DE2743141A1 - Amorphes silizium aufweisende bauelemente - Google Patents

Amorphes silizium aufweisende bauelemente

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Description

Dn.-lng. Reimar König ■ Dipl.-lng. Klaus Bergen Cecilienallee 76 A Düsseldorf 3D Telefon 45 2OOB Patentanwälte
j 1
23.September 1977 31 691 B
RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N.Y. 10020 (V.St.A.)
"Amorphes Silizium aufweisende Bauelemente"
Die Erfindung betrifft Bauelemente mit einer Schicht aus amorphem Silizium auf einem Substrat mit elektrisch leitender Oberfläche, wobei sich in oder an einer Oberfläche der Schicht ein Halbleiterübergang befindet.
Es hat sich herausgestellt, daß billige und zugleich wirkungsvolle Fotoelemente und Stromgleichrichter mit sehr dünnen, durch Glimmentladung in Silan aufgebrachten Schichten aus amorphem Silizium hergestellt werden können. Bekanntermaßen ist es möglich, mit Fotoelementen, wie Sonnenzellen und Fotodetektoren Licht, d.h. vom Infrarotbis zum Ultraviolettbereich, in nutzbare elektrische Energie umzuwandeln. Ein mit Fotoelementen verbundenes Problem besteht darin, daß die Kosten für die Erzeugung der elektrischen Energie mit Hilfe solcher Bauelemente häufig hoherjliegen als die mit anderen Stromerzeugungsverfahren verbuncfersl·. Die Verwendung dünner, durch Glimmentladung in Silan hergestellter Körper hat mit dazu beigetragen, die Kosten für das Halbleitermaterial bei der Herstellung solcher Bauteile zu reduzieren. Außerdem kann die Verwendung von durch Glimmentladung in Silan hergestelltem amorphaa Silizium dieselbe Kostenerniedrigung bei der Herstellung von Stromgleichrichtern bewirken. Durch Glimmentladung in Silan erzeugtes
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amorphes Silizium hat Eigenschaften, die es außerordentlich geeignet für Fotoelemente machen, und besitzt darüber hinaus Stromgleichrichteigenschaften in Dunkelheit, gleichwohl ist auch dieses Verfahren noch zu teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bauteile der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Herstellung, insbesondere im Zusammenhang mit den aus amorphem Silizium bestehenden Bereichen, unter Steigerung der Qualität noch kostengünstiger durchzuführen ist. Ausgehend von dem der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken, die Glimmentladung in anderer als in Silan-Atmosphäre durchzuführen, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schicht bis zu 7 Atom-96 eines Halogens der Chlor, Brom und Jod umfassenden Gruppe sowie Wasserstoff zur Kompensation von Baumelbindungen im amorphem Silizium enthält.
Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Schicht aus amorphem Silizium auf einem Substrat, im Querschnitt;
Fig. 2 ein Gerät zum Herstellen der amorphen Siliziumschicht gemäß der Erfindung, in schematischer Darstellung; und
Fig. 5 ein Halbleiterbauelement mit Schottky-Sperrschicht unter Verwendung erfindungsgemäßen amorphen Siliziums, im Querschnitt.
Das in Fig. 1 insgesamt mit 11 bezeichnete Bauteil weist eine erfindungsgemäße Schicht 12 aus amorphem Silizium auf. Die Schicht 12 enthält ein Halogen der Chlor, Brom
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und Jod umfassenden Gruppe, und zwar in einer Menge bis zu ungefähr 7 Atom-% der Schicht 12. Vorzugsweise wird die Schicht 12 durch Glimmentladung in einer Gasatmosphäre hergestellt, in der sich Wasserstoff und ein Niederschlagsgas befinden, das Silizium und eines der erwähnten Halogene enthält.
