專利名稱：非晶硅光位置敏感器件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬半導體非晶硅光位置敏感器件。它是利用非晶硅材料的單質(zhì)或異質(zhì)結的橫向光生伏特效應制成的可測量光點位置信息的新型器件。
橫向光生伏特效應是指在非均勻光照條件下，沿器件平面出現(xiàn)的電位隨位置的分布現(xiàn)象。它是由于半導體材料中被非均勻光(例如一個光點)激發(fā)的光生載流子(電子空穴對)被結電場分離后沿器件平面方向擴散和遷移而形成的載流子濃度分布而成的。雖然，關于單晶硅PN結的橫向光生伏特效應的研究早在五十年代就有過報道〔參見J.T.wallmark，pror.Inst.RadioEng.45，474(1957)〕，但由于單晶硅材料在制造上的因素(如面積、性能、成本等)，使得其在器件應用上受到一定的限制，如難以制造大面積器件。本發(fā)明的任務就是利用非晶硅材料制造工藝簡單、價格便宜和適宜于大面積制造的優(yōu)點，并根據(jù)我們最近發(fā)現(xiàn)和研究的非晶硅材料的橫向光生伏特效應，制造出具有實用和商業(yè)價值的光位置敏感器件。
本發(fā)明的光位置敏感器件由芯片和電極組成，芯片是采用常規(guī)的輝光放電(G.D)的方法，在單晶硅基片或玻璃平片上淀積出非晶硅層(a-Si∶H)，制成具有光位置敏感特性的單質(zhì)結或異質(zhì)結i-a-Si∶H/P-c-Si、i-a-Si∶H/N+-a-Si∶H或i-a-Si∶H/P+-a-Si∶H。由i-a-Si∶H/N+-a-Si∶H或i-a-Si∶H/P+-a-Si∶H所構成的芯片的結構如

圖1所示，其中上層〔11〕為本征氫化非晶硅層(i-a-Si∶H)，厚度約為5000埃，電阻率約為106歐·厘米。下層〔12〕為摻有N型或P型雜質(zhì)的非晶硅重摻雜層(即N+-a-Si∶H或P+-a-SiH)，厚度約為5000埃，底下〔13〕用玻璃平片作為襯底?！?4〕、〔15〕和〔16〕、〔17〕為兩組相互垂直的金屬電極鍍在芯片表面，可用金屬絲引出，作為電壓訊號輸出，〔14〕、〔15〕間輸出X軸方向的電壓訊號△Vx，〔16〕、〔17〕輸出Y方向訊號△Vy，電極間的距離視實際應用的要求而定。金屬電極所用的材料可以是鋁(Al)、金(Au)、鎳(Ni)、鉻(Cr)等，輸出信號與電極的材料無關。由于本征非晶硅是高電阻層，因而流入電極的電流很小(一般小于100納安)。所以電極對結面的橫向光生伏特分布影響很小，因而X方向與Y方向的電極之間不會產(chǎn)生顯著的相互影響。即X訊號與Y訊號相互獨立。
金屬電極的制備為常規(guī)真空鍍膜法，所用設備為H44·300真空鍍膜機(國營南光機器廠制造)。予真空度為10-5托，襯底溫度為200℃，膜厚度約0.2微米。
由i-a-Si∶H/P-C-Si結構所構成的器件如圖2所示，其中上層〔21〕為本征非晶硅(i-a-Si∶H)層，厚度約為5000埃，電阻率約106歐·厘米;下層〔22〕為P型單晶硅(P-C-Si)襯底，電阻率約為1歐·厘米，〔23〕、〔24〕和〔25〕、〔26〕為兩組相互垂直的金屬電極，作為電壓訊號輸出。
本征及摻雜非晶硅層是在PD-300低溫淀積臺上(江蘇江陰無線電專用設備廠制造)制備的，其具體條件是反應氣體-用純硅烷與氫氣組成硅烷占60%的硅烷加氫氣混合氣體。(硅烷純度大于99.99%，氫氣純度為99.99%)。
反應氣壓0.2～0.5托氣體流量8～10毫升/分鐘予真空度3～4×10-2托陽極電壓800伏頻率10兆赫柵極電流30毫安陽極電流100毫安襯底溫度200℃～250℃反應時間20～40分鐘，膜厚約5000埃薄膜的電導率約為10-6歐-1·厘米-1光電導率大于10-4歐-1·厘米-12、重摻雜層(n+-a-Si∶H和P+-a-Si∶H)制備反應氣體n+層-SiH4+PH3(混合氣體原子百分比NPH3∶NSiH4為1∶100)P+層-SiH4+B2H6(混合氣體原子百分比NB2H6∶NSiH4為1∶100)電導率約為10-2歐-1·厘米-1。
