DE3318852A1

DE3318852A1 - Photodetektor

Info

Publication number: DE3318852A1
Application number: DE19833318852
Authority: DE
Inventors: James 08648 Lawrenceville N.J. Kane
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1982-09-27
Filing date: 1983-05-25
Publication date: 1984-03-29
Anticipated expiration: 2003-05-26
Also published as: US4532537A; FR2533755A1; GB8314064D0; GB2128020B; JPS5961973A; JPH07283432A; FR2533755B1; GB2128020A; JP2814361B2; JPH0612840B2; DE3318852C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Photodetektor mit einem insbesondere in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich im wesentlichen lichtdurchlässigen, ersten elektrischen Kontakt und einem daraufliegenden Halbleiterkörper. Sie betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Photodetektors, bei dem auf ein Substrat eine lichtdurchlässige elektrisch leitende Schicht und darauf eine Schicht aus hydriertem, amorphem Silizium aufgebracht wird.

Ein typischer Photodetektor besteht aus einem dünnen Halbleiterkörper mit einem darin befindlichen Halbleiterübergang, zum Beispiel einem PN-Übergang, und mit einem elektrischen Kontakt auf der Licht-Einfallsfläche sowie einem weiteren Kontakt auf der gegenüberliegenden Rückseite des Körpers. Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Licht-"energie in elektrische Energie liegt bei Photodetektoren unterhalb des theoretischen Maximums, weil der Absorptionskoeffizient des Körpers gegenüber Licht eines gewissen Wellenlängenbereichs zu gering ist. Dieser Effekt kann teilweise kompensiert werden, wenn für den rückseitigen Kontakt ein Material, z.B. ein Metall, mit hohem Reflexionsvermögen verwendet wird, so daß das hindurchtretende Licht zurück in den Körper reflektiert wird. Die meisten Kontaktmaterialien reflektieren an dieser Grenzschicht aber nicht sehr wirkungsvoll. Viele Materialien können auch die Leistungsfähigkeit des Halbleiterkörpers Während der aufeinanderfolgenden Verfahrensstufen beim Herstellen des Photodetektors ungünstig beeinflussen. Statt dessen können die Licht-Einfallsfläche oder die Rückseite des Photodetektors oder aber die Oberfläche eines Substrats, auf das ein Halbleiterkörper aufgebracht wird, durch chemisches Ätzen aufgerauht werden. Das chemische Ätzen kann aber ebenfalls ungünstig sein, weil es

nicht nur einen zusätzlichen Verfahrensschritt im Herstellungsgang des Photodetektors darstellt, sondern auch eine Beeinträchtigung der Kenndaten des hergestellten Photodetektors zur Folge haben kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter-Photodetektor mit in dem Wellenlangenbereich, in welchem Licht schwach absorbiert wird, vergrößerter Absorption zu schaffen, wobei zugleich die Zahl der Verfahrensschritte zum Herstellen des Bauelements herabgesetzt sowie unerwünschte Nebeneffekte, z.B. eine Verschlechterung der Kenndaten, die eine zusätzliche Bearbeitung erfordern würde, vermindert werden sollen. Die erfindungsgemäße Lösung besteht für den Photodetektor eingangs genannter Art darin, daß die am Halbleiterkörper anliegende Oberfläche des ersten elektrischen Kontakts eine Struktur mit einer dominanten Spitze-zu-Spitze-Textur von mehr als hundert Nanometern (nm) besitzt und daß die Schichtdicke des ersten elektrischen Kontakts mehr als 250 nm beträgt.

Wesentliches Merkmal ist demgemäß die dem Halbleiterkörper zugewandte texturierte Oberfläche des in der Regel mit z.B. glatten Rückseite an ein Substrat angrenzenden ersten elektrischen Kontakts. Dieser und gegebenenfalls das Substrat sollen im vorgegebenen Wellenlängenbereich lichtdurchlässig sein. Ein Photodetektor mit einer texturierten, leitenden, transparenten SnOp-Kontaktschicht auf einem hydrierten, amorphen Siliziumkörper besitzt einen um etwa 50% größeren Umwandlungswirkungsgrad als vergleichbare herkömmliche Zellen.

Γη typischen Fällen sollen die Spitze-zu-Spitze-Unterschiede in der Höhe zwischen etwa 100 und 1000 nm, vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 200 und 500 nm, liegen. "Dominant" bedeutet dabei, daß die jeweilige Fläche zwar örtliche Spitze-zu-Spitze-Texturen abweichend von den vorgenannten Werten haben kann, daß aber die Oberfläche im wesentlichen eine Textur bzw. "Höhenamplituden" in der angegebenen Größenordnung besitzt. Mit Hilfe der texturierten Oberfläche werden infolge von Streuung Re. ^- flexionsverluste vermindert und die Weglänge des Lichts im lichtempfindlichen Körper vergrößert, so daß sich eine entsprechend erhöhte optische Absorption im lichtempfindlichen Körper ergibt.

