(57)【要約】【課題】高感度の光電変換素子等を提供する。【解決手段】入射した光により電荷が発生する電荷発生層１３と、入射した光により近接場光が発生すると共に、発生した近接場光により電荷が発生する近接場光電変換層１４と、を備えた。電荷発生層１３は、アモルファスＳｅを主体として構成されていることが好ましく、この場合、近接場光電変換層１４は、入射した光のうち６００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長成分により近接場光が発生することが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光により電荷が発生する第１光電変換層と、
入射した前記光により近接場光が発生すると共に、発生した前記近接場光により電荷が発生する第２光電変換層と、
を備えたことを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
前記第１光電変換層は、アモルファスＳｅを主体として構成されており、
前記第２光電変換層は、前記光のうち６００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長成分により前記近接場光が発生することを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】
基板と、
前記第１光電変換層に電界を印加するための電極と、をさらに備え、
前記光の入射側から、前記基板、前記電極、前記第２光電変換層および前記第１光電変換層が、この順に設けられていることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項４】
基板と、
前記第１光電変換層に電界を印加するための電極と、をさらに備え、
前記光の入射側から、前記基板、前記電極、および前記第１光電変換層が、この順に設けられると共に、前記第２光電変換層が、前記第１光電変換層の中に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項５】
基板と、
前記第１光電変換層に電界を印加するための電極と、をさらに備え、
前記光の入射側から、前記基板、前記電極、前記第１光電変換層および前記第２光電変換層が、この順に設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光電変換素子。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の光電変換素子と、
前記光電変換素子に電子を放出する電子放出部と、
を備えたことを特徴とする撮像素子。
【請求項７】
請求項６に記載の撮像素子を、備えたことを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
複数の撮像素子と、
入射した前記光を、複数の分岐光に分光して前記複数の撮像素子に入射させる分光素子と、を備え、
前記複数の撮像素子のうち、少なくとも１つが、請求項６に記載の撮像素子で構成されていることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電変換を行う光電変換素子、該光電変換素子を備えた撮像素子、および該撮像素子を備えた撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、面板、ターゲット電極、および光導電膜が設けられたターゲット部と、ターゲット部に電子ビームを照射する走査電子ビーム発生部とを備えた撮像装置が知られている。この撮像装置では、ターゲット部に光が入射すると、ターゲット電極近傍の光導電膜内に入射光の光強度に応じた電荷（電子・正孔対）が生成する。このうち正孔は、アバランシェ増倍により増幅され、ターゲット部の電子ビーム照射側に蓄積する。そして、ターゲット部に蓄積した正孔と電子ビームの電子とが結合し、結合時に外部回路に流れる電流を出力として取り出すことで、入射光像に対応した映像信号が得られる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−０２９５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の撮像装置では、光導電膜（第１光電変換層）を構成するアモルファスＳｅ（セレン）の特性（バンドギャップが約２．０ｅＶ）上、波長４００ｎｍ前後に光電変換効率のピークを持っており、６２０ｎｍより長波長の６５０ｎｍ付近（赤色光）では、ほとんど光電変換が行われない。このため、赤色光に対する感度が低く、特に撮像装置のカラー化にあたって問題となる。この問題に対し、バンドギャップが約０．３ｅＶのＴｅ（テルル）を増感材として添加し、赤色光に対する感度の改善を図ることが提案されている。しかしながら、Ｔｅの添加量を増やすほど、暗電流が増加したり、焼き付きや画像欠陥（いわゆる白キズ）が発生したりするため、Ｔｅ添加による感度の改善には限界があった。
【０００５】
