JP2905307B2 - フォトダイオード - Google Patents
フォトダイオードInfo
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- JP2905307B2 JP2905307B2 JP3077083A JP7708391A JP2905307B2 JP 2905307 B2 JP2905307 B2 JP 2905307B2 JP 3077083 A JP3077083 A JP 3077083A JP 7708391 A JP7708391 A JP 7708391A JP 2905307 B2 JP2905307 B2 JP 2905307B2
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- insulating film
- gate electrode
- substrate
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信，光情報処理，
イメージセンサ等の分野における受光素子に関するもの
である。
イメージセンサ等の分野における受光素子に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】従来多アモルファスシリコンを用いた受
光素子がある。このアモルファスシリコンのｐ−ｉ−ｎ
ダイオードは、ガラス基板上に安価にしかも大面積で形
成可能であることから、ファクシミリ，コピー等の機器
におけるイメージセンサ素子として幅広く使用されてい
る。
光素子がある。このアモルファスシリコンのｐ−ｉ−ｎ
ダイオードは、ガラス基板上に安価にしかも大面積で形
成可能であることから、ファクシミリ，コピー等の機器
におけるイメージセンサ素子として幅広く使用されてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】また、従来の多結晶シ
リコンのｐ−ｎあるいはｐ−ｉ−ｎ接合においては、接
合界面の結晶粒界における不純物の偏析や接合界面への
欠陥の集中が原因となって、接合界面近傍の捕獲中心密
度が著しく高くなるという重大な欠点があった。このた
め、文献（例えば、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆｔｈｅ Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，ｖｏ
ｌ．１２５．No．１０ １９７８年の１６４８頁）に示
されてあるように、多結晶シリコンのｐ−ｎあるいはｐ
−ｉ−ｎダイオードに逆方向電界を加えると、接合界面
近傍の捕獲中心を経由して、トンネル電流やＰｏｏｌｅ
−Ｆｒｅｎｋｅｌ電流などが流れ、ダイオードの逆方向
リーク電流は大きくなる。そのため、ダイオードに光を
照射しても、光電流がリーク電流に埋もれてしまい、受
光素子として使用することができなかった。また、アモ
ルファスシリコンを用いたｐ−ｉ−ｎダイオードの場合
には、アモルファスシリコンのみでｐ−ｉ−ｎダイオー
ドを形成した場合には逆方向の暗電流は必ずしも低くは
なく、１μＷ／cm2 程度の入射パワーの光が検出限界で
あった。さらに０．１μＷ／cm2 程度の光の検出が可能
な高感度のフォトダイオードを作製するためには、ｐま
たはｎ層をアモルファスＳｉＣで形成したり、オーミッ
ク電極とｐまたはｎ層の間にアモルファスＳｉＮの薄い
層をはさむことなどの改善によって、逆方向の暗電流を
減少させる必要があった。
リコンのｐ−ｎあるいはｐ−ｉ−ｎ接合においては、接
合界面の結晶粒界における不純物の偏析や接合界面への
欠陥の集中が原因となって、接合界面近傍の捕獲中心密
度が著しく高くなるという重大な欠点があった。このた
め、文献（例えば、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆｔｈｅ Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，ｖｏ
