CN1009688B - 具有一连续渐变带隙半导体区域的半导体器件 - Google Patents

Abstract

一种改进的半导体器件，诸如改进的渐变带隙晶体管和改进的渐变带隙二极管，其特征在于该器件由含有硅原子、调节带隙的原子和降低定域能级的原子的非单晶材料构成，并且该器件至少在非结位置的一个方位上还具有一个带隙连续渐变的区域，而且只有导带和价带之一是连续渐变的。即显著地改善了频率特性，又改善了光敏效应。

Description

本发明与含有非晶材料的半导体器件有关。尤其是与包括晶体管和二极管的半导体器件有关。该器件有一区域，其中的带隙至少在一非结位置处是连续渐变的，并且只有导带和价带之一是连续渐变的。

按照本发明所说的晶体管和二极管，在下面分别称为“渐变带隙晶体管”和“渐变带隙二极管”。

迄今为止，已提出各种各样具有半导体区域的晶体管和二极管。在该区域中禁带（即带隙）是以斜坡状渐变的，这有助于加速频率响应，并能提高光敏响应。

但是，对这些晶体管和二极管的研究重点放在应用晶体半导体方面，尤其是应用GaAs（Al）半导体。其中晶体管或二极管是按照分子束外延法来制造的。〔参见F·Capasso，Surface    Science.142.pp.513-528（1984）〕

在分子束外延法中，形成薄膜的操作是在超高真空中进行。并在基片上生成半导体膜的沉积速率低。此外，不仅难以大规模生产此种膜，而且也难以将此形成的膜加工到大面积。而且，由于Ca和As对人体有害，用它们作为原料会产生麻烦。

与上述不同，也曾试验易于得到的Si和Ge作为原料来制造这种半导体器件。但是大家公认，由于Si和Ge的晶格常数彼此不 同，用这样的原料难以制成没有不希望结构缺陷的单晶体膜。

在这方面，曾重点研究非单晶SiGe膜，该SiGe膜有利于制造太阳能电池和光电检测器。在非单晶膜情况下，不需考虑有关组成材料之间的上述差异问题，结构上的自由度大，能够用氢原子或卤素原子如氟容易地补偿悬空键。正由于此，能有效地生成实际所需的非单晶SiGe膜。

此外，适当改变含于膜中的Si和Go的比，就能使非单晶SiGe膜的带隙连续地变化。

同样，也曾对非单晶SiC、SiN和SiO膜进行了各种研究这些膜适用于制造上面所述的半导体器件。

对于那样的非单晶膜，改变其组成元素间的比，就能使它们的带隙连续的渐变。

但是，由于它们的迁移率低，用这些非单晶膜，还未能得到所希望的高效晶体管和二极管等。

虽然在美国专利4254429中提出了建议，用这样的非单晶膜制造具有异质结的晶体管或光敏二极管，但其

公开内容的目的在于防止在组成部分层间的交界面处形成缺陷或/和失配。由此，即使在所说的出版物中，也未能在实际上制成满意的高效率晶体管和二极管。

参照US4.254.429中公开的半导体器件，在有一半导体膜情况下，该膜中的导带和价带二者相对费米能级而言都是倾斜的并且该膜有一向另一方向扩展的带隙，在形成漏斗状带隙的同时，由于空穴或电子二者之一的载流子易于积累，器件的特性就可以提高。

举例说，把所说器件用作晶体管，在此情况下，晶体管的特性 低。如把所说器件用作二极管，这种情况下，就成为一种特性低的二极管。

此外，把所说器件作为太阳电池应用，不可能满意地增加短路电流（ISo），开路电压（Voc）以及占空因数（FF）其中任何一个。

本发明的目的在于改善已知半导体器件的频率特性，诸如含有一非单晶半导体膜的晶体管和二极管这类半导体器件。

本发明的另一个目的，旨在得到一种改善的半导体器件，它包括能在商业上大量生产的改进的晶体管和改进的二极管。

本发明的进一步目的是要提供一种改进的半导体器件，它包括改进的晶体管和改进的二极管，它在光敏响应方面得到了改进。

图1是解释一代表性实施例的示意图，这是本发明所说的渐变带隙晶体管结构的示意图;

图2（a）至图2（c）是按本发明例子制造的渐变带隙晶体管各能带的解释性示意图;

图3是测量器件样品内部光发射和V-I（电压-电流）特性曲线的解释性示意图;

图4是一代表性实施例的示意图，它说明按照本发明所制造的渐变带隙二极理的结构;

图5（a）至图5（c）以及图6是按本发明的例子制造的渐变带隙二极管各能带的解释性简图;

