(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性基板上に透光性電極膜、光電変換部及び電荷増倍部を順次積層し、前記電荷増倍部に対向して配置した電子源を有する撮像デバイスであって、前記光電変換部は少なくともＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物からなり、前記電荷増倍部は非晶質セレンを主体とする層から構成され、前記ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物の抵抗率が１０６Ωｃｍ以上１０１２Ωｃｍ以下であることを特徴とする撮像デバイス。
【請求項２】
前記ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物はバンドギャップが０．２５ｅＶ〜３．５ｅＶである半導体であることを特徴とする請求項１記載の撮像デバイス。
【請求項３】
前記ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物は非晶質であることを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の撮像デバイス。
【請求項４】
前記光電変換部はＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物からなる薄膜の膜厚は０．１ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の撮像デバイス。
【請求項５】
前記ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物はセレン単体よりも耐性が高いことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の撮像デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
画像を電気信号として読み出す撮像デバイスでは、ＣＣＤ固体撮像デバイスやＭＯＳ構造固体撮像デバイスが広く知られ、さらに、アバランシェ増倍現象を利用した撮像管も高感度撮像デバイスとして実用されている（例えば、特許文献１〜６、参照）。【０００３】
アバランシェ増倍現象を利用した撮像デバイスに使用される光電変換膜（光導電膜）には、セレンを主体とする非晶質膜がセレン化カドミウムなどＩＶ族、ＩＩＩ−Ｖ族、ＩＩ−ＶＩ族元素もしくはそれらの化合物をドーパントとして含むターゲットとして用いられている（例えば、特許文献４、５、６、参照）。【０００４】
かかるドーパント、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＣｄＴｅ、ＣｄＴｅなどは、可視光および近赤外光領域の、特に赤色増感効果を狙って用いられている。【０００５】
一方、広くＩＶ族、シリコンの光電変換膜が用いられている太陽電池の分野において、近年、Ｉ−ＩＩＩ−ＶＩ族、例えば、Ｃｕ（ＩｎｘＧａ（１−ｘ））Ｓｅ２（ただし０≦ｘ≦１）などカルコパイライト構造（ＩＩ−ＶＩ族原子などが構成するようなジンクブレンド構造を２段重ねてＩＩ族原子の位置にＩ族原子とＩＩＩ族原子を規則正しくならべた正方晶構造）の結晶または多結晶を用いた光電変換膜が注目されている（例えば、特許文献７〜１２、参照）。【０００６】
太陽電池の分野においても、光電変換膜、カルコパイライト構造の結晶やその周囲の低電気抵抗化が盛んに行われている（例えば、特許文献７、８、参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−６０４２４
【特許文献２】特開平７−２８０９５
【特許文献３】特開２００７−１５７４４１
【特許文献４】特開平７−１０５８６５
【特許文献５】特公平８−８０７６
【特許文献６】特開平６−９６６８８
【特許文献７】特開２００７−１２３７２０
【特許文献８】特開２００７−１２３７２１
【特許文献９】特許第２７１３７９９号
【特許文献１０】特許第２７１９０３９号
【特許文献１１】特開平１０−２１４９８６
【特許文献１２】特開平８−２３１１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
撮像デバイスの感度波長は、光導電膜にセレン（Ｓｅ）を使用すると、入射光の赤色領域の感度が悪い。光導電膜入射光側にテルル（Ｔｅ）などをドーピングすると、赤色領域の感度は向上するが、青色領域の感度が低下する。すなわち、非晶質セレンのバンドギャップは２．０ｅＶであるため、波長にして６２０ｎｍの赤色光領域の一部までにしか感度を有さない。赤色光に対する感度を向上する、バンドギャップを狭める、などためＴｅドーピングが成されているが、赤色領域と青色領域との感度でトレードオフが起こる。【０００９】
