JPH1041538A

JPH1041538A - 半導体受光装置及び半導体受光素子の駆動方法

Info

Publication number: JPH1041538A
Application number: JP8192496A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nakamura; 毅中村; Shinya Kyozuka; 信也経塚; Takayuki Yamada; 高幸山田; Yasumasa Miyamoto; 育昌宮本
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1996-07-22
Filing date: 1996-07-22
Publication date: 1998-02-13

Abstract

(57)【要約】【課題】異種半導体接合部におけるエネルギーバンドの
不連続量ΔＥcの大きな半導体を障壁層として用いるこ
となく、低電圧駆動及び高感度の半導体受光装置を得
る。【解決手段】絶縁性基板１１上に、下部電極１２、井戸
層１３（poly−Ｓｉ）と障壁層１４（ａ−ＳｉＣ）とか
ら成りＣの含有量を調整することにより光吸収層１６に
対してバンドギャップが連続的に変化する増幅層１５、
光吸収層１６、ブロッキング層１７、上部透明電極１８
を順次積層して形成した半導体受光素子１０と、この半
導体受光素子の増幅層１５に可視光領域と異なる波長を
有する励起光２１を照射させる補助光源２０とにより半
導体受光装置を構成する。そして、可視光３０の受光に
より光吸収層１６に生じ障壁層１４中を移動するフォト
キャリアを前記補助光源２０からの励起光２１により励
起させ、このフォトキャリアが前記井戸層１３に移動す
る際にアバランシェ増倍を引き起こさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、複写機、ファク
シミリの読み取り素子やビデオカメラの読み取り素子等
に応用される可視光領域の光を受光する半導体受光装置
に関し、この半導体受光装置の半導体受光素子の増幅層
を、非晶質，多結晶もしくは単結晶半導体で構成するこ
とにより、可視光の受光に際して外部からの電界の補助
なしにアバランシェ増倍を起こさせる構造を有するもの
であり、特に、増幅層を構成する障壁層と井戸層の材料
選択の自由度を高める構成に関する。また、可視光の受
光に際して外部からの電界の補助なしに障壁層と井戸層
との界面においてアバランシェ増倍を起こさせる半導体
受光素子についての駆動方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、可視光領域の光を読み取るための
素子としては広くＣＣＤが用いられており、また半導体
薄膜を用いた薄膜型イメージセンサも提案され一部で実
用化されている。これらの受光素子は、いずれも光セン
シング部としてフォトダイオードを用いており、原理的
に光子一個に対して生成される電子は一個以下であり増
幅作用のないものである。一般的には受光素子の外部に
増幅回路を持たせ、これにより電子の増幅を行って感度
を向上させることが行われているが、この構造では、受
光素子部分におけるノイズ成分も同時に増幅してしまう
ためＳＮ比の低下を伴うという欠点がある。従って、こ
れらの素子を用いて鮮明な画像を得るためには、読み取
り対象に強い光を当てて十分な反射光を得られる状態に
して撮像を行わなければならないという問題点があっ
た。

【０００３】一方、上記問題点を解消することを目的と
して、近年結晶ＳｉやＳｅ系半導体膜を用いて受光部分
に増幅作用を持たせることにより、高感度な撮像を行う
ことが可能な半導体受光素子が実用化されている。これ
は結晶ＳｉやＳｅ等の半導体膜に高電界を印加し、これ
による雪崩増幅（アバランシェ効果）を行わせるもので
ある。単結晶ＳｉｐｉｎやＧａＡｓによりアバランシ
ェ増倍効果を利用したフォトダイオード（ＡＰＤ）は主
に近赤外領域で、Ｓｅ系ＡＰＤは主に可視光領域での実
用化が始まっている。さらに、可視光領域での高感度か
つ高いＳＮ比を得るための技術として、非晶質および多
結晶から構成される障壁層及び井戸層を複数層に積層し
た多層薄膜系ＡＰＤが本発明者らにより提案されている
（特願平８−７５９３３）。

【０００４】上記多層薄膜系ＡＰＤについて、図４及び
図５を参照しながら説明する。多層薄膜系ＡＰＤは、例
えば図４（ａ）に示すように、ガラス基板４１上にＡｌ
から成る下部電極４２、ｎ⁺ ａ−Ｓｉ：Ｈ層４３、光吸
収層とキャリア増倍層を兼ねた超格子層４４、ｐ⁺ ａ−
Ｓｉ：Ｈ層４５、ＩＴＯからなる透明電極４６を積層し
て構成されている。前記超格子層４４は、井戸層４７と
なるpoly−Ｓｉ層と、障壁層４８となるａ−ＳｉＣ：Ｈ
層とを交互に積み重ねて井戸層４７が５層、障壁層４８
が４層となる積層構造で構成されている。また、ｎ⁺ ａ
−Ｓｉ：Ｈ層４３と下部電極４２、ｐ⁺ ａ−Ｓｉ：Ｈ層
４５と透明電極４６は、それぞれオーミック接触して構
成されている。

