JPS5845690B2 - 光画像変換素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光伝導効果および電気光学効果を有する単結晶
を利用した光空間フィルター素子や光画像変換素子に関
するものである。

従来、光情報技術における光画像入力素子として、電気
光学特性や圧電特性および光伝導特性を有するＢ ｉ
１２Ｓ １０２ｏ、 Ｂ ｉ １□Ｇｅｍ２ｏ等のビス
マスシレナイト族単結晶を用いたインコーヒーレット光
（非可干渉光）像をコーヒーレット光（可干渉光）像に
変換する素子が提案されており、Ｊ。

Ｆｅ１ｎｌｅｉｂｅ等によりＡｐｐｌ ｉｅｄ Ｏｐｔ
ｉｃｓ 、Ｖｏ ｌ 。

１１、Ａ１２．Ｄｅｃ、１９７２．ｐ、２７５２で発表
されている素子は第１図のような構造を有する。

第１図において１はビスマスシリコンオキサイド（Ｂ１
１２Ｓ１０２０）単結晶、２，２′は透明絶縁膜、３．
３′は透明電極である。

ここで絶縁層２，２′は、有機物質または無機物質の薄
膜を単結晶１上へ蒸着することによって作成されてきた
。

例えば前述のＪ 、 Ｆｅ１ｎｌｅｉｂｅによれば、有
機物質としてバラキシレン重合体ポリパラキシレンのフ
ィルムを形成する方法を用いている例がある。

また、無機物質としてはＭｇＦ２蒸着膜を用いた例があ
る。

透明電極３，３′としては、Ａｕ、Ｐｔなどの単体金属
もしくはＩ ｎ ２０３ ｙ Ｓ ｎ ０２などの蒸着
膜が用いられ、特に透明度と電気的特性に優れているＩ
ｎ ２０３とＳ ｎ ０２の混合組成のもの等が用い
られる。

このような構造をもつ光画像変換素子において電極３，
３′間に一定電圧を印加しておき、その状態のまま画像
もしくは文字パターンを片面に投影する。

ビスマスシリコンオキサイド学結晶の光伝導効果の波長
依存性を利用し、特に顕著な光伝導効果のある波長５０
０ ｎｍ以下の短い波長光を画像の書き込み周光として
用いるが、実際にはキセノン、タングステンランプ等の
白色光で充分である。

光が照射された部分は光生成電子−正孔対が結晶内で両
極に向って各々移動し、絶縁フィルム２との界面でトラ
ップされるため結晶内の電位勾配は光の未照射の部分に
比べ小となる。

このような状態において次の段階として読み出し光とし
て、例えばＨｅ −Ｎ ｅレーザー光線、波長が６３３
μｍ以上の光伝導効果に寄与せぬ長波長光の可干渉光を
結晶軸に対して４５度をなす角の偏光方向を有する直線
偏波光を素子面に均一に照射することにより、透過後電
位勾配の大小に対応して電気光学効果によるリターデー
ションδが変化し、例えば検光子を通すことによって強
度変調された可干渉光像が得られる。

δは次のようになる。２π δ＝ ７ ・ｎ□” ＋、 ｒ４ｓ ・Ｖ （ｒ ａｄ
） （１）（式中λは光波長、ｎ□は屈折率、ｒ
４１は電気光学係数、■は電圧を表わす。

）ビスマスシリコンオキサイドは体心立方晶であり、点
群対称性２３であるため、結晶面（ｉｏｏ）に垂直な方
向の電界及び入射方向の光線に対しては（１）式のよう
にリターデーションδは結晶の厚さに無関係である。

さて、以上の構造を有する光画像変換素子に要求される
重要な特性として、画像の分解能がある。

この分解能は、光伝導層であるビスマスシリコンオキサ
イド１の厚みにほぼ反比例する関係で向上する。

厚みが増加すると、投映光によって光キャリアが生じる
領域が奥行き方向に広がり、これらのキャリアが投映光
の強弱に応じた濃度分布を有するため、空間的な濃度差
によるキャリアの拡散が生じ、投映面内での分解能が減
少する。

つまり光伝導層の厚みを薄くすることが分解能を向上さ
せるための重要な因子であるが、第１図の構成における
光伝導層は、従来の融液からの引上げ法によって得られ
た単結晶より（１００）面を持つ平板として、切断、研
磨加工を施されたものであり、現在の切断・研磨加工技
術では１０〜３０＋１！？＋１［１のビスマスシリコン
オキサイド等のビスマス・シレナイト族単結晶を光情報
を乱さない条件としてλ／１０の平坦度、１σの平行度
に仕上げることの可能な最小厚みは約１５０μである。

