JP2008166318A - フォトセンサ - Google Patents

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Abstract

【課題】 光電変換半導体薄膜上の両側に遮光性導電材料からなるソース電極およびドレイン電極が設けられたフォトセンサにおいて、光電変換半導体薄膜への光入射量を多くする。
【解決手段】 クロム等の遮光性導電材料からなるソース電極９およびドレイン電極１０の相対向する側には切欠部９ｃ、１０ｃが設けられている。これらの切欠部９ｃ、１０ｃは光透過部となるので、光電変換半導体薄膜５への真上からの光入射量のみならず斜め方向からの光入射量をも多くすることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明はフォトセンサに関する。
従来のフォトセンサには、アモルファスシリコンからなる光電変換半導体薄膜下にボトムゲート絶縁膜を介して遮光性導電材料からなるボトムゲート電極が設けられ、光電変換半導体薄膜上にトップゲート絶縁膜を介して透光性導電材料からなるトップゲート電極が設けられ、トップゲート絶縁膜下における光電変換半導体薄膜の上面両側にｎ型アモルファスシリコンからなる一対のオーミックコンタクト層を介して遮光性導電材料からなるソース電極およびドレイン電極が設けられたものがある（例えば、特許文献１参照）。この場合、ソース電極およびドレイン電極の相対向する端面は平行し、その間の間隔がチャネル長となっている。
特開平８−２１３５８４号公報
しかしながら、上記従来のフォトセンサでは、光電変換半導体薄膜の上面両側に一対のオーミックコンタクト層を介して遮光性導電材料からなるソース電極およびドレイン電極が設けられ、ソース電極およびドレイン電極の相対向する端面が平行しているので、ソース電極およびドレイン電極の相対向する平行な端部が光電変換半導体薄膜への、特に、斜め方向からの光入射を遮り、十分な光感度（明電流／暗電流）を確保することができないという問題があった。
そこで、この発明は、光電変換半導体薄膜への光入射量を多くすることができるフォトセンサを提供することを目的とする。
請求項１に記載の発明は、光電変換半導体薄膜の上面両側に一対のオーミックコンタクト層を介して遮光性導電材料からなるソース電極およびドレイン電極が設けられたフォトセンサにおいて、前記ソース電極および前記ドレイン電極の相対向する側に切欠部が設けられていることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記一対のオーミックコンタクト層は、前記光電変換半導体薄膜の上面中央部に設けられたチャネル保護膜の上面両側およびその両側における前記光電変換半導体薄膜の上面に設けられていることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ソース電極および前記ドレイン電極の切欠部は複数で等間隔に設けられていることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記ソース電極および前記ドレイン電極の切欠部のチャネル幅方向の寸法はチャネル長以下であることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記ソース電極および前記ドレイン電極の切欠部のチャネル幅方向の寸法は前記ソース電極の切欠部以外の部分と前記ドレイン電極の切欠部以外の部分との間の間隔と同じであることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記ソース電極および前記ドレイン電極の切欠部に対応する部分における前記一対のオーミックコンタクト層および前記光電変換半導体薄膜に切欠部が設けられていることを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記ソース電極および前記ドレイン電極の切欠部に対応する部分に前記一対のオーミックコンタクト層および前記光電変換半導体薄膜が設けられていることを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明は、請求項６または７に記載の発明において、前記ソース電極および前記ドレイン電極の相対向する側とは反対側の端面は前記光電変換半導体薄膜の同方向の両端面の外側に配置されていることを特徴とするものである。