【０００５】図４（ｂ）は、多層薄膜系ＡＰＤの電圧無
印加時のバンド構造を模式的に示した図であり、井戸層
４７と障壁層４８（poly−Ｓｉ層とａ−ＳｉＣ：Ｈ層）
のヘテロ接合における伝導帯及び価電子帯のエネルギー
バンドの不連続量をΔＥc、ΔＥvで示してある。poly−
Ｓｉ／ａ−ＳｉＣ：Ｈのヘテロ接合におけるバンド不連
続量は伝導帯のほうが大きく、ΔＥc≧１．１ｅＶ、Δ
Ｅv＝０．１０ｅＶである。

【０００６】上記多層薄膜系ＡＰＤの特徴的な構成は、
障壁層４８においてＣの含有量を変化させることによ
り、ａ−Ｓｉ_xＣ_y：Ｈ（x,yは任意の整数）の組成比を
連続的に変化させてバンド構造を鋸歯状としたことと、
及び、伝導帯のエネルギーバンドの不連続量ΔＥcをΔ
Ｅc≧１．１ｅＶとし、井戸層（poly−Ｓｉ）４７の禁
制帯エネルギーＥg1より大きくすることにより、障壁層
４８と井戸層４７との界面部分でフォトキャリア（電
子）を高い確率でイオン化させるようにしたことであ
る。

【０００７】図５は、多層薄膜系ＡＰＤの逆バイアス印
加時のバンド構造を模式的に示した図である。ｐ⁺ ａ−
Ｓｉ：Ｈ層４５側より可視光が入射すると、超格子層に
より吸収され光電変換が行われる。生成された電子／正
孔対はおのおのｎ⁺ ａ−Ｓｉ：Ｈ層４３およびｐ⁺ ａ−
Ｓｉ：Ｈ層４５に向かって走行する。電界により加速さ
れた電子（フォトキャリア）が超格子層の障壁層４８か
ら井戸層４７に入る時、電子は伝導帯のバンド不連続量
ΔＥｃだけ高いエネルギー状態となるために、それだけ
電子によるイオン化率αは大きくなる。井戸層（poly−
Ｓｉ層）４７でイオン化が起こるのは、電子の持ってい
るエネルギーがpoly−Ｓｉの禁制帯エネルギーＥg1より
大きい場合であるが、上記多層薄膜系ＡＰＤの構造によ
れば、ΔＥc≧１．１ｅＶ（poly−Ｓｉの禁制帯エネル
ギーＥg1）であるため、電子はこの界面部分で高い確率
でイオン化を起こすことができる。

【０００８】したがって、電子は障壁層４８と井戸層４
７との複数の界面部分でのイオン化の繰り返しによりキ
ャリアの数を増加させていく。一方、正孔は価電子帯の
バンド不連続量ΔＥvが小さいため電子のようなことが
起こらない。アバランシェ増倍方式においては、電子の
イオン化率αと正孔のイオン化率βの比が大きいほどノ
イズの発生が少ないことが知られており、この方式にお
いては電子のイオン化率αのみを大きくすることができ
るため、高感度、低過剰雑音特性得られる。また、電子
はヘテロ構造のバンドオフセットによりエネルギーを受
けるため、電子のイオン化に必要な電界強度を小さくす
ること、すなわち低電圧駆動が可能となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記多層薄膜系ＡＰＤ
の構造によれば、低電圧駆動及び高感度の半導体受光素
子を得るため、異なるバンドギャップ（Ｅg）を持つ異
種半導体接合部において、その伝導帯エネルギーの差
（ΔＥc）に相当するエネルギーを電子が受け、それに
よりアバランシェ増倍を起こさせることに特徴がある。

【００１０】しかしながら、低電圧駆動とするためには
前記ΔＥcを十分大きく取ること、すなわちバンドギャ
ップＥgの大きな半導体を障壁層４８として用いること
が必要であり、しかもこの大きなバンドギャップＥgを
有する半導体は、ギャップ準位の極力少ないものでなけ
ればならない。このような半導体としては、例えばａ−
ＳｉＣなどが用いられているが、Ｃ含有量の増加にとも
ないギャップ準位が指数関数的に増加し、多量の電子が
トラップされる、あるいは再結合してしまうことによ
り、本来の低電圧駆動、高感度化の大きな阻害要因とな
っていた。

