JP2012069459A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度で高解像度の撮像を行うことができる撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置１は、真空容器１０、支持基板１１、アンテナ層１２、光電変換層１３、マイクロチャネルプレート１４、蛍光層１５および光ファイバ束１６を備える。アンテナ層１２は、光を通過させる複数の孔部１２０を有し、光入射時に表面プラズモン共鳴を発生させる周期的構造が主面に形成され、光入射時の表面プラズモン共鳴により孔部１２０で近接場光Ｌを発生させる。光電変換層１３は、アンテナ層１２の孔部１２０で発生した近接場光Ｌを入力して光電子ｅを発生させる。マイクロチャネルプレート１４は、各々入力した電子を増倍する複数のチャネルを有し、アンテナ層１２の複数の孔部１２０それぞれに対応して複数のチャネルのうちの何れかのチャネルが配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換層および電子増倍部を備える撮像装置に関するものである。

高感度の撮像を行うことができる撮像装置として、光電変換層および電子増倍部（例えばマイクロチャネルプレート）を真空容器内に備える構成のものが知られている（特許文献１，２）。

図１１は、従来の撮像装置１００の構成を模式的に示す断面図である。この撮像装置１００は、真空容器１０、支持基板１１、光電変換層１３、マイクロチャネルプレート１４、蛍光層１５および光ファイバ束１６を備える。真空容器１０、支持基板１１および光ファイバ束１６は、内部を真空に維持することができ、その内部に光電変換層１３、マイクロチャネルプレート１４および蛍光層１５を内包する。光電変換層１３は、支持基板１１の一方の主面（真空側の面）に設けられている。蛍光層１５は、光ファイバ束１６の一方の主面（真空側の面）に設けられている。

マイクロチャネルプレート１４に設けられた電極１４ａは、光電変換層１３に対向して設けられている。マイクロチャネルプレート１４に設けられた電極１４ｂは、蛍光層１５に対向して設けられている。これらの間に所定の電圧が印加されていて、光電変換層１３に対して電極１３ａが正の電圧とされ、電極１３ａに対して電極１３ｂが正の電圧とされ、また、電極１３ｂに対して蛍光層１５が正の電圧とされる。

例えばガラスからなる透明な支持基板１１を透過した入射光が光電変換層１３に到達すると、光電変換層１３において、その入射光の光子が吸収されて、光電子ｅが発生する。光電子ｅの発生量は、入射光強度に応じたものである。光電変換層１３で発生した光電子ｅは、光電変換層１３内で拡散した後、マイクロチャネルプレート１４に対向する光電変換層１３の主面に到達し、その主面から真空中へ放出される。放出された光電子は、光電変換層１３と電極１４ａとの間の電界により加速されてマイクロチャネルプレート１４に到達する。

マイクロチャネルプレート１４は、各々入力した電子を増倍する複数のチャネルを有している。マイクロチャネルプレート１４に到達した光電子の一部は、マイクロチャネルプレート１４の何れかのチャネル内に入力される。マイクロチャネルプレート１４のチャネル内に入力された光電子は該チャネルの内壁に衝突して、その衝突に伴い２次電子が発生する。電極１３ａと電極１３ｂとの間の電界により、これらの電子はマイクロチャネルプレート１４のチャネルの内壁で衝突を繰り返し、その衝突の度に増倍される。

その増倍された電子は、マイクロチャネルプレート１４のチャネルから放出され、電極１４ｂと蛍光層１５との間の電荷により加速されて蛍光層１５に到達する。蛍光層１５に電子が到達すると、その電子の量に応じた強度の蛍光が発生する。蛍光層１５で発生した蛍光は、光ファイバ束１６により導かれて、外部へ出力される。光ファイバ束１６を介して観察される蛍光像は、支持基板１１に入射する光の強度分布を表す２次元画像である。

なお、光ファイバ束１６は、ファイバオプティカルプレートとも呼ばれ、複数の光ファイバが並列配置されて束ねられたもので、全体的に平板形状を有しており、当該平板の一方の主面から他方の主面へ光ファイバ毎に光を導くことができる。光ファイバ１６に替えてガラス板が用いられてもよく、この場合には、蛍光層１５で発生した蛍光は、ガラス板を介して外部から観察され得る。

