DE3125976C2

DE3125976C2 -

Info

Publication number: DE3125976C2
Application number: DE19813125976
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Yokohama Kanagawa Jp Komatsu; Seishiro Tokio/Tokyo Jp Yoshioka; Masaki Kawasaki Kanagawa Jp Fukaya; Shunichi Tokio/Tokyo Jp Uzawa; Yoshiaki Yokohama Kanagawa Jp Shirato
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1980-07-02
Filing date: 1981-07-01
Publication date: 1991-01-24
Also published as: GB2080025A; GB2080025B; JPH0334666B2; JPS5715476A; DE3125976A1; AU548158B2; AU7245881A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Photosensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Demgemäß geht sie von einem Stand der Technik aus, wie er in der US-PS 37 48 546 beschrieben ist. Diese zeigt einen Aufbau von Photodioden und Phototransistoren, der eine Ver besserung der Lichtempfindlichkeit ermöglicht. Diese Photo elemente sind in der Folge auch in Anordnungen zusammenzu fassen, die dann als Speicher benutzbar, leicht herstellbar und außerdem bis zu hohen Frequenzen einsetzbar sind.

Ein Photoelement der US-PS 37 48 546 besteht aus einem er sten Bereich (eines Leitfähigkeitstyps) und einem zweiten Bereich (eines gegenteiligen Leitfähigkeitstyps). Die Kon taktierung mit dem ersten und dem zweiten Bereich erfolgt durch eine isolierende Schicht hindurch. Diese isolierende Schicht ist zum Erzeugen eines ohmschen Kontakts mit Fremda tomen dotiert.

Bei dem bekannten Photoelement wurde zur Verbesserung der Lichtempfindlichkeit eine transparente Isolation an der rückwärtigen Seite des Halbleiters angebracht, so daß Interferenzen mit Licht infolge an der Vorderseite ange brachter Elektroden unterdrückt werden können.

Eine häufig benutzte langgestreckte Photodioden- Sensoranordnung, bei der kristallines Silizium verwendet wird, ist wegen der Einschränkungen hinsichtlich der Abmessungen und der Bearbeitungstechniken eines herstellba ren Einzelkristalls im Hinblick auf die Länge der Sensoran ordnung begrenzt und hat auch eine nachteilig geringe Ausbeute. Dementsprechend erfolgte bei einer der Nr. 4 der Reihe A der japanischen Industrienorm entsprechenden Breite von 210 mm eines zu lesenden Schriftstücks zum Lesen eines derartigen Schriftstücks üblicherweise eine Abbildung eines verkleinerten bzw. geschrumpften Bilds der Vorlage mit Hilfe eines Linsensystems. Die Anwendung eines derartigen opti schen Linsensystems ergibt Schwierigkeiten hinsichtlich ei ner Verkleinerung von Lesevorrichtungen mit photoelektri scher Umwandlung. Da es darüber hinaus nicht möglich ist, für die einzelnen, die Lesevorrichtungen mit photoelektri scher Umwandlung bildenden Photosensor-Elemente große Flä chen in Anspruch zu nehmen, ist als Lichteingangssignal zur Erzielung eines dem Lichteingangssignal entsprechenden ausreichenden Ausgangssignals eine große Lichtmenge erforderlich. Zu diesem Zweck muß die Lesezeit verlängert werden, so daß daher eine derartige Vorrichtung nur bei langsamen oder geringwertigen optischen Lesevorrichtungen Anwendung finden kann, bei denen kein ho hes Auflösungsvermögen notwendig ist.

Damit die nach einem geeigneten Entwurf herzustellenden Pho tosensoren gute Signalselektionseigenschaften haben, ist es notwendig, den Sekundärstrom (Lichtsignalstrom), der erzeugt wird, wenn die Information in ein Lichtempfangsfenster eines jeweiligen einzelnen Photosensorelements eintritt, mit hohem Wirkungsgrad abzugeben. Zu diesem Zweck ist es notwendig, den ohmschen Kontakt zwischen einem Paar von Elektroden sicherzustellen, zwischen die eine photoleitfä hige Zwischenschicht und eine photoleitfähige Schicht einge legt sind.

Andererseits ist es zum Betreiben eines Photosensors mit guter Zuverlässigkeit notwendig, einen ausreichend großen Wert des Sekundärstroms (Lichtsignalstroms) und einen aus reichend kleinen Wert des Dunkelstroms sowie einen ausrei chend kleinen Wert des Lichtstroms im Bereich geringer Be leuchtung im Vergleich mit dem Rauschen zu schaffen, das durch die Ansteuerungsschaltung usw. für den Betrieb des Photosensors erzeugt wird.

