DE3541764A1

DE3541764A1 - Photoleiterelement

Info

Publication number: DE3541764A1
Application number: DE19853541764
Authority: DE
Inventors: Mutsuki Yokohama Yamazaki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-11-26
Filing date: 1985-11-26
Publication date: 1986-06-05
Also published as: US4724193A; US4716090A; DE3541764C2; US4666803A; US4716089A

Description

Photoleiterelement

Die Erfindung betrifft ein Photoleiterelement, das bei Beleuchtung mit elektromagnetischem Licht im sichtbaren Bereich, im Infrarot-, Ultraviolett-, Röntgenstrahlungsund Gammastrahlungsbereich Photoleitfähigkeit zeigt und welches die Erzeugung eines elektrostatischen Latentbilds erleichtert oder ermöglicht.

Bei einem Bilderzeugungsverfahren unter Verwendung eines elektrophotographischen lichtempfindlichen Elements, eines Festkörper-Abbildungselements und dgl. werden photoleitende Elemente oder Photoleiterelemente, die Photoleitfähigkeit besitzen, eingesetzt. Diese Elemente müssen einen hohen spezifischen Widerstand im Dunkel-

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zustand (normalerweise 10 η-cm oder höher) und einen niedrigen spezifischen Widerstand im Hellzustand (unter hellen Bedingungen) besitzen.

Bei einem elektrophotographischen lichtempfindlichen Element werden einer Körper(ober)fläche durch Koronaentladung elektrische Ladungen gleichmäßig erteilt. Sodann wird auf die Oberfläche des lichtempfindlichen Elements Licht entsprechend einem Vorlagenmuster oder -bild aufgestrahlt. An der mit dem Licht bestrahlten Stelle werden im lichtempfindlichen Element Elektronen- und Elektronenmangelstellen- oder -Lochpaare erzeugt.

Entweder die Elektronen oder die Löcher werden mit den

zu neutralisierenden elektrischen Ladungen (positiv oder negativ) auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Elements kombiniert. Die restlichen Löcher oder Elektronen breiten sich durch eine Photoleiterschicht hindurch aus und erreichen ein leitfähiges Substrat. Auf diese Weise wird auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Elements durch elektrische Ladungen, die nicht neutralisiert werden oder sind, ein elektrostatisches Latentbild erzeugt. Toner (schwarzes Pulver), der mit einer den Ladungen auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Elements entgegengesetzten Polarität aufgeladen ist, wird an diese Oberfläche angelagert und unter Bildung eines Tonerbilds durch Coulombsche Anziehung gegen diese Oberfläche angezogen. Hierbei ist das Potential der Entwicklungseinheit geringfügig höher eingestellt als das des lichtempfindlichen Elements, so daß ein den Ladungen entgegengesetztes elektrisches Feld zwischen dem lichtempfindlichen Element und der Entwicklungseinheit gebildet wird, wobei dieser eine Entwicklungsvorspannung aufgeprägt wird. Wenn die Oberfläche des lichtempfindlichen Elements nicht aufgeladen ist, kann aus diesem Grund der Toner unter seiner Eigenaufladung nicht an dieses Element angezogen werden.

Ein lichtempfindliches Element muß folgende Eigenschaften besitzen:

1. Elektrische Ladungen auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Elements müssen auf der Oberfläche getragen oder gehalten werden, bis diese mit Licht bestrahlt wird.

2. Das Elektron oder das Loch (Elektronenmangelstelle) des Paars muß die elektrische Ladung auf der Oberfläche ohne Rekombination neutralisieren, während

das restliche Loch oder Elektron das leitfähige Substrat des lichtempfindlichen Elements in kurzer Zeit erreicht.

Bei einem diesen Anforderungen genügenden elektrophotographischen lichtempfindlichen Element wird üblicherweise für das Photoleiterelement ein amorphes Chalcogenidmaterial verwendet. Das aus diesem Material geformte Photoleiterelement kann mit großer Oberfläche ausgebildet werden. Da dieses Material jedoch Licht im Bereich von sichtbarem Licht bis zu Ultraviolettlicht absorbiert, ist die Lichtempfindlichkeit im Bereich sichtbaren Lichts in der Praxis niedrig. Da amorphes Chalcogenid nicht ausreichend hart ist, besitzt es eine kurze Lebensdauer oder Standzeit.

In neuerer Zeit hat amorphes Silizium (im folgenden als a-Si bezeichnet) große Aufmerksamkeit als Photoleitermaterial auf sich gezogen. Das a-Si besitzt einen weiten Absorptionswellen(längen)bereich, es ist panchromatisch und sehr hart. Wenn a-Si auf ein lichtempfindliches Element aufgetragen ist, besitzt dieses eine 10-mal größere Lebensdauer oder Standzeit als ein herkömmliches lichtempfindliches Element. Zudem ist a-Si nicht toxisch. Da a-Si weiterhin kostengünstig ist, kann daraus ohne weiteres ein lichtempfindliches Element mit einer größeren Oberfläche als ein solches aus z.B. einkristallinem Silizium hergestellt werden.

