JPH0217992B2 - - Google Patents
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Description
本発明は、固体撮像装置に関するものであり、
更に詳しくは光検出部に非晶質シリコンを用いた
固体撮像装置に関するものである。 従来の固体撮像装置は、マトリツクス状に配置
されたフオトダイオードの如き光検出部と、更に
この光検出部で検出された信号を順次選択する走
査回路とから構成されている。例えば光検出部の
マトリツクスとXY走査のための電界効果トラン
ジスタ回路を組合せたもの（以下XYマトリツク
型という。例えば特公昭45−30768号公報に記載
されている。）、同じく光検出部のマトリツクスと
バケツトブリゲードデバイス（BBD）、チヤージ
カツプルドデバイス（CCD）あるいは呼び水転
送（CPT）型電荷転送部を組合せたもの（これ
らは、例えば特開昭46−1221号、同47−26091号
公報及び「電子材料」誌、1980年３月号、第６頁
以降に記載されている。）などがある。しかしな
がら、これら公知の固体撮像装置においては光検
出部とこの光検出部で検出した信号を順次選択す
る回路（上記XYマトリツクス回路、電荷転送回
路及びこれらの回路に電荷を送り込むスイツチ素
子としての電界効果トランジスタなどを包含す
る）とが同一平面上に二次元的に配置されている
ので装置の単位面積当りの光利用効率が極めて低
いという欠点があつた。 近年に至り、上記の固体撮像装置の光検出部に
代えて光導電体を上記走査回路に積層して多層構
造とすることによつて光利用効率を高めたものが
開発されている。例えば電界効果型トランジスタ
ー（以下FETという）を用いたXYマトリツクス
型の走査回路の上に光導電体を積層した固体撮像
装置が特開昭49−91116号公報に、あるいはBBD
型、CCD型の走査回路の上に−族化合物半
導体のヘテロ接合を用いた多結晶蒸着膜を設けた
固体撮像装置が特開昭55−27772号公報にそれぞ
れ示されている。 他方、太陽電池あるいは電子写真感光体用の半
導体として非晶質シリコンの利用の試みが積極的
に行なわれている。ここで言う非晶質シリコン膜
とは原子配列が周期性をもたないもので原子配列
において長周期をもつ結晶シリコンとは異なつて
いる。従つて従来の非晶質シリコンはこの周期性
をもたないことに起因する構造欠陥のため非常に
悪い光電特性しか示さなかつた。ところが非晶質
シリコンのエネルギーギヤツプ内の電子、正孔の
局在準位（gap state）を減少させる元素即ち水
素及び／又はフツ素を含む非晶質シリコンは、比
較的高い抵抗率（108〜9Ωcm）で大きな光電導度
を示すという特徴が生じることが見い出された。
しかも重要な事は、かかる非晶質シリコンは、通
常の非晶質シリコンとは異なり、不純物ドープに
よつて結晶性シリコンと同様なｐ型およびｎ型の
特性制御（価電子制御）が可能なものであるか
ら、（例えばW.E.Spear and P.G.Le Comber
著：“Solid State Communication”、17巻
（1975年）1193頁からに記載されている。）例えば
D.E.Carlson and C.R.Wronski著“Applied
Physics Letters”28巻、（1976年）、671頁からに
記載の如き、光起電力素子への応用を中心に基礎
分野、応用分野で大変注目されるに至つている。 そこで前記した多層構造の固体撮像装置に用い
られる光導電体としてかかる非晶質シリコンを用
いる試みが特開昭55−39404号公報によつて開示
されている。かかる固体撮像装置はマトリツクス
状に配置されたMOS型の電界効果トランジスタ
ーと組合わされたXYマトリツクス型あるいは電
荷転送型の走査回路の電界効果トランジスターの
ソース電極あるいはドレイン電極に電気的に接続
されるように単層の非晶質シリコン層を設け更に
その上に透明電極を設けた構造である。 本発明者らは、上述の如き走査回路上にシリコ
ンを主体とする非晶質材料層を積層した固体撮像
装置について鋭意研究を重ねたところ、ｐ型半導
体層、真性半導体層及びｎ型半導体層から成る繰
返し単位を相隣る半導体層が互いに異なる導電型
となるように複数積層したシリコンを主体とする
非晶質材料層（以下単に非晶質シリコンあるいは
ａ−Siと称する）を走査回路に積層させる事によ
り、非晶質シリコン単層を走査回路に積層したも
のとは異なり、非晶質シリコン層の光起電力効果
及び光導電効果を利用して、バイアス電圧を印加
することなく光の照射により生成した電子−正孔
対の一方を走査回路に到達させて画像信号が得ら
れることを見い出した。 本発明に用いられるシリコンを主体とする非晶
質材料とは水素等を含む非晶質シリコンに限られ
ず、例えば水素等を含む非晶質シリコンの一部を
該シリコンと同族元素である炭素等で置換したも
の、シリコン中に酸素、窒素等の不純物元素を含
