DE3430940A1

DE3430940A1 - Photorezeptor fuer die elektrophotographie

Info

Publication number: DE3430940A1
Application number: DE19843430940
Authority: DE
Inventors: Shaw Nara Ehara; Takashi Tenri Nara Hayakawa; Eiji Nara Imada; Yoshimi Nara Kojima; Toshiro Tenri Nara Matsuyama; Shiro Kashihara Nara Narikawa; Hideo Nojima
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1983-08-23
Filing date: 1984-08-22
Publication date: 1985-03-14
Also published as: GB2145530B; DE3430940C2; GB8421208D0; GB2145530A; JPS6045258A

Description

Photorezeptor für die Elektrophotographie O 4 J U Ϊ3 4 U

Die Erfindung bezieht sich auf einen Photorezeptor für die Elektrophotographie, insbesondere für elektrophotographische Kopiergeräte.

Beim elektrophotographischen Kopieren wird auf dem Photorezeptor ein latentes elektrostatisches Bild der zu kopierenden Vorlage erzeugt, an welchem Tonerteilchen elektrostatisch kleben bleiben, so daß sich ein sichtbares Tonerbild auf dem Photorezeptor ergibt. Dieses wird mittels einer Übertragungsaufladungsvorrichtung auf ein Kopierpapier übertragen und fixiert.

Der Photorezeptor muß einen hohen Widerstand und eine hohe Photoempfindlichkeit aufweisen. Daher verwendet man dafür ein Dispersionsmaterial, wobei Kadmiumsulfidteilchen in einem organischen Harz dispergiert sind, oder ein amorphes Material, wie amorphes Selen, amorphes Arsenselenid (As-Se,) usw.

3edoch sind diese Werkstoffe giftig und schädlich, so daß nunmehr amorphes Silizium als möglicherweise ideales Photorezeptormaterial in Betracht gezogen wird, weil es sehr photoempfindlich, äußerst hart und verunreinigungsfrei ist. Allerdings kann amorphes Silizium an sich ausreichende elektrische Ladungen mit ausreichendem Widerstand nicht halten, so daß es ohne Modifikationen nicht als Photorezeptor dienen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Photorezeptor für die Elektrophotographie, insbesondere für elektrophotographische Kopiergeräte, zu schaffen, insbesondere einen solchen auf der Basis von amorphem Silizium, welcher im Hinblick auf die elektrischen und mechanischen Kennwerte verbessert ist und sehr gute Bilder bzw. Kopien zu erzielen erlaubt sowie sehr stabil ist.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Photorezeptors sind in den restlichen Patentansprüchen angegeben.

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Der erfindungsgemäße Photorezeptor, vorzugsweise für elektrophotographische Kopiergeräte, umfaßt ein Substrat, eine Ladungsträgertransportschicht aus amorphem Silizium, eine Zwischenschicht und eine Oberflächenschicht. Die Zwischenschicht besitzt eine Energiebandlücke, bzw. einen Energiebandabstand, die bzw. der zwischen der- bzw. demjenigen der Ladungsträgertransportschicht aus amorphem Silizium und der-bzw. demjenigen der Oberfläche liegt.

Der erfindungsgemäße Photorezeptor besitzt gute elektrische und mechanische Eigenschaften. Die Abstimmung des Energieniveaus seiner Schichten ergibt ein ausgezeichnetes Gesamtverhalten des amorphes Silizum aufweisenden Photorezeptors, insbesondere eine gute Bildqualität und eine ausgezeichnete Stabilität.

Mit der Erfindung wird ein Photorezeptor verfügbar, der eine Ladungsträgertransportschicht aus amorphem Silizium auf einem Substrat aus elektrisch leitendem Material aufweist sowie eine Oberflächenschicht mit einer Energiebandlücke größer als diejenige der Ladungsträgertransportschicht und eine Zwischenschicht zwischen der Ladungsträgertransportschicht und der Oberflächenschicht, deren Energiebandlücke zwischen denen der Ladungsträgertransportschicht und der Oberflächenschicht liegt.

Nachstehend ist der erfindungsgemäße Photorezeptor anhand einer Zeichnung beispielsweise erläutert, deren einzige Figur schematisch einen Querschnitt einer Ausführungsform für elektrophotographische Kopiergeräte zeigt.

