DE1521336A1 - Process for the production of rod-shaped bodies made of gallium arsenide, provided on both faces with uniform, low-resistance contacts - Google Patents
Process for the production of rod-shaped bodies made of gallium arsenide, provided on both faces with uniform, low-resistance contactsInfo
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Description
Verfahren zum Herstellen von stäbchenförmigen, auf beiden Stirnflächen mit gleichförmigen niederohmigen Kontakten versehenen Körpern aus Galliumarsenid.Process for the production of rod-shaped, on both end faces bodies made of gallium arsenide and provided with uniform, low-resistance contacts.
Unter dem Namen Gunn-Effekt wurde kürzlich in der Literatur ein neues physikalisches Phänomen bekannt. Gunn entdeckte, daß bei einer homogenen Probe aus N-leitendem Galliumarsenid unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes von einigen 1 000 Volt/cm nach Überschreitung eines wohldefinierten Schwellenwertes der Feldstärke eine zeitabhängige Stromabnahme eintritt, die im wesentlichen unabhängig von den Bedingungen der äußeren Eigenschaften des Stromkreises ist. Für kurze, stäbchenförmige Proben aus Galliumarsenid wurden kohärente Schwingungen beobachtet, deren Schwingungsperiode der Übergangszeit der Elektronen zwischen den ohmschen Elektroden an den Stirnseiten der Probe entspricht. A new one has recently appeared in the literature under the name Gunn Effect physical phenomenon known. Gunn discovered that with a homogeneous Sample of N-conductive gallium arsenide under the action of an electrical Field of a few 1,000 volts / cm after exceeding a well-defined Threshold value of the field strength a time-dependent current decrease occurs, which is essentially independent of the conditions of the external properties of the circuit is. For short, rod-shaped samples made of gallium arsenide, coherent vibrations were observed The transition time of the electrons between the ohmic electrodes on the end faces of the sample corresponds.
Wie ausden Arbeiten von J. B. Gunn hervorgeht, wird für die elektrischen Kontakte, die an dem Galliumarsenidplättchen anzubringen sind, ein sehrAs can be seen from the work of J. B. Gunn, for the electrical Contacts to be attached to the gallium arsenide chip are a very important factor
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niedriger Widerstand gefordert, der kleiner ist als 0,1 Xl . Darüber hinaus wird wegen der Anwesenheit eines sehr starken P'eldes von den Kontakten gefordert, daß sie eine lineare spezifische Leitfähigkeit sowie nicht injizierende Eigenschaften besitzen und geometrisch regulär sind. Wie bekannt ist, kann man brauchbare Kontakte durch Benutzung von eutektischen Zusammensetzungen von Gold und Germanium herstellen. Aus der erwähnten Arbeit von J. B. Gunn geht hervor, daß derartige auf das N-leitende Galliumarsenid aufgebrachte, aus eutektischen Zusammensetzungen bestehende Niederschläge Kontakte mit niedrigem Widerstand ergaben.low resistance required, which is less than 0.1 Xl. About that in addition, because of the presence of a very strong field of the Contacts required that they have a linear specific conductivity and non-injecting properties and that they are geometrically regular are. As is known, one can make useful contacts using eutectic compositions of gold and germanium. From the above-mentioned work by J. B. Gunn it is apparent that such applied to the N-conducting gallium arsenide, from eutectic Compositions of existing precipitates gave low resistance contacts.
Nach Aufbringen des Eutektikums auf das Substrat aus Galliumarsenid bei Raumtemperatur muß durch Temperaturerhöhung des Substrats über 450 C ein Legierungsvorgang durchgeführt werden, bei dem eine Reaktion zwischen dem Gold-Germaniumeutektikum und der Oberfläche des Substrats stattfindet, was etwa 30 Sekunden bis 1 Minute in Anspruch nimmt. Da die Temperatur des Gold-Germaniumeutektikums bei etwa 350 C liegt, wird die eutektische Mischung vor Erreichen dieser Temperatur flüssig und beginnt sich in eine Vielzahl von untereinander getrennten Bereichen zusammenzuballen. Wird diese Konglomeration nicht durch geeignete Maßnahmen unterbunden, so entstehen durch den Legierungsvorgang eine Vielzahl von diskontinuierlichen kleinerenAfter applying the eutectic to the gallium arsenide substrate at room temperature an alloying process must be carried out by increasing the temperature of the substrate above 450 C, in which one Reaction between the gold germanium eutectic and the surface of the substrate takes place, which takes about 30 seconds to 1 minute to complete takes. Since the temperature of the gold germanium eutectic is around 350 C, the eutectic mixture becomes liquid before this temperature is reached and begins to separate into a multitude of one another To cluster areas. Will this conglomeration not prevented by suitable measures, the alloying process results in a large number of discontinuous smaller ones
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Kontaktbereichen, die infolge der Zusammenballung des Eutektikums in willkürlicher Anordnung die Oberfläche des Substrats bedecken.Contact areas resulting from the agglomeration of the eutectic cover the surface of the substrate in a random arrangement.
