JP2004247686A

JP2004247686A - 光センサー

Info

Publication number: JP2004247686A
Application number: JP2003038543A
Authority: JP
Inventors: Kensaku Yano; 健作矢野
Original assignee: Toshiba Matsushita Display Technology Co Ltd
Current assignee: Japan Display Central Inc
Priority date: 2003-02-17
Filing date: 2003-02-17
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】ポリシリコン膜により形成された光センサーにおいて、膜厚が約５０ｎｍ程度でも可視光領域でバランス良く感度が得られるようにする。
【解決手段】断面が台形状を有する略棒型に形成された凸部１０２を基板１０１の表面に所定間隔で複数配置し、その上層にポリシリコン膜１０７を形成する。ポリシリコン膜１０７の傾斜部１０７ｂは入力光に対して所定の角度で接するため、入力光はポリシリコン膜１０７内で多重反射を繰り返し、吸収係数の小さい長波長は徐々にポリシリコン膜１０７に吸収される。このため、長波長の感度が上がることから、波長の短い青の領域だけでなく、波長の長い領域を含めた可視光領域（４００〜７００ｎｍ）においてバランス良く感度をもたせることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ポリシリコン膜により形成された光センサーに関し、例えばポリシリコン液晶表示装置の光入力装置として使用される光センサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、画素ＴＦＴを用いた液晶表示装置（以下、液晶表示装置）においては、アモルファスシリコンに代わりポリシリコンが主流になりつつある。ポリシリコンは電子移動度が高いために、画素ＴＦＴの面積を小さく出来るので、高精彩な表示が可能である。
【０００３】
液晶表示装置で使用されるポリシリコンは約５０ｎｍ程度の薄膜で、一般に脱水素化したアモルファスシリコン膜にエキシマレーザーを当て溶融固化することにより得られる。液晶におけるポリシリコンの使用方法は前述の画素ＴＦＴだけではなく、ＣＭＯＳやＰＭＯＳの周辺回路及びＡＣ変換回路などにも適用されている。
【０００４】
従来、ポリシリコンと言えばリボン結晶に見られる如く、太陽電池への適用が主流である。しかしながら、エキシマレーザーで形成したポリシリコン膜による光センサーへの適用は現時点では見当たらない。ポリシリコン膜により光センサーを形成した場合、後述する様な膜厚の制限により例えば図１２に示すような平面形状のＰＩＮ型センサーになるものと考えられる。図１２に示すＰＩＮ型センサーでは、平坦な基板３０１上に形成されたポリシリコン膜３０２の両端に図示しない電極が設けられており、電極間には電圧源３０３と電流計３０４が接続されている。ポリシリコン膜３０２は、電圧源３０３の正極側にＮ型領域３０５、中央にＩ型領域３０６、電圧源３０３の負極側にＰ型領域３０７がそれぞれ形成されている。このようなＰＩＮ型センサーは、アモルファスシリコン太陽電池では主要構造であり、この場合膜厚が１μｍ程度の積層構造であるためＩ型領域が完全空乏化するので電圧印加の必要はない。これに対し、図示のようなポリシリコン膜による平面形状のＰＩＮ型光センサーの場合は、感度を稼ぐためにＩ型領域は少なくとも長さ数μｍないし数１０μｍ程度が必要なため、Ｉ型領域を完全空乏化することが出来ず、光信号を取り出すためには電圧印加が必要となる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−１２１７３１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この様に電圧印加をしてもポリシリコン膜による光センサーは必ずしも有用なセンサーとは言えないものであった。その理由は、ポリシリコン膜の膜厚が約５０ｎｍ程度と薄いために、図１３に示すように、感度領域が主に波長の短い青の領域にしか無いからである。図１３は分光感度曲線であり、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は光感度（ａｒｂｕｎｉｔ）を示している。したがって、波長の長い領域を含めた可視光領域（４００〜７００ｎｍ）においてバランス良く感度をもたせるためには、シリコンの光吸収係数を考えると、太陽電池の様に膜厚として約１μｍが必要となる。