Der dargestellte Photorezeptor weist ein Substrat 1, eine Ladungsträgertransportschicht 2, eine Oberflächenschicht 3 und eine Zwischenschicht 4 auf.

Das Substrat 1 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, wie Aluminium, rostfreiem Stahl oder dergleichen. Darauf befindet sich die Ladungsträgertransportschicht 2, welche aus amorphem Silizium besteht. Zur Verbesserung des Ladungshaltens und zur Passivierung ist belichtungsseitig die Oberflächenschicht 3 vorgesehen, welche eine breite Energiebandlücke aufweist. Die Zwischenschicht 4 ist zwischen der Ladungsträgertransportschicht 2 und der Oberflächenschicht 3 vorgesehen, um dieselben in elektrischer und mechanischer Hinsicht einander anzupassen, und weist eine Energiebandlücke auf, die zwischen derjenigen der Oberflächenschicht 3 und derjenigen der Ladungsträgertransportschicht 2 liegt. Um die Ladungsträgertransportschicht 2, die Zwischenschicht 4 und die Oberflächenschicht 3 hervorzubringen, werden auf dem Substrat 1 nacheinander Verbindungen von amorphem Silizium abgelagert, welche bestimmte Zusätze enthalten, wie noch geschildert.

Die Oberflächenschicht 3 mit größerer Energiebandlücke wird deswegen nicht unmittelbar auf die Ladungsträgertransportschicht 2 aufgebracht, sondern vielmehr über die Zwischenschicht k, weil sich im ersten Fall die folgenden mechanischen und elektrischen Probleme ergeben wurden:

1. Mechanische Spannungen zwischen der Oberflächenschicht 3 und der Ladungsträgertransportschicht 2 infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten derselben bewirken mechanische Instabilität und haben häufig zur Folge, daß sich die Oberflächenschicht 3 und die Ladungsträgertransportschicht 2 lösen.

2. Wenn beim Elektrophotographieren der zuvor an der Oberfläche aufgeladene Photorezeptor belichtet wird, dann hat dieses zur Folge, daß elektrische Ladungen entgegengesetzter Polarität auf der Ladungsträgertransportschicht 2 auftauchen, welche in der Ladungsträgertransportschicht 2 wandern und die Oberflächenaufladung elektrostatisch auslöschen. Wenn jedoch die Energiebandlücke der Oberflächenschicht 3 so groß ist, wie erwähnt, dann wird die Lücke an der Grenzfläche zwischen der Ladungsträgertransportschicht 2 und der Oberflächenschicht 3 sehr groß, so daß ein zügiges Ladungswandern verhindert ist und sich an dieser Grenzfläche ein Ladungsstau ergibt, der ein entsprechendes Restpotential zur Folge hat, was unerwünscht ist, weil ein erhöhtes Restpotential die Photorezeptoreigenschaften verschlechtert. Darüberhinaus kann sich die an der Grenzfläche gespeicherte Ladung seitlich verteilen, was Bildverschmierungen bewirkt.

Diese Probleme werden durch die Zwischenschicht 4 ausgeschaltet. Deren Zusammensetzung wird so gewählt, daß sie zwischen derjenigen der Ladungsträgertransportschicht 2 und derjenigen der Oberflächenschicht 3 liegt. Daher liegt auch der Wärmeausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht k etwa in der Mitte zwischen demjenigen der Ladungsträgertransportschicht 2 und demjenigen der Oberflächenschicht 3, welcher für die Ladungsträgertransportschicht 2 aus amorphem Silizium mit 1,9 χ 10" pro Grad Celsius und für eine Oberflächenschicht 3 aus stickstoffhaltigem, amorphem Silizium (a-SiN ) mit 2,5 χ 10" pro Grad Celsius angegeben werden kann. Etwa in der Mitte zwischen diesen beiden Werten liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht k. Zwar erfahren die Ladungsträgertransportschicht 2 und die Oberflächenschicht 3 nach wie vor unterschiedliche Wärmeausdehnungen, jedoch werden die dadurch bewirkten Spannungen durch die Zwischenschicht 4 abgebaut, so daß die erforderliche mechanische Stabilität gewährleistet ist. Weiterhin können die elektrischen Eigenschaften des Photorezeptors mit der Zwischenschicht k verbessert werden, indem zur Verminderung des

