JPS6334580B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

テレビジヨン用撮像管において、光導電性薄膜
を用いる所謂ビジコンが実用化され、その光導電
性薄膜の特性向上の研究が盛んに行われて来てい
ると同時に電子銃を含めた電極系の改良も行なわ
れて来ており、装置の構造が簡単であること及び
取り扱いが容易である等の理由からビジコンは映
像情報の撮像装置として応用分野はさらに広がり
つつある。 他方、非晶質シリコン薄膜は不純物ドープによ
りpn制御可能な半導体膜として太陽電池への応
用が期待されている画期的材料である。この非晶
質シリコン薄膜は可視領域光に対する強い光吸
収、良好な光キヤリア生成効率、均質、大面積薄
膜作成が容易である等の利点を有しており、光像
記録用光電変換材料としての適正を備えているも
のと思われる。 本発明は導電性支持体上に非晶質シリコンを材
料としブロツキング層、感光層、カバー層の３層
構造からなる撮像管用光導電性薄膜を提供するこ
とを目的とする。本発明に於て導電性支持体とは
ターゲツトのフエイス・プレート（ガラス等の透
明絶縁材料の板）の表面に導電性物質（透明電極
としてはSnO₂、In₂O₂等）を一様に付着させて導
電性を付与したものである。同様にブロツキング
層とは、電子及び／又は正孔担体に対して障壁を
形成し、感光層への電荷注入を防ぐ層である。 一般に非晶質シリコン膜の製造方法にはグロー
放電分解、スパツタリング、イオン・プレーテイ
ングの３種類ある。 以下に述べる実施例は全てグロー放電分解によ
り行なつた。グロー放電分解による製造方法は、
グロー放電によりシリコンを含有する化合物を分
解し、非晶質シリコンを基板上に沈積させること
によつて得られる。この様な化合物としては、一
般式、SiHxX_4-x（ＸはＦ、Cl、Ｉ、ｘ＝０〜４
の整数）で表わされる化合物、例えばSiH₄、
SiF₄、SiHF₃、SiH₃Cl、SiH₂Cl₂、等及びSiH₆、
或いは、これ等化合物の混合物が使用される。こ
れ等の化合物は通常ガス状とし、そのまま或い
は、Ar、He、Xe等の不活性ガス、或はH₂等の
ガスで稀釈して使用する。水素を含まないシリコ
ン化合物を使用する時は水素の併用が必要であ
る。グロー放電を行う容器内のガス圧は一般に
10^-2〜10トロールである。電極−基板間の電流
は、直流、交流又はこれらの重畳されたもののい
ずれでもよい。交流を使用する場合、その周波数
は１Hz〜4000MHzが使用可能である。上記した非
晶質シリコン膜を作成する場合の水素のドーピン
グ量は10〜40原子パーセントである。 本実施例は、もちろんスパツタリング又はイオ
ン・プレーテイングを用いても可能であるがその
記載は省略する。 以下添付図面を用いて本発明を詳細に説明す
る。 一般にテレビジヨン用撮像管光電変換材料とし
ては、少なくとも１フレーム電子ビーム走査の間
電荷を保持できることが必須条件である。１フレ
ーム走査時間を1/30秒とすると暗所における電荷
の減衰時定数τdは τd＝RC＝σd^-1εε₀≫1/30 ……(1) で表わせる。ここでＣは電気容量（Ｆ）、Ｒは抵
抗（Ω）、σdは導電率、ε、ε₀は比誘電率及び誘
電係数である。 ここでε〜10とするとτd＝１秒を得るために
はσd＜10^-12（Ωcm）^-1の膜が必要である。 しかしここで用いる非晶質半導体は、光導電率
を考慮しσd＝（10^-8〜10^-11）（Ωcm）^-1のものであ
るので上記の条件を満たさない。そこで非晶質半
導体の高抵抗化を行なう必要がある。これには以
