JP3774492B2 - 撮像素子及びその動作方法並びにその素子を用いた撮像装置、画像解析システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，入射光を信号電荷に変換するための光導電膜を有する撮像管や光導電膜積層型固体撮像素子等の撮像素子に係り，更に詳しく言えば，光導電膜内で電荷のアバランシェ増倍が生じるほどの高電界を印加しても，暗電流を低く抑止した状態で使用し得る高感度の撮像素子用光導電膜の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に，光導電膜を有する撮像素子は，撮像素子に入射する可視光やＸ線等の電磁波，ないしは電子線（以下これらを総称して単に入射光と呼ぶ）を信号電荷に変換してこれを蓄積するための光導電膜と，蓄積された信号電荷を読み取るための手段と，光導電膜に電圧を印加するためにの導電性薄膜電極から成り，光導電膜に所定の電圧を印加して使用する。通常，蓄積された信号電荷を読み取る手段が，走査電子ビーム発生部を含む撮像素子を光導電型撮像管，互いに独立した複数個の画素電極とそれぞれの画素電極に接続されたスイッチ回路を含む固体走査回路を有する撮像素子を光導電膜積層型固体撮像素子と呼んでいる。
【０００３】
また一方，かかる撮像素子には，光導電膜が透光性電極とオーム性接触をなすものと，光導電膜への電荷の注入が阻止される構成をなすものとがあり，一般に，前者を注入型撮像素子，後者を阻止型撮像素子と呼んでいる。前者に該当する代表的な撮像素子としては，光導電膜にＳｂ2Ｓ3薄膜を用いた撮像管ビジコンが広く知られている。後者の阻止型撮像素子は低残像，低暗電流で，撮像素子の出力信号が入射光強度にほぼ比例するなどの特徴を有することから．特にカラーカメラ用として好適であり，今日ではモノクロ用途も含めてほとんどの撮像装置に用いられている。
【０００４】
光導電膜への電荷の注入を阻止する手段としては，
（１）ｐｉｎ，ないしはｐｎ接合形光導電膜の逆方向特性を用いる，
（２）光導電膜界面におけるショットキー障壁の逆方向特性を利用する，
（３）ｎ形（またはｐ形）光導電膜とバンドギャップの広いｐ形（またはｎ形）薄膜の接合界面に形成されるヘテロ整流性接合の逆方向特性を用いる，
（４）光導電膜界面に絶縁性薄膜を設ける，
などの方法が取られている。
【０００５】
かかる撮像素子に関しては，例えば，木内他：画像入力技術ハンドブック，日刊工業新聞社（１９９２年）および特開昭５４−１５０９９５号公報に詳しく述べられており，ｐｉｎ形のＰｂＯ光導電膜，ｐｉｎ形の水素化アモルファスＳｉ光導電膜，ＳｎＯ₂導電性薄膜とＳｅ系非晶質半導体膜のショットキー形光導電膜，ＣｄＳｅ（またはＣｅＯ₂）とＳｅ系非晶質半導体から成るヘテロ接合型光導電膜，ＺｎＳｅ／ＣｄＴｅ等のII−VI族化合物半導体ヘテロ接合膜，ＳｉＯ₂絶縁性薄膜と水素化アモルファスＳｉ膜を積層した光導電膜などを用いた撮像管，ないしは光導電膜積層型固体撮像素子が開示されている。
【０００６】
また撮像素子の更なる高感度化を実現する手段として，光導電膜内での電荷のアバランシェ増倍現象を利用する方法が知られている。例えば，非晶質Ｓｅ光導電膜に７×１０⁷Ｖ／ｍ以上の高電界を印加して用いるアバランシェ増倍形撮像素子が，アイイーイーイー・エレクトロン・デバイス・レレターズ，ＥＤＬ−８，Ｎｏ．９，第３９２頁〜第３９４頁（１９８７年）（ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ＥＤＬ−８，Ｎｏ．９，ｐｐ３９２〜３９４（１９８７））に記載されている。本撮像素子では，非晶質Ｓｅ光導電膜の正電極側にＣｅＯ₂蒸着薄膜から成る正孔注入阻止層を設け，他方にＳｂ₂Ｓ₃薄膜から成る電子注入阻止層を設けることで，高電界印加時の暗電流が抑止されている。またかかる撮像素子における高電界印加時の局所的な絶縁破壊現象を抑止するための，基板，ならびに透光性電極の製造方法が，例えば特開平１−１９２１７７号公報，特開平５−１７４７２３号公報に開示されており，それなりの効果が得られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術の撮像素子において，更なる高感度化を図るために，光導電膜に印加する電圧を上げると，注入形撮像素子では，光導電膜への電荷の注入が増して暗電流が大幅に増加し，また阻止形撮像素子でも，先に述べた従来技術では，電荷の注入を阻止するための手段が必ずしも充分でない場合があり，暗電流や焼き付き，ないしは光導電膜の局所的な破壊に伴う画面欠陥が増加しやすい欠点があった。特に，非晶質Ｓｅ光導電膜を用いたアバランシェ増倍形撮像素子では，例えば光導電膜の熱的な安定性や長波長光に対する感度を高めるために添加するＡｓやＴｅを増すと，暗電流が増加するため，必ずしも高感度，高Ｓ／Ｎの画像が得難いなどの課題があった。また，正孔注入阻止層として用いられるＣｅＯ₂は高融点の材料であるために，蒸着薄膜を再現性良く製造することが必ずしも容易とは云えなかった。
