CN1004955B

CN1004955B - 半导体器件及其制造方法

Info

Publication number: CN1004955B
Application number: CN87104814.0A
Authority: CN
Inventors: 山崎舜平
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1984-10-11
Filing date: 1987-07-13
Publication date: 1989-08-02
Also published as: CN1003324B; EP0178190B1; EP0178190A2; CN85108403A; JPS6191687A; EP0178190A3; DE3586079D1; CN87104814A

Abstract

公开了一种可简单且低成本生产、同时又具有显示板与写入板功能的光电板，介绍了有关光电板中的半导体器件及其制造方法。所述半导体器件包括有一个非线性光敏结的三层式非单晶半导体部件。

Description

半导体器件及其制造方法

本发明涉及至少有一个液晶显示器件及做在共衬底上的一个光电探测器件的光电板，具体涉及这种光电板的中半导体器件及其制造方法。

以前所用的显示板通常都采用m×n（其中n≥1，m≥1）个液晶显示器件D₁₁至D_1n，D₂₁至D_2n……和Dm₁至Dmn。

在这种显示板中，一个液晶单元cij（i＝1，2，……m;j＝1，2，……n）通过非线性元件Hij连接在行线Xi与列线Yj的交叉处。

使用这种显示板，是经选择线驱动选中的行线X₁至Xm的一行线与列线Y₁到Yn的列线的交叉点的液晶单元，从而提供图象显示。

常规显示板采用绝缘栅场效应管（FET）作为非线性元件。制作绝缘栅场效应管要求许多步骤，大致要用六至八次光掩膜。

因此，无法简单、高产额、低成本地制作这种常规显示板。

再有，通常所用的写入板，采用了m×n个压敏元件K₁₁至K₁n，K₂₁至K₂n，……Km₁至Kmn，其中压敏元件Eij（其中i＝1，2，……m;j＝1，2，……n）连接在行线Xi与列线Yj之间的交叉处。

这种写入板，用笔或类似的工具在其上进行加压书写，在写入板上的书写轨迹的坐标可在行线X₁至Xm，列线Y₁至Yn上得到输出。

但是，按规定值给轨迹下面的压敏元件加压是困难的，而且压敏元件容易疲劳，响应速度也相对比较低。

因为，常规写入板的缺陷是，笔或类似工具的轨迹坐标在行线与列线上不能高速高可靠地输出。

再者，一直没有提出既具有显示板功能又具有写入板功能的高效板。因此，按常规作法要获得这两种功能，就必须同时使用显示板和写入板。

日本专利昭和59-94736（A）公开了一种用发光型光笔来改变显示内容的液晶显示装置，该装置既具有显示板功能的液晶显示器件又具有写入板功能的光探测元件。但是制作这种包括有由开关/电容器阵列的装置需要有许多步骤，无法进行简单、高产额、低成本的生产。

日本专利昭和59-116618也公开了一种具有显示器件和光探测器件的矩阵式液晶显示装置，但该装置中采用MOS晶体管作为非线性元件，所以也无法进行简单、高产额、低成本的生产。

在先有技术（如JP-59-149456（A）和JP-59-161176（A））中，尽管在半导体领域中已提出过各种结，但还未曾用NIN结来制成光敏或非线性半导体器件。PIP、NN^-、NP^-N、PN^-和PP^-P是NIN的等价的改形。光敏器件最令人感兴趣的特征是频率特性，改善频率特性，致使对输入光线的响应速度提高。

本发明的NIN对称结使得光敏元件相对入射光线响应迅速，并由此大大地改善器件性能。

因此，本发明的目的提供一种新颖的光电板，它消除了上述先有技术中的缺欠，该光电板既有显示板功能又具有写入板功能，同时又具有可进行简单、高产额、低成本的生产。

本发明的一个构思，液晶显示器件和光探测器件在同一衬底上形成，显示板与写入板的功能可在同一块板上实现，其中根据本发明的另一构思，液晶显示器件中至少有一个液晶单元。通过一个非线性元件对该液晶元件加驱动信号。在这种情况下，非线性元件是第一种非单晶半导体二极管。液晶单元中的液晶根据驱动信号是高电平还是低电平变为透明或不透明。因此，液晶单元以相应于驱动信号电压的等级给出显示。作为非线性元件的第一非单晶半导体二极管是具有一个由NIN，NN^-N，NP^-N，NIPIN，PIP，PP^-P，PNP，或PINIP结构构成的非单晶半导体迭层部件。

