JPS63236247A - 光電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光を電気信号に変換する光電変換装置に係り、
特に非晶質半導体中の電荷増倍作用を用いて高感度を実
現する光電変換装置に関する。

〔従来の技術］ 従来、非晶質半導体を主体とする光電変換素子として、
フォトセル、−次元イメージセンサ−（例えば、特許第
１０２２６３３号）、固体駆動回路と非晶質光導電体と
を組合せた２次元イメージセンサ−（例えば特公昭５９
−２６１５４号）、光導型彫撮像管（例えば、特許第９
０２１８９号）などが知られている。これらの光電変換
素子においては、光導電膜にたいして、信号電極からの
電荷の注入を阻止するような接合特性を有する阻止型構
造を採用したものと、双方、あるいは一方の電極から電
荷が注入される構造の、いわゆる注入型構造を採用した
ものがある。

注入型素子では、原理的に入射光子数以上の電子を外部
回路に取りだすことができるので利得１より大の高感度
化が可能であり、上記の光電変換素子の高感度化をはか
る目的で、例えばフォトトランジスタ特性を有する光導
電膜と読み取り回路を積層した撮像素子（特開昭６１−
２２２３８３号）が提案されている。

同様な目的で、光電変換部自体に増倍作用を持たせた素
子として、静電誘導型トランジスタ（アイイーイーイー
　トランザクション　オン　エレクトロン　デバイセズ
　１９７５年　第４４１１２２巻、１８５〜１９７頁、
ＩＥＥＥ　　ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮ　　ＯＮ　　ＥＬ
ＥＣＴＲＯＮ　　ＤＥＶＩＣＥＳ、ＥＤ２２巻）を利用
した方法が提案されており、あるいは、水素やハロゲン
（例えばフッ素、塩素等）をふくむＳｉを主体とする非
晶質半導体で、結晶Ｓｉと同様のｐ０πｐｎｎ”接合を
形成してｐｎ接合部空乏層でアバランシェ動作を発生さ
せて信号増幅を行う方式（特願昭５５−９５９５３号）
も提案されている。一方、光導電膜外部からの電荷流入
を阻止する性質を有する阻止型接合構造を採用した場合
は、入射光のうち光導電膜内部で電荷に変換された分だ
けが信号電流となるので、光電変換の利得は通常１以下
に限定される。しかし最近、Ｓｓを主体とする非晶質半
導体で阻止型接合構造を形成し、非晶質半導体層内でア
バランシェ動作を発生させて信号増幅を行う方式を採用
すれば、阻止型接合構造の素子でも光電変換効率を１よ
り大きくできることが本特許の発明者等により提案され
ている。（テレビ学技報　１９８７年　第１０巻、１〜
６頁）［発明が解決しようとする問題点］ フォトセル、−次元イメージセンサ−、光導電膜積層型
固体受光素子などの光電気変換装置に関し、注入型接合
構造を採用すれば、原理的に入射光子数以上の電子を外
部回路に取りだすことができるので、利得１より大の高
感度化が可能であるが、このように電荷の一部をセンサ
内部に注入させる方式では光応答特性が著しく劣化し好
ましくない、また、静電誘導型トランジスタは画素毎に
増幅部を内蔵させる方式であるため、各画素間の増幅率
を同一の値に揃えることが困難であった。

これにたいして、非晶質半導体を用いた例では。

比較的低温で均質な膜形成が可能であり、しかも膜抵抗
が高いため、結晶Ｓｉのように複雑な画素分離プロセス
を必要とせず、高い解像度を実現できる利点が有る。し
かしながら、従来提案されていた非晶質半導体中のアバ
ランシェ増倍現象を応用した受光素子においては、まだ
いくつかの問題点が残されていた。

すなわち、結晶半導体のアバランシェダイオードで採用
されているものと同じｐ°πｐｎｎゝ構造を非晶質Ｓｉ
を用いて形成し、信号増幅を行う方式では、信号光をＰ
−領域を通して入射させπ領域で吸収させて電荷に変換
し、その電荷をｐｎ接合部へ導き、ｐｎ接合部に存在す
る空乏層の領域でアバランシェ増倍を行わせる。

