(57)【要約】【課題】  高感度である光電変換層を有する撮像装置において、当該光電変換層の劣化を防止し、特に高輝度のスポット光を含む撮像を可能とする。【解決手段】  Ｓｅを主体とし且つアバランシェ増倍機能を持つ非晶質半導体層と、ＳｅとＴｅを含み且つ入射光の大部分を吸収して電荷に変換し得る機能を持つ非晶質光電変換層とを少なくとも有する光電変換膜と、前記光電変換膜の第１の面に形成された第１のバリア層と、前記第１のバリア層上に形成された透光性電極と、前記光電変換膜の第２の面に形成された第２のバリア層と、前記光電変換膜の第２の面の側に設けられた、前記光電変換膜で生成される信号電荷を読み出す電荷読み出し手段と、を有する撮像装置であって、前記光電変換膜の温度を、前記非晶質光電変換層のガラス転移温度以上であって前記非晶質半導体層のガラス転移温度＋３０℃以下に制御する温度制御手段と、前記光電変換層の電界が０．８×１０8〜１．１×１０8Ｖ／ｍとなるように、前記透光性電極を介して電圧を印加する電圧印加手段と、を有することを特徴とする撮像装置。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｅを主体とし且つアバランシェ増倍機能を持つ非晶質半導体層と、ＳｅとＴｅを含み且つ入射光の大部分を吸収して電荷に変換し得る機能をもつ非晶質光電変換層とを少なくとも有する光電変換膜と、
前記光電変換膜の第１の面に形成された第１のバリア層と、
前記第１のバリア層上に形成された透光性電極と、
前記光電変換膜の第２の面に形成された第２のバリア層と、
前記光電変換膜の第２の面の側に設けられた、前記光電変換膜で生成される信号電荷を読み出す電荷読み出し手段と、を有する撮像装置であって、
前記光電変換膜の温度を、前記非晶質光電変換層のガラス転移温度以上であって前記非晶質半導体層のガラス転移温度＋３０℃以下に制御する温度制御手段と、
前記光電変換膜の平均電界が０．８×１０8〜１．１×１０8Ｖ／ｍとなるように、前記透光性電極を介して電圧を印加する電圧印加手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記温度制御手段は、前記光電変換膜の温度を、前記非晶質半導体層のガラス転移温度以上であって当該ガラス転移温度＋３０℃以下に制御し、
前記電圧印加手段は、前記光電変換膜の平均電界が０．６×１０8〜１．１×１０8Ｖ／ｍとなるように、前記透光性電極を介して電圧を印加する、ことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
【請求項３】
前記光電変換膜はＡｓを含み、前記温度制御手段はペルチェ素子を用いて温度を制御することを特徴とする請求項１または２記載の撮像装置。
【請求項４】
Ｓｅを主体とし且つアバランシェ増倍機能を持つ非晶質半導体層と、ＳｅとＴｅを含み且つ入射光の大部分を吸収して電荷に変換し得る機能を持つ非晶質光電変換層とを少なくとも有する光電変換膜と、
前記光電変換膜の第１の面に形成された第１のバリア層と、
前記第１のバリア層上に形成された透光性電極と、
前記光電変換膜の第２の面に形成された第２のバリア層と、
前記光電変換膜の第２の面の側に設けられた、前記光電変換膜で生成される信号電荷を読み出す電荷読み出し手段と、を有する撮像装置の制御方法であって、
前記光電変換膜に光の入射がない状態において、前記光電変換膜の温度を、前記非晶質光電変換層のガラス転移温度以上であって前記非晶質半導体層のガラス転移温度＋３０℃以下に制御し、前記光電変換膜の平均電界が０．８×１０8〜１．１×１０8Ｖ／ｍとなるように、前記透光性電極を介して電圧を印加する光電変換膜保護動作工程と、
当該光電変換膜保護動作工程の後に、前記光電変換膜に撮像のための光が入射される撮像工程と、を有することを特徴とする撮像装置の制御方法。
【請求項５】
前記撮像工程では、前記光電変換膜の温度が、前記非晶質半導体層のガラス転移温度以上であって当該ガラス転移温度＋３０℃以下に制御されることを特徴とする請求項４記載の撮像装置の制御方法。
【請求項６】
前記撮像工程では、前記光電変換膜の平均電界が０．６×１０8〜１．１×１０8Ｖ／ｍとなるように、前記透光性電極を介して電圧が印加されることを特徴とする請求項４または５記載の撮像装置の制御方法。
【請求項７】
前記光電変換膜保護動作工程は、１分間以上３分間以下で実施されることを特徴とする請求項４乃至６のうち、いずれか１項記載の撮像装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は撮像装置および撮像装置の制御方法に係り、特に高感度の撮像装置および撮像装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非晶質セレンを含む半導体膜に高電界を印加すると、当該半導体膜内部にアバランシェ増倍現象が起こることが知られており、この現象を利用して、非晶質セレンを含む光電変換膜を用いた走査電子ビーム読み出し型のアバランシェ増倍方式高感度撮像管や、２次元固体走査ＩＣ回路読み出し型のアバランシェ増倍方式高感度固体撮像装置が開示されている。（例えば特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
