JPS5931057A - 半導体装置 - 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】 本発明は、単結晶半導体と非単結晶半導体とを複合化し
て設けた半導体装置、特にフォトトランジスタ機能を有
する光電変換装置の集積化構造に関する。

本発明は単結晶半導体上に設けられたコレクタ上の単結
晶半導体のベースと、このベース上にエミッタ機能を有
する水素またはハロゲン元素が添加された光照射により
光起電力を発生する非単結晶半導体が設けられた半導体
装置に関する。

本発明は、かかるエミッタ機能を有する非単結晶半導体
として、真性または実質的に真性００〜１０”ｃ冨３の
低い濃度ＫＰまたはＮ型用の不純物が添加された）の光
吸収係数の大きなフォトキャリア発生用の半導体（以下
、単ｙｃｘ型半導体層または１層という）と、この半導
体層」二にエミッタ電極機能を有するＰまたはＮ型半導
体層とを設けた半導体装置に関する。

本発明は、さらにとのＰまたはＮ型の半導体層を、１層
に比べて広いエネルギバンド中を有する半導体、例えば
Ｂ　ｉ、　ｘ　Ｃ１−２（０＜　ｘｉ　１）を用いたシ
、または光の吸収損失の少ない５　（）−２００＾の大
きさのマイクロポリクリスタルまたは一軸単結晶性を有
する繊維構造の多結晶半導体を用い、このエミッタ側よ
り入射する光が有効ＫＩ層に到達し、フォトキャリアを
多数発生せしめることを特徴とする。

また、本発明では、単結晶半導体特に珪素半導体が１゜
１ｅＶのエネルギバンドｄ］を有し、赤外光の検出は可
能でも、可視光の視感度が十分でない。

捷た、赤外光であっても、単結晶半導体の光吸収係数が
小さいため、フォトキャリアが十分発生できない。この
ため、従来より知られていた単結晶半導体を用いたフォ
トトランジスタをさらに改良し、この光感領域のエミッ
タまたはエミッタベース間の空乏層領域（本明細書にお
いては、これらを総称してエミッタ機能を有する半導体
という）に対し、光吸収係数の大きな非単結晶半導体を
用いたことを特徴としている。

の光学的エネルギバンド中は、珪素にあっては、１．６
〜１．８θＶを有し、その光吸収係数も単結晶珪素に比
べて約１０倍も大きい。このため可視光に対し、きわめ
て変換効率が高く、また光感特性も人間の視感度と同一
であるため、　光増巾機能を有する人間の目ヨの代行を
させることができる。

他方、光活性半導体層としての１層を、アモルファスま
たは半非晶質の半導体であってかつ材料としてゲルマニ
ュームでは１〜１．２ｅＶを、またＳ　１ｘＧｅ、、　
（Ｏｌｘ（１）では１．１〜１．８ｅＶＯ間の任意の波
長帯を、さらＫ　Ｓｉ、ｘＳｎ、−４（０＜ｘ＜　１）
では０．５−１゜８ｅＶの間の任意の波長帯を選択する
ことができる。

このため、本発明の集積化構造を有する単結晶半導体と
非単結晶半導体との複合化半導体装置は可視光、赤外光
さらＫまたフィルターを用いることによシ、赤、青、緑
等の選択性を持たせることにより、イメージセンサ、固
体撮像管等を構成林。

しめることができる。

さらにこの集積化を一軸性のアレーとすることによシ、
人間の目と同じ視感度を有する光センサ集積体として用
いることができる。このため、かかる集積体はファクシ
ミリ用の受光センサとしても有効であシ、また、素子サ
イズを小さく微細類１　Ｕ−’１４ｉｆを用いることに
よシ、従来知られているコヒー（静電複写機）のアナロ
グ式のΦ社１モ方式のかわシに、ディジタル信号を番地
を指定して記憶させることが可能である。

