DE3850157T2 - Photoelektrische Umwandlungsanordnung. - Google Patents

Photoelektrische Umwandlungsanordnung.

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Tatsuro Kawamura
Tatsuo Makishima
Hirokazu Sanhaitsu M Matsubara
Kenji Sameshima
Keiichi Shidara
Yukio Takasaki
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Kenkichi Tanioka
Kazutaka Tsuji
Junichi Yamazaki
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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG UMFELD DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft eine photoelektrische Wandlereinrichtung zum Umwandeln von Licht in ein elektrisches Signal und im speziellen eine mit dem Ladungsvervielfachungeffekt arbeitende photoelektrische Wandlereinrichtung hohen Empfindlichkeit. Eine derartige photoelektrische Wandlereinrichtung ist z. B. eine Photozelle, ein eindimensionaler Bildsensor, ein zweidimensionaler Bildsensor, eine Bildaufnahmeröhre, usw.
    • BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN STANDES DER TECHNIK
  • Als photoelektrische Wandlereinrichtungen mit einem amorphen Halbleiter als Hauptbestandteil sind eine Photozelle, ein eindimensionaler Bildsensor (z. B. JP-A-52-144992), ein zweidimensionaler Bildsensor, der eine Festkörper-Treiberschaltung mit einem amorphen Halbleiter kombiniert (z. B. JP-B-59-26154), eine photoleitfähige Bildaufnahmeröhre (z. B. JP-A-49-24619), usw. bekannt. Einige dieser Photowandlereinrichtungen greifen auf einen Blockieraufbau mit Übergangscharakteristik zum Verhindern einer Ladungsinjektion von den Signalelektroden in die photoleitfähige Schicht zurück, während andere mit einer Bauart des sogenannten Injektionstyps arbeiten, bei der Ladung von der einen oder von beiden Elektroden injiziert wird.
  • Eine photoelektrische Wandlereinrichtung mit den im ersten Teil des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmalen ist aus JP-A-57-21876 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung ist wiederum eine solche des Photodiodentyps, bei dem der Lawinenvervielfachungsbereich mittels eines pn-Überganges gebildet ist. Daher ist die Ladungsvervielfachung im wesentlichen auf die dem pn-Übergang zugeordnete Verarmungszone beschränkt.
  • Da es bei einem Bauelement des Injektionstyps von Natur aus möglich ist, zahlenmäßig mehr Ladungsträger als einfallende Photonen herauszubekommen, läßt sich eine hohe Empfindlichkeit mit einem Verstärkungsfaktor über 1 verwirklichen. Um die Empfindlichkeit der obigen Photowandlereinrichtung zu erhöhen, ist ein Bildaufnahmesystem vorgeschlagen worden, bei dem eine Leseschaltung und eine photoleitfähige Schicht mit z. B. Phototransistor-Eigenschaften übereinander angeordnet sind (JP-A-61-222383).
  • Zu einem ähnlichen Zweck ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, das einen Transistor mit elektrostatischer Induktion als Bauteil mit Vervielfachungseffekt in seinen eigenen photoelektrischen Umwandlungsteil benutzt (IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED 22, (1975), Seiten 185 - 197). Ferner ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem unter Verwendung eines amorphen Halbleiters, dessen Hauptbestandteil Wasserstoff und/oder Halogen (z. B. Fluorid, Chlorid, etc.) enthaltendes Si ist, ein p&spplus;-π-p-n-n&spplus;-Aufbau gebildet wird, der dem unter Benutzung von kristallinem Si aufgebauten Aufbau ähnlich ist, wobei zur Signalverstärkung eine Lawinenvervielfachung in der Verarmungszone seines pn-Übergangsbereiches stattfindet. Da andererseits bei einem Aufbau des Blockiertyps, der die Eigenschaft hat, daß eine Ladungsinjektion von der Außenseite der photoleitfähigen Schicht verhindert wird, nur derjenige Teil des einfallenden Lichts einen Signalstrom erzeugt, der in der photoleitfähigen Schicht in elektrische Ladungsträger umgewandelt wird, ist der Verstärkungsfaktor der photoelektrischen Umwandlung immer kleiner als 1. Die Erfinder der vorliegenden Anwendung haben allerdings vorgeschlagen, daß selbst ein Aufbau des Blockiertyps einen Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung größer 1 haben kann, wenn auf ein Verfahren zurückgegriffen wird, bei dem die Blockierstruktur durch eine amorphe Halbleiterschicht gebildet wird, deren Hauptbestandteil aus Se besteht und in der zur Signalverstärkung eine Lawinenvervielfachung herbeigeführt wird (EP-A-0 276 683, die zum Stand der Technik gemäß Artikel 54(3) EPÜ gehört).
  • Da es, wie oben beschrieben, bei Verwendung eines Aufbaus des Injektionstyps als photoelektrische Wandlereinrichtung, etwa als Photozelle, eindimensionaler Bildsensor, oder lichtempfindliches Festkörperbauteil des Typs mit aufgeschichteter photoleitfähiger Schicht usw., von Natur aus möglich ist, zahlenmäßig mehr Ladungsträger als einfallende Photonen herauszuziehen, läßt sich eine hohe Empfindlichkeit mit einem Verstärkungsfaktor größer 1 verwirklichen. Dennoch ist bei dieser Methode, bei der ein Teil der elektrischen Ladung in das Innere des Sensors injiziert wird, das Photo-Ansprechverhalten signifikant verschlechtert.
  • Weiterhin läßt sich beim Transistor des elektrostatischen- Induktionstyps nur schwer derselbe gleichmäßigen Vervielfachungsfaktor für unterschiedliche Pixel erhalten, weil in jedem Pixel ein verstärkender Teil integriert ist.
