DD292519A5 - TRANSPARENT PHOTOELECTRIC ELEMENT - Google Patents
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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}The invention relates to a transparent photoelectric element. The object of the invention is the realization of extremely thin transparent photoelectric elements with increased sensitivity, mainly for increasing the efficiency of arrangements or for constructing novel arrangements of the interference optical length measurement. These elements can be used especially where a physical-technical process can only be detected by transmitted light, such as the photoelectric detection of the presence or the counting of the intensity maxima and minima of an optical standing wave in a laser interferometric system or for driving several in the light direction cascaded elements by one and the same light beam. The invention has for its object to provide the materials and the structure for a photoelectric element, in which the incoming light beam in the photosensitive layer of the element is partially absorbed and a substantial portion of the light passes through the element. According to the invention, the object is achieved in that the element is optically transparent and in that the element as photosensitive material has at least one component of a tetrahedrally coordinated amorphous semiconductor material. Fig. 1 {standing wave; interferometer; thin transparent photosensitive layers; Transmitted light method}
Description
Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
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.The invention is a photoelectric element for the detection of light radiation and can be used in particular where a technical-physical process can be detected only by transmitted light, such as the photoelectric detection of the presence or counting of the intensity maxima and minima of an optical standing wave in a laser interferometric system for precision length measurement or for driving a plurality of photoelectric elements connected in series in the light direction through one and the same light beam.
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.Known is a transparent thin film from JP PS 104255. This consists of a 0.1 pm thick cadmium selenide or Indiumantimonidschicht. To increase the photoelectric sensitivity of these layers, an impurity doping with copper chloride is carried out. The thin film is coated on a transparent plate and coated with an antireflection coating. About lines is thin film, which changes its electrical conductivity according to the incidence of light, connected to an evaluation circuit.
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.Furthermore, from US PS 4,443,107 a detector is known. This consists of a transparent substrate on which a photosensitive detector layer, such as a silicon material and two pads are applied. The detector layer is applied via the connection buffer with an electrical bias. This bias causes a current through the pads. The magnitude of the current is proportional to the number of photons incident on the detector layer per time interval. The electrical circuit serves in this way for detecting the periodic intensity fluctuations of the optical standing wave.
Bekannt sind au ;h semitransparente Sensoren aus der DE OS 3309091, die aus einer semitransparenten Sensorschicht auf einem semitransparenten Substrat bestehen.Semi-transparent sensors from DE OS 3309091, which consist of a semitransparent sensor layer on a semitransparent substrate, are known.
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.The disadvantage of all the above-mentioned solutions is that there, especially for visible light because of the specified material of the photosensitive layer either only given a minimum transparency only a low photoelectric sensitivity or at a given minimum sensitivity only a lower transparency of the photosensitive layer than achieved in the present invention can be. These disadvantages of known solutions result from the comparatively low optical absorption and photoconductivity of the materials used for the photosensitive layer as well as their elaborate Herstellungsstachnologie.
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.Known is a photosensor from DE OS 3612814, a photoelectric conversion element from DE OS 3112209 and photoconductive elements from DE OS 3139531, DE OS 3241351, DE OS 3242611, DE OS 3448369, the photoelectrically active layer consists of amorphous silicon.
Nachteil dieser Lösungen ist, daß diese Elemente nicht transparent sind.Disadvantage of these solutions is that these elements are not transparent.
Bekannt ist weiterhin eine Si-pin-Diode aus R.Karsten „Einführung in die optische Nachrichtentechnik", Springer Verlag, 1983, S.382.Also known is a Si-pin diode from R. Karsten "Introduction to optical communications technology", Springer Verlag, 1983, p.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 werdenDisadvantage of this solution is the excessive thickness (1 to 3μπι) of the active region and the associated too low transparency of the diode. The layer thickness condition for detecting standing waves in the visible and in the near IR range of the light can not be met with this detection element
Weiterhin ist noch ein Stehende-Wellen-Sensor bekannt aus Applied Optics Nr. 9 vom 1. Mai 1983, bestehend aus einem Furthermore, a standing-wave sensor is known from Applied Optics No. 9 of May 1, 1983, consisting of a
befindet.located.
Nachteile dieser Lösung sind die großen räumlichen Abmessungen, die mechanische Empfindlichkeit und der komplizierte Aufbau des Sensors.Disadvantages of this solution are the large physical dimensions, the mechanical sensitivity and the complicated structure of the sensor.
Ziel der ErfindungObject of the invention
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.The object of the invention is to realize extremely thin transparent photoelectric elements with increased sensitivity, mainly to increase the performance of devices or to construct novel arrangements of interference optical length measurement.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
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.The invention has for its object to provide the materials and the structure for a photoelectric element in which the incoming light beam is partially absorbed in a thin photosensitive layer of the element and a substantial part of the light beam passes through the element and, for example, a second or more can control elements arranged one behind the other.
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.According to the invention the object is achieved in that the element is optically transparent and that the element has as a photosensitive material at least one component of a tetrahedrally coordinated amorphous semiconductor material.
