JP7466624B2 - 光検出装置 - Google Patents

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Description

本開示は、光を光電変換することによって、被写体の画像を得るためなどに用いられる光検出装置に関する。
従来技術の一例は、特許文献１に記載されている。
特開２０１６－９２０７７号公報
本開示の光検出装置は、基板と、前記基板上に行方向および列方向に配列してマトリクス状に配設された複数の画素部と、前記複数の画素部のうち、前記基板上で光検出に用いられる有効領域内に位置する画素部に備えられた第１光検出素子と、前記複数の画素部のうち、前記基板上で前記有効領域を外囲する、光検出に用いられない非有効領域内に位置する画素部に備えられた第２光検出素子と、を含み、前記第１光検出素子は、前記基板上に配置された第１下部電極層と、前記第１下部電極層上において平面視で前記第１下部電極層の内側に配置された、第１の不純物半導体から成る第１下部不純物半導体層と、前記第１下部不純物半導体層上に配置された第１真性半導体層と、前記第１真性半導体層上に配置された、第２の不純物半導体から成る第１上部不純物半導体層と、前記第１上部不純物半導体層上に配置された第１上部電極層と、を有し、前記第２光検出素子は、前記基板上に配置された第２下部電極層と、前記第２下部電極層上に前記第２下部電極層を覆って配置された、前記第１の不純物半導体から成る第２下部不純物半導体層と、前記第２下部不純物半導体層上に配置された第２真性半導体層と、前記第２真性半導体層上に配置された、前記第２の不純物半導体から成る第２上部不純物半導体層と、前記第２上部不純物半導体層上に配置された第２上部電極層と、を有している構成である。
本開示の目的、特色、および利点は、下記の詳細な説明と図面とからより明確になるであろう。
本開示の一実施形態の光検出装置に備えられる画素部の断面図である。 光検出装置の構成を示すブロック図である。 画素部の平面図である。 有効領域に配置される第１光検出素子の構成を簡略化して示す断面図である。 非有効領域に配置される第２光検出素子の構成を簡略化して示す断面図である。 第１光検出素子における第１下部不純物半導体層と第１真性半導体層と第１上部不純物半導体層の形成工程を説明するための図である。 本開示の基礎となる構成の第２光検出素子における第２下部不純物半導体層と第２真性半導体層と第２上部不純物半導体層の形成工程を説明するための図である。 本開示の他の実施形態の光検出装置に備えられる第２光検出素子の断面図である。 第１光検出素子を有する有効領域の画素部の構成を示す断面図である。
以下、添付図面を参照して、本開示の光検出装置の実施形態について説明する。
本開示の光検出装置の基礎となる構成である光検出装置は、基板上に形成されたスイッチング素子として機能する薄膜トランジスタと、その薄膜トランジス上に絶縁層を挟んで積層された、光検出素子としての光電変換部と、その光電変換部と薄膜トランジスタの電極とを導電接続するコンタクトホールと、を含む画素部を複数有する。光電変換部は、薄膜トランジスタの側から第１電極層、第１不純物半導体層、真性半導体層、第２不純物半導体層および第２電極層が積層されている。複数の画素部は、行方向および列方向に整列してマトリックス状に配設されている。
本開示の光検出装置の基礎となる構成の光検出装置では、絶縁層上に第１電極層、第１不純物半導体層、真性半導体層、第２不純物半導体層および第２電極層が積層されて、光電変換部が構成されている。これらの第１電極層、第１不純物半導体層、真性半導体層、第２不純物半導体層および第２電極層は、各層の素材をスパッタリング法またはプラズマＣＶＤ法等によって成膜した後、フォトリソグラフィ処理（露光処理）を行い、パターニングまたは残存するフォトレジストをドライエッチング法によって除去したとき、エッチングガスのプラズマ雰囲気中でマスク材の分解反応速度は、チャンバ内の中心部が高く、チャンバ内のチャンバ壁に近い周辺部では低くなる傾向がある。
ドライエッチング工程においては、チャンバ内に置かれた基板は、チャンバ内の中心部付近に、光検出に用いられる画素部が形成される有効領域が位置し、チャンバ内の周辺部付近に光検出に用いられないダミーの画素部が形成される非有効領域が位置することになる。そのため、非有効領域に位置している画素部は、製造工程における真性半導体層のドライエッチング工程において、エッチングレートが低くなる。即ち、エッチング速度が低くなる。そのため、エッチングレートが高い有効領域に配設されている画素部の真性半導体層と第１不純物半導体層とがエッチングされた後、有効領域の第１電極層にエッチングが集中する。その結果、非有効領域のエッチングレートはさらに低下し、非有効領域に位置する画素部の第１不純物半導体層および真性半導体層にエッチング残りが発生しやすく、製造上の歩留まりが低下しやすい。
図１は本開示の一実施形態の光検出装置に備えられる画素部の断面図であり、図２は光検出装置の構成を示すブロック図であり、図３は画素部の平面図である。また、図１は図３の切断面線Ｉ－Ｉから見た断面を示す。本実施形態の光検出装置は、ガラス基板等から成る基板１と、基板１上に行方向および列方向に配列してマトリクス状に配設された複数の画素部４０と、を備える。複数の画素部４０は、入射した光を光電変換して受光信号を出力する光検出素子３０と、光検出素子３０によって光電変換された電荷を電気信号として取り出すスイッチング素子である薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：ＴＦＴ）３１とを有する。光検出素子３０は、光を電荷に変換する光電変換部として機能し、ＰＩＮ型フォトダイオードを構成している。ＰＩＮ型フォトダイオードは、ＰＮ接合の間に真性半導体層（Ｉ型半導体層：Intrinsic Semiconductor Layer)を挟み込んだ構造になっており、ＰＮ型フォトダイオードとの違いは、真性半導体層を有することによって逆電圧を印加したときに空乏層が大きくなる。これにより、高速な応答特性が得られる。また、逆電圧を加えたときの暗電流もＰＮ型フォトダイオードより優れている。
