DE69231398T2

DE69231398T2 - Photoelektrischer Wandler und Steuerverfahren dafür

Info

Publication number: DE69231398T2
Application number: DE69231398T
Authority: DE
Inventors: Ihachiro Gofuku
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-11-22
Filing date: 1992-11-20
Publication date: 2001-02-22
Anticipated expiration: 2012-11-21
Also published as: EP0543391B1; EP0543391A2; US5767560A; DE69231398D1; EP0543391A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine fotoelektrische Wandlereinrichtung und ein Verfahren zum Antrieb derselben, und insbesondere auf eine fotoelektrische Wandlereinrichtung und ein Verfahren zum Antrieb derselben, welche/welches zum Zeitpunkt der Ausführung einer Operation zur Speicherung von Ladungen in einer Avalanche-Fotodiode (APD) zur Absenkung der Antriebsspannung der fotoelektrischen Wandlereinrichtung geeignet ist, wobei sie Kennlinien mit Knick hat.

Verwandter Stand der Technik

In jüngster Zeit sind mit dem weitreichenden Gebrauch von Bildinformationsbearbeitungseinrichtungen wie zum Beispiel Faksimilegeräten, digitalen Kopiergeräten, Bildleseeinrichtungen und Videokameras ein länglicher Zeilensensor, der Fotosensoren aufweist, welche eindimensional angeordnet sind, und ein Flächensensor, der selbige aufweist, welche zweidimensional angeordnet sind, in breite Anwendung gebracht worden.
Als fotoelektrische Wandlereinrichtung zur Anwendung in den vorhergehend genannten Sensoren sind ein Bilderfassungs- Festkörperbauelement wie zum Beispiel ein CCD-Element, ein bipolarer Transistor oder ein Bilderfassungs-Festkörper bauelement vom MOS-Typ benutzt worden. In jüngster Zeit gibt es den Wunsch zur weiteren Verbesserung des Signal- Rausch-Verhältnisses, da das Öffnungsverhältnis des Bildelements herabgesetzt worden ist und das Rauschen eines Signalladungs-Übertragungssystems aufgrund der dichteren Montage der Geräte verstärkt worden ist, die mit der Verbesserung der Qualität der Bilder erforderlich ist.
Unter den vorhergehend genannten Bedingungen ist das auftreffende Licht unter Nutzung einer sphärischen Linse oder durch Anwendung einer Struktur, bei welcher eine aus einem Material wie zum Beispiel amorphen Silizium gefertigte fotoelektrische Wandlereinrichtung auf ein CCD-Element oder dergleichen geschichtet ist, auf effektive Weise genutzt worden. Das besondere Problem des Rauschens des Übertragungssystems ist jedoch ungelöst geblieben.
Demgemäß ist von einer Avalanche-Fotodiode (APD) Gebrauch gemacht worden, welche das Rauschen des Übertragungssystems durch Verstärkung des optischen Signals in einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung entsprechend beseitigt (siehe "Shin-Gaku Giho" Bd. 86, Nr. 208, '86). Die Avalanche-Fotodioden sind Dioden, welche sich auf dem Gebiet der optischen Kommunikation in breiter Anwendung befinden und welche dazu geeignet sind, den Ausgangswert mehrere Dutzend Mal bis auf hunderte Male zu verstärken. Wenn die APD in einer Bildaufnahmeeinrichtung angewandt werden kann, kann erwartet werden, daß das Signal-Rausch-Verhältnis auf zufriedenstellende Weise verbessert werden kann.
Die breite Anwendung der APD in Bildaufnahmeeinrichtungen ist jedoch durch die Tatsache verhindert worden, daß sich das Verfahren zum Antrieb der APD beträchtlich von dem zum Antrieb fotoelektrischer Wandlerelemente zum Gebrauch in gewöhnlichen Bildaufnahmeeinrichtungen wie zum Beispiel shot-keys, PN und PIN unterscheidet.
Die normale APD zum Gebrauch auf dem Gebiet der optischen Kommunikation erfordert eine erheblich hohe Spannung von mehreren Dutzend bis hunderten von Volt, da die Avalanche- Vervielfachung durch eine Beschleunigung des elektrischen Felds des Ladungsträgers induziert wird, welche durch ein Anlegen von Hochspannung zwischen zwei Anschlüssen der Einrichtung realisiert wird, und deshalb ist die APD keine normale Energiequelle zum Antreiben eines Abbildungs-Festkörperbauelements.
Überdies führt die Tatsache, daß die Avalanche-Vervielfachung erheblich von der Intensität des elektrischen Felds abhängt, dazu, daß kein Bereich vorhanden ist, von welchem in Bezug auf die Intensität des eingegebenen Lichts ein linearer Ausgangswert erzielt werden kann, wenn in Betracht gezogen wird, die Avalanche-Vervielfachung in einem Ladungsspeicherungs-Modus anzuwenden, welcher ein normaler Modus zum Antrieb des Bilderfassungs-Festkörper-Bauelements ist.
Demgemäß ist ein Mittel zu Verbesserung entwickelt worden (ITEJ Technical Report Bd. 11, Nr. 28, Seiten 67 bis 72), welche eine für den Ladungsspeicherungsabschnitt vorgesehene zusätzliche Kapazität hat, um die aufgrund der Ladungsspeicherung stattgefundene Änderung des elektrischen Felds zu beschränken, so daß die Linearität des Eingangs und die des Ausgangs aufrechterhalten werden. Die Verschlechterung der Linearität des Eingangs und des Ausgangs kann jedoch nicht vollkommen verhindert werden, wenn die Spannung der Ausgangssignalkomponente geändert worden ist, während das Problem, daß eine Hochspannungsquelle benutzt werden muß, ungelöst geblieben ist.
Als ein Bereich, in welchem die Avalanche-Vervielfachung stattfindet, ist eine Struktur entwickelt worden, die auf eine solche Weise aufgebaut ist, daß schräge Bandlücken miteinander kombiniert sind und die Ladungsträger-Verviel fachung in einem Hetereoübergangsabschnitt gesteigert wird (siehe japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 58- 157179).
Bei dem vorhergehend genannten Verfahren verhindert die Tatsache, daß die zur Ionisierung des Ladungsträgers erforderliche Energie von der Energiestufe zugeführt wird, die in dem Heteroübergangsabschnitt vorhanden ist, die Veränderung des Vervielfachungsverhältnisses, welche aufgrund der Änderung der Energieversorgungsspannung stattfindet, wenn die Ladung gespeichert wird. Überdies ist es notwendig, daß jede der schrägen Schichten zu einer Anzahl von Zeitpunkten, die der Anzahl der schrägen Schichten entspricht, mit einer Spannung von 1 bis 2V versorgt wird, da die an die Vervielfachungsschicht anzulegende Spannung auf einen Pegel reduziert werden kann, bei welchem jede der Schichten mit schräger Bandlücke verarmen kann. Beispielsweise ist es ausreichend, in dem Fall, in welchem zum Beispiel fünf schräge Schichten vorhanden sind, von denen jeder eine Spannung von 2V vorgeschaltet wird, eine Spannung von 10V anzulegen.
Die vorhergehend genannte fotoelektrische Wandlereinrichtung kann jedoch nicht die Verschlechterung des dynamischen Bereichs in Abhängigkeit von den Antriebsbedingungen wie zum Beispiel der angelegten Spannung verhindern, da sie hauptsächlich nur zum dem Zweck vorgesehen ist, eine stabile Linearität des Eingangs und des Ausgangs zu erzielen, d. h. selbst wenn die an die Einrichtung angelegte effektive Vorspannung während der Ladungsspeicherungsoperation geändert worden ist, wird die Ladungsträger-Vervielfachung nicht verändert.
Demgemäß bestand die Absicht, eine fotoelektrische Wandlereinrichtung, die eine hohe Empfindlichkeit und eine weiten dynamischen Bereich aufzeigt, und ein Verfahren zum Antrieb derselben zu realisieren, indem durch Anordnen von an Störstellen reichen Schichten auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Heteroübergangsabschnitts zwischen der Schicht mit maximaler Bandlücke und der Schicht mit minimaler Bandlücke der Ladungsspeicherungsoperation eine Kennlinie mit Knick gegeben wurde.
Es entsteht jedoch ein Problem derart, daß das Konzept des Antriebs einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung mit einer niedrigen Spannung nicht realisiert werden kann, wenn kein Mittel angewandt wird, welches in der Lage ist, den Anstieg der angelegten Spannung zu minimieren, da die Tatsache, daß die zusätzliche Störstellenschicht durch eine Verarmungsschicht eingeschlossen ist, normalerweise die zum Verarmungsprozeß erforderliche Spannung erhöht. Dieses Problem wird nun kurz beschrieben.
Fig. 1 veranschaulicht ein Energieband, welches die Struktur einer herkömmlichen fotoelektrischen Wandlereinrichtung zeigt, die in der offengelegten internationalen Anmeldung Nr. WO91/02381 offenbart ist. Fig. 1A veranschaulicht ein Energieband, das realisiert wird, wenn keine Vorspannung an eine ADP angelegt wird, die als Struktur der Einrichtung einen Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt hat, der durch drei Stufen gebildet ist. In der Zeichnung repräsentiert das Symbol Eg&sub1; ein erforderliches verbotenes Band, repräsentiert Eg&sub2; ein minimales verbotenes Band und repräsentiert Eg&sub3; ein maximales verbotenes Band. Das Symbol V&sub0; repräsentiert die Energie, welche die Differenz (x&sub2; - x&sub3;) zwischen der Elektronenaffinität x&sub2; eines Eg&sub2;-Materials und der Elektronenaffinität x&sub3; eines Eg&sub3;-Materials ist.
Fig. 1B veranschaulicht ein dann realisiertes Energieband, wenn eine Vorspannung angelegt wird, die erforderlich ist, um zu bewirken, daß eine Ladungsträger-Vervielfachung stattfindet. In Fig. 18 repräsentiert das Symbol Eion eine Ladungsträgerionisierungsenergie und repräsentiert V&sub0; die Energie, welche die Differenz (x&sub2; - x&sub3;) zwischen der Elek tronenaffinität x&sub2; eines Eg&sub2;-Materials und der Elektronenaffinität x&sub3; eines Eg&sub3;-Materials ist. Das Symbol VDA repräsentiert die Energie, die durch Hinzufügung einer Energiestufe erzielt wird, welche dem beschleunigten elektrischen Feld zu V&sub0; entspricht, wobei für die vorhergehend genannte VDA eine Beziehung VDA ≥ EION ≥ V&sub0; gilt.
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, welche die Kennlinien zwischen elektrischen Strömen und Spannungen einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung eines gemäß Fig. 1 aufgebauten Typs veranschaulicht.
Die in Fig. 1 gezeigte Struktur ist auf eine solche Weise aufgebaut, daß das minimale verbotene Band einer hochdichten n-Dotierung unterzogen wird, da die Bandverschiebungsenergie der leitfähigen Zone des Heteroübergangabschnitts zwischen den Schichten mit schräger Bandlücke, die aufgrund der Ladungsträger-Vervielfachung realisiert wird, niedriger als die Energie zur Ionisierung des minimalen Bandlückenabschnitts ist, so daß eine Konzentrierung des elektrischen Felds stattfindet, wenn die Vorspannung an die Einrichtung angelegt wird, um das Stattfinden der Elektronenionisierung zu bewirken.
Unter den vorhergehend genannten herkömmlichen APD ist es bei der zur Ausnutzung der Elektronenvervielfachung vorgesehenen APD, die dadurch als ein hochdichter n-Halbleiter aufgebaut ist, daß dessen minimales verbotenes Band einer hochdichten n-Dotierung unterzogen wird, jedoch notwendig, zusätzliche Spannungen von ungefähr 20, 40 und 60 V anzulegen, nachdem ein elektrischer Strom zu fließen beginnt, welcher einer Quantenausbeute von 1 bis 14 V entspricht, bis 2-, 4- und 8-fache Vervielfachungen stattfinden. Die vorhergehend erwähnten Spannungspegel sind hohe Pegel, verglichen mit den Spannungspegeln, welche ein Problem hervorgerufen haben, das durch die herkömmliche APD des Typs mit Beschleunigung des elektrischen Felds zu lösen ist. Deshalb kann festgestellt werden, daß die vorhergehend genannte Voraussetzung nicht in praktischer Anwendung ist.