Die amorphe Siliziumschicht 12 besitzt eine Störstellendichte im Energieband, die niedriger ist als die in durch andere Methoden, wie Sprühen, chemisches Aufdampfen (CVD) und Verdampfen hergestelltem Silizium festgestellte. Diese niedrige Dichte von Störstellen im Energieband macht die Bildung von Halbleiterübergängen, z.B. P-N-, PIN-, Schottky-Sperrschicht- und Hetero-Ubergängen in oder an der erfindungsgemäßen amorphen Siliziumschicht 12 möglich. Es ist bekannt, daß durch Sprühen, Verdampfen oder chemisches Niederschlagen aus der Dampfphase hergestelltes Silizium eine große Störstellendichte im Energieband besitzt, was dazu führt, daß diese Materialien schlechte elektrische Eigenschaften besitzen und ungeeignet für aktive Bereiche von Halbleiterbauelementen sind. Außerdem unterscheidet sich das erfindungsgemäße amorphe Silizium von solchem, das in herkömmlicher Art durch Glimmentladung in vollständig reinem Silan, SiH., hergestellt wird, dadurch, daß es ein Halogenelement enthält, das im bekannten amorphen Silizium nicht vorhanden ist.
Die Schicht 12 befindet sich auf einer Oberfläche eines Substrats 14 des Bauteils 11. Das Substrat 14 besteht aus einem Material, das für das Aufbringen der Schicht 12 durch Glimmentladung geeignet ist, wofür nichtrostender Stahl, Niob, Tantal und andere, chemisch durch Glimmentladungsatmosphäre nicht angreifbare Materialien infrage kommen.
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Es wird angenommen, daß der Wasserstoff in der für die Glimmentladung benutzten Gasatmosphäre eine bedeutende Rolle zur Sicherstellung der guten elektrischen Eigenschaften des amorphen Siliziums der Schicht 12 spielt, d.h. für die Bildung von Halbleiterübergängen. Der Wasserstoff hilft offensichtlich, das Halogen zu gettern, so daß das amorphe Silizium nur relativ wenig Halogen, d.h. ungefähr 7 Atom-% oder weniger, enthält. Wenn der Halogengehalt zu hoch wird, werden die elektrischen Eigenschaften des amorphen Siliziums nachteilig beeinflußt. Außerdem reagiert Wasserstoff mit jeder sogenannten Baumelbindung, die im amorphen Siliziumvolumen der Schicht 12 vorhanden sein mag. Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, daß das erfindungsgemäße amorphe Silizium dann besonders überlegene Eigenschaften besitzt, wenn während seiner Herstellung ein Volumenverhältnis von Wasserstoff zum Niederschlagsgas von 2 : 1 oder größer gewählt wird.
In Fig. 2 ist ein Gerät 30 dargestellt, das für eine Glimmentladung zum Herstellen der erfindungsgemäßen Schicht 12 geeignet ist. Das Glimmentladungsgerät 30 besteht aus einer Kammer 32, die durch eine vorzugsweise aus Glas bestehende Vakuumglocke 34 gebildet wird. In der Vakuumkammer 32 ist eine Elektrode 36 und eine von dieser mit Abstand gegenüberliegend angeordnete Heizplatte 38 vorgesehen. Die Elektrode 36 besteht aus Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit, wie Platin, und besitzt die Form eines Gitters oder einer Spule. Die Heizplatte 38 besteht vorzugsweise aus einem keramischen Rahmen, der Heizspulen umschließt, die von einer außerhalb der Kammer 32 angeordneten Stromquelle 40 mit Energie versorgt werden.
Ein erster Auslaß 44 der Kammer 32 ist an eine Diffusions-
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pumpe, ein zweiter Auslaß 46 an eine mechanische Pumpe und ein dritter Auslaß 48 an ein Gaszuführungssystem angeschlossen, das als Quelle für die verschiedenen, für die Glimmentladung benötigten Gase dient. Obwohl der erste Auslaß 44 für den Anschluß an eine Diffusionspumpe vorgesehen ist, ist eine solche Pumpe nicht unter allen Umständen unbedingt erforderlich, da die mechanische Pumpe, die an dem zweiten Auslaß 46 angeschlossen ist, das System auf hinreichenden Druck evakuieren kann.