Im Rahmen des eingangs genannten Verfahrens zum Herstellen eines Photodetektors mit Substrat, transparenter elektrisch leitender Beschichtung und darauf befindlicher hydrierter, amorpher Siliziumschicht besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß das Substrat auf einer Temperatur von mehr als etwa 350⁰C gehalten wird und daß die lichtdurchlässige, elektrisch leitende Schicht durch chemisches Aufdampfen aus einer Zinn, Sauerstoff und Wasserstoff und einen den Leitungstyp beeinflussenden Dotierstoff enthaltenden Atmosphäre derart niedergeschlagen wird, daß die der beschichteten Oberfläche des Substrats gegenüberliegende Oberfläche der elektrisch leitenden Schicht eine dominante Spitze-zu-Spitze-Struktur von mehr als 100 nm erhält. Die erfindungsgemäßen Merkmale des Photodetektors lassen sich also dadurch einstellen, daß das Material des lichtdurchlässigen, elektrischen Kontakts mit passend texturierter Oberfläche durch chemisches Aufdampfen aus einer Zinn, Sauerstoff und Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre niedergeschlagen wird.

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

Fig. 1 bis 3 drei verschiedene Photodetektoren im Querschnitt ;

Fig. 4 eine Raster-Elektronen-Mikrophotographie einer aufgesprühten Zinnoxid-Oberfläche;

Fig. 5 eine 'Raster-Elektronen-Mikrophotographie einer Zinnoxid-Schicht nach Fig. 4 mit zusätzlich darauf aufgebrachter Zinnoxid-Schicht;

Fig. 6 und 7 Raster-Elektronen-Mikrophotographien von erfindungsgemäß aufgebrachten, texturierten Zinnoxid-Oberflächen ;

Fig. 8 die Quantenausbeute abhängig von der Wellenlänge in einem Diagramm für einen erfindungsgemäßen Photodetektor sowie einen Vergleichs-Photodetektor und

Fig. 9 und 10 zwei Anwendungsbeispiele der Erfindung, im Querschnitt.

In Fig. 1 wird ein Photodetektor 10 mit einem lichtdurchlässigen Substrat 12 dargestellt. Das Substrat 12 besitzt einander gegenüberliegende erste und zweite Hauptflächen 14 und 16. Auf der ersten Hauptfläche 14, die die Licht-Eintrittsfläche des Bauelements darstellt, befindet sich eine reflexmindernde Schicht 18. Auf der zweiten Hauptflache 16 des Substrats 12 liegt ein lichtdurchlässiger,

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erster elektrischer Kontakt 20 mit texturierter Oberfläche 22. Hierauf wiederum befindet sich ein Halbleiterkörper. 24 mit Zonen 26 und 28 entgegengesetzten Leitungstyps und dazwischen befindlichem Halbleiterübergang 30. Auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers 24 liegt ein zweiter elektrischer Kontakt 32.

Soweit die Elemente der nachfolgend beschriebenen Figuren mit denen gemäß Fig. 1 übereinstimmen, werden sie wie dort bezeichnet.

Der Photodetektor 40 nach Fig. 2 enthält einen Halbleiterkörper 24 mit eigenleitender Zone 42 und beiderseits daran angrenzenden Halbleiterzonen 44 und 46 entgegengesetzten Leitungstyps, so daß ein sich über die eigenleitende Zone 42 erstreckender PIN-Halbleiterübergang gebildet wird.

Fig. 3 zeigt einen reihengeschalteten Tandem-Photodetektor 50, der sich vom Photodetektor 40 nach Fig. 2 durch ***" einen Tandem-Halbleiterkörper 52 zwischen dem Halbleiterkörper 24 und dem zweiten elektrischen Kontakt 32 unterscheidet. Der Tandem-Halbleiterkörper 52 enthält einen Halbleiterübergang, der aus einer eigenleitenden Zone 54 und gegenüberliegenden Zonen 56 und 58 entgegengesetzten Leitungstyps gebildet wird. Die Zone 56 des Tandem-Halbleiterkörpers 52 und die angrenzende Zone 46 des Halbleiterkörpers 24 besitzen entgegengesetzten Leitungstyp; zwischen den letztgenannten Zonen befindet sich ein Tunne!übergang.

Der Tandem-Halbleiterkörper 52 wird typisch aus einem Material mit niedrigerem Bandabstand hergestellt als der Halbleiterkörper 24, so daß durch den schwächer absorbierenden Halbleiterkörper 24 hindurchfallendes Licht im Tandem-Halbleiterkörper 52 absorbiert wird. In einem als Solarzelle arbeitenden Photodetektor wird der Halbleiterkörper 24 vorzugsweise aus hydriertem, amorphem Silizium hergestellt, während der Tandem-Halbleiterkörper 52 aus einer hydrierten amorphen Silizium-Germanium-Legierung gebildet werden soll. Die relativen Dicken des Halbleiterkörpers 24 und des Tandem-Halbleiterkörpers 52 sowie ihre Zusammensetzungen werden so eingestellt, daß die beiden Körper in etwa gleiche lichtelektrische Ströme liefern.

