JPH08153888A

JPH08153888A - 光電変換装置及びそれを用いた光センサ

Info

Publication number: JPH08153888A
Application number: JP6326441A
Authority: JP
Inventors: Kouichirou Shinraku; 浩一郎新楽; Hiroaki Yoshida; 裕章吉田; Yoshiharu Hasegawa; 義治長谷川; Yoji Ueda; 洋士上田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 1996-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】極めて単純な構成で分光感度特性が光活性層
に印加するバイアス電圧にしたがって変化させることが
可能な優れた光電変換装置及びそれを用いた光センサを
提供すること。【構成】少なくとも受光面電極層１、光活性層２、及
び裏面電極層３を順次積層して成り、光活性層２に受光
面電極層１及び裏面電極層３を介して電圧を印加するよ
うに成した光電変換装置Ｓであって、光活性層２は少な
くとも一つのポテンシャル障壁が形成されるようにバン
ドギャップエネルギーが異なる複数の半導体層を積層せ
しめて形成されて、光活性層２に印加する電圧の変化に
応じてポテンシャル障壁の大きさを変えることにより分
光感度特性を変化させるように成したことを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、受光素子，照度セン
サ，カラーセンサ等に用いられる光電変換装置に関し、
特に分光感度特性がバイアス電圧によって変化する光電
変換装置及びそれを用いた光センサに関する。

【０００２】

【従来技術とその問題点】従来よりダイオード構造を有
する光電変換装置の分光感度特性は１素子１分光感度特
性が一般的である。また、１素子多分光感度特性を有す
る素子としては、例えば図５に示すように、透光性のガ
ラス基板５０上にカラーフィルタ５１，絶縁性の保護コ
ート層５２を積層して成る基体５３上に、透明透明電極
層５４、半導体層５５、裏面電極層５６を積層させて構
成された光電変換装置Ｓ０が知られており、ＲＧＢホワ
イトバランスセンサ等のカラーセンサに用いられたり、
多層薄膜構造を有する特定波長光が所定深さで感知され
るように構成した受光素子等が知られている（例えば特
開平４−３０３９７２号公報、特開平６−１２０５５４
号公報を参照）。

【０００３】しかしながら、上述のようなカラーフィル
タを用いたものでは、異なった分光感度特性に応じた複
数の受光面を必要とするので、それを形成するための製
造工程が増加し煩雑となる。また、多層薄膜構造を有す
るものでは受光面を単一にすることができるが、各層間
毎に電極を必要とするので、これを形成させるための製
造工程が増加し、やはりこの場合においても製造が煩雑
となるので問題である。

【０００４】さらに、上述した構造の光電変換装置で
は、分光感度特性数に応じた端子数が必要とされるの
で、構造上の点でも複雑となる上、大型化にならざるを
得ない。このように、従来の光電変換装置では例えば２
端子構造のような単純な構成でもって２つ以上の分光感
度特性が得られる光電変換装置は無かったのである。

【０００５】そこで、従来の光電変換装置の諸問題を解
消し、極めて単純な構成で分光感度特性が光活性層に印
加するバイアス電圧にしたがって変化させることが可能
な優れた光電変換装置を提供することを第１の目的とす
る。

【０００６】また、従来のテレビ等の受像機や蛍光灯な
どでは画面の輝度やランプの照度を周囲の明るさに応じ
て自動的に変化させる調光用の照度センサと、リモコン
からの赤外線を受信する受信用の赤外線センサとは別々
となっており、２つの機能を併せ持つ光センサは無かっ
た。そこで、照度センサと赤外線センサとの２つの機能
を兼ね備えた光センサを提供することを第２の目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
る光電変換装置は、少なくとも受光面電極層、光活性
層、及び裏面電極層を順次積層して成り、前記光活性層
に受光面電極層及び前記裏面電極層を介して電圧を印加
するように成した光電変換装置であって、前記光活性層
は少なくとも一つのポテンシャル障壁が形成されるよう
にバンドギャップエネルギーが異なる複数の半導体層を
積層せしめて形成されていることを特徴とする。

【０００８】また、前記光活性層に印加される電圧レベ
ルに応じて分光感度を変化させるようにしてもよい。

【０００９】さらに、上記第２の目的を達成する光セン
サは、前記光電変換装置に、該光電変換装置の受光面電
極層−裏面電極層間に所定電圧を印加する電圧印加手段
と、該電圧印加手段の電圧印加により生じた光電変換装
置の受光面電極層−裏面電極層間の電流を検出する電流
検出手段とを付加して成る。ここで、光電変換装置には
パルス電圧を印加してもよいし、複数の異なる一定電圧
を適宜に印加するようにしてもよい。

