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Dokumentenidentifikation DE3688723T2 28.10.1993
EP-Veröffentlichungsnummer 0212581
Titel Anreicherungsschicht für elektrophotographische Anlagen und Verfahren zum Verringern von Ladungsmüdigkeit.
Anmelder Energy Conversion Devices, Inc., Troy, Mich., US
Erfinder Johncock, Annette, Royal Oak Michigan 48073, US;
Hudgens, Stephen J., Southfield Michigan 48075, US
Vertreter Müller, H., Dipl.-Ing., 80539 München; Schupfner, G., Dipl.-Chem. Dr.phil.nat., 21244 Buchholz; Gauger, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 80539 München
DE-Aktenzeichen 3688723
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, FR, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 14.08.1986
EP-Aktenzeichen 861112670
EP-Offenlegungsdatum 04.03.1987
EP date of grant 21.07.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.10.1993
IPC-Hauptklasse G03G 5/082

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein elektrofotografisches Medium. Insbesondere betrifft die Erfindung eine verbesserte Anreicherungsschicht, die speziell darauf abgestellt ist, Ladungsermüdung bei elektrofotografischen Lichtrezeptoren im wesentlichen auszuschalten, indem die Anreicherungsschicht aus Halbleiterlegierungsmaterial gebildet ist, das gezielt so dotiert ist, daß der Ladungsträgereinfang in tiefen Zuständen in der Bandabstandsmitte erheblich reduziert wird.

Ein elektrofotografisches Medium gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist in EP-A-0 137 516 beschrieben. Diese Druckschrift lehrt, den Unterschied zwischen dem Energieniveau der Anreicherungsschicht oder Zwischenschicht einerseits und der Fotoleiterschicht andererseits möglichst klein zu machen. Die Energiedifferenz sollte kleiner als 0,2 sein, um die Energiebänder der Anreicherungsschicht und der oberen Schutzschicht der Fotoleiterschicht möglichst gut aneinander anzupassen.

Stickstoff wird für diesen Zweck als Dotiermittel eingesetzt, und Bor wird zum Ausgleich und zur Einstellung des Fermi-Niveaus eingesetzt.

Außerdem ist in Patent Abstracts of Japan, Vol. 7, Nr. 188 (S. 127) (1333) vom 17. August 1983 beschrieben, eine Sperrschicht zwischen einem Substrat und einer lichtleitfähigen Schicht einzufügen, um eine elektrische Ladung zu implantieren.

Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Anreicherungsschichten zur Verwendung bei elektrofotografischen Abbildungsverfahren. Es ist eine Aufgabe, die Dichte von Defektzuständen zu erhöhen und tiefes Einfangen der durch Licht erzeugten Ladungsträger und somit ein Bildfließen zu verhindern.

Die Erfindung ist in Patentanspruch 1 beansprucht.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in Unteransprüchen beansprucht.

Die verbesserte Anreicherungsschicht der vorliegenden Erfindung ist aus Halbleiterlegierungsmaterial hergestellt, das eine verringerte Anzahl von tiefen Defektstellen in der Bandabstandsmitte, in denen Ladungsträger eingefangen werden können, aufweist. Durch Verringern der Anzahl von tiefen Fangstellen wird die Rate der Ladungsträgeremission aus Fangstellen erhöht, und das Problem der Ladungsermüdung, das bei bekannten elektrofotografischen Medien vorliegt, wird praktisch beseitigt.

Die Elektrofotografie, die auch mit dem Oberbegriff Xerografie bezeichnet wird, ist ein Abbildungsverfahren, das mit der Speicherung und Entladung einer elektrischen Ladung durch ein lichtleitfähiges Material arbeitet. Ein lichtleitfähiges Material ist eines, das aufgrund der Absorption von Beleuchtung, d. h. von einfallendem Licht, elektrisch leitfähig wird und Elektronenlochpaare (im allgemeinen als "Ladungsträger" bezeichnet) in dem Volumen des lichtleitfähigen Materials erzeugt. Es sind diese Ladungsträger, die den Durchtritt eines elektrischen Stroms durch dieses Material zulassen, um die statische elektrische Ladung zu entladen (wobei diese Ladung bei dem typischen elektrofotografischen Verfahren auf der Außenfläche der elektrofotografischen Medien gespeichert ist).

Ein typischer Lichtrezeptor weist ein zylindrisches, elektrisch leitfähiges Substratelement auf, das im allgemeinen aus einem Metall wie Aluminium gebildet ist. Weitere Substratkonfigurationen wie etwa ebene Flächenkörper, gewölbte Flächenkörper oder metallisierte flexible Bänder können ebenfalls verwendet werden. Der Lichtrezeptor weist außerdem eine lichtleitfähige Schicht auf, die, wie bereits beschrieben, aus einem Fotowiderstandsmaterial gebildet ist, das im Dunkeln eine relativ niedrige elektrische Leitfähigkeit und unter Beleuchtung eine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit hat. Zwischen der lichtleitfähigen Schicht und dem Substratelement befindet sich eine Sperrschicht, die entweder von dem natürlich auf dem Substratelement auftretenden Oxid oder von einer abgeschiedenen Schicht von Halbleiterlegierungsmaterial gebildet ist. Wie später noch im einzelnen erläutert wird, hat die Sperrschicht die Funktion, den Fluß von unerwünschten Ladungsträgern aus dem Substratelement in die lichtleitfähige Schicht zu verhindern, in der sie dann die Ladung neutralisieren könnten, die auf der Oberfläche des Lichtrezeptors gespeichert ist. Ein typischer Lichtrezeptor weist außerdem im allgemeinen eine oberste Schutzschicht auf, die auf der lichtleitfähigen Schicht angeordnet ist, um die elektrostatische Ladungsakzeptanz gegenüber Änderungen infolge von adsorbierten chemischen Spezies zu stabilisieren und die Beständigkeit des Lichtrezeptors zu verbessern. Schließlich kann ein Lichtrezeptor auch eine Anreicherungsschicht aufweisen, die funktionsmäßig zwischen der lichtleitfähigen Schicht und der obersten Schutzschicht angeordnet ist, wobei die Anreicherungsschicht ausgebildet ist, um im wesentlichen zu verhindern, daß Ladungsträger in tiefen Fangstellen eingefangen werden, und somit eine Ladungsermüdung im Lichtrezeptor zu verhindern.

Um Kopien mit hoher Auflösung zu erhalten, ist es erwünscht, daß der elektrofotografische Lichtrezeptor im Dunkeln eine hohe statische elektrische Ladung aufnimmt und hält; er muß außerdem für den Abfluß der Ladungsträger, die diese Ladung bilden, von Bereichen des Lichtrezeptors zu dem geerdeten Substrat oder von dem Substrat zu den beleuchteten geladenen Bereichen des Lichtrezeptors sorgen; und er muß im wesentlichen die gesamte Anfangsladung über einen geeigneten Zeitraum in den nichtbeleuchteten Bereichen ohne erheblichen Abfall derselben halten. Die bildweise Entladung des Lichtrezeptors erfolgt durch den vorher beschriebenen Lichtleitfähigkeitsvorgang. Unerwünschte Entladung kann durch Ladungsinjektion an der Ober- oder Unterseite und/oder durch thermische Ladungsträgererzeugung in dem Volumen des Lichtleitermaterials stattfinden.

