DE1269249B

DE1269249B - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1269249B
Application number: DEP1269A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Earl Rankins
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-03-22
Filing date: 1966-03-18
Publication date: 1968-05-30
Also published as: US3368120A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1269 249

Aktenzeichen: P 12 69 249.8-33

Anmeldetag: 18. März 1966

Auslegetag: 30. Mai 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit äußeren elektrischen Anschlüssen, bestehend aus einem Körper aus Halbleitermaterial mit wenigstens einem pn-übergang und einem an dem Körper aus Halbleitermaterial angebrachten Kontakt, dessen direkt mit dem Körper aus Halbleitermaterial verbundene Schicht aus Nickel besteht.

Bekanntlich ist es außerordentlich wichtig, bei manchen Halbleiterbauelementen aber auch schwierig, einen elektrischen Kontakt herzustellen, der eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit und eine gute mechanische Festigkeit hat. Besonders akut ist das Problem, wenn ein Kontakt mit dünnen, diffundierten, wärmeempfindlichen Schichten aus Halbleitermaterial (z. B. dünnen Schichten mit eindiffundierten Verunreinigungen) hergestellt werden soll und die Anordnung des Kontakts auf der Halbleiteroberfläche kritisch ist.

Bisher bekannte Verfahren zur Herstellung von Kontakten an Halbleiterkörpern umfassen das übliche Legieren oder Löten der Druckkontakte mit all ihren Nachteilen, Plattieren zum Metallisieren des Halbleiters und das Plattieren des Halbleiters und nachfolgendes Erhitzen, so daß das Plattiermaterial eine Weich- oder Hartlotlegierung bildet.

Bei der Anwendung des herkömmlichen Legierens führen die dabei erforderlichen höheren Temperaturen zu Problemen, die in den Spannungen beim Abkühlen und der Zersetzung der Grenzschichten des Bauelements zusammenhängen. Die Spannungen beim Abkühlen können dabei so stark werden, daß sie zum Bruch der Plättchen führen.

Außerdem sind eine gute Benetzung des Halbleiterkörpers sowie die Regulierung der Lage des Kontakts ein Problem. Wenn der Halbleiterkörper metallisiert wird und dann ein Lot zur Herstellung von Verbindungen mit dem Bauelement benutzt wird, ist die genaue Lage der Kontaktstelle schwer zu kontrollieren, und die zur Herstellung einer guten Verbindung erforderlichen höheren Temperaturen können die Eigenschaften des Bauelements ungünstig beeinflussen.

Wird der Halbleiterkörper plattiert und dann erhitzt, so daß das Plattiermaterial als Lot wirkt, so kommen schädlich wirkende erhöhte Temperaturen zur Anwendung, und das Plattiermaterial kann gegebenenfalls mit dem Halbleiterkörper reagieren. Wird für diesen Zweck Gold verwendet, wie es bereits vorgeschlagen wurde, so führt die zur Bildung einer guten Bindung erforderliche Menge zu einem sehr teuren Kontakt. Bei derjenigen Anordnung jedoch, bei der ein Kontaktelement plattiert und Halbleiterbauelement

Anmelder:

General Electric Company, New York, N. Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. W. Reuther, Patentanwalt,

6000 Frankfurt, Theodor-Stern-Kai 1

Als Erfinder benannt:

Kenneth Earl Rankins, Skaneateles, N. Y.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 22. März 1965 (441709)

dann weich oder hart mit dem Halbleiterkörper verlötet wird, könnten mehrere der oben angeführten Mangel gleichzeitig auftreten.

Die Erfindung liefert einen guten Kontakt für Halbleiterkörper, der ein gutes Haftvermögen bei geringer Eindringtiefe besitzt und genau angeordnet werden kann sowie ätzbeständig ist und eine Behandlung bei niedriger Temperatur ermöglicht.

Es ist bereits vorgeschlagen, daß auf das Halbleitermaterial Schichten von Nickel, Kupfer und Gold hintereinander aufgebracht werden. Bei hohen Strömen und somit hohen Wärmebeanspruchungen und starken Temperaturwechseln können aber auch hier Ermüdungserscheinungen auftreten.

