JPH1140841A - 光センサ - Google Patents
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Abstract
た光センサにおいて、光吸収層の高光感度と多結晶シリ
コンの高移動度を有効利用できていなく、また光吸収層
と多結晶シリコンTFTが別々に作製されていた。 【解決手段】ボトムゲート型の多結晶シリコンTFTの
多結晶シリコン層1004に接して光吸収層を設けるこ
とで、ドレイン領域1006とチャネル形成領域100
5の間で形成される空乏層を光吸収層の内部にまで広
げ、その空乏層で発生したホトキャリアをチャネル形成
領域に収集する。チャネル形成領域に収集されたホトキ
ャリアは、多結晶シリコンの高移動度によって、ソース
領域1007にコレクションされ、大きな光電流として
出力される。
Description
吸収係数の大きい非晶質シリコン層によってホトキャリ
アを発生させ、発生したホトキャリアを移動度の大きい
多結晶シリコンを介して光電流として流す光センサに関
し、具体的にはボトムゲート型の多結晶シリコン薄膜ト
ランジスタのチャネル形成領域に接して非晶質シリコン
層を設ける光センサに関する。
デオカメラ、デジタルスチルカメラ等映像を電気信号に
変換するためのセンサとして広い分野でリニアイメージ
センサ又はエリアイメージセンサとして利用されてい
る。光センサの材料としては、単結晶シリコンと非晶質
シリコン層を利用したものがあるが、映像としては特殊
な場合を除くと殆どが可視光の波長範囲の映像を電気信
号に変換するために、可視光に対して吸収係数の大きい
非晶質シリコン層として用いる。
は、1)抵抗型 2)ダイオード型に大きく分けること
ができる。抵抗型は、トランジスタとしての増幅作用が
あるために大きい電流を得ることができるが、増幅して
発生するキャリアが多いため光が遮断された後も、増幅
されたキャリアが消滅あるいは収集されないために光応
答速度が悪いことと光の明暗によるダイナミックレンジ
が小さい。ダイオード型は、非晶質シリコン内に空乏層
が広がり、光が入射された時に発生するホトキャリアが
収集しやすく、増幅作用がないいために応答速度が速
く、光の明暗によるダイナミックレンジが大きい特徴が
あるが、電流が小さいために、電荷保持用としてのキャ
パシタが必要になる。
号として出力するためのスイッチとしては、単結晶半導
体(主にシリコン半導体)の電界効果トランジスタをア
ナロノグスイッチとして用いるベアIC形のもの。アナ
ノグスイッチとして、チャネル形成領域に非晶質シリコ
ンあるいは多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタを
用いるTFT形のものがある。
信頼性が高いが、光センサと同数のアナログスイッチを
ベアチップICとして必要になるために、コストが非常
に高くまた非晶質シリコンなどの光吸収層(光センサ
部)を形成する薄膜基板とベアICチップの双方が必要
になるために面積が広くなり小型化の障害要因になる。
TFT形はスイッチを薄膜によって形成するために、非
晶質シリコンなどの光吸収層の形成とスイッチとしての
TFTを同一基板上に形成できるために面積を狭くでき
小型化が容易であり、IC形と比較してコストが非常に
安価である。TFT形のもののうち、非晶質シリコンを
チャネル形成領域に用いる薄膜トランジスタ(非晶質シ
リコンTFT)は、光センサ部が非晶質シリコンから形
成されている場合等は、スイッチ部も非晶質シリコンT
FTを用いるために、製造プロセスの共通ができ、多結
晶シリコンTFTを用いる場合と比較してコストを下げ
ることができるが、非晶質シリコンの移動度が電子で1
cm2 /Vsec程度と小さいために、スイッチの高速
応答ができない。そのためにセンサ素子数が増加するエ
リアセンサや、高速対応のリニアセンサに用いることが
できない。
チャネル形成領域に用いる薄膜トランジスタ(多結晶シ
リコンTFT)は、非晶質シリコン等の光吸収層の形成
以外に多結晶シリコンの形成が必要となり、非晶質シリ
コンTFTを用いるものより製造工程は増加するが、多
結晶シリコンの移動度が10〜200cm2 /Vsec
程度と大きいために、スイッチの高速応答が可能であ
る。そのために、光センサ部を非晶質シリコンで形成
し、スイッチ部を多結晶シリコンTFTで形成するイメ
ージセンサが有効である。
ッチ部に多結晶シリコンを用いるものは、非晶質シリコ
ンのダイオード型光センサと多結晶シリコン薄膜トラン