特開平０６−２９５６９０号公報 特開平１０−１７２４５８号公報

しかしながら、上記のような撮像装置１００では、光電変換層１３の或る領域（図１１中の位置Ａ，Ｂ）で発生した光電子の大部分は、マイクロチャネルプレート１４の何れかのチャネルに入力されて増倍される。しかし、光電変換層１３の他の或る領域（図１１中の位置ａ，ｂ）で発生した光電子の大部分は、マイクロチャネルプレート１４の入力面におけるチャネル間の壁の部分に到達し、チャネルにおいて増倍されず、信号として出力されない。

一般的に、マイクロチャネルプレート１４の入力面における開口率（チャネル入力部分の割合）は６０％〜７０％であるので、光電変換層１３で発生した光電子のうち３０％〜４０％のものはマイクロチャネルプレート１４により増倍されず信号として出力されない。また、一般的に、光電変換層１３における光電変換量子効率は２０％程度であるので、マイクロチャネルプレート１４の入力面における開口率を考慮した実効的な光電変換量子効率は１２％〜１４％にすぎない。マイクロチャネルプレート１４で電子を幾ら増倍しても、マイクロチャネルプレート１４入力前に失われた入射光の情報を得ることはできない。

また、光電変換層１３で発生した光電子は、光電変換層１３内で拡散した後に光電変換層１３から真空中へ出力され、電界によって加速されてマイクロチャネルプレート１４に入力される。このことから、光電変換層１３の或る領域（図１１中の位置ｂ）で発生した光電子は、マイクロチャネルプレート１４の複数のチャネルに入力される可能性がある。このことは、撮像により得られる像の解像度の低下の一因となる。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高感度で高解像度の撮像を行うことができる撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の撮像装置は、(1) 各々厚さ方向に光を通過させる複数の孔部を有し、光入射時に表面プラズモン共鳴を発生させる周期的構造が主面に形成され、光入射時の表面プラズモン共鳴により複数の孔部それぞれで近接場光を発生させるアンテナ層と、(2) アンテナ層の複数の孔部それぞれで発生した近接場光を入力して光電子を発生させる光電変換層と、(3) 各々入力した電子を増倍する複数のチャネルを有し、アンテナ層の複数の孔部それぞれに対応して複数のチャネルのうちの何れかのチャネルが配置され、アンテナ層の各孔部で発生した近接場光に因り光電変換層で発生した光電子を該孔部に対応するチャネルで増倍する電子増倍部と、(4) 電子増倍部の複数のチャネルそれぞれにより増倍された後の電子の量を検出する検出部と、を備えることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、電子増倍部に対向する光電変換層の主面において、アンテナ層の各孔部で発生した近接場光に因り発生した光電子を出力する領域を除く領域に、光電子の放出を抑制する光電子放出抑制部が設けられているのが好適である。本発明の撮像装置は、アンテナ層の主面において、複数の孔部のうち隣り合う２つの孔部の間に、表面プラズモンをブラッグ反射させるブラッグ反射部が設けられているのが好適である。また、電子増倍部がマイクロチャネルプレートを含むものであってもよいし、電子増倍部が固体撮像素子を含むものであってもよい。

本発明の撮像装置は、高感度で高解像度の撮像を行うことができる

第１実施形態の撮像装置１の構成を模式的に示す断面図である。 アンテナ層１２の平面形状の例を示す平面図である。 第２実施形態の撮像装置２の構成を模式的に示す断面図である。 第３実施形態の撮像装置３の構成を模式的に示す断面図である。 第３実施形態の撮像装置３のアンテナ層１２Ａの断面図である。 第４実施形態の撮像装置４の構成を模式的に示す断面図である。 撮像装置製造方法を説明する図である。 撮像装置製造方法を説明する図である。 撮像装置製造方法を説明する図である。 撮像装置製造方法を説明する図である。 従来の撮像装置１００の構成を模式的に示す断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）

