JP2002252367A - 高感度光電変換装置 - Google Patents
高感度光電変換装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電荷増倍開始電圧の低電圧化を図った光電変
換装置を提供する。 【解決手段】 外部からの入射光に応じて信号電荷を生
成する光電変換層と、この光電変換層から前記信号電荷
が供給され、前記信号電荷を加速させる信号電荷加速層
と、この信号電荷加速層から前記の加速された信号電荷
が供給され、この加速された信号電荷を増倍させる信号
電荷増倍層とを具える光電変換装置を提供する。光照射
を受けた光電変換層は信号電荷を生成し、この光電変換
層で光生成された信号電荷を信号電荷加速層で加速し、
さらに、この加速された信号電荷を信号電荷増倍層内で
増倍することにより、光電変換装置の電荷増倍開始電圧
を低減化させる。
換装置を提供する。 【解決手段】 外部からの入射光に応じて信号電荷を生
成する光電変換層と、この光電変換層から前記信号電荷
が供給され、前記信号電荷を加速させる信号電荷加速層
と、この信号電荷加速層から前記の加速された信号電荷
が供給され、この加速された信号電荷を増倍させる信号
電荷増倍層とを具える光電変換装置を提供する。光照射
を受けた光電変換層は信号電荷を生成し、この光電変換
層で光生成された信号電荷を信号電荷加速層で加速し、
さらに、この加速された信号電荷を信号電荷増倍層内で
増倍することにより、光電変換装置の電荷増倍開始電圧
を低減化させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、CCDやCMOSイメー
ジセンサなどの固体撮像素子用の光電変換装置に関する
ものであり、例えばテレビジョン用の高感度カメラなど
に使用されるものである。
ジセンサなどの固体撮像素子用の光電変換装置に関する
ものであり、例えばテレビジョン用の高感度カメラなど
に使用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】従来のテレビジョンカメラでは光電変換
装置として、撮像管にはアモルファスセレンなどが、CC
DやCMOSセンサには単結晶シリコンや水素化アモルファ
スシリコンによるフォトダイオードが用いられている。
装置として、撮像管にはアモルファスセレンなどが、CC
DやCMOSセンサには単結晶シリコンや水素化アモルファ
スシリコンによるフォトダイオードが用いられている。
【０００３】これら従来の光電変換装置を感度特性の観
点で比較すると、アモルファスセレン光電変換装置で
は、暗電流が小さく、かつ、高電界を印加して光発生し
た信号電荷をアバランシェ増倍させることにより１を超
える量子効率が達成されている。この光電変換装置は、
HARP（High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoc
onductor）膜と呼ばれ、既にこのHARP膜を利用した高感
度HARP撮像管カメラが実現されている。しかし、HARP撮
像管の固体化のためには、電荷増倍開始電圧の一層の低
電圧化が求められている。
点で比較すると、アモルファスセレン光電変換装置で
は、暗電流が小さく、かつ、高電界を印加して光発生し
た信号電荷をアバランシェ増倍させることにより１を超
える量子効率が達成されている。この光電変換装置は、
HARP（High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoc
onductor）膜と呼ばれ、既にこのHARP膜を利用した高感
度HARP撮像管カメラが実現されている。しかし、HARP撮
像管の固体化のためには、電荷増倍開始電圧の一層の低
電圧化が求められている。
【０００４】単結晶シリコンは、アモルファスセレンよ
りもアバランシェ増倍の起こり易さの指標となる「衝撃
イオン化率」が高い。このため、単結晶シリコンを使っ
たアバランシェフォトダイオード（APD）が既に実用化
されている。このアバランシェ増倍に必要な電界は１０
５Ｖ／ｃｍ程度であり、アモルファスセレンのそれより
も１桁程度小さい。単結晶シリコンAPDの２次元アレイ
を使った高感度固体撮像素子も提案されているが、APD
性能のバラツキを抑える制御回路が複雑になり消費電力
が極めて大きくなってしまうため、実用化には至ってい
ない。また、均一性の良い単結晶シリコン薄膜を電荷読
み出し回路素子上に堆積することは困難であることか
ら、単結晶シリコン膜を光電変換装置に使った積層型イ
メージセンサは実現されていない。
