CN1008784B - 一种半导体图象传感器 - Google Patents
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Abstract
介绍了一种经过改良的光电转换器。流光电转换器包括多个光电半导体元件，各光电半导体元件由第一电极、半导体层和第二电极组成。半导体层的相对表面完全为第一和第二电极所遮盖。
Description
本发明涉及光电转换器。
迄今为此，人们对光电变换器的应用提出过各色各样的方案。传真机用的接触式图象传感器是这种应用的一个实例，其示意图如图1所示。该传感器由光敏半导体层3组成，光敏半导体层3两相对表面有一对电极2和4，该对电极是用三个掩模用刻蚀技术制成的。
现行这种光电转换器的制造方法如下：-先在衬底1上形成一层铬导电层，用第一个掩模1m形成图案，形成多个第一电极2，再用辉光放电法在已形成图案的电极2上淀积一层1微米厚非晶形硅光敏本征半导体层，然后用第二个金属掩模2m形成图案，形成光电转换层3。作为半导体层，非晶形硅系按这样一种方法形成，以致即使掩模2m可能位移，已形成图案的层也仍能充分遮盖第一电极2。然后在半导体层3上形成一层氧化铟锡导电层，并用第三个掩模3m刻制第二电极4。在第二电极4和半导体层3之间的结（MI结）-肖特基势垒上，可制成整流二极管。
光线如图1（C）所示那样通过第二电极4入射到半导体层3上时，就产生与入射光强度成比例的电子-空穴对。
但图1（A）至图1（C）所示的图象传感器，其半导体层3都制造得大于第一电极2。因此，在垂直方向相对配置的电极2和4之间的区内也产生电子-空穴对，而且在该区内所产生的载流子发生横向漂移，如图1（A）各箭头所示。横向漂移使响应滞后。
另一方面，按上述方法制造的本征半导体层具有在易于转变成n型的曝光表面形成寄生通道的倾向，从而产生大的暗电流，并使产品质量
参差不齐。此外，三个掩模的采用降低了成本。
因此本发明的一个目的是提供经过改良的光电转换器及其制造方法。
本发明的另一个目的是提供经过改良能实时变换入射光的光电转换器及其制造方法。
本发明的又一个目的是提供经过改良，其对入射光的响应时间滞后小的光电转换器及其制造方法。
本发明的又另一个目的是提供经过改良在其光电半导体上的寄生通道少的光电转换器及其制造方法。
图1（A）、（B）和（C）是现有技术的图象传感器。
图2（A）至图2（M）是本发明的线性接触式图象传感器的平面图和剖面图。
图3（A）至图3（C）是本发明另一种线性接触式图象传感器的平面图和剖面图。
图4（A）至图4（F）是本发明又一种线性接触式图象传感器的平面图和剖面图。
图5（A）至图5（G）是本发明再一种接触式图象传感器的平面图和剖面图。
图6（A）至图6（M）是本发明二维接触式图象传感器的平面图和剖面图。
参看图2（A）至图2（M），这是按制造过程说明本发明一个实施例的示意图。
在诸如石英板、硼硅酸玻璃板之类的耐热衬底上依次形成第一导电层2、光敏半导体层3和第二导电层5。第一导电层是2000埃厚的氧化铟锡层。半导体层至少应由一层大体上是本征半导体层构成，例如含p-i-n结、n-i-n结或m-i结的非晶形硅半导体层等;各层系用周知的化学汽相淀积法淀积成。硅半导体层显然略呈n型导电性，因而可掺以硼之类的p型杂质使之成为大体上是本征性的半导体。
例如，半导体层可由一层200埃厚的p型半导体层、一层3500埃厚的本征半导体层和一层300埃厚的n型半导体层组成，名层都用多室等离子体增强的化学汽相淀积法淀积成（如本申请人在昭-54-104452号日本专利申请书所公开的那样）。在此情况下，第二导电层5系由厚1000埃的铬制成，硅化铬透明导电层4则系作为10至200埃厚的副产品在半导体层3与铬层5之间形成。硅化铬层4作为缓冲层使半导体层3与电极5之间为欧姆接触。
