DE2826752A1

DE2826752A1 - Photoelement

Info

Publication number: DE2826752A1
Application number: DE19782826752
Authority: DE
Inventors: David Emil Carlson; Christopher Roman Wronski
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1977-07-28
Filing date: 1978-06-19
Publication date: 1979-02-15
Also published as: CA1104700A; FR2399130A1; JPS5425187A; GB1602007A; US4117506A

Description

Dr.-lng. Reiman König · Dipl.-lng. Kiaus Bergen Cecilienallee 76 A Düsseldorf 3O Telefon 45 2DD8 Patentanwälte

15. Juni 1978 , 32 350 B

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

"Photoelement"

Die Erfindung betrifft ein Photoelement mit einem Halbleiterkörper aus hydriertem, amorphem Silizium.

Mit Hilfe von Photoelementen, die auch als photovoltaische Bauelemente bezeichnet werden, z. B. Solarzellen oder Photodetektoren, kann Licht, beispielsweise vom infraroten bis zum ultravioletten Bereich, in elektrische Energie umgewandelt werden. Ein Problem besteht bei Photoelementen darin, daß sie wegen der Kosten zur Erzeugung von elektrischer Energie oft mit anderen elektrischen Generatoren nicht wettbewerbsfähig sind.

Kürzlich wurde entdeckt, daß kostengünstige und leistungsfähige Photoelemente als sehr dünne Körper aus durch Glimmentladung in Silan (SiH,) gebildetem, amorphem Silizium hergestellt werden können. Durch die Verwendung dünner, durch Glimmentladung in Silan hergestellter Körper wurde der mit dem Halbleitermaterial verbundene Aufwand zum Herstellen der Photoelemente vermindert.

Obwohl diese durch Glimmentladung in Silan hergestellten Photoelemente sich als wirksam zum Umwandeln von Sonnenstrahlung in elektrische Energie erwiesen haben, läßt die Ausgangsleistung dieser Photoelemente zu wünschen übrig.

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Bei einem älteren Vorschlag für ein Photoelement vorgenannter Art liegt eine Metallschicht unmittelbar auf dem Körper aus amorphem Silizium. Es handelt sich dabei um ein Photoelement mit einer Schottky-Sperrschicht an der Grenzfläche zwischen der Metallschicht und dem amorphem Siliziumkörper.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einen durch Glimmentladung in Silan hergestellten Halbleiterkörper aufweisendes Photoelement so zu verbessern, daß die Ausgangsleistung und insbesondere die Leerlaufspannung erhöht werden.

Bei einem Photoelement bzw. photovoltaischem Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper aus hydriertem, amorphem Silizium ist die erfindungsgemäße Lösung vorgenannter Aufgabe gekennzeichnet durch eine aus elektrisch isolierendem Material bestehende Schicht auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer von Ladungsträgern durchtunnelbaren Schichtdicke und durch eine Metallschicht auf der dem Halbleiterkörper abgewandten Oberfläche der isolierenden Schicht.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die Leerlaufspannung gegenüber derjenigen der eingangs erwähnten Photoelemente, die eine Schottky-Sperrschicht aufweisen, erheblich größer ist. Der wesentliche Unterschied zwischen dem Photoelement mit der Schottky-Sperrschicht und dem erfindungsgemäßen Photoelement besteht darin, daß eine elektrisch isolierende Schicht zwischen der Metallschicht und dem amorphen Siliziumkörper angeordnet ist.

Wenn es sich bei der Isolierschicht beispielsweise um ein Oxid handelt, liegen die Werte der Leerlaufspannung beim

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erfindungsgemäßen Photoelement um etwa 100 bis 200 mV höher als diejenigen bei dem Photoelement mit einer Schottky-Sperrschicht. Als isolierende Schicht kann erfindungsgemäß jedoch mit Vorteil auch ein Nitrid verwendet werden.