  • Da es andererseits in dem Beispiel mit amorphem Halbleiter möglich ist, eine homogene Schicht bei relativ niedriger Temperatur auszubilden und diese Schicht außerdem eine hohen spezifischen Widerstand aufweist, lassen sich Vorteile insofern erzielen, daß zur Verwirklichung einer hochauflösenden Charakteristik kein komplizierter Vorgang zur Pixeltrennung wie bei kristallinem Si benötigt wird. Dennoch bleiben bei einem lichtempfindlichen Element, bei dem die Phänomene der Lawinenvervielfachung in amorphen Halbleitern angewandt werden, mehrere problematische Punkte bestehen.
  • Nach dem Verfahren, mit dem zur Signalverstärkung unter Verwendung von amorphem Si ein p&spplus;-π-p-n-n&spplus;-Aufbau ausgebildet wird, der mit dem einer Avalanche-Diode aus kristallinem Halbleiter identisch ist, wird Signallicht durch den p&spplus;-Bereich in den π-Bereich projiziert, wo es absorbiert und in elektrische Ladung umgewandelt wird, die ihrerseits dem pn- Übergang zugeführt wird, wobei die Lawinenvervielfachung in der Verarmungszone des pn-Übergangs stattfindet. Zur Erzeugung der Lawinenvervielfachung muß sich elektrische Ladung über eine Strecke bewegen, die einen vorgegebenen Wert überschreitet. Unter Verwendung von amorphem Si haben die Erfinder zum Test den oben beschriebenen Aufbau angefertigt und bestätigt, daß sich die Verarmungsschicht im pn-Übergangsbereich nicht zufriedenstellend ausweitete, was zu einem ungenügenden Lawinenvervielfachungseffekt führte, da im verbotenen Band existierende lokale Niveaus bei amorphem Si zahlreicher waren als bei kristallinem Si. Ferner wurde erkannt, daß dann, wenn die Betriebstemperatur die Zimmertemperatur überschritt, der Dunkelstrom anstieg und es nicht möglich war, ein so hohes elektrisches Feld anzulegen, daß man einen ausreichenden Lawinenvervielfachungseffekt hätte erhalten können. Wie diese Ergebnisse zeigen, bestand ein Problem darin, daß sich lediglich durch Ausbilden eines aus amorphem Si gebildeten Avalanche-Dioden-Aufbaus ähnlich dem aus kristallinem Si kein ausreichend hoher Verstärkungsfaktor erzielen ließ.
  • Bei der Lawinenvervielfachungsmethode unter Verwendung von amorphem Se mit Blockierschicht besteht ferner die Befürchtung, daß sich wegen Beschränkungen, die vom Material selbst abhängen, z. B. in einem Umfeld hoher Temperatur über 80ºC, die Schicht im Betrieb verändert, und es besteht insbesondere das Problem, daß die Eigenschaften der Bauteile beim Betrieb unter hohen Temperaturen unbefriedigend sind, obwohl sich ein großer Vervielfachungsfaktor und ein gutes Photo-Ansprechverhalten erhalten läßt.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine photoelektrische Wandlereinrichtung mit verbessertem Umwandlungs- Wirkungsgrad anzugeben.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine photoelektrische Wandlereinrichtung zu schaffen, bei der sich ein gleichmäßiger photoelektrischer Wandlerbereich großer Fläche ausbilden läßt.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine photoelektrische Wandlereinrichtung vorzusehen, die sich in einem einfachen Verfahren herstellen läßt.
  • Diese Aufgaben werden von der in Anspruch 1 gekennzeichneten Einrichtung erfüllt; bevorzugte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß ist es möglich, eine photoelektrische Wandlereinrichtung zur erhalten, die eine hohe Empfindlichkeit mit einer Photoleiter-Verstärkung größer 1 und eine gute thermische Stabilität aufweist, ohne das ausgezeichnete Photo-Ansprechverhalten eines mit einer photoleitfähigen Schicht des Blockiertyps arbeitenden lichtempfindlichen Elementes zu reduzieren.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1A und 1B sind schematische Darstellungen von Beispielen der Grundbauart der Erfindung;
  • Fig. 2 und 3 sind Diagramme zur Erläuterung der Kennlinien bzw. der Bruchrate einer erfindungsgemäßen und einem anderen Einrichtung;
  • Fig. 4A und 4B sind schematische Darstellungen zur Erläuterung des Aufbaus eines eindimensionalen Bildsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen photoelektrischen Wandlereinrichtung;
  • Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau einer Bildaufnahmeröhre gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen photoelektrischen Wandlereinrichtung;
  • Fig. 6 zeigt schematisch den Aufbau eines lichtempfindlichen Elementes gemäß wieder einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen photoelektrischen Wandlereinrichtung;
  • Fig. 7A und 7B sind Schemata zur Erläuterung des Aufbaus eines anderen lichtempfindlichen Elements, das ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen photoelektrischen Wandlereinrichtung darstellt;
  • Fig. 8A und 8B zeigen schematisch den Aufbau noch eines weiteren lichtempfindlichen Elementes gemäß wieder einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen photoelektrischen Wandlereinrichtung.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Die Erfinder hatten bereits erkannt, daß eine Ladungsvervielfachung in einer hauptsächlich aus Se hergestellten amorphen Halbleiterschicht stattfindet, wenn ein starkes elektrisches Feld an die amorphe Halbleiterschicht gelegt wird. Zuvor hat man allgemein gedacht, daß solche Phänomene in einer amorphen Halbleiterschicht selbst kaum auftreten, da in der Schicht eine Anzahl von internen Defekten vorliegt, und man hat geglaubt, daß das amorphe Se als Material eine Ausnahme bildet.