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erwähnten, unerwünschten Restpotentials eine Zwischenschicht k vom P-Typ für positive Oberflächenaufladung und eine Zwischenschicht H vom N-Typ für negative Oberflächenaufladung mit einer Energiebandlücke vorgesehen wird, welche etwas größer als diejenige der Ladungsträgertransportschicht (aus amorphem Silizium ist. Der Leitungstyp und das Fermi-Engergieniveau der Zwischenschicht 4 werden also so gewählt, daß sich das gewünschte Verhaltenergibt.

Zur Ausbildung der Ladungsträgertransportschicht 2 wird auf dem elektrisch leitenden Substrat 1 eine etwa 20 um starke Schicht amorphen Siliziums mittels eines induktiven Pläsma-CVD-Verfahrens unter Verwendung von gasförmigem Monosilan (SiH.) abgelagert, wobei das Substrat 1 auf einer Temperatur zwischen etwa 200 und etwa 300 ⁰C gehalten wird. Im Falle positiver Oberflächenaufladung wird diesem das Ausgangsmaterial bildenden Gas eine geringe Menge gasförmiges Diboran (B-H ) zugesetzt, um die Ladungsträgertransporteigenschaften der Ladungsträgertransportschicht 2 zu verbessern. Dann wird die Zwischenschicht 4 aufgebracht, indem auf der Ladungsträgertransportschicht 2 eine etwa 1 \im starke Schicht aus hydriertem amorphem Siliziumnitrid der Zusammensetzung a-SIN , welche also aus hydriertem amorphem Silizium (a-Si) U ,1

und einem Zusatz von 10 % Stickstoff besteht sowie ein mittleres Energieband aufweist, unter Verwendung von gasförmigem Monosilan (SiH.) als Ausgangsmaterial und gasförmigem Ammoniak (NH-) abgelagert ward. Schließlich wird zur Ausbildung der Oberflächenschicht 3 auf der Zwischenschicht 4 eine Schicht aus hydriertem amorphem Siliziumnitrid der Zusammensetzung a-SiN :H (x<4/3) mit einem Stickstoffgehalt größer als derjenige der Zwischenschicht 4 unter Verwendung von Monosilan und Ammoniak nach dem induktiven Plasma-CVD»Verfahren abgelagert, welche eine Stärke von etwa 1 um oder weniger aufweist, vorzugsweise eine Stärke von etwa 0,1 bis 0,3 um. Der Stickstoffgehalt kann mit BiIfe eines Durchsatzreglers gesteuert werden, mit dem das Monosilan/Ammoniak-Verhältnis geändert werden kann.

Die a-Si-Ladungsträtertransportschicht 2 ist stickstofffrei. Die Zwischenschicht 4 weist vorzugsweise einen Stickstoffgehalt von etwa 10 bis etwa 20 % auf. Bei einer Energielücke der Oberflächenschicht 3 von 2,5 eV oder mehr sollte deren Stickstoff/Silizium-Verhältnis bei 70% oder mehr liegen Ca-SiN mit X>0,7).

Der geschilderte Photorezeptor weist die folgenden Kennwerte auf:

1.) Energiebandlücke der Ladungsträgertransportschicht 2: 1,7 eV Energiebandlücke der Zwischenschicht b: 1,8 eV

Energiebandlücke der Oberflächenschicht 3: 2,5 eV oder mehr

2.) Aufladungsspannung: etwa (fO V/um

3.) Dunkelabfallzeit: etwa 10 see

4.) Belichtungshalbwert: 3 lxs (bei Weißlichtbelichtung von 45 ix)

5.) Spektrale Empfindlichkeit: Empfindlichkeitsspitzenwellenlänge 725 nm

6.) Standzeit: mehr als 200.000 Kopien.

Beim üblichen Eiektrophotographieren weist der Photorezeptor auch nach etwa 200.000 Kopien noch die ursprünglichen guten Eigenschaften auf und ist keine wesentliche Verschlecherung der Kennwerte zu beobachten. Da die Empfindlichkeitsspitzenwellenlänge bei 725 nm liegt und der Photorezeptor also gegenüber Licht langer Weilenlänge empfindlich ist, kann er in Laserstrahldruckern mit Halbleiterlaser verwendet werden.

