JPS60235458A - 光電変換装置 - 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】 産業上の利用分野 本発明は光電変換層を有する光電変換装置に関する。

従来例の構成とその問題点 近年、Ｗ、Ｋ　５ｐｅａｒらにより１９７６年にアモル
ファスシリコンの荷電子制御、即ちＰ型およびｎ型半導
体層の形成が可能であることが示されて以来単結晶でな
い非晶質（アモルファス）シリコンの基礎研究並びに応
用研究が盛んにおこなわれるようになってきた。応用研
究の一端としてｐ−１−ｎ型ダイオード構造をもつ太陽
電池の研究が盛んなことは言うまでもないが、この光に
よる電流をエネルギーとして利用するのではなく光電変
換センサーデバイスへの応用研究も始められている。

一般ニアモルファスシリコンはシラン（ＳｉＨ４）ガス
のグロー放電分解法で製作されることが多く第１図はこ
の方法で作成された太陽電池の構造の一例ａとバンドモ
デルｂを示［７、光電変換センサー膜も本質的には類似
の構造をとる。第１図において、１はガラス又は金属の
基板、２はホスフィン（ＰＨ３）などを添加したｎ型ア
モルファスシリコン層（ｎ層）、３は不純物ガスを添加
しないイントリンシックアモルファスシリコン層（ｉ層
）である。もちろん１層３に微量の不純物ガスｋＦＡ加
しても良い。４はジボラン（Ｂ２Ｈ６）などの不純物ガ
スを添加したｐ型子モルファスシリコン層（ｐ層）、５
は金属電極（ｈｅ　、　Ａｕなと）又は透明電極（ＩＴ
Ｏなど）である。光は基板１か又は電極５側から入射す
る。ｂ図はａ図のノくンドモデルを示し、光の入射によ
って電子と正孔のギヤリア対６が発生し電子は基板１側
へ正孔は電極５の方へ拡散したものが電流とな９外部に
取り出される。

この拡散により両側に到達するキャリア数が多い程外部
へ取り出せる電流量が多くなる。即ちこの１層３の比抵
抗が小さく拡散長が長い程良いわけであり、通常のンラ
ンガスの分解では比抵抗は約１０”Ω・ｃｎＩ程度であ
る。一方センサー膜として使用する場合はこの感度層で
ある１層３の比抵抗が１０１１〜１０１Ｎ・ｃｍ程度と
大きくなければ信号の横方向への拡散が起り信号分離特
性が悪くなる。

第２図は太陽電池と同類の構造のセンサーの一例を示し
たもので、ａ図は半導体などの基板７の上に走査回路（
図示せず）により電気的に走査される信号サンプリング
電極あるいは領域８を配置し、その上に光電変換層とし
てｎ型アモルファスシリコン層（ｎ層）９、インドリノ
シックアモルファス層（１層）１０、ｐ型子モルファス
シリコン層（ｐ型）１１および光入射側の透明電極層１
２が積層されている。ｂ図は光の入射方向が逆であり、
透明なガラス基板１３の上に透明電極１２、ｐ型子モル
ファスシリコン層（ｐ層）１１、インドリンノック層（
１層）１０、ｎ型アモルファスシリコン層（ｎ層）９お
よびす：／−プリング電極あるいは領域８が積層されて
おり、ａ、ｂは製造順序が異なる例である７ さてセンサー膜は一般に外部からドリフト電界を印加し
て光によってセンサー内部で発生した光信号キャリア（
電子や正孔）を有効に外部回路に引き出しており、この
点が太陽電池とは異なる。

捷だ第２図の１層９および９層１１は単なるブロッキン
グ層であり、外部電圧を印加した時に正電極からの正孔
の注入、負電極側からの電子の注入を阻止して外部から
の印加電圧による暗電流の増加をおさえて光信号のＳ／
Ｎを良くする働きをし主たる光信号を発生させる感度層
は１層１ｏである。従って１層９，９層１１は絶縁膜（
５ｉ０２　。

Ｓｉ　３Ｎ　ａなど）や三硫化アンチモンなどの層であ
ってもよい。寸たこうしたブロッキング層を用いること
なく感度層と両側の導電電極との仕事関数の違いによる
電子あるいは正孔の注入を阻止する構造のものでもよい
。