請求項９に記載の発明は、請求項６または７に記載の発明において、前記一対のオーミックコンタクト層および前記光電変換半導体薄膜は前記ソース電極および前記ドレイン電極下の全体に設けられていることを特徴とするものである。
この発明によれば、遮光性導電材料からなるソース電極およびドレイン電極の相対向する側に切欠部を設けているので、当該切欠部が光透過部となり、光電変換半導体薄膜への真上からの光入射量のみならず斜め方向からの光入射量をも多くすることができる。
（第１実施形態）
図１はこの発明の第１実施形態としてのフォトセンサの透過平面図を示し、図２（Ａ）は図１のIIA−IIA線に沿う断面図を示し、図２（Ｂ）は図１のIIB−IIB線に沿う断面図を示す。このフォトセンサはガラス等からなる基板１を備えている。基板１の上面にはクロム等からなる帯状のゲート電極２および該ゲート電極２に接続されたゲートライン３が設けられている。
ゲート電極２およびゲートライン３を含む基板１の上面には窒化シリコン等からなるゲート絶縁膜４が設けられている。ゲート電極２上におけるゲート絶縁膜４の上面には真性アモルファスシリコンからなる光電変換半導体薄膜５が設けられている。光電変換半導体薄膜５の平面形状については後で説明する。
光電変換半導体薄膜５の上面のチャネル長Ｌ方向の中央部には窒化シリコン等からなる帯状のチャネル保護膜６が設けられている。チャネル保護膜６の上面のチャネル長Ｌ方向の両側およびその両側における光電変換半導体薄膜５の上面にはｎ型アモルファスシリコンからなるオーミックコンタクト層７、８が設けられている。オーミックコンタクト層７、８の平面形状については後で説明する。
オーミックコンタクト層７、８の各上面およびその各近傍のゲート絶縁膜４の上面にはクロム等からなるソース電極９およびドレイン電極１０が設けられている。ソース電極９およびドレイン電極１０の平面形状については後で説明する。ゲート絶縁膜４の上面の各所定の箇所にはクロム等からなるソースライン１１およびドレインライン１２がソース電極９およびドレイン電極１０に接続されてが設けられている。チャネル保護膜６、ソース電極９、ドレイン電極１０、ソースライン１１およびドレインライン１２を含むゲート絶縁膜４の上面には窒化シリコン等からなるオーバーコート膜１３が設けられている。
次に、ソース電極９およびドレイン電極１０の平面形状について説明する。図１に示すように、ソース電極９およびドレイン電極１０は、帯状部９ａ、１０ａの相対向する側に複数の方形状の突出部９ｂ、１０ｂが等間隔に設けられ、突出部９ｂ、９ｂ間および突出部１０ｂ、１０ｂ間に方形状の切欠部９ｃ、１０ｃが設けられた構造となっている。
次に、光電変換半導体薄膜５の平面形状について説明する。光電変換半導体薄膜５は、図３に示すように、図１に示す帯状のチャネル保護膜６下に設けられた帯状部５ａ（図２（Ｂ）参照）のチャネル長Ｌ方向両側に複数の方形状の突出部５ｂ、５ｃが等間隔に設けられ、突出部５ｂ、５ｂ間および突出部５ｃ、５ｃに方形状の切欠部５ｄ、５ｅが設けられた構造となっている。
この場合、切欠部５ｄ、５ｅは、図１に示すソース電極９およびドレイン電極１０の切欠部９ｃ、１０ｃと対応する位置に設けられている。突出部５ｂ、５ｃは、図１に示すソース電極９およびドレイン電極１０の突出部９ｂ、１０ｃと対応する位置に設けられている。