图7是生产装置示意图，该设备作为制造本发明的渐变带隙晶体管或二极管所用设备的一个例子;

图8是一种生产装置的示意图，作为用以制造本发明的渐变带隙 晶体管或二极管设备的另一个例子。

本发明人为了达到前面所述的目的进行了广泛的研究，结果、完成了基于下面所述研究成果的发明。

即首先发现了这样的事实，一种含有非单晶材料（如非晶材料或多晶材料）的半导体，不需要考虑它的组分之间的晶格常数匹配问题;另一方面，它的迁移率低，能有效地用来达到本发明的目的。

另一发现是，此种半导体与晶体管结合，其中为该晶体管提供一基极区域具有斜坡状渐变的带隙结构（即渐变带隙晶体管），就能获得对光谱快速响应的改进的光敏晶体管。

进一步发现，此种半导体与二极管结合，该二极管具有斜坡状渐变带隙结构（即渐变带隙二极管），从而获得对光谱能快速响应的光敏二极管。

更进一步发现，对于非单晶材料，能够制成诸如A-SiC、A-SiN等的半导体材料，其带隙比单晶Si或单晶GaAs的带隙宽，并能制成渐变带隙晶体管或渐变带隙二极管，它们有很高的抗温度变化和抗高能粒子的能力。

从而，本发明提供了一种改进的半导体器件，诸如改进的渐变带隙晶体管和改进的渐变带隙二极管，它包括一种包含硅、调节带隙的原子以及降低定域能级的原子的非单晶材料，并具有一区域其中至少在一非结位置其带隙是连续渐变的，并且其中只有导带和价带之一是连续渐变的。

这样，按照本发明，能使已知非单晶晶体管的频率特性以及光敏响应得到显著的改进。

而且，按本发明改进的渐变带隙晶体管二极管能有效地大量生产 而不用依靠用来制造已知的GaAs（Al）系列半导体的技术。

此外，按照本发明，能根据应用的目的制造所希望的渐变带隙晶体管或二极管，因为在带隙宽度和所用材料方面具有自由度。

现将参照附图详细地说明本发明所说的改进的半导体器件。

图1表示本发明的一种典型的渐变带隙晶体管。图中表示了基片101，集电极102，基极103以及发射极104，它们就以这样的次序配置在基片101上。并有重掺杂层105和另一重掺杂层106配置在集电极102和发射极104上，以便制成一欧姆结。电引线107、108和109分别与掺杂层105、基极103以及掺杂层106相连接。

图2（a）至2（c）表示本发明的渐变带隙晶体管在热平衡状态下的能带结构。

在图2（a）至2（c）中，数字203、204和205分别代表发射极、基极和集电极。数字201表示导带，数字202代表价带，数字206代表费米能级。

基极204的带隙在发射极203一边较宽，在集电极一边较窄，这是所希望的。

当在基极204和发射极203的交界面处和在基极204和集电极205的交界面处出现一个不连续的凹陷或尖峰时，就要在基极204和发射极203之间，并且在基极204和集电极205之间连续地分布一种组成元素。

为了使本发明的渐变带隙晶体管能有效地呈现其功能，希望基极204中的最小带隙与最大带隙之差大于0.1eV，更可取的是大于0.2eV。

此外，基极的厚度对于决定本发明渐变带隙晶体管的特性是个重要因素，虽说应当根据所用材料的种类来适当决定其厚度，但可取的范围是2um或者更薄，比较可取的范围是1um或者更薄，最可取的范围是0.7um或者更薄。

在本发明的半导体器件中，图2（a）至2（c）显示了变带隙晶体管在热平衡状态下的能带结构，该半导体区域一部分（即图中基极区域）的能带结构呈现出斜坡状的带隙渐变状态，只有价带和导带之一的带能级是单调连续增加或减少，其余的带能级保持平坦状态。

一般说来，可通过选择合适的膜形成条件使带隙连续渐变，并连续地改变在一实际所需半导体区域中各组分元素之间的化学成分的比例。

但是，如先有技术所说，只要简单地连续改变前述的化学比例，就可以使一半导体区域中的带隙连续渐变。不过，在此情况下，价带和导带的带能级是同时渐变的。正由于此，不可能只使该两带能级之一单调地连续上升或下降，并使其余带能级保持平坦状态。

举例说，如要求一实际所需半导体器件的一部分半导体膜用非单晶SiGe为材料，以等离子化学汽相淀积法来制造，一般说来，考虑到要在淀积室中保持等离子体处于稳定状态，半导体膜的制造是在不改变膜生成参数的数值情况下进行的。特别是关于稀释原料气体等的浓度，在此情况下是不改变的。

