JPS63250868A

JPS63250868A - 光電変換素子

Info

Publication number: JPS63250868A
Application number: JP62086322A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Oka; 秀明岡
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1987-04-08
Filing date: 1987-04-08
Publication date: 1988-10-18

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、光電変換素子の（１■造に閃する。

〔従来の技術〕

非晶質シリコンを素子材として光電変換素子としては、
太陽電池、光センサー等が実用化されている。このうち
、ファクシミリ等の読み取り装置としての密行型固体撮
像装置も近年商品化に到っている。上記容管型固体撮像
装置においては、高解像度化、高速化の必要性が高くな
ってきており、今後、その様な要求はさらに厳しくなる
ものと思われる。すなわち、ＳＮ＠確保するには、より
小さい素子面積で、より大きな光電流を発生させる必要
を生ずる。さらに、上記光電変換素子を二次兄の固体撮
像装置に用いる場合には、上記の要求はさらに厳しくな
る。ところが、従来の固体撮像装置の光電変換素子は、
阻止型（■逍を採用し、これを蓄積モードで読み出すこ
とにより、ＳＮを確保し、高い応答ｉ１！度を実現して
いた。

（尚、注入型の光電変換素子を非蓄積モードで続み出す
方式は、ＳＮが低（、応答速度が遅い為、高速読み出し
は難しい。）ところが、上述の阻止型構造では、光電流は光により励
起されたキャリア数により決まる為、光電流（光感度）
を大幅に向上させることは理論的に不可能である。

そこで、近年、増幅作用ををする高感度な光電変換素子
であるホトトランジスタを非晶質シリコンを素子材とし
て作製しようとする試みがなされている。（電子通信学
会技術研究報告　５ＳＤ８５−０７他）〔発明が解決しようとする問題点〕従来の非晶質シリコンを素子材としたホトトランジスタ
では、光電流の増幅率が低く、又、暗電流が高い等の多
くの問題点がイｒす、実用化けは到っていない。

そこで、本発明のホトトランジスタは、暗電去を低く押
さえ、さらに、高い光電流の増幅作用をイ丁する；１−
トトランジスタの素子ｔＭ造を提供するものである。

〔問題点を解決するだめの手段〕

本発明に基づくホトトランジスタはコレクター領域内に
、炭素（ｃ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）のうち少なくと
も一扛類以上の元素を含イｒする非晶質シリコン層を設
け、さらに必要に応じて該非晶質シリコン層をＰ’ＪＩ
若しくはｎ型にドープし、コレクター電極からのキ、シ
リアの注入を阻止するブロッキング層とすることを特徴
とする。

（作用〕第２図（ａ）及び、第２図（ｂ）に、本発明に基づくホ
トトランジスタのバンド構造の概念図を示ず。尚、第２
図はｎｐｎ型のホトトランジスタの場合を示している。

第２図（ａ）は暗時のバンド構造を示し、第２図（ｂ）
は光照射時のバンド構造を示す。

第２図（ａ）、第２図（ｂ）において、２１はエミフク
領域、２２はベース領域、２３はコレクタ領域である。

２４はエミッタ電極、２５はコレクタ電極であり、エミ
ッタ電極側が負になる様に、コレクタ電極、エミッタ電
極間に電圧が印加されている。２６は光吸収により発生
した電子であり、２７は正孔に１；−ル）である。２８
は本発明に基づくキャリア注入阻止層である。又、２９
は、エミック領域から注入される電子を示す。

従来型のキャリア注入阻止層を有しないホトトランジス
タでは、コレクター、エミッター間に電゛　圧を印加す
るに従って、コレクター電極から、正孔が注入され、そ
れが、ベース領域に注入され、ベース電位をあげる。そ
の結果、エミッター領域から、ベース、コレクター領域
への電子の注入が起こり、印加電圧の上昇につれて、暗
電流が急激に上昇するという現象が生じていた。

そこで、本発明に基づ（キャリア注入阻止層を設けるこ
とにより、コレクター電極からの正孔の注入を阻止し、
印加電圧を−Ｌげても暗電流を低く押さえることが可能
となった。又、該−トヤリア注入阻止層をｎ型にドーピ
ングすることにより、エミッター領域から注入された電
子に対しては該キ。

ヤリア注入阻止屑が障壁とならずに、効率良く光電流を
取り出すことができる。尚、ｐｎｐ型ホトトランジスタ
においても同様の原理により、低い暗電流及び高い光電
流の増幅が実現できる。

