CN107851652A - 光传感器 - Google Patents

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CN107851652A CN201680044615.1A CN201680044615A CN107851652A CN 107851652 A CN107851652 A CN 107851652A CN 201680044615 A CN201680044615 A CN 201680044615A CN 107851652 A CN107851652 A CN 107851652A
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voltage
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德原健富
玉置德彦
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Abstract

本申请的光传感器具备：第一电极；第二电极；光电转换层，该光电转换层位于第一电极与第二电极之间，并通过光电转换来产生电荷；第一电荷阻挡层，该第一电荷阻挡层位于第一电极与光电转换层之间；第二电荷阻挡层，该第二电荷阻挡层位于第二电极与光电转换层之间；电压供给电路，该电压供给电路以使光电转换层内产生从第二电极朝向第一电极的方向的电场的方式对第一电极和第二电极中的至少一者施加电压；以及检测电路，该检测电路对第一电极和第二电极之间的电容变化相对应的信号进行检测，该变化是由光射入光电转换层所产生的，其中，第一电荷阻挡层被构成为抑制空穴从光电转换层向第一电极移动和电子从第一电极向光电转换层移动，第二电荷阻挡层被构成为抑制电子从光电转换层向第二电极移动和空穴从第二电极向光电转换层移动。

Description

光传感器
技术领域
本申请涉及光传感器。
背景技术
以往，在光检测装置、图像传感器等中使用了光检测元件。光检测元件的典型例子有光电二极管、光电晶体管等光电转换元件。如众所周知的那样，对通过照射光产生于光电转换元件的光电流进行检测，由此能够对光进行检测。
下述专利文献1在图2中公开了一种薄膜晶体管(TFT)，其具有规定化合物分散在有机聚合物中而成的有机膜作为栅极绝缘膜。作为构成有机膜的规定化合物，选择通过照射光会使极化状态发生变化的化合物。就专利文献1的薄膜晶体管来说，在对栅极绝缘膜照射光时，栅极绝缘膜的介电常数发生变化。因此，通过向栅极绝缘膜照射光，在源极-漏极之间流动的电流发生变化。专利文献1记载了可将这样的薄膜晶体管用于光传感器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-60830号公报
发明内容
提供具有新颖构成的光传感器。
根据本申请的没有限定性的某个例示性实施方式，可提供下述方案。
一种光传感器，其具备：第一电极；第二电极，该第二电极与第一电极相对置；光电转换层，该光电转换层位于第一电极与第二电极之间，并通过光电转换来产生电荷；第一电荷阻挡层，该第一电荷阻挡层位于第一电极与光电转换层之间；第二电荷阻挡层，该第二电荷阻挡层位于第二电极与光电转换层之间；电压供给电路，该电压供给电路与第一电极和第二电极中的至少一者连接，并以使光电转换层内产生从第二电极朝向第一电极的方向的电场的方式对第一电极和第二电极中的至少一者施加电压；以及检测电路，该检测电路对与第一电极和第二电极之间的电容变化相对应的信号进行检测，该变化是由光射入光电转换层所产生的，其中，第一电荷阻挡层被构成为抑制空穴从光电转换层向第一电极移动和电子从第一电极向光电转换层移动，第二电荷阻挡层被构成为抑制电子从光电转换层向第二电极移动和空穴从第二电极向光电转换层移动。
一种光传感器，其具备：第一电极；第二电极，该第二电极与第一电极相对置；光电转换层，该光电转换层位于第一电极与第二电极之间，并通过光电转换来产生电荷；第一绝缘层，该第一绝缘层位于第一电极与光电转换层之间；第二绝缘层，该第二绝缘层位于第二电极与光电转换层之间；电压供给电路，该电压供给电路与第一电极和第二电极中的至少一者连接，并以使光电转换层内产生电场的方式对第一电极和第二电极中的至少一者施加电压；以及检测电路，该检测电路对与第一电极和第二电极之间的电容变化相对应的信号进行检测，该变化是由光射入光电转换层所产生的。
总的或具体方案可以通过元件、器件、装置、系统、集成电路或方法来实现。另外，总的或具体方案也可以通过任意组合元件、器件、装置、系统、集成电路和方法来实现。
所公开的实施方式的追加效果和优点可以由说明书和附图来明确。效果和/或优点是由说明书和附图所公开的各个实施方式或特征独立带来的，为了得到它们中的一个以上并不需要所有实施方式或特征。
发明效果
根据本申请的一个方案，提供具有新颖构成的光传感器。
附图说明
图1是用于对由光照射引起的介电常数变化进行说明的示意图。
图2是示出本申请第一实施方式的光传感器的例示性构成的示意图。
图3是图2所示的光检测元件10A中的例示性能量图。
图4是作为比较例的具有有机薄膜的摄像元件中的例示性能量图。
图5是示出由包含萘酞菁锡的材料形成的光电转换层处的吸收光谱的一个例子的图。
图6是示出具有使用包含由通式(1)所示的萘酞菁锡的有机半导体材料来形成的光电转换层的光检测元件的构成的一个例子的剖视示意图。
图7是在第一电极21与第二电极22之间配置有空穴阻挡层20h和光电转换层23C的光检测元件中的例示性能量图。
图8是示出具有配置于第一电极21与光电转换层23C之间的空穴阻挡层20h的光检测元件中的各部分能量相对关系的一个例子的能量图。
图9是示出在第一电极21与第二电极22之间配置有光电转换层23C和电子阻挡层20e的光检测元件中的例示性能量图。
图10是示出具有配置于光电转换层23C与第二电极22之间的电子阻挡层20e的光检测元件中的各部分能量相对关系的一个例子的能量图。
图11是示出本申请第二实施方式的光传感器的例示性构成的示意图。
图12是图11所示的光检测元件10C中的例示性能量图。
图13是在第一电极21与第二电极22之间配置有绝缘层29a和光电转换层23C的光检测元件中的例示性能量图。
图14是示出具有配置于第一电极21与光电转换层23C之间的绝缘层29a的光检测元件中的各部分能量相对关系的一个例子的能量图。
图15是在第一电极21与第二电极22之间配置有光电转换层23C和绝缘层29b的光检测元件中的例示性能量图。
图16是示出具有配置于光电转换层23C与第二电极22之间的绝缘层29b的光检测元件中的各部分能量相对关系的一个例子的能量图。
图17是示出用于测定介电常数变化的光检测元件10D的结构的示意图。
图18是示出光检测元件10D的电介质结构2D的电容值的测定结果的图。
图19是示出光检测元件的器件结构的一个例子的剖视示意图。
图20是示出光检测元件的器件结构的另一个例子的剖视示意图。
图21是示出光检测元件的器件结构的又一个例子的剖视示意图。
图22是示出光检测元件的器件结构的又一个例子的剖视示意图。
图23是示出施加了2.5V的电压时流到硅氧化膜的泄漏电流的膜厚依赖性的曲线图。
具体实施方式
本申请的一个方案的概要如下所述。
[项目1]
一种光传感器，其具备：
至少一者为透光性的第一电极和第二电极；
光电转换层，该光电转换层配置于第一电极与第二电极之间；
电压供给电路，该电压供给电路分别对第一电极和第二电极供给第一电压和高于第一电压的第二电压；以及
空穴阻挡层，该空穴阻挡层配置于第一电极与光电转换层之间，
其中，该光传感器输出与第一电极和第二电极之间的介电常数变化相对应的电信号，该变化是由光经过第一电极和第二电极中的至少一者射入光电转换层所产生的。
根据项目1的构成，能够抑制通过光电转换所生成的电荷向电极移动，将通过光电转换所生成的电荷作为有助于两个电极之间的介电常数变化的电荷来利用。
[项目2]
根据项目1所述的光传感器，其还具备：
半导体层，该半导体层配置于空穴阻挡层与第一电极之间；以及
第三电极，该第三电极是以与半导体层接触的方式配置而成的，
其中，第一电极被配置为与第三电极隔开间隔并与半导体层接触，
该光传感器由第三电极输出电信号。
根据项目2的构成，能够将第一电极与第二电极之间的电介质结构中的介电常数变化作为在第一电极与第三电极之间流动的电流的变化来进行检测。
[项目3]
根据项目1或2所述的光传感器，其中，光电转换层的电离势大于第二电极的功函数。
根据项目3的构成，能够在第二电极与光电转换层之间形成势垒。通过第二电极与光电转换层之间的势垒，能够抑制空穴从第二电极向光电转换层移动。
[项目4]
根据项目1或2所述的光传感器，其还具备电子阻挡层，该电子阻挡层配置于第二电极与光电转换层之间。
根据项目4的构成，通过电子阻挡层，能够更有效地抑制电子从光电转换层向第二电极移动。
[项目5]
一种光传感器，其具备：
至少一者为透光性的第一电极和第二电极；
光电转换层，该光电转换层配置于第一电极与第二电极之间；
电压供给电路，该电压供给电路分别对第一电极和第二电极供给第一电压和高于第一电压的第二电压；以及
电子阻挡层，该电子阻挡层配置于第二电极与光电转换层之间，
其中，该光传感器输出与第一电极和第二电极之间的介电常数变化相对应的电信号，该变化是由光经过第一电极和第二电极中的至少一者射入光电转换层所产生的。
根据项目5的构成，能够抑制通过光电转换所生成的电荷向电极移动，将通过光电转换所生成的电荷作为有助于两个电极之间的介电常数变化的电荷来利用。
[项目6]
根据项目5所述的光传感器，其还具备：
半导体层，该半导体层配置于电子阻挡层与第二电极之间；以及
第三电极，该第三电极是以与半导体层接触的方式配置而成的，
其中，第二电极被配置为与第三电极隔开间隔并与半导体层接触，
该光传感器由第三电极输出电信号。
根据项目6的构成，能够将第一电极与第二电极之间的电介质结构中的介电常数变化作为在第二电极与第三电极之间流动的电流的变化来进行检测。
