JP2817246B2 - フォトセンサ - Google Patents

フォトセンサ

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、薄膜トランジスタからなる光導電効果型フ
ォトセンサに関するものである。
〔従来の技術〕
薄膜トランジスタからなる光導電効果型フォトセンサ
としては、従来、第3図に示したものと、第4図に示し
たものとが知られている。
第3図に示したフォトセンサは、逆スタガー型薄膜ト
ランジスタからなるもので、このフォトセンサは、ガラ
ス等からなる絶縁性基板1の上に形成されたゲート電極
Gと、このゲート電極Gの上に形成された窒化シリコン
(SiN)からなるゲート絶縁膜2と、このゲート絶縁膜
2の上に前記ゲート電極Gと対向させて形成されたi型
アモルファス・シリコン(i−a−Si)からなる半導体
層3と、この半導体層3の上に形成されたソース電極S
およびドレイン電極Dとからなっている。
また、第4図に示したフォトセンサは、コプラナー型
薄膜トランジスタからなるもので、このフォトセンサ
は、ガラス等からなる絶縁性基板1の上にi型アモルフ
ァス・シリコンからなる半導体層3を形成し、その上に
ソース電極Sとドレイン電極Dを形成するとともに、こ
のソース,ドレイン電極S,Dおよび前記半導体層3の上
に窒化シリコンからなるゲート絶縁膜2を設け、このゲ
ート絶縁膜2の上に前記半導体層3と対向するゲート電
極Gを設けた構成となっている。なお、上記ゲート電極
Gとゲート絶縁膜2は、フォトセンサ上面への照射光A
を上記半導体層13に受光させるために透明膜とされてい
る。
これらフォトセンサは、いずれも、ゲート電極Gへの
ゲート電圧の印加によって生ずるチャンネル電流を、半
導体層3への光Aの照射によって誘起される電子−正孔
対により制御するもので、半導体層3に光Aが照射され
ると、この光Aの照射量に応じてソース,ドレイン電極
S,D間のチャンネル抵抗が変化し、照射光量(光エネル
ギー量)に応じた信号がソース,ドレイン電極S,D間電
流として出力される。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上記従来の光導電効果型フォトセンサ
は、単に光照射時の導電度のみを利用するものであるた
め、感度が低く、また動作速度も遅いという問題をもっ
ていた。
すなわち、第5図は上記第3図および第4図に示した
従来のフォトセンサの光特性を示したもので、図では、
横軸にゲート電極Gに印加するゲート電圧VG(V)、縦
軸にソース,ドレイン電極S,D間に流れるドレイン電流I
D(A)をとっている。この光特性図のように、上記従
来のフォトセンサでは、光照射時に流れるドレイン電流
と光無照射時のドレイン電流との差ID(ON)を十分大き
くとることはできず、したがって従来のフォトセンサは
感度が低いし、また光照射時に流れるドレイン電流の立
上り特性も悪くいために動作速度も遅いものであった。
本発明は上記のような実情にかんがみてなされたもの
であって、その目的とするところは、光導電効果型のも
のでありながら、高感度でかつ動作速度も速いフォトセ
ンサを提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明のフォトセンサは、薄膜トランジスタからなる
光導電効果型フォトセンサにおいて、半導体層およびソ
ース,ドレイン電極をはさんでその両側にそれぞれゲー
ト絶縁膜を介して前記半導体層と対向するゲート電極を
設け、この両ゲート電極の少なくとも一方とこのゲート
電極側のゲート絶縁膜を透明としたことを特徴とするも
のである。
〔作用〕
すなわち、本発明のフォトセンサは、半導体層および
ソース,ドレイン電極をはさんでその両側にゲート電極
を設け、その一方のゲート電極へのゲート電圧の印加に
より発生するチャンネル電流を、他方のゲート電極への
電圧の印加と、透明なゲート電極およびゲート絶縁膜を
通って半導体層に達する光により誘起される電子−正孔
対とによって制御するようにしたもので、上記他方のゲ
ート電極の電位を、この他方のゲート電極からの電界が
上記一方のゲート電極からの電界によるチャンネル形成
に対してそれを妨げる方向に働くように制御してやれ
ば、光照射時のチャンネル抵抗は上記一方のゲート電極
をゲート電極とする薄膜トランジスタの導通状態にほぼ
等しくなるから、光照射時に流れるドレイン電流と光無
照射時のドレイン電流との差を十分大きくとって感度を
