JPH02148774A - 光センサーの製造方法 - 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】 〔産業の利用分野〕 本発明は光学的測定装置、光スイツチング素子などに用
いられる赤色発光ダイオードの赤色光を受光する赤外線
領域感応型光センサーの製造方法に関するものである。

〔従来技術〕

従来、シリコン半導体層を有し、赤外線領域、例えば、
６６０止付近の波長光に感応する光センサーとしては、
特開昭６３−５００７７号公報などのように、光入射側
に蛍光体膜を形成していた。

これは、シリコン半導体層又は、非晶質シリコン半導体
層の分光感度が赤外線波長領域と合致せず、所定赤外線
波長の光をシリコン半導体層又は、非晶質シリコン半導
体層の分光感度に合致した波長光に変換するためであっ
た。

第６図は従来の非晶質シリコン半導体層を有する赤外線
領域感応型光セーの構造を示す断面図である。

赤外線領域感応型光センサーは、透明基板６１上に、光
入射側から可視光カットフィルター層６５及び蛍光体層
６６が設けている。そして、該透明基板６１の可視光カ
ットフィルター層６５及び蛍光体層６６上に透明導電膜
６２、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合した非晶質シリコン半導体層６３
及びバイアス電圧が印加される導電膜６４が順次積層し
て構成されている。

透明基板６１はガラス、透光性セラミックなどから成り
、該透明基板６１の一主面には７００ｎｍ以下の光をカ
ットするもので、カラーガラスフィルターＲＧ９　（日
本メレスグリオ製）などの可視光カットフィルター層６
５、及びストロンチウム（Ｓｒ）・セレン（Ｓｅ）・タ
リイム（ＴＩ）系、ストロンチウム（Ｓｒ）・硫黄（Ｓ
）・ユウロピウム（Ｅｕ）系などの蛍光体層６６が被着
されている。そして、の透明基板６１側から非晶質シリ
コン半導体層６３に入射される光が、可視光カットフィ
ルター層６５によって遮断され、非晶質シリコン半導体
層６３が最も感度のよい領域の波長領域の光を遮断する
。

これにより、可視光カットフィルター層６５を通過し得
る波長領域の光は、可視光領域の光に対して短波長側又
は長波長側の光となる。

つぎに、該フィルター６５を通過した波長領域の光のう
ち長波長側の光が蛍光体層６６に入射され、蛍光体層６
６が励起され、非晶質シリコン半導体層６３に最も感度
のよい領域の波長領域の光に変換され、非晶質シリコン
半導体層６３に、その変換光が入射される。これにより
、光センサーに入射される光の長波長領域の光（赤外光
）のみが正確に検出されることになる。

〔従来技術の問題点〕

しかしながら、上述の光センサーは長波長領域の光（赤
外光）のみが正確に検出されるものの、一連の薄膜工程
以外に、可視光カットフィルター層６５及び蛍光体層６
６を形成するという複雑な工程があり、基板６１の内面
側に可視光カットフィルター層６５及び蛍光体層６６を
形成すると、蛍光体層６６の成分が透明導電膜４２に拡
散してしまい、フォトダイオードの特性を低下してしま
う。

また、基板６１の外面側に可視光カットフィルター層６
５及び蛍光体層６６を形成すると、外部からの機械的な
応力により、可視光カットフィルター層６５が破損して
しまうという問題点があった。

ｃ本発明の目的〕 本発明は、上述の問題点に鑑みて案出されたものであり
、その目的はＰ−１−Ｎ接合した非晶質シリコン半導体
層の基板温度及び膜厚の最適な成膜条件設定により、可
視光カットフィルター層及び蛍光体層を設けることな（
、長波長側の光を正確に検出できる光センサーの製造方
法を提供することにある。

〔目的を達成するための具体的な手段〕本発明によれば
、上述の目的を達成するため、透明基板上に、透明導電
膜、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合した非晶質半導体層及び導電膜の積
層体を形成した光センサーの製造方法において、該非晶
質半導体層を基板温度４００℃以上で成膜し、膜厚０．
　５〜２μＩに形成した光センサーの製造方法が提供さ
れる。

〔実施例〕

以下、本発明の光センサーの製造方法を図面に基づいて
詳細に説明する。

第１図は本発明に係る光センサーの構造を示す断面構造
図である。

本発明に係る光センサーは、耐熱性導電膜２を被着した
基板１上に、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合した非晶質シリコン半導体
層３及び透明電極４が被着されて構成されている。即ち
、光入射が基板１の反対の面から照射される所謂逆タイ
プである。

基板１はガラス、セラミック、ステンレスなどの耐熱性
を有する材料などから成り、該基板１の一主面には耐熱
性導電膜２が被着されている。

耐熱性導電ｖｆ１２はチタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ
）、チタン−銀（Ｔｉ−Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、ステ
ンレス、タングステン（Ｗ）、銀（Ａｇ）、白金（ｐｔ
）、タンタル（Ｔａ）、コバル）　（Ｃｏ）等の金属が
用いられる。具体的には、基板１の一主面上にマスクを
装着した後上述の金属膜をスパッタリング法、電子ビー
ム法などで被着したり、基板１の一主面上に上述の金属
膜を被着した後、レジスト・エツチング処理したりして
形成されている。

