JPH01775A - 光電変換装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は光電変換装置に関し、特にアモルファス　シ
リコンフォト・ダイオードを備え、ファクシミリ装置、
あるいはその他のイメージ処理装置のイメージセンサと
して用いるのに適した光電変換装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、ファクシミリ装置あるいはその他のイメージ処理
装置のリーグとして用いるために、フォト・ダイオード
プレイを用いた光電変換装置の開発が鋭意進められてい
る。

この種の装置に用いられるフォト・ダイオードとして、
アモルファス　シリコン　フォト・ダイオード、例えば
水素化アモルファスシリコン（以下ａ−３ｉ　：　Ｈと
称する）全周いたフォト・ダイオードがちる。このａ−
８ｉ：Ｈフォト・ダイオードは、大寸法、例えば長尺サ
イズのフォト・ダイオードアレイに容易に形成できるの
で、原稿を等倍で読み取るコンタクト型イメージセンサ
への使用に適している。

このａ−８ｉ：ｌ（フォト・ダイオードアレイを用いた
光電変換装置とじ５て、米国特許（Ｕ、　Ｓ、　Ｐａｔ
、　）ｉＭ　４，４１９，６９６あるいはアイ・イー・
イー・イートランザクションズ　オン　コンポ−坏ンツ
、ハイブリソゾ、アンド　マニュファクチュアリングテ
クノロジー（ＩＥＥＥ　ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ　Ｏ
ＮＣＯＭＰＯ亮ＮＴＳ、　ＨＹＢＲＩＤＳ、駅り脚ＵＦ
’ＡＣＴＵＲＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　）　、　Ｖ
ｏ　１．　ＣＨＭＴ−７，Ａ　４．　Ｉ）Ｐ−４２３−
４２８。

ＤＥＣＥＭＢＥＲ１９８４に開示されるものがある。こ
れらの装置は第２図に示す如き構造のａ−８ｉ：）Ｉフ
ォト・ダイオードをアレイ状に配列して構成されている
。

第２図のａ−８ｉ：Ｈフォト・ダイオードは、絶縁基板
１上にクロミウム（Ｃｒ）から成る金属電極２゜ｉ型も
しくはｐ型のａ−８ｔ　：　Ｈ層３．インゾウム・錫酸
化物（ＩＴＯ）から成る透明電極４全順次積層して構成
されたショットキー型のフォト・ダイオードである。

このフォト・ダイオードを用いて原稿のイメージの読み
取シ動作を行なわせるために、従来は、ＩＴＯの透明電
極４には電源５より負のバイアス電位が印加され、Ｃｒ
電極２には駆動回路６より接地（もしくは正）のバイア
ス電位が印加される構成となっていた。すなわちアモル
ファス　シリコンフォト・ダイオードを用いた従来の光
電変換装置においては、ＩＴＯ電極４をＣｒ電極２に対
して相対的に負バイアスとしていた。

このように、従来は、ＩＴＯ電極４側ｔｌ−Ｃｒ電極２
に対して相対的に負バイアスと゛するバイアス電圧が両
電極間に印加されるため、このフォト・ダイオードにお
いては、ａ−８ｉ：Ｈ層３とＩＴＯ電極４との界面にシ
ョットキー障壁が形成され、これを電子のブロッキング
層として、ａ−８ｉ：Ｈ層３から成る受光部内全空乏化
させていた。

上記構造のフォト・ダイオードは、ａ−８ｉ：）（層が
一層で済み、ａ−３ｉ：Ｈ層３とＩＴＯ電極４との間に
絶縁膜を入れる必要がないため、製造工程を簡略化でき
る利点はある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記フォト・ダイオードはＩＴＱ電極と
ａ−８ｉ：）１層とのショットキー接合形成が、ＩＴＯ
電極の組成、作製条件、ａ−３ｉ　：　Ｈ層の表面状態
等に大きく依存するため、安定な接合を形成し難いもの
であった。従って、このフォト・ダイオードを用いた光
電変換装置において、前述の如き極性でバイアス電圧を
印加してイメージの読み取りを行う場合高いＳ／Ｎ比が
得難いものであった。

