JPS58141561A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、基板電極または絶縁基板上の導電層の電極上
に、アモルファス寸たは５〜１００Ａのショートレンジ
オーダの結晶性（規則性）を有する半非単結晶質（セミ
アモルファス）またはマイクロポリクリスタル４￥Ｉｉ
造を有するいわゆる非単結晶半導体を積層して、ＰＩＮ
工ＰまたはＮ工ＰＩＮ構造を有するトランジスタおよび
その複合化した半導体装置に関する。

本発明は透光性基板上に透光性導電膜を第１の電極とし
て設け、この上面に水素捷たはノ・ｌコゲン元素が再結
合中心中和剤として添加された前記した非単結晶半導体
を積層し、この半導体をバイポーラトランジスタマタは
フォトトランジスタとして動作せしめ、さらにこのトラ
ンジスタを複合化し、光センサのアレーを設け、加えて
ダイオードアレーよりもさらにトランジスタの増巾作用
を設けて照射光に対する感度を向上せしめた光変換集積
回路に関する。

従来プラズマＣＶＤ法または減圧ＯＶＤ法により光電変
換装置を半導体層を積層して設けんとする場合、’　Ｐ
ＩＮ接合を有するダイオード構造の太陽電池が有名であ
る。これは本発明人によりなされたものであり、昭和４
９年６月２０日（’ｈ　ＩＩ昭４９−’）Ｉ’７３Ｂ　
）にその詳細が示されている。さらにその際、光入射先
側のＰまたはＮ層での光吸収損失を少なくするため、炭
化珪素等の木・・Ｅ、としたへテロ接合の光電変換装置
が本発明人ｖｃ　、１：り提案されている。（ＵＳＰ４
．２３９．５５４　　対応１１本特許　特許願５３−８
６８６’ｉ’、　５３−８６８６８昭和５３年７月１７
日出願）しかしこれらはすべてダイオード構造であり、
トランジスタとしては増巾作用を期待することができな
い。そのため光センサとしての微弱光の検出には不適当
であり、またマトリックスアレーを設けた場合、その周
辺部のデコーダ・ドライバー　を同一プロセスにより作
ることは不可能であった。本発明はかかる欠点を除去す
るため・′“イ４′−ラトラ：ｙ−）、ｘ、ｐ（を１０
０〜４００°Ｃ特に１５０〜３００’Ｏの温度で作る。

即ちプラズマＣＶＤ法によシ非単結晶珪素、炭化珪素、
ゲルマニュームを主材料として用い、基板上に積層法に
より作製した半導体装置に関する。

またプラズマＣＶＤ法を用いたバイポーラトランジスタ
に関しては、本発明人の出願になる特許（ＵＳＦ４．２
５４．４２９対応日本特許　特許願５３−−−８３４６
’ｉ’、　５３−８３４６８昭和５３年７月８日）が知
られている。この特許はエネルギバンド巾をヘテロ接合
を有して連続的に接合して、ＰＮＰマたはＮＰＮ　）ラ
ンジスタを構成せしめることを！Ｉ）−徴としている。

しかしこのＰＮＰまたはＮＰＮ　）ランジスタはＰＮ接
合面において半導体層の形成の際互いにそのＰ′ｔ−た
はＮ型用の不純物が３０〜３００Ａも混入しあうため、
十分なダイオード特性を有せしめることができない０そ
のため例えばエミッタ接地９本発明はかかる欠点をさら
に除去し、ＰＮ接合面に’Ｉ（真性または不純物を４．
％的に添加しないいわゆる実質的に真性の半導体　以下
工という）層を介在せしめ、それをＰＩＮのダイオード
ではな（Ｐ工ＮＩＰと２層の１層をＰＮ接合に介在せし
めることにより、そのトランジスタ特性の改良を施した
ことにある。特にこの１層に関しエミッタｅベース間に
介在する１層は１００〜３０００Ａを有せしめ、ベース
・コレクタ間には１００ＯＡ〜１０μを有せしめ、その
比を３〜１００倍とし、ベース・コレクタ間には逆バイ
ヤスの耐圧を向上せしめたことを特徴としている。

加えてエミッタに対１７ては、ベースまたはその中間の
１層に比べて広いＥｇを有せしめ、例えばエミッタは５
ｉｘＣ＋−１（０，：　Ｘ（１代表的にはｘ＝０’、３
〜０．５）としてＥｊｇ　２．０〜２゜５ｅＶを有せし
め、その他の１層、ベースは珪素により１．５〜１．８
θＶを有せしめた。かくするとベースからエミッタに逆
向きに流れるキャリアに対しバリヤを作ることができる
ため、例えばＮ工Ｐ工Ｎトランジスタにおいては、ホー
ルに対するバリヤにするため逆にエミッタよりベースへ
の電流流入妨幸を高めその結果電流４り餡に増大、ひい
ては低各掩用トランジスタへの適用が可能となった。

