DE2654429C2 - Verfahren zum Herstellen eines Photoelements mit einem lichtempfindlichen halbleitenden Substrat aus der Legierung Cd↓x↓Hg↓1↓↓-↓↓x↓Te - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines Photoelements mit einem lichtempfindlichen halbleitenden Substrat aus der Legierung Cd↓x↓Hg↓1↓↓-↓↓x↓TeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Photoelements nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Bei dem aus der US-PS 38 45 494 bekannten Verfahren dieser Art wird ein N- und P-dotierter HgTE-CdTe-Halbleiterkörper
vollständig mit einer Schutzschicht aus Zinksulfid, Zinkselenid oder Arsenpentaselenid
überzogen, die verhindert, daß Quecksilberdampf aus dem Halbleiterkörper nach außen diffundiert. Die
Schutzschicht wird aufgebracht, nachdem das Dotierungsmittel in das Substrat eindiffundiert worden ist.
Die US-PS 34 96 024 beschreibt die Herstellung eines Photoelements mit einem Halbleiterkörper, der durch
epitaxiales Aufwachsen von CdxHgI _ ,Te auf einem
CdTe-Substrat gebildet wird, und zwar in der Weise, daß χ beim Aufwachsen von 1 bis auf 0 abnimmt, so daß
zwei äußere Schichten verbleiben, von denen die eine nur Cd und Te und die andere nur Hg und Te enthält,
während der Bereich dazwischen Cd,Hgi _ ,Te in sich stetig ändernder Zusammensetzung mit χ zwischen 0
und 1 aufweist. Der auf diese Weise hergestellte Halbleiterkörper wird an den Randbereichen mit der sich
stetig ändernden Zusammensetzung kontaktiert und beim Betrieb in einem Magnetfeld angeordnet, um die
Strahlungsenergie in elektrische Energie umzuformen.
Die GB-PS 10 38 438 beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit einem Substrat aus Galliumarsenid, auf
dem eine Schicht aus Siliciummonoxid aufgebracht ist. Durch die Siliciummonoxid-Schicht wird Tellur oder Selen
unter Erwärmung hindurch in das Substrat eindiffundiert. Anschließend wird eine weitere Schutzschicht
aus Siliciummonoxid oder Siliciumdioxid auf der gesamten
Oberfläche aufgebracht.
Sodann wird in dem älteren deutschen Patent 26 17 939 vorgeschlagen, auf dem halbleitenden Substrat
aus CdxHgI _ xTe zur Verbesserung der Strahlungsempfindlichkeit
eine Zwischenschicht aus CdTe durch Kathodenzerstäubung oder durch Verdampfung
im Vakuum abzulagern und anschließend eine dielektrische Schutzschicht aufzutragen, die aus SiO, SiC2, S13N4
odor ZnS bestehen kann, wobei zur Diffusion Öffnungen in den genannten Schichten erzeugt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dthingehend
zu verbessern, daß die damit hergestellten Photoelemente bei einfachem Aufbau eine besonders hohe
Strah'.ungsempfir.düchkeit aufweisen.
Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.
Bei dieser Ausbildung des Photoelements schützt die Schutzschicht das Substrat nicht nur vor, sondern auch
bei und nach dem Eindiffundieren des Dotierungsmittels in das Substrat. Ohne uie Schutzschicht würde die Substratoberfläche
beim Eindiffundieren des Dotierungsmittels angegriffen. Andererseits verhindert die Schutzschicht,
daß das Dotierungsmittel während des Betriebs oder bei normalen Umgebungsbedingungen wieder aus
dem Substrat herausdiffundiert, weil sie dann in besonders hohem Maße für das Dotierungsmittel undurchlässig
ist. Da die Schutzschicht in jeder Phase für eine Unversehrtheit des Substrats sorgt, ergibt sich eine hohe
Lichtempfindlichkeit, die über lange Zeit hinweg erhalten bleibt, ohne daß eine zusätzliche, die Lichtempfindlichkeit
beeinträchtigende Schutzschicht erforderlich ist. Die Ausbildung der Schutzsck.! :ht aus einer Legierung
eines Legierungsbestandteiis des Substrats hat den weiteren Vorteil, daß die Schutzschicht fest an der
Oberfläche des Substrats haftet.
Weiterbildungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele
erläutert. Es zeigen
F i g. 1 bis 7 schematisch einzelne Schritte eines Verfahrens,
das die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist, und
F i g. 8 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens,
das die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist.
Das anhand der F i g. 1 bis 7 beschriebene Beispiel betrifft die Herstellung eines Photoelements, dessen
Substrat durch die Legierung Cd1HgI _ «Te gebildet wird, wobei χ größer Null und kleiner 1 ist und vorzugsweise
kleiner als 0,4 ist.
