(57)【要約】      （修正有）【課題】フォトセンサの赤外光検出性能を高めると共に、リーク電流を低減する。【解決手段】受光層１５１ｃは、マイクロクリスタルシリコン（以下、“μ−ＣＳｉ”と称す。）等の微結晶半導体から構成されている。このような受光層１５１ｃは、アモルファスシリコン等の非晶質半導体層を用いる場合に比べて、赤外光の受光感度を向上させることが可能である。第１半導体層１５１ａ及び受光層１５１ｃ間に介在する第１中間層１５１ｂは、、第１半導体層（１５１ａ）及び受光層１５１ｃと接合層を構成している。第１中間層１５１ｂは、アモルファスシリコン等の非晶質半導体から構成されている。したがって、フォトセンサ１５１は、第１中間層１５１ｂの存在によって、受光層１５１ｃにμＣ−Ｓｉ等の微結晶半導体を用いることによって生じるリーク電流の増大を抑制できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微結晶半導体からなる受光層と、
前記受光層の一方の面側に形成された第１導電型の第１半導体層と、
前記第１半導体層及び前記受光層間に介在し、且つ非晶質半導体からなる第１中間層と
を備えたことを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
前記受光層の他方の面側に形成された第２導電型の第２半導体層と、
前記第２半導体層及び前記受光層間に介在し、且つ非晶質半導体からなる第２中間層と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記受光層の他方の面側に形成され、且つ、第２導電型の微結晶半導体層である第３半導体層と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項４】
（ｉ）微結晶半導体からなる受光層、（ｉｉ）前記受光層の一方の面側に形成された第１導電型の第１半導体層、（ｉｉｉ）前記第１半導体層及び前記受光層間に介在し、且つ非晶質半導体からなる第１中間層、（ｉｖ）前記受光層の他方の面側に形成された第２導電型の第２半導体層、及び（ｖ）前記第２半導体層及び前記受光層間に介在し、且つ非晶質半導体からなる第２中間層を有する光電変換素子と、
前記第２半導体層に電気的に接続された導電部と、
前記導電部を介して前記光電変換素子に電気的に接続され、且つ前記光電変換素子を駆動する薄膜トランジスタとを備え、
前記薄膜トランジスタは、ポリシリコンからなる半導体層を有していること
を特徴とする光電変換装置。
【請求項５】
（ｉ）微結晶半導体からなる受光層、（ｉｉ）前記受光層の一方の面側に形成された第１導電型の第１半導体層、（ｉｉｉ）前記第１半導体層及び前記受光層間に介在し、且つ非晶質半導体からなる第１中間層、及び（ｉｖ）前記受光層の他方の面側に形成され、且つ、第２導電型の微結晶半導体層である第３半導体層を有する光電変換素子と、
前記第３半導体層に電気的に接続された導電部と、
前記導電部を介して前記光電変換素子に電気的に接続され、且つ前記光電変換素子を駆動する薄膜トランジスタとを備え、
前記薄膜トランジスタは、ポリシリコンからなる半導体層を有していること
を特徴とする光電変換装置。
【請求項６】
基板と、
前記基板上の光検出領域を構成する複数の単位領域の夫々に形成されており、（ｉ）微結晶半導体からなる受光層、（ｉｉ）前記受光層の一方の面側に形成された第１導電型の第１半導体層、（ｉｉｉ）前記第１半導体層及び前記受光層間に介在し、且つ非晶質半導体からなる第１中間層を有する光電変換素子と
を備えたことを特徴とするイメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ＰＩＮダイオード等の光電変換素子、及びそのような光電変換素子を備えた光電変換装置、並びに、そのような光電変換装置を備えたイメージセンサの技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のイメージセンサの一例として、アクティブマトリクス方式で駆動されるイメージセンサが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。