WO2018039690A1 - Optoelektronischer infrarotsensor - Google Patents

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WO2018039690A1
WO2018039690A1 PCT/AT2017/050023 AT2017050023W WO2018039690A1 WO 2018039690 A1 WO2018039690 A1 WO 2018039690A1 AT 2017050023 W AT2017050023 W AT 2017050023W WO 2018039690 A1 WO2018039690 A1 WO 2018039690A1
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WO
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semiconductor layer
silicon
layer
infrared sensor
metal oxide
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Application number
PCT/AT2017/050023
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English (en)
French (fr)
Inventor
Eric Daniel GLOWACKI
Mile IVANDA
Vedran DEREK
Niyazi Serdar Sariciftci
Original Assignee
Universität Linz
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Publication date
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    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
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    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H01L31/074—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type comprising a heterojunction with an element of Group IV of the Periodic Table, e.g. ITO/Si, GaAs/Si or CdTe/Si solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/10—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation comprising heterojunctions between organic semiconductors and inorganic semiconductors

Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic infrared sensor having a first and a second semiconductor layer each connected to an electrode, wherein the first semiconductor layer of silicon forms a heterojunction with the second semiconductor layer.
  • Infrared sensors are major components in many optoelectronic
  • Indium gallium arsenide prevails in most applications, although the toxicity of the starting materials and the integration into microelectronics based on silicon leads to difficulties. Silicon based near infrared sensors would therefore be an advantageous alternative to infrared indium gallium arsenide based sensors. There were therefore many
  • Indium gallium arsenide compete.
  • optoelectronic infrared sensors are known (WO
  • the inorganic semiconductor layer preferably consists of a p-doped silicon layer, the with a semiconductor layer based on a fullerene the
  • Infrared range based photocurrent can be used to detect infrared radiation.
  • the detectable by this measure increase in the sensitivity of the infrared sensor by ten to five hundred times compared to infrared sensors with an unstructured interface between the inorganic and organic semiconductor layers can not be explained by the structuring-related increase in the hetero junction-forming boundary layer, as well the functionality of such
  • Infrared sensor at room temperature is surprising, especially since these effects are not observed in an n-doped silicon layer.
  • the light absorption in the near infrared range is between 2 and 1.2 ⁇ through the structured silicon layer in comparison to a planar silicon layer even 1-5% lower, which is an average of one hundredfold, in contrast to the detectable, extraordinary increase in photocurrent current.
  • Semiconductor layer is, however, that due to the relatively low charge carrier mobility of organic semiconductors with a total of bad
  • the invention is therefore based on the object, an optoelectronic
  • the invention solves the problem set by the fact that the second semiconductor layer is constructed of a metal oxide semiconductor.
  • near-infrared optoelectronic sensors can be fabricated which, compared to infrared sensors, have a
  • Heterojübergang between a silicon semiconductor layer and an organic semiconductor layer have significantly better electrical properties, because for this purpose, the comparatively high charge mobility of the metal oxide based semiconductors can be used. Besides that is a good one
  • Semiconductor layer of a metal oxide semiconductor may be constructed with a negative polarity of the majority charge carriers.
  • the sensitivity of sensors for the near infrared range can also be significantly increased when using a metal oxide semiconductor layer in conjunction with a silicon-based semiconductor layer by virtue of the fact that the first semiconductor layer has a nanostructured and / or microstructured one Has surface layer and that the second semiconductor layer completely covers the structured surface layer of the first semiconductor layer as a thin film.
  • the nanostructure of the surface layer of the silicon layer can be produced by a chemical or electrochemical etching process in a manner known per se. Microstructures may be formed by expanding the pores of a nanostructure through a subsequent chemical etching step or processes
  • micropyramids can be obtained by means of anisotropic etching. Particularly favorable conditions for structuring can be achieved when using a silicon having a ⁇ 100> or a ⁇ 1 1 1> orientation, because the ⁇ 1 1 1> crystal facets of the silicon are selective for forming a pyramidal structuring by means of appropriate etching processes be released. Decisive in the structuring of the surface layer of the silicon is that edges, tips and / or corners are formed by the selected structuring, which cause an increase in the electric field strength, as is the case in particular with micropyramids. The depth of the
  • Structuring can range from a few nm to a few ⁇ m.
  • metal oxide semiconductors ZnO, Sn 2 O, T 2 O 2, ⁇ 2 O 3, GalnZnO, InZnO, HflnZnO and TiZnSnO in particular have been recommended, with zinc oxide and titanium (IV) oxide having the best experience in practice.
  • These metal oxide semiconductors are advantageously applied in a layer thickness of 10 nm to 150 nm to the structured surface layer of the silicon semiconductor layer, wherein different, proven methods can be used. Short description of the drawing
  • Fig. 1 an optoelectronic infrared sensor according to the invention in one
  • Fig. 2 shows the silicon layer with a metal oxide semiconductor layer receiving nanostructured surface layer
  • FIG. 3 shows the current density profile versus the voltage of infrared sensors with a nanostructured silicon semiconductor layer in comparison to FIG.
