DE2507232A1 - RADIATION DETECTOR AND METHOD OF MANUFACTURING IT - Google Patents
RADIATION DETECTOR AND METHOD OF MANUFACTURING ITInfo
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Description
Dipl.-Ing. H. Sauerland ■ Dr.-Iny. R. König · Dipl.-Ing. K. Bergen Patentanwälte ■ 4000 Düsseldorf 30 · Cecilienallee 7b · Telefon 432733Dipl.-Ing. H. Sauerland ■ Dr.-Iny. R. König · Dipl.-Ing. K. Bergen Patent Attorneys ■ 4000 Düsseldorf 30 · Cecilienallee 7b · Telephone 432733
19« Februar 1975 29 813 B19 «February 1975 29 813 B
RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N.Y0 10020 (V.St.A.)RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York , NY 0 10020 (V.St.A.)
"Strahlungsdetektor und Verfahren zu dessen Herstellung""Radiation Detector and Process for Its Manufacture"
Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungsdetektor, insbesondere eine Halbleiter-Solarzelle, mit zwei aneinander angrenzenden Zonen aus Monokristallinem Halbleitermaterial, die entgegengesetzte Leitungstypen haben und zwischen sich einen PN-Übergang bilden«,The invention relates to a radiation detector, in particular a semiconductor solar cell, with two adjacent to each other adjacent zones of monocrystalline semiconductor material which have opposite conductivity types and form a PN junction between them «,
Halbleiter-Strahlungsdetektoren weisen generell einen Körper aus monokristallinem Halbleitermaterial des einen Leitungstyps, in der Regel N-leitend, auf, auf dessen einer Oberfläche eine dünne Schicht des entgegengesetzten Leitungstyps, in der Regel P-leitend, angeordnet istο Die dünne Schicht bildet mit dem Körper einen PN-Übergang. Wie in dem Artikel "The Photovoltaic Effect And Its Utilization" von P. Rappaport, RCA Review, Band XX, Nr0 3, September 1959, Seiten 373 bis 397, beschrieben wurde, erzeugt den Detektor treffende optische Strahlung einen Überschuß an Minoritätsträgern an jeder Seite des Übergangs» Die Überschußträger, welche sich im Abstand einer Diffusionslänge vom Übergang befinden, werden vom Übergang eingefangen und fließen über die Grenzschicht, wobei sie ihre Energie zu verringern suchen. Dieser Überschußträgerstrom ruft einen elektrischen Strom hervor, und wenn geeignete elektrische Verbindungen am Detektor vorgesehen sind, kann der erzeugte Strom abgeleitet werden.Semiconductor radiation detectors generally have a body made of monocrystalline semiconductor material of one conductivity type, usually N-conductive, on one surface of which a thin layer of the opposite conductivity type, usually P-conductive, is arranged o The thin layer forms with the body a PN junction. As described in the article "The Photovoltaic Effect And Its Utilization" by P. Rappaport, RCA Review, Volume XX, No. 03 , September 1959, pages 373-397, optical radiation striking the detector produces an excess of minority carriers at each Side of the transition »The excess carriers, which are at a distance of one diffusion length from the transition, are captured by the transition and flow over the boundary layer, trying to reduce their energy. This excess carrier current creates an electrical current and, if appropriate electrical connections are made on the detector, the generated current can be diverted.
