DE3732418A1 - Halbleiter-bauelement mit einem halbleiterbereich, in dem ein bandabstand kontinuierlich abgestuft ist - Google Patents
Halbleiter-bauelement mit einem halbleiterbereich, in dem ein bandabstand kontinuierlich abgestuft istInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Bauelement, das
Nichteinkristall-Material aufweist. Insbesondere betrifft sie
ein Halbleiter-Bauelement einschließlich eines Transistors
und einer Diode mit einem Bereich, in dem ein Bandabstand an
wenigstens einer Stelle außer der Übergangsstelle kontinuierlich
abgestuft ist und von einem Leitfähigkeitsband und einem
Valenzband nur eins kontinuierlich abgestuft ist.
Der Transistor und die Diode nach der Erfindung werden
nachfolgend als "Transistor mit abgestuftem Bandabstand" bzw.
als "Diode mit abgestuftem Bandabstand" bezeichnet.
Bisher wurden verschiedene Transistoren und Dioden mit
einem Halbleiterbereich vorgeschlagen, in dem die Breite eines
verbotenen Energiebandes (d. h. eines Bandabstands) in konischer
Form abgestuft ist; diese Transistoren oder Dioden zeigen
eine wirksame Beschleunigung des Frequenzgangs und auch
eine wirksame Beschleunigung des Photo-Ansprechverhaltens,
falls sie als Phototransistor oder Photodiode eingesetzt
werden.
Bei diesen Transistoren oder Dioden haben sich die Untersuchungen
jedoch auf die Verwendung eines Kristall-Halbleiters,
insbesondere eines GaAs-(Al)-Halbleiters konzentriert. Bei
der Verwendung dieses GaAs-(Al)-Halbleiters wird ein Transistor
oder eine Diode nach der Molekularstrahl-Epitaxie-Methode hergestellt
(siehe F. Capasso, Surface Science, 142 (1984),
S. 513-528).
Bei der Molekularstrahl-Epitaxie-Methode muß der Filmbildungsvorgang
in einer Ultrahochvakuum-Atmosphäre erfolgen,
wobei dei Abscheidungsgeschwindigkeit des auf einem Substrat
zu bildenden Halbleiterfilms gering ist. Ferner ist es nicht
nur schwierig, einen solchen Film in Massen zu produzieren,
sondern es ist auch schwierig, den entstehenden Film in einer
großen viereckigen Abmessung herzustellen. Ferner sind das
als Ausgangsmaterial zu verwendende Ga und As unangenehm, da
sie für den Menschen schädlich sind.
Abweichend hiervon wurden Versuche unternommen, Halbleiter-Bauelemente
unter Verwendung von leicht erhältlichen Si und Ge
als Ausgangsmaterialien herzustellen. Nach allgemeiner Erkenntnis
ist es jedoch schwierig, unter Verwendung dieser Ausgangsmaterialien
einem von unerwünschten strukturellen Defekten
freien Einkristallfilm zu bilden, da die Abstufungskonstanten
von Si und Ge voneinander verschieden sind.
In dieser Beziehung haben sich die Untersuchungen auf
einen Nichteinkristall-SiGe-Film konzentriert, der für die
Herstellung einer Solarzelle und eines Photosensors geeignet
ist. Bei diesem Nichteinkristall-Film bestehen die Vorteile,
daß die obigen Probleme bezüglich dieser Unterschiede zwischen
den Bestandteilen nicht berücksichtigt zu werden brauchen,
die strukturelle Freiheit groß ist, die nichtpaarigen Bindungen
leicht durch Wasserstoffatom oder Halogenatom, wie Fluor,
kompensiert werden können und demzufolge ein gegenständlicher
Nichteinkristall-SiGe-Film in wirksamer Weise gebildet werden
kann.
Ferner kann der Bandabstand bei einem Nichteinkristall-SiGe-Film
dadurch kontinuerlich variiert werden, daß man die
darin enthaltenen Mengenanteile von Si und Ge in geeigneter
Weise ändert.
Es wurden auch verschiedene Untersuchungen an nichteinkristallinen
SiC-, SiN- und SiO-Filmen angestellt, die sich
zur Herstellung der oben erwähnten Halbleiter-Bauelemente
eignen.
Bei diesen Nichteinkristall-Filmen können ihre Bandabstände
dadurch kontinuierlich abgestuft werden, daß man die
Mengenanteile ihrer Bestandteilelemente ändert.
Es war jedoch noch nicht möglich, einen gewünschten hochwirksamen
Transistor, Diode, usw. unter Verwendung dieser
nichteinkristallinen Filme zu erhalten, weil ihre Beweglichkeit
gering sind.
Es gibt übrigens einen Vorschlag zur Herstellung eines
Transistors oder einer Photodiode mit einem Heteroübergang
unter Verwendung eines solchen nichteinkristallinen Films,
wie in der US-PS 42 54 429 angegeben ist.
Die Angaben dieser Veröffentlichung zielen auf die Verhinderung
von Defekten oder/und Fehlanpassungen, die an der
Grenzfläche zwischen den Bestandteilschichten verursacht
werden. Infolgedessen ließ sich auch nach dieser Veröffentlichung
der gewünschte hochwirksame Transistor oder die
Diode, bei denen die oben erwähnten Probleme bezüglich der
geringen Beweglichkeit des nichteinkristallinen Films vermieden
werden, praktisch noch nicht erhalten.
Wenn die in der genannten Veröffentlichung angegebenen
Halbleiter-Bauelemente als Hauptbestandteil einen Halbleiterfilm
haben, in dem das Leitfähigkeitsband und das Valenzband
gegen das Fermi-Niveau geneigt sind und dessen Bandabstand
in der anderen Richtung expandiert ist, d. h. ein trichterförmiger
Bandabstand gebildet wird, läßt sich sagen, daß die
Kennwerte des Bauelements erhöht werden, weil der Ladungsträger
aus einer Elektronenmangelstelle oder einem Elektron zur Anreicherung
neigt.
Wenn beispielsweise das genannte Bauelement als Transistor
benutzt wird, ergeben sich nur niedrige Transistor-Kennwerte.
Wenn es als Diode benutzt wird, hat diese ebenfalls niedrige
Dioden-Kennwerte.
Wenn dieses Bauelement ferner als Solarzelle verwendet
wird, ist es nicht möglich, einen der Größen Kurzschlußstrom
(Isc), Leerlaufspannung (Voc) und Fill-Faktor (FF) in gewünschter
Weise zu steigern.
Die Erfindung zielt auf eine Verbesserung der Frequenzkennwerte
der bekannten Halbleiter-Bauelemente, wie Transistoren
und Dioden, die einen Nichteinkristall-Halbleiterfilm
haben. Die Erfindung soll ein verbessertes Halbleiter-Bauelement,
darunter einen verbesserten Transistor und eine verbesserte
Diode, schaffen, das einer kommerziellen Massenproduktion
zugänglich ist. Ferner soll die Erfindung einen verbesserten
Halbleiter, darunter einen verbesserten Transistor und
eine verbesserte Diode, schaffen, der sich besonders im
Photo-Ansprechverhalten auszeichnet.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung
einer typischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Ausgestaltung eines Transistors mit abgestuftem Bandabstand.
Die Fig. 2(a) bis 2(c) sind schematisch erläuternde
Ansichten der Bänder für Transistoren mit abgestuftem Bandabstand,
die nach den Beispielen der Erfindung hergestellt
sind.
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die eine
Meßeinrichtung für die innere Photomission und die V-I-Eigenschaft
(Spannung-elektrischer Strom) einer Probe zeigt.
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung
einer typischen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Ausgestaltung einer Diode mit abgestuftem Bandabstand.
Fig. 5(a) bis Fig. 5(c) und Fig. 6 sind schematische
erläuternde Ansichten der Bänder für Dioden mit abgestuftem
Bandabstand, die nach den Beispielen der Erfindung hergestellt
sind.
Fig. 7 ist eine Ansicht zur schematischen Erläuterung
einer Herstellungsapparatur als Beispiel einer Apparatur zur
Herstellung des Transistors oder der Diode mit abgestuftem
Bandabstand gemäß der Erfindung.
Fig. 8 ist eine Ansicht zur schematischen Erläuterung
einer Herstellungsapparatur als weiteres Beispiel einer
Apparatur zur Herstellung des Transistors oder der Diode mit
abgestuftem Bandabstand gemäß der Erfindung.
