hoch Germanium-dotierten Bereiche
jedoch, die durch das Legieren des AuGe- oder AuGeNi-
Kontakts auf der Rückseite des Substratmaterials
entstehen, absorbieren das auf sie auffallende Licht
und verursachen so erhebliche Absorptionsverluste.
Sowohl die Qualität als auch die Reproduzierbarkeit ei
nes legierten Kontaktes bleibt häufig unbefriedigend.
Das gilt insbesondere hinsichtlich der elektrischen und
optischen Eigenschaften und der Morphologie der legier
ten Kontakte.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren
zur Herstellung von ohmschen Kontakten auf einer N-do
tierten Halbleiterschicht eines III-V-Verbindungshalb
leiters anzugeben, wobei die Kontakte einen niedrigen
Kontaktwiderstand und ein hohes Reflexionsvermögen für
Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und im nahen
Infrarot besitzen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1. Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Da das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines
ohmschen Kontakts anstatt des Legierprozesses einen
Temperprozeß oder alternativ einen Ausheilprozeß durch
Rapid-Thermal-Annealing enthält, kommt es während der
Herstellung des Kontaktes nicht zum Verflüssigen und
Rekristallisieren des AuGe- bzw. AuGeNi-Films. Die so
hergestellten Kontakte sind daher frei von den In
homogenitäten, die beim Legierprozeß entstehen und ha
ben zudem überwiegend ebene Grenzflächen zwischen Me
tallisierung und Verbindungshalbleiterkristall. Durch
die Verwendung des erfindungsgemäßen, reflektierenden
ohmschen Rückseitenkontakts bei Halbleiterlumineszenz
dioden läßt sich die Kontaktabsorption reduzieren und
eine Verbesserung des optischen Wirkungsgrads errei
chen.
Fig. 1 zeigt ein Flußdiagramm des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Schichten
folge des Kontakts vor der Temperaturbehandlung.
Die Fig. 3a bis 3d zeigen die Prozeßschritte zur
Herstellung eines erfindungsgemäßen ohmschen Kontakts.
Das Diagramm von Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit des
spezifischen Kontaktwiderstands eines erfindungsgemäßen
Kontakts von der Substratdotierung für verschiedene
Temperprozesse.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Halblei
terlumineszenzdiode mit einem erfindungsgemäßen Rück
seitenkontakt.
Das Diagramm von Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit des Re
flexionsvermögens von der Wellenlänge für GaAs und zwei
verschiedene Kontaktmetalle.
Das Diagramm der Fig. 7 zeigt die Abhängigkeit der op
tischen Ausgangsleistung einer Infrarotdiode von der
Germaniumkonzentration des erfindungsgemäßen Rücksei
tenkontakts für zwei verschiedene Temperbedingungen.
Die Fig. 1 zeigt ein Flußdiagramm des erfindungs
gemäßen Verfahrens, zur Herstellung von re
flektierenden, ohmsche Kontakten auf einer N-dotierten
Halbleiterschicht eines III-V-Verbindungshalbleiters.
Das Verfahren umfaßt je einen Schritt zur Herstellung
einer ersten und einer zweiten Metallschicht auf der
Rückseite eines N-Typ III-V-Verbin
dungshalbleiterkristalls und einem Temper- bzw.
Ausheilschritt, um den ohmschen Kontakt zu erzeugen. Im
ersten Schritt des Verfahrens wird die AuGe-Schicht 2
durch thermische Verdampfung aus einer AuGe-Quelle, die
durch einen Elektronenstrahl beheizt wird, auf dem III-
V-Verbindungshalbleiterkristall 1 gebildet (Fig. 3b).
Im zweiten Schritt des Verfahrens wird die Au-Schicht 3
anhand der gleichen Methode auf der AuGe-Schicht 2 ge
bildet (Fig. 3c). Das Aufdampfen erfolgt bei einem
Druck von ca. 2·10-7 mbar. Die Beschleunigungsspannung
des Elektronenstrahls beträgt 10 kV. Fig. 2 zeigt die
Schichtenfolge des ohmschen Kontakts vor der
Temperaturbehandlung. Der Metall-Halbleiterkontakt be
steht aus zwei Schichten, einer AuGe-Schicht 2 und ei
ner Au-Schicht 3. Die AuGe-Schicht 2 befindet sich di
rekt auf dem N-Typ III-V-Verbindungshalbleiterkristall
1 und hat eine Dicke zwischen 5 und 50 nm. Die
Germaniumkonzentration in der AuGe-Schicht 2 beträgt
typisch 0,5 Gewichts-% und sollte 1 Gewichts-% nicht
übersteigen, um das Reflexionsvermögen der Kontakt
schicht nicht zu beeinträchtigen. Auf der AuGe-Schicht
2 befindet sich die Au-Schicht 3 mit einer Dicke zwi
schen 200 und 600 nm.
