JPS63260170A - 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、光励起により発生するキャリアを蓄積する蓄
積領域を有する光電変換装置に関する。

［従来技術］ 第１４図（Ａ）は、特願昭５８−１２０７５５号公報に
記載されている光電変換装置の概略的平面図、第１４図
（Ｂ）は、そのＡ−Ａ　’線断面図、第１４図（Ｃ）は
、その等価回路図である。

同図（Ａ）および（Ｂ）において、ｎシリコン基板１０
１上に光電変換セルが配列されており、各光電変換セル
は５ｉ０２．　Ｓｉ３Ｎ４　、又はポリシリコン等より
成る素子分離領域１０２によって隣接する光電変換セル
から電気的に絶縁されている。

各光電変換セルは次のような構成を有する。

エピタキシャル技術等で形成される不純物濃度の低いｎ
″″領域！０３上にはｐ型の不純物（たとえばポロン等
）をドーピングすることでｐ領域１０４および１０５が
形成され、ｐ領域１０４には不純物拡散技術又はイオン
注入技術等によってｎ中領域ｔｏｅが形成されている。

ｐ領域１０４および１０５は、各々ｐチャネルＭＯＳト
ランジスタのソース領域およびドレイン領域であり、ｐ
領域１０４およびｎ十領域１０Ｂは、各々ＮＰＮ　／＜
イボーラトランジスタのベースおよびエミッタである。

すなわち、ｐ領域１０４は、ｐチャネルＭＯＳ　）ラン
ジスタのソースとＮＰＮバイポータトランジスタのベー
スとを兼ねている。

このように各領域が形成されたｎ−領域１０３上には酸
化膜１０７が形成され、酸化Ｆａ１０？上に前記ｐチャ
ネルＭＯＳ　）ランジスタのゲート電極１０８と、所定
の面積を有するキャパシタ電極１０８とが形成されてい
る。キャパシタ電極１０９は、酸化膜１０７を挟んでｐ
領域１０４と対向し、キャパシタを構成している。

その他に、ｎ中領域１０８に接続されたエミッタ電極１
１０．ｐ領域１０５に接続された電極１１１　、および
基板１０１の裏面にオーミックコンタクト層を挟んでコ
レクタ電極１１２がそれぞれ形成されている。

次に、基本的な動作を説明する。まず、バイポーラトラ
ンジスタのベースであるｐ領域１０４は負電位の初期状
態にあるとする。このｐ領域１０４に光が入射し、入射
光によって発生した電子・正孔対のうちの正孔がｐ領域
１０４に蓄積され、これによってｐ領域１０４の電位が
正方向に上昇する（蓄積動作）。

続いて、エミッタ電極１１０を浮遊状態とし。

キャパシタ電極１Ｇ９に読出し用の正電圧パルスを印加
する。キャパシタ電極１０１３に正電圧が印加されると
、ベースであるｐ領域１０４の電位が上昇してベース・
エミッタ間が順バイアス状態となり、エミッタ・コレク
タ間に蓄積動作時のベース電位変化分に対応した電流が
流れる。したがって、浮遊状態としたエミッタ電極１１
０に入射光量に対応した電気信号が現われる（読出し動
作）、その際、ベースであるｐ領域１０４の蓄積電荷量
はほとんど減少しないために、同一光情報を繰返し読出
すごとが可能である。

次に、ｐ領域１０４に蓄積された正孔を除去するリフレ
ッシュ動作について説明する。

第１５図（Ａ）および（Ｂ）は、リフレッシュ動作を説
明するための電圧波形図である。

同図（Ａ）に示すように、ＭＯＳトランジスタは、ゲー
ト電極１０８にしきい値以上の負電圧が印加された時だ
けＯＮ状態となる。

同図（Ｂ）において、リフレッシュ動作を行うには、エ
ミッタ電極１１０を接地するとともに、電極１１１を接
地電位にしておく、そして、まず、ゲート電極１０Ｂに
負電圧を印加してｐチャネルＭＯＳ　）ランジスタをＯ
Ｎさせる。これによって、Ｐベース領域１０４の電位は
、蓄積電位の高低に拘らず一定値となる。続いて、キャ
パシタ電極１０９にリフレッシュ用正電圧パルスを印加
することで、ｐ領域１０４はｎ中領域１０８に対して順
方向にバイアスされ、蓄積された正孔が接地されたエミ
ッタ電極１１Ｇを通して除去される。そして、リフレッ
シュパルスが立下がった時点でｐ領域１０４は負電位の
初期状態に復帰する（リフレッシュ動作）、このように
、ｐベース領域１０４の電位をＭＯＳ　）ランジスタに
よって一定電位にした後、リフレッシュパルスを印加し
て残留電荷の消去を行うために、前回の蓄積電位に依存
することなく新たな蓄積動作を行うことができる。また
、残留電荷を迅速に消滅させることができ、高速動作が
可能となる。