本発明は、高感度の光電変換素子、該光電変換素子を備えた撮像素子、および該撮像素子を備えた撮像装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の光電変換素子は、入射した光により電荷が発生する第１光電変換層と、入射した光により近接場光が発生すると共に、発生した近接場光により電荷が発生する第２光電変換層と、を備えたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態に係る撮像装置を示す図である。
【図２】撮像装置における各撮像素子の電子放出部を示す図である。
【図３】撮像装置の第１変形例に係る撮像素子を示す図である。
【図４】撮像装置の第２変形例に係る撮像素子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る光電変換素子、該光電変換素子を備えた撮像素子、および該撮像素子を備えた撮像装置について説明する。本実施形態の撮像装置は、例えばカラー撮像用のカメラであり、複数（例えば３つ）の撮像素子を備え、撮像対象物のカラーイメージデータを構成するものである。
【０００９】
図１に示すように、撮像装置１００は、ＲＧＢ３色に対応した３つの撮像素子１（赤用撮像素子１Ｒ、緑用撮像素子１Ｇおよび青用撮像素子１Ｂ）と、撮像対象となる物体から入射した光を、ＲＧＢ３色の分岐光に分光する光学素子２（例えば色分解プリズム）とを備えている。撮像装置１００では、撮像対象から入射した光が、光学素子２によってＲＧＢ３色の分岐光（赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂ）に分光され、赤色光Ｒが赤用撮像素子１Ｒに、緑色光Ｇが緑用撮像素子１Ｇに、青色光Ｂが青用撮像素子１Ｂに、それぞれ入射する。
【００１０】
各撮像素子１は、撮像対象となる物体からの光が入射する光電変換素子１０と、光電変換素子１０に近接して対向配置された電子放出部２０と、光電変換素子１０と電子放出部２０との間に離間配置され、放出された電子の軌道を制御するメッシュ電極３０とを備えている。
【００１１】
詳細は後述するが、光電変換素子１０では、入射した光により正孔が発生し、入射光像に対応した正孔パターンが光電変換素子１０の電子放出部２０側に蓄積する。一方、電子放出部２０は、光電変換素子１０に対し、メッシュ電極３０を介して電子を放出する。光電変換素子１０に蓄積した正孔と、電子放出部２０から放出された電子とが結合すると、外部回路に電流が流れ、これを出力として取り出すことで、入射光像に応じた映像信号が得られる。そこで、まず、電子放出部２０について説明する。
【００１２】
電子放出部２０は、熱電子源などを用いてもよいが、図２に示すように、冷陰極アレイ型のものを好適に用いることができる。電子放出部２０は、シリコン基板等で構成された電子放出基板２１と、電子放出基板２１上に作り込まれた駆動回路層（図示省略）と、駆動回路層上にマトリクス状に配置された複数（例えば６４０×４８０個）の電子源２２と、電子放出基板２１の周囲に形成された水平走査回路２３および垂直走査回路２４とを備えている。
【００１３】
各電子源２２は、図示省略したが、ＭＩＳ（Metal-Insulator-Semiconductor）型の冷陰極電子源で構成されており、下部電極や上部電極等を備え、上部電極に下部電極より高い電圧が印加されると、表面に複数（例えば３×３個）設けられたエミッションサイト２６（凹部）から電子が放出される。なお、下部電極は、電子源２２ごとに形成され、上部電極は全電子源２２共通である。
【００１４】
駆動回路層は、ＭＯＳ（Metal-Oxide-Semiconductor）トランジスタで構成されており、そのドレイン電極は、下部電極に、ゲート電極およびソース電極は、水平走査回路２３および垂直走査回路２４にそれぞれ接続されている。上部電極に正電圧を印加すると共に、外部からのクロック信号や同期信号等に基づいて水平走査回路２３および垂直走査回路２４により各電子源２２のドレイン電位を制御することで、各電子源２２から順次、電子を放出させることができる。放出された電子は、メッシュ電極３０を介して光電変換素子１０側に引き出され、光電変換素子１０の電荷発生層１３（後述する）に到達する。
【００１５】
次に、図１を参照して、光電変換素子１０および光電変換素子１０から出力される映像信号について説明する。各撮像素子１の光電変換素子１０は、透光性基板１１と、透光性電極膜１２と、電荷発生層１３とが、光入射側からこの順で設けられている。さらに、赤用撮像素子１Ｒの光電変換素子１０は、透光性電極膜１２と電荷発生層１３との間に、近接場光電変換層１４を備えている。赤用撮像素子１Ｒにおける電荷発生層１３が、特許請求の範囲における「第１光電変換層」の一例であり、近接場光電変換層１４が、特許請求の範囲における「第２光電変換層」の一例である。
【００１６】
透光性基板１１は、入射した光が透過する材料で構成されていればよく、撮像用途（光の波長）に応じて、ガラスや石英ガラスなどを適宜選択可能である。