D. h., die herkömmliche fotoelektrische Wandlereinrichtung, die auf eine solche Weise aufgebaut ist, daß zum Zweck der Verhinderung der Reduzierung des dynamischen Bereichs der APD, die zur Ausnutzung der Elektronenvervielfachung vorgesehen ist und eine Struktur hat, die durch Wiederholung der Schichten mit schräger Bandlücke realisiert wird, der hochdichte n-Halbleiter in dem Heteroübergangsabschnitt zwischen der Schicht des maximalen verbotenen Bands und der Schicht des minimalen verbotenen Bands angeordnet ist, weist ein ungelöstes Problem derart auf, daß die Hochspannung angelegt werden muß, wenn sie angetrieben wird.
Fig. 3A veranschaulicht ein Energieband, das realisiert wird, wenn keine Vorspannung an eine andere APD angelegt wird, die als Einrichtungsstruktur einen aus drei Stufen zusammengesetzten Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt aufweist, und Fig. 3B veranschaulicht ein Energieband, das realisiert wird, wenn eine Vorspannung angelegt wird, die erforderlich ist, damit die Ladungsträger-Vervielfachung stattfindet. In Fig. 3 repräsentiert das Symbol V&sub0; die Energie, welche die Differenz (x&sub2; - x&sub3;) zwischen der Elektronenaffinität x&sub2; eines Eg&sub2;-Materials und der Elektronenaffinität x&sub3; eines Eg&sub3;-Materials ist, VD repräsentiert die Energie der Stufe des leitfähigen Bands des Heteroübergangsabschnitts, die realisiert wird, wenn die Vorspannung angelegt wird, und Eion repräsentiert die Ladungsträgerionisierungsenergie, wobei die vorhergehend genannten Faktoren eine Beziehung VD = V&sub0; ≥ Eion haben.
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, welche die Strom- Spannungs-Kennlinien der in Fig. 3 gezeigten APD veranschaulicht.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten herkömmlichen Beispiel überschreitet die Bandverschiebungsenergie des Heteroübergangabschnitts zwischen den Schichten mit schräger Bandlücke für die Ladungsträger-Vervielfachung die Energie zur Ionisierung des minimalen Bandlückenabschnitts zum Zeitpunkt der Null-Vorspannung überschreitet. Deshalb unterliegen an die Einrichtung alle Schichten mit schräger Bandlücke mit dem Fortschreiten der Vorspannungs-Anlegung im wesentlichen gleichzeitig der Verarmung. Wenn die Spannung die Verarmungsspannung Vdep überschreitet, wie in Fig. 4 gezeigt ist, beginnt schnell ein starker elektrischer Strom zu fließen, welcher ungefähr einer Quantenausbeute von 8 entspricht.
Fig. 5 veranschaulicht die Beziehung (durchgehende Linie) zwischen dem Eingang und dem Ausgang der herkömmlichen fotoelektrischen Wandlereinrichtung, die realisiert werden, wenn in dieser eine Ladung gespeichert wird, und die Beziehung (gestrichelte Linie) zwischen diesen bei einer Einrichtung eines Typs, die eine Quantenausbeute von 1 hat. Wie aus dieser grafischen Darstellung verständlich wird, treten bei der Einrichtung, in welche die APD eingebaut ist, die Reduzierung einer Sättigungslichtmenge und die Zusammenziehung des dynamischen Bereichs auf, obgleich die Empfindlichkeit verbessert werden kann.
D. h., eine fotoelektrische Wandlereinrichtung, die zu dem Zweck ausgestaltet ist, daß sie hauptsächlich einen hochempfindlichen Ausgang erzielt, und ein Verfahren zum Antrieb derselben, zeigen ein Problem derart, daß der dynamische Bereich in unerwünschter Weise zusammengezogen wird.
EP-A-0 087 299 offenbart eine fotoelektrische Wandlereinrichtung, wie sie im Oberbegriff von Anspruch 1 und 4 definiert ist. Die Schichten mit schräger Bandlücke des Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitts weisen Schritte zurück von einer breiteren Lücke zu einer engeren Lücke auf. Dadurch wird die Ionisierung eines Ladungsträger-Typs in der Art unterstützt, daß das Verhältnis von Ionisierungskoeffizienten gesteigert wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung, welche dazu geeignet ist, das vorhergehend erklärte herkömmliche Problem zu überwinden, welche gestaltet ist, um die Vervielfachung von Elektronen auszunutzen, in welche eine APD montiert ist, die eine Struktur hat, die durch Wiederholung schräger Bandlücken ausgebildet ist, welche dazu geeignet ist, eine Speicheroperation auszuführen, während sie Kennlinien mit Knick hat, und welche bei minimaler Spannung angetrieben werden kann, und eines Verfahrens zum Antrieb derselben.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung, die zur Aufrechterhaltung eines breiten dynamischen Bereichs geeignet ist, während die Verschlechterung des Signal- Rausch-Verhältnisses verhindert wird, und eines Verfahrens zum Antrieb derselben.
Diese Aufgabe wird durch eine fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 4 gelöst.
Die praktischen Antriebsbedingungen werden dadurch, daß die Vorspannung VV, die an die zwei Enden der Lichtabsorbierenden Schicht und des Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitts der fotoelektrischen Wandlereinrichtung angelegt wird, an der Licht-absorbierenden Schicht geringer als an der Ladungsträger-Vervielfachungsschicht erzeugt wird, und durch die Festlegung von deren Wert wie folgt realisiert, wobei vorausgesetzt wird, daß die Energiestufe des leitfähigen Bands in dem Heteroübergangsabschnitt, in welcher das verbotene Band diskontinuierlich von dem maximalen Wert von dem maximalen Wert zu dem minimalen Wert geändert wird, EC OFF ist, die Dicke der Licht-absorbierenden Schicht dP ist, die Dicke der Ladungsträger-Vervielfachungsschicht dA ist, die Dicke einer Schicht mit schräger Bandlücke dGRD int ist, die Dicke einer Schicht, welche die maximale verbotene Bandbreite hat, bei welcher Fremdatome bis zu einer hohen Dichte hinzugefügt werden können, dEG2 dop ist, und die Anzahl von Heteroübergangsabschnitten einer Schicht, welche das maximale verbotene Band hat, und einer Schicht, welche das minimale verbotene Band hat, n ist,
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Knick-Kennlinien in der Ladungsspeicherungsoperation realisiert werden und deshalb kann der dynamische Bereich durch Anordnung der Struktur der fotoelektrischen Wandlereinrichtung verbreitert werden, welche derart gestaltet ist, daß die Vervielfachung von Elektronen zur Anwendung kommt und in welcher eine APD angeordnet ist, die eine durch Wiederholung schräger Bandlücken auf eine solche Weise ausgebildete Struktur hat, daß mindestens der minimale verbotene Bandbreitenabschnitt des Heteroübergangsabschnitts des Abschnitts der minimalen Bandbreite Eg&sub2; und des Abschnitts der maximalen verbotenen Bandbreite Eg&sub3; als eine hochdichte P-Halbleiterschicht ausgeführt ist.
Sie kann im Vergleich zur herkömmlichen Technologie dadurch mit einem niedrigen Spannungspegel angetrieben werden, daß die an die Einrichtung anzulegende Vorspannung VV, in der Licht-absorbierenden Schicht niedriger als in dem Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt ist, und daß bewirkt wird, daß VV die vorhergehend genannte Gleichung erfüllt. Diese Tatsache wird nun im Detail beschrieben.
Um einen unerwünschten Anstieg der angelegten Spannung VV zu verhindern, ist es wichtig, ein Anlegen eines großen elektrischen Felds an die dicke Licht-absorbierende Schicht zu verhindern.
Angenommen, daß Elektronen vervielfacht werden, ist es erforderlich, das Potential an der Licht-absorbierenden Schicht niedriger zu halten als das an dem Ladungsträger- Vervielfachungsabschnitt, um zu bewirken, daß Elektronen von der Licht-absorbierenden Schicht zu dem Ladungsträger- Vervielfachungsabschnitt fließen. D. h., es ist erforderlich, daß eine negative Spannung an einen Anschluß der Licht-absorbierenden Schicht angelegt wird. Wenn in diesem Fall die Störstellenschicht durch Erhöhung der Spannung verarmt, wird das elektrische Feld in der Lichtabsorbierenden Schicht in dem Fall verstärkt, wenn das Fremdatom ein Donator ist, während dasselbe in dem Ladungsträger- Vervielfachungsabschnitt in dem Fall verstärkt wird, wenn das Fremdatom ein Akzeptor ist.
D. h., die Spannung, welche an die Einrichtung angelegt werden muß, kann dadurch herabgesetzt werden, daß das Fremdatom als Akzeptor ausgebildet ist und der p-Halbleiter angewendet wird, da das auf die Licht-absorbierende Schicht wirkende elektrische Feld reduziert werden kann.
Zur Berechnung des Grads der Video-Vorspannung VV, die an die fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung anzulegen ist, verhält sich die an jede Schicht anzulegende Spannung wie folgt:
In der folgenden Gleichung repräsentieren die Symbole die folgenden Faktoren:
EC OFF: Energiestufe des leitfähigen Bandes in dem Heteroübergang, in welchem sich die verbotene Bandbreite diskontinuierlich vom maximalen Wert zum minimalen Wert ändert,
dP: Dicke der Licht-absorbierenden Schicht,
dA: Dicke der Ladungsträger-Vervielfachungsschicht,
dGRD int: Dicke einer Schicht mit schräger Bandlücke,
dEG2 dop: Dicke einer Schicht, welche die maximale verbotene Bandbreite hat, welcher bis zu einer hohen Dichte Fremdatome hinzugefügt sind,
n: Anzahl von Heteroübergangsabschnitten einer Schicht, welche das maximale verbotene Band hat, und einer Schicht, welche das minimale verbotene Band hat,
k: 1 bis n, Position der Störstellenschicht, gezählt ab der Licht-absorbierenden Schicht
N&sub1;: Störstellendichte
Eg: erforderliche verbotene Bandbreite
Eg&sub2;: minimale verbotene Bandbreite
Eg&sub3;: maximale verbotene Bandbreite
&epsi;: dielektrische Konstante
q: Elektrizitätsmenge
VV: an die Einrichtung anzulegende Spannung
Für den Fall, daß es n Störstellenschichten gibt, wird die Spannung VHK, die an jede Schicht anzulegen ist, wenn sich die Störstellenschicht der Licht-absorbierenden Schicht annähert, durch folgendes ausgedrückt:
Die auf das Ende jeder Störstellenschicht wirkende Intensität des elektrischen Felds EDK wird durch folgendes ausgedrückt:
Da auch das vorhergehend erwähnte elektrische Feld an die k-te Schicht mit schräger Bandlücke angelegt wird, wird die Spannung VAI, die an alle Schichten mit schräger Bandlücke anzulegen ist, durch folgendes ausgedrückt:
Die Störstellendichte NI wird durch die folgende Gleichung festgelegt:
Angenommen, daß die Spannung, die erforderlich ist, um die Schicht mit schräger Lücke zu verarmen, vor der Verarmung der Störstellenschicht vorgeschaltet wird, kann die Spannung entsprechend dem vorgeschalteten Abschnitt wie folgt erzielt werden:
Die Spannung VAI DEP für die Vervielfachungsschicht ist gegeben durch:
VAI DEP = n · EC OFF
Die zu der Licht-absorbierenden Schicht abzuführende Spannung VP DEP ist gegeben durch:
VP DEP = VAI DEP · (dP/dA)
Deshalb ist die Gesamtspannung VDEP gegeben durch:
VDEP = n · EC OFF · ((dP + dA)/dA) ... (3)
Im Ergebnis ergibt sich die an die Einrichtung anzulegende Spannung VV in der Summe aus (1), (2) und (3). Es kann jedoch vorausgesetzt werden, daß der Anteil von (1) gering ist. Ein sich aus der folgenden Gleichung ergebender Wert kann addiert werden, um die minimale Antriebsspannung zu erzielen:
