DE2461210A1

DE2461210A1 - Verfahren zum anbringen von kontakten an licht umwandelnde halbleiter- elemente

Info

Publication number: DE2461210A1
Application number: DE19742461210
Authority: DE
Inventors: John Richard Debesis
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-12-26
Filing date: 1974-12-23
Publication date: 1975-07-10
Also published as: US3909929A; JPS5098796A

Description

Verfahren zum Anbringen von Kontakten an Licht umwandelnde Halbleiter-Elemente

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Licht umwandelnden Festkörpergeräte, die Licht aussendende Dioden oder lichtempfindliche Dioden anwenden und im infraroten oder sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums wirksam sind. In Pestkörperlampen ist die lichtemittierende Diode aus einem flachen Materialplättchen hergestellt, wie aus Galliumarsenid, Galliumphosphid, Galliumarsenidphosphid oder Siliziumkarbid, das in geeigneter Weise mit einem Dotierungsmaterial-dotiert i3t, um einen pn-übergangsbereich zu bilden, der sichtbares oder Infrarot-

5 0 9 8 2 8/0614

licht abgibt, wenn Strom durch ihn hindurchgeleitet wird. Der pn-übergangsbereich befindet sich zwischen und parallel zu der oberen und der unteren Oberfläche der Diode und es wird der Einfachheit halber angenommen, daß das zu verwendende Licht das ist, das durch die obere Oberfläche austritt. Von dem durch den pnübergangsbereich ausgesandten Licht tritt nur ein geringer Anteil durch die obere Oberfläche der Diode nach außen aufgrund der Wirkung des "kritischen Winkels", der durch den hohen Brechungsindex des Diodenmaterials verursacht wird, wodurch nur solche Lichtstrahlen durch die Oberfläche austreten und verwendbares ausgesandtes Licht werden können, die die obere Oberfläche senkrecht und etwa senkrecht treffen, während die verbleibende Mehrheit der Lichtstrahlen an der oberen Oberfläche nach innen reflektiert wird.

Die durch die obere Oberfläche der Diode abgegebene Lichtmenge kann erhöht werden, indem man die obere Oberfläche der Diode mit einem Material einkapselt, das einen Brechungsindex von größer als 1 hat, d. h. größer als dem von Luft, wodurch man den kritischen Winkel erhöht und dadurch ermöglicht, daß eine größere Menge Licht durch die obere Oberfläche austreten kann, wie in der US-PS 3 676 668 beschrieben. Das Material zum Einkapseln kann auch so gestaltet sein, daß es als Linse wirkt. Die vorgenannte US-PS offenbart auch eine Möglichkeit zur Erhöhung der Menge des abgegebenen Lichtes durch Montieren des unteren Teils der Diode auf einen mechanischen Träger-und elektrischen Kontaktteil in einer solchen Weise, daß ein Hauptanteil der unteren Oberfläche an Luft oder ein anderes Material mit einem geringen optischen ßrechnungsindex grenzt, um den kritischen Winkel zu reduzieren und so die innere Lichtreflexion an der unteren Oberfläche zu erhöhen und dadurch die Lichtmenge zu vergrößern, die nach oben durch die obere Oberfläche der Diode ausgestrahlt wird. Die vorliegende Erfindung umfaßt kurz gesagt und in einer bevorzugten Ausführungsform die Stufen der Schaffung einer Metallschicht wie eines Gold-Germanium-Eutektikums auf einer Oberfläche eines Licht umwandelnden Halbleiter-Elementes_/ wie η-dotiertem Galliumphosphid, danach zeitweiliges Erhitzen,um die Trennung des Metalles der

509828/06U

Schicht in verteilte einzelne Metallklümpchen zu verursachen, die auf die Halbleiteroberfläche gesintert sind, und dann das Herstellen elektrischen Kontaktes zu mindestens einigen der verteilten Metallklümpchen. Das vorgenannte Erhitzen kann auf eine Temperatur von etwa 550 ⁰C für eine Zeit von etwa 2-5 Minuten in einer reduzierenden Atmosphäre erfolgen. . ■ .

