JPH03112175A - 光センサ - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、ファクシミリ、デジタルコピー　あるいはス
キャナ等の画像入力部としての光電変換装置に用いられ
る光センサに関する。

（従来の技術） 従来、光センサは各種分野において種々の用途に用いら
れており、例えば、ファクシミリの送信機や複写機にお
いては、原稿読み取り用のセンサとして用いられている
。

こうした光センサには種々のものがあるが、中でもアモ
ルファス半導体や多結晶半導体等の非単結晶薄膜半導体
を光導電部材に用いたものは、非単結晶薄膜半導体が優
れた光導電性を有する材料であり、また、大面積化が容
易であることから好ましいとされている。

従来の光導電型センサの構成は、例えば、絶縁性基体の
上に、電極、光導電部材、透明電極が順次形成され、光
導電部材が単層の構造となっていた。このため、光導電
部材の暗低抗値が小さく、高感度な光センサを得ること
が難しいものであフな。

そこで、光導電部材に酸素等の変成要素をドープするこ
とにより、光導電部材の暗低抗値を大きくすることはで
きるが、そのドープ量によっては明抵抗値が大きくなり
過ぎることや、暗低抗値を増大にもおのずと視界がある
ことから、高感度な光センサは容易に得難いものであっ
た。

そこで、この点を改善する光センサとして、光導電部材
が機能性薄膜からなる積層体を積重し、当該積層体が、
少なくとも２種類以上の機能性薄膜からなり、当該機能
性薄膜は各々等しいバンドキャップを有し、かつ各々異
なる導電の型及び／又は導電度を有するものが提案され
ている。

このような光センサには、信号電極から電荷の注入を阻
止した構造のものと、電極から電荷が注入される構造の
ものがある。注入型においては好ましいものとして、例
えば特開昭６３−２３８５２３において提案されている
光センサや、阻止形でありながら光照射時には電極から
電荷が注入され高電流利得を上げるものとして０アモル
ファスシリコン変調ドーピング光センサ”が第３４回応
用物理学関係連合講演会予稿集３１　Ｐ−Ｅ−５に提案
されている。

第５図は上述した光センサの典型例を模式的に示す部分
断面図である。

１０１は基体、１０２，１０３は電極であり、光導電層
としての１０４は、少なくとも２種類以上の相違なる導
電の型及び又は導電度を持ち、膜中の水素含有量が１０
ａｔｏｍｉｃ％以下の機能性薄膜を交互に積重した、例
えば、 Ｐ　／　ｎ　／　ｐ　／　ｎ　／・・・ｐ　／　ｉ　／
　ｐ　／　ｉ　／・・・ｎ　／　ｉ　／　ｎ　／　ｉ　
／・・・などの構造を有するものである。

〔発明が解決しようとしている課題〕

このような、光導電膜全体に多層積層構造、すなわち光
変調層（光生成キャリアによりポテンシャルが変化する
機能を有する層）を有する光センサは比較的低い電界で
は高性能であった。然しながら、近年特に要求されてい
るような例えば１６階調の濃淡読み取り等の光センサと
して採用するには決して十分なものとは言えなかった。

本発明者らは、数多くの実験を繰り返し行った結果、そ
の原因として、利得を上げるべく高電界を印加すると、
暗電流が大きくなり光応答性が劣化してくることを見出
した。

（目的〕 本発明の目的は上述した技術的課題を解決し、阻止型光
電変換装置の良好な光応答特性を有し、かつ高電流利得
が大きく、暗電流の小さな光電変換装置を提供すること
にある。

本発明の別の目的は、暗時には暗電流が低減し、かつ光
照射時には該非晶質半導体層の効果により光変調層の電
位変化による電極からの電荷注入が促進され、更に、電
荷を効率良く輸送することが可能である、前記光変調層
よりも厚くかつ均一な非晶質半導体層を有する光電変換
装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、利得、暗電流、光応答特性がとも
に著しく改善できる半導体層を有する光電変換装置にを
提供することにある。

