JPS63240065A - イメ−ジセンサ−駆動方法 - 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】 （イ）発明の利用分野 本発明は、ファクシミリ等に応用可能なイメージセンサ
−の駆動方法に関するものである。

（ロ）従来の技術 従来、単結晶半導体を用いた光で変換装置。

イメージセンサ−等が広く知られ用いられていた。これ
らは特性として非常に優れていたが素子の大面積化が不
可能であること、価格が高いこと等により非単結晶半導
体を用いたこれら装置にかわりつつある。

特にアモルファスシリコン半導体は、硝子等の安価な基
板上に大面積に成膜可能でありその特性として、優れた
光応答性を持ち安価に製造可能であることよりそれを光
電変換装置、イメージセンサ−等に応用されている。今
までこれら非単結晶半導体を用いた光電変換機能を有す
る素子としては、ＰＩＮ接合構造を有するものや、■型
の半導体層のフォトコンダクティビイティを利用するも
のや、ＮＩＮ接合構造を有するもの等が提案されている
。

これらのうちＰＩＮ接合構造を有うするものや■型の半
導体層のフォトコンダクティビイティを利用する素子は
、光感度は十分であるが素子から取り出される電流が小
さいためその電流を増幅する回路等が必要となり回路が
複雑となる欠点を有していた。

またＮＩＮ接合構造を有する半導体素子は、大電流を得
ることが可能であるため増幅回路を付は加えることなく
直接に出力信号を取り出せるものである。

本発明は、このＮＩＮ接合構造を有する半導体素子を駆
動する方法に関するものである。

以下にＮＩＮ接合構造を持つ半導体素子の構造とその特
性を示す。

第１図に、ＮＩＮ接合を持つ素子の概略断面図を示す。

硝子基板（１）上に第１の透光性電極（２）を設けその
上に第１のＮ型非単結晶半導体層、第２のＩ型非単結晶
半導体層９第３のＮ型非単結晶半導体、　層からなるＮ
ＩＮ型半導体素子（３）を有し、その上に第２の電極（
４）を有する構造をとっている。

このＮＩＮ型素子は第１図に示した構造にのみ限られる
ことはなく、Ｎｌ界面又はＩＮ界面付近の不純物濃度分
布を急に変えず徐々に濃度を変化させる等の工夫を行っ
た物でも同様である。

これらＮＩＮ型素子の特性としては、第２図（＾）に示
すように第１の電極（２）と第２の電極（４）間に低バ
イアス電圧例えば１（ｖ）加えた時に、硝子基板側より
光を照射した時の光応答の立ち上がりは１〜２　ｍ５ｅ
ｃ程度であった。

また光照射を止めた時の光応答の立ち上がりは２　＝　
４　ｍ５ｅｃであった・ 次に、第１の電極（２）と第２の電極（４）間に高いバ
イアス電圧例えば３（ｖ）を印加した時同様に光照射を
行った時の光応答の暗状態から明状態への立ち上がりを
第３図（Ａ）に明状態から暗状態への立ち下がりを第３
図（Ｂ）に示す。

この場合、立ち上がりは１７〜２０ｍ５ｅｃ程度であり
立ち下りは１００〜１２０ａ＋ｓｅｃであった。

このように、ＮＩＮ型素子は素子に低バイアス電圧（Ｖ
ｂ）印加時は光応答が早いが高バイアス電圧（Ｖａ）（
ＩＶａｌ＞１ＶｂｌかツＶａＸＶｂ≧０　）印加時は２
ケタ以上光応答が遅いという特性を持っていた。

またこの素子の両電極間に一１０Ｖ〜＋ＩＯＶの電圧を
加えた時の両電極間に流れる電流を測定した結果を第４
図に示す。

この図の縦軸はＬｏｇスケールで電流を示し横軸はリニ
アスケールで両電極間に加えた電圧を示す。

この図において、曲線（５）はＮＩＮ素子は光を照射し
ない場合のＩ−Ｖ特性である。また曲線（６）はＮＴＮ
素子に１００Ｌｘの光を照射した時のＩ　−Ｖ特性であ
る。

この図より明らかなように、１００Ｌｘの光照射による
光電変換効果により出力が増す。この光照射時の出力電
流は、ある電圧以上では素子に加える電圧を変化させて
いっても常に暗電流の５０〜１００倍の値となっている
。