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht eines Licht umwandelnden Halbleiter-Elementes mit pn-übergangsbereich, das eine dünne Metallschicht auf der oberen Oberfläche trägt,

Figur 2 eine Seitenansicht des Lichtumwandlungselementes während und nach dem Erhitzen, um das Metall der Schicht in verteilte einzelne Metallklümpchen zu trennen, die auf die Halbleiter-Oberfläche gesintert sind,

Figur 3 eine Draufsicht eines Teiles des Elementes nach Figur 2,

Figur 4 eine Seitenansicht eines Teiles des Lichtumwandlungselementes, das zwei entgegengesetzte. Extreme der Konfiguration der verteilten Metallklümpchen zeigt,

Figur 5 eine Seitenansicht des Lichtumwandlungselementes, das mit einem Träger- und Kontaktstück verbunden ist, wobei die Spitzen der verteilten Metallklümpchen sich in Kontakt mit der Oberfläche des Stückes befinden und auf dieses legiert sind, und

Figur 6 eine Seitenansicht eines Lichtumwandlungselementes, in dem sowohl die obere als auch die untere Oberfläche mit verteilten Metallklümpchen versehen sind, wobei die Metallklümpchen an der unteren Oberfläche mit dem Träger- und Kontaktstück mittels eines Epoxyzements verbunden sind, während die Metallklümpchen an der oberen Oberfläche mit

einer transparenten leitenden Beschichtung kontaktiert sind, 5098 2 8/0614

In Figur 1 ist eine Schicht 11 aus Metall auf der oberen Überfläche einer Licht umwandelnden Halbleiterscheibe 12 niedergeschlagen worden, wobei die Halbleiterscheibe einen pn-übergangsbereich 13 aufweist, der sich im wesentlichen parallel zur oberen und unteren Oberfläche der Scheibe erstreckt und die Halbleiterscheibe als Licht aussendende Diode oder als lichtempfindliche Diode wirkt. Die Lichtumwandlungsscheibe 12 kann aus Galliumarsenid, Galliumphosphid, Galliumarsenidphosphid, Siliziumkarbid oder anderen geeigneten Halbleitermaterialien hergestellt werden, die in geeigenter Weise zur Schaffung des pn-übergangsbereiches dotiert sind. Im allgemeinen, jedoch nicht notwendigerweise, wird der dickere Teil Ik der Scheibe 12 oberhalb des Übergangsbereiches 13 dotiert, um ein η-leitendes Material zu erzeugen, während die dünnere Schicht 15 unterhalb des Übergangsbereiches 13 zur Bildung eines p-leitenden Materials dotiert wird. Die Metallschicht 11 kann auf irgendeine bekannte Weise auf die obere Oberfläche der Scheibe 12 aufgebracht werden, z. B. durch thermisches Verdampfen, Zerstäuben, chemisches Dampfniederschlagen oder Elektroplattieren. Eine Metallzusammensetzung für die Schicht 11, die besonders geeignet ist für die Anwendung mit einer n-dotierten Schicht 12, von der das Grundmaterial Galliumphosphid ist, ist ein Gold-Germanium-Eutektikum mit 12 Gew.-? Germanium.

Die Metallschicht 11 wird durch zeitweiliges Erhitzen in einzelne verteilte Metallklümpchen 16 auf der oberen Oberfläche der Scheibe 12 getrennt, wie in Figur 2 gezeigt, und diese Klümpchen 16 werden in die η-dotierte Oberfläche der Scheibe 12 gesintert, wobei der übrige Bereich der oberen Oberfläche der Scheibe 12 frei ist von irgendwelchem Metall. Dieses Erhitzen kann in einem Ofen oder durch Strahlungserhitzen bewirkt werden. Eine geeignete Temperatur zum Aufteilen des genannten Gold-Germanium-Eutektikums in einzelne Metallklümpchen, die auf die obere Oberfläche der Halbleiterscheibe gesintert sind, liegt im Bereich von etwa 550 bis 600 ⁰C und die erforderliche Zeit beträgt 2 bis 5 Minuten in einer reduzierenden Atmosphäre, doch haben auch Temperaturen von nur *J30 C zu befriedigenden Ergebnissen geführt.