QQ Da jedoch a-Si normalerweise einen spezifischen Widerstand von etwa 10⁸ - io^1On.'cm im Dunkelzustand (auch einfach als (spezifischer) "Dunkelwiderstand" zu bezeichnen) besitzt, können elektrische Ladungen auf einer Oberfläche eines lichtempfindlichen Elements, auf dem

gg ein Latentbild erzeugt werden soll, nicht gehalten

werden. Bei einem lichtempfindlichen Element wurde versucht, eine Isolierschicht (Blockier- oder Sperrschicht) eines hohen spezifischen Widerstands, z.B. aus Siliziumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und dgl., zwischen die a-Si-Photoleiterschicht und ein Substrat einzufügen, so daß eine Trägerinjektion vom leitfähigen Substrat in die Photoleiterschicht verhindert wird. Wenn in diesem Fall jedoch die Dicke der einen hohen spezifischen Widerstand besitzenden Isolierschicht (Sperrschicht) vergrößert wird, wird die Übertragung von (Ladungs-)Trägern aus der auf der Isolierschicht ausgebildeten a-Si-Schicht zum leitfähigen Substrat unterbrochen, wodurch ein Restpotential hervorgerufen wird. Wenn andererseits die Dicke der Isolierschicht verringert wird, kann keine ausreichende Potentialhaltefunktion gewährleistet werden.

Neuerdings ist ein Verfahren entwickelt worden, bei dem ein Halbleiterfilm (-dünnschicht) eines p- oder n-Leitfhäigkeitstyps zwischen ein leitfähiges Substrat und eine Photoleiterschicht eingefügt wird. Normalerweise wird für diesen Zweck a-Si, das mit B oder P in hoher Konzentration dotiert ist, verwendet. Eine solche Schicht wird als Blockier- oder Sperrschicht (blocking layer) bezeichnet. Die Ladungssperreigenschaft der Sperrschicht kann durch Dotieren derselben mit B oder P in hoher Konzentration verbessert werden. Eine solche Schicht besitzt allerdings in hohem Grad eine (mechanische) Innenoder Eigenspannung. Wenn auf diese Schicht ein Film bzw. eine Dünnschicht einer unterschiedlichen Spannungsgröße aufgebracht wird, kann dieser Film von der Schicht nicht (fest)gehalten werden, so daß er sich leicht ablöst.

Die Lichtabsorption von a-Si findet über einen weiten Wellenlängenbereich hinweg statt, und das Absorptionsvermögen nimmt selbst nahe der Absorptionskante nur all-

mählich ab. Genauer gesagt: obgleich das Absorptionsvermögen (absorbency) in einem Wellenlängenbereich zwischen 700 nm und 800 nm abnimmt/ verringert es sich nicht auf 0, so daß (stets) eine geringfügige Lichtabsorption möglieh ist. Wenn mithin eine Photoleiterschicht aus einem solchen Material hergestellt wird und eine so große Filmdicke wie bei einem lichtempfindlichen Element besitzt, kann Licht großer Wellenlänge durch einen Bereich nahe der Basis der Photoleiterschicht absorbiert werden.

Da die Elektronen und Löcher von a-Si eine geringe Mobilität besitzen, sind an von der Oberfläche des lichtempfindlichen Elements entfernter Stelle erzeugte Träger bestrebt, in der a-Si-Schicht zu verbleiben. Ein elektrophotographisches Gerät arbeitet mit einem sog.

Endladungsprozeß, bei dem nach der Übertragung eines Bilds Restladungen auf der Oberfläche des lichtempfindlichen Elements gelöscht werden. Wenn dieser Prozeß durch Belichtung durchgeführt wird, neutralisieren Restträger im Inneren der a-Si-Schicht auf dem lichtempfindliehen Element erzeugte Oberflächenladungen in Vorbereitung auf die Erzeugung des nächsten Bilds. Die Aufladeeigenschaft nach dem Belichten ist daher im Vergleich zu derjenigen im Dunkelzustand erheblich verschlechtert.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Photoleiterelements, bei dem ein Restpotential unterdrückt ist, Potentialhalteeigenschaft und Aufladeeigenschaft verbessert sind, die Verschlechterung der Aufladeeigenschaft oder Aufladefähigkeit nach wiederholtem Aufladen, Belichten und Entladen verringert ist, ein Isolationsdurchbruch aufgrund einer Entwicklungsvorspannung nicht auftritt und die Schichten sich nicht leicht ablösen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist ein Photoleiterelement, umfassend

ein leitfähiges Substrat,
eine auf letzterem ausgebildete erste Blockier- oder Sperrschicht, die aus amorphem Siliziumkarbid oder

-4 amorphem Siliziumnitrid gebildet ist und die 1 χ 10 bis 1,0 Atom-% eines Elements der Gruppe III oder V des Periodensystems enthält,

eine auf der ersten Sperrschicht ausgebildete zweite Blockier- oder Sperrschicht, die aus amorphem Silizium-

-8 -4

karbid oder -nitrid gebildet ist, 1 χ 10 bis 1 χ 10 Atom-% eines Elements der Gruppe III oder V des Periodensystems enthält und eine Dicke von 5 - 40 μΐη besitzt, und

eine auf der zweiten Sperrschicht ausgebildete Photoleiterschicht, die aus amorphem Silizium geformt ist und eine Dicke von 0,5 - 5 μΐη besitzt.