ｌ．１２５．No．１０ １９７８年の１６４８頁）に示
されてあるように、多結晶シリコンのｐ−ｎあるいはｐ
−ｉ−ｎダイオードに逆方向電界を加えると、接合界面
近傍の捕獲中心を経由して、トンネル電流やＰｏｏｌｅ
−Ｆｒｅｎｋｅｌ電流などが流れ、ダイオードの逆方向
リーク電流は大きくなる。そのため、ダイオードに光を
照射しても、光電流がリーク電流に埋もれてしまい、受
光素子として使用することができなかった。また、アモ
ルファスシリコンを用いたｐ−ｉ−ｎダイオードの場合
には、アモルファスシリコンのみでｐ−ｉ−ｎダイオー
ドを形成した場合には逆方向の暗電流は必ずしも低くは
なく、１μＷ／cm2 程度の入射パワーの光が検出限界で
あった。さらに０．１μＷ／cm2 程度の光の検出が可能
な高感度のフォトダイオードを作製するためには、ｐま
たはｎ層をアモルファスＳｉＣで形成したり、オーミッ
ク電極とｐまたはｎ層の間にアモルファスＳｉＮの薄い
層をはさむことなどの改善によって、逆方向の暗電流を
減少させる必要があった。
【０００４】本発明の目的は、多結晶シリコンダイオー
ドにおいては逆方向リーク電流を著しく減少させて受光
素子として使用することができ、アモルファスシリコン
のダイオードにおいては逆方向暗電流を減少させたフォ
トダイオードを提供することにある。
ドにおいては逆方向リーク電流を著しく減少させて受光
素子として使用することができ、アモルファスシリコン
のダイオードにおいては逆方向暗電流を減少させたフォ
トダイオードを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、第１の発明は、基板上に、第１のゲート電極と、第
１の絶縁膜と、第１の電極と、不純物をドープしてない
半導体層と、第２の電極と、第２の絶縁膜と、第２のゲ
ート電極とが順次積層され、前記第１のゲート電極と前
記第１の電極とが前記基板に直交する方向では一部重な
り、また前記第２のゲート電極と前記第２の電極とが前
記基板に直交する方向では一部重なる構造を有し、前記
第１のゲート電極と前記第２のゲート電極のどちらか一
方あるいは両方が透明電極であるように構成されたフォ
トダイオードである。また、第２の発明は基板上に、そ
の膜中に負の固定電荷を有する第３の絶縁膜と、該第３
の絶縁膜と前記基板に直交する方向では一部重なる構造
を有する第１の電極と、不純物をドープしてないｉ型半
導体層と、第２の電極と、その膜中に正の固定電荷を有
する第４の絶縁膜とが順次積層され、かつ前記第２の電
極は前記第４の絶縁膜と前記基板に直交する方向では一
部重なる構造を有するように形成されたフォトダイオー
ドである。
に、第１の発明は、基板上に、第１のゲート電極と、第
１の絶縁膜と、第１の電極と、不純物をドープしてない
半導体層と、第２の電極と、第２の絶縁膜と、第２のゲ
ート電極とが順次積層され、前記第１のゲート電極と前
記第１の電極とが前記基板に直交する方向では一部重な
り、また前記第２のゲート電極と前記第２の電極とが前
記基板に直交する方向では一部重なる構造を有し、前記
第１のゲート電極と前記第２のゲート電極のどちらか一
方あるいは両方が透明電極であるように構成されたフォ
トダイオードである。また、第２の発明は基板上に、そ
の膜中に負の固定電荷を有する第３の絶縁膜と、該第３
の絶縁膜と前記基板に直交する方向では一部重なる構造
を有する第１の電極と、不純物をドープしてないｉ型半
導体層と、第２の電極と、その膜中に正の固定電荷を有
する第４の絶縁膜とが順次積層され、かつ前記第２の電
極は前記第４の絶縁膜と前記基板に直交する方向では一
部重なる構造を有するように形成されたフォトダイオー
ドである。
【０００６】
【作用】このゲート電極に適当な電圧を加えて、片側に
ｐチャネル、別の片側にｎチャネルを誘起し、捕獲中心
密度の低いｉ領域内に、ｐ−ｉならびにｎ−ｉ接合を形
成することができる。これによって、捕獲中心を経由す
