DE4101110A1

DE4101110A1 - Photoleitfaehiges material

Info

Publication number: DE4101110A1
Application number: DE4101110A
Authority: DE
Inventors: Koichi Haga; Masafumi Kumano
Original assignee: Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Priority date: 1990-01-17
Filing date: 1991-01-16
Publication date: 1991-07-18
Anticipated expiration: 2011-01-17
Also published as: US5155567A; DE4101110C2

Description

Die Erfindung betrifft ein photoleitfähiges Material nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und betrifft insbesondere ein pho toleitfähiges Material für eine photoleitfähige Trommel, einen Photosensor, eine Solarzelle oder einen Dünnschicht transistor. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein photo leitfähiges Material, das ein Material mit weitem Bandabstand und ein amorphes Siliziummaterial aufweist.

Herkömmlicherweise ist ein amorphes Siliziummaterial verwen det worden, um Pegel in einer Nähe eines Leitfähigkeitsbandes und eines verbotenen Bandes zu verringern, indem eine wellige bzw. Schlenker-Bindung (dangling bond) eines Siliziums mittels Wasserstoff und Fluor begrenzt wird. Dies führt zu einer ho hen Lichtempfindlichkeit eines amorphen Siliziummaterials und ermöglicht auch eine durchzuführende P- und N-Dotierung. Die sich ergebenden Materialien werden zum Entwickeln verschiede ner Einrichtungen verwendet, und es werden Versuche gemacht, diese Materialien bei Sensoren, Solarzellen, photoleitfähigen Teilen und anderen Einrichtungen anzuwenden.

In den letzten Jahren ist jedoch, damit die Leistungsfähig keit der Einrichtungen hoch wird, eine visuelle, spezifische Durchlässigkeit erhöht worden. Folglich besteht ein gestiege ner Bedarf nach einem Material mit weitem Bandabstand mit einer hohen Lichtempfindlichkeit bzw. einer hohen Photoleit fähigkeit. In vielen Fällen enthält Material mit weitem Band abstand Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff usw. auf einer Siliziumbasis. Obwohl jedoch ein Siliziummaterial mit diesen Additiven breitbandig wird, wird dessen Beweglichkeit gerin ger. Folglich ist es nachteilig, daß die hohe Lichtempfind lichkeit bzw. die Photoleitfähigkeit eines solchen Silizium materials infolge einer Beweglichkeitsabnahme nicht mehr ge geben ist.

Gemäß der Erfindung soll daher ein photoleitfähiges Material geschaffen werden, bei welchem die vorerwähnten Schwierigkei ten beseitigt sind, und welches eine hohe Lichtempfindlich keit bzw. Photoleitfähigkeit und einen weitern Bandabstand hat, während gleichzeitig eine Beweglichkeitsabnahme verhin dert ist. Gemäß der Erfindung ist dies bei einem photoleitfä higen Material durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist Ge genstand des Anspruchs 2. Weitere vorteilhafte Weiterbildun gen sind Gegenstand der auf Anspruch 1 oder 2 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Unteransprüche.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausfüh rungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 makroskopische Strukturen von vier Arten eines Ma terials mit weitem Bandabstand;

Fig. 2 eine lokale Bereichsstruktur eines Teils einer Nah-Ordnung 2;

Fig. 3 ein Beispiel einer Struktur einer Vorrichtung, in welcher ein photoleitfähiges Material und ein amo rphes Siliziummaterial gemäß der Erfindung in einer gemeinsamen Ebene verwendet sind;

Fig. 4 einen Schichtenaufbau, in welchem ein photoleit fähiges Material der Erfindung in einem Photosen sor verwendet ist;

Fig. 5 einen Schichtenaufbau, in welchem ein photoleitfä higes Material der Erfindung auf dem Gebiet der Elektrophotographie verwendet wird;

Fig. 6 eine graphische Darstellung, in welcher die Bezie hung zwischen einer Zu-/Abnahme und einer Wellen zahl einer Infrarotabsorption in einem Silizium mit der Struktur (D) der Fig. 1 gemäß der Erfindung verwendet ist;

Fig. 7 die Beziehung zwischen dem Volumen von Dotierungs gas und einer elektrischen Leitfähigkeit, und

Fig. 8 eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines Transistors, bei welchem photoleitfähiges Material gemäß der Erfindung verwendet ist.

Nunmehr wird der Aufbau von photoleitfähigem Material gemäß der Erfindung beschrieben. Ein photoleitfähiges Material ge mäß der Erfindung setzt sich aus einer Photoleiter-Erzeu gungszone, die ein Material mit weitem Bandabstand aufweist, und einer Photoleiter-Bewegungszone zusammen, die amorphes Siliziummaterial aufweist. Das Material mit weitem Bandab stand weist ein amorphes Silizium auf, das durch eine Kombi nation von Silizium mit mindestens einem Atom gebildet ist, welche aus einer Gruppe ausgewählt ist, welche Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff aufweist, und weist auch ein Füll material für eine wellige oder Schlenkerbindung eines Silizi umatoms auf.

In Fig. 1 sind makroskopische Strukturen von vier Arten eines Materials mit weitem Bandabstand dargestellt. Eine Photolei ter-Erzeugungszone weist eine amorphe Silizium-Nah-Ordnung 2 das ein Material enthält, welches zumindest ein Atom be grenzt, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff enthält, und eine Silizium-Schlen kerbindung in dem Siliziumteil auf.

