JPS59112662A - 撮像装置 - 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】 本発明は蓄積モードで用いられる受光素子、更に具体的
にいえば、光導電型撮像管ターゲットあるいは固体撮像
デバイスなどに用いることの出来る撮像装置に関する。

従来から蓄積モードで使用される受光装置の代表的な例
としては第１図の光導電型撮像管がある。

これは通常フェ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。フェースプレートｌ−に通り、て光導電体層３に
結像された光像を光電変換し、光導電体層３の表面に重
荷パターンとして蓄積し、走査遊子ビーム６によって時
系列的に読み取る仕組になっている。

このとき、光導電体層３に要求される重要な特性は、特
定の絵素が走査亀子ビーム６によって走査される時間間
隔（すなわち蓄積時間）のうちに、電荷ハターンが拡散
によって消滅してしまわないことである。したがって、
通常、光導電体層３の材料としては比抵抗が１０１０Ω
・（７）以上の半導体、たとえばＳｂ２Ｓ３．ＰｂＯ，
Ｓｅ系力ルフゲンガラスなどが用いられている。もしＳ
ｉ単結晶のように比抵抗が１０１０Ω・ｍ未満の相料金
用いる場合には、電子ビーム走査側の面をモザイク状に
分割して電荷ハ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、光キャリアの走行を妨
げるトランプ準位を高濃度に含むために光応答性が悪く
、撮像デバイスとしては、長い残１象や焼付現象が発生
するといっ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を提供
するにある。更に本発明になる受光素子は焼付現象がき
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。

受光素子は少なくとも透明導電膜と光導電体膜を有し、
この光導電体膜は単層もしくは積層より成る。そして前
記γＣ倚、電物質つ単層もしくは積層の少なくとも一層
が５０原子数パ一セント以上のシリコンと１０原子数パ
ーセント以上５０原子数パーセント以下の水素を含有し
、かつ比抵抗が１（）１０Ω・ｍ以上なる非晶質材料か
ら成る如く構成するものである。前記光導電体膜は厚さ
１１００ｎより２０μｍの範囲より選択する。

本発明者らによれば、シリコンと水素とを同時に含有す
る非晶質材料は容易に１０１０Ω・ｍ以上の高い比抵抗
にすることができ、しかも光キャリアの走行をさまたげ
るトラップが非常に少ない良質の光導電材料であること
が見出された。ここで、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が含まれることも当然あ
り得る。また、シリコンと同族元素であるゲルマニウム
、カーボン等が上記組成における残部として含有される
こともある。この材料は薄膜状で使用されるが、薄膜試
料は５ｉＨ４のグロー放電による分解、水素を含む雰囲
気中でのシリコン合金のスパッタリング、あるいは活性
水素を含む雰囲気中でのシリコン合金の電子ビーム蒸着
法など各種方法によって形成することができる。第２図
、第３図にその代表的な装置の例の説明図を示す。第２
図はグロー放電を用いる場合の例である。２０は試料、
２１は真空に排気し得る容器、２２はγｆコイル、２３
は試料ホールダー、２４は温度測定用サーモカップル、
２５はヒーター、２６は８ｊＨ４などの雰囲気ガス導入
口、２７はガスを混合させるためのタンク、２８は排気
系への接続口である。第３図はスパッタリング法による
場合の例である。

３０は試料、３１は真梁に排気し得る容器、３２はスパ
ッター用タツゲントでシリコン焼結体等ヲ用いる。３３
はγｆ電圧を印加する電極、３４は試料ホールダー、３
５は測度測定用サーモカップル、３６はアルゴン等の希
ガスおよび水素等のガス導入口、３７は冷却用水の通路
を示す。

