DE2711365A1 - SEMI-CONDUCTOR ARRANGEMENT WITH SCHOTTKY BORDER LAYER - Google Patents
SEMI-CONDUCTOR ARRANGEMENT WITH SCHOTTKY BORDER LAYERInfo
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Dn.-Ing. Reiman König ■ Dipl.-Ing. Klaus Bergen Cecilienallee 76 Λ Düsseldorf 3O Telefon 45 2008 PatentanwälteDn.-Ing. Reiman König ■ Dipl.-Ing. Klaus Bergen Cecilienallee 76 Λ Düsseldorf 3O Telephone 45 2008 Patent Attorneys
14. März 1977 31 308 BMarch 14, 1977 31 308 B
RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York , NY 10020 (V.St.A.)
"Halbleiteranordnung mit Schottky-Grenzschicht""Semiconductor device with Schottky boundary layer"
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiteranordnungen, insbesondere auf solche mit einer Schottky-Grenzschicht, wie sie beispielsweise bei Fotospannuags- und Strom-Gleichrichteranordnungen zur Anwendung kommen, bei denen amorphes, durch Glimmentladung in Silan hergestelltes Silizium benutzt wird.The present invention relates to semiconductor arrangements, in particular to those with a Schottky boundary layer, as they are used, for example, in photo voltage and current rectifier arrangements, in which amorphous silicon produced by glow discharge in silane is used.
Fotospannungs-Anordnungen, wie Solarzellen und Fotodetektoren sind im Stande, Licht beispielsweise aus dem Bereich des infraroten Lichtes bis zum ultravioletten Licht, in brauchbare elektrische Energie umzuwandeln. Ein Problem auf dem Gebiet der Solarzellen besteht darin, daß wegen der Kosten für die aus Solarzellen gewonnene elektrische Energie dieses Verfahren häufig nicht mit anderen Erzeugungsartsn wettbewerbsfähig ist. Einer der größten Ausgabenposten in der Solarzellenherstellung ist der Preis des in den Solarzellen verwendeten Halbleitermaterials. Natürlich ist der Preis einer Solarzelle um so höher, je mehr Halbleitermaterial benötigt wird. Eine Verringerung des benötigten Halbleitermaterials für Fotodetektoranordnungen würd- ebenfalls deren Kosten senken. Wenn das gleiche Halbleitermaterial Strom-Gleichrichtereigenschaften in der Dunkelheit aufweist, so könnte es ebenfalls in Halbleiteranordnungen wie Dioden, Verwendung finden.Photo voltage devices such as solar cells and photo detectors are able to capture light from the area, for example converting infrared light to ultraviolet light into usable electrical energy. A problem in the field of solar cells is that because of the cost of the solar cell-derived electrical Energy this process is often not competitive with other types of generation. One of the biggest items of expenditure in solar cell production is the price of the semiconductor material used in the solar cells. Naturally the more semiconductor material is required, the higher the price of a solar cell. A decrease of the required semiconductor material for photodetector arrangements would also reduce their costs. If that same semiconductor material has current rectifying properties in the dark, so it could too in semiconductor arrangements such as diodes, use.
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Es wurde nun festgestellt, daß die Grundkörper der Fotospannungs- und Strom-Gleichrichteranordnungen sehr dünn gemacht werden können, wenn man amorphes Silizium verwendet, das unter Glimmentladung in Silan erzeugt wurde. Ein Problem jedoch, das in einigen dieser Anordnungen auftritt, ist die Herstellung eines Ohmschen Kontaktes an derart hergestelltem, amorphem Silizium.It has now been found that the base bodies of the photo voltage and current rectifier assemblies are very thin can be made using amorphous silicon, which was produced by glow discharge in silane. A However, the problem that arises in some of these arrangements is making an ohmic contact on such manufactured, amorphous silicon.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiter-Anordnung unter Verwendung von amorphem Silizium zu schaffen, bei der dessen Vorteile voll erhalten bleiben, die aber gleichzeitig einen guten Ohmschen Kontakt am amorphen Silizium ermöglicht.The invention is based on the object of a semiconductor arrangement to create using amorphous silicon in which its advantages are fully retained, the but at the same time enables a good ohmic contact to the amorphous silicon.
Die Aufgabe wird erfindungsgamäß durch die im kenazeiohnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. der Ansprüche 7 und 10 angegebenen Merkmale gelöst» Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Unteransprüchen angegeben. The task is according to the invention by the kenazeiohnenden Part of claim 1 and claims 7 and 10 specified features solved »Further embodiments of the invention are specified in the referenced subclaims.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt, anhand derer die Erfindung näher erläutert wird. Es zeigen:In the drawings, exemplary embodiments of the present invention are shown, on the basis of which the invention is explained in more detail is explained. Show it:
Fig. 1 einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer Halbleiteranordnung mit Schottky-Grenzschicht nach der Erfindung; 1 shows a cross section of a first exemplary embodiment of a semiconductor device with a Schottky boundary layer according to the invention;
Fig. 2 eine graphische Darstellung des Absorptionskoeffizienten von Einkristallsilizium im Vergleich zu amorphem Silizium, das durch Glimmentladung erzeugt wurde, und zwar im sichtbaren Lichtbereich; FIG. 2 is a graph showing the absorption coefficient of single crystal silicon compared to amorphous silicon produced by glow discharge, specifically in the visible light range; FIG.
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer ersten Vorrichrichtung für die Herstellung von amorphem Silizium durch eine Glimmentladung in Silan; 3 shows a schematic representation of a first device for the production of amorphous silicon by means of a glow discharge in silane;
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4 eine schsmatische Darstellung einer zweiten Vorrichtung für die Herstellung von amorphem Silizium durch Glimmentladung in Silan; 4 is a schematic representation of a second device for the production of amorphous silicon by glow discharge in silane;
Fig. 5 einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Halbleiteranordnung mit Schottky-Grenzschicht nach der Erfindung. Fig. 5 shows a cross section of a second exemplary embodiment of a semiconductor device with a Schottky boundary layer according to the invention.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Halbleiteranordnung
nach der vorliegenden Erfindung mit 10 bezeichnet. Die Halbleiteranordnung 10 weist ein Substrat 12 aus
einem Material mit guten elektrischen Leiteigenschaften auf» Typische Materialien mit diesen Eigenschaften sind Aluminium,
Chrom, rostfreier Stahl, Niob, Tantal, Eisen und
Indium-Zinn-Oxid auf Glas.In FIG. 1, a first exemplary embodiment of the semiconductor arrangement according to the present invention is denoted by 10. The semiconductor device 10 has a substrate 12 made of a material with good electrical conductivity properties »Typical materials with these properties are aluminum, chromium, stainless steel, niobium, tantalum, iron and
Indium tin oxide on glass.
Auf einer Oberfläche des Substrats 12 ist ein Grundkörper 13 aus amorphem Silizium aufgebracht, das durch Glimmentladung
in Silan SiH, hergestellt wurde. Das Abscheideverfahren, das Fachleuten bekannt ist, beinhaltet die elektrische
Entladung durch Gas bei relativ niedrigem Druck, beispielsweise um 5 Torr oder weniger, in einer teilweise
evakuierten Kammer. Eine Glimmentladung ist durch mehrere Bereiche von diffusem, leuchtenden Glühen charakterisiert,
beispielsweise der positiven Glühsäule nahe der Anode und dem negativen Glühbereich zwischen Anode und Kathode, und
einem Spannungsabfall in der Nachbarschaft der Kathode,
der ein viel höheres Potential aufweist als das Ionisierungspotential des Gases, beispielsweise der Crookes-Dunkelraumbereich.
A base body 13 made of amorphous silicon, which was produced by glow discharge in silane SiH, is applied to a surface of the substrate 12. The deposition method known to those skilled in the art involves electrical discharge by gas at relatively low pressure, for example around 5 torr or less, in a partially evacuated chamber. A glow discharge is characterized by several areas of diffuse, glowing glow, for example the positive glow column near the anode and the negative glow area between anode and cathode, and a voltage drop in the vicinity of the cathode,
which has a much higher potential than the ionization potential of the gas, for example the Crookes dark room area.
Amorphes Material ist Material, das keine Ordnung über
größere Bereiche bezüglich der Periodizität der Matrix
aufweist. Amorphes Silizium, das durch GlimmentladungAmorphous material is material that has no order about it
larger areas with respect to the periodicity of the matrix
having. Amorphous silicon produced by glow discharge
709839/08H?709839 / 08H?
in Silan, SiH-, hergestellt wurde, besitzt eine Ordnung in einem kleinen Bereich von nicht mehr als 20 Ä. Das Fehlen einer Ordnung über größere Bereiche bei amorphem, durch Glimmentladung in Silan hergestelltem Silizium kann durch Röntgenstrahl- oder Elektronen-Beugung festgestellt werden.in silane, SiH-, has an order in a small area of not more than 20 Å. The lack of order over larger areas in amorphous, Silicon produced by glow discharge in silane can be detected by X-ray or electron diffraction will.
