DE3318852C2

DE3318852C2 - Photodetektor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE3318852C2
Application number: DE3318852A
Authority: DE
Inventors: James Kane
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1982-09-27
Filing date: 1983-05-25
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2003-05-26
Also published as: GB8314064D0; GB2128020A; JPH0612840B2; FR2533755A1; DE3318852A1; JPH07283432A; JPS5961973A; FR2533755B1; US4532537A; JP2814361B2; GB2128020B

Description

Die Erfindung betrifft einen Photodetektor mit einem Halbleiterkörper zwischen einem ersten und einem zweiten elektrischen Kontakt, wobei der erste elektrische Kontakt lichtdurchlässig ist und auf der Lichteinfallseite des Halbleiterkörpers liegt, wobei der zweite elektrische Kontakt an einer der Lichteinfallsfläche abgewandten Seite des Halbleiterkörpers liegt und wobei die an der Lichteinfallsfläche des Halbleiterkörpers anliegende Oberfläche des ersten elektrischen Kontakts texturiert ist. Sie betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen des Photodetektors.

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 Lichtenergie 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.

Eine Halbleiterstruktur der eingangs genannten Art kann aus JP 57-49 278A hergeleitet werden. Die im bekannten beschriebene Solarzelle mit amorphem Silizium wird ausgehend von einem Substrat hergestellt. Das Substrat wird vor dem Niederschlagen in einem zusätzlichen, zeitaufwendigen Verfahrensschritt chemisch oder mechanisch aufgerauht. Das dabei erzeugte Rauhmuster wird durch alle weiteren Schichten und Schichtgrenzen bis hin zum gegenüberliegenden Kontakt und dessen Rückseite fortgesetzt.

Aus US-Z: IEEE Electron Device Letters, Bd. EDL-3, 1982, S. 114 und 115 ist es bekannt, eine hydriertes amorphes Silizium enthaltende Solarzelle mit einem Zinnoxid/Glas-Substrat herzustellen, indem eine Zinnoxid- Schicht auf das Glassubstrat aus einer Zinnchlorid und reinen Wasserdampf enthaltende Atmosphäre chemisch aufgedampft wird. Auf dem hierbei auf 450°C gehaltenen Glassubstrat wächst im bekannten ein transparenter, leitender Zinnoxid-Film auf, auf den anschließend verschieden dotierte, hydrierte amorphe Siliziumfilme durch Hochfrequenz-Glimmentladung niedergeschlagen werden.

Ein ähnlicher Aufbau wird nach einem in US 42 65 974 beschriebenen Verfahren hergestellt. Aus der zur letztgenannten Druckschrift gehörenden Fig. 4 ergibt sich, daß im bekannten glatte Schichten aufeinanderliegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiter- Photodetektor mit in dem Wellenlängenbereich, in welchem Licht an sich 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 Überarbeitung erfordern würde, vermindert werden sollen.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht für den Photodetektor der eingangs genannten Art darin, daß die der texturierten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des ersten elektrischen Kontakts auf einer glatten Oberfläche eines lichtdurchlässigen Substrats liegt, daß die texturierte Oberfläche des ersten elektrischen Kontakts eine Textur mit einer dominanten Spitze-zu-Spitze- Struktur von mehr als 100 nm besitzt und daß die Schichtdicke des ersten elektrischen Kontakts zwischen 250 und 1000 nm beträgt.

Wesentliches Merkmal ist demgemäß die dem Halbleiterkörper zugewandte texturierte Oberfläche des mit glatter Rückseiten an das Substrat angrenzenden ersten elektrischen Kontakt. Dieser und das Substrat sind im vorgegebenen Wellenlängenbereich lichtdurchlässig.

