JP3236624B2 - 光感応性電子素子、その素子を使用したカラーセンサー、及びその素子の製造方法 - Google Patents
光感応性電子素子、その素子を使用したカラーセンサー、及びその素子の製造方法Info
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-
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- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、非晶質シリコンおよびその合金をベースと
し、２つの逆直列に配列したｐ−ｉ−ｎもしくはｎ−ｉ
−ｐもしくはショットキー接触（Schottkey−contact）
構造からなり、活性層はそれぞれの光の入射方向と直交
するように配置されており、光入射方向に見て第一の構
造領域では青色光により発生した電荷キャリアが第一
（V1）の電圧に対して集積し、光入射方向に見て第二の
構造領域では緑色或いは赤色光によりそれぞれ発生した
電荷キャリアが第二（V2）或いは第三の電圧に対して集
積し、２つの真性導電層の少なくとも１つが２つの部分
層からなる素子に関するものである。
し、２つの逆直列に配列したｐ−ｉ−ｎもしくはｎ−ｉ
−ｐもしくはショットキー接触（Schottkey−contact）
構造からなり、活性層はそれぞれの光の入射方向と直交
するように配置されており、光入射方向に見て第一の構
造領域では青色光により発生した電荷キャリアが第一
（V1）の電圧に対して集積し、光入射方向に見て第二の
構造領域では緑色或いは赤色光によりそれぞれ発生した
電荷キャリアが第二（V2）或いは第三の電圧に対して集
積し、２つの真性導電層の少なくとも１つが２つの部分
層からなる素子に関するものである。
背景技術 このタイプの素子は、「新しいタイプの薄膜カラーイ
メージセンサー」、Q.ZHU,H.Stiebig,P.Rieve,J.Giehl,
M.Sommer,M.Bohm;Conference Europto−Sensors and Co
ntrol for Advanced Automation II、Frankfurt/Main,2
0−24 June 1994の論文から知られている。
メージセンサー」、Q.ZHU,H.Stiebig,P.Rieve,J.Giehl,
M.Sommer,M.Bohm;Conference Europto−Sensors and Co
ntrol for Advanced Automation II、Frankfurt/Main,2
0−24 June 1994の論文から知られている。
結晶質シリコンの素子と比較して、非晶質シリコン
（ａ−Si:H）をベースとした光感応性電子素子は、可視
光の吸収が非常に増加しているという優位性を有する。
基本的に、そのような光感応性電子素子は、相互に逆直
列に接続した２つのPINダイオード（NIPIN或いはPINIP
の二態様が知られている）からなるか、或いは相互に逆
直列に接続した２つの金属・半導体接合（ショットキー
接触）からなる。
（ａ−Si:H）をベースとした光感応性電子素子は、可視
光の吸収が非常に増加しているという優位性を有する。
基本的に、そのような光感応性電子素子は、相互に逆直
列に接続した２つのPINダイオード（NIPIN或いはPINIP
の二態様が知られている）からなるか、或いは相互に逆
直列に接続した２つの金属・半導体接合（ショットキー
接触）からなる。
技術的にみて、そのような素子は、PECVD（プラズマ
化学気相成長法）プロセスの手段によって低温（典型的
には250℃）で多数のａ−Si:H層を分離することによっ
て製造される。最初に堆積により例えば絶縁基板、通常
ガラス上に半透明電導性酸化層（TCO）を接続し、半透
明電導性酸化層には後に前記素子に外部から電圧を付与
するための接触を造る。交番磁界を与えることで、シリ
コン基と水素に分解されるSiH4（シラン）ガスによって
PECVDリアクターでプラズマを発生する。このプロセス
において、水素を含む非晶質薄膜として基板上にシリコ
ンが凝縮する。これを出発にして、ホスフィンの添加に
よって、ｎドープ層を製造でき、或いはジボランを添加
することによってＰドープ層を製造できる。加えて、シ
ランにメタン（CH4）を添加することによって非晶質シ
リコンの禁制帯幅（band gap）を増加させるか、或いは
ゲルマン（GeH4）を添加することによって前記禁制帯幅
を減少させることは良く知られている。
化学気相成長法）プロセスの手段によって低温（典型的
には250℃）で多数のａ−Si:H層を分離することによっ
て製造される。最初に堆積により例えば絶縁基板、通常
ガラス上に半透明電導性酸化層（TCO）を接続し、半透
明電導性酸化層には後に前記素子に外部から電圧を付与
するための接触を造る。交番磁界を与えることで、シリ
コン基と水素に分解されるSiH4（シラン）ガスによって
PECVDリアクターでプラズマを発生する。このプロセス
において、水素を含む非晶質薄膜として基板上にシリコ
ンが凝縮する。これを出発にして、ホスフィンの添加に
よって、ｎドープ層を製造でき、或いはジボランを添加
することによってＰドープ層を製造できる。加えて、シ
ランにメタン（CH4）を添加することによって非晶質シ