Zur Herstellung der Schicht 12 wird das Substrat 14, z.B. aus nichtrostendem Stahl, auf die Heizplatte 38 gelegt. Das Substrat 14 wird mit einem Anschluß einer Energiequelle 42 und die Elektrode 36 mit dem anderen Anschluß dieser Energiequelle 42 verbunden. Dadurch kommt ein Spannungspotential zwischen der Elektrode 36 und dem Substrat 14 zustande, sobald die Energiequelle 42 eingeschaltet wird. Letztere kann entweder mit Gleichstrom, Wechselstrom, d.h. im niedrigen Frequenzbereich z.B. 60 Hz, oder mit Hochfrequenz, d.h. im HF-Bereich z.B. in der Größenordnung von MHz, betrieben werden. Bei Gleichstrombetrieb wird die Elektrode 36 vorzugsweise mit dem Pluspol und das Substrat mit dem Minuspol der Energiequelle 42 verbunden. Die Elektrode 36 arbeitet dann als Anode und das Substrat 14 als Kathode. Diese Arbeitsweise wird als "kathodischer Gleichstrombetrieb" bezeichnet. Beim Arbeiten mit Gleichstrom können jedoch das Substrat 14 und die Elektrode 36 auch umgekehrt gepolt sein, d.h. das Substrat 14 kann die Anode und die Elektrode 36 die Kathode sein, in welchem Fall man von "anodischem Gleichstrombetrieb" spricht. Weiterhin kann eine HF-Glimmentladung in einem bekannten, elektrodenlosen Gerät durchgeführt werden, z.B. einem kapazitiven oder einem induktiven HF-Glimmentladungs-
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system. Jedoch wird ein gleichmäßigerer Niederschlag
2 über eine große Fläche, d.h. größer als 10 cm , durch Gleich- oder Wechselstrom-Glimmentladung als durch elektrodenlose HF-Glimmentladung erreicht.
Die Vakuumkammer 32 wird vorzugsweise auf einen Druck von ungefähr 10"5 bis 10~ Torr evakuiert und das Substrat 14 auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 150 bis ungefähr 4500C erhitzt, indem die Heizspulen der Heizplatte 38 eingeschaltet werden. In die Vakuumkammer 32 wird durch den dritten Aus- bzw. Einlaß 48 mit einem Druck von 0,1 bis 5,0 Torr ein Gemisch aus Wasserstoff und einem Niederschlagsgas eingeführt, das die Elemente Silizium und ein Halogen der aus Chlor, Brom und Jod bestehenden Gruppe enthält. Als Niederschlagsgas kann z.B. Dichlorsilan (SiH2Cl2), Chlorsilan (SiH3Cl), Trichlorsilan (SiHCl5), Bromsilan (SiH3Br), Dibromsilan (SiH2Br2) und/oder Siliziumtetrachlorid (SiCl^) verwendet werden. Zur Erläuterung der Erfindung wird im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel angenommen, daß als Niederschlagsgas Dichlorsilan verwendet wird. Als Ergebnis der Einspeisung des Wasserstoff-Dichlorsilan-Gemisches wird die Temperatur des Substrats 14 in den Bereich zwischen ungefähr 200 und ungefähr 500°C angehoben, da zusätzliche Wärme nun durch die Gasatmosphäre auf das Substrat 14 gestrahlt werden kann. Wie bereits erwähnt, kann eine besonders gute Qualität der Schicht 12 dann erreicht werden, wenn das Volumenverhältnis von Wasserstoff zum Niederschlagsgas 2 : 1 oder größer ist. Bei einem relativ hohen Verhältnis, d.h. 40 : 1,wird die Niederschlagsrate sehr langsam, und zwar gelangt sie dann in die Größenordnung von einem Mikrometer pro Stunde.
Um die Glimmentladung zwischen der Elektrode 36 und dem
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Substrat 14 in Gang zu setzen, wird die Energiequelle eingeschaltet, wodurch das Niederschlagen der amorphen Siliziumschicht 12 beginnt. Für die Erläuterung des Ausführungsbeispiels wird kathodischer Gleichstrombetrieb angenommen. Um die Schicht 12 auf einer Oberfläche des Substrats 14 herzustellen, sollte die Stromdichte an der Oberfläche des Substrats 14 im Bereich von ungefähr 0,1 bis ungefähr 3,0 Milliampere/cm liegen. Die Niederschlagsrate für das amorphe Silizium steigt mit steigendem Gemischdruck und steigender Stromdichte. Die Herstellung einer Schicht 12 mit einer Dicke von 1 Mikrometer kann in wenigen Minuten erfolgen, wenn z.B. der Druck in der Kammer 32 ungefähr 2 Torr, die Stromdichte an der Oberfläche des Substrats ungefähr 1 Milliampere/cm und die Substrattemperatur ungefähr 3500C beträgt.
