JP5111276B2 - 撮像デバイス - Google Patents

Description

本発明は、高感度・高解像度で高Ｓ／Ｎの高品位画像が得られる光導電型の撮像デバイスに関する。

セレン系非晶質半導体で構成される光導電層に高電界を印加すると、内部でアバランシェ増倍現象が起きることが知られており、この現象を利用した光導電型の高感度撮像管が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

このようなアバランシェ増倍現象を生じさせるには、５×１０^７Ｖ／ｍ以上の強度の高い電界を光導電層に印加する必要があるため、正極性電極からセレン系非晶質半導体（光導電層）への電荷（正孔）の注入を阻止して暗電流を抑制するための手法として、正極性電極とセレン系非晶質半導体（光導電層）の間に、例えば酸化セリウム薄膜を正孔注入阻止層として設ける手法が知られている。
テレビジョン学会全国大会講演予稿集、３３〜３４頁、１９８９年

しかしながら、上述のように正孔注入阻止層として酸化セリウム薄膜を設けても、正孔注入阻止層の膜質や印加される電界の強度によっては、正極性電極からセレン系非晶質半導体（光導電層）への電荷の注入を効果的に抑制することができない場合があり、正孔注入阻止層を通過した電荷注入に起因する暗電流が生じる場合がある。

一般的に、アバランシェ増倍現象を利用した高感度撮像管では、光導電層に印加する電界の強度を高くするほど高い増倍率（感度）を得ることができるが、電界の強度を高くしすぎると電荷の注入に起因する暗電流もアバランシェ増倍を起こし、Ｓ／Ｎ等の画質の劣化を招く虞がある。

このため、光導電層に印加できる電界の強度には限界があり、この電界強度の限界により高感度撮像管の増倍率の最大値も制限されるという課題があった。

そこで、本発明は、高電界の印加によりアバランシェ増倍現象が生じる光導電層と、この光導電層への正孔注入阻止の度合いを強化した酸化セリウム製の正孔注入阻止層とを用いることにより、高感度・高解像度で高Ｓ／Ｎの高品位画像が得られる光導電型の撮像デバイスを提供することを目的とする。

本発明の一局面の撮像デバイスは、導電面を有する透光性基板と、前記導電面上に形成される光導電部と、前記光導電部に走査用の電子ビームを発射する電子ビーム源と、前記光導電部に電気的に接続され、前記電子ビームの走査によって得る撮像信号を読み出すための信号読み出し部とを具え、前記光導電部は、前記導電面から前記電子ビーム源に向かう方向に順次積層された、正孔注入阻止層、光導電層、及び電子ビームランディング層を含み、前記正孔注入阻止層は、密度が６．５ｇ／ｃｍ^３以上の酸化セリウムで構成される。

また、前記光導電層は、セレンを主体とする非晶質半導体層で構成される光導電膜を含んでもよい。

また、前記光導電部には、当該光導電部内にアバランシェ増倍現象を生じさせる電圧が印加されてもよい。

本発明によれば、高電界の印加によりアバランシェ増倍現象が生じる光導電層と、この光導電層への正孔注入阻止の度合いを強化した酸化セリウム製の正孔注入阻止層とを用いることにより、高感度・高解像度で高Ｓ／Ｎの高品位画像が得られる光導電型の撮像デバイスを提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明の撮像デバイスを適用した実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１の撮像デバイスの構成を示す図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は撮像デバイスを（ａ）のＡ−Ａ矢視断面で示す図である。

図１（ａ）に示す透光性基板１の一方の面には導電膜１Ａが形成されており、この導電膜１Ａ上には、光導電部２が形成される。この透光性基板１は、インジウムリング３によってシールされてガラス管４に取り付けられる。

ガラス管４は、一端が封止されたガラス製の管状部材であり、このガラス管４の内部には、奥部から開口部に向けて、電子ビーム源５、第１グリッド電極６、第２グリッド電極７、第３グリッド電極８、及びメッシュ電極９が配設される。