りもアバランシェ増倍の起こり易さの指標となる「衝撃
イオン化率」が高い。このため、単結晶シリコンを使っ
たアバランシェフォトダイオード（APD）が既に実用化
されている。このアバランシェ増倍に必要な電界は１０
５Ｖ／ｃｍ程度であり、アモルファスセレンのそれより
も１桁程度小さい。単結晶シリコンAPDの２次元アレイ
を使った高感度固体撮像素子も提案されているが、APD
性能のバラツキを抑える制御回路が複雑になり消費電力
が極めて大きくなってしまうため、実用化には至ってい
ない。また、均一性の良い単結晶シリコン薄膜を電荷読
み出し回路素子上に堆積することは困難であることか
ら、単結晶シリコン膜を光電変換装置に使った積層型イ
メージセンサは実現されていない。
【０００５】水素化アモルファスシリコンは、単結晶シ
リコンよりも電荷移動度が低いため、基本的に衝撃イオ
ン化率は低い。従って、水素化アモルファスシリコン光
電変換装置ではアモルファスセレン光電変換装置のよう
な光生成信号電荷の顕著な増倍現象は未だはっきりとは
確認されていない。しかし、特開平１１−１０３０８９
号公報に記載されているような水素化アモルファスシリ
コン膜／ｎ型単結晶シリコン積層フォトダイオード構造
では、信号電荷の増倍が観測されている。この増倍現象
は、低い比抵抗（高濃度ドープ）の単結晶シリコン基板
を使った場合には、観測されない。この結果は、水素化
アモルファスシリコン内で発生した信号電荷（この場合
は電子）が高電界で加速され、ある程度高い運動エネル
ギーを持って単結晶シリコンに突入すると、水素化アモ
ルファスシリコン／単結晶シリコン界面付近に形成され
た空乏層内でアバランシェ増倍が起こることを示唆して
いる。
リコンよりも電荷移動度が低いため、基本的に衝撃イオ
ン化率は低い。従って、水素化アモルファスシリコン光
電変換装置ではアモルファスセレン光電変換装置のよう
な光生成信号電荷の顕著な増倍現象は未だはっきりとは
確認されていない。しかし、特開平１１−１０３０８９
号公報に記載されているような水素化アモルファスシリ
コン膜／ｎ型単結晶シリコン積層フォトダイオード構造
では、信号電荷の増倍が観測されている。この増倍現象
は、低い比抵抗（高濃度ドープ）の単結晶シリコン基板
を使った場合には、観測されない。この結果は、水素化
アモルファスシリコン内で発生した信号電荷（この場合
は電子）が高電界で加速され、ある程度高い運動エネル
ギーを持って単結晶シリコンに突入すると、水素化アモ
ルファスシリコン／単結晶シリコン界面付近に形成され
た空乏層内でアバランシェ増倍が起こることを示唆して
いる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記の特開平１１−１
０３０８９号公報の明細書記載のフォトダイオード構造
では、１０５Ｖ／ｃｍ台の電界強度で電荷増倍が起こ
る。しかし、シリコンLSIプロセスとの整合を考える
と、今後、さらに低い電界での電荷増倍が必要となる。
一般に単結晶シリコンでは、電子がバンドギャップ
（１．１２eV）の約３倍の３．６ｅＶ以上の運動エネル
ギーを持つと衝撃イオン化が起こることが知られてい
る。従って、単結晶シリコン内に突入する電子の運動エ
ネルギーが高いほどアバランシェ増倍の開始電圧が下が
る。しかし、水素化アモルファスシリコン膜の電子移動
度は一般的に低いため、光生成電子は格子散乱の影響を
受けて、運動エネルギーが高い状態にはなり難い。従っ
て、アバランシェ増倍の低電圧化のためには、水素化ア
モルファスシリコンで生成された信号電荷を、何らかの
手段で効率よく加速する必要がある。
０３０８９号公報の明細書記載のフォトダイオード構造
では、１０５Ｖ／ｃｍ台の電界強度で電荷増倍が起こ
る。しかし、シリコンLSIプロセスとの整合を考える
と、今後、さらに低い電界での電荷増倍が必要となる。
一般に単結晶シリコンでは、電子がバンドギャップ
（１．１２eV）の約３倍の３．６ｅＶ以上の運動エネル
ギーを持つと衝撃イオン化が起こることが知られてい
る。従って、単結晶シリコン内に突入する電子の運動エ
ネルギーが高いほどアバランシェ増倍の開始電圧が下が
る。しかし、水素化アモルファスシリコン膜の電子移動
度は一般的に低いため、光生成電子は格子散乱の影響を
受けて、運動エネルギーが高い状態にはなり難い。従っ
て、アバランシェ増倍の低電圧化のためには、水素化ア
モルファスシリコンで生成された信号電荷を、何らかの
手段で効率よく加速する必要がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明による光電変換装
