KR880000140B1 - 수광소자 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

수광소자

제1도는 광도전형 촬상관의 단면 개략도.

제2도는 동작중의 광도전표적(target)의 에너지 대구조를 나타내는 도면.

제3도는 붕소(B)함유량에 대한 전자·정공(正孔)주향특성을 나타내는 도표.

제4도는 광도전표적중의 전자·전공전류밀도 분포를 나타내는 도표.

제5도는 본 발명 실시예의 광도 전막중의 붕소함유량분포를 나타내는 도표.

제6도는 붕소첨가개시점(Xo)에 대한 신호전류와 잔상의 역수치와의 급관계를 나타내는 도표.

제7도는 신호광의 파장에 대한 촬상관의 잔상치변화를 나타내는 도표.

제8도는 신호광의 파장에 대한 촬상관의 분광감도변화를 나타내는 도표.

제9도 및 제10도는 본 발명의 다른 2개의 실시예에 있어서의 광도전막중의 붕소함유량분포를 나타내는 도표.

본 발명은, 축적모우드에서 사용되는 수광장치, 예를 들면 광도전형 촬상관이나 고체촬상장치에 이용되는 수소를 함유하는 비결정질 실리콘을 사용한 광도전막을 가진 수광소자에 관한 것이다.

수소를 함유한 비결정질 실리콘은 광도전성을 갖는 위에, 단결정 실리콘에 비해서, 저온조건에서 균질한 대면직박막이 얻어진다.

그 때문에 태양전지, 촬상장치 등의 수광부에의 응용이 제안되고 있다. 예를 들면, 축적모우드에서 사용되는 수광장치의 대표적인 예로서는, 제1도에 표시한 광도전형 촬상관이 있다. 이것은 통상 페이스플레이트이라고 불리우는 투광성기관(1), 투광성도전막(2), 광도전체층(3), 전자총(4), 글라스튜우브(5)로 이루어져 있다. 페이스플레이트(1)를 통해서 광도전체총(3)상에 결상된 광상(光像)은 광전변환되어, 광도전체층(3)의 표시면에 전하패턴으로 축적되고, 주사전자비임(6)에 의해서 연속적으로 읽어내는 방식이 되고 있다. 또한, 일반적으로 광도전체층(3)이 표면에는, 반전장치 및 주사전자비임으로부터의 전자의 주입을 저지하는 등의 목적으로 비임·랜딩층(7)이 형성되고 있다.

본 발명자들은, 이와 같은 광도전체층으로서 실리콘을 주체로 하고, 수소를 함유하는 비결정질재료를 사용하는 제안을 하여, 미국특허 제42555686호 및 미국특허출원 제25761, 1호로서 출원하였다.

비결성 실리콘을 광도전체층으로서 사용한 촬상관은 높은 광전변환 특성을 나타내는 위에, 해상도나 내열성에도 뛰어난 등 양호한 특징을 가지고 있다. 종래는 광도전체층(3)에 대해서는 비저항 10⁸Ωcm 이상의 높은 저항을 가진 비결정 실리콘막을 작성 사용하고 있었다. 고저항이라는 것은, 축적형 동작을 가능케하는 것과 해상도를 높인다는 요청에서 오는 것으로서, 고저항막의 실현을 위해서, 종래는 반응성 스퍼터링법으로 특별한 적외선 흡수피이크를 갖게한 막을 만들거나, 골로우 방전법으로, 극히 근소한 불순물을 첨가하는 방법(일본국 특허공개소 56-153782호)이 취해졌다. 특히, 골로우 방전법의 경우, As, P등을 200ppm정도 첨가해서, 비저항 10⁶Ωcm 이하의 저저항으로 한 비결정질 실리콘을, 광도전체층인 10⁸Ωcm 이상의 고저항 비경정질 실리콘과, 투명전극 사이에 적중층으로 해서 삽입하여, 촬상관특성을 향상시키는 방법도 있다. 그러나, 이것들은 어느것도, 광전변환부를 지배하는 광도전체층 전역에 걸쳐서 동질의 막을 만들어내고 있었기 때문에, 입사신호광의 파장에 따라서 감도나 잔상특성에 우열이 생긴다는 현상이 보였다.

