JPH0795434B2 - イメージ検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は二重モード、即ち「日中」および「夜間」モー
ドを有するカメラのためのイメーイ検出器であって、真
空にされた容器内に、 ａ）入口窓上にあって、夫々、「日中」又は「夜間」モ
ードに依存して、入射光子を通過せしめるか又は入射光
子を光電子に変換する半透明な光電陰極と、 ｂ）出口支持体上にあって、夫々、「日中」又は「夜
間」モードに依存して、入射光子又は光電子を電気的な
イメージ信号に変換できる検出器と、 ｃ）光電子を検出器上に合焦せしめる電子的手段並び
に、夫々、「夜間」又は「日中」モードに依存して、光
子を光電陰極又は検出器上に合焦せしめる光学的手段を
具えるイメージ検出器に関するものである。

このタイプの発明は既に米国特許第3,735,139号から既
知である。これは「日中」及び「薄明」の二つのモード
で動作できる光検出器について述べている。

このため、管状の真空容器が一端に半透明な光電陰極を
具え、他端に一直線にホトダイオードを並べたアレーを
具備する検出器を具えている。容器の内側には或る数の
電極を具備する電子銃構体が配設され、電極には抵抗ブ
リッジを介して一様に分布させられた高電圧が引火され
る。容器の外側に偏向コイル及び合焦コイルを設け、放
出された光電子に作用してそれを偏向させたり、検出器
に合焦させたりする。容器の外側には、今度は光束を処
理するために、いくつかのレンズを設ける。これらのレ
ンズにより光が明かるい場合はイメージを直接検出器上
に合焦でき、光が薄明の場合は光電陰極上に合焦でき
る。この場合これらのレンズの数や位置を交互にし、二
重モード動作できるようにする必要がある。検出器は直
接光子放射線に感応すると共に、光子放射線に応答して
光電陰極により放出された光電子束にも感応できねばな
らない。

しかし、この装置はいくつかの欠点を抱えている。先
ず、証明ずみの技術に依存する電子合焦手段はかさばっ
ており、デリケートであって、作るのが厄介であり、高
電圧の電極を重ねる必要がある。加えて、二次元像を作
るためには合焦させられた電子線束を検出器の全有効な
面上へ動かさねばならないため走査手段を必要とする。
このため、イメージの各点の露光時間、即ち、「照射時
間」が一ラインの持続時間に限られる。また、光学的合
焦手段は、特に、レンズの数及び配置を、選択されたモ
ードに応じて光子放射を光電陰極上又は検出器上に合焦
しうるように変更する必要があるため、及び大きな焦点
深度を有するために、複雑且つ大形になる欠点を有す
る。

それ故、本発明の目的は設計を変更してイメージ検出器
をコンパクトにすることにより上述した欠点を除去する
にある。

この目的を達成するため、本発明によれば、冒頭に記載
したイメージ検出器において、 −半透明な光電陰極が、二成分又は疑似二成分のIII−
Ｖ材料の少なくとも１個の活性層を有する薄いプレート
から成り、 −検出器が２次元電荷転送装置から成り、 −光電子を電荷転送装置上に合焦せしめる電子的手段が
近接合焦手段を具えることを特徴とする。

イメージ検出器を構成する真空容器内に半透明の光電陰
極を置く。放射線に対し透明なガラス又はサファイアの
ような単結晶の酸化物を基板で入口窓を作り、その上に
半透明な光電陰極をデポジットする。この光電陰極は、
例えば、ガリウムヒ素GaAsのような二成分又は疑似二成
分III−Ｖ材料から成る活性層を具える。半透明な光電
陰極を具備する入口窓を作る方法は、その種々の段階に
おいて、不透明な光電陰極に対し用いられる方法と同じ
である。