本発明は前述の問題点を解決し、暗電流が低く且つＳ／
Ｎ比が高い高性能な光電変換装置を提供することを目的
とする。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するために、本発明の光電変換装置ハ、
アモルファスシリコンとショットキー接合を形成し得る
金属材料からなる金属電極と、透明電極とで挾持された
ｉ型の水素化アモルファスシリコン層からなるフォト・
ダイオードを基板上に備え、前記金属電極側を前記透明
電極側に対して相対的に負バイアスとする如く両電極間
に・ぐイアスミ圧を印加する手段を備え、前記アモルフ
ァスシリコン層と前記金属電極との界面におけるシロノ
ドキー障壁を電子阻止層として用いるようにしたもので
ある。

前記金属電極としては、Ｃｒ、　Ｎｉ、　Ｎｉ−Ｃｒ合
金のうちのいずれかを用いるのが好適であり、また前記
透明電極としてはＩＴＣ）＋　５ｎｏ２．　ＺｎＯのう
ちのいずれかを用いるのが好適である。そして前記アモ
ルファスシリコン層にはホウ素を（Ｂ２Ｈ６］／Ｃ５ｉ
Ｉ（４］比で０．５〜１０　ｐｐｍドーゾすることが望
ましい。

さらに、本発明を一次元イメーノセンサに適用する場合
には、個別電極としての複数個の前記金属電極、帯状の
前記アモルファスシリコン層、共通電極としての帯状の
前記透明電極をこの順で基板上に順次積層するか、ある
いは上述とは逆の順で基板上に順次積層すれば良い。

〔作用〕

前述の如く、Ｃｒ、　Ｎｉ、　Ｃｒ−Ｎｉ合金等からな
る金属電極側″ｆ、ＩＴＯ，ＳｎＯ□、　ＺｎＯ等から
なる透明電極側に対して相対的に負・ぐイアスとすると
、アモルファスシリコン層と金属電極との界面における
ショットキー障壁が電子に対するブロッキング層として
働き、これにより暗電流が低く抑えられ且つＳ／Ｎ比が
高い光電変換動作を行なうことが可能となる。

またアモルファスシリコン層にホウ素を前述の範囲で添
加することにより、光電流の電界依存性が改善される。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の光電変換装置の第１の実
施例について詳細に説明する。第１図に示した本発明の
光電変換装置は、絶縁基板１１、絶縁基板１１上に被着
されたＣｒからなる下部金属電極１２、下部金属電極１
２上に被着された１型の水素化アモルファスシリコン層
１３（以下、ｌ型ａ−８ｔ：Ｈ層と称する）、ｌ型ａ−
３ｉ：Ｈ層１３上に被着されたＩＴＯからなる上部透明
電極１４、上部透明電極１４に正のバイアス電位を印加
するだめの電源１５、下部金属電極１２に接地（もしく
は負）のバイアス電位を印加する駆動回路１６を備えて
いる。この光電変換装置のフォト・ダイオード部はＣｒ
からなる下部金属電極１２、ｌ型ａ−８ｉ：Ｈ層１３、
ＩＴＯからなる上部透明電極１４で構成されたショット
キー型であり、その構造は第２図のものと同じ構成であ
る。しかしながら、ＩＴＯの透明電極１４とＣｒの金属
電極１２との間に印加されるバイアス電圧の極性が第２
図のものと逆になっている。第１図の本発明による光電
変換装置のフォト・ダイオードにおいては、Ｃｒ電極１
２側をＩＴＯ電極１４側に対して相対的に負バイアスと
するバイアス電圧が両電極間に印加されるため、ａ−８
ｉ　：　Ｈ層１３とＣｒ電極１２との界面にショットキ
ー障壁が形成され、これが電子のブロッキング層として
働き、これによりフォト・ダイオードとして動作する。