Somit kann eine fotoelektrische Wandlereinrichtung geschaffen werden, welche bei der Ladungsspeicherungsoperation Knick-Kennlinien hat und welche mittels einer niedrigen Spannung angetrieben werden kann.
Die praktischen Antriebsbedingungen werden dadurch realisiert, daß die an die zwei Enden der Licht-absorbierenden Schicht und des Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitts der fotoelektrischen Wandlereinrichtung angelegte Vorspannung an der Licht-absorbierenden Schicht höher als die an den Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt angelegte Spannung ist, und deren Wert wie folgt bestimmt wird, während angenommen wird, daß die Energiestufe des Valenzbands in dem Heteroübergangsabschnitt, in welcher das verbotene Band diskontinuierlich von dem maximalen Wert zu dem minimalen Wert geändert wird, EV OFF ist, die Dicke der Lichtabsorbierenden Schicht dP ist, die Dicke der Ladungsträger-Vervielfachungsschicht dA ist, die Dicke einer Schicht mit schräger Bandlücke dGRD int ist, die Dicke einer Schicht, welche die maximale verbotene Bandbreite hat, bei welcher Fremdatome bis zu einer hohen Dichte hinzugefügt werden können, dEG2 dop ist, und die Anzahl von Heteroübergangsabschnitten einer Schicht, welche das maximale verbotene Band hat, und einer Schicht, welche das minimale verbotene Band hat, n ist,
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die Knick-Kennlinien in der Ladungsspeicherungsoperation realisiert werden und deshalb kann der dynamische Bereich durch Anordnung der Struktur der fotoelektrischen Wandlereinrichtung verbreitert werden, welche derart gestaltet ist, daß die Vervielfachung von Elektronen zur Anwendung kommt und in welcher eine APD angeordnet ist, die eine durch Wiederholung schräger Bandlücken auf eine solche Weise ausgebildete Struktur hat, daß mindestens der minimale verbotene Bandbreitenabschnitt des Heteroübergangsabschnitts des Abschnitts der minimalen Bandbreite Eg&sub2; und des Abschnitts der maximalen verbotenen Bandbreite Eg&sub3; als eine hochdichte n-Halbleiterschicht ausgeführt ist.
Sie kann im Vergleich zur herkömmlichen Technologie dadurch mit einem niedrigen Spannungspegel angetrieben werden, daß die an die Einrichtung anzulegende Vorspannung VV in der Licht-absorbierenden Schicht höher als in dem Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt ist, und daß bewirkt wird, daß VV die vorhergehend genannte Gleichung erfüllt. Diese Tatsache wird nun im Detail beschrieben.
Um einen unerwünschten Anstieg der angelegten Spannung VV, zu verhindern, ist es wichtig, ein Anlegen eines großen elektrischen Felds an die dicke Licht-absorbierende Schicht zu verhindern.
Angenommen, daß Defektelektronen vervielfacht werden, ist es erforderlich, das Potential an der Licht-absorbierenden Schicht höher zu halten als das an dem Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt, um zu bewirken, daß Defektelektronen von der Licht-absorbierenden Schicht zu dem Ladungsträger- Vervielfachungsabschnitt fließen. D. h., es ist erforderlich, daß eine positive Spannung an einen Anschluß der Licht-absorbierenden Schicht angelegt wird. Wenn in diesem Fall die Störstellenschicht durch Erhöhung der Spannung verarmt, wird das elektrische Feld in der Lichtabsorbierenden Schicht in dem Fall verstärkt, wenn das Fremdatom ein Akzeptor ist, während dasselbe in dem Ladungsträger- Vervielfachungsabschnitt in dem Fall verstärkt wird, wenn das Fremdatom ein Donator ist.
D. h., die Spannung, welche an die Einrichtung angelegt werden muß, kann dadurch herabgesetzt werden, daß das Fremdatom als Donator ausgebildet ist und der n-Halbleiter angewendet wird, da das auf die Licht-absorbierende Schicht wirkende elektrische Feld reduziert werden kann.
Zur Berechnung des Grads der Video-Vorspannung VV, die an die fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung anzulegen ist, verhält sich die an jede Schicht anzulegende Spannung wie folgt:
In der folgenden Gleichung repräsentieren die Symbole die folgenden Faktoren:
EV OFF: Energiestufe des Valenzbandes in dem Heteroübergangsabschnitt, in welchem sich die verbotene Bandbreite diskontinuierlich vom maximalen Wert zum minimalen Wert ändert,
dP: Dicke der Licht-absorbierenden Schicht,
dA: Dicke der Ladungsträger-Vervielfachungsschicht,
dGRD int: Dicke einer Schicht mit schräger Bandlücke,
dEG2 dop: Dicke einer Schicht, welche die maximale verbotene Bandbreite hat, welcher bis zu einer hohen Dichte Fremdatome hinzugefügt sind,
n: Anzahl von Heteroübergangsabschnitten einer Schicht, welche das maximale verbotene Band hat, und einer Schicht, welche das minimale verbotene Band hat, (Anzahl von Störstellenschichten),
k: 1 bis n, Position der Störstellenschicht, gezählt ab der Licht-absorbierenden Schicht
N&sub1;: Störstellendichte
Eg: erforderliche verbotene Bandbreite
Eg&sub2;: minimale verbotene Bandbreite
Eg&sub3;: maximale verbotene Bandbreite
&epsi;: dielektrische Konstante
q: Elektrizitätsmenge
VV: an die Einrichtung anzulegende Spannung
Für den Fall, daß es n Störstellenschichten gibt, wird die Spannung VHK, die an jede Schicht anzulegen ist, wenn sich die Störstellenschicht der Licht-absorbierenden Schicht annähert, durch folgendes ausgedrückt:
Die auf das Ende jeder Störstellenschicht wirkende Intensität des elektrischen Felds EDk wird durch folgendes ausgedrückt:
Da auch das vorhergehend erwähnte elektrische Feld an die k-te Schicht mit schräger Bandlücke angelegt wird, wird die Spannung VAI, die an alle Schichten mit schräger Bandlücke anzulegen ist, durch folgendes ausgedrückt:
Die Störstellendichte NI wird durch die folgende Gleichung festgelegt:
Angenommen, daß die Spannung, die erforderlich ist, um die Schicht mit schräger Lücke zu verarmen, vor der Verarmung der Störstellenschicht vorgeschaltet wird, kann die Spannung entsprechend dem vorgeschalteten Abschnitt wie folgt erzielt werden:
Die Spannung VAI DEP für die Vervielfachungsschicht ist gegeben durch:
VAI DEP = n · EV OFF
Die zu der Licht-absorbierenden Schicht abzuführende Spannung VP DEP ist gegeben durch:
VP DEP = VAI DEP · (dP/dA)
Deshalb ist die Gesamtspannung VDEP gegeben durch:
VDEP = n · EV OFF · ((dP + dA)/dA) ... (7)
Im Ergebnis ergibt sich die an die Einrichtung anzulegende Spannung VV in der Summe aus (5), (6) und (7). Es kann jedoch vorausgesetzt werden, daß der Anteil von (5) gering ist. Ein sich aus der folgenden Gleichung ergebender Wert kann addiert werden, um die minimale Antriebsspannung zu erzielen:
Im Ergebnis kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine fotoelektrische Wandlereinrichtung geschaffen werden, welche bei der Ladungsspeicherungsoperation Knick-Kennlinien hat und welche mit Hilfe einer niedrigen Spannung angetrieben werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A und 1B veranschaulichen ein Energieband zur Beschreibung der Struktur einer herkömmlichen fotoelektrischen Wandlereinrichtung,
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, welche die Strom- Spannungs-Kennlinien der fotoelektrischen Wandlereinrichtung veranschaulicht,
Fig. 3A veranschaulicht ein Energieband der herkömmlichen fotoelektrischen Wandlereinrichtung, das erzielt wird, wenn keine Vorspannung angelegt wird,
Fig. 3B veranschaulicht ein Energieband, das erzielt wird, wenn eine Vorspannung angelegt wird, die erforderlich ist, um das Stattfinden einer Ladungsträger-Vervielfachung zu bewirken, wobei Fig. 3B im Vergleich zu Fig. 1 weiterhin auf schematische Art gezeigt ist,
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung, welche Strom- Spannungs-Kennlinien der in Fig. 3 gezeigten fotoelektrischen Wandlereinrichtung veranschaulicht,
Fig. 5 veranschaulicht die fotoelektrischen Wandlungs- Kennlinien der in Fig. 3 gezeigten fotoelektrischen Wandlereinrichtung,
Fig. 6A bis 6C sind schematische Ansichten, welche eine fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, wobei Fig. 6A die Struktur veranschaulicht, Fig. 6B ein Bandprofil veranschaulicht, das realisiert wird, wenn keine Vorspannung angelegt wird, und Fig. 6C ein Bandprofil veranschaulicht, das realisiert wird, wenn eine Vorspannung angelegt wird,
Fig. 7A bis 7C sind schematische Ansichten, welche eine fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, wobei Fig. 7A die Struktur veranschaulicht, Fig. 7B ein Bandprofil veranschaulicht, das realisiert wird, wenn keine Vorspannung angelegt wird, und Fig. 7C ein Bandprofil veranschaulicht, das realisiert wird, wenn eine Vorspannung angelegt wird,
Fig. 8A bis 8C sind schematische Ansichten, welche eine fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, wobei Fig. 8A die Struktur veranschaulicht, Fig. 8B ein Bandprofil veranschaulicht, das realisiert wird, wenn keine Vorspannung angelegt wird, und Fig. 8C ein Bandprofil veran schaulicht, das realisiert wird, wenn eine Vorspannung angelegt wird,
Fig. 9 ist eine grafische Darstellung, welche Strom- Spannungs-Kennlinien der in Fig. 8 gezeigten fotoelektrischen Wandlereinrichtung veranschaulicht,
Fig. 10 veranschaulicht die fotoelektrischen Wandlungs- Kennlinien der in Fig. 8 gezeigten fotoelektrischen Wandlereinrichtung,
Fig. 11 ist ein Schaltungsdiagramm, welche den Schaltungsaufbau einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
Fig. 12A bis 12F sind schematische Ansichten, welche einen Prozeß zur Herstellung einer Einrichtung gemäß Beispiel 1 veranschaulichen,
Fig. 13 ist eine grafische Darstellung, welche Strom- Spannungs-Kennlinien der in Fig. 6 gezeigten fotoelektrischen Wandlereinrichtung veranschaulicht,
Fig. 14 veranschaulicht die fotoelektrischen Wandlungs- Kennlinien, die realisiert werden, wenn eine Operation zur Speicherung einer Ladung in der in Fig. 6 gezeigten fotoelektrischen Wandlereinrichtung stattfindet,
Fig. 15A bis 15F sind schematische Ansichten, welche einen Prozeß zur Herstellung einer Einrichtung gemäß Beispiel 2 veranschaulichen,
Fig. 16A bis 16B veranschaulichen ein Band der fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß einem Vergleichsbeispiel, wobei Fig. 16 ein Bandprofil veranschaulicht, wenn keine Vorspannung angelegt wird, und Fig. 16B ein Bandprofil veranschaulicht, wenn eine Vorspannung angelegt wird,
Fig. 17 ist eine grafische Darstellung, welche Strom- Spannungs-Kennlinien der in Fig. 7 gezeigten fotoelektrischen Wandlereinrichtung veranschaulicht,
Fig. 18 veranschaulicht die fotoelektrischen Wandlungs- Kennlinien, die realisiert werden, wenn eine Operation zur Speicherung einer Ladung in der in Fig. 7 gezeigten fotoelektrischen Wandlereinrichtung stattfindet,
Fig. 19A bis 19F sind schematische Ansichten, welche einen Prozeß zur Herstellung einer Einrichtung gemäß Beispiel 3 veranschaulichen, und
Fig. 20 ist ein Blockdiagramm, welches eine Informationssignal-Verarbeitungsvorrichtung veranschaulicht, welche die fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

