JP2017208376A - 固体撮像素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図5に示すように、結晶Seを用いた従来の固体撮像素子8は、下層側から順に、信号読み出し回路基板81と、Ga2O3膜82と、下地膜83と、結晶Se膜84と、ITO膜85と、を備える。この固体撮像素子8では、ITO膜85側から光が入射される。信号読み出し回路基板81には図示しない下部電極が設けられ、この下部電極とITO膜85とに電源が接続される。この信号読み出し回路基板81により、光電変換部としての結晶Se膜84から発生したキャリアは、画素毎にキャリアに応じた電圧に変換されて増幅器で増幅され、外部の電子機器の信号処理部に送信される。
先ず、信号読み出し回路基板81上に、Ga2O3膜82をスパッタ法やPLD(パルスレーザー蒸着)法等で成膜する。次いで、下地膜(例えばTe膜)83を極めて薄く蒸着した後、アモルファスSe膜を蒸着する。そして、例えば200℃程度で加熱することによりアモルファスSe膜を結晶化させて結晶Se膜84を成膜した後、ITO膜85をスパッタ法等により成膜する。以上により、固体撮像素子8が製造される。
第一に、入射した光は、空乏層に到達する前に結晶Se膜84中で減衰するため、感度を十分に大きくできない。すなわち、空乏層以外の部分である結晶Se膜84中で吸収された光はキャリアを発生させるが、すぐに再結合して光の検出には寄与できないため、十分な感度が得られない。
図6に示すように、CIGSを用いた従来の固体撮像素子9は、下層側から順に、信号読み出し回路基板91と、CIGS膜92と、Ga2O3膜93と、ITO膜94と、を備える。この固体撮像素子9では、ITO膜94側から光が入射される。
先ず、信号読み出し回路基板91上に、CIGS膜92をスパッタ法やMBE(分子線エピタキシー)法、多元蒸着法等で成膜する。次いで、Ga2O3膜93をスパッタ法やPLD法等で成膜した後、ITO膜をスパッタ法等により成膜する。以上により、固体撮像素子9が製造される。
さらには、下地膜を用いる必要が無いため、上述の第三の課題は生じず、暗電流が増加することもない。
図1は、本発明の第1実施形態に係る固体撮像素子1の断面模式図である。
図1に示すように、本実施形態に係る固体撮像素子1は、下層側から順に、信号読み出し回路基板11と、下地膜12と、結晶Se膜13と、金属酸化物膜14と、ITO膜15と、透明基板16と、を備える。なお、信号読み出し回路基板11とITO膜15には、電源17が接続される。
図2は、本実施形態に係る固体撮像素子1の製造工程を示す図である。本実施形態に係る固体撮像素子1の製造方法は、第1アモルファスSe膜形成工程と、金属酸化物膜形成工程と、第2アモルファスSe膜形成工程と、接合工程と、結晶化工程と、を有する。
なお、第1アモルファスSe膜13aの膜厚は、結晶Se膜13の膜厚の半分であることが好ましく、後述の第2アモルファスSe膜形成工程で成膜する第2アモルファスSe膜13bの膜厚と略同一であることが好ましい。
次いで、金属酸化物膜14上に、例えば真空蒸着法により膜厚10nm〜500nmの第2アモルファスSe膜13bを成膜する(第2アモルファスSe膜形成工程)。
なお、第2アモルファスSe膜13bの膜厚は、結晶Se膜13の膜厚の半分であることが好ましく、上述の第1アモルファスSe膜形成工程で成膜する第1アモルファスSe膜13aの膜厚と略同一であることが好ましい。
本実施形態に係る固体撮像素子1は、信号読み出し回路基板11と、信号読み出し回路基板11上に配置され、結晶Seからなる結晶Se膜13と、結晶Se膜13上に配置され、金属酸化物からなる金属酸化物膜14と、を備える。
また、信号読み出し回路基板11と結晶Se膜13との間に配置され、Te、Bi及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種からなる下地膜12を備える。
また、構造上、キャリアのうち正孔が電源17に接続された信号読み出し回路基板11側に向かって結晶Se膜13中を走行し、効率良く信号として読み出すことができる。また、正孔が空乏層側から信号読み出し回路基板11側に向かって走行する際に、結晶Se膜13中のSe原子に衝突することで、正孔が増倍される所謂キャリア増倍作用が生じる。この点、従来公知のアモルファスSe膜では、このような増倍作用を得るためには高電圧を印加する必要があり、耐電圧の観点から通常の読み出し回路基板の使用は不可能であったところ、結晶Se膜13であれば低電圧の印加でキャリア増倍作用が生じるため、通常の読み出し回路基板を用いつつ、感度を向上できる。
また、従来のように結晶Se膜84とGa2O3膜82との境界の空乏層に隣接して下地膜が配置されることがないため、下地膜が結晶Se膜内で不純物として振る舞い暗電流が増加することも無い。
これにより、結晶Se膜13は、下地膜12側の表面及び金属酸化物膜14側の表面いずれも、従来の結晶Se膜と比べてより平滑化されている。膜の厚みが部分的に異なる膜に対して電圧を印加すると、電位V/距離d(結晶Se膜の膜厚)で表される膜中の電界Eが不均一となり、取得する画像に固定ノイズパターンが含まれてしまうところ、本実施形態によれば、膜厚が均一で電界Eが均一化されているため、ノイズが低減され、感度がさらに向上している。
