JPS5927581A - 光センサ - 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、水素化非晶質珪素化合物（以下、ａ−８ｉ：
Ｈと略す）を使用した、可視光領域の色を有利に判別す
ることができる光センサに関するものである。

光センサは、光コードの読み取り、光スイツチ機能等を
有し、現在、広い分野で応用されている。なかでも可視
光領域の色を判別するカラーセンサは、塗料、染料など
の色識別や色ムラ判別、カラーコードの物品仕分け、或
いは、医療分野への応用など、多方面での応用が期待さ
れ、種々のカラーセンサが提案されている。

従来、ａ−８ｉ：Ｈを使用したカラーセンサは、色の識
別、のために色フィルターを使用している。

すなわち、赤、緑および青の３枚のフィルターを装着し
た３個の素子を並置して使用している。

そのため、空間的な分解能が低くなシ、小型化や集積化
が難しい。

本発明者等は、かかる点に留意して鋭意検討した結果、
ａ−８ｉ：Ｈの半導体接合を有する光電変換素子を多層
構造とし、各層の素子から電極端子を取シ出し、その出
力を適宜演算処理すれば、色フィルターを使用すること
なく、可視光領域の色を有利に判別することができるこ
とを知得し、本発明を完成するに到った。

即ち、本発明の要旨は、導電性基板上に、水素化非晶質
珪素化合物層の半導体接合を有する光電変換素子を少な
くともλ細板上条層状に積層し、且つ、該各党電変換素
子から電極端、子を取シ出したことを特徴とする光セン
サに存する。

以下、本５発明を説明する。

本発明の光センサけ、光電変換素子を少なくともΩ細板
上積層した多層構造を形成している。

層の数が多いほど出力数が増し、さらに精密な光スペク
トルを検出することができるので有利である。

本発明の光電変換素子は、ａ−８ｉ：ｎ層の半導体接合
を有する。

半導体接合は、ａ−８ｉ：Ｈの真性半導体層（１層）、
Ｐ形半導体層（Ｐ層）およびｎ形半導体層（ｎ層）のう
ちの、２褌の層によシ形成される。例えば、Ｐ層とｎ層
とが接合しだｐ−ｎ接合、Ｐ層とｉ層とｎ層とが接合し
たＰ−ｉ−ｎ接合などが挙げられる。

本発明においては、特に、Ｐ　−ｉ　−ｎ接合を有する
光電変換素子が好ましい。

上記Ｐ層およびｎ層の膜厚は、膜のシート抵抗を小さく
するためにある程度の厚さは必要であるが、あまり厚く
するとＰ層およびｎ層での光の吸収量が増え、光担体生
成層であるｉ層に到達する光量が減少し、その結果、光
電流の減少をもたらすことがあるので、通常、Ｐ層は範
囲から選ばれる。

まだ、ｉ層の膜厚け、コθθ〜２θ、θｏｏＸの範囲か
ら選ばれる。コθθ久より薄いと十分な光電流を得るこ
とができず１．：ｚｏ、ｏｏｏ’ｈより厚いとａ’　−
Ｓｉ’　：　Ｈ中の担体の移動度が少さく、光電流が低
下することがある。

ａ−８ｉ：ｎ層の作製法は、反応性スノ（ツタリング法
、イオンビーム蒸着法、グロー放電分解法等が挙げられ
るが、均一で大面積の、しかも、高光導電率を有する層
を与えるグロー放電分解法が好適である。

具体的には、例えば、ステンレス、モリブデン、アルミ
ニウム等の金属板、或いは、ボリエ酸化スズ（ＳｎＯ２
）等を蒸着処理した導電性基板をコθθ〜３ｊθ℃に加
熱し、シランガス等のガス圧力をθ、７〜３　Ｔｏｒｒ
に保ち、グロー放電することにより、基板−ヒにａ−８
ｉ：ｎ層を形成することができる。グロー放電の形式と
しては、直流法、高周波法のいずれも使用することがで
きる。