置は、外部からの入射光に応じて信号電荷を生成する光
電変換層と、この光電変換層から前記信号電荷が供給さ
れ、前記信号電荷を加速させる信号電荷加速層と、この
信号電荷加速層から前記の加速された信号電荷が供給さ
れ、この加速された信号電荷を増倍させる信号電荷増倍
層と、を具えることを特徴とするものである。
置は、外部からの入射光に応じて信号電荷を生成する光
電変換層と、この光電変換層から前記信号電荷が供給さ
れ、前記信号電荷を加速させる信号電荷加速層と、この
信号電荷加速層から前記の加速された信号電荷が供給さ
れ、この加速された信号電荷を増倍させる信号電荷増倍
層と、を具えることを特徴とするものである。
【０００８】また、本発明による光電変換装置は、前記
光電変換層を、水素化アモルファスシリコン膜によって
構成した、ことを特徴とするものである。
光電変換層を、水素化アモルファスシリコン膜によって
構成した、ことを特徴とするものである。
【０００９】また、本発明による光電変換装置は、前記
信号電荷加速層を、直径数ナノメートルのシリコン単結
晶粒と、この結晶粒の上に被覆され、前記信号電荷のト
ンネリングが可能な厚さを有する絶縁膜または水素化ア
モルファスシリコン膜とから構成した、或いは、直径数
ナノメートルのシリコン単結晶粒を、前記信号電荷のト
ンネリングが可能な濃度で絶縁材料に分散させた膜から
構成した、ことを特徴とするものである。ここで、絶縁
膜或いは絶縁材料としては、酸化シリコンが好適であ
る。
信号電荷加速層を、直径数ナノメートルのシリコン単結
晶粒と、この結晶粒の上に被覆され、前記信号電荷のト
ンネリングが可能な厚さを有する絶縁膜または水素化ア
モルファスシリコン膜とから構成した、或いは、直径数
ナノメートルのシリコン単結晶粒を、前記信号電荷のト
ンネリングが可能な濃度で絶縁材料に分散させた膜から
構成した、ことを特徴とするものである。ここで、絶縁
膜或いは絶縁材料としては、酸化シリコンが好適であ
る。
【００１０】また、本発明による光電変換装置は、前記
信号電荷増倍層を、シリコン単結晶によって構成した、
ことを特徴とするものである。
信号電荷増倍層を、シリコン単結晶によって構成した、
ことを特徴とするものである。
【００１１】また、本発明による光電変換装置は、前記
シリコン単結晶の不純物濃度を１０１６〜１０１７ｃｍ
−３とした、ことを特徴とするものである。
シリコン単結晶の不純物濃度を１０１６〜１０１７ｃｍ
−３とした、ことを特徴とするものである。
【００１２】また、本発明による光電変換装置は、前記
信号電荷加速層を前記信号電荷増倍層に接合し、その接
合面にバンドオフセットを形成した、ことを特徴とする
ものである。
信号電荷加速層を前記信号電荷増倍層に接合し、その接
合面にバンドオフセットを形成した、ことを特徴とする
ものである。
【００１３】以下、添付する図面に基づき、本発明をさ
らに詳細に説明する。図１は、本発明による光電変換装
置の基本原理を説明する図である。図に示すように、光
電変換装置１０は、光照射側から光電変換層１１、信号
電荷加速層１２、信号電荷増倍層１３を順次に積層させ
たものである。この光電変換層１１と信号電荷増倍層１
３とにはそれぞれ電極（図示せず）が設けられており、
光電変換装置１０に電圧を印加できるようになってい
る。光電変換装置１１には水素化アモルファスシリコン
膜などを、信号電荷加速層１２にはシリコン表面が酸化
シリコンなどの絶縁膜または水素化アモルファスシリコ
ン膜で覆われた直径数ナノメートルのシリコン結晶粒
（シリコンナノ結晶）からなる膜を、信号電荷増倍層１
３には単結晶シリコン基板などを用いる。このような３
層構造にすることで、光照射を受けた光電変換層１１は
信号電荷を生成し、この光電変換層１１で光生成された
信号電荷を信号電荷加速層１２で加速し、さらに、この
加速された信号電荷を信号電荷増倍層１３内で増倍する
ことにより、光電変換装置１０の電荷増倍開始電圧を低
減化させるものである。
らに詳細に説明する。図１は、本発明による光電変換装
置の基本原理を説明する図である。図に示すように、光
電変換装置１０は、光照射側から光電変換層１１、信号
電荷加速層１２、信号電荷増倍層１３を順次に積層させ
たものである。この光電変換層１１と信号電荷増倍層１
３とにはそれぞれ電極（図示せず）が設けられており、
光電変換装置１０に電圧を印加できるようになってい
る。光電変換装置１１には水素化アモルファスシリコン
膜などを、信号電荷加速層１２にはシリコン表面が酸化
シリコンなどの絶縁膜または水素化アモルファスシリコ
ン膜で覆われた直径数ナノメートルのシリコン結晶粒
