JPH05343726A

JPH05343726A - 光センサ

Info

Publication number: JPH05343726A
Application number: JP4173813A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Kato; 静一加藤
Original assignee: Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Priority date: 1992-06-08
Filing date: 1992-06-08
Publication date: 1993-12-24

Abstract

(57)【要約】【目的】暗電流を減少させ、青色域光を高感度に検知
でき、さらには赤色域光に対する感度の低下を防止可能
である。【構成】本発明の光センサは、ｎ形結晶シリコン層１
０１上に、３層のアモルファス半導体層１０２，１０
３，１０４が順次に形成されている。青色域光が入射し
た場合は、各アモルファス半導体層１０２，１０３，１
０４において電子・正孔対が発生し、これらが再結合せ
ずに信号電流となり、青色域光を感度良く検知できる。
一方、赤色域光が入射した場合は、アモルファス半導体
層１０２，１０３，１０４の厚さが薄く赤色域光がこれ
らを透過しても、結晶シリコン層１０１のｎ^-形結晶シ
リコン部１１１まで連続的に拡がっている空乏層により
光キャリア，すなわち電子・正孔対が発生し、これらが
再結合せずに信号電流となり、赤色域光をも感度良く検
知できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、青色の短波長可視光を
検知しうる光センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、シリコン結晶による光センサと
しては、ｐｎ接合フォトダイオードが多く用いられてい
る。ｐｎ接合フォトダイオードでは、入射光により空乏
層内およびその近傍で発生した光キャリアとしての電子
・正孔対が再結合せずにそれぞれ所定の電極に到達すれ
ば信号電流となり、入射光の強度を電気的に検知するこ
とができる。

【０００３】ところで、シリコン結晶によるｐｎ接合フ
ォトダイオードにおいて、青色のような短波長可視光
（以下、青色域光と称す）を検知しようとする場合、青
色域光は侵入深さが浅いので、所定の光電変換効率を確
保するには、ｐｎ接合の接合の深さを浅く形成する必要
がある。

【０００４】図５にはｎ⁺ｐｎ接合フォトダイオードが
示されており、このｎ⁺ｐｎ接合フォトダイオードは、
２つの電極５０，５１間にｎ形，ｐ形，ｎ⁺形の半導体
層５２，５３，５４がそれぞれ形成され、ｎ⁺形，ｐ形
の半導体層５４，５３による上部のｐｎ接合が上端から
約０．５μｍ程度の深さに浅く形成されている。これに
より、この上部のｐｎ接合は、波長が例えば４５０ｎｍ
程度の青色域光にピーク感度を有し、この波長の光を検
知することができる。また、図６にはグレーディドｐｎ
接合フォトダイオードのエネルギーバンドが示されてい
る。このグレーディドｐｎ接合フォトダイオードでは、
光入射側表面６０に向けてのエネルギーバンド（価電子
帯Ｅ_v，伝導帯Ｅ_c）が図示のようなものとなっており、
表面６０まで空乏層が形成されている。この場合、光入
射側表面６０から深さＷ（＝１／α；α：吸収係数）ま
でが光の吸収領域となり、Ｗが小さくなるように不純物
（ｐ形不純物）の分布を制御することで、このグレーデ
ィドｐｎ接合フォトダイオードに青色域光に対し所定の
感度をもたせることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ｎ⁺ｐｎ接合フォトダイオードでは、青色域光に対する
感度をより向上させることができず、また暗電流を減少
させることが難かしいという欠点があった。また、従来
のグレーディドｐｎ接合フォトダイオードでは、不純物
の分布制御が容易ではなく、所定波長の光に対し、最適
な感度特性をもたせることが難かしいという欠点があっ
た。さらに、従来では、水素化アモルファス半導体のみ
により構成された光センサも提案されているが、この光
センサは、赤色域光の感度が低いという問題があった。

【０００６】本発明は、暗電流を減少させ、青色域光を
従来に比べてより高感度に検知することができ、さらに
は赤色域光に対する感度の低下を防止することの可能な
構造を有する光センサを提供することを目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】図１は本発明に係る光セ
ンサの構成例を示す図である。図１に示す光センサは、
ｎ形結晶シリコン層１０１上に、３層のアモルファス半
導体層１０２，１０３，１０４が順次に形成され、その
上部に透明導電性の酸化膜電極１０５が形成され、また
ｎ形結晶シリコン層１０１の３層のアモルファス半導体
層１０２，１０３，１０４が形成されている側とは反対
の側には、上記電極１０５と対向する電極１０６が形成
されている。