Gemäß wweiterer Ausgestaltung der Erfindung weist der amorphe Halbleiterkörper eine aus durch Glimmentladung in einer Mischung von Silan und einem Dotiergas hergestelltem, dotiertem, amorphem Silizium bestehende erste Schicht und eine aus durch Glimmentladung in Silan hergestelltem, amorphem Silizium bestehende zweite Schicht auf, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten und derisolierenden Schicht liegt sowie an diese beiden Schichten angrenzt. Grundsätzlich kann jedoch auch der gesamte Halbleiterkörper aus durch Glimmentladung in im wesentlichen reinem Silan hergestelltem amorphem Silizium bestehen. In diesem Falle entspricht der gesamte Halbleiterkörper der zweiten Schicht des vorgenannten zweischichtigen Halbleiterkörpers .

Vermutlich wird der Majoritätsträgerstrom durch die zweite Schicht des zweischichtigen Halbleiterkörpers bzw. durch den gesamten einschichtigen, eigenleitenden bis schwachdotierten Halbleiterkörper durch die erfindungsgemäße Isolierschicht herabgesetzt, wenn diese eine von Ladungsträgern zu durchtunnelnde Dicke von etwa 1 bis 5 nm besitzt. Das Herabsetzen des Majoritätsträgerstroms und die gleichzeitige Möglichkeit der photoelektrisch erzeugten Minoritätsträger, die erfindungsgemäße Isolierschicht zu durchtunneln, führt zu der erhöhten Leerlaufspannung.

Es ist ferner überraschend festgestellt worden, daß erfindungsgemäße Photoelemente einen höheren Dioden-Gütefaktor im Dunkeln aufweisen als Photoelemente aus amorphem Silizium mit einer

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Schottky-Sperrschicht anstelle der erfindungsgemäßen isolierenden Schicht. Beispielsweise liegt der Dioden-Gütefaktor im Dunkeln beim erfindungsgemäßen Photoelement bei etwa 1,5 gegenüber 1,0 bis 1,1 bei dem Photoelement mit der Schottky-Sperrschicht.

Es hat sich ferner herausgestellt, daß die Kurzschlußdichte des Photoelementes solange nicht nachteilig durch die erfindungsgemäße, isolierende Schicht beeinflußt wird, als letztere im vorbeschriebenen Rahmen relativ dünn ist. Für die isolierende Schicht kommen Schichtdicken von größenordnungsmässig 1 bis 5 nm, insbesondere etwa 2 mn, in Frage.

Anhand der schematischen Darstellung von Ausführungsbeispielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Photoelement; und

ig. 2 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Herstellen des Photoelementes·

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Photoelement insgesamt mit 10 bezeichnet. Das im folgenden auch "Solarzelle" genannte Photoelement 10 besitzt ein elektrisch gut leitendes Substrat 12. Hierfür geeignete typische Materialien sind Aluminium, Chrom, rostfreier Stahl, Niob, Tantal, Eisen und Indium-Zinn-Oxid auf Glas, wobei das Indium-Zinn-Oxid das leitende Material ist. Auf der Oberfläche des Substrates 12 befindet sich ein Halbleiterkörper 13 aus durch Glimmentladung in Siland (SiH^) hergestelltem, amorphem Silizium. Das Verfahren zum Niederschlagen eines solchen Halbleiterkörpers 13 durch Glimmentladung ist bekannt. Bei diesem Verfahren wird

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in einem Gas bei relativ geringem Druck, ζ. B. bei etwa 6 bis 7 mbar oder weniger, in einer teilweise evakuierten Kammer eine elektrische Entladung erzeugt. Eine Glimmentladung ist durch mehrere diffus leuchtende Zonen gekennzeichnet. Es handelt sich hierbei u. a. um die nahe der Anode liegende positive Säule und das zwischen der Anode und der Kathode befindliche negative Glimmlicht. In der Glimmentladung tritt ferner ein Spannungsabfall (Kathodenfall) in der Nähe der Kathode auf. Dieser Spannungsabfall besitzt ein viel höheres Potential als das Ionisierungspotential des Gases, d. h. der Croockessche (Faradaysche) Dunkelraum.