In 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 Reflexionsverluste 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 Verfahrens zum Herstellen des Photodetektors werden das Substrat auf einer Temperatur von mehr als etwas 350°C gehalten und die lichtdurchlässige, elektrisch leitende Schicht durch chemisches Aufdampfen aus einer Zinn, Sauerstoff und Wasserstoff und einen den Leitungstyp beeinflussenden Dotierstoff enthaltenden Atmosphäre bis zu einer Dicke von etwa 250 bis 1000 nm auf eine glatte Oberfläche des Substrats niedergeschlagen. 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 schematischen Darstellung werden Ausführungsbeispiele 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 Hauptfläche 16 des Substrats 12 liegt ein lichtdurchlässiger, 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 Tunnelübergang.

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 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, im Ausführungsbeispiel 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, besitzt eine glatte, spiegelnd reflektierende Oberfläche. Vorzugsweise besitzt das Substrat 12 eine Dicke zwischen etwa 1 und 6 mm.

Der erste elektrische Kontakt 20 ist lichtdurchlässig. Der Kontakt 20 besitzt eine zufällig texturierte, d. h. in etwa reliefartig bzw. dreidimensional strukturierte, nichtspiegelnde Oberfläche. Das Substrat erscheint daher milchig-weiß mit dem darauf liegenden Kontakt. Dieser kann aus einem Material wie Zinnoxid oder Indiumzinnoxid hergestellt werden. Die Oberflächen-Textur besteht aus örtlichen Spitze- zu-Spitze-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 und 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- Zinn-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 (SnO₂) 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 SnO₂-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 durch chemisches Aufdampfen niedergeschlagen war, zeigte Kristallgrößen von etwa 101 nm. Schichten mit kleinerer Korngröße 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 SnO₂-Schicht. In Fig. 5 wird eine Raster-Elektronen-Mikrophotographie einer aufgesprühten SnO₂-Schicht dargestellt, auf die eine zusätzliche glatte SnO₂-Schicht niedergeschlagen war. Fig. 6 zeigt eine Raster-Elektronen-Mikrophotographie einer erfindungsgemäß hergestellten, etwa 890 nm dicken SnO₂-Schicht. In Fig. 7 wird eine Raster-Elektronen-Mikrophotographie einer erfindungsgemäß hergestellten, etwa 1200 nm dicken SnO₂-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 erfindungsgemäß nach der CVD- Methode niedergeschlagenen SnO₂-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 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-Epitaxie 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 texturiertem, lichtdurchlässigem Kontakt wird in einer Plasmakammer auf einer Temperatur zwischen etwa 200 und 350°C gehalten. Die Atmosphäre in der Plasmakammer soll SiH₄ und - falls erwünscht - ein jeweils passendes, den Leitungstyp veränderndes Dotierstoffgas, z. B. PH₃ oder B₂H₆, enthalten. Der Gesamtdruck der Atmosphäre in der Plasmakammer wird 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 zwischen etwa 5 und 40 nm dick. Die Zone 44 besitzt typisch p-Leitung und eine Dicke von ewa 12 nm. Diese Schicht kann aus hydriertem, amorphem Silizium, oder aus einer hydrierten amorphen Silzium-Kohlenstoff-Legierung mit einem den Bandabstand der eigenleitenden Schicht 42 übersteigenden Bandabstand hergestellt werden. Die Zone 46 soll 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.

Der Begriff Eigenleitung im Zusammenhang mit der Zone 42 umfaßt auch schwache p- oder n-Leitung sowie die Kompensation durch zufällige Verunreinigung oder absichtliche Dotierung. Wenn die eigenleitende Zone 42 einen speziellen Leitungstyp aufweist, soll dieser entgegengesetzt zum Leitungstyp der an den transparenten Kontakt 20 angrenzenden Zone 44 sein, so daß ein Halbleiterübergang 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 entgegengesetzten Leitungstyps ausgebildet werden. Beim Gegenstand gemäß Fig. 1 besitzen daher die erste und zweite Halbleiterzone 26, 28 entgegengesetzten Leitungstyp.