Der Körper 13 besitzt eine erste Schicht 14 aus amorphem Silizium, das durch Glimmentladung in einer Mischung von Silan und Dotiergas hergestellt wurde. Die erste Schicht 14 weist einen Ohmschen Kontakt mit dem Substrat 12 auf, wobei zwischen beiden eine erste Grenzfläche 15 liegt. Eine zweite Schicht 16 aus amorphem Silizium innerhalb des Körpers 13 ist auf der ersten Schicht 14 auf der dem Substrat 12 abgewandten Seite aufgebracht. Die zweite Schicht 16 wurde durch Glimmentladung in Silan,SiH,, hergestellt, und zwar typischerweise durch eine Glimmentladung in im wesentlichen reinem Silan. Da die Glimmentladung in im wesentlichen reinen Silan stattfindet, würde man annehmen, daß die zweite Schicht 16 undotiert ist, es wurde jedoch festgestellt, daß diese zweite Schicht 16, obwohl in reinem Silan hergestellt, leicht n-dotiert ist, beispielsweise bei Abscheiden auf einer Oberfläche, die auf eine Temperatur von mehr als 1000C erhitzt wurde. Die erste und die zweite Schicht 14 bzw. 16 sind, vom gleichen Leitfähigkeitstyp. Vorzugsweise nimmt die Dotierungskonzentration der ersten Schicint 14 derart ab, daß sie an der Grenzfläche 15 ein Maximum aufweist und bis zu unoedeutender Konzentration an der Grenzfläche der ersten Schicht 14 mit der zweiten Scmcht 16 abnimmt. Obwohl die erste Schicht vorzugsweise eine gestufte bzw. abnehmende Dotierungskonzentration aufweist, werden mit der vorliegenden Erfindung aus Gründen, die nachfolgend erklärt werden, auch Do-cierungskonzentrationenThe body 13 has a first layer 14 made of amorphous silicon, which was produced by glow discharge in a mixture of silane and doping gas. The first layer 14 has an ohmic contact with the substrate 12, a first interface 15 lying between the two. A second layer 16 made of amorphous silicon within the body 13 is applied to the first layer 14 on the side facing away from the substrate 12. The second layer 16 was formed by a glow discharge in silane, SiH ,,, typically by a glow discharge in essentially pure silane. Since the glow discharge takes place in essentially pure silane, one would assume that the second layer 16 is undoped, but it has been found that this second layer 16, although made in pure silane, is lightly n-doped, for example when deposited on a Surface that has been heated to a temperature of more than 100 ° C. The first and second layers 14 and 16, respectively, are of the same conductivity type. The doping concentration of the first layer 14 preferably decreases in such a way that it has a maximum at the interface 15 and decreases to an insignificant concentration at the interface of the first layer 14 with the second layer 16. Although the first layer preferably has a stepped or decreasing doping concentration, doping concentrations are also used with the present invention for reasons which will be explained below
umfaßt, die durch c'.ie gesamte Schicht 14 gleichförmig sind.which are uniform throughout the entire layer 14.
Das amorphe Silizium der ersten und zweiten Schicht 14 bzw. 16 wird durch eine Glimmentladung in Silan zuzüglich einem geeigneten Dotierungsgas für die Schicht 14 gebildet, und kann von anderem amorphem Silizium dadurch unterschieden werden, daß es die kinetischen Eigenschaften einer durchschnittlichen Zustandsdichte in der Größenordnung von 10 /ClYr oder darunter besitzt. Die durchschnittliche Zustandsdichte ist zu bestimmen durch Aufzeichnen des Verhältnisses von 1 zur quadrierten Kapazität (1/C ) als Funktion der an der Silizium-Halbleiteranordnung herrschenden Spannung. Aus der Form dieser Aufzeichnung können Fachleute die durchschnittliche Zustandsdichte bestimmen. Bei der Herstellung von amorphem Silizium durch Glimmentladung in Silan beträgt die Drift-Beweglichkeit für Elektronen 10 ^cm /V-seCo oder mehr. Die Driftbeweglichkeit der Elektronen wird durch bekannte Maßnahmen gemessen, wobei man Lichtimpulse oder Elektronenstrahlimpulse auf die vorgespannte Halbleiteranordnung auftreffen läßt und der durch die Impulse erzeugte nachfolgende Elektronenfluß wird durchThe amorphous silicon of the first and second layers 14 and 16 is produced by a glow discharge in silane plus one suitable doping gas is formed for the layer 14, and can thereby be distinguished from other amorphous silicon be that it has the kinetic properties of an average density of states of the order of 10 / ClYr or below. The average Density of states is determined by recording the ratio of 1 to the squared capacitance (1 / C) as Function of the voltage prevailing on the silicon semiconductor arrangement. From the form of this record, professionals can determine the average density of states. In the production of amorphous silicon by glow discharge in silane the drift mobility for electrons is 10 ^ cm / V-seco or more. The drift mobility of the electrons is measured by known measures, applying light pulses or electron beam pulses to the biased Can impinge semiconductor device and the subsequent electron flow generated by the pulses is through
ein Probensystem verfolgt. Aus Messungen der Fotoleitfähigkeit ist weiterhin abgeschätzt worden, daß die Größenordnung der Lebensdauer der Elektronen von durch die Glimmentladung in Silan erzeugtem amorphem Siliziumtracked a sampling system. From measurements of the photoconductivity it has also been estimated that the Order of magnitude of the lifetime of the electrons of amorphous silicon generated by the glow discharge in silane
_5
in der Größenordnung von 10 see. liegt. Gleichwohl kann
vorausgesetzt werden, daß durch Glimmentladung in Silan erzeugtes amorphes Silizium mit einer Elektronen-Lebensdauer
in der Größenordnung von 10 see oder höher ebenfalls gute elektrische Eigenschaften aufweist._5
on the order of 10 see. lies. Nevertheless, it can be assumed that amorphous silicon produced by glow discharge in silane, with an electron life of the order of 10 seconds or more, also has good electrical properties.
Die erste Schicht 14 ist typischerweise zwischen 100 und etwa 0,5 Micrometer dick, die zweite Schicht 16 zwischen etwa 1/2 und 1 Micrometer dick.The first layer 14 is typically between 100 and approximately 0.5 micrometers thick, the second layer 16 between about 1/2 and 1 micrometer thick.
?09839/08ft2? 09839 / 08ft2
Auf der der ersten Schicht 14 abgewandten Oberfläche der zweiten Schicht 16 ist ein Metallfilm 18 an einer Grenzfläche 20 angebracht. Der Metallfilm 18 ist mindestens halbtransparent gegenüber Sonnenstrahlung, wenn die Anordnung als Solarzelle benutzt werden soll, und ist aus Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit und hohem Normalpotential, beispielsweise größer als 4,5 eV, d.h. ein edles Metall, unter der Annahme, daß die zweite Schicht 16 η-leitend ist. Metalle mit guter elektrischer Leitfähigkeit und hohem Normalpotential, d.h. ein edles Metall, sind beispielsweise Gold, Silber, Platin, Palladium, Rhodium, Iridium oder Chrom. Der Metallfilm 18 kann aus einer einzelnen Metallschicht oder aus mehreren Schichten bestehen. Falls der Metallfilm 18 aus mehreren Schichten besteht, könnte eine erste Schicht aus Platin auf der zweiten Schicht 16 aufliegen, und eine zweite Schicht auf der ersten Platinschicht könnte Gold oder Silber sein, um eine gute elektrische Leitfähigkeit zu erreichen. Wie vorher festgestellt, ist im Falle einer Solarzelle der Metallfilm 18 mindestens halbtransparent gegenüber Sonnenstrahlung, und sollte zu diesem Zweck, da es sich um ein Metall handelt, etwa 100 Ä dick sein.On the surface of the second layer 16 facing away from the first layer 14, there is a metal film 18 at an interface 20 attached. The metal film 18 is at least semi-transparent to solar radiation when the arrangement to be used as a solar cell, and is made of metal with good electrical conductivity and high Normal potential, for example greater than 4.5 eV, i.e. a noble metal, assuming that the second Layer 16 is η-conductive. Metals with good electrical conductivity and high normal potential, i.e. a noble one Metal are, for example, gold, silver, platinum, palladium, rhodium, iridium or chromium. The metal film 18 can be made of consist of a single metal layer or of multiple layers. If the metal film 18 consists of several layers consists, a first layer of platinum could rest on the second layer 16, and a second layer on the first platinum layer could be gold or silver in order to achieve good electrical conductivity. As previously determined, in the case of a solar cell, the metal film 18 is at least semi-transparent to solar radiation, and for this purpose, since it is a metal, it should be about 100 Å thick.
Üblicherweise ist die erste Schicht η-leitend, obwohl die erste Schicht einer erfindungsgemäßen Schottky-Anordnung selbstverständlich auch p-leitend sein kann. Falls die erste Schicht 14 p-leitend ist, wird die zweite Schicht 16 derart dotiert, daß sie leicht p-leitend ist und der Metallfilm 18 besteht aus einem Metall mit niedrigem Normalpotential, d.h. einem unedlen Metall, mit weniger als etwa 4,3 eV, im allgemeinen Aluminium.The first layer is usually η-conductive, although the first layer of a Schottky arrangement according to the invention can of course also be p-conductive. If the first layer 14 is p-type, the second becomes Layer 16 is doped so that it is slightly p-conductive and the metal film 18 consists of a metal with low Normal potential, i.e. a base metal, less than about 4.3 eV, generally aluminum.
