JPH05343661A

JPH05343661A - カラー光センサ

Info

Publication number: JPH05343661A
Application number: JP4173811A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Adachi; 一彦安達
Original assignee: Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Research Institute of General Electronics Co Ltd; Ricoh Co Ltd
Priority date: 1992-06-08
Filing date: 1992-06-08
Publication date: 1993-12-24

Abstract

(57)【要約】【目的】製造工程，信号検出を複雑化させずに、高Ｓ
／Ｎ比で高密度化が可能であって、充分な色分解を行な
うことが可能である。【構成】本発明のカラー光センサは、単結晶半導体基
板５０２に形成されるｐｎ接合フォトダイオード（５０
２，５０３）と、該ｐｎ接合フォトダイオード（５０
２，５０３）上に積層されているアモルファスシリコン
部５０６とを有している。該アモルファスシリコン部５
０６は、前記ｐｎ接合フォトダイオード（５０２，５０
３）に面する側と反対の側から光が入射するときに、短
波長側可視光を吸収する厚さに形成され、所定のバイア
ス電圧が印加されることによって、青色光，緑色光のい
ずれか一方の光成分を吸収してキャリアを生成する領域
と、他方の光成分を吸収してキャリアを消滅させる領域
とが形成されるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ファクシミリ，イメー
ジスキャナ等のカラー画像の入力を必要とする分野など
に利用されるカラー光センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ファクシミリおよびイメージスキ
ャナでカラー原稿を読み取る場合、図１３（ａ）に示す
ように、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の光をそれぞれ
透過するフィルタ１０１，１０２，１０３を内蔵した一
次元イメージセンサを３ライン分、並行に並べたカラー
イメージセンサや、あるいは図１３（ｂ）に示すよう
に、１画素分の受光領域内にＲ，Ｇ，Ｂの各フィルタを
内蔵した光センサを配置した１ラインの一次元イメージ
センサ１０７が用いられている。なお、図１３（ａ），
（ｂ）において、１０４は白色光源，１０５は原稿，１
０６は集光レンズである。

【０００３】前者のカラーイメージセンサでは、Ｒ，
Ｇ，Ｂの各光センサは１画素分の受光領域を最大限に使
用できるため高Ｓ／Ｎ比が得られ、フィルタの形成方法
も簡単である等の利点を有している。しかしながら、こ
のカラーイメージセンサでは、各ライン間で位置ずれが
発生し易いので、原稿を正確に読み取ることは難しく、
読み取った後の再生画像では色ずれなどが発生し易いと
いう問題があった。また、３ライン分のイメージセンサ
を必要とし、さらに、各ライン間の位置ずれを補正する
場合には、各ラインからの信号を一時記憶するためのメ
モリが必要となるので、寸法が大きくなるという問題も
あった。

【０００４】一方、後者のカラーイメージセンサでは、
原稿１ラインを１ラインのイメージセンサで読み取るた
め、前者に比べ正確な画像読み出しが可能である。しか
しながら、このカラーイメージセンサでは、１画素を３
分割するため、各光センサからの電気信号は前者の約１
／３と小さく高密度化した場合Ｓ／Ｎ比の面で不利であ
る。また、フィルタの形成も前者に比べて困難であると
いう問題があった。

【０００５】このように、上述したカラーイメージセン
サでは、いずれも、光学フィルタを使用して色分解を行
なうために、光センサは平面上に配置する必要があるこ
と、またＲ，Ｇ，Ｂの光学フィルタの形成工程が複雑で
あり、光学フィルタによる光の減衰があることなどか
ら、高Ｓ／Ｎ比でかつ高密度化可能なカラーイメージセ
ンサを実現することは難しかった。

【０００６】このような問題を解決するため、フィルタ
を使用せずに色分解を行なうカラー光センサが提案され
ている。一般に、光が物質に入射した場合、物質の光透
過率Ｔは次式に従うことが知られている。

【０００７】

【数１】Ｔ＝（１−Ｒ）² exp（−α・ｄ）

【０００８】ここで、Ｒは物質の表面反射率，αは物質
の吸収係数，ｄは物質の厚さであり、吸収係数αは、Ｓ
ｉあるいはアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）で
は、次式によって与えられる。

【０００９】

【数２】α＝Ｂ（ｈν−Ｅ_g）²

【００１０】ここで、Ｂは比例定数，ｈはプランク定
数，νは光の周波数，Ｅ_gは半導体の光学的エネルギー
バンドキャップである。数２から光の波長が短くなる
と、吸収係数αが大きくなり入射表面近傍で吸収され、
波長が長くなると、吸収係数αが小さくなり、光は物質
の奥まで侵入し、そこで吸収される。この性質を利用し
光を分光すれば、光学フィルタを使用しないで、しかも
各色の光センサを積層したカラー光センサを実現するこ
とができる。

【００１１】文献「センサエレクトロニクス高橋・小
長井編昭晃堂昭和５９年第６０〜６２頁」（従来
技術１），文献「Vertical-Type a-Si:H Back-to-Back
Schottky Diode for High-Speed Color Image Sensor,
Y. K. Fang et.al., ＩＥＥＥＥＬＥＣＴＲＯＮＤ
ＥＶＩＣＥＬＥＴＴＥＲＳ，vol.１２，No.４，１９
９１」（従来技術２），特開平２−２９２８７３号（従
来技術３）には、上述したような原理を利用し、光学フ
ィルタを用いずに、各色の光センサを積層したカラー光
センサが示されている。

