DE2632987A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents
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Description
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Patentanwälte · 4ooo Düsseldorf 3d ■ Cecilienallee 7B · Telefon <5S£ä£3£X
■ 452008
New York, N.Y0 10020 (V.St.A.)
"Halbleiterbauelement"
Die Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente mit aktivem bzw. wirksamem Bereich, insbesondere fotoelektrisch^ und
gleichrichtende Bauelemente, und ein Verfahren zur Herstellung derartiger Bauelemente.
Fotoelektrische Bauelemente, wie z.B. Sonnenzellen und Fotodetektoren, sind in der Lage, Sonnenstrahlung in elektrische
Energie umzuwandeln. Ein Nachteil der Sonnenzellen besteht darin, daß die Produktionskosten für elektrische
Energie aus Sonnenzellen oft nicht mit den anderer Erzeugungsarten für elektrische Energie wettbewerbsfähig sind.
Zu den mit der Sonnenzellenherstellung verbundenen größten Ausgaben gehören die Kosten des Halbleitermaterials für
den aktiven bzw. wirksamen Bereich der Sonnenzelle. Meistens verlangt eine Sonnenzelle eine dicke, einkristalline,
aktive Schicht, dehe von ungefähr 200 Angström und mehr,
um eine ausreichende Absorption von Sonnenstrahlung sicherzustellen. Die Kosten für eine Sonnenzelle sind um so
höher, je mehr Halbleitermaterial benötigt wird. Die Herabsetzung
des für fotoelektrische Bauelemente benötigten Bedarfs an Halbleitermaterial würde auch die Kosten dieser
Bauelemente senken. Falls dasselbe Halbleitermaterial gleichrichtende Eigenschaften im Dunkeln zeigt, könnte es
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auch als aktiver Bereich von Halbleiterbauelementen, wie zeB. Dioden, verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement
mit einem aktiven Bereich aus einem Material zu schaffen, das fotoelektrische und/oder gleichrichtende Eigenschaften
zeigt und eine Senkung der Herstellungskosten für Sonnenzellen, Fotodetektoren sowie gleichrichtende
Bauelemente erlaubt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebenen Maßnahmen gelöst. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind nachstehend anhand der Beschreibung dreier in der beigefügten
Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig.1 eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Halbleiterbauelements nach der Erfindung;
Fig.2 ein Diagramm eines Vergleichs des Absorptionskoeffizienten
von einkristallinem Silizium gegenüber durch Glimmentladung hergestelltem amorphem Silizium als
Funktion der Wellenlänge des sichtbaren Lichts;
Fig.3 eine schematische Ansicht eines Gerätes zur Herstellung
von amorphem Silizium durch eine Glimmentladung in Silan;
Fig.4 eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels des Halbleiterbauelements nach der Erfin-
dung; und
2 Q « ft Q Q es
y y & f Φ '
Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels
des Halbleiterbauelements nach der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Halbleiterbauelements dargestellt,, Zwecks Beschreibung
der Erfindung ist als erstes Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauelements ein fotoelektrisches Bau-Bauelement
10, speziell eine Schottky-Sperrschicht-Solarzelle,
gewählt. Das fotoelektrische Bauelement 10 umfaßt ein Substrat 12 eines Materials mit sowohl guten elektrischen
Leitfähigkeitseigenschaften als auch der Fähigkeit, einen ohmischen Kontakt zu durch Glimmentladung aufgebrachtem
amorphem Silizium zu bilden. Dabei besteht das Substrat 12 vorzugsweise aus einem Metall, wie z.B. Aluminium,
Antimon, nicht rostendem Stahl, oder hochdotiertem einkristallinem oder polykristalinem Silizium vom n-Typ.
Auf einer Oberfläche des Substrats 12 ist ein aktiver Bereich 14 aus amorphem Silizium aufgebracht, wobei
unter einem aktiven Bereich derjenige Teil des Bauelements zu verstehen ist, in dem Elektron-Loch-Paare für die Stromabnahme
aus einem fotoelektrischen Bauelement erzeugt werden können.
Ein amorphes Material hat keinen konstanten Atomabstand, der
sich lange bzw. oft genug wiederholt, um zu einer irgendwie regelmäßigen Form zu führen, es besitzt also eine nur kurze
Ordnungslänge. Ein durch eine Glimmentladung in Silan, SiH^, hergestelltes amorphes Silizium weist eine Ordnungslänge von nur 20 Angström auf. Das amorphe Silizium für den
aktiven Bleich 14 wird durch eine Glimmentladung in Silan,
SiH/(, gebildet und hat die kinetischen Charakteristiken
einer Trägerlebensdauer von mehr als ungefähr 10 ' Sekunden und eine mittlere örtliche Zustandsdichte im verbotenen
Band in der Größenordnung von 10 11ZCm." oder weniger, sowie
eine Beweglichkeit für Elektronen und Löcher von größer als 10""^ cm /V-sec. Der aktive Bereich 14 hat eine
Dicke von ungefähr 1o Ms 30 Angström oder weniger.
Auf der dem Substrat 12 gegenüberliegenden Oberfläche des aktiven Bereichs 14 ist ein metallischer Bereich 16 mit
einer dazwischenliegenden Grenzfläche 18 aufgebracht. Der metallische Bereich 16 ist für Sonnenstrahlung halb durchlässig
und besteht aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit, wie z.B. Gold, Platin, Palladium oder Chrom.
Dabei kann der metallische Bereich 16 aus einer einzigen Schicht eines Metalls bestehen oder auch mehrschichtig
sein. Falls der Bereich 16 mehrschichtig ist, könnte eine erste Schicht auf dem aktiven Bereich 14 aus Platin bestehen,
um eine große Schottky-GrenζSchichthöhe zu gewährleisten,
und eine zweite Schicht auf der ersten Schicht aus Platin könnte aus Gold oder Silber für gute elektrische
Leitfähigkeit bestehen. Da der metallische Bereich 16 aus einem Metall, wie z.B. Gold, Platin, Palladium oder Chrom,
besteht, sollte er nur ungefähr 100 Angström dick sein, um für Sonnenstrahlung halbdurchlässig zu sein.
