JPH0366178A - 光電変換素子 - 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素子に係り
、特に非晶質半導体において電荷増倍作用を用いて高感
度を実現する光電変換素子に関する。

［従来の技術］ 光を情報信号の媒体とする映像情報システム、光通信、
その他の産業、民生分野において、光信号を電気信号に
変換する光電変換素子は、最も重要で基本的な構成要素
の一つであり、既に数多くのものが実用化されている。

一般に、光電変換素子の特性としては、高感度であるこ
とが要求される。

このうち、光生成されたキャリアを衝突電離により増幅
するアバランシェフォトダイオード（以下ＡＰＤと称す
る）は、利得が高く、かつ応答速度が速いので、こうし
た要求を満たす光電変換素子の有力な候補である。この
ＡＰＤは、現在では、特に光通信システムにおける受光
素子として、既に多数実用化されており、他の分野、例
えば、−次元イメージセンサ、受光素子を積層した二次
元イメージセンサ、光導電型撮像管、電子写真感光体な
どへの応用も強く望まれている。

こうしたＡＰＤを作成するために用いられている材料は
、結晶半導体、特に第ｒｖ族のＳＬ、第１ＩＩ　−Ｖ族
のＧａＡｓ５ＩｎＰを主体とした材料がほとんどである
。結晶半導体材料を用いてＡＰＤを作成するには、一般
に、高温、超高真空の製造工程を必要とするので、既存
の回路素子上への積層、大面積化には不向きである。加
えて、ＧａやＡｓなどは毒性も強く工業的に取り扱うに
は問題の多い材料である。

そこで、工業的に安価で、低温で作成でき、既存回路上
への積層や大面積化にも向いている、非晶質半導体材料
を用いたＡＰＤの実現が望まれる。

非晶質半導体を用いたＡＰＤを実現する方式として、従
来、Ｓｅを主体とする非晶質半導体で電荷注入阻止型構
造を形成し、非晶質半導体内でアバランシェ増倍を起こ
して信号増幅を行なう方式（テレビジョン学会技術報告
１９８７年第１０巻１−６ページ）、水素やハロゲン（
例えばフッ素、塩素）を含むＳＬを主体とする非晶質半
導体で、ｐ＋πｐｎｎ”接合を形成してｐｎ接合部空乏
層でアバランシェ増倍を起こして信号増倍を行なう方式
（特開昭５５−９５９５３号公報）、あるいは、水素お
よびハロゲン元素の少なくとも一方を含むＳｉとＣの化
合物を主体とする非晶質半導体で、ＳＬとＣの組成比を
膜厚方向に連続的に変化させた層を多数積層して電子の
増倍率を高めたアバランシェ増倍を起こして信号増倍を
行なう方式（特開昭６３−２３３５７４号公報）が提案
されている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術である非晶質Ｓｅ中でのアバランシェ増倍
、あるいは、非晶質ＳＬのｐｎ接合部でのアバランシェ
増倍を用いる方法においては、動作の熱的安定性に問題
があった。

すなわち、前者の場合には、非晶質材料自身の耐熱性が
乏しく、長時間の動作、高温環境に長時間放置した場合
の特性の劣化が顕著であった。また後者においては、室
温程度以上における暗電流の増加が著しく、十分な増倍
率を得るほどに高電界を印加することができなかった。

また、後者の場合には、ｐｎ接合界面に再結合中心が多
数存在するために、空乏層があまり広がらず、十分な増
倍率が得られないという欠点も有していた。

上記従来技術であるＳｉとＣの組成比を変化させた層の
多層構造でのアバランシェ増倍を用いる方法では、熱的
安定性についての考慮はなされているものの、ＳＬとＣ
の組成比を連続的に変化させるための製法上の困難があ
るとともに、ＳＬとＣの化合物に再結合中心が多数存在
することによる暗電流の増加が著しく、この場合も、十
分な増倍率を得るほどに高電界を印加することができな
かった。

すなわち、元来、半導体中で衝突電離のごとき電荷の増
倍を行なわせるためには、自由キャリアがその平均自由
行程内に衝突電離を起こすのに必要なエネルギを獲得で
きるように、十分な高電界を印加しなければらないわけ
であるが、非晶質Ｓｉの単なるｐｉｎ構造では、ダング
リングボンドなどの再結合中心が多数存在するために、
衝突電離のような電荷増倍を起こす目的で、大きな逆バ
イアス電圧を印加する都、暗電流の増加が顕著になって
しまい、現実的な素子性能を得ることができなかった。

