JPS63174480A - 光電変換装置 - 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］ 本発明は光を電気信号に変換する光電変換装置に係り、
特に非晶質半導体中の電荷増倍作用を用いて高感度を実
現するような光電変換装置に関する。

し従来の技術］ 従来、非晶質半導体を主体とする光電変換素子として、
フォトセル、−次元イメージセンサ−（例えば、特許第
１０２２６３３号）、固体駆動回路と非晶質光導電体と
を組合せた２次元イメージセンサ−（以下、光導電膜積
層型固体受光素子と称す。例えば特公昭５９　２６１５
４号）、光導定形撮像管（例えば、特許第９０２３．８
９号）などが知られている。これらのうち、フォトセル
、−次元イメージセンサ−、光導電膜積層型固体受光素
子においては、通常良好な光応答特性を実現するため、
光導電膜にたいして、電荷の注入を阻止するような接触
を有する電極を用いる構造が採用されている。しかし、
これまでに入射光によって生成されたキャリア数以上の
信号電荷を取り出す素子は得られていない。すなわち光
電変換の利得は１以下であった。

光電変換素子としては、このような、信号電極からの電
荷の注入を阻止した構造のものと、双方、あるいは一方
の電極から電荷が注入される構造の、いわゆる注入型構
造のものがある。注入型素子では、原理的に入射光子数
以上の電子を外部回路に取りだすことができるので、利
得１より大の高感度化が可能で、例えばフォトトランジ
スタ特性を有する光導電膜と読み取り回路を積層した撮
像素子（特＃開昭６１−２２２３８３号）が提案されて
いる。

また、光電変換部自体に増倍作用を持たせる素子として
、静電誘導型トランジスタ（アイイーイーイー　トラン
ザクション　オン　エレクトロンデバイセズ　１９７５
年　第イイヂイ２２巻、１８５〜１９７頁、ＩＥＥＥ　
　ＴＲＡＮＳＡＣＴ■○Ｎ　　ＯＮ　　ＥＬＥＣＴＲＯ
Ｎ　　ＤＥＶＩＣＥＳ、ＥＤ２２巻）を利用した方法が
提案されており、あるいは、水素をふくむ非晶質Ｓｉに
おいて、結晶Ｓｉと同様Ｐ＋／πＰ　／　ｎ　／　ｎ　
”″接合を形成してＰ　／　ｎ接合部でアバランシェ動
作を発生させて關 信号増幅を行う方式（特願昭５７−２１８７６号）が提
案されている。

［発明が解決しようとする問題点コ フォ１−セル、−次元イメージセンサ−、光導電膜積層
型固体受光素子などの光電気変換装置の一層の高感度化
が強く望まれている。しかし、阻止型構造の素子では光
電変換の利得は１以下に限定され、一方、注入型素子で
は、原理的に入射光子数以上の電子を外部回路に取りだ
すことができるので、利得１より大の高感度化が可能で
あるが、このような電荷の一部をセンサ内部に注入させ
る３一 方式では光応答特性が著しく劣化し好ましくない。

また、静電誘導型トランジスタは画素毎に増幅部を内蔵
させる方式であるため、各画素間の増幅率を揃えるため
に複雑なプロセスが必要である。

また、非晶質ＳｉのＰ／ｎ接合部でのアバランシェ増幅
を行う方式は、非晶質ＳｉではＰ　／　ｎ接合の空乏層
があまり広がらないために、必ずしも十分な増幅率が得
られないという欠点があった。

本発明の目的は、上記従来の問題点を除去し、光電変換
の利得が１よりも大きく、光応答特性も良好な非晶質半
導体受光素子を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 」−記目的は、信号読み取りのための走査基板上に阻止
型構造を有する非晶質半導体を積層し、非晶質半導体層
内で電荷増倍作用が生じる電界で動作させることにより
達成される。

本発明者等は、Ｓｅを主体とする非晶質半導体層に強い
電界をかけると非晶質半導体層の内部で電荷増倍作用が
起こることを発見した。非晶質半導体におけるこのよう
な増倍現象の確認は、木発明者等によって初めてなされ
た。

