JP2007080936A - Photoelectric conversion element and solid state imaging element - Google Patents

Photoelectric conversion element and solid state imaging element Download PDF

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大輔 横山
Yasushi Araki
康 荒木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photoelectric conversion element capable of preventing sensitivity deterioration and broadening of spectral sensitivity. <P>SOLUTION: The photoelectric conversion element has a photoelectric converter composed of a first electrode film 11, a second electrode film 13 facing the first electrode film 11, and a photoelectric conversion layer 12 including a photoelectric conversion film disposed between the first electrode film 11 and the second electrode film 13. Light is incident on the photoelectric conversion film from above the second electrode film 13, the photoelectric conversion film produces electrons and holes in response to the incident light from above the second electrode film 13, mobility of the hole is smaller than that of the electron, and the vicinity of the second electrode film 13 produces more electrons and holes than the vicinity of the first electrode film 11 to permit the second electrode film 13 to be used as an electrode to take out electrons. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、第一電極膜と、前記第一電極膜に対向する第二電極膜と、前記第一電極膜と前記第二電極膜の間に配置される光電変換膜とを含む光電変換部を有する光電変換素子と、この光電変換素子をアレイ状に多数配置した固体撮像素子に関する。   The present invention provides a photoelectric conversion unit including a first electrode film, a second electrode film facing the first electrode film, and a photoelectric conversion film disposed between the first electrode film and the second electrode film And a solid-state image sensor in which a large number of photoelectric conversion elements are arranged in an array.

従来の光センサは、シリコン(Si)などの半導体基板中にフォトダイオード(PD)を形成して作成した素子が一般的であり、固体撮像素子としては、半導体基板中にPDを2次元的に配列し、各PDで光電変換により発生した信号電荷に応じた信号をCCDやCMOS回路で読み出す平面型固体撮像素子が広く用いられている。カラー固体撮像素子を実現する方法としては、平面型固体撮像素子の光入射面側に、色分離用に特定の波長の光のみを透過するカラーフィルタを配した構造が一般的であり、特に、現在デジタルカメラなどに広く用いられている方式として、2次元的に配列した各PD上に、青色(B)光、緑色(G)光、赤色(R)光をそれぞれ透過するカラーフィルタを規則的に配した単板式固体撮像素子がよく知られている。   A conventional optical sensor is generally an element formed by forming a photodiode (PD) in a semiconductor substrate such as silicon (Si). As a solid-state image sensor, a PD is two-dimensionally formed in a semiconductor substrate. 2. Description of the Related Art Flat-type solid-state imaging devices that are arranged and read out a signal corresponding to a signal charge generated by photoelectric conversion in each PD by a CCD or CMOS circuit are widely used. As a method for realizing a color solid-state imaging device, a structure in which a color filter that transmits only light of a specific wavelength for color separation is generally arranged on the light incident surface side of the flat-type solid-state imaging device. As a method widely used in digital cameras and the like at present, color filters that respectively transmit blue (B) light, green (G) light, and red (R) light are regularly arranged on the two-dimensionally arranged PDs. A single-plate type solid-state imaging device arranged in is well known.

ただし、単板式固体撮像素子においては、カラーフィルタが限られた波長の光のみしか透過しないため、カラーフィルタを透過しなかった光が利用されず光利用効率が悪い。また、画素の高集積化に伴い、PDのサイズが光の波長と同程度のサイズとなり、光がPDに導波されにくくなる。また、青色光、緑色光、赤色光を、近接するそれぞれ別々のPDで検出した後それらを演算処理することによって色再現するため、偽色が生じることがあり、この偽色を回避するために光学的ローパスフィルタを必要とし、このフィルタによる光損失も生じる。   However, in the single-plate solid-state imaging device, the color filter transmits only light of a limited wavelength, so that the light that does not pass through the color filter is not used and the light use efficiency is poor. In addition, with the high integration of pixels, the size of the PD becomes about the same as the wavelength of light, and light is less likely to be guided to the PD. In addition, since blue light, green light, and red light are color-reproduced by detecting them with separate PDs that are close to each other, false colors may be generated. In order to avoid this false color An optical low-pass filter is required, and optical loss due to this filter also occurs.

従来、これらの欠点を解決する素子として、シリコンの吸収係数の波長依存性を利用して、シリコン基板内に3つのPDを積層し、それぞれのPDのpn接合面の深さの差によって色分離を行うカラーセンサが報告されている(特許文献1,2,3参照)。しかしながら、この方式では、積層されたPDでの分光感度の波長依存性がブロードであり、色分離が不十分であるという問題点がある。特に、青色と緑色の色分離が不十分である。   Conventionally, as a device for solving these drawbacks, three PDs are stacked in a silicon substrate by utilizing the wavelength dependence of the absorption coefficient of silicon, and color separation is performed by the difference in the depth of the pn junction surface of each PD. A color sensor that performs the above has been reported (see Patent Documents 1, 2, and 3). However, this method has a problem that the wavelength dependence of spectral sensitivity in the stacked PD is broad and color separation is insufficient. In particular, blue and green color separation is insufficient.

この問題点を解決するために、緑色光を検出してこれに応じた信号電荷を発生する光電変換部をシリコン基板上方に設け、シリコン基板内に積層した2つのPDで青色光と赤色光を検出するというセンサが提案されている(特許文献4参照)。シリコン基板上方に設けられる光電変換部は、シリコン基板上に積層された第一電極膜と、第一電極膜上に積層された有機材料からなる光電変換膜と、光電変換膜上に積層された第二電極膜とを含んで構成されており、第一電極膜と第二電極膜に電圧を印加することで、光電変換膜内で発生した信号電荷が第一電極膜と第二電極膜に移動し、いずれかの電極膜に移動した信号電荷に応じた信号が、シリコン基板内に設けられたCCDやCMOS回路等で読み出される構成となっている。本明細書において、光電変換膜とは、そこに入射した特定の波長の光を吸収し、吸収した光量に応じた電子及び正孔を発生する膜のことを言う。   In order to solve this problem, a photoelectric conversion unit that detects green light and generates a signal charge corresponding to the detected green light is provided above the silicon substrate, and blue light and red light are emitted by two PDs stacked in the silicon substrate. A sensor for detection has been proposed (see Patent Document 4). The photoelectric conversion part provided above the silicon substrate is laminated on the first electrode film laminated on the silicon substrate, the photoelectric conversion film made of an organic material laminated on the first electrode film, and the photoelectric conversion film. The signal charge generated in the photoelectric conversion film is applied to the first electrode film and the second electrode film by applying a voltage to the first electrode film and the second electrode film. A signal corresponding to the signal charge that has moved and moved to one of the electrode films is read out by a CCD or CMOS circuit provided in the silicon substrate. In this specification, the photoelectric conversion film refers to a film that absorbs light having a specific wavelength incident thereon and generates electrons and holes according to the absorbed light quantity.

米国特許第5965875号明細書US Pat. No. 5,965,875 米国特許第6632701号明細書US Pat. No. 6,632,701 特開平7−38136号公報Japanese Patent Laid-Open No. 7-38136 特開2003−332551号公報JP 2003-332551 A

有機材料からなる光電変換膜では、上述した構成において第二電極膜の上方から光が入射してくるとすると、光吸収によって発生する電子及び正孔が第二電極膜近傍において多く発生し、第一電極膜近傍ではそれほど多く発生しないのが一般的である。これは、この光電変換膜の吸収ピーク波長付近の光の多くが第二電極膜近傍で吸収されてしまい、第二電極膜近傍から離れるにしたがって、光の吸収率が低下していくことに起因している。このため、第二電極膜近傍において発生した電子又は正孔がシリコン基板にまで効率良く移動されないと、光電変換効率が低下してしまい、結果的に素子の感度低下を招くことになる。また、第二電極膜近傍で強く吸収された光波長による信号が減少することになるため、結果として分光感度の幅が広がってしまういわゆるブロード化を招くことにもなる。   In the photoelectric conversion film made of an organic material, if light enters from above the second electrode film in the above-described configuration, a large number of electrons and holes generated by light absorption are generated in the vicinity of the second electrode film. In general, it does not occur so much in the vicinity of one electrode film. This is because most of the light in the vicinity of the absorption peak wavelength of this photoelectric conversion film is absorbed in the vicinity of the second electrode film, and the light absorption rate decreases as the distance from the vicinity of the second electrode film increases. is doing. For this reason, unless the electrons or holes generated in the vicinity of the second electrode film are efficiently transferred to the silicon substrate, the photoelectric conversion efficiency is lowered, resulting in a decrease in sensitivity of the element. In addition, since the signal due to the light wavelength strongly absorbed in the vicinity of the second electrode film decreases, as a result, the so-called broadening of the spectral sensitivity is caused.

また、有機材料からなる光電変換膜では、電子の移動度が正孔の移動度よりも非常に小さいのが一般的である。さらに、有機材料からなる光電変換膜における電子の移動度は酸素の影響を受けやすく、光電変換膜を大気中に晒すと電子の移動度が更に低下しまうことも分かっている。このため、電子をシリコン基板まで移動させようとする場合、第二電極膜近傍において発生した電子の光電変換膜内での移動距離が長いと、電子の移動中にその一部が失活するなどして電極膜にて捕集されず、結果として感度が低下し、分光感度がブロード化してしまう。   Further, in a photoelectric conversion film made of an organic material, the mobility of electrons is generally much smaller than the mobility of holes. Furthermore, it has been found that the mobility of electrons in a photoelectric conversion film made of an organic material is easily affected by oxygen, and that the mobility of electrons further decreases when the photoelectric conversion film is exposed to the atmosphere. For this reason, when moving electrons to the silicon substrate, if the moving distance of electrons generated in the vicinity of the second electrode film in the photoelectric conversion film is long, a part of the electrons is deactivated during the movement of the electrons. As a result, the sensitivity is lowered and the spectral sensitivity is broadened.

