JPH05198280A - 撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電界放出型微小冷陰極を応用した撮像素子に
おいて、仮に所定の冷陰極の電子放出が不安定あるいは
不能になったとしても、画素欠陥が発生することを未然
に防止し、安定した撮像機能を有する撮像素子を提供す
ること。 【構成】 基板上に、電界放出型の微小冷陰極４４を少
なくとも一次元方向以上のアレイ状に配列してあり、こ
れら冷陰極４４に対して所定位置離れて光電変換膜層４
８を配置して成る撮像素子３０において、各画素Ａ，Ｂ
毎に配列される微小冷陰極４４を、二個以上となるよう
に配列している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、撮像素子に係わり、特
に、電界放出型微小冷陰極を応用した撮像素子の改良に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、可視光画像を電気信号へと変換す
る撮像デバイスとして、撮像管とＣＣＤのような固体撮
像素子とが知られている。このうち、撮像管は、歴史的
にも個体撮像素子より古くから開発が行われ、長い間の
かず多くの改良を経て、現在では、主として高分解能、
高画質、高信頼性の放送用カメラとしての用途に用いら
れている。しかし、このような撮像管は、電子ビームの
収束および偏向などの動作を行う電子銃部を備えている
ため、構造的に小型化および軽量化が困難である。一
方、ＣＣＤのような固体撮像素子は、小型かつ軽量なイ
メージセンサとして普及しているが、画素の分離などの
点で、高分解能にしようとすると低感度になるという問
題点を有している。

【０００３】そこで、高解像度でありながら、小型かつ
軽量の撮像素子が求められている。このような要求を満
足する撮像素子として、撮像管の電子銃部を電界放出型
微小冷陰極のアレイに置き換えて、基本的には撮像管の
原理を用いて高感度と高解像度の要求を満たし、電子銃
部を電界放出型微小冷陰極のアレイに置き換えることで
小型化と軽量化を図った撮像素子が開発されつつある。

【０００４】図３，４に、このような開発中の撮像素子
の断面と全体概略構成を示す。図３，４に示す撮像素子
１では、半導体基板２の表面に、ストライプ状の下部電
極層３が所定間隔で形成され、その上に、電界放出型微
小冷陰極４が、Ｘ方向、Ｙ方向に二次元状に配列してあ
る。また、図１に示すように、下部電極層３の上部に
は、下部絶縁膜層６、ゲート電極層８および上部絶縁膜
層１０が積層してある。各絶縁膜層６，１０には、微小
冷陰極４の周囲を高真空度に保つための空間１２，１４
が形成してある。また、ゲート電極層８は、図４に示す
ように、下部電極層３に対して直角方向に所定間隔でス
トライプ状に配置してあり、各微小冷陰極４から放出さ
れる電子を通過させるための孔１６が形成してある。

【０００５】図１に示すように、上部絶縁膜層１０の上
には、光電変換膜層１８および透明電極層２０が積層し
てあり、微小冷陰極４の周囲の空間１２，１４は、高真
空度に保持してある。そのため、電界放出型微小冷陰極
４から光電変換膜層１８に向けて電子の放出が可能にな
っている。

【０００６】この撮像素子１では、光電変換膜層１８に
対して上方から光が入射されると、その光のパターンに
応じた電荷が光電変換膜層１８に蓄積されることから、
その電荷を走査するように、電界放出型微小冷陰極４か
ら順次電子を放出させ、各画素部分Ａ，Ｂに蓄積された
電荷に応じた電流を検知することで、画像信号を得るよ
うにしている。微小冷陰極４からの電子の放出を制御す
るために、それぞれストライプ状の下部電極層３とゲー
ト電極層８とは、図４に示すように、直交するように所
定間隔で配置してあり、それぞれに対してＸ，Ｙ走査回
路２２，２４が接続してある。これら走査回路２２，２
４を駆動することで、各電極層３，８が交差する位置に
位置する所定の微小冷陰極４から電子を順次放出させて
走査するようになっている。微小冷陰極４が順次走査さ
れて、微小冷陰極４から電子が光電変換膜層１８に放出
されると、各画素Ａ，Ｂに対応する光電変換膜層１８の
部分に蓄積された電荷に応じた電流が流れることになる
が、その電流は、透明電極２０およびそれに接続してあ
る出力アンプ２６を通して順次出力される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな開発中の撮像素子１では、微小冷陰極４の周囲の空
間１２，１４を高真空に保持することは困難であり、こ
れら空間には、ある程度の残留ガスが存在する。冷陰極
４からの電子放出は、ゲート電極層８と下部電極層３と
の間の印可電圧によって生じる冷陰極表面での電界や、
冷陰極表面の状態に強く依存する。したがって、残留ガ
ス分子の冷陰極表面への吸着や化学反応による冷陰極表
面での電界分布の変化、あるいは冷陰極の構成材料の物
理的性質の変化などにより、放出電子による電流が不安
定になったり、あるいは電子放出能力が損なわれてしま
う場合がある。このような状態に陥った冷陰極４が受け
持つ画素Ｂは、光信号から電気信号へ変換あるいは走査
による信号の順次読み出しといった撮像動作を行うこと
ができなくなり、画像の欠陥を生じるおそれがあるなど
の問題点を有している。