よって、赤色領域と青色領域の感度を共に向上することが従来、困難であった。【００１０】
カルコパイライト構造結晶はその光特性から太陽電池としても検討されているが、光電変換効率を向上するためにもカルコパイライト構造の低抵抗な多結晶で用いられることが一般的である。光導電膜に多結晶のカルコパイライト構造化合物を撮像デバイスの光導電膜に用いた場合、その抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０２Ωｃｍ程度であるため、入射光側の透光性電極からのキャリア注入が多量になり、暗電流が増加してしまう。結果として撮像デバイスとしてのＳ／Ｎ特性を損ねることになる。【００１１】
そこで本発明は、高いＳ／Ｎ比、光電変換効率を維持しつつ波長領域を拡大し得る撮像デバイスを提供することが一例として挙げられる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の撮像デバイスは、透光性基板上に透光性電極膜、光電変換部及び電荷増倍部を順次積層し、前記電荷増倍部に対向して配置した電子源を有する撮像デバイスであって、前記光電変換部は少なくともＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物からなり、前記電荷増倍部は非晶質セレンを主体とする層から構成され、前記ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物の抵抗率が１０６Ωｃｍ以上１０１２Ωｃｍ以下であることを特徴とする。【００１３】
本発明の撮像デバイスにおいては、前記ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物はバンドギャップが０．２５ｅＶ〜３．５ｅＶである半導体であることとすることができる。【００１４】
本発明の撮像デバイスにおいては、前記ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物は非晶質であることとすることができる。【００１５】
本発明の撮像デバイスにおいては、前記光電変換部はＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物からなる薄膜の膜厚は０．１ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることとすることができる。【００１６】
本発明の撮像デバイスにおいては、前記ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物はセレン単体よりも耐性が高いこととすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は本発明による実施形態の撮像デバイスの撮像プレートの断面図である。
【図２】図２は本発明による実施形態の撮像デバイスにおける光電変換部に求められる抵抗率を考察するため光電変換部膜厚に対する電気抵抗率の変化を示すグラフである。
【図３】図３はセレンに関する非晶質と結晶の暗電流の比較を示す電界強度に対する暗電流変化を示すグラフである。
【図４】図４は本発明による実施形態の撮像デバイスの電子源を示す断面図である。
【図５】図５は本発明による実施形態の撮像デバイスの電子源の電子源アレイチップとそれを制御するコントローラの構成を示すブロック図である。
【図６】図６は本発明による実施形態のアクティブ駆動型電子源アレイの構造を説明する図であって、電子源部分を模式的に示す拡大部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に本発明による実施形態の撮像デバイスを図面を参照しつつ説明する。
【００１９】
図１は、撮像デバイスにおける撮像プレートを説明するため概略構成断面図である。
【００２０】
撮像プレート１０は、撮影すべき物体からの入射光を受光する透光性基板１１上に、透光性基板１１上に、透光性電極膜１２、光電変換部１３および電荷増倍部１４が順次積層されて構成される。撮像デバイスは、この透光性電極膜１２、光電変換部１３および電荷増倍部１４を担持した基板１１と、その上の電荷増倍部１４に対向して配置された電子源２０とで構成される。電荷増倍部１４と電子源２０とは、例えば、真空空間４を介して離間している。
【００２１】
光電変換部１３は後に詳述するが、光電変換部１３以外を先に説明する。
【００２２】
（透光性基板１１）
