JPH0864856A

JPH0864856A - 光電変換装置

Info

Publication number: JPH0864856A
Application number: JP6196647A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Takeda; 慎市竹田; Noriyuki Umibe; 紀之海部; Isao Kobayashi; 功小林; Hidemasa Mizutani; 英正水谷
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-08-22
Filing date: 1994-08-22
Publication date: 1996-03-08

Abstract

(57)【要約】【目的】注入阻止層を設けることなくＳＮ比を高く
し、低コストを図る。【構成】第一の電極層２、第一導電型のキャリアおよ
び該第一導電型と異なる第二導電型のキャリアの通過を
阻止する第一の絶縁層７０、光電変換半導体層４、前記
第一導電型のキャリアおよび前記第二導電型のキャリア
の通過を阻止する第二の絶縁層７１、および第二の電極
層６を積層構成してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光電変換装置に係わり、
特に大面積プロセスを用いて形成する光電変換装置、た
とえばファクシミリ、デジタルコピーあるいはＸ線撮像
装置等の等倍読み取りを行う一次元もしくは二次元の光
電変換装置に好適に用いられる光電変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ファクシミリ、デジタルコピーあ
るいはＸ線撮像装置等の読み取り系としては縮小光学系
とＣＣＤ型センサとを用いた読み取り系が用いられてい
たが、近年、水素化アモルファスシリコン（以下、ａ−
Ｓｉと記す）に代表される光電変換半導体材料の開発に
より、光電変換部及び信号処理部を大面積の基板に形成
し、情報源と等倍の光学系で読み取るいわゆる密着型セ
ンサの開発がめざましい。特にａ−Ｓｉは光電変換材料
としてだけでなく、電界効果型トランジスタ（以下ＴＦ
Ｔと記す）としても用いることができるので光電変換半
導体層とＴＦＴの半導体層とを同時に形成することがで
きる利点を有している。

【０００３】図８（ａ）〜（ｃ）は従来の光センサの構
成を示す図であり、図８（ａ），（ｂ）は二種類の光セ
ンサの層構成を示し、図８（ｃ）は共通した代表的な駆
動方法を示している。図８（ａ），（ｂ）は共にフォト
・ダイオード型の光センサであり、図８（ａ）はＰＩＮ
型、図８（ｂ）はショットキー型と称されている。図８
（ａ），（ｂ）中１は絶縁基板、２は下部電極層、３は
ｐ型半導体層（以下ｐ層と記す）、４は真性半導体層
（以下ｉ層と記す）、５はｎ型半導体層（以下ｎ層と記
す）、６は透明電極層である。図８（ｂ）のショットキ
ー型では下部電極層２の材料を適当に選び、下部電極層
２からｉ層４に電子が注入されないようショットキーバ
リア層が形成されている。図８（ｃ）において、１０は
上記光センサを記号化して表わした光センサを示し、１
１は電源、１２は電流アンプ等の検出部を示している。
光センサ１０中Ｃで示された方向は図８（ａ），（ｂ）
中の透明電極層６側、Ａで示された方向が下部電極層２
側であり電源１１はＡ側に対しＣ側に正の電圧が加わる
ように設定されている。ここで動作を簡単に説明する。
図８（ａ），（ｂ）に示されるように、矢印で示された
方向から光が入射され、ｉ層４に達すると、光は吸収さ
れ電子とホールとが発生する。ｉ層４には電源１１によ
り電界が印加されているため電子はＣ側、つまりｎ層５
を通過して透明電極層６に移動し、ホールはＡ側、つま
り下部電極層２に移動する。よって光センサ１０に光電
流が流れたことになる。また、光が入射しない場合ｉ層
４で電子もホールも発生せず、また、透明電極層６内の
ホールはｎ層５がホールの注入阻止層として働き、下部
電極層２内の電子は図８（ａ）のＰＩＮ型ではｐ層３
が、図８（ｂ）のショットキー型ではショットキーバリ
ア層が、電子の注入阻止層として働き、電子、ホール共
に移動できず、電流は流れない。したがって光の入射の
有無で電流が変化し、これを図８（ｃ）の検出部１２で
検出すれば光センサとして動作する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の光センサでＳＮ比が高く、低コストの光電変換装置を
生産するのは困難であった。以下その理由について説明
する。