図１は、第１実施形態の撮像装置１の構成を模式的に示す断面図である。この撮像装置１は、真空容器１０、支持基板１１、アンテナ層１２、光電変換層１３、マイクロチャネルプレート１４、蛍光層１５および光ファイバ束１６を備える。真空容器１０、支持基板１１および光ファイバ束１６は、内部を真空に維持することができ、その内部にアンテナ層１２、光電変換層１３、マイクロチャネルプレート１４および蛍光層１５を内包する。アンテナ層１２および光電変換層１３は、支持基板１１の一方の主面（真空側の面）に設けられている。蛍光層１５は、光ファイバ束１６の一方の主面（真空側の面）に設けられている。

マイクロチャネルプレート１４に設けられた電極１４ａは、光電変換層１３に対向して設けられている。マイクロチャネルプレート１４に設けられた電極１４ｂは、蛍光層１５に対向して設けられている。これらの間に所定の電圧が印加されていて、光電変換層１３に対して電極１３ａが正の電圧とされ、電極１３ａに対して電極１３ｂが正の電圧とされ、また、電極１３ｂに対して蛍光層１５が正の電圧とされる。

アンテナ層１２は、各々厚さ方向に光を通過させる複数（図１では図示簡便化のため３個）の孔部１２０を有し、光入射時に表面プラズモン共鳴を発生させる周期的構造が主面に形成され、光入射時の表面プラズモン共鳴により複数の孔部１２０それぞれで近接場光Ｌを発生させることができる。アンテナ層１２は、導電性の材料を含んでいる。含まれる導電性の材料としては、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等が好ましいが、これ以外であってもよい。

アンテナ層１２の複数の孔部１２０は、任意の開口形状であってよく、例えば円形でも矩形でもよい。アンテナ層１２の複数の孔部１２０は、開口形状が互いに共通であり、１次元または２次元に周期的にアレイ配置されている。アンテナ層１２の孔部１２０の開口形状の最短幅は入射光の波長より短く、これにより、孔部１２０で近接場光Ｌを効率的に発生させることができる。なお、アンテナ層１２の孔部１２０は、近接場光Ｌを発生させ通過させるためのものであるので、物理的に貫通した孔に限られるものではなく、光学的な窓であってもよい。

アンテナ層１２は、表面プラズモン共鳴を発生させる周期的構造として、何れかの主面上に凸部と凹部との繰り返し構造を有している。アンテナ層１２の複数の孔部１２０それぞれは、その周期的構造において凹部が位置すべき位置に存在する。凸部と凹部との繰り返しからなる周期的構造の平面形状は、孔部１２０の開口形状に応じたものとされる。

図２は、アンテナ層１２の平面形状の例を示す平面図である。図２（ａ）に示される例では、各孔部１２０の開口形状は円形であり、各孔部１２０の周囲に形成された周期的構造は、複数の凸部１２１が同心円状に配置され、凸部１２１間に凹部が同心円状に配置されたものである。図２（ｂ）に示される例では、各孔部１２０の開口形状は矩形であり、各孔部１２０の周囲に形成された周期的構造は、複数の凸部１２１が中心位置を共通にする矩形に配置され、凸部１２１間に凹部が配置されたものである。また、図２（ｃ）に示される例のように、各孔部１２０の開口形状は円形であり、周期的構造は複数の孔部１２０の周期的配置によるものであってもよい。

アンテナ層１２の周期的構造の当該周期Λは、入射光の波長λ_０に応じて適宜設定される。ここで、波長λ_０（＝２πｃ／ω）の光がアンテナ層１２に対して略垂直に入射する場合を考える。ｃは真空中での光速であり、ωは入射光の角周波数である。この場合、アンテナ層１２の周期的構造の周期Λが以下の式（１）を満たせば、波長λ_０の光の入射によりアンテナ層１２に表面プラズモン共鳴が高効率に発生する。ε_aはアンテナ層１２と接する誘電体の比誘電率であって、真空の場合にはε_a＝１である。ε_metalはアンテナ層１２の比誘電率であって、ε_metal＞０である。また、ｍは自然数である。よって、以下の式（２）が導き出せる。

式（２）によれば、波長λ_０の光の入射によりアンテナ層１２において表面プラズモン共鳴を高効率に発生させるには、アンテナ層１２における周期Λを波長λ_０より短くする必要がある。このことから、アンテナ層１２の孔部１２０の最短幅は波長λ_０より短くする必要があることがわかる。

