JPH06224459A

JPH06224459A - 受光素子

Info

Publication number: JPH06224459A
Application number: JP5199584A
Authority: JP
Inventors: Masamichi Okamura; 正通岡村; Satoru Suzuki; 哲鈴木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-12-02
Filing date: 1993-08-11
Publication date: 1994-08-12

Abstract

(57)【要約】【目的】絶縁性基板上に形成可能で大面積化や低コス
ト化が容易であり、かつ近赤外の光に対して感度のある
受光素子を提供する。【構成】ガラス基板１上に、光の入射側から順に、透
明電極２，第１の導電型半導体としてのボロンドープの
ｐ型アモルファスシリコン３，第１のｉ型半導体薄膜と
してのノンドープのｉ型アモルファスシリコンゲルマニ
ウム４，第１の導電型の半導体膜としてボロンドープの
ｐ型アモルファスシリコン５，第２のｉ型半導体薄膜と
してノンドープのｉ型アモルファスシリコン６および第
２の導電型の半導体薄膜としてリンドープのｎ型アモル
ファスシリコン７を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信，光情報処理，
イメージセンシング等に用いる受光素子で、可視光から
近赤外光まで広範な波長の受光が可能な受光素子に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信や光情報処理の分野において、光
源となる半導体レーザ技術にともない、０．８μｍから
１．６μｍまでの範囲の近赤外光の処理および受光技術
がますます重要になっている。その中で、特に光通信に
おいて重要な、１．３μｍ付近ならびに１．５５μｍ付
近の波長領域の受光素子としては、例えばインジウム・
ガリウム・砒素のような化合物半導体の単結晶、または
ゲルマニウムの単結晶のフォトダイオードが用いられて
いる。

【０００３】一方、アモルファスシリコンは、ガラス基
板上に安価にしかも大面積で形成可能であり、可視光の
吸収係数が大きく、１００ｎｍ程度の薄膜でも光感受性
があるため、ファクシミリ，コピー等の機器におけるイ
メージセンサ用受光素子として幅広く使用されている。
アモルファスシリコンの受光素子の構造には、不純物を
ドープしていないｉ層にオーミック電極を設けた光伝導
素子、ｐ層，ｉ層，ｎ層を積層したフォトダイオード、
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の光応答を用いるフォトト
ランジスタなどがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】最近、光通信や光情報
処理分野の技術の進展により、多数の光ファイバの光
や、多数の空間光ビームを並列に処理する技術の研究が
盛んになっている。このような空間光ビームの並列処理
において、光ビームのモニタリングや光学部品の位置合
わせを行うために、２次元のアレイ状に受光素子を配列
した装置が必要となる。しかし、化合物半導体の単結晶
でそのような構造を実現しようとすると、材料が高価な
こと、構造が複雑なことから、コストが高いという問題
がある。また、ゲルマニウムも含めて単結晶材料では、
基板結晶の大きさが限られているため、２次元のアレイ
状に多数の受光素子を並べるような、比較的大きな面積
の装置の作製は困難である。

【０００５】また、最近、電気信号と光信号とを同一半
導体チップ内で処理する、モノリシックな半導体光集積
回路の研究も盛んになっている。しかしながら、シリコ
ン結晶の受光素子が１．３μｍないし１．５５μｍの波
長の光には感度がないため、従来のモノリシック半導体
光集積回路の研究では、高価な化合物半導体結晶基板上
に１．３μｍないし１．５５μｍの波長の光に感度のあ
る化合物半導体結晶薄膜を結晶成長させた構造か、また
はシリコン基板上に格子不整合を緩和する特殊な方法を
用いて１．３μｍないし１．５５μｍの波長の光に感度
のある化合物半導体結晶薄膜を結晶成長させた構造を用
いている。よって、これらのモノリシック半導体光集積
回路も、材料が高価で構造が複雑なためコストが高いと
いう問題があり、また、特にシリコン基板を用いる後者
では製造技術が未熟なため、十分な特性を得るに至って
いないという問題もある。