Eine Hauptquelle der Ladungsinjektion liegt an der Grenzfläche zwischen dem Metallsubstrat und dem Halbleiterlegierungsmaterial. Das Metallsubstrat liefert ein wahres Meer von Elektronen, die zur Injektion und zur darauffolgenden Neutralisierung beispielsweise der positiven statischen Ladung an der Oberfläche des Lichtrezeptors verfügbar sind. In Abwesenheit eines Hindernisses würden diese Elektronen sofort in die lichtleitfähige Schicht fließen; daher weisen sämtliche praktisch anwendbaren elektrofotografischen Medien eine untere Sperrschicht auf, die zwischen dem Substrat und dem lichtleitfähigen Element angeordnet ist.

Ein besonders zu beachtender Bereich, der zu Problemen beim Betrieb von bekannten elektrofotografischen Medien führt, resultiert aus der dem Halbleiterlegierungsmaterial, aus dem die Schichten bekannter Konstruktionen hergestellt wurden, inhärenten Eigenschaft, daß nämlich dieses Material Ladungsträger in tiefen Stellen in seinem Energiebandabstand einfängt, wenn sie die Grenzfläche zwischen der lichtleitfähigen Schicht und der oberen Schutzschicht erreichen. Dieser Zustand ist inzwischen als Ladungsermüdung bekannt und tritt auf, wenn das Unvermögen der Ladungsträger, sich rasch von Fangstellen zu entfernen, in einem Zusammenbruch der Sperrfunktion der oberen Schutzschicht resultiert. Wenn die obere Schutzschicht einmal zusammengebrochen ist, kann ein Strom von Ladungsträgern sich frei durch sie bewegen, um zu versuchen, die an der Oberfläche des elektrofotografischen Mediums vorhandene elektrostatische Ladung zu neutralisieren. Dieses Problem sowie die von der Anmelderin vorgeschlagene Lösung werden nachstehend im einzelnen erläutert.

Beim Betrieb des typischen elektrofotografischen Prozesses wird auf die Außenfläche (die exponierte Oberfläche der oberen Schutzschicht) der elektrofotografischen Medien eine positive Koronaladung aufgebracht. Die erste Reaktion der lichtleitfähigen Schicht der elektrofotografischen Medien auf das Aufbringen dieser positiven Ladung auf ihre Oberfläche besteht darin, daß alle freien Elektronen aus dem Volumen in Richtung dieser Oberfläche gelenkt werden, um zu versuchen, die darauf befindliche positive Ladung zu neutralisieren. Bei der Bewegung dieser Elektronen von dem lichtleitfähigen Schichtvolumen zu der Außenfläche der oberen Schutzschicht (auf der sich die positiven Ladungsträger angesammelt haben) treffen diese Elektronen jedoch auf tiefe Fangstellen wie beispielsweise in der Mitte des Bandabstands befindliche Defektzustände. Diese Fangstellen befinden sich zwar in dem gesamten Volumen der lichtleitfähigen Schicht, sie sind jedoch besonders bedeutsam, wenn sie sich nahe der Grenzfläche zwischen lichtleitfähiger Schicht und oberer Schutzschicht befinden. Der Grund hierfür ist, daß die Sperrfunktion (die Unfähigkeit der positiven Ladungsträger, die elektrostatisch am Rand der oberen Schutzschicht positioniert sind, in diese Schicht einzudringen) aufhört, wirksam zu sein (also "zusammenbricht"), wenn ein elektrisches Feld hinreichender Stärke über die obere Schutzschicht angelegt wird. Es ist ersichtlich, daß eine gegebene Dichte von negativen Ladungsträgern, die nahe der vorgenannten Grenzfläche zwischen oberer Schutzschicht und lichtleitfähiger Schicht eingefangen sind, ein ausreichend starkes elektrisches Feld über der oberen Schutzschicht erzeugt, um den Zusammenbruch hervorzurufen, wohingegen die gleiche Zahl von negativen Ladungsträgern, die in deren Volumen eingefangen sind, das nicht tut.

Außerdem geben Fangstellen, die tief im Bandabstand eines Halbleiterlegierungsmaterials liegen, eingefangene Ladungsträger mit viel geringerer Geschwindigkeit frei, als dies Stellen tun, die näher an einem der Bänder liegen. Das resultiert daraus, daß mehr thermische Energie benötigt wird, um beispielsweise ein eingefangenes Elektron aus den tiefen Stellen, die nahe der Mitte des Bandabstands vorhanden sind, erneut auf das Leitungsband anzuregen, als erforderlich ist, um ein Elektron aus den flacheren Stellen, die näher an dem Leitungsband existieren, erneut anzuregen. Die langsame Freisetzungsrate aus tiefen Fangstellen führt zu einem höheren Gleichgewicht der Fangstellenbesetzung und somit zu einer höheren elektrischen Feldverteilung.

Es ist wichtig zu beachten, daß bei der Herstellung des typischen elektrofotografischen Lichtrezeptors, der mit einer positiven Koronaladung arbeitet, die auf seine Außenfläche aufgebracht wird, die lichtleitfähige Schicht aus einer Silizium:Fluor:Wasserstoff:Bor-Legierung vom "p-i-Typ" besteht. Im vorliegenden Zusammenhang bezieht sich "p-i-Typ" auf Halbleiterlegierungsmaterial, dessen Fermi-Niveau von seiner nichtdotierten Position näher am Leitungsband in eine Position verlagert ist, die ungefähr in der "Bandabstandsmitte" liegt. Ferner ist zu beachten, daß im vorliegenden Zusammenhang der Ausdruck "Bandabstandsmitte" einen Punkt im Bandabstand eines Halbleiterlegierungsmaterials definiert, der ungefähr in der Mitte zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband liegt (im Fall von 1,8 eV amorpher Silizium: Fluor:Wasserstoff:Bor-Legierung liegt dieser Punkt bei etwa 0,9 eV von jedem der Bänder). Es ist notwendig, die lichtleitfähige Schicht des Lichtrezeptors als p-i-Schicht auszubilden, weil die typische "eigenleitende" amorphe Silizium:Wasserstoff:Fluor-Legierung, wie sie in einem Glimmentladungs-Zersetzungsverfahren abgeschieden wird, geringfügig vom "nu-Typ" ist (das Fermi-Niveau dieses Materials liegt geringfügig näher am Leitungsband als am Valenzband) und bei einem elektrofotografischen Verfahren mit positiver Koronaladung die Bewegung von Ladungsträgern durch die lichtleitfähige Schicht unter Beleuchtung maximiert werden muß, während gleichzeitig die thermische Erzeugung von Ladungsträgern minimiert wird.