  • the optoelectronic infrared sensor forms a photodiode, which is composed of a first semiconductor layer 1 formed by a p-doped silicon layer and a second semiconductor layer 2 of a metal oxide, wherein between the first semiconductor layer 1 and the second Semiconductor layer 2 results in a heterojunction.
  • the first and second semiconductor layers 1, 2 are each connected to an electrode 3, 4, for example
  • Photodiode with a near infrared radiation 5 takes place from the side of the first semiconductor layer 1 based on silicon.
  • the silicon layer is effective as a filter for the exciting radiation, so that due to the size of the band gap of the silicon, the radiation range can be used only up to about 1, 1 eV.
  • the detectable radiation is limited by the electronic structure which is formed by the heterojunction determining boundary layer between the two semiconductor layers 1 and 2.
  • the first semiconductor layer 1 based on silicon is provided with a nano- and / or microstructured surface layer 6, as indicated in FIG.
  • a pore structure can for example by a electrochemical etching of the monocrystalline silicon layer can be achieved by known methods. But there are also other known methods for surface structuring used, as the following examples prove. example 1
  • Charge carrier density in the range of 10 13 to 10 15 cm -3 is used as a substrate, wherein an electrode preferably made of aluminum on one side of the silicon substrate is applied so that a window for the passage of infrared radiation at close range remains free.
  • the silicon substrate is provided with a nanostructured surface layer in the form of pores formed by electrochemical anodization in 48% hydrofluoric acid. After drying and cleaning in accordance with conventional methods, the
  • the silicon substrate was vacuum heated to 580 ° C by flash-annealing and then cooled to 70 ° C.
  • the silicon substrate pre-fabricated in this manner is then ready for coating with a metal oxide semiconductor layer.
  • the p-doped silicon substrate with a ⁇ 100> crystal orientation does not undergo electrochemical anodization
  • the silicon substrate is vacuum heated to 580 ° C. by flashlamp annealing and then cooled to 70 ° C. before the substrate can be provided with a metal oxide semiconductor layer.
  • a silicon substrate according to Examples 1 and 2 is used to form a porous surface layer of an electrochemical anodization in a
  • the silicon substrate is treated by an anisotropic etching method according to Example 2.
  • Example 5 For structuring the surface layer of a substrate made of a p-doped, ⁇ 100> -oriented silicon with a charge carrier density in the range of 10 17 to 10 20 cm -3 , the silicon substrate is treated by an anisotropic etching method according to Example 2.
  • Example 5 For structuring the surface layer of a substrate made of a p-doped, ⁇ 100> -oriented silicon with a charge carrier density in the range of 10 17 to 10 20 cm -3 , the silicon substrate is treated by an anisotropic etching method according to Example 2.
  • Example 5 For structuring the surface layer of a substrate made of a p-doped, ⁇ 100> -oriented silicon with a charge carrier density in the range of 10 17 to 10 20 cm -3 , the silicon substrate is treated by an anisotropic etching method according to Example 2.
  • a p-doped, monocrystalline, ⁇ 100> -oriented silicon substrate with a carrier density in the range between 10 17 to 10 20 cm -3 is provided with a structured surface layer according to Example 1, before it is coated with a metal oxide semiconductor.
  • Polycrystalline silicon is deposited on a substrate by a chemical vapor deposition method or by a method other than silicon layer,
  • Example 7 preferably quartz glass or a glass of high optical quality, applied.
  • the desired p-type doping is initiated and an ohmic metal contact is applied.
  • the porous surface layer of the silicon layer is provided by means of electrochemical or chemical processes in a region which determines the active region of the infrared sensor. After a standardized cleaning process, a metal oxide semiconductor layer can then be applied.
  • a polycrystalline silicon is used as the active layer of a substrate according to Example 6. After the porous surface layer is formed, an existing pore-expanding method is used to enlarge the pores so that the incident light can be better utilized at the desired near-wavelength wavelength.
  • Example 8
  • a p-doped, ⁇ 100> -oriented silicon with a carrier density in the range of 10 17 to 10 20 cm -3 is evaporated with an electrode
  • Metal-assisted etching using metallic nanoparticles, preferably of silver, is applied, which is physically or chemically deposited on the silicon surface, to be subsequently exposed to a solution of hydrogen peroxide and fluorine ions. This method gives a nanowire-like
  • Silicon substrates may also be any suitable silicon substrates.
  • the metal oxide semiconductor layer as a sol-gel layer to the structured surface of the silicon substrate by means of a dip coating in order to achieve a conformal coating with a uniform layer thickness. It can also be a sol-gel process using a
  • Coating the surface-structured silicon substrate with a metal oxide occur or the metal oxide semiconductor layer are applied by a thermal vapor deposition or laser beam evaporation. After all, it depends only on the respectively used metal oxide semiconductor layer, preferably based on zinc oxide or titanium (IV) oxide as a thin film in a uniform Thickness of z. B. 10 nm to 150 nm, preferably from 40 to 100 nm, applied to the structured surface layer of the silicon substrate.