Auf einer der Grenzfläche 18 gegenüberliegenden Oberfläche des metallischen Bereichs 16 ist eine Gitterelktrode 24
aufgebracht, die vorzugsweise aus einem Metall mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit besteht. Zur Erläuterung
der Erfindung wird eine Gitterelektrode angenommen, die zwei Gitterleitungsscharen aufweist, wobei die Gitterleitungen
jeder Schar im wesentlichen Parallel zueinander verlaufen und die Gitterleitungen der anderen Schar schneiden.
Dabei sollen sich die Gitterleitungen senkrecht schneiden, um die Erläuterung zu vereinfachen. Die Gitterelektrode 24
bedeckt nur eine kleine Fläche auf der Oberfläche des metallischen Bereichs 16, da sonst auf die Gitterelektrode
24 auftreffende Sonnenstrahlung reflektiert werden könnte,
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so daß der aktive Bereich 14 erst gar nicht erreicht wirde Die Funktion der Gitterelktrode 24 besteht darin,
Strom aus dem metallischen Bereich 16 gleichmäßig zu sammeln. Darüber hinaus gewährleistet die Gitterelektrode
24 einen niedrigen Serienwiderstand des Bauelements 10, wenn es als Teil einer Schaltung arbeitet. Es ist anzunehmen,
daß auch nur eine einzige Schar von Gitterleitungen für eine gleichmäßige Stromsmmlung ausreichend sein kann.
Auf der Gitterelektrode 24 und auf der der Grenzfläche 18 gegenüberliegenden Oberfläche, die nicht von der Gitterelektrode
24 eingenommen wird, ist eine Antireflexionsschicht 20 aufgebracht. Die Antireflexionsschicht 20 weist
eine Einfalloberfläche 22 auf, auf die Sonnenstrahlung 26 auftrifft. Bekanntermaßen ergibt sich eine Zunahme der den
metallischen Bereich 16 durchquerenden und in den aktiven Bereich 14 eintretenden Sonnenstrahlung, wenn die Antireflexionsschicht
20 eine Dicke von ungefährji/4n hat, wobei
λ die Wellenlänge der auf die Einfalloberfläche 22 auftreffenden
Strahlung und η der Brechungsindex der Antireflexionsschicht 20 mit einem geeigneten Wert ist, um den
Betrag der auf den metallischen Bereich 16 auftreffenden
Sonnenstrahlung zu steigern. Die Antireflexionsschicht 20 setzt im Effekt den Lichtbetrag herab, der vom Bauelement
10 reflektiert werden würde. Gewöhnlich besteht die Antireflexionsschicht 20 aus einem dielektrischen Material, wie
z.B. Zinksulfid.
In der Halbleitertechnik ist bekannt, das ein Randschicht-Übergang,
der allgemein als Schottky-Sperrschicht bezeich-"_ net wird, aufgrund der Berührung gewisser Metalle mit gewissen
Halbleitermaterialien gebildet wird. Im Ausführungsbeispiel wird an der Grenzfläche 18 durch Berührendes metallischen
Bereichs 16 mit dem aktiven Bereich 14 eine Schottky-Sperrschicht gebildet, die in dem Halbleitermaterial
ein Raumladungsfeld erzeugt, das von der Grenzfläche 18 in den aktiven Bereich eindringt und dort einen 'Verarmungsbereich
bildet. In dem erfindungsgemäßen fotöelek-
609886/00 44
trischen Bauelement 10 erstreckt sich der Verarmungsbereich vorzugsweise über die ganze Breite des aktiven Bereichs
14 zwischen der Grenzfläche 18 und dem Substrat 12. Durch die Ausbildung des Verarmungsbereichs über die ganze Breite
des aktiven Bereichs 14 werden die irgendwo im aktiven Bereich 14 als Ergebnis der Absorption von Sonnenstrahlung
26 erzeugten Ladungsträger durch das elektrische Feld im Verarmungsbereich entweder zum Substrat 12 oder als eine der
Elektro-den am aktiven Bereich 14. Falls sich der Verarmungsbereich nicht in einen Teil des aktiven Bereichs 14 erstreckte,
würde keiner der in diesem nichtverarmten Teil des aktiven Bereichs 14 erzeugten Ladungsträger durch ein
elektrisches Feld zu einer Elektrode geleitet werden. Die in einem nichtverarmten Teil des aktiven Bereichs 14 erzeugten
Ladungsträger müssen dann durch Diffusion entweder zu einer Elektrode oder zum verarmten Bereich gelangen, um gesammelt
zu werden. Ebenfalls würde jeder nichtverarmte Bereich den Serienwiderstand erhöhen, und zwar jedesmal, wenn
Strom aus dem Bauelement abgenommen wird, so daß dieser Serienwiderstand den Wirkungsgrad des Bauelements verringern
würde.
Das durch eine Glimmentladung in Silan hergestellte amorphe
Silizium des aktiven Bereichs 14 weist Charakteristiken auf, die für den aktiven Bereich eines fotoelektrischen
Bauelements hervorragend geeignet sind. Die Trägerlebensdauer in durch Glimmentladung in Silan hergestelltem amorphen
Silizium ist größer als ungefähr 10 Sekunden, während die Trägerlebensdauer in durch Zerstäubung oder Aufdampfung ge-
—11 bildetem amorphem Silizium in der Größenordnung von 10 Sekunden liegt. Da die Beweglichkeit von Elektronen und
Löchern in durch GIi1P1011^Iadung hergestelltem amorphem
—5 2 /
Silizium größer als 10 cm /V-sec ist, kann eine bessere Stromsammlung erhalten werden.
Silizium größer als 10 cm /V-sec ist, kann eine bessere Stromsammlung erhalten werden.