正由于此，当增加含在膜中Ge的量时，所生成膜的缺陷也增多故其生成膜很可能变成n型，与此同时，价带和导带二者的带能级也将相应地改变。

另一方面，在本发明中，举例说如果用单晶SiGe来制成一实际所需半导体器件的半导体膜，则膜的制造是利用实际存在的现象、即 （1）适当选择形成膜的条件，锗原子用以改变价带和导带的带能级，使之趋向在非单晶Si半导体的本征能带结构中的费米级，（2）氢原子的作用只改变价带的带能级，几乎不能改变导带的能级级。

为了能有效地达到本发明的目的，举例说，在用等离子化学汽相淀积法生成非单晶SiGe膜的情况下，在增加作为稀释气体的氢气（H₂）流速并且增加导输锗的原料气体流量的同时，要适当地减少放电功率，这样，就能从某一位置开始。朝着处于平衡状态的费米级的另一方向、连续地提高导带能级，同时保持价带的带能级处于平坦状态。

也即，在本发明中，适当地选择形成膜的条件，能够制造满意的半导体膜，该膜部分地含有一区域，其中的空穴激活能维持恒定，而电子激活能在能带结构中从一边向着另一边不断增大。

在本发明的例子中，将详述上面提到的内容。

应用下面通用的带隙测量方法就能测定，构成本发明半导体器件的半导体膜的部分区域中，其能带结构是否处于所希望的状态。

（1）测量内部发发射。

配备了一个样品和有关的测量装置，使能如图3那样构成一个电路。

在图3中，数字301代表一样品。

对于该样品301，有一层微米厚要测量其能带结构的半导体膜304配置在一半透明铬电极303上，该铬电极设置在玻璃板302上。在半导体膜304的另外一面设置了另一个半透明铬电极305。

电极303和305电连接到直流电源306及电流表307，以便观察半导体膜中的电流。

应用上述电路，在样品301上加几伏电压就能观察到光电流（Ip）与波长的相关性。

待测的光电流（Ip）能以下列方程式（A）表示：

Ip＝eηNo（1-R）〔1-e^（1-αd）〕uEτ

……（A）

e：单位电荷

η：量子效率

d：半导体膜厚度

u：迁移率

τ：寿命

No：发射光的光子数/每秒

R：在反射面上的反射因子

α：吸收系数

E：电场

在均匀吸收情况下，该方程式（A）变为：

Ip＝eηNo（1-R）（αd）uEτ……（B）

在此情况下，吸收系数（α）可由下式（C）表示：

α～ (Ip)/(No) ……（C）

利用该吸收系数。在横座标上标出hν，在纵座标上标出 $\sqrt{\mathrm{2\; h\; v}}$ ，从而得到该半导体膜304的一带隙值。

在本情况下，半导体膜304的较宽一边和较窄一边有关带隙值都可以独立地测量出来，其方法是有选择地以玻璃板302或电极305作为光入射面。

（2）测量V-I（电压-电流特性曲线）

根据用图3所示电路测得的结果，可以探测到在价带一边还是在导带一边存在电势垒。

把光入射到样品301上，同时在样品上施加电压就能测得V-I特性曲线。

通过施加电压，并使带隙的较宽一边为正（+），由此测得的V-I曲线，能够证实如果所说电压的施加方向是正偏置。在此情况下就在导带一边渐变;在所加电压是负偏置情况下，就在禁带一边渐变。

根据上述（1）和（2）两种测量结果。就能断定样品的能带结构是否相当于本发明所确定的能带结构。

图4中示出有关本发明的一种典型的渐变带隙二极管，其中有基片401，第一欧姆接触层402，第一非单晶层区域403，第二非单晶层区域404，以及第二欧姆接触层405。

各个的欧姆接触层402和405包含大量掺杂剂，其极性与邻近层区域403和404相同，从而分别保持一欧姆接触。电引线406和407分别与欧姆接触层402和405电连接。

图5（a）至图5（c）概略地表示了根据本发明的处于平衡状 态的渐变带隙二极管的能带结构。

在图5（a）至图5（c）中，数字504代表第一非单晶区域，数字505代表第二非单晶区域，而数字501（a）至501（c），数字502（a）至502（c）以及数字503（a）至503（c）分别代表价带、导带和费米能级。

正如图5（a）至5（c）所示，要求第一和第二非单晶层区域中至少有一层区域的带隙是连续渐变的，在价带和导带中，只有其中之一是连续渐变的，而其余一个带保持平的状态，并且在邻近电极一边的隙宽不断变宽。