즉, 예를 들면 청색광의 화상인 경우에는 신호를 충분히 끌어내는 데에 요하는 전압을 적색광인 신호의 경우보다도 높게하지 않으면 안되었다.

또한 잔상특성도 신호광파장에 따라서 그 감쇄현상이 상이하는 등, 비결정질 실리콘을 컬러텔레비전용 촬상관 등에 사용할 경우에 커다란 문제점으로 지적되고 있었다.

본 발명의 목적은, 상기한 문제점을 해결하고, 신호광의 각 파장에 대해서 각각 양호한 감도, 잔상 기타 화상신호가 얻어지도록 한 비결정질 실리콘 광도전막을 가진 수광소자를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 수광소자는 광도전체층이, 수소를 적어도 5원자% ~ 30원자%를 함유하고, 또한 극히 미량인 B, Al, Ga, In등의 제3족원자, 혹은 Zn, Cd등의 제족원자중을 적어도 한개를, 막의 두께방향에 농도구배를 갖도록 첨가한 비결정질 실리콘으로 이루러져 있으며, 또한 상기 광도전체층에 투명전극측이 정, 반대측이 - 가 되는 방향에 전압이 인가되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 유리한 실시태양에 있어서는, 상기 광도전체층중의 미량첨가 원자의 함유량분포는 투광성 도전막 계면에서 5ppm이하이다. 그 분포는 적어도 막두께의 중앙부까지는 전혀 존재하지 않거나, 또는 막두께방향에 계면으로부터의 거리와 함께 증가하는 것이 좋다. 또한 반대측의 계면에서의 미량첨가원자의 함유량은 100ppm이하 1ppm이상(바람직하게는 5ppm이상)이다. 상기 광도전체층중의 미량첨가불순물의 함유량은 투광성 도전막과의 계면으로부터 거리 0.5㎛영역에서 10ppm이하인 것이 유리하다. 본 발명의 다른 하나의 유리한 실시 태양에 있어서는, 상기 광도전체층과 투광성 도전막과 사이에, n형 반도체박층 또는 투광성 유전체층중의 적어도 하나가 삽입되어 있다. 본 발명의 다시 다른 하나의 유리한 실시태양에 있어서는, 상기 광도전체층의 상기 투광성 도전막과 반대측면에, 비임·랜딩층이 형성되고, 사익 투광성 도전막에 입사하는 빛의 강도분포가 비임주사에 의해서 검지된다.

촬상관을 예로 들어서, 비결정질 실피콘중의 광전변환의 기구를 설명한다. 제2도는 동작중의 비결정질 실리콘을 사용한 광도전체층의 에너지대구조를 나타낸 것으로, 화살표(20)는 빛의 입사를 나타낸다. 촬상관의 경우는 광도전체층(3)의 전자비임(6)의 주사측에 정공이 흐르도록 전압을 인가하여 동작시킨다. 입사신호광은 투명전국(2)을 통과해서 비결정질 광도전체층(3)에서 흡수되어, 전자(8)및 정공(9)을 발생한다.

입사신호광(Io)은, 비결정질 실리콘의 흡수 계수(α)에 따라서 흡수되고, 투명전극측으로부터 거리(×)의 위치에 있어서의 강도는(I)는

I = I₀e^-αx…… 〔1〕

인값까지 감소되어 있다. 실제로 촬상장치에 사용되는 비결정질 실리콘막은, 태양전지 등에 사용될 경우의 금지대폭이 1.6eV로 약간 큼 금지대폭으로 한 필요가 있다.

이 경우, 예를 들면 파장 450mm의 청색신호광은 투명전극측으로 부터 0.5㎛정도의 범위로 〔1〕식에 따라서 대부분이 흡수되어 버린다.

따라서, 제2도에 있어서의 전자, 정공의 발생은 투명전극측 근처에서 일어나게 되고, 비결정질 실리콘의 막중 상당한 거리를 정공이 주행하게 된다.