Es ist zu beachten, daß, wenn das Fermi-Niveau in der Bandabstandsmitte positioniert ist (wie etwa nach Zugabe des p- Dotierstoffs zu dem Silizium:Fluor: Wasserstoff-Legierungsmaterial), durch das p-i-Material sich bewegende Elektronen auf tiefe Fangstellen treffen, aus denen sie nicht ohne weiteres austreten können. Der Grund ist, daß die tiefsten Elektronenfangstellen in einer Schicht von Halbleiterlegierungsmaterial bei oder nahe dem Fermi-Niveau liegen, und bei diesem p-i-Material ist diese Energie mit der Bandabstandsmitte koinzident. Die zur Freisetzung eines Elektrons aus einer tiefen Fangstelle erforderliche thermische Energie ist abhängig von der Tiefe dieser Fangstelle. Insbesondere ist die Zeitdauer, die ein eingefangenes Elektron im Durchschnitt wartet, bevor es thermisch aus irgendeiner Fangstelle ausgestoßen wird, durch die folgende Gleichung gegeben:

t = [θo EXP(-ΔE/KT)]

wobei θo die Zahl von Elektronen ist, die pro Sekunde zu entweichen versuchen, ΔE die Energie ist, die erforderlich ist, um ein Elektron vom Fermi-Niveau zum Leitungsbandrand zu verschieben, und kT die absolute Temperatur multipliziert mit der Boltzmann-Konstanten ist. θo kann mit einem Wert von ungefähr 10¹² Elektronen/s in den meisten Feststoffen angenommen werden. Bei einer Fermi-Niveau-Position von 0,9 eV (Bandabstandsmitte) wird die Emissionszeit daher mit 4 · 10³ s bei Raumtemperatur berechnet. Diese langsame Austrittszeit bedeutet, daß es ungefähr 1,2 h dauert, bis ein Elektron die Fangstelle freigibt. Selbstverständlich kann ein elektrofotografischer Lichtrezeptor eine derart langsame Elektronenaustrittsrate nicht tolerieren. Wenn Elektronen, nachdem sie eingefangen sind, über einen derart langen Zeitraum eingeschlossen bleiben, baut sich eine hohe Konzentration von Elektronen, die an der Grenzfläche zwischen Lichtleiterschicht und oberer Schutzschicht eingefangen sind, auf, und diese Raumladung und die an der Oberfläche der oberen Schutzschicht angesammelte positive Ladung bewirken eine sehr starke Verzerrung des elektrischen Felds über der oberen Schutzschicht, und dieses Feld veranlaßt die obere Schutzschicht zum "Zusammenbruch". Im vorliegenden Zusammenhang bedeutet "Zusammenbruch" die Unfähigkeit der oberen Schutzschicht, den Fluß von Ladungsträgern durch sie zu inhibieren.

Die Anmelderin hat entdeckt, daß diese Durchbrucherscheinung dadurch eliminiert werden kann, daß die Anzahl von Defektzuständen, die zu tiefen Ladungsträgerfangstellen führt, verringert wird. Der Zusatz einer "Anreicherungsschicht", die funktionsmäßig zwischen der obersten Schutzschicht und der lichtleitfähigen Schicht angeordnet ist, hat einen günstigen Einfluß auf das Betriebsverhalten einer diese Schicht enthaltenden elektrofotografischen Vorrichtung. Die Anmelderin hat nunmehr festgestellt, daß die Hinzufügung der Anreicherungsschicht (die auf die hier gelehrte Weise hergestellt ist) wirksam war, um die Austrittszeit von Ladungsträgern zu verkürzen, die in tiefen Fangstellen festgehalten sind, die vorher an der Grenzfläche der lichtleitfähigen Schicht angetroffen wurden, indem die Gesamtdichte der Defektzustände in dem Material, aus dem die Anreicherungsschicht gebildet wurde, verringert wurde. Die in der vorgenannten gleichzeitig anhängigen Anmeldung beschriebene Anreicherungsschicht verringerte jedoch die Gesamtdichte von Defektzuständen, indem eigenleitendes Halbleiterlegierungsmaterial durch HF-Glimmentladung und nicht durch Mikrowellen-Glimmentladung aufgebracht wurde (da Mikrowellen-Abscheidung die Tendenz hat, zusätzliche Defektzustände zu erzeugen). Daher basierte die Anreicherungsschicht der vorgenannten Anmeldung auf einer Abnahme der Gesamtdichte von Defektzuständen, die in undotiertem Halbleiterlegierungsmaterial vorhanden sind, um dazu beizutragen, die Anzahl von tiefen Fangstellen zu verringern, in denen Ladungsträger eingefangen werden konnten, um dadurch die Ladungsermüdung zu verringern. In der genannten Anmeldung ist jedoch kein Versuch und auch keine Anregung erörtert oder vorgeschlagen, wie die chemische Zusammensetzung der Anreicherungsschicht zu optimieren ist, um weiter zu verhindern, daß Ladungsträger in den tiefen Bandabstandsmitten-Fangstellen eingefangen werden.

Ein wichtiger Vorteil, der erhalten wird, indem die Lehren der vorliegenden Erfindung befolgt werden, liegt in der Optimierung der Anreicherungsschicht derart, daß die Ladungsträgerermüdung verhindert und die Betriebszykluszeit von elektrofotografischen Vorrichtungen, die die optimierte Anreicherungsschicht aufweisen, verbessert wird. Durch die Nutzung der hier angegebenen Offenbarung werden außerdem Ladungsträger im wesentlichen daran gehindert, in die tiefen Fangstellen in der Bandabstandsmitte zu fallen. Nur relativ flache Defektzustände verbleiben, in denen Ladungsträger eingefangen werden können, und die Austrittsrate von Ladungsträgern aus diesen flachen Fangstellen kann in Sekunden und nicht in Tagen ausgedrückt werden. Daher betrifft die vorliegende Anmeldung in ihrer allgemeinsten Form die Positionierung des Fermi-Niveaus des Halbleiterlegierungsmaterials, aus dem die Anreicherungsschicht gebildet ist, an einer Position über der Bandabstandsmitte. Das resultiert darin, daß die tiefen Bandabstandsmitten-Zustände von Elektronen besetzt und somit als Elektronenfangstellen nicht wirksam sind. Auf diese Weise müssen Elektronen, die sich durch die Anreicherungsschicht bewegen, nicht durch einen Bereich gehen, in dem sich wirksame tiefe Bandabstandsmitten-Fangstellen befinden. Das resultiert in einer Elektronenaustrittszeit von weniger als ca. 1 s bei einer 1,8 eV Silizium:Wasserstoff:Fluor:Phosphin-Legierung, deren Fermi- Niveau in dem am meisten bevorzugten Bereich von 0,75-0,65 eV vom Leitungsband positioniert ist. Wegen der raschen Freisetzungszeit ergibt sich kein erheblicher Aufbau von eingefangener Ladung in diesem Bereich und daher keine hohe Feldverzerrung. Ebenso ermöglicht in Fällen, in denen eine negative Ladung verwendet wird, die Positionierung des Fermi-Niveaus der Anreicherungsschicht bei 0,75-0,65 eV vom Valenzband eine gleiche schnelle Freisetzung von eingefangenen Trägern.

Es ist beachtenswert, daß die Erfinder nicht beanspruchen, das Konzept der Festlegung des Fermi-Niveaus des amorphen Halbleiterlegierungsmaterials, aus dem eine der operativen Schichten eines elektrofotografischen Lichtrezeptors hergestellt wird, erfunden zu haben. Statt dessen beanspruchen die Erfinder, daß sie die ersten waren, die erkannt haben, daß es möglich ist, das Einfangen von Ladungsträgern in tiefen Bandabstandsmitten-Fangstellen dadurch im wesentlichen zu verhindern, daß das Fermi-Niveau des Halbleiterlegierungsmaterials, aus dem die Anreicherungsschicht hergestellt ist, an einem Punkt festgelegt wird, der ungefähr 0,8-0,5 eV entweder vom Leitungsband oder vom Valenzband entfernt ist.