Das Substrat 12, durch das das Licht in den Halbleiterkörper 24 eintritt, wird aus für Licht durchlässigem Material, z.B. aus einem Glas mit ausreichender mechanischer Stabilität zum Tragen der Gesamtstruktur, hergestellt. Die Hauptfläche 16 des Substrats 12, auf die der lichtdurchlässige, erste elektrische Kontakt 20 niedergeschlagen wird, soll typisch eine glatte, spiegelnd reflektierende Oberfläche besitzen. Vorzugsweise besitzt das Subsi;rat 12 eine Dicke zwischen etwa 1 und 6 mm.

Der erste elektrische Kontakt 20 ist lichtdurchlässig, nicht jedoch in einem Wellenlängenberexch zwischen etwa 400 und 1000 nm. Der Kontakt 20 besitzt eine zufällig texturierte, d.h. in etwa reliefartig bzw. dreidimensional strukturierte, nichtspiegelnde Oberfläche. Das Subsüret erscheint daher milchig-weiß mit dem darauf liegenden Kontakt. Dieser kann aus einem Material wie Zinnoxid oder Indiumzinnoxid hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Oberflächen-Textur besteht aus örtlichen Spitzezu-£pitze-Unterschieden mit einer Höhendifferenz von mehr

als etwa 100 nm, vorzugsweise zwischen etwa 100 und 1000 nm, insbesondere im Bereich zwischen etwa 200 und 500 nm. "Dominant" bedeutet hier, daß zwar auch andere Spitze-zu-Spitze-Texturen auftreten können, Texturen im oben angegebenen Bereich jedoch insgesamt überwiegen. Es wurde festgestellt, daß die Amplitude der Oberflächen-Textur mit zunehmender Schichtdicke ansteigt. Wenn eine brauchbare Oberflächen-Textur erhalten werden soll, ist also die Dicke des lichtdurchlässigen, ersten Kontakts 20 auf einen Wert von mehr als etwa 250 nm, vorzugsweise weniger als etwa 1000 nm, einzustellen.

Ein Kontakt 20 aus SnO₂ kann durch chemisches Aufdampfen (CVD) auf ein auf eine Temperatur von mehr als 350 C, vorzugsweise zwischen etwa 450 und 500 C, aufgeheiztes Substrat aus einer Atmosphäre niedergeschlagen werden, welche Zinn, Sauerstoff, Wasserstoff und ein den Leitungstyp veränderndes Dotiermittel, wie Fluor oder Antimon, enthält. Die Textur wird umso ausgeprägter, je höher die Temperatur beim Niederschlagen eingestellt wird. Jedoch darf die Temperatur nur soweit erhöht werden, daß das Substrat nicht erweicht.

Es wird angenommen, daß die Gegenwart von Chlor, vorzugsweise in Form von HCl, in der Atmosphäre vorteilhaft als ein Transportmittel zum Verstärken des'Wachstums der texturierten Fläche wirkt. Als Zinnquelle können eine Zinn-Halogen-Verbindung, vorzugsweise SnCl₄, oder eine Organo -Z inn -Verbindung, z.B. n-Butyl-Zinnchlorozinn, Dibutylzinndiazetat oder Tetramethylzinn eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren niedergeschlagene dünne Schichten zeigen eine geringe Textur oder Lichtstreuung. Bei Dicken jedoch von mehr als 250 nm nehmen die Oberflächentextur und die Lichtstreuung mit ansteigender Schichtdicke drastisch

zu. Aus einer Tetramethylzinn in Abwesenheit von Chlor enthaltenden Atmosphäre niedergeschlagene Schichten zeigen nur geringe Lichtstreuung, werden aber texturiert, wenn ein Halogen, z.B. Chlor, in ausreichender Menge der Abscheideatmosphäre hinzugefügt wird.

Durch Röntgenstrahlanalyse wurde festgestellt, daß glatte Schichten und durch Sprühen hergestellte Schichten aus Körnern bzw. Kristalliten des tetragonalen Kassiterits (SnGp) mit parallel zur Substratachse orientierten c-Achsen bestehen. In den erfindungsgemäßen texturierten Schichten bestehen die Körner ebenfalls aus tetragonalem Kassiterit, aber sie sind nicht im selben Maße in bezug auf die Substratoberfläche orientiert. Ihre c-Achsen sind vorherrschend um einen Winkel gegenüber der Substratoberfläche geneigt. Eine glatte SnOp-Schicht mit einer Dicke von etwa 500 nm enthielt Kristallgrößen von etwa 325 nm. Eine aufgesprühte Schicht mit vergleichbarer Dicke wies Kristallgrößen von etwa 174 nm auf. Eine Schicht vergleichbarer Dicke, die erfindungsgemäß durch chemisches Aufdampfen niedergeschlagen war, zeigte Kristallgrößen von etwa 101 nm. Schichten mit kleinerer Korngroße besitzen also eine größere Oberflächenrauhigkeit. Das hängt wahrscheinlich mit dem Fehlen einer bevorzugten kristallographischen Orientierung der Körner zusammen.