（シリコンナノ結晶）からなる膜を、信号電荷増倍層１
３には単結晶シリコン基板などを用いる。このような３
層構造にすることで、光照射を受けた光電変換層１１は
信号電荷を生成し、この光電変換層１１で光生成された
信号電荷を信号電荷加速層１２で加速し、さらに、この
加速された信号電荷を信号電荷増倍層１３内で増倍する
ことにより、光電変換装置１０の電荷増倍開始電圧を低
減化させるものである。
【００１４】図２は、本発明による光電変換装置の詳細
な断面図である。図に示すように、本実施例の光電変換
装置２０は、光照射側から、ＩＴＯなどからなる透明電
極２１、ｐ型の不純物を添加した水素化アモルファスシ
リコンカーバイド膜（ｐ型）などからなる電子ブロッキ
ング層２２、不純物を添加していない水素化アモルファ
スシリコン膜などからなる光電変換層２３、酸化シリコ
ン膜で覆われたシリコンナノ結晶粒からなる膜（以下、
シリコンナノ結晶膜と略す）を用いた信号電荷加速層２
４、ｎ型不純物を１０１６〜１０１７ｃｍ−３の濃度範
囲で添加した単結晶シリコン基板（比抵抗０．１Ωｃｍ
前後）からなる信号電荷増倍層２５、アルミ電極２６
を、順次積層させたものである。透明電極２１、アルミ
電極２６は電圧印加のため、電子ブロッキング層は外部
からの電子流入を防ぐために設けたものである。
な断面図である。図に示すように、本実施例の光電変換
装置２０は、光照射側から、ＩＴＯなどからなる透明電
極２１、ｐ型の不純物を添加した水素化アモルファスシ
リコンカーバイド膜（ｐ型）などからなる電子ブロッキ
ング層２２、不純物を添加していない水素化アモルファ
スシリコン膜などからなる光電変換層２３、酸化シリコ
ン膜で覆われたシリコンナノ結晶粒からなる膜（以下、
シリコンナノ結晶膜と略す）を用いた信号電荷加速層２
４、ｎ型不純物を１０１６〜１０１７ｃｍ−３の濃度範
囲で添加した単結晶シリコン基板（比抵抗０．１Ωｃｍ
前後）からなる信号電荷増倍層２５、アルミ電極２６
を、順次積層させたものである。透明電極２１、アルミ
電極２６は電圧印加のため、電子ブロッキング層は外部
からの電子流入を防ぐために設けたものである。
【００１５】次に、上述した図２の光電変換装置２０の
作製方法を説明する。まず、信号電荷増倍層２５となる
単結晶シリコン基板の表面を洗浄し、その後、この洗浄
した基板表面に酸化シリコン膜を熱酸化により形成させ
る。この酸化シリコン膜の上に信号電荷加速層層２４と
なるシリコンナノ結晶膜を形成させる。シリコンナノ結
晶膜の形成には、例えば低圧化学気相堆積（LPCVD:Low
Pressure Chemical Vepor Deposition）法を利用する。
この方法では、シリコン膜堆積の初期に堆積原料である
シランガスの供給を止めることで、酸化シリコン膜上に
自己組織的にシリコンナノ結晶を形成する。この後、シ
リコンナノ結晶粒の表面を酸素雰囲気中において非常に
低速度で熱酸化する。更に、このシリコンナノ結晶堆
積、表面熱酸化プロセスを繰り返すことでシリコンナノ
結晶膜を形成する。本方法のメリットは、堆積・酸化条
件を調整することで、シリコンナノ結晶サイズ、密度、
及び酸化シリコン膜厚の制御を比較的容易に行うことが
できることである。更に、他の方法と比べてシリコンナ
ノ結晶の均一性も高い。従って、光電変換装置として重
要な平坦性の良い膜を作製することができる。
作製方法を説明する。まず、信号電荷増倍層２５となる
単結晶シリコン基板の表面を洗浄し、その後、この洗浄
した基板表面に酸化シリコン膜を熱酸化により形成させ
る。この酸化シリコン膜の上に信号電荷加速層層２４と
なるシリコンナノ結晶膜を形成させる。シリコンナノ結
晶膜の形成には、例えば低圧化学気相堆積（LPCVD:Low
Pressure Chemical Vepor Deposition）法を利用する。
この方法では、シリコン膜堆積の初期に堆積原料である
シランガスの供給を止めることで、酸化シリコン膜上に
自己組織的にシリコンナノ結晶を形成する。この後、シ
リコンナノ結晶粒の表面を酸素雰囲気中において非常に
低速度で熱酸化する。更に、このシリコンナノ結晶堆
積、表面熱酸化プロセスを繰り返すことでシリコンナノ
結晶膜を形成する。本方法のメリットは、堆積・酸化条
件を調整することで、シリコンナノ結晶サイズ、密度、
及び酸化シリコン膜厚の制御を比較的容易に行うことが
できることである。更に、他の方法と比べてシリコンナ
ノ結晶の均一性も高い。従って、光電変換装置として重
要な平坦性の良い膜を作製することができる。
【００１６】本実施例では、シリコンナノ結晶粒の平均