【００１１】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、異種半導体接合部におけるエネルギーバンドの不連
続量ΔＥcの大きな半導体を障壁層として用いることな
く、低電圧駆動及び高感度が得られる半導体受光装置を
提供することを目的とし、また、その際の半導体受光素
子の駆動方法を提供することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、少なくとも一方が透光性を有する一対の電極
間に、可視光の受光によりフォトキャリアを生じる光吸
収層と、前記光吸収層で発生したフォトキャリアを増幅
する増幅層とを有する半導体受光素子と、この半導体受
光素子の増幅層に可視光領域と異なる波長を有する励起
光を照射させる補助光源とから成る半導体受光装置であ
って、次の構成を含むことを特徴としている。前記半導
体受光素子の増幅層は、前記光吸収層に対してバンドギ
ャップが連続的に変化してなる非晶質，多結晶もしくは
微結晶から形成される障壁層と、この障壁層に隣接し非
結晶材料を結晶化してなる単結晶体，多結晶体もしくは
微結晶体から形成される井戸層と、から構成されてい
る。そして、可視光の受光により前記光吸収層で発生し
障壁層中を移動するフォトキャリアを前記補助光源から
の励起光により励起させ、このフォトキャリアが前記井
戸層に移動する際にアバランシェ増倍を行うようにす
る。補助光源としては、ＬＥＤや蛍光燈などが用いら
れ、半導体受光素子の増幅層に対して外部より常時励起
光を照射させるようになっている。

【００１３】すなわち、電界の補助なしにアバランシェ
増倍を起こすために必要なエネルギーのうち、障壁層と
井戸層との伝導帯エネルギーの差異であるΔＥcだけで
は不足する分を外部に設けた補助光源からの励起光のエ
ネルギーにより補うことを特徴とするものである。した
がって、前記井戸層のバンドギャップ値をＥg1、障壁層
と井戸層との伝導帯エネルギーの差異をΔＥcとした場
合、補助光源による励起光のエネルギーＥoは、Ｅo＞Ｅg1−ΔＥc を満足するように励起光のエネルギーＥoを設定する。

【００１４】また、補助光源による励起光が光吸収層で
吸収されないように、励起光のエネルギーＥoは、光吸
収層のバンドギャップ値をＥiとした場合に、Ｅo＜Ｅi を満足するように励起光のエネルギーＥoを設定する。

【００１５】更に、本発明による半導体受光素子の駆動
方法は、少なくとも一方が透光性を有する一対の電極間
に、可視光の受光によりフォトキャリアを生じる光吸収
層と、前記光吸収層で発生したフォトキャリアを増幅す
る増幅層とを有し、前記増幅層は、前記光吸収層に対し
てバンドギャップが連続的に変化してなる非晶質，多結
晶もしくは微結晶から形成される障壁層と、この障壁層
に隣接し非結晶材料を結晶化してなる単結晶体，多結晶
体もしくは微結晶体から形成される井戸層と、から構成
される半導体受光素子に対して、次のように行うことを
特徴としている。前記半導体受光素子の増幅層に可視光
領域と異なる波長を有する励起光を照射し、可視光の受
光により前記光吸収層で発生し障壁層中を移動するフォ
トキャリアを前記補助光源からの励起光により励起させ
る。そして、このフォトキャリアが前記井戸層へ移動す
る際に、障壁層と井戸層との伝導帯エネルギーの差ΔＥ
cと励起光のエネルギーＥoとを加えたエネルギーを井戸
層の禁制帯エネルギーＥg1より大きくすることにより、
障壁層と井戸層との界面部分で電子はイオン化するのに
十分なエネルギーを受けアバランシェ増倍を起こさせ
る。

【００１６】本発明によれば、半導体受光素子の増幅層
に対して補助光源より常時励起光を照射させることによ
り、可視光の受光により発生し障壁層中を移動するフォ
トキャリア（電子）を高いエネルギー準位に励起させる
ことができる。そして、前記電子が電極間に印加された
バイアス電圧により障壁層から井戸層へ移動するに際
し、障壁層と井戸層との伝導帯エネルギーの差ΔＥcと
励起光のエネルギーＥoとを加えたエネルギーを井戸層
の禁制帯エネルギーＥg1より大きくすることにより、外
部からの電界の補助なしにアバランシェ増倍を起こさせ
ることができる。

【００１７】したがって、補助光源からの外部励起光を
用いることにより、膜質の良好な比較的バンドギャップ
の小さい膜を障壁層に用いることができるので、低電圧
駆動のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）とする
ことができる。また、補助光源による励起光は、可視光
領域と異なる波長を有しているので、可視光に対してノ
イズとなることがなく、半導体受光装置の出力信号につ
いてＳＮ比の劣化をともなうことがない。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の半導体受光装置の実施の
形態の一例について、図面を参照しながら説明する。図
１は半導体受光装置の構造を説明するための構成図、図
２は半導体受光装置の半導体受光素子に逆バイアス電圧
を印加した時のバンド構造を模式的に示した図である。

