DE1292260B - Silicium-Halbleiteranordnung mit Legierungselektroden und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Silicium-Halbleiteranordnung mit Legierungselektroden und Verfahren zu ihrer Herstellung

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DE1292260B
DE1292260B DEW19399A DEW0019399A DE1292260B DE 1292260 B DE1292260 B DE 1292260B DE W19399 A DEW19399 A DE W19399A DE W0019399 A DEW0019399 A DE W0019399A DE 1292260 B DE1292260 B DE 1292260B
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silver
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Ezekiel F Losco
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Description

  • Das Hauptpatent betrifft eine Silicum-Halbleiteranordnung, die besonders als Gleichrichter geeignet ist. Diese Halbleiteranordnung mit einem Silicumplättchen, das mittels eines silberhaltigen Lots auf eine Grundelektrode aus Molybdän, Wolfram oder einer Legierung auf der Basis dieser Metalle auflegiert ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Lot mindestens eines der Elemente Silicium, Germanium, Zinn oder Blei enthält und einen Silbergehalt von mindestens 5 % hat, während der Rest 20 % Silicium, 5011/o Germanium,. 90 9/0 Zinn und 95 % Blei nicht übersteigt. Dadurch wird eine zuverlässige Verbindung des sehr brüchigen Siliciumplättchens mit der Grundelektrode aus, -einem einem Material von ähnlichem Wärmeausdehungskoeffizienten geschaffen, die den Anforderungen gewachsen ist, welche an einen hochbelastbaren Halbleiegleichrichter gestellt werden müssen. Die Lötmittelzusaminensetzung muß nämlich für das Erzielen bestmöglicher Qualität des Siliciumgleichrichters einer Anzahl kritischer Forderungen gleichzeitig gerecht werden. Insbesondere hat das erwähnte Lötmittel folgende Eigenschaften: 1. Benetzbarkeit gegenüber und Bindevermögen mit den beiden zu verbindenden Stoffen, nämlich einerseits Silicum und andererseits Molybdän, Wolfram oder Legierungen auf Basis dieser Metalle, und zwar im geschmolzenen als auch im erstarrten Zustand; 2. einen niedrigen elektrischen und Wärmewiderstand; 3. einenpassendenWärmeausdehnungskoeffizienten und eine gute Dehnbarkeit, die es dem Lötmittel ermöglichen', ' ein-. Siliciumplättchen mit einer Grundelektrode der erwähnten Art über einen Temperaturbereich von 925 bis - 100 °C zu vereinigen, ohne vom Silicium wegzubrechen oder dieses zu beschädigen; 4. es reagiert mit dem Siliciumplättchen nicht in unerwünschter Weise oder beeinträchtigt in anderer Weise dessen Eigenschaften; 5. einen niedrigen -Dampfdruck bei erhöhten Temperaturen, so daß beim Löten oder anderen Arbeitsvorgängen, bei denen hohe Temperaturen auftreten, keine --Kriechwege entstehen; 6. es erfordert kein Flußmittel, um eine gute Bindung von Metall zu Metall sicherzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es, diese. Halbleiteranordnung derart zu verbessern, daß bei der Herstellung derselben keine Störungen der gewünschten Lage des pn-übergangs in der Nähe der von der Grundelektrode abgewandten Oberfläche des Siliciumplättchens auftreten können.
  • Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß die Halbleiteranordnung nach dem Hauptpatent dadurch weitergebildet, daß das Lot 0,5 bis 811/o Antimon und mindestens 72 % Silber enthält.
  • Das erfindungsgemäß in dem Silberlot enthaltene Antimon kann während des Löt- und Legierungsvorganges bei der Herstellung der Halbleiteranordnung in das Silicium diffundieren und erzeugt oder verstärkt dort eine Leitfähigkeit vom n-Typ, wobei jedenfalls eine sonst mögliche Umwandlung in die Leitfähigkeit vom p-Typ verhindert wird.
  • Es hat sich herausgestellt, daß die oben aufgezählten günstigen Eigenschaften des Lotes nach dem Hauptpatent auch bei einem Zusatz von Antimon in den erwähnten Mengen erhalten bleiben. Ferner betrifft die Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung der erwähnten Art. Ein solches Verfahren besteht vorzugsweise darin, daß zunächst bei einer erhöhten Temperatur das Siliciumplättchen mit Hilfe des Antimon enthaltenden Silberlotes mit der Grundelektrode verbunden wird und daß dann bei einer erheblich niedrigeren Temperatur eine Deckelektrode aus dem gleichen Material wie die Grundelektrode mittels eines Aluminiumlötmittels, das ein Dotierungsmittel vom p-Typ enthält, mit der anderen Fläche des Siliciumplättchens verbunden wird.
  • Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt F i g.1 einen senkrechten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Halbleiteranordnung vor dem Verschmelzen, F i g. 2 einen senkrechten Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung und F i g. 3 einen senkrechten Schnitt durch einen Vakuumofen, der zur Herstellung der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnungen geeignet ist.
