JPH0758306A

JPH0758306A - 光センサ素子

Info

Publication number: JPH0758306A
Application number: JP5199409A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Uchida; 宏之内田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1993-08-11
Filing date: 1993-08-11
Publication date: 1995-03-03

Abstract

(57)【要約】【目的】完全密着型イメージセンサに用いられる光セ
ンサ素子のリーク電流を抑制し、かつ光応答速度を速く
する。【構成】透光性絶縁基板１上に遮光層として絶縁性黒
色薄膜２を形成し、この上に絶縁膜７を介して光電変換
層８を設ける。この絶縁性黒色薄膜８はカーボン膜，非
晶質シリコンカーボン膜でもよく、さらにカーボンブラ
ックを分散させた架橋構造を有するアクリル系樹脂、も
しくは共役系ポリマー組成物でもよい。次に、光源４に
より原稿５を照射し、反射光を光電変換層８により電気
信号に変換する。これにより、絶縁性黒色薄膜２には、
絶縁性が多少低下しても光の透過率が小さい材料が選択
でき、漏洩光によって引き起こされるリーク電流を抑制
し、かつ金属よりも電気抵抗が低くないため、電界効果
の影響がなく光電変換層８に均一な電界が形成され、光
応答速度が速くなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光センサ素子に関し、特
に原稿の幅と同じ大きさの１次元ラインセンサを形成
し、原稿と密着させながら原稿を相対的移動させながら
画像情報を読み取るファクシミリ装置，イメージリー
ダ，デジタル複写装置等に用いられる低リーク高速光応
答光センサ素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、完全密着型と呼ばれるイメージセ
ンサは、線状に配置した光センサ素子と原稿とを完全密
着させた状態で原稿を移動させることにより、ロッドレ
ンズアレイ，集光性光ファイバー等を不要にし、画像読
み取り装置の低コスト及び小型化等を目的として開発さ
れている。

【０００３】図２は、従来の完全密着型イメージセンサ
に用いられている光センサの構造を示す断面図であり、
このような構造は、例えば、特開昭５６−２７５６２号
公報に示されている。図２において、透光性絶縁基板１
上には高絶縁性遮光薄膜１４が形成され、この高絶縁性
遮光薄膜１４に入射窓３が開けられている。この高絶縁
性遮光薄膜１４上に島状に光電変換層８が形成されてい
る。そして、光電変換層８の一方の側に透光性電極１２
を、他方の側に不透光性電極１を接触させるように設
け、光センサ部６が形成されている。光センサ部６は保
護膜１０に覆われており、原稿５はこの保護膜１０上に
置かれる。光源４は透光性絶縁基板１に対し光センサ形
成面とは反対側に設けられている。

【０００４】次に、従来の光センサの動作について説明
する。光源４から発した照明光が入射窓３により原稿５
の特定の位置を照射する。原稿５から反射してきた反射
光は光センサ部６に到達し、光電変換層８で電気信号に
変換される。このような光センサを原稿と密着させ、照
明光を基板の裏面から入射させ原稿を照明し、反射して
きた光を読みとっている。

【０００５】従って、照明光が直接光電変換層８を照射
するとリーク電流が発生するため、光センサ部の基板側
には遮光膜を必要としている。図２に示す構造から判る
ように、光絶縁性遮光膜１４は直接光電変換層８に接し
ており、遮光膜は光電変換層８よりも電気抵抗が低いと
リーク電流の原因になる。このため、遮光膜は高抵抗か
つ光吸収係数の大きな物質が必要になるが、現実にはこ
のような２つの特性を同時に満足するものはほとんど知
られていない。

【０００６】また、別の構造として遮光膜として光吸収
率の大きな金属膜を用いた例もある。例えば、図３は特
開昭６４−７１１７３号公報に記載される完全密着型光
センサの構造を示す断面図である。これは透光性絶縁基
板１上に設けられた金属遮光膜１３に入射窓３が開けら
れている。金属遮光膜１３上には絶縁膜７，光電変換層
８，電極９からなる光センサ部が形成されている。光セ
ンサは保護膜１０に保護されており、原稿５はこの保護
膜１０上に置かれる。光源４は透光性絶縁基板１に対し
光センサ部形成面とは反対側に設けられている。

