JPH08116044A - 光電変換装置、その駆動方法及びそれを有するシステム - Google Patents
光電変換装置、その駆動方法及びそれを有するシステムInfo
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Abstract
特性の安定した光電変換装置及びその駆動方法及びそれ
を有するシステムを実現する。 【構成】 絶縁基板1上に、第一の電極層2、キャリア
の移動を阻止する絶縁層70、非単結晶の光電変換半導
体層4、該半導体層の第一の型のキャリアの注入を阻止
する注入阻止層5、第二の電極層6を、順に堆積した光
電変換部100を有する光電変換装置、及びその駆動方
法、及びそれを有するシステム。
Description
動方法及びそれを有するシステムに係わり、たとえばフ
ァクシミリ、デジタル複写機あるいはX線撮像装置等の
等倍読み取りを行うことの可能な一次元もしくは二次元
の光電変換装置、その駆動方法及びそれを有するシステ
ムに関する。
いはX線撮像装置等の読み取り系としては縮小光学系と
CCD型センサを用いた読み取り系が用いられていた。
しかしながら近年、水素化アモルファスシリコン(以
下、a−Siと記す)に代表される光電変換半導体材料
の開発により、光電変換素子及び信号処理部を大面積の
基板に形成し、情報源と等倍の光学系で読み取るいわゆ
る密着型センサの開発が進み実用化され又はされつつあ
る。特にa−Siは光電変換材料としてだけでなく、薄
膜電界効果型トランジスタ(以下TFTと記す)の半導
体材料としても用いることができるので光電変換半導体
層とTFTの半導体層とを同時に形成することができ都
合がよい。
ンサの構成の一例を説明するための模式的断面図であ
り、図4(a),図4(b)は夫々光センサの層構成の
一例を示し、図4(c)は駆動方法を説明するための概
略的回路図であり、図4(a)及び図4(b)に共通し
た代表的な駆動方法の一例を示している。図4(a),
図4(b)共にフォト・ダイオード型の光センサであ
り、図4(a)はPIN型、図4(b)はショットキー
型と称されている。図4(a),図4(b)中1は絶縁
基板、2は下部電極、3はp型半導体層(以下p層と記
す)、4は真性半導体層(以下i層と記す)、5はn型
半導体層(以下n層と記す)、6は透明電極である。図
4(b)のショットキー型では下部電極2の材料を適宜
選択して、下部電極2からi層4に不要な電子が注入さ
れないようショットキーバリア層が形成されている。
を記号化して表わした光センサを示し、11は電源、1
2は電流アンプ等の検出部を示している。光センサ10
中Cで示された方向は図4(a),図4(b)中の透明
電極6側、Aで示された方向が下部電極2側であり電源
11はA側に対しC側に正の電圧が加わるように設定さ
れている。ここで動作を簡単に説明する。
に、矢印で示された方向から光が入射され、i層4に達
すると、光は吸収され電子とホールが発生する。i層4
には電源11により電界が印加されているため電子はC
側、つまりn層5を通過して透明電極6に移動し、ホー
ルはA側、つまり下部電極2に移動する。よって光セン
サ10に光電流が流れたことになる。また、光が入射し
ない場合i層4で電子もホールも発生せず、また、透明
電極内6のホールはn層5がホールの注入阻止層として
働き、下部電極2内の電子は図4(a)のPIN型では
p層3が、図4(b)のショットキー型ではショットキ
ーバリア層が、電子の注入阻止層として働き、電子、ホ
ール共に移動できず、電流は流れない。このように光の
入射の有無で回路を流れる電流が変化する。これを図4
(c)の検出部12で検出すれば光センサとして動作す
る。
来の光センサでSN比が高く、かつ低コストの光電変換
装置を生産するのは難しい。以下その理由について説明
する。
4(b)のショットキー型は共に2カ所に注入阻止層が
必要なところにある。
であるn層5は電子を透明電極6に導くと同時にホール
がi層4に注入するのを阻止する特性が必要である。ど
ちらかの特性を逸すれば光電流が低下したり、光が入射
しない時の電流(以下暗電流と記す)が発生、増加する
ことになりSN比の低下の原因になる。この暗電流はそ
れ自身がノイズと考えられると同時にショットノイズと
呼ばれるゆらぎ、いわゆる量子ノイズを含んでおりたと
え検出部12で暗電流を差し引く処理をしても、暗電流
に伴う量子ノイズを小さくすることはできない。
層5の成膜の条件や、作成後のアニールの条件の最適化
を図る必要がある。しかし、もう一つの注入阻止層であ
るp層3についても電子、ホールが逆ではあるが同等の
特性が必要であり、同様に各条件の最適化が必要であ
る。通常、前者n層の最適化と後者p層の最適化の条件
は同一でなく、両者の条件を同時に満足させるのは困難
である。
止層が必要なことは高SN比の光センサの形成を難しく
する。
ても同様である。また図4(b)のショットキー型にお
いては片方の注入阻止層にショットキーバリア層を用い
ているが、これは下部電極2とi層4の仕事関数の差を
利用するもので、下部電極2の材料が限定されたり、界
面の局在準位の影響が特性に大きく影響し、条件を満足
させるのはさらに難しい。
を向上させるために、下部電極2とi層4の間に100
オングストローム前後の薄いシリコンや金属の酸化膜、
窒化膜を形成することも報告されているが、これはトン
ネル効果を利用し、ホールを下部電極2に導き、電子の
i層4への注入を阻止する効果を向上させるもので、や
はり仕事関数の差を利用しているため下部電極2の材料
の限定は必要である。加えて電子の注入の阻止とトンネ
ル効果によるホールの移動という逆の性質を利用するた
め酸化膜や窒化膜は100オングストローム前後と非常
に薄くすることが要求される。そしてその厚さや膜質の
制御は難しく生産性は低下する。
産性を低下させるだけでなくコストもアップする要因と
なる。これは注入阻止層が特性上重要なため2カ所中1
カ所でもゴミ等で欠陥が生じた場合、光センサとしての
所望の特性が得られないからである。
は薄膜の半導体膜で形成した電界効果型トランジスタ
(TFT)の層構成を示している。TFTは光電変換装
置を形成するうえで制御部の一部として利用することが
ある。図中図4と同一なものは同番号で示してある。図
2において、7はゲート絶縁膜であり、60は上部電極
である。形成法を順を追って説明する。絶縁基板1上に
ゲート電極(G)として働く下部電極2、ゲート絶縁膜
7、i層4、n層5、ソース、ドレイン電極(S、D)
として働く上部電極60を順次成膜し、上部電極60を
エッチングしてソース、ドレイン電極を形成し、その後
n層5をエッチングしてチャネル部を構成している。T
FTの特性はゲート絶縁膜7とi層4の界面の状態に敏
感で通常その汚染を防ぐために同一真空内で連続に堆積
する。
に形成する場合、この層構成が問題となりコストアップ
や特性の低下を招く。この理由は図4に示した従来の光
センサの構成が、図4(a)のPIN型が電極/p層/
i層/n層/電極、図4(b)のショットキー型が電極
/i層/n層/電極という構成であるのに対し、TFT
は電極/絶縁膜/i層/n層/電極という構成で両者の
層構成が異なるからである。これは同一プロセスで光セ
ンサ、TFTを同時に形成できないことを示し、必要な
場所に必要な層を形成するためフォトリソ工程などが繰
り返されるプロセスの複雑化による歩留まりの低下、コ
ストアップを招く。また、i層/n層を共通化するには
ゲート絶縁層7やp層3のエッチング工程が必要とな
り、先に述べた光センサの重要な層である注入阻止層の
p層3とi層4が同一真空内で成膜できなかったり、T
FTの重要なゲート絶縁膜7とi層4の界面がゲート絶
縁膜のエッチングにより汚染され、特性の劣化やSN比
の低下の原因になる。
型の特性を改善するため下部電極2とi層4の間に酸化
膜や窒化膜を形成したものは膜構成の順は同一であるが
先に述べたように酸化膜や窒化膜は100オングストロ
ーム前後である必要がありゲート絶縁膜と共用すること
は困難である。図3にゲート絶縁膜とTFTの歩留まり
について、我々が実験した結果を示す。ゲート絶縁膜厚
が1000オングストローム以下で歩留まりは急激に低
下し、800オングストロームで歩留まりは約30%、
500オングストロームで歩留まりは0%、250オン
グストロームではTFTの動作すら確認できなかった。
トンネル効果を利用した光センサの酸化膜や窒化膜と、
電子やホールを絶縁しなければならないTFTのゲート
絶縁膜を共用化することは明らかに困難であり、これを
データが示している。
の積分値を得るのに必要となる素子である容量素子(以
下コンデンサと記す)を従来の光センサと同一の構成で
リークが少ない良好な特性ものを作るのは難しい。コン
デンサは2つの電極間に電荷を蓄積するのが目的なため
電極間の中間層には必ず電子とホールの移動を阻止する
層が必要であるのに対し、従来の光センサは電極間に半
導体層のみ利用しているため熱的にリークの少ない良好
な特性の中間層を得るのは難しいからである。
重要な素子であるTFTやコンデンサとプロセス的にま
たは特性的にマッチングが良くないことは複数の光セン
サを一次元もしくは二次元に多数配置し、この光信号を
順次検出するようなシステム全体を構成するうえで工程
が多くかつ複雑になるため歩留まりが非常に悪く、低コ
ストで高性能多機能な装置を作るうえで重大な問題にな
る場合がある。
く、特性が安定している光電変換装置、その駆動方法及
びそれを有するシステムを提供することを目的とする。
光電変換装置及びそれを有するシステムを提供すること
を目的とする。
形成することが可能で、生産プロセスの複雑化を生じる
ことなく、低コストで作製可能な光電変換装置、その駆
動方法及びそれを有するシステムを提供することを目的
とする。
決するための手段として、絶縁基板上に、第一の電極
層、第一の型のキャリアおよび前記第一の型のキャリア
とは正負の異なる第二の型のキャリアの両方のキャリア
の通過を阻止する絶縁層、光電変換半導体層、該半導体
層への前記第一の型のキャリアの注入を阻止する注入阻
止層、第二の電極層を、有する光電変換部を有する光電
変換装置を提供する。
び第2の電極層、該第1及び第2の電極層間に設けられ
た第1の型のキャリアおよび該キャリアと異なる第2の
型のキャリアの通過を阻止する絶縁層、半導体層そして
該半導体層への前記第1の型のキャリアの注入を阻止す
る注入阻止層を有する光電変換部の複数と、該光電変換
部からの信号を処理する信号処理手段とを有するシステ
ムを提供する。
1の型のキャリアおよび前記第1の型のキャリアとは正
負の異なる第2の型のキャリアの両方の通過を阻止する
絶縁層、半導体層、該半導体層中へ前記第1の型のキャ
リアが注入されるのを阻止する注入阻止層を介して設け
られた第2の電極層を有する光電変換部を駆動する方法
であって、該駆動方法はリフレッシュモードと光電変換
モードを有し、前記リフレッシュモードにおいては、前
記第1の型のキャリアを前記半導体層から前記第2の電
極層に導く電界を印加し、前記光電変換モードでは、前
記半導体に入射した光により発生した前記第1の型のキ
ャリアを前記半導体層内に留まらせ、前記第2の型のキ
ャリアを前記第2の電極層に導く方向に電界を印加する
光電変換装置の駆動方法を提案する。
がら説明する。
は、それぞれ順に、本発明の第1の実施例に係る光電変
換装置の光電変換部を説明するための模式的層構成図、
光電変換装置の概略的回路図である。
形成される絶縁基板、2はAlやCrなどで形成される
下部電極である。70は電子、ホール共に通過を阻止す
る窒化シリコンSiNなどで形成される絶縁層であり、
その厚さはトンネル効果により電子、ホールが通過でき
ないほどの厚さである500オングストローム以上に設
定される。4は水素化アモルファスシリコン(a−S
i:H)の真性半導体i層で形成される光電変換半導体
層、5は光電変換半導体層4に透明電極6側からのホー
ルの注入を阻止するa−Siのn+ 層で形成される注入
阻止層、透明電極6はITOのようなインジウム又はス
ズを含む化合物、酸化物などで形成される。
示した光電変換部を記号化したものでDが透明電極6
側、Gが下部電極2側の電極を示している。120は検
出部、110は電源部であり、電源部110はD電極に
正の電位を与える正電源111、負の電位を与える負電
源112の両者を切り換えるスイッチ113で構成され
る。スイッチ113はリフレッシュモードではrefr
esh側、光電変換モードではread側に接続される
よう制御される。
100の動作について説明する。図5(a),図5
(b)はそれぞれ本実施例のリフレッシュモードおよび
光電変換モードの動作を示す光電変換部のエネルギーバ
ンド図で、光電変換部の各層の厚さ方向の状態を表して
いる。
極はG電極に対して負の電位が与えられているため、i
層4中の黒丸で示されたホールは電界によりD電極に導
かれる。同時に白丸で示された電子はi層4に注入され
る。この時一部のホールと電子はn層5,i層4におい
て再結合して消滅する。充分に長い時間この状態が続け
ばi層4内のホールはi層4から掃き出される(図5
(a))。
と、D電極はG電極に対して正の電位が与えられるため
i層4中の電子は瞬時にD電極に導かれる。しかしホー
ルはn層5が注入阻止層として働くためi層4に導かれ
ることはない。この状態でi層4内に光が入射すると光
は吸収され電子・ホール対が発生する。この電子は電界
によりD電極に導びかれ、ホールはi層4内を移動し絶
縁層70の界面に達する。しかし、絶縁層70内には移
動できないため、i層4内に留まることになる。この時
電子はD電極に移動し、ホールはi層4内の絶縁層70
界面に移動するため、素子内の電気的中性を保つため、
電流がG電極から検出部120に流れる。この電流は光
により発生した電子・ホール対に対応するため入射した
光に比例する(図5(b))。
後、再びリフレッシュモード(a)の状態になると、i
層4内に留まっていたホールは前述のようにD電極に導
びかれ、同時にこのホールに対応した電荷が検出部12
0に流れる。このホールの量は光電変換モード期間に入
射した光の総量に対応し、検出部120に流れる電荷は
光の総量に対応する。この時i層4内に注入される電子
の量に対応した電荷も流れるが、この量はおよそ一定な
ため差し引いて検出すればよい。
00は、リアルタイムに入射する光の量を出力すると同
時に、ある期間に入射した光の総量も出力することもで
きる。このことは本実施例の大きな特徴といえる。検出
部120は目的に応じてどちらか一方、もしくは両方を
検出すればよい。
て説明する。
タイミングチャートである。図中V dgは光電変換部10
0のG電極に対するD電極の電位であり、Pは光の入射
の状態を示し、ONで光が入射の状態、OFFで光の入
射がない。つまりダーク状態を示している。IS は検出
部120に流れ込む電流を示し、横軸方向は時間の経過
を示す。
向に接続されるとリフレッシュモードに入り、Vdgは負
電圧となり、図5(a)のようにホールが掃き出され、
また電子がi層4に注入されるにともない検出部120
には図6のEで示される負の突入電流Eが流れる。その
後リフレッシュモードは終了し、スイッチ113がre
ad方向に接続されるとi層4内の電子が掃き出され正
の突入電流E′が流れ光電変換モードに入る。この時光
が入射されているとAで示される光電流Aが流れる。も
し同様な動作でダーク状態であればA′で示されるよう
に電流は流れない。よって光電流Aを直接、もしくは一
定の期間、光電流Aを積分すれば光の入射を検出でき
る。
fresh方向に接続されると突入電流Bが流れる。こ
れは直前の光電変換モード期間における光の入射の総量
に反映された量になり、この突入電流Bを積分もしくは
積分相当の値を得ればよい。直前の光電変換モードで光
が入射していなければ突入電流はB′のように小さくな
り、その差を検出すれば、光の入射を検出できる。また
前述の突入電流E′やE″はおよそ突入電流B′と等し
いため、突入電流Bからこれらを差し引いてもよい。
あっても光の入射の状態が変化すれば、C,C′のよう
にIS は変化する。これを検出しても光の入射状態を検
出できる。つまり、必ずしも検出機会ごとに毎回リフレ
ッシュモードにする必要はないことを示している。
変換モードの期間が長くなったり、入射する光の照度が
強い場合、Dのように光の入射があるにもかかわらず電
流が流れないことがある。これは図5(c)のように、
i層4内にホールが多数留まり、このホールのためi層
4内の電界が小さくなり、発生した電子がD電極に導び
かれなくなり、i層4内のホールと再結合してしまうか
らである。この状態で光の入射の状態が変化すると、電
流が不安定に流れることもあるが、再びリフレッシュモ
ードにすればi層4内のホールは掃き出され、次の光電
変換モードではA″のようにAと等しい電流が得られ
る。
したが、入射光の強弱によりA,B,Cの電流はともに
連続的に変化し、入射光の有無の検出に限らず、強弱に
ついても定量的に検出できることはいうまでもない。
モードで、i層4内のホールを掃き出す場合、全てのホ
ールを掃き出すのが理想であるが、一部のホールを掃き
出すだけでも効果はあり、光電流であるAもしくはCに
おいて全てを掃き出した場合と値は変わらず、問題はな
い。また、常に一定量が残るように掃き出せば、Bの電
流によっても光の量を定量的に検出することができる。
つまり、次の光電変換モードでの検出機会において電流
値がDの状態、すなわち図5(c)の状態にならなけれ
ばよく、リフレッシュモードのVdgの電圧、リフレッシ
ュモードの期間、および、n層5の注入阻止層の特性を
決めればよい。
て、i層4への電子の注入は必要条件でなく、Vdgの電
圧は負に限定されるものでもない。ホールの一部がi層
4から掃き出されればよい。ホールが多数i層4に留ま
っている場合には、たとえV dgが正の電圧であってもi
層4内の電界はホールをD電極に導く方向に加わるから
である。n層5の注入阻止層の特性も同様に電子をi層
4に注入できることが必要条件ではない。
7(d)は、それぞれ検出部の構成例を示したものであ
る。121は電流Ampで代表される電流計、122は
電圧計、123は抵抗器、124はコンデンサ、125
はスイッチ素子、126はオペアンプである。
電流計121の出力は電圧や、増幅された電流である。
図7(b)は電流を抵抗器123に流して電圧を電圧計
122で検出している。図7(c)は電荷をコンデンサ
124に蓄積し、その電圧を電圧計122で検出してい
る。図7(d)はオペアンプ126により電流の積分値
を電圧として検出している。図7(c),図7(d)に
おいてスイッチ素子125は毎回の検出に対して初期値
を与える役割をし、検出の方法によって高抵抗の抵抗器
に置き換えることも可能である。
組み合せたオペアンプ、抵抗、コンデンサ等で構成し、
高速で動作するものを使用することができる。検出部は
これら4種に限定するものでなく、電流もしくは電荷を
直接もしくは積分値を検出できればよく、電流もしくは
電圧値を検出する検出器と、抵抗器、コンデンサ、スイ
ッチ素子を組合せ、複数の光電変換部を同時もしくは順
次出力するよう構成することもできる。
合は、電源部の配線やスイッチ素子と組合せてマトリッ
クスで1000ケ以上の光電変換部の電位を制御し、ま
た検出する。この場合、スイッチ素子やコンデンサ、抵
抗の一部は光電変換部と同一基板上に構成するとSN比
や、コスト面で有利である。この場合、本実施例の光電
変換部は代表的なスイッチ素子であるTFTと同一膜構
成のため同一プロセスで同時に形成することが可能であ
り低コストの高SN比の光電変換装置が実現できる。
置の第2の実施例を示す回路図である。なお先に説明し
た図と同一部分には同一符号を付している。光電変換部
100の層構成については図3(a)と同一である。1
14はD電極に正の電位を与える電源、115は光電変
換部のリフレッシュモードにおいてG電極に正の電位を