【００１０】また、光活性層として例えば水素化アモル
ファスシリコンと、単結晶シリコンもしくは多結晶シリ
コンとの半導体ヘテロ接合とすると、半導体接合部にポ
テンシャル障壁を形成させることが容易であり、半導体
ヘテロ接合における受光面側の導電型をｎ型、裏面側を
ｐ型とする場合には、半導体ヘテロ接合部のバンドオフ
セットによるポテンシャル障壁が少なくとも伝導帯側に
形成することが容易となり、逆に受光面側をｐ型、裏面
側をｎ型とする場合には、半導体ヘテロ接合部のバンド
オフセットによるポテンシャル障壁が少なくとも価電子
帯側に形成することが容易となる。

【００１１】またこのような光電変換装置でもって、可
視光線と赤外線とを共にセンシングするような場合、可
視光領域の光線は光活性層への逆バイアス電圧を小さく
して、主としてアモルファスシリコンでセンシングを行
わせ、赤外光領域の光線は光活性層への逆バイアス電圧
を大きくして主として結晶系シリコンでセンシングを行
わせることが可能となり、従来のようにわざわざ二種類
の光電変換装置を用意する必要がなくなる。なお、この
ような場合に多結晶シリコンとしてキャスト基板を用い
るようにすれば、安価に製造を行うことができる。

【００１２】

【作用】上記構成の光電変換装置によれば、分光感度を
短波長側から長波長側へ広い範囲に広げることが可能と
なり、バイアス電圧の大きさによりそのセンシング範囲
を広げることが可能となる。さらに、受光面の数は単一
とすることができ、従来のように出力端子数を３つ以上
に増加することなく、きわめて単純な構成で所望の光線
をセンシングすることが可能となる。

【００１３】また、上記光センサによれば、例えばパル
ス電圧のレベルに応じて分光感度を変えることが可能で
あり、それぞれのパルス電圧のレベルにより発生した電
流を検出することにより、例えばＴＶ画面の輝度調整の
ための室内照度のセンシングと、リモコンによるチャン
ネルや音量等の変更を行うための受信を一つの光センサ
で行えることができる。

【００１４】

【実施例】

〔第１の発明〕第１の発明に係る実施例について図面に
基づき詳細に説明する。まず、図１に示す光電変換装置
Ｓは、照明灯の照度用センサとリモコン等からの赤外線
を検出する赤外線センサを兼ね備えたものであって、照
明灯が常に目標照度範囲で点灯状態であるように、常に
照明灯の照度低下の度合いを検出して警告信号を発生さ
せるようにしたものであるとともに、リモコン等からの
赤外線を検出して照明灯の点灯や消灯を行わせるように
したものである。

【００１５】光電変換装置Ｓは、基本的には受光面電極
層１，光活性層２，及び裏面電極層３を順次積層させた
構成を成すものであり、光活性層２は複数の半導体層を
受光面電極層１側から裏面電極層３側へバンドギャップ
の大きい順に積層せしめて、少なくとも一つの半導体ヘ
テロ接合部２ｈ（非晶質と結晶質とのヘテロ接合）を形
成させて成るものであって、後記する図３に示すよう
に、光活性層２に印加する電圧の大きさに応じて分光感
度特性が大きく変化するようにしており、可視光領域か
ら赤外光領域の３００〜１２００ｎm の広い範囲に渡っ
て光量を精確にセンシングできるようにしている。

【００１６】次に、上記光電変換装置Ｓの各層について
説明する。光活性層２の結晶質ｐ層２ｃ（ｃ−Ｓｉ）
は、厚さ２００〜４００μm 程度、比抵抗が０．１〜１
０Ω・cm程度（好適には１Ω・cm程度）の導電型がｐの
キャスティングで得られた多結晶シリコン基板である。
なお、多結晶のかわりに単結晶とすれば、分光感度が長
波長側で改善される。

【００１７】まず、この結晶質ｐ層２ｃをＨＦ：希ＨＮ
Ｏ₃＝１：１０のエッチング溶液で数分間、表面エッチ
ングを施し新表面を露出させる。そして、約１１６℃の
希ＨＮＯ₃で約３０分間沸騰させて、表面に付着した有
機物や金属成分を除去する。さらに、ＨＦ：Ｈ₂Ｏ＝
１：１００に浸漬して、先程使用した希ＨＮＯ₃の沸騰
による表面酸化膜を除去する。

