JPH03185763A

JPH03185763A - 光電変換装置

Info

Publication number: JPH03185763A
Application number: JP1324577A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Yamada; 克彦山田; Ihachirou Gofuku; 伊八郎五福; Shigetoshi Sugawa; 成利須川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1989-12-14
Filing date: 1989-12-14
Publication date: 1991-08-13

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、光電変換装置に関し、特に非晶質材料により
形成したフォトダイオードを光電変換素子として使用し
、雑音特性の改良された電荷蓄積型光電変換装置に関す
るものである。

［従来の技術］近年、光電変換素子として、非晶質材料を用いたものが
研究開発されている。光電変換素子に使用される非晶質
材料としては、非晶質シリコン（以下ａ−５ｉと称する
）、非晶質セレン、非晶質ゲルマニウム等が知られてい
る。中でもａ−Ｓｔは、光吸収係数が大きく分光感度が
人間の視感度に近いなど優れた光学的性質を有すること
や、低温プロセス作成が可能なこと、大面積に成膜が可
能であることなどから、光電変換素子用非晶質材料とし
て特に注目されている。

また、従来、光電変換素子として、フォトダイオードが
知られている。フォトダイオードは、構造が簡易で微細
加工に適しているとい゛う長所を有している。従来のフ
ォトダイオードとしては、その層構成や材料の組合せに
より、ｐｎ型フォトダイオード、ｐｉｎ型フォトダイオ
ード、アバランシェフォトダイオードなどが知られてい
るが、さらに、ＭＩＳ接合、ショットキー接合、ヘテロ
結合等によって構成することが可能であり、これらにつ
いても盛んに研究がなされている。

フォトダイオードは、逆方向にバイアス電圧を印加した
場合に逆方向電流が光照射量に比例して変化することを
利用して光信号を電気信号に変換する光電変換素子の１
種であるが、光信号が照射されたときに光電荷を内部に
蓄積する容量としての性質も合わせ持つ。この容量とし
ての性質を利用したフォトダイオードが、一般に電荷蓄
積型のフォトダイオードと呼ばれるものである。電荷蓄
積型のフォトダイオードは、光励起した電荷を一定の時
間蓄積した後出力させることにより、高出力・高Ｓ／Ｎ
比を得ることができるため、従来光電変換素子として広
く用いられている。

第４図は、電荷蓄積型フォトダイオードを光電変換素子
として用いた光電変換装置の光電変換部を示す等価回路
図である。図において、１は電荷蓄積型フォトダイオー
ドである。出力回路とは、フォトダイオード１に光信号
を照射することにより発生した光電流を電気信号に変換
して出力するための回路である。また、リセット回路と
は、フォトダイオードｌに蓄積された電荷を転送した後
に転送しきれずに残った電荷を消去するための回路、す
なわち、フォトダイオードの出力端を強制的に固定電位
にするための回路である。このリセット回路は、例えば
バイポーラトランジスタやＭＩＳトランジスタ等により
作成されている。

このような光電変換装置において、フォトダイオードは
、光を照射されることにより発生した電子正孔対の一方
または両方を蓄積する蓄積動作と電荷をリセットして初
期状態に戻すリセット動作とを交互に行なう。

このような従来の光線変換装置における雑音の発生原因
としては、信号ラインの配線容量やリセットスイッチに
ＭＩＳトランジスタを用いた場合の電極一基板容量のた
めに、ラインに残っている雑音電荷を読み出してしまう
ことによる雑音、すなわちリセットスイッチの開閉に伴
なう雑音と、フォトダイオードの受光部以外に入射した
光による発生電荷が信号ラインに混入することによる雑
音、すなわちスミア現象による雑音とがあり、それぞれ
の原因に応じた解決策が施されていた。

［発明が解決しようとする課題］しかし、本発明者らの知見によれば非晶質材料により形
成したフォトダイオードにおいては、上述の原因による
雑音の他に、次のような原因心よる雑音も発生している
ことが判明した。即ち、非晶質材料には、その原子の結
合状態に起因する欠陥準位密度（捕獲準位密度）が存在
し、このため非晶質を材料とするフォトダイオードは、
本来のダイオードの接合容量以外に捕獲準位にも光励起
上よる電荷を蓄積する。しかしながら１．捕獲準位に蓄
積された電荷は、短時間のリセット動作では完全にリセ
ットすることができない。

