DE2511900A1 - Verfahren zur herstellung eines oder mehrerer fotoelektrischer heterouebergaenge - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines oder mehrerer fotoelektrischer heterouebergaengeInfo
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Description
INTERNATIONAL RESEARCH & DEVELOPMENT COMPANY LIMITED, Newcastle-upon-Tyne NE6 2YD, England
Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer fotoelektrischer HeteroÜbergänge
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer fotoelektrischer HeteroÜbergänge (heterojunctions)
zwischen Halbleitermaterialien eines ersten und eines zweiten Leitfähigkeitstyps. Die Erfindung bezieht sich auch auf nach
diesem Verfahren hergestellte HeteroÜbergänge.
Die Materialien des ersten und des zweiten Leitfähigkeitstyps bestehen bevorzugt aus einem η-leitenden und einem
p-leitenden Halbleitermaterial, sie sind in einer bevorzugten Ausführungsform durch ein Chalcogenid eines Metalls
der zweiten Gruppe des periodischen Systems, z.B. Cadmiumsulphid , Cadmiumtellurid oder Cadmiumsulphidtellurid und
andererseits durch dasselbe Chalcogenid aus Kupfer oder Silber, z.B. Kupfersulphid, Kupfertellur id oder Kupfersulphidtellurid
gegeben. Die Cadmiumverbindungen lassen sich chemisch in entsprechende Kupferverbindungen umwandeln, wodurch
aus dem n-leitfähigen Material ein p-leitfähiges Material
gebildet wird. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten HeteroÜbergänge finden insbesondere in optoelektronischen
Konvertern Verwendung.
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Gemäß der Erfindung besteht das Verfahren zur Herstellung eines foto elektrischen HeteroÜberganges der genannten Art
aus folgenden Verfahrensschritten:
1. Der Beschichtung einer Schicht aus halbleitendem Material
aus einem ersten T eitfähigkeitstyp mit einer Schicht aus
Fotoresistmaterial;
2. der Belichtung eines oder mehrerer Bereiche der Fotoresistschicht
durch Masken;
3. der Entwicklung der Fotoresistschicht, um das Fotoresistmaterial
von der bzw. den im zweiten Verfahrensschritt nicht belichteten Bereichen zu entfernen;
4. der chemischen Umwandlung eines oder mehrerer, aufgrund des dritten VerfahrensSchrittes nicht bedeckter Bereiche
der Oberfläche des scheibenförmigen Halbleitermaterials des ersten Leitfähigkeitstyps im Halbleitermaterial eines
zweiten Leitfähigkeitstyps; und
5. der Aufbringung elektrisch leitfähigen Materials auf den bzw. die Oberflächenbereiche des Halbleitermaterials
des zweiten Leitfähigkeitstyps, um einen Kontakt oder Kontakte mit dem HeteroÜbergang oder den HeteroÜbergängen
herzustellen.
Das aufgetragene elektrisch leitende Material kann sich über das Halbleitermaterial des ersten Typs erstrecken und vom
letzteren durch Fotoresistmaterial isoliert sein.
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Der bzw. die elektrischen Kontakte für das · schichtförmige
Halbleitermaterial des ersten Typs sind aus elektrisch leitendem Material bildbar, das in Form einer Schicht auf
ein Substrat aufgebracht wird, wobei dann die Halbleiterschicht über den bzw. die elektrischen Kontakte gelegt wird.
In diesem Fall ist es möglich, die Schicht aus elektrisch leitendem Material als Maske zur Belichtung der Fotoresistschicht
zu verwenden, wobei zur Belichtung dann Licht einzusetzen ist, das durch das Substrat und durch das halbleitende
Material des ersten Typs hindurchstrahlt.
