JP2601475B2 - 光電変換装置の作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光電変換装置の作製方法に係り、特に絶縁層
と、この絶縁層に接して設けられた光導電性半導体層
と、この光導電性半導体層に接して設けられた第一電極
および第二電極と、前記絶縁層に接して設けられた第三
電極と、からなる光電変換部を有する光電変換装置の作
製方法に関する。

本発明は、例えばファクシミリ、イメージスキャナ等
の画像読み取りに用いられる光電変換装置の作製方法に
好適に用いられる光電変換装置の作製方法に好適に用い
られるものである。

［従来技術］ 従来から、ファクシミリやデジタル複写機やイメージ
リーダ等の画像情報処理装置において、光電変換素子と
してフォトセンサが利用されてきた。特に近年において
はフォトセンサを一次元に配置して長尺ラインセンサを
形成し、これを用いて高感度な画像読取装置において用
いられるフォトセンサとして、非晶質シリコン（以下、
ａ−Si:Hと記す）薄膜半導体が用いられる。この薄膜半
導体を用いたフォトセンサには、大きく分けてフォトダ
イオード型及び光導電型の二種類がある。

フォトダイオード型では、電極間に逆バイヤス電圧が
印加されているために、光によって発生した電子・正孔
対が各々の両電極に到達して一次光電流が流れるのみで
あり、それ以上電極からキャリアは注入されない。

これに対して、光導電型では、電子又は正孔が電極か
ら注入可能であるために、半導体内の電子又は正孔の密
度が十分に高くなり、電極間に電圧を印加することによ
ってフォトダイオード型に比べて遥かに大きな出力電流
（二次光電流）を得ることができる。

第17図は従来の光導電型センサを示す概略的構成図で
ある。

同図において、ガラス又はセラミック等の絶縁物基板
１上には、光導電層としてのCdS・Seやａ−Si:H等の半
導体層２が形成され、更にオーミックコンタクト用のド
ーピング半導体層３および３′を介して一対の電極４お
よび４′が形成されている。ただし、電極から半導体層
２へ注入されるキャリアが電子であれば、ドーピング半
導体層３および３′はｎ型、正孔であればｐ型である。

このような構成において、基板１側（基板１が透明な
場合）又は電極４および４′側から孔が入射すると、電
極４および４′間の半導体層２内には光励起によって電
導に寄与する電子又は正孔の密度が高くなる。したがっ
て、図示されるように電極４および４′間に電圧を印加
しておけば、光入射によって大きな二次光電流が信号電
流として流れ、図示されていない負荷抵抗の両端から大
きな出力を得ることができる。

さらに光電流を安定化させ、光電流の照度依存の直線
性向上の為に、センサ部に補助電極を設ける構成が本出
願人らによって提案されている。

第18図は、改良型の光導電型センサおよびその駆動方
法についての概略を説明するための基本構成図である。

同図において、透明又は不透明の絶縁物基板１上に
は、透明又は不透明の導電層がパターンニングされてゲ
ート電極５が形成され、更にSiO_XやSiN_X等の絶縁層６が
スパッタリング法やグロー放電法によって形成されてい
る。絶縁層６上には、上述したように光導電層としての
CdS・Seやａ−Si:H等の半導体層２、ドーピング半導体
層３および３′、電極４および４′（ここではドレイン
電極４およびソース電極４′とする。）が各々形成され
ている。ただし、ここではドーピング半導体層３および
３′をｎ型で形成し、電子を注入キャリアとする場合を
示す。

このような構成の光導電型センサにおいて、図示され
ているように、電極４および４′間に直流電源７を、ソ
ース電極４′およびゲート電極５間に可変直流電源８を
各々接続する。ただし、可変直流電源８は極性も転換で
きるものとする。

第16図は上記光導電型センサのバンドプロファイルで
ある。

本センサの電極4,4′側から4,4′間に照度Ｆの光入射
されたときのセンサの光電流（Ip;4,4′間に流れる電
流）、及び光量依存の直線性（γ;Ip∞Ｆγ）を第11図
（図中破線）に図示する。（ｃ）がIp、（ｂ）がγであ
る。