Die Textur der SnO₂-Oberfläche 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 aus 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 Aluminium, Gold, Kupfer oder Silber, das durch Elektronenstrahl- Aufdampfen oder durch Aufsprühen niederzuschlagen ist. Zwischen dem Halbleiterkörper 24 und dem 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 Dünnfilm-Vidikon- Target (Signalplatte einer Bildaufnahmeröhre). Zu der Bildaufnahmeröhre bzw. zu dem Vidikon 100 nach Fig. 9 gehört ein evakuierter Glaskolben 102 mit lichtdurchlässiger Frontplatte 104, welche auf einer Seite eine glatte Hauptfläche 106 besitzt. Auf der glatten Hauptfläche 106 befindet sich ein lichtdurchlässiger, elektrischer Kontakt 108, z. B. aus SnO₂, 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 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 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 lichtempfindlichen 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 aus SnO₂ bestehende elektrisch leitende Schicht 206 besitzt eine texturierte Oberfläche 208. Auf dieser Fläche liegt ein 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.

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 SnO₂-Kontakts unterschieden. Jeder Satz bestand aus 440 Stück 2,27 mm² großen Detektoren und 8 Stück 48×2,27 mm² Detektoren auf einem Borsilikatglas- Substrat von etwa 1,25 mm Dicke und einer Größe von 75 mm².

Der Satz I besitzt einen elektrischen SnO₂-Kontakt mit einem Flächenwiderstand von 25 Ohm/Quadrat. Er wurde durch chemisches Aufdampfen (CVD-Verfahren) niedergeschlagen. Das Glassubstrat wurde auf eine auf etwa 500°C erhitzte Platte gesetzt. Die über das Substrat streichenden Gase und deren Geschwindigkeiten waren (die Volumina wurden auf Normalbedingungen normiert): 3500 cm³ Stickstoff (N₂)/min; 350 cm³/min Stickstoff geperlt durch SnCl₄ bei Zimmertemperatur; 70 cm³/min BrCF₃ (gemessen mit einem auf Luft geeichten Durchflußmesser); 200 cm³/min Sauerstoff (O₂); und 400 cm³/min Stickstoff, geperlt durch Wasser (H₂O).

Der Satz II besaß einen elektrischen SnO₂-Kontakt mit einem Flächenwiderstand von 30 Ohm/Quadrat und war nach demselben Verfahren wie der Satz I niedergeschlagen worden.

Der Satz III bestand aus durch Sprühen auf Glas handelsüblich hergestellten elektrischen SnO₂-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 SnO₂-Schicht bedeckt war, die nach dem CVD-Verfahren aus einer Tetramethylzinn enthaltenden Atmosphäre niedergeschlagen worden war. Diese zusätzliche Schicht wurde auf die SnO₂-Oberfläche aufgebracht, um die manchmal an dieser Grenzschicht auftretende elektrische Sperrschicht zu kompensieren.

Die vier Sätze mit aufgebrachten elektrischen SnO₂-Kontakten wurden zusammen in eine Glimmentladungskammer zum Niederschlagen eines PIN-Halbleiterkörpers gemäß US-PS 4 064 521 gesetzt. Aus einer vorbeifließenden Gasatmosphäre mit CH₄, SiH₄ und B₂H₆ in SiH₄ gemäß US-PS 4 109 271 wurde eine P-leitende hydrierte, amorphe Silizium- Kohlenstofflegierung von etwa 12 nm Dicke niedergeschlagen. Daraufhin wurde eine eigenleitende, hydrierte, amorphe Siliziumschicht von etwa 550 nm Dicke aus einer vorbeifließenden, PH₃ 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_oc), die Kurzschlußstromdichte (J_sc), der Füllfaktor FF (maximaler Leistungsausgang/V_oc×J_sc) und der als Verhältnis von elektrischem Leistungsausgang zu einfallender Lichtenergie definierte Wirkungsgrad η 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 Photodektoren mit aufgesprühter SnO₂-Schicht.