【０００８】ｎ形結晶シリコン層１０１は、ｎ形不純物
が所定濃度含まれているｎ形結晶シリコン部１１０と、
ｎ形結晶シリコン部１１０よりもｎ形不純物濃度の低い
ｎ^-形結晶シリコン部１１１とにより構成されており、
ｎ^-形結晶シリコン部１１１上に３層のアモルファス半
導体層１０２，１０３，１０４が順次に形成されてい
る。ここで、アモルファス半導体層１０２は、不純物の
添加されていない水素化アモルファスシリコンで形成さ
れ、アモルファス半導体層１０３は、ｉ形の酸素添加の
水素化アモルファスシリコンで形成され、アモルファス
半導体層１０４は、ｐ⁺形の酸素添加の水素化アモルフ
ァスシリコンで形成されている。また、上記３層のアモ
ルファス半導体層１０２，１０３，１０４は、これら全
体の厚さｄが、赤色域の光，例えば波長６５０ｎｍの光
を透過する厚さ，例えば０．２μｍ程度のものに形成さ
れている。

【０００９】より具体的には、上部の透明導電性の酸化
膜電極１０５は、スパッタ法，真空蒸着法，プラズマＣ
ＶＤ法（Ｐ−ＣＶＤ法），熱ＣＶＤ法，Ｍ_oＣＶＤ法等
によりＩＴＯ，ＴｉＯ₂，Ｉｎ₂Ｏ₃，ＳｎＯ₃，ＣｒＯ₂
などの材料で成膜される。また、アモルファス半導体層
１０２は、ＳｉＨ₄，Ｓｉ₂Ｈ₆ガスを用い、プラズマＣ
ＶＤ法によりノンドープの水素化アモルファスシリコン
として成膜される。また、アモルファス半導体層１０３
は、ＳｉＨ₄，Ｓｉ₂Ｈ₆ガスにＯ₂，ＣＯ，ＣＯ₂，Ｎ₂Ｏ
などのガスを混合して、プラズマＣＶＤ法によりｉ形酸
素添加水素化アモルファスシリコンとして堆積される。
また、アモルファス半導体層１０４は、アモルファス半
導体層１０３を形成するのに用いた上記ガスと同様のガ
スにジボランを混合してプラズマＣＶＤ法によりｐ⁺形
酸素添加水素化アモルファスシリコンとして成膜され
る。なお、これらのアモルファス半導体層１０２，１０
３，１０４の原料ガスにＨ₂が混合されていても良い。

【００１０】このように、上記３層のアモルファス半導
体層１０２，１０３，１０４における不純物濃度は、透
明導電性酸化膜電極１０５に負のバイアスを印加し、ま
たこれと対向する電極１０６に正のバイアスを印加した
場合に、各アモルファス半導体層１０２，１０３，１０
４の価電子帯上端のエネルギー順位がｎ形結晶シリコン
層１０１側から透明導電性酸化膜電極１０５側に向けて
大きくなるように設定されている。また、この際、ｐ⁺
形酸素添加水素化アモルファスシリコン１０４は、伝導
帯電子の障壁として機能し、かつ波長４５０ｎｍ程度の
青色域光の透過率が高いよう、これを形成することがで
きる。

【００１１】このような構成の光センサでは、アモルフ
ァス半導体層１０２，１０３，１０４の全体の厚さｄが
赤色域光を透過しうるように，例えば０．２μｍ程度に
設定されている場合でも、青色域光が透明導電性酸化膜
電極１０５から入射した場合、この青色域光は３層のア
モルファス半導体層１０２，１０３，１０４で主に吸収
される。これにより、アモルファス半導体層１０２，１
０３，１０４には、光キャリアすなわち電子・正孔対が
発生し、電子は結晶シリコン層１０１側へ流れる。一
方、正孔は各アモルファス半導体層１０２，１０３，１
０４の価電子帯上端のエネルギー順位が、負バイアスさ
れている透明導電性酸化膜電極１０５側に向けて高くな
っているので、透明導電性酸化膜電極１０５側に流れ、
この電極１０５から容易に流出できる。

【００１２】このように、青色域光が入射したときに各
アモルファス半導体層１０２，１０３，１０４において
発生する電子・正孔対は、再結合せずにそれぞれ各電極
１０６，１０５から速やかに流出し、信号電流となるの
で、青色域光を感度良く検知することができる。

