JPH03163872A - 撮像デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電子管タイプの撮像デバイスに関するものであ
る。

〔従来の技術〕

電子管タイプの撮像デバイスでは、まず入射光を光電変
換し、これにより生威される電子像を螢光像に変換して
光学的に撮像し、あるいは電子像のままで撮像すること
が行なわれる。この様な撮像用デバイスには、例えば第
５図のような固体撮像素子が用いられる。図示の通り、
ｐ型基板１１には電荷蓄積部をなすｎ型層１２と電荷転
送部をなすｎ型層１３が形成され、その上面側がＳｉ０
２などの絶縁層１４で覆われている。また、絶縁層１４
中の電荷転送領域には、転送ゲート１５と遮へい膜１６
が設けられている。このような撮像デバイスに、信号（
電子）が矢印のように入射されると、ｐ型基板１１とｎ
型層１２のｐｎ接合近傍で入射エネルギーに応じた量の
電子一正孔対が生或され、このようにして増倍された電
子（信号電荷）はｎ型層１３と転送ゲート１５からなる
電荷転送部によって転送、読出しがされる。

このようなタイプの固体撮像素子、すなわち基板の表面
側から電子を入射するタイプのものを、表面入射型デバ
イスであるとするならば、基板の裏面側から電子を入射
するものは裏面入射型デバイスと呼ぶことができる。こ
の裏面入射型デバイスでは、ｐ型基板１１は例えば第５
図中の点線Ｌのように薄く加工される。この場合にも、
ｐ型基板１１とｎ型層１２のｐｎ接合部近傍で入射電子
を増倍させ、あるいはｎ型層１２に入射された電子をそ
のまま信号電荷として、ｎ型層１２に蓄積してｎ型層１
３へ読み出すことができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記のような従来技術では、下記のよう
な欠点があった。

まず、表面入射型のものでは絶縁層１４が入射電子によ
って負に帯電してしまう。また、入射電子が絶縁層１４
とｎ型層１２の界面にダメージを与えやすく、暗電流に
よって感度が低下する。更に、ｐ型基板１１の表面側に
は電荷蓄積部だけでなく電荷転送部も配設されるので、
入射電子を受け入れ得る有効面積すなわち開口数が小さ
くなる。

他方、裏面入射型のものでは、絶縁層１４の帯電やｎ型
層１２と絶縁層１４の界面におけるダメージが防止でき
るが、構造上の欠点が極めて大きくなる。すなわち、裏
面入射によって十分な解像度を可能にするためには、ｐ
型基板１１の厚さは１０μｍ前後とする必要があり、製
造が極めて困難になるたけでなく、電子管にセットする
のも難しくなる。

このため、かかる固体撮像素子を真空管内に備えた従来
のデバイスでは、構造上の安定性に欠けるだけでなく、
感度や雑音特性、更には寿命や信頼性の点で十分ではな
かった。

本発明は上記のような従来技術の欠点を解決することを
課題としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る撮像デバイスは、真空容器と、この真空容
器の内部に配設された電子源と、この電５ 子源から放出された電子を表面側で受けるようの結像位
置に配設された固体撮像素子とを備える。

そして、上記の固体撮像素子は、電子像による信号電荷
を蓄積する複数の電荷蓄積部およびこの蓄積電荷をそれ
ぞれ転送して出力する電荷転送部を形成した半導体基板
と、この半導体基板上に形成された絶縁層と、複数の電
荷蓄積部ごとに絶縁層上の当該電荷蓄積部および対応す
る電荷転送部の一部もしくは全部を覆うように形或され
た画素電極と、この画素電極とこれに対応する電荷蓄積
部を接続するように絶縁層中に埋め込まれた接続部と、
画素電極上に形成されて入射電子を増倍する電子増倍層
と、この電子増倍層上に形成されて入射電子を透過させ
る表面電極層とを有して構成されることを特徴とする。

