DE2550933C2

DE2550933C2 - Halbleiterphotodiode für ein mit Wechselstrom betriebenes Lichtventil und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2550933C2
Application number: DE2550933A
Authority: DE
Inventors: William P. Pacific Palisades Calif. Bleha jun.; Lewis M. Malibu Calif. Fraas
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1974-11-18
Filing date: 1975-11-13
Publication date: 1983-10-27
Also published as: CA1036258A; FR2291611B1; IT1052257B; NL168953C; DE2550933A1; US3976361A; GB1492289A; JPS51102482A; NL7513484A; NL168953B; IL48418A0; FR2291611A1; IL48418A; JPS5234911B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterphotodiode für ein mit Wechselstrom betriebenes Lichtventil aus einer eine Flüssigkristallschicht und eine Halbleiterphotodiode enthaltenden Schichtenanordnung, bei der auf einem für das steuernde Licht durchlässigen Substrat eine für das steuernde Licht durchlässige Elektrodenschicht, auf dieser die erste, lichtempfindliche Halbleiterschicht und auf dieser die zweite, mit der ersten einen HeteroÜbergang bildende, für das steuernde Licht undurchlässige Halbleiterschicht angebracht sind, und auf diese Schichten die Schichtenfolge mit der

Flüssigkristallschicht und einer zweiten Elektrodenschicht folgt, und bei der im Betrieb die Raumladungskapazität an dem HeteroÜbergang durch die Intensität des durch das Substrat und die Elektrodenschicht auf dem Substrat hindurch einfallenden steuernden Lichtes modulierbar ist.

Ein solches mit Wechselstrom beiriebenes und eine Halbleiterdiode aufweisendes Lichtventil ist aus der US-PS 38 24 002 bekannt Die erste Halbleiterschicht besteht aus Cadmiumsulfid, das thermisch auf dem erwärmten Substrat abgeschieden und anschließend einer Wärmebehandlung in einer Schwefelwasserstoff-Atmosphäre unterworfen worden war, um eine möglichst gut stöchiornetrische Schicht zu erhalten. Die zweite Halbleiterschicht besteht aus einer im Vakuum aufgebrachten Schicht aus Cadmiumtellurid. Die Cadmiumsulfidschicht hat eine Dicke von etwa 2 bis 12μπι, während die Cadmiumtelluridschicht etwa 2 μΐη dick und für das Licht, für das Cadmium empfindlich ist, weitgehend undurchlässig ist. Die Modulation der Raumladungskapazität an dem HeteroÜbergang zwischen den beiden Halbleiterschichten resultiert aus der verminderten Tiefe des Verarmungsbereiches, die ihrerseits das Ergebnis des Einfangens von »Löchern« (positive Ladungen) am HeteroÜbergang ist, die durch die Lichtanregung innerhalb des Cadmiumsulfids erzeugt werden (s. beispielsweise Spalte 2, Zeilen 50 bis 59, und Spalte 5, Zeilen 19 bis 30, der US-PS 38 24 002). Dieser Effekt wird im folgenden auch als »Photokapazitäts-Effekt« bezeichnet.

Es ist zu bemerken, daß eine gleichförmige photoleitende Schicht, wie beispielsweise das nach der US-PS 38 24 002 benutzte Cadmiumsulfid, stets eine exponentielle Abnahme der Lichtintensität als Funktion der Eindringtiefe in die Schicht bewirkt, was eine zunehmend weniger wirksame Lichtkopplung bei engeren Verarmungsbereichen zur Folge hat. Weiterhin besitzt jede sehr reine und in hohem Maße stöchiometrische Halbleiterschicht allgemein eine auf einen engen Spektralbereich beschränkte Empfindlichkeit, die für geringe Rekombinationsgeschwindigkeiten erforderlich ist. Im Fall von Cadmiumsulfid ist die Empfindlichkeit auf einen viel zu engen Spektralbereich beschränkt, um eine wirksame Kopplung mit einem P-1-Phosphor zu ergeben, wie er bei handelsüblichen Kathodenstrahlröhren häufig angewendet wird. Tatsächlich wird nur ein Wirkungsgrad von 10% erzielt.

Es ist ferner zu beachten, daß das Bild des einfallenden Lichtes in der Verarmungszone gebildet wird und die Auflösung der Anordnung durch den Abstand von der Verarmungszone zum Flüssigkristall oder einem anderen kapazitiv mit dem Photoleiter gekoppelten Material bestimmt wird. Gleichförmige Schichten mit einer Empfindlichkeit in einem breiteren Spektralbereich weisen allgemein eine höhere Dichte von Einfangstellen und Rekombinationszentren auf, was zu einem geringeren Wirkungsgrad bei der Lichtinjektion von Trägern führt.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Halbleiterphotodiode eines Lichtventil der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß sie auf einen breiten Spektralbereich anspricht und sich durch eine nichtexponentielle Trägererzeugung sowie geringe Rekombinationsgeschwindigkeiten auszeichnet, so daß sie einen hohen Wirkungsgrad bei der Trägerinjektion erhält.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die erste und die zweite Halbleiterschicht zueinander entgegengesetzte Leitungstypon aufweisen, und daß die erste Halbleiterschicht auf der dem Substrat zugewandten Seite aus einer ersten Teilschicht mit einer geringen Störstellendichte und auf der an den HeteroÜbergang angrenzenden Seite aus einer zweiten Teiischicht mit einer höheren Störstellendichte als in der ersten Teilschicht besteht

Bei der erfindungsgemäßen Halbleiterphotodiode hat die an den HeteroÜbergang angrenzende zweite Teilschicht infolge der hohen Störstellendichte einen hohen Absorptionskoeffizienten für das einfallende Licht und einen hohen Träger-Injektionskoeffizienten. Dadurch erhält die Halbleiterphotodiode die gewünschten Eigenschaften. Insbesondere ist eine solche Photodiode für Darstellungsgeräte hoher Auflösung brauchbar sowie in einer Hochfrequenz-Wechselstromanordnung, welche durch die verbesserten Lichtschalteffekte hinsichtlich der Raumladungskapazität möglich wird.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Halbleiterphotodiode, das darin besteht, daß die erste Halbleiterschicht auf der auf das Substrat aufgebrachten Elektrodenschicht abgeschieden und dabei zur Variation der Störstellendichte von einem geringen Wert in der ersten Teilschicht auf einen hohen Wert in der zweiten Teiischicht die Temperatur des Substrates allmählich vermindert wird. Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die erste Halbleiterschicht auf der auf dem Substrat befindlichen Elektrodenschicht abgeschieden und dabei zur Bildung der zweiten Teilschicht eine Legierung aus Cadmiumsulfid (CdS) und Cadmiumselenid (CdSe) erzeugt werden. Solche Teilschichten können auch in anderen Photoleitern erzeugt werden, wie beispielsweise in ZnS, GaAs und Si, die auf andere Spektralbereiche ansprechen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben und erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch ein mit Wechselstrom beschriebenes Lichtventil nach der US-PS 38 24 002,

Fig. 2 einen Abschnitt eines nach der Erfindung modifizierten Lichtventils nach Fig. 1,

F i g. 3 ein Diagramm der optischen Absorptionsspektren von durch Zerstäuben aufgebrachten CdS-Schichten bei verschiedenen Substrattemperaturen, die zeigen, daß bei sinkenden Temperaturen die Absorption in der Nähe der Bandkante zunimmt,

Fig.4 ein Diagramm der theoretischen Plattenladung in Abhängigkeit von der Sperrspannung einer Halbleiterphotodiode mit der durch Licht ausgelösten Injektionsrate von Elektronen-Loch-Paaren als Parameter,

F i g. 5a das Ersatzschaltbild eines Auflösungselementes eines Wechselstrom-Lichtventils, bS\ dem das gestrichelte Quadrat 20 die CdS/CdTe-Photodiode darstellt, während der damit in Serie geschaltete Teil die Impedanzen des dielektrischen Spiegels und des Flüssigkristallelementes veranschaulicht,

F i g. 5b eine Vereinfachung des Ersatzschaltbildes nach F i g. 5a, das für eine erste Näherung nützlich ist,

F i g. 6 das Diagramm des Schaltverhältnisses einer durch einen kapazitiven Kurzschluß gemessenen CdS-Schicht als Funktion der Spannung zwischen den Spitzen einer Wechselspannung von 200 Hz,

Fig. 7 das Diagramm der experimentellen Plattenladung in Abhängigkeit von der Sperrspannung bei 2 kHz und der Lichtintensität als Parameter der Kurvenfamilie,

Fig. 8 das Diagramm des Schaltverhältnisses O in

Abhängigkeit von der Spannung V für Ausführungsbeispiele von Halbleiterphotodioden bei 200 Hz, wobei die die Kurvenfamilie kreuzende Gerade die Lichtventil-Arbeitskurve nach Gl. (4) in Tabelle 1 darstellt,

Fig.9 ein Diagramm, das das Schaltverhältnis in Abhängigkeit von der Spannung für die Halbleiterphotodiode bei 2 kHz wiedergibt und in der wiederum die Gerade die Lichtventil-Arbeitskurve nach Gl. (4) in Tabelle 1 darstellt,

