DE2164429A1 - Ohmscher Kontakt für einen p-leitenden III-V-Halbleiter - Google Patents

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Dr. rer. nat. Horst Schüler PATENTANWALT

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Ohmscher Kontakt für einen p-leitenden III-V-Halbleiter

Die Erfindung bezieht sich auf die Bildung eines ohmschen Anschlusses oder Kontaktes an Halbleitermaterialien und die Verbindung des ohmschen Anschlusses oder Kontaktes mit einem Kopfstück. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ohmsche Anschlüsse oder Kontakte und die Verbindung derselben für p-leitende III-V-Halbleiter wie Galliumarsenid.

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Leuchtdioden j d.h. Pestkörper-Lampen, sind eine der vielen Bauelementtypen, für die p-leitendes Halbleitermaterial Verwendung findet. Eine Leuchtdiode besteht im allgemeinen aus einem pnübergangiler,wenn Strom durch ihn hindurchfließt₄ Licht abstrahlt und der an der Übergangsstelle des p-leitenden zum n-leitenden Halbleitermaterial, wie Galliumarsenid, entsteht. Die p- und n-Zonen werden durch Dotieren des Basismaterials mit gewissen Verunreinigungen in einem geeigneten Verfahren, wie in.einem Diffusionsverfahrerrsfmittels epitaxischer ZCtehfcur^g erzeugt. Die Herstellung erfolgt derart, daß eine dünne Waffel oder Wafer aus Basismaterial, wie Galliumarsenid, zur Bildung eines pn-übergangs

ψ zwischen den breiten Flächen der Waffel und parallel zu diesen behandelt und danach die Waffel in eine Vielzahl von Würfeln bzw. Pastillen unterteilt wird, von denen jede einen.pn-übergang enthält, Jede Pastille wird dann in ein Lampengehäuse montiert, wobei elektrische Verbindungen zu der p-Seite und der η-Seite der Pastille hergestellt werden, so daß zur Erzeugung von Licht ein Strom durch den pn-übergang geschickt werden kann. Die Herstellung der elektrischen Verbindungen kann dadurch geschehen, daß der Würfel mit der p-Seite nach unten auf ein goldplattiertes Kopfstück aus Kovar gesetzt und auf über 500⁰C erhitzt wird, wodurch der Würfel an das goldplattierte Kopfstück angeschmolzen wird. Zur Vervollständigung der elektrischen Verbindung wird auf der n-

^ Seite des Würfels ein kleiner Punktkontakt angebracht und das Kopfstück mit einer elektrischen Verbindung zu der p-Seite des Würfels versehen. Eine solche die Anschmelzung des Würfels bzw. der Pastille an das Kopfstück bewirkende Erhitzung der Baugruppe führt jedoch zu einer unerwünschten Verringerung der Lichtemissionsfähigkeit der Diode. Eine Verringerung der Schmelztemperatur hat andererseits eine ungenügende Verbindung des Diodenwürfels mit dem Kopfstück zur Folge. Diese Nachteile werden durch die Erfindung überwunden und zwar durch ein Kontakt-, und Verbindungsmaterial für p-leitende III-V-Halbleiter , wie Galliumarsenid, das erfindungsgemäß aus einer Zusammensetzung ' einer Gold-Germanium- oder Gold- Silicium-Legierung und einem

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metallischen Element der Gruppe II des periodischen Systems der Elemente besteht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine eutektische Gold-Germanium- oder Gold- Silicium-Legierung vorgesehen* Das metallische Element der Gruppe II ist vorzugsweise Zink, dessen Anteil bei Verwendung einer eutektischen Gold-Germanium-Legierung ungefähr 1 bis 15 Gew.-% der Legierung beträgt. Das Verfahren zur Herstellung umfaßt mit besonderem Vorteil folgende Schritte: Zuerst wird eine Schicht der eutektischen Gold-Germanium-Legierung auf die p-Oberfläche eines Wafers eines III-V-Halbleitermaterials und über diese eine Schicht eines Metalls aus der Gruppe II abgeschieden, danach werden diese abgeschiedenen Schichten durch Erhitzen in die p-Oberfläche des Wafers gesintert, dann wird der Wafer in einzelne Würfel bzw. Pastillen zerteilt,eine Pastille mit der p-Fläche nach unten auf ein mit Gold belegtes bzw. beschichtetes Kopfstück aufgesetzt und schließlich durch kurzzeitiges Erhitzen die Pastille auf dem Kopfstück angeschmolzen.