  • Es wurde festgestellt, daß es möglich ist, ausgezeichnete Halbleiteranordnungen oder Kristalloden mit einem pn-übergang dadurch herzustellen, daß ein Siliciumplättchen mit einer Grundplatte festhaftend verbunden wird, die aus Molybdän, Wolfram oder Legierungen auf der Basis dieser Metalle besteht, und für die festhaftende Verbindung ein Silberbasislot verwendet wird, das aus 0,5 bis 8 Gewichtsprozent Antimon, bis zu 20 Gewichtsprozent mindestens eines aus der aus Silber, Germanium, Blei und Zinn bestehenden Gruppe ausgewählten Elements und als Rest (>720%) aus Silber zusammengesetzt ist. Das in der erwähnten Weise festhaftend mit der Grundplatte verbundene Siliciumplättchen ist über weite Temperaturbereiche zwischen etwa 1000 °C und Raumtemperatur während des Verfahrens zu seiner Herstellung und im Gebrauch von einer niedrigen Temperatur von - 100 °C bis 220 °C und höher gegen eine Beschädigung geschützt. Das aus einer Silberbasislegierung bestehende Lot ermöglicht, daß die sich im Siliciumplättchen beim Betrieb als Gleichrichter entwickelnde Wärme wirksam und rasch an den Molybdänendkontakt und von diesem zu einem geeigneten Wärmestrahler abgeführt werden kann. Ferner wird die Silberbasislegierung allen vorangehend aufgeführten Erfordernissen gerecht. Weitere Vorteile des Silber-Antimon-Basislotes ergeben sich aus dem Nachfolgenden.
  • Beispiele von Loten, die sich als zufriedenstellend erwiesen haben, sind Legierungen aus 90 % Silber, 5 % Antimon, 511/o Zinn; 93 0/0 Silber, 5 % Germanium, 111/o Antimon, 111/o Silicium; 97,5 0% Silber, 1,5% Blei, 1% Antimon; 94% Silber, 5 % Blei, 1% Antimon; 89 0/0 Silber, 10 % Blei, 10/0 Antimon; 94% Silber, 5 % Germanium, 1% Antimon.
  • Das Silberbasislot kann geringe Mengen anderer Elemente und Verunreinigungen enthalten, voraus-' gesetzt, daß keine nennenswerte Menge eines Elements der Gruppe III oder ein anderer Bestandteil enthalten ist, durch den das n-Silicium in p-Silicium umgewandelt wird.
  • Besonders zufriedenstellende Lote können dadurch hergestellt werden, daß 94 bis 98% Silber, 1/z bis 20/0 Antimon und 1 bis 5 % Blei legiert werden. Diese Lötmittel lassen sich leicht in Folien von 0,05 mm Dicke kalt walzen.
  • Wenn diese Legierungen auf das Siliciumplättchen aufgebracht werden, löst sich etwas Silicium aus dem Plättchen in der Legierung auf, so daß ein Lötmittel, in dem vor der Verschmelzung kein Silicium vorhanden war, nach der Verschmelzung etwa 5 bis 10 Gewichtsprozent Silicium enthält.
  • Diese Silberlote werden vorzugsweise in Form dünner Filme oder Folien von einer Dicke von 0,025 bis 0,15 mm verwendet, obwohl die Verwendung eines Silberlötmittels mit einer Dicke von über 0,076 mm nicht vorteilhaft ist. Die Lotlegierung braucht jedoch nicht in Form eines Films aufgebracht zu werden. Sie kann in Pulverform oder in körniger Form hergestellt und in geeigneter Dicke entweder trocken oder in Form einer Paste in einem flüchtigen Lösungsmittel, wie Äthylalkohol, aufgetragen werden.
  • In der F i g.1 ist eine gestapelte Gleichrichteranordnung 10 dargestellt, bei der das Silberlot gemäß der Erfindung verwendet ist. Die gestapelte Anordnung ist vor dem Einbringen in einen Ofen gezeigt, in dem sie auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt wird, um das Silberbasislot und die anderen festhaftend miteinander zu verbindenden Komponenten zur Herstellung einer einteiligen Anordnung zu verschmelzen.