本実施形態に係る固体撮像素子1の製造方法によれば、上述の効果が確実に得られる。
そして、信号読み出し回路基板11と第1アモルファスSe膜13aとの間に、下地膜12を形成する下地膜形成工程をさらに有する。
これにより、上述の効果がより確実に得られる。
図3は、本発明の第2実施形態に係る固体撮像素子2の断面模式図である。
図3に示すように、本実施形態に係る固体撮像素子2は、第1実施形態に係る固体撮像素子1と比べて、金属酸化物膜14の代わりに金属酸化物基板24を用いる点と、透明基板16を備えていない点と、上部電極としてITO膜15の代わりにAu/Ti膜26を用いる点が相違する以外は同一の構成である。
図4は、本実施形態に係る固体撮像素子2の製造工程を示す図である。本実施形態に係る固体撮像素子2の製造方法は、第1アモルファスSe膜形成工程と、第2アモルファスSe膜形成工程と、接合工程と、結晶化工程と、を有する。
次いで、Au/Ti膜26及びITO膜25を形成した側とは反対側の金属酸化物基板24上に、例えば真空蒸着法により膜厚10nm〜500nmの第2アモルファスSe膜23bを成膜する。
上述の第1実施形態に係る固体撮像素子1を製造した。製造手順は、上述の第1実施形態に係る固体撮像素子1の製造手順に従った。
具体的には、先ず、信号読み出し回路基板上に、真空蒸着により膜厚0.01nmのTe膜を成膜した。次いで、該Te膜上に、真空蒸着により膜厚250nmの第1アモルファスSe膜を成膜した。
次いで、該Ga2O3膜上に、真空蒸着法により膜厚250nmの第2アモルファスSe膜を成膜した。
以上により、上述の第1実施形態に係る固体撮像素子1を得た。
上述の第2実施形態に係る固体撮像素子2を製造した。製造手順は、上述の第2実施形態に係る固体撮像素子2の製造手順に従った。
具体的には、先ず、信号読み出し回路基板上に、真空蒸着により膜厚0.01nmのTe膜を成膜した。次いで、該Te膜上に、真空蒸着により膜厚250nmの第1アモルファスSe膜を成膜した。
次いで、Au/Ti膜及びITO膜を形成した側とは反対側のGa2O3単結晶基板上に、真空蒸着法により膜厚250nmの第2アモルファスSe膜を成膜した。
以上により、上述の第2実施形態に係る固体撮像素子2を得た。
実施例1及び実施例2で得た各固体撮像素子について、感度の評価を実施した。
比較例として、上述の図6に示した構造の固体撮像素子において、下層側のp型半導体膜として結晶Se膜を用い、上層側のn型半導体膜として低温の350℃で成膜したGa2O3膜を用いたものを作製して評価した。その結果、実施例1及び実施例2の固体撮像素子におけるGa2O3膜は、比較例の固体撮像素子におけるGa2O3膜と比べて、緑色に相当する550nmにおける透過率が約9.5倍高いことが分かった。従って、実施例1及び実施例2の固体撮像素子は、キャリアの増倍作用も加わることで、比較例の固体撮像素子よりも10倍以上高い感度を有することが確認された。
11,21 信号読み出し回路基板(信号読み出し回路を有する基板)
12,22 下地膜
13,23 結晶Se膜
13a,13b 第1アモルファスSe膜
23a,23b 第2アモルファスSe膜
14 金属酸化物膜
15,25 ITO膜
16 透明基板
17,27 電源
24 金属酸化物基板
Claims (6)
- 信号読み出し回路を有する基板と、
前記基板上に配置され、結晶Seからなる結晶Se膜と、
前記結晶Se膜上に配置され、金属酸化物からなる金属酸化物膜又は金属酸化物基板と、を備える固体撮像素子。 - 前記金属酸化物は、Ga2O3である請求項1に記載の固体撮像素子。
- 前記基板と前記結晶Se膜との間に配置され、Te、Bi及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種からなる下地膜と、を備える請求項1又は2に記載の固体撮像素子。
- 信号読み出し回路を有する基板上に形成された第1アモルファスSe膜と、金属酸化物膜又は金属酸化物基板上に形成された第2アモルファスSe膜と、を加圧接合した後に結晶化させて得られた結晶Se膜を備える固体撮像素子。
- 固体撮像素子の製造方法であって、
信号読み出し回路を有する基板上に第1アモルファスSe膜を形成する第1アモルファスSe膜形成工程と、
金属酸化物膜又は金属酸化物基板上に第2アモルファスSe膜を形成する第2アモルファスSe膜形成工程と、
前記基板上に形成された第1アモルファスSe膜と、前記金属酸化物膜又は金属酸化物基板上に形成された第2アモルファスSe膜と、を加圧接合する接合工程と、
前記加圧接合されたアモルファスSe膜を結晶化して結晶Se膜を形成する結晶化工程と、を有する固体撮像素子の製造方法。 - 前記基板と前記第1アモルファスSe膜との間に、Te、Bi及びSbからなる群より選ばれる少なくとも1種からなる下地膜を形成する下地膜形成工程をさらに有する請求項5に記載の固体撮像素子の製造方法。
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