  • An electrode for example made of aluminum, can then be vapor-deposited onto the metal-oxide semiconductor layer to complete the infrared sensor.
  • the sensitivity of the infrared sensors according to the invention with a silicon substrate according to Examples 1 to 9 and a metal oxide semiconductor layer of zinc oxide or titanium (IV) oxide begins at 2700 ⁇ , with a peak sensitivity in the range of 1, 5 ⁇ could be found.
  • FIG. 3 shows the current density profile compared to an infrared sensor with a comparable heterojunction, but without nanostructuring of the surface of the silicon layer.
  • V the voltage in V
  • cm 2 the current density in mA / cm 2 in a logarithmic
  • the infrared radiation was in each case with 40 mW / cm 2 at a wavelength of 1, 55 ⁇ .

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Abstract

Es wird ein optoelektronischer Infrarotsensor mit einer ersten und einer zweiten je an eine Elektrode (3, 4) angeschlossenen Halbleiterschicht (1, 2) beschrieben, wobei die erste Halbleiterschicht (1) aus Silizium mit der zweiten Halbleiterschicht (2) einen Heteroübergang bildet. Um vorteilhafte elektrische Eigenschaften zu erhalten, wird vorgeschlagen, dass die zweite Halbleiterschicht (2) aus einem Metalloxid-Halbleiter aufgebaut ist.

Description

Optoelektronischer Infrarotsensor
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen optoelektronischen Infrarotsensor mit einer ersten und einer zweiten je an eine Elektrode angeschlossenen Halbleiterschicht, wobei die erste Halbleiterschicht aus Silizium mit der zweiten Halbleiterschicht einen HeteroÜbergang bildet.
Infrarotsensoren sind Hauptkomponenten in vielen optoelektronischen
Vorrichtungen, wie sie in der Telekommunikation, in der Sensortechnik und in der Bildtechnik verwendet werden. Sensoren für nahes Infrarot werden üblicherweise unter Einsatz von Halbleitern mit einer niedrigen Bandlücke gefertigt, wobei
Indiumgalliumarsenid in den meisten Anwendungsfällen vorherrscht, obwohl die Toxizität der Ausgangsmaterialien und die Integration in eine Mikroelektronik auf Basis von Silizium zu Schwierigkeiten führt. Sensoren für nahes Infrarot auf Siliziumbasis würden daher eine vorteilhafte Alternative zu den Infrarotsensoren auf Basis von Indiumgalliumarsenid darstellen. Es wurden daher vielfache
Versuche unternommen, Sensoren für nahes Infrarot auf der Basis von Silizium anzugeben, doch konnten die bekannten Infrarotsensoren dieser Art aufgrund unterschiedlicher Nachteile nicht mit den Sensoren auf der Basis von
Indiumgalliumarsenid konkurrieren. So sind beispielsweise optoelektronische Infrarotsensoren bekannt (WO
09/023881 A1 ), die eine mit einer organischen Halbleiterschicht einen
HeteroÜbergang bildende anorganische Halbleiterschicht aufweisen, wobei die anorganische Halbleiterschicht bevorzugt aus einer p-dotierten Siliziumschicht besteht, die mit einer Halbleiterschicht auf der Basis eines Fullerens den
HeteroÜbergang bildet. Nachteilig bei diesen bekannten Infrarotsensoren ist allerdings, dass die beiden Halbleiterschichten gekühlt werden müssen. Mit zunehmender Kühlung steigt der auf einer Absorption der Strahlung im
Infrarotbereich beruhende Photostrom an und kann zum Detektieren infraroter Strahlung genützt werden.
