CN1008574B - 改进的硼掺杂半导体材料及其制备方法 - Google Patents
改进的硼掺杂半导体材料及其制备方法Info
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Abstract
本发明介绍一种改进的P型半导体合金薄膜和采用这种薄膜的光生伏打和光敏器件及其射频和辉光放电制备法。用含硅烷和硼的化合物的辉光放电淀积硅半导体合金薄膜。硼以单原子形式掺入硅基质。这种P型薄膜的特点是稳定、带隙未变窄、体应力降低、结构和生长状况及附着性得到改进并且减少了剥皮和龟裂。本征层的特点是降低了Staebler-Wronski衰退。在辉光放电中未形成高序硼氢化物和其它硼的聚合物或低聚物。
Description
辉光放电淀积的氢化和氟化的非晶半导体合金薄膜,在低成本和在高效光生伏打、半导体和电子器件方面,已经得到了商业上的承认。本申请书所采用的术语“非晶”包括全部不再是长程有序的材料或合金,尽管它们可以是短程或间程有序、甚至往往是含晶体参杂物的。P型非晶硅合金比n型或本征型合金的性能差些,因为P型合金在价带“带尾”中所含的电子态密度大于存在于导带“带尾”的电子态密度。因此,不可能由P掺杂使费米(Fermi)能级接近价带小于0.3电子伏特。与之相反,费米能级却能够一直移向n型掺杂的导带。直到本发明,在辉光放电淀积工艺中一直是采用乙硼烷作为掺杂P型非晶半导体合金的前身气体。
用乙硼烷前身气体加入硼的半导体合金的性能较差的原因尚未完全搞清楚。我们知道,在辉光放电过程中的电磁场作用下,乙硼烷倾向于产生较多的硼的低聚物或聚合物,在本申请书中将这些硼的聚合物称之为“非单原子的硼类”,这些高序的硼的氢化物在辉光放电过程中很难分解,并倾向于以硼链的形式进入半导体合金材料。进入非晶半导体薄膜的硼链导致合金熔进半导体,而不是取代式的掺杂。在这些材料中所观察到的带隙变窄,证明了这种合金化。并且,由硅烷和乙硼烷前身气体经辉光放电淀积法制备的薄膜半导体P型合金表现出高密度的缺陷态,当用于光生伏打电池的光敏层时出现明显的衰退,并且机械应力大。
许多研究人员已经对含硼的物质(而不是乙硼烷)、诸如三氟化
硼(BF3)作为硼的前身气体进行了实验。
Mahan等人在一篇题为《BF3掺杂的非晶硅薄膜》的论文中〔发表在《电子材料学会誌》(J·of.Electronic Materials)1983年第6期,第1033-1051页〕,描述了由三氟化硼掺杂硼的非晶硅的射频辉光放电淀积法。该作者推断:能够进入淀积薄膜中的最高硼量为1.8原子%(按硅烷中3.5%的三氟化硼计算),大大低于由乙硼烷源的硼进入量。薄膜的激活能为0.34电子伏特。带隙基本上与未掺杂的非晶硅合金的带隙相同。
该作者发现,三氟化硼作为掺杂源的优点是保持掺杂后的半导体合金材料的带隙不变。他们提出在P-i-n型非晶硅光生伏打器件的P型中采用这种掺杂源。但是,他们指出由于随着三氟化硼浓度的提高,掺杂剂进入量逐步下降,所以由三氟化硼没有得到所需的掺杂浓度。因此,在承认需要带隙比较宽的重的P掺杂硅合金材料的同时,他们的实验和评语指出:三氟化硼前身气体不能在合金中产生足够浓度的硼。
Devaud等人在题为《BF3掺杂的非晶硅薄膜》的论文中(_()第384-390页),报道了使用三氟化硼作为掺杂源的辉光放电淀积的非晶硅合金薄膜。他们未能使足量的硼进入薄膜制备出非晶硅半导体合金材料的重掺杂P型层。
Devaud提出的美国专利第4409424号类似于他的论文,但是,披露了使用三氟化硼作为掺杂源仅是用来对p-i-n型光生伏打电池中本征层掺杂的补偿。用乙烷硼(而不是三氟化硼)作为p-i-n型电池的P掺杂层的前身掺杂气体,据信得到了比用三氟化硼更高的掺杂浓度。Devaud提出采用含高达10%三氟化硼的淀积气体混合物。但是,那种气体对淀积根据本发明的P掺杂的硅合金薄
