JPH0458560A - 光電変換素子 - 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】 本発明は光電変換素子にかかり、特にアモルファスシリ
コンを光電変換層として用いたサンドイッチ構造の光電
変換素子に関する。

（従来の技術） 最近映像の高画質化、高解像度化への要請のために、固
体撮像素子の集積化が進められている。

画素数の増加に伴い、配線は複雑となり、光電変換に関
与しない部分の面積が相対的に増加し、実効的な受光面
積は減少する。このため、集積化に伴う光感度の低下に
よって十分なダイナミックレンジをとることができず、
大きな問題となっている。

そこで、光感度を増大させるための１つの技術として光
電変換膜として水素化アモルファスシリコンを積層した
固体撮像素子が注目されている。

この素子では固体撮像素子の上面に、光電変換膜を積層
することによって実効的な受光面積を素子の全面とする
ことができるため、光感度を大幅に増大させることがで
きる。

ところで、アモルファスシリコン膜を光電変換層として
用いた光電変換素子をＣＣＤ基板上に積層した固体撮像
素子は、通常第４図に示すような構造をとっている。す
なわち、ＣＣＤ基板２０上に、イントリンシック（１）
型のアモルファスシリコン膜１を透光性の上部電極９と
下部電極５によって挟んだ光電変換部を積層し、ＣＣＤ
基板２０上を覆う層間絶縁８２１に形成されたコンタク
ト孔２２を介してＣＣＤ基板２０内の蓄積ダイオード７
に接続されるコンタクト電極６に、この光電変換部の下
部電極５を接続している。そしてこの上部電極９に負電
圧、下部電極１１に正電圧を印加し１、光によって発生
した光電流を下部電極５を通して蓄積ダイオード７に導
くようにしている。

ここで、ダイナミックレンジを大きくとるためには光感
度を増大させることも重要であるが、同時に暗時の定常
電流（暗電流）を低くし、素子の雑音を抑える必要があ
る。そこで、上部電極９とアモルファスシリコン膜１と
の間には、電子のブロッキング層として、アモルファス
シリコンよりもバンドギャップの広いｐ型のアモルファ
スシリコンカーバイド１０か介在せしめられ、一方、下
部電極５とアモルファスシリコン膜１との間には、正孔
のブロッキング層として、ｉ型のアモルファスシリコン
カーバイド１１が介在せしめられており、実際はｉｉｐ
型のフォトダイオードを構成している。

このような固体撮像装置において、光感度を増大するこ
とは可能であるか、一方残像や画像欠陥の増大が問題に
なっている。

残像は、入射光によって発生した光電流か入射光が遮ら
れた後も直ぐにはなくならず、暗時の定常電流に戻るま
でに時間がかかるためにおこるものである。

また画像欠陥は、アモルファスシリコン層は堆積時に発
生する粉体の混入、あるいは、電子および正孔のブロッ
キング層としてのアモルファスシリコンカーバイドの不
均一性により、暗電流が局所的に増大することによって
発生す、るものである。

残像は、第５図に示すように上下電極に印加される電圧
の関数であり、残像を減少させるためには印加電圧を高
くする必要がある。

しかしながら、暗時の定常電流も、第６図に示すように
印加電圧の増大に伴い増大する。

また、画像欠陥も第７図に示すように印加電圧の増大に
伴い急激に増大する。

さらにまた、画素の高密度化に伴い充電変換部では、光
電流が周辺画素にまで流れ込む現象が発生し、これが深
刻な問題となっている。

すなわち、第８図に要部説明図を示すように、光電変換
部は、基板４０表面に個別に分割形成された下部電極４
５と共通電極である透光性の上部電極４２とによってｉ
型の水素化アモルファスシリコンとｐまたはｎ型のアモ
ルファスシリコン系薄膜４３とを帯状をなすように積層
したダイオード構造の光電変換層４１を挟んだ構造とな
っている。

そしてこれらの電極間に電圧を印加し、光りによって発
生したキャリアを集め、画像信号電流Ｓとして下部電極
から取り出すように構成されているが、この際、発生し
た光電流は照射範囲を越えて周辺画素まで流れ込んでし
まう可能性がある。

また、暗状態すなわち光の当たっていない状態において
も、下部電極間に電位差かある場合には、アモルファス
シリコンを通って下部電極間に電流が流れてしまうとい
う問題かある。