【０００７】
ところが、エキシマレーザーでポリシリコン化出来るアモルファスシリコン膜の厚さは５０ｎｍ程度が限界となっている。これは、エキシマレーザー光では波長の関係から、これ以上はアモルファスシリコン膜に浸透しないためである。したがって、膜厚がこれ以上厚い場合は、下地側はアモルファスシリコン膜のままで残ってしまう。この様なポリシリコン化出来なかったアモルファスシリコン膜は欠陥が多く、光センサーとしては適さないものとなる。
【０００８】
本発明の目的は、膜厚が約５０ｎｍ程度でも可視光領域でバランス良く感度を有する光センサーを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、表面に凸部が形成された基板の上層に、入力光に対して所定の角度で接する傾斜部を有するポリシリコン膜が形成され、前記ポリシリコン膜は平面的にＰＩＮ型の電極構造を有することを特徴とする光センサーである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１において、前記凸部は断面が台形状を有する略棒型に形成され、所定間隔で複数配置されることを特徴とする。
【００１１】
上記構成によれば、傾斜部の表面で回折した入力光はポリシリコン膜の内部で多重反射を繰り返し、吸収係数の小さい長波長の光線は徐々にポリシリコン膜に吸収されるため、長波長の感度が上がることになり、波長の短い青の領域だけでなく、波長の長い領域を含めた可視光領域（４００〜７００ｎｍ）においてバランス良く感度をもたせることができる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１において、前記凸部は断面が台形状を有する略ピラミッド型に形成され、所定間隔で複数配置されることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、光センサーの単位面積当たりの傾斜部の数が増えるため、入力光の内部での多重反射も多くなり、長波長の光線をポリシリコン膜により多く吸収させることができる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１において、前記凸部は断面が半円形状を有する略半球型に形成され、所定間隔で複数配置されることを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、光センサーの単位面積当たりの傾斜部の面積を増やすことができるため、長波長の光線をポリシリコン膜にさらに多く吸収させることができる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記ポリシリコン膜の下層に反射膜を有することを特徴とする。
【００１７】
上記構成によれば、ポリシリコン膜の下面から抜ける光線が減り、多重反射の損失が少なくなるため、長波長の光線はポリシリコン膜により多く吸収されることになる。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記ポリシリコン膜の上層に反射防止膜を有することを特徴とする。
【００１９】
上記構成によれば、ポリシリコン膜の表面で反射して外部へ逃げる光線が減るため、入力光の内部での多重反射も多くなり、長波長の光線はポリシリコン膜により多く吸収されることになる。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項において、前記ポリシリコン膜の下層に反射膜を、上層に反射防止膜をそれぞれ有することを特徴とする。
【００２１】
上記構成によれば、ポリシリコン膜の下面から抜ける光線が減り、多重反射の損失が少なくなるとともに、ポリシリコン膜の表面で反射して外部へ逃げる光線が減るため、入力光の内部での多重反射も多くなり、長波長の光線はポリシリコン膜にさらに多く吸収されることになる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる光センサーの実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図１は、実施の形態１に係わる光センサーの基本構成を示す概略断面図、図２は、図１の概略平面図である。