在利用本发明的渐变带隙二极管作为光敏二极管的情况下，希望尽可能地减薄欧姆接触层的厚度，使光入射一面的带隙尽可能宽。

此外，在第一非单晶层区域的交界面上连续地布置组成元素，就可以阻止在这些交界面上出现凹陷或尖峰值。

为使本发明的渐变带隙二极管有效地显示其功能，最小带隙和最大带隙之差较可取的是大于0.1eV，最好大于0.2eV。

带隙渐变区域的层的厚度是决定本发明所属渐变二极管特性的重要因素。

虽然，所说厚度应当根据所用材料的种类适当地的决定。但要求厚一点以便增加对所加电压的抗击穿能力，可取的具体厚度在50到200微米之间，另一方面，为了提高频率响应，希望薄一点，在此情况下，一种可取的厚度是从0.5到50微米。

至于在本发明中用以生成前述非单晶膜的提供硅原子的适用气体 原料，可列举一种链硅烷化合物，诸如甲硅烷（SiH₄），全氟甲硅烷（SiF₄），乙硅烷（Si₂H₆），全氟乙硅烷（Si₂F₆），丙硅烷（Si₃H₆），一氟代甲硅烷（SiH₃F），Si₂H₂F等，以及一种环状硅烷化合物，诸如环丁硅烷（Si₄H₈），环戊硅烷（Si₅H₂O），环己硅烷（Si₀H₁₂）等。

至于加入一种原子用以调节能带隙，即以加宽或缩小带隙，或用于降低定域能级的气态原料，可以列举出各种各样化合物。

具体说，加入一种原子用以加宽带隙的可用的气体原料，有碳化合物中的，诸如甲烷（CH₄），乙炔（C₂H₂），乙烯（C₂H₂），乙烷（C₂H₆），四甲基甲硅烷〔Si（CH₃）₄〕以及三甲基甲硅烷〔SiH（CH₃）₃〕;还有氮化合物中的，诸如氮气（N₂），铵（NH₃），和H₂NNH₂、NH₄N₃、F₄N，及氧化物中的O₂，O₃，CO₂，NO，NO₂，NO₃N₂O，N₂O₃和N₂O₄等。

作为适用的气体原料，用以加入一种原子，以缩小带隙，有含锗化合物，如四氢锗（GeH₄），四氟锗（GeF₄）等等，以及含锡化合物，例如四氢锡（SnH₄）。

作为适用的气体原料，用以加入一种原子以降低定域能级的有：例如，氢气（H₂）以及卤素气体，例如，氟（F₂），氯（Cl₂）等等。

为了有效地达到本发明的目的，使用这种降低定域能级的原子是一个重要因素。

欲逐步改变一区域中的带隙;包含在该区域中的这种降低定域能级的原子量的可取范围是1%到60%原子数，比较可取的范围是50%到40%原子数，最可取的范围是10%到35%原子数。

此外，在本发明中，用周期表中第三族或/和第四族元素作为掺杂剂，加入到需要逐步改变带隙的区域，用以控制电导率。

以第三族元素作为掺杂剂，可列举出硼和铝、镓、铟、铊等。在这些元素中，尤以硼和镓更可取。

以第四族元素作为掺杂剂，可以列出磷、砷、锑、铋等，在这些元素中，以磷和锑更可取。

在本发明中，可把这些掺杂剂均匀地或不均匀地分布在所说区域中，包含在所说区域中的该掺杂剂的量，其可取范围是原子5%或更为可取的范围是原子3%或更少，更可取的范围是1原子%或更少。

现在要说明，根据本发明制造一半导体器件的工序，以及实施该工序所用的生产设备。

图7表示一种代表性的生产装置，适于实施生产半导体器件用的工序，诸如生产本发明的一种改进的渐变带隙晶体管和一种改进的渐变带隙二极管。

图7所示的生产装置是电容耦合型，该装置包括一个能严密封闭的淀积室701，该淀积室有一反应室702，一个阳极703，一个电加热器704用以加热基片708，一个加热器704用的控制装置705，一个阴极706，一个高频电源707，一个排气系统709，一个真空计770，一个输气管710，气体储存管711至714，压力计721至724以及781至784，主阀731 至734，二次阀741至744，主流量控制器761至764以及阀751至754。

