JPS625656A - Ｍｉｓ型非晶質シリコンホトダイオ−ドの駆動方法および読み取り装置 - 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） 本発明は非晶質シリコンを用いたホトダイオードの駆動
方法および密着型原稿読み取り装置５こ関するものであ
る。

（従来技術） オフィスや一般家庭内への高度情報機器の普及に伴ない
、これら機器の小型化に対する要請が強くなっている。

ファタシミＩＪ等の原稿読み取り装置の小型化に当たっ
て最も障害になっているのが光電変換系の大きさである
。

従来の光電変換デバイス（以下イメージセンサと記す）
にはＣＯＤあるいはＭＯＳ型のＩＣイメージセンサが用
いられてきた。しかし、このＩＣイメージセンサはチッ
プの大きさが数ｗｉｔ角と小さくこのため原稿をＩＣＣ
イムジセンサ上に投影する縮小レンズ系を必要とする。

このため、光路長確１呆のために装置内に大きな空間を
有しており、装置前の小型化が難しいという欠点があっ
た。

近年密着型イメージセンサの開発が活発になっている。

これは原稿の幅と同じ寸法の光電変換材料域を持った大
型の一次元イメージセンサで原稿にほぼ密着させて用い
るので、原稿像を縮小するたのレンズ光学系が不必要で
、そのため装置の大幅な小型化が達成される、 この密着型イメージセンサの光電変換材料としては、大
面積に一様な薄膜が低温で形成でき、可視光に対する感
度が高く、３００℃程度の耐熱性があり良質な半導体で
ある水素化非晶質シリコン（以下ａ−８ｔ：Ｈと略す）
が適していると考えられる。

ａ−８ｔ：Ｈの暗時の抵抗率は１０１０　〜１０１Ω−
口と比較的大きいことから、ダイオード構造とし。

電荷蓄積モードで動作させるのが適切である。この電荷
蓄積型の動作は走査時間内ｌこ光により励起されたホト
キャリアによってホトダイオード表面に保持されていた
電荷を消去する方法がとられている。一方、暗時には走
査時間内でホトダイオード表面に充電された電荷を保持
しなければならない。このためにはａ−８ｉ：Ｈ＠自体
の抵抗率だけでは抵抗が小さいので、見かけ上の抵抗率
を大きくするために、電極からの電荷の注入を阻止する
ブロッキング構造にすることが望ましい。第４図は、光
の入射側のブロッキング電極に薄いＳ　ｉ、Ｈ４。

５ｉＯ１等の透明誘電体膜を用いたＭＩＳ型フォトダイ
オードの断面図である。第４□□□において、透明絶縁
性基板４１上に副走査方向の受光幅を決めるための辿光
膜４２と、遮光膜４２の断差の影響をなくすためのＳｉ
ｎ、膜４３が形成されている。この上に共通電極として
ＩＴＯ等の透明電極４４、ＩＴＯからの正孔の注入を防
ぐ層として厚さ３０面のＳｉ、Ｎ、等の透明誘電体膜４
５、さらにホウ素を微量ドープし高抵抗化した高抵抗ａ
−８ｉ：Ｈ４６が順次積層されている。また、上部の個
別電極４８からの電子の注入を防ぐ層としてｐ型のａ−
８ｉ４７が用いられる。このように、ａ−８ｔの両側に
ブロッキング電極を用いることにより、実用上充分な電
荷保持能力が得られることが知られている（アイ・イー
・ディー・エム　テクニカル　ダイジェスト（ｒＥＤＭ
　Ｔｅｃｈ、Ｄｉｇ、　、３２８．１９８２））。

また、このＭＩＳ型非晶質シリコンホトダイオード次元
アレイを光電変換素子とする密着型原稿読み取り装置は
、すでに第６図に示す通り、長さ約５ｃｍ、厚さ約５ｃ
ｎＬ、幅はほぼ原稿＋ｐ＠　（例えばＡ４サイズならば
２５ｃｒＩＬ程度）の大きさにユニット化されている（
例えばアイ・イー・イー・イー　とをンサクシ１ンズ（
Ｉ　ＥＥＥ　ＴＲＡＮＳ　、　ＣＨＭＴ　−７。

