JP2009123412A - 電界放出型電子源撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像動作の際に高電圧が印加される際に光電変換膜の周辺部での表面電位の変動を抑制し、安定した画像信号読み出しを可能にする電界放出型電子源撮像装置を提供する。
【解決手段】光電変換膜と透明電極とから成る光電変換部が電子を放出する電子放出部の電子放出側に対向して設けられた電界放出型撮像装置において、前記光電変換部の外周部を形成する前記光電変換膜と前記透明電極との間に電気絶縁層が挟まれて形成されている電界放出型電子源撮像装置。
【選択図】図１

Description

本発明は光電変換部にアバランシェ増倍機能を有する光電変換膜を用いた電界放出型電子源撮像装置に関するものである。

近年、半導体微細加工技術の進展により、半導体などの基板にミクロンオーダーの微細な冷陰極構造を多数集積化する真空マイクロエレクトロニクス技術が注目を集めている。これらの技術によって得られる微小冷陰極構造を備えた電界放出型電子源アレイは、平面型の電子放出特性や高い電流密度が期待できること、熱陰極とは異なりヒーター等の熱源を必要としないこと等から、低消費電力型の次世代フラットディスプレイ、センサ、平面型撮像装置の電子源として期待が集まっている。

電界放出型電子源アレイを用いた平面型撮像装置の基本構成を図２に示す。光透過性を有する前面基板１と、背面基板２と、側面外周器３とを備え、これらはフリットガラスやインジウム等の封着材料４により固着固定され、その内部が真空に保持されている。 前面基板１の内面には、外部からの入射光を透過する透明電極５が形成され、前面基板１の内部に埋め込まれた電極ピン６を介して、透明電極５に電圧を印加するようになっている。透明電極５の表面にターゲットとして、硫化アンチモン、セレン等からなる光電変換膜７が形成されている（例えば、特許文献１参照。）。

背面基板２の内面には、複数の冷陰極素子（エミッタ）と、各冷陰極素子の周辺に形成された絶縁層及び冷陰極素子から電子を取り出す為の電圧を印加するゲート電極等からなる周辺素子とが集積一体化された電界放出型電子源アレイ８が形成された半導体基板９が設置されている。冷陰極素子から放出された電子ビーム１０を光電変換膜７にランディングさせて、入射光により光電変換膜７中で発生・蓄積された信号電荷の空間分布を時系列電気信号として外部に取り出し、光電変換膜７上に結像した画像を読み取ることができる。

一般に、アバランシェ増倍機能を有する光電変換膜７は、蒸着法を用いて形成される。そのため、透明電極５と光電変換膜７とが積層された光電変換部の周辺部Ａは、図２のＡの拡大図に示すように光電変換膜７の膜厚が薄くなり易い。この周辺部には、透明電極５と前面基板１とが段差部をもため、段差コーナ部が形成される。撮像動作の際に印加される高電圧がこの段差コーナ部に加わると、電界集中効果が生じて、他の領域に比べて高い電荷が蓄積される。

この段差コーナ部は、画像信号取り出し領域外に配置されるように設計されているが、高い電荷が蓄積されると光電変換膜７の表面の電位が他の領域に比べて上昇する。このため、光電変換膜７の信号読み取り領域に照射される電子ビームが、この電位上昇によって発生した電界の影響を受けて軌道が変化してしまい、正常な信号読み取りが行われなくなる。特に、光電変換膜７がアバランシェ増倍機能を有する光電変換膜の場合には、透明電極５と光電変換膜７との積層膜周辺部でより強い電子なだれが発生し、更に大きな電子上昇が発生する。この様な現象が発生すると、画像信号の正常な読み取りができなくなり、尚一層撮像画像の乱れを生じることとなる。

そこで、図３に示すような撮像装置が提案されている。前面基板１の内面にターゲット電極となる透明電極５が形成され、透明電極５において画像信号取り出し領域に該当する部分に、第一の光導電層１１と電子ビームランディング層１２の積層膜からなる光電変換膜が形成されている。この光電変換膜の周囲に、第一の光導電層１１に接するように一定以上の膜厚を有する第二の光導電層１３が形成され、さらに第二の光導電層１３の表面に、正孔捕獲層１４、第三の光導電層１５、表面層１６が順次積層された構成の非画像信号取り出し領域が設けられている。（例えば、特許文献２参照。）。