基板１の材料は、ガラス材料、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート等の樹脂材料、アルミナセラミックス等のセラミック材料等であってもよい。また、基板１は、ガラス材料、樹脂材料、セラミック材料のうちのいずれか１種から成る基板を、複数種積層した複合型基板であってもよい。また、基板１は、上記の樹脂材料等の可撓性材料から成る、可撓性を有する基板であってもよい。その場合、基板１が軽量化されるとともに、人体の曲面部等に沿わせて設置することができる。さらに、基板１の耐衝撃性が向上することから、運搬時等に落下、他の部材および装置等への衝突等が発生したとしても、基板１が破損することを効果的に抑えることができる。
光検出素子３０は、基板１上に形成されたＴＦＴ３１上に積層された絶縁層８上に形成され、光検出素子３０とＴＦＴ３１のドレイン電極４ｂとは、下部コンタクトホール２０によって導電接続されている。光検出素子３０は、基板１側から下部電極層９、下部不純物半導体層１０、真性半導体層１１、上部不純物半導体層１２および上部電極層１３が積層された構成である。下部コンタクトホール２０は、絶縁層８の所定の部位をエッチング等で除去した凹部の内周面に形成された前述の下部電極層９の一部と、下部電極層９によって囲まれた空間に充填された絶縁性充填材２０ａとを有している構成であってもよい。
なお、不純物半導体は、純粋な真性半導体に不純物（ドーパント）を１０16ｃｍ-3～１０17ｃｍ-3程度と微量添加（ドーピング）した半導体であり、ドーピングする元素により、キャリアがホール（正孔）であるｐ型半導体と、キャリアが電子であるｎ型半導体と、に分類される。ｐ型半導体とｎ型半導体のどちらになるかは、不純物元素の原子価と、不純物によって置換される半導体の原子価と、によって決まる。例えば、原子価が４である珪素（Ｓｉ）にドーピングする場合、原子価が５であるリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）等をドーピングするとｎ型半導体になり、原子価が３であるホウ素（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）等をドーピングするとｐ型半導体になる。
図１に示す下部コンタクトホール２０を構成する絶縁性充填材２０ａは、その材料として有機材料を用いることができる。有機材料としては、アクリル樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド、ポリアミド、ポリイミドアミド、ベンゾシクロブテン、ポリシロキサン、ポリシラザン等を用いることができる。ポリシロキサンは、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）との結合で骨格構造が構成されている。その置換基として、少なくとも水素を含む有機基、例えば、アルキル基、芳香族炭化水素基等が用いられる。また置換基として、フルオロ基、少なくとも水素を含む有機基及びフルオロ基を用いてもよい。ポリシラザンは、珪素（Ｓｉ）と窒素（Ｎ）の結合を有するポリマー材料を出発原料として形成される材料である。
絶縁性充填材２０ａの材料として、紫外線等の光によって硬化する感光性有機樹脂、熱硬化性樹脂を用いてもよい。感光性有機樹脂を用いる場合、その未硬化のペースト状有機樹脂を下部コンタクトホール２０に塗布、充填し、次にペースト状有機樹脂に紫外線等の光を照射することによって形成できる。さらに加熱して硬化させることもできる。
画素部４０は、図３に示すように、平面視形状が矩形状であり、その１隅部に光検出素子３０にバイアス電圧を印加するための上部コンタクトホール２２が形成されており、また光検出素子３０にバイアス電圧を供給するバイアス線１６が画素部４０の受光面の側にソース信号線３２に沿って形成されている。また画素部４０の前述の１つの隅部に平面視で対角に対向する他の隅部には、前述のＴＦＴ３１が形成されている。ＴＦＴ３１は、図１に示すように、チャネル部としての第１半導体層６ａ、窒化シリコン（ＳｉＮx）等から成るエッチング阻止層５、第２半導体層６ｂ、ソース電極４ａ、ドレイン電極４ｂを有している。第２半導体層６ｂは、第１半導体層６ａと、ソース電極４ａおよびドレイン電極４ｂとの電気的接続を行うためのものである。さらに、画素部４０の中央部付近には、光検出素子３０によって光電変換された電荷をＴＦＴ３１のドレイン電極４ｂに導くために、前述の下部コンタクトホール２０が形成されている。ソース信号線３２は、光検出素子３０によって光電変換された電荷を電荷量に応じた電気信号として出力する。
ＴＦＴ３１は、エッチング阻止層５を有するチャネルストッパー型以外に、バックチャネルカット型等であってもよく、ＴＦＴ３１を構成する半導体は低温ポリシリコン（Low-temperature Poly Silicon；ＬＴＰＳ）、インジウムガリウム亜鉛酸化物（Indium Gallium Zinc Oxide；ＩＧＺＯ）等の酸化物半導体であってもよい。