〔作用〕

本発明によれば、電子像を撮像するため真空容器内に固
体撮像素子が設けられ、この固体撮像素子には、電荷蓄
積部および電荷転送部を覆うように画素電極が設けられ
ているので、開口数を実質６ 的に大きくすることが可能になる。また、基板を薄くし
たりする必要がないので、構造的に強固なものとなる。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の実施例の構造を示し、同図（ａ）は全
体＋ｇ或図、同図（ｂ）は要部構戊図である。ガラス製
の受光面板２１の内面には光電面２２が形成され、この
受光面板２１は取付部材２３を介して側管２４の一方側
に固設される。また、固体撮像素子３０をマウントした
支持越板２５は、取付部材２６により側管２４の他方側
に固設される。これにより、受光面板２１、取付部材２
３、側管２４、支持基板２５および取付部材２６からな
る真空容器が構成されている。ここで、光電面２２と固
体撮像素子３０は数百μｍ〜数ｍｍの間隔で近接してお
り、かつ光電面２２には数ｋＶの高電圧（マイナス）が
印加されている。

固体撮像素子３０の詳細な構或は、第１図（ｂ）に示さ
れるようになっている。まず、ｎ型基板３１に形成され
たｐ一型ウェル３２中にはｎ＋型層３３が形成され、こ
れらが電荷蓄積部としてのｐｎホトダイオードをなして
いる。また、ｐ一型ウェル３２に隣接して形成されたｐ
一型ウェル３４中にはｎ一型層３５が形成され、これが
電荷転送部を形成している。そして、ｐ＋型領域３６と
その上にＬＯＧＯＳ　（選択酸化）法で形成されたＳ　
ｉＯ　Ｚ層３７により、各画素は電気的に分離（アイソ
レーション）されている。

以上のように形成された基板上には、薄いＳ１０２膜４
１が形成され、この上の電荷転送領域にはポリシリコン
などからなる転送ゲート４２が設けられる。また、Ｓ１
０２膜４１にはｎ＋型層３３上で開口が形成され、この
上に接続電極４３が設けられている。この接続電極４３
は例えばポリシリコンで形成され、厚いＳｉＯ２層４４
に埋め込まれている。Ｓ　ｉ　Ｏ　２層４４中にはアル
ミニウムなどからなる遮へい膜４５が埋め込まれ、Ｓ　
ｉＯ　Ｚ層４４上には例えばポリシリコンからなる画素
電極４６が形成され、各画素ごとに対応する接続電極４
３に接続されている。ここで、画素電極４６は電荷蓄積
部たけでなく、電荷転送部をもカバーするような広さに
なっている。

画素電極４６上には、ｉ型のアモルファスＳｔ層４７お
よびｐ型のアモルファスＳｔ　　　Ｃ　　層１−ｘ　　
　　ｘ ４８が積層され、その上に例えばベリリウムからなる薄
い表面電極層４９が形成されている。ここで、アモルフ
ァスＳｔ層４７は入射電子によって電子一正孔対を生成
させることにより、信号電荷を入射エネルギーに応じて
増倍する電子増倍層をなし、その上のアモルファスＳｉ
　　Ｃ　層４８１−Ｘ　　　　ｘ は表面電極層４９からの電流注入を防止するための注入
阻止層をなしている。

次に、第１図に示す実施例のデバイス作用を説明する。

まず、第１図（ａ）のデバイスにおいて、受光面板２１
に信号光が入射されると、光電面２２で光電変換されて
電子が放出され、これが固体撮像素子３０に入射される
。固体撮像素子３０に入射９ された電子は、例えば数百オングストロームの厚さの表
面電極層４９を透過してアモルファスＳｔ　　　Ｃ　　
層４８からアモルファスＳｔ層４７１−ｘ　　　　ｘ に入り、ここで電子増倍される。ここで、表面電極層４
９と画素電極４６の間にはバイアス電圧（例えば数Ｖ）
が加えられており、従って増倍電子は画素電極４６に流
入し、接続電極４３を経由してｎ＋型層３３に送られる
。ここで、画素電極４６は電荷転送部をもカバーする広
さとなっているので、入射電子に対する開口数を大きく
できる。

また、電子増倍層としてのアモルファスＳｔ層４７と表
面電極層４つの間には、注入阻止層としてのアモルファ
スＳｔ　　　Ｃ　　層４８が設けられ１−ｘ　　ｘ ているので、暗電流が少なくなり、Ｓ／Ｎ比や感度が低
下することもない。