以後、同様に蓄積、読出し、リフレッシュという各動作
が繰り返される。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、一つのセンサセルにバイポーラトランジ
スタおよびＭＯＳ　）ランジスタが形成されているため
に端子数が多く、従来の構造では微細化が困難であると
いう問題点を有していた。

［問題点を解決するための手段］ 上記従来の問題点を解決するために、本発明による光電
変換装置は。

光励起により発生したキャリアを蓄積する一導電型半導
体の蓄積領域を有する光電変換装置において、 前記蓄積領域を所望電位に設定するためのスイッチ手段
が上記蓄積領域とは別の階層に形成された多層構造を有
し、かつ、該スイッチ手段が形成されていない側から光
を入射することを特徴とする。

［作用］ このように、上記スイッチ手段が別の階層に形成されて
いるために、端子数が多くとも容易に微細化を促進する
ことができ、高密度化および高解像度化を達成できる。

また、上記スイッチ手段が形成されていない側から光を
入射するために、光をさえぎることがなく、開口率を向
上させることができる。

上記スイッチ手段としては、後述するように、電界効果
トランジスタ、バイポーラトランジスタまたはｐｎ接合
ダイオード等の半導体スイッチ素子を含む。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は１本発明による光電変換装置の第１実施例の概
略的断面図、第２図（Ａ）は、その等価回路図、第２図
（Ｂ）は、そのリフレッシュ動作を説明するための電圧
波形図である。ただし、８１２図に示す従来例と同一機
能を有する部分には同一番号が付されている。

第１図において、ｎ基板１０１は光を入射できるように
薄く削られている。そのｎ基板１０１上にｎ−エピタキ
シャル層１０３が形成され、そこに素子分離領域１０２
に囲まれてｐベース領域１０４が形成されている。さら
にｐベース領域１０４には。

ｎ十エミッタ領域１０Ｇが形成されている。

このように各領域が形成されたｎ−エピタキシャル層１
０３上に絶縁層１０？が形成され、その上にキャパシタ
電極１０９がｐベース領域１０４と対向して形成されて
いる。

このようなパイポーラトランジ、スタを下層とし、その
上にＳｉ０２等の絶縁層１１３が形成され、絶縁層１１
３の凹部に後述する単結晶成長法を用いてｎ型の単結晶
シリコン１１４を成長させる。また、ｎ＋エミッタ領域
１０６上にコンタクトホールを形成して、エミッタ電極
１１Ｇを形成する。

単結晶成長法によって形成された単結晶シリコン領域１
１４にｐｎダイオード１１５を形成する。ダイオード１
１５のｎ領域は電極１１Ｂによってバイポーラトランジ
スタのｐベース領域１０４に接続され、ｐ領域には電極
１１１が接続されている。また、ｎ基板１０１の裏面に
は透明電極を形成してコレクタ電極１１２とする。

このような構成を有する本実施例において、光は基板１
０１側から入射する。したがって、厚い酸化膜１１３お
よび１１７．ダイオード１１５等によって遮光されるこ
となく、有効に光電変換を行うことができる。

本実施例の等価回路は、第２図（Ａ）に示す通りである
。また、本実施例の基本的な蓄積および読出しの各動作
は、すでに述べた従来例の動作とほぼ同様である。すな
わち、読出し動作時にｐベース領域１０４の電位が上昇
しても、電極１１１に負電圧が印加されてダイオードが
逆バイアス状態にあるから、ｐベース領域１０４の蓄積
電荷は維持される。

それに対して、リフレッシュ動作時には、第２図（Ｂ）
に示すように、まず電極１１１にベース電位より高い電
圧を印加し、ダイオードを順バイアス状態としてｐベー
ス領域１Ｇ４の電位を一定値に設定する。その後、キャ
パシタ電極１０８にリフレッシュ用正電圧パルスを印加
して残留電荷を消滅させる。このように、ｐベース領域
１０４の電位を予め一定値にしておき、リフレッシュ動
作を行うことで、残留電荷を迅速に消滅させることがで
き、高速動作が可能となる。