むものを示すが、以下これらを総称して非晶質シ
リコンという。 本発明の目的は、光検出部として非晶質シリコ
ンを用いた固体撮像装置を提供せんとするもので
ある。 本発明の他の目的はバイアス電圧を印加を必要
としないかあるいはわずかのバイアス電圧を印加
するのみでよい固体撮像装置を提供せんとするも
のである。 即ち本発明は光の入射方向に透明電極および光
導電層をこの順に配設し、該光導電体層の信号を
順次選択する複数の走査回路を備えた固体撮像装
置において、該光導電体層がｐ型半導体層、真性
半導体層及びｎ型半導体層から成る繰返し単位を
相隣る半導体層が互いに異なる導電型となるよう
に複数積層した価電子制御が可能なシリコンを主
体とする非晶質材料から形成されていることを特
徴とする固体撮像装置である。 以下、本発明の一実施例を図面に基いて説明す
る。 第１図は走査回路が電荷転送型である場合の固
体撮像装置の一単位の断面構造を示す。かかる実
施例においてＰ型半導体基板１０はn+型領域１
１によりダイオードが形成されている。１２は
p+型領域で、CCD動作の場合にn+型領域１１か
らの電子の注入を阻止するための電位障壁であ
り、１３はn+型領域で、BBD動作の場合の電位
の井戸であり、それぞれCCD、BBDの時のみに
設置すればよい。以下かかる説明はBBD動作を
例にして説明する。１４は第１ゲート電極であり
n+型領域１１との重なり部分を有している。１
６は半導体基板１０と第１ゲート電極１４との間
の絶縁体膜でゲート酸化膜である。１６は第１電
極１７と半導体基板１０及び第１ゲート電極１４
とを電気的に分離するための絶縁体層である。１
７は第１電極でn+型領域１１と電気的に接続し
たダイオードの電極である。１８は後に説明する
如く、光の入射側から順にｐ型半導体層、真性半
導体層及びｎ型半導体層（以下単にｐ−ｉ−ｎと
いう）から成る繰り返し単位を相隣る半導体層が
互いに異なる導電型となるように（それぞれの繰
り返し単位のｐ型半導体と他の繰り返し単位のｎ
型半導体が対面するように）積層された非晶質シ
リコンから成る光導電体層であり、光検出部が形
成されている。１９は該非晶質シリコン層の上に
設けられている透明電極である。 ここで光導電体層１８の繰返し単位の各層（ｐ
層、ｉ層及びｎ層）の積層の順序は走査回路がｐ
チヤンネルFETの場合には第２図に示す如く光
の入射方向から順にｐ、ｉ、ｎとなるようにすれ
ばよく、逆に走査回路がｎチヤンネルFETの場
合には光の入射方向から順にｎ、ｉ、ｐとなるよ
うにすればよい。 このように構成された本発明の固体撮像装置の
光検出部に入射光２０を照射すると、非晶質シリ
コンから構成され複数積層されたｐ−ｉ−ｎフオ
トダイオードは光を吸収し、電子−正孔対を生成
しその光起電力によりそれぞれ電極１７，１９に
到達して電極１７の電位を低下させる。この電位
低下は入射光量に比例し、１フイールド期間蓄積
される。次に、第１ゲート電極１４に読み取り信
号電圧を印加するとその下の半導体の表面電位は
上昇し、その結果n+領域１１からn+領域１３に
電子の移送が行なわれる。そのためn+領域１１
の電位は再び元にもどる。従つてn+領域１３に
移動した電荷の総量は入射光の照度に比例する。 以上は光検知部と第１ゲート電極１４による固
体素子の一単位についての説明であるが、n+型
領域１３に読込まれた光電変換信号の電荷転送は
これまでに知られている方法によつて行なわれ
る。 例えば次に示す如き自己走査によつて電荷転送
を行なうことが可能である。第３図は第１図に示
した固体素子の一単位を一次元に配置した場合の
平面図であり、破線でかこまれた部分２１は上記
一単位を示している。隣り合う単位に含まれる第
１ゲート電極１４，２３との間に第２ゲート電極
２２，２４が付設されている。公知のパルス印加
操作で第１ゲート電極１４で読み込まれた電荷は
転送パルスを加えることにより電荷転送の形で第
２ゲート電極２２の下に移動する。さらに第２ゲ
ート電極２２の下に移動した電荷は同様に原理に
基づいて第１ゲート電極２３、第２ゲート電極２
４と次々に転送され出力段まで転送される。すな
わち光検出部で光電変換された信号を２相のクロ
ツク信号で出力段に送り出すことができるのであ
る。 以上の説明においては、CCDおよびBBD等の
電荷転送型の走査回路について述べたが、走査回
路として例えば特開昭49−91116号公報に記載の
如きＸーＹマトリツクス型のものを用いてもよい
ことは勿論である。更に上記の如き電界効果型ト
ランジスタ回路に代えて例えば 「Proceeding of the IEEE」The Institute
of Electrical and Electronics Engineers、Inc
発行、1964年、12月、Vol52、No.12の第1479頁
〜第1486頁に示される如きガラス支持体上に設け
られる薄膜型電界効果トランジスタ回路なども使
用することができ、更に公知の半導体スイツチン
グ回路を用いて走査回路を構成することができ