Fig. 10 ein Diagramm der Ladungsverarmung in Abhängigkeit von der Intensität des die Halbleiterphotodiode treffenden Lichtes bei einem Betrieb der Diode mit 200 Hz und 2 kHz, wobei die gestrichelten Linien die konstanten Steige'!jjen 2 und 3 veranschaulichen,

F i g. 11 ein Diagramm der Anstiegzeit des Photostro- , mes bei einem Lichtventil in Abhängigkeit von der Intensität des die Halbleiterphotodiode treffenden Lichtes beim Betrieb mit 200 Hz und 2 kHz, wobei die gestrichelten Linien die Steigungen —1 und -2 veranschaulichen,

Fig. 12 ein Diagramm der Bänder einer Halbleiterphotodiode, bei der der Bereich der CdS-Schicht mit dem höheren Absorptionskoeffizienten, der der CdTe-Grenzfläche benachbart ist, als der Haupt-Ladungsspeicherbereich wirkt,

Fig. 13 eine Tabelle I, in der die beschreibenden Gleichungen für die erfindungsgemäße Anordnung aufgeführt sind und welche die verwendeten Zeichen definiert,

Fig. 14 eine Tabelle II, in der die Schaltverhältnisse für eine Flüssigkristallzelle von 4 μΐη Dicke bei verschiedenen Wellenlängen angegeben sind,

Fig. 15 eine Tabelle III, welche theoretische und experimentelle Grauskalendaten für ein Wechselstrom-Lichtventil angibt, und

Fig. 16 eine Tabelle IV, welche die Ansprechzeit der Haibleiterphotodiode als Funktion der Lichtintensität angibt.

Aus Fig. 1. die ein Wechselstrom-Flüssigkristall-Lichtventil nach dem Stand der Technik zeigt, wie es z. B. in der US-PS 38 24 002 behandelt ist, ist ersichtlich, daß es sich hierbei um eine ebene, mehrschichtige Struktur handelt, bei der in direkter, sowohl räumlicher als auch zeitlicher Beziehung zu den Änderungen der Intensität des einfallenden Lichtes 10 eines Bildes eine Wechselspannung an eine Flüssigkristallschicht 13 angelegt werden kann, die über Anschlüsse 12 und 12a durchsichtigen Elektroden 2 und 2a zugeführt wird. Da dieses ebene Gebilde keine strukturell definierten Auflösungselemente besitzt und die die Anordnung uiiucnucn uünucfi Schichten cificTi hohen Flächcnwiuerstand aufweisen, kann ein Ausgangsbild 9 hoher Auflösung erzeugt werden. Eine mehr ins einzelne gehende Beschreibung von Wechselstrom-Flüssigkristall-Lichtventilen findet sich in der oben angegebenen US-PS 38 24 002, wo besonders auf die Notwendigkeit zur Anpassung der Wechselstromimpedanz der lichtempfindlichen Halbleiterschicht an die Wechselstromimpedanz des Flüssigkristalls oder eines anderen, statt dessen verwendeten spannungsabhängigen Materials hingewiesen wird.

Das Lichtventil ist auf einem Glassubstrat la oder einem anderen Trägermaterial mit optischer Qualität hergestellt, das für das einfallende Licht 10 in dem Spektralbereich durchlässig ist, für den die Halbleiterschicht 7 lichtempfindlich ist. Beispielsweise kann als Substrat auch die Endplatte einer Faseroptik verwendet werden. Auf das Substrat la wird eine dünne.

durchsichtige erste Elektrodenschicht 2a aufgebracht. Ein typischer Werkstoff hierfür ist Indiumzinnoxid (ITO). Der Flächenwiderstand der Schicht beträgt vorzugsweise 1 bis 10³Ohm. Der Flächenwiderstand ist durch die Forderung bestimmt, daß über der Schicht keine nennenswerte Variation der Wechselspannung feststellbar sein darf, wenn die Anordnung mit einer bestimmten Frequenz oder in einem bestimmten Frequenzbereich betrieben wird, für die oder den die Anordnung speziell ausgelegt ist.

Bei der nächsten Schicht handelt es sich um eine lichtempfindliche erste Halbleiterschicht 7 mit hoher Impedanz, die eine hohe Empfindlichkeit für ein Eingangsbild geringer Helligkeit aufweist. Im Fall eines Lichtventils, das mit einer Reflexions-Darstcilung arbeitet, ist die nächste Schicht eine für Licht undurchlässige zweite Halbleiterschicht 6, die verhindert, daß das Ausgangsbild bildende Licht 9 die erste Halbleiterschicht 7 erreicht.

Das nächste Element der Anordnung ist ein dielektrischer Mehrschicht-Spiegel 5, der aus abwechselnden Viertelwellenschichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex besteht. Die Verwendung eines solchen dielektrischen Spiegels erfordert die Anwendung von Wechselstrom zum Betrieb der Vorrichtung, weil er das Anlegen einer Gleichspannung an den Flüssigkristall hindert.

Die nächste Schicht auf dem Substrat la ist eine zur Passivierung dienende dielektrische Schicht 3a, die hinsichtlich einer elektrochemischen oder mechanischen Wechselwirkung mit dem verwendeten Flüssigkristall neutral ist.

Das Wechselstrom-Flüssigkristall-Lichtvcntil nach F i g. 1 umfaßt auch eine zweite Elektrodenschicht 2, die auf eine Glasplatte 1 aufgebracht und mit einer zur Passivierung dienenden dielektrischen Schicht 3 bedeckt ist. Zwischen den Passivierungsschichten 3 und 3a befindet sich die Flüssigkristallschicht 13. Die Dicke der Flüssigkristallschicht ist durch Abstandsstücke 4 und 4a bestimmt. Endlich befindet sich auf der Außenfläche der Glasplatte 1 ein Antireflexbelag 11.

Wie aus Fig.2 ersichtlich, welche die nach der Erfindung vorgesehene Verbesserung im einzelnen veranschaulicht, befindet sich innerhalb der lichtempfindlichen ersten Halbleiterschicht 7 eine erste Teilschicht 7a aus relativ reinem Cadmiumsulfid, in der eine geringe Störstellen-Dichte herrscht und die auch einen geringen Licht-Absorptionskoeffizienten aufweist, neben einer zweiten Teilschicht Tb, in der sowohl die Störstellendichte als auch der Absorptionskoeffizient höher isi. Bei einer Ausführungsförrri der Erfindung kann die zweite Teilschicht Tb beispielsweise durch das Hinzufügen von Selen zu dem Schwefel beim Aufbringen der Schicht erzeugt werden, was eine Legierung ergibt, deren chemische Zusammensetzung durch die Formel CdSi-^Se₁ dargestellt werden kann, wobei die Selenatome Störstellen bilden. Auf diese Weise wird eine an die aus Cadmiumtellurid bestehende zweite Halbleiterschicht 6 angrenzende zweite Teilschicht Tb gebildet ^^;e stärker bei Wellenlängen absorbierend ist, die größer sind als die fundamentale Absorptionskante von CdS, das den Hauptteil der ersten Halbleiterschicht 7 bildet. Es kann diese stärker absorbierende zweite Teilschicht Tb als »Orange« im Vergleich zu der charakteristischen »Gelb«-Absorption des stöchiometrischen CdS-Photoleiters bezeichnet werden, aus dem die erste Teilschicht 7a besteht. Dieser »Orange«-Bereich absorbiert den HauDtteil des einfallenden Lichtes

10, das von einer Kathodenstrahlröhre oder einer anderen Lichtquelle ausgehen kann, mit dem vorteilhaften Ergebnis, daß weniger einfallendes Licht eine stärkere Änderung in der photokapazitiven Verarmungszone bewirkt, die ihrerseits eine größere Empfindlichkeit der Anordnung zur Folge hat. Da der größte Anteil des einfallenden Lichtes in der zweiten Teilschicht Tb absorbiert wird, ist es möglich, die aus relativ reinem Cadmiumsulfid bestehende erste Teilschicht 7a, die eine gelbe Farbe hat, erheblich dicker zu machen als nach dem Stand der Technik, wie beispielsweise nach der US-PS 38 24 002. Hierdurch wird der Vorteil einer Verminderung des Dunkelstromes der Anordnung erzielt, weil die Größe des Dunkelstromes durch die Tiefe der Verarmungszone im Dunkelzustand bestimmt wird und diese wiederum von der Gesamtdicke der ersten Halbleiterschicht 7 abhängt. Die oben erwähnte Cadmiumsulfid-Cadmiumselenid-Legierung kann leicht erhalten werden, indem eine Cadmiumsulfid-Quelle in einer Atmosphäre von Schwefelwasserstoff zerstäubt und dann, in der letzten Phase, die Quelle in einer Wasserstoffselenid-Atmosphäre zerstäubt wird, wodurch eine Struktur mit einem gestuften oder verlaufenden Bandabstand geschaffen wird, welche die erforderliche chemische Formel aufweist. Es ist auch möglich, eine solche Legierung durch ein Verdampfen aus zwei Schiffchen mit folgender Wärmebehandlung mit Schwefelwasserstoff oder durch Zerstäuben zweier Quellen herzustellen. Bei jedem Verfahren wird zunächst CdS für die erste Teilschicht Ta und dann CdSi-,Se, für die zweite Teilschicht Tb abgeschieden.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung bestehen beide Teilschichten Ta und Tb ausschließlich aus Cadmiumsulfid. In diesem Fall wird die Änderung in der Störstellendichte zwischen den Teilschichten 7a und Tb durch ein allmähliches Absenken der Temperatur des Substrats la während des Aufbringens der Halbleiterschicht 7 durch Zerstäuben erzielt, in diesem Fall umfassen die erzeugten Störstellen sowohl flache Elektronenhaftstellen als auch Rekombinationszentren. Diese Störstellen erzeugen den gleichen Ladungsspeichereffekt wie die Störstellen, die aus den oben beschriebenen Legierungsatomen bestehen. Demgemäß soll der hier gebrauchte Ausdruck »Störstelle« entweder ein Atom, das normalerweise nicht in dem Intrinsic-Halbleiter enthalten ist und als Dotiermittel oder als Legierungsbestandteil in dem Halbleiter dient, oder flache Ladungshaftstellen (Elektronen- oder Lochhaftstellen) oder Rekombinationszentren im Halbleiter oder eine Kombination solcher Stellen bezeichnen.

