JPS60235457A - イメ−ジセンサ - 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） 本発明は非晶質シリコンを用いた高解像度やカラーイメ
ージセンサに関する。

（従来技術とその問題点） 最近ファクシミリ等の原稿読み装置を小型化するために
密着型イメージセンサの開発が活発にすすめられている
。これは原稿と１対１に対応する幅を有する大型のイメ
ージセンサを内蔵する光電変換デバイスである。従来の
ＣＯＤやＭＯＳ型のＩＣイメージセンサを有する光電変
換系では原稿をイメージセンサ上に投影する縮少レンズ
系が必要でおる。そのため光路長確保のために装置内に
大きな空間を有しており装置の小型化が難かしいとされ
てきた。ところが、上述の密着型イメージセンサではこ
の縮少レンズ系が不要なため、イメージセンサと原稿が
ほぼ密着し、そのため装置の大幅な小型化が達成される
。

この密着型イメージセンサにはすでに、光電変換材料と
して砒素−セレン−テルル系非晶質半導体、硫化カドミ
ウム、水素化非晶質シリコン（以下ａ−８ｉと略す）を
用いたものが報告されている。

これらの材料はすべて大型のイメージセンサを形成する
上で必要な大面積に一様な薄膜を形成でき、可視光に対
する感度が高い薄膜材料である。このうちａ−８ｉはそ
の構成物がＳｉと水素であることがら無公害材料であシ
、材料の安定性が良く可視光全域にわたって高い光感度
を有し光応答速度が速く高抵抗率であるだめ高速・高解
像度のカラーイメージセンサが適した材料である。

・　このａ−８ｉを定着型イメージセンサに応用する場
合、ａ−８ｉ光センサを８１ＭＯ８ＦＥＴスイッチで駆
動する方式が一般的に使われる。第１図にはａ−８ｉイ
メージセンサの等価回路を示す。第１図にオイ’Ｔ：　
１１１ｒＪ、　ａ　−Ｓ　ｉ光センサ、１２はＳｉ　Ｍ
ＯＳ　ＦＥＴスイッチアレイ、１３および走査回路、１
４を内蔵した５ｉＩＣチツプである。この５１Ｍ０８Ｆ
ＥＴスイツチ、１３と個別電極、１５はボンデインク等
の手段によって接続される。ａ−８ｉ光センサは光応答
速度が高いフォトダイオード型であり、高速のイメージ
センサが実現可能となる。ａ−８ｉフオトダイオードで
光信号によって発生した光電流はダイオード内の電荷を
消去し、一定の走査時間（蓄積時間）後ＭＯ８ＦＥＴが
スイッチされることによって外部端子から流れ込む充電
電流を検出することにより光信号を検出する。この信号
検出方法においては、信号量は走査時間と受光面積に比
例し、かつイメージセンサの雑音はＭＯＳ　ＦＥＴのス
イッチングノイズでほぼ決定され、フォトダイオードの
暗電流にはほとんど無関係である。したがってイメージ
センナを高速で高解像度に動作させるほどＳ／Ｎは低下
してしまう。

またこの長尺のイメージセンナをカラー化するにはフォ
トセンサアレイにおいて赤（Ｒ）、緑（Ｇ）。

青（Ｂ）等のそれぞれの光に感するフォトセンサを順次
並べることにより達成される。一般的には第２図（、）
　ｊ（ｂ）の部分断面図と部分平面図に示す様に４囚別
電極２２上にａ−８ｉ２３を堆積し、その表面に透明導
電膜２４を設はフォトダイオードとし、フォトセンサの
光入射面に色フィルタ２６を付着することによシカラー
化が計られる。ここで２５は遮光膜で分解能を良くする
ために設けられておいるか、不可欠のものではない。こ
れは後述するセンサにおいても同じことが言える。

しかし、上述の場合、高解像度のカラーイメージセンサ
を実現するためには、単色のイメージセンサに比べて識
別できる色の分だけ光センサが必要であシ、フルカラー
のイメージセンサにおいては赤、緑、青の光に感するフ
ォトダイオードアレイの場合には３倍のフォトセンサが
必要となり一素子あたシの受光面積が減少する。その結
果、信号量が減少しＳ／Ｎの低下をもたらすほか、高速
動作を難しくなる。