４２９．１９８４））。この大きさのユニットの中に、
原稿照明用ＬＥＤアレイ２２．原稿２３の像をＭＩＳ型
ホトダイオードアレイ２５に一対一の大きさで投影する
ためのセルフォックレンズアレイ２４、さらにホトダイ
オードアレイ２５と同一基板上に実装された駆動ＩＣ２
６とフレキシブルケーブル２８により接続された外部、
駆動回路用プリント基板２７が収納されており、この読
み取りユニットだけで原稿像を電気信号に変換すること
ができる。

（従来技術の問題点） ＭＩＳ型非晶質シリコンホトダイオード応答特性を評価
するため、疑似光信号としてＬＥＤのパルス光をホトダ
イオードに照射し、その時に流れる電流を測定した。Ｌ
ＥＤには、第５図に示すような矩形波状の電流を流し、
パルス光をつくる。

この光パルスを７ｖの電圧を印加したＭＩＳ型ホトダイ
オード照射した。その結果、自然対数の底をｅとすると
、電流の立ち下がりが１　／　ｅになる時間は第５図に
示すように約１００μｓｅｃであった。このことから、
ＭＩＳ型ホトダイオードの光応答速度は約１００μ１ｕ
ｔｅであると考えられていた。

ところがユーザからの要請として、１ライン当たりの読
み取り時間が０．５ｍ５ｅｃ以、下の超高速読み取りが
望まれている。この読み取り速度は、従来の駆動方法に
よるＭＩＳｆｆｌホトダイオードの応答速度である１０
０μＩ！ＩｅＣに近くなっており、そのため走査時間内
に発生したホトキャリアの内、一部はその走査時間内に
対向電極まで到達できず、２番目以降のフレームに残像
が発生してしまう。

従って、従来のイメージセンサの駆動方法では。

０．５ｍ５ｅｃ以下の超高速の読み取りができない欠点
があった。

（発明の目的） 本発明は、このような従来の欠点を除去せしめて、ＭＩ
Ｓ型非晶質シリコンホトダイオードを高速に駆動する方
法および高速読み取り可能な読み取り装置を提供するこ
とにある。

（発明の構成） 本発明によれば、透明絶縁性基板上に、少なくとも順に
透明”ｔ［極、透明誘電体膜、１０１０　ｏｈｍ−ｃｍ
以上の高抵抗非晶質シリコン層、１０１０　ｏｈｍ−ｃ
ｍ以上１０１０　ｏｈｍ−ｃｍ以下のｐ型非晶質シリコ
ン層、さらに上部個別を極を積層したＭＩＳ型非晶質シ
リコンホトダイオードを電圧印加により充電し、その後
前記透明絶縁性石板側から入射する光信号によって発生
する光電流により前記ＭＩＳ型非晶質シリコンホトダイ
オードを放鑞させ、蓄積時間後ＭＩＳ型非型置晶質シリ
コンホトダイオード圧降下量あるいは再充電電荷量を測
定することにより光信号を検出するＭＩＳ型非晶質シリ
コンホトダイオードの駆動方法において、波長が５５０
ｎｍ以上７００　ｎｒｎ以下の直流バイアス光を前記光
信号に重畳させて該透明基板側から入射させることを特
徴とする前記非晶質シリコンホトダイオードの駆動方法
が得られる〇 また本発明によれば、原稿を照明するための光源と、原
稿に対向した位置に設けられたＭＩＳ型非晶質シリコン
ホトダイオードアレイと、原稿と前記ＭＩＳ型非型置晶
質シリ−コンホトダイオードアレイ間に原稿像を前記Ｍ
ＩＳ型非晶質シリコンホトダイオードアレイ上に結像さ
せるためのロッドレンズアレイとを有する読み取り装置
において、前記読み取り装置内に波長が５５０　ｎｍ以
上７００ｎｍ以下の直流バイアス光を前記ＭＩＳ型非晶
質シリコンホトダイオードアレイに照射できる第２の光
源を設けることを特徴とする読み取り装置が得られる。