[项目7]
根据项目5或6所述的光传感器，其中，光电转换层的电子亲和力小于第一电极的功函数。
根据项目7的构成，能够在第一电极与光电转换层之间形成势垒。通过第一电极与光电转换层之间的势垒，能够抑制电子从第一电极向光电转换层移动。
[项目8]
根据项目5或6所述的光传感器，其还具备空穴阻挡层，该空穴阻挡层配置于第一电极与光电转换层之间。
根据项目8的构成，通过空穴阻挡层，能够更有效地抑制空穴从光电转换层向第一电极移动。
[项目9]
一种光传感器，其具备：
至少一者为透光性的第一电极和第二电极；
光电转换层，该光电转换层配置于第一电极与第二电极之间；
电压供给电路，该电压供给电路分别对第一电极和第二电极供给第一电压和高于第一电压的第二电压；以及
绝缘层，该绝缘层配置于第一电极与光电转换层之间，
其中，该光传感器输出与第一电极和第二电极之间的介电常数变化相对应的电信号，该变化是由光经过第一电极和第二电极中的至少一者射入光电转换层所产生的。
根据项目9的构成，能够抑制通过光电转换所生成的电荷向电极移动，将通过光电转换所生成的电荷作为有助于两个电极之间的介电常数变化的电荷来利用。
[项目10]
根据项目9所述的光传感器，其还具备：
半导体层，该半导体层配置于绝缘层与第一电极之间；以及
第三电极，该第三电极是以与半导体层接触的方式配置而成的，
其中，第一电极被配置为与第三电极隔开间隔并与半导体层接触，
该光传感器由第三电极输出电信号。
根据项目10的构成，能够将第一电极与第二电极之间的电介质结构中的介电常数变化作为在第一电极与第三电极之间流动的电流的变化来进行检测。
[项目11]
根据项目9或10所述的光传感器，其中，光电转换层的电离势大于第二电极的功函数。
根据项目11的构成，能够在第二电极与光电转换层之间形成势垒。通过第二电极与光电转换层之间的势垒，能够抑制空穴从第二电极向光电转换层移动。
[项目12]
根据项目9或10所述的光传感器，其还具备第二绝缘层，该第二绝缘层配置于第二电极与光电转换层之间。
根据项目12的构成，通过配置于第二电极与光电转换层之间的第二绝缘层，能够更可靠地抑制电荷在第二电极与光电转换层之间移动。
[项目13]
一种光传感器，其具备：
至少一者为透光性的第一电极和第二电极；
光电转换层，该光电转换层配置于第一电极与第二电极之间；
电压供给电路，该电压供给电路分别对第一电极和第二电极供给第一电压和高于第一电压的第二电压；以及
绝缘层，该绝缘层配置于第二电极与光电转换层之间，
其中，该光传感器输出与第一电极和第二电极之间的介电常数变化相对应的电信号，该变化是由光经过第一电极和第二电极中的至少一者射入光电转换层所产生的。
根据项目13的构成，能够抑制通过光电转换所生成的电荷向电极移动，将通过光电转换所生成的电荷作为有助于两个电极之间的介电常数变化的电荷来利用。
[项目14]
根据项目13所述的光传感器，其还具备：
半导体层，该半导体层配置于绝缘层与第二电极之间；以及
第三电极，该第三电极是以与半导体层接触的方式配置而成的，
其中，第二电极被配置为与第三电极隔开间隔并与半导体层接触，
该光传感器由第三电极输出电信号。
根据项目14的构成，能够将第一电极与第二电极之间的电介质结构中的介电常数变化作为在第二电极与第三电极之间流动的电流的变化来进行检测。
[项目15]
根据项目13或14所述的光传感器，其中，光电转换层的电子亲和力小于第一电极的功函数。
根据项目15的构成，能够在第一电极与光电转换层之间形成势垒。通过第一电极与光电转换层之间的势垒，能够抑制电子从第一电极向光电转换层移动。
[项目16]
根据项目13或14所述的光传感器，其还具备第二绝缘层，该第二绝缘层配置于第一电极与光电转换层之间。
根据项目16的构成，通过配置于第一电极与光电转换层之间的第二绝缘层，能够更可靠地抑制电荷在第一电极与光电转换层之间移动。
[项目17]
一种光传感器，其具备：
第一电极；
第二电极，该第二电极与所述第一电极相对置；
光电转换层，该光电转换层位于所述第一电极与所述第二电极之间，并通过光电转换来产生电荷；
第一电荷阻挡层，该第一电荷阻挡层位于所述第一电极与所述光电转换层之间；
第二电荷阻挡层，该第二电荷阻挡层位于所述第二电极与所述光电转换层之间；
电压供给电路，该电压供给电路与所述第一电极和所述第二电极中的至少一者连接，并以使所述光电转换层内产生从所述第二电极朝向所述第一电极的方向的电场的方式对所述第一电极和所述第二电极中的至少一者施加电压；以及
检测电路，该检测电路对与所述第一电极和所述第二电极之间的电容变化相对应的信号进行检测，该变化是由光射入所述光电转换层所产生的，
其中，所述第一电荷阻挡层被构成为抑制空穴从所述光电转换层向所述第一电极移动和电子从所述第一电极向所述光电转换层移动，
所述第二电荷阻挡层被构成为抑制电子从所述光电转换层向所述第二电极移动和空穴从所述第二电极向所述光电转换层移动。
[项目18]
根据项目17所述的光传感器，其中，所述电压供给电路对所述第一电极和所述第二电极中的一者施加电压，
所述检测电路对所述第一电极和所述第二电极中的另一者的电压进行检测。
[项目19]
根据项目18所述的光传感器，其还具有电容器，该电容器的一端与所述第一电极和所述第二电极中的所述另一者连接，另一端被施加规定电压。
[项目20]
根据项目17所述的光传感器，其还具备：
半导体层，该半导体层位于所述第二电荷阻挡层与所述第二电极之间，并与所述第二电极接触；以及
第三电极，该第三电极与所述半导体层接触，
其中，所述电压供给电路对所述第一电极和所述第二电极施加电压，
所述检测电路对在所述第二电极与所述第三电极之间流动的电流进行检测。
[项目21]
根据项目17所述的光传感器，其还具备：
半导体层，该半导体层位于所述第一电荷阻挡层与所述第一电极之间，并与所述第一电极接触；以及
第三电极，该第三电极与所述半导体层接触，
其中，所述电压供给电路对所述第一电极和所述第二电极施加电压，
所述检测电路对在所述第一电极与所述第三电极之间流动的电流进行检测。
[项目22]
根据项目17所述的光传感器，其中，所述电压供给电路在所述第一电极与所述第二电极之间施加电压，该电压是振幅周期性地变化的电压与使所述光电转换层内产生从所述第二电极朝向所述第一电极的方向的电场的直流电压重叠而成的，
所述检测电路对在所述第一电极与所述第二电极之间流动的电流进行检测。
[项目23]
根据项目17所述的光传感器，其还具备电流供给电路，该电流供给电路在所述第一电极与所述第二电极之间施加振幅周期性地变化的电流，
所述电压供给电路在所述第一电极与所述第二电极之间以使所述光电转换层内产生从所述第二电极朝向所述第一电极的方向的电场的方式施加直流电压，
所述检测电路对所述第一电极与所述第二电极之间的电位差进行检测。
[项目24]
根据项目17～23中任一项所述的光传感器，其中，所述第一电荷阻挡层的HOMO能级比所述光电转换层的HOMO能级深0.3eV以上，
所述第一电荷阻挡层的LUMO能级比所述第一电极的费米能级浅0.3eV以上。
[项目25]
根据项目17～24中任一项所述的光传感器，其中，所述第二电荷阻挡层的LUMO能级比所述光电转换层的LUMO能级浅0.3eV以上，
所述第二电荷阻挡层的HOMO能级比所述第二电极的费米能级深0.3eV以上。
[项目26]
根据项目17～25中任一项所述的光传感器，其中，所述第一电荷阻挡层和所述第二电荷阻挡层中的至少一者为绝缘层。
[项目27]
一种光传感器，其具备：
第一电极；
第二电极，该第二电极与所述第一电极相对置；
光电转换层，该光电转换层位于所述第一电极与所述第二电极之间，并通过光电转换来产生电荷；
第一绝缘层，该第一绝缘层位于所述第一电极与所述光电转换层之间；
第二绝缘层，该第二绝缘层位于所述第二电极与所述光电转换层之间；
电压供给电路，该电压供给电路与所述第一电极和所述第二电极中的至少一者连接，并以使所述光电转换层内产生电场的方式对所述第一电极和所述第二电极中的至少一者施加电压；以及
检测电路，该检测电路对与所述第一电极和所述第二电极之间的电容变化相对应的信号进行检测，该变化是由光射入所述光电转换层所产生的。
[项目28]
根据项目27所述的光传感器，其中，所述电压供给电路对所述第一电极和所述第二电极中的一者施加电压，
所述检测电路对所述第一电极和所述第二电极中的另一者的电压进行检测。
[项目29]
根据项目28所述的光传感器，其还具有电容器，该电容器的一端与所述第一电极和所述第二电极中的所述另一者连接，另一端被施加规定电压。
[项目30]
根据项目27所述的光传感器，其还具备：
半导体层，该半导体层位于所述第二绝缘层与所述第二电极之间，并与所述第二电极接触；以及
第三电极，该第三电极与所述半导体层接触，
其中，所述电压供给电路对所述第一电极和所述第二电极施加电压，
所述检测电路对在所述第二电极与所述第三电极之间流动的电流进行检测。
[项目31]
根据项目27所述的光传感器，其中，所述电压供给电路在所述第一电极与所述第二电极之间施加电压，该电压是振幅周期性地变化的电压与使所述光电转换层内产生从所述第二电极朝向所述第一电极的方向的电场的直流电压重叠而成的，
所述检测电路对在所述第一电极与所述第二电极之间流动的电流进行检测。
[项目32]
根据项目27所述的光传感器，其还具备电流供给电路，该电流供给电路在所述第一电极与所述第二电极之间施加振幅周期性地变化的电流，
所述电压供给电路在所述第一电极与所述第二电极之间以使所述光电转换层内产生从所述第二电极朝向所述第一电极的方向的电场的方式施加直流电压，
所述检测电路对所述第一电极与所述第二电极之间的电位差进行检测。
下面，参照附图对本申请实施方式进行详细说明。此外，以下要说明的实施方式均示出总的或具体例子。以下实施方式所示出的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置和连接形态、步骤、步骤的顺序等仅是一个例子，主旨并不是限定本申请。只要不产生矛盾，则本说明书中所说明的各种方案能够相互组合。另外，就以下实施方式中的构成要素之中未记载于示出最上位概念的独立权利要求的构成要素来说，其作为任选构成要素来进行说明。在以下说明中，实质上具有相同作用的构成要素以通用的附图标记来表示，有时省略说明。