In anderer Ausgestaltung ist Gegenstand der Erfindung ^ein Photoleiterelement, umfassend ein leitfähiges Substrat,
eine auf letzterem ausgebildete Sperrschicht, die aus amorphem Siliziumkarbid oder -nitrid geformt ist und

_3
1 χ 10 bis 1,0 Atom-% eines Elements der Gruppe III oder V des Periodensystems enthält, eine auf der Sperrschicht ausgebildete erste Photoleiterschicht, die aus amorphem Siliziumkarbid oder -nitrid geformt ist, 1 χ 10 bis 1 χ 10 Atom-% eines Elements der Gruppe III des Periodensystems enthält, und bei der das Produkt aus Mobilität (cm²/s V) und Lebensdauer (s) der Löcher oder Elektronenmangelstellen in den bei Lichtabsorption erzeugten Elektronen-Loch-Paaren 1 χ 10 cm²/V oder mehr beträgt, und eine auf der ersten Photoleiterschicht erzeugte zweite Photoleiterschicht, die aus amorphem Silizium geformt

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ist, eine Dicke von 0,1 - 5 μπι besitzt und 1 χ 10 bis

_3
1 χ 10 Atom-% eines Elements der Gruppe III des Periodensystems enthält.

Erfindungsgemäß ist die auf dem leitfähigen Substrat ausgebildete erste Schicht (erste Sperrschicht oder die (eine) Sperrschicht) mit mindestens einem Element der Gruppe III oder V des Periodensystems vergleichsweise stark dotiert, und die erste Schicht ist entweder eine p- oder eine n-Typ-Halbleiterschicht. Die zweite Schicht (zweite Sperrschicht oder erste Photoleiterschicht) auf der ersten Schicht ist mit mindestens einem Element der Gruppe III oder V des Periodensystems leicht dotiert; diese Schicht ist eine eigenleitende (i-Typ) Halbleiterschicht. Eine dritte Schicht (Photoleiterschicht oder zweite Photoleiterschicht) ist auf der zweiten Schicht ausgebildet. Bei diesem Aufbau besitzt eine Photoleiterschicht verbesserte Potentialhalte- und Aufladeeigenschaften, und sie ist frei von Restpotential; ein Isolationsdurchbruch aufgrund einer Entwicklungsvorspannung wird dabei verhindert. Erfindungsgemäß können eine Schichtablösung verhindert und eine Verschlechterung der Aufladeeigenschaften oder -fähigkeit auch nach wiederholter Belichtung und Entladung unterdrückt werden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen in stark vergrößertem Maßstab gehaltenen Teilschnitt durch ein Photoleiterelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung eines Photoleiterelements gemäß einer anderen Ausführungs

form der Erfindung und

Fig. 3 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zur Herstellung des Photoleiterelements.

Nachstehend ist eine erste Ausführungsform der Erfindung anhand von Fig. 1 erläutert.

In Fig. 1 ist mit 2 ein flacher oder trommeiförmiger, leitfähiger Träger (z.B. eine Aluminium-Trommel) bezeichnet. Auf den leitfähigen Träger oder Substrat 2 ist eine erste Blockier- bzw. Sperrschicht 4 aufgetragen, die aus amorphem Siliziumnitrid (im folgenden als a-Si:N bezeichnet) oder amorphem Siliziumkarbid (im

-4 folgenden als a-Si:C bezeichnet) mit 1 χ 10 Atom-% bis 1,0 Atom-% eines Elements der Gruppe III oder V der Periodensystems besteht. Die Schicht 4 verbessert die Potentialhalte- und Aufladeeigenschaften einer Oberfläche eines Photoleiterelements durch Verhinderung eines Fließens von Ladungs-Trägern vom Substrat 2 in eine Photoleiterschicht 8.

Auf die Sperrschicht 4 ist eine zweite Blockier- oder Sperrschicht 6 einer Dicke von 5 - 40 um aufgebracht.

Die Sperrschicht 6 besteht aus a-Si:N oder a-Si:C mit

-8 -4

1 χ 10 bis 1 χ 10 Atom-% eines Elements der Gruppe III oder V des Periodensystems. Die Sperrschicht 6 besitzt einen geringfügig weiteren optische Bandabstand und einen höheren spezifischen Widerstand als die Sperrschicht 4. Die Dicke der Sperrschicht 6 muß entsprechend der verwendeten Oberflächenpotentialladung geändert

QQ werden.