（実施例）第１図に本発明の実施例に基づくホトトランジスタの断
面図の一例を示す。

第１図において、１１はガラス、石英等の透明基板、１
２は下部透明電極でコレクター電極となる。１３は本発
明に基づ（キャリア注入阻止層で、炭素、酸素、窒素の
うちの少なくとも一種類以上の元素を含有する非晶質シ
リコン居である。

又、ホトトランジスタがｐｎｐ型の場合はｐをに、ｎｐ
ｎ型の場合はｎ型に該キャリア注入阻止層をドーピング
することにより、暗電流をさらに低く押さえ、光電流を
より効率良く取り出すこともできる。１４は非晶質シリ
コン層で、ノンドープ膜、若しくは、■３（ボロン）を
極く微量ドープし、暗抵抗率を上げた膜を用いている。

１５は１）ｎｐ型の場合はｐ（リン）をドープしｐ型に
した非晶グ１シリコン層であり、ベース領域を成す。１
Ｇは非晶質シリコン層で、ノンドープ膜、若しくは、１
３（ボロ／）を極く微量ドープして暗抵抗率を上げた膜
を用いている。１７はｐ　ｎ　ｐ　型の場合は１３　（
ボロ／）をドープしｐ型に、又、ｎｐｎ型の場合はｐ（
リン）をドープしｎ型にした非晶質シリコン届である６
　１８は、上部電極でエミッター電極を成す。

キャリア注入阻止層１３としては、ａ−３ｘｘＯ＋　−
ｘ、ａ　　５ｉｘＮ＋−ｘｓ　ａ−３ｉｘＯｔ−ｘ）ａ
　　５ｉｘＯｖＮ＋−ｘ−ｙ等の炭素、酸素、窒素のう
ちの少なくとも一種類以上の元素を含存する高抵抗膜（
若しくは絶縁膜）をＩＩ２厚８００人未１葭、最適値と
しては、２００人〜５００人で用いる方法と、前記高抵
抗１１２（若しくは絶縁膜）をｐｎｐ型の場合にはｐ型
に、又、ｎｐｎ型の場合にはｎ型にドーピングしてＩＩ
２厚１５００人未適値最適値としては、２００人〜７０
０人で用いる方法がある。尚、ノンドープ膜としては、
ａＳｉｘＮ＋−ｘ、ａ−８ｉｘＯ＋−ｘ、ａ　　５ｉｘ
ｏｖＮ＋−ｘ−ｖ等の抵抗率の高い膜を用いた４１１η
造が暗電流の低下に効果が仔る。又、ｐ型打しくはｎ型
にドープして用いる方法では、１３（ボロン）、ｐ（リ
ン）等のドーピングにより、フェルミレベルをシフトさ
せることができるａ−３ｉＸＣＩ−Ｘ等の材ｆ：１が特
に作動である。尚、前者の高抵抗膜を用いる方法では、
該高抵抗膜がコレクター電極から注入されるキャリアに
対する障壁となると同時に、エミッタ領域からベース領
域を通ってコレクター領域に注入されるキャリアに対し
ても障壁として働く為、光電流を多く取り′出すきいう
点に関しては、後者のａ−３ｉＸ　ｃｌ　−ｘ等の股を
用いて、Ｐ５．、若しくは、ｎ型にドープして、＝ルク
ター電極から注入されるキャリアに対しては障壁として
働くが、エミッター、ベース領域から注入されたキャリ
アに対しては障壁とならない方法が特に作動である。（
第２図に示したバンド１１′ｌ逍は、後者の方法を用い
た場合のバンド４：Ｉ　ｍを示しである。）尚、ａ　　
Ｓ　ｉ　ｘ　Ｎ　Ｉ−ｘ、ａ　　５ｊｘＯ＋−ｘ、ａ−
３ｉｘＯｖＮ＋−ｘ−７等の膜に口（ボロン）、ｐ（リ
ン）等をドーピングして用いることも可能であるがａ−
３＋ｘＣ１−Ｘはどフェルミレベルの制御は容易でない
。

又、ａ　　Ｓ　ｉ　ｘ　Ｃ＋　−ｘにドーピングを行な
わずに用いても暗電流の低下に対して効果は「る。

尚、・トヤリア注入阻止届１３にノンドープ膜（ｐ型）
を用いた場合は、該キャリア注入阻止層１３と非晶質シ
リコンｆｆ１１４の間に、ｐｎｐＷ：！、の場合は口（
ボロン）をドープしてｐ型に、又、ｎｆ）ｎｆｆｉの場
合は、ｐ（リン）をドープしてｎｍにした非晶質シリコ
ン層を設けた方が、エミッター電極、コレクター電極間
に印加する電圧が低い領域での光電流値の増加に効果が
ある。又、キャリア注入阻止層１３をｐ型打しくは、ｎ
ｍにドープして用いた場合にも、上述の様な半導体層を
阻止層１３と半導体層１４の間に設けることにより同様
の効果が得られる。