光探测器件至少有一个光二极管，它是第二种非单晶半导体二极管，与液晶显示器件中作为非线性元件的第一非单晶半导体二极管的结构相同。光二极管产生与照射其上的光强相应的电流。因而，光二极管产生对应于光强的光探测信号。

液晶显示器件和光探测器件中采用的具有相同结构的非单晶半导体二极管能够比常规液晶显示器件中用作非线性元件的绝缘栅场效应管，更易于制造。而且产额高。

因而，本发明的光电板可以高产额，低成本，简便的制造。

本发明的另一个构思是，液晶显示器件至少有一个液晶显示单元，通过非线性元件，如上面所述的第一种非单晶半导体二极管，对其施加驱动信号。

光探测器件至少有一个光二极管和一个与光二极管串联的第二种非线性元件，光二极管是第二种非单晶半导体二极管，它是具有NIN，PIP，PIN或NIP结构的非单晶半导体迭层部件。第二种非线性元件是第三种非单晶半导体二极管，它具有与液晶显示器件中作为非线性元件的第一种非单晶半导体二极管相同的结构。光二极管产生对应于照射到其上光强的光探测信号，光探测信号从光二极管通过第二种非线性元件对外输出。

本发明的其它目的，特点和优点可在下面联系附图的详细叙述中充分了解。

图1是说明本发明光电板一实施例中的平面图;

图2、3、4和5分别是图1中由线Ⅱ-Ⅱ，线Ⅲ-Ⅲ，线Ⅳ-Ⅳ和线Ⅴ-Ⅴ看去的剖面图;

图6给出非单晶半导体二极管的电压（Ⅴ）-电交（A）的特性曲线图，该非单晶半导体二极管在图1所示本发明的光电板的液晶显示单元和光探测器件中分别用作第一种和第二种非线性示件。

图7A-7D都是非单晶半导体二极管的能带图，用以说明它们在图1所示的本发明中的光电板的液晶显示器件和光探测器件中的工作情况。

图8表示以光强作为一个参数的非单晶半导体二极管的电压（V）-电流（A）特性曲线图。该二极管用作本发明光电板的光探测器件中的光二极管。

图9是图1所示的本发明的光电板的电连接图。

图1至图5表示本发明光电板的一个实施例，其中衬底1有一个绝缘表面。衬底1是透明的，由例如无碱玻璃形成。在衬底上以m×n（m≥1，n≥1）的矩阵形式排列有导电层C₁₁至C₁n，C₂₁至C₂N，C₃₁至C₃n，……Cm₁至Cmn。导电层Cij（其中i＝1，2……m;j＝1，2，……n）是透明的，例如有420μm宽，520μm长。

在衬底1上形成，例如宽100μm的导电层Dj，它在导电层列Cij至Cmj与导电层列Ci（j+i）至Cm（j+1）或Ci（J-1）至Cm（j-1）（这里假设（j+1）不取（n+1）值，（j-1）不取0值）之间纵向延展，导电层Dj是透明的。

在导电层Dj上形成非单晶半导体的迭层单元B₁j，B₂j，……Bmj，每个基本上都与导电层Dj等宽，例如100μm。迭层单元Bij是在导电层Dj的4a部分上形成的，该部分沿导电层Dj的纵向对应于导电层Cij的一端部2b。

非单晶半导体迭层单元Bij，例如具有N（或P）-i-N（P）结构，如图2和图5所示由N（或P）型层31，i型层32和N（P）型层33组成，此外，迭层单元Bij可以具有由N（或P）型层，N^-（或P^-）型层和N（或P）型层构成的N（或P）-N（或P）-N^-（或P^-）结构，由N（或P）型层，P（或N）型层和N（或P）型层构成的N（或P）-P（或N）-N（或P）结构，或者，由N（或P）型层，i型层，P（或N）型层，i型层和N（或P）型层构成的N（或P）-i-P（或N）-i-N（或P）结构，而且，迭层单元Bij还可以具有由P（或N）型层、i型层和N（或P）型层构成的P（或N）-i-N（或P）结构，或者，由多个迭层部件P（或N）-i-N（或P）结构组成的结构。