この先行例では、センサ部はゲート電位（VG）が負の
状態で動作させられる。この時、第16図に示すように半
導体層（ｉ層）21はポアソンの式に従う空間電荷の分布
により、バンドは、通常半導体層21では約１μｍ程度テ
プレシヨンされる。つまり、ゲート側のｉ層21は特に強
くｐ型化される。第11図に示すようにセンサのゲート19
を負にすると、光量依存の直線性は改良されるが、光電
流は減る。これは、ｉ層21がｐ型化することによりキャ
リア（この場合は電子）の寿命が短くなり、二次光電流
のゲインＧ、即ち、 Ｇ＝μτE/L μ：電子の移動度、E:電界強度、 τ：電子の寿命、L:電極間距離 が減少し、従って光電流が減少するものと考えられる。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記の光導電型センサをラインセンサとして構成する
ために必要な光電流を得るには、半導体層の膜厚を増さ
なければならず、成膜時間が長くなるだけでなく、ゲー
ト電極を取り出すためのコンタクトホールが深くなり、
コンタクト不良が発生しやすいといった問題点を生じさ
せ、生産上不都合が生じていた。

さらに、半導体層のバンドがほぼ一様に傾斜している
為、主電極4,4′間のギャップ部表面のイオンや水分等
の影響や、ゲート絶縁膜との界面での深い界面順位への
トラップ等の影響を強く受けるこうしたことへのパッシ
ベーションや界面形成条件等が極めてシビアであるとい
う問題点があった。

また、光導電性半導体層をａ−Si:Hとした場合、特有
の構造変化（ステブラー・ロンスキー効果）のために光
電流Ipが時間とともに減少する問題点があり、加えて非
晶質の絶縁膜（例えば、窒化シリコン膜）上にａ−Si:H
を形成すると、窒化シリコン膜/a−Si:H膜界面に、界面
準位が形成されやすく、TFT型光センサを動作状態に保
つと、時間とともにキャリアが、この界面準位に蓄積さ
れてゆき、その結果TFTの動作上のパラメータ、スレシ
ュホールド電圧Vthが時間的に変化し、それにともない
暗電流Idが時間的に変化する問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、その目的
は、二次光電流を信号として取り出す光導電型センサ
で、制御電極として、ゲート電極を設けたTFT（薄膜ト
ランジスタ）型センサの光電流を増加させ、表面・界面
の影響を受けにくい安定した光電変換装置を提供し、さ
らには、光導電型光センサでは遅いとされている光応答
性を改善した光電変換装置の作製方法を提供することに
ある。

［発明を解決するための手段］ 上記の問題点は、絶縁層と、この絶縁層に接して設け
られた光導電性半導体層と、この光導電性半導体層に接
して設けられた第一電極および第二電極と、前記絶縁層
に接して設けられた第三電極と、からなる光電変換部を
有する光電変換装置の作製方法において、 核形成密度の小さい非核形成面に隣接して該絶縁層の
表面の一部に、該絶縁層よりも核形成密度が高くかつ成
長して単結晶になる核が唯一形成されるに十分微細な非
晶質の材料からなる核形成面を設けること、 気相成長により該非晶質の材料からなる核形成面上に
形成された核を成長させて単結晶の第１の半導体領域を
形成すること、 該第１の半導体領域上に前記第１の半導体領域と光学
的バンドギャップの異なる第２の半導体領域を形成する
こと、 該第２の半導体領域上に前記第１の半導体領域と同じ
材料の第３の半導体領域を形成すること、 によって前記光導電性半導体層を形成する工程を有する
本発明の光電変換装置の作製方法によって解決される。

［作用］ 本発明は、核形成密度の小さい非核形成面に隣接して
絶縁層の表面の一部に、該絶縁層よりも核形成密度が高
くかつ成長して単結晶になる核が唯一形成されるに十分
微細な非晶質の材料からなる核形成面を設け、気相成長
により該非晶質の材料からなる核形成面上に形成された
核を成長させて単結晶を形成することで、絶縁層上に直
接気相成長により半導体単結晶を形成し、さらに、この
半導体単結晶を用いて光導電性半導体層を形成すること
で光電流、応答性等の特性を改善し、且つ光学的バンド
ギャップの異なる少なくとも二種類の堆積膜を交互に積
層させることにより、さらにその特性を向上させんとす
るものである。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明す
る。

第１図は、本発明による光電変換装置の基本構造とな
る光電変換部の模式的構造説明図である。

同図において、11は石英、硝子等で構成される基体、
15はゲート電極（第３電極）、９は非晶質の絶縁層、12
は単結晶の光導電性半導体層、10は電気的絶縁層９上に
単結晶を形成するための核形成面であり、この核形成面
10を中心として単結晶が成長する。なお、この単結晶の
形成方法については後述する。13−1,13−２は夫々オー
ミック接触層、14−1,14−２は夫々第１電極、第２電極
を示す。

光導電性半導体層12は、光学的バンドギャップの異な
る二種の薄膜半導体層12a,12b（12aを第１薄膜、12bを
第２薄膜と表記する。）を交互に積層した構造を有す
る。