ジスタを別々に組み合わせて用いるものが多い。これ
は、光センサ部に抵抗形を使用すると、抵抗形の応答速
度が遅いために、多結晶シリコンTFTのスイッチング
速度の速さを十分に生かせないためであった。
を形成するには、1)PINダイオード型 又は2)シ
ョットキーダイオード型が多く用いられる。PINダイ
オード型はP型、I型、N型の導電型を3層積層するも
のであり、I型の非晶質シリコンの領域に空乏層が広が
るために、そこで発生したホトキョアリアを殆ど再結合
させることなく電子はN型領域に、正孔はP型領域に流
すことができる。
とN型層がが必要であり、構成材料としては、炭化珪素
(SiC),微結晶シリコン(μc−Si),窒化珪素
(SiN)などを用いる。このP型層やN型層は、反応
ガスが2元系〜4元系必要で複雑になる。
質シリコンをオーム接触タイプではない導電材料に接触
させることで、そこにショットキー壁を形成し、そのシ
ョットキー壁の空乏層を利用するもので、PINダイオ
ード型と比較してショットキー壁の形成が導電膜を形成
するだけで簡単にできるが、空乏層の広がりがPINダ
イオード型と比較すると広がりが狭いために発生したホ
トキャリアを全て収集することが難しい。全て収集する
ためには、非晶質シリコン層を薄くする必要があるが、
薄いと吸収できる光の量が少なく結果として発生するホ
トキャリアが減少して光センサとしての感度が落ちる。
光吸収を大きくするために非晶質シリコンを厚くする
と、空乏層が非晶質シリコン全体に広がらず抵抗部が内
部に発生するために、発生したホトキャリアが収集でき
ずに再結合してしまう。
イオード型のいずれの場合のダイオード形でも可視光を
吸収してホトキャリアを発生させる場合に、短波長領域
のうち450nm程度以下の光の吸収係数が大きいため
に、ダイオードの空乏層に光が到達する前に吸収され
る。そのために、短波長によって発生するホトキャリア
は空乏層に達する前に再結合してしまい、出力信号にな
らない。これは、光センサとしては、青色の感度が弱い
ことを示している。
ード型のいずれの場合もまた、非晶質シリコンによる光
センサ部と多結晶シリコンTFT部が別々の場所に形成
されるために、エリアセンサを作製するさいに、一素子
の中にセンサ部とTFT部を設けるために実際に光を吸
収する非晶質シリコン等の光吸収部のエリアの領域が狭
くなり、大きな光電気信号を得ることが難しい。
コンでの光吸収の高さと多結晶シリコンの移動度の大き
さを巧みに組み合わせて、光感度が高く且つ高速動作を
可能とした全く新しい構成を提供するものである。
シリコンTFTに接するようにその上部に非晶質シリコ
ン層を用いた光検出部を配置し、多結晶シリコンTFT
のソースあるいはドレイン部での空乏層を非晶質シリコ
ン層内部にまで広げ、非晶質シリコン層が吸収して発生
したホトキャリアを速やかに多結晶シリコンに流すこと
が可能である。非晶質シリコン層の可視光に対する感度
と多結晶シリコンの移動度の大きさの2種類の材料の互
いの長所を組み合わせることによって、全く新しい光セ
ンサを提供することを目的とするものである。
層でホトキャリアを発生させるのではなく、直接多結晶
シリコンのチャネル形成領域で吸収させる構成も簡単に
できる。そのために、青色・緑色・赤色の可視光全ての
領域に対して感度の高い光センサを提供することも目的
とするものである。
の構成の内、ゲート電圧を変化させることで特にチャネ
ル形成領域での電界効果移動度は、例えばNMOSの場
合はゲート電圧を正に大きくすると移動度は大きくなり
スイッチとしてはON状態になる。逆にゲート電圧を小
さいあるいは負にすると移動度は小さくなり、スイッチ
としてはOFF状態になる。
えれば同じことである。このスイッチONの状態のとき
に、このチャネル形成領域に接して非晶質シリコン層を
配置することによって、非晶質シリコン層で発生してホ
トキャリアを多結晶シリコンTFTに流すことが可能に
なる。
電流を流すために、ドレイン電圧の印加が必要になる。
このドレイン電圧を印加するとドレインチャネル間に空
乏層が形成される。この空乏層がソースまで広がった状
態を、パンチスルーといい、この状態ではゲート電圧と
は無関係に電流は流れ続けるために、パンチスルーにな
らない程度にドレイン電圧を印加する。
するように非晶質シリコン層を形成する。ドレインとチ
ャネル間で空乏層が発生するが、そのドレインとチャネ
ル形成領域に非晶質シリコンが接しているために、ドレ
インから非晶質シリコン層内部にまで空乏層を形成する