Der Erfinder hat ausgedehnte Untersuchungen zur Lösung
der oben beschriebenen Aufgabe angestellt und ist im Ergebnis
zu der vorliegenden Erfindung gekommen, die auf den nachfolgend
getroffenen Feststellungen beruht.
Zunächst wurde die Tatsache festgestellt, daß die Halbleiter
aus einem nichteinkristallinen Material, wie amorphem
oder polykristallinem Material, bei dem die Anpassung der
Gitterkonstanten der Bestandteile nicht berücksichtigt werden
muß und das andererseits eine geringe
Mobilität zeigt, zur Lösung der Probleme der vorliegenden Erfindung
in wirksamer Weise benutzt werden kann.
Eine andere Feststellung ist die, daß bei Kombination
dieses Halbleiters mit einem Transistor, bei dem ein Basisbereich
mit einer konisch abgestuften Bandabstandsstruktur
(d. h. ein Transistor mit abgestuftem Bandabstand) vorgesehen
ist, ein verbesserter Phototransistor erhalten werden kann,
der auf das optische Spektrum schnell anspricht.
Eine weitere Feststellung ist die, daß bei Kombination
dieses Halbleiters mit einer Diode mit einem Halbleiterbereich,
der eine konisch-schräg abgestufte Bandabstand-Struktur aufweist
(nämlich eine Diode mit abgestuftem Bandabstand), eine
verbesserte Photodiode erhalten wird, die auf das optische
Spektrum schnell anspricht.
Eine weitere Feststellung ist die, daß bei nichteinkristallinen
Materialien ein solches Halbleitermaterial, z. B.
A-SiC, A-SiN oder dgl. gebildet werden kann, dessen Bandabstand
breiter als der von einkristallinem Si oder einkristallinem
GaAs ist, und daß mit diesem Halbleitermaterial
ein verbesserter Transistor mit abgestuftem Bandabstand oder
eine verbesserte Diode mit abgestuftem Bandabstand hergestellt
werden kann, die gegen Temperaturänderungen und auch gegen
hochenergetische Teilchen sehr widerstandsfähig sind.
Demgemäß besteht die Erfindung in der Schaffung eines
verbesserten Halbleiter-Bauelements, wie eines verbesserten
Transistors mit abgestuftem Bandabstand und einer verbesserten
Diode mit abgestuftem Bandabstand, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß es ein Nichteinkristall-Material aufweist, das
Siliziumatome, den Bandabstand einstellende Atome und das lokalisierte
Energieniveau reduzierende Atome enthält und einen
Bereich hat, in dem ein Bandabstand an wenigstens einer Stelle
außer der Übergangsstelle kontinuierlich abgesandt ist und von
dem Leitfähigkeitsband und dem Valenzband nur eins kontinuierlich
abgestuft ist.
Erfindungsgemäß kann demnach eine bedeutende Verbesserung
im Frequenzgang und im Photo-Ansprechvermögen des bekannten
nichteinkristallinen Transistors oder der bekannten nichteinkristallinen
Diode erreicht werden.
Jeder verbesserte Transistor mit abgestuftem Bandabstand
und jede verbesserte Diode mit abgestuftem Bandabstand der
Erfindung kann durch Massenproduktion wirksam unabhängig davon
hergestellt werden, was zur Herstellung der Halbleiter der
GaAs-(Al)-Serie dient.
Ferner ist es nach dieser Erfindung möglich, wahlweise
in Abhängigkeit von dem Verwendungszweck einen Transistor mit
gewünschtem abgestuftem Bandabstand oder eine Diode mit gewünschtem
abgestellten Bandabstand herzustellen, da man in der
Breite des Bandabstands und auch in dem zu verwendenden Material
frei ist.
Die Einzelheiten des verbesserten Halbleiter-Bauelements
nach der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
erläutert.
Ein typischer Transistor mit abgestuftem Bandabstand nach
der Erfindung ist in Fig. 1 gezeigt, in der ein Substrat 101,
ein Kollektor 102, eine Basis 103 und ein Emitter 104 dargestellt
sind. Der Kollektor 102, die Basis 103 und der Emitter
104 sind in dieser Reihenfolge auf dem Substrat 101 angeordnet.
Die stark gedopten Schichten 105 sind auf dem Kollektor
102 und eine andere stark gedopte Schicht 106 ist auf dem
Emitter 104 angeordnet, um eine Ohmsche Übergangszone zu bilden.
An die gedopte Schicht 105, die Basis 103 und die gedopte
Schicht 106 sind elektrische Drähte 107, 108 bzw. 109 elektrisch
angeschlossen.
In den Fig. 2(a) bis 2(c) sind die Bandkonfigurationen
des erfindungsgemäßen Transistors mit abgestuftem Bandabstand
im thermischen Gleichgewicht schematisch gezeigt.
In den Fig. 2(a) bis 2(c) stehen die Zahlen 203, 204
bzw. 205 für einen Emitter, eine Basis und einem Kollektor.
Die Zahl 201 steht für ein Leitfähigkeitsband, die Zahl 202
für ein Valenzband und die Zahl 203 für ein Fermi-Niveau.
Es ist erwünscht, daß der Bandabstand der Basis 204 auf
der Seite des Emitters 203 breiter und auf der Seite des Kollektors
205 schmaler ist.
Wenn eine Diskontinuität, wie etwa ein Einschnitt oder
eine Spitze, nicht nur an der Grenzfläche zwischen der Basis
204 und dem Emitter 203, sondern auch an der Grenzfläche
zwischen der Basis 204 und dem Kollektor 205 auftritt, ist
es erwünscht, ein gemeinsames Bestandteilelement zwischen
der Basis 204 und dem Emitter 203 und auch zwischen der
Basis 204 und dem Kollektor 205 gleichmäßig zu verteilen.
Damit der erfindungsgemäße Transistor mit dem abgestuften
Bandabstand seine Funktionen in wirksamer Weise erfüllt, ist
es erwünscht, daß die Differenz zwischen dem minimalen und
maximalen Bandabstand in der Basis 204 vorzugsweise mehr als
0,1 eV und insbesondere mehr als 0,2 eV beträgt.
Ferner ist die Dicke der Basis ein wichtiger Faktor zur
Bestimmung der Kennwerte des erfindungsgemäßen Transistors
mit abgestuftem Bandabstand. Wenngleich sie in Abhängigkeit
von der Art des einzusetzenden Materials passend bestimmt
werden soll, beträgt die Dicke jedoch vorzugsweise 2 µm oder
weniger, insbesondere 1 µm oder weniger und in dem speziellen
Fall 0,7 µm oder weniger.
Wie die Randkonfigurationen des Transistors mit abgestuftem
Bandabstand in thermischem Gleichgewicht beispielhaft in
den Fig. 2(a) bis 2(c) zeigen, ist bei dem erfindungsgemäßen
Halbleiter-Bauelement die Bandkonfiguration eines Teils
des Halbleiterbereichs (das ist in den Figuren des Basisbereichs)
in einem solchen Zustand, daß der Bandabstand in einer konisch-schrägen
Gestalt abgestuft ist, und tritt in diesem abgestuften
Bereich vom Valenzband und vom Leitfähigkeitsband nur bei einem
Bandniveau ein unifunktioneller und kontinuierlicher Anstieg
oder Abfall auf, und das übrige Bandniveau bleibt in einem
flachen Zustand.
Um eine kontinuierliche Abstufung des Bandabstands zu
erreichen, werden im allgemeinen geeignete Filmbildungsbedingungen
ausgewählt und die chemische Zusammensetzungsverhältnisse
zwischen den Bestandteilelementen in einem gegenständlichen
Halbleiterbereich kontinuierlich geändert.
Wie der Stand der Technik zeigt, kann ein Halbleiterbereich
mit kontinuierlich abgestuftem Bandabstand einfach
durch kontinuierliche Änderung der vorgenannten Chemikalienverhältnisse
erreicht werden. In diesem Fall werden jedoch
das Bandniveau des Valenzbandes und das des Leitfähigkeitsbandes
gleichzeitig abgestuft, und infolgedessen wird es
unmöglich, nur eins der beiden Bandniveaus unifunktionell und
kontinuierlich zu erhöhen oder herabzusetzen und das übrige
Bandniveau flach zu halten.