【０００８】
さらにまた，従来技術の阻止形撮像素子では，光導電膜への電荷の注入を阻止するための手段が光導電膜の界面に存在するために，光導電膜の界面状態，すなわち微小な凹凸，異物，欠陥，汚染，吸着物等が特性に敏感に作用して，上記の不良現象を起こし易い欠点があった。
【０００９】
本発明の目的は，上記欠点を抑止して，高感度・高品位の画質を安定に，且つ容易に実現し得る撮像素子及びその動作方法を提供することにある。
【００１０】
また，本発明の他の目的は，前述の欠点を抑止した状態で，光導電膜内で電荷のアバランシェ増倍が起り得る程の高電圧を印加して使用し得る高感度撮像素子及びその動作方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために，本発明では，少なくとも光導電膜と，この光導電膜の光入射側界面に設けられた導電性薄膜から成る透光性電極と，入射光により生成された信号電荷を読み取るための手段を有する撮像素子において，上記の光導電膜を，注入形接触を成す電荷注入層と，この電荷注入層から注入される電荷を捕獲するための電荷捕獲層と，入射光の大部分を吸収して信号電荷に変換するための光電変換層で構成する。
【００１２】
また，上記目的は，上記撮像素子の光導電膜に，光電変換層内で電荷のアバランシェ増倍が生じる程の電界を印加して使用することにより，達成される。
【００１３】
【作用】
光導電形撮像素子では，一般に光導電膜に数Ｖから数千Ｖの電圧を印加して使用する。本発明では，光導電膜と電極ないし走査手段との界面が注入形接触を成すように構成するため，光導電膜に電圧を印加すると，光導電膜への電荷の注入が極めて容易に起こる。しかしながら，光導電膜に注入された電荷は，光電変換層に到達する以前に，光電変換層の界面に設けられた電荷捕獲層に捕獲されて，空間電荷を形成することになる。本発明では，電荷捕獲層として，光電変換層の静電容量（Ｃ）と外部電源電圧（Ｖ）との積で決まる電荷量（Ｑ＝ＣＶ）を超える程の空間電荷を形成し得るに足りる充分な電荷捕獲能力を有する層を用いる。そのために，電荷注入層の電界は，捕獲された空間電荷により緩和されて低下し，光導電膜への電荷の注入が止まり平衡状態に達する。上記平衡状態では，外部電源電圧の大部分が光電変換層に印加されることになる。次に光電変換層に光が入射すると，吸収量に応じた電子−正孔対が生成分離され，その結果光電変換層の実効電界が下がることになる。次の走査で，光電変換層の電界が元の平衡状態にリセットされるまで電荷の注入が起こるので，走査時の注入電荷量を画像信号電流として読み取れば良いことになる。
【００１４】
本発明では，以上述べたように，光導電膜の界面を注入型接触にして，注入された電荷を光電変換層の界面で阻止する構成にするため，従来技術の撮像素子に見られたような光導電膜界面で起る種々の不良現象がなくなり，低暗電流，高感度，高Ｓ／Ｎの良好な画像が得られることになる。
【００１５】
以下，図面を用いて，本発明の作用を更に詳しく説明する。
【００１６】
図１は，本発明の具体的実施形態を示す光導電膜積層形撮像素子の１例である。図１（ａ）は断面概略図，図１（ｂ）は１画素相当の断面拡大概略図である。１は光導電膜，２は導電性薄膜から成る透光性電極，３は光導電膜内に生成された信号電荷を読み取るための手段，４は信号電荷読み取り手段３を含む走査回路基板である。１１は光電変換層，１２は光導電膜への正電荷（又は負電荷）の注入を容易にするための整流性接触をなす電荷注入層，１４は光導電膜に注入される正電荷（又は負電荷）を捕獲するための注入電荷捕獲層，１３，ならびに１５は，それぞれ１２，１４と逆極性の電荷に対する電荷注入層，ならびに電荷捕獲層である。３１は画素電極，３２は画素電極を走査するためのスイッチング素子である。電荷捕獲層１４，１５は，捕獲された空間電荷により，電荷注入層１２，１３の電界が充分に緩和される程の電荷量を捕獲し得る能力を有し，且つ捕獲された電荷が使用条件下で容易に放出され得ない程に深いエネルギー準位を形成し得る材料で構成する。
【００１７】