しかし、撮像装置を高感度にするために、当該撮像装置の光電変換膜である半導体膜を厚くすると、撮像装置の動作中に半導体膜が破損しやすくなり、例えば当該光電変換膜の破損の結果、当該撮像装置によって撮像された画像に傷が発生する場合があった。
【０００４】
そこで、このような光電変換膜の劣化による傷の発生を抑制し、撮像装置の光電変換膜を厚くして撮像装置を高感度化するための撮像装置や撮像装置の動作方法などが提案されていた。（非特許文献１参照。）これは、光電変換層を所定の温度領域に保持されるように制御を行うことで、光電変換膜の品質の劣化を防止し、画像での傷の発生を抑制することを目的としたものである。
【特許文献１】特開昭６３−１７４４８０号公報
【特許文献２】特開平７−１９２６６３号公報
【非特許文献１】２００３年映像情報メディア学会年次大会１２−３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非晶質Ｓｅはバンドギャップがほぼ２ｅＶで、波長６２０ｎｍ以上の光に対しては光電変換作用（光吸収）が無いため、この点を改善する手段として、例えば非晶質Ｓｅに増感材料としてＴｅを添加する方法が知られている。しかし、非晶質ＳｅにＴｅを添加した光電変換膜においては、上記の傷の抑制方法では劣化の防止が不十分であり、画像での傷の発生の抑制が不十分となる場合があった。
【０００６】
例えば、光電変換膜の劣化による傷は、大きくは２つに分類される。１つは、撮像装置の撮像の対象にかかわらず、撮像動作を行うことで発生する傷である（以後文中ランニングキズと表記する）。もう一つは、高輝度のスポット光を撮像することで発生する傷がある（以後文中ハイライトキズと表記する）。このうち、特に非晶質ＳｅにＴｅを添加した光電変換膜において、ハイライトキズの発生を抑制することが困難であり、高輝度のスポット光を含む撮像を行う事が困難となる問題が生じていた。
【０００７】
そこで、本発明では上記の問題を解決した、新規で有用な撮像装置、および撮像装置の制御方法を提供することを目的としている。
【０００８】
本発明の具体的な課題は、高感度である光電変換膜を有する撮像装置において、当該光電変換膜の劣化を防止し、特に高輝度のスポット光を含む撮像を可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の観点では、上記の課題を、Ｓｅを主体とし且つアバランシェ増倍機能をもつ非晶質半導体層と、ＳｅとＴｅを含み且つ入射光の大部分を吸収して電荷に変換し得る機能を持つ非晶質光電変換層とを少なくとも有する光電変換膜と、前記光電変換膜の第１の面に形成された第１のバリア層と、前記第１のバリア層上に形成された透光性電極と、前記光電変換膜の第２の面に形成された第２のバリア層と、前記光電変換膜の第２の面の側に設けられた、前記光電変換膜で生成される信号電荷を読み出す電荷読み出し手段と、を有する撮像装置であって、前記光電変換膜の温度を、前記非晶質光電変換層のガラス転移温度以上であって前記非晶質半導体層のガラス転移温度＋３０℃以下に制御する温度制御手段と、前記光電変換膜の平均電界が０．８×１０8〜１．１×１０8Ｖ／ｍとなるように、前記透光性電極を介して電圧を印加する電圧印加手段と、を有することを特徴とする撮像装置により、解決する。平均電界とは、本願では、外部印加電圧（透光性電極と第２のバリア層間の電位差）を光電変換膜の厚さで除した値とする。
【００１０】
当該撮像装置を用いた場合、光電変換膜の破損を抑制し、高感度な撮像装置を実現することが可能となる。
【００１１】
また、前記温度制御手段は、前記光電変換膜の温度を、前記非晶質半導体層のガラス転移温度以上であって当該ガラス転移温度＋３０℃以下に制御し、前記電圧印加手段は、前記光電変換膜の平均電界が０．６×１０8〜１．１×１０8Ｖ／ｍとなるように、前記透光性電極を介して電圧を印加すると、前記光電変換膜の破損を抑制し、高感度な撮像装置を実現することが可能となる。
【００１２】
また、前記光電変換膜はＡｓを含み、前記温度制御手段はペルチェ素子を用いて温度を制御すると、前記光電変換膜の耐熱性が向上するとともに、前記光電変換膜の破損が抑制され、好適である。
【００１３】
また、本発明の第２の観点では、上記の課題を、Ｓｅを主体とし且つアバランシェ増倍機能をもつ非晶質半導体層と、ＳｅとＴｅを含み且つ入射光の大部分を吸収して電荷に変換し得る機能を持つ非晶質光電変換層とを少なくとも有する光電変換膜と、前記光電変換膜の第１の面に形成された第１のバリア層と、前記第１のバリア層上に形成された透光性電極と、前記光電変換膜の第２の面に形成された第２のバリア層と、前記光電変換膜の第２の面の側に設けられた、前記光電変換膜で生成される信号電荷を読み出す電荷読み出し手段と、を有する撮像装置の制御方法であって、前記光電変換膜に光の入射がない状態において、前記光電変換膜の温度を、前記非晶質光電変換層のガラス転移温度以上であって前記非晶質半導体層のガラス転移温度＋３０℃以下に制御し、前記光電変換膜の平均電界が０．８×１０8〜１．１×１０8Ｖ／ｍとなるように、前記透光性電極を介して電圧を印加する光電変換膜保護動作工程と、当該光電変換膜保護動作工程の後に、前記光電変換膜に撮像のための光が入射される撮像工程と、を有することを特徴とする撮像装置の制御方法により、解決する。