【０００８】本発明は、このような実状に鑑みてなさ
れ、電界放出型微小冷陰極を応用した撮像素子におい
て、仮に所定の冷陰極の電子放出が不安定あるいは不能
になったとしても、画素欠陥が発生することを未然に防
止し、安定した撮像機能を有する撮像素子を提供するこ
とを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の撮像素子は、基板上に、電界放出型の微小
冷陰極を少なくとも一次元方向以上のアレイ状に配列し
てあり、これら冷陰極に対して所定位置離れて光電変換
膜層を配置して成る撮像素子において、各画素毎に配列
される微小冷陰極を、二個以上となるように配列してい
ることを特徴としている。

【作用】本発明の撮像素子では、光電変換膜層に光が入
射すると、入射された光の画像パターンに対応して、電
荷が蓄積される。そして、走査用の電極層に順次電圧を
印可することで、所定のパターンに配列してある複数の
電界放出型微小冷陰極を画素毎に順次走査し、電子を放
出させる。すると、該当する画素に対応する電界放出型
微小冷陰極の上部に位置する光電変換膜層に光の照射に
よる電荷が蓄積してある場合には、対応する複数の微小
冷陰極から電子が放出され、電荷量に応じた電流が流
れ、その電流は、たとえば光電変換膜層の上部に積層し
てある透明電極層を通して出力される。また、光が照射
していない部分に対応する複数の電界放出型微小冷陰極
が走査された場合には、電荷が蓄積されていないことか
ら、その情報が出力される。したがって、走査用電極層
により、複数の電界放出型微小冷陰極を順次走査するこ
とにより、光電変換膜層に対して入射された画像パター
ンを電気信号に変換することが可能になる。しかも、本
発明では、各画素毎に、複数の微小冷陰極が配置してあ
ることから、製造時あるいは使用中において、所定の微
小冷陰極に欠陥が生じ、電子放出が不安定あるいは不能
になったとしても、同一画素に存する他の微小冷陰極の
動作により、不安定あるいは不能になった微小冷陰極の
代わりに電子放出を行うので、画素欠陥が生じることは
ない。したがって、撮像素子による画像の検出が安定す
る。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例に係る撮像素子につ
いて、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は本発明
の一実施例に係る撮像素子の要部断面図、図２は同実施
例の撮像素子の全体構成を示す概略図である。

【００１１】図１，２に示すように、本実施例の撮像素
子３０では、半導体基板３２上に、Ｙ方向走査用の下部
電極層層３４が、Ｙ方向に列を成すようなパターンで配
置してある。この電極層３４の列数は、特に限定され
ず、後述する電界放出型微小冷陰極４４の配列数に応じ
て決定される。この下部電極層３４は、たとえばシリコ
ンなどで構成される半導体基板３２の表面に、所定のパ
ターンでイオン注入して形成されたＮ型拡散層で構成す
ることができる。あるいは、半導体基板３２の表面に、
蒸着などの手段で所定のパターンに形成されたアルミニ
ウムなどの金属層、あるいはＣＶＤ法により所定のパタ
ーンで形成されたポリシリコン層などで構成しても良
い。

【００１２】Ｙ方向走査用の下部電極層３４の上部に
は、電界放出型微小冷陰極４４が所定のパターンで形成
してある。本実施例では、微小冷陰極４４は、図１，２
に示すように、各画素Ａ，Ｂ毎に４個の冷陰極が位置す
るように、しかもＹ方向およびＸ方向に二次元状に所定
の間隔でアレイ状に配置してある。各微小冷陰極４４
は、その先端から電子を放出する構成となっており、た
とえば、シリコン、モリブデンなどで構成される。シリ
コンで構成する場合には、半導体基板の表面を、電界放
出型微小冷陰極のカソード形状が得られるようにホトリ
ソグラフィ法により形成することができる。また、モリ
ブデンなどで電界放出型微小冷陰極を構成する場合に
は、蒸着法などで形成することができる。