光導電性半導体層12の積層構造は、第１の薄膜12aと
第２の薄膜12bとを交互に数回積層した構造［（12a/12
b）ｎ構造］、二種類の薄膜を交互に規則的に積層し
て、最後がいずれか一方の薄膜だけになっている構造、
（12a/12b・・・・12a/12b/12a）、或は、それらの構造
のなかに、第３の薄膜が介在している構造等とされる。

例えば、第１の薄膜12aと第２の薄膜12bの二種類の薄
膜の交互積層構造とされた場合のゲート電極15にバイア
ス電圧を印加しない状態の模式的なバンドプロファイル
を第12図（ａ）、第12図（ｂ）に示す。

第12図（ａ）の場合は、光学的バンドギャップの広い
方の第１の薄膜12aが絶縁層９側に積層され、光学的バ
ンドギャップの狭いほうの薄膜12bは、第１の薄膜12aの
反対側に設けられている。そして、絶縁層９側より第１
の薄膜12aと第２の薄膜12bがこの順で交互に同期的にｎ
個積層されている。

第12図（ｂ）の場合は、この積層順序が逆の場合であ
る。

次に非晶質の絶縁層９上に単結晶層を形成する方法に
ついて説明する。

まず、本発明に用いる単結晶の形成方法の説明に先だ
って、堆積面上に選択的に堆積膜を形成する選択堆積法
について述べる。選択堆積法とは、方面エネルギー、付
着係数、脱離係数、表面拡散速度等という薄膜形成過程
での核形成を左右する因子の材料間での差を利用して、
基板上に選択的に薄膜を形成する方法である。

第３図（Ａ）および（Ｂ）は選択堆積法の説明図であ
る。まず同図（Ａ）に示すように、基板16上に、基板16
と上記因子の異なる材料から成る薄膜17を所望部分に形
成する。そして、適当な堆積条件によって適当な材料か
ら成る薄膜の堆積を行うと、薄膜18は薄膜17上にのみ成
長し、基板16上には成長しないという現象を生じさせる
ことができる。この現象を利用することで、自己整合的
に形成された薄膜18を成長させることができ、従来のよ
うなレジストを用いたリソグラフィ工程の省略が可能と
なる。

このような選択形成法による堆積を行うことができる
材料としては、たとえば基板16としてSiO₂、薄膜17とし
てSi、GaAs、窒化シリコン、そして堆積させる薄膜18と
してSi、Ｗ、GaAs、InP等がある。

第４図は、SiO₂の堆積面と窒化シリコンの堆積面との
核形成密度の経時変化を示すグラフである。

同グラフが示すように、堆積を開始して間もなくSiO₂
上での核形成密度は10³cm^-2以下で飽和し、20分後でも
その値はほとんど変化しない。

それに対して窒化シリコン（Si₃N₄）上では、〜４×1
0⁵cm^-2で一旦飽和し、それから10分ほど変化しないが、
それ以降は急激に増大する。なお、この測定例では、Si
Cl₄ガスをH₂ガスで希釈し、圧力175Torr、温度1000℃の
条件下でCVD法により堆積した場合を示している。他にS
iH₄、SiH₂Cl₂、SiHCl₃、SiF₄等を反応ガスとして用い
て、圧力、温度等を調整することで同様の作用を得るこ
とができる。また、真空蒸着でも可能である。

この場合、SiO₂上の核形成はほとんど問題とならない
が、反応ガス中にHClガスを添加することで、SiO₂上で
の核形成を更に抑制し、SiO₂上でのSiの堆積を皆無にす
ることができる。

このような現象は、SiO₂および窒化シリコンの材料表
面のSiに対する吸着係数、脱離係数、表面拡散係数等の
差によるところが大きいが、Si原子自身によってSiO₂が
反応し、蒸気圧が高い一酸化シリコンが生成されること
でSiO₂自身がエッチングされ、窒化シリコン上ではこの
ようなエッチング現象は生じないということも選択堆積
を生じさせる原因となっていると考えられる（T.Yoneha
ra,S.Yoshioka,S.Miyazawa Journal of Applied Physic
s 53,6839,1982）。

このように堆積面の形成材料としてSiO₂および窒化シ
リンコンを選択し、堆積材料としてシリコンを選択すれ
ば、同グラフに示すように十分に大きな核形成密度差を
得ることができる。なお、ここでは堆積面の形成材料と
してSiO₂が望ましいが、これに限らず、SiO_xであっても
核形成密度差を得ることができる。

勿論、これらの材料に限定されるものではなく、核形
成密度の差が同グラフで示すように核の密度で10²倍以
上であれば十分であり、後に例示するような材料によっ
ても堆積膜の十分な選択形成を行うことができる。

