DE2507232A1

DE2507232A1 - Strahlungsdetektor und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2507232A1
Application number: DE19752507232
Authority: DE
Inventors: Henry Kressel
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-03-01
Filing date: 1975-02-20
Publication date: 1975-09-11
Also published as: AU7847175A; CA1023833A; FR2262865B1; FR2262865A1; GB1490799A; JPS50120789A

Description

Dipl.-Ing. H. Sauerland ■ Dr.-Iny. R. König · Dipl.-Ing. K. Bergen Patentanwälte ■ 4000 Düsseldorf 30 · Cecilienallee 7b · Telefon 432733

19« Februar 1975 29 813 B

RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N.Y₀ 10020 (V.St.A.)

"Strahlungsdetektor und Verfahren zu dessen Herstellung"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strahlungsdetektor, insbesondere eine Halbleiter-Solarzelle, mit zwei aneinander angrenzenden Zonen aus Monokristallinem Halbleitermaterial, die entgegengesetzte Leitungstypen haben und zwischen sich einen PN-Übergang bilden«,

Halbleiter-Strahlungsdetektoren weisen generell einen Körper aus monokristallinem Halbleitermaterial des einen Leitungstyps, in der Regel N-leitend, auf, auf dessen einer Oberfläche eine dünne Schicht des entgegengesetzten Leitungstyps, in der Regel P-leitend, angeordnet istο Die dünne Schicht bildet mit dem Körper einen PN-Übergang. Wie in dem Artikel "The Photovoltaic Effect And Its Utilization" von P. Rappaport, RCA Review, Band XX, Nr₀ 3, September 1959, Seiten 373 bis 397, beschrieben wurde, erzeugt den Detektor treffende optische Strahlung einen Überschuß an Minoritätsträgern an jeder Seite des Übergangs» Die Überschußträger, welche sich im Abstand einer Diffusionslänge vom Übergang befinden, werden vom Übergang eingefangen und fließen über die Grenzschicht, wobei sie ihre Energie zu verringern suchen. Dieser Überschußträgerstrom ruft einen elektrischen Strom hervor, und wenn geeignete elektrische Verbindungen am Detektor vorgesehen sind, kann der erzeugte Strom abgeleitet werden.

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Eine Solarzelle ist ein Strahlungsdetektor, in welchem Lichtstrahlung in elektrische Energie umgewandelt wird_o Für die bestmögliche Umwandlung der einfallenden Strahlungsenergie in brauchbare elektrische Energie im Solarstrahlungsdetektor ist Voraussetzung, daß ein möglichst hoher Anteil der einfallenden Strahlung innerhalb einer Minoritätsträger-Diffusionslänge des einfangenden PN-Übergangs absorbiert wird. Da das Sonnenemissionsspektrum breit ist, wird ein großer Teil der Strahlung nur schwach absorbierte Daher muß die Diffusionslänge zur Erzielung eines hohen Umwandlungswirkungsgrades relativ lang sein. Um außerdem die Energieaufnahme in der Vorrichtung selbst zu minimalisieren, muß der Serienwiderstand der Zelle niedrig sein, während gleichzeitig Sorge dafür getragen werden muß, daß die Ohm'sehen Kontakte eine möglichst kleine Zone bedecken, damit von den Kontakten kein zu großer Teil der einfallenden Strahlung gesperrt wird. Bisher wurden derartige Strahlungsdetektoren generell dadurch hergestellt, daß in die Oberfläche des Körpers aus monokristallinem Halbleitermaterial Leitfähigkeitsmodifizierer zur Bildung der Oberflächenzone und des PN-Übergangs eindiffundiert wurden. Die Oberflächenzone ist sehr hoch dotiert, und zwar bis zur Lösbarkeitsgrenze des Halbleiters, um den Serienwiderstand zu minimalisieren. Dadurch wird die Dicke der Oberflächenzone auf Werte von etwa einem Um oder geringer begrenzt, da diese Dicke in derart hoch dotiertem Material der angenäherten Diffusionslänge entspricht β Daher ist der innerhalb der Oberflächenschicht absorbierte Anteil der einfallenden Strahlung gering, und es ist zur Erzielung eines wirksamen Einfangens der einfallenden Strahlung wesentlich, daß die Diffusionslänge in der nicht-diffundierten Zone des Bauelements sehr lang ist„ Um sowohl gute Über-