基板１はガラス基板等から成り、基板１の一面（画素部配設面）に、ＴＦＴ３１のオン／オフを制御するゲート線２が形成され、基板１の一面およびゲート線２を覆ってゲート絶縁層３が形成される。ゲート絶縁層３上のゲート線２を覆う部位には、アモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）等から成る、チャネル部としての第１半導体層６ａが形成される。第１半導体層６ａ上のゲート線２に重なる位置には、エッチング阻止層５が形成され、エッチング阻止層５および第１半導体層６ａを覆って、ｎ＋型ａ－Ｓｉ等から成る第２半導体層６ｂが形成されている。第２半導体層６ｂ上には、タンタル（Ｔａ）、ネオジウム（Ｎｄ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、銀（Ａｇ）等の金属またはそれらの合金から成るソース電極４ａおよびドレイン電極４ｂが形成されて、ＴＦＴ３１が構成されている。
なお、第２半導体層６ｂは、ソース電極４ａとドレイン電極４ｂが電気的に分離されている部位において、同様に電気的に分離されている。そして、ＴＦＴ３１およびゲート絶縁層３を覆って、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）等から成る第１パッシベーション層７が形成され、第１パッシベーション層７を覆うように、アクリル樹脂等から成る絶縁層８が形成されている。
絶縁層８上には、Ｔａ、Ｎｄ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ等の金属またはそれらの合金から成る下部電極層９、ｎ＋型ａ－Ｓｉ等から成る下部不純物半導体層１０、真性Ｓｉ（Ｉ型Ｓｉ：Intrinsic Si）等から成る真性半導体層１１、ｐ＋型ａ－Ｓｉ等から成る上部不純物半導体層１２、インジウム錫酸化物（Indium Tin Oxide；ＩＴＯ）等の透明電極から成る上部電極層１３が積層されている。下部電極層９、下部不純物半導体層１０、真性半導体層１１、上部不純物半導体層１２および上部電極層１３によって、光検出素子３０としてのＰＩＮ型フォトダイオードが構成される。このＰＩＮ型フォトダイオードは、上部不純物半導体層１２および上部電極層１３の側から真性半導体層１１に入射した光３３を光電変換する。
光検出素子３０は、複数の画素部４０のうち、基板１上で光検出に用いられる有効領域５０内に位置する画素部４０に備えられた第１光検出素子３０ａと、複数の画素部４０のうち、基板１上で有効領域５０を外囲する、光検出に用いられない非有効領域５１内に位置する画素部４０ｂに備えられた第２光検出素子３０ｂと、を含む。なお、説明の便宜上、有効領域５０内に位置する構成の参照符に添え字“ａ”を付し、非有効領域５１に位置する構成の参照符に添え字“ｂ”を付し、総称する場合には添え字ａ，ｂを省略する。非有効領域５１の画素部４０ｂは、有効領域５０の画素部４０ａと同一の構成であるため、説明は省略する。
図４Ａは有効領域５０に配置される第１光検出素子３０ａの構成を簡略化して示す断面図であり、図４Ｂは非有効領域５１に配置される第２光検出素子３０ｂの構成を簡略化して示す断面図である。第１光検出素子３０ａは、基板１の絶縁層８上に、金属または合金によって形成された第１下部電極層９ａと、第１下部電極層９ａ上において平面視で第１下部電極層９ａの内側に配置された、第１の不純物半導体から成る第１下部不純物半導体層１０ａと、第１下部不純物半導体層１０ａ上に配置された第１真性半導体層１１ａと、第１真性半導体層１１ａ上に配置された、第２の不純物半導体から成る第１上部不純物半導体層１２ａと、第１上部不純物半導体層１２ａ上に配置された第１上部電極層１３ａと、を有する。
第２光検出素子３０ｂは、基板１の絶縁層８上に、金属または合金によって形成された第２下部電極層９ｂと、第２下部電極層９ｂ上に第２下部電極層９ｂを覆って配置された、第１の不純物半導体から成る第２下部不純物半導体層１０ｂと、第２下部不純物半導体層１０ｂ上に配置された第２真性半導体層１１ｂと、第２真性半導体層１１ｂ上に配置された、第２の不純物半導体から成る第２上部不純物半導体層１２ｂと、第２上部不純物半導体層１２ｂ上に配置された第２上部電極層１３ｂと、を有する。
図５Ａは第１光検出素子３０ａにおける第１下部不純物半導体層１０ａと第１真性半導体層１１ａと第１上部不純物半導体層１２ａの形成工程を概念的に説明するための図であり、図５Ｂは本開示の基礎となる構成の第２光検出素子３０ｂにおける第２下部不純物半導体層１０ｂと第２真性半導体層１１ｂと第２上部不純物半導体層１２ｂの形成工程を概念的に説明するための図である。第１光検出素子３０ａおよび第２光検出素子３０ｂの製造工程において、第１下部電極層９ａおよび第２下部電極層９ｂは、例えばスパッタリング法によって形成され、第１下部不純物半導体１０ａおよび第２不純物半導体層１０ｂは、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等の薄膜形成法によって形成される。第１下部電極層９ａおよび第２下部電極層９ｂの厚みは、３０ｎｍ～５００ｎｍ程度、第１下部不純物半導体１０ａおよび第２不純物半導体層１０ｂの厚みは、３０ｎｍ～２００ｎｍ程度、第１真性半導体層１１ａおよび第２真性半導体層１１ｂの厚みは５００ｎｍ～２０００ｎｍ程度、第１上部不純物半導体層１２ａおよび第２上部不純物半導体層１２ｂの厚みは、５ｎｍ～５０ｎｍ程度、第２上部電極層１３ａおよび第２上部電極層１３ｂの厚みは、３０ｎｍ～１００ｎｍ程度である。
第１光検出素子３０ａおよび第２光検出素子３０ｂは、以下のように作製される。絶縁層８上に第１下部電極層９ａおよび第２下部電極層９ｂを積層し、その後第１下部電極層９ａおよび第２下部電極層９ｂを所望パターンとなるようにドライエッチング法によりエッチング処理する。なお、第１下部電極層９ａと第２下部電極層９ｂは、同じ材料から成るために同時に積層する。