この核形成密度差を得る他の方法としては、SiO₂上に
局所的SiやＮ等をイオン注入して過剰にSiやＮ等を有す
る領域を形成してもよい。

このような核形成密度の差を利用し、堆積面（非核形
成面）の形成材料より核形成密度の十分大きい異種材料
からなる核形成面を単一の核だけが成長するように十分
微細に形成することによって、その微細な面積を有する
異種材料からなる核形成面の存在する箇所だけに単結晶
を選択的に成長させることができる。

なお、単結晶の選択的成長は、堆積面表面の電子状
態、特にダングリングボンドの状態によって決定される
ために、核形成密度の低い材料（たとえばSiO₂）はバル
ク材料である必要はなく、任意の材料や基板等の表面の
みに形成されて上記堆積面を成していればよい。

第５図（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明に用いる単結晶形成
方法の一例を示す形成工程図であり、第６図（Ａ）およ
び（Ｂ）は、第５図（Ａ）および（Ｄ）における基板の
斜視図である。

まず、第６図（Ａ）および第２図（Ａ）に示すよう
に、基板23上に、非核形成面となり、選択堆積を可能に
する核形成密度の小さい薄膜24を形成し、その上に核形
成密度の大きい核形成面形成材料を薄く堆積させ、リソ
グラフィ等によってパターニングすることで核形成面25
を十分微細に形成する。ただし、基板23の大きさ、結晶
構造および組成は任意にものでよく、機能素子が形成さ
れた基板であってもよい。また、核形成面25とは、上述
したように、SiやＮ等を薄膜24にイオン注入して形成さ
れる過剰にSiやＮ等を有する変質領域も含めるものとす
る。

次に、適当な堆積条件によって核形成面25だけに薄膜
材料の単一の核が形成される。すなわち、核形成面25
は、単一の核のみが形成される程度に十分微細に形成す
る必要がある。核形成面25の大きさは、材料の種類によ
って異なるが、数ミクロン以下であればよい。更に、核
は単結晶構造を保ちながら成長し、第５図（Ｂ）に示す
ように島状の単結晶粒26となる。島状の単結晶粒26が形
成されるためには、すでに述べたように、薄膜24上で全
く核形成が起こらないように条件を決めることが必要で
ある。

島状の単結晶粒26は単結晶構造を保ちながら核形成面
25を中心して更に成長し、同図（Ｃ）に示すように薄膜
24全体を覆って単結晶27となる。

続いて、エッチング又は研磨によって単結晶27を平坦
化し、第５図（Ｄ）および第６図（Ｂ）に示すように、
所望の素子を形成することができる単結晶層28が薄膜24
上に形成される。

このように堆積面（非核形成面）の形成材料である薄
膜24が基板23上に形成されているために、支持体となる
基板23は任意の材料を使用することができ、更に基板23
に機能素子等が形成されたものであっても、その上に容
易に単結晶層を形成することができる。

なお、上記実施例では、堆積面の材料を薄膜24で形成
したが、選択堆積を可能にする核形成密度の小さい材料
から成る基板をそのまま用いて、単結晶を同様に形成し
てもよい。

（具体例） 次に、上記例における単結晶層の具体的形成方法を説
明する。

SiO₂を薄膜24の堆積面（非核形成面）の形成材料とす
る。勿論、石英基板を用いてもよいし、金属、半導体、
磁性体、圧電体、絶縁体等の任意の基板上に、スパッタ
法、CVD法、真空蒸着法等を用いて基板表面にSiO₂層を
形成してもよい。また、堆積面（核形成面）の形成材料
としてはSiO₂が望ましいが、SiO_xとしてｘの値を変化さ
せたものでもよい。

こうして形成されたSiO₂層24上に減圧気相成長法によ
って窒化シリコン層（ここではSi₃N₄層）を核形成面材
料として堆積させ、通常のリソグラフィ技術又はＸ線、
電子線若しくはイオン線を用いたリソグラフィ技術で窒
化シリンコン層をパターニングし、数ミクロン以下、望
ましくは〜１μｍ以下の微小な核形成面25を形成する。

続いて、HClとH₂と、SiH₂Cl₂、SiCl₄、SiHCl₃、SiF₄
若しくはSiH₄との混合ガスを用いて上記基板23上にSiを
選択的に成長させる。その際の基板温度は700〜1100
℃、圧力は100Torrである。

数十分程度の時間で、SiO₂上の窒化シリコンの微細な
核形成面25を中心として、単結晶のSiの粒26が成長し、
最適の成長条件とすることで、その大きさは数十μｍ以
上に成長する。