Weitere Merkmale und Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung in Zusammenhang mit der Zeichnung hervor.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Vakuum-Verdampfungskammer, in der das erfindungsgemäße Kontakt- und Verbindungsmaterial auf eine p-Oberfläche eines Halbleiterwafer aufgebracht wird,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Waffel bzw. des Wafers mit darauf aufgedampften Materialien, die durch einen elektrisch erwärmten Streifen-Heizkörper erhitzt wird,

Flg. 3 eine perspektivische Ansicht der Waffel, nachdem die aufgebrachten Materialien auf die p-Oberfläche gesintert worden sind,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht der Waffel nach dem Anreißen

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der Oberfläche zwecks Trennung der Waffel in eine Vielzahl von Würfeln oder Pastillen,

Fig.5 eine Seitenansicht eines Würfels, der mit seiner p-Seite nach·unten auf einem Kopfstück angeordnet ist,

Fig.6 eine perspektivische Ansicht des Würfels auf einem Kopfstück und

Fig.7 eine perspektivische Ansicht einer Festkörper-Lampe mit

einem auf dem Kopfstück nach Fig. 6 angeordneten Linsent gehäuse.

Die Vakuumverdampfungseinrichtung besteht, wie aus Fig. 1 hervorgeht, aus einer Grundplatte 11, die mit einem Evakuieranschluß 12 versehen ist, und einer Deckelhaube 13, die vorzugsweise aus Glas besteht und vakuumdicht' auf die Grundplatte 11 aufgesetzt ist. Eine Waffel 14 aus einem III-S~Halb.le.iter.,_ wie Galliumarsenid, Galliumphosphid, oder Galliumarsenidphosphid, mit einer p-leitenden Oberfläche, wird mit dieser Oberfläche nach unten dadurch gehalten, daß sie festgeklemmt oder auf andere Weise an einer Trägerplatte angebracht wird. Die Trägerplatte 16 ist innerhalb der Vakuumkammer mittels eines an der Grundplatte 11 befestigten Armes 17 gehalten. Zwei Schalen 18 ρ und 19 sind mit Stempeln 21, die eine elektrische und thermische Isolation der Schalen 18 und 19 von der Grundplatte 11 gewährleisten, an der Grundplatte 11 befestigt. Vorzugsweise bestehen die Schalen 18 und 19 aus Metall und sind so angeordnet, daß sie durch einen unmittelbar durch das Metall der Schalen fließenden Strom erwärmt werden können. Eine der beiden Schalen 18 trägt eine Gold-Germanium- oder Gold-Silicium-Legierung 22 und die andere Schale 19 ein metallisches Element der Gruppe II, wie Zink hoher Reinheit (beispielsweise 99,999 %). Die genannte Legierung ist vorzugsweise eutektisch, obwohl im Falle der Gold-Germanium-Legierung der Anteil des Germarlums ungefähr

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5 bis 25 Gewichts-^ und im Falle der Gold-Silicium-Legierung der Anteil des Siliciums ungefähr 4 bis 10 Gew.-# der Legierung ausmachen kann.

Die Einrichtung wird evakuiert und die Gold-Germanium-Legierung 22 enthaltende Schale 18 elektrisch oder^Sfcfere Mittel erhitzt, wodurch auf der Unterseite der Waffel 14 auf der p-Oberfläche eine Legierungsschicht niedergeschlagen wird, vorzugsweise in einer Dicke von ungefähr 8.000 bis 20.000 8. Danach wird die das metallische Element der Gruppe II, wie beispielsweise Zink, enthaltende Schale 19 erhitzt, wodurch sich auf der Legierungsschicht eine Schicht des metallischen Elements der Gruppe II niederschlägt, deren Dicke vorzugsweise ungefähr 200 bis 2.000 oder ungefähr 1 bis 15 Gew.-% der zuerst niedergeschlagenen Schicht beträgt.

