JP5430810B2 - 電子衝撃能動画素センサー - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明は，低光量で検知し，イメージ化するための光電陰極を使用する，電子衝撃モードの能動画素センサー使用して，低光量で，有用なイメージをイメージ化し，または検出する装置および方法に関する。
本発明は，低光量で検知し，イメージ化するための光電陰極を使用する，電子衝撃モードの能動画素センサー使用して，低光量で，有用なイメージをイメージ化し，または検出する装置および方法に関する。
発明の背景
低光量で動作するカメラについて，いろいろな分野で多くの重要な応用がなされている。この中には，写真用，暗視用，監視用，さらには科学用のものが含まれる。最新の暗視システムは，たとえば，直視システムから，カメラを利用した装置に今や急速に変わりつつある。これらは，ビデオ表示や処理の連続した進歩により加速されている。ビデオを利用したシステムは，遠隔表示を可能にするとともに，前方監視赤外線センサーからのような他のイメージと融合して，見ること，記録すること，さらにイメージ処理を可能にする。監視応用例もまたビデオを利用することが優勢になってきているが，この例では，カメラの大きさ，性能および低光量感度がしばしば問題となる。科学応用例では，広いスペクトル範囲および高フレームレートにわたって良好な光子感度をもつカメラを必要としている。これらの応用例などでは，ビデオの直接出力がなされる，改良された低光量センサーの必要性がより求められている。
低光量で動作するカメラについて，いろいろな分野で多くの重要な応用がなされている。この中には，写真用，暗視用，監視用，さらには科学用のものが含まれる。最新の暗視システムは，たとえば，直視システムから，カメラを利用した装置に今や急速に変わりつつある。これらは，ビデオ表示や処理の連続した進歩により加速されている。ビデオを利用したシステムは，遠隔表示を可能にするとともに，前方監視赤外線センサーからのような他のイメージと融合して，見ること，記録すること，さらにイメージ処理を可能にする。監視応用例もまたビデオを利用することが優勢になってきているが，この例では，カメラの大きさ，性能および低光量感度がしばしば問題となる。科学応用例では，広いスペクトル範囲および高フレームレートにわたって良好な光子感度をもつカメラを必要としている。これらの応用例などでは，ビデオの直接出力がなされる，改良された低光量センサーの必要性がより求められている。
イメージセンサーのアレーを組み込むイメージ検知装置が一般的に電子カメラに使用されている。各画素は，入射光に応答して出力信号を生成する。その信号はイメージを形成するために，典型的に一度にローを一つ，読み出される。従来技術のカメラは，イメージセンサーとして，電荷結合デバイス（CCD）を利用していた。感度を高めるために，増幅器を各画素に組み込むイメージセンサーが能動画素センサー（APSとしても参照される）として知られている。能動画素センサーは，たとえば，Merrillによる，1998年8月4日に発行された米国特許第5,789,774号，Dickinson等による，1996年5月20日に発行された米国特許第5,631,704号，Tomura等による，1996年5月28日に発行された米国特許第5,521,639号，Merrillによる，1998年2月24日に発行された米国特許第5,721,425号，Lee等による，1997年4月29日に発行された米国特許第5,625,210号，Merrillによる，1997年3月25日に発行された米国特許第5,614,744号，およびAckland等による，1998年4月14日に発行された米国特許第5,739,562号に開示されている。能動画素センサーの関連した分野では，Fossumによる論文"CMOSイメージセンサー：一チップ上の電子カメラ"，IEEE Transactions on Electron Devices，第44巻，第10号，第1689−1698頁（1997）があり，この論文は参考文献としてここに組み込まれる。
一般的に，星明かりおよびより低い照度レベルの場合のような極端に低い光レベルを含む，広範囲な光量にわたって高質なイメージを生成するカメラを提供することが望ましい。さらに，カメラは，大きさが物理的に小さく，電子パワーの条件が緩やかであるべきで，このことにより携帯することができ，頭部に据え付けることができ，さらに，他のバッテリーで稼動するものとすることができる。能動画素センサーカメラは，小型化および低パワー条件を満たすが，低光量では感度が低く，その性能は，0.1ルックス（薄明かり）または高光量の条件に限定される。