其它條件與本征硅制備條件相同。
用輝光放電法淀積出光位置敏感器件的芯片，只要淀積臺可容納得下，其大小可根據(jù)實際需要設計。
表1.(i)a-Si∶H/(P)C-Si樣品的橫向光生伏特特性實驗數(shù)據(jù)。
接上表
表一是在樣品i-a-Si∶H/P-C-Si的電極〔23〕、〔24〕之間所測得的橫向光生伏特特性的實驗數(shù)據(jù)(在電極〔25〕、〔26〕上所測得的特性與此類似)。光源為He-Ne激光器，波長λ＝0.63微米，光功率分別為2毫瓦和0.1毫瓦。
表一中，X表示光點在電極〔23〕、〔24〕間的位置坐標，原點在其中央?！鱒x為在〔23〕、〔24〕之間所測得的光生伏特電壓的大小。電壓測量采用的電表為DM-880型數(shù)字萬用電表。電表的正極接〔23〕、負極接〔24〕。電極〔23〕和〔24〕間的距離為16mm。
圖3為i-a-Si∶H/P-C-Si樣品的橫向光生伏特特性曲線(與表的數(shù)據(jù)相對應)，橫坐標為光點在電極〔23〕、〔24〕之間的位置坐標，原點取在電極〔23〕、〔24〕之間的中點。縱坐標為在〔23〕與〔24〕之間測得的光生伏特電壓大小?！?1〕為光束功率為2毫瓦時的曲線，〔32〕為光束功率為0.1毫瓦時的曲線。
樣品i-a-Si∶H/P+-a-Si∶H和i-a-Si∶H/n+-a-Si∶H的橫向光生伏特特性與樣品i-a-Si∶H/P-C-Si類似，所不同的僅是在i-a-Si∶H/n+-a-Si∶H樣品上的光生伏特數(shù)值在正負符號上與另外兩種樣品相反。
光位置敏感器件是用來測量位置或位移的傳感器件，具有廣泛的應用前景。在工業(yè)上，可作為機床或其他生產(chǎn)設備上的位置控制、目標跟蹤及精密定位的傳感器;在計算機的應用上，大面積的光位置敏感器件可用作數(shù)字化圖形輸入板(它是計算機輔助設計CAD的關鍵部件)和漢字輸入器件。如與光學聚焦系統(tǒng)配合，則光位置敏感器件變成能夠確定空間光源方向的光方向敏感元件，作為光源(如太陽)的跟蹤裝置、激光準直裝置等的傳感器。
由于本光位置敏感器件制造工藝簡單，輸出光敏訊號較大，可達一百毫伏以上，(而以往的單晶硅光位置敏感器件的輸出訊號一般在十毫伏以下)，對器件的開發(fā)應用具有廣闊的前景。
權利要求
1.一種光位置敏感器件，由芯片和電極組成，電極[14]、[15]和[16]、[17]或[23]、[24]和[25]、[26]相互垂直。用鋁、金、鎳、鉻等金屬材料在芯片表面進行真空鍍膜而成，電極用金屬絲引出，光位置敏感器件的特征是芯片可做成單質(zhì)結或異質(zhì)結i-a-Si∶H/P-C-Si、i-a-Si∶H/n+-a-Si∶H或i-a-Si∶H/P+-a-Si∶H結構，其具體結構是上層為本征氫化非晶硅(i-a-Si∶H)層[11]或[21]，下層可為P型單晶硅襯底[22]，也可以為摻有N型或P型雜質(zhì)的非晶硅重摻雜層(N+-a-Si∶H或P+-a-Si∶H)[12]，底下[13]用玻璃平片作為襯底。
全文摘要
本發(fā)明屬半導體非晶硅光位置敏感器件。它是利用非晶硅材料的單質(zhì)結或異質(zhì)結的橫向光生伏特效應制成的可測量光點位置信息的新型器件。由于本光位置敏感器件制造工藝簡單，輸出光敏信號較大，對位置控制、目標跟蹤及計算機方面的應用具有廣闊的前景。
文檔編號H01L31/00GK1031779SQ8710556
公開日1989年3月15日 申請日期1987年8月12日 優(yōu)先權日1987年8月12日
發(fā)明者蘇子敏, 彭少麒 申請人:中山大學