（構成の詳細な説明） 本発明の駆動方法について説明する。ホトダイオードの
応答速度は、光によって励起されたホトキャリアが対向
１極に到達するのに必要な走行時間で決められていると
考えられる。ホトダイオード内で発生するホトキャリア
は電子と正孔があるが、電子の移動度は正孔のそれより
約２桁大きいので、ホトダイオードの応答速度は移動度
の小さい正孔のドリフト時間で決まる。７ｖの直流電圧
をホトダイオードに印加すると、この電圧を非晶質シリ
コンの膜厚で割った値を単純に内部電界とすると、通常
高抵抗非晶質シリコンの膜厚は２μｍであるから、内部
電界は３．５　Ｘ　１０１Ｖ／ｃＴＬとなる。

この電界強度における正孔の移動度は約３Ｘ１０−”ｃ
＊／Ｖ、ｓｅｃであることから、キャリアの走行時間は
２μｓｅｃとなり、高速動作が可能であるはずである。

ところが、実験によると直流電圧を印加した場合ホトダ
イオードの光応答速度は１００μｓｅｃ程度であり、こ
の計算結果に比べると５０倍も遅くなっている。

この原因について、タイム・オプ・フライト法（例えば
フィジカル　レビ！　−（ｐｂｙｓ、Ｒｅｖ、Ｂ２７゜
４９２４（１９８３））による解析結果を用いて説明す
る。

タイム・オプ・フライト法は、電界が形成されている試
料にパルス・レーザ等を用いて非常にパルス幅の狭い光
パルスを照射する。この光パルスは試料中での光吸収係
数の大きい波長を選び、試料の入射面近傍にシート状の
光キャリアを発生させる＠光パルスの強度は、発生した
光キャリアによってホトダイオード内の電界形状が変ら
ないように充分弱くする。励起された光キャリアのシー
トは対向電極までドリフトにより走行する。この時、外
部回路に流れる変位１！流を測定することにより試料中
のキャリアの走行特性が評価できる。もし。

試料にパルス電圧を印加すると、パルス幅が試料の誘電
緩和時間より短かければ内部電界は均一になっている。

非晶質シリコンの場合、この誘電緩和時間は１秒程度と
比較的長いのでパルス電圧を用いるとホトダイオード内
の高抵抗非晶質シリコン部には均一な電界が形成される
。ところが直流電圧を用いると、非晶質シリコン中の局
在準位から電子の放出あるいは捕獲が起こり、膜中に電
荷が発生する。このため、内部電界はもはや均一ではな
くなる。第３図にタイム・オプ・フライト法を用い、Ｍ
ＩＳ型非晶質シリコンホトダイオード中を流れる過渡電
流の波形を示す。試料にパルス電圧を加え均一な電界を
形成すると、第３図（ａ）に示すように光パルスｌこよ
って励起されたキャリアのドリフトによる過渡光［ｆｉ
は２つの直線で表される分散型伝導特性を示す。これは
ａ−８ｔ：Ｈ中のホールの伝導ｄ？Ｊとしてよく知られ
ている。ところが直流電圧を印加すると、（ｂ）のよう
に光パノυス照射直後に流れる′＋Ｈ流が小さくなり、
直線では近似できなくなっている。これは、前述したよ
うζこ直流電圧を用いたため内部電界が不均一になった
ためであると考えられる。つまり、電界の強い部分は光
の入射面とは反対側のｐ型非晶質シリコンとの接合部側
にあり、逆に光の入射面付近の電界は小さくなっている
。このように直流電圧を印加した場合は、パルス光によ
り励起されたキャリアが走行を開始すべき領域の電界が
小さく、正孔のドリフト速度が小さいため、（ｂ）のよ
うに初期に流れる電流が小さくなるのである。従って、
正孔が入射電極側で励起されてから対向電極に到達する
までの走行時間は、主にこの低電界領域を走行する時間
で決められていると考えられ、ＭＩＳ型非晶質シリコン
ホトダイオード流電圧を印加するとその応答速度が遅く
なる原因は、この低電界領域が存在することにある。