【００２４】
基板１０１の表面には、断面が台形状を有する略棒型に形成された凸部１０２が所定間隔で複数配置されている。凸部１０２は、基板１０１上に積層した酸化シリコンを膜をエッチング加工することにより形成されている。この凸部１０２の上層には、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜１０４、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜１０５を介してポリシリコン膜１０７が形成されている。本実施の形態の光センサーをポリシリコン液晶表示装置の光入力装置として使用した場合、１画素当たりのポリシリコン膜１０７の大きさは、例えば長さ３０μｍ、幅２０μｍ、厚さ５０ｎｍで構成される。
【００２５】
ポリシリコン膜１０７の断面は、平坦部１０７ａと傾斜部１０７ｂにより形成されている。またポリシリコン膜１０７は平面的に、電圧源１１６の正極側にＮ型領域１１０、中央にＩ型領域１０９、電圧源１１６の負極側にＰ型領域１０８がそれぞれ形成されている。ポリシリコン膜１０７の表面にはパッシベーション膜１１１が全面に積層され、コンタクトホール１１２、１１３が形成されている。ポリシリコン膜１０７のＰ型領域１０８とＮ型領域１１０は、コンタクトホール１１２、１１３を介して電極１１５、１１４と接続され、さらに電極間には電圧源１１６と電流計１１７が接続されている。
【００２６】
本実施の形態の光センサーにおいてＰＩＮ型の電極構造としているのは、それぞれ電子、正孔の注入を阻止し、暗電流を抑えるためである。また光検出はＩ型領域１０９で行われる。
【００２７】
次に、上記のように構成された光センサーの作用を図１の部分拡大図となる図３を用いて説明する。図３は、図１の破線で示すＡ部分に相当する。
【００２８】
ポリシリコン膜１０７の傾斜部１０７ｂは、入力光２０１に対して所定の角度θで接する表層であり、図中真上方向からの入力光２０１は傾斜部１０７ｂの表面で回折する。このとき、入力光２０１の一部は反射して外部へ逃げるが、それ以外は光線２０２としてポリシリコン膜１０７の内部に入射する。この光線２０２はポリシリコン膜１０７と下地の酸化シリコン膜１０５との界面で再度反射し、光線２０３となる。光線２０３はポリシリコン膜１０７の内表面で回折し、光線２０４となる。このように、入力光２０１はポリシリコン膜１０７の内部で多重反射を繰り返すため、吸収係数の小さい長波長の光線は徐々にポリシリコン膜１０７に吸収されることになる。これにより長波長の感度が上がり、波長の短い青の領域だけでなく、波長の長い領域を含めた可視光領域（４００〜７００ｎｍ）においてバランス良く感度をもたせることが可能となる。
【００２９】
図４は、実施の形態２に係わる光センサーの概略平面図である。図４では、図１と同等部分を同一符号で示している。また、断面形状は図１とほぼ同じであるため図示を省略する。本実施の形態において、基板の表面には、断面が台形状を有する略ピラミッド型に形成された凸部１２０がマトリクス状に複数配置されている。上記構成によれば、光センサーの単位面積当たりの傾斜部の数が増えるため、入力光の内部での多重反射も多くなる。したがって、長波長の光線をポリシリコン膜１０７により多く吸収させることができるようになり、実施の形態１よりもさらに長波長の感度を上げることができる。
【００３０】
図５は、従来例と実施の形態１、実施の形態２のそれぞれの分光感度曲線を表している。従来例の感度曲線と比較すると、実施の形態１では感度領域が赤の領域まで伸びているのが明らかである。これは、図３で示したポリシリコン膜１０７内部での多重反射による効果と考えられる。また実施の形態２では、赤い領域の感度がさらに上がり、実施の形態１よりも感度領域が波長の長い領域まで広がっている。これは、光センサーの単位面積当たりの傾斜部の数が増えていることから、多重反射がさらに多く発生しているためと考えられる。
【００３１】
