JPH025017B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規な放射線受光面に関する。

従来から蓄積モードで使用される受光面の代表
的な例としては第１図の光導電型撮像管のターゲ
ツトがある。これは通常フエースプレートと称す
る透光性基板１、透明導電膜２、光導電体層３、
電子銃４、外囲器５とからなる。フエースプレー
ト１を通して光導電体層３に結像された入射光７
の光像を光電変換し、光導電体層３の表面に電荷
パターンとして蓄積し、走査電子ビーム６によつ
て時系列的に読み取る仕組になつている。

このとき、光導電体層３に要求される重要な特
性は、特定の絵素が走査電子ビーム６によつて走
査される時間間隔（すなわち蓄積時間）のうち
に、電荷パターンが拡散によつて消滅してしまわ
ないことである。したがつて、通常、光導電体層
３の材料としては比抵抗が10¹⁰Ω・cm以上の半導
体、たとえばSb₂S₃、PbO、Se系カルコゲンガラ
スなどが用いられている。もしSi単結晶のように
比抵抗が10¹⁰Ωcm未満の材料を用いる場合には、
電子ビーム走査側の面をモザイク状に分割して電
荷パターンの消滅を防ぐことが必要である。これ
らの材料のなかで、Si単結晶は加工工程が複雑で
あり、他の高抵抗半導体は通常、光キヤリアの走
行を妨げるトラツプ準位を高濃度に含むために光
応答特性が悪く、撮像デバイスとしては、長い残
像や焼付現象が発生するといつた不都合が起り易
い。

本発明は上記の欠点を解消しようとするもので
ある。本発明の目的は解像度の高い蓄積モードの
受光素子等に適用し得る受光面を提供するにあ
る。更に本発明になる受光面は焼付現象がきわめ
て少ないものであり、残像特性も好ましい。加え
てその製造方法が簡便なるものである。

本発明の基本的構成は次の通りである。

なお、本発明の受光面は赤外線、可視光線、電
子線等の受光に適用することができる。これは、
導電性キヤリアの発生がシリコン結晶基板中でな
されることにより達成されるものである。これら
の入射光線および電子線等を含めて、以下本明細
書では単に放射線と称する。

第２図に受光面の平面図、第３図に第２図の
Ａ，A′断面図を示す。シリコン単結晶基板また
は多結晶基板２０の一部にオーミツク電極２１を
設ける。本明細書では両基板を含めて単にシリコ
ン結晶基板と称する。この電極は必要に応じてシ
リコン結晶板の放射線入射側全面に設けてもよい
が、光や電子線などの放射線がこの電極層によつ
て吸収されるのを避けるため、シリコン結晶基板
の周囲にリング状に設けることが望ましい。シリ
コン結晶基板２０の放射線入射面の裏側には、水
素を含有する非晶質シリコン層２２が形成され
る。水素を含有する非晶質シリコン層は、通常シ
リコン結晶基板よりも電気抵抗が高く、蓄積モー
ドの受光素子の電荷蓄積層として適している。本
受光面においては、入射放射線のエネルギーがシ
リコン結晶基板２０に吸収されて導電性キヤリア
を発生し、このキヤリアが非晶質シリコン層２２
に注入されてその電子ビーム走査側の表面に蓄積
され、電荷パターンとなる。この電荷パターン
は、たとえば撮像管の如く電子ビームの走査の様
な電荷読み出し手段によつて電気信号としてとり
出すことが出来る。このように、導電性キヤリア
の発生はシリコン結晶基板（結晶性シリコン基
板）２０中で、また、このキヤリアの蓄積は非晶
質シリコン層２２で、とキヤリアの発生・蓄積を
２つの要素が分担する点が本発明の特徴である。

シリコン結晶基板２０の受光部厚さは受光面の
用途によつて異なるが、可視光や高速電子線像の
撮像のためには５〜30μｍ、また赤外域の受光の
ためには30〜100μｍが適当である。入射放射線
が光の場合にはシリコン結晶基板を透光性支持板
上に形成することが可能であるが、入射放射線が
電子線の場合には、支持板による透過率の減少を
避けるために、シリコン結晶基板はセルフサポー
ト型でなくてはならず、第３図のようにリング状
の肉厚部を設けて基板の機械的強度を増すことが
必要である。一般にこの肉厚部の厚みは200〜
300μｍが適当である。

