JPS61187380A - 非晶質シリコン光センサ− - 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】 産業上の利用分野 ゛　　本発明は、光導電膜として水素化非晶質シリコン
（以後、ａ　−３ｉ　：　Ｈと記す）薄膜を用いた非晶
質シリコン光センサーの耐環境特性の改善に関するもの
である。

従来の技術 半導体光センサーは、光を吸収した際に電子および正孔
の数に変化を生じ、該変化を外部から電圧または電流の
発生として観察するものであり、従って、センサーの発
生する電圧を利用するか、電流を利用するかでその種類
を大別でき、夫々光起電力形および光導電形と呼ばれて
いる。中でも、特に半導体薄膜を使用したブレーナ形あ
るいはサンドイッチ形構造の非晶質シリコン光センサー
が各種知られており、積極的な開発が行われている。

これらは、例えば第３図（ａ）（プレーナ形）および（
ハ）（サンドイッチ形）で示されるような構造を有して
おり、ブレーナ形は基板１０の上に形成された非晶質シ
リコン膜１１と、該シリコン膜１１上にＡ１などの電極
１２を設けた構成となっており、一方サンドイッチ形で
は同様な基板（例えばセラミックス）上にまず下側電極
１３を設け、その上に光導電層、即ちａ　−３ｉ　：　
Ｈ薄膜層１４を形成し、更に透明電極膜１５を形成して
、電極１３と１５とで非晶質シリコン層１４をサンドイ
ッチに挟んだ構成となっている。

しかしながら、従来のプレーナ形あるいはサンドイッチ
形構造の非晶質シリコン光センサーは、その実用時にお
いて電気的特性が経時劣化を示すことが知られており、
その殆んどは、非晶質シリコン光センサーの光導電膜と
して用いられているａ　−Ｓｉ　：　Ｈ薄膜の表面が温
度や大気中の酸素分子あるいは水分子などの影響を受け
、その表面状態が変化することに起因するものであった
。

通常、非晶質シリコン薄膜は、水素化されて用いられて
おり、膜中の５ｉ−Ｈ結合の密度が高いもの程、良好な
電気的特性を有していることが分かっている。しかし、
このａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜は、電気的特性が使用環境
により大きく左右されるなど、いわゆる耐環境特性に問
題があるという弱点を有していた。

このような理由から、電気的特性の経時劣化を防止する
表面保護膜が種々提案されてきた。例えば、半導体集積
回路などの製造工程にふいて使用実績が豊富な有機物質
または無機物質を表面保護膜として、ａ　−３ｉ　：　
Ｈ薄膜表面上に被着、形成することが提案されている。

しかし、この種の表面保護膜の形成温度は、いずれの場
合においても光導電膜としてのａ−３ｉ：Ｈ薄膜を生成
する時の温度よりも、はるかに高いため、該保護膜の成
形時にａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜中から５ｉ−Ｈ結合の水
素が脱離し、良好な初期特性が得られないという欠点が
あった。

一方、非晶質シリコン光センサーに良好な電気的特性の
初期値を与え、かつその経時劣化を防止するための表面
保護膜として、ａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜生成時の温度よ
りも低温で被着できるポリアミド系などの有機物質の使
用も提案されていた。しかし、このような表面保護膜を
用いた非晶質シリコン光センサーでは、長期間の使用に
対して、使用環境中の酸素分子や水分子などによる影響
を防止することが困難であり、電気的特性の経時安定性
に関していまだ十分な効果を達成するまでには至ってい
ない。

発明が解決しようとする問題点 以上詳しく述べたように、従来プレーナ形右よびサンド
イッチ形構造の非晶質シリコン光センサーでは、その使
用環境条件、例えば温度、空気中の酸素、湿度等の影響
により薄膜の表面状態が変化し、その結果電気特性の経
時劣化をきたすことが問題となっていた。そこで、耐環
境特性を改善する目的で、ポリイミド系あるいはポリア
ミド系などの各種表面保護膜を施すことが提案されたが
、これまでのところ電気特性の経時安定性に対する十分
な対応策は開発されていない。