続いて、SiとSiO₂との間にエッチング速度差がある反
応性イオンエッチング（RIE）によって、Siのみをエッ
チングして平坦化することで、粒径制御された多結晶シ
リコン層が形成され、更に粒界部分を除去して島状の単
結晶シリンコン層28が形成される。なお、単結晶27の表
面の凹凸が大きい場合は、機械的研磨を行った後にエッ
チングを行う。

このようにして形成された大きさ数十μｍ以上で粒界
を含まない単結晶シリコン層28に、電界効果トランジス
タを形成すると、単結晶シリコンウエハに形成したもの
に劣らない特性を示した。

また、隣接する単結晶シリコン層28とはSiO₂によって
電気的に分離されているために、相補型電界効果トラン
ジスタ（Ｃ−MOS）を構成しても、相互の干渉がない。
また、素子の活性層の厚さが、Siウエハを用いた場合よ
り薄いために、放射線を照射された時に発生するウエハ
内の電荷による誤動作がなくなる。更に、寄生容量が低
下するために、素子の高速化が図れる。また、任意の基
板が使用できるために、Siウエハを用いるよりも、大面
積基板上に単結晶層を低コストで形成することができ
る。更に、他の半導体、圧電体、誘電体等の基板上にも
単結晶層を形成できるために、多機能の三次元集積回路
を実現することができる。

（窒化シリコンの組成） これまで述べてきたような非核形成面材料と核形成面
材料との十分な核形成密度差を得るには、Si₃N₄に限定
されるものではなく、窒化シリコンの組成を変化させた
ものでもよい。

RFプラズマ中でSiH₄ガスとNH₃ガスとを分解させて低
温で窒化シリコン膜を形成するプラズマCVD法では、SiH
₄ガスとNH₃ガスとの流量比を変化させることで、堆積す
る窒化シリコン膜のSiとＮの組成比を大幅に変化させる
ことができる。

第７図は、SiH₄とNH₃の流量比と形成された窒化シリ
コン膜中のSiおよびＮの組成比との関係を示したグラフ
である。

この時の堆積条件は、RF出力175W、基板温度380℃で
あり、SiH₄ガス流量を300cc/minに固定し、NH₃ガスの流
量を変化させた。同グラフに示すようにNH₃/SiH₄のガス
流量比を４〜10へ変化させると、窒化シリコン膜中のSi
/N比は1.1〜0.58に変化することがオージェ電子分光法
によって明らかとなった。

また、減圧CVD法でSiH₂Cl₂ガスとNH₃ガスとを導入
し、0.3Torrの減圧下、温度約800℃の条件で形成した窒
化シリコン膜の組成は、ほぼ化学量論比であるSi₃N₄（S
i/N＝0.75）に近いものであった。

また、SiをアンモニアあるいはN₂中で約1200℃で熱処
理すること（熱窒化法）で形成される窒化シリコン膜
は、その形成方法が熱平衡下で行われるために、更に化
学量論比に近い組成を得ることができる。

以上の様に種々の方法で形成した窒化シリコンをSiの
核形成密度がSiO₂より高い非核形成面材料として用いて
上記Siの核を成長させると、その組成比により核形成密
度に差が生じる。

第８図は、Si/N組成比と核形成密度との関係を示すグ
ラフである。

同グラフに示すように、窒化シリコン膜の組成を変化
させることで、その上に成長するSiの核形成密度は大幅
に変化する。この時の核形成条件は、SiCl₄ガスを175To
rrに減圧し、1000℃でH₂と反応させてSiを生成させる。

このように窒化シリコンの組成によって核形成密度が
変化する現象は、単一の核を成長させる程度に十分微細
に形成される核形成面材料としての窒化シリコンの大き
さに影響を与える。すなわち、核形成密度が大きい組成
を有する窒化シリコンは、非常に微細に形成しない限
り、単一の核を形成することができない。

したがって、核形成密度と、単一の核が選択できる最
適な窒化シリコンの大きさとを選択する必要がある。た
とえば〜10⁵cm^-2の核形成密度を得る堆積条件では、窒
化シリコンの大きさは約４μｍ以下であれば単一の核を
選択できる。

（イオン注入による核形成面の形成） Siに対して核形成密度差を実現する方法として、核形
成密度の低い非核形成面材料であるSiO₂の表面に局所的
にSi,N,P,B,F,Ar,He,C,As,Ga,Ge等をイオン注入してSiO
₂の堆積面に変質領域を形成し、この変質領域を核形成
密度の高い核形成面としても良い。