与える電源、および116は各モードを切り換える切り
換えスイッチ素子である。このとき電源115は電源1
14と同等もしくは高電圧に設定されている。
それぞれ、光電変換部リフレッシュモード、G電極
初期化モード、蓄積モード、検出モードである。
の光電変換部リフレッシュモードは前記実施例のリフレ
ッシュモードと、また,,のG電極初期化モー
ド、蓄積モード、検出モードは前記実施例の光電変換モ
ードと光電変換部100各層に同じ方向に電界が加って
おり、光電変換部100の動作は基本的に同じである。
以下各モードについて順次説明する。
ッチ素子116は図中のrefreshの位置に接続さ
れ、電源115によってG電極には正の電位が与えられ
る。D電極には電源114により正の電位が与えられて
おり、つまり、D電極のG電極の電位に対しての電位V
dgはおよそ0もしくは負の電圧が与えられたことにな
る。すると光電変換部100内のホールは掃き出されリ
フレッシュされる。
に接続されG電源初期化モードに移行しG電極はGN
D電位が与えられる。このときVdgは正の電圧になり、
光電変換部100は突入電流が流れた後光電変換モード
になる。
になり、蓄積モードに移行し、G電極は直流的にオー
プンになる。しかし、実際には点線で示された光電変換
部100の等価的な容量成分CS や浮遊容量CO により
電位は保たれる。ここで光電変換部100に光が入射し
ていると対応する電流がG電極から流れ出し、G電極の
電位は上昇する。つまり、CS やCO に光の入射情報が
電荷として蓄積される。一定の蓄積時間後スイッチ素子
116がsenseの位置に接続されると検出モード
に移行しG電極の電位はGND電位に再び戻される。こ
の時同時にCS,CO に蓄積された電荷は検出部120
に流れるが、この電荷は蓄積モードで光電変換部100
から流れ出た電流の積分と等しく、つまり光の入射の総
量として検出部120により検出される。
resh位置に接続され以下動作が繰り返される。
せで、一定な長期間の蓄積時間に流れた電流の積分値
が、検出モードの短期間に得られるところにありこのこ
とは複数の光電変換部をもつ高SN比の光電変換装置が
低コストで構成できることを示している。
1の実施例と等しいが、異なる点は光電変換モード中に
G電極の電位が上昇し、Vdgが低下することである。こ
のことは少ない光の入射量で図5の(c)で示す状態に
なりやすいと言え、正常動作における入射光量の制限に
成り得るが、これは浮遊容量CO と並列に積極的に大き
な蓄積用コンデンサを挿入することで容易に改善でき
る。
スイッチ素子125,オペアンプ126で構成され、検
出モード時に流れ込んだ電荷をコンデンサ124に蓄
え、電圧に変換し、バッファーアンプを介して出力して
おり、このため検出モード時にG電極は完全なGND電
位にならないが、基本的な動作に影響を与えるものでな
い。なおコンデンサ124は他のモード時に、スイッチ
素子125により初期化される。また、切り換えスイッ
チ素子116は多極性である必要もなく、たとえばTF
Tのようなスイッチ素子を3ケで構成することもでき
る。
9(c)は夫々光電変換部100の別の実施例を示す層
構成図である。なお、先に説明した図と同一部分には同
一符号を付している。
基板であり、21は透明な導電層を用いた下部透明電極
である。61は上部電極であり、必ずしも透明である必
要はなく、Al等の金属でよい。入射光は透明絶縁基板
101,透明電極21,絶縁層70を通過してi層4に
入射する。
り、この電極はn層5を完全に覆っていない。よって、
光はn層5を通過させてi層4に入射することができ
る。つまり電極62はAl等の金属でよく透明である必
要はない。キャリアは上部電極62を通って外部に出力
される。
堆積している。この構成では電極61からi層4へのホ
ールの注入を電極61とi層4の仕事関数の差からでき
る、ショットキーバリア層で阻止している。したがっ
て、先に述べたn層5は堆積する必要はなく、さらに低
コストの光電変換装置が構成できる。
部は実施例で示したものに限定するものではない。つま
り第一の電極層、ホールおよび電子の移動を阻止する絶
縁層、光電変換半導体層、第二の電極層があり、第二の
電極層と光電変換半導体層の間に光電変換半導体層への
ホールの注入を阻止する注入阻止層があればよい。
るホールと電子との関係を逆にして構成してもよい。た
とえば注入阻止層はp層でもよい。この場合、上述の説
明において、電圧や電界の印加を逆にし他の構成部を構
成すれば同様の動作となる。
のでない。光が入射して電子、ホール対を発生する光電
変換機能をもっていればよい。層構成も一層でなく多層
で構成してもよく、また、組成などを層厚方向に連続的
に変化させて連続的に特性を変化させたものでもよい。
要はなく、導体もしくは半導体上に絶縁物が堆積された
ものでもよい。また絶縁基板上への各層の堆積順も第一
の電極、絶縁層…に限定されず、逆に第二の電極、注入
阻止層…の順、つまり逆の順に積層した構成でもよい。
た構成の光電変換部を有する場合も、上述した駆動方法
を適用できるのはいうまでもない。
る光電変換装置内の光電変換素子100、スイッチ素子
であるTFT200および配線層400の模式的層構成
図、図10(b)は光電変換装置の概略的回路図であ
る。図10(a)において、図3と同じ番号で示される
部分は同じものを示す。
電極6を不透明電極で形成し、上部電極6は注入阻止層
5を完全に覆わない構成にし上部より注入阻止層5を通
して光の入射を可能にしている。しかし例えばITO等
の透明電極で上部もしくは下部電極を形成すれば上部電
極6は注入阻止層5を覆う構成でも光の入射は可能であ
る。
ゲート電極、207は窒化シリコンSiNで形成される
ゲート絶縁層、204は水素化アモルファスシリコンa
−Siの真性半導体i層で形成された半導体層、205
は半導体層204とソース電極206およびドレイン電
極208との間で電子の移動をさせるa−Siのn層で
形成されるオーミックコンタクト層である。
8はAlやCrなどの金属やポリシリコンで形成され
る。また光電変換素子100の上部電極106とTFT
200のソース電極206はAlやCrの配線406で
接続している。
の層構成は同一であり同一絶縁基板1上に同一材料で同
時に成膜することができ、また配線層も光電変換部とT
FTの各電極と同時に形成することが可能であり、共通
の膜で構成することにより簡易的なプロセスで形成する
ことができる。
であるTFT200は1つが接続された例が示されてい
るが、これは1つに限られるわけではない。
(a)で示した光電変換素子を記号化したもので、Dが
上部電極6側、Gが下部電極2側の電極を示している。
120は検出部、110は電源部であり、電源部110
はD電極に正の電位を与える正電源111、負の電位を
与える負電源112で構成される。また、図中210お
よび211は図10(a)で示したTFTを記号化した
ものでg,sおよびdがそれぞれゲート電極202、ソ
ース電極206およびドレイン電極208を示してい
る。図10(a)では前述したように代表してTFT2
00とし1個のみ示しているが実際には図10(b)に
示したようにTFT210と211共に同一絶縁基板上
に形成している。それぞれのゲート電極は制御部130
に接続されており、この制御部130によりリフレッシ
ュモードではrefresh−TFT210、光電変換
モードではread−TFT211がonするように制
御されている。
て説明したスイッチ113をread−TFT211と
refresh−TFT210とに具体的に示してあ
り、実施例1でのreadとrefreshの選択を制
御部130からの信号によることが図10(b)に明記
されているが、光電変換部の駆動方法については実施例
1においての説明を適用することができる。
スイッチ素子であるTFTとを少なくとも一部が同一の
層構成で形成できるため同一プロセスで同時に必要な層
を堆積、パターンニングでき高歩留り、低コスト、高S
N比の優れた光電変換装置を提供することができる。
の実施例に係る光電変換装置内の光電変換部100、ス
イッチ素子であるTFT200、容量素子であるコンデ
ンサ300、および配線層400の層の模式的構成図、
図11(b)は図11(a)に適用可能な光電変換装置
の概略的回路図である。図11(a)及び図11(b)
において、図10(a)及び図10(b)と同じ番号の
ものは同じ部材を示すのでここでは説明を省略する。
やCr等で形成されるコンデンサの下部電極、307は
窒化シリコンSiNで形成される絶縁層、304は水素
化アモルファスシリコンa−Siの真性半導体i層で形
成された半導体層、305は半導体層304とコンデン
サ上部電極306との間で電子の移動をさせるa−Si
のn層で形成されるオーミックコンタクト層である。コ
ンデンサの上部電極306はAlやCrで形成される。
ここで絶縁層307/半導体層304/オーミックコン
タクト層305はコンデンサ300の中間層として働
き、絶縁層307を含んでいるためリークの少ない良好
なコンデンサが形成されている。また光電変換素子10
0の下部電極102とコンデンサの下部電極302はA
lやCrの配線402で接続している。
一であり同一絶縁基板1上に各層は同一材料で同時に成
膜することができ、また配線層も各素子の電極と同時に
形成することが可能であり、共通の膜で構成することに
より簡易的なプロセスで形成することができる。
制御部130からの信号で駆動されるDETECT T
FT(検出用TFT)212を光電変換部100と検出
部120との間に介挿されている点と、光電変換部10
0の一方の電極がコンデンサ300を介して接地されて
いる点が異なっている。
いては1つのTFTがしめされているだけであるが、実
施例4と同様に代表的な一例を示してあるにすぎず、図
11(b)に示されるread TFT211,ref
resh TFT210及びDETECT TFT21
2を同一基板上に形成できるのは云うまでもないことで
ある。
〜212共に同一絶縁基板上に形成している。それぞれ
のゲート電極は制御部130に接続されており、この制
御部130によりフレッシュモードではrefresh
−TFT210、光電変換モードではread−TFT
211がonするように制御されている。また、det
ect−TFT212はコンデンサ300に蓄積された
光電変換素子の出力の積分値を検出するタイミングで適
宜on/offするように制御されている。
実施例4と同様に実施例1で説明した駆動方法を適用で
きる。しかしながら、本実施例においてはコンデンサ3
00に電荷を蓄積しているので、図5及び図6を用いて
あらためて説明する。
ていないがD電極とn層との間は電子の移動が自由に行
われるためD電極とn層の電位は常に同電位であり以下
の説明ではそれを前提としている。また、G電極は検出
期間において検出部を介してGND電位を与えられ、蓄
積期間においてもコンデンサ300によっておよそGN
D電位に保たれる。
D電極はG電極に対して負の電位が与えられているた
め、i層4中の黒丸で示されたホールは電界によりD電
極に導かれる。同時に白丸で示された電子はi層4に注
入される。このとき一部のホールと電子はn層5,i層
4において再結合して消滅する。十分に長い時間この状
態が続けばi層4内のホールはi層4から掃き出され
る。
なるとD電極はG電極に対して正の電位が与えられるた
め、i層4中の電子は瞬時にD電極に導かれる。しかし
ホールはn層5が注入阻止層として働くためi層4に導
かれることはない。この状態でi層4内に光が入射する
と、光は吸収され電子・ホール対が発生する。この電子
は電界によりD電極に導かれ、ホールはi層4内を移動
しi層4と絶縁層70の界面に達する。しかし、絶縁層
70内には移動できないため、i層4内に留まることに
なる。このとき電子はD電極に移動し、ホールはi層4
内の絶縁層70界面に移動するため、素子内の電気的中
性を保つため電流がG電極からコンデンサ300に流れ
る。この電流は光により発生した電子・ホール対に対応
するため、入射した光に比例する。ある期間光電変換モ
ードの図5(b)を保った後、再びリフレッシュモード
の図5(a)の状態になると、i層4に留まっていたホ
ールは前述のようにD電極に導かれ、同時にこのホール
に対応した電流がコンデンサ300に流れる。このホー
ルの量は光電変換モード期間に入射した光の総量に対応
し、電流は光の総量に対応する。この時i層4内に注入
される電子の量に対応した電流も流れるが、この量はお
よそ一定なため差し引いて検出すればよい。つまり、本
実施例においての光電変換素子100はリアルタイムに
入射する光の量を出力すると同時に、ある期間に入射し
た光の総量も出力することもできる。このことは本実施
例の大きな特徴といえる。コンデンサ300はこれらの
出力のうち目的の出力を蓄積しその積分値をdetec
t−TFTをonすることにより検出部120で検出す
ればよい。
6は図11(a)の光電変換装置における動作のタイミ
ングチャートである。図中Vdgは光電変換素子100の
G電極に対するD電極の電位であり、Pは光の入射の状
態を示し、ONで光が入射の状態、OFFで光の入射が
ない、つまりダーク状態を示している。IS はコンデン
サ300に流れ込む電流を示し、横軸方向は時間の経過
を示す。始めに制御部130によりrefresh−T
FT210がonになるとリフレッシュモードに入りV
dgは負電圧となり図2(a)のようにホールが掃き出さ
れ、また電子がi層4に注入されるにともないコンデン
サ300には図6Eで示される負の突入電流Eが流れ
る。その後リフレッシュモードは終了しrefresh
−TFT210がoffと同時にread−TFT21
1がonに制御されるとVdgは正電圧となりi層4内の
電子が掃き出され、正の突入電流E′が流れ光電変換モ
ードにはいる。この時光が入射されているとAで示され
る光電流が流れる。もし同様な動作でダーク状態であれ
ばA′で示されるように電流は流れない。よって一定の
期間光電流Aを積分すれば光の入射を検出できる。ま
た、Aの状態からrefresh−TFT210がon
に制御されると突入電流Bが流れる。これは直前の光電
変換モード期間における光の入射の総量に反映された量
になり、この突入電流Bを積分すれば光の入射を検出で
きる。直前の光電変換モードで光が入射していなければ
突入電流はB′のように小さくなり、その差を検出すれ
ば光の入射を検出できる。また前述の突入電流E′や
E″はおよそ突入電流B′と等しいため、突入電流Bか
らこれを差し引いてもよい。つまり、突入電流Bの直前
から突入電流E″の直後までコンデンサ300によって
積分すればよい。これは本実施例の特徴でもあり特別な
引き算器なしに、 (突入電流B−突入電流E″) が得られる。
っても光の入射の状態が変化すれば、C,C′のように
IS は変化する。これを積分しても光の入射状態を検出
できる。つまり、必ずしも検出機会ごとに毎回リフレッ
シュモードにする必要はないことを示している。
換モードの期間が長くなったり、入射する光の照度が強
い場合、Dのように光の入射があるにもかかわらず電流
が流れないことがある。これは図5(c)のように、i
層4内にホールが多数留まり、このホールのためi層4
内の電界が小さくなり、発生した電子がD電極に導かれ
なくなりi層4内のホールと再結合してしまうからであ
る。この状態で光の入射の状態が変化すると、電流が不
安定に流れることもあるが、再びリフレッシュモードに
すればi層4内のホールは掃き出され次の光電変換モー
ドではA″のようにAと等しい電流が得られる。
る方法について説明する。まずdetect−TFT2
12を制御部130によりonし検出部を介してコンデ
ンサ300にGND電位を与える。この時検出部120
では流れる電荷を検出する必要はない。次にdetec
t−TFT212をoffし積分が開始する。積分期間
中はコンデンサ300に流れた電流はコンデンサ300
に電荷として蓄えられる。このとき若干ではあるがコン
デンサ300の電位は上昇するがこれは光電変換素子1
00の動作にはほとんど影響しない。ある一定期間積分
した後detect−TFT212をonするとコンデ
ンサ300に蓄えられた電荷はdetect−TFT2
12を通して検出部120に流れる。この電流は一定期
間積分された積分値に対応するためこれを検出部120
で検知すればよい。
したが、入射光の強弱によりA,B,Cの電流は共に連
続で変化し、入射光の有無の検出に限らず、強弱につい
ても定量的に検出できることは言うまでもない。
モードでi層4内のホールを掃き出す場合、全てのホー
ルを掃き出すのが理想であるが、一部のホールを掃き出
すだけでも効果はあり、光電流であるAもしくはCにお
いて全てを掃き出した場合と値は変わらず、問題はな
い。また、常に一定量が残るように掃き出せば、Bの電
流によっても光の量を定量的に検出することができる。
つまり、次の光電変換モードでの検出機会において電流
値がDの状態、すなわち図5の(c)の状態になってい
なければよく、リフレッシュモードでのVdgの電圧、リ
フレッシュモードの期間およびn層5の注入阻止層の特
性を決めればよい。また、さらにリフレッシュモードに
おいてi層4への電子の注入は必要条件ではなく、Vdg
の電圧は負に限定されるものでもない。ホールが多数i
層4に留まっている場合には例えV dgが正の電圧であっ
てもi層内の電界はホールをD電極に導く方向に加わる
からである。n層5の注入阻止層の特性も同様に電子を
i層4に注入できることが必要条件ではない。
明した多くのタイプを使用し得るものである。
しているので所望の期間の光電変換した信号を蓄積する
ことができ、より一層高感度、高SN比化をはかること
ができる。
置の第6の実施例を示す回路図である。なお、先に説明
した図と同一部分には同一符号を付している。光電変換
素子100、及びスイッチ素子であるTFT220〜2
22の層構成については図10(a)の光電変換素子1
00、TFT200を適用可能である。114はD電極
に正の電位を与える電源Vd 、115は光電変換素子の
リフレッシュモードにおいてG電極に正の電位を与える
電源Vg である。この時電源115は電源114と同等
もしくは高電圧に設定されている。各TFT220〜2
22のゲート電極はそれぞれ制御部131〜133でo
n/offを制御されている。破線で囲まれている部分
120が検出部であり、以下述べるように光電変換素子
100に入射する光を検出している。
それぞれ光電変換素子リフレッシュモード、G電極
初期化モード、蓄積モード、検出モードである。
の光電変換素子リフレッシュモードは前記の実施例のリ
フレッシュモードと、また,,のG電極初期化モ
ード、蓄積モード、検出モードは前記の実施例の光電変
換モードと対応し、光電変換素子100の各層には同じ
方向に電界が加わっており、光電変換素子100の動作
は基本的に同じである。以下各モードについて順次説明
する。3つのTFT220〜222がoff後、光電変
換素子リフレッシュモードでは制御部131によりT
FT220がonし、電源115によってG電極には正
の電位Vg が与えられる。D電極には電源114により
正の電位Vd が与えられており、つまり、D電極のG電
極の電位に対しての電位Vdgは(Vd −Vg )が与えら
れたことになる。すると光電変換素子100内のホール
は掃き出されリフレッシュされる。次にTFT220が
off後、制御部132によりTFT221がonし、
G電極初期化モードに移行し、G電極はGND電位が
与えられる。この時Vdgは正の電圧になり、光電変換素
子100は突入電流が流れた後光電変換モードになる。
次にTFT221はoffし、G電極は直流的にオープ
ンになる。しかし実際には点線で示された光電変換素子
100の等価的な容量成分CS や浮遊容量CO により電
位は保たれる。ここで光電変換素子100に光が入射し
ていると対応する電流がG電極から流れ出し、G電極の
電位は上昇する。つまり、CS やCO に光の入射情報が