ことができる。非晶質シリコン層は、ドレイン電圧が印
加されているとその内部にドレインから広がった空乏層
が形成され、非晶質シリコン層で発生したホトキャリア
が当該空乏層によって発生すると同時にチャネル形成領
域に流すことができる。
を固相成長させて多結晶にする。光検出部としての非晶
質シリコン層は、多結晶シリコンに固相成長させた後に
形成しないと非晶質シリコン層が結晶化してしまう。あ
るいは、結晶化しないまでも非晶質シリコン中から多量
の水素が抜けてダングリングボンドが多量に形成された
非晶質シリコンとなり、ダングリングボンドによるホト
キャリアのトラップが起こり光検出ができない。
ゲート電極の順に形成されているトップゲート型のTF
Tでは、チャネル形成領域がゲートの下になるために接
触させることができない。非晶質シリコン層をドレイン
領域に接触させるためには、TFTの上部に形成するこ
とができないので、TFTと基板の間に非晶質シリコン
層を形成する必要がある。しかし、多結晶シリコンの形
成前に非晶質シリコンを形成しなくてはならず、前述の
ように光検出ができる非晶質シリコン層を形成できな
い。
極、ゲート絶縁膜、多結晶シリコンの順に形成されるボ
トムゲート型TFTの多結晶シリコンの上に非晶質シリ
コン層層の構成にする。この構成では、先に多結晶シリ
コンTFTを形成した後に、非晶質シリコン層を形成す
るために前述の問題はない。多結晶シリコン層は、ゲー
ト電極上方にチャネル形成領域が形成され、その両側に
ソース領域およびドレイン領域が形成されている。した
がって、その上に非晶質シリコンを形成すると、多結晶
TFTのチャネル形成領域とドレイン領域に簡単に非晶
質シリコン層を接触させることができる。
方に接するように非晶質シリコン層を形成することで、
ドレイン─チャネル間に形成される空乏層を非晶質シリ
コン層内部にまで広げることができる。この空乏層で発
生したホトキャリアはスムースにチャネル形成領域に収
集される。
に接触するように形成された非晶質シリコン層は、実際
にはチャネル自体には接触していない。チャネルは、ゲ
ート絶縁膜と多結晶シリコンの界面に形成される。しか
し、TFTの場合は多結晶シリコン層が100〜150
0Å程度と薄いために、ゲート電圧が印加されたときに
ゲート電極から多結晶シリコン層に向いた縦方向で、多
結晶シリコン層全てが空乏層領域となる。したがって、
チャネルと逆側の多結晶シリコン層と接している非晶質
シリコンで発生したホトキャリアが、チャネル形成領域
(チャネルそのものではなく、チャネルが形成される多
結晶シリコン層を指す)に達すると、その空乏層に沿っ
てチャネルに達する。
膜を形成して透明導電膜とソース領域間に電圧を印加す
るとホトキャリアの収集は効果的である。可視光に対し
て透明な透明導電膜をドレインと接続すると簡単な構成
で、透明導電膜とソース間にもドレイン電圧を印加する
ことができ更に、透明導電膜と非晶質シリコンはショッ
トキー接合になるために、ショットキー壁による空乏層
も形成される。ドレイン領域から非晶質シリコン層に広
がった空乏層と透明導電膜とソース間で発生している電
界およびショットキー壁による空乏層によってホトキャ
リアはチャネル形成領域でコレクションされる。ゲート
電圧が印加されてTFTがON状態の時には、チャネル
は導電体と同じようになるため透明導電膜とソース間だ
けではなく、透明導電膜とチャネル間にも電界が発生し
ているために有効にチャネル形成領域にホトキャリアが
収集される。
リコン層の劣化を防ぐために可視光に対して透明な絶縁
膜によって非晶質シリコン層を覆う。この場合は、ドレ
イン領域から非晶質シリコン層内部にまで広がった空乏
層で吸収されて発生したホトキャリアの収集と、空乏層
の外側で吸収されて発生したホトキャリアの拡散したも
のがチャネル形成領域に収集される。
1×1010Ω・cm以上と多結晶シリコンの106 Ω・
cm程度に比較して高抵抗(3桁以上大きい)のため
に、多結晶シリコンTFTのオフ状態の時に、非晶質シ
リコン層を介してリーク電流が流れるようなことはな
い。
のうち、短波長(450nm以下)に対しては問題があ
る。短波長の光に対して非晶質シリコンの吸収係数が大
きいく、そのため光はドレインから広がった空乏層に達
する前にほとんど全て吸収されてしまう。吸収された光
は、ホトキャリアを発生させるが、空乏層に全てのホト
キャリアが到達できない。空乏層に達するまえに再結合
してしまうものが多く、そのため光感度が落ちる。
シリコンTFTのチャネル又はチャネル形成領域近傍で