Eine Phototräger-Bewegungszone weist eine Nah-Ordnung 1 auf, welche ein Siliziumatom als ein Hauptatom aufweist und auch ein Material enthält, welches eine Silizium-Schlenker bindung in dem Teil verhindert. Vorzugsweise sind die Nah- Ordnungen 1 und 2 in einem Verhältnis H von 0,1 bis 60 in einem bestimmten mikroskopischen Bereich in einer dünnen Schicht verteilt. Die makroskopische Bereichsgröße der Nah- Ordnung 2 beträgt vorzugsweise 100 Å bis 100 µm. Ferner wird der Bereich der Nah-Ordnung 1 vorzugsweise mit Hilfe eines Dotiermittels aktiviert, das Atome der Gruppe III oder V ent hält, welche eine Tetraeder-Koordination bilden.

Entsprechend dem erfindungsgemäßen Aufbau werden Zonen, in welchen Phototräger in einem Photoleitfähigkeitsmaterial er zeugt werden, d. h. sogenannte Phototräger erzeugende Zonen von Phototräger-Bewegungszonen getrennt, welche die Phototrä ger weiterleiten. Normalerweise sind diese Phototräger-Erzeu gungszonen und -Bewegungszonen beliebig verteilt, obwohl die Erfindung nicht auf diesen Fall beschränkt ist.

Im allgemeinen wird amorphes Siliziummaterial, welches eine Phototräger-Bewegungszone bildet, durch ein Bedampfungsver fahren, ein Plasma-CVD-Verfahren usw. hergestellt. Bei dem Plasma-CVD-Verfahren werden beispielsweise Gasmaterialien, wie SiH₄ und H₂ verwendet. In einigen Fällen kann die opti sche Bewegungszone eine kleine Menge Phototräger erzeugen. Jedoch werden die Herstellungsverfahren durch diesen Vorgang nicht beeinflußt.

Nachstehend werden vier Arten als makroskopische Ausführungen eines Materials mit weitem Bandabstand vorgestellt, welches eine Phototräger-Erzeugungszone bildet, wie in Fig. 1(A) bis (D) dargestellt ist. Bei der Erfindung wird ein weiter Band abstand mit einer makroskopischen Ausbildung verwendet, wie in Fig. 1(D) dargestellt ist. Unter der Annahme, daß Sauer stoffatome Additive sind, schließt die Herstellung eines Ma terial mit weitem Bandabstand im allgemeinen eine Verwendung von O₂ u. ä. sowie von SiH₄ und H₂ ein.

Bezüglich der makroskopischen Ausführungen eines Materials mit weitem Bandabstand, wie es in Fig. 1(B), (C) und (D) dar gestellt ist, werden sogenannte wellige oder Schlenkerbindun gen eines Siliziums in einer Nah-Ordnungsstruktur 1 mit Was serstoff, Fluor usw. gefüllt.

In Fig. 1(A) ist eine Ausführung dargestellt, bei welcher Sau erstoffatome gleichförmig in einem Siliziumnetz der Nah-Ord nung eines Siliziums (wie beispielsweise Gas) enthalten sind.

Gemäß Fig. 1(B) sind eine Nah-Ordnung 1 von Silizium und eine Nah-Ordnung 2 vorgesehen, in welcher Silizium Sauerstoffatome enthält. In diesem Beispiel sind die Nah-Ordnungen 1 und 2 nicht miteinander verknüpft. Außerdem ist, obwohl eine Schlen kerbindung in der Nah-Ordnung 1 gefüllt ist, eine Schlenker bindung der Nah-Ordnung 2 nicht vorhanden.

Gemäß Fig. 1(C) sind eine Nah-Ordnung 1 eines Siliziums und eine Nah-Ordnung 2 vorgesehen, in welcher Silizium Sauerstoff atome enthält. In diesem Beispiel sind die Nah-Ordnungen 1 und 2 nicht miteinander verknüpft. Ferner sind Schlenkerbin dungen der Nah-Ordnungen 1 und 2 gefüllt.

Gemäß Fig. 1(D) ist eine Nah-Ordnung 1 eines Siliziums und eine Nah-Ordnung 2 vorgesehen, in welcher ein Silizium Sauer stoffatome enthält. In diesem Beispiel sind Nah-Ordnungen 1 und 2 nicht miteinander verknüpft, obwohl die Schlenkerbin dungen der Nah-Ordnungen 1 und 2 gefüllt sind. Um die Schlen kerbindungen der Nah-Ordnungen 1 und 2 zu begrenzen, werden vorzugsweise Materialien, wie Wasserstoff, schwerer Wasser stoff, Halogenatome verwendet. Andererseits können irgendwel che anderen Elemente außer Sauerstoff, Stickstoff und Kohlen stoff als Füllmaterialien für die Schlenkerbindungen verwen det werden.

Üblicherweise kann die Struktur, wie sie in Fig. 1(A) darge stellt ist, als eine optimale Struktur angesehen werden. Je doch ist, obwohl diese Struktur einen weiten Bandabstand hat, ihre Beweglichkeit bzw. Mobilität niedrig. Ferner kann infolge einer signifikanten Rekombination keine hohe Lichtempfindlich keit erhalten werden.

Die Struktur, wie sie in Fig. 1(B) dargestellt ist, kommt oft vor, wenn SiH₄- oder O₂-gasförmige Materialien verwendet wer den. Diese Struktur leitet sich aus SiO₂-Partikeln her, wel che in einem Siliziummaterial wegen einer direkten Reaktion zwischen diesen Materialgasen erzeugt werden.