図１において，透光性電極２と走査回路との間に外部電源を接続して各画素電極を走査すると，光導電膜１の注入型接触界面から電荷注入層１２，１３を通して，電荷が光導電膜にすみやかに注入され，注入電荷は電荷捕獲層１４，１５に捕獲されて空間電荷を形成する。光導電膜１への電荷の注入，捕獲は，先に述べたように，電荷注入層１２，１３の電界が充分に緩和されるまで起り，平衡状態では，外部電源電圧の大部分が光電変換層１１の両端に印加されることになる。この様な状態で光電変換層１１に光が入射すると，吸収された光が電子−正孔対に変換され，これらは電荷捕獲層の空間電荷と再結合して消滅するか，ないしはそれぞれの電極に流れ込む。その結果，光電変換層１１の電界は，各画素毎に光量に応じて低下することになる。次の走査で，電極に流れ込んだ電荷量と再結合で消滅した電荷量を補うだけの電荷注入が起こり，再び電荷捕獲層１４，１５に捕獲されて元の状態にリセットされる。上記動作において，走査時に注入する電荷量が各画素電極毎に時系列的に読み取られ，画像信号として取り出されることになる。
【００１８】
図１において，電荷注入層１２，１３の注入形接触が不十分である場合には，電極と電荷注入層の間に電荷注入補助層を設けることが有効である。注入電荷を捕獲するには，電荷捕獲層に，光電変換層と異なるバンドギャップをもつ材料を選択して，バンドギャップの不連続的な障壁を利用するか，または深い局在捕獲準位ないしは再結合センターを有する材料を使用すれば良い。
【００１９】
発明者らは，光電変換層にＳｅを主体とする非晶質半導体を用いた撮像素子において，電荷注入層ならび電荷捕獲層に後述のような材料を用いれば，暗電流抑止作用は，光電変換層がアバランシェブレークダウンを起す限界の電界域まで達し，これにより高感度の撮像素子が実現できることを見出した。以下，光電変換層にＳｅを主体とする非晶質半導体を用いた撮像素子を例にして，電荷注入層，電荷注入補助層ならびに電荷捕獲層について，更に詳細に述べる。
【００２０】
Ｓｅを主体とする非晶質半導体は，光に対する吸収係数が大で，且つ電子より正孔の方がアバランシェ増倍のイオン化係数が大きいので，光電変換層の光入射側を正電位にバイアスして用いる方が望ましい。そのために，光電変換層の光入射側には正孔に対する注入層と捕獲層を，反対側には電子に対する注入層と捕獲層を設けると良い。光入射側に設ける電荷注入層は，正孔の注入を容易にすることが必要であるが，光電変換層と同類のＳｅを主体とする非晶質半導体が使用可能である。この場合，電極と電荷注入層の間に電荷注入補助層を挿入して，正孔の注入をより容易にすることが望ましい。電荷注入補助層としては，Ａｓ，Ｓｂ，Ｇｅの少なくとも一者とＳ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも一者からなる物質，例えばＡｓ₂Ｓｅ₃，Ａｓ₁₀Ｓｅ₉₀，Ｓｂ₂Ｓ₃，ＧｅＴｅなどが使用できる。また，これらの材料を電荷注入層として用いても良い。更に，上記電荷注入層，ないしは電荷注入補助層に，層内で負極性の局在捕獲準位を形成する物質，例えばＭｎ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｉｎの各酸化物，ないしはＣｌ，Ｂｒ，Ｉ，Ｏ，Ｐ，Ｇａ，Ｉｎの各元素のいずれかを添加すれば，電極から電荷（この場合は正孔）を引き出す力が高まり，正孔の注入をより容易にすることができる。更にまた，動作時に電荷注入層，電荷注入補助層および電荷捕獲層の少なくとも一者にバイアス光を照射して使用すれば，電荷注入効果を更に高めることが出来る。光電変換層の光入射側に設ける電荷捕獲層は，正孔を捕獲して正極性の空間電荷を形成し得る性質を有することが必要で，例えば，Ｓｅを主体とし，Ｓｅ中で正極性の深い局在準位を形成する物質を添加した非晶質層を用いると良い。添加する物質としては，アルカリ金属元素のＬｉ，Ｎａ，Ｋ，アルカリ土類金属元素のＭｇ，Ｃａ，Ｂａ，ないしは金属元素のＴｌ，ないしはそれらの弗化物が有効である。本発明では，光電変換層以外の部分で吸収される光は画像信号に寄与しないので，光入射側に設ける上述の電荷注入層，電荷注入補助層，電荷捕獲層の厚みは必要最小限にすべきである。光電変換層の光入射側と反対側に設ける電荷注入層にも，同じく光電変換層と同類のＳｅを主体とする非晶質半導体層を用いると良い。電荷注入層への電荷（この場合電子）の注入が不十分である場合は，電極と電荷注入層の間に，電子の注入を促進する電荷注入補助層を設ける。電荷注入補助層として，先に述べた光入射側の電荷捕獲層に用いた材料を使用すると，捕獲された正孔が電極から電子を引き出す方向に作用して電子注入がより容易になる。光電変換層の光入射側と反対側に設ける電荷捕獲層は，電子を捕獲して負極性の空間電荷を形成し得る性質を有することが必要で，例えば，Ａｓ，Ｓｂ，Ｇｅの少なくとも一者とＳ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも一者からなる物質，具体的には，Ａｓ₂Ｓ₃，Ｓｂ₂Ｓ₃，ＧｅＴｅなどのが有効である。またこれらの物質から成る電荷捕獲層に，負極性の局在捕獲準位を形成する物質，例えばＭｎ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｉｎの各酸化物，ないしはＣｌ，Ｂｒ，Ｉ，Ｏ，Ｐ，Ｇａ，Ｉｎの各元素のいずれかを添加すると，電荷捕獲層としてより効果的である。
