DE3638200A1 - Verfahren zur herstellung photoleitfaehiger bauelemente - Google Patents
Verfahren zur herstellung photoleitfaehiger bauelementeInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung
eines photoleitfähigen Bauelements, das allgemein
in einer Vorrichtung, etwa einem Kopiergerät, das
sich eines elektrophotographischen Verfahrens bedient,
oder einer Dokument-Lesevorrichtung, verwendet wird.
In einer das elektrophotographischen Verfahren anwendenden
Vorrichtung wie einem Kopiergerät oder einem Lichtdrucker
oder einer Dokument-Lesevorrichtung werden verschiedene
photoleitfähige Materialien für die Herstellung
einer photoleitfähigen Schicht zur Bildung eines
Bildes auf derselben eingesetzt. Zu den bislang verwendeten
photoleitfähigen Materialien zählen anorganische
photoleitfähige Stoffe wie beispielsweise Se, CdS oder
ZnO und organische photoleitfähige Stoffe, wie sie beispielhaft
durch PVK oder TNF verkörpert werden. Diese
photoleitfähigen Materialien ergeben jedoch nicht immer
photoleitfähige Schichten mit Eigenschaften, die im
Hinblick auf die Lichtempfindlichkeit, die spektrale
Empfindlichkeit, das S/N-Verhältnis (das Verhältnis des
Dunkelwiderstandes relativ zu dem Widerstand unter
Lichteinwirkung), die Haltbarkeit und den Sicherheitsfaktor
erwünscht sind, und aus diesem Grunde hat man in
bezug auf die Auswahl von Materialien für die photoleitfähige
Schicht von Fall zu Fall jeweils Kompromisse
geschlossen.
Andererseits weist ein aus amorphem Silicium (a-Si)
hergestelltes photoleitfähiges Bauelement eine hohe
Lichtempfindlichkeit auf und ist haltbar und frei von
verunreinigenden Stoffen, und aufgrunddessen ist eine
zunehmende Verwendung eines solchen Elements zu erwarten.
Es wurde jedoch gefunden, daß das aus amorphem
Silicium (a-Si) hergestellte photoleitfähige Bauelement
mit dem Problem behaftet ist, daß es bei wiederholter
kurzzeitiger bildweiser Belichtung zum Auftreten von
Nachbildern neigt.
Die bezeichnete Erscheinung des Auftretens von Nachbildern
scheint darauf zu beruhen, daß aufgrund der
Tatsache, daß das amorphe Silicium einen exponentiell
verteilten Banden-Tail jeweils am Ende des Valenzbandes
und des Leitfähigkeitsbandes aufweist, überschüssig
produzierte Lichtträger durch den Banden-Tail eingefangen
werden, wenn dieser bildmäßig belichtet wird, und
daß diese Träger unter der Einwirkung eines starken,
während der nächstfolgenden bildmäßigen Belichtung
aufgebauten elektrischen Feldes freigesetzt werden und
sich dabei in Richtung auf eine Oberfläche des photoleitfähigen
Bauelements bewegen, um mit einem Teil der
Ladungen in Wechselwirkung zu treten. Wenn man die durch
den Banden-Tail eingefangenen Phototräger lange Zeit
stehen läßt, werden sie auf das Fermi-Niveau reduziert
oder, nach der Anregung durch die Bande, rekombiniert
und dadurch neutralisiert. Wenn jedoch die bildmäßige
Belichtung des photoleitfähigen Elements innerhalb einer
kurzen Zeitspanne wiederholt wird, nehmen die Phototräger
nicht an Zahl ab oder werden nicht neutralisiert,
und infolgedessen tritt das Nachbild auf dem photoleitfähigen
Bauelement auf.