このようなイメージセンサでは、ｐ型半導体層（Ｐ層）、非晶質半導体層からなる受光層（ｉ層）、及びｎ型半導体層（ｎ層）が相互に積層されたＰＩＮダイオードが光電変換素子として用いられている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−１２１７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、検出対象物を検出するための検出能力を高めることを目的として、赤外光についての感度向上に対する要請がある。しかしながら、この種のイメージセンサに用いられるＰＩＮダイオード等の光電変換素子では、赤外光についての感度を高めることと、微小な光量を検出することとは、トレードオフの関係にある。したがって、赤外光についての感度を高めることと、微小な光量を検出することとを両立させることは技術的に困難であり、赤外光の波長領域までイメージセンサの検出能力を高めることが困難であるという問題点があった。
【０００５】
よって、本発明は上記問題点等に鑑みてなされたものであり、例えば、赤外光を検出する検出性能が高められた光電変換素子、及び光電変換装置、並びに、イメージセンサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る光電変換素子は上記課題を解決するために、微結晶半導体からなる受光層と、前記受光層の一方の面側に形成された第１導電型の第１半導体層と、前記第１半導体層及び前記受光層間に介在し、且つ非晶質半導体からなる第１中間層とを備える。
【０００７】
本発明に係る光電変換素子によれば、受光層は、例えば、アモルファスシリコン等の非晶質半導体層に代えてマイクロクリスタルシリコン（以下、“μＣ−Ｓｉ”と称す。）等の微結晶半導体から構成されている。このような受光層によれば、アモルファスシリコン等の非晶質半導体層を用いる場合に比べて、赤外光について受光感度を向上させることが可能である。
【０００８】
第１半導体層は、例えば、ｎ型のアモルファスシリコン層等の半導体層であり、前記受光層の一方の面側に形成されている。
【０００９】
第１中間層は、前記第１半導体層及び前記受光層間に介在しており、例えば、アモルファスシリコン等の非晶質半導体から構成されている。このような第１中間層によれば、受光層に微結晶半導体を用いることによって生じるリーク電流の増大を抑制できる。
【００１０】
したがって、本発明に係る光電変換素子によれば、赤外光についての受光感度を高め、且つ低光量の光を検出することが可能であり、検出対象物を検出するための検出性能を高めることが可能である。
【００１１】
本発明に係る光電変換素子の一の態様では、前記受光層の他方の面側に形成された第２導電型の第２半導体層と、前記第２半導体層及び前記受光層間に介在し、且つ非晶質半導体からなる第２中間層とを備えていてもよい。
【００１２】
この態様によれば、受光層の一方の面側及び他方の面側の夫々に第１中間層及び第２中間層が形成されているため、受光層の一方の面及び他方の面の一方の側にのみ中間層を形成する場合に比べて、リーク電流の発生をより一層抑制できる。
【００１３】
本発明に係る光電変換素子の他の態様では、前記受光層の他方の面側に形成され、且つ、第２導電型の微結晶半導体層である第３半導体層とを備えていてもよい。
【００１４】
この態様によれば、リーク電流の発生を抑制しつつ、赤外光についての検出性能を高めることが可能である。
【００１５】
本発明に係る光電変換装置は上記課題を解決するために、（ｉ）微結晶半導体からなる受光層、（ｉｉ）前記受光層の一方の面側に形成された第１導電型の第１半導体層、（ｉｉｉ）前記第１半導体層及び前記受光層間に介在し、且つ非晶質半導体からなる第１中間層、（ｉｖ）前記受光層の他方の面側に形成された第２導電型の第２半導体層、及び（ｖ）前記第２半導体層及び前記受光層間に介在し、且つ非晶質半導体からなる第２中間層を有する光電変換素子と、前記第２半導体層に電気的に接続された導電部と、前記導電部を介して前記光電変換素子に電気的に接続され、且つ前記光電変換素子を駆動する薄膜トランジスタとを備え、前記薄膜トランジスタは、ポリシリコンからなる半導体層を有している。
【００１６】
本発明に係る光電変換装置によれば、ポリシリコンからなる半導体層を有する薄膜トランジスタを用いつつ、上述の光電変換素子と同様に、赤外光についての受光感度を高め、且つ低光量の光を検出することが可能であり、検出対象物を検出するための検出性能を高めることが可能である。
