SE433788B - Anordning innefattande ett skikt av direktgaphalvledarmaterial av p-typ i intim kontakt med ett elektriskt hoggradigt ledande, genomsynligt material - Google Patents

Description

7801408-1 10 15 20 25 30 35 40 2 kommersiell skala. Indium-tennoxid har exempelvis avsatts på en mångfald olika sätt (för åskådlighets skull se Fraser, D B, Proceedings of IEEE, 61, 1013-1018, (1973) förstoftning; Groth, R och Kaver, E, Phillips Technical Review, 26, 105 (1965) pyrolys; och Kawe, J och medarbetare, Thin Solid Films, 29, 155-163 (1975) kemisk ångavsättníng).

Trots fördelarna med användningen av ett höggradigt ledande fönsterskíkt finnes ofta motverkande olägenheter. Gränsskiktet mellan ett höggradigt ledande skikt och ett mindre ledande halv- ledarskikt bildar exempelvis vanligen ett spärrskikt av Schottky- typ. Sådana spärranordningar har ofta lägre verkningsgrader än de som erhålles med typiska heteroövergàngshalvledaranordningar.

Svårigheten att framställa en polykristallin anordning i form av tunn film, dvs en anordning med ett polykristallint, aktivt halv- ledaromrâde, med ett höggradigt ledande fönsterområde är även ett betydande problem. Fönstret mäste vara tillräckligt tunt för att överföra en betydande andel, t ex åtminstone 50 % av infallande solenergi. För höggradigt ledande material, såsom metaller, styr denna fordran ofta en fönsterskiktstjocklek av mindre än 15 nm.

När sådana tunna skikt är avsatta på den relativt oregelbundna ytan på det tunna, polykristallina, aktiva halvledarskiktet, kan emellertid en kontinuerlig beläggning vanligen icke erhållas.

Dessa beläggningsdiskontinuiteter gör framställningen av använd- bara polykristallina anordningar i form av tunn film med höggra- digt ledande fönsterområden opraktisk.

En anordning med ett höggradigt ledande fönsterområde och ett aktivt enkristallområde med en godtagbar effektöverförings- verkningsgrad är därför en önskvärd enhet. En sådan anordning är speciellt fördelaktig, om den polykristallina utföringsformen, dvs anordningen med ett höggradigt ledande fönsterområde och ett polykristallínt, aktivt halvledarområde, är verksam.

En anordning enligt uppfinningen, som framställts av ett enkristallomrâde i indiumfosfid av p-typ i kontakt med ett trans- parent, höggradigt ledande område av en metalloxid, som bildats av indiumoxid eller en indium-tennoxidkomposition, ger en effekt- övcrföríngsverkníngsgrad av upp till cirka 12,5 %. Motsvarande anordning med ett polykristallint tunnfilmsskíkt av InP är även användbart och har en solöverföringsverkningsgrad av cirka 2 % med en antireflektionsbeläggning. Föreliggande anordningar har framställts genom konventionell teknik, såsom katodförstoftnings- 10 15 20 25 30 35 40 3 avsättning, som har använts för kommersiell framställning av elektroniska anordningar. Föreliggande anordningar har inne- boende betydande fördelar förbundna med sitt slag utan de van- liga olägenheterna.