るトンネル電流やＰｏｏｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ電流など
を減少させることが可能となり、ダイオードの逆方向リ
ーク電流が著しく減少する。このため、多結晶シリコン
ではフォトダイオードとしての使用が初めて可能とな
り、また、アモルファスシリコンでは入射パワーの低い
光に対するＳ／Ｎが向上する。
ｐチャネル、別の片側にｎチャネルを誘起し、捕獲中心
密度の低いｉ領域内に、ｐ−ｉならびにｎ−ｉ接合を形
成することができる。これによって、捕獲中心を経由す
るトンネル電流やＰｏｏｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ電流など
を減少させることが可能となり、ダイオードの逆方向リ
ーク電流が著しく減少する。このため、多結晶シリコン
ではフォトダイオードとしての使用が初めて可能とな
り、また、アモルファスシリコンでは入射パワーの低い
光に対するＳ／Ｎが向上する。
【０００７】
【実施例１】以下、実施例１，実施例２とも、多結晶シ
リコンを用いた実施例について説明する。図１は、本発
明の第１の実施例のフォトダイオードの断面図である。
ガラス基板１の上に、モリブデンを用いて第１のゲート
電極２を約５０ｎｍの膜厚で形成し、その上に、スパッ
タリングによってＳｉＯ2 よりなる第１の絶縁膜３を約
１００ｎｍの膜厚で形成した。次にモリブデンを用いて
第１の電極４を約５０ｎｍの膜厚で第１の絶縁膜３内の
一端部表面側に基板１に直交する方向では第１のゲート
電極２と一部重なるように形成し、不純物をドープして
ないｉ型多結晶シリコン層５を約１０００ｎｍの膜厚で
形成し、さらに、モリブデンを用いて第２の電極６を約
５０ｎｍの膜厚でｉ型多結晶シリコン層５の一端部表面
上に形成した。さらにその上に、スパッタリングによっ
てＳｉＯ2 よりなる第２の絶縁膜７を約１００ｎｍの膜
厚で形成し、最後にＩＴＯを用いて、透明な第２のゲー
ト電極８を基板１に直交する方向では第２の電極６と一
部重なるように約５０ｎｍの膜厚で設けた。
リコンを用いた実施例について説明する。図１は、本発
明の第１の実施例のフォトダイオードの断面図である。
ガラス基板１の上に、モリブデンを用いて第１のゲート
電極２を約５０ｎｍの膜厚で形成し、その上に、スパッ
タリングによってＳｉＯ2 よりなる第１の絶縁膜３を約
１００ｎｍの膜厚で形成した。次にモリブデンを用いて
第１の電極４を約５０ｎｍの膜厚で第１の絶縁膜３内の
一端部表面側に基板１に直交する方向では第１のゲート
電極２と一部重なるように形成し、不純物をドープして
ないｉ型多結晶シリコン層５を約１０００ｎｍの膜厚で
形成し、さらに、モリブデンを用いて第２の電極６を約
５０ｎｍの膜厚でｉ型多結晶シリコン層５の一端部表面
上に形成した。さらにその上に、スパッタリングによっ
てＳｉＯ2 よりなる第２の絶縁膜７を約１００ｎｍの膜
厚で形成し、最後にＩＴＯを用いて、透明な第２のゲー
ト電極８を基板１に直交する方向では第２の電極６と一
部重なるように約５０ｎｍの膜厚で設けた。
【０００８】図１の構造において、第１のゲート電極２
に負電圧を、第２のゲート電極８に正電圧を加えると、
図２に示すように、第１のゲート電極２上のｉ型多結晶
シリコン層５中にｐチャネル９が、第２のゲート電極８
下のｉ型多結晶シリコン層５中にｎチャネル１０が誘起
される。これによって、ｉ型多結晶シリコン層５の中
に、ｐ−ｉ−ｎの積層ダイオード構造が形成され、しか
も、ｐ−ｉならびにｎ−ｉ接合の界面が、捕獲中心の少
ないｉ型多結晶シリコン層５中に形成されることにな
る。
に負電圧を、第２のゲート電極８に正電圧を加えると、
図２に示すように、第１のゲート電極２上のｉ型多結晶
シリコン層５中にｐチャネル９が、第２のゲート電極８
下のｉ型多結晶シリコン層５中にｎチャネル１０が誘起
される。これによって、ｉ型多結晶シリコン層５の中
に、ｐ−ｉ−ｎの積層ダイオード構造が形成され、しか
も、ｐ−ｉならびにｎ−ｉ接合の界面が、捕獲中心の少
ないｉ型多結晶シリコン層５中に形成されることにな