再有，在衬底1上形成，例如，宽100μm的非单晶半导体迭层单元Qi，它在导电层Ci₁至Cin的2b部分上和非单晶半导体层单元Bi₁，至Bin上横向延展。

非单晶半导体迭层单元Qi，例如，如图2、4和5所示，具有由N（或P）型层41，i型层42和N（或P）型层43构成的N（或P）-i-N（或P）结构。迭层单元Qi还可以具有由N（或P）型层N^-（或P^-）型层和N（或P）型层构成的N（或P）-N^-（或P^-）-N（或P）结构，由N（或P）型层，P（或N）型层和N（或P）型层构成的N（或P）-P（或N）-N（或P）结构，或者由N（或P）型层，i型层，P（或N）型层、i型层N（或P）型层构成的N（或P）-i-P（或N）-i-N（或P）结构。

非单晶半导体迭层单元Qi，其整个表面区上覆盖着导电层Fi，导电层Fi是由覆盖在迭层单元Qi上例如由铬形成的不透明层6a和在6a层上由铝形成的导电层6b组成的。

导电层C11至C1n，C21至C2n、C31至C3n…Cm1至Cmn，导电层D1至Dn，非单晶半导体迭层单元B11至B1n、B21至B2n……Bm1至Bmn，非单晶半导体迭层单元Q1至Qn和导电体Fi构成了衬底部件7。

衬底部件7例如由下述步骤形成：

形成导电层C11至Cmn和D1至Dn的第一透明导电层，通过已知方法，例如，溅射或电子束蒸发工艺，沉积在衬底1上。

接着，用第一个掩膜板，对第一导电层进行已知的图刻工艺，制出导电层C11至Cmn和导电层D1至Dn。

其后，形成非单晶半导体迭层单元B11至B1n、B21至B2n，……Bm1至Bmn的第一非单晶半导体迭层部件，用已知方法，例如，等离子体化学气相沉积（CVD）或光学化学气相沉积（CVD方法，沉积在衬底1上，以此方法连续延展，覆盖着导电层C11至Cmn和导电层D1至Dn。

实验中，在含有硅烷SiH₄，磷化氢PH3（或乙硼烷B₂H₆）和氢的气氛中，使衬底温度保持在200至250℃范围内，以13.56MHZ的高频在衬底1之上产生辉光放电，其结果，具有10^-2至10⁵（Cm）^-1的电导率和含有氢作为复合中心衬偿剂的第一个N（或P）型微晶硅层。沉积在衬底1上，有300至1，000厚。其次，或仅仅用硅烷，或用氟化硅（SiF₄或SiF₂）和氢，或用氟硅烷（H₃SiF或H₂SiF₂）和氢电离成等离子体，由此在N型层上沉积上厚0.2至1μm的第二i型非单晶硅层。此后，用同样的方法在第二i型非单晶硅上沉积上类似于第一N（或P）型层的第三N（或P）型层，这样获得了具有N（或P）-i-N（或P）结构的迭层部件。

N（或P）-i-N（或P）结构中的第二i型层的形成利用乙硼烷（B₂H₆）（或磷化氢PH₃），可使迭层部件形成N（或P）-P-N（或P）（或N（或P）-N^--N（或P））结构。

通过同样的方法，在衬底1上再沉积上类似于上述第一N（或P）型层的第四N（或P）型层，而后用同样方法，在第四N（或P）型层上形成类似于第二i型层的第五i型层，接着，将硅烷，乙硼烷（或磷化氢）和氢电离成等离子体，由此在第五i型层上沉积上第六P（或N）型非单晶硅层。接着，在第六P（或N）型层上用同样的方法沉积上类似于第五i型层的第七i型层，此后，用同样的方法在第七i型层上沉积上类似于第四N（或P）型层的第八N（或P）型层。这样便获得了具有N（或P）-i-P（或N）-i-N（或P）结构的迭层部件。而且，在衬底1上用同样方法沉积上类似于第六P（或N）型层的第九P（或N）型层，在第九P（或N）型层上用同样方法沉积上类似于第五或第七i型层的第十i型层，在第十i型层上用同样的方法沉积上第十一N（或P）型层便获得一个P（或N）-i-N（或P）结构。重复上述步骤可以获得由这样的P（或N）-i-N（或P）结构组成的迭层部件。