図６は、実施の形態３に係わる光センサーの概略平面図である。図６では、図１と同等部分を同一符号で示している。また、断面形状は図１とほぼ同じであるため図示を省略する。本実施の形態において、基板の表面には、断面が半円形状を有する略半球型に形成された凸部１３０がマトリクス状に複数配置されている。上記構成においては、光センサーの単位面積当たりの傾斜部の面積を増やすことができるため、長波長の光線をポリシリコン膜１０７にさらに多く吸収させることができるようになり、上記実施の形態１、２よりもさらに長波長の感度を上げることができる。
【００３２】
図７は、実施の形態４に係わる光センサーの概略断面図であり、図１と同等部分を同一符号で示している。本実施の形態では、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜１０４の下に金属膜からなる反射膜１１８を形成している。上記構成によれば、ポリシリコン膜１０７の下面から抜ける光線が減り、多重反射の損失が少なくなるため、長波長の光線をポリシリコン膜１０７により多く吸収させることができる。
【００３３】
図８は、実施の形態５に係わる光センサーの概略断面図であり、図１と同等部分を同一符号で示している。本実施の形態では、ポリシリコン膜１０７の上に反射防止膜１１９を形成している。上記構成によれば、ポリシリコン膜１０７の表面で反射して外部へ逃げる光線が減るため、入力光の内部での多重反射も多くなり、長波長の光線をポリシリコン膜１０７により多く吸収させることができる。
【００３４】
図９は、実施の形態６に係わる光センサーの概略断面図であり、図７、図８と同等部分を同一符号で示している。本実施の形態では、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜１０４の下に金属膜からなる反射膜１１８を形成するとともに、ポリシリコン膜１０７の上に反射防止膜１１９を形成している。上記構成によれば、ポリシリコン膜１０７の下面から抜ける光線が減り、多重反射の損失が少なくなるとともに、ポリシリコン膜１０７の表面で反射して外部へ逃げる光線が減るため、入力光の内部での多重反射も多くなる。したがって、入力光に含まれる長波長の光線をポリシリコン膜１０７にさらに多く吸収させることができる。
【００３５】
なお、図７〜図９に示す各実施の形態は、図２の電極構造だけでなく、図４や図６の電極構造にも適用することができる。
【００３６】
次に、本実施の形態に係わる光センサーの製造方法について説明する。ここでは、実施の形態１を例とする。
【００３７】
図１０及び図１１は、光センサーの製造プロセスを示す概略断面図であり、図１と同等部分には同一符号を付している。以下、図１０（ａ）〜（ｅ）から、図１１（ｆ）〜（ｈ）の順に説明する。
【００３８】
（ａ）ガラス基板１０１上にプラズマＣＶＤ装置により、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜１０２を約０．５μｍ形成する。
【００３９】
（ｂ）酸化シリコン膜１０２の上にレジスト１０３で線幅及び線間が２μｍで長さ３０μｍの棒状パターンを形成する。この棒状パターンは断面が台形状を有するものである。
【００４０】
（ｃ）ドライエッチング装置によりリアクティブイオンエッチングを行い、酸化シリコン膜１０２に凹凸を施し（凸部を形成）、その後レジスト１０３の残さを除去する。
【００４１】
（ｄ）（ｃ）で得られた基板１０１を洗浄し、再度プラズマＣＶＤ装置に入れ、下地となるガラス基板からのアルカリイオンの発生を防止するためのシリコン窒化（ＳｉＮ）膜１０４、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜１０５及びアモルファスシリコン膜１０６を連続積層する。例えば膜厚はそれぞれ、１５０ｎｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍとする。この後、加熱炉に入れ約５００度で１時間加熱しアモルファスシリコン膜１０６の脱水素化処理を行う。
【００４２】
（ｅ）希フッ酸でアモルファスシリコン膜１０６の表面酸化膜を除去した後、エキシマレザーを当ててアモルファスシリコン膜１０６を溶融固化することによりポリシリコン膜１０７に変える。この後ポリシリコン膜１０７を長さ約３０μｍ程度、幅約２０μｍ程度にエッチングし、１個の光センサーとする。この状態の平面図も併せて示す。図に示す様にポリシリコン膜１０７は棒状パターンが形成された領域内に作られる。