例えば、SiO₂表面をレジストで覆い、所望の箇所を露
光、現像、溶解させてSiO₂表面を部分的に表出させる。

続いて、SiF₄ガスをソースガスとして用い、Siイオン
を10keVで１×10¹⁶〜１×10¹⁸cm^-2の密度でSiO₂表面に
打込む。これによる投影飛程は114Åであり、SiO₂表面
ではSi濃度が〜10²²cm^-3に達する。SiO₂はもともと非晶
質であるために、Siイオンを注入した領域も非晶質であ
る。

なお、変質領域を形成するには、レジストをマスクと
してイオン注入を行うこともできるが、集束イオンビー
ム技術を用いて、レジストマスクを使用せずに絞られた
SiイオンをSiO₂表面に注入してもよい。

こうしてイオン注入を行った後、レジストを剥離する
ことで、SiO₂面にSiが過剰な変質領域が形成される。こ
のような変質領域が形成されたSiO₂堆積面にSiを気相成
長させる。

第９図は、Siイオンの注入量と核形成密度との関係を
示すグラフである。

同グラフに示すように、Si⁺注入量が多い程、核形成
密度が増大することがわかる。

したがって、変質領域を十分微細に形成することで、
この変質領域を核形成面としてSiの単一の核を成長させ
ることができ、上述したように単結晶を成長させること
ができる。

なお、変質領域を単一の核が成長する程度に十分微細
に形成することは、レジストのパターニングや、集束イ
オンビームのビームを絞ることによって容易に達成され
る。

（CVD以外のSi堆積方法） Siの選択核形成によって単結晶を成長させるには、CV
D法だけではなく、Siを真空中（＜10^-6Torr）で電子銃
により蒸発させ、加熱した基板に堆積させる方法も用い
られる。特に、超高真空中（＜10^-9Torr）で蒸着を行う
MBE（Molecular Beam Epitaxy）法では、基板温度900℃
以上でSiビームとSiO₂が反応を始め、SiO₂上でのSiの核
形成は皆無になることが知られている（T.Yonehara,S,Y
oshioka and S.Miyazawa Journal of Applied Physics
53,10,p.6839,1983）。

この現象を利用してSiO₂上に点在させた微小な窒化シ
リコンに完全な選択性をもってSiの単一の核を形成し、
そこに単結晶Siを成長させることができた。この時の堆
積条件は、真空度10^-8Torr以下、Siビーム強度9.7×10
¹⁴atoms/cm²・sec、基板温度900℃〜1000℃であった。

この場合、SiO₂＋Si→2SiO↑という反応により、SiO
という蒸気圧の著しく高い反応生成物が形成され、この
蒸発によるSiO₂自身のSiによるエッチングが生起してい
る。

これに対して、窒化シリコン上では上記エッチング現
象は起こらず、核形成、そして堆積が生じている。

したがって、核形成密度の高い非核形成面材料として
は、窒化シリコン以外に、タンタル酸化物（Ta₂O₅）、
窒化シリコン酸化物（SiON）等を使用しても同様の効果
を得ることができる。すなわち、これらの材料を微小形
成して上記核形成面材料とすることで、同様に単結晶を
成長させることができる。

以上述べたような選択的に絶縁層上に単結晶を形成す
る技術を用いて、第１図の示したSi/SiGe多層構造のセ
ンサを作製した。以下、その製造行程について説明す
る。

第２図（Ａ）〜（Ｆ）は本発明の光電変換装置の製造
工程を説明するための工程図である。

まず、第２図（Ａ）に示すように、中性洗剤を用いて
洗浄した石英基板11上にスパッタリング法により、Moを
0.1μｍ堆積させ、所望の形状にパターニングしてゲー
ト電極15を形成する。

次に、第２図（Ｂ）に示すように、スパッタリング法
により、絶縁層９としてSiO₂を堆積する。

次に、第２図（Ｃ）に示すように、絶縁層９上にプラ
ズマCVD法により窒化シリコン膜を形成する。その後、
通常のホトグラフィにより、この窒化シリコン膜をパタ
ーニングし、数μｍ以下、望ましくは１μｍ以下の微少
な核形成面10を形成する。

次に、第２図（Ｄ）に示すように、HclとH₂と、SiH₂c
l₂、Sicl₄、SiHcl₃、SiF₄もしくはSiH₄との混合ガスを
用いて、上記基板上にSi層12aを選択的に成長させる。
次に上記ガスにGeH₄を混合させ、同様に連続的にSiGe層
12bを形成する。この操作を繰り返すことにより、Si/Si
Geヘテロ結合の層12を形成する。その際の基板温度は70
0〜1100℃、圧力は約100Torrである。