さらに本発明は逆バイヤスが加わるベース・コレクタ間
は卸結晶半導体を用いるため、周波数応答速度が速く、
光フアイバー通信用の受光センサとして、赤外光のみな
らず、可視光においても好都合である。特に可視光Ｋ　
（１１１可能なため、医療用の買カメラ等に関し、肉眼
と同じ色の視感度をもって電気信号に変換できるという
特徴を有する。

また電圧関係に関し、エミッタ・ベース間は順酬圧Ｔｆ
ｆｙ〜５ＶＱ＠方向においては０゜ト２Ｖしか加わらな
いため信頼性上例ら支障がない。他方、ベース・コレク
タ間には〜２００Ｖ２００Ｖは格子欠陥を除去すること
により、２Ｏ−２００Ｖにおいても１０　Ａ以下のリー
クを有する耐圧は何ら支障なく実用上耐えることができ
る。

とのととより、順方向バイヤス領域は、その空乏層領域
には水素捷たはハロゲン元素が添加された非単結晶半導
体が用いられ、また逆バイヤス領イ 域はその側圧向上、逆バＹヤスのリークを］０〜１０Ａ
（］ＯＶ印加の場合〕の減少を計ることができる。とれ
は、もしこのベース拳コレクタ間の空乏層領域に非単結
晶半導体を用いた場合、］−〇〜１ＯＡ（５Ｖ印加の場
合）を得ることができることを考えると、本発明の単結
晶半導体を非単結晶半導体と複合化したことは、それぞ
れの長所を互いに出しあい、またそれぞれの短所を互い
に補ないあうことにより、その構成効果は著しいものが
ある。

従来フォー・トランジスタは単結晶半導体によってのみ
作られていた。その代表的なたて断面図を第１図に示す
。

図面よシ明らかなように、単結晶半導体基板（１）にプ
レナー技術によりベース（２）、エミッタ（３）を拡散
し、さらに酸化珪素絶縁膜（４）　Ｋ開口を設けて、エ
ミッタの電極リード（５）、ベースの電極リード（６）
を設け、また基板の大部分をコレクタ（′７）として用
い、その電極（８）を設けたものである。

かかる構造においては、入射光００に対し、エミッタが
Ｎ＋であり、かつそのＰｇ（光学的エネルギバンド巾を
以下］ＩＣｇという）は、珪素にあっては］−０１ｅＶ
であるため、このエミッタ領域での光の吸収損失が多い
。また、珪素では、その光照射（１ｏ）による活性領域
（エミッタ・ベース間の空乏層）が高濃度のＮ？型エミ
ッタ（不純物濃度１０″〜１０１′−） ｃｍ）−Ｐ型ベース（不純物濃度１０ｃｍ）のため、き
わめて薄い。このため単結晶の間接遷移型であり、また
吸収係数も小さいのにもかかわらず、即ち、フォトキャ
リアを多数発生させるには厚いことが必要であるにもか
かわらず、この空乏層が〜０．１μと薄くなってしまっ
ている。このため、フォトキャリアの発生確率（量子効
率）が小さい。

また、単結晶珪素にあっては、１゜１ｅＶであるため人
間の視感度特性より離れてしまっている。

これらの欠点のため、メカトロニクスの光セン（９） す等への使用は十分なものではなく、また光通信用の受
光素子としてもさらに光感度のすぐれたフォトトランジ
スタが求められていた。

本発明はかかる欠点を補ったものである。

以下に図面に従ってその実施例を示す。

第２図は本発明の半導体装置の製造工程を示すたて断面
図である。

第２図（Ａ）　において、単結晶半導体として（１００
）面を有する珪素を用いた。基板（１）はＰ型の半導体
上部ＫＮのコレクタ機能を有する選択拡散法によ＼り作
られたうめこみ半導体領域（８）と、エピタキシアル成
長法にて０．２〜２μ（代表的には０゜ド。７→の厚さ
に形成したＮ−型（１型またはＮ型を含む）半導体（７
）とよりなっている。次にこの基板上に第２図（Ｂ）　
Ｋ示されているように、この土に酸化物気体に対しマス
ク作用を有する被膜例えば酸化珪素（０〜２００Ｘ）お
よび窒化珪素（５００〜１０００Ｋ）を選択的にうめこ
み領域（８）土のセンサを構成する領域上に形成した。