Bei dem sich nun anschließenden Temperschritt werden
die in den vorangegangenen Prozeßschritten gebildeten
AuGe- und Au-Schichten 2, 3 bei einer Temperatur
zwischen 360 und 390°C getempert, um eine homogene
Kontaktschicht 4 zu erzeugen. Die Temperzeit beträgt
zwischen 40 Minuten und 3 Stunden. Die Temperung wird
in einer inerten Atmosphäre von z. B. N2- oder Ar-Gas
durchgeführt. Der Temperprozeß kann jedoch auch in
einer reduzierenden Atmosphäre durchgeführt werden.
Während des Temperprozesses wird die reflektierende,
ohmsche Kontaktschicht 4 gebildet. Durch die Festlegung
von Temperzeit und Tempertemperatur werden die Eigen
schaften des Metall-Halbleiterkontakts bestimmt. Ein
hohes Reflexionsvermögen wird durch eine kurze Temper
zeit und eine niedrige Tempertemperatur erreicht. Ein
niedriger Kontaktwiderstand wird dagegen durch eine
lange Temperzeit und eine hohe Tempertemperatur er
zielt. Es wird daher im Einzelfall von den geforderten
Eigenschaften der Lumineszenzdiode abhängen, wie die
Parameter des Temperprozesses festzulegen sind.
Alternativ zum Temperschritt ist ein Kurzzeit-Ausheil
schritt durchführbar, der in einem Rapid-Thermal-
Annealing-Gerät durchgeführt wird. In diesem Fall liegt
die Ausheiltemperatur zwischen 430 und 480°C bei einer
Zeitdauer von 5-20 Sekunden. Der Ausheilprozeß findet
in der inerten Atmosphäre eines inaktiven Gases wie
z. B. N2 oder Ar statt. Der ohmsche Kontakt entsteht
durch Diffusion der Germaniumatome aus der AuGe-Schicht
2 in die Oberfläche des N-Typ III-V-Verbindungshalblei
ters 1. Beispiele für N-Typ III-V-Verbindungshalbleiter
auf denen ein ohmscher Kontakt durch das erfin
dungsgemäße Verfahren herstellbar ist, sind z. B. GaAs,
AlGaAs, GaP, InP und verwandte Halbleiterkristalle.
Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit des spezifischen Kon
taktwiderstands von der Ladungsträgerkonzentration im
Substrat. Substratmaterial ist in diesem Beispiel 100-n-GaAs.
Der Metallhalbleiterkontakt besteht aus ei
ner 10 nm dicken AuGe-Schicht mit 0,5 Gewichts-% Ger
manium und einer 240 nm dicken Au-Schicht. Nach erfolg
tem Temperprozeß enthält die getemperte Metallschicht
Germanium in einer mittleren Konzentration von
0,02 Gewichts-%. Durch einen zwei Stunden dauernden
Temperprozeß bei 380°C wird ein spezifischer Kontakt
widerstand von 1·10-5Ω cm2 bei einer Substratdotierung
von 5·1017 cm-3 erreicht. Ein ganzflächiger
Rückseitenkontakt mit einem in dieser Größenordnung
liegenden Kontaktwiderstand hat keinen signifikanten
Einfluß mehr auf die elektrische Flußspannung einer
normalen Halbleiterlumineszenzdiode.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Halblei
terlumineszenzdiode mit einem Rückseitenkontakt 4 nach
der Erfindung. Es handelt sich um eine GaAs-Mesa-Diode
für den infraroten Spektralbereich. Mögliche Lichtwege
sind symbolisch durch Pfeile dargestellt. Das Infrarot
licht entsteht in der durch den pn-Übergang 9
definierten Ebene. Ein Teil des Lichts verläßt die
Lumineszenzdiode auf dem direkten Weg über die freien
Bereiche der Chip-Oberfläche. Ein anderer Teil des
Lichts trifft jedoch auf den Rückseitenkontakt 4. Ein
legierter AuGe- oder AuGeNi-Kontakt absorbiert den
größten Teil der Strahlung im Germanium-dotierten
Gebiet an der Rückseitenoberfläche. Bei einem
Rückseitenkontakt, der gemäß der Erfindung hergestellt
wurde, wird jedoch der größte Teil der Strahlung von
der Substrat-Kontaktgrenzfläche reflektiert und kann
somit an der Chip-Oberfläche austreten. Dadurch wird
eine Verbesserung der optischen Ausgangsleistung
erzielt.
Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit des Reflexionsvermögens
von der Wellenlänge für GaAs und für zwei verschiedene
Kontaktmetalle bei gleichen Temperbedingungen. Die
obere Kurve gilt für AuGe mit 0,02 Gewichts-%
Germanium, der untere Kurvenverlauf entspricht AuGe mit
3 Gewichts-% Germanium. Für legierte Kontakte wird üb
licherweise AuGe mit 3 bzw. 12 Gewichts-% Germanium
verwendet. Wie der Kurvenverlauf zeigt, steigt das Re
flexionsvermögen des getemperten AuGe-Kontakts mit ab
nehmender Germaniumkonzentration an und erreicht das
Reflexionsvermögen von reinem Gold bei Germaniumkon
zentrationen von unter 0,1 Gewichts-%.
Fig. 7 zeigt die optische Ausgangsleistung einer In
frarotdiode mit einem erfindungsgemäßen Rückseiten
kontakt in Abhängigkeit vom Germaniumgehalt des getem
perten Rückseitenkontakts. Die Emissionswellenlänge der
Infrarotdiode beträgt ca. 940 nm. Der Rückseitenkontakt
besteht aus einer 10 nm dicken AuGe-Schicht mit
0,5 Gewichts-% Ge und einer darüberliegenden 240 nm
dicken Au-Schicht. Die höchste Strahlungsleistung wird
bei einer Ge-Konzentration von 0,1 Gewichts-%, bei ei
ner Tempertemperatur von 360°C und einer Temperzeit
von 40 Minuten erreicht. Eine etwas höhere Tempertempe
ratur von ca. 380°C in Verbindung mit einer längeren
Temperzeit von 2 Stunden hat eine Erniedrigung der
Strahlungsleistung um ca. 6% zur Folge.
Wegen des niedrigen ohmschen Kontaktwiderstands und des
hohen Reflexionsvermögens für Strahlung im nahen in
fraroten und sichtbaren Wellenlängenbereich eignet sich
der Kontakt insbesondere als ganzflächiger Rückseiten
kontakt für Halbleiterlumineszenzdioden, die infrarotes
oder sichtbares Licht emittieren.
Claims (9)
1. Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten auf
einer N-dotierten Halbleiterschicht (1) eines III-V-Ver
bindungshalbleiters gekennzeichnet durch folgende
Verfahrensschritte:
Abscheidung einer ersten Metallschicht (2) bestehend aus AuGe auf der Halbleiterschicht (1), wobei der Ge- Anteil der ersten Metallschicht (2) 1 Gewichts-% nicht überschreitet,
Abscheidung einer zweiten Metallschicht (3) bestehend aus Au auf der ersten Metallschicht (2),
Temperung der Schichtenfolge bei 360-390°C für eine Zeitdauer von 40-180 Minuten.
Abscheidung einer ersten Metallschicht (2) bestehend aus AuGe auf der Halbleiterschicht (1), wobei der Ge- Anteil der ersten Metallschicht (2) 1 Gewichts-% nicht überschreitet,
Abscheidung einer zweiten Metallschicht (3) bestehend aus Au auf der ersten Metallschicht (2),
Temperung der Schichtenfolge bei 360-390°C für eine Zeitdauer von 40-180 Minuten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verfahrensschritt der Temperung ersetzt wird
durch einen Kurzzeit-Ausheilprozeß-Schritt bei einer
Temperatur von 430-480°C und einer Zeitdauer von
5-20 Sekunden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der über die beiden Metallschichten (2, 3)
gemittelte Germaniumanteil 0,02-0,1 Gewichts-%
beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die erste Metallschicht (2) eine
Dicke im Bereich von 5-50 nm und daß die zweite Me
tallschicht (3) eine Dicke im Bereich von 200-600 nm
aufweist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperung bzw. der Kurzzeit-
Ausheil-Schritt in einer inerten Atmosphäre erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Temperung in einer
reduzierenden Atmosphäre erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch
gekennzeichnet, daß der III-V-Verbindungshalbleiter
GaAs des N-Leitungstyps in 100- oder 111-Orientierung
ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Metallschicht (2) 0,5 Gewichtsprozent
Germanium enthält und 10 nm dick ist und daß die zweite
Metallschicht (3) 240 nm dick ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichtenfolge ca. 120 Minuten bei einer Tempe
ratur von ca. 380°C getempert wird.
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