Für amorphes Material ist es typisch, daß es keine weitreichende kristalline Regelmäßigkeit im Aufbau des Materials besitzt. Bei durch Glimmentladung in Silan hergestelltem, amorphem Silizium haben die submikroskopischen kristallinen Bezirke einen geordneten Aufbau nur in einem Bereich von nicht mehr als zwei nm Größe. Das Fehlen einer weiterreichenden kristallinen Regelmäßigkeit im Aufbau des durch Glimmentladung in Silan hergestellten Siliziums kann durch Röntgenstrahlen oder durch Elektronenbeugung nachgewiesen werden.

Der Halbleiterkörper 13 kann ganz und gar aus durch Glimmentladung in im wesentlichen reinem Silan hergestelltem Silizium zusammengesetzt sein. Wie jedoch im folgenden erläutert ist, wird vorzugsweise eine im engen Kontakt mit dem Substrat

12 befindliche Zone des Halbleiterkörpers 13 dotiert, um einen besseren ohmschen Kontakt mit dem Substrat 12 zu bilden. Gemäß Fig. 1 ist angenommen, daß der Halbleiterkörper

13 eine durch Glimmentladung in einer Mischung von Silan

und einem Dotiergas hergestellte erste Schicht 14 aus Silizium

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enthält. Die erste Schicht 14 liegt mit einer ersten Grenzfläche 15 als ohmscher Kontakt am Substrat 12 an. Auf der dem Substrat 12 gegenüberliegenden Oberfläche der ersten Schicht 14 des Halbleiterkörpers 13 befindet sich eine zweite Schicht 16 aus amorphem Silizium. Auch die zweite Schicht 16 wird vorzugsweise durch Glimmentladung hergestellt. In typischen Fällen wird hierbei jedoch die Glimmentladung in im wesentlichen reinen Silan ausgeführt. Es wäre also anzunehmen, daß die zweite Schicht 16 eigenleitend ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die zweite Schicht 16, selbst wenn sie unter Verwendung von reinem Silan erzeugt wird, leicht N-dotiert ist, insbesondere beim Niederschlagen einer solchen Schicht auf einer auf eine Temperatur von mehr als 100⁰C erhitzten Oberfläche. Die erste und die zweite Schicht 14 und 16 weisen denselben Leitungstyp auf. Vorzugsweise besitzt die Dotierstoff-Konzentration in der ersten Schicht 14 einen Gradienten, d. h. die Dotiertstoff-Konzentration ist an der Grenzschicht 15 maximal und fällt bis zur Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Schicht 14 und 16 auf eine unbedeutende Konzentration ab. Während für die erste Schicht 14 eine in vorstehender Weise abfallende Dotierstoff-Konzentration bevorzugt wird, bezieht sich die Erfindung jedoch auch auf eine erste Schicht 14 mit über deren gesamte Schichtdicke gleichmäßiger Dotierstoff-Konzentration.

Das amorphe Silizium der ersten und der zweiten Schicht und 16 wird durch Glimmentladung in Silan - unter Zusatz eines geeigneten Dotiergases beim Herstellen der ersten Schicht 14 - gebildet und kann von anderem amorphem Silizium dadurch unterschieden werden, daß es eine charakteristische mittlere Dichte von (unbeweglichen) Störstellen im verbotenen Band in der Größenordnung von 10 /cm oder

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weniger aufweist. Die durchschnittliche Dichte der Störstellen kann durch Auftragen des reziproken Quadrates der Kapazität (1/C ) als Funktion der Spannung eines HaIbleiterbauelementes aus amorphem Silizium bestimmt werden. Bei durch Glimmentladung in Silan hergestelltem amorphem Silizium liegt die Driftbeweglichkeit der Elektronen bei 10~* cm /Vsec oder mehr. Die Driftbeweglichkeit von Elektronen kann auf bekannte Weise gemessen werden, nämlich durch Richten von Lichtimpulsen oder Elektronenstrahlimpulsen auf ein vorgespanntes Halbleiterbauelement und Messen des dadurch erzeugten Elektronenstroms.