上述した感度低下及び分光感度のブロード化を防ぐため、光電変換膜を薄くする、あるいは電子の移動度の高い材料を用いる事が対策として考えられるが、光吸収量を十分得る必要があるため、光電変換膜の膜厚を薄くするには限界があり、また移動度の要件を満たそうとすると材料が大きく制限されるデメリットが生じる。また、電子の遅い移動度を補助するために、光電変換膜に電界を加える事も可能であるが、十分に強い電界を加えた場合、それを挟む2つの電極からの注入性リーク電流が増大するなど、センサのS/Nを低下させる可能性がある。このため、これらの方法を採用せずに感度低下及び分光感度のブロード化を防ぐ手法が望まれる。   In order to prevent the above-described sensitivity degradation and spectral sensitivity broadening, it is conceivable to make the photoelectric conversion film thin or use a material with high electron mobility, but it is necessary to obtain a sufficient amount of light absorption. There is a limit to reducing the film thickness of the photoelectric conversion film, and there is a demerit that the material is greatly restricted if the mobility requirement is satisfied. In order to assist the slow mobility of electrons, it is possible to apply an electric field to the photoelectric conversion film. However, when a sufficiently strong electric field is applied, the injectable leakage current from the two electrodes sandwiching the electric field increases. The S / N of the sensor may be reduced. For this reason, a technique for preventing a decrease in sensitivity and broadening of spectral sensitivity without adopting these methods is desired.

感度低下及び分光感度のブロード化を防ぐためには、第二電極膜近傍において発生した電子又は正孔をシリコン基板にまで効率良く移動させることが有効であり、これを実現するためには、光電変換膜内で発生した電子又は正孔の取り扱い方が課題となる。   In order to prevent a decrease in sensitivity and broadening of spectral sensitivity, it is effective to efficiently move electrons or holes generated in the vicinity of the second electrode film to the silicon substrate. To realize this, photoelectric conversion The problem is how to handle electrons or holes generated in the film.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、感度低下及び分光感度のブロード化を防ぐことが可能な光電変換素子を提供することを目的とする。   This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the photoelectric conversion element which can prevent a sensitivity fall and the broadening of spectral sensitivity.

本発明の光電変換素子は、第一電極膜と、前記第一電極膜に対向する第二電極膜と、前記第一電極膜と前記第二電極膜の間に配置される光電変換膜とを含む光電変換部を有する光電変換素子であって、前記第二電極膜上方から前記光電変換膜に光が入射されるものであり、前記光電変換膜は、前記第二電極膜上方からの入射光に応じて電子と正孔を含む電荷を発生するものであり、前記第二電極膜を前記電子の取り出し用の電極とした。   The photoelectric conversion element of the present invention includes a first electrode film, a second electrode film facing the first electrode film, and a photoelectric conversion film disposed between the first electrode film and the second electrode film. A photoelectric conversion element having a photoelectric conversion unit, wherein light is incident on the photoelectric conversion film from above the second electrode film, and the photoelectric conversion film is incident light from above the second electrode film. Therefore, the second electrode film is used as an electrode for taking out the electrons.

本発明の光電変換素子は、前記光電変換膜が、前記第一電極膜近傍よりも前記第二電極膜近傍の方が前記電子と前記正孔をより多く発生する。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the photoelectric conversion film generates more electrons and holes in the vicinity of the second electrode film than in the vicinity of the first electrode film.

本発明の光電変換素子は、前記光電変換膜が有機材料を含んで構成される。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the photoelectric conversion film includes an organic material.

本発明の光電変換素子は、前記有機材料が有機p型半導体及び有機n型半導体の少なくとも一方を含む。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the organic material includes at least one of an organic p-type semiconductor and an organic n-type semiconductor.

本発明の光電変換素子は、前記有機p型半導体及び前記有機n型半導体が、それぞれキナクリドン誘導体、ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、及びフルオランテン誘導体のいずれかを含む。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the organic p-type semiconductor and the organic n-type semiconductor are any of quinacridone derivatives, naphthalene derivatives, anthracene derivatives, phenanthrene derivatives, tetracene derivatives, pyrene derivatives, perylene derivatives, and fluoranthene derivatives, respectively. Including.

本発明の光電変換素子は、前記第一電極膜が、ITO、IZO、ZnO2、SnO2、TiO2、FTO、Al、Ag、又はAuで構成される。 In the photoelectric conversion element of the present invention, the first electrode film is made of ITO, IZO, ZnO 2 , SnO 2 , TiO 2 , FTO, Al, Ag, or Au.

本発明の光電変換素子は、前記第二電極膜が、ITO、IZO、ZnO2、SnO2、TiO2、FTO、Al、Ag、又はAuで構成される。 In the photoelectric conversion element of the present invention, the second electrode film is made of ITO, IZO, ZnO 2 , SnO 2 , TiO 2 , FTO, Al, Ag, or Au.

本発明の光電変換素子は、前記第二電極膜が、ITO、IZO、ZnO2、SnO2、TiO2、又はFTOで構成され、前記光電変換部が、前記光電変換膜と前記第二電極膜との間に、仕事関数4.5eV以下の金属からなる膜を有する。 In the photoelectric conversion element of the present invention, the second electrode film is composed of ITO, IZO, ZnO 2 , SnO 2 , TiO 2 , or FTO, and the photoelectric conversion unit includes the photoelectric conversion film and the second electrode film. And a film made of a metal having a work function of 4.5 eV or less.

本発明の光電変換素子は、前記第二電極膜の可視光に対する透過率が60%以上である。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the transmittance of the second electrode film with respect to visible light is 60% or more.

本発明の光電変換素子は、前記第一電極膜の可視光に対する透過率が60%以上である。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the transmittance of the first electrode film with respect to visible light is 60% or more.

本発明の光電変換素子は、前記第一電極膜と前記第二電極膜は、前記第二電極膜に前記電子が移動し、前記第一電極膜に前記正孔が移動するように電圧が印加されるものであり、前記第一電極膜下方に設けられた半導体基板と、前記半導体基板内に形成され、前記第二電極膜に移動された前記電子を蓄積するための電子蓄積部と、前記電子蓄積部と前記第二電極膜とを電気的に接続する接続部とを備える。   In the photoelectric conversion element of the present invention, a voltage is applied to the first electrode film and the second electrode film so that the electrons move to the second electrode film and the holes move to the first electrode film. A semiconductor substrate provided below the first electrode film, an electron storage part formed in the semiconductor substrate for storing the electrons moved to the second electrode film, and A connection portion for electrically connecting the electron storage portion and the second electrode film;

本発明の光電変換素子は、前記光電変換部が、前記第一電極膜と前記光電変換膜との間に、有機高分子材料からなる膜を有する。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the photoelectric conversion unit has a film made of an organic polymer material between the first electrode film and the photoelectric conversion film.

本発明の光電変換素子は、前記光電変換膜下方の前記半導体基板内に、前記光電変換膜を透過した光を吸収し、該光に応じた電荷を発生してこれを蓄積する基板内光電変換部を備える。   The photoelectric conversion element of the present invention absorbs light transmitted through the photoelectric conversion film in the semiconductor substrate below the photoelectric conversion film, generates charges according to the light, and accumulates the charges. A part.

本発明の光電変換素子は、前記基板内光電変換部が、前記半導体基板内に積層されたそれぞれ異なる色の光を吸収する複数のフォトダイオードである。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the in-substrate photoelectric conversion unit is a plurality of photodiodes that are stacked in the semiconductor substrate and absorb light of different colors.

本発明の光電変換素子は、前記基板内光電変換部が、前記半導体基板内の前記入射光の入射方向に対して垂直な方向に配列されたそれぞれ異なる色の光を吸収する複数のフォトダイオードである。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the in-substrate photoelectric conversion unit is a plurality of photodiodes that absorb light of different colors arranged in a direction perpendicular to the incident direction of the incident light in the semiconductor substrate. is there.

本発明の光電変換素子は、前記複数のフォトダイオードが、青色の光を吸収可能な位置にpn接合面が形成された青色用フォトダイオードと、赤色の光を吸収可能な位置にpn接合面が形成された赤色用フォトダイオードであり、前記光電変換膜が緑色の光を吸収するものである。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the plurality of photodiodes have a blue photodiode in which a pn junction surface is formed at a position where blue light can be absorbed, and a pn junction surface at a position where red light can be absorbed. The red photodiode is formed, and the photoelectric conversion film absorbs green light.

本発明の光電変換素子は、前記複数のフォトダイオードが、青色の光を吸収する青色用フォトダイオードと、赤色の光を吸収する赤色用フォトダイオードであり、前記光電変換膜が緑色の光を吸収するものである。   In the photoelectric conversion element of the present invention, the plurality of photodiodes are a blue photodiode that absorbs blue light and a red photodiode that absorbs red light, and the photoelectric conversion film absorbs green light. To do.

本発明の光電変換素子は、前記半導体基板上方に、前記光電変換部が複数積層されており、前記複数の光電変換部毎に前記電子蓄積部と前記接続部が設けられる。   In the photoelectric conversion element of the present invention, a plurality of the photoelectric conversion units are stacked above the semiconductor substrate, and the electron storage unit and the connection unit are provided for each of the plurality of photoelectric conversion units.

本発明の光電変換素子は、前記半導体基板と該半導体基板の直近にある前記第一電極膜との間に、該第一電極膜を透過した光を吸収して、該光に応じた電荷を発生しこれを蓄積する無機材料からなる無機光電変換部を備える。   The photoelectric conversion element of the present invention absorbs light transmitted through the first electrode film between the semiconductor substrate and the first electrode film in the immediate vicinity of the semiconductor substrate, and charges according to the light. An inorganic photoelectric conversion unit made of an inorganic material that is generated and accumulated is provided.