この後、半導体を９００−１１００°Ｏの酸素（５−１
０（１０ 素膜（４）をＯ０５〜１．５μの厚さに形成した。次に
これをマスクとして、イオン注入法により、Ｐ型不純物
を選択的ニ２００λ〜１μの厚さにドープｊ〜でＰ型半
導体層（２）を形成した。

かくして第２図（Ｂ）の単結晶半導体（１）はコレクタ
機能を有する基板内に選択的に設けられたＮ−Ｎ型コレ
クタと、その上部に単結晶半導体よりなるＰ型ベース（
２）を構成させている。この後、このベース（２）上の
酸化珪素、窒化珪素マスク（１■を除去して単結晶半導
体表面を露呈させた。

次にこの工程として、かかる単結晶半導体上に真性また
は１０〜１０　ｃｍの濃度に■価の不純物例えばホウ素
が添加された実質的に真性の非単結晶半導体層を５００
〜５００はの厚さにプラズマＣＶＤ法によシ形成させた
。

このプラズマＣＶＤ法は、非単結晶半導体として水素ま
たはハロゲン元素例えばフッ素または塩素の添加された
アモルファスまたは半非晶質の珪素を主成分とする半導
体を作製１〜ようとする場合シラン寸たけジクロールシ
ランまたはフッ化珪素を’１．３．５６Ｍ’Ｈ２の周波
数を加え、グロー放電法により１００〜３５０″′Ｃの
温度で形成させた。

この半非晶質の半導体に関しては、本発明水の出願にな
る特許願（セミアモルファス半導体　特願昭５１２６３
８８）に示されている。

さらにこの上面に繊維構造を有するＮ型の非単結晶半導
体層０→を１−００〜３００Åの厚さに形成させた。

この繊維構造を有する半導体は、−軸方向に単結晶性を
有するもので、２００〜２５０”Ｏの低温でも５〜１０
Ｗの低い高周波出力で作ることができる。この繊維構造
を有する半導体は、本発明水の出願になる特許願（繊維
構造を有する半導体およびその作製方法　特願昭５’７
−８’ｉ’８０１６１５’７゜５．２４）Ｋ示されてい
る。

この繊維構造を有する半導体は、光学的エネルギバンド
ｌ］が１．５〜１．８θ■を有しながらも、その光吸収
係数が単結晶と同程度に小さく、壕だ電気伝導度もｌＯ
〜３００　（Ａｃｍ）ときわめて大きな値を有するため
、本発明のフォトトランジスタのエミッタを構成させる
には好都合である。

このＮ″層をアモルファス珪素半導体で形成させると、
その吸収係数が大きく、好ましくない。このため、この
半導体として、珪素単体では吸収係数の小さうマイクロ
ポリクリスタル（結晶粒径１００〜３００〜−ｉ：たは
前記した繊維構造を有する半導体がすぐれている。

また、アモルファス半導体を用いる場合は、１層０］）
Ｋ比べ大きいエネルギバンド巾を５ｉｘＣ・傾（０りｘ
ど１）等により作製して、Ｗ（Ｎ型半導体層）−Ｎ　（
Ｉ型半導体層）αよりＥ　Ｅｇ　−ＮＡＬＬＯＷ　Ｅω
構造とすれば、このＮ型半導体層での光吸収を大きく例
えばＩＴＯ（酸化スズがＯ〜１．０％添加された酸化イ
を蒸着法により形成した。この時フォトマスクによＩ）
、■ＴｏＱ３．　Ｎ＋層０つ、工程０］）を選択的ｆエ
ツチングした。

さらに第２図（０）　において示される如く、この半導
体上にフォトレジストをコーティングし、選択的に穴あ
けを行ない、穴の部分（てアルミニュームを真空蒸着し
、リフトオフすることにより、エミッタを構成する透明
導電膜電極０′３よりエミッタリード０→を作製した。