Wenn beispielsweise ein Teil des Halbleiterfilmbestandteils
für ein gegenständliches Halbleiter-Bauelement durch
Plasma-CVD aus nichteinkristallinem SiGe gebildet werden soll,
erfolgt seine Bildung im allgemeinen im Hinblick auf die
Stabilhaltung des Plasmas in der Abscheidungskammer so weit
wie möglich ohne Änderung seiner Filmbildungsparameter. Insbesondere
die auf die Konzentration verdünnten Ausgangsmaterial-Gases
und dgl. bezogenen Parameterwerte ändern sich
in diesem Falle nicht.
Wenn infolgedessen die in einem Film enthaltene
Ge-Menge groß gemacht werden soll, treten bei einem Anstieg
dieser Menge im resultierenden Film zunehmend Defekte auf,
es wird wahrscheinlicher, daß der entstehende Film n-leitend
wird, und das Bandniveau des Valenzbandes und das des Leitfähigkeitsbandes
ändern sich demgemäß gleichzeitig.
Wenn dagegen ein nichteinkristallines SiGe zum Beispiel
zur Bildung eines Halbleiterfilms für ein gegenständliches
Halbleiter-Bauelement dient, erfolgt seine Bildung unter Ausnutzung
der tatsächlichen Erscheinung, daß das Germaniumatom
dazu dient, unter passend gewählten Filmbildungsbedingungen
in der Eigenleit-Bandstruktur des nichteinkristallinen
Si-Halbleiters das Bandniveau des Valenzbandes und das des
Leitfähigkeitsbandes zum Fermi-Niveau hin zu verschieben,
und daß das Wasserstoffatom dazu dient, nur das Bandniveau
des Valenzbandes, jedoch kaum das des Leitfähigkeitsbandes
zu verändern.
Um die Ziele der Erfindung zu erreichen, wird beispielsweise
bei der Bildung eines nichteinkristallinen SiGe-Films
durch Plasma-CVD die Entladungsleistung in geeigneter Weise
verringert, während die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases
(H₂) als Verdünnungsgas zusammen mit einem Anstieg
der Strömungsgeschwindigkeit des Germanium einführenden Ausgangsmaterial-Gases
gesteigert wird. Auf diese Weise wird es
möglich, das Bandniveau eines Leitfähigkeitsbandes aus einer
bestimmten Position in eine andere Richtung gegen das Fermi-Niveau
im Gleichgewicht kontinuierlich anzuheben, während das
Bandniveau des Valenzbandes flach gehalten wird.
Dies bedeutet, daß bei der Erfindung durch Anwendung
geeignet gewählter Filmbildungsbedingungen ein gewünschter
Halbleiterfilm gebildet werden kann, der teilweise einen Bereich
enthält, in dem die Elektronenmangelstellen-Aktivierungsenergie
konstant gehalten wird und die Elektronen-Aktivierungsenergie
in der Bandkonfiguration von der einen zur anderen Seite
zunimmt.
Einzelheiten zu den vorstehenden Darlegungen werden in
den Beispielen der Erfindung erläutert.
Die Bestätigung, ob die Bandkonfiguration des genannten
Teilbereichs eines Halbleiterfilms als Bestandteil des erfindungsgemäßen
Halbleiter-Bauelements in dem zur Lösung des
Problems gewünschten Zustand vorliegt, kann praktisch wie folgt
nach einem herkömmlichen Bandabstand-Meßverfahren erhalten
werden.
Eine Probe und die zugehörigen Meßgeräte sind so angeordnet,
daß in der in Fig. 3 gezeigten Weise ein elektrischer
Schaltkreis gebildet wird.
In Fig. 3 bedeutet die Zahl 301 eine Probe.
Bei der Probe 301 ist ein etwa 1 µm dicker Halbleiterfilm
304, dessen Bandkonfiguration zu messen ist, auf einer
durchscheinenden Chromelektrode 303 angeordnet, die auf einer
Glasplatte 302 angeordnet ist. Auf der Rückseite des Halbleiterfilms
304 ist eine weitere durchscheinende Chromelektrode
305 angeordnet.
Die Elektroden 303 und 305 sind an eine Gleichspannungsquelle
306 und ein Strommesser 307 elektrisch angeschlossen,
um den elektrischen Strom in dem Halbleiterfilm festzustellen.
Unter Benutzung des obigen Stromkreises kann die Wellenlängenabhängigkeit
eines photoelektrischen Stroms (I P ) festgestellt
werden, wenn man auf die Probe 301 einige Spannungen
aufprägt.
Der zu messende photoelektrische Strom (I P ) kann durch
die folgende Gleichung (A) ausgedrückt werden:
I P = e η No(1-R) [1-exp(1-α d)] µE τ (A)
e:Elementarladungη:Quantenausbeuted:Halbleiter-Filmdicke
µ:Mobilität
τ:Lebensdauer
No:Photoanzahl/sec. des eingestrahlten Lichts
R:Reflexionsfaktor auf der Reflexionsebene
α:Absorptionskoeffizient
E:Elektrisches Feld
Im Falle homogener Absorption nimmt die Gleichung (A)
die folgende Gestalt an:
I P = e η No(1-R) (α d)µE τ (B)
Hierbei kann der Absorptionskoeffizient (α) durch die folgende
Gleichung (C) ausgedrückt werden:
Unter Benutzung dieses Absorptionskoeffizienten wird
h ν auf der Abszisse und auf der Ordinate dargestellt,
um so einen Bandabstandswert für den Halbleiterfilm 304 zu
erhalten.
Hierbei können die Bandabstandswerte der breiteren Seite
und der schmaleren Seite des Halbleiterfilms 304 dadurch unabhängig
gemessen werden, daß man wahlweise die Glasplatte 302
oder die Elektrode 305 als Lichteinfallseite benutzt.
Es kann aus den Ergebnissen dieser Messung unter Benutzung
des in Fig. 3 gezeigten Schaltkreises festgestellt werden, daß
auf jeder Seite eines Valenzbandes und eines Leitfähigkeitsbandes
eine elektrische Barriere existiert.
Die V-I-Kennlinie kann dadurch gemessen werden, daß man
Licht in die Probe 301 einstrahlt und dabei dieser eine Spannung
aufprägt.
Aus der resultierenden V-I-Kurve, die man als Meßergebnis
durch Aufprägung einer Spannung erhält, wobei die breitere
Seite des Bandabstands positiv (+) gemacht wird, wird bestätigt,
daß die Abstufung auf der Seite des Leitfähigkeitsbandes
vorliegt, wenn die aufgeprägte Spannungsrichtung eine Durchlaßvorspannung
ist, und daß die Abstufung auf der Seite des
Valenzbandes vorliegt, wenn die obige Richtung eine in Sperrichtung
liegende Vorspannung ist.
Nach den in den vorgenannten Messungen (1) und (2) erhaltenen
Ergebnissen kann abgeschätzt werden, ob die Bandkonfiguration
einer Probe der definierten Bandkonfiguration der Erfindung
äquivalent ist.
Eine typsiche erfindungsgemäße Diode mit abgestuftem
Bandabstand ist in Fig. 4 gezeigt, in der ein Substrat 401,
eine erste Ohmsche Kontaktschicht 402, ein erster nichteinkristalliner
Schichtbereich 403, ein zweiter nichteinkristalliner
Schichtbereich 404 und eine zweite Ohmsche Kontaktschicht
405 dargestellt sind.
Die erste Ohmsche Kontaktschicht 402, der erste und
zweite nichteinkristalline Schichtbereich 403 und 404 und die
zweite Ohmsche Kontaktschicht 405 sind in dieser Reihenfolge
auf dem Substrat 401 angeordnet.
Die betreffenden Ohmschen Kontaktschichten 402 und 405
enthalten eine große Menge Dotierungsmittel gleicher Polarität
wie die anliegenden Schichtbereiche 403 bzw. 404, um dadurch
einen erheblichen Ohmschen Kontakt zu erhalten. An jede Ohmsche
Kontaktschicht 402 und 405 sind elektrische Drähte 406 bzw. 407
elektrisch angeschlossen.
In den Fig. 5(a) bis 5(c) sind Bandkonfigurationen der
erfindungsgemäßen Diode mit abgestuftem Bandabstand im Gleichgewicht
schematisch dargestellt.