Beispiel II

Die integrierte, gestreute, durchgelassene Lichtintensität S_t wurde bei einer Wellenlänge von etwa 501,7 nm für verschieden dicke SnO₂-Schichten gemessen, die nach dem CVD-Verfahren gemäß Beispiel I unter Verwendung von SnCl₄ als Zinn-Quelle niedergeschlagen worden waren. Die Ergebnisse wurden in Tabelle I zusammengestellt.

Dicke in nm
S_t
80
0
170	1%
260	4%
440	12%
710	23%
890	38%
1200	48%

Die Dicke wurde mit Hilfe 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 SnO₂-Beschichtung ebenfalls mit zunehmender Dicke, insbesondere bei Wellenlängen von weniger als 500 nm, zunimmt. Die otpimale Dicke 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 Photonen als Funktion der Wellenlänge mit Hilfe der 2,27 mm² großen Detektoren der Sätze I 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 SnO₂-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 der Rückseite des amorphen Siliziumkörpers auffallen kann. Es wird angenommen, daß diese verbesserte Wechselwirkung durch Lichteinfang in der SnO₂-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 SnO₂-Kontakt und dem amorphen Siliziumkörper im angegebenen Wellenlängenbereich etwa 2,5% gegenüber zwischen etwa 12 und 16% bei glatter Grenzfläche beträgt. Der Brechungsindex des SnO₂ liegt zwischen demjenigen des Substrats und demjenigen des amorphen Siliziumkörpers; auch hierdurch kann vorteilhaft die Absorption in der amorphen Siliziumschicht verstärkt werden.

Claims

1. Photodetektor (10) mit einem Halbleiterkörper (24) zwischen einem ersten (20) und einem zweiten (32) elektrischen Kontakt, wobei der erste elektrische Kontakt (20) lichtdurchlässig ist und auf der Lichteinfallsfläche des Halbleiterkörpers (24) liegt, wobei der zweite elektrische Kontakt (32) an einer der Lichteinfallsfläche abgewandten Seite des Halbleiterkörpers (24) liegt und wobei die an der Lichteinfallsfläche des Halbleiterkörpers (24) anliegende Oberfläche (22) des ersten elektrischen Kontakts (20) texturiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die der texturierten Oberfläche (22) gegenüberliegende Oberfläche des ersten elektrischen Kontakts (20) auf einer glatten Oberfläche (16) eines lichtdurchlässigen Substrats (12) liegt, daß die texturierte Oberfläche (22) des ersten elektrischen Kontakts (20) eine Textur mit einer dominanten Spitze- zu-Spitze-Struktur von mehr als 100 nm besitzt und daß die Schichtdicke des ersten elektrischen Kontakts (20) zwischen 250 und 1000 nm beträgt.

2. Photodetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine reflexmindernde Schicht (18) auf der der glatten Oberfläche (16) gegenüberliegenden Oberfläche (14) des Substrats (12) vorgesehen ist.

3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, 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 zwischen dem Halbleiterkörper (24) und dem zweiten elektrischen Kontakt (32) eingefügten Tandem-Halbleiterkörper (52) mit einem darin befindlichen Halbleiterübergang und mit einem kleineren Bandabstand als der Halbleiterkörper (24).

10. Verfahren zum Herstellen eines Photodetektors nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf dem Substrat (12) eine lichtdurchlässige, elektrisch leitende Schicht (20) und darauf eine Schicht (24) aus hydriertem, amorphem Silizium aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (12) auf einer Temperatur von mehr als etwa 350°C gehalten und die lichtdurchlässige, elektrisch leitende Schicht (20) durch chemisches Aufdampfen aus einer Zinn, Sauerstoff, Wasserstoff und einen den Leitungstyp beeinflussenden Dotierstoff enthaltenden Atmosphäre bis zu einer Dicke von etwa 250 bis 1000 nm auf eine glatte Oberfläche (16) des Substrats (12) niedergeschlagen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre zusätzlich ein Halogen, insbesondere Chlor, enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässige, elektrisch leitende Schicht (20) bis zu einer Dicke zwischen etwa 300 und 800 nm niedergeschlagen wird.