Die optische Absorption von durch Glimmentladung hergestelltem amorphem Silizium liegt im sichtbaren Lichtbereich,
609886/0844
d.h. 4000 Angström Ms 7000 Angström, über der νο* ^m*. * · f
kristallinem Silizium. In Fig. 2 ist gezeigt, daß amorphes Silizium einen größeren Absorptionskoeffizienten als einkristallines
Silizium im sichtbaren Lichtber.eich aufweist. Das bedeutet jedoch, daß ein aktiver Bereich 14 aus durch
Glimmentladung hergestelltem amorphem Silizium um einen Faktor 10 dünner als beieinkristallinem Silizium sein kann,
um trotzdem eine vergleichsweise Lichtabsorption im sichtbaren Lichtbereich zu liefern. Das ist der Grund dafür, daß
der aktive Bereich 14 10 Angström oder dünner sein kann, um noch einen guten Wirkungsgrad des Bauelements zu liefern.
Weiterhin liegt die mittlere örtliche Zustandsdichte im verbotenen
Band von durch Glimmentladung hergestelltem
17 / 3
amorphem Silizium in der Größenordnung von 10 /cm eV oder
wenigere Die mittlere örtliche Zustandsdichte von durch Glimmentladung hergestelltem amorphem Silizium nimmt mit
zunehmender Niederschlagstemperatur und zunehmender Reinheit des Silans bei der Herstellung von amorphem Siliziumjab. Die
mittlere örtliche Zustandsdichte von durch Glimmentladung hergestelltem amorphem Silizium liegt viel niedriger als
die von durch andere Vorrichtungen hergestelltem amorphem Silizium, d.h. für zerstäubtes oder aufgedampftes amorphes
Silizium liegt die mittlere örtliche Zustandsdichte bei
1Q 3
10 7cm e V oder größer. Es ist für die mittlere örtliche Zustandsdichte in dem verbotenenBand bezeichnend, daß sie reziprok proportional dem Quadrat der Weite des Verarmungsbereichs ist. Da die Zustandsdichte von durch Glimmentladung hergestelltem amorphem Silizium relativ klein ist, kann eine Verarmungsweite in der Größenordnung von 10 Angström erhalten werden. Für die mittlere örtliche Zustandsdichte ist ebenfalls die Tatsache wichtig, daß die Trägerlebensdauer reziprok proportional der mittleren Zustandsdichte ist. Dies bestätigt, daß die Trägerlebensdauer in durch Glimmentladungjhergestelltem amorphem Silizium größer ist als die in durch andereoben erwähnte Verfahren hergestelltem amorphem Silizium.
10 7cm e V oder größer. Es ist für die mittlere örtliche Zustandsdichte in dem verbotenenBand bezeichnend, daß sie reziprok proportional dem Quadrat der Weite des Verarmungsbereichs ist. Da die Zustandsdichte von durch Glimmentladung hergestelltem amorphem Silizium relativ klein ist, kann eine Verarmungsweite in der Größenordnung von 10 Angström erhalten werden. Für die mittlere örtliche Zustandsdichte ist ebenfalls die Tatsache wichtig, daß die Trägerlebensdauer reziprok proportional der mittleren Zustandsdichte ist. Dies bestätigt, daß die Trägerlebensdauer in durch Glimmentladungjhergestelltem amorphem Silizium größer ist als die in durch andereoben erwähnte Verfahren hergestelltem amorphem Silizium.
§Ö9888/0iU original inspected
In Fig. 3 ist ein für die Herstellung des erfindungsgemäßen
fotoelektrischen Bauelements 10 geeignetes Glimmentladungsgerät 30 dargestellt, das eine Vakuumkammer
32 aufweist, die durch eine Vakuumglocke 34 begrenzt ist, die vorzugsweise aus einem Glas besteht. In
der Vakuumkammer 32 ist eine Anode 36 und eine Heizplatte 38 angeordnet, die gegenüber der Anode 36 mit Abstand
angebracht ist. Die Anode 36 besteht aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit, wie z.B.
Platin, und weist die Form eines Schirms oder einer Spule aufο Die Heizplatte 38 besteht aus einem keramischen Rahmen,
der Heizspulen aufnimmt, die von einer Stromquelle 40 außerhalb der Vakuumkammer 32 gespeist werden.
Ein erster Auslaß 44 in der Vakuumkammer 32 ist mit einer Diffusionspumpe, ein zweiter Auslaß 46 mit einer mechanischen
Pumpe und ein dritter Auslaß 48 mit einem Gaseinblassystem verbunden, das die Quelle für die verschiedenen Gase
darstellt, die in dem Glimmentladungsverfahren verwendet werden.. Obwohl der erste Auslaß 44 als mit einer Diffusionspumpe
verbunden beschrieben ist, ist eine Diffusionspumpe zum Evakuieren des Systems nicht unbedingt
notwendig.
Bei der Herstellung des fotoelektrischen Bauelements 10 wird das Substrat 12, z.B. Aluminium, auf der Heizpaltte
38 angeordnet und mit der negativen Klemme einer Energiequelle 42 verbunden. Die Anode 36 wird dagegen mit
der positiven Klemmeder Energiequelle 42 verbunden. Die Energiequelle 42 kann sowohl eine Gleichstromquelle als
auch eine Wechselstromquelle sein. Daher wird sich zwischen der Anode 36 und dem Substrat 12, das im wesentlichen
als Kathode beiGleichstrombetrieb wirkt, ein Spannungspotential einstellen, wenn die Energiequelle eingeschaltet
wird.
Die Vakuumkammer 32 wird dann auf einen Druck von ungefähr 0,5 bis 1,0x10" Torr evakuiert, und das Substrat 12 auf
6 0-9 886/08U
ORIGINAL äNSPECTED
26329??
eine Temperatur im Bereich von 1500C Ms 4000C erhitzt,
indem die Heizspulen der Heizplatte 38 gespeist werden.
