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Verfahren zum sperrfreien Kontaktieren des Kollektors von Germanium-Transistoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum sperrfreien Kontaktieren des Kollektors
von Germanium-Transistoren mit pnp-Schichtenfolge, bei denen in einer dünnen auf
dem p-leitenden Kollektorkörper aufgebrachten n-leitenden Basisschicht je eine sperrende
Emitterelektrode aus p-leitendem Material und eine sperrfreie Basiselektrode aus
n-leitendem Material angeordnet sind, die nach dem Kontaktieren des Kollektors mittels
eines Bleches, das mit einer Aluminium- oder Aluminium-Germanium-Schicht plattiert
ist, ihrerseits unter Anwendung von Druck und Wärme mit Hilfe von dünnen Golddrähten
kontaktiert werden.
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Es sind sogenannte Mesa-Transistoren bekannt, bei denen eine Oberfläche
eines halbleitenden Körpers, z. B. aus p-leitendem Germanium, mit einer dünnen n-leitenden
Basisschicht versehen wird. Durch geeignete Diffusions- und Ätzbehandlung wird ein
sogenannter Mesa-Berg erzeugt, der im vorliegenden Fall im wesentlichen aus der
n-leitenden Basisschicht besteht. Auf der freien Oberfläche dieser Basisschicht
werden je eine sperrfreie Basiselektrode und eine Emitterelektrode mit gleichrichtendem
pn-übergang zur Basiszone hergestellt. Die Erzeugung dieser Elektroden ist ebenfalls
bekannt. Die Basiselektrode wird z. B. durch Aufdampfen und Einlegieren von Gold-Antimon
erzeugt. Für die Herstellung der Emitterelektrode kann z. B. eine dünne Schicht
Aluminium aufgedampft und einlegiert werden.
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Zum Anschluß der Halbleiteranordnung müssen die Elektroden sowie der
Kollektorkörper sperrfrei kontaktiert werden. Zur Kontaktierung der Emitter-und
Basiselektrode wird häufig das bekannte Thermo-Kompressionsverfahren angewendet.
Dieses besteht im wesentlichen darin, daß ein feiner Golddraht unter Anwendung von
Druck und Wärme mit der Emitter- bzw. Basiselektrode kontaktiert wird. Es werden
dazu Temperaturen von 300'C angewendet. Der Kollektorkörper wird sperrfrei
kontaktiert, indem man die Transistoranordnung mit der Kollektorseite auf ein Metallblech,
z. B. aus einer Eisen-Nickel-Verbindung unter Zwischenschaltung einer Schicht aus
einem Material, das den gleichen Leitfähigkeitstyp erzeugt wie ihn der Kollektorkörper
besitzt, auflegiert. Um die relativ empfindlichen Kontakte der Emitter- und Basiszone
nicht nachträglich zu zerstören, wird das Kollektorblech gewöhnlich vor der Kontaktierung
dieser beiden Zonen aufgebracht.
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Als Materialien, die in Germanium p-Leitfähigkeit erzeugen, sind Bor,
Aluminium, Gallium und Indium bekannt. Diese Materialien sind jedoch nicht ohne
weiteres als Zwischenschicht zwischen dem Kollektorblech und dem Kollektorkörper
zu verwenden. Bor scheidet von vornherein aus, da es sich mit Germanium nicht legiert.
Gallium und Indium sind zwar gut geeignet und werden allgemein häufig zur Herstellung
eines sperrfreien Kontaktes mit p-leitendem Germanium verwendet. Im vorliegenden
Falle scheiden sie jedoch ebenfalls aus, da sie einen relativ niedrigen Schmelzpunkt
haben und bei Anwendung der für die Kontaktierung der Emitter- und Basiselektroden
erforderlichen Temperatur wieder flüssig werden, was zu Ausfällen der Bauelemente
führt. Man hat die Schwierigkeit dadurch zu beseitigen versucht, daß man diese Stoffe
einem Material zufügte, das mit Germanium eine Eutektikum-Temperatur aufweist, die
über der für die Kontaktierung der Em_itter- und Basiselektrode benötigten Temperaturen
liegt. Es ist bekannt, zu diesem Zweck Gold-Gallium-Legierungen oder Gold-Indium-Legierungen
zu verwenden, die im wesentlichen aus Gold bestehen, denen Gallium oder Indium in
geringen Mengen zugesetzt ist. Die Eutektikum-Temperatur von Gold-Germanium beträgt
350° C und liegt somit über der bei dem Thermo-Kompressionsverfahren angewendeten
Temperatur.
