DE2660229C2 - Verfahren zum Herstellen eines Photoelements - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Photoelements

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Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Photoelements nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Die beiden Materialien sind beispielsweise Cadmiumtellurid und Quecksilbertellurid.
Photoelektroriische Bauelemente mit einem Substrat aus einer Legierung mit dir Formel CdxHg] _ xTe, die insbesondere zum Nachweir von Infrarotstrahlung geeignet sind, werden im allgemeinen 'inter Ausgang von einem P-leitenden Substrat hergestellt, in dessen eine Oberfläche ein Dotierungsmittei, z. B. Quecksilber, eindiffundiert wird, um im Substrat einen lichtempfindlichen PN-Übergang zu bilden. Ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauelements ist z. B. in der französischen Patentschrift 15 04 497 beschrieben.
Aus der GB-PS 1038 438 ist eine Halbleitervorrichtung mit einem P-Ieitenden Substrat bekannt, in dein eine N-leitende Zone durch Eindiffundieren eines Dotierungsmittels ausgebildet ist und das eine diese Zone zumindest zum größten Teil überziehende Oberflächenschicht aufweist, die für das Dotierungsmittel während der Anwendung eines herkömmlichen Diffusions-Dotierungsverfahrens durchlässig ist.
Bei dieser bekannten Halbleitervorrichtung besteht das Substrat aus Galliumarsenid und die Oberflächenschicht aus Siliciumnionoxid. Die N-leitende Zone wird in der Weise ausgebildet, daß durch die Oberflächenschicht Tellur oder Selen unter Erwärmung hindurchdiffundiert wird. Anschließend wird eine Schutzschicht aus Silidummonoxid oder Siliciumdioxid auf der gesamten Oberfläche aufgebracht
Die US-PS 38 45 494 beschreibt ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Herstellung eines Photoelements mit einem N- und P-dotierten HgTe-CdTe-HaIbleiterkörper, der vollständig mit einer Schutzschicht aus Zinksulfid, Zinkselenid oder Arsenpentaselenid überzogen ist, 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 CdxHgI _ .,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.
In dem älteren deutschen Patent 25 17 939 ist ein Verfahren zur Herstellung einer für Infrarotstrahlung empfindlichen Photodiode vorgeschlagen worden, bei dem auf einem z. B. aus CdHgTe bestehenden Halbleiterkörper eine dünne Zwischenschicht, die beispielsweise aus CdTe besteht,· und anschließend eine dielektrische Schutzschicht aufgetragen werden. Eine Diffusion durch die CdTe-Zwischenschicht ist nicht vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß es einfach durchzuführen ist, aber dennoch ein Photoelement mit hoher Lichtempfindlichkeit ergibt
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst daß die Schutzschicht überwiegend aus demjenigen der beiden Legierungsbestandteile gebildet wird, der den größeren Bandabstand hat und daß die Diffusion durch die Schutzschicht hindurch erfolgt
Hierbei verhindert die Schutzschicht ein Ausdiffundieren eines Dotierungsmittels aus dem PN-Übergang und eine Beschädigung der den PN-Übergang mit dem Substrat bildenden Zone von außen vor, während und nach dem Diffusionsprozeß, so daß die Lichtempfindlichkeit des PN-Übergangs nicht beeinträchtigt wird. Dennoch ist die Schutzschicht in hohem Maße für Strahlung durchlässig, deren Wellenlängen im Betriebsbereich des photoelektronischen Bauelements liegen.
Wenn in dem Substrat durch Diffusion eine Zone des anderen Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird und das Substrat aus der Legierung CdxHgI - xTe besteht, wobei χ zwischen Null und 1 liegt, kann die Oberflächenschicht aus einem Material, das wenigstens zum größten Teil Cadmiumtellurid enthält, auf der Außenfläche des Substrats, vor der Herstellung der Zone des anderen Leitfähigkeitstyps durch die Diffusion, aufgebracht und die Diffusion durch diese Oberflächenschicht hindurch vorgenommen werden. Cadmiumtellurid haftet besonders fest an dem Substrat und schützt gleichzeitig die Oberfläche des Substrats beim Eindiffundieren des Dotierungsmittels vor einer Beschädigung.