従って、ａ−８ｉ膜全体に均一な電界を形成し。

低電界領域を無くすることができれば、ホトキャリアの
走行特性を改讐し、ホトダイオードの応答速度を早くす
ることができる。本発明では、検出すべき光信号とは別
にＭＩＳ型非晶質シリコンホトダイオードこのａ−８ｉ
：Ｈ中の低電界部で吸収されるような波長で、しかも時
間的に一定強度の光を直流バイアス光として照射し１発
生したホトキャリアの電荷によりバンドを曲げることに
より、直流電圧印加時において、ホトダイオード内の均
一に近い電界分布を実現している。このホトキャリアに
よるバンドの変調現象は次のように説明できる。ａ−８
ｉ：Ｈ中では先に述べたように電子の移動度は正孔より
２桁大きく、直流バイアス光により励起される１子と正
孔のうち成子はすぐにブロッキング層であるＳ　ｉ　、
Ｎ４等の薄い透明誘電体膜までドリフトにより走行し、
誘電体膜中は強電界のために電子は誘電体膜中を伝導す
る。一方、正孔の移動度が小さいため、あたかも励起さ
れた正孔は空間に固定されたかのように見える。従って
正の空間電荷が発生したことになり、このためバンドが
下方に曲り、電界が強くなる。

ホトダイオードに直流電圧７Ｖを印加し、さらに６５０
ｎｍの直流バイアス光を照射した状態において、パルス
光によっ・て励起されたキャリ′アの走行による過渡光
電流を測定すると、第３図中の直流電圧・バイアス光あ
りと示した（Ｃ）のような特性が得られる。初期に流れ
る過渡光Ｘ流が増加し、パルス電圧を印加した時の特性
に近づいていることがわかる。従って、確かに光照射に
よりバンドを曲げることができ、直流′α圧を印加した
場合でも均一に近い電界を形成することができる。

なお、タイム・オプ・フライト法で用いる光パルスはこ
のようなバンドの変調を起さないように、強度を充分弱
くしている。読み取り装置への応用を考えると、原稿か
らの反射光はホトダイオードの入射面において１００　
ｌｕｘ程度あり、上述したようなバンドの変調を引き起
こすのに充分な強度である。従って、白い部分からの反
射光を読み取っている間は、バンドの変調が起こりホト
ダイオードの応答速度が早くなっていると考えられる■
しかし、原稿が黒状態に変った時点から、入射光側に形
成されていた正孔の蓄積が減少し、電界が小さくなる。

その結果、残りの正孔はドリフト速度が減少し、結局Ｐ
２像が発生してしまう。よって、光信号だけでバンド変
調を行なってもホトダイオードとしての光応答速度の改
善はなされない。常に光を照射しつずけることが重要な
のである。

このようなバンド変調を実現するためには、バイアス光
をホトダイオードの低電界領域全体で吸収させなければ
ならない。これにはａ−８ｉ：Ｈ中の光の吸収係数が約
１０１の−Ｘ以下であるような光、つまり波長が５５０
ｎｍ以上の光を照射すればよい。

ただし、波長が７００ｎｍ以上では光がａ−８ｔ　膜中
を吸収されずに透過してしまうため、バンドの変＝’１
が困難になる。従って、光源の波長は５５０ｎｍ以上７
００　ｎｍ以下でなくてはならない。