リコンの禁制帯幅（band gap）を増加させるか、或いは
ゲルマン（GeH4）を添加することによって前記禁制帯幅
を減少させることは良く知られている。
このような方法で製造された、所望の層の順序をも
つ、多層素子に、光入射方向が前記層の平面に対して直
角であるような方向において可視光が放射によって浸透
する。前記センサー材の吸収係数は、入射光の波長およ
びセンサー材の禁制帯幅に依存するため、半導体材料に
入る光の浸透深さに差を生じる。これは、緑色或いは赤
色光よりも非常に小さい浸透深さ（吸収長さ）を青色光
（波長約450nm）が有することに繋がる。前記素子に付
与する外部直流電圧の大きさ及び極をそれぞれ選択する
ことによって、およびその結果の内部の電界により、こ
の素子のスペクトル感度が得られる。例えば、前記要素
に各々の電圧を付与することによって、多層構造におけ
るRGB光（赤、緑、青）に対する感度が得られる。ここ
において、素子の長さに沿って光発生電荷キャリアの主
な集積領域および結果としてのスペクトル感度は、付与
する外部電圧に依存して変化する。
つ、多層素子に、光入射方向が前記層の平面に対して直
角であるような方向において可視光が放射によって浸透
する。前記センサー材の吸収係数は、入射光の波長およ
びセンサー材の禁制帯幅に依存するため、半導体材料に
入る光の浸透深さに差を生じる。これは、緑色或いは赤
色光よりも非常に小さい浸透深さ（吸収長さ）を青色光
（波長約450nm）が有することに繋がる。前記素子に付
与する外部直流電圧の大きさ及び極をそれぞれ選択する
ことによって、およびその結果の内部の電界により、こ
の素子のスペクトル感度が得られる。例えば、前記要素
に各々の電圧を付与することによって、多層構造におけ
るRGB光（赤、緑、青）に対する感度が得られる。ここ
において、素子の長さに沿って光発生電荷キャリアの主
な集積領域および結果としてのスペクトル感度は、付与
する外部電圧に依存して変化する。
三色センサーに関してNIPIN構造を適正化するため
に、前記Ｐドープ中間層の両面上に、追加的に真性導電
性欠陥層を備えることが上述したレポートで知られてお
り、その厚み領域においては禁制帯幅が真性導電層のま
まのものと比較して増加している（例えば、1.74eVから
1.9eV）。これは、光入射方向の前方でのNIP構造で緑／
青分離の改良に繋がるか、或いは光入射方向に見て後方
のPIN構造で赤／緑分離の改良に繋がる（所謂バンド−
ギャップエンジニアリング）。
に、前記Ｐドープ中間層の両面上に、追加的に真性導電
性欠陥層を備えることが上述したレポートで知られてお
り、その厚み領域においては禁制帯幅が真性導電層のま
まのものと比較して増加している（例えば、1.74eVから
1.9eV）。これは、光入射方向の前方でのNIP構造で緑／
青分離の改良に繋がるか、或いは光入射方向に見て後方
のPIN構造で赤／緑分離の改良に繋がる（所謂バンド−
ギャップエンジニアリング）。
米国特許第5,311,047号から、NIPIN構造を持つ非晶質
シリコンをベースとした光感応性電子素子が知られてい
る。
シリコンをベースとした光感応性電子素子が知られてい
る。
Applied Physics Letters 52（４）1988,275−277か
ら、NIPINタイプの異質接合素子（フォトトランジスタ
ー）が知られており、それは２つの追加的に挿入した真
性導電層を含む。このことから、第一接合においては好
ましくは青色光を、第二接合においては好ましくは緑色
或いは赤色光を吸収することが知られている。前記第二
の真性導電層は、青色吸収の増加を助長する。
ら、NIPINタイプの異質接合素子（フォトトランジスタ
ー）が知られており、それは２つの追加的に挿入した真
性導電層を含む。このことから、第一接合においては好
ましくは青色光を、第二接合においては好ましくは緑色
或いは赤色光を吸収することが知られている。前記第二
の真性導電層は、青色吸収の増加を助長する。
発明の開示 本発明の目的は、冒頭で述べたタイプの電子的素子と
同様に、経済的加工条件の下で、RGB色を感知する素子
が、出力信号に対して無視しうる赤外線／紫外線寄与を
以てRGB色に対して高いスペクトル分離の態様で作られ
ることを確実にする製造方法を記述することである。
同様に、経済的加工条件の下で、RGB色を感知する素子
が、出力信号に対して無視しうる赤外線／紫外線寄与を
以てRGB色に対して高いスペクトル分離の態様で作られ
ることを確実にする製造方法を記述することである。
本発明によれば、電界の存在下で、電荷キャリアに対
する異なる集積長さを有する２つの部分層によって目的
が達成され、それは光入射方向に見て前方にある部分層
において、電荷キャリアの移動度と寿命の高い積が、そ
して光入射方向に見て後方にある部分層において、電荷
キャリアの移動度と寿命の低い積が存在するような方
法、或いは２つの真性導電層の少なくとも１つが２つの
部分層から形成され、特にSiXGe1-Xによる各々のドーピ
ングを基にした上記部分層が、少なくとも係数10で相互
に異なったμ−τ積であるように異なる移動度を有して
いて、ここで高いμ−τ積を有する部分層が光入射方向
の前方にあるような方法である。
する異なる集積長さを有する２つの部分層によって目的
が達成され、それは光入射方向に見て前方にある部分層
において、電荷キャリアの移動度と寿命の高い積が、そ