【０００６】一方、アモルファス半導体は、絶縁性基板
あるいはシリコン基板等の上に、基板を選ばずに低コス
トで大面積に形成可能である。しかしながら、アモルフ
ァスシリコンはバンドギャップが約１．７ｅＶで、０．
７５μｍより短い波長にしか感度がない。また、シリコ
ンよりバンドギャップの狭いゲルマニウムであっても、
アモルファスゲルマニウムにすると、バンドギャップが
約１ｅＶで、１．２４μｍよりも短い波長にしか感度が
ない。よって、従来構造のアモルファス半導体受光素子
では、１．３μｍないし１．５５μｍの波長の光に対し
ては出力が取り出せないという問題がある。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑み、絶縁性
基板上やシリコン基板上に形成可能で大面積化や低コス
ト化が容易であり、かつ従来の受光素子とは異なる原理
に基づいて近赤外の光に対して感度のある受光素子を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の第１の受光素子は、第１の導電型を有する半導体薄
膜からなる第１層と、高抵抗半導体薄膜からなる第２層
と、第１の導電型を有する半導体薄膜からなる第３層
と、不純物をドープしていないｉ型半導体薄膜からなる
第４層と、第２の導電型の半導体薄膜からなる第５層と
を順に配しかつ前記第１層および第５層の表面に電極を
配した構造を有し、前記第２層の高抵抗半導体薄膜が、
アモルファスシリコンにゲルマニウム，炭素および窒素
から選ばれた少なくとも１つを混合した半導体，アモル
ファスシリコン，またはアモルファスゲルマニウムの何
れかであることを特徴とする。

【０００９】また、本発明の第２の受光素子は、第１の
導電型を有する半導体薄膜からなる第１層と、高抵抗半
導体薄膜からなる第２層と、第１の導電型を有する半導
体結晶薄膜からなる第３層と、第２の導電型の半導体結
晶薄膜からなる第４層とを順に配しかつ前記第１層およ
び第４層の表面に電極を配した構造を有し、前記第２層
の高抵抗半導体薄膜として、アモルファスシリコンにゲ
ルマニウム，炭素および窒素から選ばれた少なくとも１
つを混合した半導体，アモルファスシリコン，またはア
モルファスゲルマニウムの何れかを用いたことを特徴と
する。

【００１０】本発明の高抵抗半導体薄膜を構成する、ア
モルファスシリコンにゲルマニウム，炭素および窒素か
ら選ばれた少なくとも１つを混合した半導体としては、
代表的には、シリコンゲルマニウム、またはシリコンゲ
ルマニウムに炭素もしくは窒素を混合したものなどを挙
げることができる。また、高抵抗半導体薄膜を構成する
上述した半導体、アモルファスシリコンまたはアモルフ
ァスゲルマニウムは、ノンドープで用いる他、バンドギ
ャップ内の光励起によってキャリアを発生する密度を増
やすため、例えば、リン、ホウ素、窒素などの不純物を
少量ドープしてもよい。

【００１１】

【作用】上記第１の構成において、第１の導電型の半導
体薄膜からなる第３層と第２の導電型半導体薄膜からな
る第５層との間が逆バイアスになる向きに、両端の電極
に電圧を印加すると、印加した電圧のほとんどが、第１
の導電型の半導体薄膜からなる第３層と第２の導電型の
半導体薄膜からなる第５層との間に加わり、不純物をド
ープしていないｉ型半導体薄膜からなる第４層に高電界
が印加された状態になる。この状態で高抵抗半導体薄膜
からなる第２層に近赤外光が入射すると、この高抵抗半
導体薄膜は、アモルファスシリコンにゲルマニウム等を
混合した半導体、アモルファスシリコン、またはアモル
ファスゲルマニウムからなり、バンドギャップ内に連続
分布した準位を持っているので、近赤外光のエネルギー
に対応したバンドギャップ内の準位からごくわずかのキ
ャリアが伝導帯または価電子帯に励起される。発生した
キャリアは、第２層の高抵抗半導体薄膜中の弱い電界で
引っ張られ、高電界が印加されている第４層の不純物を
ドープしていないｉ型半導体薄膜に注入され、そこに印
加された高電界によって、衝突電離により雪崩増倍が引
き起こされ、増幅される。このため、第２層の高抵抗半
導体薄膜のバンドギャップよりもエネルギーの小さい、
すなわち波長の長い光であっても、外部に光出力を取り
出すことができる。