極端に低い光量の下で動作する暗視カメラが従来知られている。今日使用されている標準的な低光量のカメラは，イメージ強化CCDまたはICCDカメラを形成するために，CCDに光学的に結合した第三世代（GaAs光電陰極）または第二世代（多重アルカリ光電陰極）イメージ増強管ファイバーに基づいたものである。イメージ化されるシーンは，入力レンズにより，光電陰極フェイスプレート組立体に焦点合わせされる。入射光エネルギーは，光電子を光電陰極から電子イメージに解放し，電子イメージを形成する。電子イメージは，マイクロチャネル・プレート（MCP）電子マルチプライヤー（これは，イメージの幾何学的な完全性を維持しながら，二次増幅により電子イメージを強化する）の入力部近傍に焦点合わせされる。強化された電子イメージは，蛍光スクリーン（これは電子イメージを可視イメージ（典型的にファイバー光学出力窓を通して見ることができる）に変換する）近くに焦点合わせされる。ファイバー光学テーパーまたは伝達レンズがつぎに，この増幅された視覚イメージを標準CCDセンサー（これは，光イメージを，ビデオ信号を形成する電子に変換する）に伝達する。これら既存の，従来技術のICCDカメラにおいて，イメージがサンプル化される五つのインターフェイスがあり，各インターフェイスは解像度を低下させ，ICCDカメラの信号にノイズを加える。これまで避けることのできなかったこのイメージの劣化は，高品質の出力を要求するシステムには重大な欠点である。ICCDセンサーはまた，溶融ファイバー光学要素のために，大きく，重い。第三世代のMCPイメージ増強管は，たとえば，Johnson等の1994年12月13日に発行された米国特許第5,373,320号に記述されている。この特許に記述されたカメラ・アタッチメントは，標準的な昼光ビデオカメラを日中／夜間カメラに変換する。
ICCDカメラの複数の光学インターフェイスから生じたイメージの劣化に加え，MCPが比較的ノイズのある増幅器であることはさらに問題である。利得処理における，この付加されたノイズは，低光量のイメージ品質をさらに劣化させる。MCPのノイズ特性は，過度のノイズ因子Kfにより特徴つけられる。KfはMCPの入力での信号対ノイズのパワー比を，増幅後のMCPの出力での信号対ノイズのパワー比で割った比として定義される。このKfはMCP利得処理のために，信号対ノイズの比の劣化の尺度である。Kfの典型的な値は，第三世代のイメージ増強管に対して4.0である。第三世代のイメージ増強管で使用する，低ノイズで，高利得のMCPはAebi等により，1993年12月7日に発行された米国特許第5,268,612号に開示されている。
他の利得メカニズムが，電子衝撃半導体（EBSとも参照される）利得処理により達成される。この利得処理において，利得は，高速の電子ビームが半導体でそのエネルギーを分散させるときに生じる電子増幅により達成される。分散したエネルギーは電子‐ホールの対を生成する。半導体シリコンに対して，一つの電子‐ホール対は，約3.6電子ボルト（eV）の入射エネルギー毎に生成される。これは，1に近いKf値をもつ，非常に低いノイズ利得処理である。1のKfは，ノイズが付加されない利得処理を示す。
電子衝撃半導体利得処理は，LaRue等による1994年12月20日に発行された米国特許第5,347,826号，およびLaRue等による1995年12月12日に発行された米国特許第5,475,22７号に開示されているように，光電陰極，焦点電極および検出器に配置された半導体ダイオードからなる陽極の集まりからなる，焦点が合わされた電子衝撃ハイブリッド光電子増倍管において使用された。開示されたハイブリッド光電子増倍管は非常に感度がよいが，イメージを検知しない。
電子衝撃半導体利得処理は，ICCD低光量カメラにおけるイメージの劣化にかかわるために使用された。後方照明CCDが電子衝撃CCD（EBCCD）を形成するために，光電陰極とほぼ焦点があった陽極として使用される。光電陰極からの光電子は，加速され，後方照明CCDに直接イメージ化される。利得は，低ノイズの電子衝撃半導体利得処理により達成される。EBCCDは，MCP，蛍光スクリーン，ファイバー光学系をなくし，その結果より小型化したカメラにおいて，改良されたイメージの品質および高められた感度が得られる。従来のイメージ伝達の連鎖による劣化した分解能および高ノイズの顕著な改良がEBCCDにより実現した。EBCCDが，Lemonierによる，1987年8月18日に発行された米国特許第4,687,922号に開示されている。EBCCDの関連した背景には，イービ等による論文"ガリウムヒ素電子衝撃CCD技術"SPIE，第3434巻，第37-44頁（1998）があり，この論文もここに参考文献として組み入れられる。