このような情況の下で、本発明者は既に１解決策を開発
し特許出願している。これはブレーナ形またはサンドイ
ッチ形構造のａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜を含む非晶質シリ
コン光センサーであって、少なくとも該ａ　−３ｉ　：
　Ｈ薄膜表面上の光導電領域に該ａ　−３ｉ：Ｈ薄膜の
形成温度よりも低温度で被着され、かつ熱処理された無
機薄膜（例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化
シリコンなど）の表面保護膜を設けたことを特徴とする
ものである。

非晶質シリコン光センサーは、このような構成とするこ
とにより、ａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜中の高いＳｉ　−Ｈ
結合密度を維持することができ、その結果高い耐環境特
性、良好な電気的初期特性が保証し得るまでに至った。

　　・ 本発明はこのような非晶質シリコン光センサーと同等も
しくはそれ以上に良好な初期特性を有し、かつ電気的特
性の経時変化を示さない新しい構成の非晶質シリコン光
センサーを提供することを目的とするものである。

問題点を解決するための手段 本発明者等は上記従来法の諸欠点を解消すべく種々検討
した結果、上記問題点が、ａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜生成
時の温度以下の温度にてａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜を表面
保護膜としてかつ光導電層用として形成し、ａ−３ｉ：
Ｈ薄膜を二層有する構造とすることにより解決できるこ
とを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明の非晶質シリコン光センサーは、基板と、
該基板上に形成されたａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜と電極薄
膜層とを含むブレーナ形またはサンドイッチ形構造の非
晶質シリコン光センサーであって、少なくとも前記ａ　
−３ｉ　：　Ｈ薄膜表面上の光導電領域に、該ａ　−３
ｉ　：　Ｈ薄膜形成温度以下の温度で被′　着したａ　
−３ｉ　：　Ｈ薄膜からなる表面保護膜兼光導電膜を設
け、ａ　−３ｉ　：　８層を二層構造としたことを特徴
とする。

本発明の非晶質光センサーにおいて、基板材料および電
極層材料としては特別のものを使用する必要はなく、従
来からこの種の材料として使用されている公知の任意の
ものを使用することができ、例えば前者ではく石英）ガ
ラス、セラミックス等が、また後者としてはＡＩ、Ａｕ
、　Ｃｒなどの金属あるいは合金を例示することができ
る。

本発明の光センサーは、例えば第１図に示すような構成
を有しており、これはプレーナ形構造のａ　−３ｉ　：
　Ｈ薄膜を二層含む非晶質シリコン光センサーの例を示
したものである。第１図に右いて（ａ）は該光センサー
の横断面概略図であり、また（ハ）はその平面概略図を
示すものである。本発明のブレーナ形構造の二層構造非
晶質シリコン光センサーは、第１図から明らかな如く、
例えば石英ガラス基板１と、その上に形成されたａ　−
３ｉ　：　Ｈ薄膜２と、例えば篩形のアルミニウム電極
３と、ａ　−Ｓｉ：　Ｈの表面保護膜兼光導電膜４とか
らなっている。また、第１図（社）には光導電領域５が
斜線で示しである。

このようなａ　−３ｉ　：　Ｈの二層構造非晶質シリコ
ン光センサーは、一般的な方法で作製することができ、
まず石英ガラス基板１０表面上に通常広〈実施されてい
る基板温度（約２５０℃）にて、常法に従って例えば、
グロー放電分解法、電子サイクロトロン共鳴−プラズマ
−ＣＶＤ法等によってａ−３ｉ　：　Ｈ薄膜を堆積、形
成する。ついで、例えばアルミニウム電極を、真空蒸着
法、スパッタ法、イオンブレーティング法、ＣＶＤ法等
により、予め適当な金属薄膜マスクを用いて形成する。

さらに表面保護膜兼光導電膜としてのａ　−３ｉ　：　
Ｈ薄膜を上記と同様な方法により、前記の光導電領域な
らびにその周辺領域に、前記ａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜形
成温度（約２５０℃）以下の温度で、金属薄膜の態形マ
スクを用いて被着する。