透光性基板１１は、撮像プレート１０が撮像する波長の光、電磁波を透過する材料で形成されていればよい。例えば、可視光による撮像を行う場合には可視光を透過するガラスなどの材料で形成され、紫外光による撮像の場合には紫外光を透過するサファイア、石英ガラスなどの材料で形成されている。また、Ｘ線による撮像の場合には、Ｘ線を透過する材料、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）、シリコン（Ｓｉ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などで形成されていればよい。なお、透光性基板１１に入射する光は、紫外線、赤外線、可視光線、及びＸ線を含み、これらを総じて光と称する。
【００２３】
（透光性電極膜１２）
透光性電極膜１２は光を透過し電気抵抗の低い材料で形成されていればよい。透光性電極膜１２には接続端子（図示せず）を介して所定の正電圧が印加される。
【００２４】
たとえば、透光性電極膜１２は、波長が約４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光領域での平均透過率が８０％以上であり、抵抗率が１０−３Ωｃｍ以下の材料であれば何でも良く、例えばＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ  ｄｏｐｅｄ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）、ＧＺＯ（Ｇａｌｉｕｍ  ｄｏｐｅｄ  Ｚｉｎｃ  Ｏｘｉｄｅ）、ノンドープＺｎＯ、酸化スズ（ＳｎＯ２）、などが挙げられる。尚、特にこれらに限定するわけではなく、Ｘ線イメージングを目的とする場合、不要な可視光を透過せず、Ｘ線領域の波長を透過するような透光性電極膜であってもよい。その場合のＸ線透光性電極膜の材料例えばＡｌなどが挙げられる。なお、透光性電極膜のほか、いずれの薄膜の作製方法はスパッタリング、真空蒸着、ゾル−ゲル法、クラスタービーム蒸着、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などが挙げられる。
【００２５】
（電荷増倍部１４）
電荷増倍部１４がセレンを主体とするアバランシェ増倍を主に呈する層である。アバランシェ増倍では、入射光によって光電変換部１３で生成された電子正孔対がキャリアとなり、電子正孔のそれぞれが透光性電極膜１２及び電子源２０（例えば電子ビーム）の間の強電界で電荷増倍部内で加速され、インパクトイオン化によって新たな電子正孔対を生成し、さらにインパクトイオン化が新たなキャリアごとに次々と繰り返され、キャリアの数が指数関数的に増え大電流が流れる。電荷増倍部１４は、非晶質でセレンを主成分としたカルコゲナイド系化合物から形成され、特に電界緩和を目的とした正孔の捕獲準位をセレン中に形成する物質を含む。正孔捕獲準位を形成する物質としては、例えばＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｔｌ及びそれらのフッ化物、及びＡｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｐｂ、Ｃｅのフッ化物からなる群から選ばれた少なくとも１つが有効である。フッ化物としては、ＬｉＦ、ＮａＦ、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＢａＦ２、ＡｌＦ３、ＣｒＦ３、ＭｎＦ２、ＣｏＦ２、ＰｂＦ２、ＴｌＦ、ＫＦのようなストイキオメトリーな組成でもよいが、組成がずれたものでもよい。更に膜厚方向に対して組成の分布が発生していてもよい。
【００２６】
（電子源２０）
電子源２０としては、電荷増倍部１４で増幅された正孔と結合できる電子を供給できれば、電子源は何を用いてもよい。点電子源、面電子源、電子源アレイの何れでもよいし、電子源の陰極として熱陰極、光陰極、冷陰極なども特に制約は無い。熱陰極としては、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯ、ＴｈＯ２、Ｗ、ＬａＢ６、ＣｅＢ６、ＴｉＣ、ＺｒＣなどが挙げられる。光陰極としては、Ｋ２ＣｓＳｂ、ＫＣｓＴｅ、ＧａＡｓ（Ｃｓ、Ｆ）が挙げられる。冷陰極としてはＣＮＴ（カーボンナノチューブ）、ＭＩＭ（金属絶縁体金属）、ＭＩＳ（金属絶縁体半導体）、スピント型などが挙げられる。
【００２７】
さらに、電子源２０としては、真空空間を設けず、この基板１１の電荷増倍部１４へ、インジウム（Ｉｎ）などの金属を介して画素毎に点接続して電子を直接供給する固体走査装置も挙げられる。点接続した固体走査装置には画素毎に高い電圧に耐える、例えばＭＯＳ（金属酸化物半導体）トランジスタが設けられ、複数画素がマトリクスアレイ配置されてマトリクス駆動される。
【００２８】
（その他）
光電変換部１３の透光性電極膜１２側には、透光性電極膜１２から光電変換部１３への正孔注入を阻止するためのＣｅＯ２などの正孔注入阻止層を設けることができる。正孔注入阻止層のＣｅＯ２は非晶質であることが望ましいが、多結晶であってもよい。