【００１２】かかる第１の構成では、第１層から第５層
までの全てをアモルファス半導体薄膜で構成することが
できる。この場合、逆方向電圧の印加による高電界で雪
崩増倍を起こす領域に、第３層の第１の導電型の半導体
薄膜と第５層の第２の導電型の半導体薄膜とを直接接合
したｐｎ接合を用いると、アモルファス材料に特有のバ
ンドギャップ内の準位の関与した熱的なキャリアの生成
・再結合のために逆方向電圧印加時に大きな暗電流が流
れて、光キャリアの増倍を行うことができない。これを
防ぐために、第１の構成では、第３層の第１の導電型の
半導体薄膜と第５層の第２の導電型の半導体薄膜との間
に、第４層の不純物をドープしていないｉ型半導体薄膜
を挟んだ構成としている。

【００１３】しかし、第２の構成では、第３層の第１の
導電型の半導体薄膜と第４層の第２の導電型の半導体薄
膜とに半導体結晶薄膜用いているので、直接接合したｐ
ｎ接合としても、上述した不具合はない。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００１５】（実施例１）図１は、本発明の受光素子の
第１の実施例を示す断面図である。同図に示すように、
この受光素子は、ガラス基板１の上に、ＩＴＯ透明電極
（ＩＴＯ：ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）２を形
成した後、第１の導電型の半導体薄膜として３０ｎｍの
ボロンドープのｐ型アモルファスシリコン３，不純物を
ドープしていない第１のｉ型半導体薄膜として４００ｎ
ｍのノンドープのｉ型アモルファスシリコンゲルマニウ
ム４，第１の導電型の半導体薄膜として２０ｎｍのボロ
ンドープのｐ型アモルファスシリコン５，不純物をドー
プしてないｉ型半導体薄膜として５０ｎｍのノンドープ
のｉ型アモルファスシリコン６および第２の導電型の半
導体薄膜として２０ｎｍのリンドープのｎ型アモルファ
スシリコン７を、順にプラズマＣＶＤ法で形成し、さら
に電極８をアルミニウムのスパッタリング法で形成した
ものである。

【００１６】次に、図２を用いて、本実施例の受光素子
の動作を説明する。図２は、図１の受光素子に逆バイア
スを印加したときの、エネルギーバンド図であり、同一
部分には同一符号を付してある。なお、アモルファスシ
リコンゲルマニウムのバンドギャップよりもごくわずか
エネルギーの大きな光が入射した場合の動作を説明す
る。

【００１７】図２に示すように、ｉ型アモルファスシリ
コン６を挟んで存在するｐ型アモルファスシリコン５と
ｎ型アモルファスシリコン７は、バイアス電圧に対して
逆方向であるので、電圧のほとんどが印加され、高電界
になっている。この状態で、ｉ型アモルファスシリコン
ゲルマニウム４のバンドギャップよりエネルギーのわず
かに大きい、すなわち短波長の入射光９によって、ｉ型
アモルファスシリコンゲルマニウム４内で、ごくわずか
ではあるが光生成キャリアとして電子１０，正孔１１が
発生する。このうち、電子１０は、ｉ型アモルファスシ
リコンゲルマニウム４にかかっている弱い電界によって
移動し、高電界のかかっているｉ型アモルファスシリコ
ン６に注入される。注入された電子１０は、高電界のエ
ネルギーにより衝突電離現象を引き起こし、多数の電子
１２を発生させ、雪崩増倍が起こる。この結果、光導電
特性が悪く導電率の明暗比が小さいアモルファスシリコ
ンゲルマニウムを用いても外部に出力を取り出すことが
可能となる。