この実施例において、アルミニューム電極をす電膜の光
透過率が低下することを防ぐのが目的である。

最後に、酸化珪素（図示せず〕を約０．５μの厚さにオ
ーバーコートして信頼性の向上に務めた。

この酸化珪素も、プラズマ気相法または真空蒸着法によ
り形成した。基板は非単結晶半導体層の形成温度は３０
０°Ｃ以下とし、かかる半導体中の水素等の再結合中心
中和用元素の外部への放出による信頼性低下を防いだ。

図面において、ベース（２）　、コレクタ（７）　、　
（８）は単結晶半導体（１）よりなり、エミッタ機能を
構成する領域はエミッタ０す、活性層（１◇はともに非
単結晶半導体（３）で構成されている。透明導電膜０３
側より光（］０）が照射され、電子、ホールが発生する
。

こ１７）時ベース（２）、エミッタ０２間には、順方向
バイヤスが、またベース（２）、コレクタ（７）　Ｋは
５〜５゜Ｖの逆方向バイヤスを印加させた。かくするこ
とにより、ｈＪえ、　５０００以上のフォトトランジス
タを作ることができた。

もちろん、光照射を行なわない時には、単なるトランジ
スタとして作用させることができ、かかる場合において
も、ベース（２）（単結晶珪素で１゜１０′Ｖ）Ｋ比べ
てエミッタＨ、（１］）　（１，７〜２ｅＶ）はそのエ
ネルギバンドｌ］が大きいため、ベースよりエミッタに
逆向きに流れるホールがブロッキングされるため、単結
晶のみで作るプレナー型のトランジスタ１１→ に比べて、１ｄ゛るかにすぐれた増巾をさせることがで
きた。

特にこの実施例においては、活性層をアモルファス丑た
は半非晶質の珪素を用いたため、視感度が人間の目と同
じであり、いわゆる従来にない可視光用のフォトトラン
ジスタを２ケ基板（１）土に集積化した構造を作ること
ができた。この集積化の素子型は、その応用に応じて、
図面での左右方向また前後方向に拡大することが可能な
ことはいうまでもない。

実施例２ この実施例は第２図において活性半導体層０りの形成に
非単結晶ゲルマニュームを用いたものである。

かくすることによシ、そのエネルギバンド巾は１ｅＶを
有し、非単結晶半導体のためその吸収係数も大きい。こ
のため、赤外線のセンサとしてすぐれたものであった。

即ち、第２図（Ａ）を形成した後、プラズマ気相法によ
り２００〜３０σＣの温度でゲルマンを導入し、ベース
（２）土Ｋ　５００〜５０００λの厚さに積層したもの
である。またエミッタα諺は、Ｎの繊維構造の珪素非単
結晶半導体を用いた。かくすることにより、エミッタへ
、　’７ｅＶ）−活性層α。０ｅＶ）のＷ−Ｎ構造を有
しかつＮ＋層の光吸収係数が小さいため、すべての赤外
光を活性ゲルマニューム層に供給することができた。

この工程以外は実施例１Ｋ基すいて作製した。

かくして、赤外検出用の逆方向リークが１６２Ａ以下の
ｈＩＬ２〜１０？ｏフォトトランジスタを作ることがで
き、特Ｋ　ＮＰＮ　（ＮＩｐ＃Ｎ型を含む）であるため
、キャリアが電子であり、その周波数応答速度が速く、
光通信用の受光センサとしての使用も可能になった。

実施例３ この実施例は実施例１のＮＩＰ工Ｎ接合のフォトトラン
ジスタをマトリックス構造にしてフォトトランジスタア
レイを構成せしめたものである。

第３図はその回路図を示す。

第４図は第３図の回路図に従って作られたアレイの平面
図（Ａ）およびＡ−Ａ’でのたて断面図（Ｂ）、Ｂ−Ｂ
′のたて断面図（Ｃ）を示している。

第３図において、ＮＰＮトランジスタ（Ｎ　Ｉ　ｐｌ　
Ｎトランジスタを用いてもよい。ここでＦｉ、ＮＩＰＩ
Ｎ。

Ｎ工ＰＮ″Ｎ構造を簡略化してＮＰＮ　トランジスタと
記す）（１）はベースが接続されていないが、このフォ
トトランジスタの二次アレイは、ひとつのトランジスタ
が（イ）にみられる如く、エミッタ・ベース間のダイオ
ードによる光電変換用のフォトダイオードと逆方向にな
ったベース・コレクタ間のダイオードによる回路選択の
ためのダイオード構造よシなっている。これは読出しの
時はこの回路選択用のダイオード（ブロッキングダイオ
ード）がオンになって、光電流が負荷抵抗Ｒを流れる。