Fig. 4 zeigt eine Raster-Elektronen-Mikrophotographie einer aufgesprühten SnOp-Schicht. In Fig. 5 wird eine Raster-Elektronen-Mikrophotographie einer aufgesprühten SnOp-Schicht dargestellt, auf die eine zusätzliche glatte SnOp-Schicht niedergeschlagen war. Fig. 6 zeigt eine Raster-Elektronen-Mikrophotographie einer erfindungsgemäß hergestellten, etwa 890 nm dicken SnOp-Schicht. In

Flg. 7 wird eine Raster-Elektronen-Mikrophotographie einer erfindungsgernäß hergestellten, etwa 1200 nm dicken SnOp-Schicht dargestellt. Die Vergrößerung beträgt in allen Fällen 20.000. Die Blickrichtung war bei der Aufnahme nach Fig. 4 und 5 um einen Winkel von 50° und bei der Aufnahme nach Fig. 6 und 7 um einen Winkel von 75° geneigt. Die Mikrophotographien zeigen die beträchtlich verstärkte Textur auf der erfindungsgernäß nach der CVD-Methode niedergeschlagenen SnOp-Fläche. Aus diesen Mikrophotographien wurde abgeschätzt, daß die Textur einen charakteristischen Spitze-zu-Spitze-Wert zwischen etwa 200 und 500 nm besitzt. Der Körper 24 kann aus jedem Halbleitermaterial bestehen, welches auf die texturierte Oberfläche des lichtdurchlässigen, ersten Kontakts 20 niederzuschlagen ist. Er kann beispielsweise aus Galliumarsenid, Indiumphosphid, Kadmiumsulfid oder aus einkristallinem, polykristallinem sowie hydriertem amorphem Silizium bestehen, wenn nur das Material Licht des jeweils interessierenden Wellenlängenbereichs absorbiert. Der Halbleiterkörper 24 kann durch Aufsprühen oder durch Flüssig- oder Gas-Phasen-Niederschlag hergestellt werden.

Ein Halbleiterkörper aus amorphem Silizium kann nach dem Verfahren gemäß US-PS 40 64 521 durch Gleichstrom- oder Hochfrequenz-Glimmentladung auf ein Substrat niedergeschlagen werden. Das Substrat mit darauf aufgebrachtem texturierten!, lichtdurchlässigem Kontakt wird in einer Plasmakammer auf einer Temperatur zwischen vorzugsweise .etwa 200 und 350°C gehalten. Die Atmosphäre in der Plasmakammer soll SiH₄ und - falls erwünscht - ein jeweils passendes, den Leitungstyp verändernden Dotierstoffgas, z.B. PHg oder BpHg, enthalten. Der Gesamtdruck der Atmosphäre in der Plasmakammer wird vorzugsweise auf einen Wert zwischen etwa 0,1 und 6,5 mbar eingestellt. Es können auch

andere Gase, z.B. NH₃ oder CH₄, in die Plasmakammer eingeführt werden, wenn gemäß US-PS 41 09 271 Si-N oder eine Si-C-Legierung niedergeschlagen werden sollen. Außerdem kann es günstig sein, in das amorphe Silizium Halogenatome, z.B. Fluor, einzubauen. Das läßt sich dadurch erreichen, daß der Atmosphäre in der Plasmakammer ein ein Halogen enthaltendes Gas, z.B. SiF₄, hinzugefügt wird. Zur Herstellung des Tandemkörpers nach Fig. 3 kann die Si-Ge-Legierung durch Glimmentladung aus einer SiH₄ und GeH₄ enthaltenden Atmosphäre abgeschieden werden.

Die Zonen 44 und 46 entgegengesetzten Leitungstyps sind vorzugsweise zwischen etwa 5 und 40 nm dick. Die Zone 44 besitzt typisch p-Leitung und eine Dicke von etwa 12 nm. Diese Schicht kann aus hydriertem, amorphem Silizium, vorzugsweise aus einer hydrierten amorphen Silizium-Kohlenstoff-Legierung mit einem den Bandabstand der eigenleitenden Schicht 42 übersteigenden Bandabstand hergestellt werden. Die Zone 46 soll vorzugsweise n-Leitfähigkeit und eine Dicke von etwa 30 nm besitzen.

Es wurde festgestellt, daß sich auf die texturierte Oberfläche des lichtdurchlässigen elektrischen Kontakts 20 eine kontinuierliche p-leitende Schicht 44 von etwa 12 nm Dicke niederschlagen läßt. Dieses Ergebnis ist bemerkenswert, weil die Oberfläche eine vorherrschende Spitze -zu-Spitze-Textur zwischen etwa 200 und 400 nm und seitliche Rauheits-Dimensionen derselben Größenordnung besitzt. Irgendwelche Diskontinuitäten in dieser Schicht können die Leistung des Detektors verschlechtern.

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Der Begriff Eigenleitung im Zusammenhang mit der Zone 42 umfaßt auch schwache p- oder η-Leitung sowie die Kompensation durch zufällige Verunreinigung oder absichtliche Dotierung. Wenn die eigenleitende Zone 42 einen speziellen Leitungstyp aufweist, soll dieser vorzugsweise entgegengesetzt zum Leitungstyp der an den transparenten Kontakt 20 angrenzenden Zone 44 sein, so daß ein HaIbleiterübergang an der Grenzschicht zwischen den Zonen 42 und 44 vorliegt.

