DD292519A5

DD292519A5 - Transparentes fotoelektrisches element

Info

Publication number: DD292519A5
Application number: DD90338622A
Authority: DD
Inventors: Achim Haiduk; Alfred Kottwitz; Reinhard Legler; Hans Buechner; Klaus Gebhardt
Original assignee: Veb Feinmesszeugfabrik Suhl,De
Priority date: 1990-03-13
Filing date: 1990-03-13
Publication date: 1991-08-01
Also published as: DE4017201A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein transparentes fotoelektrisches Element. Das Ziel der Erfindung besteht in der Realisierung extrem duenner transparenter fotoelektrischer Elemente mit erhoehter Empfindlichkeit, vorwiegend zur Erhoehung der Leistungsfaehigkeit von Anordnungen oder zum Aufbau neuartiger Anordnungen der interferenzoptischen Laengenmessung. Diese Elemente koennen insbesondere dort angewendet werden, wo ein physikalisch-technischer Vorgang nur im Durchlichtverfahren nachgewiesen werden kann, wie beispielsweise der fotoelektrische Nachweis des Vorhandenseins oder des Zaehlens der Intensitaetsmaxima und -minima einer optischen stehenden Welle in einem laserinterferometrischen System oder zum Ansteuern mehrerer in Lichtrichtung hintereinandergeschalteter Elemente durch ein und denselben Lichtstrahl. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Materialien und den Aufbau fuer ein fotoelektrisches Element anzugeben, bei den der ankommende Lichtstrahl in der fotoempfindlichen Schicht des Elementes teilweise absorbiert wird und ein wesentlicher Teil des Lichtes durch das Element hindurchgeht. Erfindungsgemaesz wird die Aufgabe dadurch geloest, dasz das Element optisch transparent ist und dasz das Element als fotoempfindliches Material mindestens eine Komponente aus einem tetraedrisch koordinierten amorphen Halbleitermaterial besitzt. Fig. 1{stehende Welle; Interferometer; duenne transparente fotoempfindliche Schichten; Durchlichtverfahren}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung stellt ein fotoelektrisches Element zum Nachweis von Lichtstrahlung dar und kann insbesondere dort angewendet werden, wo ein technisch-physikalischer Vorgang nur im Durchlichtverfahren nachgewiesen werden kann, wie beispielsweise der fotoelektrische Nachweis des Vorhandenseins oder des Zählens der Intensitätsmaxima und -minima einer optischen stehenden Welle in einem laserinterferometrischen System zur Präzisionslängenmessung oder zum Ansteuern mehrerer in Lichtrichtung hintereinandergeschalteter fotoelektrischer Elemente durch ein und denselben Lichtstrahl.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt ist ein transparenter dünner Film aus der JP PS 104255. Dieser besteht aus einer 0,1 pm dicken Kadmiumselenid- oder Indiumantimonidschicht. Zur Erhöhung der fotoelektrischen Empfindlichkeit dieser Schichten wird eine Fremdatomdotierung mit Kupferchlorid vorgenommen. Der dünne Film ist auf einer transparenten Platte aufgebracht und mit einer Antireflexionsschicht überzogen. Über Leitungen ist dor dünne Film, der entsprechend dem Lichteinfall seinen elektrischen Leitwert ändert, an eine Auswerteschaltung angeschlossen.

Weiterhin ist aus der US PS 4.443.107 ein Detektor bekannt. Dieser besteht aus einem transparenten Substrat, auf das eine fotoempfindliche Detektorschicht, beispielsweise ein Siliziummaterial und zwei Anschlußflächen aufgebracht sind. Die Detektorschicht ist über die Verbindungspuffer mit einer elektrischen Vorspannung beaufschlagt. Diese Vorspannung verursacht einen Strom durch die Anschlußflächen. Die Größe des Stromes ist proportional zur Zahl der Photonen, die pro Zeiteinf iü!t auf die Detektorschicht auftreffen. Die elektrische Schaltung dient auf diese Weise zur Erfassung der periodischen Intensitätsschwankungen der optischen stehenden Welle.

