JP5504661B2

JP5504661B2 - 光電変換装置

Info

Publication number: JP5504661B2
Application number: JP2009073835A
Authority: JP
Inventors: 恭典服部; 司江口; 栄二神田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2029-03-25
Also published as: JP2010226005A

Description

本発明は、光電変換装置に関し、詳しくは光電変換装置の遮光構造に関するものである。

光電変換装置は、ファクシミリ、複写機、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等のイメージセンサーとして広く使用されている。光電変換装置は、画素の高密度化、光学系の小型化を実現するために、フォトダイオードからなる光電変換素子と、光電変換素子からの信号の増幅、取り出し等を行う薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）とを絶縁膜を介して積層し、絶縁膜に設けたコンタクトホールで電気的に接続する構造が一般的である。

従来、こうした光電変換装置は、シリコン単結晶基板（シリコンウェーハ）など、光を透過させない基板上に積層形成していたが、シリコンウェーハを基板として用いた場合、基板自体のコストが高く、かつ大面積の光電変換装置を形成することが困難であるという課題があった。このため、光電変換装置を形成する基板として、安価で、かつ容易に大型の基板が作成可能な、ガラス製の基板を用いた光電変換装置が知られている。

しかし、光電変換装置を形成する基板として、ガラス製の基板を用いた場合、基板自体が光を透過させるため、外光の回り込みや漏れ光が薄膜トランジスタに達する懸念がある。薄膜トランジスタに外光が入射すると、光リーク電流が発生し、光電変換装置としての特性が低下する。このため、例えば、対向基板にブラックマトリクスを設けたり（例えば、特許文献１参照）、薄膜トランジスタの上層に遮光層を設置したもの（例えば、特許文献２、３参照）が知られている。

特開２０００−２９８２９０号公報特開２００３−２７０６６３号公報特開２００５−１８１４２２号公報

しかしながら、上述したように、対向基板にブラックマトリクスを設けたり、薄膜トランジスタの上層に設けた遮光層の形状を変更しただけでは、漏れ光や迷光の回り込みによる薄膜トランジスタへの光の入射を確実に阻止することはできず、光リーク電流の発生による光電変換装置の特性低下を防ぐことが困難であった。

本発明にかかるいくつかの態様は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光透過性基板を用いても、光リーク電流の発生による特性低下を確実に防止するとともに、安価で容易に大型化が可能な光電変換装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明のいくつかの態様は次のような光電変換装置を提供した。
本発明にかかるひとつの光電変換装置は、光透過性基板を用いた、ソース配線とセンサー出力制御線とを備えた光電変換装置であって、前記光透過性基板上に形成された薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタの上層に、前記薄膜トランジスタに重ねて形成された光電変換素子と、を含み、前記光電変換素子は、第１電極と、前記第１電極の上層に形成された光電変換層と、前記光電変換層の上層に形成された第２電極と、を有し、前記第１電極は前記薄膜トランジスタに接続され、前記第１電極と前記薄膜トランジスタとが接続される配線を形成する配線層は前記ソース配線が形成される配線層と同じ層であり、前記第１電極、前記ソース配線及び前記薄膜トランジスタのゲート配線により、前記薄膜トランジスタに対する遮光層が形成されていることを特徴とする。
上記のひとつの光電変換装置において、平面視において、前記第１電極は前記第２電極よりも大きく、前記第２電極と前記ソース電極とは、互いにその一部が重なり合うように形成されていることが好ましい。
上記のひとつの光電変換装置において、前記遮光層は、導電性材料から形成されることが好ましい。
上記のひとつの光電変換装置において、前記光電変換素子は、前記光透過性基板と前記薄膜トランジスタとの間に広がるように形成された遮光膜を有し、前記遮光膜は、電気的に接地されていることが好ましい。
上記のひとつの光電変換装置において、前記遮光膜は、遮光性金属膜から形成されることが好ましい。
上記のひとつの光電変換装置において、前記薄膜トランジスタは、非晶質シリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコンからなることが好ましい。
本発明にかかるひとつの光電変換装置は、光透過性基板に重ねて厚み方向に配された薄膜トランジスタと、該薄膜トランジスタと電気的に接続され、該薄膜トランジスタよりも上層に配される第１電極、光電変換層、および第２電極を順に積層してなる光電変換素子と、を少なくとも備えた光電変換装置であって、
前記光電変換素子と前記光透過性基板との間で、少なくとも厚み方向に沿った光の透過を阻止する遮光層を形成したことを特徴とする。

