JPS61236159A - 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、非晶質シリコン膜を用いた光センサに関する
ものである。

（従来の技ｔＩｆＩ） 従来の非晶質光センサとしては、Ｃｄ５−ＣｄＳｅ系、
５ｓ−Ｔｅ−Ａｓ系、非晶質シリコン系のものが知られ
ているが、このうちＣｄ５−ＣｄＳｅ系のものは光応答
速度が遅く、また５ｓ−Ｔａ−Ａｓ系のものは低い温度
で結晶化する等の問題が多く、高密度、高速動作の、良
好な素子を得ることは難しい。また公害等の問題も残さ
れている。そこで、無公害の新しい材料として非晶質シ
リコンが開発され、薄膜で大面積素子の作製が可能、光
吸収係数が大きく、また暗抵抗率が高く光導電特性が優
れている等の利点を有する非晶質シリコン光センサが注
目されている。

非晶質シリコンを用いた光センサとしては、同一基板上
に一組の電極を平面的に形成し、その電極にまたがって
非晶質シリコン膜を形成する、いわゆるプレーナ型非晶
質シリコン光センサがある。

この構成の光センサは、製造方法が簡単であるため比較
的多数試作されているが、その構造上光応答速度が遅く
、高速ファクシミリでの使用は困難である。これは、プ
レーナ型では一組の電極間隔がｌＯμｍ程度と広くとる
必要があるため、電子等のキャリアが電極まで移動する
のに時間がかかるためである。また、平面的に電極を形
成する構成であるから高密度化も困難である等の欠点を
有している。

これらの欠点を取り除くために、非晶質シリコンを透明
電極と他の電極とで挟むようにした、いわゆるサンドイ
ッチ型構造の非晶質シリコン光センサがあり、高密度、
高速化が可能な素子とじて開発されているが、このサン
ドインチ型構成ではバイアス電圧印加時にベース電極か
らの電荷の注入があって暗時の電流が多くなるため、光
照射時の電流との比（Ｓ／Ｎ比）が大きくとれない欠点
を有している。又、非晶質シリコンは光吸収係数が大き
いため膜厚が薄く（通常５０００人〜１μｍ程度）形成
されるので、ピンホールの発生による電極のショートな
どの問題が多い。

暗時の電流を減少させるために、非晶質シリコンと電極
の間に別の薄い絶縁膜を設けて、電極からの電荷の注入
を阻止するようにしたブロッキング構造、いわゆるＭＩ
Ｓ型光センサが提案されており、絶縁膜として例えばシ
リコン酸化膜、シリコン窒化膜、金属窒化膜等がある６
例えば、特開昭５７−１０６１７９号公報には、薄い絶
縁膜を形成するために非晶質シリコンの表面を陽極プラ
ズマ酸化したり、あるいは酸素を含むシランガスをグロ
ー放電し、非晶質シリコン上に酸化膜を形成する方法が
記載されているが、この方法によれば、絶縁膜の厚さが
２０〜４０人程度であるため、高密度の素子全面に均質
かつ均一な膜厚の絶縁膜を形成することは困難である。

また、通常薄膜を形成した場合には１００Ａ以下の厚み
では薄膜が島状に形成されるため、素子の特性の均一化
が困難である。素子の特性を均一にするために絶縁膜を
厚くすると、暗時の電荷の注入は十分に阻止できるが、
光入射時に発生したキャリアも阻止され、Ｓ／Ｎ比が低
下する。

特開昭５６−２６４７８号公報には、薄い絶縁膜として
窒化物（透光性１通電性、絶縁性又は半絶縁性）を用い
る方法が記載されている。これによれば、酸化物を用い
た場合は高いエネルギーバンドギャップを持つので、薄
い膜であってもそれ自身電流を通しに＜＜、光照射時の
キャリアの通過が困難となってＳ／Ｎ比が低下するとい
う問題があるため、酸化物より小さいエネルギーバンド
ギャップを有する窒化物を用いるものである。しかしこ
の構成においても窒化物は５０〜１００人と薄く形成す
る必要があり、併せて個別電極を形成した後に絶縁膜を
形成する時は、通常個別電極をエツチングで形成した後
絶縁膜を形成するので、電極側面やエツジの部分に均一
な膜を形成することが難しく、酸化物の場合と同様に素
子特性の均一化が非常に困難である。

