(57)【要約】【課題】高い光電変換効率と安定したアバランシェ増倍作用を両立させる光導電ターゲット及びこれを用いた撮像管、撮像デバイスを提供することを目的とする。【解決手段】第１の動作電界において、入射する光を吸収して電荷に変換する光キャリア生成層２３と、  該光キャリア生成層で生成した前記電荷を第２の動作電界でアバランシェ増倍するアバランシェ増倍層２５と、  前記光キャリア生成層と前記アバランシェ増倍層との間に設けられ、前記光キャリア生成層で生成された前記電荷を蓄積して正極性に帯電することで、前記キャリア生成層の内部電界を前記第１の動作電界に、前記アバランシェ増倍層の内部電界を前記第２の動作電界にするように電界を調整する電界調整層２４と、  該電界調整層と前記光キャリア生成層との間に挿入され、前記光キャリア生成層と前記電界調整層との距離を拡大して、前記光キャリア生成層の内部電界の変動を低減する電界安定化層２７と、を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の動作電界において、入射する光を吸収して電荷に変換する光キャリア生成層と、
該光キャリア生成層で生成した前記電荷を前記第１の動作電界と異なる第２の動作電界でアバランシェ増倍するアバランシェ増倍層と、
前記光キャリア生成層と前記アバランシェ増倍層との間に設けられ、前記光キャリア生成層で生成された前記電荷を蓄積して正極性に帯電することで、前記キャリア生成層の内部電界を前記第１の動作電界に、前記アバランシェ増倍層の内部電界を前記第２の動作電界にするように電界を調整する電界調整層と、
該電界調整層と前記光キャリア生成層との間に挿入され、前記光キャリア生成層と前記電界調整層との距離を拡大して、前記光キャリア生成層の内部電界の変動を低減する電界安定化層と、を有することを特徴とする光導電ターゲット。
【請求項２】
前記電界安定化層は、前記アバランシェ増倍層と同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導電ターゲット。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光導電ターゲットと、
該光導電ターゲットのアバランシェ増倍層側の空間に離間して設けられた電子ビーム源と、
該電子ビーム源を収容するとともに、前記光導電ターゲットを支持して一体化する筐体と、を有することを特徴とする撮像管。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の光導電ターゲットと、
該光導電ターゲットのアバランシェ増倍層側の空間に離間して設けられた冷陰極アレイと、
該冷陰極アレイを収容するとともに、前記光導電ターゲットを支持して一体化する筐体と、を有することを特徴とする撮像デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導電ターゲット及びこれを用いた撮像管、撮像デバイスに関し、特に、光キャリア生成層と、アバランシェ増倍層と、電界調整層とを含む光導電ターゲット及びこれを用いた撮像管、撮像デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、非晶質セレンに高電界を印加すると、内部で電荷のアバランシェ増倍現象が発生することが知られており、この現象を利用したアバランシェ増倍方式の高感度増倍管や、非晶質セレン薄膜を２次元固体走査ＩＣ基板上に積層した高感度固体撮像素子が開示されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００３】
例えば、特許文献１には、透光性のターゲット電極と、入射した光の像を電気信号に変換し、電荷パターンとして蓄積するための光導電膜とから成るターゲット部と、蓄積された電荷パターンを読み取るための走査電子ビーム発生部とを備えた撮像管において、光導電膜を非晶質セレンで構成した撮像管が開示されている。
【０００４】
ところで、非晶質セレンのバンドギャップは約２ｅＶであり、波長６２０ｎｍの光量子エネルギーに相当するので、これよりも波長の長い長波長光は吸収されず、光電変換は発生しない。一方、人の視感度は、長波長側では約７８０ｎｍまであるため、例えば、カラーカメラに非晶質セレンを用いた光導電ターゲットを用いた場合には、長波長光の赤色光に対する感度が不足して、色調を忠実に表現することができず、良質の画像が得られないという問題があった。
【０００５】
そこで、光を受光して電荷に変換する光導電ターゲットを、セレン化カドミウム及びその酸化物で構成した撮像素子が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。セレン化カドミウムは、可視光波長領域のほぼ全域に亘り１００％近い光電変換効率を有するので、赤色光も含めて、可視光波長領域の光の色調を忠実に表現することができる。