〔課題を解決するための手段及び作用〕上記目的は、電
極と、前記電極からの電荷の注入を阻止するような電気
的接触を有し、かつ導電率の異なる少なくとも２種類以
上の非単結晶半導体から成る積層体を積重した構造を有
する光変調層と、前記光変調層よりも厚く、かつ均一な
非晶質半導体層を有する光電変換装置によって達成され
る。

（実施例〕 以下図面を参照しながら本発明の好適な実施態様例につ
いて説明するが、本発明は以下に述べる実施態様例に限
定されることはなく、本発明の目的が達成される構成で
あれば良い。

第１図は本発明による光センサの一例を示す模式的断面
図である。図中１は基体、２は下部電極、３は光電変換
層領域としての光導電層、４は光電変換層領域としての
光変調層、５は上部電極である。基体１としては、絶縁
材料であれば通常用いられているガラスに限らず、例え
ば、ポリエステル、ポリカーボネート、セルローズ、ア
セテート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化
ビニリデン、ポリスチレン、ポリアミド等の合成樹脂の
フィルム又はシート、或は石英、セラミクス等を使用す
ることが可能である。

本発明における前記基体１の厚さは、所望する光センサ
が得られるように適宜決定されるが、基。

体の製造上、取扱い上、そして機械的強度等の点から、
通常は１μｍ以上とされる。

本発明に適用可能な、電極２及び５の材料としては、Ａ
ＪＩ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｒ。

Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｉ　ｒ、Ｎｂ、Ｍｇ、Ｚｎ。

ｐｂ、等の金属、ＳＵＳ　（ステンレス）ＮｉＣｒをは
じめとする合金、Ｉ　ｎ、Ｏ。

ＳｎＯ，、ＩＴＯ，ＺｎＯ，などのいわゆる透明導ＴＬ
膜、更には半導体層３よりも高い導電率を有する半導体
層や半導体ウニ八などが挙げられる。

又、前記電極２及び５の少なくとも一方の電極が十分な
厚みを有すれば、その電極体が支持体となり、基体ｌを
省く構造も可能である。

尚、光電変換層領域に光を導入するために、少なくとも
片側の電極は、透明もしくは半透明となる材質、厚みが
選ばれる。

これらの電極、もしくは電極に等価な層は、バルクとし
て用いるか、あるいは加熱蒸着、スパッタ、プラズマＣ
ＶＤ、メツキ法などによって形成される。

光変調層領域４の各層の厚さは所望の光センサが得られ
るように適宜決定されるが、好ましくは５人〜５μｍ、
より好ましくは１０人〜５０００人、最も好ましくは５
０人〜５００人とするのが好ましい。

光変調層領域４の層数は所望の光センサが得られるよう
に決定されるが、好ましくは３〜５００００層、さらに
好ましくは５〜５０００層、最も好ましくは１０〜５０
０層とすることが望まれる。

又、光変調層領域４は光導電機能を有する非単結晶半導
体で構成され、その母材として好適なものにＳｉが挙げ
られるが、所望の光センサを得るためにＧｅ、Ｃ，Ｏ，
Ｎ、Ｓｎ等の中から選ばれる少なくとも一種を含有せし
め、バンドギャップを調整することも可能である。とく
に、ゲルマニウム、カーボンのシリコンに対する割合を
２０％以下としたシリコン化合物が望ましい。

更に、光変調層領域４には、水素原子（Ｈ）及び／又は
ハロゲン原子（Ｘ）が含有されている。該ハロゲン原子
（Ｘ）としてはＦ、ＣＪｌ。

Ｂｒ、Ｉが挙げられるが、特にＦ、Ｃｕ２が好ましく、
その含有量は好ましくは０．０００１〜１０ａｔｏｍｉ
ｃ％、さらに好ましくは０．００１〜５ａｔｏｍｉｃ％
、最も好ましくは０．０１〜２ａｔｏｍｉｃ％とするこ
とが望まれる。