最適な低光量のEBCCD性能を発揮するには，特別のCCDを必要とする。CCDは後面において，高電子衝撃半導体利得を可能にするように，薄くするように要求される。ゲート構成物が，光電子が半導体に着くことを阻止し，低電子衝撃半導体利得が適度の加速電圧で得られるとき，CCDは，標準CCDカメラにおいて使用される正面衝撃モードで使用できない。ゲート構造物を貫くために必要な高加速電圧は，CCDに輻射ダメージを与え，CCDの寿命を短くする。フレーム伝達フォーマットもまた，CCDがチップ上のイメージ領域および記憶領域の両方をもつ場合には必要となる。イメージおよび記憶領域はほぼ同じ大きさである。フレーム伝達フォーマットが二つの理由で必要となる。まず，CCDイメージ領域は，可能であるならば，高充填因子（最小デッドエリア）をもつことである。フレーム伝達CCDアーキテクチャーはこの条件を満たす。行間電圧アーキテクチャーは，（70−80％のオーダの）実質的なデッドエリアをもたらす。能動エリアの減少は光電子を失わせる。このことは，光電子陰極量子化効率または感度の低下を意味する。最も低い光量（星明かりまたは曇りの星明かり）では，低光量カメラの性能は，光子統計により表される。十分に低い光量の分解能および性能のためには，最大数の光子が，イメージャー（imager）により検出されることが基本である。第二に，フレーム伝達フォーマットにより，信号の集積が，集積期間に加え，記憶領域の読み出しの間に起こることができる。このことにより，電荷が，収集された信号をほぼ連続して最大化して集積され得る。
EBCCDカメラはさらに欠点をもつ。フレーム遷移CCDアーキテクチャーは，CCD上のイメージおよび記憶領域の条件のために，必要な真空エンベロープの大きさを二倍化にすることが必要なEBCCDの例に対して，困難な問題を有する。この条件はまた，フレーム伝達CCDチップがイメージ領域の大きさを二倍以上とすることを意味する。このことは，チップがシリコンウエハ毎に製造することができず，行間伝達CCDまたは能動画素センサーチップに関して，CCEのコストを実質的に増加させる。EBCCD利用カメラはまた，高電子衝撃半導体利得に対して，半導体を薄くし，後面を不動態化するために，特別な処理を必要とするCCDの後方照明の欠点を有する。この処理は，シリコン産業において標準ではなく，EBCCD製造コストを実質的の増加させる。EBCCDカメラは，CCDクロック条件のために，数ワットのパワーを消費し，カメラ全体用の外部電子系を必要とする。外部カメラ電子系の大きさは，そのカメラを製造することの利点をもつ応用例の妨げとなる。最後に，CCDは，主要なCMOS半導体製造技術と互換性のない特別な半導体製造ラインを必要とする。これはさらに，CCDを利用するカメラのコストを増大させる。
発明の要約
本発明の目的は，従来技術の種々の欠点を除去し，改良された低光量のイメージシステムおよび対応する方法を提供することである。このことは，光電陰極センサーをもつ真空エンベロープにおいて，能動画素センサーCMOSイメージャーを電子衝撃モードで利用することにより達成される。電子衝撃能動画素センサーは，レンズ，ハウジング，パワーおよび制御インターフェイスをもつ，低光量カメラからなる。
本発明の目的は，従来技術の種々の欠点を除去し，改良された低光量のイメージシステムおよび対応する方法を提供することである。このことは，光電陰極センサーをもつ真空エンベロープにおいて，能動画素センサーCMOSイメージャーを電子衝撃モードで利用することにより達成される。電子衝撃能動画素センサーは，レンズ，ハウジング，パワーおよび制御インターフェイスをもつ，低光量カメラからなる。
本発明の他の目的は，能動画素センサーCMOSイメージャーおよび直接電子衝撃を利用する，改良された低光量のカメラを記述することである。
さらに，本発明の目的は，当該イメージ回路が使用される軽量な構造の形成を容易にするための，パワー条件を顕著に緩和し，種々の低光量のイメージ化応用例に対する改良された装置を提供できる，新規なチップまたはイメージ回路を記述することである。
さらに，本発明の特徴および実施例は，添付の図面とともに以下の説明から明らかになる。
発明の詳細な説明
能動画素センサーチップが図１に示されている。光ゲート能動画素センサーのアーキテクチャーは，図２に示され，図３のフォトダイオード能動画素センサーのものである。
能動画素センサーチップが図１に示されている。光ゲート能動画素センサーのアーキテクチャーは，図２に示され，図３のフォトダイオード能動画素センサーのものである。