【００１８】図３に、図１の受光素子に逆バイアスを印
加したときの電流−電圧特性を示す。波長１μｍの近赤
外を約４００μＷで照射したとき、暗時に対して１０倍
程度の出力が得られた。

【００１９】（実施例２）図４は、本発明の受光素子の
第２の実施例を示す断面図である。同図に示すように、
この受光素子は、ガラス基板２１の上に、ＩＴＯ透明電
極２２を形成した後、第１層の第１の導電型の半導体薄
膜として３０ｎｍのリンドープのｎ型アモルファスシリ
コン２３，第２層の高抵抗半導体薄膜として４００ｎｍ
のノンドープのｉ型アモルファスシリコン２４，第３層
の第１の導電型の半導体薄膜として２０ｎｍのリンドー
プのｎ型アモルファスシリコン２５，第４層の不純物を
ドープしてないｉ型半導体薄膜として５０ｎｍのノンド
ープのｉ型アモルファスシリコン２６、および第５層の
第２の導電型の半導体薄膜として２０ｎｍのボロンドー
プのｐ型アモルファスシリコン２７を、順にプラズマＣ
ＶＤ法で形成したものである。その後、電極２８として
モリブデンおよびアルミニウムの２層薄膜をスパッタリ
ング法で形成した。

【００２０】次に、図５を用いて、本実施例の受光素子
の動作を説明する。図５は、図４の受光素子に逆バイア
スを印加したときの、エネルギーバンド図であり、図４
と同一部分には同一符号を付してある。なお、ここでは
アモルファスシリコンのバンドギャップよりもエネルギ
ーの小さい光が入射した場合の動作を説明する。

【００２１】図５に示すように、第４層ｉ型アモルファ
スシリコン２６を挟んで存在するｎ型アモルファスシリ
コン２５とｐ型アモルファスシリコン２７は、バイアス
電圧に対して逆方向であるので、電圧のほとんどが印加
され、高電界になっている。一方、第２層ｉ型アモルフ
ァスシリコン２４内には弱い電界がかかっている。ま
た、第２層ｉ型アモルファスシリコン２４は、そのバン
ドギャップ内準位のエネルギー分布を表す図６に示すよ
うに、バンドギャップ内に連続した分布の準位を持って
いる。したがって、この状態で第２層ｉ型アモルファス
シリコン２４のバンドギャップよりエネルギーの小さ
い、すなわち長波長の入射光２９が第２層ｉ型アモルフ
ァスシリコン２４に入射すると、第２層ｉ型アモルファ
スシリコン２４では、価電子帯端から入射光２９のエネ
ルギーだけ離れた準位３０に価電子帯の電子３１が励起
され、正孔３２が価電子帯に発生する。この正孔３２は
第２層ｉ型アモルファスシリコン２４にかかっている弱
い電界によって移動し、高電界のかかっている第４層ｉ
型アモルファスシリコン２６に注入される。注入された
正孔３２は、高電界のエネルギーにより衝突電離現象を
引き起こし、多数の正孔３３を発生させ、雪崩増倍が起
こる。この結果、外部に出力を取り出すことが可能とな
る。

【００２２】図７に図４の実施例の受光素子に逆バイア
スを印加したときの電流−電圧特性を示す。雪崩増倍が
起こる−１０Ｖバイアス時に、バンドギャップよりも小
さいエネルギーである０．８ｅＶ、すなわち波長１．５
５μｍの近赤外を約４００μＷで照射したとき、暗電流
に対して約２０倍の光出力が得られた。さらに、入射光
をエネルギー０．９５ｅＶ、すなわち波長１．３μｍの
近赤外光としたときも、ほぼ同じ特性が得られた。

【００２３】なお、本実施例の受光素子は、第２層ｉ型
アモルファスシリコン２４のバンドギャップエネルギー
約１．７ｅＶよりも大きいエネルギー、すなわち０．７
５μｍよりも短い波長の光に対しても、従来の受光素子
と同様の感度を有しており、可視光から近赤外光まで、
広範な波長の受光が可能である。