膜是不适宜的。
R.V.Kruzelecky等人在Toronto大学(加拿大)确定了三氟化硼掺杂的非晶硅合金薄膜表现出与衬底有关的附着性问题,他们将此归咎于使用了三氟化硼。在硅烷和三氟化硼中的辉光放电得到最重掺杂的含硼的薄膜,其激活能为0.31电子伏特,基本上与Devaud论文所述的硅合金薄膜相同。分析薄膜发现仅有0.2-0.5原子百分数的硼和相同量的氟进入了Kruzelecky制备的薄膜,并且带隙没有明显变窄。
本发明一方面涉及了将半导体合金材料的多层重叠层淀积在衬底材料的卷带上连续生产电子器件的方法,卷带是在通过保持在低于一个大气压力的至少一个真空淀积室时被淀积的。该方法包括了在淀积不同的合金层之间,衬底卷带暴露在大气压力中。第一淀积层最好是P掺杂的,在淀积下一层半导体合金材料以前,衬底材料的卷带可以储存起来。P掺杂合金层还包括卤素或假卤素。从一组包括三氟化硅、三氟化硅-三氟化硼、取代后的卤化硼、假卤化硼以及它们的混合物的材料中选择出硼类。卤素和假卤素最好是氟,半导体最好是硅或硅合金。
本发明另一方面涉及一种电子器件,该器件包括至少一对邻接的P掺杂和n掺杂的薄膜半导体合金,两者形成隧道结。在这种改进的隧道结中,至少一层的p掺杂层包括硼和卤素或假卤素,最好是氟。
本发明的另一方面披露了制备一种改进的、至少含1.9%的硼和卤素或假卤素的半导体合金材料的方法。硼的气态源最好是三氟化硼,卤素或假卤素最好是氟,半导体材料最好是硅或硅合金。由改进的半导体材料制成P掺杂层,制成n掺杂半导体合金,在p掺杂层和n掺杂层之间制成本征半导体层,并由前身硼类气体将痕量硼引入本
征半导体材料的基质,这样可以制备光电响应器件。在该方法中,含硼的本征层降低了Staebler-Wronski衰退。
在本发明的一个方面中,用于电通讯的电子照相光感受器包括一个电导性的衬底和一个半导体合金材料制成的光电导元件,半导体合金的基质中至少包括痕量的硼和卤素或假卤素。光电导元件可以由含有足量硼的非晶硅∶氢∶氟的合金制成,使其激活能达到0.8-1.2电子伏特的范围。阻挡层由经过选择的、具有电导性的半导体合金材料制成,阻止电荷载流子从衬底射入光电元件,阻挡层可以插在光电导层和衬底之间。阻挡层最好是由非晶硅∶氢∶氟合金制成,所含的硼量高于光电导层的含硼量。增强附着层最好是插在衬底和阻挡层之间,绝缘层最好是置于光电导层的上面。
在本发明的另一个方面,用于电通讯的、包括一个电导性衬底和一个光电导层的改进型的电子照相光感受器由多层重叠的半导体合金材料层制成,重叠层在至少一种元素的浓度方面有差别。照这样,光电导层中的体应力减轻了,提高了光感受器的电荷储存能力。每一重叠的半导体层最好是在其基质中包括痕量的硼和卤素或假卤素。光电导层的厚度最好为15至30微米,并呈现出柱状生长结构。光感受器在光电导层与衬底之间有一半导体合金阻挡层,该半导体层的厚度约为200-600毫微米,并且所含的硼量大于光电导层。还有一层厚度约为50-200毫微米的增强附着层,该层插在阻挡层与衬底之间,厚度小于600毫微米的电绝缘层淀积在光电导层的上面。
仍然在本发明的另一方面,采用辉光放电淀积法生产包括光电导层的改进的电子照相光感受器。该方法包括在辉光放电气体混合物中采用单原子硼和卤素或假卤素源。前身气体混合物最好是包括与氢和氟结合在一起的硅烷。掺杂的半导体层由气体混合物用辉光放电淀积
法淀积在衬底和光电导层之间,气体混合物包括硅烷、四氟化硅、氢和三氟化硼。增强附着层可以淀积在衬底元件上,从一组主要包括氮化硅、碳化硅、氧化硅及其组合的材料中选择。最后,电绝缘材料层淀积在光电导层的上面。
图1是级联式光生伏打器件一块断片的截面图,该器件包括多个p-i-n电池,电池的每一层由半导体材料制成。