る。 次に本発明に用いられる光検出部の作用及びそ
の製造方法について述べる。 本発明の固体撮像装置は前記した走査回路の上
にｐ、ｉ及びｎから成る繰り返し単位を相隣る層
が互いに異なる導電型となるように複数積層した
価電子制御が可能な非晶質シリコン、即ち、不純
部ドープで不純物濃度を制御することによつてｐ
型あるいはｎ型となる非晶質シリコンで形成され
ていることを特徴とするものである。 かかるｐ−ｉ−ｎ多層構造を用いると固体撮像
装置のバイアス電圧を必要とせずにその光起電力
による電界効果が得られるかについてその原理を
説明すると、一般にｐ−ｎ接合はｐ−ｉ−ｎ接合
と異なつて非常に弱い整流性しか示さない事つま
りかかる素子において整流性を支配するのは各々
の繰返り単位のｐ−ｉ−ｎ接合であつてそれらの
間に形成されるｐ−ｎ接合はほとんどその整流性
に寄与しない事を利用しているのである。すなわ
ちFig.８ａに示すように単純にｐ−ｉ−ｎ／ｐ−
ｉ−ｎ…１ ｐ−ｉ−ｎ（これを（ｐ−ｉ−ｎ）n
と記述する）と構成すれば、各となり合うｐ−ｉ
−ｎ単位をつなぐｎ／ｐ接合は、ほとんど小さな
抵抗の役目だけを果すことになり多層構造光起電
力素子が形成される。即ち、ｐ−ｉ−ｎ単位をつ
ないでいるｎ／ｐ接合部において、いわばトンネ
ル再結合的に光生成された電子と正孔が再結合し
て、素子全体を通して１つの電流パスが完成され
るのである。 実際に、このようなｐ−ｉ−ｎ多層構造を製作
するのは、グロー放電法では極めて容易な事であ
る。ステンレスあるいは導電膜を形成したガラス
基板上に、例えばガスとしてSiH4＋PH3でｎ層、
SiH4でｉ層、SiH4＋B2H6でｐ層を連続的にくり
かえして膜を形成していけば良く、付着速度が小
さいためにそれぞれの層の厚さの制御も比較的簡
単である。本発明においてはこれを利用して第１
図の電極１７上にｐ−ｉ−ｎ多層構造非晶質シリ
コンを形成すればよい。かかる非晶質シリコンの
製作は公知のグロー放電法あるいは水素及び／又
はフツ素を含む雰囲気中でのスパツタリング法等
により形成されるが、グロー放電法を例にとつて
説明する。 グロー放電分解による製造方法は、グロー放電
によりシリコンを含有する化合物を分解し、非晶
質シリコンを基板上に沈積させることによつて得
られる。この様な化合物としては、一般式
SiHxX4-x（ＸはＦ、Cl、Ｉ、ｘ＝０〜４の整数）
で表わされる化合物、例えばSiH4、SiF4、
SiHF3、SiH3Cl、SiH2Cl2、等或いはこれ等化合
物の混合物が使用される。更にSi−Ｃ、Si−Ｏ、
Si−Ｎ等の結合を有する高抵抗膜を作るために、
上記したガスに例えばCH4、O2、NO2又はNH3
ガスを混合してもよい。これ等の化合物は通常ガ
ス状とし、そのまま或いは、Ar、He、Xe等の不
活性ガス、或はH2等のガスで稀釈して使用する。
水素あるいはフツ素を含まないシリコン化合物を
使用する時は水素あるいはフツ素の併用が必要で
ある。グロー放電を行う容器内のガス圧は一般に
10-2〜10torrである。電極−基板間の電流は、直
流、交流又はこれらの重量されたもののいずれで
もよい。交流を使用する場合、その周波数は１Hz
〜4000MHzが使用可能である。上記した非晶質シ
リコン膜を作成する場合の水素のドーピング量は
10〜40原子パーセントである。もちろんスパツタ
リング又はイオン・プレーテイングを用いても可
能であるがその記載は省略する。 このようにして作製された非晶質シリコンの導
電型はそのままではわずかにｎ型の傾向を示す
が、所謂ドーピングにより価電子制御が可能であ
る。即ち微量のＢ等の添加によりＰ型の性質を付
与することができ、真性半導体（ｉ−型半導体）
を作製することができ、更にｐ型半導体を作製す
ることができる。更に例えばＰ等の添加によりｎ
型半導体を作製しうる。ドーピングされる不純物
としては、Ｐ型にする場合には周期律表第族の
元素、例えばＢ、Al、Ga、In、Tl等が好適なも
のとしてあげられ、ｎ型にする場合には、周期律
表第族の元素、例えばＮ、Ｐ、As、Sb、Bi等
が好適なものとして挙げられる。これ等の不純物
は含有される量が微量であるので光導電層を構成
する主物質程その公害性に注意を支払う必要はな
いが、出来る限り公害性のないものを使用するの
が好ましい。このような観点からすれば、形成さ
れる光導電層の電気的光学的特性を加味して、例
えば、Ｂ、Ｐ等が最適である。 本発明の非晶質半導体中にドーピングされる不
純物の量は、所望される電気的・光学的特性に応
じて適宜決定されるが、周期律表第族の不純物
の場合には、通常10-6乃至５原子％、好適には
10-5乃至１原子％、周期律表第族の不純物の場
合には、通常10-6乃至１原子％、好適には10-4乃
至10-1原子％とされるのが望ましい。 しかしながら、前記ドーピングされる不純物の
量は基板温度等の条件で異なり、特に臨界的意味
を有するものではない。 以上の如きドーピング技術を用いて本発明の光