【００２９】
さらに、電荷増倍部１４の電子供給側には、電荷増倍部１４への電子注入を阻止するためのＳｂ２Ｓ３、Ｉｎ２Ｓ３などの電子注入阻止層を設けることができる。電子注入を阻止するため、電子注入阻止層は、結晶体よりは非晶質が望ましく、また反射電子を生じないためにも多孔質化されていることが望ましい。
【００３０】
電荷増倍部１４には耐熱性を向上するためのＡｓ２Ｓｅ３、ＧｅＳｅ、Ｇａ、ＧａＳｅの少なくとも１つを含む。尚、ストイキオメトリ組成でもよいが、化学量論的組成がずれたものでもよい。更に膜厚方向に対して組成の分布が発生していてもよい。また、特に完全な非晶質である必要は無く、高抵抗を維持するために微結晶化されているか、非晶質に近い多結晶であってもよい。
【００３１】
（光電変換部１３）
光電変換部１３は、入射光を吸収してキャリアの大部分を発生して、セレンを主体とした電荷増倍部１４へ供給する感光薄膜である。
【００３２】
光電変換部１３はＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物からなる。ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物からなる光電変換部１３は１０６Ωｃｍ以上１０１２Ωｃｍ以下の抵抗率となるように成膜される。
【００３３】
光電変換部１３としてのＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物は、ＣｕＡｌＳ２、ＣｕＡｌＳｅ２、ＣｕＡｌＴｅ２、ＣｕＧａＳ２、ＣｕＧａＳｅ２、ＣｕＧａＴｅ２、ＣｕＩｎＳ２、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＩｎＴｅ２、ＣｕＩｎＧａＳｅ２、ＡｇＡｌＳ２、ＡｇＡｌＳｅ２、ＡｇＡｌＴｅ２、ＡｇＧａＳ２、ＡｇＧａＳｅ２、ＡｇＧａＴｅ２、ＡｇＩｎＳ２、ＡｇＩｎＳｅ２、ＡｇＩｎＴｅ２などが挙げられる。
【００３４】
さらに、光電変換部１３としてのＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系化合物は、ＺｎＳｉＰ２、ＺｎＳｉＡｓ２、ＺｎＧｅＰ２、ＺｎＧｅＡｓ２、ＺｎＳｎＰ２、ＺｎＳｎＡｓ２、ＺｎＳｎＳｂ２、ＣｄＳｉＰ２、ＣｄＳｉＡｓ２、ＣｄＧｅＰ２、ＣｄＧｅＡｓ２、ＣｄＳｎＰ２、ＣｄＳｎＡｓ２などが挙げられる。
【００３５】
さらに、光電変換部１３としてのＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物は、ＺｎＡｌ２Ｓｅ４、ＺｎＡｌ２Ｔｅ４、ＺｎＧａ２Ｓ４、ＺｎＧａ２Ｓｅ４、ＺｎＧａ２Ｔｅ４、ＺｎＩｎ２Ｓｅ４、ＺｎＩｎ２Ｔｅ４、ＣｄＡｌ２Ｓ４、ＣｄＡｌ２Ｓｅ４、ＣｄＡｌ２Ｔｅ４、ＣｄＧａ２Ｓ４、ＣｄＧａ２Ｓｅ４、ＣｄＧａ２Ｔｅ４、ＣｄＩｎ２Ｔｅ４、ＨｇＡｌ２Ｓ４、ＨｇＡｌ２Ｓｅ４、ＨｇＡｌ２Ｔｅ４、ＨｇＧａ２Ｓ４、ＨｇＧａ２Ｓｅ４、ＨｇＧａ２Ｔｅ４、ＨｇＩｎ２Ｓｅ４、ＨｇＩｎ２Ｔｅ４などが挙げられる。
【００３６】
これらのＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物はバンドギャップを０．２５ｅＶ〜３．５ｅＶを有する。
【００３７】
光電変換部１３のＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物の抵抗率を１０６Ωｃｍ以上１０１２Ωｃｍ以下としているのは、光電変換部１３の電気抵抗Ｒがセレン電荷増倍部１４のものより低いと電流注入起因の暗電流が大きくなり、一方、光電変換部１３の電気抵抗Ｒが高いと光電変換部１３中でアバランシェ増倍現象が生じ、暗電流が大きくなることを、回避するためである。ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物からなる光電変換部１３の膜厚は光電変換するためには３００ｎｍ程度必要である。そこで、光電変換部１３の方が電荷増倍部１４より抵抗が高いと、光電変換部１３に強電界が印加されるので、それを防ぐため、ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物の光電変換部１３の抵抗率は少なくともセレン電荷増倍部１４との膜厚比以下であることが望ましい。ここで、導体の電気抵抗率ρは、ρ＝ＲＳ／Ｌ［Ωｍ］（ただし、Ｒは電気抵抗［Ω］、Ｓ［ｍ２］は導体の断面積、Ｌ［ｍ］は導体の長さを示すが、ここで、電荷増倍部１４と光電変換部１３の断面積は等しく、長さＬが膜厚となる）で表わされる。よって、非晶質セレンの抵抗率を１０１２Ωｃｍ、光電変換部１３の膜厚３００ｎｍ、増倍率２００のセレン電荷増倍部１４を１５μｍ＝１５０００ｎｍとした場合、光電変換部１３の抵抗率は１０１２×１５０００／３００＝５×１０１３［Ωｃｍ］以下であることが望ましい。