【００１７】
本発明に係る光電変換装置は上記課題を解決するために、（ｉ）微結晶半導体からなる受光層、（ｉｉ）前記受光層の一方の面側に形成された第１導電型の第１半導体層、（ｉｉｉ）前記第１半導体層及び前記受光層間に介在し、且つ非晶質半導体からなる第１中間層、及び（ｉｖ）前記受光層の他方の面側に形成され、且つ、第２導電型の微結晶半導体層である第３半導体層を有する光電変換素子と、前記第３半導体層に電気的に接続された導電部と、前記導電部を介して前記光電変換素子に電気的に接続され、且つ前記光電変換素子を駆動する薄膜トランジスタとを備え、前記薄膜トランジスタは、ポリシリコンからなる半導体層を有している。
【００１８】
本発明に係る光電変換装置によれば、ポリシリコンからなる半導体層を有する薄膜トランジスタを用いつつ、上述の光電変換素子と同様に、赤外光についての受光感度を高め、且つ低光量の光を検出することが可能であり、検出対象物を検出するための検出性能を高めることが可能である。
【００１９】
本発明に係るイメージセンサは上記課題を解決するために、基板と、前記基板上の光検出領域を構成する複数の単位領域の夫々に形成されており、（ｉ）微結晶半導体からなる受光層、（ｉｉ）前記受光層の一方の面側に形成された第１導電型の第１半導体層、（ｉｉｉ）前記第１半導体層及び前記受光層間に介在し、且つ非晶質半導体からなる第１中間層を有する光電変換素子とを備えている。
【００２０】
本発明に係るイメージセンサによれば、赤外光の検出性能を高めつつ、微小な光量も検出可能である。したがって、本発明に係るイメージセンサによれば、イメージセンサの総合的な光検出性能を高めることが可能である。
【００２１】
本発明のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施形態から明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る光電変換素子、光電変換装置、及びイメージセンサの各実施形態を説明する。
【００２３】
＜１：イメージセンサ＞
図１及び図２を参照しながら、本実施形態に係るイメージセンサの実施形態を説明する。図１は、本実施形態に係るイメージセンサの平面図である。図２は、本実施形態に係るイメージセンサの単位領域における電気的な構成を示した回路図である。
【００２４】
図１において、イメージセンサ５００は、半導体素子からなる各種回路部が形成された基板１０を備えている。基板１０は、例えば、ガラス基板等の透明基板であり、その上に後述するフォトセンサ及び当該フォトセンサを駆動する駆動用のＴＦＴが形成されている。基板１０上の画像検出領域５１０ａは、本発明の「光検出領域」の典型例である。画像検出領域５１０ａは、基板１０上でマトリクス状に配列された複数の単位領域５５０から構成されている。後述するフォトセンサは、複数の単位領域５５０の夫々に形成されている。イメージセンサ５００は、後述するフォトセンサを備えているため、赤外光の検出性能を高めつつ、微小な光量も検出可能である。したがって、イメージセンサ５００によれば、イメージセンサの総合的な光検出性能を高めることが可能である。
【００２５】
図２において、イメージセンサ５００は、本発明の「光電変換素子」の一例であるフォトセンサ１５１、蓄積容量Ｃ、リセットＴＦＴ１６３、信号増幅用ＴＦＴ１５４、出力制御用ＴＦＴ１５５、入力線１８０、出力線１８１、並びに、ゲート線Ｇ１及びＧ２を備えている。
【００２６】
フォトセンサ１５１は、ＰＩＮダイオードであり、検出対象となる物体に応じて画像検出領域５１０ａに入射する入射光を検出する。リセット用ＴＦＴ１６３のソースは、フォトセンサ１５１の出力側、及び、信号増幅用ＴＦＴ１５４のゲートに電気的に接続されている。リセット用ＴＦＴ１６３のゲートは、リセット用のゲート線Ｇ１に電気的に接続されている。リセット用ＴＦＴ１６３のドレインは、入力線１８０に電気的に接続されている。信号増幅用ＴＦＴ１５４のソース及びドレインの夫々は、出力制御用ＴＦＴ１５５のソース及び入力線１８０の夫々に電気的に接続されている。出力制御用ＴＦＴ１５５のソース、ゲート及びドレインの夫々は、信号増幅用ＴＦＴ１５４のドレイン、選択用のゲート線Ｇ２、及び出力線１８１の夫々に電気的に接続されている。蓄積容量Ｃは、信号増幅用ＴＦＴ１５４のゲート及びゲート線Ｇ１間に電気的に接続されている。