Die von der Anmelderin gemachte Entdeckung steht in krassem Gegensatz zu einer Technik, die von Mort et al. in einer Abhandlung mit dem Titel "Field-effect Phenomena in Hydrogenated Amorphous Silicon Photoreceptors", veröffentlicht in Journal of Applied Physics, 16. April 1984, S. 3197, beschrieben wird. In dieser Abhandlung beschreiben Mort et al. ein Verfahren zum Beseitigen von Feldeffekten in Lichtrezeptoren, wobei das Verfahren durch die geeignete Dotierung der a-Si:H-Isolatorgrenzfläche ausgeführt wird. Mort et al. beobachteten eine Fermi-Niveau-Bewegung unter dem Einfluß des Feldes, das durch die Koronaladung des elektrofotografischen Lichtrezeptors erzeugt wird, wobei sie den schädlichen Auswirkungen durch Dotieren begegnen wollten. Insbesondere wird von Mort et al. die Zugabe einer Bordotierten Einfangschicht vorgeschlagen, die zwischen der Oberseite der lichtleitfähigen Schicht und der Isolierschicht (der oberen Schutzschicht) liegt, um die Auswirkungen des elektrischen Feldes zu unterdrücken und die Auswirkung der "feldinduzierten Verwaschung" (allgemein als "Bildfließen" bezeichnet) zu beseitigen. Auf diese Weise konnten Mort et al. dem Problem des "Bildfließens" entgegenwirken.

Mort et al. befaßten sich jedoch nicht mit dem hier vorliegenden Problem der "Ladungsermüdung" und sagen auch nichts darüber. Außerdem haben Mort et al. durch die Zugabe von Bor-Dotierstoff das Fermi-Niveau des Halbleiterlegierungsmaterials in Richtung zum Valenzband verschoben. Durch dieses Verschieben des Fermi-Niveaus des Halbleiterlegierungsmaterials haben sie inhärent Elektronen, die sich zum Leitungsband zu bewegen versuchten, veranlaßt, durch die tiefen Bandabstandsmitten-Zustände zu gehen, die für das Problem der Ladungsermüdung verantwortlich sind und die die vorliegende Anmeldung zu vermeiden sucht. Es ist zu beachten, daß Mort et al. insbesondere den Einsatz von Phosphor- Dotierung zum Verschieben des Fermi-Niveaus der Anreicherungsschicht in Richtung zum Leitungsband verbieten, weil eine solche Verschiebung das Halbleiterlegierungsmaterial stärker leitfähig machen würde, wodurch die Art von seitlichem Elektronenfluß, die sie zu vermeiden trachten, gerade hervorgerufen wird.

Im Gegensatz dazu hat die Anmelderin erstmals das Halbleiterlegierungsmaterial der Anreicherungsschicht, die zwischen der lichtleitfähigen Schicht und der oberen Schutzschicht liegt, gezielt mit Phosphor dotiert, um das Fermi-Niveau in Richtung zum Leitungsband zu verschieben. Durch dieses Verschieben des Fermi-Niveaus des Halbleiterlegierungsmaterials brauchen sich die Elektronen nicht durch die tiefen Bandabstandsmitten-Zustände, die in dem Bandabstand vorhanden sind, zu bewegen und können dort nicht eingefangen werden. Dadurch werden die Probleme von Ladungsermüdung praktisch beseitigt, indem die Elektronen aus den tiefen Bandabstandsmitten-Zuständen heraus gehalten werden. Anschließend bringt die Anmelderin sowohl Bor- als auch Phosphor-Dotierstoff ein, um das Fermi-Niveau an dieser vorgewählten Position im Bandabstand durch das Hinzufügen von Defektzuständen auf beiden Seiten des festgelegten Fermi-Niveaus zu fixieren. Da die hinzugefügten Defektzustände flach sind, werden dadurch nicht nur Probleme der Ladungsermüdung gelöst, sondern diese Zustände sind hinreichend zahlreich, um einen seitlichen Elektronenfluß zu inhibieren, den Feldeffekt zu unterdrücken und dadurch gleichzeitig Probleme des Bildfließens zu lösen.

Aus der vorstehenden Erläuterung ist daher ersichtlich, daß zwar Mort et al. eine Lösung des Problems des Bildfließens bei elektrofotografischen Medien vorschlagen, jedoch das Problem der Ladungsermüdung, das ihre Problemlösung des Bildfließens inhärent hervorruft, nicht berücksichtigen. Die vorliegende Erfindung dagegen löst beide Probleme, indem das Fermi-Niveau des Halbleiterlegierungsmaterials einer neu zugefügten Anreicherungsschicht zuerst in geeigneter Weise verlagert und dann fixiert wird.

Angesichts der vielen Definitionen, die für die Ausdrücke "amorph" und "mikrokristallin" in der wissenschaftlichen und Patentliteratur verwendet werden, ist es hilfreich, die Definition dieser Ausdrücke, wie sie hier verwendet werden, zu klären. Der Ausdruck "amorph", wie er hier verwendet wird, wird definiert als Legierungen oder Materialien umfassend, die eine Fehlordnung im Fernbereich aufweisen, obwohl solche Legierungen oder Materialien auch eine Nah- oder Zwischenordnung aufweisen oder sogar kristalline Einschlüsse enthalten können. Im vorliegenden Zusammenhang wird der Ausdruck "mikrokristallin" definiert als eine spezielle Klasse der genannten amorphen Materialien, die charakterisiert ist durch einen Volumenanteil von kristallinen Einschlüssen, wobei dieser Volumenanteil von Einschlüssen größer als ein Schwellenwert ist, bei dem der Beginn von erheblichen Änderungen bestimmter Schlüsselparameter wie elektrische Leitfähigkeit, Bandabstand und Absorptionskonstante eintritt. Es ist zu beachten, daß gemäß den obigen Definitionen die bei der praktischen Durchführung der Erfindung verwendeten Materialien unter den Oberbegriff "amorph" gemäß der obigen Definition fallen.

Diese und weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden genauen Beschreibung der Erfindung, der kurzen Erläuterung der Zeichnungen und den Patentansprüchen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das elektrofotografische Medium folgendes auf: ein elektrisch leitfähiges Substat, eine über dem Substrat liegende untere Schicht, die ausgebildet ist, um den freien Fluß von Ladungsträgern aus dem Substrat zu blockieren, eine über der unteren Schicht liegende lichtleitfähige Schicht, die ausgebildet ist, um eine elektrostatische Ladung zu entladen, und eine über der lichtleitfähigen Schicht liegende Anreicherungsschicht, die ausgebildet ist, um die Anzahl von Ladungsträgern, die in tiefen Fangstellen in der Bandabstandsmitte gefangen werden, erheblich zu verringern, wobei die Anreicherungsschicht aus gezielt dotiertem Halbleiterlegierungsmaterial gebildet ist, und eine über der Anreicherungsschicht liegende obere Schutzschicht, die ausgebildet ist, um die lichtleitfähige Schicht vor Umgebungszuständen zu schützen und zum Transport von Ladungsträgern unter Beleuchtung beizutragen. Die untere Blockierschicht besteht bevorzugt aus einem dotierten mikrokristallinen Halbleiterlegierungsmaterial, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die im wesentlichen aus Chalkogenen, amorphen Siliziumlegierungen, amorphen Germaniumlegierungen, amorphen Silizium-Germanium-Legierungen, lichtleitfähigen organischen Polymeren und Kombinationen davon besteht. Die Anreicherungsschicht besteht bevorzugt aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die im wesentlichen aus amorphen Siliziumlegierungen, amorphen Germaniumlegierungen und amorphen Silizium-Germanium-Legierungen besteht. Die Anreicherungsschicht ist noch vorteilhafter aus einer amorphen Siliziumlegierung gebildet, und ihr Fermi-Niveau ist zu einer Position innerhalb 0,5-0,8 eV des Leitungs- oder Valenzbands verlagert. Bei einer noch stärker bevorzugten Ausführungsform ist das Fermi-Niveau der Anreicherungsschicht zu einer Position innerhalb 0,65-0,75 eV des Leitungs- oder Valenzbands verlagert. Auf diese Weise ist die Anreicherungsschicht aus einem Material hergestellt, das speziell zugeschnitten ist, um die thermische Emission von Ladungsträgern aus Fangstellen an der Grenzfläche mit der oberen Schutzschicht innerhalb von ca. einer Sekunde oder weniger zu bewirken. Die Dicke der Anreicherungsschicht beträgt ca. 250 nm bis 1 um und bevorzugt ca. 0,5 um. Das Fermi-Niveau der Anreicherungsschicht kann an einer bestimmten Stelle vom Leitungsband entfernt fixiert werden. Die Fixierung des Fermi-Niveaus kann erreicht werden, indem sowohl Phosphor als auch Bor in die Halbleiterlegierungsmatrix eingebaut werden, um flache Zustände am Bandabstand der Halbleitermatrix hinzuzufügen, um so das Fermi-Niveau in einer vorgewählten Position zu fixieren.

