JPH01128579A - イメージセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 非晶質シリコン（ａ−５ｉ　）系膜を用いたイメージセ
ンサに関し、 コプレナー型構造と同程度以上の光電流を維持し、かつ
フォトダイオード以上の高速応答性を有し、温度マージ
ンの大きいイメージセンサを実現することを目的とし、 非晶質シリコンを用いたコプレナー型イメージセンサに
於いて、非晶質シリコンに隣接して窒化シリコン膜を有
し、該窒化シリコン膜に対向し、非晶質シリコンを介し
て、くし形のショットキー電極を有するように構成する
。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ　）系膜を用いた
イメージセンサに係り、特にファクシミリの画像入力画
像用素子、光位置検出用の光センサあるいは光通信用の
光受信用素子に利用し得るイメージセンサに関する。

〔従来の技術〕

従来のａ−Ｓｉイメージセンサとしては、第７図（ａ）
に示す如く、カソード電極２／ａ−Ｓｔ脱膜３アノード
電極４からなるサンドイッチ型構造と、第１図（ロ）に
示す如（、ａ−３ｉ膜３に隣接する同一面上にカソード
電極２及びアノード電極４を有するコプレナー型構造が
ある。１は絶縁性基板である。

（ａ）に示すサンドインチ型構造としては、ショットキ
ー型フォトダイオードとｐｉｎ型フォトダイオードがあ
り、電極間距離が短いために高速応答が得られるが、光
電流レベルが小さく、しかも温度依存性が大きいという
問題がある。

一方（ロ）に示すコプレナー型構造としては、従来から
光電変換層としてＣｄＳｅ系を使用するものが知られて
いる。これに対し、本発明の出願人は、光電変換層３と
してａ−Ｓｉ膜を使用するイメージセンサを提案した。

しかしながらいずれも、光電流レベルは大きくなるが、
光応答性が遅く、感度が低いという問題がある。

第８図は、本発明の出願人が特願昭６１−５５９２９号
として提案したコプレナー型のａ−３ｉダイオードの断
面図である。１はガラス等の絶縁性基板であり、その上
に、ａ−３ｉ、−ｘ　Ｎｘ膜５、ａ−５ｉ膜３の順に積
層され、ａ−５ｉ膜３上にゲート電極４とオーミック電
極２が対向配置されている。ａ−Ｓｔ、−ｘ　Ｎｘ１ｉ
５は５０〜５０００人程度、ａ−残寸膜３は１０００〜
５０００人程度の膜厚に形成される。

このような層構成のａ−Ｓｉダイオードでは、第９図の
エネルギー帯図に示すように、伝導帯６と価電子帯７間
に構成される禁制帯８で考えると、ａ−Ｓｉ膜３とａ−
５ｉ、−ｘ　Ｎｘ膜５の界面において、ａ−Ｓｉ膜３の
伝導帯６は価電子帯７側に大きく曲がるために、光１１
を照射することで発生する電子９は、ａ−Ｓｉｌ−ｘ　
Ｎｘ膜５側の曲がり部分に引き込まれ、価電子帯７側の
ホール１０はオーミック電極２側に引き込まれ易くなる
。その結果、電子９、ホール１０は再結合し難くなる。

すなわちａ−５ｉ＋−ｘ　Ｎｘ膜５を形成することで、
ａ−Ｓｉ膜３はＰＣＶＤの段階で禁制帯が深く曲げられ
るため、ショットキー壁が形成され、この曲げられた部
分に電子が引かれて再結合し難くなるので、光照射時の
電子、ホール等の・キャリアが多くなる。例えば従来品
は、光照射時（オン時）の光電流■の値が５　Ｘｌ０−
”Ａ、オフ時の暗電流が５　Ｘｌ０−１３Ａ程度であっ
たのに対し、ａ−３ｉ、−ｘ　Ｎｘ膜を有する構造では
、暗電流と光電流の比は変わらずに、ａ−５ｉ、−ｘ　
Ｎｘ膜５のＸの値を選択することで、光照射時（オン時
）の光電流■の値を５×１０−マＡ、オフ時の暗電流を
５　Ｘｌ０−”　Ａ程度に３桁程度増加させることがで
きる。更に第５図の縦軸に光電流を、横軸に温度の逆数
１／Ｔをとると、上記したオン・オフ時の本提案の充電
流変化は符号１２で示すように、破線１２ａと実線１２
ｂに示すように室温である２０℃前後から、１００°Ｃ
以上まで、その変化割合は変わらないが、従来の充電流
変化は符号１３で示すように、破線１３ａと実線１３ｂ
で示すように、オン・オフ時の温度依存性は大きいこと
がわかる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このようにａ−Ｓｉ、−ｘ　Ｎｘ膜５とａ−Ｓｉ膜３を
積層する構造は、光電流レベルが大幅に改善される。と
ころが、光応答性がフォトダイオードに比べて遅いとい
う問題がある。