また、切欠部５ｄ、５ｅの部分における光電変換半導体薄膜５の両端面は、図１に示すチャネル保護膜６のチャネル長Ｌ方向の両端面と同一の位置となっている（図２（Ｂ）参照）。突出部５ｂ、５ｃの部分における光電変換半導体薄膜５のチャネル長Ｌ方向の右端面および左端面は、図１に示す切欠部９ｃ、１０ｃの部分におけるソース電極９の左端面およびドレイン電極１０の右端面と同一の位置となっている。したがって、ソース電極９およびドレイン電極１０の相対向する側とは反対側の端面は光電変換半導体薄膜５の同方向の両端面の外側に配置されている。
次に、オーミックコンタクト層７、８の平面形状について説明する。オーミックコンタクト層７、８は、図４に示すように、複数の方形状部７ａ、８ａがチャネル幅Ｗ方向に等間隔に設けられ、方形状部７ａ、７ａ間および方形状部８ａ、８ａに方形状の切欠部７ｂ、８ｂが設けられた構造となっている。
この場合、切欠部７ｂ、８ｂは、図１に示すソース電極９およびドレイン電極１０の切欠部９ｃ、１０ｃと同一の位置に設けられている。方形状部７ａ、８ａは、図１に示すソース電極９およびドレイン電極１０の突出部９ｂ、１０ｂ下にのみ設けられている。
以上のように、このフォトセンサでは、クロム等の遮光性導電材料からなるソース電極９およびドレイン電極１０の相対向する側に切欠部９ｃ、１０ｃを設け、これと同じ箇所におけるオーミックコンタクト層７、８および光電変換半導体薄膜５に切欠部７ｂ、８ｂおよび切欠部５ｄ、５ｅを設けているので、これらの切欠部が光透過部となり、光電変換半導体薄膜５への真上からの光入射量のみならず斜め方向からの光入射量をも多くすることができる。
ところで、図２（Ｂ）に示すように、ソース電極９およびドレイン電極１０は、切欠部５ｄ、（７ｂ）、９ｃおよび切欠部５ｅ、（８ｂ）、１０ｃに対応する部分において、光電変換半導体薄膜５に接続されていない。しかるに、突出部９ｂ、１０ｂの部分におけるソース電極９、ドレイン電極１０およびその下に設けられたオーミックコンタクト層７、８のフリンジ効果（チャネルの端部効果）により電流が回り込んで流れるため、切欠部５ｄ、５ｅの部分における光電変換半導体薄膜５にも十分な光電流を流すことができる。
ただし、切欠部５ｄ、７ｂ、９ｃおよび切欠部５ｅ、８ｂ、１０ｃのチャネル幅Ｗ方向の寸法Ｗ２が大きくなると、フリンジ効果で流れる電流が減少するため、光電変換半導体薄膜５の切欠部の幅Ｗ２はチャネル長Ｌ以下である方が好ましい。通常、図１におけるソース電極９とドレイン電極１０のチャネル長方向の間隔Ｌ１は、ソース電極９とドレイン電極１０をパターニングする際のエッチング加工が可能な最小寸法程度にする。
光電変換半導体薄膜５の切欠部のチャネル幅方向の寸法Ｗ２も、上述のフリンジ効果を十分に得るためには、限定する訳ではないが、やはり、光電変換半導体薄膜５をパターニングする際のエッチング加工が可能な最小寸法程度とすることが望ましい。従って、光電変換半導体薄膜５の切欠部のチャネル幅方向の寸法Ｗ２と、ソース電極９とドレイン電極１０のチャネル長方向の間隔Ｌ１は、共に最小加工寸法となり、換言すれば、同一寸法となる。
次に、実験例について説明する。まず、フォトセンサとして、図１〜図４に示すように、チャネル幅Ｗが２００００μｍであり、ソース電極９およびドレイン電極１０の突出部９ｂ、１０ｂのチャネル幅Ｗ方向の寸法Ｗ１が６μｍであり、切欠部５ｄ、５ｅのチャネル幅方向の寸法Ｗ２が４μｍであり、チャネル長Ｌが９μｍであり、間隔Ｌ１が４μｍであるものを用意した（以下、本発明品という）。
また、比較のために、図１〜図４に示すフォトセンサを参照して説明すると、光電変換半導体薄膜５、オーミックコンタクト層７、８、ソース電極９およびドレイン電極１０に切欠部５ｄ、５ｅ、７ｂ、８ｂ、９ｃ、１０ｃが形成されていないものを用意した（以下、比較品という）。
すなわち、この比較品においては、ソース電極及びドレイン電極は、図１を参照して説明すると、チャネル長Ｌ方向の寸法が突出部９ｂ、１０ｂの部分におけるソース電極９およびドレイン電極１０の同方向の寸法と同じである単なる帯状のものからなっている。光電変換半導体薄膜は、図３を参照して説明すると、チャネル長Ｌ方向の寸法が突出部５ｂ、５ｃの部分における光電変換半導体薄膜５の同方向の寸法と同じである単なる帯状のものからなっている。一対のオーミックコンタクト層は、図４を参照して説明すると、チャネル長Ｌ方向の寸法が方形状部７ａ、８ａの同方向の寸法と同じである単なる帯状のものからなっている。