Zur Erzeugung eines ausreichend großen Lichtsignalstroms ist es notwendig, an jedes Photosensorelement ein verhältnismä ßig starkes elektrisches Feld (mit ungefähr 10⁴V/cm oder darüber) anzulegen. Wenn jedoch ein derart starkes elektri sches Feld angelegt wird, fließt ein überlinearer Strom (IαVⁿ: n2) wie ein durch Raumladung begrenzter Strom und ein Durchbruchstrom, wodurch der Dunkelstrom und der Strom in den Bereichen geringerer Beleuchtung vergrößert werden, so daß das Signal/Strömungs-Verhältnis bzw. der Rauschabstand kleiner wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Photosensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzu bilden, daß eine große Verarbeitungsgeschwindigkeit ohne großen Aufwand bei der Herstellung erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Photosensor ent sprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird erreicht, daß die Verarbeitungsge schwindigkeit des Photosensors erhöht wird, allein dadurch, daß die isolierende Schicht in einem Anwendungsfall als ohm scher Kontakt, und in einem anderen Anwendungsfall als nicht-ohmscher Kontakt wirkt.

Vorteilhafte Ausgestaltung bzw. Weiterbildung sind Ge genstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausfüh rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1A, 1B und 1C sind jeweils schematische Dar stellungen eines Ausführungsbeispiels des Photosensors, wobei die Fig. 1A eine Draufsicht ist, die Fig. 1B eine Schnittansicht längs der strichpunktierten Linien AB in Fig. 1A ist und die Fig. 1C eine Schnittansicht längs der strichpunktierten Linie XY in Fig. 1A ist.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines weite ren Ausführungsbeispiels des Photosensors.

Der Photosensor gemäß den Ausführungsbeispielen hat einen Aufbau mit einer ersten Elektrode, einer an der ersten Elektrode angebrachten photoleitfähigen Schicht, die aus einem Siliziumatom als Matrix enthaltenden pho toleitfähigen Material gebildet ist, einer durchlässigen zweiten Elektrode, die an der der Anbringungsseite der ersten Elektrode gegenüberliegenden Seite der photoleit fähigen Schicht angebracht ist, und einer weiteren Schicht, die zwischen der durchlässigen zweiten Elektrode und der photoleitfähigen Schicht ange bracht ist, um zwischen diesen auf das Anlegen einer Spannung einer bestimmten Polungsrichtung zwischen den beiden Elektroden hin einen bestimmten elektrischen Kontakt herzu stellen, und die Siliziumatome als Matrix aufweist so wie Fremdatome enthält, die den Leitfähigkeitstyp steu ern bzw. bestimmen.

Bei dem Photosensor ist es ferner möglich, zwischen der ersten Elektrode und der photoleitfähigen Schicht eine ohmsche Schicht anzubringen, um zwischen diesen ei nen ohmschen Kontakt herzustellen, oder alternativ zwi schen der ersten Elektrode und der photoleitfähigen Schicht eine Schicht anzubringen, die der vorangehend genannten weiteren Schicht gleich artige Eigenschaften hat.

Bei dem Photosensor gemäß den Ausführungsbeispielen ist somit ein Aufbau geschaffen, bei dem eine weitere Schicht zwischen der photoleitfähigen Schicht und der lichtdurchlässigen Elektrode angebracht ist, welche an der photoleitfähigen Schicht an der Seite angebracht ist, von der her das Lichtinformationssignal eingegeben wird. Demzufolge kann im Dunkeln oder bei geringer Beleuchtung der Signalstrom auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden, während beim Vorliegen eines Lichtinformationssignals der Lichtsignalstrom mit einem hohen Wirkungsgrad ent nommen werden kann, wodurch ein ausreichend hohes Signal/ Störungs-Verhältnis bzw. ein ausreichend hoher Störab stand geschaffen werden kann. Demzufolge kann das Licht empfangsfenster mit einer sehr kleinen Fläche gestaltet werden, die im Vergleich zu derjenigen nach dem Stand der Technik erheblich verkleinert ist, wodurch es mög lich ist, auf leichte Weise eine langgestreckte Photosen soranordnung mit hohem Auflösungsvermögen herzustellen.

Bei einem vorzugsweise gewählten Ausführungsbei spiel des Photosensors werden die weitere Schicht, die photoleitfähige Schicht und die ohmsche Schicht aus einem Material hergestellt, das ein (nachstehend als a-Halbleiter bezeichneter) amorpher Halbleiter ist, der Siliziumatome als Matrixbildungsatome aufweist und (nachstehend mit H bezeichnete) Wasserstoffatome und/ oder (nachstehend mit X bezeichnete) Halogenatome ent hält; daher kann leicht und mit guter Ausbeute ein Pho tosensor hergestellt werden, dessen Länge gleich der zu lesenden Vorlage oder größer ist. Ferner kann durch Ver wendung eines a-Halbleitermaterials für eine jede Schicht der Lichtsignalstrom wirkungsvoll als Ausgangs signal entnommen werden. Da insbesondere a-Halbleiter material verwendet wird, das entweder H oder X bzw. H und X in einer Menge von 1 bis 30 Atom-% enthält, kann leicht ein Photosensor erzielt werden, der die Abgabe eines Lichtsignalstroms als Ausgangssignal mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht; ferner ist es auch möglich, das Lesen genau mit einem zufriedenstellenden hohen Auflö sungsvermögen auszuführen.

