(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に入射光を信号に変換する複数の光電変換素子がマトリクス状に配列された光電変換装置であって、
前記光電変換素子は、前記基板上に形成された薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタに電気的に接続された第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられたフォトダイオードと、を備え、
前記フォトダイオードは、
非晶質シリコンにより形成されて前記第１電極上に設けられた第一不純物層と、
非晶質シリコンにより形成されて前記第一不純物層上に設けられた第一真性半導体層と、
微結晶シリコンにより形成されて前記第一真性半導体層上に設けられた第二真性半導体層と、
微結晶シリコンにより形成されて第二真性半導体層上に設けられた第二不純物層と、
を備えることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
前記第一不純物層は、前記第１電極及び前記第一真性半導体層と接して設けられ、
前記第一真性半導体層は、前記第一不純物層及び前記第二真性半導体層と接して設けられ、
前記第二真性半導体層は、前記第一真性半導体層及び前記第二不純物層と接して設けられ、
前記第二不純物層は、前記第二真性半導体層及び前記第２電極と接して設けられる、
ことを特徴とする請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記第２電極は、露出した状態に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記第２電極側は、少なくとも検出光が入射する側であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光電変換装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の光電変換装置を備えたことを特徴とする電気光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光電変換装置及び電気光学装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、フォトダイオードに低温ポリシリコンや非晶質シリコンを用いた光電変換装置が知られている。この光電変換装置は、基板上にフォトダイオードと、フォトダイオードからの信号の増幅、取り出し等を行う薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴという）と、を備えたものである（例えば、特許文献１参照）。
【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】
【０００３】
しかしながら、上記従来の光電変換装置は、フォトダイオードが低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ）により形成されている場合には、製造工程上の制約からフォトダイオードの厚さを十分に確保することが困難である。そのため、フォトダイオードの感度が低いという課題がある。
【０００４】
一方、フォトダイオードが非晶質シリコンにより形成されている場合には、フォトダイオードの膜厚を十分に確保することができる。そのため、フォトダイオードの感度は向上するが、非晶質シリコンではバンドギャップが大きくなり、赤外光に対する感度を有さない。したがって、光電変換装置により赤外光を検出することができないという課題がある。
また、非晶質シリコンは、受光する光の強度が強い場合、受光による劣化が比較的早く進行するため、フォトダイオードの信頼性が低下し、光電変換装置としての信頼性も低下するという課題がある。
【０００５】