次に、絶縁層１１３の凹部に単結晶シリコンを成長させ
る単結晶成長法について詳述する。

まず、堆積面上に選択的に堆積膜を形成する選択堆積法
について述べる０選択堆積法とは１表面エネルギ、付着
係数、脱離係数、表面拡散速度等という薄膜形成過程で
の核形成を左右する因子の材料間での差を利用して、基
板上に選択的に薄膜を形成する方法である。

第３図（Ａ）および（Ｂ）は選択堆積法の説明図である
。まず同図（Ａ）に示すように、基板１上に、基板１と
上記因子の異なる材料から成る薄膜２を所望部分に形成
する。そして、適当な堆積条件によって適当な材料から
成る薄膜の堆積を行うと、薄膜３は薄膜２上にのみ成長
し、基板ｌ上には成長しないという現象を生じさせるこ
とができる。

この現象を利用することで、自己整合的に成形された薄
膜３を成長させることができ、従来のようなレジストを
用いたリングラフィ工程の省略が可能となる。

このような選択形成法による堆積を行うことができる材
料としては、たとえば基板ｌとしてＳｉ０２　、薄膜２
としテＳｉ、　ＧａＡｇ、窒化シリコン、そして堆積さ
せる薄膜３としてＳｉ、　Ｗ　、　ＧａＡｓ、ＩｎＰ等
がある。

第４図は、Ｓｉ０２の堆積面と窒化シリコンの堆積面と
の核形成密度の経時変化を示すグラフである。

同グラフが示すように、堆積を開始して間もなく５ｉ０
２上での核形成密度は１０３　ｃｍ−２以下で飽和し、
２０分後でもその値はほとんど変化しない。

それに対して窒化シリコン（Ｓｉ３　Ｎ　４　）上では
、〜４　Ｘ１０５　ａｍ−２で一旦飽和し、それから１
０分はど変化しないが、それ以降は急激に増大する。

なお、この測定例では、　５ｉＧＩ４ガスをＨ２ガスで
希釈し、圧力１７５　丁ｏｒｒ、温度１０００℃の条件
下でＣＶＤ法により堆積した場合を示している。他にＳ
ｉＨ４、ＳｉＨ２０１２、５ｉＨＣ１３、ＳｉＦ　４等
を反応ガスとして用いて、圧力、温度等を調整すること
で同様の作用を得ることができる。また、真空蒸着でも
可能である。

この場合、Ｓｉ０２上の核形成はほとんど問題とならな
いが、反応ガス中にＨＣＩガスを添加することで、Ｓｉ
０２上での核形成を更に抑制し、Ｓｉ０２上でのＳｉの
堆積を皆無にすることができる。

このような現象は、Ｓｉ０２および窒化シリコンの材料
表面のＳｉに対する吸着係数、脱離係数、表面拡散係数
等の差によるところが大きいが、Ｓｉ原子自身に、よっ
て５ｉ０２が反応し、蒸気圧が高い一酸化シリコンが生
成されることでＳｉ０２自身がエツチングされ、窒化シ
リコン上ではこのようなエツチング現象は生じないとい
うことも選択堆積を生じさせる原因となっていると考え
られる（Ｔ、Ｙｏｎｅｈａｒａ、５Ｊｏｓｈｉｏｋａ、
Ｓ、Ｍｉｙａｚａｗａ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＡｐｐｌ
ｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　５３．８８３９．１９８２）
　。

このように堆積面の材料としてＳｉ０２および窒化シリ
コンを選択し、堆積材料としてシリコンを選択すれば、
同グラフに示すように十分に大きな核形成密度差を得る
ことができる。なお、ここでは堆積面の材料としてＳｉ
Ｏ２が望ましいが、これに限らずＳｉＯｘであっても核
形成密度差を得ることができる。

勿論、これらの材料に限定されるものではなく、核形成
密度の差が同グラフで示すように核の密度で１０３倍以
上であれば十分であり、後に例示するような材料によっ
ても堆積膜の十分な選択形成を行うことができる。

この核形成密度差を得る他の方法としては、Ｓｉ０２上
に局所的にＳｉやＮ等をイオン注入して過剰にＳｉやＮ
等を有する領域を形成してもよい。

このような選択堆積法を利用し、堆積面の材料より核形
成密度の十分大きい異種材料を単一の核だけが成長する
ように十分微細に形成することによって、その微細・な
異種材料の存在する箇所だけに単結晶を選択的に成長さ
せることができる。

なお、単結晶の選択的成長は、堆積面表面の電子状態、
特にダングリングボンドの状態によって決定されるため
に、核形成密度の低い材料（たとえばＳｉ０２　）はバ
ルク材料である必要はなく、任意の材料や基板等の表面
のみに形成されて上記堆積面を成していればよい。

