DD140945A1

DD140945A1 - Silizium-fotoempfaenger

Info

Publication number: DD140945A1
Application number: DD20990278A
Authority: DD
Inventors: Detlev Keiler; Hartmut Lucht; Guenter Preschel
Original assignee: Detlev Keiler; Hartmut Lucht; Guenter Preschel
Priority date: 1978-12-19
Filing date: 1978-12-19
Publication date: 1980-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine reflexionsvermindernde, passivierende Beschichtung für Silizium-Fotoempfanger, die die Reflexionsverluste in einem gewünschten Spektralbereich senkt, in einem unerwünschten Spektralbereich erhöht,, eine gute Schutzschicht gegen Verunreinigungen darstellt und gute Grenzschichteigenschaften an der Siliziumoberfläche besitzt. Erfindungsgemäß wird dies durch die Anordnung einer ersten Silizium-Dioxidschicht mit kleinem Brechungsindex П2 = 1,46 auf dem Silizium und darüber die Anordnung einer zweiten Schicht mit einem Brechungsindex n-j von ca. 2 erzielt. Für Fotoempfänger mit a) breitbandiger, b) schmalbandiger spektraler Empfindlichkeit bestimmen sich die Schichtstärken in grober Näherung nach den Beziehungen a) n,d, + n,d, =^-X, b) n,d, + n,d, =-|-λ0 wobei vorteilhaft a) die Dicke d2 des Siliziumdioxids wesentlich kleiner als die Dicke d^ der zweiten Schicht ist, b) die Schicht" stärken zusätzlich annähernd die Beziehung [ \

Description

{Eitel der Erfindung

*

Silizium-Fotoempfänger Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft den Aufbau einer reflexionsvermindernden, passivierenden Beschichtung für Silizium-Fotoempfänger*

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Der spektrale Empfindlichkeitsverlauf eines Silizium-Fotoempfängers wird durch die Lage des PN-Überganges unter der Halbleiteroberfläche, die Größe der Diffusionslänge der durch inneren Fotoeffekt erzeugten Ladungsträger und durch die Abhängigkeit der Lichteindringtiefe von der Wellenlänge bestimmt* Ein wesentlicher Verlust bei der Wirkungsweise von Silizium-Fotoempfängern entsteht durch die Reflexion am Halbleiterkristallo Sie beträgt etwa 35 %· Zur Erhöhung der Ausgangsleistung der Fotoempfänger werden auf der dem Lichteinfall zugewandten Oberfläche des Siliziums reflexionsvermindernde Schichten, genannt Antireflexionsschichten, angeordnet« Aus der optischen Industrie sind solche Schichten aus Siliziumdioxyd und Siliziumoxyd bekannt. Geeignetes reflexionsverminderndes Material besitzt einen Brechungsindex gleich der Quadratwurzel des Brechungsindexes von Silizium und sollte ca«, 2 betragen. Siliziumdi- . oxid ist folglich trotz seiner günstigen Grenzschichteigenschaften zwischen Silizium und Siliziumdioxyd mit einem

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Brechungsindex von 1,46 ungeeignet, Siliziumoxyd ist mit einem Brechungsindex von 1,7 - 1,9 besser als Antireflexionsschicht geeignet, zeigt jedoch schlechte passivierende Eigenschaften, so daß bei seiner Verwendung als reflexionsvermindernde Schicht mit guten optischen Eigenschaften Nachteile in den elektrischen Eigenschaften vorliegen* Die DT-AS 20 22 896 beschreibt eine reflexions-^L vermindernde Passivierungsschicht aus Siliziumnitrid, deren Dicke für weißes Licht ca« 100 nm beträgt· SiIiziumnitrid besitzt einen Brechungsindex von ca«, 1,95 und ist für Fremdatome wie z· B* Natriumkationen eine unüberwindliche Barriere· Es ist somit ein guter Schutz der Siliziumoberflache vor nachträglicher "Verunreinigung. Aus der Zeitschrift ¹¹J, Electrochem· Soc: Solid State Science" Bd. 115 (1968), Nr« 3, März, S. 300 - 30? ist jedoch bekannt, daß die Anordnung von Siliziumnitrid direkt auf Silizium erhebliche Instabilitäten durch hohe Oberflächenla-

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düngen von mehr als 10 cm ergibt. Die hohe Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit von ca. 200 cm/sec senkt zusätzlich durch Rekombination der in der Nähe der Oberfläche erzeugten Ladungsträger die Ausgangsleistung des Fotoempfängers· Bedingt durch die Abhängigkeit der Lichteindringtiefe von der Wellenlänge wird dabei besonders der kurzwellige Lichtanteil· im Fotoempfänger nicht wirksam.

