DE2430379A1

DE2430379A1 - Photoelektronenemissions-halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2430379A1
Application number: DE2430379A
Authority: DE
Inventors: Minoru Hagino; Katsuo Hara; Tokuzo Sukegawa
Original assignee: Hamamatsu TV Co Ltd
Current assignee: Hamamatsu TV Co Ltd
Priority date: 1973-06-28
Filing date: 1974-06-25
Publication date: 1975-01-23
Also published as: NL7406825A; JPS5220222B2; CA1014644A; JPS5023168A; DE2430379B2; GB1445204A; DE2430379C3; FR2235496A1; FR2235496B1; NL170682C; US3953880A

Description

DIPL.-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL-PHYS, DR. W. WESER · DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 · TEL. (06121) 5629«, 561998 MÖNCHEN

Hamamatsu TV Co. Ltd.

Shizuoka, Japan . Hara 3

Photoelektronenemissions-Halbleiterbauelement

=: = = SS=S SSSS = = = = = = 3 = SSSSSSSSSSSS

Die Erfindung betrifft ein Photoelektronenemissions-Halbleiterbauelement.

Es ist möglich, eine Photoelektronenemission zu erhalten, wenn die Oberfläche eines Halbleiters gereinigt und mit Caesium oder Caesium und Sauerstoff aktiviert wird. Weil jedoch die Austrittsoder Emissionswahrscheinlichkeit der Elektronen bei Halbleitern, deren Energiebandabstände kleiner als etwa 1 Elektronenvolt sind, nicht ausreichend groß gemacht werden kann, wurde vorgeschlagen, zwischen Halbleitern mit einem geringen Energiebandabstand und Halbleitern mit großem Energiebandabstand HeteroÜbergänge zu

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bilden, die Elektronen des erstgenannten Halbleiters anzuregen und sie dann aus der Oberfläche des letzteren in das umgebende Milieu, zum Beispiel ein Vakuum, zu emittieren. Doch können die angeregten Elektronen auf dem Wege zur Übergangsgrenzfläche und der äußeren Oberfläche hohe Rekombinationsverluste erleiden, so daß es schwierig ist, den oben angesprochenen Vorschlag praktisch zu realisieren.

Es wurden auch bereits Überlegungen hinsichtlich der Gitteranpassung an verschiedenen Halbleitern angestellt, um den am Übergang auftretenden Verlust beheben zu können. Beispielsweise sind die Gitterkonstanten von Germanium und Zinkselenid gut aneinander angepaßt. Weil jedoch die beiden Halbleiter in einem weiten Konzentrationsbereich keine feste Lösung bilden, treten am Übergang Korngrenzen auf und behindern Minoritätsträger Injektionen sehr. Weil ferner der Zinkselenidhalbleiter ein Direktübergangshalbleiter ist, gehen injizierte Elektronen durch Rekombination verloren, während sie durch diese Zone hindurch treten. Folglich muß die Zone dünn gemacht werden, was aber technisch sehr schwer zu realisieren ist.

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Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin, die zuvor erwähnten bekannten Mangel und Nachteile zu überwinden und Bauelemente zur Verfügung zu stellen, die Photoelektronen mit hohem Wirkungsgrad emittieren können.

Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von einem Photoelektronenemissions-Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art aus und ist gekennzeichnet durch wenigstens zwei einen HeteroÜbergang bildende Halbleiter, die eine erste Zone eines Direktübergangs materials und eine zweite Zone eines Indirektübergangsmaterials mit einem Energiebandabstand größer als der der ersten Zone definieren, wobei die freie Oberfläche der «weiten Zone eine elektronenemittierende Oberfläche ist und

durch Mittel zum Erzeugen einer Injektion von Elektronen aus der ersten in die zweite Zone und zu emittieren an der Oberfläche.

Es ist erforderlich, daß eine homogene feste Lösung vorliegt. Um die angeregten Elektronen vom DirektUbergangehalbleiter der ersten Zone zum Indirektübergangshalbleiter der zweiten Zone zu injizieren, kann ein elektrisches Feld dazwischen angelegt werden. Auch wird

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der Emissionswirkungsgrad deutlich größer, wenn die Oberfläche der zweiten Zone mit Caesium oder Caesium und Sauerstoff oxidiert wird. Ei ist außerdem wünschenswert, daß die den HeteroÜbergang bildenden Halbleiter dieselbe Kristallstruktur und identische oder im wesentlichen ähnliche Kristallorientierungen aufweisen und daß sich ihre Gitterkonstanten so wenig wie möglich unterscheiden.

Weil erfindungsgemäß ein HeteroÜbergang gebildet werden kann, indem Halbleiter verwendet werden, die wechselseitig mit jedem gewünschten Anteil in feste Lösung gehen, und indem die Gitterkonstanten der Halbleiter aneinander angepaßt werden, können Fehlstellen bzw. Defekte am Übergang im wesentlichen bis auf sehr wenige reduziert und der Elektroneninjektionsverlust sehr klein gemacht werden. Auch ist die Übergangswahrscheinlichkeit hoch, weil die Photoelektronen in der ersten Direktübergangszone angeregt werden, und es ist möglich, die Zahl der pro einfallende Lichtmenge erzeugten Photoelektronen zu vergrößern. Außerdem ist es möglich, zu erreichen, daß nur ein äußerst kleiner Teil der Elektronen auf ihrem Wege zur Emissionsoberfläche durch Rekombination verloren geht, wenn wenigstens der größere Teil des Gebietes, in das die Elektronen injiziert werden, zu einem

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Indirektübertragungshalbleiter gemacht wird. Das heißt, daß man durch eine Aktivierungsbehandlung einen hohen Wirkungsgrad der Elektronenemission erreichen kann« weil der Elektronentransportfaktor extrem hoch ist und der Energiebandabstand der Zone mit der Emissionsoberfläche breiter wird.