下の２つの方法がある。 (a) 非晶質シリコン半導体の光導電性を犠牲にし
て、低い基板温度（Ts＜200℃）あるいは欠陥
密度を増加する条件で作製するなどして膜の暗
電流の減少を計る。 (b) 非晶質シリコン半導体の不純物ドープが可能
であることを利用し、電極、あるいは表面から
の電荷注入を阻止することにより光導電性を阻
害することなく見かけの暗導電率を低下させ
る。 本発明に於ては上記(b)の方法によりグロー放電
分解を用いて導電性支持体の導電性透明電極上に
ブロツキング層を成長させた。このブロツキング
層は次に設ける感光層への電荷の注入を阻止し、
光導電性を阻害することなく、見かけの暗電流率
を低下させる目的の層である。 まずこのブロツキング層（ｎ型非晶質シリコン
層）の最適混合ガス比及び膜厚を求める。 種々の混合比を持つガス（PH₃／SiH₄0〜
500Vppm）から0.2μ厚のブロツキング層を推積
し、続いて2μｍ厚の非晶質半導体感光層を積層
した感光体を用いて通常のビジコンを作製し、そ
の特性を調べた。 ここでは暗電流（id）をターゲツト電圧（V_T）
を変えて測定した（第１図参照）。 この結果PH₃／SiH₄〜200−300Vppmガス、特
に250Vppm、膜厚0.05〜0.2μｍ、特に0.2μｍの時
最良のブロツキング効果が得られた。本発明の不
純物ドープされた非晶質シリコンよりなるブロツ
キング層は抵抗率σ_KT＝10^-2〜10^-6（Ωcm）^-1のｎ
型のものであり、ドープする不純物としてはＰ、
Asなどが使用される。 次に感光層として用いる非晶質シリコン層の最
適膜厚を求めることにする。 感光層としては、フエルミ準位がほぼバンドの
中央に存在し、σ_RTがなるべく小さいものがよい。 感光層の光導電性ゲインはＰドープにより増加
するが、同時に暗電流率も増加するので、Ｐを多
量にドーピング（例、ブロツキング層の場合：
200〜300Vppm）したものは不適当である。 また、感光層として例えばｐ−ドープした非晶
質シリコンを用いた場合には、感光層より電極へ
の電荷の流れがブロツキング層により阻止される
ので、に多量のＰなどをドーピングすることは好
ましくない。したがつて本願発明の非晶質シリコ
ンよりなる感光層は全くドーピングしない場合、
少量Ｐをドープした場合（Ｐ−10≡PH₃／SiH₄
〜10Vppm）、少量Ｂをドープした場合（Ｂ−10、
20≡B₂H₆／SiH₄〜10、20Vppm）などが適当で
ある。 たとえばＢを少量ドープし、暗電流率を最少に
した時、すなわちB₂H₆／SiH₄〜10Vppm、膜厚
１〜10μｍ、特に2μｍのｉ型非晶質シリコン層が
実用上適当である。膜材料としてはPH₃／SiH₄
〜10Vppm、B₂H₆／SiH₄程度でσ_RT＝10^-8〜10^-11
（Ωcm）^-1のものが使用可能である。 以上の工程にて作成された２重構造の膜上に電
子ビーム走査時の電荷保持能を向上させるカバー
層を表１の条件で実験した。

【表】 なを、同試験はNHKビジコンターゲツト試験
用デマウンタブル装置を使用したものである。 ターゲツト基板は１インチφのものを用いた。 Ａ 暗電流id特性 表面層にカルコゲナイド蒸着膜を設けなかつ
た感光体（試料５、６、９）に関してはその撮
像試験の結果から、画像の“ボケ”が著るし
く、この目的には不適当であつた。その測定結
果を表６に示した。 それぞれの試料についてのid−V_T、および、
光照射時の信号電流i_s−V_T関係図を第２から第
１０図に示す。 表−１の試料７、８（第８図及び第９図）の