Wie oben angegeben, kann die vorliegende Erfindung, obwohl sie anhand eines CdS verwendenden Ausführungsbeispieles beschrieben worden ist, auch bei anderen Photoleitern angewendet werden, wie z. B. ZnS, GaAs oder Si, die für andere Spektralbereiche empfindlich sind.

Die erfindungsgemäße Halbleiterphotodiode unterscheidet sich von derjenigen nach der US-PS 38 24 002 durch verschiedene Betriebseigenschaften und Vorteile. Um die in der US-PS 38 24 002 beschriebene Anordnung mit einer Kathodenstrahlröhre zu betreiben, war die Anwendung einer relativ kostspieligen Kathodenstrahlröhre hoher Intensität erforderlich. Versuche haben gezeigt, daß durch die Erfindung die Empfindlichkeit der Halbleiterphotodiode um mehr als eine Größenordnung gesteigert werden kann. Beachtliche Schaltverhältnisse wurden mit einer Leistung von weniger als 50 μW/cm² in einem Spektralband erreicht, das demjenigen des P-I-Phosphors handelsüblicher Kathodenstrahlröhren entspricht. Normale handelsübliche und preiswerte Darstellungsgeräte mit Kathodenstrahlröhren liefern etwa 100μW/cm². Das Spektralband des von solchen handelsüblichen Kathodenstrahlröhren mit P-1-Phosphor emittierten Lichts wird hier definiert als das Band der Wellenlängen, die sich im Bereich einer Glockenkurve mit dem Spitzenwert bei 525 nm befinden. Die Breite der Glockenkurve beim halben Spitzenwert beträgt 45 nm.

Weiterhin spricht die erfindungsgemäße Halbleiterphotodiode auf ein breiteres Spektralband an als die Photodiode nach der US-PS 38 24 002. Eine gleichförmige Schicht verursacht stets eine exponentiell Abnahme der Lichtintensität, so daß bei geringer Tiefe der Verarmungsschicht eine Lichtkopplung mit zunehmend geringerer Wirksamkeit stattfindet. Weiterhin besitzt eine hochwirksame Halbleiterschicht allgemein eine scharf begrenzte Spektralempfindlichkeit, die für kleine Rekombinationsgeschwindigkeiten erforderlich ist. Insbesondere ist die Spektralempfindlichkeit guter kristalliner Cadmiumsulfidschichten für eine gute Kopplung mit dem Licht des P-1-Phosphors von Kathodenstrahlröhren viel zu schmal. Die Abstufung der Schicht nach der Erfindung führt zu einer breiten Spektralempfindlichkeit bei nichtexponentieller Trägererzeugung und kleinen Rekombinationsgeschwindigkeiten.

Die erfindungsgemäße Halbleiterphotodiode liefert auch eine hohe Auflösung bei geringem Dunkelstrom. Da das Bild der Kathodenstrahlröhre in der Verarmungszone gebildet wird, ist die Auflösung des Lichtventils durch den Abstand der Verarmungszone vom Flüssigkristall bestimmt. Bei der gestuften Struktur wird das Licht der Kathodenstrahlröhre oder ein anderes Licht eines Eingangsbildes weitgehend in dem Orange-Bereich nahe der Grenzfläche zum Cadmiumtellurid absorbiert. Dort wird das Bild geformt. Der Gelb-Bereich kann dicker gemacht werden, wodurch der Dunkelstrom vermindert wird, weil der Pegel des Dunkelstromes durch die Tiefe der Verarmungszone im Dunkelzustand bestimmt wird und diese aus der Dicke der gelben und der orangefarbenen Schicht besteht.

Die erfindungsgemäße Anordnung führt auch zu einer höheren Wirksamkeit der Trägerinjektion. Gleichförmige Schichten mit breiter Spektralempfind lichkeit weisen gewöhnlich tiefere Haftstellen und Rekombinationszentren in größeren Dichten auf. Diese Stellen und Zentren haben eine geringere Wirksamkeit des Lichtes bei der Injektion von Trägern zur Folge. Die Dichte dieser Stellen und Zentren kann bei der gestuften Bandlückenstruktur der erfindungsgemäßen Halbleiterphotodiode vermindert werden. Bei der Herstellung des Orange-Bereiches auf der gelben Teilschicht durch den Einbau von Störstellen werden Verfahren bevorzugt, die zu flachen Störstellen führen.

Endlich führt, wie oben angegeben, die erfindungsgemäße Anordnung zu einer guten Hochfrequenz-Photokapazität. Wie oben angegeben, ist die verbesserte Empfindlichkeit die Folge eines verbesserten Lichtschalt-Photokapazitäts-Effektes. In der Struktur mit gestufter Störstellendichte bleibt die Photokapazität bei höheren Frequenzen hoch, wenn die flachen Störstellen schnell genug mit dem Leitungsband in Verbindung treten. Dann werden sie mit den Geschwindigkeiten entleert und gefüllt, welche die höheren Frequenzen erfordern. Bei der gestuften Bandstruktur wird die

Energie des flachen Niveaus effektiv zu Null, und es werden demgemäß gute Hochfrequenz-Schaltverhältnisse erzielt.

Als spezielles Beispiel für eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung werden anschließend die experimentell festgestellten Daten für eine auf ein Substrat aufgebrachte Halbleiterphotodiode angegeben, die in Verbindung mit einem mit Wechselstrom betriebenen Flüssigkristall-Projektionslichtventil erzielt werden. Diese Anordnung umfaßt die in den F i g. 1 und 2 dargestellten Elemente und besteht aus einer ersten dünnen Halbleiterschicht 7, die aus durch Zerstäuben aufgebrachtem η-Typ CdS besteht und auf die eine zweite dünne Halbleiterschicht 6 aus p-Typ CdTe aufgedampft ist. Es wird nachstehend ein vorläufiges Model! angegeben, das zum Zweck der Analyse durch die Techniken der theoretischen Festkörperphysik die Photoempfindlichkeit dieser Anordnung anhand der Verarmungszonen-Photokapazität der Halbleiterphotodiode beschreibt, die zwischen diesen beiden Halbleiterschichten gebildet wird. Unter der Annahme einer elektronischen Störstellenstruktur, die bei diesem aus reinem CdS bestehenden Ausführungsbeispiel aus Haftniveaus für schnelle und langsame Elektronen und einem Rekombinationsniveau besteht, wie es auch bei einem Photoleiter der Fall ist, kann die in der Halbleiterphotodiode: gespeicherte Ladung zu der das Bild auslösenden Lichtintensität in Beziehung gesetzt werden. Hierdurch wird eine beschreibende Information über die Reaktionszeit, die Grauskala und die Empfindlichkeit der Anordnung gewonnen.

Die Daten über die Ansprechzeit sind von besonderem Interesse, weil sie zeigen, daß die Halbleiterphotodiode des Lichtventils in der Lage ist, nahezu mit Fernsehgeschwindigkeiten zu arbeiten. Die Überein-Stimmung der experimentellen Daten mit dem Modell und eine vom Modell ausgehende Extrapolation läßt erwarten, daß bedeutende Fortschritte hinsichtlich der Empfindlichkeit und der Ansprechzeit noch möglich sind.