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.The solution based on tetrahedrally coordinated amorphous semiconductor based on their high photoconductivity, their high optical absorption, which can be adapted by suitable alloys to the wavelength of light, and the easy way to deposit these semiconductors as an extremely thin layer on boliebigen substrates, In the On a transparent support (substrate) applied amorphous semiconductor layer charge carrier pairs are generated upon incidence of a light wave, which can be detected via the contacts in an external circuit as a current and / or voltage change and further processed electronically. In one embodiment of the element as a photoresistor, the element is constructed in a plane perpendicular to the direction of light by having the photosensitive layer sandwiched between two non-transparent contacts. In this embodiment, both transparent and non-transparent contacts can be used. In the first case, a minimum contact distance results in high sensitivity and switching speed; in the other case, the contact distance should correspond to the Lichtbündeldurchmesfier. In a second embodiment, the element is constructed using two transparent contacts in the light direction in an order of first transparent contact, photosensitive layer, second transparent contact. In the second embodiment, the element also works as a photoresistor when using non-blocking contacts. This embodiment is superior to the foregoing in sensitivity and switching speed. If, in the latter embodiment, one of the two contacts is designed as a contact-type blocking contact, then the element operates as a photodiode.
Zur Vermeidung einer Degradation des Halbleitermaterials empfiehlt sich eine Passivierung der Elemente mit einer zusätzlichen Schicht, die gleichzeitig die Funktion einer Antireflexschicht besitzen kann.To avoid degradation of the semiconductor material, it is recommended to passivate the elements with an additional layer, which at the same time may have the function of an antireflection layer.
Ausf OhrungsbeispielException example
Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen nähei jrläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention will be explained with reference to exemplary embodiments. In the accompanying drawings show
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 Fotostroms1: photoelectric element whose functional elements are arranged in a plane perpendicular to the light direction FIG. 2: photoelastic element whose functional elements are arranged in the light direction FIG. 3: photoelectric element according to FIG. 1 or 2 for photodetection of the intensity profile of an optical standing wave FIG .4: Circuit arrangement for measuring the photocurrent
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 the embodiment according to FIG. 1, two contacts 2 made of chromium are evaporated on a glass substrate 1 at a distance a. A photosensitive amorphous silicon layer (a-Si: H layer) 3 is deposited over the contacts 2 in such a way that in each case a part of the contacts 2 remains free. Degradation of the photosensitive layer 3 by atmospheric influences is prevented by covering with a passivation layer 4 of a-SiN: H. The passivation layer 4 simultaneously reduces the reflection losses. The order of deposition of the contacts 2 and the photosensitive layer 3 may also be reversed.
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 the embodiment of Figure 2, a first transparent contact layer 5 of indium tin oxide, a photosensitive amorphous silicon layer 3, a second transparent contact layer 6 of indium tin oxide and a passivation layer 4 are deposited on a glass substrate 1 in succession such that a part of Contact layers 5,6 remains free. This arrangement works as a photoresistor. One of the two contact layers 5, 6 can also be embodied as a contact-type blocking contact (eg of palladium). In the latter case, the arrangement operates as a photodiode. The effect of the passivation layer is the same as in the embodiment of FIG. 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.FIG. 3 shows the photoelectric element according to FIG. 1 for the photodetection of the profile of the intensity I of an optically standing wave. An optical standing wave is the result of the interference of two beams propagating in antiparallel directions. With normal incidence of the incoming light beam on a plane mirror 7 is formed with the plane mirror 7 firmly coupled intensity profile of the standing wave, which is characterized by the intensity maxima 8 and the intensity minima 9. The intensity maxima 8 and the intensity minima 9 in each case span groups of planes parallel to the planar mirror surface 7. Bringing one of the photoelectric elements of Figure 1 or 2 in the standing wave so that the photosensitive layer 3 is parallel to the planes of the intensity maxima 8 and minima minima 9 and measures the thickness d of the photosensitive layer 3 in the light direction s \ /n.8 where λ is the wavelength of the standing wave generating optical radiation and η is the refractive index of the material of the photosensitive layer 3, then registers the photoelectric element 10 in relative movements in the direction of the spatial coordinate χ between the element 10 and the standing wave, the number of intensity maxima 8 and Intensity minima 9 which have passed through the plane of the photosensitive layer 3.
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.In Figure 4, when illuminating a photoelectric element 10 of Figure 1 with a He-Ne laser (wavelength 630 nm. Intensity 5mW) as the light source 11 and a measuring voltage 12 of 100V, a photocurrent 13 of 1OnA at a ratio of photo to dark current > 10 measured. Knots and bellies of a standing wave generated with He-Ne laser light could be detected.
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| DD90338622A DD292519A5 (en) | 1990-03-13 | 1990-03-13 | TRANSPARENT PHOTOELECTRIC ELEMENT |
Country Status (2)
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| DE10127018B4 (en) * | 2001-06-01 | 2007-09-27 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Photosensor for a transmitted light method for detecting the intensity profile of an optically standing wave |
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| DE102017115162A1 (en) | 2017-07-06 | 2019-01-10 | Jacobs University Bremen Ggmbh | Photosensor for a transmitted light method and spectrometer |
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|---|---|---|---|---|
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-
1990
- 1990-03-13 DD DD90338622A patent/DD292519A5/en not_active IP Right Cessation
- 1990-05-29 DE DE4017201A patent/DE4017201A1/en not_active Withdrawn
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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