Bei dem Herstellungsverfahren für eine Struktur, wie sie in Fig. 1(C) dargestellt ist, werden SiH₄- und O₂-gasförmige Ma terialien gesondert in eine Reaktionskammer eingeleitet. Im voraus werden nur O₂-Abstände zerlegt, die zerlegten Radikale reagieren mit SiH₄-Gas und wachsen zu einer dünnen Schicht an. Obwohl diese Struktur eine höhere Empfindlichkeit hat, als die Struktur in Fig. 1(B), eignet sie sich nicht als pho toleitfähiges Material, da sie nicht mit der Nah-Ordnung 1 eines Siliziums kombiniert wird.

In diesem Zusammenhang ist gemäß der Erfindung die Struktur geschaffen, wie sie in Fig. 1(D) dargestellt ist. In dieser Struktur dient eine Nah-Ordnung 2, welche Sauerstoffatome in einem Silizium enthält, als ein Phototräger erzeugender Teil, und eine Nah-Ordnung 1, welche ein Silizium enthält, dient als ein Phototräger bewegender Teil, welcher den erhaltenen Phototräger zu einer Elektrode transportiert, an welche ein elektrisches Feld angelegt wird. Bei der Struktur in Fig. 1(D), in welcher die Schlenkerbindungen der Nah-Ordnung 1 und 2 begrenzt werden, und die Nah-Ordnungen 1 und 2 mitein ander kombiniert werden, kann eine Rekombination von Photo trägern verhindert werden.

In einer Nah-Ordnung 1, welche Silizium enthält, wird eine Schlenkerbindung des Siliziums durch Wasserstoff oder Fluor usw. begrenzt. Erforderlichenfalls können, wenn Wasserstoff für eine solche Abgrenzung verwendet wird, Si-H-Bindungen in der Nah-Ordnung 1 vorherrschen, während Si-H₂-Bindungen ent weder überhaupt nicht vorhanden sind oder weniger als 1% al ler Kombinationen ausmachen.

Wenn Wasserstoff zum Begrenzen von Schlenkerbindungen eines Siliziums verwendet wird, hat eine Nah-Ordnung 2, welche Sau erstoffatome in einem Silizium enthält, eine H-Si (Ox)-Struk tur, wie in Fig. 2 dargestellt ist; hierbei ist x die Anzahl von zu kombinierendem Sauerstoff. In diesem Fall ist Ox 4. Es ist wichtig, daß in dieser Struktur die Schlenkerbindungen der Nah-Ordnung 2 mit Siliziumatomen der Nah-Ordnung 1 kombi niert werden. Die Schlenkerbindungen der Nah-Ordnung 2 sind erforderlichenfalls weniger als 0,5% aller Bindungen. Wasser stoffatome usw., welche die Schlenkerbindungen derNah-Ordnung 1 begrenzen, können 2- bis 20at.%, erforderlichenfalls 5- bis 15at.% sein. In der Nah-Ordnung 2, welche Sauerstoffatome in einem Silizium enthält, ist der Gehalt an Wasserstoff usw., welcher die Schlenkerbindungen begrenzt, 5- bis 30at.%, erfor derlichenfalls 7- bis 25at.%. Der Gehalt an Sauerstoffatomen ist vorzugsweise 0,5- bis 65at.%.

Die in Fig. 1(A) dargestellte Struktur ist in Physical Review B Vol. 140, Nr.3, 1975 beschrieben, wo diese Struktur durch eine Infrarot-Absorptionsmessung dargestellt ist. In diesem Artikel ist die Infrarot-Absorption bei etwa einer Infrarot- Absorptions-Wellenlänge von 2000 cm^-1 angegeben. Eine Absorp tion kommt bei etwa einer Infrarot-Absorptions-Wellenlänge von 2000 cm^-1 bezüglich x einer H-Si(Ox)-Struktur vor. Wenn x = 0 ist, kommt eine Infrarot-Absorption bei einer Infrarot- Absorptionslänge von 2000 cm^-1 vor. Wenn x = 1 ist, kommt eine Absorption bei 2100 cm^-1 vor. Wenn x = 2 oder x = 3 ist, kommt sie bei 2195 cm^-1 bzw. 2265 cm^-1 vor. In diesem Artikel ist gezeigt, daß, wenn Sauerstoffatome zunehmen, diese Infra rot-Absorptionswellenlängen die kurze Wellenlängenseite mit dem Effekt transferieren, daß die Struktur eine wird, wie sie in Fig. 1(A) dargestellt ist. Eine dünne Schicht gemäß der Er findung erfährt trotz einer Zunahme von Sauerstoffatomen keine Änderung in einer Infrarot-Absorptionswellenlänge. Es wird angenommen, daß die Struktur hinsichtlich dieses Phäno mens eine ist, wie sie in Fig. 1(D) dargestellt ist, was wie derum auf Berechnungen basiert, die in dem vorerwähnten Ar tikel beschrieben sind. Bezüglich der Strukturen in Fig. 1(B) und (C) kann Bezug genommen werden auf Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 26, Nr. 1, 222, wo nachgewiesen ist, daß diese Struktur eine niedrige Lichtempfindlichkeit hat.

Nunmehr wird ein Herstellungsverfahren für ein solches photo leitfähiges Material beschrieben. Vorteilhafterweise wird das Plasma-CVD-Verfahren angewendet. Bei diesem Verfahren sollten im Unterschied zu üblichen Techniken die folgenden angewendet werden. Das bedeutet, das Verfahren weist ein Auswählen eines Materialgases und das Ausnutzen einer Beziehung in der Bin dungsenergie des Materialgases auf.