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Eine Solarzelle ist ein Strahlungsdetektor, in welchem Lichtstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wirdo Für die bestmögliche Umwandlung der einfallenden Strahlungsenergie in brauchbare elektrische Energie im Solarstrahlungsdetektor ist Voraussetzung, daß ein möglichst hoher Anteil der einfallenden Strahlung innerhalb einer Minoritätsträger-Diffusionslänge des einfangenden PN-Übergangs absorbiert wird. Da das Sonnenemissionsspektrum breit ist, wird ein großer Teil der Strahlung nur schwach absorbierte Daher muß die Diffusionslänge zur Erzielung eines hohen Umwandlungswirkungsgrades relativ lang sein. Um außerdem die Energieaufnahme in der Vorrichtung selbst zu minimalisieren, muß der Serienwiderstand der Zelle niedrig sein, während gleichzeitig Sorge dafür getragen werden muß, daß die Ohm'sehen Kontakte eine möglichst kleine Zone bedecken, damit von den Kontakten kein zu großer Teil der einfallenden Strahlung gesperrt wird. Bisher wurden derartige Strahlungsdetektoren generell dadurch hergestellt, daß in die Oberfläche des Körpers aus monokristallinem Halbleitermaterial Leitfähigkeitsmodifizierer zur Bildung der Oberflächenzone und des PN-Übergangs eindiffundiert wurden. Die Oberflächenzone ist sehr hoch dotiert, und zwar bis zur Lösbarkeitsgrenze des Halbleiters, um den Serienwiderstand zu minimalisieren. Dadurch wird die Dicke der Oberflächenzone auf Werte von etwa einem Um oder geringer begrenzt, da diese Dicke in derart hoch dotiertem Material der angenäherten Diffusionslänge entspricht β Daher ist der innerhalb der Oberflächenschicht absorbierte Anteil der einfallenden Strahlung gering, und es ist zur Erzielung eines wirksamen Einfangens der einfallenden Strahlung wesentlich, daß die Diffusionslänge in der nicht-diffundierten Zone des Bauelements sehr lang ist„ Um sowohl gute Über-A solar cell is a radiation detector in which light radiation is converted into electrical energy o For the best possible conversion of the incident radiation energy into usable electrical energy in the solar radiation detector it is a prerequisite that the highest possible proportion of the incident radiation is absorbed within a minority carrier diffusion length of the capturing PN junction will. Since the solar emission spectrum is broad, a large part of the radiation is only weakly absorbed. Therefore, the diffusion length must be relatively long in order to achieve a high conversion efficiency. In addition, in order to minimize the energy consumption in the device itself, the series resistance of the cell must be low, while at the same time care must be taken that the ohmic contacts cover as small a zone as possible so that the contacts do not cause too much of the incident radiation is blocked. Up to now, such radiation detectors have generally been produced in that conductivity modifiers have been diffused into the surface of the body made of monocrystalline semiconductor material in order to form the surface zone and the PN junction. The surface zone is very highly doped, up to the solubility limit of the semiconductor, in order to minimize the series resistance. This limits the thickness of the surface zone to values of about one µm or less, since this thickness corresponds to the approximate diffusion length in such highly doped material of the incident radiation, it is essential that the diffusion length in the non-diffused zone of the component is very long.
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gangseigenschaften durch Dotierstoffdiffusion als auch große Diffusionslängen in dem nicht-diffundierten Material zu erzielen, ist es notwendig, das Bauelement *us kristallinem Material mit relativ hoher kristalliner Perfektion herzustellen«, Außerdem muß das verwendete Halbleitermaterial einen niedrigen ■Verunreinigungsgrad an unerwünschten Dotierstoffen haben, welche die Minoritätsträger-Diffusionslänge verringern«. Daher machten "bisher "bekannte optische Halbleiterstrahlungsdetektoren hoher Güte die Verwendung von Halbleitermaterial hoher Qualität erforderlich, wodurch sie relativ kostspielig wurden«,output properties through dopant diffusion as well long diffusion lengths in the undiffused material To achieve, it is necessary to make the component * us crystalline material with relatively high crystalline To produce perfection «, In addition, the used Semiconductor material have a low level of contamination of undesirable dopants, which the Reduce minority carrier diffusion length «. Therefore, "heretofore" made known semiconductor optical radiation detectors high quality required the use of high quality semiconductor material, making them relatively became costly «,
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Strahlungsdetektor mit hohem Absorptionsvermögen und entsprechend großem Wirkungsgrad vorzuschlagen, der vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist„It is therefore an object of the invention to provide a radiation detector with a high absorption capacity and accordingly to propose a high degree of efficiency, which is comparatively inexpensive to manufacture "
Ausgehend von einem Strahlungsdetektor der eingangs genannten Art, schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß die Dicke jeder der beiden Zonen vom PN-Übergang aus angenähert gleich der Minoritätsträger-Diffusionslänge ist. Zur Herstellung des Strahlungsdetektors wird auf der Oberfläche eines Substrats eine erste Schicht aus monokristallinem Halbleitermaterial des einen Leitungstyps und auf der ersten Schicht eine zweite Schicht aus monokristallinem Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps epitaktisch niedergeschlagen. Jede der Schichten hat dabei eine Dicke, die angenähert gleich einer Minoritätsträger-Diffusionslänge ist οStarting from a radiation detector of the type mentioned at the outset, the invention proposes to solve this The object is that the thickness of each of the two zones from the PN junction is approximately equal to the minority carrier diffusion length is. To manufacture the radiation detector, a substrate is placed on the surface a first layer of monocrystalline semiconductor material of one conductivity type and on the first Layer a second layer of monocrystalline semiconductor material of the opposite conductivity type epitaxially dejected. Each of the layers has a thickness which is approximately equal to a minority carrier diffusion length is ο
In der Zeichnung, anhand der die Erfindung nachfolgend näher erläutert wird, ist eine Schnittansicht durchIn the drawing, on the basis of which the invention is explained in more detail below, a sectional view is through
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ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors darstellt.represents an embodiment of the radiation detector according to the invention.