本発明の固体撮像素子は、前記光電変換素子をアレイ状に多数配置した固体撮像素子であって、前記多数の光電変換素子の各々の前記半導体基板内に蓄積された前記電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し部を備える。   The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device in which a large number of the photoelectric conversion elements are arranged in an array, and a signal corresponding to the charge accumulated in the semiconductor substrate of each of the multiple photoelectric conversion elements. A signal reading unit for reading is provided.

本発明の固体撮像素子は、前記光電変換素子をアレイ状に多数配置した固体撮像素子であって、前記多数の光電変換素子の各々の前記半導体基板内に蓄積された前記電荷に応じた信号と、前記無機光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号とを読み出す信号読み出し部を備える。   The solid-state imaging device of the present invention is a solid-state imaging device in which a large number of the photoelectric conversion elements are arranged in an array, and a signal corresponding to the charge accumulated in the semiconductor substrate of each of the multiple photoelectric conversion elements, and And a signal readout unit that reads out a signal corresponding to the charge accumulated in the inorganic photoelectric conversion unit.

本発明の固体撮像素子は、前記光電変換素子に含まれる前記光電変換膜及び前記第一電極膜が、前記多数の光電変換素子全体で共通化されており、前記光電変換素子に含まれる前記第二電極膜が、前記多数の光電変換素子毎に分離されている。   In the solid-state imaging device of the present invention, the photoelectric conversion film and the first electrode film included in the photoelectric conversion element are shared by the plurality of photoelectric conversion elements, and the photoelectric conversion element includes the first Two electrode films are separated for each of the large number of photoelectric conversion elements.

本発明によれば、感度低下及び分光感度のブロード化を防ぐことが可能な光電変換素子を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the photoelectric conversion element which can prevent a sensitivity fall and broadening of spectral sensitivity can be provided.

本出願人は、第一電極膜と、前記第一電極膜に対向する第二電極膜と、前記第一電極膜と前記第二電極膜の間に配置される光電変換膜とを含む光電変換部を有する光電変換素子において、第二電極膜上方から光が入射されるものとした場合、光電変換膜内で発生する電子を第二電極膜に移動させ、第二電極膜に移動した電子を、半導体基板内に形成された電荷蓄積部に蓄積し、この電荷蓄積部に蓄積された電子に応じた信号を、半導体基板に形成したCCDやCMOS回路等の信号読み出し部によって外部に読み出すようにすることで、光電変換効率が向上し、感度低下及び分光感度のブロード化が防げることを見出した。以下では、まず、このような信号読み出し方式にすることがいかに重要であるかを説明する。   The present applicant provides a photoelectric conversion including a first electrode film, a second electrode film facing the first electrode film, and a photoelectric conversion film disposed between the first electrode film and the second electrode film. In the photoelectric conversion element having a portion, when light is incident from above the second electrode film, electrons generated in the photoelectric conversion film are moved to the second electrode film, and electrons moved to the second electrode film are The signal is stored in the charge storage unit formed in the semiconductor substrate, and the signal corresponding to the electrons stored in the charge storage unit is read out to the outside by a signal reading unit such as a CCD or CMOS circuit formed in the semiconductor substrate. As a result, the present inventors have found that the photoelectric conversion efficiency is improved, and the sensitivity reduction and broadening of the spectral sensitivity can be prevented. In the following, first, how important it is to adopt such a signal readout method will be described.

図1は、一対の電極膜と、これによって挟まれた光電変換膜とを含む光電変換部の構成例を示す図である。
図1に示す光電変換部は、透明な第一電極膜であるITOと、ITOの仕事関数を調整するためのInと、有機材料からなる光電変換膜としてのキナクリドンと、第二電極膜であるアルミニウム(Al)とをこの順に積層した構造となっている。Inの厚さは5nmであり、可視光(波長400〜700nmの光)に対する透過率が約95%のものとした。キナクリドンの厚さは200nmとした。Alの厚さは100nmとした。キナクリドンはIn上に真空蒸着によって成膜し、Alはキナクリドン上に真空蒸着によって成膜した。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a photoelectric conversion unit including a pair of electrode films and a photoelectric conversion film sandwiched therebetween.
The photoelectric conversion unit shown in FIG. 1 is a transparent first electrode film ITO, In for adjusting the work function of ITO, quinacridone as a photoelectric conversion film made of an organic material, and a second electrode film Aluminum (Al) is laminated in this order. The thickness of In was 5 nm, and the transmittance for visible light (light having a wavelength of 400 to 700 nm) was about 95%. The thickness of quinacridone was 200 nm. The thickness of Al was 100 nm. Quinacridone was deposited on In by vacuum deposition, and Al was deposited on quinacridone by vacuum deposition.

図1に示す光電変換部において、ITO上に成膜した厚み200nmのキナクリドン蒸着膜に、ITO側から光入射した際、キナクリドン膜内のどの深さ位置でどのように光が吸収されるかを示したシミュレーションデータを図2に示す。図2に示すスペクトルのうち、(b)がキナクリドン膜内の深さ方向0〜50nmの範囲での光の吸収率、(c)がキナクリドン膜内の深さ方向50〜100nmの範囲での光の吸収率、(d)がキナクリドン膜内の深さ方向100〜150nmの範囲での光の吸収率、(e)がキナクリドン膜内の深さ方向150〜200nmの範囲での光の吸収率、(a)が(b)〜(e)の総和である。   In the photoelectric conversion part shown in FIG. 1, how light is absorbed at which depth in the quinacridone film when light is incident on the 200 nm thick quinacridone deposited film formed on the ITO from the ITO side. The simulation data shown is shown in FIG. In the spectrum shown in FIG. 2, (b) is the light absorption in the depth direction of 0 to 50 nm in the quinacridone film, and (c) is the light in the depth direction of 50 to 100 nm in the quinacridone film. (D) is the absorption rate of light in the depth direction of 100 to 150 nm in the quinacridone film, (e) is the absorption rate of light in the depth direction of 150 to 200 nm in the quinacridone film, (a) is the sum of (b) to (e).

図2に示すように、キナクリドンの吸収ピーク波長約570nmあたり光の多くはITO近傍で吸収されており、(d)あるいは(e)といった光入射側から遠い位置での吸収は、全体的に吸収が弱く、かつブロードになっている。したがって光吸収により生じる電荷も、ITO近傍で多く発生し、ITOから遠いAl近傍では比較的少ないことが分かる。   As shown in Fig. 2, most of the light per 570 nm absorption peak wavelength of quinacridone is absorbed in the vicinity of ITO, and absorption at a position far from the light incident side such as (d) or (e) is totally absorbed. Is weak and broad. Therefore, it can be seen that a large amount of electric charge generated by light absorption is generated in the vicinity of ITO and relatively small in the vicinity of Al far from ITO.

次に、図1に示す光電変換部にて、ITO側から光入射してキナクリドン内で発生させた電子をITOで捕集した場合の外部量子効率(ITOに移動された電子数/入射した光の光子数)と、電子をAlで捕集した場合の外部量子効率(Alに移動された電子数/入射した光の光子数)とを測定した結果を図3に示す。
上述したように、有機材料からなる光電変換膜は、正孔の移動度よりも電子の移動度が小さいため、光入射側とは逆に位置するAlで電子を捕集する場合、該Alに電子が到達するまでに電子がトラップされ又は失活し、ITO近傍で多く発生した電子を効率良く遠いAl電極まで集めることが困難となる。このため、図3に示すように、光入射側のITOで電子を捕集した場合に比べ、逆側のAlで電子を捕集した場合は、同じバイアス電圧でも外部量子効率が大きく低減し、かつ作用スペクトルの形状も波長中央域がくぼんだ形となりブロード化していることが分かる。この結果は、図2に示したスペクトルとよく対応している。すなわち、ITOで電子を捕集する場合は、作用スペクトルは図2の(b)あるいは(c)に近く、Alで電子を捕集する場合は、作用スペクトルは図2の(e)あるいは(d)に近い。電子の捕集効率が作用スペクトルの形状を大きく支配しており、シャープで絶対値の大きな作用スペクトルを得るためには電子輸送距離を短くすることが重要であることが分かる。
Next, in the photoelectric conversion unit shown in FIG. 1, the external quantum efficiency (the number of electrons transferred to the ITO / incident light) when the light generated from the ITO side and generated in the quinacridone is collected by the ITO. FIG. 3 shows the results of measurement of the external quantum efficiency (number of electrons transferred to Al / number of photons of incident light) when electrons are collected by Al.
As described above, since the photoelectric conversion film made of an organic material has electron mobility smaller than hole mobility, when collecting electrons with Al positioned opposite to the light incident side, the Al Electrons are trapped or deactivated by the time they arrive, and it becomes difficult to efficiently collect many electrons generated in the vicinity of ITO to a distant Al electrode. Therefore, as shown in FIG. 3, the external quantum efficiency is greatly reduced even with the same bias voltage when electrons are collected with Al on the opposite side compared to the case where electrons are collected with ITO on the light incident side. In addition, it can be seen that the shape of the action spectrum is broadened in the central wavelength region. This result corresponds well with the spectrum shown in FIG. That is, when collecting electrons with ITO, the action spectrum is close to (b) or (c) of FIG. 2, and when collecting electrons with Al, the action spectrum is (e) or (d) of FIG. Close to). It can be seen that the electron collection efficiency largely dominates the shape of the action spectrum, and it is important to shorten the electron transport distance in order to obtain a sharp action spectrum having a large absolute value.