종래의 고저항 비결정질 실리콘을 사용한 광도전막에서는, 막질과 전자, 정공의 주행성관계가 고려되어 있지 않으며, 또 입사광파장에 대한 배려도 되어 있지 않았으므로, 파장이 다른 빛에 대한 신호를 동시에 처리 하지 않으면 안되는 컬러촬상소자의 경우에, 상기 문제점이 생기고 있던 것이다.

본 발명은, 본 발명자들이 비결정질 실리콘 광도전체에 대해서 전자 및 정공의 주행성을 조사해서 얻은 이하 설명과 같은 발견에 바탕을 두고 있다.

제3도는 반응스패터링법으로 만든 비결정질 실리콘을 제3족원소로 점차 강하게 첨가한 경우의 캐리어(전자 및 정공)의 주행성의 변화를 나타내는 것으로, (10)은 전자주행성을 나타내고, (11)은 정공주행성을 나타낸다. 3족원소에서의 도우핑은, 스패터링반응에 사용하는 가스중에 3족원소를 함유한 가스를 혼입하는 방법이나, 3족원소를 함유한 실리콘을 표적으로서 사용하므로서 작성 가능하다.

제3도는, 3족원소의 예로서 붕소(B)를 반응가스속에 디보단(B₂H₆)으로서 여러가지 양을 혼입해서 만든 비결정질 실리콘중의 전자 및 정공에 의한 광전류의 변화를 조사한 것이나, B의 양이 증가함에 따라서 전자의 주행성은 나빠지고, 정공의 주행성이 현저하게 좋아진다는 것을 알았다.

한편 입사광에 의한 캐리어 발생은 전술한 바와 같이 투명전극(2)근처의 광도전체층중에서 일어나므로, 캐리어발생위치로부터 투명천극(2)에는 주로 전자, 전자비임주사측에는 주로 주행하게 되는 것이다.

광여기된 전자, 정공밀도 및 전자, 정공전류밀도는 다음식으로 기술된다.

여기서 p : 정공밀도 μe : 전자의 이동도

n : 전자밀도 De : 전자의 확산계수

jp : 전공전류밀도 μp : 정공의 이동도

je : 전자전류밀도 Dp : 정공의 확산계수

〔2〕,〔3〕, 및〔4〕식은, 전자, 정공의 재결합과정과, 내부공간전하의 효과를 무시하고 있으며, 감도의 절대치 등을 의논한다는 점에서 만족한 것이라고는 할 수 없다. 그러나, 여기서 문제가 되고 있는 광흡수 계수 α와, jp, je의 비인 막두께방향의존성을 검토한다는 점에서는 문제가 없는 근사치이다. 〔2〕,〔3〕,〔4〕식에서

je = eEIoe^-αx…… 〔6〕

가 된다. 제 4또는 jp, je의 막두께방향 의존상을 나타낸 것으로, (12)는 je의 변화를나타내고 (13)은 jp의 변화를 나타낸다. jp = je가 되는 투명전극(2)으로부터의 광도전체중의 거리를 Xc로 해서 X<Xc에서는 je가, X>Xc에서는 jp가 크게 되어있다.

〔5〕및〔6〕식에서

가 된다. 이미 상세하게 설명한 바와 같이, 3족원소의 첨가에 의해 정공주행성이 향상하므로, 3족원소첨가는 적어도 X>Xc로 실시하는 구조상 필요하다. 또 3족원소의 의 첨가에 의해서 전자주행성이 저하하므로서, Xc보다도 투명전극(2)측의 영역에서의 3족원소의 첨가는 피하거나, 극히 낮은 레벨(투명전극 계면에서 5ppm이하)로 억제하지 않으면 안된다. 본 발명의 특징이 되고 있는 3족원소의 첨가량을 막두께방향에 분포하는 구조는, 본 발명자의 이상의 검토에 의해 도출된 것이다.