Auf die Sperrschicht 6 ist eine photoleitende Schicht oder Photoleiterschicht 8 einer Dicke von 0,5 - 5 μηι aufgetragen. Die Schicht 8 besteht aus amorphem Silizium gg (im folgenden als a-Si bezeichnet) mit einem Element der

Gruppe Ilia oder Va des Periodensystems in einer Menge

—8 —4

von 1 χ 10 Atom-% bzw. 1 χ 10 Atom-%. Das a-Si besitzt einen hohen Absorptionskoeffizienten über einen weiten Wellenlängenbereich hinweg, wobei aufgrund seiner vorgegebenen Dicke eine ausreichende Lichtempfindlichkeit erzielt werden kann.

Zur Verbesserung der chemischen Stabilität ist vorzugsweise eine Oberflächen-Überzugsschicht 10 eines spezi-

1 8
fischen Widerstands von 10 π >cm oder höher in einer Dicke von 0,05 - 5 um auf die Schicht 8 aufgetragen. Für die Schicht 10 wird bevorzugt ein Material mit einem weiten optischen Bandabstand, wie SlO₂, SiN, SiC oder dergleichen, verwendet. Zur Verbesserung der Mobilitat der Elektronen ist zudem die Schicht 10 bevorzugt mit einem Element der Gruppe lila des Periodensystems dotiert.

Die Sperrschicht 6 spielt eine Zusatzrolle zur Sperrschicht 4 und besitzt, wie erwähnt, einen geringfügig weiteren optischen Bandabstand und einen höheren spezifischen Widerstand als die Sperrschicht 4. Die Sperrschicht 4 ist vergleichsweise stark dotiert; es handelt sich dabei um eine p- oder n-Typ-Halbleiterschicht. Im Gegensatz dazu ist die Sperrschicht 6 leicht dotiert; es handelt sich dabei um eine (eigenleitende) i-Typ-Halbleiterschicht. Durch diesen doppellagigen Aufbau können Auflade- und Potentialhalteeigenschaften verbessert werden.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 2 veranschaulicht.

Fig. 2 veranschaulicht ein Photoleiterelement (z.B. ein lichtempfindliches Element) mit einem flachen oder trom-

melförmigen, leitfähigen Träger bzw. Substrat 12.

Auf das Substrat 12 ist eine Blockier- oder Sperrschicht 14 aufgetragen, die aus a-Si:N oder a-Si:C mit einem Element der Gruppe III oder V in einer Menge im Bereich

-4
von 1,0 χ 10 bis 1,0 Atom-% besteht.

Auf die Sperrschicht 14 ist eine erste Photoleiterschicht 16 einer Dicke von 5 - 60 μΐη aufgetragen, die aus a-Si:N oder a-Si:C mit einem Element der Gruppe III in einer

-8 -4

Menge von 1,0 χ 10 bis 1,Ox 10 Atom-% besteht. Die Dicke der Schicht 16 kann 5 μΐη betragen, ändert sich jedoch in Abhängigkeit vom gewünschten Oberflächenpotential, wenn ihre Oberfläche aufgeladen werden soll. Für die Photoleiterschicht 16 werden folgende Eigenschaften gefordert: Der Stickstoffgehalt in der Schicht muß 0,1 - 15 Atom-%, bezogen auf den Siliziumgehalt, betragen; der optische Bandabstand liegt bevorzugt im Bereich von 1,65 - 1,9 eV; und das Produkt μ·τ aus der Mobilität μ und der Lebensdauer τ der Löcher (Elektronenmangelstellen) in den durch Lichtabsorption erzeugten Elektronen-Loch-Paaren muß 1 χ 10 cm²/V oder mehr betragen. In diesem Fall ist es besonders wichtig, daß die Mobilität μ hoch ist. Wenn ein Bereich niedriger Mobilität in einem anderen Abschnitt als einer Oberflächenschicht in der das lichtempfindliche Element bildenden amorphen Schicht vorhanden ist, wird eine durch Lichtabsorption hervorgerufene schnelle Bewegung der Ladungs-Träger zum Substrat 12 behindert, was zu

QQ einer Verschlechterung der Wiederholungseigenschaften u.dgl. führt. Da a-Si:N, a-Si:C oder a-Si eine hohe Mobilität von Elektronen, aber eine vergleichsweise geringe Mobilität von Löchern bzw. Elektronenmangelstellen besitzen, müssen die Werkstoffe unter Berücksichtigung

op- der angeführten Eigenschaften gewählt werden.

Weiterhin ist auf die Photoleiterschicht 16 eine zweite Photoleiterschicht 18 einer Dicke von 0,5 - 5 um aufgetragen. Die Schicht 18 b^esteht aus a-Si und enthält ein Element der Gruppe III des Periodensystems in einer Menge von 1 χ 10 bis 1,Ox 10 Atom-%. Dieses a-Si besitzt einen hohen Lichtabsorptionskoeffizienten in einem weiten Wellenlängenbereich, wobei im angegebenen Dickenbereich eine ausreichende Lichtempfindlichkeit erzielt werden kann.

