(57)【要約】【課題】アモルファスセレンの結晶化による白キズの発生を防止しつつ、残像や焼付の発生を低減することができる光電変換素子等を提供する。【解決手段】アモルファスセレンを主体として構成され、入射した光により電荷が発生する光電変換層１３を、備え、光電変換層１３は、入射側とは反対側寄りにおいて、ヒ素を含有した第一ヒ素含有領域１３１と、第一ヒ素含有領域１３１とは異なる濃度のヒ素を含有した第二ヒ素含有領域１３２と、硫化物で構成された硫化物領域１３３と、を入射側からこの順に有する。【選択図】図１
2014143261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファスセレンを主体として構成され、入射した光により電荷が発生する光電変換層を、備え、
前記光電変換層は、前記入射側とは反対側寄りにおいて、
ヒ素を含有した第一ヒ素含有領域と、
前記第一ヒ素含有領域とは異なる濃度のヒ素を含有した第二ヒ素含有領域と、
硫化物で構成された硫化物領域と、
を前記入射側からこの順に有することを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】
前記第一ヒ素含有領域および前記第二ヒ素含有領域のうちの一方の領域は、ヒ素の含有濃度が、０．１重量％以上且つ３重量％以下であり、
前記他方の領域は、ヒ素の含有濃度が、前記一方の領域よりも高く且つ４０重量％以下であ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】
前記第一ヒ素含有領域が、前記他方の領域であり、
前記第二ヒ素含有領域が、前記一方の領域であることを特徴とする請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記第一ヒ素含有領域が、前記一方の領域であり、
前記第二ヒ素含有領域が、前記他方の領域であることを特徴とする請求項２に記載の光電変換素子。
【請求項５】
請求項１ないし４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対し、前記入射側とは反対側から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。
【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および該光電変換素子を備えた撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、アモルファスセレンを主体として構成され、入射した光により電荷が発生する非晶質光導電膜を有するターゲット部と、ターゲット部に対して光入射側とは反対側から電子ビームを走査する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、非晶質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、高電界が印加された非晶質光導電膜において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走査側に蓄積する。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。
非晶質光導電膜は、ヒ素を１０〜４０重量％含有した耐熱強化層と、ビームランディング層とを、光入射側からこの順に有している。この耐熱強化層により、画像欠陥（いわゆる白キズ）の原因となる、アモルファスセレンの熱的変化（結晶化）が防止されている。ここで、ヒ素は、アモルファスセレン中において電子捕獲準位を形成することから、非晶質光導電膜の膜厚方向の全領域に添加すると残像や焼付が生じてしまうため、ヒ素を含有する耐熱強化層が、非晶質光導電膜の一部（光入射側とは反対側寄り）に設けられている（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２００２−３１９３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のターゲット部（光電変換素子）では、電子ビーム発生部（電子放出部）から放出された電子が、ビームランディング層（走査側硫化物領域）において正孔と結合する場合には、残像や焼付が生じることがないが、実際には、耐熱強化層（第二ヒ素含有領域）に電子が進入する場合がある。特に進入した電子が多い場合には、耐熱強化層に１０〜４０重量％をも含有されるヒ素が形成する電子捕獲準位に、該電子が捕獲されるため、残像や焼付が生じてしまっていた。
【０００５】
本発明は、アモルファスセレンの結晶化による白キズの発生を防止しつつ、残像や焼付の発生を低減することができる光電変換素子およびこれを備えた撮像素子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、アモルファスセレンを主体として構成され、入射した光により電荷が発生する光電変換層を、備え、光電変換層は、入射側とは反対側寄りにおいて、ヒ素を含有した第一ヒ素含有領域と、第一ヒ素含有領域とは異なる濃度のヒ素を含有した第二ヒ素含有領域と、硫化物で構成された硫化物領域と、を入射側からこの順に有することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態に係る撮像素子を示す断面図である。