次に、絶縁層８および第１下部電極層９ａの上に第１下部不純物半導体層１０ａと第１真性半導体層１１ａと第１上部不純物半導体層１２ａを順次積層するとともに、第２下部電極層９ｂの上に第２下部不純物半導体層１０ｂと第２真性半導体層１１ｂと第２上部不純物半導体層１２ｂを順次積層し、その後第１下部不純物半導体層１０ａと第１真性半導体層１１ａと第１上部不純物半導体層１２ａを所望パターンとなるようにドライエッチング法によりエッチング処理するとともに、第２下部不純物半導体層１０ｂと第２真性半導体層１１ｂと第２上部不純物半導体層１２ｂを所望パターンとなるようにドライエッチング法によりエッチング処理する。なお、第１下部不純物半導体層１０ａと第２下部不純物半導体層１０ｂは、同じ材料から成るために同時に積層する。第１真性半導体層１１ａと第２真性半導体層１１ｂも同時に積層し、第１上部不純物半導体層１２ａと第２上部不純物半導体層１２ｂも同時に積層する。
次に、絶縁層８の上と、第１下部電極層９ａと第１下部不純物半導体層１０ａと第１真性半導体層１１ａと第１上部不純物半導体層１２ａの積層体（第１積層体）の上に、第１上部電極層１３ａを積層するとともに、第２下部電極層９ｂと第２下部不純物半導体層１０ｂと第２真性半導体層１１ｂと第２上部不純物半導体層１２ｂの積層体（第２積層体）の上に第２上部電極層１３ｂを積層する。なお、第１上部電極層１３ａと第２上部電極層１３ｂは、同じ材料から成るために同時に積層する。最後に、第１上部電極層１３ａと第２上部電極層１３ｂを所望パターンとなるようにドライエッチング法によりエッチング処理する。これにより、図５Ａに示すように、第１下部電極層９ａはその外周部を外部に突出して露出させた状態に形成される。これに対して、第２下部電極層９ｂはその外周部を第２下部不純物半導体層１０ｂ内に埋没させた状態で形成される。即ち、図４Ｂに示すように、第２下部電極層９ｂは第２下部不純物半導体層１０ｂによって覆われるように形成される。
あるいは、第１光検出素子３０ａおよび第２光検出素子３０ｂは、以下のように作製される。まず、第１下部電極層９ａおよび第２下部電極層９ｂ、第１下部不純物半導体層１０ａおよび第２下部不純物半導体層１０ｂ、第１真性半導体層１１ａおよび第２真性半導体層１１ｂ、第１上部不純物半導体層１２ａおよび第２上部不純物半導体層１２ｂ、ならびに第１上部電極層１３ａおよび第２上部電極層１３ｂが、絶縁層８上に積層される。その後、第１下部不純物半導体層１０ａおよび第２下部不純物半導体層１０ｂ、第１真性半導体層１１ａおよび第２真性半導体層１１ｂ、第１上部不純物半導体層１２ａおよび第２上部不純物半導体層１２ｂ、ならびに第１上部電極層１３ａおよび第２上部電極層１３ｂの外周部が、ドライエッチング法によって除去される。これにより、図５Ａに示すように、第１下部電極層９ａはその外周部を外部に突出して露出させた状態に形成される。これに対して、第２下部電極層９ｂはその外周部を第２下部不純物半導体層１０ｂ内に埋没させた状態で形成される。即ち、図４Ｂに示すように、第２下部電極層９ｂは第２下部不純物半導体層１０ｂによって覆われるように形成される。
図５Ｂに示すように、本開示の基礎となる構成の光検出装置においては、非有効領域５１に位置している画素部４０に備わった第２真性半導体層１１ｂのドライエッチング工程でのエッチングレートが低いこと、また、エッチングレートが速い有効領域５０の画素部４０の第１真性半導体層１１ａ及び第１下部不純物半導体層１０ａがエッチングされた後、エッチングは有効領域の第１下部電極層９ａに集中し、非有効領域の画素部４０のエッチングレートがさらに低下することから、第２下部不純物半導体層１０ｂおよび第２真性半導体層１１ｂのエッチング残りが発生していた。本実施の形態の光検出装置においては、第２下部電極層９ｂは第２下部不純物半導体層１０ｂによって覆われていることから、第２下部電極層９ｂにエッチングが集中することがなくなる。その結果、非有効領域５１における有効領域５０に近い部位の画素部４０にエッチングが集中し、非有効領域５１における有効領域５０から遠い部位の画素部４０に対するエッチングが不十分になることがなくなる。即ち、非有効領域の画素部の全体に対するエッチングが均一化される。従って、第２下部不純物半導体層及び第２真性半導体層のエッチング残りが発生せず、光検出装置の製造工程における歩留まりの低下を抑えることができる。
ドライエッチング（Dry etching）法はエッチング法の一種であり、シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料のエッチングに多用される。ドライエッチング法として、プラズマによりガスをイオン化、ラジカル化してエッチングする反応性イオンエッチング（Reactive Ion etching）法を用いることができる。
反応性イオンエッチング法は、チャンバ内でプラズマ（放電）を発生させ、その内部で気体が電離して生成されたイオン、ラジカルなどの励起活性種を利用して、被処理物をエッチング加工する方法である。反応性イオンエッチング法においては、プラズマを発生させる高周波電界の周波数は１３．５６ＭＨｚ、２．５４ＧＨｚである。また、プラズマを発生させる原料ガス（エッチング用原料ガス）は、四フッ化シラン（ＳｉＦ４）、六フッ化シラン（ＳｉＦ６）、四フッ化炭素（ＣＦ４）、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）等である。ポリシリコン、アモルファスシリコン等のシリコン材料をエッチングする場合、四フッ化シラン（ＳｉＦ４）等のフッ素系のガスを用いることができる。