Die erfindungsgemäße Siliziumschicht 12 hat elektrische Eigenschaften, die sie besonders für Halbleiterschichten von Fotoelementen, Fotodetektoren und Stromgleichrichtern geeignet machen.
Die nachstehende, ins einzelne gehende Beschreibung der Erfindung erfolgt am Beispiel eines Fotoelements mit Schottky-Sperrschicht unter Verwendung einer erfindungsgemäßen amorphen Siliziumschicht; in Fig. 3 ist das Fotoelement insgesamt mit 110 bezeichnet. Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße amorphe Silizium auch in anderen Halbleiterbauteilen, wie Fotoelementen, Fotodetektoren und Gleichrichtern Verwendung finden, die einen Halbleiterübergang, z.B. einen PN-, einen PIN- oder einen HeteroÜbergang aufweisen.
Gemäß Fig. 3 besitzt das Fotoelement 110 ein Substrat 114 aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähig-
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keit. Hierzu gehören nichtrostender Stahl, Niob, Tantal oder andere durch Glimmentladung chemisch nicht angreifbare Materialien. Auf einer Oberfläche des Substrats 114 befindet sich eine Schicht 112 aus erfindungsgemäß hergestelltem amorphem Silizium. Ein erster Bereich 116 der Schicht 112 befindet sich unter Bildung einer Grenzschicht 115 in Kontakt mit dem Substrat 114.
Der erste Bereich 116 besteht aus dotiertem amorphem Silizium. Das für die Glimmentladung zur Bildung des ersten Bereichs 116 verwendete Gas enthält somit auch ein Dotiergas, z.B. Phosphin (PH,). Der erste Bereich 116 steht in Ohmschem Kontakt mit dem Substrat 114. Auf der dem Substrat 114. Auf der dem Substrat 114 abgewandten Oberfläche des ersten Bereichs 116 befindet sich ein zweiter Bereich 117 aus amorphem Silizium, der nicht dotiert ist; es hat sich jedoch herausgestellt, daß das amorphe Silizium des zweiten Bereichs 117 leicht N-leitend ist.
Die Dotierkonzentration des ersten Bereichs 116 wird so abgestuft, daß die Dotierstoffkonzentration an der Grenzschicht 115 maximal ist und bis zu einer elektrisch unbedeutenden Konzentration an der Grenzschicht zwischen dem ersten Bereich 116 und dem zweiten Bereich 117 abnimmt. Obwohl die Dotierkonzentration des ersten Bereichs 116 vorzugsweise das erläuterte Gefälle besitzt, muß an dieser Stelle betont werden, daß sie aus nachfolgend noch zu erläuternden Gründen im gesamten ersten Bereich 116 auch gleichförmig sein kann.
Die Dicke des ersten Bereichs 116 beträgt vorzugsweise ungefähr 100 & bis ungefähr 0,5 Mikrometer, während
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der zweite Bereich 117 vorzugsweise ungefähr 0,5 Ms 1 Mikrometer dick ist.
