JP2014143261A - Photoelectric conversion element and imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換を行う光電変換素子および該光電変換素子を備えた撮像素子に関するものである。 The present invention relates to a photoelectric conversion element that performs photoelectric conversion, and an imaging element including the photoelectric conversion element.
従来、アモルファスセレンを主体として構成され、入射した光により電荷が発生する非晶質光導電膜を有するターゲット部と、ターゲット部に対して光入射側とは反対側から電子ビームを走査する電子ビーム発生部とを備えた撮像装置が知られている。この撮像装置では、ターゲット部に光が入射すると、非晶質光導電膜内に入射光の光強度に応じた電荷(電子・正孔対)が生成する。このうち正孔は、高電界が印加された非晶質光導電膜においてアバランシェ増倍により増幅され、ターゲット部の電子ビーム走査側に蓄積する。そして、ターゲット部に蓄積した正孔と電子ビームの電子とが結合し、結合時に外部回路に流れる電流を出力として取り出すことで、入射光像に対応した映像信号が得られる。
非晶質光導電膜は、ヒ素を10〜40重量%含有した耐熱強化層と、ビームランディング層とを、光入射側からこの順に有している。この耐熱強化層により、画像欠陥(いわゆる白キズ)の原因となる、アモルファスセレンの熱的変化(結晶化)が防止されている。ここで、ヒ素は、アモルファスセレン中において電子捕獲準位を形成することから、非晶質光導電膜の膜厚方向の全領域に添加すると残像や焼付が生じてしまうため、ヒ素を含有する耐熱強化層が、非晶質光導電膜の一部(光入射側とは反対側寄り)に設けられている(特許文献1参照)。
Conventionally, a target portion that is mainly composed of amorphous selenium and has an amorphous photoconductive film that generates charges by incident light, and an electron beam that scans the electron beam from the side opposite to the light incident side with respect to the target portion An imaging apparatus including a generation unit is known. In this imaging apparatus, when light is incident on the target portion, charges (electron / hole pairs) corresponding to the light intensity of the incident light are generated in the amorphous photoconductive film. Of these, holes are amplified by avalanche multiplication in an amorphous photoconductive film to which a high electric field is applied, and are accumulated on the electron beam scanning side of the target portion. Then, the holes accumulated in the target unit and the electrons of the electron beam are combined, and a current flowing through the external circuit at the time of combination is taken out as an output, thereby obtaining a video signal corresponding to the incident light image.
The amorphous photoconductive film has a heat-resistant reinforcing layer containing 10 to 40% by weight of arsenic and a beam landing layer in this order from the light incident side. This heat-resistant reinforcing layer prevents thermal change (crystallization) of amorphous selenium that causes image defects (so-called white scratches). Here, since arsenic forms an electron capture level in amorphous selenium, if it is added to the entire region in the film thickness direction of the amorphous photoconductive film, an afterimage or seizure occurs. The reinforcing layer is provided on a part of the amorphous photoconductive film (on the side opposite to the light incident side) (see Patent Document 1).
従来のターゲット部(光電変換素子)では、電子ビーム発生部(電子放出部)から放出された電子が、ビームランディング層(走査側硫化物領域)において正孔と結合する場合には、残像や焼付が生じることがないが、実際には、耐熱強化層(第二ヒ素含有領域)に電子が進入する場合がある。特に進入した電子が多い場合には、耐熱強化層に10〜40重量%をも含有されるヒ素が形成する電子捕獲準位に、該電子が捕獲されるため、残像や焼付が生じてしまっていた。 In a conventional target unit (photoelectric conversion element), when an electron emitted from an electron beam generating unit (electron emitting unit) is combined with a hole in a beam landing layer (scanning sulfide region), an afterimage or a burn-in In practice, however, electrons may enter the heat-resistant reinforcing layer (second arsenic-containing region). In particular, when there are a large number of electrons that have entered, since the electrons are captured at the electron capture level formed by arsenic containing 10 to 40% by weight in the heat-resistant strengthening layer, afterimages and image sticking have occurred. It was.
本発明は、アモルファスセレンの結晶化による白キズの発生を防止しつつ、残像や焼付の発生を低減することができる光電変換素子およびこれを備えた撮像素子を提供することを課題としている。 An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element capable of reducing the occurrence of afterimages and image sticking while preventing the generation of white scratches due to crystallization of amorphous selenium, and an image pickup element including the photoelectric conversion element.
