JPS63233574A - 光電変換装置 - 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】 ［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装置に係り、
特に非晶質半導体中の電荷増倍作用を用いて高感度を実
現する光電変換装置に関する。

［従来の技術］ 従来、非晶質半導体を主体とする光電変換素子として、
フォトセル、−次元イメージセンサ−（例えば、特許第
１０２２６３３号）、固体駆動回路と非晶質光導電体と
を組合せた２次元イメージセンサ−（例えば特公昭５９
−２６１５４号）、光導電形撮像管（例えば、特許第９
０２１８９号）などが知られている。

このような光電変換素子には、信号電極からの電荷の注
入を阻止した構造のものと、双方、あるいは一方の電極
から電荷が注入される構造の、いわゆる注入型構造のも
のがある。注入型素子では、原理的に入射光子数以上の
電荷を外部回路に取りだすことができるので、光電変換
の利得が１より大の高感度を達成することが可能で、例
えばフォトトランジスタ特性を有する光導電膜と読み取
り回路を積層した撮像素子（特開昭６１−２２２３８３
号）が提案されているが、一般にこの方式では光応答特
性に問題がある。一方、電荷注入阻止型構造の素子にお
いては、良好な光応答特性が得られるが、通常、入射光
によって生成されたキャリア数以上の信号電荷を取り出
すことはできず、光電変換の利得は１以下である。しか
しこの場合。

光導電層内部での電荷増倍作用を用いれば良好な光応答
特性を維持したまま、利得１以上の高感度が達成できる
。

非晶質半導体を用い、上記動作を実現する方式として、
従来、水素やハロゲン（例、えばフッ素、塩素等）をふ
くむＳｉを主体とする非晶質半導体で、結晶Ｓｉと同様
なｐ０πｐｎｎ”接合を形成してｐｎ接合部空乏層で７
バランシ工動作を発生させて信号増幅を行う方式（特願
昭５５−９５９５３号）、あるいは、Ｓｓ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
導体層内でアバランシェ動作を発生させて信号増幅を行
う方式が提案されている。（テレビ学技報１９８７年　
第１０巻、１〜６頁） ［発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術である非晶質Ｓｉのｐｎ接合部でのアバラ
ンシェ増倍、あるいは非晶質Ｓｅ中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ついて
十分な配慮がなされていなかった。

すなわち、前者の場合には、室温以上の温度において暗
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。

また後者においては、非晶質材料自身の耐熱性が乏しく
、高温環境に長時間放置した場合、特性の劣化が顕著で
あった。また、前者の場合には、熱的安定性の問題に加
え％　Ｐ　ｎ接合界面に再結合中心が多数存在するため
、空乏層があまり広がらず、その結果、十分な増幅率が
得られないという欠点もあった。

本発明の目的は、上記従来の問題点を除去し、光電変換
の利得が１よりも大きく、光応答特性も良好で、耐熱性
のすぐれた非晶質半導体光電変換素子を提供することに
ある。

［問題点を解決するための手段〕 上記目的は、光電変換装置の光導電層の少なくとも一部
に、水素およびハロゲン元素のすくなくとも一部を含有
する珪素と炭素の化合物（炭化珪素）を主体とする非晶
質半導体層を用い、それを非晶質半導体層内で電荷増倍
作用が生じる電界で動作させることにより達成される。

本発明者等は、すでに、Ｓｅを主体とする非晶質半導体
層に強い電界をかけると非晶質半導体層の内部で電荷増
倍作用が起こることを発見したが。

今回、上記現象は必ずしも非晶質Ｓｅに限られるもので
はなく、水素またはハロゲンを含む炭化珪素を主体とす
る非晶質材料においても認められることを発見した。水
素またはハロゲンの漁船元素含有量は０．５〜３０原子
％が好ましく、より好ましくは、５〜２０原子％程度が
良い、このような上記非晶質材料はＳｓに比べ熱的安定
性に優れ。

また非晶質Ｓｉに比べ、一般に禁制帯幅が広く熱励起キ
ャリアが少ないため、高温動作の際も暗電流の増加が少
ない、また、上記材料においては炭素と珪素の組成比を
変えて禁制帯幅を制御できるため、使用条件に合わせて
最適な禁制帯幅の材料を選択することができ、きわめて
有効である。このように炭化珪素を主体とする非晶質半
導体を用いれば、従来の非晶質材料を用いた増倍型受光
素子に特有の高温動作時の問題を解決できる。