Ein erfindungsgemäßes Merkmal besteht darin» daß ein Photoelektronenemiesione-Halbleiterbauelement aus wenigstens zwei Halbleitermischkristallen verwendet wird, die einen HeteroÜbergang bilden.

Ein anderes erfindungsgemäßes Merkmal besteht darin, daß die Kristalle eine erste Zone eines Direktübergangshalbleiters und eine zweite Zone eines Indirektübergangshalbleiters definieren, dessen Energiebandabstand größer als der der ersten Zone ist.

Ein erfindungsgemäßer Vorteil besteht darin, daß die Mischkristalle, die gegenseitig in fester Lösung löslich sind, hinsichtlich ihrer Kristallstrukturen und Gitterkonstanten im wesentlichen aneinander angepaßt werden können. Der Elektroneninjektionsverlust wird wesentlich kleiner. Weil eine erste Zone vom

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Direktübergangatyp und eine zweite Zone vom Indirektübergangatyp mit breiterem Energiebandabatand verwendet wird, iat ea möglich, eine hohe Elektronenübergangawahracheinlichkeit zu erreichen und die Zahl der Photoelektronen zu vergrößern, die pro einfallender Lichtmenge erzeugt werden, und ea gehen außerdem nur wenige Elektronen durch Rekombination verloren.

Ein weiterea erfindungsgemäßea Merkmal beateht darin, daß Mischkriatalle verwendet werden, die au· der aua GaSb, AlSb, InSb, InAa, AlAa und den Dotierstoffen Zn, Cd, Te, Si, Ge und Sn aowie irgendwelchen Kombinationen hiervon auegewählt aind, und daß Atome der Gruppen ΙΠ und V verwendet werden, um die Gitterparameter einzustellen (control).

Ein zusätzliches erfindungsgemäßes Merkmal beateht darin, daß ein intrenaiacher oder η-leitender Halbleiter eine Zwischenschicht zwischen der ersten und der zweiten Zone bildet.

Es iat von Vorteil, daß die zweite Zone gleich oder weniger dick als die Diffusionsweglänge der Elektronen sein kann.

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Ein schließliches erfindungsgemftßes Merkmal besteht darin, daß die verschiedenen Materialien alleine oder kombiniert mit anderen Materialien wie etwa einem Isolationsmaterial oder Material mit hohem Wideretand angeordnet werden kann.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Die Zeichnungen zeigen:

FIG. 1 ein erfindungsgemäßes Ausführungebeispiel mit zwei Gebieten,

FIG. 2 ein anderes erfindungsgemftfles Ausführungsbeispiel mit drei Gebieten,

FIG. 3 ein weiteres erfindungsgemaßes Aueführungebeispiel mit drei Gebieten, das dem in der FIG. 2 dargestellten mit der Ausnahme Ähnlich ist, daß ein anderes Zwischenschichtmaterial verwendet wird/

FIG. 4 für ein spezielles erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel

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die Beziehung zwischen Energiebandbreite und Zusammensetzung, FIG. 5 ein Gefäß, in dem Oberflächen aktiviert werden,

FIG. 6A, 6B, GC und 6D ein Aueführungebeispiel für eine Anordnung von Schichten, die das erfindungsgemäße Bauelement bilden,

FIG. 7A, 7B, 7C und 7D ein anderes Aueführungsbeispiel für eine andere Anordnung von Schichten, die das erfindungsgemäße Bauelement bilden, und

FIG. 8A, 8B, 8C und 8D ein weiteres Ausführungebeispiel für eine Anordnung von Schichten, die das erfindungs gemäße Bauelement bilden.

Im Falle des in der FIG. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles wird der HeteroÜbergang 12 durch eine erste Zone 1, die ein p-leitender Direktübergangshalbleiter 1st, dessen Energiebandabstand vergleichsweise klein ist, und durch eine zweite Zone 2, die ein p-leitender Indirektübergangshalbleiter ist, in einem Kristall 20 gebildet. Dieser Kristall 20 kann in einem

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Hochvakuumgefäß 7 angeordnet sein. Nachdem man die Oberfläche 4 der zweiten Zone 2 gereinigt hat/ kann man durch Aktivieren mit Caesium oder. Caesium und Sauerstoff erreichen, daß die Elektronenaffinität der bezeichneten Oberfläche Null oder negativ wird. Gegenüber dieser Oberfläche 4 kann eine Anode 5 in das Gefäß 7 eingebaut werden. An der ersten und zweiten Zone können ohmsche Kontakte oder Elektroden 51 und 52 vorgesehen werden, über die die Energiequelle 61 eine geeignete Vorspannung an die beiden Zonen anlegt. Gleichzeitig ejrta&lt die Anode 5 von der Energiequelle 63 ein geeignetes positives Potential. Wenn die Photonenenergie der auf die erste Zone 1 einfallen gelassenen Lichtstrahlen 8 oder 9 größer als die Energiebandbreite dieses Teiles ist, werden die Photoelektronen zum Leitungsband hin angeregt.

