JPS63181482A - フオトセンサ - 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、フォトセンサに関する。より詳細には、イメ
ージセンサ等に用いられているフォトセンサの新規な構
成に関する。

従来の技術 計測、制御、画像処理等の分野のみならず医療等の分野
へもその応用を拡大しているイメージセンサにおいて、
画像を光信号として直接捕らえ、これを電気信号に変換
する機能を受は持つものがフォトセンサである。近年の
半導体装置の製造技術の進歩によって、現在のフォトセ
ンサは、絶縁基板上に集積回路として形成して構成され
る。

即ち、フォトセンサは、基本的には、絶縁基板上に、■
各画素の個別電極、■障壁層、■光電半導体層、■対向
電極を順次積層して形成される。

絶縁基板は、ガラス、セラミックス、高分子などが用い
られ、電極には各種の金属が用いられる。

また、光電半導体層としては、大面積に均一に形成でき
、低温での形成が可能であり、更に、薄膜で機能するな
どの特徴を有するアモルファスシリコン（以下ａ−３ｉ
と記す）の使用が多い。尚、現在では一般に、ａ　−３
ｉの欠陥を減らすために水素化ａ−３ｉが広く用いられ
ている。また、通常は、電極のいずれか一方を透明電極
として、透明電極の側から光を照射し、他方は、不透明
金属電極とすることが多い。

電極と光電半導体層との間に形成された障壁層は、例え
ば電極からの電子の注入を阻止したり、あるいは光によ
って生成した正孔をトンネルする機能を果たし、フォト
センサのブレークダウン電圧を高める作用を有する。

尚、このようなフォトセンサでは、一般にその出力電流
が大きいことが、特に集積化する際の素子の性能を評価
する上で重要な指標となっている。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、従来のフォトセンサは、■耐電圧特性が
悪い、■暗電流が多く、明／暗比（コントラスト）が低
い、■温度特性が特に高温側で悪い、ことなどが問題と
されていた。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し
た新規なフォトセンサを提供することにある。

換言するならば、本発明の目的は、■耐電圧特性が高く
、■暗電流を低く、大きな明／暗比（コントラスト）が
得られ、■温度特性が安定しており、特に高温側での特
性の劣化が少ない新規なフォトセンサを提供することに
ある。

問題点を解決するための手段 即ち、本発明に従い、複数の下層電極と、該下層電極上
に形成された障壁層と、該障壁層上に形成された光電半
導体層と、前記障壁層と前記光電半導体層を前記下層電
極との間に挟むように設けられた上層電極とを少なくと
も備えるフォトセンサであって、前記障壁層が、不純物
をドープしない非晶質炭化珪素膜によって形成されてい
ることを特徴とするフォトセンサが提供される。

作用 フォトセンサは、概念的には微小な光電半導体素子を１
次元あるいは２次元に搭載した基板であり、各光電半導
体素子が読み取るべきイメージの画素に対応する。従っ
て、各光電半導体素子が微小であり、また、その配列の
密度が高い程得られる画像情報が精密になることはいう
までもない。

前述のようなフォトセンサの構造では、画素の寸法並び
に画素の密度は、個別電極の形状並びに配列によって決
定され、これを微小化するためにフォトリングラフィ技
術が利用されている。即ち、基板上に蒸着法、スパッタ
法等によって均一に金属層を形成し、これを所定の個別
電極パターンに従って食刻することによって個別電極が
形成される。

ところが、画素が非常に高い密度で形成されると基板上
で各画素が非常に接近して配列されることになるので、
隣接する画素間の抵抗が充分に高くないと互いに影響を
受けることが判明した。この現象について詳細な解析を
行ったところ、特に隣接する画素のそれぞれの電極の間
の抵抗が低いと、暗電流の増加並びにそれに起因する明
暗比の低下、更に耐電圧の低下並びに温度特性の大きな
劣化を招くことが判った。

そこで、本発明者等は、前述のような構造のフォトセン
サにおいて、各個別電極間を遮断している障壁層の構成
について種々検討した結果、障壁層として従来用いられ
ることが多かったＰ型層の替わりに、不純物をドープし
ないａ−３ｉＣ層を障壁層として用いることが上述の問
題点を有利に解決することを見出した。尚、障壁層を真
正半導体とすることによって、本発明に従うフォトセン
サの構造はＭＩＳ型となるが１、後述するように、従来
はＭ　Ｉ　Ｓ構造よりも特性がよいといわれていたｐｉ
ｎ構造のフォトセンサを寧ろ凌駕する特性を具備してい
る。