【０００６】
図１は、そのような、光導電ターゲットの光キャリア生成層に、セレン化カドミウムを用いた場合の従来の光導電ターゲット１０の断面構成の一例を示した図である。図１において、従来の光導電ターゲットは、入射光側から、透光性基板１１と、透光性電極１２と、光キャリア生成層１３と、電界調整層１４と、アバランシェ増倍層１５と、電子ビームランディング層１６とを備える。
【０００７】
光導電ターゲット１０の透光性基板１１に入射した入射光は、透光性基板１１及び透光性電極１２を通過し、光キャリア生成層１３に到達する。光キャリア生成層１３は、可視光波長領域のほぼ全域に亘り、１００％近い光電変換効率を有するセレン化カドミウム及びその酸化物から構成されている光電変換膜であり、入射した光を電気信号に変換する。光キャリア生成層１３で発生した電気信号は、電界調整層１４を通過して、アバランシェ増倍層１５に到達する。電界調整層１４は、フッ化リチウムを添加した非晶質セレンで構成され、アバランシェ増倍層１５は、非晶質セレンで構成される。アバランシェ増倍層１５では、電子なだれ現象が発生し、電気信号が大幅に増幅される。そして、三流化アンチモンから構成された電子ビームランディング層１６に電子ビームが照射されたときに、アバランシェ増倍層１５に蓄積された電荷が読み取られる。
【０００８】
ここで、電界調整層１４には、フッ化リチウムを非晶質セレンに添加したことにより、正孔に対する捕獲準位が形成されており、光キャリア生成層１３で生じた正孔を捕獲し、正電荷を蓄積する。そして、捕獲した正孔の空間電荷の効果により、光導電ターゲット内の電界を調整することができる。通常動作では、透光性電極１２には正極性の電圧を印加するため、電界調整層１４よりも入射光側、つまり光キャリア生成層１３では電界が緩和され、電界調整層１４よりも電子ビームランディング層１６側、つまりアバランシェ増倍層１５では電界が強められる。ここで、セレン化カドミウムの適切な動作電界が約１０７Ｖ／ｍであるのに対し、非晶質セレンの適切なアバランシェ動作電界は約１０８Ｖ／ｍである。よって、電界調整層１４の存在により、セレン化カドミウムで構成された光キャリア生成層１３と、非晶質セレンで構成されたアバランシェ増倍層１５とを、各々適切な動作電界で動作させる電界設定とすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７−２９５０７号公報
【特許文献２】特開昭６３−１７４４８０号公報
【特許文献３】特開平７−１９２６６３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】２００２年映像情報メディア学会年次大会、１４−２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上述の図１において示した従来技術の光導電ターゲットの構成では、電界調整層１４を光キャリア生成層１３に直接的に接する構造としていた。そのため、電界調整層１４の捕獲正孔数が温度変化等の影響を受けて変動すると、それに伴い光キャリア生成層１３の電界も大きく変動してしまい、感度が不安定になるという問題があった。
【００１２】
また、製作時のフッ化リチウム添加量がわずかに変わるだけで、光キャリア生成層１３の電界が大幅に変化してしまい、設計及び製作が困難であるという問題があった。例えば、フッ化リチウムの添加量が多過ぎると、光キャリア生成層１３の電界が小さくなってしまい光電変換交換率が低くなるためＳ／Ｎが悪くなる。逆に、その添加量が少な過ぎると、光キャリア層１３の電界が大きくなってしまい、撮像画面にキズが現れるため、アバランシェ増倍作用を発生させる程の大きさの電界を印加することができない。
【００１３】
このように、従来の光導電ターゲット構造では、光キャリア生成層１３の電界が適正範囲を逸脱してしまい、高い光電変換効率と安定したアバランシェ増倍作用を両立することができなかった。
【００１４】
そこで、本発明は、光キャリア生成層の電界を安定化し、更にフッ化リチウム添加量の適正範囲を広げることによって製作を容易にし、高い光電変換率と安定したアバランシェ増倍作用を両立させる光導電ターゲット及びこれを用いた撮像管を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、第１の発明に係る光導電ターゲットは、第１の動作電界において、入射する光を吸収して電荷に変換する光キャリア生成層と、
該光キャリア生成層で生成した前記電荷を前記第１の動作電界と異なる第２の動作電界でアバランシェ増倍するアバランシェ増倍層と、
前記光キャリア生成層と前記アバランシェ増倍層との間に設けられ、前記光キャリア生成層で生成された前記電荷を蓄積して正極性に帯電することで、前記光キャリア生成層の内部電界を前記第１の動作電界に、前記アバランシェ増倍層の内部電界を前記第２の動作電界にするように電界を調整する電界調整層と、
