JP4054168B2 - Imaging device and operation method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導電型の撮像デバイス、特に暗電流の増加と残像の増加及び解像度の劣化とを抑止した状態で、光電変換効率と分光感度特性とを大幅に改善した高感度・高解像度で高S/Nの高品位画像が得られる光導電型撮像デバイス及びその動作方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
非晶質セレンに高電界を印加すると、内部で電荷のアバランシェ増倍現象が起こることが知られており、この現象を利用したアバランシェ増倍方式の高感度撮像管や非晶質セレン薄膜を2次元固体走査IC基板上に積層した高感度固体撮像素子が開示されている(特願平7-29507号公報、特開昭63-174480号公報、特開平7-192663号公報)。
【0003】
非晶質セレンにおける上記アバランシェ増倍現象は、5×107V/m以上の高い電界を必要とするため、電極から非晶質セレンへの電荷(正孔)の注入を阻止して暗電流を抑制する手段として、正極性電極と非晶質セレンとの間に、例えば酸化セリウム薄膜を設ける方法が知られている。
【0004】
また、非晶質セレンのバンドギャップは約2eVであり、波長620nmの光量子エネルギーに相当するので、これ以上の長波長光は吸収されず、光電変換は起こらない。一方、人の長波長光視感限界はほぼ750nmであるため、例えばカラーカメラに非晶質セレンを用いた上記撮像デバイスを使用しても、赤色光に対する感度が不足して色調を忠実に再現することができず、良質の画像は得られない。この問題を解決するために、非晶質セレン膜の一部(光入射側)にTe、Sb、Cd、Biのうち少なくとも1つを添加してバンドギャップを小さくすることにより、光吸収端を長波長側にシフトさせ、分光感度特性を長波長側に拡張する方法が知られている(特開昭62-004871号公報)。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非晶質セレンに添加する上記材料の量が多すぎたり、添加領域が適切でなかったりすると、分光感度特性の不具合、暗電流や残像の増加、解像度特性劣化といった問題が生じる。
【0006】
本発明の目的は、上記問題を抑止した状態で、カラーカメラに好適な分光感度特性と更なる高効率の光電変換特性を実現した撮像デバイスを提供することである。また本発明の他の目的は、上記問題を抑止した状態で、前記導電性薄膜からなる透光性電極に、前記キャリア増倍層内で電荷のアバランシェ増倍が生じるほどの電圧を印加して使用し得るカラーカメラに好適な分光感度特性と更なる高効率の光電変換特性を実現した撮像デバイスの動作方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記目的を達成するために、導電性薄膜からなる透光性電極と、この透光性電極の表面上に形成された正孔注入阻止層と、この正孔注入阻止層の表面上に形成されたセレン系非晶質半導体からなる正孔注入阻止補助層と、この正孔注入阻止補助層の表面上に形成された入射する可視光の大部分を吸収して電荷に変換するためのセレン・テルル系非晶質半導体からなる光キャリア発生層と、この光キャリア発生層の表面上に形成され、発生した光キャリアをアバランシェ増倍するためのセレン系非晶質半導体からなるキャリア増倍層と、を含み、増倍されたキャリアを信号電荷として蓄積する機能を有する電荷注入阻止型の光電変換部と、蓄積された信号電荷を読み取るための手段と、を具える撮像デバイスにおいて、前記光キャリア発生層のテルル濃度を、13重量%以上20重量%以下とし、膜厚を0.1μm以上0.2μm以下とする。濃度や膜厚を上記範囲にすると、暗電流や残像の増大や解像度の劣化を抑え、長波長光に対する感度を人の視感度限界内に抑え、カラーカメラに使用する場合に長波長光カットフィルタを不要とする。
【0008】
また本発明の他の目的を達成するために、前記導電性薄膜からなる透光性電極に、前記キャリア増倍層内で電荷のアバランシェ増倍が生じるほどの電圧を印加して動作させる。
【0009】
【発明の実施の形態】
添付する図面を参照しながら、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
図1は、本発明の第1の実施態様の蓄積された信号電荷を読み取るための手段として、2次元固体走査IC基板を用いる平板型撮像デバイスを示す概略断面図であり、図1(a)は撮像デバイス全体の断面概略図、図1(b)は1画素に対応する部分を拡大して詳細に示す断面概略図である。図1(a)に示すように、画素電極121が配列されていて、表面が平滑化されている、蓄積された信号電荷を読み取るための2次元固体走査IC基板12上に光電変換部11を設ける。図1(b)に示すように、画素電極121が配列された2次元固体走査IC基板12上に設けられた光電変換部11は、透光性電極111上に正孔注入阻止層112を設け、更にその上に正孔注入阻止補助層113、光キャリア発生層114、光キャリア増倍層115を設けた構成になっている。