この方法は、代表的には液相エピタキシーにより、ガリ
ウムヒ素GaAsのようなIII−Ｖ化合物の一時的な基板の
上に、この基板を除去するエッチング液の作用に対し障
壁層として働く所謂化学障壁層Ga_1-xAl_xAsを成長させ
る。障壁層の厚さは0.5ないし５μｍのオーダーとすれ
ば満足のゆく結果が得られる。次に、一般にゲルマニウ
ム（Ge）又は亜鉛（Zn）を10¹⁹原子/cm³まで高濃度にド
ープしたガリウムヒ素の所謂活性層を成長させる。半透
明な光電陰極として使うにはこの活性層の厚さを0.5μ
ｍのオーダーにすれば適当である。最后に、パッシベー
ティング層を形成し、不所望な物質が後のシーリング工
程においてこの活性層の中に拡散してゆくのを防ぎ、界
面での電荷担体の再結合を減らす。このためにはGa_1-yA
l_yAsのパッシベーティング層の厚さを５μｍのオーダー
とすると満足できる。

次にSiO₂保護層とSi₃N₄屈折率適合層とを具備するこの
半導体ヘテロ構体を光子に対し透明で、通常ホウケイ酸
ガラスで作られている支持体にボンドする。このボンデ
ィングは温度をガラスの軟化温度のすぐ上迄高くするこ
とにより熱圧縮して得られる。

このボンディングが終ったら、２種類の異なるエッチン
グ液により一時的な基板と障壁層とをエッチし去る。上
述した例ではアンモニアと過酸化水素（H₂O₂）との混合
物により一時的なGaAs基板をエッチし、この第１のエッ
チング液には感応しない障壁層をガラス質の支持体の保
護後にフッ化水素酸により除去する。こうして得られる
物は入口窓として役立つガラス質の支持体と、Si₃N₄屈
折率適合窓と、SiO₂保護層と、パッシベーティング層
と、非常に高品質の活性層とを具える。用途によって
は、必要とあらば、Si₃N₄屈折率適合層と、SiO₂保護層
と、パッシベーティング層の数と性質を変えることがで
きる。

最后に、この半導体／ガラス質支持構体を光電陰極とし
て使用する前に、この化合物の蒸発点（GaAsの場合は63
0℃）に近い温度迄加熱することによりGaAs活性層の表
面の真空脱着を行なう。

次にこの活性層に周囲温度でセシウムを真空形成するプ
ロセス時にセシウム酸化物層をコーティングし、活性Ga
As層の光電感度を最大にする。

活性GaAs層内に生じ得る応力を散らすために熱弾性及び
熱粘性が適当な、従来技術で既知の、何枚かのガラスシ
ートを重ねたものを具えるガラス質支持体を用いること
ができる。

こうして得られるガリウムヒ素光電陰極は表面の不規則
性が非常に小さい。これは光電子を合焦させるのに近接
合焦（proximify focussin）を用い得ることを意味す
る。

本発明によれば、活性GaAs層の厚さは代表的な場合0.5
μｍとする。この厚さは本発明の目的により必要とされ
る一種の妥協を表わす。本発明によれば、「夜間」モー
ドでは光子を吸収し、「日昼」モードでは光子を通過す
る光電陰極が必要とされる。この光電陰極の半透明性
は、勿論、入射光の波長に依存する。本発明において大
いに関心のある光スペクトルは約0.5μｍから0.9μｍ迄
延在する。この範囲で光子の吸収及び透過機構を支配す
るのは活性GaAs層である。

この範囲の波長に対する透過率は下記の表１に示す通り
である。

これらの透過率と、同じ波長に対する電荷転送装置（後
述する）の感度との関係を次の表２に示す。

これらの値はGaAs光電陰極の透過率が（示された範囲
で）波長が長くなる程大きくなり、電荷転送装置の最大
透過率及び最大感度が同じ波長範囲で多かれ、少なかれ
あることを示す。

電荷転送装置はアナログ信号用の一種のシフトレジスタ
である。最も単純な形態では単結晶の半導体基板を具
え、その基板の上に酸化物層で基板から絶縁された多数
の電極が置かれている。

基板は一般にはシリコンであり、絶縁体は酸化シリコン
である。この電荷転送装置は電荷のパケットの形態で信
号のサンプルを蓄わえ、次にこれらの電荷のパケットど
うしを互に分離したまゝ電荷増幅器に平行に転送する。
使用される技術に依存して、これは一つのメモリ単位を
形成するために２個、３個又は４個の順次の電極を必要
とする。転送を行なうため、各メモリ単位を形成する電
極の数に従って、1/2,1/3又は1/4クロック周期だけ移相
された周囲的なクロック信号を電極に印加する。これに
よりメモリ単位のアレーに沿って順次転送されるポテン
シャルソースが形成される。撮像時に生じた電荷がこれ
らのポテンシャルソースの移動により電荷出力増幅器へ
転送される。