509828/Ö6U

Figur- 3 gibt eine Draufsicht auf einen Teil des in der Figur 2 abgebildeten Elementes wieder, welche dde willkürliche Verteilung und Größe der einzelnen Metallklümpchen zeigt, die auf die Halbleiteroberfläche gesintert s'ind. Die Größe und Gestalten der einzelnen Klümpchen 16 variieren etwas, wobei einige von ihnen im allgemeinen kugelförmig .sind wie das mit der Bezugsziffer l6a in Figur H bezeichnete Klümpchen, bei denen ein relativ kleiner Bereich auf die obere Oberfläche der Scheibe 12 gesintert ist, wie bei l6a' gezeigt. Das andere Extrem der Gestalten, mit der Bezugsziffer 16b in Figur 4 versehen, zeigt ein kuppeiförmig gestaltetes Metallklümpchen, bei dem der Bereich 16b', der auf die obere Oberfläche der Scheibe 12 gesintert ist, mindestens so groß ist wie der des Klümpchens l6b.

Die Scheibe wird dann in eine Vielzahl einzelner Lichtumwandlungselemente 12', die in den Figuren 5 und 6 gezeigt sind, zerteilt, von denen jedes eine Vielzahl von Metallklümpchen verteilt auf der Oberfläche aufweist. Das Verfahren kann aber auch dazu benutzt werden, Metallklümpchen auf einzelnen Elementen 12' herzustellen.

Ein elektrischer Kontakt wird zu einigen oder allen individuellen Metallklümpchen 16 hergestellt. Eine Möglichkeit, dies zu bewirken, ist in Figur 5 gezeigt, in der das Element 12· so angeordnet ist, daß sich mindestens einige der Klümpchen 16 in Kontakt mit der Oberfläche eines Träger- und elektrischen Kontaktteiles 21 befinden, welches ein mit Gold plattiertes Kovarstück umfassen kann. Die Anordnung wird auf eine Temperatur von etwa ^5O ⁰C für gerade die Zeit erhitzt, daß die äußeren Spitzen einiger der Klümpchen 16 schmelzen und sich mit der Goldplattierung des Stükkes legieren, um einen guten mechanischen und elektrischen Kontakt mit der Goldplattierung des Stückes 21 zu ergeben. Dies läßt einen Hauptteil des Bereiches der nun unteren Oberfläche des Elementes 12 an Luft grenzen, was die Wirkung hat, die innere Lichtreflexion an dieser nun unteren Oberfläche 3tark zu erhöhen und dabei die Menge des durch die nun obere Oberfläche des Elementes 12' ausgesandten Lichtes zu erhöhen.

509828/06U

Die Konstruktion wird vervollständigt durch Anbringen einer Zuleitung 22 an dem Trägerstück 21 und einer zweiten Zuleitung 23, die sie h durch eine Öffnung in dem Trägerstück erstreckt und durch eine Glas- oder Keramikperle 2k an Ort und Stelle gehalten und elektrisch von dem Trägerstück isoliert wird. Ein kleiner elektrischer Punktkontakt 26 wird auf der nun oberen Oberfläche des Elementes 12' geschaffen und mittels eines feinen Drahtes mit dem oberen Ende der Zuleitung 23 verbunden. Die Struktur kann, wie in der obigen US-PS 3 676 668 beschrieben, eingekapselt oder mit einer zylindrischen Kappe und Linse versehen werden, wie in der US-PS 3 458 779 beschrieben.