Auf der dem ersten Bereich 116 angewandten Oberfläche des zweiten Bereichs 117 befindet sich ein metallischer Film 118, der mit dem zweiten Bereich 117 eine Grenzschicht bildet. Der Kontakt des Metallfilms 118 mit dem zweiten Bereich 117 führt zu einer Schottky-Sperrschicht an der Grenzschicht 120. Der Metallfilm 118 ist zumindest halbdurchlässig für Sonnenstrahlung. Um die Bildung einer Schottky-Barriere sicherzustellen, besitzt das Metall des Films 118 gute elektrische Leitfähigkeit und hohe Austrittsarbeit, d.h. größer als 4,5 eV; es ist angenommen, daß der zweite Bereich 117 leicht N-leitend ist. Zu den Metallen mit guter elektrischer Leitfähigkeit und hoher Austrittsarbeit gehören z.B. Gold, Platin, Palladium, Rhodium, Iridium und Chrom. Der Metallfilm 118 kann ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein. Wenn der Film 118 mehrschichtig aufgebaut ist, sollte die Erstschicht auf dem zweiten Bereich 117 einen Schottky-Übergang sicherstellen, während eine weitere Schicht auf der Erstschicht gute elektrische Leiteigenschaften besitzen sollte. Im Falle eines mehrschichtigen Metallfilms 118 kann die Erstschicht auf dem zweiten Bereich 117 beispielsweise aus Platin mit einer daraufliegenden Goldschicht bestehen. Wie bereits erwähnt, ist der Metallfilm halbdurchlässig für Sonnenstrahlung und sollte, da er aus Metall besteht, eine maximale Dicke von ungefähr 100 Ä besitzen, um die gewünschte Halbdurchlässigkeit zu garantieren.
Auf einem Teil der der Grenzschicht 120 abgewandten Oberfläche des Metallfilms 118 befindet sich eine Elektrode 122. Diese besteht vorzugsweise aus einem Metall mit guter
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elektrischer Leitfähigkeit und hat Gitterform, wenngleich auch andere bekannte Formen möglich sind, z.B. Fingeroder Kammform. Die Elektrode 122 besteht im dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel aus zwei Scharen von Gitterlinien, wobei die Linien jeder Schar parallel zueinander verlaufen und die Linien der anderen Schar kreuzen. Die Elektrode 122 nimmt nur einen geringen Teil der Oberfläche des Metallfilms, d.h. ungefähr 5 bis 1096 der Filmoberfläche ein, da auf die Elektrode 122 auftreffende Sonnenstrahlung durch diese vom Fotoelement 110 weg reflektiert werden kann. Die Elektrode 122 sorgt für gleichförmige Sammlung des Stroms vom Metallfilm 118 und ermöglicht, den Reihenwiderstand des Fotoelements 110 niedrig zu halten, wenn dieses im Betrieb Teil eines Schaltkreises ist.
über der Elektrode 122 ist auf der verbleibenden, der Grenzschicht 120 abgewandten Oberfläche des Metallfilms 118 ein Antireflexionsbelag 124 vorgesehen. Der Antireflexionsbelag 124 besitzt eine dem Metallfilm 118 abgewandte Einfallfläche 126, die im Betriebszustand Sonnenstrahlung 128 ausgesetzt ist. Bekanntermaßen führt der Antireflexionsbelag 124 zu einem Anstieg des Betrages der Sonnenstrahlung 128, die den Metallfilm 118 durchdringt, vorausgesetzt, daß der Antireflexionsbelag 124 eine Dicke von ungefähr λ. /4n besitzt, wobei " \ " die Wellenlänge der auf die Einfallfläche 126 treffenden Strahlung und "n" der Brechungsindex des Antireflexionsbelages 124 ist. Im Ergebnis reduziert der Antireflexionsbelag 124 die Lichtmenge, die vom Fotoelement reflektiert wird.
Für den Fachmann ist es selbstverständlich, daß der Brechungsindex "n" einen geeigneten Wert besitzen sollte,
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um den durch den Metallfilm 118 gelangenden Anteil an Sonnenstrahlung 128 zu erhöhen. Wenn z.B. der Metallfilm 118 aus Platin besteht und 50 Ä dick ist, kann ein geeigneter Antireflexionsbelag 124 aus Zirkondioxid bestehen und eine Dicke von 450 Ä bei einem Brechungsindex von η = 2,1 besitzen. Gewöhnlich besteht der Antireflexionsbelag 124 aus einem dielektrischen Material wie Zinksulfid, Zirkonoxid oder Siliziumnitrid; es kann jedoch auch ein transparentes Halbleitermaterial verwendet werden, wie mit Antimon dotiertes Zinnoxid oder mit Zinn dotiertes Indiumoxid.