在各叠层之间加上反偏压以消除半导体层3中的缺陷。即，第一导电层2接电压源正极，第二导电层4接电压源负极，逐步升压。在此过程中，所加电压上升时，通过半导体层的电流随叠加的不规则瞬态电流而增加。但通过半导体层的电流在所加电压达3至5伏时突然下降，在反偏压降至10伏时在对应于半导体电阻率的电平下稳定下来。上述现象可这样解释：缺陷部分的电阻大体上小于半导体正常部分的电阻，而通过缺陷部分的电流导致瞬态电流的产生，更详细地说，因此缺陷部分产生不利的影响。将流过缺陷部分的电流在空间上加以限制并使其密集，使该电流所产生的热量焚烧缺陷部分，从而使其具有绝缘性能。所加的电压当然应低于半导体层3的击穿电压。
接着，用第一个掩模1m将导电层2、4、5和半导体层3的叠层作为一个整体腐蚀或多个延伸的叠层部件10，如图2（C）、2（D）和2（E）所示。
这样，将叠层部件10配置成线性阵列，各元件宽100微米，长150微米，间距30微米。
如图2（F）所示，可用涂敷法形成1.6微米厚的光固化型有机树脂层6，例如芳香族聚酰亚胺母体溶液，以此来彻底封闭光电部件10。然后将透明衬底1在干净的烘炉中在80℃温度下预焙一小时，再用公知的掩模对准器但不用掩模用紫外线从透明衬底1背面进行照射。采用古比尔特公司的掩模对准器时，照射时间约为两分钟。固化处理之后，用适当
的冲洗液除去树脂未固化的部分，使剩余的树脂与透明导电层4同高。在这方面，固化处理使树脂的体积大致上减小1/2，因而对0.8微米厚的光电部件来说，固化处理前的树脂厚度应选用1.6微米。采用300至400毫微米波长（10毫瓦/平方厘米）的紫外线时，15至30秒的照射时间是足够的。
经过腐蚀之后，将衬底1在氮气氛中在180℃下加热30分钟，在300℃下加热30分钟，在400℃下加热30分钟。接着，用公知的腐蚀溶液除去铬层5，只有透明的硅化铬层4留在半导体3上（见图2（G））。硅化铬层4防止在下一步工序中在半导体层3上形成的氧化铟锡层因半导体层与铟锡层之间的相互作用而变质。
然后，如图2（H）、2（I）和2（J）所示，在叠层部件10的各延伸端上形成0.1至0.5微米厚的氧化锡透明电极，并用第二个光掩模2m有选择地进行腐蚀。用透明电极9作为掩摸，将半导体层3连同硅化铬层4一起进行腐蚀，只留下电极9后面的相应部分。最后将转换器上部表面涂以树脂层12，如图2（L）和图2（M）所示。这样，顶部表面光滑的图象传感器就制成了。例如，诸元件可排成一直线，每一毫米排8个单元。
本发明人曾在配置电极9之前用电子显微镜观察过各元件与树脂层之间的接触情况。结果观察到有少许的不均匀，但不存在因拉制电极2或4而造成的会在相对电极2和4之间形成短路电流的裂痕。还观察到，不存在会使其上的布线图案中断的凸出部分，而且两横向相邻各层都彼此平滑连接。借助于这种结构，就有可能将氧化铟锡层作为电极9叠加到各层上而不致在界面的正上方位置引起任何断路的可能性。
如此形成的光电转换元件20系由与线19接触的第一电极2、半导体层3、第二电极4和与线13接触的第三电极5组成。半导体层3被顶面和底面上的电极，侧面的树脂层完全封闭着，因而在半导体层上没有漏泄电流，也没有寄生通道产生。
此外，相对的电极2和4可通过与形成图案的精度无关的面积和形状，与电极4和5相同的半导体层3彼此相对。
现对本发明采用带p-i-n结光电器件进行试验获得的光电特性实例说明如下。即，所加电压为3伏时，暗电流为1.8×10-13安（光电管面积100微米×150微米），照度为100勒克司时，光电流为3.5×10-8安。光电器件具有这样的响应特性，即它跟得上入射光的每一微秒的转换。上面谈到的现有技术器件跟不如此频繁的转变。
另一个实验对象是n-i-n结的光电器件。通过n-i-n结的电流与所加偏压的关系特性曲线对称于零偏压暗电流为4×10-13安，参考光照度为100勒克司。该器件能令人满意地跟得上在0.2微秒时间间隔的间歇照射。