Die Figur 6 zeigt eine Anordnung, in der das Licht umwandelnde Halbleiterelement 12' mit einzelnen verteilten Metallklümpchen sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Oberfläche nach dem unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 beschriebenen Verfahren versehen worden ist. Die Metallklümpchen können erst auf einer und dann auf der anderen Oberfläche oder auf beiden Oberflächen gleichzeitig gebildet werden. Wegen der hohen Oberflächenspannung der Schicht aus geschmolzenem Metall muß die Schei-' be 12 nicht in irgendeiner besonderen Position während des Verfahrens orientiert werden; sie kann horizontal, vertikal oder in irgendeinem Winkel liegen. Eine Oberfläche des Elementes 12' ist gegen das oder benachbart zum Trägerstück 21^f angeordnet und damit unter Verwendung eines elektrisch leitenden Epoxyzements verbunden, der vorzugsweise klar ist, so daß durch die gebundene Oberfläche austretendes Licht von einer hellen reflektierenden Oberfläche des Trägerstückes 21' zurück in das Element 12 reflektiert werden kann. Der leitende Zement 31 stellt einen elektrischen Kontakt zwischen dem Trägerstück 21' und allen Metallklümpchen 16 der gebundenen Oberfläche des Elementes 12' her. Das Verbinden kann aber auch wie in Figur 5 gezeigt durchgeführt werden. Ein transparentes leitendes Metalloxyd-Kontaktmaterial 32, wie Zinnoxyd wird, z. B. durch Besprühen, auf die Licht abgebende Oberfläche des Elementes 12' aufgebracht und bildet einen elektrischen Kontakt mit allen Metallklümpchen 16 auf dieser Oberfläche. Diese transparente Beschichtung wird aufgebracht, bevor

B09828/06H

die Scheibe in einzelne Elemente zerteilt wird. Das Endstück des feinen Kontaktdrahtes 27 wird mit dieser transparenten leitenden Beschichtung 32 verbunden, z. B. indem es darin eingebettet wird.

Vorzugsweise wird die Scheibe 12 nicht auf eine so hohe Temperatur erhitzt wie die Metallschicht 11 während der Bildung der Metal Ik lümp ehe h, wie in Figur 2 gezeigt, damit die richtige Bildung der einzelnen MetallklUmpchen 16 sichergestellt wird. Dies kann unterstützt werden durch Anwenden von Strahlungswärme auf die Metallschicht. Wird das Gold-Germanium-Eutektikum verwendet, dann ist seine Schmelztemperatur geringer als die Temperatur, bei der das Verschmelzen stattfindet. Da also das Eutektikum schmilzt, bevor ein Verschmelzen eintritt, ist die Bildung verteilter Klümpchen sichergestellt. Bei einem anderen Material als Gold-Germanium, das bei einer hohen Temperatur schmilzt, kann ein neutrales Element hinzugegeben werden, um die Schmelztemperatur unterhalb die Verschmelztemperatur abzusenken. So wird festgestellt, daß die Temperatur, bei der die einzelnen Klümpchen 16 gebildet und in die Oberfläche der Scheibe 12 eingesintert werden, nicht sehr kritisch ist hinsichtlich der Größe der MetallklUmpchen 16, so daß die Temperatur hauptsächlich danach ausgewählt ^werden kann, um einen geeigneten elektrischen Kontakt geringen Widerstandes zwischen den MetallklUmpchen 16 und der Halbleiterscheibe 12 zu erhalten. Auch die Dicke der Metallschicht 11 ist nicht besonders kritisch. Dicken von 500 bis 5000 8 wurden als geeignet befunden. Die größeren der MetallklUmpchen 16 können etwa 100 000 8 (0,01 mm) haben. Die Größe der Klümpchen ist in der Zeichnung übertrieben dargestellt.