【００２７】
イメージセンサ５００の動作時において、フォトセンサ１５１が入射光を受光した場合、フォトセンサ１５１に光電流が生じ、リセット用ＴＦＴ１６３、電圧増幅用ＴＦＴ１５４、及び出力制御用ＴＦＴ１５５の夫々の動作に応じて、出力信号が出力線１８１に出力される。検出対象である物体は、複数の単位領域５５０の夫々から出力された出力信号に基づいて画像化される。イメージセンサ５００によれば、赤外光の検出性能が高められているため、可視光で検出困難な状況下でも、検出対象となる物体を正確に検出可能である。
【００２８】
＜２：光電変換装置＞
次に、図３を参照しながら、本発明に係る光電変換装置の一実施形態であって、上述したイメージセンサに搭載された光電変換装置を説明する。図３は、本実施形態に係るイメージセンサの単位領域における断面図である。尚、本実施形態に係る光電変換装置は、上述したフォトセンサ１５１を含んで構成されている。
【００２９】
図３において、光電変換装置１９０は、本発明の「光電変換素子」の一例であるフォトセンサ１５１、本発明の「導電部」の一例である陽極１７０、及び、本発明の「薄膜トランジスタ」の一例であるリセット用ＴＦＴ１６３を備えている。
【００３０】
フォトセンサ１５１は、受光層１５１ｃ、第１半導体層１５１ａ、第１中間層１５１ｂ、第２半導体層１５１ｅ、及び第２中間層１５１ｄを備えて構成されており、各々が陽極１７０及びＩＴＯ（Indium Tin Oxide）で構成された陰極１７１に電気的に接続されている。
【００３１】
受光層１５１ｃは、アモルファスシリコン等の非晶質半導体層に代えてマイクロクリスタルシリコン（以下、“μＣ−Ｓｉ”と称す。）等の微結晶半導体から構成されている。このような受光層１５１ｃによれば、アモルファスシリコン等の非晶質半導体層を用いる場合に比べて、赤外光を含む入射光について受光感度を向上させることが可能である。
【００３２】
第１半導体層１５１ａは、受光層１５１ｃの一方の面側に形成されたｎ型の半導体層であり、例えば、アモルファスシリコンから構成されている。第１中間層１５１ｂは、第１半導体層１５１ａ及び受光層１５１ｃ間に介在し、第１半導体層１５１ａ及び受光層１５１ｃを相互に接合する接合層を構成している。第１中間層１５１ｂは、アモルファスシリコン等の非晶質半導体から構成されている。
【００３３】
したがって、フォトセンサ１５１によれば、第１中間層１５１ｂの存在によって、受光層１５１ｃにμＣ−Ｓｉ等の微結晶半導体を用いることによって生じるリーク電流の増大を抑制できる。よって、フォトセンサ１５１によれば、赤外光についての受光感度を高め、且つ低光量の光を検出することが可能であり、検出対象物を検出するための検出性能を高めることが可能である。
【００３４】
第２半導体層１５１ｅは、受光層１５１ｃの他方の面側に形成されたｐ型の半導体層であり、例えば、アモルファスシリコンから構成されている。第２中間層１５１ｄは、第２半導体層１５１ｅ及び受光層１５１ｃ間に介在し、第２半導体層１５１ｅ及び受光層１５１ｃを相互に接合する接合層を構成している。第２中間層１５１ｄは、第１中間層１５１ｂと同様に、アモルファスシリコン等の非晶質半導体から構成されている。
【００３５】
したがって、フォトセンサ１５１によれば、受光層１５１ｃの一方の面側及び他方の面側の夫々に第１中間層１５１ｂ及び第２中間層１５１ｄが形成されているため、受光層１５１ｃの一方の面及び他方の面の一方の側にのみ中間層を形成する場合に比べて、リーク電流の発生をより一層抑制でき、低光量の光を検出可能である。
【００３６】
陽極１７０は、基板１０上に形成されたゲート絶縁膜４１、絶縁膜４２、４３及び４４のうち絶縁膜４３上に形成されている。陽極１７０は、絶縁膜４３に設けられたコンタクトホールを介してリセット用ＴＦＴ１６３のドレイン側端子８２に電気的に接続されている。
【００３７】
リセット用ＴＦＴ１６３は、陽極１７０を介してフォトセンサ１５１に電気的に接続されており、イメージセンサ５００の動作時において、フォトセンサ１５１をリセットする。リセット用ＴＦＴ１６３は、ソース領域に電気的に接続されたソース側端子８１と、ドレイン側に電気的に接続されたドレイン側端子８２と、ゲート電極３ａと、ソース領域１ｓ、チャネル領域１ｃ及びドレイン領域１ｄが形成された半導体層１ａとを備えている。半導体層１ａは、ポリシリコンから構成されている。