第１図は本発明を実施する場合の光電変換装置の原理的
構成図である。基板１．信号読み出し電極２（厚さは３
０００λ以下）、電荷注入阻止層３（厚さ５０〜５００
０人程度）、電人程倍作用を有する非晶質半導体を含む
光導電層４（厚さ対電極６が基本部分である。ただしこ
こで、光導電膜４と電極２、あるいは電極６とのあいだ
に十分な整流性接触が得られている場合には、電荷注入
阻止層３あるいは５を省略することもできる。

［作用］ 第１図に示す構造の光電変換装置に、非晶質半導体層内
でアバランシェ増倍を起こすために必要な電界を印加す
る０発明者等が発見したように、非晶質半導体層が水素
もしくはハロゲンを含む炭化珪素を主体とする材料から
構成されていれば、Ｓｓを主体とする非晶質半導体層を
用いるものよりも熱的安定性が良く、又、非晶質Ｓｉを
用いる場合よりも禁制帯幅が広く、熱平衡時のキャリア
数が少ないために、暗電流が小さい、従って本発明に依
れば、高温においても電荷増倍作用を得るに十分な高電
界を印加することができ、しかも、大面積でありながら
暗電流が結晶半導体の１００分の１以下にできる。

この状態で透光性導電膜側から光を照射すると。

入射光は非晶質半導体層を含む光導電層内で吸収されて
電子正孔対を発生し、それらは逆向きに印加電圧の向き
で決まる方向へ走行する。従って。

採用した非晶質材料中でイオン化率の大きいほうの電荷
が非晶質層内を高電界下で走行する際、有効に電荷増倍
作用が起こるように非晶質層の膜厚と電界の向きを設定
しておけば、高速の光応答特性を維持したままで利得が
１より大の高感度で、しかも熱的にも安定な素子特性を
得ることができる。

さらに、非晶質半導体は均質かつ大面積の薄膜形成が容
易であり、簡便なプロセスで任意の基板上に堆積が可能
であり、均質な増倍率が得られる点で本発明は極めて有
効である。

発明者等は、非晶質炭化珪素におけるアバランシェ動作
をより詳細に検討し、炭素の組成比が５％〜５０％の範
囲で禁止帯幅１．９〜２．６ｅＶが得られて効果的にア
バランシェ動作でき、さらに十分な増倍率を得るために
は非晶質炭化珪素層の膜厚が、０．５μｍ以上であるこ
とが望ましいること°を見出した。

また、非晶質炭化珪素に、Ｐ、Ａｓ、等のＶ族元素、あ
るいは、Ｂ、ＡＩ等のＩＩＩ族元素を微量に添加してア
バランシェ増倍層に用いても良いが。

その場合は常温での抵抗率を１０ｔｏΩＱｍ以上にして
おくことが望ましい。

更にまた。非晶質炭化珪素の層は単に一様な層である必
要は無く、ｐｎ接合を形成して、その接合部分で効率的
にアバランシェ増倍を起こさせる構造としても良く、ま
た、膜厚方向に例えば炭素濃度を変化させて禁止帯幅を
制御し、電荷増倍率を実効的に増加せしめるような構造
としても良い。

また、図１の構成において、電荷注入阻止層を設けて電
荷注入阻止接触を強化する場合、以下に記す層が有効で
李る。

すなわち、正孔注入阻止層としては、水素もしくはハロ
ゲン元素の少なくとも一考を含む非晶質炭化珪素もしく
は窒化珪素、あるいは、水素もしくはハロゲン元素の少
なくとも一考と、Ｐ、Ａｓ等のＶ族元素の少なくとも一
考とを含むｎ型非晶質炭化珪素もしくは窒化珪素、ある
いは、Ｇｏ。

Ｇｅ、Ｚｎ、Ｃｄｓ　Ａｌ、Ｓｉ、Ｎｂ、Ｔａ。

Ｃｒ＊Ｗの少なくとも一考の酸化物、あるいは、以上の
層の２者以上の組合せが適している。

また、電子注入阻止層としては、水素もしくはハロゲン
元素の少なくとも一考を含む非晶質炭化珪素もしくは窒
化珪素、あるいは、水素もしくはハロゲン元素の少なく
とも一考と、Ｂ、Ａ１等のＩＩＩ族元素の少なくとも一
考とを含むｐ型非晶質炭化珪素もしくは窒化珪素、ある
いは、　Ｉｒの酸化物、あるいは、　Ｓ　ｂ２Ｆｓ３ｇ
　Ａ　５１１Ｓ３？　Ａ　ｓｒｓ　ｅ３ｇＳ　ｅ−Ａ　
ｓ−Ｔ　ｅ等のカルコゲナイド、あるいは。