なお、電子の移動度が比較的高い有機材料もいくつか知られているが、吸収スペクトルがブロードである等、可視分光用途の光電変換膜としては難点が多い。また、正孔の移動度よりも電子の移動度が小さい材料は、有機材料に限らず、無機材料にも存在するため、このような無機材料を光電変換膜として用いた場合でも、光入射側のITOにて電子を捕集した方が電子捕集効率が良い。   Note that some organic materials with relatively high electron mobility are known, but there are many disadvantages as a photoelectric conversion film for use in visible spectroscopy, such as a broad absorption spectrum. In addition, the material whose electron mobility is smaller than the hole mobility is not limited to the organic material, but also exists in the inorganic material. Even when such an inorganic material is used as a photoelectric conversion film, the light incident side It is better to collect electrons with ITO.

また、有機材料は大気(特に酸素)に晒すと電子の移動度が低下するという結果も得られている。
図4は、図1に示す構成の光電変換部(ただしキナクリドンの厚み100nmとした)について、Alにて電子を捕集する条件を設定し、この条件においてキナクリドンとAlの間を大気に晒したときと、晒していないときの外部量子効率の変化を示したものである。
図4に示すように、Alで電子を捕集する場合、大気に10分程度晒すことで、波長中央域がくぼんで量子効率が低減している。すなわち、電子の移動度が低いことに起因する外部量子効率の低減は、大気の影響でさらに大きくなることが分かる。
In addition, it has been also obtained that the mobility of electrons decreases when an organic material is exposed to the atmosphere (especially oxygen).
FIG. 4 shows that the conditions for collecting electrons with Al were set for the photoelectric conversion part (thickness of quinacridone of 100 nm) shown in FIG. 1, and the space between quinacridone and Al was exposed to the atmosphere under these conditions. It shows the change in external quantum efficiency when and when not exposed.
As shown in FIG. 4, when collecting electrons with Al, exposure to the atmosphere for about 10 minutes reduces the central wavelength region and reduces quantum efficiency. That is, it can be seen that the reduction in external quantum efficiency due to the low electron mobility is further increased by the influence of the atmosphere.

以上説明したように、第一電極膜と、該第一電極膜に対向する第二電極膜と、該第一電極膜と該第二電極膜の間に配置される有機材料からなる光電変換膜(光入射側で電子及び正孔をより多く発生し、且つ、正孔の移動度が電子の移動度よりも大きい材料からなる光電変換膜であれば良い)とを含む光電変換部を有する光電変換素子では、光を入射する側の電極膜に電子を捕集することで、外部量子効率を向上させることができる。この結果、このような光電変換素子において、感度向上及び分光感度のシャープネス化を図ることができる。   As described above, the first electrode film, the second electrode film facing the first electrode film, and the photoelectric conversion film made of an organic material disposed between the first electrode film and the second electrode film (A photoelectric conversion film made of a material that generates more electrons and holes on the light incident side and whose hole mobility is larger than the electron mobility) may be used. In the conversion element, external quantum efficiency can be improved by collecting electrons in the electrode film on the light incident side. As a result, in such a photoelectric conversion element, it is possible to improve sensitivity and sharpen spectral sensitivity.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の実施形態では、上述したような光電変換部を半導体基板上方に積層した構成のセンサとしてあげられる構成例を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following embodiments, a configuration example will be described which can be cited as a sensor having a configuration in which the photoelectric conversion units as described above are stacked above a semiconductor substrate.

(第一実施形態)
図5は、本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の1画素分の断面模式図である。図6は、図5に示す光電変換層の断面模式図である。この固体撮像素子は、図5に示す1画素が同一平面上でアレイ状に多数配置されたものであり、この1画素から得られる信号によって画像データの1つの画素データを生成することができる。
図5に示す固体撮像素子の1画素は、p型シリコン基板1と、p型シリコン基板1上に形成された透明な絶縁膜7と、絶縁膜7上に形成された第一電極膜11、第一電極膜11上に形成された光電変換層12、及び光電変換層12上に形成された第二電極膜13からなる光電変換部とを含んで構成され、光電変換部上には開口の設けられた遮光膜14が形成されており、この遮光膜14によって光電変換層12の受光領域が制限されている。また、遮光膜14及び第二電極膜13上には透明な絶縁膜15が形成されている。
(First embodiment)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of one pixel of the solid-state imaging device for explaining the first embodiment of the present invention. 6 is a schematic cross-sectional view of the photoelectric conversion layer shown in FIG. This solid-state imaging device has a large number of one pixel shown in FIG. 5 arranged in an array on the same plane, and can generate one pixel data of image data by a signal obtained from the one pixel.
One pixel of the solid-state imaging device shown in FIG. 5 includes a p-type silicon substrate 1, a transparent insulating film 7 formed on the p-type silicon substrate 1, a first electrode film 11 formed on the insulating film 7, A photoelectric conversion layer 12 formed on the first electrode film 11, and a photoelectric conversion unit including the second electrode film 13 formed on the photoelectric conversion layer 12. The provided light shielding film 14 is formed, and the light receiving region of the photoelectric conversion layer 12 is limited by the light shielding film 14. A transparent insulating film 15 is formed on the light shielding film 14 and the second electrode film 13.

光電変換層12は、図6に示すように、第一電極膜11上に、下引き膜121と、電子ブロッキング膜122と、光電変換膜123と、正孔ブロッキング膜124と、正孔ブロッキング兼バッファ膜125と、仕事関数調整膜126とがこの順に積層されて構成される。光電変換層12は、これらのうち光電変換膜123を少なくとも含んでいれば良い。   As shown in FIG. 6, the photoelectric conversion layer 12 includes an undercoat film 121, an electron blocking film 122, a photoelectric conversion film 123, a hole blocking film 124, and a hole blocking function on the first electrode film 11. A buffer film 125 and a work function adjusting film 126 are stacked in this order. The photoelectric conversion layer 12 should just contain the photoelectric conversion film 123 at least among these.

光電変換膜123は、第二電極膜13上方からの入射光に応じて電子と正孔を含む電荷発生し、且つ、正孔の移動度よりも電子の移動度が小さく、且つ、第一電極膜11近傍よりも第二電極膜13近傍の方が電子と正孔をより多く発生するような特性を持つ材料を含んで構成される。このような光電変換膜用の材料としては有機材料が代表として挙げられる。図5の構成では、光電変換膜123は、緑色光を吸収してこれに応じた電子及び正孔を発生する材料を用いる。光電変換膜123は、全画素で共通して用いることができるため、1枚構成の膜であれば良く、画素毎に分離しておく必要はない。   The photoelectric conversion film 123 generates charges including electrons and holes according to incident light from above the second electrode film 13, and has a mobility of electrons smaller than the mobility of holes, and the first electrode The vicinity of the second electrode film 13 is configured to include a material having characteristics that generate more electrons and holes than the vicinity of the film 11. A typical example of such a material for the photoelectric conversion film is an organic material. In the configuration of FIG. 5, the photoelectric conversion film 123 uses a material that absorbs green light and generates electrons and holes corresponding thereto. Since the photoelectric conversion film 123 can be used in common for all pixels, it may be a single-layer film and does not need to be separated for each pixel.

光電変換膜123を構成する有機材料は、有機p型半導体及び有機n型半導体の少なくとも一方を含んでいることが好ましい。有機p型半導体及び有機n型半導体として、それぞれキナクリドン誘導体、ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、及びフルオランテン誘導体のいずれかを特に好ましく用いることができる。   The organic material constituting the photoelectric conversion film 123 preferably contains at least one of an organic p-type semiconductor and an organic n-type semiconductor. As the organic p-type semiconductor and the organic n-type semiconductor, any of quinacridone derivatives, naphthalene derivatives, anthracene derivatives, phenanthrene derivatives, tetracene derivatives, pyrene derivatives, perylene derivatives, and fluoranthene derivatives can be particularly preferably used.

有機p型半導体(化合物)は、ドナー性有機半導体(化合物)であり、主に正孔輸送性有機化合物に代表され、電子を供与しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは2つの有機材料を接触させて用いたときにイオン化ポテンシャルの小さい方の有機化合物をいう。したがって、ドナー性有機化合物は、電子供与性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、トリアリールアミン化合物、ベンジジン化合物、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、カルバゾール化合物、ポリシラン化合物、チオフェン化合物、フタロシアニン化合物、シアニン化合物、メロシアニン化合物、オキソノール化合物、ポリアミン化合物、インドール化合物、ピロール化合物、ピラゾール化合物、ポリアリーレン化合物、縮合芳香族炭素環化合物(ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体)、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体等を用いることができる。なお、これに限らず、上記したように、n型(アクセプター性)化合物として用いた有機化合物よりもイオン化ポテンシャルの小さい有機化合物であればドナー性有機半導体として用いてよい。   The organic p-type semiconductor (compound) is a donor-type organic semiconductor (compound), which is mainly represented by a hole-transporting organic compound and refers to an organic compound having a property of easily donating electrons. More specifically, an organic compound having a smaller ionization potential when two organic materials are used in contact with each other. Therefore, any organic compound can be used as the donor organic compound as long as it is an electron-donating organic compound. For example, triarylamine compounds, benzidine compounds, pyrazoline compounds, styrylamine compounds, hydrazone compounds, triphenylmethane compounds, carbazole compounds, polysilane compounds, thiophene compounds, phthalocyanine compounds, cyanine compounds, merocyanine compounds, oxonol compounds, polyamine compounds, indoles Compounds, pyrrole compounds, pyrazole compounds, polyarylene compounds, condensed aromatic carbocyclic compounds (naphthalene derivatives, anthracene derivatives, phenanthrene derivatives, tetracene derivatives, pyrene derivatives, perylene derivatives, fluoranthene derivatives), nitrogen-containing heterocyclic compounds The metal complex etc. which it has as can be used. Not limited to this, as described above, any organic compound having an ionization potential smaller than that of the organic compound used as the n-type (acceptor property) compound may be used as the donor organic semiconductor.