Die erste Schicht 14 des Halbleiterkörpers 13 hat in typischen Fällen eine Dicke von etwa 10 mn bis 500 nm, während die Dicke der zweiten Schicht 16 etwa zwischen 300 und 1000 nm liegt. Auf der der ersten Schicht 14 abgewandten Oberfläche der zweiten Schicht 16 befindet sich eine Schicht 18 aus elektrisch isolierendem Material. Die zweite Schicht 16 und die isolierende Schicht 18 berühren sich an der Grenzfläche 21. Die isolierende Schicht 18 ist relativ dünn, so daß Ladungsträger durch sie hindurch tunneln können. Vorzugsweise hat die isolierende Schicht eine Dicke von etwa 2nm. Diese Dicke kann jedoch im Bereich zwischen etwa 1 und 5 nm liegen. In typischen Fällen ist die isolierende Schicht 18 ein Oxid oder ein Nitrid, wie zum Beispiel Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid.

Auf der dem Halbleiterkörper 13 abgewandten Oberfläche der isolierenden Schicht 18 liegt ein Metallfilm 19, der die isolierende Schicht 18 an der Grenzfläche 20 berührt. Der Metallfilm 19 ist gegenüber Sonnenstrahlung wenigstens halbdurchlässig, er besitzt eine gute elektrische Leitfähigkeit und für den Fall, daß die zweite Schicht 16 N-leitend ist, eine hohe Austrittsarbeit, d. h. eine Austrittsarbeit von

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mehr als 4,5 eV. Metalle mit guter elektrischer Leitfähigkeit und hoher Austrittsarbeit sind z. B. Platin, Paladium, Rhodium, Iridium oder Chrom. Da der Metallfilm 19 wenigstens halbdurchlässig für Sonnenstrahlung und ein Metall sein soll, wird eine ausreichende Transparenz sichergestellt, wenn seine Dicke etwa 5 bis 10 nm beträgt.

Vorzugsweise ist die erste Schicht 14 N-leitend. Im Rahmen der Erfindung kann die erste Schicht 14 aber auch P-leitend sein. Entsprechend wäre dann die zweite Schicht 16 leicht P-dotiert. In diesem Falle soll der Metallfilm 19 eine niedrige Austrittsarbeit von z. B. weniger als etwa 4,3 eV aufweisen. Der Metallfilm 19 kann dann z. B. aus Aluminium bestehen.

Auf einem Teil der der Grenzfläche 20 abgewandten Oberfläche des Metallfilms 19 liegt eine Elektrode 22. Vorzugsweise besteht die Elektrode 22 aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit und hat die Form eines Gitters. Die Elektrode 22 kann jedoch auch in anderen bekannten Formen, z.B. als finger- oder kammförmiger Elektrode, vorliegen.

Auf der Elektrode 22 und auf der der Grenzfläche 20 abgewandten Oberfläche des Metallfilms 19 - soweit diese Oberfläche nicht von der Elektrode 22 belegt ist - , befindet sich eine Antireflexionsschicht 24, die eine Einfallfläche 26 für Sonnenstrahlung 28 besitzt. Es ist bekannt, daß die Menge der durch den Metallfilm 19 hindurchtretenden und in den Halbleiterkörper 13 eintretenden Sonnenstrahlung 28 durch die Antireflexionsschicht 24 vergrößert werden kann. Die Antireflexionsschicht 24 hat vorzugsweise eine Dicke in der Größenordnung von ίΐ,/n, worin "i" die Wellenlänge der auf die Einfallfläche 26 auftreffenden

