DE2644001C2 - Photoelektrische Anordnung - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

0 die n-leitfciide Halbleiterschicht (6) eine Dicke

von S bis 300 rim aufweist und
g) ein Fermi-Niveau im Energiebereich von 0,2 bis 03 eV von der Unterkante des Leitungsbands besitzt.

2. Photoelektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der n-leitenden Halbleiterschicht (6) 12 bis 150 nm beträgt

3. Photoelektrische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Auslesen des elektrischen Signals durch eine weitere Elektrode gebildet werden, wöbe· die Anordnung in diesem Fall so aufgebaut ist daß auf das Substrat (1) aufeinanderfolgend zunächst die w-^tere Elektrode, dann die amorphe Photoleiterschicht (3), dann die η-leitende Halbleiterschicht (6) und abschließend die Signalelektrode (2) aufgebracht sind und wobei die Signalelektrode (2) die Lichtempfangsfläche darstellt.

Die Erfindung betrifft eine photoelektrische Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Anordnung ist aus der DE-AS 15 64 544 bekannt.

Bildaufnahmeröhren mit derartigen photoelektrischen Anordnungen weisen üblicherweise ein lichtdurchlässiges Substrat, eine darauf angeordnete Signalelektrode und eine Photoleiterschicht auf, die durch einen von einer Kathode emittierten Elektronenstrahl abgetastet wird. Im normalen Betrieb ist bei dieser Art von Bildaufnahmeröhren die Signalelektrode gegenüber der Kathode positiv vorgespannt; an die Photoleiterschicht wird ein elektrisches Feld so angelegt, daß die Signalelektrode positiv und der abtastende Elektronenstrahl negativ ist.

Der in die photoelektrische Anordnung fließende Dunkelstrom beruht zum einen auf dem durch Löcherinjektion von der Signalelektrode zur Photoleiterschicht erzeugten Löcherstrom, und zum anderen auf dem Elektronenstrom, der vom abtastenden Elektronenstrahl zur Photoleiterschicht gelangt.

Bei photoelektrischen Anordnungen für Bildaufnahmeröhren mit einem Photoleiter, der übliche P-Leitfähigkeit besitzt, wie z. B. amorpher Photoleiter auf Selenbasis, ist es ziemlich einfach, die Zufuhr von Elektronen vom abtastenden Elektronenstrahl zu unterbinden, um den Dunkelstrom zu unterdrücken, da die Beweglichkeit der Elektronen gering ist Jedoch ist es relativ schwierig, die Injektion von Löchern von der Signalelektrode zu unterdrücken. Das ist insbesondere dann schwierig, wenn ein Schichtaufbau mit hoher Empfindlichkeit verwendet wird, bei dem ein starkes elektrisches Feld nahe an der Grenzfläche zwischen der Signalelektrode und dem Photoleiter aufgebaut wird.

Aus den DE-OSen 24 24 488 und 23 33 283 sind eöenfalls photoelektrische Anordnungen für Bildaufnahmeröhren bekannt die aus einem Substrat einer Signalelektrode, einer n-Ieitenden Halbleiterschicht und einer amorphen Photoleiterschicht mit mindestens 50 Atomprozent Selen bestehen. Als Materialien für die Kalbleitertchicht sind Oxide wie Zinnoxid, Indiumoxid und Titanoxid, Sulfide wie Cadmiumsulfid und Zinksulfid sowie bestimmte Selenide wie etwa Zinkselenid angegeben.

In sämlichen obigen Druckschriften finden sich keine Angaben über die relativen Energieniveaus der betreffenden Schichten. Bei der aus der DE-AS 15 64 544 bekannten η-leitenden Halbleiterschicht aus Ceroxid liegt die Schichtdicke zwischen 1 nm und 5 nm.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die photoelektrische Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, daß der Dunkristrom niedriger ist. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt:

Fig. 1 die Prinzipdarstellung einer Bildaufnahmeröhre;
Fig.2 den Aufbau einer photoelektrischen Anordnung für eine Bildaufnahmeröhre;

Fig. 3 und 4 schematische Energieband-Darstellungen zur Erläuterung des Erfindungsprinzips;

Fig.5 ein Diagramm zur Abhängigkeit der Aktivierungsenergie der Leitfähigkeit vom Sjjerstoffpartialdruck während der Erzeugung der η-leitenden Halbleiterschicht und

Fig.6 ein Diagramm zur Abhängigkeit des Dunkelstroms von der Schichtdicke der η-leitenden Halbleitcrschicht.