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gangseigenschaften durch Dotierstoffdiffusion als auch große Diffusionslängen in dem nicht-diffundierten Material zu erzielen, ist es notwendig, das Bauelement *us kristallinem Material mit relativ hoher kristalliner Perfektion herzustellen«, Außerdem muß das verwendete Halbleitermaterial einen niedrigen ■Verunreinigungsgrad an unerwünschten Dotierstoffen haben, welche die Minoritätsträger-Diffusionslänge verringern«. Daher machten "bisher "bekannte optische Halbleiterstrahlungsdetektoren hoher Güte die Verwendung von Halbleitermaterial hoher Qualität erforderlich, wodurch sie relativ kostspielig wurden«,

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Strahlungsdetektor mit hohem Absorptionsvermögen und entsprechend großem Wirkungsgrad vorzuschlagen, der vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist„

Ausgehend von einem Strahlungsdetektor der eingangs genannten Art, schlägt die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß die Dicke jeder der beiden Zonen vom PN-Übergang aus angenähert gleich der Minoritätsträger-Diffusionslänge ist. Zur Herstellung des Strahlungsdetektors wird auf der Oberfläche eines Substrats eine erste Schicht aus monokristallinem Halbleitermaterial des einen Leitungstyps und auf der ersten Schicht eine zweite Schicht aus monokristallinem Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitungstyps epitaktisch niedergeschlagen. Jede der Schichten hat dabei eine Dicke, die angenähert gleich einer Minoritätsträger-Diffusionslänge ist ο

In der Zeichnung, anhand der die Erfindung nachfolgend näher erläutert wird, ist eine Schnittansicht durch

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ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Strahlungsdetektors darstellt.

Der optische Strahlungsdetektor 10 weist ein flaches Substrat 12 mit zwei gegenüberliegenden ebenen Oberflächen 14 und 15 auf. Auf der Oberfläche 14 des Substrats 12 ist eine erste epitaktische Schicht 16 aus einem monokristallinen Halbleitermaterial aufgebaut. Auf der ersten epitaktischen Schicht 16 ist eine zweite Schicht 18 aus einem monokristallinen Halbleitermaterial angeordnet,, Die ersten und zweiten epitaktischen Schichten 16 und 18 haben entgegengesetzte Leitungstypen und bilden einen PN-Übergang 20. Das Substrat 12 kann aus irgendeinem Material bestehen, das sich als Kernbildner für das epitaktische Züchten der ersten Schicht 16 eignete Vorzugsweise ist das Substrat 12 aus demselben Halbleitermaterial wie die Schichten und 18 und hat auch den gleichen Leitungstyp wie die erste Schicht 16, jedoch höhere Leitfähigkeit. Auf der Oberfläche der zweiten Schicht 18 ist eine dünne Schicht 22 des gleichen Leitungstyps wie die zweite Schicht 18, jedoch von höherer Leitfähigkeit, aufgebaut«, Wenn daher die epitaktische Schicht 16 N-leitend ist, hat das Substrat 12 den Leitfähigkeitstyp N+, die zweite epitaktische Schicht 18 den P-Leitungstyp und die dünne Schicht 22 den Leitungstyp P+. Jedoch können Leitungstypen des Substrats 12 der ersten und zweiten epitaktischen Schichten 16 und 18 und der Schicht 22 auch umgekehrt vorgesehen werden.