して光入射方向に見て後方にある部分層において、電荷
キャリアの移動度と寿命の低い積が存在するような方
法、或いは２つの真性導電層の少なくとも１つが２つの
部分層から形成され、特にSiXGe1-Xによる各々のドーピ
ングを基にした上記部分層が、少なくとも係数10で相互
に異なったμ−τ積であるように異なる移動度を有して
いて、ここで高いμ−τ積を有する部分層が光入射方向
の前方にあるような方法である。
本発明は、素子の２つの真性導電層の少なくとも１つ
を２つの部分層に分割することによって、青色／緑色分
離或いは緑色／赤色の分離を改善することを特徴として
いる。既知のプロセス（例えば、禁制帯幅の部分的増加
を通して吸収或いは再結合特性に影響を及ぼすことによ
る「バンドギャップエンジニアリング」）、或いは追加
的な欠陥層と共同することによるものと比較して、本発
明によるμ−τ積の変化がスペクトル分離の著しい改善
および所望の線形的特性を可能にするという決定的利点
を有する。
を２つの部分層に分割することによって、青色／緑色分
離或いは緑色／赤色の分離を改善することを特徴として
いる。既知のプロセス（例えば、禁制帯幅の部分的増加
を通して吸収或いは再結合特性に影響を及ぼすことによ
る「バンドギャップエンジニアリング」）、或いは追加
的な欠陥層と共同することによるものと比較して、本発
明によるμ−τ積の変化がスペクトル分離の著しい改善
および所望の線形的特性を可能にするという決定的利点
を有する。
この結果、三原色を光強度が高い場合と低い場合の両
方において確実に分離することができる。本発明による
解決は、それぞれのスペクトルピークに対する光起電力
と光子流の間で線形的な関係を持つ素子に帰着する。こ
れは、前記光子流の強さの数オーダーに渡ってのことで
ある。これを越えると、スペクトルピークの線形的な相
互依存はない。一方の線形性と他方のスペクトルピーク
の線形独立が、照度の種々の条件下で色認識に、実際に
そのような素子を使用することを可能にした大きな理由
である。
方において確実に分離することができる。本発明による
解決は、それぞれのスペクトルピークに対する光起電力
と光子流の間で線形的な関係を持つ素子に帰着する。こ
れは、前記光子流の強さの数オーダーに渡ってのことで
ある。これを越えると、スペクトルピークの線形的な相
互依存はない。一方の線形性と他方のスペクトルピーク
の線形独立が、照度の種々の条件下で色認識に、実際に
そのような素子を使用することを可能にした大きな理由
である。
光入射方向で見て後方構造における電荷キャリアの自
由移動度が低い領域を組み込むことによって、電荷キャ
リアは高い電圧および従って高い電界の間でのみ抽出す
ることができる。短い波長の光によって前方部において
発生した正孔（holes）は、中間層にドリフトする。後
方部において再結合する相手が発生しないという理由か
ら、電子は後方構造の障壁層（barrier layer）に届
く。長い波長の光（赤）は、この領域に支配的に発生
し、そのために電荷キャリアは低いμ−τ積の結果とし
て再結合する。高い電界強度を伴った場合のみ正孔が中
間層にドリフトすることを可能としている。その結果、
赤色／緑色分離が後方構造において起こる。
由移動度が低い領域を組み込むことによって、電荷キャ
リアは高い電圧および従って高い電界の間でのみ抽出す
ることができる。短い波長の光によって前方部において
発生した正孔（holes）は、中間層にドリフトする。後
方部において再結合する相手が発生しないという理由か
ら、電子は後方構造の障壁層（barrier layer）に届
く。長い波長の光（赤）は、この領域に支配的に発生
し、そのために電荷キャリアは低いμ−τ積の結果とし
て再結合する。高い電界強度を伴った場合のみ正孔が中
間層にドリフトすることを可能としている。その結果、
赤色／緑色分離が後方構造において起こる。
この部分層において、前記バンド内で異なった自由移
動度（free mobilities）を持つ適切な素材および合金
（例えば、ａ−Si:H/a−SiXGe(1-X):H）を組み込むと、
低電圧では電荷キャリアは、低いμ−τ積により不十分
にしか捕集できない。対照的に、これらの電荷キャリア
は、高電圧の場合において優先して集めることができ
る。
動度（free mobilities）を持つ適切な素材および合金
（例えば、ａ−Si:H/a−SiXGe(1-X):H）を組み込むと、
低電圧では電荷キャリアは、低いμ−τ積により不十分
にしか捕集できない。対照的に、これらの電荷キャリア
は、高電圧の場合において優先して集めることができ
る。
高いμ−τ積を有する部分層において、好ましくは緑
色の光子が集められ、一方光入射方向に見て後方領域に
おいて、好ましくは赤色の電荷キャリアが集められる。
ａ−Si:H/a−Si（Ｃ）:H及びａ−SiXGe(1-X):Hの波長に
依存しての異なる屈折率のため、後方の真性導電層の前
方部分層に関して、或る厚みの領域が赤色光子よりも緑
色光子を吸収するように決めることができる。発生した
電荷キャリアは、低い負電圧で抽出することができ、最
大スペクトル感応性を決める。高い負電圧である場合に
は、前記最大スペクトル感応性は、この真性導電層の後
方部分層で発生した電荷キャリアによって決定される。
色の光子が集められ、一方光入射方向に見て後方領域に