. ' Auf die Photoleiterschicht 18 ist zur Verbesserung der chemischen Stabilität eine Oberflächen-Überzugsschicht 20 einer Dicke von 0,05 - 5 um aufgetragen. Für die Schicht 20 wird bevorzugt ein Werkstoff eines weiten optischen Bandabstands, wie SiO₂ 1 SiN, SiC ο.dgl., verwendet. Für die Verbesserung der Mobilität von Elektronen bietet sich darüber hinaus ein leichtes Dotieren dieser Schicht mit einem Element der Gruppe III des Periodensystems an.

Da beim beschriebenen Gebilde die Sperrschicht 14 aus a-Si:N oder a-Si:C mit einem Element der Gruppe III

-4 oder V in einer Menge im Bereich von 1 χ 10 und 1,0 Atom-% besteht, kann ein Abtragen oder Abschälen dieser Schichten verhindert werden.

Die photoleitenden Schichten sind aus erster und zweiter Photoleiterschicht 16 bzw. 18 gebildet. Die Schicht

—8 16 besteht aus a-Si:N oder a-Si:C mit 1 χ 10 bis

-4
1 x 10 Atom-% eines Elements der Gruppe III (des Periodensystems); bei ihr beträgt das Produkt μ·Τ aus Mobilität μ und Lebensdauer t der Löcher in Elektronen-Loch-Paaren, durch Lichtabsorption erzeugt, 1 χ 10 cm²/V oder mehr, und sie besitzt eine Dicke von 5 - 60 μΐη. Die

-8 -4

Schicht 18 besteht aus a-Si mit 1x10 bis 1,0 χ 10

Atom-% eines Elements der Gruppe III, und sie besitzt eine Dicke von 0,5 - 5 μΐη. Infolgedessen können gute Auflade- und Potentialhalteeigenschaften gewährleistet werden, während eine unerwünschte Beeinträchtigung der Aufladeeigenschaft infolge der Belichtung unmittelbar vor dem Aufladen unterdrückt ist.

Wenn die Schichten 16 und 18 aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, und wenn für die Schicht 18 nahe der Oberfläche ein Werkstoff eines kleinen optischen Bandabstands verwendet wird, findet die Lichtabsorption hauptsächlich in der Schicht 18 statt. Wenn die Filmbzw. Schichtdicke der Schicht 18 mit etwa 5 μΐη gewählt ist, bleiben die durch Belichtung erzeugten Träger nicht in dieser Schicht zurück. Auf diese Weise kann eine Beeinträchtigung der Aufladeeigenschaft infolge der Belichtung unmittelbar vor dem Aufladen oder eine Verschlechterung der Aufladeeigenschaft nach wiederholten Belichtungs- und Entladungsvorgängen weiter unterdrückt werden.

Die Schicht 16 an der Seite der Sperrschicht 14 besteht vorzugsweise aus a-Si:N oder a-Si:C eines optischen Bandabstands von 1,7 - 2,0 eV. Wenn die Schicht 16 weiterhin leicht mit B oder P dotiert ist, ist die Mobilität der Löcher (Elektronenmangelsteilen) weiter verbessert.

Fig. 3 veranschaulicht eine Vorrichtung 20 zur Herstel- QQ lung eines Photoleiterelements gemäß der Erfindung. Dabei ist auf einem Sockel 22 der Vorrichtung 20 ein luftdichtes Gehäuse 24 angeordnet, in welchem eine Reaktionskammer 26 festgelegt ist. Der Sockel 22 kommuniziert über ein rohrartiges Verbindungselement 28 mit einer gg mechanischen Förderpumpe 30 und einer Kreiselpumpe 32.

Die Reaktionskammer 26 wird durch die Pumpen 30 und 32 auf einen Druck (Unterdruck) von 133,3 χ 10 bis 133,3 x 10 Pa (10 bis 10~ Torr) evakuiert. Ein Zahnrad 36 ist an einer Unterseite eines Trommel-Halteelements 34 montiert, das im Sockel 22 über das Zahnrad 36 so gelagert ist, daß es um das Zentrum des Zahnrads 36 herum drehbar ist. An der Welle eines Motors 39, der über den Sockel 22 geerdet ist, ist ein Zahnrad 37 befestigt, das mit dem Zahnrad 36 kämmt. Bei laufendem Motor 39 werden ein Trommel-Substrat 40, das Halteelement 34 und ein Heizelement 38 über die Zahnräder 36 und 37 in Drehung versetzt. Das Heizelement 38 ist in einem zentralen Bereich des Halteelements 34 angeordnet, wobei das zylindrische, leitfähige Trommel-Substrat 40 auf dem Halteelement 34 um das Heizelement 38 herum angeordnet ist. Ein zylindrisches Gaseinführelement 42 mit einer Außenwand und einer Innenwand ist auf dem Sockel 22 um das Substrat herum 40 montiert, wobei der Innenraum zwischen Außen- und Innenwand des Elements 42 über ein Ventil 44 mit einer nicht dargestellten externen Gasversorgung in Verbindung steht. In der Innenumfangswand des Gaseinführelements 42 sind zahlreiche Gasauslaßöffnungen 46 ausgebildet. Ein über das Ventil 44 in das Gaseinführelement 42 eingeleitetes Gas tritt infolgedessen über die Öffnungen 46 zwischen dem Gaseinführelement 42 und dem Substrat 40 aus. Das Substrat 40 ist dabei geerdet bzw. an Masse gelegt. Die Innenwand des Gaseinfuhrelements 42 dient als Elektrode 48, die mit einer Hochfrequenz-Stromquelle 50 verbunden ist.