また、特開昭５６−１４２６８号公報には、非晶質シリ
コンの多層構造を有し、少なくともその非晶質シリコン
層の１層が酸素原子を含み、かつ荷電子濃度制御用の不
純物を含有する光導電半導体装置が開示されている。し
かし酸素原子を添加して光学的バンドギャップを広げる
と、１．８５〜１．９２　ｅＶの間においては光導電性
を示すが、それ以上広くすると、はとんど光導電性を示
さなくなり、電荷の注入阻止のために高い抵抗の薄膜を
用いるには光学的バンドギャップが２．ＯｅＶ以上を有
する非晶質シリコンを用いる必要があり、光照射時に発
生したキャリアの通過が困難となって、明暗比（Ｓ／Ｎ
比）の大きな素子を得られない欠点を有している。即ち
、高抵抗（光学的バンドギャップが広い）でかつ光導電
性を有する非晶質シリコン膜が得られていないのが現状
である。

（発明が解決しようとする問題点） 以上のように、従来例においては、それぞれ応答速度が
遅い、Ｓ／Ｎ比が低い、素子特性の均一化が困難等の問
題点があった。

本発明は、高速、高密度化に適し、Ｓ／Ｎ比の大きいか
つ素子の特性が均一化されたサンドイッチ型非晶質シリ
コン光センサを提供するものである。

（問題点を解決するための手段） 第１の電極と第２の電極との間に多層構造の非晶質シリ
コン層を備えた構造を有し、第１の電極と接する第１の
非晶質シリコン層が酸素原子及び窒素原子を含むか、若
しくは酸素原子、窒素原子及び炭素原子を含み、かつ光
学的バンドギャップが２．ＯｅＶ以上の領域で、１０１
１〜１０１５Ω１の抵抗率と光導電性を有する構成とす
る。

（作　用） 暗時の電極からの電荷の注入を、第１の電極と接する第
１の非晶質シリコン層が有する１０１２〜１０１２Ωｌ
という非常に高い抵抗率によって阻止し。

かつ光照射時において発生したキャリアを第１の非晶質
シリコン層の光導電性によって十分に通過させことで、
非常に高い明暗比（Ｓ／Ｎ比）を得ることができる。ま
た、第１の非晶質シリコン層が光導電性を有しているた
めに、従来の酸化物、窒化物の絶縁物に比べてその膜厚
を５〜１０倍と厚くすることができ、素子の特性の均一
化が一層可能となる。さらに、第１の非晶質シリコン層
は、２．０〜３．ＯｅＶまで光学的バンドギャップを変
えることができ、かつ光導電性を有しているためにこの
光学的バンドギャップで吸収される短波長の光感度を増
加することができ、ノンドープ非晶質シリコン層との組
合せにより非晶質シリコン・光センサの光感度のフラッ
ト化が可能となり、ファクシミリのカラー化にも対応で
きる利点を有している。

一般に、電極として透明導電膜例えばＩＴＯ又はＳｎＯ
，等を用いた場合、非晶質シリコン層堆積のためにＳｉ
Ｈ，のグロー放電分解を行なうと、ＩＴＯ又は５ｎＯ１
１等の酸素が還元されて透明導電膜の特性劣化、あるい
は非晶質シリコン層との界面の状態変化等で特性が悪く
なることがあるが、ＳｉＨ，と、放電によって分解し酸
素原子を発生するガスとの混合ガスを用いることで、そ
の酸素原子のためＩＴＯ又はＳｎｏｗ等の還元が抑制さ
れ、特性の劣化を防止することができる。さらに酸素原
子のみを含む非晶質シリコン層に比べ、酸素原子及び窒
素原子を含むか、若しくは酸素原子、窒素原子及び炭素
原子を含む非晶質シリコン層はダングリングボンドが減
少し、膜質が向上するとともに、耐熱性が向上し、耐久
性を有する光センサを得ることができる。

（実施例） 以下図面に基づいて実施例を詳細に説明する。

第１図及び第２図は、本発明の一実施例を示したもので
、非晶質シリコン光センサをイメージセンサとして応用
した例である。第１図、第２図において、１は透明ガラ
ス基板、２は第１の電極で。