またこのエミッタを基板上の第１の電極上に設ケ、この
エミッタのＥｇをエミッタ・ベース間の１層に比べて前
記した如く大きくすると、透光性基板側よりの光照射に
対しエミッタ領域での光吸収損失を少なくすることがで
き、照射光を有効に１層に注入することができる。する
ととの１層すなわちエミッタ・ベース間での空乏層領域
に対応する１層にて、効率よく電子・ホール対を発生さ
せることができる。このうち特Ｋ　ＮＩＰ工Ｎトランジ
スタにおいては、ホール全との１層、ベースまたはその
近傍の補極領域［−Ｊハシ、ベースのエネルギポテンシ
ャルを下げ、パルス読出しの時瞬間的に流すようにする
と光感度をさらに増大させることができた。

本発明はかくの如くエネルギバンド的にはへテロ接合と
し、さらに非単結晶半導体をＮＩＰＩＮまたはＰ工ＮＩ
Ｐ構造とせしめ、積層的に１層をエミッタ・ベース間、
ベース・コレクタ間ニ設ケることにより、バイポーラト
ランジスタ特に光感度のよいフォトトランジスタまたは
そのアレーを設けることができるようになった。

以下に図面に従ってその詳細を説明する。

実施例１ 第１図は本発明の半導体装置のたて断面図を示す。

第１図（Ａ）は透光性基板例えばガラス（１）上に透明
導電膜（２）をＩＴＯ（酸化インジューム、酸化スズ混
合）酸化スズ、アンチモン等の不純物が添加された酸化
シランを５００〜３００ＯＡの厚さに形成した。

さらにこの上面ＫＮ型の第１の非単結晶半導体（Ｓ　１
）　（３）を５０〜５００ＡのＨさに、真性または実質
的に真性の第２の非単結晶半導体（Ｓ　２）　（４）を
１００〜３００ＯＡの厚さに、Ｐ型の第３の非単結晶半
導体（Ｓ　３）　（５）を１００〜３０００Ａの厚さに
、真性または実質的に真性の第４の非単結晶半導体（Ｓ
　４）　（６）を１．０ＯＯＡ−１０μの厚さに、さら
ＫＮ型の第５の非単結晶半導体（Ｓ　５）　（７）を１
００〜３００ＯＡの厚さにプラズマＣｖＤ法によシ同−
反応炉または分離型式方式の本発明人の出１饋になる特
許願（５３−ｔｎｇ１７昭ｆ１１５３年１２月１．　Ｏ
””ｌ：ｌ出願）に基いて形成した。

このプラズマＯ’ＶＤ法は上記の本発明人の特許願に詳
細に示されているが、これは０゜０５〜２ｔｏｒｒに保
持された反応炉内にシラン、８１Ｆ＋さらＫＣＦ。

等、必要に応じてはＢＬｑ、ＰＨ，等とともに導入し、
プラズマグローまたはアーク放電法により分解して、基
板上に１００〜４００°Ｃの温度で積層して形成する方
法を示す。この際第１の電極（２）の列部とり出し電極
（９）を設ける領域のみ、あらかじめカバーマスクをし
て半導体が形成されないようにした。さらにこの後、外
部引出し電極（９）と第２の電極（８）を真空蒸着法に
より０．３〜１゜５μの厚さに金属例えばアルミニュー
ムを形成させた。

この第１図（Ａ）におけるエネルギバンド図を第２図（
Ａ）　Ｋ番号を対応させて示す。

図面より明らかな如く、第１の電極（２）を通して照射
光００）が与えられ、Ｓｌのエミッタ（３）、８３のベ
ース（５）とがＮ　（３）Ｉ（４）Ｐ（５）のダイオー
ドを構成しさらにＳ３のベース（５）と８５のコレクタ
（７）とがＰ（５）工（６）Ｎ　（７）と逆向きのダイ
オードを構成している。

ここでコレクタ（８）にエミッタに比べて正の電荷（９
） が与えられると、このエネルギバンド巾は左から右下り
になり、電流はエミッタからコレクタに流れる。しかも
また電圧が加わらない時が光照射により生成したホール
（ハ）は１層（４）、ベース（５）Ｋ放出されることが
ないため蓄積され、結果としてエミッタ・ベース間の電
位を小さくする。

このためエミッタ・コレクタ間に電圧が加えられる間に
照射された光の量に比例して作られたホール（ハ）によ
り、エミッタ・ベース間に流れる電流を増感（電子の注
入効率の増加）せしめることができ、いわゆる増１１」
効果を有するフォトトランジスタを構成させることがで
きる。また第２図（Ａ）より明らかな如く、ホール（ハ
）がエミッタ側に流れこまないために、エミッタのバリ
ヤ（ハ）が太きい程よく、このエミッタを広いＥｇＫす
ることは、ここでの照射光での吸収損失を少なくするｒ
（加えて、光増ｒｌＪ作用を向上せしめるためにはきわ
めて重要なことである。