また、前述した様にフォトセンサとＭＯ８ＦＥＴスイッ
チはボンディング等の手段により接続されているが、カ
ラー化によシ２〜３倍以上のフォトセンサが必要なこと
はそれだけボンディング等の接続箇所が増え、’ＩＣチ
ップも増加する。これは密着型イメージセンサの信頼性
の低下、コスト高につながる。

また、大面積の２次元イメージセンサを考えた場合、各
フォトセンサにはこれを走査するスイッチング素子を接
続する必要があるが、フォトセンサと同一平面内にスイ
ッチング素子を並べることはフォトセンサの受光面積を
減少させてＳ／Ｎ低下の原因となる。

（発明の目的） 本発明の目的は、前記従来の長尺、大面積のイメージセ
ンサが持つ欠点を解決せしめ、高Ｓ　／Ｎ。

高解像度、かつ信頼性が高く、低価格を達成するイメー
ジセンサを提供することにある。

（発明の構成） 本発明によれば絶縁性基板上に非晶質シリコンを基体と
したフォトダイオードが構成され、かつ該フォトダイオ
ード土岐金属からなる遮光層を介して非晶質シリコンを
基体としたブロッキングダイオードが設けられた積層構
造からなるセンサな１個以上備えることを特徴とするイ
メージセンサが得られる。

前記本発明においてフォトダイオードおよびブロッキン
グダイオードが、それぞれ、Ｍ工ｓ接合、ショットキ接
触少ヘテロ接合・ｐ−１−ｎ接合りｐ−ｎ接合から選択
された一つ以上の接合を含んで構成される。

（発明の概要） 前記本発明はモノカラー少フルカラーのイメージセンサ
も容易に実現することができる。フルカラー化に必要な
例えば赤ア緑ツ青の光に感度を有するフォトセンサは第
３図（ａ）　ｌ　（ｂ）の部分断面図と部分平面図に示
す様に副走査方向に並んだそれぞれの色フィルタが付い
た透明電極と主走査方向に並んだ個別電極とのマトリク
ス配線の交点に設置される。この３つの色に感するフォ
トセンサは信号処理により最終的に１素子として合成出
力されるため、第２図（ａ）　ｊ　（１））の主走査方
向に並べた同じ分解能を有するカラーイメージセンサに
比較して３倍の受光面積を有することができる。言いか
えれば、光信号が３倍に増加することにより３倍のＳ／
Ｎを有することができ高速のイメージセンサに適してい
るといえる。また２色の識別だけで良い場合には２色の
カラーフィルタが付いた２列のフォトセンサ・ブロッキ
ングダイオードアレイで十分である。これらの場合、そ
れぞれの色の信号光に対するフォトセンサアレイは位置
的にずれているだめに得られる光信号は時間的に補正す
る必要があるが、この補正は最近の遅延回路や記憶回路
素子の発達状況から考えて何ら問題はない。

一方ａ　−８ｉは長波長の光に対する吸収係数が小さい
ため赤色の光はフォトダイオードを通過してしまい、フ
ォトダイオードの下側にあるブロッキングダイオードを
照射し誤動作のおそれがある。

そのため、本特許においては第３図に示す様に導電性走
光層を設けてブロッキングダイオードに光が照射するの
をおさえである。

まだ上述のイメージセンサとスイッチング素子との接続
を考えると第４図に示す等価回路でわかる様に、それぞ
れの色に感するンオトセンサ３２で１つのＦＥＴスイッ
チ１３と接続されたマトリクス回路を形成しており、従
来例の第１図と比較するとボンディング等の接続手段が
少なくて良い。

また、第５図（ａ）　ｌ　（ｂ）に示すように２列のフ
ォＩ・センサアレイを用い、１列目のフォトセンサアレ
イと２列目の７オトセンサアレイで異なる主走査方向の
情報な得だ後、合成することにより解像度の高い画像が
得られる。第５図では、２列のフォトセンサアレイを示
しであるが、３列以上のフォトセンサアレイを形成する
ことによＶさらに高解像度のイメージセンサが実現され
る。また、轟然のことながらこのような配置のフォトセ
ンサアレイにカラーフィルタを設けることにより高解像
度のカラーイメージセンサが実現される。