【0010】
即ち、本発明の第1の実施態様では、光電変換部11を、少なくとも、上記の透光性電極111、正孔注入阻止層112、正孔注入阻止補助層113、光キャリア発生層114、及びキャリア増倍層115で構成し、セレン・テルル系非晶質半導体からなる光キャリア発生層114のテルル濃度を平均で13重量%以上20重量%以下、膜厚を0.1μm以上0.2μm以下とする。キャリア発生層114のテルル濃度が13重量%未満、或いは膜厚が0.1μm未満の場合は、光電変換効率及び分光感度特性の改善効果が不十分となる。逆に、濃度や膜厚が上記範囲を越えた場合は、暗電流や残像の増大、解像度の劣化が起こり易くなったり、更にまた長波長光に対する感度が人の視感度限界を越えてしまい、カラーカメラに使用する場合に長波長光カットフィルタが必須となるなどの不具合が生じる。
【0011】
また、本発明の第1の実施態様による撮像デバイスでは、導電性薄膜からなる透光性電極111を、蓄積された信号電荷を読み取るための手段に対してプラスにバイアスして使用する。従って、透光性電極111側から入射した可視光は、その一部が正孔注入阻止補助層113にも吸収されるが、大部分は光キャリア発生層114に吸収されて電子・正孔対に変換され、この正孔がキャリア増倍層115に移行してアバランシェ増倍効果により次々と新たな電子・正孔対を生成する。増倍された信号電荷(正孔)は、各画素毎に蓄積され、順次読み取られることにより高感度動作が達成される。
【0012】
また、本発明の第1の実施態様による撮像デバイスは、正孔注入阻止補助層113を弗化物と砒素とを含有するセレン系非晶質半導体で構成される。弗化物は、弗化リチウム、弗化ナトリウム、弗化カリウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウムからなる群の中から選ばれた少なくとも1つを用いる。これらの弗化物は、非晶質セレン中で正孔に対する捕獲準位を形成し、正の空間電荷として作用する性質を有している。正孔注入阻止補助層113はこの性質を利用するもので、動作中に、捕獲された正孔による空間電荷によって正孔注入阻止層112の電界を緩和し、透光性電極111からの正孔注入を阻止する機能を補助する働きをなす。従って、弗化物の添加量が少なすぎたり、或いは添加領域の膜厚が小さすぎると正孔注入阻止補助機能が不十分となり、暗電流や残像の増大を来たす恐れがある。また、逆に添加量が多すぎたり添加領域の膜厚が大きすぎると、動作中に正孔注入阻止補助層113内に過大の正の空間電荷が形成され、正孔注入阻止補助層113全体が無電界領域と化すため、この領域に吸収される光が信号電荷に変換されなくなって光の利用効率が低下することになる。このようなことから、弗化物の含有量は平均で0.05重量%以上1重量%以下、膜厚は0.01μm以上0.05μm以下とすることが好適である。
【0013】
正孔注入阻止補助層113に添加する砒素は、熱的特性を改善するためのものであり、少なすぎるとその効果が得られない。一方、非晶質セレン中に添加された砒素は電子に対する捕獲準位を形成するため、多すぎると弗化物による正孔捕獲準位を相殺して、正孔注入阻止補助機能を低下させる。このようなことから、正孔注入阻止補助層113の砒素含有量は、平均で0.5重量%以上5重量%以下とすることが好適である。
【0014】
図2は、本発明の第2の実施態様の蓄積された信号電荷を読み取るための手段として、走査電子ビームを発射する電子銃を用いた撮像デバイスの概略図である。図2(a)は撮像デバイス全体の断面概略図である。図2(a)に示すように、走査電子ビームを発射する電子銃22上に、光電変換部21を設けた構成となっている。図2(b)は光電変換部を電子ビーム走査側(電子銃22側)から見た平面図である。図2(c)は光電変換部21の概略断面図である。図2(c)に示すように(図1とは上下逆に図示する)、透光性面板210の上に導電性薄膜からなる透光性電極211を設け、その上に正孔注入阻止層212、正孔注入阻止補助層213、入射する可視光の大部分を吸収して光キャリアに変換するための光キャリア発生層214、キャリア増倍層215を積層させた構成となっている。図2(b)に示すように200は電子ビーム走査領域の境界を示す線であり、この線200の内側が走査領域、外側が非走査領域である。図2(c)に示すように、キャリア増倍層上の非走査領域に対応する部分に非走査領域の表面電位を安定化するための増し付け層216を、さらに走査領域並びに非走査領域の表面全域に走査電子ビームランディング層217を設ける。この走査電子ビームランディング層217は、電子注入阻止層としての役割もなす。
【0015】