次に第３図ａ、ｂは第２図２Ｌを一例としたセンサーと
しての動作状態を示す。前述のようにセンサーとして使
用するために透明電極１２に負の電圧、サンプリング電
極あるいは領域８に正の電圧を印加しセンサー内部にド
リフト電界Ｅ（電子に対して正の方向）を形成する。第
３図ａは透明電極１ノ諷らサンプリング電極Ａの上に光
が入射シた時の素子の断面に於ける光信号電荷１４（電
子）の移動を模擬的に表現したもので、光信号電荷１４
はセンサー内のドリフト電界Ｅによりサンプリング電極
Ａの方向に移動するが一方すンプリング電極Ｂの方にも
拡散現象と電界Ｅによって多少の光信号電荷１４が移動
してし捷う。この様子をバンドモデルを用いて表現した
ものが第３図すであり、サンプリング電極Ａの上に入射
した光による光信号１４がサンプリング電極Ｂにも移動
、蓄積され横方向解像度を劣化させる。このため感度層
に微量の不純物ガス（Ｎ２や８２Ｈ６など）を添加して
高抵抗化をはかることも研究されてはいるが、高抵抗化
により光信号を外部に取り出すのにもより高いドリフト
電界が必要となり低電圧駆動が困難であり、低電圧駆動
で且つ高解像度という三者の条件を満足することに問題
点を有していた。

発明の目的 本発明はかかる問題に鑑み、比抵抗の低い感度層の使用
を可能とし、また不純物バリア領域に最適なりイオン量
を注入することにより横方向分離を改善した構造のセン
サーを提供するものである。

発明の構成 本発明は複数個の信号サンプリング電極あるいは領域と
、これに結合し選択的な不純物バリア領域をもつ光電変
換層を備えた光電変換装置であり、選択的な不純物バリ
ア領域に最適なりイオンを注入することにより光信号の
横方向拡散を抑制し横方向解像度を改善するものである
。

実施例の説明 第４図は横方向解像度の改善を目的として第４Ｎａの深
い注入領域１５を選択的に形成した構造の本発明の一実
施例センサー構造を示し、第２゜３図を同一部分には同
一番号を付す。第４図の作成方法は半導体などの基板７
の上に信号サンプリング電極あるいは領域８を選択的に
配置しプラズマグロー放電分解法によりシランガス（Ｓ
ｉＨ４）などおよび添加ガスによりアモルファスシリコ
ンよりなる１００〜５０ｏへのｎ型層９　、０．２〜１
゜ｐ　ｍの１層１０．１００〜１０００へのｐ型層１１
を堆積させ更に選択的なｐ型不純物となるイオン注入た
とえばホロンＢを２５　ＫｅＶ〜１ＭｅＶで１０　ｃｍ
　以上注入して注入領域１５を形成する。

注入領域１６は、イオンにより損傷を受けており、この
ままでは暗電流が多く、光応答速度も遅い。

イオンによる損傷を回復させるためには２００°Ｃ〜３
６０°Ｃにて１０分〜３時間の熱処理が有効である。こ
れ以上の温度での熱処理は、アモルファスシリコンから
の水素の離脱をおこすため不適である。壕だ、注入不純
物が１０　７ｍ　以上となると、熱処理による回復も不
充分となり、かつ注入時間も極めて長くなるため実用的
でない。

第４図すはａ図の構造をもつセンサーの動作状態のエネ
ルギーバンド図であり、透明電極１２には負の電圧、サ
ンプリング電極あるいは領域８には正の電圧が印加され
ており、電界Ｅは電子に対して正の方向に描いである。

第４図すの１６のポテンシャル的な丘の部分が深い注入
領域であり、サンプリング電極Ａの上面の光により発生
した光信号電荷１４はセンサー内のドリフト電界Ｅによ
りサンプリング電極Ａに流れていく。この時拡散現象に
より横方向へのにじみとなろうとするが、横方向には深
い注入領域１５によるポテンシャル障壁が形成されてお
り拡散現象を妨げ、結果として隣りのサンプリング電極
Ｂに移動し蓄積される信号電荷は少量となり横方向解像
度の劣化が改善される。

同様に第５図ａ、ｂは光の入射が基板側からの素子の構
造およびバンド構造図を示す。ガラスなどの基板１３の
上に透明電極層１２．ｐ型層１１゜１層１０．ｎ型層９
および信号サンプリング電極あるいは領域８を形成し、
更に深い注入領域１６を形成する。この形成はサンプリ
ング電極８’ｒマスクにしても良いし、ｎ型層９の後に
パターン出しを行い注入あるいは拡散して次にサンプリ
ング電極８を形成しても良い。この場合も深い注入領域
１６が多重のイオン注入により１層１０即ち感度層内部
捷で深く注入されており、光の入射により発生する光信
号電荷１４はドリフト電界２によりサンプリング電極側
に移動するが、この時深い注入領域１５のポテンシャル
障壁により、たとえば低い比抵抗（約１ｏ８Ω・ｃｌｎ
）程度の感度層を用いても横方向の拡散を防ぐことがで
きる。

