DE4113969C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten auf einer N-dotierten Halbleiterschicht 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 Kontakte wird während des Legiervorgangs ein Teil des III-V- Verbindungshalbleiterkristalls 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.
Aus Solid State Electronics, Vol. 30, No. 12, Seiten 1345-1349 ist die Verwendung eines legierten AuGe-Au- Kontaktes auf einer n-dotierten AlInAs- bzw. GaInAs- Halbleiterschicht bekannt. Der Ge-Anteil beträgt 12%; die Schichten werden dort bei Temperaturen zwischen 300°C und 450°C legiert.
Aus Patents Abstracts of Japan, E-113, 26. Mai 1979, Vol. 3, No. 61, JP 54-39 573 (A) ist es bekannt, auf eine n-dotierte GaP-Halbleiterschicht eine Elektrode aufzubringen, die aus einer einzigen, bei 500°C legierten AuGe-Schicht mit einem Ge-Anteil von 0,07- 1,2% besteht.
Der Einfluß von Temperatur- und Zeitverläufen beim Herstellen von ohmschen Kontakten, die aus einem eutektischen (d. h. 12% Ge-Anteil) AuGe-Film bestehen, ist aus J. Appl. Phys., 59 (8), 15. April 1986, Seiten 2901-2904 bekannt.
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-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.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Anführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
Fig. 1 zeigt ein Flußdiagramm des 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 ohmschen Kontakts.
Das Diagramm von Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit des spezifischen Kontaktwiderstands eines Kontakts von der Substratdotierung für verschiedene Temperprozesse.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch eine Halblei­ terlumineszenzdiode mit einem 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 Rücksei­ tenkontakts für zwei verschiedene Temperbedingungen.
Die Fig. 1 zeigt ein Flußdiagramm des 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 1·10-5 Ω 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 bestehend aus einer AuGe-Au-Schichtenfolge auf einer N- dotierten Halbleiterschicht (1) eines III-V-Verbindungshalbleiters 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.
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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