【００１２】図１４は上記従来技術１に示されているカ
ラー光センサの構成図である。このカラー光センサは、
ｐ型単結晶Ｓｉ基板２０３にｎ型領域２０２，ｐ型領域
２０１を順次に形成しｐｎｐ接合を形成したものであっ
て、光の波長によって結晶中を透過する距離が異なるこ
とを利用してカラー信号を読み取っている。すなわち、
波長の短かい青などの光ｈν₁を光入射側から見て手前
のｐｎ接合フォトダイオードで検出し、波長の長い黄色
などの光ｈν₂を奥のｎｐ接合フォトダイオードで検出
するようにしている。なお、図１４において、２０４，
２０５，２０６は電極であり、２０７は保護膜である。

【００１３】また、図１５は従来技術２に示されている
カラー光センサの構成図である。このカラー光センサ
は、Ｓｉよりも吸収係数αが大きく、光を吸収し易いア
モルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）３０３を使用し、
印加電圧および極性を変えることによって３色の色分解
を行なうようになっている。より具体的に説明すれば、
この光センサは光入射側より、ガラス基板３０１，ＩＴ
Ｏ３０２，ａ−Ｓｉ：Ｈ３０３，Ｃｒ３０４が順次形成
された構成となっており、ＩＴＯ３０２とａ−Ｓｉ：Ｈ
３０３との界面に形成されたショットキー障壁を逆バイ
アス状態として青色光を吸収し、また、逆バイアスを増
して空乏層の幅を伸ばして緑色光を吸収するようになっ
ており、次にａ−Ｓｉ：Ｈ３０３とＣｒ３０４との界面
に形成されたショットキー障壁が逆バイアス状態となる
ように電圧を印加することで、赤色光を吸収するように
なっている。このように、バイアス状態に応じて、３色
の光をそれぞれ吸収し光電変換して、３色を検出するこ
とができる。

【００１４】また、図１６は従来技術３に示されている
カラー光センサの構成図である。このカラー光センサ
は、導電性基板４０１上に、第１のｐｉｎフォトダイオ
ード４０２と、第２のｐｉｎフォトダイオード４０４
と、第３のｐｉｎフォトダイオード４０６とが順次に積
層されて構成されており、光入射側の第３のｐｉｎフォ
トダイオード４０６により青色光を検出し、次の第２の
ｐｉｎフォトダイオード４０４により緑色光を検出し、
最も奥に配置された第１のｐｉｎフォトダイオード４０
２により波長の長い赤色光を検出するようになってい
る。なお、図１６において、４０３，４０５，４０７は
透明導電膜であり、また、４０８，４０９，４１０，４
１１は電極である。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】図１４，図１５，図１
６に示した従来のカラー光センサはいずれもフィルタを
形成する必要がなく、光電変換材料自身の透過率の波長
依存性を利用して分光するため、光センサの構造は縦型
となりカラー光センサの寸法を小さくすることができ
る。

【００１６】しかしながら、図１４のカラー光センサで
は、２つのｐｎ接合フォトダイオードしか形成されてい
ないので、基本的には２色しか検出できない。また、図
１５のカラー光センサでは、青色光および緑色光の検出
に、光入射側手前の同じ空乏層を使用しその厚みをバイ
アス電圧で制御することにより、色分解しているので、
緑色光を読み取った場合には青色光の信号も同時に取り
込んでしまい、明瞭な色分解を行なうことができない。
また、図１６のカラー光センサでは、３個のｐｉｎフォ
トダイオードをａ−Ｓｉ：Ｈ膜により形成し、その前後
に、さらに透明導電膜４０３，４０５，４０７を形成す
るため、製造工程が非常に複雑になり、また、このカラ
ー光センサは４端子素子となるため信号検出においても
複雑になる。

【００１７】このように、上述した従来のカラー光セン
サでは、フィルタを形成する必要がないものの、充分な
色分解を行なうことができず、また、製造工程，信号検
出が複雑になるなどの欠点があった。

【００１８】本発明は、上述したような従来の欠点を解
決し、製造工程，信号検出を複雑化させずに、高Ｓ／Ｎ
比で高密度化が可能であって、充分な色分解を行なうこ
との可能なカラー光センサを提供することを目的として
いる。

【００１９】

【課題を解決するための手段】図１は本発明に係るカラ
ー光センサの構成例を示す図である。このカラー光セン
サは、ｎ型単結晶Ｓｉ基板５０２にｐ型領域５０３が形
成され、該ｐ型領域５０３上に、下部電極５０５，アモ
ルファスシリコン膜５０６，上部電極５０７が順次に積
層されている。また、ｎ型単結晶Ｓｉ基板５０２のｐ型
領域５０３が形成されている側と反対の側には、電極５
０１が形成されている。なお、５０４は保護膜である。

【００２０】ここで、ｎ型単結晶Ｓｉ基板５０２とｐ型
領域５０３とによって、ｐｎ接合フォトダイオードを構
成している。また、下部電極５０５，上部電極５０７
は、導電性酸化物であるＩＴＯ，ＴｉＯ₂，Ｉｎ₂Ｏ₃，
ＳｎＯ₂などのうち少なくとも一種類の透明導電膜によ
り形成されている。また、アモルファスシリコン膜５０
６は、ＳｉＨ₄ガスを用いたプラズマＣＶＤ法などによ
りｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ膜として形成される。なお、ｉ型ａ
−Ｓｉ：Ｈ膜とは、ＳｉＨ₄をプラズマＣＶＤ法で分解
して堆積する場合に不純物を故意に添加しないで作られ
る僅かにｎ型のａ−Ｓｉ：Ｈ膜，あるいは、微量の第３
族元素を添加することによって作られる真性のａ−Ｓ
ｉ：Ｈ膜を意味している。

【００２１】この際、透明導電膜として形成された下部
電極５０５，上部電極５０７のうちの少なくとも一方と
アモルファスシリコン膜５０６との間には、その界面に
おいてショットキー障壁が形成されている。