吸収させると、効率的に発生したホトキャリアをチャネ
ルに流すことができる。多結晶シリコンTFTのチャネ
ル形成領域の一部には非晶質シリコン層が全くないよう
な配置構成にすることで長波長と短波長の光の吸収を効
率的に行なうことができる。非晶質シリコン層は、ドレ
イン領域とチャネル形成領域の一部には接触させ、ドレ
インで形成される空乏層は非晶質シリコン層の内部にま
で広がり、そこで発生したホトキャリアをチャネルに収
集するとができる。それとともに、非晶質シリコン層が
配置されていないチャネル形成領域には、直接光が入射
(実際には、エネルギーギャップの大きいエッチストッ
パー膜を介して)する。
成する膜のために、オフ電流低減のために膜厚は100
〜1500Å程度である。短波長が吸収されるには十分
な厚さであり、チャネル形成領域で吸収された短波長光
は、すぐにチャネルを通してソースに収集される。
ないチャネル形成領域を設けることで、短波長から長波
長(約300nm〜約800nm)可視光領域全ての光
に対して感度の大きい光センサを構成することができ
る。
実施の形態を実施例を用いて説明する。
す。基板1001としてして本実施例では、石英基板を
用いている。基板としては、後に多結晶シリコンを形成
するために多結晶シリコン作製の温度に耐えうる基板で
あればどよのうな基板でもよくサファイアやセラミック
などを用いることも可能である。光センサとして、吸収
する光は基板とは逆側から入射するために、基板100
1は透明でも不透明でもよく、実際の応用に合わせれば
よい。
成される。基板1001とゲート電極1002の間に下
地膜が必要な場合は、下地膜を形成する。本実施例では
基板1001として石英基板を用いているために、下地
膜を形成していない。石英ではなく、ホウケイ酸ガラス
やナトリウムガラス、ソーダガラス、セラミックスなど
を基板にする場合や、単結晶半導体基板など用いる場合
はゲート電極1002と基板1001の間に下地膜を形
成する。ゲート電極1002の材料としては、導電性が
あればどのような材料でもよいが、後に形成する多結晶
シリコン作製温度に耐えうる材料が必要であり本発明者
等は、クロム又は陽極酸化したアルミニウムあるいはタ
ンタルを用いた。典型的には陽極酸化したタンタルをゲ
ート電極1002として用いた。ゲート電極1002の
上には、ゲート絶縁膜1003が形成されている。この
ゲート絶縁膜1003としては、酸化珪素や窒化珪素の
単層あるいは積層のものを用いることができるが、多結
晶シリコンに接する材料としてはエネルギーギャップの
大きい酸化珪素の方が窒化珪素膜より望ましい。本発明
者等は、酸化珪素膜の単層をゲート絶縁膜1003とし
て用いた。
コン層1004が形成されている。多結晶シリコン層1
004の形成としては、成膜時に多結晶シリコンを成膜
するよりも、非晶質シリコンを形成した後に加熱、ある
いはレーザ、ランプなどの強光によって多結晶シリコン
の方が、結晶粒径も大きく、移動度も大きく、半導体特
性が良好である。本発明者等は、非晶質シリコンを形成
した後にKrFエキシマレーザによってレーザ結晶化を
行なって多結晶シリコン層1004を形成している。多
結晶シリコン層1004の膜厚としては100〜150
0Å程度であり、本実施例では400Åの膜厚にしてい
る。
ル形成領域1005、ドレイン領域1006、ソース領
域1007が形成されている。このゲート電極100
2、ゲート絶縁膜1003とチャネル形成領域100
5、ドレイン領域1006、ソース領域1007を含む
多結晶シリコン層1004によって多結晶シリコン薄膜
トランジスタ(TFT)1010が形成される。
ドレイン領域とチャネル形成領域間あるいはソース領域
とチャネル形成領域間または双方の間に、低不純物領域
(LDD)や不純物のないオフセット領域を形成してお
くことも多結晶シリコンTFTのオフ電流を下げること
に有効である。
リコン層1008を形成する。非晶質シリコン層100
8は、チャネル形成領域1005、ドレイン領域100
6、ソース領域1007を含む多結晶シリコン層100
4の全ての領域に少なくとも接触している。特に、チャ
ネル形成領域1005のほとんど全ての領域に接するよ
うに形成されている。非晶質シリコン層1008として
は、真性または実質的に真性な導電型にする。そうする
ことで、非晶質シリコン内部にまで空乏層が広がる。
は形成時に必ずしもフェルミ準位がバンドギャップの中
央にくる訳ではなく、その構造的な問題からノンドープ