本発明の目的は、上記従来の技術の問題点を除去し、高
感度で、光応答特性も良好で、耐熱性にも優れ、作成が
容易で、既存回路上への積層が可能で、大面積化も可能
な非晶質半導体光電変換素子を提供することにある。

［課題を解決するための手段及び作用］最近、ａ−３ｅ
　（非晶質Ｓｅ）において、１０’Ｖ／ｃｍ以上の高電
界下でアバランシェ増倍が生じることが報告されている
（Ｙ、Ｔａｋａｓａｋｉ　ｅｔ　ａｌ、　：１９８８　
ＭＲ３Ｓｐｒｉｎｇ　Ｍｅｅｔｉｎｇ　Ｓｙｍｐｏｓｉ
ｕｍ）　ｏこのことは、新機能アモルファス半導体デバ
イスの開発という実用的見地からのみならず、高電界下
のキャリア輸送現象に関する情報が得られる点において
も興味深い。このような観点から我々は、ａ−３Ｌ　（
非晶質Ｓｉ）においても同様の現象が生じる可能性を探
るために、ａ−３Ｌ系フオトダイオードの逆方向パイア
スー光電流特性の検討を行っている。本発明はこのよう
な検討に基づいてなされたものである。

本発明の光電変換素子は、ｉ層が非晶質ＳＬで構成され
ているｐｉｎ型光電変換素子において、ｐ型半導体層と
ｎ型半導体層との間に非晶質窒化Ｓｉ層を設け、前記光
電変換素子に逆バイアス電圧を印加したときに、前記非
晶質窒化Ｓｉ層又は／及び前記非晶質窒化Ｓｉ層近傍に
電界を集中させて電荷増幅を行なうことを特徴とする。

本発明の光電変換素子は、素子を構成する非晶質Ｓｉ層
の内部またはそれに隣接して、より絶縁的性質を有する
非晶質窒化Ｓｉを設け、この非晶質窒化Ｓｉ近傍に電界
を集中させて、効率的に電荷の増倍を行なうので、素子
全体にわたって高電界を印加する必要がなく、大きな逆
バイアス電圧印加に伴う暗電流の顕著な増加を回避する
ことができる。

本発明の光電変換素子の動作について、図面を用いて以
下に詳しく説明する。

第１図（ａ）に示すように、ｐ型半導体層であるｐ型非
晶質炭化Ｓｉ層１と、非晶質窒化ＳＬ層２と、ｉ型半導
体層である非晶質Ｓｉｉ層と、ｎ型半導体層であるｎ型
微結晶５ｉｌ１４とを順次積層してなる光電変換素子の
一端に透明電極を形成し、他の端には金属電極を形成し
て作成される光電変換素子に光を入射し、かつ上記両端
の電極に逆バイアス電圧を印加すると、非晶質窒化５ｉ
Ｊｌｌおよび非晶質窒化Ｓｉ層近傍の非晶質ＳＬ層に高
電界が集中する。

光照射により非晶質炭化Ｓｉ層で生成された電子・正孔
のうちの電子は、上記高電界によりトンネル効果もしく
は拡散により、非晶質窒化ＳＬ層の伝導帯に注入される
。つづいて、この非晶質窒化Ｓｉ層の伝導帯に注入され
た電子は、上記の高電界により加速され、衝突電離によ
る電荷の増倍を生じるに至る。すなわち、光照射によっ
て発生した電荷を素子内部で増倍する高感度な光電変換
素子が実現できる。

本発明においては、非晶質窒化ＳＬ層を非晶質Ｓｉ層の
内部またはそれに隣接して設けることにより、光電変換
素子の一部にのみ電界を集中させ、効率的に衝突電離に
よる電荷の増倍作用を生起させることが重要であり、上
記の光増倍作用は、上記非晶質窒化ＳＬ層中でも非晶質
窒化Ｓｉ層近傍の非晶質Ｓｉ層中でもよく、また同時に
両方で生じてもよい。

さらに、非晶質窒化Ｓｉ層を設ける位置は、ｐ型非晶質
Ｓｉ層と非晶質ＳＬ層の間でも、非晶質ＳＬ層の内部で
も、またｎ型機結晶ＳＬ層と非晶質Ｓｉ層との間でもよ
いが、好ましくは、上に示したｐ型非晶質ＳＬ層と非晶
質Ｓｉ層の間か、あるいは第１図（ｂ）に示した非晶質
Ｓｉ層の内部であることが望ましい。