Ferner wird ein Verfahren angegeben, um Ladungsermüdung in elektrofotografischen Medien des Typs zu verhindern, die ein elektrisch leitfähiges Substrat, eine untere, die Ladungsinjektion blockierende Schicht, eine lichtleitfähige Schicht und eine obere Schutzschicht aufweisen. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Bilden einer Anreicherungsschicht aus einem gezielt dotierten Halbleiterlegierungsmaterial und operatives Anordnen der Anreicherungsschicht zwischen der lichtleitfähigen Schicht und der oberen Schutzschicht, so daß die Anreicherungsschicht ausgebildet ist, um die Anzahl von Ladungsträgern, die in tiefen Fangstellen in der Bandabstandsmitte gefangen werden, während sich Ladungsträger der Grenzfläche zwischen der Anreicherungsschicht und der oberen Schutzschicht nähern, erheblich zu reduzieren. Das Verfahren umfaßt die weiteren Schritte: Bilden der unteren Blockierschicht aus einer mikrokristallinen, Bor-dotierten Silizium:Wasserstoff:Fluor-Legierung, wobei der Grad der Bor-dotierung ausreicht, um das Material entartet zu machen, und (2) Bilden der Anreicherungsschicht aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die im wesentlichen aus amorphen Siliziumlegierungen, amorphen Germaniumlegierungen und amorphen Silizium-Germanium-Legierungen besteht. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der weitere Schritt vorgesehen: Verlagern des Fermi-Niveaus der Anreicherungsschicht zu einer Position innerhalb von 0,5-0,8 eV vom Leitungs- oder Valenzband und bevorzugt zu einer Position innerhalb 0,65-0,75 eV des Bands. Auf diese Weise ist das Material, aus dem die Anreicherungsschicht hergestellt wird, so abgestimmt, daß es den Austritt von Ladungsträgern aus den Fangstellen innerhalb von ungefähr einer Sekunde oder weniger zuläßt. Das Verfahren kann außerdem den weiteren Schritt umfassen: Bilden der Anreicherungsschicht mit einer Dicke von ca. 250 nm bis 1 um und bevorzugt einer Dicke von 0,5 um. Bei der am meisten bevorzugten Ausführungsform wird das Fermi-Niveau des Halbleiterlegierungsmaterials, aus dem die Anreicherungsschicht hergestellt wird, dadurch fixiert, daß sowohl Bor als auch Phosphor in seine Halbleitergrundmatrix eingebaut werden, um so weitere flache Zustände zu beiden Seiten des Fermi-Niveaus im Bandabstand hinzuzufügen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Teilquerschnitt eines elektrofotografischen Lichtrezeptors, der die verbesserte Anreicherungsschicht gemäß der Erfindung aufweist; und

Fig. 2 ist ein schematischer Querschnitt einer Mikrowellen- Glimmentladungs-Abscheidungsvorrichtung, ausgebildet für die Herstellung von elektrofotografischen Lichtrezeptoren, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist in einem Teilquerschnitt ein im allgemeinen zylindrischer elektrofotografischer Lichtrezeptor 10 des Typs gezeigt, der alle in der Beschreibung der vorliegenden Erfindung angegebenen neuen Prinzipien aufweist. Der Lichtrezeptor 10 hat ein im allgemeinen zylindrisches Substrat 12, das bei dieser Ausführungsform aus Aluminium gebildet ist, obwohl andere nichtverformbare Metalle wie rostfreier Stahl ebenfalls als eine bevorzugte Ausführungsform verwendbar wären. Der Umfang des Aluminiumsubstrats 12 ist mit einer glatten, im wesentlichen defektfreien Oberfläche mittels irgendeiner wohlbekannten Technik wie etwa Diamantbearbeitung und/oder Polieren versehen. Unmittelbar auf der Aufbringfläche des Substrats 12 ist eine dotierte Schicht 14 aus mikrokristallinem Halbleiterlegierungsmaterial aufgebracht, die speziell konstruiert und ausgebildet ist, um als unterste Blockierschicht für den Lichtrezeptor 10 zu dienen. In Übereinstimmung mit den Lehren von US-A-4 582 773 ist die Blockierschicht 14 aus hochdotiertem, hochleitfähigem mikrokristallinem Halbleiterlegierungsmaterial gebildet. Unmittelbar auf der untersten Blockierschicht 14 ist die lichtleitfähige Schicht 16 aufgebracht, die aus einer Vielzahl von lichtleitfähigen Materialien gebildet sein kann. Einige der bevorzugten Materialien sind dotierte eigenleitende amorphe Siliziumlegierungen, amorphe Germaniumlegierungen, amorphe Silizium- Germanium-Legierungen, Chalkogenidmaterialien und organische lichtleitfähige Polymere. Auf die lichtleitfähige Schicht 16 ist die verbesserte Anreicherungsschicht 18 der Erfindung aufgebracht, wobei diese Anreicherungsschicht speziell ausgelegt ist, um das Problem der Ladungsermüdung, das in der Beschreibungseinleitung beschrieben ist, erheblich zu verringern. Schließlich hat der Lichtrezeptor 10 eine oberste Schutzschicht 19, die operativ auf der Anreicherungsschicht 18 angeordnet ist, wobei die Schutzschicht (1) die Oberfläche der lichtleitfähigen Schicht 16 vor Umgebungseinflüssen schützt und (2) die auf der Oberfläche des Lichtrezeptors 10 gespeicherte Ladung von Trägern trennt, die in der lichtleitfähigen Schicht 16 erzeugt werden.

Gemäß den Prinzipien der ersten Ausführungsform der Erfindung ist die verbesserte Anreicherungsschicht 18 aus einem gezielt dotierten Halbleiterlegierungsmaterial gebildet. Der Zweck der gezielten Dotierung der Anreicherungsschicht 18 ist es, das Fermi-Niveau näher an das Leitungsband (im Fall einer positiven Koronaladung) des Halbleiterlegierungsmaterials, aus dem diese Schicht gebildet ist, zu verlagern. Selbstverständlich ist es im Fall einer negativen Oberflächenladung erwünscht, die Anreicherungsschicht 18 gezielt so zu dotieren, daß das Fermi-Niveau des Halbleiterlegierungsmaterials, aus der sie hergestellt ist, näher zum Valenzband verlagert wird. Eine große Vielzahl von Halbleiterlegierungsmaterialien kann eingesetzt werden, um daraus die Anreicherungsschicht 18 herzustellen. Einige der bevorzugten Materialien sind Silizium:Wasserstoff-Legierungen, Silizium: Wasserstoff:Halogen-Legierungen, Germanium: Wasserstoff-Legierungen, Germanium:Wasserstoff:Halogen-Legierungen, Silizium:Germanium:Wasserstoff-Legierungen und Silizium: Wasserstoff:Halogen-Legierungen. Von den halogenierten Materialien sind fluorierte Legierungen besonders bevorzugt.