本発明の光電変換素子は、アモルファスセレンを主体として構成され、入射した光により電荷が発生する光電変換層を、備え、光電変換層は、入射側とは反対側寄りにおいて、ヒ素を含有した第一ヒ素含有領域と、第一ヒ素含有領域とは異なる濃度のヒ素を含有した第二ヒ素含有領域と、硫化物で構成された硫化物領域と、を入射側からこの順に有することを特徴とする。 The photoelectric conversion element of the present invention is composed mainly of amorphous selenium, and includes a photoelectric conversion layer that generates charges by incident light. The photoelectric conversion layer contains arsenic on the side opposite to the incident side. One arsenic-containing region, a second arsenic-containing region containing arsenic at a concentration different from that of the first arsenic-containing region, and a sulfide region composed of sulfides are arranged in this order from the incident side. .
以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る光電変換素子および該光電変換素子を備えた撮像素子について説明する。本実施形態の撮像素子は、カメラ等の撮像装置に組み込まれ、撮像対象物のイメージデータを構成するものである。 Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a photoelectric conversion element according to an embodiment of the present invention and an imaging element including the photoelectric conversion element will be described. The imaging device of the present embodiment is incorporated in an imaging device such as a camera and constitutes image data of an imaging target.
図1に示すように、撮像素子1は、撮像対象となる物体からの光が入射する光電変換素子10と、光電変換素子10に近接して対向配置された電子放出部20と、光電変換素子10と電子放出部20との間に離間配置され、放出された電子の軌道を制御するメッシュ電極30とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
詳細は後述するが、光電変換素子10では、入射した光により正孔が発生し、入射光像に対応した正孔パターンが光電変換素子10の電子放出部20側に蓄積する。一方、電子放出部20は、光電変換素子10に対し、メッシュ電極30を介して電子を放出する。光電変換素子10に蓄積した正孔と、電子放出部20から放出された電子とが結合すると、外部回路に電流が流れ、これを出力として取り出すことで、入射光像に応じた映像信号が得られる。そこで、まず、電子放出部20について簡単に説明する。
Although details will be described later, in the
電子放出部20は、熱電子源などを用いてもよいが、図2に示すように、冷陰極アレイ型のものを好適に用いることができる。電子放出部20は、シリコン基板等で構成された電子放出基板21と、電子放出基板21上に作り込まれた駆動回路層(図示省略)と、駆動回路層上にマトリクス状に配置された複数(例えば640×480個)の電子源22と、電子放出基板21の周囲に形成された水平走査回路23および垂直走査回路24とを備えている。
The
各電子源22は、図示省略したが、MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)型の冷陰極電子源で構成されており、下部電極や上部電極等を備え、上部電極に下部電極より高い電圧が印加されると、表面に複数(例えば3×3個)設けられたエミッションサイト26(凹部)から電子が放出される。なお、下部電極は、電子源22ごとに形成され、上部電極は全電子源22共通である。
Although not shown, each