（実施例） 次に本発明−の実施例について図面を用いて詳細に説明
する。第３図（ａ）　Ｉ　（ｈ）は本発明の第１の実施
例でを）るカラーイメージセンサについて部分断面図と
平面図を示すものである。ガラス基板等の絶縁性基板２
１上に個別電極２２としてクロミウムを７００オングス
トロ一ム蒸着し必要な綜密度、例えば８素子／韻のイメ
ージセンサの場合には約１００μｍの幅にエツチングす
る。続いて非晶質８ｉを基体としたブロッキングダイオ
ード３］を形成し遮光層３２としてモリブデンを１００
０オングストローム蒸着し続いて非晶質Ｓ１を基体とし
たフォトダイオード３３を形成する。続いてドライエツ
チングプロセスによりこれらブロッキングダイオードク
遮光層？フォトダイオードを島状にエツチングする。こ
の島の面積は例えば８ドツト／ｆｉのイメージセンサで
は１００μｍ×１４０μｍであった。

その後、ブロッキングダイオードとフォトダイオードの
保護層３４として５Ｉ０２を１ミクロンメートル形成し
エツチング加工によりコンタクトホールを形成した後透
明導電膜２４として酸化インヂウム錫を７００オングス
トローム、遮光層２５としてクロミラムラ１５００オン
グストローム蒸着しエツチング加工により共通電極とし
て島状に加工する。

最後にポリマをスピンコードした後赤ν緑２青の染料を
次々にポリ４中に熱拡散させ３列の島状のカラーフィル
タ２６を形成する。ここで、染色工程に用いた染色済と
しては、例えば青用としてイーストマンポリエステルブ
ルー４ＲＬ色素、赤用にイーストマンポリエステルレッ
ド９０１色ｇ、縁周にイーストマンイエローＲ−ＧＦＤ
色素とイーストマンブルーＢＧＮ色素を用いた。これら
カラーフィルタの１つの島の形状は例えばＡ４判用のイ
メージセンサでは約１８０μｍＸ２２Ｑｍであった。

以上のようにしてカラーフィルタを付けたフォトダイオ
ード−ブロッキングダイオードアレイが完了する。その
後、第４図に示す様に走査回路１４、スイッチング素子
１３が含まれた５ｉＩＣチツプ１２が基板上に設置され
フォトダイオード−ブロッキングダイオードアレイと５
ｉＩＣチツプがワイヤボンディングによシ接続されてイ
メージセンサとして完成される。ここではフォトダイオ
ード−ブロッキングダイオードアレイと５ｉＩＣチツプ
が同一基板上に設置されボンディング等の手段によシ接
続されているがそれぞれ別々の基板上に設置され、イン
ターコネクタ等の手段によシ接続されたとしても本発明
の有効性は何ら障われない。

また、本実施例では遮光層３２としてモリブデン金属を
用いているがアルミニウム２ニツケルアクロミウムク白
金等の他の金属や導電性カーボンでも本発明の効果は変
らない。

第６図（ａ）　ｙ　（ｂ）は本発明の別のカラーフィル
タを設けた実施例の部分断面図と部分平面図を示す。

この実施例ではカラーフィルタとして白色（５）ｙ黄色
（Ｙ）　＝シアン（Ｃｙ）に感度を崩した３列のフォト
ダイオードアレイで構成されている。この他にもＷ　−
Ｇ　−ｃｙツＷ−Ｇ−ＹｊＧ−Ｃｙ　−Ｙ等の組み合せ
のカラーフィルタフォトダイオード−ブロッキングダイ
オードアレイでも本発明は有効に作用する。

第５図（−）　＝　（ｂ）は本発明の第３の実施例の部
分断面と部分平面図を示す。との実施例では、副走査方
向、の第２のフォトダイオード−ブロッキングダイオー
ドアレイ５２は主走査方向に対し、第１のフォトダイオ
ード−ブロッキングダイオードアレイのアレイ間に位置
している。しだがって第１のフォトダイオードからの信
号出力と第２のフォトダイオードの信号出力を時間的に
調整して合成することによシ、個別電極２２の線密度よ
シも２倍の分解能を持つ出力信号が得られた。この実施
例においては２列の７オトダイオードーブロツキングダ
イオードアレイを形成しているが、さらに３列以上にす
ることによシさらに高分解能のイメージセンサが得られ
る。またこのイメージセンサの受光ａ＝ｔにカラーフィ
ルタを設け、高解像度のカシ−イメージセンサとして用
いたとしても本発明は有効である。