Als nächstes wird Silan, SiH^, in die Vakuumkammer 32
Ms zu einem Druck von o,1 Ms 3,0 Torr eingelassen, woraufhin
die Substrattemperatur auf einen Wert im Bereich von 2000C Ms 5000C erhöht wird. Um einen ohmischen Kontakt
zwischen dem Substrat 12 und dem aktiven Bereich 14 zu gewährleisten, sollte der aktive Bereich 14 auf dem
Substrat 12 bei einer Temperatur von größer als 3500C niedergeschlagen werden, um die Bildung eines Eutektikums
zwischen dem Aluminiumsubstrat 12 und dem amorphen Silizium des aktiven Bereichs 14 sicherzustellen.
Die Energiequelle 42 wird eingeschaltet, um die Glimmentladung zwischen der Anode 36 und dem Substrat 12 einzuleiten,
was zu dem Niederschlag des amorphen Siliziums für den aktiven Bereich 14 auf einer Oberfläche des
Substrats 12 führt. Für einen Niederschlag des aktiven Bereichs 14 sollte das Spannungspotential zwischen der
Anode 36 und dem Substrat 12 so gewählt werden, daß sich
eine Stromdichte im Bereich von 0,3 Ms 3 mA/cm an der Oberfläche des Substrats 12 einstellt. Die Niederschlagsgeschwindigkeit
des amorphen Siliziums nimmt mit dem Dampfdruck des Silans und der Stromdichte zu. Unter den
beschriebenen Bedingungen vollzieht sich ein Niederschlag von amorphem Silizium mit einer Dicke von 10 Angström in
weniger als 5 Minuten.
Wenn erst einmal die Glimmentladung eingeleitet ist, werden Elektronen aus dem Substrat 12 emittiert und stoßen
auf Silanmoleküle, SiH^, wodurch die Moleküle sowohl ionisiert als auch getrennt werden. Die Siliziumionen
und Siliziumhydride, wie z.B. SiH+, weisen eine positive
Ladung auf und werden daher vom Substrat 12 angezogen, das die Kathode darstellt, und Silizium wird dadurch auf dem
Substrat 12 niedergeschlagen. Die Substrattemperatur ist
09886/08U
263298?
dabei größer als 35O0C und unterstützt daher die pyrolytische
Zersetzung von niedergeschlagenen Siliziumhydriden.
Nach Niederschlag des amorphen Siliziums wird das Substratscheibchen
12 mit dem aktiven Bereich 14 in einem bekannten Aufdampfungssystem angeordnet, und dann wird
der metallische Bereich 16 auf den aktiven Bereich 14 aufgedampft. Auf ähnliche Weise werden die Gitterelektrode24
und die Antireflexionsschicht 20 auf dem metallischen Bereich 16 mit Hilfe von bekannten Aufdampf-
und Maskiertechniken niedergeschlagen. Das gesamte Verfahren kann in einem einzigen sowohl eine Glimmentladung
als auch ein Aufdampfen ermöglichenden System durchgeführt werden.
Die Herstellung des fotoelektrischen Bauelements 10 wird durch den Anschluß von (nicht gezeigten) Drahtelektroden
an das Substrat 12 und die Gitterelektrode 24 zur Verbindung mit einer externen Schaltung vervollständigt.
In Fige 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements dargestellt. Dabei
handelt es sich um ein fotoelektrisches Bauelement 110, und zwar eine pin-Solarzelle. Das fotoelektrische
Bauelement 110 umfaßt einen aktiven Bereich 114 aus
durch Glimmentladung in Silan, SiH^, hergestelltem amorphem Silizium. Der aktive Bereich 114 besteht aus
einer ersten dotierten Schicht 113, einer zweiten, der ersten dotierten Schicht 113 gegenüberliegenden und
von dieser getrennten dotierten Schicht 115 und einer zwischen der ersten und der zweiten dotierten Schicht
113 und 115 angeordneten und mit diesen in Berührung stehende Intrinsic-Schicht 117. Die Intrinsic-Schicht
117 ist nicht dotiert. Die erste und zweite dotierte
Schicht 113 und 115 weisen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp auf. Beispielsweise sei die zweite dotierte
Schicht 115 vom n-Leitfähigkeitstyp, während die erste dotierte Schicht 113 p-Leitfähigkeitstyp besitzt. Sowohl
die erste als auch die zweite Schicht 113 und 115 weisen eine hohe Dotierungskonzentration auf, d.h. größer
-IQ -Z
als 10 / cm elektrisch aktiver Dotierungsstoff. Die zweite Schicht 115 vom η-Typ ist bevorzugt mit Phosphor
und die erste dotierte Schicht 113 vom p-Typ mit Bor dotiert.
Auf einer der zweiten dotierten Schicht 115 gegenüberliegenden Oberfläche der ersten dotierten Schicht 113 ist
eine für Sonnenstrahlung durchlässige Elektrode 128 aufgebracht. Die lichtdurchlässige Elektrode 128 weist
eine der ersten dotierten Schicht 113 gegenüberliegende Einfalloberfläche 129 auf. Die Funktion der lichtdurchlässigen
Elektrode 128 besteht darin, entweder durchlässig oder halbdurchlässig für Sonnenstrahlung und im
Stande zu sein, den im aktiven Bereich 114 erzeugten Strom zu sammeln. Dabei tritt Sonnenstrahlung 126 in das
Bauelement 110 an der Einfalloberfläche 129 ein.Die für Sonnenstrahlung durchlässige Elektrode 128 kann aus einer
einzigen Schicht eines Materials, wie z.B. Indiumzinnoxyd oder Zinnoxyd, bestehen, die beide für Sonnenstrahlung
durchlässig sind und gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die lichtdurchlässige Elektrode 128 kann ebenfalls
aus einem dünnen Metallfilm, d.h. mit einer Dicke von ungefähr 100 Angström, aus z.B. Gold, Antimon oder
Platin bestehen, die für Sonnenstrahlung halbdurchlässig sind. Falls die lichtdurchlässige Elektrode 128 aus einem
dünnen Metallfilm besteht, ist zu empfehlen, daß.eine wie im ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Antirefexionsschicht
auf der Einfalloberfläche 129 der Elektrode 128 aufgebracht wird, um die Reflexion der Sonnenstrahlung
herabzusetzen. Weiterhin kann die Elektrode 128 viel-
schichtig sein, 2.5. ein» Schicht auo Indiumzinnoxyd,
die auf einer Schicht aus eiiiem Glasmaterial handelsüblich
erhältlich ist. In einem solchen Fall steht das Indiumzinnoxyd in engem Kontakt mitöer ersten dotierten
Schicht 113.