【０００５】第一の理由は、図８（ａ）のＰＩＮ型、図
８（ｂ）のショットキー型は共に２カ所に注入阻止層が
必要なところにある。図８（ａ）のＰＩＮ型において注
入阻止層であるｎ層５は電子を透明電極層６に導くと同
時にホールがｉ層４に注入するのを阻止する特性が必要
である。どちらかの特性を逸すれば光電流が低下した
り、光が入射しない時の電流（以下暗電流と記す）が発
生、増加することになりＳＮ比の低下の原因になる。こ
の暗電流はそれ自身がノイズと考えられると同時にショ
ットノイズと呼ばれるゆらぎ、いわゆる量子ノイズを含
んでおりたとえ検出部１２で暗電流を差し引く処理をし
ても、暗電流に伴う量子ノイズを小さくすることはでき
ない。通常この特性を向上させるためｉ層４やｎ層５の
成膜の条件や、作成後のアニールの条件の最適化を図る
必要がある。しかし、もう一つの注入阻止層であるｐ層
３についても電子、ホールが逆ではあるが同等の特性が
必要であり、同様に各条件の最適化が必要である。通
常、前者ｎ層の最適化と後者ｐ層の最適化の条件は同一
でなく、両者の条件を同時に満足させるのは困難であ
る。つまり、同一光センサ内に二カ所の注入阻止層が必
要なことは高ＳＮ比の光センサの形成を困難にする。こ
れは図８（ｂ）のショットキー型においても同様であ
る。また図８（ｂ）のショットキー型においては片方の
注入阻止層にショットキーバリア層を用いているが、こ
れは下部電極層２とｉ層４の仕事関数の差を利用するも
ので、下部電極層２の材料が限定されたり、界面の局在
準位の影響が特性に大きく影響し、条件を満足させるの
はさらに困難である。また、さらにショットキーバリア
層の特性を向上させるために、下部電極層２とｉ層４と
の間に１００オングストローム前後の薄いシリコンや金
属の酸化膜、窒化膜を形成することも報告されている
が、これはトンネル効果を利用し、ホールを下部電極層
２に導き、電子のｉ層４への注入を阻止する効果を向上
させるもので、やはり仕事関数の差を利用しているため
下部電極層２の材料の限定は必要であるし、電子の注入
の阻止とトンネル効果によるホールの移動という逆の性
質を利用するため酸化膜や窒化膜は１００オングストロ
ーム前後と非常に薄いところに限定され、かつ、厚さや
膜質の制御は難しく生産性を低下させられる。

【０００６】また、注入阻止層が２カ所必要なことは生
産性を低下させコストもアップする。これは注入阻止層
が特性上重要なため２カ所中１カ所でもゴミ等で欠陥が
生じた場合、光センサとしての特性が得られないからで
ある。

【０００７】第二の理由を図９を用いて説明する。図９
は薄膜の半導体層で形成した電界効果型トランジスタ
（ＴＦＴ）の層構成を示している。ＴＦＴは光電変換装
置を形成するうえで制御部の一部として利用することが
ある。図中図８と同一なものは同番号で示してある。図
９において、７はゲート絶縁膜であり、６０は上部電極
層である。形成法を順を追って説明する。絶縁基板１上
にゲート電極（Ｇ）として働く下部電極層２、ゲート絶
縁膜７、ｉ層４、ｎ層５、ソース、ドレイン電極（Ｓ、
Ｄ）として働く上部電極層６０を順次成膜し、上部電極
層６０をエッチングしてソース、ドレイン電極を形成
し、その後ｎ層５をエッチングしてチャネル部を構成し
ている。

【０００８】このＴＦＴは、ゲート電極として働く下部
電極層２の電位を制御することにより、上部電極層６０
からなるソース、ドレイン電極間をＯＮ，ＯＦＦさせる
スイッチの動作を可能としているが、このＴＦＴの特性
は、ゲート絶縁膜７とｉ層４との界面の状態に大きく影
響される。例えば、前述の界面に不純物が多く存在する
と、ＴＦＴをＯＮまたはＯＦＦさせるしきい値電圧が設
計値と大きくずれたり、ＴＦＴがＯＮの時における抵抗
値が高くなったり、また、ＴＦＴがＯＦＦの時の抵抗値
が低くなったりし、ＴＦＴの動作特性が良好に得られな
い。

【０００９】また、初期に所望のＴＦＴ特性が得られて
もＴＦＴがＯＮ，ＯＦＦの動作を繰り返す間に前述のし
きい値電圧が大きく変化し、動作不良を引き起こすとい
う問題も生じる。