尚、本実施例では、コレクター電極を透明電極として、
コレクター電極側より光が入射する場合を示したが、エ
ミッター電極側より光が入射する（１Ｍ造も可能である
。又、上部ｆＴ２極を透明電極として、上部電極側より
光が入射する構造も可能である。

第３図は、本発明に基づくホトトランジスタの暗電流特
性を示したものである。３１は、本発明に基づくキャリ
ア注入阻止層１３をイｒするホトトランジスタの特性を
、又、３２は従来型の特性を示す。

尚、図において、横軸はコレクター、エミッター間に印
加する電圧を、又、縦軸は暗電流値を示す。従来型と比
べて大幅に暗電流が低減されていることがわかる。尚、
本発明の；１１トドランシスターにおいても、印加電圧
が３〜４ｖ付近より、暗電流が上昇する傾向を示すのは
、印加電圧の上昇に伴ない、エミッタ領域とベース領域
の間の障壁の高さが低くなり、エミッタ領域からベース
領域を通ってコレクター領域へ電子が注入され易くなる
ことにより起こると思われる。

尚、印加電圧４Ｖに対して、５５０ｎｍの光を１０μｗ
　／、　ｃ　ｍ″照ｎ１シた場合の光電流値が約２Ｘ　
１０−　＠Ａ／ｍｍ’得られ、暗電流値が約２×１０−
　”　Ａ／ｍｍ’であるコトカラ、明暗比５ケタの優れ
たＳＮ比を有する高感度ホトトランジスターが実現され
た。

〔発明の効果〕

以上述べた様に、本発明に基づ（キャリア注入阻止層１
３を有するホトトランジスタにより、従来型と比べて大
幅に暗電流を低（押さえることができ、十分な明暗比を
有する高感度な光電変換素子が実現された。

本発明に基づくホトトランジスタは、高速、高解像度の
密性型固体撮像装置、二次元固体撮像装置の他にも、高
感度な光電変換素子を必要とする撮像装置、感光装置等
に幅広く応用できるものである。

尚、コレクター領域内に、エミッター領域、ベース領域
と比べてバンドギャップの広い層を設けて、コレクター
電極からのキャリアの注入を阻止する方法は、非晶質シ
リコンに限らず他の非晶質材料、単結晶材料、化合物材
料等を用いたホトトランジスタにも応用できる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明実施例のホトトランジスタの断面図の一
例である。第２図（ａ）及び第２図（ｂ）は本発明のホトトランジ
スタのバンド（１カ逍の概念図である。第２図（ａ）は
暗時のバンド（？４造を、又、第２図（ｂ）は光照射時
のバンド構造を示す。第３図は本発明の実施例のホトトランジスタの暗電流特
性である。１１・・・透明基板】２・・・下部電極１Ｇ・・・キャリア注入阻止層１４・・・非晶質シリコン層１５・・・ｐ型又はｎ型非晶質シリコ７層１０・・・非
晶質シリコ／ａ１７・・・ｐ型又はｎ型非晶質シリコ７層１８・・・上
部電極２１・・・エミッター領域２２・・・ベース領域２３・・・コレクター領域２４・・・エミッター電極２５・・・コレクター電極３１・・・本発明の暗電流特性３２・・・従来型の暗電流特性以　　上第１図第２図（α）第２図　（ｂ）０１２Ｂ　　　　　＋　　　　５電　　五　　（Ｖ）第３図

Claims

【特許請求の範囲】１）エミッター領域、ベース領域、コレクター領域を有
する光電変換素子において、該コレクター領域内に、エ
ミッター領域、ベース領域と比べてバンドギャップの広
い素子材を用いた層を設けたことを特徴とする光電変換
素子。２）前記コレクター領域内に設けたバンドギャップの広
い層の素子材として、炭素（ｃ）、酸素（Ｏ）、窒素（
Ｎ）のうちの少なくとも一種類以上の元素を含有する非
晶質シリコンを用いたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の光電変換素子。３）前記エミッター領域内に設けられたバンドギャップ
の広い層の素子材に周期律表中第III−ａ族の元素を混
入したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光
電変換素子。４）該エミッター領域内に設けられたバンドギャップの
広い層の素子材に周期律表中第Ｖ−ａ族の元素を混入し
たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光電変
換素子。