本発明の技術的課題は、以上のような問題に鑑み、コプ
レナー型構造と同程度以上の光電流を維持し、かつフォ
トダイオード以上の高速応答性を有し、温度マージンの
大きいイメージセンサを実現することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明によるイメージセンサの基本原理を説明
する断面図と平面図である。ａ−５ｉ膜３と窒化シリコ
ン膜５が隣接して積層されており、該窒化シリコン膜５
に対向し、ａ−Ｓｉ膜３を介して、くし形のショットキ
ー電極４１．２１が形成されている。このように、ａ−
Ｓｉ膜３の面において、一対の電極４１と２１が間隔を
おいて対向しているので、コプレナー型構造の一種とな
る。

〔作用〕

第９図で説明したように、ａ−５ｉ／ＳｉＮｘ界面では
、ＳｉＮｘのＸ組成に依存して、電子蓄積型のバンド曲
りが生ずる。このバンド曲りにより、ａ−Ｓｔ／５ｔＮ
ｘ界面近傍からａ−Ｓｉ膜３中（〜１０００人）に内部
電界が生じ、従って光生成された電子９はＳｉＮｘ膜５
に引き込まれ、一方ホール１０はＳｉＮｘ膜５と反対側
に移動し、光キヤリアライフ・タイムが３桁程度増大す
ることにより、光電流レベルは増大する。

しかも、バンド曲りの効果のため、ａ−Ｓｉ／ＳｉＮｘ
界面で、フェルミ・レベル・シフトが生じ温度依存性は
小さくなる。

一方応答性は、フォトキャリアのＴｒａｎｓｉｔタイム
あるいはショットキー電極／ａ−Ｓｉの充電時間で決定
される。Ｔｒａｎｓｉｔタイムは、くし形電極を５μｍ
とすると、電界２　ＸＩＯ”７ｃｍ　（電圧１０ｖ）で
２５ｎｓとなる。一方充電時間は、次のように計算され
る。理想的なコプレナー型の容量はＹ、　　Ｃ，Ｌｉｍ
　ｅｔ　ａｌ　　［Ｉｔ！３．Ｔｒａｎｓ　Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｅｄ−１５（１９６８）ＰＰ
１７３−１８０　）により計算されており、くし歯の本
数Ｎ：くし歯の幅Ｗ、くし歯の間隔し、くし歯の長さｌ
とすると、容１ｃは Ｃ＝Ｃｏ（Ｎ−１）ε　　　　　　　（１）Ｃｏはくし
歯の単位長さあたりの電梅間のギャップ容量であり、 ここで、ε。は真空中の誘電率であり、ｅｒは半導体層
の比誘電率である。また、 ４　　　　　　Ｗ＋Ｌ Ｋ’　＝Ｋ　（九′）　　ん′＝１−か　（３）となる
。

前述の式を用いれば、同一受光面積のｐｉｎフォト・ダ
イオードの容量と比較してＸ以下となり、従ってｐｉｎ
ダイオードの応答性以上の高速性が得られる。

〔実施例］ 次に本発明によるイメージセンサの製造方法を説明する
。第２図は本発明の第１実施例を示す断面図と平面図で
ある。１は絶縁性基板であり、その上にプラズマＣＶＤ
法により、窒化シリコン膜５を形成する。該窒化シリコ
ン膜５はシラン（ＳｉＨ４）とアンモニア（ＮＨ３）を
含む混合ガスを用い、その成膜条件としては成長温度２
００℃〜３５０°Ｃ１反応ガス圧０．１〜１０Ｔｏｒｒ
、　ｒｆパワー密度０．０１〜０．５Ｗ／　ｃｄｌ、ガ
ス流量比ＮＨ３／　５ｉＨａ　＝　０．２〜２が望まし
く、窒化シリコンの膜厚は５０人〜５０００人を可とす
る。

続いて真空を破ることな（、ａ−Ｓｉか−らなる光電変
換層３を形成する。該光電変換層３の作成条件は、シラ
ンを主成分とするガスを用いて、成長温度２００℃〜３
５０℃、反応ガス圧０．１〜１０Ｔｏｒｒ、　ｒｆパワ
ー密度０．００５〜０．０５Ｗ　／　ｃｄで、膜厚１０
００〜１００００人を可とする。

その後、ショットキーバリヤを形成するための金属を蒸
着することで、ショットキー電極２１．４１を形成する
。第８図に示す従来例では、オーミック電極２としてア
ルミニウム等を、ゲート電極４として白金、などを使用
したが、本発明では、ショットキー電極４１．２１とし
て、Ｐｔ、　Ｐｄ、　Ａｕ＋　Ｃｒシリサイド、Ｗシリ
サイドＳｎＯ，ＩｎｔＯ３，ＩＴＯ等を用いる。