【００２２】例えば、上部電極５０７とアモルファスシ
リコン膜５０６との界面に第１のショットキー障壁が形
成されるとともに、下部電極５０５とアモルファスシリ
コン膜５０６との界面に第２のショットキー障壁が形成
されている。このカラー光センサでは、ショットキー障
壁に逆バイアスを印加して空乏層を形成し、この空乏層
によって所定波長の光成分を吸収してキャリアを発生さ
せ光電流として取り出すことを意図している。従って、
第１，第２のショットキー障壁が逆バイアスとなるよ
う、上部電極５０７に負または正の電圧が印加されるよ
うになっている。すなわち、図１の例では、上部電極５
０７に所定の負電圧Ｖ₁を印加するために、バッテリＥ₁
が設けられ、また、上部電極５０７に所定の正電圧Ｖ₂
を印加するために、バッテリＥ₂が設けられており、そ
れぞれスイッチＳ₁，Ｓ₂によってバイアスを加えるか否
かを制御するようになっている。

【００２３】さらに、このカラー光センサでは、ｎ型単
結晶Ｓｉ基板５０２とｐ型領域５０３とで構成されるｐ
ｎ接合フォトダイオードに対しても逆バイアスを印加し
て、所定波長の光成分を吸収し、光電流として取り出す
ことを意図している。従って、図１の例では、電極５０
１と下部電極５０５との間には、ｐｎ接合フォトダイオ
ードに対して逆バイアスとなるよう所定の電圧Ｖ₃を印
加するためのバッテリＥ₃が設けられている。

【００２４】このような構成のカラー光センサの動作原
理について説明する。図２（ａ）乃至（ｄ）は上記カラ
ー光センサのエネルギーバンドを示す図であり、図２
（ａ）はバイアス電圧Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₃が印加されていな
い状態を示す図，図２（ｂ）はバイアス電圧Ｖ₁が印加
されている状態を示す図，図２（ｃ）はバイアス電圧Ｖ
₂が印加されている状態を示す図，図２（ｄ）はバイア
ス電圧Ｖ₃が印加されている状態を示す図である。

【００２５】先づ、図２（ａ）を参照すると、バイアス
電圧Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₃が印加されていない状態では、エネ
ルギーレベルは、フェルミ準位Ｖ_Fが水平となってい
る。また、上部電極５０７とアモルファスシリコン膜５
０６との界面には、ショットキー障壁６０１が形成さ
れ、下部電極５０５とアモルファスシリコン膜５０６と
の界面には、ショットキー障壁６０２が形成されてい
る。

【００２６】この状態で、スイッチＳ₁をオンにし、光
入射側の障壁６０１が逆バイアスになるように上部電極
５０７に負の電圧Ｖ₁を印加すると、図２（ｂ）のよう
に、上部電極５０７とアモルファスシリコン膜５０６と
の界面に、バイアス電圧Ｖ₁に応じた幅ｄ₁の空乏層６０
８が形成される。このようにアモルファスシリコン膜５
０６の光入射側の表面に近い所に空乏層６０８を形成す
ると、この空乏層６０８内では、波長の短かい光（ｈν
₁）のみが吸収されて電子・正孔対が発生し、これが再
結合せずに光電流として外部に取り出される。このと
き、外部に検出される光電流Ｉ_Bは、透明導電膜である
上部電極５０７における吸収，および上部電極５０７と
アモルファスシリコン膜５０６との界面での入射光の反
射を無視し、空乏層６０８に入射した光（ｈν₁）が全
て吸収されて電流に変換されたと仮定すると、次式によ
って与えられる。

【００２７】

【数３】Ｉ_B＝（ｐ／ｈν）・ｑ・〔１−exp（−α・ｄ₁）〕 α＝Ｂ（ｈν−Ｅ_g）²

【００２８】ここで、ｐは単位面積当たりの光パワー，
ｑは素電荷，ｄ₁は空乏層６０８の厚さ，αはアモルフ
ァスシリコン膜５０６（すなわちａ−Ｓｉ：Ｈ）の吸収
係数，Ｂは比例定数，Ｅ_gはａ−Ｓｉ：Ｈの光学的エネ
ルギーバンドギャップである。ａ−Ｓｉ：Ｈの光学的エ
ネルギーバンドギャップは、１．６〜１．９ｅＶであ
り、望ましくは、１．７ｅＶ程度であるのが良い。また
ａ−Ｓｉ：Ｈの吸収係数αは４８０ｎｍの青色光（ｈν
₁）では約１×１０⁵cm^-1であり、この青色光（ｈν₁）
は、空乏層６０８の厚さｄ₁が２５００Å程度であれば
ほとんど吸収される。なお、上記値はあくまでも一例を
示すものであって、ａ−Ｓｉ：Ｈの成膜条件等で吸収係
数は異なる。

【００２９】ところで、波長の短かい上記光（ｈν₁）
よりも波長の長い光（ｈν₂）は、上記幅ｄの空乏層６
０８で吸収される確率が低く、エネルギーバンドが図２
（ｂ）の状態の場合、主に空乏層６０８を透過して、ａ
−Ｓｉ：Ｈ膜５０６の中性領域６０９で吸収される。し
かしながら、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜５０６がｉ型のものである
場合、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈでは少数キャリアの拡散長が数
１０００Åと短かいため、この領域で生成されたキャリ
アはすぐに再結合し、外部には取り出されない。従っ
て、光入射側のショットキー障壁６０１が逆バイアスと
なるように上部電極５０７に負の電圧Ｖ₁を印加した図
２（ｂ）の状態では、青色光（ｈν₁）のみを検出する
ことができる。