サイズは３ｎｍとしている。この場合、光学バンドギャ
ップは約２．２ｅＶとなる。シリコンナノ結晶粒のサイ
ズが小さすぎると光学的バンドギャップが大きくなり、
水素化アモルファスシリコンからの電子の突入が難しく
なるため、好ましくない。また、シリコンナノ結晶粒を
覆う酸化シリコン膜の厚さは、電荷が十分トンネル伝導
できる厚さである、１ｎｍ程度とするのが好適である。
サイズは３ｎｍとしている。この場合、光学バンドギャ
ップは約２．２ｅＶとなる。シリコンナノ結晶粒のサイ
ズが小さすぎると光学的バンドギャップが大きくなり、
水素化アモルファスシリコンからの電子の突入が難しく
なるため、好ましくない。また、シリコンナノ結晶粒を
覆う酸化シリコン膜の厚さは、電荷が十分トンネル伝導
できる厚さである、１ｎｍ程度とするのが好適である。
【００１７】次に、作製した信号電荷加速層２４、即ち
シリコンナノ結晶膜の上に、一般に使われているプラズ
マ化学気相堆積法などにより、光電変換層２３として不
純物を含まない水素化アモルファスシリコン膜を形成す
る。このとき、光電変換層２３、即ち水素化アモルファ
スシリコン膜は可視光を十分吸収できる膜厚とするのが
望ましい。電子ブロッキング層２２として、ｐ型不純物
を添加した水素化アモルファスシリコンカーバイド膜
（カーボンの組成比は光学的バンドギャップが２．５ｅ
Ｖ程度になるように調節）をプラズマ化学気相堆積法な
どにより堆積する。最後に、透明電極２１として、ＩＴ
Ｏ膜をスパッタリング法などにより堆積する。
シリコンナノ結晶膜の上に、一般に使われているプラズ
マ化学気相堆積法などにより、光電変換層２３として不
純物を含まない水素化アモルファスシリコン膜を形成す
る。このとき、光電変換層２３、即ち水素化アモルファ
スシリコン膜は可視光を十分吸収できる膜厚とするのが
望ましい。電子ブロッキング層２２として、ｐ型不純物
を添加した水素化アモルファスシリコンカーバイド膜
（カーボンの組成比は光学的バンドギャップが２．５ｅ
Ｖ程度になるように調節）をプラズマ化学気相堆積法な
どにより堆積する。最後に、透明電極２１として、ＩＴ
Ｏ膜をスパッタリング法などにより堆積する。
【００１８】図３は、本発明による光電変換装置の動作
原理をエネルギーバンド構造に基づき説明する模式図で
ある。ＩＴＯ透明電極３１側を負バイアス、単結晶シリ
コン基板３２（ｎ型、０．１Ω前後）側を正バイアスと
して、ＩＴＯ透明電極３１側から光を照射する。まず、
水素化アモルファスシリコン膜３３（ｉ型）で吸収され
た光（フォトン）は電子・正孔対を形成する。伝導帯に
光励起された電子は、ＩＴＯ透明電極３１と単結晶シリ
コン基板３２との間に印可された電界により、水素化ア
モルファスシリコン膜３３内を単結晶シリコン基板３２
側へ向かって走行する。このとき、ほとんどの走行電子
は、すぐに結晶格子により散乱されて、アバランシェ増
倍が起こるような大きな運動エネルギーを持つことはで
きない。
原理をエネルギーバンド構造に基づき説明する模式図で
ある。ＩＴＯ透明電極３１側を負バイアス、単結晶シリ
コン基板３２（ｎ型、０．１Ω前後）側を正バイアスと
して、ＩＴＯ透明電極３１側から光を照射する。まず、
水素化アモルファスシリコン膜３３（ｉ型）で吸収され
た光（フォトン）は電子・正孔対を形成する。伝導帯に
光励起された電子は、ＩＴＯ透明電極３１と単結晶シリ
コン基板３２との間に印可された電界により、水素化ア
モルファスシリコン膜３３内を単結晶シリコン基板３２
側へ向かって走行する。このとき、ほとんどの走行電子
は、すぐに結晶格子により散乱されて、アバランシェ増
倍が起こるような大きな運動エネルギーを持つことはで
きない。
【００１９】次に、水素化アモルファスシリコン膜３３
内を走行した電子は、シリコンナノ結晶膜３４（約３ｎ
ｍ：２．２ｅＶ）に突入する。このとき、シリコンナノ
結晶粒のサイズが電子の平均自由行程よりも極めて小さ
い場合には、電子はシリコンナノ結晶粒内を弾道的に走
行する。シリコンナノ結晶粒内を弾道的に走行した電子
は、酸化シリコン膜をトンネリングし、隣接するシリコ
ンナノ結晶粒に突入する。この電子の弾道走行・トンネ
リングが繰り返し起こることで、シリコンナノ結晶膜３
４を通過した電子は最終的に大きな運動エネルギーを持
つことになる。
内を走行した電子は、シリコンナノ結晶膜３４（約３ｎ
ｍ：２．２ｅＶ）に突入する。このとき、シリコンナノ
結晶粒のサイズが電子の平均自由行程よりも極めて小さ
い場合には、電子はシリコンナノ結晶粒内を弾道的に走
行する。シリコンナノ結晶粒内を弾道的に走行した電子
は、酸化シリコン膜をトンネリングし、隣接するシリコ