그러나, 양호한 제어하에서 만들어진 배결정질 실리콘막에 있어서도, 전자, 정공의 이동도는 통상 어느 정도의 산란을 나타낸다. 그러나, 본 발명자들이 사용한 거리(Xc)는 그 도출과정에서 명백한 바와 같이, 전자, 정공의 이동도의 항이 직접 포함되어 있지 않다, 이 때문에, 본 발명자들의 발견은, 시료의 이동도의존성을 고려하지 않고, α만으로 소자설계의 지침이 얻어진다는 극히 유효한 이념이라고 할 수 있다. 이상의 결과는, 막두께를 d로 해서 Xc<<d의 조건을 가정해서 도출하였다. 만약 Xc

d가 되는 경우에는, 3족 첨가영역은 X=

보다 뒤에 한정되는 것이 좋다는 것은 명백한 것이다.

결국, 촬상관을 예로 한 경우, 3족 첨가는 광입사측에서 Xc, d/2중의 작은쪽 값의 거리로부터 행하지 않으면 안된다. 실용상은, 제안한 거리의 0.5㎛전후까지는, 본 특허의 효과는 유지할 수 있으나, Xc의 값에 맞춘 편이 바람직하다. 또 제3족원자대신에, cd, Zn등의 제2족원자를 첨가해도, 마찬가지의 개선효과를 볼 수 있었다.

이하, 본 발명의 실시예에서 의해 상세하게 설명한다.

[실시예 1]

복수의 티아기트를 가진 스퍼러링장치를 이용해서 비결정질 실리콘의 수광층을 만든다. 적당한 크기의 직경을 기진 광학연마를 끝낸 유리판위에, 산화주석, 산화인듐 등의 투명전극을 퇴적하여, 기판으로서 사용한다. 티아기트로서 한쪽에는 고순도의 si를, 다른쪽에는 퇴적한 비결정질 실리콘중에 붕소가 10ppm함유되도록 조정한 붕소를 함유한 si를 사용한다. 장치내에 기판을 먼저 고순도 si타이기트에 상대해서 설치한다.

장치내를 1×10^-6Torr 이하인 압력의 고진공으로 배기한 뒤, 알곤 및 수소의 혼합가스를 도입해서 반응조내를 5×10-⁴~5×10^-3Torr 정도의 압력으로 한다. 혼합가스중에 점유하는 수소의 농도는 10~70%, 더욱 바람직하게는 30~65%로 한다. 기판의 온도를 150~300℃로 하고, 타아기트에 고주파전력을 인가하면 플라즈 마방전이 발생하고, 기판상에 비결정질 실리콘이 퇴적한다. 퇴적속도 0.3mm/s가 되도록 파워를 조절하고 30분간 반응을 지속한 연후에, 반응조내에서 기판의 위치를 이동하고, 기판을 붕소첨가한 si타아기트와 상대하여, 반응을 190분 지속한다.

이상의 조작으로, 비결정질 실리콘막은, 투명전극측에서 약 500mm는 불순물을 함유하지 않는 수소함유실리콘, 그 후방 4㎛는 붕소를 함유한 수소함유실리콘이 된다. 본 실시예의 광도전막중의 붕소분포를 제5도에 나타낸다. 광도전막의 흡수율은 작성조건에 의존하는 외에, 기판과 타아기트사이의 거리 등, 또 장치에 따라서도 다르나, 일반적으로 금지대폭 1.8~2.0eV인 경우, 파장 450mm(청색)에서 α는 10⁵cm-¹정도, 550mm(녹색)에서 α~2×10⁴cm-¹, 650mm(적색)에서 α~10³cm-¹정도가 되는 일이 많다.

〔7〕식에서 예를 들면 450mm인 파장의 신호광에 대해서 Xc

500mm라고 계산되나, 실제로 상기의 시료로 측정해보면, 파장 450mm의 빛은, 입사측단면에서 500mm의 거리에서 99%이상 흡수되어 버린다.

이와 같이 해서 만든 수광층에 전자비임 주사면으로서 sb₂S₃를 증착한 뒤, 촬상관의 관구에 삽입해서 특성 측정을 행한 바, 동작전압 30V에 있어서, 첨가를 전혀 행하지 않는 비결정질 실리콘에 비해서, 청색감도가 40%증가, 잔상특성이 1/3이하로 감소한다는 양호한 특성이 얻어졌다.