光電変換層１３は、アンテナ層１２の複数の孔部１２０それぞれで発生した近接場光Ｌを入力して光電子ｅを発生させる。光電変換層１３は、例えばｐ型ＧａＡｓ半導体からなり、この場合には、波長２００ｎｍ〜９３０ｎｍの範囲にある光を吸収して光電子ｅを発生させることができる。光電変換層１３は、ＧａＡｓ半導体の他、他の単結晶半導体やアルカリアンチモナイドからなるものであってもよい。

マイクロチャネルプレート１４は、各々入力した電子を増倍する複数のチャネルを有する。アンテナ層１２の複数の孔部１２０それぞれに対応して複数のチャネルのうちの何れかのチャネルが配置されている。マイクロチャネルプレート１４は、アンテナ層１２の各孔部１２０で発生した近接場光Ｌに因り光電変換層１３で発生した光電子を、該孔部１２０に対応するチャネルで増倍することができる。

蛍光層１５は、マイクロチャネルプレート１４の複数のチャネルそれぞれにより増倍された後の電子の量の空間的分布を蛍光像として検出する検出部として作用する。光ファイバ束１６は、蛍光層１５で発生した蛍光を外部へ導く。

第１実施形態の撮像装置１は以下のように動作する。例えば硼珪酸ガラスからなる透明な支持基板１１を透過した入射光がアンテナ層１２に到達すると、アンテナ層１２において表面プラズモン共鳴により表面プラズモンＰが発生する。そして、アンテナ層１２において表面プラズモン共鳴により複数の孔部１２０それぞれで近接場光Ｌが発生する。

アンテナ層１２の複数の孔部１２０それぞれで発生した近接場光Ｌが光電変換層１３に入射すると、光電変換層１３において、その入射した近接場光Ｌの光子が吸収されて、光電子ｅが発生する。光電子ｅの発生量は、近接場光強度に応じたものである。光電変換層１３で発生した光電子ｅは、光電変換層１３内で拡散した後、マイクロチャネルプレート１４に対向する光電変換層１３の主面に到達し、その主面から真空中へ放出される。放出された光電子は、光電変換層１３と電極１４ａとの間の電界により加速されてマイクロチャネルプレート１４に到達する。

マイクロチャネルプレート１４に到達した光電子は、マイクロチャネルプレート１４の何れかのチャネル内に入力される。マイクロチャネルプレート１４のチャネル内に入力された光電子は該チャネルの内壁に衝突して、その衝突に伴い２次電子が発生する。電極１３ａと電極１３ｂとの間の電界により、これらの電子はマイクロチャネルプレート１４のチャネルの内壁で衝突を繰り返し、その衝突の度に増倍される。

その増倍された電子は、マイクロチャネルプレート１４のチャネルから放出され、電極１４ｂと蛍光層１５との間の電荷により加速されて蛍光層１５に到達する。蛍光層１５に電子が到達すると、その電子の量に応じた強度の蛍光が発生する。蛍光層１５で発生した蛍光は、光ファイバ束１６により導かれて、外部へ出力される。光ファイバ束１６を介して観察される蛍光像は、支持基板１１に入射する光の強度分布を表す２次元画像である。

図１１に示された従来の撮像装置１００と比較して、第１実施形態の撮像装置１は以下のような効果を奏する。従来の撮像装置１００では、光電変換層１３の他の或る領域（図１１中の位置ａ，ｂ）で発生した光電子の大部分は、マイクロチャネルプレート１４の入力面におけるチャネル間の壁の部分に到達し、チャネルにおいて増倍されず、信号として出力されない。これに対して、第１実施形態の撮像装置１においては、図１に示されるように、マイクロチャネルプレート１４は、アンテナ層１２の複数の孔部１２０それぞれに対応して複数のチャネルのうちの何れかのチャネルが配置されていて、アンテナ層１２の各孔部１２０で発生した近接場光Ｌに因り光電変換層１３で発生した光電子を該孔部１２０に対応するチャネルで増倍することができるので、光電子を高効率に増倍することができる。したがって、第１実施形態の撮像装置１は、実効的な光電変換量子効率を向上させることができる。第１実施形態の撮像装置１は、また、マイクロチャネルプレート１４におけるチャネル間のクロストークを減少させることができるので、高解像度の撮像を行うことができる。