Olika kristallina former av indiumfosfid är användbara för föreliggande anordningar. Dessa former innefattar exempelvis en enkristall av InP, en polykristallin indiumfosfidbricka, med polykristallint tunnfilmsskikt av indiumfosfid avsatt på en bära- re och ett epitaxialt skikt av enkristall-InP på en bärare. Det är möjligt att framställa var och en av de såsom exempel angivna formerna genom känd teknik. Dessa kristallina former framställes exempelvis genom inkapslad vätskedragningsteknik enligt Czochralski, en gradientfrysningsmetod, ett kemiskt ångavsätt- ningsförfarande (CVD) med transport av H2/HCl resp ett epitaxialt VätSk6fasförfarande (LPE). Bärarkoncentrationen i lnP-materialet Majoritetsbärarkoncentrationerna i ett inter- och 1019cm_3 är på ett typiskt sätt godtagbara. är icke kritisk. vall mellan 1016 Tjockleken hos InP-skiktet varierar med den speciella utförings- Uverdrivet tjocka skikt åstadkommer olämpligt material- InP bör emellertid vara tillräckligt tjockt för att för- formen. slöseri. hindra uppträdande av högskiktsresistanser och överdrivna trans- missionsförluster. Inom dessa gränser sättes ibland begränsning- ar av själva tillverkningsförfarandet, t ex är det olämpligt att skära tunnare enkristallbríckor än 0,2 mm. Enkristallbrickor i tjockleksintervallet cirka 0,3-0,5 mm, polykrístallina brickor i intervallet cirka 0,3-0,5 mm, polykristallina tunnfilmer i inter- vallet cirka 5-50 pm och epitaxiala enkristallskikt i intervallet cirka 2-Z0 pm är på ett typiskt sätt lämpliga, men, såsom angi- vits, kan andra värden vara önskvärda ander andra omständigheter.

I de flesta fall åstadkommes en elektrisk kontakt med en av indiumfosfidområdets huvudytor, innan metalloxidfönstret avsättes Detta är ett försiktighetsmått, eftersom många av de vanliga kontaktmatcrialen, t ex en_Au/Zn- på den motsatta sidan av InP. legering, måste sintras vid relativt hög temperatur (cirka 400°C), vilket inför möjligheten till nedbrytning av metalloxiden. Den yta på InP-skiktet, pä vilken fönsterområdet skall avsättas, ren- göres även i allmänhet före avsättningen av fönstret för förhind- rande av olämplig förorening i gränsytan. Konventionella rengö- ringsmetoder användes, såsom behandling med lämpliga lösningsmedel.

Metalloxidskiktet avsättes på InP-området genom sådan tek- 7801408-1 7801408-1 10 '15 20 25 30 40 *procent tennoxid), är icke väsentligen-fördelaktiga. 4 nik, såsom jonstrâleförstoftningsavsättníng eller RF-förstoft- ning. Vid temperaturer av mer än eller cirka SOOOC i vakuum, nedbrytes ytan av InP. Jonstråleförstoftningsavsättningsteknik är lämplig, emedan det under avsättningen är möjligt att hålla InP vid temperaturer som är väsentligt under denna nedbrytnings- gräns. När InP hâlles vid rumstemperatur under jonstråleavsätt- ningen, bildas ett amorft (icke skönjbara röntgendíffraktions- toppar) metalloxídskikt. Vid förhöjda temperaturer, t ex cirka ZSOOC, bildas en polykristallin film. vilken övergången från amorf till polykristallin inträder, kan Den kristal- Den exakta temperatur, vid lätt bestämmas för de speciella arbetsbetingelserna. lina naturen påverkar anordningens elektriska egenskaper. Anord- ningar framställda genom Ar+-jonstråleförstoftningsavsättning och vilka har polykristallina metalloxidskikt visar sig exempelvis i allmänhet ha bättre skiktresistans och högre fyllningsfaktorer än motsvarande amorfa skikt.

Såsom metalloxid användbara material är indiumoxid eller en indium-tennoxidkomposition. Dessa indium-tennoxidkompositionen är kemiska kombinationer av oxiderna av indium och tenn. Sådana kom- positioner definieras av procenthalten indiumoxid och tennoxid, som svarar för den kvantitativa uppbyggnaden av kompositionen.

Användningen av sådana kvantitativa uttryck antyder emellertid icke, att indiumoxid och tennoxid förefinnes såsom skilda enheter i kompositionen.