Darüber hinaus wurden bereits Infrarotsensoren für den nahen Infrarotbereich vorgeschlagen (Mateusz Bednorz, Gebhard J. Matt, Eric D. Glowacki, Thomas Fromherz, Christoph J. Brabec, Markus C. Scharber, Helmut Sitter, N. Serdar Sariciftci: Silicon/organic hybrid heterojunction infrared photodetector operating in the telecom regime; Organic Electronics, Volume 14, Mai 12013, S. 1344-1350 ), die auf einem HeteroÜbergang zwischen einer p-dotierten Siliziumhalbleiterschicht und einem organischen Halbleiter auf der Basis eines Perylenderivats aufbauen und eine photovoltaische Wirkung bis zu 2,7 μιη (0,46 eV) zeigen, also einem Wert, der deutlich niedriger als die Bandlücke der beiden Halbleitermaterialien ist. Trotzdem bleibt die Ansprechempfindlichkeit für einen industriellen Einsatz zu gering. Um einen optoelektronischen Infrarotsensor mit einem HeteroÜbergang zwischen einer Siliziumschicht und einer organischen Halbleiterschicht so auszugestalten, dass eine hohe Ansprechempfindlichkeit für einen durch eine nahe
Infrarotstrahlung bedingten Photostrom sichergestellt werden kann, ohne eine Kühlung der Halbleiterschichten vornehmen zu müssen, wurde schließlich vorgeschlagen (WO 2016/015077 A1 ), die organische Halbleiterschicht auf einer nanostrukturierten und/oder mikrostrukturierten Oberflächenschicht der
Siliziumschicht vorzusehen. Der durch diese Maßnahme feststellbare Anstieg der Ansprechempfindlichkeit des Infrarotsensors um das Zehn- bis Fünfhundertfache im Vergleich zu Infrarotsensoren mit einer un strukturierten Grenzfläche zwischen den anorganischen und organischen Halbleiterschichten lässt sich mit der durch die Strukturierung bedingten Vergrößerung der den HeteroÜbergang bildenden Grenzschicht nicht erklären, wie auch die Funktionsfähigkeit eines solchen
Infrarotsensors bei Raumtemperatur überraschend ist, zumal diese Effekte bei einer n-dotierten Siliziumschicht nicht beobachtet werden. Es hat sich vielmehr gezeigt, dass die Lichtabsorption im nahen Infrarotbereich zwischen 2 und 1 ,2 μιη durch die strukturierte Siliziumschicht im Vergleich zu einer ebenen Siliziumschicht sogar um 1 bis 5 % niedriger ausfällt, was im Gegensatz zu der feststellbaren, außergewöhnlichen Steigerung des Photokurzschlussstroms durchschnittlich um das Hundertfache steht. Obwohl eine Erklärung dieser überraschenden Wirkungen in erster Linie von einem zufriedenstellenden Verständnis der
Ladungsträgeranregung im HeteroÜbergang zwischen dem p-dotierten Silizium und dem organischen Halbleiter abhängt, wird angenommen, dass die durch die Strukturierung der Siliziumschicht bedingte Änderung der elektrischen Feldstärke im Bereich der strukturbedingten Kanten und Spitzen des HeteroÜbergangs einen maßgebenden Einfluss nimmt. Nachteilig bei den bekannten optoelektronischen Infrarotsensoren mit einem HeteroÜbergang zwischen einer Siliziumschicht und einer organischen
Halbleiterschicht ist allerdings, dass aufgrund der vergleichsweise niedrigen Ladungsträgermobilität organischer Halbleiter mit insgesamt schlechten
elektrischen Eigenschaften gerechnet werden muss, wozu noch eine häufig nicht zufriedenstellende Alterungsbeständigkeit der organischen Halbleiterschichten kommt.
Um bei Photovoltaikelementen auf Siliziumbasis den Loch-Rekombinationsstrom zu verringern ist es bekannt (WO 2013/138635 A1 ) einen HeteroÜbergang zwischen einer p-dotierte Siliziumschicht und einer Titanoxidschicht vorzusehen, die einen unbehinderten Elektronendurchtritt erlaubt, den Löchertransport aus dem Siliziumhalbleiter aber behindert.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen optoelektronischen
Infrarotsensor auf der Basis von Silizium anzugeben, der eine hohe
Ansprechempfindlichkeit für einen durch eine nahe Infrarotstrahlung bedingten Photostrom sicherstellt, und zwar bei guten elektrischen Eigenschaften. Ausgehend von einem optoelektronischen Infrarotsensor der eingangs
geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass die zweite Halbleiterschicht aus einem Metalloxid-Halbleiter aufgebaut ist.
Es hat sich in überraschender weise gezeigt, dass mithilfe von HeteroÜbergängen zwischen einem Halbleiter auf Siliziumbasis und einem Halbleiter auf der Basis eines Metalloxids optoelektronische Sensoren für den nahen Infrarotbereich hergestellt werden können, die im Vergleich zu Infrarotsensoren mit einem
HeteroÜbergang zwischen einer Silizium-Halbleiterschicht und einer organischen Halbleiterschicht erheblich bessere elektrische Eigenschaften aufweisen, weil zu diesem Zweck die vergleichsweise hohe Ladungsmobilität der Halbleiter auf Metalloxidbasis genützt werden kann. Außerdem ist eine gute
Alterungsbeständigkeit gegeben, sodass sich für den industriellen Einsatz vorteilhafte Voraussetzungen ergeben, zumal Halbleiter auf einer Metalloxidbasis wegen der Materialverfügbarkeit einfach hergestellt und mit herkömmlichen Verfahren dünnschichtig auf die Silizium-Halbleiterschicht aufgebracht werden können. Aufgrund jüngster Erkenntnisse wird hinsichtlich der überraschenden Wirkung davon ausgegangen, dass die Oberflächenzustände des Siliziums im Bereich des HeteroÜbergangs für die Infrarotempfindlichkeit maßgeblich sind und daher durch geeignete Maßnahmen stabilisiert werden müssen, wofür sich die Grenzschichten eines aufgebrachten Halbleiters aus einem Metalloxid vorteilhaft eignen.