Früher hatte die eigenleitende Schicht 42 normalerweise eine Dicke von mehr als 400 nm, um eine ausreichende Absorption im Wellenlängenbereich von mehr als etwa 600 nm sicherzustellen. Diese Schicht kann eine Dicke von beträchtlich weniger als 600 nm besitzen und trotzdem einen ausreichenden Umwandlungswirkungsgrad aufweisen, wenn sie auf einem texturierten, lichtdurchlässigen elektrischen Kontakt erfindungsgemäß niedergeschlagen wird. Die Dicke der Schicht muß größer als 50 nm sein und wird typisch auf einen Wert .zwischen etwa 100 und 1000 nm eingestellt. Dieses Ergebnis ist insofern bemerkenswert, als es die Möglichkeit zeigt, die Detektordicke und damit die Herstellungskosten beträchtlich zu vermindern und trotzdem einen brauchbaren Energie-Umwandlungswirkungsgrad zu erhalten.

Der Halbleiterübergang 30 kann aus irgendeinem Potentialwall bestehen, der durch die Lichtabsorption erzeugte Elektronen und Löcher dazu veranlaßt, sich in entgegengesetzten Richtungen zu bewegen. Der Halbleiterübergang 30 kann also als pn-übergang an der Grenze von Zonen ent gegengesetzten Leitungstyps ausgebildet werden. Beim Gegenstand gemäß Fig. 1 besitzen daher die erste und zweite Halbleiterzone 26, 2& entgegengesetzten Leitungstyp.

Die Textur der SnOp-Oberflache wird durch das nachfolgend niedergeschlagene amorphe Silizium hindurch fortgesetzt. Hierbei kann es sich um ein erwünschtes Verfahrensergebnis handeln, da durch die texturierte Rückseite des amorphen Siliziums eine zusätzliche Streuung und ein zusätzliches Einfangen von schwach absorbiertem, durch das amorphe Silizium hindurchfallendem Licht erhalten wird.

Der zweite elektrische Kontakt 32 bedeckt normalerweise die äußere Oberfläche des Halbleiterkörpers 24 und wird vorzugsweise aus einem Material, z.B. einem Metall, hergestellt, das in dem Wellenlängenbereich des nach Durchlaufen des Halbleiterkörpers 24 auf den Kontakt auffallenden Lichts ein hohes Reflexionsvermögen besitzt und normalerweise zwischen etwa 100 und 700 nm dick ist. Vorzugsweise besteht der Kontakt aus einem Metall, wie Aluminiuri, Gold, Kupfer oder Silber, das durch Elektronenstrahl-Aufdampfen oder durch Aufsprühen niederzuschlagen ist. Zwischen den Halbleiterkörper 24 und das Kontaktmetall kann eine Titanschicht eingefügt werden, um eine Diffusionssperre zwischen dem Kontaktmetall und dem Halbleiterkörper 24 für die nachfolgenden Verfahrensschritte zu erhalten.

Die Prinzipien der Erfindung lassen sich auch anwenden auf einen Photodetektor, z.B. auf ein DünnfiIm-Vidikon-Target (Signalplatte einer Bildaufnahmeröhre), wie sie in einer älteren Anmeldung derselben Anmelderin beschrieben wird. Zu der Bildaufnahmeröhre bzw. zu dem Vidikon 100 nach Fig. 9 gehört ein evakuierter Glaskolben 102 mit lichtdurchlässiger Frontplatte 104, welche auf einer Saite eine glatte Hauptfläche 106 besitzt. Auf der glatten Hauptfläche 106 befindet sich ein lichtdurchlässiger,

elektrischer Kontakt 108, z.B. aus SnO„, dessen seiner an die Hauptfläche 106 angrenzenden Oberfläche gegenüberliegende Fläche 110 ähnlich, wie für den Photodetektor 10 nach Fig. 1 beschrieben, texturiert ausgebildet wird.

Auf der texturierten Oberfläche 110 des Kontakts 108 liegt ein lichtempfindlicher Halbleiterkörper 112, der z.B. aus hydriertem, amorphem Silizium bestehen kann. Im Halbleiterkörper 112 kann sich ein Halbleiterübergang befinden oder nicht. Auf dem Halbleiterkörper 112 liegt eine strahlsperrende Schicht 114, z.B. aus Antimontrisulfid. Innerhalb des Glaskolbens 102 wird ein zum Bilden eines Elektronenstrahls geeigneter Elektronenstrahler 116 angeordnet. Nicht gezeichnete Mittel zum Fokussieren eines mit dem Strahler 116 gebildeten Elektronenstrahls zum Abtasten des Targets können außerhalb des Kolbens 102 vorgesehen werden.