In Fig. 1 ist eine Bildaufnahmeröhre im Prinzip dargestellt, die ein lichtdurchlässiges Subtrat 1, eine Signalelektrode 2, eine Photoleiterschicht 3, einen abtastenden Elektronenstrahl 4 und eine Kathode 5 zeigt.

In F i g. 2 ist der Aufbau einer photoelektrischen An-Ordnung mit dem lichtdurchlässigen Substrat 1, der lichtdurchlässigen Signalelektrode 2, einer amorphen Photüleiterschicht 3 mit p-Leitfähigkeit und einer n-leitenden Halbleiterschicht 6 dargestellt.

Um die Injektion von Löchern von der Signalelektrode 2 zur Photoleiterschicht 3 zu unterdrücken und gleichzeitig einen Elektronenfluß in die Signalclektrodc 2 zu ermöglichen, ist es erwünscht, daß die n-leitende Halbleiterschicht 6 zwischen der Signalelektrode 2 und der Photoleiterschicht 3 folgende Bedingungen erfüllt:

Damit die η-leitende Halbleiterschicht 6 die Injektion von Löchern von der Signalelektrode 2 zur Photolciterschicht 3 verhindern kann, muß die Energiedifferenz zwischem dem Fermi-Niveau £>des η-leitenden Halbleiters und der Oberkante seines Valenzbands größer

&5 sein als die des Photoleiters. Ferner ist es erwünscht, daß die erstgenannte Energiedifferenz möglichst viel großer ist als die letztgenannte. Durch Erfüllung dieser Bedingungen wird verhindert, daß in der Signalelektrode 2

erzeugte Löcher unter Erzeugung eines Dunkelstroms in den Photoleiter injiziert werden.

Die Erfindung geht ferner von der Feststellung aus, daß es zur Verhinderung der Rekombination von in der Photoleiterschicht durch kurzwelliges Licht erzeugten Ladungsträgern und zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit wirkungsvoll ist, den Fenstereffekt der n-leitenden Halbleiterschicht 6 auszunutzen, indem die Breite des verbotenen Bandes des η-leitenden Halbleiters größer gewählt wird als die der Photoleiterschichi.

Wenn andererseits die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau des η-leitenden Halbleiters und der Unterkante seines Leitungsbandes zu groß ist, entsteht eine Barriere zwischen dem Leitungsband der Photoleiterschicht 3 und dem Leitungsband der n-leitenden Halbleiterschicht 6, wie in F i g. 3 dargestellt ist, die den Elektronenfluß unterbricht und um die herum die Elektronen eingefangen werden, wodurch Raumladungen entstehen, die ihrerseits eine Drift des Photostroms hervorrufen. In den F i g. 3 und 4 sind zur Erläuterung Elektronen e und Löcher Λ eingezeichnet Die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der ünterkante des Leitungsbandes des η-leitenden Halbleiters sollte entsprechend kleiner als die des Photoleiters sein.

Obgleich in der Zeichnung die η-leitende Halbleiterschicht 6 zwischen der Signalelektrode 2 und der Photoleiterschicht 3 dargestellt ist, muß die η-leitende Halbleiterschicht 6 nicht notwendigerweise unmittelbar an die Signalelektrode 2 angrenzen, sondern es kann auch eine weitere Schicht aus einem davon verschiedenen Material zwischen der Signalelektrode 2 und der n-Ieitenden Halbleiterschicht 6 vorgesehen sein. Es ist andererseits erwünscht, daß die Pbotoleiterschicht 3 und die n-leitende Halbleiterschicht 6 unmittelbar aneinander grenzen, da die η-leitende Halbleiterschicht 6 die Injektion von Löchern in die Photoleiterschicht 3 nicht mehr verhindern könnte, wenn Löcher in einer zwischen der Photoleiterschicht 3 und der η-leitenden Halbleiterschicht 6 zwischengeschaltete Schicht oder an der Grenzfläche zwischen einer solchen Zwischenschicht und der Photoleiterschicht auftreten.