おいて、好ましくは赤色の電荷キャリアが集められる。
ａ−Si:H/a−Si（Ｃ）:H及びａ−SiXGe(1-X):Hの波長に
依存しての異なる屈折率のため、後方の真性導電層の前
方部分層に関して、或る厚みの領域が赤色光子よりも緑
色光子を吸収するように決めることができる。発生した
電荷キャリアは、低い負電圧で抽出することができ、最
大スペクトル感応性を決める。高い負電圧である場合に
は、前記最大スペクトル感応性は、この真性導電層の後
方部分層で発生した電荷キャリアによって決定される。
長い波長の光に対する最大スペクトル感応性は、SiXG
e1-X素材の層の厚さによって、この領域におけるゲルマ
ニウム量によって、及び場合によっては濃淡によって設
定することができる。
e1-X素材の層の厚さによって、この領域におけるゲルマ
ニウム量によって、及び場合によっては濃淡によって設
定することができる。
本発明による素子を使用した場合、３つの異なった電
圧を付与することによって、前記素子における種々の深
さに位置する３つの空間電荷領域が結果として得られ、
それ故に顕著なスペクトル選択性をもたらす。特別な利
点として、前記線形性は、発光強度の強さの５桁のオー
ダーを遙に越えて延びている。加えて、本発明による素
子は、低い暗電流と高いダイナミックレンジ（dynamic
range）（＞120dB,1000ルックスに対して）を有する。
更なる利点は、顧客の特別な注文によって前記スペクト
ル感応性をプリセットできることである。特に重要な点
は、追加的な光学フィルターを使用することなくスペク
トル成分の選択が可能であるという事実である。
圧を付与することによって、前記素子における種々の深
さに位置する３つの空間電荷領域が結果として得られ、
それ故に顕著なスペクトル選択性をもたらす。特別な利
点として、前記線形性は、発光強度の強さの５桁のオー
ダーを遙に越えて延びている。加えて、本発明による素
子は、低い暗電流と高いダイナミックレンジ（dynamic
range）（＞120dB,1000ルックスに対して）を有する。
更なる利点は、顧客の特別な注文によって前記スペクト
ル感応性をプリセットできることである。特に重要な点
は、追加的な光学フィルターを使用することなくスペク
トル成分の選択が可能であるという事実である。
好ましい実施態様は従属クレームに述べられている。
NIPIN或いはPINIP構造は、本発明によれば、異なった
μ−τ積を有する部分層によって修正した光感応性素子
の好ましい変形例として考慮することができる。技術的
には、μ−τ変更は、好ましくは非晶質シリコンにゲル
マニウムを合金化するとによって達成される（Ａ−SiXG
e1-X:H）。
μ−τ積を有する部分層によって修正した光感応性素子
の好ましい変形例として考慮することができる。技術的
には、μ−τ変更は、好ましくは非晶質シリコンにゲル
マニウムを合金化するとによって達成される（Ａ−SiXG
e1-X:H）。
量子効率の改善と同様に青色／赤色分離を改善するた
めには、光入射方向に見て前方構造の真性導電層が、炭
化された層（ａ−Si（Ｃ）:H）から構成されても良く、
そのためにμ−τ最適化に加えて、禁制帯幅の順応も起
こる。
めには、光入射方向に見て前方構造の真性導電層が、炭
化された層（ａ−Si（Ｃ）:H）から構成されても良く、
そのためにμ−τ最適化に加えて、禁制帯幅の順応も起
こる。
本発明の特に好ましい実施態様によると素子はカラー
センサーの一部であり、ここで素子を含むサンドイッチ
構造は集積回路の表面上に配置してある。低温PECVD技
術により製造した多層素子に結晶質素子（例えば、ASI
C）を組み合わせると、経済的に製造可能で、かつ画像
生成カラーセンサー（picture−yielding color senso
r）として高い解像度を達成する単純な組合せとなる。
ここにおいて、集積回路或いはASICのミクロ構造によれ
ば、光感応性素子の各表面要素が、単一のピクセル画素
として作用する。色選択性は、電圧によって設定される
し、また前記ピクセル面積の領域に付与した回路によっ
てあらかじめ設定可能である。この結果は、非晶質シリ
コンを基にした光学センサーに結晶質シリコンで作成し
た伝統的なASICの利点を組み合わせた、いわゆるASIC上
の薄膜（TFA）である。
センサーの一部であり、ここで素子を含むサンドイッチ
構造は集積回路の表面上に配置してある。低温PECVD技
術により製造した多層素子に結晶質素子（例えば、ASI
C）を組み合わせると、経済的に製造可能で、かつ画像
生成カラーセンサー（picture−yielding color senso
r）として高い解像度を達成する単純な組合せとなる。
ここにおいて、集積回路或いはASICのミクロ構造によれ
ば、光感応性素子の各表面要素が、単一のピクセル画素
として作用する。色選択性は、電圧によって設定される
し、また前記ピクセル面積の領域に付与した回路によっ
てあらかじめ設定可能である。この結果は、非晶質シリ
コンを基にした光学センサーに結晶質シリコンで作成し
た伝統的なASICの利点を組み合わせた、いわゆるASIC上
の薄膜（TFA）である。
図面の簡単な説明 本発明は、以下のように更に詳細に図面によって説明
される。
される。
図１は、先行技術による光感応性電子素子の層構成を
例示した模式図である。
例示した模式図である。