上記効果を第２回により具体的に説明する。第２図は、
透光性ガラス基板上に、順次、透明電極、酸化セリウム
薄層、非晶質Ｓｅ層、Ａｕ電極を順次積層した受光素子
における信号電流と印加電界の関係（同図の曲線１０１
）および暗電流と印加電界の関係（同図の曲線１０２）
を示した図である。図は透明電極がＡｕ電極に対して正
電位になるように電圧を印加した状態で、ガラス基板側
から光を照射した場合の光信号電流と印加電圧の関係お
よび暗電流と印加電圧の関係を示したものであり、印加
電圧は電界強度で示しである。

透明電極と非晶質Ｓｅ層の間にある酸化セリウム層には
正孔あ注入を阻止する作用があり、また、Ａｕ電極から
非晶質Ｓｅ層への電子の注入は極めて少ないので、本受
光素子は、いわゆる電荷注入阻止型受光素子として動作
する。同図から明らかなように、信号電流と印加電圧の
関係はＡ、Ｂ。

Ｃの３つの領域からなっている。

領域Ａでは、透光性ガラス基板を通過した入射光はＳｅ
層内で吸収されて電子正孔対を発生し、その一部は印加
電圧により分離され、電子は透明電極側に向い、正孔は
Ａｕ電極に到達し外部回路に取り出される。この電界領
域では信号電流は電界の増加とともに増大するが、電子
正孔の再結合の影響が大きく、従って受光素子の利得は
１以下である。

さらに印加電圧を領域Ｂまで高めると、入射光により発
生した電子正孔対のほとんどが電界により分離し、それ
ぞれが再結合することなく透明電極およびＡｕ電極に向
けて走行する。この領域では、信号電流は飽和する傾向
を示し始めるが、信号電流が最大になるのは入射光がす
べて電子正孔対に変換され、信号電流として取り出され
たときであるから、光導電膜の利得は最大時でも１であ
る。？ｊｆ述の［従来技術］の項で説明したフォトセル
、−次元イメージセンサ−、光導電膜積層型固体受光素
子はここに述べた領域ＡまたはＢの範囲て動作させてい
る。

本発明者等は、光導電膜が非晶質Ｓｅの場合、前述の領
域Ｂからさらに印加電界を強めていくと、信号電流が急
激に増加して利得が１より大になる現象が生じることを
見出した。非晶質Ｓｅにおけるこの信号電流増加現象の
物理的解釈はまだ十分解明されていない。しかし、領域
Ｃにおいても第２図の曲線１０２から明らかなように、
暗電流の増大は認められず、また、非晶質Ｓｅの膜厚を
増やすと同一印加電界強度に対する信号電流の増倍率が
増大することなどから、本発明の受光素子における電荷
増倍作用は、前述の［従来の技術］の項で説明した電荷
注入による増幅作用でないことは明らかである。すなわ
ち、これは非晶質Ｓｅ膜内での従来知られていなかった
電荷増倍作用である。

」二記の、非晶質Ｓｅに強い電界を印加したときに非晶
質Ｓｅ膜内で電荷増倍作用が生じる現象を利用し、さら
にこのような動作を発生する非晶質膜を信号読み取り回
路に積層することにより、阻止型構造を有する受光素子
のすぐれた光応答特性を劣化させることなく、利得が１
より大の高い感度を有する光電変換装置を得ることがで
きる。

第１図は本発明を実施する場合の光電変換装置の原理的
構成図である。信号読み出し用走査回路基板１、信号読
み出し電極２、非晶質Ｓｅ光導電層４、透光性導電膜５
が基本部分であるが、信号読み出し電極２と非晶質Ｓｅ
光導電層４の間に十分な整流性接触が得られない場合に
は、整流性接触補助層３を介在させて整流性接触の機能
を強化する。