Die amorphe Photoleiterschicht 3 enthält mindestens 50 Atomprozent Selen; sie besitzt eine Breite des verbotenen Bandes von etwa 2,0 eV und zeigt üblicherweise p-Leitfähigkeit, da die Löcherbeweglichkeit größer ist als die Elektronenbeweglichkeit. Da jedoch die thermisch gemessene Aktivierungsenergie der Leitfähigkeit etwa gleich der Hälfte der (optisch gemessenen) Breite des verbotenen Bandes ist, wird angenommen, daß sich das Fermi-Niveau etwa in der Mitte des verbotenen Bandes befindet. Die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der Oberkante des Valenzbands beträgt folglich etwa 1 eV, wobei die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der Unterkante des Leitungsbandes ebenfai's etwa 1 eV beträgt.

Der η-leitende Halbleiter sollte daher in Verbindung mit dem amorphen Photoleiter mit mindestens 50 Atomprozent Selen eine Breite des verbotenen Bandes von mindestens 2 eV, eine Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der Oberkante des Valenzbandes von mindestens 1 eV und eine Energiedifferenz zwi* sehen dem Fermi-Niveau und der Unterkante des Leitungsbandes von höchstens 1 eV besitzen.

Die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der Unterkante des Leitungsbandes im n-leitenden Halbleiter beträgt 10! uis 0,8 eV, wodurch der freie Elektronenfluß nicht unterdrückt oder behindert wird.

Die Enereiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der Unterkante des Leitungsbandes wird wie folgt bestimmt:

Ein Metalielektrodenpaar mit 10 mm χ 10 ram Querschnittsfläche und etwa 80 nm Dicke wurde auf einem sauberen SiO2-GIassubstrat erzeugt, wobei der Abstand der benachbarten Seiten der Metallelektroden etwa 0,05 mm betrug. Anschließend wurde eine n-leiiende Halbleiterschicht von etwa 40 nm Dicke auf die Elektroden unter Oberdeckung des Spalts zwischen ihnen aufgedampft Zur Ermittlung der Aktivierungsenergie des Widerstands R, d. h. der Größe Δ Ein der Gleichung

AE

R =

R₀ = eine Konstante,

k = die Boltzmann-Konstante und

T = die absolute Temperatur

wurde der elektrische Widerstand z*-"L:«hen den Elektroden bei verschiedenen Temperature;/ gemessen, wobei angenommen wurde, daß die Aktivierungsenergie etwa gleich der Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der Unterkante des Leitungsbands des nleitendep Halbleiters ist

Der elektrische Widerstand des n-leitenden Halbleiters, der aus Ceroxid oder Bleioxid besteht, ist stark von der Größe der Aktivierungsenergie abhängig. Bei dieser Art von η-Halbleitern wird durch ein unterstöchiometrisches Oxid ein Donatorenniveau in der Nähe der Ünterkante des Leitungsbands hervorgerufen. Bei zunehmender Konzentration dieses Niveaus nehmen der Widerstand und die Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der Unterkante des Leitungsbandes ab. Auf der anderen Seite besteht ein bevorzugter Bereich für den Widerstand des η-Halbleiters. Wenn sein Widerstand gegenüber dem Widerstand des Photoleiters zu hoch ist, liegt der größte Teil der angelegten Spannung an der n-leitenden Halbleiterschicht an, weshalb diese Schicht durchbricht. Wenn der Widerstand des n-Halbleite. s andererseits zu klein ist, tritt Elektroneninjektion vom η-Halbleiter zur Elektrode hin auf. Der ausgewählte Bereich der Energiedifferenz zwischen dem Fermi-Niveau und der Unterkante des Leitungsbands von 0,2 bis 0,8 eV entspricht diesen Forderungen.

Sowohl für p-leitende als auch η-leitende Photoleiterschichten bzw. Photoleiterschichten mit Eigenleitfähigkeit verhindert der HeteroÜbergang mit dem n-Halbleiter die Löcherinjektion und die Entstehung einer Photo-EMK.

Es werden in bekannter Weise Ceroxid und Bleioxid mit unterstöchiometrischem Sauerstoffgehalt eingesetzt, C h, η-Halbleiter mit einer relativ großen Breite des verbotenen Bands von mindestens 2 eV; die Schichten werden durch Vakuumbedampfung unter bestimmten Bedingungen erzeugt. Bei Verwendung von Ceroxid kann der η-Halbleiter durch übliche Vakuumbedampfung ohne zusätzliche Gaszufuhr und besondere Aufheizung des Substrats erzeugt werden.