有機n型半導体(化合物)は、アクセプター性有機半導体(化合物)であり、主に電子輸送性有機化合物に代表され、電子を受容しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは2つの有機化合物を接触させて用いたときに電子親和力の大きい方の有機化合物をいう。したがって、アクセプター性有機化合物は、電子受容性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、縮合芳香族炭素環化合物(ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体)、窒素原子、酸素原子、硫黄原子を含有する5ないし7員のヘテロ環化合物(例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、インダゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、カルバゾール、プリン、トリアゾロピリダジン、トリアゾロピリミジン、テトラザインデン、オキサジアゾール、イミダゾピリジン、ピラリジン、ピロロピリジン、チアジアゾロピリジン、ジベンズアゼピン、トリベンズアゼピン等)、ポリアリーレン化合物、フルオレン化合物、シクロペンタジエン化合物、シリル化合物、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などが挙げられる。なお、これに限らず、上記したように、ドナー性有機化合物として用いた有機化合物よりも電子親和力の大きな有機化合物であればアクセプター性有機半導体として用いてよい。   Organic n-type semiconductors (compounds) are acceptor organic semiconductors (compounds), which are mainly represented by electron-transporting organic compounds and refer to organic compounds that easily accept electrons. More specifically, the organic compound having the higher electron affinity when two organic compounds are used in contact with each other. Therefore, as the acceptor organic compound, any organic compound can be used as long as it is an electron-accepting organic compound. For example, condensed aromatic carbocyclic compounds (naphthalene derivatives, anthracene derivatives, phenanthrene derivatives, tetracene derivatives, pyrene derivatives, perylene derivatives, fluoranthene derivatives), 5- to 7-membered heterocyclic compounds containing nitrogen atoms, oxygen atoms, and sulfur atoms (E.g. pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, triazine, quinoline, quinoxaline, quinazoline, phthalazine, cinnoline, isoquinoline, pteridine, acridine, phenazine, phenanthroline, tetrazole, pyrazole, imidazole, thiazole, oxazole, indazole, benzimidazole, benzotriazole, Benzoxazole, benzothiazole, carbazole, purine, triazolopyridazine, triazolopyrimidine, tetrazaindene, o Metal complexes having ligands such as saziazole, imidazopyridine, pyralidine, pyrrolopyridine, thiadiazolopyridine, dibenzazepine, tribenzazepine), polyarylene compounds, fluorene compounds, cyclopentadiene compounds, silyl compounds, and nitrogen-containing heterocyclic compounds. Etc. Note that the present invention is not limited thereto, and as described above, any organic compound having an electron affinity higher than that of the organic compound used as the donor organic compound may be used as the acceptor organic semiconductor.

p型有機色素、又はn型有機色素としては、いかなるものを用いても良いが、好ましくは、シアニン色素、スチリル色素、ヘミシアニン色素、メロシアニン色素(ゼロメチンメロシアニン(シンプルメロシアニン)を含む)、3核メロシアニン色素、4核メロシアニン色素、ロダシアニン色素、コンプレックスシアニン色素、コンプレックスメロシアニン色素、アロポーラー色素、オキソノール色素、ヘミオキソノール色素、スクアリウム色素、クロコニウム色素、アザメチン色素、クマリン色素、アリーリデン色素、アントラキノン色素、トリフェニルメタン色素、アゾ色素、アゾメチン色素、スピロ化合物、メタロセン色素、フルオレノン色素、フルギド色素、ペリレン色素、フェナジン色素、フェノチアジン色素、キノン色素、インジゴ色素、ジフェニルメタン色素、ポリエン色素、アクリジン色素、アクリジノン色素、ジフェニルアミン色素、キナクリドン色素、キノフタロン色素、フェノキサジン色素、フタロペリレン色素、ポルフィリン色素、クロロフィル色素、フタロシアニン色素、金属錯体色素、縮合芳香族炭素環系色素(ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体)が挙げられる。   Any p-type organic dye or n-type organic dye may be used, but preferably a cyanine dye, styryl dye, hemicyanine dye, merocyanine dye (including zero methine merocyanine (simple merocyanine)), three nucleus Merocyanine dye, 4-nuclear merocyanine dye, rhodacyanine dye, complex cyanine dye, complex merocyanine dye, allopolar dye, oxonol dye, hemioxonol dye, squalium dye, croconium dye, azamethine dye, coumarin dye, arylidene dye, anthraquinone dye, triphenyl Methane dye, azo dye, azomethine dye, spiro compound, metallocene dye, fluorenone dye, fulgide dye, perylene dye, phenazine dye, phenothiazine dye, quinone dye, indigo Dye, diphenylmethane dye, polyene dye, acridine dye, acridinone dye, diphenylamine dye, quinacridone dye, quinophthalone dye, phenoxazine dye, phthaloperylene dye, porphyrin dye, chlorophyll dye, phthalocyanine dye, metal complex dye, condensed aromatic carbocyclic dye (Naphthalene derivatives, anthracene derivatives, phenanthrene derivatives, tetracene derivatives, pyrene derivatives, perylene derivatives, fluoranthene derivatives).

次に金属錯体化合物について説明する。金属錯体化合物は金属に配位する少なくとも1つの窒素原子または酸素原子または硫黄原子を有する配位子をもつ金属錯体であり、金属錯体中の金属イオンは特に限定されないが、好ましくはベリリウムイオン、マグネシウムイオン、アルミニウムイオン、ガリウムイオン、亜鉛イオン、インジウムイオン、または錫イオンであり、より好ましくはベリリウムイオン、アルミニウムイオン、ガリウムイオン、または亜鉛イオンであり、更に好ましくはアルミニウムイオン、または亜鉛イオンである。前記金属錯体中に含まれる配位子としては種々の公知の配位子が有るが、例えば、「Photochemistry and Photophysics of Coordination Compounds」 Springer-Verlag社 H.Yersin著1987年発行、「有機金属化学−基礎と応用−」裳華房社山本明夫著1982年発行等に記載の配位子が挙げられる。
前記配位子として、好ましくは含窒素ヘテロ環配位子(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数3〜15であり、単座配位子であっても2座以上の配位子であっても良い。好ましくは2座配位子である。例えばピリジン配位子、ビピリジル配位子、キノリノール配位子、ヒドロキシフェニルアゾール配位子(ヒドロキシフェニルベンズイミダゾール、ヒドロキシフェニルベンズオキサゾール配位子、ヒドロキシフェニルイミダゾール配位子)などが挙げられる)、アルコキシ配位子(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜10であり、例えばメトキシ、エトキシ、ブトキシ、2−エチルヘキシロキシなどが挙げられる。)、アリールオキシ配位子(好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12であり、例えばフェニルオキシ、1−ナフチルオキシ、2−ナフチルオキシ、2,4,6−トリメチルフェニルオキシ、4−ビフェニルオキシなどが挙げられる。)、ヘテロアリールオキシ配位子(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えばピリジルオキシ、ピラジルオキシ、ピリミジルオキシ、キノリルオキシなどが挙げられる。)、アルキルチオ配位子(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えばメチルチオ、エチルチオなどが挙げられる。)、アリールチオ配位子(好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12であり、例えばフェニルチオなどが挙げられる。)、ヘテロ環置換チオ配位子(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えばピリジルチオ、2−ベンズイミゾリルチオ、2−ベンズオキサゾリルチオ、2−ベンズチアゾリルチオなどが挙げられる。)、またはシロキシ配位子(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数3〜25、特に好ましくは炭素数6〜20であり、例えば、トリフェニルシロキシ基、トリエトキシシロキシ基、トリイソプロピルシロキシ基などが挙げられる)であり、より好ましくは含窒素ヘテロ環配位子、アリールオキシ配位子、ヘテロアリールオキシ基、またはシロキシ配位子であり、更に好ましくは含窒素ヘテロ環配位子、アリールオキシ配位子、またはシロキシ配位子が挙げられる。
Next, the metal complex compound will be described. The metal complex compound is a metal complex having a ligand having at least one nitrogen atom or oxygen atom or sulfur atom coordinated to the metal, and the metal ion in the metal complex is not particularly limited, but preferably beryllium ion, magnesium Ion, aluminum ion, gallium ion, zinc ion, indium ion, or tin ion, more preferably beryllium ion, aluminum ion, gallium ion, or zinc ion, and still more preferably aluminum ion or zinc ion. As the ligand contained in the metal complex, there are various known ligands. For example, “Photochemistry and Photophysics of Coordination Compounds” published by Springer-Verlag H. Yersin in 1987, “Organometallic Chemistry— Examples of the ligands described in “Basics and Applications—” published by Akio Yamamoto, 1982, etc.
The ligand is preferably a nitrogen-containing heterocyclic ligand (preferably having 1 to 30 carbon atoms, more preferably 2 to 20 carbon atoms, particularly preferably 3 to 15 carbon atoms, and a monodentate ligand. Or a bidentate or higher ligand, preferably a bidentate ligand such as a pyridine ligand, a bipyridyl ligand, a quinolinol ligand, a hydroxyphenylazole ligand (hydroxyphenyl) Benzimidazole, hydroxyphenylbenzoxazole ligand, hydroxyphenylimidazole ligand)), alkoxy ligand (preferably 1-30 carbon atoms, more preferably 1-20 carbon atoms, particularly preferably carbon 1-10, for example, methoxy, ethoxy, butoxy, 2-ethylhexyloxy, etc.), aryloxy ligands Preferably it has 6 to 30 carbon atoms, more preferably 6 to 20 carbon atoms, particularly preferably 6 to 12 carbon atoms, such as phenyloxy, 1-naphthyloxy, 2-naphthyloxy, 2,4,6-trimethylphenyl Oxy, 4-biphenyloxy, etc.), heteroaryloxy ligands (preferably having 1 to 30 carbon atoms, more preferably 1 to 20 carbon atoms, particularly preferably 1 to 12 carbon atoms, such as pyridyl. Oxy, pyrazyloxy, pyrimidyloxy, quinolyloxy, etc.), alkylthio ligands (preferably having 1 to 30 carbon atoms, more preferably 1 to 20 carbon atoms, particularly preferably 1 to 12 carbon atoms, such as methylthio, Ethylthio, etc.), arylthio ligands (preferably having 6 to 30 carbon atoms, more preferred) Has 6 to 20 carbon atoms, particularly preferably 6 to 12 carbon atoms, such as phenylthio, etc.), a heterocyclic substituted thio ligand (preferably 1 to 30 carbon atoms, more preferably 1 to carbon atoms). 20, particularly preferably 1 to 12 carbon atoms, such as pyridylthio, 2-benzimidazolylthio, 2-benzoxazolylthio, 2-benzthiazolylthio and the like, or siloxy ligand (preferably Has 1 to 30 carbon atoms, more preferably 3 to 25 carbon atoms, particularly preferably 6 to 20 carbon atoms, and examples thereof include a triphenylsiloxy group, a triethoxysiloxy group, and a triisopropylsiloxy group. More preferably a nitrogen-containing heterocyclic ligand, an aryloxy ligand, a heteroaryloxy group, or a siloxy ligand, Preferably, a nitrogen-containing heterocyclic ligand, an aryloxy ligand, or a siloxy ligand is used.

