CN1008783B - 一种图象传感器 - Google Patents
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Abstract
一种光电转换器，其光敏部分系按一定的方式设计，使光电流只在垂直于半导体层的方向上流动，从而使该光电转换器能快速响应入射光。这种光电转换器由半导体和一对敷在半导体层相对表面上的电极组成，半导体层和各电极一起腐蚀加工，从而使各层与备电极具有同样的面积和形状。
Description
本发明涉及光电转换器。
迄今为止，人们对光电变换器的应用提出过各色各样的方案。传真机用的接触式图象传感器是这种应用的一个实例，其示意图如图1所示。该传感器由光敏半导体层3组成，光敏半导体层3在两相对表面上有一对电极2和4，该对电极是用三个掩模通过刻蚀技术制成的。
现行这种光电转换器的制造方法如下：一先在衬底1上形成一层铬导电层，用第一个掩模1m形成图案，形成多个第一电极2，再用辉光放电法在已形成图案的电极2上淀积一层1微米厚非晶体硅光敏本征半导体层，然后用第二个金属掩模2m形成图案，形成光电变换层3。作为半导体层，非晶体硅层按这样一种方法形成，以致即使掩模2m可能位移，已形成图案的层也仍能充分遮盖第一电极2。然后在半导体层3上形成一层氧化铟锡导电层，并用第三个掩模3m刻制第二电极4。在第二电极4和半导体层3之间的结（MI结）-肖特基势垒上，可制成整流二极管。
当光线如图1（C）所示那样通过第二电极4入射到半导体层3上时，就产生与入射光强度成比例的电子一空穴对。
但图1（A）至图1（C）所示的图象传感器，其半导体层3都制造得大于第一电极2。因此，在垂直相对配置的电极2和4之间的区内也产生电子一空穴对，而且在该区内所产生的载流子发生横向漂移，如图1（A）各箭头所示。横向漂移使响应滞后。
另一方面，按上述方法制造的本征半导体层具有在易于转变成n型
的曝光表面形成寄生通道的倾向，从而产生大的暗电流，并使产品质量参差不齐。此外，三个掩模的采用降低了成本效率。
因此本发明的一个目的是提供经过改良的光电转换器及其制造方法。
本发明的另一个目的是提供经过改良能实时变换入射光的光电变换器及其制造方法。
本发明的又一个目的是提供经过改良其对入射光的响应时间滞后不大的光电转换器及其制造方法。
本发明的再一个目的是提供经过改良在其光电半导体上的寄生通道不多的光电变换器及其制造方法。
图1（A）、（B）和（C）是现有技术的图象传感器。
图2（A）至图2（J）是本发明的线性接触式图象传感器的平面图和剖面图。
图3（A）至图3（D）是本发明另一种线性接触式图象传感器的平面图和剖面图。
图4（A）至图4（J）是本发明二维接触式图象传感器的平面图和剖面图。
参看图2（A）至图2（J），这是按制造过程说明本发明一个实施例的示意图。
用第一个光掩模1m在诸如石英板、硼硅酸玻璃板之类的耐热衬底上敷上多个氧化锡透明的电极条19。然后依次敷上第一导电层2、光敏半导体层3和第二导电层5。第一导电层是2000埃厚的氧化铟锡层。半导体层至少由一层大体上是本征半导体构成，例如含p-i-n结、n-i-n结或m-i结的非晶体硅半导体层等;各层系用周知的化学汽相淀积法淀积成。硅半导体层显然略呈n型导电性，因而可掺以硼之类的p型杂质使之成为大体上是本征性的半导体。
例如，半导体层可由一层200埃厚的p型半导体层、一层3500埃厚的本征半导体层和一层300埃厚的n型半导体层组成，各层都用多室等
离子体增强的化学汽相淀积法淀积成（如本申请人在昭-54-104452号日本专利申请书所公开的那样）。在此情况下，第二导电层5系由厚1000埃的铬制成，硅化铬透明导电层4则系作为10至200埃厚的副产品在半导体层3与铬层5之间形成。硅化铬层4作为缓冲层使半导体层3与电极5之间的接触具有电阻性。
接着，用第二个掩模2m将导电层2、4、5和半导体层3的叠层整体地腐蚀，以便在各电极条19上形成光电部件10，如图2（C）、（D）、（E）所示。
诸光电部件10是接触式图象传感器的敏感部分，各部件长150微米，宽100微米，间距30微米，成直线排列。
如图2（F）所示，可用涂敷法形成1.6微米厚的光固化型有机树脂层6，例如芳香族聚酰亚胺母体溶液，以此来彻底封闭光电部件10。然后，将透明衬底1在干净的烘炉中在80℃温度下预焙1小时，再用公知的掩模对准器但不用掩模用紫外线从透明衬底1背面进行照射。采用古比尔特公司的掩模对准器时，照射时间约为两分钟。固化处理之后，用适当的冲洗液除去树脂层未固化的部分，使剩余的树脂层几乎与因此而暴露的光电部件顶部表面齐平。在这方面，固化处理使树脂的体积大致上减小1/2，因而对0.8微米厚的光电部件来说，固化处理前树脂的厚度应选用1.6微米。采用300至400毫微米波长（10毫瓦/平方厘米）的紫外线时，15至30秒的照射时间是足够的。
