JPH0380574A - 受光素子 - 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、可視領域の光に対し薄膜を感光層として用い
る受光素子に関するものである。

（従来の技術） 従来、このような分野の技術としては、例えば「画像電
子学会誌」、上旦［１］　　（１９８６）Ｐ。

１７−２６に記載されるものがあった。以下、その構成
を説明する。

前記文献にも記載されるように、可視領域の受光素子と
しては、ＭＯＳダイオードやＣＯＤ　（電荷移送素子）
等のＳｉチップによるもの、及び非晶質Ｓｉ　：Ｈ（ａ
−８ｉ　：Ｈ）やＣｄ５−８ｅ等から成る薄膜を感光層
として用いるものがある。

前者は集積化が容易であり、固体撮像管、イメージセン
サに応用されている。また、後者は大面積のセンサが薄
膜プロセスによって製造可能なことから、大面積化が容
易に遠戚できるという特徴があり、長尺のイメージセン
サへの応用が図られている。

第２図は、前記文献に記載された従来における薄膜型の
受光素子の断面図である。

この受光素子は、絶縁基板１上にａ−８ｔ：Ｈ薄膜によ
って形成された感光層２を有している。

感光層２は、入射光３に対し光電変換を行なうためのも
のであり、その感光層２上には、互いに対向する電極４
が設けられている。

上記構成の受光素子は、光照射で感光層２内にキャリア
を１威させ、そのキャリアを再結合させずに電極４まで
移動させて取り出す電場を与える構造から成るものであ
る。図示のものは、その電極構造からブレーナ型と称さ
れるものであり、この他に感光Ｎ２を介して上下に電極
が対向配置された構造のサンドイッチ型がある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構成の薄膜型の受光素子においては
、応答速度が遅いという問題があった。

即ち、光の照射によって感光Ｎ２内に生成されるキャリ
アの移動度が低いため、受光素子の十分な高速動作化を
図れないという問題があり、その解決が困難であった。

本発明は、前記従来技術がもっていた課題として、十分
な高速動作を得ることが困難な点について解決した受光
素子を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 前記課題を解決するために、本発明では、絶縁基板上に
形成され入射光に対し光電変換を行なう感光層と、前記
感光層に互いに対向して設けられた電極とを備えた受光
素子において、前記感光層を非晶質膜と結晶性膜とを交
互に配した多層構造で構成したものである。

前記非晶質膜は、例えば結晶シリコンよりバンドギャッ
プの大きい非晶質シリコン系材料で形成される。

また前記結晶性膜は、例えば単結晶シリコン及び多結晶
シリコンのいずれかで形成される。

（作用〉 本発明によれば、以上のように受光素子を構成したので
、非晶質膜はその吸収係数が大きいことによって入射光
を吸収し、電子・正孔対を発生する働きをする。また、
結晶性膜は、そのキャリア移動度が非晶質膜より大きい
ことによって前記電子と正札を高速で走行させる働きを
する。さらに、より薄膜化された結晶性膜は、量子効果
によりその吸収係数を増大させるように働く。

また、結晶シリコンよりバンドギャップの大きい非晶質
シリコン系材料で形成された非晶質膜は、単結晶シリコ
ン又は多結晶シリコンから成る結晶性膜に対し極めて大
きな吸収係数を有し、入射光の殆どを効率よく吸収する
働きをする。また、非晶質膜及び結晶性膜をシリコン系
材料で形成することにより、従来の一般的なプロセスを
用いて受光素子の製造を容易に行なわしめるように働く
。

さらに、単結晶シリコン又は多結晶シリコンのいずれか
から成る結晶性膜は、非晶質シリコン系材料から成る非
晶質膜に対し極めて大きなキャリア移動度を有し、非晶
質膜で発生した電子と正孔を高速で走行させるように働
く。また、薄膜化によって結晶性膜の吸収係数をより効
果的に増大させる働きもする。

従って、前記課題を解決することができる。

（実施例） 第１図は本発明の第１の実施例を示す受光素子の模式的
な断面図である。

この受光素子は、例えばガラス等の絶縁基板１１上に、
多層構造の薄膜から成る感光層１２が形成されて成るも
のである。感光層１２は、結晶シリコン、即ち単結晶シ
リコン（ｃ−８ｉ）又は多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−３
ｉ）等から成る結晶性膜１２ａと、ａ−８ｉ：Ｈ等から
成る非晶質膜１２ｂとを交互に積層して多層構造とした
ものである。