Als ein Materialgas, welches als ein Startgas eines Sili ziums dient, werden vorteilhafterweise Gase wie SiH₄, SiCl₄, SiF₄, SiD₄ usw. verwendet. Wenn beispielsweisc Sauerstoffatome als ein Additiv in einem Material mit weitem Bandabstand ver wendet werden, sind diese Materialien, welche mit einem Start gas von Siliziumatomen ohne ein Hinzufügen von äußerer Ener gie, wie Plasmaenergie reagieren nicht als ein Startgas vorzu ziehen. Ein Startgas, welches Sauerstoffatome liefert, sollte in Sauerstoffatome und anderes molekulares Bindungsgasmateri al aufgeteilt werden können. Außerdem wird ein anderes Mole kül vorzugsweise als ein gasförmiges Material im Vakuum ver wendet. Beispielsweise kann Co₂, N₂, O, SO₂ usw. als Startgas zum Liefern von Sauerstoffatomen verwendet werden. Wenn bei spielsweise CO₂ genommen wird, werden die Sauerstoffatome durch Plasma-Energie in die Form von CO+O zerlegt. Ferner existiert CO in Gasform. Die Bindungs-Dissoziations-Energie von CO und 0 beträgt 1075 (mol/KJ) und die Bindungsenergie von CO und 0 beträgt 532 (mol/KJ). Die Bindungs-Dissoziati ons-Energie ist folglich annähernd zweimal so groß wie die Bindungsenergie.

Folglich werden Moleküle vorzugsweise Gasmoleküle unter Vaku um, nachdem die Sauerstoffatome abgespalten worden sind. Fer ner ist vorzugsweise die Bindungsenergie dieser Moleküle 1,2- bis 5mal höher als die Zerlegungsenergie der Sauerstoffato me. Dasselbe ist bei N₂O und SO₂ anwendbar.

Durch Ausnutzen der Differenz zwischen diesen Bindungsenergi en, durch Optimieren der Parameter, mit welchen verschiedene Arten von dünnen Schichten durch ein Plasma-CVD-Verfahren er zeugt werden, und durch Dissoziieren von Sauerstoffatomen kann eine dünne Schicht, wie sie in Fig. 1(D) dargestellt ist, erhalten werden. Parameter zum Erzeugen einer dünnen Schicht weisen hochfrequente elektrische Energie, eine Temperatur eines Substrates, Druck, Strom, usw. auf. Die wichtigsten Pa rameter davon sind die hochfrequente elektrische Energie und der Druck. Wenn die hochfrequente elektrische Energie zu hoch ist, werden auch Gasmoleküle zerlegt. Daher ist eine bestimm te Energiemenge, mit welcher nur Sauerstoffatome zerlegt wer den, erforderlich.

Vorteilhafterweise ist die zu zerlegende Menge im Falle von CO₂ größer als die Bindungs-Dissoziations-Energie von CO+O und kleiner als die Bindungs-Dissoziations-Energie von C+O. Diese Energie kann als eine Zwischenenergie definiert werden. Obwohl diese Zwischenenergie sich entsprechend der Form einer Einrichtung und des Druckes usw. ändert, ist bei der Erfindung die Form der hergestellten Einrichtung vorzugsweise 0,01 W/cm³ bis 1,0 W/cm³. Auch ist der Druck vorzugsweise 0,05 bis 3 Torr. Gegenstand der Erfindung ist es daher, diese optimalen Bedin gungen bei der Einrichtung quantitativ zu bestimmen, welche mit einem Massenspektroskop ausgestattet ist. Im Falle von CO₂ wird CO₂, Co, O und C mit einem Gasverhältnis von CO/CO₂ vorzugsweise zwischen 5 bis 10 Beachtung geschenkt. Wenn das Gasverhältnis 10 überschreitet, beginnt C zu erscheinen. Des wegen wurde der Versuch durchgeführt, um das Gasverhältnis kleiner als 10 zu halten. Die optimale Substrattemperatur liegt im Bereich von 150°C bis 300°C. Durch Anwenden eines Gasabscheidungsverfahrens (CVD) kann eine dünne Schicht mit der Struktur der Fig. 1 erhalten werden.

In der vorstehenden Beschreibung ist ein Beispiel mit Sauer stoff dargestellt worden. Jedoch sind ähnliche Ergebnisse mit Stickstoff, Kohlenstoff oder Mischmaterialien erhalten worden, die zumindest Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff enthal ten.

NH₃, NF₃ usw. kann ein Stickstoffgas sein. CF₄, Alkohol usw. kann ein Kohlenstoffgas sein.

Das Verhältnis H der Nah-Ordnung 2, die Sauerstoff in einem Silizium enthält, zu der Nah-Ordnung 1 von einem Silizium, das heißt, Nah-Ordnung 2/Nah-Ordnung 1, liegt vorzugsweise in dem Bereich von 0,1 bis 60, insbesondere von 1 bis 45. Dies Verhältnis kann durch Einstellen des CO₂/SiH₄-Verhält nisses, einer hochfrequenten elektrischen Energie und des Druckes erhalten werden. Dies Verhältnis ändert sich mit den Anwendungsbedingungen einer Einrichtung, welche diese dünne Schicht enthält. Je größer das Verhältnis ist, um so weiter wird ein Bandabstand. Diese Strukturen sind in einer dünnen Schicht willkürlich vorhanden. Ferner wird ein Bandabstands wert von 1,9 bis 6,0 eV erhalten. Wenn der Bandabstand klei ner als dieser Bereich ist, kann kein weiter Bandabstand er reicht werden. Andererseits wenn er größer als dieser Bereich ist, geht die Lichtempfindlichkeit verloren.