Obwohl das aus Se hergestellte photoleitfähig Bauelement
weniger dem Phänomen des Auftretens von Nachbildern
ausgesetzt ist, da die Beweglichkeit der mit den Ladungen
in Wechselwirkung tretenden Träger (Elektronen) hinreichend
gering ist, ist die Beweglichkeit der Elektronen
in dem aus amorphem Silicium hergestellten photoleitfähigen
Bauelement generell höher als diejenige der
positiv geladenen Löcher, und aufgrunddessen ist das
amorphe photoleitfähige Bauelement, wenn es positiv
gelanden wird, anfällig gegenüber dem Nachbild-Phänomen.
Die vorliegende Erfindung entstand im Hinblick darauf,
die von den amorphen photoleitfähigen Bauelementen des
Standes der Technik verursachten Probleme im wesentlichen
zu beheben, und es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung
eines amorphen photoleitfähigen Bauelements, das im
wesentlichen frei vom Auftreten der Nachbild-Erscheinung
ist und zur Sicherstellung eines Bildes von hoher Qualität
befähigt ist, verfügbar zu machen.
Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß eine Schicht aus amorphem Silicium auf einem
Substrat dadurch gebildet wird, daß das Verhältnis des
Gasstroms von B2H6 relativ zu dem Gasstrom von SiH4 in
einer Reaktionskammer, in der eine Glimmentladung stattfindet,
auf einen solchen Wert geregelt wird, daß das
Produkt μτ aus der Beweglichkeit μ der Elektronen
multipliziert mit deren Lebensdauer τ kleiner als
10-8 cm2/V werden kann. Da nach diesem Verfahren das
Produkt μτ aus der Beweglichkeit μ der Elektronen, die
die Drift-Geschwindigkeit der freien Elektronen ist,
multipliziert mit deren Lebensdauer τ in genügendem Maße
kleiner als das Produkt μτ für die positiv geladenen
Löcher wird, kann der Einfluß der mit den positiven
Ladungen in Wechselwirkung tretenden Elektronen auf ein
Minimum gesenkt werden, und aufgrunddessen läßt sich
auch das Nachbild-Phänomen auf ein Minimum reduzieren.
Im Hinblick auf vorstehende Ausführungen ist die vorliegende
Erfindung dahingehend wirksam, daß sie das
Auftreten von Nachbildern in dem photoleitfähigen Medium
aus amorphem Slilicium auf das geringstmögliche Maß einschränkt
und dadurch die Erzeugung eines Bildes von
hoher Qualität sicherstellt. Aus diesem Grund vermag die
vorliegende Erfindung zu einer Steigerung des praktischen
Einsatzes von amorphem Silicium beizutragen.
Vorzugsweise wird das B2H6/SiH4-Verhältnis auf den Wert
3,3 × 10-7 geregelt, so daß ein optimales Ergebnis erzielt
werden kann.
Dieses und andere Ziele und Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung
mit einer bevorzugten Ausführungsform anhand der
beigefügten Zeichnungen deutlich.
Fig. 1 zeigt eine CVD-Apparatur (Apparatur zur chemischen
Abscheidung aus der Dampfphase; chemical vapor
deposition), wie sie in der Praxis der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.
Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung
zwischen dem B2H6/SiH4-Verhältnis und dem Produkt μτ
für die Elektronen.
Fig. 1 veranschaulicht schematisch eine CVD-Apparatur,
die für die Bildung einer Schicht aus amorphem Silicium
auf einer Aluminium-Trommel mit Hilfe eines Glimmentladungs-
Verfahrens verwendet wird. Die dargestellte Apparatur
kann eine solche irgendeiner bekannten Bauweise,
wie sie allgemein für die Herstellung einer herkömmlichen
photoleitfähigen Schicht verwendet werden, sein
und umfaßt eine Reaktionskammer 2, in der die Trommel 1, ein
Paar Elektroden 9 und 9′, die innerhalb der Reaktionskammer
2 an den jeweiligen Seiten der Trommel 1 angeordnet
sind, ein Analysator-Fenster für das Plasma-
Spektrum, eine Hochfrequenz-Spannungsquelle 10, einen
Antriebsmotor 4 zum Drehen der Trommel 1, ein an einer
Abgas-Leitung angeordnetes Hauptventil 5, eine ebenfalls
an der Abgas-Leitung angeordnete Booster-Pumpe 12 für
den Mechanismus, eine hydraulische Rotations-Vakuumpumpe
6, ein Leckventil 13, eine Gas-Zuleitung 14, ein an der
Gas-Zuleitung angebrachtes Hilfsventil 7 sowie Massen-
Durchfluß-Regler 8.
