JPS6194382A - 2端子薄膜光検知器 - Google Patents

2端子薄膜光検知器

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JPS6194382A
JPS6194382A JP60219977A JP21997785A JPS6194382A JP S6194382 A JPS6194382 A JP S6194382A JP 60219977 A JP60219977 A JP 60219977A JP 21997785 A JP21997785 A JP 21997785A JP S6194382 A JPS6194382 A JP S6194382A
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アン チアン
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    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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】 衾所皇l形 本発明は半導体光検知装置、より詳しくは、2端子ドー
プ剤変調薄膜半導体光検知器に関し、該検知器は大面積
画像サンサー系に特に適している。
透明基体上への大面積に亘っての沈着し易さおよび再現
性のある電子装置操作の得やすさによって、結晶化ケイ
素薄膜中の装置は大面積ディスプレイ、光検知器、画像
センサーおよび集積光学素子を包含する応用に多くの可
能性を示している。
ケイ素は、その感光性によって、ホトダイオード、ホト
トランジスタおよび電荷結合装置の構造の光センサーに
使用されている。通常、これらの構造は嵩高(バルク)
の単結晶性ケイ素基体上に作製される。これら形状物の
全体の寸法はケイ素ウェハーの寸法によって決まる。大
画像面積を読み取るための光集合光学素子の使用は嵩の
ある感知装置を必要とする。
任意の大面積の透明基体上での無定形ケイ素(a−3i
:H)薄膜の沈着しやすさにより、これらの薄膜は接触
原稿人力走査搬用の大面積画像センサー系で使用されて
いる。(例えば、米国特許第4.419.696号参照
)。しかしながら、a−St:Hでの低いキャリヤー移
動性のために、その感光性および速度は、一般に、嵩高
の結晶性ケイ素(c−3i)中で作製されたセンサーに
比べ乏しいことが見い出されている。
レーザー結晶化における最近の進歩は高性能TPT形成
用の嵩高の無定形基体上で欠陥のない単結晶性ケイ素薄
膜の形成を可能にし、透明基体上へのフラットパネルデ
ィスプレイおよび画像センサーのような直接画像大面積
電子装置への応用を可能にしている。例えば、米国特許
第4,409,724号参照されたい。また、TPTシ
フトレジスターの最近の実例は個々のトランジェントの
局部的切換から応用分野を拡大させつつあり、画像処理
でしばしば遭遇するデータ速度(data rate)
において十分な高速性を有する論理回路(logic 
circuits)を包含している。例えば、1983
年マサチューセッツ州ボストンで開催された1983マ
テリアルヅリサーチソサイアテイの会91(Pr、oc
eedingsof the 1983 Materi
als Re5earch 5ociety)のNMO
Sロジ・lり サーキット イン レーザー クリスタ
ライズド シリコン オン コーラ“(NMO5Log
ic C1rcuits in La5er Cyst
allijer 5iliconon Quartz)
″および編集者John C,C1Fann  および
N、M、Johnsonにより発行された刊行物“エネ
ルギービームーソリッドインターアクンヨン トランジ
ェント サーマル プロセシング(EenergyBe
am−Solid Interactions & T
ransrent ThermalProcessin
g) 、Vol、 23、pp、551−558(El
sevier社、ニューヨーク、1984)“における