Im Photosensor wird die Schicht mit dem a-Halblei termaterial, die H und/oder X enthält und die weitere Schicht, die photoleitfähige Schicht und die ohm sche Schicht bildet, vorzugsweise nach dem Ablagerungs verfahren unter Verwendung von Glimmentladungsenergie hergestellt (Glimmentladungsverfahren). Wenn das Glimm entladungsverfahren angewandt wird, ist die erzeugte Schicht über einer großen Fläche gleichförmig und homo gen und mit guten elektrischen Eigenschaften versehen, wobei die Schicht gleichmäßig hergestellt werden kann.

Bei dem Glimmentladungsverfahren ist es möglich, die Schichtdicke auf ein Ausmaß von einigen Zehntel Na nometer zu steuern; daher kann ein geschichteter Photo sensor auf genaue Weise in einer großen Menge unter Ein halten einer gewünschten Elementegestaltung mit guter Reproduzierbarkeit hergestellt werden. Da ferner lang gestreckte Photosensoren, die über einer großen Fläche fehlerfrei sind, zufriedenstellend einfach mit einer gu ten Ausbeute hergestellt werden können, können auf sehr einfache Weise langgestreckte Photosensoren für einfache Vergrößerung bzw. den Maßstab 1 : 1 hergestellt werden.

Als Material, das jede Schicht des Photosensors ge mäß einem vorzugsweise gewählten Ausführungsbeispiels bil det, wird ein a-Halbleitermaterial verwendet, das mit Siliziumatomen als Matrix gebildet ist, die H und/oder X enthält (und das nachstehend abgekürzt mit a-Si(H, X) bezeichnet wird). Demzufolge hat der hergestellte Photo sensor eine bemerkenswert gute Lichtabsorptionsfähigkeit in den Bereichen sichtbaren Lichts, wobei der Photosen sor auch sowohl hinsichtlich der Photoleitfähigkeit als auch hinsichtlich der Wärme-Abriebbeständigkeit hervorragend ist, so daß daher der Photosensor auch wir kungsvoll als Berührungs-Lesesensor verwendet werden kann. Weiterhin verursacht dieses Material keine Verun reinigungen, so daß daher äußerst vorteilhaft im wesentli chen keine Berücksichtigung hinsichtlich des Einflusses auf menschliche Körper während der Herstellungsschritte und der Anwendung notwendig ist. Der Photosensor hat da her eine hohe Leistungsfähigkeit bei hoher Zuverlässig keit.

Das a-Halbleitermaterial a-Si(H, X), das bei dem Ausführungsbeispiel des Photosensors nach dem Glimment ladeverfahren auf einen bestimmten Träger abzulagern ist, kann auf zufriedenstellende Weise hinsichtlich einer Pegeldichte in dem verbotenen Energieband auf ungefähr 10¹⁶cm^-3 · eV^-1 eingeschränkt werden, so daß daher eine solche Schicht aus a-Halbleitermaterial so hergestellt werden kann, daß sie durch Wahl der Art von den Leit fähigkeitstyp steuernden Verunreinigungen aus des Aus maßes der Dotierung der gewählten Verunreinigungen ei nen gesteuerten bzw. bestimmten Leitfähigkeitstyp hat. Bei dem Photosensor können die Halogenatome X Atome von F, Cl, Br usw. sein. Unter diesen sind F-Atome besonders vorteilhaft.

Da der Photosensor gemäß den Ausführungsbeispielen durch Aufschichtung eines derartigen a-Halbleitermate rials hergestellt wird, hat er außerordentlich gute Ei genschaften und der Photosensor mit einer vergrößerten Fläche kann mit guter Ausbeute hergestellt werden, wobei der Photosensor auch hinsichtlich der Zuverlässigkeit und der Signalverstärkung hervorragend ist.

Die weitere Schicht, die bei dem Pho tosensor zwischen der Elektrode an der Lichteinstrah lungsseite und der photoleitfähigen Schicht anzuordnen ist, ist eine Schicht, die sowohl mit der Elektrode als auch mit der photoleitfähigen Schicht Kon takt bildet. Dieser Kontakt ist ein Kontakt, der keine deutliche Gleichrichtereigenschaften zeigt und keine vollständigen ohmsche Eigenschaften zeigt, sondern einen Kontaktzustand bildet, wie er mit den nachstehend ange führten Beispielen klar definiert ist. Sein besonderes Merkmal liegt darin, daß die V-Id-Kennlinie (Spannungs- Dunkelstrom-Kennlinie) eine Kurve ist, die in dem Be reich angelegter Spannung für die Abgabe von Lichtsignal strom mit einem gewünschten Wert eine Zwischen-Kennlinie zwischen der ohmschen Kennlinie und der Gleichrichter- Kennlinie darstellt.

Ein weiteres besonderes Merkmal des Photosensors mit der weiteren Schicht besteht darin, daß der Lichtstrom Ip eine Funktion von weniger als dem Quadrat von V und von V in der ersten Potenz oder darüber ist (d. h. IpαV^m, 1≦m<2); daher ist der Spannungsbereich weit genug, wobei nicht der normalerweise anwendbare Spannungsbe reich gemeint ist, und reicht bis zu dem Bereich, in dem durch Raumladung begrenzter Strom oder Durchbruch strom erzeugt wird; es kann daher in einem derartigen Spannungsbereich Lichtstrom mit einem für die Entnahme als Signal ausreichenden Wert geliefert werden.