結果を比較すると、ブロツキング層厚が薄くな
ると、同じV_T値におけるid値の増加が顕著に
なる。すなわち、暗電流の阻止にブロツキング
層の存在が必須であり、この条件では〜0.1μｍ
厚でV_T＜80voltの条件でid〜数nAに保持する
ことが出来る。 カバー層に関しては、試料６（第７図）の結
果で認められるように、カルコゲナイド層の無
い場合でも、id−V_T特性に特別顕著な相違は
認められなかつたが、撮像試験ではこれらの感
光体では鮮明な画像は得られなかつた。 ａ−Seを用いた試料１（第２図）ではV_Tの増
加と共にidの急激な増加が認められ、他の試料
に比較し暗電流が高い。 ａ−As₂Se₃、ａ−As₂Se_1.5Te₁₅、Sb₂S₃、な
どをカバー層として用いた場合はいづれもV_T
〜50volt近傍までid値のV_T増加による、増加傾
向はゆるやかで、画像も鮮明であり、カバー層
としての役割をはたしている。この理由として
は、これら材料が電子の易効度が極めて小さい
Ｐ型の半導体特性を示すことから、表面からの
電子の注入を有効に阻害することに依る。 Ｂ 信号電流特性 本系感光体の特長の一つは添付図面に示すi_s
−V_T特性に有る。いづれの試料においても、
低いV_T値（V_T〜1volt）から光照射下におい
て、V_Tの増加と共にi_s値が急激に増加し、その
後i_s値はV_T値の増加と共に緩やかに増加する。
その増加率は； j_s∝V_T ⁿ（ｎ＜0.3） 程度で極めて低い。これは、感光層内で生成さ
れた光キヤリアがemission−limitedの条件で
生成輸送され、極めて高い効率で有効に表面電
荷の中和を行なつていることを示唆する。した
がつて、この構成の感光体では高感度に撮像で
きる。さらに、ａ−Si層で生成されるphoto−
holeのμt値は〜10^-7cm²／Ｖ程度であるのでこの
膜厚（数μｍ厚）程度であれば数voltの電圧で
十分輸送出来る。但し、ａ−Seを用いた試料
１のようにブロツキングが不完全であると、有
効な電界印加を阻害し、空間電荷を形成するこ
とで、光キヤリアの輸送を妨害し、加えて光キ
ヤリアの再結合を促進することで、その寿命を
短縮し、その結果i_s値を激減させ、感度を低下
させる。（第２図参照） ここで試験した試料２〜７の感光体は多少の
差は有るが、それぞれ図に示すような特性で、
上述のemission−limitedな光キヤリア輸送条
件が満たされている。 このことの裏付けとして、試料３、７のi_s値
の光強度依存性を第１１，１２図に示す。いづ
れも、i_s値はほぼ入射強度（Ｆ lux／cm²）に
比例して増加していることが分る。これは単に
光キヤリアの輸送過程がemission−limited過
程であることを示唆するだけでなく、撮像機能
が本系感光体で本質的に優れていることを示
す。 Ｃ 感光波長特性 試料３における各波長光照射時の光導電ゲイ
ン（Ｇ＝Jp／eNo）（V_T＝30V）を第１３図に
示す。ａ−Siの光学バンドギヤツプは1.6eVで
λ〜775nｍに相当するが、可視波長域（〜
700nｍ）までは高感度である。カバー層が0.2μ
ｍ厚の時（第１３図曲線Ａ）緑色−赤色光につ
いては高い感度が保たれるが、λ＝400〜500n
ｍの青色光に対する感度の低下が認められた。
この感度の低下の原因はブロツキング層での光
吸収が光電流に有効に関与しないことに因る。
したがつて、その膜厚を0.1μｍ以下にすること
によつて可視域全域に渡る高い光導電ゲインが
得られる（第１３図曲線Ｂ参照）。 Ｄ 撮像特性 解像力、残像、焼き付き効果など撮像機能に