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Strahlung und "η".der Brechungsindex der Antireflexionsschicht 24 ist. Der Brechungsindex η der Antireflexionsschicht soll einen solchen Wert haben, daß die Menge der auf dem Metallfilm 19 auffallenden Sonnenstrahlung 28 vergrößert bzw. möglichst groß ist. Wenn beispielsweise der Metallfilm 19 aus 5 nm dickem Platin besteht, kann eine geeignete Antireflexionsschicht 24 aus CrOp von etwa 45 nm Dicke mit einem Brechungsindex von η = 2,1 vorteilhaft verwendet werden. Normalerweise wird die Antireflexionsschicht 24 aus einem dielektrischen Material, wie Zinksulfid, Zirkonoxid oder Siliziumdioxid bestehen, sie kann aber auch aus einem transparenten Halbleitermaterial, wie mit Antimon dotiertem Zinnoxid oder mit Zinn dotiertem Indiumoxid, bestehen.

Es ist bekannt, daß beim Kontaktieren bestimmter Metalle mit bestimmten Halbleitermaterialien eine Oberflächensperrschicht entsteht. Im erfindungsgemäßen Photoelement 10 wird eine solche Oberflächensperrschicht an der Grenzfläche 21 gebildet, obwohl der Metallfilm 19 in keinem direkten Kontakt mit dem amorphen Silizium (13) steht. Eine Oberflächensperrschicht ruft eine Raumladung oder ein elektrisches Feld im amorphen Siliziumkörper 13 hervor, das ausgehend von der Grenzfläche 21 in die zweite Schicht 16 hineinreicht und als Verarmungszone bezeichnet wird. Als Folge des Gradienten der Dotierstoff-Konzentration der ersten Schicht 14 wird auch dort ein elektrisches Feld erzeugt. Es erstreckt sich also ein elektrisches Feld im wesentlichen sowohl durch die erste als auch die zweite Schicht 14 und 16. Das ist erwünscht, um zu erreichen, daß irgendwo in diesen Schichten durch Absorption von Sonnenstrahlung 28 gebildete Ladungsträger durch das elektrische Feld entweder zum Substrat 12 oder zum Metallfilm 19 getrieben

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werden. Das Substrat 12 wirkt als eine der Elektroden des Photoelements 10. Wenn sich das elektrische Feld nicht in einen Teil der ersten oder zweiten Schicht 14 und 16 des Photoelementes 10 hinein erstreckt, würden in der entsprechenden quasi neutralen Zone erzeugte Ladungsträger nicht durch ein elektrisches Feld zu einer der Elektroden gezogen werden. Der Ladungsträgertransport kann dann nur durch Diffusion zur Verarmungszone erfolgen, um dort als Strom gesammelt zu werden.

Der Gradient der Dotierstoff-Konzentration in der ersten Schicht 14 ist zur Verlängerung des elektrischen Feldes in dem Photoelement 10 günstig und hat außerdem den Vorteil, daß das Herstellen eines ohmschen Kontaktes zwischen der ersten Schicht 14 und dem Substrat 12 erleichtert ist. Diese Verbesserung beim Kontaktieren stellt sicher, daß die Dotierstoff-Konzentration der ersten Schicht 14 an der ersten Grenzfläche 15 einen maximalen Wert von z. B. etwa 5 Atomprozenten Phosphor hat. Das Bilden eines ohmschen Kontaktes an der Grenzfläche 15 ist insbesondere auch zum Gewährleisten eines niedrigen Reihenwiderstandes des Photoelements 10 vorteilhaft. Selbst wenn aber die Schicht 14 eine über ihre Dicke gleichmäßige Dotierstoff-Konzentration aufweist, kann ebenfalls ein ohmscher Kontakt an der Grenzfläche 15 gebildet werden, wenn nur die gleichmäßige Dotierstoff-Konzentration vorzugsweise bei etwa 5 Atomprozenten liegt.