Bekannt sind au ;h semitransparente Sensoren aus der DE OS 3309091, die aus einer semitransparenten Sensorschicht auf einem semitransparenten Substrat bestehen.

Der Nachteil aller oben genannten Lösungen besteht darin, daß dort insbesondere für sichtbares Licht wegen des angegebenen Materials der fotoemp'indlichen Schicht entweder bei vorgegebener Mindesttransparenz nur eine niedrige fotoelektrische Empfindlichkeit oder bei vorgegebener Mindestempfindlichkeit nur eine niedrigere Transparenz der fotoempfindlichen Schicht als bei der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann. Diese Nachteile bekannter Lösungen resultieren aus der vergleichsweise geringen optischen Absorption und Fotoleitfähigkeit der verwendeten Materialien für die fotoempfindliche Schicht sowie deren aufwendigen Herstellungstachnologie.

Bekannt ist ein Photosensor aus der DE OS 3612814, ein photoelektrisches Wandlerelement aus der DE OS 3112209 und fotoleitfähige Elemente aus den DE OS 3139531, DE OS 3241351, DE OS 3242611, DE OS 3448369, deren fotoelektrisch aktive Schicht aus amorphem Silizium besteht.

Nachteil dieser Lösungen ist, daß diese Elemente nicht transparent sind.

Bekannt ist weiterhin eine Si-pin-Diode aus R.Karsten „Einführung in die optische Nachrichtentechnik", Springer Verlag, 1983, S.382.

Nachteil dieser Lösung ist die zu große Dicke (1 bis 3μπι) des aktiven Bereiches und die damit verbundene zu geringe Transparenz der Diode. Die Schichtdickenbedingung zum Nachweis stehender Wellen im sichtbaren und im nahen IR-Bereich des Lichtes kann mit diesem Nachweiselement nicht erfüllt werden

Weiterhin ist noch ein Stehende-Wellen-Sensor bekannt aus Applied Optics Nr. 9 vom 1. Mai 1983, bestehend aus einem

Fotovervielfacher, der in Achsrichtung durchstrahlbar ist und sich in einer Vakuumröhre mit zwei optisch planen Fenstern

befindet.

Nachteile dieser Lösung sind die großen räumlichen Abmessungen, die mechanische Empfindlichkeit und der komplizierte Aufbau des Sensors.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Realisierung extrem dünner transparenter fotoelektrischer Elemente mit erhöhter Empfindlichkeit vorwiegend zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Anordnungen oder zum Aufbau neuartiger Anordnungen der interferenzoptischen Längenmessung.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Materialien und den Aufbau für ein fotoelektrisches Element anzugeben, bei dem der ankommende Lichtstrahl in einer dünnen fotoempfindlichen Schicht des Elementes teilweise absorbiert wird und ein wesentlicher Teil des Lichtstrahls durch das Element hindurchgeht und beispielsweise einen zweiten oder auch mehrere hintereinander angeordnete Elemente ansteuern kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Element optisch transparent ist und daß das Element als fotoempfindliches Material mindestens eine Komponente aus einem tetraedrisch koordinierten amorphen Halbleitermaterial besitzt.