(Ausführungsbeispiele)

Nun werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 6A ist eine Schnittansicht, welche die Struktur eines Ausführungsbeispiels einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. In Fig. 6A repräsentiert ein Bezugszeichen 602 eine MOS-Quelle oder einen MOS-Drain, die/der als eine auf einem Substrat 600 ausgebildete Schalteinrichtung dient, und 604 repräsentiert deren Gate. Das Bezugszeichen 611 repräsentiert eine Defektelektronen-Blockierschicht (eine Ladungsinjektions- Sperrschicht), 612 repräsentiert einen Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt, 613 repräsentiert eine Lichtabsorbierende Schicht, 614 repräsentiert eine Elektronen blockierende Schicht (eine Ladungsinjektions-Sperrschicht), 616 repräsentiert eine obere Elektrode und 615 repräsentiert eine Passivierungsschicht. Der Ladungsträger- Vervielfachungsabschnitt 612 ist aus drei Schichten 612a, 612b und 612c aufgebaut und bildet zusammen mit der Lichtabsorbierenden Schicht 613 einen fotoelektrischen Wandlerabschnitt. Überdies ist die Schicht 612b, welche den dreischichtigen Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt 612 bildet, als eine hochdichte p-Schicht ausgebildet.
Die Dicke des angewandten Materials kann durch einen Wert bestimmt werden, welcher ungefähr einer mittleren freien Weglänge des Vervielfachungs-Ladungsträgers entspricht. Wenn die Dicke bestimmt ist, wird die Dicke einer einzelnen Schicht der Schicht mit schräger Bandlücke bestimmt. Die Dicke muß ungefähr dreimal der Dicke einer zusätzlichen Störstellenschicht des Heteroübergangsabschnitts entsprechen, vorzugsweise 10 bis 20 Mal.
Die Dicke und die Menge der hinzugefügten Fremdatome der zusätzlichen Störstellenschicht des Heteroübergangsabschnitts zur Konzentration des elektrischen Felds, um die fehlende Bandabstandsenergie zu kompensieren, können wie folgt bestimmt werden.
Die Menge an zuzufügenden Fremdatomen wird auf einen Wert festgelegt, bei welchem die Spannung, die anzulegen ist, wenn die Störstellenschicht vollständig verarmt worden ist, höher als die Menge der fehlenden Bandabstandsenergie ist. D. h., er wird wie folgt bestimmt.
N > 2&epsi; · VD/q · d&sub2; ... (10)
VD = Eion - (x&sub2; - x&sub3;)/q ... (11)
wobei &epsi;: Dielektrizitätskonstante der Störstellenschicht,
N: Störstellendichte,
x&sub3;: Elektronenaffinität einer Schicht, die ein maximales verbotenes Band hat,
x&sub2;: Elektronenaffinität einer Schicht, die ein minimales verbotenes Band hat,
Eion: Ladungsträger-Ionisierungsenergie
d: Dicke der Störstellenschicht
In den vorhergehend angeführten Gleichungen entsprechen die tiefstehenden Zahlen 3 und 2 jeweils einer breiten Lücke und einer engen Lücke.
Fig. 7A ist eine strukturelle Schnittansicht, welche ein anderes Ausführungsbeispiel der fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, bei welchem die Struktur für den Fall ausgebildet ist, in dem der zu vervielfachende Ladungsträger ein Defektelektron ist. In Fig. 7A repräsentiert ein Bezugszeichen 602 eine MOS-Quelle oder einen MOS-Drain, die/der als eine auf einem Substrat 600 ausgebildete Schalteinrichtung dient, und 604 repräsentiert deren Gate. Das Bezugszeichen 611 repräsentiert eine Elektronenblockierschicht (eine Ladungsinjektions-Sperrschicht), 612 repräsentiert einen Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt, 613 repräsentiert eine Licht-absorbierende Schicht, 614 repräsentiert eine Defektelektronen-blockierende Schicht (eine Ladungsinjektions-Sperrschicht), 616 repräsentiert eine obere Elektrode und 615 repräsentiert eine Passivierungsschicht. Der Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt 612 ist aus drei Schichten 612a, 612b und 612c aufgebaut und bildet zusammen mit der Licht-absorbierenden Schicht 613 einen fotoelektrischen Wandlerabschnitt. Überdies ist die Schicht 612b, welche den dreischichtigen Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt 612 bildet, als eine hochdichte n-Schicht ausgebildet.
Die Dicke und die Menge der hinzugefügten Fremdatome der zusätzlichen Störstellenschicht des Heteroübergangsäbschnitts zur Konzentrierung des elektrischen Felds, um die fehlende Bandabstandsenergie zu kompensieren, können wie folgt bestimmt werden.
Die Menge an zuzufügenden Fremdatomen wird auf einen Wert festgelegt, bei welchem die Spannung, die anzulegen ist, wenn die Störstellenschicht vollständig verarmt worden ist, höher als die Menge der fehlenden Bandabstandsenergie ist. D. h., er wird wie folgt bestimmt.
N > 2&epsi; · VD/q · d&sub2; ... (12)
wobei &epsi;: Dielektrizitätskonstante der Störstellenschicht,
N: Störstellendichte,
x&sub3;: Elektronenaffinität einer Schicht, die ein maximales verbotenes Band hat,
x&sub2;: Elektronenaffinität einer Schicht, die ein minimales verbotenes Band hat,
Eion: Ladungsträger-Ionisierungsenergie
d: Dicke der Störstellenschicht
In den vorhergehend angeführten Gleichungen entsprechen die tiefstehenden Zahlen 3 und 2 jeweils einer breiten Lücke und einer engen Lücke und Eg&sub3; und Eg&sub2; sind Bandlücken der Störstellenschicht.
Fig. 8 veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel der fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 8A eine strukturelle Schnittansicht ist, Fig. 8B ein Energieband veranschaulicht, das realisiert wird, wenn keine Vorspannung angelegt wird, und Fig. 8C ein Energieband veranschaulicht, das realisiert wird, wenn eine Vorspannung angelegt wird, die erforderlich ist, um die Ladungsträger-Vervielfachung zu bewirken.
Im Vergleich zu dem Energieband des in Fig. 3 gezeigten herkömmlichen Beispiels unterscheidet sich das in Fig. 8 gezeigte Energieband gemäß der vorliegenden Erfindung von diesem hinsichtlich der Tatsache, daß es keinen Anstieg der Energiestufe aufgrund des Anlegens der Vorspannung gibt, da der Heteroübergangsabschnitt nicht der Fremdatomdotierung unterzogen wird. Die vorhergehend genannte Tatsache ist ein Merkmal des Antriebsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 ist eine grafische Darstellung, welche die Strom- Spannungs-Kennlinien der APD veranschaulicht, wobei die APD eine Struktur mit einem Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt aufweist, der aus drei Stufen besteht. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, beginnt bei einem Verfahren zum Antrieb der fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Position in der Umgebung der Ionisationsanfangsspannung 1Vion1 ein elektrischer Strom entsprechend einer Quantenausbeute 2 zu fließen, und dann beginnt in Positionen in der Umgebung von Vion2 und Vion3 allmählich ein elektrischer Strom entsprechend den Quantenausbeuten 4 und 8 zu fließen.
Fig. 10 veranschaulicht die Beziehung zwischen Eingängen und Ausgängen, die realisiert wird, wenn die Speicheroperation durch Anlegen einer Vorspannung an die Einrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgeführt wird, die höher als Vion3 ist. Der Ausgangswert wird auf diese Weise derart geändert, daß seine Neigung mit Bezug auf den Eingangswert geändert wird, wenn er eine bestimmte Lichtmenge überschreitet, um in einem Grade entsprechend der Stufe der Strom-Spannungs-Kennlinie gemäßigt zu werden, bis er gesättigt ist. Es wird vorausgesetzt, daß die Ausgangswert- Sättigungs-Kennlinie des vorhergehend genannten Typs näherungsweise eine sogenannte Knick-Kennlinie ist, mittels welcher der dynamische Bereich verbreitert werden kann. D. h., es ist verständlich, daß der dynamische Bereich in einem Grade (gemäß diesem Ausführungsbeispiel ungefähr auf das Achtfache) verbreitert werden kann, was dem Vervielfachungsverhältnis im Vergleich zu dem Fall entspricht, in welchem der Ausgang durch Überlagerung der Grenze des subjektiven Lichtmengenbereichs in einem Punkt, in welchem die Sättigungskennlinien beginnen, keine Knick-Kennlinie hat.
Fig. 11 veranschaulicht ein Beispiel der Struktur einer Schaltung zur Nutzung in der fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Gemäß Fig. 11 wird die Ladung, welche in einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung PD erzeugt worden ist, bevor sie vervielfacht wird, in einen in einer Kapazität CPD der PD zu speichernden Anteil und einen in einer Übergangskapazität CD des Quellenabschnitts des MOS-Schalttransistors TrH zu speichernden Anteil geteilt. Vorausgesetzt, daß die Speicherzeit ts ist, kann die Ausgangsspannung ΔV, die realisiert wird, wenn das Licht einfällt, das eine bestimmte Lichtmenge I hat, durch die folgende Gleichung gegeben sein:
ΔV = q · k · I · A · ts/(CPD + CD)
wobei q: Einheit Ladungsmenge
k: Vervielfachungskonstante
A: PD-Fläche
In Bezug auf Fig. 10 kann in Betracht gezogen werden, daß die an die APD, die den dreistufigen Vervielfachungsabschnitt hat, angelegte Vorspannung mit der in Fig. 9 gezeigten Vion3 in der Lichtmenge (im folgenden zum Beispiel "Knickbeginn-Lichtmenge IKnick" genannt) übereinstimmt, bei welcher die Knick-Kennlinien realisiert werden.
Es wird vorausgesetzt, daß die Video-Vorspannung, die an die fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung anzulegen ist, VV ist, ausgedrückt wie folgt:
VV = Vion3 + q · k · IKnick · A · ts/(CPD + CD)
D. h., ein optimaler dynamischer Bereich und eine optimale Empfindlichkeit können durch die Einstellung von VV wie folgt erzielt werden, während vorausgesetzt wird, daß die Spannung (Spannung, bei welcher die Vervielfachung des elektrischen Stroms gesättigt ist), die erforderlich ist, damit die Vervielfachung in allen von n Stufen einer APD stattfindet, die einen n-stufigen Heterovervielfachungsabschnitt hat, Vionmax ist:
VV = Vionmax + q · k · IKnick · A · ts/(CPD + CD) ... (14)
wobei Vionmax: Spannung, bei welcher die Vervielfachung des Stroms gesättigt ist
q: Einheit Ladungsmenge
k: Vervielfachungskonstante
Iknick: Lichtmenge, bei welcher die Knick-Kennlinie beginnt
A: Fläche eines Bildelements
ts: Ladungsspeicherungszeit
CPD: Kapazität des fotoelektrischen Wandlereinrichtungsabschnitts
CD: Ladungskapazität der Schalteinrichtung
Im Ergebnis kann eine fotoelektrische Wandlereinrichtung geschaffen werden, die eine ausgezeichnete Empfindlichkeit und einen großen breiten dynamischen Bereich hat.
Die Menge der zuzufügenden Fremdatome muß auf einen Wert festgelegt werden, bei welchem die Spannung, welche angelegt wird, wenn die Störstellenschicht vollständig verarmt worden ist, höher als die fehlende Menge der Bandabstandsenergie realisiert ist. D. h., sie wird wie folgt in Abhängigkeit von der Tatsache, daß die Störstellenschichten an den zwei Enden der Schicht mit schräger Bandlücke angeordnet sind, und der Tatsache festgelegt, daß dieselbe an einem Ende der Schicht mit schräger Bandlücke angeordnet ist.
(1) Für den Fall, daß die Störstellenschichten an den zwei Enden der Schicht mit schräger Bandlücke vorhanden sind, wird durch Kombination der folgenden Faktoren N&sub1; und N&sub2; festgelegt:
wobei die tiefstehenden Zahlen 1 und 2 der breiten Lücke und der schmalen Lücke entsprechen, &epsi;&sub1; und &epsi;&sub2; dielektrische Konstanten sind, und N&sub1; und N&sub2; Dichten der Fremdatome sind, x&sub1; und x&sub2; Elektronenaffinitäten sind, Eion eine Ladungsträgerionisierungsenergie ist, und d&sub1; und d&sub2; Dicken der Störstellenschicht sind. Im Vergleich zu dem vorhergehend genannten elektrischen Strom wird die folgende VD im Falle eines Defektelektrons angewandt:
wobei Eg&sub1; und Eg&sub2; Bandlücken der Störstellenschicht sind.
(2) Für den Fall, daß die Störstellenschichten an den zwei Enden der Schicht mit schräger Bandlücke vorhanden sind, kann die Menge durch die wie folgt ausgedrückten Faktoren festgelegt werden:
N > 2&epsi; · VD/q · d² ... (18)
wobei &epsi; eine dielektrische Konstante der Störstellenschicht ist, N die Dichte der Fremdatome ist und d die Dicke der Störstellenschicht ist.
Im Vergleich zum vorhergehend genannten Fall, der an den elektrischen Strom angepaßt ist, wird die Menge im Fall des positiven Stroms durch die wie folgt ausgedrückten Faktoren bestimmt:
Die an die folglich hergestellte fotoelektrische Wandlereinrichtung angelegte Vorspannung VV wird unter Nutzung des folgenden Parameters in Übereinstimmung mit Gleichung (21) erzielt:
Vionmax: Spannung, bei welcher die Vervielfachung des elektrischen Stroms gesättigt ist,
q: Einheit Ladungsmenge,
IKnick: Lichtmenge, bei welcher die Knick-Kennlinie beginnt
A: Fläche eines Bildelements
ts: Ladungsspeicherungszeit
k: Vervielfachungskonstante
CPD: Kapazität der fotoelektrischen Wandlereinrichtung
CD: Ladungskapazität der Schalteinrichtung
VV = Vionmax + q · k · IKnick · A · ts/(CPD + CD) ... (21)
Durch Anlegen der folglich erzielten Spannung VV kann die fotoelektrische Wandlereinrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Technologie mit einem niedrigeren Spannungspegel angetrieben werden.
In der vorliegenden Erfindung kann als das Substrat ein beliebiges isolierendes Substrat, ein Halbleitersubstrat oder ein Metallsubstrat zur Anwendung kommen, wenn es in der Lage ist, der Temperatur zum Zeitpunkt der Auftragung der Schichten auf dem Substrat, einer Säure, einem Alkali und einem Lösungsmittel zu widerstehen, die gebraucht werden, um die erforderlichen Prozesse auszuführen. Beispielsweise befinden sich isolierende Substrate eines Typs in breiter Anwendung, der auf eine solche Weise aufgebaut ist, daß Schalteinrichtungen und Abtasteinrichtungen aus Glas, Quarz oder Keramik ausgebildet sind. Außerdem kommt eine wärmebeständige Harzschicht zur Anwendung. Es können Halbleiter- Substrate eines Typs angewandt werden, die eine Signalbearbeitungsschaltung wie zum Beispiel eine Schalteinrichtung, einen Verstärker und eine Abtasteinrichtung aufweisen. Die Signalbearbeitungsschaltung wird durch eine CCD-Einrichtung, eine MOS-Einrichtung, eine BBD-Einrichtung und einen Bildsensor typisiert, die im US-Patent Nr. 4.791.469 offenbart sind und auf eine solche Weise angeordnet sind, daß ein Emitter eines bipolaren Transistors mit einer Ausgangsschaltung verbunden ist, die eine kapazitive Last enthält.
Was die Elektrodenschicht betrifft, so hat eine Seite eine lichtdurchlässige Elektrode, um einfallendes Licht zu empfangen, wobei die lichtdurchlässige Elektrode zum Beispiel durch eine Metallschicht, die eine Dicke von mehreren zehn bis hunderten von Å hat, und eine leitfähige Metalloxidschicht dargestellt wird, die aus SnO&sub2;, ITO, ZnO&sub2;, IrOx oder dergleichen gefertigt ist. Die restliche Seite ist normalerweise aus einer Metallschicht gefertigt, welche aus einer Gruppe ausgewählt sein kann, welche erforderliche Bedingungen wie zum Beispiel Widerstand und chemische Eigenschaften erfüllt.
Für die fotoleitfähige Schicht und den Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Halbleiter angewandt werden, dessen Valenzelektron gesteuert werden kann, wobei der Halbleiter zum Beispiel ein tetraedrischer (Gruppe IV) Halbleiter oder ein zusammengesetzter Halbleiter der Gruppen III bis V sein kann. Halbleiter der Gruppe IV sind zum Beispiel durch Ge, Si, C und deren Komplexe SiGe, SiC, SiGeC und SiN, SiO und SiSn.
Der i-Schicht-Abschnitt (nichtdotiert oder eine mit geringer Menge dotierte Schicht) des Halbleiters kann in einer Struktur ausgebildet sein, die aus einer Gruppe bestehend aus kristallin, polykristallin, mikrokristallin und amorph ausgewählt ist. Der hier benutzte Begriff "mikrokristallin" meint eine Struktur, die Kristallpartikel enthält, deren Größe mehrere zehn bis hunderte von Å in deren amorphen Abschnitt beträgt und bei welcher die Kristallisationsrate auf mehrere zehn bis 100% erhöht ist.
Als Fremdatome, die zum Zweck der Steuerung des Valenzelektrons zuzufügen sind, wird ein Material der Gruppe V benutzt, um die N-Typ-Valenzelektronen zu steuern, und wird ein Material der Gruppe III benutzt, um die P-Typ-Valenzelektronen zu steuern. Jedes der Materialien der Gruppe V wie zum Beispiel P, As, Sb und Bi kann zur Anwendung kommen und jedes der Materialien der Gruppe III wie zum Beispiel B, Al, Ga, In und Ta kann zur Anwendung kommen.
Die polykristalline oder die mikrokristalline hochdichte Störstellenschicht kann hauptsächlich mittels eines CVD- Verfahrens ausgebildet werden, das aus einer Gruppe bestehend aus einem Plasma-CVD-Verfahren, einem Leicht-CVD-Verfahren, einem Wärme-CVD-Verfahren, einem uW-CVD-Verfahren, einem LP-CVD-Verfahren, einem Raumdruck-CVD-Verfahren ausgewählt wird. Die Kristallpartikelgröße wird zu einer Größe derart gesteuert, daß Bedingungen wie zum Beispiel die Kraft, die Temperatur des Substrats, die Lichtmenge, der Druck und die Gasströmungsgeschwindigkeit und dergleichen erfüllt werden (die Kristallpartikelgröße zur Festlegung der Bedingungen wird durch ein Röntgenbeugungsverfahren oder ein Direktbetrachtungsverfahren bewertet, bei welchem ein Transmissionselektronenmikroskop zum Einsatz kommt).
Die Halbleiter der Gruppen III bis V sind zum Beispiel AlGaAsSb, InAsSb, InGaAsSb, InGaAlAs, InAsPSb, InGaAsSb und AlGaP. Jedes der Materialien der Gruppe VI wie zum Beispiel S, Se, Te und Po kann angewendet werden und jedes der Materialien der Gruppe II wie zum Beispiel Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Zn, Cd und Hg kann benutzt werden.