Die besondere weitere Schicht, mit der der Pho tosensor aufgebaut ist, hat eine nichtohmsche Strom- Spannungs-Kennline

(IdαV^γ, γ<1),

die bei Dunkel heit oder geringer Beleuchtung den Strom bis zu einer elektrischen Feldstärke von 10⁵V/cm hinauf begrenzt, je doch bei Lichtbestrahlung einen Kontaktzustand darstellt, so daß sie eine gute ohmsche Strom-Spannungs-Kennlinie ergibt.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie des Kontaktzustands bei diesem Kontakt hängt von der angelegten Spannung und der eingestrahlten Lichtmenge ab. Bei dem Photosensor kann jedoch die zu dem über dem linearen Bereich liegenden Bereich

(I∼Vⁿ, n≧2)

übertragene angelegte Spannung V um eine Stelle oder mehr als oben angegeben verbessert werden. Daher kann die angelegte Spannung aus einem weiten Bereich gewählt werden und auf einen Wert in einem hohen Spannungsbereich eingestellt werden, wo durch ein aureichend großer Wert des Ausgangssignals (Photostromsignals) erzielbar ist.

Das Betätigungsprinzip des Photosensors gemäß den Ausführungsbeispielen mit der weiteren Schicht wird noch nicht voll verstanden. Es kann jedoch angenommen werden, daß mit der Abnahme des Wider stands der photoleitfähigen Schicht durch die Lichtbe strahlung ein Ansteigen des zu der weiteren Schicht hin verteilten elektrischen Felds auftritt, wodurch zwischen der weiteren Schicht und der photoleitfähigen Schicht der ohmsche Kontakt entsteht. Alternativ kann auch angenommen werden, daß aufgrund der Lichteinstrah lung der Kontakt an der Grenzfläche zwischen der weiteren Schicht und der Elektrode eine Funktion ähnlich einer Potentialschwellenmodulation ausführen kann, die die Ladungseinführung erleichtert.

Gemäß der vorangehenden Beschreibung wird bei dem Photosensor die weitere Schicht zwischen der Elektrode an der Lichteinstrahlungsseite und der photoleitfähigen Schicht in Berührung mit der genannten Elektrode angeordnet, wodurch der Anwendungs bereich des Photosensors beträchtlich weiter als bei dem herkömmlichen Fall, bei dem anstelle der weiteren Schicht die ohmsche Schicht angeordnet ist, oder bei dem Fall erstreckt werden kann, bei dem anstelle der weiteren Schicht die Gleichrichterschicht angeordnet ist. Das heißt, es kann bei einer gewünschten angelegten Spannung gleichförmig mit guter Reproduzierbarkeit ein Lichtstrom mit einem Wert erzielt werden, der gewöhnlich 10^-3.A/cm² oder darüber betragen soll.

Wenn bei dem Photosensor gemäß dem Ausführungsbeispiel als Träger für den Lichtsignalstrom Elektronen verwendet werden, wird eine n-Typ-a-Si(H, X)-Schicht verwendet, die mit einer Verunreinigung zum Umwandeln des Leitfähigkeitstyps auf den n-Leitfähigkeitstyp wie P- und/oder As-Atomen dotiert ist. Bei der ohmschen und bei der weiteren Schicht ist es vorzuziehen, P- und/oder As-Atome in Men gen von 1000 bis 10 000 Atomteilen je Million, beruhend auf der Si-Matrix-Atomen einzugliedern, wobei die Schicht dicke vorzugsweise 40 nm oder mehr beträgt. Andererseits soll die weitere Schicht vorzugsweise diese Verunrei nigungen in einer Dotiermenge von 100 bis 5000 Atomtei len je Million enthalten, wobei die Schichtdicke unge fähr 2,5 bis 40 nm ist. Die optimale Dotiermenge und die optimale Schichtdicke der weiteren Schicht hängen in großem Ausmaß von der verwendeten Elektrode ab. Im Falle einer durchsichtigen Oxid-Elektrode wie beispielsweise aus Indiumzinnoxid (ITO) (In₂O₃ : SnO₂=20 : 1) kann bei ei ner Dotiermenge von 1000 bis 5000 Atomen je Million die Schichtdicke der weiteren Schicht 5 bis 20 nm sein. Andererseits kann im Falle einer Elektrode aus Metall wie Au, Pt oder W, die leicht mit einer stark mit n-Ver unreinigungen bzw. Fremdatomen dotierten n⁺-Schicht ohm schen Kontakt bildet, bei einer Dotiermenge von 100 bis 1000 Atomen je Million die Schichtdicke 2,5 bis 10 nm sein. Die optimalen Eigenschaften der weiteren Schicht können durch Änderung sowohl der Dicke der Schicht als auch der Dotiermenge gesteuert werden.