【０００７】次に、この動作について説明する。光源４
から発せられた照明光は透光性絶縁基板１を透過し、金
属遮光膜１３に開けられた入射部３を通り原稿５に照射
する。照明光は原稿５により乱反射され、その照明光の
一部は光センサ部に入射する。入射した光は光電変換層
８で電気信号が変換される。ここで、光変換層８に直接
照明光が当らないように遮光膜として金属膜が用いられ
るが、この金属膜と光電変換層との間に絶縁膜が形成さ
れているため、遮光膜の電気抵抗が低くてもリーク電流
が発生せず、光吸収係数が大きく遮光性能が優れている
金属膜が使用でき、光センサとしては明暗電流比が大き
くとれるという長所がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、絶縁性遮
光膜上に直接光電変換層を設ける構造では、遮光膜に高
抵抗性と低透過率性とが同時に要求されるが、実現する
ことは困難であり、実際には遮光膜の特性が不完全なた
め遮光膜の漏洩光による光リーク電流や遮光膜を通じて
流れるリーク電流が増加するという欠点がある。

【０００９】一方、遮光膜に金属膜を用い光電変換層と
の間に絶縁層を設ける構造では、前述のようなリーク電
流は低いが、光応答速度が遅くなるという欠点がある。
これは、導電性の金属遮光膜により引き起こされる電界
効果現象により光電変換層の電界分布に不均一性が生
じ、その結果、低電界領域における光キャリアの走行が
遅くなったためであると考えられる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、透光性絶縁基
板上に形成した遮光層と、前記遮光層上に配置した光電
変換層と、前記光電変換層上に透光性絶縁保護層とを有
する光センサ素子において、前記遮光層と前記光電変換
層との間に絶縁層が形成され、かつ前記遮光層が絶縁性
黒色薄膜であることを特徴とする。

【００１１】また、前記絶縁性黒色薄膜が、カーボン膜
もしくは非晶質シリコンカーボン膜からなってもよく、
さらに、カーボンブラックを分散させた架橋構造を有す
るアクリル系樹脂、もしくは共役系ポリマー組成物であ
ってもよい。

【００１２】

【作用】遮光膜に金属膜を用いた場合に光応答速度が遅
くなる原因について述べる。本来、光電変換層の両端に
設けられた電極に印加された電圧により、光電変換層に
は両電極間に均一な電界が形成されるはずである。とこ
ろが、従来の光センサ素子の構造は金属／絶縁膜／半導
体の集積構造になっており、金属遮光膜が導電性のため
の電界効果が生じ、光電変換層の電位が変調される。

【００１３】例えば、金属遮光膜に接地電位または負電
位を与えると、金属遮光膜全面が同電位であるため、光
電変換層と金属遮光膜との間が等電位になろうとして、
光電変換層は両電極の低い電位側に引き寄せられる。光
電変換層に設けられた両電極間に印加した電圧は、結果
的にほとんど高電位側の電極コンタクト付近に集中して
しまう。

【００１４】この現象は薄膜トランジスタのオフ状態に
おける電位分布とまったく等価である。このため、光変
換層の大部分は低電界になり、光信号によって励起され
た光キャリアの走行速度が極端に小さくなり、光センサ
素子特性としては光応答速度が遅くなると理解される。
従って、応答速度を早くするには、光電変換層に均一な
電界を形成すればよい。

【００１５】また、光源から光電変換層に直接光が入射
するのを防止する遮光膜が絶縁性であれば、前述したよ
うな電界効果による光電変換層の電界不均一性は発生し
ない。従って、絶縁性黒色薄膜を導電性金属のかわりに
遮光膜に用いれば、高速な光応答速度を持つ光センサ素
子ができる。

【００１６】しかも、遮光膜上に絶縁層を介して光電変
換層を設ける場合、遮光膜の抵抗率が１０⁷Ｓ／ｃｍで
あっても光応答速度の低下は認められていない。この程
度まで遮光膜に対する抵抗率の許容範囲が広がると、絶
縁性遮光膜の材料選択に与える制限が緩和され、実用的
な特性を有する材料がある。