向上させることができるし、また、光照射時に流れるド
レイン電流の立上り特性も急俊にして動作速度も上げる
ことができる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図および第2図を参照
して説明する。
第1図は本実施例のフォトセンサの断面を示したもの
で、このフォトセンサは、基本的には、逆スタガー型薄
膜トランジスタとコプラナー型薄膜トランジスタとを組
合わせた構成となっている。
このフォトセンサの構成を説明すると、第1図におい
て、図中11はガラス等からなる絶縁性基板、G1は上記基
板11上に形成された下部ゲート電極、12は上記下部ゲー
ト電極G1の上に形成された窒化シリコン(SiN)からな
る下部ゲート絶縁膜、13はこの下部ゲート絶縁膜12の上
に前記下部ゲート電極G1と対向させて形成されたi型ア
モルファス・シリコン(i−a−Si)からなる半導体
層、S,Dは上記半導体層13の上に形成されたソース,ド
レイン電極であり、これらによって下部トランジスタ
(逆スタガー型薄膜トランジスタ)が構成されている。
また、14は前記ソース,ドレイン電極S,Dおよび前記半
導体層13のソース,ドレイン電極S,D間の部分の上に形
成された窒化シリコンからなる上部ゲート絶縁膜、G2は
この上部ゲート絶縁膜14の上に前記半導体層13と対向さ
せて形成された上部ゲート電極であり、この上部ゲート
電極G2と上部ゲート絶縁膜14および前記下部トランジス
タの半導体層13およびソース,ドレイン電極S,Dとによ
って上部トランジスタ(コプラナー型薄膜トランジス
タ)が構成されている。そして、このフォトセンサの上
面は受光面とされており、前記上部ゲート電極G2と上部
ゲート絶縁膜14は、フォトセンサ上面への照射光Aを上
記半導体層13に受光させるために透明膜とされている。
このフォトセンサは、透明な上部ゲート電極G2および
上部ゲート絶縁膜14を介して半導体層13に光Aを受光さ
せるようにしたもので、このフォトセンサは次のように
して使用される。
まず、下部ゲート電極G1に正電圧を印加し、下部トラ
ンジスタにnチャンネルを形成させておく。また、ソー
ス,ドレイン電極S,D間には常時一定値の正電圧を印加
しておく。次に、照射光量(光エネルギー量)をソース
電極Sとドレイン電極Dとの間のチャンネル抵抗の変化
分として検出するため、上部ゲート電極G2に電圧を印加
し、この上部ゲート電極G2の電位を、正電位から、光無
照射状態において下部ゲート電極G1の電界によるチャン
ネルを消滅させるレベルの負電位に変化させる。このよ
うに上部ゲート電極G2の電位を下部トランジスタのチャ
ンネルを消滅させるレベルの負電位に変化させると、こ
のとき半導体層13に光Aが照射されていれば、この光A
の照射によって誘起される電子−正孔対の影響によっ
て、上部ゲート電極G2からの電界が、下部ゲート電極G1
の電界がチャンネル層に与える影響を減じる方向に働く
ため、ソース,ドレイン電極S,D間のチャンネル抵抗が
照射光量に応じて変化する。そして、このように上部ゲ
ート電極G2の電位を、この上部ゲート電極G2からの電界
が下部ゲート電極G1からの電界によるチャンネル形成に
対してそれを妨げる方向に働くように制御してやれば、
光照射時のチャンネル抵抗は上記下部ゲート電極G1をゲ
ート電極とする下部トランジスタの導通状態にほぼ等し
くなるから、このフォトセンサによれば、光照射時に流
れるドレイン電流と光無照射時のドレイン電流との差を
十分大きくとることができる。
すなわち、第2図は上記フォトセンサの光特性を示し
たもので、図では、横軸に上部ゲート電極G2に印加する
電圧VTG(V)、縦軸にソース,ドレイン電極S,D間に流
れるドレイン電流ID(A)をとっている。この光特性図
は、ソース,ドレイン電極S,D間に常時+10Vを印加し、
下部ゲート電極G1には+20Vを印加して下部トランジス
タにnチャンネルを形成させた例を示している。
この第2図のように、半導体層13に光Aが照射されて
いない光無照射状態においては、上部ゲート電極G2への
印加電圧VTGを正から負に変化させて行くと、この上部
ゲート電極G2からの電界が、下部ゲート電極G1の電界に
よる下部トランジスタのチャンネルに影響を与え、VTG
=+40Vでは数10μAであったドレイン電流IDが、VTG
−20Vでは数0.1pA以下となる。なお、上部ゲート電極G2