Die Qualität der oberen Oberfläche der Scheibe 12, auf welche die Metallschicht aufgebracht ist, hat eine Wirkung auf die Größe und Verteilung der MetallklUmpchen 16. Je glatter die Oberfläche, umso größer werden die MetallklUmpchen 16 sein und sie werden relativ weiter entfernt voneinander sein. Umgekehrt werden die MetallklUmpchen 16 umso kleiner und relativ enger beieinander sein, je rauher die Oberfläche ist. Es wurde festgestellt, daß eine glattere Oberfläche, welche die Bildung relativ größerer Metallklümp-

509828/0614

chen 16, die relativ weiter voneinander entfernt angeordnet sind, verursacht, zu einer erwünschten, relativ geringeren Gesamtfläche von Metallklümpchen führt, verglichen mit dem metallfreien Oberflächenbereich der Scheibe (z. B. 5 % der Gesamtfläche von Metallklümpchen bedeckt und 95 % metallfreie Oberfläche), was erwünscht ist, damit eine Maximalmenge Licht durch die Oberfläche austritt, die als Licht abgebende Oberfläche benutzt wird, und auch ein Maximum an innerer Lichtreflexion an der Oberfläche zu erzeugen, die die nicht Licht abgebende Oberfläche der Scheibe ist.

In Figur 4 ist ein Metallklümpchen, das die mit 16a bezeichnete Gestalt hat, vorzugsweise an der lichtreflektierenden Oberfläche der Diode angeordnet, da die Fläche 16a¹ des Klümpchens, die auf die Scheibenoberfläche gesintert ist, relativ gering ist, während das kuppeiförmig gestaltete Klümpchen, das mit der Bezugsziffer l6b bezeichnet ist, eine gesinterte Kontaktfläche IjSb-¹ hat, die mindestens so großflächig ist,wie die des Klümpchens l6b. An der Licht abgebenden Oberfläche des Elementes ist es jedoch der äußere Durchmesser oder die Fläche der Klümpchen 16a und l6b, die am belangvollsten sind für die Behinderung und/oder Zerstreuung des durch die Oberfläche des Elementes 12 austretenden Lichtes. Im allgemeinen ist die Gestalt 16a bevorzugt, da ihr Kontaktbereich mit der Scheibe kleiner ist und das ausgesandte Licht nur zerstreut wird, nicht aber absorbiert und damit verloren.

Es wird davon ausgegangen, daß zahlreiche Kombinationen von Metallen oder Metallegierungen für die ursprüngliche Metallschicht 11 in Kombination mit zahlreichen verschiedenen Materialien für den Halbleiter 12 eingesetzt werden können. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, daß die zur Oberfläche oder zu den Oberflächen der Diode 12* hergestellten elektrischen Verbindungen elektrisch über die ganzen Oberflächen verteilt sind und so einen gleichmäßigeren Stromfluß durch die Dicke und das ganze Volumen des Elementes 12· bewirken, während ein üblicher Punktkontakt 26, wie er in Figur 5 gezeigt ist, eine höhere Stromdichte in der Nähe des Punktkontaktes verursacht und eine

509828/0614

relativ geringere Stromdichte durch das Element 12' an seitlich entfernt von dem Kontakt 26 liegenden Stellen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch billig und zuverlässig und beseitigt die Notwendigkeit für ein Maskieren, um die Kontakte herzustellen, und beseitigt weiter die Notwendigkeit für verschiedene Masken mit verschiedenen Mustern zum Anwenden auf Scheiben mit verschiedenen Größen der Elemente 12'. Obwohl die Erfindung hauptsächlich unter Bezugnahme auf Licht aussendende Dioden beschrieben wurde, können die gleichen Prinzipien auch auf lichtempfindliche Dioden angewandt werden.