（実施例） 第１図は１本発明のＭＩＳ型非晶質シリコンホトダイオ
ードの駆動方法の一実施例を説明するための図である。

ここで用いたＭＩＳ型非晶質シリコンホトダイオードの
構造について述べる。光電変換層には、ボロンを５　ｐ
ｐｍドープし高抵抗化した厚さ２μｍの非晶質シリコン
を用い、ガラス板上に形成された共通電極であるＩＴＯ
から高抵抗非晶質シリコンへの正孔の注入を防ぐ層とし
て厚さ３０ｎｍのＳｉ３Ｎ、膜をＩＴＯと高抵抗非晶質
シリコンの間に挿入しである。また、上部の個別電極で
あるクロムから高抵抗非晶質シリコンへの電子の注入を
防ぐ層としてリンを５００　ｐｐｍドープした厚さ２０
０ｎｍのｐ型非晶質シリコンをクロム電極と高抵抗非晶
質シリコンの間に挿入した。受光面積は、１酩２である
。これら、Ｓｉ、Ｎ、、高抵抗非晶質シリコン、ｐ製置
晶質シリコンはグロー放電分解法を用い、かつ放電を止
めることなしに連続して成長させている。また、直流バ
イアス光の光源として発光中心が６６０ｎｍの赤色ＬＥ
Ｄを用いた。直流バイアス用ＬＥＤｌこ第１図に示され
ているような直流の駆動電流を流し、センサ表面に直流
バイアス光を照射する。一方％原稿からの反射光を想定
した模擬光信号として、ＬＥＤによる光パルスを利用す
る。光パルスは発光中心が５７０画のＬＥＤに第１図に
示されているような０．４ｍ５ｅｃ幅のパルス電流を流
すことにより、光パルスをつくりている。この直流バイ
アス光に光パルスを重畳させ、その時ホトダイオードに
流れる電流を測定した。第１図に直流バイアス光の光景
がホトダイオード表面で１００　ｍＷ／ｒｐｌの時のホ
トダイオードに流れる電流の波形を示す。電流の立ち下
がりが１　／　ｅとなる時間から光応答速度を求めると
約２０μＳｅｅになる。直流バイアス光がないと光応答
速度は１００μｓｅｃであるから、応答時間は直流バイ
アス光照射により１）５になった。なお。

直流バイアス光による直流光電流成分は、検出回路の出
力において、直流バイアス成分になるだけであるから１
回路により直流分を除くことは容易である。従って直流
バイアス光を照射することは検出回路において特に問題
にならない。

第２図は、本発明の原稿読み窒り装置の一実施例である
。第２図において、直流バイアス光用光源として発光中
心が６６０ｎｍの赤色の直流バイアス光用ＬＥＤアレイ
２１を用い、ＭＩＳ型ホトダイオードアレイ２５に直接
、バイアス光を照射できるようにＭＩＳ型ホトダイオー
ドアレイ２５の左右斜め上方の２ケ所に固定されている
。この直流バイアス光用ＬＥＤアレイ２１は左右どちら
か一方のみでも良い。原稿照明用の光源には、発光中心
が５７０ｎｍの原稿照明用ＬＥＤアレイ２２を原稿面照
度をなるべく大きくするため２個用い。

セルフォックレンズアレイ２４を避けて左右斜め下方に
固定した。原稿像は、原稿に対して壬直な方向にあるセ
ルフォックレンズアレイ２４＃こよりＭＩＳＷホトダイ
アレイ２５上に一対一の大きさで投影される。ＭＩＳ型
ホトダイオードアレイ２５は同一基板上に実装しである
駆動Ｉ　Ｃ２６とワイヤーボンディングを用いて接続さ
れている。さらに、外部駆動回路が実装されているプリ
ント基板２７とはフレキシブルケーブル れている。このように、本発明の原稿読み取り装置は，
直流バイアス光源を内蔵しており．かつユニットの外形
は従来の直流バイアス光源のないユニットと同一である
。本ユニットを用いて％１本／ｌｆｌの読み取り密度で
原稿を読んだところ、０．３ｍ５ｅｃ７１）ｎｅでも残
像はほとんど観測されず、直流バイアス光の照射による
高速化が確認された。

なお、原稿照明用ＬＥＤアレイの発光波長は、ここでは
５７０　ｎｍを用いたが、厚さ２μｍのａ−８ｉ：Ｈ中
で吸収されるような波長の光ならば別の波長であっても
良い。

また、直流バイアス用光源として、けい光灯等の白色光
源を用い、色フィルターを通して５５０ｎｍ以上７００
　ｎｍ以下の光をホトダイオードアレイに照射しても良
い。

また、直流バイアス光は、光源から石英やガラス等でつ
くられた光導波系あるいは光ファイバーを用いてホトダ
イオードアレイに導いても良い。

また、５５０ｎｍ以上７００　ｎｍ以下の発光波長の光
源を原稿照明に用い、この原稿照明光の一部を直流バイ
アス光として、ホトダイオードアレイに導いても良い。

また、直流バイアス光は、ホトダイオードを読み出す時
間より十分前に光源をＯＮシ、一定強度のバイアス光を
ホトダイオードに照射し、読み出し後光源をＯＦＦ　Ｌ
、バイアス光照射を止めるように光源を時分割駆動して
も良い。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、ホトダイオードに
５５０　ｎｍ以上７００　ｎｍ以下の波長の直流バイア
ス光を照射することにより、ＭＩＳ型ホ　トダイオード
を高速に駆動できる。