この撮像装置では、光電変換膜は、画像信号取り出し領域と非画像信号取り出し領域とに分けられ、非画像信号取り出し領域では透明電極５から第二の光導電層１３に漏洩する正孔や、入射光によって第二の光導電層１３で生成される正孔が、正孔捕獲層１４に捕獲される。この動作が行われることにより、撮像動作中は、第二の光導電層１３にかかる電界は零となるので、第二の光導電層１３から第三の光導電層１５への正孔の流入が阻止される。その結果、入射光の有無にかかわらず第三の光導電層１５を通過する正孔数を少なくすることができるので、非画像信号取り出し領域に該当する光電変換膜周辺部での表面電位の上昇を抑え、安定した画像信号読み取りを実現している。
特開平６−１７６７０４号公報 特開平７−２９５０７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、非画像信号取り出し領域の透明電極５上に、第二の光導電層１３、正孔捕獲層１４、第三の光導電層１５、表面層１６の４層を積層しているので、厚い膜の構成をとらざるを得ない。そのために、透明電極５と第二の光導電層１３との間で、膜剥がれが起きやすくなる。僅かでも膜剥がれが発生すると、正孔捕獲層への正孔の流入ができなくなり、非画像信号取り出し領域である光電変換膜周辺部での表面電位が上昇するという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、光電変換膜の周辺部での表面電位の変動を抑制し、安定した画像信号読み出しを可能にする電界放出型電子源撮像装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電界放出型電子源撮像装置は、光電変換膜と透明電極とから成る光電変換部が電子を放出する電子放出部の電子放出側に対向して設けられた電界放出型撮像装置において、前記光電変換部の外周部を形成する前記光電変換膜と前記透明電極との間に電気絶縁層が挟まれて形成されていることを特徴としたものである。

本発明の電界放出型電子源撮像装置によれば、光電変換部の外周部を形成する前記光電変換膜と前記透明電極との間に電気絶縁層を設けることで、光電変換膜の周辺部での表面電位の変動を抑制することが出来る。そのため、電子または正孔の流れ込みを抑えるので、光電変換膜の周辺部での画像の乱れの少ない撮像装置を実現できる。また、遮光性の電気絶縁層としては、酸化クロム、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化ルビジウムなどの膜のいずれかを用いるため、光の吸収率が高く、絶縁破壊電圧も高いので、不要なアバランシェ増倍動作を抑制する電気絶縁層として適している。

更に、図３に示した従来の撮像装置が、透明電極と第一の光導電層以外に、第二の光導電層、正孔捕獲層、第三の光導電層、表面層の４層を形成するのに対し、本発明では、透明電極と光電変換膜の間に電気絶縁層を１層形成するだけなので、低コストの撮像装置を実現することができる。

本発明にかかる電界放出型電子源撮像装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。
（実施の形態１）
本発明の電界放出型電子源撮像装置の概略図を図１に示す。光透過性を有する前面基板１と、背面基板２と、側面外周器３とを備え、これらはインジウムからなる封着材料４により固着固定され、その内部が真空に保持されている。前面基板１の内面には、外部からの入射光を透過する透明電極５が前面基板１よりも小さい面積で形成され、前面基板１の内部に埋め込まれた電極ピン６を介して、透明電極５に電圧を印加するようになっている。透明電極５が形成された部分および透明電極５と絶縁層１７が積層された部分の表面の全体にわたって、アモルファス−セレンからなるアバランシェ増倍効果を有する光電変換膜１８が形成されている。以上の様に、透明電極５と光電変換膜１８とが光電変換部を形成しており、図１中の楕円で囲んだ部分Ａは、光電変換部の外周部を示す。この外周部の透明電極５の周辺には酸化クロムからなる遮光性の電気絶縁層１７が形成されている。

背面基板２の内面には、複数の冷陰極素子（エミッタ）と、各冷陰極素子の周辺に形成された絶縁層及び冷陰極素子から電子を取り出す為の電圧を印加するゲート電極等からなる周辺素子とが集積一体化された電界放出型電子源アレイ８が形成された半導体基板９が設置されている。冷陰極素子から放出された電子ビーム１０を光電変換膜１８にランディングさせて、入射光により光電変換膜１８中で発生・蓄積された信号電荷の空間分布を時系列電気信号として外部に取り出し、光電変換膜１８上に結像した画像を読み取ることができる。

ここで、遮光性の電気絶縁層１７が無い場合は、前面基板１への入射光によって光電変換膜１８の全面にわたって電荷が蓄積するが、透明電極５の周辺部においては、光電変換膜１８の膜に急激な段差を生じ、膜厚が薄くなるので、異常に高い電荷が蓄積されて電子なだれが発生する。

透明電極５の周辺部は、画像信号の取り出し領域外であり、ここで電子なだれが発生すると、画像信号が正常に読み取れなくなって画像の乱れが発生する。

本実施形態では、透明電極５の周辺部には酸化クロムからなる遮光性の電気絶縁層１７が形成されているので、透明電極５の周辺部に存在する光電変換膜１８には電荷が蓄積されない。さらに、電気絶縁層１７が透明電極５への電流の流れ込みを防止するので、透明電極５の周辺部での電子なだれは発生しない。したがって、画像信号の取り出し領域外で電気信号が流れるのを大幅に低減し、画像の乱れを少なくすることができる。