In Verbindung mit einer Flüssigkristall-Anzeige hat die neue Halbleiterphotodiode den bedeutenden Vorteil, daß sie ein durch Licht aktivierbares, im folgenden auch mit Sw.R. (switching ratio) bezeichnetes Stromschaltverhältnis ion/iof! aufweist, das nahezu von der Arbeitsfrequenz unabhängig ist. Hierin liegt ein bedeutender Vorteil, weil ein Flüssigkristall, wenn eine vernünftige Lebensdauer erzielt werden soll, mit Wechselstrom betrieben werden muß und die Frequenz des Wechselstromes für Fernseheinrichtungen beträchtlieh über den Fernsehfrequenzen liegen muß, um durch Scuwebungcfrequerizen hervorgerufene Effekte zu vermeiden. Unter diesen Bedingungen wächst der Kapazitäts-Dunkelstrom der dünnen Schichten ganz erheblich an. Eine einfache Berechnung zeigt, daß ein Photodioden-Substrat mit einer Quantenausbeute von Eins oder weniger sehr begrenzte Schaltverhältnisse bei Frequenzen von 200 Hz und mehr aufweist. Dagegen werden mit der erfindungsgemäßen Halbleiterphotodiode fast frequenzunabhängige Schaltverhältnisse im Bereich von 10² bis 10⁴ Hz erzielt. Das Modell erklärt dieses Verhalten durch Ladungsspeicherung in den Verarmungsschichten in Form von Löchern an Rekombinationszentren. Die Lebenszeit der Löcher ist größer als die Periode der Treiberspannung. Daher bewegt sich ein Elektron viele Male vor und zurück, bevor es mit einem Loch rekombiniert. Tatsächlich ist die Anzahl der Trennungen in Löcher und Elektronen proportional zur Frequenz, wenn die Rekombinationszeit von der Frequenz unabhängig ist. Hierdurch wird ein Photostrom erzeugt, der in gleicher Weise zur Frequenz proportional ist wie der kapazitive Dunkelstrom. Als Ergebnis ist das Verhältnis dieser beiden Ströme, also das Schaltverhältnis, frequenzunabhängig. Makroskopisch kann der Effekt, daß der Photostrom der Frequenz proportional ist, auch als Vorliegen einer Photokapazität im elektrischen Äquivalenzschaltbild beschrieben werden.

Analyse eines Ausführungsbeispiels
I. Einführung

Dieser Abschnitt beschreibt die experimentellen Eigenschaften eines speziellen Ausführungsbeispieis einer zur Bildwiedergabe dienrnden Halbleiterphotodiode, die zusammen mit einem mit Wechselstrom betriebenen FIüssigkristall-Lichtventil-Projektionssystem von der Art verwendet wird, wie es in der US-PS 38 24 002 beschrieben ist.

Wenn das beispielsweise von einer Kathodenstrahlröhre gelieferte Licht 10 geringer Intensität, das zum Schreiben eines Bildes dient, die von den CdS- und CdTe-Schichten gebildete Halbleiterphotodiode beleuchtet, wird die zwischen die Elektroden 2 und 2a des Lichtventils nach Fig. 1 angelegte Wechselspannung räumlich verschieden an die Flüssigkristallschicht 13 angelegt. Die von dieser sich räumlich ändernden Spannung beaufschlagte Flüssigkristallschicht moduliert ihrerseits das Projektionslicht 9 hoher Intensität, um eine Wiedergabe des eingeschriebenen Bildes zu liefern. Die Eigenschaften des Lichtventils werden dann durch zwei Faktoren bestimmt, nämlich 1. durch das Spannungsschaltverhalten der Halbleiterphotodiode in Abhängigkeit von der Intensität des Schreiblichtes und 2. durch die Modulationswirkung der Flüssigkristallschicht auf das Projektionslicht in Abhängigkeit von der von der Halbleiterphotodiode gelieferten Spannung.

Nach einer Behandlung der Herstellung der Halbleiterphotodiode (Abschnitt II) folgt eine kurze Beschreibung des theoretischen Modells (Abschnitt III) und eine Darstellung und Würdigung der experimentell erhaltenen Daten anhand dieses Modells (Abschnitte IV bis VI).

II. Herstellung der Halbleiterphotodiode

Die in dem Wechselstrom-Lichtventil verwendete Halbleiterphotodiode besteht aus drei dünnen Schichten, die nacheinander auf ein Glassubstrat la aufgebracht werden (vgl. F i g. 1 und 2). Diese Schichten sind in der Reihenfolge der Abscheidung

a) eine durchsichtige Elektrodenschicht 2a mit einer Dicke von 40 nm aus Indium-Zinnoxid, das durch Bestrahlen mit einem Elektronenstrahl verdampft wurde,

b) einer durch reaktives Zerstäuben aufgebrachten ersten Halbleiterschicht 7 aus CdS vom η-Typ mit einer Dicke von 16 μΐη und

c) einer einer thermisch abgeschiedenen zweiten Halbleiterschicht 6 aus CdTe vom p-Typ mit einer Dicke von 2 μιη.

Die erste Halbleiterschicht 7 wird durch reaktives Zerstäuben von CdS in einer H2S/Ar-Atmosphäre in der Weise aufgebracht, wie es von Frazer und Melchior in J. Appl. Phys., 43, 3120 (1972), beschrieben wurde. Die Zerstäubungsvariablen hatten die folgenden Werte:

Niederschlaggeschwindigkeit

Argondruck

FhS-Konzentration

Vorspannung

Restlicher Gasdruck

Substrattemperatur

2 + 0,15Pa
2%

Substrat geerdet
<2 xiO-⁵ Torr
während der Abscheidung variiert

Schichten mit gestuftem oder verlaufendem Absorptionsvermögen werden durch Verändern der Substrattemperatur während der Abscheidung der CdS-Schicht erzielt. Die anfänglich hohe Substrattemperatur (225°C) führt zu einer hochisolierenden ersten Teilschicht Ta mit einer geringen Dichte an Elektronenhaftstellen und einer Absorptionskante bei kürzeren Wellenlängen, während die niedrige Endtemperatur (175°C) zu einer zweiten Teilschicht Tb mit verschobener Absorptionskante und einer hohen Dichte an flachen Haftstellen führt. Diese Wirkung der Substrattemperatur auf die optische Absorptionskante der CdS-Schicht ist durch das Spektrum nach F i g. 3 veranschaulicht. In der Praxis erstreckt sich die zweite Teilschicht Tb etwa über ein Viertel der Dicke der ersten Halbleiterschicht 7, während die erste Teilschicht Ta etwa drei Viertel der Gesamtdicke der ersten Halbleiterschicht 7 einnimmt, die in diesem Beispiel mit 16 μίτι angegeben ist. Es versteht sich jedoch, daß diese Werte geändert werden können, um bestimmten Konstruktionsbedingungen zu genügen. Dicken im Bereich von 10 bis 20 μΐη sind in der Praxis ohne weiteres möglich.

Nach ihrem Abscheiden wird die erste Halbleiterschicht 7 chemomechanisch poliert und es wird anschließend die zweite Halbleiterschicht 6 vom p-Typ aufgebracht, die aus Cadmiumtellurid (CdTe) besteht, um die n-p-Struktur der Halbleiterphotodiode zu bilden.

III. Modellvorstellung von der Halbleiterphotodiode

Die Halbleiterphotodiode des Lichtventils nach den F i g. 1 und 2 wird von der zweiten Halbleiterschicht (CdTe-Schicht) 6 und der ersten Halbleiterschicht (CdS-Schicht) 7 vom p- bzw. η-Typ gebildet. Das Schlüsselelement, das die Wirkungsweise dieser Diode bestimmt, ist die kapazitive Wechselstromimpedanz, die sich aus der Tiefe der Verarmungszone ergibt. Es wurde angegeben, daß eine durch Licht injizierte Ladung diese von der Tiefe der Verarmungszone abhängige Kapazität steuert. Anschließend wird beschrieben, auf welche Weise diese Steuerung erfolgt.

Da das Schlüsselelement für die Wirkungsweise der Halbleiterphotodiode die Tiefe der Verarmungszone ist, sind die charakteristischen Kurven der Diode die Kurven der Abhängigkeit Q=I(V), die in Fig.4 veranschaulicht sind. In diesen Kurven ist V die Dioden-Sperrspannung und Q die Ladung in der die CdS-Schicht 7 kontaktierenden, aus Indium-Zinnoxid (ITO) bestehenden Elektrodenschicht 2a. Die Lichtintensität, welche die Dichte gefüllter Donatorzustände π bestimmt, ist der Parameter für die dargestellte Kurvenschar.

Zunächst sei der Dunkelzustand betrachtet In diesem Zustand hat die CdS-Schicht 7 in der Diode einen solchen Widerstand, daß schon bei sehr kleinen Spannungen Vdie Tiefe der Verarmungszone leicht von der CdS-CdTe-Grenzschicht durch die ganze CdS-Schicht (etwa 16 μΐη) getrieben wird. Demgemäß ist im Dunkeln die Wechselstrom-Impedanz der Halbleiterphotodiode diejenige eines Kondensators mit parallelen Platten und einem 16 μίτι dicken Dielektrikum aus CdS. Demgemäß ist bei Dunkelheit die in F i g. 4 dargestellte Kurve für Q= f(V) eine gerade Linie.