エッチングされる物質としては、基本的に４種類ある。二酸化珪素（ＳｉＯ２）、テトラエトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）４）等の酸化物、窒化ケイ素（ＳｉＮ）等の窒化物、シリコン（Ｓｉ）、タングステンシリコン（ＷＳｉ）、モリブデンシリコン（ＭｏＳｉ）、チタンシリコン（ＴｉＳｉ）等のシリコン系物質、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタンタングステン（ＴｉＷ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）等の金属系物質である。
ラジカル（radical）は、ガスの電離によって生成された不対電子を持つ遊離原子、遊離分子から成る化学種であり、極めて反応性が高く不安定な活性種である。原子及び分子は、通常、電子は２つずつ対（共有電子対）になって同一軌道上に存在しているが、熱、光等の強いエネルギーによる電子の移動、化学結合の解裂等によって不対電子ができ、ラジカルとなる。ラジカルは共有電子対を形成していないため、極めて不安定かつ反応性の高い状態の分子種である。例えば、二酸化珪素（ＳｉＯ２）を四フッ化炭素（ＣＦ４）によってドライエッチングする場合、以下の反応式（１）で表される反応が生じる。
この反応が起こり続けている間、二酸化珪素（ＳｉＯ２）はエッチングされ続ける。
チャンバ内でのドライエッチング工程において、ラジカルがチャンバ内中央部の有効領域５０に位置する下部電極層９に集中する理由としては、次のように考えられる。イオンラジカルは、陽イオンラジカルと陰イオンラジカルの２種が存在する。陽イオンラジカルは、分子の最高被占軌道から電子が一個抜けたものであり、陰イオンラジカルは最低空軌道に電子一個が過剰に存在する化学種である。
フッ素イオンラジカルは、その原子の最高被占軌道から電子が一個抜けたものであり、被処理物から電子を奪い取って化学的に安定化しようとする。即ち、被処理物が下部電極層９などの金属である場合、金属の自由電子を奪い取って、または自由電子と電子対を形成して化学的に安定化しようとすることから、フッ素イオンラジカルは、金属から成る電極に集中することになる。換言すると、金属から成る電極は、フッ素イオンラジカルにとって接地導体のように機能するからであると考えられる。
したがって、本実施形態の光検出装置は、製造時において、非有効領域５１に位置する画素部４０の第２下部電極層９ｂは第２下部不純物半導体層１０ｂおよび第２真性半導体層１１ｂによって覆うことによって、図４Ｂに示すように、エッチング用雰囲気ガスに直接触れないようにする。
また、有効領域５０に位置する画素部４０に備わった第１光検出素子３０ａは、第１下部電極層９ａ上において平面視で第１下部電極層９ａの内側に第１下部不純物半導体層１０ａが配置されている。即ち、第１下部電極層９ａは、その外周部が第１下部不純物半導体層１０ａおよび第１真性半導体層１１ａから突出して露出している。これにより、第１下部電極層９ａが第１下部不純物半導体層１０ａおよび第１真性半導体層１１ａによって覆われている場合、光検出装置の製造時に、第１下部電極層９ａの端面付近の、第１下部不純物半導体層１０ａおよび第１真性半導体層１１ａに、内部応力によってクラック等の破損部が生じること、を防ぐことができる。クラック等の破損部は、第１下部電極層９ａの端面付近の、第１下部不純物半導体層１０ａおよび第１真性半導体層１１ａの内部応力が増大することによって、生じる。クラック等の破損部は、光電変換が阻害される部位となる。従って、光検出装置の光電変換効率が低下することを防ぐことができる。
また、本実施の形態の第２光検出素子３０ｂにおいては、第２下部電極層９ｂは第２下部不純物半導体層１０ｂによって覆われているが、光検出装置の製造時に、第２下部電極層９ｂの端面付近の、第２下部不純物半導体層１０ｂおよび第２真性半導体層１１ｂに、クラック等の破損部が生じたとしても、非有効領域５１の画素部４０に備わった第２光検出素子３０ｂは所謂ダミーの光検出素子であることから、問題は生じない。
本実施の形態の光検出装置において、第２真性半導体層１１ｂは、第２下部不純物半導体層１０ｂを覆っていてもよい。この場合、第２下部電極層９ｂの端部が第２下部不純物半導体層１０ｂおよび第２真性半導体層１１ｂによって覆われることから、第２下部電極層９ｂの端部にエッチングが集中することをより効果的に防ぐことができる。また、第２下部電極層９ｂの端面が第２下部不純物半導体層１０ｂおよび第２真性半導体層１１ｂによって覆われることから、第２下部電極層９ｂの端面から出た電気力線の多くが、第２下部不純物半導体層１０ｂおよび第２真性半導体層１１ｂを通過することになる。その結果、第２光検出素子３０ｂの光電変換効率が低下することを抑えることができる。
また、第１下部電極層９ａの端面は、基板１の画素部４０が配設される面とのなす角度（θ１とする）が鋭角（９０°未満の角度）である緩やかな傾斜面とされていてもよい。その場合、第１下部電極層９ａにおける第１下部不純物半導体層１０ａから突出して露出している突出部の表面積が大きくなる。従って、第１下部電極層９ａの突出部にエッチングが集中したとしても、第１下部電極層９ａの突出部がエッチングによって小さくなり過ぎたり、除去されることを抑えることができる。エッチング処理後に第１下部電極層９ａの突出部が十分に残存することによって、第１下部電極層９ａと第１上部電極層１３ａとの間で十分な電界を印加することができる。その結果、第１光検出素子３０ａの光電変換効率が低下することを抑えることができる。角度θ１は、８０°程度以下であってもよく、１０°～８０°程度の範囲内にあってもよく、さらには３０°～６０°程度の範囲内にあってもよい。