An einem Abschnitt der der Grenzfläche 20 gegenüberliegenden Oberfläche des Metallfilms 18 ist eine ElektrodeOn a portion of the surface of the metal film 18 opposite the interface 20 is an electrode
709839/088?709839/088?
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angeordnet. Typischerweise hat die Elektrode 22 die Form eines Gitters, obwohl sie auch andere bekannte Formen, beispielsweise eines Fingers oder eines Kammes aufweisen kann; die Elektrode besteht aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit.arranged. Typically, the electrode 22 is in the form of a grid, although other known shapes, for example a finger or a comb; the electrode is made of a metal with good electrical conductivity.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Elektrode 22 zwei Scharen von Gitterlinien auf, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und die Gitterlinien der anderen Anordnung schneiden. Die Elektrode 22 nimmt lediglich eine kleine Fläche der Oberfläche des Metallfilms 18 ein, beispielsweise etwa 5-10% der Oberfläche des Films 18, da die auf die Elektrode 22 auftreffende Sonnenstrahlung von der Anordnung 10 wegreflektiert werden soll. Die Aufgabe der Elektrode 22 besteht in der gleichmäßigen Aufnahme des vom Metallfilm 18 herrührenden Stromes. Die Elektrode 22 erleichtert es, den Serienwiderstand der Anordnung 20 niedrig zu halten, wenn er als Teil des Schaltkreises in Betrieb ist. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, daß lediglich eine einzige Gitterschar für eine gleichmäßige Stromaufnahme bei Anordnung mit kleinen Oberflächenbereichen notwendig ist, die in irgendeiner bekannten Form, wie als Finger, oder Kamm, gestaltet sein kann.In the present exemplary embodiment of the invention, the electrode 22 has two sets of grid lines which run substantially parallel to each other and intersect the grid lines of the other arrangement. The electrode 22 occupies only a small area of the surface of the metal film 18, for example about 5-10% of the Surface of the film 18, since the solar radiation impinging on the electrode 22 reflects away from the arrangement 10 shall be. The task of the electrode 22 is to evenly absorb the material from the metal film 18 Current. The electrode 22 makes it easier to keep the series resistance of the arrangement 20 low, when operating as part of the circuit. However, it can be assumed that only one single grid share for an even power consumption is necessary in the case of an arrangement with small surface areas, which in some known form, such as fingers, or comb, can be designed.
Eine Antireflexionsschicht 24 ist an der Elektrode 22 und der der Grenzfläche 20 gegenüberliegenden Oberfläche des von der Elektrode 22 nicht beieckten Metallfilms 18 angebracht. Die Antireflexionsschicht 24 weist eine Einfallfläche 26 auf, auf welche die Sonnenstrahlung 28 auftreffen kann. Wie allgemein bekannt, erhält man eine Erhöhung der Sonnenstrahlung 28, die durch den Metallfilm 18 durchgeht und in die Anordnung 10 eindringt, indem man die Dicke der Antireflexionsschicht 24An anti-reflective layer 24 is on the electrode 22 and the opposite surface of the interface 20 of the Metal film 18 not bent from the electrode 22 is attached. The anti-reflective layer 24 has an incidence surface 26 on which the solar radiation 28 can impinge. As is well known, one obtains an increase in solar radiation 28 which passes through metal film 18 and enters assembly 10, by adjusting the thickness of the anti-reflective layer 24
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in der Größenordnung von 7\,/n hält, wobei TU die Wellenlänge der auf die Einfallfläche 26 auftreffenden Strahlung, und η der Brechungsindex der Antireflexionsschicht 24 ist. Der Brechungsindex η der Antireflexionsschicht 24 sollte einen geeigneten Wert haben, damit der Betrag der auf den Metallfilm 18 auffallenden Sonnenstrahlung 28 erhöht wird. Falls beispielsweise der Metallfilm 18 aus Platin mit einer Dicke von 100 Ä besteht, könnte eine geeignete Antireflexionsschicht 24 aus Zirkonoxid ZrO2 von 500 Ä Dicke mit η = 2,1 bestehen. Im Ergebnis verringert die Antireflexionsschicht 24 den Betrag des Lichtes, der von der Anordnung 10 reflektiert wird. Normalerweise wird die Antireflexionsschicht 24 aus einem dielektrischen Material wie Zinksulfid, Zirkonoxid oder Silikonnitrid bestehen, sie kann aber auch ein transparentes halbleitendes Material wie Zinnoxid, welches mit Antimon dotiert ist, oder Indiumoxid, dotiert mit Zinn, sein.of the order of magnitude of 7 \, / n , where TU is the wavelength of the radiation impinging on the incident surface 26, and η is the refractive index of the antireflection layer 24. The refractive index η of the antireflection layer 24 should have a suitable value so that the amount of solar radiation 28 incident on the metal film 18 is increased. If, for example, the metal film 18 consists of platinum with a thickness of 100 Å, a suitable antireflection layer 24 could consist of zirconium oxide ZrO 2 with a thickness of 500 Å with η = 2.1. As a result, the anti-reflective layer 24 reduces the amount of light that is reflected from the assembly 10. Normally, the anti-reflective layer 24 will consist of a dielectric material such as zinc sulfide, zirconium oxide or silicon nitride, but it can also be a transparent semiconducting material such as tin oxide doped with antimony or indium oxide doped with tin.
Es ist bekannt, daß man einen Randschicht-Übergang, allgemein als Schottky-Grenzschicht bzw. -Sperrschicht bekannt, als Ergebnis der Berührung von bestimmten Metallen mit bestimmten Halbleitermaterialien erhält. Bei der Schottky-Anordnung 10 nach der vorliegenden Erfindung wird der Übergang durch Berührung des Metallfilms 18 mit der zweiten Schicht 16 an der Grenzfläche 20 gebildet. Eine Schottky-Sperrschicht erzeugt eine Raumladung oder ein elektrisches Feld im Halbleitermaterial dei/Anordnung 10 von der Grenzfläche 20 her, welches in die zweite Schicht 16 eindringt; dieser Bereich wird als Verarmungs- oder Sperr-Bereich bezeichnet. Als Ergebnis der abnehmenden Dotierungskonzentration in der ersten Schicht 14 wird ebenfalls in dieser ein elektrisches Feld erzeugt. Infolge der Schottky-Sperrschicht an der Grenzfläche 20 und der abgestuften, abnehmenden DotierungskonzentrationIt is known that a boundary layer junction, commonly known as a Schottky barrier layer or barrier layer, is as a result of the contact of certain metals with certain semiconductor materials. With the Schottky arrangement 10 according to the present invention, the transition is made by contacting the metal film 18 with the second Layer 16 is formed at the interface 20. A Schottky barrier creates a space charge or a electric field in the semiconductor material dei / arrangement 10 from the interface 20 which penetrates into the second layer 16; this area is called impoverishment or Denotes restricted area. As a result of the decreasing doping concentration in the first layer 14 an electric field is also generated in this. As a result of the Schottky barrier layer at the interface 20 and the graded, decreasing doping concentration
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'feeder ersten Schicht 14 erstreckt sich ein elektrisches Feld im wesentlichen durch die erste und die zweite Schicht 14 bzw. 16. Es wird zumindest für Fotospannungs-Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß sich das elektrische Feld sowohl durch die erste als auch durch die zweite Schicht 14 bzw. 16 erstreckt. Bei einem elektrischen Feld, das sich durch die erste und die zweite Schicht 14 bzw. 16 erstreckt, werden Ladungsträger, die irgendwo innerhalb dieser Schichten erzeugt werden, als Ergebnis der Absorption der Sonnenstrahlung 28 durch das elektrische Feld entweder zum Substrat 12 oder zur Metallschicht 18 abgezogen. Das Substrat 12 ist eine der Elektroden der Anordnung 10. Falls sich das elektrische Feld nicht in einen Abschnitt der ersten oder der zweiten Schicht'Feeder first layer 14 extends an electrical Field essentially through the first and second layers 14 and 16, respectively. It is used at least for photo-voltage arrangements according to the present invention preferred that the electric field through both the first and extends through the second layer 14 and 16, respectively. With an electric field that runs through the first and the second Layer 14 or 16 extends, charge carriers that somewhere within these layers as a result of the absorption of solar radiation 28 by the electric field withdrawn either to the substrate 12 or to the metal layer 18. The substrate 12 is one of the electrodes the arrangement 10. If the electric field does not extend into a portion of the first or the second layer
14 bzw. 16 der Anordnung 10 hineinerstreckt, werden irgendwelche Ladungsträger, welche in diesem quasi - neutralen Abschnitt erzeugt werden, nicht mit Hilfe eines Feldes zu einer Elektrode abgezogen und sind auf Diffusion zum Verarmungsbereich angewiesen, damit sie aufgefangen werden können. Außerdem trägt irgendein quasi - neutraler Bereich bei der Stromentnahme aus der Anordnung zum Serien- oder Reihenwiderstand bei, was den Wirkungsgrad der Anordnung verringert.14 or 16 of the arrangement 10 extends into it, are any Charge carriers that are generated in this quasi-neutral section, not with the help of a field withdrawn to an electrode and rely on diffusion to the depletion area in order to collect them can. In addition, some quasi-neutral area contributes to the current draw from the arrangement Series or series resistance at, which reduces the efficiency of the arrangement.