検出部としてのｐ−ｉ−ｎ多層型非晶質シリコン
が形成される。 次に固体撮像装置の光検出部として必要な電界
を得るための各層の厚さについてその具体例につ
いて述べると、ｐ層はB2H6／SiH4の比が0.1％Ｂ
をドープして50〜100Å程度、ｎ層はPH3／SiH4
の比が0.2％Ｐドープして300〜500Å程度が好ま
しく、それぞれ基板温度が200〜300℃でグロー放
電すればよい。各ｉ層の厚さdiの最適設計につい
ては、光入射側から第１番目のｐ層の厚さ約100
Å、最終の第ｍ番目のｎ層の厚さを約500Åとし、
その間の各ｐ層及びｎ層の厚さをそれぞれ約50Å
及び約100Åとして最適化したｉ層の厚さを表１
に示す。
更に詳しくは光検出部に非晶質シリコンを用いた
固体撮像装置に関するものである。 従来の固体撮像装置は、マトリツクス状に配置
されたフオトダイオードの如き光検出部と、更に
この光検出部で検出された信号を順次選択する走
査回路とから構成されている。例えば光検出部の
マトリツクスとXY走査のための電界効果トラン
ジスタ回路を組合せたもの（以下XYマトリツク
型という。例えば特公昭45−30768号公報に記載
されている。）、同じく光検出部のマトリツクスと
バケツトブリゲードデバイス（BBD）、チヤージ
カツプルドデバイス（CCD）あるいは呼び水転
送（CPT）型電荷転送部を組合せたもの（これ
らは、例えば特開昭46−1221号、同47−26091号
公報及び「電子材料」誌、1980年３月号、第６頁
以降に記載されている。）などがある。しかしな
がら、これら公知の固体撮像装置においては光検
出部とこの光検出部で検出した信号を順次選択す
る回路（上記XYマトリツクス回路、電荷転送回
路及びこれらの回路に電荷を送り込むスイツチ素
子としての電界効果トランジスタなどを包含す
る）とが同一平面上に二次元的に配置されている
ので装置の単位面積当りの光利用効率が極めて低
いという欠点があつた。 近年に至り、上記の固体撮像装置の光検出部に
代えて光導電体を上記走査回路に積層して多層構
造とすることによつて光利用効率を高めたものが
開発されている。例えば電界効果型トランジスタ
ー（以下FETという）を用いたXYマトリツクス
型の走査回路の上に光導電体を積層した固体撮像
装置が特開昭49−91116号公報に、あるいはBBD
型、CCD型の走査回路の上に−族化合物半
導体のヘテロ接合を用いた多結晶蒸着膜を設けた
固体撮像装置が特開昭55−27772号公報にそれぞ
れ示されている。 他方、太陽電池あるいは電子写真感光体用の半
導体として非晶質シリコンの利用の試みが積極的
に行なわれている。ここで言う非晶質シリコン膜
とは原子配列が周期性をもたないもので原子配列
において長周期をもつ結晶シリコンとは異なつて
いる。従つて従来の非晶質シリコンはこの周期性
をもたないことに起因する構造欠陥のため非常に
悪い光電特性しか示さなかつた。ところが非晶質
シリコンのエネルギーギヤツプ内の電子、正孔の
局在準位（gap state）を減少させる元素即ち水
素及び／又はフツ素を含む非晶質シリコンは、比
較的高い抵抗率（108〜9Ωcm）で大きな光電導度
を示すという特徴が生じることが見い出された。
しかも重要な事は、かかる非晶質シリコンは、通
常の非晶質シリコンとは異なり、不純物ドープに
よつて結晶性シリコンと同様なｐ型およびｎ型の
特性制御（価電子制御）が可能なものであるか
ら、（例えばW.E.Spear and P.G.Le Comber
著：“Solid State Communication”、17巻
（1975年）1193頁からに記載されている。）例えば
D.E.Carlson and C.R.Wronski著“Applied
Physics Letters”28巻、（1976年）、671頁からに
記載の如き、光起電力素子への応用を中心に基礎
分野、応用分野で大変注目されるに至つている。 そこで前記した多層構造の固体撮像装置に用い
られる光導電体としてかかる非晶質シリコンを用
いる試みが特開昭55−39404号公報によつて開示
されている。かかる固体撮像装置はマトリツクス
状に配置されたMOS型の電界効果トランジスタ
ーと組合わされたXYマトリツクス型あるいは電
荷転送型の走査回路の電界効果トランジスターの
ソース電極あるいはドレイン電極に電気的に接続
されるように単層の非晶質シリコン層を設け更に
その上に透明電極を設けた構造である。 本発明者らは、上述の如き走査回路上にシリコ
ンを主体とする非晶質材料層を積層した固体撮像
装置について鋭意研究を重ねたところ、ｐ型半導
体層、真性半導体層及びｎ型半導体層から成る繰
返し単位を相隣る半導体層が互いに異なる導電型
となるように複数積層したシリコンを主体とする
非晶質材料層（以下単に非晶質シリコンあるいは
ａ−Siと称する）を走査回路に積層させる事によ
り、非晶質シリコン単層を走査回路に積層したも
のとは異なり、非晶質シリコン層の光起電力効果