【００３８】
ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物の光電変換部１３の求められる抵抗率を、光電変換部１３の原子層レベル膜厚（０．１ｎｍ）から１０００ｎｍ程度の膜厚範囲で変化させグラフ化し考察してみる。図２は、グラフ縦軸にかかる光電変換部１３の求められる抵抗率を、横軸に光電変換部１３の膜厚を示す膜厚に対する電気抵抗率の変化を示すグラフである。
【００３９】
グラフ中の上方の線がセレン電荷増倍部が膜厚１５０００ｎｍとなる場合の限界線であり、グラフ中の下方の線がセレン電荷増倍部が原子層レベル膜厚となる場合の限界線である。Ａ点では抵抗率上限でセレン電荷増倍部膜厚が１５０００ｎｍで殆んどがＳｅあり、Ｂ点ではセレン電荷増倍部膜厚が１５０００ｎｍでＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物膜厚が同等あり、Ｃ点ではセレン電荷増倍部膜厚が原子層レベルでＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物膜厚が同等あり、Ｄ点では抵抗率下限でセレン電荷増倍部膜厚が原子層レベルで殆んどがＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物となっている。
【００４０】
グラフ中の直線ＥＦは物理的なＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物の抵抗率の上限（＝非晶質セレンの抵抗率１０１２Ωｃｍ）を示す。
【００４１】
グラフから明らかなように、ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物の抵抗率は、暗電流を低減するために非晶質セレンの膜厚が０．１ｎｍ程度の時の６．６７×１０５Ωｃｍ以上かつセレン膜厚が１５０００ｎｍの時にＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物内でアバランシェ増倍現象を起さない１．５×１０１７Ωｃｍ以下であることが望ましい（グラフ中のＡＢＣＤで囲まれた領域）ことが分かる。
【００４２】
ただし、非晶質ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物は、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｇａの金属を有するため、非晶質セレンよりも高い抵抗率を有することはない。以上より、グラフ中の直線ＥＦの下領域が実現可能な抵抗率であり、光電変換部１３の抵抗率が１０６Ωｃｍ〜１０１２Ωｃｍが好適である。
【００４３】
よって、光電変換部１３のＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物が高抵抗（１０６Ωｃｍ以上）であることにより、暗電流が従来の非晶質セレンのみからなる光電変換膜より低減でき、Ｓ／Ｎ比を高く取ることができる。
【００４４】
また、光電変換部１３のＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物の抵抗率を非晶質セレンのもの（１０１２Ωｃｍ）より小さくすることで、高電界を印加した時にＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物内でアバランシェ増倍が生じるのを防ぐことができる。
【００４５】
一般的に太陽電池向けに採用されているＣｕ（Ｉｎｘ、Ｇａ（１−ｘ））Ｓｅ２（ただし、０≦ｘ≦１）はカルコパイライト構造の多結晶であるため、抵抗率が低いが、本発明では暗電流を抑制するためにも高抵抗が望ましく、非晶質として使用する。同様に、ＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系ではデフェクトカルコパイライト構造の結晶が知られているが、ＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物も非晶質として使用する。すなわち、ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物は、抵抗率を高めるために多結晶とはせずに、微細結晶が含まれる場合があるが、光電変換部１３としてはほとんど非晶質化されていることが好ましい。
【００４６】
