JP2013033664A

JP2013033664A - 光導電素子及び撮像デバイス

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Publication number: JP2013033664A
Application number: JP2011169558A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kikuchi; 健司菊地; Yuji Okawa; 裕司大川; Setsu Kubota; 節久保田; Kazunori Miyakawa; 和典宮川
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; NHK Engineering Services Inc; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp; NHK Engineering System Inc
Priority date: 2011-08-02
Filing date: 2011-08-02
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2031-08-02
Also published as: JP5739763B2

Abstract

【課題】
本発明は、暗電流を抑制し、高感度・高解像度で高Ｓ／Ｎの高品位画像が得られる正孔注入阻止層を含む光導電素子及び撮像デバイスを提供することを課題とする。
【解決手段】
光導電素子は、透光性基板と、前記透光性基板の上に形成される導電膜と、前記導電膜上に形成される正孔注入阻止層と、前記正孔注入阻止層の上に形成される光導電層とを具え、前記正孔注入阻止層は、酸化ガリウムで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、高感度・高解像度で高Ｓ／Ｎの高品位画像が得られる光導電素子及び撮像デバイスに関する。

従来から、セレン系非晶質半導体で構成される光導電層に約１×１０^８〔Ｖ／ｍ〕以上の高電界を印加すると、内部でアバランシェ増倍現象が起きることが知られており、この現象を利用した高感度撮像管が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

このようなアバランシェ増倍現象を生じさせるには、約５×１０^７〔Ｖ／ｍ〕以上の高い電界を光導電層に印加する必要があるため、正極性電極からセレン系非晶質半導体（光導電層）への電荷（正孔）の注入を阻止して暗電流を抑制する必要がある。

このような電荷（正孔）の注入を阻止するための手法として、正極性電極とセレン系非晶質半導体（光導電層）の間に、例えば酸化セリウム（ＣｅＯ_２）薄膜を正孔注入阻止層として設ける手法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０９−０５０７７１号公報

テレビジョン学会全国大会講演予稿集、３３〜３４頁、１９８９年

しかしながら、上述のように正孔注入阻止層として酸化セリウム（ＣｅＯ_２）薄膜を設けても、正孔注入阻止層の膜質や印加される電界の強度によっては、正極性電極からセレン系非晶質半導体（光導電層）への電荷の注入を効果的に抑制することができない場合があり、正孔注入阻止層を通過した電荷注入に起因する暗電流が生じる場合がある。

一般的に、アバランシェ増倍現象を利用した高感度撮像管では、光導電層に印加する電界を高くするほど高い増倍率（感度）を得ることができるが、電界を高くしすぎると電荷の注入に起因する暗電流もアバランシェ増倍を起こし、Ｓ／Ｎ低下等の画質の劣化を招く虞がある。

このため、光導電層に印加できる電界の強度には限界があり、この電界強度の限界により高感度撮像管の増倍率の最大値も制限されるという課題があった。

そこで、本発明は、暗電流を抑制し、高感度・高解像度で高Ｓ／Ｎの高品位画像が得られる正孔注入阻止層を含む光導電素子及び撮像デバイスを提供することを目的とする。

本発明の一局面の光導電素子は、透光性基板と、前記透光性基板の上に形成される導電膜と、前記導電膜上に形成される正孔注入阻止層と、前記正孔注入阻止層の上に形成される光導電層とを具え、前記正孔注入阻止層は、酸化ガリウムで構成される。

また、前記光導電層は、セレンを主体とする非晶質半導体層で構成されてもよい。

本発明の一局面の撮像デバイスは、前記光導電素子と、前記光導電素子に走査用の電子ビームを発射する電子ビーム源と、前記光導電素子に電気的に接続され、前記電子ビームの走査によって得る撮像信号を読み出すための信号読み出し部とを具える。

本発明によれば、暗電流を抑制し、高感度・高解像度で高Ｓ／Ｎの高品位画像が得られる正孔注入阻止層を含む光導電素子及び撮像デバイスを提供できるという特有の効果が得られる。

実施の形態１の撮像デバイスの構成を示す図である。実施の形態１の撮像デバイスの光導電部１３の構成を詳細に示す断面図である。実施の形態１の撮像デバイスの信号電流及び暗電流の特性と、従来の撮像デバイスの信号電流及び暗電流の特性を示す図である。実施の形態２の撮像デバイスの断面構造を示す図である。

以下、本発明の光導電素子及び撮像デバイスを適用した実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の撮像デバイスの構成を示す図であり、（Ａ）は側断面図、（Ｂ）は撮像デバイスを（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面で示す図である。