Das Verfahren ist zur Herstellung eines einzelnen Übergangs oder ganzer Felder von Übergängen einsetzbar. Im letzteren
Fall kann das Feld von Übergängen einen gemeinsamen Kontakt zu der halbleitenden Schicht des ersten Typs besitzen und
individuelle Kontakte zu den Bereichen des Halbleitermaterials vom zweiten Typ. Alternativ lassen sich Einzelkontakte in
dem Feld in Serie schalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform eines fotoelektrischen HeteroÜbergangs, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellt ist, ist ein Substrat vorgesehen, das eine polykristalline Schicht aus n-leitfähigem Cadmiumsulfid besitzt,
und das mindestens einen Öberflächenbereich aus p-leitfähigem Kupfer—(I)-sulfid in der vom Substrat abgewandten
Oberfläche der Cadmiumsulfideschicht besitzt, wobei die Oberfläche der Cadmiumsulfidschicht den bzw. die Kupfer (I)-Sulfidbereiche
umgibt, und wobei die Kupfer-(I)-SuIfidbereiche selektiv mit einem bzw. mehreren elektrisch leitenden
Kontakten belegt sind, die vom Cadmiumsulfid elektrisch isoliert sind.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen fotoelektrischen HeteroÜbergang aus Cadmiumsulfid -Kupfersulfid gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
Fig. 2 den in Fig. 1 dargestellten HeteroÜbergang zum Zeitpunkt einer frühen Produkt ions stufe;
Fig. 3 eine spätere Produktionsstufe des in Fig. 2 dargestellten HeteroÜbergangs; und
Fig. 4 eine Endstufe bei der Produktion des in den Fig. 2 und 3 dargestellten HeteroÜbergangs.
In Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt eines erfindungsgemäßen
HeteroÜbergangs dargestellt. Das Substrat 1 besitzt eine Grundmetallisierungsschicht 2, über die ein Cadmiumsulfidfilm
3 abgelegt wird. Das Substrat besteht bevorzugt aus Glas oder einem Hochtemperaturkunststoff. In bestimmten
Fällen kommt auch eine gegen hohe Temperaturen widerstandsfähige gedruckte Schaltungsplatte aus Glaskunstharz mit sehr
hoher Oberflächengüte zur Anwendung. Die Grundmetallisierungsschicht 2 muß genügend leitfähig sein, um dem Cadmiumsulfidfilm
3 als elektrischer Kontakt zu dienen. Es sei darauf hingewiesen, daß die Dicke des Substrats und der verschiedenen
anderen Schichten einer übersichtlichen Darstellung wegen stark übertrieben dargestellt ist.
Der Bereich 4 des HeteroÜbergangs besteht aus einer Oberflächenschicht
aus Kupfersulfid, die selektiv aus dem Cadmiumsulfidfilm 3 hergestellt wurde und durch einen Fotoresistprozeß
definiert wurde. Das Fotoresistmaterial 5
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dieses Prozesses verbleibt in seiner Lage und wirkt als Isolation zwischen dem Cadmiumsulfid und einer weiteren Metallschicht
6, die einen weiteren Kontakt für den HeteroÜbergang darstellt. Die Metallschicht 6 erstreckt sich bevorzugt bis
zu einer weiteren Metallschicht 7 auf dem Substrat 1. Die Schicht 7 kann einen Kontakt zu einem dem dargestellten HeteroÜbergang
benachbarten Übergang bilden, der sich in einem Feld (in einer Anordnung mehrerer HeteroÜbergänge) auf dem Substrat
1 befindet. Die Schicht 7 besteht aus einer einzigen Aufdampfschicht oder bevorzugt aus einer Schichtenfolge von im Vakuum
aufgedampften Metallfilmen.
Der Aufbau eines derartigen HeteroÜbergangs wird durch eine dünne Glasverkapselung 8 vervollständigt, der durch ein transparentes
Kunstharz 9 gehalten wird.
Während in Fig. 1 ein einzelner HeteroÜbergang nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt ist, besteht das
Ziel der Erfindung darin, ganze Felder von HeteroÜbergängen des in Fig. 1 dargestellten Typs herzustellen, wobei das
Substrat 1 eine gemeinsame Basis bildet. Derartige Felder sind bevorzugt aus einem großflächigen Cadmiumsulfidfilm
auf dem Substrat gebildet, in den einzelne p-leitfähige Kupfer(I)-Sulfidbereiche gleichzeitig ausgebildet werden,
wobei den HeteroÜbergängen des Feldes ein gemeinsamer negativer Kontakt gegeben wird. Ist dagegen eine vollständige
Isolation zwischen den einzelnen HeteroÜbergängen erforderlich, so werden einzelne Cadmiumsulfidbereiche auf einem
Substrat hergestellt, wobei dann geeignete metallische Kontaktverbindungen vorgesehen sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines HeteroÜbergangs
wird nun anhand der Fig. 2 bis 4 näher erläutert.