このようなリーク電流の防止は、従来は水素化アモルフ
ァスシリコンを高抵抗に保つことによって行ってきた。

しかしながら、素子の高集積化に伴い、下部電極間の距
離が減少し、隣接する下部電極間および上部電極と周辺
画素の下部電極間に流れる電流は増大を免れ得ない状態
となっている。

暗状態で下部電極間に流れる電流の増大は素子のコント
ラスト（明暗比）の減少をもたらし、光照射状態で上部
電極と周辺画素の下部電極間に流れる電流の増大は解像
度の低下を招く。

このため、これらのリーク電流の低減が素子の集積化に
伴う大きな課題となっている。

（発明が解決しようとする課題） このように、素子の残像と画像欠陥とは印加電圧に対し
てトレードオフの関係にあり、これらをお同時に改善す
るのは困難であった。

また、素子の高集積化により、下部電極間の距離が減少
するにつれて、隣接する下部電極間および上部電極と周
辺画素の下部電極間に流れるリーク電流の低減が深刻な
問題となっている。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、残像を低
減しかつ画像欠陥が少なく、コントラスト（明暗比）の
高い光電変換素子を提供することを目的とする。

また、本発明は、隣接する下部電極間および上部電極と
周辺画素の下部電極間に流れるリーク電流を防止し、解
像度が高くコントラストの高い光電変換素子を提供する
ことを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するだめの手段） そこで本発明の第１では、アモルファスシリコンからな
る光電変換層を透光性の上部電極と下部電極とて挟んた
サンドイッチ構造の光電変換素子において、上部電極が
アモルファスシリコンに対してショットキー接合を形成
する材料で構成するようにしている。

また、本発明の第２では、アモルファスシリコンからな
る光電変換層を透光性の上部電極と分割電極としての下
部電極とて挾んたサンドイッチ構造の光電変換素子にお
いて、下部電極の側面および端面をアモルファスシリコ
ンとショットキー接合を形成する金属で被覆するように
している。

（作用） 本発明の第１では、上部電極と光電変換層であるアモル
ファスシリコンとの間でショットキー接合を形成したシ
ョットキー構造の光電変換素子を形成し、残像と印加電
圧の関係を測定した。その結果、第２図に示すように、
Ｏｖ付近の低い電圧で残像は小さく、電圧の増加に伴い
残像は一旦急激に増加した後、再び緩やかに減少するこ
とがわかった。

そこで、本発明の素子では、Ｏｖ付近の低い電圧で作動
させても、かつ、暗時の定常電流も画像欠陥の増加も生
じない。

また、暗時の定常電流か十分に低いため、正孔ブロッキ
ング用のｉ型のアモルファスシリコンカーバイドを下部
電極とアモルファスシリコン層との間に介在させる必要
はなく、素子作成のプロセスの簡略化をはかることかで
きる。

このため、ＣＣＤ基板上に充電変換層としてショットキ
ー構造のフォトダイオードを積層した固体撮像素子では
、印加電圧を高くしなくてもＯＶ付近の低い電圧で残像
を低くすることができ、また、画像欠陥も暗電流の増大
もなく良好な撮像特性を得ることができる。

また、本発明の第２では、電界集中により隣接の下部電
極との距離が最も小さくなり、リーク電流の流れ込みや
すい領域である、下部電極の側面および端面をアモルフ
ァスシリコンとショットキー接合を形成する金属で被覆
するようにしているため、電流障壁を形成することにな
り、リーク電流を効果的に低減することができる。従っ
て、横方向へのリークによる暗電流を大幅に低減するこ
とができるため、明暗比を向上せしめることか可能とな
る。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

第１図は本発明実施例の固体撮像装置を示す図である。

この固体撮像装置は、固体撮像素子を形成したＣＣＤ基
板２０と、この基板上に、素子の保護および表面の平坦
化をかねて、ポリイミド樹脂膜４を塗布し、この上層に
、分割形成されたチタン薄膜パターンからなる下部電極
５と、この上層に帯状をなして一体的に形成された膜厚
１〜２μ震の水素化アモルファスシリコン層からなる光
電変換層１と、同様に帯状をなして一体的に形成された
膜厚３０人の白金（ｐｔ）からなる透光性の上部電極２
とから構成されるｎ個のサンドイッチ構造の光電変換素
子が１６ドツト／關の間隔で１列に並設された光電変換
部とから構成されている。そして光電変換部の各下部電
極５とこの蓄積ダイオ−ドとを、層間膜２１に形成され
たコンタクト２２を介して蓄積ダイオード７にコンタク
トするコンタクト電極６によって接続し、下部電極５に
流れる電荷を蓄積ダイオード７て蓄積し、ｎ−型拡散層
８を配列してなるＣＣＤ素子で搬送するように構成され
ている。