Als zweites sei der Zustand der Beleuchtung betrachtet. Wenn Licht auf die Halbleiterphotodiode fällt, erzeugen die Photonen Elektronen-Loch-Paare in der Masse der CdS-Schicht nahe der Grenzfläche zur CdTe-Schicht. Die injizierten Löcher werden in der CdS-Schicht an Rekombinationszentren gefangen und bilden eine gespeicherte Ladung. Wenn die an die Halbleiterphotodiode angelegte Sperrspannung gleich Null ist, werden die vom Licht injizierten Elektronen von Haftstellen in der CdS-Schicht gefangen und es wird die gesamte Ladung kompensiert. Demgemäß ist die Ladung der ITO-Platte bei der Vorspannung Null gleich Null. Wenn die Vorspannung jedoch von Null abweicht, wirken die flachen Elektronen-Haftstellen effektiv als Donatoren, weil einige der Elektronen beweglich sind, während es die Löcher nicht sind. Demgemäß hängt die Tiefe der Verarmungsschicht von der Spannung in einer Weise ab, die von einer effektiven Donatorkonzentration bestimmt ist, weiche von durch Licht injizierten Elektronen erzeugt wird, die von flachen Haftstellen gefangen worden sind. Hierbei handelt es sich um den nichtlinearen Bereich der Kurven für die beleuchtete Halbleiterphotodiode in Fig.4. Wenn die Spannung einen Zustand erreicht, bei dem die flachen Haftstellen geräumt sind, ist die Ladung aus der Masse der CdS-Schicht entfernt und es wird sich die CdS-Schicht erneut wie ein 16 μΐη dickes Dielektrikum eines Kondensators verhalten. Die Kurven werden dann zu geraden Linien, die sich parallel zur Kurve für den Dunkelzustand erstrecken.

Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß die Elektronenbesetzung der flachen Haftstellen die lichtabhängige Größe ist, welche das Verhalten der Halbleiterphotodiode bestimmt. Diese Größe kann zur Lichtintensität und zu den Ein- und Aus-Zuständen der Halbleiterphotodiode durch die Annahme eines Drei-Niveau-Modells für die CdS-Schicht in Beziehung gesetzt werden. Diese drei Niveaus sind diejenigen von (1) Rekombinationszentren, (2) flachen Haflstellen und (3) tiefen Haftstellen.

Die tiefen Haftstellen haben eine wichtige Rolle bezüglich einer Begrenzung der Eigenschaften. Wie bereits früher ausgeführt, sind nicht alle eingefangenen Elektronen frei, sich mit der Frequenz der angelegten Wechselspannung zu bewegen. Demgemäß begrenzen sie die Empfindlichkeit, weil sie viele der durch Licht injizierten Elektronen-Loch-Paare unwirksam machen.

Die Gleichungen, die sich auf die Empfindlichkeit und die Ein- und Aus-Zeiten beziehen und von diesem Drei-Niveau-Modeü abgeleitet sind, sind in der Tabelle ! nach Fig. 13 der Zeichnung zusammengefaßt. Es sei darauf hingewiesen, daß diese Gleichungen den Gleichungen für einen Photoleiter entsprechen, wenn die Dichte der freien Elektronen im Leitungsband des Photoleiters durch die Größe χ ITr ersetzt wird. Diese Größe tritt auf, weil alle von flachen Haftstellen gefangenen Elektronen n_r frei sind, sich für den Bruchteil χ einer Periode bei jedem Zyklus zu bewegen, bevor sie zur Elektrode geschwemmt werden. Daher ist χ n; die effektive Dichte der mittleren freien Elektronen-Population.

Wie bereits früher erwähnt, ist es vorteilhaft, den optischen Absorptionskoeffizienten der CdS-Schicht 7 so zu stufen oder verlaufen zu lassen, daß die Teilschicht Tb nahe der CdTe-Grenzfläche stärker absorbierend ist. Der Vorteil liegt in einer höheren Empfindlichkeit, die

auf eine gleichförmigere Trägerinjektion in der ersten Halbleiterschicht, eine bessere Anpassung an die Spektralverteilung des vom Phosphor einer Kathodenstrahlröhre ausgehenden Lichtes und eine höhere Ansammlungs- oder Absaugspannung zurückzuführen ist. Es wurde im Abschnitt II festgestellt, daß die Stufung für die beschriebene CdS/CdTe-Photodiode durch Variation der Substrattemperatur während der CdS-Abscheidung erzielt wird.

IV. Technik photoelektrischer Messungen

10

Die Theorie über die Wirkungsweise der CdS/CdTe-Photodiode wurde im Abschnitt III qualitativ beschrieben. Die folgenden Abschnitte dienen zur Erläuterung experimenteller Daten. Zuerst werden Daten, welche die dem Modell der Halbleiterphotodiode zugrunde liegenden Annahmen unterstützen, im Abschnitt V angegeben. Im Abschnitt VI werden dann Daten vorgestellt, die sich auf die Arbeitsweise des Lichtventils beziehen.

In diesem Abschnitt wird die Meßtechnik beschrieben, die angewendet wurde, um die in den nächsten Abschnitten angegebenen Daten zu erhalten. Diese Technik beruht auf der Idee eines Äquivalentschaltbildes für die Lichtventil-Anordnung.

Das Äquivalentschaltbild für das mit Wechselstrom betriebene Lichtventil ist in Fig. 5a dargestellt. Es besteht aus zwei Teilen, nämlich einem lichtempfindlichen Element und einem Satz passiver Komponenten.

Das lichtempfindliche Element besteht aus der photoaktiven CdS-Schicht, die mit der elektrisch blockierenden CdTe-Schicht bedeckt ist, während der Satz passiver Komponenten aus dem dielektrischen Spiegel und der Flüssigkristallschicht besteht. Der dielektrische Spiegel wird einfach durch einen idealen Kondensator C_n, repräsentiert, während die Flüssigkristallschicht durch eine Parallelkombination von Widerstand Ric und Kondensator G₁- dargestellt wird. Der Abschnitt dieses Ersatzschaltbildes, der sich innerhalb des gestrichelten Quadrates 20 befindet, repräsentiert die Halbleiterphotodiode. die von den CdS- und CdTe-Schichten gebildet wird. Darin stellt der Widerstand R₅ den Serienwiderstar.d des nichtverarmten Bereiches der CdS-Schicht und der Widerstand R₁ den Restwiderstand des verarmten Bereiches der CdS-Schicht dar. Die licht- und spannungsabhängigen Variationen der Kapazität C₁ der Verarmungszone wurden oben beschrieben. Es wurde angenommen, daß R₅ im wesentlichen gleich Null und R_v im wesentlichen gleich 00 ist. Die Diode D stellt den Übergang zwischen den Halbleiterschichten 7 und 6 dar.

Bei dem Modell dieser Struktur wird angenommen, daß Licht Elektronen-Loch-Paare in die stark absorbierende Orange-Teilschicht der CdS-Schicht injiziert, die der Grenzfläche zur CdTe-Schicht benachbart ist. Die injizierten Löcher werden fast sofort von Rekombinationszentren in der CdS-Schicht eingefangen, wie es auch der Fall bei einem Photoleiter ist. Die Impedanz der Halbleiterphotodiode wird jedoch nicht resistiv, sondern kapazitiv gesteuert. Die impedanz wird von der Sperrspannungs-Wechselstrom-Photokapazität gesteuert, die einer Verarmungszone zugeordnet ist, die von der CdS/CdTe-Grenzfläche ausgeht. Die Tiefe dieser Verarmungszone und infolgedessen die Photokapazität wird durch eine Modulation der effektiven Donatorkonzentration mittels durch Licht injizierter Elektronen gesteuert, die von flachen Haftstellen in der stark absorbierenden CdS-Teilschicht eingefangen werden.

Dieses Modell entspricht einem Photoleiter insoweit als Löcher in der CdS-Schicht gefangen werden Demgemäß liegt die Spektralenipfindlichkeit nahe der Bandkante des CdS und es wirkt die Anordnung im Wechselstrombetrieb verstärkend. Eine Verstärkung tritt ein, weil ein Elektronen-Loch-Paar mehr als einmal getrennt werden kann. Tatsächlich bewegen sich die Elektronen unter dem Einfluß des Wechselfeldes von beispielsweise 2 kHz mehrfach im Bereich zwischen der CdS/CdTe-Grenzfläche und der CdS/ITO-Grenzfläche hin und her, bevor eine Rekombination mit Löchern an CdS-Rekombinationszentren stattfindet. Die Hin- und Herbewegung der Elektronen kann beispielsweise 30 ms dauern. Die Rekombinations-Ereignisse gehorchen ebenso wie bei einem Photoleiter statistischen Gesetzer..

Die Halbleiterphotodiode unterscheidet sich von einem Photoleiter darin, daß die Wechselstrom-impedanz von einem photokapazitiven Element und nicht von einem photoresistiven Element gesteuert wird. Den größten Teil der Zeit arbeitet die Halbleiterphotodiode mit einer Sperrspannung.

Das Äquivalentschaltbild des Lichtventils ist im einzelnen im Fi g. 5a und in einer vereinfachten Form in F i g. 5b dargestellt. Das Banddiagramm der Anordnung zeigt F i g. 12.