A、Chiang等を参照されたい。
絶縁性基体上でのケイ素薄膜の結晶化、例えば走査CW
レーザーによりパターン化しカプセル化された形状の溶
融石英は従来技術においてよく報告されている。例えば
、米国特許第4,330,363号および刊行物“レー
ザー アンド エレクトロン−ビーム ソリッド イン
ターアクション アンド マテリアル プロセシング(
Laser & Electron−Beam 5ol
id  Interaction & Materia
l  Processing)編集者J、F、Gibb
ons等、Vol、 1″、特に、′プロセスシング 
アンド プロパティース オンCW レーザーリクリス
タライズド シリコンフィルム オン アモファース 
サブストレイツ(Processing and Pr
operties of CW La5er−Recr
ystallized 5iltcon Films 
on AmorphousSubs tra tes)
″なる表題の463〜470ベージのN0M John
son等の論文(Elsevier社、ニューヨーク、
1981)を参照されたい。最近の技術の急激な進歩は
走査CWレーザーの溶融領域通路から前傾斜した固形化
を包含している。構造的な欠陥は側方欠陥低減法によっ
て大きく減少させ得るかあるいは消去さえさせ得、かく
して極めて高割合、<1(10>の内子面配向(in−
plane orientation)を有する(1(
10)の組織化された単結晶性ケイ素島状部の形成を可
能にする。前出の1983マテリアルヅ リサーチ ソ
サイエサー ミーティングの会報およびり、Fenne
ll等の、“ディフェクト リダクション バイ チル
チドゾーン クリスクリゼーション オン パターンド
 シリコンフィルム オン フユーズド シリカ(De
fectionReduction by Fitle
d Zone Crystallization of
Patterned 5ilicon Films  
on Fused 5ilica)  ”〔編集者Jo
hn C,C,FannおよびN、M、Johsonに
ょるエネルギー ビーム−ソリッド インターアクショ
ン アンド トランジェント サーマル プロセシシン
グ(Energy Beam−3olid Inter
actions &Transient Therma
l Processing) 、Vol、 23、pp
403−408、(Elsevier 、ニューヨーク
、1984)で発行された〕を参照されたい。
絶縁性基体上でのレーザー結晶化ケイ素薄膜技術におけ
るこれらの進歩は、嵩高装置の性能よりも優れているか
またはそれに匹敵する性能を有する数多くの新規なMM
O3およびCMO5薄膜電子装置を産み出している。し
かしながら、促進方式のTPTで示される感光性は、コ
ンパクトな電子複写機またはプリンターないしファクシ
ミリ装置における高速、高解像力のような接触入方走査
機用途での所望レベルのS/N比および動的範囲を与え
る程には十分に大きくない。
1984年6月18に出願された米国特許出願第621
,360号には、TFTタイプの空乏方式薄膜半導体光
検知器が開示され、その検知器は、3倍またはそれ以上
に改良された光導電性利得(ゲイン)の如き、比較でき
る促進方式薄膜トランジスタまたは無定形ケイ素ホトダ
イオードに匹敵する著しい感光性を有するとしている。
該米国出願第621.360号は装置の導電性チャンネ
ルを適当なゲート電圧の適用により十分にピンチオフし
たとき高光導電性利得と低光強度での検知性とを有する
薄膜電界効果トランジスターを記載している。さらに2
つの基本的な構造:空乏方式ゲートダイオードおよび電
荷光検知装置とを開示している。これらの構造は1つま
たはそれ以上の絶縁ゲート電極を用いて該ゲート電極に
適当な電圧を適用したとき半導体活性領域中に空乏領域
を誘起する。即ち、これらの構造体は3つまたはそれ以
上の装置操作用の電気接続またはターミナルを必要とし
ている。
光」Fと」W 本発明によれば、2端子薄膜光検知器は半導体光検知器
薄膜中のドープ剤変調チャンネルからなり、該チャンネ