Bekanntermaßen wird ein Oberflächensperrübergang, allgemein Schottky-Barriere genannt, durch Kontakt gewisser Metalle mit bestimmten Halbleitermaterialien gebildet. Wie zuvor ausgeführt, befindet sich die Schottky-Barriere des Fotoelements 110 an der Grenzschicht 120 infolge des Kontaktes des Metallfilms 118 mit dem zweiten Bereich 117. Eine Schottky-Barriere erzeugt von der Grenzschicht 120 in das Material des Fotoelements 110 ein Raumladungsfeld, das in den zweiten Bereich 117 dringt und ein Verarmungsgebiet bildet. Mit dem Verarmungsgebiet ist ebenfalls im zweiten Bereich 117 ein elektrisches Feld Terbunden. Als -Ergebnis der abgestuften Dotierkonzentration im ersten Bereich 116 wird außerdem ein elektrisches Feld im ersten Bereich 116 erzeugt. Daher erstreckt sich bei einer Schottky-Barriere an der Grenzschicht 120 und bei abgestufter Dotierkonzentration des ersten Bereichs 116 ein elektrisches Feld gänzlich sowohl durch den ersten als auch den zweiten Bereich 116 bzw. 117. Zumindest bei Fotoelementen wird vorzugsweise dafür gesorgt, daß das elektrische Feld sich durch den ersten und zweiten Bereich 116 bzw. 117 erstreckt. Bei derartiger Erstrekkung des elektrischen Feldes werden Ladungsträger, die
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irgendwo innerhalb dieser Bereiche als Ergebnis der Absorption von Sonnenstrahllang 128 erzeugt werden, durch das elektrische Feld entweder zum Substrat 114 oder zum Metallfilm 118 gedrängt. Das Substrat 114 wirkt als eine der Elektroden des Fotoelements 110. Sofern sich das elektrische Feld nicht in einen Teil des ersten oder zweiten Bereichs 116 bzw. 117 hineinerstreckt, werden Ladungsträger, die in diesem quasi-neutralen Bereich erzeugt werden, unter der Wirkung des Feldes nicht zu einer Elektrode gedrängt, so daß ihre Sammlung von der Diffusion zum Verarmungsgebiet abhängt. Jeglicher quasi-neutraler Bereich kann auch zu Serienwiderstand beitragen, wenn dem Fotoelement 110 Strom entzogen wird, ebenso wie solch quasi-neutraler Bereich einen niedrigeren Wirkungsgrad eines derartigen Bauelements zur Folge hat.
Abgesehen davon, daß die abgestufte Dotierkonzentration des ersten Bereichs 116 für die Vergrößerung des elektrischen Feldbereichs des Fotoelements 110 von Vorteil ist, unterstützt sie außerdem eine einfachere Bildung eines Ohmschen Kontakts zwischen dem ersten Bereich 116 und dem Substrat 114, da die Dotierkonzentration ihr Maximum an der ersten Grenzschicht 115 besitzt, d.h. in der Größenordnung von 5 Atom-%. Die Bildung eines Ohmschen Kontakts an der Grenzschicht 115 ist zur Sicherstellung eines niedrigen Reihenwiderstandes für das Fotoelement 110 von Vorteil. Auch wenn der erste Bereich 116 gleichförmig dotiert ist, kann an der Grenzschicht 115 ein Ohmscher Kontakt gebildet werden, solange die gleichförmige Dotierkonzentration relativ hoch ist, d.h. sich in der Größenordnung von ungefähr 5 Atom-% bewegt.
Zum Herstellen des Fotoelements 110 wird die Energiequelle 42 elektrisch mit dem Gerät 30 verbunden, die
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Vakuumkammer 32 evakuiert und das Substrat, wie zuvor im Zusammenhang mit der Erläuterung der Herstellung des Bauteils 11 beschrieben, erhitzt. Ein Gemisch aus Wasserstoff, einem Niederschlagsgas wie Dichlorsilan, und einem N-Dotiergas werden in die Vakuumkammer 32 bis zu einem Druck von ungefähr 0,1 bis 5 Torr gefüllt. Die Menge des Dotiergases beträgt ungefähr 1,5 Vol.-% der Kammeratmosphäre, Vorzugsweise verwendete N-Dotiergase sind Phosphin, PH,, und Arsin, AsH,.