電荷として蓄積される。一定の蓄積時間後制御部133
によりTFT222がonし、検出モードに移行す
る。この時CS やCO に蓄積された電荷はTFT222
を通してオペアンプ126側に流れるが、この電荷は蓄
積モードで光電変換素子100から流れ出た電流の積分
値に対応し、つまり光の入射の総量としてオペアンプ1
26、コンデンサ124およびスイッチ素子125で構
成された積分器により検出される。この積分器は検出モ
ードに移行する前に図示していない制御部によりスイ
ッチ素子125をonしコンデンサ124を放電し初期
化しておく。さらに、TFT222がoff後、制御部
131によりTFT220が再びonし、以下動作が繰
り返される。
で、一定な長時間の蓄積時間に流れた電流の積分値が、
検出モードの短時間に得られるところにあり、高コスト
であるオペアンプの負荷が軽く複数の光電変換素子をも
つ高SN比の光電変換装置が低コストで構成できること
を示している。本実施例の光電変換素子の動作は基本的
に第1の実施例と等しいが、異なる点は光電変換モード
中にG電極の電位が上昇し、Vdgが低下することであ
る。このことは少ない光の入射量で図5(c)で示す状
態になりやすく、正常動作における入射光量の制限にな
り得るが、これは浮遊容量CO と並列に積極的に大きな
蓄積用コンデンサを挿入することで容易に改善できる。
置の模式的平面図、図13(b)に図13(a)の模式
的平面図で図示したA−B間の模式的断面図を示す。図
13(a)において詳細に図示できない部分は図12と
同じ記号で示している。100は光電変換素子、220
〜222はTFT、402並びに406は各素子を電気
的に結ぶ配線でありコンタクトホール408を介して接
続されている。図13(b)において412並びに41
6は他の構成部と結ぶ配線である。ここで図13により
各素子の形成方法について順に説明する。
パッタ等により下部メタル層2としてCrを約500オ
ングストローム堆積させ、その後フォトリソグラフィに
よりパターニングし不必要なエリアをエッチングする。
これにより光電変換素子100の下部電極、TFT22
0〜222のゲート電極、および下部配線402と41
2が形成される。
層70/i層4/n層5をそれぞれ約2000Å/50
00Å/500Å堆積する。これらの各層は光電変換素
子100の絶縁層/光電変換半導体層/ホール注入阻止
層、およびTFT220〜222のゲート絶縁膜/半導
体層/オーミックコンタクト層となる。また、上下配線
のクロス部絶縁層としても使われる。各層の厚さはこれ
に限らず光電変換装置として使用する電圧、電流、電
荷、入射光量等により最適に設計できるが、少なくとも
SiNは電子とホールが通過できず、また、TFTのゲ
ート絶縁膜として機能ができる500オングストローム
以上が望ましい。
るエリアをエッチングし、その後、上部メタル層6とし
てAlをスパッタ等で約10000オングストローム堆
積させる。さらにフォトリングラフィによりパターニン
グし不必要なエリアをエッチングし光電変換素子100
の上部電極、TFT220〜222の主電極であるソー
ス電極並びにドレイン電極、および上部配線406と4
16が形成される。同時にコンタクトホール408で
は、下部配線402と上部配線406が接続されてい
る。
のみn層をRIEでエッチングし、その後不必要なSi
N層70/i層4/n層5をエッチングして各素子が分
離される。これで光電変換素子100、TFT220〜
222、下部配線402,412、上部配線406,4
16、およびコンタクトホール408が完成する。ま
た、図示はしていないが耐久性を向上させるため通常各
素子の上部をSiN等のパッシベーション膜で覆う。
子100、TFT220〜222、及び配線部300と
が同時に堆積された共通の下部メタル層2、SiN層7
/i層4/n層5、および上部メタル層6と各層のエッ
チングのみで形成することができ、また光電変換素子1
00内に注入阻止層が1カ所しかなく、かつ、同一真空
内で形成でき、さらにTFTの特性上重要なゲート絶縁
膜/i層界面も同一真空内で形成でき、総合的に高歩留
りでかつ低コストで高性能の光電変換装置の生産を可能
としている。
置の第7の実施例を示す回路図である。なお、先に説明
した図と同一機能の部分には、同一符号を付している。
光電変換素子100、TFT220〜222、およびコ
ンデンサ300の層構成については図11(a)と同一
である。114はD電極に正の電位を与える電源Vd 、
115は光電変換素子のリフレッシュモードにおいてG
電極に正の電位を与える電源Vg である。この時電源1
15は電源114と同等もしくは高電圧に設定されてい
る。各TFT220〜222のゲート電極はそれぞれ制
御部131〜133でon/offを制御されている。
破線で囲まれている部分120が検出部であり、以下述
べるように光電変換素子100に入射する光を検出して
いる。
それぞれ光電変換素子リフレッシュモード、G電極
初期化モード、蓄積モード、検出モードである。
の光電変換素子リフレッシュモードは前記の実施例のリ
フレッシュモードと、また,,のG電極初期化モ
ード、蓄積モード、検出モードは前記の実施例の光電変
換モードと対応し、光電変換素子100の各層には同じ
方向に電界が加わっており、光電変換素子100の動作
は基本的に同じである。以下各モードについて順次説明
する。3つのTFT220〜222がoff後、光電変
換素子リフレッシュモードでは制御部131によりT
FT220がonし、電源115によってG電極には正
の電位Vg が与えられる。D電極には電源114により
正の電位Vd が与えられており、つまり、D電極のG電
極の電位に対しての電位Vdgは(Vd −Vg )が与えら
れたことになる。すると光電変換素子100内のホール
は掃き出されリフレッシュされる。次にTFT220が
off後、制御部132によりTFT221がonし、
G電極初期化モードに移行し、G電極はGND電位が
与えられる。この時Vdgは正の電圧になり、光電変換素
子100は突入電流が流れた後光電変換モードになる。
次にTFT221はoffし、G電極は直流的にオープ
ンになる。しかしコンデンサ300により電位は保たれ
る。ここで光電変換素子100に光が入射していると対
応する電流がG電極から流れ出し、G電極の電位は上昇
する。つまり、コンデンサ300に光の入射情報が電荷
として蓄積される。一定の蓄積時間後制御部133によ
りTFT222がonし、検出モードに移行する。こ
の時コンデンサ300に蓄積された電荷はTFT222
を通してオペアンプ126側に流れるが、この電荷は蓄
積モードで光電変換素子100から流れ出た電流の積分
値に対応し、つまり光の入射の総量としてオペアンプ1
26、コンデンサ124およびスイッチ素子125で構
成された積分器により検出される。この積分器は検出モ
ードに移行する前に図示していない制御部によりスイ
ッチ素子125をonしコンデンサ124を放電し初期
化しておく。さらに、TFT222がoff後、制御部
131によりTFT220が再びonし以下動作が繰り
返される。
わせで、一定な長時間の蓄積時間に流れた電流の積分値
が、検出モードの短時間に得られるところにあり、高コ
ストであるオペアンプの負荷が軽く複数の光電変換素子
をもつ高SN比の光電変換装置が低コストで構成できる
ことを示している。本実施例の光電変換装置の動作にお
いて第1の実施例と同様に光電変換モード中にG電極の
電位が上昇し、Vdgが低下する。このことは少ない光の
入射量で図5(c)で示す状態になりやすく、正常動作
における入射光量の制限に成り得るが、これはコンデン
サ300を十分に大きくすることで改善できる。逆に少
ない光の検出でよい場合は積極的な素子としてコンデン
サ300を構成しなくとも点線で示した光電変換素子1
00の持つ浮遊容量CS が容量素子として働き動作可能
である。この浮遊容量CS は光電変換素子100の上部
電極106の面積により調整することができる。
置の平面図、図15(b)に図15(a)の平面図で図
示したA−B間の断面図を示す。図15(a)において
詳細に図示できない部分は図14と同じ記号で示してい
る。100は光電変換素子、220〜222はTFT、
300はコンデンサ、402並びに406は各素子を電
気的に結ぶ配線でありコンタクトホール408を介して
接続されている。図15(b)において412並びに4
16は他の構成部と結ぶ配線である。ここで図15によ
り各素子の形成方法について順に説明する。
パッタ等により下部メタル層2としてCrを約500オ
ングストローム堆積させ、その後フォトリソグラフィに
よりパターニングし不必要なエリアをエッチングする。
これにより光電変換素子100の下部電極、TFT22
0〜222のゲート電極、コンデンサ300の下部電
極、および下部配線402と412が形成される。
70/i層4/n層5をそれぞれ約2000Å/500
0Å/500Å堆積する。これらの各層は光電変換素子
100の絶縁層/光電変換半導体層/ホール注入阻止
層、TFT220〜222のゲート絶縁膜/半導体層/
オーミックコンタクト層、およびコンデンサ300の中
間層となる。また、上下配線のクロス部絶縁層としても
使われる。各層の厚さはこれに限らず光電変換装置とし
て使用する電圧、電流、電荷、入射光量等により最適に
設計できるが、少なくともSiNは電子とホールが通過
できず、また、TFTのゲート絶縁膜として機能ができ
る500オングストローム以上が望ましい。
るエリアをエッチングし、その後、上部メタル層6とし
てAlをスパッタ等で約10000オングストローム堆
積させる。さらにフォトリソグラフィによりパターニン
グし不必要なエリアをエッチングし光電変換素子100
の上部電極、TFT220〜222の主電極であるソー
ス電極並びにドレイン電極、コンデンサ300の上部電
極、および上部配線406と416が形成される。同時
にコンタクトホール408では、下部配線402と上部
配線406が接続されている。
のみn層をRIEでエッチングし、その後不必要なSi
N層70/i層4/n層5をエッチングして各素子が分
離される。これで光電変換素子100、TFT220〜
222、下部配線402,412、上部配線406,4
16、およびコンタクトホール408が完成する。
せるため通常各素子の上部をSiN等のパッシベーショ
ン膜で覆う。
子100、TFT220〜222、コンデンサ300、
および配線部400とが同時に堆積された共通の下部メ
タル層2、SiN層70/i層4/n層5、および上部
メタル層6と各層のエッチングのみで形成することがで
きる。また光電変換素子100内に注入阻止層が1カ所
しかなく、かつ、同一真空内で形成できる。さらにTF
Tの特性上重要なゲート絶縁膜/i層界面も同一真空内
で形成できる。またさらにコンデンサ300の中間層が
熱によるリークの少ない絶縁層を含んでいるため良好な
特性のコンデンサが形成される。このように本実施例は
低コストで高性能の光電変換装置の生産を可能としてい
る。 [実施例8]図16は本発明の第8の実施例に係る光電
変換装置の概略的全体回路図、図17(a)は本実施例
中の1画素に相当する各構成素子の模式的平面図、図1
7(b)は図17(a)の模式的A−B断面図である。
図16において、S11〜S33は光電変換素子で下部
電極側をG、上部電極側をDで示している。
同一の絶縁基板であるガラス基板上に一次元的に一列
に、つまりライン状に配置されラインセンサとしてのセ
ンサ部として機能する。C11〜C33は容量素子であ
る蓄積用コンデンサ、Re11〜Re33は初期化用T
FT、Rf11〜Rf33はリフレッシュ用TFT、T
11〜T33は転送用TFTである。転送用TFT・T
11に示したg,d,sはそれぞれゲート電極、ドレイ
ン電極、ソース電極を示し、ゲート電極の電位を低電圧
(以下Loと記す)にするとドレイン電極・ソース電極
間は非導通(off)、高電圧(以下Hiと記す)にす
ると導通(on)の状態になりスイッチ素子として機能
する。図中の他のTFTについても同様である。
線であり、シフトレジスタSR1で作られる制御パルス
Hi/Loによって各TFTは制御される。Vd は光電
変換素子S11〜S33のD電極に共通に接続された読
み出し用電源、Vg はリフレッシュ用TFT・Rf11
〜Rf33のドレイン電極に共通に接続されたリフレッ
シュ用電源である。1画素は1個の光電変換素子とコン
デンサ、3個のTFTで構成され、その信号出力はマト
リクス信号配線MTXにより検出用集積回路ICに接続
されている。本実施例の光電変換装置は計9個の画素を
3つのブロックに分け1ブロックあたり3画素の出力を
同時に処理しこのマトリクス信号配線MTXを通して検
出用集積回路ICによって順次出力に変換され出力され
る。検出用集積回路IC内のM1〜M3は読み取りスイ
ッチでありシフトレジスタSR2で作られた制御パルス
のHi/Loにより制御線sg1〜sg3を介して制御
され、その出力は積分検出器Ampに接続されている。
積分検出器Ampは読み取りスイッチM1〜M3を介し
て流れ込んできた電荷を積分してVoutとして出力す
る。
ス基板上に形成されているが、このうち第1画素目に相
当する部分の平面図を図16(a)に示す。また図中破
線A−Bで示した部分の断面図を図17(b)に示す。
図17において図16と同一な部分は同じ記号で示して
いる。
光電変換素子、Re11,Rf11,T11はTFT,
C11はコンデンサ、およびMTXはマトリクス信号配
線である。ここで図17により各素子の形成方法につい
て順に説明する。
パッタ等により下部メタル層2としてCrを約500オ
ングストローム堆積させ、その後フォトリソグラフィに
よりパターニングし不必要なエリアをエッチングする。
これにより光電変換素子S11の下部電極、TFT・R
e11,Rf11,T11のゲート電極、コンデンサC
11の下部電極、およびマトリクス信号配線MTXの下
部配線が形成される。
70/i層4/n層5をそれぞれ約2000Å/500
0Å/500Å堆積する。これら各層は光電変換素子S
11の絶縁層/光電変換半導体層/ホール注入阻止層、
TFT・Re11,Rf11,T11のゲート絶縁膜/
半導体層/オーミックコンタクト層、およびコンデンサ
C11の中間層となる。また、マトリクス信号配線MT
Xのクロス部絶縁層としても使われる。各層の厚さはこ
れに限らず光電変換装置として使用する電圧、電流、電
荷、入射光量等により最適に設計できる、少なくともS
iNは電子とホールが通過できず、また、TFTのゲー
ト絶縁膜として機能ができる500オングストローム以
上が望ましい。
アをエッチングし、その後、上部メタル層6としてAl
をスパッタ等で約10000オングストローム堆積させ
る。さらにフォトリソグラフィによりパターニングし不
必要なエリアをエッチングし光電変換素子S11の上部
電極、TFT・Re11,Rf11,T11の主電極で
あるソース電極並びにドレイン電極、コンデンサC11
の上部電極、およびマトリクス信号配線MTXの上部配
線が形成される。同時にコンタクトホールでは、下部配
線と上部配線とが接続されている。
T11のチャネル部のみn層をRIEでエッチングし、
その後不必要なSiN層70/i層4/n層5をエッチ
ングし各素子が分離される。これで光電変換素子S1
1,TFT・Re11,Rf11,T11,マトリクス
信号配線MTX、およびコンタクトホールが完成する。
以上、第一画素目について説明したが他の画素について
も同時に形成されることは言うまでもない。
せるため通常各素子の上部をSiN等のパッシベーショ
ン膜で覆い、さらに50ミクロン程度の薄板ガラスを接
着する。
子、TFT、コンデンサ、およびマトリクス信号配線と
が同時に堆積された共通の下部メタル層2、SiN層7
0/i層4/n層5、および上部メタル層6と各層のエ
ッチングのみで形成することができる。また光電変換素
子内に注入阻止層が1カ所しかなく、かつ、同一真空内
で形成できる。さらにTFTの特性上重要なゲート絶縁
膜/i層界面も同一真空内で形成できる。またさらにコ
ンデンサの中間層が熱によるリークの少ない絶縁層を含
んでいるため良好な特性のコンデンサが形成される。次
に図16乃至図18を用いて本実施例の光電変換装置の
動作について説明する。図18は本実施例の動作を示す
タイミングチャートである。前述の説明のように本実施
例においての光電変換素子は定期的にリフレッシュすれ
ば光電変換モードにおいては入射した光に比例した光電
流を出力する光センサとして動作する。ここでまず本光
電変換装置内の第1ブロック目の画素の動作について説
明する。
フレッシュ後一定の蓄積期間が経過したとする。すると
コンデンサC11〜C13にはこの期間に入射した光情
報の積分値に比例した電荷が蓄積している。ここで配線
g1に図18に示したようにシフトレジスタSR1によ
りHiの制御パルスが印加される。すると転送用TFT
・T11〜T13はonし導通状態になる。同時にシフ
トレジスタSR2により制御線sg1〜sg3に順次制
御パルスが印加されるとコンデンサC11〜C13の電
荷は転送用TFT・T11〜T13、マトリクス信号配
線MTX、読み取りスイッチM1〜M3を通して積分検
出器Ampに転送されVoutにv1〜v3に順次出力
される(図示していないが積分検出器Ampは各電荷の
転送の前に初期化されている)。この出力は一定の蓄積
期間に光電変換素子S11〜S13に入射された光情報
の積分値に比例している。次に図18に示したように配
線g2に制御パルスが印加されるとリフレッシュ用TF
T・Rf11〜Rf13が導通し光電変換素子S11〜
S13のG電極はリフレッシュ用電源Vg によって上昇
する。すると光電変換素子内のホールは掃き出されリフ
レッシュされる。つぎに配線g3に制御パルスが印加さ
れると初期化用TFT・Re11〜Re13が導通し光
電変換素子S11〜S13のリフレッシュが終了すると
共にコンデンサC11〜C13が初期化される。配線g
3がLoになると光電変換素子S11〜S13のG電極
はDC的にはオープンになるがコンデンサC11〜C1
3によって電位は保持される。ここからつぎの周期の蓄
積期間が開始され光電変換素子S11〜S13に入射さ
れた光情報がつぎに配線g1に制御パルス印加されるま
でコンデンサC11〜C13に蓄積され、以下動作が繰
り返される。
たが第2ブロックには制御配線g2〜g4、第3ブロッ
クには制御配線g3〜g5が配線されており、図18の
ようにそれぞれ制御パルスが印加されており各ブロック
時間をずらしながら同時に動作する。ただし動作は1パ
ルスずつずらして動作しているためマトリクス信号配線
MTXには同時に複数のブロックの信号が流れることな
くVoutには図示したようにv1〜v9として光電変
換素子S11〜S33に入射した光情報が光信号として
出力される。
施例で構成された光電変換装置を用いて原稿を読み取る
場合の光の経路(矢印)と原稿1000である。LED
等でガラス基板1の裏面より光電変換素子の脇にある窓
を通して原稿1000を照明する。原稿1000に書か
れた文字や絵の情報を含んだ反射光がライン状に並んだ
光電変換素子S11〜S33に入射し本光電変換装置が
順次出力する。1ライン出力後、原稿を適当な量ずら
し、さらに1ライン読み取る。これを繰り返し原稿全体
の画像情報を電気信号に変換できる。本実施例では9個
の画素で1ラインを構成しているが、これに限らず例え
ば1mmあたり8個の画素で1728個の画素をライン
状に並べ、36ブロックに分割し48画素単位で処理す
ればA4ファクシミリ用の光電変換装置が構成できる。
このように本実施例の光電変換装置は複数の光電変換素
子をnブロックに分割し各ブロック毎にm個のTFTを
1本の制御線で同時に制御することによりn×m個の光
電変換素子の光信号をマトリクス信号配線に出力するこ
とにより少ない制御配線と少ない検出回路で光信号を出
力することを可能としている。また1本の制御配線によ