图3（A）至图3（C）是本发明另一个线性接触式图象传感器的示意图。在此实施例中无需形成硅化铬层4，其它加工和构制工序与上面的实施例同，这里不再赘述。即，不形成铬层5。
以上列举的都是一些外电极设计得比相应的半导体部位大的线性接触式图象传感器的实施例。借助于这种结构就不会产生载流子漂移和响应滞后现象。
图4（A）至图4（F）是本发明又一个线性图象传感器的示意图，这种图象传感器的上部电极与半导体层在一个方向上重叠。此实施例图象传感器的制造过程与上述实施例图2（A）至图2（G）所述的工序同，因而不予重复。
现在参看图4（A）至图4（F），制取0.1至0.5微米厚的氧化锡透明电极，然后以适当的方式用第二个掩模2m有选择地进行腐蚀，使得诸光电部件各端超过第三电极9延伸。以透明电极9作为掩模，将半导体层3与硅化铬层4一起进行腐蚀，留下电极9正背面的半导体层部分不腐蚀。如此制成的光敏元件20其外电极9在横向上与其余的半导体层重合。最
后将图象传感器的上部表面涂一层树脂层，如图4（E）和4（F）所示。这样就制成了一个具有光敏元件阵列的图象传感器。例如，各元件可排成一直线，每一毫米排八个单元。
图5（A）至图5（G）是本发明又另一个线性接触式图象传感器的示意图。传感器的衬底1具有能接收光的表面。此实施例传感器的加工工序与前面实施例到图2（F）为止的加工工序相同，因而不再赘述。
如图2（E）所示，淀积树脂层6之后，从底部表面按一定程度用光照射衬底1，使高于图5（A）所示铬层上部表面的树脂层不致固化。然后将衬底1在氮气氛中在180℃下加热30分钟，在300℃下加热30分钟，在400℃下加热30分钟。接着，如图5（B）、5（C）和5（D）所示，在叠层部件10的延伸端形成0.1至0.5微米厚的电极片，并用第二个光掩模2m有选择地进行腐蚀。以透明电极9作为掩模，将半导体层3与电极5和硅化铬层4一起腐蚀，留下电极9后面的相应部分不腐蚀。最后将传感器上部表面涂以树脂层12，如图5（F）和5（G）所示。这样就制成了顶部表面光滑的图象传感器。例如，可以将光敏元件排成直线，每1毫米排八个单元。
现在参看图6（A）至图6（M）。这是按制造过程说明本发明的一个二维图象传感器的示意图。
在诸如石英板、硼硅酸玻璃板之类的耐热衬底上依次形成第一导电层2、光敏半导体层3和第二导电层5。第一导电层是2000埃厚的氧化铟锡层。半导体层至少应由一层大体上是本征半导体层构成，例如含p-i-n结、n-i-n结或m-i结的非晶形硅半导体层等;各层系用周知的化学汽相淀积法淀积成。硅半导体层显然略呈n型导电性，因而可掺以硼之类的p型杂质使之成为大体上是本征性半导体。
例如，半导体层可由一层200埃厚的p型半导体层，一层3500埃厚的本征半导体层和一层300埃厚的n型半导体层组成，各层都用多室等
离子体增强的化学汽相淀积法淀积成（如本申请人在昭-54-104452号日本专利申请书所公开的那样）。在此情况下，第二导电层5系由厚1000埃的铬制成，硅化铬透明导电层4则系作为10至200埃厚的副产品在半导体层3与铬层5之间形成。硅化铬层4作为缓冲层使半导体层3与电极5之间为欧姆接触。
在各叠层之间加上反偏压以消除半导体层3中的缺陷。即，第一导电层2接电压源正极，第二导电层4接电压源负极，逐步升压。在此过程中，所加电压上升时，通过半导体层的电流随叠加的不规则瞬态电流而增加。但通过半导体层的电流在所加电压达3至5伏时突然下降，在反偏压降至10伏时在对应于半导体电阻率的电平下稳定下来。上述现象可这样解释：缺陷部分的电阻大体上小于半导体正常部分的电阻，而通过缺陷部分的电流导致瞬态电流的产生，因此缺陷部分产生不利的影响。将流过缺陷部分的电流在空间上加以限制并使其密集，使该电流所产生的热量焚烧缺陷部分，从而使其具有绝缘性。所加的电压当然应低于半导体层3的击穿电压。