ＩＴＯまたはＳｎＯ，等の透明導電膜からなっている。

３は第１の非晶質シリコン層、４は第２の非晶質シリコ
ン層、５は第２の電極であり、ＡＩ又はＣｒ等の金属膜
からなっている。

次に具体的な製造方法を説明する。まず透明なガラス基
板１に真空蒸着法によりＩＴＯ膜を８００人形成し、ホ
トリソ技術により第１の電極（個別電極）２を形成した
。この個別電極の形状は、例えばイメージセンサとして
ファクシミリ等に用いるのであれば、８本／ｍ又は１６
本／＋ｍ程度にすればよい、この基板をＣＶＤ装置にセ
ットし。

Ｓ　ｉ　Ｈ４にＣＯ８とＮ、を混合したガスを導入して
グロー放電分解によって第１の非晶質シリコン層３を４
００人形成した。このときの圧力は１　、ＯＴ　ｏｒｒ
、基板温度２５０℃、ＳＵＳマスク使用。次いで、Ｓｉ
Ｈ，を導入し、グロー放電分解によりノンドープの第２
の非晶質シリコン層４を１．５μ閣形成した。

圧力等の条件は第１非晶質シリコン層３の場合と同一で
ある。最後に第２の電極（共通電極）５として真空蒸着
によりＳＵＳマスクを使用してＡＩ膜を形成した。なお
、パターンの形成は、マスクを使用しても、また全面に
膜を形成してホトリソ技術を使用してもよい。

このようにして形成された非晶質シリコン光センサは、
非常に高い明暗比（Ｓ／Ｎ比：例えば５５０ｎｍ、　１
００Ｑｘの照明における明時の電流と暗時の電流の比が
５Ｘ１０１２）が得られ、個別電極毎の各素子が均一な
特性を有していた。

第３図は、酸素原子及び窒素原子を添加するためにＳｉ
Ｈ４とＧ　Ｏ２＋　Ｎ、の混合ガスを用いて低い高周波
電力で形成した場合の第１の非晶質シリコン層３の光学
的バンドギャップ及びＡＭＩ（擬似太陽光）　１００ｍ
Ｗ　／　ａｌを照射したときの光導電率σ２６、暗導電
率σ、を（ＧＯ，＋Ｎ、）／ＳｉＨ，のガス流量比に対
して示したものである。横軸は（ＣＯｘ　＋　Ｎｚ）／
　５ｘＨ４ｆ）ガス流量比を、縦軸は導電率、光学的バ
ンドギャップをそれぞれ示している。（ＣＯ，＋Ｎ、）
／ＳｉＨ４のガス流量比が大きくなるに従い光学的バン
ドギャップが直線的に広がる。また光導電率σ２．は、
（ＣＯａ　＋　Ｎｚ　）／　Ｓ　ＩＨ４のガス流量比が
１０までは減少し、それ以上では減少が緩慢になって１
０１（Ωａｍ）−１程度になるが、一方暗導電率σ、は
、（ＣＯ，＋Ｎ、）／ＳｉＨ４のガス流量比が１０程度
までは１ｏ−１２から１Ｏ−１４（Ω１）−１まで減少
し、その後緩慢になって１Ｏ−１ｓ（Ωａｍ）　−１程
度の値を示す、なおこの場合、ｃｏ、／Ｎｚの流量比は
１とした。従って酸素原子及び窒素原子を含みかつ光学
的バンドギャップが２．ＯｅＶ以上の領域で光導電性を
有する第１の非晶質シリコン層３は、暗時の抵抗率が１
ｏ１２〜１０１ｒ′Ω国と非常に高い値を示し、非晶質
シリコン光センサにおいて暗時の電極からの電荷の注入
を阻止する十分に高い機能を有していることがわかる。

また、ＡＭＩ（擬似太陽光）１００ｍＷ／ａ＃照射時の
抵抗率ＬｔＩＯ’　〜１０’Ω口と低い値を示し、光照
射によって発生したキャリアの通過が容易となる機能を
有しているため、非晶質シリコン光センサとして非常に
高いＳ／Ｎ比を得ることができる。

また、従来の酸化膜、窒化膜を用いるものでは。

２０〜１００人という非常に薄い膜を用いる必要があり
、従って素子の特性の均一化が困難であったが、本発明
においては高い光導電性を有しているため、第１の非晶
質シリコン層３の膜厚を２００〜２０００人、好ましく
は３００〜７００人と厚く形成することができるので、
素子特性が均一化される利点がある。さらにこのように
厚く形成することができることにより、第２層の非晶質
シリコン層４にピンホールが発生しても、第１層の非晶
質シリコン層３で電極の短絡防止及びバイアス電圧印加
時での絶縁破壊も防止することができ、素子駆動回路の
設計が容易となる。