ルは長電子寿命を与え、その結果。
ゲート電極の使用およびゲート電圧の適用を行うことな
しに、前記米国出願第621 、360号の薄膜ゲート
装置に比べ、それと同等かあるいはそれより優れた感光
性を示している。
本発明の2端子薄膜光検知器は、例えば、2端子領域と
これら2端子領域間に形成された薄膜感光性チャンネル
とを有する、絶縁性基体上の半導体薄膜結晶性ケイ素か
らなる。上記チャンネルは薄膜中の3つの異なるドープ
化領域、即ち、基体に直接隣接して形成された第1の導
電性タイプの第1領域、該第1領域上に形成された逆の
導電性タイプの第2領域および該第2領域上に形成され
た上記第1領域と同じ導電性タイプの第3領域とからな
る。該ドープ化領域は第1領域と第2領域間および第2
領域と第3領域間に基体表面に平行に存在するp−n接
合を形成している。これらの接合は電荷キャリヤー分離
手段として機能する。
上記チャンネルは暗所で十分に空乏したものとして機能
し照射したとき光導電性になる。
上部および下部の主領域は、例えば、正孔の貯蔵領域と
して機能するp領域であり得、一方中央の領域は光検知
器の2つのn″領域間にあり電子の貯蔵領域または電位
ウェルを形成する電流チャンネルとして機能するn %
p域であり得る。n゛端子領域はnチャンネル領域に対
するオーム接触として機能する。本発明の光検知器は薄
膜中のp−n−pチャンネル構造に基づく低暗電流によ
る高光導電性利得を示す。
他の目的および利点は本発明をより十分に理解すること
によって明らかとなり、また添付図面に関連して述べる
以下の説明により評価し得るであろう。
好ましい実yf!S様の詳細な説明 第1図において、本発明の2端子ドープ剤変調薄膜光検
知器10が略図的に例示されている。光検知器10は溶
融石英または溶融シリカのような透明な絶縁性基体12
上の直埋チャンネル薄膜装置からなる。基体12はガラ
スまたはセラミック板のような他の絶縁材料でもよい。
基体12の透明性は基体を通して光検知器で光を感知す
るのに有用であるが、光検知器の表面不動態酸化物20
を通して光の透過を行う構成も可能である。いずれにし
ろ、基体12は本発明の光検知器lOを含む集積半導体
系における光透過に所望される設計によって透明または
不透明である得る。
光検知器は、例えば、ホトリトグラフにより不連続の島
状体にパターン化した結晶化ケイ素薄膜であり得る。薄
膜13は、例えば、0.5μmの厚さであり得る。薄膜
13の厚さは、例えば、約0.3μm〜50μmの範囲
であり得る。
薄膜13は通常の方法(例えば、イオン植え込み法)に
より不均一にドーピングされて薄膜中にp−n−pドー
プ剤パターンを形成している。チャンネルは下部pタイ
プ領域14(例えば、はう素)、中央のnタイプチャン
ネル領域16 (例えば、リン)および上部pタイプ領
域18 (例えば、はう素)からなる。下部領域14と
チャンネル領域16とはp−n接合15を形成し、上部
領域18とチャンネル領域16とはp−n接合17を形
成する。酸化物N20はケイ素領域13の一部を酸化す
ることにより熱成長しており、例えば、約0.13μm
の厚さであり得る。酸化物層20の目的は薄膜13の半
導体表面を不動態化することである。2端子領域26と
28は“3−領域”14−16−18の両端にAs・植
え込み(inplanation)により形成されて中
央のチャンネル領域に対するオーム接触として機能する
高度にドーピングされたn′領領域形成している。端子
領域26と28での電極30と32は蒸着AAからなり
得る。
光検知器10は当該技術において公知の作製技術によっ
て形成できる。例えば溶融石英ウェハー上の0.5μm
厚のLP−CVDポリシリコン層はホトリトグラフおよ
びプラズマエツチングにより形成されて複数のパターン
化ストリップを得ることができ、このストリップは次い
でレーザー溶融処理せしめて再結晶化を行い得る。レー
ザ結晶化は走査CWCO□レーザースポットにより達成
され、該レーザーは各島状体の中心からオフセットされ
て傾斜した固形化を生じ、その前方より各島状体を横切
って走査されている。この方法はストリップ内に主とし
