JPS6267866A - 光電変換素子およびその製造方法 - 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】 Ｅｌｌ業上の利用分野］ 本発明は、光電変換素子およびその製造方法に係り、特
に、受光面積の微小な高解像のイメージセンサや光量分
布を精密に測定するためのセンサ等に使用すべく、微量
な光信号を高いＳ／Ｎ比で効率良く得られるようにした
能動型の光電変換素子に関する。

［従来技術およびその問題点］ 周波数応答性に優れ、主として論理回路用に用いられる
バイポーラトランジスタ（ＢＰＴ）　、製造工程が簡単
で主としてメモリー用に用いられる電界効果トランジス
タ（ＦＥＴ）に続く第３のトランジスタとして、静電誘
導効果を利用した静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）が注
目を集めている。

この静Ｔｉ誘導トランジスタは、単結晶シリコン等の結
晶半導体から作られ、従来のトランジスタに比べはるか
にスイッチング速度が速く、消費電力も少ない画期的な
高性能トランジスタであることから、大電流のスイッチ
ング制御素子として広く利用されているデバイスである
。

一方、薄膜プロセスにより作製される光電変換素子とし
ては、光電変換機能を有する光導電体を２つの電極で挾
む構造として２種類の構造に分けることができる。

一つは、基板上に対向して配置された２つの電極にとも
に接続されるように光導電体層が形成さレタプレーナ型
の光電変換素子であり、もう一つは上下方向に配置され
た２つの電極で光導電体層を挟んだサンドイッチ型の光
電変換素子である。

これらは、通常、入射した光ｍに応じて発生したフォト
キャリアの量を直接検出したり、光入射による光導電率
の変化による′ＩＩｉ流変化を検出したりし、外部回路
を付設することにより、検出値を所望の出力値まで増幅
して取り出すように構成されている。これは、光導電体
層として結晶ＩＩＩを用いた光電変換素子において、ア
バランシェフォトダイオードのようななだれ的な一瞬時
にして巨大な一光増幅を起すには、現状では薄膜の物性
が理想的とはいえないためである。

ところで、近年、複数個の光電変換素子をアレイ状ある
いはエリア状に配列して画像の読み取りを行なうように
したデバイスが広く用いられるようになってきているが
、更に高解像化を行なうに際して、受光面積の減少に基
づく光電変換量の減少は、Ｓ／Ｎ比を劣化させると共に
外部回路による増幅をも困難な状態を引き起している。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、高解像で
あってかつ高感度のイメージセンサを提供することを目
的とする。

［問題点を解決するだめの手段］ そこで本発明は、光電変換素子部に、薄膜静電誘導電界
効果トランジスタを同時形成し、増幅機能を持たせると
いう点に着目してなされたもので、基板上に形成された
下部電極と、上部電極とによって、光導電体層をサンド
インチ状に挾むと共に、該光導電体層中に、所定の間隔
で周囲を絶縁膜被覆された中間電極を配列し、更に、上
部電極内に開口窓を設けこの開口窓内に、該光導電体層
との間でショットキー接合を形成する透光Ｕ電極を配設
すると共に、該透光性電極に対向する部位の中間電極は
絶縁膜から露呈するように構成し、前記開口窓からの入
射光により発生したフォトキャリアの到達によって露呈
部の中間電極の電位を変化させることにより中間電極パ
ターンに沿って、半導体層内の電界を変化せしめ、上下
電極間を流れるＴｉ流を制御し、検出信号を増幅して取
り出すようにしている。

［作用］ 上記構造において、光電変換が行なわれるのは、上部電
極内の開口窓に形成された透光性電極と、これに対向す
る中間電極との間であり、入射光はこの間口窓で制限さ
れるため、解像性能はこの開口窓の大きさにより決定さ
れる。

ここで、入射光により発生したフォトキャリアは、まず
、絶縁膜から露呈した中間電極の電位を変化させる。

これにより、中間電極パターンに沿って、絶縁膜を介し
て半導体層内の電界が変化し、上下電極問を流れる電流
が該電界の大きさに応じて減少せしめられる。

このようにして、光入射ｍに反比例して、上下電極を流
れる電流量が変化するため、あらかじめ、この電流量が
大きくなるように形成しておくことにより、光量を電流
量として増幅して取り出すことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照しつつ詳細
に説明する。