以上の層の２者以上の組合せが適している。

ここで、電荷注入阻止層として用いる炭化珪素は、電荷
増倍層として用いる炭化珪素と異なり。

注入を阻止する電荷に対応して、炭素の組成比を５０％
以上まで変化させたものであっても構ねない。

さらに、以上では光導電層が専ら非晶質炭化珪素のみか
ら成る光電変換装置について述べたが、非晶質半導体は
結晶と異なり任意の異種材料の積層が可能なので、光導
電層を非晶質炭化珪黍層単層とせず、同様な電荷増倍作
用を有する他の熱的に安定な非晶質半導体層と積層した
構成でもよく、また光導電層全体が必ずしも非晶質半導
体である必要は無く、結晶半導体と非晶質半導体の層を
積層した構成でもよく、さらに、信号読み取り回路基板
などの上に堆積した構成でもよい。本発明で必要なこと
は、光導電層を構成する層のうち少なくとも一部に、水
素もしくはハロゲン元素の少なくとも一部を含む炭化珪
素を主体とする非晶質半導体層を設け、その層内で電荷
増倍作用を生じさせ、感度を高めるようにすることマあ
る。

第２図、第３図に本発明を実施した場合の効果を示す、
第２図は、透光性ガラス基板上に順次透明電極、電子注
入阻止層、真性非晶質炭化珪素層。

正孔注入阻止層、Ａｌ電極を堆積した、実効面積Ｌｃｍ
”の受光素子（Ａ）と、透明電極を堆積した透光性基板
上に、非晶質珪素を用いてｐ０πｐｎｎ３接合を形成し
、その上にＡ１電極を堆積した、実効面積１ｃｍ”の受
光素子（Ｂ）に、（Ａ）の場合は非晶質珪素層内全体、
（Ｂ）の場合はｐｎ接合の空乏層部分でアバランシェ増
倍が得られるような電界を印加して動作させた際の、暗
電流及び光電変換の利得の温度依存性を示す、受光素子
（Ｂ）では全温度域で利得が不十分であり、かつ。

温度上昇に伴い暗電流が大幅に増加しているのに対し、
受光素子（Ａ）では、利得、暗電流とも良好な振舞を示
している。

次に、第３図は前述の素子（Ａ）と、透光性基板上に順
次透明電極、正孔注入阻止層、非晶質Ｓｅ層、Ａｕ電極
を堆積した実効面積１ｃｍ”の受光素子（Ｃ）を８０℃
で１００時間連続動作させた場合の素子破損率を示す、
素子（Ｃ）に比べ、素子（Ａ）の場合、破損率が大幅に
低下している。

ところで、以上では、炭化珪素系非晶質半導体中に於る
アバランシェ効果を主に光電−変換装置へ適用した例に
ついて述べたが、本発明を光電変換装置以外にも、より
一般の増幅素子やスイッチング素子へも適用できること
は言うまでもない。

以下、本発明を実施例により詳しく説明する。

以下の実施例において、非晶質炭化珪素’（ａ−８ｉ　
１−ｘＣ×：　Ｈ）は、ＳｉＨ４，ＳｉＦ４等とＣＨ４
゜Ｃ１１Ｈａ　ｅ　Ｃ２Ｈ４等を原料ガスとするプラズ
マＣＶＤ法、あるいはＨｐ　Ａ　ｒ　ｇ　ＣＨ４等のガ
ス雰囲気中でのＳｉの反応性スパッタリング法によって
作　−成する。このとき、膜中の炭素濃度は、原料ガス
の流量、雰囲気ガスの分圧を調整して制御する。

また、上記の方法において、原料ガスあるいは雰囲気ガ
スとして、上記ガスの他に、ＰｇＡｓｇｓｂ等Ｖ族のガ
ス状化合物を加えることで、ｎ型ａ　−Ｓ　ｉ　Ｃ：　
Ｈが、ま九Ｂ、ＡＩ等■族のガス状化合物を加えること
で、ｐ型ａ−８ｉＣ：Ｈが得られる。

実施例１ 透光性基板１上に酸化イリジウムを主体とする透明電極
２を形成する。その上に、非晶質半導体を含む光導電層
４として、膜厚０．５〜１０μｍのａ−８ｉ２゜Ｃ３゜
：Ｈを形成する。その上に、Ｐを５０ｐｐｍドープした
ａ−５ｉｓ６Ｃ６１）：Ｈを１０ｎｍの厚さ形成し、正
孔注入阻止層５とする。