【００１７】例えば、すでに知られているように、無機
膜としては１９９０年１１月、アプライド・フィジック
ス・レターズ、第５７巻、第２２号、２２８８頁（Ａｐ
ｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｌｅｔｔ．５７（２２），２２８
８，１９９０）に示されるようなダイヤモンド状カーボ
ンや１９８５年１１月、アプライド・フィッジックス・
エー、第３８巻、３７〜４３頁（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．，Ａ３８，３７−４３，１９８５）に示されるよう
な非晶質シリコンカーボイト膜がある。

【００１８】このような膜は、プラズマＣＶＤ法やスパ
ッタ法により３００℃以下の温度で形成でき、高抵抗か
つ１０⁴ｃｍ^-1以上の光吸収係数を有しており、本発明
の光センサ用遮光膜に適している。しかも、このような
無機膜は、次工程の絶縁膜及び光電変換層の成膜工程と
同じ製造装置で形成できるため、光センサの製造プロセ
スと整合性がよいという特徴がある。

【００１９】また、有機膜としては、すでに液晶ディス
プレイのブラックマトリックスに用いられているカーボ
ンブラックのような分散型膜や、共役系ポリマーを用い
ることができる。

【００２０】カーボンブラックのような分散型膜として
は、カーボンブラックを分散させた架橋構造を有するア
クリル系樹脂が遮光用絶縁性黒色薄膜として適してい
る。この樹脂は、光重合反応を使用して製造することが
できることから、紫外線露光を用いたフォトリソグラフ
ィ技術でパターニングが可能である。また、膜形成もス
ピンコート等の比較的安価な製造装置でよく、製造コス
トが安いという特徴がある。

【００２１】一方、共役系ポリマーとしては、例えば、
ポリピロール，ポリチオフェン，ポリフラン，ポリセレ
ノフェン等の複素５員環式化合物重合体やポリヘキシル
チオフェン，ポリオクチルチオフェン、及びポリフェニ
ルチオフェン等の複素５員環式化合物重合体のアルキル
置換体、及びアリール置換体等の誘導体，ポリフェニレ
ン，ポリナフタレン，ポリアントラセン，ポリアズレ
ン，ポリイソチアナフテン等の多核芳香族化合物重合体
やポリメトキシフェニレン等の誘導体、ポリフェニルア
セチレン等のポリアセチレン誘導体、ポリフェニレンビ
ニレン，ポリチェニレンビニレン及びそれらの誘導体、
ポリアニリン及びその誘導体等が使用できる。

【００２２】また、共役系ポリマー薄層の形成方法とし
ては、基板上で直接芳香族化合物を重合する方法や共役
系ポリマーの溶液を必要な部分に塗布する方法等が挙げ
られる。本発明における共役系ポリマー組成物のパター
ニング方法としては、例えば、共役系ポリマー組成物も
しくはその溶液を印刷によってパターニングする方法
や、レジスト層を形成してドライエッチング等のリソグ
ラフィー技術を利用する方法等がある。

【００２３】これら共役系ポリマーは、無機物に比較し
て光の吸収係数が大きく、膜厚が薄くても透過光を小さ
くできる。これは、段差が小さくなり配線の断線が減
り、製造歩留まりが良くなるという長所もある。また、
ポリアニリン等は３００℃の温度下でも変化せず、プロ
セス適合性に優れている。

【００２４】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。図１は、本発明の一実施例の構造を示す断面図であ
る。図１は光センサ素子の１素子分の構造を示してある
が、ファクシミリ等の画像読み取り装置に用いる場合
は、この光センサ素子を原稿５の横方向（原稿５の移動
方向と直行する方向）にライン状に複数個並べて、１次
元ラインセンサを形成する。

【００２５】例えば、原稿５の横方向にＡ４版サイズ相
当の２１６ｍｍに渡って８本／ｍｍの解像度を持たせる
とすれば、１７２８個の光電変換素子部を配列させるこ
とになる。また、図中には示されていないが、透光性絶
縁基板１上の他の部分には、光センサの光信号を蓄積す
るコンデンサと、このコンデンサに蓄積された電荷を転
送して信号処理するための薄膜トランジスタで形成した
スイッチとが形成されている。