すなわち、ある任意の強さの光をこのＮＩＮ素子に照射
するとその時暗電流の５０〜１００倍の電流値が得られ
るこの時印加電圧を増すとスーパーリニアに出力電流が
増し量子効率が１を越えて２００〜３００となり増幅作
用を有している。

このように非常におもしろい特性を有する素子である。

本発明は、このような特性を持つＮＩＮ素子により構成
されたイメージセンサ−を有効に駆動する方法を提供す
るものであります。

（ハ）発明の構成 前述のような特性を有するＮＩＮ接合型半導体素子、す
なわち光電変換増幅半導体装置により構成されたイメー
ジセンサ−を駆動するに際し、該素子に光応答速度の早
い低バイアス電圧（Ｖｂ）を印加し、この時の光応答速
度の早さを利用して原稿よりの反射光列パターンを電気
的な信号に変換する。

次に、高バイアス電圧（Ｖａ）　（ｌＶａｌ　＞　１Ｖ
ｂｌかつＶａ　Ｘ　Ｖｂ≧０）を素子に加えて、前記光
電変換により発生した電気信号を増幅し、その増幅され
た出力信号を他の増幅回路等に流すことなく出力として
取り出すことを特徴とするものである。

さらには、前記素子と全く同じ構造の基準用素子を遮光
しておき、この基準用素子にも高バイアス電圧（Ｖａ）
を印加しこの時得られる出力信号と、前記素子から取り
出された出力信号とを比較回路において比較することに
より光のＯＮ、　ＯＦＦを得ることを特徴とするもので
ありまず。

さらに、次の原稿の反射光列を読み取る動作は、読み出
し後に再び低バイアス電圧を印加した際に原稿を移動さ
せて、次の反射光列パターンを読み取るものである。

以下に実施例により本発明を説明する。

実施例１゜ 第１図に、ＮＩＮ’Ｎ型構造の素子構造の断面図を示す
。第１図において、透光性絶縁基板として無アルカリホ
ウケイ酸ガラス（１）を用いた。この上にスパッタ法ま
たは電子ビームまたはＣＶＤ法により、ＳｎＯｔの透光
性１掻（２）を３０００〜６０００人に成膜した。これ
を、フォトリソグラフィによりレジストをパターニング
し、ドライエツチングにより、ＳｎＯ□の不要部分を取
り除き、上部電極を形成した。

この後、これらの全面にプラズマ気相反応法により、Ｎ
ＩＮ’Ｎ構造を有する非単結晶半導体を成膜した。即ち
、０．６％フォスフインを含むシランガスを１３．５６
　ＭＨｚの高周波グロー放電を行い基板上にアモルファ
ス構造を存するＮ型半導体を３００人成膜した。基板温
度は２５０℃に保持した。

Ｎ型半導体の電気伝導度は（１０−’　〜１０−’　（
Ωｃ１１１）柑〕である。

さらに次に、１０−６〜１０″７Ｔｏｒｒまで十分真空
引き後、シランを導入し真性半導体層を形成した膜厚は
、０．２〜２．０μｍである。

次に、フォスフインをＯ％〜０．６％まで５分間連続的
に変化させたシランガスを用いＮ°型型厚導体層形成し
た後、さらに０．６％フォスフインを含むシランガスを
用いＮ型半導体層を形成した。

Ｎ゛型、Ｎ型半導体の膜厚は各々５００人、３００人で
ある。

このアモルファスシリコンをフォトリソグラフィでレジ
ストをパターニングし、ＲＩＥプラズマエツチングによ
りアモルファスシリコンを異方性エツチングした。

次に、感光性ポリイミドを用いセルフアライメント方式
でアモルファスシリコンのコンタクトホールかつ層間絶
縁膜を形成した。東しく株）製フォトニースをスピンナ
ーを用い基板全面に塗布し、８０℃１時間クリーンオー
ブン中でプリベイクした。