Die beschriebene Neigung zur Zusammenballung des aufzubringenden Eutektikums und dessen ungleichmäßige Verteilung auf der Oberfläche des Galliumarsenids macht die Herstellung von gleichförmigen Bau« elementen mit guten Kontaktierungen insbesondere im Rahmen einer ■Massenfabrikation sehr schwierig. Bei einer solchen im großen Maßstab durchgeführten Fabrikation ist es nun besonders wünschenswert, über geeignete Verfahren zu verfugen, die eine gleichförmige Verteilung des Gold-Germaniumeutektikums über die gesamte Oberfläche des zu kontaktierenden Bereiches eines relativ großflächigen Plättchens aus Galliumarsenid gestatten. Darüber hinaus sollte die erreichte Verteilung frei sein von dem Zufall unterworfenen Zusammenballungen der eutektischen Substanz, so daß man durch Zerteilen eines in der obengenannten Weise hergestellten, relativ großflächigen Plättchens eine große Anzahl von gut kontaktierten Galliumarsenidstäbchen herstellen kann. The described tendency to agglomeration of the Eutectic and its uneven distribution on the surface of the gallium arsenide makes the production of uniform construction « elements with good contacts, especially in the context of ■ mass production, are very difficult. With one on a large scale carried out fabrication, it is now particularly desirable have appropriate procedures in place that ensure uniform distribution of the gold germanium eutectic over the entire surface of the area to be contacted of a relatively large platelet from gallium arsenide. In addition, the achieved distribution should to be free from accidental agglomerations of the eutectic substance, so that by dividing one into the Above-mentioned way produced, relatively large-area plate can produce a large number of well-contacted gallium arsenide rods.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches ein gleichförmiges Kontaktieren von Galliumarsenidplä'ttchen gestattet^ wobei insbesondere die Neigung des zurThe present invention is therefore based on the object of a method indicate which uniform contacting of gallium arsenide wafers permitted ^ whereby in particular the tendency of the to
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Kontaktierung benutzten Eutektikums zur Zusammenballung zu unterbinden ist. Der Lösung der genannten Aufgabe liegt die Entdeckung zugrunde, daß die Zugabe eines höher schmelzenden Metalls, insbesondere von Nickel, zu dem verwendeten Gold-Germaniumeutektikum die Tendenz des Zusammenballens des Gold-Germaniumeutektikums weitgehend unterdrückt und daher eine Möglichkeit eröffnet, derartige eutektische Gemenge gleichförmig in innigem Kontakt auf ein Galliumarsenidplättchen größerer Flächenabmessung aufzubringen. Die Reihenfolge des Niederschlages der Kontaktierungskonstituenten während des Auf dampf vorgange s steht in direkter Proportion zu den Temperaturen, die erforderlich sind, einen bestimmten, festliegenden Dampfdruck'Contacting used eutectic to prevent agglomeration is. The solution to the stated problem is based on the discovery that the addition of a higher-melting metal, in particular from nickel to the gold germanium eutectic used the tendency of the gold-germanium eutectic to agglomerate is largely suppressed and therefore opens up a possibility of such eutectic mixture uniformly in intimate contact on a gallium arsenide plate to apply larger area dimensions. The order of the precipitation of the contacting constituents during the On steam process s is in direct proportion to the temperatures, which are required to have a certain, fixed vapor pressure '
-3 hervorzurufen. Deshalb verdampft zunächst das Germanium (10 Torr Dampfdruck bei 1251 C) und schlägt sich auf dem Substrat nieder. Bei weiterer Temperaturerhöhung tritt der genannte Vorgang auch für das Gold ein (10~ Torr Dampfdruck bei 1456 C), gefolgt vom Nickel (10~ Torr bei 1510 C) bei der höchsten Temperatur.-3 to cause. Therefore, the germanium (10 Torr Vapor pressure at 1251 C) and is deposited on the substrate. at If the temperature increases further, the process mentioned also occurs for the gold (10 ~ Torr vapor pressure at 1456 C), followed by the nickel (10 ~ Torr at 1510 C) at the highest temperature.