【００１３】一方、６５０ｎｍの赤色域光が入射した場
合は、水素化アモルファスシリコンのこの波長吸収係数
が青色域光より低いことから、これらの各アモルファス
半導体層１０２，１０３，１０４では完全に吸収されな
い。しかしながら、本発明では、赤色域光は、アモルフ
ァス半導体層１０２，１０３，１０４を透過しても、結
晶シリコン層１０１に到達し、ｉ形酸素添加水素化アモ
ルファスシリコン１０３，水素化アモルファスシリコン
１０２から結晶シリコン層１０１のｎ^-形結晶シリコン
部１１１まで連続的に拡がっている空乏層により光キャ
リア，すなわち電子・正孔対を発生させることができ
る。そして、この空乏層により発生した電子・正孔対の
うち、電子は結晶シリコン層１０１で合流し、電極１０
６から流出し、また、正孔はエネルギーバンドの価電子
帯上端が結晶シリコン層１０１側から透明導電性酸化膜
電極１０５に向けて高くなっているので、この電極１０
５側へ排出され、光電変換することができる。これによ
り、アモルファス半導体層１０２，１０３，１０４の厚
さが薄い場合でも、赤色域光をも感度良く検知すること
ができる。このようにして、本発明の光センサは、青色
域光から赤色域光まで良好な感度が得られる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図２は本
発明に係る光センサの一実施例の構成図である。この光
センサは、図１に示した構成に基づく構造のものとして
形成されている。すなわち、不純物濃度１×１０¹⁴cm^-3
のｐ形シリコン結晶基板２０１上にＳｂを濃度１×１０
¹⁶cm^-3で含むｎ⁺形埋込層２０２を形成し、その上に不
純物濃度１０¹³cm^-3のｎ^-エピタキシャル成長層２０３
を１０μｍ成長させ、不純物濃度１０¹⁸cm^-3のｐ⁺層２
０４で素子を分離させている。このようにして、図１に
示した結晶シリコン層１０１を形成した後、この結晶シ
リコン層１０１上にＳｉＯ₂膜２０５を形成し、このＳ
ｉＯ₂膜２０５にフォトリソグラフィーにより窓を形成
し、しかる後、次表のような条件で、水素化アモルファ
スシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）２０６，酸素添加水素化ア
モルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：０：Ｈ）２０７，ｐ⁺
形酸素添加水素化アモルファスシリコン（ｐ⁺ａ−Ｓ
ｉ：０：Ｈ）２０８を図１に示した各アモルファス半導
体層１０２，１０３，１０４として順次成膜し、しかる
後、ＩＴＯの透明導電性酸化膜電極２０９を成膜した。

【００１５】

【表１】

【００１６】次いで、このアモルファス半導体層２０
６，２０７，２０８と透明導電性酸化膜電極２０９を、
フォトリソグラフィーにより、上記ＳｉＯ₂膜２０５に
形成された上記窓上の付近の部分だけを残して分離形成
する。そして、ＳｉＯＮの層間絶縁膜２１０を成膜し、
透明導電性酸化膜電極２０９とｎ⁺層２１２の部分にフ
ォトリソグラフィーでコンタクトホールを形成し、Ａｌ
配線２１１をスパッタ法とフォトリソグラフィーとによ
りパターニングし、最終的に、受光面が３００μｍ角の
受光素子６個を並列に構成した。

【００１７】図２のように形成した光センサについて、
図３に示すように、透明導電性酸化膜電極２０９とｎ⁺
層２１２との間に、電極２０９側が負，ｎ⁺層２１２側
が正となるように５Ｖの電圧をバッテリ３００により印
加し、この光センサに流れる電流値を電流計３０１によ
り測定した。そして、分光感度特性を評価するため、４
５０ｎｍから７７５ｎｍまでの範囲で１７枚の干渉フィ
ルタにより約２５ｎｍの間隔ごとの各波長で１６μｗ／
cm²の光源を形成し、各波長での光電流を測定した。図
４には、この測定結果が符号Ｇ１で示されている。ま
た、このときの暗電流密度は５．６×１０^-10Ａ／cm²で
あった。

【００１８】さらに、本発明の光センサの特性を従来の
光センサの特性と比較するため、図４には、従来のｎ⁺
ｐｎ接合フォトダイオードの特性，並びに水素化アモル
ファス半導体のみにより構成された光センサの特性がそ
れぞれ符号Ｇ２，Ｇ３で示されている。