Die Quantifikation der Beziehung zwischen einer Lichtempfind lichkeit und einem Bandabstand dieses Materials wird nunmehr beschrieben. Der Strom ohne einfallendes Licht ist ein Dunkel strom Id und der Strom mit einfallendem Licht, welches ein künstliches Sonnenlicht von AM 1100 W/cm³ ist, ist ein Photo strom Ip. In diesem Fall muß basierend auf einem Bandabstand von 2,0 eV das Verhältnis von Ip/Id drei Zahlen bzw. Größen (figures) oder mehr haben. Ein makroskopisches Verhältnis von Ip/Id der Nah-Ordnung 2, bei welcher dessen Silizium Sauerstoff enthält, ist in einer dünnen Schicht 100 Å bis 10 µm und ist vorzugsweise insbesondere 500 Å bis 500 µm. Das Verhältnis von Ip/Id kann durch Ändern der Substrattempera tur und des Druckes erhalten werden. Wenn das Verhältnis Ip/Id zu klein ist, werden Materialien, wie Wasserstoff, wel che die Schlenkerbindungen eines Siliziums begrenzen, zuviel, wodurch dann die ganze dünne Schicht porös wird und Si-H₂- Strukturen zunehmen. Das Ergebnis ist dann eine Minderung der Photo- bzw. Lichtempfindlichkeit. Wenn das Verhältnis Ip/Id zu groß ist, sind kleine Partikel in einer dünnen Schicht vorhanden, welches vom Standpunkt der Photo- bzw. Licht empfindlichkeit nicht günstig ist.

Abgesehen von der Lichtempfindlichkeit sind Dotierungseigen schaften die notwendigen Funktionen für Photo- und elektro nische Einrichtungen, welche eine solche dünne Schicht be nutzen. Die Strukturen, wie in Fig. 1(A), (B) und (C) darge stellt sind, haben viele Schlenkerbindungen und sind folg lich schwierig zu dotieren. Beispielsweise ist in der Struk tur der Fig. 1(D) ein Dotierstoff schwierig mit der Nah-Ord nung 2 zu kombinieren. Deswegen kommt es hauptsächlich zu einer Dotierung in dem Si : H-Teil der Nah-Ordnung 1. Dotier atome können zum Steuern eines Elektron mit einer N-Wertig keit Zusammensetzungen der Gruppe V, wie P, AS, und für das Steuern eines Elektrons mit P-Wertigkeit Zusammensetzungen der Gruppe III, wie B, A1, sein. Diese Atome sind in einem Teil der Nah-Ordnung 1 enthalten und werden aktiviert, um Valenz-Elektronen zu steuern.

Die Herstellungsmethode besteht darin, daß Gase, welche Atome der Gruppe III enthalten, wie beispielsweise B₂H₆, Al(CH₃)₃ oder Gase, welche Atome der Gruppe V enthalten, wie beispielsweise PH₃, AsH₃ gemischt werden und in eine Kammer eingebracht werden und dort dann eine Dotierung durchgeführt wird. Auf diese Weise ist dann die Struktur, welche eine Do tierung durchführt, die Nah-Ordnung 2. Diese Struktur kann erforderlichenfalls 10^-6- bis 10^-1at.% von Atomen der Gruppe III oder V enthalten. In Fig. 7 sind Volumen eines Dotiergases der Gruppe III und V sowie eine Leitfähigkeitsänderung infolge der Dotierung dargestellt. Wie aus den in Fig. 7 dargestellten Ergebnissen zu ersehen ist, zeigt die Nah-Ordnung 2 im Ver gleich mit einer dünnen Si : H-Schicht ähnliche Kenndaten.

Es können verschiedene Einrichtungen hergestellt werden, bei welchen eine dünne Schicht mit diesen Strukturen ausgenutzt wird. Solche Einrichtungen sind beispielsweise ein elektro photoleitfähiger Körper, ein Photosensor, eine Solarzelle, ein Phototransistor, eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD) usw. Obwohl diese Einrichtungen durch Verwenden dieser dün nen Schicht erhalten werden können, kann eine Vielfachaus führung mit amorphem Siliziummaterial, welches die Schlenker bindungen durch Wasserstoff u. ä. begrenzt, verwendet werden.

Vorstehend ist ein Beispiel beschrieben worden, bei welchem die Nah-Ordnung 2 in einer dünnen Schicht vorhanden ist. Je doch kann, wie in Fig. 3 dargestellt ist, amorphes Silizium material, welches durch Wasserstoff die Schlenkerbindungen begrenzt, welche die Nah-Ordnung 1 haben, durch die absicht liche Mikrostruktur-Verarbeitung in derselben Ebene wie ein amorphes Siliziummaterial angeordnet werden, das Sauerstoff enthält, welcher die in Streifen verteilten Nah-Ordnung 2 hat.

Die Breite des Streifens ist auf einen Wert festgelegt, bei welchem ein Quanteneffekt erhalten werden kann. Die Breite der Nah-Ordnungen 1 und 2 kann 10 bis 300 Å, vorzugsweise 20 bis 100 A sein. Zwischen diesen Schichten sind vorzugsweise die sogenannten Schlenkerbindungen mit 5% vorhanden.