  • Die Erfinder haben nun herausgefunden, daß sich die Materialien, in denen die oben beschriebenen Phänomene auftreten, nicht auf amorphes Se beschränken, sondern daß sich der Blockierübergang unter Verwendung des oben beschriebenen, Wasserstoff oder Halogene enthaltenden tetraedrischen amorphen Materials ausbilden läßt und daß ferner die Ladungsvervielfachungs-Wirkung auch hauptsächlich im Innern einer tetraedrischen amorphen Halbleiterschicht ebenso wie in Se dadurch erzeugt werden kann, daß der oben beschriebene Blockieraufbau verwendet und unter Anlegen einer Hochspannung an einen inneren Bereich der amorphen Schicht betrieben wird, die keine durch einen Übergang verursachte Verarmungszone aufweist; dies steht im Gegensatz zu dem Verfahren nach dem Stand der Technik, wonach in einem derartigen amorphen Material ein pn-Übergang erzeugt und die Lawinenvervielfachung in der Verarmungszone des Übergangsbereichs hervorgerufen wird. Als Element des Tetraedersystems kann Kohlenstoff, Silicium, Germanium und Zinn verwendet werden. Unter Anwendung dieses Verfahrens, gemäß dem die Ladungsvervielfachungs-Wirkung in einer amorphen Halbleiterschicht unter Anlegen eines starken elektrischen Feldes an diese Schicht erzeugt wird, läßt sich eine photoelektrische Wandlereinrichtung mit hoher Empfindlichkeit und einer Photoleiter-Verstärkung größer 1 erhalten, ohne das hervorragende Photo-Ansprechverhalten des lichtempfindlichen Elements mit Blockieraufbau zu verringern.
  • Aufgrund einer detaillierten Untersuchung der genannten Phänomene hat man herausgefunden, daß sich die Eigenschaften selbst bei Temperaturen über 80ºC nicht verschlechtern und daß die Stabilität beim Betrieb unter hoher Temperatur besonders hervorragend ist, wenn als das den erwähnten Blockieraufbau bildende tetraedrische amorphe Halbleitermaterial ein Material mit einer verbotenen Bandbreite von über 1,85 eV eingesetzt wird.
  • Ferner hat sich herausgestellt, daß ein zufriedenstellender Vervielfachungsfaktor erzielt werden kann, wenn die amorphe Schicht etwa 0,5 bis 10 um dick ist.
  • Fig. 1A zeigt ein Beispiel für den grundsätzlichen Aufbau einer photoelektrischen Wandlereinrichtung für die Realisierung der vorliegenden Erfindung. Grundsätzliche Bestandteile dieser Einrichtung sind ein transparentes Substrat 11, eine transparente Elektrode 16 mit einer Dicke von höchstens 300 nm, eine Ladungsinjektions-Blockierschicht 15 mit einer Dicke von etwa 5 bis 500 nm, eine photoleitfähige Schicht 14, die etwa 0,5 bis 10 um dick ist und einen amorphen Halbleiter mit dem Ladungsvervielfachungs-Effekt aufweist, eine Ladungsinjektions-Blockierschicht 13 einer Dicke von etwa 5 bis 500 nm, die die Injektion von Ladungsträgern blockiert, deren Polarität zu derjenigen der von der Blockierschicht 15 blockierten Ladungsträger entgegengesetzt ist, eine Gegenelektrode 12 und eine Energiequelle 18.
  • An die photoelektrische Wandlereinrichtung mit dem in Fig. 1A gezeigten Aufbau wird von der Energiequelle 18 ein elektrisches Feld angelegt, das erforderlich ist, um die Lawinenvervielfachung in der amorphen Halbleiterschicht hervorzurufen. Wie die Erfinder festgestellt haben, ist es bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung, bei der die amorphe Halbleiterschicht (die - auch wenn in der Zeichnung nicht dargestellt - mindestens einen Teil der photoleitfähigen Schicht 14 bilden muß), aus einem zum Tetraedersystem gehörenden, Wasserstoff oder Halogene enthaltenden Material besteht und einen Blockieraufbau aufweist, möglich, ein hohes elektrisches Feld über die gesamte amorphe Halbleiterschicht anzulegen und trotz der großen Fläche den Dunkelstrom auf einem Wert zu halten, der weniger als 1/100 des Dunkelstroms in einem kristallinen Halbleiter beträgt.
  • Trifft nun Licht auf die Seite der transparenten Elektrode 12, so wird dieses in der amorphen Halbleiterschicht absorbiert, so daß Elektron/Loch-Paare erzeugt werden, die entsprechend der Polarität des angelegten Feldes in entgegengesetzten Richtungen wandern. Sind die Dicke der amorphen Halbleiterschicht und die Richtung des elektrischen Feldes so gewählt, daß von den durch die Bestrahlung erzeugten Elektronen und Löchern bei dem gewählten amorphen Halbleiterkörper die Ladungsträger mit dem höheren Ionisationsverhältnis in der amorphen Halbleiterschicht unter Einwirkung des hohen elektrischen Feldes so wandern, daß die Ladungsvervielfachungs-Wirkung mit hoher Effizienz auftritt, so läßt sich eine Einrichtung mit stabilem Betriebsverhalten und hoher Empfindlichkeit bei einem Photoleiter-Verstärkungsfaktor größer 1 selbst bei Temperaturen über 80ºC unter Beibehaltung des schnellen Photo-Ansprechverhaltens erzielen. Bei dem Aufbau nach Fig. 1 sind es hauptsächlich Elektronen, die durch die photoleitfähige Schicht 14 (die amorphe Halbleiterschicht) wandern.
  • Ferner läßt sich ein amorpher Halbleiter leicht zu einer homogenen und großflächigen Dünnschicht ausbilden, die sich durch ein einfaches Verfahren auf ein beliebiges Substrat aufbringen läßt. Wie daraus ersichtlich, ist die Erfindung zur Erzielung eines gleichmäßigen Vervielfachungsfaktors sehr nützlich.
  • Als zur Realisierung der Erfindung bevorzugtes tetraedrisches amorphes Halbleitermaterial sind Verbindungen zu nennen, die hauptsächlich aus Si bestehen. Diese Verbindungen haben die Eigenschaft, daß sich ihre Bandlücke durch Ändern der Herstellbedingungen oder des Si-Anteils variieren läßt und daß sie hervorragende Wärmefestigkeit aufweisen.