Die Gold- und Germaniumnieder schlage verschmelzen während des Legierungszyklus bei etwa 325 C zu dem erwähnten Eutektikum. Infolge der geringeren Löslichkeit des Nickels im Gold-Germaniumeutektikum bei der Legierungstemperatur bleibt die Nickel schicht als solche bestehen. Sie bewirkt für das flüssige Eutektikum eine gleichförmige innige Berührung mit der Substratoberfläche bis die Legierungstemperatur (450 - 480 C) erreicht und die Reaktion vollendet wird.The gold and germanium deposits merge during the Alloy cycle at about 325 C to the eutectic mentioned. As a result of the lower solubility of nickel in the gold germanium eutectic At the alloy temperature, the nickel layer remains as such. It produces a uniform effect for the liquid eutectic intimate contact with the substrate surface until the alloy temperature (450 - 480 C) is reached and the reaction is completed.
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Die obengenannte Aufgabe wird dementsprechend dadurch gelöst, daß auf ein Substratplättchen aus Galliumarsenid im Hochvakuum nacheinander sowohl die leichter flüchtigen Substanzen eines kontaktierenden eutektischen Gemenges als auch ein schwerer flüchtiges metallisches Element aufgedampft werden, daß nach Aufbringen der abschließenden Schicht des schwerer flüchtigen Elementes das Substrat mit den aufgedampften Schichten auf die Legierungstemperatur aufgeheizt und daß das auf beiden Seiten in der genannten Weise behandelte Substrat nach Abkühlung in dünne, stäbchenförmige Körper zerteilt wird, derart, daß beide Stirnseiten der erhaltenen Stäbchen gleichförmig von eutektischem Kontaktierungsmaterial bedeckt wird.The above-mentioned object is accordingly achieved in that on a substrate plate made of gallium arsenide in a high vacuum successively both the more volatile substances of a contacting eutectic mixture and a less volatile one metallic element are vapor-deposited that, after applying the final layer of the less volatile element, the substrate heated with the vapor-deposited layers to the alloy temperature and that it was treated in the same way on both sides Substrate is divided into thin, rod-shaped bodies after cooling, in such a way that both end faces of the rods obtained are uniform from eutectic contacting material is covered.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Figuren hervor. In diesen bedeuten:Further details of the invention can be found in the following detailed description as well as from the accompanying figures. In these mean:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer geeigneten Vakuumkammer zum Aufdampfen einer Nickel- und einer eutektischen Schicht aus Gold-Germanium,Fig. 1 is a schematic representation of a suitable vacuum chamber for vapor deposition of a nickel and a eutectic Layer of gold germanium,
Fig. 2 eine auf dem Substrat ohne Benutzung des Erfindungsgedankens aufgebrachte Schicht eines Eutektikums auf einer Oberfläche aus Galliumarsenid, wobei eine unregelmäßige Konglomeration des aufgebrachten Schichtmaterials stattfindet, 2 shows one on the substrate without using the inventive concept applied layer of a eutectic on a surface of gallium arsenide, with an irregular Conglomeration of the applied layer material takes place,
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Fig. 3 einen mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung aufgebrachten, gleichförmig sich über die gesamte Oberfläche erstreckenden Niederschlag, der unter Benutzung von Nickel als zusätzlich aufzudampfende Substanz gewonnen wird,3 shows an applied with the aid of the method according to the invention, uniformly extending over the entire surface of the precipitation, which is in use is obtained from nickel as an additional substance to be evaporated,
Fig.4 einen Querschnitt entlang der Linie 4-4 der Fig. 3.FIG. 4 is a cross-section along line 4-4 of FIG. 3.