In F i g. 5 ist die Anhängigkeit der Aktivierungsenergie der Leitfähigkeit vom Sauerstoffpartialdruck bei der Vakuumbedampfung dargestellt; wenn das Oxid selbst als Verdampfungsmaterial verwendet wird, ergibt sich für Ceroxid ein Sau^rstoffpartialdruck von höchstens 1,33 ■ 10-³mbar (1 · lO-^Torr) und für Bleioxid von höchstens 133 · 10-' mbar(l · 10-' Torr).

Die Substrattemperatur während der Schichterzeu-

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gung beträgt vorzugsweise höchstens 200⁰C. Bei den Versuchen von Fig.5 war die Substrattemperatur auf 10O⁰C eingestellt.

Es wurde experimentell nachgewiesen, daß die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Weißfehlern im aufgenommenen Bild geringer und zugleich der Dunkelstrom kleiner war, wenn die Substrattemperatur auf höchstens 200⁰C eingestellt wurde.

In F i g. 6 ist die Abhängigkeit des Dunkelstroms von der Schichtdicke der η-leitenden Halbleiterschicht dargestellt. Er ist bei einer Schichtdicke von etwa 40 nm minimal. Bei einer Schichterzeugung durch Aufdampfen von Ceroxid bei einer Substrattemperatur von über 200⁰C sind im Elektronenbeugungsdiagramm klare Flecke erkennbar, während bei einer Schichter/.eugung durch Aufdampfen von Ceroxid bei niedrigeren Substrattemperaturen lediglich ringförmige Muster festgestellt wurden und der Film nahezu amorph war. Bei Substrattemperaturen unter 200⁰C war zugleich die Haftung des η-leitenden Halbleiters verbessert, wodurch das Auftreten von Fehlern durch lokale Ablösung der η-leitenden Halbleiterschicht von der Elektrode auf der Substrat-Oberfläche vermieden wird.

Wenn die Breite des verbotenen Bandes der n-leitenden Halbleiterschicht mindestens 3 eV beträgt, wird sichtbares Licht nur wenig absorbiert. Es besteht folglich keine Gefahr für das Auftreten von Nachbildern, die sonst auftreten würden, wenn in der η-leitenden Halbleiterschicht erzeugte Elektronen oder Löcher durch Lichtabsorption in der η-leitenden Halbleiterschicht eingefangen und langsam freigesetzt werden.

Die η-leitende Halbleiterschicht sollte hohe chemische Stabilität aufweisen und mit der Signalelektrode und der Photoleiterschicht nicht reagieren. Ceroxid erfüllt bekanntermaßen diese Bedingungen.

Aus der in Fig.6 dargestellten Abhängigkeit des Dunkelstroms von der Schichtdicke des n-ieitenden Halbleiters ergibt sich, daß die Schichtdicke über 8 nm betragen muß, da dann der Dunkelstrom unter 1 nA abnimmt. Wenn die Schichtdicke der η-leitenden Halbleiterschicht 6 unter 5 nm liegt, weist die n-leitende Halbleiterschicht Löcher auf oder stellt eine Inselschicht dar bzw. erleichtert die Löcherinjektion durch Tunneleffekt, was zu einer Verringerung der Dunkelstromunterdrückung und zur Verschlechterung der thermischen Stabilität der Photoleiterschicht 3 führt.

Wenn bei der Erzeugung der η-leitenden Halbleiterschicht zunächst das Metall aufgedampft wird und die Metallschicht nach der Aufdampfung in das entsprechende Oxid übergeführt wird, ist es sehr schwer, eine Schicht mit der erforderten Schichtdicke zu errieten, die den erwünschten Energiebandaufbau in jedem Bereich längs der Dickenabmessung besitzt, wobei die optische Durchlässigkeit abnimmt Es ist daher zweckmäßig, die Schicht durch Vakuumbedarnpfung unter Venvendung des Oxids selbst als Verdampfungsmaterial zu erzeugen.

Wenn die Schichtdicke andererseits über 500 nm liegt, nimmt die optische Durchlässigkeit ab, wobei zugleich aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der η-leitenden Halbleiterschicht 6 und des Substrats 1 Risse auftreten können. Die Obergrenze der Schichtdicke beträgt daher 500 nm. Der bevorzugte Bereich der Schichtdicke liegt, zwischen 12 und 150 nm.

Beispiel 1
Auf einem Glassubstrat wurde eine lichtdurchlässige Signalelektrode aus Zinnoxid erzeugt. Bei einer Sub strattemperatur von 15O⁰C wurde Bleioxid in einer Schichtdicke von 20 nm aus einem Platinschiffchen in einer Sauerstoffatmosphäre von 6,67 ■ lO-'mbar (5 · 10-^J Torr) im Vakuum aufgedampft.