Die erfindungsgemäße Lösung auf der Grundlage tetraerdrisch koordinierter amorpher Halbleiter beruht auf deren hoher Fotoleitfähigkeit, deren hoher optischer Absorption, die durch geeignete Legierungen an die Lichtwellenlänge angepaßt werden kann, sowie der einfachen Möglichkeit, diese Halbleiter als extrem dünne Schicht auf boliebigen Substraten abzuscheiden, In der auf einen transparenten Träger (Substrat) aufgebrachten amorphen Halbleiterschicht werden bei Einfall einer Lichtwelle Ladungsträgerpaare erzeugt, die über die Kontakte in einem äußeren Stromkreis als Strom- und/oder Spannungsänderung nachgewiesen und elektronisch weiterverarbeitet werden können. In einer Ausführungsform des Elementes als Fotowiderstand ist das Element in einer Ebene senkrecht zur Lichtrichtung aufgebaut, indem die lichtempfindliche Schicht zwischen zwei nichttransparenten Kontakten angeordnet ist. In dieser Ausführungsform können sowohl transparente als auch nichttransparente Kontakte verwendet werden. Im ersten Fall führt ein minimaler Kontaktabstand zu einer hohen Empfindlichkeit und Schaltgeschwindigkeit; im anderen Fall sollte der Kontaktabstand dem Lichtbündeldurchmesfier entsprechen. In einer zweiten Ausführungsform ist das Element unter Verwendung von zwei transparenten Kontakten in Lichtrichtung in einer Reihenfolge erster transparenter Kontakt, fotoempfindliche Schicht, zweiter transparenterKontakt aufgebaut. In der zweiten Ausführungsform arbeitet das Element bei Verwendung nichtsperrender Kontakte ebenfalls als Fotowiderstand. Diese Ausführungsform ist der vorhergehenden bezüglich Empfindlichkeit und Schaltgeschwindigkeit überlegen. Wird bei letztgenannter Ausführungsform einer der beiden Kontakte als für eine Ladungsträgerart sperrender Kontakt ausgelegt, dann arbeitet das Element als Fotodiode.

Zur Vermeidung einer Degradation des Halbleitermaterials empfiehlt sich eine Passivierung der Elemente mit einer zusätzlichen Schicht, die gleichzeitig die Funktion einer Antireflexschicht besitzen kann.

Ausf Ohrungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen nähei jrläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: Fotoelektrisches Element, dessen Funktionselemente in einer zur Lichtrichtung senkrechten Ebene angeordnet sind Fig. 2: Fotoelextrisches Element, dessen Funktionselemente in Lichtrichtung angeordnet sind Fig. 3: Fotoelektrisches Element nach Figur 1 oder 2 zur Fotodetektion des Intensitätsprofils einer optischen stehenden Welle Fig.4: Schaltungsanordnung zur Messung des Fotostroms

In der Ausführung nach Figur 1 sind auf einem Glassubstrat 1 zwei Kontakte 2 aus Chrom in einem Abstand a aufgedampft. Über die Kontakte 2 ist eine fotoempfindliche amorphe Siliziumschicht (a-Si:H-Schicht) 3 derart abgeschieden, daß jeweils ein Teil der Kontakte 2 frei bleibt. Eine Degradation der totoempfindlichen Schicht 3 durch atmosphärische Einflüsse wird durch Abdeckung mit einer Passivierungsschicht 4 aus a-SiN :H verhindert. Die Passivierungsschicht 4 vermindert gleichzeitig die Reflexionsverluste. Die Reihenfolge der Abscheidung der Kontakte 2 und der fotoempfindlichen Schicht 3 kann auch umgekehrt sein.

In der Ausführung nach Figur 2 werden auf ein Glassubstrat 1 nacheinander eine erste transparente Kontaktschicht 5 aus Indium-Zinn-Oxid, eine fotoempfindliche amorphe Siliziumschicht 3, eine zweite transparente Kontaktschicht 6 aus Indium-Zinnoxid und eine Passivierungsschicht 4 derart abgeschieden, daß ein Teil der Kontaktschichten 5,6 frei bleibt. Diese Anordnung arbeitet als Fotowiderstand. Eine der beiden Kontaktschichten 5,6 kann auch als eine für eine Ladungsträgerart sperrender Kontakt (z. B. aus Palladium) ausgeführt sein. Im letzteren Fall arbeitet die Anordnung als Fotodiode. Die Wirkung der Passivierungsschicht ist die gleiche wie in der Ausführung nach Figur 1.