  • Die Anordnung 10 besitzt eine Grundplatte 12 als Kontakt, deren Dicke ziemlich groß sein und 0,5 bis 2,5 mm betragen kann und die einen Durchmesser von 6,4 bis 50,8 mm haben kann, sowie ein Siliciumplättchen 18. Diese Abmessungen können für größere Gleichrichter noch größer gewählt werden. Die Grundplatte besteht aus einem Metall, das aus der Molybdän und Wolfram oder Legierungen auf Basis dieser Metalle enthaltenden Gruppe ausgewählt ist. Sowohl Molybdän als auch Wolfram haben einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der dem des Einkristallsiliciums (etwa 4,2 - 10-s je Grad Celsius) nahekommt. Legierungen aus Molybdän und Wolfram, beispielsweise eine Legierung, die aus 511/o Wolfram und 95% Molybdän zusammengesetzt ist, haben annähernd den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Silicium. Sowohl das Molybdän als auch das Wolfram können mit geringen Mengen anderer Metalle legiert werden, ohne daß ihr Wärmeausdehnungskoeffizient dadurch wesentlich verändert wird. So kann beispielsweise Molybdän mit 5 bis 25 Gewichtsprozent eines Platinmetalls, z. B. mit Osmium oder Platin, Chrom, Nickel, Kobalt, Silicium, Kupfer und Silber legiert werden. Ein Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen etwa 3,8 und 5 - 10-s je Grad Celsius ist für das Zusammenwirken mit einem Siliciumplättchen zufriedenstellend. Obwohl sowohl Molybdän als auch Wolfram eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit haben, so daß sie die Wärme rasch von dem in Kontakt mit ihnen befindlichen Silicium ableiten, hat das Molybdän eine viel geringere Dichte und ist für viele Anwendungen vorzuziehen. Bei Einrichtungen, die bewegt werden, haben daher Kontaktplatten aus dem leichteren Molybdän geringere Trägheitswirkungen als eine Wolframplatte von gleicher Größe. Aus diesem Grunde wird nachfolgend in der Hauptsache von Molybdän gesprochen, wobei jedoch zu berücksichtigen ist, daß Wolfram oder eine Legierung entweder mit Wolfram oder Molybdän statt dessen verwendet werden kann. Der Molybdänkontakt 12 wird durch Abschleifen, Ätzen und Waschen oder beispielsweise durch Sandstrahlen sorgfältig gereinigt, um alle Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Für eine bestmögliche Haftung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, vorher eine dünne Schicht 13 und 14 aus Silber oder einer Silberlegierung auf die beiden Stirnflächen des Kontakts 12 aufzubringen. Es kann auch eine Silberschicht 13 nur auf der Unterseite allein vorgesehen werden. Ein zufriedenstellendes Verfahren für das Aufbringen des Silbers besteht darin, die Stirnflächen mit Silber oder einer Legierung aus 95% Silber und 5 % Germanium entweder in Form einer dünnen Folie oder eines feinen Pulvers zu überziehen und das auf diese Weise behandelte Molybdän im Vakuum oder in einer Wasserstoffatmosphäre auf 1200 °C zu erhitzen. Das Silber benetzt die Oberfläche des Molybdäns rasch und breitet sich gleichmäßig über diese aus. In anderen Fällen wurden die Molybdänflächen zuerst mit einem Nickelphosphidüberzug versehen. Der Nickelphosphidüberzug wird chemisch aus einer wäßrigen Lösung aufgetragen, die beispielsweise 0,02 M01/1 Nickelsulfat, 0,07 Mol/1 NiC12 und 0,225 Mol/1 Natriumhypophosphit enthält, was in einfacher Weise dadurch geschehen kann, daß die Molybdänplatten in die Lösung eingetaucht werden. Nachdem die Molybdänplatten für einen Zeitraum von etwa 5 bis 30 Minuten eingetaucht gewesen sind, können sie aus der Lösung herausgenommen, getrocknet und dann auf eine Temperatur von 1200 °C für die Dauer einer Viertelstunde oder länger erhitzt werden. Auf diese Weise erhält man einen dünnen Nickelphosphidüberzug, der 95 % oder mehr Nickel enthält und die Molybdänflächen bedeckt und dann in einem üblichen Silbereyanidgalvanisierbad silberplattiert wird, so daß eine Silberschicht 14 von annähernd 0,025 mm Dicke vorhanden ist.
  • Es wurde festgestellt, daß sich wünschenswerte Ergebnisse erzielen lassen, wenn der Molybdänkontakt mit einer dünnen Schicht aus einer Legierung überzogen wird, die aus 10 bis 35 Gewichtsprozent Kobalt, 33 bis 22 Gewichtsprozent Nickel und als Rest aus Eisen besteht, mit geringen Mengen Mangan und geringfügigen Verunreinigungen. Diese Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung kann durch Walzen einer Folie oder einer Lamelle aus Molybdän mit einem dünnen Oberflächenstreifen aus der Legierung bei einer erhöhten Temperatur von 500 bis 1200 °C in einer inerten Atmosphäre oder unter Vakuum aufgebracht werden. Das Material braucht eine Dicke von nur wenigen hundertstel Millimetern für das Erzielen eines zufriedenstellenden Ergebnisses zu haben. In manchen Fällen wurden mit diesem Material bessere Ergebnisse erreicht als bei Verwendung von NickelphosphidÜberzügen.
  • Auf das Silber oder auf das Nickelkobalt oder auf den überzug 14 wird eine Folie oder ein Film des Silber-Antimon-Basislotes »16« gemäß der Erfindung aufgebracht.