  • Die Ladungsvervielfachungs-Phänomene sind ferner auch in amorphen Materialien zu beobachten, die hauptsächlich aus einer Wasserstoff und/oder Halogene enthaltenden Verbindung von Kohlenstoff und Silicium (Siliciumcarbid) bestehen. Der Gehalt an Wasserstoff oder Halogenen als zusätzlichen Elementen beträgt dabei vorzugsweise 0,5 bis 30 Atom-% oder noch besser 5 bis 20 Atom-%. Ein solches amorphes Material ist gegenüber Se in seiner thermischen Stabilität noch besser und weist im allgemeinen eine größere Bandlücke und eine geringere Menge an thermisch angeregten Ladungsträgern auf als amorphes Si. Aus diesen Gründen steigt selbst bei hohen Betriebstemperaturen sein Dunkelstrom geringer an. Da sich bei den beschriebenen Materialien die Bandlückenbreite durch Ändern des Zusammensetzungsverhältnisses von Kohlenstoff und Silicium leicht ändern läßt, ist es möglich, ein Material mit einer für die Bedingungen beim Einsatz optimalen Bandlückenbreite zu wählen, so daß das Material äußerst brauchbar ist. Auf diese Weise lassen sich die Probleme bei hohen Betriebstemperaturen, die für eine mit amorphem Se arbeitende Bildaufnahmeeinrichtung des Vervielfachungstyps charakteristisch ist, auch mit einem amorphen Halbleiter lösen, der hauptsächlich aus Siliciumcarbid besteht.
  • Die Erfinder haben die Lawinenvervielfachung in amorphem Siliciumcarbid im einzelnen untersucht und herausgefunden, daß amorphes Siliciumcarbid mit einer Bandlücke von 1,9 bis 2,6 eV bei einem Kohlenstoff-Anteil zwischen 5 und 50% erhalten werden kann, daß in einem derartigen Material eine effiziente Lawinenvervielfachung auftritt, und daß die Dicke des amorphen Siliciumcarbids vorzugsweise mindestens 0,5 um beträgt, um einen zufriedenstellenden Vervielfachungsfaktor zu erzielen.
  • Zur Erzielung einer Lawinenvervielfachungs-Schicht kann dem amorphen Siliciumcarbid ferner eine geringe Menge an Elementen der Gruppe V des Periodensystems, wie etwa P, As usw., oder an Elementen der Gruppe III des Periodensystems, wie B, Al usw. zugesetzt werden. In diesem Fall ist es jedoch zweckmäßig, den spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur über 10¹&sup0; Ωcm zu halten.
  • Bei den in Fig. 1A und 1B gezeigten Ausführungsformen ist übrigens dann, wenn die Ladungsträger-Blockiereigenschaft durch Anordnen der Blockierschichten 13, 15 erhöht wird, die im folgenden beschriebene Schicht zweckmäßig.
  • Als Löcher-Blockierschicht 13 eignet sich dabei amorphes Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid, das Wasserstoff und/oder Halogene enthält, oder n-leitendes amorphes Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid, das Wasserstoff und/oder Halogene und/ oder mindestens eines der Elemente der Gruppe V des Periodensystems, wie etwa P, As usw., oder mindestens eines der Elemente Ce, Ge, Zn, Cd, Al, Si, Nb, Ta, Cr und W enthält, oder auch eine Kombination von mehr als zwei der genannten Schichten.
  • Als Elektroneninjektions-Blockierschicht 15 eignet sich ferner amorphes Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid, das Wasserstoff und/oder Halogene enthält, oder p-leitendes amorphes Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid, das Wasserstoff und/oder Halogene und/oder mindestens eines der Elemente der Gruppe III des Periodensystems, wie etwa B, Al usw., und/oder ein Ir-Oxid oder mindestens ein Chalcogenid, wie etwa Sb&sub2;S&sub3;, As&sub2;S&sub3;, As&sub2;Se&sub3;, Se-As-Te usw. enthält, oder auch eine Kombination aus zwei oder mehr der beschriebenen Schichten.
  • Im Gegensatz zu dem für die Ladungsvervielfachungsschicht eingesetzten Siliciumcarbid kann bei dem Siliciumcarbid für die Ladungsträger-Blockierschicht der Kohlenstoffanteil je nach dem Vorzeichen der Ladungsträger (d. h. Elektronen oder Löcher), deren Injektion blockiert werden soll, bis zu Werten über 50% variiert werden.
  • Vorstehend ist eine photoelektrische Wandlereinrichtung beschrieben worden, die mit dem Ladungsträger-Vervielfachungseffekt in einer tetraedrischen amorphen Halbleiterschicht arbeitet. Da es jedoch bei einem amorphen Halbleiter anders als bei einem Kristall möglich ist, unterschiedliche Materialien beliebig aufeinanderzuschichten, kann die photoleitfähige Schicht statt aus einer einzelnen Schicht zusammen mit anderen, darüber angeordneten thermisch stabilen amorphen Halbleiterschichten hergestellt werden, die eine ähnliche Ladungsvervielfachungswirkung aufweisen. Ferner braucht nicht die gesamte photoleitfähige Schicht aus amorphem Halbleiter zu bestehen; vielmehr kann sie einen Aufbau haben, bei dem eine kristalline Halbleiterschicht, etwa aus Si usw., und eine amorphe Halbleiterschicht aufeinander liegen. Ferner ist ein Aufbau möglich, bei dem die photoleitfähige Schicht auf einem Substrat aufgebracht ist, das Signal-Leseschaltungen usw. enthält. Wichtig für die vorliegende Erfindung ist, daß eine amorphe Halbleiterschicht, die im wesentlichen aus einem Element des Tetraedersystems besteht und Wasserstoff und/oder Halogene enthält, für mindestens einige der die photoleitfähige Schicht bildenden Schichten vorgesehen ist, in der zur Erhöhung der Empfindlichkeit eine Ladungsvervielfachung erzeugt wird. Daher ist es auch möglich, daß in der photoleitfähigen Schicht hauptsächlich die anderen Schichten die Funktion haben, zur Erzeugung von Photo-Ladungsträgern das auftreffende Licht zu absorbieren, während die amorphe Halbleiterschicht hauptsächlich zur Vervielfachung der Ladungsträger dient. In diesem Fall ist in der photoleitfähigen Schicht auf der dem einfallenden Licht ausgesetzten Seite eine Schicht zur Erzeugung von Photo-Ladungsträgern angeordnet, während die amorphe Halbleiterschicht (in Ausbreitungsrichtung des auftreffenden Lichtes) dahinter liegt.
