DE1283975B

DE1283975B - Verfahren zur sperrfreien Kontaktierung von p-leitendem Galliumarsenid

Info

Publication number: DE1283975B
Application number: DES96219A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Alexander; Kefeli
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1965-03-26
Filing date: 1965-03-26
Publication date: 1968-11-28

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur sperrfreien Kontaktierung von p-leitendem Galliumarsenid für Sonnenzellen, bei dem auf die zu kontaktierende Galliumarsenidoberfläche eine Silberschicht aufgebracht wird.
Es ist bekannt, zur sperrfreien Kontaktierung von Halbleiterbauelementen auf die zu kontaktierende Oberfläche des Halbleiterkörpers schichtförmige Metallkontakte aufzubringen. Zur Herstellung einer festen mechanischen Verbindung zwischen dem Metallkontakt und dem Halbleiterkörper werden die Kontakte in den Halbleiterkörper einlegiert. Dabei bildet sich eine Schmelze und bei deren Erstarren ein Eutektikum zwischen Kontaktmaterial und Halbleitermaterial.
Bei einem bekannten Verfahren zur sperrfreien Kontaktierung der p-leitenden Zonen planarer Galliumarsenidtransistoren wird auf die auf 600° C erhitzte Galliumarsenidoberfläche eine Schicht aus Silber mit Magnesiumzusatz aufgedampft und dabei gleichzeitig einlegiert. Ferner ist es bekannt, zur Herstellung -eines ohmschen Kontaktes zwischen einem metallischen Träger aus einer Nickellegierung (Kovar) und einem p-leitendem Galliumarsenidkörper diesen mittels eines Lotes aus einer Zink-Gold-Legierung mit dem Träger zu verbinden.
Derartige Kontaktierverfahren können jedoch nicht zur Kontaktierung von Halbleiterbauelementen mit pn-übergängen verwendet werden, bei welchen ein pn-Übergang sehr dicht, beispielsweise im Abstand von 1 t, unter der zu kontaktierenden Halbleiteroberfläche liegt. Die beim Einlegieren der Kontakte auftretende Schmelzzone hat nämlich eine Tiefe von mehr als 1 [,, was zur Zerstörung des pn-Übergangs führen würde. Bei durch Diffusion von Störstellen erzeugten pn-übergängen ergibt sich die zusätzliche Schwierigkeit, daß die zum Einlegieren von Kontakten notwendige Legierungstemperatur eine zusätzliche Diffusion der Störstellen bewirken kann.
Die geschilderten Schwierigkeiten treten insbesondere bei der sperrfreien Kontaktierung von Galliumarsenid-Sonnenzellen auf, deren durch Eindiffundieren von Akzeptorstoffen in den Halbleitergrundkörper erzeugter pn-übergang von der zu kontaktierenden Oberfläche einen Abstand von etwa 1 R, oder weniger besitzt. Bei diesen Sonnenzellen wird die p-leitende Schicht zwischen der zu kontaktierenden Oberfläche und dem pn-übergang deshalb so dünn gewählt, um einen hohen Wirkungsgrad der Sonnenzellen zu erreichen. Eine technisch brauchbare sperrfreie Kontaktierung der p-leitenden Oberfläche der Galliumarsenid-Sonnenzellen kann auch nicht in der Weise bewirkt werden, daß die schichtförmigen Metallkontakte lediglich aufgebracht, beispielsweise aufgedampft, aber nicht einlegiert werden. Eine derartige Kontaktierung würde eine zu geringe mechanische Festigkeit besitzen und zusätzliche Kontaktierungseinrichtungen notwendig machen, die aber gerade bei Sonnenzellen vermieden werden müssen, um ein geringes Gewicht dieser Zellen sowie eine möglichst große, der Lichteinstrahlung ausgesetzte Oberfläche zu erzielen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der sperrfreien Kontaktierung von p-leitendem Galliumarsenid für Sonnenzellen die genannten Schwierig- i keiten zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß auf eine auf die zu kontaktierende Galliumarsenidoberfläche aufgebrachte Silberschicht erfindungsgemäß eine Nickelschicht aufgebracht wird und da8 diese Metallschichten durch Tempern zwischen etwa 250 und 400° C mit dem Galliumarsenid verbunden werden.