本実施例のフォト・ダイオード部は以下のようにして製
造される。まず、絶縁基板１１上にＣｒ１２を蒸着によ
り成膜した後、フォトリソグラフィーによυ電極パター
ンを形成する。次にグロー放電または反応性ス・！ツタ
リングにより真性水素化アモルファスシリコン（ａ−３
ｉ：Ｈ）の層１３を形成する。その厚さは、後述の理由
によｐｏ、６〜３μｍであるのが望ましい。次に、その
上に、ＩＴＯ１４を蒸着あるいはス・ぐツタリングによ
り成膜し、フォトリソグラフィーにより電極パターンを
形成する。

第３図に、波長５７０ｎｍ、ノ＃ワー１０μＷ／ｃｒｎ
２の光照射時のフォト・ダイオードの電流−電圧特性を
示す。曲線Ｂ　１＋　Ｂ　２は従来のようにＩＴＯ電極
側を負バイアスにした場合を示し、曲線Ａ　！　＋　Ａ
　２は本発明に従ってＣｒ電極側を負・ぐイアスにした
場合を示す。なお、このフォト・ダイオードのａ−８ｉ
：Ｈ層には後述の理由により、ホウ素を〔Ｂ２Ｈ６〕／
〔ＳｉＨ４〕比で１　ｐｐｍドーグしたものを用いてい
る。

図示のようＫ、印加電圧５■の場合の暗電流を比較する
と、ＩＴＯ電極側を負バイアスにした場合（曲線Ｂ２）
よりもＣｒ電極側を負バイアスにした方（曲線Ａ２）が
約１桁低い。また光電流は、ＩＴＯ電極側を負バイアス
とした場合（曲線Ｂ＋）に比べＣｒ電極側を負バイアス
とした場合（曲線Ａ＋）の方が低い電圧で飽和する。こ
のことはＣｒ電極側を負バイアスとする方がフォト・ダ
イオードとして、より好ましい特性が得られることを意
味する。

第４図は、本発明に従って、Ｃｒ電極側をＩＴＯ電極側
に対して負バイアスとして両電極間に５ｖを印加した場
合の電流のａ−８ｉ：Ｈの膜厚に対する依存性全示し、
曲線Ａ３が光電流、曲線Ａ４が暗電流を示す。図示のよ
うに、膜厚が０．８μｍ以下では暗電流が急激に上昇す
る。また光電流もやや上昇する。これは、膜厚が小さい
場合には、Ｃｒ電極側の空乏層がＩＴＯ電極側にも及び
、正孔が注入され始めるからである。従って、ａ−８ｔ
：Ｈの膜厚は約０．８μｍ以上とするのが望ましい。但
し、０．６μｍ程度であっても、暗電流は十分小さくで
きる。

一方、膜厚が大きすぎると、ドリフト長の減少による光
電流の減少、膜の内部応力の増加によるピンホールの発
生の問題が生ずるので、約３μｍ以下とするのが実用上
望ましい。

ａ−８ｔ：Ｈ膜中に微量のホウ素をドーグすると、光電
流の電界依存性が改善される。第５図はドープ量（γ＝
〔Ｂ２上６〕／〔ＳｉＨ４〕）をノ９ラメータとして、
電界と光電流との関係を示したものである。

γがＯから１，６と増加するに従い、より小さな電界強
度で光電流が飽和するようになっている。

これは、ホウ素のドーグにより正孔のドリフト長（第６
図参照）が増加するためである。

なお、ホウ素のドーグ量が〔Ｂ２上６〕／〔ＳｉＨ４〕
比で１０　ｐｐｍ以上になると、暗電流が増加するため
、Ｓ／Ｎ比が悪くなり、一方、０．５　ｐｐｍ以下では
低電界強度領域で光電流が飽和しない。

従って、ホウ素のドーグ量は〔Ｂ２上６〕／〔ＳｉＨ４
〕比で０．５〜１０　ｐｐｍとするのが望ましく、これ
てよりフォト・ダイオードの電界強度に対する特性全向
上させることができる。

次に、本発明の光電変換装置の第２の実施例について説
明する。

本実施例は、下部金属電極１２として、クロム（Ｃｒ）
に代えてニッケル（Ｎｉ）を用いるようにしたものであ
シ、それ以外の構成は前述の第１の実施例と同じであり
、第１図金回度用いてその説明を行う。