图2是用于连续生产光生伏打器件的多室型辉光放电淀积装置的截面图。
图3A是级联式p-i-n光生伏打电池性能的典型伏安特性。该电池包括半导体合金材料的乙硼烷掺杂层。
图3B是级联式p-i-n光生伏打电池性能的典型伏安特性,该电池包括半导体合金材料的三氟化硼掺杂层。
图4为光生伏打电池归一化的效率随时间变化的表示图,说明了根据本发明制备的电池性能得到改进。
图5是多室型辉光放电淀积装置的截面示意图,类似于图2的装置,但是说明本发明的一个方面。
图6是单室型辉光放电淀积装置的截面示意图。
图7是根据本发明制备的电子照相轮鼓(drum)的截面图。
图1示出了由p-i-n型电池12a,12b和12c组成的级联式p-i-n型光生伏打电池10。邻接电池12a的是衬底11,衬底可以是透明的或者由金属材料、诸如不锈钢、铝、钽、钼、铬以及埋入绝缘体中的金属颗粒制成。尽管某些应用可能要求在淀积非晶材料以前,将薄氧化层和/或一系列的基接触(base contact)淀积在衬底上,但是,术语“衬底”不仅意指可弯曲的薄膜,而且还意指由预处理过程加到薄膜上的任何元素,衬底可以由涂覆有作为电极的电导
材料的玻璃或类似于玻璃的材料制成。
电池12a,12b和12c中的每一个最好由至少含一种硅合金的非晶半导体材料制成。每个半导体包括n型电导率半导体层20a,20b和20c;本征半导体层18a,18b和18c;P型电导率半导体层16a,16b和16c。本征层可以包含痕量n型或p型掺杂材料,而没有丧失它们本身的特征。电池12b是一个中间电池,如图1所示,并且其它的中间电池可以重叠在图示的这个电池上。本发明的方法与材料也可以用于生产单n-i-p型电池或多n-i-p型电池,p-n电池肖脱基(Schottky)载流子电池以及其它的半导体或器件,诸如二极管,存储器阵列,光电导器件或其它类似器件。TCO(透明导电氧化物)层22加在层20c之上,并且电极栅网24可以淀积在TCO层22上,以提高电流收集效率。
图2示出了用于在衬底材料11的连续卷带表面上淀积p-i-n结构的非晶半导体层的装置26。该装置26包括至少一个三单元淀积室。每个三单元淀积室包括:第一淀积室28,当衬底通过其内时将p型半导体层淀积在衬底11上;第二淀积室30,在其内将本征半导体层淀积在p型层上;第三淀积室32,在其内将n型半导体淀积在本征层上。虽然在图上仅绘出了一个三单元的淀积室,但是为了生产具有任意个数的p-i-n型半导体层的光生伏打电池,也可以在该设备上增设附加的三单元淀积室或附加的单个淀积室。淀积室28、30和32每一个包括:阴极34;安装在阴极周围的罩35;工作气体供应导管36;射频发生器或其它的电磁功率源38;工作气体和等离子体排气导管41;横向布设的多个磁元件50,多个辐射加热元件40;将淀积室30与淀积室28和32相互连接起来的气体阀门42。另外,惰性气体冲洗导管37安装在淀积室30的两
侧用来把惰性气体引向淀积室28和32。
电磁功率发生器38和阴极34连接、辐射加热器40和衬底11一同工作,形成等离子体把进入淀积室的反应气体分离成淀积物质。然后这些物质淀积在衬底11上。衬底11被磁元件50保持水平。淀积装置26要求采用昂贵的并且设计复杂的气体阀门42以保持低于一个大气压的压力;并避免衬底11在淀积每一层之间的间隔内暴露在可能的污染气氛中。
制备P掺杂的非晶半导体合金薄膜的已知方法大多是使用乙硼烷作为掺杂前身气体。在辉光放电淀积条件下,乙硼烷聚合。而单元子卤化硼和假卤素在辉光放电等离子体中基本上保持单元子。“单原子硼类”意指包括单个硼原子、并且在辉光放电淀积工艺条件下是稳定的硼类。辉光放电淀积条件通常涉及从约200℃到约300℃的温度,最好约为225℃,从约65Pa到130Pa压力,最好是85Pa到120Pa。