Diese Elektronen treten unter Einwirkung des von der Energiequelle 61 erzeugten elektrischen Feldes durch den HeteroÜbergang 12 hinduroh, werden in das Leitungsband der zweiten Zone injiziert, von der Oberfläche 4 in ein Vakuum emittiert und von der Anode 5 gesammelt bzw. eingefangen. Folglich fließt ein Photoelektronenstrom i_. In diesem Falle wird das elektrische

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Feld so, daß es die Ansprechgeschwindigkeit erhöht und den Transportfaktor der von den Lichtstrahlen 9 angeregten Elektronen vergrößert. Um ein solches elektrisches Driftfeld zu erhalten, kann auch ein Dotier β to ffkonz ent rations- oder Misch· kristmllzusammensetzungsgefälle vorgegeben werden. Es muß ferner weitgehend verhindert werden, daß die injizierten Elektronen in der zweiten Zone 2 durch Rekombination verloren gehen. Aus diesem Grunde werden Indirektübergangshalbleiter verwendet. Es ist außerdem wünschenswert, daß die Dicke der zweiten Zone 2 äquivalent oder kleiner als die Diffusionsweglänge der Elektronen ist. Überdies ist es günstig, ein elektrisches Driftfeld zu bilden, indem ein Dotierstoffkonzentrations- oder Kristallzusammensetzungsgefälle vorgesehen wird.

Das in der FIG. 1 dargestellte Bauelement verbraucht den Diodenstrom ij , der zum HeteroÜbergang 12 fließt. Dieser Strom ist im Falle des in der FIG. 2 abgebildeten Ausführungsbeispiels kleiner und die Injektionsgeschwindigkeit größer. Die FIG. 2 zeigt eine zweite, zwischengelagerte Übergangszone 22, deren Energiebandabstand größer als ein Elektronenvolt ist und die mit p-Dotlerstoffen dotiert ist, sowie «in· erste Zone 1 entsprechend der obigen Beschreibung. Zwischen diesen beiden Zonen

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ist eine Zone 21 aus einem eigenleitenden Halbleiter angeordnet, dessen Energiebandbreite größer als die der zweiten Zone ist. Die Zone 21 kann ein Halbleiter sein, der dicht daran eine niedrige Dotierstoffkonzentration aufweist. Folglich entsteht für die Löcher, die von der zweiten Zone 22 in die Zone 21 injiziert werden, eine Sperre bzw. Schwelle. Deswegen wird die Löcherinjektion blockiert, nimmt der Diodenetrom i. ab und erhöht sich die Elektroneninjektionsgeschwindigkeit. Außerdem ist eine ohmsche Kontaktelektrode 53 in der Zone 21 vorgesehen und sind die Energiequellen 61' und 62 zwischen den Elektroden 51 und 52 angeordnet. Es ist jedoch auch möglieh, auf die Elektrode 53 zu verzichten. Außerdem wird der Rekombinationsverlust, der entsteht, wenn die injizierten Elektronen diese Zone durchtreten, vermindert« wenn die Zone 21 aus einem Indirektübergangshalbleiter hergestellt wird. Folglich werden, obwohl es möglich ist, die bezeichnete Zone, dicker zu machen und leichter herzustellen, die Elektronen noch wirksamer beschleunigt, wenn in mindestens einer der verschiedenen Zonen ein Dotlerstoffkonzentrations- oder Mischkrietallzusammensetzungsgefalle vorgesehen ist.

Das in der FIG. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel ist dem in

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der FIG. 2 mit der Ausnahme ähnlich, daß die Zone 21 (FIG. 2) jetzt eine η-leitende Halbleiterzone, bezeichnet als Zone 21', ist. In diesem Falle breitet sich dort eine Verarmungsschicht aus, wenn von der Energiequelle 61' her eine Sperrspannung am HeteroÜbergang zwischen der ersten Zone 1 und der Zone 21' anliegt. Folglich werden die Photoelektronen, die speziell in der Verarmungsschicht der ersten Zone 1 angeregt werden, vom hohen elektrischen Feld der Verarmungsschicht beschleunigt, mit gutem Wirkungsgrad in die Zone 21' injiziert und mit Hilfe des von der Energiequelle 62 erzeugten elektrischen Feldes zur Zone 22 weitertransportiert.

Es können verschiedene Halbleitermaterialien verwendet werden, dabei werden Mischungen aus GaSb und AlSb bevorzugt. Die Kristallstrukturen beider Verbindungen sind einander ziemlich ähnliche Zinkblendestrukturen mit einer Gitterkonetanten von 6, 0954 Angström für GaSb und 6,1355 Angström für AlSb. Beide gehen in jedem gewünschten Zusammensetzungsverhältnis in feste Lösung, wobei GaSb vom Direktübergangstyp und AlSb vom Indirektübergangstyp ist.

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In der FIG. 4 ist in Form eines Diagrammes dargestellt, wie der Energiebandabstand bei 300° Kelvin und die Zusammensetzung χ einer Kristallmischung aus GaSb und AlSb nämlich Al(xj Ga(I-X)Sb mit χ gleich einer positiven Zahl kleiner als 1 voneinander abhängen. Dabei beträgt die Indirektübergangs Energiebandbreite Egd(x) von GaSb etwa 1 eV und die von AlSb 1,62 eV. Ferner beträgt die Direktübergangs-Energiebandbreite Egd(x) für GaSb 0, 7 eV und für AlSb 2, 218 eV, und es wird der Mischkristallübergangetyp durch den Schnittpunkt der Kennlinien Egi(x) und Egd(x) bestimmt. Das heißt, daß, wenn die Zusammensetzung im Kennlinienschnittpunkt c als χ bezeichnet

wird, eine Zusammensetzung χ kleiner als χ vom Direkt üb er-

C-

gangstyp und χ größer als χ vom Indirektübergange* yp ist, so daß sich aus dieser Relation Übergangstyp und Energiebandabstand ergeben. Folglich wird angenommen, daß die erste Zone •ine Zusammensetzung χ kleiner als χ und die zweite Zone 2 eine Zusammensetzung χ größer als χ aufweist, und wird der Energiebandabstand der ersten Zone 1 zwischen 0, 7 und 1, 25 eV sowie der der zweiten Zone 2 zwischen 1, 25 und 1, 62 eV ausgewählt.