Die DT-OS 2? 01 284 beschreibt eine aus zwei Schichten bestehende Antireflexionsschicht, deren erste, sich unmittelbar auf dem Silizium befindliche, höheren Brechungsindex besitzt. Der Erfindung liegt die Annahme zugrunde, daß eine einschichtige Antireflexionsschicht den Spektralbereich zwischen 400 bis 1200 nm nicht ausreichend abdeckt. Im Ausführungsbeispiel besteht die erste Schicht aus Titanoxyd und die zweite Schicht aus Aluminiumoxyd· Die Schichtstärken betragen ein Viertel der Wellenlänge, bei der die Reflexion ein Minimum hat· Es werden in einem Wellenlängenbereich von 550 bis 1100 nm berechnete Reflexionsverluste von unter 5 %

angegeben* Mangel dieser SchichtanOrdnung ist, daß an der Grenzschicht Titanoxyd - Silizium nicht die günstigen Oberflächeneigenschaften der Silizium-Siliziumdioxydgrenzschicht erreicht werden· Dies betrifft besonders die Bekombinationsgeschwindigkeit und die Oberflächenladung· Ferner wird das angegebene günstige Beflexionsverhalten der . Doppelschicht durch eine beschriebene darüberliegende Schutzschicht aus Glas verschlechterte Angaben zum Reflexionsverhalten der gesamten Schichtanordnung fehlen·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Realisierung einer reflexionsvermindernden, passivierenden Beschichtung für Silizium-Fotoempfänger j die in einem gewünschten Spektralbereich die Reflexionsverluste senkt, in einem unerwünschten Spektralbereich die Reflexionsverluste erhöht, eine gute Schutzschicht gegen Verunreinigung ist und gute Grenzschicht eigenschaften an der Siliziumoberfläche besitzt· Diese Grenζschichteigenschaften beziehen sich auf die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit und die Oberflächenladung· Die reflexionsvermindernde, passivierende Beschichtung soll die Herstellung von Fotoempfängern"mit hoher Empfindlichkeit und hoher Zuverlässigkeit nach bewährten· produktiven Verfahren ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Kombination einer Siliziumdioxydschicht mit den beschriebenen guten Oberflächeneigenschaften an der Siliziumoberfläche und einer zweiten Schicht, die für Verunreinigungen wie Alkaliionen undurchlässig ist und einen Brechungsindex von ca· 2 besitzt, die dargelegte Zielstellung zu ermitteln* Bisher gilt die Lehre, daß eine geeignete Reflexionsverminderung von Silizium durch eine Antireflexionsschicht oder mehreren Ant!reflexionsschichten nur dann erreicht wird, wenn der Brechungsindex aus-

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gehend vom Silizium über die Antireflexionsschichten zur Luft abnimmt» Entgegen dieser Lehre wird erfindungsgemäß auf dem Silizium zunächst eine Siliziumdioxydschicht und darüber eine zweite Schicht mit einem Brechungsindex von ca» 2 abgeschieden· Bevorzugt ist diese Schicht aus Siliziumnitrid· Die Anordnung hat eine Reihenfolge der Brechungsindizes von angenähert 4·, 1,46, 1,95 und ^« Durch die mit Siliziutndioxyd erreichbar geringe Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit der durch Fotoeffekt erzeugten Ladungsträgers die z» Be mehr als eine Größenordnung unter der für eine Grenzschicht Silizium - Siliziumnitrid liegt,Wird eine Anhebung der Empfindlichkeit besonders im kurzwelligen Bereich erzielt. Ferner können durch die geringeren Oberflächenladungen der Silizium - Siliziumdioxydgrenzschicht !Instabilitäten besonders bei plänaren Fotoempfängern vermieden werden. Die Siliziumnitridschicht auf dem Siliziumdioxyd wiederum sichert eine langfristige Versiegelung des aktiven Oberflächengebietes vor nachträglicher Verunreinigung durch Fremdatome, z· B· Alkaliionen· Die Silizium-Fotoempfänger besitzen je nach ihrem Anwendungsfall unterschiedliche Wellenlängenbereiche maximaler Empfindlichkeit· Diesen Bedürfnissen müssen die Schichtstärken entsprechen· Wird eine möglichst breitbändige spektrale Empfindlichkeit gewünscht, so gilt die bekannte Regel, daß die optimale Schichtstärke einer Antireflexionsschicht ein Viertel der V/ellenlange beträgt, bei der die Reflexion ihr Minimum hat· Entgegen dieser Regel sind die Schichtstärken des Siliziumdioxyds und des Siliziumnitrids erfindungsgemäß kleiner als ein Viertel der Wellenlänge und bestimmen sich angenähert nach der Beziehung