Besonders einfach ist die Aufbringung der Oberflächenschicht durch Kathodenzerstäubung oder Aufdarnpfung im Vakuum.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen
F i g. 1 bis 7 schematisch einzelne Schritte des Verfahrens und
Fig.8 ein anderes Ausführungsbeispiel des Verfahrens.
Das anhand der F i g. 1 bis 7 beschriebene Beispiel betrifft die Herstellung eines Photoelements, dessen Substrat durch die Legierung CdxHgI _ /Te gebildet wird, wobei 0 <x < 1 und vorzugsweise χ kleiner als 0,4 ist.
Nach F i g. 1 ist das Substrat 1 P-leitend und auf die
Hauptfläche des Substrats wird eine Übergangsschicht 2 aufgebracht Diese Schicht 2 besteht aus Cadmiumtellurid (CdTe) und wird durch ein beliebiges bekanntes Verfahren aufgebracht, vorzugsweise durch Kathodenzerstäubung oder Verdampfung im Vakuum.
Auf der Schicht 2 wird eine Abdeckschicht 3 (F i g. 2) aufgebracht Diese Abdeckschicht 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 Zinksulfid (ZnS), Siliciumdioxid (S1O2), Siliciummonoxid (SiO) oder Siliciumnitrid (S13N4) handeln.
Das m F i g. 2 dargestellte Element wird anschließend einer Wärmebehandlung bei einer zwischen 200" C 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 Umkristaüisierung der Schicht 2 und einen stetigen Übergang ihrer Zusammensetzung von der des Substrats 1 und 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 Abdeskschicht 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.
Anschließend bringt man wenigstens in der öffnung 10 eine Oberflächenschicht 4 (Fig.4) aus Cadmiumtellurid auf. Bei dem in F i g. 1 bis 7 dargestellten Beispiel überdeckt diese Schicht 4 auch die 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 eindiffundier c, 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 Diffusionskoeffizient 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 3000C. Bei niedriger Temperatur, insbesondere bei Raumtemperatur, ist dagegen unter den normalen Betriebs- und Aufbewahrungsbedingungen die Cadmiumtelluridschicht praktisch 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, wird 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 bewirk, „'in schlechter Oberflächenzustand eine starke optische Absorption und eine Verringerung der Lichtempfindlichkeit des Bauelements, insbesondere ihres Quanten-Wirkungsgrades, der gleich dem Verhältnis der Anzahl von durch eine Strahlung erzeugten elektrischen Ladungen zur Anzahl der durch diese Strahlung zugeführten Photonen ist. Schließlich ist die Durchschlagspannung einer so gebildeten Photodiode verhältnismäßig klein. 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 größenord- nungsgemäß 15 μηι 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 Quanten-Wirkungsgrad ist verhältnismäßig hoch.
Die Schicht 4 schützt auch die Oberfläche la und den PN-Übergang während der Metallisierung, die weiter unten anhand- von F i g. 7 beschrieben ist Schließlich kann dank der Schicht 4 der PN-Übergang in einer geringen Tiefe in dem Substrat hergestellt werden, ußd die Diffusion des Quecksilbers kann langsamer als ohne Schicht t erfolgen, so daß die Herstellung des PN-Überganges besset" beherrscht wird.
Wie in Fig.5 dargestellt ist, wird nach Herstellung
so 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 Tempratur von wenigstens 3000C. 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 .-lie öffnung 10 erstreckt. Die Zone 6 bildet einen
PN-Übergang 7 mit dem P-Ieitenden Substrat 1.