Die im Abschnitt V behandelten Daten der Halbleiterphotodiode beziehen sich auf den Abschnitt des Äquivalentschaltbildes, der sich innerhalb des gestrichelten Quadrates 20 befindet. Für diese Daten werden die Effekte der passiven Komponenten des Äquivalentschaltbildes; auf ein Minimum reduziert. Diese Daten werden durch experimentelle Kurven für Q= f(V) veranschaulicht, die den Kurven nach Fig.4 entsprechen. Die Kurve nach F i g. 4 wurde vorher benutzt, um die Wirkungsweise der Halbleiterphotodiode zu erläutern. Die zum Erhalt der experimentellen Daten benutzten Proben bestehen aus der Standardkombination ITO/CdS. Der elektrische Sperrkontakt wird jedoch von einem Silberlackkontakt mit einer Fläche von 0,5 cm² anstatt von der üblichen CdTe-Schicht gebildet. Versuche haben gezeigt, daß diese beiden Kontaktarten äquivalent sind. Dann wurden experimentell die Kurven Q^f(V) aufgenommen, indem die ITO/CdS/Ag-Probe in Serie zu einem großen Kondensator geschaltet und die Kombination mit einer Sägezahnspannung von 60 V Spitzenspannung betrieben wurde. Die Kurven für Q= f(V) werden erhalten, wenn auf der y-Achse die Spannung an dem großen Serien-Kondensator und auf der x-Achse die dem Photosensor zugeführte Spannung aufgetragen wird. Diese Q in Abhängigkeit von V angebenden Kurven werden bei Frequenzen, Lichtintensität und Spannungen gemessen, welche für die Eigenschaften der Anordnung von Interesse sind.

Die im Abschnitt VI angegebenen Daten bezüglich der Grau-Skala und der Ansprechzeit beziehen sich auf das Äquivalentschaltbild der gesamten Lichtventilanordnung. LIm diese Daten zu gewinnen, wurde das ITO/CdS/Ag-Muster in Serie zu Impedanzen geschaltet, welche einen dielektrischen Spiegel und eine 4 μιτι dicke Flüssigkristallschicht repräsentieren. Alle Impedanzwerte wurden zu der Kontaktfläche von 0,5 cm² der Silberelektrode in Beziehung gesetzt. Es wurde festgestellt, daß die Daten dieser Ersatzschaltung gültig sind, indem für die Ersatzschaltung erhaltene Daten mit den Daten von vollständigen Flüssigkristall-Lichtventil-

Anordnungen verglichen wurde.

V. Nachprüfung von grundsätzlichen Annahmen
für das Halbleiterphotodioden-Modell

Zunächst ist es wichtig, d^:e beiden grundsätzlichen Annahmen nachzuprüfen, die oben für das Modell der Halbleiterphotodiode gemacht wurden, daß nämlich

a) nur in der CdS-Schicht und nicht in der CdTe-Schicht absorbiertes Licht zu der in der Diode gespeicherten Ladung beiträgt, und

b) die kapazitive Impedanz, die sich aus der Tiefe der Verarmungszone in der CdS-Schicht ergibt, die dominierende Komponente der lichtabhängigen Impedanz ist

Die erste Annahme wird durch die folgenden experimentellen Beobachtungen bestätigt:

1. Die spektrale Empfindlichkeit hat ihr Maximum an der CdS-Bandkante und fällt in Richtung Rot sehr schnell ab. Die Daten der Tabelle II sind für die Empfindlichkeit eines Wechselstrom-Lichtventils typisch. Wenn im CdTe erzeugte Elektronen-Loch-Paare von Bedeutung wären, so wäre die Rot-Empfindlichkeit mit der Grün-Empfindlichkeit vergleichbar.

2. Das Hochfrequenz-Schaltverhältnis ist größer, als es theoretisch beim Verstärkungsfaktor 1 sein dürfte, und außerdem in erster Näherung von der Frequenz unabhängig. Tatsächlich müßte das theoretische Schaltverhältnis bei der Verstärkung 1 sowie bei 2 kHz, 100 μW/cm² und 50 V Spannung zwischen den Spitzen den Wert 1,1 haben. Dieser Wert ist sehr viel niedriger als der beobachtete Wert von beispielsweise 1,77 gemäß Tabelle II. Eine höhere Verstärkung als 1 und die frequenzunabhängige Charakteristik ergeben sich natürlich aus der Hypothese, daß in der CdS-Schicht Löcher eingefangen werden.

3. Der Silber-Sperrkontakt ist dem CdTe-Sperrkontakt äquivalent. Auch hieraus ist zu schließen, daß die Eigenschaften der CdS-Schicht die Eigenschaften der Halbleiterphotodiode bestimmen.

Die zweite Annahme, daß die sich aus der Tiefe der Verarmungszone ergebende Photokapazität die Eigenschaften der mit Wechselstrom betriebenen Halbleiterphotodiode bestimmt, kann unter Bezugnahme auf das verallgemeinerte Äquivalentschaltbild für das Lichtventil nach F i g. 5a bestätigt werden. Wenn diese Annahme gültig ist, dann gilt

Die Größe R_s ist der Photowiderstand der nicht verarmten CdS-Schicht. Anhand von Gleichstrommessungen der maximalen Spektralempfindlichkeit unter Verwendung ohmscher Kontakte kann ein angenäherter Wert für R_s berechnet werden. Aufgrund dieses berechneten Wertes für R₅ müßte man bei einem auf Photoleitung basierenden Modell ein Dioden-Schaltverhältnis von mehr als 10:1 bei einem kapazitive Kurzschluß erwarten, wenn die Kapazität der Verarmungszone vernachlässigt werden könnte. Weiterhin müßte man für ein solches Modell erwarten, daß die kapazitive Wirkung der Verarmungszone bei kleinen Spannungen weniger bedeutend wird. Dann sollte das Wechselstrom-Schaltverhältnis den Wert 10 bei einem kapazitiven Kurzschluß überschreiten, wenn die zugeführte Spannung zwischen den Spitzen sich dem Wert 0 nähert Wie F i g. 6 zeigt, wird dieser Trend tatsachlich beobachtet Weiterhin kann für eine gleichförmige stöchiometrische Schicht eine exponentiell» Lichtabsorption angenommen werden, d. h. daß F und m mit dem Abstand von der ITO/CdS-Grenzfläche exponentiell abfallen.

Dann ergibt eine Lösung der Maxwellschen Gleichungen, wie der Gl. (2) und (3) nach Tabelle I, unter Annahme einer exponentiellen Verteilung von nt die

ίο theoretische Schaltverhältnis-Kurve nach F i g. 6. Dieses Schaltverhältnis ist unter der Annahme berechnet, daß der kapazitive Widerstand der Verarmungszone den Widerstand R_s überwiegt Danach übertrifft die Photokapazität den Widerstand R_s bei 200 kHz. Dies gilt auch bei hohen Frequenzen und hohen Lichtintensitäten.

Die Gültigkeit der Annahme, daß R_v>\/mC_n kann durch einen Vergleich experimentell aufgenommener Kurven für Q= f(V) mit den entsprechenden theoretischen Kurven nach Fig.4 nachgewiesen werden.

Experimentell aufgenommene Kurven für die Ladung Q in Abhängigkeit von der Spannung V sind in F i g. 7 für 2 kHz und verschiedene Lichtpegel dargestellt. Diese Kurven zeigen eine kleine Hysterese der Q-Werte bei steigender und fallender Spannung. Die gemittelten Kurven stimmen jedoch gut mit den Kurven nach F i g. 4 zusammen. Die beobachtete Hysterese ist das Ergebnis eines endlichen Widerstandes Rv Physikalisch gibt R_v den Restwiderstand der verarmten Zone der CdS-Schicht an. R, hat in dieser Zone einen endlichen Wert, weil auch dann, wenn die flachen Haftstellen leer sind, noch immer durch Lichtabsorption und durch Leeren tiefer Haftstellen Träger in die verarmte Zone injiziert werden können. Diese Trägerinjektion in die Verarmungszone führt zu der Hysterese, weil eine Rekombination nur dann stattfindet, wenn Elektronen und Löcher gemeinsam in der Masse der Schicht vorhanden sind und dieser Fall vorwiegend auftritt, wenn sich die Spannung dem Nullwert nähert. Daher führt eine Ansammlung der Plattenladung von der Ladungsträgerinjektion über Lichtabsorption und die Entleerung tiefer Haftstellen zu einer größeren Ladung in größeren Zeitintervallen, die vom Nullbereich der Spannung aus gemessen werden. Daher hat sich bei abfallendem |V| mehr Spannung angesammelt als bei ansteigendem |Vj, wie es Fig. 7 zeigt.

Trotz der vorhandenen Hysterese ist die Aufnahme richtig, daß R_v >\Ιω C_n eine zu guten Ergebnissen führende, erste Näherung ist. Dies folgt aus der Tatsache, daß die bei geringer Lichtintensität auftretende Hystereseladung gegenwärtig nicht mehr als etwa 20% der Ladung der flachen Haftstellen beträgt und daß die Hystereseladung in dem Maße abnehmen wird, wie die Schichten verbessert werden, also die Dichte von tiefen Haftstellen abnimmt.

VI. Auf die Halbleiterphotodiode bezogene
Eigenschaften des Lichtventils

Im letzten Abschnitt war der Augenmerk auf das enge Ziel gerichtet, das Modell der Halbleiterphotodiode zu verifizieren. Dieser Abschnitt liegt unter einem anderen und breiteren Gesichtswinkel. Die verfolgten Zwecke sind dreifach.