る。
【０００９】一般に、不純物をドープして形成したｐ型
あるいはｎ型多結晶シリコンを用いて、ｐ−ｉ−ｎ積層
構造のダイオードを作製すると、ｐ−ｉならびにｎ−ｉ
接合の界面は、粒界による欠陥の集中や不純物の偏析な
どのために、捕獲中心がｉ型多結晶シリコン膜内部より
もはるかに多くなる。このため、接合に逆バイアスを加
えると、界面の捕獲中心を介したトンネル電流やＰｏｏ
ｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ電流などによって、図３（ａ）に
示すように、逆方向のリーク電流が非常に大きくなって
しまう。
あるいはｎ型多結晶シリコンを用いて、ｐ−ｉ−ｎ積層
構造のダイオードを作製すると、ｐ−ｉならびにｎ−ｉ
接合の界面は、粒界による欠陥の集中や不純物の偏析な
どのために、捕獲中心がｉ型多結晶シリコン膜内部より
もはるかに多くなる。このため、接合に逆バイアスを加
えると、界面の捕獲中心を介したトンネル電流やＰｏｏ
ｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ電流などによって、図３（ａ）に
示すように、逆方向のリーク電流が非常に大きくなって
しまう。
【００１０】しかしながら、図１に示す本実施例のダイ
オードにおいては、第１のゲート電極２に負電圧を、第
２のゲート電極８に正電圧を加えた状態で、ダイオード
の電圧−電流特性を測定したところ、図３（ｂ）に示す
ように、逆方向リーク電流が著しく減少し、正常なダイ
オード特性が得られた。また、図１または図２に示す透
明な第２のゲート電極８側から、ｉ型多結晶シリコン層
５へ光を照射したところ、図３（ｂ）に示すように、光
電流を観測することができ、同図の暗時の電流と比較し
て、逆方向バイアス時に十分なオン・オフ比がとれた。
オードにおいては、第１のゲート電極２に負電圧を、第
２のゲート電極８に正電圧を加えた状態で、ダイオード
の電圧−電流特性を測定したところ、図３（ｂ）に示す
ように、逆方向リーク電流が著しく減少し、正常なダイ
オード特性が得られた。また、図１または図２に示す透
明な第２のゲート電極８側から、ｉ型多結晶シリコン層
５へ光を照射したところ、図３（ｂ）に示すように、光
電流を観測することができ、同図の暗時の電流と比較し
て、逆方向バイアス時に十分なオン・オフ比がとれた。
【００１１】本実施例では、第１のゲート電極２にモリ
ブデンを用いたが、透明電極材料を用いて、基板１側か
ら光を入射する構造としてもよい。また、本実施例で
は、第１のゲート電極２、第２のゲート電極８、第１の
電極４、第２の電極６のそれぞれに、別々に電圧を加え
た４端子動作としたが、動作電圧によっては、第１のゲ
ート電極２と第１の電極４を相互接続し、また第２のゲ
ート電極８と第２の電極６を相互接続して、２端子動作
とすることも可能である。
ブデンを用いたが、透明電極材料を用いて、基板１側か
ら光を入射する構造としてもよい。また、本実施例で
は、第１のゲート電極２、第２のゲート電極８、第１の
電極４、第２の電極６のそれぞれに、別々に電圧を加え
た４端子動作としたが、動作電圧によっては、第１のゲ
ート電極２と第１の電極４を相互接続し、また第２のゲ
ート電極８と第２の電極６を相互接続して、２端子動作
とすることも可能である。
【００１２】
【実施例２】図４は、本発明の第２の実施例である。第
１の実施例との相違は、第１のゲート電極を設ける代わ
りに、その膜中に負の固定電荷を有することによりバイ
アスの無い状態で真上のｉ型多結晶シリコン層５中にｐ
チャネル９を誘起する絶縁膜１１と、第２のゲート電極
を設ける代わりに、その膜中に正の固定電荷を有する事
によりバイアスの無い状態で真下のｉ型多結晶シリコン
層５中にｎチャネル１０を誘起する絶縁膜１２を設けた
ことである。絶縁膜の種類や形成条件によって、絶縁膜
−ｉ型多結晶シリコン界面を制御しなければならない難
しさが生ずるものの、素子構造が簡単になるという長所
がある。
１の実施例との相違は、第１のゲート電極を設ける代わ