であっても若干N型になる方向にフェルミ準位がシフト
する。その場合に、硼素など3族などのP型不純物を5
×1016〜1×1018cm-3程度ドープされた非晶質シ
リコンにすることで、フェルミ準位をほぼバンド中央に
することができる。この場合に、不純物をドープしてい
る非晶質シリコン層ではあるが、ノンドープよりもフェ
ルミ準位の位置は真性に近いということで、これを実質
的に真性な状態としている。
電膜1009を形成する。透明導電膜1009として
は、ITOや酸化錫などを用いる。透明導電膜1009
は、ソース領域1007との間で電圧を印加するために
用いる。本実施例では、ITOを透明導電膜1009と
して用いた。ITOは透過率と抵抗値を考慮して100
0〜2000Å、典型的には1200Åの膜厚のものを
用いる。ITOは、非晶質シリコン層との接合で、ショ
ットキー接合を形成する材料であり、接合面から非晶質
シリコン層1008の内部に約1000〜3000Å程
度まで、ショットキー壁による空乏層が形成される。
ン層1008に入射した入射光1011は、非晶質シリ
コン層1008で吸収されホトキャリアとなる。ホトキ
ャリアは、具体的は電子と正孔のペアで発生する。発生
したホトキャリアは、非晶質シリコン層1008に電界
や空乏層などが何もない状態では色々な方向にランダム
に拡散する。拡散したホトキャリアは、再び電子と正孔
が再結合して消滅する。再結合する前に外に収集された
ものが電流となる。
ンジスタいわゆるNMOSの場合は、ソース領域7およ
びドレイン領域1006には、燐がドープされており、
ゲート電極1002に正のしきい値以上の電圧を印加す
ると、チャネル形成領域1005に電子が溜まり、チャ
ネルが形成される。チャネルはゲート絶縁膜1003と
多結晶シリコン層1004の界面であって且つゲート電
極1002上部であるチャネル形成領域5に形成され
る。
態の時は、チャネル形成領域に拡散して達したホトキャ
リアもチャネルが形成されていないために、ソース領域
にコレクションされず消滅する。
ON状態のとき、多結晶シリコン層1004は、バルク
の半導体とは異なりゲート電圧を印加した場合に、ゲー
ト電極1002上部のチャネル形成領域1005の全域
が空乏層化する。そのために、非晶質シリコン層8の中
でもチャネル形成領域1005に接している部分に拡散
してきたホトキャリアは、チャネルにまで到達する。
電圧が印加されているために空乏層が形成されるが、そ
の空乏層は非晶質シリコン層1008の内部にまで広が
り、多結晶シリコンTFTがON状態のときは、空乏層
で発生したホトキャリアはチャネル形成領域1005に
収集されチャネルを通ってソース領域にコレクションさ
れる。
との間に電圧を印加する。このようにすることで、ドレ
イン領域1006から非晶質シリコン層1008の内部
にまで広がった空乏層に加えて透明導電膜1009に印
加した電圧による電界によってホトキャリアが収集され
る。非晶質シリコン層1008で発生するホトキャリア
が非常に多い場合には、TFTがOFF状態でも、透明
導電膜1009とソース領域1007の間で電流が流れ
ないようにするために、ドレイン電圧を透明導電膜10
09と非晶質シリコン層1008の間のショットキー壁
で逆バイアスになるように印加することは有効である。
すが、図中の記号は図1(A)と同一であり、透明導電
膜1009をドレイン領域1006と接続した実施例を
示す。こうすることで、透明導電膜1009には自動的
にドレイン電圧が、透明導電膜1009とソース領域1
007との間に加えられるために、別途透明導電膜10
09に電圧を印加する必要がなく光センサの構成を簡単
化できる。
透明導電膜1009の代わりに透明絶縁層1009を用
いた例を示している。基本的に、透明導電膜に代えて透
明絶縁層1009としているだけであとは、実施例1と
同じである。
で吸収されて発生したホトキャリアは、拡散してチャネ
ル形成領域に達するか、あるいはドレイン領域1006
から非晶質シリコン層1008の内部にまで広がった空
乏層で吸収された光によって発生したホトキャリアが収
集される。原理的には、透明絶縁層1009は無くても
光センサとして機能するが、非晶質シリコン層1008
の劣化を防ぐためには必要であり、透明絶縁層1009
としては、酸化珪素膜、窒化珪素膜、窒化酸化珪素膜、
燐硝子膜(PSG)等を用いる。本実施例では、PSG
を用いた。
別の実施例を示す。図2(A)(B)の名称および符号
のノーテーションは、図1と同一である。つまり、10