接着，用第一个掩模1m将导电层2、4、5和半导体层3作为一个整体腐蚀或多个延伸的叠层部件10，如图6（C）、6（D）、6（E）所示。
这样，叠层部件10就成条状配置起来，形成接触式图象传感器的敏感部分，设计成矩阵的形式，矩阵的元件宽100微米、长150微米，间距30微米。
如图6（F）所示，可用涂敷法形成1.6微米厚的光固化型有机树脂层6，例如芳香族聚酰亚胺母体溶液，以此来彻底封闭单元部件10。然后将透明衬底1在干净的烘炉中在80℃温度下预焙一小时，再用公知的掩模对准器但不用掩模用紫外线从透明衬底1背面进行照射。采用古比尔特公司的掩模对准器时，照射时间约为两分钟。固化处理之后，用适当的冲洗液除去树脂未固化的部分，使剩余的树脂与透明导电层4同高。
在这方面，固化处理使树脂的体积大致上减小1/2。因而对0.8微米厚的光敏元件来说，固化处理前的树脂厚度应选用1.6微米。采用300至400毫微米波长（10毫瓦/平方厘米）的紫外线时，15至30秒的照射时间是足够的。
经过腐蚀之后，将衬底1在氮气氛中在180℃下加热30分钟，在300℃下加热30分钟，在400℃下加热30分钟。然后，用公知的腐蚀溶液除去铬层5，只有透明的硅化铬层4留在半导体层3上（见图6（G））。硅化铬层4防止在下一步工序中在半导体层3形成的氧化铟锡层因半导体层与氧化铟锡层之间相互作用而变质。
然后，如图6（H）、6（I）和6（J）所示，在衬底的整个上部表面上形成厚0.1至0.5微米的透明电极9，并用第二个光掩模2m有选择地进行腐蚀，以产生多个垂直于叠层部件10延伸的电极片。用透明电极9作为掩模，将半导体层3连同硅化铬层4一起进行腐蚀，只留下电极9后面的部分。最后将变换器上部表面涂以树脂层12，如图6（L）和6（M）所示。这样，顶部表面光滑的图象传感器就制成了。
如此形成的光电变换元件20系由与线19接触的第一电极2、半导体层3、第二电极4和与线13接触的第三电极5组成。半导体层3完全被其顶面和底面上的电极，侧面的树脂层封闭着，因而在半导体上没有漏泄电流，也没有寄生通道产生。
此外，相对的电极2和4可通过与形成图案的精度无关的面积和形状，与电极4和5相同的半导体层3彼此相对。
如上所述，本发明的光电转换器系由多个叠层组成，各叠层的周边分别为树脂层所包围。叠层的上部表面暴露着，就象不设树脂层一样。虽然各层表面和树脂层表面最好构制成彼此齐平，但树脂层也可制成其上部表面低于各层表面。
本发明特别适合作为图象传感器使用，因为在衬底上可以细致地配
置多个传感器元件而不致造成相邻各元件之间互相干扰，而且因为各传感器元件可以长期保持可靠，具有抗外来冲击力的耐磨性。
不言而喻，本发明仅受所附权利要求的限制而不受具体实施例的限制，熟悉本专业的人士都可以对上述诸实施例进行修改和更改。
虽然本发明介绍的是接触式图象传感器，但本发明也可适用于只具有一个或几个变换元件的其它类型光电转换器。光电变换半导体层除可含有p-i-n结或n-i-n结之外，还可含有p-i结、n-i结、m-i结（肖特基结）、n-i-p结或m-i-n结。用于本发明的半导体物质可以是SiXGe1-X（0＜X≤1），SiXC1-X（0＜X≤1）或SiXSn1-X（0＜X≤1）。
Claims (2)
1、一种包括一衬底和一光电半导体层的图象传感器，其特征在于它包括：形成在所说衬底上的多个下电极；
按矩阵形式设置的各自形成在所说下电极上的多个光敏部件；
在所说光敏部件间有一种填充空间用的有机绝缘材料，以便形成其上表面与所说光敏部件的上表面齐平；以及
形成在所说有机绝缘材料和所说光敏部件的上表面上的一个公共电极，以便各光敏部件组成一个独立的可以用所说下电极中的一个相应电极和所说公共电极工作的光传感器。
2、根据权利要求1的传感器，其特征在于，所述下电极还起输出引出线的作用。
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