そこで、この発明は、赤外光を高感度に検出することができ、高い信頼性を有する光電変換装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明の光電変換装置は、基板上に入射光を信号に変換する複数の光電変換素子がマトリクス状に配列された光電変換装置であって、前記光電変換素子は、前記基板上に形成された薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタに電気的に接続された第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられたフォトダイオードと、を備え、前記フォトダイオードは、非晶質シリコンにより形成されて前記第１電極上に設けられた第一不純物層と、非晶質シリコンにより形成されて前記第一不純物層上に設けられた第一真性半導体層と、微結晶シリコンにより形成されて前記第一真性半導体層上に設けられた第二真性半導体層と、微結晶シリコンにより形成されて第二真性半導体層上に設けられた第二不純物層と、を備えることを特徴とする。
本発明の光電変換装置は、基板上に入射光を信号に変換する複数の光電変換素子がマトリクス状に配列された光電変換装置であって、前記光電変換素子は、前記基板上に形成された薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタ上に形成されて前記薄膜トランジスタに電気的に接続されたフォトダイオードと、を備え、前記フォトダイオードは、第一不純物層と、第二不純物層と、これら第一、第二不純物層との間に挟持された真性半導体層と、を備え、前記真性半導体層は、少なくとも検出光が入射する側が微結晶シリコンにより形成されていることを特徴とする。
【０００７】
このように構成することで、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）とフォトダイオードが平面的ではなく立体的に積層されるので、低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ）を用いる場合と比較してフォトダイオードの厚さを大きくすることができ、フォトダイオードの感度を向上させることができる。
また、真性半導体層の少なくとも一部を微結晶シリコンにより形成することで、フォトダイオードによって赤外光を検出することが可能になる。
また、真性半導体層の少なくとも光の入射側を微結晶シリコンにより形成することで、光による真性半導体層の劣化を防止してフォトダイオードの信頼性を向上させることができる。
したがって、本発明によれば、赤外光を高感度に検出することができ、高い信頼性を有する光電変換装置を提供することができる。
【０００８】
また、本発明の光電変換装置は、前記第二不純物層は、微結晶シリコンにより形成されて前記真性半導体層の前記検出光が入射する側に接するように配置されていることを特徴とする。
このように構成することで、第二不純物層の電気抵抗を下げることが可能となる。また、フォトダイオードの検出光入射側の最表面に配置された第二不純物層の光による劣化を防止することができる。したがって、赤外光を高感度に検出することができ、高い信頼性を有する光電変換装置を提供することができる。
【０００９】
また、本発明の光電変換装置は、前記第一不純物層は、微結晶シリコンにより形成されていることを特徴とする。
このように構成することで、第一不純物層、真性半導体層、第二不純物層のすべてが微結晶シリコンにより形成されるので、上記効果に加えて製造工程において製造条件を変えることなくフォトダイオードを形成することができる。
【００１０】
また、本発明の光電変換装置は、前記真性半導体層は、前記光の入射側に配置され、前記微結晶シリコンにより形成された微結晶層と、前記光の入射側とは反対側に配置され、非晶質シリコンにより形成された非晶質層と、を備え、前記第一不純物層は、前記非晶質シリコンにより形成されて前記非晶質層側に配置されていることを特徴とする。
このように構成することで、上述の効果に加えて、フォトダイオードのオフ電流の増加を抑制することができる。
【００１１】
また、本発明の電気光学装置は、上記のいずれかの光電変換装置を備えたことを特徴とする。
このように構成することで、光電変換装置により検出した可視光や赤外光に応じた表示を高い信頼性のもとに行うことが可能な電気光学装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
＜第一実施形態＞
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各図面では、各層や各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各層や各部材ごとに縮尺を適宜変更している。
