JP5739763B2 - Photoconductive element and imaging device - Google Patents

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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。   The present invention relates to a photoconductive element and an imaging device capable of obtaining a high-quality image with high sensitivity and high resolution and high S / N.

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〔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)。 Conventionally, it is known that when a high electric field of about 1 × 10 8 [V / m] or more is applied to a photoconductive layer composed of a selenium-based amorphous semiconductor, an avalanche multiplication phenomenon occurs inside. A highly sensitive imaging tube using this phenomenon has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 1).

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〔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。 In order to generate such an avalanche multiplication phenomenon, it is necessary to apply a high electric field of about 5 × 10 7 [V / m] or more to the photoconductive layer. It is necessary to suppress the dark current by preventing the injection of charges (holes) into the photoconductive layer.

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)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)。 As a technique for preventing such charge (hole) injection, for example, a cerium oxide (CeO 2 ) thin film is blocked between the positive electrode and the selenium-based amorphous semiconductor (photoconductive layer). A method of providing a layer is known (see, for example, Patent Document 1).

特開平09−050771号公報JP 09-050771 A

テレビジョン学会全国大会講演予稿集、33〜34頁、1989年Proceedings of the annual conference of the Institute of Television Engineers of Japan, 33-34, 1989

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)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。 However, even if a cerium oxide (CeO 2 ) thin film is provided as the hole injection blocking layer as described above, depending on the film quality of the hole injection blocking layer and the strength of the applied electric field, the selenium-based amorphous material In some cases, injection of charge into the semiconductor (photoconductive layer) cannot be effectively suppressed, and dark current may be generated due to charge injection that has passed through the hole injection blocking layer.

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。   In general, in a high-sensitivity image pickup tube using the avalanche multiplication phenomenon, a higher multiplication factor (sensitivity) can be obtained as the electric field applied to the photoconductive layer is higher. The dark current due to the avalanche multiplication may also cause image quality deterioration such as S / N reduction.

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。   For this reason, there is a limit to the intensity of the electric field that can be applied to the photoconductive layer, and there is a problem that the maximum value of the multiplication factor of the high-sensitivity image pickup tube is limited by the limit of the electric field intensity.

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。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a photoconductive element and an imaging device including a hole injection blocking layer that can suppress dark current and obtain a high-quality image with high sensitivity and high resolution and high S / N. .

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、セレンを主体とする非晶質半導体層で構成され、所定の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、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、前記導電膜から前記光導電層への正孔の注入を抑制するThe photoconductive element according to one aspect of the present invention includes a translucent substrate, a conductive film formed on the translucent substrate, a hole injection blocking layer formed on the conductive film, and the hole. The hole injection block comprising a photoconductive layer formed on an injection block layer and composed of an amorphous semiconductor layer mainly composed of selenium and causing an avalanche multiplication phenomenon upon application of a predetermined high voltage. The layer is made of gallium oxide and suppresses injection of holes from the conductive film to the photoconductive layer .

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。   An imaging device according to an aspect of the present invention includes: the photoconductive element; an electron beam source that emits a scanning electron beam to the photoconductive element; and the photoconductive element that is electrically connected to the scanning device. And a signal reading unit for reading an imaging signal obtained by the above.

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。   According to the present invention, it is possible to provide a photoconductive element and an imaging device including a hole injection blocking layer that can suppress a dark current and obtain a high-sensitivity image with high sensitivity, high resolution, and high S / N. can get.

実施の形態1の撮像デバイスの構成を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration of an imaging device according to a first embodiment. 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。3 is a cross-sectional view illustrating in detail a configuration of a photoconductive portion 13 of the imaging device according to Embodiment 1. FIG. 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。It is a figure which shows the characteristic of the signal current and dark current of the imaging device of Embodiment 1, and the characteristic of the signal current and dark current of the conventional imaging device. 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。6 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of an imaging device according to Embodiment 2. FIG.