【００１９】なお、ここで本発明の光センサのアモルフ
ァス半導体層の全体の厚さｄは、０．３μｍであり、ま
た、水素化アモルファス半導体のみにより構成された光
センサには０．８５μｍの膜厚の素子を用いた。

【００２０】図４からわかるように、４５０ｎｍでの光
電流密度を比較すると、本発明の光センサの感度は、従
来のｎ⁺ｐｎ接合フォトダイオードよりも高いことがわ
かる。

【００２１】すなわち、本発明の光センサにおいては、
前述のように、ｎ形結晶シリコン層１０１上に、ノンド
ープの水素化アモルファスシリコン１０２，ｉ形の酸素
添加水素化アモルファスシリコン１０３が形成され、さ
らにその上にｐ⁺酸素添加水素化アモルファスシリコン
１０４が積層されており、ｐ⁺酸素添加水素化アモルフ
ァスシリコン１０４を、４５０ｎｍの青色域光に対して
９０％以上の透過率を有する０．０１μｍ程度の厚さの
ものにしても、このｐ⁺酸素添加水素化アモルファスシ
リコン１０４は、エネルギーバンドの伝導帯の電子に高
い障壁を持ち電子の透明導電性酸化膜電極からの注入を
防止できること、また透明導電性酸化膜電極１０５に負
のバイアス，ｎ形結晶シリコン側に正のバイアスを印加
した場合に、酸素添加水素化アモルファスシリコン１０
３，水素化アモルファスシリコン１０２により価電子帯
の上端がｎ形結晶シリコン側からｐ⁺酸素添加水素化ア
モルファスシリコン側に高くなり正孔が容易に流出でき
ることによって、例えば４５０ｎｍの青色域光のように
表面付近で電子・正孔対が多く生成されるときでも再結
合せずに各電極にキャリアを流出させることができる。
この結果、青色域光に対する感度をより高めることがで
きる。

【００２２】また、本発明の光センサでは、電極に印加
するバイアス電圧を５Ｖから１０Ｖに増加させても暗電
流密度はほとんど増加しなかった。この結果から、結晶
シリコンの空乏層の延びによってｐ⁺酸素添加水素化ア
モルファスシリコン部分に印加される電圧を緩和してい
ることがわかる。

【００２３】また、図４において、従来の水素化アモル
ファス半導体のみにより構成された光センサでは、本発
明の光センサのアモルファス半導体層の膜厚０．３μｍ
に比べれば十分に厚い膜厚０．８５μｍの素子を用いて
いるが、長波長６５０ｎｍでの光電流密度が低くなって
いることがわかる。すなわち、水素化アモルファスシリ
コンでは、６５０ｎｍの波長の赤色光の吸収係数は、約
９０００cm^-1であって、この波長６５０ｎｍの光を全て
吸収するには３μｍの膜厚が必要であり、膜厚を１μｍ
にすると、吸収率は５９．３％となる。従って、膜厚が
０．８５μｍの水素化アモルファス半導体のみにより構
成された光センサでは、波長６５０ｎｍの赤色光を十分
に吸収することができないため、上記のように光電変換
効率が低下すると考えられる。一方、水素化アモルファ
スシリコンの成膜速度は、２４ｎｍ／分以下と遅いた
め、これの成膜には長時間を要する。成膜時間を短縮す
るためには、水素化アモルファスシリコンの薄層化が求
められている。本発明の光センサでは、赤色域光がアモ
ルファス半導体層を透過しても、結晶シリコン層に到達
し、ｉ形酸素添加水素化アモルファスシリコン，水素化
アモルファスシリコンからｎ^-形結晶シリコン部に連続
的に拡がっている空乏層で光キャリアを発生させること
ができるので、赤色域光を効率良く光電変換しようとす
る場合にも、アモルファス半導体層を薄層化することが
できる。実際、図４からわかるように、本発明の光セン
サでは、アモルファス半導体層の厚さが０．３μｍと非
常に薄いにもかかわらず、長波長６５０ｎｍでの感度
は、従来のｎ⁺ｐｎ接合フォトダイオードとほぼ同等の
値が得られ、従来の水素化アモルファス半導体のみによ
り構成された光センサに比べ、赤色域光に対する感度を
向上させることができる。

