JPS613476A - 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、この変化を外部から電圧または電流の
発生として観測するものである。

従って、センサーの発生する電圧を利用するか、電流を
利用するかでその一種類を大別でき、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
を使用したプレーナ形あるいはサンドイッチ形構造の非
晶質シリボ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２図（ａ）（プレーナ形）およびイ
）（サンドイッチ形）で示されるような構造を有してお
り、プレーナ形は基板１０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ＡＩなどの電極１２
を設けた構成をとっており、一方サンドイッチ形は、同
様な基板１０（例えばセラミック基板）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が形成され、更に透明電極膜１５が形成
され、電極１３と１５とで非晶質シリコン層をサンドイ
ッチ状に挾んだ構成をとっている。

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
いて電気的特性の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　−３ｉ　：　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（シリコン−水素）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わか
っている。しかしながら、このａ−８ｉ：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
回路や超ＬＳＩなどの製造工程において使用実績が豊富
なポリイミド系あるいはポリアミド系などの絶縁性の高
い有機物質または窒化シリコンあるいは二酸化シリコン
などの無機物質を表面保護膜として、ａ　−３ｉ　：　
Ｈ薄膜表面に被着、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、非晶質シリコン光センサーの光導電膜と
してのａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜を生成する際の温度より
もはるかに高い（通常５００〜ＬＯＯＯ℃程度）ため、
表面保護膜形成時に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。しかしながら、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、良好な初期特性
は得られるものの、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間１題点 上で詳しく記載したように、従来のプレーナ形およびサ
ンドイッチ形構造の非晶質シリコン光センサーでは、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
時変化をきたすことが知られている。そこで、耐環境特
性を改善するためにポリイミド系あるいはポリアミド系
などの各種の表面保護膜を施すことが提案されたが、依
然として、電気的特性の経時安定性につき十分な効果を
達成していない。

そこで、本発明の目的は前記の如き従来法の有する欠点
を解消することにあり、即ち良好な初期特性を有し、か
つ電気的特性の経年変化を軽減することのできる新規な
表面保護膜を有する非晶質シリコン光センサーを提供す
ることにある。

問題点を解決するための手段 本発明者等は、前記目的にかなう耐環境特性に優れた非
晶質シリコン光センサーを開発すべく種々検討、研究し
た結果、ａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜生成時の温度よりも低
い温度で形成し得る無機薄膜が上記目的の達成のために
極めて有効であることを見出した。本発明はこのような
知見に基き完成されたものである。

即ち、本発明の非晶質シリコン光センサーは、基板と、
その上に形成された電極層と、水素化非晶質シリコン薄
膜とを含むプレーナ形および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、少なくとも該水素化非
晶質シリコン薄膜表面上の光導電領域に二該水素化非晶
質シリコン薄膜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からなる表面保護膜を有すること
を特徴とする。

本発明の非晶質シリコン光センサーにおいて有効な無機
薄膜材料としては窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒
化シリコン等を挙げることができる。

また、基板材料、電極層材料としては特別のものである
必要はなく、従来この種の材料として公知のすべてのも
のを使用でき、前者では（石英）・ガラス、セラミック
等を、また後者としてはＡ１、金などの金属等を例示す
ることができる。

昨月 本発明による非晶質シリコン光センサーの１例を第１図
に示す。これはプレーナ形構造の非晶質シリコン光セン
サーの例であり、第１図（ａ）はその横断面機、略図を
、また（ｂ）は平面概略図を示すものである。

本発明によるプレーナ形構造の光センサーは、第１図（
ａ）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
ば櫛形のアルミニウム電極３と、例えば窒化シリコンの
表面保護層４とからなっている。また、第１図（ｂ）に
はａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜２を有するプレーナ形構造の
光センサーの光導電領域５が斜線で示しである。

このような、本発明の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
１の表面上に通常法〈実施されている基板温度（約２５
０℃）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付着法等
の方法でａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜を堆積、形成する。

ａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜の堆積後、該薄膜上に所定のパ
ターンの電極を形成する。この電極の形成方法は４種々
の公知方法を利用することができる。まず電極材料の付
着方法としては蒸着法、スパッタ法、イオンブレーティ
ング法、ＣＶＤ法等いずれも利用でき、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、酢酸等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
、スパックエツチング、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、所望のパターンを有する電極の形成を行うこと
ができ、特に制限されない。

同様に、予め適当なマスク、例えばステンレススチール
薄板により所定の電極パターンを形成し、次いで上記の
ような例えば蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法等により薄
膜電極を形成した後、該マスク材を除去することによっ
ても電極の形成が可能である。

次いで、該ａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜上に無機薄膜層を電
子サイクロトロン共鳴−プラズマ−ＣＶＤ付着法などに
より、前記光導電領域並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
で被着する。

この無機薄膜の被着温度は、本発、明で意図する窒化シ
リコン、酸化シリコンおよび酸化窒化シリコンのいずれ
に対しても室温〜約５０℃の範囲である。

無機薄膜、即ち表面保護膜は、前述のように、少なくと
もａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜表面上の光導電領域（第１図
（ｂ）の５参照）に適用されなければならない。