Anschließend wurde eine amorphe Photoleiterschicht mit 80 Atomprozent Selen, 10 Atomprozent Arsen und 10 Atomprozent Tellur mit einer Schichtdicke von 4 μτη im Vakuum aufgedampft; anschließend wurde cine Antimontrisulfidschicht von 100 nm Dicke in einem Vakuum von 1,33 · lO-'mbar (1 ■ 10-²Torr) aufgedampft, um die Emission von Sekundärelektronen zu verhindern. Auf diese Weise wurde eine photoelektrische Anordnung für Vidikon-Bildaufnahmeröhren hergestellt.

Der Dunkelstrom dieser Bildaufnahmeröhre betrug 0,2 nA bei einer Targetspannung von 50 V.

Beispiel 2

Auf einem Giassubstrat wurde eine lichtdurchlässige Signalelektrode aus Indiumoxid aufgebracht. Anschließend wurde bei einer Substrattemperatur von 100"C eine Ceroxidschicht von 10 nm Dicke aus einem Molybdänschiffchen bei einem Vakuum von 133 ■ 10-Tnbar (1 · 10~⁶Torr) aufgedampft. Danach wurde ein amorpher Photoleiter mit 95 Atomprozent Selen, 4 Atomprozent Arsen und 1 Atomprozent Tellur in einer Dicke von 5 μΐιί in einem Vakuum von 1,33- lO-'rnbar (1 · 10-⁶Torr) und anschließend eine Antimontrisulfidschicht in einer Dicke von 100 nm bei einem Druck von 6,67 · 10-^Jmbar (5 · 10--'Torr) aufgedampft, um die Emission von Sekundärelektronen zu verhindern. Auf diese Weise wurde ein Target für eine Vidikon-Bildaufnahmeröhre erhalten. Der Dunkelstrom dieser Bildaufnahmeröhre betrug 03 nA bei einer Targetspannung von 60 V.

Beispiel 3

Auf einem Glassubstrat wurde eine Goldelektrode aufgebracht, auf der ein amorpher Photoleiter aus 70 Atomprozent Selen, 15 Atomprozent Arsen und 15 Atomprozent Tellur im Vakuum in einer Schichtdicke von 2 μπι aufgebracht wurde.

Anschließend wurde Ceroxid in einer Dicke von 20 nm bei einem Druck von 133 · \Q-^b mbar (1 · 10-⁶Torr) bei einer Substrattemperatur von 10⁰C aus einem Molybdänschiffchen aufgedampft, wonach ein transparenter Aluminiumfilm, der als Signalelektrode diente, aufgedampft wurde.

Die Anordnung wurde als lichtempfindliche Festkörpervorrichtung verwendet, bei der das Licht auf die Aluminiumelektrode eingestrahlt wird.
Der Dunkelstrom dieser Vorrichtung betrug 0,5 nA bei einer angelegten Spannung von 20 V.

Durch Teilen der Aluminiumelektrode in Streifer kann eine entsprechende eindimensionale lichtelektrische Bildaufnahmevorrichtung erhalten werden.
Aus den obigen Beispielen geht hervor, daß die erfin dungsgemäßen photoelektrischen Anordnungen ohn< nachteilige Beeinflussung des Signalstroms einen ver ringerten Dunkelstrom aufweisen.

Durch die Erfindung kann der Dunkelstrom allgemeii um eine Größenordnung herabgesetzt werden, obgleicl er von der Art des eingesetzten Photoleiters abhängi Für Se-As-Te-Photoleiter kann so beispielsweise de Dunkelstrom, der sonst etwa 2 bis 5 nA betragen würde auf 0,2 bis 0,5 η Α gesenkt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Photoeiektrische Anordnung zur Umwandlung von einfallendem Licht in ein elektrisches Signal mit

a) einem Substrat,

b) einer Signalelektrode,

c) einer auf der Signalelektrode aufgebrachten nleitenden Halbleiterschicht aus Ceroxid oder Bleioxid mit unterstöchiometrischem Sauerstoffgehalt,

d) einer darauf aufgebrachten amorphen Photoleiterschicht mit mindestens 50 Atomprozent Selen, sowie

e) Mitteln zum Auslesen des elektrischen Signals,