Ｐ一型ウエル３２とｎ＋型層３３からなるホ１・ダイオ
ードに蓄えられた信号電荷は、転送ゲート４２に加えら
れるクロック信号に同期してｎ　型層３５に送られ、さ
らに出力部に転送されていく。

この実施例のデバイスでは、表面入射型でありな１０ がら入射電子が基板まで届くことがないので、デバイス
が入射エネルギーにより受けるダメージが少ない。また
、基板を薄くしたりする必要が全くないので、構造的に
安定している。

上記実施例では転送部が転送ゲート４２とｐ型ウェル３
４、ｎ一型層３５からなるｐｎ接合から構成され、基板
内で信号電荷が転送されていくＣＣＤ固体撮像素子につ
いて説明されているが、転送部がＭＯＳ｝ランジスタス
イッチだけからなり、信号電荷が信号線路を経て、バル
スゲート信号により読み出されるＭＯＳ型固体撮像素子
や、ＡＭ　Ｉ　　（Ａｍｐｌｉｆ’＋ｅｄ　ＭＯＳ　Ｉ
ｍａｇｅｒ）を用いても同様の動作を行うことができる
。

本発明は、第１図のような光電面と固体撮像素子が近接
した撮像デバイスに限らず、第２図のようなイメージフ
ォーカス部を有する電子管に適用することも可能である
。同図（ａ）はＩＩ（イメージインテンシファイヤ）管
に適用した例を示し同図（ｂ）はストリーク管に適用し
た例を示す。

同図（ａ）の通り、側管２４の一方側には取付部１１ 材２３を介して受光面板２１が固設され、この受光面板
２１の内面には光電面２２が形成されている。側管２４
の他方側には取付部材２６を介して支持基板２５が固設
され、この支持基板２５の内面には固体撮像素子３０が
固定されている。このような真空容器の内部には、フォ
ーカス電極５１とアノード電極５２が設けられる。この
ため、受光面板２１への入射光によって光電面２２から
放出された電子は、フォーカス電極５１によってフォー
カスされて固体撮像素子３０に入射される。

ここで、固体撮像素子３０は第１図（ｂ）で示したのと
同様の構或になっている。第２図（ｂ）のストリーク管
では、真空容器内にグリッド電極５３と掃引電極５４が
設けられている点で、第２図（ａ）のＩＩ管と異なる。

この場合にも、固体撮像素子３０は第１図（ｂ）で示し
た固体撮像素子が用いられる。

本発明に係る撮像デバイスについては種々の変形が可能
であるが、特にその要部をなす固体撮像素子については
、次のような変形ないし工夫を施１　２ すことで、より良好な特性を実現することが可能である
。

第１の工夫は、表面電極層４つの材質を軽元素のものに
することで、いわゆるバックグラウンドを低減するもの
である。第３図（ａ）に示すように、レンズＦを介して
信号光が光電面２２に入射されると、電子ＥＢｏが放出
されて表面電極層４つに入射される。ここで、表面電極
層４つがモリブデン（Ｍｏ＞、銀（Ａｇ　）　、金（Ａ
ｕ　）等の重元素であるときは、入射電子の一部が図中
のＥＢ　　，ＥＢ　　，ＥＢ３のように反射され、拡か
っｌ２ た位置で再び表面電極層４つに入射される。このような
信号電荷の散乱が生じると、バックグラウンドが上昇し
てクロストークを招く。第３図（ｂ）の点線は理想状態
を示し、一点鎖線は重元素を用いた状態を示している。

この欠点を克服するために、表面電極層４つの材料とし
てベリリウム（Ｂｅ　）　、カーボン（Ｃ）、アルミニ
ウム（１　）などの軽元素を用いると、第３図（ａ）の
ような入射電子の反射が少なくな１　３ る。このため、出力分布が第３図（ｂ）の実線のように
なり、バックグラウンドを１７４程度以下にできる。な
お、この効果は金属光沢のある軽元素だけでなく、多孔
質の軽元素についても同時に生じる。