Während die abnehmende Dotierungskonzentration innerhalb der ersten Schicht 14 vorteilhaft ist für eine Verbreiterung des elektrischen Feld-Bereiches der Anordnung 10, kann zusätzlich ein Ohmscher Kontakt zwischen erster Schicht 14 und Substrat 12 leichter gebildet werden, da die Dotierungskonzentration an der ersten GrenzflächeWhile the decreasing doping concentration within the first layer 14 is advantageous for a broadening of the electric field area of the arrangement 10, an ohmic contact between the first Layer 14 and substrate 12 are more easily formed because of the doping concentration at the first interface
15 ihr Maximum hat, und beispielsweise in der Größenordnung von 5 Atom-96 liegt. Die Bildung eines Ohmschen Kontaktes an der Berührungsstelle 15 ist vorteilhaft, um einen niedrigen Serienwiderstand für die Halbleiter-15 has its maximum, and is, for example, of the order of 5 atom-96. The formation of an ohmic Contact at the point of contact 15 is advantageous in order to achieve a low series resistance for the semiconductor
709839/D8R?709839 / D8R?
η3 · η 3
anordnung 10 zu erreichen. Selbst wenn durch die erste Schicht 14 hindurch eine gleichförmige Dotierungskonzentration herrscht, kann an der Berührungsstelle 15 ein Ohmscher Kontakt gebildet werden, so lange die gleichförmige Dotierungskonzentration in der Größenordnung von 5 Atom-96 liegt.arrangement 10 to reach. Even if there is a uniform doping concentration through the first layer 14 prevails, an ohmic contact can be formed at the contact point 15, as long as the uniform Doping concentration is on the order of 5 atom-96.
Das amorphe Silizium der ersten Schicht 14, das durch Glimmentladung in Silan plus Dotierungsgas hergestellt wurde, und das amorphe Silizium der zweiten Schicht 16, das durch Glimmentladung in Silan hergestellt wurde, besitzt Eigenschaften, die für Fotospannungs-Anordnungen in idealer Weise geeignet sind. Die Elektronen-Lebensdauer in amorphem Silizium, das durch Glimmentladung in SilanThe amorphous silicon of the first layer 14, which is through Glow discharge was produced in silane plus doping gas, and the amorphous silicon of the second layer 16, made by glow discharge in silane has properties that are useful for photovoltaic assemblies are ideally suited. The electron lifespan in amorphous silicon produced by glow discharge in silane
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hergestellt wurde, wird auf etwa 10 see geschätzt, während die Elektronen-Lebensdauer bei amorphem Silizium, welches durch Zerstäubung oder Aufdampfen gewonnen wurde,is estimated to be around 10 see while the electron lifespan of amorphous silicon, which was obtained by sputtering or vapor deposition,
—11
in der Größenordnung von 10 see liegt»-11
is in the order of 10 see »
Messungen der spektralen Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Anordnung zeigen einen hohen Auffang-Wirkungsgrad im sichtbaren Bereich des Spektrums an, beispielsweise einen durchschnittlichen Auffang-Wirkungsgrad im Spektralbereich von 4000 & bis 7000 Ä in der Größenordnung von 50%.Measurements of the spectral sensitivity of the arrangement according to the invention show a high collection efficiency in the visible range of the spectrum, for example an average collection efficiency in the spectral range from 4000 & to 7000 Ä in the order of 50%.
Die Lichtabsorption im sichtbaren Bereich, d.h. von 4000 Ä bis 7000 Ä, liegt bei durch Glimmentladung erzeugtem amorphem Silizium höher als diejenige von monokristallinem Silizium. In Figur 2 ist gezeigt, daß amorphes Silizium einen größeren Absorptionskoeffizienten über den sichtbaren Bereich hat als monokristallines Silizium. Dies bedeutet, daß ein Hauptteil aus durch Glimmentladung gewonnenen amorphem Silizium um den Faktor 10 dünner sein kann als monokristallines Silizium, um eine vergleichbareThe light absorption in the visible range, i.e. from 4000 Å to 7000 Å, is generated by glow discharge amorphous silicon is higher than that of monocrystalline silicon. In Figure 2 it is shown that amorphous Silicon has a larger absorption coefficient over the visible range than monocrystalline silicon. this means that a major part of amorphous silicon obtained by glow discharge can be thinner by a factor of 10 can as monocrystalline silicon to a comparable
709839/08B?709839 / 08B?
Lichtabsorption im sichtbaren Bereich zu erzielen.To achieve light absorption in the visible range.
Weiterhin liegt die durchschnittliche Zustandsdichte von durch Glimmentladung gewonnenem, amorphem Silizium in der Größenordnung von 10 /cm oder darunter. Die durchschnittliche Zustandsdichte von durch Glimmentladung erzeugtem amorphem Silizium nimmt mit steigender Abscheidetemperatur und wachsender Reinheit des Silans bei der Herstellung ab und ist viel niedriger als diejenige von amorphem Silizium, das auf andere Art erzeugt wurde, beispielsweise durch Zerstäubung oder Aufdampfung, dessenFurthermore, there is the average density of states of amorphous silicon obtained by glow discharge on the order of 10 / cm or less. The average density of states by glow discharge Amorphous silicon produced decreases with increasing deposition temperature and increasing purity of the silane during production and is much lower than that of amorphous silicon produced in other ways, for example by atomization or vapor deposition, of which
19/ 3 durchschnittliche Zustandsdichte bei 10 vcm·^ oder darüber liegt. Es ist auffällig, daß die Zustandsdichte umgekehrt proportional zum Quadrat der Breite des Verarmungsbereichs ist. Da die Zustandsdichte bei durch Glimmentladung gewonnenem amorphem Silizium relativ niedrig ist, kann man eine Verarmungsbreite in der Größenordnung von Λ*/ m erhalten. Augenfällig für die durchschnittliche Zustandsdichte nahe der Mitte des Energiebandes ist die Tatsache, daß die Lebensdauer der Energieträger*umgekehrt proportional ist zur durchschnittlichen Zustandsdichte. Diese Tatsache bestätigt wiederum, daß die Lebensdauer der Träger von durch Glimmentladung gewonnenem amorphem Silizium höher ist als diejenige von amorphem Silizium, das durch die vorher erwähnten anderen Verfahren hergestellt wurde.19/3 average density of states is 10 vcm · ^ or more. It is noticeable that the density of states is inversely proportional to the square of the width of the depletion region. Since the density of states in amorphous silicon obtained by glow discharge is relatively low, a depletion width on the order of Λ * / m can be obtained. Evident for the average density of states near the center of the energy band is the fact that the life of the energy carrier * is inversely proportional to the average stand-tight u Z. This fact in turn confirms that the carrier life of glow discharge amorphous silicon is longer than that of amorphous silicon produced by the aforementioned other methods.
In Figur 3 ist eine für eine Glimmentladung geeignete Vorrichtung zur Herstellung der Halbleiter-Anordnung 10 nach der vorliegenden Erfindung im ganzen mit 30 bezeichnet. Die Glimmentladungs-Vorrichtung 30 enthält eine Kammer 32, welche durch eine Vakuumglocke 34, üblicherweise aus Glas, gebildet wird. In der Vakuumkammer 32 ist eine Elektrode 36 sowie eine Heizplatte 38 inFIG. 3 shows a device suitable for a glow discharge for producing the semiconductor arrangement 10 is designated as a whole by 30 according to the present invention. The glow discharge device 30 includes a chamber 32, which is through a bell jar 34, usually made of glass. In the vacuum chamber 32, an electrode 36 and a heating plate 38 are in
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einem Abstand davon und gegenüber der Elektrode 36 angeordnet. Die Elektrode 36 besteht aus Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit, wie Platin, und hat die Form eines Schirms oder einer Spule. Die Heizplatte 38 besteht aus einem Keramik-Rahmen mit eingeschlossenen Heizspulen, die von einer Stromquelle 40 außerhalb der Vakuumkammer 32 gespeist werden.at a distance therefrom and opposite the electrode 36. The electrode 36 is made of metal with good electrical conductivity, such as platinum, and is in the form of a screen or a coil. The heating plate 38 is made from a ceramic frame with enclosed heating coils, which are from a power source 40 outside the vacuum chamber 32 can be fed.
Ein erster Auslaß 44 in der Vakuumkammer 32 ist mit einer Diffusionspumpe verbunden, ein zweiter Auslaß 46 ist mit einer mechanischen Pumpe verbunden, und ein dritter Auslaß 48 ist mit einer Gaszufuhr verbunden, die als QiAIe für die verschiedenen, während des Glimmentladungs-Verfahrens benutzten Gase darstellt. Obwohl der zweite Auslaß 46 als mit einer Diffusionspumpe verbunden beschrieben ist, wird vorausgesetzt, daß eine Diffusionspumpe unter Umständen nicht notwendig ist, da die mit dem ersten Auslaß 44 verbundene, mechanische Pumpe die Anlage bis zu einem ausreichenden Druck evakuieren kann.A first outlet 44 in the vacuum chamber 32 is connected to a diffusion pump, and a second outlet 46 is connected to a mechanical pump, and a third outlet 48 is connected to a gas supply known as QiAIe represents the various gases used during the glow discharge process. Although the second outlet 46 is described as being connected to a diffusion pump, it is assumed that a diffusion pump under Under certain circumstances is not necessary, since the mechanical pump connected to the first outlet 44, the system up to can evacuate at a sufficient pressure.