て(1(10) −1111ti化または< 1(10
 >−配向したケイ素島状体を生成し、この島状体は穀
粒境界を含んでいない。レーザー結晶化後、光検知器の
作製は、例えば、前章において、あるいはA、Chia
ng等の“プロシーディンゲス オン5PIE  シン
ポジウム オン レーザー プロセシング オン セミ
コンダクター ディバイス(Proceedings 
of 5PIE Symposium on Lase
rProcessing of Sem1conduc
tor DeviceS)、vol。
385.76 (1983)  ″、および前出の刊行
物“エネルギー ビーム−ソリッド インターアクショ
ンズ アンド トランシーエンド サーマル プロセシ
ングにおいて記載されているような6つのマスクレベル
を有するNMO5法により実施できる。
光検知器10の下部p領域14は酸化物層20を通して
ほう素イオンの植え込みにより形成されて層13の領域
14中に約10”/cn(のアクセプター濃度を与える
。同様に、nチャンネル領域16もりんイオンの植え込
みにより形成されて層13の中央領域16中に相対する
密度のドナー濃度を与える。最後に、p領域18は酸化
物層2゜を通してのほう素イオンの植込みにより形成さ
れて約10”/a(のアクセプター濃度を与える。アク
セプターおよびドナー濃度は10”/cJ〜10′87
c11!の範囲にあり得る。
光検知器10の所期の性能は米国特許出願第621.3
60号に記載されているピンチオフの空乏方式TFTの
性能から評価でき、る(該米国出願の記載は参考として
本明細書に引用する)。光検知器10を形成するケイ素
島状体は約0.5μmの厚さであり、照射光のわずか2
5%だけを吸収し、その基体的光導電性利得Gは、もし
反射を無視し単一量子効率を想定する場合には、344
0電子/吸収陽子程に大きい。オーム接触によるによる
nタイプ光検知器中のそのような大きい利得は極めて長
い電子寿命を暗示するもので、次の等式(1)に示され
る光導電性利得Gの定義より計算できる3G=τ/l、
l       (1) (式中、τは正札と再結合する前の光陽子の寿命に等し
く、1.はチャンネル領域16中の電子の走行時間に等
しく、等式(2)により決定される。
t n  = L2/ p n  Vo   (2)こ
こに、Lはチャンネル長に等しく、μnは電子移動に等
しく、■。はチャンネルを横切って適用した電圧に等し
い。) これによりμn約2(100co!/V、に対する電子
寿命の概算を与え、VD=0.IVのとき、寿命は約6
0μsである。即ち、空乏方式TPTの、従って、2端
子光検知器の高光導電性は長電子寿命を与える。本発明
の光検知器10は、基本的には、(1)nチャンネル領
域上下のp領域の使用および(2)ケート電極の不使用
により米国特許出願第621 、340号の空乏方式T
PT光検知器とは別のものである。
光検知器10の物性は第2図に示した領域1416およ
び18のエネルギーバンド図により量的に説明できる。
実線ECとEvは、それぞれ、伝導帯および価電子帯を
示し、点線E、はフェルミ準位を示す。例としてケイ素
薄膜13中の金属接合15と17とを、ぞれぞれ酸化物
層20の下約0.3μmと0.2μmに置き、チャンネ
ル領域16はp−n接合15と17の間で約0.1μm
の幅を有する。
2つのp領域14と18は電気的に浮動しており、p−
n接合15と17の各空乏層は同化して無視し得る程度
の熱発生自由電子を含むnチャンネル内に電位エネルギ
ー最小値即ちウェルを形成する。結果として、暗電流は
無視できる。同様に、正孔用の電位エネルギーウェルは
両p領域14と18に存在し、それぞれ、一方からは接
合空乏領域により、また他の一方からは隣接する5i0
2即ち、溶融シリカ基体12または熱酸化物層に存在す
る回避できない固定残留圧空間電荷から離れた自由正孔
の静電反↑Ωによりはね返される。第2図で示すように
、光励起電子−正孔対はp−n接合15と17を横切っ
て分離し、負のアクセプター電荷を一部消費する浮動p
領域14と18中の正の静空間電荷を分布している過剰