마찬가지 장치를 사용하여, 붕소첨가가 시작하는 거리 Xo의 위치를 바꾸어서 수종의 촬상관을 만들어 550mm(녹색)의 신호광에 대해서 촬상관특성을 측정하였다. 그 결과를 제6도에 나타낸다. 촬상관특성의 양호정도를 나타낸는 지표로서, 여기서는 신호출격과 잔상치(빛을 끊은 뒤 50ms뒤의 신호잔류분의 비율)의 역수와의 곱을 사용하여, 임의단위로 표시하였다. 도표중 참고로 이 시료의 Xc를 나타낸다.

Xo = 4.0㎛에 대응하는 점은 불순물을 첨가하지 않는 촬상관특성을 나타낸다. 실용상은 Xc의 값보다 약간 벗어나도 사용은 가능하나, Xc +0.5㎛가 한계이고, 그것을 초과하면 잔상특성이 현저하게 나빠진다.

즉, 제5도와 같이 장방형상으로 불순물첨가를 행할 경우는, Xc의 위치에서 개시하는 것이 중요하다.

또, 붕소의 첨가레벨이 100ppm까지 도달하면, 막의 저항이 촬상관에 사용할 수 없을때까지 내려가므로, 이 레벨이 상한이다.

또한 하한은 1ppm(바람직하게는 5ppm)이다.

제7도는 실시예 1에서 설명한 방법으로 형성된 촬상관의 잔상특성(실선)을 나타낸 도면이다. 도면에는 비교를 위해서, 붕소를 첨가하지 않는 종래의 비결정질 실리콘을 광도전막을 사용한 촬상관의 잔상특서도 파선으로 표시하였으나, 본 발명에 의해 특히 단파장측에서의 잔상특성의 개선이 현저하다는 것을 알 수 있다.

또 제8도는, 이들 촬상관의 분광감도를 나타내는 것으로, 도면중은 실선은 본 발명에 의한 촬상관의 분광특성을 나타내고, 파선은 종래의 촬상간의 분광특성을 나타낸다. 본 발명에 의해 분광감도도 향상되고 있다.

또한, 투명전극과의 계면의 첨가량 낮게 설정하였기 때문에, 암전류의 증가는 볼수 없다는 것도 확인되었다.

[실시예 2]

복수의 가스도입경로를 가진 스페터링장치를 사용한다. 고순도 si타아기트로서, 실시예 1과 마찬가지인 방전조건으로 비결정질 실리콘을 퇴적한다. 그동안, 디보란가스(B₂H₆)을 유량을 제어하면서 시시각각 증량하면서 반응조내에 도입한다. 비결정질 실리콘의 불순물 함유량이 10ppm이 되었을때 증가를 멈추게하고, 그 뒤는 일정한 레벨로 5㎛의 막두께까지 퇴적한다. 불순물의 분포형을 제9도에 나타낸다. 이와 같은 구조로는 투명 전극측의 첨가량이 적으므로, 당초부터 첨가가 개시되어도 좋으나, Xc의 거리에서 10ppm, 바람직하게는 5ppm를 넘지않는 것이 바람직하다.

이와 같이 해서 만든 촬상관은 실시예 1과 마찬가지로 양호한 특성을 나타냈다.

[실시예 3]

실시예 2와 마찬가지 방법으로 붕소로 첨가한 비결정질 실리콘막을 퇴적하나, 불순물첨가는 퇴적개시로부터 종료까지 연속적으로 증가시킨다. 이 경우의 분순물분포는 제10도와 같이 된다.

전술한 바와 같이, 광입사측에 Xc까지의 거리사이에는 그다지 다량의 붕소가 첨가되어 있지 않는 것이 필요하고, 10ppm이하, 바람직하게는 5ppm이하로 억제하는 것이 필요하다. 막두께 4㎛, 최종붕소첨가량 50ppm의 비결정질 실리콘막을 만든 바, 청색광에 대해서 실시예 1에 상당하는 개선을 볼 수 있었다.