(光检测的原理)
在对本申请实施方式进行详细说明之前，首先对本申请实施方式中的光检测的原理的概况进行说明。如后面参照附图进行详细说明的那样，本申请实施方式的光传感器示意性地包含具有电介质结构夹于两个电极而成的构成的光检测元件。配置于两个电极之间的电介质结构典型地包含受到光照射而生成电荷的光电转换层。以下要说明的实施方式是利用由光射入光电转换层所引起的电介质结构中的介电常数变化来进行光检测。
图1是用于对本申请实施方式中的光检测的原理的概况进行说明的图。图1示意性地示出元件90，该元件90具有两个电极91、92和夹于它们之间的电介质结构94。图1示意性地示出了通过使直流电源与电极91和92连接而由外部对电介质结构94施加了电场的状态。
当电场形成于电极91与电极92之间时，电介质结构94中会发生极化。图1中的箭头P表示电介质结构94中的电介质极化。箭头D表示电通量密度。ζf为电极中的电荷密度，ζp为通过极化在电介质结构94中产生于与电极相对置的表面的电荷的密度。
当将电介质结构94中的电场的大小设定为E时，根据高斯定律，成立E＝((ζf-ζp)/ε0)和E＝(ζf/ε)。ε0和ε分别为真空的介电常数和电介质结构94的介电常数。由E＝((ζf-ζp)/ε0)和E＝(ζf/ε)可以得到ε＝ε0(ζf/(ζf-ζp))。由该式可知，当电荷密度ζp增大时，电介质结构94的介电常数增大。
就本申请实施方式来说，使用包含光电转换层的结构作为电介质结构94。因此，当光射入电介质结构94时，在光电转换层的内部产生空穴-电子对。就该例子来说，向以夹着电介质结构94相互对置的方式配置而成的电极91和92分别供给了规定电压，因此在电介质结构94中的光电转换层形成了从电极91朝向电极92的方向的电场。由此，通过光电转换而产生于光电转换层内的空穴和电子相互分离，空穴的一部分向电极92移动，电子的一部分向电极91移动。
此处，假定不将通过光电转换所产生的电荷通过电极91或电极92取出到电介质结构94的外部。换言之，将通过光电转换所产生的空穴和电子相互分离，维持了分离后的状态。在该情况下，由于分离后的电荷而使电荷密度ζp有效地增大。如上所述，当电荷密度ζp增大时，电介质结构94的介电常数增大。这意味着：通过光射入电介质结构94，电极91和92之间的介电常数发生变化。即，将通过光电转换所产生的空穴和电子分离，由此将分离后的电荷留在电介质结构中，从而电极91与电极92之间的电容值发生变化。通过对该电容值变化进行检测，能够对射入电介质结构94的光进行检测。
以下要说明的各实施方式的光传感器具有能够基于两个电极之间的介电常数变化来进行光检测的构成。此外，就本申请实施方式来说，应当注意在光电转换层与电极之间未进行电荷交换这一点。即，通过光照射而产生于光电转换层内的电荷留在光电转换层的内部，基本上未移动到电极。另外，基本上光电转换层也不会从电极接受电荷供给。这是与利用了光电转换的现有的太阳能电池、发光二极管等的不同点之一。
(光传感器的第一实施方式)
图2示出本申请第一实施方式的光传感器的例示性构成的概况。图2所示的光传感器100A具有光检测元件10A和与光检测元件10A连接的电压供给电路12。光检测元件10A具有第一电极21、第二电极22和配置于它们之间的包含光电转换层23A的电介质结构2A。此外，图2仅仅是示意性地示出了构成光检测元件10A的各部分的配置，图2所示的各部分的尺寸未必忠实地反映现实器件中的尺寸。这在本申请的其它附图中也是相同的。
作为构成光电转换层23A的材料，典型地使用半导体材料。光电转换层23A受到光的照射而在内部生成电子-空穴对。此处，使用有机半导体材料作为构成光电转换层23A的材料。光电转换层23A的详细情况将会在后面叙述。
电压供给电路12以能够对第一电极21和第二电极22分别施加规定电压的方式构成。在光的检测时，电压供给电路12向第一电极21供给第一电压，并向第二电极22供给高于第一电压的第二电压。电压供给电路12不限于特定的电源电路，也可以为生成规定电压的电路，还可以为将由其它电源供给的电压转换为规定电压的电路。第一电压和/或第二电压可以以脉冲的形式施加，也可以周期性地或准周期性地反复施加。
第一电极21和第二电极22中的至少一者为透明电极。例如，当第二电极22为透明电极时，光电转换层23A接受从第二电极22透过后的光。当然，也可以是在光检测时施加相对低的电压的第一电极21为透明电极，还可以是第一电极21和第二电极22这两者为透明电极。
此外，本说明书中的“透明”是指透射所要检测的波长范围的光的至少一部分，不必遍及可见光的整个波长范围透射光。被本申请的光传感器所检测的光不限于可见光的波长范围(例如380nm～780nm)内的光。本说明书为了方便起见将包括红外线和紫外线在内的全部电磁波表述为“光”。
就图2所例示的构成来说，电介质结构2A在第一电极21与光电转换层23A之间具有空穴阻挡层20h。另外，电介质结构2A在第二电极22与光电转换层23A之间具有电子阻挡层20e。空穴阻挡层20h和电子阻挡层20e具有将通过光电转换而产生于光电转换层23A中的电荷留在光电转换层23A的内部的作用。即，空穴阻挡层20h具有抑制通过光电转换所产生的空穴向第一电极21内移动的作用。电子阻挡层20e具有抑制通过光电转换所产生的电子向第二电极22内移动的作用。
图3是光检测元件10A中的例示性能量图。图3中，位于三个矩形的左侧的粗横线表示第一电极21的费米能级，位于三个矩形的右侧的粗横线表示第二电极22的费米能级。就图3来说，三个排列的矩形之中最左的矩形的底边表示空穴阻挡层20h的最高占据分子轨道(HOMO)的能级，与底边相对置的边表示最低未占分子轨道(LUMO)的能级。同样地，图3中的中央的矩形和该矩形的右侧的矩形示意性地示出了光电转换层23A和电子阻挡层20e各自中的HOMO和LUMO的能级的高度。下面，只要没有特别声明，则其它能量图也是相同的。
就光的检测工作来说，由电压供给电路12(图3中未图示；参照图2)向第一电极21供给第一电压，并对第二电极22施加高于第一电压的第二电压。即，以图3的从右向左的方向，由外部对光电转换层23A施加电场。此外，图3所示的能量图中的细箭头示意性地示出了对第一电极21和第二电极22施加的电压的方向。
在对第一电极21和第二电极22分别施加了第一电压和第二电压的状态下，当光射入光电转换层23A时，通过光电转换所生成的电荷的至少一部分随着由施加第一电压和第二电压所形成的电场移动。例如，所生成的电子在光电转换层23A中向第二电极22移动。
但是，由于光电转换层23A与第二电极22之间配置有电子阻挡层20e，因而电子从光电转换层23A向第二电极22的移动被光电转换层23A与电子阻挡层20e之间的能垒所阻挡。同样地，空穴从光电转换层23A向第一电极21的移动也被光电转换层23A与空穴阻挡层20h之间的能垒所阻挡。即，抑制通过光电转换所生成的电荷向电极移动，所生成的电荷留在光电转换层23A内。这样，通过本申请实施方式，抑制了通过光电转换所生成的电荷向电极移动。
就图3所示的例子来说，光电转换层23A的HOMO的能级与空穴阻挡层20h的HOMO的能级之间的差异较大。由此，在光电转换层23A与空穴阻挡层20h之间形成了相对于空穴的较大势垒。因此，几乎不发生空穴从光电转换层23A向空穴阻挡层20h移动。空穴阻挡层20h的HOMO的能级优选比光电转换层23A的HOMO的能级深0.3eV以上，更优选深0.7eV以上。同样地，就图3所示的例子来说，电子阻挡层20e的LUMO的能级与光电转换层23A的LUMO的能级之间的差异较大，在电子阻挡层20e与光电转换层23A之间形成了相对于电子的较大势垒。因此，也几乎不发生电子从光电转换层23A向电子阻挡层20e移动。电子阻挡层20e的LUMO的能级优选比光电转换层23A的LUMO的能级浅0.3eV以上，更优选浅0.7eV以上。
此外，以上对空穴阻挡层、电子阻挡层和光电转换层为有机材料的情况进行了说明，但在这些层为无机化合物的情况下，只要使HOMO为价带并将LUMO置换为导带就行。
另外，就图3所示的例子来说，第一电极21的费米能级与空穴阻挡层20h的LUMO的能级之间的差异较大。由此，在第一电极21与空穴阻挡层20h之间形成了相对于电子的较大势垒。因此，几乎不发生电子由第一电极21注入空穴阻挡层20h。空穴阻挡层20h的LUMO的能级优选比第一电极21的费米能级浅0.3eV以上，更优选浅0.7eV以上。同样地，就图3所示的例子来说，电子阻挡层20e的HOMO的能级与第二电极22的费米能级之间的差异较大。因此，在电子阻挡层20e与第二电极22之间形成了相对于空穴的较大势垒。因此，也几乎不发生空穴由第二电极22注入电子阻挡层20e。电子阻挡层20e的HOMO的能级优选比第二电极22的费米能级深0.3eV以上，更优选深0.7eV以上。
此外，以上对空穴阻挡层、电子阻挡层和光电转换层为有机材料的情况进行了说明，但在这些层为无机化合物的情况下，只要使HOMO为价带并将LUMO置换为导带就行。
就本申请实施方式来说，电荷在光电转换层23A与第一电极21之间和光电转换层23A与第二电极22之间的移动得到了抑制。例如，对第一电极21和第二电极22施加电压起1秒后的第一电极21与第二电极22之间的电流密度能够为1×10-9A/cm2以下。这样，根据本申请实施方式，能够将通过光电转换所生成的电荷作为有助于两个电极(此处为第一电极21和第二电极22)之间的介电常数变化的电荷来利用。
此处，例示了具有使用有机半导体材料来形成的光电转换层23A的光检测元件10A。作为利用了基于有机薄膜的光电转换的器件，已知具有有机薄膜的摄像元件、有机薄膜太阳能电池，这些器件中也有时使用空穴阻挡层、电子阻挡层等功能层。但是，就现有的结构来说，其在必须为能够将通过光电转换所生成的电荷随着电场由光电转换层取出到电极的构成这一点上与本申请实施方式是不同的。