Der optische Strahlungsdetektor 10 weist ein flaches Substrat 12 mit zwei gegenüberliegenden ebenen Oberflächen 14 und 15 auf. Auf der Oberfläche 14 des Substrats 12 ist eine erste epitaktische Schicht 16 aus einem monokristallinen Halbleitermaterial aufgebaut. Auf der ersten epitaktischen Schicht 16 ist eine zweite Schicht 18 aus einem monokristallinen Halbleitermaterial angeordnet,, Die ersten und zweiten epitaktischen Schichten 16 und 18 haben entgegengesetzte Leitungstypen und bilden einen PN-Übergang 20. Das Substrat 12 kann aus irgendeinem Material bestehen, das sich als Kernbildner für das epitaktische Züchten der ersten Schicht 16 eignete Vorzugsweise ist das Substrat 12 aus demselben Halbleitermaterial wie die Schichten und 18 und hat auch den gleichen Leitungstyp wie die erste Schicht 16, jedoch höhere Leitfähigkeit. Auf der Oberfläche der zweiten Schicht 18 ist eine dünne Schicht 22 des gleichen Leitungstyps wie die zweite Schicht 18, jedoch von höherer Leitfähigkeit, aufgebaut«, Wenn daher die epitaktische Schicht 16 N-leitend ist, hat das Substrat 12 den Leitfähigkeitstyp N+, die zweite epitaktische Schicht 18 den P-Leitungstyp und die dünne Schicht 22 den Leitungstyp P+. Jedoch können Leitungstypen des Substrats 12 der ersten und zweiten epitaktischen Schichten 16 und 18 und der Schicht 22 auch umgekehrt vorgesehen werden.The optical radiation detector 10 has a flat substrate 12 with two opposite flat surfaces 14 and 15 on. A first epitaxial layer 16 is made on the surface 14 of the substrate 12 a monocrystalline semiconductor material. On the first epitaxial layer 16 is a second Layer 18 of a monocrystalline semiconductor material arranged, the first and second epitaxial Layers 16 and 18 have opposite conductivity types and form a PN junction 20. The substrate 12 can be made of any material that can be used as a nucleating agent for the epitaxial growth of the first Layer 16 is suitable. Preferably, the substrate 12 is made of the same semiconductor material as the layers and 18 and also has the same conductivity type as the first layer 16, but higher conductivity. On the The surface of the second layer 18 is a thin layer 22 of the same conductivity type as the second layer 18, however, of higher conductivity, if the epitaxial layer 16 is therefore N-conductive, has the substrate 12 has the conductivity type N +, the second epitaxial layer 18 the P conductivity type and the thin layer 22 the conductivity type P +. However, conductivity types of the substrate 12 can be the first and second epitaxial Layers 16 and 18 and layer 22 can also be reversed.