図１において，論理タイミングおよび制御回路12により制御される画素アレー11が示されている。信号が，アナログプロセッサおよびアナログ‐デジタルコンバータを含む信号プロセッサにより処理される。カラム選択制御回路が符号15で示され，出力信号が，矢印16のように，能動画素センサーから与えられることが示されている。矢印16での出力は，能動画素センサーが使用され，または信号が供給されるシステムに依存するデジタルまたはアナログ信号からなってもよい。
二つの基本的な画素アーキテクチャーが，画素アレー11の個々の画素を形成するために使用される。画素用の第一のアーキテクチャーは光ゲート画素構成である。第二の画素用のアーキテクチャーはフォトダイオード画素構成である。
図２において，光ゲート型画素構成が示されている。入射光子束により生成された光電子は，光ゲート74の下に集積される。光ゲート（CCD上に形成されたゲートと近似する）は，電荷蓄積領域にわたった誘電層上にポリシリコン電極を有する。光ゲートは符号67に示すところに適用される電源によりバイアスされる。光ゲートは伝達ゲート75およびブリッジ拡散73によりにより，浮動出力拡散モード72から分離される。伝達ゲートは，符号66に示すところに適用される電源によりバイアスされる。半導体の，これらの適用バイアス電位により生じたポテンシャル井戸は破線により示されているが，適用バイアス電位により，光ゲートの下方に電荷が集積される。読み出しのために，浮動出力拡散電極は，符号61により示されたところに適用される電圧（ドレイン電圧としても参照される）によりリセットされるが，この電圧の適用は，通常はオフとなったリセットトランジスタ64のゲート62が，トランジスタをオンにし，ドレイン電圧への浮動出力拡散をセットするために，電源のパルスを受けたときである。光ゲート電圧は，収集された電荷を浮動出力拡散電極72に伝達するために，瞬時に脈動するものである。光を生成した電荷は，ロー選択トランジスタ63が，電圧パルスをトランジスタ69に適用することによりオンとなるときに，検知される。電荷は，ソースフォロワトランジスタ59により増幅され，電圧はカラムバス65に接続されたアナログ信号処理回路（図１を参照）により検知される。光ゲート構成（図２）（図３に示されたフォトダイオード画素構成に匹敵）は読み出されたノイズが低いという利点を有するが，その理由は，ソースフォロワトランジスタによる測定された電圧がリセットされたレベルと信号レベルとの差であるときに，関連した二重サンプリング読み出しを画素に集積することができることからであるが，しかし，介入ポリシリコン層への光吸収のために，光学的感度が低いという欠点を有する。
図３において，フォトダイオード型画素構成が示されている。入射光子束により生成された光電子は，通常はオフとなっているリセットトランジスタ24が，トランジスタをオンにし，フォトダイオードバイアスをドレイン電圧にセットするために，電源によりパルス信号を受けると，適用される符号21により示されるところ（ドレイン電圧とも参照される）に適用される電源により，逆バイアスされたフォトダイオード20上に収集される。光生成の電荷は，ロー選択トランジスタ23が，電圧パルスをトランジスタゲート29に適用することによりオンとなるときに，検知される。電荷はソースフォロワトランジスタ19により増幅され，その電圧は，コラムバス25に接続されたアナログ信号処理回路13（図１を参照）により検知される。
能動画素センサーを有するカメラは，電荷結合デバイスをもつカメラを越えた，重要な利点をもつ。これらの利点は，必要なカメラ電子の大部分が，電子系が統合されたタイミングおよび制御電子系を含むところのAPSチップ上に統合されている実質的に高度な電子系の統合，パワー要件の顕著な緩和，低コストの標準CMOS製造技術の使用，カメラの容積の全体的な減少，および可変性のあるイメージ読み出しである。イメージ読み出しモードが，全体のアレーのサブ領域の窓読み出し，またはn番目毎に画素が読み出される（nは整数）スキップ読み出しを含むことができる。これらのモードの両者において，画素の一部分が高いフレームレートを可能にして読み出される。
図４において，本発明にしたがった電子衝撃能動画素センサー真空システムまたは管33が示されている。このシステムは，光電陰極31，好適には，高性能の応用例ではGaAsまたはInP/InGaAs伝達電子光電陰極のような半導体光電陰極（これは管の電極を形成する特別の能動画素センサーチップ32とほぼ焦点があっている）を含んでもよい。光電子35は，符号36の矢印により示された入射光に応答して，光電陰極31から放出される。これらの電子は，能動画素センサー32が捕える，チップ内での電子利得を可能にするのに十分なエネルギーに，適用電圧により加速される。このことは，チップを，他の要素と容易なインターフェイスを行わせる接地電位近くにバイアスすることを可能にする。制御信号およびバイアス電圧38が能動画素センサー32に適用され，ビデオ出力信号40がセンサー32から取り出され得る。図４の管33のベースは透明なフェイスプレートであり，管の側壁39は，光電陰極31が位置する透明なフェイスプレートとヘッダー組立体34（APSチップが位置する）との間に伸長する。ヘッダー組立体34はまた，電圧38をAPSチップに適用するための電気フィードスルーおよびAPSチップからのビデオ出力信号40のための手段を与える。