セレンの結晶粒径は数１０００ｎｍオーダーであり、ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物の結晶粒径も同等であると考えられるが、ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物からなる光電変換部１３の膜厚は０．１ｎｍ〜１０００ｎｍ程度とすると、結晶化が生じると膜厚以上の高さとなってしまう。従って、暗電流を増大させるため、結晶よりも非晶質であることが望ましい。参考として、図３はセレンに関する非晶質と結晶の暗電流の比較を示す電界強度に対する暗電流変化を示す。
【００４７】
ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物からなる光電変換部１３の膜厚は０．１ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であることが好ましいが、０．１ｎｍの原子層レベル厚があれば光電変換が行われ、そして、ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物のバンドギャップ０．２５ｅＶ〜３．５ｅＶは波長変換すると２００ｎｍ〜２８００ｎｍの領域をカバーする。よって、可視光から近赤外領域を考えると１０００ｎｍ程度であり、非晶質セレンの光吸収係数は波長の長い赤色光でも７０００ｃｍ−１であるため、その進入長（光吸収係数の逆数）より膜厚上限は１５００ｎｍであることが好ましい。
【００４８】
以上、実施形態によれば、撮像デバイスの感光波長領域の拡大の効果が得られる。光電変換部（光キャリア発生層）にＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物（例えば、ＣｕＩｎＧａＳｅ２）を活用する場合、ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物のバンドギャップは１．４ｅＶ〜１．５ｅＶであるため、波長にして９００ｎｍ程度の近赤外線光を中心とした、可視光から近赤外線光に感度を有することになる。更に、Ｇａ組成を変動することで、バンドギャップを操作することが可能であるため、特異の波長に感度ピークを持たせることが可能となる。
【００４９】
さらに、実施形態によれば、撮像デバイスの耐性の強化の効果も得られる。ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物は金属類が混合されているため、耐熱性も先の非晶質セレンより経年劣化が軽く安定である。また、ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物は耐放射線特性が良好であるため、宇宙用太陽電池としての応用も期待されている材料である。単独の非晶質セレンよりも耐環境特性が良好であり、幅広い応用が期待できる。更に、光吸収係数が高く、例えばＳｉの１００倍程度であるため、光電変換に必要な膜厚が薄くできるため、原料使用量も少なくでき、環境負荷も低減できる。基板を選ばないため、光電変換装置としての一般的な基板であるガラス、更なる高効率の光電変換装置としてのＦＯＰ（Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｌａｔｅ）基板、Ｘ線検出へ有効であるＢｅ基板などの多種用途へ向けた作製が可能である。なお、放射線とはＸ線、γ線などの電磁波並びにα線、β線、中性子線等の粒子線の総称をいい、耐放射線性とは、たとえば有機材料の場合、放射線による高分子鎖の間の結合（架橋）と分子鎖の切断及び二重結合等の不飽和結合の増大により力学特性が低下するが、無機系では、電気特性も変化するので、経時変化の出力信号電圧の低下を耐放射線特性の評価基準としている。
【００５０】
またさらに、実施形態によれば、撮像デバイスの非晶質膜採用による成膜方法の拡大の効果も得られる。ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物はその光特性から化合物系の太陽電池としても検討されているが、光電変換効率を向上するためにも低抵抗、多結晶で用いられることが一般的である。本発明において、光電変換部に多結晶のＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物を用いた場合、抵抗率が１０Ωｃｍ〜１０２Ωｃｍ程度であるため、透光性電極膜１２からのキャリア注入が多量になり、暗電流が増加してしまう。結果として光電変換装置としてのＳ／Ｎ特性を損ねることになるため、ＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系又はＩＩＢ−ＩＶＢ−ＶＢ族系又はＩＩＢ−ＩＩＩＢ−ＶＩＢ族系化合物は抵抗率を高めるために非晶質であることが望ましい。尚、非晶質のセレン単体では抵抗率は１０１２Ωｃｍと非常に高い。更に、本発明用途での非晶質でよいという点は、成膜方法の幅も広げることになり、蒸着法以外にスパッタリングによる成膜なども適用が可能となる。