Versuch 1

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden ein Bandabstand und eine Photoempfindlichkeit (Verhältnis von Photostrom Ip zu Dunkelstrom Id) für den Fall angestrebt, daß ein Verhältnis H=Nah-Ordnung 2/Nah-Ordnung 1 in einer dünnen Schicht geändert wird, welche die Nah-Ordnung 1 eines Sili ziums und die Nah-Ordnung 2 aufweist, welche Sauerstoff in Silizium enthält.

Das Verhältnis der Nah-Ordnung 2 zu der Nah-Ordnung 1 wird durch ein Photoauflösungs-Elektronenmikroskop und XMA er zeugt. Die Bedingungen für den Herstellungsprozeß sind fol gende:

CO₂/SiH₄ = 2,5 bis 10
hochfrequente elektrische Leitung 0,05 W/cm² bis 0,9 W/cm²
Substrattemperatur 250°C
Druck 0,1 bis 2,5 Torr

Versuch 2

Eine zweite Ausführungsform zeigt die Ergebnisse, welche be züglich der Größe des makroskopischen Partikel-Durchmessers in einer dünnen Schicht der Nah-Ordnung 2 erhalten worden sind, die Sauerstoff in einem Silizium enthält. Die Bedin gungen des Herstellungsprozesses sind folgende:

CO₂/SiH₄ = 10
hochfrequente elektrische Energie 0,1 W/cm²
Substrattemperatur 150 bis 350°C
Druck 0,1 bis 2,5 Torr

Die makroskopische Partikelgröße wurde mit Hilfe eines Elek tronenmikroskops hoher Auflösung und XMA gemessen. Die Menge an Si-H₂ in einer dünnen Schicht wurde ebenfalls quantitativ gemessen. Die folgende Tabelle 2 zeigt die Beziehung zwischen Partikeldurchmesser und Bandabstand, Photoempfindlichkeit und die Menge an Si-H₂. Das Verhältnis H (Nah-Ordnung 2/Nah- Ordnung 1) der zwei Strukturen war konstant.

Versuch 3

In einer dritten Ausführungsform sind die Kenndaten eines Photosensors dargestellt, welcher mit Hilfe der dünnen Schicht mit einer Struktur erzeugt worden ist, wie sie in den ersten und zweiten Ausführungsformen beschrieben worden ist.

Als Substrat 1 wurde ein unelastisches Material, wie Glas verwendet. Der Schichtenaufbau setzt sich aus dem Substrat, einer Cr-Elektrode 2, einer amorphen Siliziumschicht 3, "Ozean-Insel"-Bereichsmaterial 4 gemäß der Erfindung und einer transparenten Elektrode 5 zusammen. In der transparen ten Elektrode 5 ist In₂O₃ verwendet. Die Cr-Elektrode 2 und die transparente Elektrode 5 wurden durch ein Aufdampfen im Vakuum gebildet. Die amorphe Siliziumschicht 3 und die "Ozean-Insel"-Bereichsmaterialschicht 4, wie sie in Fig. 1(D) dargestellt ist, wurde mittels des Plasma-CVD-Verfahrens her gestellt. Dem Ozean entspricht die Nah-Ordnung 1 und der Insel die Nah-Ordnung 2. Das Verhältnis H (Nah-Ordnung 2/Nah Ordnung 1) der "Ozean-Insel"-Bereichsmaterialschicht ist 1,2. Die mikroskopische Größe des Partikeldurchmessers ist 2000 A. Die folgenden Daten zeigen die Kenndaten des erhaltenen Pho tosensors mit diesem Aufbau.

Rauschabstand 30 dB (einfallende Lichtmenge ist 100 Lux)
Ansprechgeschwindigkeit 1,0 ms
γ-Charakteristik 1,0

Versuch 4

Eine vierte Ausführungsform zeigt die Kenndaten eines elektro photoempfindlichen Körpers, welcher mit Hilfe einer dünnen Schicht mit einem Aufbau erzeugt worden ist, wie er in den ersten und zweiten Ausführungsformen beschrieben ist. Fig. 5 zeigt einen Schichtaufbau eines elektro-photoempfindlichen Körpers. Bei dem Schichtaufbau des elektro-photoempfindlichen Körpers sind vorgesehen unten ein Substrat 1, dann eine "Ozean-Insel"-Bereichsmaterialschicht 2, dann eine amorphe Siliziumschicht 3, eine "Ozean-Insel"-Materialschicht 4 und schließlich oben eine Silizium-Nitridschicht 5. Die Schichten von der "Ozean-Insel"-Bereichsmaterialschicht 2 bis zu der "Ozean-Insel"-Bereichsmaterialschicht 4 werden mittels des Plasma-CVD-Verfahrens hergestellt, während die Nitro-Sili ziumschicht 5 durch ein Bedampfen hergestellt wird. Das Ver hältnis H der "Ozean-Insel"-Bereichsmaterialschicht 2 ist 10, und die makroskopische Größe des Partikeldurchmessers beträgt 5000 Å. Das Verhältnis H der "Ozean-Insel"-Bereichs materialschicht 4 ist 1, da dies bezüglich der Photoempfind lichkeit bzw. -leitfähigkeit vorzuziehen ist, wobei die ma kroskopische Größe der Partikeldurchmesser 2000 Å beträgt.

Die folgenden Daten geben die Kenndaten des photoempfind lichen bzw. photoleitfähigen Körpers mit dem vorstehend be schriebenen Aufbau wieder.