【００１０】通常、良好なＴＦＴの動作特性を得る、す
なわちゲート絶縁膜７とｉ層４との界面を良好に形成す
るには、このＴＦＴのゲート絶縁膜７とｉ層４を同一真
空内で連続して形成するのが好ましい。

【００１１】しかしながら、従来の光センサをこのＴＦ
Ｔと同一基板上に形成する場合この層構成が問題となり
コストアップや特性の低下を招く。この理由は図８で示
した従来の光センサの下部電極層からｉ層間の構成が、
図８（ａ）のＰＩＮ型が電極層／ｐ層／ｉ層、図８
（ｂ）のショットキー型が電極層／ｉ層という構成であ
るのに対しＴＦＴは電極層／絶縁膜／ｉ層という構成で
両者が異なり、従来の光センサのｉ層を共用化し、ＴＦ
Ｔを形成するには、ＴＦＴのゲート絶縁膜７とｉ層４を
同一真空内で連続して形成することは不可能であり、光
センサの特性とＴＦＴの動作特性の両方を良好に得るこ
とができない。これは、光センサとＴＦＴの各素子を形
成するためのプロセスを各素子ごとに順次進める必要が
あり、プロセスの複雑化による歩留りの低下、コストア
ップを招く。

【００１２】また、前述した図８（ｂ）のショットキー
型の特性を改善するため下部電極層２とｉ層４の間に酸
化膜や窒化膜を形成したものは膜構成の順は同一である
が先に述べたように酸化膜や窒化膜は１００オングスト
ローム前後である必要がありゲート絶縁膜と共用し、光
センサとＴＦＴの両方の特性を良好に得るのは困難であ
る。図１０にゲート絶縁膜とＴＦＴの歩留まりについ
て、我々が実験した結果を示す。ゲート絶縁膜厚が１０
００オングストローム以下で歩留まりは急激に低下し、
８００オングストロームで歩留まりは約３０％、５００
オングストロームで歩留まりは０％、２５０オングスト
ロームではＴＦＴの動作すら確認できなかった。これは
トンネル効果を利用した光センサの酸化膜や窒化膜と電
子、ホールを絶縁しなければならないＴＦＴのゲート絶
縁膜を共用化は困難であることは明らかでありこれをデ
ータが示している。

【００１３】このように光電変換装置を構成するうえで
重要な素子であるＴＦＴとプロセス的にまたは特性的に
マッチングが良くないことはシステム全体を構成するう
えで問題になり、低コストで高性能多機能な装置を作る
うえで重大な問題になっていた。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の光電変換装置
は、第一の電極層、第一導電型のキャリアおよび該第一
導電型と異なる第二導電型のキャリアの通過を阻止する
第一の絶縁層、光電変換半導体層、前記第一導電型のキ
ャリアおよび前記第二導電型のキャリアの通過を阻止す
る第二の絶縁層、および第二の電極層を積層構成してな
る光電変換装置である。

【００１５】

【作用】本発明は、光電変換装置内に注入阻止層を設け
ることなく光の入射量を検出することができ、ＳＮ比が
高く低コストの光電変換装置を提供するものである。

【００１６】また、光電変換装置とＴＦＴ等のスイッチ
素子とを同一基板上に、簡易なプロセスで同時に形成す
ることも可能で、設計の自由度の向上、プロセスの簡易
化により低コストで多機能をもった応用製品に展開が可
能である。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。〔実施例１〕図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、本
発明の第一の実施例に係る光電変換装置の光電変換部の
層構成図、および全体回路図である。これら図において
図８と同様の各部については対応箇所に同一符号を付し
てある。図１（ａ）において、１はガラス等の絶縁基
板、２はＡｌやＣｒ等で形成される下部電極層である。
７０および７１は電子、ホール共に通過を阻止する窒化
シリコン等のそれぞれ下部および上部絶縁層であり、そ
の厚さはトンネル効果により電子、ホールが移動できな
いほどの厚さである５００オングストローム以上に設定
される。４はａ−Ｓｉのｉ層等の光電変換半導体層、６
はＩＴＯ等で形成される透明電極層である。図１（ｂ）
において１００は図１（ａ）で示した光電変換部を記号
化したものでＵが上部電極層である透明電極層６側、Ｂ
が下部電極層２側の電極を示している。１２０は検出
部、１１０は電源部であり、電源部１１０はＵ電極に正
の電位を与える正電源１１１、Ｂ電極と同じ電位である
ＧＮＤ電位を与えるための結線１１２、両者を切り換え
るスイッチ１１３で構成される。スイッチ１１３はリフ
レッシュモードではｒｅｆｒｅｓｈ側、光電変換モード
ではｒｅａｄ側に接続されるよう制御されている。以
下、図１，図２により本実施例の動作を説明する。