高抵抗試料を得るために特に好ましいプロセスは、水素
とアルゴンのμ口き希ガスとの混合雰囲気中でのシリコ
ン合金の反応性スパッタリングによる方法である。スパ
ッタ装置としてはマグネトロン型の低温高速スパッタ装
置が適している。水素とシリコンを含む非晶質膜は通常
３５０Ｃ以上に加熱されると水素を放出して変質するの
で、膜形成中の基板温度は１００Ｃ〜３００Ｃに保持す
ることが望ましい。また、非晶質膜中に含まれる水素濃
度は放電中の雰囲気の圧力２Ｘ１０−３Ｔｏｒｒ〜１×
１０−’　”Ｉ”ｏｒｒのうち、水素の分圧を０％から
１００チまで種々変化させることにより大巾に変えるこ
とができる。スパッタ用のターゲットはシリコンの焼結
体を用いるが、必要に応じてｐ型不純物であるホウ累を
添加したもの、あるいはｎ型不純物であるリンを添加し
たもの、さらにシリコンとゲルマニウムの混合焼結体な
どを用いることもできる。

このようにして作成される非晶質膜のうち、蓄積モード
の受光装置用として特に適する比抵抗１０１０Ω・ｍ以
上でトラップ濃度の少ない膜が得られるのは膜内の含有
水素が１０〜５０原子チ、同じく含有シリコンが５０原
子チ以上の場合が特に良好である。含有水素が余り少な
いと抵抗値が低下しすぎる。このため解像度の低下をき
たす。また、含有水素が余り多すぎると光導電性が低下
し、光導電特性が十分でなくなる。

蓄積モードの受光装置において、高い解像力を得るため
に電荷パターンが蓄積されて一定時間保持されるだめの
高抵抗層は必らずしも光導電体層全体である必要はなく
、電荷パターンが出現する面を含む光導゛成体層の一部
分であって差支えない。

通常、高抵抗層は等価回路的に容量成分として動作する
ので、回路定数からの要求により、少なくとも１１００
ｎ以上厚さにあることが望ましい。

第４図は上記の高抵抗非晶質光導電体層を光導電体層３
の一部分のみに使用した場合の一例である。光導電体層
３は、高抵抗非晶質光導電体層７と別の光導電体層８と
の二層構造となっている。

こノ場合、フェースプレート１の方向から入射した光に
よって光導電体層８の中に光キャリアが発生し、それが
高抵抗非晶質光導電体層７の中に注入され、その非晶質
層７の表面に電荷パターンとして蓄積されることになる
。光導電体層８ｉｌ−を蓄積には直接関与しないので必
らずしも１０！０Ω・口取上の高抵抗を有する必要はな
く、Ｃｄ　Ｓ、ＣｄＳｅ。

Ｓｅ、Ｚｎ５ｅなどの周知の光導１Ｌ体を用いることが
できる。

透明導電膜２としては通常ＳｎＯ２，Ｉｎ２Ｏ３゜Ｔ　
１０２などの低抵抗酸化膜、あるいはＡ７．Ａｌｌなど
の半透明金属膜を用いることができる。受光装置の暗電
流の低減のためおよび応答速度を早めるためには、前記
透明導電膜２と光導電体層３との間に整流性接触を形成
することが望ましい。光導電体層３と透明導電膜２の中
間に薄いｎ型酸化物層を介在せしめることにより、透明
導電膜２から光導電体層３への正孔の注入を抑制するこ
とが可能である。これによって良好な整流性接触が得ら
れることがわかった。この場合、この接触をホトダイオ
ードとして用いるには透明導電膜側を正極とし、非晶質
層側を負極とすることが望ましい。

第５図はこのような構造の受光素子の一例を示すもので
ある。透明導電膜２と非晶質光導電体層３との間にｎ型
酸化物層９を介在せしめである。第６図もｎ型酸化物層
を持った受光素子の例を示す断面図である。光導電体膜
３が層７および８の積層構造になっている点を除いて第
５図の例と同様である。通常、可視光域に感度を有する
光導電体は禁止帯幅が２．ＯｅＶ程度の半導体である。