(Elektrisierungs-)Potential 500 V (wobei die Dicke einer dünnen Schicht 20 µm ist)
der auf die Hälfte reduzierte Wert des Potentials zum Zeitpunkt eines Lichteinfalls 20 s (bei Licht von 100 Lux)
Dunkel-Dämpfung 0,75 (30 s später)

Versuch 5

Wenn in einer fünften Ausführungsform ein "Ozean-Insel"-Be reichsmaterial als ein Material für einen bipolaren Tran sistor verwendet wird, wurden hfe = 50 Transistoren erhalten. Das Verhältnis H des "Ozean"-Bereichsmaterials ist 3, und der makroskopische Partikeldurchmesser beträgt 3000 Å.

Versuch 6

In einer sechsten Ausführungsform wurde eine PN-Flächendiode mit Hilfe eines "Ozean-Insel"-Bereichsmaterials hergestellt. In dieser Ausführungsform betrug das Verhältnis H der Nah- Ordnung 2 zu der Nah-Ordnung 1 0,5. Die makroskopische Par tikel-Durchmessergrößebetrug 550 Å und es wurden Bor und Phosphor als P- bzw. N-Dotieratome verwendet. Die P-Dichte in einer Schicht betrug 0,1at.%. Die N-Dichte betrug 0,05 at.%. Eine PN-Flächendiode, die entsprechend dem vorstehend be schriebenen Aufbau erzeugt worden ist, hat sich bei einem Rektifizierungsverhältnis von 1,4 als ausgezeichnet heraus gestellt.

Versuch 7

In einer siebten Ausführungsform wurde ein Phototransistor mit Hilfe eines "Ozean-Insel"-Bereichsmaterials hergestellt. Der Aufbau des Transistors ist in Fig. 8 dargestellt. Als ein Substrat 11 wurde Glas verwendet. Das Verhältnis H des Be reichs einer Aktivierungsschicht 12 über dem Substrat betrug 1,2. Die makroskopische Partikeldurchmessergröße betrug 8000 Å. In einem Source-Bereich 13 und einem Drain-Bereich 15 wurde eine dünne Schicht verwendet, in welcher das Verhältnis H 0,5 und die makroskopische Partikeldurchmessergröße 500 Å war. Als Dotieratome wurde Bor verwendet, wobei die Dichte des Bors in einer dünnen Schicht 1 at.% war. In einer Source- Elektrode 14 und einer Drain-Elektrode 16 wurde Al-Material verwendet. Auf einer Gate-Isolierabdeckung 17 wurde durch ein Aufdampfverfahren SiO₂ mit einer Dicke von 1000 Å aufge bracht, und eine Al-Elektrode wurde als eine Gate-Elektrode 18 aufgebracht. Ein Lichteinfall wurde von der Glas-Sub stratseite her durchgeführt. Eine Spannung von 5 V wurde an die Quellenelektrode 14 und an die Drain-Elektrode 16 ange legt, und wenn Licht von 500 Lux als einfallendes Licht auf gebracht wurde, wurde ein Verhältnis von Ip/Id mit drei Zah len (figures) erhalten. Ferner kann bei Anlegen einer Gate- Spannung von 10 V die Photoempfindlichkeit bzw. -leitfähig keit von außen her eingestellt werden.

Claims

1. Photoleitfähiges Material gekennzeichnet durch eine Phototräger-Erzeugungszone, welche einen Photo träger in einem photoleitfähigen Material erzeugt, welches Material mit weitem Bandabstand aufweist, und durch eine Phototräger-Bewegungszone, welches den gewonnenen Phototrä ger in einem photoleitfähigen Material, welches ein amorphes Siliziummaterial aufweist, zu einer Elektrode transportiert, an welche eine entsprechende Spannung angelegt ist, wobei die Phototräger-Erzeugungszone und die Phototräger-Bewegungs zone gesondert ausgeführt sind.

2. Photoleitfähiges Material nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß
ein Grundelement des photoleitfähigen Materials ein Silizium ist, welches zumindest eine Atomart enhält, welche aus der Gruppe Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff ausgewählt ist, wobei das photoleitfähige Material ferner ein amorphes Sili zium aufweist, welches eine Schlenkerbindung eines Silizium atoms begrenzt;
das Hauptatom in der Phototräger-Erzeugungszone, welche das Material mit einem weiten Bandabstand aufweist, ein Silizium atom ist, wobei die Phototräger-Erzeugungszone eine Nah-Ord nung 2 eines amorphen Siliziums aufweist, welches zumindest eine Atomart enthält, die aus der Gruppe Sauerstoff, Stick stoff und Kohlenstoff ausgewählt ist, und auch ein Atom ent hält, welches eine Schlenkerbindung eines Siliziums begrenzt, und
ein Ende der Bindung, welche sich von der Nah-Ordnung 2 aus erstreckt, mit einem Siliziumatom der Nah-Ordnung 1 kombiniert ist.

3. Photoleitfähiges Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nah-Ordnung 1 und die Nah-Ordnung 2 in einem beliebig ausgewählten mikroskopischen Bereich verteilt sind, so daß das Verhältnis H in der Nah- Ordnung 2 zu der Nah-Ordnung 1 0,1 bis 60 ist, wobei die Nah- Ordnung 1 ein "Ozean" und die Nah-Ordnung 2 eine "Insel" ist.

4. Photoleitfähiges Material nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Nah-Ordnung 2 100 Å bis 10 µm ist.

5. Photoleitfähiges Material nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der Nah-Ordnung 1 mit Hilfe eines Dotiermittels aktiviert wird, das Atome der Gruppe III oder der gruppe V aufweist.