しかし、アバランシェ増倍を起こすためには電荷をある
程度以上の距離走行させることが必要であるが、実際に
非晶質Ｓｉで上記の構造を形成してみると、非晶質Ｓｉ
は結晶Ｓｉに比べて禁制茶巾に存在する局在準位が多い
ために、ｐｎ接合における空乏層があまり広がらず、十
分なアバランシェ増倍効果が得られないことがわかった
。さらに、動作温度が室温を越えると暗電流が増大して
しまい、十分なアバランシェ増倍効果を得られるほどに
高い電界を印加することができない。これらの結果、た
だ単に結晶Ｓｉと同様のアバランシェダイオード構造を
非晶質Ｓｉで形成しただけでは十分な増幅率が得られな
いという問題点があった。

また、阻止型接合を有する非晶質Ｓｅを用いたアバラン
シェ増倍方式の場合には、大きな増倍率が得られ、良好
な光応答特性が得られるものの、材料自体の制約から、
たとえば８０℃以上の高温環境では、使用中に膜変質の
恐れがあり、特に高温動作時の素子特性が不十分という
欠点があった。

本発明の目的は、上記従来の問題点を除去し、光電変換
の利得が１よりも大きく、光応答特性も良好で、耐熱性
のすぐれた非晶質半導体受光素子を提供することにある
。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的は、受光装置の内部に、水素およびハロゲン元
素のすくなくとも一方を含む（含有量は０．５〜３０原
子パーセント、より好ましくは、５〜２０原子パーセン
ト。）テトラヘドラル系元素を主体とする非晶質半導体
層を設け、さらに。

その非晶質半導体層と外部電極との間に外部からの電荷
の注入を阻止するような性質の電気的接合を設けた構造
とし、この非晶質半導体層に電界を印加し、上記非晶質
半導体層内の主として接合界面以外の領域で電荷増倍作
用を発生させるように動作させることにより達成される
。

なお１発明者等、はテトラヘドラル系元素として炭素、
ケイ素、ゲルマニウム、スズ等を用いて実験をした。

本発明者等は、すでに、Ｓｅを主体とする非晶質半導体
層に強い電界をかけると非晶質半導体層の内部で電荷増
倍作用が起こることを発見した。

これまでは、非晶質半導体には多くの内部欠陥があるた
め半導体層自体ではこのような現象は極めて起り難いと
一般に考えられており、このとき発見された非晶質Ｓｓ
は例外的な材料と考えられていた。

今回、発明者らは、上記現象は必ずしも非晶質Ｓｓに限
られるものではなく、水素またはハロゲンを含む上述の
テトラヘドラル系非晶質材料を用いれば、阻止型接合の
形成が可能であり、さらに。

このような材料でｐｎ接合を形成し、その接合部の空乏
層部分でアバランシェ増幅をおこさせる従来の方式とは
異なり、前記の阻止型接合構造を採用して高電圧を接合
による空乏層領域を有しない非晶質層内部の領域に印加
し動作させれば、テトラヘドラル系非晶質層内部でＳｓ
の場合と同様の電荷増倍作用を起こしうることを発見し
た。上記の、非晶質層に強い電界を印加して非晶質層内
で電荷増倍作用を発生させる方式を利用することにより
、阻止型構造を有する受光素子のもつすぐれた光応答特
性を劣化させることなく、しかも利得が１より大の高い
感度を有する光電変換装置を得ることができる。

さらに詳しく調べた結果、上記の阻止型構造を形成する
テトラヘドラル系非晶質材料として、とくに禁制帯幅が
１．８５ｅＶよりも広い材料を選べば、８０℃以上の温
度でも特性が劣化せず、高温動作時の安定性が特に優れ
ていることがわかった。

又、非晶質層の厚さは０．５〜１０μｍ程度であれば、
十分な増培率が得られることがわかった。

第１図は本発明を実施する場合の光電変換装置の原理的
構成図である。基板１、厚さ３０００Å以下の信号読み
出し電極２、厚さ０．５−５０００人種度の電荷注入阻
止層３、厚さ０．５〜１０μｍ程度の電荷増倍作用を有
する非晶質半導体を含む光導電層４．厚さ５０〜５００
０人程度で３と人種号の電荷の注入を阻止する層５、対
電極６が基本部分である。ただしここで、光導電膜４と
電極２、あるいは電極６とのあいだに十分な整流性接触
が得られている場合には、電荷注入阻止層３あるいは５
を省略することもできる。