【００１８】図２（ａ），（ｂ）はそれぞれ本実施例の
リフレッシュモードおよび光電変換モードの動作を示す
光電変換部のエネルギバンド図で、図１（ａ）の下部電
極層２から上部電極層６までの各層の厚さ方向の状態を
表している。リフレッシュモードの図２（ａ）において
Ｕ電極はＢ電極と同電位であるＧＮＤ電位が与えられて
いるため、ｉ層４と下部絶縁層７０との界面にある黒丸
で示されたホールは拡散によりｉ層４全体に分散する。
同時にｉ層４と上部絶縁層７１との界面にある白丸で示
された電子も同様にｉ層４全体に分散される。この状態
でホールと電子はｉ層４において再結合し、十分に長い
時間この状態が続けばｉ層４内のホールと電子は、消滅
してｉ層４内には熱によって励起される微少な電子とホ
ールのみとなる。この状態で光電変換モードの図２
（ｂ）になるとＵ電極はＢ電極に対して正の電位が与え
られるためｉ層４中の微少な電子とホールは瞬時にそれ
ぞれＵ電極側とＢ電極側に導かれ、ｉ層４と上部絶縁層
７１との界面、ｉ層４と下部絶縁層７０との界面に達す
る。しかし、Ｕ電極とＢ電極のそれぞれに存在する電子
とホールは、それぞれ上部絶縁層７１と下部絶縁層７０
を通過することができないため、ｉ層４に導かれること
はない。この状態でｉ層４内に光が入射すると、光は吸
収され電子・ホール対が発生する。この電子は電界によ
りｉ層内を移動し、上部絶縁層７１との界面に導かれ、
同様にホールはｉ層４内を移動しｉ層４と下部絶縁層７
０の界面に達する。しかし、下部絶縁層７０内には移動
できないため、ｉ層４と下部絶縁層７０との界面に留ま
ることになる。また、同様に電子は上部絶縁層７１内に
は移動できないためｉ層４と下部絶縁層７１との界面に
留まるため、素子内の電気的中性を保つため電流がＢ電
極から検出部１２０に流れる。この電流は光により発生
した電子・ホール対に対応するため、入射した光に比例
する。ある期間光電変換モードの図２（ｂ）を保った
後、再びリフレッシュモードの図２（ａ）の状態になる
と、ｉ層４に留まっていた電子とホールは前述のように
ｉ層内に分散し、同時にこの電子とホールに対応した電
流が検出部１２０に流れる。このホールの量は光電変換
モード期間に入射した光の総量に対応し、検出部１２０
に流れる電流は光の総量に対応する。つまり、本実施例
においての光電変換部１００はリアルタイムに入射する
光の量を出力すると同時に、ある期間に入射した光の総
量も出力することもできる。このことは本実施例の大き
な特徴といえる。検出部１２０は目的に応じてどちらか
一方、もしくは両方を検出すればよい。

【００１９】ここで図１，図２および図３を用いて本実
施例の検出部１２０の動作について説明する。図３は図
１の光電変換装置における動作のタイミングチャートで
ある。図中Ｖ_UBは光電変換部１００のＢ電極に対するＵ
電極の電位であり、Ｐは光の入射の状態を示し、ＯＮで
光が入射の状態、ＯＦＦで光の入射がない、つまりダー
ク状態を示している。Ｉｓは検出部１２０に流れ込む電
流を示し、横軸方向は時間の経過を示す。始めにスイッ
チ１１３がｒｅｆｒｅｓｈ方向に接続されるとリフレッ
シュモードに入りＶ_UBはＧＮＤ電位である０Ｖとなり図
２（ａ）のようにｉ層４内に電子とホールが拡散すると
同時に再結合されるため、電荷の動きにともない検出部
１２０には図３Ｅで示される負の突入電流Ｅが流れる。
その後リフレッシュモードは終了しスイッチ１１３がｒ
ｅａｄ方向に接続されると光電変換部内の等価容量を充
電する正の突入電流Ｅ′が流れ光電変換モードにはい
る。この時光が入射されているとＡで示される光電流Ａ
が流れる。もし同様な動作でダーク状態であればＡ′で
示されるように電流は流れない。よって光電流Ａを直
接、もしくは一定の期間光電流Ａを積分すれば光の入射
を検出できる。また、Ａの状態からスイッチ１１３がｒ
ｅｆｒｅｓｈ方向に接続されると突入電流Ｂが流れる。
これは直前の光電変換モード期間における光の入射の総
量に反映された量になり、この突入電流Ｂを積分もしく
は積分相当の値を得れば光の入射を検出できる。直前の
光電変換モードで光が入射していなければ突入電流は
Ｂ′のように小さくなり、その差を検出すれば光の入射
を検出できる。また前述の突入電流ＥやＥ′はおよそ突
入電流Ｂ′と等しいため、突入電流Ｂからこれを差し引
いてもよい。