Hierbei ist n^ der Brechungsindex von Siliziumnitrid, n₂ der Brechungsindex von Siliziumdioxyd, d^ die Dicke der Siliziumnitridschicht, d₂ die Dicke der Siliziumdioxydschicht und λ die Wellenlänge im Vakuum, bei der die Reflexion ein Minimum hat«

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Vorteilhaft ist, wenn die Schichtstärke des Siliziumdioxyds wesentlich kleiner als die Schichtstärke des Siliziumnitrids ist· Der "beschriebene Schichtenaufbau zeigt annähernd die guten reflexionsvermindernden Eigenschaften des Siliziumnitrids der Schichtstärke ein Viertel der Wellenlänge in einem breiten Spektralbereich*

Für Fotoempfänger, deren Empfindlichkeit nur in einem schmalen Wellenlängenbereich groß sein soll, ist eine Reflexionsverminderung in diesem Bereich erwünscht· Einige Fotoempfänger fordern zusätzlich eine Reflexionserhöhung im restlichen Wellenlängenbereich·

Diesen Forderungen wird die Schichtanordnung Silizium-Siliziumdioxyd-Siliziumnitrid gerecht, wenn die Schichtstärken sich in grober Näherung nach der Gleichung

H₁^₁ + n₂d₂ = ^ λ

und vorteilhaft zusätzlich nach den Nebenbedingungen

λ ο und „ _Λ . Ao

bestimmen»

Soll der langwellige Anteil der spektralen Empfindlichkeit bevorzugt gesenkt werden, ist die Nebenbedingung

ⁿ1^d1 ~ ö ^o ^{und n}2^d2 ⁼ ü ^¹O vorteilhaft,,

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden* In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen

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Fig· 1 einen Schnitt durch einen planaren Silizium-Fotoempfanger, der für den Einsatz als Fotoelement oder Solarzelle geeignet ist

Fig» 2 -die spektrale Reflexionsstärke 9 und 10 einer 90 nm starken Antireflexionsschicht aus Siliziumnitrid und einer reflexionsvermindernden, passivierenden Beschichtung aus 20 nm Siliziumdioxyd und 68 nm Siliziumnitrid gemäß Figo 1

Fig· 5 einen Schnitt durch einen planaren Silizium-Fotoempfanger mit einer an die Augenempfindlichkeit angepaßten spektralen Empfindlichkeit und

Fig· 4 die spektrale Reflexionsstärke 10* und 11* einer 280 nm starken Antireflexionsschicht aus Siliziumdioxyd und einer reflexionsvermindernden, passivierenden Beschichtung aus 192 nm Siliziumdioxyd und 72 nm Siliziumnitrid gemäß Fig, 3

Fig» 1 zeigt einen planaren Silizium-Fotoempfänger mit einer breiten spektralen Empfindlichkeit. Ausgehend von einkristal— linem, N-leitendem, phosphordotiertem Siliziumsubstrat 6 des spezifischen Widerstandes von 3 0hm cm werden in bekannter Weise durch Bordiffusion das P-leitende Gebiet 5 und der Siliziumdioxydrahmen 4 erzeugt· Durch trockene Oxydation wird die etwa 20 nm starke Siliziumdioxydschicht 5 erzeugt. Darüber wird in bekannter Weise eine ca. 68 nm starke Siliziumnitridschicht 2 abgeschieden« Nach üblichen Verfahren erfolgt anschließend die Herstellung der Kontaktierung 1 und ?·

In Fig· 2 zeigt die Kurve 10 die entsprechende erzielte spektrale Reflexionsstärke des Fotoempfängers· Die Kurve 9 zeigt den Vergleich zu einer Siliziumnitridschicht der Stärke von

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90 nm. Der Vorteil der geringeren ReflexionsVerluste der einfachen Siliziumnitridschicht geht durch die starke Oberflächenrekombination verloren, so daß die mit der reflexionsvermindernden, passivierenden Beschichtung erzielte Empfindlichkeit größer ist·

In Fig« 3 wird ein Silizium-Fotoempfanger mit einer an die Augenempfindlichkeit angepaßten spektralen Empfindlichkeit dargestellt» Der innere Aufbau entspricht weitgehend den Angaben der DL-PS 131 210, Das Halbleitersubstrat ist einkristallines_} H-leitendes, arsendotiertes Silizium des spezifischen Widerstandes von 0,1 0hm cm. Durch Arsendiffusion wird die Zone ?♦ mit einem spezifi-' sehen Widerstand von ca<> 0,005 Ohm cm erzeugt« Mittels Epitaxie wird darüber eine 3 Mikrometer starke N-leitende Zone 6* der Dotierung 3 0hm cm abgeschieden» In bekannter Weise wird dann durch Ionenimplantation die P-leitende Zone 5* erzeugt» Der PN-Übergang liegt in einer Tiefe von ca* 0,2 Mikrometer β Der Siliziumdioxydrahmen 4* ist ca. nm stark. Statt der in der DL-PS 131 210 beschriebenen nm starken Siliziumdioxydschicht wird nach bekannten Verfahren zunächst eine 192 nm starke Siliziumdioxydschicht 2* erzeugt«