及び光導電効果を利用して、バイアス電圧を印加
することなく光の照射により生成した電子−正孔
対の一方を走査回路に到達させて画像信号が得ら
れることを見い出した。 本発明に用いられるシリコンを主体とする非晶
質材料とは水素等を含む非晶質シリコンに限られ
ず、例えば水素等を含む非晶質シリコンの一部を
該シリコンと同族元素である炭素等で置換したも
の、シリコン中に酸素、窒素等の不純物元素を含
むものを示すが、以下これらを総称して非晶質シ
リコンという。 本発明の目的は、光検出部として非晶質シリコ
ンを用いた固体撮像装置を提供せんとするもので
ある。 本発明の他の目的はバイアス電圧を印加を必要
としないかあるいはわずかのバイアス電圧を印加
するのみでよい固体撮像装置を提供せんとするも
のである。 即ち本発明は光の入射方向に透明電極および光
導電層をこの順に配設し、該光導電体層の信号を
順次選択する複数の走査回路を備えた固体撮像装
置において、該光導電体層がｐ型半導体層、真性
半導体層及びｎ型半導体層から成る繰返し単位を
相隣る半導体層が互いに異なる導電型となるよう
に複数積層した価電子制御が可能なシリコンを主
体とする非晶質材料から形成されていることを特
徴とする固体撮像装置である。 以下、本発明の一実施例を図面に基いて説明す
る。 第１図は走査回路が電荷転送型である場合の固
体撮像装置の一単位の断面構造を示す。かかる実
施例においてＰ型半導体基板１０はn+型領域１
１によりダイオードが形成されている。１２は
p+型領域で、CCD動作の場合にn+型領域１１か
らの電子の注入を阻止するための電位障壁であ
り、１３はn+型領域で、BBD動作の場合の電位
の井戸であり、それぞれCCD、BBDの時のみに
設置すればよい。以下かかる説明はBBD動作を
例にして説明する。１４は第１ゲート電極であり
n+型領域１１との重なり部分を有している。１
６は半導体基板１０と第１ゲート電極１４との間
の絶縁体膜でゲート酸化膜である。１６は第１電
極１７と半導体基板１０及び第１ゲート電極１４
とを電気的に分離するための絶縁体層である。１
７は第１電極でn+型領域１１と電気的に接続し
たダイオードの電極である。１８は後に説明する
如く、光の入射側から順にｐ型半導体層、真性半
導体層及びｎ型半導体層（以下単にｐ−ｉ−ｎと
いう）から成る繰り返し単位を相隣る半導体層が
互いに異なる導電型となるように（それぞれの繰
り返し単位のｐ型半導体と他の繰り返し単位のｎ
型半導体が対面するように）積層された非晶質シ
リコンから成る光導電体層であり、光検出部が形
成されている。１９は該非晶質シリコン層の上に
設けられている透明電極である。 ここで光導電体層１８の繰返し単位の各層（ｐ
層、ｉ層及びｎ層）の積層の順序は走査回路がｐ
チヤンネルFETの場合には第２図に示す如く光
の入射方向から順にｐ、ｉ、ｎとなるようにすれ
ばよく、逆に走査回路がｎチヤンネルFETの場
合には光の入射方向から順にｎ、ｉ、ｐとなるよ
うにすればよい。 このように構成された本発明の固体撮像装置の
光検出部に入射光２０を照射すると、非晶質シリ
コンから構成され複数積層されたｐ−ｉ−ｎフオ
トダイオードは光を吸収し、電子−正孔対を生成
しその光起電力によりそれぞれ電極１７，１９に
到達して電極１７の電位を低下させる。この電位
低下は入射光量に比例し、１フイールド期間蓄積
される。次に、第１ゲート電極１４に読み取り信
号電圧を印加するとその下の半導体の表面電位は
上昇し、その結果n+領域１１からn+領域１３に
電子の移送が行なわれる。そのためn+領域１１
の電位は再び元にもどる。従つてn+領域１３に
移動した電荷の総量は入射光の照度に比例する。 以上は光検知部と第１ゲート電極１４による固
体素子の一単位についての説明であるが、n+型
領域１３に読込まれた光電変換信号の電荷転送は
これまでに知られている方法によつて行なわれ
る。 例えば次に示す如き自己走査によつて電荷転送
を行なうことが可能である。第３図は第１図に示
した固体素子の一単位を一次元に配置した場合の
平面図であり、破線でかこまれた部分２１は上記
一単位を示している。隣り合う単位に含まれる第
１ゲート電極１４，２３との間に第２ゲート電極
２２，２４が付設されている。公知のパルス印加
操作で第１ゲート電極１４で読み込まれた電荷は
転送パルスを加えることにより電荷転送の形で第
２ゲート電極２２の下に移動する。さらに第２ゲ
ート電極２２の下に移動した電荷は同様に原理に
基づいて第１ゲート電極２３、第２ゲート電極２
４と次々に転送され出力段まで転送される。すな
わち光検出部で光電変換された信号を２相のクロ
ツク信号で出力段に送り出すことができるのであ
る。 以上の説明においては、CCDおよびBBD等の
電荷転送型の走査回路について述べたが、走査回
路として例えば特開昭49−91116号公報に記載の
如きＸーＹマトリツクス型のものを用いてもよい
ことは勿論である。更に上記の如き電界効果型ト