【００３０】一方、図２（ａ）の状態で、スイッチＳ₂
をオンにし、障壁６０２が逆バイアスとなるように上部
電極５０７に正の電圧Ｖ₂を印加すると、図２（ｃ）の
ように、アモルファスシリコン膜５０６の深部に、バイ
アス電圧Ｖ₂に応じた幅ｄ₂の空乏層６０８が形成され
る。この場合、波長の短かい光（ｈν₁）はａ−Ｓｉ：
Ｈ膜５０６の中性領域６１０で吸収され消滅し、残った
長波長領域の光（ｈν₂）のみが空乏層６１１内で吸収
されて光電流として外部に取り出される。このときの光
電流Ｉ_Gは、次式によって与えられる。

【００３１】

【数４】Ｉ_G＝（ｐ／ｈν）・ｑ・Ｔ_n・〔１−exp（−α・ｄ₂）〕Ｔ_n＝exp（−α・ｗ）

【００３２】ここで、Ｔ_nは空乏層６１１の手前にある
中性領域６１０の透過率であり、またｗは中性領域６１
０の厚さである。５５０ｎｍの緑色光ではαは約５×１
０⁴cm^-1であるので、空乏層６１１の厚さｄ₂は５０００
Å程度であれば緑色光をほとんど吸収することができ
る。このように、ショットキー障壁６０２が逆バイアス
となるように上部電極５０７に正の電圧Ｖ₂を印加した
図２（ｃ）の状態では、緑色光のみを検出することがで
きる。

【００３３】一方、ｎ型単結晶Ｓｉ基板５０２とｐ型領
域５０３とで構成されたｐｎ接合フォトダイオードに対
して、逆バイアス電圧Ｖ₃を印加すると、エネルギーバ
ンドは図２（ｄ）のようになる。この場合、青色光（ｈ
ν₁），緑色光（ｈν₂）は、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜５０６で吸
収されるが、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜５０６には空乏層が形成さ
れていないので、この領域で生成されたキャリアはすぐ
に再結合し、外部には取り出されない。これに対し、青
色光（ｈν₁），緑色光（ｈν₂）よりも長波長の光成分
（ｈν₃）は、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜５０６，下部電極５０５
を透過してｐｎ接合フォトダイオードに入射し、逆バイ
アス状態となっているｐｎ接合フォトダイオードに吸収
され、外部に光電流として取り出される。このときの光
電流Ｉ_Rは、次式によって与えられる。

【００３４】

【数５】Ｉ_R＝（ｐ／ｈν）・ｑ・Ｔ_a・〔１−exp（−α_s・ｄ_s）〕Ｔ_a＝exp（−α_a・ｄ_a）

【００３５】ここで、Ｔ_aはａ−Ｓｉ：Ｈ膜５０６の透
過率，ｄ_aはａ−Ｓｉ：Ｈ膜５０６の膜厚，α_aはａ−Ｓ
ｉ：Ｈ膜５０６の吸収係数，α_sは単結晶Ｓｉの吸収係
数，ｄ_sはｐｎ接合フォトダイオードの光電変換領域層
の厚さである。６２０ｎｍの赤色光では単結晶Ｓｉの吸
収係数α_sは約２×１０³cm^-1であるので、光電変換領域
層の厚さｄ_sは１０μｍ程度であれば、赤色光をほぼ吸
収することができる。このように、ｐｎ接合フォトダイ
オードに逆バイアス電圧Ｖ₃を印加した図２（ｄ）の状
態では、赤色光のみを検出することができる。

【００３６】以上のように、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜５０６内の
空乏層の位置をバイアス電圧の極性により変化させるこ
とによって青（Ｂ）と緑（Ｇ）を検出し、また赤を長波
長領域の感度が高い単結晶Ｓｉにより検出することで、
正確かつ充分な色分解を行なうことができる。またカラ
ー光センサの各バイアス電圧の大きさにより空乏層の幅
を変化させ波長に対する感度スペクトルや、各色の感度
スペクトルの半値幅を任意に変えることができる。

【００３７】上記構成のカラー光センサにおいて、上部
電極５０７の厚さは、これにＩＴＯを使用した場合、５
００〜２０００Å程度であり、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜５０６の
厚さは５０００〜２００００Å程度であり、また、下部
電極５０５の厚さは、これにＩＴＯを使用した場合、５
００〜２０００Å程度であり、また単結晶Ｓｉ上に形成
されたｐｎ接合フォトダイオードの厚さは光入射側のｐ
層が０．２〜５μｍ程度、ｎ層が５〜２０μｍ程度であ
る。従って、本カラー光センサは積層構成とすることに
より、従来に比べて、装置を小型化できる。また、上記
構成のカラー光センサは、構造が単純であるため、容易
に作製することができるという利点がある。

【００３８】しかしながら、上記構成のカラー光センサ
では、第１，第２のショットキー障壁６０１，６０２を
逆バイアスすることにより形成される空乏層６０８，６
１１を利用して光電変換を行なうため、バイアス電圧Ｖ
₁，またはＶ₂が大きくなると、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ膜５０
６の全域にわたって空乏層が形成されてしまい、色分解
ができなくなる場合がある。このため、比較的低電圧
（０〜３Ｖ程度）の範囲で適正なバイアス電圧Ｖ₁，Ｖ₂
を設定しなければならないが、バイアス電圧は光センサ
の応答速度に影響し、一般に電圧が低いと応答速度は遅
くなる。従って、上記カラー光センサを高速で動作させ
る場合には、逆バイアス状態において空乏層の伸びを光
の波長に合わせた厚さに抑える構造を取る必要がある。

【００３９】図３は逆バイアス状態において、空乏層の
伸びを光の波長に合わせた厚さに抑える構造を有するカ
ラー光センサの構成例を示す図である。なお、図３にお
いて、図１と同様の箇所には同じ符号を付している。こ
のカラー光センサでは、図１に示したカラー光センサに
おいて、アモルファスシリコン膜５０６の一部がｎ型の
ものとして構成されている。すなわち、図１のカラー光
センサのｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ膜５０６（７０６，７０８）
の中央に第５族元素をドープしたｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層７
０７が形成されている。なお、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層７０
７は、ＳｉＨ₄をプラズマＣＶＤ法によって分解堆積す
るときに第５族元素を添加することによって、膜厚が５
００〜２０００Å程度のものに形成される。