関する実用上の諸特性に関し、表面層としてカ
ルコゲナイド薄膜を設けたものでは実用上十分
使用できる。 他方、試料５、６のようにカルコゲナイド層
の無いものでは得られた像の解像性は悪く、こ
の原因としては前記した様にａ−Siカバー層で
の電荷の横方向移動が高いためである。 以上の結果により本発明の光導電性薄膜は、 (1) 可視域の強い光吸収、高い光導電率 (2) 不純物ドープによる電導率制御能 (3) 均質大面積薄膜作製容易 (4) 廉価、無公害 などの利点があり、TV用撮像管に適している。
その光導電性薄膜の高感度であることを保持する
には； (1) 透明電極（SnO₂、In₂O₂など）上にブロツキ
ング用非晶質シリコン（Ｐドープ）層を設け
る。 非晶質シリコン（Ｐドープ）層としては
PH₃／SiH₄50〜500Vppm程度の混合ガスから
作製し、σ_RT、10^-6〜10^-2（Ωcm）^-1程度のｎ型非
晶質シリコン（Ｐドープ）を用いる。 その膜厚は出来るだけ薄いものが良く、
0.05μｍ厚以上必要である。 (2) 感光層としてはフエルミ準位がほぼバンドの
中央に存在し、σ_RTがなるべく小さいものがよ
い。 例としてnon−doped非晶質シリコン、Ｂ、
またはＰを少量（PH₃／SiH₄〜10Vppm、
B₂H₆／SiH₄〜10Vppm）程度でそのσ_RT値が
10^-8〜10^-11（Ωcm）^-1のものを用いる。 (3) カバー層としては非晶質カルコゲナイド
（Se、Sb₂S₃、As₂Se₃、As₂Se_1.5Te₁₅など）す
なわち電子の易効度が小さくホールのそれが大
なる材料の薄膜（〜0.2μｍ）を蒸着する。 以上の条件を満足した光導電性薄膜は、 (1) 暗電流idが〜数nAである。 (2) 信号電流〜200nA（4lux）と比較的高感度
（V_T〜10volt）が得られる。 (3) ターゲツト電圧V_Tが低い領域で大きな信号
電流が得られる。 (4) 信号電流（i_s）は入射光強度にほぼ比例す
る。 (5) 良好な（鮮明）な画像が撮像出来る。 (6) 感光波長域が可視部全域をカバーする。 (7) 作製が簡単で、ピンホールなどの心配は不用
で、コスト・大量生産面で他のターゲツト材料
より有効である。 (8) 熱特性は良好（耐熱性）である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ブロツキング層の膜厚及び層を作成
する時の混合ガス比を変えた時の暗電流−ターゲ
ツト電圧の関係を示す図。第２図から第１０図ま
では表−１に示した試料１から９までの暗電流
（信号電流）対ターゲツト電圧の関係を示す図。
第１１，１２図は試料３、７の光電面照度と信号
電流との関係を示す図。第１３図は試料３の光導
電ゲインを表わす図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 導電性支持体、不純物ドープされた非晶質シ
   リコンよりなり10^-2〜10^-6（Ωcm）^-1の抵抗率を有
   するブロツキング層、および20Vppm以下の量で
   Ｐ−またはＢ−ドープした非晶質シリコンよりな
   る感光層を含む感光体層を用いたテレビジヨン撮
   像管用光導電性薄膜。 ２ 導電性支持体、不純物ドープされた非晶質シ
   リコンよりなり10^-2〜10^-6（Ωcm）^-1の抵抗率を有
   するブロツキング層、20Vppm以下の量でＰ−ま
   たはＢ−ドープした非晶質シリコンよりなる感光
   層および電子保持作用を有するカバー層を含む感
   光体層を用いたテレビジヨン撮像管用光導電性薄
   膜。