In den Fig. 5(a) bis 5(c) bedeuten die Nummer 504 einen
ersten nichteinkristallinen Bereich und die Nummer 505 einen
zweiten nichteinkristallinen Bereich. Die Nummern 501 (a) bis
501 (c), die Nummern 502 (a) bis 502 (c) und die Nummern 503 (a)
bis 503 (c) bedeuten ein Valenzband, ein Leitfähigkeitsband
bzw. ein Fermi-Niveau.
Aus den Fig. 5(a) bis 5(c) ist ersichtlich, daß
der Bandabstand in wenigstens einem der ersten und zweiten
nichteinkristallinen Schichtbereiche kontinuierlich abgestuft
ist, nur ein Band von dem Valenzband und dem Leitfähigkeitsband
kontinuierlich abgestuft ist und das verbleibende Band flach
bleibt und die Abstandsbreite auf der der Elektrode anliegenden
Seite zunehmend breiter wird.
Wenn man die erfindungsgemäße Diode mit abgestuftem Bandabstand
als Photodiode einsetzt, ist es erwünscht, die Dicke
der Ohmschen Kontaktschicht möglichst dünn und den Bandabstand
auf der Lichteinfallseite möglichst breit zu machen.
Ferner ist es möglich, das Auftreten eines Einschnitts
oder einer Spitze an den Grenzflächen des ersten nichteinkristallinen
Schichtbereichs dadurch zu verhindern, daß man
in ihm die Bestandteilelemente gleichmäßig verteilt.
Damit die erfindungsgemäße Diode mit abgestuftem Bandabstand
in wirksamer Weise ihre Funktionen erfüllt, soll die
Differenz zwischen dem minimalen und dem maximalen Bandabstand
vorzugsweise größer als 0,1 eV, insbesondere größer
als 0,2 eV sein.
Die Schichtdicke des Bandabstand-Abstufungsbereichs ist
ein wichtiger Faktor, der die Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Diode mit abgestuften Bandabstand bestimmt.
Wenngleich die Dicke in Abhängigkeit von der Art des zu
verwendenden Materials in geeigneter Weise bestimmt werden
soll, sollte sie ziemlich dick sein, um den Durchbruchsspannungswiderstand
gegen eine aufgedrückte Spannung zu erhöhen;
eine bevorzugte Dicke ist im einzelnen der Bereich von
50 bis 200 µm. Um andererseits den Durchlaßbereich zu vergrößern,
ist eine ziemlich dünne Ausbildung erwünscht; eine bevorzugte
Dicke liegt in diesem Falle in dem Bereich von 0,5 bis 50 µm.
Als einsetzbares, Siliziumatomenthaltendes Ausgangsmaterial-Gas
zur Bildung des vorgenannten nichteinkristallinen
Films der Erfindung können z. B. eine kettenförmige Silan-Verbindung,
wie SiH₄, SiF₄, Si₂H₆, Si₂F₆, Si₃H₈, SiH₃F, Si₂H₂F,
usw., und eine zyklische Silan-Verbindung, wie Si₄H₈, Si₅H₁₀,
Si₆H₁₂, usw. beispielhaft angegeben werden.
Als Ausgangsmaterial-Gas, das ein Atom zur Einstellung
des Bandabstands, d. h. zu seiner Verbreiterung oder Verkleinerung,
oder zur Reduzierung des lokalisierten Energieniveaus
einbringt, können verschiedene Verbindungen beispielhaft angegeben
werden.
Speziell brauchbar als Ausgangsmaterial-Gas zur Einbringung
eines Atoms zur Verbreiterung des Bandabstands sind
beispielsweise Kohlenstoff-Verbindungen, wie CH₄, C₂H₂, C₂H₄,
C₂H₆, Si(CH₃)₄ und SiH(CH₃)₃, Stickstoffverbindungen, wie
N₂, NH₃, HN₃, H₂NNH₂, NH₄N₃, F₃N und F₄N, und Sauerstoffverbindungen,
wie O₂, O₃, CO₂, NO, NO₂, NO₃, N₂O, N₂O₃ und
N₂O₄.
Brauchbare Ausgangsmaterial-Gase zum Einbringen eines
Atoms für die Verkleinerung des Bandabstands sind z. B. Germanium
enthaltende Verbindungen, wie GeH₄, GeF₄ und dgl.,
und eine Zinn enthaltende Verbindung, wie SnH₄.
Ferner sind brauchbare Ausgangsmaterial-Gase zur Einbringung
eines Atoms zur Reduzierung des lokalisierten Energieniveaus
beispielsweise Wasserstoffgas (H₂) und Halogengas,
wie z. B. F₂, Cl₂, usw.
Der Einsatz eines solchen Atoms zur Reduzierung des lokalisierten
Energieniveaus ist ein wichtiger Faktor, um die
Zwecke der Erfindung wirksam zu erreichen. Die Menge dieses
Atoms zur Reduzierung des lokalisierten Niveaus, die in einem
Bereich enthalten sein soll, wo der Bandabstand abgestuft
werden soll, beträgt vorzugsweise 1 bis 60 Atom-%, insbesondere
5 bis 40 Atom-% und ganz speziell 10 bis 35 Atom-%.
Ferner wird bei dieser Erfindung ein Dotierungsmittel
der Gruppe III oder/und ein Dotierungsmittel der Gruppe V
des Periodischen Systems in einen Bereich eingebaut, in dem
ein Bandabstand abzustufen ist, um die Leitfähigkeit in bestimmten
Grenzen zu halten.
Als Dotierungsmittel der Gruppe III können beispielsweise
B, Al, Ga, In, Tl, usw. genannt werden. Unter diesen Elementen
werden B und Ga bevorzugt.
Als Dotierungsmittel der Gruppe V können z. B. P, As, Sb,
Bi, usw. genannt werden. Unter diesen Elementen werden P und
Sb besonders bevorzugt.
Nach der Erfindung kann dieses Dotierungsmittel gleichmäßig
oder ungleichmäßig in dem genannten Bereich verteilt
werden. Die in dem Bereich enthaltene Menge dieses Dotierungsmittels
beträgt vorzugsweise 5 Atom-% oder weniger, insbesondere
3 Atom-% oder weniger und in den am meisten bevorzugten
Fällen 1 Atom-% oder weniger.
Nunmehr wird ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelements
nach der Erfindung und eine Herstellungsapparatur
zur praktischen Durchführung des Verfahrens erläutert.
In Fig. 7 ist eine typische Herstellungsapparatur gezeigt,
die zur praktischen Durchführung des Verfahrens zur
Herstellung von Halbleiter-Bauelementen der Erfindung, wie
etwa eines verbesserten Transistors mit abgestuftem Bandabstand
und einer verbesserten Diode mit abgestuftem Bandabstand,
geeignet ist.
Die in Fig. 7 gezeigte Herstellungsapparatur gehört dem
kapazitiven Kopplungstyp an. Sie umfaßt eine Abscheidungskammer
701, die einen Reaktionsraum 702 im wesentlichen umschließt,
eine Anode 703, einen elektrischen Heizkörper 704
zur Erwärmung eines Substrats 708, ein Steuergerät 705 für
den Heizkörper 704, eine Kathode 706, eine Hochfrequenz-Spannungsquelle
707, ein Absaugsystem 709, einen Vakuummesser 770,
eine Gaszuführungsleitung 710, Gasbehälter 711 bis 714, Druckmesser
721 bis 724 und 781 bis 784, Primärventile 731 bis
734, Sekundärventile 741 bis 744, Massenströmungsregler 761
bis 764 und Ventile 751 bis 754.
Unter Benutzung dieser Herstellungsapparatur kann z. B.
der erfindungsgemäße Transistor mit abgestuftem Bandabstand
in der folgenden Weise hergestellt werden.
Zuerst wird das Substrat 708 an der Anode 703 fest angebracht,
und die Luft wird aus der Abscheidungskammer 701
evakuiert, um den Reaktionsraum 702 auf etwa 1 × 10-6 Torr zu
bringen. Dann wird das Steuergerät 705 angeschaltet, um das
Substrat 708 auf eine Temperatur von 50 bis 600°C zu erhitzen.