角度θ１が８０°を超えると、第１下部電極層９ａの突出部がエッチングによって小さくなり過ぎたり、除去されることを抑える効果が低下する傾向がある。角度θ１が１０°未満である場合、第１下部電極層９ａの突出部がまばらに形成される傾向がある。
第１下部電極層９ａは、アルミニウムを含んでいてもよい。アルミニウムは、導電性の高い軽金属であり、またイオンとなったときに３価のプラスイオンとなり、原子の最外郭電子軌道において不対電子が３個存在する。すなわち、アルミニウムは、温度上昇、電磁波照射による光電効果等によって生成される自由電子の数が多い。その結果、上記のフッ素イオンラジカルが、アルミニウムの表面部に存在する自由電子を奪い取ったり、または自由電子と電子対を形成して化学的に安定化しようとする効果が高くなる。従って、フッ素イオンラジカルがアルミニウムを含む第１下部電極層９ａに集中しやすくなることから、本開示の構成は好適である。
第１下部電極層９ａは、Ａｌ、Ａｌ／Ｔｉ、Ｔｉ／Ａｌ／Ｔｉ、Ｍｏ／Ａｌ／Ｍｏ、ＭｏＮｄ／ＡｌＮｄ／ＭｏＮｄ等から構成されていてもよい。なお、「Ａｌ／Ｔｉ」は、Ａｌ層上にＴｉ層が積層された積層構造を意味する。第１下部電極層９ａは、アルミニウムを主成分とするアルミニウム合金であるジュラルミン（Ａｌ－Ｃｕ合金、Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ合金、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ合金）等から構成されていてもよい。
また、第２下部電極層９ｂの端面は、基板１の画素部が配設される面とのなす角度（θ２とする）が鋭角（９０°未満の角度）である緩やかな傾斜面とされていてもよい。この場合、光検出装置の製造時に、第２下部電極層９ｂの端面付近の、第２下部不純物半導体層１０ｂおよび第２真性半導体層１１ｂに、クラック等の破損部が生じることを抑えることができる。非有効領域５１の画素部４０に備わった第２光検出素子３０ｂは所謂ダミーの光検出素子であり、光検出には使用しないが、検査用の光検出素子として用いる場合がある。即ち、非有効領域５１の画素部４０が、有効領域５０の画素部４０を間接的に検査する検査用の画素部であってもよい。その場合、第２下部電極層９ｂの端面は、θ２が鋭角な緩やかな傾斜面とされていることがよい。角度θ２は、８０°程度以下あってもよく、さらには６０°程度以下であってもよい。
角度θ２は、上記のクラック等の破損部が生じることをより効果的に抑える目的のためには、４５°以下であってもよく、さらには３°～３０°程度、さらには５°～２０°程度であってもよい。θ２が４５°を超えると、上記のクラック等の破損部が生じやすくなる傾向がある。またθ２が３°未満では、第２下部電極層９ｂの端部がまばらに形成される傾向がある。
第２下部電極層９ｂは、アルミニウムを含んでいてもよい。アルミニウムは、導電性の高い軽金属であり、またイオンとなったときに３価のプラスイオンとなり、原子の最外郭電子軌道において不対電子が３個存在する。すなわち、アルミニウムは、温度上昇、電磁波照射による光電効果等によって生成される自由電子の数が多い。その結果、上記のフッ素イオンラジカルが、アルミニウムの表面部に存在する自由電子を奪い取ったり、または自由電子と電子対を形成して化学的に安定化しようとする効果が高くなる。従って、フッ素イオンラジカルがアルミニウムを含む第２下部電極層９ａに集中しやすくなることから、本開示の構成は好適である。
第１上部電極層９ａおよび第２上部電極層９ｂは、透明導体層であってもよい。透明導体層は、インジウム錫酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（Indium Zinc Oxide：ＩＺＯ）等から構成されていてもよい。この場合、外部から第１上部電極層９ａおよび第２上部電極層９ｂに光が入射するのに好適である。
非有効領域５１は、有効領域５０の周囲の全周を囲むように位置している構成あってもよい。この場合、非有効領域５１に位置するダミーの画素部４０ｂに欠陥がないことから、ダミーの画素部４０ｂを検査用の画素部として有効に使用することができる。すなわち、非有効領域５１に位置するダミーの画素部４０ｂに対応する、有効領域５０に存在する画素部４０の全体について、検査をもれなく実施することができる。非有効領域５１に含まれる、周方向におけるダミーの画素部４０ｂの列は、１列でもよく、複数列であってもよい。複数列である場合、非有効領域５１に位置するダミーの画素部４０ｂの欠陥の有無を、より効果的に検査することができる。複数列である場合の列数は、２列～３列程度であってもよい。
また、非有効領域５１に含まれる、周方向におけるダミーの画素部４０ｂの列を１列または２列とし、その外側に部分的に列状に付加した複数のダミーの画素部４０ｂが位置していてもよい。例えば、より厳密に検査を行いたい走査信号の入力端側の部位、信号検出端側の部位等に、付加的な複数のダミーの画素部４０ｂが位置していてもよい。
基板１上において、第１下部電極層９ａと第２下部電極層９ｂとは同層の位置にあり、第１下部不純物半導体層１０ａと第２下部不純物半導体層１０ｂとは同層の位置にあり、第１真性半導体層１１ａと第２真性半導体層１１ｂとは同層の位置にあり、第１上部不純物半導体層１２ａと第２上部不純物半導体層１２ｂとは同層の位置にあり、第１上部電極層１３ａと第２上部電極層１３ｂとは同層の位置にある構成であってもよい。この場合、第１光検出素子３０ａおよび第２光検出素子３０ｂを同一製造工程によって製造することができる。従って、製造時間を短縮しつつ、欠陥のない光検出装置を高い歩留まりで製造することができる。また、非有効領域５１の画素部４０を、有効領域５０の画素部４０とほぼ同じ構成として作製することが容易になる。その結果、非有効領域５１の画素部４０を、有効領域５０の画素部４０を間接的に検査する検査用の画素部として用いることが容易になる。