【００２６】図１において、透光性絶縁基板１上に絶縁
性黒色薄膜２が形成される。ここで、透光性絶縁基板１
としてガラスを用いた。また、絶縁性黒色薄膜２とし
て、本実施例では、プラズマＣＶＤ法で形成したダイヤ
モンド状カーボンを用いた。ダイヤモンドカーボンは、
メタンガスを１３．５６ＭＨｚの高周波プラズマＣＶＤ
法で膜厚８００ｎｍ形成した。この膜の波長５７０ｎｍ
の光に対する透過率は８％であった。成膜条件は、１０
０ｍＴｏｒｒ，放電電力１ｋＷ，基板温度は８０℃であ
る。そして、フォトリソグラフィ法により希望のパター
ンのマスクを形成し、ドライエッチング法でエッチング
を行い、ダイヤモンド状カーボン膜からなる絶縁性黒色
薄膜２を形成した。

【００２７】この絶縁性黒色薄膜２上に絶縁膜７を介し
て光電変換層８が形成される。絶縁膜７と光電変換層８
とは、それぞれプラズマＣＶＤ法で形成した窒化シリコ
ン膜と非晶質シリコン膜とを用いた。薄膜トランジスタ
において、ゲート絶縁膜には窒化シリコン膜を、また、
半導体膜には非晶質シリコン膜を用いることで良好な特
性が得られることが知られている。従って、これら材料
を光センサに用いることで、１回の成膜で同じ基板上に
光センサとスイッチ用薄膜トランジスタとが形成でき、
低コスト化が可能になる。

【００２８】他の材料、例えば、絶縁膜にはシリコン酸
化膜タンタル酸化膜と窒化シリコン膜との２層膜なども
用いることができる。また、半導体膜である光電変換層
としても、非晶質シリコンの他に、非晶質シリコンゲル
マニウム，非晶質シリコンカーバイト，ポリシリコンな
ど絶縁性黒色薄膜が劣化しない温度で形成可能であって
光電導現象が見られる薄膜ならばどのような材料を用い
てもよい。

【００２９】光電変換層８の両端には光信号を取り出す
ための電極が設けられている。ここでは電極材料として
クロミウムを用いたが他の材料でもよい。また、図１に
は省略されているが、光電変換層と電極とが接する部分
には、オーミックコンタクト形成用ｎ型非晶質シリコン
膜（膜厚４００オングストローム）が設けられている。
光源４としては発光中心波長５７０ｎｍのＬＥＤを使用
し、透光性絶縁基板１の光センサ素子が形成されている
面の反対側に設けられている。このような光センサ部６
の上に保護膜１０が形成され光センサ素子が完成する。

【００３０】保護膜１０としては、ここではポリイミド
膜，エポキシ系樹脂膜及びマイクロシートガラスの３層
膜を用いている。そして、原稿５は光センサ素子の保護
膜１０上に直接密着するように配置される。

【００３１】次に、図１に示す光センサ素子の動作につ
いて説明する。光源４から入射した光は透光性絶縁基板
１を透過して光センサ形成面に到達する。ここで、ほと
んどの光は絶縁性黒色薄膜２で吸収されるが、同膜に開
けられた入射窓３に入射した光は保護膜１０を透過し、
原稿５を照明する。照明される原稿５の面積は、ほぼ入
射窓３の面積に相当しており、この光センサ素子の位置
の分解能が決定される。原稿面では光は乱反射し入射窓
３の近傍に光センサ素子が形成されているため、一部の
光は反射して光センサ部６に到達する。これにより、原
稿５から反射してきた光は電気信号に変換され読み出さ
れる。

【００３２】ここで、本実施例の光センサ素子の光応答
速度を測定したところ、立ち上がりが６ミリ秒，立ち下
がりが１０ミリ秒であった。これは、従来の遮光膜とし
て金属膜を用いた素子の３０〜５０ミリ秒に比較して５
倍程度速くなっている。また、リーク電流は非常に小さ
く、光電流の１／３００以下の値であった。

【００３３】次に、本発明の第２の実施例について述べ
る。作成した光センサ素子の構造は、第１の実施例と同
じ構造であり、図１の通りである。本実施例では、透光
性絶縁基板１上にカーボンブラックを分散させた架橋構
造を有するアクリル系樹脂からなる絶縁性遮光膜を形成
した。