图4示出具有有机薄膜的摄像元件中的例示性能量图作为比较例。就图4所示的构成来说，像素电极82与光电转换层83之间配置有空穴阻挡层80h，并在与像素电极82相对置地配置的透明电极81(例如ITO电极)与光电转换层83之间配置有电子阻挡层80e。
就利用了有机薄膜的摄像元件来说，通常对透明电极81施加规定电压，由此生成于光电转换层83中的空穴和电子中的一者作为信号电荷被收集到像素电极82。例如，在对透明电极81施加负电压的情况下，像素电极82将通过光电转换生成于光电转换层83的电子作为信号电荷来进行收集。此外，作为像素电极82的材料，使用Al、TiN、Cu、Al、TaN、ITO等。
此处，应当注意的是：就利用了有机薄膜的现有的摄像元件来说，其与上述的光检测元件10A在施加相对较低的电压的电极(此处为透明电极81)与光电转换层83之间未配置空穴阻挡层80h这一点上是不同的。同样地，就利用了有机薄膜的现有的摄像元件来说，在施加相对较高的电压的电极(此处为像素电极82)与光电转换层83之间未配置电子阻挡层80e。
如图4所示意性地示出的那样，就比较例的摄像元件来说，空穴阻挡层80h配置于工作时为高电位的电极(此处为像素电极82)与光电转换层83之间。另外，电子阻挡层80e配置于工作时为低电位的电极(此处为透明电极81)与光电转换层83之间。即，在利用了有机薄膜的现有的摄像元件与本申请实施方式的光传感器之间，空穴阻挡层和电子阻挡层的配置对于光电转换层是相互相反的。这是因为，就利用了有机薄膜的现有的摄像元件来说，空穴阻挡层80h是出于下述目的而设置的：在阻止由像素电极82注入空穴的同时，使通过光电转换所产生的电子选择性地从光电转换层83向像素电极82通过。另外，这是因为，就利用了有机薄膜的现有的摄像元件来说，电子阻挡层80e是出于下述目的而设置的：在阻止由透明电极81注入电子的同时，使通过光电转换所产生的空穴选择性地从光电转换层83向透明电极81通过。阻挡空穴并使电子选择性地通过的作用对于空穴阻挡层来说是必需的，阻挡电子并使空穴选择性地通过的作用对于电子阻挡层来说是必需的，这些点对于利用了有机薄膜的太阳能电池来说也是相同的。
电荷从光电转换层83排出的速度和电荷流入光电转换层83的速度慢。与此相对，就本申请实施方式来说，如上所述，在光电转换层23A与第一电极21之间和光电转换层23A与第二电极22之间不进行电荷的交换。就本申请实施方式来说，只要通过光电转换所产生的正负电荷被分离就行，因而能够进行较高速的检测。因此，本申请实施方式对于应用于图像传感器是有利的。另外，就本申请实施方式的光传感器来说，将通过光电转换所产生的空穴或电子作为信号电荷取出，并不读出其电荷量，因而不需要所谓的复位工作。就本申请实施方式的光传感器来说，当停止向光电转换层施加电场时，空穴和电子再结合，通过光照射而逐渐增大的电介质结构的介电常数降低。即，根据本申请实施方式，不需要基于供给复位电压的复位工作，对于工作的高速化是有利的。此外，不需要另行设置复位电路，因而对于微细化是有利的。
就本申请实施方式来说，以能够抑制电荷从光电转换层23A向第一电极21移动和电荷从光电转换层23A向第二电极22移动的方式来决定光检测元件(例如光检测元件10A)中的空穴阻挡层20h和电子阻挡层20e的配置。例如，以使光检测元件10A的各部分中的能量的相对关系与对第一电极21和第二电极22之间施加的电压的方向为图3所示的关系的方式，选择第一电极21、空穴阻挡层20h、光电转换层23A、电子阻挡层20e和第二电极22的材料以及第一电压和第二电压的值。
这样，就光传感器100A来说，电荷从光电转换层23A向第一电极21的移动和电荷从光电转换层23A向第二电极22的移动得到了抑制。因此，由光经过第一电极21和/或第二电极22射入光电转换层23A所产生的电荷留在光电转换层23A内。通过光电转换所产生的电荷留在光电转换层23A内，由此包含光电转换层23A的电介质结构2A的介电常数增大。即，光传感器100A中的第一电极21和第二电极22之间的电容值由于向光传感器100A照射光而变化。通过适当的检测电路将第一电极21和第二电极22之间的电容值变化例如作为电流或电压变化来进行检测，由此能够检测出对于光传感器100A的入射光。这样，光传感器100A能够生成与由入射光所引起的电介质结构2A的介电常数变化相对应的信号。
第一电压和/或第二电压不需要始终为恒定的电压，也可以为随时间变化的电压。就本申请实施方式来说，使用了大于第一电压的电压作为第二电压。但是，这并不意欲完全排除第二电压与第一电压相等这样的状态的存在。第二电压不限于始终超过第一电压的电压，在电压随时间变化中也可以存在第二电压与第一电压相等的瞬间。
此外，通过考虑光电转换层23A的电离势或电子亲和力的大小和电极(第一电极21、第二电极22)的功函数的大小来选择适当的材料组合作为第一电极21、光电转换层23A和第二电极22的材料，也可以省略空穴阻挡层20h和电子阻挡层20e中的一者。这种构成的例子如后所述。电极的功函数作为真空能级与电极中的费米能级之差来进行定义。电离势作为真空能级与HOMO之差来进行定义，电子亲和力作为真空能级与LUMO之差来进行定义。以下，有时将功函数、电离势和电子亲和力的值分别用WF、IP和EA来表示。
以下，对光电转换层23A、空穴阻挡层20h和电子阻挡层20e的构成的例子进行详细说明。
(光电转换层)
光电转换层23A例如包含由下述通式(1)所示的萘酞菁锡(以下有时简称为“萘酞菁锡”)。
通式(1)中，R1～R24独立地表示氢原子或取代基。取代基不限于特定的取代基。取代基可以为氘原子、卤原子、烷基(包括环烷基、双环烷基、三环烷基)、烯基(包括环烯基、双环烯基)、炔基、芳基、杂环基(也可以称为杂环基团)、氰基、羟基、硝基、羧基、烷氧基、芳氧基、硅烷氧基(silyloxy group)、杂环氧基、酰氧基、氨基甲酰氧基、烷氧基羰氧基、芳氧基羰氧基、氨基(包括苯胺基)、铵基(ammonio group)、酰氨基、氨基羰基氨基、烷氧基羰基氨基、芳氧基羰基氨基、氨磺酰基氨基、烷基磺酰基氨基、芳基磺酰基氨基、巯基、烷硫基、芳硫基、杂环硫基、氨磺酰基、磺基、烷基亚磺酰基、芳基亚磺酰基、烷基磺酰基、芳基磺酰基、酰基、芳氧基羰基、烷氧基羰基、氨基甲酰基、芳基偶氮基、杂环偶氮基、酰亚胺基、膦基(phosphino group)、氧膦基(phosphinyl group)、氧膦基氧基(phosphinyloxy group)、氧膦基氨基(phosphinylamino group)、膦酰基、硅烷基(silyl group)、肼基、脲基、硼酸基(-B(OH)2)、磷酸基(-OPO(OH)2)、硫酸基(-OSO3H)或其它公知的取代基。
作为由上述通式(1)所示的萘酞菁锡，可以使用市售的产品。或者，如例如日本特开2010-232410号公报所示，由上述通式(1)所示的萘酞菁锡可以将由下述通式(2)所示的萘衍生物作为起始原料来进行合成。通式(2)中的R25～R30可以为与通式(1)中的R1～R24相同的取代基。
在由上述通式(1)所示的萘酞菁锡中，从易于控制分子的凝集态的观点考虑，R1～R24之中的8个以上为氢原子或氘原子是有益的，R1～R24之中的16个以上为氢原子或氘原子是更有益的，全部为氢原子或氘原子是进一步有益的。此外，从合成容易程度的观点考虑，由以下的式(3)所示的萘酞菁锡是有利的。
由上述通式(1)所示的萘酞菁锡在大致200nm～1100nm的波段具有吸收。萘酞菁锡的吸收峰的波长能够在大致940nm的位置。此外，如图5所示，由上述式(3)所示的萘酞菁锡在波长为大致870nm的位置具有吸收峰。图5是包含由上述式(3)所示的萘酞菁锡的光电转换层处的吸收光谱的一个例子。包含由式(3)所示的萘酞菁锡的光电转换层在波长为900nm处的量子效率能够为硅的10倍左右。在吸收光谱的测定中，使用了在石英基板上层积有光电转换层(厚度：30nm)的样品。
由图5可知，由包含萘酞菁锡的材料形成的光电转换层在近红外区域具有吸收。即，通过选择包含萘酞菁锡的材料作为构成光电转换层23A的材料，可以实现能够对近红外线进行检测的光传感器。根据本申请实施方式，通过根据希望检测的波段来使用适当的材料，能够实现在所希望的波段具有灵敏度的光传感器。例如，作为有机p型半导体化合物的一个例子的P3HT(聚(3-己基噻吩-2,5-二基))在波长为550nm处具有吸收峰，铜酞菁在波长为620nm和波长为700nm处具有吸收峰。
只要能够通过吸收光来产生电荷，则对用于形成光电转换层23A的材料没有特别限制。光电转换层23A可以由后述的有机p型半导体(化合物)形成，也可以由后述的有机n型半导体(化合物)形成。或者，可以将有机p型半导体(化合物)与有机n型半导体(化合物)组合来形成光电转换层23A。光电转换层23A可以包含非晶硅等无机半导体材料。光电转换层23A也可以包含由有机材料构成的层和由无机材料构成的层。
图6示出具有使用包含由上述通式(1)所示的萘酞菁锡的有机半导体材料来形成的光电转换层的光检测元件的构成的一个例子。图6所示的光检测元件10B的电介质结构2B包含空穴阻挡层20h、光电转换层23B和电子阻挡层20e。就图6所例示的构成来说，空穴阻挡层20h配置于第一电极21与光电转换层23B之间，电子阻挡层20e配置于光电转换层23B与第二电极22之间。
光电转换层23B包含p型半导体和n型半导体中的至少一者。就图6所例示的构成来说，光电转换层23B具有p型半导体层230p、n型半导体层230n以及夹在p型半导体层230p与n型半导体层230n之间的混合层230h。p型半导体层230p配置于空穴阻挡层20h与混合层230h之间，并具有作为光电转换层和/或空穴传输层的作用。n型半导体层230n配置于混合层230h与电子阻挡层20e之间，并具有作为光电转换层和/或电子传输层的作用。如后所述，混合层230h为包含p型半导体和n型半导体的层。