さて、本発明品および比較品について、ソース電圧０Ｖ、ドレイン電圧１０Ｖとして、光強度（照度、０ｌｘ、１００ｌｘ、１０００ｌｘ、１００００ｌｘ、１０００００ｌｘ）に対するＶｇ−Ｉｄ特性を調べたところ、図５（本発明品）および図６（比較品）に示す結果が得られた。そして、図５および図６に基づいて、ソース電圧０Ｖ、ドレイン電圧１０Ｖ、ゲート電圧マイナス１０Ｖとして、光強度（照度）に対するオフ電流を求めたところ、図７に示す結果が得られた。図７において、実線は本発明品であり、点線は比較品である。
図７から明らかなように、実線で示す本発明品では、暗電流（０ｌｘ）の値が点線で示す比較品とほとんど同じであるが、明電流（１００〜１００００ｌｘ）の値が点線で示す比較品と比較して約１桁増大している。したがって、本発明品では、比較品と比較して光感度（明電流／暗電流）が約１桁向上していると言える。
（第２実施形態）
図８はこの発明の第２実施形態としてのフォトセンサの透過平面図を示し、図９（Ａ）は図８のIXA−IXA線に沿う断面図を示し、図９（Ｂ）は図８のIXB−IXB線に沿う断面図を示し、図１０は図８および図９に示す光電変換半導体薄膜の平面図を示し、図１１は図８および図９に示すオーミックコンタクト層の平面図を示す。
このフォトセンサにおいて、図１〜図４に示すフォトセンサと異なる点は、ソース電極９およびドレイン電極１０下の全体にオーミックコンタクト層７、８および光電変換半導体薄膜５を設けた点である。すなわち、光電変換半導体薄膜５は、図１０に示すように、図３に示す帯状部５ａよりも幅広の帯状部５ａの所定の２列に複数の方形孔からなる切欠部５ｄ、５ｅが等間隔に設けられた構造となっている。オーミックコンタクト層７、８は、図１１に示すように、図８に示すソース電極９およびドレイン電極１０と同じ平面形状となっている。なお、ソースライン１１およびドレインライン１２は、下から順に、真性アモルファスシリコン膜、ｎ型アモルファスシリコン膜およびクロム等の金属膜の３層構造となる。
（第３実施形態）
図１２はこの発明の第３実施形態としてのフォトセンサの透過平面図を示し、図１３（Ａ）は図１２のXIIIA−XIIIA線に沿う断面図を示し、図１３（Ｂ）は図１２のXIIIB−XIIIB線に沿う断面図を示し、図１４は図１２および図１３に示す光電変換半導体薄膜の平面図を示し、図１５は図１２および図１３に示すオーミックコンタクト層の平面図を示す。
このフォトセンサにおいて、図１〜図４に示すフォトセンサと異なる点は、特に、図１４に示すように、光電変換半導体薄膜５を単なる帯状とし、且つ、図１５に示すように、オーミックコンタクト層７、８を単なる帯状とした点である。すなわち、光電変換半導体薄膜５およびオーミックコンタクト層７、８には切欠部は設けられておらず、ソース電極９およびドレイン電極１０のみに切欠部９ｃ、１０ｃが設けられている。
（その他の実施形態）
上記実施形態では、チャネル長Ｌを９μｍとし、これに対し、チャネル幅Ｗを２００００μｍとかなり大きくした場合について説明したが、これに限らず、チャネル幅Ｗを小さくしてもよい。チャネル幅Ｗを小さくした場合には、ソース電極およびドレイン電極等に設ける切欠部の数は１個あるいは数個としてもよい。
また、上記実施形態では、チャネル保護膜６を有するチャネル保護膜型について説明したが、これに限らず、チャネル保護膜６を有しないチャネルエッチ型にも適用することができる。この場合、チャネル長Ｌを確保するには、ソース電極９およびドレイン電極１０の突出部９ｂ、１０ｂの相対向する端面間の間隔をチャネル長Ｌとなるようにすればよい。