【図２】電子放出部を示す図である。
【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および該光電変換素子を備えた撮像素子について説明する。本実施形態の撮像素子は、カメラ等の撮像装置に組み込まれ、撮像対象物の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。
【００１０】
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について簡単に説明する。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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の光電変換層１３（後述する）に到達する。
【００１４】
次に、図１を参照して、光電変換素子１０について説明する。光電変換素子１０は、光入射側から、透光性基板１１と、透光性電極膜１２と、光電変換層１３とを、この順に備えている。
【００１５】
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。
【００１６】
透光性電極膜１２は、例えば厚さ１５〜３０ｎｍに形成されると共に、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、光電変換層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。また、透光性電極膜１２を金属薄膜で構成することも可能である。
【００１７】
光電変換層１３は、アモルファスセレンを主体とした材料で構成されており、入射光により電荷（電子・正孔対）が発生すると共に、発生した正孔が増幅するようになっている。すなわち、光電変換層１３に光が入射すると、透光性電極膜１２近傍の光電変換層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、光電変換層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。
【００１８】
光電変換層１３は、光入射側から、光導電領域１３０と、第一ヒ素含有領域１３１と、第二ヒ素含有領域１３２と、硫化物領域１３３とが、この順に、それぞれ層状に形成されている。詳細は後述するが、第一ヒ素含有領域１３１および第二ヒ素含有領域１３２に含有させたヒ素により、光電変換層１３を構成するアモルファスセレンの結晶化が抑制されている。
【００１９】
続いて、光電変換層１３における各領域について説明する。まず、光導電領域１３０は、アモルファスセレンで構成されているが、必要に応じ、ヒ素などの各種の添加物を含有していてもよい。
【００２０】
硫化物領域１３３は、硫化物（例えば硫化アンチモン）で構成されており、電子放出部２０から放出された電子をランディングさせる。また、硫化物領域１３３は、暗電流の原因となる、外部から光電変換層１３への不要な電子の注入を防止する電子注入阻止層としても機能している。なお、硫化物領域１３３に、アモルファスセレンやヒ素などが含まれていてもよい。
【００２１】
第一ヒ素含有領域１３１および第二ヒ素含有領域１３２は、アモルファスセレンの結晶化温度を高めるヒ素を含有している。第一ヒ素含有領域１３１および第二ヒ素含有領域１３２を設けない場合、光電変換層１３の主体をなすアモルファスセレンは、結晶化温度が低いため、室温でも徐々に結晶化が進む。結晶化した部分は低抵抗化するため電流が流れやすくなり、暗電流が局所的に集中した画像欠陥（いわゆる白キズ）が生じてしまう。これに対し、光電変換層１３中に、第一ヒ素含有領域１３１および第二ヒ素含有領域１３２を設けることで、両領域に含まれるヒ素によりアモルファスセレンの結晶化温度が高まり、白キズの発生が抑制されている。
【００２２】
なお、ヒ素は、アモルファスセレン中において電子捕獲準位を形成することから、光電変換層１３の厚さ方向の全領域に添加すると残像や焼付が生じてしまうため、ヒ素を含有する第一ヒ素含有領域１３１および第二ヒ素含有領域１３２が、光電変換層１３の一部、すなわち、光入射側とは反対側寄り（電子放出部２０側寄り）に設ければよく、硫化物領域１３３の近傍に設けることが好ましい。
ここで、「光入射側とは反対側寄り」とは、光電変換層１３の厚さ方向（光入射方向）における中間位置よりも、光入射側とは反対側寄りを意味する。
【００２３】
第一ヒ素含有領域１３１は、例えば、厚さ５００ｎｍ以下に形成されており、ヒ素の含有濃度が、後述する第二ヒ素含有領域１３２における含有濃度よりも高く、１０重量％以上且つ４０重量％以下であることが好ましい。
【００２４】
一方、第二ヒ素含有領域１３２は、例えば、厚さ５０ｎｍ以下に形成されており、ヒ素の含有濃度が、０．１重量％以上且つ３重量％以下であることが好ましい。
【００２５】
電子放出部２０から放出された電子が、上記した硫化物領域１３３において正孔と結合する場合には、残像や焼付が生じることがないが、実際には、第二ヒ素含有領域１３２に電子が進入する場合がある。特に進入した電子が多く、第二ヒ素含有領域１３２におけるヒ素の含有濃度が高い場合には、ヒ素が形成する電子捕獲準位に進入した電子が捕獲されるため、残像や焼付が生じるおそれがあるが、第二ヒ素含有領域１３２おけるヒ素の含有濃度が、３重量％以下であれば、第二ヒ素含有領域１３２に進入した電子による残像や焼付が低減される。