  • Die Oberseite der Platte 12 ist ebenso wie die Unterseite des Siliciumplättchens 18 eben dargestellt. Hierbei ist jedoch zu erwähnen, daß, obwohl Platten mit ebenen Flächen besonders zweckmäßig für die Herstellung und Verwendung sind, auch andere Formen hergestellt und verwendet werden können. In allen Fällen ist es erforderlich, daß die aufeinanderliegenden Flächen der Grundplatte und des Siliciumplättchens einander genau angepaßt sind, so daß sich eine gute Bindung des Silberlegierungslotes ergibt und eine bestmögliche Wärmeleitfähigkeit erzielt wird.
  • Das Siliciumplättchen 18 hat gewöhnlich eine Dicke von etwa 0,25 mm. Eine wesentlich größere Dicke, beispielsweise von 0,6 mm, führt zu einer geringeren Gleichrichterwirkung, während ein wesentlich dünneres Siliciumplättchen von weniger als 0,13 mm Dicke beispielsweise zu Durchschlägen oder anderen fehlerhaften Arbeiten führen kann. Das Siliciumplättchen wird mit feinpolierten oder geläppten Oberflächen hergestellt, die in einem Lösungsmittel, beispielsweise in HF HNO.- und Quecksilberlösung geätzt werden, um jede Oberflächenverunreinigung, lose Teilchen, Vorsprünge, Rauhigkeiten u. dgl. zu entfernen.
  • Auf die Oberseite des Siliciumplättchens 18 ist eine dünne Schicht 20 aufgebracht, die beispielsweise aus einer Folie von einer Dicke von 0,025 bis 0,05 mm aus Aluminium oder einer Aluminiumbasislegierung besteht und vorteilhaft aus einer Legierung von Aluminium mit einem Element aus der Gruppe III oder IV, beispielsweise Silicium, Gallium, Indium und Germanium, dessen Aufgabe nicht nur darin besteht, das Verlöten bzw. eine feste Verbindung des Siliciumplättchens mit einem oberen Kontakt 22 zu ermöglichen, sondern auch eine p-Leitfähigkeit durch Diffusion in den oberen Teil des n-leitenden Siliciumplättehens hervorruft. Die Schicht 20 kann aus reinem Aluminium bestehen mit nur geringen Mengen an Verunreinigungen, wie Magnesium, Natrium, Zink u. dgl., oder- aus einer Legierung mit Aluminium als Hauptbestandteil, während der Rest aus Silicium, Gallium, Indium und Germanium sein kann, wobei jedes dieser Elemente für sich allein oder mit einem anderen vorhanden sein kann oder alle diese Elemente enthalten sein können. Diese Legierungen sollen bis zu etwa 300 °C fest sein. Es können daher Folien aus folgenden Materialien verwendet werden: 95 % Aluminium - 5 % Silicium, 88,4 % Aluminium -11,6 % Silicium, 90% Aluminium- 10% Germanium, 47 % Aluminium - 53 % Germanium, 88 % Aluminium -120% Indium, 96 % Aluminium - 4 % Indium, 50 % Aluminium - 20 % Silicium -20 % Indium -10 % Germanium, 90% Aluminium - 5% Silicium - 5% Indium, 85 % Aluminium - 5 % Silicium -5 % Indium - 5 % Germanium, 88 0% Aluminium - 5 % Silicium -2 % Indium - 3 % Germanium -2% Gallium. Alle Prozentangaben beziehen sich auf Gewichtsprozent. Es ist kritisch, daß die Aluminiumschicht 20 wesentlich kleiner als die Fläche des Siliciumplättchens 18 ist und daß diese auf dem Plättchen 18 mit einem beträchtlichen Spiel von den Ecken oder von der Kante des Plättchens 18 zentriert ist. Es ist nicht erforderlich, daß die Aluminiumschicht 20 eine Folie oder eine gesonderte Lage darstellt. Es wurde festgestellt, daß es möglich ist, Aluminium oder die Aluminiumbasislegierung im Vakuum auf die Unterseite eines oberen Kontaktes 22 aufzudampfen. Gegebenenfalls können die gewählten Mittelteile der Oberseite des Siliciumplättchens mit Aluminium oder einer Aluminiumbasislegierung durch Aufdampfen versehen werden, was dadurch geschehen kann, daß der Rand des Plättchens abgedeckt wird.
  • Der obere Kontakt 22 besteht vorteilhaft aus dem gleichen Metall wie der untere Kontakt, nämlich aus Molybdän, Wolfram oder Legierungen auf Basis dieser Metalle. Der obere Kontakt besteht aus einem flachen Scheibenteil 24, dessen Fläche kleiner ist als die Oberseite des Siliciumplättchens 18. Der Kontakt 22 ist mit einem sich nach oben erstreckenden Knopf 26 ausgebildet, der mit einer Eintiefung 28 zur Aufnahme des Endes eines Leiters versehen ist. Der obere Kontakt 22 läßt sich leicht aus Molybdän durch spanabhebende Bearbeitung herstellen. Es wurde festgestellt, daß es zweckmäßig ist, nur die Eintiefung 28 des Kontakts 22 mit einem dünnen Überzug 29 aus einem geeigneten Lötmittel zu versehen, beispielsweise aus Legierungen aus 70% Silber und 30 0/0 Gold, einer Legierung aus 97 % Silber und 3 % Germanium, aus Gold allein oder aus einer Legierung aus 95 % Silber und 5 % Silicium oder aus dem vorangehend für den Endkontakt beschriebenen Nickelphosphidüberzug. Es muß mit Sorgfalt darauf geachtet werden, daß kein Silber an oder in der Nähe des Randes des Scheibenteils 24 und an der Aluminiumschicht 20 vorhanden ist, um das Entstehen einer Kurzschlußverbindung zu vermeiden.