【００４０】図４（ａ）乃至（ｄ）には、図２（ａ）乃
至（ｄ）に対応させて、各バイアス状態における図３の
カラー光センサのエネルギーバンドが示されている。図
４（ｂ），図４（ｃ）からわかるように、図３のカラー
光センサでは、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層７０６，７０８の間
にｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層７０７を形成したことで、前後の
ショットキー障壁８０９，８１０によって形成される空
乏層８１１，８１２をｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層７０８，７０
６の厚みにそれぞれ抑えることができる。また、不必要
な光をこのｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層７０７およびｉ型ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ層７０８，７０６の中性領域によって吸収して消
滅させ、青、緑の色分解を明瞭にすることができる。

【００４１】このように、大きな逆バイアス電圧を加え
た場合にも、空乏層の伸びをｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層７０８
または７０６の厚さまでに抑え、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜（７０
６，７０７，７０８）全域にわたって空乏層が形成され
るのを防止することができるので、高い電圧を印加して
高速なカラー光センサを実現することができる。また、
ｎ型−Ｓｉ：Ｈ層７０７は、不必要な光を吸収する層と
しても働き、これにより明瞭な色分解を行なうことがで
きる。

【００４２】図５は本発明に係るカラー光センサの他の
構成例を示す図である。なお、図５において、図１，図
３と同様の箇所には同じ符号を付している。図５のカラ
ー光センサでは、導電性酸化膜からなる下部電極５０
５，上部電極５０７間に、ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０６，
ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０７，ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０
８，ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０９，ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９
１０が順次に形成されている。ここで、ｐ型ａ−Ｓｉ：
ＨはＳｉＨ₄をプラズマＣＶＤ法によって分解堆積する
ときに第３族元素を添加することによって作ることがで
き、また、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈは第５族元素を添加するこ
とによって作ることができる。

【００４３】このカラー光センサにおいては、ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ領域がｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９１０，ｉ型ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ層９０９，ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０８，ｐ型ａ−
Ｓｉ：Ｈ層９０６，ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０７，ｎ型ａ
−Ｓｉ：Ｈ層９０８のように、ｉ型のａ−Ｓｉ：Ｈをｐ
型およびｎ型のａ−Ｓｉ：Ｈで挾み込んだ構造となって
いる。このような構造に逆バイアスを印加すると、空乏
層はｐ型およびｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層にはほとんど形成さ
れず、従って、ｐ型およびｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層は電界の
かからない中性領域となり、ここに入射した光によって
電子・正孔対が生成されるものの、電子・正孔対は少数
キャリアの拡散長が極めて短かいためすぐに再結合し、
光信号としては検出されない。これに対して、ｉ型ａ−
Ｓｉ：Ｈ層は空乏層となり、印加した電圧はほぼこの領
域に加わるので、光入射によって生成された電子・正孔
対は電界によって外部に取り出され、光信号として検出
される。

【００４４】図６（ａ）乃至（ｄ）には、図２（ａ）乃
至（ｄ），図４（ａ）乃至（ｄ）に対応させて、各バイ
アス状態における図５のカラー光センサのエネルギーバ
ンドが示されている。このカラー光センサにおいて、青
色光（ｈν₁）を検出する場合には、光入射側のｐ型ａ
−Ｓｉ：Ｈ層９１０とｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０９との接
合が逆バイアスになるように上部電極５０７に負の電圧
を印加する。そのときのエネルギーバンドは図６（ｂ）
のようになり、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０９が空乏層とな
って、入射した青色光（ｈν₁）により電子・正孔対が
生成され、この領域に加わっている電界によって外部に
光電流として取り出すことができる。また、この場合、
青色光（ｈν₁）よりも波長の長い緑色光（ｈν₂）は入
射側のｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０９では吸収されずさらに
奥まで侵入し、そこで吸収されるが、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ
層９０９よりも奥の各層９０８，９０７，９０６は電圧
の加わらない中性領域となっているので、ここで吸収さ
れた緑色光（ｈν₂）により生成される電子・正孔対は
すぐに再結合して消滅し、光信号としては検出されな
い。従って、図６（ｂ）の状態とすることにより、青色
光（ｈν₁）のみを検出することができる。

【００４５】次に、緑色光（ｈν₂）を検出する場合に
は、上部電極５０７に正の電圧を印加して、ｉ型ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ層９０７とｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０６との接合を
逆バイアス状態にする。そのときのエネルギーバンドは
図６（ｃ）のようになり、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０７が
空乏層となる。ここで、緑色光（ｈν₂）よりも波長の
短かい青色光（ｈν₁）は、空乏層となっているｉ型ａ
−Ｓｉ：Ｈ層９０７に達する以前に、層９１０，９０
９，９０８で吸収されるが、いまの場合、これらの層９
１０，９０９，９０８は電圧の加わっていない中性領域
となっているので、ここで吸収された青色光（ｈν₁）
により生成される電子・正孔対はすぐに再結合して消滅
し、光信号としては検出されない。これに対し、緑色光
（ｈν₂）は、空乏層となっているｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層
９０７に達するので、緑色光（ｈν₂）によってここで
生成された電子・正孔対を、この領域に加わっている電
界により光電流として外部に取り出すことができる。従
って、図６（ｃ）の状態とすることにより、緑色光（ｈ
ν₂）のみを検出することができる。