【００３８】
したがって、光電変換装置１９０によれば、ポリシリコンからなる半導体層を有するＴＦＴを用いつつ、赤外光についての受光感度を高め、且つ低光量の光を検出することが可能であり、検出対象物を検出するための検出性能を高めることが可能である。
【００３９】
（変形例）
次に、図４及び図５を参照しながら、本実施形態に係る光電変換装置の変形例を説明する。図４は、本例に係る光電変換装置１９０Ａの構成を示した断面構成図である。図５は、本例に係る光電変換装置１９０Ａのバイアス電圧及び電流密度間の特性を示したグラフである。尚、以下では、上述した光電変換装置１９０と共通する部分に共通の参照符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４０】
図４に示すように、本例に係る光電変換装置１９０Ａは、フォトセンサ１５１Ａを備えている点で上述の光電変換装置１９０と相違する。
【００４１】
フォトセンサ１５１Ａは、受光層１５１ｃの両側の夫々に中間層を設けるのではなく、一方の面側にのみ第１中間層１５１ｂが形成され、他方の面側にはｐ型の第３半導体層１５１ｆのみが形成されている点でフォトセンサ１５１と相違する。第３半導体層１５１ｆは、ｐ型のμＣ−Ｓｉで構成され、且つ、陽極１７０の電気的に接続されている。
【００４２】
次に、図５を参照しながら、フォトセンサ１５１Ａのバイアス電圧及び電流密度の関係を説明する。ここで、バイアス電圧とは、陰極１７１の電位を基準（０Ｖ）とした場合の陽極１７０に印加される電圧をいう。また、図５中、フォトセンサ１５１Ａのバイアス電圧−電流密度の関係（実施例１の構造）を白抜き点で示しており、比較例に係るμＣ−Ｓｉフォトダイオードのバイアス電圧−電流密度の関係を黒点で示している。尚、比較例に係るμＣ−Ｓｉフォトダイオード１５１Ｘは、図６に示すように、受光層１５１ｃの両面の夫々の側にアモルファスシリコン等の非晶質半導体層からなる中間層が形成されていない構成、より具体的には、受光層１５１ｃの両面の夫々の側にｎ型のμＣ−Ｓｉからなる中間層１５１ｘ１と、ｐ型のμＣ−Ｓｉからなる中間層１５１ｘ２とを有している。
【００４３】
図５に示すように、フォトセンサ１５１Ａによれば、比較例に係るフォトダイオードに比べて、バイアス電圧に応じて発生する電流の電流密度が低減されている。したがって、本例に係るフォトセンサ１５１Ａは、赤外光についての受光感度が高められていると共に、リーク電流の発生を抑制できる。また、受光層１５１ｃの両方の面側に中間層が形成されているフォトセンサ１５１については、フォトセンサ１５１Ａに比べてより一層バイアス電圧に対して発生する電流の電流密度が低減されることが当然予想される。
【００４４】
したがって、本実施形態に係るフォトセンサ１５１及び１５１Ａの夫々を備えた光電変換装置１９０及び１９０Ａの夫々によれば、イメージセンサ５００の動作時において、リーク電流の発生を抑制しつつ、赤外光についての検出性能を高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施形態に係るイメージセンサの平面図である。
【図２】本実施形態に係るイメージセンサの単位領域における電気的な構成を示した回路図である。
【図３】本実施形態に係る光電変換装置の構成を示した断面図である。
【図４】本実施形態に係る光電変換装置の変形例に係る構成を示した断面図である。
【図５】本実施形態に係る光電変換装置の変形例に係るバイアス電圧及び電流密度間の特性を示したグラフである。
【図６】本実施形態に係る光電変換装置の比較例の構成を示した断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１５１，１５１Ａ・・・フォトセンサ、１５１ａ・・・第１半導体層、１５１ｃ・・・受光層、１５１ｂ・・・第１中間層、１５１ｄ・・・第２中間層、１５１ｅ・・・第２半導体層、１５１ｆ・・・第３半導体層、１９０，１９０Ａ・・・光電変換装置、５００・・・イメージセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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