イメージング用の電荷転送装置は二重の機能を果たす。
即ち、イメージを検出する機能と、発生した電荷を転送
する機能である。これらの電荷転送装置は感応区域とメ
モリ区域とにより構成されている。メモリ区域は行と列
の組立体を具える。このような構造は従来技術で所謂
「フレーム転送」構造として知られているものである。
この構造は特に電荷転送装置の背面から検出するのに適
している。

本発明によれば、２次元電荷転送装置（CTD）は同時に
光子と光電子とに感応して電荷注入し得るという特性を
利用する。このためにはCTDをこの用途に適合させる必
要がある。実際には、通常製造されている型のCTDはそ
の表面に主として酸化物から成る保護層とコンタクト及
び接続とを有し、これらが電極の下にあるポテンシャル
ソース内における光電子による電荷の生成を妨げる。そ
れ故、CTDの背面側で電荷を生成する必要がある。これ
を行なうため、第一に、CTDの形成する電子構造体が堆
積された、最初400μｍ程度の厚さを有するシリコン基
板の厚さを感応区域の下部で薄くする。また、薄くされ
たCTDの背面は多数キャリアの蓄積を生じ、表面再結合
速度を下げねばならない。

この目的で、ホウ素を強くドープした（10¹⁹原子/cm³）
P⁺⁺基板の上に、８ないし12μｍ厚でホウ素を弱くドー
プした（５×10¹⁴原子/cm³）Ｐ形エピタキシャル層をデ
ポジットし、その上に回路を作ることによりCTDを形成
する。感応区域の上を周囲温度で２回化学的研磨を行な
うことにより厚さを減らした。

先ず、迅速な異方性予備エッチングを用いて基板の大部
分、即ち、約380μｍを除去する。これは硝酸、酢酸及
びフッ化水素酸を5:3:3の比率で混合した液を用いて行
なった。エッチングの規則性は浴及び試料のかきまぜ状
態に対し非常に敏感である。200r.p.m.で回転運動させ
ると最后の厚さが良好になる。透過光の下で検査した時
試料が紫色になるや否やこのエッチングをやめる。これ
は残りの厚さが約20μｍになることに対応する。

次に、0.5μｍないし１μｍ厚の過ドープ層以外は何も
残さない目的でゆっくりとしたエッチングを行なう、こ
のエッチングは硝酸、酢酸及びフッ化水素酸を3:8:1の
比率で混合した液を用い、この液350ml当り5mlの比率で
過酸化水素を入れて行なう。このエッチングはドーピン
グが10¹⁷原子/cm³以下のところでやめる。この最后の処
理で厚さが良好に一様になり、同時に背面上の過ドープ
P⁺層を保護し、これにより所望の蓄積状態を達成する。

電荷転送装置の周辺でのボンディングはエッチング処理
の前に行なう。このボンディグは金属パッドを電荷転送
装置のコンタクトとサファイア又はガラスの取付け支持
体の間に置くことにより行なう。この取付け支持体の上
にシルクスクリーニング又はエッチングにより導体トラ
ックを置く。試料と基板の周縁はブラシでワックスを塗
布することにより化学エッチングに際し保護する。

斯くして電荷転送装置の感応区域の厚さは約400μｍか
ら約10μｍへと薄くされる。こうすると光子と光電子と
がポテンシャルソースに十分近い距離で吸収され、生成
した電荷がバルク又は表面再結合したり、横方向に拡散
したりすることなくポテンシャルソースに到達し得る。
こうして２次元構体内に蓄わえられる電荷は出力シフト
レジスタの方に転送され、ライン毎に読出される。そし
てこの読出しが電気信号を与える。次にこの信号を普通
の装置、例えば、テレビジョンセットで表示する。

