DE2036933A1 - Ohmsches Kontaktsystem für Festkörper-Halbleitereinrichtungen - Google Patents

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF

PATENTANWÄLTE .

8 MÜNCHEN 2, HILBLESTRASSE 2O

Dipl.-Ing. Stapf, 8 München 2, Htlblestra6e 20 ·

Unser Zeldien 19 767 ^Datum

24, JuU 1970

Anwaltsakte 19 767

MOFSANTO COMPANY, St. Louis, Missouri, U.S.A.

Ohmsches Kontaktsystem für Pestkörper-Halbleiterein-

richtungen

Die Erfindung betrifft Ohmsche Kontaktsysteme für die Rückseite von Licht emittierenden Pestkörperdioden (kurz bezeichnet als LED).

Nach neueren wie auch nach früheren Verfahren werden verschiedene Metalle oder Legierungen zur Bildung Ohmscher Kontakte mit den n- oder p-Bereichen einer HaTbleitereinrichtung verwendet. In einigen Fällen ist es bei Ohmschen Kontaktmaterialien erforderlich, an der HaIb-

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leitereinrichtung zu löten. Andere- Ohmsche Kontakte wurden während des Wachstums des Halbleiterkristalls ausgebildet. Wieder ein anderes System beruht darauf, daß hoher Druck angewendet wird, um das Kontaktmaterial an dem ' Halbleiter zu befestigen.

Bestimmte Nachteile bei einigen Ohmsehen Kontaktsystem nach dem Stand der Technik sind mit der Anwendung hoher Temperaturen oder Drücke oder der Verwendung von Kontaktmaterialien, welche die elektrischen Eigenschaften des Kristalls nachteilig beeinflussen, verbunden. Andere Probleme bei Ohmsehen Kontakten nach dem Stand der Technik betreffen eine schlechte Haftung an dem oder einen schlechten Kontakt mit dem Halbleiterkristall, was zu unregelmäßiger Leistungsfähigkeit und/oder Ausfall der Einrichtung führt.

Die Erfindung schafft ein rückseitiges Ohmsches Kontaktsystem für Pestkörper-Halbleitereinrichtungen, welches keinen mit hoher Lottemperatur oder hohem Druck verbundenen Kontaktiervorgang erfordert, und welches eine zusammenhängende Verbindung mit dem Halbleiterkristall schafft.

Weiter schafft die Erfindung einen hervorragenden Ohmschen Kontakt an der Rückseite von monolithischen, Licht emit-

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tierenden 3?estkörper-Planardioden und Anordnungen von innen.

Gemäß Erfindung wird der Ohmsche Kontakt an Hallsleitermaterialien von n-leitfähigkeit vorgesehen, indem eine Mehrzahl von Schichten von Bestandteilen des Kontaktsystems aufeinanderfolgend an dem Halbleiter vorgesehen wird, und zwar gewöhnlich an dessen Rückseite, gleichgültig, Qt es sich um einzelne Dioden oder Anordnungen von ihnen handelt. Bei einer Ausführungsform wird zuerst eine Schicht von Zinn auf den Halbleiter aufgedampft. Darauf folgt dann ein aufgedampfter Goldfilm. Dieser Aufbau wird dann erhitzt, damit das Zinn und das Gold mit dem Halbleiter verschmelzen und auf diese Weise in ihm einenN⁺-Bereich bilden. Danach wird der legierte Aufbau mit einer Schicht von Nickel plattiert, auf welche danach eine Schicht von Gold aufgedampft wird. Der ganze Aufbau wird dann erhitzt, um das Nickel und das Gold mit den Bestandteilen des N⁺-Bereichs des Halbleiterkristalls zu verschmelzen. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die verschiedenen Schichten von Zinn, Gold, Nickel und Gold alle aufgebracht, bevor der Aufbau zur Bildung des N⁺-Bereichs des Halbleiters und einer mit ihm in Kontakt befindlichen nickelreichen Schicht legiert wird. Der für die Verwendung mit entweder einer einzelnen Diode oder einer Anordnung von ihnen legierte

