DE1153468B - Lichtempfindliche Halbleiteranordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Lichtempfindliche Halbleiteranordnung und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
S 71071 Vfflc/21g
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 29. A U G U S T 1963
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 29. A U G U S T 1963
Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtempfindliche Halbleiteranordnung mit wenigstens einem
pn-übergang.
Bei einer bekannten lichtempfindlichen Halbleiteranordnung ist der Halbleiterkörper als Stab ausgebildet,
bei dem der pn-übergang in der Mitte zwischen den beiden Stabenden liegt und senkrecht zur
Stabachse verläuft. Bekanntlich sind nur diejenigen durch die Lichteinstrahlung erzeugten Trägerpaare
für die Foto-EMK wirksam, die durch Diffusion zum pn-übergang gelangen können, die also in einem Bereich
erzeugt werden, dessen Abstand vom pn-Ubergang nicht größer als diese Diffusionslänge ist. Daraus
ergibt sich, daß bei dieser bekannten Anordnung nur ein sehr kleiner Teil der Staboberfläche eine lichtempfindliche
Fläche ist. Der Wirkungsgrad derartiger Anordnung ist daher sehr gering und kann auch
durch einen, für solche Anordnungen bekannten Einbau in optischen Konzentrationsvorrichtungen wie in
einen zylindrischen Sammelspiegel oder ein Rotationsparaboloid nicht wesentlich erhöht werden.
Es sind weiter auch lichtempfindliche Halbleiteranordnungen bekannt, die als Scheibe ausgebildet
sind und vor allem als Solarelemente Verwendung finden. Der pn-Ubergang der parallel zu den großen
Oberflächen der Scheibe verläuft, liegt dabei so dicht unterhalb einer dieser Oberflächen, daß diese Oberfläche
eine lichtempfindliche Fläche darstellt. Bei der Herstellung von derartigen lichtempfindlichen Halbleiteranordnungen
machen sich beim Herausschneiden der Scheiben aus großen Kristallen die erheblichen,
dabei auftretenden Schnittverluste nachteilig bemerkbar. Außerdem wird durch den Schneidevorgang die
Kristalloberfläche zerstört und es ist deshalb ein starkes Abätzen der Scheiben erforderlich. Weiter ist
bei solchen Anordnungen, zur Erzielung einer großen lichtempfindlichen Fläche der Raumbedarf für die
Anordnung groß.
Demgegenüber wird bei einer lichtempfindlichen Halbleiteranordnung mit wenigstens einem pn-Übergang,
bei der ein Halbleiterstab so in einem optischen System angeordnet ist, daß seine Achse in der Brennlinie
oder durch den Brennpunkt verläuft, gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß der Halbleiterstab mit
einer entgegengesetzt dotierten Schicht versehen ist, welche die Mantelfläche des Stabes wenigstens zum
größten Teil bedeckt.
Es ist besonders vorteilhaft, daß bei dieser Anordnung ein mit dem gewünschten Durchmesser gezogener
Halbleiterstab verwendet werden kann, da dieser nach dem Ziehen nicht weiterbearbeitet werden muß,
so daß die erheblichen Schnittverluste wegfallen und Lichtempfindliche Halbleiteranordnung
und Verfahren zu ihrer Herstellung
und Verfahren zu ihrer Herstellung
Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2
München 2, Wittelsbacherplatz 2
Dr. Heinz Henker, München,
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
die Kristalloberfläche nicht durch einen Schneidevorgang zerstört wird. Außerdem kann die entgegengesetzt
dotierte Oberflächenschicht, die z. B. durch Diffusion oder einkristallines Aufwachen gebildet
ist, sehr dünn ausgebildet sein, so daß das spektrale Empfindlichkeitsmaximum mehr nach kurzen Wellen
hin, also in das sichtbare Gebiet verschoben werden kann.
Diese Anordnung weist weiter eine im Verhältnis zum Raumbedarf der Anordnung große lichtempfindliche
Fläche auf. Da praktisch die ganze Staboberfläche eine lichtempfindliche Fläche ist, kann die Wirkung
einer optischen Konzentrationsvorrichtung, bei der sich alle parallel auftreffenden Lichtstrahlen im
Brennpunkt bzw. in der Brennlinie des optischen Systems sammeln, auch wirklich völlig ausgenützt
werden, da praktisch alle einfallenden bzw. reflektierten Strahlen auf eine lichtempfindliche Oberfläche
auftreffen.