次に、この固体撮像素子の製造方法について説明する。

まず、ｐ型のシリコン基板２０内にｎ−型拡散層８およ
び制御電極２４を配列してなるＣＣＤ素子を配設すると
共にｎ＋拡散層からなる蓄積ダイオード７を配設する。

そして、酸化シリコン膜からなる層間膜２１を形成しフ
ォトリソグラフィ法により、コンタクトホール２２を形
成し、クロム薄膜パターンからなるコンタクト電極６を
形成する。

この上層に、ＣＣＤ素子の保護と表面の平坦化をかねて
ポリイミド膜４を形成する。このときコンタクト電極６
の上端面がやや露呈するように膜厚をコントロールする
。

この後、スパッタリング法により膜厚約１０００人のチ
タン層を成膜し、フォトリソグラフィ法によりこれをパ
ターニングし、分割電極としての下ｉｓ主電極を形成す
る。

次いて、シランガスを原料ガスとして用いたグロー放電
分解法により膜厚的１μｍの水素化アモルファスシリコ
ン層１を全面に堆積する。

続いて、素子周辺部のポンディングパッド上にレジスト
パターンを形成したのち、ＤＣマグネトロンスパッタリ
ング法により膜厚約３０人の白金膜を堆積する。

この後、リフトオフ法により、レジストバタンと共にポ
ンディングパッド上の白金を除去し、さらにアモルファ
スシリコン層をエツチング除去し、ポンディングパッド
を露呈せしめ、固体撮像素子が完成する。

このようにして形成された固体撮像素子の上部電極側に
正バイアスをかけて使用したとき、残像特性は第２図に
示すように、印加電圧ＯＶ付近で極めて小さくなってい
る。

また、印加電圧ＯＶ付近では前述したように暗電流が小
さく明暗比が大きく、画像欠陥も極めて小さい。

また、各素子の特性は極めて安定しており、ビット毎の
出力のばらつきもほとんどなく均一な出力特性を呈して
いる。

これは透光性の上部電極と光電変換層との間にショット
キー接合を形成し、上部電極から光電変換層への電子の
注入を抑制するバリアを形成するようにしているため、
良好な特性を呈することかできるものと考えられる。

なお、実施例では、透光性の上部電極として膜厚３０人
の白金を用いている。膜厚３０人程度の白金は、はぼ一
定して９０％以上の透過率をもつ。

この透過率は従来例で示した第４図の撮像素子で用いて
いる透明電極９と電子ブロッキング層であるｐ型のアモ
ルファスシリコンカーバイド１０とを合わせた膜の透過
率９５％に比べると、若干小さい。残像は印加電圧の関
数であると共に入射光強度の関数であるため透過率が低
下した分残像は増加するが、この程度の透過率の低下で
は残像は高々０．２％程度増加するに過ぎない。

これに対し、ショットキー構造を用い、ＯＶ印加で作動
することによって従来のｉｉｐ構造の光電変換部を６Ｖ
印加で用いた場合に比べ、約１％残像は減少している。

実施例２ 次に本発明の第２の実施例として横方向のリーク電流を
防止した構造の光電変換素子について説明する。

この光電変換素子は第３図（ａ）および第３図（ｂ）に
示すように、ガラス基板３０の表面に分割形成された膜
厚１０００人のクロム薄膜パターンからなる下部電極３
５と、この下部電極３５の上面に所定の開口部を残し側
面から上面にかけてこの下部電極を覆うように形成され
た膜厚１００人の白金層３６と、この上層に帯状をなし
て一体的に形成された膜厚１〜２μｍの水素化アモルフ
ァスシリコン層からなる光電変換層３１と、膜厚１００
人のｐ型のアモルファス水素化シリコン層からなるブロ
ッキング層３３と、同様に帯状をなして一体的に形成さ
れた膜厚３５０人の酸化インジウム錫（ＩＴＯ）からな
る透光性の上部電極３２とから構成されるｎ個のサンド
イッチ構造の光電変換素子Ｐｔ・・・・・・Ｐｏか１６
ドツト／關の間隔で１列に並設されている。