図１（Ａ）に示すように、実施の形態１の撮像デバイス１００は、光導電素子１０、インジウムリング２０、ガラス管３０、電子ビーム源４０、偏向装置５０、メッシュ電極６０、及び信号読み出し装置７０を含む。

光導電素子１０は、透光性基板１１、導電膜１２、光導電部１３、及び金属製ピン１４を有する。透光性基板１１は、被写体から得られる反射光を透過して光導電部１３に誘導する透明な基板であり、例えば、透光性ガラス製の直径１８ｍｍの円板状の基板で構成される。この透光性基板１１の一方の面には、酸化インジウムを主体とする直径１４ｍｍ、膜厚３０ｎｍの導電膜１２がスパッタ蒸着法により形成される。

導電膜１２の図中下側の面には、光導電部１３が形成されている。金属製ピン１４は、透光性基板１１を貫通する貫通孔の内部に嵌着されて一端が導電膜１２と電気的に接続されており、他端は信号読み出し装置７０に接続されている。

光導電部１３は、電子ビーム源４０から発射される電子ビームのターゲットとなり、高電界の印加により内部でアバランシェ増倍現象を生じさせる。この光導電部１３は、平面視円形であり、電子ビーム４１によって走査される走査面１３Ａと、透光性基板１１及び導電膜１２を経て図中上方向から光が入射する入射面１３Ｂを有する。この入射面１３Ｂは、光導電部１３の導電膜１２との境界面である。

また、図１（Ｂ）に示すように、光導電部１３は、電子ビーム源４０と対向する走査面１３Ａの中央部に走査領域１３Ｃを有する。この走査領域１３Ｃは、偏向コイル及び集束コイルによって偏向・集束される電子ビーム４１により、撮像信号を取り出すための走査が行われる領域である。なお、金属製ピン１４は、平面視において走査領域１３Ｃの外となる位置に配設されている。光導電部１３の詳細構成については図２を用いて後述する。

インジウムリング２０は、透光性基板１１とガラス管３０の間をシールし、ガラス管３０に対して光導電素子１０を固定している。

ガラス管３０は、一端が光導電素子１０とインジウムリング２０によって封止されたガラス製の管状部材であり、このガラス管３０の内部には、奥部から開口部に向けて、電子ビーム源４０、偏向装置５０、及びメッシュ電極６０が配設される。

ガラス管３０は、電子ビームによる走査を実現するために、インジウムリング２０によって透光性基板１１とシール（密封）されることにより、内部空間が真空に保持される。

電子ビーム源４０は、ガラス管３０内の奥部に配設される電子放出源であり、陰極材料をヒータで加熱して電子雲を励起する装置である。電子雲として励起された電子は、電子ビーム４１として出射される。

偏向装置５０は、第１グリッド電極５１、第２グリッド電極５２、及び第３グリッド電極５３を有し、電子ビーム４１を偏向する。第１グリッド電極５１、第２グリッド電極５２、及び第３グリッド電極５３は、電子ビーム源４０で励起された電子を電子ビーム４１としてメッシュ電極６０の方向に引き出して加速させるための電極である。

メッシュ電極６０は、電子ビーム源４０から見て光導電部１３の手前に設けられており、走査用の電子ビーム４１のターゲットとなる光導電部１３に衝突する電子の速度を低下させるための減速電界を生じさせる電極である。

信号読み出し装置７０は、光導電部１３内で発生した電荷を撮像信号として読み出すための装置であり、光導電部１３に電圧を印加するための電源７１と、撮像信号を読み出すための読み出し部７２を有する。

電源７１の正極性端子は、金属製ピン１４を介して光導電部１３に接続されるとともに、読み出し部７２に接続されている。また、電源７１の負極性端子は電子ビーム源４０に接続されており、走査用の電子ビーム４１を介して閉回路が形成される。ここで、電源７１から光導電部１３に印加される電圧をターゲット電圧と称す。なお、説明の便宜上、電源７１の負極性端子と電子ビーム源４０とを接続するラインは図示を省略する。

なお、ガラス管３０の外側には、図示しない偏向コイル及び集束コイルが配設され、第３グリッド電極５３内で加速される電子（電子ビーム４１）を偏向・集束させる。

このような実施の形態１の撮像デバイス１００において、各電極に印加される電圧は、例えば、電子ビーム源４０のヒータ：約６Ｖ、第１グリッド電極５１：約２０Ｖ、第２グリッド電極５２：約３００Ｖ、第３グリッド電極５３：約６００Ｖ、メッシュ電極６０：約８００Ｖである。