Die nähere Erläuterung der Erfindung wird im folgenden an Hand einiger besonders günstiger Ausführungsbeispiele
gegeben.
In Fig. 1 ist ein Einkristallstab 2, ζ. Β. ein zylindrischer
Stab von einigen Millimetern Dicke, der insbesondere aus Silizium besteht, etwa in der Brennlinie
eines zylindrischen Sammelspiegels 1 angeordnet. Dieser kannz. B. aus gedrücktem Metall oder aus
spiegelnd metallisiertem Kunststoff bestehen. Der zylindrische Einkristallstab ist auf seiner Mantelfläche
mit einer dünnen, den entgegengesetzten Leitungstyp als der innere Teil (Kern) des Stabes aufweisenden
Oberflächenschicht versehen. Der Stab weist an seinen
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Enden Halterungen 9 und 10 auf. Er kann auch in einen durchsichtigen Kunststoff eingegossen sein,
so daß die Halterangen wegfallen können und nur noch Kontaktdrähte zur Stromabnahme vorhanden
sein müssen. Der Abstand des Einkristallstabes vom Scheitel 11 des Zylinderspiegels beträgt etwa R/2,
wobei R der Radius des Zylinderspiegels ist.
In Fig. 2 ist ein Teil des Einkristallstabes 2 vergrößert dargestellt. Die dünne Oberflächenschicht 6,
deren Dicke etwa in der Größenordnung der Diffusionslänge der Ladungsträger liegt, bildet mit dem
inneren Teil 7 des Stabes 2 den pn-übergang 3. Zur Kontaktierang des Kerns 7 ist die Oberflächendotierung
längs eines von zwei Zylinderlinien 8 und 12 begrenzten schmalen Streifens unterbrochen und ein
Ohmscher Kontakt 4, der insbesondere von einem Stabende bis zum anderen verläuft, aufgebracht. Die
sperrschichtfreie Kontaktierung der Oberflächenschicht 6 erfolgt ebenfalls durch einen von zwei
Zylinderlinien begrenzten Metallstreifen 5. Die längs Zylinderlinien entlang dem ganzen Kristall erfolgte
Kontaktierang ist wegen des damit erzielten niedrigen Bahnwiderstandes besonders günstig.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung ist z. B. mit Vorteil als Fotoelement verwendbar. Bei Bestrahlung
mit Licht, dessen Wellenlänge unterhalb der Absorptionskante des verwendeten Halbleitermaterials liegt,
bei Silizium also bei etwa 1,2 μΐη, werden in einem
von der Diffusionslänge der Ladungsträger abhängigen Bereich des pn-Überganges 3 Elektronen-Lochpaare
erzeugt, die durch Diffusion in die Raumladungszone des pn-Ubergangs gelangen und durch
die Diffusionsspannung über den pn-übergang getrieben werden. Dadurch wird die Raumladung am pnübergang
abgebaut und die Diffusionsspannung um den Betrag V vermindert. Diese Spannung V wird an
den Ohmschen Elektroden 4 und 5 als Foto-EMK gemessen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können auch mehrere der in
Fig. 1 dargestellten lichtempfindlichen Halbleiteranordnungen zu einer Einheit verbunden werden, wie
dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die mit Haltungen 23 bis 28 versehenen Stäbe 19, 20, 21 sind etwa in der
Brennlinie der Spiegel 29, 30 und 31 angeordnet.
In Fig. 4 ist eine andere günstige Ausführangsform einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung dargestellt.
Der z. B. zylindrische Einkristallstab 33 ist hier etwa in der Achse eines innen verspiegelten Rotationsparaboloids
32 angeordnet. Die Achse des Einkristallstabes verläuft hier etwa durch den Brennpunkt
des optischen Systems.
In Fig. 5 enthält ein Trägerkörper 13 mehrere innen verspiegelte Rotationsparaboloide 34 bis 38,
wodurch mehrere Fotoelemente 14 bis 18 zu einer Einheit verbunden werden und damit der Wirkungsgrad
der Anordnung noch wesentlich erhöht wird. Die Kontaktierung des Stabes kann in der oben beschriebenen
Weise erfolgen. Es ist zweckmäßig die Paraboloide so nahe aneinander zu rücken, daß möglichst
keine senkrecht zum Lichteinfall verlaufende Flächen übrigbleiben.