【００２１】
Ｓｅ系非晶質半導体を用いた従来技術の阻止型撮像素子では，非晶質半導体の熱的安定性を高めるために，例えばＡｓを添加したり，また長波長光に対する感度を高めるために，例えばＴｅを添加したりすると，光入射側近傍の電界が正孔注入阻止層の電荷注入阻止能力を超えるほどに増して暗電流の増加を起こし易すかったが，上記正孔注入阻止層の代わりに本発明の電荷注入層と電荷捕獲層を用いれば，暗電流を抑止した状態で上記の目的を達成することができる。また従来技術の撮像素子では，暗電流が正孔注入阻止層の界面状態，例えば微小異物，汚染，吸着物等に敏感に左右される傾向にあったが，本発明ではこの様な欠点が生じにくい。更にまた，本発明の撮像素子では，動作時電荷注入層にかかる電圧が小さいため，撮像素子の特性は電荷注入層の膜厚ムラに影響され難い特徴がある。この様な特徴は，例えば，図１に示すような表面が凹凸の走査回路基板上に光導電膜を設ける撮像素子に対して特に有効である。この場合，電荷注入層１３を形成した後に，その表面を，例えばエッチング法，研磨法ないしはアニーリング法等により平坦化するか，または基板を加熱した状態で電荷注入層を形成することにより表面を平坦にして，即ち基板の凹凸を電荷注入層で吸収した後に，図１に示す電荷捕獲層１５を形成すれば良い。
【００２２】
以上述べたように，本発明は，光電変換層にＳｅを主体とする非晶質半導体を用いて，１０⁸Ｖ／ｍオーダーの高電界を印加して層内で電荷をアバランシェ増倍して高感度化を実現する撮像素子に好適である。光導電膜の各層の厚みは，およそ０．０１〜５０μｍオーダーの範囲で，撮像素子のそれぞれの目的に応じて決めれば良い。
【００２３】
以上，Ｓｅを主体とする非晶質半導体を用いた撮像素子を例にとって，本発明の作用，効果を詳細に述べたが，本発明は，上記に限られるものではなく，光電変換層に，例えば水素化アモルファスシリコン，ＰｂＯ，II−VI元素から成る光導電材料等を用いることもでき，それぞれの材料に応じた電荷注入層ならびに電荷捕獲層を設けることで達成できる。 また，図１には，本発明の代表的な例として，光導電膜の両側に電荷注入層と電荷捕獲層を設ける場合の構成を示したが，いずれか一方の側にのみ，必要に応じて本発明を適用し，他方は従来技術による電荷注入阻止層を用いる構成にすることもできる。また光導電膜から画像信号を読み出す手段は，図１に示す構成の走査回路に限られるものではなく，通常の手段，例えば走査電子ビームを用いる撮像管方式，フィールドエミッターアレイを用いる撮像方式，ＣＣＤやＴＦＴを用いる走査回路方式等で構成することが出来ることは云うまでもない。
【００２４】
更にまた，基板として例えば，Ｘ線に対する透過率の高いＢｅ，ＢＮ，Ｔｉ等の薄板を用いれば，高感度のＸ線用撮像素子が得られ，また光入射側の電極に電子線の透過率が高いＡｌ蒸着薄膜等を用いれば，電子線直接変換形の高感度撮像素子が実現できることは云うまでもない。
【００２５】
【実施例】
実施例１
図２を用いて，本発明の実施例１を説明する。図２は，本発明の撮像素子の実施例を示す図で，図２（ａ）は画像信号を読み取る手段に走査電子ビームを用いる光導電形撮像管の断面概略図，図２（ｂ）は撮像管ターゲット部の断面拡大概略図である。２１は光導電膜，２２は透光性導電膜から成るターゲット電極，２３はガラス面板，２４は撮像管の外管，２５はメッシュ電極，２６はガラス面板２３を外管２４に真空封着するためのインジュウムリング，２７は金属リング，２８は走査電子ビーム，２９は走査電子ビームを発射するためのカソードである。また２１１は光電変換層，２１８は正孔注入阻止層，２１３，ならびに２１５は電子に対する電荷注入層，ならびに電荷捕獲層，２１７は走査電子ビームのランディングをスムーズにして電子の注入を容易にするための電荷注入補助層である。 ２／３吋サイズのガラス面板２３上に，活性蒸着法により酸素ガス雰囲気中で酸化インジュウムを主体とする透光性のターゲット電極２２を形成する。次にその上に真空蒸着法により，酸化セリュウムから成るφ１５ｍｍ，膜厚１０〜３０ｎｍの正孔注入阻止層２１８を形成し，更にその上に真空蒸着法により，Ｓｅを主体とする非晶質半導体から成るφ１５ｍｍ，膜厚１〜３０μｍの光電変換層２１１を形成する。次にその上に真空蒸着法により，三硫化アンチモンから成るφ１５ｍｍ，膜厚０．０１〜１μｍの電荷捕獲層２１５，ならびに非晶質Ｓｅから成るφ１５ｍｍ，膜厚１〜５μｍの電荷注入層２１３を形成する。その上に圧力０．５Ｔｏｒｒのアルゴンガス雰囲気中で非晶質Ｓｅから成るφ１５ｍｍ，膜厚０．２μｍの多孔質性電荷注入補助層２１７を形成し，撮像管ターゲット部を得る。これを撮像管の外管２４にインジュウムリング２６を介して圧着し，内部を真空封止して光導電形撮像管を得る。