フォトダイオードが出力として転送し残した電荷を完全
にリセットできなかった場合、次回の蓄積動作にリセッ
ト残りの電荷が加算されるため、いわゆる残像が発生す
る。

一例として第５図（ａ）に示すようなｐｎ型ａ−３ｉフ
オトダイオードの９層側から光が入射し蓄積動作中はｐ
層が浮遊状態となる構成を考えてみる。第５図（ａ）で
５１０は基体、５１１はＩＴＯ電極、５１２はＰ型ａ−
Ｓｔ、５１３はｎ型ａ−３ｔ、５１４はＣｒ電極である
。第５図（ｂ）はａ−Ｓｔの電子エネルギーを示したバ
ンドポテンシャル図であり、そのバンドギャップ中に概
念的にテイル準位、欠陥準位密度などが存在することを
示している。９層中では光励起による正孔が蓄積される
だけでなく、同時に発生する電子の一部も蓄積される。

ｎ層側でも同様な現象が起こるが、電子と正孔の関係は
逆になる。また、光はｐ層側から入射するた、めに、ｎ
層側で励起される電子・正孔の数はｐ層側と比べて少な
い。

蓄積後にリセット動作を行なうと９層の電極位置は強制
的に固定電位の熱平衡状態に戻されるので、第５図（ｂ
）に示すように、伝導帯および伝導帯のテイルの電子５
０１、価電子帯および価電子帯のテイルの正孔５０２お
よび浅い捕獲準位の電子は消去される。

また、欠陥準位（捕獲単位）に捕らえられた電子が、こ
の準位より伝導帯に戻り消去されるには一定のライフタ
イムが必要であり、このライフタイムが通常のキャリア
移動の時間よりも著しく遅いため、ａ−Ｓｔにより形成
されたフォトダイオードでは、結晶シリコンにより形成
されたフォトダイオードには無い新たな遅い時定数成分
が加わる。つまり、リセット時間が短かいと、ａ　−３
ｉ中の捕獲準位の電子５０３がリセットしきれないまま
次の蓄積動作に人ってしまうため、この捕獲準位に捕獲
されている電子が次回の蓄積動作中に信号電荷として寄
与してしまい、残像の原因となる。

本発明は、このような、非晶質材料により形成したこと
に起因する残像を低減することを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明の光電変換装置は、非晶質材料により形成された
フォトダイオードと、該非晶質材料よりも捕獲準位密度が少ない絶縁材料によ
り形成され、かつ、該フォトダイオードと同じ若しくは
該フォトダイオードよりも大きい電気容量を有するコン
デン・すと、を少なくとも具備し、該フォトダイオードと該コンデンサとが並列に接続され
たことを特徴とする。

［作用］本発明によれば、フォトダイオードとコンデンサとを並
列に接続したので、上述のごとき残像を低減することが
可能となる。

以下、その理由について、詳細に説明する。

残像を減少させるには、捕獲準位に蓄積される電荷の量
を減らせばよい、このために本発明は、第１図に示した
ように、非晶質材料により形成されたフォトダイオード
と該非晶質材料より捕獲単位密度の少ない材料を用いた
コンデンサとを並列に接続するものである。第１図にお
いて、１はフォトセンサを示し、２はコンデンサを示す
、この方法により、光励起によって発生した電荷Ｑを、
捕獲準位密度をコンデンサより比較的多く含むフォトダ
イオードの容量Ｃ２と捕獲準位密度が少ない材料を用い
た容量Ｃ１に分割して蓄積することが可能となる。この
場合Ｃ２に蓄積される電荷Ｑ、は、で表され、このことはＣ１を付加したことにより残像量
が１／　（ａｓ　＋ｃ、）だけ減少することを意味している。第２図は、残像量と
Ｃ，／Ｃ，との関係を示す図である。３ｇ２図によれば
、例、えばＣ１がＣ，と同じ容量の場合には残像はＣ１
が無いときの！／２であり、ＣａがＣ，の２倍の容量の
場合には残像はＣ１が無いときの１７３になることを示
している。非晶質シリコンを用いたフォトダイオードは
前述のごとく結晶シリコンを用いたフォトダイオードよ
りも著しく残像量が多いため、残像量を１／２以下に低
減することは、フォトセンサ性能の効果的な改善となる
０本発明による残像低減効果は、Ｃ１がＣ，に比べて十
分大きいとき即ちＣ，＞Ｃ，の時に十分効果を発揮する
。