Das Licht tritt in das Vidikon 100 durch die Frontplatte 104 ein und fällt auf die texturierte Fläche 110 des für Licht durchlässigen, elektrischen Kontakts 108. Das einfallende Licht wird durch die texturierte Oberfläche mit dem Ergebnis gestreut, daß ein Teil des reflektierten Lichts im lichtdurchlässigen, elektrischen Kontakt eingefangen wird und daß ein Teil des durchgelassenen Lichts beim Eintritt in den darüber liegenden licht-

empfindlichen Körper gebrochen wird. Durch die texturierte Oberfläche werden also Reflexionsverluste vermindert und die Weglänge im lichtempfindlichen Körper derart vergrößert, daß die Lichtabsorption insgesamt erhöht wird.

Die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien können auch bei einem Photodetektor, wie er z.B. in der Elektrophotographie benutzt wird, eingesetzt werden. Gemäß Fig. 10 gehört zu einem Photodetektor 200 ein Substrat 202 mit einer glatten Oberfläche 204 und darauf liegender elektrisch leitender Schicht 206. Die beispielsweise aus SnOp bestehende elektrisch leitende Schicht 206 besitzt eine erfindungsgemäß texturierte Oberfläche 208. Auf dieser Fläche liegt ein beispielsweise aus hydriertem amorphem Silizium bestehender, lichtempfindlicher Halbleiterkörper 210. Innerhalb des Halbleiterkörpers 210 kann sich ein Halbleiterübergang befinden. Das aktivierende Licht tritt in den Photodetektor 200 durch eine Fläche ein, die der an die texturierte Oberfläche 208 angrenzenden Fläche gegenüberliegt. Schwach absorbiertes Licht fällt durch den Körper hindurch und trifft auf die texturierte Oberfläche 208. Dort wird das Licht gestreut mit der Folge einer Vergrößerung der optischen Weglänge und damit einer Erhöhung der optischen Absorption im lichtempfindlichen Körper.

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Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere Einzelheiten der Erfindung erläutert.

Beispiel I

Es wurden vier Sätze Photodetektoren hergestellt, die sich nur in der Oberflächentextur des lichtdurchlässigen

elektrischen SnCU-Kontakts unterschieden. Jeder Satz be-

2
stand aus 440 Stück 2,27 mm großen ,Detektoren und 8

Stück 48 χ 2,27 mm Detektoren auf einem Borsilikatglas-Substrat von etwa 1,25 rnm Dicke und einer Größe von 75

Der Satz I besitzt einen elektrischen SnOp-Kontatct mit einem Flächenwiderstand von 25 Ohm/Quadrat. ,Er wurde durch chemisches Aufdampfen (CVD-Verfahren) niedergeschlagen. Das Glassubstrat wurde auf eine auf etwa 500⁰C erhitzte Platte gesetzt. Die über das Substrat streichenden Gase und deren Geschwindigkeiten waren (die Volumina wur-

den auf Normalbedingungen normiert): 3500 cm Stickstoff (N₉)/min; 350 cm³/min Stickstoff geperlt durch SnCl. bei

3
Zimmertemperatur; 70 cm /min BrCF_Q (gemessen mit einem

auf Luft geeichten Durchflußmesser); 200 cm /min Sauerstoff (O₂); und 400 cm³/rnin Stickstoff, geperlt durch Wasser (HpO)-.

Der Satz II besaß einen elektrischen SnO_?-Kontakt mit einem Flächenwiderstand von 25 Ohm/Quadrat und war nach demselben Verfahren wie der Satz I niedergeschlagen worden.

Der Satz Illbestand aus durch Sprühen auf Glas handelsüblich hergestellten elektrischen SnO_?-Kontakten mit einem Flächenwiderstand von etwa 10 Ohm/Quadrat.

Beim Satz IV wurde ein Substrat ähnlich wie im Satz III eingesetzt, das mit einer zusätzlichen 100 nm dicken, glatten SnO_-Schicht bedeckt war, die nach dem CVD-Verfahren aus einer Tetramethylzinn enthaltenden Atmosphäre niedergeschlagen worden war. Diese zusätzliche Schicht wurde auf die SnOp-Oberflache aufgebracht, um die manchmal an dieser Grenzschicht auftretende elektrische Sperrschicht zu kompensieren.

Die vier Sätze mit aufgebrachten elektrischen SnO_?-Kontakten wurden zusammen in eine Glimmentladungskammer zum Niederschlagen eines PIN-Halbleiterkörpers gemäß US-PS 4 064 521 gesetzt. Aus einer vorbeifließenden Gasatmosphäre mit CH₄, SiK₄ und B₃H₆ in SiH₄ gemäß US-PS 4 109 271 wurde eine P-leitende hydrierte, amorphe SiliziumKohlenstofflegierung von etwa 12 nm Dicke niedergeschlagen. Daraufhin wurde eine isolierende, hydrierte, amorphe Siliziumschicht von etwa 550 nm Dicke aus einer vorbeifließenden, PH„ in SiH₄ enthaltenden Atmosphäre abgeschieden.