光変調層領域４中に含有される水素原子の量が光センサ
の特性に多大な影舌を与えることが木発明者の実験によ
り明らかであり。すなわち、本発明においては、光変調
層領域４中に含有される水素の量の上限は１０ａｔｏｍ
ｉｃ％とする必要がある。

光変調層領域４中の水素の含有量が１０％を越えるとＳ
／Ｎ比は低下し、水素の含有量が１０％以下であるとＳ
／Ｎ比は良好である。

光変調層領域４中に含有せしめる水素含有量は、０．５
〜１０％であることが好ましく、より好ましくは、その
下限を１％とする。

光変調層領域４に所望の導電の型及び導電度を持たせる
ことは、ｐ型不純物又はｎ型不純物を光変調層領域４中
に、その量を制御しながら含有せしめることによって達
成できる。含有せしめるＰ型不純物としては、光変調層
領域４を構成する元素が主に周期律表第■族の元素より
構成される場合には周期律表第■族の元素例えば、Ｂ。

ＡＪＩ、、Ｇａ、Ｉｎ、ＴＩＬ等が用いられ、中でもＢ
、Ｇａが好適である。又、光変調層領域４中に含有せし
めるｎ型不純物としては、周期律表第Ｖ族ガ元素、例え
ば、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ等が用いられ、中でもＰ
、Ａｓ、Ｓｂが好適である。これらの光変調層領域４中
に含有せしめる量は、所望される電気的特性、光学的特
性等の要因を考慮して、適宜決定されるものでとあるが
、Ｐ型不純物については、好ましくは３Ｘ１０−”ａｔ
ｏｍｉｃ％以下とし、ｎ型不純物については好ましくは
５ｘｌＯ””３ａｔｏｍｉｃ％以下とする。

また、前記条件を満たす光変調層領域４を形成する方法
としては、各成膜方法のなかでも光ＣＶＤ法、或は基体
上に堆積膜を形成するための成膜空間（Ａ）に分解空間
（Ｂ）に於いて生成され、前記前駆体と相互作用する活
性種とを導入することによって、前記基体上に堆積膜を
形成する堆積膜゛形成法（特開昭６０−４１０４７号）
が好ましい。

光変調層領域４のうち４−１は導電率が大、４−２は導
電率が小である。ここで電極５と光変調層領域４の接合
については、キャリアに対して注入を阻止するように電
極を選ぶ必要があるが、もし注入が起こるような接合の
場合には、キャリアに対して電位障壁が高くなるように
価電子制御された、非単結晶半導体層（２０〜ｔｏｏｏ
人）を電極５と光変調層４の間に挿入しても良い。好ま
しい光変調層領域４としては、真性、又は実質的に真性
の非単結晶半導体とリン、又はホウ素を混入させてｎ型
、又はＰ型の導電型を示す非単結晶半導体を少なくとも
２層以上積重した構造、すなわちｎ　／　ｉ　／　ｎ　
／　ｉ　、又はｐ　／　ｉ　／　ｐ　／　ｉの様になっ
ている。

光変調層にｎ型を用いた積層構造の場合には、主として
電子が光照射により注入され、又、Ｐ型の場合は主とし
て正孔が注入されることになる。

従って電極５と光変調層領域４は、光照射時に注入され
るキャリアに対して、暗時は注入を阻止するように選ぶ
必要があるわけである。

非晶質半導体層は、光変調層領域よりも厚く、その組成
が層厚方向に均一であることが特徴であるが、必ずしも
光変調層と同一な母材でなくとも良い。−又、非晶質半
導体層の膜厚は、所望の特性を得るために、光変調層と
の兼ね合いで決定されるが、好ましくは２０００人〜２
μｍとし、これに合わせて光変調層領域の層厚を決める
ことが望ましい。