第５図（Ａ）〜（Ｄ）は、単結晶形成方法の一例を示す
形成工程図であり、第６図（Ａ）および（Ｂ）は、第５
図（Ａ）および（Ｄ）における基板の斜視図である。

まず、第５図（Ａ）および第６図（Ａ）に示すように、
基板４上に、選択堆積を可能にする核形成密度の小さい
薄膜５を形成し、その上に核形成密度の大きい異種材料
を薄く堆積させ、リングラフィ等によってパターニング
することで異種材料６を十分微細に形成する。ただし、
基板４の大きさ、結晶構造および組成は任意のものでよ
く、機能素子が形成された基板であってもよい、また、
異種材料６とは、上述したように、ＳｉやＮ等を薄膜５
、にイオン注入して形成される過剰にＳｉやＮ等を有す
る変質領域も含めるものとする。

次に、適当な堆積条件によって異種材料８だけに薄膜材
料の単一の核が形成される。すなわち、異種材料６は、
単一の核のみが形成される程度に十分全軸に形成する必
要がある。異種材料６の大きさは、材料の種類によって
異なるが、数ミクロン以下であればよい、更に、核は単
結晶構造を保ちながら戊長し、第５図（Ｂ）に示すよう
に島状の単結晶粒７となる。島状の単結晶粒７が形成さ
れるためには、すでに述べたように、薄膜５上で全く核
形成が起こらないように条件を決めることが必要である
。

島状の単結晶粒７は単結晶構造を保ちながら異種材料８
を中心して更に成長し、同図（Ｃ）に示すように薄膜５
全体を覆う。

続いて、エツチング又は研磨によって単結晶粒７を平坦
化し、第５図（Ｄ）および第６図（Ｂ）に示すように、
所望の素子を形成することができる単結晶層８が薄膜５
上に形成される。

このように堆積面の材料である薄膜５が基板４上に形成
されているために、支持体となる基板４は任意の材料を
使用することができ、更に基板４に機能素子等が形成さ
れたものであっても、その上に容易に単結晶層を形成す
ることができる。

なお、上記実施例では、堆積面の材料を薄膜５で形成し
たが、選択堆積を可能にする核形成密度の小さい材料か
ら成る基板をそのまま用いて、単結晶層を同様に形成し
てもよい。

（具体例） 次に、上記例における単結晶層の具体的形成方法を説明
する。

５ｉ０２を薄膜５の堆積面材料とする。勿論１石英基板
を用いてもよいし、金属、半導体、磁性体、圧電体、絶
縁体等の任意の基板上に、スパッタ法、ＣＶＤ法、真空
蒸着法等を用いて基板表面にＳｉ０２層を形成してもよ
い、また、堆積面材料としてはＳｉ０２が望ましいが、
　　ＳｉＯｘとしてＸの値を変化させたものでもよい。

こうして形成されたＳｉ０２層５上に減圧気相成長法に
よって窒化シリコン層（ここではＳｉ３　Ｎ　４層）又
は多結晶シリコン層を異種材料として堆積させ、通常の
リングラフィ技術又はＸ線、電子線若しくはイオン線を
用いたリングラフィ技術で窒化シリコン層又は多結晶シ
リコン層をパターニングし、数ミクロン以下、望ましく
は〜Ｉ　ＩＬｍ以下の微小な異種材料６を形成する。

続いて、ＨＣＩ　とＨ２と、　ＳｉＨ２０１２、５ｉＣ
１４、ＳｊＨＣ１０、ＳｉＦ　４若しくはＳｉ８４との
混合ガスを用いて上記基板ｌｌ上にＳｉを選択的に成長
させる。

その際の基板温度は７００〜１１００℃、圧力は約１０
０Ｔａｒｒである。

数十分程度の時間で、Ｓｉ０２上の窒化シリコン又は多
結晶シリコンの微細な異種材料Ｂを中心として、単結晶
のＳｔの粒１０７が成長し、最適の成長条件とすること
で、その大きさは数十ＩＬｍ以上に成長する。

続いて、ＳｉとＳｉ０２との間にエツチング速度差があ
る反応性イオンエツチング（ＲＩＥ）によって、Ｓｉの
みをエツチングして平坦化することで１粒径制御された
多結晶シリコン層が形成され、更に粒界部分を除去して
島状の単結晶シリコン層８が形成される。なお、単結晶
粒７の表面の凹凸が大きい場合は１機械的研磨を行った
後にエツチングを行う。