【００１７】
透光性電極膜１２は、図示省略した接続端子を介して所定の正電圧が印加され、電荷発生層１３に高電界（例えば１０8Ｖ／ｍ以上）を生じさせる。透光性電極膜１２は、入射した光が透過し且つ電気抵抗の低い材料で構成されていればよく、例えば、ＩＴＯ(Indium Tin Oxide）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）、ＡＺＯ（Aluminium doped Zinc Oxide）などを用いることができる。
【００１８】
電荷発生層１３では、入射光により電荷（電子・正孔対）が発生するものであれば特に限定されないが、感度を向上すべく、発生した正孔を増幅させる作用を有するものが好ましく、例えば、アバランシェ増倍が生じるアモルファスＳｅを好適に用いることができる。
【００１９】
電荷発生層１３に光が入射すると、透光性電極膜１２近傍の電荷発生層１３内に入射光の光強度（光量）に応じた電子・正孔対が発生する。このうち正孔は、透光性電極膜１２を介して印加された高電界により加速され、Ｓｅ原子との衝突イオン化を繰り返すことで増幅する（アバランシェ増倍）。これにより、電荷発生層１３の電子放出部２０側には、増幅した正孔が蓄積し、入射光像を反映した正孔パターンが形成される。そして、上記した各電子源２２から順次放出された電子と、各電子源２２に対応した領域に蓄積された正孔とが順次結合する。この結合時に外部回路に流れる電流を出力として取り出すことで、入射光像に対応した映像信号が得られる。つまり、入射光像に対応した映像信号が、電子源２２単位で出力される。
【００２０】
なお、電荷発生層１３に各種特性を付与するために、アモルファスＳｅに各種添加物を添加してもよく、例えば、アモルファスＳｅの熱的安定性を向上させるために、Ａｓ（ヒ素）などを添加してもよく、電荷発生層１３内の電界を制御するために、フッ化物などを添加してもよい。各種添加物については、電荷発生層１３内で均一に含有されている必要はなく、膜厚方向に対して組成の分布が発生していてもよい。
【００２１】
さらに、電荷発生層１３は、アモルファスＳｅを主体とした層のほかに、各種機能を有する、他の材料で構成された層を有していてもよい。例えば、暗電流（ノイズ）の原因となる、外部から電荷発生層１３への正孔や電子の注入を阻止すべく、電荷発生層１３の透光性電極膜１２側に、ＣｅＯ2（酸化セリウム）などで構成された正孔注入阻止層を設けてもよく、電荷発生層１３の電子放出部２０側に、Ｓｂ2Ｓ3（硫化アンチモン）などで構成された電子注入阻止層を設けてもよい。
【００２２】
ここで、アモルファスＳｅは、上述したように高電界下でアバランシェ増倍を引き起こすが、他方、バンドギャップが約２．０ｅＶであるため、４００ｎｍ付近に光電変換効率のピークがあり、波長６２０ｎｍ以上の光に対してはほとんど光電変換が行われない。そのため、電荷発生層１３に緑色光Ｇや青色光Ｂが入射すると、正孔が蓄積するが、電荷発生層１３に赤色光Ｒが入射しても、正孔がほとんど蓄積しない。そこで、３つの撮像素子１のうち、赤用撮像素子１Ｒの光電変換素子１０は、入射した赤色光Ｒにより近接場光が発生すると共に、発生した近接場光により電荷（電子・正孔対）が発生する近接場光電変換層１４を備えている。
【００２３】
近接場光電変換層１４は、赤色光Ｒを含む６００ｎｍ〜７５０ｎｍの波長域の光が入射すると近接場光が発生するように、ナノ構造体で構成されている。近接場光電変換層１４の材質としては、近接場光により電荷が発生するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、金属、透明電極、半導体、導電性高分子などを用いることができる。
【００２４】
近接場光電変換層１４に赤色光Ｒが当たると、その表面（ナノ構造体）に近接場光が発生する。発生した近接場光（仮想光子）は、近接場光電変換層１４の表面にある自由電子と結び付き、ドレスト光子フォトン（ドレストフォトン）となる。このドレスト光子フォトンの近傍にある原子のエネルギー準位が励起され、電子・正孔対が生成する。この近接場光電変換層１４で発生した正孔についても、電荷発生層１３に注入されると、アバランシェ増倍により増幅する。
【００２５】
以上のように構成された各撮像素子１のうち、赤用撮像素子１Ｒでは、電荷発生層１３においては、入射した赤色光Ｒにより電荷がほとんど発生しないが、近接場光電変換層１４において、入射した赤色光Ｒにより近接場光が発生し、この近接場光により電荷が発生する。そして、近接場光電変換層１４で発生した正孔が、電荷発生層１３で増幅し、赤色光Ｒの光強度に応じた量の正孔が蓄積する。この正孔と電子とが結合することで、赤色光Ｒの光強度を反映した映像信号が出力される。この赤色映像信号に基づいて、赤色光Ｒの光強度を得ることができる。
【００２６】