本発明の基本的特徴は、半透明な光電陰極と電荷転送装
置とを、この光電陰極から出る光電子が電荷転送装置上
に近接合焦させられるように配置することである。この
合焦の特徴は２個の対向する要素間の距離が非常に小さ
いことである。本発明を具体化するイメージ検出器の場
合、この距離は、代表的には、2mmのオーダーである。
このため中間の加速電極や合焦電極は一切用いられな
い。それでも陰極から由来する電子的なイメージが検出
器上に再現され、ひずみや収差が十分小さく、イメージ
の品質を損ねない。

光電陰極と電荷転送装置とは高電圧発生器（本発明によ
れば代表的な場合10kV、即ち5kV/mmの電界）の端子に接
続する。

入射電荷がＧ倍され、CTDの任意の点で発生する信号電
荷が得られるというようにＧをCTDの電子利得を表わす
ために用いると、次式が得られる。

但し、Ｖは光電陰極とCTDの間の電位差であり;E_i＝3.6
電子ボルト、即ち、数キロ電子ボルトの電子によりボン
バードしたシリコン内で一個の電子一正孔対を作るのに
必要な平均エネルギーであり； V₀はボンバードされた背面での表面再結合効果を考慮す
るための技術的パラメータである。実際にはV₀＝3kVで
あり； またｑ＝1.6×10^-19Cbである。

この値の場合利得Ｇは約2000である。

イメージ検出器の性能を定義するためには、光電陰極を
照明する標準光源に言及する必要がある。このような光
源は温度が2854kの放射黒体により形成される。約0.5μ
ｍ〜１μｍの帯域に納まる有効な波長スペクトルにつき
積分することにより、半透明光電陰極に対し30％の平均
透過率を得る。電子利得Ｇ＝2000とすると、これは画素
当り及びフレーム当り数個の光電子を検出できることに
なる。

それ故、「夜間」モードで使用することが問題となって
いる時は、約10^-4ルクスという低い明かるさでも動作で
きる。それ故、光電陰極の照明の範囲は、「日中」モー
ドでの約1000ルクスから「夜間」モードでの約10^-4ルク
ス迄延在する。「日中」モードでは半透明な光電陰極は
CTDをそれ自体で使用する時と比較して平均30％の損失
しか蒙らない。

「日中」及び「夜間」モードを有するカメラで用いるこ
とを意図しているイメージ検出器の動作原理は次のよう
なものである。このカメラはシーンを半透明な光電陰極
又は電荷転送装置の背面上に合焦させうる光学装置を具
えている。

「日中」モードでは、照明の強さが十分なため、この光
学装置はイメージを電荷転送装置上に合焦せしめる。こ
の電荷転送装置を光子放射線に感応するようにしておけ
ば、電荷転送装置が光学的な像を通常の電子的手段によ
り処理できる電気信号に変換する。この場合には光電陰
極と電荷転送装置の間に高電圧を印加しないため、光電
子が電荷転送装置に到達することがない。

「夜間」モードでは、照明が低いため、光学装置はイメ
ージ（像）を光電陰極上に合焦せしめる。この場合は光
電陰極と電荷転送装置の間に、例えば、10kVの電位差を
与える。それ故、光子放射線の作用の下で光電陰極によ
り放出された光電子が加速され、電荷転送装置内に電子
一正孔対を作り、これらが前述したように普通の電子的
手段で処理できる電気信号を発生する。光電陰極と電荷
転送装置との間の距離が短かく、強い電界が存在するた
め、並びに単結晶構造及びIII−Ｖ材料を使用するた
め、光電子の初期エネルギーの平均横方向成分は低く、
このため最后に得られるイメージは良好な解像度を有す
る。この解像度は、１ミリメートル当り30ライン対のオ
ーダーである。

以上ガリウムヒ素光電陰極についてイメージ検出器を説
明してきた。勿論、他の二成分、三成分又は四成分材料
を用いてこの光電陰極を作ることができる。但し、活性
層の表面状態が近接合焦を用いうるようなものである必
要がある。これらの層は液相エピタキシーだけではな
く、有機金属化合物の気相エピタキシーでも作り得る。