さらにその上に、対電極６としてＡｌ電極を堆積して、
第３図に示す光電変換装置を得る。

実施例２ 第４図は本発明の一実施例である受光素子の概念的な構
造を示す図である。この受光素子は透光性基板１０１の
上に酸化インジウムを主体とする透明電極２０１．電子
注入阻止層７．光導電層４０１、正孔注入阻止層８．Ａ
ｕ電極６０１を順次堆積して成る。電子注入阻止層７と
しては、ａ・−８ｉ＠。Ｃ４゜：Ｈからなる層７０１と
、Ｂを１１００ｐｐドープしたａ−８ｉ、ｏＣ，、Ｈか
らなる層７０２を、それぞれ５ｎｍの膜厚で交互に三層
ずつ積層したものを用いる。光電変換層４０１としては
、膜厚２〜８μｍの、Ｐを５ｐｐｍドープしたａ−Ｓｉ
ｇ。Ｃ３゜：Ｈを用いる。また正孔注入阻止層８として
は、Ａｓを５０ｐｐｍドープしたａ−８ｉｔｏＣｓｏ：
Ｈからなる層８０１と、　ａ−８ｉ５゜Ｃ５゜：Ｈから
なる層８０２を、それぞれ２．５ｎｍの膜厚で交互に４
ＪＷずつ堆積したものを用いる。電荷注入阻止層として
、上記のようにアンドープの禁止帯幅の広いａ−８ｉＣ
：Ｈ層と、°ドーピングした禁止帯幅の狭いａ　−Ｓ　
ｉ　Ｃ：　Ｈ層を積層して用いれば、膜質が良好で電荷
注入阻止能の優れた、実効的に広禁止帯幅のｐ型或はｎ
型ａ−８ｉＣ：Ｈを得ることができる。

実施例３ 半絶縁性半導体基板１上に、Ｃｒを主体とする電極２を
形成する。その上に、正孔注入阻止層３として、ａ−５
ｉＮ：Ｈを膜厚１０ｎｍ堆積する。

次に、光導電層として、、−８ｉａｏＣｓｏ：Ｈを０．
５〜１０μｍの膜厚に堆積する０次に電子注入阻止層５
として、シリコン酸化物の薄層を膜厚８ｎｍ堆積する。

その上に、酸化スズを主体とする透明電極６を形成して
、第１図に示す光電変換装置を得る。

実施例４ 第５図（ａ）に、本発明の別の実施例である受光素子の
概念的な構造を示す、この素子は、任意の基板１の上に
、Ｔａを主体とする電極２ｏ２゜正孔注入阻止層７１．
非晶質半導体層４０２．電子注入阻止層８１．酸化イン
ジウムを主体とする透明電極６０２を順次形成しぞ成る
。正孔注入阻止層７１としては、膜厚１０ｎｍのＣｅＯ
２を、また電子注入阻止層８１としては膜厚１０ｎｍの
Ｂを１１００ｐｐドープしたａ−Ｓ　ｉ　ＴＯＣ３６：
　Ｈを用いる。非晶質半導体層４０２としては、膜厚２
μｍのａ−５ｉＣ：Ｈ層を用いる。このとき。

初めの１’ＯＯｎ　ｍの部分４０３で、膜中のＣ濃度が
３５％から１０％まで減少するようにする。以下、これ
を−周期とし、同様の操作を繰り返して（Ｎえば２０周
期程度）非晶質半導体層４０２を完成させる。この結果
、第５図（ｂ）に示すように。

非晶質層の禁止帯幅は１１００ｎ周期で２．３ｅＶから
２’、ＯｅＶまで変化するようになる。このとき、禁止
帯幅の不連続部分４０４においては禁止帯幅の値が大き
く変化するが１本実施例のようにＳｉと炭素からなる化
合物の組成を変化させて禁止帯幅を変えた場合、不連続
部分４０４における禁止帯幅の差分は、はとんどが導電
帯側のズレとして寄与する。従って、この素子を電子注
入阻止層８１側を負にバイアスして用いた場合、走行す
る電子は、禁止帯幅の不連続部分４０４を通過するとき
導電帯のエネルギー差に相当するエネルギーを得ること
になり、禁止帯幅が連続的な場合に比べ、実効的な電子
の増倍率を増大せしむることができる。