Falls der spezifische Oberflächenwiderstand der Elektrode 128 an der ersten dotierten Schicht 113 größenordnungsmässig
bei ungefähr 10 Ohm/Quadrat oder mehr liegt, ist es empfehlenswert, auch eine Gitterelektrode ähnlich der
des ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels auf der ersten dotierten Schicht 113 zur Sammlung des im aktiven
Bereich 114 erzeugten Stroms vorzusehen.
Auf einer der lichtdurchlässigen Elektrode 128 gegenüberliegenden Oberfläche der zweiten dotierten Schicht 115
ist ein elektrischer Kontakt 127 aufgebracht, der aus einem Material mit annehmbarer elektrischer Leitfähigkeit,
wie z.B. Aluminium, Chrom oder Antimon.
Wie bereits vorher bei der Beschreibung des ersten erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels erwähnt wurde, ist der Absorptionskoeffizient des durch Glimmentladung hergestellten
amorphen Siliziums besser als der von einkristallinem Silizium im sichtbaren Lichtbereich. Aus diesem
Grund wird für eine ausreichende Absorption von Sonnenstrahlung nur eine dünne Schicht aus amorphem Slizium benötigt.
Der Intrinsic-Bereich von amorphem Silizium liegt typischerweise
bei einer Dicke von ungefähr 10 bis 30 Angström oder weniger, während dagegeraiie Dicke der ersten
und zweiten dotierten Schicht 113 und 115 bei jeweils einigen
Hundert Angström liegt.
Bekanntermaßen besteht bei pin-Solarzellen aufgrund der
Ausgleichung in den Ferminiveaus zwischen den Schichten 113, 115 und 117 eine negative Raunu-ladung in der ersten
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--13 —
dotierten Schicht 113 und eine positive Raumladung in der zweiten dotierten Schicht 115 und die Ausbildung
einesVerarmungsbereichs in der Intrinsic-Schicht 117. Wie weit sich das elektrische Feld des Verarmungsbereichs
in die Intrinsic-Schicht 117 hineinerstreckt,
hängt von der mittleren örtlichen Zustandsdichte im verbotenen Band ab, wie bei der Erläuterung des ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels beschrieben wurde. Nach der vorherigen Erläuterung des Bauelements 10
gilt auch, hier, daß sich der Verarmungsbereich über die gesamte Dicke der Intrinsic-Schicht 117 erstrecken wird,
über eine Dicke vonungefähr 10 bis 30 Angström oder weniger. Deshalbwerden alle in der Intrinsic-Schicht
durch die Absorption von Sonnenstrahlung erzeugten Ladungsträger durch das elektrische Feld des Verarmungsbereichs aufgenommen und als elektrischer Strom gesammelt
.
Bei .der Herstellung des fotoelektrischen Bauelements
110 wird für die lichtdurchlässige Elektrode 128 eine
Schicht aus Indiumzinnoxyd bevorzugt, die auf einer
Glasschicht handelsüblich erhältlich ist.Die Elektrode 128 wird auf der Heizplatte 38 des in Fig. 3 gezeigten
Apparats 30 angeordnet, wobei die Glasschicht der Elektrode 128 in engem Kontakt mit der Heizplatte 38
steht.
Dann wird der Apparat 30 zum Niederschlag der ersten dotierten Schicht 113 eines p-Leitfähigkeitstyp auf der
Indiumzinnoxyd-Schicht der Elektrode 128 vorbereitet. Die Vakuumkammer 32 wird auf einen Druck von ungefähr
10" Torr evakuiert, und dann wird Silan mit einem Anteil von ungefähr 1/2 bis 5% Diboran,d.h. das Diboran
bildet 1/2 bis 5% der Silan-Diboran-Atmosphäre, unter
einem Druck von 0,1 bis 1,0 Torr in die Vakuumkammer
32 eingelassen, während die Elektrode 128 auf eine Temperatur in der Größenordnung von 2000C bis 5000C gebracht
wird.
Daraufhin wird in der Vakuumkammer 32 eine Glimmentladung
für ungefähr 1 bis 2 Sekunden bei einer Stromdichte
von ungefähr 0,5 mA/cm an der Elektrode 128 zum Niederschlag der ersten dotierten Schicht 113 mit einer Dicke
in der Größenordnung von einigen Hundert Angström eingeleitet.
Dann wird die Atmosphäre in der Vakuumkammer 32 von einer Pumpe über den Auslaß 46 abgesaugt,die mechanisch arbeitet.
-6 Bei einem Druck in der Vakuumkammer 32 von 10 Torr wird Silan unter einem Druck von 0,1 bis 3 Torr in diese
eingelassen. Wieder wird eine Glimmentladung für 1 bis 5
2
Minuten mit einer Stromdichte von 0,3 mA/cm bis 3,0 mA/cm an der ersten dotierten Schicht 113 zum Niederschlag der
Intrinsic-Schicht 117 mit einer Dicke von ungefähr 10
Angström eingeleitet.
Als nächstes wird ein 0,1 bis 1,0% Phosphin enthaltendes
Gas als Dotierungsgas in die Vakuumkammer 32 eingeleitet, so daß das Phosphin 0,1 bis 1,0% der Silan-Phosphin-Atmosphäre
bildet. Dann wird wieder eine Glimmentladung mit
ρ Ο
einer Stromdichte von 0,3 mA/cm bis 3,0 mA/cm an der Intrinsic-Schicht 117 eingeleitet und die zweite dotierte
Schicht 115 vom η-Typ in der Größenordnung von einigen Hundert Angström Dicke auf einer Oberfläche der Intrinsic-Schicht
117 niedergeschlagen.