電子衝撃センサー利得は好適に，読み出されたノイズに打ち勝つほど十分に高い。これにより，一つの光電子の検出が可能になる。
この適用例のための能動画素センサーは，電子感度に対し，電子衝撃半導体メカニズムを使用して修正される。好適な実施例は，表面電子衝撃モードで，能動画層センサーチップの後面を薄くすること，および不動態化することといった条件をなくすことである。表面電子衝撃のアプローチは，電子衝撃能動画素センサーの要素を最もコストの低いものにする。しかし，低光量の性能がこのアプローチで著しく低下することはないことは重要なことである。これは，高い充填率を可能にするために，画素領域の相当な割合をフォトダイオードが占めることによる。50％を越える充填因子が，良い低光量の性能に対して望ましい。50％の充填因子は，電子衝撃能動画素センサーに対し，第三世代のイメージ増強管を使用するイメージ増強管CCDシステムと同等の低ノイズ感度をもたらす。
表面電子衝撃画素センサーチップを組み込む電子衝撃能動画素センサー要素が好適に，フォトダイオード能動画素アーキテクチャーを使用する。これは，すべての上に位置する材料を，この画素配置となったフォトダイオード半導体表面に移すことができることによる。半導体と入射電子との間に介在する材料は，電子を吸収し，低電子衝撃半導体利得をもたらし，高加速電圧を必要とする電子エネルギーを分散することができる。光ゲート能動画素センサーのアーキテクチャーは，典型的な加速エネルギー（2keV）に対して入射光電子の収集を妨げる，上に位置するポリシリコンまたは他の材料を必要とする欠点をもつ。入射電子はまた，誘電体への輻射損失を生じさせ，シリコンインターフェイスは，表面電子衝撃光ゲート能動画素センサーチップに対し短い動作寿命をもたらす。
フォトダイオードは，比較的低い電子加速電圧（好適には2,000ボルト以下）で，高電子衝撃半導体利得をもつことが望ましい。このことは，能動画素センサーチップ上の，シリコンまたは上に位置する構成物への電子衝撃により生じるX線のため，CMOSイメージャーへの輻射損失を最小化する。低電圧動作はまた，適用される電圧の制御により，増強管における容易なゲート動作を可能にするために望ましい。さらに，電荷の蓄積を放出し，静電放電により損傷を防止できるような伝導性をもつ，上に位置する保護層を与えることで，隣接したCMOS回路を電子衝撃から保護することが望ましい。保護はまた，下に位置するCMOS回路へのX線照射を減少させる。
低電子加速電圧での，高電子衝撃半導体利得には，表面でのキャリヤの再結合を最小化するために，フォトダイオード表面から，上に位置する層を除去すること，および半導体表面の良い不動態化が必要される。この不動態化は，従来技術から知られている多くに技術により達成できるものである。一つの標準的な技術は，半導体表面で，薄くドープされた領域を形成することである。このドープされた領域の厚さは，所望の動作電圧において，固体中で電子列（range）に等しいかまたはそれよりも小さいこと，好適には実質的に小さいことが望ましい。2,000ボルトの動作では，電子列はシリコンで約600オングストロームである。固体中の，おおよその電子列は，Gruen列，RGにより与えられるが，ここでRG＝400Eb 1.75／ρである。RGはオングストローム，EbはkeV， ρはgm/cm3単位である。シリコンの場合，バルク密度，ρは2.33g/cm3である。
ドープされた領域は，下に位置する領域よりも大きい自由キャリヤ濃度をもつ同じキャリヤタイプをもつようにドープされる。ドープ密度の増加は，所望の少数のキャリヤが，再結合し，逆バイアスされたフォトダイオードにより収集されない表面に到着することを防止するポテンシャル（電位）バリヤを形成する。少数のキャリヤがその表面に到着することを防止するために，ポテンシャルバリヤを形成する他の技術は従来から知られている。不動態化技術は，Janesik等により，1989年4月18日に発行された米国特許第4,822,748号，Janesikにより，1988年7月26日に発行された米国特許第4,760,031号に開示されている。