【００２０】また、さらに同じ光電変換モード期間であ
っても光の入射の状態が変化すれば、Ｃ，Ｃ′のように
Ｉｓは変化する。これを検出しても光の入射状態を検出
できる。つまり、必ずしも検出機会ごとに毎回リフレッ
シュモードにする必要はないことを示している。

【００２１】しかしながら、何らかの理由により光電変
換モードの期間が長くなったり、入射する光の照度が強
い場合、Ｄのように光の入射があるにもかかわらず電流
が流れないことがある。これは図２（ｃ）のように、ｉ
層４内に電子およびホールが多数留まり、この電子およ
びホールのためｉ層４内の電界が小さくなり、発生した
電子がｉ層４と上部絶縁層７１との界面に導かれなくな
りｉ層４内のホールと再結合してしまうからである。こ
の状態で光の入射の状態が変化すると、電流が不安定に
流れることもあるが、再びリフレッシュモードにすれば
ｉ層４内の電子とホールは消滅し、次の光電変換モード
ではＡ″のようにＡと等しい電流が得られ、これは本実
施例の特徴でもある。

【００２２】以上の説明において、入射光は一定で説明
したが、入射光の強弱によりＡ，Ｂ，Ｃの電流は共に連
続で変化し、入射光の有無の検出に限らず、強弱につい
ても定量的に検出できることは言うまでもない。

【００２３】また、前述の説明において、リフレッシュ
モードでｉ層４内の電子とホールを消滅させる場合、全
ての電子とホールを消滅させるのが理想であるが、一部
の電子とホールを消滅させるだけでも効果はあり、光電
流であるＡもしくはＣにおいて全てを消滅させた場合と
値は変わらず、問題はない。また、常に一定量が残るよ
うに消滅させれば、Ｂの電流によっても光の量を定量的
に検出することができる。つまり、次の光電変換モード
での検出機会において電流値がＤの状態、すなわち図２
（ｃ）の状態になっていなければよく、リフレッシュモ
ードでのＶ_UBの電圧、リフレッシュモードの期間を決め
ればよい。また、さらにリフレッシュモードにおいて、
Ｖ_UBの電圧は０Ｖに限定されるものでもない。電子とホ
ールが多数ｉ層４に留まっている場合には例えＶ_UBが正
の電圧であってもｉ層内の電界はホールをＵ電極側また
電子をＢ電極側に導く方向に加わり、電子およびホール
はｉ層４内に分散し、消滅させることができる。また、
Ｖ_UBを負電圧に適宜設定することにより、電子とホール
のｉ層４内への分散を促す方向に電界が加わり、電子と
ホールの消滅速度を速くすることもできる。

【００２４】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、リフレッシ
ュモードにおけるＶ_UBの電圧が正の電圧の場合及び負の
電圧の場合、それぞれについての動作を示す光電変換部
のエネルギーバンド図であり、Ｕ電極及びＢ電極にかか
る電位関係を除き図２と同様である。