該電界調整層と前記光キャリア生成層との間に挿入され、前記光キャリア生成層と前記電界調整層との距離を拡大して、前記光キャリア生成層の内部電界の変動を低減する電界安定化層と、を有することを特徴とする。
【００１６】
これにより、電界調整層の電界調整作用に変動が生じても、電界安定化層により、光キャリア生成層で急激な電界変動が生じるのを低減させることができ、光キャリア生成層を安定動作させることができる。
【００１７】
第２の発明は、第１の発明に係る光導電ターゲットにおいて、
前記電界安定化層は、前記アバランシェ増倍層と同じ材料で形成されていることを特徴とする。
【００１８】
これにより、電界安定化層を設けても、アバランシェ増倍層との不適合が無いので、コンタミネーションの発生、複雑な電界変化を防止することができ、アバランシェ増倍層の本来の機能への悪影響を及ぼすことなく、光導電ターゲットの安定性を高めることができる。
【００１９】
第３の発明に係る撮像管は、第１又は第２の発明に係る光導電ターゲットと、
該光導電ターゲットのアバランシェ増倍層側の空間に離間して設けられた電子ビーム源と、
該電子ビーム源を収容するとともに、前記光導電ターゲットを支持して一体化する筐体と、を有することを特徴とする。
【００２０】
これにより、高い光電変換効率と安定したアバランシェ増倍作用を両立することができる撮像管とすることができる。
【００２１】
第４の発明に係る撮像デバイスは、第１又は第２の発明に係る光導電ターゲットと、
該光導電ターゲットのアバランシェ増倍層側の空間に離間して設けられた冷陰極アレイと、
該冷陰極アレイを収容するとともに、前記光導電ターゲットを支持して一体化する筐体と、を有することを特徴とする。
【００２２】
これにより、光導電ターゲットの任意の位置から高速かつ均一に電荷を読み取ることができるとともに、高い光電変換効率と安定したアバランシェ増倍作用を両立させることができる撮像デバイスを実現できる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、高い光電変換効率と安定したアバランシェ増倍作用を両立させることができ、高感度の光導電ターゲットを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来の光導電ターゲット１０の断面構成の一例を示した図である。
【図２】実施形態１に係る光導電ターゲット２０の全体構成の一例を示した断面図である。
【図３】実施形態１に係る撮像管３０の全体構成の一例を示した図である。
【図４】実施形態１に係る光導電ターゲット２０の電界調整層２４の正孔捕獲数が変化したときの内部電界に与える影響を説明するための図である。図４（Ａ）は、実施形態１に係る光導電ターゲット２０のエネルギー準位を模式的に示した図である。図４（Ｂ）は、実施形態１に係る光導電ターゲット２０の電位及び電界の変化を示した図である。図４（Ｃ）は、従来の光導電ターゲット１０の電位及び電界の変化を示した比較図である。
【図５】実施形態１に係る光導電ターゲット２０のエネルギー準位の詳細図である。
【図６】本実施例に係る光導電ターゲットの信号電流−印加電圧特性を示した図である。
【図７】本実施例に係る光導電ターゲットの光電変換効率−入射光波長特性を示した図である。
【図８】従来の光導電ターゲット１０の信号電流−印加電圧特性を示した比較図である。
【図９】実施形態２に係る撮像デバイス４０の断面構成の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【００２６】
〔実施形態１〕
図２は、本発明の実施形態１に係る光導電ターゲット２０の全体構成の一例を示した断面図である。図２において、実施形態１に係る光導電ターゲット２０は、透光性基板２１と、透光性電極２２と、光キャリア生成層２３と、電界調整層２４と、アバランシェ増倍層２５と、電子ビームランディング層２６と、電界安定化層２７とを備える。
【００２７】
上述の各構成要素は、光が入射される入射面側から順に、透光性基板２１、透光性電極２２、光キャリア生成層２３、電界安定化層２７、電界調整層２４、アバランシェ増倍層２５、電子ビームランディング層２６の順序で積層された配置構成となっている。図１において説明した従来技術においては、光キャリア生成層１３と、電界調整層１４とが隣接して配置され、両者が直接接触する構成となっていたが、実施形態１に係る光導電ターゲット２０においては、光キャリア生成層２３と電界調整層２４との間に、電界安定化層２７が挿入されている点で、従来の光導電ターゲット１０と異なっている。
【００２８】
透光性基板２１は、光を透過する基板であり、入射光が入射される入射面を形成する。透光性基板２１には、例えば、ガラス基板が用いられてもよいし、その他、透明な樹脂等の光を透過する種々の材料が用いられてもよい。