本発明の他の実施例は，後面衝撃能動画素センサーチップを利用する。この実施例において，APSチップは下に向けて配置され，シリコン基板は，薄くされた能動画素センサーチップを残して，機械的に，化学的に除去される。
CCDに関連した基板を薄くする方法は，米国特許第4,687,922号に開示されている。この開示された方法は，APS構成物の後面を薄くするために使用することができ，ここに参考文献として組み込まれる。一般的に，後面を薄くすることは，感受性のある領域の下の基板を薄くすることにより達成され得る。
基板を薄くする前のフォトダイオード画素構成物の断面が図５に示されている。図３のフォトダイオード20は，図５では，領域55として示されている。画素中に関連したトランジスタ（図３ではトランジスタ19，22，および23）から成るCMOS回路は領域53に含まれる。まず，基板の51の大部分を除去するために，急速等方エッチング工程が実行される。たとえば，基板が最初約400μmであるとき，このエッチング工程は，基板層51の約380μmが，基板材の約20μmの薄い層を残して，エッチングされるまで続く。このエッチング工程は，割合が5：3：3の硝酸，酢酸，およびフッ化水素酸の溶液，または従来から知られた溶液を利用して実行される。このエッチングの間，基板を回転させることにより，良好な一貫性をもつ最終厚さが形成される。遅いエッチングがつぎに残りの基板材を除去するために実行され，エッチングは層57で停止される。このエッチングは350ml当たり5mlの割合で過酸化水素が存在する酸性溶液または従来技術の同様の溶液で，割合が3：8：1の硝酸，酢酸およびフッ化水素酸で行われる。層57と51との間のドーピング差が，エッチング感受性を得るために利用される。エッチングは，厚さが良好な一様性をもつことを確実にするために実行される。能動画素センサーを薄くした後，後面は，表面の再結合速度を減少させ，低動作電圧（＜2kV）で高い電子衝撃利得を確実に得るようにするために，不動態化される。
基板の除去および後面の不動態化により，確実に，光子および光電子が，ポテンシャル源に十分に近い点で吸収され，この実施例では，逆バイアスされたフォトダイオードで達成される電荷収集が，生成された電荷をバルクまたは表面再結合または横方向拡散なしで，目的地に着くようにさせることができる。
露出モードにおいて，光電陰極からの電子は，前述したEBCCDの場合と同様に，チップの後面上に入射する。このアプローチは，APSチップの取り付けおよび薄くすることのための付加的な処理を必要とするが，電子衝撃表面上に介在構造物がないことから，100％の充填率が得られ，入射光電子のすべてが潜在的に，従来技術として知られている方法で，ドーピングプロファイルを操作することにより，適切な静電ポテンシャル分布を固体内に作りこむことで除去できるといる利点がある。後面露出および後面を薄くすることは，フォトダイオードか，フォトゲート画素構造物かいずれかと適合する。層57内のポテンシャル分布は，CMOS回路から離れる，生成された電子をフォトダイオードまたはフォトゲート構造物に偏向するように形成され得る。これにより，優れた低光量の感度が可能となる。
好適というわけではないが，本発明の他の実施例は，電子‐光変換層でコーティングされた前面衝撃能動画素センサーチップを利用する。このことは，図６に関連して説明される。
このアプローチは，直接の電子感度に対して，修正されなかった標準チップを利用するという利点をもつ。このタイプの能動画素センサーが図６に示されている。図６において，前面の電子‐光変換層をもつ能動センサーの断面が示されている。フォトダイオード（図３での符号20）またはフォトゲート（図２での74）は図６では領域85として示されている。画素中の関連したとトランジスタまたはゲート（図３のトランジスタ19，22および23）または図２のトランジスタおよびゲート75，64，63，59）からなるCMOS回路が領域83に含まれる。これらの構成物は，基板81に含まれる。光学的保護層86が，電子‐光変換層84で生成された光が領域83に入ることを防止するために使用される。生成した光が，光変換層（ここでは反射が，光が到着する領域85（ここで，フォトダイオードまたはフォトゲート構造物により検知される）で生じる）に反射して戻ることができるようにアルミニウムまたは他の高反射率の金属で層86が作られる。光変換層84は，光学的に反射性をもつ，電気伝導性のある層82でコーティングされている。層82は電子衝撃能動画素センサーに対して伝導性電極層を形成し，入射電子を収集し，バイアス電源へと排出することができる。層82はまた，層84で生成された光が光電陰極に着くことを防止する。この層からの光が光電陰極に着くと，光学的フィードバックがもたらされ，検知されたイメージに過度のノイズが付加される。典型的に，層82は，層84から光電陰極に着く光を，光学的フィードバック効果を最小化するために，少なくとも三桁分減衰する。