この時光変換用フォトダイオードには外部より光があた
り続けていたと考えられるから、この前の読出しの時印
加された逆方向の電圧により、フォトダイオードの持つ
キャパシタ０→に充電され、その電荷をこの間に発生し
た光電流で放電した分だけ読出しの時このフォトダイオ
ードのキャパシタを充電することになり、いわゆる蓄積
効果が得られる。

この蓄積効果により、Ｐ工Ｎフォトダイオードの１０１
〜ＩＯ′を倍もその感度を高めることができた。

即ち、フォトトランジスタは第３図に示す如きエミッタ
接地構造を有する電流増巾回路を構成している。

この半導体装置として第４図を示す。

図面において明らかな如く、照射光（１０）［基板（１
）側より与えられ、透光性第１の電極０埠の下ＫＮ（１
２ＩＯ２）　Ｐ　（２）　Ｎ　（８）が実施例１と同様
にこの単結晶基板上にマトリックス構成を有して設けら
れている。

複数のフォトトランジスタの間に設けられた埋置した絶
縁物は、その上面を寥ミックの電極リードの電気的なア
イソレイションを行ない、かつ半導体基板（］）に光照
射が行なわれないように遮光させることにより各素子−
のコントラストをさらに向上させるために有効である。

図面より明らかな如く、コレクタ（８）またにコレクタ
リード（埋めこみＮ領域が兼ねている）がＹ方向に設け
られると、エミッタ０■、エミッタ電極（１’、ＩＪ−
ド０７０けＸ方向に設けられ、その交差点がひとつの）
第１・トランジスタ（イ）を構成している。

め、これら半導体装置に耐湿性樹脂（図示せず）を０゜
５〜３μの厚さにオーバコ−１・をし、その信頼性の向
上に務めた。

各ｉ・ランジスタ（イ）は単結晶半導体にみられる如く
、基板とコレクタとの間に逆バイヤスを加えたＰＮ接合
分離と埋置した絶縁物とにより実施した。

との複合アイソレイションは、本発明人の特許（特公昭
汀−ＩＦ４０７　　　　Ｅ＋４５．１０゜３゜出願）Ｋ
示されている。

即ち、フォトトランジスタアレーは実施例１と全く同一
工程で、特にフォトエッチによる精密なマスク合わせを
さらに加えることなく作ることができる。加えてフォト
トランジスタの透明導電膜をおおって、アルミニューム
電極０４を形成することにより、エミッタのＦ８ｇが大
きい、高いｈ４ｅのトランジスタを構成させることがで
きるため、周辺のデコーダ等の論理回路を全く新たなフ
ォトマスクを用いて作る必要がないという大きな特徴を
有する。また実施例１において、Ｐ型のベースを作る工
程を１種類のフォトマスクを用いて省略しかつアルミニ
ューム電極により透明導電膜をおおうと、その領域はＮ
”（８）　−Ｎ−（７）−工０■−Ｎ”（１■−透明導
電膜０１−アルミニューム電極０→となシ、Ｔ型の非単
結晶半導体層のＲ４”　４４を用いたたて方向の抵抗体
を作ることが可能である。