［作用］ 第１図に示す構造の光電変換装置に［問題点を解決する
ための手段］の項で述べた領域Ｃに相当する電界を、透
光性導電膜５が正電位となるような向きに印加する。こ
の状態で透光性導電膜側から光を照射すると、入射光は
非晶質Ｓｅ層内で吸収されて電子正孔対を発生する。こ
のうち電子は透光性導電膜へ流れるが、正孔は非晶質Ｓ
ｅ層内を信号読み出し電極２へむけて走行する。従って
、正孔が非晶質Ｓｅ層内を高電界下で走行する際に一８
＝ 電荷増倍作用を起こさせ、所望の特性を得るほどに非晶
質５ｅＪｌｌを厚くしておけば電荷の増倍がおこり、高
速の光応答特性を維持したままで利得が１より大の高感
度を得ることができる。

このような高電界下での電荷増倍作用は、結晶半導体で
はアバランシェ増幅現象としてすでにか知られているが
、結晶半導体ではマイクロプラズマの発生があり、また
暗電流が１Ｏ−９Ａ／ｍｍ２と大きく、素子の断面積が
大きい場合は暗電流を低く抑えられない等の問題からこ
れまで搬像素子などの２次元光電変換デバイスとして実
用化された例は無い。一方、一般に非晶質半導体では内
部欠陥が多いため半導体層自体ではこのような現象は起
らないと考えられていた。しかしながら、本発明者等の
詳しい検討の結果、非晶質Ｓｅにおいては電荷増倍作用
が存在し、しかも、大面積でありながら暗電流が結晶半
導体の１．　Ｏ０分の一以下であることを発見した。

さらに、本発明者等が詳しく調べたところでは、非晶質
Ｓｅ中での電荷増倍作用は正孔に対しては非常に顕著で
あるのに対して、電子に対しては僅かであることがわか
った。従って、上記現象を光電変換素子に利用する場合
、膜内を主として正孔が走行する向きに電界を印加すれ
ば、低雑音で、かつ効率良く電荷の増倍を行うことがで
きる。さらに、非晶質Ｓｅは均質かつ大面積の薄膜形成
が容易であり、簡便なプロセスで信号読み取り回路基板
上に堆積が可能であり、均質な増倍率が得られる点で、
非晶質Ｓｅを用いる本発明は極めて有効である。

以」−１非晶質Ｓｅにおける電荷増倍作用をもちいた光
電変換装置について述べたが、非晶質Ｓｅの熱的安定性
を高める目的で、ＡｓもしくはＧｅもしくは両者を添加
しても前述の作用効果は保持されることがわかった。ま
た、長波長の光に対する感度を高める目的で、たとえば
Ｔｅなどを添加してもよい。さらにまた、光導電層は必
ずしも非晶質Ｓｅ系光導電膜の単層である必要は無く、
Ｓｅと同様な電荷増倍作用を有する異なる２種類以」−
の非晶質半導体の層を積層した構成でもよい。

また光導電層全体が必すしも非晶質半導体である必要は
無く、結晶半導体と非晶質半導体の層を積層した構成で
もよい。本発明で必要なことは、光導電層を構成する層
のうち少なくとも一部の層に非晶質半導体を用い、強い
電界を印加して非晶質半導体層のｐｎ接合部以外の部分
で電荷増倍作用を生じさせ、感度を高めるようにするこ
とである。

以下、本発明を実施例により詳しく説明する。

実施例１ 第３図は本発明の一次元長尺イメージセンサーの一実施
例を説明する図であり、第３図（ａ）は平面の一部を示
す概略図、第３図（ｂ）は第３図（ａ）における点線Ａ
Ａ’　に沿った断面図である。