第２の工夫は、表面電極層４つを多孔質にしたり、ある
いは複合層にしたりするもので、これによってもバック
グラウンドの低減が可能になる。

第４図（ａ）に示すように、レンズＦを介して光電面２
２に信号光が入射されると、電子ＥＢｏが放出されると
共に信号光の散乱が生じる。ここで、表面電極層４９が
金属光沢をもっていると、散乱光Ｐ　Ｌ　ｔは表面電極
層４９で反射され、反射光ＰＬ２は再び光電面２２に入
射する。更に、光電面２２で反射された光ＰＬ３は表面
電極層４９で反射され、再び光電面２２に入射する。こ
のように、光の多重反射が起こると、そのたびに電子Ｅ
Ｂ，ＥＢ２が光電面２２から放出され、これがｉ バックグラウンドを上げることになる。このため、出力
分布は第４図（ｂ）の一点鎖線のようになり、１　４ クロストークが生じやすくなる。

そこで、表面電極層４９を多孔質にすると、光の反剃が
減って出力分布は同図（ｂ）の実線のようになる。この
ような多孔質の膜の形成は、例えばベリリウムやアルミ
ニウムを不活性ガス中で蒸着することで実現でき、バッ
クグラウンドを１７３以下にすることが可能になる。ま
た、金属光沢のある膜の上に例えば薄いカーボン膜を形
成して複合膜とすることによっても、同様の効果を奏す
ることができる。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り、本発明によれば、開口数が
実質的に大きく、しかも構造的に強固な固体撮像素子が
電子像の撮像用に用いられているので、構造的に安定で
ありながら、感度やＳＮ比に優れた電子管タイプの撮像
デバイスを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る撮像デバイスの１　５ 構或図、第２図は本発明の変形例を示す図、第３図は本
発明の要部の変形の一例を示す図、第４図は要部の変形
の他の例を示す図、第５図は従来例に用いられる固体撮
像素子の構或図である。 ２１・・・受光面板、２２・・・光電面、２３・・・取
付部材、２４・・・側管、２５・・・支持基板、２６・
・・取付部材、３１・・・ｎ型基板、３２・・・ｐ　型
ウェル、３３・・・ｎ＋型層、３４・・・ｐ一型ウェル
、３５・・・ｎ　型層、４３・・・接続電極、４４・・
・Ｓｔ０２層、４６・・・画素電極、４７・・・アモル
ファスＳｌ層、４８・・・アモルファスＳｉ　　　Ｃ　
　層、１−ｘ　　ｘ ４９・・・表面電極層、５１・・・フォーカス電極、５
２・・・アノード電極５２。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空容器と、この真空容器の内部に配設された電子
   源と、この電子源から放出された電子を表面側で受ける
   ように配設された固体撮像素子とを備え、 前記固体撮像素子は、前記放出された電子による信号電
   荷を蓄積する複数の電荷蓄積部およびこの蓄積電荷をそ
   れぞれ転送して出力する電荷転送部を形成した半導体基
   板と、この半導体基板上に形成された絶縁層と、前記複
   数の電荷蓄積部ごとに前記絶縁層上の当該電荷蓄積部お
   よび対応する前記電荷転送部の一部もしくは全部を覆う
   ように形成された画素電極と、この画素電極とこれに対
   応する前記電荷蓄積部を接続するように前記絶縁層中に
   埋め込まれた接続部と、前記画素電極上に形成されて入
   射電子を増倍する電子増倍層と、この電子増倍層上に形
   成されて前記入射電子を透過させる表面電極層とを有し
   て構成されることを特徴とする撮像デバイス。 ２、前記電子源が前記真空容器の受光面内面に形成され
   た光電面である請求項１記載の撮像デバイス。 ３、前記電子増倍層と表面電極層の間に電流注入防止層
   が形成されている請求項１または２記載の撮像デバイス
   。 ４、前記表面電極層が入射電子に対して低反射性の材料
   で形成されている請求項１、２または３記載の撮像デバ
   イス。 ５、前記表面電極層が軽元素で形成されている請求項４
   記載の撮像デバイス。 ６、前記表面電極層が入射光に対して低反射性の材料で
   形成されている請求項１、２、３または４記載の撮像デ
   バイス。 ７、前記表面電極層が多孔質となっている請求項６記載
   の撮像デバイス。