【００２６】
以上により得られた撮像管のターゲット電極に外部電源を接続して動作させたところ，暗電流が低く，光導電膜がアバランシェブレークダウンに至る電界領域まで使用可能な高感度撮像管が得られた。
【００２７】
図３は，光電変換層，電荷捕獲層，ならびに電荷注入層の膜厚をそれぞれ２μｍ，０．０５μｍ，２μｍとした撮像管の電流−電圧特性を示す図である（実線）。比較例として，光導電膜に膜厚２μｍのＳｅ系非晶質半導体を用いた従来技術による撮像管の電圧電流特性を破線で示す。本実施例の光導電膜の方が２．２μｍ以上厚いにもかかわらず，本実施例と従来技術の両者はほぼ同じ光電流特性を示している。このことから，本実施例では，外部電源電圧の殆ど大部分が光電変換層２１１に印加され，電荷注入層２１３には殆ど電圧がかかっていないと思われ，本実施例ひいては本発明では，光導電膜表面の凹凸や付着した異物による画面欠陥の発生が大幅に抑止されることが判る。また，図３から明らかなように，両者の暗電流もほぼ一致しており，本実施例が撮像管の基本特性を満足していることが分かる。なお，光導電膜のそれぞれの厚みを種々に変更して製造した撮像管においても，ほぼ同様な電流−電圧特性が得られた。
【００２８】
実施例２
図４を用いて，本発明の実施例２を説明する。図４は，本発明の撮像素子の実施例を示す図で，画像信号を読み取る手段に走査電子ビームを用いる光導電形撮像管のターゲット部の断面拡大概略図である。４２はＸ線を透過し易いＢｅ金属薄板から成るターゲット電極，兼面板である。また４１１は光電変換層，４１２，４１４ならびに４１６は正孔に対する電荷注入層，電荷捕獲層ならびに電荷注入補助層，４１９は走査電子ビームの注入を阻止するための電子注入阻止層である。
【００２９】
１吋サイズのＢｅ面板４２上に，真空蒸着法により，三セレン化砒素から成るφ２１ｍｍ，膜厚０．０１〜０．５ｎｍの電荷注入補助層４１６を形成し，次に面板
４２を５５℃に加熱保持した状態で，Ａｓを５％含有する非晶質Ｓｅから成る
φ２１ｍｍ，膜厚０．５〜３μｍの表面が平坦な電荷注入層４１２を真空蒸着法により形成する。次に面板を常温に戻した後，その上に真空蒸着法により，ＣａＦ2 を０．０５〜０．５％含有する非晶質Ｓｅから成るφ２１ｍｍ，膜厚０．０５〜１μｍの電荷捕獲層４１４を形成し，更にその上にＳｅを主体とする非晶質半導体から成るφ２１ｍｍ，膜厚１０〜５０μｍの光電変換層４１１を形成する。その上に圧力０．３Ｔｏｒｒのアルゴンガス雰囲気中で三硫化アンチモンを蒸着し，φ２１ｍｍ，膜厚０．１μｍの多孔質性薄膜から成る電子注入阻止層４１９を形成し，Ｘ線用撮像管ターゲットを得る。これを実施例１と同様に撮像管の外管にインジュウムリングを介して圧着し，内部を真空封止してＸ線直接変換形撮像管を得る。
【００３０】
以上により得られた撮像管のターゲット電極に外部電源を接続して動作させたところ，面板として表面が凸凹のＢｅ金属薄板４２を使用したにも係らず，画面欠陥レスで，また暗電流も低く，光電変換層がアバランシェブレークダウンに至る電界領域まで使用可能なＸ線用の高感度撮像管が得られた。
【００３１】
実施例３
図５を用いて，本発明の実施例３を説明する。図５は，本発明のＸ線用撮像素子の実施例を示す図で，図５（ａ）は画像信号を読み取る手段にＴＦＴ走査回路基板を用いるＸ線用撮像素子の断面概略図，図５（ｂ）は撮像素子一画素相当の断面拡大概略図である。５１は光導電膜，５２は導電膜から成る電極，５３はＴＦＴ走査回路，５４はガラス基板，５５は電子線を可視光に変換するための蛍光体である。また，５１１は光電変換層，５１２，５１６，ならびに５１４は正孔に対する電荷注入層，電荷注入補助層，ならびに電荷捕獲層，５１３，ならびに５１５は電子に対する電荷注入層，ならびに電荷捕獲層，５３１は導電性薄膜からなる透光性画素電極，５３２は画素電極５３１を走査するためのＴＦＴスイッチである。
【００３２】
１８×２４ｃｍ2のガラス基板５４の片面にＴｂを添加したＧｄ2Ｏ2Ｓから成る膜厚