それ以下にすることは単結晶の機械的な強度が充分でな
いため割れ、欠けを生じて不可能である。

本発明は、光伝導特性の著しく小さい基板上に光伝導特
性の顕著なエピタキシャル層を成長させることにより、
１０μから１００μまでの厚みの任意の光伝導層を得、
従来の機械的な加工法による光伝導層を用いた素子では
得られなかった高分解能の光画像変換素子を提供するも
のである。

本発明によれば、高絶縁有機物質の薄膜が片面だけで済
むこと、素子への印加電圧の極性により画像の蓄積・消
去時間の長短を選択できること、さらにエピタキシャル
基板側の反射防止膜を形成して、従来の素子において問
題となったコヒーレント光による読み出し時に生じる多
重干渉縞を除去することができるなど多くの利点を峙つ
ものである。

第２図は本発明にかかわる光画像変換素子の断面構造を
示すものである。

４は光伝導効果の著しく小さい基板単結晶であり、５は
４の上にエピタキシャル成長させた光伝導特性の顕著な
層である。

エピタキシャル成長における最も重要な要素は基板と成
長層の格子定数の間のミスマツチが極力少ないことであ
る。

エピタキシャル層として、Ｂ １１２ Ｓ １０２０あ
るいはＢ ｉ１□Ｇｅ Ｏ２０を用いる場合について述
べる。

この場合、Ｂ １１２ Ｓ ！ ０２０あるいはＢ ｔ
１２ Ｇ ｅ Ｏ２゜結晶を引上げによって製造する
際、周期律表中第■Ａ族、第ｎＡ族元素、又は遷移元素
に属する元素を添加することによって光伝導特性を著し
く減少させることができることは周知の事実である（Ｓ
、Ｌ、Ｈｏｕ他Ｊ 、Ａｐｐｌ 、Ｐｈｙｓ 、Ｖｏ１
４４（１９７３）２６５２）。

第３図はその１例を示すものであり、Ｂｔ１□ＳｉＯ２
゜にＡｌをＳｉに対して数モル多以上添加したＢｌ １
２ Ｓ １０２０ ：（Ａｌ）は、光波長４５０ ｎｍ
までほとんど光伝導特性を示さない。

また、この場合の不純物添加は結晶構造および格子定数
に変化を与えないため、本発明の基板単結晶として用い
ることが可能である。

Ｂｉ１□ＧｅＯ２０についても全く同じ条件が成り立ち
、基板単結晶として可能である。

次にエピタキシャル成長法について説明する。

第４図はエピタキシャル成長装置の説明図である。

８．「はヒーターであり反応融液を必要な温度に保つ。

９は白金るつぼの支持台であり、アルミナ磁器などの断
熱材を用いる。

１０は反応融液を保持するものであり、ビスマスシレナ
イト族の融解には白金るつぼが用いられる。

１１はエピタキシャル層を形成する反応融液である。

１２は引上げ軸であり、白金製の基板ホルダー１３に保
持された基板単結晶１４を回転、上下運動させるための
ものである。

ここで基板ホルダー１３は基板の片面にのみエピタキシ
ャル成長するような構造としている。

また基板を回転させることにより、よりエピタキシャル
成長層が面内で均一となる。

ここで問題になることは、不純物を添加された基板単結
晶Ｂ１１２Ｓｉ０２０と不純物を添加しないＢｉ１□５
１０２ｇの融点にほとんど差がないことであるが、この
点は次のようにして解決される。

第５図はＢｉ２Ｏ３−８ｉｎ、系の相図であり、Ｂ ｔ
１２ Ｓ ｔ ０２゜はＢｔ ２０３： Ｓ １０２
＝ ６ ： １モル比の組成においてコングルーエンド
であり、約９１０℃で融解する。

これらの組成の中でＳｉＯ２が０．５〜２７モル多の範
囲のいずれかを選び、この融液を過冷却状態にすること
により、基板単結晶を融解させずにエピタキシャル成長
が可能となる。