“卤素”和“卤素与假卤素”指的是含卤素的材料,以及在辉光放电淀积反应中能够被取代并作为卤素反应的化合物。作为一个示例,三氟化硼是含卤素的化合物,而CN-、CNO-和SCN-是假卤素,它们能够在三氟化硼中取代氟原子。
我们发现,用在辉光放电淀积条件下仍保持单原子稳定的硼类制备的P型非晶半导体合金,带隙能量基本上等于本征半导体合金材料的带隙能量,而没有有害地降低这样制备出来的合金的电导性。包括卤素和假卤素的单原子硼类掺入非晶半导体合金实现P掺杂,制备了结构优良的合金,表现出更佳的生长状况并降低了应力,而基本上没有使带隙变窄。单原子掺杂源是三氟化硼,而不是多原子源诸如乙硼烷,在辉光放电淀积工艺中能够采用较高的硼浓度,而没有形成不良
的高序硼类。最好是在辉光放电气体混合物中,硅烷与单原子硼类的比值在10∶1摩尔%至1∶1摩尔%范围内。
在辉光放电淀积条件下单原子稳定的含硼的材料包括三氟化硼,三氯化硅-三氟化硼,取代后的卤化硼和假卤化硼。这些材料在辉光放电条件下极不容易组合形成聚合硼材料。例如,对三氟化硼的情况,氟的一对电子能够反配对(back-conjugate)形成这样的结构,例如:
F
B=F
F
这种反配对由填充一个空轨道稳定了硼原子。被稳定了的硼类以基本上为四面体形式进入淀积半导体合金基质,而四面体形式在掺杂基质时是有效的。甲硼烷(BH3)和乙硼烷(B2H6)就不能这样被稳定,因为氢没有三氟化硼中氟提供的额外的电子对用来反配对。
改进的硼掺入半导体合金基质的方法导致了取代掺杂效率的提高,并且降低了掺杂的合金材料能隙中有害态的程度。对于制备重掺杂的半导体合金层,诸如p-i-n光生伏打器件的P掺杂层,这些改进是重要的,因为能够实现高掺杂浓度,而没有明显地使合金的带隙变窄,或者没有引入大量的缺陷态。对于半导体合金的轻掺杂层,诸如加入痕量硼的p-i-n光生伏打器件的本征半导体合金层,掺杂能力的改进也是很实用的。我们发现,由于既使是痕量硼的取代式进入,在这种器件中本征层的Staebler-Wronski衰退也显著地减弱了,在某些情况,这种衰退现象消逝了。可以认为,改进的、掺杂原子的取代式掺入和掺杂后半导体合金层带隙中缺陷态的降低是由于在器件中建立了较强的电场,提高了稳定性和光电转换效率。
在级联式非晶半导体合金型光生伏打电池、诸如图1所示的那一种中,我们已经发现了将第二P掺杂层淀积在第一n掺杂层过程中,P掺杂层在受压力状态下生长,使整个结构出现混浊的外表。这种混浊性伴随着光生伏打电池总效率的降低,因为混浊性使太阳辐射的透过率降低了。但是,我们发现,若用单原子硼类作为掺杂剂淀积级联式光生伏打电池的第二P掺杂层,会使该层明显地变得清彻。
另外,当P型材料用单原子硼类掺杂时,级联p-i-n型电池邻接的P掺杂层和n掺杂层之间形成的隧道结的性质得到改进。图3A和图3B分别示出了用乙硼烷作为P型层的掺杂源和用三氟化硼作为P型层的掺杂源制备的级联p-i-n型电池的伏安特性。在图3A的第一象限存在结点13,而在图3B中则没有出现。特性的改善归因于三氟化硼掺杂源,结果使入射光到电能的转变效率更高。
例1
制备了类似于图1所示的一个非晶硅光生伏打电池。不锈钢衬底放置在容性耦合的辉光放电装置的淀积室中,工作频率为13.56MHz,淀积室保持在225℃。在一种气氛中淀积第一P型层。这种气氛是由每分钟0.3标准立方厘米(sccm)的硅烷和0.03sccm的三氟化硼气流形成,为了保持淀积室内约为95Pa的压力,气流用足量的氩气稀释。向阴极提供2瓦功率历时3分钟,淀积了厚度为30毫微米的P掺杂合金层。
冲洗淀积室然后在一种气氛中淀积第一本征层,这种气氛是由1.0sccm硅烷、8.88sccm氢、0.12sccm锗烷、10.0sccm氩形成的,总压力约为100Pa。提供3瓦功率并保持3分钟,淀积了厚度为330毫微米的本征合金层。