Bei bekannten Verfahren zum Herstellen ohmscher Kontakte auf Galliumarsenidoberflächen wird das Galliumarsenidplättchen 2 in einer geeigneten Vakuumkammer 4 gehaltert. Das eutektische Gemenge von Gold-Germanium wird in Form eines Kügelchens 6 in das Schiffchen 8 eingebracht. Das für das Eutektikum vorgesehene Gemenge wird mit Hilfe bekannter Mittel aufgeheizt, beispielsweise durch eine elektrische Energiequelle 3, wobei der Strom über die Kontakte 5 und 7 zugeführt wird, so daß sich eine Temperaturerhöhung des Schiffchens 8 einstellt. Nach Verdampfung der Substanz innerhalb der Vakuumkammer bleibt eine dünne Schicht des eutektischen Gemenges auf der Oberfläche des Plättchens zurück. Die Heizrate wird durch bekannte, in der Figur nicht gezeigte Hilfsmittel gesteuert. Ist die eine Oberfläche des Plättchens auf die obengenannte Weise behandelt, wird das Plättchen in der Vakuumkammer umgedreht, so daß in gleicher Weise auch die entgegengesetzte Oberfläche mit einen! Überzug aus Gold-Germanium versehen werden kann.In known methods for producing ohmic contacts on gallium arsenide surfaces the gallium arsenide plate 2 is held in a suitable vacuum chamber 4. The eutectic mixture of gold-germanium is introduced into the boat 8 in the form of a bead 6. The mixture intended for the eutectic is with the help known means heated, for example by an electrical energy source 3, the current being supplied via the contacts 5 and 7, so that the temperature of the boat 8 increases. To Evaporation of the substance inside the vacuum chamber leaves a thin layer of the eutectic mixture on the surface of the platelet return. The heating rate is controlled by known aids not shown in the figure. Is the one surface of the platelet on the Treated above, the wafer is turned over in the vacuum chamber, so that in the same way the opposite surface with one! Gold-germanium coating can be provided.
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Nach Beendigung beider Aufdampfvorgänge wird das Plättchen in einen Ofen eingegeben, der gleichfalls evakuiert ist. Das Galliumarsenid und die darauf niedergeschlagenen Schichten von Gold-Germanium werden auf etwa 480 C aufgeheizt. Hierbei findet eine Legierungsreaktion zwischen der aufgedampften Schicht aus Gold-Germanium und dem Substratmaterial Galliumarsenid statt. Bevor jedoch die Legierungstemperatur von 450 C erreicht wird, tendiert das Gold-Germanium zu einer Konglomeration innerhalb willkürlicher, unregelmäßiger Bereiche in einem Temperaturbereich zwischen 325 C und 450 C. Die sich bei einem solch'en Vorgehen einstellende Deckschicht ist aus der Fig. 2 ersichtlich. Die sich durch die erfolgende Konglomeration ergebenden Schichtpartikel mit den Bezugsziffern 10, 12, 14, 16 usw. zeigen, in wie hohem Maße diese Partikel willkürlich über die Oberfläche des Galliumarsenidsubstrats 2 verteilt sind. Es ist daher nicht möglich, das so erhaltene Produkt in gleichförmiger Weise zu zerschneiden, um als Endprodukt eine Vielzahl von Halbleiterstäbchen aus Galliumarsenid zu bekommen, die auf beiden Seiten mit zufriedenstellend arbeitenden Elektroden aus einem Gold-Germaniumeutektikum überzogen sind.After both evaporation processes have been completed, the wafer is in entered an oven, which is also evacuated. The gallium arsenide and the layers of gold-germanium deposited on it are heated to around 480 C. An alloy reaction takes place here between the vapor-deposited layer of gold-germanium and the substrate material gallium arsenide. Before, however the alloy temperature of 450 C is reached, tends the gold germanium to a conglomeration within arbitrary, irregular areas in a temperature range between 325 ° C and 450 ° C. The top layer that occurs with such a procedure can be seen from FIG. The layer particles resulting from the conglomeration carried out with the reference numerals 10, 12, 14, 16 etc. show the extent to which these particles are arbitrary are distributed over the surface of the gallium arsenide substrate 2. It is therefore not possible to produce the product so obtained in a more uniform manner Way to cut up a variety of semiconductor rods as the end product from gallium arsenide to get those on both sides with satisfactory working electrodes made of a gold germanium eutectic are coated.