非晶質膜１２ｂ各層の膜厚は、例えば０．１μｍ程度以
下とし、これを１（［程度交互に積層することにより、
非晶質１２ｂの合計膜厚を１μｍ程度とする。

感光層１２上には、Ａ１又はＣｒ等の導電性金属から成
る電極■３が、所定間隔をあけて対向配置されている。

このように構成された受光素子を製造するには、先ずプ
ラズマＣＶＤ、光ＣＶＤ又は反応性スパッタリング等の
気相成長法により、絶縁基板１１上に結晶性膜１２ａと
非晶質膜１２ｂを交互に成長させる。

例えば、プラズマＣＶＤ又は光ＣＶＤにより、約３５０
℃以下の低温でｃ−８ｉ又はｐｏｌｙ−８ｉの結晶性膜
１２ａを形成するには、原料ガスとしてＳｉＨ２Ｆ２．
ＳｉＦ４等のＦを含むガス、ＳｉＨ４，Ｓｉ２Ｈ６等の
Ｈを含むガス、及びＨ２の混合ガスを用いる。そしてこ
の混合ガスを所定の成長条件により分解させ、結晶性Ｊ
Ｉｉ１２ａを堆積させればよい。

また、非晶質Ｊｌｉ１２ｂとしてａ−８ｉ：Ｈ層を堆積
させるには、ＳｉＨ又はＳｉ２Ｈ６を原料ガスとして用
いる。

このようにして、結晶性Ｊｌｉ１２ａ及び非晶質膜１２
ｂを交互に所定層数成長させた後、導電性金属を蒸着や
スパッタリング等によって堆積し、これにフォトリング
ラフィ等を施して電極１３を形成する。

次に、上記構成の受光素子の動作原理について第３図を
用いて説明する。第３図は第１図の受光素子に対応した
動作原理図である。

受光素子の上部から入射した光ｈνは、ａ　−Ｓｉ　：
Ｈの非晶質膜１２ｂの可視光領域での吸収係数がｃ−８
Ｌの結晶性Ｍ１２ａより１桁程度大きいため、殆ど非晶
質膜１２ｂで吸収され、電子・正孔対を発生する。発生
した電子１４と正孔１５は、よりポテンシャルエネルギ
ーの低い結晶性Ｍ　１２　ａの伝導帯１６と価電子帯１
７にそれぞれ拡散により移動する。

ここに、電界は紙面に垂直な方向にかがっているので、
結晶性Ｍ１２ａ領域にたまった電子１４と正孔１５は、
反対方向に流れ、光電流として外部に取り出される。結
晶性ＪＩｉ１２ａがｐｏｌｙ−Ｓｉから成る場合にあっ
ても、その移動度はａ−８ｉ　：Ｈよりも２桁以上大き
いので、ｃ−８ｉ及びｐｏｌｙ−８ｉのいずれを用いて
も、電子１４と正孔１５は高速で走行することが可能と
なる。

ａ−３ｉ：Ｈ中の電子１４及び正孔１５の層に対して垂
直方向の拡散層は、ノンドープの場合、正孔１５の方が
小さく、０．１μｍ程度のオーダーであるから、非晶質
膜１２ｂ各層の膜厚はこれ以下であることが必要である
。しかし、非晶質膜１２ｂの合計膜厚は、入射光ｈνを
完全に吸収するために１μｍ程度が必要である。結晶性
膜１２ａの膜厚はあまり厚くすると、この層の抵抗が小
さいために暗電流が上昇し、明暗化が低下するおそれが
あるので注意を要する。

以上の実施例においては、感光層１２を結晶性膜１２ａ
と非晶質膜１２ｂの多層構造で構成し、結晶性膜１２ａ
を移動度の大きな電荷輸送層として利用するようにした
ので、高速動作の可能な受光素子が容易に実現できる。

第４図は本発明の第２の実施例を示す受光素子の断面図
である。図中、第１図の要素と共通の要素には、同一の
符号が付されている。

この実施例が前記第Ｉの実施例と異なる点は、感光層２
１のｃ−３ｉ又はｐｏｌｙ−３ｉから戒る結晶性１ｉ２
１ａの各膜厚を、例えば約２００Å以下とより薄くし、
非晶質膜２１ｂをａ−８ｉＯ２又はａ−８ｉＮｘ等の非
晶質シリコン系の絶縁体で形成したことである。

このような構成としても、第１の実施例とほぼ同様の作
用及び利点が得られると共に、結晶性膜２１ａを薄くす
ることによる量子効果によって、結晶性膜２１ａ自体の
吸収係数を増大させ、より高感度の受光素子が実現でき
る。