り1つのブロックのm個のTFTのゲートを制御すると
共に他のブロックの他の機能のm個のTFTのゲートも
同時に制御させることによりさらに制御配線の本数を少
なく構成している。以上の説明の通り本実施例では光電
変換素子、TFT、コンデンサ、およびマトリクス信号
配線とが同時に堆積された共通の下部メタル層2、Si
N層70/i層4/n層5、および上部メタル層6と各
層のエッチングのみで形成することができる。このよう
に各層の形成工程が少ないということは工程中で不良が
できにくく、特に上記説明のような多数の画素の光電変
換装置を作る場合歩留まりの向上が可能になる。このよ
うに本実施例は低コストで大面積・高性能の光電変換装
置の生産を可能としている。
置の第9の実施例を示す全体回路図、図20(a)は本
実施例中の1画素に相当する各構成素子の平面図、図2
0(b)は図20(a)のA−B線断面図である。な
お、図16、図17と同一機能の部分には同一符号を付
している。図19において、S11〜S33は光電変換
素子で下部電極側をG、上部電極側をDで示している。
C11〜C33は蓄積用コンデンサ、T11〜T33は
転送用TFTである。Vs は読み出し用電源、Vg はリ
フレッシュ用電源であり、それぞれスイッチSWs,S
Wgを介して全光電変換素子S11〜S33のG電極に
接続されている。スイッチSWsはインバータを介し
て、スイッチSWgは直接にリフレッシュ制御回路RF
に接続されており、リフレッシュ期間はSWgがon、
その他の期間はSWsがonするよう制御されている。
1画素は1個の光電変換素子とコンデンサ、およびTF
Tで構成され、その信号出力は信号配線SIGにより検
出用集積回路ICに接続されている。本実施例の光電変
換装置は計9個の画素を3つのブロックに分け1ブロッ
クあたり3画素の出力を同時に転送しこの信号配線SI
Gを通して検出用集積回路ICによって順次出力に変換
され出力される(Vout)。また1ブロック内の3画
素を横方向に配置し、3ブロックを順に縦に配置するこ
とにより各画素を二次元的に配置している。
基板上に形成されているが、このうち第1画素に相当す
る部分の平面図を図20(a)に示す。また図中破線A
−Bで示した部分の断面図を図20(b)に示す。S1
1は光電変換素子、T11はTFT、C11はコンデン
サ、およびSIGは信号配線である。本実施例において
はコンデンサC11と光電変換素子S11とは特別に素
子を分離しておらず、光電変換素子S11の電極の面積
を大きくすることによりコンデンサC11を形成してい
る。これは本実施例の光電変換素子とコンデンサが同じ
層構成であるから可能なことで本実施例の特徴でもあ
る。各層の形成法は第1の実施例におよそ等しいがコン
タクトホールがないためその形成用のエッチングはな
い。また、画素上部にはパッシベーション用窒化シリコ
ン膜SiNとヨウ化セシウム等の蛍光体CsIが形成さ
れている。上方よりX線(X−ray)が入射すると蛍
光体CsIにより光(破線矢印)に変換され、この光が
光電変換素子に入射される。
光電変換装置の動作について説明する。図21は本実施
例の動作を示すタイミングチャートである。
2により制御配線g1〜g3、sg1〜sg3にHiが
印加される。すると転送用TFT・T11〜T33とス
イッチM1〜M3がonし導通し、全光電変換素子S1
1〜S33のD電極はGND電位になる(積分検出器A
mpの入力端子はGND電位に設計されているため)。
同時にリフレッシュ制御回路RFがHiを出力しスイッ
チSWgがonし全光電変換素子S11〜S33のG電
極はリフレッシュ用電源Vg により正電位になる。する
と全光電変換素子S11〜S33はリフレッシュモード
になりリフレッシュされる。つぎにリフレッシュ制御回
路RFがLoを出力しスイッチSWsがonし全光電変
換素子S11〜S33のG電極は読み取り用電源Vs に
より負電位になる。すると全光電変換素子S11〜S3
3は光電変換モードになり同時にコンデンサC11〜C
33は初期化される。この状態でシフトレジスタSR1
およびSR2により制御配線g1〜g3、sg1〜sg
3にLoが印加される。すると転送用TFT・T11〜
T33のスイッチM1〜M3がoffし、全光電変換素
子S11〜S33のD電極はDC的にはオープンになる
がコンデンサC11〜C33によって電位は保持され
る。しかしこの時点ではX線は入射されていないため全
光電変換素子S11〜S33には光は入射されず光電流
は流れない。この状態でX線がパルス的に出射され人体
等を通過し蛍光体CsIに入射すると光に変換され、そ
の光がそれぞれの光電変換素子S11〜S33に入射す
る。この光は人体等の内部構造の情報が含まれている。
この光により流れた光電流は電荷としてそれぞれのコン
デンサC11〜C33に蓄積されX線の入射終了後も保
持される。つぎにシフトレジスタSR1により制御配線
g1にHiの制御パルスが印加され、シフトレジスタS
R2の制御配線sg1〜sg3への制御パルス印加によ
って転送用TFT・T11〜T13、スイッチM1〜M
3を通してv1〜v3が順次出力される。同様にシフト
レジスタSR1,SR2の制御により他の光信号も順次
出力される。これにより人体等の内部構造の二次元情報
がv1〜v9として得られる。静止画像を得る場合はこ
こまでの動作であるが動画像を得る場合はここまでの動
作を繰り返す。
に接続され、この共通の配線をスイッチSWgとスイッ
チSWsを介してリフレッシュ用電源Vg と読み取り用
電源V s電位に制御しているため、全光電変換素子を同
時にリフレッシュモードと光電変換モードとに切り換え
ることができる。このため複雑な制御なくして1画素あ
たり1個のTFTで光出力を得ることができる。
配置し3画素ずつ同時に、3回に分割して転送・出力し
たがこれに限らず、例えば縦横1mmあたり5×5個の
画素を2000×2000個の画素として二次元的に配
置すれば40cm×40cmのX線検出器が得られる。
これをX線フィルムの代わりにX線発生器と組み合わせ
X線レントゲン装置を構成すれば胸部レントゲン検診や
乳ガン検診に使用できる。するとフィルムと異なり瞬時
にその出力をCRTで映し出すことが可能で、さらに出
力をディジタルに変換しコンピュータで画像処理して目
的に合わせた出力に変換することも可能である。また光
磁気ディスクに保管もでき、過去の画像を瞬時に検索す
ることもできる。また感度もフィルムより良く人体に影
響の少ない微弱なX線で鮮明な画像を得ることもでき
る。
画素を持つ検出器の実装を示す概念図を示す。2000
×2000個の検出器を構成する場合図19で示した破
線内の素子を縦・横に数を増せばよいが、この場合制御
配線もg1〜g2000と2000本になり信号配線S
IGもsig1〜sig2000と2000本になる。
またシフトレジスタSR1や検出用集積回路ICも20
00本の制御・処理をしなければならず大規模となる。
これをそれぞれ1チップの素子で行なうことは1チップ
が非常に大きくなり製造時の歩留りや価格等で不利であ
る。そこで、シフトレジスタSR1は例えば100段ご
と1個のチップに形成し、20個(SR1−1〜SR1
−20)を使用すればよい。また検出用集積回路も10
0個の処理回路ごと1個のチップに形成し、20個(I
C1〜IC20)を使用する。
1−1〜SR1−20)と下側(D)に20チップ実装
し、1チップあたり100本の制御配線、信号配線をお
のおのワイヤーボンディングでチップと接線している。
図22中破線部は図19の破線部に相当する。また外部
への接続は省略している。また、SWg,SWs,V
g ,Vs ,RF等も省略している。検出集積回路IC1
〜IC20からは20本の出力(Vout)があるが、
これらはスイッチ等を介して1本にまとめたり、20本
をそのまま出力し並列処理すればよい。
10チップ(SR1−1〜SR1−10)、右側(R)
に10チップ(SR1−11〜SR1−20)と上側に
10チップ(IC1〜10)、下側(D)に10チップ
(IC11〜20)を実装してもよい。この構成は上・
下・左・右側(U,D,L,R)にそれぞれ各配線を1
000本ずつに振り分けているため、各辺の配線の密度
が小さくなり、また各辺のワイヤーボンディングの密度
も小さく、歩留りが向上する。配線の振り分けは左側
(L)にg1,g3,g5,…,g1999、右側
(R)にg2,g4,g6,…,g2000とし、つま
り奇数番目の制御線を左側(L)、偶数番目の制御を右
側(R)に振り分ける。こうすると各配線は等間隔に引
き出され配線されるので密度の集中なく一層歩留りが向
上する。また、上側(U)下側(D)への配線も同様に
振り分ければよい。また、図示していないが別の実施例
として配線の振り分けは左側(L)にg1〜g100,
g201〜g300,…,g1801〜g1900、右
側(R)にg101〜g200,g301〜g400,
…,g1901〜g2000を振り分け、つまり、1チ
ップごと連続な制御線を振り分け、これを左・右側
(L,R)交互に振り分ける。こうすると、1チップ内
は連続に制御でき、駆動タイミングが楽で回路を複雑に
しなくてよく安価なものが使用できる。上側(U)、下
側(D)についても同様で、連続な処理が可能で安価な
回路が使用できる。
枚の基板上に破線部の回路を形成した後、その基板上に
チップを実装してもよいし、別の大きな基板上に破線部
の回路基板とチップを実装してもよい。また、チップを
フレキシブル基板上に実装して破線部の回路基板に張り
付け接線してもよい。
面積の光電変換装置は従来の光センサを用いた複雑な工
程では不可能であったが、本発明の光電変換装置の工程
は各素子を共通な膜で同時に形成しているため工程数が
少なく、簡易的な工程で済むため高歩留まりが可能で低
コストで大面積・高性能の光電変換装置の生産を可能と
している。また、コンデンサと光電変換素子とが同じ素
子内で構成でき、実質上素子を半減することが可能でさ
らに歩留まりを向上できる。
電流の説明及びTFTによるリフレッシュ動作の説明を
行う。図24はTFT1700及び電源1115で構成
される光電変換装置の1ビット等価回路図であり、図2
5がその動作を示すタイミングチャートである。
700を介して光電変換素子のG電極に正の電位を与え
る場合である図24に示した光電変換装置の1ビット等
価回路図を用いて説明を行う。そして光電変換素子のD
電極の電位は電源114によりVD に設計され、リフレ
ッシュ動作時のG電極の電位は電源1115によりV rG
に設定されるものとする。
例1に示す光電変換素子100と同じ構成である為、図
1(a)と参照しながら以下で説明する。
0のG電極の電位(VO )をD電極の電位(VD )以上
にリフレッシュすると(VO =VrG≧VD )、光電変換
素子1100のi層4内に留まっていたホール及びi層
4と絶縁層70との界面に存在する界面欠陥にトラップ
されていたホールの全てがD電極に完全に掃き出され
る。逆に電子はこの時D電極からi層4内へ流れ込み、
その一部はi層4と絶縁層70との界面に存在する界面
欠陥にトラップされる。以下この電流を負の突入電流と
いう。そしてリフレッシュ動作終了後、光電変換素子1
00のG電極の電位をGND電位等に初期化する時、i
層4内及び界面欠陥にトラップされていた電子が全てD
電極へ掃き出される。以下この電流を正の突入電流とい
う。i層4と絶縁層70との界面に存在する界面欠陥は
一般にエネルギー準位が深い為、界面欠陥位置に存在す
る電子及びホールを移動させるエネルギー、及び他の位
置から界面欠陥位置へ電子及びホールを移動させるエネ
ルギーは相対的に高く、見かけ上の移動度も低くなる。
その為、正の突入電流がゼロになるまで即ち界面欠陥に
トラップされていた電子の全てがD電極へ掃き出される
まで数十マイクロ秒から数秒かかることになり、G電極
リセット動作が終了しても大きな突入電流が流れる。そ
の結果、G電極が持つ容量に蓄積された電荷の中にはノ
イズ成分である突入電流による電荷が含まれ、結果的に
その電荷分SN比が低下してしまうのである。
と用いて詳細に説明する。
24におけるスイッチ素子1125、転送用TFT13
00、リフレッシュ用TFT1700、リセット用TF
T1400を駆動するハイレベルパルスのタイミングを
示している。ここでHは各駆動素子をオン状態にするハ
イレベルを示しており、一般に結晶シリコン半導体スイ
ッチ素子では+5V〜+12V、a−SiTFTでは+
8〜+15V位が用いられる。又、Lは一般的に0Vが
多く用いられる。IS とVO は、図24中の矢印で示す
ように、各々光電変換素子100に一定の信号光が照射
された状態において、矢印の方向へ流れる電流とG電極
の電位を示している。ここでPa〜Pdのパルス幅が2
0マイクロ秒の動作時におけるIS とVO を図25に示
している。
ュ用パルス立ち上がりから、Pdのリセット用パルス立
ち上がりまで一定の高い電位に保たれている。その為正
の突入電流は、その間に発生せず、Pdのパルス立ち上
がり時に初めて、前述した界面欠陥にトラップされてい
た電子の掃き出しによると考えられる正の突入電流が発
生している。この正の突入電流が減衰しほぼゼロになる
まで我々の作製した装置では約80〜100マイクロ秒
かかる為、G電極が持つ容量に信号電荷を蓄積しはじめ
るPdのパルスの立ち下がり時には、正の突入電流が多
く発生しており、図中の斜線で示した部分の電荷及び電
圧値がノイズ成分として蓄積されてしまうのである。そ
の結果その蓄積分SN比が低下してしまうのである。正
の突入電流を低減する方法としては、Pdのリセット用
パルスの時間を長くすることが考えられるが、その時間
にも限界があり、又時間を長くすることにより装置全体
の信号読み取り時間が長くなり、装置の低速化即ち性能
ダウンを引き起こすことになる。
リフレッシュさせる時の印加電圧の条件について説明す
る。
バンド図であり、両端の各々の電極(D電極及びG電
極)は開放(オープン)状態である。光電変換素子10
0は一般にいわれているMIS(Metal−Insu
lator−Semiconductor)構造であり
両端の電極に加わる電圧条件により全容量が相対的に小
さい状態(デプレッション状態)と全容量が相対的に大
きい状態(アキュムレーション状態)が現れる。
ンであるが、エネルギーバンド図については図26
(b)の場合が上記デプレッション状態のエネルギーバ
ンド図と同じであり、図26(c)の場合がアキュムレ
ーション状態のエネルギーバンド図と同じである。
いて図26(a)の状態即ちi層のバンドがフラットな
状態(フラットバンド電圧VFB=0V)又は図26
(b)の状態即ち若干デプレッション状態(3V≧VFB
>0V)である事が多い。又、MISコンデンサの両端
に電圧を加える事によりVFBはある程度任意の正及び負
の値にする事も可能である。
間が長く、且つ電流値が大であること)をもたらす電圧
値の条件を以下においてまとめる。
トバンド電圧VFBがゼロの時はリフレッシュ時のG電極
の電位(VrG)はD電極の電位(VD )より高ければ、
即ちVrG>VD であれば、正の突入電流が流れる。
バンド電圧VFBがゼロでない時はリフレッシュ時のG電
極の電位(VrG)はD電極の電位(VD )からVFBを差
し引いた電圧値よりも高いもしくは同等であれば即ちV
rG≧VD −VFBであれば正の突入電流が流れるのであ
る。
る。
換素子1100のエネルギーバンド図で図27(a)の
下部電極層2から透明電極層6までの各層の厚さ方向の
状態を表している。リフレッシュ動作の図27(a)に
おいて、D電極はG電極に対して負の電位が与えられて
いるため、i層4中の黒丸で示されたホールは電界によ
りD電極に導かれる。同時に白丸で示された電子はi層
4に注入される。又、i層4と絶縁層70の界面欠陥に
トラップされていたホールはある程度の時間を費しD電
極に導かれ、i層4に注入された電子のうち一部は逆
に、ある程度の時間を費してi層4と絶縁層70の界面
欠陥にトラップされる。この時一部のホールと電子はn
層5、i層4において再結合して消滅する。十分に長い
時間この状態が続けばi層4内のホールはi層4から掃
き出される。この状態で光電変換動作の図27(b)に
なるとD電極はG電極に対して正の電位が与えられるた
めi層4中の電子は瞬時にD電極に導かれる。そしてi
層4と絶縁層70の界面欠陥にトラップされていた電子
は、ある程度時間を費してD電極へ導かれる。この界面
欠陥にトラップされていた電子が前述した問題の突入電
流の原因である。ここでホールはn層5が注入阻止層と
して働く為、i層4に導かれることはない。この状態で
i層4内に光が入射すると、光は吸収され電子・ホール
対が発生する。この電子は電界によりD電極に導かれ、
ホールはi層4内を移動しi層4と絶縁層70の界面に
達する。しかし、絶縁層70内には移動できない為、i
層4内に留まることになる。そして一部のホールは界面
欠陥にトラップされる。そしてある期間光電変換動作の
図27(b)を保った後の状態が図27(c)である。
て詳細に説明する。
の実施例に係る光電変換装置の1ビットの概略的等価回
路図である。図29は図28の光電変換装置を実際に駆
動した時のタイミングチャートである。
る部分については同じものを示しているので説明は省略
する。図24に示される概略的等価回路と本実施例との
違いはTFT1700に接続される電源の大きさであ
る。
(a)と同一の構造をしているので、i層と第2の電極
層との間の注入阻止層はn型の半導体層であり、注入が
阻止されるキャリアはホールである。その為、注入が阻
止されるキャリア1個の電荷をqとすると、この場合は
q>0となる。
8の点線内の検出手段とTFT1300、及びハイレベ
ルパルスPbを印加する手段を含む。
変換素子100のリフレッシュ動作においてG電極に正
の電位を与える電源1115の電位VrGを、D電極に正
の電位を与える電源114の電位VD に比べて低くして
いる点のみである。詳細にいえば、光電変換素子100
には、i層のエネルギーバンドをフラットにする為にG
電極に印加するフラットバンド電圧(VFB)が存在する
ので、実際には、図24の例ではVrG≧VD −VFBの状
態で駆動していたのに対し、図28の本実施例ではVrG
<VD −VFBの状態で駆動するのである。
置の動作を説明する。
変換素子100の電流IS と電流I S によるG電極の電
位VO の振舞いである。
スが立ち上がり、光電変換部100のG電極に電圧VrG
(VrG<VD −VFB)が印加されると光電変換部100
のi層内に留まっていたホールの一部がD電極に掃き出
される。この時、i層と絶縁層の界面欠陥にトラップさ
れていたホールのほぼ全てはそのままの状態であると考
えられる。又、この時電子はD電極に掃き出された一部
のホールに相当する量もしくはそれ以下の数量がD電極
からi層内へ流れ込むが、i層内における電界はG電極
側の電位が低い為、i層と絶縁層の界面欠陥にトラップ
される電子はほぼゼロであると考えられる。よって図2
9におけるIS はPcのリフレッシュパルス立ち上がり
時において小さな負の突入電流しか生じることなく、又
減衰時間も短くなっている。又、Pcのリフレッシュパ
ルス立ち上がりからPdのG電極リセットパルス立ち上
がりまでのG電極の電圧V0 はVrGにほぼ一致してお
り、その電位はVD −VFBより下がっていることを図2
9は示している。
光電変換部100のG電極がGNDに接地されるとi層
内に留まっていた若干の電子は全てD電極に流れ出すこ
とになる。この時、i層と絶縁層との界面欠陥には電子
は存在しない為、電子は少量で且つ瞬時に流れ出ると考
えられる。又、この時界面欠陥に存在するホールはほと
んど移動しないと思われる。よってPdのG電極リセッ
トパルス立ち上がり時において、IS は小さな正の突入
電流しか生じることなく、又減衰時間も短くなってい
る。PdのG電極リセットパルスの立ち上がりから立ち
下がりまでを約20マイクロ秒で動作させると、図のよ