应用该生产装置例如，可以用如下方法生产本发明的渐变带隙三极管。

也即，首先把基片708牢固地固定在阳极703上，抽空淀积室701中的空气使反应室702中的气压降到约1×10°。然后开启控制装置705把基片708加热到50℃至600℃，当基片708保持在预定温度之后，把生成集电极的气体原料以预定流量从气体储存器通过质量流控制器引入反应空间702。接着，当用真空计770测得反应空间702的内压力达到预定真空度0.1～10乇时，就开启高频功率源，把0.1W/cm²～10W/cm²的高频功率输入反应空间102，在造成预定时期的释光放电之后，就有0.05μm～10μm厚的集电区层沉积在基片708上，此后，沉积室701中的空气达到足够的真空度，将已形成集电区层的基片708冷却到室温，然后，破坏沉积室701的真空，并从中取出基片708，再进行腐蚀处理，按一定尺寸在基片708上制造集电区使之达到预定的形状。

把这样处理过的基片708重新放入沉积室701中，并重复上述形成薄膜的步骤，使在以前形成的集电区上沉积厚度约为2μm的基区层，在此情况下，为了在沉积基区层的同时能连续改变其带隙，就要这样执行形成薄膜的工序，连续地减少或增加气体原材料的流量，以便加入调节带隙的原子，与此同时，根据需要，适当改变放电功率，稀释气体的浓度以及基片的温度。

此后，把在以前形成的集电区上沉积了基区层的基片708，从 沉积室701取出，进行图形处理，使之成为预计的图形。

接着，把这样处理过的基片708放入沉积室701，重复上述形成薄膜的步骤，使在以前形成的基区上沉积一层发射区。此后，用处理集电区一样的方法，对发射区进行腐蚀处理，这样就制成实际所需要的渐变带隙晶体管。

本发明所属的渐变带隙二极管也可以用图7所示的生产装置进行制造。

把基片708牢固地附着在阳极703上，抽去沉积室中的空气，使反应空间702内的气压降到约1×10^-6乇。然后，开启控制装置705，把基片708加热到50℃～600℃。当基片708保持在预定温度后，以预定流量把形成欧姆接触层的气体原材料从气体储存器经质量流控制器导入反应空间702。之后，用真空计770观察反应空间702内的气压，当达到预定的0.01～10乇真空度时，开启高频功率源，向反应空间702内输入0.01W/Cm²～10W/Cm²的高频功率。在进行预定时期的辉光放电后，在基片708上沉积一层厚0.01～1μm的欧姆接触层。此后，沉积室701内的空气已达到足够真空度，将已具有欧姆接触层的基片708冷却到室温。然后，破坏沉积室701的真空状态，从该沉积室取出基片708，再进行腐蚀处理，按一定尺寸把基片708上的欧姆接触层腐蚀成预定的形状。把这样处理过的基片708重新放入沉积室701，重复上述形成薄膜的程序，在先前形成的欧姆接触层上先后沉积了厚度各小于100μm的第一层区域和第二层区域。在此情况下，为了在沉积每一层区域时，同时连续改变其带隙，应这样执行形成薄膜的步骤，即连续地减少或增加气体原材 料的流量，以便加入调节带隙的原子，与此同时，根据需要，适当改变放电功率，稀释气体的浓度以及基片的温度。

並按前述的相同方法，从沉积室701中取出在原先形成的欧姆接触层上沉积了第一和第二层区域的基片708，然后进行图形处理，使其具有预定的图案。最后，重复上述形成薄膜的工序，在先前形成的第二层区域上沉积另一层所需的欧姆接触层。这样就制成一个实际所需的渐变带隙二极管。

在图8中示出了另一种代表性的生产装置。

图8中的生产装置是图7所示生产装置的局部改进，对图7所示的装置加上氢基气体供应系统。图8的装置包括一个氢气储存器815、压力计825和885、一支主阀835、一支次级阀845、一支质量流控制器865、阀855、一支输氢气管891、一个激活室892以及一台微波功率源893。