Nach F i g. 1 ist das Substrat 1 P-leitend und auf die
Hauptfläche des Substrats wird eine erste Schicht 2 aufgebracht. Diese Schicht 2 besteht aus Cadmiumtellurid
(CdTe) und wird durch ein beliebiges bekanntes Verfahren aufgebracht, vorzugsweise durch Kathodenzerstäubung
oder Verdampfung im Vakum.
Auf der Schicht 2 wird eine Abdeeksehieht 3 (F i g. 2) aufgebracht. Diese Abdeeksehieht besteht aus einem
.Isoliermaterial, das nicht mit den Bestandteilen und den Dotierungsmitteln des Bauelements reagiert. Bei dem
Material der Schicht 3 kann es sich um ZinksuIFid (ZnS),
Siliciumdioxid (S1O2), Siliciummonoxid (SiO) oder Siliciumnitrid
(S13N4) handein.
Das in F i g. 2 dargestellte Element wird anschließend einer Wärmebehandlung bei einer zwischen 2000C und
400° C liegenden Temperatur während einer Zeit von mindestens einer Stunde (bei 400° C) und von 15 Stunden
bei 2000C unterzogen. Diese Wärmebehandlung ermöglicht eine Umkristallisierung der Schicht 2 und einen
stetigen Übergang ihrer Zusammensetzung von der des Substrats I zu der der Abdeckschicht 3. Das heißt, in
der Nähe des Substrats 1 entspricht die Zusammensetzung der Schicht 2 praktisch der des Substrats, und in
der Nähe der Grenzfläche mit der Abdeckschicht besteht diese Schicht aus reinem Cadmiumtellurid.
Wie F i g. 3 zeigt, wird nach dieser Wärmebehandlung
wenigstens eine Öffnung oder ein »Fenster« 10 in den Schichten 2 und 3 ausgebildet, so daß ein Teil der Oberfläche
la des Substrats 1 freigelegt wird.
Erfindungsgemäß bringt man wenigstens in der Öffnung
10 eine Oberflächenschicht 4 (Fig.4) aus Cadmiumteüurid
auf. Bei dem in F i g. 1 bis 7 dargestellten Beispiel überdeckt diese Schicht 4 auch di- Abdeckschicht
3. Diese Schicht 4 kann nach einem beliebigen bekannten Verfahren aufgebracht werden, wie Verdampfung
im Vakuum oder Kathodenzerstäubung. Diese Schicht 4, nachstehend auch als »Schutzschicht« bezeichnet,
haftet in befriedigender Weise an der Oberfläche la des Substrats 1 sowie an den Rändern 10a der
öffnung 10. Durch die Schutzschicht 4 wird im Bereich der öffnung 10 eine Verunreinigung in Form von Hg in
- das Substrat eindiffundiert, die das Substrat 1 auf einem Teil der Fläche la so dotiert, daß ein PN-Übergang
entsteht.
Die Schutzschicht 4 erfüllt mehrere Aufgaben. Zunächst, wie unten anhand von Fig.5 erläutert ist,
schützt die Schicht 4 in der Öffnung 10 die Oberfläche la des Substrats 1 während der Diffusion des Quecksilbers
in das Substrat (zur Herstellung einer N-Zone). Diese Schicht verhindert die Diffusion nicht, da der DiF-fusionskoefiizient
des Quecksilbers durch die Schicht 4 aus CdTe hinreichend groß ist, vorausgesetzt, daß diese
Schicht nicht zu dick ist. Als Dotierungsverfahren benutzt man insbesondere die Diffusion des Quecksilbers
bei einer hohen Temperatur von vorzugsweise über 300°C. Bei niedriger Temperatur, insbesondere bei
Raumtemperatur, ist dagegen unter den normalen Betriebsoder Aufbewahrungsbedingungen die Cadmiumtelluridschicht
praktsich für das Quecksilber undurchlässig.
Der Schutz der Oberfläche la beim Eindiffundieren
von Quecksilber in das Substrat 1 ist besonders wichtig. Denn, wenn das Quecksilber unmittelbar in die freie
Oberfläche des Substrats diffundiert wird, v/ird die Oberfläche beschädigt. Diese Beschädigung der Oberfläche,
die die lichtempfindliche Oberfläche des Photoelements bildet, besitzt zahlreiche Nachteile. So treten
insbesondere Rekombinationsströme an der Oberfläche auf, die den Sperrwiderstand der Photodiode verringern.