また、電極の形成方法としては、前記のようにステンレ
ススチール薄板などのマスクを用いる方法の他、電極材
料を各種蒸着法、例えばスパッタ法、イオンブレーティ
ング法、ＣＶＤ法等で堆積させた後、かくして得た電極
材料層を次いでエツチング法、例えば選択的にマスクを
被覆してリン酸、硝酸、酢酸などの化学薬品により溶か
し去るウェットエツチング法、ガスプラズマエツチング
、スパッタエツチング、イオンビームエツチング等のド
ライエツチング法の他、リフトオフ法、陽極酸化法等に
従って、所定のパターンを有する電極を形成するいわゆ
るフォトエツチング法の利用も当然可能である。

前記保護膜兼光導電膜は少なくともａ　−３ｉ　：　Ｈ
薄膜表面上の光導電領域（第１図（ハ）の５）に適用さ
れなければならない。従って、例えばａ−９ｉ：Ｈ薄膜
（第１図の２）表面全体に、あるいは該光導電領域とそ
の周辺（電極の一部を含んでもよい）に、もしくは各電
極にリードをボンディングし、オーミック接続が保証さ
れていれば電極層の一部もしくは全体に亘ってもよい。

非晶質シリコン光センサーにおいて、ａ　−３ｉ：　Ｈ
薄膜の厚さは厚すぎても、また薄すぎても問題があり、
一般的には約０．５μｍ程度が好ましいとされている。

一作月 以上述べたように、本発明の非晶質シリコン光センサー
は少なくともａ　−Ｓｉ　：　８層からなる光導電領域
にａ　−Ｓｉ　：　Ｈ薄膜からなる保護膜兼光導電膜を
設けたことにより、非晶質シリコン光センサーの耐環境
特性を大巾に改善することができた。

既に述べたように、非晶質シリコン光センサーの光導電
膜として用いられているａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜の表面
が温度、空気中の酸素分子、水分子などの影響を受ける
が、これはその表面状態に起因しており、膜中のＳｉ　
：　Ｈ結合の高いもの程良好な電気的特性を有している
ことが分かっていた。

ところで本発明の非晶質シリコン光センサーにおける表
面保護膜兼光導電膜としてのａ　−３ｉ　：　）（薄膜
は上記のように形成され、その形成時に下層のａ　−３
ｉ　：　Ｈ薄膜中の５ｉ−Ｈ結合を切断する恐れが殆ん
どないので、十分に高い５ｉ−Ｈ結合密度を維持させる
ことができる。また、表面保護膜兼光導電膜としてのａ
　−３ｉ　：　Ｈ薄膜形成時に加える基板温度は、各薄
膜界面の応力を緩和することを可能とする。これによっ
て、得られる光センサーの電気特性にも影響が現れ、初
期特性の大巾な改善が期待できる。

さらに、上層のａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜は、表面保護膜
として、即ち下層のａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜の光導電領
域の保護膜として機能すると同時に下層のａ−８ｉ：Ｈ
薄膜と同様に光導電膜としても作用することが期待でき
る。即ち、表面方向からの光照射に対しては、主として
表面保護膜兼光導電膜のａ−３ｉ：８層が光電流の生成
に寄与し、裏面方向からの光照射に対しては、下層のａ
　−３ｉ　：　Ｈ薄膜が光電流の生成に対して支配的と
なる。

このようにａ　−５ｉ　：　Ｈ薄膜を二層構成とするこ
とにより、非晶質シリコン光センサーは極めて良好な初
期特性を有し、かつ電気的特性の経時変化は大巾に軽減
されることになる。また、上層のａ−３ｉ　：　Ｈ薄膜
形成時に加える基板加熱条件により、下層のａ　−３ｉ
　：　Ｈ薄膜に加えるべき熱処理が省略でき、製造工程
が短縮できる。これによって、生産効率を高め製造歩留
りを著しく向上させると共に製造コストを大巾に下げる
ことができる。

さらに、実用時においては、表面保護膜兼光導電膜とし
てのａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜によって、使用環境中の水
分子ならびに酸素分子などの外部からの浸入を防止する
ことができるので、電気的特性の経時劣化、故障等の発
生確率を大幅に低減することが可能である。

本発明による、非晶質シリコンセンサーの耐斑境特性改
善のためのａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜の適用という技術思
想は、各種の非晶質シリコンデバイス、例えば光メモリ
素子、太陽電池等に対しても適用することができ、その
信頼性、歩留り向上など各種の興味ある改良を行うこと
が可能となる。