Nachdem das Substrat 708 eine vorbestimmte Temperatur angenommen
hat, werden die den Kollektor bildenden Ausgangsmaterial-Gase
aus den Gasbehältern durch die Massenströmungsregler mit
bestimmten Strömungsgeschwindigkeiten in den Reaktionsraum 702
eingeführt. Wenn der durch den Vakuummesser 770 angezeigte
Innendruck des Reaktionsraumes 702 ein bestimmtes Vakuum von
0,01 bis 10 Torr erreicht, wird die Hochfrequenzspannungsquelle
eingeschaltet, um dem Reaktionsraum 702 eine Hochfrequenzleistung
von 0,01 W/cm² bis 10 W/cm² zuzuführen. Nach einer
Glühentladung während einer bestimmten Zeitdauer hat sich auf
dem Substrat 708 die Schicht eines Kollektorbereichs in einer
Dicke von 0,05 µm bis 10 µm abgeschieden. Danach wird die Luft
aus der Abscheidungskammer 701 genügend evakuiert, und die
Temperatur des Substrats 708 mit der auf diesem befindlichen
Schicht des Kollektorbereichs wird durch Kühlung auf Zimmertemperatur
gebracht. Dann wird das Vakuum in der Abscheidungskammer
701 aufgehoben und das Substrat 708 entnommen. Das
Substrat wird dann einer Ätzbehandlung unterworfen, um dadurch
dem Kollektorbereich auf dem Substrat 708 eine bestimmte Gestalt
zu geben.
Das so behandelte Substrat 708 wird dann wieder in die
Abscheidungskammer 701 gebracht, und die oben genannten Filmbildungsmaßnahmen
werden wiederholt, um auf dem vorher gebildeten
Kollektorbereich eine Schicht des Basisbereichs von
etwa 2 µm Dicke abzuscheiden. Um in diesem Fall die Schicht
mit kontinuierlicher Abstufung des Bandabstands abzuscheiden,
wird das Filmbildungsverfahren so durchgeführt, daß man die
Strömungsgeschwindigkeit eines Ausgangsmaterial-Gases für die
Einbringung eines den Bandabstand einstellenden Atoms kontinuierlich
verringert oder erhöht, während man die Entladungsleistung,
die Konzentration eines Verdünnungsgases und die
Substrattemperatur in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen
ändert.
Danach wird das Substrat 708 mit der Basisbereich-Schicht
auf dem vorher gebildeten Kollektorbereich aus der
Abscheidungskammer 701 entnommen und einer Musterformierungsbehandlung
unterzogen, um es mit einem bestimmten Muster zu
versehen.
Dann wird das so behandelte Substrat 708 in die Abscheidungskammer
701 gebracht. Die oben genannten Filmbildungsmaßnahmen
werden wiederholt, um auf dem zuvor gebildeten Basisbereich
die Schicht eines Emitterbereichs abzuscheiden. Danach
erfolgt eine Ätzbehandlung in gleicher Weise wie bei dem Kollektorbereich.
So wird der gewünschte gegenständliche Transistor
mit abgestuftem Bandabstand hergestellt.
Die erfindungsgemäßen Diode mit abgestuftem Bandabstand
kann ebenfalls mit der in Fig. 7 gezeigten Fabrikationsapparatur
hergestellt werden.
Das Substrat 708 wird an der Anode 703 fest angebracht,
und die Luft wird aus der Abscheidungskammer evakuiert, um
den Reaktionsraum 702 auf etwa 1 × 10-6 Torr zu bringen. Dann
wird das Steuergerät 705 ausgeschaltet, um das Substrat 708
auf eine Temperatur von 50°C bis 600°C zu erhitzen. Nachdem
das Substrat 708 eine bestimmte Temperatur angenommen hat,
werden Ausgangsmaterial-Gase, die eine Ohmsche Kontaktschicht
bilden, aus den Gasbehältern mit bestimmten Strömungsgeschwindigkeiten
durch die Massenströmungsregler in den Reaktionsraum
702 eingeführt. Wenn der durch den Vakuummesser 770 angezeigte
Innendruck des Reaktionsraums 702 ein bestimmtes Vakuum
von 0,01 bis 10 Torr erreicht, wird die Hochfrequenzspannungsquelle
eingeschaltet, um dem Reaktionsraum 702 eine Hochfrequenzleistung
von 0,01 W/cm² bis 10 W/cm² zuzuführen. Nach
einer Glühentladung für eine bestimmte Zeitdauer hat sich auf
dem Substrat 708 eine Ohmsche Kontaktschicht in einer Dicke
von 0,01 bis 1 µm abgeschieden. Danach wird die Luft aus der
Abscheidungskammer 701 genügend evakuiert und die Temperatur
des Substrats 708 mit der darauf befindlichen Ohmschen Kontaktschicht
durch Kühlung auf Zimmertemperatur gebracht. Dann wird
das Vakuum in der Abscheidungskammer 701 aufgehoben und das
Substrat 708 entnommen. Es wird dann einer Ätzbehandlung unterzogen,
um der Ohmschen Kontaktschicht auf dem Substrat 708
eine bestimmte Gestalt zu verleihen. Das so behandelte Substrat
708 wird erneut in die Abscheidungskammer 701 gebracht,
und die oben genannten Filmbildungsmaßnahmen werden wiederholt,
um auf der vorher gebildeten Ohmschen Kontaktschicht einen
ersten Schichtbereich bzw. dann einen zweiten Schichtbereich
von weniger als 100 µm Dicke abzuscheiden. Um jeden Schichtbereich
abzuscheiden und dabei seinen Bandabstand kontinuierlich
abzustufen, wird das Filmbildungsverfahren so durchgeführt,
daß man die Strömungsgeschwindigkeit des Ausgangsmaterial-Gases
zur Einführung des Atoms zur Einstellung des Bandabstands
kontinuierlich verringert oder steigert, während die Entladungsleistung,
die Konzentration eines Verdünnungsgases und die Substrattemperatur
in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen
geändert werden.
Das Substrat 708 mit den ersten und zweiten Schichtbereichen
auf der vorher gebildeten Ohmschen Kontaktschicht wird
aus der Abscheidungskammer 701 ebenso wie oben angegeben entnommen
und dann einer Musterbildungsbehandlung unterzogen, um
ihm ein bestimmtes Muster zu verleihen. Schließlich werden die
oben genannten Filmbildungsmaßnahmen wiederholt, um auf dem
vorher gebildeten zweiten Schichtbereich eine weitere Ohmsche
Kontaktschicht abzuscheiden. Auf diese Weise wird die gewünschte
gegenständliche Diode mit abgestuftem Bandabstand hergestellt.
Nunmehr wird eine weitere typische Herstellungsapparatur
in Fig. 8 gezeigt.
Die Herstellungsapparatur in Fig. 8 stellt eine teilweise
Modifizierung der in Fig. 7 gezeigten Fabrikationsapparatur
dar, der ein Gaszuführungssystem für Wasserstoffradikale hinzugefügt
wurde. Dieses System umfaßt einen Wasserstoffgas-Behälter
815, Druckmesser 825 und 885, ein Primärventil 835, ein
Sekundärventil 845, einen Massenströmungsregler 865, ein Ventil
855, eine Wasserstoffgas-Zuführungsleitung 891, eine Aktivierungskammer
892 und eine Mikrowellen-Energiequelle 893.
Die Halbleiter-Bauelemente der Erfindung, wie etwa ein
verbesserter Transistor mit abgestuftem Bandabstand und eine
verbesserte Diode mit abgestuftem Bandabstand, können auch
unter Verwendung der in Fig. 8 gezeigten Herstellungsapparatur
wirksam hergestellt werden.
Die Vorteile der Erfindung werden nun im einzelnen in den
folgenden Beispielen beschrieben, die nur zum Zwecke der Erläuterung
vorgesehen sind und den Umfang der Erfindung nicht einschränken
sollen.
Unter Benutzung der in Fig. 7 gezeigten Apparatur wurde
ein Transistor mit abgestuftem Bandabstand des in Fig. 1 gezeigten
Typs hergestellt, der die in Fig. 2(a) dargestellte
Bandkonfiguration hat.
Als Substrat 101 diente eine Platte aus Corning Glas 7059
(Produkt der Corning Glass Wear). Die Bildung jeder Bestandteilschicht
erfolgte unter den in Tabelle 1 angegebenen Bedingungen.