実施例５ 半絶縁性半導体基板上にｎ９型結晶Ｓｉを主体とする電
極を形成する。その上に、正孔注入阻止層として、Ｐを
１１００ｐｐドープしたａ−８ｉ７（Ｉ　Ｃ３０：　Ｈ
を、５ｎｍの膜厚に堆積する１次に。

膜厚０．５〜１０μｍのａ　−Ｓ　ｉ　Ｃ：　Ｈを主体
とする非晶質半導体層を形成する。このとき、膜中のＣ
濃度を制御して、非晶質半導体層内に禁止帯幅の狭い部
分を設ける０例えば、膜厚を２μｍとし、膜中のＣ濃度
を、最初の１．５μｍは３０原子％１次の５０ｎｍは３
０原子％から０％まで連続的に減少させ、その後０．５
μｍの間は０％と一定にし、次の５０ｎｍでは０％から
３０原子％まで連続的に増加させる。この結果、非晶質
層の禁止帯幅は第６図に示すように、Ｃ濃度３０Ｊｂ％
の部分４１０が２．２ｅＶ、Ｃ濃度０％の部分４１１が
１．８ｅＶとなるように主として導電帯端が絞られる形
となる。その後さらにその上にＢを１１００ｐｐドープ
したａ−８ｉｙ６Ｃ３ｏ：Ｈを１０ｎｍに形成し、電子
注入阻止層とする。さらにその上に、酸化スズを主体と
する透明電極を形成して、光電変換装置を得る。この構
造を採用し、禁止帯幅の狭い部分４１１で入射光を有効
に吸収させることにより、特に長波長の光にたいする光
電変換の効率が高くなり、また、電荷生成層と電荷増倍
層が実質的に分離された構造となるため。

電荷増倍に伴う雑音の発生が抑制できる。

上記実施例１−５の光電変換装置に５　Ｘ　１０’Ｖ　
／　ｍ以上の電界を印加した場合、光応答特性を損なう
こと無く、利得１を越える高感度が実現でき、また、そ
れらを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、阻止型構造の
光導電膜を用いた受光素子のすぐｉた光応答特性を劣化
させること無く、利得が１より大の高感度で、熱的に安
定な、光電変換装置を得ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第２図は、受光素子の暗電流、光電変換の利得の温度依
存性を示す図、第３図は、受光素子の破損率を示す図、
第１図は、電荷注入阻止型構造を有する光電変換装置の
原理的構成を示す図、第４図は、本発明の実施例２の受
光素子の概念的構造を示す図、第５図（ａ）は１本発明
の実施例４の受光素子の概念的構造を示す図、第５図（
ｂ）は、上記受光素子の禁止帯構造を説明する図、第６
図は１本発明の実施例５の素子の禁止帯構造を説明する
図である。 １−一基板、２−一信号読みだし電極 ３−一電荷注入阻止層、４−−光導電層。 ５−一電荷注入阻止層、６−一対電極 第１１！１ ／、養販　λ、ｔｇＡＪ、電碑疹＼租４−１賃Ｗｔ１°
財゛°１．１穆 市　　　　　灯令前ｉ奴− 垢　２　記 ｊ０＃　　　　１６　　　　　Δσ 遥／ｉ　　（’５） ｉ　　　　嘱　３　記 藤 （ドＡ）ｌ邦Ｃ〕 垢１図（ａ） ｆ７　　に　図（し） 檜電１等塙

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、非晶質半導体層を少なくとも含む光導電層を有する
   光電変換装置において、該非晶質半導体層が水素および
   ハロゲン元素のすくなくとも一方を含む珪素と炭素の化
   合物を主体とし、該非晶質半導体層内で電荷増倍作用が
   生じるような電界を印加して動作させることを特徴とす
   る光電変換装置。 ２、前記光導電層の双方の面に、電荷の注入を阻止する
   ような電気的接触を有することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の光電変換装置。 ３、前記第１項記載の珪素および炭素の化合物における
   炭素の組成比が５〜５０原子％であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項又は第２項記載の光電変換装置。 ４、前記非晶質半導体層の中で、主として電子を走行さ
   せ、増倍させるように電界を印加することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項〜３項のいずれかに記載の光電変
   換装置。 ５、前記非晶質半導体層において、珪素および炭素の化
   合物の組成比を膜厚方向に変化させて、電子電流の増倍
   率を増大せしむることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項〜第４項のいずれかに記載の光電変換装置。