りに、その膜中に負の固定電荷を有することによりバイ
アスの無い状態で真上のｉ型多結晶シリコン層５中にｐ
チャネル９を誘起する絶縁膜１１と、第２のゲート電極
を設ける代わりに、その膜中に正の固定電荷を有する事
によりバイアスの無い状態で真下のｉ型多結晶シリコン
層５中にｎチャネル１０を誘起する絶縁膜１２を設けた
ことである。絶縁膜の種類や形成条件によって、絶縁膜
−ｉ型多結晶シリコン界面を制御しなければならない難
しさが生ずるものの、素子構造が簡単になるという長所
がある。
【００１３】以上、実施例１と実施例２では、多結晶シ
リコンについて説明したが、多結晶シリコンをアモルフ
ァスシリコンに置き換えても、同じようにダイオードの
逆方向暗電流の低減効果が得られる。図１に示した構造
において多結晶シリコンをアモルファスシリコンに置き
換えたダイオードを作製し、その特性を測定したとこ
ろ、逆方向暗電流が従来のｐ−ｉ−ｎダイオードよりも
２桁低くなり、入射パワーが０．１μＷ／cm2 以下の光
の受光が可能になった。また、多結晶シリコン，アモル
ファスシリコンの代わりに、アモルファスＧｅ，多結晶
Ｇｅ，アモルファスＳｉＧｅ，多結晶ＳｉＧｅ，アモル
ファスＳｉＣ，多結晶ＳｉＣを用いても良い。
リコンについて説明したが、多結晶シリコンをアモルフ
ァスシリコンに置き換えても、同じようにダイオードの
逆方向暗電流の低減効果が得られる。図１に示した構造
において多結晶シリコンをアモルファスシリコンに置き
換えたダイオードを作製し、その特性を測定したとこ
ろ、逆方向暗電流が従来のｐ−ｉ−ｎダイオードよりも
２桁低くなり、入射パワーが０．１μＷ／cm2 以下の光
の受光が可能になった。また、多結晶シリコン，アモル
ファスシリコンの代わりに、アモルファスＧｅ，多結晶
Ｇｅ，アモルファスＳｉＧｅ，多結晶ＳｉＧｅ，アモル
ファスＳｉＣ，多結晶ＳｉＣを用いても良い。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によってｐ
−ｎならびにｎ−ｉ接合の界面を捕獲中心密度の低いｉ
領域内に形成することで、捕獲中心を経由するトンネル
電流あるいはＰｏｏｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ電流を減少さ
せることが可能となった。このため、従来はフォトダイ
オードとして使用できなかった多結晶シリコンにおい
て、ダイオードの逆方向リーク電流が著しく減少し、フ
ォトダイオードとしての使用が可能なった。また、アモ
ルファスシリコンにおいては、従来に比べてダイオード
の逆方向リーク電流が著しく減少し、低い入射パワーの
光に対するフォトダイオードのＳ／Ｎが飛躍的に向上し
た。
−ｎならびにｎ−ｉ接合の界面を捕獲中心密度の低いｉ
領域内に形成することで、捕獲中心を経由するトンネル
電流あるいはＰｏｏｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ電流を減少さ
せることが可能となった。このため、従来はフォトダイ
オードとして使用できなかった多結晶シリコンにおい
て、ダイオードの逆方向リーク電流が著しく減少し、フ
ォトダイオードとしての使用が可能なった。また、アモ
ルファスシリコンにおいては、従来に比べてダイオード
の逆方向リーク電流が著しく減少し、低い入射パワーの
光に対するフォトダイオードのＳ／Ｎが飛躍的に向上し
た。
【図１】本発明の第１の実施例を説明するための断面図
である。
である。
【図２】本発明の第１の実施例の動作を説明するための
断面図である。
断面図である。
【図３】（ａ）は従来のダイオードの電流−電圧特性
図、（ｂ）は本発明のダイオードの暗時ならびに光照射
時の電流−電圧特性図である。
図、（ｂ）は本発明のダイオードの暗時ならびに光照射
時の電流−電圧特性図である。
【図４】本発明の第２の実施例を説明するための断面図
である。
である。