うに光電変換動作開始となるPdのパルスの立ち下がり
時には、ほぼ突入電流はゼロになる。よってPdのパル
スの立ち下がりから蓄積されはじめる電荷は、ほぼすべ
てが光電変換部100内に入射した信号光による電荷と
なり、その信号電圧を読み出すことによりSN比の高い
情報を得ることが可能となる。ここで図28に示した四
角の点線内の信号検出用の素子は特に限定されるもので
はなく、電流もしくは電荷を直接もしくは積分値で検出
できればよく、又、信号電荷を読み出し用コンデンサ1
124に蓄積せず、電流計等で読み出す場合は、読み出
し用コンデンサ1124及び電位初期化用スイッチ素子
1125を省略可能であるが、このことは先の説明で述
べたことと同じである。
本的なメカニズムについて図を用いてさらに詳細に説明
する。
−VFBの場合の光電変換部100の動作を示すエネルギ
ーバンド図であり、図27(a)〜図27(c)に示し
たエネルギーバンド図に対応している。
D電極はG電極に対して正の電位が与えられている為、
i層4中の黒丸で示されたホールの一部が電界によりD
電極に導かれる。同時に白丸で示された電子はi層4に
注入される。ここでi層4と絶縁層70の界面欠陥にト
ラップされていたホールはほとんど移動せず、又電子が
界面欠陥にトラップされることもない。
なるとG電極はD電極に対して更に大きな負の電位が与
えられる為、i層4中の電子は瞬時にD電極に導かれる
が、界面欠陥にトラップされた電子はほとんど存在しな
い為、先に説明した図24の光電変換装置で問題となる
突入電流はほとんど存在しなくなる。
(b)を保った後の状態の図30(c)になる。
絶縁層70との界面欠陥に電子が存在することはほとん
どない為、電子の出入りに長い時間を費すことがなくな
り、結果的にノイズ成分となる突入電流を大きく削減す
ることが可能となる。
第11の実施例を説明する。図31は本発明の第11の
実施例を示す光電変換装置の概略的等価回路図である。
但しここでは9個の一次元的に配置される光電変換素子
を有する光電変換素子アレイの場合を一例として取り上
げる。
電変換部100、リフレッシュ用TFT部1700、転
送用TFT部1300、リセット用TFT部1400、
配線部1500の組のうち、1画素分を示す模式的平面
図である。
側からの光に対する遮光膜を兼ねた下部電極2を有す
る。基板側から照射された光は採光用窓17を通して図
面に対して垂直な上方に位置する原稿面(不図示)で反
射し、その反射光が光電変換素子100に入射する。こ
こで発生したキャリアによる光電流は光電変換素子10
0の等価的な容量成分及びその他の浮遊容量に蓄積され
る。蓄積された電荷は転送用TFT300により信号線
用マトリクス配線部500へ転送され、信号処理部(不
図示)により電圧として読み取られる。
いない。又、実施例においては、i層と第2の電極層と
の間の注入阻止層はn型であり、注入が阻止されるキャ
リアはホールである。その為、注入が阻止されるキャリ
ア1個の電荷をqとすると、この場合もq>0となる。
の駆動方法について回路図を用いて説明する。
は3個で1ブロックを構成し、3ブロックで光電変換素
子アレイを構成している。光電変換素子S1〜S9に対
応して各々接続されているリフレッシュ用TFT−F1
〜F9、光電変換素子S1〜S9のG電極電位を初期化
するTFT−R1〜R9及び信号電荷転送用TFT−T
1〜T9も同様である。
内で同一順番を有する個別電極は各々転送用TFT−T
1〜T9を介して、共通線1102〜1104の一つに
接続されている。詳細に言えば、各ブロックの第1の転
送用TFT−T1,T4,T7が共通線1102に、各
ブロックの第2の転送用TFT−T2,T5,T8が共
通線1103に、そして各ブロックの第3の転送用TF
T−T3,T6,T9が共通線1104に各々接続され
ている。共通線1102〜1104は各々スイッチング
トランジスタT100〜T120を介してアンプ112
6に接続されている。
04は各々共通コンデンサC100〜C120を介して
接地されており、且つスイッチングトランジスタCT1
〜CT3を介して接地されている。ここで、スイッチン
グトランジスタCT1〜CT3の各ゲート電極は共通に
接続され、図29で示したPaのパルスと同様のタイミ
ングでオン状態とすることにより、共通線1102〜1
104の残留電荷をGNDに放電し、電位の初期化を行
う。なお、本実施例においてリフレッシュ手段はTFT
−F1〜F9、シフトレジスタ1108、電源111
5、電源114を有し、信号検出部は図31の点線内の
検出手段、TFT−T1〜T9、シフトレジスタ110
6を含む。
説明する。
入射するとその強度に応じて各光電変換部100の等価
的な容量成分及び各浮遊容量に電荷が蓄積される。そし
てシフトレジスタ1106の第1の並列端子からハイレ
ベルが出力され、転送用TFT−T1〜T3がオン状態
となることで各容量成分及び各浮遊容量に蓄積されてい
た電荷が、各々共通コンデンサC100〜C120へ転
送される。続いてシフトレジスタ1107から出力され
るハイレベルがシフトして、スイッチングトランジスタ
T100〜T120が順次オン状態となる。これによっ
て共通コンデンサC100〜C120に転送された第1
ブロックの光信号がアンプ1126を通って順次読み出
される。
った後、シフトレジスタ1108の第1の並列端子から
ハイレベルが出力され、リフレッシュ用TFT−F1〜
F3がオン状態となり、光電変換素子S1〜S3のG電
極の電位が上昇する。この時、電源1115の電位VrG
は、電源114の電位VD 及び全光電変換素子S1〜S
9の最大のフラットバンド電圧VFBを用いるとVrG<V
D −VFBの関係に設定する。そして、光電変換素子S1
〜S3内のホールの一部が共通電源線1403に掃き出
される。
端子からハイレベルが出力され、リセット用TFT−R
1〜R3をオン状態にすることにより光電変換素子S1
〜S3のG電極の電位がGNDに初期化される。そして
次にPaのパルスにより共通コンデンサC100〜C1
20の電位が初期化される。共通コンデンサC100〜
C120の電位が完全に初期化された時点でシフトレジ
スタ1106がシフトし、第2の並列端子からハイレベ
ルが出力される。これにより、転送用TFT−T4〜T
6がオン状態になり、第2ブロックの光電変換素子S4
〜S6の等価的容量成分及び浮遊容量に蓄積されている
信号電荷が共通コンデンサC100〜C120へ転送さ
れる。そして第1ブロックの場合と同様にシフトレジス
タ1107のシフトにより、スイッチングトランジスタ
T100〜T120が順次オン状態となり、共通コンデ
ンサC100〜C120に蓄積されている第2ブロック
の光信号が順次読み出される。
動作と光信号の読み出し動作が行われる。
までの一連の動作により、原稿の主走査方向における1
ライン分の信号を読み取ることが終了し、その読み取ら
れた信号は原稿の反射率の大小によりすなわち入射光量
の大小によりアナログ的に出力される。
においてホールと電子を逆に構成してもよい。例えば注
入阻止層はp層でもよい。この場合上記の第10及び第
11の実施例において電圧や電界の印加する方向を逆に
し、その他の部分を同様に構成すれば上記実施例と同様
の動作結果が得られる。そのような場合は注入阻止層に
より注入が阻止されるキャリア1個の電荷qはq<0と
なる。
インセンサを説明したが、ラインセンサを複数本配置す
れば二次元的なエリアセンサとなり、X線撮像装置等の
等倍読み取りを行う光電変換装置も上記実施例で示した
ブロック分割駆動を用いることにより、構成が可能とな
ることは言うまでもない。
0の実施例に加えて光電変換素子、TFT、マトリクス
信号配線部が同一膜構成の為、同一プロセスで同時に形
成することが可能な為、小型化・高歩留りが可能となり
低コストで高SN比の光電変換装置が実現できる。
換装置の1ビットの概略的等価回路図であり、図34は
図33の光電変換装置を駆動する場合の例を説明するタ
イミングチャートである。
同じ部材を示す。図33では図28のTFT1700の
代わりにコンデンサ1200の一方の電極が光電変換部
100に電気的に接続され、コンデンサ1200の他方
の電極はリフレッシュ用パルス発生手段Pcに接続され
ている。
リフレッシュ動作においてG電極に正の電位を与えるパ
ルス印加用容量手段として機能する。
荷を転送するTFTであり、1400はG電極の電位を
初期化する初期化用TFTである。また、四角の点線内
は信号検出部を表しており、IC等によって構成される
のが一般的であり、図33においては1つの例として示
している。ここで1124は読み出し用コンデンサ、1
125は読み出し用コンデンサ1124を初期化するス
イッチ素子、1126はオペアンプである。信号検出部
はこの一例に限定するものでなく電流もしくは電荷を直
接もしくは積分値で検出できればよい。例えば、信号電
荷を読み出し用コンデンサ1124に蓄積せず、電流計
等で読み出す場合は、読み出し用コンデンサ1124及
び電位初期化用スイッチ素子1125を省略できる。
例を図34を用いて説明する。
て、図34に示すようにリフレッシュ用ハイレベルパル
スPcをコンデンサ1200のG電極と対向する電極側
に加えることによって、Pcのハイレベルパルスを加え
た時のみG電極の電位が上昇するように構成している。
その為光電変換部100内に留まっていたホールはD電
極に掃き出され、光電変換部100はリフレッシュされ
る。その後、Pcのリフレッシュパルスが立ち下がると
同時にコンデンサ1200の対向電極であるG電極の電
位も瞬時に下がるため、光電変換部1100中に留まっ
ていたホールのD電極への掃き出しが終了し、光電変換
動作になる。実際には光電変換部1100には図34に
示すような正の突入電流が発生し次第に減衰していく
為、突入電流が流れた後、光電変換動作をはじめる。次
にTFT1400はPdの低電位(以下ローレベルとも
いう)パルスによりオフ状態となりG電極は直流的にオ
ープンになる。しかし実際にはコンデンサ1200の容
量及び光電変換部1100の等価的な容量成分や浮遊容
量により電位は保たれる。ここで光電変換部1100の
光信号が入射していると対応する電流がG電極から流れ
出しG電極の電位は上昇する。つまりG電極が持つ容量
に光の入射情報が電荷として蓄積される。一定の蓄積時
間後転送用TFT1300はPbのハイレベルパルスに
よりオフ状態からオン状態になり、蓄積された電荷はコ
ンデンサ1124に流れるが、この電荷は光電変換動作
で光電変換部100から流れ出た電流の積分値に比例し
た値であり、つまり光の入射の総量としてオペアンプ1
126を通して検出部により検出される。またこの転送
動作の前にはコンデンサ1124の電位はTFT112
5のPaのハイレベルパルスによりGND電位に初期化
されていることが望ましい。そして転送用TFT130
0がオフ状態になると、再びリフレッシュ用TFT17
00がPcのハイレベルパルスによりオン状態となり、
以下一連の動作が繰り返される。なお、本実施例におい
てリフレッシュ手段はコンデンサ1200,ハイレベル
パルスPcを印加する手段,及び電源114を含み、信
号検出部は図30の点線内の検出手段,TFT130
0,及びハイレベルパルスPbを印加する手段を含む。
コンデンサ1200を介して光電変換素子のG電極に正
の電位を与え信号電荷の蓄積時の正の突入電流を防いで
いる。
の初期化パルスの時間を長くすることが考えられるが、
その時間にも限界があり、又時間を長くすることにより
装置全体の信号読み取り時間が長くなり、装置の低速化
即ち性能ダウンを引き起こすことになる。
動作をコンデンサで行い、且つ適当なタイミング設定を
行うことにより、例えばPcのパルスの立ち下がりか
ら、PdのG電極電位初期化パルスの立ち下がりまでを
約100μ秒で動作させると、図34に示すようにV0
として蓄積される突入電流はほぼゼロになる。よってP
dのパルスの立ち下がりから蓄積されはじめる電荷は、
ほぼすべてが光電変換部100内に入射した信号光によ
る電荷となり、その信号電圧を読み出すことによりSN
比の高い情報を得ることが可能となる。また、Pcのハ
イレベルパルス(Vres )を印加した時のG電極の電位
V0(refresh)を計算する。G電極に接続されている浮遊
容量及び光電変換素子1100の等価的な容量成分の和
をC0 、コンデンサ1200の容量をCX とすると、V
0(refresh)は次式で表される。
0(refresh)を自由に変えられることになり、実際に設計
する時の自由度も増す。
デンサ1200を介して光電変換素子のG電極に正の電
位を与えることで、正の突入電流がほぼ0になった状態
で信号電荷の蓄積を行うことができる。
い。又、光電変換部100のi層と第2の電極層との間
の注入阻止層はn型であり、注入が阻止されるキャリア
はホールである。その為注入が阻止されるキャリア1個
の電荷をqとするとこの場合はq>0となる。
を逆に構成してもよい。例えば注入阻止層はP層でもよ
い。この場合本実施例において電圧や電界の印加する方
向を逆にし、その他の部分を同様に構成すれば上記実施
例と同様の動作結果が得られる。その様な場合は注入阻
止層により注入が阻止されるキャリア1個の電荷qはq
<0となる。
本発明の第13の実施例を説明する。
るための光電変換装置の概略的等価回路図である。但し
ここでは9個の一次元的に配置される光電変換素子を有
する光電変換素子アレイの場合を一例として取り上げ
る。図36は長尺方向に複数個の画素のある光電変換素
子部、リフレッシュ用コンデンサ部、転送用TFT部、
リセット用TFT部、配線部の組のうち、1画素分を示
す模式的平面図である。図37は1画素の断面図であ
る。なお図37は理解しやすくする為に模式的に描かれ
ており、配線部の位置は必ずしも図36と一致していな
い。またリセット用TFT部1400は図示されていな
い。又図35から図37において、図33と同一部分に
は同一符号を付している。
側からの光に対する遮光膜を兼ねた下部電極層2を有す
る。基板側から照射された光は採光用窓17を通して図
面に対して垂直な上方に位置する原稿面(不図示)で反
射し、その反射光が光電変換部100に入射する。ここ
で発生したキャリアによる光電流は光電変換部100の
等価的な容量成分及びその他の浮遊容量に蓄積される。
蓄積された電荷は転送用TFT1300により信号線用
マトリクス配線部1500へ転送され、信号処理部(不
図示)により電圧として読み取られる。
する。
レッシュ用コンデンサ、1300は転送用TFT、15
00は配線部であり、これらは第1の電極層2−1,2
−2,2−3,2−4、絶縁層70、i層4、n層5、
第2の電極層6−1,6−2,6−3,6−4からなる
全5層の共通層の構成をしている。ここで第2の電極層
は特に透明電極にしていない。
0は第1実施例と同一の構造をしているので、i層4と
第2の電極層6−1との間の注入阻止層はn型であり、
注入が阻止されるキャリアはホールである。その為、注
入が阻止されるキャリア1個の電荷をqとすると、この
場合もq>0となる。
ついて図35を用いて説明する。
は3個で1ブロックを構成し、3ブロックで光電変換素
子アレイを構成している。光電変換素子S1〜S9に対
応して各々接続しているリフレッシュ用コンデンサC1
〜C9、光電変換素子S1〜S9のG電極電位を初期化
するTFT−R1〜R9及び信号電荷転送用TFT−T
1〜T9も同様である。
内で同一順番を有する個別電極は各々転送用TFT−T
1〜T9を介して、共通線1102〜1104の一つに
接続されている。詳細に言えば、各ブロックの第1の転
送用TFT−T1,T4,T7が共通線1102に、各
ブロックの第2の転送用TFT−T2,T5,T8が共
通線1103に、そして各ブロックの第3の転送用TF
T−T3,T6,T9が共通線1104に各々接続され
ている。共通線1102〜1104は各々スイッチング
トランジスタT100〜T120を介してアンプ112
6に接続されている。
104は各々共通コンデンサC100〜C120を介し
て接地されており、且つスイッチングトランジスタCT
1〜CT3を介して接地されている。ここで、スイッチ
ングトランジスタCT1〜CT3の各ゲート電極は共通
に接続され、図34で示したPaのパルスと同様のタイ
ミングでオン状態とすることにより、共通線1102〜
1104の残留電荷をGNDに放電し、電位の初期化を
行う。
はコンデンサC1〜C9、シフトレジスタ1108、及
び電源1114を含み、信号検出部は図35中の点線内
の検出手段、TFT−T1〜T9、及びシフトレジスタ
1106を含む。
る。
入射するとその強度に応じて電源114からリフレッシ
ュ用コンデンサC1〜C9及び各光電変換部100の等
価的な容量成分及び各浮遊容量に電荷が蓄積される。そ
してシフトレジスタ1106の第1の並列端子からハイ
レベルが出力され、転送用TFT−T1〜T3がオン状
態となることでリフレッシュ用コンデンサC1〜C3及
び各容量成分及び各浮遊容量に蓄積されていた電荷が、
各々共通コンデンサC100〜C120へ転送される。
続いてシフトレジスタ1107から出力されるハイレベ
ルがシフトして、スイッチングトランジスタT100〜
T120が順次オン状態となる。これによって共通コン
デンサC100〜C120に転送された第1ブロックの
光信号がアンプ1126を通って順次読み出される。
った後、シフトレジスタ1108の第1の並列端子から
ハイレベルが出力され、リフレッシュ用コンデンサC1
〜C3の両端の電位が上昇する。そして光電変換素子S
1〜S3内のホールが共通電源線1403に掃き出され
る。
端子からハイレベルが出力されリセット用TFT−R1
〜R3をオン状態にすることにより光電変換素子S1〜
S2のG電極の電位がGNDに初期化される。そして次
にPaのパルスにより共通コンデンサC100〜C12
0の電位が初期化される。共通コンデンサC100〜C
120の電位が完全に初期化された時点でシフトレジス
タ1106がシフトし、第2の並列端子からハイレベル
が出力される。これにより、転送用TFT−T4〜T6
がオン状態になり、第2ブロックのリフレッシュ用コン
デンサC4〜C6及び浮遊容量及びセンサの等価的容量
に蓄積されている信号電荷が共通コンデンサC100〜
C120へ転送される。そして第1ブロックの場合と同
様にシフトレジスタ1107のシフトにより、スイッチ
ングトランジスタT100〜T120が順次オン状態と
なり、共通コンデンサC100〜C120に蓄積されて
いる第2ブロックの光信号が順次読み出される。
作と光信号の読み出し動作が行われる。
までの一連の動作により、原稿の主走査方向における1
ライン分の信号を読み取ることが終了し、その読み取ら
れた信号は原稿の反射率の大小によりアナログ的に出力
される。
うに、光電変換素子、リフレッシュ用コンデンサ、転送
用TFT、リセット用TFT、マトリクス信号配線部
が、第1の電極層、絶縁層、i層、n層、第2の電極層
を有する全5層の共通層の構成を有しているが、必ずし
も全ての素子部が同一な層構成である必要はなく、少な
くとも光電変換素子がこの構造(MIS構造)であり、
他の素子部は各素子としての機能を備える層構成であれ
ば十分である。しかしながら同一の層構成は歩留りの向
上、低コスト化のために都合がよい。
と電子を逆に構成してもよい。例えば注入阻止層はP層
でもよい。この場合上記の本実施例において電圧や電界
の印加する方向を逆にし、その他の部分を同様に構成す
れば上記実施例1と同様の動作結果が得られる。そのよ
うな場合は注入阻止層により注入が阻止されるキャリア
1個の電荷qはq<0となる。
ンサを説明したが、ラインセンサを複数本配置すれば2
次元的なエリアセンサとなり、X線撮像装置等の等倍読
み取りを行う光電変換装置も上記実施例で示したブロッ
ク分割駆動を用いることにより、構成が可能となること
は言うまでもない。
子、TFT、マトリクス信号配線部が同一膜構成の為、
同一プロセスで同時に形成することが可能な為、小型化