  • Fig. 2 und 3 veranschaulichen Effekte, wie sie bei Realisierung der Erfindung erzielt werden. Fig. 2 zeigt die Temperaturabhängigkeit des Dunkelstroms und den Photoleiter- Verstärkungsfaktor für ein lichtempfindliches Element (A), bei dem gemäß Fig. 1B auf dem transparenten Glassubstrat 11 die transparente Elektrode 12, die Löcher-Blockierschicht 13, die in sich amorphe Siliciumschicht 14, die Elektronen- Blockierschicht 15 und die Al-Elektrode 16 nacheinander aufgetragen sind, wobei das lichtempfindliche Element (A) eine effektive Fläche von 1 cm² aufweist. Bei dem lichtempfindlichen Element (B) ist ein p&spplus;-π-p-n-Übergang in amorphem Silicium ausgebildet, das auf einer auf einem transparenten Substrat aufgebrachten transparenten Elektrode angeordnet ist, wobei darauf eine weitere Al-Elektrode angebracht ist. Auch das lichtempfindliche Element (B) hat eine effektive Fläche von 1 cm². Die lichtempfindlichen Elemente (A) und (B) werden unter Anlegen eines derartigen elektrischen Feldes betrieben, das im Falle (A) in der gesamten amorphen Siliciumschicht und im Falle (B) in der Verarmungsschicht des pn- Übergangs eine Lawinenvervielfachung auftreten kann. Bei dem lichtempfindlichen Element (B) ist der Verstärkungsfaktor im gesamten Temperaturbereich unzureichend, und der Dunkelstrom steigt mit zunehmender Temperatur signifikant an, während bei dem lichtempfindlichen Element (A) sowohl der Verstärkungsfaktor als auch der Dunkelstrom zufriedenstellendes Verhalten zeigen.
  • Fig. 3 veranschaulicht die Belastbarkeit des oben beschriebenen Elements (A) sowie eines Elements (C) im Dauerbetrieb über 100 h bei 80ºC, wobei das Element (C) einen Aufbau aufweist, bei dem eine transparente Elektrode, eine Löcher- Blockierschicht, eine amorphe Se-Schicht und eine Au-Elektrode nacheinander auf einem transparenten Substrat aufgebracht sind, und eine effektive Fläche von 1 cm² hat. Die Belastbarkeit des Elements (C) ist gegenüber dem Element (A) merklich verringert. Wird als amorpher Halbleiter Siliciumcarbid verwendet, so werden ähnliche Effekte wie in Fig. 2 und 3 erhalten.
  • Im Vorstehenden wurden Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen der Lawineneffekt in einem thermisch stabilen, tetraedrischen amorphen Halbleiter hauptsächlich bei einer photoelektrischen Wandlereinrichtung angewandt ist. Die Erfindung ist selbstverständlich außer bei photoelektrischen Wandlereinrichtungen genauso gut bei Verstärker- und Schaltelementen generell anwendbar.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Beispielen im einzelnen erläutert werden.
    • Beispiel 1
  • Beispiel 1 wird anhand von Fig. 1A erläutert.
  • Auf einem transparenten Substrat 11 wird eine hauptsächlich aus Indiumoxid bestehende transparente Elektrode 12 ausgebildet. Auf dieser wird nach dem Plasma-CVD-Verfahren unter Verwendung von SiH&sub4; als Trägergas eine a-Si:H-Schicht mit einer Dicke von 0,5 bis 10 um als einen amorphen Halbleiter enthaltende photoleitfähige Schicht 14 ausgebildet. Auf dieser wiederum wird unter Verwendung von SiH&sub4; und C&sub2;H&sub6; als Trägergase sowie HP&sub3; als Dotiergas eine mit P zu 50 ppm dotierte a-SiC:H-Schicht mit einer Dicke von 10 nm erzeugt. Durch weiteres Aufbringen einer Al-Elektrode 16 als Gegenelektrode erhält man eine photoelektrische Wandlereinrichtung.
    • Beispiel 2
  • Fig. 4A und 4B zeigen den Aufbau eines eindimensionalen Bildsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei zeigt Fig. 4A eine Draufsicht auf einen Teil der Anordnung und Fig. 4B einen Querschnitt längs der Linie X-X' in Fig. 4A.
  • Auf ein transparentes Substrat 41 wird ein hauptsächlich aus Indiumoxid bestehender transparenter leitfähiger Film aufgebracht. Durch Photoätzen wird der leitfähige Film sodann in mehrere Abschnitte zur Bildung einzelner Auslese-Elektroden 46 unterteilt. Unter Verwendung von SiH&sub4; und C&sub2;H&sub6; als Trägergase und B&sub2;H&sub6; als Dotiergas und mit Hilfe einer Maske wird eine mit B zu 50 ppm dotierte a-SiC:H-Schicht mit einer Dicke von 10 nm als Elektronen-Blockierschicht 45 ausgebildet. Auf dieser wird ferner mit Hilfe der gleichen Maske durch Sputtern eines Si-Targets und unter Verwendung eines Gasgemisches aus Ar und H&sub2; eine a-SiH-Schicht mit einer Dicke von 0,5 bis 10 um als einen amorphen Halbleiter enthaltende photoleitfähige Schicht 44 aufgetragen. Mittels der gleichen Maske und unter Verwendung von SiH&sub4; und C&sub2;H&sub6; als Trägergase und PH&sub3; als Dotiergas wird darauf eine mit P zu 50 ppm dotierte a-SiC:H-Schicht mit einer Dicke von 10 nm als Löcher- Blockierschicht 43 aufgetragen. Auf dieser wird mit Hilfe einer Maske, die von der oben beschriebenen Maske verschieden ist, als gemeinsame Elektrode 42 Al aufgebracht. Anschließend werden die Auslese-Elektroden 46 durch Bonden oder ein ähnliches Verfahren mit einer auf dem Substrat abgeordneten Abtastschaltung verbunden, wodurch ein eindimensionaler Bildsensor erhalten wird.