この第2の実施態様では、増し付け層216を設けることで非走査領域の全膜厚が厚くなり、キャリア増倍層で電荷のアバランシェ増倍現象が生じるほどの高い電圧を印加して動作させた場合においても、非走査領域ではアバランシェ増倍が生じるほどの電界には至らず、過度の表面電位上昇が抑制されることになる。その結果、さざ波状の画像欠陥、画像の極性反転現象、電極反射像、画像歪みなどの発生が大幅に抑制される。図2(a)に示すように、電子銃22は、メッシュ電極221、カソード222、電子ビームを偏向・収束するための電極223、インジウムリング228、金属リング229、筐体227で構成される。図面において、224は動作時における走査電子ビーム、20は入射光、201はレンズ、202は電源、203は負荷抵抗、204は信号出力端子、210は透光性面板、21は光電変換部、218は電極ピンである。
【0016】
この第2の実施態様(図2)による光電変換部21が第1の実施態様(図1)と異なる主な点は、透光性面板210、増し付け層216、及び走査電子ビームランディング層217の3点であり、他は同様の構成要素からなる。
【0017】
図1及び図2の光電変換部において、光キャリア発生層とアバランシェ増倍層とが接する界面に、熱或いは電界によるテルルの拡散を防止するために、非晶質セレンを主体とし、平均で1重量%以上10重量%以下の砒素を含有する膜厚0.01μm以上0.5μm以下のテルル拡散防止層を設けることが好適である。このテルル拡散防止層により、熱的安定性をさらに改善することができる。但し、砒素の含有量、或いは膜厚が上記の値より少ないと十分な拡散防止効果が得られず、また多すぎると暗電流や残像が増加して良質の画像が得られなくなる。
【0018】
以上述べたように、本発明の骨子は、セレンを主体とする非晶質半導体層におけるアバランシェ増倍現象を用いて感度を高める撮像デバイスにおいて、カラーカメラ用として最も好適な分光感度特性と更なる高効率の光電変換特性とを実現するために、上記非晶質半導体層の構成、特に光キャリア発生層のテルル含有量と膜厚を最適範囲に限定することである。
【0019】
以下、本発明の実施態様について添付する図面を用いてさらに詳細に説明する。
図1に示した本発明の第1の実施態様による信号電荷を読み取るための手段として2次元固体走査IC基板を用いた撮像デバイスの製法について説明する。
【0020】
まず初めに、単結晶シリコン基板上に、通常のLSIプロセスを用いて、画素電極121及びMOS型スイッチング回路を形成させた2次元固体走査IC基板12を作成する。続いて、上記の画素電極をアレイ上に配列させたMOS型2次元固体走査IC回路基板12の上に、真空蒸着法によって、三硫化アンチモンからなる膜厚0.1μmの電子注入阻止層(図1には示さず)を形成し、その上に非晶質セレンからなる厚さ2μmのキャリア増倍層115を形成する。このキャリア増倍層115の上に、真空蒸着法により、セレンと三セレン化砒素を各々別々のボートから同時に蒸発させて、平均で1重量%以上10重量%以下の砒素を含む膜厚0.01μm以上0.1μm以下のセレン系非晶質半導体からなるテルル拡散防止層(図1には示さず)を形成する。その上に、真空蒸着法により、セレンとテルルとを各々別々のボートから同時に蒸発させて、平均で13重量%以上20重量%以下のテルルを含有する膜厚0.1μm以上0.2μm以下のセレン・テルル系非晶質半導体からなる光キャリア発生層114を形成する。更にその上に、正孔注入阻止補助層113として、真空蒸着法により、セレンと三セレン化砒素と弗化リチウムとを各々別々のボートから同時に蒸発させて、平均で0.5重量%以上5重量%以下の砒素と平均で0.05重量%以上1重量%以下の弗化リチウムとを含む膜厚0.01μm以上0.04μm以下のセレン系非晶質半導体層と平均で0.5重量%以上5重量%以下の砒素を含む膜厚0.01μm以下のセレン系非晶質半導体層を形成する。次にその上に、酸化セリウムからなる膜厚15nmの正孔注入阻止層112を真空蒸着法により、更にその上に高周波スパッタリング蒸着法により酸化インジウムを主体とする膜厚20nmの透光性電極111を形成し、平面型の撮像デバイスを得る。
【0021】
図2に示すように、本発明の第2の実施態様による撮像デバイスは、信号電荷を読み取るための手段として走査電子ビームを発射する電子銃を用いて構成させたものである。光電変換部21が第1の実施態様(図1)と異なる主な点は、透光性面板210、増し付け層216、及び走査電子ビームランディング層217の3点である。以下、本発明の第2の実施態様による電子銃を用いて構成させた撮像デバイスの製法について詳細に説明する。
まず、3分の2インチサイズの透光性ガラスからなる面板210の片面に高周波スパッタリング蒸着法により、直径14mm、膜厚30nmの酸化インジウムを主体とする透光性電極211を形成する。次に、その上に真空蒸着法によって、直径14mm、膜厚20nmの酸化セリウムからなる正孔注入阻止層212を形成し、更にその上に正孔注入阻止補助層213として、膜厚0.01μm以下の非晶質セレン層と平均で0.5重量%以上5重量%以下の砒素と平均で0.05重量%以上1重量%以下の弗化物とを含む膜厚0.01μm以上0.04μm以下のセレン系非晶質半導体層からなる複合層を形成する。更にその上に平均で13重量%以上20重量%のテルルを含有する膜厚0.1μm以上0.2μm以下のセレン系非晶質半導体層からなる光キャリア発生層214を形成し、その上に平均で1重量%以上10重量%以下の砒素を含む膜厚0.01μm以上0.5μm以下の砒素を含有するセレン系非晶質層からなるテルル拡散防止層(図2(c)には示さず)を形成し、その上にセレンを主体とする非晶質半導体からなる厚さ25μmのキャリア増倍層215を形成する。