駆動回路層は、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)トランジスタで構成されており、そのドレイン電極は、下部電極に、ゲート電極およびソース電極は、水平走査回路23および垂直走査回路24にそれぞれ接続されている。上部電極に正電圧を印加すると共に、外部からのクロック信号や同期信号等に基づいて水平走査回路23および垂直走査回路24により各電子源22のドレイン電位を制御することで、各電子源22から順次、電子を放出させることができる。放出された電子は、メッシュ電極30を介して光電変換素子10側に引き出され、光電変換素子10の光電変換層13(後述する)に到達する。
The drive circuit layer is formed of a MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) transistor, the drain electrode is connected to the lower electrode, and the gate electrode and the source electrode are connected to the
次に、図1を参照して、光電変換素子10について説明する。光電変換素子10は、光入射側から、透光性基板11と、透光性電極膜12と、光電変換層13とを、この順に備えている。
Next, the
透光性基板11は、入射した光が透過する材料で構成されていればよく、撮像用途(光の波長)に応じて、ガラスや石英ガラスなどを適宜選択可能である。
The
透光性電極膜12は、例えば厚さ15〜30nmに形成されると共に、図示省略した接続端子を介して所定の正電圧が印加され、光電変換層13に高電界(例えば108V/m以上)を生じさせる。透光性電極膜12は、入射した光が透過し且つ電気抵抗の低い材料で構成されていればよく、例えば、ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、AZO(Aluminium doped Zinc Oxide)などを用いることができる。また、透光性電極膜12を金属薄膜で構成することも可能である。
The
光電変換層13は、アモルファスセレンを主体とした材料で構成されており、入射光により電荷(電子・正孔対)が発生すると共に、発生した正孔が増幅するようになっている。すなわち、光電変換層13に光が入射すると、透光性電極膜12近傍の光電変換層13内に入射光の光強度(光量)に応じた電子・正孔対が発生する。このうち正孔は、透光性電極膜12を介して印加された高電界により加速され、Se原子との衝突イオン化を繰り返すことで増幅する(アバランシェ増倍)。これにより、光電変換層13の電子放出部20側には、増幅した正孔が蓄積し、入射光像を反映した正孔パターンが形成される。そして、上記した各電子源22から順次放出された電子と、各電子源22に対応した領域に蓄積された正孔とが順次結合する。この結合時に外部回路に流れる電流を出力として取り出すことで、入射光像に対応した映像信号が得られる。
The
光電変換層13は、光入射側から、光導電領域130と、第一ヒ素含有領域131と、第二ヒ素含有領域132と、硫化物領域133とが、この順に、それぞれ層状に形成されている。詳細は後述するが、第一ヒ素含有領域131および第二ヒ素含有領域132に含有させたヒ素により、光電変換層13を構成するアモルファスセレンの結晶化が抑制されている。
In the
続いて、光電変換層13における各領域について説明する。まず、光導電領域130は、アモルファスセレンで構成されているが、必要に応じ、ヒ素などの各種の添加物を含有していてもよい。
Then, each area | region in the
硫化物領域133は、硫化物(例えば硫化アンチモン)で構成されており、電子放出部20から放出された電子をランディングさせる。また、硫化物領域133は、暗電流の原因となる、外部から光電変換層13への不要な電子の注入を防止する電子注入阻止層としても機能している。なお、硫化物領域133に、アモルファスセレンやヒ素などが含まれていてもよい。
The
第一ヒ素含有領域131および第二ヒ素含有領域132は、アモルファスセレンの結晶化温度を高めるヒ素を含有している。第一ヒ素含有領域131および第二ヒ素含有領域132を設けない場合、光電変換層13の主体をなすアモルファスセレンは、結晶化温度が低いため、室温でも徐々に結晶化が進む。結晶化した部分は低抵抗化するため電流が流れやすくなり、暗電流が局所的に集中した画像欠陥(いわゆる白キズ)が生じてしまう。これに対し、光電変換層13中に、第一ヒ素含有領域131および第二ヒ素含有領域132を設けることで、両領域に含まれるヒ素によりアモルファスセレンの結晶化温度が高まり、白キズの発生が抑制されている。
The first arsenic-containing
なお、ヒ素は、アモルファスセレン中において電子捕獲準位を形成することから、光電変換層13の厚さ方向の全領域に添加すると残像や焼付が生じてしまうため、ヒ素を含有する第一ヒ素含有領域131および第二ヒ素含有領域132が、光電変換層13の一部、すなわち、光入射側とは反対側寄り(電子放出部20側寄り)に設ければよく、硫化物領域133の近傍に設けることが好ましい。