図６は本開示の他の実施形態の光検出装置に備えられる第２光検出素子３０ｂ１の断面図であり、図７は第１光検出素子３０ａ１を有する有効領域５０の画素部４０の構成を示す断面図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。本実施形態の光検出装置は、製造工程において、非有効領域５１に配設される画素部４０には、前述の第２光検出素子３０ｂに代えて、図６に示す第２光検出素子３０ｂ１が配置される。第１光検出素子３０ａは前述の実施形態の第１光検出素子３０ａと同様であり、図７の構成を有する。
すなわち、図６に示す本実施形態の光検出装置は、前述の実施形態の光検出装置の構成に加えて、第２下部電極層９ｂの外周部と第２下部不純物半導体層１０ｂの外周部との間に位置し、第２上部不純物半導体層１２ｂ、第２真性半導体層１１ｂおよび第２下部不純物半導体層１０ｂの外周部から基板１の絶縁層８上に突出する、パッシベーション層３５を、さらに含む。
このようなパッシベーション層３５は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）等から成り、絶縁層８の少なくとも一部および第２下部電極層９ｂを覆い、ドライエッチング工程におけるエッチング残りの発生を防止することができる。
前述の各実施形態を含む本開示の光検出装置は、例えば放射線画像形成装置に適用される。放射線画像形成装置は、放射線を光に波長変換するシンチレータと、上記本開示の光検出装置と、を有する構成である。例えば光検出装置は、多数の画素部４０が行方向および列方向に配列されたマトリックス状に配設されている。上記の構成により、人等の被写体の正確な放射線画像を得ることができる。本開示の放射線画像形成装置におけるシンチレータは、ＣｓＩ：Ｔｌ、ＧＯＳ（Ｇｄ２Ｏ２Ｓ：Ｔｂ）等から成り、例えば被写体に照射されたＸ線、γ線、α線等の放射線を光に波長変換する。そして、シンチレータから放出された光３３を、本開示の光検出装置によって電荷へ光電変換して画像情報を得る間接変換方式の放射線画像形成装置に適用される。ＣｓＩ：Ｔｌ等から成るシンチレータは、Ａｌ（アルミニウム）等から成る金属基板に放射線感応層（シンチレーション層）を蒸着することによって形成される。そして、例えば本開示の光検出装置の光３３の光源側にシンチレータを配置し、それらを接着材等の接合手段によって貼り合わせることにより、放射線画像形成装置を構築することができる。
本開示の光検出装置は、上述したように、基板１における第１光検出素子３０ａおよび第２光検出素子３０ｂが位置する面に対向する位置に、放射線を光に波長変換するシンチレータを備え、第１光検出素子３０ａおよび第２光検出素子３０ｂは、シンチレータから出力された光を検出する、光検出装置であってもよい。さらには、本開示の光検出装置は、放射線は波長１ｐｍ～１０ｎｍのレントゲン線（Ｘ線）である医療用の光検出装置、いわゆるレントゲン装置であってもよい。この場合、欠陥が少なく製造歩留まりが高いレントゲン装置を提供することができる。
さらに、放射線画像形成装置によって得られた電気的な画像情報は、Ａ－Ｄ（Analog to Digital）変換によりデジタルデータに変換され、イメージプロセッサによりデジタル画像に変換され、それが液晶表示装置（Liquid Crystal Display；ＬＣＤ）等の表示手段に表示されて、画像診断、画像分析等に用いられる。
本開示は次の実施の形態が可能である。
本開示の光検出装置は、基板と、前記基板上に行方向および列方向に配列してマトリクス状に配設された複数の画素部と、前記複数の画素部のうち、前記基板上で光検出に用いられる有効領域内に位置する画素部に備えられた第１光検出素子と、前記複数の画素部のうち、前記基板上で前記有効領域を外囲する、光検出に用いられない非有効領域内に位置する画素部に備えられた第２光検出素子と、を含み、前記第１光検出素子は、前記基板上に配置された第１下部電極層と、前記第１下部電極層上において平面視で前記第１下部電極層の内側に配置された、第１の不純物半導体から成る第１下部不純物半導体層と、前記第１下部不純物半導体層上に配置された第１真性半導体層と、前記第１真性半導体層上に配置された、第２の不純物半導体から成る第１上部不純物半導体層と、前記第１上部不純物半導体層上に配置された第１上部電極層と、を有し、前記第２光検出素子は、前記基板上に配置された第２下部電極層と、前記第２下部電極層上に前記第２下部電極層を覆って配置された、前記第１の不純物半導体から成る第２下部不純物半導体層と、前記第２下部不純物半導体層上に配置された第２真性半導体層と、前記第２真性半導体層上に配置された、前記第２の不純物半導体から成る第２上部不純物半導体層と、前記第２上部不純物半導体層上に配置された第２上部電極層と、を有している構成である。
本開示の光検出装置によれば、光検出装置の製造工程において、非有効領域に位置している画素部に備わった第２真性半導体層のドライエッチング工程でのエッチングレートが低いために、エッチングレートが速い有効領域の画素部の第１真性半導体層及び第１下部不純物半導体層がエッチングされた後、エッチングは有効領域の第１下部電極層に集中し、非有効領域の画素部のエッチングレートがさらに低下したとしても、第２下部電極層は第２下部不純物半導体層によって覆われていることから、第２下部電極層にエッチングが集中することがなくなる。その結果、非有効領域における有効領域に近い部位の画素部にエッチングが集中し、非有効領域における有効領域から遠い部位の画素部に対するエッチングが不十分になることがなくなる。即ち、非有効領域の画素部の全体に対するエッチングが均一化される。従って、第２下部不純物半導体層及び第２真性半導体層のエッチング残りが発生せず、光検出装置の製造工程における歩留まりの低下を抑えることができる。