  • Wird an die photoelektrische Wandlereinrichtung nach Beispiel 1 oder 2 ein elektrisches Feld über 5·10&sup7; V/m derart angelegt, daß die Seite des transparenten Substrats 11, 41 gegenüber der Gegenelektrode 12, 42 negativ ist, und trifft auf das transparente Substrat 11, 41 Licht 17, 47 auf, so läßt sich eine hohe Empfindlichkeit mit einem Verstärkungsfaktor größer 1 ohne Beeinträchtigung des Photo-Ansprechverhaltens realisieren. Selbst im Langzeit-Dauerbetrieb der Einrichtung bei 80ºC treten keine Änderungen in den Eigenschaften auf.
    • Beispiel 3
  • Fig. 5 zeigt den Aufbau einer Bildaufnahmeröhre gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auf einem Glassubstrat 51 wird eine hauptsächlich aus In&sub2;O&sub3; bestehende transparente Elektrode 52 aufgebracht. Auf dieser wird unter Verwendung von PH&sub4; als Dotiergas eine mit P zu 50 ppm dotierte a-Si:H-Schicht mit einer Dicke von 10 nm als Löcher- Blockierschicht 53 ausgebildet. Sodann wird nach dem Plasma- CVD-Verfahren unter Verwendung von SiH&sub4; als Trägergas eine a- Si:H-Schicht mit einer Dicke von 0,5 bis 10 um als photoleitfähige Schicht 54 aufgebracht. Auf diese wiederum wird Sb&sub2;S&sub3; als Elektronen-Blockierschicht 55 in einer Ar-Atmosphäre bei 13,3 Pa (10&supmin;¹ Torr) in einer Schichtdicke von 100 nm aufgebracht. Mit den oben beschriebenen Schichten 51 bis 55 erhält man den Target-Teil 50 einer Bildaufnahmeröhre. Zur Fertigstellung der Bildaufnahmeröhre wird dieser Target-Teil 50 in einer Glasröhre 58 montiert, die eine Kathode sowie Elektronenstrahl-Ablenk- und Fokussierelektroden 59 aufweist, und die Glasröhre 58 wird evakuiert.
    • Beispiel 4
  • In diesem Beispiel ist die Erfindung ähnlich wie im Beispiel 3 bei einer Bildaufnahmeröhre angewendet. Als zum Tetraedersystem gehörendes Element wird dabei Ge verwendet. Gemäß Fig. 5 wird auf einem Glassubstrat 51 eine hauptsächlich aus In&sub2;O&sub3; bestehende transparente Elektrode 52 ausgebildet. Auf dieser wird unter Verwendung von PH&sub4; als Dotiergas eine mit P zu 50 ppm dotierte a-Si:H-Schicht mit einer Dicke von 10 nm als Löcher-Blockierschicht 53 aufgetragen. Anschließend wird nach dem Plasma-CVD-Verfahren unter Verwendung von GeH&sub4; als Trägergas eine a-Ge:H-Schicht mit einer Dicke von 0,5 bis 10 um als photoleitfähige Schicht 54 ausgebildet. Sodann wird in einer N&sub2;-Atmosphäre bei 13,3 Pa (10&supmin;¹ Torr) ein aus Se-As- Te bestehendes amorphes Material in einer Schichtdicke von 100 nm als Elektronen-Blockierschicht 55 aufgebracht. Mit dem so erhaltenen Target-Teil 50 erhält man in gleicher Weise wie im Beispiel 3 eine Bildaufnahmeröhre.
  • Wird an die photoleitfähige Schicht in der Bildaufnahmeröhre nach Beispiel 3 oder 4 ein elektrisches Feld größer 8 · 10&sup7; V/m derart angelegt, daß die transparente Elektrode 52 positiv ist, so läßt sich ohne Beeinträchtigung des Photo-Ansprechverhaltens eine hohe Empfindlichkeit mit einem Photoleiter-Verstärkungsfaktor größer 1 erreichen. Ferner kann bestätigt werden, daß der Betrieb thermisch stabil ist. In Figur 5 ist mit der Bezugsziffer 19 ein Lastwiderstand bezeichnet.
  • Im folgenden werden mehrere Beispiele erläutert, bei denen die aus amorphem Siliciumcarbid aufgebaute Photoleiterschicht als amorphe Halbleiterschicht für die Ladungsvervielfachung vorgesehen ist. In diesen Beispielen wird amorphes Siliciumcarbid (a-Si1-xCx:H) nach dem Plasma-CVD-Verfahren unter Verwendung von SiH&sub4;, SiF&sub4; usw. sowie CH&sub4;, C&sub2;H&sub6;, C&sub2;H&sub4; usw. als Trägergase oder nach dem Reaktiv-Sputterverfahren von Si in einem gasförmigen Medium von H, Ar, CH&sub4; usw. gebildet. Dabei wird die Kohlenstoffkonzentration in der Schicht durch Regeln der Strömungsrate des Trägergases sowie des Partialdrucks des Gases in der Atmosphäre gesteuert. In dem oben beschriebenen Verfahren wird n-leitendes a-SiC:H durch Zusetzen einer gasförmigen Verbindung eines Elements der Gruppe V des Periodensystems, wie P, As, Sb usw., und p-leitendes a- SiC:H durch Zusetzen einer gasförmigen Verbindung eines Elements der Gruppe III des Periodensystems, wie B, Al usw., erhalten.
    • Beispiel 5
  • Die Erläuterung erfolgt anhand von Fig. 1A.