【００２４】以上説明した第１および第２の実施例で
は、光を吸収してキャリアを発生させる層である、高抵
抗半導体層からなる第２層にノンドープのｉ型アモルフ
ァスシリコンを用いたが、バンドギャップ内の光励起に
よってキャリアを発生する密度を増やすため、例えば、
リン、ホウ素、窒素などの不純物を少量ドープしてもよ
い。また、第１の導電型と第２の導電型を入れ替えても
よいことは言うまでもない。

【００２５】さらに、第１および第２の実施例では、光
を吸収してキャリアを発生させる層である、高抵抗半導
体薄層からなる第２層以外の半導体薄膜にアモルファス
半導体薄膜を用いたが、アモルファス半導体薄膜に限定
されず、ｐ、ｉ、ｎを制御できる半導体薄膜であれば、
アモルファス、結晶、多結晶の何れも使用できる。この
一例を次に示す。

【００２６】（実施例３）図８は、本発明の受光素子の
第３の実施例を示す断面図である。同図に示すように、
本実施例では、第５層としてｐ型低抵抗シリコン結晶層
４１を用い、この上のノンドープエピタキシャルシリコ
ン結晶層４２を第４層、さらにこの上のリンをイオン注
入したｎ型シリコン結晶層４３を第３層としてそれぞれ
用いている。そして、ｎ型シリコン結晶層４３の上に、
第２層としてノンドープのｉ型アモルファスシリコン４
４、第１層としてリンドープのｎ型アモルファスシリコ
ン４５をそれぞれ作製し、さらに第１層のリンドープｎ
型アモルファスシリコン４５および第５層のｐ型低抵抗
シリコン結晶層４１に、それぞれ電極４６および４７を
形成して受光素子とした。

【００２７】本実施例の受光素子も上述した実施例の受
光素子と同様に動作可能なものである。

【００２８】（実施例４）第２の実施例では、第１層か
ら第５層までの全てをアモルファスシリコンで構成する
場合を説明した。この場合、逆方向電圧の印加による高
電界で雪崩増倍を起こす領域に、第３層の第１の導電型
の半導体薄膜と第５層の第２の導電型の半導体薄膜とを
直接接合したｐｎ接合を用いると、アモルファス材料に
特有のバンドギャップ内の準位の関与した熱的なキャリ
アの生成・再結合のために逆方向電圧印加時に大きな暗
電流が流れて、光キャリアの増倍を行うことができな
い。これを防ぐために、上記第２の実施例では、第３層
の第１の導電型の半導体薄膜２５と第５層の第２の導電
型の半導体薄膜２７との間に、第４層の不純物をドープ
していないｉ型半導体薄膜２６を挟んだ構成としてい
る。

【００２９】しかし、雪崩増倍を起こす領域を半導体結
晶を用いて構成する場合には、上述した実施例の第４層
の不純物をドープしていないｉ型半導体薄膜がなくても
本発明の受光素子を構成することができる。この例を次
に示す。

【００３０】図９は、本発明の受光素子の第４の実施例
を示す。同図に示すように、本実施例では、ｐ型低抵抗
シリコン結晶基板５１を第４層の第２の導電型の半導体
結晶薄膜とし、その表面へのリンのイオン注入によりｎ
型シリコン層５２を形成して第３層の第１の導電型の半
導体結晶薄膜としている。そして、このｎ型シリコン層
５２上に、第２層の高抵抗半導体薄膜として膜厚４００
ｎｍのノンドープのｉ型アモルファスシリコン５３と、
第１層の第１の導電型の半導体薄膜として膜厚２０ｎｍ
のリンドープのｎ型アモルファスシリコン５４を、順次
プラズマＣＶＤ法で形成し、さらに電極５５および５６
を形成して受光素子とした。