（第２実施形態）

図３は、第２実施形態の撮像装置２の構成を模式的に示す断面図である。図１に示された第１実施形態の撮像装置１の構成と比較すると、この図３に示される第２実施形態の撮像装置２は、光電子放出抑制部１７を更に備える点で相違している。

光電子放出抑制部１７は、マイクロチャネルプレート１４に対向する光電変換層１３の主面において、アンテナ層１２の各孔部１２０で発生した近接場光Ｌに因り発生した光電子を出力する領域を除く領域に設けられている。具体的には、光電子放出抑制部１７は、マイクロチャネルプレート１４に対向する光電変換層１３の主面において、電極１４ａに対向する領域に設けられている。

光電子放出抑制部１７は、それが設けられた領域における光電子の真空中への放出を抑制する。光電子放出抑制部１７は、仕事関数が比較的高い物質（例えば、金属、カーボンなど）により形成される。光電子放出抑制部１７は、アンテナ層１２の各孔部１２０で発生した近接場光Ｌに由来する光電変換層１３における光電子放出に寄与しない領域での光電子放出を抑制することにより、熱などによる暗電流の発生を抑制することができる。

その他の点については、第２実施形態の撮像装置２は、第１実施形態の撮像装置１と同様の動作をし、同様の効果を奏することができる。

（第３実施形態）

図４は、第３実施形態の撮像装置３の構成を模式的に示す断面図である。図３に示された第２実施形態の撮像装置２の構成と比較すると、この図４に示される第３実施形態の撮像装置３は、アンテナ層１２に替えてアンテナ層１２Ａを備える点で相違している。

アンテナ層１２Ａは、アンテナ層１２と同様に、各々厚さ方向に光を通過させる複数の孔部１２０を有し、光入射時に表面プラズモン共鳴を発生させる周期的構造が主面に形成され、光入射時の表面プラズモン共鳴により複数の孔部１２０それぞれで近接場光Ｌを発生させる。加えて、アンテナ層１２Ａでは、何れかの主面において、複数の孔部１２０のうち隣り合う２つの孔部１２０の間に、表面プラズモンＰをブラッグ反射させるブラッグ反射部が設けられている。

図５は、第３実施形態の撮像装置３のアンテナ層１２Ａの断面図である。なお、同図では、図示簡便化のため１個の孔部１２０の周辺部分が示されている。この図に示されるように、アンテナ層１２Ａの孔部１２０の周囲に、表面プラズモン共鳴を発生させるための凸部１２１および凹部１２２からなる周期的構造１２３が形成されている。この周期的構造１２３の周期はΛである。

また、アンテナ層１２Ａの表面プラズモン共鳴発生用の周期的構造１２３の周囲に、表面プラズモンＰをブラッグ反射させるブラッグ反射部１２４が形成されている。ブラッグ反射部１２４も凸部１２１および凹部１２２からなる周期的構造を有する。このブラッグ反射部１２４の周期をΛ_Ｂとする。ブラッグ反射部１２４の周期Λ_Ｂは、表面プラズモン共鳴発生用の周期的構造１２３の周期Λの２分の１の奇数倍に実質的に等しい。これにより、ブラッグ反射部１２４は、表面プラズモンＰをブラッグ反射させることができる。

ブラッグ反射部１２４は、表面プラズモン共鳴発生用の周期的構造１２３とともに共通の導電層に形成されていてもよく、この場合、その導電層の周期的構造１２３が形成される主面に形成されていてもよいし、周期的構造１２３が形成される主面と反対側の主面に形成されていてもよい。また、ブラッグ反射部１２４は、表面プラズモン共鳴発生用の周期的構造１２３が形成される導電層とは別の導電層に形成されてもよい。