Die Rückenelektrode, die aus einer 2,4 nm dicken Titanschicht sowie einer 500 nm dicken Silberschicht bestand und durch Elektronenstrahl-Verdampfen niedergeschlagen worden war, wurde unter Anwendung des üblichen Photoresistverfahrens und chemischer Ätztechniken unterteilt, um die einzelnen Detektoren voneinander zu trennen und zu bilden.

Jeder Satz wurde daraufhin 30 Minuten lang in ·Luft bei 150 C wärmebehandelt.

Die einzelnen Detektoren auf einem Substrat wurden unter Standard-AM-1-Beleuchtung (entsprechend etwa im Zenit stehender Sonne an einem wolkenlosen Tag) geprüft. Dabei wurden die Leerlaufspannung (V ), die Kurzschlußstromdichte (Jg_C)j der Füllfaktor FF (maximaler Leistungsausgang/V_Qc χ J_sc) und der als Verhältnis von elektrischem Leistungsausgang zu einfallender Lichtenergie definierte Wirkungsgrad *Υί gemessen. Im Verhältnis zu früheren Detektoren lagen die besten Ergebnisse bei den erfindungsgemäß hergestellten Bauelementen für die Leerlaufspannung mehrere Prozent höher, für die Kurzschlußstromdichte etwa 30 % höher und für den Füllfaktor etwa 18 % höher. Der resultierende Wirkungsgrad war für Photodetektoren mit erfindungsgemäß texturierter SnO₂_schicht etwa 50 % höher als bei Photodetektoren mit aufgesprühter SnO^-gchicht.

Beispiel II

Die integrierte, gestreute, durchgelassene Lichtintensität S. wurde bei einer Wellenlänge von etwa 501,7 nm für verschieden dicke SnOp-Schichten gemessen, die nach dem CVD-Verfahren gemäß Beispiel I unter Verwendung von SnCl. als Zinn-Quelle niedergeschlagen worden waren. Die Ergebnisse wurden in Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle 1

Dicke in nm	^St
80	0
170	1 %
260	4 %
440	12%
710	23%
390	38%
1200	48%

Die Dicke wurde mithilfe eines Oberflächenprüfgeräts gemessen, das über die Spitzen der texturierten Oberfläche läuft. Die mittlere Dicke ist daher etwas geringer als die angegebenen Werte.

Aus den Daten der Tabelle 1 kann ersehen werden, daß die Lichtstreuung und daher die Texturierung mit zunehmender Dicke zunimmt. Die optimale Dicke wird aber nicht allein durch maximale Texturierung oder maximale Lichtstreuung bestimmt, da die Lichtabsorption in der SnO^-Beschichtung ebenfalls mit zunehmender Dicke, insbesondere bei Wellenlängen von weniger als 500 nm, zunimmt. Die optimale Dikke des texturierten elektrischen Kontakts liegt daher zwischen etwa 250 und 1000 nm und wird vorzugsweise zwischen etwa 300 und 800 nm gewählt.

Beispiel III

Es wurde die Quantenausbeute, nämlich das Verhältnis der Zahl der gesammelten Träger zur Zahl der einfallenden Ph"tonen als Funktion der Wellenlänge mit Hilfe der 2,27

2
mm großen Detektoren der Sätze 1 bis IV von Beispiel I gemessen. Die Meßergebnisse für den Satz I wurden als Kurve a und die Meßergebnisse für den Satz IV wurden als Kurve b in Fig. 8 aufgetragen. Die Differenz zwischen den beiden Kurven rührt davon her, daß im Falle der der Kurve a zugrundeliegenden Messung die texturierte Oberfläche zwischen den lichtdurchlässigen, elektrischen SnCu-Kontakt und den amorphen Siliziumkörper eingefügt worden war. Die Differenz beträgt etwa 25 % über den gesamten Wellenlängenbereich von 400 bis 700 nm. Die Zunahme des Wirkungsgrads bei Wellenlängen von mehr als 600 nm ist unerwartet groß aber verständlich, wenn die Vergrößerung der optischen Weglänge im amorphen Silizium mit berücksichtigt wird.

Völlig unerwartet ist dagegen die starke Zunahme der Quantenausbeute bei Wellenlängen von weniger als 600 nm. Dieser Effekt zeigt eine verbesserte Kopplung des Lichts in den Absorber, denn es wird alles in den Absorber einfallende Licht dieses Wellenlängenbereichs absorbiert, bevor es auf die Rückseite des amorphen Siliziumkörpers auffallen kann. Es wird angenommen, daß diese verbesserte Wechselwirkung durch Lichteinfang in der SnOp-Schicht selbst bedingt ist, so daß auch dieses vorteilhafte Ergebnis durch die texturierte Oberfläche hervorgerufen wird, welche Mehrfacheinfälle von Licht auf die Grenzfläche zum amorphen Siliziumkörper erlaubt. Durch die texturierte Oberfläche wird also der Lichteinfang nicht nur im Absorbermaterial verbessert sondern zusätzlich im elektrischen Kontaktmaterial ermöglicht. Insbesondere auch in

dieser Hinsicht unterscheidet sich die erfindungsgemäße Struktur von bekannten Bauelementen dieser Art, in welchen der Lichteinfang bzw. die Lichtabsorption nur im eigentlichen Absorberbereich stattfindet.