Bei dem Photosensor gemäß dem Ausführungsbeispiel kann die Schicht, die ein amorphes Halbleitermaterial a-Si(H, X) aufweist, das 1 bis 30 Atom-% H und/oder X enthält, allgemein beispielsweise nach dem chemischen Plasma-Dampfablagerungsverfahren (CVD) bekannter Art ge formt werden, bei dem hauptsächlich aus Silan oder Halo silan wie SiH₄, SiF₄, SiCl₄ usw. zusammengesetzten Ga sen Hochfrequenz- oder Gleichstrom-Glimmentladungsener gie zugeführt wird, um diese abzulagernden Gase an ei nem bestimmten vorbehandelten Substrat zu zerlegen. Al ternativ kann als Verfahren zur Formung der Schichten aus amorphem Halbleitermaterial mit gleichartigen Eigen schaften das Kathodenzerstäubungsverfahren oder das Ionenimplantationsverfahren in einer Atmosphäre aus ei ner gasförmigen Zusammensetzung angewendet werden, die H₂ und/oder Halogenatome enthält. Die nach einem der artigen Verfahren hergestellte Schicht aus amorphem Halbleitermaterial ist hinsichtlich des Pegels in dem verbotenen Energieband eng (ungefähr 10¹⁶cm^-3 · eV^-1) und es ist möglich, durch Dotieren mit Verunreinigungen bzw. Fremdatomen leicht den Leitfähigkeitstyp und die elek trische Leitfähigkeit zu steuern bzw. zu bestimmen. Eine derartige Schicht ist auch hinsichtlich der Photoleit fähigkeit hervorragend, wobei ihre spektrale Empfind lichkeit annähernd diejenige des Auges ist, so daß daher der Photosensor als ein Element geeignet ist, mit dem ei ne Schriftlesevorrichtung, eine Bildaufnahmevorrichtung oder eine photoelektrische Wandlervorrichtung gebildet wird.

Die Eigenschaften der vorstehend genannten Schicht aus dem amorphen Halbleitermaterial entsprechen sehr empfindlich der Entladungsleistungsdichte, der Substrat temperatur, dem Gasdruck und dgl., so daß diese daher sorgfältig gesteuert werden müssen.

Bei dem Hochfrequenz-Glimmentladungsverfahren wird die Entladungsleistungsdichte auf 1 W/cm² oder weniger gesteuert, vorzugsweise auf 0,1 W/cm² oder weniger. Die Substrattemperatur beträgt 100 bis 350°C, während der Gasdruck innerhalb eines Bereichs von 0,01 bis 1 Torr konstant gesteuert wird.

Die Bestimmung des Leitfähigkeitstyps kann mit gu ter Reproduzierbarkeit erzielt werden, und zwar für die n-Leitfähigkeitstyp-Bestimmung am einfachsten dadurch, daß ein Gemisch aus einem Gas oder einer gasförmigen Zu sammensetzung einer Siliziumverbindung wie SiH₄, SiF₄, SiCl₄ und dgl. mit einer vorbestimmten Menge an PH₃ oder AsH₃ verwendet wird.

Die Ausführungsbeispiele des Photosensors werden anhand der Zeichnung weiter erläutert.

In der Fig. 1 ist schematisch ein Aufbau eines Aus führungsbeispiels des Photosensors gezeigt.

Fig. 1A ist eine schematische Teildraufsicht, Fig. 1B ist eine schematische Schnittansicht längs der strich punktierten Linie AB in Fig. 1A und Fig. 1C ist eine schematische Schnittansichtslinie längs der strichpunktierten Linie XY in Fig. 1A. Der in Fig. 1 gezeigte Photosensor 101 hat einen Aufbau, bei dem eine Vielzahl von Bildele menten gleicher Größe (von denen in der Figur nur fünf gezeigt sind) quer in einer Anordnung bzw. Reihe mit gleichen Teilungsabständen angeordnet sind.

An einem durchlässigen Substrat 104 ist in vorbe stimmten Zwischenabständen eine bestimmte Anzahl durch lässiger Bildelement-Elektroden 102 mit einer bestimm ten Breite ausgebildet, an denen an Bereichen außerhalb von Bereichen für die Bildung von Lichtempfangsfenstern 105 Lichtabfangschichten 103 aus undurchlässigem Mate rial gebildet sind.

Das Lichtempfangsfenster bestimmt das Bildelement format des hergestellten Photosensors und damit dessen Auflösungsvermögen. Daher wird bei dem Anbringen der Lichtabfangschicht 103 an der Bildelement-Elektrode das Lichtempfangsfenster 105 genau dem Entwurf gemäß bemes sen.

An den Bildelement-Elektroden 102 mit den ange brachten Lichtabfangschichten 103 wird in Richtung der aufgereihten Bildelement-Elektroden 102 ein Band aus weiteren Schichten 106 angebracht, um damit die Licht empfangsfenster 105 in einer vorbestimmten Dicke abzu decken.

Auf die weiteren Schichten 106 werden aufeinan derfolgend photoleitfähige Schichten 107, ohmsche Schich ten 108 und eine gemeinsame Elektrode 109 aufgeschichtet.

Anstelle der ohmschen Schichten 108 ist es auch möglich, weitere Schichten mit Eigenschaften anzu bringen, die denjenigen der subohmschen Schichten 106 gleichartig sind.

Als nächstes wird die Herstellung des in Fig. 1 ge zeigten Photosensors in Einzelheiten beschrieben.