以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、また、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。
１ 基板
２ ゲート線
３ ゲート絶縁層
４ａ ソース電極
４ｂ ドレイン電極
５ エッチング阻止層
６ａ 第１半導体層
６ｂ 第２半導体層
７ 第１パッシベーション層
８ 絶縁層
９ 下部電極層
９ａ 第１下部電極層
９ｂ 第２下部電極層
１０ 下部不純物半導体層
１０ａ 第１下部不純物半導体層
１０ｂ 第２下部不純物半導体層
１１ 真性半導体層
１１ａ 第１真性半導体層
１１ｂ 第２真性半導体層
１２ 上部不純物半導体層
１２ａ 第１上部不純物半導体層
１２ｂ 第２上部不純物半導体層
１３ 上部電極層
１３ａ 第１上部電極層
１３ｂ 第２上部電極層
１４ 第２パッシベーション層
１５ 第３電極層
１６ バイアス線
１７ 第３パッシベーション層
２０ 下部コンタクトホール
２０ａ 絶縁性充填材
２１ 凹部
２２ 上部コンタクトホール
３０ 光検出素子
３０ａ 第１光検出素子
３０ｂ，３０ｂ１ 第２光検出素子
３１ ＴＦＴ
３２ ソース信号線
３３ 光
３５ パッシベーション層
４０ 画素部
４０ｂ ダミーの画素部
４８ ゲート信号線駆動回路
５０ 有効領域
５１ 非有効領域

Claims (15)

  1. 基板と、
    前記基板上に行方向および列方向に配列してマトリクス状に配設された複数の画素部と、
    前記複数の画素部のうち、前記基板上で光検出に用いられる有効領域内に位置する画素部に備えられた第１光検出素子と、
    前記複数の画素部のうち、前記基板上で前記有効領域を外囲する、光検出に用いられない非有効領域内に位置する画素部に備えられた第２光検出素子と、を含み、
    前記第１光検出素子は、
    前記基板上に配置された第１下部電極層と、
    前記第１下部電極層上において平面視で前記第１下部電極層の内側に配置された、第１の不純物半導体から成る第１下部不純物半導体層と、
    前記第１下部不純物半導体層上に配置された第１真性半導体層と、
    前記第１真性半導体層上に配置された、第２の不純物半導体から成る第１上部不純物半導体層と、
    前記第１上部不純物半導体層上に配置された第１上部電極層と、を有し、
    前記第２光検出素子は、
    前記基板上に配置された第２下部電極層と、
    前記第２下部電極層上に前記第２下部電極層を覆って配置された、前記第１の不純物半導体から成る第２下部不純物半導体層と、
    前記第２下部不純物半導体層上に配置された第２真性半導体層と、
    前記第２真性半導体層上に配置された、前記第２の不純物半導体から成る第２上部不純物半導体層と、
    前記第２上部不純物半導体層上に配置された第２上部電極層と、を有している、光検出装置。
  2. 前記第２真性半導体層は、前記第２下部不純物半導体層を覆っている請求項１に記載の光検出装置。
  3. 前記第１下部電極層の端面は、前記基板の前記画素部が配設される面とのなす角度が鋭角である緩やかな傾斜面とされている、請求項１または２に記載の光検出装置。
  4. 前記第１下部電極層の端面の前記角度が８０°以下である請求項３に記載の光検出装置。
  5. 前記第１下部電極層は、アルミニウムを含む請求項１～４のいずれか１項に記載の光検出装置。
  6. 前記第２下部電極層の端面は、前記基板の前記画素部が配設される面とのなす角度が鋭角である緩やかな傾斜面とされている、請求項１～５のいずれか１項に記載の光検出装置。
  7. 前記第２下部電極層の端面の前記角度が４５°以下である請求項６に記載の光検出装置。
  8. 前記第２下部電極層は、アルミニウムを含む請求項１～７のいずれか１項に記載の光検出装置。
  9. 前記第１上部電極層および前記第２上部電極層は、透明導体層である請求項１～８のいずれか１項に記載の光検出装置。
  10. 前記非有効領域は、前記有効領域の周囲の全周を囲むように位置している請求項１～９のいずれか１項に記載の光検出装置。
  11. 前記基板上において、前記第１下部電極層と前記第２下部電極層とは同層の位置にあり、前記第１下部不純物半導体層と前記第２下部不純物半導体層とは同層の位置にあり、前記第１真性半導体層と前記第 ２真性半導体層とは同層の位置にあり、前記第１上部不純物半導体層と前記第２上部不純物半導体層とは同層の位置にあり、前記第１上部電極層と前記第２上部電極層とは同層の位置にある、請求項１～１０のいずれか１項に記載の光検出装置。
  12. 前記基板における前記第１光検出素子および前記第２光検出素子が位置する面に対向する位置に、放射線を光に波長変換するシンチレータが備わっており、
    前記第１光検出素子および前記第２光検出素子は、前記シンチレータから出力された光を検出する、請求項１～１０のいずれか１項に記載の光検出装置。
  13. 前記放射線は、波長１ｐｍ～１０ｎｍのレントゲン線である、請求項１２に記載の光検出装置。
  14. 前記非有効領域内に位置する画素部は、前記有効領域内に位置する画素部を間接的に検査する検査用の画素部である、請求項１～１３のいずれか１項に記載の光検出装置。
  15. 前記基板は、可撓性を有している、請求項１～１４のいずれか１項に記載の光検出装置。
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