Ｐ層およびｎ層を形成する場合は、原料ガスにドーピン
グガスとして夫々Ｂ、ＨｏおよびＰＨ，を混合すればよ
い。これらドーピングガスの分圧は、Ｂ２Ｈ，またはＰ
Ｈ３とＳｉＨ４の比でθ、θθ／〜０、θｊの範囲で混
合する。

上記グロー放電分解法で得られるａ−８ｉＨＨ層中には
、！〜ＳＯ原子％程度の水素が含まれ　′ており、ａ−
８ｉ：Ｈ中のダングリングボンドを低減し、光導電性の
向上に寄与している。

原料ガスを適宜変化させ、上記の方法にょシ、Ｐ層、ｎ
層および１層を所望の順序に連続的に積層すれば、本発
明の半導体接合を有する光電変換素子を形成することが
できる。この操作を繰り返すことによって、光電変換素
子の多層構造を形成することができる。

次に、本発明の光センサの７例を第１図によって更に説
明する。

ガラス板／上に、常法にょ９、ＳｎＯ２またけＩｎ２Ｏ
，等の透明導電層λを蒸着した基板上に、高周波電源で
容量結合型の装置を用い、シランガスを原料として、ガ
ス圧力０．／〜！　Ｔｏｒｒ　。

高周波出力ｄθ〜３θθＷ１基板温度コθ０〜３ｊＯ℃
、原料ガス流量／θ〜コθ０ｒｎｌ／分の条件下、グロ
ー放電を行なｚ、ｐ層３／、１層３−２および１層３３
を堆積させて光電変換素子３０を形成する。次いで、こ
の光電変換素子３０上に、同様にして２層９／、１層グ
ーおよび６層４ｔ３を堆積させて光電変換素子りθを形
成する。その際、Ｐ層を形成する場合には、原る場合に
は、原料ガス中にＰＨ３を混合する。

そして、光電変換素子３θおよびり。に、アルミニウム
、モリブデン、ステンレス等の金属、或いは、前述の透
明導電層等で亀ｌｒ！ｌＡ６を設けて光センサを作製す
る。

力）かる光センサに、ガラス板／側から光を入射させる
と、光入射側にある光電変換素子３゜では短波長光が吸
収され、また、光電変換素子グθでは、光電変換素子３
ｏで吸収されなかった比較的長波長光が吸収される。即
ち、短波長成分カ多い光が入射した場合は、■の出カカ
大きく、■の出力が小さい。逆に、長波長成分が多い光
か入射した場合は、■の出力が小さく、■の出力が大き
い。

このように、■および■の出ノＪは、夫々、波長依存性
（分光感度）が異なシ、入射光の波長によシ芙々独立に
変化するので、これらの電気的な演算処理、例えば、加
算、減算、除算、或ｂ／′ｉ、これらの組合せを行なう
こ七により、入射光のスペクトルを識別することができ
る。

本発明において、光入射側の光電変換素子３θの膜厚を
あまり厚くすると、より長波長光まで吸収するので、光
電変換素子りθの膜が一定ならば、光電変換素子グθの
感度が低下することになる。逆に、光電変換素子３θの
膜厚をあま９薄くすると、光電変換素子グθに入射する
光の短波長成分が増大し、分光感度が変化してしまうの
で、光電変換素子の膜厚の設定は重要である−０例えば
、光電変換素子３０の膜厚をｊ−θＯ〜３．θθＯＡと
し、光電変換素子４ｔＯの膜厚をその／ｊ倍以上とする
のが好ましい。

本発明の光センサにおいて、吸光係数の制御は重要であ
るが、この吸光係数の波長依存性は、ａ−８ｉＨＨ層の
光学的禁止帯幅と密接な関係がある。即ち、禁止帯幅を
大きくすれば、吸光係数の波長依存性は短波長方向にシ
フトし、逆に小さくすれば、長波長方向にシフトする。