前記遮光層は、少なくとも前記薄膜トランジスタに重ねて配されていることが好ましい。
前記遮光層は、厚み方向において互いに異なる２以上の位置で広がる複数の遮光層からなり、それぞれの遮光層は、互いにその一部が重なり合うように形成されていることが好ましい。
前記遮光層は、導電性材料から形成されることが好ましい。
前記遮光層は、前記第１電極、ソース配線、ゲート配線のうち、少なくとも２以上の配線から構成されることが好ましい。

前記遮光層は、前記第１電極、平面で見て前記光透過性基板の一の方向に沿って形成される前記薄膜トランジスタのソース領域に電気的に接続されるソース配線、前記一の方向に沿って形成される前記薄膜トランジスタのドレイン領域に電気的に接続されるドレイン配線、前記一の方向に交差する他の方向に沿って形成される前記薄膜トランジスタのゲート電極と接続されるゲート配線のうち、少なくとも２以上の配線から構成されることが好ましい。

前記遮光層は、前記光透過性基板と前記薄膜トランジスタとの間に広がるように形成されていることが好ましい。
前記遮光層は、電気的に接地されていることが好ましい。
前記遮光層は、遮光性金属膜から形成されることが好ましい。
前記薄膜トランジスタは、非晶質シリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコンから形成されていれば良い。

本発明の光電変換装置の一例であるイメージセンサーの等価回路図である。光電変換装置を構成する画素の平面図である。図２のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。本発明の光電変換装置の別な実施形態を示す断面図である。

以下、本発明の光電変換装置の一例であるイメージセンサーの一実施形態について説明する。なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

図１は、イメージセンサー（光電変換装置）の受光領域を構成する素子、配線等を示した等価回路図である。
イメージセンサー（光電変換装置）１は、マトリクス状に配列された多数のセンサー部１１を備えている。それぞれのセンサー部１１には、ＰＩＮダイオード（光電変換素子）１２と、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）１３とが設けられている。センサー部１１は、センサー制御回路部１４に電気的に接続されている。このセンサー制御回路部１４は、ソース配線（センサープリチャージ制御線）１６を介してセンサー部１１の動作を制御するための制御信号をセンサー部１１に供給する。また、センサー出力制御線１７を介して、センサー部１１によって検出された出力信号がセンサー制御回路部１４に出力される。

ＴＦＴ１３のゲートは、ゲート配線（走査線）２１に電気的に接続されており、そのソースは、ソース配線１６に電気的に接続されている。ＴＦＴ１３のドレインは、ＰＩＮダイオード１２、及びＴＦＴ１３のゲートとそれぞれ電気的に接続されている。ＴＦＴ１３は、ゲート配線２１を介して供給される制御信号によって、オンオフが切り換えられる。ＰＩＮダイオード１２は、ソース配線１６及びＴＦＴ１３を介して供給されたプリチャージ電圧によってプリチャージされる。また、走査線駆動回路１９は、ｍ本の走査線２１を順番に選択するための選択信号Ｇ１，Ｇ２．．．Ｇｍを生成して各ゲート配線（走査線）２１に出力する。

ＴＦＴ１３のゲートは、ＰＩＮダイオード１２に電気的に接続されており、ＰＩＮダイオード１２にチャージされた電荷量の変化に応じて生じた電圧によって、オンオフが切り換えられる。より具体的には、ＰＩＮダイオード１２に生じる電荷量の変化は、ＰＩＮダイオード１２が検出する光に起因して生じるため、ＰＩＮダイオード１２によって、例えばイメージ情報を含む光（画像光）が検出されると、ＴＦＴ１３の駆動状態がオン状態に切り換えられる。こうした出力信号は、信号線２２の電位が増幅された増幅信号として、ＴＦＴ１３を介してセンサー出力制御線１７に出力される。

図２は、イメージセンサーの画素を拡大して示す平面図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。なお、これら図２及び図３は、各層、各部材を図面上で視認可能な程度の大きさとするため、これら各層、各部材ごとに縮尺を異ならしめてある。