このようなアンテナ層１２Ａでは、光が入射すると、表面プラズモン共鳴発生用の周期的構造１２３において表面プラズモン共鳴により表面プラズモンＰが発生する。この表面プラズモンＰは、アンテナ層１２Ａの表面を伝搬するが、ブラッグ反射部１２４に到達するとブラッグ反射部１２４においてブラッグ反射される。したがって、或る孔部１２０の近傍で発生した表面プラズモンＰは、その孔部１２０における近接場光Ｌの発生に効果的に寄与することができる。なお、ブラッグ反射部１２４が設けられていない場合には、或る孔部１２０の近傍で発生した表面プラズモンＰは、その孔部１２０だけでなく他の孔部においても近接場光Ｌの発生に寄与し、クロストークの要因となる。本実施形態の撮像装置３は、アンテナ層１２Ａにブラッグ反射部１２４が設けられていることにより、クロストークが抑制され、解像度が向上する。

その他の点については、第３実施形態の撮像装置３は、第１実施形態の撮像装置１と同様の動作をし、同様の効果を奏することができる。

（第４実施形態）

図６は、第４実施形態の撮像装置４の構成を模式的に示す断面図である。図１に示された第１実施形態の撮像装置１の構成と比較すると、この図６に示される第４実施形態の撮像装置４は、マイクロチャネルプレート１４，蛍光層１５および光ファイバ束１６に替えて、電子増倍部および検出部を兼ねるものとして固体撮像素子１８を備える点で相違している。

光電変換層１３と固体撮像素子１８との間に所定の電圧が印加されていて、光電変換層１３に対して固体撮像素子１８が正の電圧とされる。固体撮像素子１８は、ＣＣＤやＣＭＯＳからなるもので、各々入力した電子を増倍する複数のチャネルとして受光部１８０を有する。アンテナ層１２の複数の孔部１２０それぞれに対応して複数の受光部１８０のうちの何れかの受光部１８０が配置されている。固体撮像素子１８は、アンテナ層１２の各孔部１２０で発生した近接場光Ｌに因り光電変換層１３で発生した光電子を、該孔部１２０に対応する受光部１８０で増倍することができる。そして、固体撮像素子１８は、複数の受光部１８０それぞれにより増倍された後の電子の量に応じた値の信号を出力ピン１９から外部へ出力することができる。

第４実施形態の撮像装置４は以下のように動作する。例えば硼珪酸ガラスからなる透明な支持基板１１を透過した入射光がアンテナ層１２に到達すると、アンテナ層１２において表面プラズモン共鳴により表面プラズモンＰが発生する。そして、アンテナ層１２において表面プラズモン共鳴により複数の孔部１２０それぞれで近接場光Ｌが発生する。

アンテナ層１２の複数の孔部１２０それぞれで発生した近接場光Ｌが光電変換層１３に入射すると、光電変換層１３において、その入射した近接場光Ｌの光子が吸収されて、光電子ｅが発生する。光電子ｅの発生量は、近接場光強度に応じたものである。光電変換層１３で発生した光電子ｅは、光電変換層１３内で拡散した後、固体撮像素子１８に対向する光電変換層１３の主面に到達し、その主面から真空中へ放出される。放出された光電子は、光電変換層１３と固体撮像素子１８との間の電界により加速されて固体撮像素子１８に到達する。

固体撮像素子１８に到達した光電子は、固体撮像素子１８の何れかの受光部１８０に入力される。固体撮像素子１８の受光部１８０に入力された光電子は該受光部１８０において増倍される。そして、各受光部１８０で増倍された後の電子の量に応じた値の信号が出力ピン１９から外部へ出力される。この出力ピン１９から出力される信号は、支持基板１１に入射する光の強度分布を表す２次元画像を表す。第４実施形態の撮像装置４は、同様の効果を奏することができる。

（製造方法）

次に、図７〜図１０を用いて、第２実施形態の撮像装置２の製造方法の一例について説明する。なお、他の実施形態の撮像装置１，３，４の製造方法は、以下の撮像装置２の製造方法の説明から容易に理解され得る。図示簡便化のために、アンテナ層１２の孔部１２０の個数を１個と、マイクロチャネルプレート１４のチャネル数を１個とする。また、アンテナ層１２や光電変換層１３その他の部材の各組成は一例にすぎない。