非限定的な実施例を挙げて図面につきなされる下記の説
明を読めば、本発明を簡単に理解できよう。

図面につき本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明を具体化したイメージ検出器を示す。こ
れは入口窓11、後方支持体13及び周辺スリーブ10を具え
る真空容器から成る。入口窓11はまた光電陰極１の支持
体を具える。後方支持体13は或る数の真空密な電流リー
ド線15を具える。図面を複雑にしないため、このうちの
２本を図示した。イメージ検出器の後方支持体13上に薄
い電荷転送装置14を装着した取付支持体16を固定する。
他方アース接続のための電流リード線15を電気溶接した
鎖錠座金に嵌合させる。前に説明した方法で作られる半
透明な光電陰極12を厚さの薄い電荷転送装置と、この背
面27の側で対向させて配置する。使用モードに依存し
て、電荷転送装置の基板に接続されている電流リード線
15と、蒸着されたニッケルクロム金属リング18により光
電陰極に接続されている電流リード線17との間に電位差
を与える。光電陰極12側又は電荷転送装置14側で光学装
置（図示せず）がイメージを投映する。

電荷転送装置は、全面及び周辺に、電荷転送装置自体を
作る時に一緒に作られる接触パッドを有している。ま
た、例えば、サファイアから成る取付け支持体16又はガ
ラスウェハーがエッチング若しくはシルクスクリーンさ
れた導体トラック22のパターンを有する。電荷転送装置
の接触パッドはハンダ付け又は等価な方法で導体トラッ
ク22のパターンに接続される。取付け支持体16の周辺で
接続ワイヤ24をコンタクトに熱圧縮ボンドして電流リー
ド線15に電気接続する。

第２図は0.4μｍから1.1μｍの波長レンジで３本の曲線
を示す。

−曲線30は半透明なGaAs光電陰極の透過を示す。光学的
指数が変化するためこのような光電陰極の表面で生ずる
反射損を適当に許容すれば、約0.9μｍで70％に等しい
最大透過が得られることが判明した。

−曲線31はシリコンの電荷転送装置の感度を示す。これ
は約0.7μｍで最大に達し、1.1μｍではゼロになる。

−曲線32は本発明を具体化するイメージ検出器の感度を
示す。これは約0.85μｍで最大に達する。

以上光電陰極の厚さが0.5μｍの例につき本発明を述べ
てきた。この値を変え得ることは勿論である。こうする
とイメージ検出器の感度が最大になる波長をシフトさせ
る。本発明の枠内にとどまるためには光電陰極の厚さを
「日昼」モードで十分な光子が検出器に達し、「夜間」
モードで十分な光電子が光電陰極により作られるような
ものにしなければならない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を具体化したイメージ検出器の断面図、 第２図は半透明な光電陰極の透過、電荷転送装置の感度
及びイメージ検出器の感度を入射放射線の波長の関数と
して示す曲線図である。 10……周辺スリーブ、11……入口窓 12……光電陰極、13……後方支持体 14……電荷転送装置、15……電流リード線 16……取付け支持体、17……電流リード線 18……リング、22……導体トラック 24……接続ワイヤ、27……背面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】「日中」モードと「夜間」モードの２つの
   動作モードを有するカメラのためのイメージ検出器であ
   って、真空にされた容器内に、 ａ）入口窓上にあって、夫々、「日中」モード又は「夜
   間」モードに依存して、入射光子を通過するか又は入射
   光子を光電子に変換する半透明な光電陰極と、 ｂ）出口支持体上にあって、夫々、「日中」モード又は
   「夜間」モードに依存して、入射光子又は光電子を電気
   的なイメージ信号に変換できる検出器と、 ｃ）光電子を検出器上に合焦せしめる電子的手段並び
   に、夫々、「夜間」モード又は「日中」モードに依存し
   て、光子を光電陰極又は検出器上に合焦せしめる光学的
   手段を具えるイメージ検出器において、 前記半透明光電陰極を、２成分のIII−Ｖ材料の少なく
   とも一つの活性層を有する、“日中”モードにおいて光
   子を通過する十分薄いシートで構成し、 前記検出器を、十分薄い基板を具えこの基板を通して光
   子及び光電子が背面から電荷転送装置の活性区域に作用
   するよう構成された２次元電荷転送装置で構成し、 前記半透明光電陰極と前記電荷転送装置とを、光電子が
   合焦電極の必要なしに電荷転送装置上に合焦する小距離
   に配置したことを特徴とするイメージ検出器。