用氩气冲洗淀积室后,从0.5sccm硅烷、1.5sccm四氟化
硅、6.0sccm氢和2.0sccm磷化氢形成的气氛中淀积第一n型层,气氛压力保持在120Pa。4瓦的功率保持30秒,形成了厚度为8毫微米的n型硅合金层。
用氩气冲洗淀积室后,从0.2Sccm硅烷、0.08Sccm三氟化硼和39.72Sccm氩组成的、压力保持在约115Pa的气氛中淀积第二P型硅合金层。提供3瓦功率并保持40秒,淀积了厚度为8毫微米的P型合金层。
再用氩气冲洗,从3.0Sccm硅烷和7.0Sccm氢、并保持在约70Pa压力的气氛中淀积第二本征层。2瓦功率维持10分钟,淀积了厚度为100毫微米的本征硅合金层。
再次用氩气冲洗淀积系统,然后从0.5Sccm硅烷、1.5Sccm四氟化硅、7.0Sccm氢和1.0Sccm磷化氢形成的气氛中淀积第二n型硅合金层,气氛保持在约为105Pa的压力。提供4瓦功率并保持25秒,淀积了厚度为8毫微米的n型合金层。
用蒸发法把氧化铟锡的电极淀积在第二n型层上面,把电流收集栅淀积在氧化层上面。在直射日光F,考虑到大气(即AM-1条件),该光生伏打电池的开路电压Voc为1.553伏,短路电流密度Jsc为8.377毫安/每平方厘米,电池的总表面积为0.25cm2,占空因数(fill factor)为0.666,总的光电转换效率为8.667%。
分析了用这种方法制备的光生伏打电池的组成,第一P型层含1.5%硼和0.6%氟,第二P型层含3.4%硼和1.9%氟。
例2
用类似于例1所述的辉光放电淀积工艺制备了若干大面积p-i-n型光生伏打电池。这些电池的每一个的面积约为0.1m2,P掺
杂半导体合金层的厚度约为50毫微米,本征半导体合金层的厚度约为600毫微米,n掺杂半导体合金层厚度约为15毫微米,淀积在不锈钢衬底上。给淀积完的电池提供厚度为60毫微米的氧化铟锡层和印刷屏,电流收集栅淀积在电极上。淀积工艺参数和前身反应气体混合物类似于例1所采用的工艺参数和气体混合物。
使用不同的前身气体反应混合物制备了三个光生伏打电池。总厚度为665毫微米的单p-i-n电池、诸如本例所制备的电池,在正常工作条件下,表现出高度的光电衰退特性(Staebler-Wr-onski衰退),这是因为本征层比较厚(厚度约为400毫微米)所以穿过本征层的由掺杂的半导体合金层产生的电场强度比较低。
采用硅烷作为P掺杂半导体合金层和本征半导体合金层的掺杂前身气体,淀积了样品1。淀积P掺杂半导体合金层的前身气体混合物包括乙硼烷和硅烷,两者比例约为1份乙硼烷∶10份硅烷。给本征半导体层提供比较低浓度(每百万份中几份)的乙硼烷前身气体,乙硼烷气体是在淀积P型半导体合金层过程中,淀积室四壁吸附的硼类然后作为残留气体解吸出来而提供的。
用基本上类似于例1的工艺过程制备了样品2,但采用三氟化硼作为P掺杂半导体合金层和本征半导体合金层两者的掺杂前身气体。淀积P掺杂半导体合金层所采用的硅烷与三氟化硼的比例约为10∶1。如样品1的情况,样品2中本征半导体合金层的三氟化硼掺杂源是由在淀积第一P型层过程中淀积室四壁吸收的硼然后作为残留气体解吸出来而提供的。
由三氟化硼前身气体掺杂P型半导体合金层和在没有硼和硼类的情况下淀积了本征半导体合金层,用这种工艺制备了样品3。由三氟化硼掺杂P型层的淀积工艺参数基本上类似于样品2的光生伏打电池
相应层的淀积参数,其中前身气体气氛中硅烷与三氟化硼的比例也是约为10∶1。但是,在制备样品3时,在淀积本征半导体合金层以前,将淀积P掺杂半导体合金层过程中淀积室四壁吸附的残留三氟化硼彻底地清洗掉了。
测量了用上述方法制备的光生伏打电池的电学特性,然后电池曝光在AM-1模拟日光辐射下。测量了三种电池的光生伏打特性并将累积的数据绘于图4。