Als erstes sollen Daten über die Halbleiterphotodiode vorgelegt werden, die für die Wirkungsweise des Lichtventils von Bedeutung sind. Diese Daten wurden bisher nicht gezeigt und sind von einigem Interesse.

Beispielsweise zeigen die Daten über die Ansprechzeit, daß die Halbleiterphotodiode in der Lage ist, mit nahezu Fernsehfrequenzen betrieben zu werden.

Als zweites soll gezeigt werden, daß diese Daten über das Lichtventil sehr gut mit der Modellvorstellung übereinstimmen.

Drittens soll gezeigt werden, daß geringe Abweichungen vom Modell dem Vorliegen von mehr als einem tiefen Haftstellen-Niveau zugeschrieben werden können und daß infolgedessen Verbesserungen in der Qualität der polykristallinen CdS-Sch:cht zu einer besseren Übereinstimmung mit dem Modell führen müssen.

A. Grauskala-Daten

Wie oben angegeben, wurden die experimentellen Kurven der Funktion Q= f(V) mil einem Serienkondensator kleiner Impedanz aufgenommen. Die Aufnahme erfolgte durch Photographieren von Oszillographen-Schirmbildern bei 200 Hz und 2 kHz. Die gemittelten Kurven sind in den F i g. 8 und 9 für einen metallischen Kontakt von 0,5 cm² Fläche dargestellt.

Als nächstes wurden Impedanzen, die einer 4 μίτι dicken Flüssigkristallschicht entsprachen und maßstäblich an die Kontaktflächen von 0,5 cm² angepaßt waren, in den Kreis eingeschaltet, um das Äquivalentschaltbild eines wechselstrombetriebenen Lichtventils zu verwirklichen. Dann wurden bei verschiedenen Lichtintensitäten die Gleichgewichts-Spitzenstrom-Schaltverhältnisse gemessen. Endlich wurden in den Diagrammen gerade Linien über die gemittelten Kurven für Q=f(V) gezogen, welche die Lastkurven für die Halbleiterphotodiode darstellen. Diese geraden Linien wurden in Übereinstimmung mit den gemessenen gesättigten Licht-Schaltverhältnissen eingezeichnet. Anhand der Schnittpunkte der geraden Linien mit den Q-Kurven wurden Grauskalen-Schaltverhältnisse bestimmt. Diese vorausbestimmten Grauskalendaten sind in Tabelle IH mit den gemessenen Gleichgewichts-Schaltverhältnissen verglichen. Die Tabelle III zeigt, daß Theorie und Messung sehr gut übereinstimmen.

Die Information über die Lichtintensität in den Kurven für <?= f(V)nac\\ den F i g. 8 und 9 macht es auch möglich, die Gültigkeit der quadratischen Beziehung zwischen Qd und Fnach Gl. (5) in Tabelle I in F i g. 13 zu überprüfen. Zu diesem Zweck ist in Fig. 10 log Qd in Abhängigkeit von log F aufgetragen. Die Übereinstimmung mit der vorhergesagten Steigung 2 ist ausreichend gut. Die Abweichung bei hohen Lichtintensitäten kann wie folgt erläutert werden: Wie erwähnt ist λ der Bruchteil einer Periode, während dem ein Elektron in der CdS-Schicht frei bleibt, bevor es zur Elektrodenschicht abgeführt wird. Die zum Abführen des Elektrons benötigte Zeit ist der Driftgeschwindigkeit umgekehrt proportional. In einem Photoleiter mit einer Vielzahl von Haftstellen nimmt die Driftgeschwindigkeit bei höheren Lichtpegeln zu (siehe zum Beispiel R. H. Bube und H. E. Macdonald in Phys. Rev., 121, 473 [1961]). Diese Erscheinung führt zu einer Abnahme von α bei hohen Lichtpegeln und es wird demgemäß in Fig. 10 eine Steigung von mehr als 2 beobachtet. Dieser Effekt kann jedoch beim Modell der Halbleiterphotodiode als eine Störung höherer Ordnung betrachtet werden.

B. Ansprechzeit-Daten

Die Ansprechzeit der Halbleiterphotodiode ergibt sich aus der Hüllkurve des für die Äquivalentschaltung gemessenen Spitzenstromes beim Ein- oder Ausschalten der Substrat-Beleuchtung. Tabelle IV nach Fig. 16 zeigt die für 2 kHz gemessene Ansprechzeit der Äquivalentschaltung.

Es ist interessant, die für die Ansprechzeit gemessenen Daten nach Tabelle IV mit den Vorhersagen nach den Gl. (6) und (7) der Tabelle I zu vergleichen.

In dem durch die Gleichungen der Tabelle I beschriebenen System mit zwei Haftniveaus läßt die ίο Abhängigkeit von n/x von F^1/2 nach Gl. (5) in Verbindung mit der Abhängigkeit von Trist von (77«)-' gemäß Gl. (6) erwarten, daß r_n« eine Funktion von F-"² ist Demgemäß müßte die experimentelle Kurve für log /in Abhängigkeit von logr,,«· die Steigung -2 haben. Diese Daten sind in Fig. 10 für den Fall 2 kHz dargestellt Datenpunkte für die Anstiegzeit bei 200 Hz sind ebenfalls gezeigt In jedem Fall hat die Funktion den Anstieg -2 für die Daten oberhalb 100μW/cm², jedoch besteht eine deutliche Anomalie für die unterhalb dieses Lichtpegels gemessenen Daten. Die bei niedrigem Lichtpegel erhaltenen Daten stimmen eher mit einer Kurve mit dem Anstieg —1 überein. Dieser Anstieg —1 kann auftreten, wenn in der durch Zerstäuben aufgebrachten CdS-Schicht Elektronen-Haftstellen mit einem zweiten, tiefen Niveau existieren. Die Steigung — 1 kann wie folgt erklärt werden: Die Gl. (6) in Tabelle I nach Fig. 13 beschreibt die Anstiegzfcit der Halbleiterphotodiode. Diese Gleichung beruht auf der Annahme, daß die Anstiegzeit einfach diejenige Zeit ist, die zum Laden der CdS/CdTe-Photodiode benötigt wird. Da der Aufladevorgang im wesentlichen in dem Füllen der tiefen Haftstellen besteht, ist die benötigte Zeit einfach T)₅ZF. Das Problem besteht darin, η zu beschreiben. Bei dem Modell mit zwei Elektronen-Haftstellenniveaus ist die Besetzung des tiefen Haftstellenniveaus eine Funktion von Fund in der Tat von F"² abhängig. Wenn jedoch das Ferminiveau im Dunkelzustand sehr tief ist und die Schicht eine Anzahl tiefer Haftstellen-Niveaus besitzt, dann müssen die tiefen Haftstellen-Niveaus annähernd gefüllt sein, bevor die flachen Haftstellen genügend aufgefüllt werden können, um die Dicke der Verarmungsschicht erheblich zu beeinflussen. Wenn N_is die Dicke der gefangenen Elektronen angibt, dann wird in dem Ausdruck für die Anstiegzeit n_s zu N_ss. Die Größe N₅₅ ist angenähert gleich der Dichte der tiefen Haftstellen und daher keine Funktion von F. Daher muß die Anstiegzeit einer Funktion von F"¹ sein. Dies erklärt den Anstieg — 1, wie er für geringe Lichtintensitat nach F i g. 11 beobachtet wird.

Hinsichtlich der Abklingzeit τ decay der Halbleiterphotodiode ist zu bemerken, daß die Gl. (7) nach Tabelle I zwei Fälle umfaßt, nämlich die Beherrschung der Abklingzeit durch Rekombination oder durch Freigabe eingefangener Ladungsträger. Wenn die Abklingzeit durch Freigabe eingefangener Ladungsträger bestimmt wird, sagt Gl. (7) eine konstante Abklingzeit P₅-' voraus, die von der Lichtintensität unabhängig ist. Dies beschreibt offensichtlich die Daten bei 2 kHz.

VII. Schlußfolgerungen

Der Hauptteil der in den vorangegangenen Abschnitten behandelten Daten stützt das vorgestellte Modell der Halbleiterphotodiode. Es wurden jedoch einige

Abweichungen von dem einfachen Drei-Niveau-Modell beobachtet. Diese experimentellen Abweichungen können wie folgt zusammengefaßt werden:

= f(V) haben eine Hysterese, bei kleiner Lichtintensität

a) Die Kurven für Q

b) Die Einschaltzeit Dei kleiner Lichtintensität ist verlängert

c) Es bestehen Probleme hinsichtlich Änderungen der Driftgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Lichtintensität und der Wechselstromfrequenz.

Es wurde festgestellt, daß diese Abweichungen auf eine Mehrzahl von tiefen Elektronen-Haftstellen in der CdS-Schichi zurückgeführt werden können.

Die Tatsache, daß ein brauchbares Modell zur Beschreibung des Wechselstrom-Ansprechverhaltens von CdS/CdTe-Photodioden entwickelt werden konnte, führt zu der bedeutenden Schlußfolgerung, daß in dem Maß, wie die Dichte tiefer Haftstellen in den Schichten reduziert werden kann, die Ansprechzeit des Darstellungssystems vermindert und dessen Empfindlichkeit erhöht werden kann. Diese Folgerung gilt auch im Hinblick auf die beobachteten Abweichungen.