Bei allen beschriebenen Anordnungen ist es vorteilhaft, das optische System und den Einkristallstab
gemeinsam in einen durchsichtigen Kunststoff einzugießen. Es empfiehlt sich dabei, die der Lichtquelle
zugewandte Seite des Kunststoffblocks mit einer dünnen Glasplatte abzuschließen, um den Einfluß der
Atmosphäre auf den Kunststoff möglichst zu verringern, damit dieser nicht getriibt oder verfärbt wird.
Der Einkristallstab wird z. B. durch tiegelloses Zonenziehen oder durch Ziehen aus der Schmelze
hergestellt. Zur Herstellung einer genauen Zylinderform wird beim Ziehen eine besondere Regelvorrichtung
verwendet, die den Durchmesser des Stabes konstant hält. Eine weitere jedoch aus elektrischen
Gründen nicht so günstige Methode ist es, den Kristall nach der Herstellung zu überschleifen.
Die Umdotierang der Oberflächenschicht kann z. B. durch Eindiffusion von Dotierungsstoffen, wobei
der zu kontaktierende Streifen durch Oxyd maskiert sein kann, erfolgen. Es ist aber auch das oberflächliche
Einlegieren einer Dotierungssubstanz, die vorher aufgespritzt, aufgestäubt, aufgedampft oder auf
elektrolytischem Wege aufgebracht wurde, möglich. Es kann auch die ganze Oberflächenschicht umdofiert
werden und die Schicht an den zu kontaktierenden Stellen durch Ätzen oder auf mechanischem Weg
entfernt werden.
Einige besonders günstige Herstellungsverfahren werden wie folgt durchgeführt:
Auf einem sehr niederohmigen, z. B. aus Silizium bestehenden dünnen gezogenen Halbleiterstab wird
durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleiterstabes, ζ. B. des Siliziums, eine
hochohmige Schicht (spezifischer Widerstand etwa 1 Ω cm), abgeschieden. Der pn-übergang in dieser
Schicht wurde durch Eindiffusion entsprechender Dotierungsstoffe oder durch weiteres Aufwachsen aus
der Gasphase unter Zugabe einer insbesondere gasförmigen Verbindung eines Dotierungsstoffes gebildet.
Es ist zweckmäßig, den spezifischen Widerstand der Oberflächenschicht ebenfalls niedrig zu machen,
um den Bahnwiderstand für den Fotostrom möglichst klein zu halten.
Man kann aber auch von einem sehr niederohmigen gezogenen Halbleiterstab ausgehen und diesen
z. B. durch direkten Stromdurchgang im Vakuum so hoch erhitzen, daß der Dotierungsstoff ausdampft
und so eine hochohmige Schicht auf einem niederohmigen Kern gebildet wird. Diese hochohmige durch
Ausdiffusion gebildete Schicht wird dann durch Eindiffusion von Störstoffen oberflächlich umdotiert und
damit ein pn-übergang in der hochohmigen Schicht gebildet.
Vorteilhafterweise wird während des Niederschlagens bzw. während des anschließend an die Ausdiffusion
folgenden Eindiffundierens entsprechender Dotierangsstoffe durch Anpressen eines Streifens aus
einem reinen, den Halbleiter nicht verunreinigenden Material, wie z. B. Silizium, Germanium, Quarz,
Graphit, Molybdän oder siliziertes Molybdän, das Aufwachsen der entgegengesetzt dotierten Schicht
bzw. die oberflächliche Umdotierang der durch Ausdiffusion gebildeten Schicht verhindert und gegebenenfalls
nach einem kurzen Abätzen der niederohmige gezogene Halbleiterstab längs einer Zylinderlinie
kontaktiert und die zuletzt aufgewachsene Schicht bzw. die durch Eindiffusion nach dem Ausdiffundieren
hergestellten Schicht ebenfalls längs einer Zylinderlinie mit einem elektrischen Kontakt versehen.