この禁止帯幅の制御は、ａ−８ｉＨＨ層の作製条件によ
り行なうこともできるが、化学式、（Ｓｉ＋　−ｚ　Ａ
Ｘ）＋−ｙＨｙ （式中、ＡけＯ，Ｇｅ、Ｓｎ、Ｎ、ＢまだはＰの元素を
示し、ｘ、ｙはθ≦Ｘ≦／、０．０ｊ≦ｙ≦θ、夕を示
す。）で表わされる水素化非晶質珪素化合物を、多層構
造を形成している各素子の各層のうち、少なくとも７層
に使用することも有効な手段である。

この場合、原料ガスとして、ＳｉＨ４カスに、　　−例
えば、ＯＨ４、ＧｅＨ４、ＳｎＨ４、ＮＨ８、Ｂ、Ｈ，
、ＰＨ３等のガスを適当量混合１−７て使用し、前述と
同様の条件でグロー放電分解反応を行なえばよい。

得られる効果としては、例えば、ＳｉＨ４ガスにＣＨ４
、ＮＨ３を混合すると禁止帯幅が大きくなシ、短波長光
感度が上がる。また、Ｓ　ｉＨ４ガスにＧｅＨ４、Ｓｎ
Ｈ４を混合すると禁止帯幅が小さくなり、長波長光から
赤外光に対して感度が上がる。

また、本発明において、各素子のｉ層、Ｐ層成（八けｎ
層に、粒径ｊθ〜ｉｓｏ’ｈ程度の水素化微結晶化合物
を小道存在させると（光電流が増大するので好ましい。

かがる微結晶を含んだａ−ｓｉ；ｌ（層は、高周波の出
力を大きくする、例えば、／　、Ｔ　Ｏ−ｊθＯＷとす
るか、或いは、原料ガスのＳｉＨ４ガスを水素ガスで、
例えば、Ｓｉｎ、がＯ，ｊ−ｊ％となるように希釈する
が、或いは、グロー放電領域と基板との距離を大きくす
る等によ層形成することができる。

以上説明した本発明の光センサは、半導体工業の微細加
工の技術を用いることによって、分解能７７７０ｍｍ以
上のカラーセンサアレイを作製することが可能であシ、
更に、λ次元カラーセンサへの応用も可能である。

まだ、薄膜作製技術の応用により、他の機能素子と一体
としたモノリシックセンサとして使用することも可能で
あシ、極めて優れた光センサである。

以下に実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明する。

実施例／ ガラス板上にＳｎＯ２を蒸着した導電性基板上に、容鍍
結合型高周波グロー放電装置を用い、Ｐ−ｉ−ｎ接合を
有する光電変換素子３θおよびグθの積層された第１図
に示したような光センサを作製した。

Ｐ層、ｉ層およびｎ層の堆積は、基板温度２！θ℃、ガ
ス圧力約／　Ｔｏｒｒ、高周波出力ｊ！Ｗで行なった。

Ｐ層形成の際は、Ｂ２Ｈ６ガスをＳｉＨ４ガスに対して
θ、２．体積％混合したガスを原料ガスとし、ｎ層形成
の際は、ＰＨ３ガスをＳｉＨ４ガスに対して０，３体積
％混合したガスを原料ガスとしてグロー放電分解を行な
った。

Ｐ層およびｎ層の膜厚け、夫々、／θＯＡおよび３θθ
Ａとし、ｉ層の膜厚は光電変換素子３０においてけ６θ
ＯＡ、光電変換素子グＯにおいては３．６０　ＯＡとし
た。

上述の様にして作製した光センサに、ガラス板／側から
、分光器を通して単色光化した光！（光源、タングステ
ンランプ）を入射させて分光感度を測定し、第２図に示
した。第一図は、■の出力（光電流）の極大値を／、θ
として、その相対感度として示しだ。