この実施例において，標準的な能動画素センサーチップが，図６に示された電子‐光変換層および関連した構造物の適用例とともに使用することができる。陰極から陽極へ加速された電子は変換層により光子に変換され，APS画素により検出される。このスクリーンは，能動画素センサーチップ上に直接付着される。このアプローチにおいて，層82は，比較的低入射電子エネルギーで，良好な光学反射性および良好な電子透過性の特性をもつアルミニウムを使用して製造される。光学的反射性は，生成した光のより多くをフォトゲートまたはフォトダイオードに到着させ，より高い感度とするために重要である。この場合，層82に突き当たる光は，画素に反射して戻り，検出されて，スクリーン効率が増加する。層84は，P20またはP43（緑色で放出する）のような高効率の蛍光体を使用して製造される。能動画素センサーのピーク感度波長と整合する波長をもつ光を放出する蛍光体を選択することにより，さらに最適化される。変換層は，従来技術において知られているタイプの標準的な金属化された蛍光スクリーンからなってもよい。
表面に変換層を使用するアプローチの欠点は，能動画素センサーチップにより，電子の直接の検出と比較して，解像度はより低くなり，ノイズはより高くなる。解像度の低下は，画素対画素のクロストークをもたらし，変調伝達関数を減少させる光変換層における光の散乱から起こる。光変換スクリーンと一体的となった付加的な変換工程による過度のノイズ因子の低下から，より高いノイズが生じる。より高いノイズはまた，電子加速電圧が良好な変換利得を達成するために，実質的により高いものとする必要があることからも生じる。このことは，良好な変換効率のために，4kVよりも高い電圧を，典型的に必要とする光変換層における非効率性のためである。高加速電圧はX線発生率を著しく増加させる。光電陰極により検出されたX線は大きなノイズパルスをもたらす。X線はまた，輻射損失効果のため，能動画素センサーチップの寿命を極端に縮める。最大の効率のために，光変換構成物を最適化すること，前述した技術を使用して低電圧操作を可能にすることは，ノイズ効果を減少させ得る。
図７において，種々のイメージ化システムを示すために，本発明にしたがったカメラが示されている。この図において，符号140は，レンズ141を介して，光電陰極142に焦点が合わされたイメージを示す。光電陰極142に，電源145からの電圧リード線143が接続されている。電源145はまた，リード線146を介して能動画素センサー147に接続されている。真空チェンバー148が光電陰極142を能動画素センサー147から分離している。壁150はチェンバーのシールされた外壁を示す。
図に示されたカメラ配置は，本発明に関連して有用なシステムを示すためのものである。カメラシステムが容易に最適化されるべきであり，特定の応用例において，従来技術において知られているように修正することもできる。したがって，監視システムにおいて，捕捉されるイメージは建物領域の内側のもの，または外側のものを含んでもよく，ここでカメラレンズは，イメージを光電陰極（順に，空間的形状をもって，イメージを能動画素センサー（順に，イメージを見るための，出力陰極線システムまたは他のディスプレーを提供する）に伝達する）に焦点を合わせる。明らかなように，イメージ140は，能動画素センサーの出力が提供されるシステムにおいて統合されたディスプレー上または遠隔地でみることができる。このようなスクリーンはシステムの出力部として，符号154に示されているように，配置できる。
図示のタイプのカメラは，星明かりのようなレベルの光で作動して，イメージ化し，イメージを再生することができるが，典型的にそして好適には，明るい環境で作動（このような環境とは，夜間に人が通過できる程度に十分に明るくなくともよい）されるべきである。このことは一般的に，ほとんどのシステムおよび条件に対して十分であり，したがって，システムにおいて使用される要素の規格をより低いものにすることができる。夜間視認の目的のためのように，低光量のイメージ化が十分に行えることを必要とする応用例の場合（飛行が非常に低く，建物，木々，または電力線に関する事故について関心があるといったヘリコプター飛行の応用例），システムは，図示のように設計されてもよく，バッテリー動作，ヘルメットなどのような，夜間視認装置に付随するユニークな手段を含んでもよい。