そして、下部電極に正電圧、上部電極に負電圧を印加す
ることによって作動せしめられ、光照射によって発生し
た光電流を下部電極からとりたすようにしたものである
。

この光電変換素子によれば、個別電極である下部電極の
側面から上面を覆うように白金層３６を形成しているた
め、この白金層とアモルファスシリコンとの接合はショ
ットキー接合に逆バイアスがかけられた状態で動作せし
められることになる。

従って、光照射で発生したキャリアや暗状態で存在する
キャリアはこの障壁を越えることができないため、リー
ク電流はほとんど皆無となる。このようにこの構造によ
れば、従来の素子に対して集積度を低下させることなく
、実効的な下部電極間や下部と上部の電極間の距離を長
くとることができる。

また電流が集中する電極端部を覆うことによって流れる
電流を効果的に減少させることができる。

従って、極めて高い解像度を得ることができる。

なお、この白金層の形成は下部電極形成後レジストパタ
ーンを形成しこの上層に白金層を形成し、リフトオフ法
により白金層を選択的に除去する等の方法で形成される
。

なお、この光電変換素子を前記実施例１と同様、固体撮
像素子の光電変換部として用いる事も可能である。

さらに、前記実施例１の固体撮像素子の光電変換部の下
部電極を実施例２と同様この構造に、個別電極である下
部電極の側面から上面を覆うようにアモルファスシリコ
ンとショットキー接合を形成するような金属で被覆する
ようにしてもよい。

また、この下部電極の側面および、端面を覆う白金層に
代えて、酸化シリコン膜等の絶縁層を用いるようにして
も、リーク電流の素子を行うことは可能である。

加えて、金属電極、光電変換層、透光性電極の各層の構
成材料としては実施例に限定されることなく適宜変更可
能であることはいうまでもない。

〔効果〕

以上説明してきたように、本発明の第１によれば、上部
電極と光電変換層であるアモルファスシリコンとの間で
ショットキー接合を形成したショットキー構造の光電変
換素子を形成するようにしているため、残像および画像
欠陥を低減し、ダイナミックレンジの高い光電変換素子
を提供する事が可能となる。

また本発明の第２では、下部電極の側面および端面をア
モルファスシリコンとショットキー接合を形成する金属
で被覆するようにしているため、横方向へのリークによ
る暗電流を大幅に低減することができ、解像度が高くる
、ダイナミックレンジの高い光電変換素子を提供するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明実施例の固体撮像装置を示す図、第２
図は同固体撮像装置の光電変換部の印加電圧と残像との
関係を示す図、第３図（ａ）および第３図（ｂ）は本発
明の第２の実施例の光電変換素子の断面図および平面図
、第４図は従来例の固体撮像装置を示す図、第５図は従
来例の固体撮像装置の光電変換部の印加電圧と残像との
関係を示す図、第６図は従来例の光電変換素子の暗時の
定常電流と印加電圧との関係を示す図、第７図は従来例
光電変換素子の画像欠陥と印加電圧との関係を示す図、
第８図は従来例の光電変換素子を示す説明図である。 １・・・水素化アモルファスシリコン層（光電変換層）
、２・・・白金層（上部電極）、４・・・ポリイミド膜
、５・・・チタン層（下部電極）、６・・・コンタクト
電極、７・・・蓄積ダイオード、８・・・ｎ十拡散層、
２０・・・ＣＣＤ基板、２１・・・層間絶縁膜、２２・
・・コンタクトホール、３０・・・ガラス基板５．３１
・・・水素化アモルファスシリコン層、３２・・・上部
電極、３３・・・ブロッキング層、３５・・下部電極、
３６・・・白金層、４０．・・ガラス基板、４１・・・
水素化アモルファスシリコン層、４２・・・上部電極、
４３・・・プロ・ソキング層、４５・・・下部電極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）アモルファスシリコンからなる光電変換層を透光
   性の上部電極と下部電極とで挾んだサンドイッチ構造の
   光電変換素子において、 前記上部電極を前記アモルファスシリコン に対してショットキー接合を形成する材料で構成したこ
   とを特徴とする光電変換素子。
2. （２）アモルファスシリコンからなる光電変換層を透光
   性の上部電極と分割電極としての下部電極とで挟んだサ
   ンドイッチ構造の光電変換素子において、 前記下部電極の側面および端面をアモルフ ァスシリコンとショットキー接合を形成する金属で被覆
   するようにしたことを特徴とする光電変換素子。