Bei der Prüfung der chemischen Zusammensetzung jeder
Bestandteilschicht des resultierenden Transistors unter Benutzung
von RHEED wurde gefunden, daß jede Bestandteilschicht
aus einem Silizium enthaltenden amorphen Material besteht.
Durch Messung der Menge Germaniumatome in der Basis unter
Benutzung von SIMS wurde ferner gefunden, daß das Germaniumatom
in einer Konzentration enthalten ist, die kontinuierlich
von 0 Atom-% bis 30 Atom-% variiert.
Ferner wurde gefunden, daß der Bandabstand für den amorphen
Schichtbereich, der keine Germaniumatome enthält, 1,7 eV
beträgt und daß er für den amorphen Schichtbereich, der
30 Atom-% Germaniumatome enthält, 1,45 eV beträgt.
Ferner wurde gefunden, daß der Frequenzgang des erhaltenen
Transistors um etwa das 1,7fache gegenüber dem des in dem
unten beschriebenen Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Transistors
verbessert ist.
Unter Benutzung der in Fig. 7 gezeigten Apparatur wurde
ein Transistor mit abgestuftem Bandabstand des in Fig. 1 gezeigten
Typs hergestellt, der die in Fig. 2(b) dargestellte
Bandkonfiguration hat.
Als Substrat 101 diente eine Platte aus Corning Glas 7059
(Produkt der Corning Glass Wear). Die Bildung jeder Bestandteilschicht
erfolgte unter den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen.
Bei der Prüfung der chemischen Zusammensetzung jeder
Bestandteilschicht des resultierenden Transistors unter Benutzung
von RHEED wurde gefunden, daß jede Bestandteilschicht
aus einem Silizium enthaltenden amorphen Material besteht.
Durch Messung der Menge Kohlenstoffatome in der Basis
unter Benutzung von SIMS wurde ferner gefunden, daß das Kohlenstoffatom
in einer Konzentration enthalten ist, die kontinuierlich
von 20 Atom-% bis 0 Atom-% variiert.
Ferner wurde gefunden, daß der Bandabstand für den
20 Atom-% Kohlenstoffatome enthaltenden, amorphen Schichtbereich
2,0 eV beträgt.
Ferner wurde gefunden, daß der Frequenzgang des erhaltenen
Transistors um etwa das 1,5fache gegenüber dem des in dem unten
beschriebenen Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Transistors verbessert
ist.
Unter Benutzung der in Fig. 7 gezeigten Apparatur wurde
ein Transistor mit abgestuftem Bandabstand des in Fig. 1 gezeigten
Typs hergestellt, der die in Fig. 2(c) dargestellte
Bandkonfiguration hat.
Als Substrat 101 diente eine Platte aus Corning Glas 7059
(Produkt der Corning Glass Wear). Die Bildung jeder Bestandteilschicht
erfolgte unter den in Tabelle 3 angegebenen Bedingungen.
Bei der Prüfung der chemischen Zusammensetzung jeder
Bestandteilschicht des resultierenden Transistors unter Benutzung
von RHEED wurde gefunden, daß jede Bestandteilschicht aus
einem Silizium enthaltenden Material besteht.
Durch Messung der Menge Kohlenstoffatome in der Basis
unter Benutzung von SIMS wurde ferner gefunden, daß das Kohlenstoffatom
in einer Konzentration enthalten ist, die kontinuierlich
von 30 Atom-% bis 0 Atom-% variiert.
Ferner wurde gefunden, daß der Bandabstand der Kohlenstoffatom enthaltenden
amorphen Schicht an seinem breitesten Teil
2,2 eV beträgt.
Ferner wurde gefunden, daß das S/N-Verhältnis der Ansprecheigenschaft
gegenüber sichtbarem Licht des gebildeten Transistors
um das etwa 2fache gegenüber dem des in dem nachfolgend beschriebenen
Vergleichsbeispiel 1 hergestellten Transistors verbessert
ist.
Es wurde ein Transistor des in Fig. 1 gezeigten Typs unter
den in Tabelle 4 angegebenen Bedingungen unter Benutzung der
Apparatur der Fig. 7 hergestellt, wobei als Substrat 101 eine
Platte aus Corning Glas 7059 (Produkt der Corning Glass Wear)
diente.
Unter Benutzung der in Fig. 7 gezeigten Apparatur wurde
eine Diode mit abgestuftem Bandabstand des in Fig. 4 gezeigten
Typs hergestellt, die die in Fig. 5(a) dargestellte Bandkonfiguration
hat.
Als Substrat 101 diente eine Platte aus Corning Glas 7059
(Produkt der Corning Glass Wear). Die Bildung jeder Bestandteilschicht
erfolgte unter den in Tabelle 5 angegebenen Bedingungen.
Bei der Prüfung der chemischen Zusammensetzung jeder Bestandteilschicht
der resultierenden Diode unter Benutzung von
RHEED wurde gefunden, daß jede Schicht aus einem Silizium enthaltenden
Material besteht.
Durch Messung der Menge Germaniumatome in dem zweiten
Schichtbereich unter Benutzung von SIMS wurde ferner gefunden,
daß das Germaniumatom in einer Konzentration enthalten ist, die
kontinuierlich von 0 Atom-% bis 30 Atom-% variiert.
Ferner wurde gefunden, daß der Bandabstand für den amorphen
Schichtbereich, der keine Germaniumatome enthält, 1,7 eV
beträgt und daß er für den amorphen Schichtbereich, der
30 Atom-% Germaniumatome enthält, 1,45 eV beträgt.
Ferner wurde gefunden, daß die Schaltperiode der erhaltenen
Diode um das etwa 1,6fache gegenüber denen der zwei
nach dem unten beschriebenen Vergleichsbeispiel 2 hergestellten
Diodenarten verbessert ist.
Die Arbeitsgänge des Beispiels 4 wurden wiederholt mit
der Abweichung, daß die Strömungsgeschwindigkeit des GeF₄
während der Bildungsdauer des zweiten Schichtbereichs auf
0,10 SCCM konstant gehalten wurde, um zwei Diodenarten zu
erhalten.
Unter Benutzung der in Fig. 7 gezeigten Apparatur wurde
eine Diode mit abgestuftem Bandabstand des in Fig. 4 gezeigten
Typs hergestellt, die die in Fig. 5(b) dargestellte
Bandkonfiguration hat.
Als Substrat 101 diente eine Platte aus Corning Glas 7059
(Produkt der Corning Glass Wear). Die Bildung jeder Bestandteilschicht
erfolgte unter den in Tabelle 6 angegebenen Bedingungen.
Bei der Prüfung der chemischen Zusammensetzung jeder
Bestandteilschicht der resultierenden Diode unter Benutzung
von RHEED wurde gefunden, daß jede Bestandteilschicht aus
einem Silizium enthaltenden amorphen Material besteht.
Durch Messung der Menge Kohlenstoffatome in dem ersten
Schichtbereich unter Benutzung von SIMS wurde ferner gefunden,
daß das Kohlenstoffatom in einer Konzentration enthalten ist,
die kontinuierlich von 20 Atom-% bis 0 Atom-% variiert.
Ferner wurde gefunden, daß der Bandabstand für den
20 Atom-% Kohlenstoffatome enthaltenden amorphen Schichtbereich
2,0 eV beträgt.
Ferner wurde festgestellt, daß das S/N-Verhältnis der
resultierenden Diode um das etwa 1,5fache gegenüber dem
einer in dem nachfolgend beschriebenen Vergleichsbeispiel 3
hergestellten Diode verbessert ist.
Die Arbeitsgänge des Beispiels 5 wurden wiederholt,
wobei jedoch die Entladungsleistung konstant auf 0,50 W/cm²
gehalten wurde, um zwei Diodenarten zu erhalten.
Unter Benutzung der in Fig. 7 gezeigten Apparatur wurde
eine Diode mit abgestuftem Bandabstand des in Fig. 4 gezeigten
Typs hergestellt, die die in Fig. 5(c) dargestellte
Bandkonfiguration hat.
Als Substrat 101 diente eine Platte aus Corning Glas 7059
(Produkt der Corning Glass Wear). Die Bildung jeder Bestandteilschicht
erfolgte unter den in Tabelle 7 angegebenen Bedingungen.