（実施例１） 第２図は実施例１における光センサの模式的断面図であ
る。

まず、ガラス基板２００を用意し、この基板２００上に
電極２０１としての白金からなる導電層を電子ビーム蒸
着により半透明状に形成した。

（工程１） その上に原料ガスとしてのＳ　ｉ　Ｈ，をもちいてＣＶ
Ｄ法により非晶質シリコンを堆積させ、非晶質シリコン
層２０２−１．２０２−３を形成し、次にＰＨ３を導入
しリンを３０ｐｐｍドープしてｎ型半導体の非晶質シリ
コンを堆積させ０層２０２−２を形成した。そしてこの
工程を繰り返すことで、ｉ層、ｎ層を３回交互に積層し
た。

（工程２） ここで、非ドープのｉ層の層厚は２０１−１が５０゛入
、２０１−３が１００人、０層２０２−２の層厚は３０
０人である。すなわち光変調層領域としての層領域（２
０２−１，２，３）の層厚は、ｉ層、ｎ層各３層ずつで
１１５０人となる。

続いて同様の作製条件で非ドープの非晶質シリコンを１
μｍ堆積し、非晶質シリコン層２０３を形成した。（工
程３） 次に、リン３００ｐｐｍ添加した非晶質シリコンを堆積
させ非晶質シリコン層２０４を形成した。（工程４） そして、蒸着法によりＣｒからなる電極２０５を形成し
た。（工程５） こうして、サンドイッチ型の光センサ（サンプルＡ）を
得た。

以上の製造法による本実施例において、電極２０１と非
晶質シリコン層２０２−１とは白金／非晶質シリコンと
によるショットキー接合となっており、暗時には電子の
注入を阻止する構造となっている。

［比較−例１］ 本発明による上記実施例の光センサと従来例との比較を
行うために、比較用のサンプルＢを作成した。

上述したサンプルＡの製造方法と同様に工程１．２を遂
行した。その後、工程３の代わりに工程２を繰り返すこ
とで、非晶質シリコン層２０３の代わりに光変調層領域
（２０２−２，３）と同様の層構成の領域を形成した。

この領域の層厚は非晶質シリコン層２０３と同じ層厚と
した。

［比較例２コ 比較用のサンプルＣを作成した。

上述したサンプルＡの製造方法と同様に工程１．２を遂
行した。その後、工程３において、非晶質シリコン層２
０３の厚みを光変調層領域（２０２−２，３）より１０
０人小さくした。

［評価１］ サンプルＡ、Ｂ、Ｃについて、同じ条件下で光重変換特
性の評価を行った。

第３図は、基板２０１側から光を入射し、電流−電圧特
性を測定した結果を示すグラフである。

第３図から明らかなように実施例１の構成を採用するこ
とにより高バイアス下での暗電流が比較例１よりも低減
できていることが容易に理解できる。またサンプルＢ、
Ｃでは特に低バイアスでの光電流が著しく減少している
のに対して、サンプルＡではその傾向が改善されている
。これは、本発明による光変調層よりも厚く、均一な非
晶質半導体層を用いたことにより、キャリアの走行が良
くなっていることによるもので、光応答特性についても
改善されていることが確認できた。

これらの結果は本発明が従来例よりも高性能化に適して
いることを示すものである。

（実施例２〕 ガラス基板を準備し、その上に蒸着法によりＣｒ電極４
０１を形成した。そして、実施例１と同様の手法を用い
て非晶質シリコンを５０００人堆積させ光学バンドギャ
ップ１．８ｅＶの非晶質シリコン層４０２を形成した。

続いて、リンを１０ｐｐｍ添加した微結晶シリコンを堆
積させ、光学゛バンドギャップ１．４ｅＶ、層厚１００
人の微結晶シリコン層４０３−１を形成した。次に、前
記非晶質シリコン層４０２の形成と同様にして層厚１０
０人の非晶質シリコン層４０３−２を形成した。この工
程を繰り返し、交互に、各１０層ずつ推形成した。

次に、電荷注入阻止層４０４としてホウ素を１１００ｐ
ｐ添加したｐ型の非晶質シリコンを堆積させた。そして
、ＩＴＯからなる電極４０５を形成した。ここで電荷注
入阻止層４０４は、電極４０５としてＩＴＯを用いた場
合の電子注入阻止特性がＩＴＯ／非晶質シリコン接合で
は良好でないために、電極４０５と光変調層領域（４０
３−１，２）の間に設けられる。