第７図（ａ’）　）（ｂ）は本発明を２次元のイメージ
センサに応用した時の実施例の部分断面図と部分平面図
を示す。ガラス基板またはセラミック基板上等の絶縁性
基板上に縦方向の走査電極７１としてアルミニウムを形
成し２００μｍ幅、４本／諷にエツチング加工するその
後非晶質シリコンを基体としたブロッキングダイオード
３１、遮光層３２であるモリブデンシリコン合金を１５
００オングストロ一ム蒸着する。さらに非晶質シリコン
を基体としたフォトダイオード３３を形成しドライエツ
チングによシフオドダイオード−ブロッキングダイオー
ドを島状に加工する。

５ｉ０２絶縁層３４をスパッタ法で形成し、コンタクト
ホールを形成した後、透明導電層２４である酸化インジ
ウム錫を７００オングストローム、遮光層と導電層を兼
用したクロミウムを１５００オングストロ一ム蒸着し２
００μｍ、４本／戴の線密度にパターニングし横方向の
走査電極７２を形成する。

さらにポリマーを付着させ、赤緑青の染料を次々とポリ
マー中に拡散させることによりカラーフィルタアレイ２
６を形成する。最後にスイッチング素子と走査回路を内
蔵したスイッチングＩＣを絶縁性基板上に取シ付けそれ
ぞれの走査電極とスイッチング素子をワイヤボンディン
グによシ接続させてイメージセンサデバイスが完成され
る。

第８図（、）　−（ｂ）は補色系のカラーフィルタによ
って構成された本発明の一実施例の部分断面図と部分平
面図を示す。この実施例ではインタレース走査できるよ
うにカラーフィルタアレイが構成されて成シ、かつ走査
ＩＣの設置場所を絶縁性基板の４辺に配置できるように
交互ひきだし配線している。

以上の実施例によ多走査電極数が少なく、光信号量が多
くＳ／Ｎの大きいイメージセンサが得られる。

次に本発明に使われるフォトダイオード−ブロッキング
ダイオード積層構造について図面を用いて説明する。

第９図はフォトダイオード−ブロッキングダイオード積
層構造の第一の実施例を示す。島状にパターン化された
金属電極が付いた絶縁性基板２１上にｎ型の非晶質シリ
コン９１を５００オングストローム、高抵抗の非晶質シ
リコン層９２を５０００オングストロームｐ型の非晶質
シリコン層９３を６００オングストローム形成した後、
遮光用金属電極３２を１５００オングストローム形成し
ｐ型の非晶質シリコン９３を５００オングストローム高
抵抗の非晶質シリコン９２を５０００オングストローム
、ｎ型の非晶質シリコン９１を１５０オングストローム
形成する。最後にドライエツチング法によシ島状にエツ
チングしてｎ−１−ｐ非晶質シリコンフォトダイオード
−ｐ−ｉ−ｎ非晶質シリコンブロッキングダイオード構
造を完成させる。なお第９図にはわかりやすくするため
パッシベーション層や遮光用共通電極は省略し透明導電
膜２４のみ示しである。

ここで用いた非晶質シリコンｉｊ：　Ｓ　ｉ　Ｈ４ｉ　
ス、Ｓ　ｉ　ｚ　Ｈ６ガス等のグロー放電分解法で形成
されるが、水素とアルゴンガス等を用いた反応性スノく
ツタリング法によっても形成できる。まだｎ型の非晶質
シリコンにはＰＨ，ｒ　ＡｓＨ−３ガスを混入したＳｉ
Ｈ４ツ５ｉ２Ｉ（６ガスのグロー放電分解により形成さ
れ、ｐ型の非晶質シリコンはＢ２Ｈ６・ＢＦｓ等のガス
を混入したＳｉＨ４＋　８ｉ２Ｈ６ガスのグロー放電分
解によシ形成可能である。