Diese Nachteile werden bei einem Halbleiterbauelement mit äußeren elektrischen Anschlüssen, bestehend aus einem Körper aus Halbleitermaterial mit wenigstens einem pn-übergang und einem an dem Körper aus Halbleitermaterial angebrachten Kontakt, dessen direkt mit dem Körper aus Halbleitermaterial verbundene Schicht aus Nickel besteht, dadurch vermieden, daß auf diese Nickelschicht eine direkt mit der Nickelschicht verbundene Schicht aus Eisen und darauf eine direkt mit der Eisenschicht verbundene Schicht aus Gold aufgebracht sind.

Durch Auswahl dieser Kombination von Metallen, einer bestimmten Dicke und einer bestimmten Anordnung der Schichten, werden Eindringtiefe und andere Eigenschaften des Kontakts kontrolliert.

809 557/353

Die Erfindung wird nachstehend in einem Ausfiih- von Spannungen von den Zuleitungen auf die HaIbrungsbeispiel an Hand der Zeichnungen näher erläu- leiterscheibe 16 vermindert.

tert. Dabei zeigt Der Kathodenkontakt 20 auf der Oberseite der

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch die Mitte Halbleiterscheibe 16 stellt eine vorteilhafte Kontakteines steuerbaren Halbleitergleichrichters, der mit 5 anordnung dar, die durch ein besonders günstiges Kontakten nach der Erfindung versehen ist, und Verfahren aufgebracht wird. Bei dem hier darge-

F i g. 2 eine vergrößert gezeichnete Teilschnitt- stellten Ausführungsbeispiel ist die erste Schicht 21 Seitenansicht des Gleichrichterelements (einschließ- (die Schicht auf der Halbleiterscheibe 16) aus Nickel lieh der Anschlüsse) des steuerbaren Gleichrichters etwa 0,25 bis 1,25 μ dick, die zweite Schicht 22 nach Fig. 1; io (Mittelschicht) aus Eisen etwa 0,3 bis 1,25 μ und die

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten und auseinander- äußere (Goldschicht) Schicht23 etwa 0,25 bis 1,25 μ gezogenen Schnitt des Gleichrichterelements nach dick.

den Fig. 1 und 2. Eine besonders günstige Methode zum Aufbringen

In F i g. 1 ist ein Halbleiterbauelement dargestellt, des Kathodenkontakts 20 ist die, das Halbleitermatedas in einem in sich geschlossenen, abgedichteten i₅ rial nach einer bekannten Maskiertechnik (z. B. mit Gehäuse eingebaut und mit 10 bezeichnet ist. Die Siliciumdioxid) so zu maskieren, daß freie Zonen Erfindung ist in dieser Form dargestellt und beschrie- dort stehenbleiben, wo der Kontakt gebildet werden ben, weil das Bauelement in solcher besonders gün- soll. Man bringt dann den Halbleiterkörper in eine stigen Form viel verwendet wird. Dieser Gleich- serienmäßige Vakuum-Bedampfungsanlage. Chargen richter führt normalerweise den Strom nur von dem ao der Aufdampfmetalle werden ebenfalls in den Ofen unteren Gewindebolzen 13, der gleichzeitig zur gebracht. Die Chargen bestehen aus solchen Mengen Wärmeableitung dient, über das Halbleiterelement _und werden in solchen Abständen von dem zu plat- und das Kathodenkabel 12 zu der oberen flachen tierenden Halbleiterkörper angeordnet, daß jede der Anschlußklemme 11. In entgegengesetzter Richtung aufgedampften Schichten die gewünschte Dicke hat. hat der Gleichrichter einen hohen Widerstand für den 35 Bei der dargestellten Anordnung ist ein ähnlicher Strom. Aus diesem Grund wird der obere Anschluß Kontakt 24 an der oberen Trägerplatte 18 vorgell als Kathode und der untere Anschluß 13 als sehen. Dieser wird vorteilhaft zur gleichen Zeit wie Anode bezeichnet. der Kontakt 20 der Halbleiterscheibe 16 aufgebracht,

Die gleichrichtende Wirkung wird durch den indem zunächst eine Nickelschicht 25 direkt auf die scheibenförmigen Halbleiter erzielt, der in den F ig. 2 ₃₀ Oberfläche der Platte 18 aufgebracht wird, darauf und 3 ausführlicher dargestellt ist. Die Halbleiter- eine Schicht Eisen 26 direkt auf die Nickelschicht 25 scheibe 16 besteht aus einkristallinem Halbleiter- und weiterhin eine Schicht Gold 27 direkt auf die material, z.B. aus Silicium, mit einem einzigen Eisenschicht26. Die Dicke der verschiedenen pn-übergang zwischen den zwei Schichten verschie- Schichten entspricht der Dicke der Schichten auf der denen Leitfähigkeitstyps. In dem speziell dargestellten 35 Halbleiterscheibe 16.