An einem durchlässigen Substrat 104 wie einem Glas substrat oder einem Harzfilm wurde eine Indiumzinnoxid- bzw. ITO-Schicht 102 (In₂O₃ : SnO₂=20 : 1) als Oxid-Elektro de in einer Dicke von 200 nm aufgebracht, wonach eine Vakuumaufdampfung von Cr zur Bildung einer Lichtabfang schicht 103 an der Oxid-Elektrode erfolgte. Danach wurde eine Ätzung zu einem Bildelementmuster ausgeführt und es wurden ferner zur Bildung der Lichtempfangsfenster 105 die den Fenstern entsprechenden Teilbereiche der Licht abfangschicht durch Ätzen entfernt. Das gereinigte Sub strat 104 mit dem auf diese Weise gebildeten Bildelement muster wurde in einer Hochfrequenz-Glimmentladungsvor richtung angebracht, in der eine Strömung von mit H₂ auf 10 Vol.% verdünntem SiH₄-Gas (das nachstehend als 10 Vol.%-SiH₄-Gas bezeichnet wird) und auf 1000 Volumen teile je Million verdünntem PH₃-Gas (das nachstehend als 1000 Volumenteile/Million-PH₃-Gas bezeichnet wird) je weils mit einer Durchflußrate von 5 Norm-Kubikzentimetern (SCCM) hervorgerufen und eine Glimmentladung bei einer Hochfrequenz-Leistung von 20 W für 2,5 Minuten unter Aufrechterhalten der Substrattemperatur von 200°C er zeugt wurde, um die weiteren Schichten 106 in einer Dicke von 10 nm zu bilden. Danach wurde das Substrat ent nommen und einer Ätzung in der Weise unterzogen, daß nur der Teil der weiteren Schichten 106 entsprechend dem Lichtempfangsfenster zurückbleiben konnte. Nach einem gründlichen Waschen und Trocknen des Substrats wurde es wieder in der Hochfrequenz-Glimmentladungsvor richtung angebracht und es wurde eine Glimmentladung mit einer Hochfrequenz-Leistung von 20 W bei einer Substrat temperatur von 200°C für 6 Stunden während 10 Vol.% SiH₄-Gas mit einer Durchflußrate von 10 Norm-Kubikzenti metern eingeleitet wurde; damit wurde eine photoleitfä hige Schicht in einer Dicke von 1,5 µm gebildet. Danach wurde unter Verminderung der Durchflußrate des 10 Vol.% SiH₄-Gases von 10 auf 5 Norm-Kubikzentimeter (SCCM) und Einleiten des 1000 Volumenteile/Million-PH₃-Gases mit einer Durchflußrate von 8-Norm-Kubikzentimetern die Glimmentladung für zusätzliche 30 Minuten fortgesetzt, um weitere Schichten 107 in einer Dicke von 80 nm zu bilden. Danach wurde das Substrat aus der Glimmentla dungsvorrichtung herausgenommen und es wurde zur Bil dung der oberen gemeinsamen Elektrode 109 in einem Me tallaufdampfungsbehälter über dem ganzen Substrat eine Al-Schicht in einer Dicke von ungefähr 200 nm gebildet. Darauffolgend wurden nach dem Äztverfahren die photo leitfähigen Schichten 107, die ohmschen Schichten 108 und die Al-Schichten (gemeinsame Elektrode) zu Streifen gemäß der Darstellung in Fig. 1C geformt.

Auf diese Weise wurde der Photosensor in einer Reihenanordnung gebildet. Dieser Photosensor hatte ein Auflösungsvermögen von 8 Bildelementen je Millimeter bei einer Bildelemente-Anzahl von 1792, so daß der Pho tosensor das Lesen von vollen Zeilen in der kürzeren Ab messung des Papierformats Nr. 4 der A-Reihe (japanische Industrienorm, JIS) ermöglichte. Wenn eine Gleichvor spannung zwischen die jeweilige Bildelemente-Elektrode und die gemeinsame Elektrode in der Polung angelegt wur de, daß die gemeinsame Elektrode positiv war, und eine Lichtbestrahlung herbeigeführt wurde, konnten an jedem der Bildelement-Anschlüsse der Lichtbestrahlungsmenge entsprechende Photostromsignale abgenommen werden. In diesem Fall wurde der Photostrom-Wert eines jeden Bild elements als im wesentlichen konstant ermittelt, was be sagte, daß der Photosensor ein hervorragender Photosen sor mit gleichförmigen Eigenschaften war.

Alle a-Halbleiterschichten, die Silizium als Matrix aufweisen und die Elemente bilden, werden am besten kon tinuierlich über die ganze Schicht hergestellt. Als Ma terial zur Bildung der photoleitfähigen Schicht 107 kann gewöhnlich vorteilhaft ein a-Halbleiter verwendet werden, der keiner Dotierung unterzogen wird. Es ist aber auch möglich, (a) mit 10 bis 100 Atomteilen je Million an P- oder As-Atomen zu dotieren, um die Photostrom-Werte zu steigern (wobei auch der Dunkelstrom-Wert gesteigert wird) oder (b) mit 10 bis 100 Atomteile je Million an B-Atomen zu dotieren, um den Dunkelstrom zu verringern, usw.