【００２９】
透光性電極２２は、光を透過する電極であり、光キャリア生成層２３及びアバランシェ増倍層２５に電圧を印加し、電界を発生させる役割を有する。透光性電極２２は、透光性と導電性を有する種々の材料で構成されてよいが、例えば、酸化インジウムスズ（Indium Tin Oxide）で構成されてもよい。
【００３０】
光キャリア生成層２３は、入射した光を吸収し、光を電荷に変換する光電変換膜である。光キャリア生成層２３は、種々の光電変換膜が用いられてよいが、撮像素子等に用いるためには、可視光波長の全領域について、高い光電変換率を有することが好ましい。例えば、非晶質セレン（ａ−Ｓｅ）は、バンドギャップが約２ｅＶであり、波長６２０ｎｍの光量子エネルギーに相当するので、これよりも長波長の光は吸収されず、光電変換が発生しない。よって、可視光波長で撮像できない波長領域を含んでしまう。一方、例えば、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）は、可視光波長のほぼ総ての領域について、１００％に近い光電変換効率を有している。よって、このような、可視光の総ての波長領域において高い光電変換率を有する材料を用いることにより、光導電ターゲット２０の光電変換率を高めることができる。なお、本実施形態においては、光キャリア生成層２３にセレン化カドミウムを用いた例を挙げて説明するが、可視光波長領域のほぼ全域において、高い光電変換効率を有する光電変換膜であれば、種々の光電変換膜を適用することができる。
【００３１】
なお、光キャリア生成層２３に、セレン化カドミウムが用いられた場合には、セレン化カドミウムの最適な動作電界は約１０７Ｖ／ｍであるので、光キャリア生成層２３の内部電界が、１０７Ｖ／ｍに近付くように調整することが好ましい。
【００３２】
電界調整層２４は、光導電ターゲット２０内の内部電界を調整するための手段である。電界調整層２４は、電荷の捕獲を行う材料から構成される。例えば、セレン系非晶質半導体に、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、フッ化カリウム（ＫＦ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）又はフッ化カルシウム（ＣａＦ２）のいずれかを添加すると、セレン系非晶質半導体のバンド構造において、正孔捕獲準位が形成される。かかる正孔捕獲準位は、光キャリア生成層２３で発生した正孔を捕獲することにより、正電荷を蓄積し、正極性に帯電することになる。すると、透光性電極２２に印加された電圧により形成された光導電ターゲット２０の内部電界に、電界調整層２４による正極性層が加わることになり、内部電界に変化を与えることができる。つまり、光導電ターゲット２０の内部電界を調整することができる。
【００３３】
なお、電界調整層２４及び電界安定化層２７による電界調整及び安定化の原理についての詳細は、後述するものとする。
【００３４】
アバランシェ増倍層２５は、光キャリア生成層２３で発生した電荷を、アバランシェ（電子なだれ）増倍作用によって増倍させる電荷増倍手段である。アバランシェ増倍層２５は、アバランシェ増倍作用を実現できれば、種々の材料から構成されてよい。例えば、アバランシェ増倍層２５は、セレン系非晶質半導体から構成されてよく、必要に応じて、耐熱性を強化するヒ素等を含んでもよいし、目的に応じた他の添加物を含んでもよい。アバランシェ増倍層２５に、セレン系非晶質半導体が用いられた場合には、非晶質セレンの最適なアバランシェ動作電界は約１０８Ｖ／ｍである。この場合には、アバランシェ増倍層２５の内部電界が、１０８Ｖ／ｍに近付くように内部電界を調整することが好ましい。
【００３５】
電子ビームランディング層２６は、アバランシェ増倍層２５で増倍された電荷の読み取りを、電子ビームの照射により行う場合に、電子ビームが照射されるターゲットとなる層である。電子ビームランディング層は、電子ビームに対する耐性を有し、二次電子放出を防止する種々の材料から構成されてよいが、例えば、多孔質三硫化アンチモン（Ｓｂ２Ｓ３）から構成されてもよい。
【００３６】
電界安定化層２７は、光キャリア生成層２３の内部電界を安定させる役割を果たすための手段である。上述のように、電界調整層２４は、正孔捕獲準位を形成し、光キャリア生成層２３で生じた電荷の正孔を捕獲するが、電界調整層２４の正孔捕獲数は、温度等により変化する。よって、電界調整層２４の温度が上昇すると、一旦捕獲した正孔を放出するような現象が生じる。この場合に、光キャリア生成層２３の内部電界が変化し、光電変換動作が不安定となる。
【００３７】