［作用］ 第１図に示す構造の光電変換装置に、非晶質半導体層内
でアバランシェ増倍を起こすために必要な電界を印加す
る。発明者等が発見したように。

非晶質半導体層が水素もしくはハロゲンを含むテトラヘ
ドラル系材料で阻止型接合構造を形成した素子では、非
晶質半導体層全体にわたって高電界を印加でき、しかも
、大面積でありながら暗電流を結晶半導体の１００分の
一以下にできる。

この状態で透光性導電膜側から光を照射すると入射光は
非晶質層内で吸収されて電子正孔対を発生し、それぞれ
逆向きに印加電圧の向きで決まる方向へ走行する。従っ
て、採用した非晶質体内で発生した一次光電流のうちイ
オン化率の大きいほうの電荷が非晶質層内を高電界下で
走行する際に有効に電荷増倍作用が起こるように非晶質
層の膜厚と電界の向きを設定しておけば、高速の光応答
特性を維持したままで利得が１より大の高感度で、しか
も８０℃以上でも安定に動作する素子特性を得ることが
できる。

さらに、非晶質半導体は均質かつ大面積の薄膜形成が容
易であり、簡便なプロセスで任意の基板上に堆積が可能
であり、均質な増倍率が得られる点で本発明は極めて有
効である。

本発明を実施するにあたっての望ましいテトラヘドラル
系非晶質半導体材料としてはたとえばＳｉを主体とする
化合物があげられる。この化合物は、作製条件やＳｉの
組成比を変えることによって禁止帯幅を変化させること
ができ、しかも耐熱性に優れているという特徴を持つ。

また、図１の構成において、電荷注入阻止層を設けて電
荷注入阻止接触を強化する場合、以下に記す層が有効で
ある。

すなわち、正孔注入阻止層としては、水素もしくはハロ
ゲン元素の少なくとも一部を含む非晶質炭化珪素もしく
は窒化珪素、あるいは、水素もしくはハロゲン元素の少
なくとも一部と、Ｐ、Ａｓ等の■族元素の少なくとも一
部とを含む非晶質炭化珪素もしくは窒化珪素、あるいは
、Ｃｅ　ＨＧ　ｅ　＋Ｚｎ、Ｃｄｓ　Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｂ
、Ｔａ、　Ｃｒ、Ｗの少なくとも一部の酸化物、あるい
は、以上の層の２者以上の組合せが適している。

また、電子注入阻止層としては、水素もしくはハロゲン
元素の少なくとも一部を含む非晶質炭化珪素もしくは窒
化珪素、あるいは、水素もしくはハロゲン元素の少なく
とも一部と、Ｂ、Ａ１等のＩＩＩ族元素の少なくとも一
部とを含む非晶質炭化珪素もしくは窒化珪素、あるいは
、Ｉｒの酸化物、あるいは、　Ｓ　ｂ２Ｓ３ｅ　Ａ　１
ｉ２ｓ３．　Ａ　ｓ２Ｓ　ｅ３゜Ｓ　ｅ−Ａ　ｓ−Ｔ　
ｅ等のカルコゲナイド、あるいは、以上の層の２者以上
の組合せが適している。

以上、テトラヘドラル系非晶質半導体層における電荷増
倍作用をもちいた光電変換装置について述べたが、非晶
質半導体は結晶と異なり任意の異種材料の積層が可能な
ので、光導電層を単層とせず、同様な電荷増倍作用を有
する異なる２種類以上の非晶質半導体の層を積層した構
成でもよく、また、光導電層全体が必ずしも非晶質半導
体である必要はなく結晶半導体と非晶質半導体の層を積
層した構成でもよく、さらに、信号読み取り回路基板な
どの上に堆積した構成でもよい。本発明で必要なことは
、光導電層を構成する層のうち少なくとも一部の層に、
接合による空乏層領域を有せず耐熱性が大きく禁止帯幅
の広い非晶質半導体を用い１強い電界を印加して非晶質
半導体層の内部で電荷増倍作用を生じさせ、感度を高め
るようにすることである。