の正孔によりその各々のウェル内に集まる傾向にある。
相応する効果はn領域16内の過剰の電子により生ずる
。追加の空間電荷は接合15と17の電位障壁を低下さ
せる。電子は正孔と再結合するまで光電流に貢献する。
一定の照射下では、電荷分離は光導電性に異なる貢献を
なす各タイプのキャリヤーにより定常状態に達する。正
孔は2つの浮動p ’pM域14と18内に残存し、一
方直埋チヤンネル領域16内の電子はp−n接合15と
17とを横切る正札と再結合するまで光電流に貢献する
。電子がp領域14と18中の正孔から離れた直埋チャ
ンネル中で静電気的に制限されたとき、再結合工程は大
いに抑制されて長電子寿命が可能となる。即ち、大きい
光電流が浮動p領域14と18内の過剰の正電荷の局在
化により生じ、過剰の電子が端子領域28で流動すると
き、負電荷を端子領域26からチャンネル領域14へ静
電気的に引っ張る。生じた光電流の量はチャンネル13
を打つ光の量に比較する。
従って、光電子は、チャンネルの走行時間以上の時間、
光電流に効果的に貢献し、等式(1)で定義したような
光導電性利得Gを生じ、この利得は1よりもはるかに大
きい。
特に、薄膜13中への3領域14−16−18の導入は
電荷分離に対して新規な基本的特徴を与えるp−n−p
チャンネル構造を形成する。第1図において、エネルギ
ーhvの光子の吸収による電子−正孔の発生、側面p−
n接合15と17の静電気不均一に基づく電荷分離、お
よび接合15と17とを横切る電荷拡散を含む潜在的再
結合とを例示している。光検知器10に光を当てたとき
、光励起した自由正孔は2つの浮動p領域に分割される
(先の米国出願の空乏方式TPTでは、いくらかの電荷
分離が空乏層を横切って生じる)。2つOp 6M域の
光励起正孔の合計数はn導電性チャンネル16内の光励
起電子の数に等しい。即ち、チャンネル16内の一定領
域密度の光刺激電子に対し、一定領域密度の正孔の一部
はチャンネル16の一方側(例えば、領域14)に存在
し、残りは他の一方側(例えば、領域18)に存在する
これにより、空間的に分離した自由電子と正孔に基づく
各接合を横切る静電電位のより小さい減少をもたらし、
そのために、接合界面領域により大きい電位障壁(バリ
ヤー)を与えている。これに対し、障壁での増大は、例
えば、接合15と17とを横切る自由キャリヤーの拡散
速度を低下させることにより、再結合速度を極めて直線
的に減少させ、キャリヤー寿命、ひいては光学利得を増
大させる。
さらに、本発明の2端子光検知器は米国特許出願1に6
21.340号の空乏方式TPT光検知器以上に実際的
であり基本的な利点を有する。ゲート電極の不使用は装
置作製において処理工程の少ない簡単な装置構造、およ
び回路における複雑さのない、従って処理に関連する欠
陥のない結果をもたらす。
このことは装置/回路の高収率に著しく貢献する。
例えば、不動態層20のピンホールは装置の操作に直接
影響しないが、米国特許第621,340号のTPT装
置においては、ピンホールはゲート電極とチャンネル間
に短電気回路をもたらし得る。さらに、ゲート電極の不
使用は照射光応答性即感光性を増大させ、さらに最上部
照射の場合に、一部に透明なゲート電極に存在する光吸
収をなくすことによる“青色”スペクトル応答をも増大
させる。
要約するば、本発明の光検知器における高レベルの感光
性に対する主な貢献要因は次の如くである。
fl)  光導電性チャンネルを形成する薄いn領域1
6により分離された2つのp eM域14と18の形成
による電荷分離のためのp−n接合15と17の形成 (2)前記結晶化の特別な方法において達成されたすく
れた品質の単結晶薄膜、再結晶中心として働く薄膜のバ
ルク中に欠乏即ち穀粒境界をわずかに残在させること (3)  表面チャンネルの電子移動性に比較して高い
直埋チャンネルの電子移動性 本発明を2.3の特定の実施態様に関して説明して来た
けれども、当業者にとって多くの変法、修正および変形
を上記を参照にしてなし得ることは明らかである。例え
ば、正札による光導電性用のドープ剤の反対極性を領域
26と28をp゛としてドーピングし、上部および下部