非晶質シリコン層３は、その形成時に例えばグロー放電
法によるものであれば、Ｓ　ｉ　Ｈ、とＣＯ２＋Ｎ、の
混合ガスを用いることにより形成される。

第１の非晶質シリコン層へ酸素原子及び窒素原子を含ま
せるには、非常に低い高周波電力により非晶質シリコン
層を形成することでできる。また酸素原子、窒素原子及
び炭素原子を含ませるには、非晶質シリコン層の膜質が
低下しない範囲で高周波電力を高くすることで容易にで
きる。ここで、Ｃｏ２は膜中の酸素原子あるいは酸素原
子と炭素原子の原材料であり、Ｎ２は膜中の窒素原子の
原材料であるが、Ｃｏ２とＮ２を用いることによって膜
中に含まれる酸素原子あるいは酸素原子と炭素原子がｃ
ｏ２単独の場合より効率よく含有されるので、光学的バ
ンドギャップが広がり易く、かっＮ２からの窒素原子を
含むことにより膜のち密性が高まり、電荷の注入阻止効
果が改善される。また窒素原子、炭素原子を含むことに
より、熱処理時の水素放出ピーク温度が高温側にシフト
し、耐熱性が向上する。

第４図は、本発明の他の実施例を示したもので、基板と
は反対側から光を入射させるタイプである。

絶縁性基板６、例えばセラミック、ガラスまたは金属表
面にＳｉＯ２、Ａ１１２０．等の絶縁物を形成したもの
の上にＣｒあるいはＮｉＣｒを蒸着又はスパッタリング
法で成膜した後ホトリソ技術で分離し、個別電極として
の第２の電極５を形成する。次に、この基板上にＳ　ｉ
　Ｈ４ガスを用いてグロー放電分解によりノンドープの
非晶質シリコン層４を１．５μｍ形成する。次いで、Ｓ
　ｉ　Ｈ４とＣＯ，＋　Ｎ２の混合ガスを用いてグロー
放電分解により酸素原子、窒素原子及び炭素原子を含む
非晶質シリコン層３を４００人形成する。なお非晶質シ
リコン層３，４のパターンの形成は、マスクを用いても
よいし、成膜後ホトリソ技術により形成してもよい。次
に第１の電極２としてＩＴＯ又はＳｎＯ，等の透明導電
膜を８００人形成する。最後に、遮光マスク７として金
属薄膜をＣｒ等により形成してセンサ構造とする。遮光
マスク７の開口部は、例えば８本／ｍの時は１００μ震
幅とすればよい。

このようにして作製された非晶質シリコン光センサは、
非常に高い明暗比（Ｓ／Ｎ比）が得られ、第１図の実施
例と略同等の特性を有するものである。

非晶質シリコン層の形成には、グロー放電法の外にスパ
ッタリング法も適用できる。例えばグロー放電法を用い
て非晶質シリコン膜を形成するにはシリコンの原材料と
してガス状の物質、例えば水素、ヘリウムあるいはアル
ゴン等で希釈したＳｉｎ、、Ｓｉ、Ｈ，、ＳｉＤ、、Ｓ
ｉ□Ｄ　ｓ　ｖ　Ｓ　Ｉ　Ｆ　４　ｐＳｉ（Ｊ、等のガ
スを用いることが好適なものとしてあげられる。また希
釈せずに用いることもてきる。またスパッタリング法で
形成するには、シリコンのウェハーをターゲットとして
これを種々のガス雰囲気中でスパッタリングする。

非晶質シリコン層に酸素原子、窒素原子及び炭素原子等
を含ませるための添加ガスとしては、Ｓ　ｉ　Ｈ，等の
シリコン原材料と直接反応するものでなく、グロー放電
等のエネルギーによって分解し、酸素原子、炭素原子及
び窒素原子を発生するものであればよく、酸素及び炭素
原子の場合は例えばｃｏ、ｃｏ、や酸素・炭素・水素の
化合物等、窒素原子の場合はＮ２．ＮＨ，等が好適なも
のとしてあげられる。また酸素原子と窒素原子のみを含
ませる場合は、酸素原子及び窒素原子を含んでいるガス
、例えばＮｏやＮ２０等を使用することができる。非晶
質シリコン膜の抵抗率をさらに高くするには微量の■族
原子をＢ、Ｈ，のようなガスを用いて混入すればよい。