１１男 以下、実施例（作製例）によって本発明の非晶質シリコ
ン光センサーを更に具体的に説明すると共に、その奏す
る効果を実証するが、本発明の範囲は以下の例により回
答制限されない。

作製例 第１図に示すような構成のブレーナ形非晶質シリコン光
センサーを作製した。まず、基板として石英ガラスを用
い、その上に基板温度２５０℃で、原料ガス５ｉＨ４（
１０％）とＨ２との混合ガスを用いたグロー放電分解法
によって０．５μｍ厚のａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜を形成
した。電極はマスクを用いた真空蒸着法によりＡｔ蒸着
パターンとして形成した。これに、更に上記と同様な方
法、条件（ただし形成温度は２５０℃以下とした）の下
で保護膜兼光導電膜を光導電領域並びにその近傍に０．
５μｍ厚で形成して、本発明のプレーナ形二層非晶質シ
リコン光センサーを得た。

第２図は、本発明を適用して製造した二層非晶質シリコ
ン光センサーと従来法の低温形成のポリアミド系表面保
護膜を形成して製造した同様な非晶質シリコン光センサ
ー並びにこれらと比較するための、特に表面保護膜を形
成していない非晶質シリコン光センサーについて、環境
試験データを比較して示したものである。第２図（ａ）
は、上記３種の非晶質シリコン光センサーの高温保存に
おける特性の経時安定性を調べたもので、１０６℃、２
０００時間の大気中保存試験結果をプロットした図であ
り、第２図（ｂ）は同様な３種の光センサーの高温高湿
保存における特性の経時安定性を調べたもので、８５℃
、８５％ＲＨ，１０００時間の試験結果をプロットした
ものであり、各製品とも印加直流電圧１０■、照度８０
０１ｘにおいて光電流を経時的に測定して得たものであ
る。

これらの結果より、本発明による二層非晶質シリコン光
センサーは、従来法によるものよりも高温ならびに高温
高温保存における電気的特性の経時安定性がきわめて良
好であり、著しく優れていることが分る。

また、上層のａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜形成を基板温度２
２５℃、２００℃なる条件下で実施したが、得られた二
層非晶質シリコン光センサーは上記と同様な優れた結果
を示した。

発明の効果 以上、詳細に説明したように、本発明による二層非晶質
シリコン光センサーの耐環境特性改善に関する基本的な
考え方は、光導電膜として用いた非晶質シリコン薄膜と
金属薄膜電極からなる光導電領域に表面保護膜兼光導電
膜としての非晶質シリコン薄膜を下層の非晶質シリコン
薄膜形成時の温度以下の温度で堆積・形成することにあ
り、その結果得られる非晶質シリコン光センサーには良
好な電気的特性の初期値が保証され、かつ優れた経時安
定性が保証される。

なお、本発明は非晶質シリコン光センサーばかりでなく
、他の非晶質シリコンデバイスについても適用でき、製
造歩留りの向上および実用時における信頼性の向上に関
して、極めて有効であるという利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の表面保護膜兼光導電膜を有するブレ
ーナ構造の二層非晶質シリコン光センサーの一実施例の
横断面概略図（ａ）ならびに平面概略図（ハ）であり、 第２図は本発明よるブレーナ形の二層非晶質シリコン光
センサーと従来法によって製造した非晶質シリコン光セ
ンサーの高温保存試験（ａ）および高温・高湿保存試験
ら）における充電流特性を比較したデータをプロットし
たものであり、 第３図は公知のブレーナ形（ａ）およびサンドイッチ形
（ハ）構造の非晶質シリコン光センサーの構成を説明す
ための概略的な断面図である。 （主な参照番号）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　基板と、該基板上に形成された非晶質シリコン薄膜と
   電極薄膜層とを含む、プレーナ形またはサンドイッチ形
   構造の非晶質シリコン光センサーにおいて、 少なくとも前記非晶質シリコン薄膜表面上の光導電領域
   に、該非晶質シリコン薄膜形成温度以下の温度で被着し
   た非晶質シリコン薄膜からなる表面保護膜兼光導電膜を
   設け、非晶質シリコン層を二層構造としたことを特徴と
   する上記非晶質シリコン光センサー。