三个光生伏打电池(样品1-3)的归一化效率绘于纵座标上,电池受AM-1辐射条件的曝光时间长度(小时)绘在横座标上。由三氟化硼源掺杂的样品2表现出程度最低的光电衰退,200小时后,工作效率仍然保持在初始值的90%以上。
在生产半导体器件、诸如p-i-n型光生伏打器件时,我们发现:如果半导体合金层的表面特别是P掺杂半导体层的表面,在淀积下一层半导体层以前暴露在大气中,会使器件性能劣化。这种劣化归咎于引进了表面态,而表面态不利于这层半导体层与下层之间形成良好的界面。
为了避免表面劣化,我们在单真空罩中连续地淀积了半导体层,如前面图2所示。在单淀积室(即一次工艺)中,在每次淀积半导体层之间需要用惰性气体完全地吹洗淀积室,不允许有大气存在。通过使用单原子卤化硼和假卤化硼的化合物,缓合了表面劣化问题,简化了淀积装置和工艺。另外,由三氟化硼源掺杂到材料中的硼减少了较强的表面键的形成,使得存在于大气中可能的污染不会影响到暴露的表面。
图5示出了多室辉光放电装置60,某些结构类似于图2的辉光放电淀积装置26,图5用与图2采用的相同数字表示具有相同结构
和功能的元件。装置60包括三个淀积室28、30和32。衬底材料11的卷带连续地送进淀积室28、30和32,按顺序地在其上面淀积半导体层。装置60设有相互连接淀积室28、30和32的气体阀门(在图2中为42)。由于覆上半导体层的衬底材料的卷带暴露在大气条件下不会劣化,故淀积系统60并不需要封闭在单真空罩内。为了传输衬底材料的卷带进入和送出相继的淀积室,可以采用简单的真空对空气的密封件62。
图6示出了供连续生产的单室半导体淀积装置64。淀积室31包括一个工作气体入口36和排气口41,两者配合保持淀积室31内所要求的淀积气氛,电磁能量源、譬如射频功率电源38给阴极34提供能量。图6还绘出了衬底的放带和卷带盘11a和11b,它们协同输送衬底材料11的卷带连续通过淀积室31。真空与大气的密封件62对于熟悉这项工作的人来说是熟知的,基本上类似于图5的密封件62,它允许卷带11进入和送出淀积室31。
装置64在卷带11上淀积单层半导体层。然后覆好的卷带绕在收带盘11b上。由于其“惰性”而允许大气条件,所以覆好的卷带可以保存起来供进一步加工成半导体器件。例如,可以先制备淀积上给定类型的半导体层的大量覆好的衬底。然后根据需要在覆好的衬底上再淀积上另外的半导体层或合金层,制造出各种各样的半导体电子器件。
如前述,图6的装置64可以用来在卷带上相继淀积上多层半导体层。例如,当卷带送经淀积室31时,卷带11可以淀积上p-i-n型光生伏打电池的P层,然后可以把淀积好的卷带保存起来。在以后的某个时候,卷带11再送过淀积室淀积本征层。最后,在本征层上淀积n型层。照这样,p-i-n光生伏打电池可以制备在衬底
材料的长卷带上,而无需采用保持在连续真空中的多个专用的淀积室。
图7所示的用于光电照相过程的光感受器包括沉积在一个电导性衬底72上的多层半导体合金材料,衬底可由坚固耐久的材料、诸如铝或不锈钢制成。紧贴在衬底72上的是一层增进附着层74,其作用是给衬底72与相继的淀积层之间提供紧密的结合。增进附着层最好是由氮化硅、氧化硅或碳化硅等材料形成,并且典型的厚度为100毫微米左右。淀积在增进附着层74上面的是阻挡层76,是由掺杂的半导体合金材料制成的,选择该材料的电导性类型以防止来自衬底72的电荷载流子射入光感受器70的相邻的淀积层。在优选方案中,阻挡层76是由硅∶氢∶氟合金形成,合金中掺杂足量的硼使其成为P型电导性层(在本申请书中称为“轻”P掺杂层”)。