Besonders günstige Konstruktionsbedingungen ergeben sich, wenn für die erste Halbleiterschicht auf Siliziumbasis ein p-dotiertes, monokristallines, aber auch polykristallines Silizium eingesetzt wird. In diesem Fall muss die zweite
Halbleiterschicht aus einem Metalloxid-Halbleiter mit einer negativen Polarität der Majoritätsladungsträger aufgebaut sein.
Die Ansprechempfindlichkeit von Sensoren für den nahen Infrarotbereich kann auch beim Einsatz einer Metalloxid-Halbleiterschicht in Verbindung mit einer Halbleiterschicht auf Siliziumbasis dadurch maßgeblich gesteigert werden, dass die erste Halbleiterschicht eine nanostrukturierte und/oder mikrostrukturierte Oberflächenschicht aufweist und dass die zweite Halbleiterschicht die strukturierte Oberflächenschicht der ersten Halbleiterschicht als Dünnschicht vollständig abdeckt. Die Nanostruktur der Oberflächenschicht der Siliziumschicht kann durch ein chemisches oder elektrochemisches Ätzverfahren in an sich bekannter Weise hergestellt werden. Mikrostrukturen können durch ein Aufweiten der Poren einer Nanostruktur durch einen nachfolgenden chemischen Ätzschritt oder die
Ausbildung von Mikropyramiden mit Hilfe anisotroper Ätzverfahren erhalten werden. Besonders günstige Voraussetzungen für eine Strukturierung können bei der Verwendung eines Siliziums mit einer <100>- oder einer <1 1 1 >- Orientierung erreicht werden, weil durch entsprechende Ätzverfahren die <1 1 1 >-Kristallfacetten des Siliziums zur Ausbildung einer pyramidenförmigen Strukturierung selektiv freigesetzt werden. Entscheidend bei der Strukturierung der Oberflächenschicht des Siliziums ist, dass durch die gewählte Strukturierung Kanten, Spitzen und/oder Ecken gebildet werden, die eine Erhöhung der elektrischen Feldstärke bedingen, wie dies insbesondere bei Mikropyramiden der Fall ist. Die Tiefe der
Strukturierung kann dabei zwischen einigen nm bis zu einigen μιη reichen.
Voraussetzung für die feststellbare, außergewöhnliche Steigerung des
Photokurzschlussstroms bis zum 800-Fachen ist, dass die organische
Halbleiterschicht die strukturierte Oberfläche der Siliziumschicht unter
Beibehaltung einer zumindest annähernd gleichbleibenden Schichtdicke vollflächig abdeckt, also der Nano- oder Mikrostrukturierung der Siliziumschicht folgt und keine geglättete Oberfläche bildet. Für die Strukturierung der Oberflächenschicht der Silizium-Halbleiterschicht kann durchaus auch eine Kombination einer Nano- und Mikrostrukturierung eingesetzt werden. Es kommt ja im Hinblick auf die Feldstärkenänderungen lediglich auf eine gleichmäßige Strukturverteilung an.
Als Metalloxid-Halbleiter haben sich insbesondere ZnO, SnÜ2, T1O2, Ιη2θ3, GalnZnO, InZnO, HflnZnO und TiZnSnO empfohlen, wobei mit Zinkoxid und Titan(IV)-oxid in der Praxis die besten Erfahrungen gesammelt werden kannten. Diese Metalloxid-Halbleiter werden vorteilhaft in einer Schichtdicke von 10 nm bis 150 nm auf die strukturierte Oberflächenschicht der Silizium-Halbleiterschicht aufgebracht, wobei unterschiedliche, bewährte Verfahren zum Einsatz kommen können. Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es
zeigen
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen optoelektronischen Infrarotsensor in einem
schematischen Querschnitt,
Fig. 2 die Siliziumschicht mit einer die Metalloxid-Halbleiterschicht aufnehmenden, nanostrukturierten Oberflächenschicht und die
Fig. 3 den Stromdichteverlauf über der Spannung von Infrarotsensoren mit einer nanostrukturierten Silizium-Halbleiterschicht im Vergleich zu
entsprechenden Infrarotsensoren ohne strukturierte Oberfläche der
Silizium-Halbleiterschicht.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, bildet der optoelektronische Infrarotsensor eine Photodiode, die aus einer durch eine p-dotierten Siliziumschicht gebildeten ersten Halbleiterschicht 1 und einer zweiten Halbleiterschicht 2 aus einem Metalloxid zusammengesetzt ist, wobei sich zwischen der ersten Halbleiterschicht 1 und der zweiten Halbleiterschicht 2 ein HeteroÜbergang ergibt. Die erste und die zweite Halbleiterschicht 1 , 2 sind je an eine Elektrode 3, 4, beispielsweise aus
aufgedampftem Aluminium, angeschlossen sind. Die Beaufschlagung der
Photodiode mit einer nahen Infrarotstrahlung 5 erfolgt von der Seite der ersten Halbleiterschicht 1 auf Siliziumbasis. Dies bedeutet, dass die Siliziumschicht als Filter für die anregende Strahlung wirksam wird, sodass wegen der Größe der Bandlücke des Siliziums der Strahlungsbereich nur bis etwa 1 ,1 eV genützt werden kann. Nach unten wird die erfassbare Strahlung durch die elektronische Struktur begrenzt, die durch die den HeteroÜbergang bestimmende Grenzschicht zwischen den beiden Halbleiterschichten 1 und 2 gebildet wird.