6. Photoleitfähiges Material nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß irgendein Element außer O, N oder C sich als Material eignet, welches eine Schlenkerbindung eines Siliziums in der Nah- Ordnung 1 begrenzt, welche ein Silizium enthält.

7. Photoleitfähiges Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schlenkerbindung der Nah-Ordnung 2 vorzugsweise kleiner als 0,5% aller Bindungen ist.

8. Photoleitfähiges Material nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Atom, welches das Schlenkerband der Nah-Ordnung 1 begrenzt, vorzugsweise 2- bis 20at.% ist, und ein Atom, welches die Schlenkerbindung der Nah-Ordnung 2 begrenzt, vorzugsweise 5- bis 30at.% ist.

9. Photoleitfähiges Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das photoleitfähige Material dadurch erzeugt wird, daß ein Quel lengas aus SiH₄, SiCl₄, SiF₄ oder SiD₄ ausgewählt wird, das Additiv unter Vakuum durch Plasma-Energie in das Material mit dem weiten Bandabstand zerlegt wird, so daß Moleküle Gasmoleküle werden,und die dünne Schicht erzeugende Parame ter, wie eine hochfrequente elektrische Energie, eine Sub stratemperatur, ein Druck oder ein Strom bei dem Plasma- CVD-Verfahren optimiert werden, wobei die Differenz zwischen der Bindungsenergie und der Zerfallenergie von Molekülen benutzt wird und dadurch Atome des Additivs zu dem Material mit dem weiten Bandabstand dissoziiert werden.

10. Photoleitfähiges Material nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise das Quellen gas ohne Zuführen äußerer Energie, wie der Plasma-Energie, nicht direkt mit dem Quellengas eines Siliziumatoms reagiert.

11. Photoleitfähiges Material nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß ein einzelnes Sauerstoff-, Stickstoff- oder Kohlenstoff-Atom u. ä. und ein Mischmaterial, welches zumindest ein Sauerstoff-, Stickstoff- oder Kohlen stoff-Element enthält, als das Additiv zu dem Material mit dem weiten Bandabstand verwendet sind.

12. Photoleitfähiges Material nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß NH₃ oder NF₃ als Stickstoff gas für das Additiv bei dem Material mit dem weiten Bandab stand verwendet wird, CF₃ oder Alkohol als Kohlenstoffgas für das Additiv verwendet wird.

13. Photoleitfähiges Material nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Sauerstoff-Atome als ein Additiv bei dem Material mit dem weiten Bandabstand verwendet werden, ein Quellengas, das die Sauerstoff-Atome liefert, vorzugsweise ein Bindungsgas von Sauerstoff-Atomen und anderen Molekülen wird, wobei die anderen Moleküle vor zugsweise ein Gas unter Vakuum werden.

14. Photoleitfähiges Material nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Quellengas, welches das Sauerstoff-Atom liefert, CO₂, N₂O oder SO₂ enthält.

15. Photoleitfähiges Material nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Moleküle, nachdem das Sauer stoff-Atom vorzugsweise durch Plasmaenergie zerlegt ist, un ter Vakuum Gasmoleküle werden, wobei die Bindungsenergie der Gasmoleküle vorzugsweise 1,2- bis 5mal größer ist als die Zerlegungsenergie des Sauerstoffatoms.

16. Photoleitfähiges Material nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der die dünne Schicht erzeu gende Parameter vorzugsweise so optimiert ist, daß, wenn das Quellengas CO₂ ist, er größer als die Bindungs-Dissoziations energie von CO+O und kleiner als die Bindungs-Dissoziations energie von C+O ist, und wenn das Quellengas CO₂ ist, die Zwischenenergie zwischen der Bindungs-Dissoziationsenergie von CO+O und der Bindungs-Dissoziationsenergie von C+O sich mit der Geometrie und dem Druck der Einrichtung ändert, wobei die Geometrie der Einrichtung vorzugsweise 0,01 W/cm²-1,0 W/cm² ist, der Druck vorzugsweise 0,05 bis 3 Torr beträgt und die Substrattemperatur vorzugsweise in dem Bereich von 150 bis 300°C liegt.

17. Photosensor aus einem photoleitfähigen Material, welches aufweist:
eine Substratschicht in einer ersten Schicht, welche durch ein unelastisches Material, wie Glas gebildet ist und eine obere sowie eine untere Hauptfläche hat;
eine erste Elektrodenschicht in einer zweiten Schicht, die eine obere und eine untere Hauptfläche aufweist und auf der oberen Hauptfläche der Substratschicht angeordnet ist;
ein amorphes Silizium in einer dritten Schicht, das eine obere und eine untere Hauptfläche hat und auf der oberen Hauptfläche der ersten Elektrodenschicht angeordnet ist;
eine "Ozean-Insel"-Bereichsmaterialschicht in einer vierten Schicht, die eine obere und eine untere Hauptfläche hat und auf der oberen Hauptfläche der amorphen Siliziumschicht ange ordnet ist;
eine zweite Elektrodenschicht in einer fünften Schicht, wel che eine obere und eine untere Hauptfläche hat und auf dem "Ozean-Insel"-Bereichsmaterial angeordnet ist, und
einen Photosensorteil, bei welchem die erste Elektroden schicht und die zweite Elektrodenschicht verbunden werden.

18. Photosensor aus photoleitfähigem Material nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß "Ozean"-Be reich des "Ozean-Insel"-Bereichsmaterials der Nah-Ordnung 1 entspricht, und daß ein "Insel"-Bereich der Nah-Ordnung 2 entspricht.