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Aufbau wird dann oben auf einer Vorform einer Gold/Epoxyharz-Mischung angeordnet, welche wiederum auf einem goldplattierten Basismaterial oder Hauptstück oder wahlweise auf einer mit Gold/Palladium siebbedruckten Grundplatte wie etwa aus Aluminiumoxyd angeordnet ist. Die ganze Anordnung wird dann erhitzt, um den Halbleiterkristall mit der Grundplatte zu verbinden. Elektrische Leitungen werden entweder direkt an der P-Fläche oder an einem Metallkontakt an der P-Fläche der Einrichtung und an der goldplattierten Grundplatte angebracht. Nach dem Anbringen der Leitungen wird die Einrichtung mit einer Linse versehen und ist dann für den Betrieb fertig.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele von ihr und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Verfahrensdiagramm, wobei im Querschnitt eine Licht emittierende Halbleiter-Festkörperdiode gemäß Erfindung, welche einen Ohmschen Kontaktaufbau gemäß Erfindung aufweist, in aufeinanderfolgenden Fertigungsstufen gezeigt ist.

Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer abgewandelten Form der in Fig. 1D gezeigten, Licht emittierenden Diodeneinrichtung, bei welcher der metallische Ohmsche Kontakt direkt an der p-Fläche des

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Halbleiterkristalls ohne eine Zwischenschicht aus Siliciumdioxyd vorgesehen ist und "bei welcher der Ohmsehe Kontakt gemäß Erfindung an der Rückseite des Kristalls angebracht ist.

Pig. 5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer licht emittierenden Diodeneinrichtung, bei welcher das ursprüngliche Substrat, auf welchem ein epitaxialer PiIm aufgebracht wurde, an einer Einrichtung gehalten ist, welche mit dem rückseitigen Ohmschen Kontakt gemäß Erfindung versehen ist.

Pig. 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer abgewandelten Ausführungsform der in Pig. 3 gezeigten, Licht emittierenden Diodeneinrichtung, bei welcher der metallische Kontakt direkt auf der P-Oberflache des Halbleiterkristalls ohne eine Zwischenschicht aus Silieiumdioxyd vorgesehen ist.

Beispiel 1

Nachfolgend wird auf Pig. 1 Bezug genommen. Der in Pig.1A gezeigte Aufbau ist eine Halbleitereinrichtung, welche zur Anbringung eines rückseitigen Ohmschen Kontakts gemäß Erfindung vorbereitet ist. Bei dieser Ausführungsform ist ein Gallium-Arsenid-Phosphid-Kristall mit n-Leitfähigkeit mit 1 bezeichnet. Der Kristall ist durch folgende Größen gekennzeichnet; er besitzt einen Phos-

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phorgehalt im Bereich von 30$ bis 50$, eine irägerkonzentration von I₁O χ 10¹⁶ bis 1,0 χ ΙΟ¹⁸ Iräger/ccm von !Tellur, eine Beweglichkeit über.1300 cm²/Vsec, einen spezifischen Widerstand von etwa 0,028 Ohm-cm und eine Versetzungsdichte - im Amerikanischen mit dislocation density bezeichnet - (dieser Begriff betrifft Fehler im Pestkörper-KrIstallaufbau) von weniger als 2000/om². Die Kristalldicke beträgt von 0,15 bis 0,2 mm» Das in diesem Beispiel verwendete Gallium-Arsenid-Phosphid-Plättchen hat man vorher epitaxial auf einem Substrat eines einzelnen n-GaAs-Kristalls wachsen lassen, welcher mit Tellur dotiert wurde und einen spezifischen Widerstand im Bereich von 0,001 bis 0,005 Ohm-cm besitzt. Nachdem die Gallium-Arsenid-Phosphid-Schichtfür die Verbindung mit der Leitung in der unten beschriebenen Art und Weise vorbereitet wurde, wird das GaAs-Substrat duroh Schleifen bzw. Läppen entfernt, und es wird der rückseitige Ohmsche Kontakt in der hierin beschriebenen Weise angebracht·