従って、例えばａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜表面全体に、あ
るいは該光導電領域とその周辺部分（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を含むａ
　−５ｉ　：　Ｈ薄膜層表面の一部もしくは全体に該無
機薄膜を適用することが可能であり、いずれの場合にも
優れた効果が期待できる。

かくして無機薄膜を形成した後、該無機薄膜を加熱処理
する。この加熱処理もａ　−５ｉ　：　Ｈ薄膜形成温度
（通常約２５０℃）よりも低温度下で行う必要がある。

実際には、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒化シリ
コン等いずれについても２００℃以下で十分な効果を達
成することができる。この加熱処理は大気中、窒素雰囲
気中、真空中で行うことができ、処理時間は比較的短時
間でよく、２〜２０時間程時間子分である。

この低温下での比較的短時間の熱処理は各薄膜界面の応
力を緩和するなどの有益な作用を有し、更にこの熱処理
を施すことにより、得られる光センサーの電気特性にも
影響が現れ、初期特性の大幅な改善が期待できる。

このように、本発明に従って、低温条件下で被着し、か
つ低温にて、短時間加熱処理することにより形成される
無機薄膜は、その形成時に下層のａ　−３ｉ　：　Ｈ薄
膜中の５ｉ−Ｈ結合を切断する恐れが殆どないので、十
分に高い５ｉ−Ｈ系結合密度を維持させることができる
。

かくして、本発明に従って、無機薄膜を電極が設けられ
たａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜表面上に形成することにより
、極めて良好な初期特性を有し、電気特性の経時変化が
低減された有用な非晶質シリコン光センサーを提供する
ことが可能となり、またこれによって製造歩留りを著し
く向上させることができる。

更に、本発明による無機薄膜からなる表面保護膜を有す
る光センサーでは該無機薄膜が、実用時において、使用
環境中の水分子並びに酸素分子などの外部からの浸入を
効果的に阻止し、その結果非晶質シリコン光センサーの
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。

このような非晶質シリコン光センサーの各種特性を改善
するために必要な無機薄膜の厚さにおける下限について
は十分検討していないが、以下の実施例で示されるよう
に、０．５μｍにおいても良好な結果が達成されている
ことから、これ以下でも十分な効果が期待できる。

本発明の無機薄膜は、非晶質シリコン光センサーばかり
でなく、同様に非晶質シリコン（フッ素化非晶質シリコ
ン、水素化フッ素化非晶質゛シリコンを含む）を使用し
ており、高い５ｉ−Ｈ系結合密度を維持し、電気特性の
改善を図る必要のあるおよび／または使用環境からの水
分子や酸素等の影響により経時変化を生じ易い、他の非
晶質シリコンデバイス、例えば電子写真用感光体、イメ
ージセンサー１薄膜トランジスタ等についても適用でき
、同様な優れた効果を期待できることはいうまでもない
。

実施例 以下、実施例に基き本発明を更に具体的に説明する。し
かしながら、本発明の範囲はこれら実施例により何等制
限されない。

本実施例では添付第１図に示したようなプレーナ形非晶
質シリコン光センサーを作製する。まず、基板としての
石英ガラス板上にａ　−３ｉ　：　Ｈ薄膜をグロー放電
分解法により厚さ０．５μｍに形成した。

次いで該ａ−３ｉ：Ｈ薄膜上に、第１図（ｂ）に示した
ような櫛形電極を与えるパターンを有するマスク材とし
てのステンレススチール薄膜を設け、電極材料としての
アルミニウムを蒸着法により蒸着し、厚さ０，５μｍの
櫛形電極を形成した。

ここで、比較のために、かくして得た光センサーを用い
て、（ｉ）本発明による窒化シリコン薄膜を施したもの
、（１１）低温形成のポリアミド系表面保護膜を施した
ものおよび（ｉｉｉ　）そのままで表面保護膜を有さな
いものを作製した。

まず、本発明による窒化シリコン薄膜は電子サイクロト
ロン共鳴−プラズマ−ＣＶＤ法により、５０℃にて、第
１図（ｂ）の５として示したａ　−Ｓｉ　：　Ｈ薄膜表
面上の光導電領域並びに櫛形のアルミニウム電極の一部
を含む該光導電領域の周辺に、厚さ２μｍに形成した。

次いで、これを大気中にて２００℃で２０時間加熱処理
し、目的とする無機表面保護膜を得た。

この電子サイクロトロン−プラズマ−ＣＶＤ法による窒
化シリコン薄膜の詳しい形成条件は以下の通りであった
。

ＳｉＨ＜　（２０ｃｃ／分）　：Ｎ２（３０ｃｃ／分）
Ｔｓ　（基板温度）；５０℃ Ｓ（付着速度）：４７０人／分 ガス圧力＋　５　Ｘｌ０−’Ｔｏｒｒ マイクロ波パワー：２００Ｗ　（２，４５６Ｈｚ　　；
磁束密度８７５Ｇ　） 一方、（１１）のポリアミド系表面薄膜は、同様な領域
に従来法に従って膜厚１０μｍに形成した。