このようにして形成された大きさ数十用ｍ以上で粒界を
含まない単結晶シリコン層８に、電界効果トランジスタ
を形成すると、単結晶シリコンウェハに形成したものに
劣らない特性を示した。

また、隣接する単結晶シリコン層８とはＳｉ０２によっ
て電気的に分離されているために、相補型電界効果トラ
ンジスタ（Ｃ−ＭＯＳ）を構成しても、相互の干渉がな
い、また、素子の活性層の厚さが、Ｓｉウェハを用いた
場合より薄いために、放射線を照射された時に発生する
ウェハ内の電荷による誤動作がなくなる。更に、寄生容
量が低下するために、素子の高速化が図れる。また、任
意の基板が使用できるために、Ｓｉウェハを用いるより
も、大面積基板上に単結晶層を低コストで形成すること
ができる。更に、他の半導体、圧電体、誘電体等の基板
上にも単結晶層を形成できるために、多機能の三次元集
積回路を実現することができる。

（窒化シリコンの組成） これまで述べてきたような堆積面材料と異種材料との十
分な核形成密度差を得るには、　Ｓｉ３　Ｎ　４に限定
されるものではなく、窒化シリコンの組成を変化させた
ものでもよい。

ＲＦプラズマ中でＳｉＨ４ガスとＮＨ３ガスとを分解さ
せて低温で窒化シリコン膜を形成するプラズマＣＶＤ法
では、Ｓ　ｉ　Ｈ４ガスとＮＨ３ガスとの流量比を変化
させることで、堆積する窒化シリコン膜のＳｉとＮの組
成比を大幅に変化させることができる。

第７図は、ＳｉＨ番とＮＨ３の流量比と形成された窒化
シリコン膜中のＳｉおよびＮｏの組成比°との関係を示
したグラフである。

この時の堆積条件は、ＲＦ出力１７５Ｗ、基板温度３８
０℃であり、ＳｉＨ４ガス流量を３００ｃｃ／ｍｉｎに
固定し、ＮＨ３ガスの流量を変化させた。同グラフに示
すようにＮＨ３／ＳｉＨ４のガス流量比を４〜１０へ変
化させると、窒化シリコン膜中のＳ　ｉ　／　Ｎ比は１
．１〜０．５８に変化することがオージェ電子分光法に
よって明らかとなった。

マタ、減圧ＣｖＤ法テＳｉＨ２Ｇ＋２ガスとＮＨ３ガス
とを導入し、０　、３Ｔｏ　ｒ　ｒの減圧下、温度約８
００℃の条件で形成した窒化シリコン膜の組成は、はぼ
化学量論比であるＳｉ３　Ｎ　４　　（Ｓ＋／　Ｎ　〜
０．７５）に近いものであった。

また、ＳｉをアンモニアあるいはＮ２中で約１２００℃
で熱処理すること（熱窒化法）で形成される窒化シリコ
ン膜は、その形成方法が熱平衡下で行われるために、更
に化学量論比に近い組成を得ることができる。

以上の様に種々の方法で形成した窒化シリコンをＳｉの
核形成密度が５ｉ０２より高い堆積面材料として用いて
上記Ｓｔの核を成長させると、その組成比により核形成
密度に差が生じる。

第８図は、Ｓｉ／Ｎ組成比と核形成密度との関係を示す
グラフである。同グラフに示すように。

窒化シリコン膜の組成を変化させることで、その上に成
長するＳｔの核形成密度は大幅に変化する。この時の核
形成条件は、５ｉＧ１４ガスを１７５Ｔｏｒｒに減圧し
、１０００℃でＨ２と反応させてＳｉを生成させる。

このように窒化シリコンの組成によって核形成密度が変
化する現象は、単一の核を成長させる程度に十分微細に
形成される異種材料としての窒化シリコンの大きさに影
響を与える。すなわち、核形成密度が大きい組成を有す
る窒化シリコンは。

非常に微細に形成しない限り、単一の核を形成すること
ができない。

したがって、核形成密度と、単一の核が選択できる最適
な窒化シリコンの大きさとを選択する必要がある。たと
えば〜１０５ｃｍ−２の核形成密度を得る堆積条件では
、窒化シリコンの大きさは約４ｇｍ以下であれば単一の
核を選択できる。

（イオン注入による異種材料の形成） Ｓｉに対して核形成密度差を実現する方法として、核形
成密度の低い堆積面材料である５ｉ０２の表面に局所的
にＳｉ　、Ｎ、Ｐ、Ｂ、Ｆ、Ａｒ。