Die die erste Schicht 26 der eutektischen Legierung und die zweite Schicht 27 des metallischen Elements der Gruppe II tragende Waffel 14 wird danach wie aus der Fig. 2 hervorgeht, mit den aufgedampften Schichten 26 und 27 nach unten auf einen Heizstreif eir gelegt und mittels eines von einer Stromquelle 32 kommenden Stromes in einer inerten oder reduzierenden Atmophäre, wie Wasserstoff oder Stickstoff, auf eine Temperatur von ungefähr 45O°C kurzzeitig erhitzt, um die Schichten 26 und 27 in die Oberfläche der Waffel 14 zu sintern.

In dieser Entwicklungsstufe besitzt die Waffel etwa ein Aussehen, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die Waffel wird dann in einer kreuz und quer laufenden Welse, wie es es in Fig. 4 durch die Bezugs zeichen 36 angedeutet ist, zum Markieren einzelner Würfel oder Pastillen 37 angerissen und danach in eine Vielzahl von Würfeln 37 zerteilt. Einer dieser Würfel 37 wird, wie aus Fig. 5 hervorgeht, mit seiner p-Fläche nach unten auf einem goldplattierten Kopfstück 38 angeordnet. In dieser Figur

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ist das Kopfstück, das aus Kovar sein kann, mit einer Goldsehicht 39 plattiert. Die gestrichelte Linie 4l zeigt die Eindringtiefe der Zusammensetzung aus der eutektischen GoId-Germanium-Legierung und dem metallischen Element der Gruppe II im Würfel an. Unter der Voraussetzung, daß der Würfel 37 einen pn-übergang enthält, wird dieser ungefähr an einer durch die gestrichelte Linie 42 bezeichneten Stelle liegen, wobei der obere Teil 43 des Würfels 37 aus η-leitendem Material ist. Das Kopfstück 38 und der Würfel 37 werden dann, wie in Fig. 5 dargestellt ist, durch irgendeines der üblichen Mittel, wie einem Ofen oder durch Aufsetzen des Kopfstückes 38 auf einen Heizstreifen, in einer inerten oder reduzierenden Atmoshäre wie Wasserstoff oder Stickstoff kurzzeitig auf eine Temperatur zwischen 400° und 50O⁰C erhitzt, um den Würfel 37 an die Goldplattierung 39 des Kopfstückes 38 anzuschmelzen. Das Anschmelzen wird durch Schmelzen des in der oben beschriebenen Weise auf die p-Oberfläche des Würfels gesinterten Verbindungsmaterials·bewirkt.

In Fig. 6 ist ein typisches Kopfstück 38 gezeigt, mit dem die Pastille 37 in beschriebener Weise verbunden ist. Eine erste Zuleitung 46 ist am Kopfstück 38 befestigt und eine zweite Zuleitung 47 erstreckt sich durch eine öffnung im Kopfstück 38 und ist am Kopfstück unter Isolierung gegenüber dem Kopfstück mittels eines geeigneten Isoliermaterials 48, wie Glas, befestigt. Auf der oberen oder η-leitenden Oberfläche des Würfels 38 ist in bekannter Weise ein Punktkontakt 49 vorgesehen, der über einen Verbindungsdraht 51 elektrisch und mechanisch mit dem oberen Ende 52 der zweiten Zuleitung 47 verbunden ist. Wie aus Fig. 7 hervorgeht, kann ein Schutzgehäuse 56 auf das Kopfstück 38 aufgesetzt und an diesem befestigt werden. Das Schutzgehäuse 56 kann mit einer in eine am freien Ende befindliche öffnung eingesetzten Linse 57 versehen sein, so daß, wenn der Leuchtdiodenwürfel 37 aufgrund eines Stromflusses durch den pn-übergang 42, der durch Anlegen einer Spannung an die Zuführungsleitungen 46 und 47 erzeugt wird, Lichb emittiert;, das emittierte Licht

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- 7 durch die Linse in der gewünschten Weise gebündelt wird.