Jede der ersten und zweiten epitaktischen Schichten und 18 hat eine Dicke vom PN-Übergang 20 aus, die im wesentlichen gleich der Diffusionslänge der Minorität sträger in der Schicht ist. Es ist außerdem erwünscht, daß jede der beiden epitaktischen SchichtenEach of the first and second epitaxial layers 16 and 18 have a thickness from the PN junction 20 that is im is essentially equal to the diffusion length of the minority sluggish in the layer. It is also desirable that each of the two epitaxial layers
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16 und 18 so dick wie möglich ist. Die Minoritätsträger-Diffusionslänge eines Halbleitermaterials hängt von dessen Zusammensetzung, Dotierung und kristalliner Perfektion ab. Wenn epitaktische Schichten aus monokristallinem Silizium hergestellt werden, kann die Dicke dadurch auf einen Maximalwert gebracht werden, daß die epitaktischen Schichten aus kontaminationsfreiem Silizium gebildet werden. Bei dem Strahlungsdetektor 10 stellen die ersten und zweiten epitaktischen Schichten 16 und 18 die aktiven Zonen des Detektors dar. Das Substrat 12 dient als Träger für die aktiven Zonen und als Kontakt für die erste epitaktische Schicht 16. Die Oberflächenschicht 22 dient als Kontakt für die zweite epitaktische Schicht 18O Eine Metallschichtelektrode 24 ist auf einem Teil der Oberfläche der Schicht 22 angeordnet, und eine Metallschichtelektrode 26 überzieht die freie Oberfläche 15 des Substrats 12, Die Elektroden 24 und 26 bestehen aus einem Metall, das einen guten Ohm1sehen Kontakt mit dem für den Strahlungsdetektor 10 verwendeten Halbleitermaterial bildet.16 and 18 is as thick as possible. The minority carrier diffusion length of a semiconductor material depends on its composition, doping and crystalline perfection. When epitaxial layers are made from monocrystalline silicon, the thickness can be maximized by forming the epitaxial layers from contamination-free silicon. In the radiation detector 10, the first and second epitaxial layers 16 and 18 represent the active zones of the detector. The substrate 12 serves as a carrier for the active zones and as a contact for the first epitaxial layer 16. The surface layer 22 serves as a contact for the second epitaxial layer 18 O a metal layer electrode 24 is disposed on a part of the surface of the layer 22, and a metal layer electrode 26 covers the free surface 15 of the substrate 12, the electrodes 24 and 26 are made of a metal which see a good Ohm 1 contact with the Forms semiconductor material used for the radiation detector 10.
Bei der Herstellung des Strahlungsdetektors 10 wird zunächst die erste epitaktische Schicht 16 auf der Oberfläche 14 des Substrats 12 epitaktisch niedergeschlagen. Sodann wird die zweite epitaktische Schicht 18 auf der ersten epitaktischen Schicht 16 epitaktisch niedergeschlagen» In der Endphase des Niederschiagens der zweiten epitaktischen Schicht 18 wird die Konzentration der Leitfähigkeitsmodifizierer erhöht, um die Schicht 22 höherer Leitfähigkeit auszubilden. Die epitaktischen Schichten 16 und 18 können nach bekannten, dem jeweils verwendeten besonderen Halbleitermaterial entsprechenden epitaktischen Nieder-In the manufacture of the radiation detector 10, the first epitaxial layer 16 is first of all on the Surface 14 of substrate 12 is deposited epitaxially. Then the second epitaxial layer 18 deposited epitaxially on the first epitaxial layer 16 »In the final phase of the deposition of the second epitaxial layer 18, the concentration of the conductivity modifier is increased by to form the layer 22 of higher conductivity. The epitaxial layers 16 and 18 can according to known epitaxial deposition corresponding to the particular semiconductor material used
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Schlagsmethoden gebildet werden. Wenn der Strahlungsdetektor 10 jedoch aus Silizium besteht, erfolgt das Niederschlagen vorzugsweise bei niedriger Temperatur, um zu verhindern, daß etwa im Substrat 12 vorhandene Verunreinigungen in die epitaktischen Schichten eindiffundieren. Eine derartige Niederschlagsmethode ist in dem Artikel "Epitaxial Growth of Silicon Using Dichlorosilane j Growth on Single-Crystal Hemispere", von N.G. Goldsmith und P.H. Robinson, RCA Review, Band 34, Juni 1973, Seiten 358 bis 368, beschrieben. Die Metallschichtelektroden 24 und 26 können nach bekannten Methoden, z.B. durch Verdampfen in Vakuum, aufgebracht werden.Strike methods are formed. However, if the radiation detector 10 is made of silicon, it will Deposition, preferably at a low temperature, to prevent anything from being present in the substrate 12 Diffuse impurities into the epitaxial layers. One such method of precipitation is in the article "Epitaxial Growth of Silicon Using Dichlorosilane j Growth on Single-Crystal Hemispere", by N.G. Goldsmith and P.H. Robinson, RCA Review, vol 34, June 1973, pages 358-368. The metal layer electrodes 24 and 26 can according to known Methods, e.g. by evaporation in vacuum, can be applied.