Ｈｅ、Ｃ，Ａｓ、Ｇａ、Ｇｅ等をイオン注入して５ｉ０
２の堆積面に変質領域を形成し、この変質領域を核形成
密度の高い堆積面材料としても良い。

例えば、Ｓｉ０２表面をレジストで多い、所望の箇所を
露光、現像、溶解させてＳｉ０２表面を部分的に表出さ
せる。

続いて、Ｓ　ｉ　Ｆ４ガスをソースガスとして用い、Ｓ
ｉイオンを１０ｋｅＶで１Ｘ１０１６〜ｌＸ１０１１１
ｃｍ−２の密度でＳｉ０２表面に打込む、これによる投
影飛程は１１４人であり、Ｓｉ０２表面ではＳｉ濃度が
〜１０２２　ｃ　ｍ−３に達する。

５ｔｏ２はもともと非晶質であるために、Ｓｉイオンを
注入した領域も非晶質である。

なお、変質領域を形成するには、レジストをマスクとし
てイオン注入を行うこともできるが、集束イオンビーム
技術を用いて、レジストマスクを使用せずに絞られたＳ
ｉイオンをＳｉ０２表面に注入してもよい。

こうしてイオン注入を行った後、レジストを剥離するこ
とで、Ｓｉ０２面にＳｉが過剰な変質領域が形成される
。このような変質領域が形成されたＳｉ０２堆積面にＳ
ｉを気相成長させる。

第９図は、Ｓｉイオンの注入量と核形成密度との関係を
示すグラフである。

同グラフに示すように、Ｓｔ十十人入量多い程、核形成
密度が増大することがわかる。

したがって、変質領域を十分微細に形成することで、こ
の変質領域を異種材料としてＳｉの単一の核を成長させ
ることができ、上述したように単結晶を成長させること
ができる。

なお、変質領域を単一の核が成長する程度に十分微細に
形成することは、レジストのパターニングや、集束イオ
ンビームのビームを絞ることによって容易に達成される
。

（ＣＶＤ以外のＳｉ堆積方法） Ｓｉの選択核形成によって単結晶を成長させるには、Ｃ
ＶＤ法だけではなく、Ｓｉを真空中（＜　Ｉ　Ｏ−６Ｔ
ｏｒｒ）で電子銃により蒸発させ、加熱した基板に堆積
させる方法も用いられる。特に、超高真空中（＜　１０
−９　Ｔｏｒｒ）で蒸着を行うＭ　Ｂ　Ｅ　（Ｍｏｌｅ
ｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）法では、基板
温度９００℃以上でＳｉビームと５ｉ０２が反応を始め
、５ｉ０２上でのＳｉの核形成は皆無になることが知ら
れている（Ｔ、Ｙｏｎｅｈａｒａ、Ｓ、Ｙｏｓｈｉｏｋ
ａ　ａｎｄＳ、旧ｙａｚａｗａ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ
　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　５３゜１０、ｐ８
８３９，１９８３）。

この現象を利用して５ｉ０２上に点在させた微小な窒化
シリコンに完全な選択性をもってＳｉの単一の核を形成
し、そこに単結晶５ｉｔ−成長させることができた。こ
の時の堆積条件は、真空度１０−８　Ｔｏｒｒ以下、Ｓ
ｉビーム強度９．７×１０’４ａｔｏｍｓ　／ｃ＋ｓ２
　ｍ　ｓｅｃ　、基板温度９００℃〜１０００℃であっ
た。

この場合、　　５ｉ０２　＋Ｓｉ→２ＳｊＯ↑という反
応により、ＳｉＯという蒸気圧の著しく高い反応生成物
が形成され、この蒸発によるＳ　ｉ　０２自身のＳｔに
よるエツチングが生起している。

これに対して、窒化シリコン上では上記エツチング現象
は起こらず、核形成、そして堆積が生じている。

したがって、核形成密度の高い堆積面材料としては、窒
化シリコン以外に、タンタル酸化物（Ｔａ　２０　ｓ　
）　、窒化シリコン酸化物（ＳｉＯＮ）等を使用しても
同様の効果を得ることができる。すなわち、これらの材
料を微小形成して上記異種材料とすることで、同様に単
結晶を成長させることができる。