第２図、第３図に本発明を実施した場合の効果を示す。

第２図は、透光性ガラス基板上に順次透明電極、電子注
入阻止層、真性非晶質珪素層、正孔注入阻止層、ＡＩ電
極を堆積した。実効面積１ｃｍ”の受光素子（Ａ）と、
透明電極を堆積した透光性基板上に、非晶質珪素を用い
てｐ゛πｐｎｎ゛πｐｎｎ゛接合の上にＡ１電極を堆積
した、実効面積１ｃｍ２の受光素子（Ｂ）に、（Ａ）の
場合は非晶質珪素層内全体、（Ｂ）の場合はｐｎ接合の
空乏層部分でアバランシェ増倍が得られるような電界を
印加して動作させた際の、暗電流及び光電変換の利得の
温度依存性を示す。受光素子（Ｂ）では全温度域で利得
が不十分であり、かつ、温度上昇に伴い暗電流が大幅に
増加しているのに対し、受光素子（Ａ）では、利得、暗
電流とも良好な振舞を示している。

次に、第３図は前述の素子（Ａ）と、透光性基板上に順
次透明電極、正孔注入阻止層、非晶質Ｓｓ層、Ａｕ電極
を堆積した実効面積１ｃｍ”の受光素子（Ｃ）を８０°
Ｃで１００時間連続動作させた場合の素子破損率を示す
。素子（Ｃ）に比べ。

素子（Ａ）の場合、破損率が大幅に低下している。

ところで１以上では、熱的に安定なテトラヘドラル系非
晶質半導体中に於るアバランシェ効果を主に光電変換装
置へ適用した例について述べたが。

本発明を光電変換装置以外にも、より一般の増幅素子や
スイッチング素子へも適用できることは言うまでもない
。

以下１本発明を実施例により詳しく説明する。

実施例１ 透光性基板１上に酸化イリジウムを主体とする透明電極
２を形成する。その上に、非晶質半導体を含む光導電層
４として、ＳｉＨ４を原料ガスとして、膜厚０．５〜ｌ
Ｏμｍのａ−８ｉ：ＨをプラズマＣＶＤ法で形成する。

その上に、ＳｉＨ４とＣ２Ｈ，を原料ガス、ＰＨ３をド
ーピングガスとして、Ｐを５０ｐｐｍドープしたａ−３
ｉＣ：Ｈを１０ｎｍの厚さ形成し、正孔注入阻止層５と
する。さらにその上に、対電極６としてＡ１電極を堆積
して、第１図に示す光電変換装置を得る。

実施例２ 第４図に本発明の一実施例である１次元イメージセンサ
の構成を示す、第４図（ａ）はその平面の一部を示す図
、第４図（ｂ）は（ａ）におけるＡＡ’断面を示す図で
ある。

透光性基板１１上に酸化イリジウムを主体とする透明導
電膜を堆積した後、フォトエツチングにより上記導電膜
を分離し、個別の読みだし電極１２を形成する。その上
に、マスクを用いてＳｉＨ４とＣ２Ｈ８を原料ガス、Ｂ
、Ｈ８をドーピングガスとして、Ｂを５０ｐｐｍドープ
したａ−８ｉ　Ｃ：　Ｉ−Ｉを１０ｎｍの厚さ形成し、
電子注入阻止層１３とする。さらにその上に、同じマス
クを用い非晶質半導体を含む光導電層１４として、Ａｒ
とＨ２の混合ガスを用いてＳｉターゲットをスパッタリ
ングして、膜厚０．５〜１０μｍのａ−５ｉ：Ｈを形成
する。さらにその上に、同じマスクを用いＳｉＨ４とＣ
２Ｈ８を原料ガス、ＰＨ３をドーピングガスとして、Ｐ
を５０ｐｐｍドープしたａ−８ｉＣ：Ｈを１０ｎｍの厚
さに形成し、正孔注入阻止層１５とする。さらにその上
に、上記とは別のマスクを用い共通電極１６としてＡｌ
電極を堆積する。その後、読みだし電極１２を基板上に
設けた走査回路にボンデングなどの手段によって接続し
、１次元イメージセンサを得る。