Die Glimmentladung wird zum Niederschlagen des ersten Bereichs 116 in Gang gesetzt. Um die Dotierkonzentration des ersten Bereichs 116 abzustufen, werden zusätzlich Wasserstoff- und Niederschlagsgas in die Vakuumkammer 32 während der Glimmentladung eingeleitet, wodurch die Dotierkonzentration abnimmt. Nach Fertigstellen der ersten Schicht 116 wird das Gasgemisch aus der Vakuumkammer 32 durch die mechanische Pumpe über den zweiten Auslaß 46 abgepumpt. Nachdem die Vakuumkammer 32 leergepumpt und auf einen Druck von ungefähr 10" Torr gebracht worden ist, wird Wasserstoff und Dichlorsilan bis zu einem Druck im Bereich von ungefähr 0,1 bis ungefähr 5,0 Torr in die Kammer 32 gegeben. Wiederum wird eine Glimmentladung eingeleitet, und zwar mit einer Stromdichte an der Oberfläche des ersten Bereichs 116 in der Größenordnung von
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ungefähr 0,3 Milliampere/cm bis 3,0 Milliampere/cm , wodurch der zweite Bereich 117 entsteht.
Bekanntermaßen beeinflußt die Substrattemperatur während der Glimmentladung die Zusammensetzung und den Aufbau des niedergeschlagenen Materials aufgrund der als Selbstdotierung, Eutektikumbildung und induzierte Kirstallisation bekannten Effekte.
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Nach Fertigstellen des ersten und zweiten Bereichs 116 bzw. 117 kann die Schicht 112 wärmebehandelt werden, und zwar bei Temperaturen zwischen ungefähr 200 und 4000C für eine Zeit von einigen Minuten bis zu mehreren Stunden. Eine längere Wärmebehandlung wird nur für niedrigere Behandlungstemperaturen benötigt. Vorteilhafterweise kann die Wärmebehandlung dadurch erreicht werden, daß die Schicht 112 nach Beendigung der Glimmentladung im Gerät 30 belassen oder in einen speziellen Wärmeofen gegeben wird. Es wird angenommen, daß durch diesen Behandlungsschritt Defekte im amorphen Silizium beseitigt werden, und es hat sich herausgestellt, daß er den Wirkungsgrad des Bauelements erhöht.
Als nächstes wird unter Verwendung eines konventionellen Verdampfungssystems, z.B. eines solchen mit Elektronenstrahl, der Metallfilm 118 auf den zweiten Bereich 117 aufgedampft. In gleicher Weise werden auf dem Metallfilm 118 durch konventionelle Verdampfungs- und Maskierverfahren die Elektrode 122 und der Antireflexionsbelag 124 aufgebracht. Das gesamte Verfahren kann in einem einzigen Gerät durchgeführt werden, in dem sowohl die Glimmentladung als auch das Aufdampfen stattfindet. Es hat sich außerdem herausgestellt, daß der Sammelwirkungsgrad des Elements steigt, wenn das Fotoelement 110 mit einem Metallfilm 118 aus Chrom, Iridium, Rhodium, Platin oder Palladium während der Herstellung einer Wärmebehandlung unterzogen wird. Diese Wärmebehandlung wird vorzugsweise durchgeführt, nachdem der Antireflexionsbelag 124 aufgebracht ist oder vor Fertigstellung der Elektrode 122 und nach Fertigstellung des Antireflexionsbelages 124. Im Rahmen dieser Wärmebehandlung wird das Fotoelement 110 für ungefähr 5 bis 30 Minuten auf eine Temperatur
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zwischen ungefähr 150 und 250°C gebracht. Die Wärmebehandlung kann in Vakuum oder in einer Reformiergasatmosphäre, die z.B. aus 90 Vol.-% Stickstoff und 10 Vol.-% Wasserstoff besteht, oder in reiner Stickstoffatmosphäre oder in reinem Wasserstoff durchgeführt werden. Diese Wärmebehandlung verbessert den Wirkungsgrad des Fotoelements, da die Schottky-Barrierenhöhe vergrößert, der Sammelwirkungsgrad verbessert und der effektive Serienwiderstand des Bauelements verringert wird.