これは論理回路を構成するための負荷抵抗を従来よりバ
イポーラ型ＩＣで知られた横方向ではなく、たて方向で
作シ得る。これは微少面積化に対してきわめて有効であ
る。

この図面では二次元のフォトトランジスタアレーであり
、イメージセンサ等に用いた場合、１層を非単結晶珪素
（１，６〜］。８０カとすると、その視感度が人間の目
と同じであるため、人の視光と同じ波長感度を得ること
ができる。−次元のフォトトランジスタアレーを第４図
のＡ−Ａ’の部分を一部のみ作って作製し、コンピュー
タのカード読取りセンサ等に用いてもよい。　　　　　
　　　　　（またこのフォトトランジスタの周辺部には
実施例２に示す如きバイポーラトランジスタを用いた赤
外光用の集積化されたマトリックスアレーを構成するこ
とも本発明の特徴とするところである。

この実施例において、各トランジスタも赤、青黄または
赤、緑、黄等の３種類のフィルターを交互に配列して設
け、それぞれの色感度を選別して検出できるようになっ
た集積化構造とすることにより、カラー用イメージセン
サとしても」こい。

かかる半導体装置によシ、人間の目と同様の色の識別が
可能となり、その信号を増１１］（〜で検出することが
できるようになった。

以上のん１明より明らかな如く、本発明は単結晶半導体
の特徴と、非単結晶半導体の特徴とを相互に組合わせて
、これまでにない高耐圧１、微少リークで、かつ視可得
が人間の目にあった光感度の高い光電変換装置を作るこ
とができた。

さらに、エミッタ側をベース、コレクタに比べ就するこ
とができた。

本発明の実施例においては、ＮＰＮ、ＮＩＰＮまたＮＩ
ＰＩＮ型とした。これは非単結晶半導体のキャリア移動
度はホールが電子に比べて数十分の−しかないことによ
る。しかし、このホールを用いたＰＮＰ型（ＰＩＮＴＰ
型を含む）を作製してもよいととはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のフォトトランジスタのたて断面図を示す
。 第２図は本発明の半導体装置の作製工程を示す。 第３図は本発明の集積化した半導体装置を７トリツクス
化した場合の回路図を示す。 第４図は本発明の第３図に対応した半導体装置の平面図
およびそのたて断面図を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １−導電型の単結晶半導体基板に設けられたコレクタ機
   能を有する逆導電型の複数のうめ体層よりなるベースと
   、該ベース上にエミッタ機能を有する水素またはハロゲ
   ン元素が添加された光照射により光起電力を発生する複
   数の非単結晶半導体とを有することを特徴とする半導体
   装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、−導電型の単結晶
   半導体基板に設けられたＸ方向に配置されたコレクタお
   よびリード機能を有する逆導電型の複数のうめこみ領域
   と、埋置した幻を 絶縁物によシミ気的に分離されｔ酸領域上または上方の
   単結晶半導体層よりなるベースと、該ペース土ＫＸ方向
   に配置されたエミッタおよびリード機能を有する水素ま
   たはハロゲン元素が添加された光照射により光起電力を
   発生する複数の非単結晶半導体層が設けられた前記Ｘ方
   向およびＹ方向の交差部にフォトトランジスタを構成せ
   しめた集積構造を有することを特徴とする半導体装置。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項において、エミ
   ッタ機能を有する複数の非単結晶半導体は、ベースに密
   接して真性または実質的に真性の半導体層と、該半導体
   層上に前記ベースとは逆導電型のＮまたはＰ型の半導体
   層とによシ、Ｎ工（エミッタ）Ｐ（ベー、７；１ｄＮ（
   コレクタ）、Ｎ工（エミッタ）Ｐ（ベース）Ｎ（コレク
   タ）、Ｐ工（エミッタ）Ｎ（ベース）　Ｐ’Ｐ　（コレ
   クタ）、Ｐ■（エミッタ）Ｎ（ベース）Ｐ（コレクタ）
   接合構造を有することを特徴とする半導体装置。 ４、特許請求の範囲第３項において、真性または実質的
   に真性の半導体層はアモルファスまたは半非晶質構造の
   珪＊ｔ［Ｅ＃０とする半導体層と、該半導体層上のＰま
   たはＮ型の半導体層で微結晶または繊維構造を有する半
   導体または前記半導体層より広いエネルギバンド中を有
   する非単結晶半導体とが用いられたことを特徴とする半
   導体装置。