ランジスタ回路に代えて例えば 「Proceeding of the IEEE」The Institute
of Electrical and Electronics Engineers、Inc
発行、1964年、12月、Vol52、No.12の第1479頁
〜第1486頁に示される如きガラス支持体上に設け
られる薄膜型電界効果トランジスタ回路なども使
用することができ、更に公知の半導体スイツチン
グ回路を用いて走査回路を構成することができ
る。 次に本発明に用いられる光検出部の作用及びそ
の製造方法について述べる。 本発明の固体撮像装置は前記した走査回路の上
にｐ、ｉ及びｎから成る繰り返し単位を相隣る層
が互いに異なる導電型となるように複数積層した
価電子制御が可能な非晶質シリコン、即ち、不純
部ドープで不純物濃度を制御することによつてｐ
型あるいはｎ型となる非晶質シリコンで形成され
ていることを特徴とするものである。 かかるｐ−ｉ−ｎ多層構造を用いると固体撮像
装置のバイアス電圧を必要とせずにその光起電力
による電界効果が得られるかについてその原理を
説明すると、一般にｐ−ｎ接合はｐ−ｉ−ｎ接合
と異なつて非常に弱い整流性しか示さない事つま
りかかる素子において整流性を支配するのは各々
の繰返り単位のｐ−ｉ−ｎ接合であつてそれらの
間に形成されるｐ−ｎ接合はほとんどその整流性
に寄与しない事を利用しているのである。すなわ
ちFig.８ａに示すように単純にｐ−ｉ−ｎ／ｐ−
ｉ−ｎ…１ ｐ−ｉ−ｎ（これを（ｐ−ｉ−ｎ）n
と記述する）と構成すれば、各となり合うｐ−ｉ
−ｎ単位をつなぐｎ／ｐ接合は、ほとんど小さな
抵抗の役目だけを果すことになり多層構造光起電
力素子が形成される。即ち、ｐ−ｉ−ｎ単位をつ
ないでいるｎ／ｐ接合部において、いわばトンネ
ル再結合的に光生成された電子と正孔が再結合し
て、素子全体を通して１つの電流パスが完成され
るのである。 実際に、このようなｐ−ｉ−ｎ多層構造を製作
するのは、グロー放電法では極めて容易な事であ
る。ステンレスあるいは導電膜を形成したガラス
基板上に、例えばガスとしてSiH4＋PH3でｎ層、
SiH4でｉ層、SiH4＋B2H6でｐ層を連続的にくり
かえして膜を形成していけば良く、付着速度が小
さいためにそれぞれの層の厚さの制御も比較的簡
単である。本発明においてはこれを利用して第１
図の電極１７上にｐ−ｉ−ｎ多層構造非晶質シリ
コンを形成すればよい。かかる非晶質シリコンの
製作は公知のグロー放電法あるいは水素及び／又
はフツ素を含む雰囲気中でのスパツタリング法等
により形成されるが、グロー放電法を例にとつて
説明する。 グロー放電分解による製造方法は、グロー放電
によりシリコンを含有する化合物を分解し、非晶
質シリコンを基板上に沈積させることによつて得
られる。この様な化合物としては、一般式
SiHxX4-x（ＸはＦ、Cl、Ｉ、ｘ＝０〜４の整数）
で表わされる化合物、例えばSiH4、SiF4、
SiHF3、SiH3Cl、SiH2Cl2、等或いはこれ等化合
物の混合物が使用される。更にSi−Ｃ、Si−Ｏ、
Si−Ｎ等の結合を有する高抵抗膜を作るために、
上記したガスに例えばCH4、O2、NO2又はNH3
ガスを混合してもよい。これ等の化合物は通常ガ
ス状とし、そのまま或いは、Ar、He、Xe等の不
活性ガス、或はH2等のガスで稀釈して使用する。
水素あるいはフツ素を含まないシリコン化合物を
使用する時は水素あるいはフツ素の併用が必要で
ある。グロー放電を行う容器内のガス圧は一般に
10-2〜10torrである。電極−基板間の電流は、直
流、交流又はこれらの重量されたもののいずれで
もよい。交流を使用する場合、その周波数は１Hz
〜4000MHzが使用可能である。上記した非晶質シ
リコン膜を作成する場合の水素のドーピング量は
10〜40原子パーセントである。もちろんスパツタ
リング又はイオン・プレーテイングを用いても可
能であるがその記載は省略する。 このようにして作製された非晶質シリコンの導
電型はそのままではわずかにｎ型の傾向を示す
が、所謂ドーピングにより価電子制御が可能であ
る。即ち微量のＢ等の添加によりＰ型の性質を付
与することができ、真性半導体（ｉ−型半導体）
を作製することができ、更にｐ型半導体を作製す
ることができる。更に例えばＰ等の添加によりｎ
型半導体を作製しうる。ドーピングされる不純物
としては、Ｐ型にする場合には周期律表第族の
元素、例えばＢ、Al、Ga、In、Tl等が好適なも
のとしてあげられ、ｎ型にする場合には、周期律
表第族の元素、例えばＮ、Ｐ、As、Sb、Bi等
が好適なものとして挙げられる。これ等の不純物
は含有される量が微量であるので光導電層を構成
する主物質程その公害性に注意を支払う必要はな
いが、出来る限り公害性のないものを使用するの
が好ましい。このような観点からすれば、形成さ
れる光導電層の電気的光学的特性を加味して、例
えば、Ｂ、Ｐ等が最適である。 本発明の非晶質半導体中にドーピングされる不
純物の量は、所望される電気的・光学的特性に応
