专利名称：非晶硅光位置敏感器件的制作方法
技术领域：
本发明属半导体非晶硅光位置敏感器件。它是利用非晶硅材料的单质或异质结的横向光生伏特效应制成的可测量光点位置信息的新型器件。
横向光生伏特效应是指在非均匀光照条件下，沿器件平面出现的电位随位置的分布现象。它是由于半导体材料中被非均匀光(例如一个光点)激发的光生载流子(电子空穴对)被结电场分离后沿器件平面方向扩散和迁移而形成的载流子浓度分布而成的。虽然，关于单晶硅PN结的横向光生伏特效应的研究早在五十年代就有过报道〔参见J.T.wallmark，pror.Inst.RadioEng.45，474(1957)〕，但由于单晶硅材料在制造上的因素(如面积、性能、成本等)，使得其在器件应用上受到一定的限制，如难以制造大面积器件。本发明的任务就是利用非晶硅材料制造工艺简单、价格便宜和适宜于大面积制造的优点，并根据我们最近发现和研究的非晶硅材料的横向光生伏特效应，制造出具有实用和商业价值的光位置敏感器件。
本发明的光位置敏感器件由芯片和电极组成，芯片是采用常规的辉光放电(G.D)的方法，在单晶硅基片或玻璃平片上淀积出非晶硅层(a-Si∶H)，制成具有光位置敏感特性的单质结或异质结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所构成的芯片的结构如
图1所示，其中上层〔11〕为本征氢化非晶硅层(i-a-Si∶H)，厚度约为5000埃，电阻率约为106欧·厘米。下层〔12〕为掺有N型或P型杂质的非晶硅重掺杂层(即N+-a-Si∶H或P+-a-SiH)，厚度约为5000埃，底下〔13〕用玻璃平片作为衬底。〔14〕、〔15〕和〔16〕、〔17〕为两组相互垂直的金属电极镀在芯片表面，可用金属丝引出，作为电压讯号输出，〔14〕、〔15〕间输出X轴方向的电压讯号△Vx，〔16〕、〔17〕输出Y方向讯号△Vy，电极间的距离视实际应用的要求而定。金属电极所用的材料可以是铝(Al)、金(Au)、镍(Ni)、铬(Cr)等，输出信号与电极的材料无关。由于本征非晶硅是高电阻层，因而流入电极的电流很小(一般小于100纳安)。所以电极对结面的横向光生伏特分布影响很小，因而X方向与Y方向的电极之间不会产生显著的相互影响。即X讯号与Y讯号相互独立。
金属电极的制备为常规真空镀膜法，所用设备为H44·300真空镀膜机(国营南光机器厂制造)。予真空度为10-5托，衬底温度为200℃，膜厚度约0.2微米。
由i-a-Si∶H/P-C-Si结构所构成的器件如图2所示，其中上层〔21〕为本征非晶硅(i-a-Si∶H)层，厚度约为5000埃，电阻率约106欧·厘米;下层〔22〕为P型单晶硅(P-C-Si)衬底，电阻率约为1欧·厘米，〔23〕、〔24〕和〔25〕、〔26〕为两组相互垂直的金属电极，作为电压讯号输出。
本征及掺杂非晶硅层是在PD-300低温淀积台上(江苏江阴无线电专用设备厂制造)制备的，其具体条件是反应气体-用纯硅烷与氢气组成硅烷占60%的硅烷加氢气混合气体。(硅烷纯度大于99.99%，氢气纯度为99.99%)。
反应气压0.2～0.5托气体流量8～10毫升/分钟予真空度3～4×10-2托阳极电压800伏频率10兆赫栅极电流30毫安阳极电流100毫安衬底温度200℃～250℃反应时间20～40分钟，膜厚约5000埃薄膜的电导率约为10-6欧-1·厘米-1光电导率大于10-4欧-1·厘米-12、重掺杂层(n+-a-Si∶H和P+-a-Si∶H)制备反应气体n+层-SiH4+PH3(混合气体原子百分比NPH3∶NSiH4为1∶100)P+层-SiH4+B2H6(混合气体原子百分比NB2H6∶NSiH4为1∶100)电导率约为10-2欧-1·厘米-1。