  • Der obere Kontakt 22 kann von einfacherer Konstruktion sein, als in F i g. 1 gezeigt. Beispielsweise können runde Scheiben aus einem 0,77 bis 1,27 mm dicken Molybdänblech ausgestanzt und dann die runden Scheiben auf eine Tiefe von 0,38 bis 0,63 mm zylindrisch versenkt werden, um eine Eintiefung herzustellen, die dann mit einem Lot, beispielsweise mit einer Legierung aus 95 % Silber und 5 % Germanium, überzogen wird.
  • Hierbei ist zu erwähnen, daß der obere Kontakt nicht unbedingt eine Eintiefung aufweisen muß, wenn diese auch für das Verlöten mit einem Leiter vorteilhaft ist. Der obere Kontakt kann von beliebiger geeigneter Form sein, die eine feste Verbindung eines Leiters mit dem oberen Kontakt, beispielsweise durch Löten, ermöglicht.
  • Die Zahl der Teile der Anordnung kann verringert werden, wenn die in F i g. 2 gezeigte Anordnung verwendet wird. Die in F i g. 2 dargestellte Anordnung 40 besteht aus einer Kontaktplatte 42 aus Molybdän, auf dessen Unterseite 43 ein Überzug aus einer bekannten Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung oder aus Silber oder Nickelphosphid aufgebracht ist. Die Oberseite der Kontaktplatte 42 wird mit einem Überzug 44 von einer Dicke von 0,025 bis 0,15 mm der Silber-Antimon-Legierung gemäß der Erfindung entweder in Form einer Folie oder als Pulver versehen. Der übrige Teil der Anordnung, nämlich das Siliciumplättchen 18, die Aluminiumschicht 20 und der obere Kontakt 22, ist ähnlich wie bei der in F i g. 1 gezeigten Anordnung.
  • Die in F i g. 1 oder 2 gezeigte Anordnung wird dann in einen Ofen 50 gebracht, der in F i g. 3 dargestellt ist. Dieser Ofen weist eine Grundplatte 52 auf, durch die eine Leitung 54 geführt ist, welche mit einer Pumpe od. dgl. verbunden ist, um im Ofen ein hohes Vakuum zu erzeugen, und eine weitere Leitung 56, durch die ein Schutzgas, wie Helium, Argon od. dgl., eingeleitet wird, um im Ofen eine Schutzgasatmosphäre herzustellen. Der eigentliche Ofen ist mit einer Glocke 58 aus hitzebeständigem Glas, beispielsweise aus einem Glas mit 96 % Quarz, ausgerüstet, die in einer auf der Grundplatte 52 angeordneten Dichtung 60 sitzt. Eine auf der Grundplatte 52 angeordnete Stütze 62 aus feuerfestem Material trägt einen Graphitblock 64, der mit einer oder mehreren Aushöhlungen 66 versehen ist, die zur Aufnahme der Anordnung 10, beispielsweise der in F i g. 1 gezeigten Art, dienen. Auf den Kontakt 22 der Anordnung ist ein Gewicht 68 aus einem hochschmelzenden reaktionsträgen Metall oder aus einem anderen Material, beispielsweise aus Graphit, aufgebracht, so daß ein leichter Druck auf das Aggregat ausgeübt wird. Um die Glocke 58 herum kann eine dieses umgebende Heizvorrichtung 70, die ein in einer ringförmigen Ausnehmung 72 angeordnetes Heizelement 74 aufweist, nach unten bis in die Höhe des Graphitblocks 64 geschoben werden, um diesen durch Strahlung zu erhitzen. Gute Ergebnisse wurden bei Verwendung einer Hochfrequenzheizspule statt der Heizvorrichtung 70 mit dem Heizelement 74 erzielt.
  • Das Gewicht 68 kann einem Druck von annähernd 3,1 bis 78 g/cm2 auf die mit der Molybdänkontaktplatte verschmolzene Fläche des Siliciumplättchens entsprechen. Gute Ergebnisse wurden bei Verwendung eines Gewichts von 5 g je 6,4 mm des Durchmessers des Siliciumplättchens erzielt. Bis zu 50 g je 6,4 mm Durchmesser der Siliciumplättchen wurden mit guten Ergebnissen aufgebracht.