【００４３】
（ｆ）次にレジストパターニングを施し、イオンシャワー装置でＰＨ３ガスあるいはＢ２Ｈ６ガスを用いてイオンを打ち込み、ポリシリコン膜１０７をそれぞれＰ型領域１０８、Ｉ型領域１０９、Ｎ型領域１１０に分割する。この後レジストを除去する。光検出はＩ型領域１０９で行われる。
【００４４】
（ｇ）打ち込んだイオンを活性化するために、再度約５００度の温度で、約１時間真空熱処理を行う。次に、パシベーション膜として酸化シリコン膜１１１を約０．７μｍ積層し、Ｐ型領域１０８及びＮ型領域１１０にコンタクトホール１１２、１１３をそれぞれ設ける。
【００４５】
（ｈ）電極１１４、１１５としては、スパッタ装置で最初Ｍｏを２５ｎｍ、次にＡｌを５００ｎｍを積層する。本実施の形態では２層構造の配線としている。前述のＭｏはオーミックコンタクトをとるためのものである。この後、電極１１４、１１５を所望の形状に加工する。その後、電極１１４、１１５に電圧１０Ｖの電圧源１１６と、電流計１１７を接続することにより、本実施の形態に示す光センサーを得ることができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ポリシリコン膜内において入力光の多重反射が繰り返し発生して、吸収係数の小さい長波長の光線をより多くポリシリコン膜に吸収させることができるため、長波長の感度を上げることができるようになり、ポリシリコン膜の膜厚が約５０ｎｍ程度でも可視光領域においてバランス良く感度を有する光センサーを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係わる光センサーの基本構成を示す概略断面図。
【図２】図１の概略平面図。
【図３】図１の破線で示すＡ部分に相当する部分拡大図。
【図４】実施の形態２に係わる光センサーの概略平面図。
【図５】従来例と実施の形態１、実施の形態２のそれぞれの分光感度曲線を示す説明図。
【図６】実施の形態３に係わる光センサーの概略平面図。
【図７】実施の形態４に係わる光センサーの概略断面図。
【図８】実施の形態５に係わる光センサーの概略断面図。
【図９】実施の形態６に係わる光センサーの概略断面図。
【図１０】（ａ）〜（ｅ）は光センサーの製造プロセスを示す概略断面図。
【図１１】（ｆ）〜（ｈ）は光センサーの製造プロセスを示す概略断面図。
【図１２】従来例によるＰＩＮ型光センサーの基本構成を示す概略断面図。
【図１３】従来例によるＰＩＮ型光センサーの分光感度曲線を示す説明図。
【符号の説明】
１０１…（ガラス）基板
１０２…凸部（酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜）
１０３…レジスト
１０４…シリコン窒化（ＳｉＮ）膜膜
１０５…酸化シリコン（ＳｉＯｘ）膜
１０６…アモルファスシリコン膜
１０７…ポリシリコン膜
１０７ａ…平坦部
１０７ｂ…傾斜部
１０８…Ｐ型領域
１０９…Ｉ型領域
１１０…Ｎ型領域
１１１…パッシベーション膜
１１１…酸化シリコン膜
１１２…コンタクトホール
１１４、１１５…電極
１１６…電圧源
１１７…電流計
１１８…反射膜
１１９…反射防止膜

Claims

表面に凸部が形成された基板の上層に、入力光に対して所定の角度で接する傾斜部を有するポリシリコン膜が形成され、前記ポリシリコン膜は平面的にＰＩＮ型の電極構造を有することを特徴とする光センサー。
前記凸部は断面が台形状を有する略棒型に形成され、所定間隔で複数配置されることを特徴とする請求項１に記載の光センサー。
前記凸部は断面が台形状を有する略ピラミッド型に形成され、所定間隔で複数配置されることを特徴とする請求項１に記載の光センサー。
前記凸部は断面が半円形状を有する略半球型に形成され、所定間隔で複数配置されることを特徴とする請求項１に記載の光センサー。
前記ポリシリコン膜の下層に反射膜を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光センサー。
前記ポリシリコン膜の上層に反射防止膜を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光センサー。
前記ポリシリコン膜の下層に反射膜を、上層に反射防止膜をそれぞれ有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光センサー。