次に、第２図（Ｅ）に示すように、上記のように形成
した層12の凹凸を、機械的な研磨、次に化学的エッチン
グにより取り除き、平坦化する。

次に、第２図（Ｆ）に示すように、平坦化したSi/SiG
eヘテロ結合の層12上にプラズマCVD法により、SiH₄、NH
₃ガスを用いてn⁺型ａ−Si:Hを堆積させ、オーミックコ
ンタクト層13とする。さらに、上電極用のAl14をスパッ
タリング法により１μｍ程度蒸着し、ホトリソグラフィ
により所望の形状にパターンニングする。その後、Al14
をマスクにして、n⁺層をエッチングする。最後に、ホト
レジストを剥離する。

このような製造工程で作製された光電変換装置を試験
したところ、以下のような良好な結果を得た。なお、こ
こで従来例とは、第18図に示した光電変換装置をいう。
また、比較例は光導電性半導体層がａ−Si:Hの場合であ
る。

1.光応答の改善 矩形波状の光パルスを従来例，比較例および本実施例
の光電変換装置に照射すると、光応答性、特にτoffが
改善された。（第10図に、従来例を破線、本実施例を実
線として、Ipの応答を図示した。） τon :光電流が飽和値の90％に達する時間 τoff:光電流が飽和値の10％に達する時間 上表に示すように、off特性が大幅に改善されている
ことがわかる。

2.光電流の増加 従来例および実施例の光電流Ipのゲート電圧依存を第
11図の（Ｃ）に示す（図中、従来例は破線、本実施例は
実線で図示した。）。

γは従来と変化はなかった（第11図において（ｂ）と
示す。図中、従来例は破線、本実施例は実線で図示し
た。）。具体的にデータを示すと下表のようになる。な
お、第11図において、比較例は簡易化のために省略し
た。

上表に示すように、光電流は3.5倍に、暗電流は２分
の１になった。

（S/N比は15倍向上） ［動作条件］ 電極14−1,14−２間の電圧 ・・・・・10V ゲート電極15の電位 ・・・・・−3V 測定光量 ・・・・・100（lx） （565nmLED） 3.光電流，暗電流，スレシュホールド電圧の安定性 60℃/90％（温度／湿度）の環境内において光電流の
変化を調べたのが第13図であり、暗電流の変化を調べた
のが第14図であり、スレシュホールド電圧の変化を調べ
たのが第15図である。

第13図において、30は従来例のTFT型センサ（光電変
換装置）、29は本発明の上記例の条件で作った光電変換
装置の光電流変動である。100時間後、従来例30は70％
まで光電流が下がったが、本発明による実施例29は、初
期の状態をほぼ維持している。

また、第14図に示すように、暗電流Idの変化について
も、従来例のTFT型センサの暗電流変化32よりも、本発
明による光電変換装置の暗電流変化31の方が小さい。

また、第15図に示すように、スレシュホールド電圧Vt
hの変化についても、従来例のTFT型センサのスレシュホ
ールド電圧34よりも、本発明の光電変換装置のスレシュ
ホールド電圧33の方が約半分と小さく抑えることができ
る。

このように本発明による光電変換装置は、 （１）暗電流を減少させ、なおかつ光電流を増加させ
る。

（２）暗電流，スレシュホールド電圧が温度，湿度等の
環境の影響を受けにくく、また光電流はほとんど変化し
ない。

（３）光応答性、特にoff特性が大幅に改善される。

（４）光電変換装置の動作安定性が向上する。

という効果を有する。

上記例におけるSiとSi・Geの交互積層は、伝導帯に約
0.2〜0.3eVのバンドがあり、このことが光センサとして
の特性を向上させていることは上記試験データ（比較例
と従来例との比較）から明白であるが、その詳細な理由
についたは現在判明していない。また、バレンスバンド
端の差は、ほとんど存在しないような電気的特性が得ら
れている。本実施例で述べたSi膜とSi・Ge膜のヘテロ接
合は、接合面における界面順位が極めて少なく良好な特
性を与えることが判明した。

また、SiとSi・Geの交互積層を単結晶とすることによ
って次のような効果を得ることができる。

（１）単結晶ではIpの劣化はおこらない。

（２）絶縁層上に形成された単結晶膜では、その構造上
絶縁膜と単結晶との海面には、界面準位ができにくく、
ａ−Si:Hと比較してスレシュホールド電圧Vthの変動、I
dの変化が少ない。