１ ガラス基板 ２ 第１のゲート電極 ３ 第１の絶縁膜 ４ 第１の電極 ５ ｉ型多結晶シリコン層 ６ 第２の電極 ７ 第２の絶縁膜 ８ 第２のゲート電極 ９ ｐチャネル １０ ｎチャネル １１ 膜中に負の固定電荷を有する絶縁膜（第３の絶縁
膜） １２ 膜中に正の固定電荷を有する絶縁膜（第４の絶縁
膜）
膜） １２ 膜中に正の固定電荷を有する絶縁膜（第４の絶縁
膜）
Claims (4)
- 【請求項１】 基板上に、第１のゲート電極と、第１の
絶縁膜と、第１の電極と、不純物をドープしてない半導
体層と、第２の電極と、第２の絶縁膜と、第２のゲート
電極とが順次積層され、前記第１のゲート電極と前記第
１の電極とが前記基板に直交する方向では一部重なり、
また前記第２のゲート電極と前記第２の電極とが前記基
板に直交する方向では一部重なる構造を有し、前記第１
のゲート電極と前記第２のゲート電極のどちらか一方あ
るいは両方が透明電極であるように構成されたフォトダ
イオード。 - 【請求項２】 基板上に、その膜中に負の固定電荷を有
する第３の絶縁膜と、該第３の絶縁膜と前記基板に直交
する方向では一部重なる構造を有する第１の電極と、不
純物をドープしてないｉ型半導体層と、第２の電極と、
その膜中に正の固定電荷を有する第４の絶縁膜とが順次
積層され、かつ前記第２の電極は前記第４の絶縁膜と前
記基板に直交する方向では一部重なる構造を有するよう
に形成され、前記第３の絶縁膜と前記第４の絶縁膜とは
前記ｉ型半導体層にバイアスが無い状態で該ｉ型半導体
層中にそれぞれｐチャネルとｎチャネルが誘起するよう
に構成されたフォトダイオード。 - 【請求項３】 前記半導体に多結晶シリコンを用いたこ
とを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフォト
ダイオード。 - 【請求項４】 前記半導体にアモルファスシリコンを用
いたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の
フォトダイオード。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3077083A JP2905307B2 (ja) | 1991-03-18 | 1991-03-18 | フォトダイオード |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3077083A JP2905307B2 (ja) | 1991-03-18 | 1991-03-18 | フォトダイオード |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04288883A JPH04288883A (ja) | 1992-10-13 |
| JP2905307B2 true JP2905307B2 (ja) | 1999-06-14 |
Family
ID=13623889
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3077083A Expired - Fee Related JP2905307B2 (ja) | 1991-03-18 | 1991-03-18 | フォトダイオード |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2905307B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5285365B2 (ja) * | 2007-12-25 | 2013-09-11 | 株式会社ジャパンディスプレイウェスト | 受光素子および表示装置 |
-
1991
- 1991-03-18 JP JP3077083A patent/JP2905307B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04288883A (ja) | 1992-10-13 |
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