従ってこの場合、ｎ型酸化物層９は光導電体層３への光
の到達を妨げないよう、禁止帯中が２．ＯｅＶ以上ある
ことが望ましい。また、透明導電膜２からの正孔の注入
を阻止するためには、ｎ型酸化物層９の厚みは５層ｍか
ら１１００ｎ程度であれば十分である。この用途に適し
た材料としては酸化セリウム、酸化タングステン、酸化
ニオブ、酸化ゲルマニウム、酸化モリブデン等の化合物
が好ましい特性を有する。これらの材料は通常ｎ型の導
電性を示すので、光によって非晶質光導電体層３の中に
発生した光電子が透明導電膜２に向って流れるのを妨げ
ることはない。

本発明の光導電体層を第１図のように撮像管ターゲット
として用いる場合には光導電体層３の表面に更に三硫化
アンチモン層を重ねて用い、走査電子ビーム６からの電
子の注入を防いだり、光導電体層３からの２次電子の発
生を抑制することが望ましい。この目的のためには三硫
化アンチモン膜はｌＸｌ０−３ＴｏｒｒからＩＸＩ　０
−２Ｔｏ　ｒ　ｒ−４での低圧アルゴンガス中で蒸着し
、膜厚はｌＱｎｍから１μｍの範囲にあれば十分である
。第７図はこの構造の例を示す断面図である。透光性基
板１上に透明導電膜２、光導電体膜３が設けられ、更に
この上部に三硫化アンチモン膜１１が形成されている。

また第８図より第１０図も光導電体膜３上に三硫化アン
チモン膜１１が形成された例を示す断面図である。この
場合第８図は光導電膜３が層７および８の積層構造とな
っている例、第９図および第１０図は光導電体膜３と透
明電極の間にｎ型酸化物層を設けた構造に適用した例を
示すものである。

なお、これまでの光導電体層３は、単層又は層７および
８の２層の例しか示していないが、更に多層に光導電体
層を構成しても良い。この場合、電荷パターンが蓄積さ
れる部分が前述の如き高抵抗層として構成することは、
勿論である。

又、組成を連続的に変化せしめても良い。

これまで説明しＣ＠た各種受光面の構成は目的に応じて
選択すれば良い。

次に本発明の受光素子の特徴をとりまとめると次の通り
である。

（１）　　解像度は１〃当り８００本以上の高解像度を
実現出来る。

（２）焼付現象はなくこの特性は極めて良好である。

（３）耐熱性に優れ、少なくとも２００度に耐え得る。

（４］　　機械的強殿が大である。

（５）製造方法が容易である。

以下、本発明を実施例を用いて更に詳細に説明する。

央ＶイＵ七２す１ ガラス基板上にＳ　’ｎ　ｅ　ｔ＜　の空気中での熱分
解による方法を用いて３０Ｑｎｍの厚みに酸化錫透明導
電膜を形成する。仄に高周波スパッタ装置に９９．９９
９％　のシリコン焼結体をターゲツＸ／Ｃ装着し、５Ｘ
１０−３Ｔｏｒｒの圧力のアルゴンと３Ｘ１０−３Ｔｏ
ｒｒの水素から成る混合雰囲気中で上記透明導電膜上に
、非晶質シリコン膜の反応性スパッタリングを行なう。

この場合基板は２００Ｃに保持する。非晶質シリコン膜
の厚みは杓２μｍである。

このようにして作られた非晶質シリコン膜は約３０原子
チの水素を含有し、比抵抗は１ｏ１４Ω・鋸である。こ
の様にして形成した受光面をビジコン型撮像管受光面と
して用いると焼料現像のない、すぐれた撮像特性の撮像
管が得られた。