第１０図はフォトダイオード−ブロッキングダイオード
積層構造の第二の実施例を示す。この実施例は第１０図
の実施例とは逆にｐ−１−ｎ非晶質シリコンフォトダイ
オード−ｎ−４−ｐ非晶質シリコンブロッキングダイオ
ードの積層構造である。

第１１図はへテロ接合を用いた実施例を示す。

この実施例ではｎ型非晶質シリコン炭素と高抵抗非晶質
シリコンとのｎ−１−ｐへテロ接合フォトダイオードと
ｐ−１−ｎ非晶質シリコンブロッキングダイオードの積
層構造を示している。この構造においては非晶質シリコ
ン炭素の可視光における吸収係数が非晶質シリコンに比
べて小さいためフォトダイオードの受光■側に設置する
ことによυ短波長光の光感度が向上する利点を有する。

この非晶質シリコン炭素はＳｉＨ４またはＳ　ｉ　２１
−１゜等）Ｓｉを有するガスとＣＨ，Ｆ　Ｃ７Ｈ６１Ｃ
，Ｈ，等の炭素を含むガスをグロー放電分解法によって
形成することができ、ｎ型のドーピングガスとしてはＰ
Ｈ，ツＡｓＨ３ｙ　５ｂＨｓ　ｐ型のドーピングガスと
してＢ２Ｈ。

ガスがある。

壕だこの構造においては第１０図に示しだ様に、ｐ−非
晶質シリコン炭素−１−ｎ非晶質シリコンフォトダイオ
ード−ｎ−ｉ−ｐ非晶質シリコンブロッキングダイオー
ド積層構造やブロッキングダイオードのｎ型層に非晶質
シリコン炭素を用いた構造、ｉ層にも非晶質シリコン炭
素を用いることもでき、これらの構造に対しても本発明
は有効に作用する。

第１２図はショットキ接合を用いた場合の本発明の実施
例について示す。この実施例では透明電極−非晶質シリ
コン−金属（遮光用金属）ショットキ接合非晶質シリコ
ンフォトダイオードとｐ−１−ｎ非晶質シリコンブロッ
キングダイオードの積層構造である。との構造では透明
電極と非晶質シリコン、金属と非晶質シリコンの間でブ
ロッキングコンタクトを形成しており逆方向電流は著し
くおさえられる。

第１３図はＭＩＳ型ダイオードを用いた場合の実施例を
示す。この積層構造においては、Ｐ−１−ｎ非晶質シリ
コンブロッキングダイオード、遮光用金属、を順次形成
した後、硼素とドープしたｐｍ非晶質シリコン９１を１
０００オングストローム、高抵抗非晶質シリコン９５を
７０００オングストローム、窒化シリコンあるいは酸化
シリコン等の絶縁層９６を２００〜３００オン゛ゲス斗
口゛−ム形成してＭＩＳ型フォトダイオードを形成する
。この薄い絶縁層９６はＳｉＨ＋やＳ　ｉ　２　Ｈ６と
ＮＨ，、Ｎ、の混合ガスのグロー放電分解、８ｉＨ４や
Ｓ　ｉ　２　Ｈ６と馬０、Ｎ２０　ｊ　Ｃｏ２’　Ｏｘ
の混合ガスのグロー放電分解によシ得られ非晶質シリコ
ンと連続的に形成可能である。まだここで用いられてい
る高抵抗非晶質シリコンはＳｉＨ４中に０．１〜５０　
ｐｐｍ　Ｂ！　Ｈ６をドープした高抵抗非晶質シリコン
が逆方向電流を小さくする上で効果的である。

第１４図はショットキバリアダイオード、ペテロ接合ダ
イオ−トン組みあわせた実施例の１例を示す。この実施
例では島状の金属電極２２上に直接高抵抗非晶質シリコ
ンを形成しショットキ接触させさらにｐ型の非晶質シリ
コン炭素９８を形成してヘテｐ接合とショットキ接触を
くみあわせたブロッキングダイオードにする。次に遮光
用金属３２を形成した後ｐ型非晶質シリコン９１１高抵
抗非晶質シリコン９２を形成し透明電極とのショットキ
接合フォトダイオードを形成し、７オトダイオ一ドーブ
ロツキングダイオード積層構造とする。