【００１９】半導体受光装置は、半導体受光素子１０
と、この半導体受光素子１０に励起光を照射させる補助
光源２０とから構成されている。半導体受素子１０は、
絶縁性基板１１上に、下部電極１２、井戸層１３と障壁
層１４とから成る増幅層１５、光吸収層１６、ブロッキ
ング層１７、上部透明電極１８を順次積層して形成され
る。光吸収層１６は、可視光の受光によりフォトキャリ
ア（電子）を生じさせる層であり、増幅層１５は、前記
光吸収層１６で発生したフォトキャリア（電子）を増幅
する層である。下部電極１２と上部透明電極１８間に電
圧を印加することにより、逆バイアス状態となってい
る。また、ブロッキング層１７は、正孔の移動による暗
電流の低減を図るため設けられている。また、電子によ
る暗電流の低減を図るため、下部電極１２と増幅層１５
との間にブロッキング層を設けてもよい。

【００２０】補助光源２０は、半導体受光素子１０の増
幅層１５に可視光領域と異なる波長を有する励起光２１
を照射させるものであり、可視光の照射面（上部透明電
極１８面）に対して斜め方向（例えば、図１の奥側）よ
り常時励起光が照射されるようになっている。補助光源
２０としては、ＬＥＤや蛍光燈などが用いられる。ま
た、上記半導体受光装置によれば、補助光源２０による
励起光２１は可視光３０の照射面（上部透明電極１８
面）を照射するようにしたが、照射する方向はいずれの
面（例えば、図１における側面側から又は可視光照射面
と反対側からの照射であってもよい）からでもよく、半
導体受光素子１０の増幅層１５に対して外部より励起光
２１が照射される構成であればよい。補助光源２０によ
る励起光２１のエネルギーＥoは、光吸収層１６や井戸
層１３に吸収されないよう光吸収層１６の禁制帯エネル
ギー（バンドギャップ）値Ｅi及び井戸層１３の禁制帯
エネルギー（バンドギャップ）値Ｅg1より小さく設定
し、可視光の受光により光吸収層１６に発生しバイアス
電圧により障壁層１４中を移動する界面部（井戸層１３
との界面部）側における電子を高いエネルギー準位に励
起させるようにする。

【００２１】半導体受光素子１０の増幅層１５は、前記
光吸収層１６に対してバンドギャップが連続的に変化し
てなる非晶質，多結晶もしくは微結晶から形成される障
壁層１４と、この障壁層１４に隣接し非結晶材料を結晶
化してなる単結晶体，多結晶体もしくは微結晶体から形
成される井戸層１３と、から構成されている。具体的に
は、例えば、障壁層１４としては組成比を連続して変化
させたａ−Ｓｉ_xＣ_y（x,yは任意の整数）を使用し、井
戸層１３としてはpoly−Ｓｉを使用する。障壁層１４を
光吸収層１６に対してバンドギャップが連続的に変化す
るよう構成したのは、障壁層１４が光吸収層１６に対し
て壁になるのを防ぎ、電子の移動をスムーズに行わせる
ためである。そして、可視光の受光により光吸収層１６
に発生しバイアス電圧により障壁層１４中を移動する電
子が、前記補助光源２０からの励起光２１により励起さ
れ、この電子が前記井戸層１３に移動する際に外部から
の電界の補助なしに、障壁層１４と井戸層１３との伝導
帯エネルギーの差ΔＥcと励起光２１のエネルギーＥoと
を受けてアバランシェ増倍を行うようになっている。

【００２２】すなわち、本発明の特徴的な構成は、障壁
層１４と井戸層１３との界面において、電界の補助なし
にアバランシェ増倍を起こすために必要なエネルギーの
うち、前記ΔＥcだけでは不足する分を外部に設けた補
助光源２０の励起光２１によるエネルギーＥoにより補
うことを特徴とするものである。例えば、井戸層１３と
してpoly−Ｓｉを用いている場合、電界の補助なしにア
バランシェ増倍を起こすためには、従来例の記載で説明
したように、ΔＥcとしてpoly−Ｓｉ（井戸層）の禁制
帯エネルギーＥg1以上の値、すなわち１．１ｅＶが最低
必要である。ΔＥcとして例えばこの値を満足する１．
３ｅＶとした場合、１．１(poly−Ｓｉの禁制帯エネル
ギーＥg1)＋１．３(ΔＥc)＋ΔＥvの禁制帯エネルギー
Ｅg2が障壁層１４の界面部分において最低必要であり、
ΔＥvを０．５ｅＶと考えると障壁層１４の禁制帯エネ
ルギーＥg2として約３ｅＶの膜が必要となる。