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。   Hereinafter, embodiments to which the photoconductive element and the imaging device of the present invention are applied will be described.

[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。
[Embodiment 1]
1A and 1B are diagrams illustrating a configuration of an imaging device according to Embodiment 1, in which FIG. 1A is a side cross-sectional view, and FIG. 1B is a diagram illustrating the imaging device in a cross-sectional view taken along line AA in FIG.

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。   As shown in FIG. 1A, the imaging device 100 according to the first embodiment includes a photoconductive element 10, an indium ring 20, a glass tube 30, an electron beam source 40, a deflection device 50, a mesh electrode 60, and a signal readout device. 70.

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。   The photoconductive element 10 includes a translucent substrate 11, a conductive film 12, a photoconductive portion 13, and a metal pin 14. The translucent substrate 11 is a transparent substrate that transmits the reflected light obtained from the subject and guides it to the photoconductive portion 13, and is composed of, for example, a disc-shaped substrate made of translucent glass and having a diameter of 18 mm. . A conductive film 12 having a diameter of 14 mm and a thickness of 30 nm mainly composed of indium oxide is formed on one surface of the translucent substrate 11 by a sputter deposition method.

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。   A photoconductive portion 13 is formed on the lower surface of the conductive film 12 in the drawing. The metal pin 14 is fitted into a through-hole penetrating the translucent substrate 11, one end is electrically connected to the conductive film 12, and the other end is connected to the signal readout device 70.

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。   The photoconductive portion 13 becomes a target of an electron beam emitted from the electron beam source 40, and causes an avalanche multiplication phenomenon inside by applying a high electric field. The photoconductive portion 13 has a circular shape in plan view, and has a scanning surface 13A scanned by the electron beam 41, and an incident surface 13B through which light enters from the upper direction in the drawing through the translucent substrate 11 and the conductive film 12. . The incident surface 13 </ b> B is a boundary surface between the photoconductive portion 13 and the conductive film 12.

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。   Further, as shown in FIG. 1B, the photoconductive portion 13 has a scanning region 13C at the center of the scanning surface 13A facing the electron beam source 40. The scanning region 13C is a region where scanning for taking out an imaging signal is performed by the electron beam 41 deflected and focused by the deflection coil and the focusing coil. The metal pin 14 is disposed at a position outside the scanning region 13C in plan view. The detailed configuration of the photoconductive portion 13 will be described later with reference to FIG.

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。   The indium ring 20 seals between the translucent substrate 11 and the glass tube 30, and fixes the photoconductive element 10 to the glass tube 30.

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。   The glass tube 30 is a glass tubular member whose one end is sealed by the photoconductive element 10 and the indium ring 20, and the electron beam source 40 is formed inside the glass tube 30 from the back to the opening. The deflection device 50 and the mesh electrode 60 are disposed.

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。   The glass tube 30 is sealed (sealed) with the translucent substrate 11 by the indium ring 20 in order to realize scanning with an electron beam, so that the internal space is maintained in a vacuum.

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。   The electron beam source 40 is an electron emission source disposed in the inner part of the glass tube 30 and is an apparatus that excites an electron cloud by heating a cathode material with a heater. Electrons excited as an electron cloud are emitted as an electron beam 41.

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。   The deflection device 50 includes a first grid electrode 51, a second grid electrode 52, and a third grid electrode 53, and deflects the electron beam 41. The first grid electrode 51, the second grid electrode 52, and the third grid electrode 53 are electrodes for extracting and accelerating electrons excited by the electron beam source 40 as electron beams 41 in the direction of the mesh electrode 60.

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。   The mesh electrode 60 is provided in front of the photoconductive portion 13 when viewed from the electron beam source 40, and is a deceleration for reducing the speed of electrons that collide with the photoconductive portion 13 that is the target of the scanning electron beam 41. It is an electrode that generates an electric field.