また、光導電部１３の光入射面１３Ｂには、電源７１から導電膜１２を介して、光導電部１３の厚さに応じて１００〜５０００Ｖのターゲット電圧が印加される。

走査領域１３Ｃの表面電位は、走査終了直後には電子ビーム源４０と同じ電位となり、光導電部１３の入射面１３Ｂと走査面１３Ａの間にはターゲット電圧と同じ電圧が印加される。その後、光が入射すると、吸収された光で光導電部１３内に電子−正孔対が生成され、正孔が光導電部１３内の電界に沿って走査面１３Ａまで走行し、走査面１３Ａの表面電位は正方向に変化する。正方向に上昇した走査面１３Ａの表面電位は、次の電子ビーム走査により再び電子ビーム源４０と同じ電位に戻るが、その際に閉回路に流れる電流変化が読み出し部７２から撮像信号として取り出される。

電子ビーム源４０で発生された電子は、第１グリッド電極５１によって引き出され、第２グリッド電極５２により電子ビーム４１として出射され、外部磁界によって偏向・集束されるとともに第３グリッド電極５３で加速される。加速された電子は、メッシュ電極６０を通過すると減速され、略零の速度で光導電部１３の表面に到達する。これにより、高速で電子が光導電部１３に衝突することを抑制でき、衝突による２次電子の放出が抑制される。

次に、図２を用いて光導電部１３の構成について説明する。

図２は、実施の形態１の撮像デバイスの光導電部１３の構成を詳細に示す断面図である。

光導電部１３は、正孔注入阻止層１３１、光導電層１３２、及び電子ビームランディング層１３３の積層体であり、透光性基板１１の導電膜１２の表面上に積層されている。

正孔注入阻止層１３１は、導電膜１２から光導電層１３２への電荷（正孔）の注入を阻止するための層であり、暗電流を抑制するために形成される酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）製の薄膜層である。この正孔注入阻止層１３１は、真空蒸着法によって導電膜１２の表面上に形成される。

光導電層１３２は、セレン（Ｓｅ）を主原料とする非晶質半導体層であり、高電圧の印加によりアバランシェ増倍現象を生じさせる半導体層である。この光導電層１３２は、真空蒸着法によって正孔注入阻止層１３１の表面上に形成される。光導電層１３２をセレン（Ｓｅ）を主原料とする非晶質半導体層で構成するのは、例えば、ＨＡＲＰ（High Gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor）光電変換膜（ＨＡＲＰ膜）として利用するためである。

電子ビームランディング層１３３は、電子ビーム源４０から放出され、第１グリッド電極５１、第２グリッド電極５２、及び第３グリッド電極５３によって加速され、メッシュ電極６０によって減速された電子が到達する層である。

次に、光導電部１３の作製方法について説明する。

このような光導電部１３は次のようにして作製される。まず、導電膜１２上へスパッタリング法により直径１４ｍｍ、膜厚１０〜３０ｎｍの酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）製の正孔注入阻止層１３１を成膜する。スパッタリング法による酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）膜の成膜は、例えば、室温で酸素を供給しながら行えばよい。

次に、正孔注入阻止層１３１の上に真空蒸着法により直径１４ｍｍ、膜厚２〜５０μｍのセレン（Ｓｅ）を主体とする非晶質半導体からなる光導電層１３２を形成する。さらに、圧力０．１〜０．４Ｔｏｒｒのアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中で三硫化アンチモン（Ｓｂ_２Ｓ_３）を蒸着し、直径１４ｍｍ、膜厚０．１〜０．３μｍの電子ビームランディング層１３３を形成する。以上のようにして光導電部１３を得る。

このようにして光導電部１３を形成した透光性基板１１と、電子ビーム源４０、メッシュ電極６０等を内蔵したガラス管３０を、インジウムリング２０でシールし、内部を真空封止することにより、実施の形態１の撮像デバイスを得る。

次に、実施の形態１の撮像デバイス１００の信号電流及び暗電流の特性について説明する。

図３は、実施の形態１の撮像デバイス１００における印加電圧に対する信号電流及び暗電流の特性と、従来の撮像デバイスの信号電流及び暗電流の特性を示す図である。

従来の撮像デバイスは、実施の形態１の撮像デバイス１００における酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）製の正孔注入阻止層１３１の代わりに、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）製の正孔注入阻止層を含む。また、印加電圧とは、金属製ピン１４及び導電膜１２を介して光導電部１３に対して印加した電圧をいう。なお、信号電流は絶対値（a.u. (arbitrary unit)：任意単位）で示し、暗電流は（ｎＡ）で示す。