以上のようにフォトダイオードとブロッキングダイオー
ド積層構造の実施例を述べた。本発明はこの積層構造に
おいて、ＭＩ８構造ショットキ接触、ｐ−１−ｎ接合、
９−ｎ接合のうちから選択された１つ以上の接合の組み
合わせにより実現することができる。

（発明の効果） 以上本発明について実施をもとに詳述してきたが本発明
の効果をより明確にするために、−例として、フォトダ
イオード、およびプ０ツキングダイオードを非晶質シリ
コンを基体として、遮光層比較すると次のようＫなる。

さらに同一の解像度（８本／′Ｂ）を有する力２−イメ
ージセンサを作った場合のＳ／Ｎ特性、およこのように
本発明によれば、解像度、Ｓ／Ｎ１生産性を大幅に改善
することができ、その産業上の効果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来例によるカラーイメージセンサの等価回路
を示す。図中１１は非晶質８ｉフオトダイオード、１２
は５ｉＩＣチツプ、１３はＭＯＳ　ＦＥＦスイッチ、１
４は走査回路、１５は個別電極を示す。 第２図（ａ）　ｐ（ｂ）は従来例によるカラーイメージ
センサの部外断面図と部分平面図を示す。図中、２１は
ガラス、セラミック等の絶縁性基板、２２は個’ａｌｌ
　＃家Ｆｉｔ９２　シナ４トＪｌルｔＱＩ　’）ｊ　ν
（］１叩讐太−９ζシ七オ光膜、２６はカラーフィルタ
を示す。 第３図（ａ）　＝　（ｂ）は本発明を用いたカラーイメ
ージセンサの部分断面図と部分平面図を示す。図中、３
１はブロッキングダイオード、３２は遮光用金属、３３
はフォトダイノードを示す。 第４図は本発明を用いたカラーイメージセンサの等価回
路を示す。 第５図（ａ）　ｓ　（ｂ）は本発明による高解像度イメ
ージセンサの部分断面図と部分平面図を示す。図中５１
は第１の７オトダイオードーブロツキングダイオードア
レイ、５２は第２の７オトダイオードーブロツキングダ
イオードアレイを示す。 第６図（ａ）　＝　（ｂ）は本発明によるカラーイメー
ジセンナの別の実施例の部分断面図と部分平面図を示す
。 第７図（ａ）　ｊ　（ｂ）は二次元カラーイメージセン
サの実施例の部分断面図と部分平面図を示す。図中、７
１は縦方向の走査電極、７２は水平方向の走査電極を示
す。 笛Ｒｒ；１ｌＪ（、）、　（ｈ）は−六子七う−イＸ　
−？ジセン廿の別の実施例の部分断面図と部分平面図を
示す。 第９図り第１０図２第１１図夕第１２図り第１０図２第
１１図は本発明によるフォトダイオード−ブロッキング
ダイオードアレイの実施例を示す。 代理人弁理士　内　原　習 第１図 ５ 第２図 第　３　図 （ｂ） 箔　６　図 第　７　図 ７２ （ｂ）ｒ−一一一一 第　６　図 第９図 第１０図 章ｌ１図 第　１２　図 第１３図 第　／４＠

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁性基板上に非晶質シリコンを基体としたフォト
   ダイオードが構成され、゛かつ該フォトダイオード上に
   金属からなる遮光層を介して非晶質シリコンを基体とし
   たブロッキングダイオニドが設けられた積層構造からな
   るセンサを１個以上備えることを特徴とするイメージセ
   ンサ。 ２、前記フォトダイオードおよびブロッキングダイオー
   ドが、それぞれ、ＭＩ８接合アショットキ接触ｐヘテロ
   接合ｙｐ−ｉ−ｎ接合ｊｐ−ｆｉ接合から選択された一
   つ以上の接合を含んで構成されている特許請求の範囲第
   １項記載のイメージセンサ。 ３、前記積層構造からなるセンサが一次元もしくは二次
   元に配列されている特許請求の範囲第１項記載のイメー
   ジセンサ。