  • In der Praxis wird eine Anzahl von Anordnungen 10 in den Graphitblock 64 eingesetzt, die Glocke 58 Baraufgesetzt und in die Dichtung 60 eingebracht und der Raum innerhalb der Glocke 58 durch die Rohrleitung 54 abgesaugt. Der Gasdruck innerhalb der Glocke wird auf einen außerordentlich niedrigen Wert von weniger als 0,01 Mikron Hg herabgesetzt. Hierauf wird Wärme auf den Graphitblock 64 durch Einschalten des Widerstandsheizelementes 74 ausgestrahlt. Das Erhitzen verursacht gewöhnlich die Entwicklung von Gasen aus den einzelnen Teilen, so daß das Absaugen während der Erhitzung fortgesetzt wird. In die Eintiefung wird, benachbart der Anordnung 10, ein Thermoelement eingebracht, um die Temperatur des letzteren bestimmen zu können.
  • Die Höchsttemperaturen, die für eine zufriedenstellende festhaftende Verbindung der Teile der Anordnung 10 erforderlich sind, liegen zwischen 850 und 1000 °C. Die Schicht 20 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung benetzt das Silicium und das Molybdän in der erforderlichen Weise erst, wenn Temperaturen von mindestens etwa 570 °C erreicht werden. Für bestmögliche Ergebnisse sind gewöhnlich 800 °C erforderlich. Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Temperatur des Ofens so geregelt wurde, daß die Anordnung 10 eine Höchsttemperatur zwischen 870 und 925 °C erreichte. Diese Höchsttemperaturen werden für einen kurzen Zeitraum von nicht über 1 Minute aufrechterhalten und die Temperatur dann sofort herabgesetzt. Es wurden keine besonderen Unterschiede bei Gleichrichtern festgestellt, bei denen die Erhitzungsgeschwindigkeit und die entsprechende Abkühlungsgeschwindigkeit so verändert wurde, daß der Temperaturanstieg von 100 auf 875 °C in 5 Minuten oder in 60 Minuten stattfand. Es wurde festgestellt, daß die Silberlote gemäß der Erfindung sowohl das Silicium als auch das Molybdän rasch benetzen und eine geringe Menge des Siliciums kurze Zeit, nachdem der Schmelzpunkt erreicht wurde, aufgelöst wurde. Das Halten der Temperatur ist für längere Zeit, während die Silberlegierung geschmolzen ist, möglich, hat jedoch keine besonders günstigen Ergebnisse zur Folge.
  • Die Oberseite des Siliciumplättchens 18 vom n-Typ wird durch die geschmolzene Aluminiumschicht 20 benetzt, und das Aluminium löst etwas Silicium auf und diffundiert gleichzeitig geringfügig in das n-Siliciumplättchen hinein. Beim Abkühlen des geschmolzenen Aluminiums schlägt sich Silicium auf das einkristalline Siliciumplättchen nieder, so daß Silicium mit in diesem enthaltenen Aluminium abgelagert wird. Benachbart dem Aluminium entsteht somit eine p-Siliciumschicht, die nahezu die gleiche Fläche wie die Schicht 20 an der Oberseite hat. Auf diese Weise wird im Silicium ein pn-übergang erhalten.
  • Die für das feste Verbinden des Siliciums mit dem Molybdänkontakt erforderliche Temperatur hängt von dem Schmelzpunkt des Silberlotes 16 ab. Obwohl einige der Lote gemäß der Erfindung, wie festgestellt wurde, bereits bei etwa 225 °C schmelzen, ist es vorzuziehen, Lote zu verwenden, deren Schmelzpunkt zwischen 600 und 700 °C liegt. Das Benetzen des Siliciums erfolgt nicht unter einer Temperatur von etwa 570 °C und tritt gewöhnlich bei etwa 800 °C ein. In keinem Falle ist es zweckmäßig, ein Lot zu verwenden, das eine Temperatur erfordert, die wesentlich über 925 °C liegt, um es zum Schmelzen und Benetzen zu bringen. Wesentlich höher als 1000 °C liegende Temperaturen haben nachteilige Wirkungen zur Folge, so daß unbefriedigende Gleichrichter erzeugt werden.
  • Nachdem die Anordnung 10 oder 40 im Ofen behandelt worden ist, um die Silberbasislote zu schmelzen und das feste Verbinden der einzelnen Teile der Anordnung zu einer Diode herbeizuführen, werden die erhaltenen Anordnungen in ein hermetisch abgedichtetes Metallgehäuse gebracht. Die Kontaktplatte 12 wird mit diesem Metallgehäuse durch die Schicht 13 verlötet, so daß Wärme rasch und wirksam zum Gehäuse abgeleitet werden kann. Dem Metallgehäuse ist ein wirksamer Kühler zugeordnet, der die Wärme an die Außenluft ableitet. Wenn gewünscht, kann das Gehäuse teilweise oder völlig mit einer isolierenden dielektrischen Flüssigkeit gefüllt werden, um die Wärmeableitung zu unterstützen. Eine solche dielektrische Flüssigkeit ist jedoch nicht erforderlich.