【００１４】
当該撮像装置の制御方法を用いると、高感度な撮像装置を制御して、光電変換膜の破損を抑制することが可能となる。
【００１５】
また、前記撮像工程では、前記光電変換膜の温度が、前記非晶質半導体層のガラス転移温度以上であって当該ガラス転移温度＋３０℃以下に制御されると、光電変換層の破損をさらに効果的に防止することが可能となる。
【００１６】
また、前記撮像工程では、前記光電変換膜の平均電界が０．６×１０8〜１．１×１０8Ｖ／ｍとなるように、前記透光性電極を介して電圧が印加されると、撮像を高感度で行う事が可能となり、好適である。
【００１７】
また、前記光電変換膜保護動作工程は、１分間以上３分間以下で実施されると、効果的に光電変換膜の破損を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、高感度の光電変換膜を用いた撮像装置の、当該光電変換膜の破損を防止して撮像装置を安定に使用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明の実施の形態に関して図面に基づき、説明する。
[原理]
図１は、本発明の撮像装置の動作原理を概略的に示した断面図である。図１を参照するに、撮像装置の光電変換膜１０３は、例えば非晶質セレンを主成分とする非晶質半導体層１０３１と、非晶質セレンを主成分とする半導体層に、増感材料であるＴｅが添加された非晶質光電変換層１０３２から成る。前記光電変換膜１０３の第１の面には、正孔が前記光電変換膜１０３に注入されることを防止するバリア層１０２が、また前記光電変換膜１０３の、前記第１の面に対向する第２の面には、電子が前記光電変換膜１０３に注入されることを防止するバリア層１０４が形成されている。
【００２０】
前記バリア層１０２上には、電圧印加手段１０５に接続された透光性電極１０１が形成され、前記バリア層１０２を介して前記光電変換膜１０３に電圧を印加することが可能となっている。
【００２１】
例えば可視光などの入射光１０７が、前記透光性電極１０１の側から前記光電変換膜１０３に入射すると、当該光電変換膜１０３内で、正孔と電子が発生する。前記光電変換膜１０３には電圧が印加されているため、発生した電子は前記透光性電極１０１の方向へ、正孔は前記バリア層１０４方向へ移動する。
【００２２】
この場合、前記バリア層１０４では、発生した正孔が、前記バリア層１０４上を走査される、図示しない電子ビーム部より発する電子ビーム１０６によって供給される電子と再結合する。このようにして、入射光１０７から変換された信号電荷の読み取りが行われ、入射光１０７が画像信号に変換される。
【００２３】
この場合、前記光電変換膜１０３に印加される電圧を、例えば前記光電変換膜１０３のブレークダウン電圧付近まで上昇させると、入射光によって発生した電子と正孔のうち、特に正孔が、高い電圧で加速されることにより、前記光電変換膜１０３内の半導体層の原子に衝突して、衝突電離を生じ、電子と正孔の対を発生させる現象がおきる。
【００２４】
このような衝突電離により発生した電子と正孔のうち、特に正孔が高い速度で加速されて移動することにより、さらに新たな衝突電離が生じて電子と正孔を次々に発生させるというイオン化連鎖反応が生じる。この現象はアバランシュ増倍と呼ばれ、このアバランシュ増倍現象を利用することにより、高い電荷増倍率が得られ、撮像装置の感度を増大させることが可能となっている。
【００２５】
撮像装置の感度をさらに上げるためには、前記したアバランシュ増倍現象が生じる領域を大きくする、すなわち前記光電変換膜１０３の厚さＬ０を大きくする方法があるが、当該厚さＬ０を大きくした撮像装置を用いると、撮像装置により撮像された画像に、ランニングキズが発生してしまう場合があった。これは、非晶質Ｓｅの局在準位に電子が捕獲され、電界集中が起こるためと考えられる。そこで、このようなランニングキズの発生を抑制する対策として、例えば、前記光電変換膜１０３の温度を、前記非晶質半導体層１０３１のガラス転移温度以上に制御する方法が提案されている（２００３年映像情報メディア学会年次大会１２−３参照）。
【００２６】
これは、当該非晶質半導体層１０３１の主成分である、非晶質セレンが、当該非晶質セレンのガラス転移温度以上になると、ガラス転移温度未満の温度では凍結していた原子の状態が変化し、当該非晶質半導体層１０３１内部の電子の走行性が向上して捕獲される電子の数が減少するため、ランニングキズの発生が抑制されると考えられるためである。
【００２７】
しかし、例えば非晶質Ｓｅに増感材料のＴｅを添加した光電変換膜の場合、光電変換膜を上記の温度とした場合でも、光電変換膜の劣化が起こり、画像に傷が観察される場合があった。これは、Ｔｅが添加されたことで光電変換膜の組成に変化がおこり、例えば局在準位などの欠陥が増大することがその理由となっている可能性があると考えられる。