Die photoleitfähige Schicht 107 hat eine Dicke von 0,3 bis 10 µm und vorzugsweise von 0,5 bis 3 µm. Der Optimalwert für die Schichtdicke wird in Abhängigkeit von der Leichtigkeit der Herstellung (Verhindern von Nadellöchern bzw. Gasporen, für die Herstellung erfor derliche Zeit usw.), dem Ausmaß der Ausbreitung des elektrischen Felds aufgrund des Zwischenraums zwischen den Bildelementen und der Schichtdicke (Abstand zwi schen den Bildelementen/Schichtdicke <⁵/₁) und dem Grad der Absorption des einfallenden Lichts bestimmt (Absorptionskonstante α=10⁴-10⁵ (cm^-1), Wellenlänge des einfallenden Lichts: 400-700 nm).

Andererseits hat der Photosensor gemäß dem Ausfüh rungsbeispiel einen Aufbau, bei dem der Sekundärstrom (Photostrom) verlustlos entnommen werden kann; der Wir kungsgrad G des Photosensors kann mit der folgenden Gleichung angegeben werden:

G=μτE/l

wobei μ die Trägerbeweglichkeit (in cm²/Vs) ist, τ die Trägerlebensdauer (in s) ist, E die elektrische Feld stärke in der photoleitfähigen Schicht 107 (in V/cm) ist und l die Dicke der photoleitfähigen Schicht 107 (in cm) ist.

Bei der Schicht aus dem amorphen Halbleitermaterial a-Si(H, X), das Silizium als Matrix aufweist, 1 bis 30 Atom-% an Wasserstoffatomen und/oder Halogenatomen enthält und unter den vorangehend beschriebenen Bedin gungen hergestellt ist, gilt für diese Parameter an nähernd: μ=0,1 und τ=10^-6. Wenn l=1 µm (=10^-4 cm) ist und ein im wesentlichen vollständigen ohmschen Kon takt bei der Lichtbestrahlung vorausgesetzt wird, wird folglich bei V=1 V(E=10⁴ V/cm) ein Wirkungsgrad G=10 erzielt, während bei V=10 V ein Wirkungsgrad von g=100 erzielt wird.

Auf diese Weise steigt bei konstanter Schichtdicke der Sekundärstrom-Wirkungsgrad 6 mit einer Steigerung der angelegten Spannung an. Da im allgemeinen die angelegte Spannung im Bereich von 0,5 bis 100 V liegt, hat auch im Hinblick auf diesen Gesichtspunkt die photoleitfähige Schicht 107 eine Dicke von 0,3 bis 10 µm und vorzugsweise von 0,5 bis 3 µm.

Wenn an der zur Lichteinfallseite entgegengesetzten Seite der photoleitfähigen Schicht 107 ohmsche Schichten 108 verwendet werden, wird die Menge der in diese Schich ten eindotierten Verunreinigungen bzw. Fremdatome opti mal in Abhängigkeit von dem Metallmaterial der Elektrode gewählt, die im Weiteren auf die ohmsche Schicht 108 auf geschichtet wird.

Die gemeinsame Elektrode 109, die aus einem elek trisch leitfähigen Material gebildet wird, das aus vie lerlei metallischen Stoffen wie Al, Mo, Au, Ti usw. ge wählt wird, kann an der ohmschen Schicht 108 durch ein Verfahren wie das Vakuumaufdampfen ausgebildet werden. Der auf diese Weise erzielte Schichtenaufbau (ohmsche Schicht und gemeinsame Elektrode) wird dann bei dem Ätzschritt zu einem Streifen mit einer annähernd der Breite des Lichtempfangsfensters entsprechenden Breite geformt, wie es in den Fig. 1A, 1B und 1C gezeigt ist.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Trennung zwischen den Bildelementen durch das Muster von oberen (licht-)undurchlässigen Elektroden 207 er folgt und eine Elektrode 203 an der Lichteinfallseite eine gemeinsame (licht-)durchlässige Elektrode ist. Die Funktion jeder Schicht ist die gleiche wie bei dem Ausführungs beispiel nach Fig. 1. Die durchlässige Elektrode 203, eine weitere Schicht 204 und eine photoleitfähige Schicht 205 sind für alle Bildelemente gemeinsam, während die undurchlässigen Elektroden 207 und ohmsche Schichten 206 bei den jeweiligen Bildelementen gesondert sind. Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Photosensors ist es vorteilhaft, bei jedem Bildelement alle Schichten 204, 205 und 206 zu trennen bzw. abzusondern, die Silizium als Matrix aufweisen.

Es wurde festgestellt, daß die Photosensoren, die mit der Gestaltung gemäß der Darstellung in den Fig. 1 und 2 hergestellt wurden, leicht einen Wirkungsgrad von G=10-100 (in Abhängigkeit von der angelegten Spannung) ergeben, einen Photostrom abgeben, der weitaus größer als derjenige bei einem Photodiodenelement mit der glei chen Lichtempfangsfläche bei der gleichen Lichtmenge ist, während der Strom bei Dunkelheit oder geringer Beleuchtung sehr gering ist, und stabile Betriebseigen schaften mit einem großen Signal/Störungs-Verhältnis bzw. Rauschabstand haben.