水素を含有する非晶質シリコン層２２の膜厚
は、１〜10μｍの範囲に選定する。この点も本発
明の特徴である。従来知られていたシリコン単結
晶基板と絶縁層とを組合せた受光面においては、
これら両者の接合面に蓄積されたキヤリアを絶縁
層を介して電子ビームで読み出すために、絶縁膜
の膜厚は0.1〜0.5μｍ程度と１桁程度小さい値が
選ばれていた。本発明においては、非晶質シリコ
ン層の膜厚を比較的厚くしているため、上記従来
技術に比べてこの部分の蓄積容量を低減でき、そ
の結果、容量性残像を低減することができる。こ
の容量性残像抵減の観点からはこの層は厚い方が
望ましいが、厚すぎると注入されたキヤリアの走
行が困難になり、必要な電界が高くなつて使用上
の困難が生ずるために膜厚の上限が存在する。非
晶質シリコン中の水素含有量は５〜40at％が好ま
しい。水素濃度がこれ以下であると非晶質シリコ
ン層の比抵抗が10¹⁰Ω・cmよりも低くなり、蓄積
型の撮像管光導電面として不適となる。また水素
濃度がこれ以上増加するとシリコン結晶基板との
比抵抗の差が著しくなり、シリコン結晶基板内で
発生した導電性キヤリアの非晶質シリコン層への
注入効率が劣化して感度が低下する。

本発明者らによれば、シリコンと水素とを同時
に含有する非晶質材料は水素の含有量の制御によ
つて容易に10¹⁰Ω・cm以上の高い比抵抗にするこ
とができ、しかも光キヤリアの走行をさまたげる
トラツプが少ないため、焼付き現象が少く、残像
特性が良好であり、撮像用光導電面に用いるには
極めて好ましいものであることが見出された。
（なお、10¹⁴Ω・cm程度の比抵抗が実際上の上限
であろう。）このような性質はシリコンと水素と
を同時に含有する非晶質材料に若干の不純物、た
とえば炭素、ゲルマニウム、ホウ素、リンなどが
含有された場合にも見出すことが可能である。炭
素を含有する場合には非晶質材料の比抵抗が高く
なり、ゲルマニウムを含有する場合には比抵抗が
低下する。また、ホウ素、リンなどは不純物とし
て、非晶質材料の導電性をそれぞれｐ型またはｎ
型寄りにするのに有効である。

本構造の受光面の電子ビーム走査側の表面は走
査電子ビームの衝撃により二次電子が発生した
り、走査電子ビームの注入が起つて暗電流が増大
し易いため、適当な材料の薄膜で被覆しておくこ
とが望ましい。このような材料として、Sb₂S₃、
CeO₂、As₂Se₃などが適しており、特にSb₂S₃の
ポーラス膜を約100nｍの厚みに蒸着した薄膜が
良好な特性を示す。

本発明の利点は下記の通りである。

(1) 非晶質シリコン層２２が高解像力の電荷蓄積
層として存在するために従来のシリコンターゲ
ツトのように電子ビーム走査側に電荷の横流れ
を防ぐモザイク構造を形成する必要がない。従
つて構造的には簡単になる。

(2) 同時に解像度が向上する。

(3) 強い入射光が入つた場合、従来のシリコンタ
ーゲツトにおいては電荷の拡散によつて起る絵
素間の短絡のために、いわゆるブルーミングと
よばれる像のにじみが起つたが、本構造のター
ゲツトにおいては、そのような現象や強光によ
る焼付現象は起らない。

(4) 本構造の受光面は従来のSb₂S₃受光面やPbO
受光面のように支持基板を必要とせず、セルフ
サポート型にすることができるため、光像ばか
りでなく電子線などの放射線像用の受光面とし
ても適している。

(5) 従来のシリコンターゲツト撮像管のように受
光面の容量がpn接合の容量ではなく非晶質シ
リコン膜の容量で決まる。非晶質シリコン膜の
膜厚は１〜10μｍと比較的厚く形成されるの
で、蓄積容量の低減、ひいては容量性残像の低
減を達成することができる。例えば、従来のシ
リコン単結晶基板と絶縁層とを組合せ、それら
の接合面にキヤリアを蓄積する受光面に比べる
と、膜厚とおおむね反比例の関係にあり容量性
残像の原因である蓄積容量を約１桁低減でき
る。

この非晶質シリコン層２２はグロー放電による
シランの分解、水素を含む雰囲気でのシリコンの
スパツタリング、あるいは電子ビーム蒸着法等に
よつて形成することが出来る。