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。   The signal readout device 70 is a device for reading out the electric charge generated in the photoconductive portion 13 as an imaging signal, and includes a power source 71 for applying a voltage to the photoconductive portion 13 and a readout portion 72 for reading out the imaging signal. Have

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。   A positive terminal of the power supply 71 is connected to the photoconductive portion 13 via the metal pin 14 and also connected to the readout portion 72. Further, the negative terminal of the power source 71 is connected to the electron beam source 40, and a closed circuit is formed via the scanning electron beam 41. Here, the voltage applied from the power source 71 to the photoconductive portion 13 is referred to as a target voltage. For convenience of explanation, the line connecting the negative terminal of the power source 71 and the electron beam source 40 is not shown.

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。   A deflection coil and a focusing coil (not shown) are disposed outside the glass tube 30 to deflect and focus electrons (electron beam 41) accelerated in the third grid electrode 53.

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。   In the imaging device 100 according to the first embodiment, the voltage applied to each electrode is, for example, the heater of the electron beam source 40: about 6V, the first grid electrode 51: about 20V, and the second grid electrode 52: about 300V, the third grid electrode 53: about 600V, and the mesh electrode 60: about 800V.

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。   A target voltage of 100 to 5000 V is applied to the light incident surface 13B of the photoconductive portion 13 from the power source 71 via the conductive film 12 according to the thickness of the photoconductive portion 13.

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。   The surface potential of the scanning region 13C becomes the same potential as that of the electron beam source 40 immediately after the end of scanning, and the same voltage as the target voltage is applied between the incident surface 13B of the photoconductive portion 13 and the scanning surface 13A. Thereafter, when light is incident, electron-hole pairs are generated in the photoconductive portion 13 by the absorbed light, and the holes travel to the scanning surface 13A along the electric field in the photoconductive portion 13, and the scanning surface 13A. The surface potential changes in the positive direction. The surface potential of the scanning surface 13A that has risen in the positive direction returns to the same potential as that of the electron beam source 40 again by the next electron beam scanning. .

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。   Electrons generated by the electron beam source 40 are extracted by the first grid electrode 51, emitted as the electron beam 41 by the second grid electrode 52, deflected and focused by an external magnetic field, and accelerated by the third grid electrode 53. The The accelerated electrons are decelerated when passing through the mesh electrode 60 and reach the surface of the photoconductive portion 13 at a substantially zero speed. Thereby, it can suppress that an electron collides with the photoconductive part 13 at high speed, and discharge | release of the secondary electron by collision is suppressed.

次に、図2を用いて光導電部13の構成について説明する。   Next, the configuration of the photoconductive portion 13 will be described with reference to FIG.

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。   FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating in detail the configuration of the photoconductive portion 13 of the imaging device according to the first embodiment.

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。   The photoconductive portion 13 is a stacked body of a hole injection blocking layer 131, a photoconductive layer 132, and an electron beam landing layer 133, and is stacked on the surface of the conductive film 12 of the translucent substrate 11.

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)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。 The hole injection blocking layer 131 is a layer for blocking the injection of electric charges (holes) from the conductive film 12 to the photoconductive layer 132 and is formed to suppress dark current (Ga 2 O). 3 ) A thin film layer made of. The hole injection blocking layer 131 is formed on the surface of the conductive film 12 by a vacuum deposition method.

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。   The photoconductive layer 132 is an amorphous semiconductor layer containing selenium (Se) as a main material, and is a semiconductor layer that causes an avalanche multiplication phenomenon when a high voltage is applied. This photoconductive layer 132 is formed on the surface of the hole injection blocking layer 131 by vacuum deposition. The reason why the photoconductive layer 132 is formed of an amorphous semiconductor layer containing selenium (Se) as a main material is to use it as, for example, a HARP (High Gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor) photoelectric conversion film (HARP film).

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。   The electron beam landing layer 133 is a layer that is emitted from the electron beam source 40, accelerated by the first grid electrode 51, the second grid electrode 52, and the third grid electrode 53, and reaches the electrons decelerated by the mesh electrode 60. is there.