またエミッタ（３）、コレクタ（７）間における電圧０
０） 彎の多くを逆向ダイオードの１層（６）に加えることに
より、耐圧の向上に加えて、電流増「１］率を向上させ
ることができる。そのため２つの１層（４）（６）にお
いて、その厚さを（４）をうす＜、（６）を厚く形成せ
しめること、即ち（工（４）の厚さ）＜　（Ｉ　（６）
の厚さ）とすることは、フォトトランジスタ作用におい
てきわめて重要である。

実施例２ 第１図（Ｂ）は本発明の他の実施例を示す。

この実施例においては、ステンレス等の導電性基板電極
またはセラミックス、耐熱性有機物膜よりなる基板（１
）土に、金属電極（２）を０゜１〜５μの厚さに設けた
。

この上面に実施例１と同様にプラズマ気相法によりＰ型
の第１の半導体層（ｓ　１）　（３）　、１型の第２の
半導体層（Ｓ２）（４）、Ｎ型の第３の半導体層（Ｓ３
）（５）、■型の第４の半導体層（Ｓ４）（６）、Ｐ型
の第５の半導体層（Ｓ　５）　（７）を漸次積層（ッて
設けた。

この際ベースになる第３の半導体（５）の表面の一部が
露出するように被膜形成の際カバーマスクを形成させた
。さらに電極を第１のエミッタ（８）、第２のエミッタ
（８）を設けた。非単結晶半導体であるため、Ｐ層（′
７）の横方向の抵抗が大きく（８）　（８）は互いに特
にアイソレイションを施さなくても、その電極（８）　
（８）の直下の８５（７）がエミッタとして機能させる
のに十分であった。

第１図（Ｂ）はエミッタ５５（７χベースＳ　３（５）
、コレクタｓ　１（３）を構成させている。ベースは外
部引出し電極０１聰すを構成させている。この（Ｂ）　
Ｋ対応してエネルギバンド図は第２図（Ｂ）　Ｋ示され
ている。

番号は第２図（Ａ）　（Ｂ）を互いに対応させている。

この図面においてはＰ工ＮＩＰであるが、第２図（Ａ）
と同様にＮ工ＰＩＮの構造としてもよい。

エミッタ、ベース、コレクタおよびその中間の２つの１
層の厚さは実施例１と同様である。

実施例３ この実施例は実施例１のＮ工Ｐ工Ｎ接合のフォトトラン
ジスタをマトリックス構造にしてフォトトランジスタア
レイを構成せしめたものである。

第３図はその回路図を示す。

第４図は第３図の回路図に従って作られたアレイの平面
図体）およびＡ−にでのたて断面図ＣＢ）を示している
。

第３図において、ＮＰＮトランジスタ（Ｎ工ＰＩＮトラ
ンジスタを簡略化してＮＰＮＩ−ランジスタと記す）翰
はベースが接続されていないが、このフォトトランジス
タの二次元アレイはひとつのトランジスタが翰にみられ
る如く、エミッタ・ベース間のダイオードによる光電変
換用のフォトダイオードと逆方向になったベース・コレ
クタ間のダイオードによる回路選択のためのダイオード
よりなっている。これは読出しの時はとの回路選択用の
ダイオード（ブロッキングダイ町 オード）がオンになって、光電流が負荷抵抗臀を流れる
。この時光変換用フォトダイオードには外部より光があ
たり続けていたと考えられるから、この前の読出しの時
引加された逆方向の電圧により、フォトダイオードの持
つキャンくシタ０杓に充電され、その電荷をこの間に発
生した光電流で放電した分だけ読み出しの時このフォト
ダイオードのキャパシタを充電することになり、いわゆ
る蓄積効果が得られる。この蓄積効果によりＰ工Ｎフォ
トダイオードの１♂〜１ｄ倍もその感度を高めることが
できた。

＼ すなわちフォトトランジスタは第３図に示す如きエミッ
タ接地朽造を有する電流増巾回路を構成している。

この半導体装置として第４図を示す。

図面において明らかな如く、照射光（１０）は基板（１
）側より与えられ、透光性第１の電極（２）上にＮ（３
）■（４）Ｐ（５）■（６）　Ｎ　（７）が実施例１と
同様にこの基板および複数の上面を全面にわたって積層
されて設けられている。第１の電極（２）の電極リード
配線間は半導体心ニ光照射が行なわれないように遮光さ
せると各素子のコントラストをさらに向」二できる。