光電変換層12は、p型半導体層とn型半導体層とを有し、該p型半導体とn型半導体の少なくともいずれかが有機半導体であり、かつ、それらの半導体層の間に、該p型半導体およびn型半導体を含むバルクヘテロ接合構造層を中間層として有する光電変換膜を含有する場合が好ましい。このような場合、光電変換層12にバルクへテロ接合構造を含有させることにより、光電変換層12のキャリア拡散長が短いという欠点を補い、光電変換膜の光電変換効率を向上させることができる。なお、バルクへテロ接合構造については、特願2004−080639号において詳細に説明されている。   The photoelectric conversion layer 12 includes a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, at least one of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor is an organic semiconductor, and the p-type semiconductor layer is interposed between the semiconductor layers. It is preferable to include a photoelectric conversion film having a bulk heterojunction structure layer including a n-type semiconductor and an n-type semiconductor as an intermediate layer. In such a case, by including a bulk heterojunction structure in the photoelectric conversion layer 12, it is possible to compensate for the shortcoming that the carrier diffusion length of the photoelectric conversion layer 12 is short, and to improve the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion film. The bulk heterojunction structure is described in detail in Japanese Patent Application No. 2004-080639.

また、光電変換層12は、p型半導体の層とn型半導体の層で形成されるpn接合層の繰り返し構造(タンデム構造)の数を2以上有する構造を持つ光電変換膜を含有する場合が好ましく、さらに好ましくは、前記繰り返し構造の間に、導電材料の薄層を挿入する場合である。pn接合層の繰り返し構造(タンデム構造)の数はいかなる数でもよいが、光電変換効率を高くするために好ましくは2〜50であり、さらに好ましくは2〜30であり、特に好ましくは2または10である。導電材料としては銀または金が好ましく、銀が最も好ましい。なお、タンデム構造については、特願2004−079930号において詳細に説明されている。   The photoelectric conversion layer 12 may contain a photoelectric conversion film having a structure having two or more repeating structures (tandem structures) of a pn junction layer formed of a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. Preferably, more preferably, a thin layer of conductive material is inserted between the repetitive structures. The number of repeating structures (tandem structures) of the pn junction layer may be any number, but is preferably 2 to 50, more preferably 2 to 30, particularly preferably 2 or 10 in order to increase the photoelectric conversion efficiency. It is. The conductive material is preferably silver or gold, and most preferably silver. The tandem structure is described in detail in Japanese Patent Application No. 2004-079930.

また、光電変換層12に含まれる光電変換膜は、p型半導体の層、n型半導体の層、(好ましくは混合・分散(バルクヘテロ接合構造)層)を持ち、p型半導体及びn型半導体のうちの少なくとも1方に配向制御された有機化合物を含む場合が好ましく、さらに好ましくは、p型半導体及びn型半導体の両方に配向制御された(可能な)有機化合物を含む場合である。この有機化合物としては、π共役電子を持つものが好ましく用いられるが、このπ電子平面が、基板(電極基板)に対して垂直ではなく、平行に近い角度で配向しているほど好ましい。基板に対する角度として好ましくは0°以上80°以下であり、さらに好ましくは0°以上60°以下であり、さらに好ましくは0°以上40°以下であり、さらに好ましくは0°以上20°以下であり、特に好ましくは0°以上10°以下であり、最も好ましくは0°(すなわち基板に対して平行)である。上記のように、配向の制御された有機化合物の層は、光電変換層12全体に対して一部でも含めば良いが、好ましくは、光電変換層12全体に対する配向の制御された部分の割合が10%以上の場合であり、さらに好ましくは30%以上、さらに好ましくは50%以上、さらに好ましくは70%以上、特に好ましくは90%以上、最も好ましくは100%である。このような状態は、光電変換層12に含まれる有機化合物の配向を制御することにより、光電変換層12のキャリア拡散長が短いという欠点を補い、光電変換膜の光電変換効率を向上させるものである。   The photoelectric conversion film included in the photoelectric conversion layer 12 includes a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer (preferably a mixed / dispersed (bulk heterojunction structure) layer), and includes a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. It is preferable that at least one of them includes an organic compound whose orientation is controlled, and more preferably, it includes a (possible) organic compound whose alignment is controlled in both the p-type semiconductor and the n-type semiconductor. As this organic compound, those having π-conjugated electrons are preferably used, and it is more preferable that the π-electron plane is oriented at an angle close to parallel rather than perpendicular to the substrate (electrode substrate). The angle with respect to the substrate is preferably 0 ° or more and 80 ° or less, more preferably 0 ° or more and 60 ° or less, further preferably 0 ° or more and 40 ° or less, and further preferably 0 ° or more and 20 ° or less. Particularly preferably, it is 0 ° or more and 10 ° or less, and most preferably 0 ° (that is, parallel to the substrate). As described above, the organic compound layer whose orientation is controlled may be partially included in the entire photoelectric conversion layer 12, but preferably, the ratio of the portion whose orientation is controlled with respect to the entire photoelectric conversion layer 12 is 10% or more, more preferably 30% or more, more preferably 50% or more, further preferably 70% or more, particularly preferably 90% or more, and most preferably 100%. Such a state compensates the shortcoming of the short carrier diffusion length of the photoelectric conversion layer 12 by controlling the orientation of the organic compound contained in the photoelectric conversion layer 12, and improves the photoelectric conversion efficiency of the photoelectric conversion film. is there.

有機化合物の配向が制御されている場合において、さらに好ましくはヘテロ接合面(例えばpn接合面)が基板に対して平行ではない場合である。ヘテロ接合面が、基板(電極基板)に対して平行ではなく、垂直に近い角度で配向しているほど好ましい。基板に対する角度として好ましくは10°以上90°以下であり、さらに好ましくは30°以上90°以下であり、さらに好ましくは50°以上90°以下であり、さらに好ましくは70°以上90°以下であり、特に好ましくは80°以上90°以下であり、最も好ましくは90°(すなわち基板に対して垂直)である。上記のような、ヘテロ接合面の制御された有機化合物の層は、光電変換層12全体に対して一部でも含めば良い。好ましくは、光電変換層12全体に対する配向の制御された部分の割合が10%以上の場合であり、さらに好ましくは30%以上、さらに好ましくは50%以上、さらに好ましくは70%以上、特に好ましくは90%以上、最も好ましくは100%である。このような場合、光電変換層12におけるヘテロ接合面の面積が増大し、界面で生成する電子、正孔、電子正孔ペア等のキャリア量が増大し、光電変換効率の向上が可能となる。以上の、有機化合物のヘテロ接合面とπ電子平面の両方の配向が制御された光電変換膜において、特に光電変換効率の向上が可能である。これらの状態については、特願2004−079931号において詳細に説明されている。光吸収の点では有機色素層の膜厚は大きいほど好ましいが、電荷分離に寄与しない割合を考慮すると、有機色素層の膜厚として好ましくは、30nm以上300nm以下、さらに好ましくは50nm以上250nm以下、特に好ましくは80nm以上200nm以下である。   In the case where the orientation of the organic compound is controlled, it is more preferable that the heterojunction plane (for example, the pn junction plane) is not parallel to the substrate. It is more preferable that the heterojunction plane is oriented not at a parallel to the substrate (electrode substrate) but at an angle close to the vertical. The angle with respect to the substrate is preferably 10 ° or more and 90 ° or less, more preferably 30 ° or more and 90 ° or less, further preferably 50 ° or more and 90 ° or less, and further preferably 70 ° or more and 90 ° or less. Particularly preferably, it is 80 ° or more and 90 ° or less, and most preferably 90 ° (that is, perpendicular to the substrate). The organic compound layer whose heterojunction surface is controlled as described above may be partially included in the entire photoelectric conversion layer 12. Preferably, the ratio of the portion whose orientation is controlled with respect to the entire photoelectric conversion layer 12 is 10% or more, more preferably 30% or more, more preferably 50% or more, still more preferably 70% or more, particularly preferably. 90% or more, most preferably 100%. In such a case, the area of the heterojunction surface in the photoelectric conversion layer 12 increases, the amount of carriers of electrons, holes, electron-hole pairs, etc. generated at the interface increases, and the photoelectric conversion efficiency can be improved. In the above-described photoelectric conversion film in which the orientation of both the heterojunction plane and the π-electron plane of the organic compound is controlled, the photoelectric conversion efficiency can be particularly improved. These states are described in detail in Japanese Patent Application No. 2004-079931. In terms of light absorption, the thickness of the organic dye layer is preferably as large as possible, but considering the ratio that does not contribute to charge separation, the thickness of the organic dye layer is preferably 30 nm to 300 nm, more preferably 50 nm to 250 nm, Especially preferably, it is 80 nm or more and 200 nm or less.