【００２８】
また、このような非晶質ＳｅにＴｅを添加した光電変換膜では、通常の撮像ではその発生確率が低い現象、例えば、高輝度のスポット光を撮像することで発生するハイライトキズは、その発生確率が増大することが確認されている。
【００２９】
すなわち、光電変換膜に増感材料が添加され、さらに高輝度の光が入射する場合には、より光電変換膜の劣化が生じやすい条件であると考えられる。
【００３０】
本発明では、このような光電変換膜の劣化を抑制して、特にハイライトキズの発生を防止するため、撮像装置による撮像が行われる撮像工程の前に、光電変換膜の保護動作工程を設けている。
【００３１】
当該光電変換膜の保護動作工程では、光電変換膜の温度が、前記非晶質光電変換層のガラス転移温度以上であって前記非晶質半導体層のガラス転移温度＋３０℃以下に制御され、前記光電変換膜の平均電界が０．８×１０8〜１．１×１０8Ｖ／ｍとなるように電圧が印加される。さらに、当該光電変換膜保護動作工程の後の前記撮像工程では、光電変換膜の温度が、前記非晶質半導体層のガラス転移温度以上であって当該ガラス転移温度＋３０℃以下に制御され、光電変換膜の劣化を防止している。
【００３２】
なお、本発明では、非晶質Ｓｅのガラス転移温度を３１℃とする。この温度は、非晶質Ｓｅの粘性が略１０１３ｐｏｉｓｅに相当する。（鈴木傑、小林種雄、大野広夫、神谷真治：「As-SeおよびAs-Se-X（X=I,S）系ガラスの転移領域での粘性」、材料、第22巻、第233号、p32-37（1973）参照）。また、発明者の実験により、非晶質ＳｅにＡｓを添加するとガラス転移温度がＡｓ添加濃度１原子％当り５℃上昇、非晶質ＳｅにＴｅを添加するとガラス転移温度がＴｅ添加濃度１原子％当り０．４℃上昇することが解っている。
【００３３】
また、前記光電変換膜１０３の温度をさらに上昇させていくと、当該光電変換膜１０３の前記非晶質半導体層のガラス転移温度＋３０℃程度の温度以上で、当該光電変換膜１０３が波状に変形する、いわゆる膜しわが発生し、正常な画像信号が得られなくなってしまう場合がある。
【００３４】
そのため、前記光電変換膜１０３の温度は、前記非晶質半導体層のガラス転移温度以上であって、当該ガラス転移温度＋３０℃以下に制御されることが好ましく、本発明では光電変換膜をこの温度領域に制御し、光電変換膜の保護をはかっている。
【００３５】
次に、本発明のより具体的な実施の形態について、以下に図２〜図５に基づき、説明する。
【実施例１】
【００３６】
図２は、実施例１による撮像装置１０を模式的に示した断面図である。前記撮像装置１０は、例えば可視光などからなる入射光１６がレンズ１５を介して、さらに透光性板１１を通過して光電変換膜２３を含む受光部２０に入射する構造になっている。
【００３７】
前記受光部２０は、透光性電極２１、バリア層２２、光電変換膜２３、増し付け層２４およびバリア層２５からなるが、この構造については、図３以降で後述する。
【００３８】
前記受光部２０のバリア層２５は、電荷読み取り手段である電子ビーム発生部３０から発する電子ビームによって走査され、入射光から変換された信号電荷の読み取りが行われる構造になっている。
【００３９】
前記電子ビーム発生部３０は、メッシュ電極３３、カソード電極３６、集束偏向電極３４、電子銃筐体３７、インジウムリング３２、金属リング３１より構成されている。集束偏向電極３４は、カソード電極３６より射出される電子ビーム３５を集束偏向するために設けられたものである。
【００４０】
前記透光性電極２１には、負荷抵抗１３を介して電源１４が接続され、前記光電変換膜２３に電圧が印加される構造になっている。前記撮像装置１０によって撮像が行われる場合には、電圧が印加された前記光電変換膜２３に発生した信号電荷を、前記電子ビーム発生部３０によって走査された電子ビーム３５によって読み取り、信号電荷は信号ピン１２を介して転送される構造になっている。
【００４１】
本実施例の場合、信号電荷が発生する前記光電変換膜２３の温度制御を行う温度制御手段４０が設けられて、当該光電変換膜２３の温度制御を可能とする構成になっている。前記温度制御手段４０は、例えばペルチェ素子からなる温度制御素子４４と、前記透光性板１１に取り付けられた温度測定手段４１および制御装置４３を含む。
【００４２】
前記温度測定手段４１によって測定された温度データは、フィードバック回路４２を介して制御装置４３に送られ、当該制御装置４３は、当該温度データに応じて前記温度制御素子４４を制御する。前記温度制御素子４４は、例えば前記電子銃筐体３７の外壁に、前記金属リング３１を覆うように設置される。
【００４３】
前記温度制御素子４４に、例えばペルチェ素子を用いた場合には、前記光電変換膜２３を冷却することと加熱することの双方が可能になる。なお、ペルチェ素子の構造については後述する。また、前記温度制御素子４４は、ペルチェ素子に限定されるものではなく、通常のヒータを用いることも可能であり、また送風機とヒータを組み合わせたものを用いることも可能である。