Das erfindungsgemäße Kontakt- und Verbinäungsmaterial, das, wie oben erläutert eine Zusammensetzung einer Gold-Germanium- oder Gold-Silicium-Legierung und eines metallischen Elements der Gruppe II umfaßt, erlaubt eine Verbindung des Würfels 37 mit dem Kopfstück 38 bei einer niedrigeren Temperatur, beispielsweise etwa um 100°C niedriger als die Temperatur, die bisher zur direkten Verbindung des p-leitenden Materials mit äer Goldauflage 39 des Kopfstückes 38 erforderlich war. Gleichzeitig erhielt man eine Verbindung mit einer sehr hohen mechanischen Festigkeit. Demgemäß wird eine gute Verbindung bei verringerter Temperatur erreicht und infolgedessen die Wahrscheinlichkeit einer ungünstigen Beeinflussung der Lichtemissionsfähigkeit der Leuchtdiode verringert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbringen des elektrischen Kontaktes und des Verbindungsmaterials auf die p-Oberfläche des Würfels 37 erlaubt eine Herstellung einer temporären elektrischen Verbindung, mit der p-Seite, während ein anderer elektrischer Kontakt mit dem Punktkontakt 49 hergestellt wird,, der vorher an der η-Seite der Diode in bekannter Weise vorgenommen wurde _s so daß die Lichtemissionsfähigkeit und andere Charakteristika der Diode gemessen werden können, bevor die Diode mit dem Kopfstück verbunden ist, wodurch defekte Dioden ausgemustert werden können, bevor sie mit der relativ teuren Kopfanordnung verbunden werden.

Neben der Erzielung einer verbesserten Verbindung bei niedrigerer Temperatur sorgt die Erfindung auch für einen höchst erwünschten kleineren Widerstand der Verbindung zwischen der p-Fläche und dem Kopfstück, was einen erhöhten Wirkungsgrad, eine größere Lichtausbeute und eine geringere Erwärmung der Lampe während des Betriebes zur Folge hat. Die Anteile der Gold-Germanium-Legierung und des. metallischen Elements der Gruppe II sind nicht

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besonders kritisch. Gute Ergebnisse wurden bei Verwendung der oben beschriebenen Materialanteile erzielt.

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Claims (11)

1. -O-

   Patentansprüche

   Ohmscher Kontakt mit einem p-leitenden III-V-Halbleitermaterial, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung aus einer Gold-Germanium- oder Gold-Silicium-Legierung und einem metallischen Element der Gruppe II des periodischen Systems der Elemente.
2. 2. Ohmscher Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine Gold-Germanium-Legierung mit einer Germaniummenge ist, die ungefähr 5 bis 25 ' Gew.-% der Legierung beträgt.
3. 3. Ohmscher Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t_s daß die Legierung ein Gold-Germanium-Eutektikum ist.
4. H. Ohmscher Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine Gold-Silicium-Legierung mit einer Siliciummenge ist, die ungefähr 4 bis 10 Gew.-% der Legierung beträgt.
5. 5. Ohmscher Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung ein Gold-Silicium-Eutektikum ist.
6. 6. Ohmscher Kontakt nach Anspruch 1, dadurch gekennze lehnet, daß das metallische Element der Gruppe II Zink ist.
7. 7. Ohmscher Kontakt nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung ein Gold-Germanium Eutektikum ist und in der die Zinkmenge ungefähr 1 bis 15 Gew.-% der eutektischen Legierung beträgt.

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8. 8. Ohmscher Kontakt nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß das III-V-Halbleitermaterial Galliumarsenid, Galliumphosphid oder Galliumarsenidphosphid ist.
9. 9. Ohmscher Kontakt nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 8 j gekennzeichnet durch die Verwendung bei einer Pestkörperlampe, die aus einem III-V-Halbleiter mit einem pn-übergang an der Grenzfläche der p-leitenden Zone und der n-leitenden Zone besteht und bei der sich der Kontakt an der Oberfläche des p-Bereiches befindet.
10. 10. Verfahren zum Herstellen des ohmschen Kontaktes und der mechanischen Verbindung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 9 zwischen einem III-V-Halbleitermaterial und einem metallischen Kopfstück, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Oberfläche des p-leitenden Materials eine Schicht aus einer GoId-Germanium- oder Gold-Silicium-Legierung in einer Dicke von 8.000 bis 20.000 8 und eine Schicht aus einem metallischen Element der Gruppe II in einer Dicke von 200 bis 2.000 8 aufgedampft wird, diese Schichten in die Oberfläche des p-leitenden Materials durch Erhitzen auf ungefähr 45O°C in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre gesintert werden, das p-leitende Material mit der so behandelten Oberfläche gegen das metallische Kopfstück gelegt wird und das p-leitende Material unter Erhitzung auf 400 bis 500⁰C in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre an das Kopfstück angeschmolzen wird.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfstück im Kontaktbereich mit dem p-leitenden Material mit Gold plattiert bzw. beschichtet ist.

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