  • Auf einem transparenten Substrat 11 wird eine hauptsächlich aus Indiumoxid bestehende transparente Elektrode 16 erzeugt. Auf dieser wird eine a-Si&sub7;&sub0;C&sub3;&sub0;:H-Schicht mit einer Dicke von 0,5 bis 10 um als einen amorphen Halbleiter enthaltende photoleitfähige Schicht 14 ausgebildet. Auf dieser wiederum wird als Löcher-Blockierschicht 13 eine mit P zu 50 ppm dotierte a-Si&sub5;&sub0;-C&sub5;&sub0;:H-Schicht mit einer Dicke von 10 nm erzeugt. Durch Aufbringen einer Al-Elektrode als Gegenelektrode 12 erhält man eine photoelektrische Wandlereinrichtung.
    • Beispiel 6
  • Fig. 6 zeigt schematisch den Aufbau eines lichtempfindlichen Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses lichtempfindliche Element wird dadurch erzeugt, daß nacheinander eine hauptsächlich aus Indiumoxid bestehende transparente Elektrode 62, eine Elektronen-Blockierschicht 65, eine photoleitfähige Schicht 64, eine Löcher-Blockierschicht 63 und eine Au-Elektrode 66 auf einem transparenten Substrat 61 aufgebracht werden. Die Elektronen-Blockierschicht 65 besteht aus drei Schichten 651 aus a-Si&sub6;&sub0;C&sub4;&sub0;:H und drei Schichten 652 aus mit B zu 10 ppm dotierten a-Si&sub7;&sub0;C&sub3;&sub0;:H, die abwechselnd übereinander angeordnet sind und jeweils eine Dicke von 3 nm haben. Die photoelektrische Wandlerschicht 64 ist eine 2 bis 8 um dicke Schicht aus mit P zu 50 ppm dotiertem a-Si&sub8;&sub0;C&sub2;&sub0;:H. Die Löcher-Blockierschicht 63 besteht aus vier Schichten 631 aus mit As zu 50 ppm dotiertem a-Si&sub7;&sub0;C&sub3;&sub0;;H und vier Schichten 632 aus a-Si&sub5;&sub0;C&sub5;&sub0;:H, die abwechselnd übereinander angeordnet sind und jeweils 2,5 nm dick sind. Wie oben beschrieben, läßt sich eine effektiv p- oder n-leitende Ladungsträger-Blockierschicht aus a-SiC:H mit wirksamer Bandlücke, guten Eigenschaften und hervorragendem Ladungsträger- Blockiereffekt erzielen, wenn sie aus undotierten a-SiC:H- Schichten mit großer Bandlücke und dotierten a-SiC: H-Schichten mit kleiner Bandlücke besteht.
    • Beispiel 7
  • Die Erläuterung erfolgt anhand von Fig. 1B.
  • Auf einem halb-isolierenden Halbleitersubstrat 11 wird eine hauptsächlich aus Cr bestehende Elektrode 12 aufgebracht. Darauf wird als Löcher-Blockierschicht 13 eine a- SiN:H-Schicht mit einer Dicke von 10 nm und auf dieser als photoleitfähige Schicht 14 eine a-Si&sub8;&sub0;C&sub2;&sub0;:H-Schicht mit einer Dicke von 0,5 bis 10 um aufgetragen. Anschließend wird eine Dünnschicht aus Siliciumoxid mit einer Schichtdicke von 8 nm als Elektronen-Blockierschicht 15 ausgebildet. Durch weiteres Aufbringen einer hauptsächlich aus Zinnoxid bestehenden transparenten Elektrode 16 läßt sich eine photoelektrische Wandlereinrichtung erzielen.
    • Beispiel 8
  • Fig. 7A zeigt schematisch den Aufbau eines lichtempfindlichen Elements gemäß wieder einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Gesamtaufbau ist mit dem nach Figur 1B identisch. Das Element besteht aus einer hauptsächlich aus Ta bestehenden Elektrode 72, einer Löcher-Blockierschicht 73, einer amorphen Halbleiterschicht 74, einer Elektronen- Blockierschicht 75 und einer transparenten Elektrode 76, die nacheinander auf einem beliebigen Substrat 71 aufgebracht sind. Die Löcher-Blockierschicht 73 besteht aus CeO&sub2; mit einer Schichtdicke von 10 nm, während die Elektronen-Blockierschicht 75 aus mit B zu 100 ppm dotiertem a-Si&sub7;&sub0;C&sub3;&sub0;:H mit einer Schichtdicke von 10 nm besteht. Bei der amorphen Halbleiterschicht 74 handelt es sich um eine 2 um dicke Schicht aus a-SiC:H. Dabei wird der erste, 100 nm dicke Abschnitt so ausgebildet, daß die C-Konzentration in der Schicht von 35% auf 10% abnimmt. Dieser Vorgang wird als eine Periode betrachtet, wobei die amorphe Halbleiterschicht 74 durch Wiederholen ähnlicher Vorgänge (etwa 20 Perioden) fertiggestellt wird. Im Ergebnis ändert sich, wie in Fig. 7B gezeigt, die Bandlücke in einer Periode von 100 nm von 2,3 auf 2,0 eV. Dabei tritt eine signifikante Änderung der Bandlücke an den Sprungstellen 77 auf. Wird jedoch die Bandlücke durch Ändern der Verbindung verändert, die im vorliegenden Falls aus Si und Kohlenstoff besteht, so ist fast der gesamte Unterschied in der Bandlücke an den Sprungstellen 77 der Versetzung der Leitungsbandkante zuzuschreiben. Wird beim Einsatz dieses Bauelements an die transparente Elektrode 76 eine negative Vorspannung angelegt, so nimmt die Energie der die Sprungstellen 77 der Bandlückenbreite durchlaufenden Elektronen entsprechend der Energiedifferenz der Leitungsbandkante zu, so daß es möglich wird, den effektiven Elektronen-Vervielfachungsfaktor gegenüber dem Fall mit kontinuierlicher Bandlückenbreite zu erhöhen.