Im Kristall 1 ist ein Plächenbereich 2 mit p-Leitfähigkeit ausgebildet, in welchen Zink-Arsenid bei 800⁰C 50 Minuten lang diffundiert wurde, um einen p-Bereich mit einer pn-Grenzschichttiefe von 0,006 mm zu bilden. Bei einer Ausführungsform weist die für den Zink-Arsenid-Diffusionsvorgang verwendete Diffusionsmaskff (nicht gezeigt) eine Schicht von auf dem Gallium-Arsenid-Phosphid-Kristall niedergeschlagenem Siliciumdioxyd auf, über der

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sich eine Schicht von mit Phosphor dotiertem Siliciumdioxyd und eine weitere Schicht von Siliciumdioxyd befinden. Mittels eines herkömmlichen photolithographischen Verfahrens - im Amerikanischen photoresist techniques genannt - wird ein Fenster mit der gewünschten geometrischen Konfiguration geöffnet, um den Kristall der oben erwähnten Diffusion auszusetzen. Nach der Diffusion werden die Diffusionsmaske und etwa 0,003 bis 0,004 nun des Grallium-Arsenid-Phosphids durch einen ÄtzVorgang mit einem geeigneten Ätzmittel, z.B. einer Mischung aus Schwefelsäure und Wasserstoffperoxyd, entfernt. Über der gereinigten Oberfläche des Kristalls wird eine neue Schicht von Siliciumdioxyd niedergeschlagen, und unter Anwendung eines photolithographischen Verfahrens (photosensitive resist method) wird eine Maske verwendet, um ein Gebiet des p-Bereichs des Kristalls so abzugrenzen und durch Ätzen so freizulegen, daß ein Teil des die pn-Übergänge an der Oberfläche des Kristalls überdeckenden Siliciumdioxyds belassen wird. Danach wird eine Schicht von Aluminium über, die Oberfläche des· Kristalls aufgedampft, welche einen Xontakt mit dem freiliegenden Bereich des p-Bereichs herstellt. Dann wird wieder unter Verwendung eines photolithographischen Verfahrens (photosensitive resist techniques) eine Maske verwendet, um den Bereich.des Aluminiumkontakts auf die gewünschte Konfiguration zu begrenzen.Durch Ätzen werden die Bereiche der Aluminiumschicht, welche

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nicht in den der gewünschten Aluminiumkontaktkonfiguration 4 entsprechenden Bereichen verwendet werden, entfernt. Der damit erhaltene Halbleiteraufbau ist nunmehr zum Aufbringen des rückseitigen Ohmschen Kontakts gemäß Erfindung bereit.

In Fig. 1B ist ein bevorzugter Ablauf bei der Aufschichtung der rückseitigen Ohmschen Kontaktmaterialien gezeigt. Aufeinanderfolgend wird zuerst eine Schicht 5 von Zinn auf die Rückseite des Kristalls 1 aufgedampft und dann eine Schicht 6 von Gold auf die Zinnschicht aufgedampft. Dann wird eine Schicht 7 von Nickel auf die erste Goldschicht plattiert und eine zweite Schicht 8 von Gold wird auf die Nickelschicht aufgedampft, um es vor Oxydation zu schützen. Dieser Mehrschichten-Kontaktaufbau wird dann auf 430⁰C etwa 30 Minuten lang, oder ganz allgemein auf eine ausreichend hohe Temperatur er-} hitzt, um die Metalle in den Schichten mit den Bestandteilen des Bereichs 1 mit η-Leitfähigkeit des Halbleiters zu verschmelzen, und um einen Bereich 9 mit ^-Leitfähigkeit und eine metallische Schicht 10 mit hohem Nickelgehalt zu bilden, wie dies aus Fig· 1C ersichtlich ist.

Gemäß einer Abwandlung der vorhergehenden Ausführungsfona werden die Zinnschicht 5 und die erste Goldschicht 6 (Fig. 1B) mit dem Kristall mit η-Leitfähigkeit bei etwa

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4-3O⁰O in einer Stickstoffatmosphäre verschmolzen, um den n⁺-Bereich 9 zu bilden, wie er in Pig. 10 gezeigt ist. Dann werden die ITiekelschicht 7 aufplattiert und die Goldschicht 8 aufgedampft und wiederum erhitzt, um das Nickel und das Gold mit den Bestandteilen der n⁺-Schicht 9 zu verschmelzen und die nickelreiche Schicht 10, welche in Fig. IC gezeigt ist, zu bilden.