じて適宜決定されるが、周期律表第族の不純物
の場合には、通常10-6乃至５原子％、好適には
10-5乃至１原子％、周期律表第族の不純物の場
合には、通常10-6乃至１原子％、好適には10-4乃
至10-1原子％とされるのが望ましい。 しかしながら、前記ドーピングされる不純物の
量は基板温度等の条件で異なり、特に臨界的意味
を有するものではない。 以上の如きドーピング技術を用いて本発明の光
検出部としてのｐ−ｉ−ｎ多層型非晶質シリコン
が形成される。 次に固体撮像装置の光検出部として必要な電界
を得るための各層の厚さについてその具体例につ
いて述べると、ｐ層はB2H6／SiH4の比が0.1％Ｂ
をドープして50〜100Å程度、ｎ層はPH3／SiH4
の比が0.2％Ｐドープして300〜500Å程度が好ま
しく、それぞれ基板温度が200〜300℃でグロー放
電すればよい。各ｉ層の厚さdiの最適設計につい
ては、光入射側から第１番目のｐ層の厚さ約100
Å、最終の第ｍ番目のｎ層の厚さを約500Åとし、
その間の各ｐ層及びｎ層の厚さをそれぞれ約50Å
及び約100Åとして最適化したｉ層の厚さを表１
に示す。
【表】
しかしながら、かかるｉ層の厚みは上記の条件
に特定されるものではなく、本発明者らの実験の
結果均一な500Åのｉ層を持つｐ−ｉ−ｎ単位を
10層積みかさねることによつて太陽光の照射によ
つて固体撮像装置の光検出部のバイアス電圧とし
て十分な値である4.5Vの電界が得られることを
見い出している。 次に本発明のｐ−ｉ−ｎ繰り返し単位の層数ｍ
はｍが増加するに従つて変換効率はやや減少する
ものの５層積層したものでも約3.6乃至4.1％を示
しており得られる電圧はｍに比例して増加する。
しかしながら２層でも固体撮像装置の光検出部に
1V以上の電圧を生じることができ、更に３層以
上では2V程度となるので少なくとも２層積層さ
れていればよい。 以上の説明においてはバイアス電圧を必要とせ
ず、ｐ−ｉ−ｎ繰り返し単位から成る非晶質シリ
コンの光起電力のみで光導電層中に発生した電子
−正孔対の一方を電界効果トランジスターのソー
ス領域あるいはドレイン領域に導くものについて
のみ説明したが、必ずしもこれに限らず補助的に
バイアス電圧を印加してもよい。 以上述べた非晶質シリコン膜は水素ガスあるい
はSiH4ガスを含んだ雰囲気においてシリコンの
高周波または直流スパツタリング法を用いること
によつても同様の膜を得ることができる。更に、
透明電極１９はスパツタリング法によりIn2O3あ
るいはSnO2を含む透明電極を0.05〜0.5μの厚さに
形成して作られる。
に特定されるものではなく、本発明者らの実験の
結果均一な500Åのｉ層を持つｐ−ｉ−ｎ単位を
10層積みかさねることによつて太陽光の照射によ
つて固体撮像装置の光検出部のバイアス電圧とし
て十分な値である4.5Vの電界が得られることを
見い出している。 次に本発明のｐ−ｉ−ｎ繰り返し単位の層数ｍ
はｍが増加するに従つて変換効率はやや減少する
ものの５層積層したものでも約3.6乃至4.1％を示
しており得られる電圧はｍに比例して増加する。
しかしながら２層でも固体撮像装置の光検出部に
1V以上の電圧を生じることができ、更に３層以
上では2V程度となるので少なくとも２層積層さ
れていればよい。 以上の説明においてはバイアス電圧を必要とせ
ず、ｐ−ｉ−ｎ繰り返し単位から成る非晶質シリ
コンの光起電力のみで光導電層中に発生した電子
−正孔対の一方を電界効果トランジスターのソー
ス領域あるいはドレイン領域に導くものについて
のみ説明したが、必ずしもこれに限らず補助的に
バイアス電圧を印加してもよい。 以上述べた非晶質シリコン膜は水素ガスあるい
はSiH4ガスを含んだ雰囲気においてシリコンの
高周波または直流スパツタリング法を用いること
によつても同様の膜を得ることができる。更に、
透明電極１９はスパツタリング法によりIn2O3あ
るいはSnO2を含む透明電極を0.05〜0.5μの厚さに
形成して作られる。
第１図は本発明による固体撮像装置の一単位の
断面構造を表わす図であり、第２図は第１図の固
体撮像装置の光検出部の断面構造を表わす図であ
り、第３図は第１図に示した一単位を一次元的に
配置したときの平面図である。 図中符号：１０……半導体基板、１１，１３…
…n+型領域、１２……p+型領域、１４，２３…
…第１ゲート電極、１５……絶縁層、１６……絶
縁体膜、１７……第１電極、１８……光導電体層
（非晶質シリコン層）、１９……透明電極、２０…
…入射光、２１……固体素子単位、２２，２３…
…第２ゲート電極。
断面構造を表わす図であり、第２図は第１図の固
体撮像装置の光検出部の断面構造を表わす図であ
り、第３図は第１図に示した一単位を一次元的に
配置したときの平面図である。 図中符号：１０……半導体基板、１１，１３…
…n+型領域、１２……p+型領域、１４，２３…
…第１ゲート電極、１５……絶縁層、１６……絶
縁体膜、１７……第１電極、１８……光導電体層