ガラス基板７の−１−、に、透光性導電膜を形成し、フ
ォ１〜エツチング法により−１−記透光性導電膜を分離
し、個別の読み出し電極２とする。次に、読み出し電極
２の−１−に、長尺状の穴を設けたマスクを通して、整
流性接触補助層３としてＣｅＯ２’Ｊ膜、さらに光導電
膜４として非晶質Ｓｅを０．５〜６μｍの厚さに真空蒸
着する。非晶質Ｓｅ層４の」―に透光性導電■ψ５を蒸
着、スパッタリング、ＣＶＤ等の方法で堆積することに
より光電変換部を形成する。さらに、光電変換部の読み
出し電極を基板上に設けた走査回路にボンディング等の
手段により接続することにより、本発明の一次元長尺イ
メージセンサーを得る。

実施例２ 第４図は本発明の固体撮像素子の一実施例を説明する図
である。

読み取り転送機能を持つ下側基板として、表面にＭＯ３
型スイッチを２次元的に配置した単結晶Ｓｉ　ＩＣ基板
８を用いる。」−記５ｉＩＣ基板８は、従来の固体撮像
素子と同様のプロセスで製作する。

図中９はソース電極、１ｏはトレーン電極、１１はゲー
ト電極、１２は絶縁層であり、２が光導電膜からの信号
を読みだす′？は極である。

このようにして作製した下地基板８の上にＳｅとＡｓ、
Ｔｅからなる０、５〜６μｍの厚さの非晶質半導体層４
を真空蒸着法により形成する。膜形成にさいしては、Ｓ
ｅとＡ　Ｓ２Ｓ　ｅ３．およびＴｅをそれぞれ別々のボ
ー１〜から同時に蒸発させて基板に蒸着する。さらにそ
の−ヒに透光性導電膜５を蒸着、スパッタリング、ＣＶ
Ｄ等の方法で堆積することにより、本発明の固体撮像素
子を得る。

本実施例には下側基板としてＭＯ８型走査基板を用いた
が、代わりに、電荷転送により各電位井戸に蓄積された
電荷担体を順次に転送して外部回路に読み出す方式のＣ
ＣＤ型走査基板を用いても良い。

上記実施例１および２により得た光電変換素子の非晶質
Ｓｅ系光導電膜に８ｘｌＯ’Ｖ／ｍ以−ヒの電界を印加
して動作させると非晶質半導体層内で信号増倍が起こり
、例えば１−　、２　ｘ　１０８Ｖ／ｍのとき入射元旦
に対して利得１０以」二の出力が得られる。

［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明により、阻止型構造の
光導電膜を用いた受光素子のすぐれた光応答特性を劣化
させること無く、利得が１より大の高感度光電変換装置
を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、阻止型接触を有する光導電膜積層型光電変換
装置の原理的構成を示す図、第２図は、非晶質Ｓｅ光導
電膜を用いた場合の信号電流及び利得と光導電膜への印
加電界の関係を示す図、第３図は、本発明の一実施例で
ある一次元長尺イメージセンサーの構成の一例を示す図
、第４図は、本発明の一実施例である固体撮像素子の構
成の一例を示す図である。 ］−一下地基板、２−一信号読みだし電極３−一整流性
接触補助層、４−一光導電層、５−一透光性導電膜 ６−一人射光 ７−−ガラス基板 ８−一固体撮像板 ９−−ソース電極 １０−１へレーン電極 ］１−グー１〜電極 第７の 第３２ （り 第４圏

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、信号読出し電極を有する走査基板と、非晶質半導体
   を主体とする光導電層と、透光性導電膜を順次積層し、
   前記光導電層への電荷の注入を阻止した構造の光電変換
   装置において、 前記光導電層内で電荷増倍作用が生じる強さの電界を印
   加する手段を有することを特徴とする光電変換装置。 ２、前記電荷増倍作用は、前記光導電層のうち前記光導
   電層の接合界面以外の領域で生じさせる手段を有するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光電変換装
   置。 ３、前記光導電層は、少なくともＳｅを主体とする非晶
   質半導体を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   または第２項記載の光電変換装置。 ４、前記透光性導電膜を、前記信号読出し電極に対して
   、正電位にバイアスさせていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の光電変換装置。 ５、前記電界の強度は８×１０＾７〜２×１０＾８Ｖ／
   ｍであることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   光電変換装置。