領域14と18をnでドープしチャンネル領域16をp
でドーピングすることにより達成できる。従って、本発
明は本発明の精神および範囲内におけるすべての変法、
修正および変形を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の2端子薄膜光検知器の略図である。 第2図は第1図の2端子薄11々フイルムのチャンネル
領域のエネルギーバンド図である。 10:光検知器、12:基体、14:p領域、16;n
領域チャンネル、18:p領域、20:酸化物、26及
び28:ケイ素薄膜。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)2端子領域と該2端子領域間に形成された薄膜感
    光性チャンネルとを有する、絶縁性基体上の結晶性ケイ
    素薄膜からなる2端子薄膜光検知器であって、上記チャ
    ンネルが上記薄膜中の3つの異なる領域、即ち、上記基
    体に直接隣接して形成された第1の導電性タイプの領域
    、該第1の領域上に形成された逆導電性タイプの第2領
    域および該第2領域上に形成された上記第1の領域と同
    じ導電性タイプの第3の領域とからなり、上記薄膜チャ
    ンネル中でかつ上記第1と第2の領域間および上記第2
    と第3の領域間に上記基体の表面に平行に存在するp−
    n接合があり、該各接合は電荷キャリヤー分離手段とし
    て作用し、上記チャンネルは暗中では十分に空乏化され
    ており、上記光検知器を光に当てて高い動的範囲および
    大きい光電流動作を与えるように光導電性となることを
    特徴とする上記2端子薄膜光検知器。
  2. (2)前記チャンネルがp−n−pチャンネル構造から
    なり、前記各端子領域が前記チャンネルの各末端でn^
    +領域からなり前記nチャンネル領域に対するオーム接
    触として機能し、前記光検知器が適用されたバイアス下
    で高光導電性利得を有する特許請求の範囲第(1)項記
    載の2端子薄膜光検知器。
  3. (3)前記第2の領域がpタイプドーピングし、前記第
    1と第3の領域をpタイプドーピングする特許請求の範
    囲第(1)項記載の2端子薄膜光検知器。
  4. (4)前記チャンネルがn−p−nチャンネル構造から
    なり、前記各端子領域が前記チャンネルの各末端でp^
    +領域からなり前記nチャンネル領域に対するオーム接
    触として機能し、前記光検知器が適用したバイアス下で
    高光導電性利得を有する特許請求の範囲第(1)項記載
    の2端子光検知器。
  5. (5)前記第3の領域上に形成された不動態酸化物層が
    存在し、該不動態酸化物層は透明である特許請求の範囲
    第(1)項記載の2端子薄膜光検知器。
  6. (6)前記絶縁性基体が透明である特許請求の範囲第(
    1)項記載の2端子薄膜光検知器。
  7. (7)アクセプターおよびドナーの濃度および輪郭(プ
    ロファイル)が前記第2領域中に光導電性を与えるよう
    選択され、前記第2領域は十分に空乏化されている特許
    請求の範囲第(1)項記載の2端子薄膜光検知器。
  8. (8)前記第1と第3領域および前記第2領域でのそれ
    ぞれのアクセプターおよびドナー濃度が約10^1^5
    /cm^3〜10^1^■/cm^3である特許請求の
    範囲第(1)項記載の2端子薄膜光検知器。
  9. (9)前記チャンネルの厚さが0.3μm〜50μmの
    範囲である特許請求の範囲第(1)項記載の2端子薄膜
    光検知器。
  10. (10)前記薄膜フィルムの再結晶化をもたらすレーザ
    ー溶融処理により形成された特許請求の範囲第(1)項
    記載の2端子薄膜光検知器。
JP60219977A 1984-10-09 1985-10-02 2端子薄膜光検知器 Pending JPS6194382A (ja)

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