【００１８】次に、Ａｌペーストのプリント及び焼成に
よる裏面ＨＬ接合（high low junction ）４の形成を行
う。ここで、Ａｌは蒸着で形成し、その後熱処理でドラ
イブインしてもよいし、またＡｌの代わりにＢなどのア
クセプターを形成する元素を使用してもよい。なお、こ
の処理は裏面側の抵抗を小さくしたりオーミック接触が
とれるように行うものであって、この処理を特にしなく
てもよい場合もある。

【００１９】さらに、ＨＦ：Ｈ₂Ｏ＝１：１００の溶液
に浸漬して、表面に形成される自然酸化膜の除去を行
う。そして、この結晶質ｐ層２ｃの上に非晶質のａ−Ｓ
ｉ：Ｈを成膜する。すなわち、プラズマＣＶＤ法により
結晶質ｐ層２ｃ上に導電型がｎ−ｉ−ｐの３層構造の水
素化非晶質Ｓｉ（以下、ａ−Ｓｉ：Ｈと略記）層を成膜
する。すなわち、非晶質ｐ層２ｐは基体１上に被着形成
され、ａ−Ｓｉ：Ｈ形成用ガスであるシランガスや水素
ガス等に対して不純物ドープ用ガスであるジボランガス
等を所定の比率で混合して厚さ約200 Å以下に形成す
る。また、非晶質ｉ層２ｉはａ−Ｓｉ：Ｈ形成用ガスの
みにより、厚さ1000〜6000Å程度にｐ層２ｐ上に形成
し、さらにこの上に非晶質ｎ層２ｎがａ−Ｓｉ：Ｈ形成
用ガスに不純物ドープ用ガスであるホスフィン等を所定
の比率で混合して、厚さ50〜200 Å程度に形成する。

【００２０】なお、この実施例では非晶質層が受光面電
極層１側からｎ−ｉ−ｐ構造とし、その基板としてｐ型
の結晶質層とした例について説明したが、その逆に受光
面電極層１側からｐ−ｉ−ｎ構造とし、その基板として
ｎ型の結晶質層としたり、非晶質層が受光面電極層１側
からｎ−ｉ構造とし、その基板としてｐ型の結晶質層と
したり、非晶質層が受光面電極層１側からｐ−ｉ構造と
し、その基板としてｎ型の結晶質層としたもの等でもよ
い。また、結晶質ｐ層２ｃ上に積層させた非晶質ｐ層２
ｐは形成しなくともよいが、本実施例ではポテンシャル
障壁を大きくさせるためにこの層を設けている。

【００２１】次に、スッパタリングにより上記非晶質ｎ
層２ｎ上に、酸化インジウム・スズ（ＩＴＯ；Ｓｎの含
有量は１０wt％）の受光面電極層１を積層する。なお、
この層は例えば酸化スズ（ＳｎＯ₂）等で構成してもよ
くスパッタリング以外にＣＶＤ法，電子ビーム蒸着法，
スプレー法などの周知の成膜方法により厚さ600 〜900
Å程度に被着する。

【００２２】さらに、例えば複数の光電変換装置を一つ
一つに分離切断するときのエッジリークを減らし開放電
圧とフィルファクターを劣化させないようにするために
メサエッチングを行ってもよい。例えば、ＨＦ：希ＨＮ
Ｏ₃＝１：１０のエッチング溶液で25℃,20 秒間の条件
で切断部分に表面エッチングを施し、さらに希ＨＮＯ₃
に浸して酸化膜を形成するのである。

【００２３】次に、裏面電極層３を形成する。ここで、
ＡｌでＢＳＦを形成している場合には、表面に残留して
いるＡｌを裏面電極３としてもよい。表面Ａｌを除去す
る場合には、蒸着やスパッタリング等によりＡｌその他
の金属膜を成膜する。ＢＳＦを形成していない場合は、
結晶質ｐ層２ｃの裏面に蒸着やスパッタリング等により
Ａｌその他の金属膜を成膜する。また、必要に応じて取
り出し用のペースト電極等を形成してもよい。

【００２４】次に、受光面電極層１上に直接、ペースト
電極５をプリント形成する。この形成は必要に応じて金
属膜を蒸着やスパッタリング等を施してもよく半田ディ
ップを行ってもよい。

【００２５】以上、光電変換装置Ｓの基本的な構造につ
いて説明したが、装置全体の耐湿性等の信頼性向上のた
めに、裏面電極層３上には保護膜が形成されるとより好
適である。例えば、樹脂を周知の印刷手法を用いて保護
膜として形成し、さらに、例えば導電性樹脂を周知の印
刷手法を用いて取り出し電極部分が形成される。また、
この上に後工程の実装時の半田づけ性を良好とするた
め、半田材料を形成しておくとよい。これは、導電性樹
脂表面が長時間放置によって酸化され、後の実装時の半
田づけ性に悪影響を及ぼす可能性を未然に防ぐためであ
る。