【００４４】
次に、前記受光部２０の構造について、図３（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明する。図３（Ａ）（Ｂ）は、実施例１における撮像装置１０の受光部２０の概略構成を示した図である。図３（Ａ）は、前記受光部２０を電子ビーム走査側から見た平面図であり、図３（Ｂ）は、前記受光部２０の概略断面図である。
【００４５】
図３（Ａ）、（Ｂ）を参照するに、前記受光部２０は、前記透光性板１１の、前記入射光１６が入射する面と対向する面に形成されている。前記透光性板１１上には前記透光性電極２１が形成され、前記透光性電極２１上には、前記バリア層２２が、さらに前記バリア層２２上には、非晶質セレンを主成分とする光電変換膜２３が形成されている。
【００４６】
前記光電変換膜２３上には、前記電子ビーム３５によって走査される、走査領域２０ａと、前記電子ビーム３５が照射されることがない非走査領域が存在する。当該非走査領域上には、当該非走査領域の表面電位を安定させるための増し付け層２４が形成され、当該増し付け層２４および前記光電変換膜２３を覆うように、バリア層２５が形成されて、受光部２０を構成している。また、前記増し付け層２４は、省略した構造とすることも可能である。
【００４７】
前記第１のバリア層は、正孔が前記光電変換膜２３に注入されることを防止する正孔注入防止層であり、光電変換によって発生する以外の正孔が光電変換膜に注入されることを防止している。
【００４８】
前記第２のバリア層は、電子ビームのランディング層であると共に、電子が前記光電変換膜２３に注入されることを防止する電子注入防止層であり、光電変換によって発生する以外の電子が光電変換膜に注入されることを防止している。
【００４９】
前記光電変換膜２３中では、前記透光性板１１側から入射する入射光１６によって電子と正孔が発生する。当該光電変換膜２３には、前記透光性電極２１を介して電圧が印加されているため、図１の説明で前記したように、アバランシュ増倍現象が起こって、このアバランシュ増倍現象を利用することにより、高い電荷増倍率が得られ、撮像装置１０の感度を増大させることが可能となっている。
【００５０】
また、当該電圧を大きくすると、電荷増倍率は大きくなるが、過大な電圧を印加すると光電変換膜がブレークダウンしてしまうため、撮像を行う場合には、アバランシュ増倍を生じさせて、かつ光電変換膜がブレークダウンしない適正な電圧値とすることが必要であり、当該電圧によって光電変換膜にかかる電界を０．６×１０8〜１．１×１０8Ｖ／ｍとすることが好ましい。
【００５１】
前記受光部２０は、たとえば以下に示す製造方法によって製造される。以下の製造方法は、前記増し付け層２４を省略した構造の場合の製造方法について示している。まず、透光性ガラスからなる透光性面板１１の片面に高周波スパッタリング蒸着法を使用して、直径１４ｍｍ、厚さ３０ｎｍ、の酸化インジウムを主体とする透光性電極２１を形成する。
【００５２】
次に、前記透光性電極２１上に真空蒸着法によって、直径１４ｍｍ、厚さ２０ｎｍの酸化セリウムからなる、正孔注入阻止層となるバリア層２２を形成する。そして、形成したバリア層２２上に、一例として非晶質Ｓｅを主成分とし、Ｔｅが添加された厚さ３５μｍの光電変換膜２３を形成する。当該光電変換膜２３には、必要に応じてＡｓを添加してもよい。
【００５３】
次に、真空蒸着法によって、電子ビーム走査側表面の全域に、圧力０．３Ｔｏｒｒ（０．３×１．３３３２２×１０２Ｐａ）の不活性ガス雰囲気中で、三硫化アンチモンからなる直径１４ｍｍ、厚さ０．２μｍのバリア層２５を形成し、受光部２０を得る。
【００５４】
このようにして得られた受光部２０は、前記インジウムリング３２、金属リング３１を使用して電子銃筐体３７に装着し、内部を真空封止して撮像装置１０を得る。
【００５５】
また、温度制御に用いる前記温度制御素子４４には、例えばペルチェ素子など加熱と冷却の双方の機能を有する素子を用いることにより、例えば寒冷地での使用や、高温化での過酷な条件での使用など加熱と冷却が必要な双方の場合において、光電変換層の温度を保持することが可能となる効果を奏する。
【００５６】
図４は、ペルチェ素子の構造を模式的に示した図である。Ｐ型半導体５２ａと、Ｎ型半導体５２ｂを図のように電極５１、５３ａおよび５３ｂで接続し、電源５４を用いて前記電極５３ａ側から電流を流すと、前記電極５１側では発熱作用が、前記電極５３ａおよび５３ｂ側では吸熱作用が起こる。また、電圧の正負を逆にすると、発熱作用と吸熱作用が生じる部分が入れ替わる。
【００５７】
そのため、本実施例ではこのようなペルチェ素子を用いることで、光電変換層の冷却と加熱の双方を可能としており、広範囲な外気条件のもとで撮像素子を使用することが可能となる。
【００５８】
次に、前記撮像装置１０を用いて撮像を行う際の制御方法を、図５に基づき、手順を追って説明する。
【００５９】