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Wie bereits zuvor festgestellt wurde, besteht zwischen GaSb und AlSb ferner ein kleiner Gitterkonstantenunterschied. Weil es jedoch möglich ist, diese Kristalle viel besser aneinander anzupassen, indem die mit Atomen der Gruppen ΙΠ oder V besetzten Gitterplätze oder -punkte teilweise durch andere Atome der Gruppen III oder V oder durch andere Substitutionsatome ersetzt werden. Wenn zum Beispiel ein Teil der Ga-Gitterplätze in GaSb mit Indium (In) besetzt wird, das einen größeren Covalenzionradius aufweist, wird die Gitterkonstante größer und nimmt einen Wert an, der dicht beim Gitterkonstantenwert AlSb liegt. Auch wenn ein Teil Sb durch Wismuth (Bi) ersetzt wird, entsteht derselbe Effekt. Wenn ein Teil der Sb-Gitterplatze in AlSb etwa mit Arsen (As) und Phosphor (P)₄ welch letztere kleinere Covalenzionradien haben, besetzt wird, dann wird die Gitterkonstante kleiner und erreicht die von GaSb. Es ist ferner möglich, mit Dotierstoffen wie etwa Zn, Cd, Te, Sl, Ge und Sn zu dotieren, die die Halbleiterleitfähigkeit bestimmen, und auf diese Weise die Gitterkonstanten aneinander anzupassen, während gleichzeitig der Leitfähigkeitstyp und der spezifische Widerstand festgelegt werden.

Außerdem ist es möglich, den effektiven Energiebandabstand auf dem Weg· der oben beschriebenen Substitutionen zu ändern. Weil

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der Energiebandabstand der ersten Zone, in der die Photoelektronen angeregt werden, den Ansprechschwellwert für lange Wellenlängen festlegt, ist es sehr wichtig, daß der Abstand klein gemacht wird. Folglich beträgt, wenn die erste Zone eine GaSb-Zone ist, der Ansprechschwellwert für lange Wellenlängen etwa 1, 8 Mikrometer, wird aber größer, wenn diese Zone ein Mischkristall aus GaSb und InSb oder InAs ist. Wenn es auf der anderen Seite erforderlich ist, den Energiebandabstand der zweiten Zone zu vergrößern, kann ein Teil dee Sb durch As oder P ersetzt werden.

Ubwohl das zuvor Gesagte für den Fall gilt, daß das Bauelement hauptsächlich aus GaSb, AlSb und deren Mischkristallen hergestellt wird, ist es auch möglich, beispielsweise GaAs, AlAs und deren Mischkristalle zu verwenden, wobei GaAs ein Direktübergangshalbleiter ist, dessen effektiver Energiebandabstand 1,43 eV und dessen Gitterkonstante 5, 642 Angström beträgt, und AlAs ein Indirektübergangshalbleiter ist, dessen effektiver Energiebandabstand 2,13 eV und dessen Gitterkonstante 5,661 Angström beträgt. Man kann sie in jedem Verhältnis in festeLösung bringen und dadurch Materialtypen darstellen, die für das vorgeschlagene

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Bauelement geeignet sind.

In einem bevorzugten Ausführungebeispiel, so wie es beispielsweise in der FIG. 1 dargestellt ISt₁ wurde das vorgeschlagene Bauelement mit GaSb als erste Zone 1 und AlSb als zweite Zone 2 hergestellt. Zunächst wurde ein ρ-leitender GaSb-Einkristall mechanisch platt geschliffen und die beschädigte Schicht durch Ätzen entfernt. Dann wurde dieser Kristall gewaschen, getrocknet, in eine Dampfphasen-Aufzüchteinrichtung gegeben und Al(x) Ga(l-x)Sb aufwachsen gelassen, um eine zweite Zone 2 zu bilden. Es war in diesem Falle schwierig, für die erste GaSb-Zone dünn zu machen. Ein Durchlicht-Photoemieaionsbauelement ist jedoch in der nachstehend beschriebenen Weise zu erhalten. Auf einem AlSb-Einkristallsubstrat werden sukzessive zuerste Al(x) Ga(I-X)Sb mit χ größer als χ und danach GaSb aufwachsen gelassen, wobei ein Schiebe verfahr en angewendet wird, um ein epitaktisches Wachstum in flüssiger Phase zu erreichen. Anschließend wird das AlSb-Substrat leicht von den anderen Teilen entfernt, weil es mit hoher Geschwindigkeit abätzbar ist. In diesem Bauelement ist GaSb die erste und Al(x)Ga(l-x)Sb die zweite Zone. Es ist ferner mjPglieh, ein Heflexionsphotoemissionsbauelement darzustellen, indem AlSb oder Al(x)Ga(l-x)Sb mit χ größer als χ

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auf einem GaSb-Substrat aufwachsen gelassen werden.