光导层78直接淀积在阻挡层76上面。光导层78在无照时累积并保存静电荷,然后在受到光辐照时传导电荷。在一个说明性方案中,光电导层78的厚度最好为25微米,由硅∶氢∶氟的合金制成,并以单原子形式掺入本发明的卤化硼或假卤化硼。绝缘层80可以淀积在光导层78上。绝缘层的厚度约为600毫微米或再薄些,可以由绝缘材料、诸如碳化硅或有机材料制成,保护光电导层78免受机械损伤并借助于防止环境大气离子泄放静电荷在光电导元件78上来阻挡电荷。
光电照相光感受器70是一个比较厚的器件,特别是与其它的半导体器件、诸如已经提到的光生伏打电池相比。因此,在光感受器中内应力和体积应变问题尤为突出。目前,很难去测量半导体材料样品中体应力和应变的值。但是,根据形成混浊层和该层电荷储存能力即饱和电压的降低可以推论出应力和应变的存在。在光感受器的各种半导体层中的应变能够引起这些层的龟裂,降低光感受器的电荷储存能
力。龟裂可能促进不良生长结构的成核作用遍及到光感受器的整个厚度。在电子照相光感受器的各种半导体合金层中加入卤化硼和假卤化硼,会导致体应力的降低。
根据本发明的另一个方面,光电导元件78可以包括各种组份的多层重叠层。这种重叠结构进一步降低了应力。在一个优选方案中,光电导元件78的厚度为25微米,包括两个重叠的厚度各为12.5微米的层,这两层仅是在氟进入量上稍有不同。取决于淀积的半导体层的总厚度,也可以采用重叠层数较多的结构来进一步降低应力。
图7的电子照相光感受器70的半导体层可以用各种已知的薄膜半导体淀积技术来制备,例如溅射、蒸发或射频激励的辉光放电等。我们发现,微波激励的辉光放电用来制备比较厚的半导体层具有特殊的优点,因为这种方法淀积速率快。
用下述的微波放电工艺制备了类似于图7所示的光感受器。经清洗和抛光处理的铝衬底放在体积约为600Cm3的淀积室内,向淀积室内提供硅烷和氮的淀积气氛,气氛保持在约为3Pa的压力。衬底加热到250℃,加上频率为2.54GHz的120瓦微波能量,开始淀积氮化硅层。以每秒0.2毫微米的速率淀积氮化硅,1000秒后,形成100毫微米厚度的氮化硅薄膜。再将由30Sccm硅烷、3Sccm四氟化硅和0.2Sccm在氢气中的3.9%的三氟化硼组成的新的气氛引入淀积室,淀积室压力保持在3Pa左右。这样得到了260ppm硅烷与三氟化硼的比例。衬底保持在250℃,然后以每秒10毫微米的速率淀积50秒。淀积结束时,轻掺杂硅合金淀积层的厚度约为500毫微米。
如上所述,光电导层淀积成双层结构。30Sccm硅烷、2Sccm四氟化硅和0.02Sccm的在氢气中的3.9%三氟化硼组成的淀积
气氛流过淀积室,淀积室保持在3Pa压力。这种气氛提供了26ppm三氟化硼对硅烷的比例。衬底保持在225℃的温度,然后以每秒约为15毫微米的速率进行淀积。淀积上约为12.5微米厚度的硅合金层后,四氟化硅气流提高到4Sccm左右,然后连续进行淀积,直至又淀积上第二层厚度为12.5微米的硅合金层为止。
在淀积光电导层以后,用辉光放电分解硅烷和甲烷气氛再淀积上厚度为600毫微米的碳化硅上保护层。
这样制备的电子照相光感受器没有发现存在体应力的明显迹象,即没有龟裂或剥皮。我们在使用中还发现,这种光感受器能够承受约400伏的静电荷,而用乙硼烷掺杂源制备的类似结构的光感受器仅能承受200伏的电压。当采用微波辉光放电工艺进行材料淀积时,所淀积的半导体合金材料体现出的优良性质可以命名为“协合的”(Synergistic)。之所以采用“协合的”这一术语,是因为本发明申请者过去认为由微波能量而不是射频能量来提供能量的辉光放电过程一般是淀积高应力的薄膜。然而,微波激励的微波淀积过程也可以淀积厚度为25微米的半导体膜,这层膜不仅可以附着在衬底上,而且表现出优良的电学和力学特性。本申请人认为:这是由于使用了卤化硼和假卤化硼,它们既使是在微波激励的高电子温度等离子体的高能环境中,也能基本上保持单原子。