【００１３】
（イメージセンサ）
図１は本実施形態のイメージセンサの配線構造を示す模式図であり、（ａ）は全体構成、（ｂ）はフォトセンサの拡大図である。図１（ａ）に示すように、本実施形態のイメージセンサ（光電変換装置）１００は、素子領域Ａに互いに交差する方向に延びる走査線３ａとデータ線６ａとが設けられている。走査線３ａは、走査線駆動回路１０２に接続され、データ線６ａは、データ線駆動回路１０１に接続されている。フォトセンサ５０は、走査線３ａとデータ線６ａとの交点付近に対応して形成され、素子領域Ａにマトリクス状に配列されている。
【００１４】
また、図１（ｂ）に示すように、走査線３ａと並列に定電位線３ｂが設けられ、データ線６ａと並列に定電位線１２ａが設けられている。定電位線３ｂは、走査線駆動回路１０２に接続され、定電位線１２ａは、データ線駆動回路１０１に接続されている。それぞれのフォトセンサ５０において、定電位線１２ａと３ｂとの間には、フォトダイオード２０と、保持容量３０とが直列に電気的に接続されて設けられている。また、走査線３ａにゲートが接続されたＴＦＴ（薄膜トランジスタ）１０が形成されており、このＴＦＴ１０のソースは、データ線６ａに接続され、ドレインは、フォトダイオード２０と保持容量３０との接続点に電気的に接続されている。本実施形態では、ＴＦＴ１０と、フォトダイオード２０と、保持容量３０とよりフォトセンサ（光電変換素子）５０が構成されている。
【００１５】
図２は、本実施形態のイメージセンサ１００が備えるフォトセンサ５０の概略構成を示す拡大断面図である。図２では、本実施形態の構成を解りやすくするため、保持容量３０を省略して表している。
図２に示すように、イメージセンサ１００は、平板状の基板１を備えている。基板１上には上述のように複数のフォトセンサ５０がマトリクス状に配列されて形成されている。基板１は例えばガラス等により形成されている。
【００１６】
基板１上には、例えば、多結晶シリコンにより半導体層２が形成されている。また基板１上には、半導体層２を覆うようにゲート絶縁膜３が形成されている。ゲート絶縁膜３は、例えばＳｉＯ２（シリコン酸化物）等の絶縁材料によって形成されている。ゲート絶縁膜３上には、半導体層２のチャネル領域２ｃに対向してゲート電極４が形成されている。ゲート電極４は、図１に示す走査線３ａに電気的に接続されている。ゲート電極４は、例えばＡｌ（アルミニウム）等の導電性を有する金属材料により形成されている。
【００１７】
ゲート絶縁膜３上には、ゲート電極４及びゲート絶縁膜３を覆って、層間絶縁膜５が形成されている。層間絶縁膜５は、例えば、ゲート絶縁膜３と同様の絶縁材料により形成されている。層間絶縁膜５上には、例えば、ゲート電極４と同様の金属材料により、ソース電極６及びドレイン電極７が形成されている。
【００１８】
ソース電極６は、層間絶縁膜５及びゲート絶縁膜３を貫通し、半導体層２のソース領域２ｓに到達するコンタクトホール５ｓを介してソース領域２ｓに接続されている。また、ソース電極６は、図１に示すデータ線６ａと電気的に接続されている。
ドレイン電極７は、層間絶縁膜５及びゲート絶縁膜３を貫通し、半導体層２のドレイン領域２ｄに到達するコンタクトホール５ｄを介してソース領域２ｓに接続されている。また、ドレイン電極７は、図１に示す保持容量３０に電気的に接続されている。
本実施形態では、これら半導体層２、ゲート絶縁膜３、ソース電極６、及びドレイン電極７によりＴＦＴ１０が構成されている。
【００１９】
層間絶縁膜５上には、ソース電極６、ドレイン電極７、及び層間絶縁膜５を覆うように有機平坦化層８が形成されている。有機平坦化層８は、基板１上に形成されたＴＦＴ１０等による凹凸形状を埋めて表面が平坦に形成されている。有機平坦化層８は、例えば、アクリル樹脂やエポキシ樹脂等の絶縁性樹脂材料により形成されている。
有機平坦化層８上には、例えばＡｌ等の金属材料により、陽極９が形成されている。陽極９は、有機平坦化層８を貫通するコンタクトホール８ａを介してドレイン電極７に接続されている。陽極９上には、ＰＩＮ型のフォトダイオード２０が形成されている。
【００２０】