Das Ausmaß der möglichen Verbesserung von Empfindlichkeit und Einschaltzeit kann ausgehend von den gegenwärtig erreichten Eigenschaften abgeschätzt werden. So kann anhand der Daten gemäß F i g. 8 für die 40^W/cm²-K.urve die (bewegliche) Ladung nr der flachen Haftstellen berechnet werden. Es ergibt sich /7/-=3xl0¹⁴ Elektronen/cm³. Anhand der gemessenen 30-nis-Einschaltzeit bei 40 μW/cm² und 200 Hz nadi F i g. 11 kann die gespeicherte Ladung in den tiefen Haftstellen mit 10¹⁶ Elektronen/cm³ berechnet werden. Daraus ergibt sich, daß die wirksame Ladung von 3xl0^H/cm³ nur 3% der gespeicherten Ladung von 10^le7cm³ beträgt, also nur 3% der injizierten Ladung wirksam ist. Demgemäß bleibt für Verbesserungen ein beträchtlicher Raum. Diese Verbesserung kann durch eine Reduzierung der Dichte der tiefen Haftstellen realisiert werden. Dies wiederum kann durch Erzeugung einer Struktur mit gestufter Absorption erfolgen, indem Schichten mit gestuftem Bandabstand erzeugt werden, die beispielsweise aus CdSi -»Se, bestehen.

Es versteht sich, daß das oben beschriebene Modell durch eine Analyse bestätigt worden ist, bei der von Methoden der mathematischen Physik Gebrauch gemacht wurde und die zu den in Tabelle I angegebenen Gleichungen geführt hat. Solche Methoden sind dem Fachmann bekannt. Ein Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit der qualitativen Beschreibung des Modells wurde vorgelegt.

Definitionen (vgl. F i g. 13):

Qd Gesamtladung der flachen Haftstellen in der CdS-Schicht

nf räumlich gemittehe Elektronenbesetzungs

dichte der flachen Haftstellen

ό Dicke des stark absorbierenden Bereiches mit

hoher Dichte der flachen Haftstellen der CdS-Schicht

ίο V Momentanwert der Sperrspannung an der

CdS-Schicht

Q Momentanwert der Ladung der CdS-Elektro-

de

E Dielektrizitätskonstante der CdS-Schicht

D Gesamtdicke der CdS-Schicht

V₅ doppelter Spitzenwert der an das Lichtventil

angelegten Wechselspannung

V₀ Spannungsamplitude über der CdS-Schicht

Z₀ vom Photosensor gesehene Impedanz (pro

Flächeneinheit)

Sw.R. Stromschaltverhältnis, d. h. das Verhältnis des Spitzenstromes bei beleuchtetem Photosensor zum Spitzenstrom bei Fehlen einer Beleuchtung

Zdark Gesamtimpedanz des Lichtventils pro Flächeneinheit im Dunkelzustand

Zdark — Zsd+ Z₀

ßnr Einfangkoeffizient für ein Elektron in bezug

auf ein Rekombinationszentrum

F Dichte der durch optische Anregung über der

Banddicke pro Sekunde erzeugten Elektronen-Loch-Paare

λ der Bruchteil einer Periode, während dem sich

das Elektron einer flachen Haftstelle in der CdS-Schicht frei bewegen kann, bevor es zur

Elektrode gelangt
T Temperatur

/V₅ Dichte von langsamen, tiefen Haftstellen in der

CdS-Schicht
E_s Energiedifferenz zwischen tiefer Haftstelle

und dem Boden des Leitungsbandes N_c effektive Dichte der Zustände im tiefsten, kT

breiten Abschnitt des Leitungsbandes f Wechselstromfrequenz

Vrisc Anstiegzeit des im Photosensor durch Licht

induzierten Stromes
τ decay Abfallzeit des Photosensors
P_s-' thermische Antriebszeit
ns räumlich gemittelte Elektronenbesetzungs-

dichte der tiefen Haftstellen

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterphotodiode für ein mit Wechselstrom betriebenes Lichtventil aus einer eine Flüssigkristallschicht und eine Halbleiterphotodiode enthaltenden Schichtenanordnung, bei der auf einem für das steuernde Licht durchlässigen Substrat eine für das steuernde Licht durchlässige Elektrodenschicht, auf dieser die erste, lichtempfindliche Halbleiterschicht to und auf dieser die zweite, mit der ersten einen HeteroÜbergang bildende, für das steuernde Licht undurchlässige Halbleiterschicht angebracht sind, und auf diese Schichten die Schichtenfolge mit der Flüssigkristallschicht und einer zweiten Elektrodenschicht folgt, und bei der im Betrieb die Raumladungskapazität an dem HeteroÜbergang durch die Intensität des durch das Substrat und die Elektrodenschicht auf dem Substrat hindurch einfallenden steuernden Lichtes modulierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Halbleiterschicht (7 bzw. 6) zueinander entgegengesetzte Leitungstypen aufweisen, und daß die erste Halbleiterschicht (7) auf der dem Substrat (la) zugewandten Seite aus einer ersten Teilschicht (7a) mit einer geringen Störstellendichte und auf der an den HeteroÜbergang angrenzenden Seite aus einer zweiten Teilschicht (7b) mit einer höheren Störstellendichte als in der ersten Teilschicht (7a,)besteht.

2. Halbleitei photodiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilschicht (la) der ersten Halbleiterschicht (7) dicker ist als deren zweite Teilschicht (7b).

3. Halbleiterphotodiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teüschicht (7a) wenigstens 12μιη dick und die zweite Teüschicht (7b) wenigstens 4 μπι dick und außerdem die erste Teüschicht wenigstens doppelt so dick ist wie die zweite.

4. Halbleiterphotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (7) aus Cadmiumsulfid besteht und die Störstellen sowohl aus flachen Elektronenhaftsteilen als auch aus Rekombinationszentren bestehen.

5. Halbleiterphotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Teüschicht (7b) der ersten Halbleiterschicht (7) aus einer solchen Legierung mit dem Halbleitermaterial der ersten Teüschicht (7a) der ersten Halbleiterschicht (7) besteht, daß deren Bandabstand von demjenigen in der ersten Teüschicht (7a) abweicht und die Atome des Legierungsmaterials Störstellen bilden.

6. Halbleiterphotodiode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (7) aus einer halbleitenden Verbindung besteht und die Anteile der die halblpitende Verbindung bildenden Elemente in der ersten Teüschicht (7a) der ersten Halbleiterschicht (7) das stöchiometrische Verhältnis besser einhalten als in deren zweiten Teüschicht (7b).

7. Halbleiterphotodiode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teüschicht (7a) der ersten Halbleiterschicht (7) aus Cadmiumsulfid (CdS) und die zweite Teüschicht (7b) aus Cadmiumsulfidselerid (CdSi -,Se₁) besteht.

8. Halbleiterphotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Teüschicht (7b) der ersten Halbleiterschicht (7) einen höheren optischen Absorptionskoeffizienten aufweist als deren erste Teüschicht (7a).

9. Halbleiterphotodiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristik der Spektralempfindlichkeit der ersten Halbleiterschicht (7) mit der Charakteristik der spektralen Zusammensetzung der Strahlung des P-1-Phosphors von Kathodenstrahlröhren angenähert übereinstimmt

10. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterphotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4,8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (7) auf der auf das Substrat (la) aufgebrachten Elektrodenschicht (2a) abgeschieden und dabei zur Variation der Störstellendichte von einem geringen Wert in der ersten Teüschicht (7a) auf einen hohen Wert in der zweiten Teüschicht (7b) die Temperatur des Substrats allmählich vermindert wird.

11. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterphotodiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (7) auf der auf dem Substrat (Xa) befindlichen Elektrodenschicht (2a) abgeschieden und dcbei zur Bildung der zweiten Teüschicht (7b) eine Legierung aus CdS und CdSe erzeugt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der auf dem Substrat (Xa) befindlichen Elektrodenschicht (2a) Cadmiumsulfid (CdS) durch Zerstäuben zunächst in einer Schwefelwasserstoff-Atmosphäre (H2S) und dann in einer Selenwasserstoff-Atmosphäre (HjSe) aufgebracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teüschicht (7a) der ersten Halbleiterschicht (7) durch Zerstäuben von Cadmiumsulfid (CdS) von einer ersten Quelle und die zweite Teüschicht (7b) der ersten Halbleiterschicht (7) auf die erste Teüschicht (7a) durch Zerstäuben von Cadmiumsulfidselenid (CdSi^Se₁) von einer zweiten Quelle aufgebracht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilschichten (7a, 7b) der ersten Halbleiterschicht (7) durch Aufdampfen aus zwei Schiffchen mit anschließender Behandlung in einer Schwefelwasserstoff-Atmosphäre (H2S) aufgebracht werden und bei einem ersten Verdampfungsschritt eine erste Teüschicht (7a) aus Cadmiumsulfid (CdS) und bei einem zweiten Verdampfungsschritt eine zweite Teüschicht (7 b) aus Cadmiumsulfidselenid (CdSi -rSe*) aufgebracht wird.