【００１３】下部電極層３４の上には、微小冷陰極４４
と共に、下部絶縁膜層３６が形成してある。下部絶縁膜
層３４は、特に限定されないが、たとえばＣＶＤ法によ
り成膜されるシリコン酸化物層、シリコン窒化物層など
で構成される。下部絶縁膜層３４には、微小冷陰極４４
を収容するための空間３８が形成してある。この空間３
８は、たとえば微小冷陰極４４を下部電極層３４に形成
する前に、ホトリソグラフィ法などの手段で、冷陰極４
４毎に形成される。

【００１４】下部絶縁膜層３６の上部には、Ｘ方向走査
用のゲート電極層４０がＸ方向に行を成すようなパター
ンで積層してある。Ｘ方向走査用のゲート電極層４０の
行数も特に限定されず、微小冷陰極４４の配置数に応じ
て決定される。なお、Ｙ方向とＸ方向とは直交するよう
になっており、Ｘ方向走査用のゲート電極層８と、Ｙ方
向走査用の下部電極層３４との交差部に、一画素に対応
する４個の微小冷陰極４４が配置されるようになってい
る。

【００１５】Ｘ方向走査用のゲート電極層４０は、Ｙ方
向走査用の下部電極層３４と同様にして形成することが
できる。このＸ方向走査用のゲート電極層４０には、そ
の下方に配置される微小冷陰極４４の数に対応して電子
通過用孔４０が形成してある。このような孔４０は、ホ
トリソグラフィ法により形成することができる。この孔
４２の具体的形状は特に限定されず、たとえば円形であ
る。

【００１６】ゲート電極層４０の上部には、上部絶縁膜
層４５が積層してある。この絶縁膜層４５は、前述した
絶縁膜層３６と同様にして形成することができる。この
上部絶縁膜層４５には、各画素Ａ，Ｂの数に対応した空
間４８が形成してある。この空間４８も、前記空間３８
と同様に、微小冷陰極４４から放出される電子の通り道
となる。これら空間３８，４８は、後述する光電変換膜
層４８および透明電極層５０が上部絶縁膜層４５の上に
積層されることで密封され、通常のブラウン管と同等以
上の高真空に保たれる。高真空に保たれるのは、電子の
放出を安定させるためである。

【００１７】上部絶縁膜層４５の上部には、光電変換膜
層４８および透明電極層５０が、微小冷陰極４４の周囲
空間３８，４６を高真空に保持するように積層される。
光電変換膜層４８としては、特に限定されないが、たと
えばＳｂ₂ Ｓ₃ 、ＰｂＯ、Ｓｅ−Ａｓ−Ｔｅ，ｎ−Ｓｉ
などで構成される薄膜が用いられる。透明電極５０とし
ては、特に限定されないが、たとえば酸化スズを含有す
る薄膜あるいはＩＴＯ薄膜などを用いることができる。
この透明電極層５０の上部には、強度補強用に透明基板
を積層させるようにしても良い。透明基板としては、た
とえば透明ガラスなどが用いられる。なお、光電変換膜
層４８と透明電極層５０との間には、注入効率を向上さ
せるために、バリア層を介在させるように構成すること
もできる。

【００１８】図２に示すように、Ｙ方向走査用の下部電
極層３４には、Ｙ走査回路５４が接続してあり、Ｘ方向
走査用のゲート電極層４０には、Ｘ走査回路５６が接続
してある。これら走査回路５４，５６を駆動すること
で、画素毎の４個の微小冷陰極４４（以下、「微小冷陰
極４４の群」とも称する）が順次走査され、走査された
下部電極層３４とゲート電極層４０との間に高電界が生
じ、カソード４４から高電変換膜層４８に向けて電子が
放出されるようになっている。Ｙ走査回路５４およびＸ
走査回路５６は、微小冷陰極４４が形成される半導体基
板３２上に一体に組み込まれることが好ましい。また、
透明電極層５０には、出力アンプ５２が接続され、ここ
から画像出力を出力するようになっている。この出力ア
ンプ５２も、同一の半導体基板３２に組み込むことがで
きる。