【００５１】
（撮像デバイスの変形例）
以下に本発明の実施形態の撮像デバイスの変形例を図面を参照しつつ説明する。なお、実施形態は例示に過ぎずこれらに本発明は制限されないことはいうまでもない。
【００５２】
図４は、撮像プレート１０（ガラス基板１１、透光性電極膜１２、ＣｕＩｎＧａＳｅ２光電変換部（図示せず）および非晶質Ｓｅ電荷増倍部１４を担持）が、真空空間４を介して、電子源２０の電子源アレイと対向する撮像デバイスを示す断面図である。
【００５３】
光電変換部には、透光性基板１１に設けられた接続端子Ｔ１を介して所定の正電圧が印加される。
【００５４】
電荷増倍部１４と電子源の電子源アレイ２０の間の真空空間４に配置されたメッシュ金属電極１９には、複数の貫通開口が設けられている。メッシュ電極１９には接続端子（図示せず）を介して所定の正電圧が印加される。メッシュ電極は、電子加速及び余剰電子回収のために設けられる中間電極である。これにより、電子ビームの方向性を良くして解像度を改善することができる。
【００５５】
図５は、本発明による実施形態の撮像デバイスの電子源の電子源アレイチップとそれを制御するコントローラの構成を示すブロック図である。
【００５６】
電子源アレイチップ２４は、電子源を駆動するＭＯＳトランジスタのゲート電極はＸ走査ドライバ（水平走査回路）に接続され、ソース電極はＹ走査ドライバ２２（垂直走査回路）に接続され、点順次走査がなされる。Ｙ走査ドライバ及びＸ走査ドライバは電子源アレイチップ２４上に電子源アレイと一体に、１チップとして構成されている。
【００５７】
図４に示すように、電子源アレイチップ２４は、ガラスハウジング１０Ａ内にサポート２５上に設けられている。電子源アレイチップ２４の駆動に必要な信号や電圧などはガラスハウジング１０Ａに設けられた接続端子（図示せず）を介して供給される。
【００５８】
これら電子源アレイチップ２４と透光性基板１１は、真空空間４を挾み略平行に配置され、フリットガラスまたはインジウムメタルによってシールされた透光性基板１１とガラスハウジング１０Ａ内に真空封入されている。
【００５９】
この撮像デバイスは、光軸（Ｚ方向）に垂直な平面（ＸＹ平面）に複数の電子源が配列された電子源アレイ２０と、光軸上に空間を隔てて電子源アレイ２０に対向して配置された透光性基板１１（電荷増倍部１４−光電変換部１３）と、を含み、電子源を点順次走査して電子を電荷増倍部１４−光電変換部１３へ放出して、透光性基板１１からの光入射により電荷増倍部１４−光電変換部１３上に投影された光学像に対応した電気信号として出力するものである。
【００６０】
図５に示すように、電子源３１の複数が基板平面（ＸＹ平面）にマトリクス状に配置され電子源アレイ２０を構成している。電子源アレイ２０及びこれを駆動するＹ走査ドライバ２２、Ｘ走査ドライバ２３を含む電子源アレイチップ２４として１チップとして構成されている。なお、コントローラ２６や、その他の回路が当該チップ上に設けられていてもよい。
【００６１】
チップ上面に形成されている電子源アレイ２０は、Ｓｉウェハ上に形成した駆動回路ＬＳＩ上に電子源アレイを直接積層して一体化したアクティブ駆動型電界放出アレイ（ＦＥＡ：Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｔｔｅｒ  Ａｒｒａｙ）として構成され、点順次スキャンがなされる撮像動作の高速駆動（例えば、１つの電子源３１の駆動パルス幅が数１０ｎｓ）に対応することができる。電子源アレイ２０は、Ｙ方向（垂直方向）及びＸ方向（水平方向）にそれぞれｎライン及びｍラインの走査駆動線（以下、走査ラインという。）に接続されたｎ行及びｍ列（画素数はｎ×ｍ）からなるマトリクス配列の複数の電子源３１から構成されている。
【００６２】
また、電子源アレイ２０の電子源３１の数は、例えば、１９２０×１０８０個であり、１つの電子源３１のサイズは２０×２０μｍ２である。１電子源３１の表面部には、電子放出のための開口部である電子放出部９１が設けられている。例えば、１電子源３１の８×８μｍ２の領域には、電子源の直径が約１μｍである電子放出部９１（１μｍφ）が３×３個形成されている。１つの電子放出部９１からは、例えば、数マイクロアンペア（μＡ）の電子流が放出される（放出電流密度は、約４Ａ／ｃｍ２）。なお、本実施例において示す数値は単なる例示に過ぎず、撮像プレートが用いられる装置、撮像プレートの解像度、感度などに応じて、適宜変更して適用することが可能である。
【００６３】