また、酸化クロム等の遮光性の電気絶縁層を１層だけ、透明電極５の周辺部に形成しており、正孔捕獲層や電子ビーム注入阻止層を光電変換膜に積層した撮像装置に比べて、複雑な製造プロセスを必要としないので、安価なコストで撮像装置を製造することができる。

次に、本実施形態に示した撮像装置の製造方法の一例について説明する。

光透過性を有するガラス基板１上に、透明電極５として、前記ガラス基板よりも面積が小さい、ＩＴＯ薄膜をスパッタリングで形成する。次に、透明電極５の周辺から、ガラス基板の中心方向に向かって画像信号読み取り領域以外の部分の透明電極５上と、ガラス基板の外側に向かって２ｍｍの幅のガラス基板上に、遮光性の電気絶縁層１７として酸化クロムの薄膜を０．３μｍ以上の膜厚で形成する。次に、透明電極５と電気絶縁層１７の全面に、光電変換膜として硫化アンチモンを蒸着で形成し、さらにその上にセレンをアモルファス状になるように蒸着で形成して、光電変換部を有する前面基板を製造する。

この前面基板と背面基板２とを側面外周器３を介して、インジウムを封着部材４として、真空中で封着、ないしは封着後、内部を排気して真空として光電変換膜１８を形成した電界放出型電子源撮像装置を製造する。

本実施形態においては、透明電極5の周辺から、ガラス基板の中心方向に向かって画像信号読み取り領域以外の部分とガラス基板の外側方向に２ｍｍの幅の遮光性電気絶縁層１７を形成したが、透明電極5の周辺部にできる、光電変換膜１８の段差と膜厚が薄くなる部分を、完全に遮光できる幅があればよい。但し、画像信号の取り出し領域外の部分には電荷が蓄積させない方がよいので、画像信号の取り出し領域外の部分は、遮光性の電気絶縁層１７で覆うのが最も好ましい。

また、遮光性の電気絶縁層１７の厚みを０．３μｍ以上としたのは、これよりも薄くなると、遮光効果と電気絶縁効果が弱くなり、電子なだれが起きやすくなるためである。これよりも膜厚が厚くなればなるほど遮光効果と電気絶縁効果は強まるので、電気絶縁層１７の厚みは、可能な限り厚くした方がよい。

なお、本実施形態では、遮光性の電気絶縁層として酸化クロムを用いたが、特に材料を選ぶものではなく、入射光を遮光し、電気絶縁性のある膜であればよい。酸化クロムと同様の効果があるものとしては、例えば、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化ルビジウムがある。

本発明の利用分野は、電界放出型電子源撮像装置として、特に暗視カメラ等の高感度・高解像度の撮像装置として利用することができる。

本発明の実施の形態１にかかる電界放出型電子源撮像装置の断面図 本発明の実施の形態２にかかる電界放出型電子源撮像装置の断面図 従来の電界放出型電子源アレイを用いた電界放出型電子源撮像装置の断面図

符号の説明

１ 前面基板
２ 背面基板
３ 側面外周器
４ 封着部材
５ 透明電極
６ 電極ピン
７、１８ 光電変換膜
８ 電界放出型電子源アレイ
９ 半導体基板
１０ 電子ビーム
１１ 第一の光導電層
１２ 電子ビームランディング層
１３ 第二の光導電層１１
１４ 正孔捕獲層
１５ 第三の光導電層
１６ 表面層
１７ 遮光性電気絶縁層

Claims (5)

1. 光電変換膜と透明電極とから成る光電変換部が電子を放出する電子放出部の電子放出側に対向して設けられた電界放出型撮像装置において、
   前記光電変換部の外周部を形成する前記光電変換膜と前記透明電極との間に電気絶縁層が挟まれて形成されている電界放出型電子源撮像装置。
2. 前記電気絶縁層は、光学的に遮光性を有する請求項１に記載の電界放出型電子源撮像装置。
3. 前記光電変換部は、光透過性を有する基板と、前記基板の前記電子放出部側の面に形成された前記基板よりも面積の小さい透明電極と前記透明電極の前記電子放出部側の面に光電変換膜を形成した請求項１に記載の電界放出型電子源撮像装置。
4. 前記電気絶縁層は、酸化クロム、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化ルビジウムのいずれかを主成分とする物質である請求項２に記載の電界放出型電子源撮像装置。
5. 前記電子放出部は、電子を放出するエミッタが複数配列された電子源アレイから成る請求項１に記載の電界放出型電子源撮像装置。

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