図２において、センサー部１１には、平面視矩形状のＰＩＮダイオード１２が設けられている。ＰＩＮダイオード１２は、各センサー部１１，１１…に対応して、Ｘ方向及びＹ方向にマトリクス状に配設されている。ゲート配線２１は、ＰＩＮダイオード１２のＸ方向（一の方向）に沿って延びている。また、ソース配線１６及びセンサー出力制御線１７は、ＰＩＮダイオード１２のＹ方向（他の方向）に沿ってゲート配線２１と交差するように延びている。

ＴＦＴ１３は、そのソースがコンタクトホール２５を介してソース配線１６に電気的に接続されている。ＴＦＴ１３のゲート電極は、ゲート配線２１の一部をＹ方向に沿って延在させて形成される。ＴＦＴ１３の駆動状態は、ゲート電極を介してチャネル領域に印加されるゲート電圧によって切り換え可能とされる。ＴＦＴ１３は、そのドレインがセンサー出力制御線１７に電気的に接続されている。

ＰＩＮダイオード１２は、素子本体の上下面の夫々の面に下電極４１（第一電極）及び上電極（第二電極）４２を有している。下電極４１は、コンタクトホール２５を介してＴＦＴ１３のドレインに電気的に接続されている。したがって、ＴＦＴ１３の動作時にＰＩＮダイオード１３に光が照射された際には、当該光に応じてＰＩＮダイオード１３に発生した光電流に基づいてセンサー信号制御線１７に出力信号が出力される。

図３において、イメージセンサー１は、光透過性基板、例えばガラス基板（光透過性基板）５１上に積層された絶縁膜５２、５３、５４、５５、５６及び５７を有しており、これら絶縁膜から構成される積層構造中にＴＦＴ１３が形成されている。

ＴＦＴ１３は、半導体層６１にチャネル領域６２、ソース領域６３、ドレイン領域６４が形成されている。こうしたＴＦＴ１３は、例えば、非晶質シリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコンから形成されていれば良い。

ＰＩＮダイオード１２は、絶縁膜（有機平坦化層）５６上に順に積層された下電極４１（第一電極）、光電変換層４４、及び上電極（第二電極）４２を備えている。光電変換層４４は、例えば、Ｎ型半導体層、受光層、及びＰ型半導体層などから形成されていれば良い。こうしたＴＦＴ１３は、例えば、絶縁膜５７で区画された範囲で、コンタクトホール２５を含む広い領域に広がり、１画素を構成している。

下電極４１（第一電極）は、コンタクトホール２５を介してＴＦＴ１３に電気的に接続されている。また、上電極（第二電極）４２は、画素電極を構成している。この上電極４２は、例えば、ＩＴＯ等の透明導電膜によって形成されており、ＰＩＮダイオード１２は、上電極４２を透過して入射した外光Ｌを検出可能となっている。

以上のような構成のイメージセンサー１において、下電極４１（第一電極）、ソース配線１６、ゲート配線２１は、それぞれ遮光性を有する導電性材料から形成される。これによって、下電極４１（第一電極）、ソース配線１６、及びゲート配線２１は、本発明における遮光層を形成する。また、センサー出力制御線１７も遮光性を有する導電性材料から形成されるのが好ましい。

下電極４１（第一電極）、ソース配線１６、センサー出力制御線１７、及びゲート配線２１は、イメージセンサー１の厚み方向Ｔにおいて、互いに異なる２以上の位置（レベル）で広がるように形成されている。しかも、その一部は厚み方向Ｔにおいて互いに重なり合うように形成されている。

このように、下電極４１（第一電極）、ソース配線１６、及びゲート配線２１を遮光層とすることによって、例えば、厚み方向Ｔに沿ってイメージセンサー１に入射した外光Ｌは、これら下電極４１、ソース配線１６、ゲート配線２１によって遮光され、ＴＦＴ１３に到達することが無い。

また、入射した外光Ｌがイメージセンサー１の内部で屈折、反射して迷光、漏れ光となっても、下電極４１、ソース配線１６、ゲート配線２１は、厚み方向Ｔで互いに異なる位置でその一部が重なるように形成されているため、ＴＦＴ１３は確実に遮光される。このため、基板として光透過性のガラス基板を用いても、ＴＦＴ１３が光リーク電流の発生による特性低下を引き起こすことが無い。