また、透光性基板１は、金属製ピン１Ｂを備える。この金属製ピン１Ｂは、透光性基板１を貫通する貫通孔の内部に嵌着されている。金属製ピン１Ｂは、導電膜１Ａと電気的に接続されており、光導電部２に電圧を印加するための電源１１の正極性端子と、撮像信号を読み出すための読み出し部１２が接続される。その際、電源１１のもう一方の負極性端子は電子ビーム源５に接続され、走査電子ビームを介して閉回路を形成するように設置される。

さらに、ガラス管４の外側には、図示しない偏向コイル及び集束コイルが配設され、第３グリッド電極８内で加速される電子（電子ビーム５Ａ）を偏向・集束させる。

「各部の構成」
透光性基板１は、被写体から得られる反射光を透過して光導電部２に誘導する透明な基板であり、例えば、透光性ガラス製の直径１８ｍｍの円板状の基板で構成される。この透光性基板１の一方の面には、酸化インジウムを主体とする直径１４ｍｍ、膜厚３０ｎｍの導電膜１Ａがスパッタ蒸着法により形成される。

光導電部２は、電子ビーム源５から発射される電子ビーム５Ａのターゲットとなり、高電界の印加により内部でアバランシェ増倍現象を生じさせる薄膜状の光導電部である。この光導電部２は、平面視円形であり、電子ビーム５Ａによって走査される走査面２Ａと、透光性基板１及び導電膜１Ａを経て図中上方向から光が入射する入射面２Ｂを有する。この入射面２Ｂは、光導電部２の導電膜１Ａとの境界面である。なお、電源１１から光導電部２に印加される電圧をターゲット電圧と称す。

また、図１（ｂ）に示すように、光導電部２は、電子ビーム源５と対向する走査面２Ａの中央部に走査領域２Ｃを有する。この走査領域２Ｃは、偏向コイル及び集束コイルによって偏向・集束される電子ビーム５Ａにより、撮像信号を取り出すための走査が行われる領域である。なお、金属製ピン１Ｂは、平面視において走査領域２Ｃの外となる位置に配設されている。光導電部２の詳細構成については図２を用いて後述する。

インジウムリング３は、透光性基板１とガラス管４との間をシール（密封）するためのインジウム製の環状部材である。

ガラス管４は、インジウムリング３が取り付けられる開口部を一端に有し、他端が封止されるガラス製の管状部材であり、電子ビームによる走査を実現するために、インジウムリング３によって透光性基板１とシール（密封）されることにより、内部空間が真空に保持される。

電子ビーム源５は、ガラス管４内の端部に配設される電子放出源であり、陰極材料をヒータで加熱して電子雲を励起する装置である。

第１グリッド電極６、第２グリッド電極７、及び第３グリッド電極８は、電子ビーム源５で励起された電子を電子ビーム５Ａとしてメッシュ電極９の方向に引き出して加速させるための電極である。

メッシュ電極９は、走査用の電子ビーム５Ａのターゲットとなる光導電部２に衝突する電子の速度を低下させるための減速電界を生じさせる電極である。

ここで、各電極に印加される電圧は、例えば、電子ビーム源５のヒータ：約６Ｖ、第１グリッド電極６：約２０Ｖ、第２グリッド電極７：約３００Ｖ、第３グリッド電極８：約６００Ｖ、メッシュ電極９：約８００Ｖである。

また、光導電部２の光入射面２Ｂには、電源１１から導電膜１Ａを介して、光導電部２の厚さに応じて１００〜５０００Ｖのターゲット電圧が印加される。

走査領域２Ｃの表面電位は、走査終了直後には電子ビーム源５と同じ電位となり、光導電部２の入射面２Ｂと走査面２Ａの間にはターゲット電圧と同じ電圧が印加される。その後、光が入射すると、吸収された光で光導電部２内に電子−正孔対が生成され、正孔が光導電部２内の電界に沿って走査面２Ａまで走行し、走査面２Ａの表面電位は正方向に変化する。正方向に上昇した走査面２Ａの表面電位は、次の電子ビーム走査により再び電子ビーム源５と同じ電位に戻るが、その際に閉回路に流れる電流変化が読み出し部１２から撮像信号として取り出される。