Durch die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Kombination einer Silber- und einer Nickelschicht werden mechanisch feste Kontakte mit guten elektrischen Eigenschaften erzielt. Die zum Tempern verwendeten Temperaturen liegen unterhalb der Bildungstemperatur eines Eutektikums zwischen dem Kontakt- und dem Halbleitermaterial und unterhalb der zur Herstellung der pn-Übergangs der Sonnenzellen verwendeten Diffusionstemperaturen von etwa 600 bis 900° C. Es wird daher sowohl das Auftreten einer den pn-übergang gefährdenden Schmelzzone als auch eine Veränderung des pn-übergangs durch Diffusion von Dotierstoffen verhindert. Dennoch wird eine feste mechanische Verbindung zwischen dem Halbleiterkörper und den Kontakten erzielt.
Während bei Laboratoriumsversuchen mit Silberkontakten festgestellt wurde, daß die mechanische Festigkeit der Kontakte unzureichend ist, und sich bei Versuchen mit Nickelkontakten ergab, daß die elektrischen Eigenschaften der Nickelkontakte schlechter sind als die elektrischen Eigenschaften der Silberkontakte, zeigte sich in überraschender Weise, daß die erfindungsgemäße Kombination beider Kontaktmaterialien zu sehr guten Kontakten führt.
Zum Aufbringen der schichtförmigen Metallkontakte auf die Herstellung dünner Metallschichten erlauben und eine enge Berührung zwischen dem Metallkontakt und- der Halbleiteroberfläche ergeben. Beispielsweise können die Kontakte elektrolytisch aufgebracht werden: Besonders vorteilhaft ist es jedoch, die Kontakte im Vakuum aufzudampfen. Beim Aufdampfen kann die Dicke der aufgebrachten Metallschichten gut reguliert werden. Ferner besteht durch die Verwendung geeigneter Blenden die Möglichkeit, in einfacher Weise die Form der Kontakte zu bestimmen. :Zudem ergibt gerade das Aufdampfverfahren eine innige Berührung zwischen dem Metallkontakt und der Halbleiteroberfläche. Dies ist von besonderer Wichtigkeit, damit beim Tempern eine gleichmäßige Verbindung zwischen dem Kontakt-und dem Halbleitermaterial hergestellt wird.
Um eine gute Verbindung zwischen dem Halbleitermaterial und dem Metallkontakt ohne Störung des pn-übergangs zu erzielen, ist es vorteilhaft, sehr dünne Metallschichten zu verwenden. Die Dicke der aufgebrachten Silberschicht beträgt vorzugsweise etwa 0,4 bis 1 g,, die Dicke der auf diese Silberschicht aufgebrachten Nickelschicht etwa 0,2 g.
Gute sperrfreie, mechanisch feste Kontakte können beim erfindungsgemäßen Verfahren bereits mit Temperzeiten von 20 bis 30 Minuten erzielt werden. Das Tempern kann vorteilhaft unter Inertgasatmosphäre, beispielsweise unter strömendem Argon von etwa einer Atmosphäre Druck, vorgenommen werden. Durch Verwendung von Inertgas erübrigen sich spezielle Vakuumeinrichtungen, dennoch werden Reaktionen der Metallschichten bzw. der Halbleiteroberfläche mit der Luft verhindert.
Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird auf die Metallkontakte nach dem Tempern zum Anlöten der notwendigen Anschlußdrähte eine Zinnschicht in der Weise aufgebracht, daß die Kontakte mit flüssigem Zinn in Berührung gebracht werden-Das Aufbringen erfolgt so, daß nur das flüssige Zinn, jedoch keine Hilfsvorrichtung die Kontakte berührt. An die auf diese Weise hergestellte Zinnschicht, die eine gute Verbindung mit der Unterlage bildet, kann dann ein Anschlußdraht, beispielsweise ein dünner verzinnter Kupferdraht, angelötet werden.