【0022】
次に、図2(b)の非走査領域の部分に、真空蒸着法により、蒸着用マスクを用いて、増し付け層216を形成する。増し付け層216は、平均で0.2重量%の弗化リチウムを含有する膜厚0.05〜0.5μmのセレン系非晶質半導体層と膜厚30μmのセレンを主体とする非晶質半導体層で構成する。次に、蒸着用マスクを取り外し、直径14mmの走査側表面全域に、圧力0.3Torrの不活性ガス雰囲気中で三硫化アンチモンを蒸着し、厚さ0.2μmの走査電子ビームランディング層、兼電子注入阻止層217を形成し、本発明の光電変換部21を得る。上記により得られた光電変換部21をインジウムリング228及び金属リング229を用いて、筐体227に装着し、内部を真空封止して撮像管型の撮像デバイスを得る。
【0023】
本発明の第3の実施態様による光電変換部とMOS型の2次元固体走査IC基板とを各画素毎にインジウムバンプ方式で接合した撮像デバイスについて説明する。図3は、本発明の第3の実施態様の光電変換部とMOS型の2次元固体走査IC基板とを各画素毎にインジウムバンプ方式で接合した撮像デバイスの概略図であり、図3(a)は撮像デバイス全体の断面概略図、図3(b)は1画素に相当する部分を拡大して示した断面概略図である。図3(a)に示すように、光電変換部31と、蓄積された信号電荷を読み取るための2次元固体走査IC基板32とをインジウムバンプ326で接合させた構成となっている。光電変換部31の上には透光性面板310が積層されており、この透光性面板310に電極ピン318を溶着(貫通)させて光電変換部(即ち透光性電極311)と電気的に接続させている。図3(b)に示すように、透光性面板310に、導電性薄膜からなる透光性電極311、正孔注入阻止層312、正孔注入阻止補助層313、入射する可視光の大部分を吸収して光キャリアに変換するための光キャリア発生層314、キャリア増倍層315、電子注入阻止層317、第2の画素電極319を積層させた構成となっている。2次元固体走査IC基板32は、図に示すように、第1の画素電極321、ソース電極322、ゲート電極323、ドレイン電極324、絶縁層325、インジウムバンプ326から構成される。本実施態様による撮像デバイスは、第1の各画素電極321と第2の各画素電極319とをインジウムバンプを介して接合した構成となっている。
【0024】
次に、図3に示す本発明の第3の実施態様によるインジウムバンプ方式で接合した撮像デバイスの製法について詳細に説明する。
まず初めに、光電変換部31を接合させた透光性面板310と、各画素毎にインジウムバンプ326を有する2次元固体走査IC基板32とを別々に用意する。2次元固体走査IC基板は実施態様1と同様にMOS型とし、第1の各画素電極321の各々の上に、インジウムバンプをアレイ状に通常のホトレジスト加工法により形成する。他方の光電変換部31については、予め電極ピン318が溶着された3分の2インチサイズのガラスからなる透光性面板310の片面に、実施態様1と同様の材料及び方法で、それぞれ直径14mmの酸化インジウムを主体とする透光性電極311、正孔注入阻止層312、正孔注入阻止補助層313、光キャリア発生層314、キャリア増倍層315、電子注入阻止層317を形成する。この電子注入阻止層317の上に、真空蒸着法により真空蒸着法により金薄膜を形成し、通常のホトレジスト加工法により第2の画素電極319を作成する。以上により得られた光電変換部(光導電部)31を有する透光性面板310と、第1の各画素電極321上に形成されたインジウムバンプ326の配列を有するMOS型の2次元固体走査IC基板32とを図3に示した構成になるように各画素毎にインジウムバンプを介して圧着し、平面型のインジウムバンプ接合型撮像デバイスを得る。
【0025】
図4に示すように本発明の第4の実施態様による撮像デバイスは、信号電荷を読み取るための手段として、複数個の電界放出素子を2次元に配列整備した平面電子源を用いて構成させたものである。図4は、本発明の第4の実施態様の平面電子源を用いた撮像デバイスの概略図である。この撮像デバイスは、光電変換部41、平面電子源42、透光性面板410、電極ピン418、メッシュ電極421、電子放出板422、インジウムリング428、金属リング429、筐体427、レンズ401、電源402、負荷抵抗403、信号出力端子404、平面電子源用電源405から構成される。また、図面において、40は入射光を示すものである。図4に示すように、透光性ガラス面板410の片面に光電変換部41を、第2の実施態様と同じ工程で形成し、インジウムリング428及び金属リング429を用いて平面電子源筐体に圧着する。次に、内部を真空に排気封止して偏平真空型の撮像デバイスを得る。