この発明の第１実施形態としてのフォトセンサの透過平面図。 （Ａ）は図１のIIA−IIA線に沿う断面図、（Ｂ）は図１のIIB−IIB線に沿う断面図。 図１および図２に示す光電変換半導体薄膜の平面図。 図１および図２に示すオーミックコンタクト層の平面図。 本発明品の光強度（照度）に対するＶｇ−Ｉｄ特性を示す図。 比較品の光強度（照度）に対するＶｇ−Ｉｄ特性を示す図。 図５および図６から求めた本発明品および比較品の光強度（照度）に対するオフ電流特性を示す図。 この発明の第２実施形態としてのフォトセンサの透過平面図。 （Ａ）は図８のIXA−IXA線に沿う断面図、（Ｂ）は図８のIXB−IXB線に沿う断面図。 図８および図９に示す光電変換半導体薄膜の平面図。 図８および図９に示すオーミックコンタクト層の平面図。 この発明の第３実施形態としてのフォトセンサの透過平面図。 （Ａ）は図１２のXIIIA−XIIIA線に沿う断面図、（Ｂ）は図１２のXIIIB−XIIIB線に沿う断面図。 図１２および図１３に示す光電変換半導体薄膜の平面図。 図１２および図１３に示すオーミックコンタクト層の平面図。
符号の説明
１ 基板
２ ゲート電極
３ ゲートライン
４ ゲート絶縁膜
５ 光電変換半導体薄膜
５ａ 帯状部
５ｂ、５ｃ 突出部
５ｄ、５ｅ 切欠部
６ チャネル保護膜
７、８ オーミックコンタクト層
７ａ、８ａ 方形状部
７ｂ、８ｂ 切欠部
９ ソース電極
１０ ドレイン電極
９ａ、１０ａ 帯状部
９ｂ、１０ｂ 突出部
９ｃ、１０ｃ 切欠部
１１ ソースライン
１２ ドレインライン
１３ オーバーコート膜

Claims (9)

  1. 光電変換半導体薄膜の上面両側に一対のオーミックコンタクト層を介して遮光性導電材料からなるソース電極およびドレイン電極が設けられたフォトセンサにおいて、前記ソース電極および前記ドレイン電極の相対向する側に切欠部が設けられていることを特徴とするフォトセンサ。
  2. 請求項１に記載の発明において、前記一対のオーミックコンタクト層は、前記光電変換半導体薄膜の上面中央部に設けられたチャネル保護膜の上面両側およびその両側における前記光電変換半導体薄膜の上面に設けられていることを特徴とするフォトセンサ。
  3. 請求項１に記載の発明において、前記ソース電極および前記ドレイン電極の切欠部は複数で等間隔に設けられていることを特徴とするフォトセンサ。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記ソース電極および前記ドレイン電極の切欠部のチャネル幅方向の寸法はチャネル長以下であることを特徴とするフォトセンサ。
  5. 請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記ソース電極および前記ドレイン電極の切欠部のチャネル幅方向の寸法は前記ソース電極の切欠部以外の部分と前記ドレイン電極の切欠部以外の部分との間の間隔と同じであることを特徴とするフォトセンサ。
  6. 請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記ソース電極および前記ドレイン電極の切欠部に対応する部分における前記一対のオーミックコンタクト層および前記光電変換半導体薄膜に切欠部が設けられていることを特徴とするフォトセンサ。
  7. 請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記ソース電極および前記ドレイン電極の切欠部に対応する部分に前記一対のオーミックコンタクト層および前記光電変換半導体薄膜が設けられていることを特徴とするフォトセンサ。
  8. 請求項６または７に記載の発明において、前記ソース電極および前記ドレイン電極の相対向する側とは反対側の端面は前記光電変換半導体薄膜の同方向の両端面の外側に配置されていることを特徴とするフォトセンサ。
  9. 請求項６または７に記載の発明において、前記一対のオーミックコンタクト層および前記光電変換半導体薄膜は前記ソース電極および前記ドレイン電極下の全体に設けられていることを特徴とするフォトセンサ。
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