実施例２ 本実施列を第６図に基づいて説明する。

ガラス基板１上にＳｎＯ２とＩ　ｎｚｏ３の混合物を周
知の高周波スパッタリングによって堆積し、膜厚１５０
ｎｍの透明導電膜を形成する。更にその上にＣｅＯ２を
モリブデンボートを用いて２０ｎｍの厚みに真空蒸着し
ｎ型酸化物層９を形成する。次に１四のホウ素をドープ
したシリコン単結晶をターゲットとした高周波スパッタ
装置で３ｘｌＯ−３Ｔｏｒｒの水素を雰囲気として、上
記基板に１１００ｎの厚みに非晶質シリコン膜８を形成
する。この時基板温度は１５０Ｃに保持した。この様に
して形成された非晶質シリコン膜は約５５原子φの水素
を膜中に含有する。更にこれに続けて６Ｘ１０−３Ｔｏ
ｒｒのアルゴンをスパッタ装置内に導入し、既に入って
いる水素とアルゴンの混合雰囲気中で上記シリコンター
ゲットを用いて３μｍの厚みに非晶質シリコン膜゛７を
重ねて形成する。この非晶質シリコン膜はややｐ型であ
り、約２５原子係の水素を含有し、比抵抗は１０１２Ω
・錆である。この様にして形成した受光面をビジコン型
撮像管のターゲットとして用いる。この受光面は整流性
接触を有するので光応答速度が早く、暗電流も低く、−
！た光入射面に近く水素濃度の高い非晶質シリコン膜を
有するので表面再結合の影響を小さくすることができ、
したがって青色光領域で高い感度を示す。

またｎ型酸化物層として、酸化タングステン、酸化ニオ
ブ、酸化ゲルマニウム、酸化モリブデン等を用いても同
等の効果を得ることができる。

更に前述の非晶質シリコン膜８，７より成る光導電体膜
３上に三硫化アンチモン膜を形成してもビジコン型撮像
管のターゲットとして好ましいものである。三硫化アン
チモン膜の形成は次の如き方法で良い。前述の非晶質シ
リコン膜の複合膜より成る光導電体膜を持つ基板を具空
蒸眉装置内に設置する。アルゴンガスを気圧３Ｘ１０−
３Ｔｏｒｒにおいて三硫化アンチモンを１０Ｑｎｍの厚
みに蒸着形成する。これは第１０図に示す構造である。

実施例３ 本実施例を第８図を用いて説明する。

４００Ｃに加熱したガラス基板１にＥ３ｎＣ１＜の水溶
ｉを噴痛しで酸化し、Ｓ　ｎ　０２透明導電膜２を形成
する。この基板を真空装置内で２００Ｃに保持し、透明
導覗膜２上に光導電体層８としてＣｄＳｅを２μｍの厚
みに蒸着する。その後、この膜を空気中で５００Ｃの温
度で１時間熱処理する。

更にこの基板をＸ受装置内で２５０Ｃに保持し、１　ｘ
ｉ　０−３Ｔｏ　ｒ　ｒの活性水素雰囲気中で電子ビー
ム蒸着法により０．５μｍの厚みに非晶質シリコン層７
を蒸着する。その後、基板温度を常温にもどし、５Ｘ１
０−３Ｔｏ　ｒ　ｒのアルゴン雰囲気中で三硫化アンチ
モン膜１１を５０ｎｍの厚みに蒸着し、ビジコン型撮像
管ターゲットとする。この様にして形成した受光素子は
ＣｄＳｅ膜中で発生した光キャリアを利用しているため
、可視光全域にわたって高い光感度を有する。

実施例４ 本実施例を第１１図に基づいて説明する。絶縁性の平滑
な基板１２上に金属クロムを１ｘｉｏ−６ＴＯｒｒの真
空度で１１００ｎの厚みに蒸着して電極１０を形成する
。この基板を高周波スパッタ装置に入れ、基板温度１３
０Ｃにおいて、アルゴン５Ｘ１０−３Ｔｏｒｒと水素３
Ｘ１０−３Ｔｏｒｒの混合気体中でシリコンターゲット
を用いて、厚さ１０μｍの非晶質シリコン模７を形成す
る。この非晶質シリコン膜７は〜１０！ｌΩ・ｍの比抵
抗を有する。この基板を２００Ｃに保ち、その上に高周
波スパッタによって酸化ニオブの膜９を５Ｑｎｍの厚み
に堆積する。さらに、この基板を真空蒸着装置に入れ、
基板温度を１５０Ｃに保ち、１ｘ１０−３ＴＯｒｒの酸
素雰囲気中で金４インジウムを１１００ｎの、嗅みに蒸
扁する。これを１気圧の大気中にとりたし、１５０Ｃで
１時間の熱処理を行なうと金属インジウムは酸化インジ
ウムの透明電極２に変る。こうして作られた受光素子は
酸化インジウム透明１ｉ４が正に、金属クロム電極が負
になるように電圧を印加すると、逆バイアスされたホト
ダイオードとして動作する。