【００４６】次に、赤色光（ｈν₃）を検出する場合に
は、図１の構成例と同様に、ｎ型単結晶Ｓｉ基板５０２
とｐ型領域５０３とで構成されたｐｎ接合フォトダイオ
ードを逆バイアス状態にする。そのときのエネルギーバ
ンドは、図６（ｄ）のようになり、ａ−Ｓｉ：Ｈ層９１
０乃至９０６を透過した赤色光（ｈν₃）は、逆バイア
ス状態となっているｐｎ接合フォトダイオードに吸収さ
れ、外部に光電流として取り出すことができる。なお、
赤色光（ｈν₃）よりも波長の短かい青色光（ｈν₁），
緑色光（ｈν₂）は、このｐｎ接合フォトダイオードに
達する前に、中性領域となっているａ−Ｓｉ：Ｈ領域に
おいて吸収され消滅するので、光電流として検出されな
い。従って、図６（ｄ）の状態とすることにより、赤色
光（ｈν ₃）のみを検出することができる。

【００４７】このようにして、バイアス状態を変えて３
原色の光を検出することができる。ところで、図５の構
成例では、ａ−Ｓｉ：Ｈによる光電変換領域に、光を吸
収してキャリアを消滅させる中性領域と光を吸収してキ
ャリアを生成する空乏層とを明確に形成し、青，緑の光
のうち必要な光を空乏層で吸収する一方、不必要な光を
中性領域によって消滅させることにより明瞭な色分解を
行なうことができる。また、図１に示したようなショッ
トキー障壁を利用したカラー光センサよりも暗電流が小
さく、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。また、ｎ型ａ
−Ｓｉ：Ｈ層９０８を設けた構造となっていることによ
り、高い電圧を印加する場合にも、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層
９０９または９０７の空乏層の伸びを抑えることがで
き、高速のカラー光センサを実現することができる。

【００４８】また、図５の構成において、検出される光
のスペクトルは、光電変換材料の吸収係数と層の厚さと
によって決定されるので、光電変換材料を決めれば、層
厚によって任意のスペクトルを実現することができる。
なお、上部電極の厚さは、これにＩＴＯを使用した場
合、５００〜２０００Å程度であり、また、ｐ型ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ層９１０の厚さは１００〜２０００Å程度であ
り、また、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０９の厚さは５００〜
３０００Å程度であり、また、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０
８の厚さは１００〜２０００Å程度であり、ｉ型ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ層９０７の厚さは１０００〜７０００Å程度であ
り、また、ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０６の厚さは１００〜
２０００Å程度である。また、単結晶Ｓｉ上に形成され
たｐｎ接合フォトダイオードは光入射側のｐ層が０．２
〜５μｍ程度であり、また、ｎ層が５〜２０μｍ程度で
ある。

【００４９】上述のように、本発明のカラー光センサ
は、短波長側の青色光および緑色光の検出に、可視光で
感度が高く、かつ下地基板の自由度の大きいａ−Ｓｉ：
Ｈを使用し、また、赤色光の検出に長波長において感度
の大きい単結晶Ｓｉによるｐｎ接合フォトダイオードを
使用し、これらを積層しており、フィルタを使用しない
ので、３原色光を高感度で検出でき、高いＳ／Ｎ比を達
成することができる。また、各色の光センサが積層化さ
れていることにより、小型なものとなり、高密度なカラ
ー光センサアレイを実現できる。また、基板に単結晶Ｓ
ｉを使用することにより、単結晶Ｓｉ内に画素選択用ア
ナログスイッチや増幅器，さらにはその他各種の信号処
理回路などを一体化して配置することができ、これによ
り、高機能カラー光センサを実現することも可能であ
る。

【００５０】また、本発明では、ａ−Ｓｉ：Ｈの光電変
換部において、青色光，緑色光のいずれか一方の光成分
を吸収してキャリアを生成する領域と、他方の光成分を
吸収してキャリアを消滅させる領域とが交互に形成され
るので、これにより、正確な色分解を行なうことができ
る。また、各色の光センサを積層した構成となっている
ことで、同一箇所に積層したＲ，Ｇ，Ｂ各光センサによ
って同一画素を検出することが可能となり、色ずれを生
じさせずに読み取ることができる。

【００５１】さらに、本発明のカラー光センサは、その
作製工程において、従来必要とされていた複雑なフィル
タ工程が不要となり、また、光センサ部をプラズマＣＶ
Ｄ法により連続して形成することができるので、製造工
程を極めて簡単なものにすることができ、歩留りも高
く、特性的に安定したセンサを容易に得ることができ
る。

【００５２】なお、上述した各構成例において、ｎ型の
層をｐ型にし、またｐ型の層をｎ型にして、各層の導電
型を逆にした構成のものとすることも可能である。具体
的に、単結晶Ｓｉのｐｎ接合フォトダイオードのｎ層と
ｐ層とをそれぞれ逆の導電型のものにすることもでき
る。また、ａ−Ｓｉ：Ｈの光電変換部において、ｎ型ａ
−Ｓｉ：Ｈ，ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈをそれぞれ逆の導電型の
ものにすることができる。このように、導電型を逆のも
のにしても、上述したと同様の作用効果を得ることがで
きる。

【００５３】

【実施例】以下、本発明の実施例を具体的に説明する。実施例１図７は実施例１の構成図である。実施例１のカラー光セ
ンサは、光入射側より順次に、ＩＴＯの上部電極１１０
８と、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１１０７と、ＩＴＯの下部電
極１１０６と、単結晶Ｓｉのｐ層１１０３およびｎ層１
１０２からなるｐｎ接合フォトダイオードとが積層され
て構成されたものとなっている。このカラー光センサで
は、ｐ型単結晶Ｓｉ１１０１上のｎウエル領域１１０２
の一部に、第３族元素を添加してｐ層１１０３を作り、
ｐｎ接合フォトダイオードを形成した。なお、ｎウエル
領域１１０２は約５μｍ、ｐ層１１０３は約１μｍの厚
さにした。このようにｐｎｐ構成とすることにより、Ｓ
ｉ基板の奥で生成されたキャリアがｐｎ接合フォトダイ
オードに漏れないようにした。また、ｐｎ接合フォトダ
イオードのｐ層１１０３上に、ＩＴＯの下部電極１１０
６を約７００Åの膜厚に形成し、不純物の添加されてい
ないｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１１０７を約１μｍの膜厚に形
成し、ＩＴＯの上部電極１１０８を約７００Åの膜厚に
順次積層した。図８はこのカラー光センサの分光スペク
トルを示しており、図８から、実施例１のカラー光セン
サは光学フィルタなしでも明瞭に３原色を色分解できる
ことがわかる。