【００２３】前記障壁層１４をａ−ＳｉＣ膜で作製しよ
うとすると、禁制帯エネルギーＥg2が２．５ｅＶを越え
るあたりから急激にギャップ準位の増加が始まり、３．
０ｅＶでは１０²⁰／ｃｍ³を越えるような不良な膜とな
ってしまう。ａ−ＳｉＣの場合、良好な膜を作製しよう
とすると、禁制帯エネルギーＥg2を２．２〜２．３ｅＶ
以下に抑えておく必要がある。障壁層１４の禁制帯エネ
ルギーＥg2を２．２ｅＶとした場合、不足するエネルギ
ーである約０．８ｅＶ（３．０−２．２ｅＶ）は外部か
らの電界印加によるのが通常であるが、本発明において
はこれを外部に設けた補助光源２０の励起光２１の光エ
ネルギーを利用する。

【００２４】例えば上記例では、０．８ｅＶに相当する
エネルギーを持つ光源、すなわち波長１．５５μｍのＬ
ＥＤ、蛍光燈などを補助光源２０として外部に設けるこ
とにより、余計な電界印加を行わずに低電圧でアバラン
シェ増倍を起こすようにするものである。すなわち、上
記構造によれば、補助光源２０からの励起光２１が障壁
層１４を常時照射することにより、可視光の受光により
光吸収層１６に発生しバイアス電圧により障壁層１４中
を移動する電子は、図２の点線のエネルギー準位（光エ
ネルギー０．８ｅＶに相当するエネルギー分だけ高い準
位）に励起されている。そして、この電子が障壁層１４
から井戸層１３へ移動するに際しては、伝導帯エネルギ
ーの差ΔＥc（障壁層１４の界面部分でのＥg2が２．２
ｅＶの場合、ΔＥc＝２．２（Ｅg2）−１．１（Ｅg1）
−０．５（ΔＥv）＝０．６ｅＶ）に前記光エネルギー
０．８ｅＶを加えたエネルギー（０．６＋０．８＝１．
４ｅＶ）が電子に与えられ、このエネルギーは井戸層
（poly−Ｓｉ）の禁制帯エネルギーＥg1（１．１ｅＶ）
より大きいので、アバランシェ増倍を効率よく起こさせ
ることができる。

【００２５】したがって、上記構造によれば、外部励起
光を用いることにより、障壁層１４として膜質の良好な
比較的バンドギャップ（禁制帯エネルギーＥg2）の小さ
い膜を用いて、低電圧駆動のアバランシェフォトダイオ
ードを作製することができる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の半導体受光装置に使用される
半導体受光素子の具体的な実施例について説明する。実
施例としては、井戸層１３と障壁層１４の組み合わせと
して、poly−Ｓｉとａ−ＳｉＣとを選択したアバランシ
ェ方式のフォトダイオードを示すが、この組み合わせに
限定されるものではなく、他の材料、例えばIII−Ｖ属
の材料による組み合わせやII−VI属の材料による組み合
わせなど、異種接合の半導体あるいは絶縁体を用いたア
バランシェ方式のフォトダイオード全般に適用しても同
様の効果を得ることができる。

【００２７】半導体受光素子の基本的な構成を、以下作
製順にしたがって説明する（図１参照）。ガラスあるい
はセラミック等の絶縁性基板１１の上に、Ｃｒ，Ａｌ，
Ｔａ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｎｉ等の金属を用いて所望のパター
ンとして下部電極１２を形成する。使用する金属は、こ
こに例示した金属の合金でも構わず、もちろん他の材料
を用いても構わない。

【００２８】下部電極１２上に、井戸層１３としてプラ
ズマＣＶＤ法あるいはＬＰＣＶＤ法を用いてａ−Ｓｉを
１００〜１０００ｎｍ着膜する。ＬＰＣＶＤ法を用いた
場合の一般的な着膜条件を以下に示す。使用ガスと流量：Ｓｉ₂Ｈ₆ （１００％）１００ｓ
ｃｃｍ圧力：０．３Ｔorr 基板温度：４５０°Ｃ着膜方法としては、上記方法以外にもＥＣＲ法や光ＣＶ
Ｄ等の方法、またはスパッタ法や蒸着法を用いてもよ
い。また、この例では井戸層１３としてＳｉを用いてい
るが、必要なバンドギャップ値を得るためにＳｉＧｅあ
るいはＳｉＣを用いることも可能である。

【００２９】上記着膜の状態では井戸層１３を構成する
Ｓｉ膜は非晶質状態であり、このままでは膜中のギャッ
プ準位は１０¹⁷／cm³ 以上で、増幅のために電圧を印加
すると、これらギャップ準位より多量の電子／正孔対が
生成され大きな暗電流となり、センサのＳＮ比およびダ
イナミックレンジを著しく低下させる。これに対する根
本的な対策としては、上記非晶質状態のＳｉ膜にレーザ
ー光を照射し、膜を多結晶化することが非常に有効であ
る。これによりＳｉ膜のギャップ準位が減少し、容易に
１０¹⁶／cm³ 以下の値を得ることができる。多結晶化に
より暗電流を大幅に低減できるだけではなく、膜中の電
子の移動度を２桁向上させることが可能で、これにより
電子の平均自由工程を大幅に向上させ増幅率の向上を図
ることが可能となる。