また、緑用撮像素子１Ｇでは、緑色光Ｇが電荷発生層１３に入射すると、電荷発生層１３では、緑色光Ｇの光強度に応じた量の正孔が蓄積する。この正孔と電子とが結合することで、緑色光Ｇの光強度を反映した映像信号（緑色映像信号）が出力される。この緑色映像信号に基づいて、緑色光Ｇの光強度を得ることができる。同様に、青用撮像素子１Ｂに青色光Ｂが入射すると、青色光Ｂの光強度を反映した映像信号（青色映像信号）が得られ、青色映像信号に基づいて、青色光Ｂの光強度を得ることができる。
【００２７】
以上のように、本実施形態の撮像装置１００によれば、複数の撮像素子１のうち、赤用撮像素子１Ｒが、電荷発生層１３だけでなく、入射した赤色光Ｒにより近接場光が発生すると共に発生した近接場光により電荷が発生する近接場光電変換層１４を備えたことで、赤色光Ｒに対する感度を向上させることができる。さらに、緑用撮像素子１Ｇおよび青用撮像素子１Ｂから、緑色光Ｇの波長成分の光強度および青色光Ｂの波長成分の光強度を得ることができるため、これらに基づいて、撮像対象物のカラーイメージデータを構成することができる。
【００２８】
なお、緑用撮像素子１Ｇおよび青用撮像素子１Ｂについては、電荷発生層１３における光電変換効率の高い緑色光Ｇおよび青色光Ｂが入射するため、特に必要はないが、赤用撮像素子１Ｒと同様に、光電変換素子１０が近接場光電変換層１４を備えていてもよい。この場合、ナノ構造体の凹凸の大きさ（近接場光が最も多く発生する波長）を最適化することで、ドレスト光子フォトンが生成する光の波長を制御することができる。すなわち、赤用撮像素子１Ｒにおける近接場光電変換層１４と、赤用撮像素子１Ｒにおける近接場光電変換層１４と、緑用撮像素子１Ｇにおける近接場光電変換層１４と、青用撮像素子１Ｂにおける近接場光電変換層１４とで、ナノ構造体の凹凸の大きさを変えてやればよい。
【００２９】
そして、緑用撮像素子１Ｇが近接場光電変換層１４を備えた場合、近接場光電変換層１４においても電荷が発生することから、電荷発生層１３では、電荷発生層１３で発生した正孔に加え、近接場光電変換層１４で発生した正孔も増幅・蓄積するため、緑色光Ｇに対する感度をより向上させることができる。同様に、青用撮像素子１Ｂが近接場光電変換層１４を備えた場合、青色光Ｂに対する感度をより向上させることができる。
もちろん、ナノ構造体の凹凸の大きさ最適化することで、紫外線や赤外線を含め、ＲＧＢ以外の波長域に対する感度を向上させることも可能である。
【００３０】
続いて、本実施形態に係る光電変換素子１０の変形例について説明する。各変形例については、上記した撮像素子１と異なる点を中心に説明する。同様の構成部分については同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００３１】
第１および第２変形例の撮像装置１００は、赤用撮像素子１Ｒの光電変換素子１０において、近接場光電変換層１４の位置が、上記した光電変換素子１０と異なっている。
【００３２】
図３に示すように、第１変形例に係る赤用撮像素子１Ｒの光電変換素子１０は、光入射側から、透光性基板１１、透光性電極膜１２および電荷発生層１３が、この順に設けられると共に、近接場光電変換層１４を、電荷発生層１３の中に設けたものである。
【００３３】
図４に示すように、第２変形例に係る赤用撮像素子１Ｒの光電変換素子１０は、光入射側から、透光性基板１１、透光性電極膜１２、電荷発生層１３および近接場光電変換層１４が、この順に設けられている。すなわち、近接場光電変換層１４を、電子放出部２０側に設けたものである。
【００３４】
以上の第１変形例および第２変形例においても、赤用撮像素子１Ｒにおいて、光電変換素子１０が近接場光電変換層１４を備えたことで、赤色光Ｒに対する感度を向上させることができる。
【００３５】
なお、以上の実施形態およびその変形例においては、撮像装置１００が、複数の撮像素子１を備えた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、単一の撮像素子１を備えたものであってもよい。この場合、近接場光電変換層１４が、光の入射側から見て、入射光のうちのある波長成分（例えば赤色光Ｒ）により近接場光が発生すると共に発生した近接場光により電荷が発生する近接場領域と、入射光のうちの該波長成分（赤色光Ｒ）により近接場光が発生しない（電荷も発生しない）非近接場領域とに、例えばストライプ状やドット状に区分されていることが好ましい。この場合、撮像素子１では、近接場領域に入射した光に基づいて得られる映像信号（赤色光Ｒの波長成分の光強度を反映）と、非近接場領域に入射した光に基づいて得られる映像信号（赤色光Ｒの波長成分の光強度を反映していない）との差分により、赤色光Ｒの光強度を算出することができる。このようにすることで、単一の撮像素子１により、撮像対象物のカラーイメージデータを構成することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１：撮像素子、２：光学素子、１０：光電変換素子、１３：電荷発生層、１４：近接場光電変換層、２０：電子放出部、１００：撮像素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2014127444.tif 000006