Anordningens verkningsgrad beror på den speciella samman- sättningen av metalloxidfönsterskikten. Uverföringsverknings- graderna hos anordningar, framställda med ett indium-tennoxid- skikt med mindre indiumoxidhalt än 20.molprocent (mer än 80 mol- Anordning- arna framställes företrädesvis med indium-tennoxidskikt med en indiumoxidhalt av minst S0 molprocent. Det är lämpligast att föreliggande anordningar har ett indium-tennoxidskikt med en indiumoxidhalt av minst 80 molprocent. En indiumoxidbeläggning på ett enkristallomràde av InP, som avsatts genom jonstråleför- stoftníng och som provades under simulerade betingelser genom be- strålning med en volfram-halogenlampa genom ett Schott-filter KG1 (betecknat betingelser AM2), visade exempelvis en effektöverfö- ringsverkningsgrad av cirka 7,6 %. I en lämplig utföringsform, när ett mål av 90 % indiumoxid och 10 % tennoxíd användes för Ar+-jonstrâleförstoftningsavsättníng på ytan (100) av en enkris- 10 15 20 25 30 35 40 7801408-1 5 tall av indiumfosfid, som hölls vid rumstemperatur, uppmättes en överföringsverkningsgrad av 12,5 % under simulerade betingelser AM2. spänning anbringades.

Anordníngen emitterade även i synligt område, när en för- (Indium- och tennoxídhalten i det på så sätt framställda amorfa indíum-tennskiktet bestämdes genom rönt- genstrâlefluorescens och var inom försöksfel desamma som för- stoftningsmâlet).

För uppnâende av rimliga verkningsgrader, när anordningen arbetar såsom solcell, är det önskvärt att det slutliga metall- oxidskíktet har en skiktresistans under cirka 100L2/kvadrat och Både skikt- resistans och transmittans varierar med skikttjockleken. Metall- oxidskikt mellan cirka 100 nm och 5 pm i tjocklek tillfredsstäl- ler i allmänhet angivna fordringar på skikten med resistivitet i Transmittans och konduktivitetsegenska~ en optisk transmittans för solljuset av minst 60 %. omrâdet av 10-3 ohm-cm. perna hos indíum-tennoxidfilmer har publicerats (se Fraser, D B, Journal Electrochemical Society, 112, 1368 (1972)). den kan användas såsom hjälp vid bestämmandet av ungefärlig skikt- tjocklek. Om anordningen skall användas såsom ljusavgivare genom anbríngande av en spänning, är fordringarna mindre stränga och be- ror på den slutliga användningen. Elektrisk kontak* med metall- oxidskíktet åstadkommes genom konventionella metoder, såsom genom Sådana vär- termisk avdunstning av metallremsor, såsom aluminium, på en sida av den exponerade ytan. Den speciella kontaktmetoden är icke alls kritisk. med föreliggande anordningar.

Denna icke-kríticitet är i verkligheten en av fördelarna Uppfinningen âskådliggöres närmare i följande exempel, som visar betingelserna som användes för framställning av typiska ut- föringsformer enligt uppfinningen.

En zinkdopad kristall av InP med en bärarkoncentra- Ešempel 1. ' -3 tion av cirka 1017cm framställdes genom dragteknik enligt Czochralski. Kristallen orienterades därefter parallellt med planet (100) genom röntgen enligt Laue. fördes med en strängsåg parallellt med detta plan. tjockleken cirka 0,6 mm erhölls genom skärning parallellt med refe- Bríckorna polerades med ett 0,3 pm En referensskärning ut- Brickor med rensytan med en diamantsåg. sllpmcdol och Syton-polerades därefter ("Syton" är en alkalísk, kolloidal suspension av SiO2, som är användbar såsom polermedel).

Bricktjockleken efter denna behandling var på ett typiskt sätt 0,5 mm. Bríckorna rengjordes därefter i ett ultraljudbad av metanol, 7801408-1 s varefter tvättades i följd med kloroform, aceton och metanol.

InP-brickan placerades därefter med en av huvudytorna (100) exponerad i avsättningsläge i en jonförstoftningsanordning för- sedd med en modifierad duoplasmatron såsom jonstrålkälla (se 5 E G Spencer och P H Schmidt, J; Vac. Sci. Technol. å, S52 (1971); P H Schmidt, ibíd. 10, 611 (1973) för en beskrivning av anordning- en). InP var utanför plasmaomgivningen och utanför jonstråleled~ ningen. Hâllaren för InP-brickan var en molybdenremsa med medel för uppvärmning av provet. Ett mål bestående av Z % Zn i Au in- 10 sattes i målläget. Apparaten evakuerades till cirka 133x10_6 Pa.