１０〜１０００μｍのＸ線を可視光に変換するための蛍光体５５を堆積する。ガラス基板５４のもう一方の面に，Ａｌから成るソース電極，ドレイン電極およびゲート電極，ＳｉＮから成る絶縁膜，ａ−Ｓｉ：Ｈから成るチャネル層を組み合わせたＴＦＴスイッチ５３１を真空蒸着法，スパッタリング法，高周波プラズマＣＶＤ法による薄膜堆積手法とフォトリソグラフィー法を組み合わせた既知の手法により形成する。その上に膜厚１０〜５００ｎｍの酸化インジュウムをスパッタリング法によって堆積し，フォトリソグラフィー法によって画素毎に分離して透光性画素電極５３１を形成する。その上に，沃素を０．０１％含有する三セレン化砒素から成る膜厚０．０１〜０．５ｎｍの電荷注入補助層５１６を真空蒸着法により形成し，次にガラス基板５４を５５℃に加熱保持した状態で，Ａｓを５％含有する非晶質Ｓｅから成る膜厚０．５〜３μｍの表面が平坦な電荷注入層５１２を真空蒸着法により形成する。次に面板を常温に戻した後，その上に真空蒸着法により，ＬｉＦを０．０５〜０．５％含有する非晶質Ｓｅから成る膜厚０．０５〜１μｍの電荷捕獲層５１４を形成し，更にその上にＳｅを主体とする非晶質半導体から成る膜厚１０〜５０μｍの光電変換層５１１を形成する。その上にＡｓ2Ｓｅ3から成る膜厚０．０５〜１μｍの電荷捕獲層５１５，非晶質Ｓｅから成る膜厚０．０５〜１μｍの電荷注入層５１３，Ａｌから成る膜厚０．０１〜０．５μｍの電極５２を真空蒸着法により順次堆積してＸ線用積層型撮像素子を得る。
【００３３】
以上により得られた撮像素子は電極に外部電源を接続して動作させたところ，ガラス基板５４上の表面がＴＦＴ走査回路５４による凸凹があるにも係らず，画面欠陥が無く，また暗電流も低く，光電変換層がアバランシェブレークダウンに至る電界領域まで使用可能なＸ線用高感度撮像素子が得られた。
【００３４】
本実施例では，Ｘ線を可視光に変換するための蛍光体５５としてＴｂを添加したＧｄ2Ｏ2Ｓを用いたが，ＣａＷＯ4，Ａｇを添加したＺｎＳ，Ｔｌを添加したＣｓＩ，Ｔｂを添加したＬａ2Ｏ2Ｓ，Ｔｂを添加したＹ2Ｏ2Ｓ，Ｔｂを添加したＬａＯＢｒ，Ｔｍを添加したＬａＯＢｒ等の入射Ｘ線を吸収し光電変換層５１６が感度を有する光を発する蛍光体材料がいずれも使用可能である。また，Ｘ線を可視光に変換する蛍光体材料の代わりに電子線用の蛍光体材料や紫外線用の蛍光体材料を用いれば電子線用撮像素子もしくは紫外線用撮像素子を得ることができる。
【００３５】
実施例４
図６を用いて，本発明の実施例４を説明する。図６は，本発明による撮像素子の実施例を示す図で，画像信号を読み取る手段に走査電子ビームを用いる光導電形撮像管のターゲット部の断面拡大概略図である。６１は光導電膜，６２は透光性導電膜から成るターゲット電極，６３はガラス面板である。また６１１は光電変換層，６１２，６１４ならびに６１６は正孔に対する電荷注入層，電荷捕獲層ならびに電荷注入補助層，６１９は走査電子ビームの注入を阻止するための電子注入阻止層である。
【００３６】
１吋サイズのガラス面板６３上に，活性蒸着法により酸素ガス雰囲気中で酸化インジュウムを主体とする透光性のターゲット電極６２を形成する。次に，真空蒸着法により，三セレン化砒素から成るφ２１ｍｍ，膜厚０．０１〜０．５ｎｍの電荷注入補助層６１６を形成し，さらに，面板６３を５５℃に加熱保持した状態で，Ａｓを１〜２０％含有する非晶質Ｓｅから成るφ２１ｍｍ，膜厚０．５〜３μｍの表面が平坦な電荷注入層６１２を真空蒸着法により形成する。次に面板を常温に戻した後，その上に真空蒸着法により，ＬｉＦ₂ を０．０５〜１０％含有する非晶質Ｓｅから成るφ２１ｍｍ，膜厚０．０５〜１μｍの電荷捕獲層６１４を形成し，更にその上にＳｅを主体とする非晶質半導体から成るφ２１ｍｍ，膜厚１０〜５０μｍの光電変換層６１１を形成する。その上に圧力０．３Ｔｏｒｒのアルゴンガス雰囲気中で三硫化アンチモンを蒸着し，φ２１ｍｍ，膜厚０．１μｍの多孔質性薄膜から成る電子注入阻止層６１９を形成し，撮像管ターゲットを得る。これを実施例１と同様に撮像管の外管にインジュウムリングを介して圧着し，内部を真空封止して赤色用光導電形撮像管を得る。
【００３７】
以上のようにして得られた撮像管を，図７に示すがごとく赤色の入射光に加えて青色のバイアス光をプリズム等を用いて照射して動作させる。すると，バイアス光が電荷注入補助層および電荷注入層で吸収され，電荷を生じ，発生した電荷が電荷捕獲層で捕獲されて空間電荷を形成するので電荷注入効率を高めることができる。本動作方法は，高輝度光の入射時等の電極からの注入だけでは電荷捕獲層に充分な効率で空間電荷の形成が行えない場合に特に有効であり，残像特性を改善する。
【００３８】
なお，本実施例ではバイアス光は電荷注入補助層および電荷注入層で吸収される場合を示したが，電荷注入補助層，電荷注入層および電荷捕獲層の少なくとも一者で吸収され，電荷を発生し，電荷捕獲層で捕獲できれば効果が得られる。また，本実施例ではバイアス光として赤色光を用いたが，電荷注入補助層，電荷注入層ないしは電荷捕獲層で吸収される波長の光であればよいことは言うまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば画面欠陥の発生や暗電流の増加を抑止した高感度・高品位の画質を有する撮像素子を安定かつ容易に実現し得る。特に，光導電膜内で電荷のアバランシェ増倍が起こり得るほどの高電圧を印加して使用する高感度撮像素子を画面欠陥の発生や暗電流の増加を抑止した状態で安定かつ容易に提供し得る。