【００３４】以下、形成方法について詳細に述べる。ま
ず、無水マレイン酸とポリエチレングリコールのオリゴ
エステルアクリレートとからなるアクリル系樹脂に、光
重合開始材，カーボンブラックからなる黒色顔料を加
え、エチルセルフォルブ（２−エトキシエヌノール）か
らなる溶剤で粘度を調整し、希釈した黒色ネガレジスト
をスピンコータを用いて光学濃度２．５以上となる１〜
２．５μｍの厚さに塗布し、プリベークにより溶剤を蒸
発させた。

【００３５】続いて、水溶液ポリビニールアルコールか
らなる酸素遮断膜を塗布し、黒色ネガレジスト中での光
重合反応を円滑に起こるように工夫した。ここで、紫外
線を用いて黒色ネガレジストを遮光膜のパターンで露光
し、界面活性剤を用いて現像し黒色遮光膜パターンを形
成した。その後、通常の方法により光センサを形成し
た。

【００３６】本実施例の光センサ素子の光応答速度を測
定したところ、立ち上がり８ミリ秒，立ち下がりが１０
ミリ秒であり、かつリーク電流も非常に小さかった。

【００３７】次に、本発明の第３の実施例について述べ
る。光センサ素子構造は図１に示す構造と同じである。
本第３の実施例では、絶縁性黒色薄膜として有機膜、具
体的にはポリアニリンを用いている。以下に、このポリ
アニリン膜を形成する工程について詳述する。

【００３８】まず、ガラス基板である透光性絶縁基板上
に、５重量％ポリアニリンのＮ−メチルピロリドン溶液
を塗布し、１２０℃減圧下で２時間乾燥した。ポリアニ
リンの重合はアニリンをモノマーとして等モルの硝酸水
溶液中、ペルオキソ２硫酸アンモニウムを酸化剤として
行い、アンモニア水で中性化した後、水，アセトンで洗
浄し、これをＮ−メチルピロリドンに溶解してポリアニ
リン溶液とした。

【００３９】合成したポリアニリン溶液から作成した薄
膜の導電率は、１．８×１０^-10Ｓ／ｃｍであった。ま
た、このポリアニリンの膜厚は０．５μｍであり、波長
５７０ｎｍに対する光の透過率は２％であった。本ポリ
アニリン層のパターニングにはドライエッチングを用い
レジスト膜との膜厚差を利用した。このようにして、絶
縁性黒色薄膜２が得られた。

【００４０】その後、第１の実施例と同様な材料プロセ
スで光センサ素子を形成したが、この工程を経てもポリ
アニリン膜の絶縁性，遮光性は劣化せず、このセンサ素
子ではポリアニリン膜を用いたことによる動作不良は認
められなかった。また、本実施例の光センサ素子の光応
答速度を測定したところ、立ち上がりが６ミリ秒，立ち
下がりが１０ミリ秒であり、かつリーク電流も非常に小
さかった。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の光センサ素
子は、光センサ部の遮光膜に絶縁性黒色薄膜を用い、か
つ絶縁性黒色薄膜と光電変換層との間に絶縁膜を設けて
いるため、光センサ素子のリーク電流が小さくなり、か
つ光応答速度が速くなるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図である。

【図２】従来の光センサ素子の一例を示す断面図であ
る。

【図３】従来の光センサ素子の別の例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１透光性絶縁基板２絶縁性黒色薄膜３入射窓４光源５原稿６光センサ部７絶縁膜８光電変換層９電極１０保護膜１１不透光性電極１２透光性電極１３金属遮光膜１４高絶縁遮光膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】透光性絶縁基板上に形成した遮光層と、
前記遮光層上に配置した光電変換層と、前記光電変換層
上に透光性絶縁保護層とを有する光センサ素子におい
て、前記遮光層と前記光電変換層との間に絶縁層が形成
され、かつ前記遮光層が絶縁性黒色薄膜であることを特
徴とする光センサ素子。
【請求項２】前記絶縁性黒色薄膜がカーボン膜もしく
は非晶質シリコンカーボン膜からなることを特徴とする
請求項１記載の光センサ素子。
【請求項３】前記絶縁性黒色薄膜がカーボンブラック
を分散させた架橋構造を有するアクリル系樹脂からなる
ことを特徴とする請求項１記載の光センサ素子。
【請求項４】前記絶縁性黒色薄膜が共役系ポリマー組
成物であることを特徴とする請求項１記載の光センサ素
子。