図２は、図１による要素の動作の態様を例示した模式
図であり、 図2aは、多層素子の個々の層の空間的配列を示し、 図2bは、Ｕ＞０での電界強さの局部的推移を示し、そ
して 図2cは、Ｕ＜０での電界強さの局部的推移を示す。
図であり、 図2aは、多層素子の個々の層の空間的配列を示し、 図2bは、Ｕ＞０での電界強さの局部的推移を示し、そ
して 図2cは、Ｕ＜０での電界強さの局部的推移を示す。
図３は、本発明による光感応性電子素子の層構成を例
示した模式図である。
示した模式図である。
図４は、図３による要素の動作の態様を例示した模式
図であり、 図4aは、多層素子の個々の層の空間的な配列を示し、 図4bは、Ｕ＞０での電界強さの局部的推移を示し、そ
して 図4cは、Ｕ＜０での電界強さの局部的推移と、同様に
μ−τ積の局部的推移を示す。そして、 図５は、本発明による光感応性電子素子の層構造と集
積回路の組み合わせを例示して示した模式図である。
図であり、 図4aは、多層素子の個々の層の空間的な配列を示し、 図4bは、Ｕ＞０での電界強さの局部的推移を示し、そ
して 図4cは、Ｕ＜０での電界強さの局部的推移と、同様に
μ−τ積の局部的推移を示す。そして、 図５は、本発明による光感応性電子素子の層構造と集
積回路の組み合わせを例示して示した模式図である。
発明を実施するための最良の形態 図１は、NIPIN層の連続順をキャリア（ガラス）上に
堆積したNIPIN層システムの断面部である。ガラス基板
は、光透過性、導電性酸化物を含むTCO層で後に被覆す
る。これの上に、引き続き個々の非晶質シリコン層を図
１に示す順序で堆積する。
堆積したNIPIN層システムの断面部である。ガラス基板
は、光透過性、導電性酸化物を含むTCO層で後に被覆す
る。これの上に、引き続き個々の非晶質シリコン層を図
１に示す順序で堆積する。
堆積のプロセスは、非晶質シリコンを比較的低温（約
250℃）で所望の層厚に堆積する既知のPECVD技術の手段
で行われる。
250℃）で所望の層厚に堆積する既知のPECVD技術の手段
で行われる。
背面接触（back contact）は、付与した外部電圧Ｕ
が、要素内を流れる電流Ｉを起動するアルミニウム電極
で行われ、そしてTCO層が基準電位（reference potenti
al）を形成する。このような方法において、配列は２つ
のPINダイオードの逆に接続した組合せのように機能す
る。
が、要素内を流れる電流Ｉを起動するアルミニウム電極
で行われ、そしてTCO層が基準電位（reference potenti
al）を形成する。このような方法において、配列は２つ
のPINダイオードの逆に接続した組合せのように機能す
る。
図１に示したように、光入射はガラス基板を通してNI
PIN層に前記層の表面に対して直角に入る。
PIN層に前記層の表面に対して直角に入る。
半導体構造の模式図が図2aに示されている。NIPIN素
子の障壁層を形成しているｎドープ領域においては、強
いドーピングがある。これらの領域においては、高い欠
陥密度（defect densities）に関連し、電子と正孔との
間には高い再結合の可能性があるために電荷キャリアの
集積は行われない。この位置において、図2bおよび図2c
のそれぞれに示したようにドーピング濃度が一定である
と仮定すると、電界強さの線形的増加が起こる。空間電
荷がないと想定される真性導電性領域は、電界強さが空
間でほぼ一定に分布しており、ここで移動性の電荷キャ
リア、欠陥および不純物による空間電荷に対する寄与が
無視できる。電界の手段によって光発生電荷キャリアが
１次光電流として集められる。熱的に発生した電荷キャ
リアは暗電流に寄与する。NIPIN構造は、２つの逆直列
に接続したPINダイオードからなると見なすことができ
るため、電圧の主な低下はブロッキングの方向において
分極したダイオードの領域で起こる。反対に、透過方向
で分極したダイオードにおける電界は無視しうる。図2b
および図2cから分かるように、熱的に発生した電荷キャ
リアは無視すると仮定すると、中間のｐ層の領域に存在
する電界強さは、付与した電圧Ｕの関数であり、ｐ層の
中心の或る位置において、電界強さが零となる点を有す
ることになる。
子の障壁層を形成しているｎドープ領域においては、強
いドーピングがある。これらの領域においては、高い欠
陥密度（defect densities）に関連し、電子と正孔との
間には高い再結合の可能性があるために電荷キャリアの
集積は行われない。この位置において、図2bおよび図2c
のそれぞれに示したようにドーピング濃度が一定である
と仮定すると、電界強さの線形的増加が起こる。空間電
荷がないと想定される真性導電性領域は、電界強さが空
間でほぼ一定に分布しており、ここで移動性の電荷キャ
リア、欠陥および不純物による空間電荷に対する寄与が
無視できる。電界の手段によって光発生電荷キャリアが
１次光電流として集められる。熱的に発生した電荷キャ
リアは暗電流に寄与する。NIPIN構造は、２つの逆直列
に接続したPINダイオードからなると見なすことができ
るため、電圧の主な低下はブロッキングの方向において
分極したダイオードの領域で起こる。反対に、透過方向
で分極したダイオードにおける電界は無視しうる。図2b
および図2cから分かるように、熱的に発生した電荷キャ
リアは無視すると仮定すると、中間のｐ層の領域に存在