应用图8所示生产装置也能有效地制造半导体器件，诸如本发明所述的改进的渐变带隙晶体管以及改进的渐变带隙二极管。

〔本发明的优选实施例〕

现将参照下面的例子更详细地叙述本发明的优点，这些例子仅仅用来达到解释性目的，对本发明的范围没有限制作用。

例1

应用图7所示的装置，制作了一个如图1所示型式的渐变带隙晶体管，其能带结构示于图2（a）。

应用Corning玻璃板7059（Corning玻璃器皿公司的产品）作基片101，每一组成层是按表1所列之条件形成的。

应用RHEED（反射高能电子衍射^※）对形成的晶体管的每一组成层的化学成分进行测量，其结果表明，每一组成层是由含硅的非晶材料组成的。

此外，应用SIMS（二次离子质谱仪^※）测定基区中锗原子含量的结果表明，包含在基区中的锗原子的密度从0原子%连续变化到30原子%。

並且，不包含锗原子的非晶层区域的带隙为1.7eV，包含30%锗原子的非晶层区域的带隙为1.45eV。

更进一步发现，所制成的晶体管的频率特性与下面将要介绍的对比例1中制造的晶体管的频率特性相比，改善了的1.7倍。

例2

应用图7所示的装置，制造了如图1所示型式的渐变带隙晶体管，其能带结构示于图2（b）。

用Corning玻璃板7059（Corning玻璃器皿公司产品）作基片101，按表2所列之条件形成每一组成层。

应用RHEED测量所制造的晶体管的每一组成层的化学成分，其结果表明，每一组成层是由含硅的非晶材料组成的。

此外，应用SIMS测量基区中碳原子含量的结果表明，碳原子的密度从20原子%连续变化到0原子%。

並且，在包括20%碳原子的非晶层区域的带隙为2.0eV

更进一步发现，与下面叙述的对比例1中制成的晶体管相比，本例所制成的晶体管的频率特性改善了约1.5倍。

例3

应用图7所示的装置，制成了如图1所示型式的渐变带隙晶体管， 其能带结构如图2（c）所示。

用Corning玻璃板7059（Corning玻璃器皿公司的产品）作为基片101，按表3所列之条件形成每一组成层。

应用RHEED对所制成的晶体管的每一组成层测量其化学成分，发现每一组成层是由含硅的非晶材料组成的。

此外，用SIMS在基区中测量碳原子含量的结果表明，所含碳原子的密度从30原子%连续变化到0原子%。

进一步发现，含碳原子的非晶层带隙的最宽部分是2.2eV。

更进一步发现，与下面将要叙述的对比例1中形成的晶体管相比，例3所制成的晶体管对可见光响应的信噪比（S/N）改善了约2倍。

对比例1

应用图7所示的装置，按表4所列之条件，制造了图1所示型式的晶体管，其中的基片101是用Corning玻璃板7059（Corning玻璃器皿公司产品）。

例4

应用图7所示装置，制造了图4所示型式的渐变带隙二极管，其能带结构示于图5（a）。

用Corning玻璃板7059（Corning玻璃器皿公司的产品）作基片101，並按表5所列之条件形成每一组成层。

应用RHEED测量制成的二极管的每一组成层的化学成分，发现每一组成层是由含硅的非晶材料组成的。

此外，应用SIMS测量第二层区域中锗原子含量的结果表明，所含锗原子的密度从0原子%连续变化到30原子%。

进一步发现，不含锗原子的非晶层区域的带隙为1.7eV，而 含30%锗原子的非晶层区域的带隙为1.45eV。

更进一步发现，与将要在下面叙述的对比例2中制成的两种二极管相比，例4中所制成的二极管的开关周期改善了约1.6倍。

对比例2

除了在形成第二层区域时，把GeF₄流率保持在0.10SCCM之外，重复例4中的步骤，以得到两种二极管。

例5

应用图7所示的装置，制成图4所示型式的渐变带隙二极管，其能带结构示于5（b）中。

用Corning玻璃板7059（Corning玻璃器皿公司产品）作基片101，並按表6所列之条件形成每一组成层。

应用RHEED测量所制造的二极管的每一组成层的化学成分，发现每一组成层是由含硅的非晶材料组成的。

此外，应用SIMS测量第一层区域中碳原子含量的结果表明，所含碳原子的密度从20原子%连续变化到0原子%。

进一步发现，含20%碳原子的非晶层区域的带隙为2.0eV。

更进一步发现，与下面将要叙述的对比例3所制成的二极管相比，例5所制成的二极管的信噪比改善了约1.5倍。

对比例3

除了放电功率保持在0.50W/Cm²以外，重复例5中的步骤，以得到两种二极管。

例6

应用图7所示的装置，制造图4所示型式的渐变带隙二极管，其能带结构示于图5（c）。

用Corning玻璃板7059（Corning玻璃器皿公司产品）作为基片101，並按表7所列之条件形成每一组成层。

应用RHEED测量所制成的二极管的每一组成层的化学成分，其结果表明每一组成层是由含硅的非晶材料组成的

此外，应用SIMS测量第二层区域中氮原子含量的结果表明，所含氮原子的密度从30原子%连续变化到0原子%。

进一步发现，第二层区域带隙最宽部分为2.2eV。

更进一步发现，与对比例2中所制的二极管相比，例6中所制的二极管的信噪比改善了约2.1倍。

例7

应用图7所示的装置，按表8所列之条件制造了一种改进的雪崩二极管，其能带结构示于图6（a）和图6（b）。在图6（a）和图6（b）中表示了导带601（a）和601（b），价带602（a）和602（b）和费米能级603（b）。图6（a）表示在不施加电压情况下的能带结构，图6（b）表示在施加电压情况下的能带结构。