Der in der vorerwähnten W eise erhaltene Kristall 20 wird in der gewünschten Form dargestellt, und es können die Elektroden 51 und 52 etwa mittels Metallniederschlages angefügt werden. Das Bauelement kann in ein Vakuumgefäß 7, wie es in der FIG. 5 dargestellt ist, eingebracht werden.

Dieses Gefäß 7 ist mit einem Zweigrohr, indem sich eine Quelle 10 zum Erzeugen Caesium befindet, und mit einem Silberrohr 13 versehen, das über einen Verschluß 14 (cover seal) mit einem Gasablaarohr verbunden ist. Wenn dieses Gefäß 7 mit einem Ölfreien, absaugend wirkenden Höchst vakuum system verbunden und bis zu einem Druck von mindestens 10 Torr evakuiert wird, dann kann es, um entgast zu werden, bis 350 C erwärmt

»8 werden. Wenn ein Druck von etwa 10 Torr erreicht ist, wird damit aufgehört, zu erhitzen. Dann wird die Caesiumquelle 10 erwärmt und Caesium im Zweigrohr freigesetzt. Dieses Caesium wird mit Trockeneis oder flüssigem Stickstoff gekühlt, um es im Zweigrohr niederzuschlagen bzw. zu kondensieren.

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Die Elektronenemissionsoberfläche des Kristalle 20 wird gereinigt, indem sie in einem sehr hohen Vakuum einige Minuten lang auf etwa 500 C erhitzt oder mit Argonionen bombardiert wird. Anschließend an diese Reinigungshandlung wird die Elektronenemissionsoberfläche mit weißem Licht bestrahlt, und es werden entweder an die Elektrode 52 und die Kathode 5 einige 10 V angelegt, während der photoelektrieche Strom beobachtet wird, oder es wird eine andere Spannung an die Elektroden 51 und 52 angelegt, ohne daß mit Licht bestrahlt wird, während die Kaltelektronenemission sofort beobachtet wird.

Jetzt wird damit aufgehört, das Zweigrohr zu kühlen, und allmählich Caesium in das Gefäß 7 abgegeben.. Sobald der maximale photoelektrische Strom oder Kaltelektronenfluß erreicht worden ist, wird die Caesiumzufuhr unterbrochen und in Luft enthaltener Sauerstoff durch Erwärmen des Rohres 13 in das Gefäß 7 eingeleitet. Dieses Einleiten von Sauerstoff erfolgt mit Sorgfalt, damit der Partialdruck nicht 10 Torr übersteigt. Somit fällt der Strom nach einem zeitweiligen Anstieg wieder ab. Wenn der Strom auf etwa 1/10 abgefallen ist, wird er erhöht, indem wieder Ca«slum eingeleitet wird. Wenn diele Arbeitsgänge wiederholt werden

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und sobald ein maximaler Strom beobachtet wird, erhält man die Oberflache 4. Das Zweigrohr wird gesperrt, außerdem das Gefäß 7 vom Vakuumsystem abgetrennt, und das Bauelement ist fertig. Es ist möglich, eine Caesiumionanquelle zu verwenden, um das Caesium einzuleiten, und es ist in diesem Falle auch möglich, die Einlaßmenge zu quantifizieren.

Vi eil es besonders wichtig ist, daß in einem Photoelektronenemiesions-Bauelement ein kleiner Dunkel strom auftritt, ist es erforderlich, zu verhindern, daß die Elektronen thermisch angeregt werden. Zu diesem Zweck muß der Fermi- Pegel im Halbleiter der ersten Zone so dicht wie möglich beim Valenzband sein. Folglich ist es zweckmäßig, daß die Konzentration der ρ-leitenden Dotierstoffe unter Berücksichtigung der Diffusionsweglänge so hoch wie möglich ist, obwohl sie ausreichend

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hoch ist, wenn sie größer als 10 Atome /cm beträgt. Man kann jedoch wie etwa im Falle des in der FIG. 3. dargestellten Ausführungsbeispiels in dem Teil, der an die Verarmungsschicht der ersten Zone anknüpft, eine niedrige Dotierstoffkonzentration haben. Das heißt, daß die Dotierstoffkonzentration so ausgewählt wird, daß sich eine geeignet dicke Verarmungsschicht zur ersten Zone hin erstreckt. Zum Beispiel kann die Schicht eine eigenleitende

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oder intrinische sein.

Es ist erforderlich, die Bauelementstruktur ferner darauf hin zu betrachten, daß der Dunkelstrom erniedrigt und die photoelektrische Empfindlichkeit größer wird. Das in den FIG. 6A bis D abgebildete Ausführungsbeispiel liefert Ergebnisse in dieser Richtung. In der FIG. 6A ist eine etwa 10 Mikrometer dicke η-leitende GaSb-Schicht 31 dargestellt, die epitaktisch auf einem ρ-leitenden GaSb-Substrat 1 mit einer Dotierstoff-

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konzentration von etwa 10 bis 10 Atome/cm aufwachsen gelassen wurde. Das Substrat 1 bildet die erste Zone, 1st beispielsweise 100 Mikrometer dick und mit seinen Oberflächen in geeigneter Weise etwa (Hl)-, (100)- oder (110)-orientiert. Die Dotierstoffkonzentration der η-leitenden Schicht 31 beträgt etwa 10¹⁶ bis 10^1? Atome/cm³ .