【００２６】次に、この光電変換装置Ｓの動作について
図２のバンド構造図に基づいて説明する。まず、表電極
５及び裏面電極層３にバイアス電圧を印加しない、無バ
イアス状態では、図２（ａ）に示すように、伝導帯Ｅc
側にバンドオフセット△Ｅcが、価電子帯Ｅv 側にバン
ドオフセット△Ｅv が形成され、特に伝導帯Ｅc 側のバ
ンドオフセット△Ｅc がポテンシャル障壁△Ｅp になる
ことにより、結晶質ｐ層２ｃでは発生した光励起キャリ
アを取り出すことはできず、非晶質層で発生した光励起
キャリアのみ光電流として取り出すことになる。したが
って、図３に示すように、光電変換装置Ｓは非晶質シリ
コンの分光感度特性となる。なお、Ｅfはフェルミレベ
ルである。

【００２７】一方、表電極５及び裏面電極層３に逆バイ
アス電圧を印加する場合には、図２（ｂ）のように正孔
のフェルミレベルＥfhと電子のフェルミレベルＥfeとが
スプリットし、伝導帯Ｅc 側のポテンシャル障壁△Ｅp
が小さくなるので、結晶質ｐ層２ｃで発生する光励起キ
ャリアが取り出せるようになる。ここで、光励起キャリ
アが取り出せる割合は、室温において逆バイアス電圧が
−2.0 Ｖ以下の場合、ポテンシャル障壁△Ｅｐ＝０．１
ｅＶのときには発生した光励起キャリアの約２％が、ポ
テンシャル障壁△Ｅｐ＝０．０５ｅＶのときには約１４
％が、ポテンシャル障壁△Ｅｐ＝０．０２ｅＶのときに
は約４６％となるので、ポテンシャル障壁△Ｅｐが０．
０２ｅＶ以下であれば、光励起キャリアを好適に取り出
せることが可能となる。この場合の逆バイアス電圧と分
光感度特性との関係は、図３に示すように、逆バイアス
電圧が上昇すればするほど結晶質ｐ層２ｃでも光励起キ
ャリアが取り出せるようになり、波長が７５０nm以上の
赤外線についても検出が可能となる。なお、光入射側か
ら非晶質のｐ−ｉ−ｎ構造とし、基板側を結晶質のｎ構
造とする場合には、少なくとも価電子帯Ｅv 側にバンド
オフセットによるポテンシャル障壁が生ずるようにすれ
ばよいことは明らかである。

【００２８】このようにして、適当な演算回路を付加す
ることにより、可視光領域の光強度と赤外光領域の光強
度を１素子で計測することが可能となる。すなわち、例
えば蛍光灯の照度を計測する場合には、無バイアス状態
で可視光領域の光強度に感応する非晶質シリコンの分光
感度特性を利用し、リモコンからの照明灯のオン信号を
受信する場合には、逆バイアスを印加することにより赤
外光領域の光強度に感応する結晶質シリコンの分光感度
特性を利用することによって、きわめて簡便な構成の２
端子１素子による広い分光感度の計測が可能となるので
ある。

【００２９】〔第２の発明〕次に第２の発明について図
４に基づいて説明する。受像機のＴＶ画面の近傍に上述
した構成の光電変換装置Ｓを設けたものである。そし
て、この光電変換装置Ｓは、ＴＶ画面の輝度を調整する
調光用の照度センサとリモコン等からの赤外線を検出す
る赤外線センサとを兼ね備えた光センサＥＳを構成して
いる。

【００３０】ここで、光センサＥＳは光電変換装置Ｓの
光活性層２に、受光面電極層１及び裏面電極層３を介し
てパルス電圧を印加する電圧印加手段と、このパルス電
圧に応じて生じた光電変換装置Ｓに流れた電流を検出す
る電流検出手段とを兼ね備えたマイコンＭを備えてお
り、このマイコンＭから光電変換装置Ｓの受光面電極層
１（表電極５）と裏面電極層３との間に所定のパルス電
圧、例えばハイレベルが０Ｖで、ローレベルが−２．０
Ｖのパルス電圧を所定周期（例えば数マイクロ秒）で印
加させる。ここで、図３から明らかなように、電圧レベ
ルがハイレベルのときには主に可視光のみを検出できる
が、ローレベルの場合は赤外線の領域までカバーする光
を検出することができ、リモコンの受信用のセンサとし
て機能する。すなわち、パルス電圧の電圧レベルに応じ
て光電変換装置ＳからマイコンＭへ入力される電流信号
が変化するのである。この電流信号の変化をマイコンＭ
で検出することにより、パルス電圧の電圧レベルに応じ
て変化した電流信号を調光回路ＴＣ又はリモコン機能処
理回路ＲＣへ信号を入力させる。