まず、ステップ１で（図中Ｓ１と表記する、以下同様）撮像のための制御を開始されると、次に、ステップ２において、前記光電変換膜２３を保護するための、光電変換膜保護動作工程が実施される。本ステップでは、前記温度制御手段４０によって、前記光電変換膜の温度が、前記非晶質光電変換層のガラス転移温度以上であって前記非晶質半導体層のガラス転移温度＋３０℃以下に制御され、さらに、前記電源１４によって、前記光電変換膜の平均電界が０．８×１０8〜１．１×１０8Ｖ／ｍとなるように、前記透光性電極２１を介して前記光電変換層膜２３に、電圧が印加される。本ステップでは、図２において図示を省略したシャッタが閉じられ、光電変換層には、実質的に光が入射しないようにする。本ステップで光が入射すると、光電変換膜が劣化してしまうためである。本ステップにおいては、Ｔｅが添加された非晶質セレンの原子の状態、またはＴｅの原子の状態が変化し、光電変換膜内部の電子の走行性が向上して捕獲される電子の数が減少する。本ステップは、１分間以上実施されることで光電変換膜の劣化防止の効果が大きくなる。また、３分間でその効果が略収束することから本ステップは１分間以上実施されることが好ましく、また撮像の効率の観点から３分間以下の実施であることが好ましい。本ステップを実施することで、おもにハイライトキズの発生を抑制することができる。
【００６０】
次に、ステップ３において、例えば図２で図示を省略したシャッタを開放して入射光１６が当該光電変換膜２３に入射するようにし、さらに、前記電子ビーム発生部３０によって、電子ビーム３５を走査して、前記光電変換膜２３で発生した信号電荷を読み取り、撮像の動作が行われる。この場合、光電変換膜の劣化防止のために、前記光電変換膜の温度が、前記非晶質半導体層のガラス転移温度以上であって当該ガラス転移温度＋３０℃以下に制御されることが好ましい。すなわち、前記光電変換膜保護動作工程を設けるのみならず、撮像工程においても上記の温度に制御されることが、光電変換膜の劣化防止のために好ましい。光電変換膜が上記の温度領域に保持されることで、電子の走行性が良好である状態が維持され、電子が捕獲されて電界集中が発生する現象を抑制することができる。本ステップで上記温度領域に制御されることで、おもにランニングキズの発生を抑制することが可能となる。
【００６１】
また、前記透光性電極２１を介して前記光電変換膜２３に印加される電圧により当該光電変換膜にかかる平均電界は、０．６×１０8〜１．１×１０8Ｖ／ｍの範囲、すなわちアバランシェ増倍がおこる電界とすると、撮像が高感度となり、好ましい。
【００６２】
本ステップにて所定の期間の撮像を行った後、ステップ４で前記シャッタを閉じて、撮像の操作を完了する。
【００６３】
また、本実施例によれば、従来困難であった２０μｍ以上の厚さの光電変換膜を有する撮像装置を用いて、電荷増倍率を大きくし、撮像装置の高感度化を行う事が可能となる。
【００６４】
また、例えば撮像装置を長期間使用しないで放置していた場合には、上記の制御方法を用いた場合でもランニングキズが発生してしまう場合がある。このランニングキズの発生を防止するために、前記ステップ２の光電変換膜保護動作工程において、まず、前記光電変換膜の平均電界が０．１×１０8〜０．６×１０8Ｖ／ｍとなるようにして所定の時間経過させ、その後に電界を０．８×１０8〜１．１×１０8Ｖ／ｍとなるようにし、１分間から３分間保護動作を実施することが好ましく、ランニングキズの発生を効果的に防止することが可能となる。
【００６５】
次に、図５に示した制御方法を用いて、光電変換膜保護動作工程（前記ステップ２）における光電変換膜の温度（以下文中保護動作温度と表記する）を変更した場合のハイライトキズの発生率を調べる実験を行い、本実施例の効果を確認した。実験には膜厚３５μｍの光電変換膜２種を用意した。一つは、非晶質Ｓｅの光電変換膜の一部に増感材料Ｔｅを添加したもので、非晶質Ｓｅ−Ｔｅ１５％−Ａｓ１％から成る非晶質光電変換層（ガラス転移温度４２℃）と非晶質Ｓｅから成る非晶質半導体層（ガラス転移温度３１℃）から構成されている。もう一つは、非晶質Ｓｅから構成される光電変換膜（ガラス転移温度３１℃）である。そして、前記ステップ３の撮像動作における光電変換膜の温度を３７．５℃（非晶質半導体層のガラス転移温度以上）、とし、印加電圧を最高感度となる電圧とし、高輝度のスポット光線１２個の撮像を１０分間行い、ハイライトキズの発生個数を確認して、ハイライトキズの発生確率を算定した。
【００６６】
図６には、実験Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３で、非晶質ＳｅにＴｅを添加した光電変換膜を用いた場合の結果を、実験ＧＢで、非晶質Ｓｅから構成される光電変換膜を用いた場合の結果を示している。なお、実験Ｒ１と実験ＧＢは、光電変換膜保護動作工程における、光電変換層の電界（以下文中保護動作電界と表記する）が、０．７×１０8Ｖ／ｍ、以下同様に、Ｒ２は、０．８×１０8Ｖ／ｍ、Ｒ３は、０．９８×１０8Ｖ／ｍである。
【００６７】