・高歩留りが可能となり低コストで高SN比の光電変換
装置が実現できる。
光電変換素子は実施例で示したものに限定するものでは
ない。つまり第1の電極層、ホール及び電子の移動を阻
止する絶縁層、光電変換半導体層、第2の電極層があ
り、第2の電極層と光電変換半導体層の間に光電変換半
導体層へのホールの注入が阻止する注入阻止層があれば
よい。さらに光電変換半導体層は光が入射して電子、ホ
ール対を発生する光電変換機能を持っていればよい。層
構成も一層でなく多層で構成してもよく、また連続的に
特性が変化していてもよい。
ト絶縁膜、チャネル形成が可能な半導体層、オーミック
コンタクト層、主電極があればよい。例えばオーミック
コンタクト層はp層でもよく、この場合ゲート電極の制
御の電圧を逆にしてホールをキャリアとして使用すれば
よい。
極層、絶縁層を含んだ中間層、及び上部電極層があれば
よく、例えば光電変換素子やTFTと特別分離しなくと
も各素子の電極部と兼用した構成でもよい。
要はなく、導体もしくは半導体上に絶縁物が堆積された
ものでもよい。
機能もあるため特別なコンデンサ無しである一定期間の
光情報の積分値を得ることもできる。
3に示される概略的等価図の光電変換装置は図38に示
されるタイミングチャートに示されるタイミングで駆動
することができる。
を図38を用いて説明する。
て、図38に示すようにリフレッシュ用ハイレベルパル
スPcをコンデンサ1200のG電極と対向する電極側
に加えることによって、Pcのハイレベルパルスを加え
た時のみG電極の電位が上昇するように構成している。
その為光電変換部100内に留まっていたホールはD電
極に掃き出され、光電変換部100はリフレッシュされ
る。
下がると同時にコンデンサ1200の対向電極であるG
電極の電位も瞬時に下がるため、光電変換部100中に
留まっていたホールのD電極への掃き出しが終了し、光
電変換動作になる。実際には光電変換部100には図3
8に示すような正の突入電流が発生し次第に減衰してい
く為、突入電流が流れた後、光電変換動作をはじめる。
ローレベルともいう)パルスによりオフ状態となりG電
極は直流的にオープンになる。しかし実際にはコンデン
サ1200の容量及び光電変換部100の等価的な容量
成分や浮遊容量により電位は保たれる。ここで光電変換
部100の光信号が入射していると対応する電流がG電
極から流れ出しG電極の電位は上昇する。
電荷として蓄積される。一定の蓄積時間後転送用TFT
1300はPbのハイレベルパルスによりオフ状態から
オン状態になり、蓄積された電荷はコンデンサ1124
に流れるが、この電荷は光電変換動作で光電変換部10
0から流れ出た電流の積分値に比例した値であり、つま
り光の入射の総量としてオペアンプ1126を通して検
出部により検出される。またこの転送動作の前にはコン
デンサ1124の電位はTFT1125のPaのハイレ
ベルパルスによりGND電位に初期化されていることが
望ましい。
なると、再びリフレッシュ用TFT1700がPcのハ
イレベルパルスによりオン状態となり、以下一連の動作
が繰り返される。なお、本実施例においてリフレッシュ
手段はコンデンサ1200、ハイレベルパルスPcを印
加する手段、及び電源114を含み、信号検出部は図3
3中の点線内の検出手段、TFT1300、及びハイレ
ベルパルスPbを印加する手段を含んでよい。
コンデンサ1200を介して光電変換素子のG電極に正
の電位を与え、そしてその正の電位を所定の電位より小
さい電位とすることで図38のIS において実線で示さ
れるごとくにない信号電荷の蓄積時の正の突入電流を防
いでいる。(尚、所定の電位より大きいと破線のごとく
になる。) 正の突入電流を低減する方法としてはPdの初期化パル
スの時間を長くすることが考えられるが、その時間にも
限界があり、又時間を長くすることにより装置全体の信
号読み取り時間が長くなり、装置の低速化即ち性能ダウ
ンを引き起こすことになる。
作をコンデンサで行い、且つ適当なタイミング設定を行
うことにより、例えばPcのパルスの立ち下がりから、
PdのG電極電位初期化パルスの立ち下がりまでを約1
00μ秒で動作させると、図38に示すようにV0 とし
て蓄積される突入電流はほぼゼロになる。よってPdの
パルスの立ち下がりから蓄積されはじめる電荷は、ほぼ
すべてが光電変換部100内に入射した信号光による電
荷となり、その信号電圧を読み出すことによりSN比の
高い情報を得ることが可能となる。また、Pcのハイレ
ベルパルス(V res )を印加した時のG電極の電位V
0(refresh)を計算する。G電極に接続されている浮遊容
量及び光電変換部100の等価的な容量成分の和をC
0 、コンデンサ1200の容量をCX とすると、V
0(refresh)は次式で表される。
0(refresh)を自由に変えられることになり、実際に設計
する時の自由度も増す。
デンサ1200を介して光電変換素子のG電極に正の電
位を与えることで、正の突入電流がほぼ0になった状態
で信号電荷の蓄積を行うことができるが、さらにコンデ
ンサ1200を介して光電変換素子のG電極に与える電
位を調整することで正の突入電流の値を小さくし、減衰
時間を短くすることができる。
D電極及びG電極の電位については、実施例9中におい
て図24乃至図27を用いて詳細に説明したのでここで
の説明については省略する。
優れた特性を得ている。
いてG電極の正の電位を与える電源1115の電位VrG
が、D電極に正の電位を与える電源114の電位VD に
比べて低くするのである。詳細にいえば、光電変換部1
00には、i層のエネルギーバンドをフラットにする為
にG電極に印加するフラットバンド電圧(VFB)が存在
するので実際には、VrG<VD −VFBの状態で駆動する
のである。
て図29及び図30で詳細に説明してあるのでここでの
説明は省略する。
の界面欠陥に電子が存在することはほとんどない為、電
子の出入りに長い時間を費すことがなくなり、結果的に
ノイズ成分となる突入電流を大きく削減することが可能
となる。
に接続されている浮遊容量と光電変換部100のの等価
的な容量成分の和をC0 、及びPcのハイレベルパルス
Vre s とするとリフレッシュ時のG電極電位はVrGは VrG=V0(refresh)={CX /(C0 +CX )}×V
res となるのであり、{CX /(C0 +CX )}×Vres の
値がVD −VFBより小さい条件で駆動すれば上記の効果
を得ることができ、図38で示したVrG=V0(re fresh)
≧(VD −VFB)の条件で得られるV0 よりも、更に蓄
積された突入電流を減らすことができるのである。
い。又、光電変換部100のi層と第2の電極層との間
の注入阻止層はn型であり、注入が阻止されるキャリア
はホールである。その為注入が阻止されるキャリア1個
の電荷をqとするとこの場合はq>0となる。
を逆に構成してもよい。例えば注入阻止層はP層でもよ
い。この場合本実施例において電圧や電界の印加する方
向を逆にし、その他の部分を同様に構成すれば上記実施
例と同様の動作結果が得られる。その様な場合は注入阻
止層により注入が阻止されるキャリア1個の電荷qはq
<0となる。
た光電変換装置を用い、別の駆動を行なった例を説明す
る。
入射するとその強度に応じて電源114からリフレッシ
ュ用コンデンサC1〜C9及び各光電変換部100の等
価的な容量成分及び各浮遊容量に電荷が蓄積される。そ
してシフトレジスタ1106の第1の並列端子からハイ
レベルが出力され、転送用TFT−T1〜T3がオン状
態となることでリフレッシュ用コンデンサC1〜C3及
び各容量成分及び各浮遊容量に蓄積されていた電荷が、
各々共通コンデンサC100〜C120へ転送される。
続いてシフトレジスタ1107から出力されるハイレベ
ルがシフトして、スイッチングトランジスタT100〜
T120が順次オン状態となる。これによって共通コン
デンサC100〜C120に転送された第1ブロックの
光信号がアンプ1126を通って順次読み出される。
った後、シフトレジスタ1108の第1の並列端子から
ハイレベルが出力され、リフレッシュ用コンデンサC1
〜C3の両端の電位が上昇する。そしてこの時の光電変
換素子S1〜S3のD電極及びG電極の電位は第1の実
施例で説明した条件が用いられる。即ち、リフレッシュ
動作時のD電極電位を各々VD1〜VD3、G電極電位を各
々VrG1 〜VrG3 、各光電変換素子のフラットバンド電
圧をVFB1 〜VFB3 とすると VrG1 <VD1−VFB1 、VrG2 <VD2−VFB2 、VrG3
<VD3−VFB3 となる。そして光電変換素子S1〜S3内のホールが共
通電源線1403に掃き出される。
端子からハイレベルが出力されリセット用TFT−R1
〜R3をオン状態とすることにより光電変換素子S1〜
S2のG電極の電位がGNDに初期化される。そして次
にPaのパルスにより共通コンデンサC100〜C12
0の電位が初期化される。共通コンデンサC100〜C
120の電位が完全に初期化された時点でシフトレジス
タ1106がシフトし、第2の並列端子からハイレベル
が出力される。これにより、転送用TFT−T4〜T6
がオン状態になり、第2ブロックのリフレッシュ用コン
デンサC4〜C6及び浮遊容量及びセンサの等価的容量
に蓄積されている信号電荷が共通コンデンサC100〜
C120へ転送される。そして第1ブロックの場合と同
様にシフトレジスタ1107のシフトにより、スイッチ
ングトランジスタT100〜T120が順次オン状態と
なり、共通コンデンサC100〜C120に蓄積されて
いる第2ブロックの光信号が順次読み出される。リフレ
ッシュ動作時の光電変換素子S4〜S6の両電極電位の
条件は光電変換素子S1〜S3と同様である。
作と光信号の読み出し動作が行われる。
までの一連の動作により、原稿の主走査方向における1
ライン分の信号を読み取ることが終了し、その読み取ら
れた信号は原稿の反射率の大小によりアナログ的に出力
される。
に、光電変換素子、リフレッシュ用コンデンサ、転送用
TFT、リセット用TFT、マトリクス信号配線部が、
第1の電極層、絶縁層、i層、n層、第2の電極層から
なる全5層の共通層の構成を有しているが、必ずしも全
ての素子部が同一な層構成である必要はなく、少なくと
も光電変換素子がこの構造(MIS構造)であり、他の
素子部は各素子としての機能を備える層構成であれば十
分である。しかし、同一な層構成とすることは歩留りの
向上及び低コスト化に都合がよい。
と電子を逆に構成してもよい。例えば注入阻止層はP層
でもよい。この場合上記の本実施例において電圧や電界
の印加する方向を逆にし、その他の部分を同様に構成す
れば上記実施例1と同様の動作結果が得られる。そのよ
うな場合は注入阻止層により注入が阻止されるキャリア
1個の電荷qはq<0となる。
ンサを説明したが、ラインセンサを複数本配置すれば2
次元的なエリアセンサとなり、X線撮像装置等の等倍読
み取りを行う光電変換装置も上記実施例で示したブロッ
ク分割駆動を用いることにより、構成が可能となること
は言うまでもない。
子、TFT、マトリクス信号配線部が同一膜構成の為、
同一プロセスで同時に形成することが可能な為、小型化
・高歩留りが可能となり低コストで高SN比の光電変換
装置が実現できる。
電変換素子は本実施例で示したものに限定するものでは
ない。つまり第1の電極層、ホール及び電子の移動を阻
止する絶縁層、光電変換半導体層、第2の電極層があ
り、第2の電極層と光電変換半導体層の間に光電変換半
導体層へのホールの注入が阻止する注入阻止層があれば
よい。さらに光電変換半導体層は光が入射して電子、ホ
ール対を発生する光電変換機能を持っていればよい。層
構成も一層でなく多層で構成してもよく、また連続的に
特性が変化していてもよい。
ト絶縁膜、チャネル形成が可能な半導体層、オーミック
コンタクト層、主電極があればよい。例えばオーミック
コンタクト層はp層でもよく、この場合ゲート電極の制
御の電圧を逆にしてホールをキャリアとして使用すれば
よい。
極層、絶縁層を含んだ中間層、及び上部電極層があれば
よく、例えば光電変換素子やTFTと特別分離しなくと
も各素子の電極部と兼用した構成でもよい。
要はなく、導体もしくは半導体上に絶縁物が堆積された
ものでもよい。
機能もあるため特別なコンデンサ無しである一定期間の
光情報の積分値を得ることもできる。
光電変換装置の概略的等価回路図である。ただしここで
は9個の一次元的に配置される光電変換素子を有する光
電変換素子アレイの場合を一例として取り上げる。図4
0は図39の等価回路の動作を示すタイミングチャート
である。
図36及び図37に示される構成を適用することができ
る。
ついて図39及び図40を用いて説明する。図39にお
いて、光電変換素子S1〜S9及び光電変換素子S1〜
S9に各々接続しているリフレッシュ用コンデンサC1
〜C9、光電変換素子S1〜S9のG電極電位を初期化
する(以下G電極リセット用ともいう)TFT−R1〜
R9及び信号電荷転送用TFT−T1〜T9は3個で1
ブロックを構成し、3ブロックで各アレイを構成してい
る。
内で同一順番を有する個別電極は各々転送用TFT−T
1〜T9を介して、共通線1102〜1104の一つに
接続されている。詳細に言えば、各ブロックの第1の転
送用TFT−T1,T4,T7が共通線1102に、各
ブロックの第2の転送用TFT−T2,T5,T8が共
通線1103に、そして各ブロックの第3の転送用TF
T−T3,T6,T9が共通線1104に各々接続され
ている。共通線1102〜1104は各々スイッチング
トランジスタT100〜T120を介してアンプ112
6に接続されている。
04は各々共通コンデンサC100〜C120を介して
接地されており、且つスイッチングトランジスタCT1
〜CT3を介して接地されている。
〜CT3の各ゲート電極は共通に端子1116へ接続さ
れ、端子1116をハイレベルに設定しスイッチングト
ランジスタCT1〜CT3をオン状態とする事により、
共通線1102〜1104の残留電荷をGNDに放電
し、電荷の初期化を行う。又、図39において第1ブロ
ックのリフレッシュ用コンデンサC1〜C3のG電極の
各対向電極は共通に接続され、第2ブロックの転送用T
FT−T4〜T6の共通ゲート電極と接続されており、
更に第2ブロックのリフレッシュ用コンデンサC4〜C
6のG電極の各対向電極は共通に接続され、第3ブロッ
クの転送用TFT−T7〜T9の共通ゲート電極及び第
1ブロックのG電極リセット用TFT−R1〜R3の共
通ゲート電極と接続されている。同様に第3ブロックの
リフレッシュ用コンデンサC7〜C9のG電極の各対向
電極は共通に接続され、第2ブロックのG電極リセット
用TFT−R4〜R6の共通ゲート電極と接続されてい
る。なお、本実施例においてリフレッシュ手段はコンデ
ンサC1〜C9、シフトレジスタ1106、及び電源1
114を含み、信号検出部は図39点線内の検出手段、
TFT−T1〜T9、及びシフトレジスタ1106を含
んでよい。
る。
入射すると、その強度に応じてリフレッシュ用コンデン
サC1〜C9及び各浮遊容量に電荷が蓄積される。そし
てシフトレジスタ1106の第1の並列端子からハイレ
ベルが出力され[図40(a)]、転送用TFT−T1
〜T3がオン状態となることで、リフレッシュ用コンデ
ンサC1〜C3及び浮遊容量に蓄積されていた電荷が、
各々共通コンデンサC100〜C120へ転送される。
転送用TFT−T1〜T3がオン状態となった後、続い
てシフトレジスタ1107から出力されるハイレベルが
シフトして、スイッチングトランジスタT100〜T1
20が順次オン状態となる[図40(j)〜図40
(l)]。これによって、共通コンデンサC100〜C
120に転送された第1ブロックの光信号がアンプ11
26を通って順次読み出される。そして次に端子111
6がハイレベルとなり[図40(m)]、スイッチング
トランジスタCT1〜CT3がオンする事により共通コ
ンデンサC100〜C120の電位が初期化される。共
通コンデンサC100〜C120の電位が完全に初期化
された時点で、シフトレジスタ1106の第2の並列端
子からハイレベルが出力され[図40(d)]、リフレ
ッシュ用コンデンサC1〜C3の両端の電位が上昇す
る。そして光電変換素子S1〜S3内のホールが共通電
源線1403に掃き出される。これと同時に第2ブロッ
クの転送用TFT−T4〜T6がオン状態になり[図4
0(b)]、第2ブロックのリフレッシュ用コンデンサ
C4〜C6及び浮遊容量に蓄積されている信号電荷が共
通コンデンサC100〜C120へ転送される。そして
第1ブロックの場合と同時にシフトレジスタ1107の
シフトにより、スイッチングトランジスタT100〜T
120が順次オン状態[図40(j)〜図40(l)と
なり、共通コンデンサC100〜C120に蓄積されて
いる第2のブロックの光信号が順次読み出され、その後
共通コンデンサC100〜C120の電位がスイッチン
グトランジスタCT1〜CT3により初期化される[図
40(m)]。
ンサC1〜C3の共通電極電位がローレベルになった後
シフトレジスタ1106の第3の並列端子からハイレベ
ルが出力され[図40(g)]、G電極リセット用TF
T−R1〜R3をオン状態にする事により光電変換素子
S1〜S3のG電極の電位がGNDに初期化される。こ
れと同時に第2ブロックのリフレッシュ用コンデンサC
4〜C6の両端の電位が上昇する[図40(e)]。
又、第3ブロックの転送用TFT−T7〜T9も同時に
オン状態になり[図40(c)]、第3ブロックのリフ
レッシュ用コンデンサC7〜C9及び浮遊容量に蓄積さ
れている信号電荷が共通コンデンサC100〜C120
へ転送される。そして第1ブロック及び第2ブロックの
場合と同様に、シフトレジスタ1107のシフトによ
り、スイッチングトランジスタT100〜T120が順
次オン状態[図40(j)〜図40(l)]となり、共
通コンデンサC100〜C120に蓄積されている第3
ブロックの光信号が順次読み出される。その後共通コン
デンサC100〜C120の電位がスイッチングトラン
ジスタCT1〜CT3により初期化される[図40
(m)]。
の並列端子からハイレベルが出力される事により、第2
ブロックのG電極リセット用TFT−R4〜R6をオン
状態へ移行させる[図40(h)]。同時に第3ブロッ
クのリフレッシュ用コンデンサC7〜C9の両端の電位
を上昇させる[図40(f)]。その後、シフトレジス
タ1106の第5の並列端子からハイレベルが出力され
る事により、第3ブロックのG電極リセット用TFT−
R7〜R9をオン状態へ移行させる[図40(i)]。
ックから第3ブロックまでの一連の動作により、原稿の
主走査方向における1ライン分の信号を読み取る事が終
了し、その読み取られた信号は原稿の反射率の大小によ
りアナログ的に出力される。
割して1ライン分のセンサアレイを構成する光電変換装
置の動作を説明したが、その他のラインを読み取る場合
も同様に、電荷転送動作と光信号の読み出し動作が連続
して行われる。
ように、光電変換素子、リフレッシュ用コンデンサ、T
FT、マトリクス配線部が第1の電極層、絶縁層、半導
体層、n層、第2の電極層からなる全5層の共通層の構
成を有しているが、必ずしもすべての素子部が同一な層
構成である必要はなく、少なくとも光電変換素子がこの
構造(MIS構造)であり、他の素子部は各素子として
の機能を備える層構成であれば十分である。しかしなが
ら共通の構成とすることは歩留りの向上とそれによる一
層の低コスト化を達成することができる。
に構成してもよい。例えば注入阻止層はP層でもよい。
この場合上記の本実施例において、電圧や電界の印加す
る方向を逆にし、その他の部分を同様に構成すれば上記
実施例と同様の動作結果が得られる。
センサを説明したが、ラインセンサを複数本配置すれば
2次元的なエリアセンサとなり、X線撮像装置等の等倍
読み取りを行う光電変換装置も、上記実施例で示したブ
ロック分割駆動を用いる事により、構成が可能となる事
は言うまでもない。