【００３０】本実施例では、上記非晶質Ｓｉ膜の結晶化
にエキシマレーザーを用いた。エキシマレーザーを用い
る利点としては、波長が紫外領域と短いために、光はほ
とんどがＳｉ膜中で吸収されて、下部の絶縁性基板１１
等への熱的な影響が全くないことがあげられる。本実施
例で使用した結晶化条件を以下に示す。使用レーザー：ＫｒＦレーザー強度：５０〜５００ｍＷ／cm² パルス幅：５０ nsec パルス照射回数：１〜５０回上記条件により、井戸層１３を構成するａ−Ｓｉ膜約２
００ｎｍの結晶化を行った。

【００３１】次に、井戸層１３上に障壁層１４として非
晶質ＳｉＣをプラズマＣＶＤ法を用いて着膜する。材料
としては非晶質ＳｉＣに限らず、ＳｉＯやＳｉＮ等を用
いることも可能である。また、作製方法としては、プラ
ズマＣＶＤ法以外に、例えばＥＣＲＣＶＤ法，光ＣＶＤ
法，スパッタ法あるいは蒸着法等を利用することも可能
である。

【００３２】非晶質ＳｉＣの着膜に際しては、Ｃの含有
率を連続的に変化させることにより、障壁層１４のバン
ドギャップＥgが井戸層１３側より徐々に減少するよう
に作製する（井戸層１３との界面側でのａ−ＳｉＣ膜の
最大バンドギャップの値をＥg2とする）。また、障壁層
１４の後述する光吸収層１６側のバンドギャップの値
は、光吸収層１６のバンドギャップの値Ｅiに等しくな
るように作製する。また、障壁層１４から井戸層１３へ
と移動してきた電子が障壁層１４と井戸層１３の界面部
で伝導帯の差異（ΔΕc）に相当するエネルギーを受け
て、増幅層１５中でアバランシェ増倍を引き起こし、セ
ンサとしての高感度増幅動作を起こさせるためには、障
壁層１４の井戸層１３との界面部でのバンドギャップの
値は、この部分での障壁層１４と井戸層１３との電子伝
導帯の差異（ΔΕc）の値が井戸層１３のバンドギャッ
プ値（Εg1）よりも大きくなるように作製することが必
要となる。

【００３３】この構造により、従来のアバランシェフォ
トダイオードが外部からの印加電圧により電子の加速を
行いアバランシェ現象を引き起こしているのと比較し
て、伝導帯の差異（ΔΕc）によりエネルギー付与方法
によれば、外部電界のアシストは全く必要なく、さらに
井戸層１３として多結晶材料を用いているため、不要の
電子／正孔対の生成も皆無であり、多結晶材料の高移動
度による高感度化が達成される。

【００３４】本実施例の場合、井戸層１３としてはpoly
−Ｓｉを用いているためバンドギャップの値（Εg1）は
約１．１ｅＶであり、伝導帯の差異（ΔΕc）がこれ以
上になることが重要である。従って、例えば障壁層１４
の井戸層１３側の材料としてバンドギャプ値が約３．５
ｅＶである非晶質ＳｉＣを用い、伝導帯の差異（ΔΕ
c）の値が約１．６ｅＶになるように設計すればよい。

【００３５】しかしながら、一般にＳｉと他元素との組
み合わせによりなる半導体あるいは絶縁体において、他
元素の含有率が高くなると膜質は大幅に低下することが
知られている。本実施例の障壁層１４として用いるａ−
ＳｉＣにおいても、バンドギャップを大きくするために
Ｃを含有させると、バンドギャップの値が２．５ｅＶを
越えるあたりから急激にギャップ準位が増加してしま
う。このため、ΔＥcは大きくとれるものの、ギャップ
準位の影響により駆動電圧が増大するとともに、デバイ
スの安定性が著しく低下するという問題が発生してしま
う。

【００３６】このため本実施例においては、障壁層１４
として膜質の大幅な低下をともなう値よりも少ないＣの
含有量とした膜を利用し、ΔＥcとして不足する部分を
外部からの励起光を用いることとした。本実施例ではａ
−ＳｉＣ膜を用い、井戸層１３との界面側のａ−ＳｉＣ
膜の最大となるバンドギャップ値Ｅg2を２．２ｅＶとす
ることにより、Ｃを含有させても膜質が低下しないａ−
ＳｉＣ膜とした。