【００２５】図２（ｃ）で示した様に、光電変換モード
において、ｉ層４内に電子及びホールが多数留まり、ｉ
層４内の電界が小さく光の入射があるにもかかわらず電
流が流れない状態で、図７（ａ）の様にＶ_UBの電圧を光
電変換モードの時よりも小さくする、即ちＶ_UBの電圧が
正の場合のリフレッシュモードにおいて、例えＶ_UBの電
圧が０Ｖにならなくとも、それぞれの界面に留まったｉ
層４内の電子とホールは図７（ａ）中図示のＡ部の電子
及びＢ部のホールを除き、ｉ層４の中央側へ移動する。
更にｉ層４の中央付近では電子とホールの再結合が行わ
れ、十分に長い時間この状態が続けばｉ層４内の電子と
ホールはＡ部の電子及びＢ部のホールを除き再結合によ
って消滅する。この状態でＶ_UBの電圧を大きく、即ち、
図２（ｂ）のように光電変換モードにすれば、光の入射
に応じた光電流を検出することができることは明らかで
ある。この場合、リフレッシュモード及び光電変換モー
ドにおいて、Ｕ電極側の上部絶縁層７１とｉ層４との界
面である図７（ａ）中図示のＡ部には電子が常に留ま
り、又同様にＢ電極側の下部絶縁層７０とｉ層４との界
面である図７（ａ）中図示のＢ部にはホールが常に留ま
っている。このことは、リフレッシュモードと光電変換
モードの切り換えにおける遅い過渡応答の原因となる界
面準位の状態変化による悪影響が見られず、光応答の速
い光電変換装置が実現できる効果がある。

【００２６】また、図７（ｂ）の様にリフレッシュモー
ドにおいて、Ｖ_UBの電圧を負の電圧となる様に電圧を印
加すると、図７（ｂ）中図示の太矢印Ａ´の示す方向に
ホールと電子がそれぞれ移動する方向に電界がｉ層４内
に加わり、電子とホールはより速くｉ層４全体に分散
し、ｉ層４においてホールと電子を再結合（図７（ｂ）
中のＢ´）させ消滅させることができる。この場合、ｉ
層４内でのホールと電子の移動は熱拡散のみならず電界
によって積極的に行われている為、速く移動し、ホール
と電子の消滅を速くすることができ、リフレッシュモー
ドの時間を短縮できる効果がある。