Bei der Herstellung der Halbleiteranordnung 10 wird das Substrat 12, beispielsweise rostfreier Stahl 304, auf der Heizplatte 38 angeordnet und mit einer Buchse der Spannungsquelle 42 verbunden, während die Elektrode 36 mit der entgegengesetzten Buchse der Spannungsquelle 42 verbunden wird. Daher existiert ein Spannungspotential zwischen Elektrode 36 und Substrat 12. Die Spannung der Spannungsquelle 42 kann entweder Gleichspannung sein oder sie kann im niedrigen Frequenzbereich von beispielsweise 60 Hertz, oder im Radiofrequenzbereich liegen, beispielsweise im Hochfrequenzbereich in der Größenordnung von MHz. Wenn die Spannungsquelle 42 Gleichstrom liefert, ist die Elektrode 36 üblicherweise mit der positivenIn manufacturing the semiconductor device 10, the substrate 12, such as 304 stainless steel, is made the heating plate 38 and connected to a socket of the voltage source 42, while the electrode 36 is connected to the opposite socket of the voltage source 42. Hence there is a voltage potential between electrode 36 and substrate 12. The voltage of the Voltage source 42 can either be DC voltage or it can be in the low frequency range of, for example 60 Hertz, or in the radio frequency range, for example in the high frequency range in the order of magnitude from MHz. When the voltage source 42 is supplying direct current, the electrode 36 is usually positive
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Buchse der Spannungsquelle 42 verbunden, und das Substrat 12 ist mit der negativen Buchse der Spannungsquelle 42 verbunden. Daher wirkt die Elektrode 36 als Anode und das Substrat 12 als Kathode, wenn die Spannungsquelle 42 eingeschaltet wird. Dieses wird als Kathoden-Gleichstrom-Betrieb bezeichnet. Jedoch können beim Gleichstrombetrieb das Substrat 12 und die Elektrode 36 auch umgekehrte Polarität haben, d.h. daß das Substrat 12 die Anode und die Elektrode 36 die Kathode ist, was als Gleichstrom-Anodenbetrieb bezeichnet wird. Es wurde festgestellt, daß die Abscheidegeschwindigkeit beim Kathodenbetrieb etwas höher als beim Anodenbetrieb liegt. Außerdem kann ein Hochfrequenz-Glimmentladungsbetrieb in Elektroden-losen Glimmentladungsvorrichtungen von bekannter Bauart durchgeführt werden, beispielsweise in kapazitiven Hochfrequenz-Glimmentladungs-Anlagen und induktiven Hochfrequenz-Glimmentladungs-Anlagen.The socket of the voltage source 42 is connected, and the substrate 12 is connected to the negative socket of the voltage source 42 tied together. Therefore, the electrode 36 acts as the anode and the substrate 12 as the cathode when the voltage source 42 is switched on. This is called cathode direct current operation. However, in DC operation substrate 12 and electrode 36 also have reversed polarity, i.e. substrate 12 is the anode and the Electrode 36 is the cathode in what is referred to as DC anode operation. It was found that the Deposition speed slightly higher in cathode operation than is the case with anode operation. In addition, a high-frequency glow discharge operation be carried out in electrode-less glow discharge devices of known design, for example in capacitive high-frequency glow discharge systems and inductive high-frequency glow discharge systems.
Jedoch erreicht wan eine gleichmäßigere Abscheidung überHowever, a more even deposition can be achieved
ρ eine große Fläche, beispielsweise größer als 10 cm , bei einer Glimmentladung mit Gleichstrom oder niedrigem Wechselstrom als mit Elektroden-loser Hochfrequenz. Als nächstes wird die Vakuumkammer 32 üblicherweise auch auf einen Druck von etwa 10- bis 10~ Torr evakuiert, und das Substrat 12 auf eine Temperatur im Bereich von 150° bis 450°C aufgeheizt, wobei man die Heizspulen der Heizplatten 38 mit Strom versorgt.ρ a large area, for example greater than 10 cm a glow discharge with direct current or lower alternating current than with electrode-less high frequency. Next the vacuum chamber 32 is usually also to a pressure evacuated from about 10 to 10 ~ Torr, and the substrate 12 is heated to a temperature in the range from 150 ° to 450 ° C, wherein the heating coils of the heating plates 38 are supplied with power.
Dann wird eine Atmosphäre von etwa 98,5% Silan, SiH,, und etwa 1,5% n-Dotiergas in die Vakuumkammer eingeführt, so daß ein Druck von 0,1 bis 5 Torr entsteht, und als Ergebnis erhöht sich die Substrat-Temperatur auf einen Wert im Bereich von 2000C bis 500°C. Übliche n-Typ-Dotiergase, welche in Glimmentladungs-Verfahren verwendet werden können, sind Phosphin, PH,, und Arsin AsH,. Es können eben-Then an atmosphere of about 98.5% silane, SiH ,, and about 1.5% n-doping gas is introduced into the vacuum chamber so that a pressure of 0.1 to 5 Torr is created, and as a result the substrate increases. temperature to a value in the range from 200 0 C to 500 ° C. Common n-type doping gases that can be used in glow discharge processes are phosphine, PH ,, and arsine AsH ,. It can also-
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falls Materialien wie Antimon Sb, Wismuth Bi, Natriumhydrid NaH und Caesium-nitrid CsN, verwendet werden, indem man sie in ein Verdampferschiffchen füllt und in der Atmosphäre der Vakuumkammer 32 erhitzt, bis der gewünschte Betrag von Dotiergas oder -Dampf in die Silan-Atmosphäre abgegeben wird.if materials like antimony Sb, bismuth Bi, sodium hydride NaH and cesium nitride, CsN, can be used by placing them in an evaporator boat and leaving them in the atmosphere the vacuum chamber 32 is heated until the desired amount of doping gas or vapor is in the silane atmosphere is delivered.
Um die Glimmentladung zwischen Elektrode 36 und Substrat 12 einzuleiten, wird die Spannungsquelle 42 eingeschaltet, wodurch das Abscheiden der dotierten, amorphen Siliziumschicht 14 beginnt. Es sei der Gleichstrom-Kathodenbetrieb angenommen. Für die Abscheidung der ersten Schicht 14 sollte die Stromdichte in der Größenordnung von 0,1 bis 3,0 mA/cm an der Oberfläche des Substrats 12 liegen. Die Abscheidegeschwindigkeit des amorphen Siliziums wächst mit dem Dampfdruck des Silans und der Stromdichte an. Bei einem DruckAround the glow discharge between electrode 36 and substrate 12 initiate, the voltage source 42 is switched on, whereby the deposition of the doped, amorphous silicon layer 14 starts. Assume direct current cathode operation. For the deposition of the first layer 14 should the current density is on the order of 0.1 to 3.0 mA / cm at the surface of the substrate 12. The deposition rate of the amorphous silicon grows with the vapor pressure of the silane and the current density. At a pressure
von 2 Torr und einer Stromdichte von 1 mA/cm zum Kathodensubstrat 12 bei einer Temperatur von 35O°C findet das Abscheiden von etwa 200 Ä dotiertem amorphem Silizium in wenigen Sekunden statt. Um die Dotierungskonzentration der ersten Schicht 14 abzustufen bzw. abnehmen zu lassen, wird während der Glimmentladungs-Abscheidung zusätzliches Silan in die Vakuumkammer 32 eingeführt.of 2 Torr and a current density of 1 mA / cm to the cathode substrate 12 at a temperature of 350 ° C finds this Deposition of about 200 Å of doped amorphous silicon takes place in a few seconds. To the doping concentration of the first layer 14 to be graded or to be removed is additional during the glow discharge deposition Silane introduced into the vacuum chamber 32.
Wenn die Glimmentladung für den Gleichstrom-Kathodenbetrieb einmal eingeleitet ist, werden Elektronen von dem Substrat 12 ausgesandt und treffen mit Silanmolekülen SiH. zusammen, wobei beide Moleküle ionisiert und dissoziiert werden. Die positiven Siliziumionen und die positiven Siliziumhydrid-Ionen SiH+, werden zum Substrat 12 hingezogen, das die Kathode bildet, wobei Silizium, das einigen Wasserstoff enthält, auf dem Substrat 12 abgeschieden wird. Es wird angenommen, daß die Anwesenheit von Wasserstoff in amorphem Silizium für seine elektrischen Eigenschaften von Vorteil ist.Once the glow discharge for direct current cathode operation has been initiated, electrons are emitted from the substrate 12 and strike SiH with silane molecules. together, whereby both molecules are ionized and dissociated. The positive silicon ions and the positive silicon hydride ions, SiH + , are attracted to the substrate 12, which forms the cathode, with silicon, which contains some hydrogen, being deposited on the substrate 12. It is believed that the presence of hydrogen in amorphous silicon is beneficial for its electrical properties.