(Beispiel 1)

Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Vorrichtung, die einen Aufbau mit dem Querschnitt, wie er in Fig. 6A gezeigt ist, ein Energiebandprofil, das realisiert wird, wenn keine Vorspannung an den fotoelektrischen Wandlereinrichtungs-Abschnitt angelegt wird, und in Fig. 6B gezeigt ist, und ein Energiebandprofil hat, das realisiert wird, wenn eine Vorspannung angelegt wird, die erforderlich ist, um die Ladungsträgervervielfachung zu bewirken, und in Fig. 6C gezeigt ist.
Fig. 12A bis 12F sind Schnittansichten, welche einen Prozeß der Herstellung der fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Zuerst wird nun die fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit Bezug auf den in Fig. 12A bis 12F gezeigt Herstellungsprozeß beschrieben.
Zuerst wird ein Abtast-Schaltungs-Substrat, das einen MOS- Transistor aufweist, mittels normaler MOS-Bearbeitungstechnologie hergestellt (Fig. 12A).
Dann wird die Oberfläche des Substrats zum Zweck der Aufschichtung der fotoelektrischen Wandlereinrichtung auf eine solche Weise abgeflacht, daß im Prozeß (Fig. 12A) eine ausgenommene Elektrode 608 ausgebildet wird und eine SiO&sub2;- Schicht 609 von 8000 Å aufgetragen wird. Dann wird ein normales Fotoresist schleuderbeschichtet, so daß die Oberfläche abgeflacht wird, bevor sie mittels RIE zurückgeätzt wird, um zu bewirken, daß der obere Abschnitt der Elektrode 608 verschwindet, während die Flachheit aufrechterhalten wird (Fig. 12B).
Dann wird mit Hilfe eines normalen Sputterverfahrens bis zu einer Dicke von 2000 Å Cr aufgetragen und mit Hilfe eines normalen Fotolithografie-Prozesses wird eine gewünschte Form ausgebildet, so daß eine Bildelement-Elektrode 610 ausgebildet wird (Fig. 12C). Dann wird die Probe in einer Kapazitäts-gekoppelten Plasma-CVD-Vorrichtung plaziert, wobei ein SiH&sub4;-Gas und ein PH&sub3;-Gas, verdünnt auf 10% mittels H&sub2;-Gas, in Mengen von 60 SCCM bzw. 20 SCCM in die vorhergehend genannte Vorrichtung eingeleitet werden, um für ungefähr 5,5 Minuten eine Hochfrequenz-Entladung auszuführen, während der Gesamtgasdruck auf 0,2 Torr gebracht wird. Im Ergebnis wird eine Defektelektronen-Blockierschicht 611 aufgetragen, welche eine aus a-Si:H gefertigte hochdichte n-Schicht ist und eine Dicke von ungefähr 1000 Å hat. Die Temperatur des Substrats beträgt 300ºC und die Dichte der Entladungsenergie beträgt zu diesem Zeitpunkt ungefähr 0,2 W/cm².
Dann wird in der vorhergehend genannten CVD-Vorrichtung das SiH&sub4;-Gas kontinuierlich von 60 SCCM auf 6 SCCM geändert und ein GeH&sub4;-Gas wird in der vorhergehend genannten CVD-Vorrichtung kontinuierlich von 0 SCCM auf 54 SCCM geändert, und für 2,8 Minuten wird eine Hochfrequenz-Entladung unter Bedingungen derart ausgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC beträgt, der Gesamtgasdruck 0,2 Torr ist, die Hochfrequenzenergiedichte ungefähr 0,5 W/cm² ist, so daß eine Schicht 612a mit schräger Bandlücke, die aus a-SiGe:H gefertigt ist, in einer Dicke von ungefähr 500 Å aufgetragen wird (ein Auftragsprozeß 1).
Dann werden in die vorhergehend genannte CVD-Vorrichtung ein 6 SCCM SiH&sub4;-Gas, ein 54 SCCM GeH&sub4;-Gas und ein 6 SCCM B&sub2;H&sub6;-Gas, verdünnt auf 10% durch H&sub2;-Gas, eingeleitet, und eine Hochfrequenz-Entladung wird für 34 Sekunden unter Bedingungen derart ausgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC ist, der Gesamtgasdruck 0,2 Torr ist, die Hochfrequenz-Energiedichte ungefähr 0,5 W/cm² ist, so daß eine aus a-SiGe:H angefertigte p-Schicht 612b bis zu einer Dicke von ungefähr 100 Å aufgetragen wird (ein Auftragsprozeß 2).
Dann wird in der vorhergehend genannten CVD-Vorrichtung die Durchflußmenge des SiH&sub4;-Gases allmählich von 24 SCCM auf 60 SCCM geändert und die Durchflußmenge des CH&sub4;-Gases wird allmählich von 36 SCCM auf 0 SCCM geändert und die Hochfrequenzentladung wird für ungefähr 4,7 Minuten Sekunden unter Bedingungen derart ausgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC beträgt, der Gesamtgasdruck 0,3 Torr ist, die Hochfrequenz-Energiedichte ungefähr 0,2 W/cm² ist, so daß eine Schicht 612c mit schräger Bandlücke, die aus a-SiGe:H gefertigt ist, in einer Dicke von ungefähr 500 Å aufgetragen wird (ein Auftragsprozeß 3).
Dann werden die vorhergehend erklärten Auftragsprozesse 1 bis 3 zweimal wiederholt, so daß drei Schichten mit schräger Bandlücke ausgebildet werden.
Dann wird in der vorhergehend genannten CVD-Vorrichtung die Durchflußmenge des SiH&sub4;-Gases auf 30 SCCM eingestellt und die des H&sub2;-Gases wird auf 30 SCCM eingestellt, und die Hochfrequenz-Entladung wird für ungefähr 75 Minuten unter Bedingungen derart ausgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC beträgt, der Gesamtgasdruck 0,3 Torr ist, die Hochfrequenzenergiedichte ungefähr 0,2 W/cm² ist, so daß eine Licht-absorbierende Schicht 613 ausgebildet wird, die eine Dicke von ungefähr 8000 Å hat. Dann werden ein 24 SCCM SiH&sub4;-Gas, ein 20 SCCM B&sub2;H&sub6;-Gas, verdünnt auf 10% mittels H&sub2;-Gas, und ein 36 SCCM CH&sub4;-Gas eingeleitet, und für ungefähr 4,7 Minuten wurde unter den gleichen Bedingungen wie im Auftragsprozeß 2 eine Entladung durchgeführt, so daß eine Blockierschicht 614 mit einer Dicke von ungefähr 500 Å ausgebildet wird (Fig. 12D).
Dann werden die Halbleiterschichten 611 bis 614 in einer gewünschten Form mit Mustern versehen und die Einrichtung wurde isoliert (Fig. 12E).
Dann wird die Probe in einer anderen Kapazitäts-gekoppelten Plasma-CVD-Vorrichtung plaziert, 10 SCCM eines SiH&sub4;-Gases, mittels H&sub2;-Gas auf 10% verdünnt, und 100 SCCM 99,99% NH&sub3;-Gas werden eingeleitet, und eine Hochfrequenz-Entladung wurde für ungefähr 60 Minuten unter Bedingungen derart durchgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC beträgt, der Gesamtgasdruck 0,4 Torr ist, die Hochfrequenzenergiedichte ungefähr 0,01 W/cm² ist, so daß eine Schutzschicht 615 ausgebildet wird, die eine Dicke von ungefähr 3000 Å hat und aus einer SiHx-Schicht gefertigt ist. Dann wird in der Schutzschicht 615 ein Durchgangsloch ausgebildet, und mittels eines Sputterverfahrens wird eine ITO-Schicht 616 mit einer Dicke von 700 Å ausgebildet, so daß eine fotoelektrische Wandlereinrichtung hergestellt wird (Fig. 12F).
Die fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird in Übereinstimmung mit dem aufeinanderfolgend dargestellten Prozeß hergestellt.
Fig. 6A bis 6C veranschaulichen die somit hergestellte fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Die Einrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat in Bezug auf die Energiestufe des Valenzelektronenbands eine größere Energiestufe in dem leitfähigen Band in dem Heteroübergangsabschnitt und ist mit dem Ladungsträger- Vervielfachungsabschnitt 612 versehen, der zur Anwendung der Vervielfachung von Elektronen gestaltet ist.
Fig. 6B veranschaulicht ein Energieband der somit hergestellten fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Ähnlich wie in Fig. 1, welche das herkömmliche Beispiel veranschaulicht, repräsentiert das Symbol Eg&sub1; ein erforderliches verbotenes Band, Eg&sub2; repräsentiert ein minimales verbotenes Band und Eg&sub3; repräsentiert ein maximales verbotenes Band. Das Symbol V&sub0; repräsentiert die Energie, welche die Differenz (x&sub2; - x&sub3;) zwischen der Elektronenaffinität x&sub2; eines Eg&sub2;-Materials und der Elektronenaffinität x&sub3; eines Eg&sub3;-Materials ist.
Obgleich die fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf ähnliche Weise wie das in Fig. 1A gezeigte herkömmliche Beispiel derart aufgebaut ist, daß die dreistufige Schicht mit schräger Bandlücke einen Heteroübergang bildet, liegt der Unterschied darin, daß die Struktur des herkömmlichen Beispiels, die in der in Fig. 1A gezeigten Energiebandansicht gezeigt ist und auf eine solche Weise aufgebaut ist, daß der Eg&sub2;-Abschnitt aus einer n-Struktur gefertigt ist und der Eg&sub3;-Abschnitt aus einer i-Struktur gefertigt ist, durch eine Struktur ersetzt wird, die auf eine solche Weise aufgebaut ist, daß der Eg&sub2;-Abschnitt aus einer p-Struktur gefertigt ist und der Eg&sub3;-Abschnitt aus einer i-Struktur gefertigt ist. Die vorhergehend beschriebene Struktur ist ein Merkmal dieses Ausführungsbeispiels.
Fig. 6C veranschaulicht ein Energieband, das realisiert wird, wenn eine Vorspannung angelegt wird. Wie daraus ersichtlich ist, wird ein auf den Licht-absorbierenden Abschnitt Eg&sub1; einwirkendes elektrisches Feld verhältnismäßig geschwächt und es kann eine Wirkung derart erzielt werden, daß die erforderlich Vorspannung, die an den Gesamtabschnitt der Einrichtung anzulegen ist, reduziert werden kann.
Fig. 13 ist eine grafische Darstellung, welche die Strom- Spannungs-Kennlinie der APD veranschaulicht, wobei die APD den dreistufigen Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt aufweist, wie in Fig. 6A bis 6C gezeigt. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, beginnt in einer Position in der Umgebung, überschreitend die Ionisationsanfangsspannung 1Vion1, ein elektrischer Strom entsprechend einer Quantenausbeute 2 zu fließen, und dann beginnt in Positionen in der Umgebung von Vion2 und Vion3 allmählich ein elektrischer Strom entsprechend den Quantenausbeuten 4 und 8 zu fließen.
Fig. 14 veranschaulicht die Beziehung zwischen Eingängen und Ausgängen, die realisiert wird, wenn die Speicheroperation durch Anlegen einer Vorspannung an die Einrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgeführt wird, die höher als Vion3 ist. Der Ausgangswert wird, wie in Fig. 14 gezeigt ist, auf diese Weise derart geändert, daß seine Neigung mit Bezug auf den Eingangswert geändert wird, wenn er eine bestimmte Lichtmenge überschreitet, um in einem Grade entsprechend der Stufe der Strom-Spannungs-Kennlinie gemäßigt zu werden, bis er gesättigt ist. Es wird vorausgesetzt, daß die Ausgangswert-Sättigungs-Kennlinie des vorhergehend genannten Typs näherungsweise eine sogenannte Knick-Kennlinie ist, mittels welcher der dynamische Bereich verbreitert werden kann.
D. h., es ist verständlich, daß der dynamische Bereich in einem Grade (gemäß diesem Ausführungsbeispiel ungefähr auf das Achtfache) verbreitert werden kann, was dem Vervielfachungsverhältnis im Vergleich zu dem Fall entspricht, in welchem der Ausgang durch Überlagerung der Grenze des subjektiven Lichtmengenbereichs in einem Punkt, in welchem die Sättigungskennlinien beginnen, keine Knick-Kennlinie hat.
Nun wird ein Verfahren zum Antrieb der fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel, hergestellt folglich mit einem minimalen Spannungspegel, beschrieben.
Wie vorhergehend beschrieben ist, muß die an die zwei Enden der Licht-absorbierenden Schicht und der Ladungsträger-Vervielfachungsschicht der fotoelektrischen Wandlereinrichtung anzulegende Vorspannung VV die folgende Bedingung erfüllen:
wobei EC OFF: Energiestufe des leitfähigen Bandes in dem Heteroübergangsabschnitt, in welchem sich die verbotene Bandbreite diskontinuierlich von dem maximalen Wert zu dem minimalen Wert ändert,
dP: Dicke der Licht-absorbierenden Schicht,
dA: Dicke der Ladungsträger-Vervielfachungsschicht,
dGRD int: Dicke einer Schicht mit schräger Bandlücke,
dEG2 dop: Dicke einer Schicht, welche das maximale verbotene Band hat, welchem bis zu einer hohen Dichte Fremdatome zugefügt werden,
n: Anzahl von Heteroübergangsabschnitten einer Schicht, welche das maximale verbotene Band hat, und einer Schicht, welche das minimale verbotene Band hat,
Im Falle dieses Ausführungsbeispiels liegen die vorhergehend angeführten Parameter wie folgt vor, vorausgesetzt daß Eg&sub2; = 1,2, Eg&sub3; = 2,5 EV OFF = 0,2 und EC OFF = 1,1
dP = 8000 Å
dA = 3000 Å
dGRD int = 1000 Å
dEG2 dop = 100 Å
n = 3.
Werden die vorhergehend genannten Parameter in besagte Gleichung (22) eingesetzt, wird das folgende Ergebnis erzielt:
Damit kann die vorhergehend angeführte Gleichung erfüllt werden, wenn als Vorspannung 30 V angelegt werden (Videospannung).
Wenn an die folglich hergestellte fotoelektrische Wandlereinrichtung eine Videospannung VV von 30 V angelegt wurde, während der Spannungspegel an der Licht-absorbierenden Schicht niedriger als an der Ladungsträger-Vervielfachungsschicht gehalten wird, zeigte sich die Knick-Kennlinie im Ausgangswert in der Umgebung einer Oberflächen-Beleuchtungsstärke der fotoelektrischen Wandlereinrichtung von ungefähr 300 Lux, und wurde bei ungefähr 2000 Lux gesättigt, und es wurde ein dynamischer Bereich von ungefähr 95 dB erzielt.
Es wurde eine Empfindlichkeit erzielt, die dem Achtfachen der Empfindlichkeit entspricht, welche bei einer normalen PN-, PIN- oder Shot-Key-Einrichtung realisiert wurde. Folglich wurden eine ausgezeichnete Empfindlichkeit und ein breiter dynamischer Bereich realisiert.
Wie vorhergehend beschrieben ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Knick-Kennlinie in der Ladungsspeicherungs-Operation erreicht werden, kann der dynamische Bereich erweitert werden und kann eine ausgezeichnete Empfindlichkeit realisiert werden, da die fotoelektrische Wandlereinrichtung, in welcher die APD angeordnet ist, um die Elektronenvervielfachung zur Anwendung zu bringen und die eine Struktur hat, die durch Wiederholung der schrägen Bandlücke ausgebildet ist, auf eine Weise aufgebaut ist, daß mindestens ein Abschnitt, der die minimale verbotene Breite Eg&sub2; des Heteroübergangsabschnitts des Abschnitts des minimalen verbotenen Bands Eg&sub2; der Schicht mit schräger Bandlücke und des Abschnitts des maximalen verbotenen Bands Eg&sub3; der anderen Schicht mit schräger Bandlücke hat, als eine hochdichte P-Halbleiterschicht ausgebildet ist.
Überdies kann die fotoelektrische Wandlereinrichtung dadurch, daß die der Einrichtung anzulegende Vorspannung VV an der Licht-absorbierenden Schicht niedriger als die an die Ladungsträger-Vervielfachungsschicht anzulegende Spannung realisiert wird, wobei die Bestimmungsgleichung erfüllt ist, mit einem Spannungspegel angetrieben werden, der niedriger als der bei dem herkömmlichen Beispiel erforderliche Pegel ist.