最后，将衬底1在氮气体中在180℃下加热30分钟，在300℃下加热30分钟，在400℃下加热30分钟，然后在整个衬底1的上部表面敷上一层0.1至1.5微米的铝层9，并用第三个光掩模3m进行腐蚀，使剩下的铝层横向遍布和确实与全部光电部件10的暴露表面接触而盖住所有的光电部件。
铝电极9的宽度两端超过光电部件20，且超出光电部件20的周边延
伸，因而通过光电转换器背面进入光电部件20的光确实被挡住。这样，顶部表面光滑的图象传感器就制成了。例如，诸光电部件可排成一直线，每1毫米排8个单元。
本发明人曾在配置电极9之前用电子显微镜观察过光电部件与树脂层之间的接触情况。结果观察到有少许的不均匀，但不存在因牵拉电极2或4而造成的会在相对电极2和4之间形成短路电流的裂痕。还观察到，不存在会使其上的布线图案中断的凸出部分，而且两横向相邻各层都彼此平滑连接。借助于这种结构，就有可能将氧化铟锡层作为电极9叠加到各层上而不致在界面的正上方位置引起任何断路的可能性。
如此形成的作为光电部件的光电变换元件20系由与线19接触的第一电极2、半导体层3、第二电极4和与线13接触的第三电极5组成。半导体层3则完全被其顶面和底面上的电极，侧面的树脂封闭着，因而在半导体层上没有漏泄电流，也没有寄生通道产生。
此外，相对配置的电极2和4可取与半导体层3同样的面积和形状，与形成图案的精度无关。
现对本发明采用带p-i-n结光电器件进行试验获得的光电特性实例说明如下。即，所加电压为3伏时，暗电流为1.8×10-13安（光电池面积100微米×150微米），照度为100勒克司时，光电流为3.5×10-8安。光电器件具有这样的响应特性，即它可以跟得上入射光每一微秒的转换。上面谈到的现有技术器件跟不上如此频繁的转变。
另一个实验对象是带n-i-n结的光电器件。通过n-i-n结的电流与所加偏压的关系特性曲线对称于零偏压，暗电流为4×10-13安，参考光照度为100勒克司。该器件能令人满意地跟得上0.2微秒时间间隔的间歇照射。
虽然上述实施例介绍的是从衬底接收入射光的器件，但本发明也适用于从相反的一面接收入射光的器件。下面参照图3（A）至图3（D）介绍这
类器件的另一个实施例。这类器件的制造过程可采用上述实施例所述到图2（G）为止的各项步骤，因此这里只介绍图2（G）以后的各项步骤。
将图2（F）中的树脂层6进行淀积之后，按这样的方法除去树脂层6和导电层5，使得剩下的树脂层与硅化铬层4齐平，如图3（A）所示。树脂层的去除按前一个实施例的同一方式进行。
最后，将衬底1在氮气体中在180℃下加热30分钟，在300℃下加热30分钟，在400℃下加热30分钟，然后在整个衬底1的上部表面敷上一层0.1至1.5微米的铝层9，并用第三个光掩模3m进行腐蚀，使剩下的铝层横向遍布和确实与全部光电部件10的暴露面接触而盖住所有的光电部件，如图3（B）、3（C）和3（D）所示。铝电极9的宽度两端超过光电部件20，且超出光电部件20的周边延伸，因而通过光电变换器背面进入光电部件20的光确实被挡住。这样，顶部表面光滑的图象传感器就制成了。例如，诸光电部件可排成一直线，每一毫米排8个单元。
图4（A）至图4（J）是本发明的另一个实施例，其中光电部件系按矩阵排列。这是二维接触式图象传感器的一个实施例。
用第一个光掩模1m在诸如石英板、硼硅酸玻璃板之类的耐热衬底上敷上多个透明氧化锡电极条19。然后依次敷上第一导电层2、光敏半导体层3和第二导电层5。第一导电层是2000埃厚的氧化铟锡。半导体层至少由一层大体上是本征半导体的料层构成，如含p-i-n结、n-i-n结或m-i结的非晶形硅半导体层等，各层系用周知的化学汽相淀积法淀积成。硅半导体层显然略呈n型导电性，因而可掺以硼之类的p型杂质使之成为大体上是本征性的半导体。
例如，半导体层可由一层200埃厚的p型半导体层、一层3500埃厚的本征半导体层和一层300埃厚的n型半导体组成，各层都用多室等离子体增强的化学汽相淀积法淀积成（如本申请人在昭-54-104452号日本专利申请书所公开的那样）。在此情况下，第二导电层5系由厚1000埃
的铬制成，硅化铬透明导电层4则系作为10至200埃厚的副产品在半导体层3与铬层5之间形成。硅化铬层4作为缓冲层使半导体层3与电极5之间的接触具有电阻性。
接着，用第二个掩模2m将导电层2、4、5和半导体层3整体地腐蚀以便在各电极条19上形成光电部件10，如图4（C）、4（D）和4（E）所示。