Zum Stand der Technik sei noch erwähnt, daß in "Solid-State Electronics", Pergamon Press (Großbritannien) 1967» Band 10, Seiten 381 - 383, über eine unerwünschte Bildung von Tröpfchen oder Inselchen eines legierten Kontaktes auf Halbleiterelementen berichtet und beschrieben'ist, wie die Bildung solcher Tröpfchen oder Inselchen des Metallschichtmaterials vermieden werden kann. Auch in der US-PS 3 702 290 sind Ausführungen über die Verhinderung des "Zusammenballens" und die Bildung von Inselchen auf Halbleitern enthalten.

509828/0614

Claims

- 10 Patentansprüche

Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes zu. einem Licht umwandelnden Halbleiterelement, gekennzeichnet durch die folgenden Stufen:

Aufbringen einer Metallschicht auf einer Oberfläche des Elementes,

zeitweiliges Erhitzen der Metallschicht, um deren Trennung in einzelne verteilte Metallklümpchen zu bewirken, die auf die Oberfläche des Elementes gesintert sind, und

Herstellen eines elektrischen Kontaktes zu mindestens einigen der verteilten Metallklümpchen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stufe für die Herstellung des elektrischen Kontaktes die folgenden Schritte umfaßt:

Anordnen des Elementes, so daß die äußeren Spitzen mindestens einiger der Metallklümpchen gegen die Oberfläche eines elektrisch leitenden Kontaktteiles stoßen, und

zeitweiliges Erhitzen, um die äußeren Spitzen in Kontakt mit der Oberfläche des Kontaktteiles zu schmelzen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stufe der Herstellung des elektrischen Kontaktes das Verbinden der Metallklümpchen mit der benachbarten Oberfläche eines elektrisch leitenden Kontaktstückes mittels eines elektrisch leitenden Zements umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stufe des Hersteilens elektrischen Kontaktes das Aufbringen eines transparenten, elektrisch leitenden Metalloxydmaterials auf die Oberfläche des Elementes und in elektrischen Kontakt mit mindestens einigen der verteilten Metallklümpchen umfaßt.

509828/0614

- li -
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Element Galliumphosphid umfaßt, ■das Metall Gold-Gerrnanium-Eutektikum umfaßt und daß das zeitweilige Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von etwa 450 bis 600 ⁰C erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 'dadurch gekennzeichnet , daß das Element eine Licht aussendende Diode mit pn-übergangsbereich ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine lichtempfindliche Diode mit pn-übergangsbereich ist.
8. Verfahren nach Anspruch 1, .. dadurch gekennzeichnet , daß das Element zwei im wesentlichen parallele Oberflächen und einen pn-übergangsbereich zwischen und im wesentlichen parallel zu den Oberflächen umfaßt, wobei die verteilten Metallklümpchen auf einer ersten der parallelen Oberflächen gebildet werden, und weiter eine zweite Metallschicht auf der zweiten der parallelen Oberflächen geschaffen wird, diese zweite Metallschicht zeitweilig erhitzt wird, um ihre Trennung in einzelne verteilte Metallklümpchen zu verursachen, die auf die zweite .Oberfläche des Elementes gesintert sind, und Herstellen eines elektrischen Kontaktes zu mindestens einigen der auf der zweiten Oberfläche verteilten Metallklümpehen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, weiter dadurch gekennzeichnet , daß das Element mit der ersten parallelen Oberfläche benachbart der Oberfläche eines elektrisch leitenden Kontaktteiles angeordnet wird, daß mindestens einige der Metallklümpchen auf der ersten Oberfläche des Elementes mit der Oberfläche des Kontaktteiles verbunden werden und daß ein transparentes, elektrisch leitendes Metalloxydmaterial auf die zweite Oberfläche des Elementes und in elektrischem Kontakt mit mindestens einigen der verteilten

509828/0614"

Metallklumpchen auf der zweiten Oberfläche des Elementes aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die weitere Stufe des Anbringens einer Zuleitung an dem Metalloxydmaterial.

509828/06U