する電界強さは、付与した電圧Ｕの関数であり、ｐ層の
中心の或る位置において、電界強さが零となる点を有す
ることになる。
前記要素に外部から付与した電圧に依存して、電界強
さの推移は、図2bのように（Ｕ＞０）なるか、或いは図
2cのように（Ｕ＜０）なるかのどちらかとなる。もし、
ここで、図2bのように正の電圧、例えば＋2V、が図１に
示す要素に付与された場合、ブロッキングの方向で前面
のダイオードが分極し、そのために、電荷キャリアが分
離されて内部に強い電界を形成する。この領域は、光入
射方向に見て前方に位置しているため、低い吸収長さ、
すなわち青色の光を有する光のスペクトル成分がそこに
吸収される。
さの推移は、図2bのように（Ｕ＞０）なるか、或いは図
2cのように（Ｕ＜０）なるかのどちらかとなる。もし、
ここで、図2bのように正の電圧、例えば＋2V、が図１に
示す要素に付与された場合、ブロッキングの方向で前面
のダイオードが分極し、そのために、電荷キャリアが分
離されて内部に強い電界を形成する。この領域は、光入
射方向に見て前方に位置しているため、低い吸収長さ、
すなわち青色の光を有する光のスペクトル成分がそこに
吸収される。
対照的に、負電圧が素子に付与された場合には、空間
電荷領域が後方のPINダイオード領域内に形成され、そ
のために、そこでは大きな浸透（penetration）深さを
有する緑色或いは赤色のスペクトル範囲内である光を吸
収することになる。
電荷領域が後方のPINダイオード領域内に形成され、そ
のために、そこでは大きな浸透（penetration）深さを
有する緑色或いは赤色のスペクトル範囲内である光を吸
収することになる。
ここから始まって、図３は本発明による光感応性電子
素子の態様を示している。図１に関連して示される素子
を補充するものとして、図３によるように、光入射方向
に見て真性導電後方層は、２つの部分的な層、Ｉ、IIに
再分割される。部分層Ｉにおいては部分層IIよりも大き
なμ−τ積が存在するため再分割が起こる。この関係
は、太線で描かれたμ−τ特性によって、図4cから明ら
かであり、前記領域Ｉ、IIの段階がそれから認識でき
る。
素子の態様を示している。図１に関連して示される素子
を補充するものとして、図３によるように、光入射方向
に見て真性導電後方層は、２つの部分的な層、Ｉ、IIに
再分割される。部分層Ｉにおいては部分層IIよりも大き
なμ−τ積が存在するため再分割が起こる。この関係
は、太線で描かれたμ−τ特性によって、図4cから明ら
かであり、前記領域Ｉ、IIの段階がそれから認識でき
る。
前記素子の同一の基本的機能と別のやり方で、これは
以下の操業態様に繋がる。
以下の操業態様に繋がる。
図4bに関連して、青色光によって発生した電荷キャリ
アは、前記素子に正の外部電圧が付与されるというそれ
らの状況下で好んで再び集められる。
アは、前記素子に正の外部電圧が付与されるというそれ
らの状況下で好んで再び集められる。
対照的に、図4cは前記素子に負電圧Ｕが付与された場
合を示している。負電圧量が比較的低い場合、例えば前
記素子に−0.5ボルトの電圧が付与された場合を最初に
調査してみる。第二の真性導電層の後方領域（部分層I
I）における低い自由移動度およびそれから派生する低
いμ−τ積を有する材料を組み込むことによって、高い
浸透深さを有する光（赤色光に対応）によって発生した
電荷キャリアの集積は悪化する。それ故に、そのような
電圧の場合には、好んで緑色光子によって発生した電荷
キャリアは集積される。その理由は、部分層Ｉはゲルマ
ニウムを含まないので、禁制帯幅はそこで大きくなり過
ぎて赤色光子は吸収されないか、或いは十分に吸収され
ないこととなるためである。
合を示している。負電圧量が比較的低い場合、例えば前
記素子に−0.5ボルトの電圧が付与された場合を最初に
調査してみる。第二の真性導電層の後方領域（部分層I
I）における低い自由移動度およびそれから派生する低
いμ−τ積を有する材料を組み込むことによって、高い
浸透深さを有する光（赤色光に対応）によって発生した
電荷キャリアの集積は悪化する。それ故に、そのような
電圧の場合には、好んで緑色光子によって発生した電荷
キャリアは集積される。その理由は、部分層Ｉはゲルマ
ニウムを含まないので、禁制帯幅はそこで大きくなり過
ぎて赤色光子は吸収されないか、或いは十分に吸収され
ないこととなるためである。
対照的に、もし負電圧の量が上昇すると、赤色の電荷
キャリアが好んで集積される。この事実によって、部分
層IIの禁制帯幅は追加的にゲルマニウムを含む層の結果
として狭くなり、赤色の光子が特にそこに十分吸収され
ることになる。
キャリアが好んで集積される。この事実によって、部分
層IIの禁制帯幅は追加的にゲルマニウムを含む層の結果
として狭くなり、赤色の光子が特にそこに十分吸収され
ることになる。
このように、後方の真性導電層領域におけるμ−τ積
の段階は、赤色／緑色分離において大きな改善をもたら
し、そして、それ故に前方の真性導電層領域において起
こる青色吸収と組み合わせて非常に高いスペクトル分離
感度を有する三色センサーの可能性を提供しうる。
の段階は、赤色／緑色分離において大きな改善をもたら
し、そして、それ故に前方の真性導電層領域において起
こる青色吸収と組み合わせて非常に高いスペクトル分離
感度を有する三色センサーの可能性を提供しうる。