への印加電圧VTGをさらに負側に変化させると、VTG=−
27V付近からドレイン電流IDが急激に増加する。これ
は、ドレイン電極Dから半導体層13への正孔注入による
ものであり、このドレイン電流IDの立上りはドレイン電
圧が大きいほど急俊になる。したがって、上部ゲート電
極G2への負の印加電圧は、VTG=−20V付近に設定するの
が望ましい。
一方、半導体層13に光Aが照射されている光照射状態
においては、上部ゲート電極G2への印加電圧VTGを正か
ら負に変化させて行くと、半導体層13への光照射により
発生する電子−正孔対により上部絶縁膜14と半導体層13
との間のトラップ準位が埋められて、上部ゲート電極G2
からの電界によるチャンネルへの影響が減じ、そのため
にソース,ドレイン電極S,D間のチャンネル抵抗が照射
光量に応じて減少するから、光照射時のチャンネル抵抗
は、下部トランジスタの導通状態にほぼ等しくなる。こ
のため、光照射時に流れるドレイン電流IDは第2図に示
すように、VTG=+40Vのときの電流値(数10μA)より
僅かに減少するだけである。
したがって、上記フォトセンサによれば、光照射時に
流れるドレイン電流と光無照射時のドレイン電流との差
ID(ON)を十分大きくとって感度を向上させることがで
きるし、また、光照射時に流れるドレイン電流の立上り
特性も第2図に示すように急俊にして動作速度も上げる
ことができる。
なお、上記フォトセンサを連続して使用すると、時間
が経つにつれて、上部絶縁膜14と半導体層13との間のト
ラップ準位が光照射によって発生する正孔およびドレイ
ン電極Dからの正孔注入によって埋められて行き、その
ために光無照射状態でのチャンネル抵抗も小さくなって
光無照射時にドレイン電流が増加するが、これは、一定
時間ごとに上部ゲート電極G2に正のバイアス電圧を印加
して上部絶縁膜14と半導体層13との間のトラップ準位か
ら正孔を吐き出させるリフレッシュ駆動を行なうことに
よって解決することができる。
なお、上記実施例では、フォトセンサ上面側(上部ト
ランジスタ側)を受光面としているが、受光面は下面側
(下部トランジスタ側)としてもよく、その場合は基板
11および下部ゲート電極G1と下部ゲート絶縁膜12を透明
とすればよい。さらに上記実施例では、チャンネルを形
成させるゲート電圧を下部ゲート電極G1に印加し、チャ
ンネルの形成を妨げるための電圧を上部ゲート電極G2に
印加するようにしたが、この両ゲート電極G1,G2に印加
する電圧が上記実施例と逆にしてもよい。
〔発明の効果〕
本発明のフォトセンサは、半導体層およびソース,ド
レイン電極をはさんでその両側にゲート電極を設け、そ
の一方のゲート電極へのゲート電圧の印加により発生す
るチャンネル電流を、他方のゲート電極への電圧の印加
と、透明なゲート電極およびゲート絶縁膜を通って半導
体層に達する光により誘起される電子−正孔対とによっ
て制御するようにしたものであるから、光照射時に流れ
るドレイン電流と光無照射時のドレイン電流との差を十
分大きくとって感度を向上させることができるし、ま
た、光照射時に流れるドレイン電流の立上り特性も急俊
にして動作速度も上げることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明の一実施例を示すフォトセ
ンサの断面図およびその光特性図、第3図および第4図
はそれぞれ従来のフォトセンサの断面図、第5図は従来
のフォトセンサの光特性図である。 11……基板、G1……下部ゲート電極、12……下部ゲート
絶縁膜、13……半導体層、S……ソース電極、D……ド
レイン電極、14……上部ゲート絶縁膜、G2……上部ゲー
ト電極、A……光。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 31/10 H01L 29/78

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】薄膜トランジスタからなる光導電効果型フ
    ォトセンサにおいて、半導体層およびソース,ドレイン
    電極をはさんでその両側にそれぞれゲート絶縁膜を介し
    て前記半導体層と対向するゲート電極を設け、この両ゲ
    ート電極の少なくとも一方とこのゲート電極側のゲート
    絶縁膜を透明としたことを特徴とするフォトセンサ。
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