Messungen des optischen Reflexionsvermögens zeigen, daß das Reflexionsvermögen an der Grenzfläche zwischen dem elektrischen SnOp-Kontakt und dem amorphen Siliziumkörper im angegebenen Wellenlängenbereich etwa 2,5 % gegenüber zwischen etwa 12 und 16 % bei glatter Grenzfläche beträgt. Der Brechungsindex des SnO _? liegt zwischen demjenigen des Substrats und demjenigen des amorphen Siliziumkörpers; auch hierdurch kann vorteilhaft die Absorption in der amorphen Siliziumschicht verstärkt werden.

L e e r s θ i te

Claims

ms Λ · Λ Dn.-lng. Reiman Körfig; :· . : DllpJS-JnQ. Klaus Bergen Wilhelm-Tell-Str. 14 «4ΟΟΟ Düsseldorf 1 Telefon 337O2B Patentanwälce 34 861 B RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, SSSSSSBSXSSSSZSSXSSSXCSSSSSaSSSCSSCSSE New York, N.Y. 10020 (V.St.A.) "Photodetektor" «·■■». Patentansprüche;

1. Photodetektor (10) mit einem, insbesondere in einem vorgegebenen Wellenlöngenbereich im wesentlichen lichtdurchlässigen, ersten elektrischen Kontakt (20) und einem daraufliegenden Halbleiterkörper (24), dadurch gekennzeichnet, daß die am Halbleiterkörper (24) anliegende Oberfläche (22) des ersten elektrischen Kontakts (20) eine Struktur mit einer dominanten Spitze-zu-Spxtze-Textur von mehr als 100 nm besitzt und daß die Schichtdicke des ersten elektrischen Kontakts (20) mehr als 250 nm beträgt.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der texturierten Oberfläche (16) gegenüberliegende Oberfläche (22) des ersten elektrischen Kontakts (20) an ein Substrat (12) angrenzt.

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzelehnet, daß die dominante wellenartige Spitze-zu-Spitze-Textur eine Dicke zwischen etwa 100 und 1000 nm, insbesondere zwischen etwa 200 und 500 nm, besitzt.

4. Detektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste elektrische Kontakt (20) aus einem Zinnoxid enthaltenden Material besteht.

5. Detektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (24) hydriertes amorphes Silizium, insbesondere mit einem Halbleiterübergang (30), enthält.

6. Detektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (24) hydriertes, amorphes Silizium mit Zonen (44, 46) entgegengesetzten Leitungstyps und dazwischenliegender eigenleitender Zone (42), d.h. mit einem PIN-Aufbau, enthält.

7. Detektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

6, gekennzeichnet durch eine Dicke des Halbleiterkörpers (24) zwischen 100 und 1000 nm, insbesondere zwischen 200 und 600 nm.

8. Detektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

7, gekennzeichnet durch eine Dicke des ersten elektrischen Kontakts (20) zwischen etwa 300 und 800 nm.

9. Detektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis

8, gekennzeichnet durch einen zweiten elektrischen Kontakt (32) auf der der an der texturierten Oberfläche (22) des ersten elektrischen Kontakts (20) anliegenden Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers (24).'

10. Detektor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen zwischen den Halbleiterkörper (24) und den zweiten elektrischen Kontakt (32) eingefügten Tandem-Halbleiterkörper (52) mit einem darin befindlichen Halbleiterübergang und mit einem kleineren Bandabstand als der Halbleiterkörper (24)'.

11. Detektor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12), insbesondere in dem vorgegebenen Wellenlängenbereich, für Licht im wesentlichen durchlässig ist.

12. Verfahren zum Herstellen eines Photodetektors, bei dem auf ein Substrat (12) eine lichtdurchlässige, elektrisch leitende Schicht (20) und darauf eine Schicht (24) aus hydriertem, amorphem Silizium aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) auf einer Temperatur von mehr als etwa 350⁰C gehalten wird und daß die lichtdurchlässige, elektrisch leitende Schicht (20) durch chemisches Aufdampfen aus einer Zinn, Sauerstoff, Wasserstoff und einen den Leitungstyp beeinflussenden Dotierstoff enthaltenden Atmosphäre derart niedergeschlagen wird, daß die dem Substrat (12) gegenüberliegende Oberfläche (22) der elektrisch leitenden Schicht (20) eine dominante Spitze-zu-Spitze- Textur von mehr als 100 nm enthält.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre zusätzlich ein Halogen, insbesondere Chlor, enthält.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige, elektrisch leitende Schicht (20) bis zu einer Dicke zwischen etwa 300 und 800 nm niedergeschlagen wird.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige elektrisch leitende Schicht (20) derart niedergeschlagen wird, daß die dem Substrat (12) abgewandte Oberfläche der leitenden Schicht (20) eine dominante Spitze-zu-Spitze-Textur zwischen etwa 100 und. 1000 nm, insbesondere zwischen etwa 200 und 500 nm, enthält.