Bei der Prüfung der chemischen Zusammensetzung jeder
Bestandteilschicht der resultierenden Diode unter Benutzung
von RHEED wurde gefunden, daß jede Bestandteilschicht aus
einem Silizium enthaltenden amorphen Material besteht.
Durch Messung der Menge Stickstoffatome in dem zweiten
Schichtbereich unter Benutzung von SIMS wurde ferner gefunden,
daß das Stickstoffatom in einer Konzentration enthalten ist,
die kontinuierlich von 30 Atom-% bis 0 Atom-% variiert.
Ferner wurde gefunden, daß der Bandabstand für den zweiten
Schichtbereich an seinem breitesten Teil 2,2 eV beträgt.
Darüber hinaus wurde gefunden, daß das S/N-Verhältnis
der resultierenden Diode um etwa das 2,1fache gegenüber dem
der in Vergleichsbeispiel 2 erhaltenen Diode verbessert ist.
Unter Benutzung der Apparatur der Fig. 7 wurde eine verbesserte
Lawinendiode mit den in den Fig. 6(a) und 6(b)
gezeigten Bandkonfigurationen unter den in Tabelle 8 angegebenen
Bedingungen hergestellt. In den Fig. 6(a) und 6(b) sind
ein Leitfähigkeitsband 601 (a), 601 (b), ein Valenzband 602 (a),
602 (b) und ein Fermi-Niveau 603 (b) dargestellt. Fig. 6(a)
zeigt die Bandkonfiguration, wenn keine Spannung aufgeprägt
ist, und Fig. 6(b) zeigt die Bandkonfiguration, wenn eine
Spannung aufgeprägt ist.
Als Substrat hierfür diente eine Corning Platte 7059
(Produkt der Corning Glass Wear).
Bei der Prüfung der chemischen Zusammensetzung jeder
Bestandteilschicht der gebildeten Lawinendiode unter Benutzung
von RHEED wurde gefunden, daß jede Bestandteilschicht aus einem
Silizium enthaltenden amorphen Material besteht.
Es wurde gefunden, daß das S/N-Verhältnis der Ansprecheigenschaft
gegenüber sichtbarem Licht bei der gebildeten Lawinendiode
um etwa das 2fache gegenüber dem einer Photodiode
verbessert ist, die ohne Verwendung von GeF₄ für die Bildung
der i-leitenden Schicht hergestellt wurde.
Unter Benutzung der in Fig. 8 gezeigten Apparatur wurde
unter den in Tabelle 9 angegebenen Bedingungen eine Diode mit
abgestuftem Bandabstand des in Fig. 4 gezeigten Typs mit der
in Fig. 5(a) angegebenen Bandkonfiguration hergestellt, wobei
als Substrat 101 eine Corning Glasplatte 7059 (Produkt der
Corning Glass Wear) diente.
Während der Bildung des zweiten Schichtbereichs (Schicht
mit abgestuftem Bandabstand) wurde Wasserstoffgas (H₂) aus dem
Wasserstoffgas-Behälter 815 in die Aktivierungskammer 892 eingeführt
und gleichzeitig dieser von der Mikrowellen-Energiequelle
893 eine Mikrowellenleistung von 100 W/cm² zugeführt,
um Wasserstoffradikale zu erzeugen, die anschließend mit einer
Strömungsgeschwindigkeit von 20 SCCM in den Reaktionsraum 702
eingeführt wurden.
Bei der Prüfung der chemischen Zusammensetzung jeder
Bestandteilschicht der resultierenden Diode unter Benutzung
von RHEED wurde gefunden, daß jede Bestandteilschicht aus
einem Silizium enthaltenden amorphen Material besteht.
Durch Messung der Menge Germaniumatome in dem zweiten
Schichtbereich unter Benutzung von SIMS wurde weiter gefunden,
daß das Germaniumatom in einer Konzentration enthalten ist,
die kontinuierlich von 0 Atom-% bis 30 Atom-% variiert.
Ferner wurde gefunden, daß der Bandabstand für den amorphen
Schichtbereich, der keine Germaniumatome enthält, 1,7 eV beträgt
und daß der für den 30 Atom-% Germaniumatome enthaltenden amorphen
Schichtbereich 1,45 eV beträgt.
Es wurde abweichend von oben ein Bauelement aus einer
Glasplatte, einer durchscheinenden Chromelektrode, einem amorphen
Halbleiterfilm (0,5 µm Dicke) und einer durchscheinenden
Chromelektrode hergestellt. Der amorphe Halbleiterfilm wurde
durch Wiederholung der Arbeitsgänge zur Bildung des vorhergehenden
zweiten Schichtbereichs gebildet. Unter Benutzung
einer AMI-Lichtquelle wurde die photoelektromotorische Kraft
des gebildeten Bauelements geprüft. Als Ergebnis wurde gefunden,
daß diese 0,25 V betrug.
Aus den vorstehenden Meßergebnissen des Bandabstands und
der photoelektromotorischen Kraft läßt sich abschätzen, daß in
dem vorhergehenden zweiten Schichtbereich nur das Leitfähigkeitsband
gegen das Fermi-Niveau abgestuft ist.
Es wurde weiter gefunden, daß die Schaltperiode der oben
gebildeten Diode um etwa das 1,6fache gegenüber der einer in
dem folgenden Vergleichsbeispiel 4 hergestellten Diode verbessert
ist.
Die Arbeitsgänge des Beispiels 8 wurden wiederholt mit der
Abweichung, daß während der Bildung des zweiten Schichtbereichs
kein Wasserstoffradikal eingesetzt wurde und die Entladungsleistung
konstant auf 0,5 W/cm² gehalten wurde, um eine Diode
als Vergleichsprobe zu bilden.
Es wurde gefunden, daß der Bandabstand des zweiten Schichtbereichs
der gebildeten Probe 1,7 eV für den an Germaniumatomen
freien amorphen Schichtbereich und 1,45 eV für den Germaniumatome
enthaltenden amorphen Schichtbereich beträgt.
Durch Wiederholung der Arbeitsgänge des Beispiels 8 wurde
zur Messung des photoelektromotorischen Kraft eine Bauelementprobe
hergestellt, die als Halbleiterfilm den zweiten Schichtbereich
der obigen Vergleichsprobe hat.
Die Prüfung der photoelektromotorischen Kraft der gebildeten
Bauelementprobe ergab 0,1 V.
Aus den obigen Meßergebnissen läßt sich abschätzen, daß
in dem zweiten Schichtbereich der Vergleichsprobe das Leitfähigkeitsband
und das Valenzband abgestuft sind.
Unter Benutzung der in Fig. 8 gezeigten Apparatur wurde
unter den in Tabelle 10 angegebenen Bedingungen eine Diode mit
abgestuftem Bandabstand des in Fig. 4 gezeigten Typs mit der
in Fig. 5(b) angegebenen Bandkonfiguration hergestellt, wobei
als Substrat 101 eine Corning Glasplatte 7059 (Produkt der
Corning Glass Wear) diente.
Während der Bildung des zweiten Schichtbereichs (Schicht
mit abgestuftem Bandabstand) wurde Wasserstoffgas (H₂) aus dem
Wasserstoffgas-Behälter 815 in die Aktivierungskammer 892 eingeführt
und gleichzeitig dieser von der Mikrowellen-Energiequelle
893 eine Mikrowellenleistung von 100 W/cm² zugeführt,
um Wasserstoffradikale zu erzeugen, die anschließend mit einer
Strömungsgeschwindigkeit von 50 SCCM in den Reaktionsraum 702
eingeführt wurden.
Bei der Prüfung der chemischen Zusammensetzung jeder
Bestandteilschicht der gebildeten Diode unter Benutzung von
RHEED wurde gefunden, daß jede Bestandteilschicht aus einem
Silizium enthaltenden amorphen Material besteht.
Durch Messung der Menge Kohlenstoffatome in dem zweiten
Schichtbereich unter Benutzung von SIMS wurde weiter gefunden,
daß die Kohlenstoffatom in einer Konzentration enthalten ist,
die kontinuierlich von 20 Atom-% bis 0 Atom-% variiert.
Ferner wurde gefunden, daß der Bandabstand für den Kohlenstoffatome
enthaltenden, amorphen Schichtbereich 2,0 eV beträgt.