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«Μ Q _
In Fig. 2 ist ein polykristalliner Cadmiumsulfidfilm 10 z.B.
durch thermisches Verdampfen oder durch Sputtern im Vakuum oder durch ein Schirmdruckverfahren auf ein Substrat 11
aufgebracht. Eine Fotoresistschicht oder eine fotoempfindliche Schicht 12 wird über den Film 10 gelegt und durch
konventionelle Belichtung und Entwicklung werden öffnungen in dem Resistmaterial hergestellt, vgl. Fig. 3.
Geeignete Chemikalien, z.B. Kupfer(I)-chlorid wird z.B.
durch Eintauchen in eine Flüssigkeit oder durch Aufdampfen im Vakuum, oder durch Sprühen in die öffnungen gebracht und,
sofern erforderlich, durch eine Wärmebehandlung nachbehandelt. Auf diese Weise werden an der Oberfläche des ursprünglichen
Cadmiumsulfidfilms 10 Kupfer(I)-Sulfidbereiche 14 hergestellt,
vgl. Fig. 4. Die elektrischen Kontakte für die obere Materialschicht kann, vgl. Fig. 4, dadurch hergestellt werden, daß
ein leitendes Element 15 auf die Fotoresistschicht 12 abgelegt wird und die Bereiche 14 überlappt, wobei das Fotoresistmaterial
12 dann als Isolator zwischen dem Kontakt 15- und dem Film 10 dient.
Der Kontakt zur Schicht 10 wird bevorzugt durch eine Metallschicht
16 hergestellt, vgl. Fig. 4, die auf die Oberfläche
des Substrats 11 aufgebracht istj diese Metallschicht 16
wird vor dem Aufbringen des Films 10 auf das Subtrat 11 aufgebracht.
Durch den in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Aufbau wird ein aktiver Heteroübergangsbereich hergestellt und definiert
und mit elektrischen Anschlüssen versehen. Die Verwendung eines fotoempfindlichen Materials (Fotoresistmaterials)
definiert eine Fläche auf der Halbleiteroberfläche, die
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chemisch umgewandelt wird und dadurch einen Bereich einer anderen chemischen Zusammensetzung und eines anderen Leitfähigkeitstyps
bildet, so daß der Übergang als Fotodetektor arbeitet und das Fotoresistmaterial als Isolator wirkt, über
den die elektrischen Kontakte geführt werden können·
Die relativ kleine Anzahl an Verfahrensschritten bei der Herstellung von HeteroÜbergängen nach der Erfindung ermöglicht
zusammen mit den geringen Materialkosten die Herstellung von Detektorfeldern nach Kundenangaben. Die gewählten Kapazitätswerte für den HeteroÜbergang lassen sich während der Herstellung
genügend genau realisieren und die Stromausgangswerte schwanken von Diode zu Diode in einem Feld von HeteroÜbergängen
außergewöhnlich wenig.
In Abwesenheit von externer Arbeitspunktvorspannung lassen sich die HeteroÜbergänge in einem fotoelektrischen Mode
(photovoltaic mode) betreiben; wird dagegen eine Sperrspannung als Arbeitspunkt angelegt, so ist ein Betrieb in einer fotoleitenden
Mode (photo-conductive mode) möglich.
Die zuletztgenannte Betriebsart gestattet die Erzielung einer erhöhten Betriebsgeschwindigkeit; hohe Linearität des
Ausgangs als Funktion der Belichtung wird dagegen in beiden Betriebsarten erzielt.