第１図（ａ）および（ｂ）は、本発明実施例の光電変換
素子を示す図である。（第１図（ａ）は、第１図（ｂ）
のＡ−Ａ’断面図） この光電変換素子は、ガラス基板１上に形成された膜厚
２０００〜３０００Ａのクロム薄膜からなる下部電極２
と、中央部に開口窓Ｗを有し、この開口窓内に酸化イン
ジウムａｌｌ（ＩＴＯ）からなる透光性電極３を形成し
てなる膜厚的２００ＯＡのクロム薄膜からなる下部電極
４とによって、膜厚的２μｍのアモルファスシリコン層
からなる光導電体１１５を挾みサンドイッチ構造をなす
と共に、該光導電体１１５のほぼ中間部に、所定の間隔
で膜厚５００Ａのクロム薄膜からなる中間電極６を基盤
目状に配設し、この中間電極６のうち前記透光性電極２
と対向する位置にあるもの６ａを除いて、残る全てを膜
厚５００Ａの窒化シリコン膜からなる絶縁Ｉ！Ｉ７で被
覆して静′Ｒ誘導用のグリッド６ｂとしてなるものであ
る。ここで８は中間電極リセット用電極である。

次に、この光電変換素子の製造方法について説明する。

まず、第２図（ａ）に示す如く、ガラス基板１上に真空
蒸着法によって膜厚２０００〜３０００Ａのクロム′？
ａ膜を着膜した後、フォトリソ法によりパターニングし
、下部電極２および中間電極リセット用電極８を形成す
る。

続いて、プラズマＣＶＤ法により、膜厚的１μｍのアモ
ルファスシリコンＨ５ａ、膜厚５００Ａの窒化シリコン
ＩＩ！Ｉ７ａとを同一のメタルマスク（図示せず）を用
いて順次積層した後、第２図（ｂ）に示す如く、中間電
極用として真空蒸着法により膜厚５００Ａのクロム１ｌ
ｌｌ膜６′を着膜する。

この後、第２図（Ｃ）に示す如（、フォトリソ法により
、該クロム薄膜６′をバターニングし、中間電極６を形
成する。

更に、第２図（ｄ）に示す如く、この中間電極６の上層
に、膜厚５００Ａの窒化シリコンｗＡ７ｂをプラズマＣ
ＶＤ法により形成した後、フォトリソ法によりパターニ
ングし、受光領域すなわち開口窓Ｗに対応する位置の窒
化シリコン膜を除去すると共に、絶ＮＷＡ＜窒化シリコ
ン膜）で覆われた静電銹導のためのグリッド（中間電極
）を形成する。（第２図（ｅ）） そ・して、更に、第２図（ｆ）に示す如く、プラズマＣ
ＶＤ法により膜厚的１μｍのアモルファスシリコン層５
ｂを形成する。

この後メタルマスクを介してスパッタリング法により透
光性電極３として膜厚１０００Ａの酸化インジウム錫層
を着膜する。

そして最後に、第２図（ｇ）に示す如く、真空蒸着法に
より、膜厚的２００ＯＡのクロムｉｌｌ！を＠膜し、こ
れをフォトリソ法によりバターニングし、開口窓Ｗを有
する上部電極４を形成する。

このようにして形成された光電変換素子は、上部電極４
と下部電極２との間に電圧を印加し、光導電体層５を抵
抗層としてＩＩ流を流すと共に、中間電極６はリセット
により所定の電位を持たせ、上部電極との間が逆バイア
ス状態となるようにして用いられる。

まず、受光部すなわち開口窓Ｗに入射する光は、光導電
体層で電子−ホール対を形成する。

この電子−ホール対はバイアス方向に対して分離され、
電子は中薗電極側、ホールは上部電極側へと移動する。

そして、この電子の流れ込みにより中間電極電位が変化
する。従って基盤目状に配置された中間電極の存在によ
り、マス口内に電位の壁ができ、マス目を通過するキャ
リアを制限する。すなわち静電誘導トランジスタの電位
を入射光に応じて発生するキャリアによって１１１Ｉｌ
ｌシているわけである。