この図から明らかなように、光電変換素子３０の感度の
極太は約ｓ、ｏ　ｏ　ｏ　Ｘ、光電変換素子グ０の感度
の極大は約６，２θθ又と明らかな差が見られた。

従って、例えば、緑色の光（波長ｊ、θθθＸ）が入射
した場合は、光電変換素子３θの感度が高く検出され、
また、赤色の光（波長６．夕θθ′Ａ）が入射した場合
は、逆に、光電変換素子＜１０の感度が高く検出される
ので、どちらの出力が大きいかを調べることによって、
色の識別ができることが分った。

まだ、■と■の各波長における感度の比（Ｂ／Ａ）を第
３図に示した。図から明らかなように、可視光領域（￥
、０００〜７．θθＯＸ）に亘って単調に増加している
。即ち、Ｂ／Ａの値は、波長と対応しておシ、従ってＢ
／Ａの値を調べることによって、入射光の色（波長）を
一義的に決定することができることが分った。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光センサの構成例を示す断面の概略図
、第２図は、本光センサの感度の入射光波長依存性を示
す図、第３図は、第λ図Ｃ〕−曲線の各波長における比
の値を示す図である。 ／・・・・・・・・ガラス板、＝２・・・・・・・・透
明導電層、３０．￥Ｏ、、、、、、、、ａ　−ｓＨＨ光
電変換素子、３／、グ／・・・・・・・・Ｐ形ａ　＝Ｓ
ｉ層、　３．２．　値・・・・・・・・ａ−８ｉの真性
半導体層、３３、　ｇｊ・・・・・・・・ｎ形ａ−Ｓｉ
層、ｊ・・・・・・・・被検出光、６・・・・・・・・
上部電極、２・・・・・・・Ａ出力、！・・・・・・・
・Ｂ出力出　願　人　　　社団法人生産技術振興協会式
　理　人　　弁理士　良否。川　　−ほか／名 −１Ｊ−続ネ１７　、ｉｌ三稈１〈自発）昭和５７年１
０月２６日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿　　　　　　　。 ２　発明の名称　　　光　セ　ン　リ−３３補ｉ［をり
る者 事件との関係　　出願人 社団法人生産技術撤回協会 ４代理人 東京都千代［Ｊ］Ｉス丸の内二丁１１５番２号（（二艮
か　′１名） 巳３　　ｂｌｉ正の対象 明細用の１ブを明の詳細な説明」の欄 ６　補１の内容 （′ｌ）明１１四第６頁第１５１うに１の比で」どある
のを１の体積比ぐ」とｌｔＪ正づる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）導電性基板上に、水素化非晶質珪素化合物層の半
   導体接合を有する光電変換素子を少なくとも一個以上多
   層状に積層し、且つ、該各光電変換素子から電極端子を
   取り出したことを特徴とする光センサ。 （２）光電、変換素子が、水素化非晶質珪素化合物の真
   性半導体層、Ｐ形半導体層およびｎ形半導体層のうちの
   ２種の層によシ形成される半導体接合を少なくとも７個
   以上有するものである特許請求の範囲第１項記載の光セ
   ンサ。 （３）光電変換素子が、水素化非晶質珪素化合物の真性
   半導体層をはさんで、水素化非晶質珪素化合物のＰ形半
   導体層とｎ形半導体層を積層したものである特許請求の
   範囲第１項記載の光センサ。 （４）真性半導体層が、λθ０〜Ｊ　Ｏ，０００豐Ａの
   膜厚を有するものである特許請求の範囲第３項記載の光
   センサ。 （５）Ｐ形半導体層が、ｊθ〜６００Ａの膜厚を有する
   ものである特許請求の範囲第３項記載の光センサ。 （６）ｎ形半導体層が、ｊ　Ｏ〜／、０ＯＯＡの膜厚を
   有するものである特許請求の範囲第３項記載の光センサ
   。 （力　少なくとも２個以上積層された光電変換素子が、
   水素化非晶質珪素化合物の真性半導体層を有し、１つ、
   各素子の真性半導体層の膜厚が異なるものである特許請
   求の範囲第３項記載の光センサ。 （８）水素化非晶質珪素化合物層が、さらに水素化微結
   晶珪素化合物を含む特許請求の範囲第１項記載の光セン
   サ。