図面より明らかな如く、第１の電極リード（λ）がＹ方
向に設けられると、第２の電極・リード（８）はＸ方向
に設けられ、その交さ点翰がひとつのフォトトランジス
タを構成している。非単結晶半導体は吸着水分の影響を
受けやすいため、これら半導体装置に図面にある如く耐
湿性樹脂を０．５〜３μの厚さにオーバコー　トをし、
その信頼性の向上に務めた。

各トランジスタは単結晶半導体にみられる如く、基板と
コレクタとの間に逆バイヤスを加えたＰＮ接合によるア
イソレイションは非単結晶半導体であるため不要である
。

すなわちフォトトランジスタアレーは実施例１と全く同
一工程で、特にフォトエッチニ」：るマスク合わせをさ
らに加えることなく作ることができる。これは非単結晶
半導体のキャリアの移動度が単結晶のそれに比べて１／
］−０〜１／］、ＯＣｌである特性を利用したためであ
る。

かかる構造とすることにょシ、フォトトランジスタアレ
ーを第３図にその番号を対応させて第４図に実施例１と
同様に作製した。

この図面では二次元のフォトトランジスタアレーであり
、イメージセンサ等に用いた場合、１層を珪素（１，６
〜１゜８ｅＶ）とすると、その視感庶が人間の目と同じ
であるため、人の視光と同じ波長感圭を得ることができ
る。−次元のフォトトランジスタアレーを第４図のＡ−
Ａ′の部分を一部のみ作って作製し、コンピュータのカ
ード読取りセンサ等に用いてもよい。

またこのフォトトランジスタの周辺部には実施例２に示
す如きバイポーラトランジスタを用いた論理回路を用い
てもよいが、また絶縁ゲイト型電界効果半導体装置（Ｉ
　Ｇ　Ｆ　Ｅ　Ｔ）を構成せしめてもよい。この場合は
エミッタがソースまたはドレイン、コレクタがドレイン
またはソースを構成せしめ、その中間のＩ−Ｐ−Ｉ層に
対したて方向に流れるチャネルを構成さぜるたてチャネ
ルＩＧＦＥＴを構成させればよい。

かくすると同一基板」−に工ＧＦＥＴとバイポーラトラ
ンジスタとフォトトランジスタとを同一半導体層を用い
て作ることができる。そのため大集積化されたアモルフ
ァス半導体を含（非単結晶半導体を用いた集積回路を構
成させることができた。

本発明において半導体装置を積層するにあたり、反応炉
より外部にとり出すと空気と酸化しその際電流を通し得
る薄膜の絶縁膜が形成される。これらの絶縁膜は特に積
極的効果を有さないことも含めて、本発明の半導体の変
形である。

本発明において第１の半導体層に用いる５ｉｘＯ１□（
０＜　ｘ＜　１）とした広いＥｇを有する半導体は一般
的に結晶化度が０〜３０係と低く、１層はＳｌを主成分
とするためｔの結晶化度が２゜〜５゜１高くなり、本発
明の非単結晶半導体を用いた半導体装置に用いられる半
導体層において、一部がアモルファス、一部がセミアモ
ルファス等の混合がなされてよいことはいうまでもない
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体装置のたて断面図を示す。 第２図は第１図ＶＣ対応した半導体装置のエネルギバン
ド図を示す。 第３図はフォトトランジスタアレーの回路図を示す。 第４図は第３図に対応した本発明の半導体装置を示す。 私２閃 ＄３１Ｘｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　透光性基板上の透光性導１↓・：ｊ〜の第］の’ｉ
   ｊｊ極上に、−導電型の第１の非単結晶半４−、Ｃ体と
   、該半導体−トに真性または実質的に真性の第２の非単
   、　４７ｉ晶半導体と、該半導体上に前記第１の半導体
   とは逆梼電！１１Ｊの第３の４１単結晶半汎体と、該半
   導体上に負性１・たｄ実質的に真性の第４の非単結晶半
   導体と、該半導体上に前記第１の半導体と同一導電型の
   第５の半導体を和暦して、Ｎ工Ｐ工Ｎ接合またはＰ工Ｎ
   工Ｐ接合を有せしめるとともに、基板側よりの光照射に
   よる光起電力を前記第１の電極および前記第５の半導体
   上の第２の電極にてフォトトランジスタ信号として検出
   せしめることを特徴とする半導体装置。 ２、特許ｔ、、氷の範囲２１３１項において、基板−ト
   の第１のｔＩＬ極リーすドし１−基板上の一方向ＶＣ複
   数を配列して設け、１該電、険リードおよびＡｆｔ記：
   Ｉｌ（”板をおおって非１）１結晶半導体が和層しけら
   れたマトリックス構成を有するフォトトランジスタ群を
   構成せしめたことを特徴とする半導体装置。