相図より判るとおり、基板の融点から５０℃以内の過冷
却によってＢｉ１□ＳｉＯ□。

相を晶析させることが可能であり５０℃以上の過冷却で
はｂｃｃ以外の他の相比物が析出してしまうため不適当
である。

Ｂｉｌ□ＧｅＯ２０においても全く同様であり、第６図
Ｂ ｔ ２０３− ＧｅＯ２系相図を示すが、この場合
エピタキシャル成長の可能な組成範囲はＧ ｅ ０２が
０．５〜３２モル饅であり、エピタキシャル成長時の過
冷却度は７０℃以内である。

さて以上のような方法により、第２図に示した基板４お
よびエピタキシャル層５が形成された。

次にエピタキシャル成長によって形成された光伝導層５
の上に絶縁膜６をコーティングする。

この絶縁層６の目的は光像の投映によって光伝導層に生
じたキャリアのうち、多数キャリアーである電子を光伝
導層５との界面Ａにトラップさせることにより、光像の
明暗に応じた電界の差を電気光学効果を有する光電導層
５に生じさせるためである３この絶縁膜６としては、た
とえば既に述べたバラキシレンフィルム、エポキシ樹脂
等の高絶縁有機材質の膜を用いる。

次に第２図に示すように両端面に透明電極７゜１′を蒸
着又はスパッタリングなどの方法により付着せしめる。

その材料については従来の素子の場合と同じであるが、
望ましくは、Ｉｎ２０３ｔＳｎＯ２などの半導体薄膜層
が、電気伝導度と機械的強度の点で優れている。

以上のようにして得た光画像変換素子は次のような動作
を行なう。

第７図ａは直流電圧■。を印加した状態であり、このと
き■。

は４，５．６各層の誘電率εと厚みｄで決まる電圧配分
Ｖ４．Ｖ、。

■６となる。

このとき■。は絶縁膜側が十極性になるようにしておく
。

この状態で５００〜４５０ｎｍの光を照射すると光伝導
層で発生したキャリアーが印加電圧によって界面Ａに到
達し、ここでトラップされ、その結果、光伝導層の内部
電界は著しく減少してしまい、同図すのように■４′、
■５′。

■６′のような電圧配分となり、６３３ ｎｍの読み出
し光に与えられるリターデーションは照射前の電圧Ｖ４
＋Ｖ、よりも著しく小さい電圧ｖ４′＋ｖ、’によって
決まる。

ここで、基板層は光伝導効果は有しないが、電気光学効
果を有するため、全体としてのりタープ−ジョンは■４
＋■５（あるいは■４′＋■、′）で決まる。

しかし、基板層は光伝導効果を有しないためその電圧変
化はごくわずかであり、リターデーションの差はほとん
どが光伝導層の電圧変化によって決定される。

つまり、従来の光画像変換素子と同じ動作を行なう。

ここで絶縁膜側を＋極性にするのは多数キャリアーであ
る電子を高抵抗（１０１５〜１０１６ｇ−ｃ１０ｌ６の
絶縁膜の界面Ａにおいて読み出しに必要な時間トラップ
させておくためであるが、逆に基板側を十極性にした場
合には、電子は界面Ｂでトラップされるが、基板の絶縁
抵抗が１０１２〜１０１３８−ＣｒｒＬと低いため、書
き込まれた光像は短時間で消失する。

つまり極性の逆転により光像のメモリ一時間を選択する
ことができるが、これも本発明の特徴の一つである。

以上の動作において、本発明の特徴の一つである分解能
の向上については、従来方法での限界の１５０μ厚のＢ
ｉ１□ＳｉＯ□。

単結晶を用いた光画像変換素子の分解能が２００１ｐＡ
１Ｌであったのに対し、最適な条件で育成された本発明
の方法による５０μ厚の光伝導層を持つ素子では４００
１１ｐ／ｍπの高分解能を得ることができる。

また本発明の特徴の１つである反射防止層の付加が可能
な点については第８図に示す構成において、透明電極７
′として、たとえばＩｎ２Ｏ３を用いる場合、基板４の
片側にＭｇＦ２等の多層膜のコーティングにより、層５
、４、１６、７’を通過する読み出し光（たとえばＨｅ
−Ｎｅレーザーの６３３ｎｍ光）に対する反射率を全体
として０．１％以下に抑えることができ、第１図に示す
従来の構成で生じたＢｉ１□５ｉＯ２１）などの光伝導
層の両端面間で生じる多重反射による干渉縞の発生を使
用上問題とならない程度まで減少させることができる。