【００３１】本実施例の受光素子も上述した実施例の受
光素子と同様に動作可能なものである。

【００３２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の受光素子
は、光吸収層にバンドギャップ内に光励起によってキャ
リアを発生する準位のある材料を用い、バンドギャップ
よりも小さなエネルギーの光入射で発生したごくわずか
のキャリアを雪崩増倍によって増幅して外部に出力する
ため、バンドギャップエネルギーよりもエネルギーの小
さな近赤外光の受光が可能である。また、本発明の受光
素子は、絶縁性基板やシリコン基板上に形成可能なアモ
ルファス半導体を用いているため、近赤外光に対して感
度がありかつ大面積なものを低コストで形成可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る受光素子の断面構
造を示す断面図である。

【図２】図１の受光素子の動作を説明するためのエネル
ギーバンド図である。

【図３】図１の受光素子の電流−電圧特性図である。

【図４】本発明の第２の実施例に係る受光素子の断面構
造を示す断面図である。

【図５】図４の受光素子の動作を説明するためのエネル
ギーバンド図である。

【図６】アモルファスシリコンのバンドギャップ内準位
のエネルギー分布図である。

【図７】図４の受光素子の電流−電圧特性図である。

【図８】本発明の第３の実施例に係る受光素子の断面構
造を示す断面図である。

【図９】本発明の第４の実施例に係る受光素子の断面構
造を示す断面図である。

【符号の説明】

１ガラス基板２ＩＴＯ透明電極３ボロンドープのｐ型アモルファスシリコン４ノンドープのｉ型アモルファスシリコンゲルマニウ
ム５ボロンドープのｐ型アモルファスシリコン６ノンドープのｉ型アモルファスシリコン７リンドープのｎ型アモルファスシリコン８アルミニウム電極９入射光１０光照射で生じた電子１１光照射で生じた正孔１２衝突電離によって生じた多数の電子２１ガラス基板２２ＩＴＯ透明電極２３リンドープのｎ型アモルファスシリコン２４ノンドープのｉ型アモルファスシリコン２５リンドープのｎ型アモルファスシリコン２６ノンドープのｉ型アモルファスシリコン２７ボロンドープのｐ型アモルファスシリコン２８モリブデン・アルミニウム２層電極２９入射光３０価電子帯端から入射光のエネルギーだけ離れた準
位３１価電子帯の電子３２，３３正孔４１，５１ｐ型低抵抗シリコン結晶基板４２ノンドープのエピタキシャルシリコン結晶層４３，５２リンをイオン注入したｎ型シリコン結晶層４４，５３ノンドープｉ型アモルファスシリコン４５，５４リンドープｎ型アモルファスシリコン４６，４７，５５，５６電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の導電型を有する半導体薄膜からな
る第１層と、高抵抗半導体薄膜からなる第２層と、第１
の導電型を有する半導体薄膜からなる第３層と、不純物
をドープしていないｉ型半導体薄膜からなる第４層と、
第２の導電型の半導体薄膜からなる第５層とを順に配し
かつ前記第１層および第５層の表面に電極を配した構造
を有し、前記第２層の高抵抗半導体薄膜が、アモルファ
スシリコンにゲルマニウム，炭素および窒素から選ばれ
た少なくとも１つを混合した半導体，アモルファスシリ
コン，またはアモルファスゲルマニウムの何れかである
ことを特徴とする受光素子。
【請求項２】第１の導電型を有する半導体薄膜からな
る第１層と、高抵抗半導体薄膜からなる第２層と、第１
の導電型を有する半導体結晶薄膜からなる第３層と、第
２の導電型の半導体結晶薄膜からなる第４層とを順に配
しかつ前記第１層および第４層の表面に電極を配した構
造を有し、前記第２層の高抵抗半導体薄膜が、アモルフ
ァスシリコンにゲルマニウム，炭素および窒素から選ば
れた少なくとも１つを混合した半導体，アモルファスシ
リコン，またはアモルファスゲルマニウムの何れかであ
ることを特徴とする受光素子。