すなわち、Ｎｉからなる下部金属電極１２、ｉ型ａ−８
ｉ：Ｈ層１３、ＩＴＯから成る上部透明電極を基板１ノ
上に順次積層して構成されるアモルファスシリコン　フ
ォト・ダイオードを備え、Ｎｉ電極１２側をＩＴＯ電極
１４側に対して相対的に負バイアスとする如く、両電極
間にバイアス電圧を印加してフォト・ダイオード動作を
行なわせるものである。

第７図に、波長５７０ｎｍ、パワー１０　μｗ／Ｉ’ｍ
２の光照射時のフォト・ダイオードの電流−電圧特性を
示す。曲＠ＤＩＩＤ２は従来のようにＩＴＯ電極側？負
バイアスにした場合金示し、曲線Ｃ，，Ｃ２は本発明に
従ってＮｉ電極側を負バイアスにした場合を示す。

なお、本実施例では、フォト・ダイオードのａ−８ｉ：
Ｈ層には、前述の第１の実施例の場合とは異なり、ホウ
素をドープしていないものを用いている。

図示のよって、印加電圧５ｖの場合の暗電流を比較する
と、ＩＴＯ電極電極側金回バイアスた場合（曲線Ｄ２）
よシもＮｉ電極側を負バイアスにした場合（曲線Ｃ２）
の方が約３桁低くなる。また光電流は、ＩＴＯ電極側を
負バイアスとした場合（曲線Ｄｌ）に比べＮｉ電極側を
負バイアスとした場合（曲線Ｃ＋）の方が低い電圧で飽
和する。このことはＮｉ電極側を負バイアスとする方が
フォト・ダイオードとして、よシ好ましい特性が得られ
ること全意味する。

第８図は、本発明に従って、Ｎｉ電極側をＩＴＯ電極側
に対して相対的に負バイアスとして両電極間に５Ｖ’＆
印加した場合の電流のａ−８ｉ　：　Ｈの膜厚に対する
依存性を示し、曲線Ｃ３が光電流、曲線Ｃ４が暗電流を
示す。図示のように膜厚が１．０μｍ以下では暗電流が
急激に上昇する。これは膜厚が小さい場合にはＮｉ電極
側の空乏層がＩＴＯ電極側にも及び正孔が注入され始め
るからである。

従って、ａ−８ｔ：［の膜厚は約１．０μｍ以上とする
のが望ましい。一方、膜厚が厚すぎると、ドリフト長の
減少による光電流の減少、膜の内部応力の増加によるピ
ンホールの発生の問題が生ずるので、約３μｍ以下とす
るのが実用上望ましい。

なお、本実施例においても、前述の第１の実施例と同様
にして、ａ−８ｔ：Ｈ層中に微量のホウ素をドーグする
ことにより、光電流の電界依存性を改善することができ
る。

次に本発明の第３の実施例について説明する。

本実施例は本発明を一次元イメージセンサに適用したも
のであり、第９図〜第１２図を用いて詳細に説明する。

第９図はこのイメージセンサの要部を示した斜視図であ
り、第１０図は第９図の■−■線断面図、第１１囚は第
９図の■−■線断面図、第１２図は等何回路を示す。

このイメージセンサは、第９図、第１０図に示す通り、
絶縁基板２ノ上に、Ｃｒ　、　Ｎｉ等からなる複数の個
別金属電極２２と、各個別金属電極２２の端部を覆うよ
うに帯状に形成されたｉ型ａ−８ｔ：Ｈ層２３と、ｉ型
ａ−８ｔ：Ｉ（層２３を介して各個別金属電極２２と対
向するように帯状に形成されたＩＴＯ等からなる透明共
通電極２４と、これらを覆うように設けられた保護層２
５から構成されるフォト・ダイオードアレイ部２６、シ
フトレジスタ２７と、各フォト・ダイオードアレイ応に
設けられた複数のＣＭＯＳスイッチ２８とを備え、ダイ
ポンプイングツ４ノド２９上に導電性接着剤３０により
接合される駆動ＩＣチッグ３１、Ｃｒ層３２及びＡｔ層
３３からなる２層構成の入出力用配線パターン３４外部
との接続のための入出力端子部３５を備えている。そし
て駆動ＩＣチップ３）の各端子は対応する各個別金属電
極２２及び入出力配線ノやターン３４にワイヤピンディ
ングされている。また各駆動ＩＣチップ３１は樹脂モー
ルド３６によって封止されている。