Bei der Bildung einer Schicht aus amorphem Silicium auf
einem Substrat mit Hilfe der Glimmentladungstechnik wird
die aus Aluminium bestehende Trommel 1 als Substrat
verwendet. Nachdem die Oberfläche der Trommel 1 in ausreichendem
Maße gereinigt wurde, wird die Trommel 1 auf
der Heizquelle 3 im Inneren der Reaktionskammer 2 befestigt.
Die Heizquelle 3 ist von solcher Bauart, daß
bei Befestigung der Trommel in einer Position im Inneren
der Reaktionskammer 2 die Heizquelle 3 innerhalb des
Hohlraums der Trommel in der Nähe der inneren Umfangsoberfläche
derselben angebracht wird, so daß die Trommel
1 gleichmäßig erhitzt werden kann. Die so befestigte
Trommel 1 kann antreibbar mit dem außerhalb der Reaktionskammer
2 angeordneten Antriebsmotor 4 verbunden
werden, damit die Trommel gedreht werden kann.
Nach der Befestigung der Trommel 1 in der oben beschriebenen
Weise wird das Absaugventil 5 geöffnet, um zu
ermöglichen, daß die im Inneren der Reaktionskammer 2
befindliche Luft mit Hilfe der Vakuumpumpe 6 evakuiert
wird. Gleichzeitig läßt man zum Erhitzen der Trommel 1
durch die Heizquelle 3 einen elektrischen Strom fließen,
so daß sich die äußere Umfangsoberfläche der Trommel 1
auf eine vorherbestimmte Temperatur erhitzen läßt.
Danach wird das Hilfsventil 7 geöffnet, um den Zufluß
eines Gasgemischs, dessen Mischungsverhältnis mittels
der Massen-Durchfluß-Regler 8 auf ein vorbestimmtes
Verhältnis reguliert wurde, in die Reaktionskammer 2 zu
ermöglichen. Zu diesem Zeitpunkt wird das Absaugventil 5
so eingestellt, daß der Druck im Inneren der Reaktionskammer
2 auf einem vorher festgelegten Wert gehalten
wird. Das Gasgemisch besteht aus gasförmigem SiH4 als
Grundsubstanz, dem gasförmiges B2H6 zur Einstellung
eines vorher gewählten Mischungsverhältnisses zugesetzt
wurde.
Nachdem in der Reaktionskammer 2 eine solche Atmosphäre
eingestellt wurde, wurde aus der Spannungsquelle 10 eine
Hochfrequenzspannung von 13,56 MHz an die Elektroden 9
und 9′ angelegt, wodurch eine Glimmentladung zwischen
den Elektroden 9 und 9′ erzeugt wird, um eine Schicht
aus amorphem Silicium auf der äußeren Umfangsoberfläche
der dann mittels der Heizquelle 3 erhitzten Trommel 1
abzuscheiden.
Die Bedingungen, die zur Bildung der Schicht aus
amorphem Silicium nach dem oben beschriebenen Verfahren
erforderlich sind, sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
In Tabelle 1 wurde zu Vergleichszwecken während der
Bildung der zweiten, die photoleitfähige Schicht bildenden
Teilschicht der B2H6-Strom (5 ppm) in fünf Stufen
innerhalb des Bereichs von 6 bis 200 cm3/min unter Standardbedingungen
(0°C; 1,013 bar) unterteilt, wodurch
die jeweiligen Schichten aus amorphem Silicium gebildet
wurden. In den betreffenden fünf Stufen betrug das Verhältnis
des B2H6-Durchflusses relativ zum dem SiH4-
Durchfluß 10-7, 3,3 × 10-7, 6,7 × 10-7, 10-6 bzw.