【００２７】図４（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそ
れぞれ検出部の構成を示したものである。１２１は電流
Ａｍｐで代表される電流計、１２２は電圧計、１２３は
抵抗器、１２４はコンデンサ、１２５はスイッチ素子、
１２６はオペアンプである。図４（ａ）は直接電流を検
出するもので、電流計１２１の出力は電圧や増幅された
電流である。図４（ｂ）は電流を抵抗器１２３に流して
電圧を電圧計１２２で検出している。図４（ｃ）は電荷
をコンデンサ１２４に蓄積し、その電圧を電圧計１２２
で検出している。図４（ｄ）はオペアンプ１２６により
電流の積分値を電圧として検出している。図４（ｃ），
（ｄ）においてスイッチ素子１２５は毎回の検出に対し
て初期値を与える役割をし、検出の方法によっては高抵
抗の抵抗器に置き換えることも可能である。電流計や電
流計はトランジスタやこれを組み合わせたオペアンプ、
抵抗、コンデンサ等で構成し、高速で動作するものを使
用することができる。検出部はこれら４種に限定するも
のでなく、電流もしくは電荷を直接もしくは積分値を検
出できればよく、電流もしくは電圧値を検出する検出器
と抵抗器、コンデンサ、スイッチ素子を組み合わせ、複
数の光電変換部を同時もしくは順次出力するよう構成す
ることもできる。ラインセンサやエリアセンサを構成す
る場合は電源部の配線やスイッチ素子と組合わせて１０
００個以上の光電変換部の電位を制御し、また検出す
る。この場合、スイッチ素子やコンデンサ、抵抗の一部
は光電変換部と同一基板上に構成するとＳＮ比や、コス
ト面で有利である。この場合、本実施例の光電変換部は
代表的なスイッチ素子であるＴＦＴと下部電極層からｉ
層間の層構成が同一膜構成のため、簡易なプロセスで同
時に形成することが可能であり低コストの高ＳＮ比の光
電変換装置が実現できる。〔実施例２〕図５は本発明の光電変換装置の第二の実施
例を示す全体回路図である。なお、図１（ｂ）と同一部
分には同一符号を付している。光電変換部１００の層構
成については図１（ａ）と同一である。図５において、
１１４はＵ電極に正の電位を与える電源Ｖ_U、１１５は
光電変換部のリフレッシュモードにおいてＢ電極に所定
の電位を与える電源Ｖ_B、１１６は各モードを切り換え
るスイッチ素子である。この時電源１１５は電源１１４
と同等もしくは低電圧に設定されている。本実施例では
細かく４つのモードを持ち、それぞれ光電変換部リフ
レッシュモード、Ｂ電極初期化モード、蓄積モー
ド、検出モードである。の光電変換部リフレッシュ
モードは第一の実施例のリフレッシュモードと、また
、、のＢ電極初期化モード、蓄積モード、検出モ
ードは第一の実施例の光電変換モードと光電変換部１０
０各層に同じ方向に電界が加わっており、光電変換部１
００の動作は基本的に同じである。以下各モードについ
て順次説明する。光電変換部リフレッシュモードでは
スイッチ素子１１６は図中のｒの位置に接続され、電源
１１５によってＢ電極には電位Ｖ_Bが与えられる。Ｕ電
極には電源１１４により正の電位Ｖ_Uが与えられてお
り、つまり、Ｕ電極のＢ電極の電位に対しての電位Ｖ_UB
は（Ｖ_U−Ｖ_B）が与えられたことになる。すると光電
変換部１００内の電子とホールは消滅し、リフレッシュ
される。次にスイッチ素子１１６はｇの位置に接続さ
れ、Ｂ電極初期化モードに移行し、Ｂ電極にＧＮＤ電
位が与えられる。この時Ｖ_UBは正の電圧になり、光電変
換部１００は突入電流が流れた後光電変換モードにな
る。次にスイッチ素子１１６はｏの位置になり蓄積モー
ドに移行し、Ｂ電極は直流的にオープンになる。しか
し、実際には点線で示された光電変換部１００の等価的
な容量成分Ｃｓや浮遊容量Ｃｏにより電位は保たれる。
ここで光電変換部１００に光が入射していると対応する
電流がＢ電極から流れ出し、Ｂ電極の電位は上昇する。
つまり、ＣｓやＣｏに光の入射情報が電荷として蓄積さ
れる。一定の蓄積時間後スイッチ素子１１６がｓの位置
に接続されると検出モードに移行する。この時同時に
Ｃｓ，Ｃｏに蓄積された電荷は検出部１２０に流れる
が、この電荷は蓄積モードで光電変換部１００から流れ
出た電流の積分値に対応し、つまり光の入射の総量とし
て検出部１２０により検出される。さらに、スイッチ素
子１１６は再びｒの位置に接続され以下動作が繰り返さ
れる。以下本実施例の特徴は簡単な素子の組み合わせ
で、一定な長期間の蓄積時間に流れた電流の積分値が、
検出モードの短期間に得られるところにあり、このこと
は複数の光電変換部をもつ高ＳＮ比の光電変換装置が低
コストで構成できることを示している。本実施例の光電
変換部の動作は基本的に第一の実施例と等しいが、異な
る点は光電変換モード中にＢ電極の電位が上昇し、Ｖ_UB
が低下することである。このことは少ない光の入射量で
図２の（ｃ）で示す状態になりやすく、正常動作におけ
る入射光量の制限に成り得るが、これは浮遊容量Ｃｏと
並列に積極的に大きな蓄積用コンデンサを挿入すること
で容易に改善できる。また検出部はコンデンサ１２４、
スイッチ素子１２５、オペアンプ１２６で構成され、検
出モード時に流れ込んだ電荷をコンデンサ１２４に蓄
え、電圧に変換し、バッファーアンプを介して出力して
おり、このため検出モード時にＢ電極は完全なＧＮＤ電
位にならないが、基本的な動作に影響を与えるものでな
い。なおコンデンサ１２４は検出モード以外のモード時
にスイッチ素子１２５により初期化される。また、切り
換えスイッチ素子１１６は多極性である必要もなく、た
とえばＴＦＴのようなスイッチ素子を複数で構成するこ
ともできる。

【００２８】図６は光電変換部１００の別の実施例を示
す層構成図である。なお、先に説明した図１と同一部分
には同一符号を付している。図６において、１０１は透
明な絶縁基板であり、２１は透明な導電層を用いた下部
透明電極層である。６１は上部電極層であり、必ずしも
透明である必要はなく、Ａｌ等の金属でよい。入射光は
透明絶縁基板１０１、透明電極層２１、絶縁層７０を通
過してｉ層４に入射する。