図６を参照するに、まず、非晶質Ｓｅから構成される光電変換膜を用いた場合には、保護動作温度によらず、ハイライトキズの発生は認められず、光電変換層の破損は殆ど発生していない。これは、非晶質Ｓｅの場合、前記ステップ２によらず、おもに図５のステップ３、すなわち撮像動作における光電変換膜の温度制御による光電変換膜の劣化防止の効果が充分にあらわれているものと考えることができる。
【００６８】
一方、非晶質ＳｅにＴｅを添加した実験Ｒ１〜Ｒ３についてみると、とくに保護動作温度が低い場合において、ハイライトキズの発生率が高くなっており、当該保護動作温度を高くするに従い、ハイライトキズの発生率が抑制されていることがわかる。しかし、光電変換膜の温度が、前記非晶質半導体層のガラス転移温度＋３０℃を超えた値、例えば略６１℃を超えた値となると、膜が熱的に劣化し、いわゆる膜しわが発生してしまう問題がある。そのため、光電変換膜の温度は、前記非晶質半導体層のガラス転移温度＋３０℃以下、例えば略６１℃以下に制御されることが好ましい。
【００６９】
このため、例えば実験Ｒ１の場合には、ガラス転移温度＋３０℃以下の温度領域でハイライトキズの発生を抑制することは困難であることがわかる。一方、保護動作電界を高くした、実験Ｒ２、Ｒ３の場合には、ハイライトキズの発生率が抑制され、そのために、光電変換膜を熱的に劣化させることなく、かつハイライトキズの発生率を抑制することが可能となる温度領域が存在することがわかる。このことから、保護動作電界は、前記実験Ｒ２の保護動作電界以上、すなわち、０．８×１０8Ｖ／ｍ以上とすることが好ましい。また、前述のように、光電変換膜に過大な電圧を印加すると光電変換膜がブレークダウンしてしまうため、保護動作電界は１．１×１０8Ｖ／ｍ以下とすることが好ましい。
【００７０】
また、この場合、保護動作温度の下限は、前記非晶質光電変換層のガラス転移温度以上（略４２℃以上）とすると、ハイライトキズの発生率が０．３以下となり、実用上好ましい領域となる。さらに、保護動作温度の下限を、ガラス転移温度＋１０℃以上（略５２℃以上）とすると、ハイライトキズの発生率が実質的に０になり、さらに好ましい。
【００７１】
また、光電変換膜には、Ａｓを添加すると、光電変換膜の熱的な劣化が始まる温度、例えば膜しわが発生する温度を上げることが可能であり、耐熱性を向上させることが可能である。この場合、ガラス転移温度も上がることになる。そのため、本実施例で、Ａｓを添加した光電変換膜を用いる場合には、光電変換膜が制御される温度範囲を変更して用いることが好ましい。例えば、ガラス転移温度は、Ａｓ添加濃度1原子％当り５℃上昇することが知られている。
【００７２】
また、ここまで、光電変換膜で発生した信号電荷の読み取り手段として電子ビーム発生部を用いた場合を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、固体基板を用いた平板型の撮像装置を形成することが可能である。
【００７３】
図７（Ａ）は、電荷読み取り手段に固体素子を用いた平板型の撮像装置５０の構成を概略的に示した斜視図であり、図７（Ｂ）はその１画素の等価回路を示した図である。
【００７４】
図７（Ａ）および図７（Ｂ）を参照するに、撮像装置５０は、受光部６０と、受光部の信号電荷の読み取り手段である、基板に素子が形成された固体素子部７０、および受光部の光電変換膜の温度制御を行う、温度制御手段８０からなる。
【００７５】
前記受光部６０は、図２〜図３に示した受光部２０と略同一の構造をしており、信号電荷の読み取りを固体素子で行うために、前記受光部２０の前記増し付け層２４を省略した構造になっている。前記受光部６０は、バリア層６２および６４に挟まれるように形成される光電変換膜６３と、当該バリア層６２上に形成される透光性電極６１からなる。
【００７６】
前記撮像装置５０では、前記撮像装置１０の場合と同様にして、温度制御機構８０により、受光部の光電変換層の温度制御を行う事が可能な構造となっている。
【００７７】
前記受光部で発生した信号電荷を読み取るための固体素子部７０は、基板上に形成された素子形成部７１と、当該素子形成部７１に形成された素子を走査するための回路である垂直画素選択回路７２と水平画素選択回路７３、および画像信号を増幅する出力アンプ７４を有する。
【００７８】
前記素子形成部７１には複数の、信号読み取りのための素子が配列されているが、図中
Ｘ部の１画素の等価回路を例にとって、図７（Ｂ）に示す。これは、ＭＯＳトランジスタ７１Ａを使用した例で、図中、接続ａは前記受光部６０に、接続ｂは前記垂直画素選択回路７２に、接続ｃは前記水平画素選択回路７３に接続される構造になっている。前記受光部６０で発生した信号電荷は、前記ＭＯＳトランジスタのドレイン部分（蓄積ダイオード）に蓄積され、前記垂直画素選択回路７２と水平画素選択回路７３によって当該画素が選択されると読み出される構造になっている。
【００７９】
また、前記受光部６０と、前記ＭＯＳトランジスタ７１Ａが接続された状態を模式的に示した断面図を、図８に示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００８０】