上述したように、本発明による素子の基本機能を始め
として、好ましくは以下の改良が同様に提供される。
として、好ましくは以下の改良が同様に提供される。
光入射方向に見て前方に位置するNIPダイオードの真
性導電層は、炭化した層から構成することができ、その
ために改善された青色／赤色分離がもたらされる。暗電
流を軽減するために、狭い禁制帯幅を有する領域をこの
真性導電層内に備えることができる。
性導電層は、炭化した層から構成することができ、その
ために改善された青色／赤色分離がもたらされる。暗電
流を軽減するために、狭い禁制帯幅を有する領域をこの
真性導電層内に備えることができる。
最大の量子効率を改善するために、光入射方向におけ
る前方構造のｎ層は、炭化されるか、或いはミクロ結晶
質層として造られ、それによって前記中間Ｐ層がまた炭
化される。
る前方構造のｎ層は、炭化されるか、或いはミクロ結晶
質層として造られ、それによって前記中間Ｐ層がまた炭
化される。
加えて、青色吸収に関して第一の構造の感応性は、前
記真性導電層と中間のｐ層との間の遷移領域において僅
かなドーピングによって短い波長に向かって動かすこと
ができる。
記真性導電層と中間のｐ層との間の遷移領域において僅
かなドーピングによって短い波長に向かって動かすこと
ができる。
スペクトル選択性を適正化するために、段階化したａ
−SiXGE1-X:H層或いは更にドープされない層はａ−SiXG
E1-X:H層の後方或いは前方に置かれることとなる。
−SiXGE1-X:H層或いは更にドープされない層はａ−SiXG
E1-X:H層の後方或いは前方に置かれることとなる。
図３の内容で述べられた前記素子から始まって、図５
に示された色彩画像センサーは、集積回路の最上部にAS
ICの形で、基板として置かれた前述した多層構造を造り
出すことができる。前記製造プロセスは、絶縁層および
金属層を相互連結することによって行われる。
に示された色彩画像センサーは、集積回路の最上部にAS
ICの形で、基板として置かれた前述した多層構造を造り
出すことができる。前記製造プロセスは、絶縁層および
金属層を相互連結することによって行われる。
ここにおいて、蒸着層順序は、図１或いは図３のそれ
ぞれに関連して述べられたものと逆向きである。
ぞれに関連して述べられたものと逆向きである。
図５に従って、光はその場合上から前記構造体に入
る。結晶質のASIC構造による光学的セルの選択に依存し
て、各ピクセル要素に対し、付与された電圧に依存して
異なったスペクトル挙動をもたらす。このような方法
で、照射された光は、ピクセルからピクセル（pixel by
pixel）へと、そのスペクトル成分に関して分析され、
そしてこのような方法で転換された光信号は電気的に次
のプロセスに付される。
る。結晶質のASIC構造による光学的セルの選択に依存し
て、各ピクセル要素に対し、付与された電圧に依存して
異なったスペクトル挙動をもたらす。このような方法
で、照射された光は、ピクセルからピクセル（pixel by
pixel）へと、そのスペクトル成分に関して分析され、
そしてこのような方法で転換された光信号は電気的に次
のプロセスに付される。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−234068（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−42470（ＪＰ，Ａ) 米国特許5311047（ＵＳ，Ａ) Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌ ｅｔｔｅｒｓ，52（４），25 Ｊａｎ. 1988，ｐ．275−277，Ｈ．Ｋ．Ｔｓａｉ ｅｔ ａｌ．，”Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ＳｉＣ／Ｓｉ ｔｈｒｅｅ−ｃｏｌｏ ｒ ｄｅｔｅｃｔｏｒ" ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃ ｅｓ，42（1995）Ｍａｙ，ｐ．835− 840，Ｇ．Ｄｅ Ｃｅｓａｒｅ，”Ｔｕ ｎａｂｌｅ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏ ｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａｍｏｒｐｈ ｏｕｓ Ｓｉ／ＳｉＣ Ｈｅｔｅｒｏｓ ｔｒｕｃｔｕｒｅｓ” Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ Ａ ｕｔｏｍａｔｉｏｎ（1994），22−24 Ｊｕｎｅ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ＳＰＩＥ，ｐ．301−310, Ｑ．Ｚｈｕ ｅｔ ａｌ．，”Ｎｅｗ Ｔｙｐｅ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｃｏｌｏｒ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏ ｒ" (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 31/00 - 31/119 H01L 27/14 - 27/148
