DE3732418A1 - Halbleiter-bauelement mit einem halbleiterbereich, in dem ein bandabstand kontinuierlich abgestuft ist - Google Patents

Halbleiter-bauelement mit einem halbleiterbereich, in dem ein bandabstand kontinuierlich abgestuft ist

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DE3732418A1 DE19873732418 DE3732418A DE3732418A1 DE 3732418 A1 DE3732418 A1 DE 3732418A1 DE 19873732418 DE19873732418 DE 19873732418 DE 3732418 A DE3732418 A DE 3732418A DE 3732418 A1 DE3732418 A1 DE 3732418A1
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Description

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

Claims (9)

1. Halbleiter-Bauelement aus einem Nichteinkristall-Material, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Siliziumatome, den Bandabstand einstellende Atome und das lokalisierte Energieniveau reduzierende Atome enthält und einen Bereich hat, in dem ein Bandabstand an wenigstens einer Stelle außer der Übergangsstelle kontinuierlich abgestuft ist und von einem Leitfähigkeitsband und einem Valenzband nur eins kontinuierlich abgestuft ist.
2. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Bandabstand einstellenden Atome den Bandabstand ausdehnende Atome sind.
3. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Bandabstand ausdehnenden Atome wenigstens einer der unter Kohlenstoffatomen, Stickstoffatomen und Sauerstoffatomen ausgewählten Atomarten angehören.
4. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Bandabstand einstellenden Atome den Bandabstand verkleinernde Atome sind.
5. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Bandabstand verkleinernden Atome wenigstens einer der unter Germaniumatomen und Zinnatomen ausgewählten Atomarten angehören.
6. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das lokalisierte Energieniveau reduzierenden Atome wenigstens eine unter Wasserstoffatomen und Fluoratomen ausgewählte Atomart umfassen.
7. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl der genannten Bereiche vorhanden ist.
8. Transistor mit einem Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1.
9. Diode mit einem Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1.
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