【００３１】そして、調光回路ＴＣでは、マイコンＭか
らのハイレベルのパルス電圧によって生じた光電変換装
置Ｓの検出電流から周囲の明るさを検出し、その明るさ
に応じてＴＶ画面の明るさを調整するのである。すなわ
ち、例えば周囲の明るさが１万ルクスまでは、その明る
さの増大変化に応じてＴＶ画面の明るさが明るくなるよ
うに調整するが、周囲の明るさが１万ルクスを超えた場
合はＴＶ画面の明るさをほぼ一定とする。

【００３２】また、リモコン機能処理回路ＲＣではロー
レベルのパルス電圧によって生じた光電変換装置Ｓの電
流からリモコンで指定したチャンネルや音量等の変更を
行うのである。

【００３３】なお、ここでマイコンＭへ電流信号を入力
させる場合に、マイコンＭで直接処理できない場合は適
宜Ａ／Ｄ変換回路を介して入力させる。また、マイコン
Ｍの代わりにアナログ回路でもって信号の送出や受信を
行うようにしてもよく、また、電圧印加の方法もあるレ
ベルの電圧の期間を長時間とし、他のレベルの期間をご
く短時間とするようにその比率を自由に変えることがで
き、またパルス電圧に限定されるものではなく、例え
ば、複数の異なる電圧を適宜に印加するようにして電圧
レベルに応じて所望の分光感度が得られるようにしても
よく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更実施が
可能である。

【００３４】また、本実施例では非晶質シリコンと結晶
質シリコンとの半導体ヘテロ接合部を有する光電変換装
置について説明したが、少なくとも一つの半導体ヘテロ
接合部を有し、光活性層に印加するバイアス電圧の大き
さに応じて分光感度特性が変化するようにしたものであ
ればよく、例えば非晶質シリコンと結晶質のゲルマニウ
ム等との半導体ヘテロ接合部を有するものなど各種周知
の半導体ヘテロ接合部を有するものが適用でき、本発明
の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更実施が可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、第１の発明の光電
変換装置によれば、単一受光面で且つ２つの出力端子の
みのきわめて簡便な構成で、バイアス電圧に応じて分光
感度特性の制御を容易に行うことが可能な優れた光電変
換装置を提供できる。また、構成が簡単なので従来より
製造工程を増加させることなく容易且つ迅速に製造が可
能となる。

【００３６】また、第２の発明によれば、画面の輝度調
整のための室内照度のセンシングと、リモコンによるチ
ャンネルや音量等の変更を行うための受信を一つのセン
サで行えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光電変換装置の要部断面図であ
る。

【図２】（ａ）は無バイアス状態でのバンド構造図、
（ｂ）はバイアス状態でのバンド構造図である。

【図３】本発明に係る光電変換装置のバイアス電圧に応
じた分光感度特性図である。

【図４】本発明に係る受像機を説明する概略ブロック図
である。

【図５】従来の光電変換装置の要部断面図である。

【符号の説明】

１・・・受光面電極層２・・・光活性
層３・・・裏面電極層Ｓ・・・光電変換装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上田洋士滋賀県八日市市蛇溝町長谷野1166番地の６京セラ株式会社滋賀工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも受光面電極層、光活性層、及
び裏面電極層を順次積層して成り、前記光活性層に受光
面電極層及び前記裏面電極層を介して電圧を印加するよ
うに成した光電変換装置であって、前記光活性層は少な
くとも一つのポテンシャル障壁が形成されるようにバン
ドギャップエネルギーが異なる複数の半導体層を積層せ
しめて形成されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】前記光活性層に印加される電圧レベルに
応じて分光感度を変化させるようにしたことを特徴とす
る請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】請求項１もしくは請求項２に記載の光電
変換装置に、該光電変換装置の受光面電極層−裏面電極
層間に所定電圧を印加する電圧印加手段と、該電圧印加
手段の電圧印加により生じた前記光電変換装置の受光面
電極層−裏面電極層間の電流を検出する電流検出手段と
を付加して成る光センサ。