【００４０】
本発明の撮像素子をカラーカメラや画像解析システム等に用いれば高感度，高画質の撮像装置ならびにシステムが安定かつ容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明の具体的実施形態を示す光導電膜積層型撮像素子の断面概略図、図１（ｂ）は本発明の具体的実施形態を示す光導電膜積層型撮像素子の一画素相当の断面拡大概略図である。
【図２】図２（ａ）は本発明の実施例１による光導電形撮像管の断面概略図、図２（ｂ）は本発明の実施例１による光導電形撮像管ターゲット部の断面拡大概略図である。
【図３】本発明の実施例１による光導電形撮像管および従来形撮像管の電流−電圧特性を示す図である。
【図４】本発明の実施例２によるＸ線用光導電形撮像管ターゲット部の断面拡大概略図である。
【図５】図５（ａ）は本発明の実施例３によるＸ線用撮像素子の断面概略図、図５（ｂ）は本発明の実施例３によるＸ線用撮像素子一画素相当の断面拡大概略図である。
【図６】本発明の実施例４による赤色用光導電形撮像管ターゲット部の断面拡大概略図である。
【図７】本発明の実施例４によるバイアス光照射方法の概略図である。
【符号の説明】
１，２１，５１，６１・・・光導電膜，２，６２・・・透光性電極，３・・・信号電荷読み取り手段，４・・・走査回路基板，２２・・・ターゲット電極，４２・・・ターゲット電極兼面板，５２・・・電極，２３，６３・・・ガラス面板，２４・・・撮像管の外管，２５・・・メッシュ電極，２６・・・インジュウムリング，２７・・・金属リング，２８・・・走査電子ビ−ム，２９・・・カソード，５３・・・ＴＦＴ走査回路，５４・・・ガラス基板，５５・・・蛍光体，
１１，２１１，４１１，５１１・・・光電変換層，１２，４１２，５１２，６１２・・・正孔に対する電荷注入層，１３，２１３，５１３・・・電子に対する電荷注入層，１４，４１４，５１４，６１４・・・正孔に対する電荷捕獲層，１５，２１５，５１５・・・電子に対する電荷捕獲層，４１６,５１６，６１６・・・正孔に対する電荷注入補助層，２１７・・・電子に対する電荷注入補助層 ，２１８・・・正孔注入阻止層，４１９，６１９・・・電子注入阻止層，３１，５３１・・・画素電極，３２・・・スイッチング素子，５３２・・・ＴＦＴスイッチ。

Claims (29)

1. 少なくとも，光導電膜と，該光導電膜の光入射側界面に設けられた導電性薄膜から成る透光性電極と，入射光により生成された信号電荷を読み取るための手段を有する撮像素子において，該光導電膜が，少なくとも一方の界面に電極から電荷が注入される注入型接触を成す電荷注入層を有し，且つ該電荷注入層から注入される電荷を捕獲して空間電荷を形成するための電荷捕獲層と入射光の大部分を吸収して信号電荷に変換するための光電変換層を有することを特徴とする撮像素子。
2. 前記電荷注入層の注入型接触界面に，電荷の注入を補助するための電荷注入補助層を設けることを特徴とする請求項１記載の撮像素子。
3. 前記光導電膜が，片面にのみ前記電荷注入層を有し，他方の面には電荷注入阻止層を有することを特徴とする請求項１又は２記載の撮像素子。
4. 前記光電変換層が非晶質半導体層から成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の撮像素子。
5. 前記非晶質半導体層がＳｅを主体とする非晶質半導体から成ることを特徴とする請求項４記載の撮像素子。
6. 前記光電変換層の光入射側に設けられた前記電荷捕獲層が，正孔を捕獲して正極性の空間電荷を形成する層から成ることを特徴とする請求項５記載の撮像素子。
7. 前記正極性の空間電荷を形成する電荷捕獲層が、LiF₂を０．０５〜１０％含有する非晶質Seから成り、且つＳｅ中で正孔に対する局在捕獲準位を形成する物質を含有する非晶質層から成ることを特徴とする請求項６記載の撮像素子。
8. 前記光導電膜の光入射側に設けられた前記電荷注入補助層がAs₂Se₃から成り、前記電荷注入層がAsを１〜２０％含有する非晶質Seから成ることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の撮像素子。
9. 前記光導電膜の光入射側に設けられた前記電荷注入補助層または前記電荷注入層が，Ａｓ，Ｓｂ，Ｇｅの少なくとも一者とＳ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１者から成ることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の撮像素子。