また、次の様な受光素子をも製作した。

絶縁性の平滑な基板１２上に金属クロムを、ｌＸｌ０−
６Ｔｏｒｒの真空度で１１００ｎの厚みに蒸着して電極
１０を形成する。この一基板を高周波スパッタ装置に入
れ、基板温度１３０Ｃにおいて、アルボ７２Ｘ１０−３
Ｔｏｒｒと水素２Ｘ１０−３Ｔｏｒｒの混合気体中でシ
リコン９０原子係、ゲルマニウム１０原子チのターゲッ
トを用いて、厚さ１０μｍの非晶質膜７を形成する。こ
の非晶質膜７Ｉ−ｉ２×１０ＩＯΩ・ｍの比抵抗を有す
る。この基板を２００Ｃに保ち、その上に高周波スパッ
タによって酸化ニオブの膜９を５Ｑｎｍの厚みに堆積す
る。さらに、この基板を真空蒸着装置に入れ、基板温度
を１５０Ｃに保ち、ｌＸｌ０−３Ｔｏｒｒの酸素雰囲気
中で金属インジウムを１０００ｍの厚みに蒸着する。こ
れを１気圧の大気中にとりだし、１５０ｔ：’で１時［
田の熱処理を行なうと金属インジウムは酸化インジウム
透明電極２に変る。こうして受光素子が作製される。前
述と同様に動作させることが可能である。

本実施例は固体受光装置の例である。これまで述べた撮
像管ターゲットの場合と比較して多重膜の形成順序が逆
になっているが、受光面の構造は共通の部分を有するこ
とになる。また本実施例にある基板上の金属クロム電極
を多数の素片に分割し、外部スイッチによって順次に蓄
積電荷を抗みとる回路と接続することにより、１次元あ
るいは２次元の固体光イメージセンサとすることができ
る。

以上、実施例を用いて説明してきたように、水素とシリ
コンを含有する非晶質薄膜は、すぐれた光電変換特性と
高い比抵抗を有するので、特に蓄積型の受光装置に用い
ることによって、構造が簡単で、高い解像力が得られ、
工業上極めて犬なる効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図〆ま蓄積型受光装置の代表例である光導電型撮像
管のＷｒ而面、第２図および第３図は薄膜作製用の装置
例を示す説明図、第４図より第１０図は本発明の受光素
子を利用した撮像管ターゲットを示す断面図、第１１図
は本発明の受光素子を用いた固体受光装置の一例の受光
部断面図である。 １・・・透光性基板、２・・・透明導′ε膜、３・・・
光導′亀体層、４・・・電子銃、５・・・外囲器、６・
・・走査電子ビーム、７・・・高抵抗非晶質光導電体層
、８・・・他の光導電体層、９・・・ｎ型酸化物層、１
０・・・対電極、１１謁　／　剃 易　４　圀 妻　２　更 場　６頂　　　　　扁　ｄ 笑７区　　　　　　葛　Ｉ 第　ｑ　ヌ　　　　　あ　１０　割 場／／　ヅ 国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内 ０発　明　者　塚田俊久 国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内 ０発　明　者　平井忠明 国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、透光性基板上に少なくとも透明導電膜と光導電体層
   とを具備せしめ、光導電体層は光導電物質の単層もしく
   は積層で構成され、この光導電物質の少なくとも一層が
   ５０原子数パ一セント以上のシリコンと１０原子数パー
   セント以上５０原子数パーセント以下の水素を含有し、
   上記構造をとう載された前記透光性基板を前記光導電体
   層を内側として外囲器に装着し、前記光導電体層の面に
   対向して電子銃を少なくとも有して成ることを特徴とす
   る撮像装置。