Bei der beschriebenen Vorrichtung wird nach dem Abnehmen des Gehäuses 24 vom Sockel 22 das Substrat 40 auf das Halteelemtent 3 4 aufgesetzt. Sodann wird das Gehäuse 24 mit luftdichter Abdichtung am Sockel 22 angebracht, und die Reaktionskammer 26 wird mittels der Pumpe 32 auf den

oben angegebenen Unterdruck evakuiert. Das Substrat 40 wird auf 150 - 300°C erwärmt. Das Evakuierungssystem der Reaktionskammer 26 wird sodann von der Pumpe 32 auf die Pumpe 30 umgeschaltet, während gleichzeitig das Ventil 44 geöffnet wird, um damit der Reaktionskammer 26 ein Speisegas zuzuführen. Letzteres kann ein Siliziumatome enthaltendes Gas, z.B. gasförmiges SiH₄, gasförmiges Si^H, oder gasförmiges SiF., sein. Das Speisegas tritt über die öffnungen 46 in Richtung auf das Substrat 40 aus und wird durch die Pumpe 30 abgesaugt. Wenn hierbei die Ausgangsleistungen des Ventils 44 und der Pumpe 30 entsprechend geregelt werden, kann das Speisegas in der Reaktionskammer 26 auf einen Druck von 13,33 - 133,3 Pa (0,1 - 1 Torr) eingestellt werden.

Das Substrat 40 wird mittels des Motors 39 in Drehung versetzt, während an die Elektrode 48 Hochfrequenzstrom, z.B. von 3,56 MHz, angelegt wird. Hierdurch wird zwischen der Elektrode 48 und dem Substrat 40 in der Speisegasatmosphäre eine Glimmentladung erzeugt. Wenn das Speisegas kontinuierlich zugeführt wird, werden auf dem Substrat 40 die jeweiligen, aus a-Si bestehenden, in Fig. 1 oder 2 gezeigten Schichten erzeugt. Zum Dotieren mit einem Fremdatomelement kann ein Atome des Dotierungselements enthaltendes Gas gleichzeitig mit der Zufuhr des Si enthaltenden Speisegases in die Reaktionskammer 26 eingeleitet werden. Wenn eine a-Si:N-Schicht erzeugt werden soll, wird dem Speisegas ein N enthaltendes Gas, wie N₃, NH- o.dgl., zugemischt. Für die Erzeugung einer a-Si:C-Schicht wird dem obigen Gasgemisch ein Kohlen-

oQ wasserstoff, wie CH₄, C„H. u.dgl., zugemischt. Durch Änderung des Mischungsverhältnisses der Gase kann auch der optische Bandabstand geändert werden. Zum Dotieren mit einem Element der Gruppe III oder V des Periodensystems kann ein Gas, wie B₃H₆ oder BF₃, bzw. ein Gas,

gg wie PH₃, PF₅ u.dgl., dem die Siliziumatome enthaltenden

Gas zugemischt werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß dann, wenn mit einem Element der Gruppe III oder V des Periodensystems dotiert wird, eine Valenzelektronsteuerung von a-Si vorgenommen werden kann. In diesem Fall zeigt das Material bei starker Dotierung mit dem Element der Gruppe III oder der Gruppe V einen kleineren spezifischen Widerstand und bei leichter Dotierung mit dem Element der Gruppe III einen größeren spezifischen Widerstand.

Im folgenden ist die Erfindung in Beispielen beschrieben. Zunächst wird ein sich auf die erste Ausführungsform beziehendes Beispiel erläutert. Als erste Sperrschicht 4 wird eine a-Si:N- oder a-Si:C-Schicht, mit 1 χ 10~ Atom-% B dotiert, bis zu einer Dicke von etwa 0,5 μΐη auf das Substrat 2 aufgebracht bzw. auf diesem abgelagert. Die Sperrschicht 4 ist dabei stark mit B dotiert und besitzt einen niedrigen spezifischen Widerstand sowie einen optischen Bandabstand von etwa 1,70 eV.

Als zweite Sperrschicht 6 wird eine a-Si:N- oder a-Si:C-Schicht,mit etwa 1 χ 10 Atom-% B dotiert, bis zu einer Dicke von 25 μΐη aufgetragen bzw. abgelagert. Aufgrund der B-Dotierung ähnelt diese Schicht einem eigenleitenden Bereich. Diese Schicht besitzt einen hohen spezifischen

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Widerstand von z.B. 10 η"cm und einen optischen Bandabstand von etwa 1,75 eV, welcher damit weiter ist als derjenige der Schicht 4.