    • Beispiel 9
  • Die Erläuterung erfolgt anhand von Fig. 8A und 8B.
  • Auf einem halb-isolierenden Halbleitersubstrat 81 wird eine hauptsächlich aus n+-leitendem kristallinen Si bestehende Elektrode 82 aufgebracht. Auf dieser wird aus mit P zu 100 ppm dotiertem a-Si&sub7;&sub0;C&sub3;&sub0;:H eine Löcher-Blockierschicht 83 mit einer Dicke von 5 nm und darauf eine hauptsächlich aus a- SiC:H bestehende amorphe Halbleiterschicht 84 mit einer Dicke von 0,5 bis 10 um aufgetragen. Dabei werden durch Steuern der C-Konzentration in der amorphen Halbleiterschicht Abschnitte 842 mit geringer Bandlückenbreite ausgebildet. Beispielsweise wird die C-Konzentration in der Schicht so gesteuert, daß sie in dem ersten, 1,5 um dicken Abschnitt 841 bei 30 Atom-% liegt; in dem anschließenden, 50 nm dicken Abschnitt wird sie dann von 30 Atom-% auf 0 verringert; in dem weiteren 0,5 um dicken Abschnitt wird sie konstant bei 0 gehalten; schließlich wird sie in dem anschließenden, 50 nm dicken Abschnitt wieder kontinuierlich von 0 auf 30 Atom-% erhöht. Im Ergebnis ist die Bandlückenbreite so ausgebildet, daß sie, wie in Figur 8B angegeben, in dem Abschnitt 841, wo die C-Konzentration 30 Atom-% beträgt, bei 2,2 eV und in dem Abschnitt 842, wo die C-Konzentration 0 beträgt, bei 1,8 eV liegt. Damit hat die Bandlückenbreite eine Form, bei der hauptsächlich die Leitungsbandkante reduziert wird. Anschließend wird aus mit B zu 100 ppm dotiertem a-Si&sub7;&sub0;C&sub3;&sub0;:H eine 10 nm dicke Elektronen- Blockierschicht 85 ausgebildet. Auf dieser wird eine hauptsächlich aus Zinnoxid bestehende transparente Elektrode 86 angeordnet, um eine photoelektrische Wandlereinrichtung zu erhalten. Der Wirkungsgrad der photoelektrischen Umwandlung ist dabei insbesondere für Licht großer Wellenlänge erhöht, indem der genannte Aufbau so ausgebildet wird, daß der Abschnitt 842 mit kleiner Bandlückenbreite auftreffendes Licht mit hoher Effizienz absorbiert. Da auf diese Weise die Ladungsträger erzeugende Schicht und die Ladungsträger-Vervielfachungsschicht im wesentlichen getrennt sind, läßt sich außerdem Rauschen, wie es mit der Ladungsträger-Vervielfachung einhergeht, unterdrücken.
  • Wird an die in einem der Beispiele 5 bis 9 beschriebene photoelektrische Wandlereinrichtung ein elektrisches Feld größer 5 · 10&sup7; V/m angelegt, so läßt sich eine hohe Empfindlichkeit mit einem Photoleiter-Verstärkungsfaktor größer 1 ohne Beeinträchtigung des Photo-Ansprechverhaltens erzielen. Ferner treten selbst im Langzeit-Dauerbetrieb der Einrichtung bei einer Temperatur von 80ºC keine Schwankungen in den Eigenschaften auf.

Claims (10)

1. Im Avalanche-Modus betriebene photoelektrische Wandlereinrichtung, umfassend
ein Substrat (11, 41, 51, 61, 71, 81),
eine in dem Substrat ausgebildete erste Elektrode (12, 52, 62, 72, 82),
eine photoleitfähige Schicht (14, 44, 54, 64, 74, 84) zur Umwandlung von auftreffendem Licht in Ladungsträger, wobei die Schicht eine amorphe Halbleiterschicht enthält, die hauptsächlich aus mindestens einem zum Tetraedersystem gehörenden ersten Element besteht und mindestens ein zweites Element der aus Wasserstoff und Halogen bestehenden Gruppe enthält,
eine zwischen der ersten Elektrode und der photoleitfähigen Schicht angeordnete erste Ladungsträger-Blockierschicht (13, 43, 53, 63, 73, 83),
eine zweite Elektrode (16, 46, 66, 76, 86) und
eine Einrichtung (18, 18'), die an die photoleitfähige Schicht ein elektrisches Feld anlegt, um in der amorphen Halbleiterschicht eine Ladungsträger-Vervielfachung zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der photoleitfähigen Schicht und der zweiten Elektrode eine zweite Ladungsträger-Blockierschicht (15, 45, 55, 65, 75, 85) ausgebildet ist, und
daß der die Ladungsträger-Vervielfachung in der amorphen Schicht bewirkende Bereich von einem pn-Übergang frei ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das Tetraedersystem Kohlenstoff, Silicium, Germanium oder Zinn ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die amorphe Halbleiterschicht aus Silicium oder Siliciumcarbid besteht.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, wobei der Anteil von Kohlenstoff in dem Siliciumcarbid 5 bis 50 Atom-% beträgt.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das Substrat (11, 41, 51, 61, 71, 81) und die erste Elektrode (12, 42, 52, 62, 72, 82) transparent sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die photoleitfähige Schicht (14, 44, 54, 64, 74, 84) aus mehreren Halbleiterschichten besteht.
7. Einrichtung nach Anspruch 5, wobei die photoleitfähige Schicht (14, 44, 54, 64, 74, 84) eine kristalline Halbleiterschicht und eine auf dieser ausgebildete amorphe Halbleiterschicht umfaßt.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, wobei die kristalline Halbleiterschicht aus Silicium besteht.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Halogene Fluor, Chlor, Brom und Jod sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (18, 18') zum Anlegen eines elektrischen Feldes dieses an die photoleitfähige Schicht (14, 44, 54, 64, 74, 84) derart anlegt, daß sich die Seite, auf die das einfallende Licht auftrifft, auf negativem Potential befindet.
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