Wie dann die FIG. 6B zeigt, wird eine geeignete Maske 36, etwa eine synthetische Harzschicht oder ein Photolack, auf die gezüchtete Schicht 31 aufgebracht und ein Teil dieser Schicht entfernt. Anschließend wird die Maske 36 wieder entfernt und, wie die FIG. 6C zeiiil, eine Al(I-x)Ga(x)Sb-Schicht 21 mit einem weitem

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Energiebandabstand und einer niedrigen Dotier Stoffkonzentration, um eine Löchersperre zu bilden, sowie eine ρ-leitende Al(I-x)Ga(x) Sb-Schicht 22 mit einem engeren Energiebandabstand aufwachsen gelassen. Dabei 1st χ jeweils gleich einer positiven Zahl kleiner als 1. Die Schicht 21 sollte zweckmäßig in der Größenordnung von etwa 500 Angstrom bis 10 Mikoometer sein, damit nicht auf Grund des Tunneleffektes Löcher von der Zone 22 zur Zone 21 gelangen. Außerdem muß die Schicht 22 weniger dick als die Diffusionsweglänge der injizierten Elektronen sein.

Schließlich zeigt die FIG. 6D angefügte ohmsche Kontaktelektroden 51 und 52 sowie eine Oberflächenschicht 4, die mittels Caesium oder Caesium und Sauerstoff in einem Hochvakuumgefäß gebildet wurdet. Die Zone 31 ist eine η-leitende und die Zone 1 eine p-leitende Schicht, so daß an ihrem Rand eine Verarmungsschicht entsteht, die als Isolationsschicht wirkt und den Elektronenemissionsbereich einschränkt. Folglich kann verhindert werden, daß thermisch angeregte Elektronen in den nicht notwendigen Teil der Zone 1 emittiert werden. Außerdem trägt die Zone dazu bei, den Vorspannungsetrom zu vermindern. Auch die Photoelektronen, die zu den ohmschen Kontakten 52 gelangt sind, bzw. diese erreicht haben, gehen durch Rekombination verloren und werden nicht

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emittiert. V/eil aber im Falle des in FIG. 6A bis D dargestellten Bauelementee der Kontakt der Elektrode 52 mehr als eine Elektro nendiffusions weglänge von der Elektroneninjektionezone der zwei· ten Zone entfernt ist, kann dieser Verlust vernachlässigt werden.

In den FIG. 7A bis D ist ein Ausführungsbeispiel in Form eines Durchlicht-Halbleiterbauelementes dargestellt. Die FIG. 7A zeigt nacheinander epitaktisch aufwachsen gelassene Schichten, die auf einer p-leitenden GaSb-B as is 35 aus p-leitendem Al(x)Ga(l-x)Sb mit χ gleicher einer positiven Zahl kleiner als 1 und von hoher DogierStoffkonzentration gezüchtet wurden, nämlich die Schicht 34, die η-leitende GaSb-Schicht 23, die Al(x)Ga(l-x) Sb-Schicht

21 mit einer niedrigen Dotierstoffkonzentration und einem breiten Energiebandabstand und die ρ-leitende Al(x) Ga(I-x)Sb-Schicht

22 mit einem schmaleren Energiebandabstand und einer hohen Dotierstoffkonzentration. Nach erfolgtem Aufzüchten wird die Basis 35 beispielsweise mechanisch bis zu der in der FIG. 7A unterbrochen dargestellten Linie 71abgeschliffen. Noch ein anderer Teil, der in der FIG. 7B durch die unterbrochene Linie wiedergegeben wird, wird etwa mit Hilfe eines Sandgebläses herausgetrennt und auf diese Weise ein Loch gebildet, das bis zur

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Schicht 34 reicht.

Die FIG. 7C stellt einen Zustand dar, demzufolge ein vorgeschriebener Teil der Schicht 34 selektiv entfernt wurde, indem die Ätzgeschwindigkeitsdifferenz zwischen der GaSb- und Al(x)Ga(I-x)Sb-Schlcht ausgenützt und dann in dem in der FIG. 7D nahe der GaSb-Schicht 33 schraffiert angedeuteten Teil die erste Schicht gebildet wurde, was durch E in diffundieren uuiee p-leitenden Dotieretoffee wie etwa Zink erfolgte und wobei als Maske zum Beispiel eine Siliciumoxyd-(SiOJ oder Aluminiumoxydschicht(Al_O ) verwendet wurde. Dann wurden Elektroden 51 und 52 vorgesehen, wurde evakuiert und aktiviert, um das Bauelement fertigzustellen.

Das bezeichnete Bauelement kann also wohl auf die Lichtstrahlen 8 als auch 9 ansprechen und ist in der Weise hergestellt, daß die Dotier Stoffkonzentration an der Oberflächenrückseite (reverse surface side) am höchsten ist. Folglich wird ein elektrisches Driftfeld erzeugt, so daß die von Zone 1 gebildeten ,Photoelektronen in Richtung auf die Emissionsoberfläche 4 beschleunigt werden. Dort befinden sich besonders viele Elektronen, die auf der Seite der rückwärtigen Oberfläche der Zone 1 angeregt werden, und es

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tritt in diesem Teil ein Rekombinationsproblem auf. Weil sich diese angeregten Elektronen wegen des elektrischen Driftfeldes direkt auf die Übergangegrenzflache zubewegen, tritt dort ein geringer Verlust auf. Ein solches elektrisches Driftfeld kann ferner gebildet werden, indem ein geneigtes, effektives Energieband vorgesehen wird. Auch wird, weil die Zone 33 eine n-leitende Zone ist, zwischen ihr und der Zone 1 eine Verarmungsschicht vorgesehen. Dort ist dieselbe Wirkung wie im Falle der Zone 31 des in den FIG. 6A bis D dargestellten Ausführungsbeispieles festzustellen, ist aber sogar noch größer, wenn eine Sperrspannung entsprechend der zwischen den Zonen 33 und 1 erforderlichen angelegt wird. Weil der Energiebandabstand der Zone 34 größer als der der Zone 1 ist, können die in der Zone 1 angeregten Elektronen daran gehindert werden, in die Zone 34 einzudiffundieren. Die GaSb-Schicht der Zone 35 erniedrigt den ohmschen Kontaktwiderstand in zweckmäßiger Weise. Die Zonen 33 (FIG. 3) und 31 (FIG. 6) bilden einen hohen Widerstand und können diesenteils Isolations schichten etwa aus Materialien wie SiO₂ oder Al₃O₃ sein.