（非晶質シリコン層）、１９……透明電極、２０…
…入射光、２１……固体素子単位、２２，２３…
…第２ゲート電極。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 光の入射方向に透明電極、光導電体層及び該
光導電体層の信号を順次選択する複数の走査回路
をこの順に配設した固体撮像装置において、 前記光導電体層は、ｐ型半導体層、真性半導体
層及びｎ型半導体層から成る繰返し単位を相隣合
う半導体層が互いに異なる導電型となるように複
数積層したシリコンを主体とする価電子制御可能
な非晶質材料から形成され、前記複数の走査回路
に対応する複数の画素で構成されていることを特
徴とする固体撮像装置。 ２ 前記透明電極にバイアス電圧を印加しないこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の固体
撮像装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP55175508A JPS5799086A (en) | 1980-12-12 | 1980-12-12 | Solid-state image sensor |
| US06/329,097 US4453184A (en) | 1980-12-12 | 1981-12-09 | Solid state imaging device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP55175508A JPS5799086A (en) | 1980-12-12 | 1980-12-12 | Solid-state image sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5799086A JPS5799086A (en) | 1982-06-19 |
| JPH0217992B2 true JPH0217992B2 (ja) | 1990-04-24 |
Family
ID=15997267
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP55175508A Granted JPS5799086A (en) | 1980-12-12 | 1980-12-12 | Solid-state image sensor |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4453184A (ja) |
| JP (1) | JPS5799086A (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4571626A (en) * | 1981-09-17 | 1986-02-18 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Solid state area imaging apparatus |
| US6664566B1 (en) * | 1982-08-24 | 2003-12-16 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Photoelectric conversion device and method of making the same |
| JPS59148473A (ja) * | 1983-02-14 | 1984-08-25 | Junichi Nishizawa | ２次元固体撮像装置の読出し方法 |
| JPS59153381A (ja) * | 1983-02-22 | 1984-09-01 | Junichi Nishizawa | ２次元固体撮像装置 |
| US4660095A (en) * | 1984-05-04 | 1987-04-21 | Energy Conversion Devices, Inc. | Contact-type document scanner and method |
| US4698495A (en) * | 1984-06-12 | 1987-10-06 | Nec Corporation | Amorphous silicon photo-sensor for a contact type image sensor |
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-
1981
- 1981-12-09 US US06/329,097 patent/US4453184A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPS5799086A (en) | 1982-06-19 |
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