以上詳細に説明した単結晶成長法によって、上記各実施
例に示す絶縁層１１３の凹部の単結晶シリコンが形成さ
れる。

第１θ図（Ａ）〜（Ｄ）は、スイッチ手段を形成するた
めの単結晶シリコンの形成工程図である。

同図（Ａ）において、Ｓｉ０２の絶縁層１１３にエツチ
ングにより凹部を形成し、そこに異種材料１２０（ここ
ではＳｉ３　Ｎ　４　）を微小に形成する。

次に、ｎ型不純物ガスを混ぜて単結晶シリコンを成長さ
せ、同図（Ｂ）に示すようにｎ型単結晶シリコンで凹部
を埋め、平坦化してｎ型単結晶シリコ７層１１４を形成
する。

次に、同図ＣＧ）に示すように、単結晶シリコン層１１
４にｐ領域１２４を選択的に形成し、ｐｎ接合を形成す
る。

また、次に示すように単結晶シリコン層１１４にＭＯＳ
）ランジスタを形成してもよい。

すなわち、同図（Ｄ）に示すように、ゲート酸化Ｗ１１
２１を形成した後、ポリシリコン等の材料でゲート電極
１０８をパターニング形成する。

次に、ｐ型不純物イオンをゲート電極１０８をマスクと
して注入し、続く熱処、理によってソース・ドレイン領
域１２２および１２３を形成する。

第１１図（Ａ）は、本発明の第２実施例の概略的断面図
、第１１図（Ｂ）は、その等価回路図である。

本実施例では、第１０図ＣＤ）に示すように単結晶シリ
コン層１１４に、ゲート酸化膜、ゲート電極１０８、ソ
ース・ドレイン領域を各々形成し、ＭＯＳトランジスタ
１１５が構成されている。また、ドレイン領域は配線１
１６によって下層のｐベース領域１０４に接続されてい
る。さらに、ＭＯＳ　）ランジメタ１１５上にパッシベ
ーション膜１１７が形成され。

ＭＯＳトランジスタ１１５のソース領域は電極１１１に
接続されている。

このような構成を有する本実施例の等価回路は、第１０
図ＣＤ）に示す通りであるが、ＭＯＳ　）ランジスタ１
１５のサブストレートであるｎ型シリコ７層１１４に接
続する電極を形成して、電極１１２と接続すれば、従来
例の等価回路と同一となる。したがって、本実施例の基
本的な蓄積、読出しおよびリフレッシュの各動作は、す
でに述べた従来例の動作と同様である。すなわち、リフ
レッシュ動作において、まずＭＯＳ　）ランジスタ１１
５をＯＮ状態とすることで、ｐベース領域１０４の電荷
が配線１１ＢおよびＭＯＳ　）ランジスタ１１５を通し
て接地された電極１１１から除去される。こうしてｐベ
ース領域１０４を一定電位に設定した後、キャパシタ電
極１０９にリフレッシュ用正電圧パルスを印加し、ｐベ
ース領域１０４の残留電荷を消滅させる。

また、ｎ型シリコ７層１１４に接続する電極と電極１１
１とを接続すれば、より簡単な構成で上記と同様のリフ
レッシュ動作を行うことができ、さらにｐベース領域１
０４に過剰な電荷が蓄積された時に過剰電荷を逃がす効
果も有する。過剰電荷を逃がすことで、エリアセンサを
構成した場合のプルーミングの発生を防止することがで
きる。

第１２図（Ａ）は、本発明の第３実施例の等価回路図、
第１２図（Ｂ）は、リフレッシュ動作時の電圧波形図で
ある。

本実施例では、第１１図（Ａ）におけるＭＯＳトランジ
スタ１１５をｎチャネルＭＯＳ　）ランジスタで構成し
ている。構造は、ＭＯＳ　）ランジスタ１１５がｎチャ
ネル型となっただけで、他は第２実施例と同一である。

ただし、ｎチャネル型であるために、第１２図（Ｂ）に
示すように、ゲート電極１０８の電位が負電位の時には
ＯＦＦ状態、しきい値より高い電位となった時だけＯＮ
状態となる。この場合も、すでに述べたようにリフレッ
シュ動作が行われる。

また、この場合にもｐベース領域１０４に蓄積された過
剰電荷を逃がす効果を有する。

第１３図（Ａ）は、本発明の第４実施例の等価回路図、
第１３図（Ｂ）は、リフレッシュ動作時の電圧波形図で
ある。

本実施例では、ＭＯＳ　）ランジスタ１１５の代わりに
ｐｎｐバイポーラトランジスタを用いている。すなわち
、単結晶シリコン層１１４に通常のプロセスによりｐｎ
ｐバイポーラトランジスタを形成し、ｐコレクタ領域を
配線１１ＢによりＰベース領域１０４に接続し、ｐエミ
ッタ領域を電極１１１に接続する。またｎベース領域は
接地される。