Tråden í jonkällan bringades till en temperatur mellan 1500 och 2000°C och en potential av cirka 1500 V anbringades mellan acce- lerationsplattorna. Argon inpystes i jonkällan för höjning av trycket till 6,65-10,64 x 10-3 Pa, mätt vid kammarhalsen. InP- 15 brickan bringades att rotera runt en axel vinkelrätt mot planet (100) (axeln vinkelrätt mot den exponerade ytan) med cirka 15 r/min för tillhjälpligt säkerställande av likformig avsättning.

Avsättningen av kontakten Au/Zn tilläts fortsätta, tills ett cirka Z pm skikt hade avsatts på indiumfosfidbrickan. Detta tog 20 cirka Z h. Apparaten avluftades och InP avlägsnades. Brickan glödgades därefter på en kolremseuppvärmare i syntesgas (85 % NZ och 15 % Hz) under 5 min; Den erhållna kontakten hade en re- sistans av cirka 0,01 ohm på en yta av 1 cmz.

Indiumfosfidbrickan återinsattes i apparaten med den mot 25 den kontaktade sidan motsatta ytan exponerad. Au/Zn-målet ersat- tes med ett mål (4-S cm i diameter) bestående av 90 molprocent ln2O3 och 10 moäprocent Sn02. Apparaten evakuerades åter till cirka 133 x 10 Pa och jonkällan bringades under samma betingel- ser som när Au/Zn avsattes. Syre inpystes i målkammaren, så att 30 ett tryck av cirka 133 x 10- Pa uppmättes nära pumphalsen för kammaren. InP bringades att rotera med en hastighet av 15 r/min under en axel vinkelrätt mot planet (100)¿ Icke något värme till- fördes till InP (det bör observeras, att om syretrycket var betyd- ligt högre, det erhållna indíum-tennoxidskiktet var mycket mindre 35 ledande, och om det var väsentligt lägre, var skiktet opakt. Ett kontrollprov är nödvändigt för bestämning av lämpligt tryck för en speciell apparat. Det var även möjligt att utföra avsättning- en utan närvarande syre, men detta nödvändiggör ersättning av målet efter varje försök). Indíum-tennoxídskiktet växte med en 40 hastighet av cirka 0,7 Pm/h. Denna hastighet var inställbar. Om 10 15 20 25 30 40 7801408-1 7 en potential anbringas på målet, ökades hastigheten. Tillväxten fortsatte, tills skíktet vara cirka 1-3 pm tjockt.

Kammaren avluftades och provet avlägsnades. remsa med bredden cirka 1 mm avdunstades termískt genom standard- teknik på indium-tennoxiden parallellt med en kant av den expone- En aluminium- rade metalloxidytan. Verkningsgraden hos anordningen, som hade ett amorft metalloxidskikt, mättes med två metoder, som beskrivas i en PM från National Aeronautics and Space Administration (NASA) med nummer TMX-71771 och med titeln "Interim Solar Cell Testing Procedures for Terrestrial Applications". Den första uppsättning- en mätningar utfördes vintertid i delstaten New Jersey i solljus enligt pyranometermetoden. En pyranometer enligt Eppley med nr 15228F3, som har en kalibreringskønstant av 9,39 x 10- V/Wm-2 användes för mätning av infallande ljuseffekt. Den framställda anordningen anbringades parallellt med pyranometern och ljussigna- len från anordningen jämfördes direkt med pyranometeravläsningar- Alla elektriska mätningar utfördes Kortslutningsströmmen mät- na. Solstândet mättes även. med en elektrometer (Keithley 610 CR). tes genom spänningsfallet över ett precisionsmotstånd om 1012; för jämförelse utfördes mätningar med 111-och 100Aï.motstånd.