In Fig. 2 ist ein Glimmentladungsgerät zum Herstellen des erfindungsgemäßen Photoelementes 10 insgesamt mit 30 bezeichnet. Zu dem Gerät gehört eine von einer vorzugsweise aus Glas bestehenden Vakuumglocke 34 umgebene Kammer 32, In der Vakuumkamm er 32 befinden sich eine Elektrode und

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eine dieser gegenüber angeordnete und auf Abstand gesetzte Heizplatte 38. Die Elektrode besteht aus einem Metall mit guter elektrischer Leitfähigkeit, z. B. aus Platin, und hat die Form eines Schirms oder einer Spule. Die Heizplatte 38 ist ein keramischer Rahmen mit eingeschlossenen Heizschlangen. Letztere werden von außerhalb der Vakuumkammer 32 von einer Stromquelle 40 versorgt.

Ein erster Hahn 44 der Vakuumkammer 32 ist mit einer Diffusionspumpe, ein zweiter Hahn 46 mit einer mechanischen Pumpe und ein dritter Hahn 48 mit einem Gaszuführungssystem verbunden. Letzteres ist die Quelle der verschiedenen für die Glimmentladung benötigten Gase. Die auf den ersten Hahn 44 geschaltete Diffusionspumpe kann auch wegfallen, wenn das System mit Hilfe der mechanischen Pumpe auf einen ausreichenden Druck zu evakuieren ist.

Beim Herstellen des Photoelementes 10 wird ein z. B. aus rostfreiem Stahl bestehendes Substrat 12 auf die Heizplatte 38 gesetzt und mit einer Klemme einer Stromquelle 42 verbunden, während die Elektrode 36 mit einer entgegengesetzt gepolten Klemme der Stromquelle 42 gekoppelt wird. Es besteht daher eine Spannungsdifferenz zwischen der Elektrode 36 und dem Substrat 12. Die Stromquelle 42 kann entweder Gleichstrom oder Wechselstrom abgeben. Bei letzterem kann es sich um den niederfrequenten Bereich von beispielsweise 60 Hz oder um Hochfrequenz, beispielsweise in der Größenordnung von Megahertz, handeln. Wenn es sich um eine Gleichstromquelle 42 handelt, wird die Elektrode 36 vorzugsweise mit der positiven Klemme der Stromquelle 42 und das Substrat mit der negativen Klemme der Quelle verbunden. Beim Beaufschlagen der Stromquelle 42 bildet dann die Elektrode 36 eine Anode und das Substrat 12 eine Kathode. Dieser Fall wird auch als "kathodischer Gleichstrombetrieb" bezeichnet. Bei Gleichstrombetrieb können das Substrat 12 und die Elektrode 36 aber auch umgekehrt gepolt werden, derart,

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daß das Substrat 12 die Anode und die Elektrode 36 die Kathode bildet. Dieser Fall wird als "anodischer Gleichstrombetrieb" bezeichnet. Weiterhin kann zum Erreichen einer Hochfrequenz-Glimmentladung mit einem elektrodenlosen Glimmentladungs-Gerät bekannter Art gearbeitet werden, z. B. kann dann ein kapazitives Hochfrequenz-Glimmentladungssystem oder ein induktives Glimmentladungssystem benutzt werden.

Die Vakuumkammer 32 wird vorzugsweise auf einen Druck von etwa 1,4 χ 10~^ bis 1,4 χ 10 mbar evakuiert und das Substrat 12 mittels der Heizplatte 38 auf eine Temperatur von etwa 150 bis 45O⁰C erhitzt. Anschließend wird eine Atmosphäre mit etwa 98,5% Silan und etwa 1,5% N-dotierendem Gas bis zu einem Druck von etwa 0,1 bis 7 mbar in die Vakuumkamm er 32 eingeleitet; aufgrund des resultierenden Druckes wird die Temperatur des Substrates 12 auf einen Wert in der Größenordnung von 200 bis 500⁰C erhöht. Typische N-dotierende und in einer Glimmentladung verwendbare Gase sind beispielsweise Phosphin (PH,) und Arsin (AsH,). Es können auch Materialien wie Antimon (Sb), Wismut (Bi), Natriumhydrid (NaH) und Cäsiumnitrid (CsN,) verwendet werden, indem diese in ein Verdampfungsschiffchen gebracht und in der Atmosphäre der Vakuumkammer 32 solange erhitzt werden, bis die gewünschte Menge an Dotiergas oder Dotierdampf in die Silan-Atmosphäre eingeleitet worden ist.