この構成において、読出し動作時には、電極１１１は接
地電位であり、ｐベース領域１０４の電位が上昇しても
ｐｎｐバイポーラトランジスタはＯＮ状態とはならない
。

リフレッシュ動作時には、まず、電極１１１に正電圧パ
ルスが印加され、これによってｐｎｐバイポーラトラン
ジスタがＯＮ状態となり、ｐベース領域１０４の電位を
一定値に設定する。続いて、キャパシタ電極１０８にリ
フレッシュ用正電圧パルスを印加してｐベース領域１０
４の残留電荷を消滅させる。

［発明の効果］ 以上詳細に説明したように、本発明による光電変換装置
は、スイッチ手段が別の階層に形成されているために、
端子数が多くとも容易に微細化を促進することができ、
高密度化および高解像度化を達成できる。また、上記ス
イッチ手段が形成されていない側から光を入射するため
に、光をさえぎることがなく、開口率を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による光電変換装置の第１実施例の概
略的断面図、 第２図（Ａ）は、その等価回路図、第２図（Ｂ）は、そ
のリフレッシュ動作を説明するための電圧波形図、 第３図（Ａ）および（Ｂ）は選択堆積法の説明図、第４
図は、５ｉ０２の堆積面と窒化シリコンの堆積面との核
形成密度の経時変化を示すグラフ、。 第５図（Ａ）〜（ロ）は、単結晶形成方法の一例を示す
形成工程図、 第６図（Ａ）および（Ｂ）は、第５図（Ａ）および（Ｄ
）における基板の斜視図、 第７図は、ＳｉＨ４とＮＨ３の流量比と形成された窒化
シリコン膜中のＳｉおよびＮの組成比との関係を示した
グラフ、 第８図は、Ｓｉ／Ｎｉ成比と核形成密度との関係を示す
グラフ、 第９図は、Ｓｉイオンの注入量と核形成密度との関係を
示すグラフ、 第１Ｏ図（Ａ）〜（Ｄ）は、スイッチ手段を形成するた
めの単結晶シリコンの形成工程図。 第１１図（Ａ）は、本発明の第２実施例の概略的断面図
、第１１図（Ｂ）は、その等価回路図、第１２図（Ａ）
は、本発明の第３実施例の等価回路図、第１２図（Ｂ）
は、リフレッシュ動作時の電圧波形図。 第１３図（Ａ）は、本発明の第４実施例の等価回路図、
第１３図（Ｂ）は、リフレッシュ動作時の電圧波形図、 第１４図（Ａ）は、特願昭５８−１２０７５５号公報に
記載されている光電変換装置の概略的平面図、第１４図
ＣＢ）は、そのＡ−Ａ　’線断面図、第１４図（Ｃ）は
、その等価回路図、 第１５図（Ａ）および（Ｂ）は、リフレッシュ動作を説
明するための電圧波形図である。 １０１−・・基板 １０３・・・ｎ−エピタキシャル層 １０４・Φ・ｐベース領域 １０６・・・ｎ十エミッタ領域 １０９・・・キャパシタ電極 １１３Ｉ１１１１１絶縁層 １１４・・−単結晶シリコン層 １１５・・Φスイッチ手段 代理人　弁理士　山　下　積　平 第２図 仏）ＣＢ） 第３因 第４図 Ｂ奇聞（廻 第５図 （Ａ） （Ｃ） （ＤＪ 第６図 （Ａ） （Ｂ） 第７図 ＮＨ３／ＳｉＨ４’ＪＬ’！シし 第８図 第１０図 （Ａ） （Ｃ） （ＤＪ 第１１図 （Ａ） 光 １日） 第１２図 第１３図 （Ａ） 第１４図 （Ａ） 第１４図 第１５図 （Ａ） （Ｂ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）光励起により発生したキャリアを蓄積する一導電
   型半導体の蓄積領域を有する光電変換装置において、 前記蓄積領域を所望電位に設定するため のスイッチ手段が上記蓄積領域とは別の階層に形成され
   た多層構造を有し、かつ、該スイッチ手段が形成されて
   いない側から光を入射することを特徴とする光電変換装
   置。
2. （２）上記スイッチ手段は半導体スイッチ手段であり、
   絶縁層上に形成されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の光電変換装置。
3. （３）上記半導体スイッチ手段は、絶縁ゲート型トラン
   ジスタであることを特徴とする特許請求の範囲第２項記
   載の光電変換装置。
4. （４）上記半導体スイッチ手段は、ｐｎ接合ダイオード
   であることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の光
   電変換装置。