科学的な応用例においては，極端に暗い状況で動作させる必要がある。また，人が破損させることなく装置を取り扱う必要もある。暗視用に調節されたシステムは，これらの目的に対してほとんど有用である。他の科学的な応用例において，非常に低い光量の光放出をイメージ化することができること，または一つの光子でさえも検出することができることが要求される。記述したシステムは，これらの応用例に対しても適している。
関連した出願が，発明者がKenneth A. Costelloの，Electron Bombarded Active Pixel Sensor Camera Incorporating Gain Control と題して同時に行われ，本発明に関連して参照されるものである。
本発明は特定の実施例に関連して説明されているが，当業者には明らかなように，本発明を実施する上で種々の変更が行い得ることは明らかであろう。したがって，本発明は特許請求の範囲に沿って画成されるべきである。
Claims (9)
- 真空装置であって，
真空チェンバー（１４８）と，
該真空チェンバーの壁部の一部を構成し，光を受けたときに前記真空チェンバー内に電子を放出する光電陰極（３１，１４２）と，
前記真空チェンバー内で前記光電陰極と向かい合って位置する，半導体層（５７）を含む能動画素センサー（３２，１４７）と，
前記光電陰極と前記能動画素センサーとの間にあり，前記真空チェンバーをシールする側壁構造物（３９，１５０）と，
前記能動画像センサーからの信号を当該真空装置の外部で使用するための，前記能動画素センサーから前記真空チェンバーの外へ伸長する電子接続子と，
を含み，
前記光電陰極から前記真空チェンバー内に放出された電子を直接，前記能動画素センサーへ移動させる電場が前記真空チェンバー内に形成され，
前記半導体層（５７）は，電子衝突を利用してイメージ化するための，フォトダイオード又はフォトゲート画素構成物，およびトランジスタを有するＣＭＯＳ回路を含み，
前記能動画素センサー（３２，１４７）は，前記能動画素センサーの後面が前記光電陰極からの電子により衝撃を受ける位置に配置され，
前記能動画素センサーは不動態化された電子衝撃を受ける後面を有する，ことを特徴とする真空装置。
- 前記半導体層は，形成された電子を前記ＣＭＯＳ回路から離し、前記フォトダイオードまたはフォトゲート画素構成物へと向かうように偏向するポテンシャル分布を前記半導体層内に形成するためのドーピングプロファイルを有することを特徴とする，請求項１に記載の真空装置。
- 前記能動画素センサーの表面が電子光変換層によりコーティングされる，請求項２に記載の真空装置。
- 前記能動画素センサーの後面が薄くされ，前記光電陰極からの電子は，前記能動画素センサーの，前記薄くされた後面に向けられる，請求項２に記載の真空装置。
- 請求項１ないし４のいずれか一項に記載の真空装置，さらに入力イメージの焦点を前記フォトカソードの対象平面上に合わせるレンズを含む低光量カメラ。
- 前記能動画素センサーは，電子光変換層でコーティングされ，該電子光変換層は，前記光電陰極から放出される電子が直接，前記変換層に衝突するように位置する，請求項５に記載のカメラ。
- 前記能動画素センサーの後面は薄くされ，前記光電陰極からの電子は，前記能動画素センサーの，前記薄くされた後面の層に向けられる，請求項５に記載のカメラ。
- 低光量のイメージを記録する方法であって，
記録されるべきイメージを光電陰極に投射し，前記光電陰極から電子を，入力イメージの空間形状をもって真空チェンバーに放出させる工程と，
真空チェンバー内で，電子イメージの受信面に，半導体層を含む能動画素センサーを配置する工程と，
前記能動画素センサーの出力を前記真空チェンバーから記録装置へ向ける工程と，
を含み，
前記光電陰極から，前記真空チェンバー内に放出された電子を直接，前記能動画素センサーへ移動させる電場が前記真空チェンバー内に形成され，
前記半導体層（５７）は，電子衝突を利用してイメージ化するための，フォトダイオード又はフォトゲート画素構成物，およびトランジスタを有するＣＭＯＳ回路を含み，
前記能動画素センサー（３２，１４７）は，前記能動画素センサーの後面が前記光電陰極からの電子により衝撃を受ける位置に配置され，
前記能動画素センサーは不動態化された電子衝撃を受ける後面を有する，ことを特徴とする方法。
- 電子イメージを光イメージに変換するための，オーバーコーティング層をもつ能動画素センサーが，前記光電陰極からの電子イメージが前記能動画素センサーのオーバーコーティング層に向くように，配置される，請求項８に記載の方法。
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