最も代表的なスパツター法について先づ説明す
る。

第５図に反応性スパツタリング法に用いる装置
の模式図を示す。装置そのものは一般的なスパツ
タリング装置である。１０１は真空に排気し得る
容器、１０２はスパツタ・ターゲツト、１０３は
試料基板、１０４はシヤツタ、１０５はスパツタ
用高周波発振器よりの入力、１０６は基板加熱用
ヒータ、１０７は基板冷却用水冷管、１０８は高
純度水素導入口、１０９はアルゴン等のガス導入
口、１１０はガス溜、１１１は圧力計、１１２は
真空計、１１３は排気系への接続口である。

スパツタ用のターゲツトは溶融シリコンを切り
出したものを用いれば良い。またシリコンとゲル
マニウムやカーボンを含有する非晶質材料の場合
はこれら３種の族元素を組み合せたターゲツト
を用いる。この場合、たとえば、シリコンの基板
上にグラフアイトやゲルマニウム等の薄片をとう
載しターゲツトとするのが好都合である。シリコ
ンとゲルマニウムや炭素の面積比を適当に選ぶこ
とによつて非晶質材料の組成を制御することが出
来る。勿論、逆にたとえば炭素基板上にシリコン
薄片を設けても良い。更に両材料を並置してター
ゲツトを構成しても良いし、或いは組成の溶融物
を用いても良い。

又、スパツタ用のターゲツトとして、たとえば
予め、リン（Ｐ）、ヒ素（As）、ほう素(B)等を含
んだSiを用いることにより、これらの元素を不純
物元素として導入することが可能である。この方
法によつてｎ型、ｐ型等任意の伝導型の非晶質材
料を得ることができる。また、この様な不純物の
ドーピングによつて、材料の抵抗値を変化させる
ことが出来る。〜10¹³Ω−cm程度の高抵抗も実現
出来る。なお、この様な不純物のドーピングは、
希ガス中にジボランやホスフインを混合する方法
も取り得る。

上述の如き装置を用いて、水素（H₂）を種々
の混合比で含むAr雰囲気中で、高周波放電を発
生せしめSi及びグラフアイトをスパツターし、こ
れを基板上に堆積させることにより薄層を得るこ
とができる。この場合水素を含むAr雰囲気の圧
力は、グロー放電が維持できる範囲であればいず
れでもよく、一般に10^-3〜1Torr程度を用いる。
水素の圧力は10^-4〜10^-1Torrの範囲で、水素分
圧２〜50％となすのが好例である。試料基板の温
度は室温より300℃の間で選択するのが良い。150
〜250℃が最も実用的である。余り低温では好都
合に水素を非晶質材料中に導入することが困難で
あり、又余り高温でも水素は逆に非晶質材料より
放出される傾向を持つからである。Ar雰囲気中
の水素分圧を制御することによつて、含有水素量
を制御する。雰囲気中の水素量を５〜20％とした
場合、非晶質材料中に約10〜30原子％の含有量を
実現出来る。他の組成についても大略この割合を
目安に水素分圧を設定すれば良い。材料中の水素
成分は加熱により発生する水素ガスを質量分析法
で定量した。

なお、雰囲気中のArはKr等他の希ガスにおき
替えることができる。

また、高抵抗の膜を得るに、マグネトロン型の
低温高速スパツタ装置が好ましい。

本発明の非晶質材料を製造する第２の方法はグ
ロー放電を用いる方法である。SiH₄のグロー放
電を行つてSiH₄を分解させて基板上に堆積させ
ることによつて形成される。また、SiとＣを含有
する非晶質材料の場合はSiH₄とCH₄の混合ガス
を用いれば良い。この場合SiH₄とCH₄の混合気
体の圧力は0.1〜5Torrの間に保つ。グロー放電
は、直流バイアス法でも、高周波放電法でもよ
い。また、SiH₄とCH₄の混合気体の比率を変え
ることにより、SiとＣの割合を制御できる。

次に具体例を用いて本発明を詳細に説明する。

実施例 １ 第４図を用いて説明する。

ガラス基板（厚さ2.5mm、半径13mm）１０上の
周辺にリング状の電極２１を形成する。電極材料
はクロームで厚さ500nｍ程度である。一方厚さ
200μｍ、半径11mmの円形のシリコン結晶を内径
20mmの部分を弗硝酸を用いて厚さ15μｍまで食刻
する。食刻用マスクはアピエゾンワツクスを用い
て十分である。こうして準備したシリコン結晶２
０を銀ペーストでもつて電極２１上に接着する。