Endast mätningar ledande till mindre än 20 pV i spänningsfall an- vändes.' Med hänsyn till årstiden (vinter) var temperaturen vid mätningen på ett typiskt sätt 1000 under föreskrivet värde. Mät- ningarna utfördes på ett andra sätt med ett simulerat ljus under användning av en volfram/halogenlampa med ett filter Schott KG1 såsom ljuskälla. Den framställda anordningen och en kalíbrerad standardreferenscell anbringades på en slid, så att antingen prov- níngsanordningen eller referenscellen kunde bringas i ljusstrålen utan förändring av avståndet till lampan. Försöksbetíngelserna inställdes så, att 74 mw/cmz inföll i anordningen. VOC och ISC mättes såsom vid pyranometermetoden. Vid båda metoderna registre- rades även I-V-kurvorna på en kurvskrivare Tektroníx 575 och fyllningsfaktorn från I-V-kurvorna. Resultaten från båda metoder- na överensstämde inom 5 % felgränser. Verkníngsgrader upp till 12,5 % erhölls för de framställda anordningarna.

Exempel 2. Samma förfarande följdes som det i exempel 1 beskriv- na, förutom att In? uppvärmdes till ZSOOC, medan metalloxidskiktet avsattes. hölls. tes genom de i exempel 1 beskrivna metoderna.

En anordning med polvkristallint metalloxidskíkt er- Anordningar med verkningsgrader upp till cirka 9 % uppmät- “7801408-1 10 15 20 25 30 35 '40 8 Exempel 3. En polykristallin bricka av InP dopad med ZnP2 till en majoritetsbärarkoncentration av 3 x 1018cm_3 framställdes genom gradientfrysningsmetoden (se K J Bachmann och E Buehler, J. Electron Mater. Ä, 279 (1974)).

Samma framställningsförfarande för Betingelserna var de som an- gíves i denna hänvisning. fullbordande av anordningen användes som de som beskrivits i exempel 1. Verkningsgraden, som uppmätts genom den teknik med simulerat ljus, som beskrives i exempel 1, var 2,3 %.

Exempel 4. Ett tunt skikt, tjocklek 20 pm, av polykristallin InP avsattes på ett format, höggradigt renat, tätt grafitsubstrat (typ 5890PT, försålt av Carbone - Lorraine Ind. Corp. Boonton, New Jersey, USA) genom en teknik, som beskrivits av Bachmann och medarbetare i J. Electrochem. Soc., lgâ, 1509 (1976)). Detta avsättningsförfarande med kemisk ånga innebär att palladiumdiffun- derat väte bringas att flyta genom en bubblingsanordning, som innehåller fosfortriklorid och som hålles vid en temperatur mel- lan 0 och 5°C. raturen inställes för ästadkommande av en molfraktion PC13 i H2 av 1-5 %. Med PCl3 mättad H2 bríngas därefter att strömma över H2-strömmen bring- Strömningshastigheten för H2 och bubblingstempe- elementärt In, som uppvärmts till cirka 72S°C. as slutligen att passera över grafitsubstratet för avsättning. En mindre del Zn-dopningsmedel sättes till huvudgasströmmen uppströms substratet genom uppvärmning av Zn i en separat H2-ström till cirka 455°C. Grafitsubstratet uppvärmdes till cirka 630°C. förfarande som i exempel 1 användes för framställning av en anord- Elektrisk kontakt med InP åstadkoms genom an- Samma ning på denna InP. bringande av silverpasta på kolsubstratet. Verkningsgraden hos anordningen, mätt såsom i exempel 1 genom tekniken med simulernt ljus, var 1,1 %.

Exempel 5. förutom att en enkristall av InP, orienterad längs planet (111) Samma förfarande som beskrivits i exempel 1 följdes, användes. Verkningsgraden var 5 %. Mätningstekniken var densamma som pyranometermetoden enligt exempel 1, förutom att en termosta- pel enligt Eppley användes.