Die Kontaktierang kann durch Aufdampfen, Aufstäuben, Aufspritzen oder Aufelektrolysieren eines
mit dem Halbleiter einen sperrfreien Kontakt bildenden Metalls erfolgen, wobei die Form der Kontaktie-
rungsstreifen durch eine Maske oder eine Schablone bestimmt werden kann. Die Kontakte können auch
durch Thermokompressionen von Drähten hergestellt werden, die direkt auf dem Halbleiterkörper oder auf
einer dünnen metallischen Zwischenschicht aufgebracht werden. Es ist auch möglich, um zwei Kontaktierungen
längs Zylinderlinien zu vermeiden, zunächst einen extrem niederohmigen dünnen Kristall zu
ziehen (spezifischer Widerstand < 0,01 Ω cm, vorzugsweise
<0,001Qcm), auf diesem dann eine
dünne hochohmige Schicht aufwachsen zu lassen, (spezifischer Widerstand etwa 1 Ω cm) in der z. B.
durch Diffusion ein pn-übergang erzeugt wird. Der. niederohmige Kern bildet dann den Kontakt für die
innere Schicht, so daß nur ein einziger Mnienförmiger Kontakt entlang einer Zylinderlinie zur Kontaktierung
der äußeren Schicht notwendig ist. Gegebenenfalls genügt es auch, nach der Bildung des pn-Überganges
eine dünne durchsichtige Metallschicht auf der Oberfläche aufzubringen, so daß auch der zweite linienförmige
Kontakt vermieden werden kann und nur Kontakte an den Enden des Stabes notwendig sind.
Die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch für andere lichtelektrische Halbleiteranordnungen,
wie z. B. Fotodioden oder Fototransistoren vorteilhaft.
Claims (13)
1. Lichtempfindliche Halbleiteranordnung mit wenigstens einem pn-übergang, bei der ein Halbleiterstab
so in einem optischen System angeordnet ist, daß seine Achse in der Brennlinie oder durch
den Brennpunkt verläuft, dadurch gekennzeich net, daß der Halbleiterstab (2) mit einer entgegengesetzt
dotierten Schicht (6) versehen ist, welche die Mantelfläche wenigstens zum größten Teil
bedeckt.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungen
(4, 5) parallel zur Stabachse und von einem Ende zum anderen auf der Mantelfläche des Stabes erfolgt.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dotierte
Oberflächenschicht (6) längs eines in Richtung der Stabachse verlaufenden Streifens (8, 12)
unterbrochen und auf diesem Streifen der Kontakt (4) angebracht ist.
4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Halbleiterstab etwa in der Brennlinie eines zylindrischen Sammelspiegels (1) angeordnet ist.
5. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Halbleiterstab etwa in der Achse eines Rotationsparaboloids (32) angeordnet ist.
6. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
optische System aus gepreßtem Material besteht.
7. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das
optische System aus spiegelnd metallisiertem Kunststoff besteht.
8. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
Halbleiterstab und das optische System gemeinsam in einen durchsichtigen Kunststoff eingegossen
sind.
9. Halbleiteranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das eingegossene Bauelement
an der der Lichtquelle zugewandten Seite mit einer dünnen Glasplatte abgeschlossen ist.
10. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß
mehrere Stäbe (14 bis 18 bzw. 19 bis 21) gemeinsam auf einem durch das optische System gebildeten
Träger (13 bzw. 22) aufgebracht sind.
11. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1
bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem sehr niederohmigen (spezifischer Widerstand
<0,l Ω cm), dünnen gezogenen Halbleiterstab durch thermische Zersetzung einer gasförmigen
Verbindung des Halbleiterstoffes eine hochohmige Schicht (spezifischer Widerstand
>1 Ω cm), des Halbleiterstoffes abgeschieden und durch Eindiffundieren eines Dotierungsstoffes
oder weiteres Aufwachsen aus der Gasphase unter Zugabe einer insbesondere gasförmigen Verbindung
des Dotierungsstoffes eine entgegengesetzt dotierte Oberflächenschicht gebildet wird.
12. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß durch Ausdiffusion von Dotierungsstoffen aus einem sehr niederohmigen
dünnen, gezogenen Halbleiterstab eine hochohmige Oberflächenschicht gebildet und diese
durch Eindiffusion von Dotierungsstoffen teilweise umdotiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anpressen eines Stoffes
aus inertem Material längs einer Zylinderlinie des Halbleiterstabes das Aufwachsen der entgegengesetzt
dotierten Schicht verhindert und der niederohmige Halbleiterstab darauf längs dieser Zylinderlinie
kontaktiert und die äußere Schicht ebenfalls längs einer Zylinderlinie mit einem elektrischen
Kontakt versehen wird.
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 1 047 949;
USA.-Patentschrift Nr. 2 402 662.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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