Das Dotieren des Halbleiterlegierungsmaterials kann mit jedem Verfahren und unter Einsatz jedes Materials erreicht werden, die dem Fachmann wohlbekannt sind. Da die früheren Anreicherungsschichten der Anmelderin mit einer verringerten Dichte von Defektzuständen hergestellt wurden, wurden die Ladungsträger, die sich durch diese Schicht aus der lichtleitfähigen Schicht 16 bewegten, um die an der Oberfläche der obersten Schutzschicht 19 befindliche Ladung zu neutralisieren, nicht in ebenso vielen tiefen Fangstellen in der Bandabstandsmitte eingefangen. Das Resultat war eine Verringerung der Anzahl von Trägern, die die vorgenannte lange Zeitdauer benötigten, um aus den tiefen Fangstellen auszutreten. Durch Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Anmeldung und Verwendung einer Anreicherungsschicht 18, deren Fermi-Niveau zu einer gewünschten Position verlagert und fixiert wird, so daß Ladungsträger fähig sind, die tiefen Zustände in der Bandabstandsmitte, die in dem Siliziumlegierungsmaterial vorhanden sind, aus dem die Schicht hergestellt ist, zu vermeiden, wird die Verweilzeit von Ladungsträgern, die in Fangstellen eingefangen werden, signifikant verringert, da nur die für die Träger zugänglichen Fangstellen flache Fangstellen sind. Die Abwesenheit von tiefen eingefangenen Trägern verhindert nicht nur einen Durchbruch der obersten Schutzschicht 20, sondern erhöht auch ganz erheblich die Zykluszeit, in der das elektrofotografische Medium 10 verlorene Oberflächenladung rückgewinnen und sich zur Reproduktion einer weiteren Kopie bereitmachen kann.

Es kann zwar eine Vielzahl von Halbleitermaterialien verwendet werden, aus denen die lichtleitfähige Schicht 16 herstellbar ist, die amorphen Siliziumlegierungen, amorphen Germaniumlegierungen und amorphen Silizium-Germanium-Legierungen haben sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen. Solche Legierungen und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in den genannten Patenten und Anmeldungen angegeben, und es wird hier darauf Bezug genommen.

Der Leitfähigkeitstyp der Materialien, aus denen die Blockierschicht 14 und die lichtleitfähige Schicht 16 hergestellt sind, ist so gewählt, daß ein blockierender Kontakt zwischen ihnen ausgebildet wird, wodurch die Injektion von unerwünschten Ladungsträgern in das Volumen der lichtleitfähigen Schicht 16 wirkungsvoll inhibiert wird. In Fällen, in denen der Lichtrezeptor 10 ausgebildet ist, um elektrostatisch mit einer positiven Ladung aufgeladen zu werden, wird die unterste Blockierschicht 14 bevorzugt aus einer stark p-dotierten Legierung hergestellt, und die lichtleitfähige Schicht 16 wird aus einer eigenleitenden Halbleiterschicht, einer n-dotierten Halbleiterschicht oder eine schwach p-dotierten Halbleiterschicht hergestellt. Kombinationen dieser Leitfähigkeitstypen resultieren in der erheblichen Inhibierung von Elektronenfluß aus dem Substrat 12 in das Volumen der Lichtleiterschicht 16. Es ist zu beachten, daß eigenleitende oder schwach dotierte Halbleiterschichten im allgemeinen für die Herstellung der lichtleitfähigen Schicht 16 bevorzugt werden, weil solche Materialien eine niedrigere Rate der thermischen Ladungsträgererzeugung haben, als das bei stärker dotierten Materialien der Fall ist. Schichten von eigenleitenden Halbleiterlegierungsmaterialien sind am meisten bevorzugt, weil solche Schichten die geringste Anzahl Defektzustände pro Volumeneinheit und die günstigsten Entladungs-Charakteristiken haben.

In Fällen, in denen der elektrofotografische Lichtrezeptor 10 für eine negative Ladung ausgebildet ist, ist es erwünscht, den Fluß von Löchern in das Volumen der lichtleitfähigen Schicht 16 zu verhindern. In solchen Fällen werden die Leitfähigkeitstypen der Schichten von Halbleiterlegierungsmaterial, die oben genannt sind, umgekehrt, obwohl natürlich eigenleitende Materialien trotzdem eine beachtliche Brauchbarkeit haben.

Die maximale elektrostatische Spannung, der der Lichtrezeptor 10 standhalten kann (Vsat), hängt vom Wirkungsgrad der Blockierschicht 14 sowie der Dicke der lichtleitfähigen Schicht 16 ab. Bei einem gegebenen Wirkungsgrad der Blockierschicht hält ein Lichtrezeptor 10 mit einer dickeren lichtleitfähigen Schicht 16 einer größeren Spannung stand. Aus diesem Grund wird die Ladekapazität oder Ladungsakzeptanz im allgemeinen als V/um Dicke der lichtleitfähigen Schicht 16 ausgedrückt. Zur wirtschaftlichen Herstellung und zur Beseitigung von mechanischen Spannungen ist es im allgemeinen erwünscht, daß die Gesamtdicke der lichtleitfähigen Schicht 16 25 um oder weniger beträgt. Es ist außerdem erwünscht, darauf eine möglichst hohe statische Ladung zu unterhalten. Infolgedessen wirken sich Verbesserungen des Wirkungsgrads der Sperrschicht direkt in einem verbesserten Gesamtbetriebsverhalten des Lichtrezeptors aus. Routinemäßig wurde gefunden, daß Lichtrezeptoren, die gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, fähig sind, Spannungen von mehr als 50 V/um bis zu einem Punkt standzuhalten, der sich der dielektrischen Durchbruchspannung des Halbleiterlegierungsmaterials nähert.

Das gezielt dotierte Halbleiterlegierungsmaterial der Anreicherungsschicht der Erfindung kann mit einer Vielzahl von Aufbringverfahren, die dem Fachmann sämtlich wohlbekannt sind, hergestellt werden. Diese Aufbringverfahren umfassen beispielsweise und ohne Einschränkung chemisches Aufdampfen, lichtverstärktes chemisches Aufdampfen, Aufsputtern, Verdampfen, Elektroplattieren, Plasmasprühen, Radikalsprühen und Glimmentladungsabscheidung.

Derzeit haben sich Glimmentladungs-Abscheidungsverfahren als besonders nützlich bei der Herstellung der Anreicherungsschicht der Erfindung erwiesen. Bei Glimmentladungs-Abscheidungsverfahren wird ein Substrat in einer Kammer angeordnet, die auf weniger als Atmosphärendruck gehalten wird. Ein Prozeßgasgemisch, das einen Vorläufer des abzuscheidenden Halbleiterlegierungsmaterials (und Dotierstoffe) enthält, wird in die Kammer eingeleitet und mit elektromagnetischer Energie aktiviert. Die elektromagnetische Energie aktiviert das Vorläufer-Gasgemisch zur Bildung von Ionen und/oder Radikalen und/oder sonstigen aktivierten Spezies davon, wobei diese Spezies das Aufbringen einer Schicht von Halbleitermaterial auf das Substrat bewirken. Die angewandte elektromagnetische Energie kann Gleichstromenergie oder Wechselstromenergie wie Hochfrequenz- oder Mikrowellenenergie sein.