Die Herstellung der" Kontaktierung 1* und 9' erfolgt in üblicher Weise. Den Vergleich der spektralen Reflexionsstärke 10* der 280 nm dicken Siliziumdioxydschicht nach der DL-PS 131 210 mit der spektralen Reflexionsstärke 11* der Doppelschicht 2^l,3^lwird in Fig. 4- dargestellt. Bei der Wellenlänge von 560 nm ist der Fotoempfänger nahezu reflexionsfrei, hingegen bei Wellenlängen außerhalb der gewünschten hohen Empfindlichkeit wird das Reflexionsvermögen des ungeschützten Siliziums von ca. 35 % wesentlich übertroffen.

Die beschriebenen Schichtanordnungen sichern eine Erhöhung der spektralen Empfindlichkeit der Fotoempfanger in dem gewünschten Bereich» Für Fotoempfänger mit schmalbandiger spektraler Empfindlichkeit übernimmt die beschriebene Schichtanordnung die Aufgabe eines spektralen Filters, der bei der Wellenlänge der maximalen Empfindlichkeit nahezu reflezionsfrei und damit verlustfrei ist· Zusätzlich wird durch die auf die Stabilität der Oberflächenverhältnisse der Siliziumoberfläche abgestimmte SchichtanOrdnung eine wesentliche Verbesserung der Zuverlässigkeit besonders von planaren Fotoempfangerη erzielt.

Claims

Erfindungsanspruch

1_# Silizium-Fotoempfänger mit reflexionsvermindernder, passivierender Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte Beschichtung aus einer ersten, un~ mittelbar auf dem Silizium befindlichen Siliziumdioxydschicht und einer zweiten, dar üb er liegend en Schicht mit dem Brechungsindex von ca. 2 besteht_β

2* Silizium-Fotoempfänger nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schichtstärken bei der Anwendung für Fotoempfanger mit breiter spektraler Empfindlichkeit in grober Näherung nach der Beziehung Produkt aus Brechungsindex und Dicke der zweiten Schicht addiert zum Produkt aus Brechungsindex und Dicke der ersten Schicht ist gleich ein Viertel der Wellenlänge im Vakuum_s bei der die Reflexion ein Minimum hat, bestimmt,

5«. Silizium-Fotoempfänger nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vorteilhaft die Schichtstärke des Siliziumdioxyds wesentlich kleiner als die Schichtstärke der zweiten Schicht ist«

4« Silizium-Fotoempfänger nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schichtstärken bei Anwendung für Fotoempfänger mit schmalbandiger spektraler Empfindlichkeit in grober Näherung nach der Beziehung Produkt aus Brechungsindex und Dicke der zweiten Schicht addiert zum Produkt aus Brechungsindex und Dicke der ersten Schicht ist gleich drei Viertel der Wellenlänge im Vakuum, bei der die Reflexion ihr Minimum hat, bestimmt,,

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5· Silizium-Fotoempfänger nach Punkt 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß vorteilhaft die Schichtstärke zusätzlich in grober Näherung die Beziehungen Produkt aus Brechungsindex und Dicke der zweiten Schicht ist gleich ein Viertel und Produkt aus Brechungsindex und Dicke der ersten Schicht ist gleich ein Halb der Wellenlänge im Vakuum, bei der die Reflexion ihr Minimum hat, erfüllen,

6« Silizium-Fotoempfanger nach Punkt 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß für eine verstärkte Anhebung der Reflexion im langwelligen Bereich die Schichtstärke in grober Näherung die Beziehungen Produkt aus Brechungsindex und Dicke der zweiten Schicht ist gleich drei Achtel und Produkt aus Brechungsindex und Dicke der ersten Schicht ist ebenfalls gleich drei Achtel der Wellenlänge im Vakuum, bei der die Reflexion ihr Minimum hat, erfüllen*

7» Silizium-Fotoempfänger nach Punkt 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht für Verunreinigungen wie Alkaliionen undurchlässig ist und vorzugsweise aus Siliziumnitrid besteht·

Hierzu..„„3„Seiien Zeichnungen"