Zum Ingangsetzen der Glimmentladung zwischen der Elektrode 36 und dem Substrat 12 wird die Stromquelle 42 erregt. Daraufhin beginnt das Niederschlagen einer dotierten, amorphen Siliziumschicht, nämlich der ersten Schicht 14 des Halbleiterkörpers 13. Es sei vorausgesetzt, daß der kathodische Gleichstrombetrieb hierbei angewandt wird. Zum

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ÄS

Niederschlagen der ersten Schicht 14 soll dann die Stromdichte an der oberfläche des Substrats 12 etwa 0,1 Ms 3,0 mA/cm betragen. Die Abscheidegeschwindigkeit des amorphen Siliziums nimmt mit dem Silan-Druck und der Stromdichte zu. Bei einem Druck von etwa 2,7 mbar und einer Stromdichte von 1 mA/cm wird auf einem kathodischen Substrat 12 bei 350⁰C in wenigen Sekunden dotiertes amorphes Silizium von etwa 20 nm niedergeschlagen. Um in der ersten Schicht 14 eine Dotierstoff-Konzentration mit dem genannten Konzentrations-Gradienten zu erzeugen, wird während des Niederschlagens durch Glimmentladung zusätzliches Silan in die Vakuumkammer 32 eingeführt.

Sobald die Glimmentladung bei kathodischem Gleichstrombetrieb in Gang gesetzt ist, werden von dem Substrat 12 Elektronen emittiert. Diese Elektronen stoßen auf Silan-Moleküle (SiIL ), die diese Moleküle sowohl ionisieren als auch dissoziieren. Die positiven Siliziumionen und die positiven Siliziumhydridionen, z. B. SiH⁺, werden von dem die Kathode bildenden Substrat 12 angezogen, und das etwas Wasserstoff enthaltende Silizium wird auf dem Substrat 12 niedergeschlagen. Es wird vermutet, daß die Gegenwart des Wasserstoffs in dem amorphen Silizium sich vorteilhaft auf die elektronischen Eigenschaften des herzustellenden Bauelements auswirkt.

Nach dem Herstellen der ersten Schicht 14 wird die in der Vakuumkammer 32 befindliche Atmosphäre mit Hilfe der mechanischen Pumpe abgesogen.

Ausgehend von einem Druck von etwa 1,3 x 10 mbar in der Vakuumkammer wird in diese im wesentlichen reines Silan eingeführt, bis der Druck in der Kammer etwa 0,1 bis 7 mbar

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beträgt. Daraufhin wird die Glimmentladung wieder für 1 bis 5 Minuten mit einer Stromdichte von etwa 0,3 mA/cnr bis 3,0 mA/cm gezündet, um auf der ersten Schicht 14 die zweite Schicht 16 niederzuschlagen. Es hat sich herausgestellt, daß die aus amorphem Silizium bestehende und eLr ch Glimmentladung in im wesentlichen reinem Silan hergestellte zweite Schicht 16 leicht N-leitend ist, wenn sie auf eine auf einer Temperatur von etwa 100⁰C oder mehr gehaltenen ersten Schicht 14 niedergeschlagen wird.

Die Temperatur des Substrats 12 bei der Glimmentladung kann die Zusammensetzung und die Struktur des niedergeschlagenen Materials als Folge einer Selbstdotierung, einer Eutektikumbildung und einer induzierten Kristallisation beeinflussen. Beispielsweise führt das Abscheiden auf einem einkristallinen Siliziumsubstrat bei Temperaturen oberhalb von etwa 500⁰C zur Bildung von polykristallinem Silizium und das Abscheiden auf einem Goldsubstrat bei Temperaturen oberhalb von 186⁰C zu einer induzierten Kristallisation des niedergeschlagenen Siliziums.