Als photoleitende Schicht oder Photoleiterschicht 8 wird sodann eine a-Si-Schicht einer Dicke von 5 um aufgetragen bzw. abgelagert. Diese Schicht braucht nicht dotiert zu werden. Wenn sie jedoch mit etwa 1 χ 10 (Atom-%) B dotiert wird, wird die Mobilität der Löcher bzw. Elektronenmangelsteilen verbessert. Die Schicht 8

besitzt einen optischen Bandabstand von etwa 1,55 eV und absorbiert Licht über einen weiten Wellenlängenbereich hinweg.

Als Oberflächen-Überzugsschicht 10 wird eine a-Si:N- oder a-Si:C-Schicht eines optischen Bandabstands von 2,2 eV und eines spezifischen Widerstands von etwa

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10 .n_-cm in einer Dicke von 1 μπι aufgetragen. Die Dicke der Schicht 10 kann etwa 0,1 μπι betragen. Wenn ihre Dicke auf 5 μπι oder weniger eingestellt ist, ist das Restpotential geringfügig höher. Da jedoch die Aufladeeigenschaft im Dunkelzustand ausreichend verbessert sein kann, läßt sich dieser Nachteil überwinden, und die Schicht kann chemisch stabilisiert sein. Wenn sie mit etwa 1 χ 10 Atom-% B dotiert j ist die Mobilität der Elektronen verbessert.

Bei Verwendung des auf vorstehend beschriebene Weise hergestellten Photoleiterelements als lichtempfindliches Element werden ausgezeichnete elektrostatische Eigenschaften festgestellt. Genauer gesagt: ein Oberflächenpotential von 700 V oder höher wird mit einem von einer Koronaaufladevorrichtung in das lichtempfindliche Element fließenden Strom von 0,4 μο/αη² erzielt, und die Potentialhaltegröße innerhalb von 15 s nach dem Aufladen beträgt 80%.

Es ist darauf hinzuweisen, daß dieses Photoleiterelement für ein positiv aufzuladendes lichtempfindliches Element QQ verwendet werden soll. Wenn jedoch das Dotiermittel B (Bor) durch P (Phosphor) ersetzt wird, kann das Photoleiterelement für ein negativ aufzuladendes lichtempfindliches Element verwendet werden. Zu diesem Zweck kann

das gasförmige B₂ ^H6' ^^as ^^em ^^{e s}ili^zi^umatoITie enthaltengg den Gas beim Schichterzeugungsvorgang zugemischt werden

soll, einfach durch PH₃ ersetzt werden, während alle anderen Bedingungen gleich bleiben. Das auf diese Weise hergestellte Photoleiterelement besitzt gute Auflade- und Potentialhalteeigenschaften unter denselben Bedingungen, wie oben angegeben, bei denen lediglich die Polarität der an die Koronaaufladevorrichtung angelegten Spannung umgekehrt war.

Nachstehend ist ein Beispiel für die zweite Ausführungsform beschrieben. Als Sperrschicht 14 wird eine a-Si:N- oder a-Si:C-Schicht, mit 1 χ 10~ Atom-% B dotiert, in einer bzw. bis zu einer Dicke von etwa 0,5 μΐη aufgetragen. Die stark mit B dotierte Schicht 14 besitzt einen niedrigen spezifischen Widerstand und einen optischen IQ Bandabstand von etwa 1,70 eV.

Als erste Photoleiterschicht 16 wird eine a-Si:N- oder a-Si:C-Schicht, mit 1 χ 10~ Atom-% B dotiert, in einer Dicke von etwa 25 μπι aufgetragen oder abgelagert. Da die Schicht 16 mit B nur leicht dotiert ist, ist sie einem eigenleitenden Bereich ähnlich. Die Photoleiterschicht 16 besitzt einen hohen spezifischen Widerstand

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von 10 n. -cm oder mehr und einen optischen Bandabstand von etwa 1,75 eV, der damit weiter ist als derjenige der Schicht 18.

Als zweite Photoleiterschicht 18 wird eine a-Si-Schicht mit einer Dicke von etwa 5 um aufgetragen bzw. abgelagert. Die Schicht 18 braucht nicht dotiert zu werden. QQ Wenn die Photoleiterschicht 18 jedoch mit etwa 1 χ 10

Atom-% B dotiert ist, ist die Mobilität der Löcher verbessert. Die Photoleiterschicht 18 besitzt einen optischen Bandabstand von etwa 1,55 eV und vermag Licht über einen weiten Wellenlängenbereich hinweg zu absorge bieren.