【0026】
上記実施態様1〜4で得られた本発明の撮像デバイスを用いて、特性評価を行ったところ、解像度の劣化と暗電流や残像の増加とを抑止した状態で、カラーカメラに好適な分光感度特性が得られること、光電変換特性が大幅に改善されることなどを確認することができた。
【0027】
本発明は、上記実施態様に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。例えば、蓄積された信号電荷を読み取るための手段としてMOS型の2次元固体走査IC基板を用いる例を説明してきたがCCD型の固体走査IC基板を用いることもが可能である。同様に、電子ビーム発生部としては、必ずしも静電偏向・静電収束方式に限られるものでなく、例えば電磁偏向・静電収束方式、静電偏向・電磁収束方式、電磁偏向・電磁収束方式を用いることもできる。
【0028】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、暗電流の増加、残像の増加、及び解像度の劣化を抑止した状態で、カラーカメラに好適な分光感度特性及び更なる高効率の光電変換特性をもつ高感度・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実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施態様の蓄積された信号電荷を読み取るための手段として、2次元固体走査IC基板を用いる平板型撮像デバイスを示す概略断面図であって、(a)は撮像デバイス全体の断面概略図、(b)は1画素に対応する部分を拡大して詳細に示す断面概略図である。
【図2】 本発明の第2の実施態様の蓄積された信号電荷を読み取るための手段として、走査電子ビームを発射する電子銃を用いた撮像デバイスの概略図であって、(a)は撮像デバイス全体の断面概略図で、(b)は光電変換部を電子ビーム走査側(電子銃22側)から見た平面図で、(c)は光電変換部21の概略断面図である。
【図3】 本発明の第3の実施態様の光電変換部とMOS型の2次元固体走査IC基板とを各画素毎にインジウムバンプ方式で接合した撮像デバイスの概略図であって、(a)は撮像デバイス全体の断面概略図、(b)は1画素に相当する部分を拡大して示した断面概略図である。
【図4】 本発明の第4の実施態様の平面電子源を用いた撮像デバイスの概略図である。
【符号の説明】
11、21、31、41 光電変換部
111、211、311 導電性薄膜からなる透光性電極
112、212、312 正孔注入阻止層
113、213、313 正孔注入阻止補助層
114、214、314 光キャリア発生層
115、215、315 キャリア増倍層
12、32 2次元固体走査IC基板
121 画素電極
200 電子ビーム走査領域の境界を示す線
20、40 入射光
201、401 レンズ
202、402 電源
203、403 負荷抵抗
204、404 信号出力端子
210、310、410 透光性面板
216 増し付け層
217 走査電子ビームランディング層、兼電子注入阻止層
22 走査電子ビームを発射する電子銃
221、421 メッシュ電極
222 カソード
223 電子ビームを偏向・収束するための電極
224 走査電子ビーム
227、427 筐体
228、428 インジウムリング
229、429 金属リング
317 電子注入阻止層
319 第2の画素電極
218、318、418 電極ピン
321 第1の画素電極
322 ソース電極
323 ゲート電極
324 ドレイン電極
325 絶縁層
326 インジウムバンプ
405 平面電子源用電源
42 平面電子源
422 電子放出板
423 電子ビーム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a photoconductive type imaging device, particularly with high sensitivity and high resolution with greatly improved photoelectric conversion efficiency and spectral sensitivity characteristics while suppressing an increase in dark current, an increase in afterimage and a deterioration in resolution. The present invention relates to a photoconductive imaging device capable of obtaining a high-quality image with high S / N and an operation method thereof.