フォトダイオード２０は、陽極９側に形成されたＰ層（第一不純物層）２１と、Ｐ層２１上に積層されたＩ層（真性半導体層）２２と、Ｉ層２２上に積層されたＮ層（第二不純物層）２３とにより形成されている。Ｐ層２１、Ｉ層２２、及びＮ層２３は、それぞれ微結晶シリコン（μｃ−Ｓｉ：Ｈ）により形成されている。また、Ｐ層２１にはホウ素（Ｂ）等の不純物が、Ｎ層２３にはリン（Ｐ）等の不純物がそれぞれドープされている。
なお、本実施形態では、結晶粒の平均粒径が１００ｎｍよりも小さい、例えば数十ｎｍ程度以下のものを微結晶シリコンと呼ぶ。
【００２１】
このような微結晶シリコンは、例えば、光ＣＶＤ法により形成することができる。光ＣＶＤ法では、例えば、シランガス（ＳｉＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の混合ガスを原料ガスとして用い、この原料ガスを１０−３Ｔｏｒｒよりも小さい真空度に維持されたチャンバーに１００ｓｃｃｍ程度の流量で導入して、低温水銀ランプにより波長１８４．９ｎｍ、２５３．７ｎｍの紫外光を照射する。これにより、低温で微結晶シリコンの薄膜を形成することができる。ここで、本実施形態では、Ｐ層２１、Ｉ層２２及びＮ層２３が、それぞれ微結晶シリコンにより形成されているため、製造工程において製造条件を変えることなくフォトダイオード２０を形成することができる。
【００２２】
有機平坦化層８上には、フォトダイオード２０の周囲を覆うようにパッシベーション膜１１が形成されている。パッシベーション膜１１は、例えば、有機平坦化層８と同様に絶縁性の樹脂材料等により形成されている。
パッシベーション膜１１上には、例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の光透過性に優れた導電性材料により陰極１２が形成されている。陰極１２は、図１に示す素子領域Ａの複数のフォトセンサ５０にわたって一面に形成され、定電位線１２ａと電気的に接続されている。
【００２３】
次に、本実施形態の作用について説明する。
図１（ｂ）に示すように、イメージセンサ１００の定電位線１２ａ，３ｂによってフォトセンサ５０のフォトダイオード２０に逆バイアスを印加した状態で、図２に示す陰極１２側からフォトダイオード２０に光が入射すると、フォトダイオード２０に光電流が流れ、それに応じた電荷が保持容量３０に蓄積される。
【００２４】
また、複数の走査線３ａの各々によって複数のフォトセンサ５０の各々が備えるＴＦＴ１０をオンさせることで、データ線６ａには、フォトセンサ５０の各々が備える保持容量３０に蓄積された電荷に対応する信号が順次出力される。したがって、素子領域Ａにおいて各々のフォトセンサ５０が受光した光の強度をそれぞれ検出することができる。
【００２５】
次いで、本実施形態のフォトセンサ５０に、波長約４００ｎｍ程度から約１０００ｎｍ程度までの光を、複数回、波長を変えて照射して、各波長に対する量子効率を測定した。同様に、フォトダイオードのＩ層が非晶質シリコンにより形成された従来のフォトセンサに、本実施形態のフォトセンサ５０と同様に、複数回、波長を変えて照射して、各波長に対する量子効率を測定した。このようにして得られたデータを図３のグラフに示す。
ここでは、フォトダイオード２０のＰ層２１及びＮ層２３の厚さが約０．０５μｍ、Ｉ層２２の厚さが約１μｍに形成されたものを用いた。また、従来のフォトダイオードの各層の厚さも本実施形態のフォトダイオード２０の各層と厚さと同様に形成されたものを用いた。
【００２６】
図３は、横軸を入射光の波長（ｎｍ）、縦軸を量子効率として、本実施形態のフォトセンサ５０及び従来の非晶質シリコンフォトセンサの各波長に対する量子効率を示すグラフである。図３中、本実施形態のフォトセンサ５０のデータを実線で表し、従来のフォトセンサのデータを破線で表している。
【００２７】
本実施形態のフォトセンサ５０は、上述のようにＩ層２２が微結晶シリコンにより形成されているので、図３に示すように、従来のフォトダイオードでは検出できなかった波長約７００ｎｍ以上の赤外光を検出することが可能になる。そのため、例えば、光源として赤外線照射装置等を用いれば、本実施形態のイメージセンサ１００を、人の手指等の静脈を検出する静脈検出装置として用いることが可能になる。
【００２８】