ＩＴＯからなる透明共通電接２４は電源供給端子Ｐｌを
介して外部の電源３７の正極側（例えば、Ｅ＝＋５Ｖ）
に接続される。駆動ＩＣ３１自体の動作電源としては、
電源供給端子Ｐ２を介して電源３７よシのＶ。Ｄ＝＋５
Ｖと、接地端子Ｇを介して外部よりのグラウンドとがそ
れぞれ供給される。

また駆動ＩＣＣソノ３１には、図示しない外部コントロ
ーラより、クロック端子ＣＴ′ｆｆ：介してのクロック
信号と、シフトイン信号端子ＳＩを介してのシフトイン
信号が供給される。また各駆動ＩＣチップ３ノの出力端
子は信号出力端子Ｓｏを介して外部の負荷抵抗ＲＬに接
続される。

なお、フォト・ダイオードアレイ２６は、第９図、第１
１図に示されるように、各個別金属電極２２及び透明共
通電極２４とでサンドイッチされたｉ型ａ−８ｉ：　Ｈ
層２３からなる複数のフォト・ダイオードＰＤをアレイ
の長さ方向即ち主走査方向に整列させたものである。

次に第１２図を参照して、このイメージセンサのイメー
ジ読み取シ動作について説明する。

まず、イメージ読み取シ開始前にシフトレジスタ２７を
駆動して各ＣＭＯＳスイッチ２８を順次ＯＮ状態とする
ことにより、各フォト・ダイオードＰＤの個別金属電極
２２が負荷抵抗ＲＬを通して接地され、透明共通電極側
に対して相対的に負バイアスされる。これにより各フォ
ト・ダイオードＰＤは電源電圧Ｅに充電される。この充
電後、読み取り原稿からの反射光即ち光信号が各フォト
・ダイオードＰＤに入射されると、その強度に応じて電
荷が発生し、フォト・ダイオードＰＤの充電電圧が放電
される。

次にシフトレジスタ２７を再び駆動して、各ＣＭＯＳス
イッチ２８を順次ＯＮ状態にすれば、各フォト・ダイオ
ードＰＤは再び電源電圧Ｅまで充電される。この充電電
流を共通の出力線を通して負荷抵抗ＲＬにより順次出力
信号として検出する。

なお、上記各実施例では基板上にＣｒ　、　Ｎｉ等の金
属電極、ａ−８ｔ　：　Ｈ層、ＩＴＯ透明電極の順に積
層したが、基板として透明基板を用い、前記各実施例：
とは逆の順、即ちＩＴＯ透明電極、ａ−３ｔ：Ｈ層、Ｃ
ｒ。

Ｎｉ等金属電極の順に積層しても良い。

また負バイアスされる金属電誕としてはＮｉ−Ｃｒ合金
を用いても良く、それ以外にＰｔ、　Ａｕ、　Ｐｄ等も
当然用い得る。

また透明電極としてはＩＴＯ以外の材料、例えばＳｎＯ
２，ＺｎＯ等を用いることもできる。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、Ｃｒ、
Ｎｉあるいはそれらの合金等からなる金属電極側をＩＴ
Ｏ等からなる透明電極側に対して負バイアスとする如く
両電極間にバイアス電圧を印加し、ｉ型ａ−８ｔ：Ｈ層
と金属電極との界面におけるショットキー障壁を電子阻
止層として用いるようにしているため、暗電流を確実に
低く抑えることができ、Ｓハ比が高い高性能な光電変換
装置を得ることができる。