次に、光導電部13の作製方法について説明する。   Next, a method for producing the photoconductive portion 13 will be described.

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)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)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。 Such a photoconductive portion 13 is manufactured as follows. First, a hole injection blocking layer 131 made of gallium oxide (Ga 2 O 3 ) having a diameter of 14 mm and a film thickness of 10 to 30 nm is formed on the conductive film 12 by a sputtering method. The gallium oxide (Ga 2 O 3 ) film may be formed by sputtering, for example, while supplying oxygen at room temperature.

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)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。 Next, a photoconductive layer 132 made of an amorphous semiconductor mainly composed of selenium (Se) having a diameter of 14 mm and a film thickness of 2 to 50 μm is formed on the hole injection blocking layer 131 by a vacuum deposition method. Further, antimony trisulfide (Sb 2 S 3 ) is vapor-deposited in an argon (Ar) gas atmosphere at a pressure of 0.1 to 0.4 Torr, and an electron beam landing layer 133 having a diameter of 14 mm and a film thickness of 0.1 to 0.3 μm. Form. The photoconductive portion 13 is obtained as described above.

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。   By sealing the glass substrate 30 containing the translucent substrate 11 with the photoconductive portion 13 formed in this way, the electron beam source 40, the mesh electrode 60 and the like with the indium ring 20, and vacuum-sealing the inside. The imaging device of Embodiment 1 is obtained.

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。   Next, characteristics of the signal current and dark current of the imaging device 100 according to the first embodiment will be described.

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。   FIG. 3 is a diagram illustrating the characteristics of the signal current and the dark current with respect to the applied voltage in the imaging device 100 according to the first embodiment, and the characteristics of the signal current and the dark current of the conventional imaging device.

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)製の正孔注入阻止層131の代わりに、酸化セリウム(CeO)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。 The conventional imaging device includes a hole injection blocking layer made of cerium oxide (CeO 2 ) instead of the hole injection blocking layer 131 made of gallium oxide (Ga 2 O 3 ) in the imaging device 100 of the first embodiment. . The applied voltage is a voltage applied to the photoconductive portion 13 through the metal pin 14 and the conductive film 12. The signal current is indicated by an absolute value (au (arbitrary unit): arbitrary unit), and the dark current is indicated by (nA).

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。   As shown in FIG. 3, the signal current is about 9000 (au) at the maximum in the conventional imaging device, whereas it increases to about 14000 (au) in the imaging device 100 of the first embodiment. I understand that.

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。   The dark current is about 1 (nA) at the minimum in the conventional imaging device, and the dark current value in the range up to about 10 (nA) with the increase of the applied voltage is shown. It can be seen that the imaging device 100 of aspect 1 shows a dark current value in a range of about 0.1 (nA) at the minimum and up to about 3 (nA) as the applied voltage increases.

このように、正孔注入阻止層131として酸化ガリウム(Ga)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)よりも大きい酸化ガリウム(Ga)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。 Thus, according to the imaging device 100 of the first embodiment using the gallium oxide (Ga 2 O 3 ) layer as the hole injection blocking layer 131, the signal current is increased as compared with the conventional imaging device (FIG. 3). In this example, the dark current is drastically reduced (about 1/10 to about 1/3). For this reason, the S / N dramatically increases. The dark current was reduced in this way because the gallium oxide (Ga 2 O 3 ) layer having a hole barrier larger than that of cerium oxide (CeO 2 ) was used as the hole injection blocking layer 131. One of the reasons is considered to be that the blocking characteristics are improved.

酸化セリウム(CeO)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。 The energy gap of cerium oxide (CeO 2 ) is about 3.2 to 3.4 eV, whereas the energy gap of gallium oxide is about 4.9 eV. In addition, an electron barrier is not formed at the junction with an n-type semiconductor and selenium, and the barrier against holes is increased.