Die erste Halbleiterschicht 1 auf Siliziumbasis ist mit einer nano- und/oder mikrostrukturierten Oberflächenschicht 6 versehen, wie dies in der Fig. 2 angedeutet ist. Eine solche Porenstruktur kann beispielsweise durch ein elektrochemisches Ätzen der monokristallinen Siliziumschicht nach bekannten Verfahren erreicht werden. Es sind aber auch andere bekannte Verfahren zur Oberflächenstrukturierung einsetzbar, wie dies die nachfolgenden Beispiele belegen. Beispiel 1
Ein p-dotiertes, monokristallines, <100>-orientiertes Silizium mit einer
Ladungsträgerdichte im Bereich von 1013 bis 1015 cm-3 wird als Substrat eingesetzt, wobei eine vorzugsweise aus Aluminium bestehende Elektrode auf einer Seite des Siliziumsubstrats so aufgebracht wird, dass ein Fenster für den Durchtritt einer Infrarotstrahlung im Nahbereich freibleibt. Das Siliziumsubstrat wird mit einer nanostrukturierten Oberflächenschicht in Form von Poren versehen, die durch eine elektrochemische Anodisierung in 48 %iger Flusssäure gebildet werden. Nach einem Trocknen und Reinigen entsprechend üblicher Verfahren wird das
Siliziumsubstrat im Vakuum durch ein Blitzlampentempern auf 580 °C erwärmt und dann auf 70 °C abgekühlt. Das in dieser Art vorgefertigte Siliziumsubstrat ist dann zur Beschichtung mit einer Metalloxid-Halbleiterschicht bereit.
Beispiel 2
Zum Unterschied zu Beispiel 1 wird das p-dotierte Siliziumsubstrat mit einer <100>-Kristallorientierung nicht einer elektrochemischen Anodisierung in
Flusssäure, sondern einem anisotropen Ätzen unter Einsatz einer KOH-
Isopropanol-Wassermischung ausgesetzt, um Mikropyramiden mit einem hohen Anteil von der Oberfläche zugekehrten <1 1 1 >-Facetten zu erzeugen. Nach einem Trocknen und Reinigen nach bekannten Verfahren wird das Siliziumsubstrat im Vakuum durch ein Blitzlampentempern auf 580 °C erwärmt und dann auf 70 °C abgekühlt, bevor das Substrat mit einer Metalloxid-Halbleiterschicht versehen werden kann.
Beispiel 3
Ein Siliziumsubstrat nach den Beispielen 1 und 2 wird zur Ausbildung einer porösen Oberflächenschicht einer elektrochemischen Anodisierung in einem
Elektrolyten unterworfen, der aus 0,25 M Tetrabutylamoniumperchlorat in Acetonitril mit 2 M HF besteht. Nach einem Trocknen und Reinigen nach bekannten Verfahren wird das Siliziumsubstrat im Vakuum durch ein
Blitzlampentempern auf 580 °C erwärmt und dann auf 70 °C abgekühlt und steht für eine Beschichtung mit einem Metalloxid-Halbleiter bereit. Beispiel 4
Zur Strukturierung der Oberflächenschicht eines Substrat aus einem p-dotierten, <100>-orientiertes Silizium mit einer Ladungsträgerdichte im Bereich von 1017 bis 1020 cm-3 wird das Siliziumsubstrat durch ein anisotropes Ätzverfahren nach Beispiel 2 behandelt. Beispiel 5
Ein p-dotiertes, monokristallines, <100>-orientiertes Siliziumsubstrat mit einer Ladungsträgerdichte im Bereich zwischen 1017 bis 1020 cm-3 wird mit einer strukturierten Oberflächenschicht gemäß Beispiel 1 versehen, bevor es mit einem Metalloxid-Halbleiter beschichtet wird. Beispiel 6
Polykristallines Silizium wird durch ein chemisches Gasabscheidungsverfahren oder durch ein anderes Verfahren als Siliciumschicht auf ein Substrat,
vorzugsweise Quarzglas oder ein Glas hoher optischer Qualität, aufgebracht. Die gewünschte p- Dotierung wird eingeleitet und ein ohmscher Metallkontakt angebracht. Die poröse Oberflächenschicht der Siliziumschicht wird mit Hilfe elektrochemischer oder chemischer Verfahren in einem Bereich vorgesehen, die den aktiven Bereich des Infrarotsensors bestimmt. Nach einem standardisierten Reinigungsverfahren kann dann eine Metalloxid-Halbleiterschicht aufgebracht werden. Beispiel 7