Wird jedoch entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung der in Fig. 1 dargestellte Niederschlagsprozeß so modifiziert, daß einIf, however, according to the teaching of the present invention, the deposition process shown in FIG. 1 is modified so that a
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Streifen Nickel 18 in das Schiffchen 8, in dem auch die Pille 6 eich befindet, eingebracht wird, so ergibt sich folgendes: Die Pille 6 mit den Substanzen zur Bildung des Eutektikums verdampft zuerst und bei den sich später einstellenden etwas höher liegenden Temperaturen verdampft ebenfalls das Nickel und lagert sich als Schicht oberhalb des eutektischen Gold-Germanium-Gemenges ab. Beide Seiten des Plättchens 2 werden mit der eutektiechen Substanz sowie mit einer diese abdeckende Schicht aus Nickel versehen. Wird nunmehr das Plättchen 2 in einen Vakuumofen eingebracht, so besteht zwar immer noch die Tendenz der Gold-Germaniumsubstanz, bei Temperaturen im Bereich von 325° C bis 450° C unregelmäßig zu konglomerieren, jedoch verhindert der über dieser eigentlichen eutektischen Substanz abgelagerte Nickelfilm diese Konglomeration und die Legierungstemperatur von 450° C wird erreicht, ohne daß die genannte Zueammenballung der eutektischen Substanz eintritt. Infolge des Legierungsvorgange ^ der durch eine Erhitzung des Plättchen» mit den aufgebrachten Schichten für eine Zeit von etwa 1 Minute eingeleitet wird, ergibt sich eine gleichförmige Verteilung des Elektrodenmaterials über die gesamte Oberfläche des Plättchene Z. Das Plättchen wird anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt und in gleichförmige Stäbchen geteilt, die an beiden Stirnseiten die gewünschte Kontaktierung aufweisen.Strip of nickel 18 is introduced into the boat 8, in which the pill 6 is also located, so the following results: The pill 6 with the substances for the formation of the eutectic evaporates first and at the slightly higher temperatures that are set later this also evaporates Nickel and is deposited as a layer above the eutectic gold-germanium mixture. Both sides of the plate 2 are provided with the eutectic substance and with a layer of nickel covering it. If the plate 2 is now placed in a vacuum furnace, the gold-germanium substance still tends to conglomerate irregularly at temperatures in the range from 325 ° C to 450 ° C, but the nickel film deposited over this actual eutectic substance prevents this conglomeration and the alloy temperature of 450 ° C. is reached without the aforementioned agglomeration of the eutectic substance occurring. As a result of the alloying process, which is initiated by heating the platelet with the applied layers for a period of about 1 minute, the electrode material is uniformly distributed over the entire surface of the platelet Z. The platelet is then cooled to room temperature and made uniform Chopsticks divided, which have the desired contact on both ends.
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MilMil
Der dem Inhalt des Schiffchens zugefügte Nickelanteil 18 liegt zwischen 2 bis 11 Gew. % des eutektischen Gemenges aus Gold und Germanium, wobei sich als bester Wert etwa 5 Gew.% herausgestellt haben. Mit Sicherheit kann über den Grund, warum die Anwesenheit des Nickels die unerwünschte Konglomeration unterbindet, kejne Angabe gemacht werden. Man glaubt jedoch, daß das Nickel bzw. Germanium eine sehr geringe Löslichkeit besitzt. Das Nickel, das daher nicht wesentlich in dem Gold-Germanium-Gemenge gelöst wird, verstärkt die eutektische Schicht und ermöglicht einen gleichförmigen innigen Kontakt der eutektischen Substanz mit dem Substrat 2. Wie aus der Fig. 4 zu ersehen ist,, umfaßt das Endprodukt eine mittlere Schicht 2 aus Galliumarsenid und sowohl auf der Ober*- als auch auf der Unterseite je eine Schicht 7 und 9, die aus der eutektischen Substanz bestetafe wobei sich auf diesen letzteren Schichten noch je eine Nickelschicht 11 befindet. Obwohl eine Massenfertigung von Galliumarsenid-Halbleiterkörpern mit gleichförmigen Elektroden aus einem Germanium-Goldeutektikum besonders wünschenswert war, konnte man bisher eine solche nicht in befriedigender Weise ausführen. Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Maßnahme gestattet es jedoch, über große Oberflächengebiete von Substraten aus Galliumarsenid eine mechanisch und elektrisch gleichförmige Kontaktschicht anzubringen^ wodurch nunmehr auch die Massenfabrikation von gleichförmig kontaktierten Halbleiterkörpern realisierbar gewordenist.The nickel content 18 added to the contents of the boat is between 2 to 11% by weight of the eutectic mixture of gold and germanium, the best value being found to be about 5% by weight. Certainly it can be said about the reason why the presence of the nickel the undesired conglomeration prevents, no information is given. However, it is believed that the nickel or germanium is a very has low solubility. The nickel, which is therefore not significantly in the gold-germanium mixture is dissolved, intensifies the eutectic Layer and enables a uniform intimate contact of the eutectic substance with the substrate 2. As can be seen from FIG is ,, the end product comprises a middle layer 2 of gallium arsenide and a layer 7 on both the top * and the bottom and 9, which consist of the eutectic substance being based on these the latter layers each have a nickel layer 11. Even though a mass production of gallium arsenide semiconductor bodies with uniform electrodes from a germanium Goldeutektikum in particular was desirable, so far one could not in such a way perform in a satisfactory manner. The underlying of the present invention Measure allows it, however, over large surface areas of substrates made of gallium arsenide one mechanically and electrically to attach uniform contact layer ^ which now also the Mass production of uniformly contacted semiconductor bodies has become feasible.
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