【００３７】井戸層１３及び障壁層１４を積層して増幅
層１５を形成した後に、光吸収層１６としてバンドギャ
ップ値Ｅiが約１．７ｅＶのａ−Ｓｉを着膜する。した
がって、前記障壁層１４のバンドギャップの値は、井戸
層１３側の２．２ｅＶ（Ｅg2）から光吸収層１６側の
１．７ｅＶに連続して減少するように形成される。本実
施例では光吸収層１６としてａ−Ｓｉ膜を用いている
が、検知したい光の波長によりＳｉに対して適当な添加
物を入れることも可能である。例えば、短波長領域感度
を上げたい場合にはＣ，Ｎ，Ｏ等を所望の量添加し、長
波長領域感度を上げたい場合にはＧｅ等の元素を添加す
る。光吸収層１６の母材としては、可視光領域を検知す
る場合にはＳｉが望ましいが、他の薄膜材料、例えばＧ
ｅ，Ｓｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＰｂＳ等を用いることも
可能である。また、前記した補助光源２０からの励起光
２１が光吸収層１６で吸収されないように、励起光のエ
ネルギーＥoは、光吸収層１６のバンドギャップ値Ｅiに
対してＥo＜Ｅiを満足するように設定する必要がある。

【００３８】最後に、ＩＴＯ，ＳｎＯ₂等を着膜及びパ
ターニングして上部透明電極１８を形成する。電極材料
としては、光に対して十分な透過率を持ち、かつ抵抗値
の小さな材料であればよく、Ａｌ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｔｉ，
Ｎｉ及びこれらの合金の金属の極薄膜（１〜１０ｎｍ）
や、これらによるシリサイドを用いてもよい。

【００３９】また、適宜必要に応じて電子及び正孔のブ
ロッキング層として非晶質あるいは多結晶Ｓｉのｐ層及
びｎ層をそれぞれ光吸収層側電極（例えば図１における
ブロッキング層１７）および増幅層側電極部分に挿入す
ることにより、暗電流の低減効果を得ることが可能であ
る。これらｐ層及びｎ層の代わりに１〜１００ｎｍの薄
い絶縁膜を挿入しても同様の効果を発揮させることがで
きる。

【００４０】上記作製プロセスにより得られた半導体受
光素子に対して、光照射面（上部電極面）に照射光が当
たるように補助光源２０を設置する。補助光源２０から
照射される励起光２１の波長は、前記したように外部電
界のアシストを必要なくアバランシェ現象を起こさせる
ΔＥcに対して不足しているエネルギー以上に相当し、
且つ、井戸層１３で吸収されないよう励起光のエネルギ
ーＥoがpoly−Ｓｉ（井戸層１３）のバンドギャップ値
Ｅg1（Ｅo＜Ｅg1（＝１．１ｅＶ））より小さく設定す
ることにより、約０．８〜１．１ｅＶのエネルギーに相
当する９５０ｎｍ〜１．５５μｍの光源を用いる。

【００４１】この範囲の波長を用いれば、可視光３０に
よる信号に対して全く外乱となることはなく、光センシ
ングのＳＮ比劣化をともなうことは皆無である。また、
光源強度としては、センサ面照度において入射光の強度
と同レベルのものを用いればよく、センシングしている
可視光のように結像光学系による光量減衰がないので、
一般的な可視光のセンシングにおいては１００〜１００
０ｌｘの範囲のものでよい。本実施例においては、消費
電力の少ないＬＥＤを補助光源２０として用いた。バイ
アス電圧を印加するとともに励起光２１を照射させた状
態での半導体受光素子のエネルギーバンド図は図２に示
すようになり、励起光２１の照射により障壁層１４中の
電子が点線の位置（障壁層１４の伝導帯エネルギー準位
より約０．８〜１．１ｅＶだけ高いエネルギー準位）ま
で励起されている。

【００４２】上記実施例で説明した作製プロセスによ
り、障壁層１４及び井戸層１３の組み合わせを６段積層
して増幅層とした半導体受光素子と補助光源とを有する
半導体受光装置の増幅率特性及び暗電流特性を図３に示
す。この例の半導体受光素子では、増幅層を障壁層と井
戸層との６段積層としたので、アバランシェ増幅率とし
ては最高２⁶倍が期待できる。また、ａ−Ｓｉの膜厚は
５００ｎｍ、井戸層及び障壁層の膜厚はともに２００ｎ
ｍとした。また、各特性を比較するため、励起光を照射
しない従来例で説明した構造の半導体受光素子（図４）
の特性を示した。