其它条件与本征硅制备条件相同。
用辉光放电法淀积出光位置敏感器件的芯片，只要淀积台可容纳得下，其大小可根据实际需要设计。
表1.(i)a-Si∶H/(P)C-Si样品的横向光生伏特特性实验数据。
接上表
表一是在样品i-a-Si∶H/P-C-Si的电极〔23〕、〔24〕之间所测得的横向光生伏特特性的实验数据(在电极〔25〕、〔26〕上所测得的特性与此类似)。光源为He-Ne激光器，波长λ＝0.63微米，光功率分别为2毫瓦和0.1毫瓦。
表一中，X表示光点在电极〔23〕、〔24〕间的位置坐标，原点在其中央。△Vx为在〔23〕、〔24〕之间所测得的光生伏特电压的大小。电压测量采用的电表为DM-880型数字万用电表。电表的正极接〔23〕、负极接〔24〕。电极〔23〕和〔24〕间的距离为16mm。
图3为i-a-Si∶H/P-C-Si样品的横向光生伏特特性曲线(与表的数据相对应)，横坐标为光点在电极〔23〕、〔24〕之间的位置坐标，原点取在电极〔23〕、〔24〕之间的中点。纵坐标为在〔23〕与〔24〕之间测得的光生伏特电压大小。〔31〕为光束功率为2毫瓦时的曲线，〔32〕为光束功率为0.1毫瓦时的曲线。
样品i-a-Si∶H/P+-a-Si∶H和i-a-Si∶H/n+-a-Si∶H的横向光生伏特特性与样品i-a-Si∶H/P-C-Si类似，所不同的仅是在i-a-Si∶H/n+-a-Si∶H样品上的光生伏特数值在正负符号上与另外两种样品相反。
光位置敏感器件是用来测量位置或位移的传感器件，具有广泛的应用前景。在工业上，可作为机床或其他生产设备上的位置控制、目标跟踪及精密定位的传感器;在计算机的应用上，大面积的光位置敏感器件可用作数字化图形输入板(它是计算机辅助设计CAD的关键部件)和汉字输入器件。如与光学聚焦系统配合，则光位置敏感器件变成能够确定空间光源方向的光方向敏感元件，作为光源(如太阳)的跟踪装置、激光准直装置等的传感器。
由于本光位置敏感器件制造工艺简单，输出光敏讯号较大，可达一百毫伏以上，(而以往的单晶硅光位置敏感器件的输出讯号一般在十毫伏以下)，对器件的开发应用具有广阔的前景。
权利要求
1.一种光位置敏感器件，由芯片和电极组成，电极[14]、[15]和[16]、[17]或[23]、[24]和[25]、[26]相互垂直。用铝、金、镍、铬等金属材料在芯片表面进行真空镀膜而成，电极用金属丝引出，光位置敏感器件的特征是芯片可做成单质结或异质结i-a-Si∶H/P-C-Si、i-a-Si∶H/n+-a-Si∶H或i-a-Si∶H/P+-a-Si∶H结构，其具体结构是上层为本征氢化非晶硅(i-a-Si∶H)层[11]或[21]，下层可为P型单晶硅衬底[22]，也可以为掺有N型或P型杂质的非晶硅重掺杂层(N+-a-Si∶H或P+-a-Si∶H)[12]，底下[13]用玻璃平片作为衬底。
全文摘要
本发明属半导体非晶硅光位置敏感器件。它是利用非晶硅材料的单质结或异质结的横向光生伏特效应制成的可测量光点位置信息的新型器件。由于本光位置敏感器件制造工艺简单，输出光敏信号较大，对位置控制、目标跟踪及计算机方面的应用具有广阔的前景。
文档编号H01L31/00GK1031779SQ8710556
公开日1989年3月15日 申请日期1987年8月12日 优先权日1987年8月12日
发明者苏子敏, 彭少麒 申请人:中山大学