前記ＭＯＳトランジスタ７１Ａは、Ｐ型基板９１に形成され、Ｎ型不純物拡散層であるドレイン拡散層９４ａとソース拡散層９４ｂを有する。前記ドレイン拡散層９４ａおよびソース拡散層９４ｂに挟まれるように形成されるチャネル領域上にはゲート絶縁膜９２が形成され、当該ゲート絶縁膜９２上にはゲート電極９３が形成されて、信号電荷の読み出しゲート部が形成されている。
【００８１】
前記ドレイン拡散層９４ａおよびソース拡散層９４ｂには、例えばＷ（タングステン）などからなるコンタクトプラグ９５ａおよび９５ｂが接続され、コンタクトプラグ９５ａは、画素電極９６を介して前記受光部６０の前記バリア膜６４に接続される構造になっている。また、前記ＭＯＳトランジスタ７１Ａと前記受光部６０の間は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）などからなる絶縁膜９７で絶縁されている。
【００８２】
本実施例の場合、信号電荷の読み出し回路に、例えばＭＯＳトランジスタなどの固体素子を用いている。そのため、ＳＮ比が大きくなり、高画質でかつ高感度な撮像装置を実現することが可能となる。本実施例の動作の概要は概ね以下のようになる。
【００８３】
まず、入射光１６が光電変換膜６３に入射し、当該光電変換膜６３には、電源７５より電圧が印加され、アバランシュ増倍現象を発生させる動作は、前記撮像装置１０の場合と同一である。
【００８４】
増幅された正孔は、ＯＦＦ状態のＭＯＳトランジスタの前記ドレイン拡散層９４ａに移動し、電子と結合して当該ドレイン拡散層９４ａの電位が上昇する。本図に示した画素が、前記水平画像選択回路７３および垂直画像選択回路７２によって選択され、画素スイッチ７６が閉じられると、前記ドレイン拡散層９４ａで結合して失われた電子を補うための電流が負荷抵抗７７に流れ、信号を取り出すことができる構造になっている。
【００８５】
また、本実施例の場合と同様にして、信号電荷読み出し手段として電界放出素子を２次元に配列した平面電子源を用いた平板型撮像装置や、Ｘ線検出用の撮像装置、さらには非晶質セレンを用いたその他のデバイスを形成して、本発明を広く適用することが可能となることは明らかである。
【００８６】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明によれば、高感度の光電変換層を用いた撮像装置の、当該光電変換層の破損を防止して撮像装置を安定に使用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の撮像装置の動作原理を概略的に示した断面図である。
【図２】実施例１による撮像装置を模式的に示した断面図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は、実施例１における撮像装置の受光部の概略構成を示した図である。
【図４】ペルチェ素子の構造を模式的に示した図である。
【図５】図２の撮像装置の制御方法を示すフローチャートである。
【図６】図２の撮像装置の光電変換層の傷の発生率を調べた結果を示した図である。
【図７】（Ａ）は、電荷読み取り手段に固体素子を用いた平板型の撮像装置の構成を概略的に示した斜視図あり、（Ｂ）はその１画素の等価回路図である。
【図８】図７の撮像装置の構成を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０，５０，１００  撮像装置
１１  透光性板
１２  信号ピン
１３  負荷抵抗
１４  電源
１５  レンズ
１６，１０７  入射光
２０，６０  受光部
２０ａ  走査部
２１，６１，１０１  透光性電極
２２，６２，１０２  バリア層
２３，６３，１０３  光電変換膜
１０３１  非晶質半導体層
１０３２  非晶質光電変換層
２４  増し付け層
２５，６４，１０４  バリア層
３０  電子ビーム発生部
３１  金属リング
３２  イリジウムリング
３３  メッシュ電極
３４  集束偏向電極
３５，１０６  電子ビーム
３６  カソード電極
３７  電子銃筐体
４０  温度制御手段
４１  温度測定手段
４２  フィードバック回路
４３  制御装置
４４  温度制御素子
５１，５３ａ，５３ｂ  電極
５２ａ，５２ｂ  半導体
５４  電源
７０  固体素子
７１  素子形成部
７１Ａ  ＭＯＳトランジスタ
７２  垂直画素選択回路
７３  水平画素選択回路
７４  アンプ
７５  電源
７６  画素選択スイッチ
７７  負荷抵抗
ａ，ｂ，ｃ  接続
９１  基板
９２  ゲート絶縁膜
９３  ゲート電極
９４ａ，９４ｂ  不純物拡散層
９５ａ，９５ｂ  コンタクトプラグ
９６  画素電極
９７  絶縁膜
Ｌ０  厚さ
【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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【図７】
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【図８】
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