ａ−３ｉＣ層は、プラズマＣＶＤ法等の公知の薄膜形成
技術によって形成し得るものであり、障壁層としてａ−
３ｉＣ層を用いたフォトセンサは、光電流が充分に大き
く、また暗電流も安定しているので明暗比も大きく、高
い階調性が得られた。また、温度特性並びに耐電圧も優
れていた。

ただし、障壁層の厚さが３０人未満の場合は、均一な厚
さのａ−３ｉＣ膜が形成されないので好ましくない。ま
た、厚さが２．０００人を越えた場合は、受光した光に
より生成したキャリアが障壁層を透過し難くなり感度が
低下するので、やはり好ましくない。

実施例 以下に図面を参照して本発明についてより具体的に詳述
するが、以下に示すものは本発明の一実施例に過ぎず、
本発明の技術的範囲を何等制限するものではない。

第１図は、本発明に従って作製したフォトセンサの一部
の断面図であり、フォトセンサの基本的な構成を示して
いる。

絶縁基板１として厚さ１ｍｍの平坦なガラス基板を用意
し、基板温度１００℃でスパッタリング法によって１０
００人の厚さのＣｒ膜を全面に形成し、更にフォ）　Ｉ
Ｊソグラフィ法によって個別電極２を形成した。

こうして、個別電極２を搭載した絶縁基板１を複数作製
し、後述の第１表に示すように、本発明に従ったＭＩＳ
構造並びに比較のためにｐｉｎ構造のフォトセンサを、
障壁層３の軍さを変化しながらいくつか作製した。

即ち、ＭＩＳ構造のフォトセンサは、プラズマＣＶＤ法
によって、３ｉＨ４とＣＨ４ガスとを原料として光学的
バンドギャップエネルギが２．２ｅＶとなるようにａ−
３ｉＣの障壁層３を形成した。

また、ｐｌｎ構造のフォトセンサは、同様の方法により
、５ＩＨ４にジボラン（Ｂ２．Ｈ１＋）ガスをドープす
ることによりｐ型ａ　−３ｉ層を形成した。

更に、同様の方法で、障壁層３の上に光電半導体層４と
ｎ型半導体層５とをこの順序で形成した。

光電半導体４は、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスを原料と
して形成したａ−３ｉであり、厚さは６０００八とした
。また、ｎ型半導体層５は、ＳｉＨ４にフォスフイン（
ＰＨ３）ガスをドープすることにより形成し、厚さは２
５０人とした。

尚、ＭＩＳ構造の場合、ｎ型半導体層５は、光照射によ
り光電半導体層で発生したキャリア（この場合電子）を
外部にスムーズに取り出すため、即ち電子に対してオー
ミツクとするために設けられる層であり、必ずしも必要
な層ではない。

続いて、基板温度２００℃で、真空蒸着法によって酸化
インジウム・錫（ＩＴＯ）の対向電極６を厚さ７００人
に形成した。

こうして形成されたフォトセンサでは、個別電極２と対
向電極６とに挟まれた部分が有効な画素となる。本実施
例のフォトセンサの場合は、ひとつの画素の面積は１０
０Ｘ　１００μｍであり、１０２４画素を備えたフォト
センサとして作製した。

前述のように、上述のような構成のフォトセンサを、下
記の第１表に示すように障壁層３の厚さ並びにバンドギ
ャップを変化して複数作製し、実際に動作させて各特性
を測定した。尚、表に示した特性は、 ■暗状態で一５■の電圧を印加したときの電流、即ち、
暗電流Ｎ＝＋で示す）。

■波長５５０ｎｍ、照度１００　ｌｕｘの光を照射して
、−５Ｖの電圧を印加したときの電流、即ち、明電流（
Ｉ、で示す） ■明暗比（Ｉ、　／Ｉｄ　’） ０６０℃で同様にして測定した明暗比 である。尚、６０℃での明暗比以外の特性は２５℃での
評価結果である。