Wie in F i g. 6 dargestellt ist, wird nach der Ausbil-
dung der Zone 6 wenigstens eine Öffnung in der Schicht 4 hergestellt, um die elektrischen Ausgangskontakte des Photoelements herzustellen. Die Öffnung 8 wird z. B. durch Wegätzen der Schicht 4 mittels einer stark verdünnten 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 erbält so eine Metallschicht 9, die an einem Teil der Oberfläche la haftet, an die Zone 6 angrenzt und über die Schicht 4 hinausgeht, um die elektrische Verbindung mit dem elektrischen Kreis '.!erstellen zu können, in den das Photoelement geschaltet werden soll. Die Schicht 4 erübrigt die Aufbringung einer zusätzlichen Schutzschicht, z. B. aus Zinksulfid, die gewöhnlich erforderl;ch ist, wenn derartige Kontakte ohne die Schicht 4 aus Cadmiumtellurid hergestellt werden. Während der Kontaktierung schützt die Schicht ■« nicht nur die Oberfläche la, sondern auch die 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 Bauelements der obenbeschriebenen Art wurde als Substrat eine Platte aus einer Cd,Hgi _ vTe-Legierung mit χ = 0,2 verwendet, wobei die Oberfläche dieser Platte etwa 300 mm2 betrug und mit einer Konzentration von 1017 Atomen/cmJ dotiert war. Hierauf wurden eine Schicht 2 aus CdTe mit einer Dicke von 300 μιπ und eine Abdeckschicht 3 aus Zinksulfid ZnS ebenfalls mit einer Dicke von 300 nm aufgebracht. In dieser Platte wurden etwa 3000 öffnungen 10 hergestellt, wobei jede dieser Öffnungen eine Fläche von 10~2 Γηπι2(Ι00μπι · 100 μιη) hatte. Hierauf wurde eine Schicht 4 aus CdTe mit einer Dicke von 300 nm hergestellt und das Quecksilber wurde etwa eine halbe Stunde lang eindiffundiert. Danach hatte die N-Zone 6 eine Trägerkonzentration von 1016 Atomen/cmJ. Es hat sich gezeigt, daß ein auf diese Weise hergestelltes Photoeiemeni einen Quanien-Wirkungsgrad von etwa 50% hatte, während dieser Wirkungsgrad ohne die CdTe-Schicht 4 nur etwa 25% beträgt.
Fig.8 zeigt eine Abwandlung des Verfahrens. Hier wird zunächst auf der freien Oberfläche la des P-Ieitenden Substrats 1 eine Schicht 2a aus CdTe und dann auf dieser Schicht 2a eine Abdeckschicht 3a aus ZnS aufgebracht. In der Abdeckschicht 3a wird eine öffnung 106 ausgebildet, jedoch die Schicht 2a unversehrt gelassen. Schließlich wird das Quecksilber durch die Schicht 2a hindurch in das Substrat 1 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 die 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 Dotierungsmittel außer Quecksilber auch Indium benutzt werden. Statt vor der Herstellung der öffnung 10 und Schicht 4 kann die Wärmebehandlung auch nach der Herstellung der Schicht und vor dem Eindiffundieren des Dotierungsmittels erfolgen.
Die Dicke der Schicht 4 (oder 2a) liegt vorzugsweise zwischen 50 und 500 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.
50
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
60

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zum Herstellen eines Photoelements mit einem Substrat des einen Leitfähigkeitstyps aus einer Legierung zweier Materialien mit verschiedenem Bandabstand, wobei der Bandabstand der Legierung eine Funktion des Verhältnisses der Anteile der beiden Materialien in der Legierung ist, in dem Substrat eine sich wenigstens über einen Teil seiner Außenfläche erstreckende Zone des anderen Leitfähigkeitstyps durch Diffusions-Dotierung ausgebildet wird, die einen PN-Übergang mit dem Substrat bildet, und wenigstens auf dem größten Teil der Zone des anderen Leitfähigkeitstyps eine Schutzschicht ausgebildet wird, die einen Austritt des Dotierungsmittels aus dem Substrat verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (4; 2a) überwiegend aus demjenigen der beiden Legierungsbestandteile gebildet wird, der den größeren Bandabstaßif hat, und daß die Diffusion durch die Schutzschicht hindurch erfolgt.
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