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Transistoranordnungen, bei denen der Kollektor unter Verwendung der
obengenannten Gold-Legierungen kontaktiert wird, weisen jedoch den in den meisten
Fällen unerwünschten thyratronähnlichen Effekt auf. Dieser macht sich dadurch bemerkbar,
daß bei überschreiten eines bestimmten Kollektorstromes vom Kollektorkontakt aus
Träger injiziert werden. Bei Transistoranordnungen mit einem hohei,. x-Wert nahe
1 bewirkt die zusätzliche Injektion das
scheinbare Ansteigen des
a-Wertes über 1, bei dem ein Durchbruch des Transistors erfolgt.
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Verursacht wird diese Erscheinung vermutlich dadurch, daß sich an
der dem Kollektorblech benachbarten Oberfläche des Kollektors nicht, wie erwünscht,
eine stark p-dotierte (p++) Schicht ausbildet, sondern eine Schichtenfolge mit unterschiedlicher
p-Dotierung. Die Verhältnisse sind in Fig. 1 dargestellt, wo 1 einen Teil des Kollektorkörpers
aus pleitendem Germanium darstellt, 2 eine Schicht, in der im wesentlichen Gold-Verunreinigungen
vorhanden sind und die daher nur schwach p-dotiert (p-) ist und schließlich unmittelbar
am Kollektorblech eine p+-Schicht mit Gold-Gallium-Verunreinigungen. Die übrigen
Teile der Transistor-Anordnung sind in Fig. 1 nicht dargestellt.
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Man hat auch bereits einer Gold-Indium- bzw. Gold-Gallium-Legierung
geringe Spuren von Kupfer zugesetzt. Der thyrathronähnliche Effekt kann damit zwar
verringert, jedoch nicht beseitigt werden.
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Es verbleibt noch die Möglichkeit, Aluminium als Zwischenschicht zwischen
dem Kollektorblech und dem Kollektorkörper zu verwenden. Die Eutektikum-Temperatur
von Aluminium-Germanium beträgt 426° C. Aus Temperaturgründen würde demnach der
Verwendung von Aluminium nichts im Wege stehen. Andererseits ist es aber in der
Halbleitertechnik allgemein bekannt, daß es wegen der starken Oxydhaut, mit der
die Aluminiumoberfläche überzogen ist, außerordentlich schwer ist, Aluminium zu
legieren. Um eine einigermaßen brauchbare Legierung zu erreichen, ist es erforderlich,
sehr hohe Temperaturen anzuwenden, in einer stark reduzierenden Atmosphäre zu arbeiten
und gegebenenfalls während des Legierens Vibrationsbewegungen auszuführen. Im vorliegenden
Falle kommt noch als weiteres Hindernis hinzu, daß in den meisten Fällen die Emitterelektrode
aus einer Aluminiumschicht besteht. Diese wird bei dem Auflegieren des Kollektorbleches
mit einer Aluminiumschicht und den dazu erforderlichen Temperaturen leicht ebenfalls
verändert und damit die gesamte Transistoranordnung unbrauchbar. Weiterhin ist bei
dem vorliegenden speziellen Problem störend, daß sich Germanium in Aluminium sehr
stark löst. Es ist somit wegen der zusätzlichen Anwendung von Vibrierbewegungen
und der hohen Temperatur, die benötigt wird, außerordentlich schwierig, die Legierungstiefe
zu kontrollieren. Wegen der sehr kleinen Abmessungen der bekannten Mesa-Transistoren,
bei denen der Kollektor eine Dicke von etwa 50 Et aufweist, besteht somit die Gefahr
des Durchlegierens. Andererseits soll der Kollektor nur mit dem Kollektorblech kontaktiert
werden, wozu ein Anlegieren ausreicht.
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Das vorliegende Verfahren vermeidet die Nachteile der bekannten Verfahren
und gibt eine Möglichkeit, das Kollektorblech mit dem Kallektorkörper eines Transistors
so zu kontaktieren, daß der Thy_ratroneffekt vermieden wird und das Kollektorblech
nur anlegiert wird. Erfindungsgemäß wird bei dem eingangs genannten Verfahren ein
plattiertes Kollektorblech auf eine Temperatur kurz oberhalb der eutektischen Temperatur
von Germanium-Alummium erhitzt, das Kollektorblech bei Ereichen dieser Temperatur
einer starken Abkühlung ausgesetzt und gleichzeitig mit Beginn der Kühlung die Transistoranordnung
mit ihrem Kollektorkörper auf die plattierte Oberfläche des Kollektorbleches aufgesetzt.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Fig. 2 stellt den Aufbau eines sogenannten Mesa-Transistors mit Kollektorblech
im Querschnitt dar. und Fig. 3 zeigt die Temperaturkurve bei der Durchführung des
Verfahrens.