非晶質シリコン半導体層３は、少なくとも１層を有する
、例えばＰ−Ｉ−Ｎ接合して形成されている。具体的に
は、非晶質シリコン半導体層３はシラン、ジシランなど
のシリコン化合物ガスと水素などのキャリアガスとをグ
ロー放電で分解するプラズマＣＶＤ法や光ＣＶＤ法等で
被着される非品質シリコンなどから成り、Ｎ層は上述の
ガスにフォスフインなどのＮ型ドーピングガスを混入し
た反応ガスで形成され、１層は上述の反応ガスで形成さ
れ、Ｐ層は上述のガスにジボランなどのＰ型ドーピング
ガスを混入した反応ガスで形成される。

透明電極４は、非晶質シリコン半導体層３上に所定形状
に形成されている。具体的には、透明電極４は非晶質シ
リコン半導体層３上にマスクを装着し、熱分解法や電子
ビーム法で被着される。透明導電膜として、ＩＴＯ（酸
化インジウム・錫）や酸化錫等が使用されている。

以上のように、本発明に係る光センサーは、透明電極４
側より、赤色光が照射されると、透明電極４を介して、
非晶質シリコン半導体層３に光が到達し、非晶質シリコ
ン半導体Ｎ３の分光感度に応じて１層からキャリアが発
生する。そして、１層を挟むｐ層及びｎ層との界面の電
界により、キャリアがｐ層及びｎ層にと収集され、耐熱
性導電膜２と、透明電極４との間より光起電力が導出さ
れる。

本発明は、非晶質シリコン半導体層３を基板温度４００
℃以上の高温に設定して成膜し、その膜厚を０．５〜２
μｍに被着したことを特徴としている。この様に設定す
ることにより、非晶質シリコン半導体層３は、赤色光の
波長に高感度の分光感度を有することになり、従来の光
センサーの非晶質シリコン半導体層では得られないキャ
リアが発生する。

第２図は、本発明である非晶質シリコン半導体層３を基
板温度４００℃で被着した際の、非晶質シリコン半導体
層３の照射光波長に対する分光感度特性図であり、第３
図は、従来のように非晶質シリコン半導体層を基板温度
２５０℃で被着した際の照射光波長に対する分光感度特
性図である。

両図を比較して、明瞭に理解できるように、赤色発光ダ
イオードの発光波長である６６０止では第３図の従来の
分光感度では、約１５％前後であったの対して、第２図
の本発明の分光感度では、約５０％と３倍強に感度が向
上する。

本発明者の測定によれば、６６０ｎｍの波長に対する分
光感度が、約４０％以上となるには、非晶質シリコン半
導体層３の物性的特性が、光学的バンドギャップで１．
７ｅＶ〜１．５ｅＶ　（吸収係数のタウツブロア）で測
定）、含有水素濃度で１０ａｔχ〜Ｏａｔχ（赤外線吸
収、水素放出量、ラザフォートバックスキャンタリング
などで測定）の範囲であることが極めて重要であること
を知見した。

次に、非晶質シリコン半導体層３の成膜における基板温
度と光劣化との関係を第４図に示す。

図中、線ａは基板温度２００℃で成膜した非晶質シリコ
ン半導体層の光劣化状況を示すものであり、線すは基板
温度３００℃で成膜したものの光劣化状況を、線Ｃは基
板温度４００℃で成膜したものの光劣化状況を、線ｄは
基板温度４５０℃で成膜したものの光劣化状況を夫々示
すものである。

尚、第４図の特性図で、横軸は光照射時間を示し、縦軸
は、初期からの光導電率の低下率を示した。

図から明らかなように、基板温度を２００℃（線ａ）、
３００℃（線ｂ）で成膜した非晶質シリコン半導体は、
初期特性から光劣化して低下するグラフでの傾きが著し
く大きく、照射時間が１０５分では、光劣化による低下
が９０％に達してしまう。これに対して、本発明のよう
に基板温度を４００℃（線ｃ）、４５０℃（線ｄ）で成
膜した非晶質シリコン半導体は、光照射による初期特性
の低下の割合（グラフでの傾き）が小さく、照射時間が
１０５分では、２０Ｘ未満の劣化で留まる。

次に、非晶質シリコン半導体層３の膜厚について説明す
る。

非晶質シリコン半導体層３は、上述で述べたように、所
定波長光を受光して、■型層３１部分で正孔及び電子が
発生するが、膜厚０．５μ−未満では、本発明の目的で
ある長波長側の感度が充分に得られず、例えば６６０ｎ
ｍの波長では、出力電流が低下する。また、膜厚２．　
０μｍ以上になると、１層３１内の電界分布が歪み、１
層３１で発生した正孔及び電子の再結合の確率が増え、
出力が低下する。