[0002]
[Prior art]
It is known that when a high electric field is applied to amorphous selenium, a charge avalanche multiplication phenomenon occurs inside. A high-sensitivity image pickup tube of the avalanche multiplication method using this phenomenon or an amorphous selenium thin film is applied to 2 layers. A high-sensitivity solid-state imaging device laminated on a three-dimensional solid-state scanning IC substrate has been disclosed (Japanese Patent Application Nos. 7-29507, 63-174480, 7-192663).
[0003]
Since the avalanche multiplication phenomenon in amorphous selenium requires a high electric field of 5 × 10 7 V / m or more, the injection of charges (holes) from the electrode to the amorphous selenium is prevented, and dark current is prevented. As a means for suppressing this, for example, a method of providing a cerium oxide thin film between a positive electrode and amorphous selenium is known.
[0004]
Moreover, since the band gap of amorphous selenium is about 2 eV and corresponds to photon energy with a wavelength of 620 nm, longer wavelength light is not absorbed and photoelectric conversion does not occur. On the other hand, because the human long-wavelength light visibility limit is approximately 750 nm, even if the above imaging device using amorphous selenium is used for a color camera, for example, the sensitivity to red light is insufficient and the color tone is faithfully reproduced. It is not possible to obtain a high-quality image. In order to solve this problem, at least one of Te, Sb, Cd, and Bi is added to a part of the amorphous selenium film (light incident side) to reduce the band gap, thereby reducing the light absorption edge. A method of shifting to the long wavelength side and extending the spectral sensitivity characteristic to the long wavelength side is known (Japanese Patent Laid-Open No. 62-004871).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, if the amount of the material added to amorphous selenium is too large or the addition region is not appropriate, problems such as a problem of spectral sensitivity characteristics, an increase in dark current and afterimage, and deterioration of resolution characteristics occur.
[0006]
An object of the present invention is to provide an imaging device that realizes spectral sensitivity characteristics suitable for a color camera and further high-efficiency photoelectric conversion characteristics in a state where the above problems are suppressed. Another object of the present invention is to apply a voltage that causes charge avalanche multiplication within the carrier multiplication layer to the translucent electrode made of the conductive thin film while suppressing the above problem. An object of the present invention is to provide an operation method of an imaging device that realizes a spectral sensitivity characteristic suitable for a color camera that can be used and a photoelectric conversion characteristic with higher efficiency.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to achieve the above object, a translucent electrode made of a conductive thin film, a hole injection blocking layer formed on the surface of the translucent electrode, and a surface of the hole injection blocking layer A hole injection blocking auxiliary layer made of a selenium-based amorphous semiconductor formed on the surface and a large portion of incident visible light formed on the surface of the hole injection blocking auxiliary layer are absorbed and converted into charges. An optical carrier generation layer made of a selenium-tellurium-based amorphous semiconductor and a carrier formed of a selenium-based amorphous semiconductor for avalanche multiplication of the generated optical carrier formed on the surface of the optical carrier generation layer In an imaging device, comprising: a multiplication layer; and a charge injection blocking type photoelectric conversion unit having a function of accumulating the multiplied carriers as signal charges, and means for reading the accumulated signal charges , The optical carrier Tellurium concentration of A generating layer, and more than 20 wt% 13 wt% or more and 0.1μm or 0.2μm or less the film thickness. When the density and film thickness are within the above ranges, dark current, afterimage increase and resolution degradation are suppressed, sensitivity to long wavelength light is kept within the human visibility limit, and long wavelength light cut filter when used in color cameras. Is unnecessary.
[0008]
In order to achieve another object of the present invention, the translucent electrode made of the conductive thin film is operated by applying a voltage that causes charge avalanche multiplication within the carrier multiplication layer.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Specific embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a flat-type imaging device using a two-dimensional solid-state scanning IC substrate as a means for reading accumulated signal charges according to the first embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the entire imaging device, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view illustrating an enlarged portion corresponding to one pixel in detail. As shown in FIG. 1A, the
[0010]
That is, in the first embodiment of the present invention, the
[0011]
In the imaging device according to the first embodiment of the present invention, the
[0012]
In the imaging device according to the first embodiment of the present invention, the hole injection blocking
[0013]
Arsenic added to the hole injection blocking
[0014]
FIG. 2 is a schematic diagram of an imaging device using an electron gun that emits a scanning electron beam as a means for reading accumulated signal charge according to the second embodiment of the present invention. FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of the entire imaging device. As shown in FIG. 2A, a
[0015]
In the second embodiment, by providing the
[0016]
The
[0017]
In the photoelectric conversion part of FIGS. 1 and 2, in order to prevent tellurium from being diffused by heat or an electric field at the interface between the photocarrier generation layer and the avalanche multiplication layer, amorphous selenium is mainly used, and the average is 1 It is preferable to provide a tellurium diffusion prevention layer having a film thickness of 0.01 μm or more and 0.5 μm or less containing arsenic in an amount of 10% by weight or less. This tellurium diffusion preventing layer can further improve the thermal stability. However, if the arsenic content or the film thickness is less than the above value, a sufficient diffusion preventing effect cannot be obtained, and if it is too much, a dark current and an afterimage increase and a good quality image cannot be obtained.