Nach dem oben beschriebenen Legierungsvorgang wird der Halbleiterkristall, auf welchem viele einzelne Dioden oder Anordnungen von Dioden ausgebildet sein können, eingeritzt und in einzelne Einheiten (Quader oder Würfel) auseinandergebrochen. Entsprechend Pig. ID wird der Quader dann mit einer Gold/Epoxyharz-Vorform 11 (unter dem Begriff "Vorform" wird in der Anmeldung durchweg eine Einrichtung mit sehr genauen Abmessungen verstanden, mittels welcher andere getrennt hergestellte Einrichtungen sehr genau zusammen gepaßt werden können) auf einer Kovar-Grundplatte (Kovar ist ein Warenzeichen für bestimmte Legierungen; siehe dazu Römpp Chemielexikon, 1966, Spalte 3432) 12, welche mit einer Goldschicht 13 plattiert ist, angebracht und erhitzt, um den Quader mit der Basis zu verbinden. Dann werden Goldleiter 14 und 15 oder ein anderes geeignetes Leitermaterial angebracht, wie dies aus Pig.ID. ersichtlich ist. Die Einrichtung wird dann umhüllt und zweckmäßig mit einer Epoxyharzlinse (nicht gezeigt) versehen.

Gemäß anderen Ausführungsformen nach der Erfindung kann die Grundplatte oder Basis 12 verschiedene Leiter, Isola toren oder Halbleiter aufweisen, welche mit verschiedenen Metallen oder Legierungen plattiert aind oder siebbedruokt

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und gebrannt sind. Bei einer bevorzugten AusfiiHiuhgsforffl^:- wird eine Aluminiumoxyd-Grundplatte verwendet, weichö^;'mälteiner Gold/Palladium-Legierung siebbedruckt und gebränn%»^ ist. Andere geeignete Plattier- oder Siebdruckmaterialien für die Grundplatte schließen verschiedene Metalle und Legierungen wie etwa. Molybdän und/oder Mangan, Molybdän/ Gold usw. ein. Andere Vorformen wie etwa Legierungen von verschiedenen Metallen, z.B. Gold/Silicium-, Zinn/Blei-,_; Gold/Germanium-Legierungen, können zweckmäßig verwendet werden. Es kann auch irgendein Plattier- oder Siebdruckmaterial und Vorformmaterial verwendet werden,; welches in der Lage ist, eine gute mechanische und elektrische Verbindung mit dem Halbleiterbauteil und der Grundplatte oder dem Hauptstück zu schaffen.

Beispiel 2 :

In Pig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung " gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden auch die im Beispiel 1 angewendeten Verfahrensschritte zur Ausbildung des rückseitigen Ohmschen Kontakts verwendet. Die Einrichtung wird jedoch auf andere Weise geändert, indem der Metall-p-Flächenkontakt direkt auf die Oberfläche des Kristalls aufgebracht wird. Die gewünschte Metallkontaktkonfiguration wird wieder durch photolithographische Teü~h< niken erreicht. In diesem Beispiel wird der Aluminiumkontakt 4-a mit irgendeiner Konfiguration im Mittelbereich

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d_es p-Bereichs 2 befestigt. Elektrische Leitungen 14- und 15 aus Golddraht oder irgendeinem anderen zweckmäßigen Material werden mit der Einrichtung verbunden, wonach die Einrichtung z.B. mit klarem Epoxyharz umhüllt wird und für den Gebrauch fertig ist.