ここで、光キャリア生成層２３の内部電界は、透光性電極２２と電界調整層２４との間に印加されている電圧と、透光性電極２２と電界調整層２４との間の距離により定まる。つまり、一般に、２つの電極の間の電界をＥ〔Ｖ／ｍ〕、印加されている電圧をＶ〔Ｖ〕、２電極間の距離をｄ〔ｍ〕とすると、Ｅ＝Ｖ／ｄ〔Ｖ／ｍ〕の式が成立するので、２電極間の距離ｄが大きくなると、２極間の電圧Ｖが変化しても、電界Ｅの変化が小さくなる。
【００３８】
この現象を利用し、本実施形態に係る光導電ターゲット２０においては、２つの電極の役割を果たす光キャリア生成層２３と電界調整層２４との間に電界安定化層２７を挿入し、透光性電極２２と電界調整層２４との距離ｄを大きくした構成としている。これにより、電界調整層２４の正孔捕獲数が温度変化等により変化し、電界調整層２４の電位が変化した場合であっても、透光性電極２２と電界調整層２４との間の電界の変化割合を小さくし、光キャリア生成層２３を安定した電界の下で動作させることができる。
【００３９】
電界安定化層２７は、種々の材料で構成されてよいが、アバランシェ増倍層２５を汚染しないような材質であることが好ましい。また、誘電率も、アバランシェ増倍層２５と大きく相違しない材料であることが好ましい。このような観点から、例えば、電界安定化層２７は、アバランシェ増倍層２５と同一の材料から構成するようにしてもよい。例えば、アバランシェ増倍層２５がセレン系非晶質半導体で構成されている場合には、電界安定化層２７もセレン系非晶質半導体で構成すれば、アバランシェ増倍層２５へのコンタミネーションの発生が無く、発生する電界も複雑でないものとすることができる。このように、電界安定層２７には、例えば、アバランシェ増倍層２５と同一の材料を用いて構成するようにしてもよい。なお、アバランシェ増倍層２５と同一の材料であっても、電界安定化層２７の内部電界はアバランシェ増倍が動作する程大きくないので、アバランシェ増倍は生じていない。
【００４０】
次に、実施形態１に係る光導電ターゲット２０を、撮像管に用いた場合の構成及び動作について説明する。
【００４１】
図３は、実施形態１に係る撮像管３０の全体構成の一例を示した図である。図３において、撮像管３０は、光導電ターゲット２０と、電子ビーム源３１と、筐体３２と、電源３３とを有する。
【００４２】
光導電ターゲット２０は、図２において説明したように、透光性基板２１と、透光性電極２２と、光キャリア生成層２３と、電界調整層２４と、アバランシェ増倍層２５と、電子ビームランディング層２６と、電界安定化層２７とを有する。更に、図３においては、導通ピン２８が示されている。導通ピン２８は、透光性電極２２と導通が図られるように、透光性基板２１を貫通して、一端が透光性電極２２に接続され、他端が透光性基板２１の外部に露出するように構成されている。光導電ターゲット２０のその他の構成要素については、図２の説明と同様であるので、図２と同一の参照符号を付し、個々の構成要素の説明を省略するものとする。
【００４３】
電子ビーム源３１は、電子ビームランディング層２６に電子ビームを照射し、光導電ターゲット２０を含む閉回路を形成して、アバランシェ増倍層２５に蓄積された電荷を読み取るための電荷読み取り手段である。電子ビーム源３１は、電子ビームを発射するカソード３１ａを先端に有し、カソード３１ａの電位が０Ｖとなる。
【００４４】
筐体３２は、電子ビーム源３１を収容するとともに、光導電ターゲット２０を一体的に支持し、全体として撮像管３０を構成するための容器である。筐体３２は、例えば、図３に示すように、片側が閉じた円筒形に構成されてよい。筐体３２の内部は、筐体３２の閉じた底の方に電子ビーム源３１が配置され、筐体３２の開口側に光導電ターゲット２０が配置されて開口を塞いでいる。また、電子ビーム源３１と光電体ターゲット２０の電子ビームランディング層２６が対向して離間して配置されている。筐体３２の内部は、例えば、このように構成されてよい。
【００４５】
電源３３は、光導電ターゲット２０に電圧を印加するための手段である。具体的には、導通ピン２８を介して、透光性電極２２に正電圧を印加し、光キャリア生成層２３及びアバランシェ増倍層２５が動作するのに必要な電界を生成する。
【００４６】
次に、図３に示す撮像管３０の動作について説明する。ここで、光キャリア生成層２３はセレン化カドミウムで構成され、電界安定化層２７はセレン系非晶質半導体で構成され、電界調整層２４はセレン系非晶質半導体にフッ化金属を添加した材料で構成され、アバランシェ増倍層２５はセレン系非晶質半導体で構成されている例を挙げて説明する。
【００４７】
図３の撮像管３０において、まず、導通ピン２８を介して、透光性電極２２には、正極性の電圧が印加されている。この状態で、光導電ターゲット２０の透光性基板２１に光が入射すると、入射光は、透光性基板２１及び透光性電極２２を透過して、光キャリア生成層２３に入射する。光キャリア生成層２３は、入射した光を吸収し、光量に応じた電荷を発生させる。光キャリア生成層２３よりも入射光側にある透光性電極２２には、正電圧が印加されているので、光キャリア生成層２３で発生した電荷は、電子は透光性電極２２側に移動し、正孔は電界安定化層２７側に移動する。電界安定化層２７に移動した正孔は、これを通過して電界調整層２４に到達する。