(Beispiel 2)

Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Vorrichtung, die einen Aufbau mit dem Querschnitt, wie er in Fig. 7A gezeigt ist, ein Energiebandprofil, das realisiert wird, wenn keine Vorspannung an den fotoelektrischen Wandlereinrichtungs-Abschnitt angelegt wird, und in Fig. 7B gezeigt ist, und ein Energiebandprofil hat, das realisiert wird, wenn eine Vorspannung angelegt wird, die erforderlich ist, um die Ladungsträgervervielfachung zu bewirken, und in Fig. 7C gezeigt ist.
Fig. 15A bis 15F sind Schnittansichten, welche einen Prozeß der Herstellung der fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Zuerst wird nun die fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit Bezug auf den in Fig. 15A bis 15F gezeigt Herstellungsprozeß beschrieben.
Zuerst wird ein Abtast-Schaltungs-Substrat, das einen MOS- Transistor aufweist, mittels normaler MOS-Bearbeitungstechnologie hergestellt (Fig. 15A).
Dann wird die Oberfläche des Substrats zum Zweck der Aufschichtung der fotoelektrischen Wandlereinrichtung auf eine solche Weise abgeflacht, daß im Prozeß (Fig. 15A) eine ausgenommene Elektrode 608 ausgebildet wird und eine SiO&sub2;- Schicht 609 von 8000 Å aufgetragen wird. Dann wird ein normales Fotoresist schleuderbeschichtet, so daß die Oberfläche abgeflacht wird, bevor sie mittels RIE zurückgeätzt wird, um zu bewirken, daß der obere Abschnitt der Elektrode 608 verschwindet, während die Flachheit aufrechterhalten wird (Fig. 15B).
Dann wird mit Hilfe eines normalen Sputterverfahrens bis zu einer Dicke von 2000 Å Cr aufgetragen und mit Hilfe eines normalen Fotolithografie-Prozesses wird eine gewünschte Form ausgebildet, so daß eine Bildelement-Elektrode 610 ausgebildet wird (Fig. 15C). Dann wird die Probe in einer Kapazitäts-gekoppelten Plasma-CVD-Vorrichtung plaziert, wobei ein SiH&sub4;-Gas und ein B&sub2;H&sub6;-Gas, verdünnt auf 10% mittels H&sub2;-Gas, in Mengen von 60 SCCM bzw. 20 SCCM in die vorhergehend genannte Vorrichtung eingeleitet werden, um für ungefähr 5,5 Minuten eine Hochfrequenz-Entladung auszuführen, während der Gesamtgasdruck auf 0,2 Torr gebracht wird. Im Ergebnis wird eine Elektronen-Blockierschicht 611 aufgetragen, welche eine aus a-Si:H gefertigte hochdichte p-Schicht ist und eine Dicke von ungefähr 1000 Å hat. Die Temperatur des Substrats beträgt 300ºC und die Dichte der Entladungsenergie beträgt zu diesem Zeitpunkt ungefähr 0,2 W/cm².
Dann wird in der vorhergehend genannten CVD-Vorrichtung das SiH&sub4;-Gas kontinuierlich von 60 SCCM auf 6 SCCM geändert und ein GeH&sub4;-Gas wird in der vorhergehend genannten CVD-Vorrichtung kontinuierlich von 0 SCCM auf 54 SCCM geändert, und für 2,8 Minuten wird eine Hochfrequenz-Entladung unter Bedingungen derart ausgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC beträgt, der Gesamtgasdruck 0,2 Torr ist, die Hochfrequenzenergiedichte ungefähr 0,5 W/cm² ist, so daß eine Schicht 612a mit schräger Bandlücke, die aus a-SiGe:H gefertigt ist, in einer Dicke von ungefähr 500 Å aufgetragen wird (ein Auftragsprozeß 1).
Dann werden in die vorhergehend genannte CVD-Vorrichtung ein 6 SCCM SiH&sub4;-Gas, ein 54 SCCM GeH&sub4;-Gas und ein 6 SCCM PH&sub3;-Gas, verdünnt auf 10% durch H&sub2;-Gas, eingeleitet, und eine Hochfrequenz-Entladung wird für 34 Sekunden unter Bedingungen derart ausgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC ist, der Gesamtgasdruck 0,2 Torr ist, die Hochfrequenz-Energiedichte ungefähr 0,5 W/cm² ist, so daß eine aus a-SiGe:H angefertigte n-Schicht 612b bis zu einer Dicke von ungefähr 100 Å aufgetragen wird (ein Auftragsprozeß 2).
Dann wird in der vorhergehend genannten CVD-Vorrichtung die Durchflußmenge des SiH&sub4;-Gases allmählich von 24 SCCM auf 60 SCCM geändert und die Durchflußmenge des NH&sub3;-Gases wird allmählich von 36 SCCM auf 0 SCCM geändert und die Hochfrequenzentladung wird für ungefähr 4,7 Minuten Sekunden unter Bedingungen derart ausgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC beträgt, der Gesamtgasdruck 0,3 Torr ist, die Hochfrequenz-Energiedichte ungefähr 0,2 W/cm² ist, so daß eine Schicht 612c mit schräger Bandlücke, die aus a-SiN:H gefertigt ist, in einer Dicke von ungefähr 500 Å aufgetragen wird (ein Auftragsprozeß 3).
Dann werden die vorhergehend erklärten Auftragsprozesse 1 bis 3 zweimal wiederholt, so daß drei Schichten mit schräger Bandlücke ausgebildet werden.
Dann wird in der vorhergehend genannten CVD-Vorrichtung die Durchflußmenge des SiH&sub4;-Gases auf 30 SCCM eingestellt und die des H&sub2;-Gases wird auf 30 SCCM eingestellt, und die Hochfrequenz-Entladung wird für ungefähr 75 Minuten unter Bedingungen derart ausgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC beträgt, der Gesamtgasdruck 0,3 Torr ist, die Hochfrequenzenergiedichte ungefähr 0,2 W/cm² ist, so daß eine Licht-absorbierende Schicht 613 ausgebildet wird, die eine Dicke von ungefähr 8000 Å hat. Dann werden ein 24 SCCM SiH&sub4;-Gas, ein 20 SCCM PH&sub3;-Gas, verdünnt auf 10% mittels H&sub2;-Gas, und ein 36 SCCM NH&sub3;-Gas eingeleitet, und für ungefähr 4,7 Minuten wurde unter den gleichen Bedingungen wie im Auftragsprozeß 3 eine Entladung durchgeführt, so daß eine Blockierschicht 614 mit einer Dicke von ungefähr 500 Å ausgebildet wird (Fig. 15D).
Dann werden die Halbleiterschichten 611 bis 614 in einer gewünschten Form mit Mustern versehen und die Einrichtung wurde isoliert (Fig. 15E).
Dann wird die Probe in einer anderen Kapazitäts-gekoppelten Plasma-CVD-Vorrichtung plaziert, 10 SCCM eines SiH&sub4;-Gases, mittels H&sub2;-Gas auf 10% verdünnt, und 100 SCCM 99,99% NH&sub3;-Gas werden eingeleitet, und eine Hochfrequenz-Entladung wird für ungefähr 60 Minuten unter Bedingungen derart durchgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC beträgt, der Gesamtgasdruck 0,4 Torr ist, die Hochfrequenzenergiedichte ungefähr 0,01 W/cm² ist, so daß eine Schutzschicht 615 ausgebildet wird, die eine Dicke von ungefähr 3000 Å hat und aus einer SiHx-Schicht gefertigt ist. Dann wird in der Schutzschicht 615 ein Durchgangsloch ausgebildet, und mittels eines Sputterverfahrens wird eine ITO-Schicht 616 mit einer Dicke von 700 Å ausgebildet, sodaß eine fotoelektrische Wandlereinrichtung hergestellt wird (Fig. 15F).
Die fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird in Übereinstimmung mit dem aufeinanderfolgend dargestellten Prozeß hergestellt.
Fig. 7A bis 7C veranschaulichen die somit hergestellte fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Die Einrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat in Bezug auf die Energiestufe in dem leitfähigen Band eine größere Energiestufe in dem Valenzelektronenband in dem Heteroübergangsabschnitt und ist mit dem Ladungsträger- Vervielfachungsabschnitt 612 versehen, der zur Anwendung der Vervielfachung von Defektelektronen gestaltet ist.
Fig. 7B veranschaulicht ein Energieband der somit hergestellten fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Das Symbol Eg&sub1; repräsentiert ein erforderliches verbotenes Band, Eg&sub2; repräsentiert ein minimales verbotenes Band und Eg&sub3; repräsentiert ein maximales verbotenes Band. Das Symbol V&sub0; repräsentiert die Energie, welche die Differenz (x&sub2; - x&sub3;) zwischen der Elektronenaffinität x&sub2; eines Eg&sub2;-Materials und der Elektronenaffinität x&sub3; eines Eg&sub3;-Materials ist.
Obgleich die fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung auf ähnliche Weise wie das in Fig. 16A bis 16C gezeigte Vergleichsbeispiel derart aufgebaut ist, daß die dreistufige Schicht mit schräger Bandlücke einen Heteroübergang bildet, liegt der Unterschied darin, daß die Struktur des Vergleichsbeispiels, die in der in Fig. 16A gezeigten Energiebandansicht gezeigt ist und auf eine solche Weise aufgebaut ist, daß der Eg&sub2;-Abschnitt aus einer p-Struktur gefertigt ist und der Eg&sub3;-Abschnitt aus einer i-Struktur gefertigt ist, durch eine Struktur ersetzt wird, die auf eine solche Weise aufgebaut ist, daß der Eg&sub2;- Abschnitt aus einer n-Struktur gefertigt ist und der Eg&sub3;- Abschnitt aus einer i-Struktur gefertigt ist. Die vorhergehend beschriebene Struktur ist ein Merkmal dieses Ausführungsbeispiels.
Fig. 7C veranschaulicht ein Energieband, das realisiert wird, wenn eine Vorspannung angelegt wird. Wie daraus ersichtlich ist, wird ein auf den Licht-absorbierenden Abschnitt Eg&sub1; einwirkendes elektrisches Feld verhältnismäßig geschwächt und es kann eine Wirkung derart erzielt werden, daß die erforderlich Vorspannung, die an den Gesamtabschnitt der Einrichtung anzulegen ist, reduziert werden kann.
Fig. 17 ist eine grafische Darstellung, welche die Strom- Spannungs-Kennlinie der APD veranschaulicht, wobei die APD den dreistufigen Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt aufweist, wie in Fig. 7A bis 7C gezeigt. Wie in Fig. 17 gezeigt ist, beginnt in einer Position in der Umgebung, überschreitend die Ionisationsanfangsspannung 1Vion1, ein elektrischer Strom entsprechend einer Quantenausbeute 2 zu fließen, und dann beginnt in Positionen in der Umgebung von Vion2 und Vion3 allmählich ein elektrischer Strom entsprechend den Quantenausbeuten 4 und 8 zu fließen.
Fig. 18 veranschaulicht die Beziehung zwischen Eingängen und Ausgängen, die realisiert wird, wenn die Speicheroperation durch Anlegen einer Vorspannung an die Einrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausgeführt wird, die höher als Vion3 ist. Der Ausgangswert wird, wie in Fig. 18 gezeigt ist, auf diese Weise derart geändert, daß seine Neigung mit Bezug auf den Eingangswert geändert wird, wenn er eine bestimmte Lichtmenge überschreitet, um in einem Grade entsprechend der Stufe der Strom-Spannungs-Kennlinie gemäßigt zu werden, bis er gesättigt ist. Es wird vorausgesetzt, daß die Ausgangswert-Sättigungs-Kennlinie des vorhergehend genannten Typs näherungsweise eine sogenannte Knick-Kennlinie ist, mittels welcher der dynamische Bereich verbreitert werden kann.
D. h., es ist verständlich, daß der dynamische Bereich in einem Grade (gemäß diesem Ausführungsbeispiel ungefähr auf das Achtfache) verbreitert werden kann, was dem Vervielfachungsverhältnis im Vergleich zu dem Fall entspricht, in welchem der Ausgang durch Überlagerung der Grenze des subjektiven Lichtmengenbereichs in einem Punkt, in welchem die Sättigungskennlinien beginnen, keine Knick-Kennlinie hat.
Nun wird ein Verfahren zum Antrieb der fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel, hergestellt folglich mit einem minimalen Spannungspegel, beschrieben.
Wie vorhergehend beschrieben ist, muß die an die zwei Enden der Licht-absorbierenden Schicht und der Ladungsträger-Vervielfachungsschicht der fotoelektrischen Wandlereinrichtung anzulegende Vorspannung VV die folgende Bedingung erfüllen:
wobei EV OFF = Energiestufe des Valenzelektronenbandes in dem Heteroübergangsabschnitt, in welchem sich die verbotene Bandbreite diskontinuierlich von dem maximalen Wert zu dem minimalen Wert ändert,
dP: Dicke der Licht-absorbierenden Schicht,
dA: Dicke der Ladungsträger-Vervielfachungsschicht,
dGRD int: Dicke einer Schicht mit schräger Bandlücke,
dEG2 dop: Dicke einer Schicht, welche das maximale verbotene Band hat, welchem bis zu einer hohen Dichte Fremdatome zugefügt werden,
n: Anzahl von Heteroübergangsabschnitten einer Schicht, welche das maximale verbotene Band hat, und einer Schicht, welche das minimale verbotene Band hat,
Im Falle dieses Ausführungsbeispiels liegen die vorhergehend angeführten Parameter wie folgt vor, vorausgesetzt daß Eg&sub2; = 1,2, Eg&sub3; = 2,5 EC OFF = 0,2 und EV OFF = 1,1
dP = 8000 Å
dA = 3000 Å
dGRD int = 1000 Å
dEG2 dop = 100 Å
n = 3.
Werden die vorhergehend genannten Parameter in besagte Gleichung (23) eingesetzt, wird das folgende Ergebnis erzielt:
Damit kann die vorhergehend angeführte Gleichung erfüllt werden, wenn als Vorspannung 30 V angelegt werden (Videospannung).
Wenn an die folglich hergestellte fotoelektrische Wandlereinrichtung eine Videospannung VV von 30 V angelegt wurde, während der Spannungspegel an der Licht-absorbierenden Schicht niedriger als an der Ladungsträger-Vervielfachungsschicht gehalten wird, zeigte sich die Knick-Kennlinie im Ausgangswert in der Umgebung einer Oberflächen-Beleuchtungsstärke der fotoelektrischen Wandlereinrichtung von ungefähr 300 Lux, und wurde bei ungefähr 2000 Lux gesättigt, und es wurde ein dynamischer Bereich von ungefähr 95 dB erzielt.
Es wurde eine Empfindlichkeit erzielt, die dem Achtfachen der Empfindlichkeit entspricht, welche bei einer normalen PN-, PIN- oder Shot-Key-Einrichtung realisiert wurde. Folglich wurden eine ausgezeichnete Empfindlichkeit und ein breiter dynamischer Bereich realisiert.
Wie vorhergehend beschrieben ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Knick-Kennlinie in der Ladungsspeicherungs-Operation erreicht werden, kann der dynamische Bereich erweitert werden und kann eine ausgezeichnete Empfindlichkeit realisiert werden, da die fotoelektrische Wandlereinrichtung, in welcher die APD angeordnet ist, um die Defektelektronen-Vervielfachung zur Anwendung zu bringen und die eine Struktur hat, die durch Wiederholung der schrägen Bandlücke ausgebildet ist, auf eine Weise aufgebaut ist, daß mindestens ein Abschnitt, der die minimale verbotene Breite Eg&sub2; des Heteroübergangsabschnitts des Abschnitts des minimalen verbotenen Bands Eg&sub2; der Schicht mit schräger Bandlücke und des Abschnitts des maximalen verbotenen Bands Eg&sub3; der anderen Schicht mit schräger Bandlücke hat, als eine hochdichte n-Halbleiterschicht ausgebildet ist.
Überdies kann die fotoelektrische Wandlereinrichtung dadurch, daß die der Einrichtung anzulegende Vorspannung VV an der Licht-absorbierenden Schicht höher als die an die Ladungsträger-Vervielfachungsschicht anzulegende Spannung realisiert wird, wobei die Bestimmungsgleichung erfüllt ist, mit einem Spannungspegel angetrieben werden, der niedriger als der bei dem herkömmlichen Beispiel erforderliche Pegel ist.