前記薄膜化された結晶性膜２１ａの動作について、第５
図を用いて説明する。第５図は第４図の受光素子に対応
した動作原理図である。

各結晶性膜２１ａの膜厚が２００Ａ以下程度に薄くなる
と、その伝導帯２２と価電子帯２３は、図示のように量
子化された準位ＥＣｏ、Ｅｏ１・・・・・・及びＥＶＯ
’　ＥＶｌ・・・・・・となる。通常のバルクのＳｉは
、光学的遷移が間接型であるため、バンドギャップ光の
遷位確率が小さい。即ち、吸収係数が小さい。

しかし量子化されると光学的遷移の選択則は緩和され、
吸収係数が増大する。

また、実効的なバンドギャップも図から明らかなように
増加するため、可視光に対する吸収係数が増加する。従
って、感度に優れ高速な受光素子が実現できる。

なお、本発明は図示の実施例に限定されず、種々の変形
が可能であり、例えば次のような変形例が挙げられる。

（１）　　第１図の非晶質ＪＩｉ１２ｂはａ−８ｉ：Ｈ
のみに限られるものではなく、検出したい光の波長によ
って、例えばａ−３ｉＧｅ：Ｈ或はａＳｉＣ：Ｈ等の他
の非晶質シリコン系材料に代えてもよい。

（２）　　例示した結晶性膜１２ａ及び非晶質膜１２ｂ
の製造方法の他に、各種の方法及びその組み合わせの採
用が可能である。例えば、光ＣＶＤによりａ−８ｉ：Ｈ
の非晶質Ｊｉ１２ｂを形成した後、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ
によりその表面層を再結晶化して、ｃ−３ｉ又はｐｏｌ
ｙ−３ｉの結晶性膜１２ａを形成することもできる。

（３）　　第４図の非晶質膜２１ｂにａ−３ｉ：Ｈを用
いてもよい。このようにすれば、より高感度な受光素子
が得られる。

（４）　　第１図及び第４図で示した受光素子の構成、
構造及び形状等に限定されるものではない。例えば、ブ
レーナ型に代えて、電極１３が感光層１２゜２１を介し
て上下に対向配置されたサンドイッチ型の受光素子に対
しても本発明の適用が可能である。また、結晶性Ｍ１２
ａ、２１ａ及び非晶質膜１２ｂ、２１ｂの層数等も用途
に応じて適宜変更することができる。

（発明の効果〉 以上詳細に説明したように、本発明の受光素子では、感
光層を結晶性膜と非晶質膜から戒る多層構造で構成した
ので、結晶性膜を電荷輸送層とすることにより、応答速
度の速い受光素子を得ることができる。また、結晶性膜
のより薄膜化を図ることにより、結晶性膜の吸収係数を
増大させ、より高感度な受光素子の実現が可能となる。

また、非晶質膜に結晶シリコンよりバンドギャップの大
きい非晶質シリコン系材料を用いることにより、高速度
かつ高感度の受光素子が確実に得られると共に、従来の
一般的なシリコン系材料を用いた従来のプロセスによっ
て、容易に製造が可能となる。

さらに、結晶性膜に単結晶シリコン及び多結晶シリコン
のいずれかを用いることにより、前記非晶質シリコン系
材料より大幅にキャリア移動度が高められる。また、薄
膜化による吸収係数の増大も十分期待できるので、より
効果的に受光素子の高速度化及び高感度化を図ることが
できる。４、

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す受光素子の断面図
、第２図は従来の受光素子の断面図、第３図は第１図の
受光素子の動作原理図、第４図は本発明の第２の実施例
を示す受光素子の断面図、及び第５図は第４図の受光素
子の動作原理図である。 １１・・・・・・絶縁基板、１２．２１・・・・・・感
光層、１２　ａ　、　２１　ａ＝結晶性膜、１２ｂ、２
１ｂ・・・・・・非晶質膜、１３・・・・・・電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁基板上に形成され入射光に対し光電変換を行な
   う感光層と、前記感光層に互いに対向して設けられた電
   極とを備えた受光素子において、前記感光層を非晶質膜
   と結晶性膜とを交互に配した多層構造で構成したことを
   特徴とする受光素子。 ２、請求項１記載の受光素子において、 前記非晶質膜は、結晶シリコンよりバンドギャップの大
   きい非晶質シリコン系材料から成る受光素子。 ３、請求項１又は２記載の受光素子において、前記結晶
   性膜は、単結晶シリコン及び多結晶シリコンのいずれか
   から成る受光素子。