Gleichrichter hat die Halbleiterscheibe 16 einen Die obere Platte 18 ist an der Halbleiterscheibe 16

Durchmesser von 20 mm und ist etwa 225 μ dick. durch ein Lot 28 befestigt, das vorteilhaft aus etwa

Die Halbleitermaterialien sind sehr spröde, und 960/0 Blei und 4"Vo Silber besteht. Die Anordnung somit ist ein derartig dünnes Stück sehr leicht zer- 17 _wird vervollständigt durch die untere Trägerplatte brechlich. Es ist daher erforderlich, einen Träger ₄₀ 19 am Boden der Halbleiterscheibe 16. Um dies zu und einen Schutz für die Halbleiterscheibe 16 vor- erreichen, wird die obere Oberfläche der Trägerzusehen. Dies wird durch die schichtenförmige An- platte 19 mit einer dünnen Aluminiumschicht 29 verwendung 17 erreicht. sehen, die als Lot zwischen den Teilen 16 und 19 Die dünne, leicht zerbrechliche Halbleiterscheibe wirkt.

16 muß sehr hohe Ströme aufnehmen und ist somit 45 Eine gute thermische und elektrische Verbindung einer großen Temperaturbeanspruchung unterworfen. zwischen der Anordnung 17 und dem Anoden-Der dargestellte Gleichrichter nimmt z. B. über anschluß 13 erhält man, wenn die untere Platte 19 250 A auf, wobei ungefähr 200 W an Heizenergie _an einer größeren scheibenförmigen Kappe 30 angeabzuführen sind. Gleichzeitig muß die Anordnung bracht wird. Dies wird durch einen unteren Kontakt eine Temperaturwechselbeständigkeit von —65 bis 50 31 an der unteren Oberfläche der Trägerplatte 19 +250° C aushalten. Die schichtförmige Anordnung erreicht, der direkt mit der oberen Oberfläche der

17 schließt eine obere Trägerplatte 18 und eine Kappe 30 mit Hilfe eines Lotes 32 aus einer Golduntere Trägerplatte 19 ein. Bedingt durch die elek- Zinn-Legierung verbunden wird.

irische Leitfähigkeit und die Wärmeabführung, sind Der untere Kontakt 31 ist ebenfalls ein Schicht-

die Platten 18 und 19 aus einem Material hergestellt, 55 kontakt, der durch Aufdampfender einzelnen Metalldas eine gute Leitfähigkeit für Elektrizität und schichten hergestellt wird, wie oben beschrieben Wärme besitzt. Gleichzeitig soll ihr Wärmeausdeh- wurde; jedoch besteht diese Schicht zweckmäßig aus nungskoeffizient mit dem der Halbleiterscheibe 16 einer Schicht Nickel 33, die direkt auf die Trägerübereinstimmen. Wolfram oder Molybdän sind dazu platte 19 aufgedampft wird, einer Schicht Kupfer 34, geeignet. 60 die direkt auf die Nickelschicht 33 aufgedampft wird,

Um die kritische Forderung nach Kontakten mit und einer Schicht Gold 35, die auf der Kupferschicht niedrigem Widerstand an der Halbleiterscheibe 16 zu 34 aufliegt.

erfüllen, werden bei dem Bauelement nach der Erfin- In der Praxis werden die Schichtkontakte 24 und

dung mehrere Kontaktschichten vorgesehen, wodurch 31 zunächst auf die obere Trägerplatte 18 und die die Eigenschaften mehrerer Metalle ausgenutzt wer- 65 untere Trägerplatte 19 aufgebracht. Die Aluminiumden. Die Schichten können in einem einzigen Be- schicht 29 wird auf die untere Oberfläche der Halbhandlungsgang aufgedampft werden und liefern einen leiterscheibe 16 aufgelegt. Darauf wird die Scheibe Kontakt, der als Puffer wirkt und die Übertragung 16 mit der oberen Oberfläche der unteren Träger-