(Beispiel 3)

Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Vorrichtung, die einen Aufbau mit dem Querschnitt, wie er in Fig. 8A gezeigt ist, ein Energiebandprofil, das realisiert wird, wenn keine Vorspannung an den fotoelektrischen Wandlereinrichtungs-Abschnitt angelegt wird, und in Fig. 8B gezeigt ist, und ein Energiebandprofil hat, das realisiert wird, wenn eine Vorspannung angelegt wird, die erforderlich ist, um die Ladungsträgervervielfachung zu bewirken, und in Fig. 8C gezeigt ist.
Fig. 19A bis 19F sind Schnittansichten, welche einen Prozeß der Herstellung der fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Zuerst wird nun die fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit Bezug auf den in Fig. 19A bis 19F gezeigt Herstellungsprozeß beschrieben.
Zuerst wird ein Abtast-Schaltungs-Substrat, das einen MOS- Transistor aufweist, mittels normaler MOS-Bearbeitungstechnologie hergestellt (Fig. 19A).
Dann wird die Oberfläche des Substrats zum Zweck der Aufschichtung der fotoelektrischen Wandlereinrichtung auf eine solche Weise abgeflacht, daß im Prozeß (Fig. 19A) eine ausgenommene Elektrode 908 ausgebildet wird und eine SiO&sub2;- Schicht 909 von 8000 Å aufgetragen wird. Dann wird ein normales Fotoresist schleuderbeschichtet, so daß die Oberfläche abgeflacht wird, bevor sie mittels RIE zurückgeätzt wird, um zu bewirken, daß der obere Abschnitt der Elektrode 908 verschwindet, während die Flachheit beibehalten wird (Fig. 19B).
Dann wird mit Hilfe eines normalen Sputterverfahrens bis zu einer Dicke von 2000 Å Cr aufgetragen und mit Hilfe eines normalen Fotolithografie-Prozesses wird eine gewünschte Form ausgebildet, so daß eine Bildelement-Elektrode 910 ausgebildet wird (Fig. 19C). Dann wird die Probe in einer Kapazitäts-gekoppelten Plasma-CVD-Vorrichtung plaziert, wobei ein 65 CCM SiH&sub4;-Gas, ein 54 SCCM GeH&sub4;-Gas und ein 20 SCCM PH&sub3;-Gas, verdünnt auf 10% mittels H&sub2;-Gas, in die vorhergehend genannte Vorrichtung eingeleitet werden, um für ungefähr 5,5 Minuten eine Hochfrequenz-Entladung auszuführen, während der Gesamtgasdruck auf 0,2 Torr gebracht wird. Im Ergebnis wird eine Defektelektronen-Blockierschicht 911 aufgetragen, welche eine aus a-SiGe:H gefertigte hochdichte n-Schicht ist und eine Dicke von ungefähr 1000 Å hat. Die Temperatur des Substrats beträgt 300ºC und die Dichte der Entladungsenergie beträgt zu diesem Zeitpunkt ungefähr 0,2 W/cm².
Dann wird in der vorhergehend genannten CVD-Vorrichtung das SiH&sub4;-Gas kontinuierlich von 60 SCCM auf 6 SCCM geändert und ein GeH&sub4;-Gas wird in der vorhergehend genannten CVD-Vorrichtung kontinuierlich von 0 SCCM auf 54 SCCM geändert, und für 2,8 Minuten wird eine Hochfrequenz-Entladung unter Bedingungen derart ausgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC beträgt, der Gesamtgasdruck 0,2 Torr ist, die Hochfrequenzenergiedichte ungefähr 0,5 W/cm² ist, so daß eine Schicht 912a mit schräger Bandlücke, die aus a-SiGe:H gefertigt ist, in einer Dicke von ungefähr 500 Å aufgetragen wird (ein Auftragsprozeß 1).
Dann werden in die vorhergehend genannte CVD-Vorrichtung ein 24 SCCM SiH&sub4;-Gas, ein 36 SCCM CH&sub4;-Gas und ein 6 SCCM B&sub2;H&sub6;-Gas, verdünnt auf 10% durch H&sub2;, eingeleitet, und eine Hochfrequenz-Entladung wird für 56 Sekunden unter Bedingungen derart ausgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC ist, der Gesamtgasdruck 0,2 Torr ist, die Hochfrequenz-Energiedichte ungefähr 0,2 W/cm² ist, so daß eine aus a-SiC:H angefertigte p-Schicht 912b bis zu einer Dicke von ungefähr 100 Å aufgetragen wird (ein Auftragsprozeß 2).
Dann wird in der vorhergehend genannten CVD-Vorrichtung die Durchflußmenge des SiH&sub4;-Gases allmählich von 24 SCCM auf 60 SCCM geändert und die Durchflußmenge des CH&sub4;-Gases wird allmählich von 36 SCCM auf 0 SCCM geändert und die Hochfrequenzentladung wird für ungefähr 4,7 Minuten Sekunden unter Bedingungen derart ausgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC beträgt, der Gesamtgasdruck 0,3 Torr ist, die Hochfrequenz-Energiedichte ungefähr 0,2 W/cm² ist, so daß eine Schicht 912c mit schräger Bandlücke, die aus a-SiC:H gefertigt ist, in einer Dicke von ungefähr 500 Å aufgetragen wird (ein Auftragsprozeß 3).
Dann werden die vorhergehend erklärten Auftragsprozesse 1 bis 3 zweimal wiederholt, so daß drei Schichten mit schräger Bandlücke ausgebildet werden.
Dann werden in der vorhergehend genannten CVD-Vorrichtung die Durchflußmenge des SiH&sub4;-Gases auf 30 SCCM eingestellt und die des H&sub2;-Gases auf 30 SCCM eingestellt, und die Hochfrequenz-Entladung wird für ungefähr 75 Minuten unter Bedingungen derart ausgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC beträgt, der Gesamtgasdruck 0,3 Torr ist, die Hochfrequenzenergiedichte ungefähr 0,2 W/cm² ist, so daß eine Licht-absorbierende Schicht 913 ausgebildet wird, die eine Dicke von ungefähr 8000 Å hat. Dann werden ein 24 SCCM SiH&sub4;-Gas, ein 20 SCCM B&sub2;H&sub6;-Gas, verdünnt auf 10% mittels H&sub2;-Gas, und ein 36 SCCM CH&sub4;-Gas eingeleitet, und für ungefähr 5 Minuten wurde unter den gleichen Bedingungen wie im Auftragsprozeß 2 eine Entladung durchgeführt, so daß eine Blockierschicht 914 mit einer Dicke von ungefähr 500 Å ausgebildet wird (Fig. 19D).
Dann werden die Halbleiterschichten 911 bis 914 in einer gewünschten Form mit Mustern versehen und die Einrichtung wurde isoliert (Fig. 19E).
Dann wird die Probe in einer anderen Kapazitäts-gekoppelten Plasma-CVD-Vorrichtung plaziert, 10 SCCM eines SiH&sub4;-Gases, mittels H&sub2;-Gas auf 10% verdünnt, und 100 SCCM 99,99% NH&sub3;-Gas werden eingeleitet, und eine Hochfrequenz-Entladung wurde für ungefähr 60 Minuten unter Bedingungen derart durchgeführt, daß die Temperatur des Substrats 300ºC beträgt, der Gesamtgasdruck 0,4 Torr ist, die Hochfrequenzenergiedichte ungefähr 0,01 W/cm² ist, so daß eine Schutzschicht 915 ausgebildet wird, die eine Dicke von ungefähr 3000 Å hat und aus einer SiHx-Schicht gefertigt ist. Dann wird in der Schutzschicht 915 ein Durchgangsloch ausgebildet, und mittels eines Sputterverfahrens wird eine ITO-Schicht 916 mit einer Dicke von 700 Å ausgebildet, so daß eine fotoelektrische Wandlereinrichtung hergestellt wird (Fig. 19F).
Die fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird in Übereinstimmung mit dem aufeinanderfolgend dargestellten Prozeß hergestellt.
Zur Durchführung des Antriebsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird die folgende Gleichung zur Ermittlung der Vorspannung V~ angewandt, die an die vorhergehend genannte fotoelektrische Wandlereinrichtung anzulegen ist,:
VV = Vionmax + q · k · Iknick · A · ts/ (CPD + CD) ... (24)
wobei Vionmax = Spannung, bei welcher die Vervielfachung des Stroms gesättigt ist
q: Einheit Ladungsmenge
k: Vervielfachungskonstante
IKnick: Lichtmenge, bei welcher die Knick-Kennlinien stattfinden
A: Fläche eines Bildelements
ts: Ladungsspeicherungszeit
CPD: Kapazität des fotoelektrischen Wandlereinrichtungsabschnitts
CD: in der Schalteinrichtung gespeicherte Kapazität
In die vorhergehend angeführte Gleichung wurden die folgenden Parameter gemäß diesem Ausführungsbeispiel eingesetzt:
A = 10² um = 10&supmin;&sup6; cm², IKnick = 3 · 10¹&sup4; cm&supmin;²·s&supmin;¹,
k = 8, ts = 1,3 · 10&supmin;&sup4; s, Vionmax = 24,
Cpd = &epsi;A/d (&epsi; = 12 · 8,85 · 10&supmin;&sup4; F·cm&supmin;¹, d = 10&supmin;&sup4; cm),
CD < < CPD, woraus resultiert
Wenn an die folglich hergestellte fotoelektrische Wandlereinrichtung eine Videospannung VV von 30 V angelegt wurde, während der Spannungspegel an der Licht-absorbierenden Schicht niedriger als an der Ladungsträger-Vervielfachungsschicht gehalten wird, zeigte sich die Knick-Kennlinie im Ausgangswert in der Umgebung einer Oberflächen-Beleuchtungsstärke der fotoelektrischen Wandlereinrichtung von ungefähr 300 Lux, und war bei ungefähr 2000 Lux gesättigt, und es wurde ein dynamischer Bereich von ungefähr 95 dB erzielt.
Es wurde eine Empfindlichkeit erzielt, die dem Achtfachen der Empfindlichkeit entspricht, welche bei einer normalen PN-, PIN- oder Shot-Key-Einrichtung realisiert wurde. Folglich wurden eine ausgezeichnete Empfindlichkeit und ein breiter dynamischer Bereich realisiert.
Wie vorhergehend beschrieben ist, ist gemäß der vorliegenden Erfindung das Verfahren zum Antrieb der fotoelektrischen Wandlereinrichtung, die eine wiederholte Struktur von Schichten mit schräger Bandlücke hat, derart aufgebaut, daß an die vorhergehend genannte fotoelektrische Wandlereinrichtung die Spannung VV angelegt wird, welche die folgende Beziehung erfüllt,:
VV = Vionmax + q · k · IKnick · A · ts/(CPD + CD) ... (25)
so daß eine Wirkung derart erzielt wird, daß ein großer dynamischer Bereich aufrechterhalten werden kann, während die Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses verhindert wird.
Fig. 20 ist ein Blockdiagramm, welches ein Steuersystem eines Informationssignalbearbeitungssystems veranschaulicht, das die in Fig. 11 gezeigte fotoelektrische Wandlereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Eine Steuerschaltung COUT Überträgt Impulse φ1, φ2, φSH und φSV und empfängt ein Signal SOUT. Das Bildsignal SOUT wird analog-digital-umgewandelt und wird in einem Speicher MEMO gespeichert. Das vorhergehend genannte Signal wird bei Bedarf aus dem Speicher MEMO eingelesen und wird unter Nutzung eines Aufzeichnungskopfs HD auf einem Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet. Das Symbol DRV repräsentiert eine Antriebsschaltung zum Antreiben des Aufzeichnungskopfs.
Eine fotoelektrische Wandlereinrichtung, die aufweist: einen fotoelektrischen Wandlerabschnitt, der eine Lichtabsorbierende Schicht, die zwischen Ladungsinjektions- Sperrschichten angeordnet ist und eine festgelegte verbotene Bandbreite Eg&sub1; hat, und einen Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt, der eine einzelne Schicht oder eine Vielzahl von Schichten mit schräger Bandlücke enthält, wobei die Schicht mit schräger Bandlücke, die eine minimale verbotene Bandbreite Eg&sub2; und eine maximale verbotene Bandbreite Eg&sub3; hat, welche derart in Kontakt miteinander angeordnet sind, daß sie einen Heteroübergang ausbilden und an ihren zwei Enden verbotene Bandbreiten Eg&sub4; haben, welche eine Beziehung Eg&sub2; < Eg&sub4; < Eg&sub3; auf eine solche Weise beibehalten, daß die verbotene Bandbreite kontinuierlich von den zwei verbotenen Bandbreiten Eg&sub2; und Eg&sub3; zu der verbotenen Bandbreite Eg&sub4; geändert wird, und die Energiestufe in einem leitfähigen Band des Heteroübergangs größer als die Energiestufe in einem Valenzelektronenband ist, wobei mindestens die minimale verbotene Bandbreite Eg&sub2; der Abschnitte, welche den Heteroübergang ausbilden, aus einem hochdichten p-Halbleiter gefertigt ist.