其次，用第二掩膜板，对第一非单晶半导体迭层部件进行已知的刻图工艺，生产n个第二非单晶半导体迭层部件，因此它们分别延展在n个导电层D1至Dn的整个长度上。

接着，在衬底上用已知方法，例如，等离子体化学气相沉积（CVD）或光化学气相沉积（CVD）方法，沉积上最终形成非单晶半导体迭层单元Q1至Qm的第三非单晶半导体迭层部件，以此法连续延展覆盖着导电层C11至Cmn和n个第二非单晶半导体层。

实验中，在含有硅烷SiH₄，甲基硅烷Si（CH₃）H₃-n（其中n＝1-3），例如二甲基硅烷和磷化氢PH₃（或乙硼烷B₂H₆）的气氛中，衬底温度保持在200至250℃的范围内，以13.56MHZ的高频的衬底1之上产生辉光放电。在这种情况中，以相对于硅烷SiH₄体积的1%-0.5%的比率加入了二甲基硅烷。其结果在衬底上沉积一层厚度为100-300

的N（或P）型微晶硅层，其电导率为10^-5至10⁸（Ωcm）^-1且含有作为复合中心补偿剂的氢，其后，或用硅烷和甲基硅烷，或用氟化硅（SiF₄或SiF₂）、甲基硅烷和氢的混合气体，或用氟硅烷（H₂SiF或者H₂SiF₂）甲基硅烷和氢的混合气体电离成等离子体，由此，把i型非单晶硅层沉积在N型层上，厚度为0.2至1μm。在这例中，甲基硅烷是以相对于硅烷SiH₄或混合气体的体积1%-0.5%的比率加进的。此后，沉积类似于上述N（或P）型层，用相同方法在i型非单晶硅层上沉积一层类似于上述的N或（P）层，这样便获得了具有N（或P）-i-N（或P）结构的迭层部件，利用乙硼烷（B₂H₆）（或磷化氢PH₃）形成N（或P）-i-N（或P）结构中i型层，可使迭层单元以形成了N（或P）-P^--N（或P）（或N（或P-N^--N（或P））结构。

在做成了第三非单晶半导体迭层部件之后，通过例如电子束蒸发或溅射方法，在第三非单晶迭层部件上，依次沉积上第二导电层，它最终将形成导电层F₁至Fm的导电层6a，以及第三导电层，它最终将形成导电层F₁至Fm的导电层6b。

其后，用已知的方法，利用第三个掩膜板刻图，将第二和第三导电层，第三非单晶半导体迭层部件和第二非单晶半导体迭层部件，制成导电层F₁至Fm，非单晶半导体迭层单元Q₁至Qn和非单晶半导体迭层单元B₁₁至Bmn。

制作另一个衬底部件11，它不同于上面提到的衬底部件7。

在相对于衬底1的衬底12上的衬底部件11具有导电层Hj，该导电层相对于导电层Cij-Cmj的那一列，而其宽度基本上与它们相等。可以通过已知方法在衬底12上形成第四导电层，然后用第四掩膜板对第四导电层进行刻图而获得导电层Hj。

衬底部件11与衬底部件7的顶部相对且与其平行，用适当的支撑装置（未示出）倒置。这种情况下，衬底部件7的导电层Cij至Cmj的那一列和衬底部件11的导电层Hj相互保持着面对面的状态。

在由衬底部件7和11所限定的空间充入液晶13。

在结合图1至图5所述的结构中，由衬底上的导电层Cij的除部位2b外的部位2a，衬底12上与部位2a相对的导电层Hj的部位14和在部位2a与部位14之间的液晶13的部位16构成了液晶单元Lij，用部分2a和14分别作为液晶单元Lij的电极E₂和E₁。当一个低压，例如低于1.9V左右的电压，加在电极E₁和E₂两端时，液晶单元Lij保持不透明，但当加一个高压，例如大于2.7V左右时，它转变为透明。

导电层Cij的部分2b、在部位2b之上的非单晶半导体单元Q₁的部位17和在部位17之上的导电层Fi的部位18构成了非单晶半导体二极管Uij，以部位2b和18分别作为二极管的电极E₃和E₄，二极管Uij具有如图6所示的非线到电压（V）-电流（A）特性。