In Figur 3 ist das fotoelektrische Element nach Figur 1 zur Fotodetektion des Profils der Intensität I einer optischen stehenden Welle dargestellt. Eine optische stehende Welle ist das Ergebnis der Interferenz zweier sich in antiparpllelen Richtungen ausbreitenden Strahlen. Bei senkrechtem Einfall des ankommenden Lichtstrahls auf einen Planspiegel 7 entsteht das mit dem Planspiegel 7 fest verkoppelte Intensitätsprofil der stehenden Welle, das durch die Intensitätsmaxima 8 und die Intensitätsminima 9 gekennzeichnet ist. Die Intensitätsmaxima 8 und die Intensitätsminima 9 spannen jeweils Scharen von Ebenen parallel zur Planspiegelfläche 7 auf. Bringt man eines der fotoelektrischen Elemente nach Figur 1 oder 2 so in die stehende Welle, daß die fotoempfindliche Schicht 3 parallel in den Ebenen der Intensitätsmaxima 8 und Intensitätsminima 9 liegt und bemißt die Dicke d der fotoempfindlichen Schicht 3 in Lichtrichtung s\/n.8 wobei λ die Wellenlänge der die stehende Welle erzeugenden optischen Strahlung und η die Brechzahl des Materials der fotoempfindlichen Schicht 3 ist, dann registriert das fotoelektrische Element 10 bei Relativbewegungen in Richtung der Ortskoordinate χ zwischen dem Element 10 und der stehenden Welle die Anzahl der Intensitätsmaxima 8 und Intensitätsminima 9, die durch die Ebene der fotoempfindlichen Schicht 3 hindurchgewandert sind.

In Figur 4 wurde bei Beleuchtung eines fotoelektrischen Elementes 10 nach Figur 1 mit einem He-Ne-Laser (Wellenlänge 630 nm. Intensität 5mW) als Lichtquelle 11 und einer Meßspannung 12 von 100V ein Fotostrom 13 von 1OnA bei einem Verhältnis von Foto- zu Dunkelstrom > 10 gemessen. Knoten und Bäuche einer mit He-NeLaserlicht erzeugten stehenden Welle konnten nachgewiesen werden.

Claims

1. Transparentes fotoelektrisches Element, bestehend aus einem ebenen transparenten Träger, auf dem eine fotoempfindliche Schicht aufgebracht ist, die vom wesentlichen Teil des Lichtes, insbesondere einer optischen stehenden Welle durchdringbar ist, wobei außer der fotoempfindlichen Schicht elektrische Kontakte entweder in einer Ebene mit der fotoempfindlichen Schicht oder in der Reihenfolge erste transparente Kontaktschicht, fotoempfindliche Schicht, zweite transparente Kontaktschicht auf den Träger aufgebracht sind, die mit der fotoempfindlichen Schicht in elektrischer Verbindung stehen und auf die fotoempfindliche Schicht und teilweise auf die Kontakte eine Passivierungs- und/oder Antireflexschicht aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke derfotcempfindlichen Schicht (3) in Lichtrichtung kleiner als 100nm ist und die fotoempfindliche Schicht (3) mindestens eine Komponente aus einem tetraedrisch koordinierten amorphen Halbleitermaterial besitzt.

2. Transparentes fotoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoempfindliche Schicht (3) mindestens eine amoVphe Legierung der Zusammensetzung —(Si₁ -XAx)₁ _y : By enthält, wobei A ein Element aus der 4. Gruppe (O Sx^ 1) und/oder ein Element aus der 5. Gruppe (x < 0,01) des periodischen Systems der Elemente und B Wasserstoff und/oder Fluor (0,05 < y < 0,4) sein kann.

3. Transparentes fotoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Kontakte (2,2'); (5,6) des Elements als für eine Ladungsträgersorte sperrender Kontakt aufgebaut ist.

4. Transparentes fotoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Passivierungsschicht (4) einea-SiX : H-Legierung mit X=N,0,C verwendet wird.