電子ビーム源５で発生された電子は、第１グリッド電極６によって引き出され、第２グリッド電極７により電子ビーム５Ａとして出射され、外部磁界によって偏向・集束されるとともに第３グリッド電極８で加速される。加速された電子は、メッシュ電極９を通過すると減速され、略零の速度で光導電部２の表面に到達する。これにより、高速で電子が光導電部２に衝突することを抑制でき、衝突による２次電子の放出が抑制される。

「光導電部２の構成」
図２は、実施の形態１の撮像デバイスの光導電部２の構成を詳細に示す断面図である。

光導電部２は、正孔注入阻止層２ａ、光導電層２ｂ、及び電子ビームランディング層２ｃの積層体であり、透光性基板１の導電膜１Ａの表面上に積層されている。

正孔注入阻止層２ａは、導電膜１Ａから光導電層２ｂへの電荷（正孔）の注入を阻止するための層であり、暗電流を抑制するために形成される酸化セリウム（ＣｅＯ_２）製の薄膜層である。この正孔注入阻止層２ａは、真空蒸着法によって導電膜１Ａの表面上に形成される。

光導電層２ｂは、セレン（Ｓｅ）を主原料とする非晶質半導体層であり、高電圧の印加によりアバランシェ増倍現象を生じさせる半導体層である。この光導電層２ｂは、真空蒸着法によって正孔注入阻止層２ａの表面上に形成される。

電子ビームランディング層２ｃは、電子ビーム源５から放出され、第１グリッド電極６、第２グリッド電極７、及び第３グリッド電極８によって加速され、メッシュ電極９によって減速された電子が到達する層である。

「光導電部２の作製方法」
このような光導電部２は次のようにして作製される。まず、導電膜１Ａ上へ真空蒸着法により直径１４ｍｍ、膜厚１０ｎｍの酸化セリウムからなる正孔注入阻止層２ａを形成する。この際、真空蒸着装置内に設けた加熱機構を用いて、透光性基板１の温度を２２０℃に保持すると、正孔注入阻止層２ａを構成する酸化セリウムの密度は、６．７〜６．８ｇ／ｃｍ^３程度になる。

次に、正孔注入阻止層２ａの上に真空蒸着法により直径１４ｍｍ、膜厚２〜５０μｍのセレン（Ｓｅ）を主体とする非晶質半導体からなる光導電層２ｂを形成する。さらに、圧力０．１〜０．４Ｔｏｒｒのアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気中で三硫化アンチモン（Ｓｂ_２Ｓ_３）を蒸着し、直径１４ｍｍ、膜厚０．１μｍの電子ビームランディング層２ｃを形成する。以上のようにして光導電部２を得る。

このようにして光導電部２を形成した透光性基板１と、電子ビーム源５、メッシュ電極９等を内蔵したガラス管４を、インジウムリング３でシールし、内部を真空封止することにより、実施の形態１の撮像デバイスを得る。

図３は、実施の形態１の撮像デバイスにおける撮像信号電流特性及び暗電流特性を示す図である。これらは、光導電層２ｂの厚さを４μｍとした撮像デバイスによって得られた特性であり、正孔注入阻止層２ａを作成する際の透光性基板１の温度を上述した２２０℃の他に、４０℃、１００℃、及び１５０℃に変更して作製した撮像デバイスによる特性を含む。なお、横軸は、電源１１から光導電部２に印加しているターゲット電圧を表す。

このように基板温度を変えて作製した撮像デバイスの正孔注入阻止層２ａの密度を測定したところ、表１のような結果を得た。

また、図４は、表１の結果を特性として示す図である。この測定結果では、透光性基板１の温度を１００℃以上とした場合に、正孔注入阻止層２ａの酸化セリウムの密度は、６．５ｇ／ｃｍ^３以上の値が得られた。なお、設定温度が２５℃の撮像デバイスは、室温で作製したものであり、従来の撮像デバイスに相当するものである。

図３の特性図に示すように、撮像信号電流特性は、すべての温度において略同一の特性を得た。

一方、暗電流については、正孔注入阻止層２ａの作製温度が４０℃、１００℃、１５０℃、２２０℃と上昇するに連れて低くなった。２５℃の撮像デバイスを基準とすると、４０℃の場合でも約２割低下しており、１００℃では約５割に低下し、１５０℃では約１／３に低下し、２２０℃では約１／４にまで低下した。

このように暗電流の値が低くなったのは、表１に示したように作製温度が上昇するに連れて正孔注入阻止層２ａを構成する酸化セリウムの密度が上昇したことと、作製温度が上昇するに連れて酸化セリウム中の酸素欠陥量が少なくなり、酸化セリウム中の欠陥準位が減少して導電膜１Ａとのエネルギーの障壁が大きくなったためと考えられる。

このような結果より、正孔注入阻止層２ａを構成する酸化セリウムの密度を６．５ｇ／ｃｍ^３以上とした場合に、暗電流の値が非常に低くなり、正孔注入阻止層２ａを作製する際の透光性基板１の温度を１００℃以上とした場合に、高感度・高解像度で高Ｓ／Ｎの高品位画像が得られる光導電型の撮像デバイスを提供することができることが分かった。特に、透光性基板１の温度を２２０℃とした場合には、暗電流を従来の撮像デバイスの１／４程度に低減した撮像デバイスを作製できることが分かった。

以上、実施の形態１によれば、正孔注入阻止層２ａを作製する際に透光性基板１を加熱して暗電流を大幅に低減することにより、高感度・高解像度で高Ｓ／Ｎの高品位画像が得られる光導電型の撮像デバイスを提供することができる。

なお、以上では、セレン（Ｓｅ）を主体とする非晶質半導体からなる光導電層を用いた撮像デバイスについて説明したが、本発明は光導電層の材料に何らの制限を付すものではなく、Ｓｉ、ＰｂＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、Ｓｂ_２Ｓ_３等からなる光導電層を用いる撮像デバイスにも適用し得ることは言うまでもない。

また、以上では、真空蒸着法により酸化セリウムを形成したが、密度が６．５ｇ／ｃｍ^３以上の酸化セリウムを得られるのであれば、他の方法を用いてもよい。

また、透光性基板１は、ガラス基板に限らず、透光性樹脂基板、又はオプティカルファイバープレートであってもよい。また、Ｘ線に対する透過率が高いベリリウム（Ｂｅ）、結晶シリコン（Ｓｉ）、又は窒化ホウ素（ＢＮ）等の薄板等を用いれば、Ｘ線用撮像デバイスの暗電流を低減することが可能である。

また、以上では、一般的に広く使われている撮像管を用いて説明したが、電子ビームを真空中で加速し、光導電層にランディングさせて蓄積電荷を読み出す方式のデバイスであれば、他の形式の撮像デバイスであってもよい。

［実施の形態２］
図５は、実施の形態２の撮像デバイスの断面構造を示す図である。実施の形態２の撮像デバイスは、Ｘ線画像用撮像デバイスに好適であり、電子ビーム源としての電子放出源アレイ２０を備える点が実施の形態１の撮像デバイスと主に相違する。この電子放出源アレイ２０は、複数の微小なカソードがマトリクス状に配列されたものであり、任意のカソードを選択して電子ビームを発射させることができる。このため、実施の形態１の撮像デバイスのように、第１グリッド電極６、第２グリッド電極７、第３グリッド電極８、偏向コイル、及び集束コイルは備えない。

また、実施の形態２では、ガラス管４はカップ状である。電子放出源アレイ２０は、ガラス管４の底面に配設される。

その他の構成は、基本的に実施の形態１の撮像デバイスに準ずるため、同一又は同等の構成要素には同一の符号を用い、その説明を省略する。

実施の形態２の撮像デバイスは、透光性基板１として厚さ０．５ｍｍ、直径１８ｍｍのベリリウム（Ｂｅ）製の薄板状の導電性基板を用いる。ベリリウム（Ｂｅ）製の薄板状の透光性基板１は導電性を有するため、実施の形態１のように一方の面に導電膜１Ａを形成する必要はない。

透光性基板１の一方の面には、実施の形態１と同様に光導電部２が形成される。この透光性基板１は、インジウムリング３を介してガラス管４に封止される。

また、上述のように、実施の形態２のガラス管４は、カップ状である。このカップ状のガラス管４の内部の底面には電子放出源アレイ２０が配設され、開口部４Ａの近傍には、メッシュ電極９が配設される。

電子放出源アレイ２０は、複数の微小なカソードがマトリクス状に配列された平板状の電子ビーム源である。走査ラインと選択ラインに印加する電圧値を制御することにより、所望のカソードから電子ビーム２０Ａを光導電部２に発射することができる。

以上のようにして光導電部２を表面に形成した透光性基板１と、電子放出源アレイ２０やメッシュ電極９等を内蔵したガラス管４とをインジウムリング３を用いてシールし、内部を真空封止することにより、実施の形態２の撮像デバイスを作製することができる。

光導電部２に印加する電圧と撮像デバイスの撮像信号電流及び暗電流の関係は、光導電部２の構造と膜厚に依存する。このため、実施の形態１と同一の正孔注入阻止層２ａ及び光導電層２ｂを含む光導電部２を用いた実施の形態２の撮像デバイスにおいても、実施の形態１の撮像デバイスと同じように、従来技術による撮像デバイスに比べて暗電流を低減することができる。

なお、以上では、ガラス管４がカップ状である形態について説明したが、カップ状のガラス管４の代わりに、同一形状で金属製の真空チャンバを用いてもよい。

以上で説明した実施の形態１及び２の撮像デバイスは、高画質が要求されるテレビジョンカメラ、特にハイビジョン用カメラに最適であり、産業、医療、理化学分野等の画像解析システムに適用すれば、高Ｓ／Ｎでの信号処理が可能になる等の効果が得られる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の撮像デバイスについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

実施の形態１の撮像デバイスの構成を示す図であり、（ａ）は側断面図、（ｂ）は撮像デバイスを（ａ）のＡ−Ａ矢視断面で示す図である。 実施の形態１の撮像デバイスの光導電部２の構成を詳細に示す断面図である。 実施の形態１の撮像デバイスにおける撮像信号電流特性及び暗電流特性を示す図である。 表１の結果を特性として示す図である。 実施の形態２の撮像デバイスの断面構造を示す図である。

符号の説明

１ 透光性基板
１Ａ 導電膜
１Ｂ 金属製ピン
２ 光導電部
２ａ 正孔注入阻止層
２Ａ 走査面
２ｂ 光導電層
２Ｂ 入射面
２ｃ 電子ビームランディング層
２Ｃ 走査領域
３ インジウムリング
４ ガラス管
４Ａ 開口部
５ 電子ビーム源
５Ａ、２０Ａ 電子ビーム
６ 第１グリッド電極
７ 第２グリッド電極
８ 第３グリッド電極
９ メッシュ電極
１１ 電源
１２ 読み出し部
２０ 電子放出源アレイ

Claims (3)

1. 導電面を有する透光性基板と、
   前記導電面上に形成される光導電部と、
   前記光導電部に走査用の電子ビームを発射する電子ビーム源と、
   前記光導電部に電気的に接続され、前記電子ビームの走査によって得る撮像信号を読み出すための信号読み出し部と
   を具え、
   前記光導電部は、前記導電面から前記電子ビーム源に向かう方向に順次積層された、正孔注入阻止層、光導電層、及び電子ビームランディング層を含み、前記正孔注入阻止層は、密度が６．５ｇ／ｃｍ^３以上の酸化セリウムで構成される、撮像デバイス。
2. 前記光導電層は、セレンを主体とする非晶質半導体層で構成される光導電膜を含む、請求項１に記載の撮像デバイス。
3. 前記光導電部には、当該光導電部内にアバランシェ増倍現象を生じさせる電圧が印加される、請求項１又は２に記載の撮像デバイス。

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