図３に示すように、信号電流については、従来の撮像素子では最大で９０００（a.u.）程度であるのに対して、実施の形態１の撮像デバイス１００では、１４０００（a.u.）程度まで増大していることが分かる。

また、暗電流については、従来の撮像素子では最小で約１（ｎＡ）程度で、印加電圧の上昇に伴い約１０（ｎＡ）程度までの範囲の暗電流値を示すのに対して、実施の形態１の撮像デバイス１００では、最小で約０．１（ｎＡ）程度で、印加電圧の上昇に伴い約３（ｎＡ）程度までの範囲の暗電流値を示していることが分かる。

このように、正孔注入阻止層１３１として酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）層を用いた実施の形態１の撮像デバイス１００によれば、従来の撮像デバイスに比べて、信号電流が増大（図３の例では約１．５倍程度）するとともに、暗電流が飛躍的に低減（約１／１０〜約１／３程度）することが分かる。このため、Ｓ／Ｎが飛躍的に増大する。このように暗電流が低減されたのは、正孔障壁が酸化セリウム（ＣｅＯ_２）よりも大きい酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）層を正孔注入阻止層１３１として用いたことにより、正孔に対するブロッキング特性が改善されたことが一因と考えられる。

酸化セリウム（ＣｅＯ_２）のエネルギーギャップは、約３．２〜３．４ｅＶ程度であるのに対して、酸化ガリウムのエネルギーギャップは、約４．９ｅＶ程度である。また、ｎ型半導体でありセレンとの接合において、電子障壁を形成せず、正孔に対する障壁は大きくなる。

また、室温で酸素を供給しながら行うスパッタリング法によって酸化ガリウム層を成膜することによって欠陥準位の少ない正孔注入阻止層１３１を形成できたため、正孔の障壁をさらに大きくできたと考えられる。

そして、これらにより、実施の形態１の撮像デバイス１００では、特に暗電流を大幅に低減できたと考えられる。

ここで、図３において、撮像デバイス１００の印加電圧を徐々に上昇させた際に、印加電圧が１２００〜１３００（Ｖ）の辺りから、信号電流が急激に増大している。これは、光導電層１３２をセレン（Ｓｅ）を主原料とする非晶質半導体層で構成し、ＨＡＲＰ膜にしているからである。

光導電層１３２がＨＡＲＰ膜でない場合の信号電流は、印加電圧が１２００〜１３００（Ｖ）以下の信号電流の特性を破線Ａで示すように直線的に延長した特性になると考えられる。破線Ａにおいて印加電圧が約１６００（Ｖ）のときの信号電流は約２０であるが、実施の形態１の信号電流は、約１０５００（a.u.）である。

このため、実施の形態１の撮像デバイス１００では、光導電層１３２をＨＡＲＰ膜にすることにより、約５２５（＝１０５００／２０）倍の信号の増倍率が得られたことになる。

以上、実施の形態１によれば、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）層を正孔注入阻止層１３１として用いることにより、暗電流を大幅に低減し、高感度・高解像度で高Ｓ／Ｎの高品位画像が得られる光導電型の撮像デバイスを提供することができる。

撮像デバイスの中でも、特に、アバランシェ増倍現象を利用した高感度撮像管のような撮像デバイスでは、光導電層に、例えば約１×１０^８〔Ｖ／ｍ〕以上の高い電界を印加する必要がある。このため、特に、アバランシェ増倍現象を利用した高感度撮像管のような撮像デバイスでは、正孔注入阻止層として酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）層を用いることにより、暗電流の抑制効果が顕著に得られ、高感度・高解像度で高Ｓ／Ｎの高品位画像を得ることができる。

なお、以上では、セレン（Ｓｅ）を主体とする非晶質半導体からなる光導電層を用いた撮像デバイスについて説明したが、本発明は光導電層の材料に何らの制限を付すものではなく、Ｓｉ、ＰｂＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、Ｓｂ_２Ｓ_３等で構成される光導電層を用いる撮像デバイスにも適用することができる。

また、透光性基板１１は、ガラス基板に限らず、透光性樹脂基板、又はオプティカルファイバープレートであってもよい。また、Ｘ線に対する透過率が高いベリリウム（Ｂｅ）、結晶シリコン（Ｓｉ）、又は窒化ホウ素（ＢＮ）等の薄板等を用いれば、Ｘ線用撮像デバイスの暗電流を低減することが可能である。

また、以上では、一般的に広く使われている撮像管を用いて説明したが、電子ビームを真空中で加速し、光導電層にランディングさせて蓄積電荷を読み出す方式のデバイスであれば、他の形式の撮像デバイスであってもよい。