【００４８】
ここで、電界調整層２４は、正孔捕獲準位を形成しているので、電界調整層２４は、光キャリア生成層２３で生成されて移動してきた正孔を捕獲する。そして、電界調整層２４は、正電荷を蓄積し、正極性に帯電する。電界調整層２４が正極性に帯電すると、透光性電極２２には正電圧が印加されているので、透光性電極２２と電界調整層２４との間の電位差は小さくなり、電界が弱まる。よって、光キャリア生成層２３の内部電界は低下することになる。つまり、セレン化カドミウムの最適動作電界の１０７Ｖ／ｍに接近することになる。一方、電界調整層２４よりも電子ビーム源３１側のアバランシェ増倍層２５側には、電源３３により供給される電圧から光キャリア生成層２３及び電界安定化層２７に印加される電圧分を差し引いた電圧が印加されるため、透光性電極２２と電界調整層２４との間の電位差が小さくなった分、アバランシェ増倍層２５の内部電界を強くすることができる。よって、アバランシェ増倍層２５の内部電界は、セレンの最適動作電界である１０８Ｖ／ｍに接近することになる。
【００４９】
このように、電界調整層２４の存在により、電界調整層２４より入射光側の電界を低下させ、電界調整層２４より電子ビーム側の電界を増加させることができる。これにより、最適動作電界の異なる光キャリア生成層２３とアバランシェ増倍層２５の双方を、最適電界で動作させることができ、高い光電変換効率と、アバランシェ増倍率の双方を実現することができる。
【００５０】
しかしながら、上述のように、電界調整層２４と光キャリア生成層２３とを隣接させると、電界調整層２４の正孔捕獲数が変化したときに、その変化が光キャリア生成層２３の動作に大きな影響を与えてしまう。
【００５１】
図４は、実施形態１に係る光導電ターゲット２０の電界調整層２４の正孔捕獲数が変化し、捕獲した電子が放出された場合の光キャリア生成層２３の内部電界に与える影響を説明するための図である。
【００５２】
図４（Ａ）は、電界調整層２４が正孔を捕獲していない場合と、捕獲した場合の、光導電ターゲット２０のエネルギー準位を模式的に示した図である。図４（Ａ）において、左側を光キャリア生成層２３、右側をアバランシェ増倍層２５とし、縦の高さの差は電位差、横は物理的な距離の大きさを示している。また、電位は、右端が基準の０Ｖを示し、左側に移動するにつれて、正電位の値が大きくなっている。また、直線の傾きは、内部電界の大きさを示している。
【００５３】
図４（Ａ）において、電界調整層２４が正孔を捕獲していない場合には、直線Ａで示されるエネルギー準位となり、電界調整層２４が正孔を獲得した場合には、折れ線Ｂのような正孔の正電位分、電界調整層２４で電位がシフトした状態となる。
【００５４】
図４（Ｂ）は、実施形態１に係る電界調整層２４と電界安定化層２７とを有する光導電ターゲット２０の電位及び電界の変化を示した図である。図４（Ｂ）に示すように、捕獲した正孔が放出されると、折れ線Ｂ１から、直線Ａ１の状態にエネルギー状態が変化する。つまり、左端から距離ＣＬの点Ｃで正孔放出が発生し、電位差ΔＶの変化が生じる。
【００５５】
図４（Ｃ）は、比較のため、従来の光導電ターゲット１０における電界調整層１４における正孔放出があった場合の光導電ターゲットの電位及び電界の変化を示した図である。図４（Ｃ）に示すように、従来の光導電ターゲット１０においては、電界安定層２７が存在しないため、左端からより近い距離ＤＬの点Ｄで、正孔放出が発生する。このとき、エネルギー準位は、折れ線Ｂ２から直線Ａ２に変化するが、正孔放出の発生する点が、図４（Ｂ）の場合と比較して、遙かに左端に近いので、変化する電位差は図４（Ｂ）の場合と同様であるが、Ｄ点よりも左側の領域における傾きの変化は、より急激となる。つまり、同じ電位差の変化であっても、傾きによって示される電界の変化は、図４（Ｂ）の場合よりも遙かに大きくなる。よって、Ｄ点よりも左側の領域、つまり光キャリア生成層１３の内部電界の変化が大きくなり、光キャリア生成層１３の光電変換作用が不安定となってしまう。
【００５６】
一方、図４（Ｂ）の場合は、左端から離れた全体の真ん中に近いＣ点で電位の変化が発生するので、Ｃ点より左側の領域の電界変化が抑制されている。
【００５７】
このように、電界調整層２４と光キャリア層２３との間に電界安定化層２７を挿入することにより、電界調整層２４における正孔放出時の光キャリア生成層２３の内部電界の変化を低減することができる。実施形態１に係る光導電ターゲット２０においては、このような構成により、光キャリア生成層２３の動作の安定化を実現している。
【００５８】