次いで準備されたガラス基体をスパツター装置
に装着する。装置は第５図を用いて説明した通り
である。Ar圧５×10^-3Torr、水素分圧１×
10^-3Torrとしてシリコンをスパツターによつて
堆積した。周波数は13.56MHz、入力は300Wであ
る。この結果、水素含有量25at％の非晶質シリコ
ン膜２２を3μｍに形成することができる。更に
この上に５×10^-2TorrのAr中でSb₂S₃膜２３を
100nｍの厚みに蒸着形成する。

この様にして光度変換用受光面を作製すること
が出来た。

この受光面を第１図に示す如き撮像管にターゲ
ツトとして装着し、特性をテストした。この結
果、ターゲツト電圧30Vにおいて白色光感度
0.1μA／1lux、限界解像度900TV本、焼付１秒以
下、残像９％、ブルーミングなしという良好な結
果を得た。また、この撮像管の分光感度のピーク
は波長1.1μｍに存在し、結晶シリコンの分光感度
にほぼ一致している。

また、シリコン基板として多結晶板を用いて
も、非晶質シリコン層への電荷蓄積に関し同様の
効果を奏することが出来る。勿論、単結晶板を用
いたほうが結晶粒界による画像一様性への悪影響
がなく好ましいことはいうまでもない。

実施例 ２ 本発明の受光面を電子線の受光に用いた例を説
明する。第６図はこの説明図である。６１は電子
銃、６２，６３，６４は各々集光レンズ、対物レ
ンズ、投射レンズで、いずれも通常の電子顕微鏡
における構成である。６０は試料、７０はこの試
料の終像である。この終像位置に本発明の受光面
６５を設置し、この受光面に蓄積される蓄積電荷
を撮像管と同様の電子ビームの走査の手段で電気
信号として取り出した。

受光面の構成は次の通りである。

厚さ200μｍ、半径11mmの円形のシリコン結晶
の内径20mmの部分を厚さ5μｍまで食刻し、その
裏面にマグネトロン型スパツタ装置を用いて2μ
ｍの厚さに非晶質Si−Ge合金（Geの量は10原子
％）をスパツタする。スパツタ時のAr圧は８×
10^-3Torr、水素分圧は３×10^-3Torrである。こ
の上に更に７×10^-2TorrのAr中でCeO₂膜を50n
ｍの厚みに堆積する。

上述の受光面の含水素非晶質Si−Ge膜側に撮
像管と同様の電子ビーム走査手段を設置する。リ
ング状の金属板を信号電極６６上にシリコン結晶
基板６７および含水素シリコン−ゲルマニウム非
晶質膜６８をとう載する。撮像部は金属板６６を
基板とし電子ビーム走査手段を内蔵する容器を封
ずれば良い。

なお、６９は走査用電子銃である。鏡体内を５
×10^-6Torrに排気し、加速電圧180KVの高速電
子線像７０をシリコン結晶面６７に結像させる。
そしてCeO₂両側を電子銃を用いて低速電子線で
走査する。この時得られる電流利得は５×10³に
達する。この様に本受光面が電子増倍型ターゲツ
トとして有用であることが立証された。

以上の説明によつて明らかなように、結晶シリ
コン基板と水素を含む非晶質シリコン層を具備す
る受光面は高感度・高性能の受光面としてきわめ
て有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は蓄積型受光装置の代表例である光導電
型撮像管の断面図、第２図、第３図は各々本発明
の受光面の平面図および断面図を示す。第４図は
実施例の断面図、第５図は非晶質シリコン膜形成
のための装置の説明図である。第６図は本発明の
受光面を電子線の受光に用いた例を説明する図で
ある。 図中の符号：２０：シリコン基板、２１：オー
ミツク電極、２２：含水素非晶質シリコン膜、１
０：透明基板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 放射線の入射側に位置する結晶性シリコン基
   板と、この基板の放射線の入射側に対し反対側に
   厚さ1μｍないし10μｍの水素を含有する非晶質シ
   リコン膜を有し、前記結晶性シリコン基板中で導
   電性キヤリアが発生し、上記導電性キヤリアが上
   記水素を含有する非晶質シリコン膜に注入されて
   上記非晶質シリコン膜の電子ビーム走査側の表面
   に蓄積されることを特徴とする放射線受光面。 ２ 前記水素を含有する非晶質シリコン膜の水素
   含有量が５原子数パーセントないし40原子数パー
   セントなることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の放射線受光面。 ３ 前記結晶性シリコン基板の受光部の厚さが、
   5μｍないし30μｍなることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項ないし第２項記載の放射線受光面。 ４ 前記結晶性シリコン基板の受光部の厚さが、
   30μｍないし100μｍなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項ないし第３項の一に記載の放射線
   受光面。