Claims (15)
- 【請求項１】非晶質シリコンおよびその合金を基とし、
２つの逆直列に配列されたｐ−ｉ−ｎもしくはｎ−ｉ−
ｐもしくはショットキー接触（Schottkey−contact）構
造を含み、活性層はそれぞれの光入射方向と直交するよ
うに配置されており、光入射方向に見て第一の構造領域
では青色光により発生した電荷キャリアが第一の電圧に
対して集積し、光入射方向に見て第二の構造領域には緑
色或いは赤色光によりそれぞれ発生した電荷キャリアが
第二或いは第三の電圧に対して集積し、２つの真性導電
層の少なくとも１つが２つの部分層からなる光感応性電
子構成素子であって、 光入射方向に見て前方に位置する部分層（Ｉ）では電荷
キャリア移動度と寿命の積（μ−τ積）が高い積である
のに対して、光入射方向に見て後方に位置する部分層
（II）では、電荷キャリア移動度と寿命の積が、その比
較において1/10以下であり、それにより電界の存在下で
２つの部分層（Ｉ、II）は前記電荷キャリアに対して異
なる集積長さを有し、そのため光入射方向で見て前方に
位置する部分層（Ｉ）では緑色光が、光入射方向で見て
後方に位置する部分層（II）では赤色光がそれぞれ多く
吸収されることを特徴とする光感応性電子素子。 - 【請求項２】前記２つの部分層におけるμ−τ積の比が
1:10〜1:100であることを特徴とする請求項１記載の素
子。 - 【請求項３】第一の部分層のおけるμ−τ積の値が10-7
cm2V-1と10-6cm2V-1の間にあり、かつ第二の部分層にお
いては10-8cm2V-1と10-7cm2V-1の間にあることを特徴と
する請求項１又は２に記載の素子。 - 【請求項４】外部原子、特にａ−SiXGe(1-X):Hを組み込
むことによって真性導電性非晶質シリコンに関する電荷
キャリア移動度に影響を及ぼすことにより、前記μ−τ
積の設定が起こることを特徴とする請求項１から３まで
のいずれか１項に記載の素子。 - 【請求項５】ガラス基板に付与される層が、 （ａ）ｎ導電性ａ−Si:H層、 （ｂ）第一の真性導電性ａ−Si:H層、 （ｃ）ｐ導電性ａ−Si:H層、 （ｄ）高いμ−τ積を有する第一の部分層と前記第一の
部分層に比較して低いμ−τ積を有する第二の部分層か
らなる第二の真性導電性ａ−Si:H層、 （ｅ）ｎ導電性ａ−Si:H層、 の連続順であることを特徴とする請求項１から４までの
いずれか１項に記載の素子。 - 【請求項６】ガラス基板に付与される層が、 （ａ）ｐ導電性ａ−Si:H層、 （ｂ）第一の真性導電性ａ−Si:H層、 （ｃ）ｎ導電性ａ−Si:H層、 （ｄ）高いμ−τ積を有する第一の部分層と前記第一の
部分層に比較して低いμ−τ積を有する第二の部分層か
らなる第二の真性導電性ａ−Si:H層、 （ｅ）ｐ導電性ａ−Si:H層、 の連続順であることを特徴とする請求項１から５までの
いずれか１項に記載の素子。 - 【請求項７】ガラス基板とｎ−ｉ−ｐ−ｉ−ｎ或いはｐ
−ｉ−ｎ−ｉ−ｐ層の連続順の間に透明な導電性酸化物
（TCO）の更なる層が設けられていることを特徴とする
請求項１から６までのいずれか１項に記載の素子。 - 【請求項８】少なくとも１つの真性導電層の領域に増加
した禁制帯幅を有する更なるａ−Si（Ｃ）:Hの真性導電
層が設けられていることを特徴とする請求項１から７ま
でのいずれか１項に記載の素子。 - 【請求項９】ａ−Si:Hの真性導電層の替わりに1.72〜1.
95eVの範囲内の増加した禁制帯幅を有するａ−Si
（Ｃ）:Hの真性導電層が設けられていることを特徴とす
る請求項１から８までのいずれか１項に記載の素子。 - 【請求項１０】ドープされたａ−Si:H層の替わりにミク
ロ結晶質或いは炭化された非晶質シリコン層が設けられ
ていることを特徴とする請求項１から９までのいずれか
１項に記載の素子。 - 【請求項１１】前記素子を形成しているサンドイッチ構
造が集積回路の表面上に堆積されていることを特徴とす
る請求項１から10までのいずれか１項に記載の素子を使
用しているカラーセンサー。 - 【請求項１２】前記集積回路がASICであることを特徴と
する請求項11記載のカラーセンサー。 - 【請求項１３】キャリア基板として、クオーツ、金属、
シリコンウエファー、GaAs或いはプラスチックが使用さ
れることを特徴とする請求項11又は12記載のカラーセン
サー。 - 【請求項１４】非晶質シリコンを基にし、PECVD技術に
よりガラス基板を第一ドーピング処理層、第一真性導電
層、ドーピング処理中間層、第二真性導電層およびドー
ピング処理障壁層を含む多重層で被覆することによっ
て、２つの互いに逆直列関係のｐ−ｉ−ｎもしくはｎ−
ｉ−ｐ接合を形成する光感応性電子素子の製造方法にお
いて、２つの真性導電層のうちの少なくとも一方の真性
導電層が、共同する外部原子、特にSiXGe1-Xを基にして
２つの部分層から構成され、２つの部分層におけるμ−
τ積が互いに少なくとも係数10だけ異なるように移動度
の違いを上記２つの部分層が有し、光入射方向に見て高
いμ−τ積を有する部分層が前方にあることを特徴とす
る光感応性電子素子の製造方法。 - 【請求項１５】前記２つの部分層におけるμ−τ積の比
が、1:20〜1:100の間であることを特徴とする請求項14
記載の製造方法。
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