3,3 × 10-6. Außerdem wurde zusammen mit der Änderung des
B2H6-Durchflusses der H2-Strom so eingestellt, daß der
Gesamt-Durchfluß 900 cm3/min unter Standardbedingungen
betrug. Es ist anzumerken, daß die erste Teilschicht und
die dritte Teilschicht der Schicht aus amorphem Silicium,
die in Tabelle 1 aufgeführt sind, eine Unterlage
zwischen der Trommel 1 und der photoleitfähigen Schicht
bzw. eine Oberflächen-Schutzschicht bilden.
Die auf diese Weise gebildete Schicht aus amorphem Silicium
hat eine dreilagige Struktur, wobei die Bedingungen
zur Bildung jeder dieser Lagen (Teilschichten) in Tabelle 1
angegeben sind. Während der Bildung der zweiten
Lage wurde der Durchfluß des mit Wasserstoff auf 5 ppm
verdünnten B2H6-Gases so innerhalb des Bereichs von 6
bis 200 cm3/min unter Standardbedingungen variiert, daß
das Verhältnis des B2H6-Stroms zu dem Strom des SiH4-
Gases innerhalb des Bereichs von 1 × 10-7 bis 3,3 × 10-6
liegen konnte. Außerdem wurde der H2-Strom so eingestellt,
daß der Gesamt-Durchfluß 900 cm3/min unter Standardbedingungen
betragen konnte.
Unter Benutzung der auf diese Weise hergestellten Photorezeptor-
Trommel wurden Tests zur Bestimmung des Produktes
μτ für Elektronen unter Anwendung der Hecht'schen
Formel aus der Lichtschwächung entsprechend einem xerographischen
Verfahren durchgeführt, deren Ergebnisse in
der graphischen Darstellung der Fig. 2 wiedergegeben
sind. Wie aus der graphischen Darstellung der Fig. 2
hervorgeht, nimmt das Produkt μτ mit dem Ansteigen des
Durchfluß-Verhältnisses B2H6/SiH4 ab.
Außerdem wurde unter Benutzung der so hergestellten
Photorezeptor-Trommel eine Probekopie durch positive
Aufladung hergestellt, und das Auftreten des Nachbild-
Phänomens wurde untersucht. Das Ergebnis dieser Prüfung
ist in Tabelle 2 dargestellt. Folgende Bedingungen
wurden für die Untersuchung angewandt:
Umfangsgeschwindigkeit der Trommel254,4 cm/s Corona-Strom90 μA Vorspannung164 V Anfangspotential der Oberfläche650 ∼ 500 V
Umfangsgeschwindigkeit der Trommel254,4 cm/s Corona-Strom90 μA Vorspannung164 V Anfangspotential der Oberfläche650 ∼ 500 V
Aus Tabelle 2 wird deutlich, daß mit zunehmendem Durchfluß-
Verhältnis das Produkt μτ abnimmt und aufgrunddessen
das Auftreten der Nachbild-Erscheinung auf ein
Minimum gesenkt wird. Wunschgemäße Ergebnisse konnten
erzielt werden, wenn das Durchfluß-Verhältnis größer als
3,3 × 10-7 war, und wenn es größer als 6,7 × 10-7 ist,
tritt das Nachbild-Phänomen nicht auf.
Auf diese Weise beseitigt die vorliegende Erfindung in
wirksamer Weise das durch das Auftreten des Nachbild-
Phänomens auf dem photoleitfähigen Material aus amorphem
Silicium bedingte Problem.
Das Produkt μτ aus der Mobilität der Elektronen und der
Lebensdauer in dem auf diese Weise hergestellten photoleitfähigen
Material wurde unter Anwendung der Hecht'schen
Formel aus der Lichtschwächung entsprechend einem
xerographischen Verfahren durchgeführt, dessen Ergebnis
in Fig. 2 dargestellt ist.