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。   In addition, it is considered that the hole barrier can be further increased because the hole injection blocking layer 131 with few defect levels can be formed by forming a gallium oxide layer by a sputtering method performed while supplying oxygen at room temperature.

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。   Thus, it is considered that the dark current can be significantly reduced particularly in the imaging device 100 of the first embodiment.

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。   Here, in FIG. 3, when the applied voltage of the imaging device 100 is gradually increased, the signal current increases rapidly from around 1200 to 1300 (V). This is because the photoconductive layer 132 is composed of an amorphous semiconductor layer containing selenium (Se) as a main raw material, and is a HARP film.

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。   The signal current in the case where the photoconductive layer 132 is not a HARP film is considered to have a characteristic obtained by linearly extending the characteristic of the signal current having an applied voltage of 1200 to 1300 (V) or less as indicated by a broken line A. In the broken line A, the signal current when the applied voltage is about 1600 (V) is about 20, but the signal current in the first embodiment is about 10500 (a.u.).

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。   For this reason, in the imaging device 100 of the first embodiment, a signal multiplication factor of about 525 (= 10500/20) times is obtained by using the photoconductive layer 132 as a HARP film.

以上、実施の形態1によれば、酸化ガリウム(Ga)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。 As described above, according to the first embodiment, by using a gallium oxide (Ga 2 O 3 ) layer as the hole injection blocking layer 131, dark current is significantly reduced, and high sensitivity / high resolution and high S / N ratio are achieved. A photoconductive imaging device capable of obtaining a high-quality image can be provided.

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〔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)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。 Among imaging devices, particularly in an imaging device such as a high-sensitivity imaging tube using the avalanche multiplication phenomenon, it is necessary to apply a high electric field of, for example, about 1 × 10 8 [V / m] or more to the photoconductive layer. is there. For this reason, particularly in an imaging device such as a high-sensitivity imaging tube using the avalanche multiplication phenomenon, the use of a gallium oxide (Ga 2 O 3 ) layer as a hole injection blocking layer has a remarkable effect of suppressing dark current. And a high-quality image with high sensitivity and high resolution and high S / N can be obtained.

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。 In the above, the imaging device using the photoconductive layer made of an amorphous semiconductor mainly composed of selenium (Se) has been described. However, the present invention does not place any restrictions on the material of the photoconductive layer, The present invention can also be applied to an imaging device using a photoconductive layer composed of Si, PbO, CdS, CdSe, CdTe, Sb 2 S 3 or the like.

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。   The translucent substrate 11 is not limited to a glass substrate, and may be a translucent resin substrate or an optical fiber plate. Further, if a thin plate such as beryllium (Be), crystalline silicon (Si), or boron nitride (BN) having a high X-ray transmittance is used, the dark current of the X-ray imaging device can be reduced. .

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。   In the above description, the image pickup tube that is generally widely used has been described. However, any device that accelerates an electron beam in a vacuum and lands on a photoconductive layer to read out accumulated charges can be used. It may be an imaging device of the form.

[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。
[Embodiment 2]
FIG. 4 is a diagram illustrating a cross-sectional structure of the imaging device according to the second embodiment. The imaging device 200 of the second embodiment is suitable for an X-ray imaging device, and is mainly different from the imaging device of the first embodiment in that an electron emission source array 240 is provided as an electron beam source. The electron emission source array 240 has a plurality of minute cathodes arranged in a matrix. An arbitrary cathode can be selected to emit an electron beam. Therefore, unlike the imaging device 100 according to the first embodiment, the first grid electrode 51, the second grid electrode 52, the third grid electrode 53, the deflection coil, and the focusing coil are not provided.

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。   In the second embodiment, the glass tube 230 has a cup shape. The electron emission source array 240 is disposed on the bottom surface of the glass tube 230.

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。   Other configurations are basically the same as those of the imaging device according to the first embodiment. Therefore, the same or equivalent components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.