また、本実施形態のイメージセンサ１００では、ＴＦＴ１０とフォトダイオード２０が平面的ではなく立体的に積層されているので、フォトダイオードが低温ポリシリコン（ＬＴＰＳ）により形成された従来のイメージセンサと比較してフォトダイオード２０の厚さを大きくすることができ、フォトダイオード２０の感度を向上させることができる。
【００２９】
また、Ｉ層２２を微結晶シリコンにより形成することで、光によるＩ層２２の劣化を防止してフォトダイオード２０の信頼性を向上させることができる。さらに、Ｉ層２２に加え、フォトダイオード２０の検出光入射側の最表面に配置されたＮ層２３も微結晶シリコンにより形成することで、光によるＮ層２３の劣化も防止することができる。加えて、Ｎ層２３の抵抗値を下げることも可能となり、フォトダイオード２０の感度をさらに向上させることができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、赤外光を高感度に検出することができ、高い信頼性を有するイメージセンサ１００を提供することができる。
【００３０】
＜第二実施形態＞
次に、本発明の第二実施形態について、図１を援用し、図４を用いて説明する。本実施形態では、フォトダイオードのＩ層が複数の層により形成されている点で上述の第一実施形態で説明したイメージセンサ１００と異なっている。その他の点は第一実施形態と同様であるので、同一の部分には同一の符号を付して説明は省略する。
【００３１】
図４に示すように、本実施形態のイメージセンサ２００のフォトセンサ６０のＩ層は、光の入射側である陰極１２の下層側に配置された微結晶層２２ｍと、光の入射側とは反対側である陽極９側に配置された非晶質層２２ａと、により構成されている。
ここで、微結晶層２２ｍは上述の実施形態で説明したＩ層と同様に微結晶シリコンにより形成されている。また、非晶質層２２ａは、従来のフォトダイオードのＩ層と同様に非晶質シリコンにより形成されている。
【００３２】
また、本実施形態のフォトダイオード４０のＰ層２１ａは、Ｉ層の非晶質層２２ａ側に配置され、非晶質シリコンにより形成されている。
【００３３】
このような構成のイメージセンサ２００は、フォトダイオード４０のＩ層の非晶質層２２ａまでを、Ｉ層が非晶質シリコンにより形成された従来のイメージセンサと同様の製造方法により製造し、その後、上述の実施形態と同様の方法により、フォトダイオード４０のＩ層の微結晶層２２ｍ、Ｎ層２３等を形成することで製造することができる。
【００３４】
本実施形態のイメージセンサ２００によれば、フォトセンサ６０のＩ層の一部である微結晶層２２ｍが微結晶シリコンにより形成されているので、上述の第一実施形態と同様に、波長約７００ｎｍ以上の赤外光を高感度に検出することが可能になる。
また、Ｉ層の光の入射側（陰極１２側）である微結晶層２２ｍが微結晶シリコンにより形成されているので、光によるＩ層（微結晶層２２ｍ及び非晶質層２２ａ）の劣化を防止してフォトダイオード４０の信頼性を向上させることができる。
加えて、Ｉ層の一部である非晶質層２２ａを非晶質シリコンにより形成することで、フォトダイオードのオフ電流の増加を抑制することができる。
【００３５】
（液晶装置）
次に、上述の実施形態において説明したイメージセンサを備えた液晶装置について説明する。以下、一例として、第一実施形態において説明したイメージセンサ１００を備えた液晶装置について、図５を用いて説明する。
【００３６】
図５は、本実施形態の液晶装置（電気光学装置）３００の要部の概略構成を示す断面図である。図５に示すように、本実施形態の液晶装置３００は、検出領域Ｓに上述の第一実施形態で説明したイメージセンサ１００を備えている。検出領域Ｓはイメージセンサ１００の素子領域Ａに対応している。
【００３７】
また、基板１は表示領域Ｄまで延設され、基板１上に複数のＴＦＴ７０が形成されている。表示領域Ｄの画素は各々ＴＦＴ７０を備え、表示領域Ｄには複数の画素がマトリクス状に配列されている。ＴＦＴ７０は、画素のスイッチング制御を行うスイッチング素子であり、上述のＴＦＴ１０と同様の構成を有している。
また、表示領域Ｄの有機平坦化層８及びパッシベーション膜１１には、これらを貫通してＴＦＴ７０の半導体層のドレイン領域に到達するコンタクトホールＨが形成されている。そして、パッシベーション膜１１上には、画素毎に、例えば、ＩＴＯ等により画素電極１３が形成されている。画素電極１３はコンタクトホールＨを介してＴＦＴ７０のドレイン電極に接続されている。