ンナノ結晶粒に突入する。この電子の弾道走行・トンネ
リングが繰り返し起こることで、シリコンナノ結晶膜３
４を通過した電子は最終的に大きな運動エネルギーを持
つことになる。
【００２０】次に、これら高エネルギーの電子が、単結
晶シリコン基板３２に突入すると、多くの電子が衝撃イ
オン化の起こりえる十分大きな運動エネルギーを持って
いるために、単結晶シリコン基板３２内の空乏層では電
荷増倍が容易に起こる。この結果、同じ電圧を印加した
場合で比較すると、シリコンナノ結晶膜３４を設けた光
電変換装置では、シリコンナノ結晶膜３４を設けない光
電変換装置よりも、増倍率が高くなる。言い換えれば、
シリコンナノ結晶膜３４を設けることによって、光電変
換装置の信号電荷増倍開始電圧を下げることができる。
なお、電子の衝撃イオン化で発生した正孔についても、
電界により電子とは反対方向に移動し、シリコンナノ結
晶膜３４内を弾道走行した後、水素化アモルファスシリ
コン膜３３に突入するが、水素化アモルファスシリコン
膜３３は、単結晶シリコン基板３２よりも衝撃イオン化
率が極めて低いため、電荷増倍はほとんど起こらないも
のと考えられる（図が煩雑となるためこの過程は図示し
ない）。
晶シリコン基板３２に突入すると、多くの電子が衝撃イ
オン化の起こりえる十分大きな運動エネルギーを持って
いるために、単結晶シリコン基板３２内の空乏層では電
荷増倍が容易に起こる。この結果、同じ電圧を印加した
場合で比較すると、シリコンナノ結晶膜３４を設けた光
電変換装置では、シリコンナノ結晶膜３４を設けない光
電変換装置よりも、増倍率が高くなる。言い換えれば、
シリコンナノ結晶膜３４を設けることによって、光電変
換装置の信号電荷増倍開始電圧を下げることができる。
なお、電子の衝撃イオン化で発生した正孔についても、
電界により電子とは反対方向に移動し、シリコンナノ結
晶膜３４内を弾道走行した後、水素化アモルファスシリ
コン膜３３に突入するが、水素化アモルファスシリコン
膜３３は、単結晶シリコン基板３２よりも衝撃イオン化
率が極めて低いため、電荷増倍はほとんど起こらないも
のと考えられる（図が煩雑となるためこの過程は図示し
ない）。
【００２１】衝撃イオン化をさらに起こり易くするため
には、シリコンナノ結晶のバンドギャップを前段のシリ
コンナノ結晶のバンドギャップよりも大きくするのが有
効である。即ち、信号電荷加速層を信号電荷増倍層に接
合し、その接合面にバンドオフセットを形成させるのが
有効である。バンドオフセットの形成方法としては、下
記の方法があるが、これは例示に過ぎずバンドオフセッ
トを形成するには幾多の変形例が考えられる。シリコン
ナノ結晶粒は、そのサイズによって光学的バンドギャッ
プを可変できるという特徴を持つ。従って、図４に示す
ように、単結晶シリコン基板４１側から水素化アモルフ
ァスシリコン膜４２（ｉ型）へ向かうに従い、シリコン
ナノ結晶粒４３のサイズを大きくしたシリコンナノ結晶
膜４４を形成するのが好適である。このような構造のシ
リコンナノ結晶膜４４を用いれば、図５に示すように、
シリコンナノ結晶膜５１と単結晶シリコン基板（ｎ型）
５２との境界で伝導帯エネルギーに大きなバンドオフセ
ット５３が形成される。このバンドオフセット５３によ
り、シリコンナノ結晶膜５１を走行してきた電子は、よ
り大きな運動エネルギーを獲得することができ、衝撃イ
オン化率は向上する。
には、シリコンナノ結晶のバンドギャップを前段のシリ
コンナノ結晶のバンドギャップよりも大きくするのが有
効である。即ち、信号電荷加速層を信号電荷増倍層に接
合し、その接合面にバンドオフセットを形成させるのが
有効である。バンドオフセットの形成方法としては、下
記の方法があるが、これは例示に過ぎずバンドオフセッ
トを形成するには幾多の変形例が考えられる。シリコン
ナノ結晶粒は、そのサイズによって光学的バンドギャッ
プを可変できるという特徴を持つ。従って、図４に示す
ように、単結晶シリコン基板４１側から水素化アモルフ
ァスシリコン膜４２（ｉ型）へ向かうに従い、シリコン
ナノ結晶粒４３のサイズを大きくしたシリコンナノ結晶
膜４４を形成するのが好適である。このような構造のシ
リコンナノ結晶膜４４を用いれば、図５に示すように、
シリコンナノ結晶膜５１と単結晶シリコン基板（ｎ型）
５２との境界で伝導帯エネルギーに大きなバンドオフセ
ット５３が形成される。このバンドオフセット５３によ
り、シリコンナノ結晶膜５１を走行してきた電子は、よ
り大きな運動エネルギーを獲得することができ、衝撃イ
オン化率は向上する。
【００２２】
【発明の効果】上述したように、本発明によるシリコン