Claims

1. Fotoelektrische Wandlereinrichtung mit

einem fotoelektrischen Wandlerabschnitt, der eine Licht-absorbierende Schicht (613), die zwischen Ladungsinjektions-Sperrschichten (611, 614) angeordnet ist und eine festgelegte verbotene Bandbreite Eg&sub1; hat, und

einen Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt (612) hat, der eine Vielzahl von Schichten (612a-612c) mit schräger Bandlücke enthält,

wobei die Schichten (612a-612c) mit schräger Bandlücke eine Schicht, die eine minimale verbotene Bandbreite Eg&sub2; hat, und eine Schicht enthält, die eine maximale verbotene Bandbreite Eg&sub3; hat, welche derart in Kontakt miteinander angeordnet sind, daß sie einen Heteroübergang ausbilden,

dadurch gekennzeichnet, daß

die den Heteroübergang bildenden Schichten an ihren nicht miteinander verbundenen Enden verbotene Bandbreiten Eg&sub4; haben, welche eine Beziehung Eg&sub2; < Eg&sub4; < Eg&sub3; auf eine solche Weise beibehalten, daß die verbotene Bandbreite kontinuierlich von den zwei verbotenen Bandbreiten Eg&sub2; und Eg&sub3; zu der verbotenen Bandbreite Eg&sub4; geändert wird, und die Energiestufe in einem leitfähigen Band des Heteroübergangs größer als die Energiestufe in einem Valenzelektronenband ist, wobei

mindestens die Schicht, welche die minimale verbotene Bandbreite Eg&sub2; unter den Schichten hat, welche den Heteroübergang ausbilden, aus einem hochdichten p-Halbleiter gefertigt ist.

2. Verfahren zum Antrieb einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Wandlereinrichtung durch eine Vorspannung VV angetrieben wird, die an zwei Enden der Licht-absorbierenden Schicht (613) und des Ladungsträger- Vervielfachungsabschnitts (612) der fotoelektrischen Wandlereinrichtung auf eine solche Weise angelegt wird, daß die an die Licht-absorbierende Schicht (613) angelegte Vorspannung VV geringer als die an die Ladungsträger- Vervielfachungsschicht (612) angelegte Spannung ist.

3. Verfahren zum Antrieb einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Wandlereinrichtung durch eine Vorspannung VV angetrieben wird, die an die zwei Enden der Licht-absorbierenden Schicht (613) und des Ladungsträger- Vervielfachungsabschnitts (612) der fotoelektrischen Wandlereinrichtung angelegt wird, wobei die Vorspannung VV die folgende Beziehung beibehält:

wobei EC OFF: Energiestufe des leitfähigen Bandes in dem Heteroübergang, ausgebildet durch die Schicht, welche die minimale verbotene Bandbreite Eg&sub2; hat, und die Schicht, welche die maximale verbotene Bandbreite Eg&sub3; hat,

dP: Dicke der Licht-absorbierenden Schicht,

dA: Dicke der Ladungsträger-Vervielfachungsschicht,

dGRD int: Dicke der Schicht mit schräger Bandlücke,

dEG2 dop: Dicke des Abschnitts, der die maximale verbotene Bandbreite hat, welchem bis zu einer hohen Dichte Fremdatome hinzugefügt sind,

n: Anzahl von Schichten mit schräger Bandlücke.

4. Fotoelektrische Wandlereinrichtung mit

einem fotoelektrischen Wandlerabschnitt, der eine Lichtabsorbierende Schicht (613), die zwischen Ladungsinjektions-Sperrschichten (611, 614) angeordnet ist und eine festgelegte verbotene Bandbreite Eg&sub1; hat, und einen Ladungsträger-Vervielfachungsabschnitt (612) hat, der eine Vielzahl von Schichten (612a-612c) mit schräger Bandlücke enthält,

dadurch gekennzeichnet, daß

die den Heteroübergang bildenden Schichten an ihren nicht miteinander verbundenen Enden verbotene Bandbreiten Eg&sub4; haben, welche eine Beziehung Eg&sub2; < Eg&sub4; < Eg&sub3; auf eine solche Weise beibehalten, daß die verbotene Bandbreite kontinuierlich von den zwei verbotenen Bandbreiten Eg&sub2; und Eg&sub3; zu der verbotenen Bandbreite Eg&sub4; geändert wird, und die Energiestufe in einem leitfähigen Band des Heteroübergangs geringer als die Energiestufe in einem Valenzelektronenband ist, wobei

mindestens die Schicht, welche die minimale verbotene Bandbreite Eg&sub2; von den Schichten hat, welche den Heteroübergang ausbilden, aus einem hochdichten n-Halbleiter gefertigt ist.

5. Verfahren zum Antrieb einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Wandlereinrichtung durch eine Vorspannung VV angetrieben wird, die an zwei Enden der Licht-absorbierenden Schicht (613) und des Ladungsträger- Vervielfachungsabschnitts (612) der fotoelektrischen Wandlereinrichtung auf eine solche Weise angelegt wird, daß die an die Licht-absorbierende Schicht (613) angelegte Vorspannung VV höher als die an die Ladungsträger-Vervielfachungsschicht (612) angelegte Spannung ist.

6. Verfahren zum Antrieb einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Wandlereinrichtung durch eine Vorspannung VV angetrieben wird, die an die zwei Erden der Licht-absorbierenden Schicht (613) und des Ladungsträger- Vervielfachungsabschnitts (612) der fotoelektrischen Wandlereinrichtung angelegt wird, wobei die Vorspannung VV die folgende Beziehung beibehält:

wobei EV OFF: Energiestufe des leitfähigen Bandes in dem Heteroübergang, ausgebildet durch die Schicht, welche die minimale verbotene Bandbreite Eg&sub2; hat, und die Schicht, welche die maximale verbotene Bandbreite Eg&sub3; hat,

dP: Dicke der Licht-absorbierenden Schicht,

dA: Dicke der Ladungsträger-Vervielfachungsschicht,

dGRD int: Dicke der Schicht mit schräger Bandlücke,

dEG2 dop = Dicke des Abschnitts, der die maximale verbotene Bandbreite hat, welchem bis zu einer hohen Dichte Fremdatome hinzugefügt sind,

n: Anzahl von Schichten mit schräger Bandlücke.

7. Verfahren zum Antrieb einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß Anspruch 1 oder 4, bei welchem die Ladungsträger-Vervielfachungsschicht (912) mit einem MOS- Schalttransistor (TrH) verbunden ist, wobei das Verfahren zum Antrieb einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung den Schritt aufweist:

Antrieb der fotoelektrischen Wandlereinrichtung durch Anlegen einer Vorspannung VV an die fotoelektrische Wandlereinrichtung, wobei die Vorspannung VV festgesetzt ist, um die folgende Gleichung zu erfüllen:

VV = Vionmax + q · k · IKnick · A · ts/CPD + CD)

wobei Vionmax: Spannung, bei welcher die Vervielfachung des Stroms gesättigt ist,

q: Einheit Ladungsmenge,

k: Multiplikationskonstante,

IKnick: Lichtmenge [cm&supmin;² s&supmin;¹], bei welcher eine Knick-Kennlinie in der Ausgangsspannung der fotoelektrischen Wandlereinrichtung beginnt,

A: Fläche der fotoelektrischen Wandlereinrichtung,

CPD: Kapazität des fotoelektrischen Wandlerabschnitts,

CD: Speicherkapazität des MOS-Schalttransistors.