第１図に示した本発明の光電変換素子では、ある程度長
い時間逆バイアス電圧を印加し続けると、非晶質窒化Ｓ
Ｌ層の両端に電子および／もしくは正孔が蓄積して、異
種層である非晶質窒化ＳＬ層および非晶質窒化Ｓｉ層近
傍の非晶質ＳＬ層に集中する電界をさらに高くし、した
がって、電荷増倍作用はさらに増大する。

上記のように非晶質Ｓｉに挿入する非晶質窒化Ｓｉのご
とき異種層としては、原理的には様々な材料を使用する
ことが可能であるが、非晶質ＳＬ層と比較的良好な界面
を形成でき、かつエネルギ・ギャップ、伝導帯のバンド
端の位置（電子親和力）を比較的制御しやすい非晶質窒
化Ｓｉ層が望ましく、さらに、電界が集中し効率的な増
倍作用を得、かつ低印加電圧において十分な電流を流す
ためには、エネルギ・ギャップが２．４ｅＶ程度となる
組成の非晶質窒化Ｓｉ層がより望ましい。

さらに、上記の非晶質Ｓｉ層の層厚は、非晶質窒化ＳＬ
層を設ける位置、要求する光電変換素子としての機能を
実現するのに必要な印加電圧および必要な増倍率、非晶
質Ｓｉ層の層厚などによって決定されるが、通常の用途
の素子に印加される電圧としては高々数十ボルトである
ことが好ましく、この印加電圧において増倍した電荷を
効率よく非晶質Ｓｉ中を走行させ、応答性よく信号電荷
として取り出すためには、非晶質ＳＬ層の層厚としては
ｌｕｍ程度が好ましいため、このような場合には、上記
の非晶質窒化ＳＬ層の層厚としては、１００人よりも大
きければよく、好ましくは２００人−５００Åがよい。

また、本発明の光電変換素子のｐ型半導体層としては、
電極からの電荷の注入を阻止する機能を有し、かつ上記
の異種層がｐ型半導体層に接して設けられる場合には、
光電変換機能を有するものであれば、上記の非晶質炭化
Ｓｉ層以外の材料も適宜使用できることは本発明の光電
変換素子の動作原理から明らかである。

これと同様に、ｎ型半導体層も上記の微結晶Ｓｉ層以外
の材料も適宜使用できることは明らかである。

また、本素子を作成するための製法としては、一般には
、堆積法が有効であり、蒸着法、化学的気相析出（ＣＶ
Ｄ）法、気相エピタキシ法、スパッタ法、分子線エピタ
キシ法などが利用できる。このうち特に、、非晶質半導
体層は、容量結合型堆積膜形成装置によるグロー放電法
で作成されるのが好ましい。この方法は、作成温度が３
００℃前後と低温なために既に集積回路などが形成され
ている半導体装置上にも容易に積層して作成できること
、原料ガスの成分を変えることだけで異種の半導体層を
容易に作成できること、無公害の工業的にも安価な材料
が利用できること、大面積の成膜も容易に行なえること
などの特徴を有しており、したがって、これを利用して
本発明の光電変換素子を作成すれば、従来の問題点を全
て解決できる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面にしたがって説明する。

（実施例１） 作製した試料は、ｐ−１−ｎ　ａ−３Ｌ太陽電池構造の
ｐ／ｉ界面に光学ギャップが２．４ｅＶのａ−３ｉＮ　
（非晶質窒化ＳＬ）層を挿入したものである。また、ｕ
ｎｄｏｐｅｄ　ａ−Ｓｉ層の膜厚は１μｍである。

本発明の第１の実施例の素子の断面図を第２図（ａ）に
示す。

本素子は次の操作により作成した。

まず、コーニング社製の７０５９ガラス基板１０１１ 上に、蒸着装置により、ＩＴＯ／５ｎｏ２からなる透明
電極１０２を作成し、電極の形状が所定の形状になるよ
うにエツチングした。