为构成二维接触式图象传感器，将光电部件10按矩阵排列。诸光电部件10是接触式图象传感器的敏感部分，各块长150微米，宽100微米，间距30微米。
如图4（F）所示，可用涂敷法形成1.6微米厚的光固化型有机树脂层6，例如芳族聚酰亚胺母体溶液，以此来彻底封闭光电部件10。然后将透明衬底1在干净的烘炉中在80℃温度下预焙1小时，再用公知的掩模对准器但不用掩模用紫外线从透明衬底1背面进行照射。采用古比尔特公司的掩模对准器时，照射时间约为两分钟。固化处理之后，用适当的冲洗液除去树脂层未固化的部分，使剩余的树脂层6几乎与因此而暴露的光电部件顶部表面齐平。在这方面，固化处理使树脂的体积大致减小1/2，因而0.8微米厚的光电部件来说，未固化处理前树脂的厚度应选用1.6微米。采用300至400毫微米波长（10毫瓦/平方厘米）的紫外线时，15至30秒的照射时是足够的。
最后将衬底1在氮气体中在180℃下加热30分钟，在300℃下加热30分钟，在400℃下加热30分钟，然后在整个衬底1的上部表面敷上多个彼此分开的0.1至1.5微米的铝层9，并用第三个光掩模3m进行腐蚀，使矩阵各排上的诸光电部件完全为仍单独沿矩阵各排延伸的铝层之一所遮盖。铝电极9的宽度两端超过光电部件20，且超出光电部件20的周边延伸，因而通过光电转换器背面进入光电部件20的光确实被挡住。这样，顶部表面光滑的图象传感器就制成了。例如，诸光电部件可排成一直线，每1平方毫米排64个单元。
如此形成的作为光电部件的光电转换元件20系由与线19接触的第一电极2、半导体层3、第二电极4和与线13接触的第三电极5组成。半导体层3则被其顶面和底面上的电极，侧面的树脂层完全封闭着，因而在半导体层上没有漏泄电流，也没有寄生通道产生。
此外，相对配置的电极2和4可取与半导体层3同样的面积和形状，与图案制作的精度无关。
如上所述，本发明的光电转换器系由多个叠层组成，各叠层的周边分别为树脂层所包围。薄片层的上部表面暴露着，就象不设树脂层一样。虽然各层表面和树脂层表面最好构制成彼此齐平，但树脂层也可制成其上部表面低于各层表面。
本发明特别适合作为图象传感器使用，因为在衬底上可以细致地配置多个传感器元件而不致造成相邻各元件之间互相干扰，而且因为各传感器元件可以长期保持高可靠性，具有抗外来冲击力的高耐磨性。
不言而喻，本发明仅受所附权利要求的限制而不受具体实施例的限制，熟悉本专业的人士都可对上述诸实施例进行修改和更改。
虽然本发明介绍的是接触式图象传感器，但本发明也可适用于只具有一个或几个变换元件的其它类型光电转换器。光电变换半导体层除可含有p-i-n结或n-i-n结外，还可含有p-i-结、n-i结、m-i结（肖特基结）、n-i-p结或m-i-n结。用于本发明的半导体物质可以是SiXGe1-X（0＜X≤1），SiXC1-X（0＜X≤1）或SiXSn1-X（0＜X≤1）。
Claims (12)
1、一种图象传感器，其特征在于，该图象传感器包括：
一个衬底；和
配置在所述衬底上的光敏半导体阵列，所述阵列各元件由一半导体层和一对分别配置在所述半导体层上下表面且复盖所述上下表面的第一和第二电极所组成。
2、根据权利要求1的传感器，其特征在于，所述第一和第二电极与所述半导体层彼此重叠。
3、根据权利要求1的传感器，其特征在于，该传感器还包括多个分别与所述第一电极接触的信号引出线。
4、根据权利要求1的传感器，其特征在于，该传感器还包括一层配置在所述阵列元件各相邻元件之间的树脂层。
5、根据权利要求4的传感器，其特征在于，所述树脂层的上部表面不高于所述半导体层的上部表面。
6、根据权利要求4的传感器，其特征在于，所述树脂层与所述半导体层齐平。
7、一种制造由多个传感器元件组成的图象传感器的方法，其特征在于，该方法包括：
制备衬底工序;
在所述衬底上加设电极的工序;
在所述第一电极上敷上光电半导体层的工序;
在所述半导体层上加设第二电极的工序;
用多个掩模在所述安置在分别与传感器元件相对应位置上的第二电极上、一次腐蚀所述第一和第二电极以及所述半导体层的工序。
8、根据权利要求7的方法，其特征在于，该方法还包括制造多个引出所述元件输出用的导线的工序。
9、根据权利要求7的方法，其特征在于，，该方法还包括在所述各元件之间配置树脂层的工序。
10、根据权利要求9的方法，其特征在于，所述衬底是透明的。
11、根据权利要求10的方法，其特征在于，所述树脂层系以所述各个元件作为掩模用光蚀刻法蚀刻负性感光性树脂形成的。
12、根据权利要求11的方法，其特征在于，蚀刻条件系这样选择，使剩余的树脂层与所述半导体层齐平。
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