应用Corning玻璃板7059（corning玻璃器皿公司产品）作为基片。

应用RHEED测量所得雪崩二极管每一组成层的化学成分表明，每一组成层是由含硅的非晶材料组成的。

並发现，与在形成i-型层时不用GeF₄所制成的光敏二极管相比，例7中所得的雪崩二极管对可见光响应的信噪比改善了约2倍。

例8

应用图8所示的装置，按表9所列之条件，制造图4所示型式的 渐变带隙二极管，其能带结构如图5（a）所示。其中，用Corning玻璃板7059（Corning玻璃器皿公司产品）作为基片101。

並且，在形成第二层区域（渐变带隙层）时，从氢气（H₂）储存器815把氢气（H₂）导入激活室892，与此同时由微波功率源893向激活室输入100W/Cm²的微波功率，以产生氢基，並以20SCCM的流量把氢基连续引入反应空间702。

应用RHEED测量所得二极管每一组成层的化学成分，其结果表明，每一组成层是由含硅的非晶材料组成的。

此外，应用SIMS测量第二层区域中的锗原子含量，其结果表明，所含锗原子的密度从0原子%连续变化到30原子%。

进一步发现，不含锗原子的非晶层区域的带隙为1.7eV，而含30%锗原子的非晶层区域的带隙为1.45eV。

除以上所述之外，还制造了一个包含一个玻璃板、一层半透明铬电极、一层非晶半导体薄膜（0.5μm厚）和另一层半透明铬电极的器件。至于该非晶半导体薄膜，是重复形成上述第二层区域的步骤形成的。应用AM1光源在所得的器件上测量光电动势，所得结果表明为0.25V。

由上述带隙以及光电动势测量结果能判断出，在上述第二层区域中，只有导带是相对于费米能级渐变的。

与下面对比例4中所制造的二极管相比，例8中所得的二极管的开关周期改善了约1.6倍

对比例4

除了在形成第二层区域过程中不使用任何氢基，並保持放电功率为0.5W/Cm²恒值以外，重复例8中的步骤，以获得对比样品 二极管。

至于所得样品二极管在第二层区域的带隙，在不含锗原子的非晶层区域中为1.7eV，在含有锗原子非晶层区域中为1.45eV。

重复例8的步骤，制造一个用来测量光电动势的样品器件，该样品器件具有上述对比样品的第二层区域作为半导体薄膜。

在所制成的样品器件上测量光电动势的结果为0.1V。

从上述测量结果能判断出在对比样品的第二层区域中，导带和价带两者都是渐变的

例9

应用图8所示的装置，按表10所列之条件，制造了图4所示型式的渐变带隙二极管，其能带结构示于图5（b），其中用Corning玻璃板7059（Corning玻璃器皿公司产品）作基片101。

並且，在形成第二层区域（渐变带隙层）时，从氢气储存器815把氢气（H₂）导入激活室892。与此同时，由微波功率源893向该激活室输入100W/Cm²微波功率，以产生氢基，並以50SCCM流量把氢基连续引入反应空间702。

应用RHEED测量所得二极管每一组成层的化学成分，其结果表明，每一组成层是由含硅的非晶材料组成的。

此外，用SIMS测量第二层区域中碳原子含量的结果表明，所含碳原子密度从20原子%连续变化到0原子%。

进一步发现，含碳原子非晶层区域的带隙为2.0eV

除以上所述之外，还制造了包括一块玻璃板、一层半透明铬电极、一层非晶半导体薄膜（厚度为0.5μm）和另一层半透明铬电极的器件。关于非晶半导体薄膜，是重复形成上述第二层区域的步骤形成 的，应用AM1光源在所得器件上测量光电动势，其结果为0.3V。

从上述带隙和光电动势测量的结果能判断出，在上述第二层区域中只有导带是相对于费米能级渐变的。

与下面对比例5中所制造的二极管相比，例9中所得的二极管的信噪比提高了约1.5倍。

对比例5

除了不用氢基並在形成第二层区域过程中保持放电功率为0.5W/Cm²恒值外，重复例9中的步骤，以得到对比样品二极管。

关于所得样品二极管的第二层区域的带隙，在不含碳原子的非晶层区域为1.7eV，在含有碳原子的非晶层区域为1.45eV。

重复例9中的步骤，制成一个用于测量光电动势的样品器件，该样品器件以上述对比样品第二层区域作为半导体薄膜。

在所得样品器件上测量光电动势，其结果为0.12V

从上述测量结果能判断出，在该对比样品的第二层区域中，导带和价带两者是渐变的。

例10

应用图8所示的装置，按表11所列之条件制造了一个图4所示型式的渐变带隙二极管，其能带结构示于图5（c），其中用corning玻璃板7059（Corning玻璃器皿公司产品）作为基片101。