Ein polykristallines Silizium wird als aktive Schicht eines Substrats entsprechend dem Beispiel 6 verwendet. Nach der Herstellung der porösen Oberflächenschicht wird ein die bestehenden Poren erweiterndes Verfahren angewandt, um die Poren zu vergrößern, sodass das einfallende Licht bei der gewünschten Wellenlänge im Nahbereich besser genützt werden kann. Beispiel 8
Ein p-dotiertes, <100>-orientiertes Silizium mit einer Ladungsträgerdichte im Bereich von 1017 bis 1020 cm-3 wird mit einer Elektrode aus aufgedampftem
Aluminium versehen. Es wird ein metallgestütztes Ätzen unter Einsatz von metallischen Nanopartikeln, vorzugsweise aus Silber, angewendet, die auf der Siliziumoberfläche physikalisch oder chemisch abgeschieden werden, um anschließend einer Lösung aus Wasserstoffperoxid und Fluorionen ausgesetzt zu werden. Dieses Verfahren ergibt eine nanodrahtartige
Säulenoberflächenmorphologie. Nach dieser Nanostrukturierung der
Oberflächenschicht wird das Substrat wiederum nach einem Trocknen und
Reinigen einer Erwärmung im Vakuum durch ein Blitzlampentempern auf 580 °C und einer anschließenden Kühlung auf 70 °C ausgesetzt
Beispiel 9
Es wird wie im Beispiel 8 eine Nanodrahtstruktur des Siliziumsubstrats
vorgesehen. Allerdings wird ein monokristallines, <1 1 1 >-orientiertes Silizium verwendet.
Zum Beschichten der nach den Beispielen 1 bis 9 mit einer strukturierten
Oberflächenschicht 6 versehenen Siliziumsubstrate können ebenfalls
unterschiedliche, bekannte Verfahren zum Einsatz kommen. So ist es
beispielsweise möglich die Metalloxid-Halbleiterschicht als Sol-Gel-Schicht durch eine Tauchbeschichtung auf die strukturierte Oberfläche des Siliziumsubstrats aufzubringen, um eine konforme Beschichtung mit einheitlicher Schichtdicke zu erreichen. Es kann aber auch ein Sol-Gel-Prozess mithilfe einer
Schleuderbeschichtung durchgeführt werden. Anstelle eines Sol-Gel-Prozesses kann aber auch beim Vorsehen eines
entsprechenden Metalltargets ein reaktives Hochfrequenzsputtern zur
Beschichtung des oberflächenstrukturierten Siliziumsubstrats mit einem Metalloxid treten oder die Metalloxid-Halbleiterschicht durch ein thermisches Aufdampfen oder ein Laserstrahlverdampfen aufgebracht werden. Es kommt ja nur darauf an, die jeweils zum Einsatz kommende Metalloxid-Halbleiterschicht, vorzugsweise auf Basis von Zinkoxid oder Titan(IV)-oxid als Dünnschicht in einer gleichmäßigen Dicke von z. B. 10 nm bis 150 nm, vorzugsweise von 40 bis 100 nm, auf die strukturierte Oberflächenschicht des Siliziumsubstrats aufzutragen. Auf die Metalloxid-Halbleiterschicht kann dann zur Vervollständigung des Infrarotsensors eine Elektrode beispielsweise aus Aluminium aufgedampft werden. Die Ansprechempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Infrarotsensoren mit einem Siliziumsubstrat gemäß den Beispielen 1 bis 9 und einer Metalloxid- Halbleiterschicht aus Zinkoxid oder Titan(IV)-oxid beginnt bei 2700 μιη, wobei eine Spitzenempfindlichkeit im Bereich von 1 ,5 μιη festgestellt werden konnte.
Aus der Fig. 3 wird der Stromdichteverlauf gegenüber einem Infrarotsensor mit einem vergleichbaren HeteroÜbergang, jedoch ohne Nanostrukturierung der Oberfläche der Siliziumschicht deutlich. Auf der Abszisse ist die Spannung in V und auf der Ordinate die Stromdichte in mA/cm2 in einem logarithmischen
Maßstab aufgetragen. Der Stromdichteverlauf 7 eines Infrarotsensors auf der Basis eines Siliziumsubstrats gemäß Beispiel 2 ist mit einer vollen Linie
gegenüber dem strichliert eingezeichneten Stromdichteverlauf 8 des
un strukturierten Vergleichsbeispiels eingezeichnet. Die Infrarotbestrahlung erfolgte jeweils mit 40 mW/cm2 bei einer Wellenlänge von 1 ,55 μιη.