また金属電甑として、Ｃｒ、　Ｎｉ、あるいはそれらの
合金を用いることにより、他のＰｔ、　Ａｕ、　Ｐｄ等
の高価な金属を用いる場合に比べ、製造コストヲ低減さ
せることができ、しかも実用上光分なンヨノトキー障壁
を再現性良く形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す断面図、 第２図は従来の光電変換装置の構成を示す断面図、 第３図〜第６図は本発明の第１の実施例におけるフォト
・ダイオードの諸特性を示す線図、第７図、第８図は本
発明の第２の実施例におけるフォト・ダイオードの諸特
性を示す線図、第９図は本発明の第３の実施例であり、
本発明を一次元イメージセンサに適用した場合の要部斜
視図、 第１０図は第９図の■−■線断面図、 第１１図は第９図のｌＩ［−１１１線断面図、第１２図
は本発明の第３の実施例の等価回路図である。 １１・・・基板、１２・・・金属電極、１３・・・ｉ型
ａ−８ｉ：Ｈ層、１４・・・透明電極、１５−・・電源
、１６・・・駆動回路、２）・・・絶縁基板、２２・・
・個別金属電極、２３・・・ｉ型ａ−８ｉ：Ｈ層、２４
・・・透明共通電極、２５・・・保護層、２６・・・フ
ォト・ダイオードアレイ部、２７・・・シフトレジスタ
、２８・・・ＣＭＯＳスイッチ、２９・・・グイビンデ
ィングＡソド、３θ・・・導電性接着剤、３１・・・駆
動ＩＣチップ、３２・・・Ｃｒ層、３３・・・Ａｔ層、
３４・・・入出力配線・２ターン、３５・・・入出力端
子部、３６・・・樹脂モールド、３７・・・電源特許出
願人　　沖電気工業株式会社 ント・づで覧四０５　七Ｆ、１　０冥施　イｙ’ｌ　ｔ
すａＳ＼ヒ第１回 瑳　來　イク＋ｌｓ　　才糞　底゛ 第２図 亀界也度（Ｖ／ｃｍ） 電ｍ４尤電混（第１大施イ列） 正）シのドリフトく８１大方ヒイ列） 第６図 〔Ｖ１１７３０電圧　（和邑す↑値） 印卯電斤ヒ電滝（男１大旅台９） 第３因 １−ａ−５ｉ嗅厚　　　（μｍ） 月臭ノ≦Ｌ　と、１μ−流（第　１　）（方セ九イ刈）
第４図 ｔｐｎｏ　電ｆｆ（絶丈↑イ直） 印力Ｏ電圧ζ電ｉ（第２大施イ列） 第７因 ｉ−ａ−５ｉ　膜厚　　　０．ｔ　ｍ）膜厚と電夕’Ｌ
　（第２穴施イ列） 第８ｖｆＪ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アモルファスシリコンとショットキー接合を形成し
   得る金属材料からなる金属電極と、透明電極とで挾持さ
   れたｉ型の水素化アモルファスシリコン層からなるフォ
   トダイオードを基板上に備え、 前記金属電極側を前記透明電極側に対して相対的に負バ
   イアスとする如く両電極間にバイアス電圧を印加する手
   段を備え、 前記アモルファスシリコン層と前記金属電極との界面に
   おけるショットキー障壁を電子阻止層として用いること
   を特徴とする光電変換装置。 ２、前記金属電極がＣｒ、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｃｒ合金のうち
   のいずれかからなり、前記透明電極がＩＴＯ、ＳｎＯ＿
   ２、ＺｎＯのうちのいずれかからなることを特徴とする
   請求項１記載の光電変換装置。 ３、前記アモルファスシリコン層が、ホウ素を〔Ｂ＿２
   Ｈ＿６〕／〔ＳｉＨ＿４〕比で０．５〜１０ｐｐｍドー
   プしたものであることを特徴とする請求項１又は２記載
   の光電変換装置。 ４、前記金属電極が複数個形成され、かつ 前記アモルファスシリコン層及び前記透明電極がそれぞ
   れ帯状に形成され、これらにより 複数個のフォトダイオードがアレイ状に形成されいてる
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の光電変換装置。