ここで、「光入射側とは反対側寄り」とは、光電変換層13の厚さ方向(光入射方向)における中間位置よりも、光入射側とは反対側寄りを意味する。
In addition, since arsenic forms an electron capture level in amorphous selenium, if it is added to the entire region in the thickness direction of the
Here, “close to the light incident side” means closer to the light incident side than the intermediate position in the thickness direction (light incident direction) of the
第一ヒ素含有領域131は、例えば、厚さ500nm以下に形成されており、ヒ素の含有濃度が、後述する第二ヒ素含有領域132における含有濃度よりも高く、10重量%以上且つ40重量%以下であることが好ましい。
The first arsenic-containing
一方、第二ヒ素含有領域132は、例えば、厚さ50nm以下に形成されており、ヒ素の含有濃度が、0.1重量%以上且つ3重量%以下であることが好ましい。
On the other hand, the second arsenic-containing
電子放出部20から放出された電子が、上記した硫化物領域133において正孔と結合する場合には、残像や焼付が生じることがないが、実際には、第二ヒ素含有領域132に電子が進入する場合がある。特に進入した電子が多く、第二ヒ素含有領域132におけるヒ素の含有濃度が高い場合には、ヒ素が形成する電子捕獲準位に進入した電子が捕獲されるため、残像や焼付が生じるおそれがあるが、第二ヒ素含有領域132おけるヒ素の含有濃度が、3重量%以下であれば、第二ヒ素含有領域132に進入した電子による残像や焼付が低減される。
When the electrons emitted from the
また、第二ヒ素含有領域132におけるヒ素の含有濃度が、0.1重量%以上であれば、光電変換層13を構成するアモルファスセレンの結晶化を適切に抑制することができる。さらに、第二ヒ素含有領域132よりも光入射側に、ヒ素の含有濃度が第二ヒ素含有領域132よりも高い第一ヒ素含有領域131を設けたことで、光電変換層13を構成するアモルファスセレンの結晶化を確実に抑制することができる。また、第一ヒ素含有領域131におけるヒ素の含有濃度が、40重量%以下であれば、高濃度のヒ素による画像欠陥の発生を防止することができる。
Moreover, if the content density | concentration of the arsenic in the 2nd arsenic content area |
なお、第二ヒ素含有領域132は、硫化物領域133と接して設けることが好ましく、これにより、硫化物領域133の熱的安定性を高め、ランディング特性を維持することができる。
Note that the second arsenic-containing
なお、本実施形態では、光導電領域130に近い第一ヒ素含有領域131におけるヒ素の含有濃度を高く、硫化物領域133に近い第二ヒ素含有領域132におけるヒ素の含有濃度を低くしたが、これとは逆に、第一ヒ素含有領域131におけるヒ素の含有濃度を低く、第二ヒ素含有領域132におけるヒ素の含有濃度を高くしてもよい。また、光電変換素子10において、上記した各層や各領域の間には、他の層が介在していてもよい。例えば、透光性電極膜12と光電変換層13との間に、透光性電極膜12から光電変換層13への不要な正孔の注入を防止する正孔注入阻止層を設けるようにしてもよい。
In this embodiment, the arsenic concentration in the first arsenic-containing
以下、実施例および比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
[実施例1]
図1に示したように、透光性基板11上に、透光性電極膜12および光電変換層13を順次積層して、光電変換素子10を製造した。
・透光性電極膜12
透光性電極膜12は、IZOにより、厚さ20nmに形成した。
・光電変換層13
光導電領域130は、アモルファスセレンにより構成し、厚さ14.5μmに形成した。第一ヒ素含有領域131は、セレン化ヒ素(As2Se3)により構成し(ヒ素の含有濃度は39重量%)、厚さ460nmに形成した。第二ヒ素含有領域132は、アモルファスセレンおよびヒ素により構成し(ヒ素の含有濃度は2.3重量%)、厚さ33nmに形成した。硫化物領域133は、硫化アンチモンにより構成し、厚さ1μmに形成した。
実施例1の光電変換素子10を備えた撮像素子1では、白キズの発生がなく、残像や焼付の発生もなかった。また、50℃加熱前後でランディング特性は変化しなかった。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples.