虽然上述示例描述了用微波激励的过程制备电子照相的光感受器,但本发明并不局限于此。通过使用单原子形式地掺入卤化硼或假卤化硼的半导体基质以及使用重叠结构形成一层或多层的电子照相光感受器,可以减轻电子照相光感受器中的应力。
Claims (20)
1、在适于通过维持在负压下的至少一个真空沉积室的带状衬底材料上沉积多层基本上叠置的半导体合金材料,以卷对卷地生产电子器件的方法,其特征在于该方法包括下列步骤:
使该衬底材料通过至少一个沉积室,以在该衬底材料上沉积至少一层第一导电类型的第一掺杂半导体合金材料,和一层其导电类型与第一掺杂层的导电类型不同的第二半导体合金层;以及
在沉积至少其中一层半导体合金材料后,切断真空,使该衬底材料暴露在环境气氛中,因此,为生产某一给定电子器件用的所有半导体合金层的沉积不会出现在单一的真空封壳中。
2、根据权利要求1的方法,其特征在于,在制造一种p-i-n光生伏打电池中,该方法还包括下列步骤:
在第一沉积室中沉积一层p掺杂的半导体合金材料;
切断真空;
在第二沉积室中沉积一层本征的半导体合金材料;以及
在第三沉积室中沉积一层n掺杂的半导体合金材料。
3、根据权利要求2的方法,其特征在于,该方法还包括在第二和第三室中沉积半导体合金材料之间切断真空的步骤。
4、根据权利要求2的方法,其特征在于,在制造一种级联的p-i-n型光生伏打电池中,该方法还包括下列步骤:
为制造级联光生伏打电池中的每个电池,要重复沉积步骤和真空切断步骤。
5、根据权利要求1的方法,其特征在于,其中第一沉积层的半导体合金材料是一层p掺杂层。
6、根据权利要求5的方法,其特征在于,在沉积其后的半导体合金材料层之前,还包括储存半导体合金材料的第一沉积层的步骤。
7、根据权利要求6的方法,其特征在于,其中的沉积p掺杂半导体合金材料的步骤,还包括将实质上保持单原子态的硼类引进沉积室,从而使单原子态的硼类掺到半导体材料的基质中。
8、根据权利要求7的方法,其特征在于,其中的p掺杂半导体合金层还包括一囟素或一假囟素。
9、根据权利要求7的方法,其特征在于,其中的硼类是从主要是由BF、三氯化硅-二氟化硼(silicon trichloride-boron difluoride)、取代的硼的卤化物、硼的假卤化物及它们的混合物组成的组合中选出的。
10、根据权利要求8的方法,其特征在于,其中的卤素或假卤素是氟。
11、根据权利要求1的方法,其特征在于,其中的半导体是硅或硅合金。
12、根据权利要求1的方法,其特征在于,其中的半导体是锗或锗合金。
13、根据权利要求1的方法,其特征在于,其中的半导体是硅锗合金。
14、根据权利要求1的方法,其特征在于,其中的硼实质上以四面体的形式掺入半导体基质中。
15、根据权利要求2的方法,其特征在于,其中的痕量硼被掺入本征半导体合金层中。
16、根据权利要求15的方法,其特征在于,其中的痕量硼通过至少一部分的本体本征层而缓变,以仿制出跨越所说本征层的感生电场。
17、根据权利要求16的方法,其特征在于,其中的本征层还包括氟,通过填充本征层的空轨道以降低本征层的带隙中的缺陷状态密度和稳定硼原子。
18、根据权利要求1的方法,其特征在于,在制造一种n-i-p型的光生伏把电池中,该方法还包括下列步骤:
在第一真空室中沉积一层n掺杂的半导体合金材料;
在第二沉积室中沉积一层本征半导体合金材料;
在第三沉积室中沉积一层p掺杂半导体合金材料。
19、根据权利要求18的方法,其特征在于,该方法还包括在第二和第三室中沉积半导体合金材料之间切断真空的步骤。
20、根据权利要求18的方法,其特征在于,在制造一种级联光生伏打器件中,该方法还包括:
在沉积级联光生伏打器件的一个电池的p掺杂层和第二电池的n掺杂层之间切断真空。
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