この構造におけるバンドプロファイルを第４図に模型式
的に示す。この場合は、光変調層領域を構成しているリ
ンの添加された微結晶シリコン層４０３−１が、高ドー
ピング効率で、膜中の欠陥も非晶質と比べて低減できる
ため良好な光電特性が得られると期待できるが、第４図
に示すように、非晶質シリコンと微結晶シリコンでは、
光学的禁止帯幅（バンドギャップ）が異なり、更にはリ
ンをドープしていることから、伝導帯側のバンド・オフ
セットが大きくなり、電子の輸送特性が悪くなる。特に
、比較例１に示したような従来の構成では膜全体が光変
調層であるため、その傾向が顕著である。これに対して
、本発明においては、光変調層よりも非晶質半導体層４
０２の方が厚いことを特徴としているため、・電子は主
に非晶質半導体中を走行し、従来例で見られた特性劣化
が改善できる。当然のことながら、キャリアの輸送特性
が向上することにより、利得、光応答性は改善される。

このようにペテロ接合を有する光変調層を用いた場合で
も本発明の構造は非常に有効となる。

〔実施例３］ 低抵抗Ｐ型結晶シリコン基板上に、実施例１と同様な手
法で非晶質半導体層として、非晶質シリコンを４０００
人堆積した。次にホウ素を５０ｐＰｍ添加したバンドギ
ャップ１．４ｅＶ。

厚さ１００人の微結晶シリコン層と厚さ５０人の非晶質
シリコン層を交互に各２０層、合計３０００人堆積した
。次に、電極としてＣｒを半透明状に形成する。この構
造において、利得を求めた結果、 実際には利得は１を越えなかった。これは、光照射時に
正孔が注入される構造である為であり、即ち、非晶質シ
リコンにおける正孔の電界移動度が電子の１００分の１
程度であり、輸送過程で再結合することが原因である。

しかしながら、層領域全体を光変調層とする従来の構成
とその利得を比較した結果、やはり、本発明の方が有効
であった。

〔発明の効果〕

以上の実施例からも明らかなように、本発明によれば、
暗電流の低減、高利得、速い光応答性が実現でき、従来
例に比べて、上記全ての特性に優れた高性能な光電変換
装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明における光センサの一例を示す模式的
面図、 第２図は、本発明における光センサの別の例を示す模式
的断面図、 第３図は、実施例１と従来例１との電流電圧特性を示す
グラフ、 第４図は、実施例３における光センサのバンドプロファ
イルを示す模式図。 第５図は、従来の光センサの例を示す模式的断面図、 １・・・基板 ２・・・電極 ３・・・非晶質半導体層 ４・・・光変調層 ４−１・・・高導電率非単結晶半導体層４−２・・・低
導電率非単結晶半導体層５・・・透光性電極 ｔｌ・・・上記３の膜厚 ｔ２・・・上記４の膜厚 鵠Ｚ（２） ｊ、４ｅＶ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）電極と、前記電極からの電荷の注入を阻止する電
   気的接触を有し、かつ導電率の異なる少なくとも２種類
   以上の非単結晶半導体層から成る積層体を積重した構造
   を有する光変調層と、前記光変調層よりも厚い非晶質半
   導体層を有することを特徴とする光センサ。
2. （２）前記非晶質半導体層が水素、又はハロゲン元素の
   少なくともいずれか一方を含む非晶質シリコンであるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
3. （３）前記非晶質半導体層が炭素、ゲルマニウムのいず
   れか一方を含む非晶質シリコン化合物であることを特徴
   とする請求項１に記載の光センサ。
4. （４）前記光変調層が水素、又はハロゲン元素のの少な
   くとも一方を含む非単結晶シリコンと水素、又はハロゲ
   ン元素の少なくとも一方を含み、かつリン又はホウ素の
   いずれか一方を含む非単結晶シリコンの積層構造である
   ことを特徴とする請求項１に記載の光センサ。