子、コンデンサ、TFT、マトリクス配線部が同一膜構
成の為、同一プロセスで同時に形成する事が可能な為、
小型化・高歩留りが可能となり、低コストで高SN比の
光電変換装置が実現できる。又、従来用いられていたリ
フレッシュ用電源を1つ削減でき、SN比の高い低コス
トの光電変換装置を作製できる効果がある。又、複数個
の光電変換素子をブロックに分割して、且つ別のブロッ
クにおける2つ以上の動作(例えば、信号転送動作及び
センサリフレッシュ動作及び電位リセット動作)を同一
駆動線により同時に駆動可能な為、高速に動作ができ、
又装置を小型化できる事により、更に高歩留り、低コス
トな光電変換装置が実現できる。
実施例を説明するための光電変換装置の1ビットの概略
的等価回路図である。
る。光電変換部の層構成は図4(a)において説明され
たものと同じであり従って、Dが透明電極6側、Gが下
部電極2側の電極を示している。又、1114はD電極
に正の電位(VD )を与える電源、1115は光電変換
素子1100のリフレッシュ動作においてG電極の正の
電位(VrG)を与える電源であり、1700がリフレッ
シュ用のTFTである。このとき、電源1115は電源
1114に比べて低電圧に設定されているのが望まし
い。又、1800は信号電荷蓄積用コンデンサであり、
光電変換部100と同じ積層構造である。そして蓄積コ
ンデンサのG電極をGNDに接地し、D電極を光電変換
部100のG電極と接続してある。更に、1300は検
出動作において信号電荷を転送するTFTであり、14
00はG電極の電位を初期化するG電極初期化用TFT
(以下G電極リセット用TFTともいう)である。又、
四角の点線内は検出手段を表わしており、IC等によっ
て構成されるのが一般的であり図41に1つの例を示し
ている。ここで、1124は読み出し用コンデンサ、1
125は読み出し用コンデンサを初期化するスイッチ素
子、1126はオペアンプである。検出手段はこの1例
に限定するものではなく電流もしくは電荷を直接もしく
は積分値で検出できればよい。例えば信号電荷を読み出
し用コンデンサ1124に蓄積せず、電流計等で読み出
す場合は、読み出し用コンデンサ1124及び電位初期
化用スイッチ素子1125を省略できる。
用いて説明する。
て、TFT1700はPcの高電位(以下ハイレベルと
もいう)パルスによってオフ状態からオン状態になり、
電源1115によってG電極には正の電位が与えられ
る。D電極には電源114により正の電位が与えられて
おり、D電極のG電極に対しての電位VDGは正の電位が
与えられたことになる。すると光電変換部100内のホ
ールの一部はD電極に掃き出されリフレッシュされる。
次にTFT1400はPdのハイレベルパルスによって
オフ状態からオン状態になりG電極はGND電位が与え
られる。このときV DGは更に大きな正の電位になり、光
電変換部100は突入電流が流された後、光電変換動作
を始める。次にTFT1400はPdの低電位(以下ロ
ーレベルともいう)パルスによってオフ状態となりG電
極は電荷蓄積コンデンサ1800を介して接地された状
態になる。ここで光電変換部100に光信号が入射して
いると対応する電流がG電極から流れ出しG電極の電位
は上昇する。つまりG電極が持つ容量に光の入射情報が
電荷として蓄積される。一定の蓄積時間後転送用TFT
1300はPbのハイレベルパルスによりオフ状態から
オン状態になり、蓄積された電荷はコンデンサ1124
に流れるが、この電荷は光電変換動作で光電変換部10
0から流れ出た電流の積分値に比例した値であり、つま
り光の入射の総量としてオペアンプ1126を通して検
出手段により検出される。また、この転送動作の前に
は、コンデンサ1124の電位は、TFT1125のP
aのハイレベルパルスによりGND電位に初期化されて
いる事が望ましい。そして転送用TFT1300がオフ
状態になると、再びリフレッシュ用TFT1700がP
cのハイレベルパルスによりオン状態となり、以下一連
の動作が繰り返される。
光電変換することができる。
の実施例に係る光電変換装置の1ビットの概略的等価回
路図である。図43は図42の光電変換装置を実際に駆
動した時のタイミングチャートである。
成と対応しており同様の各部については対応箇所に同一
符号を付してある。又、図41と同様の部分については
説明を簡略化もしくは省略する。
段はTFT1700、ハイレベルパルスPcを印加する
手段、電源1115、及び電源1114を含んでよい。
検出手段、TFT1300、ハイレベルパルスPbを印
加する手段、及び蓄積コンデンサ1800を含んでよ
い。
変換部100のG電極に接続される蓄積コンデンサ18
00の端子がD電極でなく、G電極である点である。
3において光電変換部100の電流IS と電流IS によ
るG電極の電位V0 の振舞いに注目する。
スが立ち上がり、光電変換部100のG電極に電圧が印
加されると光電変換部100のi層内に留まっていたホ
ールの一部がD電極に掃き出される。
がり、光電変換部100のG電極がGNDに接地される
とi層内に留まっていた若干の電子は全てD電極に流れ
出す。そして、PdのG電極リセットパルスが立ち下が
る。Pdのパルスの立ち下がりから信号電荷は蓄積され
はじめるが、この時蓄積コンデンサ1800の電荷蓄積
電極はG電極であり、接地電極がD電極である為、蓄積
コンデンサ1800内のi層4のエネルギーバンドはほ
ぼフラットな状態いわゆるフラットバンド状態である。
一般にMIS型コンデンサのフラットバンド状態にする
為の絶縁層側へ印加する電圧いわゆるフラットバンド電
圧はゼロ又は若干の正の電圧である。よってフラットバ
ンド電圧がゼロの場合は前述したようにコンデンサ18
00は電荷蓄積開始時から電荷蓄積終了時までデプレッ
ション状態になることはない。又、フラットバンド電圧
が若干の正の電圧である場合は図42のG電極リセット
用TFT1400とGNDとの間に正のフラットバンド
と同等もしくはそれ以上の電圧を有する電源を挿入すれ
ば蓄積コンデンサ1800は電荷蓄積開始時から電荷蓄
積終了時までデプレッション状態でなくアキュムレーシ
ョン状態で使用する事ができる。即ち図41を用いて説
明した光電変換装置における蓄積コンデンサ1800を
介して流れるリーク電流は生じない。よって蓄積コンデ
ンサ及びその他の浮遊容量に蓄積された電荷は、ほぼす
べて光電変換部100内に入射した信号光による電荷で
あり、その信号電圧を読み出すことによりSN比の高い
情報を得ることが可能となる。ここで図42に示した四
角の点線内の信号検出用の素子は特に限定されるもので
はなく、電流もしくは電荷を直接もしくは積分値で検出
できればよく、又、信号電荷を読み出し用コンデンサ1
124に蓄積せず、電流計等で読み出す場合は、読み出
し用コンデンサ1124及び電位初期化用スイッチ素子
1125を省略可能であるが、このことは図41の光電
変換装置の説明で述べたことと同じである。
コンデンサの絶縁層70側のG電極へ信号電荷を蓄積
し、信号蓄積用コンデンサを常にアキュムレーション状
態で用いる事が可能な為、見かけ上信号電荷蓄積用コン
デンサを介して信号電荷がリークして生じるリーク電流
はほとんどない為、結果的により一層SN比の高い光電
変換装置を提供することが可能となる。
本発明の第19の実施例を説明する。
等価回路図である。但しここでは9個の一次元的に配置
される光電変換素子を有する光電変換素子アレイの場合
を一例として取り上げる。図45は長尺方向に複数個の
画素のある光電変換素子部、蓄積用コンデンサ部、リフ
レッシュ用TFT部、転送用TFT部、リセット用TF
T部、配線部の組のうち、1画素分を示す平面図であ
る。図46は1画素の断面図である。なお図46は理解
しやすくする為に模式的に描かれており、配線部の位置
は必ずしも図45と一致していない。また図46におい
てリセット用TFT部1400は示されていない。又図
44から図46において、図42と同一部分には同一符
号を付している。
側からの光に対する遮光膜を兼ねた下部電極2を有す
る。基板側から照射された光は採光用窓17を通して図
面に対して垂直な上方に位置する原稿面(不図示)で反
射し、その反射光が光電変換部100に入射する。ここ
で発生したキャリアによる光電流は蓄積コンデンサ18
00及び光電変換部100の等価的な容量成分及びその
他の浮遊容量に蓄積される。蓄積された電荷は転送用T
FT1300により信号線用マトリクス配線部1500
へ転送され、信号処理部(不図示)により電圧として読
み取られる。
する。
コンデンサ、1700はリフレッシュ用TFT、130
0は転送用TFT、1500は配線部であり、これらは
第1の電極層2−1,2−2,2−3、絶縁層70、i
層4、n層5、第2の電極層6−1,6−2,6−3,
6−4,6−5からなる全5層の共通層の構成をしてい
る。ここで第2の電極層は特に透明電極にはしていな
い。
駆動方法について回路図を用いて説明する。
は3個で1ブロックを構成し、3ブロックで光電変換素
子アレイを構成している。光電変換素子S1〜S9に対
応して各々接続している蓄積コンデンサD1〜D9、リ
フレッシュ用TFT−F1〜F9、光電変換素子S1〜
S9のG電極電位を初期化するTFT−R1〜R9及び
信号電荷転送用TFT−T1〜T9も同様である。
内で同一順番を有する個別電極は各々転送用TFT−T
1〜T9を介して、共通線1102〜1104の一つに
接続されている。詳細に言えば、各ブロックの第1の転
送用TFT−T1,T4,T7が共通線1102に、各
ブロックの第2の転送用TFT−T2,T5,T8が共
通線1103に、そして各ブロックの第3の転送用TF
T−T3,T6,T9が共通線1104に各々接続され
ている。共通線1102〜1104は各々スイッチング
トランジスタT100〜T120を介してアンプ112
6に接続されている。
104は各々共通コンデンサC100〜C120を介し
て接地されており、且つスイッチングトランジスタCT
1〜CT3を介して接地されている。ここで、スイッチ
ングトランジスタCT1〜CT3の各ゲート電極は共通
に接続され、図43で示したPaのパルスと同様のタイ
ミングでオン状態とすることにより、共通線1102〜
1104の残留電荷をGNDに放電し、電荷の初期化を
行う。
FT−R1〜R9、シフトレジスタ1109、電源11
4をいう。またリフレッシュ手段はTFT−F1〜F
9、シフトレジスタ1108、電源1115、電源11
14をいう。さらに信号検出部は図44の点線内の検出
手段、TFT−T1〜T9、シフトレジスタ1106、
蓄積コンデンサD1〜D9をいう。
明する。
入射するとその強度に応じて各蓄積コンデンサD1〜D
9及び各光電変換部100の等価的な容量成分及び各浮
遊容量に電荷が蓄積される。この時、実施例18でも説
明したように蓄積コンデンサD1〜D9は、絶縁層側の
G電極が電荷蓄積電極になっている為、蓄積コンデンサ
D1〜D9の各i層中の電子及びホールは、G電極上へ
流れることがなく、見かけ上のリーク電流は生じること
がない。そしてシフトレジスタ1106の第1の並列端
子からハイレベルが出力され、転送用TFT−T1〜T
3がオン状態となることで蓄積コンデンサD1〜D3及
び各容量成分及び各浮遊容量に蓄積されていた電荷が、
各々共通コンデンサC100〜C120へ転送される。
続いてシフトレジスタ1107から出力されるハイレベ
ルがシフトして、スイッチングトランジスタT100〜
T120が順次オン状態となる。これによって、共通コ
ンデンサC100〜C120に転送された第1ブロック
の光信号がアンプ1126を通って順次読み出される。
った後、シフトレジスタ1108の第1の並列端子から
ハイレベルが出力され、リフレッシュ用TFT−F1〜
F3がオン状態となり、光電変換素子S1〜S3のG電
極の電位が上昇する。そして、光電変換素子S1〜S3
内のホールの一部が共通電源線1403に掃き出され
る。
端子からハイレベルが出力されリセット用TFT−R1
〜R3がオン状態にすることにより光電変換素子S1〜
S3のG電極の電位がGNDに初期化される。そして次
にPaのパルスにより共通コンデンサC100〜C12
0の電位が初期化される。共通コンデンサC100〜C
120の電位が完全に初期化された時点でシフトレジス
タ1106がシフトし、第2の並列端子からハイレベル
が出力される。これにより、転送用TFT−T4〜T6
がオン状態になり、第2ブロックの蓄積コンデンサD4
〜D6及び光電変換素子S4〜S6の等価的容量成分及
び浮遊容量に蓄積されている信号電荷が共通コンデンサ
C100〜C120へ転送される。そして第1ブロック
の場合と同時にシフトレジスタ1107のシフトによ
り、スイッチングトランジスタT100〜T120が順
次オン状態となり、共通コンデンサC100〜C120
に蓄積されている第2ブロックの光信号が順次読み出さ
れる。
作と光信号の読み出し動作が行われる。
までの一連の動作により、原稿の主走査方向における1
ライン分の信号を読み取ることが終了し、その読み取ら
れた信号は原稿の反射率の大小によりアナログ的に出力
される。
に、光電変換素子、蓄積コンデンサ、リフレッシュ用T
FT、転送用TFT、リセット用TFT、マトリクス信
号配線部が、第1の電極層、絶縁層、i層、n層、第2
の電極層からなる全5層の共通層の構成を有している
が、必ずしも全ての素子部が同一な層構成である必要は
なく、少なくとも光電変換素子及び蓄積コンデンサがこ
の構造(MIS構造)であり、他の素子部は各素子とし
ての機能を備える層構成であれば十分である。しかしな
がら全素子の層構成が共通であることはより一層の歩留
りの向上と低コスト化につながる。
ールと電子を逆に構成してもよい。例えば注入阻止層は
P層でもよい。この場合実施例18又は19において電
圧や電界の印加する方向を逆にし、その他の部分を同様
に構成すれば、上記実施例と同様の動作結果が得られ
る。
サを説明したが、ラインセンサを複数本配置すれば2次
元的なエリアセンサとなり、X線撮像装置等の等倍読み
取りを行う光電変換装置も上記実施例で示したブロック
分割駆動を用いることにより、構成が可能となることは
言うまでもない。
8の効果に加えて光電変換素子、蓄積コンデンサ、TF
T、マトリクス信号配線部が同一膜構成の為、同一プロ
セスで同時に形成することが可能な為、小型化・高歩留
りが可能となり低コストで高SN比の光電変換装置が実
現できる。
施例20を説明する。
置の概略的等価回路図である。但しここでは実施例19
と同様に9個の一次元的に配置される光電変換素子を有
する光電変換素子アレイの場合を一例として取り上げ
る。
電変換素子部、蓄積コンデンサ兼リフレッシュ用コンデ
ンサ部、転送用TFT部、リセット用TFT部、配線部
の組のうち、1画素分を示す平面図である。
9は理解しやすくする為に模式的に描かれており、配線
部の位置は必ずしも図49と一致していない。また図4
9においてリセット用TFT部1400は示されていな
い。尚図47から図49において、図42及び図44〜
図46と同一部分には同一符号を付している。
側からの光に対する遮光膜を兼ねた下部電極2を有す
る。基板側から照射された光は採光用窓17を通して図
面に対して垂直な上方に位置する原稿面(不図示)で反
射し、その反射光が光電変換部100に入射する。ここ
で発生したキャリアによる光電流は蓄積用兼リフレッシ
ュコンデンサ1200及び光電変換部100の等価的な
容量成分及びその他の浮遊容量に蓄積される。蓄積され
た電荷は転送用TFT1300により信号線用マトリク
ス配線部1500へ転送され、信号処理部(不図示)に
より電圧として読み取られる。
する。
用兼リフレッシュ用コンデンサ、1300は転送用TF
T、1500は配線部であり、これらは第1の電極層2
−1,2−2,2−3、絶縁層70、i層4、n層5、
第2の電極層6−1,6−2,6−3,6−4からなる
全5層の共通層の構成をしている。ここで第2の電極層
は特に透明電極にはしていないことは実施例19と同様
である。
ついて回路図を用いて説明する。
は3個で1ブロックを構成し、3ブロックで光電変換素
子アレイを構成している。光電変換素子S1〜S9に対
応して各々接続している蓄積用兼リフレッシュ用コンデ
ンサC1〜C9、光電変換素子S1〜S9のG電極電位
を初期化するTFT−R1〜R9及び信号電荷転送用T
FT−T1〜T9も同様である。
内で同一順番を有する個別電極は各々転送用TFT−T
1〜T9を介して、共通線1102〜1104の一つに
接続されている。詳細に言えば、各ブロックの第1の転
送用TFT−T1,T4,T7が共通線1102に、各
ブロックの第2の転送用TFT−T2,T5,T8が共
通線1103に、そして各ブロックの第3の転送用TF
T−T3,T6,T9が共通線1104に各々接続され
ている。共通線1102〜1104は各々スイッチング
トランジスタT100〜T120を介してアンプ112
6に接続されている。
104は各々共通コンデンサC100〜C120を介し
て接地されており、且つスイッチングトランジスタCT
1〜CT3を介して接地されている。ここで、スイッチ
ングトランジスタCT1〜CT3の各ゲート電極は共通
に接続され、図43で示したPaのパルスと同様のタイ
ミングでオン状態とすることにより、共通線1102〜
1104の残留電荷をGNDに放電し、電荷の初期化を
行う。
FT−R1〜R9,シフトレジスタ1109,電源11
4をいう。またリフレッシュ手段はコンデンサC1〜C
9,シフトレジスタ1108,電源1114をいう。さ
らに信号検出部は図47の点線内の検出手段,TFT−
T1〜T9,シフトレジスタ1106,コンデンサC1
〜C9をいう。つまり、本実施例においてはコンデンサ
C1〜C9は信号電荷を蓄積するとともに、リフレッシ
ュ手段の一部を構成している。
る。
入射するとその強度に応じて各蓄積用兼リフレッシュ用
コンデンサC1〜C9及び各光電変換部100の等価的
な容量成分及び各浮遊容量に電荷が蓄積される。この
時、実施例18でも説明したように蓄積用兼リフレッシ
ュ用コンデンサC1〜C9は、絶縁層側のG電極が電荷
蓄積電極になっている為、蓄積用兼リフレッシュ用コン
デンサC1〜C9の各i層中の電子及びホールは、G電
極上へ流れることがなく、見かけ上のリーク電流は生じ
ることがない。そしてシフトレジスタ1106の第1の
並列端子からハイレベルが出力され、転送用TFT−T
1〜T3がオン状態となることで蓄積用兼リフレッシュ
用コンデンサC1〜C3及び各容量成分及び各浮遊容量
に蓄積されていた電荷が、各々共通コンデンサC100
〜C120へ転送される。続いてシフトレジスタ110
7から出力されるハイレベルがシフトして、スイッチン
グトランジスタT100〜T120が順次オン状態とな
る。これによって、共通コンデンサC100〜C120
に転送された第1ブロックの光信号がアンプ1126を
通って順次読み出される。
った後、シフトレジスタ1108の第1の並列端子から
ハイレベルが出力され、蓄積用兼リフレッシュ用コンデ
ンサC1〜C3の両端の電位が上昇、即ち光電変換素子
S1〜S3のG電極の電位が上昇する。そして、光電変
換素子S1〜S3内のホールが共通電源線1403に掃
き出される。
端子からハイレベルが出力されたリセット用TFT−R
1〜R3がオン状態にすることにより光電変換素子S1
〜S3のG電極の電位がGNDに初期化される。そして
次にPaのパルスにより共通コンデンサC100〜C1
20の電位が初期化される。共通コンデンサC100〜
C120の電位が完全に初期化された時点でシフトレジ
スタ1106がシフトし、第2の並列端子からハイレベ
ルが出力される。これにより、転送用TFT−T4〜T
6がオン状態になり、第2ブロックの蓄積用兼リフレッ
シュ用コンデンサC4〜C6及び光電変換素子S4〜S
6の等価的容量成分及び浮遊容量に蓄積されている信号
電荷が共通コンデンサC100〜C120へ転送され
る。そして第1ブロックの場合と同様にシフトレジスタ