ここで、さらに従来提案されているいくつかの光画像変
換素子との詳細な比較を行ない、本発明の特徴を詳述す
る。

第９図ａは第１図と同じものであるが、これは光伝導層
１を薄膜にできないため分解能に限界があるとともに絶
縁層を２層２，２′必要とし、なおかつ、この絶縁層と
しては高絶縁有機物質が用いられるため、約３００℃に
加熱することを必要とする反射防止膜のコーティングが
困難である。

同図すに示す構成はａと同様、研磨加工された光伝導層
１に片側だけ高絶縁有機材質を付着せしめた非対称形で
あるが、ａと同様に薄膜化が困難であり、高分解能の素
子はできない。

さらにこの形状の素子では光伝導層の片側に直接透明電
極３′を付着させているため印加電界の極性に応じて電
極ぎに到達したキャリアーはトラップされることなく電
極へ流れてしまう。

つまり、光伝導によって発生したキャリアーのうちの一
方が光伝導層の電界を変化させる効果にほとんど寄与し
ないこととなり、素子の感度を減少させる原因となって
いる。

この点本発明の素子は非対称形ではあるが、両側に絶縁
層を持つことにより光伝導効果により発生したキャリア
ーを有効に活用できる。

同図Ｃに示す構成は、光伝導特性を持つ基板４に光伝導
効果を持たせないエピタキシャル層５゜５′を成長させ
て絶縁層とするか、もしくは基板４を光伝導効果を持た
ない材質を用いて、光伝導を持つエピタキシャル層５，
５′を成長させるものである。

この構成の素子では、基板とエピタキシャル層ともに高
融点（約９００〜９３０℃）であるため、電極Ｔ、７′
を付着せしめる前に反射防止層をコーティングすること
が可能であるとともに、エピタキシャル層５．テを光伝
導層とする場合には薄膜化による分解能の向上も可能と
なる。

しかしながら、この構成における光伝導効果を持たない
絶縁層の抵抗率はＩＱ、１２〜１０１３Ω−のであり、
高絶縁有機材質（抵抗率１０１５〜１０１６Ｑ−ＣＩｒ
Ｌ）を用いた場合にくらべて、画像の蓄積時間は短かく
なり、その用途は高速の書き込み、読み出し用素子とな
る。

以上のように第９図ａ ＝ ｃの従来の素子は、それぞ
れ一長一短を有するためその用途はおのずと限られて来
るが、本発明の素子は、従来の素子の欠点を除き、より
広汎な用途に用いることができる。

つまり、その特徴は■ 光伝導層のエピタキシャル成長
により、高分解能素子が可能となる。

■ 絶縁層として、１０１２〜１０１３Ω−のの基板層
と１０１５〜１０”Ｊ７−はの高絶縁有機材質を持つ非
対称形であるため、印加電圧の極性により、長時間（数
分〜数１０秒以内）と短時間（数１０秒以内）のどちら
かの画像蓄積素子として使い分けができる。

■ エピタキシャル成長後に基板の他の面に反射防止層
を形成させて、多重干渉の無いコヒーレント光による読
み出しが可能である。

■ ■の反射防止層の形成により、有機絶縁膜の側の電
極として透明度は良く反射は少ないがその蒸着時の加熱
により有機絶縁膜を劣化させやすいＩｎ２Ｏ３などを付
着させずとも、反射率が大きいが常温近くで蒸着できる
Ａｕ、Ｐｔなどの材質を使用できる。

■ 光伝導層の薄膜化により、読み出し光の吸収を減少
させることができ画質が改善される。

次に本発明の実施例を示す。

基板単結晶としては、Ｂ ｌ ２０ｓ ’ Ｓ ｔ ０
２ ＝６ ： １モル多の原料に、ＡｌをＳｉに対して
６原子多添加したものを高周波加熱で融解させ、＜１１
１＞方向の種結晶を用いてチョクラルスキー法で引き上
げた単結晶より（１００）面をもつウェハを切り出した
これを２０１１ｔ１１ＬＯ，厚さ１５０μにスライス、
光学研磨（平坦度λ／１０、平行度１０″）にした。

次にＢｉ２Ｏ３：５ｉ０２＝９６ ： ４モル比の原料
を８９０℃まで昇温しで溶融させたのち、８７０℃まで
冷却して、上記の基板を浸漬し、約１５分後基板を引き
上げた。