Die Energielücke der Ladungsträgertransportschicht 2 aus amorphem Silizium wird gleichbleibend bei 1,7 eV ohne jegliche Modifizierung gehalten. Diejenige der Zwischenschicht 4 und diejenige der Oberflächenschicht 3 werden vorzugsweise auf 1,8 bis 1,9 eV bzw. 2,5 bis 3,0 eV eingestellt.

Ein Photorezeptor ohne die Zwischenschicht 4 weist die folgenden Kennwerte auf:

1.) Energiebandlücke der Ladungsträgertransportschicht 2: 1,7eV Energiebandlücke der Oberflächenschicht 3: etwa 2 eV

2.) Aufladungsspannung: etwa 10

3.) Dunkelabfallzeit: 1 see

4.) Belichtungshalbwert: 6 lxs

5.) Spektrale Empfindlichkeit: Empfindlichkeitsspitzenwellenlänge 725 nm

6.) Standzeit: 10.000 bis 50.000 Kopien

Ein Photorezeptor ohne die Zwischenschicht k und mit einer Ladungsträgertransportschicht 2 mit einer Energiebandlücke von 1,7 eV sowie einer Oberflächenschicht 3 mit einer Energiebandlücke von 2,5 eV oder mehr ergibt verschmierte und unklare Kopiebilder. Während des Alterns kann sich das erwähnte Restpotential erhöhen.

Statt zur Vergrößerung der Energiebandlücke Stickstoff zu verwenden, kann auch Kohlenstoff benutzt werden, welcher über gasförmiges Methan (CEL·) als Ausgangsmaterial eingeführt werden kann. Darüber hinaus kann statt der geschilderten Ablagerung nach dem induktiven Plasma-CVD-Verfahren mittels eines kapazitiven Verfahrens abgelagert werden.

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- Leerseite -

Claims

ΚΛΙΚ« · KLUNKER · SCHMITT-NILSQ^ KffiSCH RVTENT\N^ÄLTE SHARP KABUSHIKI KAISHA u.Z.: κ 21 821SM/6 22. August 1984 PHOTOREZEPTOR FÜR DIE ELEKTROPHOTOGRAPHIE Priorität: 23. August 1983, No. 58-154330 - Japan Patentansprüche

1. Photorezeptor für die Elektrophotographie,
geke.no ze i_ c hnet durch

a) eine Ladungsträgertransportschicht (2) aus amorphem Silizium auf einem Substrat (1) aus elektrisch leitendem Material,

b) eine Oberflächenschicht (3) mit einer Energiebandiücke größer als diejenige der Ladungsträgertransportschicht (2) und

c) eine Zwischenschicht (4) zwischen der Ladungsträgertransportschicht (2) und der Oberflächenschicht (3), deren Energiebandlücke zwischen denen der Ladungsrägertransportschicht (2) und der Oberflächenschicht (3) liegt.

2. Photorezeptor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgertransportschicht (2) eine Energiebandlücke von etwa 1,7 eV, die Oberflächenschicht (3) eine Energiebandlücke von mindestens 2,5 eV und die Zwischenschicht (^) eine Energiebandlücke von etwa 1,8 eV aufweist.

3. Photorezeptor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberflächenschicht (3) aus stickstoffhaltigem, amorphem Silizium besteht und die Zwischenschicht (4) ebenfalls Stickstoff enthält, wobei der Stickstoffgehalt der Zwischenschicht (4) zwischen dem des amorphen Siliziums und dem der Oberflächenschicht (3) liegt.

4. Photorezeptor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberflächenschicht (3) einen Stickstoffgehalt von mindestens 70 % und die Zwischenschicht (4) einen Stickstoffgehalt von etwa 10 bis etwa 20 % aufweist.

5. Photorezeptor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (3) Kohlenstoff enthält.

6. Photorezeptor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträgertransportschicht (2) eine Stärke von etwa 20 um, die Oberflächenschicht (3) eine Stärke von höchstens 1 um und die Zwischenschicht (4) eine Stärke von etwa 1 um aufweist.