Im Betrieb des Strahlungsdetektors 10 tritt die die Oberflächenschicht 22 treffende Strahlung in die epitaktischen Schichten 16 und 18 ein und erzeugt überschüssige Minoritätsträger in den epitaktischen Schichten. Dies führt zur Erzeugung eines elektrischen Stromese Da beide epitaktischen Schichten 16 und 18.eine Dicke haben, die im wesentlichen gleich der Minoritätsträger-Diffusionslänge ist, werden im wesentlichen alle Überschußträger von dem PN-Übergang 20 eingefangen und zur Gewinnung von elektrischem Strom ausgenutzte Daher hat der Strahlungsdetektor einen hohen Wirkungsgrad. Durch Maximalisieren der Dicke der epitaktischen Schichten 16 und 18 wird auch die Absorption der Strahlungsenergie maximal, und es läßt sich ein maximaler Anteil an Überschußträgern erzielen. Darüber hinaus hat die erste epitaktische Schicht 16 einen Brechungsindex, der von demjenigen des Substrats 12 wegen der Unterschiede in der Konzentration der Leitfahigkextsmodifizierer verschieden ist. Daher reflektiert die Oberfläche 14 des Substrats 12 einen Teil der Strahlungsenergie, welche die erste epi-When the radiation detector 10 is in operation, the radiation striking the surface layer 22 becomes epitaxial Layers 16 and 18 and create excess minority carriers in the epitaxial layers. This leads to the generation of an electric current Since both epitaxial layers 16 and 18 have a thickness which is substantially equal to the minority carrier diffusion length is, substantially all of the excess carriers are captured by the PN junction 20 and used to generate electric power. Therefore, the radiation detector has a high Efficiency. By maximizing the thickness of the epitaxial Layers 16 and 18 also maximize the absorption of the radiant energy, and it can be achieve a maximum proportion of excess carriers. It also has the first epitaxial layer 16 shows a refractive index that is different from that of the substrate 12 because of differences in concentration the guide text modifier is different. Therefore, the surface 14 of the substrate 12 reflects a Part of the radiant energy that the first epi-
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taktische Schicht 16 durchdringt, in die aktiven Zonen 16 iind 18 zurück. Der Unterschied in den Konzentrationen der Leitfähigkeitsmodifizierer in der ersten epitaktischen Schicht 14 und dem Substrat 12 wirkt auch als Sperrschicht für den Strom an erzeugten Überschußträgern von der ersten epitaktischen Schicht in das Substrat. Diese Faktoren verbessern den Wirkungsgrad des Strahlungsdetektors 10 weiter.tactical layer 16 penetrates back into the active zones 16 and 18. The difference in concentrations the conductivity modifier in the first epitaxial layer 14 and substrate 12 also works as a barrier layer for the flow of excess carriers generated from the first epitaxial layer into the Substrate. These factors further improve the efficiency of the radiation detector 10.
Die Herstellung des Strahlungsdetektors 10 aus zwei, auf einem Substrat niedergeschlagenen epitaktischen Schichten führt zu einer Anzahl von Vorteilen bei dem Strahlungsdetektor 1O0 Die epitaktische Niederschlagsmethode schafft epitaktische Schichten guter Kristallqualität, selbst wenn das Substrat 12 geringere Kristallqualität besitzt. Dies ermöglicht die Verwendung von Substraten schlechterer Kristallqualität zur Kostenersparnis, während die aktiven Zonen zur Erzielung guter elektrischer Eigenschaften eine gute Kristallqualität haben. Aufgrund der vorgesehenen epitaktischen Niederschlagsmethode können aktive Zonen der gewünschten Dicke leichter und schneller als bei der bisher verwendeten Diffusionsmethode gebildet werden«,The manufacture of the radiation detector 10 consists of two, deposited on a substrate epitaxial layers leads to a number of advantages in the radiation detector 1O 0 The epitaxial precipitation method creates epitaxial layers of good crystalline quality, even if the substrate 12 has low crystal quality. This enables substrates of poorer crystal quality to be used to save costs, while the active zones have a good crystal quality to achieve good electrical properties. Due to the envisaged epitaxial deposition method, active zones of the desired thickness can be formed more easily and quickly than with the diffusion method used up to now «,
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8130 | Withdrawal |