Die Berechnung des Produkts μτ wird auf folgende Weise
durchgeführt. Nach der Hecht-Formel kann die Zunahme
(gain) des lichtelektrischen Stroms durch folgende
Gleichung ausgedrückt werden
in der Jp den photoelektrischen Strom pro Flächeneinheit
bezeichnet, der aufgrund der nachstehenden Gleichung
berechnet werden kann, e die Menge der Ladungselemente
bezeichnet, Fo die Zahl der Photonen des eingestrahlten
Lichts pro Flächeneinheit bezeichnet, E die elektrische
Feldstärke bezeichnet, L die Schichtdicke bezeichnet und
n die Quantenausbeute bezeichnet.
Hierin bezeichnet ε o die Dielektrizitätskonstante im
Vakuum, e bezeichnet die spezifische Dielektrizitätskonstante
des amorphen Siliciums, und V bezeichnet das
Oberflächenpotential. dV/dt läßt sich bestimmen durch
Messung der anfänglichen zeitabhängigen Änderung des
Oberflächenpotentials des photoleitfähigen Bauelements.
Dementsprechend lassen sich aus den Gleichungen (1) und
(2) n und μτ durch Anwendung der Methode der kleinsten
Quadrate bestimmen.
Die Produkte μτ sind jeweils repräsentativ für das
Verhältnis des B2H6-Stroms relativ zu dem SiH4-Strom,
und die Ergebnisse der Auswertung der Probekopien, die
durch Herstellung entsprechender Kopien unter Benutzung
von Photorezeptor-Trommeln mit jeweils verschiedenen
photoleitfähigen Schichten aus amorphem Silicium hergestellt
worden waren, sind in Tabelle 2 aufgestellt. Wie
Tabelle 2 verdeutlicht, zeigt die photoleitfähige
Schicht mit einem Durchfluß-Verhältnis von 10-7 das
Phänomen eines scharf auftretenden Nachbildes, die
photoleitfähige Schicht mit einem Durchfluß-Verhältnis
von 3,3 × 10-7 zeigt ein schwach auftretendes Nachbild,
und die photoleitfähigen Schichten, bei denen das Durchfluß-
Verhältnis gleich 6,7 × 10-7 oder größer war,
zeigten keinerlei Nachbild. Dementsprechend läßt sich
das Nachbild-Phänomen dann in wirksamer Weise vermeiden,
wenn das Produkt μτ für Elektronen gleich 10-8 oder
kleiner ist, und wenn das Produkt μτ gleich 2,9 × 10-9
oder kleiner ist, tritt überhaupt kein Nachbild auf.
Aus den oben angegebenen Gründen bewirkt die Regulierung
des Verhältnisses des B2H6-Stroms relativ zu dem SiH4-
Strom auf einen Wert von etwa 3,3 × 10-7 oder größer,
daß das Produkt μτ für Elektronen gleich oder kleiner
als 10-8 cm2/V ist, wodurch das photoleitfähige Bauelement
hoher Güte, das frei von auftretenden Nachbildern
ist, erhalten werden kann.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung eines photoleitfähigen Bauelements
mit einer Schicht aus amorphem Silicium auf
einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bilden
der Schicht aus amorphem Silicium auf dem Substrat das
Verhältnis des Gasstroms von B2H6 relativ zu dem Gasstrom
von SiH4 in einer Reaktionskammer, in der eine
Glimmentladung stattfindet, auf einen solchen Wert
geregelt wird, daß das Produkt μτ aus der Beweglichkeit
μ der Elektronen multipliziert mit deren Lebensdauer τ
gleich oder kleiner als 10-8 cm2/V wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
beim Bilden der Schicht aus amorphem Silicium das
B2H6/SiH4-Durchfluß-Verhältnis auf einem Wert gleich
oder größer als 3,3 × 10-7 gehalten wird.
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1986
- 1986-11-07 FR FR8615607A patent/FR2590077A1/fr active Pending
- 1986-11-08 DE DE19863638200 patent/DE3638200A1/de active Granted
Patent Citations (5)
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Also Published As
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8330 | Complete disclaimer |