【００２９】以上の説明から明らかなように、光電変換
装置は第一の実施例や第二の実施例で示したものに限定
するものではない。つまり第一の電極層、ホールおよび
電子の移動を阻止する第一の絶縁層、光電変換半導体
層、ホールおよび電子の移動を阻止する第二の絶縁層、
第二の電極層があればよい。さらに光電変換半導体は光
が入射して電子、ホール対を発生する光電変換機能をも
っていればよい。層構成も一層でなく多層で構成してい
てもよく、また連続的に特性が変化していてもよい。ま
たさらに絶縁基板も全て絶縁物である必要はなく、導体
もしくは半導体上に絶縁物が堆積されたものでもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光電変換
装置は注入阻止層を設けることなく光の入射量が検出す
ることができ、プロセスの最適化が容易かつ、歩留まり
の向上かつ、製造コストの低減が可能で、ＳＮ比の高い
低コストの光電変換装置を提供することができる効果が
ある。

【００３１】また、第一の電極層または第二の電極層か
ら光電変換半導体層間においてトンネル効果や、ショッ
トキーバリアを利用していないため、電極材料は自由に
選択でき、絶縁層の厚さやその他の制御も自由度が高
く、他の同時に形成しなければならない素子とのマチッ
ングが良く、特に電界効果トランジスタ（ＴＦＴ）とは
ゲート電極である下部電極層から半導体層間を同一膜構
成とすることができるため簡易なプロセスで同時に形成
可能でありさらに光電変換装置を高ＳＮ化、低コスト化
することができる効果がある。

【００３２】また、光電変換部自身に光情報をキャリア
として蓄え、同時にリアルタイムに電流を流す性質を持
つため簡単な構成で複合的な機能をもつ光電変換装置を
提供できる効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係る第一の実施例における光
電変換装置の層構成図であり、（ｂ）は全体回路図であ
る。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は光電変換部の各動作モードに
おけるエネルギバンド図である。

【図３】検出器に流れる電流のタイムチャートである。

【図４】（ａ）〜（ｄ）は検出器の構成図である。

【図５】本発明に係わる第二の実施例の全体回路図であ
る。

【図６】光電変換部の他の実施例における層構成図であ
る。

【図７】（ａ），（ｂ）は、リフレッシュモードにおけ
るＶ_UBの電圧が正の電圧の場合及び負の電圧の場合、そ
れぞれについての動作を示す光電変換部のエネルギーバ
ンド図である。

【図８】（ａ）〜（ｃ）は従来の光センサの構成図であ
る。

【図９】ＴＦＴの層構成図である。

【図１０】ゲート絶縁膜の厚さに対するＴＦＴの歩留ま
りを示すグラフである。

【符号の説明】

１絶縁基板２下部電極層４ｉ層６透明電極層７０下部絶縁層７１上部絶縁層１００光電変換部１１０電源部１２０検出部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者水谷英正東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一の電極層、第一導電型のキャリアお
よび該第一導電型と異なる第二導電型のキャリアの通過
を阻止する第一の絶縁層、光電変換半導体層、前記第一
導電型のキャリアおよび前記第二導電型のキャリアの通
過を阻止する第二の絶縁層、および第二の電極層を積層
構成してなる光電変換装置。
【請求項２】リフレッシュ・モードにおいては、前記
光電変換半導体層内の前記第一導電型のキャリアと前記
第二導電型のキャリアとの再結合を促すように、前記第
一の電極層と前記第二の電極層との間に電位差を与え又
は前記第一の電極層と前記第二の電極層とを同電位と
し、光電変換モードにおいては、前記光電変換半導体層
に入射した光により発生した前記第一及び第二導電型の
キャリアをそれぞれ、前記第二の絶縁層と前記光電変換
半導体層との界面、前記第一の絶縁層と前記光電変換半
導体層との界面に導くように、前記第一の電極層と前記
第二の電極層との間に電位差を与える電源部と、前記光電変換モードにより、前記第一の絶縁層と前記光
電変換半導体層との界面に導かれた前記第二導電型のキ
ャリアもしくは、前記第二の絶縁層と前記光電変換半導
体層との界面に導かれた前記第一導電型のキャリアを検
出する検出部と、を有する請求項１記載の光電変換装
置。
【請求項３】前記第一および第二の電極層の少なくと
も一つが透明導電層である請求項１または請求項２記載
の光電変換装置。
【請求項４】前記光電変換半導体層の少なくとも一部
が非晶質の水素化アモルファスシリコンである請求項１
〜請求項３のいずれかの請求項に記載の光電変換装置。