第６図にはイオン注入領域１５０分光感度特性を示す。

イオン注入により大幅な感度低下が生じていることがわ
かる。感度が低下するということは光照射時のサンプリ
ング電極間に流れる電流が減少することを意味し、解像
度の低下を防ぐことが出来る。第７図には、イオン注入
量に対する感度低下を示した。１０１２７ｍ２以上の注
入により感度の低下が観測される。−！た、−型注入に
較べて多重注入を行なえば、低いイオン注入量で感度低
下を得ることが出来る。多重注入は、注入による、↓ 損傷も少なく、かつ１層１０の中に不純物ハリ領域を膜
厚方向に連続して形成することが出来るため、解像度を
向上させ、光応答特性もすぐれた１層１０１Ｆｒ：得る
ことが出来る。

以上は、バリア領域を形成する注入イオン不純物として
Ｂを用いて説明してきたが、本発明はこれに限定される
ものではなく例えば■族元素のム（７，Ｇａ、Ｉｎ、Ｔ
ｇ、ｔたはハ０ゲン元素Ｆ。

Ｇｅ　、　Ｂｒ　、　Ｉ等においても１０　Ｃｍ　以上
のイオン注入を行うことにより全く同様の効果を得るこ
とが出来る。

捷だこれまでは光信号キャリアとして主に電子をとり扱
って来たが正札でも良く、このときはバイアス電圧を逆
に印加すればよい。

才だ、ｎ型層、ｐ型層は前述のようにブロッキング層や
半導体電極との仕事関数の違いを利用したンヨートキー
障壁層であっても良い。

発明の効果 以上のように本発明によれば、比較的低い比抵抗の感度
層（１層）を持つアモルファスシリコンセンサーの横方
向解像度の改善を、たとえばイオン注入という従来より
単結晶シリコン技術に用いられる方法等の応用により達
成することができ、従来のト　■族の化合物センサーや
他のアモルファス化合物センサーに比べ汚染などの心配
もなくシリコンプロセスに容易に導入しうるセンサーが
可能となる−また、本発明においてはイオン注入する不
純物の量を１０　α　以上とすることにより、１層１０
の感度低下を生じさせて解像度の向上をはかり、多重の
イオン注入によりその損傷全低減せしめ、光応答特性を
改善させている。本発明は、従来の高比抵抗のセンサー
に較べ低電圧で駆動できるため、半導体集積回路と一体
化した構成の光電変換装置に特に適している。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）はそれぞれ従来の太陽電池の
断面構造図、そのバンドモデル図、第２図（ａ）　、　
（ｂ）は太陽電池と同類の構造の従来のセンサー構造の
センサー構造断面図、第３図（ａ）　、　（ｂ）はそれ
ぞれセンサーの動作状態の概念図、バンドモデル図、第
４図（＆）　、　（ｂ）はそれぞれ本発明の一実施例に
かかる深い注入領域を選択的に持つ構造のセンサー動作
状態の概念断面図、バンドモデル図、第６図（ａ）　、
　（ｂ）は本発明の他の実施例のセンサー構造の素子の
駆動状態の概念断面図、バンドモデル図、第６図は本発
明にかかわるイオン注入がある場合とない場合の分光特
性図、第７図はイオン注入量に対する感度変化を示す図
である。 ７・・・・・・半導体などの基板、８・・・・・・信号
サンプリング電極あるいは領域、９・・・・・・ｎ型ア
モルファスシリコン層（ｎ層）、１０・・・・イントリ
ンシックアモルファスシリコン層（ｉ層）、１１・・・
・・・ｎ型アモルファスシリコン層（ｐ層）、１２・・
・・・・透明電極層、１３・・・・・ガラス基板、１４
・・・・・・光信号電荷（電子）、１６・・・・・・深
い注入領域。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数個の信号サンプリング電極あるいは領域と、
   前記サンプリング電極あるいは領域に結合したアモルフ
   ァスシリコンを含む光電変換層と、前記光電変換層に選
   択的に形成された前記複数個のサンプリング電極あるい
   は領域に集められる光信号の横方向分離用不純物バリア
   領域にＰ型不純物となるイオン濃度として１平方ｍあた
   り１０１２個以上を注入することを特徴とする光電変換
   装置。
2. （２）横方向分離用不純物バリア領域に、異なる加速エ
   ネルギーにてＰ型不純物イオンを２回以上注入すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光電変換装置
   。
3. （３）アモルファスシリコンにＰ型不純物のイオン注入
   後、熱処理を行なうことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の光電変換装置。