［実施の形態２］
図４は、実施の形態２の撮像デバイスの断面構造を示す図である。実施の形態２の撮像デバイス２００は、Ｘ線画像用撮像デバイスに好適であり、電子ビーム源としての電子放出源アレイ２４０を備える点が実施の形態１の撮像デバイスと主に相違する。この電子放出源アレイ２４０は、複数の微小なカソードがマトリクス状に配列されたものであり、任意のカソードを選択して電子ビームを発射させることができる。このため、実施の形態１の撮像デバイス１００のように、第１グリッド電極５１、第２グリッド電極５２、第３グリッド電極５３、偏向コイル、及び集束コイルは備えない。

また、実施の形態２では、ガラス管２３０はカップ状である。電子放出源アレイ２４０は、ガラス管２３０の底面に配設される。

その他の構成は、基本的に実施の形態１の撮像デバイスに準ずるため、同一又は同等の構成要素には同一の符号を用い、その説明を省略する。

実施の形態２の撮像デバイスは、透光性基板１１として厚さ０．５ｍｍ、直径１８ｍｍのベリリウム（Ｂｅ）製の薄板状の導電性基板を用いる。ベリリウム（Ｂｅ）製の薄板状の透光性基板１１は導電性を有するため、実施の形態１のように一方の面に導電膜１２を形成する必要はない。

透光性基板１１の一方の面には、実施の形態１と同様に光導電部１３が形成される。この透光性基板１１は、インジウムリング２０を介してガラス管２３０に封止される。

また、上述のように、実施の形態２のガラス管２３０は、カップ状である。このカップ状のガラス管２３０の内部の底面には電子放出源アレイ２４０が配設され、開口部２３０Ａの近傍には、メッシュ電極６０が配設される。

電子放出源アレイ２４０は、複数の微小なカソードがマトリクス状に配列された平板状の電子ビーム源である。走査ラインと選択ラインに印加する電圧値を制御することにより、所望のカソードから電子ビーム２４１を光導電部１３に発射することができる。

以上のようにして光導電部１３を表面に形成した透光性基板１１と、電子放出源アレイ２４０やメッシュ電極６０等を内蔵したガラス管２３０とをインジウムリング２０を用いてシールし、内部を真空封止することにより、実施の形態２の撮像デバイスを作製することができる。

光導電部１３に印加する電圧と撮像デバイスの撮像信号電流及び暗電流の関係は、光導電部１３の構造と膜厚に依存する。このため、実施の形態１と同一の酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）製の正孔注入阻止層１３１及び光導電層１３２を含む光導電部１３を用いた実施の形態２の撮像デバイスにおいても、実施の形態１の撮像デバイスと同じように、従来技術による撮像デバイスに比べて暗電流を低減することができる。

なお、以上では、ガラス管２３０がカップ状である形態について説明したが、カップ状のガラス管２３０の代わりに、同一形状で金属製の真空チャンバを用いてもよい。

以上で説明した実施の形態１及び２の撮像デバイスは、高画質が要求されるテレビジョンカメラ、特にハイビジョン用カメラに最適であり、産業、医療、理化学分野等の画像解析システムに適用すれば、高Ｓ／Ｎでの信号処理が可能になる等の効果が得られる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の光導電素子及び撮像デバイスについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００撮像デバイス
１０光導電素子
１１透光性基板
１２導電膜
１３光導電部
１３Ａ走査面
１３Ｂ入射面
１３Ｃ走査領域
１３１正孔注入阻止層
１３２光導電層
１３３電子ビームランディング層
１４金属製ピン
２０インジウムリング
３０ガラス管
４０電子ビーム源
４１電子ビーム
５０偏向装置
５１第１グリッド電極
５２第２グリッド電極
５３第３グリッド電極
６０メッシュ電極
７０信号読み出し装置
７１電源
７２読み出し部
２００撮像デバイス
２３０ガラス管
２４０電子放出源アレイ
２４１電子ビーム

Claims

透光性基板と、
前記透光性基板の上に形成される導電膜と、
前記導電膜上に形成される正孔注入阻止層と、
前記正孔注入阻止層の上に形成される光導電層と
を具え、
前記正孔注入阻止層は、酸化ガリウムで構成される、光導電素子。
前記光導電層は、セレンを主体とする非晶質半導体層で構成される、請求項１に記載の光導電素子。
請求項１又は２に記載の光導電素子と、
前記光導電素子に走査用の電子ビームを発射する電子ビーム源と、
前記光導電素子に電気的に接続され、前記電子ビームの走査によって得る撮像信号を読み出すための信号読み出し部と
を具える、撮像デバイス。