【００４３】本実施例による補助光源を有する場合、印
加電圧５Ｖでアバランシェ増倍が起きており、励起光を
照射させない場合の印加電圧１０Ｖに比べ大幅な駆動電
圧の低減が可能なことが確認できた。さらに、ａ−Ｓｉ
Ｃのギャップ準位における電子のトラップ／再結合が大
幅に少なくなるため、増幅率も改善することができる。
また、駆動電圧の安定性も大幅に改善されている。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、外部電界のアシストを
必要とせずにアバランシェ現象を起こさせるために必要
な井戸層と障壁層との伝導帯の差異ΔＥcの不足分を外
部励起光の照射によるエネルギーで補うことにより、膜
質の良好な比較的バンドギャップの小さい膜を障壁層に
用いることができるので、障壁層の膜質が低下するほど
バンドギャップを大きく取らなくとも、低駆動電圧でア
バランシェ増倍を起こすことが可能となり、小型及び安
価で且つ高感度の光センシングデバイスを実現すること
ができる。また、増幅層を構成する障壁層と井戸層につ
いて、障壁層と井戸層との伝導帯のエネルギーバンドの
差異ΔＥcを井戸層の禁制帯幅Ｅg1より大きくする必要
がないので、障壁層の材料選択の自由度を大きくするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体受光装置の構造を示すだ断面構
成説明図である。

【図２】図１の半導体受光装置のバイアス電圧印加時の
エネルギーバンド図である。

【図３】本実施例による半導体受光素子及び励起光を照
射させない半導体受光素子についてのバイアス電圧に対
する増幅率特性及び暗電流特性を示すグラフ図である。

【図４】本発明者らが既に提案した外部電界のアシスト
を必要とせずにアバランシェ現象を起こさせる構造の半
導体受光素子（多層薄膜系ＡＰＤ）についての説明図で
あり、（ａ）は構造を示す断面説明図、（ｂ）はバイア
ス電圧無印加時のエネルギーバンド図である。

【図５】図４の半導体受光素子（多層薄膜系ＡＰＤ）に
おけるバイアス電圧印加時のエネルギーバンド図であ
る。

【符号の説明】

１０…半導体受光素子、１１…絶縁性基板、１２…
下部電極、１３…井戸層、１４…障壁層、１５…
増幅層、１６…光吸収層、１７…ブロッキング層、
１８…上部透明電極、２０…補助光源、２１…励
起光、３０…可視光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮本育昌神奈川県足柄上郡中井町境430グリーンテクなかい富士ゼロックス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方が透光性を有する一対の電
極間に、可視光の受光によりフォトキャリアを生じる光
吸収層と、前記光吸収層で発生したフォトキャリアを増
幅する増幅層とを有する半導体受光素子と、この半導体
受光素子の増幅層に可視光領域と異なる波長を有する励
起光を照射させる補助光源とから成る半導体受光装置で
あって、前記半導体受光素子の増幅層は、前記光吸収層に対して
バンドギャップが連続的に変化してなる非晶質，多結晶
もしくは微結晶から形成される障壁層と、この障壁層に
隣接し非結晶材料を結晶化してなる単結晶体，多結晶体
もしくは微結晶体から形成される井戸層と、から構成さ
れ、前記光吸収層で発生し障壁層中を移動するフォトキャリ
アを前記補助光源からの励起光により励起させ、このフ
ォトキャリアが前記井戸層に移動する際にアバランシェ
増倍を行うことを特徴とする半導体受光装置。
【請求項２】前記井戸層のバンドギャップ値をＥg1、障
壁層と井戸層との伝導帯エネルギーの差異をΔＥcとし
た場合、補助光源による励起光のエネルギーＥoは、Ｅo＞Ｅg1−ΔＥc を満足する請求項１に記載の半導体受光装置。
【請求項３】前記励起光のエネルギーＥoは、光吸収層
のバンドギャップ値をＥiとした場合に、Ｅo＜Ｅi である請求項１に記載の半導体受光装置。
【請求項４】少なくとも一方が透光性を有する一対の電
極間に、可視光の受光によりフォトキャリアを生じる光
吸収層と、前記光吸収層で発生したフォトキャリアを増
幅する増幅層とを有し、前記増幅層は、前記光吸収層に対してバンドギャップが
連続的に変化してなる非晶質，多結晶もしくは微結晶か
ら形成される障壁層と、この障壁層に隣接し非結晶材料
を結晶化してなる単結晶体，多結晶体もしくは微結晶体
から形成される井戸層と、から構成される半導体受光素
子に対して、前記半導体受光素子の増幅層に可視光領域と異なる波長
を有する励起光を照射することにより、可視光の受光に
より前記光吸収層で発生し障壁層中を移動するフォトキ
ャリアを前記励起光により励起させ、このフォトキャリ
アが前記井戸層へ移動する際に、障壁層と井戸層との伝
導帯エネルギーの差と励起光のエネルギーとを加えたエ
ネルギーを井戸層の禁制帯幅より大きくすることにより
障壁層と井戸層との界面部分でアバランシェ増倍を起こ
させることを特徴とする半導体受光素子の駆動方法。