また、読み取り装置内に波長が５５０　ｎｍ以上７００
　ｎｍ以下の直流バイアス光をＭＩＳ型非晶質シリコン
ホトダイオードアレイ射できる第２の光源を設けること
により高速読み取り可能な読み取り装置が実現可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は直流バイアス光を照射した時のＭＩＳ型ホトダ
イオードの光応答速度を示すための光電流の波形図。 第２図は直流バイアス光用光源を設けた密着型原稿読み
取り装置の一実施例の断面図、第３図は直流バイアス光
により均一な電界が形成できることを示すためのタイム
・オプ・フライト法による過渡光電流波形を示した特性
曲線図、第４図はＭＩＳ型ホトダイオードの構造を示す
ための断面図、 第５図は従来法の直流バイアス光を照射しない時のＭＩ
Ｓ型ホトダイオードの光応答速度を示した波形図、 第６図は従来例の密着型原稿読み取り装置の断面図であ
る。 図において、 ２１・・・・・・直流バイアス光用ＬＥＤアレイ。 ２２・・・・・・原稿照明用ＬＥＤアレイ、２４・・・
・・・セルフォックレンズアレイ％２５・・・・・・Ｍ
ＩＳ型ホトダイオードアレイ、４４・・・・・・透明電
極、４５・・・・・・透明誘電体膜、４６・・・・・・
高抵抗ａ−３ｔ：Ｈ，４７・・・・・・ｐ型ａ−８ｔ：
Ｈ，４８・・・・・・個別成極をそれぞれ示す。 ０−−−−一−−−−−−−−−−−−−−−−０−−
一−−−−−−−−−−−−−−−−−−−００，５？
７７ｓ　　　　ｆ費Ｓ ハ゛イアス用ＬＥＤの ｙＩｒＬ勅電５弐 イ言号用ＬＥＤの ！ｉｌ！？力電混 ホトダイオ−白： ２ねる＠流 峙開車山 第　３　図 時間　（メ５ｅｃ） Ｏ０ 昂　　乙　　　図 ど７アリント基級

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）透明絶縁性基板上に、少なくとも順に透明電極、
   透明誘電体膜、１０＾１＾０ｏｈｍ−ｃｍ以上の高抵抗
   非晶質シリコン層、１０＾１ｏｈｍ−ｃｍ以上１０＾６
   ｏｈｍ−ｃｍ以下のｐ型非晶質シリコン層、さらに上部
   個別電極を積層したＭＩＳ型非晶質シリコンホトダイオ
   ードを電圧印加により充電し、その後前記透明絶縁性基
   板側から入射する光信号によって発生する光電流により
   前記ＭＩＳ型非晶質シリコンホトダイオードを放電させ
   、蓄積時間後ＭＩＳ型非晶質シリコンホトダイオードの
   電圧降下量あるいは再充電電荷量を測定することにより
   光信号を検出するＭＩＳ型非晶質シリコンホトダイオー
   ドの駆動方法において、波長が５５０ｎｍ以上７００ｎ
   ｍ以下の直流バイアス光を前記光信号に重畳させて該透
   明基板側から入射させることを特徴とする前記ＭＩＳ型
   非晶質シリコンホトダイオードの駆動方法。
2. （２）原稿を照明するための光源と、原稿に対向した位
   置に設けられたＭＩＳ型非晶質シリコンホトダイオード
   アレイと、原稿と前記ＭＩＳ型非晶質シリコンホトダイ
   オードアレイとの間に原稿像を前記ＭＩＳ型非晶質シリ
   コンホトダイオードアレイ上に結像させるためのロッド
   レンズアレイとを有する読み取り装置において、前記読
   み取り装置内に波長が５５０ｎｍ以上７００ｎｍ以下の
   直流バイアス光を前記ＭＩＳ型非晶質シリコンホトダイ
   オードアレイに照射できる第２の光源を設けたことを特
   徴とする読み取り装置。