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Die Atmosphäre der Vakuumkammer 32 wird dann durch die mechanische Pumpe 46 abgepumpt.The atmosphere of the vacuum chamber 32 is then pumped out by the mechanical pump 46.
-6 Wenn die Vakuumkammer 32 einen Druck von etwa 10 Torr aufweist, wird im wesentlichen reines Silan in die Vakuumkammer 32 eingeführt, so daß ein Druck im Bereich von 0,1 bis 5 Torr entsteht. Die Glimmentladung wird erneut für 1 bis 5 Minuten bei einer Stromdichte von 0,3 mA/cm bis 3,0 mA/cm an der ersten Schicht 14 für die Ablagerung der zweiten Schicht 16 aus amorphem Silizium in Betrieb gesetzt. Es hat sich herausgestellt, dai3 die zweite Schicht 16 aus amorphem Silizium, die in im wesentlichen reinem Silan durch Glimmentladung hergestellt wird, leicht n-leitend ist, wenn sie auf der ersten Schicht 14 bei einer Temperatur über 1000C abgeschieden wird.-6 When the vacuum chamber 32 is at a pressure of about 10 torr, essentially pure silane is introduced into the vacuum chamber 32 so that a pressure in the range of 0.1 to 5 torr is established. The glow discharge is restarted for 1 to 5 minutes at a current density of 0.3 mA / cm to 3.0 mA / cm at the first layer 14 for the deposition of the second layer 16 of amorphous silicon. It has been found dai3 the second layer 16 of amorphous silicon, which is prepared in essentially pure silane by the glow discharge, light n-type conductivity is, when deposited on the first layer 14 at a temperature above 100 0 C.
Die Temperatur des Substrats 12 beim Glimmentladungsverfahren kann infolge von Effekten der Auto-Dotierung, der Bildung eines Eutektikums und infolge von induzierter Kristallisation die Zusammensetzung und Struktur des darauf abgeschiedenen Materials beeinflussen, d.h. diese Abscheidung auf einem Einkristall-Silizium-Substrat bei Temperaturen oberhalb etwa 5000C hat eine Abscheidung von polykristallinem Silizium zur Folge, und eine Abscheidung auf einem Goldsubstrat bei Temperaturen über 1860C resultiert in einer induzierten Kristallisation des abgeschiedenen Siliziums.The temperature of the substrate 12 during the glow discharge process can influence the composition and structure of the material deposited thereon as a result of the effects of auto-doping, the formation of a eutectic and as a result of induced crystallization, ie this deposition on a single crystal silicon substrate at temperatures above about 500 0 C results in a deposition of polycrystalline silicon, and a deposition on a gold substrate at temperatures above 186 0 C results in an induced crystallization of the deposited silicon.
Nach der Abscheidung der ersten und zweiten Schicht 14 bzw. 16 kann der Grundkörper 13 einer Wärmebehandlung unterzogen werden, bei der er für fünf Minuten bis zu einigen Stunden einer Temperatur im Bereich von 2000C bis 4500C ausgesetzt wird. Es sei erwähnt, daß die Wärmebehandlung nur bei den unteren Temperaturen mehrere Stunden beträgt.After the first and second layers 14 and 16 have been deposited, the base body 13 can be subjected to a heat treatment in which it is exposed to a temperature in the range from 200 ° C. to 450 ° C. for five minutes to a few hours. It should be mentioned that the heat treatment lasts for several hours only at the lower temperatures.
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Üblicherweise kann die Wärmebehandlung so durchgeführt werden, daß man den Grundkörper 13 nach Beendigung des Glimmvorganges in der Glimmentladungs-Vorrichtung 30 beläßt, oder das Plättchen in einen Ofen allgemein bekannter Bauart stellt. Die Wärmebehandlung kann entweder im Vakuum oder in einer Formgas-Atmosphäre stattfinden, d.h. 90 Vol-% Stickstoff und 10 Vol.-% Sauerstoff oder in einer Atmosphäre aus reinem Stickstoff oder aus reinem Sauerstoff. Diese Verfahrensstufe merzt Gitterfehler im Grundkörper aus amorphem Silizium aus und verbessert den Wirkungsgrad der Anordnung.Usually, the heat treatment can be carried out so that the base body 13 after completion of the Glow process in the glow discharge device 30 leaves, or place the wafer in an oven of generally known type. The heat treatment can either be in Take place in a vacuum or in a molding gas atmosphere, i. 90% by volume nitrogen and 10% by volume oxygen or in one An atmosphere of pure nitrogen or pure oxygen. This process stage eliminates lattice defects in the base body made of amorphous silicon and improves the efficiency of the arrangement.
Als nächstes wird der Grundkörper 13 in. eine bekannte Aufdampf ungsanlage gegeben und der Metallfilm 18 auf die zweite Schicht 16 aufgedampft. In gleicher Weise werden die Elektrode 22 und die Antireflexionsschicht 24 auf den Metallfilm 18 durch bekannte Aufdampfungs- und Maskentechniken abgeschieden. Das ganze Verfahren kann in einer einzigen Anlage durchgeführt werden, die sowohl für Glimmentladung als auch für Verdampfung einger/ichtet ist.Next, the base body 13 in. A known vapor deposition ungsanlage given and the metal film 18 is vapor-deposited on the second layer 16. In the same way, the electrode 22 and the anti-reflective layer 24 on the metal film 18 by known vapor deposition and masking techniques deposited. The whole process can be carried out in a single facility, both for glow discharge as well as for evaporation.
Es wurde weiterhin festgestellt, daß der Auffang-Wirkungsgrad der Anordnung 10 steigt, wenn diese einen Metallfilm 18 aus einem Material aufweist, der zu der Gruppe Chrom, Iridium, Rhodium, Platin oder Palladium gehört, und während der Herstellung einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Üblicherweise kann die Wärmebehandlung dann erfolgen, nachdem die Antireflexionsschicht 24 abgeschieden wurde, oder sowohl vor der Abscheidung der Elektrode 22 als auch nach der Abscheidung der Antireflexionsschicht 24. Insbesondere kann man für die Wärmebehandlung die Halbleiteranordnung 10 in eine Wärmebehandlungskammer von bekannter Bauart einbringen und einer TemperaturIt has also been found that the collection efficiency of the assembly 10 increases when it has a metal film 18 comprises a material belonging to the group of chromium, iridium, rhodium, platinum or palladium, and during is subjected to a heat treatment during manufacture. Usually, the heat treatment can then take place after the anti-reflective layer 24 has been deposited, or both before the electrode 22 is deposited as well as after the deposition of the anti-reflective layer 24. In particular, for the heat treatment, the Bring semiconductor device 10 into a heat treatment chamber of known type and a temperature
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zwischen 15O0C und 250°C für etwa 5 bis 30 Minuten unterziehen. Die Wärmebehandlungskammer kann evakuiert sein oder unter Formgasatmosphäre stehen, beispielsweise 90 Vol.-% Stickstoff und 10 Vol.-96 Wasserstoff oder unter einer Atmosphäre von reinem Stickstoff oder von reinem Wasserstoff. Es wurde festgestellt, daß diese Wärmebehandlung den Wirkungsgrad erhöht, wobei ein Anwachsen der Höhe der Schottky-Grenzschicht bzw. -Sperrschicht erzielt wurde, außerdem eine Verbesserung des Auffang-Wirkungsgrades und eine Verringerung des wirksamen Serienwiderstandes der Anordnung. Die Herstellung der Halbleiter-Anordnung 10 wird durch die Verbindung von Drahtelektroden (nicht gezeigt) mit dem Substrat 12 und der Elektrode 22 für einen Anschluß an externe Schaltkreise fertiggestellt.undergo between 15O 0 C and 250 ° C for about 5 to 30 minutes. The heat treatment chamber can be evacuated or under a molding gas atmosphere, for example 90% by volume nitrogen and 10% by volume hydrogen or under an atmosphere of pure nitrogen or pure hydrogen. It has been found that this heat treatment increases the efficiency, increasing the height of the Schottky barrier layer, an improvement in the collection efficiency and a reduction in the effective series resistance of the device. The manufacture of the semiconductor device 10 is accomplished by connecting wire electrodes (not shown) to the substrate 12 and electrode 22 for connection to external circuitry.
Beim Betrieb der Halbleiteranordnung 10 kann das Substrat 12 nicht absorbierte Sonnenstrahlung zurück in die erste und zweite Schicht 14 bzw. 16 reflektieren, wobei die Möglichkeit für eine Strahl-Absorption verbessert wird.During operation of the semiconductor arrangement 10, the substrate 12 can return unabsorbed solar radiation back into the first and reflect second layers 14 and 16, respectively, whereby the possibility for beam absorption is improved.