（３）二次光電流のゲインファクタＧ Ｇ＝μτE/L において、μが大きくなり改善されるので、Ipが向上す
る。

（４）時定数の長いトラップ準位が減少するので、光パ
ルスによる応答、特にoff時の応答が改善される。

これら特性の改善された素子を前述した結晶の形成方
法を用いて大面積、且つ低コストで生産することができ
る。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明による光電変換装
置によれば、絶縁層上に単結晶の光導電性半導体層を形
成し、且つこの光導電性半導体層を光学的バンドギャッ
プの異なる少なくとも二種類の堆積膜を交互に積層させ
ることにより、次のような効果を得ることができる。

（１）暗電流を減少させ、且つ光電流を増加させること
ができる。

（２）暗電流，スレシュホールド電圧が温度、湿度等の
環境の影響を受けにくく、また光電流はほとんど変化し
ない。

（３）光応答性、特にoff特性が大幅に改善される。

（４）光電変換装置の動作安定性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による光電変換装置の基本構造となる
光電変換部の模式的構造説明図である。 第２図（Ａ）〜（Ｆ）は本発明の光電変換装置の製造工
程を説明するための工程図である。 第３図（Ａ）および（Ｂ）は選択堆積法の説明図であ
る。 第４図は、SiO₂の堆積面と窒化シリコンの堆積面との核
形成密度の経時変化を示すグラフである。 第５図（Ａ）〜（Ｄ）は、単結晶の形成方法の一例を示
す形成工程図である。 第６図（Ａ）および（Ｂ）は、第５図（Ａ）および
（Ｄ）における基板の斜視図である。 第７図は、SiH₄とNH₃の流量比と形成された窒化シリコ
ン膜中のSiおよびＮの組成比との関係を示したグラフで
ある。 第８図は、Si/N組成比と核形成密度との関係を示すグラ
フである。 第９図は、Siイオンの注入量と核形成密度との関係を示
すグラフである。 第10図は、光電流の光応答特性を示す特性図である。 第11図は、本発明による光電変換装置の特性図である。 第12図（Ａ），（Ｂ）は、本発明による光電変換装置の
バンドプロファイルを示す説明図である。 第13図は、光電流の経時変化を示す特性図である。 第14図は、暗電流の経時変化を示す特性図である。 第15図は、スレシュホールド電圧の経時変化を示す特性
図である。 第16図は、従来の光電流型センサのバンドプロファイル
を示す説明図である。 第17図は従来の光電流型センサを示す概略的構成図であ
る。 第18図は、改良型の光導電型センサおよびその駆動方法
についての概略を説明するための基本構成図である。 ９……絶縁層 10……核形成面 11……基体 12……光導電性半導体層 13−1,13−２……オーミック接触層 14−1,14−２……電極

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁層と、この絶縁層に接して設けられた
   光導電性半導体層と、この光導電性半導体層に接して設
   けられた第一電極および第二電極と、前記絶縁層に接し
   て設けられた第三電極と、からなる光電変換部を有する
   光電変換装置の作製方法において、 核形成密度の小さい非核形成面に隣接して該絶縁層の表
   面の一部に、該絶縁層よりも核形成密度が高くかつ成長
   して単結晶になる核が唯一形成されるに十分微細な非晶
   質の材料からなる核形成面を設けること、 気相成長により該非晶質の材料からなる核形成面上に形
   成された核を成長させて単結晶の第１の半導体領域を形
   成すること、 該第１の半導体領域上に前記第１の半導体領域と光学的
   バンドギャップの異なる第２の半導体領域を形成するこ
   と、 該第２の半導体領域上に前記第１の半導体領域と同じ材
   料の第３の半導体領域を形成すること、 によって前記光導電性半導体層を形成する工程を有する
   光電変換装置の作製方法。
2. 【請求項２】前記第２の半導体領域と前記第３の半導体
   領域を交互に複数回ずつ形成する工程を有する請求項１
   に記載の光電変換装置の作製方法。
3. 【請求項３】前記第１の半導体領域はシリコン原子から
   なる請求項１に記載の光電変換装置の作製方法。
4. 【請求項４】前記第２の半導体領域はシリコン原子とゲ
   ルマニウム原子を有する請求項１に記載の光電変換装置
   の作製方法。
5. 【請求項５】前記第１の半導体領域はシリコン原子とゲ
   ルマニウム原子を有する請求項１に記載の光電変換装置
   の作製方法。
6. 【請求項６】さらに前記光導電性半導体層上にオーミッ
   ク接触層を形成する工程を有する請求項１に記載の光電
   変換装置の作製方法。
7. 【請求項７】前記核形成面は非核形成面材料に局所的に
   所望のイオンをイオン注入して変質領域を形成すること
   により形成されている請求項１に記載の光電変換装置の
   作製方法。