[Example 1]
As shown in FIG. 1, the light-
・
The
-
The
In the
[実施例2]
第一ヒ素含有領域131におけるヒ素の含有濃度を10%にした点を除き、実施例1と同様にして光電変換素子10を製造した。
実施例2の光電変換素子10を備えた撮像素子1では、アモルファスセレンの結晶化による白キズの発生が僅かに認められたが、撮像デバイスとして問題のないレベルであった。
[Example 2]
The
In the
[実施例3]
第二ヒ素含有領域132におけるヒ素の含有濃度を5%にした点を除き、実施例1と同様にして光電変換素子10を製造した。
実施例3の光電変換素子10を備えた撮像素子1では、白キズの発生は認められなかった。また、残像や焼付の発生が僅かに認められたが、撮像デバイスとして問題のないレベルであった。
[Example 3]
A
In the
[比較例1]
第二ヒ素含有領域132を設けずに、第一ヒ素含有領域131上に硫化物領域133を設けた点を除き、実施例1と同様にして光電変換素子10を製造した。
比較例1の光電変換素子10を備えた撮像素子1では、白キズの発生はなかったが、残像や焼付が発生した。また、50℃加熱前後でランディング特性は変化しなかった。
[Comparative Example 1]
The
In the
[比較例2]
第一ヒ素含有領域131を設けずに、光導電領域130上に第二ヒ素含有領域132を設けた点を除き、実施例1と同様にして光電変換素子10を製造した。
比較例2の光電変換素子10を備えた撮像素子1では、残像や焼付の発生はなかったが、白キズが発生した。また、50℃加熱前後でランディング特性は変化しなかった。
[Comparative Example 2]
The
In the
[比較例3]
第一ヒ素含有領域131および第二ヒ素含有領域132を設けずに、光導電領域130上に硫化物領域133を設けた点を除き、実施例1と同様にして光電変換素子10を製造した。
比較例3の光電変換素子10を備えた撮像素子1では、残像や焼付の発生はなかったが、白キズが発生した。また、50℃加熱後のランディング特性が低下した。
[Comparative Example 3]
The
In the
以上のように、実施例1の撮像素子1によれば、ヒ素の含有濃度が高い第一ヒ素含有領域131を設けると共に、第一ヒ素含有領域131よりも硫化物領域133側(電子放出部20側)に、ヒ素の含有濃度が低い第二ヒ素含有領域132を設けたことで、光電変換層13を構成するアモルファスセレンの結晶化による白キズの発生を抑制しつつ、第二ヒ素含有領域132に進入した電子による残像や焼付の発生を低減することができた。
As described above, according to the
1:撮像素子、10:光電変換素子、13:光電変換層、130:光導電領域、131:第一ヒ素含有領域、132:第二ヒ素含有領域、133:硫化物領域 1: imaging device, 10: photoelectric conversion device, 13: photoelectric conversion layer, 130: photoconductive region, 131: first arsenic-containing region, 132: second arsenic-containing region, 133: sulfide region
Claims (5)
前記光電変換層は、前記入射側とは反対側寄りにおいて、
ヒ素を含有した第一ヒ素含有領域と、
前記第一ヒ素含有領域とは異なる濃度のヒ素を含有した第二ヒ素含有領域と、
硫化物で構成された硫化物領域と、
を前記入射側からこの順に有することを特徴とする光電変換素子。 A photoelectric conversion layer that is mainly composed of amorphous selenium and generates charges by incident light,
The photoelectric conversion layer is closer to the side opposite to the incident side,
A first arsenic-containing region containing arsenic;
A second arsenic-containing region containing arsenic in a concentration different from the first arsenic-containing region;
A sulfide region composed of sulfides;
In this order from the incident side.
前記他方の領域は、ヒ素の含有濃度が、前記一方の領域よりも高く且つ40重量%以下であることを特徴とする請求項1に記載の光電変換素子。 One of the first arsenic-containing region and the second arsenic-containing region has an arsenic content concentration of 0.1 wt% or more and 3 wt% or less,
2. The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein the other region has an arsenic concentration higher than that of the one region and 40% by weight or less.
前記第二ヒ素含有領域が、前記一方の領域であることを特徴とする請求項2に記載の光電変換素子。 The first arsenic-containing region is the other region;
The photoelectric conversion element according to claim 2, wherein the second arsenic-containing region is the one region.
前記第二ヒ素含有領域が、前記他方の領域であることを特徴とする請求項2に記載の光電変換素子。 The first arsenic-containing region is the one region;
The photoelectric conversion element according to claim 2, wherein the second arsenic-containing region is the other region.
前記光電変換素子に対し、前記入射側とは反対側から電子を放出する電子放出部と、
を備えたことを特徴とする撮像素子。
The photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 4,
An electron emitting portion that emits electrons from the side opposite to the incident side with respect to the photoelectric conversion element,
An image pickup device comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2013009945A JP2014143261A (en) | 2013-01-23 | 2013-01-23 | Photoelectric conversion element and imaging device |
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