  • In manchen Fällen konnten verbesserte Gleichrichter dadurch erzielt werden, daß die Bestandteile in zwei Stufen miteinander verbunden wurden. Bei der Durchführung des zweistufigen Verfahrens, beispielsweise mit der in F i g. 1 dargestellten Anordnung, werden nur die Kontaktplatte 12, das Siliciumplättchen 18 und die Zwischenschicht aus Silberbasislötmittel in den Graphitblock 64 mit aufgesetztem Gewicht 68 gebracht. Die Temperatur des Ofens wird so geregelt, daß die Temperatur dieser 3 Teile einen Wert zwischen 850 und 1000 °C erreicht. Hierdurch wird eine gute Benetzung des Molybdäns und des Siliciums durch das Silber-Antimon-Basislot sichergestellt. Die Anordnung wird dann ziemlich weit unter die Temperatur abgekühlt, bei welcher das Silberbasislot flüssig ist. Zur erleichterten Handhabung wird die Anordnung etwa auf Raumtemperatur abgekühlt. Nachdem die Aluminiumschicht 20 auf die Oberseite des Siliciumplättchens 18 aufgebracht worden ist, wird auf diese der obere Kontakt 24 aufgebracht. Hierauf wird die Anordnung von neuem in den Graphitblock 64 gebracht, das Gewicht 68 aufgelegt und der Ofen abgesaugt. Die Temperatur des Ofens wird so geregelt, daß die sich unter dem Gewicht 68 befindende Anordnung auf eine Temperatur erhitzt wird, die 850 °C nicht übersteigt, und dann auf Raumtemperatur abgekühlt.
  • Nachfolgend wird ein Beispiel für das letztbeschriebene Verfahren gegeben. Auf eine kreisförmige Scheibe aus Molybdän mit einem Durchmesser von annähernd 25,4 mm und einer Dicke von 1,27 mm wurde eine Folie mit einem Durchmesser von annähernd 7,2 mm und einer Dicke von 0,075 mm aus einer der genannten Legierungen aufgebracht. Auf das Silberlot wurde dann ein Siliciumplättchen mit einem Durchmesser von 6,4 mm und einer Dicke von 0,25 mm aufgebracht. Diese 3 Teile ,Wurden dann in einen evakuierten Ofen gebracht und ein Druck. von 5 g ausgeübt. Hierauf wurde die Anordnung auf 1000'C erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Sodann wurde auf die Oberseite des Siliciumplättchens eine. Aluminiumfolie mit einem Durchmesser von annähernd 4 mm aufgebracht und auf diese ein Endkontakt aus Molybdän vom gleichen Durchmesser. Anschließend wurde die Anordnung von neuem in den. Ofen gebracht und ein Gewicht von 5 g aufgesetzt. Nach der Erhitzung der Anordnung auf 850 °C und Abkühlung auf Raumtemperatur wurden Gleichrichtereinheiten erhalten, die völlig einwandfrei waren und keine Risse oder andere Fehler zeigten.
  • In einem anderen Fall wurden Gleichrichtereinheiten aus Molybdänscheiben von einem Durchmesser von annähernd 25,4 mm und einer Dicke von 1,27 bis 1,72 mm hergestellt, auf die eine Schicht aus einer Legierung, bestehend aus 29% Nickel, 1711/o Kobalt, Rest im wesentlichen Eisen mit einer kleinen Menge Mangan und von einer Dicke von 0,1 mm aufgebracht wurde. Auf die Molybdänscheibe wurde eine Folie von einem Durchmesser von 7,2 mm und einer Dicke von 0,075 mm aus 94% Silber, 5% Germanium und 1% Antimon aufgebracht. Sodann wurde ein Siliciumplättchen mit einer Dicke von 0,25 mm und einem Durchmesser von 6,4 mm auf der Silberlegierungsfolie zentriert und dann auf die Oberseite des Siliciumplättchens eine kreisförmige Scheibe von einem Durchmesser von annähernd 5,1 mm und einer Dicke von 0,05 mm aus einer Legierung aus 95% Aluminium und 51)/o Silicium aufgebracht und auf diese Scheibe ein Molybdänkontakt von gleichem Durchmesser aufgesetzt. Das Ganze wurde in einen Ofen mit einem aufgesetzten Gewicht von 5 g gebracht und einige Minuten lang auf etwa 1000 °C erhitzt und dann während eines Zeitraums von 30 Minuten auf Raumtemperatur abgekühlt. Diese Gleichrichtereinheit zeigte bei der Prüfung ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich .des Durchlaßspannungsabfalls und war in jeder Beziehung einwandfrei.