下電極４１、ソース配線１６、ゲート配線２１からなる遮光層によって、厚み方向Ｔに対して傾斜した斜め方向からの光も、ＴＦＴ１３に到達しないように確実に遮光することができる。これにより、光透過性のガラス基板を用いて、光リーク電流を確実に防止した高感度で、かつ大面積のイメージセンサーを、ローコストに提供することが可能になる。

なお、こうした下電極４１、ソース配線１６、ゲート配線２１は、イメージセンサー１の入射側、即ち上電極（第二電極）４２側から俯瞰した時に、少なくともＴＦＴ１３を覆うように配線（レイアウト）されていれば良い。また、これら下電極４１、ソース配線１６、ゲート配線２１のうち、少なくとも何れか２つを遮光性の導電材料で形成すればよい。

下電極４１、ソース配線１６、ゲート配線２１を構成する遮光性を有する導電性材料としては、例えば、Ｔａ，Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｎｉなどの金属薄膜が好ましく挙げられる。

図４は、本発明のイメージセンサー（光電変換装置）の別な実施形態を示す断面図である。図４に示すイメージセンサー（光電変換装置）は、図３に相当する位置におけるイメージセンサーの断面図であり、図３に示す実施形態と同様の構成部分については同一の番号を附し、その説明を省略する。

この実施形態のイメージセンサー（光電変換装置）７０では、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）１３と、ガラス基板（光透過性基板）５１との間で、ＴＦＴ１３に重なる位置に、遮光層７１が形成される。この遮光層７１は、例えば、遮光性金属膜から形成されていれば良い。さらに、この遮光層７１は、電気的に接地されている、即ちイメージセンサー７０のグランド側配線（図示略）に接続されているのが好ましい。

このような構成のイメージセンサー（光電変換装置）７０によれば、基板を光透過性のガラス基板（光透過性基板）５１で形成し、このガラス基板５１を透過して間接光（漏れ光、反射光など）がＴＦＴ１３に向けて入射しても、ＴＦＴ１３とガラス基板５１との間に形成した遮光層７１によって、ＴＦＴ１３に光が入ることを確実に防止する。これによって、ローコストな光透過性のガラス基板を用いても、ＴＦＴ１３の光リーク電流を確実に防止し、高感度なイメージセンサー７０を実現できる。

しかも、この遮光層７１を接地してグランド電位にすることによって、ＴＦＴ１３の近傍に配された遮光層７１自体が帯電することを防止できる。これによって、ＴＦＴ１３の近傍で寄生容量を増加させたり、静電破壊をもたらすといったＴＦＴ１３に対する悪影響を確実に防止することができる。

１…イメージセンサー（光電変換装置）、１２…ＰＩＮダイオード（光電変換素子）、１３…ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、１６…ソース配線（遮光層）、２１…ゲート配線（遮光層）、４１…下電極４１（第一電極，遮光層）、４２…上電極４１（第二電極）、７１…遮光層。

Claims

光透過性基板を用いた、ソース配線とセンサー出力制御線とを備えた光電変換装置であって、
前記光透過性基板上に形成された薄膜トランジスタと、
前記薄膜トランジスタの上層に、前記薄膜トランジスタに重ねて形成された光電変換素子と、を含み、
前記光電変換素子は、第１電極と、前記第１電極の上層に形成された光電変換層と、前記光電変換層の上層に形成された第２電極と、を有し、前記第１電極は前記薄膜トランジスタに接続され、
前記第１電極と前記薄膜トランジスタとが接続される配線を形成する配線層は、前記ソース配線が形成される配線層と同じ層であり、
前記第１電極、前記ソース配線及び前記薄膜トランジスタのゲート配線により、前記薄膜トランジスタに対する遮光層が形成されていることを特徴とする光電変換装置。
平面視において、前記第１電極は前記第２電極よりも大きく、前記第２電極と前記ソース電極とは、互いにその一部が重なり合うように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光電変換装置。
前記遮光層は、導電性材料から形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置。
前記光電変換素子は、前記光透過性基板と前記薄膜トランジスタとの間に広がるように形成された遮光膜を有し、
前記遮光膜は、電気的に接地されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光電変換装置。
前記遮光膜は、遮光性金属膜から形成されることを特徴とする請求項４に記載の光電変換装置。
前記薄膜トランジスタは、非晶質シリコン、多結晶シリコン、または単結晶シリコンからなることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載の光電変換装置。