第３図には、上記のように本発明を適用して製造した非
晶質ンリコン光センサー（ｉ）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（１１）ならびにこれらと比較す
るため、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（ｉｉｉ　）について、環境試験を行
った際に得られたデータを比較して示したものである。

第３図（ａ）は、上述の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℃、２０００時間なる条件下での大気中保存試
験結果を示すものであり、一方第３図（ｂ）は同様な３
種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時間なる条件下で
の保存試験結果を示すものである。いずれの試験結果も
印加電圧１０■、照度８００ルクス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湿
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。この場合における
窒化シリコン薄膜の厚さは、約２μｍであったが、この
他、１′Ｊ６よび０．５μｍでも上述と同様な環境条件
において、きわめて安定な経時特性が得られることを確
認している。

以上窒化シリコン薄膜を例として説明したが、酸化シリ
コンおよび酸化窒化シリコン薄膜についても、同様に有
効であることがわかった。即ち、以下のような条件下で
これら薄膜を形成した以外は窒化シリコンの場合につい
て上記した操作に従って非晶質シリコン光センサーを作
製した。

酸化シリコン薄膜形成条件 ＳｉＬ　（３０ｃｃ／分）　：　０２’　（３０ＣＣ７
分）Ｔｓ　　：　　５０℃ Ｓ：９０〇八／分 （ガス圧力、マイクロ波パワーは前記と同じ。）酸化窒
化シリコン薄膜形成条件 ５ｉＨ４（２０ｃｃ　７分）　：　Ｎ２（２０ｃｃ　７
分）　＋０２（１０ｃｃ　７分）Ｔｓ　　　：　　　５
０℃　　。

Ｓ　　：　　６００八／分 （ガス圧力、マイクロ波パワーは前記の通り。）これら
の光センサーについても高温並びに高温高湿条件下での
経時安定性を前記同様に調べたが上述の窒化シリコン薄
膜と同様な効果を達成し得ることが確認された。

発明の効果 以上、詳細に説明したように、本発明によれば、非晶質
シリコン光センサーの表面保護膜として、窒化シリコン
薄膜等の無機薄膜を、光導電膜として機能するａ　−３
ｉ　：　Ｈ薄膜と櫛形アルミニウム電極などの薄膜電極
からなる光導電領域に、ａ−３ｉ：Ｈ薄膜形成時の温度
よりも低温条件下で堆積・形′成し、次いで比較的低温
・短時間の熱処理を施すことにより得られる無機薄膜を
与えたことに基き、該ａ−３ｉ：Ｈ薄膜中の高い５ｉ−
Ｈ系結合密度を維持することが可能であるので、該光セ
ンサーの良好な電気的初期特性を保証でき、また該無機
薄膜が光センサーの使用環境中からの水分子や酸素等の
浸入をほぼ完全に防止することを可能とするので、非晶
質シリコン光センサーに優れた経時安定性を付与するこ
とが保証される。従って、製造歩留りを大幅に向上させ
ることができ、かつ実用時における光センサーの信頼性
を著しく高めることができる。

尚、既に述べたように、本発明は非晶質シリコン光セン
サーばかりでなく、特に同様な問題を内在する他の非晶
質シリコンデバイスについても適用できる。従って、本
発明は非晶質シリコンを用いた各種デバイスの作製にふ
いて、工業的に極めて有用な発明といえる

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の表面保護膜を有するプレーナ形構造
の非晶質シリコン光センサーの一実施例の横断面（ａ）
および上面ら〕の概略図であり、第２図は公知のプレー
ナ形（ａ）およびサンドインチ形（ｂ）構造の非晶質シ
リコン光センサーの構成を説明するための概略的な断面
図であり、第３図は、本発明によるプレーナ形構造の非
晶質シリコン光センサー、従来法によって製造した非晶
質シリコン光センサーおよび表面保護膜をもたない非晶
質シリコン光センサーの高温保存試験ならびに高温高温
保存試験における充電流特性を比較したデータを示した
ものである。 （主な参照番号） １．１０　基板、　　２　ａ−３ｉ　：　Ｈ薄膜、３．
１２　　電極、　４　無機薄膜、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板と、該基板上に形成された電極薄膜層と水素
   化非晶質シリコン薄膜とを含む、プレーナ形およびサン
   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よりも低温度で被着
   し、かつ熱処理された無機薄膜からなる表面保護膜を有
   することを特徴とする上記非晶質シリコン光センサー。
2. （２）前記無機薄膜が窒化シリコン薄膜であることを特
   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
   センサー。
3. （３）前記無機薄膜が酸化シリコン薄膜であることを特
   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
   センサー。
4. （４）前記無機薄膜が酸化窒化シリコン薄膜であること
   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
   ン光センサー。