【００３８】
ここでは図示を省略するが、表示領域Ｄには互いに交差する方向に延びる走査線とデータ線とが設けられ、走査線は、表示領域Ｄの外側に設けられた走査線駆動回路に接続され、データ線は、表示領域Ｄの外側に設けられたデータ線駆動回路に接続されている。ＴＦＴ７０は、走査線とデータ線との交点付近に対応して形成され、表示領域にマトリクス状に配列されている。ＴＦＴ７０のソースには、データ線駆動回路から延びるデータ線が電気的に接続されている。データ線駆動回路は、データ線を介して画像信号を各画素に供給する。また、ＴＦＴ７０のゲートには、走査線駆動回路から延びる走査線が電気的に接続されている。
【００３９】
走査線駆動回路から所定のタイミングで走査線にパルス的に供給される走査信号は、線順次でＴＦＴ７０のゲートに印加されるようになっている。ＴＦＴ７０のゲートに走査信号が印加されると、ＴＦＴ７０のゲートとソースの間が一定期間オンとなり、データ線から供給される画像信号が、所定のタイミングで画素電極１３に書き込まれるようになっている。
【００４０】
また、表示領域Ｄの画素電極１３上には、液晶分子の配向を規定する配向膜１４が形成されている。表示領域Ｄの周囲には額縁状のシール層（図示略）が形成され、シール層の内側には液晶が封入されて液晶層１５が形成されている。液晶層１５を挟んで反対側には、シール層を介して対向基板（図示略）が接合され、液晶層１５を封止している。また、対向基板の画素電極１３に対向する面には共通電極、配向膜等が形成されている。
【００４１】
また、本実施形態の液晶装置３００では、検出領域ＳにおいてＴＦＴ１０をオンさせて読み出した光の強度に関する信号が表示領域Ｄのデータ線駆動回路に伝送されるように構成されている。
【００４２】
したがって、本実施形態の液晶装置３００によれば、検出領域Ｓにおいてイメージセンサ１００により検出した光の強度に応じた画像を、表示領域Ｄにおいて表示させることができる。また、イメージセンサ１００が、赤外光を高感度に検出可能であるので、例えば、人の手指に赤外光を照射して透過光または反射光を検出領域Ｓで検出し、静脈等の画像を表示領域Ｄに表示させることが可能となる。
また、イメージセンサ１００の信頼性が向上されているので、信頼性の高い検出領域Ｓを備えた液晶装置３００を提供することができる。
【００４３】
尚、この発明は上述した実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、基板や電極等の材質は、上述の実施形態において説明した材質に限られない。また、本発明の光電変換装置は、上述の実施形態において説明した液晶装置以外にも、有機ＥＬ装置やタッチパネル等に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第一実施形態におけるイメージセンサの配線構造を示す模式図であり、（ａ）は全体構成、（ｂ）は光電変換素子の拡大図である。
【図２】本発明の第一実施形態におけるフォトセンサの概略構成を示す拡大断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態におけるフォトセンサと従来のフォトセンサの各波長に対する量子効率を示すグラフである。
【図４】本発明の第二実施形態におけるフォトセンサの概略構成を示す拡大断面図である。
【図５】本発明の実施形態における液晶装置の概略構成を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  基板、１０，７０  ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、２０，４０  フォトダイオード、２１，２１ａ  Ｐ層（第一不純物層）、２２  Ｉ層（真性半導体層）、２２ｍ  微結晶層（真性半導体層）、２２ａ  非晶質層（真性半導体層）、２３  Ｎ層（第二不純物層）、５０，６０  フォトセンサ（光電変換素子）、１００，２００  イメージセンサ（光電変換装置）、３００  液晶装置（電気光学装置）
【図１】
0005136112.tif 000002
【図２】
0005136112.tif 000003
【図３】
0005136112.tif 000004
【図４】
0005136112.tif 000005
【図５】
0005136112.tif 000006