JPS61133540A - イメージ検出器 - 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】 本発明は二重モード、即ち１日中」および「夜間」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」又は「夜間」モ
ードに依存して、入射光子を透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、 ｈ）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３．７３５．１．３
９号から既知である。これは「白日」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。容器の内側には成る数の
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印加され
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」二
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、特に、レン
ズの数及び配置を光子放射が光電陰極又は検出器上に合
焦させられるように選択されたモード及び深さにより変
える必要があるための欠点を光学的合焦手段は有してい
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、
二成分又は擬似二成分のＩ−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、 一検出器が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な光電陰
極を置く。放射線に対し透明なガラス又はザファイアの
ような単結晶の酸化物の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擬似
二成分Ｉ−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クキシーにより、ガリ
ウムヒ素ＧａＡｓのような■−■化合物の一時的な基板
の上に、エツチング液の作用に対し障壁層として働く所
謂化学障壁ｔＥｉＧａ１．Ａ］ｘ八ｓを成長させ、次に
一時的な基板を除去することから成る障壁層の厚さは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。１０１９原子／ｃｍ３も高くドーピングした
ガリウムヒ素であってゲルマニウム（Ｇｅ）又は亜鉛（
Ｚｎ）を含むものである所謂活性層を次に成長させる。

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
．５μｍのオーダーにすれば適当である。最后に、パッ
シベーティング圏を形成し、不所望な物質が活性層をシ
ーリングする段階で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ず。このため（
ご（まＧａ、−アへ１ｙ八Ｓ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８１０２保護層とＳｉ、、Ｎ４屈折率適合層とを具
備するこの半導体へ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柊ったら、２種類の異なるエツチン
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酸素化水との混合物により一
時的なＧａ八へ基板をエッチし、この第１のエツチング
液には感応しない障壁層をガラス質の支持体で保護した
後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、８１３シ屈折
率適合窓と、５ｉｎ２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、Ｓｉ３Ｎ、屈折率適合層と、５ｌｎ２
保護層ト、パッン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、この化合物の凝固点（Ｇａ八への場合
は６３０℃）に近い温度迄加熱することによりＧａ八へ
活性層を表面に真空蒸着する。

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Ｇ
ａＡｓ層の光電感度を最大にする。

活性ＧａＡｓＪ５内に生じ得る応力を敗らずために熱弾
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　ｆｏｃｕｓｓｉｎｇ）を用
い得ることを意味する。

本発明によれば、活性Ｇａ八ｓ＠の厚さは代表的な場合
０．５μｍ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
透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。

表　　１ 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？ 表２ 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に対し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」二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５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クロック周期だけ位
相された周囲的なりロック信号を電極に印加する。これ
はメモリ単位のアレーを具備する全ラインに漸次に移さ
れる電位の源を作る。撮像時に生じた電荷はこれらの電
位源が動くことにより電荷出力増幅器の方へ移される。

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
送装置の背景で検出するのに適している。

本発明によれば、同時に光子と電荷注入用の光電子とに
感応できるものを開発することにより２次元電荷転送装
置（ＣＴＤ）を用いる。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、普通に作られる形
でＣＴＤがその表面に主として酸化物から成る保護層と
コンタクトとを有し、他方電極の下にある電位源内の光
電子により電荷が作られるのを損なう接続があってはな
らない。

それ故、ＣＴＤの背面で電荷を作る必要がある。これを
行なうため、第一に、感応区域の下のシリコン基板の厚
さを薄くし、４００μｍのオーダーにする。そしてこの
上にＣＴＤを形成する電子工学的な構体をデポジットす
る。また、薄くされたＣＴＤの背面は多数キャリアを集
約、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　ＸＩＯ”原子／ｃｍ３）　
　Ｐ形エピク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ツ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。エツ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。２０Ｏｒ、　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ツチ
ングをや必る。

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厚の過ドープ唐以外は何
も残さない目的でゆっくりとしたエツチングを行なう、
このエツチングは硝酸、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３５０ｍ１当り
５＋ｎｆ！、の比率で過酸化水素を入れて行なう。この
エツチングはドーピングが１０１７原子／ｃｍ’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
より所望の累積状態を達成する。

電荷転送装置の周辺でのボンディングはエツチング処理
の前に行なう。このボンディン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は支
持体の間に置くことにより行なう。この取付は支持体の
上にシルクスクリーニング又はエツ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
より化学エツ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
子とが電位源に十分近い距離で吸収され、作られた電荷
がバルク又は表面再結合したり、横方向に拡散したりす
ることなく存在し続ける。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１ＱｋＶ、即ち５　ｋＶ／ｍｍの電界
）の端子に接続する。

入射電荷が０倍され、ＣＴＤの任意の点で発生ずる信号
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。

ｌ二□ 但し、■は光電陰極とＣＴＤＯ間の電位差であり；Ｂ＋
＝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−正孔対を
作るのに必要な平均エネルギーであり； ｖｏ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Ｖ。＝３
ｋｖであり； またＱ　＝　１．６Ｘ１０−１９Ｃｂ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
証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２８５４　ｋの放射黒体により
形成される。約０．５μｍ〜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ｆ−ｔ−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。このカメラはシーロ 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
させうる光学装置である。

「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。それ故光電陰極と電
荷転送装置の間に高電圧を印加することがなく、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、１
ＱｋＶ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−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及び単結晶構体と使用
される■−■材料との間は距離が短かく、強い電界が存
在するため、光電子の初期エネルギーの平均横方向成分
は低く、このため最后に構成されるイメージの輪郭がぼ
けることはない。この輪郭はミリメートル当り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。

図面につき本発明の詳細な説明する。

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
１２の支持体を具える。後方支持体１３は成る数の真空
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１５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、サファイアを具える取付は支持体１６又はガ
ラスウェハーがエツ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は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。取付は支持体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。

一曲線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。

一曲線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。

一曲線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ｌｆｒ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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、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」又は「夜間」モ
   ードに依存して、入射光子を透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おいて、 −半透明な光電陰極が、二成分又は擬似二成分の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
   。 ２、電荷転送装置が薄い基板を具え、この薄い基板を通
   して光子及び光電子が電荷転送装置の活性部に作用する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のイメージ
   検出器。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項の一項に記載され
   たイメージ検出器を具えることを特徴とする「日中−夜
   間」カメラ。