このあと５０℃／Ｈｒで炉を冷却し室温になってから基
板を取り出した。

この結果５０μ厚のＲｉ１□ＳｉＯ□０単結晶が基板上
に成長していることをＸ線マイクロアナライザーによる
断面分析により確認した。

次にエピタキシャル層上にバラキシレンを５μ厚に付着
させ絶縁層とした。

最後に透明電極として、Ａｕを約２００λ厚に付着させ
た。

この素子に１．５００Ｖを印加して５００ ｎｍを通す
干渉フィルターを通過した５００ＷＸｅランプの光で２
０秒間書き込みを行ない、５ｍＷのＨｅ −Ｎ ｅレー
ザーの６３３ ｎｍ光で読み出しを行なった。

厚さ１５０μの光伝導層を持つ従来の素子（第１図）と
同じ条件で分解能を測定した結果、従来素子の２００
ｌｐ／ｍｍに対して、本発明による素子は４００ ｌｐ
／ｍｘの高分解能を有することを確認した。

画像の蓄積時向についてはパリレン側ヲ十極性にした時
Ｈｅ−Ｎｅレーザー光で読み出し続けた状態で約２０分
間、画質の顕著な劣化はなかった。

極性を逆にした時は読み出し像の写真撮影によって２秒
後では完全な像が蓄積されていたが、１０秒後にはほと
んど元の画像の形状は失なわれていることを確認した。

以上は第２図の構成による素子であるが、さらに同じ条
件でエピタキシャル成長させたのち、反射防止層１６を
もうけた第８図の構成の素子を作成した。

反射防止層側の電極はＩｎ２Ｏ３であり、有機絶縁物（
パリレン）側の電極はＡｎ（２００人厚）とした。

分解能については第２図の構成のものと同じ性能を発揮
するとともに、Ｈｅ−Ｎｅレーザーの読み出しによって
も干渉縞は見い出されず、画質の向上が確認できた。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光画像変換素子の構造を示す断面図、第
２図は本発明による光画像変換素子の構造を示す断面図
、第３図はビスマスシリコンオキサイドとそれに添加物
アルミニウムを添加し・たものの入力光の波長対抵抗率
の変化を示した図、第４図は本発明による光画像変換素
子の単結晶基板上にエピタキシャル成長層を形成する装
置の説明図、第５図はＢｉ２Ｏ３−８ｉ０２の相図、第
６図は’Ｂｉ２’０３ ’ＧｅＯ２の相図、第７図ａ、
ｂは本発明の光画像変換素子に光があてられていない場
合及び光をあてた場合の素子内での電位勾配を示した図
、第８図は本発明の光画像変換素子で反射防止層を附与
したものの実施例の断面図、第９図ａ。 ｂ、ｃは第１図に示す従来のもののいろいろの変態を示
した。 １・・・・・・ビスマス・シリコン・オキサイド、２゜
１・・・・・・絶縁膜、３，３′・・・・・・透明電極
、４・・・・・・単結晶基板、５・・・・・・単結晶薄
膜、６・・・・・・絶縁膜、７゜７′・・・・・・透明
電極、８．劇・・・・・ヒーター ９・・・・・・るつ
ぼ支持台、１０・・・・・・白金るつぼ、１１・・・・
・・反応融液、１２・・・・・・引上軸、１３・・・・
・・基板ホルダー１４・・・・・・基板単結晶、１５・
・・・・・直流電源、１６・・・・・・反射防止層、Ａ
・・・・・・光伝導層と絶縁膜の界面、Ｂ・・・・・・
光伝導層と基板単結晶の界面。 ヤリ向

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光伝導効果が著しく小さいビスマスシレナイト族の
   単結晶の基板上に光伝導効果の顕著なビスマスシレナイ
   ト族の薄膜層をエピタキシャル成長させ、さらにこのエ
   ピタキシャル成長層の上に有機絶縁薄膜をコーティング
   したことを特徴とする光画像変換素子。 ２ 光伝導効果の顕著なエピタキシャル成長層としてビ
   スマスシレナイト族の単結晶がビスマスゲルマニウムオ
   キサイド（Ｂｉ１□Ｇｅ０２ｇ ）又はビスマスマス・
   シリコンオキサイド（Ｂ １１□Ｓ １０２０ ）の単
   結晶である特許請求の範囲第１項記載の光画像変換素子
   。 ３ 光伝導効果の著しく小さいビスマスシレナイト族の
   単結晶の基板として、ビスマスシレナイト族の単結晶に
   周期律表中第１Ａ族、第１１Ａ族元素又は遷移金属元素
   に属する元素を添加した単結晶を用いることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の光画像変換素子。