第１工程（図７（ａ））では、光電変換層１３となるべきＧａＡｓ/ＡｌＧａＡｓへテロ構造がＧａＡｓ単結晶基板２０上に形成される。すなわち、ＧａＡｓ単結晶基板２０上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓエッチストップ層２１、ｐ型ＧａＡｓ光吸収層２２、ｐ型ＡｌＧａＡｓ窓層２３が、順にエピタキシャル成長により形成される。このエピタキシャル成長に際しては、有機金属気層成長法（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy: MOVPE）または分子線エピタキシー法（MolecularBeam Epitaxy: MBE）などが用いられる。ｐ型ＧａＡｓ光吸収層２２およびｐ型ＡｌＧａＡｓ窓層２３が光電変換層１３を構成する。なお、エピタキシャル成長後にｐ型ＡｌＧａＡｓ窓層２３上に誘電体層が堆積されてもよい。この誘電体層は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮまたはこれらの積層膜などから構成される。

第１工程に続く第２工程（図７（ｂ））では、アンテナ層１２が形成される。アンテナ層１２はｐ型ＡｌＧａＡｓ窓層２３上に形成される。ｐ型ＡｌＧａＡｓ窓層２３上に誘電体層が設けられる場合には、アンテナ層１２は該誘電体層上に形成される。アンテナ層１２は、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等の導電性の材料からなる。アンテナ層１２は、光リソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、ナノインプリントなどの描画技術とエッチング技術、集束イオンビームなどの加工技術とを組み合わせることにより形成される。なお、ブラッグ反射部１２４を有するアンテナ層１２Ａも同様にして形成される。

第２工程に続く第３工程（図７（ｃ））では、アンテナ層１２上に誘電体層２４が形成される。この誘電体層２４は、ＳｉＯ_２、ＳｉＮまたはこれらの積層膜などから構成される。誘電体層２４は、アンテナ層１２の特性を制御するだけでなく、その後のガラス接着工程でのバインダや、反射防止膜としての効果も考慮される。この誘電体層２４は、アンテナ層１２の孔部１２０内部にも存在する。

第３工程に続く第４工程（図８（ａ））では、誘電体層２４に支持基板１１が熱圧着により接着される。光電変換層１３がｐ型ＧａＡｓ半導体からなる場合には、これと熱膨張係数が比較的近い硼珪酸ガラス（例えばコーニング社の7056ガラスなど）の板が支持基板１１として好適に用いられる。この支持基板１１は、光電変換層１３およびアンテナ層１２を機械的に支持するとともに、光入射窓としての機能を有する。

第４工程に続く第５工程（図８（ｂ））では、ＧａＡｓ単結晶基板２０が選択エッチングにより除去される。このエッチングに際して、例えばアンモニアと過酸化水素との混合溶液（ＮＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ_２）がエッチャントとして用いられる。このエッチャントは、ＧａＡｓに対するエッチング速度が速いが、ＡｌＧａＡｓに対するエッチング速度が非常に遅い。したがって、このエッチャントによるエッチングで、ＧａＡｓ単結晶基板２０が選択的にエッチングされ、ｐ型ＡｌＧａＡｓエッチストップ層２１が露出した時点で自動的にエッチングが停止する。

第５工程に続く第６工程（図８（ｃ））では、ｐ型ＡｌＧａＡｓエッチストップ層２１がエッチングにより除去される。このエッチングに際して、例えばフッ酸（ＨＦ）などがエッチャントとして用いられる。このエッチャントは、ＡｌＧａＡｓに対するエッチング速度が速いが、ＧａＡｓに対するエッチング速度が非常に遅い。したがって、ｐ型ＡｌＧａＡｓエッチストップ層２１が選択的にエッチングされ、ｐ型ＧａＡｓ光吸収層２２が露出した時点で自動的にエッチングが停止する。