これらの有機化合物を含む光電変換層12は、乾式成膜法あるいは湿式成膜法により成膜される。乾式成膜法の具体的な例としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法,MBE法等の物理気相成長法あるいはプラズマ重合等のCVD法が挙げられる。湿式成膜法としては、キャスト法、スピンコート法、ディッピング法、LB法等が用いられる。   The photoelectric conversion layer 12 containing these organic compounds is formed by a dry film formation method or a wet film formation method. Specific examples of the dry film forming method include a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, an ion plating method, a physical vapor deposition method such as an MBE method, or a CVD method such as plasma polymerization. As the wet film forming method, a casting method, a spin coating method, a dipping method, an LB method, or the like is used.

p型半導体(化合物)及びn型半導体(化合物)の少なくとも一つとして高分子化合物を用いる場合は、作成の容易な湿式成膜法により成膜することが好ましい。蒸着等の乾式成膜法を用いた場合、高分子を用いることは分解のおそれがあるため難しく、代わりとしてそのオリゴマーを好ましく用いることができる。一方、低分子を用いる場合は、乾式成膜法が好ましく用いられ、特に真空蒸着法が好ましく用いられる。真空蒸着法は抵抗加熱蒸着法、電子線加熱蒸着法等の化合物の加熱の方法、るつぼ、ボ−ト等の蒸着源の形状、真空度、蒸着温度、基盤温度、蒸着速度等が基本的なパラメ−タ−である。均一な蒸着を可能とするために基盤を回転させて蒸着することは好ましい。真空度は高い方が好ましく10−4Torr以下、好ましくは10−6Torr以下、特に好ましくは10−8Torr以下で真空蒸着が行われる。蒸着時のすべての工程は真空中で行われることが好ましく、基本的には化合物が直接、外気の酸素、水分と接触しないようにする。真空蒸着の上述した条件は有機膜の結晶性、アモルファス性、密度、緻密度等に影響するので厳密に制御する必要がある。水晶振動子、干渉計等の膜厚モニタ−を用いて蒸着速度をPIもしくはPID制御することは好ましく用いられる。2種以上の化合物を同時に蒸着する場合には共蒸着法、フラッシュ蒸着法等を好ましく用いることができる。 In the case where a polymer compound is used as at least one of the p-type semiconductor (compound) and the n-type semiconductor (compound), it is preferable to form the film by a wet film forming method that is easy to prepare. When a dry film formation method such as vapor deposition is used, it is difficult to use a polymer because it may be decomposed, and an oligomer thereof can be preferably used instead. On the other hand, when a low molecule is used, a dry film forming method is preferably used, and a vacuum deposition method is particularly preferably used. The vacuum deposition method is basically based on the method of heating compounds such as resistance heating deposition method and electron beam heating deposition method, shape of deposition source such as crucible and boat, degree of vacuum, deposition temperature, base temperature, deposition rate, etc. It is a parameter. In order to make uniform deposition possible, it is preferable to perform deposition by rotating the substrate. The degree of vacuum is preferably higher, and vacuum deposition is performed at 10 −4 Torr or less, preferably 10 −6 Torr or less, particularly preferably 10 −8 Torr or less. It is preferable that all steps during the vapor deposition are performed in a vacuum, and basically the compound is not directly in contact with oxygen and moisture in the outside air. The above-described conditions for vacuum deposition need to be strictly controlled because they affect the crystallinity, amorphousness, density, density, etc. of the organic film. It is preferable to use PI or PID control of the deposition rate using a film thickness monitor such as a quartz crystal resonator or an interferometer. When two or more kinds of compounds are vapor-deposited simultaneously, a co-evaporation method, a flash vapor deposition method, or the like can be preferably used.

固体撮像素子100は、上述した特性を持つ光電変換膜123を有しているため、上述したように、光入射側の電極である第二電極膜13にて電子を捕集することで、外部量子効率を上げることができ、感度向上及び分光感度のシャープ化が可能となる。そこで、固体撮像素子100では、光電変換膜123で発生した電子が第二電極膜13に移動し、光電変換膜123で発生した正孔が第一電極膜11に移動するように、第一電極膜11と第二電極膜13に電圧が印加される。   Since the solid-state imaging device 100 includes the photoelectric conversion film 123 having the above-described characteristics, as described above, by collecting electrons with the second electrode film 13 that is an electrode on the light incident side, The quantum efficiency can be increased, and the sensitivity can be improved and the spectral sensitivity can be sharpened. Therefore, in the solid-state imaging device 100, the first electrode is formed such that electrons generated in the photoelectric conversion film 123 move to the second electrode film 13 and holes generated in the photoelectric conversion film 123 move to the first electrode film 11. A voltage is applied to the film 11 and the second electrode film 13.

下引き膜121は、第一電極膜11上の凹凸を緩和するためのものである。第一電極膜11に凹凸がある場合、あるいは第一電極膜11上にゴミが付着していた場合、その上に低分子有機材料を蒸着して光電変換膜123を形成すると、この凹凸部分で光電変換素子123に細かいクラック、つまり光電変換膜123が薄くしか形成されない部分ができやすい。この時、さらにその上から第二電極膜13を形成すると、上記クラック部が第二電極膜13にカバレッジされて第一電極膜11と近接するため、DCショートやリーク電流の増大が生じやすい。特に、第二電極膜13としてTCOを用いる場合、その傾向が顕著である。このため、あらかじめ第一電極膜11上に下引き膜121を設けることで凹凸を緩和して、これらを抑制することができる。
下引き膜121としては、ポリアニリン、ボリチオフェン、ポリピロール、ポリカルバゾール、PTPDES、PTPDEKなどの有機の高分子系材料があげられ、スピンコート法で形成することが好ましい。
The undercoat film 121 is for reducing unevenness on the first electrode film 11. When the first electrode film 11 has irregularities, or when dust adheres to the first electrode film 11, a low molecular organic material is deposited thereon to form the photoelectric conversion film 123. It is easy to form a fine crack in the photoelectric conversion element 123, that is, a portion where the photoelectric conversion film 123 is formed only thin. At this time, if the second electrode film 13 is further formed thereon, the crack portion is covered by the second electrode film 13 and close to the first electrode film 11, so that a DC short circuit and an increase in leakage current are likely to occur. In particular, when TCO is used as the second electrode film 13, the tendency is remarkable. For this reason, the unevenness | corrugation can be relieve | moderated by providing the undercoat film | membrane 121 on the 1st electrode film | membrane 11 previously, and these can be suppressed.
Examples of the undercoat film 121 include organic polymer materials such as polyaniline, polythiophene, polypyrrole, polycarbazole, PTPDES, and PTPDEK, and are preferably formed by a spin coating method.

電子ブロッキング膜122は、第一電極膜11から電子が注入されることによる暗電流を低減するために設けられており、第一電極膜11からの電子が光電変換膜123に注入されるのを阻止する。   The electron blocking film 122 is provided in order to reduce dark current due to injection of electrons from the first electrode film 11, and the electrons from the first electrode film 11 are injected into the photoelectric conversion film 123. Stop.

正孔ブロッキング膜124は、第二電極膜13から正孔が注入されることによる暗電流を低減するために設けられており、第二電極膜13からの正孔が光電変換膜123に注入されるのを阻止する。   The hole blocking film 124 is provided to reduce dark current caused by holes injected from the second electrode film 13, and holes from the second electrode film 13 are injected into the photoelectric conversion film 123. To stop.

正孔ブロッキング兼バッファ膜125は、正孔ブロッキング膜124の持つ機能と共に、第二電極膜13成膜時に光電変換膜123に与えられるダメージを軽減する機能を果たす。
第二電極膜13を光電変換膜123の上層に成膜する場合、第二電極膜13の成膜に用いる装置中に存在する高エネルギー粒子、例えばスパッタ法ならば、スパッタ粒子や2次電子、Ar粒子、酸素負イオンなどが光電変換膜123に衝突する事で、光電変換膜123が変質し、リーク電流の増大や感度の低下など性能劣化が生じる場合がある。これを防止する一つの方法として、光電変換膜123の上層にバッファ膜125を設ける事が好ましい。
正孔ブロッキング兼バッファ膜125の材料は、銅フタロシアニン、PTCDA、アセチルアセトネート錯体、BCPなどの有機物、有機-金属化合物や、MgAg、MgOなどの無機物が好ましく用いられる。また、正孔ブロッキング兼バッファ膜125は、光電変換膜123の光吸収を妨げないために、可視光の透過率が高い事が好ましく、可視域に吸収をもたない材料を選択する事、あるいは極薄い膜厚で用いる事が好ましい。正孔ブロッキング兼バッファ膜125の膜厚は、光電変換膜123の構成、第二電極膜13の膜厚などにより適当な厚みが異なるが、特に、2〜50nmの膜厚で用いる事が好ましい。
The hole blocking / buffer film 125 has a function of reducing the damage given to the photoelectric conversion film 123 when the second electrode film 13 is formed, in addition to the function of the hole blocking film 124.
When the second electrode film 13 is formed on the photoelectric conversion film 123, high-energy particles existing in an apparatus used for forming the second electrode film 13, such as sputtered particles and secondary electrons in the case of sputtering, When Ar particles, oxygen negative ions, and the like collide with the photoelectric conversion film 123, the photoelectric conversion film 123 may be deteriorated, and performance degradation such as increase in leakage current and decrease in sensitivity may occur. As one method for preventing this, it is preferable to provide the buffer film 125 on the photoelectric conversion film 123.
The material of the hole blocking / buffer film 125 is preferably an organic substance such as copper phthalocyanine, PTCDA, acetylacetonate complex, or BCP, an organic-metal compound, or an inorganic substance such as MgAg or MgO. Further, the hole blocking and buffer film 125 preferably has a high visible light transmittance so as not to prevent light absorption of the photoelectric conversion film 123, and a material that does not absorb in the visible region is selected. It is preferable to use an extremely thin film thickness. The film thickness of the hole blocking / buffer film 125 varies depending on the structure of the photoelectric conversion film 123, the film thickness of the second electrode film 13, and the like, but it is particularly preferable to use a film thickness of 2 to 50 nm.