p型半导体层230p和n型半导体层230n分别包含有机p型半导体和有机n型半导体。光电转换层23B可以包含：包含由上述通式(1)所示的萘酞菁锡的有机光电转换材料；以及有机p型半导体和有机n型半导体中的至少一者。
有机p型半导体(化合物)为供体性有机半导体(化合物)，其是指主要以空穴传输性有机化合物为代表的具有容易供给电子的性质的有机化合物。更详细来说，有机p型半导体(化合物)是指在使两种有机材料接触来进行了使用时电离势小的有机化合物。因此，作为供体性有机化合物，只要是具有电子供给性的有机化合物就可以使用任意有机化合物。例如，可以使用三芳基胺化合物、联苯胺化合物、吡唑啉化合物、苯乙烯胺化合物、腙化合物、三苯基甲烷化合物、咔唑化合物、聚硅烷化合物、P3HT等噻吩化合物、铜酞菁等酞菁化合物、花菁化合物、部花菁化合物、氧杂菁化合物、多元胺化合物、吲哚化合物、吡咯化合物、吡唑化合物、聚芳撑化合物、稠合芳香族碳环化合物(萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、并四苯衍生物、芘衍生物、苝衍生物、荧蒽衍生物)、具有含氮杂环化合物作为配体的金属络合物等。此外，供体性有机半导体不限于这些；如上所述，只要是电离势比用作n型(受体性)化合物的有机化合物小的有机化合物就可以作为供体性有机半导体来使用。上述的萘酞菁锡为有机p型半导体材料的一个例子。
有机n型半导体(化合物)为受体性有机半导体(化合物)，其是指主要以电子传输性有机化合物为代表的具有容易接受电子的性质的有机化合物。更详细来说，有机n型半导体(化合物)是指在使两种有机化合物接触来进行了使用时电子亲和力大的有机化合物。因此，作为受体性有机化合物，只要是具有电子接受性的有机化合物就可以使用任意有机化合物。例如，可以使用富勒烯、苯基C61丁酸甲酯(PCBM)等富勒烯衍生物、稠合芳香族碳环化合物(萘衍生物、蒽衍生物、菲衍生物、并四苯衍生物、芘衍生物、苝衍生物、荧蒽衍生物)、含有氮原子、氧原子、硫原子的5～7元杂环化合物(例如吡啶、吡嗪、嘧啶、哒嗪、三嗪、喹啉、喹喔啉、喹唑啉、酞嗪、噌啉、异喹啉、蝶啶、吖啶、吩嗪、菲咯啉、四唑、吡唑、咪唑、噻唑、噁唑、吲唑、苯并咪唑、苯并三唑、苯并噁唑、苯并噻唑、咔唑、嘌呤、三唑并哒嗪、三唑并嘧啶、四氮茚、噁二唑、咪唑并吡啶、ピラリジン、吡咯并吡啶、噻二唑并吡啶、二苯并氮(dibenzazepine)、三苯并氮(tribenzazepine)等)、聚芳撑化合物、芴化合物、环戊二烯化合物、硅烷基化合物、苝四羧酸二酰亚胺化合物(PTCDI)、具有含氮杂环化合物作为配体的金属络合物等。此外，不限于此；如上所述，只要是电子亲和力比用作p型(供体性)有机化合物大的有机化合物就可以作为受体性有机半导体来使用。
如图6所例示的那样，当电介质结构2B具有包含p型半导体层230p和n型半导体层230n的光电转换层23B时，容易使通过光电转换所生成的空穴和电子相互分离。因此，通过使用包含p型半导体层230p和n型半导体层230n的光电转换层23B，电荷分离的效率提高，可得到相对于入射光强度变化更大的介电常数变化。
混合层230h例如可以为包含p型半导体和n型半导体的体异质结结构层。在以具有体异质结结构的层的方式形成混合层230h时，能够使用由上述通式(1)所示的萘酞菁锡作为p型半导体材料。作为n型半导体材料，例如可以使用富勒烯和/或富勒烯衍生物。体异质结结构在日本专利第5553727号公报中有详细说明。为了参考起见，将日本专利第5553727号公报的公开内容全部援引至本说明书。
(空穴阻挡层)
作为用于形成空穴阻挡层20h的材料，可以使用n型半导体或电子传输性有机化合物。这样的材料的例子为C60和C70等富勒烯、茚-C60双加成物(ICBA)等富勒烯衍生物、碳纳米管和其衍生物、OXD-7(1,3-双(4-叔丁基苯基-1,3,4-噁二唑)苯撑)等噁二唑衍生物、蒽醌二甲烷衍生物、二苯基醌衍生物、浴铜灵(BCP)、红菲绕啉和其衍生物、二苯乙烯基亚芳基衍生物、三唑化合物、噻咯化合物、三(8-羟基喹啉)铝络合物、双(4-甲基-8-喹啉)铝络合物、乙酰丙酮络合物、铜酞菁、3,4,9,10-苝四羧酸二酐(PTCDA)、Alq等有机物或有机-金属化合物或者MgAg、MgO等无机物等。用于形成空穴阻挡层20h的材料可考虑构成光电转换层23A(或光电转换层23B中的p型半导体层230p)的材料的电离势从上述材料中选择。
就使光从第一电极21侧射入光电转换层23B(或光电转换层23A)的构成来说，在空穴阻挡层20h中希望进行检测的波段的透射率高是有益的。例如，可以减小空穴阻挡层20h的厚度。空穴阻挡层20h例如可具有5nm～50nm的范围的厚度。
(电子阻挡层)
作为用于形成电子阻挡层20e的材料，可以使用p型半导体或空穴传输性有机化合物。这样的材料的例子为TPD(N,N’-双(3-甲基苯基)-(1,1’-联苯基)-4,4’-二胺)、α-NPD(4,4’-双[N-(萘基)-N-苯基-氨基]联苯)等芳香族二胺化合物、噁唑、噁二唑、三唑、咪唑、咪唑酮、芪衍生物、吡唑啉衍生物、四氢咪唑、多芳基烷烃、丁二烯、m-MTDATA(4,4’,4”-三(N-(3-甲基苯基)N-苯基氨基)三苯胺)、苝以及卟吩、四苯基卟吩铜、酞菁、铜酞菁和氧钛酞菁等卟啉化合物、三唑衍生物、噁二唑衍生物、咪唑衍生物、聚芳基烷烃衍生物、吡唑啉衍生物、吡唑啉酮衍生物、苯二胺衍生物、芳基胺衍生物、氨基取代查耳酮衍生物、噁唑衍生物、苯乙烯基蒽衍生物、芴酮衍生物、腙衍生物、硅氮烷衍生物等。或者，作为用于形成电子阻挡层20e的材料，可以使用苯乙炔(phenylene vinylene)、芴、咔唑、吲哚、芘、吡咯、甲基吡啶、噻吩、乙炔、联乙炔等的聚合物或者它们的衍生物。用于形成电子阻挡层20e的材料可考虑构成光电转换层23A(或光电转换层23B中的n型半导体层230n)的材料的电子亲和力从上述材料中选择。
就使光从第二电极22侧射入光电转换层23B(或光电转换层23A)的构成来说，在电子阻挡层20e中希望进行检测的波段的透射率高是有益的。例如，可以减小电子阻挡层20e的厚度。电子阻挡层20e例如可具有5nm～50nm的范围的厚度。
(光检测元件的其它构成例)
通过选择适当的材料的组合来作为第一电极21、光电转换层(光电转换层23A或23B)和第二电极22的材料，能够省略空穴阻挡层20h和电子阻挡层20e中的一者。以下，对这样的构成的例子进行说明。
图7是在第一电极21与第二电极22之间配置有空穴阻挡层20h和光电转换层23C的光检测元件中的例示性能量图。如图示那样，在该例子中，光电转换层23C与施加第二电压的第二电极22相邻。即，图7示出省略了上述电子阻挡层20e的构成的例子。此处，对光电转换层23C具有p型半导体层230p和n型半导体层230n的异质结结构的例子进行说明。当然，光电转换层23C也可以为具有体异质结结构的层。
就图7所例示的构成来说，与参照图2和图3进行了说明的光检测元件10A同样地，通过空穴阻挡层20h抑制了空穴从第一电极21向光电转换层23C移动。另外，就图7所例示的构成来说，空穴阻挡层20h的LUMO与第一电极21的费米能级之间的差异大，在第一电极21与空穴阻挡层20h之间形成了相对于电子的势垒。通过该势垒抑制了电子从空穴阻挡层20h向第一电极21移动。换言之，不使用电子阻挡层而抑制了电子从第一电极21向空穴阻挡层20h传输。
就光电转换层(此处为光电转换层23C)与电极(此处为第二电极22)相邻配置而成的构成来说，已知当电极的功函数和与电极相邻的有机膜的电离势之间的差异大时难以发生空穴从电极进入有机膜。就图7所例示的构成来说，光电转换层23C的电离势大于第二电极22的功函数，并且光电转换层23C的HOMO与第二电极22的费米能级之间的差异比较大，因而通过光电转换层23C与第二电极22之间的势垒抑制了空穴由第二电极22注入光电转换层23C。
这样，通过抑制通过光电转换所产生的正电荷和负电荷中的一者(此处为空穴)向电极(此处为第一电极21)移动，也能够将通过光电转换所产生的电荷留在光电转换层23C中。即，就算不设置电子阻挡层20e，以使光检测元件的各部分中的能量的相对关系为图7所示的关系的方式适当地选择第一电极21、空穴阻挡层20h、光电转换层23C和第二电极22的材料，也能够实现对于光照射的介电常数变化。
作为光检测元件的各部分中的能量的相对关系可满足图7所示的关系的材料的组合，可例示出以下的组合。
第一电极21：ITO(WF：4.7eV)
空穴阻挡层20h：ICBA(IP：6.5eV，EA：3.7eV)
p型半导体层230p：铜酞菁(IP：5.2eV，EA：3.5eV)
n型半导体层230n：C60(IP：6.2eV，EA：4.5eV)
第二电极22：Al(WF：4.2eV)
图8示意性地示出在这样的组合中可实现的能量的相对关系。图8中，箭头φ1表示空穴阻挡层20h与第一电极21之间的相对于电子的势垒，箭头φ2表示n型半导体层230n与第二电极22之间的相对于空穴的势垒。箭头φ3表示p型半导体层230p与空穴阻挡层20h之间的相对于空穴的势垒。不用说，上述组合仅为例子，例如当然也可以使用P3HT、萘酞菁锡等来代替作为p型半导体层230p的材料所例示的铜酞菁。
图9是在第一电极21与第二电极22之间配置有光电转换层23C和电子阻挡层20e的光检测元件中的例示性能量图。如图示那样，在该例子中，光电转换层23C与施加第一电压的第一电极21相邻。即，图9示出了省略了上述空穴阻挡层20h的构成的例子。
就图示的例子来说，与参照图2和图3进行了说明的光检测元件10A同样地，通过电子阻挡层20e抑制了电子从第二电极22向光电转换层23C移动。另外，就图9所例示的构成来说，电子阻挡层20e的HOMO与第二电极22的费米能级之间的差异大，在电子阻挡层20e与第二电极22之间形成了相对于空穴的势垒。通过该势垒抑制了空穴从电子阻挡层20e向第二电极22移动。换言之，不使用空穴阻挡层而抑制了空穴从第二电极22向电子阻挡层20e传输。