第６工程に続く第７工程（図９（ａ））では、ｐ型ＧａＡｓ光吸収層２２の表面に光電子放出抑制部１７が形成される。このとき、光リソグラフィおよびエッチングにより、ｐ型ＧａＡｓ光吸収層２２の主面のうち光電子放出部分（孔部１２０の近傍部分）以外の領域に、光電子放出を生じにくくするための光電子放出抑制部１７が形成される。光電子放出抑制部１７は、少なくともｐ型ＧａＡｓ光吸収層２２の主面のうち光電子放出部より仕事関数が高い物質（例えばＣｒやＴｉなどの金属、カーボンなど）により形成される。また、光電子放出抑制部１７を構成する物質は、ｐ型ＧａＡｓ光吸収層２２の光電子放出部にガスが吸着して仕事関数が変化しないよう、極力ガス放出の少ない物質であることが好ましい。光電子放出抑制部１７の開口部の大きさは、アンテナ層１２の孔部１２０の径より大きい。

第７工程に続く第８工程（図９（ｂ））では、ｐ型ＧａＡｓ光吸収層２２に電気的な導通をとるための電極２５が真空蒸着により形成される。電極２５を構成する物質は、光電子放出抑制部１７と同様に、極力ガス放出の少ない物質であることが好ましい。電極２５を構成する物質は、光電子放出抑制部１７と同じ物質であっても構わない。

第８工程に続く第９工程（図９（ｃ））では、ｐ型ＧａＡｓ光吸収層２２の光電子放出部表面が清浄化されて、この光電子放出部表面に活性層２６が形成される。すなわち、これまでの工程で得られた中間品が所定の真空装置に設置されて真空排気され、その後に、光電変換層１３が所定の温度まで昇温され、光電変換層１３の加熱清浄化が行われる。特に、ｐ型ＧａＡｓ光吸収層２２の光電子放出部表面は、原子的なレベルでの清浄化が求められる。その後、室温付近まで降温され、ＣｓとＯ_２とにより、光電子放出部表面の仕事関数を低下させるための活性層２６が形成される。

第９工程に続く第１０工程（図１０）では、アセンブリが行われて撮像装置２が製造される。すなわち、これまでの工程で得られた中間品、マイクロチャネルプレート１４、蛍光層１５、光ファイバ束１６および真空容器１０が組み立てられる。この際、真空中でインジウム（Ｉｎ）等が用いられてシールされる。

１〜４…撮像装置、１０…真空容器、１１…支持基板、１２，１２Ａ…アンテナ層、１２０…孔部、１２１…凸部、１２２…凹部、１２３…周期的構造、１２４…ブラッグ反射部、１３…光電変換層、１４…マイクロチャネルプレート、１４ａ…電極、１４ｂ…電極、１５…蛍光層、１６…光ファイバ束、１７…光電子放出抑制部、１８…固体撮像素子、１９…出力ピン、２０…ＧａＡｓ単結晶基板、２１…ｐ型ＡｌＧａＡｓエッチストップ層、２２…ｐ型ＧａＡｓ光吸収層、２３…ｐ型ＡｌＧａＡｓ窓層、２４…誘電体層、２５…電極、２６…活性層。

Claims (5)

1. 各々厚さ方向に光を通過させる複数の孔部を有し、光入射時に表面プラズモン共鳴を発生させる周期的構造が主面に形成され、光入射時の表面プラズモン共鳴により前記複数の孔部それぞれで近接場光を発生させるアンテナ層と、
   前記アンテナ層の前記複数の孔部それぞれで発生した近接場光を入力して光電子を発生させる光電変換層と、
   各々入力した電子を増倍する複数のチャネルを有し、前記アンテナ層の前記複数の孔部それぞれに対応して前記複数のチャネルのうちの何れかのチャネルが配置され、前記アンテナ層の各孔部で発生した近接場光に因り前記光電変換層で発生した光電子を該孔部に対応するチャネルで増倍する電子増倍部と、
   前記電子増倍部の前記複数のチャネルそれぞれにより増倍された後の電子の量を検出する検出部と、
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 前記電子増倍部に対向する前記光電変換層の主面において、前記アンテナ層の各孔部で発生した近接場光に因り発生した光電子を出力する領域を除く領域に、光電子の放出を抑制する光電子放出抑制部が設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記アンテナ層の主面において、前記複数の孔部のうち隣り合う２つの孔部の間に、表面プラズモンをブラッグ反射させるブラッグ反射部が設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
4. 前記電子増倍部がマイクロチャネルプレートを含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 前記電子増倍部が固体撮像素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

Images