Obwohl Phosphin und Diboran als die Dotierungsgase für
die erste und zweite dotierte Schicht 113 und 115 genannt sind, ist davon auszugehen, daß andere geeignete
609886/Ö8U
bekannte Dotierungsgase ebenfalls verwendet werden können.
Danach wird der elektrische Kontakt 127 auf einer Oberflächejcler
zweiten dotierten Schicht 115 durch bekannte Aufdampftechniken niedergeschlagen. Die Endherstellung des
fotoelektrischen Bauelements 110 umfaßt das Anschließen
von (nicht gezeigten) AnSchlußdrähten an den Kontakt 127
und die Elektrode 128 als elektrische Verbindung mit einer externen Schaltung.
In Fig. 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Halbleiterbauelements gezeigt. Dabei handelt es sich wiederum um ein fotoelektrisches Bauelement 210,
und zwar eine^pn-Übergangs-Solarzelle. Das fotoelektrische
Bauelement 210 weist einen Körper 211 aus durch eine Glimmentladung in Silan, SiH^,mit den geeigneten Dotierungsgasen hergestelltem Silizium auf. Der Körper 211 besteht
aus einer ersten dotierten Schicht 252 eines Leitfähigkeitstyps, auf die eine zweite dotierte Schicht 254 des entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps mit einem dazwischenliegenden pn-übergang 256 aufgebracht ist. Zur Erläuterung des
Ausführungsbeispiels sei die erste dotierte Schicht 252 vom p-Leitfähigkeitstyp und die zweite dotierte Schicht
vom n-Leitfähigkeitstyp. Sowohl die erste als auch die zweite dotierte Schicht 252 und 254 bilden den aktiven Bereich
214 des fotoelektrischen Bauelements 210. Der Körper 211 umfaßt eine dritte dotierte Schicht 258 auf einer dem
pn-übergang 256 gegenüberliegenden Oberfläche der zweiten dotierten Schicht 254. Die dritte dotierte Schicht 258 weist
denselben Leitfähigkeitstyp wie die zweite dotierte Schicht 254 auf, hat jedoch eine höhere Dotierungskonzentration als
die zweite dotierte Schicht 254. Daher hat die dritte dotierte Schicht 258 eine Leitfähigkeit vom n+-Typ und wirkt mit,
ohmische Kontakte zum aktiven Bereich 214 herzustellen.
Auf einer dem pn-übergang 256 gegenüberliegenden Oberfläche der dritten dotierten Schicht 258 ist ein elektrischer Kontakt
227 aufgebracht, und zwar entsprechend dem elektrischen Kontakt127 des zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.
Eine für Sonnenstrahlung durchlässige Elektrode
809886/0844
mit einer der Sonnenstrahlung 226 zugekehrten Einfalloberfläche 229 befindet sich auf einer dem pn-übergang
gegenüberliegenden Oberfläche der ersten dotierten Schicht 252, Auch hier ist die für Sonnenstrahlung durchlässige
Elektrode 228 diesselbe wie die Elektrode 128 des zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.
Beim Betrieb des fotoelektrischen Bauelements 210 tritt Sonnenstrahlung an der Einfalloberfläche 229 ein, wobei
ein gewisser Anteil der Sonnenstrahlung 226 imaktiven Bereich 214 absorbiert wird, um Elektron-Loch-Paare zu bilden.
Diese Ladungsträger diffundieren dann zum pn-übergang 256, und falls sie das Raumladungsfeld des pn-Übergangs
256 erreichen, bevor sie rekombinieren, werden sie gesammelt und tragen zum Strom des Bazelements 210 bei.
Bei der Herstellung des Bauelements 210 wird wie beim Bauelement 110 davon ausgegangen, daß die lichtdurchlässige
Elektrode 228 als eine Schicht aus Indiumzinnoxyd auf einer Glasschicht ausgelegt ist. Auch die Elektrode 228
wird dann auf der Heizplatte 38 so angeordnet, daß die Glasschicht mit der Heizplatte 38 direkt in Berührung
steht.
Als nächstes wird das Gerät 30 für den Niederschlag der ersten dotierten Schicht 252 auf der Indiumzinnoxydschicht
der lichtdurchlässigen Elektrode 228 vorbereitet. Dazu wirddie Vakuumkammer 32 auf einen Druck von
ungefähr 10" Torr evakuiert und danach Slian mit einem
Anteil von ungefähr 1 bis 5% Diboran unter einem Druck
von 0,1 bis 1,0 Torr in die Vakuumkammer 32 eingelassen, während die Elektrode 228 auf eine Temperatur in der Größenordnung
von 2000C bis 5000C gebracht wird.
Dann wird· eine Glimmentladung in der Vakuumakmmer 32 für
ungefähr eine bis zwei Sekunden mit einer Stromdichte von
60988ß/08U
ungefähr 0,5 mA/cm an der Oberfläche der Elektrode 228 für den Niederschlag der ersten dotierten Schicht 252 mit
einer Dicke in der Größenordnung von einigen Hundert Angström eingeleitet.
Daraufhin wird die Atmosphäre in der Vakuumkammer 32 von einer mechanischen Pumpe abgesaugt. Erneut wird die
Vakuumkammer 32 danach auf ungefähr 10™ Torr evakuiert
und dann Silan mit einem Anteil von ungefähr 0,01% Phosphin unter einem Druck von 0,1 bis 3 Torr eingelassen. Eine
Glimmentladung wird für ungefähr 1 bis 30 Minuten mit
2 2
einer Stromdichte von 0,3 mA/cm bis 3,0 mA/cm an der Oberflächesder ersten dotierten Schicht 252 eingeleitet,
so daß auf diese Weise die zweite dotierte Schicht 254 von einer Dicke in der Größenordnung von 10 bis 200 Angström
niedergeschlagen wird.