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。   In the imaging device of the second embodiment, a thin plate-like conductive substrate made of beryllium (Be) having a thickness of 0.5 mm and a diameter of 18 mm is used as the translucent substrate 11. Since the thin plate-like translucent substrate 11 made of beryllium (Be) has conductivity, it is not necessary to form the conductive film 12 on one surface as in the first embodiment.

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。   The photoconductive portion 13 is formed on one surface of the translucent substrate 11 as in the first embodiment. The translucent substrate 11 is sealed with the glass tube 230 through the indium ring 20.

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。   Moreover, as described above, the glass tube 230 of the second embodiment is cup-shaped. An electron emission source array 240 is disposed on the bottom surface inside the cup-shaped glass tube 230, and a mesh electrode 60 is disposed in the vicinity of the opening 230A.

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。   The electron emission source array 240 is a flat electron beam source in which a plurality of minute cathodes are arranged in a matrix. By controlling the voltage value applied to the scan line and the selection line, the electron beam 241 can be emitted from the desired cathode to the photoconductive portion 13.

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。   The translucent substrate 11 having the photoconductive portion 13 formed on the surface as described above and the glass tube 230 containing the electron emission source array 240, the mesh electrode 60, etc. are sealed using the indium ring 20, and the inside is sealed. By performing vacuum sealing, the imaging device of Embodiment 2 can be manufactured.

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)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。 The relationship between the voltage applied to the photoconductive portion 13 and the imaging signal current and dark current of the imaging device depends on the structure and film thickness of the photoconductive portion 13. For this reason, also in the imaging device of the second embodiment using the same gallium oxide (Ga 2 O 3 ) hole injection blocking layer 131 and the photoconductive layer 132 as in the first embodiment, As with the imaging device of the first embodiment, dark current can be reduced as compared with the imaging device according to the prior art.

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。   In the above description, the glass tube 230 has a cup shape. However, instead of the cup-shaped glass tube 230, a metal vacuum chamber having the same shape may be used.

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。   The imaging devices of Embodiments 1 and 2 described above are most suitable for television cameras that require high image quality, particularly high-definition cameras, and if applied to image analysis systems in the industrial, medical, physics and chemistry fields, Effects such as signal processing with a high S / N are obtained.

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。   Although the photoconductive element and the imaging device according to the exemplary embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the specifically disclosed embodiments and deviates from the scope of the claims. Various modifications and changes can be made without this.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Imaging device 10 Photoconductive element 11 Translucent substrate 12 Conductive film 13 Photoconductive part 13A Scanning surface 13B Incident surface 13C Scanning region 131 Hole injection blocking layer 132 Photoconductive layer 133 Electron beam landing layer 14 Metal pin 20 Indium ring DESCRIPTION OF SYMBOLS 30 Glass tube 40 Electron beam source 41 Electron beam 50 Deflector 51 1st grid electrode 52 2nd grid electrode 53 3rd grid electrode 60 Mesh electrode 70 Signal read-out device 71 Power supply 72 Read-out part 200 Imaging device 230 Glass tube 240 Electron emission source Array 241 Electron beam

Claims (2)

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、セレンを主体とする非晶質半導体層で構成され、所定の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、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、前記導電膜から前記光導電層への正孔の注入を抑制する、光導電素子。
A translucent substrate;
A conductive film formed on the translucent substrate;
A hole injection blocking layer formed on the conductive film;
A photoconductive layer formed on the hole injection blocking layer, composed of an amorphous semiconductor layer mainly composed of selenium, and causing an avalanche multiplication phenomenon by application of a predetermined high voltage ;
The hole injection blocking layer is a photoconductive element made of gallium oxide and suppressing injection of holes from the conductive film into the photoconductive layer .
請求項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。
A photoconductive element according to claim 1 ;
An electron beam source for emitting a scanning electron beam to the photoconductive element;
An image pickup device comprising: a signal readout unit that is electrically connected to the photoconductive element and reads out an image pickup signal obtained by scanning the electron beam.
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