なお、フォトダイオードとＭＩＳトランジスタを同一基
板上に作成し、さらに基板に垂直な方向に配置すること
によって、素子面積の大面積化することなく上述の残像
を低減させることが可能となる。

［実施例］本発明の一実施例として、フォトダイオードとしてｐｉ
ｎ型フォトダイオードを使用し、リセット回路内のリセ
ットスイッチとしてＭＯ３型スイッチングトランジスタ
を使用したラインセンサの場合について説明する。

第３図（ａ）〜（ｅ）は、本実施例のラインセンサの上
記ｐｉｎダイオードおよびＭＯ３型スイッチングトラン
ジスタを形成する部分の製造工程を示す概略的断面図で
あり、第３図（ｅ）が完成図である。

以下、本実施例に係るラインセンサの製造工程について
、′ｓ３図（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。

■Ｓ、Ｏ，基板３０１上に、半導体層３０２として、本
出願人が特願許６２−７３６２９号公報および特願昭６
２−７３６３０号公報により技術開示した大粒径の多結
晶シリコンを堆積した。

ここで、半導体層３０２として大粒径の多結晶シリコン
を堆積したのは、大面積のラインセンサに性能のよいト
ランジスタを作成するためである。なお、半導体層３０
２はＰ型半導体とし、また、堆積に際しては、ソースガ
スとして５ｉ２ＨｚＣＩｔｘ、キャリアガスとしてＨ２
、エツチングガスとしてＨＣｌ２、ドーピングガスとし
てＢ２Ｈ８をそれぞれ使用した。

なお、半導体層３０２としては、単結晶材料あるいは非
晶質材料を用いることができる。単結晶材料としてはレ
ーザーアニールで再結晶したものや、Ｓ、Ｏ２上のＳ　
ｉ　Ｈ４パターンをシードした単結晶成長方法にて成長
させた単結晶ｓｉを平坦化したもの等を用いることがで
き、非晶質材料としてはａ−３ｔをはじめａ−５ｉＧｅ
、ａ−５ｉＣ，ａ−３ＩＣＧｅ％ａ−５ｅ等を使用する
ことができる。

■半導体層３０２上の所望の領域に、Ｐを含んだ低抵抗
多結晶シリコン電極３０３　（ａ）、３０３　（ｂ）を
パターニングし、さらに熱拡散によりＰを拡散して、ｎ
型の半導体領域３０２（ａ）を形成した。

以上により、スイッチングトランジスタ領域とコンデン
サの下部電極３０３　（ａ）とが形成された（第３図（
ａ））。

■ゲート酸化膜とコンデンサの絶縁膜を形成するために
、、ａ−３ｉよりも捕獲準位密度が少ない材料として、
Ｓ　ｉ　Ｏ，膜３０４をＣＶＤ法を用いて１０００λ堆
積した（第３図（ｂ））。

■コンデンサの上電極兼フォトダイオードの下電極とし
てのＡ４２層３０５をスパッタ法で作成した。

■コンデンサ領域とスイッチングトランジスタ領域の間
のＳｉｎ、＠３０４にコンタクトポール３０６を開孔し
た（第３図（Ｃ））。

■Ａｉ層３０５上の領域に、ＣＶＤ法によりドーピング
ガスを交換しながら、ｎ型非晶質シリコン層３０７　（
ａ）を１００人、ｉ型非晶質シリコン層３０７（ｂ）を
８０００人、ｐ型非晶質シリコン層３０７　（ｃ）を２
００λ、それぞれ堆積してｐｉｎフォトダイオードを作
成した。