Es wurde abweichend von oben ein Bauelement aus einer
Glasplatte, einer durchscheinenden Chromelektrode, einem amorphen
Halbleiterfilm (0,5 µm Dicke) und einer durchscheinenden
Chromelektrode hergestellt. Der amorphe Halbleiterfilm wurde
durch Wiederholung der Arbeitsgänge zur Bildung des vorhergehenden
zweiten Schichtbereichs gebildet. Unter Benutzung
einer AMI-Lichtquelle wurde die photoelektromotorische Kraft
des gebildeten Bauelements geprüft. Als Ergebnis wurde diese
zu 0,3 V gefunden.
Aus den vorstehenden Meßergebnissen des Bandabstands und
der photoelektromotorischen Kraft läßt sich abschätzen, daß in
dem vorhergehenden zweiten Schichtbereich nur das Leitfähigkeitsband
gegen das Fermi-Niveau abgestuft ist.
Es wurde weiter gefunden, daß das S/N-Verhältnis der oben
gebildeten Diode um etwa das 1,5fache gegenüber dem der in dem
folgenden Vergleichsbeispiel 5 hergestellten Diode verbessert
ist.
Die Arbeitsgänge des Beispiels 9 wurden wiederholt mit der
Abweichung, daß während der Bildung des zweiten Schichtbereichs
kein Wasserstoffradikal eingesetzt wurde und die Entladungsleistung
konstant auf 0,5 W/cm² gehalten wurde, um die Diode
als Vergleichsprobe zu bilden.
Es wurde gefunden, daß der Bandabstand des zweiten Schichtbereichs
der gebildeten Probe 1,7 eV für den an Kohlenstoffatomen
freien amorphen Schichtbereich und 1,45 eV für den Kohlenstoffatome
enthaltenden amorphen Schichtbereich beträgt.
Durch Wiederholung der Arbeitsgänge des Beispiels 9 wurde
zur Messung der photoelektromotorischen Kraft eine Bauelementprobe
hergestellt, die als Halbleiterfilm den zweiten Schichtbereich
der obigen Vergleichsprobe hat.
Die Prüfung der photoelektromotorischen Kraft der gebildeten
Bauelementprobe ergab 0,12 V.
Aus den obigen Meßergebnissen läßt sich abschätzen, daß
in dem zweiten Schichtbereich der Vergleichsprobe das Leitfähigkeitsband
und das Valenzband abgestuft sind.
Unter Benutzung der in Fig. 8 gezeigten Apparatur wurde
unter den in Tabelle 11 angegebenen Bedingungen eine Diode mit
abgestuftem Bandabstand des in Fig. 4 gezeigten Typs mit der
in Fig. 5(c) angegebenen Bandkonfiguration hergestellt, wobei
als Substrat 101 eine Corning Glasplatte 7059 (Produkt der
Corning Glass Wear) diente.
Während der Bildung des zweiten Schichtbereichs (Schicht
mit abgestuftem Bandabstand) wurde Wasserstoffgas (H₂) aus dem
Wasserstoffgas-Behälter 815 in die Aktivierungskammer 892 einführt
und gleichzeitig dieser von der Mikrowellen-Energiequelle
893 eine Mikrowellenleistung von 100 W/cm² zugeführt, um Wasserstoffradikale
zu erzeugen, die anschließend mit einer Strömungsgeschwindigkeit
von 50 SCCM in den Reaktionsraum 702 eingeführt
wurden.
Bei der Prüfung der chemischen Zusamensetzung jeder
Bestandteilschicht der gebildeten Diode unter Benutzung von
RHEED wurde gefunden, daß jede Bestandteilschicht aus einem
Silizium enthaltenden amorphen Material besteht.
Durch Messung der Menge Stickstoffatome in dem zweiten
Schichtbereich unter Benutzung von SIMS wurde weiter gefunden,
daß das Stickstoffatom in einer Konzentration enthalten ist,
die kontinuierlich von 30 Atome-% bis 0 Atom-% variiert.
Ferner wurde festgestellt, daß der Bandabstand im zweiten
Schichtbereich an seinem breitesten Teil 2,2 eV beträgt.
Es wurde abweichend von oben ein Bauelement aus einer
Glasplatte, einer durchscheinenden Chromelektrode, einem amorphen
Halbleiterfilm (0,5 µm Dicke) und einer durchscheinenden
Chromelektrode hergestellt. Der amorphe Halbleiterfilm wurde
durch Wiederholung der Arbeitsgänge zur Bildung des vorhergehenden
zweiten Schichtbereichs gebildet. Unter Benutzung
einer AMI-Lichtquelle wurde die photoelektromotorische Kraft
des gebildeten Bauelements festgestellt. Als Ergebnis wurde
gefunden, daß diese 0,32 V betrug.
Aus den vorstehenden Meßergebnissen des Bandabstands und
der photoelektromotorischen Kraft läßt sich abschätzen, daß in
dem vorhergehenden zweiten Schichtbereich nur das Leitfähigkeitsband
gegen das Fermi-Niveau abgestuft ist.
Es wurde weiter gefunden, daß das S/N-Verhältnis der oben
gebildeten Diode um etwa das 2,1fache gegenüber dem der in dem
Vergleichsbeispiel 4 erhaltenen Diode verbessert ist.
Unter Benutzung der in Fig. 8 dargestellten Apparatur
wurde eine Lawinendiode mit der in Fig. 6(a) gezeigten Bandkonfiguration
hergestellt, wobei eine Corning Glasplatte 7059
(Produkt der Corning Glass Wear) als Substrat diente.
Während der Bildung des zweiten Schichtbereichs (Schicht
mit abgestuftem Bandabstand) wurde Wasserstoffgas (H₂) aus dem
Wasserstoffgas-Behälter 815 in die Aktivierungskammer 892 eingeführt
und gleichzeitig dieser von der Mikrowellen-Energiequelle
893 eine Mikrowellenleistung von 100 W/cm² zugeführt, um Wasserstoffradikale
zu erzeugen, die anschließend mit einer Strömungsgeschwindigkeit
von 50 SCCM (Ncm³/min) in dem Reaktionsraum 702
eingeführt wurden.
Bei der Prüfung der chemischen Zusammensetzung jeder
Bestandteilschicht der gebildeten Lawinendiode unter Benutzung
von RHEED wurde gefunden, daß jede Bestandteilschicht aus einem
Silizium enthaltenden amorphen Material besteht.
Weiter wurde gefunden, daß das S/N-Verhältnis der Ansprecheigenschaft
auf sichtbares Licht bei der gebildeten Diode um
etwa das 2fache gegenüber einer Diode verbessert ist, die ohne
Verwendung von GeF₄-Gas für die Bildung einer i-leitenden Schicht
hergestellt wurde.
Claims (9)
1. Halbleiter-Bauelement aus einem Nichteinkristall-Material,
dadurch gekennzeichnet, daß das Material Siliziumatome,
den Bandabstand einstellende Atome und das lokalisierte
Energieniveau reduzierende Atome enthält und einen Bereich
hat, in dem ein Bandabstand an wenigstens einer Stelle außer
der Übergangsstelle kontinuierlich abgestuft ist und von
einem Leitfähigkeitsband und einem Valenzband nur eins kontinuierlich
abgestuft ist.
2. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die den Bandabstand einstellenden Atome den Bandabstand
ausdehnende Atome sind.
3. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die den Bandabstand ausdehnenden Atome wenigstens
einer der unter Kohlenstoffatomen, Stickstoffatomen und Sauerstoffatomen
ausgewählten Atomarten angehören.
4. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die den Bandabstand einstellenden Atome den Bandabstand
verkleinernde Atome sind.
5. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die dem Bandabstand verkleinernden Atome wenigstens
einer der unter Germaniumatomen und Zinnatomen ausgewählten
Atomarten angehören.
6. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die das lokalisierte Energieniveau reduzierenden
Atome wenigstens eine unter Wasserstoffatomen und Fluoratomen
ausgewählte Atomart umfassen.
7. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Mehrzahl der genannten Bereiche vorhanden
ist.
8. Transistor mit einem Halbleiter-Bauelement nach
Anspruch 1.
9. Diode mit einem Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1.
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---|---|---|---|
JP61229249A JPS6384083A (ja) | 1986-09-26 | 1986-09-26 | 半導体素子 |
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DE3732418A1 true DE3732418A1 (de) | 1988-04-14 |
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ID=26528708
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