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In Fig. 2 stellt 4 den Kollektorkörper dar, der im vorliegenden Falle
aus p-leitendem Germanium besteht. 5 zeigt den im wesentlichen aus der eindiffundierten,
n-leitenden Basiszone bestehenden herausgeätzten Mesa-Berg. In die Basiszone ist
eine Emitter-Elektrode 6 eingebracht, die z. B. in bekannter Weise durch Aufdampfen
einer sehr dünnen Aluminiumschicht von etwa 0,2 @u und anschließendes Einlegieren
hergestellt werden kann. 7 stellt die Basiselektrode dar, die durch Aufdampfen und
Anlegieren von Gold-Antimon hergestellt wird. Das Kollektorblech 9 besteht zweckmäßig
aus einer Eisen-Nickel-Verbindung. Die eine Oberfläche des Kollektorbleches ist
mit einer Aluminium- oder Aluminium-Germanium-Schicht 8 plattiert.
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Zur Erläuterung des Kontaktierungsverfahrens dient Fig. 3. Sie stellt
ein Temperatur-Zeit-Diagramm dar, das in drei Abschnitte I, II, III eingeteilt ist.
Das aluminiumplattierte Kollektorblech 9 wird auf einer Temperatur etwas oberhalb
der Aluminium-Germanium-Eutektikum-Temperatur erhitzt. Es durchläuft dabei Abschnitt
I der Temperaturkurve bis zu einer Temperatur von etwa 450° C. Nach Erreichen dieser
Temperatur wird das Kollektorblech stark abgekühlt. Gleichzeitig mit Einsetzen der
Abkühlung wird die Transistoranordnung mit ihrer Kollektorseite 4 auf die aluminiumplattierte
Seite 8 des Kollektorbleches 9 aufgesetzt. Das Aufsetzen muß während der Zeit geschehen,
in der die Temperaturkurve den Abschnitt 1I durchläuft. Dieser Zeitabschnitt liegt
im Bereich der Legierungstemperatur. Er wird sehr schnell durchlaufen, so daß automatisch
durch die Kühlung erreicht wird, daß der Legierungsvorgang beendet ist, sobald die
Temperaturkurve im Bereich des Abschnitts III verläuft. Man erreicht damit, daß
nur sehr kurzzeitig anlegiert wird. Es ist leicht möglich, an Hand von Versuchen
die Gipfeltemperatur, bei der die Kühlung einsetzt und die Stärke der Kühlung so
festzulegen, daß die Gefahr des Durchlegierens beseitigt wird. Um eine möglichst
gleichmäßige Legierung zu erhalten, läßt man das Kollektorblech beim Aufsetzen der
Transistoranordnung zweckmäßig vibrieren.
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Zum Erhitzen des Kollektorbleches kann dieses auf eine elektrisch
geheizte Platte oder eine sonstige ähnliche Vorrichtung gelegt werden, die beim
Aufbringen der Halbleiteranordnung gleichzeitig als feste Unterlage dient.
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Es ist zweckmäßig, das Erhitzen des Kollektorbleches in einem Schutzgas,
z. B. aus Stickstoff, durchzuführen. Das Kollektorblech kann z. B. in einen senkrecht
von unten nach oben verlaufenden Gasstrom geringer Geschwindigkeit gebracht werden.
Es ergibt sich dabei die Möglichkeit, gleichzeitig das Schutzgas zur Kühlung auszunutzen,
indem man die Geschwindigkeit des Schutzgasstromes von dem Zeitpunkt an, bei dem
die Kühlung erwünscht wird, vergrößert. Das Einschalten der Kühlung kann man automatisch
mit dem Ereichen der Gipfeltemperatur koppeln. Zu diesem Zweck ist es z. B. möglich,
ein
die Temperatur anzeigendes Meßinstrument so einzurichten, daß
es beim Anzeigen der gewünschten Gipfeltemperatur automatisch ein Gebläse einschaltet,
das die Geschwindigkeit des Schutzgasstromes erhöht.