Als nächstes wird Phosphin in die Vakuumkammer 32 eingelassen·, so daß ein 0,5%-Gemisch von Phosphin mit dem
Silan vorhanden ist. Wieder wird eine Glimmentladung mit einer
ρ ρ
Stromdichte von 0,3 mA/cm bis 3,0 mA/ cm auf der zweiten dotierten Schicht 254 für den Niederschlag der dritten
dotierten Schicht 258 von einer Dicke in der Größenordnung von einigen Hundert Angström eingeleitet.
Der elekirLsche Kontakt 227 wird auf die dritte dotierte
Schicht 258 mit Hilfe bekannter Aufdampftechniken niedergeschlagen. Die Herstellung des Bauelements 210 wird durch
Anschliessen von (nicht gezeigten) Anschlußleitungen an den Kontakt 227 und die Elektrode 228 beendet.
Beim fotoelektrischen Betrieb der ersten, zweiten und
dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele können das Substrat 12 und die elektrischen Kontakte 127 und 227 nichtabsorbierte
SonnoBtrahlung wieder jeweils in die aktiven Bereiche 14, 114 und 214 zurückwerfen, um dadurch die Mög-
609886/0844
lichkeit für eine Absorption von Sonnenstrahlen zu verbessern.
Es ist zu erwähnen, daß beim ersten Ausführungsbeispiel das Substrat 12 als ein Träger für das Bauelement beschrieben
wurde, während im zweiten und dritten Ausführungsbeispiel die lichtdurchlässigen Elektroden 128 und
228 Träger für ihre jeweiligen Bauelemente sind.
Obwohl die drei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements als Solarzellen beschrieben
wurden, liegt es im Rahmen der Erfindung, daß diese drei Ausführungen ebenfalls als Hochfrequenz-Fotodetektoren
verwendet werden können, d.h. Bauelemente, die auf Strahlungenergie ansprechen. Es wurde festgestellt, daß diese
Foto detektoren miiieinem aktiven Bereich aus durch eine
Glimmentladung in Silan hergestelltem amorphem Silizium einen großen Frequenzbereich in der Größenordnung von
10 Megahertz und mehr aufweisen. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen ersten drei Ausführungen als Fotodetektor
ist die Menge der in den aktiven Bereich eintretenden Strahlungsenergie bekanntermaßen nicht so kritisch wie
bei Verwendung der drei Ausführungen als Solarzelle. Daher können Abwandlungen gegenüber den erfindungsgemäßen ersten
drei Ausführungenleicht durchgeführt werden, wenn sie als Fotodetektoren Verwendung finden, z.B. Entfernen der Antireflexionsschichten
und der Gitterelektroden.
Das zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements
110 hat eine pin-Struktur, und falls dieses Bauelement als ein Fotodetektor verwendet wird,
kann seine Farbempfindlichkeit auf die relative Empfindlichkeit des menschlichen Auges abgestimmt werden. Ein
Abstimmen der Farbempfindlichkeit des Halbleiterbauelements 110 wird über die Dicke und die Dotierungskonzentration
der Schicht erreicht, die einen p-Leitfähigkeitstyp
609886/08U
- MS -
aufweist, d.h. entweder der ersten dotierten Schicht 113 oder der zweiten dotierten Schicht 115, und durch die
Dicke der Intrinsic-Schicht 117. Als Beispiel sei angeführt, daß sich die Farbempfindlichkeit des fotoelektrischen
Bauelements 110 der des menschlichen Auges annähert, falls die p-leitende Schicht eine Akzeptordotierungskonzentration
in der Größenordnung von 5 Atomprozent Bor und eine Dicke von ungefähr 500 Angström aufweist, während die
Intrinsic-Schicht eine Dicke von ungefähr 3 Angström hat.
Die Verwendung von durch Glimmentladung hergestelltem
amorphem Silizium im aktiven Bereich von fotoelektrischen
Bauelementen und Fotodetektoren erlaubt die Herstellung von Bauelementen mit einem dünneren aktiven Bereich als er
bei Bauelementen aus einkristallinem Silizium mit demselben Grundaufbau erforderlich ist. Außerdem sind die durch
Glimmentladung hergestelltes amorphes Silizium enthaltenden Bauelemente zur Absorption von Sonnenstrahlungin einem
mit den aus einkristallinem Silizium hergestellten fotoelektrischen Bauelementen und Fotodetektoren vergleichbaren
Umfang in der Lage, die aktive Bereiche mit einer um den Faktor 10 größeren Dicke aufweisen. Daher besteht ein
spezieller Vorteil des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements als fotoelektrisches Bauelement oder als Fotodetektor
darin, daß die Herstellungskosten bei Verwendung eines dünneren aktiven Bereichs gesenkt werden können. Darüberhinaus
wird beim erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement als fotoelektrisches Bauelement auch eine Kostensenkung für
die Erzeugung elektrischer Energiefetus Sonnenstrahlung dadurch
erreicht, daß weniger Energie für die Herstellung der erfindungsgemäßen Bauelemente benötigt wird, da die Herstellung
bei niedrigeren Temperaturen als im Falle von einkristallineR
Bauelementen stattfindet. Außerdem können Solarzellen mit größerer Fläche verglichen mit den aus einkristallinem
Silizium hergestellten Solarzellen angefertigt werden.