図５は、実施形態１に係る光導電ターゲット２０のエネルギー準位の一例をより詳細に示した図である。図５において、セレン化カドミウムのバンドギャップが１．７ｅＶであり、セレン系非晶質半導体のバンドギャップが２ｅＶであることから、左端が右端より幅が狭くなっている。セレン系非晶質半導体にフッ化リチウムを添加した電界調整層２４を境界として、左側の電界が小さくなっており、右側の電界が大きくなっていることが分かる。また、電界調整層２４とセレン化カドミウムの光キャリア生成層２３との間に、セレン系非晶質半導体の電界安定化層２７が挿入され、電位差変動の電界変動への影響が緩和されている。
【００５９】
このように、実施形態１に係る光導電ターゲット２０によれば、光キャリア生成層２３及びアバランシェ増倍層２５を適正電界で動作させることができるとともに、当該電界を安定させ、安定した高効率の光電変換と高いアバランシェ増倍作用を両立させて実現することができる。
【００６０】
〔実施例〕
次に、実施形態１に係る光導電ターゲット２０の具体的な実施例について説明する。本実施例に係る光導電ターゲット２０は、図２に示した構成と同様の構成とした。よって、本実施例において、図２に対応する構成要素には、同一の参照符号を付して説明するものとする。
【００６１】
まず、図２に示す透光性基板２１には、２／３インチサイズの透光性ガラス基板を用いた。透光性ガラス基板の片面に、高周波スパッタリング蒸着法により、直径１４ｍｍ、膜厚３０ｎｍの酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）からなる透光性電極２２を形成した。次に、その上に真空蒸着法により、直径１４ｍｍ、膜厚１μｍのセレン化カドミウムからなる光キャリア生成層２３を形成した。その後、セレン及び酸素雰囲気中で６００℃の加熱を行い、光キャリア生成層２３の表面を酸化させて亜セレン酸カドミウム（ＣｄＳｅＯ３）を形成した。更に、その上に、真空蒸着法により、直径１４ｍｍ、膜厚４μｍの非晶質セレンからなる電界安定化層２７を形成した。次いで、非晶質セレンにフッ化リチウムを５００ｐｐｍの濃度で添加し、直径１４ｍｍ、膜厚１２ｎｍの非晶質セレンからなる電界調整層２４を形成した。その上に、直径１４ｍｍ、膜厚２μｍの非晶質セレンからなるアバランシェ増倍層２５を形成した。更にその上に、０．３Ｔｏｒｒの不活性ガス雰囲気中で、直径１４ｍｍ、膜厚０．２μｍの多孔質三硫化アンチモンからなる電子ビームランディング層２６を形成し、本実施例に係る光導電ターゲット２０を形成した。
【００６２】
このようにして形成した本実施例に係る光導電ターゲット２０を、図３に示した構成と同様に、２／３インチの撮像管３０に組み込み、種々の特性を評価した。
【００６３】
図６は、本実施例に係る光導電ターゲットの信号電流−印加電圧特性を示した図である。図６において、横軸は印加電圧を表し、縦軸は信号電流（相対値）を表している。図６において、印加電圧５００〜５５０V付近において、印加電圧２５０〜４００V付近の飽和領域の信号電流と比較して、信号電流が大きく増加している特性が示されていることが分かる。これが、アバランシェ増倍作用であり、本実施例に係る光導電ターゲット２０は、適切にアバランシェ増倍作用を行っていることが分かる。
【００６４】
図７は、本実施例に係る光導電ターゲットの光電変換効率−入射光波長特性を示した図である。図７において、横軸は入射光波長〔ｎｍ〕、縦軸は光電変換効率〔％〕を示している。図７に示すように、入射光波長の３８０〜７２０ｎｍの範囲において、高い光電変換効率を実現することができた。なお、図７において、破線で示したのは、非晶質セレンの光電変換効率−入射光波長特性であり、これと比較して、本実施例に係る光導電ターゲット２０は、優れた光電変換効率−入射光波長特性を実現できることが分かる。
【００６５】
図８は、比較のため、従来の光導電ターゲット１０の信号電流−印加電圧特性を示した図である。電界安定化層２７を設けなかった従来の光導電ターゲット１０においては、印加電圧を高めてゆくと、撮像画面にキズが現れ、図８に示すように、アバランシェ増倍作用を起こすほど電圧を高めることができず、膜内における適切な電界調整ができなかった。図８と比較すると、図６に示した本実施例に係る光導電ターゲット及びこれを用いた撮像管のアバランシェ増倍作用の特性が優れていることがよく分かる。
【００６６】
このように、本実施例に係る光導電ターゲット２０及び撮像管３０においては、高い光電変換効率と安定したアバランシェ増倍作用を両立させることができ、高感度の光導電ターゲット２０及び撮像管３０を実現することができる。
【００６７】
〔実施形態２〕
図９は、本発明の実施形態２に係る撮像デバイス４０の断面構成の一例を示した図である。実施形態１及びその実施例においては、光導電ターゲット２０を、撮像管３０に用いた形態について説明したが、実施形態２に係る撮像デバイス４０においては、光導電ターゲット２０を、冷陰極アレイ４１を備えた撮像デバイス４０に用いた形態について説明する。