【００２４】このように、本発明の光センサでは、従来
のｎ⁺ｐｎ接合フォトダイオードよりも青色４５０ｎｍ
での感度を向上させることができ、また水素化アモルフ
ァス半導体のみから構成された光センサにおいて生じる
長波長６５０ｎｍでの感度低下をアモルファス半導体部
の膜厚を０．３μｍと薄層化しても防止することができ
る。この結果、水素化アモルファスシリコンの成膜工程
に要する時間を短縮することができ、また後工程の層間
絶縁膜や配線でのステップカバレッジの信頼性を向上さ
せることができた。これにより、本発明を光センサをＣ
ＣＤなどＬＳＩ回路とともにシリコンチップ上に形成す
ることにより、小型化等を図ることができ、本発明は、
シリコンチップ上にＬＳＩ回路とセンサとを合体させた
素子を提供する上で、特に有効である。

【００２５】

【発明の効果】以上に説明したように請求項１乃至４記
載の発明によれば、結晶シリコン層上に、水素化アモル
ファス半導体層と、ｉ形酸素添加水素化アモルファス半
導体層と、ｐ⁺形酸素添加水素化アモルファス半導体層
とが順次形成され、結晶シリコン側とｐ⁺形酸素添加水
素化アモルファス半導体層側とにそれぞれ電極が設けら
れており、ｐ⁺形酸素添加水素化アモルファス半導体層
の表面に光を入射させたときに流れる電流を上記各電極
から取り出すようになっているので、暗電流を減少さ
せ、青色域光を従来に比べてより高感度に検知すること
ができ、さらには、赤色域光に対してもその感度の低下
を防止することができる。

【００２６】特に、請求項２記載の発明のように、ｐ⁺
形酸素添加水素化アモルファス半導体層，ｉ形酸素添加
水素化アモルファス半導体層，水素化アモルファス半導
体層の全体の厚さが、波長６５０ｎｍの赤色域光を全て
吸収するのに必要な厚さよりも薄く形成されている場合
にも、赤色域光に対する感度低下を有効に防止すること
ができ、これにより、水素化アモルファス半導体層の薄
膜化が可能となり、この成膜工程に要する時間を著しく
短縮することができ、さらには小型化等を図ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光センサの構成例を示す図であ
る。

【図２】本発明に係る光センサの一実施例の構成図であ
る。

【図３】図２の光センサの光出力電流を評価する回路を
示す図である。

【図４】図２の光センサの分光感度特性を示す図であ
る。

【図５】従来のｎ⁺ｐｎ接合フォトダイオードの構成図
である。

【図６】従来のグレーディドｐｎ接合フォトダイオード
のエネルギーバンドを示す図である。

【符号の説明】

１０１ｎ形結晶シリコン層１０２，１０３，１０４アモルファス半導体層１０５透明導電性酸化膜電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶シリコン層上に、水素化アモルファ
ス半導体層と、ｉ形酸素添加水素化アモルファス半導体
層と、ｐ⁺形酸素添加水素化アモルファス半導体層とが
順次形成され、前記結晶シリコン側と前記ｐ⁺形酸素添
加水素化アモルファス半導体層側とにそれぞれ電極が設
けられており、前記ｐ⁺形酸素添加水素化アモルファス
半導体層の表面に光を入射させたときに流れる電流を前
記各電極から取り出すようになっていることを特徴とす
る光センサ。
【請求項２】請求項１記載の光センサにおいて、前記
ｐ⁺形酸素添加水素化アモルファス半導体層，前記ｉ形
酸素添加水素化アモルファス半導体層，前記水素化アモ
ルファス半導体層は、全体の厚さが、波長６５０ｎｍの
赤色域光を全て吸収するのに必要な厚さよりも薄く形成
されていることを特徴とする光センサ。
【請求項３】請求項１記載の光センサにおいて、前記
結晶シリコン層は、導電性付与不純物が所定濃度含まれ
ている第１の結晶シリコン部と、該第１の結晶シリコン
部上に形成され、該第１の結晶シリコン部に比べて導電
性付与不純物の濃度が低い第２の結晶シリコン部とを有
し、該第２の結晶シリコン部上に前記水素化アモルファ
ス半導体層が形成されていることを特徴とする光セン
サ。
【請求項４】請求項３記載の光センサにおいて、前記
第１および第２の結晶シリコン部に含まれている導電性
付与不純物は、ｎ形のものであることを特徴とする光セ
ンサ。