就电极(此处为第一电极21)与光电转换层(此处为光电转换层23C)相邻配置而成的构成来说，当电极的功函数和与电极相邻的有机膜的电子亲和力之间的差异大时，难以发生电子由电极注入有机膜。就图9所例示的构成来说，光电转换层23C的电子亲和力小于第一电极21的功函数，并且第一电极21的费米能级与光电转换层23C的LUMO之间的差异较大。因此，在第一电极21与光电转换层23C之间形成了势垒。通过该势垒抑制了电子由第一电极21注入光电转换层23C。这样，就算不设置空穴阻挡层20h，以使光检测元件的各部分中的能量的相对关系为图9所示的关系的方式适当地选择第一电极21、光电转换层23C、电子阻挡层20e和第二电极22的材料，也能够实现对于光照射的介电常数变化。
作为使光检测元件的各部分中的能量的相对关系为图9所示的关系的第一电极21、光电转换层23C、电子阻挡层20e和第二电极22的材料的组合，可例示出以下组合。
第一电极21：ITO(WF：4.7eV)
p型半导体层230p：铜酞菁(IP：5.2eV，EA：3.5eV)
n型半导体层230n：C60(IP：6.2eV，EA：4.5eV)
电子阻挡层20e：苝(IP：5.3eV，EA：2.3eV)
第二电极22：Al(WF：4.2eV)
图10示意性地示出在这样的组合中可实现的能量的相对关系。图10中，箭头φ5表示第一电极21与p型半导体层230p之间的相对于电子的势垒，箭头φ6表示电子阻挡层20e与第二电极22之间的相对于空穴的势垒。箭头φ7表示n型半导体层230n与电子阻挡层20e之间的相对于电子的势垒。也可以使用P3HT、萘酞菁锡等代替以下所例示的铜酞菁，还可以使用铜酞菁来代替作为电子阻挡层20e的材料所例示的苝。
这样，就算是省略了空穴阻挡层20h和电子阻挡层20e中的任一者的光检测元件，也能够抑制通过光电转换所生成的电荷向电极移动。换言之，通过更简易的结构能够得到与具有空穴阻挡层20h和电子阻挡层20e这两者的光检测元件相同的效果。此处，就电介质结构中配置有空穴阻挡层20h和电子阻挡层20e中的任一者的光检测元件来说，应当注意要根据通过施加电压而使两个电极中的任一者为高电位来确定应当夹着阻挡层(空穴阻挡层20h或电子阻挡层20e)的位置。
(光传感器的第二实施方式)
从抑制通过光电转换所生成的电荷向电极移动的观点考虑，可以使用空穴和电子均不通过的绝缘层来代替空穴阻挡层20h和/或电子阻挡层20e。以下，对在光电转换层与电极之间配置有绝缘层的构成的例子进行说明。
图11示出本申请第二实施方式的光传感器的例示性构成的概况。图11所示的光传感器100C具有：包含配置于第一电极21和第二电极22之间的电介质结构2C的光检测元件10C；以及电压供给电路12。电介质结构2C具有绝缘层29a和绝缘层29b。如图示那样，绝缘层29a配置于第一电极21与光电转换层23C之间。绝缘层29b配置于光电转换层23C与第二电极22之间。
图12是光检测元件10C中的例示性能量图。图12中，三个排列的矩形中最左的矩形的底边表示绝缘层29a的价带的上端，与底边相对置的边表示导带的底。同样地，图12中，最右侧的矩形示意性地示出了绝缘层29b中的价带的上端和导带的底各自中的能级的高度。以下，有时将价带的上端与真空能级之间的差异和导带的底与真空能级之间的差异分别用VB和CB来表示。
通过在第一电极21与光电转换层23C之间配置绝缘层29a，就算是第一电极21与第二电极22之间施加有电压的状态也能够抑制电荷在第一电极21与光电转换层23C之间移动。另外，通过在第二电极22与光电转换层23C之间配置绝缘层29b，能够抑制电荷在第二电极22与光电转换层23C之间移动。因此，通过光电转换所产生的电荷抑制向电极(第一电极21和/或第二电极22)移动，能够作为有助于电介质结构2C的介电常数变化的电荷来利用。从与由外部施加的电场的方向无关地阻挡正和负这两种电荷移动的观点考虑，本说明书中的“绝缘层”被区分为上述的空穴阻挡层20h和电子阻挡层20e。换言之，本说明书中的“绝缘层”对于正和负这两种电荷抑制从电极向光电转换层移动和从光电转换层向电极移动。
作为用于形成绝缘层29a和29b的材料，例如可以使用SiO2、Al2O3、ZrO2、HfO2、Y2O3之类的氧化物或者聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰亚胺、派瑞林(注册商标)、聚苯乙烯之类的树脂等。构成绝缘层29a和29b的材料可以相同，也可以相互不同。作为绝缘层29a和/或绝缘层29b，可以采用在硅半导体中通常所用的氮氧化硅膜(SiON膜)。使用所谓的高介电常数材料(也称为high-k材料，典型地相对介电常数超过3.9)形成绝缘层29a和/或绝缘层29b是有益的。绝缘层29a和绝缘层29b的厚度可根据绝缘层29a和绝缘层29b的电导率适当设定。
就图11和图12所例示的构成来说，在第一电极21与光电转换层23C之间配置有绝缘层29a。另外，在光电转换层23C与第二电极22之间配置有绝缘层29b。因此，在光传感器100C工作时，可以使第一电极21和第二电极22中的任一者为高电位。即，根据图11所例示的构成，还可得到对于第一电极21的材料和第二电极22的材料的限制小这样的优点。例如，在第二电极22为透明电极的情况下，可以使用ITO、IZO、AZO、FTO、SnO2、TiO2、ZnO2等透明导电性氧化物(TCO)或者碳纳米管、石墨烯等作为第二电极22的材料。在第一电极21为透明电极的情况下，可以使用Al、TiN、Cu、TaN等作为第二电极22的材料。就第一电极21来说，也可以使用与第二电极22相同的材料。例如，可以使用Al、TiN、Cu、TaN、ITO等作为第一电极21的材料。
(光检测元件的其它构成例)
如以下所说明的那样，通过选择适当的材料的组合来作为第一电极21、光电转换层23C(或光电转换层23A、23B)和第二电极22的材料，能够省略绝缘层29a和29b中的一者。
图13是在第一电极21与第二电极22之间配置有绝缘层29a和光电转换层23C的光检测元件中的例示性能量图。如图示那样，在该例子中，光电转换层23C与施加第二电压的第二电极22相邻。即，图13示出了省略了上述绝缘层29b的构成的例子。
就图13所例示的构成来说，空穴从光电转换层23C向第一电极21的移动和电子从第一电极21向光电转换层23C的移动被绝缘层29a所抑制。另外，在该例子中，设定为光电转换层23C的电离势大于第二电极22的功函数。因此，空穴由第二电极22注入光电转换层23C被光电转换层23C与第二电极22之间的势垒所抑制。因此，能够将通过光电转换所产生的电荷(例如空穴)的一部分留在光电转换层23C，从而作为有助于光电转换层23C的介电常数变化的电荷来利用。这样，以使光检测元件的各部分中的能量的相对关系为图13所示的关系的方式适当地选择第一电极21、绝缘层29a、光电转换层23C和第二电极22的材料，由此能够不在光电转换层23C与第二电极22之间设置绝缘层29b而抑制通过光电转换所生成的电荷向电极移动。
作为光检测元件的各部分中的能量的相对关系可满足图13所示的关系的材料的组合，可例示出以下组合。
第一电极21：ITO(WF：4.7eV)
绝缘层29a：Al2O3(VB：10.0eV，CB：1.2eV)
p型半导体层230p：铜酞菁(IP：5.2eV，EA：3.5eV)
n型半导体层230n：C60(IP：6.2eV，EA：4.5eV)
第二电极22：Al(WF：4.2eV)
图14示意性地示出在这样的组合中可实现的能量的相对关系。作为第二电极22的材料，可以使用功函数大致在4.1eV～4.3eV的范围的金属。因此，可以使用Ti、Ta、Ag等来代替以下所例示的Al。作为与第二电极22相邻的n型半导体层230n的材料，只要使用电离势大致为5eV以上的材料就行。另外，也可以使用SiO2、ZrO2、HfO2、Y2O3等来代替作为绝缘层29a的材料所例示的Al2O3。
图15是在第一电极21与第二电极22之间配置有光电转换层23C和绝缘层29b的光检测元件中的例示性能量图。如图示那样，在该例子中，光电转换层23C与施加第一电压的第一电极21相邻。即，图15示出了省略了上述绝缘层29a的构成的例子。
就图15所例示的构成来说，电子从光电转换层23C向第二电极22的移动和空穴从第二电极22向光电转换层23C的移动被绝缘层29b所阻挡。另外，在该例子中，设定为光电转换层23C的电子亲和力小于第一电极21的功函数。因此，电子由第一电极21注入光电转换层23C被第一电极21与光电转换层23C之间的势垒所抑制。因此，通过这样的构成，也能够将通过光电转换所产生的电荷(例如电子)的一部分留在光电转换层23C，从而作为有助于光电转换层23C的介电常数变化的电荷来利用。这样，以使光检测元件的各部分中的能量的相对关系为图15所示的关系的方式适当地选择第一电极21、光电转换层23C、绝缘层29b和第二电极22的材料，由此能够不在第一电极21与光电转换层23C之间设置绝缘层29a而抑制通过光电转换所生成的电荷向电极移动。
作为光检测元件的各部分中的能量的相对关系可满足图15所示的关系的材料的组合，可例示出以下组合。
第一电极21：Au(WF：4.9eV)
p型半导体层230p：铜酞菁(IP：5.2eV，EA：3.5eV)
n型半导体层230n：C60(IP：6.2eV，EA：4.5eV)
绝缘层29b：Al2O3(VB：10.0eV，CB：1.2eV)
第二电极22：ITO(WF：4.7eV)
图16示意性地示出在这样的组合中可实现的能量的相对关系。作为第一电极21的材料，可以使用功函数大致为4.8eV以上的金属。例如，可以使用Pt、Ni、ITO等来代替以下所例示的Au。
实施例
接着，参照实施例，对由光照射引起的光电转换层中的介电常数变化的一个例子进行说明。图17示意性地示出用于测定介电常数变化的光检测元件的结构。通过以下步骤，制作了具有图17所示的结构的光检测元件10D。