01と2001、あるいは1006と2006等は同じ
ものを示している。実施例1と異なっているのは、非晶
質シリコン層2008および透明導電膜2009が、多
結晶シリコンTFT2010の全ての領域の上方に有る
わけではない。非晶質シリコン層2008は、ドレイン
領域2006とチャネル形成領域2005の一部に接触
しているが、ソース領域2007には接触していない。
005の一部を非晶質シリコン層2008が配置してい
ない構成になるが、実際にこの構成を作製磨る場合に
は、非晶質シリコン層2008の一部をエッチングし
て、チャネル領域2005の一部とソース領域2007
を露呈する工程が必要になる。そのために、エッチスト
ッパー2015が必要になる。エッチストッパー201
5は、光学ギャップのできるだけ大きい絶縁体がよく、
酸化珪素あるいは窒化珪素膜などが有効である。本実施
例では、窒化珪素膜を500乃至1500Å形成してい
る。
は、透明導電膜2009を介して非晶質シリコン層20
08に入射され、吸収され、ホトキャリアを発生する。
発生したホトキャアリアは、非晶質シリコン層2008
にドレイン領域2006から広がった空乏層、透明導電
膜2009とチャネル形成領域2005にかかっている
電界、透明導電膜2009と非晶質シリコン層2008
のショットキー接合による空乏層などによって、チャネ
ル形成領域2005に到達してチャネルを流れてソース
領域2007に収集される。
ー2015を介して直接チャネル形成領域2005に入
射される。入射した光は、そこで吸収されてホトキャリ
アを発生し、同時に発生したホトキャリアはチャネルを
通してソース領域2007に収集される。短波長の光
は、多結晶シリコンに直接吸収され、短波長の光の感度
を向上させることができる構成になる。
09をドレイン領域2006と接続した実施例を示す。
図中の符号は、図2(A)と同じである。この構成で
は、透明導電膜2009には自動的にドレイン電圧が、
透明導電膜2009とソース領域2007との間に加え
られるために、別途透明導電膜2009に電圧を印加す
る必要がなく光センサの構成を簡単化できる。
2007には接触していないために、多結晶シリコンT
FT2010がOFF状態の時は、チャネルにキャリア
が溜まっていないために実効的な電界は、透明導電膜2
009とソース領域2007の間にはかかっていない。
しかし、多結晶シリコンTFT2010がON状態のと
きには、チャネルにキャリアが溜まっているために実質
的にチャネルは抵抗を有する導電体と同様になる(電界
効果半導体装置の基本原理)。そのため、多結晶シリコ
ンTFT2010がON状態のときのみ、透明導電膜2
009とソース領域2007の間にドレイン電圧が実効
的に印加される。
キャリアは、多結晶シリコンTFT2010がON状態
の時のみ、ドレイン領域2006から、非晶質シリコン
層2008の内部にまで広がった空乏層に加えて透明導
電膜2009とソース領域2007との間の電界によっ
て、チャネル形成領域2005に収集される。収集され
たキャリアは、チャネルを通ってソース領域2007に
コレクションされ、光電気信号となる。
を応用した実施例を示す。符号の基本的なノーテーショ
ンは実施例3と同じであり、基板2001と基板500
1、エッチストッパー2015とエッチストッパー50
15というようになっている。本実施例では、チャネル
形成領域5005に接して非晶質シリコン層5008を
配置するところと、チャネル形成領域5005にエッチ
ストッパー5015が接しているが非晶質シリコン層5
008が配置されていないところが、複数の領域に分か
れている構成である。入射光5011は、透明導電膜5
009を介して非晶質シリコン層5008に入射され、
そこで吸収され、ホトキャリアを発生する。入射光50
12は、エッチストッパー5015を介してチャネル形
成領域5005に入射する。
射光5011とチャネル形成領域で吸収される入射光5
012が、チャネル形成領域5005上に複数あり、領
域5013は丁度、非晶質シリコン層5008に孔が開
いているような状態である。
になっている。上から見ると、ゲート電極5002上に
多結晶シリコンが形成されているが、上からみるとソー
ス領域5007とドレイン領域5006に重なるように
非晶質シリコン層5008が配置されている。非晶質シ
リコン層5008は、多結晶シリコンより面積が狭いた
めに、多結晶シリコンのチャネル形成領域5005の一
部であるはみ出た領域5016がある。非晶質シリコン