並且，在制造第二层区域（渐变带隙层）时，从氢气储存器815把氢气（H₂）导入激活室892，与此同时，由微波功率源893向激活室输入微波功率100W/Cm²，以产生氢基，並以50SCCM流量把氢基连续引入反应空间702。

应用RHEED测量所得二极管每一组成层的化学成分，其结果表明，每一组成层是由含硅的非晶材料组成的

此外，应用SIMS测量第二层区域中氮原子含量的结果表明，所含氮原子的密度从30原子%连续变化到0原子%。

进一步发现，第二层区域带隙的最宽部分是2.2eV

除上面所述之外，还制造了一个包括一块玻璃板、一层半透明铬电极、一层非晶半导体薄膜（厚度为0.5μm）和另一层半透明铬电极的器件。至于非晶半导体薄膜，是重复形成上述第二层区域的步骤形成的。用AM1光源测量在所制造的器件上的光电动势，其所得结果为0.32V。

从上面带隙和光电动势测量结果能够判断出，在上述第二层区域中只有导带相对于费米能级渐变。

与对比例4中所得的二极管相比，本例所制造的二极管的信噪比改善了约2.1倍。

例11

应用图8所示的装置，制造了一个雪崩二极管，其能带结构如图6（a）所示，其中用Corning玻璃板7059（Corning玻璃器皿公司产品）作为基片。

並且，在形成第二层区域（渐变带隙层）时，从氢气储存器815把氢气（H₂）导入激活室892。与此同时，由微波功率源893向该激活室加入100W/Cm²的微波功率，以产生氢基，並以50SCCM流量把氢基引入反应空间702。

应用RHEED测量所得雪崩二极管每一组成层的化学成分，其结果表明，每一组成层是由含硅的非晶材料组成的。

进一步发现，与在形成i-型层时不用GeF₄所制成的二极管相比，例11中所得的二极管对可见光响应的信噪比改善了约2倍。

Claims (11)

1、一种包括带隙渐变半导体层区的半导体器件，所述层区处在迭置在基片上的含P型非单晶硅半导体材料的P型半导体层区和含n型非单晶硅半导体材料的n型半导体层区之间，所述带隙渐变半导体层区与所述p型半导体层区和所述n型半导体层区构成一个结。

所述带隙渐变半导体层区包括包含作为主组分的硅原子、带隙调节原子及原子百分比为1-60作为降低定域能级的氢原子或卤素原子的非单晶半导体材料，所述带隙渐变半导体层区有一个区域，其中带隙在结以外的位置上连续变化，所述带隙渐变半导体层区具有一导带和一价带，价带和导带中只有一个是连续渐变的。

2、如权利要求1的器件，其中所述带隙调节原子是从包括碳、氮和氧原子的组中选出的至少一种带隙增宽原子。

3、如权利要求1的器件，其中所述带隙调节原子是从包括锗和锡原子的组中选出的至少一种带隙变窄原子。

4、如权利要求1的器件，其中所述带隙渐变区包含一种掺杂剂。

5、如权利要求4的器件，其中所述掺杂物选自B、Al、Ga、Zn和Tl。

6、如权利要求4的器件，其中所述掺杂物选自P、As、Sb和Bi。

7、如权利要求1的器件，其中带隙连续变化并在光照射到的一侧变宽。

8、一种半导体器件，它包括迭置在衬底上的n型半导体层区和p型半导体层区，二层区在其之间形成结，所述p型半导体层区包括包含作为主组分的硅原子的p型非单晶半导体材料，所述n型半导体层区包括包含作为主组分的硅原子的n型非单晶半导体材料，其中所述n型半导体层区和p型半导体层区之一包括一带隙渐变半导体层区，该层区包括进一步包含掺杂原子、带隙调节原子及作为降低定域能级的原子百分比为1-60的氢原子或卤素原子的非单晶半导体材料，所述带隙渐变半导体层区具有一个结以外的区，在其中带隙连续渐变并在光照射到的一侧变宽，所述带隙渐变半导体层区有一导带和一禁带，导体和禁带中只有一个是连续渐变的。

9、如权利要求8的器件，其中所述带隙调节原子是从碳、氮和氧原子中选出的一或多种带隙展宽原子。

10、如权利要求8的器件，其中所述带隙调节原子是从锗和锡中选出的一或多种带隙减小原子。

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