二极管Uij表现出图6所示非线性特性的原因如下：当无电压加在电极E₃和E₄两端时，图7A所示结构的二极管uij的能带结构改变成如图7B所示。当加上一个电压，使电极E₄相对电极E₃为正时，能带结构呈图7C所示。所加的电压使电极E₃相对于电极E₄为正，能带结构呈图7D所示。

液晶单元Lij和二极管Uij通过导电层Cij使它们的电极E₂和E₃形成电连接，因此，相互串联组成一个液晶显示器件Mij，以E₁和E₄作为显示器件的一对电极。

在非单晶半导体迭层单元Bij下面的导电层Dj的部位4a和非单晶半导体迭层单元Bij构成非单晶半导体二极管Wij。二极管Wij具有类似于二极管Uij的电压（V）-电流（A）特性，但是其特性使电压根据光强而位移，如图8中曲线41′、42′和43′所示，曲线41′表示二极管Wij未受光照射时的电压电流特性，曲线42′和43′分别表示当二极管受到强度为450和550勒克斯的光照射时的电压电流特性。

在非单晶半导体迭层单元Bij之上的非单晶半导体迭层单元Qi的部位21和在部位21之上的导电层Fi的部位22构成一个非单晶半导体二极管Kij。二极管Kij具有如图6所示的类似于二极管Uij的电压（V）-电流（A）一些特性。

二极管Kij迭层在二极管Wij之上。所以，二极管Wij和Kij是相互串联的，组成了探测器件Gij，它以导电层Fi的部位22和导电层Dj的部位4a为其电极E₅和E₆。

根据上面结合图1至图5所述的结构，液晶显示器件Mij至Mmj的电极E₁与作为列线导电层Hj相连接，而显示器件Mi1至Min的电极E₄与作为行线的导电层Fi相连接，光探测器件G1j至Gmj的电极E₆与作为列线的导电层Dj相连接，以及光探测器件Gi1至Gin的电极E₅与作为行线的导电层Fi相连接。

因此，根据上面结合图1至图5所述的结构、利用行和列的译码器51X和51Y、将一个定为低电压和高电压的驱动信号通过导电层Fi和Hj加给液晶显示器件Mij两端就可以控制液晶单元Lij变为透明还是不透明，因此可提供一个图象显示。

而且，利用光笔将一束强度例如为500勒克司的光束照射光二极管Wij，由行译码器51X和另一列译码器51Y′通过非线性元件Kij可得到一个探测出照射到光二极管Wij的光而产生的输出。在这一情况下，通过导电层Fi和Di将一选择信号施加给光探测器件Gij。由此，在衬底1的外表面画出一个光束的轨迹，就能得到代表该轨迹坐标的输出信号。虽然在前面讲叙本发明所涉及的情况是光探测器件Gij具有与光二极管Wij相串联的非线性单元Kij，但也可以省去非单晶半导体迭层单元Bij并用光二极管Wij取代非线性单元Kij，在这种情况下，将非单晶半导体迭层单元Qi在材料和迭层结构上制成与上述的迭层构件Bij相一致，使迭层单元Qi具有与迭层单元Bij相同的光敏特性，迭层单元Bij的光敏特性在上述实例中比具有非线性元件Kij的迭层单元Qi的高，而且，为了防止非线性元件Uij变成不必要的光敏性，最好是在构成非线性单元Uij的迭层Qi之下的导电层Cij的部位2a之上形成一个不透明导电层。

很显然，上述实施例应该被看作仅仅是本发明的说明，而不应该被看作将本发明限制于所说明的内容，不脱离本发明的新颖概念的范围可以对本发明作各种变换和修改。

Claims

1、一种由一块衬底，三叠层半导体部件和二个对置于三叠层半导体部件二外表面的第一和第二电极组成的光敏半导体部件，其中所说的衬底是透明的以及至少一个电极也是透明的，其特征在于，所说三叠层半导体部件是由一层第一导电型N型或P型的第一非单晶半导体层、一层制备在第一非单晶半导体层上的掺杂水平低于第一非单晶半导体层的N^-、I或P^-型非单晶光敏半导体和一层制备在所述光敏半导体层上的第一导电型N型或P型的第二非单晶半导体层所构成的、电压一电流特性呈非线性的半导体光敏结部件。