platte 19 verbunden, wobei das Aluminium als Lot dient. Der Schichtkontakt 20 wird dann auf die obere Oberfläche der Halbleiterscheibe 16 aufgebracht. Diese Anordnung wird dann mit dem Kontakt 24 an der unteren Oberfläche der Trägerplatte 18 durch das Lot 28 verbunden. Der äußere Rand der Halbleiterscheibe 16 wird dann, z. B. durch Schleifen, abgeschrägt und ihre Oberfläche darauf geätzt und behandelt. Schließlich wird die Anordnung 17 auf dem Gewindebolzen 13 durch ein Gold-Zinn-Lot 32 verschmolzen. Der Gleichrichterkörper 17 ist hermetisch abgedichtet in dem Gehäuse 36 untergebracht, bei dem der Kupferbolzen 13 als Boden dient. Die Seite des Gehäuses 36 besteht aus einem zylindrischen Keramikkörper 37, der die Kathode von der Anode isoliert. Die Gehäusewand 37 ist durch die Kappe 30 mit Hilfe eines Schweißmetallringes 38 und eines zylindrischen Metallrohres 39 abgedichtet. Der Schweißmetallring 38 ist in einer ringförmigen Nut 40 der Kappe 30 koaxial eingesetzt. Ein nach außen gebogener Flansch 41 an dem zylindrischen Metallring 39 ist an dem Ring 38 angeschweißt und gibt einen hermetischen Verschluß. Der obere Rand des Ringes 39 liegt an dem unteren Keramikzylinder 37 an und ist nach der üblichen Keramikmetalldichtungstechnik angelötet. Um Ausdehnungsschwierigkeiten bei Wärmebeanspruchungen zu vermeiden, ist der Metallring 39 flexibel ausgebildet. Der obere Teil des Gehäuses ist durch eine Metallkappe 42 gebildet, die mehr oder weniger scheibenförmig mit einem abwärts gebogenen zylindrischen Rand 43 ausgebildet ist. Der Rand 43 wird wieder nach bekanntem Verfahren mit dem oberen Rand des Keramikzylinders 37 dicht verbunden. Die Kappe 42 weist eine öffnung 44 zur Durchführung des Kathodenkabels 12 und eine kleinere öffnung 45 zur Aufnahme des Röhrchens 46 auf, das zur Evakuierung des Gehäuses dient. Der Kupferstöpsel 47 ist in der öffnung 44 dicht eingelötet. Er ist mit zwei zylindrischen Ausbohrungen 48 und 49 zur Aufnahme des Kathodenkabels 12 bzw. 50 versehen. Der untere Teil der Zuleitung 50 ist in einem Kupferverbinder 51 durch Anpressen befestigt. Der becherähnliche Verbinder wird an der Trägerplatte 18 des schichtförmigen Halbleiterkörpers durch ein Gold-Zinn-Lot 52 befestigt, so daß der Hauptstrom durch die Anordnung von dem oberen Anschluß 11 zu dem unteren Bolzen fließen kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit äußeren elektrischen Anschlüssen, bestehend aus einem Körper aus Halbleitermaterial mit wenigstens einem pn-übergang und einem an dem Körper aus Halbleitermaterial angebrachten Kontakt, dessen direkt mit dem Körper aus Halbleitermaterial verbundene Schicht aus Nickel besteht, gekennzeichnet durch eine direkt mit der Nickelschicht verbundene Schicht aus Eisen und eine direkt mit der Eisenschicht verbundene Schicht aus Gold.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer mit dein Halbleiterkörper zu verlötenden Trägerplatte die gleiche Schichtfolge Nickel, Eisen, Gold auf der der mit der Kontaktschicht versehenen Halbleiterscheibe zugewandten Seite aufgebracht ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der entgegengesetzten Seite der Halbleiterscheibe eine zweite Trägerplatte mit der Halbleiterscheibe verlötet ist, die auf ihrer der Halbleiterscheibe abgewandten Seite eine Sehichtfolge aus Nickel, Kupfer, Gold trägt, die mit dem Boden der Anordnung, der aus einem Elektrizität und Wärme gut leitenden Material besteht, über ein Lot, z. B. aus einer Kupfer-Zinn-Legierung, verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 050 450,
1154 871;

schweizerische Patentschrift Nr. 383 506;
USA.-Patentschrift Nr. 2 863 105.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen