JPH01192178A - 受光素子 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、フォトセル、ラインセンサ、撮像素子など受
光素子に係り、特にＳｅ系光導電膜を有する受光素子に
関する。

〔従来の技術〕

Ｓｅを主体とする非晶質半導体材料は、良好な光導電特
性を示し、従来から電子写真の感光体、撮像管の光導電
膜等へ応用されて来た（例えば米国特許第２２９７６９
１号）。またこの様な非晶質Ｓｅ系光導電膜の赤色の入
射光に対する感度を改善する目的で、ＳｅにＴｅ等の異
種材料を添加する方法′　（例えば特□開昭４９−２４
６１９号）、赤色光に対して十分な感度を有する非晶質
ＳｉやＩＩ−ＶＩ族半導体と組み合わせる方法’（１９
８７年テレビジョン学釡全国大会講演予稿集２−８．ｐ
３１．特公昭５０−２７３２６号）が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、以下の様な問題があった。すなわち、
非晶質ＳｅにＴｅ等の異種材料を添加した光導電膜は、
十分な赤色増感効果が得られる程異種材料が添加される
と、光導電膜中のキャリア捕獲準位密度が増し、キャリ
ア輸送特性の劣化を来たし、また添加剤の種類、添加方
法によっては、熱拡散、耐熱性が劣化するという問題が
あった。

また、赤色光に対して十分な感度を有するＳｅ以外の材
料とＳｅ膜を重ねて用いる素子は、ペテロ接合界面にお
けるエネルギーバンドの不連続や、界面準位の存在によ
ってキャリアが蓄積されるために、良好な光導電特性が
得難く、これを解決する為には接合補助層を設ける等複
雑なプロセスを経て製造しなければならないという問題
があった。

本発明の目的は、良好な赤色光導電性を有する赤色増感
Ｓｅ系光導電膜を有する受光素子を提供することにある
。

［課題を解決するための手段〕 上記目的は、基板上に、少なくともＳｅを主体とする半
導体層を光導電膜として有する受光素子において、上記
Ｓｅを主体とする半導体層は、非晶質相と六方晶結晶相
とから成ることを特徴とする受光素子によって達成され
る。

上記の光導電膜は、非晶質相と六方晶結晶相とそれぞれ
が層を形成して、これらが積層された構造でもよく、非
晶質と六方晶結晶の混相の層であってもよい。これらの
構造を組み合わせた構造、例えば混相の層と非晶質相の
層等との組み合わせた構造でもよい。また二つの層の境
界は明確でなく、徐々にある相から他の相に変化してい
てもよい。

例えば、非晶質Ｓｅのみから成る巨視的部分と六方晶Ｓ
ｅのみから成る巨視的部分を組み合わせる構造として、
非晶質Ｓｅより成る２つの層の間に六方晶Ｓｅから成る
層を挿入した構造が挙げられる。この場合、六方晶Ｓｅ
は、単結晶であっても、また多結晶であっても、更にま
た微結晶であっても構わない。また、非晶質と六方晶の
混相部分を設ける構造の例として、光導電膜中のＳｅよ
す成る層全体を上記混相とした構造、また、Ｓｅ層の内
の光入射側の一部を混相とし、その他は非晶質Ｓｅ層と
した構造等が挙げられる。混相部分の、六方晶結晶相と
非晶質相の占有比は膜厚方向に一様である必要はなく、
例えば光入射側で結晶相の比率が最大であり、膜厚方向
にその比率が徐々に減少する様な構造であっても良い、
この様に混相部分を用いる場合、六方晶Ｓｅ相は、通常
微結晶ないし多結晶の形をとるのが好ましい。

非晶質相と六方晶結晶相との好ましい比率は次の通りで
ある。非晶質相の層と結晶相又は混相の層とからなると
き、結晶相又は混相の膜厚をｄｃ（ａｍ）、全膜厚をｄ
（ａｍ）とし、混相における結晶相の膜厚方向に対し、
垂直な面内での比率をＳｃとする。結晶相のみの時５ｃ
＝１である。また結晶部分の変換効率をη。、光吸収係
数αＣ１非晶質部分の変換効率をη８、光吸収係数をα
。とすると。

光導電膜全体の光電変換効率ηはっぎの゛通りである。

一αｃｄＣ ηχ５ｃ（１−ｅ）η。

ａｉｄ ＋（１−８ｃ）（１−ｅ　　　　　）η。

λ＝　６２０ｎ　ｍの赤色光に対しつぎの関係がある。

η。＝１ η、　＝　２．３　Ｘ　１０−’〜ｌＸｌ０−”α、＝
６．４Ｘ１０’ａｍ αａ＝ＩＸ１０’ａｓ 赤色増感の為にはり〉０．１であることが好ましく、従
って近似的に下記（１）式が与えられる。

−αＣｄＣ ３ｃ（１−ｅ　　　　　）　〉０．１　　　−　（１）
一方、結晶相の存在比が１０％を越えると暗電流が増え
るため、下記（２）式の範囲が好ましい。

よって、上記（１）　（２）式を共に満たす範囲がより
好ましい。

ところで、上記の六方晶結晶Ｓｅ相部分或は非晶質相と
六方晶結晶相との混相部分は１通例次の様な方法で作成
される。第一に真空蒸着法がある。

この場合、基板温度を材料の結晶化温度程度以上に保ち
、更に蒸着速度を高めることが、結晶相或は混相の成長
に有効である。第二にイオンブレーティング法がある。

この場合も基板を加熱し、電子シャワー等でイオン化し
たＳｅを適度に加速することが必要である。第三にプラ
ズマＣＶＤ法がある。この場合、ＳａＦ、、Ｈ，Ｓｅ等
を原料ガスとし、プラズマでこれらを分解し、加熱した
基板上に結晶相或は混相を成長させる１以上の他にも、
スパッタリング法、イオンクラスタービーム法等が適用
され得る。

いずれも基板温度７０〜１００℃の範囲の温度で作成す
るのが好ましく、８０〜１００℃の範囲の温度で作成す
るのがより好ましい。

〔作用〕

初めに非晶質Ｓｅ相、六方晶結晶Ｓｅ相の光導電材料と
しての性質を述゛べる。まず非晶質Ｓｅは、光学的禁制
布巾が２ｅＶ、導電率が１ｏ−１４（０口）−１の高抵
抗材料である。禁制布巾２ｅＶからすれば波長６２０ｎ
ｍ　（赤色光）以下の可視光に対゛して光感度を有する
筈であるが、前述した通り、非晶質Ｓｅの光感度は、５
００ｎ　ｍ　（緑色光）以下の波長域でないと顕著では
ない。これは、光で生成された電子−正孔対が分離する
以前に再結合してしまう為と理解されている。一方、六
方晶の結晶Ｓｅは光学的禁制布巾が１．９ｅＶ、導電率
が１０−ｓ〜１０−＠（Ωａｍ）−１の材料である。こ
の六方晶Ｓｅの光感度は、非晶質の場合と異なり禁制布
巾に対応する６５５ｎ　ｍ以下の波長で顕著である。こ
れは、六方晶Ｓｅの光吸収係数が７５０ｎ　ｍ以下の波
長域で非晶質Ｓｅより大であり、また、六方晶Ｓｅに於
ては上述の非晶質Ｓｅでみられる再結合過程が存在しな
いことに基づく。

次に本発明における作用を、説明の便宜のため一実施例
の撮像管ターゲットの構成例をもって説明する。第２図
が一実施例の撮像管ターゲットであり、２１はガラス基
板、２２は透光性電極、２３は正孔注入阻止層、２４は
Ｓｅ系光導電膜、２５は電子注入阻止兼電子ビームラン
ディング補助層である。

ここで２４の光導電膜は、２４１の非晶質Ｓｅ、六方晶
微結晶Ｓｅ混相部分と２４２の非晶質Ｓｅ層よりなる。

第２図の例に示した撮像管ターゲットにおいて。

ガラス基板２１を通して入射した光は、その大部分が混
相部分２４１で吸収される。′この混相部分の内非晶質
相で吸収された光については前述の様にキャリア生成効
率が悪いため、特に赤色の光に対し、光電流への寄与が
小さい、一方、結晶相で吸収された光は、キャリア生成
効率が高い為、長波長の光に対しても光電流へ大きく寄
与する。混相部分の導電率は、非晶質相の存在によって
十分小さく抑えられており、上述の結晶相で生成された
光キャリアは、混相内で横流れすることなく、非晶質Ｓ
ｅ層２４２へ流入し、電子ビームランディング補助層２
５上に、像に応じた電荷パターンが形成される。

〔実施例〕

本発明を実施例を用いてより詳しく説明する。

前述の如く六方晶結晶Ｓｅの光学的禁制布巾は１．９ｅ
Ｖ＊導電率は１Ｇ−’　〜１０−’（ΩＣ１ｍ）−１で
ある。この導電率の値は、禁制布巾が広い割りには大き
く、単体で光導電膜として用いるには、熱励起キャリア
によって暗電流が大きくなり動作が不安定となったり、
また、特に１次元ないし２次元の像を撮像する場合にお
いては、電荷担体の走行方向の電界が不十分な場合電荷
が横方向に拡がり、十分な解像力が得られないといった
虞れがある。

この点からみて、Ｓｅを主体とする半導体層が少なくと
も非晶質相の層を有し、この層が光導電膜の光入射側と
逆の側に配置されていることは好ましい。

こ−れは非晶質Ｓｅ相部分は光導電膜全体の抵抗を高め
、暗電流を抑制し、かつ、解像力を増す作用を持ち、一
方式方晶の結晶Ｓｅ相は、特に赤色光に対する光感度を
高める作用を持っためである。

それ故第２図のような構造の撮像管ターゲットにおいて
は、暗電流は殆ど流れず、暗電流増による画質の低下は
全く問題とならない。

なお、上述の如く六方晶結晶相の部分は、赤色光を吸収
しキャリアを生成する目的に用いられる為、光の利用率
を増すにはその部分が光導電膜の光入射側近傍にあるこ
とが望ましく、通常の場合−αＣｆ１ ｅ　　　　＜　０　、１が好ましい、ここにΩは光入射
側から計った結晶部分の存在する深さである。

波長λ＝　６２０ｎｍの赤色光に対し、ａ、＝６．４Ｘ
１０’ロー１であり、Ｑが０．３６μｍ以内にあれば好
ましい。

第２図の撮像管ターゲットにおいて、混相部分が非晶質
と粒径数十〜数百人の微結晶の混相で、面内での結晶相
の占有率が２５％であり、またその膜厚が１０００人の
層であり、非晶質Ｓｅ層の膜厚が２μｍである場合の分
光感度特性を、膜厚２μｍの非晶質Ｓｅ層のみで構成し
たターゲットの場合と比較して第１図に示す。１１が本
発明のターゲットの結果、１２が同じ平均電界強度（２
Ｘ１０’Ｖ／ｃｍ）で得られた非晶質Ｓｅターゲットの
結果である。

これから明らかな様に本発明を適用した場合、緑色〜赤
色、特に赤色の入射光に対する増感効果が顕著である。

次に第３図に上述の２種のターゲット（２／３インチサ
イズ）の解像力を、振巾変調度で表わした結果を示す。

３１が本発明の光導電膜を用いたターゲット、３２が非
晶質Ｓｅターゲットに対する結果で、これから明らかな
、様に、本発明の受光素子では非晶質Ｓｅに比べて解像
力が低下することも全くない、さらにこの撮像管におい
ては、その他の特性、例えば光応答特性、γ−特性等も
非晶質Ｓｅを用いた撮像管と同等の特性を示した。

なお、第３図に示した効果は、本発明の受光素子を撮像
素子として用いる際に重要なものであり、フォトセルの
ような単純な受光素子として用いる際には問題とならな
い。

また、以上は、Ｓｅのみよりなる光導電膜について述べ
たが、同様な効果は、例えば非晶貧相の耐熱性を高める
ために、Ｓｅに数％のＡｓやＧｅ等を添加したような材
料等についても得られる。

さらにまた、本発明は、非晶質Ｓｅ系材料に高電界を印
加して電荷増倍作用を起こさせ、さらに高感度化を実現
する方法と組み合わせることができる。即ち、例えば光
導電膜の光入射側に六方晶結晶層或は非晶質と六方晶の
混相より成る層を設け、その後に非晶質Ｓｅ層を重ね、
この非晶質Ｓｅ層に高電界を印加して電荷増倍作用を起
こさしめることが可能で、この場合、上記赤色増感効果
はさらに有効に作用し、低雑音で高感度な可視光光導電
膜が構成できる。

以下、より詳し〈実施例を述べる。

実施例１゜ ガラス基板上に、ＣＶＤ法によって膜厚７００人のＳｎ
Ｏ□透明電極を形成する。次に基板を８０’Ｃに保持し
た状態で、堆積速度３００人／Ｓで抵抗加熱蒸着により
膜厚４μｍの非晶質、六方晶多結晶混相のＳｅ層を形成
する。結晶相の面内比率は１２％である。その上に対電
極としてＡｕを５００人の厚さに蒸着する。以上で得ら
れたフォトセルを　２×１０’　Ｖ／■の平均電界で動
作させると、膜厚、動作電界の等しい非晶質Ｓｅに比べ
約５０倍の赤色光感度が得られた。

実施例２゜ ガラス基板上に、スパッタ法により膜厚５００人のＩＴ
Ｏ透明電極を形成する。次に正孔注入阻止層として、蒸
着により膜厚２００人のＣｅＯ２を堆積する６次に基板
を９５℃に保持し、堆積速度　Ｓｏ。

人／ｓ、加速電圧１ｋＶで、Ｓ　ｅ　、　Ａ　Ｓｔ　ｇ
　ｅ３の２元のイオンブレーティング法により、Ａｓが
２ａｔ％添加されたＳｅの非晶質、六方晶微結晶混相の
層を膜厚１０００人に堆積する。結晶相の面内比率は３
０％である。次に基板を４０℃に保持し、５ｅ−Ａｓ２
ａｔ％の非晶質層を膜厚２μｍになるように堆積する。

更に電子注入阻止兼電子ビームランディング層として、
１０−”　ＴｏｒｒのＮ２ガス雰囲気中で、ｓｂ、ｓ３
を膜厚１５００人に堆積する。以上で得られた撮像管タ
ーゲットを撮像管に組み詰み、１．２×１０’　Ｖ　／
　ｃｘａの平均電界で動作させると、青、緑、赤色いず
れの入射光に対しても入射フォトン数に対する収集電荷
の総数、即ち量子効率が１０であるような分光感度のバ
ランスの良い高感度撮像管が実現できた。

実施例３゜ 走査回路を有する結晶Ｓｉ基板上に２抵抗加熱蓋着によ
り膜厚４μｍの５ｅ−Ａｓ３ａｔ％非晶質層を形成する
。次に基板温度を７０℃とし蒸着速度３００人／Ｓで抵
抗加熱蒸着法により非晶質、微結晶混相のＳｅを膜厚１
２００人に形成する。結晶相の面内比率は２２％である
。次に正孔注入阻止層として、夫々の膜厚が１５０人の
ＣｅＯ，、、Ｇｅｍ２重ね膜を基板常温で堆積する。そ
の上に上部電極として膜厚５００人のＩＴＯを、低温ス
パッタ法によって形成する６以上で得られた積層型固体
撮像素子を５　Ｘ　１０’　Ｖ　／、、ａ、の〒均電界
で動作させると、波長４００ｎ　ｍから６５０ｎｍの可
視光全域で量子効率が０．８以上の感度が得られた。

実施例４゜ 光ファイバを内蔵する基板上に、蒸着法により膜厚１３
０Ａの半透明ＣｒＸドライブ電極を形成する。

その上に正孔注入阻止層として膜厚１００人のＣａＯ２
を蒸着法で形成する。次にＳｅＦ、を原料ガスとしたプ
ラズマＣＶＤ法により、膜厚２０００人のＳｅ層を形成
する。この時、基板温度は初め４０℃。

その後８０℃、最後にまた４０℃に変化させた。このた
め形成されたＳｅ層の上部と下部は非晶質相、中間は非
晶質・六方晶微結晶の混相で結晶相の面内比率２５％で
ある。なお、上部、中間、下部の境界は明確でなく、組
成は徐々に変化した°。すなわち、初め基板温度を上げ
るに従って結晶相の比率が０％から徐々に比率が上がり
２５％となる。この間層の厚みは約５００人が堆積する
。このまま基板温度を８０℃に保ち、結晶相比率２５％
の相を約１０００人堆積する。その後基板温度を徐々に
下げ４０℃とするが、この間結晶相の比率が２５％から
０％に徐々に低下した層が約５００人堆積する。次に同
じくプラズマＣＶＤ法で、基板を３０℃として、膜厚６
μｍの非晶質Ｓｅ層を堆積する。次に上部電極として膜
厚１０００人のｐｔを蒸着する。以上で得られたライン
センサを３×１０Ｓｖ／ａｆｉの平均電界で動作させる
と、カラーセンサとして十分な光感度が得られた。

実施例５゜ 透光性基板上にスパッタリング法により膜厚１０００人
のＩＴＯ透明電極を形成する。次に基板温度を７０℃と
し、Ａ　ｒ　、　Ａ　ｓ　Ｈ３混合ガス雰囲気中の反応
性スパッタリングにより、５ｅ−Ａｓ２ａｔ％多結晶層
を膜厚１５００人に堆積する。次に基板温度を３５℃と
し、同様な方法で５ｅ−Ａｓ２ａｔ％非晶質層を膜厚１
０μｍに堆積する。次に上部電極としてＡｕを膜厚１０
００人に蒸着する。以上で得゛られたフォトセルを５Ｘ
１０’Ｖ／ａｍの平均電界で動作させると、波長６２０
ｎｍの赤色光に対し、量子効率０．８以上の高感度が達
成できた。

〔発明の効果〕

以上の様に１本発明の受光素子は、赤色の入射光に対し
て十分な感度を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明と比較例との分光感度特性を示す甲、第
２図は本発明の一実施例の撮像管ターゲットの構成図、
第３図は本発明を説明するため、の解像度を示す図であ
る。 ２１・・・ガラス基板 ２２・・・透明導電膜 ２３・・・正孔注入阻止層 ２４・・・Ｓｅ系光導電膜 ２５・・・電子注入阻止兼電子ビームランディング補助
層 ２４１・・・非晶質Ｓｅ、六方六方晶微結晶Ｓｅ混相全
部分２・・・非晶質Ｓｅ層 入射光　λ（ｎｍ） 入射光　ｈν（ｅ　Ｖ） 第２図 ２１−一一力゛ラズ羞才及 ２２−−一透、光°）！電極 ２３−−一正７Ｌ残入阻止層 ２４−−−　Ｓｔ千算電頃 ２４１−−−＝Ｉ）−晶ＷＳ４．六’；ｄｒｉｆ’１Ｘ
ｆｉＹｓｊ’ａ　５ｚＦＩ！ＪＦＪ−＞ｐ４２４２−−
一非晶ＶＳ４曽 ２５−一一電多辻入誤止算僧１ビームラシ九′＞７孕め
’ｉミオ第３図 ＴＶ本

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上に、少なくともＳｅを主体とする半導体層を
   光導電膜として有する受光素子において、上記Ｓｅを主
   体とする半導体層は、非晶質相と六方晶結晶相とから成
   ることを特徴とする受光素子。 ２、上記Ｓｅを主体とする半導体層が、少なくとも非晶
   質相の層と六方晶結晶相の層とを有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の受光素子。 ３、上記Ｓｅを主体とする半導体層が、少なくとも非晶
   質相と六方晶結晶相の混相を有することを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の受光素子。 ４、上記Ｓｅを主体とする半導体層が、少なくとも非晶
   質相の層を有し、該非晶質相の層が上記光導電膜の光入
   射側と逆の側に配置されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の受光素子。