Al, Ga, In등의 제3족원자 및 Zn, cd등의 제2족원자도 붕소와 같은 효과를 가지고 있는 것이 확인되었다. 이들 불순물을실리콘에 첨가하려면, 실시예 1에 개재한 스패터링에 의한 방법이 좋다. 첨가량을 조절하려면, 타아기트에 사용하는 원소를 피착하고, 그 면적을 증감해서 행하는 것이 간단하고 명확하다. 실시예 2에 기재된 첨가하려는 원소의 기체화합물을 도입하는 방법도 물론 가능하나, 이들 원소의 거동은 붕소만큼 상세히는 조사되어 있지 않으므로, 실리콘중의 불순눌농도의 제어는 앞의 방법만큼 간단하지 않다. 이들 원소의 바람직한 불순물의 농도는 모두 원자수로 측정해서 붕소의 그것과 같다. 붕소를 포함하여 이들 원소를 복수종류 첨가해도, 그 효과는 실질상 단체의 경우와 같다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 광도전체층의 투명전극측의 첨가원소농도를 낮게 하므로서 사용하는 신호광의 각 파장에 대해서 최량의 특성을 끌어낼 수 있는 위에 암전류를 억제할 수 있고, 비결정질 실리콘을 수광면으로 한 촬상관의 적용범위가 대폭적으로 확대된다.

또한 실시예에는 반응성 스페터링법에서의 막형성에 대해서 설명하였으나, 글로우 방전분해법 등으로 만든 비결정질 실리콘의 경우도 마찬가지 효과가 확인된다. 또, 통상 행하여지는 것과 같이 촬상관의 암전류의 억제수단으로 투명전극과, 광도전체층 사이에 각종 산화물, 플루오르화물, 혹은 고능도불순물을 첨가한 n형 비결정질 실리콘등을 블록킹층으로 해서 삽입하는 구조인 소자의 광도전막으로서, 본 발명구조의 광도전막을 사용할 경우도 마찬가지 효과를 확인할 수 있다.

기타, 본 발명의 수광층을 교체촬상소자등의 촬상관 이외의 광전변환장치에 응용할 수 있는 것은 말할 것도 없다.

Claims (7)

1. 투광성 도전막으로 된 투명전극과 광도전체층을 구비하고, 상기 투광성 도전막이 빛의 입사측에 배치된 수광소자에 있어서, 상기 광도전체층이, 수소를 적어도 5원자%~30원자%를 함유하고, 다시 제3족원자, 제2족원자 중에서 선택된 적어도 하나를 투광성 도전막의 반대측에서 농도가 높아지도록 첨가된 비결정질 실리콘으로 되어 있고, 또한 상기 광도 전체층에 투명전극측이 정, 반대측이 - 가되는 방향에 전압이 인가되는것을 특징으로 하는 수광소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 과도전체층중의 미량첨가원자의 함유량분포가 투광성 도전막 계면에서 5ppm이하이고, 또한 적어도 막두께의 중앙부에서 투광성 도전막과 반대측의 계면까지 100ppm이하 1ppm이상인 것을 특징으로 하는 수광소자.
3. 제2항에 있어서, 상기 광도전체층중의 미량첨가불순물의 함유량이 투광성 도전막계면에서 거리 0.5㎛ 까지의 영역에서 10ppm이하인 것을 특징으로 하는 수광소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 광도전체층중의 미량첨가원자의 함유량이, 정공전류밀도(JP) 와 전류전류밀도(Je)가 같게 되는 투명 전극으로부터의 광도전체층중의 거리(Xc)까지는 10ppm이하이고, (Xc)에서 떨어진 영역에서는 1ppm이상 100ppm이하인 것을 특징으로 하는 수광소자.
5. 제1항 내지 제4항의 어느 한항에 있어서, 상기 광도전체층과 투광성 도전막과의 사이에, n형 반도 체박층 또는 투광성 유전체박층중의 적어도 하나를 삽입하는 것을 특징으로 하는 수광소자.
6. 제5항에 있어서, 상기 광도전체층의 상기 투광성 도전막과는 반대측의 단부면에 비임·랜딩층을 가지고, 상기 투광성 도전막에 입사하는 빛의 강도분포를 비임주사에 의해서 검지하는 것을 특징으로 하는 수광소자.
7. 제1항에 있어서, 상기 제2족원자는 Zn, cd이고, 상기 제3족원자는 B, Al, Ga, In인 것을 특징으로 하는 수광소자.

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