Ｙ走査ドライバ２２及びＸ走査ドライバ２３はコントローラ２６からの垂直同期信号（Ｖ−Ｓｙｎｃ）、水平同期信号（Ｈ−Ｓｙｎｃ）、クロック信号（ＣＬＫ）などの制御信号に基づいて点順次走査及び電子源３１の駆動を行う。すなわち、Ｙ方向に走査ライン（Ｙｊ、ｊ＝１、２、．．、ｎ）を順次走査し、ある１つの走査ライン（Ｙｋとする）の選択時にＸ方向に走査ライン（Ｘｉ、ｉ＝１、２、．．、ｍ）を順次走査して当該走査ライン（Ｙｋ）上の各電子源３１を選択駆動することによって点順次走査を実行する。そして、電子を放出させる電子源３１のスイッチングはＭＯＳトランジスタのドレイン電位、すなわち、電子源３１の各電子源３１の下部電極の電位を走査ラインで制御することによって行われる。
【００６４】
図６は、アクティブ駆動される電子源アレイにおける電子源３１とそのスイッチングのためＭＯＳトランジスタを説明する拡大部分断面図であって、上記の電子源アレイチップ２４の電子源３１の部分を拡大してある。シリコン素子基板３０に形成された電子源アレイの電子源３１は、ＭＯＳトランジスタアレイからなる駆動回路やこれを駆動制御するＹ走査ドライバ及びＸ走査ドライバとを素子基板３０に形成した後、その上部に形成されている。
【００６５】
上部電極３６は、例えばＹ走査ドライバに接続され、それぞれに所定信号が印加される。下部電極３３は例えばＸ走査ドライバに接続され、垂直方向走査パルスに同期してそれぞれに所定信号が印加される。下部電極３３並び上部電極３６の交点が電子放出部９１の配置に対応するので、実施形態の撮像プレートにおいては、下部電極及び上部電極３６により電子放出部９１が順次駆動され、放出電子で近接した光電変換膜領域を走査して、光電変換膜に結像された画像から光電変換された映像信号を得る。
【００６６】
図６に示すように、電子源３１は、下部電極３３、電子供給層３４、絶縁体層３５、例えばタングステン（Ｗ）からなる上部電極３６、炭素層３７の積層構造からなるＭＩＳ（金属絶縁体半導体）型の電子源である。電子源アレイ２０の上部電極３６はラインごと共通になっており、下部電極３３および電子供給層３４を分割して各電子源３１を電気的に分離している。電子供給層３４まで絶縁体層３５及び上部電極３６を貫通する凹部９１が電子放出部である。
【００６７】
シリコン素子基板３０には複数のＭＯＳＦＥＴでは、シリコン素子基板３０中に素子分離膜７７が形成されており、これら素子分離膜７７間のシリコン素子基板３０上にゲート絶縁膜７４とポリシリコンからなるゲート電極７５とが形成されている。また、ゲート電極７５と素子分離膜７７とをマスクとしてシリコン素子基板３０に不純物を導入しこれを活性化することで、ソース電極７２とドレイン電極７６とが自己整合的に形成されている。下部電極３３は、層間絶縁膜７０を貫通しているコンタクトホール７１内のタングステンなどの金属を介してドレイン電極７６へ導通している。下部電極３３ごとに電子源３１が分離独立して、形成されている。下部電極３３上に、電子供給層３４、絶縁体層３５及び上部電極３６が順に積層されて、凹部として電子放出部９１が形成され炭素層３７で覆われている。電子源３１の間は電子供給層３４のエッチングにより除去された拡大開口空間８０で分離されている。電子供給層３４は下部電極３３と同様に電子源３１毎に分離独立しているが、上部電極３６のブリッジ部３６ａが、空間上に架設され、隣接する電子源３１を電気的に接続している。電子放出部９１の上部電極３６の上に炭素層３７が成膜されている。
【００６８】
図４に示す撮像プレート１０において、外部からの光が透光性基板１１と透光性電極膜１２を経て光電変換部１３と電荷増倍部１４に入射すると、透光性電極膜１２近傍の光電変換部１３内部に入射光量に応じた電子正孔対が生成される。このうち正孔は透光性電極膜１２を介して電荷増倍部１４と光電変換部１３に印加された強い電界によって加速され、電荷増倍部１４を構成する原子と次々衝突して新たな電子正孔対を生み出す。このように、アバランシェ増倍され、この際の電流が入射光像に応じた映像信号として透光性電極膜１２から出力される。
【符号の説明】
【００６９】
４  真空空間
１０  撮像プレート
１１  透光性基板
１０Ａ  ハウジング
１３  光電変換部
１４  電荷増倍部
１２  透光性電極膜
１１  透光性基板
１９  メッシュ電極
２０  電子源アレイ
２２  Ｙ走査ドライバ
２３  Ｘ走査ドライバ
２４  電子源アレイチップ
２５  サポート
２６  コントローラ
３０  素子基板
３１  電子源
３３  下部電極
３４  電子供給層
３５  絶縁体層
３６  上部電極
３６ａ  ブリッジ部
３７  炭素層
７７  素子分離膜
７４  ゲート絶縁膜
７５  ゲート電極
７２  ソース電極
７６  ドレイン電極
７０  層間絶縁膜
７１  コンタクトホール
８０  拡大開口空間
９１  電子放出部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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