In Fig. 4 ist eine zweite Glimmentladungsvorrichtung zum Herstellen der Halbleiter-Anordnung 10 gezeigt, die mit 130 bezeichnet ist. Die Vorrichtung 130 ist ähnlich der Vorrichtung 30 aufgebaut, insbesondere sind die Vakuumkammer 132, die Vakuumglocke 134, die Elektrode 136, die Heizplatte 138, die Stromquelle 140, die Spannungsquelle 142, der erste Auslaß 144, der zweite Auslaß 146 und der dritte Auslaß 148 der Vorrichtung 130 die gleichen wie die Vakuumkammer 32, die Vakuumglocke 34, die Elektrode 36, die Heizplatte 38, die Stromquelle 40, die Spannungsquelle 42, der erste Auslaß 44, der zweite Auslaß 46 sowie der dritte Auslaß 48 bei der Vorrichtung 30. Anders als die Vorrichtung 30 wedst die Vorrichtung I30 eine Elektrode 149 auf, welche die Form eines Schirms hat. Die Schirm-In Fig. 4, a second glow discharge device for producing the semiconductor device 10 is shown, which with 130 is designated. The device 130 is similar to FIG Device 30 constructed, in particular the vacuum chamber 132, the vacuum bell 134, the electrode 136, the Heating plate 138, the power source 140, the voltage source 142, the first outlet 144, the second outlet 146 and the third outlet 148 of device 130 the same as the vacuum chamber 32, the bell jar 34, the electrode 36, the heating plate 38, the power source 40, the voltage source 42, the first outlet 44, the second outlet 46 as well the third outlet 48 in the device 30. Unlike the device 30, the device I30 has an electrode 149, which has the shape of an umbrella. The umbrella
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elektrode 149 besteht aus elektrisch leitendem Material, beispielsweise aus einem Metall, wie rostfreiem Stahl, und hat Öffnungen, welche kleiner sind als der Kathoden-Dunkelraum-Bereich der Glimmentladung. Die Schirmelektrode 149 ist zwischen Elektrode 136 und Heizplatte 138 in einem Abstand über dem Substrat 12 angeordnet, der in der Größenordnung des Kathoden-Dunkelraum-Bereichs der Glimmentladung liegt. Der Betrieb der Vorrichtung 130 unterscheidet sich insofern von demjenigen der Vorrichtung 30, daß das Substrat 12 nicht elektrisch mit der Spannungsquelle 142 verbunden ist, sondern statt dessen die Schirmelektrode 142. Daher ist die Schirmelektrode 149 mit einer Buchse der Spannungsquelle 142 und die Elektrode I36 mit der gegenüberliegenden Buchse verbunden. Nimmt man einen Gleichstrom-Kathodenbetrieb an, dann werden die positiven Ionen in der Glimmentladung zur Schirmelektrode 149 hingezogen, wenn man die Spannungsquelle 142 einschaltet. Die meisten positiven Ionen werden jedoch durch die Öffnungen der Schirmelektrode 149 hindurchgehen. electrode 149 consists of electrically conductive material, for example made of a metal such as stainless steel and has openings which are smaller than the cathode dark space area the glow discharge. The shield electrode 149 is in one between the electrode 136 and the heating plate 138 Distance arranged above the substrate 12, which is in the order of magnitude of the cathode dark space region of the glow discharge lies. The operation of device 130 differs from that of device 30 in that the substrate 12 is not electrically connected to the voltage source 142, but instead the shielding electrode 142. Hence is the shield electrode 149 with a socket of the voltage source 142 and the electrode I36 with the opposite Socket connected. Assuming direct current cathode operation, the positive ions are in the glow discharge drawn towards the shield electrode 149 when the voltage source 142 is switched on. Most of the positive ions will be however, pass through the openings of the shield electrode 149.
Die Vorrichtung 130 mit der Schirmelektrode 149 kann dann verwendet werden, wenn das Substrat 12 ein Isolator ist, auf dem kein elektrischer Kontakt möglich ist. Die Vorrichtung 130 kann jedoch auch bei der Herstellung von Anordnungen mit amorphem Silizium benützt werden, bei denen das Substrat 12 kein Isolator ist.The device 130 with the shield electrode 149 can then can be used when the substrate 12 is an insulator on which no electrical contact is possible. The device However, 130 can also be used in the manufacture of assemblies be used with amorphous silicon, in which the substrate 12 is not an insulator.
Die Vorrichtung 130 kann wie die Vorrichtung 30 im Gleichstrom-Kathoden- oder-Anoden-Betrieb betrieben werden.The device 130 can, like the device 30, in the direct current cathode or anode operation.
In Fig. 5 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Halbleiter-Anordnung mit Schottky-Grenzschicht bzw. -Sperrschicht nach der vorliegenden Erfindung dargestellt und mit 110 bezeichnet. Die Halbleiteranordnung 110 enthältIn Fig. 5 is a second embodiment of a semiconductor arrangement shown with Schottky barrier layer or barrier layer according to the present invention and denoted by 110. The semiconductor assembly 110 includes
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ein elektrisch leitendes Substrat 112. An eine Oberfläche des Substrats 112 grenzt eine Zwischenschicht 111 an, und an diese ein Grundkörper 113. Der Körper 113 enthält eine erste Schicht 114 auf der Zwischenschicht 111 gegenüber dem Substrat 112, und eine zweite Schicht 116 auf der ersten Schicht 114 gegenüber dem Substrat 112. Ein halbtransparenter Metallfilm 118 ist auf der zweiten Schicht 116 gegenüber dem Substrat 112 aufgebracht und bildet zwischen beiden einen Randschicht-Übergang. An einem Abschnitt des Metallfilms 118 ist eine Elektrode 122 angebracht, während der verbleibende Teil des Metallfilms mit einer Antireflexionsschicht 124 versehen ist. Das Substrat 112, die erste Schicht 114, die zweite Schicht 116, der Metallfilm 118, die Elektrode 122 und die Antireflexionsschicht 124 der Anordnung 110 sind die gleichen wie das Substrat 12, die erste Schicht 14, die zweite Schicht 16, der Metallfilm 18, die Elektrode 22 und die Antireflexionsschicht 24 der Halbleiteranordnung 10. Der einzige Unterschied zwischen Halbleiteranordnung 10 und Halbleiteranordnung 110 besteht darin, daß die Anordnung 110 eine Zwischenschicht 111 aufweist, die bei der Anordnung 10 nicht vorhanden ist.an electrically conductive substrate 112. An intermediate layer 111 adjoins a surface of the substrate 112, and to this a base body 113. The body 113 contains a first layer 114 on the intermediate layer 111 opposite the substrate 112, and a second layer 116 on the first layer 114 opposite substrate 112. A semi-transparent metal film 118 is on the second layer 116 applied to the substrate 112 and forms between the two a boundary layer transition. An electrode 122 is attached to a portion of the metal film 118, while the remaining part of the metal film is provided with an anti-reflective layer 124. That Substrate 112, the first layer 114, the second layer 116, metal film 118, electrode 122, and anti-reflective layer 124 of assembly 110 are the same such as the substrate 12, the first layer 14, the second layer 16, the metal film 18, the electrode 22 and the Anti-reflective layer 24 of the semiconductor arrangement 10. The only difference between semiconductor arrangement 10 and semiconductor device 110 is that the device 110 has an intermediate layer 111, which in the Arrangement 10 does not exist.
Die Zwischenschicht 111 besteht aus einem Material, das einen Ohmschen Kontakt sowohl zum Substrat 112 als auch zur ersten Schicht 114 bewirkt. Üblicherweise besteht die Zwischenschicht 111 aus dotiertem amorphem Germanium oder aus einer Verbindung von dotiertem amorphem Germanium und Silizium. Bei jeder dieser Materialien ist die Schicht 111 gewöhnlich η-leitend, falls die zweite Schicht 16 leicht η-leitend ist. Es wurde festgestellt, daß amorphes Germanium ein gutes Material zum Bilden eines Ohmschen Kontaktes zwischen dotiertem amorphem Silizium und metallischem Substrat 112 darstellt. Ins-The intermediate layer 111 consists of a material that has an ohmic contact both to the substrate 112 and to the first layer 114 caused. The intermediate layer 111 usually consists of doped amorphous germanium or from a compound of doped amorphous germanium and silicon. With each of these materials is the Layer 111 usually η-conductive if the second layer 16 is slightly η-conductive. It was determined, that amorphous germanium is a good material for forming an ohmic contact between doped amorphous Silicon and metallic substrate 112 represents. Into the-
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besondere, wenn das Substrat 112 aus Aluminium besteht, ist die elektrische Leitfähigkeit zwischen erster und zweiter Schicht 114 bzw. 116 der Anordnung 110 sowie des Substrats 112 besser als die elektrische Leitfähigkeit zwischen erster und zweiter Schicht 14 und 16 der Anordnung 10 sowie des Substrats 12.in particular, when the substrate 112 is made of aluminum, the electrical conductivity is between the first and second Layer 114 or 116 of the arrangement 110 and of the substrate 112 better than the electrical conductivity between first and second layers 14 and 16 of the arrangement 10 and the substrate 12.