B e i s ρ i e 1 3

In Pig.3 ist eine weitere Ausführungsform gemäß Erfindung gezeigt. Ein epitaxialer EiIm von G^aAs-j..χ^χ (x=° ^is einschließlich 1)1 wird epitaxial auf einem Substrat von n-GaAs (welche die n- und n⁺-Schichten 16 bzw. 17 aufweist) niedergeschlagen, wie auch schon im Beispiel 1. Bei dieser Ausführungsform wird das GaAs-Substrat nicht durch Schleifen oder Läppen entfernt (seine Dicke kann jedoch vermindert werden), es wird vielmehr als integraler Bestandteil der hergestellten, Licht emittierenden Diodeneinrichtung beibehalten. Der Vorgang der Anbringung des rückseitigen Ohmschen Kontakts wird, wie er oben bereits beschrieben wurde, auf die GaAs-Oberflache angewendet. Dadurch wird ein η -Bereich 17 und ein nickelreicher Bereich

18 darin ausgebildet. Die Einrichtung wird mit einer geeigneten Grundplatte 12 wie etwa einer goldplattierten Kovar-Grundplatte mittels einer Gold-Epoxyharz-Vorform

19 verbunden. Dann werden an der Einrichtung die elektrischen Leitungen angebracht und die Einrichtung wird dann, wie bereits oben beschrieben,

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für die Verwendung umhüllt.

Beispiel 4

Die in diesem Beispiel beschriebene Ausführungsform ist in Fig. 4 gezeigt. Die Einrichtung nach dieser Ausführungsform kombiniert Merkmale, welche in den Beispielen 2 und 3 beschrieben und zum Teil in den Pig. 2 und 3 gezeigt sind. Insbesondere wird gemäß Fig. 4 das GaAs-Substrat (welches von den Schichten 16 und 17 vor der Bildung des n⁺-Bereichs gebildet wird), welches bei dem Originalepitaxialniederschlagen der Gallium-Arsenid-Phosphidschicht 1 verwendet wird, beibehalten, und das oben beschriebene Ohmsche Mehrschichten-Kontaktsystem wird in der weiter oben beschriebenen Weise angebracht. Nachdem bei 430⁰C 50 Minuten lang legiert wurde, ist in dem GaAs- mit η-Leitfähigkeit ein η -Bereich 17 ausgebildet, und unterhalb des n⁺-Bereichs des GaAs-Kristails ist eine nickelreiche Schicht 18 ausgebildet. Die Einrichtung wird mit einer Aluminiumdioxydbasis 12, welche^ mit Gold/Palladium siebbedruckt und gebrannt wurde, mittels einer Gold/Germanium-Legierung 13 verbunden. Im allgemeinen bewegen sich die bei den oben beschriebenen Ausführungsformen vorteilhaften Legierungstemperaturen für den Ohmschen Kontakt im Bereich von 400 bis 50O⁰O während einer Zeitdauer im. Bereich von 0,5 Minuten bis

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zu 1 Stunde. Diese !Temperaturen und Zeiten können jedoch auch anders gewählt werden» um die notwendige Legierung auszuführen»

In ähnlicher Weise, wie schon weiter oben beschrieben!

können zweckmäßige Ohmsehe Kontakte mit anderen Halblei«

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termaterialien mit η-Leitfähigkeit verwendet werden, wie etwa Germanium, Silicium, und Legierungen davon und Verbindungen von !lementen der 11. und Vl* Gruppe des Periodensystems, wie etwa die Sulfide, Selenide, und !Telluride von Zink, Cadmium, Quecksilber und Mischungen davon, Verbindungen von Elementen der IV. und VI»Gruppe des Periodensystems, wie etwa Selenide und !Telluride von Blei und Verbindungen von Elementen der III. und Elementen der V· Gruppe des Periodensystems, wie etwa Nitride, Phosphide, Arsenide und Antimonide von Bor, Aluminium, Gallium, Indium und Mischungen davon. Selbstverständlich soll jeder Kristall 'mit η-Leitfähigkeit von der Srfindung umfaßt werden, welcher mit dem Kontaktsystem gemäß Erfindung zur Schaffung einer guten mechanischen und elektrischen Verbindung legierbar ist. Weiter können die Zeiten und !Temperaturen und andere 2um Erhalten des notwendigirtOhmschen Kontaktes gemäß Erfindung erforderlichen Bedingungen entsprechend den Erfordernissen der besonderen Halbleitermaterialien verändert werden*