層5008が無い領域が、領域5013である。この領
域の形状は、本実施例では円形になっている。
く四角、正方形、菱形、十字形でもなんでもよい。領域
5013の総面積をどの程度にするかは、光センサの全
体の感度との兼ね合いになる。より短波長の感度を向上
させたい場合は、領域5013の領域の総面積を増加
し、エッチストッパー5015を介して直接チャネル形
成領域5005で吸収される入射光5012を増やす。
短波長の増加よりも、全体として光電流を増やす場合
は、領域5013を減少させて、透明導電膜5009を
介して非晶質シリコン層5008で吸収される入射光5
011を増やす。領域5013の面積をゼロにすると、
実施例1となる。
09をドレイン領域5006と接続した実施例を示す。
図中の符号は、図5(A)(B)と同じである。この構
成では、透明導電膜5009には自動的にドレイン電圧
が、透明導電膜5009とソース領域5007との間に
加えられるために、別途透明導電膜5009に電圧を印
加する必要がなく光センサの構成を簡単化できる。
5007には接触していないために、多結晶シリコンT
FT5010がOFF状態の時は、チャネルにキャリア
が溜まっていないために実効的な電界は、透明導電膜5
009とソース領域5007の間にはかかっていない。
しかし、多結晶シリコンTFT5010がON状態のと
きには、チャネルにキャリアが溜まっているために実質
的にチャネルは抵抗を有する導電体と同様になる(電界
効果半導体装置の基本原理)。そのため、多結晶シリコ
ンTFT5010がON状態のときのみ、透明導電膜5
009とソース領域5007の間にドレイン電圧が実効
的に印加される。
サをリニアイメージセンサに適用した実施例を示す。図
3は、リニアイメージセンサの一素子を示しているが、
実際には同一の構成を横に複数個(例えばA4サイズ2
16mm長で、8ドット/mmの場合は、1728個)
並んでいる。本発明による光センサ3000は、TFT
と電流源として示している。光センサ3000のゲート
はドレインと接続されさらにバイアス3007に接続さ
れている。バイアス3007にバイアス電圧が印加され
るとTFTがONになると同時にドレインに電圧が印加
されるようになっている。
荷を保持するためにの保持容量3002は、別途設けて
もあるいはTFTの寄生容量を使ってもよい。本実施例
では、別途保持容量を形成している。保持容量に蓄えら
れた電荷を容量3003に移すスイッチをスイッチTF
T3001が行なう。スイッチTFT3001のゲート
は、シフトレジスタに接続され、クロックと同期して順
次電圧が印加される。
を通して出力3006に電気信号として出力する。容量
3003のリセットをするためにリセットTFT300
4が容量3003とグランドの間に設けられている。
アセンサに使用した実施例を図4に示す。光センサ40
00は、TFTと電流源として示している。TFTのゲ
ートはドレインと接続されさらにバイアス4007に接
続されている。バイアス4007にバイアス電圧が印加
されるとTFTがONになると同時にドレインに電圧が
印加されるようになっている。
荷を保持するためにの保持容量4002は、別途設けて
もあるいはTFTの寄生容量を使ってもよい。好ましく
は、別途保持容量を形成しておく方がよい。保持容量に
蓄えられた電荷を容量3003に移すスイッチをスイッ
チTFT4001が行なう。スイッチTFT4001の
ゲートは、垂直シフトレジスタにに接続され、ソース又
はドレインはアナログスイッチ4009を通じて水平シ
フトレジスタに接続されている。それぞれのシフトレジ
スタはクロックと同期して順次電圧が印加される。
出力4006に出力される。走査の方式は、垂直シフト
レジスタの第1行目に電圧が印加している間に、水平シ
フトレジスタの第1列目から最終列まで順次電圧が印加
されることで、第1列の光信号を出力する。次に垂直シ
フトレジスタの第2行目に電圧が印加している間に、水
平シフトレジスタの第1列目から最終列まで順次電圧が
印加されることで、第2列の光信号を出力する。これを
繰り返して垂直シフトレジスタの最終行まで電圧が印加
されたところで、一画面分のセンシングが完成する。
リコンTFTと非晶質シリコン層を巧みに組み合わせる
ことによって、非晶質シリコン層で発生したホトキャリ
アを移動度の大きい多結晶シリコンTFTを用いて電気
信号として取り出すことによって従来にない新しい光セ
ンサを構成できる。
と拡散係数が高く、ホトキャリアが一旦チャネルに達す