Mikrowellenenergie hat sich für die Herstellung von elektrofotografischen Lichtrezeptoren als besonders vorteilhaft erwiesen, weil sie die schnelle, kostengünstige Herstellung von aufeinanderfolgenden Schichten von Halbleiterlegierungsmaterial hoher Güte erlaubt. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer speziellen Vorrichtung 20, die zum Mikrowellen-aktivierten Aufbringen von Schichten von Halbleitermaterial auf eine Vielzahl von zylindrischen Trommeln oder Substraten 12 ausgebildet ist. In einer Vorrichtung dieses Typs wird der elektrofotografische Lichtrezeptor 10 von Fig. 1 vorteilhaft hergestellt. Die Vorrichtung 20 hat eine Abscheidungskammer 22 mit einer Abpumpöffnung 24, die zum geeigneten Anschluß an eine Vakuumpumpe ausgebildet ist, um Reaktionsprodukte aus der Kammer abzuführen und deren Inneres auf einem geeigneten Druck zu halten, um den Abscheidungsprozeß zu erleichtern. Die Kammer 22 hat ferner eine Vielzahl von Reaktionsgasgemisch-Einlaßöffnungen 26, 28 und 30, durch die Reaktionsgasgemische in die Abscheidungsumgebung eingeleitet werden.

In der Kammer 22 ist eine Vielzahl von zylindrischen Trommeln oder Substraten 12 abgestützt. Die Trommeln 12 sind nahe beieinander angeordnet, wobei ihre Längsachsen im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und die Außenflächen benachbarter Trommeln eng voneinander beabstandet sind, um einen inneren Kammerbereich 32 zu definieren. Zur Abstützung der Trommeln 12 auf diese Weise hat die Kammer 22 ein Paar von inneren auf rechten Wänden, von denen eine bei 34 gezeigt ist. Die Wände haltern quer über sie eine Vielzahl von ortsfesten Wellen 38. Jede der Trommeln 12 ist drehbar auf einer jeweiligen Welle 38 mittels eines Paars von scheibenförmigen Abstandshaltern 42 angebracht, deren Außenabmessungen den Innenabmessungen der Trommeln 12 entsprechen, um dadurch in Reibungseingriff damit zu gelangen. Die Abstandselemente 42 sind von einem Motor-und-Kettentrieb (nicht gezeigt) angetrieben, um eine Drehung der zylindrischen Trommeln 12 während des Beschichtungsvorgangs zu bewirken, um die gleichmäßige Abscheidung von Material auf deren gesamter Außenfläche zu erleichtern.

Wie bereits erwähnt, sind die Trommeln 12 so angeordnet, daß ihre Außenflächen voneinander eng beabstandet sind, um so die innere Kammer 32 zu bilden. Wie in Fig. 2 zu sehen ist, werden die Reaktionsgase, aus denen das Abscheidungsplasma gebildet wird, in die innere Kammer 32 durch mindestens einen der Vielzahl von engen Durchgängen 52 eingeleitet, die zwischen einem gegebenen Paar von benachbarten Trommeln 12 gebildet sind. Bevorzugt werden die Reaktionsgase in die innere Kammer 32 durch jeden zweiten der engen Durchgänge 52 eingeleitet.

Es ist aus der Figur ersichtlich, daß jedes Paar von benachbarten Trommeln 12 mit einer Gasabschirmung 54 versehen ist, die mit einer der Reaktionsgas-Einlaßöffnungen 26, 28 und 30 über eine Leitung 56 verbunden ist. Jede Abschirmung 54 definiert ein Reaktionsgasreservoir 58 angrenzend an den engen Durchgang, durch den das Reaktionsgas eingeleitet wird. Außerdem weisen die Abschirmungen 54 seitliche Verlängerungen 60 auf, die von entgegengesetzten Seiten des Reservoirs 58 und entlang dem Umfang der Trommeln 12 verlaufen, um einen engen Durchgang 62 zwischen der Abschirmungsverlängerung 60 und den Außenflächen der Trommeln 12 zu bilden. Die Abschirmungen 54 sind wie oben beschrieben ausgelegt, um so sicherzustellen, daß ein hoher Prozentsatz des Reaktionsgases in die innere Kammer 32 strömt und entlang der gesamten seitlichen Erstreckung der Trommeln 12 eine gleichmäßige Gasströmung unterhalten wird.

Wie aus der Figur ersichtlich ist, werden enge Durchgänge 66, die nicht zum Einleiten von Reaktionsgas in die Kammer 32 genutzt werden, dazu verwendet, Reaktionsprodukte aus der inneren Kammer 32 abzuführen. Wenn die mit der Abpumpöffnung 24 verbundene Pumpe aktiviert wird, werden das Innere der Kammer 22 und die innere Kammer 32 durch die engen Durchgänge 66 abgepumpt. Auf diese Weise können aus der Kammer 22 Reaktionsprodukte abgezogen werden, und das Innere der inneren Kammer 32 kann auf einem für die Abscheidung geeigneten Druck gehalten werden.

Um die Produktion von Vorläufer-Radikalen und/oder -Ionen und/oder anderen aktivierten Spezies aus dem Prozeßgasgemisch zu erleichtern, weist die Vorrichtung außerdem eine Mikrowellen-Energiequelle wie etwa ein Magnetron mit einer Hohlleiteranordnung oder einer Antenne auf, die angeordnet ist, um Mikrowellenenergie zu der inneren Kammer 32 zu leiten. Wie Fig. 2 zeigt, hat die Vorrichtung 20 ein Fenster 96 aus einem für Mikrowellen durchlässigen Material wie Glas oder Quarz. Das Fenster 96 umschließt nicht nur die innere Kammer 32, sondern ermöglicht aus die Anbringung des Magnetrons oder einer anderen Mikrowellen-Energiequelle außerhalb der Kammer 22, wodurch sie von der Umgebung des Prozeßgasgemischs isoliert ist.

Während des Aufbringvorgangs kann es erwünscht sein, die Trommeln 12 auf einer erhöhten Temperatur zu halten. Dazu kann die Vorrichtung 20 außerdem eine Vielzahl von Heizelementen (nicht gezeigt) aufweisen, die so angeordnet sind, daß sie die Trommeln 12 aufheizen. Zum Aufbringen von amorphen Halbleiterlegierungen werden die Trommeln im allgemeinen auf eine Temperatur zwischen 20 ºC und 400 ºC und bevorzugt auf ca. 225 ºC aufgeheizt.

BEISPIEL

Bei diesem Beispiel wurde ein elektrofotografischer Lichtrezeptor in einem Mikrowellen-aktivierten Glimmentladungs- Abscheidungssystem hergestellt, das im allgemeinen ähnlich demjenigen von Fig. 2 war. Ein gereinigtes Aluminiumsubstrat wurde zuerst funktionsmäßig in der Aufbringvorrichtung positioniert, und dann wurde die Kammer evakuiert, und ein Gasgemisch, das 0,15 SCCM (standard cubic centimeters per minute) eines 10,8 % Gemischs von BF&sub3; in Wasserstoff, 75 SCCM von 1000 ppm SiH&sub4; in Wasserstoff und 45 SCCM Wasserstoff aufwies, wurde eingeleitet. Die Pumpgeschwindigkeit wurde ständig justiert, um einen Gesamtdruck von ca. 100 um in der Kammer zu unterhalten, während gleichzeitig das Substrat auf einer Temperatur von ca. 300 ºC gehalten wurde. Eine Vorspannung von +80 V wurde ausgebildet, indem ein aufgeladener Draht in der Plasmazone angeordnet wurde. Mikrowellenenergie von 2,45 GHz wurde in den Aufbringbereich geleitet. Diese Bedingungen resultierten im Aufbringen der untersten Blockierschicht von Bor-dotiertem mikrokristallinem Silizium:Wasserstoff:Fluor-Legierungsmaterial. Die Aufbringrate war ungefähr 2 nm/s, und die Abscheidung wurde fortgesetzt, bis die Bor-dotierte mikrokristalline Blockierschicht eine Gesamtdicke von ca. 750 nm hatte.