【００５４】実施例２図９は実施例２の構成図である。実施例２のカラー光セ
ンサは、光入射側より順次に、ＩＴＯの上部電極１３１
０と、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１３０９と、ｎ型ａ−Ｓｉ：
Ｈ層１３０８と、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１３０７と、ＩＴ
Ｏの下部電極１３０６と、単結晶Ｓｉのｐ層１３０３お
よびｎ層１３０２からなるｐｎ接合フォトダイオードと
が積層されて構成されたものとなっている。

【００５５】このカラー光センサでは、ｐ型単結晶Ｓｉ
１３０１上のｎウエル領域１３０２の一部に第３族元素
を添加しｐ層１３０３を作り、ｐｎ接合フォトダイオー
ドを形成した。なお、ｎウエル領域１３０２は約５μ
ｍ、ｐ層１３０３は約１μｍの厚さにした。このように
ｐｎｐ構成とすることにより、Ｓｉ基板の奥で生成され
たキャリアがｐｎ接合フォトダイオードに漏れないよう
にした。また、ｐｎ接合フォトダイオードのｐ層１３０
３上に、ＩＴＯの下部電極１３０６を約７００Åの膜厚
に形成し、不純物の添加されていないｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ
層１３０７を約５０００Åの膜厚に形成し、第５族元素
の添加されたｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１３０８を約２０００
Åの膜厚に形成し、ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１３０９を約３
０００Åの膜厚に形成し、ＩＴＯの上部電極１３１０を
約７００Åの膜厚に形成した。図１０はこのカラー光セ
ンサの分光スペクトルを示しており、図１０から、実施
例２のカラー光センサは、各波長に対する感度に関して
は実施例１のカラー光センサよりもやや小さいが、色分
解能については実施例１のカラー光センサよりも優れて
いることがわかる。また、実施例２のカラー光センサ
は、バイアス電圧を大きくすることができ、高速応答が
可能となる。

【００５６】実施例３図１１は実施例３の構成図である。実施例３のカラー光
センサは、光入射側より順次に、ＩＴＯの上部電極１５
１２と、ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１５１１と、ｉ型ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ層１５１０と、ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１５０９と、
ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１５０８と、ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１
５０７と、ＩＴＯの下部電極１５０６と、単結晶Ｓｉの
ｐ層１５０３およびｎ層１５０２からなるｐｎ接合フォ
トダイオードとが積層されて構成されたものとなってい
る。

【００５７】このカラー光センサでは、ｐ型単結晶Ｓｉ
１５０１上のｎウエル領域１５０２の一部に第３族元素
を添加しｐ層１５０３を作り、ｐｎ接合フォトダイオー
ドを形成した。なお、ｎウエル領域１５０２は約５μ
ｍ、ｐ層１５０３は約５μｍの厚さにした。このように
ｐｎｐ構成とすることにより、Ｓｉ基板の奥で生成され
たキャリアがｐｎ接合フォトダイオードに漏れないよう
にした。また、ｐｎ接合フォトダイオードのｐ層１５０
３上に、ＩＴＯの下部電極１５０６を約７００Åの膜厚
に形成し、第３族元素の添加されたｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層
１５０７を約１０００Åの膜厚に形成し、不純物の添加
されていないｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１５０８を約５０００
Åの膜厚に形成し、第５族元素の添加されたｎ型ａ−Ｓ
ｉ：Ｈ層１５０９を約２０００Åの膜厚に形成し、ｉ型
ａ−Ｓｉ：Ｈ層１５１０を約２０００Åの膜厚に形成
し、第３族元素の添加されたｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層１５１
１を約５００Åの膜厚に形成し、ＩＴＯの上部電極１５
１２を約７００Åの膜厚に形成した。

【００５８】図１２はこのカラー光センサの分光スペク
トルを示しており、図１２から、実施例３のカラー光セ
ンサは、実施例２のカラー光センサと比べ、各波長に対
する感度についてはやや小さいが、色分解能については
さらに向上していることがわかる。

【００５９】

【発明の効果】以上に説明したように、請求項１，２記
載の発明によれば、単結晶半導体基板に形成されるｐｎ
接合フォトダイオードと、該ｐｎ接合フォトダイオード
上に積層されているアモルファスシリコン部とを有し、
該アモルファスシリコン部は、前記ｐｎ接合フォトダイ
オードに面する側と反対の側から光が入射するときに、
短波長側可視光を吸収する厚さに形成され、所定のバイ
アス電圧が印加されることによって、青色光，緑色光の
いずれか一方の光成分を吸収してキャリアを生成する領
域と、他方の光成分を吸収してキャリアを消滅させる領
域とが形成されるようになっているので、構造が簡単で
あり、３原色の光センサを積層化できて、装置を小型化
することができ、また、製造工程，信号検出を複雑化さ
せずに、高Ｓ／Ｎ比で高密度化が可能であり、また３色
の色分解能を著しく向上させることができる。

【００６０】また、請求項３，４記載の発明によれば、
請求項１または２記載のカラー光センサにおいて、アモ
ルファスシリコン部の光入射側の面，ｐｎ接合フォトダ
イオード側の面のうち少なくとも一方がショットキー障
壁を形成しているので、ショットキー障壁にバイアス電
圧を印加することによって空乏層を形成し、この領域で
所定波長の光成分が吸収されるとき、キャリアを生成す
ることができる。