次に、素子と反対の基板面から紫外光を照射後、現像、
リンスを行い２２０℃で２時間ポストベイクを行った。

このごとにより、アモルファスシリコンの部分を除きポ
リイミドを形成することができる。

この後、スパッタ法またはイオンビーム蒸着法によりク
ロム（４）を成膜した。この場合、メタルマスクを用い
必要な部分だけクロムを成膜し、上部電極を構成した。

このようにして作製された光電変換増幅半導体装置を、
第５図に示すような回路に組込んだ。同図において、（
７）は光電変換増幅半導体装置、（８）は遮光された基
準用光電変換増幅半導体装置、（９）（１９）は同じ規
格を持つ抵抗であり、（１１）は可変電圧電源しある。

この時電源（１１）を−１ｖの出力に設定し５　ｍ５ｅ
ｃ間素子（７）に光を照射した後、電源（１１）の出力
を一５ｖに増した。さらに５　ｍ５ｅｃ後に再び一１ｖ
とし、この時光照射は行なわなかった。再び５　ｍ５ｅ
ｃ後に一５ｖとした。この時の回路上の抵抗（９）　、
　（１０）の両端の電圧の変化を第６図に示す。

５　ｍ５ｅｃ〜１０＋ｍ５ｅｃ間において、抵抗（９）
の電圧と抵抗（１０）の電圧を比較すると絶対値におい
て抵抗（９）の方が太きく　１５ｍ５ｅｃ〜２０ｍ５ｅ
ｃにおいては抵抗（９）の電圧と抵抗（１０）の電圧は
等しかった。

このようにして、光のＯＮ、　ＯＦＦを増幅回路を通さ
ずして直接電気信号として取り出すことができた。

本実施例では分かり易（するために、５　ｍ５ｅｃ毎に
バイアス電圧を変化させたが光応答が追従できる限りに
おいてさらにこの間隔を短かくすることは可能である。

また、０〜５　ｔ６ｓｅｃの間では素子（７）に光照射
がなされているにもかかわらず抵抗（９）と抵抗（１０
）の電圧にはほとんど差は見られないが、５　ｍ５ｅｃ
〜１０ｍ５ｅｃの間すなわち素子に高バイアス電圧を加
えた時には、抵抗（９）の電圧が抵抗（１０）の電圧よ
り絶対値において明らかに大きく、低バイアス電圧から
高バイアス電圧とすることより明らかに増幅作用がなさ
れていることが判明した。

「実施例２」 実施例１と全く同じ方法にて作製された光電変換増幅半
導体装置を第１の電極を共通にして、同硝子基板上に１
７２０個並べ、第７図に示すような回路を持ったイメー
ジセンサ−を作製した。

同図において、（１２）は第１の電極に相当する各素子
に共通の電極であり、（１３）　、　（１４）　、　（
１５）は光電変換増幅半導体装置を示す。また（１６）
　、　（１７）　、　（１Ｂ）はアナログスイッチであ
りシフトレジスタ（１９）よりの信号により各素子の出
力光を切り換えるスイッチである （２０）は（１３）と同じ構造を持つ素子であるが遮光
されており基準素子となっている。

このような回路において、共通電極（１２）に第８図（
＾）のような信号を流し、各素子（１３）　、　（１４
）　、　（１５）　。

（２０）等にバイアス電圧を印加する。最初の低バイア
ス電圧Ｖｂ　（Ｖ）印加時にイメージセンサ−の各半導
体素子は原稿の反射光パターンを読み取り電気信号に変
換する。次に各素子に高バイアス電圧Ｖａ（Ｖ）を印加
し、この電気信号を増幅する。

この後シフトレジスタによりアナログスイッチが切りか
わり選択された素子からの電気信号が読み取り回路（２
４）へ流れ、その信号が抵抗（２２）へ流れる。この時
（２２）へ流れる信号と、基準素子（２０）から抵抗（
２１）へ流れた信号とを差動アンプ（２３）により比較
して出力として外部へ取り出す。

今、素子（１３）に光を照射し、素子（１４）に光を照
射しない場合の出力を第８図（Ｃ）に示す。

各素子のアナログスイッチは、第８図（Ｂ）に示すシフ
トレジスタの信号を受けた時のみ素子の出力信号を読み
取り回路（２４）に流すのみで、非選択時には、バイア
ス回路（２３）に出力している。