首先，准备了玻璃基板2GL。接着，使用溅射将ITO堆积在玻璃基板2GL上，由此形成了作为第二电极22的ITO电极(厚度：50nm)。接着，使用原子层沉积法(Atomic LayerDeposition(ALD))，在第二电极22上形成了作为绝缘层29b的HfO2层(厚度：30nm)。进而，对萘酞菁锡和C60进行共蒸镀，由此在绝缘层29b上形成了作为光电转换层23D的共蒸镀层(厚度：150nm)。
接着，使用ALD，在光电转换层23D上形成了作为绝缘层29a的Al2O3层(厚度：30nm)。之后，使用溅射将Al堆积在绝缘层29a上，由此形成了作为第一电极21的Al电极(厚度：80nm)。通过上述工序，得到了图17所示的结构的光检测元件10D。此外，从玻璃基板2GL的法线方向观察时的光电转换层23D的形状为1mm见方的矩形。
此处，使用了LED光源(波长：940nm，额定功耗：约70mW)。如图17所示意性地示出的那样，将测定机300与第一电极21和第二电极22连接，并对第一电极21和第二电极22之间提供了4V的电位差。在该状态下，对第一电极21和第二电极22之间的电介质结构2D中的电容值进行了测定。电容值的测定使用Keysight公司制造的半导体器件参数分析器B1500A(测定频率：1kHz，振幅：0.1V)，使测定机的探针的低侧与第一电极21接触，使高侧与第二电极22接触，以该状态进行了测定。
图18示出电介质结构2D的电容值的测定结果。图18中，空心四变形(□)表示就未对光电转换层23D照射光的状态(LED光源：关灯，暗状态)的电容值的测定结果。空心三角形(△)表示就对光电转换层23D照射光的状态(LED光源：开灯)的电容值的测定结果。如图18所示，未照射光的状态的电容值为约6.3μF，照射了光的状态的电容值为约2μF。因此，在该例子中，电介质结构2D的电容值通过向光电转换层23D照射光而与暗状态相比显示出约3倍的提高。
此外，在对第一电极21和第二电极22施加了4V的电位差的状态下，每1秒对LED光源的开灯和关灯进行转换，对电介质结构2D中的电容值变化进行了测定。图18中，空心菱形(◇)表示每1秒对LED光源的开灯和关灯进行转换时的电容值的测定结果。如图18所示，通过向光电转换层23D射入光，电介质结构2D的电容值显示出快速的上升。另外，当关闭LED光源时，电介质结构2D的电容值快速地下降。
这样，根据本申请实施方式，能够实现电极之间的电容值随着照度变化而变化的光传感器。
(器件结构的具体例)
下面，参照附图，对能够生成与由光照射引起的介电常数变化相对应的信号的光检测元件中的器件结构的具体例进行说明。
图19示出光检测元件的器件结构的一个例子。图19所示的光检测元件10E被基板2所支撑。作为基板2，例如可以使用在表面具有氧化膜的硅基板、玻璃基板、聚酰亚胺基板等。在图示的例子中，在基板2上配置有第二电极22。
就图19所例示的构成来说，配置于第一电极21与第二电极22之间的电介质结构2E具有障碍层B1、B2和光电转换层23A。配置于第一电极21与光电转换层23A之间的障碍层B1可以为上述空穴阻挡层20h或绝缘层29a中的任一者。即，障碍层B1至少为具有抑制空穴从光电转换层(此处为光电转换层23A)向第一电极21传输的作用的层。配置于光电转换层23A与第二电极22之间的障碍层B2可以为上述电子阻挡层20e或绝缘层29b中的任一者。即，障碍层B2至少为具有抑制电子从光电转换层(此处为光电转换层23A)向第二电极22传输的作用的层。
通过采用图19所例示那样的电容器结构，能够将射入光电转换层23A的光作为第一电极21和第二电极22之间的电容值变化来进行检测。此外，光可以从第一电极21和第二电极22中的任一侧射入。例如，在第一电极21为透明电极的情况下，可以使光经过第一电极21射入光电转换层23A。或者，在基板2为透明基板并且第二电极22为透明电极的情况下，可以使光经过基板2和第二电极22射入光电转换层23A。
图19中，省略了电压供给电路12(例如参照图2)的图示。如图19所例示的那样，就光检测元件(此处为光检测元件10E)被支撑于基板(此处为基板2)上的构成来说，电压供给电路12可以配置于基板上。
第一电极21和第二电极22之间的电容值变化例如可以如下进行检测。首先，对电极21与电极22之间施加交流电压，对在电极21与电极22之间流动的电流的变化进行检测。此时，将交流电压的频率设定为ω，将电压相对于电流的振幅比设定为A，将相位差设定为δ，将tanδ设定为D。当使电极21与电极22之间的等效电路为电阻成分与电容成分的串联电路时，电容可以由下式算出。
另外，当使电极21与电极22之间的等效电路为电阻成分与电容成分的并联电路时，电容可以由下式算出。
就实际测定来说，可以根据元件的构成、交流电压的频率从上述两个公式之中选择适当的公式。
进而，参照图22对其它检测方法进行说明。图22示意性地示出包含本申请的电容器结构的光检测装置的截面。
图22中，光传感器100C具有晶体管60和光电转换部。晶体管60是形成于半导体基板20的场效应晶体管。晶体管60具有杂质区域20d、杂质区域20s、半导体基板上的绝缘层23x和绝缘层23x上的栅极电极24。杂质区域20d作为晶体管60的漏极区(或源极区)起作用，杂质区域20s作为晶体管60的源极区(或漏极区)起作用。杂质区域20d被构成为通过具有与电源布线42的连接而能够在光检测装置1000工作时施加规定电压。绝缘层23x作为晶体管60的栅极绝缘层起作用。绝缘层23x例如是厚度为4.6nm的硅热氧化膜。
光传感器100C的光电转换部包含像素电极21、与像素电极21相对置的透明电极22以及夹在它们之间的光电转换层23p。进而，在像素电极21与光电转换层23p之间配置有绝缘层29a，在光电转换层23p与透明电极22之间配置有绝缘层29b。像素电极21在与相邻的单位像素单元10C之间空间分离来进行配置。由此，像素电极21与其它单位像素单元10C中的像素电极21电分离。像素电极21典型地为金属电极或金属氮化物电极。用于形成像素电极21的材料的例子为Al、Cu、Ti、TiN、Ta、TaN、Mo、Ru和Pt。像素电极21可以由通过掺杂杂质而被赋予了导电性的多晶硅等形成。此处，使用TiN电极作为像素电极21。
作为构成绝缘层29a和绝缘层29b的材料，例如可以选择泄漏电流比构成光电转换层23p的材料小的材料。此处，作为绝缘层29a和29b，使用厚度为5.4nm的硅氧化膜。硅氧化膜例如可以通过CVD来形成。
光电转换层23p以横跨其它单位像素单元10C的方式形成。光电转换层23p的厚度例如可以为200nm左右。透明电极22使用透明导电性氧化物(Transparent ConductingOxide(TCO))以横跨其它单位像素单元10C的方式形成。另外，透明电极22被构成为具有与栅极电压控制线(未图示)的连接并且能够在光检测装置1000工作时施加规定电压。
在图示的例子中，透明电极22和光电转换层23p配置于层间绝缘层50上，并通过包含多层布线40的一部分和接触插塞52的连接部54而将光电转换部的像素电极21与电容调制晶体管60的栅极电极24连接。
此处，对将作为第一电压的1.2V的电压施加到杂质区域20d、将作为第二电压的3.7V的电压施加到透明电极22的例子进行说明。即，此处是给杂质区域20d和透明电极22之间赋予约2.5V的电位差。
图23示出施加了2.5V的电压时流到硅氧化膜的泄漏电流的膜厚依赖性。如已经进行了说明的那样，从确保光不照射时的特性的观点考虑，向电容调制晶体管60的沟道区的泄漏电流为1×10-11A/cm2以下是有益的。如图23所示，在对硅氧化膜施加2.5V的电压的情况下，通过使硅氧化膜的厚度为5.4nm以上，能将硅氧化膜中的泄漏电流降低至1×10-11A/cm2以下。
当光射入光电转换层23p时，在光电转换层23p内生成空穴-电子对，光电转换层23p的介电常数发生变化。伴随着光电转换层23p中的介电常数变化，电容调制晶体管60的有效栅极电压发生变化，电容调制晶体管60中的漏极电流发生变化。因此，能够将照度变化作为例如垂直信号线46中的电压变化来进行检测。
进而，作为其它检测方法，也可以通过图19所例示的电容器结构的电极21或电极22来进一步配置串联连接而成的固定电容，未用于相互连接的两个电极之间施加一定电压，以该状态读出电容器结构与固定电容之间的中间电压。
固定电容是指下述电容：其呈以两个电极夹着使用了氧化膜、氮化膜、有机膜中的任一种的绝缘材料而成的构成，对于光的电容变化是轻微的(可视为固定)。
为了高效地读出电容器结构的电容变化，优选设计成不射入光的条件下的电容器结构的初始电容值低于固定电容的电容值。
另外，固定电容和电容器结构的位置关系优选被配置成光射入侧成为电容器结构。
将所施加的一定电压设定为VG，将电容器结构的电容值设定为C1，将固定电容的电容值设定为C2，此时中间电压可由下式表示。通过该式，可将与所射入的光相对应的电容器结构的电容变化作为电压变化来读出。
此外，电压的读出可以使用晶体管，通过与晶体管的栅极电极侧连接，能够以非破坏的方式读出信号。
本申请的光传感器中的光检测元件也可以作为三端子元件来构成。下面，参照图20和图21对光检测元件的器件结构的其它具体例进行说明。
图20示出光检测元件的器件结构的另一个例子。图20所示的光检测元件10F具有与参照图19进行了说明的光检测元件10E类似的器件结构。但是，就图20所例示的构成来说，在障碍层B1上配置有半导体层SL、电极Ed和电极Es来代替第一电极21，这一点与图19所示的光检测元件10E不同。如图示那样，电极Ed和电极Es在半导体层SL上隔开间隔来配置。由图20可知，光检测元件10F具有与底栅极薄膜晶体管类似的器件结构。构成半导体层SL的材料例如为单层碳纳米管(SWCNT)、包含In-Ga-Zn-O系半导体(IGZO)的氧化物半导体、并五苯、P3HT之类的有机半导体、非晶硅等。