  • Bei der Prüfung zahlreicher Gleichrichtereinheiten, die nach der Erfindung hergestellt worden waren, veränderte sich der Durchiaßspannungsabfall bei Einheiten mit Siliciumplättchen von einem Durchmesser von 6;4 mm von 0,7 bis 0;81 Volt für #Gleichstromausgänge bis zu 30 Ampere bei Spannungen bis zu i 300 Volt. Bei verschiedenen Versuchen wurden die vollständigen Gieichrichtereinheiten auf einer heißen Platte von Raumtemperatur auf 250 bis 300 °C erhitzt und mehrere Male auf Raumtemperatur zurückgekühlt. Selbst nach zwölf solchen Behandlungen trat keine wesentliche Veränderung im Durchlaßspannungsabfall ein. In anderen Fällen wurden die gleichen Einheiten einer Temperaturwechselprüfung unterzogen, bei der sie auf - 60 °C abgekühlt und dann in einem Luftofen rasch auf 200 °C erhitzt wurden. Es wurde keine bemerkbare Veränderung im Durchlaßspannungsabfall beobachtet.

Claims (11)

  1. Patentansprüche: 1. Halbleiteranordnung mit einem Siliciumplättchen, das mittels eines silberhaltigen Lots auf eine Grundelektrode aus Molybdän, Wolfram oder einer Legierung auf der Basis dieser Metalle auflegiert ist, wobei das Lot mindestens eines der Elemente Silicium, Germanium, Zinn oder Blei enthält und einen Silbergehalt von mindestens 51)/o hat, während der Rest 20% Silicium, 50% Germanium, 90 % Zinn und 95 % Blei nicht übersteigt, nach Patent 1050 450, d a d u r.c h gekennzeichnet, daß das Lot 0;5 bis 8% Antimon und mindestens 720% Silber enthält.
  2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß .der Gesamtanteil von Silber und Antimon in dem Lot nicht weniger als 80% beträgt.
  3. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundelektrode mit einer dünnen Schicht einer Legierung überzogen ist, die aus 10 bis 35% Kobalt, 33 bis 22% Nickel, Rest Eisen besteht.
  4. 4. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliciumplättchen n-leitend ist.
  5. 5. Halbleitergleichrichter mit einem Siliciumplättchen, dessen eine Fläche mittels eines Lots nach Anspruch 1 bis 4 auf eine Grundelektrode auflegiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Deckelektrode mit einer anderen Fläche des Siliciumplättchens festhaftend verbunden ist.
  6. 6. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsmittel mit der Deckelektrode aus Aluminium ,oder einer Aluminiumlegierung mit mindestens einem der Elemente Silicium, Germanium, Gallium und Indium besteht, die durch Diffusion in das Silicium einen pn-Übergang erzeugt.
  7. 7. Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit -einer Grundelektrode aus Molybdän, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot in der Legierungsschmelze aus mehr als 72 0l0 Silber 0,5 bis 81)/o Antimon, bis zu 501o Blei und bis zu 10% gelöstem Silicium besteht. B.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Aufeinanderlegen - der erwähnten Grundelektrode, einer Schicht der erwähnten Silber-Legierung, die bis zu -20% Silicium, Germanium, Blei oder Zinn enthält und eine Dicke von 0,025 bis 0,15 mm hat, des Siliciumplättchens mit Einer Dicke mit etwa 0,25 mm, einer Schicht des dotierten Aluminiums oder der Aluminiumlegierung mit einer Dicke von nicht mehr als 0,075 mm und der Deckelektrode aus dem gleichen Material wie die Grundelektrode; b) Erhitzen der übereinanderliegenden Schichten im Vakuum unter leichtem Druck auf eine Höchsttemperatur zwischen 800 und 1000 °C, bis die Aluminiumschicht so weit in das Siliciumplättchen eindiffundiert ist, daß sie die Randteile desselben in Silicium vom p-Typ umgewandelt hat, und anschließendes Abkühlen.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundelektrode vor dem Zusammenbau mit Nickel überzogen wird.
  10. 10. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Aufeinanderlegen der Grundelektrode, einer Schicht der erwähnten Silberlegierung, die bis zu 20% Silicium, Germanium, Blei oder Zinn enthält und eine Dicke von etwa 0,025 bis 0,15 mm hat, und des Siliciumplättchens mit einer Dicke von etwa 0,25 mm; b) Erhitzen der übereinanderliegenden Schichten im Vakuum unter einem Druck von etwa 3,1 bis 78 g/cm2 und anschließendes Abkühlen unter den Schmelzpunkt des Silberlots; c) Aufbringen einer Schicht des mit einem Material vom p-Typ dotierten Aluminiums oder der Aluminiumlegierung mit einer Dicke von nicht mehr als 0,075 mm und der Deckelektrode aus dem gleichen Material wie die Grundelektrode auf das Siliciumplättchen; d) Erhitzen der ganzen Anordnung unter einem Druck von etwa 3,1 bis 78 g/cm2 auf nicht mehr als 850 °C und anschließendes Abkühlen auf Raumtemperatur.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundelektrode vor dem Zusammensetzen mit einer Legierung überzogen wird, die aus 10 bis 35% Kobalt, 33 bis 2211/o Nickel, Rest Eisen besteht.
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