第８図（Ｃ）に示すように、光のＯＮ、ＯＦＦは差動ア
ンプよりの出力信号により明確に取り出すことができる
。

次に、再び共通電極（１２）へ低バイアス電圧を加えこ
の時同時に原稿を移動させ、次の原稿のパターンをイメ
ージセンサ−の各素子は認識し電気信号に変換する。さ
らに、高バイアス電圧を電極（１２）へ加え各素子から
の電気信号を取り出す。この操作を繰り返して、原稿上
の情報を電気信号として読み取ることができた。こうし
て１ラインの読み取り時間は、素子の特性にもよるが１
〜７　ｍ５ｅｃとすることができた。

本実施例においては、基準の素子（２０）よりの電気信
号と読み取り回路（２４）に流れた電気信号とを比較す
る。

この読み取り回路（２４）に流れる信号は、シフトレジ
スタ（１９）により選択された素子からの信号と、アナ
ログスイッチ（１６）のもれ電流のスイッチの数倍の総
和が流れる。

すなわち、スイッチのもれ電流の総和より、１ケタ以上
多く電気信号を流すように素子のバイアス電圧を高く限
定すれば、イメージセンサ−各素子の光のＯＮ、　ＯＦ
Ｆ信号はＳＮ比よく取り出すことが可能である。

例えば、もれ電流を１つのスイッチ当り１００ＰＡとす
るともれ電流の総和は１００ｘｌＯ−”　ｘ１７２Ｑ＃
２　Ｘｌ０−’Ａとなり素子からの出力電流がこれ以上
好ましくは１ケタ以上流れるようにバイアス電圧を加え
ればよい。

これは、従来のＰＩＮ型等の素子により構成されていた
イメージセンサ−では実現不可能なことであった。

（ホ）効果 本発明により光電変操作用を有し、さらに光増幅作用を
有する半導体装置をその特性を十分に活かして駆動する
ことが可能となった。

また、光電変換された信号を特別な増幅回路を用いるこ
となく、直接に出力として利用することができた。

また、全く同じ構造を持つ基準素子から得られる信号と
比較するため明らかなＯＮ、　ＯＦＦ信号を得ることが
できる。

またイメージセンサ−とした場合、回路上のもれ電流等
により発生するノイズによるＳ／Ｎ比の低下をなくする
ことが容易にできる。

またｌラインの読み取り速度も１〜７　ｍ５ｅｃと速く
することが可能であり、ファクシミリ等に応用した場合
、Ｇ４規格に適合させることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ＮＩＮ型素子の断面図を示す。 第２図、第３図はＮＩＮ型素子の光応答特性を示す。 第４図は、ＮＩＮ型素子のＩ−Ｖ特性を示す。 第５図、第７図は、本発明方法の駆動回路の一例を示す
。 第６図、第８図は、本発明方法により得られた出力を示
す。 １、・・・・・・・・・基板

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＮＩＮ接合構造を有する非単結晶半導体より構成さ
   れた光電変換増幅半導体素子を複数個並べて構成された
   イメージセンサーにおいて、前記半導体素子に低電圧（
   Ｖｂ）を印加した状態で原稿よりの反射光列を電気信号
   に変換し、該電気信号は前記半導体素子に高電圧（Ｖａ
   ）（｜Ｖａ｜＞｜Ｖｂ｜かつＶａ×Ｖｂ≧０）を印加し
   た状態でシフトレジスタより選択された素子より順次、
   増幅された出力信号として取り出し、原稿上の情報を電
   気信号情報として取り出すことを特徴とするイメージセ
   ンサー駆動方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記イメージセン
   サーのシフトレジスタにより選択された半導体素子より
   の出力信号を前記半導体素子と全く同じ構造を持ち、か
   つ遮光された基準用半導体素子より得られる出力信号と
   比較回路において比較し、情報として読み取ることを特
   徴とするイメージセンサー駆動方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記半導体素子の
   出力信号すべてを出力し終った後、再び前記半導体素子
   に低電圧（Ｖｂ）を印加した状態で原稿を移動し、次の
   原稿よりの反射光列パターンを認識することを特徴とす
   るイメージセンサー駆動方法。