Zu diesem Zeitpunkt wurde die Mikrowellenenergie abgeschaltet, und das durchströmende Reaktionsgemisch wurde geändert in ein Gemisch, das 0,5 SCCM eines 0,18 % Gemischs von BF&sub3; in Wasserstoff, 30 SCCM SiH&sub4;, 4 SCCM SiF&sub4; und 40 SCCM Wasserstoff aufwies. Der Druck wurde auf 50 um gehalten, und Mikrowellenenergie von 2,45 GHz wurde in die Vorrichtung geleitet. Das resultierte im Aufbringen einer Schicht von schwach p-dotiertem amorphem Silizium:Wasserstoff:Fluor- Legierungsmaterial. Das Aufbringen dieses Legierungsmaterials (das die lichtleitfähige Schicht des elektrofotografischen Mediums bildete) erfolgte mit einer Rate von ca. 10 nm/s und wurde fortgesetzt, bis ca. 20 um des amorphen Siliziumlegierungsmaterials aufgebracht war.

Um die amorphe Siliziumlegierung aufzubringen, aus der die verbesserte Anreicherungsschicht der Erfindung hergestellt ist, ist es notwendig, ausreichende Mengen Phosphor zuzufügen, die aus Phosphingas erhalten werden, um so das Fermi- Niveau der aufgebrachten Legierung zu ungefähr 0,75-0,65 eV von deren Leitungsband zu verlagern. Um sowohl diese Verlagerung des Fermi-Niveaus als auch die Fixierung des Fermi- Niveaus in dieser Position zu erreichen, um eine Aufteilung des Niveaus bei Beleuchtung zu vermeiden, werden angenähert gleiche Mengen von Phosphin- und Bortrifluorgas in das Vorläufer-Gasgemisch eingeleitet, nachdem das Fermi-Niveau in den Bereich von 0,75-0,65 eV verlagert wurde. Die restlichen Aufbringparameter werden gleich wie im vorhergehenden Absatz gehalten.

Eine oberste Schutzschicht aus einer amorphen Silizium: Kohlenstoff:Wasserstoff:Fluor-Legierung wird auf die verbesserte Anreicherungsschicht aufgebracht. Ein Gasgemisch, das 2 SCCM SiH&sub4;, 30 SCCM CH&sub4; und 2 SCCM SiF&sub4; aufweist, wird zur Abscheidung dieser Schicht in die Aufbringvorrichtung geleitet. Dann wird die Mikrowellenenergiequelle aktiviert, und das Aufbringen einer Schicht von amorphem Silizium: Wasserstoff:Fluor:Kohlenstoff fand mit einer Rate von ca. 4 nm/s statt. Das Aufbringen wurde fortgesetzt, bis ca. 500 nm der Schutzschicht aufgebracht war, und zu diesem Zeitpunkt wurde die Mikrowellenenergie abgeschaltet, das Substrat wurde auf 100 ºC abgekühlt, die Vorrichtung wurde auf Atmosphärendruck gebracht, und der so hergestellte elektrofotografische Lichtrezeptor wurde zur Prüfung entnommen. Selbstverständlich könnte das vorstehende Verfahren modifiziert werden, um einen Lichtrezeptor herzustellen, der für negative Aufladung geeignet ist, indem dafür entgegengesetzte Dotierstoffe in grob äquimolaren Mengen eingesetzt werden. Das heißt, die unterste Blockierschicht wäre eine Phosphor-dotierte Schicht; die lichtleitfähige Schicht wäre eigenleitend oder schwach Phosphor-dotiert; das Fermi-Niveau der Anreicherungsschicht wäre innerhalb von 0,65-0,75 eV des Valenzbands positioniert und fixiert.

Es versteht sich, daß zahlreiche Modifikationen und Änderungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können. Das vorstehende Beispiel war auf elektrofotografische Lichtrezeptoren gerichtet, die aus amorphen Siliziumlegierungsmaterialien bestehen, aber die vorliegende Erfindung ist offensichtlich nicht darauf beschränkt, sondern kann in Verbindung mit der Herstellung von Lichtrezeptoren angewandt werden, die eine Vielzahl von lichtleitfähigen Materialien wie Chalkogenid-Lichtleitermaterialien sowie organische Lichtleitermaterialien umfassen. Die hier erörterten Blockierschichten können aus einer Vielzahl von mikrokristallinen Halbleiterlegierungsmaterialien im Rahmen der Erfindung hergestellt werden.


Anspruch[de]

1. Elektrofotografisches Medium, das folgendes aufweist:

a) ein elektrisch leitfähiges Substrat (12),

b) eine lichtleitfähige Schicht (16) über dem Substrat (12), wobei die lichtleitfähige Schicht (16) ausgebildet ist, um eine elektrostatische Ladung zu entladen, und aus einem Material hergestellt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: Chalkogenid-Lichtleitern, amorphen Siliziumlegierungen, amorphen Germaniumlegierungen, amorphen Silizium-Germanium-Legierungen, lichtleitfähigen organischen Polymeren und Kombinationen davon,

c) eine Anreicherungsschicht (18), die aus einem Halbleiterlegierungsmaterial hergestellt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus: amorphen Siliziumlegierungen, amorphen Germaniumlegierungen und amorphen Silizium-Germanium-Legierungen; wobei die Anreicherungsschicht (18) über der lichtleitfähigen Schicht (16) liegt und mit Bor als einem Dotierstoff zur Einstellung ihres Fermi-Niveaus dotiert ist,

d) eine oberste Schutzschicht (19), die über der Anreicherungsschicht (18) liegt, wobei die Schutzschicht (19) ausgebildet ist, um die lichtleitfähige Schicht (16) gegenüber Umgebungsbedingungen zu schützen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anreicherungsschicht (18) ausgebildet ist, um die Zahl von Ladungsträgern erheblich zu verringern, die in tiefen Fangstellen der Bandabstandsmitte eingefangen werden, um eine Ladungsermüdung zu

verhindern, und zwar durch gezielte Dotierung mit Phosphor zusätzlich zu Bor, um so das Fermi-Niveau der Anreicherungsschicht (18) zu einer vorbestimmten Position zu verlagern und das Fermi-Niveau zu fixieren, um das tiefe Einfangen und Bildfließen zu vermeiden, und daß

e) eine unterste Schicht (14) zwischen dem Substrat (12) und der lichtleitfähigen Schicht (16) eingefügt ist und die unterste Schicht (14) ausgebildet ist, um den freien Fluß von Ladungsträgern aus dem Substrat (12) zu blockieren.

2. Elektrofotografisches Medium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anreicherungsschicht (18) eine Dicke zwischen 250 und 1000 nm hat.

3. Elektrofotografisches Medium nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anreicherungsschicht (18) eine Dicke von ca. 500 nm hat.

4. Elektrofotografisches Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anreicherungsschicht (18) Halogene aufweist.

5. Elektrofotografisches Medium nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anreicherungsschicht (18) Fluor aufweist.







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