Es ist möglich, einzelne Dioden oder ganze Felder von CdS-Cu2S-Dioden
für ein weites Anwendungsgebiet im optoelektronischen Bereich einzusetzen, in dem genau definierte, genau
abgeglichene Fotodioden zu vernünftigen Preisen benötigt werden, Diodenflächen und -geometrien sind nicht so beschränkt wie in
den konventionellen Einzel-Kristall-Technologien, das Vakuumaufdampfen
und die nachfolgenden Verfahrensschritte gewähr-
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leisten Qualitätsdioden auf Substraten, die klein oder groß, transparent oder undurchsichtig, fest oder sogar flexibel
sind.
In Anwendungsbereichen, in denen Verstärkungs- oder Abtastschaltungen
in Verbindung mit CdS-CUpS-Dioden eingesetzt
werden, können die Gehäuse direkt auf Substrate gesetzt werden, die in einer Hybrid-Bonding-Schaltungstechnik hergestellt
sind. Ansonsten läßt sich durch sorgfältige Wahl des Detektorformats ein ausreichendes Signal erzielen zur parallelen
Verarbeitung im Analog- oder Digitalmode.
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Claims (2)
1. \ Verfahren zur Herstellung eines oder mehrerer fotoelektrischen
HeteroÜbergänge zwischen halbleitenden Materialien eines ersten und eines zweiten Typs,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
die Beschichtung eines schichtenformigen Halbleitermaterials eines ersten Typs mit einer Schicht aus
Fotoresistmaterial, die Belichtung eines oder mehrerer Bereiche der Fotoresistschicht durch Masken, die Entwicklung
der Fotoresistschicht und die Entfernung des Fotoresistmaterials von den im vorausgegangenen Verfahrensschritt
nicht belichteten Bereichen, die chemische Umwandlung eines oder mehrerer im vorausgegangenen
Verfahrensschritt aufgedeckter Bereiche der Oberfläche
des scheibenförmigen Halbleitermaterials vom ersten Typ in ein halbleitendes Material eines zweiten Typs,
und die Aufbringung elektrisch leitenden Materials auf die Oberflächenbereiche des Halbleitermaterials
vom 2. Typ, um Kontakt(e) zu dem bzw. den HeteroÜbergängen herzustellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Fotoresistmaterial, das nach dem chemischen
Umwandlungsschritt auf dem Element verbleibt, das halbleitende Material des ersten Typs von dem im letzten
Verfahrensschritt aufgebrachten elektrisch leitenden Material isoliert.
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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das scheibenförmige halbleitende Material vom ersten Typ vor Beginn des Verfahrens auf einem Substrat
hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Kontakt oder Kontakte für das
halbleitende Material des ersten Typs durch einen oder mehrere Bereiche aus elektrisch leitendem Material
hergestellt werden, die auf der Oberfläche des Substrats in Schichtenform abgelagert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Substrat ob er fläche in Schichtenform
aufgebrachten Bereiche aus elektrisch leitendem Material als Masken eingesetzt werden, durch die hindurch die
Fotoresistschicht mit Licht belichtet wird, das durch das Substrat und das halbleitende Material des ersten
Typs hindurchstrahlt.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitende Material des ersten Typs n-leitend
ist und das halbleitende Material des zweiten Typs p-leitend ist.
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7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das η-leitende Material ein Chalcogenid mit einem
Metall der zweiten Gruppe des periodischen Systems der chemischen Elemente und das p-leitende Material aus
demselben Chalcogenid aus Kupfer oder Silber besteht.
8. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das η-leitende Material aus Kadmiumsulfid und
das p-leitende Material aus Kupfersulfid besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das η-leitende Material Cadmiumtellurid und das
p-leitende Material Kupfertellurid enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das η-leitende Material Cadmiumsulfidtellurid
und das p-leitende Material Kupfersulfidtellurid enthält.
11. Fotoelektrischer HeteroÜbergang nach dem Verfahren
der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß es als Einzelelement ausgebildet ist.
12. Fotoelektrischer HeteroÜbergang, hergestellt nach
dem in den Ansprüchen 1 bis 10 angegebenen Verfahren, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere fotoelektrische HeteroÜbergänge in einem
Feld angeordnet sind.
ReRb/Pi.
ReRb/Pi.
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Legal Events
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