【００１９】本実施例の撮像素子３０では、透明電極層
５０の側から光電変換膜層４８に光が入射すると、入射
された光の画像パターンに対応して、電荷が蓄積され
る。そして、下部電極３４に対して負の電位を印可した
状態で、Ｙ走査回路５４およびＸ走査回路５６を用い
て、下部電極層３４およびゲート電極層４０に順次電圧
を印可することで、所定のパターンに配列してある微小
冷陰極４４の群を順次走査し、電子を放出させる。する
と、該当する微小冷陰極４４の群の上部に位置する光電
変換膜層４６に光の照射による電荷が蓄積してある場合
には、その電荷量に応じた電流が流れ、その電流は、透
明電極層５０および出力アンプ５２を通して出力され
る。また、光が照射していない部分に対応する微小冷陰
極４４が走査された場合には、光電変換膜層４８には電
荷が蓄積されていないことから電流がほとんど流れず、
その電流情報が出力される。したがって、Ｘ方向および
Ｙ方向走査用の電極層３４，４０により、微小冷陰極４
４の群を順次走査することで、光電変換膜層４８に対し
て入射された画像パターンを電気信号に変換することが
可能になる。

【００２０】特に本実施例では、各画素Ａ，Ｂ毎に、複
数の微小冷陰極４４の群が配置してあることから、製造
時あるいは使用中において、図１に示す所定の微小冷陰
極４４ａに欠陥が生じ、電子放出が不安定あるいは不能
になったとしても、同一画素Ｂに存する他の微小冷陰極
４４の動作により、不安定あるいは不能になった微小冷
陰極４４ａの代わりに電子放出を行うので、画素欠陥が
生じることはない。

【００２１】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変するこ
とができる。例えば、上述した実施例では、二次元状に
電界放出型微小冷陰極４４の群を配列した撮像素子につ
いて説明したが、電界放出型微小冷陰極を一次元状に配
列してライン状のイメージセンサとした撮像素子につい
て、本発明を適用することも可能である。その場合に
は、Ｘ，Ｙのいずれかの走査用電極層と走査回路とがあ
れば良い。また、上述した実施例では、各画素毎に４個
の微小冷陰極を配置するように構成したが、これに限定
されず、２個あるいは３個あるいは５個以上の微小冷陰
極を各画素毎に配置するように構成することも可能であ
る。

【００２２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、各画素毎に、複数の微小冷陰極群が配置してあるこ
とから、製造時あるいは使用中において、所定の微小冷
陰極に欠陥が生じ、電子放出が不安定あるいは不能にな
ったとしても、同一画素に存する他の微小冷陰極の動作
により、不安定あるいは不能になった微小冷陰極の代わ
りに電子放出を行うので、画素欠陥が生じることはな
い。したがって、撮像素子による画像の検出が安定す
る。また、本発明の撮像素子では、基本的には、光電変
換膜層に蓄積される電荷を読み取るという光電管の原理
を用いているので、高感度である。また、電界放出型微
小冷陰極の配列間隔および走査用電極層の配置間隔を細
かくすることにより、いくらでも解像度を細かくするこ
とができ、高解像度の撮像素子を実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る撮像素子の要部断面図
である。

【図２】同実施例の撮像素子の全体構成を示す概略図で
ある。

【図３】開発中の撮像素子の要部断面図である。

【図４】同撮像素子の全体構成を示す概略図である。

【符号の説明】

３０…撮像素子 ３２…半導体基板 ３４…下部電極層 ３６…下部絶縁膜層 ３８，４８…空間 ４０…ゲート電極層 ４２…電子通過用孔 ４４…電界放出型微小冷陰極 ４５…上部絶縁膜層 ４８…光電変換膜層 ５０…透明電極層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に、電界放出型の微小冷陰極を少
   なくとも一次元方向以上のアレイ状に配列してあり、こ
   れら冷陰極に対して所定位置離れて光電変換膜層を配置
   して成る撮像素子において、 各画素毎に配列される上記微小冷陰極を、二個以上とな
   るように配列していることを特徴とする撮像素子。
2. 【請求項２】 上記基板上に積層され、各画素毎に配列
   してある上記複数の微小冷陰極から放出される電子の制
   御を行うゲート電極層に、微小冷陰極の数に対応して電
   子通過用孔を形成してあることを特徴とする請求項１に
   記載の撮像素子。