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Die Erfindung wurde insbesondere unter Bezug auf beiror* ^^j zugte Aüsführungsforiaen Von ihr beschrieben» Ma: f aeh» ^ ^l leute ist es jedoch seibstverätändliöhi daß das verstehende lediglieh als beispielhafte Erläuterung dient" und die Erfindung nicht erschöpfend wiedergibt» und daß an* dere Abwandlungen der Erfindung für faehleuteaogiieh Sind, ohne daß der Erfindungsgedanke und der* Schutzbereich der Erfindung verlassen wenden» Während sich die

" Besenreibung insbesondere auf die Ausbildung des Ohmsehen Kontakts gemäß Erfindung au-f der Rückseite des Kristalls bezieht, kann der Kontakt selbstverständlich genau so gut an der Öbert- oder Vorderseite je nach den Erfordernissen angebracht werden, wie 2*B. bei jener Einäätzart der Halbleitereinrichtung, welche es erfordert, daß die p-Oberfläche des Kristalls sich rückwärts befindet, oder dann, wenn der Ohmsehe Kontakt auf dem oberen Flächen« bereich mit η-Leitfähigkeit eines Kristalls, wie etwa bei einem iransistor, vorgesehen sein muß. Selbstverständlich können die verschiedenen Bestandteile des Öhmsehen Kontaktsystems in Schichten von verschiedener flicke, die während versehiedener Zeitdauern, !Temperaturen und Brücke erhitzt wurden, aufgebracht werden, um den Ohmsehen Kontakt gemäß Erfindung zu erzeugen* Ebenso können selbstverständlich auch die Verfahren, mittels welcher die verschiedenen Schichten aufgebracht werden» verändert werden* Die verschiedenen Schichten können durch von

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Fachleuten ausgewählte Techniken aufgebracht werden,
wie etwa, durch gesteuerte Auf dampf ung, durch Spritzen, Sprühen, Streichauftragen, elektrolytisches Plattieren usw. und/oder ausgewählte Kombinationen von diesen und anderen Techniken.

Patentansprüche:

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Claims (1)

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1.J Verfahren zur Ausbildung eines Ohmschen Kontakts auf einer Halbleitereinrichtung, gekennzeichnet durch:

a) Schaffung einer Halbleitereinrichtung mit einem Bereich mit η-Leitfähigkeit;

b).Aufbringen einer Schicht von Zinn auf eine Fläche mit η-Leitfähigkeit der Halbleitereinrichtung; ψ c) Aufbringen einer Goldschicht auf die Zinnschicht;

§) Aufbringen einer Nickelschicht auf die &oldschicht;

e) Aufbringen einer Goldschicht auf die Nickelschicht;

f) Erhitzen des zusammengesetzten und mit den Schritten (a-e) gebildeten Aufbaus bei Temperaturen und während einer Zeitdauer, welche ausreichen, um die Me-

^ talle in den Schichten gemäß den Schritten (b-e) mit dem Bereich mit η-Leitfähigkeit zu verschmelzen und einen Bereich mit η -Leitfähigkeit darin sowie eine nickelreiche Schicht zu bilden;

g) oder anders den in den Schritten (a-c) gebildeten Aufbau bei einer Temperatur und während einer Zeitdauer zu erhitzen, welche ausreichen, um die Metalle in den Schichten entsprechend den Schritten (b und c) mit dem Bereich mit η-Leitfähigkeit zu verschmelzen und

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einen Bereich mit n⁺«-Iieitfähigkeit darin zu bilden und nachfolgend die Ausführung des Verfahrens nach den Sehritten {d und e) und

h) Anbringen des in Stufe (f oder g)

Aufbaus muf einer geeigneten Grundplatte mittels einer geeigneten Torfοrau

2, Terfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich^ net, daß der Halbleiterbestandteil der Halbleitereinrich-·- tung n-GraAs|___xP_x aufweist, wobei χ eine Zahl von 0 to is einschließlich 1 ist, daß sieh das GaAs₁ _J?'in epitaxial ler yerbindung mit einem Substrat von n-GaAs befindet» daß die Vorform eine Gold/Spoxyharzmischung ist, daß die Grundplatte goldplattiertes Kovar ist, und daß die Torform eine Gold/Germaniumlegierung ist und daß die Grundplatte Aluminiumoxyd mit einer siebaufgedruelctej! und gebrannten Gold/Palladiumlegierung ist»

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