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Die FIG. 8A bis D gibt wieder, wie ein Durchlichtbauelement mit einer Transparentträgerbasie 32 aufgebaut ist. Im Zusammenhang mit solchen Durchlichtbauelementen können Materialien wie Saphir, Corund, Quarz, transparentes Aluminiumoxid und außerdem Halbleiterkristalle mit einem breiten Energiebandabstand wie etwa ZnSe, SnS, SeC, ZnTe, GaP und AIP verwendet werden. Die Verbindung ZnTe hat dieselbe Kristallstruktur wie GaSb und eine Gitterkonetante nahe der von GaSb. Außerdem ist das GaSb-ZnTe-System ein bevorzugt verwendetes System.

Wie die FIG. 8A zeigt, wurden auf der Basis 32, die aus ZnTe sein kann, eine ρ-leitende GaSb-Schicht 1 sowie ein hoher Widerstand und eine Al(x)Ga(l-x)Sb-Schicht 21, alle von geeigneter Dicke, aufgezüchtet. Dann wurde ein in der FIG. 8B dargestellter Teil der in der FIG. 8A abgebildeten Zone 21 unter Verwendung einer Maske weggeätzt und, dann, wie das in der FIG. 8C wiedergegeben wird, eine Isolationsschicht oder Schicht 30 aus SiO₀ oder Al₀O ν or ge-

Δ ίο

sehen. Danach wurde eine Zone 22 aus einer p-leitenden Al(x)Ga (l-x)Sb-Schicht mit einem schmaleren Energiebandab stand als bei der Zone 21 und einer hohen Dotier Stoffkonzentration aufwachsen gelassen, Elektroden 51 und 52 entsprechend FIG. tD vorgesehen

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und dann die aktive Oberfläche 4 gebildet. Weil der Energie-

ban dab stand von ZnTe 2, 26 eV beträgt, wird die Basis 32 in diesem Falle als Fenster für Photonen, deren Energie geringer als der erwähnte Bandabstand ist.

Weil die Lichtstärke des auf die Oberfläche der ersten Zone Photoelektronenemissions-Halbleiterbauelementes für Durchlichtbetrieb einfallenden Lichtes an der Oberfläche maximal ist, tritt in diesem Teil ein Rekombinationsproblem auf. Weil die Rekombinationsgeschwindigkeit an der Oberfläche des Halbleiters größer als an anderen Stellen (parts) ist, besteht ein Mittel, das effektiv zu verhindern, dadurch, daß man eine geeignete Oberflächenbehandlung vornimmt. Ee ist auch wirksam, die Energiebandbreite der ersten Zone nahe der bestrahlten Oberfläche zu erweitern und dadurch Rekombination an der Oberfläche zu verkleinern, und es ist ferner möglich, eine nichtreftektierende Schicht vorzusehen, um die Empfindlichkeit zu verbessern.

Es wurden zuvor Ausführungebeispiele beschrieben. Fachleute können zahlreiche Änderungen und Modifikationen vornehmen, ohne mit ihrer Aussage inhaltlich über das bisher Offenbarte hinauszugehen.

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Claims

DlPL-ING. R. KRAMER MÖNCHEN ■η Ansprüche

1. J PhotoelektronenemiBsions-Halbleiterbauelement, gekennzeichnet durch

wenigstens zwei einen HeteroÜbergang bildende Halbleiter« die eine erste Zone eines Direktübertragungsmaterials und eine zweite Zone eines Indirektübertragungsmaterials mit einem Energiebandabstand größer als der der ersten Zone definieren, wobei die freie Oberfläche der zweiten Zone eine elektronenemittierende Oberfläche ist und

durch Mittel zum Erzeugen einer Injektion von Elektronen der ersten in die zweite Zone und zum Emittieren an der Oberfläche.

2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiter durch Mischkristalle gebildet sind.

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3. Halbleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Halbleiter in fester Löeung gegenseitig ineinander löslich
sind und

daß die Lösung in vorbestimmt en Anteilen vorliegt und die Gitterkonstanten einander angepaßt sind.

4. Bauelement nach Anspruch 1, "«»kennzeichnet in der angegebenen Reihenfolge durch:

einen p-leitenden Direktübergangshalbleiter und einen p-leitenden Indirektübergangshalbleiter, die einen HeteroÜbergang hierzwis ehe η definieren.

5. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet in der angegebenen Reihenfolge durch:

eine die erste Zone definierende p- leitend· Direktübergangshalbleiterschicht, eine eigenleitende Halbleiterschicht, die einen Heteroübergang mit der Direktübergangshalbleiterschicht bildet, und •ine p-leitende Indirektübergangshalbleiterechicht, die die zweite

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Zone definiert, wobei die eigenleitende Halbleiter schicht einen größeren Energiebandabstand als die zweite Zone aufweist.

6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die eigenleitende Halbleiterschicht durch einen η-leitenden Halbleiter ersetzt ist.

7. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitermischkristalle im wesentlichen dieselbe oder identische Kristallstruktur am HeteroÜbergang und kleinere Unterschiede in den Gitterkonetanten besitzen.

8. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Driftfeldes.

9. Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkristalle ausgewählt sind aus der. aus Mischungen von GaSb, AlSb, XnAs, InSb, AlAs oder Kombinationen hiervon be-

stehenden Gruppe.

10. Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkristalle Al(x)Ga(l-x)Sb oder Al(x)Ga(l-x)Aa mit χ gleich

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einer positiven Zahl kleiner 1 sind.

11. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterplätze der Kristalle Atome besitzen, die durch andere Atome der Gruppe III oder Gruppe V des periodischen Systems der Elemente ersetzt sind.

12. Bauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Substitutionsatome aus der aus In, Bi, As und P bestehenden Gruppe ausgewählt sind.

13. Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter mit Dotierstoffen selektiv dotiert sind, die aus der aus Zn, Cd, Te, Si, Ge und Sn bestehenden Gruppe ausgewählt sind.

14. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zon· einen Energiebandabstand von 0, 7 - 1, 25 eV und di· zweite Zone einen Energiebandabstand von 1, 25 - 1,6 eV besitzt.

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15. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet in der angegebenen Reihenfolge durch:

eine Elektrode, eine p-leitende GaSb-Baeis mit einer Dotierstoff-

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konzentration von etwa 10 - 10 Atomen/cm , die die erste Zone definieren, eine erste η-leitende GaSb-Schicht einer Dicke von etwa 10 um, die auf der Baals epitaktisch aufgewachsen ist und ausgewählte Teile der Basis bedeckt, eine zweite Schicht aus Al(l-x)Ga(x)Sb mit χ gleich einer positiven Zahl kleiner als 1, die einen breiten Energiebandabstand und eine niedrige Dotierstoffkonzentration hat, 500 Anström - 10 um dick ist und den Übergang mit der Basis definiert, eine dritte, die zweite Zone bildende Schicht aus Al(l-x)Ga(l-x)Sb eines schmaleren Energiebandabstandes mit einer Elektronenemissionsoberfläche und ohmsche Kontakte.

16. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet in der angegebenen Reihenfolge durch:

ohmsche Kontakte, eine die zweite Zone definierende erste Schicht aus p-leitendem Al(x)Ga(l-x)Sb mit χ gleich einer positiven Zahl

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kleiner als 1, mit einer hohen Dotier Stoffkonzentration und einem vorbestimmten Energiebandabstand, eine zweite Schicht aus Al(x) Ga(l-x)Sb mit niedriger Dotier Stoffkonzentration und einem breiteren Energiebandabstand, eine dritte, n-leitende GaSb-Schicht, die an ausgewählten Teilen verschiedene p-Dotierstoffschichten besitzt und dadurch an der ersten Zone und mit der zweiten Schicht den HeteroÜbergang bildet, eine vierte Schicht an jenen Teilen der dritten Schicht, in welchen der eindiffundierte p-Dotierstoff fehlt, wobei die vierte Schicht stark p-leitendes Al(x) Ga(I-X)Sb ist, eine fünfte Schicht aus p-leitendem GaSb auf der vierten Schicht, und Elektroden auf der fünften Schicht, wodurch die ohmschen Kontakte auf der ersten Schicht in ausgewählten Gebieten angeordnet sind, in denen in Querrichtung gesehen (transversely) - die diffundierten p-Dotierstoffe fehlen und wobei die erste ScUcht eine Elektronenemissionsoberfläche in Gebieten besitzt, die nicht von den ohmschen Kontakten bedeckt sind, und dadurch ein Bauelement für Durchlichtbetrieb bildet.

17. Bauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet in der angegebenen Reihenfolge durch:

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ein transparentes Substrat, eine erste, ρ-leitende GaSb-Schicht zur Bildung der ersten Zone, eine zweite Schicht aus Al(x)Ga(l-x)Sb mit χ gleich einer positiven Zahl kleiner als I₁ die hohen Widerstand und einen breiten Energiebandabstand besitzt, auf einem ausgewählten Teil der ersten Schicht angeordnet ist und den HeteroÜbergang mit dieser definiert, eine dritte, einen Isolator oder einen hohen Widerstand umfassende Schicht auf einem anderen ausgewählten Teil der ersten Schicht, ein Paar Elektroden auf unbedeckten Gebieten der ersten Schicht, eine vierte Schicht aus ρ-leitendem Al(x) Ga(I-x) As mit χ gleich einer positiven Zahl kleiner als. 1, die einen schmaleren Energiebandabstand als die zweite Schicht hoher Dotieratoffkonzentration auf ausgewählten Teilen der dritten Schicht aufweist und die zweite Schicht bedeckt sowie die zweite Zone definiert, wobei die vierte Schicht eine Emissionsoberfläche auf der gegenüberliegenden Seite besitzt, wodurch ein Bauelement für Durchlichtbetrieb gebildet ist.

18. Bauelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ausgewählt ist aus der aus AnSe, GaP, ZnS, SeCd. ZnTe, AIP mit breitem Energiebandab ständen, Saphir, Korund, Quarz und transparentem. Aluminiumoxid bestehenden Gruppe

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und daß die Isolierschicht oder Schicht hohen Widerstandes ausgewählt ist aus der aus Al O„ und SiO₀ bestehenden Gruppe.

18. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone eine Dicke hat, die der Diffusionsweglänge der Elektronen äquivalent oder kleiner als diese ist.

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