次に、容量結合型の堆積膜形成装置のアノード電極に基
板を設置し、堆積室内を、約１０−’Ｔｏｒｒに排気し
、ヒーターにより基板を約３００℃に加熱した。基板が
所定の温度になった後に、水素ガス中２で１０％に希釈
したシランガスＳｉＳｉＨ４１００ｓｅ、およびメタン
ガスＣＨ４１０ｓｅｃｍを堆積室に導入する。堆積室の
内圧が所定の圧力約０．３Ｔｏｒｒになったことを確認
してから、高周波電力（１３，５６ＭＨｚ）０．５Ｗ／
ｃｍ”を堆積室内に投入した。所定の時間グロー放電を
行なって、非晶質ｐ型膜化Ｓｉからなるブロッキング層
および受光層１０３を２００人堆積した。

その後、ブロッキング層および受光層１０３と同様の手
順で、水素ガス中２で１０％に希釈したシランガスＳｉ
Ｈ＜　１００　ｓｃｃｍとアンモニアガスＮＨ３５ｓｅ
ｃｍとから非晶質窒化ＳＬ［１０４を２００人と、水素
ガス中２で１０％に希釈したシランガスＳｉＨ４２ １００ｓｅｃｍから非晶質Ｓｉ層１０５を１００００人
と、水素ガス中２で１０％に希釈したシランガス５ｉＨ
４１００ｓｅｃｍとフォスフインガスＰＨａ　１０ｓｃ
ｃｍから微結晶ｎ型Ｓｉ層１０６を５００人を順次堆積
した。

最後に、電極として、ＡＩ層１０７を蒸着し、Ａ１層１
０７、微結晶ｎ型Ｓｉ層１０６、非晶質Ｓｉ層１０５、
非晶質窒化ＳＬ層１０４、および非晶質炭化ＳＬ層１０
３をそれぞれ所定の形状にエツチングした。

各半導体層のバンドギャップは、光学的に測定したとこ
ろ、非晶質ｐ型膜化Ｓｉ層が２．ＯｅＶ　、非晶質窒化
Ｓｉ層が２．４ｅＶ　ｓ非晶質Ｓｉ層が１．８ｅＶ　、
微結晶ｎ型Ｓｉ層が１．９ｅＶであった。

上記試料に、波長４６０　ｎｍの光（光量２．３６Ｘ１
０”ｐｈｏｔｏｎｓ／ｓ−ｅｍ”）をｐ層側から照射し
て光電流を測定した。第２図（ｂ）は、ａ−３ｉＮ　　
（非晶質窒化Ｓｉ）層の膜厚を０〜５００人と変化させ
たときのＪ−Ｖ　（直流電流電圧）特性であるが、ａ−
３ｉＮを挿入すると量子効率は１を越え、しかも厚くな
るにつれて電流の増加率も大きくなるという結果が得ら
れた。

すなわち、印加電圧３０Ｖで約２倍の増倍率が、また、
印加電圧４０Ｖで約４倍の増倍率が得られた。

また、信号電流と暗電流の比は２桁以上得られた。

また、本実施例の光電変換素子に照射する光を点滅させ
て光応答速度を測定したところ、第２図（ｃ）に示すよ
うに約２　ｍ５ｅｃの立ち上り応答速度が得られた。

また、これを、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。

さらにまた、非晶質窒化Ｓｉ層の厚さは、上記実施例で
は、２００人であったが、堆積時間を変えと、これを５
００人としても、第２図（ｂ）に示すように上記実施例
と同様の効果が得られた。また、非晶質窒化Ｓｉ層の層
厚を上記実施例の２００人よりも薄い１００人としたと
きには、第２図（ｂ）に示すように十分な増倍効果は得
られなかった。

（実施例２） 本発明の第２の実施例を第３図（ａ）に示す。

本素子は次の操作により作成した。

まず、コーニング社製の７０５９ガラス基板２０Ｌ上に
、蒸着装置により、ＩＴＯ／５ｎＯａからなる透明電極
２０２を作成し、電極の形状が所定の形状になるように
エツチングした。

次に、容量結合型の堆積膜形成装置のアノード電極に基
板を設置し、堆積室内を、約１０−’Ｔｏｒｒに排気し
、ヒーターにより基板を約３００℃に加熱した。基板が
所定の温度になった後に、水素ガス中２でｉｏ％に希釈
したシランガスＳｉＨ＜１０１００５ｅ、およびメタン
ガスＣＩ４１０ｅｃｃｍを堆積室に導入する堆積室の内
圧が所定の圧力約０．３Ｔｏｒｒになったことを確認し
てから、高周波電力（１３，５６ＭＨｚ）　０゜５Ｗ／
ｃｍ”を堆積室内に投入した。所定の時間グロー放電を
行なって、非晶質ｐ型炭化Ｓｉからなるブロキッング層
および受光層２０３を２００人堆積した。