10. 前記光導電膜の光入射側に設けられた前記電荷注入補助層または前記電荷注入層が，電子に対する局在捕獲準位を形成する物質を含有することを特徴とする請求項８又は９記載の撮像素子。
11. 前記光導電膜の光入射側と反対側に設けられた前記電荷捕獲層が，電子を捕獲して負極性の空間電荷を形成する層から成ることを特徴とする請求項５乃至１０のいずれか一項に記載の撮像素子。
12. 前記電荷捕獲層がAs₂Se₃から成り、且つＳｅ中で電子に対する局在捕獲準位を形成する物質を含有する非晶質半導体層から成ることを特徴とする請求項１１記載の撮像素子。
13. 前記負極性の空間電荷を形成する電荷捕獲層が，Ａｓ，Ｓｂ，Ｇｅの少なくとも一者とＳ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１者から成ることを特徴とする請求項１１記載の撮像素子。
14. 前記負極性の空間電荷を形成する電荷捕獲層が，Ａｓ，Ｓｂ，Ｇｅの少なくとも一者とＳ，Ｓｅ，Ｔｅの少なくとも１者から成り，且つ電子に対する局在捕獲準位を形成する物質を含有することを特徴とする請求項１１記載の撮像素子。
15. 前記光導電膜の光入射側と反対側に設けられた前記電荷注入補助層または前記電荷注入層が非晶質Seから成ることを特徴とする請求項５乃至１４のいずれか一項に記載の撮像素子。
16. 前記光導電膜の光入射側と反対側に設けられた前記電荷注入補助層または前記電荷注入層が，正孔に対する局在捕獲準位を有する層から成ることを特徴とする請求項５乃至１４のいずれか一項に記載の撮像素子。
17. 前記光導電膜の光入射側と反対側に設けられた前記電荷注入補助層または前記電荷注入層が非晶質Seから成り、且つ該非晶質層内で正孔に対する局在捕獲準位を形成する物質を含有することを特徴とする請求項５乃至１４のいずれか一項に記載の撮像素子。
18. 前記正孔に対する局在捕獲準位を形成する物質が，Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａ，Ｔｌの各元素，ならびにそれらの弗化物から成る群の中から選ばれた少なくとも１者から成ること特徴とする請求項７記載の撮像素子。
19. 前記電子に対する局在捕獲準位を形成する物質が，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｍｏ，Ｉｎの各酸化物，ならびにＣｌ，Ｂｒ，Ｉ，Ｏ，Ｐ，Ｇａ，Ｉｎから成る群の中から選ばれた少なくとも１者から成ること特徴とする請求項１０，１２および１４のいずれか一項に記載の撮像素子。
20. 信号電荷を読み取るための手段を，前記光導電膜の光入射側に設け，且つ前記光導電膜の光入射側と反対側に導電性薄膜から成る対向電極を設けることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の撮像素子。
21. 信号電荷を読み取るための手段を，前記光導電膜の光入射側と反対側に設けることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の撮像素子。
22. 前記信号電荷を読み取るための手段が，互いに独立した複数個の電極とそれぞれの電極に接続されたスイッチ回路を含むことを特徴とする請求項２０又は２１記載の撮像素子。
23. 前記信号電荷を読み取るための手段が，集束偏向された走査電子ビームを含むことを特徴とする請求項２１記載の撮像素子。
24. 請求項１に記載の撮像素子を用い，前記電荷注入層および前記電荷捕獲層の少なくとも一者にバイアス光を照射することを特徴とする撮像素子の動作方法。
25. 請求項２乃至２３のいずれか一項に記載の撮像素子を用い，前記電荷注入補助層，前記電荷注入層および前記電荷捕獲層の少なくとも一者にバイアス光を照射することを特徴とする撮像素子の動作方法。
26. 請求項１乃至２３のいずれか一項に記載の撮像素子を用い，或いは請求項２４記載の撮像素子の動作方法において，前記光電変換層に内部で電荷のアバランシェ増倍が生じる程の電界を印加することを特徴とする撮像素子の動作方法。
27. 請求項５に記載の撮像素子を用い，前記Ｓｅを主体とする非晶質半導体層から成る光電変換層に，７×１０⁷Ｖ／ｍ以上の電界を印加して，光電変換層内で電荷のアバランシェ増倍を生じさせることを特徴とする撮像素子の動作方法。
28. 請求項１乃至２３のいずれか一項に記載の撮像素子を用いることを特徴とする撮像装置。
29. 請求項２８項記載の撮像装置を有することを特徴とする画像解析システム。

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