Die Herstellung des Fotoelements 110 wird dadurch abgeschlossen, daß nichtdargestellte Drahtelektroden an das Substrat 114 und die Elektrode 122 zum Zwecke der Ver.lxLndung mit einem Schaltkreis angeschlossen werden.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß hergestellten Fotoelements mit einem Substrat aus nichtrostendem Stahl, einem ersten Bereich 116 mit einer Dicke von ungefähr 500 Ä und dotiert mit Phosphin, das zu ungefähr 1% in der Atmosphäre der Vakuumkammer 32 vorhanden war, einem zweiten Bereich 117 mit einer Dicke von ungefähr 1 Mikrometer und einem Wasserstoff-Dichlorsilan-Verhältnis von 4,5 : 1 wurden Messungen durchgeführt mit einer Leerlaufausgangsspannung (Voc) von ungefähr 477 Millivolt und einem Kurzschlußstrom (Je_) gleich etwa
ρ SC
400 Mikroampere/cm . Es hat sich herausgestellt, daß ein Fotoelement mit sehr ähnlichem Aufbau wie das Fotoelement 110, jedoch mit gesprühtem, amorphem Silizium, eine Leerlaufspannung von ungefähr 10 Millivolt und einen Kurzschlußstrom von ungefähr 0,1 Mikroampere/cm aufwies. Die bessere Leerlaufspannung und der bessere Kurzschlußstrom des erfindungsgemäßen Fotoelements bestätigen die Tatsache, daß mit der erfindungsgemäßen, amorphen Siliziumschicht bessere elektronische Eigenschaften verbun-
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den sind, als sie mit durch einen Sprühprozeß hergestelltem amorphen Silizium zu erreichen sind. Außerdem kann ohne weiteres aus diesen Daten geschlossen werden, daß die erfindungsgemäße amorphe Siliziumschicht auch bessere elektronische Eigenschaften besitzt als ein amorphes Silizium, das durch Verdampfen oder chemisches Niederschlagen aus der Dampfphase gebildet wird.
Abschließend sei nochmals betont, daß die Erfindung keineswegs nur für die zuvor als Ausführungsbeispiel erläuterten Fotoelemente geeignet ist, sondern mit gleichen bzw. entsprechenden Vorteilen auch bei anderen Halbleiterbauelementen, wie Fotodetektoren oder Gleichrichtern einzusetzen ist.
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Claims (4)

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    RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N.Y. 10020 (V.St.A.)
    Patentansprüche:
    ι 1.yHalbleiter-Bauelement mit einer Schicht aus amorphem Silizium auf einem Substrat mit elektrisch leitender Oberfläche, wobei sich in oder an einer Oberfläche der Schicht ein Halbleiterübergang befindet, dadurch gekennzeichnet , daß
    die Schicht (112) bis zu 7 Atom-% eines Halogens der Chlor, Brom und Jod umfassenden Gruppe sowie Wasserstoff zur Kompensation von Baumelbindungen im amorphen Silizium enthält.
  2. 2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht (112) einen ersten Bereich (116) aus dotiertem amorphen Silizium und einen zweiten Bereich (11 7)aus amorphem Silizium auf einer Oberfläche des ersten Bereichs (116) aufweist.
  3. 3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Metallfilm (118) auf einer Oberfläche des zweiten Bereichs (117) zur Bildung eines Halbleiterübergangs (120) an der Grenzschicht zwischen dem Metallfilm (118) und dem zweiten Bereich (117), und durch eine Elektrode (122) auf einer Oberfläche des Metallfilms (118).
  4. 4. Bauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet ,
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    daß der zweite Bereich (117) höchstens 1 Mikrometer dick ist und der Metallfilm (118) aus einem Material mit einer Austrittsarbeit von mindestens 4,5 eV besteht.
    809813/1023 9 fu
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