Exempel 6. En enkristall av InP med en acceptorkoncentration av 1,5 x 10l7cm_3 framställdes, orienterades parallellt med planet (100) och kontaktades på i exempel 1 beskrivet sätt. Kristallen anbringades därefter i provhållaren till en Rf-förstoftningsanord- ning (Rf-förstoftning är en välkänd teknik, som exempelvis beskri- ves av J L Vossen i Journal Vacuum Science and Technology, § (5), 10 15 20 25 30 7801408-1 9 S12 (1971)). 15 cm anbringades i målhâllaren. mosfär av 1,33 Pa med 4,57 volymprocent CO, 0,23 volymprocent C02 och 95,2 volymprocent Ar infördes. En spänning om 700 V lades på InP uppvärmdes till 250°C. Cirka 850 W avgavs för avsätt- Metalloxiden avsattes med en hastighet av cirka 6,6 nm/ Efter avsättning utfördes kontakt med metalloxiden såsom beskrivits i En elektrod av 91 % In203 och 9 % SnO2 med diametern Kammaren evakuerades och en at- målet. ningen. min, tills en film med tjockleken cirka 1,94 pm erhållits. exempel 1. Verkningsgraden, mätt med tekniken med simulerat ljus, som beskrivits i exempel 1, var 11 %.

Exempel 7. En anordning framställdes såsom beskrivits í exempel 6, förutom att kristallen av InP icke uppvärmdes under avsätta 5- en. Filmavsättningshastigheten var cirka 6,9 nm/min. Avsättning- en fortsattes, tills metalloxidskiktet var 0,93 pm tjockt. ningen hade en verkningsgrad mätt med den i exempel 1 beskrivna tekniken med simulerat ljus, av cirka 12,2 %.

Ett antireflektionsbeläggningsskikt av MgF2 belades på Anord- Exempel 8. den exponerade ytan hos indium-tennoxidskiktet i den i exempel 7 Detta skikt avsattes genom avdunstning En volframdegel fylldes MgF2 och anordningen upphängdes över degeln med indium-tennoxidskiktet vet- tunde nedåt mot MgF2. re, som evakuerades till 133 pPa. framställda anordningen. på den ouppvärmda anordníngen.

Degeln och anordningen infördes i en kamma- MgF2 uppvärmdes därefter, tills avdunstningen av MgF2 påbörjades. Avdunstningen fortsattes, tills ett skikt om cirka 100 nm bildats på indium-tennoxiden. Verk-' ningsgraden mätt genom den i exempel 1 beskrivna tekniken var 13 %.

Exempel 9. Ett antireflektionsbeläggningsskikt av MgF2 belades på den exponerade ytan av indium-tennoxidskiktet i den enligt exempel 4 framställda anordningen. Detta skikt avsattes genom avdunstning (såsom i exempel 8) på den ouppvärmda anordningen.

Verkningsgraden, mätt genom den i exempel 1 beskrivna tekniken med símulerat ljus, var cirka 2 %.

Claims (6)

7801408-1 lO PA'J'13N'l' K RA V

1. Anordning innefattande ett skikt av dircktgaphalvledar- material av p-typ i intim kontakt med ett elektriskt, höggradigt ledande, genomsynlígt material, k ä n n e t e c k n a d därav, att direktgaphalvledarmaterialct är lnP av p-typ och att det höggradígt ledande genomsynliga materialet utgöres av indiumoxid eller indium-tennoxíd, varvid en likríktande övergång bildas. Z.

2. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d' därav, att det höggradígt ledande genomsynliga materialet är avsatt på InP-materialet genom jonstrålcförstoftningsavsättning eller Rf- förstoftning.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att det höggradígt ledande genomsynliga materialet är amorft. 7

4. Anordning enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t etc k n a d därav, att det höggradigt ledande genomsynliga materialet är poly- kristallint. I

5. Anordning enligt krav 1, 2, 3 eller 4, k ä n n e t e c k - n a d därav, att InP av p-typ är en enkristall av InP och att det höggradigt ledande genomsynlíga materialet är i intim kontakt med denna kristalls plan (100). .

6. Anordning enligt krav 1, 2, 3 eller 4, k ä n n e t e c k - n a d därav, att InP av p-typ är polykristallin.