【００６１】また、請求項５記載の発明によれば、請求
項３記載のカラー光センサにおいて、アモルファスシリ
コン部は、光入射側の面から所定の厚さの層とｐｎ接合
フォトダイオード側の面から所定の厚さの層とについて
はｉ型のアモルファスシリコン層で形成され、他の層に
ついては、ｎ型またはｐ型のアモルファスシリコン層が
少なくとも一層、形成されているので、高いバイアス電
圧を印加することができ、高いバイアス電圧を印加する
ことで、高速応答動作を行なわせることができる。

【００６２】また、請求項６記載の発明によれば、請求
項１記載のカラー光センサにおいて、前記アモルファス
シリコン部は、ｐ型アモルファスシリコン層，ｉ型アモ
ルファスシリコン層，ｎ型アモルファスシリコン層，ｉ
型アモルファスシリコン層，ｐ型アモルファスシリコン
層が順次連続して積層され形成されているか、あるい
は、ｎ型アモルファスシリコン層，ｉ型アモルファスシ
リコン層，ｐ型アモルファスシリコン層，ｉ型アモルフ
ァスシリコン層，ｎ型アモルファスシリコン層が順次連
続して積層され形成されているので、より明瞭な色分解
を行なうことができるとともに、ショットキー障壁を利
用したカラー光センサよりも暗電流が小さく、より高い
Ｓ／Ｎ比を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るカラ−光センサの構成例を示す図
である。

【図２】（ａ）乃至（ｄ）は図１のカラ−光センサの動
作原理を説明する図である。

【図３】本発明に係るカラ−光センサの他の構成例を示
す図である。

【図４】（ａ）乃至（ｄ）は図３のカラ−光センサの動
作原理を説明する図である。

【図５】本発明に係るカラ−光センサの他の構成例を示
す図である。

【図６】（ａ）乃至（ｄ）は図５のカラ−光センサの動
作原理を説明する図である。

【図７】本発明のカラ−光センサの実施例１の構成図で
ある。

【図８】図７のカラ−光センサの分光スペクトルを示す
図である。

【図９】本発明のカラ−光センサの実施例２の構成図で
ある。

【図１０】図９のカラ−光センサの分光スペクトルを示
す図である。

【図１１】本発明のカラ−光センサの実施例３の構成図
である。

【図１２】図１１のカラ−光センサの分光スペクトルを
示す図である。

【図１３】（ａ），（ｂ）はフィルタを用いた従来のカ
ラ−イメ−ジセンサの構成例を示す図である。

【図１４】従来のカラ−光センサの構成図である。

【図１５】従来のカラ−光センサの構成図である。

【図１６】従来のカラ−光センサの構成図である。

【符号の説明】

５０１電極５０２ｎ型単結晶Ｓｉ基板５０３ｐ型領域５０４保護膜５０５下部電極５０６アモルファスシリコン膜５０７上部電極６０１，６０２ショットキー障壁６０８，６１１空乏層６１０中性領域７０６，７０８ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層７０７ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層８０９，８１０ショットキー障壁８１１，８１２空乏層９０６ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０７ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０８ｎ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９０９ｉ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層９１０ｐ型ａ−Ｓｉ：Ｈ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶半導体基板に形成されるｐｎ接合
フォトダイオードと、該ｐｎ接合フォトダイオード上に
積層されているアモルファスシリコン部とを有し、該ア
モルファスシリコン部は、前記ｐｎ接合フォトダイオー
ドに面する側と反対の側から光が入射するときに、短波
長側可視光を吸収する厚さに形成され、所定のバイアス
電圧が印加されることによって、青色光，緑色光のいず
れか一方の光成分を吸収してキャリアを生成する領域
と、他方の光成分を吸収してキャリアを消滅させる領域
とが形成されるようになっていることを特徴とするカラ
ー光センサ。
【請求項２】請求項１記載のカラー光センサにおい
て、前記アモルファスシリコン部の光入射側の面には、
透明導電膜による上部電極が形成され、ｐｎ接合フォト
ダイオード側の面には、透明導電膜による下部電極が形
成されており、上部電極または下部電極に所定のバイア
ス電圧が印加されるようになっていることを特徴とする
カラー光センサ。
【請求項３】請求項１または２記載のカラー光センサ
において、前記アモルファスシリコン部の光入射側の
面，ｐｎ接合フォトダイオード側の面のうち少なくとも
一方がショットキー障壁を形成していることを特徴とす
るカラー光センサ。
【請求項４】請求項３記載のカラー光センサにおい
て、前記アモルファスシリコン部は、ｉ型のアモルファ
スシリコン層で形成されていることを特徴とするカラー
光センサ。
【請求項５】請求項３記載のカラー光センサにおい
て、前記アモルファスシリコン部は、光入射側の面から
所定の厚さの層とｐｎ接合フォトダイオード側の面から
所定の厚さの層とについてはｉ型のアモルファスシリコ
ン層で形成され、他の層については、ｎ型またはｐ型の
アモルファスシリコン層が少なくとも一層、形成されて
いることを特徴とするカラー光センサ。
【請求項６】請求項１記載のカラー光センサにおい
て、前記アモルファスシリコン部は、ｐ型アモルファス
シリコン層，ｉ型アモルファスシリコン層，ｎ型アモル
ファスシリコン層，ｉ型アモルファスシリコン層，ｐ型
アモルファスシリコン層が順次連続して積層され形成さ
れているか、あるいは、ｎ型アモルファスシリコン層，
ｉ型アモルファスシリコン層，ｐ型アモルファスシリコ
ン層，ｉ型アモルファスシリコン層，ｎ型アモルファス
シリコン層が順次連続して積層され形成されていること
を特徴とするカラー光センサ。