1107のシフトにより、スイッチングトランジスタT
100〜T120が順次オン状態となり、共通コンデン
サC100〜C120に蓄積されている第2ブロックの
光信号が順次読み出される。
作と光信号の読み出し動作が行われる。
までの一連の動作により、原稿の主走査方向における1
ライン分の信号を読み取ることが終了し、その読み取ら
れた信号は原稿の反射率の大小によりアナログ的に出力
される。
兼リフレッシュ用コンデンサ、転送用TFT、リセット
用TFT、マトリクス信号配線部が、第1の電極層、絶
縁層、i層、n層、第2の電極層からなる全5層の共通
層の構成を有しているが、必ずしも全ての素子部が同一
な層構成である必要はなく、少なくとも光電変換素子及
び蓄積用兼リフレッシュ用コンデンサがこの構造(MI
S構造)であり、他の素子部は各素子としての機能を備
える層構成であれば十分である。しかしながら共通な構
成は歩留りの向上、低コスト化等に都合がよい。
を説明したが、ラインセンサを複数本配置すれば2次元
的なエリアセンサとなり、X線撮像装置等の等倍読み取
りを行う光電変換装置も上記実施例で示したブロック分
割駆動を用いることにより、構成が可能となることは実
施例19と同様である。
8、19の効果に加えて、蓄積コンデンサにリフレッシ
ュ機能を持たせることが可能となり、小型化・高歩留り
が達成でき、更なる低コストの光電変換装置が実現でき
る。
換装置の概略的回路図である。
ス上に配された光電変換素子で下部電極側をG、上部電
極側をDで示している。C11〜Cmnは蓄積用コンデ
ンサ、T11〜Tmnは転送用TFTである。Vsは読
み出し用電源、Vgはリフレッシュ用電源であり、それ
ぞれのスイッチSWs、SWgを介して全光電変換素子
S11〜SmnのG電極に接続されている。スイッチS
Wsはインバータを介して、スイッチSWgは直接にリ
フレッシュ制御回路RFに接続されており、リフレッシ
ュ期間はSWgがon、その他の期間はSWsがonす
るよう制御されている。1画素は1個の光電変換素子と
それに並列に接続されたコンデンサ、およびTFTで構
成され、その信号出力は信号配線SIGにより検出用集
積回路ICに接続されている。本実施例の光電変換装置
は計m×n個の画素をm個のブロックに分け1ブロック
あたりn画素の出力を同時に転送しこの信号配線SIG
を通して検出用集積回路ICによって順次出力に変換さ
れ出力される(Vout)。また1ブロック内のn画素
を横方向に配置し、m個のブロックを順に縦に配置する
ことにより各画素の二次元的に配置している。
9のものと同様な動作をするが本実施例の場合、Vgの
極性とVsの大きさが異なっている。
R2により制御配線g1〜gm、sg1〜sgnにHi
が印加される。すると転送用TFT・T11〜Tmnと
スイッチM1〜Mnがonし導通し、全光電変換素子S
11〜SmnのD電極はGND電位になる(積分検出器
Ampの入力端子はGND電位に設計されているた
め)。同時にリフレッシュ制御回路RFがHiを出力し
スイッチSWgがonし全光電変換素子S11〜Smn
のG電極はリフレッシュ用電源Vgにより絶対値の小さ
な負電位になる。すると全光電変換素子S11〜Smn
はリフレッシュモードになりリフレッシュされる。つぎ
にリフレッシュ制御回路RFがLoを出力しスイッチS
Wsがonし全光電変換素子S11〜SmnのG電極は
読み取り用電源Vsにより絶対値の大きな負電位にな
る。すると全光電変換素子S11〜Smnは光電変換モ
ードになり同時にコンデンサC11〜C33は初期化さ
れる。
レッシュモードにおいて、G電極の電位はD電極の電位
に対して負電位となっており、G電極の電位がフラット
バンド電圧VFBに達していない。従って先の実施例中に
説明したようにリフレッシュモードにおいて電子が絶縁
層と光電変換半導体層の界面に達せず、リフレッシュモ
ード、光電変換モードの違いによる界面欠陥への電子の
出入りをさせなくすることが可能となり、突入電流を減
らすことができ、SN比の高い光電変換装置を実現して
いる。本実施例では光電変換素子のD電極とTFTとを
接続し、各光電変換素子のG電極と共通に接続している
が、逆にG電極をTFTと接続し、D電極を共通に接続
してもよい。このときのVgとVsの極性を逆にすれば
同様の動作となる。
いるが具体的な数は構成するシステムで最適に選べばよ
いが、例えば、1基板を20cm×20cmで構成する
場合、nを2,000、mを2,000とし、m×n
個、つまり4,000,000個の光電変換素子を10
0μmピッチの密度で構成することができる。
出用集積回路ICはそれぞれ1個で表現しているが実際
にはm、nの数により、適当な数で構成する。
ク図である。6001はa−Siセンサ基板であるこの
図では複数のシフトレジスタSR1を直列に、また検出
用集積回路ICも複数で駆動している。検出用集積回路
ICの出力は処理回路6008内のアナログ−デジタル
変換器6002に入力されデジタル化される。この出力
は固定パターン補正用の引き算器6003を介してメモ
リ6004に記憶される。メモリの中の情報はコントロ
ーラ6005により制御されバッファ6006を介し信
号処理手段としてのイメージプロセッサに転送され、そ
こで画像処理される。
線検出用の光電変換装置に適用した場合の模式的構成図
及び模式断面図である。
板6011内に複数個形成され、シフトレジスタSR1
と検出用集積回路ICが実装されたフレキシブル回路基
板6010が接続されている。フレキシブル回路基板6
010の逆側は回路基板PCB1、PCB2に接続され
ている。前記a−Siセンサ基板6011の複数枚が基
台6012の上に接着され大型の光電変換装置を構成す
る基台6012の下には処理回路6018内のメモリ6
014をX線から保護するため鉛板6013が実装され
ている。a−Siセンサ基板6011上にはX線を可視
光に変換するための蛍光体6030たとえばCsIが、
塗布または貼り付けされている。前述の図19、図20
で説明したX線検出方法と同じ原理に基き、X線を検出
することができる。本実施例では図52(b)に示され
るように全体をカーボンファイバー製のケース6020
に収納している。
システムへの応用例を示したものである。
60は患者あるいは被験者6061の胸部6062を透
過し、蛍光体を上部に実装した光電変換装置6040に
入射する。この入射したX線には患者6061の体内部
の情報が含まれている。X線の入射に対応して蛍光体は
発光し、これを光電変換して電気的情報を得るこの情報
はディジタルに変換されイメージプロセッサ6070に
より画像処理され制御室のディスプレイ6080で観察
できる。
送手段により遠隔地へ転送でき、別の場所のドクタール
ームなどディスプレイ6081に表示もしくは光ディス
ク等の保存手段に保存することができ、遠隔地の医師が
診断することも可能である。またフィルムプロセッサ6
100によりフィルム6110に記録することもでき
る。
N比が高く、特性が安定している光電変換装置、その駆
動方法及びそれを有するシステムを提供することができ
る。
容易な光電変換装置を提供することができる。
ロセスで形成することが可能で、作製プロセスの複雑化
を生じさせることがなく、低コストで作製可能な光電変
換装置、その駆動方法及びそれを有するシステムを提供
することができる。
換部(光電変換素子)は注入阻止層が一カ所のみで光の
入射量を検出することができ、プロセスの最適化が容易
で、歩留まりの向上が図れ、製造コストの低減が可能
で、SN比の高い低コストの光電変換装置を提供するこ
とができる。更に、第一の電極層/絶縁層/光電変換半
導体層においてトンネル効果や、ショットキーバリアを
利用していないため、電極材料は自由に選択でき、絶縁
層の厚さやその他の制御も自由度が高い。また同時に形
成する薄膜電界効果トランジスタ(TFT)等のスイッ
チ素子および容量素子とはマッチングが良く、同一膜構
成のため共通な膜として同時に形成可能でかつ光電変換
素子、TFT共に重要な膜構成は同一真空内で同時に形
成可能であり、さらに光電変換装置を高SN化、低コス
ト化することができる。
として蓄え、同時にリアルタイムに電流を流す性質を持
つため簡単な構成で複合的な機能を持つ光電変換装置を
提供できる。またコンデンサも中間層に絶縁層を含んで
おり良好な特性で形成でき光電変換素子で得られた光情
報の積分値を簡単な構成で出力できる高機能の光電変換
装置が提供できる。
ュ動作において、コンデンサ等の容量を介して行うこと
も可能で、印加電圧を下げた瞬間に突入電流を発生させ
ることが可能となる。結果的にTFTを用いてリフレッ
シュを行う場合に比べて、蓄積される突入電流が大幅に
削減されよりSN比の高い低コストの光電変換装置を提
供することができる。
いて、例えば光電変換素子の半導体注入阻止層がn型の
場合即ち注入が阻止されるキャリアの電荷qが正の場
合、D電極の電位をG電極の電位より高くする{(VrG
・q)<(VD ・q−VFB・q)}ことにより、絶縁層
と光電変換半導体層との界面欠陥への電子の出入りをさ
せなくすることが可能となり、逆に光電変換素子の半導
体注入阻止層p型の場合即ち注入が阻止されるキャリア
の電荷qが負の場合、D電極の電位をG電極の電位より
低くする{(VrG・q)<(VD ・q−VFB・q)}こ
とにより、絶縁層と光電変換半導体層との界面欠陥への
電子の出入りをさせなくすることが可能となるため、突
入電流を減らすことができ、更にSN比の高い低コスト
の光電変換装置を提供することができる。
光電変換素子と同一にし、更にこの信号電荷蓄積用容量
素子の絶縁層側の電極に蓄積することにより、信号電荷
蓄積用容量素子を常にアキュムレーション状態で用いる
事が可能となり、見かけ上信号電荷蓄積用容量素子を介
して信号電荷がリークして生じるリーク電流を減らすこ
とができ、SN比の高い低コストの光電変換装置を提供
できる。
割して、且つ別のブロックにおける信号転送動作とリフ
レッシュ動作を同一駆動線により同時に駆動することが
可能な為、読み取り動作を高速に行うことができ、更に
装置が小型化できる為、高歩留り、低コストな光電変換
装置を提供することが可能となる。
電変換装置を利用することでより低コストで大面積・高
機能・高特性のファクシミリやX線レントゲン装置を提
供できる。
例に限定されるものではなく、本発明の主旨の範囲にお
いて適宜、変形組合せが可能であることはいうまでもな
い。
模式的断面図(a)及び概略的回路図(b)。
図。
一例を説明するための図。
断面図。
エネルギーバンド図。
ためのタイミングチャート。
図。
回路図。
式的断面図。
成例を説明するための模式的断面図(a)及び概略的回
路図(b)。
成例を説明するための模式的断面図(a)及び概略的回
路図(b)。
的回路図。
の模式的平面図(a)、及び模式的断面図(b)。
的回路図。
の模式的平面図(a)、及び模式的断面図(b)。
的回路図。
の模式的平面図(a)、及び模式的断面図(b)。
るためのタイミングチャート。
的回路図。
の模式的平面図(a)、及び模式的断面図(b)。
るためのタイミングチャート。
的配置構成図。
的配置構成図。
的回路図。
るためのタイミングチャート。
のエネルギーバンド図。
のエネルギーバンド図。
的回路図。
るためのタイミングチャート。
のエネルギーバンド図。
的回路図。
の模式的平面図。
的回路図。
るためのタイミングチャート。
的回路図。
の模式的平面図。
の模式的断面図。
るためのタイミングチャート。
的回路図。
るためのタイミングチャート。
的回路図。
的回路図。
るためのタイミングチャート。
的回路図。
の模式的平面図。
の模式的断面図。
的回路図。
の模式的平面図。
の模式的断面図。
的回路図。
例を説明するためのシステム構成図。
する模式的構成図(a)、模式的断面図(b)。
例を説明するためのシステム構成図。
Claims (38)
- 【請求項1】 絶縁基板上に、第一の電極層、第一の型
のキャリアおよび前記第一の型のキャリアとは正負の異
なる第二の型のキャリアの両方のキャリアの通過を阻止
する絶縁層、光電変換半導体層、該半導体層への前記第
一の型のキャリアの注入を阻止する注入阻止層、第二の
電極層を、有する光電変換部を有することを特徴とする
光電変換装置。 - 【請求項2】 前記リフレッシュモードでは、前記第一
の型のキャリアを前記半導体層から前記第二の電極層に
導く方向に前記光電変換部の各層に電界を印加し、光電
変換モードでは、前記半導体層に入射した光により発生
した前記第一の型のキャリアを前記半導体層内に留まら
せ、前記第二の型のキャリアを前記第二の電極層に導く
方向に前記光電変換部の各層に電界を印加するための電
源部と、 前記光電変換モードにより前記半導体層に蓄積される前
記第一の型のキャリアもしくは前記第二の電極層に導か
れた第二の型のキャリアを検出する検出部と、を更に有
する請求項1に記載の光電変換装置。 - 【請求項3】 前記第一および第二の電極の少なくとも
1つが透明導電層を有する請求項1に記載の光電変換装
置。 - 【請求項4】 前記半導体層が水素化アモルファスシリ
コンを有する請求項1に記載の光電変換装置。 - 【請求項5】 前記注入阻止層は、n型もしくはp型の
元素をドーピングした半導体層である請求項1に記載の
光電変換装置。 - 【請求項6】 前記注入阻止層は、前記第二の電極と前
記半導体層の仕事関数の差から生じるバリア層である請
求項1に記載の光電変換装置。 - 【請求項7】 前記基板上にスイッチ素子を有する請求
項1に記載の光電変換装置。 - 【請求項8】 前記スイッチ素子は、ゲート電極、第2
の絶縁層、第2の半導体層、第2の半導体層に間隙をあ
けてオーミックコンタクト層を介して設けられた第1及
び第2の主電極層を有するトランジスタである請求項7
に記載の光電変換装置。 - 【請求項9】 前記スイッチ素子のゲート電極、第2の
絶縁層、第2の半導体層、オーミックコンタクト層、そ
して第1及び第2の主電極層は夫々光電変換部の第1の
電極層、絶縁層、半導体層、注入阻止層、第2の電極層
が共通の層である請求項8に記載の光電変換装置。 - 【請求項10】 前記第2の半導体層は水素化アモルフ
ァスシリコンを有する請求項8に記載の光電変換装置。 - 【請求項11】 更に容量素子を有する請求項7に記載
の光電変換装置。 - 【請求項12】 前記容量素子は第3の電極層と第4の
電極層及び第3及び第4の電極層間に設けられた第3の
絶縁層とを有する請求項11に記載の光電変換装置。 - 【請求項13】 前記第3の電極層と第4の電極層及び
第3と第4の電極層間に設けられた第3の絶縁層を有す
る容量素子を更に有する請求項8に記載の光電変換装
置。 - 【請求項14】 前記容量素子は光電変換部において光
電変換された光情報に基づく電気信号を蓄積する請求項
11に記載の光電変換装置。 - 【請求項15】 前記容量素子の第3の電極層、第3の
絶縁層、第4の電極層と、前記光電変換部の第1の電極
層、絶縁層、第2の電極層は夫々共通の層である請求項
11に記載の光電変換装置。 - 【請求項16】 前記容量素子の第3の電極層、第3の
絶縁層、第4の電極層と、光電変換部の第1の電極層、
絶縁層、第2の電極層は夫々共通の層である請求項13
に記載の光電変換装置。 - 【請求項17】 前記光電変換部は複数個有する請求項
1に記載の光電変換装置。 - 【請求項18】 前記光電変換部は1次元又は2次元に
配されている請求項17に記載の光電変換装置。 - 【請求項19】 前記光電変換部の夫々はスイッチ素子
を有する請求項17に記載の光電変換装置。 - 【請求項20】 前記光電変換部は所望の数で共通に接
続されてブロック化され、各ブロック毎に前記スイッチ
素子は動作可能にされる請求項19に記載の光電変換装
置。 - 【請求項21】 前記複数のブロックに分割した複数の
光電変換素子からの信号を出力するためのマトリクス信
号配線を有する請求項20に記載の光電変換装置。 - 【請求項22】 前記マトリクス信号配線はその交差部
において、第5の電極層、第6の電極層及び第5と第6
の電極層の間に設けられた中間層を有する請求項21に
記載の光電変換装置。 - 【請求項23】 前記中間層は第4の絶縁層を有する請
求項22に記載の光電変換装置。 - 【請求項24】 前記中間層は第4の絶縁層を有し、前
記第5の電極層、第4の絶縁層、第6の電極層と光電変
換部の第1の電極層、絶縁層、第2の電極層が共通の層
を有する請求項22に記載の光電変換装置。 - 【請求項25】 パルス印加用容量素子を介してパルス
電圧を印加して前記光電変換部に電界を印加するリフレ
ッシュ手段を有する請求項1に記載の光電変換装置。 - 【請求項26】 前記パルス印加用容量素子の層構成は
前記光電変換部と同じである請求項25に記載の光電変
換装置。 - 【請求項27】 基板上に、第1の電極層及び第2の電
極層、該第1及び第2の電極層間に設けられた第1の型
のキャリアおよび該キャリアと異なる第2の型のキャリ
アの通過を阻止する絶縁層、半導体層そして該半導体層
への前記第1の型のキャリアの注入を阻止する注入阻止
層を有する光電変換部の複数と、 該光電変換部からの信号を処理する信号処理手段と、を
有することを特徴とするシステム。 - 【請求項28】 更に前記信号処理手段からの信号を記
録するための記録手段を有する請求項27に記載のシス
テム。 - 【請求項29】 更に前記信号処理手段からの信号を表
示するための表示手段を有する請求項27に記載のシス
テム。 - 【請求項30】 更に前記信号処理手段からの信号を伝
送するための伝送手段を有する請求項27に記載のシス
テム。 - 【請求項31】 前記光電変換装置は蛍光体を有する請
求項27に記載のシステム。 - 【請求項32】 前記光電変換装置に入力される光情報
を発生するための光源を有する請求項27に記載のシス
テム。 - 【請求項33】 前記光源はX線を発する請求項32に
記載のシステム。 - 【請求項34】 基板上に第1の電極層、第1の型のキ
ャリアおよび前記第1の型のキャリアとは正負の異なる
第2の型のキャリアの両方の通過を阻止する絶縁層、半
導体層、該半導体層中へ前記第1の型のキャリアが注入
されるのを阻止する注入阻止層を介して設けられた第2
の電極層を有する光電変換部を駆動する方法であって、 該駆動方法はリフレッシュモードと光電変換モードを有
し、 前記リフレッシュモードにおいては、前記第1の型のキ
ャリアを前記半導体層から前記第2の電極層に導く電界
を印加し、 前記光電変換モードでは、前記半導体に入射した光によ
り発生した前記第1の型のキャリアを前記半導体層内に
留まらせ、前記第2の型のキャリアを前記第2の電極層
に導く方向に電界を印加することを特徴とする光電変換
装置の駆動方法。 - 【請求項35】 更に容量蓄積素子を有し、前記キャリ
アに応じた積分値を蓄積させ読出すプロセスを有する請
求項34に記載の光電変換装置の駆動方法。 - 【請求項36】 光電変換部を複数有し、それらはブロ
ック毎に電気的に接続され、1つのブロックが光電変換
モードのとき、少なくとも1つのブロックがリフレッシ
ュモードとされる請求項34に記載の光電変換装置の駆
動方法。 - 【請求項37】 前記リフレッシュモードは前記光電変
換部の第一の電極層の電圧(VrG)と前記第1導電型の
キャリアの電荷(q)との積(VrG・q)が、前記第二
の電極層の電圧(VD )から、閾値電圧(VFB)を差し
引いた電圧(VD −VFB)と前記第1導電型のキャリア
の電荷(q)との積(VD −VFB)・qより小さい条件
(VrG・q<VD ・q−VFB・q)により、前記光電変
換素子に電界を与えてなる請求項34に記載の光電変換
装置の駆動方法。 - 【請求項38】 前記容量素子は2つの電極層と該電極
層間に挟持される絶縁層と半導体層を有し、前記容量素
子をアキュームレーション状態で動作させる請求項35
に記載の光電変換装置の駆動方法。
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