このようにして、上部電極と下部電極との間で流れるＩ
ｌｌが入射光量に応じて変化せしめられる。

従ってこの電流変化を検出することにより入射光量のわ
ずかな変化も検知することができる。

なお、増幅効果を高めるには、上部電極と下部電極間に
供給し得る電流を大きくできるようにしておく必要があ
る。これは、上部電極と下部電極との間のオーバラップ
面積を増大せしめることにより、達成できる。また、光
導電体層は電流の流れる方向に、約２μｍの厚みを有し
ているため、各部の機能は電極面積の増大によっても損
なわれるものではない。

なお、中間電極の形状については、基盤目状に限定され
ることなく適宜変更可能である。

また、電極材料としては、クロムに限定されるものでは
なく、アルミニウム、銅、ニッケル等、他の導体を用い
てもよい。

更に、絶縁膜についても窒化シリコン膜に限定されるこ
となく酸化シリコン膜等、他の絶縁体を用いても良いこ
とはいうまでもない。

［効果］ 以上説明してきたように、本発明によれば開口窓によっ
て受光領域を規定した上部電極と下部電極とによって光
導電体層を挾み、光導電体層中に中ｌＩｌ電極（グリッ
ド）を形成することにより、開口窓からの入射光により
発生するキャリアを用いて静’ａ！１１９１　トランジ
スタのグリッド電位を制御し、これに伴う電流変化を読
み出すことにより、光電変換素子内で増幅された光電変
換信号を得ることができ、光感度でかつ高解像の光電変
換素子を得ることができる。

また、増幅率は、静電誘導トランジスタの電極面積を調
整することによって適宜変更可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）および（ｂ）は、本発明実施例の光電変換
素子を示す図、第２図（ａ）乃至（Ｓ）は、第１図（ａ
）および（ｂ）に示した光電変換素子の製造工程図であ
る。 １・・・基板、２・・・下部電極、３・・・透光性電極
、４・・・上部電極、５　（５８，５ｔ））・・・光導
電体層、６　（６ａ、６ｂ）・・・中間電極、 ７　（７ａ、７ｂ）・・・絶縁膜、８・・・リセット用
電極。 第１図（α） 第１図（ｂ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に配設された下部電極と、上部電極とによ
   つて半導体層を挟んだサンドイッチ型の光電変換素子に
   おいて、 絶縁膜被覆のなされた状態で、所定の間隔を有するよう
   に前記半導体層中に埋設された第１の中間電極と、 上方が絶縁膜から露呈した状態で前記半導体層中に埋設
   された第２の中間電極と、 該第２の中間電極に対応して、前記上部電極内に配設さ
   れた透光性電極と を具備した光電変換素子。
2. （２）前記半導体層はアモルファスシリコン層である特
   許請求の範囲第（１）項記載の光電変換素子。
3. （３）前記絶縁膜は、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜
   のいずれかである特許請求の範囲第（１）項記載の光電
   変換素子。
4. （４）前記上部電極、下部電極および半導体層は、アル
   ミニウム、クロム、金、ニッケルのいずれかである特許
   請求の範囲第（１）項記載の光電変換素子。
5. （５）基板上に配設された下部電極と上部電極とによっ
   て半導体層を挟んだサンドイッチ型の光電変換素子の製
   造方法において、 基板上に下部電極を形成する工程と、 第１の半導体層を形成する工程と、 縦横に規則的に配列された多数の小パターンからなる第
   １の絶縁膜パターンを形成する工程と、該第１の絶縁膜
   パターン上に、夫々電気的に接続されており、前記各小
   パターンよりもわずかに小さいパターンからなる中間電
   極パターンを形成する工程と、 該中間電極のパターンのうち受光電極となる少なくとも
   １つを除いて絶縁被覆するようにした第２の絶縁膜パタ
   ーンを形成する工程と、 第２の半導体層を形成する工程と、 前記受光電極に対向するように透光性電極パターンを形
   成する工程と、 前記透光性電極パターンのみを露呈するように開口窓を
   具えた遮光性の上部電極を形成する工程と を含む光電変換素子の製造方法。