上記実施例１，２の光電変換装置に５　Ｘ　１０’Ｖ　
／　ｍ以上の電界を透光性基板側が対電極にたいして負
になるような向きに印加した場合、光応答特性を損なう
こと無く、利得１を越える高感度が実現でき、また、そ
れらを８０℃で長時間連続動作させた場合にも、特性変
化は生じなかった。

実施例３ 第５図に本発明の別の実施例である撮像管の構成図を示
す、ガラス基板１８上にＩ　ｎ２０ｓを主体とする透明
電極１９を形成する。その上に、ＰＨ４をドーピングガ
スとして、Ｐを５０ｐｐｍドープしたａ−３ｉ：Ｈを１
０ｎｍの厚さ形成し、正孔注入阻止層２０とする０次に
ＳｉＨ４を原料ガスとして、膜厚０．５〜１０μｍのａ
−３ｉ　：　ＨをプラズマＣＶＤ法で形成し、光導電層
２１を得る。

次に電子注入阻止層として、Ｓｂ、ｓ３を１Ｏ−ＩＴｏ
ｒｒのＡｒ雰囲気中で膜厚１１００ｎに堆積する６以上
１８から２２により撮像管ターゲット部を得る。このタ
ーゲット部を、カソード１７１゜電子ビーム偏向集束電
極１７２を含むガラス管１７に組み込み、真空排気して
撮像管を得る。

実施例４ 次に実施例３と同様、本発明を撮像管へ適用した例を示
す。本実施例では、テトラヘドラル系元素としてＧｅを
用いたものである。第５図において、ガラス基板１８上
にＩｎ２Ｏ３を主体とする透明電極１９を形成する。そ
の上にＰＨ４をドーピングガラスとしてＰを５０ｐｐｍ
ドープしたａ　−３ｉ：Ｈを１０ｎｍの厚さに形成し、
正孔注入阻止層２０とする。次にＧ　ｅ　Ｈ４を原料ガ
スとして、プラズマＣＶＤ法により膜厚０．５〜１０μ
ｍのａ−Ｇｅ：Ｈを形成し、光導電層２１を得る。次に
電子注入阻止層として、５ｓ−Ａｓ−Ｔｅより成る非晶
質材料を１０”ＴｏｒｒのＮ２雰囲気中で膜厚１１００
ｎに堆積する。このようにして得られた撮像管ターゲッ
ト部を用い実施例３と同様の方法によって撮像管を得る
。

実施例３，４の撮像管において、透明電極が正となる向
きに８ｘｌＯ’Ｖ／ｍ以上の電界を印加した場合、光応
答特性を損なうこと無く、利得１を越える高感度が実現
でき、また、その動作は、熱的に安定であることが確認
出来た。

［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明により、阻止型構造の
光導電膜を用いた受光素子のすぐれた光応答特性を劣化
させること無く、利得が１より大の高感度で、熱的に安
定な、光電変換装置を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第２図は、受光素子の暗電流、光電変換の利得の温度依
存性を示す図、第３図は、受光素子の破損率を示す図、
第１図は、電荷注入阻止型構造を有する光電変換装置の
原理的構成を示す図、第４図は、本発明の一実施例であ
る１次元イメージセンサの構成図、第５図は２本発明の
一実施例である撮像管の構成図である。 １−一基板、２−一信号読みだし電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、非晶質半導体層を少なくとも含む光導電層を有する
   光電変換装置において、該非晶質半導体層が水素および
   ハロゲン元素のすくなくとも一方を含むテトラヘドラル
   系元素を主体とし、該光導電層が、外部電極との間に、
   外部からの電荷の注入を阻止するような性質の電気的接
   合構造を有し、該非晶質半導体層に電界を印加し、該非
   晶質半導体層内の主として接合界面以外の領域で電荷増
   倍作用を生じせしめて動作させることを特徴とする光電
   変換装置。 ２、前記光導電層に用いられる電荷増倍作用を行わしむ
   るテトラヘドラル系元素を主体とする非晶質半導体が、
   １．８５ｅＶをこえる禁制帯幅を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の光電変換装置。 ３、前記光導電層内の電荷増倍作用を行わしむる非晶質
   半導体が、すくなくとも一部にＳｉを主体とする非晶質
   半導体層を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   又は第２項記載の光電変換装置。 ４、前記テトラヘドラル系元素はシリコンであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光電変換装置。