Jede der ersten und zweiten epitaktischen Schichten und 18 hat eine Dicke vom PN-Übergang 20 aus, die im wesentlichen gleich der Diffusionslänge der Minorität sträger in der Schicht ist. Es ist außerdem erwünscht, daß jede der beiden epitaktischen Schichten

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16 und 18 so dick wie möglich ist. Die Minoritätsträger-Diffusionslänge eines Halbleitermaterials hängt von dessen Zusammensetzung, Dotierung und kristalliner Perfektion ab. Wenn epitaktische Schichten aus monokristallinem Silizium hergestellt werden, kann die Dicke dadurch auf einen Maximalwert gebracht werden, daß die epitaktischen Schichten aus kontaminationsfreiem Silizium gebildet werden. Bei dem Strahlungsdetektor 10 stellen die ersten und zweiten epitaktischen Schichten 16 und 18 die aktiven Zonen des Detektors dar. Das Substrat 12 dient als Träger für die aktiven Zonen und als Kontakt für die erste epitaktische Schicht 16. Die Oberflächenschicht 22 dient als Kontakt für die zweite epitaktische Schicht 18_O Eine Metallschichtelektrode 24 ist auf einem Teil der Oberfläche der Schicht 22 angeordnet, und eine Metallschichtelektrode 26 überzieht die freie Oberfläche 15 des Substrats 12, Die Elektroden 24 und 26 bestehen aus einem Metall, das einen guten Ohm¹sehen Kontakt mit dem für den Strahlungsdetektor 10 verwendeten Halbleitermaterial bildet.

Bei der Herstellung des Strahlungsdetektors 10 wird zunächst die erste epitaktische Schicht 16 auf der Oberfläche 14 des Substrats 12 epitaktisch niedergeschlagen. Sodann wird die zweite epitaktische Schicht 18 auf der ersten epitaktischen Schicht 16 epitaktisch niedergeschlagen» In der Endphase des Niederschiagens der zweiten epitaktischen Schicht 18 wird die Konzentration der Leitfähigkeitsmodifizierer erhöht, um die Schicht 22 höherer Leitfähigkeit auszubilden. Die epitaktischen Schichten 16 und 18 können nach bekannten, dem jeweils verwendeten besonderen Halbleitermaterial entsprechenden epitaktischen Nieder-

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Schlagsmethoden gebildet werden. Wenn der Strahlungsdetektor 10 jedoch aus Silizium besteht, erfolgt das Niederschlagen vorzugsweise bei niedriger Temperatur, um zu verhindern, daß etwa im Substrat 12 vorhandene Verunreinigungen in die epitaktischen Schichten eindiffundieren. Eine derartige Niederschlagsmethode ist in dem Artikel "Epitaxial Growth of Silicon Using Dichlorosilane j Growth on Single-Crystal Hemispere", von N.G. Goldsmith und P.H. Robinson, RCA Review, Band 34, Juni 1973, Seiten 358 bis 368, beschrieben. Die Metallschichtelektroden 24 und 26 können nach bekannten Methoden, z.B. durch Verdampfen in Vakuum, aufgebracht werden.

Im Betrieb des Strahlungsdetektors 10 tritt die die Oberflächenschicht 22 treffende Strahlung in die epitaktischen Schichten 16 und 18 ein und erzeugt überschüssige Minoritätsträger in den epitaktischen Schichten. Dies führt zur Erzeugung eines elektrischen Stromese Da beide epitaktischen Schichten 16 und 18.eine Dicke haben, die im wesentlichen gleich der Minoritätsträger-Diffusionslänge ist, werden im wesentlichen alle Überschußträger von dem PN-Übergang 20 eingefangen und zur Gewinnung von elektrischem Strom ausgenutzte Daher hat der Strahlungsdetektor einen hohen Wirkungsgrad. Durch Maximalisieren der Dicke der epitaktischen Schichten 16 und 18 wird auch die Absorption der Strahlungsenergie maximal, und es läßt sich ein maximaler Anteil an Überschußträgern erzielen. Darüber hinaus hat die erste epitaktische Schicht 16 einen Brechungsindex, der von demjenigen des Substrats 12 wegen der Unterschiede in der Konzentration der Leitfahigkextsmodifizierer verschieden ist. Daher reflektiert die Oberfläche 14 des Substrats 12 einen Teil der Strahlungsenergie, welche die erste epi-