Außerdem bewirkt ein schlechter Oberflächenzustand eine starke optische Absorption und eine Verringerung
der Lichtempfindlichkeit des Bauelements, insbesondere ihres Quantenwirkungsgrades, der gleich
dem Verhältnis der Anzahl von durch eine Strahlung erzeugten elektrischen ladungen zur Anzahl der durch
diese Strahlung zugefuhrten Photonen ist. Schließlich ist die Durchschlagspannung einer so gebildeten Photodiode
verhältnismäßig kU.i. Mit einer vor der Diffusion
des Quecksilbers auf das Substrat aufgebrachten Schicht 4 wird die Oberfläche la geschützt, so daß sie
nicht beschädigt wird und das Bauelement eine erheblich höhere Empfindlichkeit besitzt
Außerdem ist die Schicht 4 aus CdTE für Infrarotstrahlung bis zu einer Wellenlänge von größenordnungsgemäß
15 μπι durchlässig.
An der Oberfläche hat das Quecksilber keinen Einfluß auf das Cadmiumtellurid. Der Zustand der Außenfläche
der Schicht 4 bleibt daher befriedigend, und die optische Absorption der einfallenden Strahlung ist gering. Der
Quantenwirkungsgrad ist verhältnismäßig hoch.
Die Schicht 4 schützt auch die Oberfläche la· und den
PN-Übergang während der Metallisierung, die weiter unten anhand von Fig. 7 beschrieben ist. Schließlich
kann dank der Schicht 4 der PN-Übergang in einer geringen Tiefe in dem Substrat hergestellt werden, und die
Diffusion des Quecksilbers kann langsamer als ohne Schicht 4 erfolgen, so daß die Herstellung des PN-Übergangs
besser beherrscht wird.
Wie in Fig.5 dargestellt ist, wi^ nach Herstellung
der Schicht 4 aus CdTe das (symbolisch durch den Pfeil 5
in F i g. 5 dargestellte) Quecksilber über die Öffnung 10 durch die Schicht 4 hindurch eindiffundiert. Im betrachteten
Beispiel erfolgt das Eindiffundieren bei einer Temperatur von wenigstens 300°C. Die Diffusion wird in
einer (nicht dargestellten) abgeschmolzenen Glasampulle in Gegenwart von (auf die Außenfläche der
Schicht 4 aufgebrachtem) Quecksilber in flüssiger Phase oder in gasförmiger Phase durchgeführt, wobei die Ampulle
etwa eine halbe Stunde lang auf 300°C gehalten wird.
Nach dem Eindiffundieren des Quecksilbers erhält man eine N-Zone 6, die sich über eine größere Fläche
als die öffnung 10 erstreckt. Die Zone 6 bildet einen
PN-Übergang 7 mit dem P-leitenden Substrat 1.
Wie in F i g. 6 dargestellt ist, wird nach der Ausbildung
der Zone 6 wenigstens eine Öffnung in der Schicht 4 hergestellt, um die elektrischen Ausgangs.konukte des
Photoelements herzustellen. Die Öffnung 8 wird z. B. durch Wegätzen der Schicht 4 mittels einer stark verdü-.nten
Brom-Äthanol-Lösung hergestellt. Diese Lösung ätzt die Schicht 4 aus CdTe mit einer bestimmten
Geschwindigkeit weg. Es ist daher durch Begrenzung
der Ätzzeit möglich, nur die Schicht 4 zu entfernen und die Schicht 6 unversehrt zu lassen.
Nach F i g. 7 wird die Öffnung (oder werden die öffnungen)
8 zur Kontaktierung mit einem Metall ausgefüllt, z. B. mit Chrom oder Gold. Man erhält so eine
Metallschicht 9, die an einem Teil der Oberfläche la haftet, an der Zone 6 angrenzt und über die Schicht 4
hinausgeht, um die elektrische Verbindung mit dem elektrischen Meßkreis herstellen zu können, in den das
Phot^dement geschaltet werden soll. Die Schicht 4 erübrigt
die Aufbringung einer zusätzlichen Schutzschicht, z. B. aus Zj^ksulfid, die gewöhnlich erforderlich
ist, wenn derartige Kontakte ohne die Schicht 4 aut;
Cadmiumtellurid hergestellt werden. Während der Kontaktierung schützt die Schicht 4 nicht nur die Oberfläche
la, sondern auch oie Ränder des PN-Übergangs. Diese Zone 4 überdeckt nämlich, ebenso wie die Schichten 2
und 3, die Ränder des PN-Übergangs, so daß dieser nach seiner Herstellung nicht gestört wird.
Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel eines Baues elements der oben beschriebenen Art wurde als Substrat
eine Platte aus einer Cd,Hgi _ vTe-Legierung mit
.v = 0.2 verwendet, wobei die Oberfläche dieser Platte
etwa 300 mm- betrug und dotierende Verunreinpungs-
atome in einer Konzentration von 10ir Atomen/cm* besaß.
Hierauf wurden eine Schicht 2 aus CdTe mit einer Dicke von 300 0 nm und eine Abdeckschicht 3 aus
Zinksuifid ZnS ebenfalls mit einer Dicke von 300 0 nm aufgebracht. In dieser Platte wurden etwa 3000 Öffnun- i
gen 10 hergestellt, wobei jede dieser Öffnungen eine Fläche von 10"-mm-(ΙΟΟμιπ · 100 μπι) hatte. Hierauf
wurde eine Schicht 4 aus CdTe mit einer Dicke von 300 0 nm hergestellt, und das Quecksilber wurde etwa
eine halbe Stunde lang eindiffundiert. Danach hatte die ι ο N-Zone 6 eine Trägerkonzentration von \0'b Atomen/
cm'. Es hat sich gezeigt, daß ein auf diese Weise hergestelltes Photoelement einen Quantenwirkungsgrad von
etwa 50% hatte, während dieser Wirkungsgrad ohne die CdTe-Schicht 4 nur etwa 25% beträgt. ι ■-,
Fig.8 zeigt eine Abwandlung des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Hier wird zunächst auf der freien Oberfläche des P-Ieitenden Substrats I eine Schicht 2.1 aus
CdTe und dann auf dieser Schicht 2.-J eine Ahderkschicht
3a aus ZnS aufgebracht. In der Abdeckschicht 3,/ wird eine öffnung lOi» ausgebildet, jedoch die Schicht
2a unversehrt gelassen. Schließlich wird das Quecksilber durch die Schicht 2;) hindurch in das Substrat I eindiffundiert,
so daß eine N-Zone 6a entsteht. Dieses Verfahren ist leichter auszuüben als das nach den F i g. 1 bis 7.
Die seitliche Diffusion, die störend sein kann, wird jedoch
in weniger befriedigender Weise vermieden, als wenn eine Schicht 4 aufgebracht wird, die (außer der
Oberfläche la über der zu erzeugenden Zone 6) die Schicht 3 überdeckt.
Die Verfahren nach den Fig.! bis 8 können abgewandelt
werden. So kann z. B. als Dütierungsmittel außer Quecksilber auch Indium benutzt werden. Statt vor
der Herstellung der Öffnung 10 und der Schicht 4 kann die Wärmebehandlung auch nach der Herstellung der
Schicht und vor dem Eindiffundieren der Dotierungsmitteis erfolgen.
Die Dicke der Schicht 4 (oder 2a^ liegt vorzugsweise
zwischen 50 0 und 500 <Z nm.
Die Schicht 4 (oder 2a) hat nicht nur den Vorteil, daß sie das Bauelement während der Herstellung schützt,
sondern sie verringert auch die Anzahl der erforderlichen Herstellungsschritte.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
5C
60
Claims (6)
1. Verfahren zum Herstellen eines Photoelements mit einem 'lichtempfindlichen halbleitenden Substrat
aus der Legierung CdxHgI _ »Te, wobei χ größer 0
und kleiner 1 ist, bei dem ein Dotierungsmittel zur Bildung eines PN-Übergangs bei höherer Temperatur
als der Betriebs- oder Umgebungstemperatur des Photoelements in das Substrat eindiffundiert und ι ο
auf dem Substrat eine den Austritt des Dotierungsmittels aus der eindiffundierten Zone des Substrats
bei Betriebs- oder Umgebungstemperatur verhindernde Schutzschicht aufgebracht wird, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (4; 2a) is aus der Legierung CdTe besteht und das Dotierungsmittel
nach dem Aufbringen der Schutzschicht (4; 2a,) durch diese hindurch eindiffundiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Schutzschicht
(4) eine erstt. Schicht (2) aus CdTe, auf dieser eine isolierende Abdeeksehieht (3) und nach Ausbildung
einer Öffnung (10) in diesen beiden Schichten (2,3) die Schutzschicht (4) aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Schutzschicht (2a) eine isolierende
Abdeeksehieht (3a) aufgebracht und in dieser eine Öffnung (iOb) ausgebildet wird, bevor das Dotierungsmittel
eindiffundiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Abdeeksehieht
(3; 3a) ZuS oder SiO2 oder SiO oder Si3N4
verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daR die Dicke der Schutzschicht
(4; 2a) zwischen 50 und 500 nm liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungsmittel
Indium verwendet wird.
40
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