Weiter wurde festgestellt, daß das erfindungsgemäße HaIb-
609886/0844
leiterbauelement mit einem aktiven Bereich aus durch eine
Glimmentladung in Silan hergestelltem amorphem Silizium in der Lage ist, einen Strom im Dunkeln gleichzurichten. So
zeigt z.B. das Halbleiterbauelement 10 nach Fig. 1 mit der
Schottky-Sperrschicht und einem Substrat 12 aus n-leitendem einkristallinem Silizium, einem metallischen Bereich
16 aus Gold und ohne die Gitterelektrode 24 und die Antireflexionsschicht 20 bei + 0,4 Volt, d.h. in Durchlassrichtung
vorgespannt, eine in der Größenordnung von 10 mal größere Stromgleichrichtung als bei -0,4 Volt, d.h. in
Sperrichtung vorgespannt. Obwohl die drei erfindungsgemäßen Ausführungen als Solarzellen beschrieben worden
sind, können sie auch, wie erwähnt als Stromgleichrichter arbeiten, jedoch sind dazu einige kleinere Änderungen ratsam,
wie z.B. die Entfernung der Gittereleltroden und der
Antireflexionsschichten. Die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente weisen aufgrund eines Halbleiterübergangs,
d.h. entweder eines pn-Übergangs, eines pin-Übergangs oder eines Schottky-Sperrschicht-Übergangs eine Potentialschwelle
auf.
Im erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement besteht der aktive Bereich aus durch Glimmentladung in Silan hergestelltem,
amorphem Silizium, und entsprechend hergestellte Bauelemente arbeiten entweder als Solarzelle, Fotodetektor
oder als Gleichrichter.
809888/08U
Claims (1)
- RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)Patentansprüche:f1.^Halbleiterbauelement mit einem aktiven Bereich, insbesondere fotoelektrisches und gleichrichtendes Bauelement, gekennzeichnet durch amorphes Silizium als aktiven Bereich und durch eine Trägerlebensdauer von mehr als ungefähr 10 Sekunden und eine mittlere Zustandsdichte im verbotenen Band in der Größenordnung von 10 /cm oder weniger, eine Beweglichkeit für Elektronen und Löcher von größer als 10 cm /V-sec, ein elektrisch leitendes Substrat (12) auf einer Oberfläche des aktiven Bereichs (14), einen metallischen Bereich (16) auf einer dem Substrat gegenüberliegenden Oberfläche des aktiven Bereichs (14) zur Schaffung eines Oberflächen-Sperrschicht-Übergangs an der Grenzfläche (18) des metallischen Bereichs (16) und des aktiven Bereichs (14) und eines Raumladungsfeldes im aktiven Bereich, und eine Elektrode (24) auf einem Teil einer dem Substrat (12) gegenüberliegenden Oberfläche des metallischen Bereichs (16).2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch- gekennzeichnet , daß der aktive Bereich (14) zwischen dem metallischen Bereich (16) und dem Substrat (12) eine Dicke in der Größenordnung von 10 bis 30 Angström oder weniger besitzt.3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der aktive Bereich (114) eine erste dotierte Schicht (113) eines Leitfähigkeitstyps und eine zweite dotierte Schicht (115) des ent-6098&6/08Ugegengesetzten Leitfähigkeitstyps sowie eine Intrinsic-Schicht (117) umfaßt, die zwischen und in Kontakt mit der ersten und zweiten dotierten Schicht angeordnet ist und die Ausbildung eines Raumladungsfeldes in der Intrinsic-Schicht ermöglicht.4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Intrinsic-Schic ht (117) zwischen der ersten dotierten Schicht (113) und der zweiten dotierten Schicht (115) eine Dicke in der Größenordnung von 10 bis 30 Angström und weniger besitzt.5· Halbleiterbauelement nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch ein elektrisch leitendes Substrat (127) auf einer der Intrinsic-Schicht (117) gegenüberliegenden Oberfläche der zweiten dotierten Schicht (115) und eine für Sonnenstrahlung durchlässige Elektrode (128) mit guter elektrischer Leitfähigkeit auf einer der Intrinsic-Schicht (117) gegenüberliegenden Oberfläche der ersten dotierten Schicht (113).6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der aktive Bereich (214) eine erste dotierte Schicht (252) eines Leitfähigkeitstyps und eine zweite dotierte Schicht (254) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps umfaßt, die miteinander in Berührung stehen und einen pn-übergang (256) bilden.7e Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine dritte dotierte Schicht (258) auf einer dem pn-übergang (256) gegenüberliegenden Oberfläche der zweiten dotierten Schicht (254) angeordnet ist und die dritte dotierte Schicht (258) denselben Leitfähigkeitstyp wie die zweite dotierte Schicht (254) mit jedoch höherer Dotierungskonzentration aufweist und eine für Sonnenlicht durchlässige Elektrode (228) guter elektrischer Leitfähigkeit auf einer dem pn-übergang (256) gegenüberliegenden Oberfläche der ersten dotierten609886/08USchicht (252)angebracht und ein elektrisch leitendes Substrat (227) auf einer dem pn-übergang (256) gegenüberliegende Oberfläche der dritten dotierten Schicht (258) aufgebracht ist.8. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, dadurch gekennzeichnet, daß ein aktiver Bereich aus amorphem Silizium auf einem leitenden Substrat des Bauelements durch eine Glimmentladung in Silan (SiH^) und anschließend ein metallischer Bereich auf einer dem Substrat gegenüberliegenden Oberfläche des aktiven Bereichs niedergeschlagen wird.9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Silan unter einem Druck von 0,1 bis 3 Torr steht, das Substrat auf eine Temperatur von 250°C bis 5000C erhitzt wird bei einer Stromdichte von 0,3 bis 3,0 mA/cm auf der Oberfläche des Substrats zum Niederschlag von amorphem Silizium.10.Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß eine Silan-Diboran-Atmosphäre mit einer Konzentration des Diborans in der Größenordnung von 0,5% bis 5% zugeführt und der aktive Bereich mit Bor dotiert wirdo11.Verfahren nach einem qder mehreren der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß eine Silan-Phosphin-Atmosphäre mit einer Konzentration des Phosphins in der Größenordnung von 0,1% bis 1,0% zugeführt und der aktive Bereich mit Phosphor dotiert wird.6098S6/08U
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Free format text: TEIL/AUSSCHEIDUNG IN: P 26 60 952.9 IST ZU STREICHEN |
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8363 | Opposition against the patent | ||
8366 | Restricted maintained after opposition proceedings | ||
8305 | Restricted maintenance of patent after opposition | ||
D4 | Patent maintained restricted |