An Hand eines Ausführungsbeispiels und einer Figur soll das Verfahren gemäß der Erfindung näher erläutert werden: Zur sperrfreien Kontaktierung der p-leitenden Schicht einer Galliumarsenid-Solarzelle, die einen durch Eindiffundieren von Zink bei etwa 700° C in den n-leitenden Galliumarsenidgrundkörper erzeugten pn-Übergang besitzt, der von der Oberfläche der p-leitenden Schicht etwa 1 #t entfernt ist, wird in einer handelsüblichen Aufdampfapparatur auf die Oberfläche der p-leitenden Schicht zunächst eine Silberschicht mit einer Dicke von etwa 0,4 bis 1 R, im Vakuum aufgedampft. Anschließend wird auf diese Silberschicht eine Nickelschicht mit einer Dicke von etwa 0,2 R, aufgedampft. Die Solarzelle befindet sich beim Aufdampfen auf einer Temperatur von etwa 200° C. Zum Aufdampfen wird eine Schablone verwendet, die so ausgebildet ist, daß die aufgedampften Metallkontaktschichten die Form des griechischen Buchstabens Pi besitzen.
In der Figur ist schematisch eine Solarzelle nach dem Aufdampfen der Metallkontaktschichten dargestellt. Der n-leitende Galliumarsenidgrundkörper ist mit 1., die eindiffundierte p-leitende Schicht mit 2 bezeichnet. Auf die Oberfläche der p-leitenden Schicht ist zur Kontaktierung eine Silberschicht 3 und auf diese eine Nickelschicht 4 aufgedampft.
Nach dem Aufdampfen wird die Solarzelle aus der Aufdampfapparatur genommen und auf einer U-förmigen, mittels Stromdurchgang erhitzten Graphitlegierschleife bei einer Temperatur von etwa 300° C unter strömendem Argon von etwa einer Atmosphäre Druck etwa 30 Minuten lang getempert.
Nach dem Tempern wird die Solarzelle in geeigneter Weise eingespannt und der Metallkontakt mit einem an einem Lötkolben befindlichen Zinntropfen in Berührung gebracht. Durch Bewegen der eingespannten Solarzelle gegenüber dem Zinntropfen wird die Oberfläche des Kontaktes mit Zinn benetzt. Die Temperatur des geschmolzenen Zinntropfens liegt über dem Schmelzpunkt des Zinns von 230° C. Die Benetzung des Metallkontaktes durch das Zinn ist sehr gut. Die entstehende Zinnschicht besitzt eine Dicke von etwa 0,2 bis 0,4 mm. An dem Zinnstreifen, der längs des ganzen Kontaktes verläuft, wird dann ein Anschlußdraht aus Kupfer, dessen Ende verzinnt ist, angelötet.
Das Mengenverhältnis zwischen den den Metallkontakt bildenden Metallen Silber und Nickel kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren variiert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß besonders feste Kontakte erzielt werden, wenn weniger Nickel als Silber verwendet wird, d. h., wenn die Schichtdicke des auf die Halbleiteroberfläche aufgebrachten Silbers größer ist als die Schichtdicke des auf das Silber aufgebrachten Nickels.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur sperrfreien Kontaktierung von p-leitendem Galliumarsenid für Sonnenzellen, bei dem auf die zu kontaktierende Galliumarsenidoberfläche eine Silberschicht aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Silberschicht eine Nickelschicht aufgebracht wird und daß diese Metallschichten durch Tempern zwischen 250 und 400° C mit dem Galliumarsenid verbunden werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Silberschicht mit einer Dicke von 0,4 bis 1 #t und eine Nickelschicht mit einer Dicke von etwa 0,2 [, aufgebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten im Vakuum aufgedampft werden.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tempern bei einer Temperatur von etwa 300° C erfolgt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperzeit etwa 20 bis 30 Minuten beträgt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Tempern unter Inertgasatmosphäre erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die schichtförmigen Metallkontakte nach dem Tempern mit flüssigem Zinn in Berührung gebracht und dadurch mit einer Zinnschicht versehen werden.