[0018]
As described above, the gist of the present invention is the most suitable spectral sensitivity characteristic for a color camera in an imaging device that enhances sensitivity using an avalanche multiplication phenomenon in an amorphous semiconductor layer mainly composed of selenium. In order to realize high-efficiency photoelectric conversion characteristics, the structure of the amorphous semiconductor layer, particularly the tellurium content and film thickness of the photocarrier generation layer are limited to the optimum range.
[0019]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
A method of manufacturing an imaging device using a two-dimensional solid-state scanning IC substrate as means for reading signal charges according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described.
[0020]
First, a two-dimensional solid-state
[0021]
As shown in FIG. 2, the imaging device according to the second embodiment of the present invention is configured by using an electron gun that emits a scanning electron beam as means for reading signal charges. The
First, a
[0022]
Next, an
[0023]
An imaging device in which a photoelectric conversion unit and a MOS type two-dimensional solid-state scanning IC substrate according to a third embodiment of the present invention are bonded to each pixel by an indium bump method will be described. FIG. 3 is a schematic diagram of an imaging device in which the photoelectric conversion unit and the MOS type two-dimensional solid-state scanning IC substrate according to the third embodiment of the present invention are joined to each pixel by an indium bump method. ) Is a schematic cross-sectional view of the entire imaging device, and FIG. 3B is a schematic cross-sectional view showing an enlarged portion corresponding to one pixel. As shown in FIG. 3A, the
[0024]
Next, the manufacturing method of the imaging device joined by the indium bump method according to the third embodiment of the present invention shown in FIG. 3 will be described in detail.
First, a
[0025]
As shown in FIG. 4, the imaging device according to the fourth embodiment of the present invention is configured using a planar electron source in which a plurality of field emission elements are arranged in two dimensions as means for reading signal charges. Is. FIG. 4 is a schematic view of an imaging device using a planar electron source according to the fourth embodiment of the present invention. This imaging device includes a
[0026]
When the characteristic evaluation was performed using the imaging device of the present invention obtained in Embodiments 1 to 4 above, spectral sensitivity suitable for a color camera in a state in which deterioration in resolution and increase in dark current and afterimage were suppressed. It was confirmed that the characteristics were obtained and the photoelectric conversion characteristics were greatly improved.
[0027]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and many changes and modifications can be made. For example, an example in which a MOS type two-dimensional solid scanning IC substrate is used as a means for reading the accumulated signal charge has been described, but a CCD type solid scanning IC substrate can also be used. Similarly, the electron beam generator is not necessarily limited to the electrostatic deflection / electrostatic convergence method. For example, the electromagnetic deflection / electrostatic convergence method, the electrostatic deflection / electromagnetic convergence method, the electromagnetic deflection / electromagnetic convergence method can be used. It can also be used.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a high spectral sensitivity characteristic suitable for a color camera and a further high-efficiency photoelectric conversion characteristic can be achieved while suppressing an increase in dark current, an increase in afterimage, and deterioration in resolution. A photoconductive imaging device capable of obtaining a high-quality image with high sensitivity and high resolution can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a flat-plate imaging device using a two-dimensional solid-state scanning IC substrate as a means for reading accumulated signal charges according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of the entire imaging device, and FIG. 4B is a schematic cross-sectional view illustrating an enlarged portion corresponding to one pixel in detail.
FIG. 2 is a schematic view of an imaging device using an electron gun that emits a scanning electron beam as a means for reading accumulated signal charges according to the second embodiment of the present invention, in which (a) shows imaging FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of the entire device, FIG. 2B is a plan view of the photoelectric conversion unit viewed from the electron beam scanning side (
FIG. 3 is a schematic diagram of an imaging device in which a photoelectric conversion unit and a MOS type two-dimensional solid-state scanning IC substrate according to a third embodiment of the present invention are joined to each pixel by an indium bump method. Is a schematic cross-sectional view of the entire imaging device, and (b) is an enlarged schematic cross-sectional view showing a portion corresponding to one pixel.