ショットキー電極上にＣｒ、　Ｔｉ、　ＡＩ等の金属電
極を設けてもよい。

この実施例の構造の特徴は、熱処理温度が高々３５０°
Ｃ以下と低温なため、増幅回路あるいは駆動回路を具備
するＩＣ上に積層可能な点にある。

第３図は、本発明の他の実施例であり、基板１ａが透明
体から成っている。この透明基板ｌａ上に、ショットキ
ー電極４１．２１、ａ−Ｓｉ成膜、窒化シリコン膜５ｉ
Ｎｘ５の順に成膜されている。光信号は透明絶縁性基板
１ａ側から入射される。

この構造の特徴は、入射光が透明絶縁基板１ａを通して
入るので、汚れに対して強く、また窒化シリコン膜５が
、パーシベーション作用を兼ねる点にある。

第４図は、本発明によるイメージセンサの光導電率、暗
導電率の窒化シリコン膜Ｘ依存性を示す図である（ｒｅ
ｆ、　Ｋ、　Ｈｉｒａｎａｋａ　ｅｔ　ａｌ、　Ｊ、Ａ
、Ｐ　６０（１９８６）　　４２０４）。曲線１４が光
導電率、曲線１５が暗導電率であるが、いずれも窒化シ
リコン膜のＸの値が、０．８前後の領域で高い導電率を
示している。

第５図は、本発明によるイメージセンサおよび従来のイ
メージセンサの光電流及び暗電流の温度依存性を示す図
である。本発明の構造は、第８図の場合と同様に、ａ−
５ｉ膜３と窒化シリコン膜ＳｉＮｘ膜５を積層する構成
なため、符号１２で示すように、優れた温度依存性を示
している。

第６図は、本発明によるイメージセンサおよび従来のフ
ォトダイオード（ｐｉｎ）の容量の印加電圧依存性を示
す図である。曲線１６で示すように、従来のフォトダイ
オードは、印加バイアス電圧によって容量が大きく変化
し、しかも大きな値を示しているのに対し、本発明によ
るイメージセンサは、符号１７で示すように、殆ど一定
しており、かつ小さな値を示している。その結果、〔作
用〕の欄で説明したように、光応答性に優れ、高速、高
感度が実現される。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、ａ−Ｓｉ膜に隣接するＳ
ｉＮｘのＸ組成を０．３〜１．０とすることにより、ａ
−Ｓｉ／ＳｉＮｘ界面に電子蓄積型のバンド曲りが生じ
、内部電界が形成されて、光電流の絶対値が３桁増大す
る。特に、くし形構造を有するショットキー電極を、Ｓ
ｉＮｘ膜に対向し、ａ−５ｉを介して設けることにより
、従来のｐｉｎダイオードに比べて２低容量なイメージ
センサを実現でき、高感度かつ高速な、しかも温度マー
ジンの大きなイメージセンサを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は零発、明によるイメージセンサの基本原理を説
明する断面図と平面図、第２図は本発明の第１実施例を
示す断面図と平面図、第３図は本発明の第２実施例を示
す断面図、第４図は本発明によるイメージセンサの光導
電率、暗導電率の窒化シリコン膜Ｘ依存性を示す図、第
５図は本発明によるイメージセンサおよび従来のイメー
ジセンサの光電流および暗電流の温度依存性を示す図、
第６図は本発明によるイメージセンサおよび従来のイメ
ージセンサ（ｐｉｎ）の容量の印加電圧依存性を示す図
である。 第７図は従来のイメージセンサの断面構造を示す図、第
８図は本発明の出願人が先に提案した従来のイメージセ
ンサの断面構造を示す図、第９図は同イメージセンサの
エネルギー帯図である。 図において、■、１ａは絶縁基板、２はオーミック電極
、３はａ−３ｉ膜、４はゲート電極、５は窒化シリコン
膜、４１．２１はショットキー電極をそれぞれ示す。 特許出願人　　　　　富士通株式会社 復代理人　弁理士　　福　島　康　文 本発日月の基本原理 第１図 ＼５．Ｉ 孔し 躬２大施例 第３図 本発明イメーシセシザの先導電率、暗厚電宇の８ｉＮχ
のχ−繊威依存・１生 第４図 イメージｔシザ出力の１−狛殺狛肢 第５図 イメージセンサ容量の印ｈａバイアス依存姓第６図 アＩ−ド１１を （ａ）４ｆ＞ド心ノ手型個式組 従来のイメージセンサ 第７図 第８図 二ネノ階゛−帯Ｃン］ 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　非晶質シリコンを用いたコプレナー型イメージセンサ
   に於いて、 非晶質シリコン膜３に隣接して窒化シリコン膜５を有し
   、 該窒化シリコン膜５に対向し、非晶質シリコン３を介し
   て、くし形のショットキー電極４１、２１を有すること
   を特徴とするイメージセンサ。