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taktische Schicht 16 durchdringt, in die aktiven Zonen 16 iind 18 zurück. Der Unterschied in den Konzentrationen der Leitfähigkeitsmodifizierer in der ersten epitaktischen Schicht 14 und dem Substrat 12 wirkt auch als Sperrschicht für den Strom an erzeugten Überschußträgern von der ersten epitaktischen Schicht in das Substrat. Diese Faktoren verbessern den Wirkungsgrad des Strahlungsdetektors 10 weiter.

Die Herstellung des Strahlungsdetektors 10 aus zwei, auf einem Substrat niedergeschlagenen epitaktischen Schichten führt zu einer Anzahl von Vorteilen bei dem Strahlungsdetektor 1O₀ Die epitaktische Niederschlagsmethode schafft epitaktische Schichten guter Kristallqualität, selbst wenn das Substrat 12 geringere Kristallqualität besitzt. Dies ermöglicht die Verwendung von Substraten schlechterer Kristallqualität zur Kostenersparnis, während die aktiven Zonen zur Erzielung guter elektrischer Eigenschaften eine gute Kristallqualität haben. Aufgrund der vorgesehenen epitaktischen Niederschlagsmethode können aktive Zonen der gewünschten Dicke leichter und schneller als bei der bisher verwendeten Diffusionsmethode gebildet werden«,

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Claims

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RGA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N₀Y. 10020 (V.St.A.)

Patentansprüche;

Strahlungsdetektor mit zwei aneinander angrenzenden Zonen entgegengesetzten Leitungstyps aus monokristallinem Halbleitermaterial, die zwischen sich einen PN-Übergang bilden, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke jeder der beiden Zonen (16, 18) vom PN-Übergang (20) aus angenähert gleich der Minoritätsträger-Diffusionslänge ist.

Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine (16) der beiden Zonen (16, 18) aus einer auf einer Oberfläche (14) eines Substrats (12) aufgebauten ersten epitaktischen Schicht und die andere (18) der beiden Zonen aus einer auf der ersten epitaktischen Schicht aufgebauten zweiten epitaktischen Schicht besteht.

3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (12) aus dem gleichen Halbleitermaterial besteht wie die erste epitaktische Schicht (16) und den gleichen Leitungstyp bei höherer Leitfähigkeit aufweist.

4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Oberfläche der zweiten epitaktischen Schicht (18) eine dünne Schicht (22) angeordnet ist, die den gleichen Leitungstyp jedoch höherer Leitfähigkeit als die zweite epitaktische Schicht aufweist,,

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5_f Strahlungsdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß eine Metallelektrode (24) auf einem Teil der dünnen Schicht (22) und eine weitere Metallelektrode (26) auf dem Substrat (12) angeordnet sind.

6. Verfahren zum Herstellen eines Strahlungsdetektors, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Oberfläche eines Substrats eine erste Schicht aus monokristallinem Halbleitermaterial des einen Leitungstyps mit einer im wesentlichen der Minoritätsträger-Diffusionslänge gleichen Dicke niedergeschlagen wird, und daß auf der ersten Schicht eine zweite Schicht aus monokristallinem Halbleitermaterial eines demjenigen der ersten Schicht entgegengesetzten Leitungstyps niedergeschlagen wird, die eine im wesentlichen der Minoritätsträger-Diffusionslänge gleiche Dicke hat.

7« Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Schichten epitaktisch niedergeschlagen werden.

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