■フォトダイオードのスイッチングトランジスタ側の側
面に、絶縁層としてＳ、ｏ、層３０Ｂを形成した（第３
図（ｄ））。

■ｐ型非晶質シリコン層３０７上に、フォトダイオード
の上部透明電極として、ＩＴＯ層３０９をスパッタ法じ
て形成した。

［相］最後に、スイッチングトランジスタのゲート部を
形成する低抵抗多結晶シリコン電極３１０を作成した（
第３図（ｅ））。

このようにして作製したラインセンサでは、コンタクト
ホール３０６によりコンデンサの下部電極３０３　（ａ
）とフォトダイオードの上部透明電１ｉ３０９を接続し
て、非晶質シリコンｐｉｎフォトダイオードと絶縁材料
にＳ、ｏ２を使用したコンデンサとを基板表面に垂直に
配置し、かつ、並列接続としたため心、フォトダイオー
ド部とコンデンサ部の面積は等しくなる。このため、フ
ォトダイオード部の単位面積あたりの容量−１３，２［
ｐＦ／ｃ１１コンデンサ部の単位面積あたりの容量３、’ｌ　　ｘ　８．８５ｘ　１０−”１０００人＝　　３４．５　　［ｐＦ／ｃｍ’１となり、残像は１３．２／（１３，２◆３４．５）−１
７３，６に減少する。

なお、上述の製造工程の説明において示した各層の膜厚
は一例であって、センサの材料や用途によって任意に変
更することができる。

また、本実施例において、素子の面積の増大を防ぐため
フォトダイオードとコンデンサとを基板表面に垂直に配
置した。このような制限がなければ横方向に配置するこ
とも可能である。

さらに、スイッチングトランジスタは、本実施例では絶
縁膜上形成しているが、一般に用いられているバルク型
結晶中に形成してもよい。

これらを組み合わせて積層する構成、即ちバルク中のス
イッチトランジスタ、その上のコンデンサ、更にその上
のフォトダイオードとすれば高密度化が一層推進される
。

コンデンサに固定電圧を印加する電極３０５は、本実施
例ではフォトダイオードの固定電圧を印加する電極と共
通になっているが、両者を別々に形成しても、本発明の
効果には何ら影響しない。

コンデンサを形成するための絶縁膜３０４は、本実施例
ではトランジスタ３０２と同一のものを使用しているが
、両者を別々に形成しても、本発明の効果には何ら影響
しない、また、コンデンサの絶縁膜は、捕獲単位密度が
少ないものであれば５ｉ０２に限るものではなく、Ｓｉ
Ｎ。

５ｉＯＮ等でよく、比較的誘電率の高い絶縁膜であれば
よい。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、残像現象を効果
的に減少させることができる。

さらに、電荷が蓄積できる容量が増加するため、フォト
ダイオードに印加された逆バイアス電圧を固定して考え
ると、容量の増加分だけ高照度側にダイナ主ツクレンジ
が拡大する効果も併せ持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の光電変換装置の等価回路を示す回路図
、第２図は本発明による付加容量の大きさと残像の改善
率を表わすグラフ、第３図（ａ）〜（ｅ）は本発明の一
実施例としてのフォセンサの光電変換部の工程を説明す
るための概略的断面図、第４図は従来の光電変換装置の
等価回路を示す回路図、第５図（ａ）、（ｂ）はそれぞ
れ従来のｐｎ型ａ−３ｉフオトダイオードの模式的側面
図及びリセット後のキャリアエネルギーの分布図である
。１・・・非晶質を材料としたフォトダイオード、２・・
・捕Ｎ１！位密度の少ない材料を用いた容量、５０１・
・・リセットで消去された電子、５０２・・・リセット
で消去された正孔、５０３・・・リセットしきれず残っ
た捕獲準位密度中の電子。第図第図Ｃｏ／Ｃｐ第３図第図第図（ａ）第図（ｂ）キャリアエネルギー密度

Claims

【特許請求の範囲】

（１）非晶質材料により形成されたフォトダイオードと
、該非晶質材料よりも捕獲準位密度が少ない絶縁材料によ
り形成され、かつ、該フォトダイオードと同じ若しくは
該フォトダイオードよりも大きい電気容量を有するコン
デンサと、を少なくとも具備し、該フォトダイオードと
該コンデンサとが並列に接続されたことを特徴とする光
電変換装置
（２）前記非晶質材料として非晶質シリコンを用いたこ
とを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置
（３）前記フォトダイオードがｐｉｎ構造を有すること
を特徴とする請求項１または２に記載の光電変換装置
（４）前記フォトダイオードと前記コンデンサとが同一
の基体上に作成されたことを特徴とする請求項１〜３に
記載の光電変換装置
（５）前記フォトダイオードと前記コンデンサとが前記
基体の表面に垂直な方向に配置されたことを特徴とする
請求項４に記載の光電変換装置