Der Betrieb der Anordnung 110 ist der gleiche wie der vorher beschriebene für die Halbleiteranordnung 10. Die Herstellung der Halbleiteranordnung 110 ist ähnlich derjenigen der Anordnung 10, ausgenommen, daß die Zwischenschicht 111 durch eine Glimmentladung auf dem Substrat 112 abgeschieden wird, bevor die erste Schicht 114 durch Glimmentladung hergestellt wird. Unter Verwendung eines Gerätes gemäß Fig. 3 vollzieht sich die Herstellung der Zwischenschicht 111 folgendermaßen: Das Substrat 112 wirdauf die Heizplatte 138 gelegt, das Substrat auf eine Temperatur im Bereich von 1500C bis 45O0C aufgeheizt und die Kammer 132 auf einen Druck von etwa 0,5 bis 1,0 . 10" Torr evakuiert. Als nächstes werden Gase, welche durch die gewünschte Zusammensetzung der Zwischenschicht 111 bestimmt sind, in die Kammer 132 eingeführt, bis zu einem Druck von 0,1 bis 5,0 Torr. Falls die Zwischenschicht aus dotiertem Germanium bestehen soll, enthält die Atmosphäre etwa 60% Germaniumwasserstoff GeH,, 39,5% Silan SiH, und etwa 0,5% Dotiergas, beispielsweise Phosphin PH,, das n-leitend ist. Die Glimmentladung wird dann eingeleitet und für etwa zwei Sekunden zum Ablagern einer Zwischenschicht 111 von etwa 200 Ä Dicke fortgesetzt. Die Atmosphäre in der Vakuumkammer 32 wird dann durch die mechanische Pumpe 46 abgepumpt. Die übrige Herstellung der Halbleiteranordnung 110 ist die gleiche wie zuvor für die Halbleiteranordnung 10 beschrieben.The operation of the device 110 is the same as that previously described for the semiconductor device 10. The manufacture of the semiconductor device 110 is similar to that of the device 10, except that the intermediate layer 111 is deposited on the substrate 112 by a glow discharge prior to the first layer 114 is produced by glow discharge. ., Using an apparatus according to FIG 3, the production takes place of the intermediate layer 111 as follows: Substrate 112 wirdauf the heating plate 138 placed, the substrate is heated to a temperature in the range from 150 0 C to 45O 0 C and the chamber 132 to a pressure of about 0.5 to 1.0. 10 "Torr. Next, gases determined by the desired composition of the intermediate layer 111 are introduced into the chamber 132 to a pressure of 0.1 to 5.0 Torr. If the intermediate layer is to consist of doped germanium, The atmosphere contains about 60% germanium hydrogen GeH ,, 39.5% silane SiH, and about 0.5% doping gas, for example phosphine PH ,, which is n-type. The glow discharge is then initiated and for about two seconds to deposit an intermediate layer 111 of approximately 200 Å in thickness The atmosphere in the vacuum chamber 32 is then pumped off by the mechanical pump 46. The rest of the manufacture of the semiconductor device 110 is the same as that previously described for the semiconductor device 10.
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Obwohl die Halbleiteranordnungen 10 und 110 nach der vorliegenden Erfindung als Solarzellen beschrieben wurden, können Halbleiteranordnungen 10 bzw. 110 in gleicher Weise als Hochfrequenz-Fotodetektor, beispwielsweise als Anordnung, welche auf Strahlungsenergie anspricht, verwendet werden. Es wurde festgestellt, daß diese Fotodetektoren, bei denen eine erste Schicht aus dotiertem amorphem Silizium an eine zweite Schicht aus amorphem Silizium angrenzt, die durch eine Glimmentladung in Silan hergestellt wurden, eine hohe Empfindlichkeit gegenüber hohen Frequenzen in der Größenordnung von 10 MHz und darüber aufweisen. Der Betrag der auf die Anordnung auftreffenden Strahlungsenergie bei Verwendung der Halbleiteranordnungen 10 und 110 als Fotodetektor ist nicht so kritisch, als wenn man sie als Solarzellen benützt. Für die Funktion der Anordnungen 10 und 110 als Fotodetektor sind daher ohne weiteres Abänderungen möglich, beispielsweise das Entfernen der Antireflexionsschicht und das Ersetzen der Gitterelektrode durch eine Kontaktkonsole.Although the semiconductor devices 10 and 110 according to the present Invention as solar cells have been described, semiconductor arrangements 10 and 110 can be the same As a high-frequency photodetector, for example as an arrangement that responds to radiant energy, be used. It has been found that these photodetectors, in which a first layer of doped Amorphous silicon is adjacent to a second layer of amorphous silicon, which is created by a glow discharge in silane have high sensitivity to high frequencies on the order of 10 MHz and above exhibit. The amount of radiation energy impinging on the arrangement when the semiconductor arrangements are used 10 and 110 as a photodetector are not as critical as when they are used as solar cells. For the function of the arrangements 10 and 110 as photodetectors are therefore easily possible, for example that Removing the anti-reflective layer and replacing the grid electrode with a contact bracket.
Die Verwendung von durch Glimmentladung hergestelltem amorphem Silizium in Fotospannungs- und Fotodetektor-Anordnungen nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht dünnere Grundkörper als bei Anordnung mit der gleichen Grundstruktur, aber mit Einkristall-Silizium. Anordnungen, die unter Glimm-Entladung erzeugtes amorphes Silizium verwenden, sind für eine Sonnenstrahlungs-Absorption geeignet, die mit derjenigen von Fotospannungs- und Fotodetektor-Anordnungen, die unter Verwendung von Einkristall-Silizium hergestellt worden sind, vergleichbar sind, deren Grundkörper um den Faktor 10 dicker sind. Daher ist der besondere Vorteil der vorliegenden Erfindung bei der Verwendung als Fotospannungs- oder Foto-The use of glow discharge amorphous silicon in photovoltaic and photodetector assemblies according to the present invention allows thinner base bodies than when arranged with the same Basic structure, but with single crystal silicon. Arrangements containing amorphous silicon produced by glow discharge are suitable for solar radiation absorption similar to that of photo voltage and Photodetector arrangements that have been produced using single crystal silicon, comparable whose main body is 10 times thicker. Hence the particular advantage of the present invention when used as photo voltage or photo
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detektor-Anordnung die Kostenverringerung durch die Verwendung von dünneren aktiven Bereichen. Darüber hinaus läßt sich mit der vorliegenden Erfindung als Fotospannungs Anordnung auch eine Kostenverringerung bei der Erzeugung von elektrischer Energie aus der Sonnenstrahlung erzielen, weil bei der Herstellung der Anordnungen nach der vorliegenden Erfindung weniger Energie verbraucht wird, da die Herstellung bei niedrigeren Temperaturen als die Herstellung von Einkristall-Anordnungen erfolgt; außerdem können Solarzellen mit größeren Flächen hergestellt werden im Vergleich zu Solarzellen unter Verwendung von Einkristall-Anordnungen. detector arrangement the cost reduction through the use of thinner active areas. In addition, the present invention can be used as a photo voltage Arrangement also achieve a cost reduction in the generation of electrical energy from solar radiation, because less energy is consumed in the manufacture of the assemblies according to the present invention, since the Production takes place at lower temperatures than the production of single-crystal arrangements; also can Solar cells with larger areas are manufactured using single crystal arrays compared to solar cells.
Es wurde weiterhin festgestellt, daß Halbleiteranordnungen 10 und 110 zur Stromgleichrichtung in der Dunkelheit geeignet sind. Beispielsweise zeigt eine Schottky-Anordnung 10 mit einem Substrat 12 aus rostfreiem Stahl, mit einer gleichförmigen mit Phosphor dotierten ersten Schicht 14, mit einem Metallfilm 18 aus Palladium von 1000 Ä bis 2000 Ä Dicke zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes, und ohne die Gitterelektrode 22 und die Antireflexionsschicht 24 bei + 0,4 Volt ein Gleichrichtungsverhältnis von 104. Obwohl die Anordnungen 10 und 110 als Solarzellen beschrieben sind, können sie auch als Stromgleichrichter arbeiten, wobei es selbstverständlich ist, daß ihre Wirksamkeit als Gleichrichter durch kleinere Abänderungen, beispielsweise Entfernen der Antireflexionsschichten, noch erhöht werden kann.It has also been found that semiconductor devices 10 and 110 are suitable for rectifying current in the dark. For example, shows a Schottky assembly 10 with a substrate 12 made of stainless steel, with a uniform phosphorus-doped first layer 14, with a metal film 18 made of palladium from 1000 Å to 2000 Å thick for making electrical contact, and without the grid electrode 22 and the anti-reflective layer 24 has a rectification ratio of 10 4 at + 0.4 volts. Although the assemblies 10 and 110 are described as solar cells, they can also function as current rectifiers, it being understood that their effectiveness as rectifiers can be further increased by making minor modifications, for example removing the anti-reflective layers.
Die Halbleiter-Anordnung nach der vorliegenden Erfindung, deren erste Schicht aus dotiertem amorphem Silizium und deren zweite Schicht aus amorphem Silizium besteht, kann entweder als Sonnenzelle, als Fotodetektor oder als Gleichrichter arbeiten.The semiconductor device according to the present invention, the first layer of which is made of doped amorphous silicon and the second layer of which consists of amorphous silicon, can either be used as a solar cell, as a photodetector or as a Rectifier work.
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