ると、より速い速度でドリフトすることができるために
光電流が大きい。また、ドレインで形成される空乏層が
非晶質シリコン層の内部にまで広がっていくために、そ
こで発生したホトキャリアをすぐにチャネルに収集させ
ることができる。
シリコンに直接入射させる光の双方を用いる構成にする
ことができ、短波長から長波長までの可視光領域の全て
の光に対して感度のよい光センサを構成することができ
る。本願は、非晶質シリコンを光吸収のための材料とし
ているが、勿論それに限定されることはなく材料として
は非晶質シリコン、硫化カドニウム、カドニウムセレ
ン、非晶質シリコンゲルマニウムより選ばれた一よりな
るものを利用することも可能である。
回路構成を示す図である
回路構成を示す図である
Claims (11)
- 【請求項1】基板上にゲート電極が設けられ、前記ゲー
ト電極上にゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン層が設
けられ、前記多結晶シリコン層に接して、非晶質シリコ
ン層が設けられていることを特徴とする光センサ。 - 【請求項2】基板上にゲート電極が設けられ、前記ゲー
ト電極上にゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン層が設
けられ、前記多結晶シリコン層はソース領域、ドレイン
領域およびチャネル形成領域を有し、少なくとも前記チ
ャネル形成領域および前記ドレイン領域に接して、非晶
質シリコン層が設けられていることを特徴とする光セン
サ。 - 【請求項3】基板上にゲート電極が設けられ、前記ゲー
ト電極上にゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン層が設
けられ、前記多結晶シリコンに接して、非晶質シリコン
層が設けられ、前記非晶質シリコン層上に可視光に対し
て透光性を有する導電層が設けられていることを特徴と
する光センサ。 - 【請求項4】基板上にゲート電極が設けられ、前記ゲー
ト電極上にゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン層が設
けられ、前記多結晶シリコンに接して、非晶質シリコン
層が設けられ、前記非晶質シリコン層上に可視光に対し
て透光性を有する絶縁層が設けられていることを特徴と
する光センサ。 - 【請求項5】基板上にゲート電極が設けられ、前記ゲー
ト電極上にゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン層が設
けられ、前記多結晶シリコン層はソース領域、ドレイン
領域およびチャネル形成領域を有し、少なくとも前記チ
ャネル形成領域および前記ドレイン領域に接して、非晶
質シリコン層が設けられ、前記非晶質シリコン層上に可
視光に対して透光性を有する導電層が設けられているこ
とを特徴とする光センサ。 - 【請求項6】基板上にゲート電極が設けられ、前記ゲー
ト電極上にゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン層が設
けられ、前記多結晶シリコン層はソース領域、ドレイン
領域およびチャネル形成領域を有し、少なくとも前記チ
ャネル形成領域および前記ドレイン領域に接して、非晶
質シリコン層が設けられ、前記非晶質シリコン層上に可
視光に対して透光性を有する絶縁層が設けられているこ
とを特徴とする光センサ。 - 【請求項7】前記チャネル形成領域に接して設けられて
いる非晶質シリコン層が、前記チャネル領域を全て覆っ
ていることを特徴とする請求項2、5又は6記載の光セ
ンサ。 - 【請求項8】前記チャネル形成領域に接して設けられて
いる非晶質シリコン層が、前記チャネル領域の一部を覆
っていないことを特徴とする請求項2、5又は6記載の
光センサ。 - 【請求項9】前記導電層が、前記ドレイン領域と電気的
に接続されていることを特徴とする請求項3又は5記載
の光センサ。 - 【請求項10】請求項1乃至9記載の光センサを用いた
ことを特徴とするリニアイメージセンサ - 【請求項11】請求項1乃至9記載の光センサを用いた
ことを特徴とするエリアイメージセンサ。
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JPH1140841A true JPH1140841A (ja) | 1999-02-12 |
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