【００２６】
また、第二ヒ素含有領域１３２におけるヒ素の含有濃度が、０．１重量％以上であれば、光電変換層１３を構成するアモルファスセレンの結晶化を適切に抑制することができる。さらに、第二ヒ素含有領域１３２よりも光入射側に、ヒ素の含有濃度が第二ヒ素含有領域１３２よりも高い第一ヒ素含有領域１３１を設けたことで、光電変換層１３を構成するアモルファスセレンの結晶化を確実に抑制することができる。また、第一ヒ素含有領域１３１におけるヒ素の含有濃度が、４０重量％以下であれば、高濃度のヒ素による画像欠陥の発生を防止することができる。
【００２７】
なお、第二ヒ素含有領域１３２は、硫化物領域１３３と接して設けることが好ましく、これにより、硫化物領域１３３の熱的安定性を高め、ランディング特性を維持することができる。
【００２８】
なお、本実施形態では、光導電領域１３０に近い第一ヒ素含有領域１３１におけるヒ素の含有濃度を高く、硫化物領域１３３に近い第二ヒ素含有領域１３２におけるヒ素の含有濃度を低くしたが、これとは逆に、第一ヒ素含有領域１３１におけるヒ素の含有濃度を低く、第二ヒ素含有領域１３２におけるヒ素の含有濃度を高くしてもよい。また、光電変換素子１０において、上記した各層や各領域の間には、他の層が介在していてもよい。例えば、透光性電極膜１２と光電変換層１３との間に、透光性電極膜１２から光電変換層１３への不要な正孔の注入を防止する正孔注入阻止層を設けるようにしてもよい。
【実施例】
【００２９】
以下、実施例および比較例を示して、本発明をさらに具体的に説明する。
［実施例１］
図１に示したように、透光性基板１１上に、透光性電極膜１２および光電変換層１３を順次積層して、光電変換素子１０を製造した。
・透光性電極膜１２
透光性電極膜１２は、ＩＺＯにより、厚さ２０ｎｍに形成した。
・光電変換層１３
光導電領域１３０は、アモルファスセレンにより構成し、厚さ１４．５μｍに形成した。第一ヒ素含有領域１３１は、セレン化ヒ素（Ａｓ2Ｓｅ3）により構成し（ヒ素の含有濃度は３９重量％）、厚さ４６０ｎｍに形成した。第二ヒ素含有領域１３２は、アモルファスセレンおよびヒ素により構成し（ヒ素の含有濃度は２．３重量％）、厚さ３３ｎｍに形成した。硫化物領域１３３は、硫化アンチモンにより構成し、厚さ１μｍに形成した。
実施例１の光電変換素子１０を備えた撮像素子１では、白キズの発生がなく、残像や焼付の発生もなかった。また、５０℃加熱前後でランディング特性は変化しなかった。
【００３０】
［実施例２］
第一ヒ素含有領域１３１におけるヒ素の含有濃度を１０％にした点を除き、実施例１と同様にして光電変換素子１０を製造した。
実施例２の光電変換素子１０を備えた撮像素子１では、アモルファスセレンの結晶化による白キズの発生が僅かに認められたが、撮像デバイスとして問題のないレベルであった。
【００３１】
［実施例３］
第二ヒ素含有領域１３２におけるヒ素の含有濃度を５％にした点を除き、実施例１と同様にして光電変換素子１０を製造した。
実施例３の光電変換素子１０を備えた撮像素子１では、白キズの発生は認められなかった。また、残像や焼付の発生が僅かに認められたが、撮像デバイスとして問題のないレベルであった。
【００３２】
［比較例１］
第二ヒ素含有領域１３２を設けずに、第一ヒ素含有領域１３１上に硫化物領域１３３を設けた点を除き、実施例１と同様にして光電変換素子１０を製造した。
比較例１の光電変換素子１０を備えた撮像素子１では、白キズの発生はなかったが、残像や焼付が発生した。また、５０℃加熱前後でランディング特性は変化しなかった。
【００３３】
［比較例２］
第一ヒ素含有領域１３１を設けずに、光導電領域１３０上に第二ヒ素含有領域１３２を設けた点を除き、実施例１と同様にして光電変換素子１０を製造した。
比較例２の光電変換素子１０を備えた撮像素子１では、残像や焼付の発生はなかったが、白キズが発生した。また、５０℃加熱前後でランディング特性は変化しなかった。
【００３４】
［比較例３］
第一ヒ素含有領域１３１および第二ヒ素含有領域１３２を設けずに、光導電領域１３０上に硫化物領域１３３を設けた点を除き、実施例１と同様にして光電変換素子１０を製造した。
比較例３の光電変換素子１０を備えた撮像素子１では、残像や焼付の発生はなかったが、白キズが発生した。また、５０℃加熱後のランディング特性が低下した。
【００３５】
以上のように、実施例１の撮像素子１によれば、ヒ素の含有濃度が高い第一ヒ素含有領域１３１を設けると共に、第一ヒ素含有領域１３１よりも硫化物領域１３３側（電子放出部２０側）に、ヒ素の含有濃度が低い第二ヒ素含有領域１３２を設けたことで、光電変換層１３を構成するアモルファスセレンの結晶化による白キズの発生を抑制しつつ、第二ヒ素含有領域１３２に進入した電子による残像や焼付の発生を低減することができた。
【符号の説明】
【００３６】
１：撮像素子、１０：光電変換素子、１３：光電変換層、１３０：光導電領域、１３１：第一ヒ素含有領域、１３２：第二ヒ素含有領域、１３３：硫化物領域
【図１】
2014143261.tif 000003
【図２】
2014143261.tif 000004