Der Halbleiterkörper 13 ist mit dem Abscheiden der zweiten Schicht 16 fertiggestellt. Das Herstellen der elektrisch isolierenden Schicht 18 kann nach mehreren Alternatiwerfahren erfolgen. Eine oxidische, isolierende Schicht 18 läßt sich durch Aufheizen des Halbleiterkörpers 13 in Luft oder in Sauerstoff bei Temperaturen von etwa 200 bis 350⁰C während einer Zeitdauer von etwa einer halben Stunde bilden. Eine oxidische isolierende Schicht kann auch während derselben Zeit gebildet werden, während der der Metallfilm 19 in einer Partialatmosphäre von Sauerstoff bei einem Druck von etwa 11 χ 10 ^J mbar auf den Halbleiterkörper 13 niedergeschlagen wird. Eine isolierende Schicht 18 aus Siliziumnitrid läßt sich durch Glimmentladung in einer Atmosphäre aus Silan (SiH^) und Stickstoff (Np) herstellen. Das Niederschlagen durch Glimmentladung kann auch dazu benutzt werden, eine isolierende Schicht

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aus Materialien wie Siliziumdioxid (SiOp) oder Bor-Nitrid (BN) zu erzeugen. Die Erfindung bezieht sich auch auf den Fall, daß die isolierende Schicht 18 als Oxid oder Nitrid nach einem anderen bekannten Verfahren, wie dem Aufdampfen, Aufsprühen oder Abscheiden aus der Gasphase durch chemische Reaktion, niedergeschlagen wird.

Sobald die isolierende Schicht 18 gebildet ist, wird der Halbleiterkörper 13 zusammen mit der isolierenden Schicht 18 in eine bekannte Aufdampfvorrichtung gesetzt, um einen Metallfilm 19 auf die isolierende Schicht 18 aufzudampfen, falls das nicht schon zusammen mit der isolierenden Schicht geschehen ist. Ebenso werden die Elektrode 22 und die Antireflexionsschicht 24 auf den Metallfilm 19 auf bekannte Weise durch Aufdampfen und unter Verwendung von Maskiertechniken aufgebracht. Das gesamte Herstellungsverfahren kann in einem einzigen System unter Anwendung sowohl von Glimmentladungen als auch von Aufdampfschritten ausgeführt werden.

Wie oben beschrieben, wird angenommen, daß die isolierende Schicht 18 des erfindungsgemäßen Photoelementes 10 die gegenüber früheren Photoelementen mit einer Schottky-Sperrschicht erhöhte Leerlaufspannung bedingt.

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Claims

282675?

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)

Patentansprüche:

J Photoelement mit einem Halbleiterkörper aus hydriertem, amorphem Silizium gekennzeichnet durch eine aus elektrisch isolierendem Material bestehende Schicht (18) auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers (13) mit einer von Ladungsträgern zu durchtunnelnden Schichtdicke und durch eine Metallschicht (19) auf der dem Halbleiterkörper (13) abgewandten Oberfläche der isolierenden Schicht (18).
2. Photoelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Oxid als isolierende Schicht (18).
3. Photoelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Nitrid als isolierende Schicht (18).
4. Photoelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Dicke der isolierenden Schicht (18) von 1 bis 5 nm.
5. Photoelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1

bis 4, gekennzeichnet durch eine Dicke der isolierenden Schicht (18) von 2 nm.

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6. Photoelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (18) eine aus durch Glimmentladung in einer Mischung von Silan und einem Dotiergas hergestelltem, dotiertem, amorphem Silizium bestehende erste Schicht (14) und eine aus durch Glimmentladung in Silan hergestelltem, amorphem Silizium bestehende zweite Schicht (16) aufweist und daß die zweite Schicht (16) zwischen der ersten (14) und der isolierenden Schicht (18) liegt sowie an diese beiden Schichten (14, 18) angrenzt.

7el Photoelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Halbleiterkörper (13) aus durch Glimmentladung in im wesentlichen reinem Silan hergestelltem, amorphem Silizium besteht.

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