　５ その後、ブロッキング層および受光層２０３と同様の手
順で水素ガス中２で１０％に希釈したシランガス５ｉＨ
４１００ｓｅｃｍから非晶質Ｓｉ層２０４を５０００人
と、水素ガス中２で１０％に希釈したシランガスＳｉＨ
＜　１００　ｓｃｃｍとアンモニアガスＮＨ。

５　ｓｅｃｍとから非晶質窒化Ｓｉ層２０５を２００人
と、水素ガス中２で１０％に希釈したシランガス５ｉＨ
４１００ｓｃｃｍから非晶質ＳＬ層２０６を５００ｏ人
と、水素ガス中２で１０％に希釈したシランガスＳｉＨ
＜　１００　ｓｅｃｍとフォスフインガスＰＨｓ　１０
ｅｃｃｍから微結晶ｎ型シリコン層２０７を５００人を
順次堆積した。

最後に、電極として、Ａ１層２０８を蒸着し、Ａ１層２
０８、微結晶ｎ型Ｓｉ層２０７、非晶質ＳＬ層２０６、
非晶質窒化ＳＬ層２０５、非晶質ＳＬ層２０４および非
晶質炭化Ｓｉ層２０３をそれぞれ所定の形状にエツチン
グした。

各半導体層のバンドギャップは、光学的に測定したとこ
ろ、非晶質ｐ塑成化りｔ層が２．ＯｅＶ　、非晶質窒化
Ｓｉ層が２．４ｅＶ　、非晶質Ｓｉ層が１．８ｅＶ　、
微結　６ 晶ｎ型Ｓｉ層が１．９ｅＶであった。

本実施例の光電変換素子に、波長６６０ｎｍ、光量７．
６　Ｘ　１０−’Ｗ／ｃｍ”の光を照射し、直流電流電
圧特性を測定したところ、第３図（ｂ）に示すような特
性が得られた。すなわち印加電圧３０Ｖで約１゜５倍の
増倍率が、また、印加電圧４０Ｖで約４倍の増倍率が得
られた。

また、信号電流と暗電流の比は２桁以上得られた。

また、本実施例の光電変換素子に照射する光を点滅させ
て光応答速度を測定したところ、第３図（ｃ）に示すよ
うに約５０μｓｅｃの立ち上り応答速度が得られた。

また、これを、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。

［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明により、高感度で、光
応答性も良好で、耐熱性にも優れ、作成も容易な、既存
回路上への積層も可能で、大面積化も可能な非晶質半導
体光電変換素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　（ｂ）は、本発明の光電変換素子の概略
的なエネルギ帯同である。 第２図（ａ）は、本発明の第１の実施例の概略的素子構
成図、第２図（ｂ）は、ａ−３ｉＮ層の膜厚を０−５０
０Åと変化させたときの光照射に対する直流電流電圧（
Ｊ−Ｖ）特性図、第２図（ｃ）は光電変換素子に照射す
る光を点滅させた時の光応答性を示す特性図である。 第３図（ａ）は、本発明の第２の実施例の概略的素子構
成図、第３図（ｂ）は、光照射に対する直流電流電圧（
Ｊ−Ｖ）特性図、第３図（ｃ）は光電変換素子に照射す
る光を点滅させた光応答性を示す特性図である。 １．１０３，２０３・・・非晶質炭化Ｓｉ層２．１０４
，２０５・・・非晶質窒化３１層３．３　　′、　　１
０５，２０４，２０６・・・非晶質Ｓｉ層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ｉ層が非晶質Ｓｉで構成されるｐｉｎ型光電変換
   素子において、 ｐ型半導体層とｎ型半導体層との間に非晶質窒化Ｓｉ層
   を設け、この非晶質窒化Ｓｉ層を有する前記光電変換素
   子に逆バイアス電圧を印加したときに、前記非晶質窒化
   Ｓｉ層又は／及び前記非晶質窒化Ｓｉ層近傍に電界を集
   中させて電荷増幅を行なうことを特徴とする光電変換素
   子。
2. （２）前記非晶質窒化Ｓｉ層の膜厚が２００Å以上、５
   ００Å以下であることを特徴とする請求項１記載の光電
   変換素子。