【００６８】
図９において、実施形態２に係る撮像デバイス４０は、電子ビーム源として、冷陰極アレイ４１を備える点で、実施形態１に係る撮像管３０と主に相違する。また、実施形態２に係る撮像デバイス４０は、その他の構成要素として、ガラス管４２と、インジウムリング４３と、メッシュ電極４４と、電源４５と、増幅器４６とを備える。
【００６９】
実施形態２に係る撮像デバイス４０は、実施形態１に係る撮像管３０と同様に、光導電ターゲット２０を備えるが、光導電ターゲット２０は、実施形態１に係る光導電ターゲット２０と同様の構成を有するものを用いることができる。よって、光導電ターゲット２０については、実施形態１と同様の参照符号を付して、その説明を省略する。図９において、透光性基板２１は独立に示してあるが、透光性電極２２、光キャリア生成層２３、電界調整層２４、アバランシェ増倍層２５、電子ビームランディング層２６及び電界安定化層２７については、個々の要素は省略され、総てをまとめた状態で示されている。
【００７０】
冷陰極アレイ４１は、複数の微小なカソードがマトリクス状に配列された電子ビーム発生源であり、任意のカソードを選択して電子ビームを発射させることができる。
【００７１】
ガラス管４２は、冷陰極アレイ４１を収容するための容器（筐体）であり、底面に冷陰極アレイ４１が配置される。また、ガラス管４２は、インジウムリング４３を介して、光導電ターゲット２０を支持し、一体化した撮像デバイス４０の外形を構成する。インジウムリング４３は、光導電ターゲット２０の透光性基板２１とガラス管４２とを封止する。なお、本実施形態においては、ガラス管４２を筐体として用いた例を説明しているが、冷陰極アレイ４１を収容し、光導電ターゲット２０を支持して一体的に撮像デバイス４０の外形を構成できるものであれば、用途に応じた種々の材料からなる筐体を用いることができる。
【００７２】
光導電ターゲット２０は、透光性基板２１が外側に露出され、電子ビームランディング層２６が冷陰極アレイ４１と対向するように配置される。透光性基板２１側から光が入射すると、光キャリア生成層２３で電荷が発生し、アバランシェ増倍層２５で電荷が増倍される点は、実施形態１に係る光導電ターゲット２０と同様である。
【００７３】
光導電ターゲット２０の電子ビームランディング層２６の近傍の冷陰極アレイ４０側には、必要に応じてメッシュ電極４４が配置されてもよい。
【００７４】
また、ガラス管４２の外部には、電源４５と、増幅器４６が備えられている。冷陰極アレイ４０から発射された電子ビームが光導電ターゲット２０に照射されるタイミングで、発生した電荷が読み取られ、増幅器４６により電気信号が増幅されて撮像信号として出力される。
【００７５】
このように、本実施形態に係る光導電ターゲット２０は、冷陰極アレイ４１を用いた撮像デバイス４０に好適に適用することができる。冷陰極アレイ４１を用いた撮像デバイス４０は、種々の用途に用いることができる。
【００７６】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。例えば、本実施形態及び本実施例においては、光キャリア生成層２３にセレン化カドミウム、アバランシェ増倍層２５にセレン系非晶質半導体を用いた例を挙げて説明したが、動作電界の異なる光キャリア生成層と増倍層を組み合わせ、電界調整層を設けて両者の電界を調整する構成を有する光導電ターゲットであれば、広く本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、可視領域における光電変換を必要とする種々のデバイス、装置に利用することができ、例えば、撮像管を含む種々の撮像デバイスに用いられる光導電ターゲットに利用することができる。
【符号の説明】
【００７８】
２０    光導電ターゲット
２１    透光性基板
２２    透光性電極
２３    光キャリア生成層
２４    電界調整層
２５    アバランシェ増倍層
２６    電子ビームランディング層
２７    電界安定化層
２８    導通ピン
３０    撮像管
３１    電子ビーム源
３１ａ    カソード
３２    筐体
３３、４５    電源
４０    撮像デバイス
４１    冷陰極アレイ
４２    ガラス管（筐体）
４３    インジウムリング
４４    メッシュ電極
４６    増幅器
【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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【図９】
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