尚、予め比較例と作製例の概要を述べておく。

試料Ｎα１〜３はｐｌｎ構造のフォトセンサであり、障
壁層としてａ　−３ｉ膜を用いてその膜厚を種々変化し
たものである。試料Ｎα４〜６は、やはりｐｌｎ構造の
フォトセンサであり、障壁層としてＰ型のａ−３ｉＣ膜
を用いてその膜厚を種々変化したものである。これら試
料Ｎｏ、　１〜６は比較例である。

試料Ｎｏ、　７〜９は本発明に従って作製したＭＩＳ構
造のフォトセンサであり、障壁層の厚さを種々変化した
ものを作製した。更に試料Ｎｏ、１０は、試料Ｎα７〜
９と同じ構造並びに材料で、障壁層の厚さを非常に厚く
した比較例である。

第１表に示す如く、障壁層としてａ−３ｉＣを用いた試
料Ｎｏ、　７〜１０は、特にａ−３ｉを障壁層として用
いた試料Ｎｏ、　１〜６よりも暗電流が非常に小さく、
明暗比も３桁以上とれている。従って、階調性も高いフ
ォトセンサであると考えられる。

また、試料Ｎα７〜１０では、この高い明暗比が高温（
６０℃）まで維持され、温度特性においても良好な特性
を示している。更に、耐電圧も２０Ｖ以上と極めて優れ
ている。

但し、障壁層の厚さが３．０００人をこえる試料Ｎｏ。

１０では、フォトセンサとしての感度が極端に低い等、
電気的な特性が低下していた。

尚、本実施例では、障壁層に用いるａ−３ｉＣのバンド
ギャップを２．２ｅＶとしたが、本発明者等は、障壁層
のバンドギャップが１．９ｅＶ以上あれば、優れた特性
が得られることを確認している。

発明の効果 以上詳述のように、本発明に従うフォトセンサは、画素
相互の影響が小さく、その結果フォトセンサ全体として
、暗電流が低く明暗比が大きいというフォトセンサとし
て非常に好ましい特性を備えている。また、この好まし
い特性は高温条件下でもよく維持される。また、出力電
流も充分に大きく、更に、耐電圧特性にも優れており、
理想的なフォトセンサであるといえる。

尚、本発明に従うフォトセンサは、何等特殊な技術ある
いは材料を用いることなく、現在の半導体製造プロセス
を使用して容易に製造し得るものであり、本発明は当分
野において極めて有効なものであるといえる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例であるフォトセンサの構成を
部分的に示す断面概略図である。 〔参照番号〕 １・・・絶縁基板、　　２・、・・個別電極、３・・・
障壁層、　　　４・・・光電半導体層、５・・・ｎ型半
導体層、６・・・対向電極第１図 １・・・・・絶縁基板 ２・・・・・個別電極 ３・・・・・障ｖＮ ４・・・・・光電半導体層 ５・・・・・ｎ型半導体層 ６・・・・対向電極

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数の下層電極と、該下層電極上に形成された障
   壁層と、該障壁層上に形成された光電半導体層と、前記
   障壁層と前記光電半導体層を前記下層電極との間に挟む
   ように設けられた上層電極とを少なくとも備えるフォト
   センサであって、 前記障壁層が、不純物をドープしない非晶質炭化珪素膜
   によって形成されていることを特徴とするフォトセンサ
   。
2. （２）前記障壁層の厚さが、３０Å乃至２，０００Åで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のフ
   ォトセンサ。
3. （３）前記障壁層のバンドギャップエネルギが、少なく
   とも前記光電半導体層のバンドギャップエネルギよりも
   大きく、全体としてＭＩＳ構造を形成していることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載のフ
   ォトセンサ。
4. （４）前記障壁層のバンドギャップエネルギが、１．９
   ｅＶ以上であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   乃至第３項のいずれか１項に記載のフォトセンサ。
5. （５）前記光電半導体層がａ−ｓｉであることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか１項に
   記載のフォトセンサ。
6. （６）前記光電半導体層が、前記障壁層に隣接する低不
   純物濃度の光電半導体により形成された第１の層と、該
   第１の層と前記上層電極との間に形成された前記第１の
   層とは異なる、半導体で形成された第２の層とから形成
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至
   第５項のいずれか１項に記載のフォトセンサ。
7. （７）前記光電半導体層を形成する第２の層が、ｎ型の
   半導体で形成されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第６項に記載のフォトセンサ。