非晶質傾斜超格子を用いた極低雑音アバランシェ増幅型光導電膜の研究

非晶梯度超晶格超低噪声雪崩放大光电导薄膜研究

• 批准号: 08243225
• 负责人: 安藤 隆男
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Shizuoka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 1996
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1996 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-08243225/
• 关键词: 傾斜超格子構造; 水素化アモルファスシリコン薄膜; アバランシェ増倍フォトダイオード; 伝導帯バンドオフセット; a-SiC:H; 結晶Siヘテロ接合; a-Si_<1-x>C_x:H膜

a-Si:H光導電膜中に生じるアバランシェ増倍の低電圧化、低雑音化を目的にpinフォトダイオードのi層内に傾斜超格子構造を導入することを検討した。得られた主要な成果は、1.プラズマCVD堆積中にSiH_4ガスを20sccm一定として、C_2H_4ガスを最大からその流量をコンピュータ制御により連続的に減らし、a-SiC:H膜の禁制帯幅が連続的に縮小する傾斜層(a-Si_<1-x>C_x:H)を形成できることを確認した。2.傾斜層とC_2H_4を含まないa-Si:H層とのヘテロ界面に生じる伝導帯のエネルギ段差とC_2H_4の最大流量との関係を求め、最大0.45eVまでのエネルギ段差が実現できることを確かめた。3.i層中に傾斜a-Si_<1-x>C_x:H層とa-Si:H層を交互に堆積した3段の超格子構造pinフォトダイオードを製作し、1.4×10^6V/cmの電界の下で最大6.7倍の光電流増倍を得た。この値は通常のpinフォトダイオードと比較すると約3倍大きく、かつ増倍開始電圧も低電圧側にシフト出来ることを確かめた。4.光電流の増倍率は、伝導帯のエネルギ段差が0.26eVから0.45eVの間で急激に増大することを見出し、電子がこの領域でイオン化を生じるためには伝導帯の不連続値にある閾値が存在することを示した。5.さらに大きなエネルギ段差を得るためにa-Si_<1-x>C_x:H膜と単結晶Siとの1段のヘテロ接合を作り、最大0.67eVまでのエネルギ段差を実現し、この段差が0.5eVあると電子はこのバンドオフセット領域でほぼ100%の確率で衝突イオン化を起こすことがわかった。しかし傾斜層に導入する炭素の混入量を増し、段差が0.5eV以上になると増倍開始電圧は逆に増加する。この原因は膜中に取り込まれる炭素の割合の増に伴って膜質が劣化し、キャリア移動度が減少することによる。今後は、a-Si:H層とa-Si_<1-x>C_x:H層の界面の急峻性を高めると同時に、a-Si_<1-x>C_x:H傾斜層の膜質を改善するために分子線堆積法を検討する。また、試作素子を用いてアバランシェ増倍に伴う過剰雑音の低減、超高感度イメージセンサへの応用を進める。

The introduction of inclined superlattice structure in the a-Si:H photoconductive film is discussed. The main results are as follows: 1. The SiH_4 concentration in CVD deposition is constant at 20sccm, the C_2H_4 concentration is maximum at 20sccm, and the flow rate of a-SiC:H film is decreased at 20 sccm. The formation of inclined layer (a-Si<1-x>_x:H) in a-SiC:H film is confirmed. 2. The relationship between the maximum flow rate of C_2H_4 and the difference between the maximum flow rate of C_2H_4 and the maximum flow rate of C_2H_4 is obtained. 3. In the i layer, the inclined a-Si_<1-x>x:H layer and a-Si:H layer are alternately stacked, and the 3-segment superlattice structure pin is fabricated. Under the electric boundary of 1.4×10^6V/cm, the maximum photocurrent increase of 6.7 times is obtained. This value is about 3 times larger than the normal pin value, and the voltage value is about 3 times larger than the normal pin value. 4. The increase in photocurrent magnification and conductivity band length is from 0.26eV to 0.45eV, and the increase in excitation time is from 0.26eV to 0.45eV. 5. The phase difference of a-Si_<1-x>C_x:H film and single-crystal Si is 0.67eV, and the phase difference of electron collision is 0.5eV. The accuracy of 100% is obtained. The amount of carbon introduced into the inclined layer increases, and the phase difference increases by more than 0.5 eV. The reason for this is that the separation of carbon in the film is increased, and the film quality is deteriorated, and the mobility is reduced. In the future, the interface between a-Si:H layer and a-Si_<1-x>C_x:H layer will be improved rapidly, and <1-x>the film quality of a-Si_ C_x:H inclined layer will be improved by molecular wire stacking method. In addition, the use of trial elements has increased, accompanied by the reduction of overtones and the improvement of the use of ultra-high-sensitivity Internet access.

项目成果

K.Sawada: "Photocurrent Multiplication in hydrogenated amorphous silicon Staircase Photodiode Films" Applied Physics Letters. 68・13. 1835-1837 (1996)

K. Sawada：“氢化非晶硅阶梯光电二极管薄膜中的光电流倍增”应用物理快报 68・13（1996 年）。