Als Oberflächen-Überzugsschicht 20 wird eine a-Si:N- oder a-Si:C-Schicht eines optischen Bandabstands von etwa 2,2 eV und eines spezifischen Widerstands von etwa 10 _Q.-cm in einer Dicke von 1 \im aufgebracht bzw. abgelagert. Die Dicke der Schicht 20 kann auch etwa 0,1 μΐη betragen. Wenn die Dicke der Schicht 20 auf 5 um oder weniger eingestellt ist, kann trotz leicht erhöhtem Restpotential die Aufladeeigenschaft im dunklen Zustand ausreichend verbessert sein, um diesem Mangel zu begegnen, und die Schicht kann weiterhin chemisch stabilisiert sein. Wenn die Schicht 20 mit etwa 1 χ 10~ Atom-% B d
nenmobilität verbessert.

etwa 1 χ 10 Atom-% B dotiert ist, ist die Elektro-

Bei Verwendung des auf vorstehend beschriebene Weise hergestellten Photoleiterelements als lichtempfindliches Element werden ausgezeichnete elektrostatische Eigenschaften erzielt. Genauer gesagt: ein Oberflächenpotential von 700 V oder mehr wird mit einem von einer Koronaaufladevorrichtung in das lichtempfindliche Element fließenden Strom von 0,4 μο/σιη² erzielt, und die Potentialhaltegröße innerhalb von 15s nach dem Aufladen beträgt 80%. Weiterhin sind die Schichten nicht ohne weiteres einem Ablösen unterworfen, und die Beeinträchtigung der Aufladeeigenschaft bzw. -fähigkeit ist gering.

Das beschriebene Photoleiterelement wird für ein positiv aufzuladendes lichtempfindliches Element verwendet. Wenn

gO jedoch das Dotiermittel B durch P ersetzt wird, kann das PhotoIeiterelement auch für ein negativ aufzuladendes lichtempfindliches Element verwendet werden. Zu diesem Zweck wird das gasförmige B₃H₆, das dem die Si-Atome enthaltenden Gas beim Film- oder Schichterzeugungs-Vorgang zugemischt wird, durch gasförmiges PH, ersetzt,

während die sonstigen Bedingungen gleich bleiben. Wenn das auf diese Weise hergestellte Photoleiterelement unter den oben beschriebenen Bedingungen benutzt wird, nur mit der Ausnahme, daß die Polarität der an die Koronaaufladevorrichtung angelegten Spannung geändert bzw. umgekehrt ist, werden ausgezeichnete Auflade- und Potentialhalteeigenschaften erzielt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Photoleiterelement, umfassend

ein leitfähiges Substrat (2),
eine auf letzterem ausgebildete erste Blockier- oder Sperrschicht (4),

eine auf letzterer erzeugte zweite Blockier- oder Sperrschicht (6) und

eine auf der zweiten Sperrschicht ausgebildete photoleitende Schicht oder Photoleiterschicht (8), dadurch gekennzeichnet/ daß die erste Sperrschicht (4) aus amorphem Silizium-

-4 ι

karbid oder amorphem Siliziumnitrid mit 1 χ 10 bis \ 1,0 Atom-% eines Elements der Gruppe III oder V des Periodensystems gebildet ist,

die zweite Sperrschicht (6) aus amorphem Silizium-

—8 karbid oder amorphem Siliziumnitrid mit 1 χ 10

-4
bis 1 χ 10 Atom-% eines Elements der Gruppe III oder V des Periodensystems gebildet ist und eine Dicke von 5 - 40 μΐη besitzt und die Photoleiterschicht (8) aus amorphem Silizium gebildet ist und eine Dicke von 0,5 - 5 μπ\ besitzt.

2. Photoleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoleiterschicht (8) ein Element der Gruppe III oder V des Periodensystems enthält.

3. Photoleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Photoleiterschicht (8) eine Oberflächenschicht (10) ausgebildet ist, die eine

Dicke von 0,05 - 5 μΐη und einen spezifischen Wider-

13
stand von 10 /i-'cm besitzt.

4. Photoleiterelement, umfassend
ein leitfähiges Substrat (12),

eine auf diesem ausgebildete Blockier- oder Sperrschicht (14) ,

eine auf letzterer erzeugte erste photoleitende Schicht oder Photoleiterschicht (16) und eine auf letzterer ausgebildete zweite Photoleiterschicht (18) ,

dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht aus amorphem Siliziumkarbid oder amorphem Siliziumnitrid mit 1 χ 10 bis 1,0 Atom-% eines Elements der Gruppe III oder V des Periodensystems gebildet ist,

* daß die erste Photoleiterschicht aus amorphem

\ Siliziumkarbid oder amorphem Siliziumnitrid mit

—fi —3

* 1 χ 10 bis 1 χ 10 Atom-% eines Elements der

Gruppe III des Periodensystems gebildet ist, wo-

bei das Produkt aus Mobilität (cm /s V) und Lebensdauer (s) der Löcher oder Elektronenmangelstellen der bei Lichtabsorption erzeugten Elektronen-Loch-Paare 1 χ 10 cm²/V oder mehr beträgt, und daß die zweite Photoleiterschicht in einer Dicke von 0,1 - 5 μπ aus amorphem Silizium mit 1 χ 10 bis 1 χ 10 Atom-% eines Elements der Gruppe III des Periodensystems gebildet ist.

5. Photoleiterelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin auf der zweiten Photoleiterschicht (18) eine Oberflächenschicht (20) ausgebildet ist, die eine Dicke von 0,05 - 5 um einen spezifischen

13
Widerstand von 10 -Tl-Cm besitzt.

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