ナノ結晶膜などを信号電荷加速層として用いた光電変換
装置は、従来の光電変換装置よりも信号電荷増倍開始電
圧を低減化することが可能となる。また、本発明による
光電変換装置は、信号電荷増倍特性以外にも、以下のメ
リットを有する。 （１）アモルファスセレン光電変換装置以上の熱的安定
性やシリコン半導体プロセスとの整合性を有する。 （２）単結晶シリコンフォトダイオードよりも広い可視
領域での光電変換特性を有する。 （３）単結晶シリコンＡＰＤの２次元アレイよりも良好
な増倍性能の一様性を有する。 従って、本発明による光電変換装置はＣＣＤやＣＭＯＳ
イメージセンサなどの固体撮像素子の光電変換装置とし
て容易に適用することができる。また、本発明は、上記
実施態様に限定されるものではなく、幾多の変更及び変
形が可能であることに留意されたい。例えば、実施態様
で挙げた信号電荷加速層や光電変換層の材料は例示に過
ぎず、同様の機能を実現する他の材料を用いて各層を形
成することも可能である。
ナノ結晶膜などを信号電荷加速層として用いた光電変換
装置は、従来の光電変換装置よりも信号電荷増倍開始電
圧を低減化することが可能となる。また、本発明による
光電変換装置は、信号電荷増倍特性以外にも、以下のメ
リットを有する。 （１）アモルファスセレン光電変換装置以上の熱的安定
性やシリコン半導体プロセスとの整合性を有する。 （２）単結晶シリコンフォトダイオードよりも広い可視
領域での光電変換特性を有する。 （３）単結晶シリコンＡＰＤの２次元アレイよりも良好
な増倍性能の一様性を有する。 従って、本発明による光電変換装置はＣＣＤやＣＭＯＳ
イメージセンサなどの固体撮像素子の光電変換装置とし
て容易に適用することができる。また、本発明は、上記
実施態様に限定されるものではなく、幾多の変更及び変
形が可能であることに留意されたい。例えば、実施態様
で挙げた信号電荷加速層や光電変換層の材料は例示に過
ぎず、同様の機能を実現する他の材料を用いて各層を形
成することも可能である。
【図１】 本発明による光電変換装置の基本原理を説明
する図である。
する図である。
【図２】 本発明による光電変換装置の詳細な断面図で
ある。
ある。
【図３】 本発明による光電変換装置の動作原理をエネ
ルギーバンド構造に基づき説明する模式図である。
ルギーバンド構造に基づき説明する模式図である。
【図４】 本発明による光電変換装置の好適実施例を示
す断面図である。
す断面図である。
【図５】 本発明による光電変換装置の動作原理を説明
する模式図である。
する模式図である。
１０ 光電変換装置 １１ 光電変換層 １２ 信号電荷加速層 １３ 信号電荷増倍層 ２０ 光電変換装置 ２１ 透明電極 ２２ 電子ブロッキング層 ２３ 光電変換層 ２４ 信号電荷加速層 ２５ 信号電荷増倍層 ２６ アルミ電極 ３１ 透明電極 ３２ 単結晶シリコン基板 ３３ 水素化アモルファスシリコン膜 ３４ シリコンナノ結晶膜 ４１ 単結晶シリコン基板 ４２ 水素化アモルファスシリコン膜（ｉ型） ４３ シリコンナノ結晶粒 ４４ シリコンナノ結晶膜 ５１ シリコンナノ結晶膜 ５２ 単結晶シリコン基板（ｎ型） ５３ バンドオフセット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M118 AA10 AB01 BA10 BA14 CA05 CA15 CB06 CB14 EA01 5C024 GX03 HX47 5F049 MA08 MB03 MB04 MB05 NB05 PA03 SE04 SS03
Claims (6)
- 【請求項１】 外部からの入射光に応じて信号電荷を生
成する光電変換層と、 この光電変換層から前記信号電荷が供給され、前記信号
電荷を加速させる信号電荷加速層と、 この信号電荷加速層から前記信号電荷が供給され、前記
信号電荷を増倍させる信号電荷増倍層と、を具えること
を特徴とする光電変換装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の光電変換装置におい
て、 前記光電変換層を、水素化アモルファスシリコン膜によ
って構成した、ことを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の光電変換装置
において、 前記信号電荷加速層を、 直径数ナノメートルのシリコン単結晶粒と、 この結晶粒の上に被覆され、前記信号電荷のトンネリン
グが可能な厚さを有する絶縁膜または水素化アモルファ
スシリコン膜とから構成した、 或いは、前記直径数ナノメートルのシリコン単結晶粒