第５図にＣＯ２とＮ２とを用い、低い高周波電力で形成
した非晶質シリコン膜の赤外吸収特性を示す、横軸は波
数、縦軸は透過率をそれぞれ示している。この図より酸
素原子及び窒素原子の存在が判る。炭素原子は他の分析
により含有されていることが確認できた。

第６図は１分光感度特性の一例を示したもので。

横軸は光波長を、また縦軸は光電法密度（Ａ　／　１１
１１”　）をそれぞれ示している。ノンドープ非晶質シ
リコン層のみを用いた場合の特性と異なり、短波長側が
増感され、比較的フラットな分光感度を有している。さ
らにフラットな特性を得るには酸素原子及び窒素原子を
含むか、若しくは酸素原子、窒素原子及び炭素原子を含
む非晶質シリコン層を第１の非晶質シリコン層として複
数積層すればよい。

第１の電極として、ショットキー接合でかつ光の透過を
得るには５例えば非常に薄いＰｔ、Ａｕ等の金属薄膜あ
るいはＰｔＳｉ等のシリサイドを用いることができ、ま
たへテロ接合の材料としては、例えばＩＴＯ，５ｎ０２
等を用いることができる。

第２の電極としてはＡ　Ｒ、Ｎ　ｉ　Ｃｒ　、　Ｃｒ　
、　Ｍ　ｏ　＊Ｗ、Ａｇ、Ｔｉ等の金属を用いることが
できる。

第１図の構成の光センサにおいて、光入射側にＣｒ等の
遮光マスクを設けることにより、さらに高解像度のセン
サにすることができる。

実施例では、第１の電極と接する非晶質シリコン層のみ
に酸素原子及び窒素原子、若しくは酸素原子、窒素原子
及び炭素原子を含有せしめたが、電子とホールの両キャ
リアの注入阻止のために第２の電極と接する非晶質シリ
コン層の一層に、酸素原子及び窒素原子を含ませるか、
若しくは酸素原子、窒素原子及び炭素原子を含ませるよ
うにしてもよい。

（発明の効果） 以上説明したように１本発明によれば、高速、高密度化
に適し、Ｓ／Ｎ比が非常に大きく、かつ素子の特性が均
一化された非晶質シリコン光センサを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の断面図、第２図は、開本
面図、第３図は、酸素原子及び窒素原子添加の非晶質シ
リコン膜ノ（ＣＯｚ　＋　Ｎｔ　）／　Ｓ　ＩＨ４ガス
流量比と光学的バンドギャップ及び光導電率σ、ｈ、暗
導電率σ、の関係を示す図、第４図は、本発明の他の実
施例の断面図、第５図は、赤外吸収特性図、第６図は、
分光感度特性を示す図である。 １　・・・ガラス基板、　２・・・第１の電極、３・・
・第１の非晶質シリコン層、　４・・・第２の非晶質シ
リコン層、　５・・・第２の電極、６・・・絶縁性基ｉ
、　７・・・遮光マスク。 特許出願人　株式会社　　リ　　コ　−リコ一応用電子
研究所株式会社 第１図　　　第２図 第３図　　　　第４図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の電極と第２の電極との間に多層構造の非晶
   質シリコン層を備え、前記第１の電極と接する第１の非
   晶質シリコン層が酸素原子及び窒素原子を含むか、若し
   くは酸素原子、窒素原子及び炭素原子を含み、かつ光学
   的バンドギャップが２．０ｅＶ以上の領域で、１０＾１
   ＾２〜１０＾１＾５Ωｃｍの抵抗率と光導電性を有する
   ことを特徴とする非晶質シリコン光センサ。
2. （２）前記非晶質シリコン層が水素原子、ハロゲン原子
   、重水素原子の少なくとも１種を含むことを特徴とする
   特許請求の範囲第（１）項記載の非晶質シリコン光セン
   サ。
3. （３）前記第１の非晶質シリコン層の層厚が２００〜２
   ０００Åであることを特徴とする特許請求の範囲第（１
   ）項記載の非晶質シリコン光センサ。
4. （４）前記第１の電極と第１の非晶質シリコン層がショ
   ットキー接合であることを特徴とする特許請求の範囲（
   １）項記載の非晶質シリコン光センサ。
5. （５）前記第１の電極と第１の非晶質シリコン層がヘテ
   ロ接合であることを特徴とする特許請求の範囲第（１）
   項記載の非晶質シリコン光センサ。