Claims

Patentansprüche
1 . Optoelektronischer Infrarotsensor mit einer ersten und einer zweiten je an eine Elektrode (3, 4) angeschlossenen Halbleiterschicht (1 , 2), wobei die erste Halbleiterschicht (1 ) aus Silizium mit der zweiten Halbleiterschicht (2) einen
5 HeteroÜbergang bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Halbleiterschicht (2) aus einem Metalloxid-Halbleiter aufgebaut ist.
2. Optoelektronischer Infrarotsensor nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Halbleiterschicht (1 ) aus p-dotiertem Silizium und die zweite Halbleiterschicht (2) aus einem Metalloxid-Halbleiter mit einer negativen o Polarität der Majoritätsladungsträger aufgebaut sind.
3. Optoelektronischer Infrarotsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbleiterschicht (1 ) eine nanostrukturierte und/oder mikrostrukturierte Oberflächenschicht (6) aufweist und dass die zweite Halbleiterschicht (2) die Oberflächenschicht (6) der ersten Halbleiterschicht (1 ) als5 Dünnschicht vollständig abdeckt.
4. Optoelektronischer Infrarotsensor nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass als erste Halbleiterschicht (1 ) ein p-dotiertes Silizium mit einer <100>- oder <1 1 1 >-Orientierung vorgesehen ist.
5. Optoelektronischer Infrarotsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
0 dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Halbleiterschicht (2) aus einem
Metalloxid der ZnO, SnO2, T1O2, ln2O3, GalnZnO, InZnO, HflnZnO und TiZnSnO enthaltenden Gruppe von Metalloxiden aufgebaut ist.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003093857A2 (en) 2002-05-03 2003-11-13 Donnelly Corporation Object detection system for vehicle
US7526103B2 (en) 2004-04-15 2009-04-28 Donnelly Corporation Imaging system for vehicle
WO2008024639A2 (en) 2006-08-11 2008-02-28 Donnelly Corporation Automatic headlamp control system

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020053395A1 (en) * 1999-04-21 2002-05-09 Sharp Kabushiki Kaisha Titanium oxide film and production apparatus of titanium oxide film
US20030015719A1 (en) * 2001-07-19 2003-01-23 Koichi Haga Zinc oxide semiconductor member formed on silicon substrate
US20080116454A1 (en) * 2005-01-25 2008-05-22 Kodenshi Corporation Photodiode Having Hetero-Junction Between Semi-Insulating Zinc Oxide Semiconductor Thin Film And Silicon
US20090283138A1 (en) * 2008-05-19 2009-11-19 Tatung Company High performance optoelectronic device
US20100276731A1 (en) * 2009-05-04 2010-11-04 Brookhaven Science Associates, Llc. Inorganic Nanocrystal Bulk Heterojunctions
US20150034159A1 (en) * 2012-03-14 2015-02-05 The Trustees Of Princeton University Hole-blocking TiO2/Silicon Heterojunction for Silicon Photovoltaics
EP3054488A1 (de) * 2013-10-04 2016-08-10 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Solarzelle, solarzellenherstellungsverfahren, halbleiterelement und halbleiterherstellungsverfahren

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3249709A1 (de) * 2007-04-27 2017-11-29 Merck Patent GmbH Organische photovoltaische zellen
KR20120095790A (ko) * 2011-02-21 2012-08-29 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 광전 변환 장치
AT516109A1 (de) * 2014-07-29 2016-02-15 Universität Linz Optoelektronischer Infrarotsensor

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020053395A1 (en) * 1999-04-21 2002-05-09 Sharp Kabushiki Kaisha Titanium oxide film and production apparatus of titanium oxide film
US20030015719A1 (en) * 2001-07-19 2003-01-23 Koichi Haga Zinc oxide semiconductor member formed on silicon substrate
US20080116454A1 (en) * 2005-01-25 2008-05-22 Kodenshi Corporation Photodiode Having Hetero-Junction Between Semi-Insulating Zinc Oxide Semiconductor Thin Film And Silicon
US20090283138A1 (en) * 2008-05-19 2009-11-19 Tatung Company High performance optoelectronic device
US20100276731A1 (en) * 2009-05-04 2010-11-04 Brookhaven Science Associates, Llc. Inorganic Nanocrystal Bulk Heterojunctions
US20150034159A1 (en) * 2012-03-14 2015-02-05 The Trustees Of Princeton University Hole-blocking TiO2/Silicon Heterojunction for Silicon Photovoltaics
EP3054488A1 (de) * 2013-10-04 2016-08-10 Asahi Kasei Kabushiki Kaisha Solarzelle, solarzellenherstellungsverfahren, halbleiterelement und halbleiterherstellungsverfahren

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