を、前記信号電荷のトンネリングが可能な濃度で絶縁材
料に分散させた膜から構成した、ことを特徴とする光電
変換装置。 - 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光
電変換装置において、 前記信号電荷増倍層を、シリコン単結晶によって構成し
た、ことを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項５】 請求項４に記載の光電変換装置におい
て、 前記シリコン単結晶の不純物濃度を１０１６〜１０１７
ｃｍ−３とした、ことを特徴とする光電変換装置。 - 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光
電変換装置において、 前記信号電荷加速層を前記信号電荷増倍層に接合し、そ
の接合面にバンドオフセットを形成した、ことを特徴と
する光電変換装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001048040A JP2002252367A (ja) | 2001-02-23 | 2001-02-23 | 高感度光電変換装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001048040A JP2002252367A (ja) | 2001-02-23 | 2001-02-23 | 高感度光電変換装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002252367A true JP2002252367A (ja) | 2002-09-06 |
Family
ID=18909369
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001048040A Pending JP2002252367A (ja) | 2001-02-23 | 2001-02-23 | 高感度光電変換装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002252367A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008277699A (ja) * | 2007-05-07 | 2008-11-13 | Fujifilm Corp | 撮像素子、撮像素子の駆動方法及び撮像素子の製造方法 |
| JP2009539245A (ja) * | 2006-06-01 | 2009-11-12 | ゼコテック メディカル システムズ シンガポール ピーティーイー リミテッド | マイクロチャネル・アバランシェ・フォトダイオード（変形物） |
| JP2010193524A (ja) * | 2010-05-26 | 2010-09-02 | Sony Corp | 固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法 |
| JP2019009427A (ja) * | 2017-06-23 | 2019-01-17 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 光検出素子 |
-
2001
- 2001-02-23 JP JP2001048040A patent/JP2002252367A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009539245A (ja) * | 2006-06-01 | 2009-11-12 | ゼコテック メディカル システムズ シンガポール ピーティーイー リミテッド | マイクロチャネル・アバランシェ・フォトダイオード（変形物） |
| JP2008277699A (ja) * | 2007-05-07 | 2008-11-13 | Fujifilm Corp | 撮像素子、撮像素子の駆動方法及び撮像素子の製造方法 |
| JP2010193524A (ja) * | 2010-05-26 | 2010-09-02 | Sony Corp | 固体撮像装置および固体撮像装置の駆動方法 |
| JP2019009427A (ja) * | 2017-06-23 | 2019-01-17 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 光検出素子 |
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