FIG. 4 is a schematic view of an imaging device using a planar electron source according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
11, 21, 31, 41
Claims (8)
前記光キャリア発生層のテルル濃度が13重量%以上20重量%以下で膜厚が0.1μm以上0.2μm以下であることを特徴とする撮像デバイス。A translucent electrode made of a conductive thin film, a hole injection blocking layer formed on the surface of the translucent electrode, and a selenium-based amorphous semiconductor formed on the surface of the hole injection blocking layer And a selenium-tellurium-based amorphous semiconductor that absorbs most of the incident visible light formed on the surface of the hole injection prevention auxiliary layer and converts it into charges. A photocarrier generation layer and a carrier multiplication layer formed on the surface of the photocarrier generation layer and made of a selenium-based amorphous semiconductor for avalanche multiplication of the generated photocarriers. In an imaging device comprising a charge injection blocking photoelectric conversion unit having a function of storing carriers as signal charges, and means for reading the stored signal charges,
An imaging device, wherein the photocarrier generation layer has a tellurium concentration of 13% by weight to 20% by weight and a film thickness of 0.1 μm to 0.2 μm.
前記光電変換部の正孔注入阻止補助層が、0.5重量%以上5重量%以下の砒素と、0.05重量%以上1重量%以下の弗化物とを含有し、膜厚0.01μm以上0.05μm以下のセレン系非晶質半導体からなることを特徴とする撮像デバイス。The imaging device according to claim 1.
The hole injection blocking auxiliary layer of the photoelectric conversion part contains arsenic in an amount of 0.5 wt% to 5 wt% and a fluoride of 0.05 wt% to 1 wt%, and has a film thickness of 0.01 μm. An imaging device comprising a selenium-based amorphous semiconductor having a thickness of 0.05 μm or less.
前記弗化物が弗化リチウム、弗化ナトリウム、弗化カリウム、弗化マグネシウム、弗化カルシウムからなる群から選ばれた少なくとも1つであることを特徴とする撮像デバイス。The imaging device according to claim 2.
An imaging device, wherein the fluoride is at least one selected from the group consisting of lithium fluoride, sodium fluoride, potassium fluoride, magnesium fluoride, and calcium fluoride.
前記光キャリア発生層とキャリア増倍層との間に、非晶質セレンを主体とし、1重量%以上10重量%以下の砒素を含有する膜厚0.01μm以上0.5μm以下のテルル拡散防止層を設けることを特徴とする撮像デバイス。The imaging device according to any one of claims 1 to 3,
Tellurium diffusion prevention with a film thickness of 0.01 μm or more and 0.5 μm or less containing mainly 1% by weight to 10% by weight of arsenic between the photocarrier generation layer and the carrier multiplication layer. An imaging device comprising a layer.
前記蓄積された信号電荷を読み取るための手段が、2次元固体走査IC基板からなり、かつ、この2次元固体走査IC基板と前記光電変換部とを接合して設けたことを特徴とする撮像デバイス。The imaging device according to any one of claims 1 to 4,
An imaging device characterized in that the means for reading the accumulated signal charge is a two-dimensional solid-state scanning IC substrate, and the two-dimensional solid-state scanning IC substrate and the photoelectric conversion unit are joined to each other. .
前記蓄積された信号電荷を読み取るための手段が、走査電子ビームを発射する電子銃からなり、かつ、この電子銃と前記光電変換部とを真空容器内で対向して設けたことを特徴とする撮像デバイス。The imaging device according to any one of claims 1 to 4,
The means for reading the accumulated signal charge comprises an electron gun that emits a scanning electron beam, and the electron gun and the photoelectric conversion unit are provided facing each other in a vacuum container. Imaging device.
前記蓄積された信号電荷を読み取るための手段が、複数個の電界放出素子を2次元に配列整備した平面電子源からなり、かつ、この平面電子源と前記光電変換部とを真空容器内で対向して設けたことを特徴とする撮像デバイス。The imaging device according to any one of claims 1 to 4,
The means for reading the accumulated signal charge comprises a planar electron source in which a plurality of field emission elements are arranged in a two-dimensional manner, and the planar electron source and the photoelectric conversion unit are opposed to each other in a vacuum vessel. An imaging device characterized by being provided.
前記導電性薄膜からなる透光性電極に、前記キャリア増倍層内で電荷のアバランシェ増倍が生じるほどの電圧を印加して用いることを特徴とする撮像デバイスの動作方法。The imaging device according to any one of claims 1 to 7,
A method for operating an imaging device, wherein a voltage that causes charge avalanche multiplication in the carrier multiplication layer is applied to the translucent electrode made of the conductive thin film.
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