さらに、本発明によれば、可視光カットフィルター層及
び蛍光体層を設けることなく、長波長側の光を正確に検
出できるほか、気相反応によって形成する非晶質シリコ
ン半導体層を光電変層として用いているため、原料が安
価となり、薄膜形成技法によって微細なパターンも形成
でき、例えば、ライン状、アレイ状なども容易に達成で
きる。

上述の非晶質シリコン半導体層では、光劣化に有効で、
且つ長波長側に感度ピークが存在するものの、さらに作
成基板温度が５００℃をこえると、光導電率が低下して
しまうことが考えられる。

このため、非晶質シリコン半導体層３を被着した後、成
膜反応室と同一または、大気に晒されない状況のインラ
イン装置の反応室で、水素プラズマ処理することが極め
て重要である。具体的には、反応ガスとして水素をガス
圧０．１〜２　、　　ＯＴｏｒｒ、基板温度を２００〜
３００℃に保持して、１３゜５６ＭＨｚの高周波電圧を
印加する。これにより、第５図に示す非晶質半導体層の
作成時の基板温度と、光導電率の変化及び、非晶質半導
体層作成後、水素プラズマ処理による光導電率の回復変
化の図から明らかなように、非晶質半導体層３の成膜時
の基板温度が５００℃をこえると極端に光導電率が低下
してしまう（線ｅ）が、非晶質シリコン半導体層３の成
膜後に、水素プラズマ処理を施すと、大幅に光導電率が
回復しく線ｆ）、基板温度４５０℃で成膜した非晶質半
導体層３では、水素プラズマ処理することにより、光導
電率が１０−’Ｓｃｍ−’にまで向上し、従来にない高
い特性の非晶質シリコン半導体層が得られることになる
。

また、光導電率が極端に低下する基板温度５００℃で成
膜した非晶質半導体層３であっても、水素プラズマ処理
することにより、光導電率が基板温度２５０℃で成膜し
た通宝の非晶質シリコン半導体層３と同等の５Ｘ１０−
’Ｓｃｍ−’にまで回復する。なお、基板温度が５３０
℃で作成した非晶質半導体層３は、水素プラズマ処理を
施すことにより、光学的ギャップが１．５　ｅＶから１
−６ｅＶに増加する。

上述のＰ−Ｉ−Ｎ接合の非晶質シリコン半導体層におい
て、１層非晶質シリコン半導体層を成膜時に、１層非晶
質シリコン半導体層上に形成されるＰＦ又はＮ層の導電
型を決定するドーピング元素を、１層中のフェルミレベ
ルを整えるために、０．２〜１．０ｐｐｎの範囲でドー
プしても構わない。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、透明基板上に、透明導
電膜、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合した非晶質半導体層及び導電膜の
積層体を形成した光センサーの製造方法において、前記
非晶質半導体層を基板温度４００℃以上で成膜し、膜厚
（Ｌ　　５〜２μｍに形成したため、非晶質シリコン半
導体層という気相反応成長法により極めて安価に形成で
き、且つフォトレジスト・マスク処理などにより、ライ
ン状など微細なパターン形成が可能となる。

また、非晶質シリコン半導体層の特性が６６０ｎｍ付近
の波長光に高い感度を有するため、従来まで不適とされ
ていた非晶質シリコン半導体層を簡単な構造で、正確に
かつ感度によく赤色光を検出できる。

また、非晶質シリコン半導体層を基板温度４００℃以上
で成膜し、続いて該非晶質シリコン半導体層を水素雰囲
気中でプラズマ処理し、該非晶質シリコン半導体層中に
水素原子を補償注入したため、光導電率などが向上し、
非晶質半導体層の膜質を大幅に改善できる光電変換装置
の製造方法であり、よって、光電変換装置を得ることが
でき、光電変換装置の使用用途を拡大できるものとなる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光センサーの構造を示す断面構造
図である。 第２図は、本発明に係る光センサーの非晶質シリコン半
導体層の分光感度を示す特性図である。 第３図は、従来の非晶質シリコン半導体層の分光感度を
示す特性図である。 第４図は、成膜基板温度の変化に対する光劣化による特
性の低下率を示した特性図である。 第５図は非晶質半導体層の成膜基板温度の光導電率の変
化及び水素プラズマ処理による光導電率の回復変化の状
態を示す特性図である。 第６図は従来の非晶質シリコン半導体層を有する赤外線
領域感応型光センサーの構造を示す断面図であ。 透明基板 耐熱性導電膜 非晶質シリコン半導体層 透明電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 透明基板上に、透明導電膜、Ｐ−Ｉ−Ｎ接合した非晶質
   半導体層及び導電膜の積層体を形成した光センサーの製
   造方法において、 前記非晶質半導体層を基板温度４００℃以上で成膜し、
   膜厚０．５〜２μｍに形成したことを特徴とする光セン
   サーの製造方法。