2、一种如权利要求1的器件，其中，所述电极之一与和其欧姆接触的所述半导体层对准。

3、一种如权利要求1的器件，其中，所述三层式部件由加有氢原子或卤素原子的非单晶硅半导体构成。

4、一种如权利要求1的器件，其中，所述三层式部件的光敏半导体层（中间层）由加有氢原子或卤素原子的Si_xC_1-x（0＜X＜1）和/或Si_xN_4-x（0＜X＜4）。

5、一种如权利要求4的器件，其中，所述光敏半导体层基本上是本征的。

6、一种如权利要求5的器件，其中所述光敏半导体层由多晶硅半导体构成。

7、一种如权利要求1的器件，其中，所述器件形成在方格玻璃上。

8、一种如权利要求1的器件，其中，与所述电极接触的所述半导体部件的半导体层为N型。

9、一种如权利要求8的器件，其中，所述电极由铬构成。

10、一种如权利要求1的器件，其中，所述透明电极带有一个在其上形成一层铬膜层的附加延展部分。

11、一种如权利要求1的器件，其中，所述半导体层由加在其中的NIN结构成。

12、一种如权利要求11的器件，其中，N型层的形成为300-1000

。

13、一种如权利要求12的器件，其中，所述N型半导体层的导电率是10^-4-10Scm^-1。

14、一种如权利要求1的器件，其中，所述半导体部件形成有加在其中的PIP结。

15、一种如权利要求14的器件，所述光敏半导体结是NIN结，述半导体部件三层式部件的光敏半导体层（中间层）掺有氢原子或卤素原子。

16、一种如权利要求15的器件，其中，所述光敏半导体的厚度为0.2至1微米。

17、一种如权利要求1的器件，其中，所述器件由多个具有大致相同形状的部分组成，所述部分能够分别具有光传感器的作用。

18、一种如权利要求17的器件，其中，所述多个部分排列成阵列，该阵列具有各个部分的电极装置。

19、一种如权利要求18的器件，其中，所述阵列为一个带有所述透明电极和所述对向电极的矩阵，所述透明电极由多个平行隔离的条组成，所述对向电极也由多个示行隔置的条组成，所述部分置于构成所述电极装置的所述电极装置的交叉处。

20、一种制造半导体器件的方法包括以下步骤：

在衬底上形成第一电极;

在所述第一电极上形成第一导电型的第一非单晶半导体层;

在所述第一半导体层上，形成一基本本征型的光敏非单晶半导体层;

在所述本征半导体层上形成第一导电型的一第二非单晶半导体层;

以一定方式进行所述半导体层的形成步骤，使得所述半导体层基本构成一个具有非线性电压-电流特性的NIN或PIP法，以及在所述半导体层上形成第二电极。

21、一种如权利要求20的方法还包括步骤：以所述第二电极为掩膜，除了与所述第二电极叠合的部分外，去除所述三层半导体层。

22、一种如权利要求1的器件，其中，所述第二电极是透明的。

23、一种如权利要求1的器件，其中，所述衬底和所述第一电极是透明的。

24、一种如权利要求1的器件，其中，由所述三层构成的三层式半导体由多个分开的部分组成，每一部分分别具有光传感器的作用。

25、一种如权利要求24的器件，其中，所述第一电极由多个平行隔置的导电条组成。

26、一种如权利要求25的器件，其中，所述第二电极由多个相互隔离的平行导电条组成。这些导电条延伸穿过所述第一电极，由此所述三层式半导体在交叉处起到多个光传感器的作用。

27、一种如权利要求26的器件，其中，所述三层式半导体被分隔成多条分别大致与所述第二电极的所述条对准的条。

28、一种如权利要求20的方法，其中，用CVD的方法制备成所述本征半导体层。

29、一种如权利要求20的方法，其中，用等离子体增强CVD法制备所述本征半导体层。

30、一种如权利要求20的方法，其中，所述本征半导体层用PH₃进行磷掺杂。

31、一种如权利要求20的方法，其中，所述本征半导体层用PH₃进行磷掺杂。

32、一种如权利要求20的方法，其中，所述本征半导体层用B₂H₆进行掺硼。