例如，在光经过基板2和第二电极22射入光电转换层23A的情况下，向电极Ed和电极Es中的一者施加第一电压，向第二电极22施加第二电压，此时电介质结构2E的介电常数发生变化。当电介质结构2E的介电常数增大时，在半导体层SL中使电荷被感应，由此在电极Ed与电极Es之间流动的电流发生变化。因此，能够由电极Ed和Es之中未施加第一电压的一者的电极取出与光的照度相对应的信号。
图21示出光检测元件的器件结构的又一个例子。如图21所例示的那样，还可以应用于与顶栅极薄膜晶体管类似的器件结构。在该例子中，以覆盖隔开间隔配置而成的电极Ed和Es的方式配置有半导体层SL，在半导体层SL上配置有电介质结构2E。在电介质结构2E上配置有第一电极21。
就利用了图21所示的光检测元件10G的光检测来说，例如对第一电极21施加第一电压，对电极Ed和电极Es中的一者施加第二电压。由此，与上述光检测元件10F同样地，由电极Ed和电极Es之中未施加第二电压的一者的电极取出与光的照度相对应的信号。
此外，就图20所例示的构成来说，障碍层B1和障碍层B2的配置可以相互调换。在该情况下，只要在光检测时使电极Ed和电极Es中的一者的电位高于第二电极22的电位就行。同样地，就图21所例示的构成来说，障碍层B1和障碍层B2的配置可以相互调换。在该情况下，只要在光检测时使电极Ed和电极Es中的一者的电位低于第一电极21的电位就行。在半导体层SL中被电极Ed和电极Es所夹持的区域所感应的载流子可以为电子，也可以为空穴。
如以上进行了说明的那样，就本申请实施方式来说，将通过光电转换所生成的电荷留在光电转换层中，将该电荷作为有助于包含光电转换层的电介质结构的介电常数变化的电荷来利用。就本申请实施方式来说，在光电转换层与电极之间抑制了电荷移动。通过使用上述各实施方式的光传感器，能够由光传感器取出与由光照射引起的介电常数变化相对应的电信号。
就上述各实施方式来说，例示出将在红外区域具有吸收的光电转换材料用于光电转换层的构成。在红外区域具有吸收的光电转换材料由于带隙窄，因而暗电流伴随着热激发载流子的增加和电阻值的降低而增大。因此，当使用在红外区域具有吸收的光电转换材料作为光电转换层的材料时，有可能无法确保充分的S/N比。但是，就本申请实施方式来说，由于在两个电极之中的至少一者与光电转换层之间配置障碍层，因而能够降低电极之间的泄漏。此外，还能够通过障碍层的势垒来抑制电荷由电极注入光电转换层。例如，通过读出变化电极之间的电位差时的介电常数变化，还能够除去由热激发等引起的固定干扰。因此，使用在红外区域具有吸收的光电转换材料，能够实现低干扰的红外光传感器。
另外，就本申请实施方式来说，通过在光电转换层内形成电场，将通过光电转换所生成的空穴与电子相互分离。因此，也较容易采用通常至空穴和电子再结合为止的时间较短的有机化合物来作为光电转换层的材料。
这样，根据本申请实施方式，能够以较简易的构成实现在红外区域具有灵敏度的光传感器。本申请实施方式的光传感器中的红外线的检测不是基于热的检测，因而无需设置冷却机构。
产业上的可利用性
本申请的光传感器能够用于光检测装置、图像传感器等。通过适当地选择光电转换层的材料，还能够实现利用了红外线的图像获得。进行利用了红外线的摄像的光传感器例如能够用于安全摄像头(security camera)、搭载于车辆来使用的相机等。车辆搭载用相机例如可以被用作为了车辆安全行驶的对控制装置的输入。或者，可以用于为了车辆安全行驶的驾驶员支援。
符号说明
2 基板
2A～2E 电介质结构
10A～10G 光检测元件
12 电压供给电路
20e 电子阻挡层
20h 空穴阻挡层
21 第一电极
22 第二电极
23A～23D 光电转换层
29a、29b 绝缘层
100A、100C 光传感器
230h 混合层
230n n型半导体层
230p p型半导体层
B1、B2 障碍层
Ed、Es 电极
SL 半导体层

Claims (16)

1.一种光传感器，其具备：
第一电极；
第二电极，该第二电极与所述第一电极相对置；
光电转换层，该光电转换层位于所述第一电极与所述第二电极之间，并通过光电转换来产生电荷；
第一电荷阻挡层，该第一电荷阻挡层位于所述第一电极与所述光电转换层之间；
第二电荷阻挡层，该第二电荷阻挡层位于所述第二电极与所述光电转换层之间；
电压供给电路，该电压供给电路与所述第一电极和所述第二电极中的至少一者连接，并以使所述光电转换层内产生从所述第二电极朝向所述第一电极的方向的电场的方式对所述第一电极和所述第二电极中的至少一者施加电压；以及
检测电路，该检测电路对与所述第一电极和所述第二电极之间的电容变化相对应的信号进行检测，该变化是由光射入所述光电转换层所产生的，
其中，所述第一电荷阻挡层被构成为抑制空穴从所述光电转换层向所述第一电极移动和电子从所述第一电极向所述光电转换层移动，
所述第二电荷阻挡层被构成为抑制电子从所述光电转换层向所述第二电极移动和空穴从所述第二电极向所述光电转换层移动。
2.根据权利要求1所述的光传感器，其中，所述电压供给电路对所述第一电极和所述第二电极中的一者施加电压，
所述检测电路对所述第一电极和所述第二电极中的另一者的电压进行检测。
3.根据权利要求2所述的光传感器，其还具有电容器，该电容器的一端与所述第一电极和所述第二电极的所述另一者连接，另一端被施加规定电压。
4.根据权利要求1所述的光传感器，其还具备：
半导体层，该半导体层位于所述第二电荷阻挡层与所述第二电极之间，并与所述第二电极接触；以及
第三电极，该第三电极与所述半导体层接触，
其中，所述电压供给电路对所述第一电极和所述第二电极施加电压，
所述检测电路对在所述第二电极与所述第三电极之间流动的电流进行检测。
5.根据权利要求1所述的光传感器，其还具备：
半导体层，该半导体层位于所述第一电荷阻挡层与所述第一电极之间，与所述第一电极接触；以及
第三电极，该第三电极与所述半导体层接触，
其中，所述电压供给电路对所述第一电极和所述第二电极施加电压，
所述检测电路对在所述第一电极与所述第三电极之间流动的电流进行检测。
6.根据权利要求1所述的光传感器，其中，所述电压供给电路在所述第一电极与所述第二电极之间施加电压，该电压是振幅周期性地变化的电压与使所述光电转换层内产生从所述第二电极朝向所述第一电极的方向的电场的直流电压重叠而成的，
所述检测电路对在所述第一电极与所述第二电极之间流动的电流进行检测。
7.根据权利要求1所述的光传感器，其还具备电流供给电路，该电流供给电路在所述第一电极与所述第二电极之间施加振幅周期性地变化的电流，
其中，所述电压供给电路在所述第一电极与所述第二电极之间以使所述光电转换层内产生从所述第二电极朝向所述第一电极的方向的电场的方式施加直流电压，
所述检测电路对所述第一电极与所述第二电极之间的电位差进行检测。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的光传感器，其中，所述第一电荷阻挡层的HOMO能级比所述光电转换层的HOMO能级深0.3eV以上，
所述第一电荷阻挡层的LUMO能级比所述第一电极的费米能级浅0.3eV以上。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的光传感器，其中，所述第二电荷阻挡层的LUMO能级比所述光电转换层的LUMO能级浅0.3eV以上，
所述第二电荷阻挡层的HOMO能级比所述第二电极的费米能级深0.3eV以上。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的光传感器，其中，所述第一电荷阻挡层和所述第二电荷阻挡层中的至少一者为绝缘层。
11.一种光传感器，其具备：
第一电极；
第二电极，该第二电极与所述第一电极相对置；
光电转换层，该光电转换层位于所述第一电极与所述第二电极之间，并通过光电转换来产生电荷；
第一绝缘层，该第一绝缘层位于所述第一电极与所述光电转换层之间；
第二绝缘层，该第二绝缘层位于所述第二电极与所述光电转换层之间；
电压供给电路，该电压供给电路与所述第一电极和所述第二电极中的至少一者连接，并以使所述光电转换层内产生电场的方式对所述第一电极和所述第二电极中的至少一者施加电压；以及
检测电路，该检测电路对与所述第一电极和所述第二电极之间的电容变化相对应的信号进行检测，该变化是由光射入所述光电转换层所产生的。
12.根据权利要求11所述的光传感器，其中，所述电压供给电路对所述第一电极和所述第二电极中的一者施加电压，
所述检测电路对所述第一电极和所述第二电极中的另一者的电压进行检测。
13.根据权利要求12所述的光传感器，其还具有电容器，该电容器的一端与所述第一电极和所述第二电极的所述另一者连接，另一端被施加规定电压。
14.根据权利要求11所述的光传感器，其还具备：
半导体层，该半导体层位于所述第二绝缘层与所述第二电极之间，并与所述第二电极接触；以及
第三电极，该第三电极与所述半导体层接触，
所述电压供给电路对所述第一电极和所述第二电极施加电压，
其中，所述检测电路对在所述第二电极与所述第三电极之间流动的电流进行检测。
15.根据权利要求11所述的光传感器，其中，所述电压供给电路在所述第一电极与所述第二电极之间施加电压，该电压是振幅周期性地变化的电压与使所述光电转换层内产生从所述第二电极朝向所述第一电极的方向的电场的直流电压重叠而成的，
所述检测电路对在所述第一电极与所述第二电极之间流动的电流进行检测。
16.根据权利要求11所述的光传感器，其还具备电流供给电路，该电流供给电路在所述第一电极与所述第二电极之间施加振幅周期性地变化的电流，
其中，所述电压供给电路在所述第一电极与所述第二电极之间以使所述光电转换层内产生从所述第二电极朝向所述第一电极的方向的电场的方式施加直流电压，
所述检测电路对所述第一电极与所述第二电极之间的电位差进行检测。
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CN112420768A (zh) * 2020-11-09 2021-02-26 电子科技大学 一种可切换红外光电记忆与探测功能的晶体管及制备方法
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