Claims

1. Photosensor (101; 201) mit einer photoleitfähigen Schicht (107; 205), die Siliziumatome als Matrix enthält und mit einer ersten Elektrode (109; 207) und einer zweiten Elektrode (102; 203) in elektrischem Kontakt steht, sowie einer weiteren Schicht (106; 204), die Siliziumatome als Matrix mit Fremdatomen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (106; 204) Fremdatome zum Einstel len des Leitfähigkeitstyps in einer Menge von 100 bis 5000 Atomteilen je Million enthält, eine Schichtdicke von 2.5 bis 40 nm hat und entweder zwischen der ersten Elektrode (109; 207) und der photoleitfähigen Schicht (107; 205) oder zwi schen der zweiten Elektrode (102; 203) und der photoleitfä higen Schicht (107; 205) vorgesehen ist, daß die weitere Schicht (106; 204) einen elektrischen Kontakt erzeugt, der eine Photostrom-Spannungs-Charakteristik zeigt, die unter einem elektrischen Feld von 10⁴V/cm oder mehr einen Bereich hat, der der Beziehung Ip Vⁿ (mit 1<n<2 und wobei Ip der Photostrom und V die zwischen die erste und die zwei te Elektrode angelegte Spannung ist) folgt, und die eine nicht-ohmsche Dunkelstrom-Spannungs-Charakteristik zeigt, die den Dunkelstrom auf eine, durch Anlegen einer Spannung zwischen die ersten (109; 207) und die zweiten (102; 203) Elektroden erzeugte, elektrische Feldstärke von 10⁵V/cm begrenzt.

2. Photosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdatome den n-Leitfähigkeitstyp bestimmen.

3. Photosensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdatome Phosphoratome sind.

4. Photosensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdatome Arsenatome sind.

5. Photosensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (106; 204) als Bestandteilatome Wasserstoffatome und/oder Halogenatome enthält.

6. Photosensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffatome der weiteren Schicht (106; 204) in einer Menge von 1 bis 30 Atom-% enthalten sind.

7. Photosensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halogenatome der weiteren Schicht (106; 204) in einer Menge von 1 bis 30 Atom-% enthalten sind.

8. Photosensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, ge kennzeichnet durch eine ohmsche Schicht (108; 206), die einen ohmschen Kontakt zwischen der ersten Elektrode (109; 207) und der photoleitfähigen Schicht (107; 205) bildet.

9. Photosensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmsche Schicht (108; 206) aus einem photoleitfähigem Material gebildet ist, das Siliziumatome als Matrix enthält.

10. Photosensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeich net, daß die ohmsche Schicht (108; 206) Fremdatome enthält, die den n-Leitfähigkeitstyp bestimmen.

11. Photosensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdatome der ohmschen Schicht (108; 206) in einer Menge von 1000 bis 10 000 Atomteilen je Million enthalten sind.

12. Photosensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fremdatome der ohmschen Schicht (108; 206) Boratome sind.

13. Photosensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fremdatome der ohmschen Schicht (108; 206) Phosphoratome sind.

14. Photosensor nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmsche Schicht (108; 206) eine Schichtdicke von mindestens 40 nm hat.

15. Photosensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die photoleitfähige Schicht (107; 205) als Bestandteilatome Wasserstoffatome und/oder Halogen atome enthält.

16. Photosensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserstoffatome der photoleitfähigen Schicht (107; 205) in einer Menge von 1 bis 30 Atom-% enthalten sind.

17. Photosensor nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Halogenatome der photoleitfähigen Schicht (107; 205) in einer Menge von 1 bis 30 Atom-% enthalten sind.

18. Photosensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (102; 203) eine Elektrode aus Indiumzinnoxid (ITO) ist.

19. Photosensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (106; 204) eine Schichtdicke von 5 bis 20 nm und Fremdatome in einer Menge von 1000 bis 5000 Atomteilen je Million aufweist.

20. Photosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der beiden Elektroden (109; 207 oder 102; 203) aus Gold (Au), Platin (Pt) oder Wolfram (W) besteht.

21. Photosensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (106; 204) eine Schichtdicke von 2,5 bis 10 nm und Fremdatome in einer Menge von 100 bis 1000 Atomteilen je Million aufweist.

22. Photosensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (106; 204) bei Lichteinfall eine ohmschen Kontakt zwischen der weiteren Schicht (106; 204) und der photoleitfähigen Schicht (107; 205) ausbildet und wenn kein Licht einfällt, einen nicht-ohmschen Kontakt zwischen der weiteren Schicht (106; 204) und der photoleitfähigen Schicht (107; 205) ausbildet.

23. Photosensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht (106; 204) bei Lichteinfall eine Potentialschwellenmodulation an der Grenzfläche zwischen der weitern Schicht (106; 204) und der photoleitfähigen Schicht (107; 205) ausführt und wenn kein Licht einfällt, einen nicht-ohmschen Kontakt zwischen der weiteren Schicht (106; 204) und der photoleitfähigen Schicht (107; 205) ausbildet.