仕事関数調整膜126は、第二電極膜13の仕事関数を調整して、暗電流を抑制するためのものである。第二電極膜13が、仕事関数が比較的大きい(例えば4.5eV以上)もの(例えば、ITO、IZO、ZnO2、SnO2、TiO2、及びFTOのいずれか)で構成される場合、仕事関数調整膜126の材料としては、仕事関数が4.5eV以下の金属を含むもの(例えばIn)を用いることで、暗電流を効果的に抑制することができる。このような仕事関数調整膜126を設けたことによる利点等の説明は後述する。 The work function adjustment film 126 is for adjusting the work function of the second electrode film 13 and suppressing dark current. When the second electrode film 13 is made of a material having a relatively large work function (for example, 4.5 eV or more) (for example, any of ITO, IZO, ZnO 2 , SnO 2 , TiO 2 , and FTO), As a material of the function adjusting film 126, a dark current can be effectively suppressed by using a material containing a metal having a work function of 4.5 eV or less (for example, In). The description of the advantages and the like by providing such a work function adjusting film 126 will be described later.

ここで、図6に示す光電変換膜123の本実施形態において得に好ましい作成例を説明する。
第一電極膜11として、スパッタ法により厚み100nmのITOをガラス基板上に成膜する。その上に、第二電極膜13をスパッタ成膜する際のダメージを低減するため、導電性を有する高分子の下引き膜121としてPSSがドープされたPEDOTをスピンコート後、真空加熱することで40nm成膜する。その上に、電子ブロッキング膜122としてm-MTDATAを真空蒸着法により50nm成膜する。その上に緑色の光を吸収する光電変換膜123としてキナクリドンを真空蒸着法により100nm成膜し、正孔ブロッキング膜124としてAlq3を真空蒸着法により50nm成膜、続いて同じく正孔ブロッキング兼バッファ膜125としてBCPを真空蒸着法により20nm成膜する。その上に、第二電極膜13の仕事関数を電子捕集電極として好適に調整するため、Inを真空蒸着法により5nm成膜する。さらに第二電極膜13として、ITOをプラズマフリー条件下でスパッタ法により10nm成膜する。上記m-MTDATAの成膜から第二電極膜13であるITOのスパッタ成膜までは、大気に晒すことなく真空一貫で行う。第二電極膜13上方から光入射する場合、このように電子を第二電極膜13で捕集するために好適な構成とすることで、電子の移動度が小さいことに起因する分光感度のブロード化および低感度化を抑え、さらに酸素による性能劣化も低減される。この作成例で用いた材料の化学式を以下に列挙する。
Here, an example of a preferable production of the photoelectric conversion film 123 shown in FIG. 6 in this embodiment will be described.
As the first electrode film 11, ITO having a thickness of 100 nm is formed on a glass substrate by sputtering. On top of that, PEDOT doped with PSS is spin-coated as a polymer undercoat film 121 having conductivity to reduce damage when the second electrode film 13 is formed by sputtering. 40 nm film is formed. On top of that, m-MTDATA is deposited as an electron blocking film 122 to a thickness of 50 nm by vacuum deposition. A quinacridone film having a thickness of 100 nm is formed thereon as a photoelectric conversion film 123 that absorbs green light by a vacuum deposition method, and an Alq 3 film is deposited as a hole blocking film 124 by a thickness of 50 nm by a vacuum deposition method. As the film 125, BCP is formed to a thickness of 20 nm by vacuum deposition. On top of that, in order to suitably adjust the work function of the second electrode film 13 as an electron collecting electrode, In is deposited to a thickness of 5 nm by vacuum deposition. Further, as the second electrode film 13, ITO is deposited to a thickness of 10 nm by sputtering under plasma-free conditions. From the deposition of the m-MTDATA to the sputtering deposition of ITO as the second electrode film 13 is performed in a consistent vacuum without exposure to the atmosphere. When light is incident from above the second electrode film 13, the spectral sensitivity is broadened due to the low mobility of the electrons by adopting a suitable configuration for collecting electrons by the second electrode film 13 in this way. And reduction in sensitivity, and further performance degradation due to oxygen is reduced. The chemical formulas of the materials used in this preparation example are listed below.

Figure 2007080936
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図5に戻り、p型シリコン基板1内には、その浅い方からn型半導体領域(以下、n領域と略す)4と、p型半導体領域(以下、p領域と略す)3と、n領域2がこの順に形成されている。n領域4の遮光膜14によって遮光されている部分の表面部には、高濃度のn領域(n+領域という)6が形成され、n+領域6の周りはp領域5によって囲まれている。   Returning to FIG. 5, in the p-type silicon substrate 1, an n-type semiconductor region (hereinafter abbreviated as n region) 4, a p-type semiconductor region (hereinafter abbreviated as p region) 3, and an n region from the shallower side. 2 are formed in this order. A high-concentration n region (referred to as n + region) 6 is formed on the surface portion of the n region 4 that is shielded by the light shielding film 14, and the n + region 6 is surrounded by the p region 5.

n領域4とp領域3とのpn接合面のp型シリコン基板1表面からの深さは、青色光を吸収する深さ(約0.2μm)となっている。したがって、n領域4とp領域3は、青色光を吸収してそれに応じた電子を発生し、これを蓄積するフォトダイオード(Bフォトダイオード)を形成する。Bフォトダイオードで発生した電子は、n領域4に蓄積される。   The depth of the pn junction surface between the n region 4 and the p region 3 from the surface of the p-type silicon substrate 1 is a depth that absorbs blue light (about 0.2 μm). Therefore, the n region 4 and the p region 3 absorb blue light, generate electrons corresponding thereto, and form a photodiode (B photodiode) that accumulates the electrons. Electrons generated in the B photodiode are accumulated in the n region 4.

n領域2とp型シリコン基板1とのpn接合面のp型シリコン基板1表面からの深さは、赤色光を吸収する深さ(約2μm)となっている。したがって、n領域2とp型シリコン基板1は、赤色光を吸収してそれに応じた電子を発生し、これを蓄積するフォトダイオード(Rフォトダイオード)を形成する。Rフォトダイオードで発生した電子は、n領域2に蓄積される。   The depth of the pn junction surface between the n region 2 and the p-type silicon substrate 1 from the surface of the p-type silicon substrate 1 is a depth that absorbs red light (about 2 μm). Therefore, the n region 2 and the p-type silicon substrate 1 absorb red light, generate electrons corresponding thereto, and form a photodiode (R photodiode) that accumulates the electrons. Electrons generated in the R photodiode are accumulated in the n region 2.

n+領域6は、絶縁膜7,第一電極膜11、及び光電変換層12に開けられた開口に形成された接続部9を介して第二電極膜13と電気的に接続されており、接続部9を介して、第二電極膜13で捕集された電子を蓄積する。接続部9は、第二電極膜13とn+領域6以外とは絶縁膜8によって電気的に絶縁される。   The n + region 6 is electrically connected to the second electrode film 13 through a connection portion 9 formed in an opening formed in the insulating film 7, the first electrode film 11, and the photoelectric conversion layer 12. The electrons collected by the second electrode film 13 are accumulated via the part 9. The connection portion 9 is electrically insulated by the insulating film 8 except for the second electrode film 13 and the n + region 6.

n領域2に蓄積された電子は、p型シリコン基板1内に形成されたnチャネルMOSトランジスタからなるMOS回路(不図示)によってその電荷量に応じた信号に変換され、n領域4に蓄積された電子は、p領域3内に形成されたnチャネルMOSトランジスタからなるMOS回路(不図示)によってその電荷量に応じた信号に変換され、n+領域6に蓄積された電子は、p領域5内に形成されたnチャネルMOSトランジスタからなるMOS回路(不図示)によってその電荷量に応じた信号に変換されて、固体撮像素子100外部へと出力される。これらのMOS回路が特許請求の範囲の信号読み出し部を構成する。各MOS回路は配線10によって図示しない信号読み出しパッドに接続される。尚、n領域2、n領域4に引き出し電極を設け、所定のリセット電位をかけると、各領域が空乏化し、各pn接合部の容量は限りなく小さい値になる。これにより、接合面に生じる容量を極めて小さくすることができる。   The electrons accumulated in the n region 2 are converted into a signal corresponding to the amount of charge by a MOS circuit (not shown) formed of an n channel MOS transistor formed in the p-type silicon substrate 1 and accumulated in the n region 4. The electrons are converted into a signal corresponding to the amount of charge by a MOS circuit (not shown) formed of an n-channel MOS transistor formed in the p region 3, and the electrons accumulated in the n + region 6 The signal is converted into a signal corresponding to the amount of charge by a MOS circuit (not shown) composed of n-channel MOS transistors formed in the, and output to the outside of the solid-state imaging device 100. These MOS circuits constitute the signal readout section in the claims. Each MOS circuit is connected to a signal readout pad (not shown) by wiring 10. If extraction electrodes are provided in the n region 2 and the n region 4 and a predetermined reset potential is applied, each region is depleted, and the capacitance of each pn junction becomes an extremely small value. Thereby, the capacity | capacitance produced in a joint surface can be made very small.

このような構成により、光電変換膜123でG光を光電変換し、p型シリコン基板中のBフォトダイオードとRフォトダイオードでB光およびR光を光電変換することができる。また上部でG光がまず吸収されるため、B-G間およびG-R間の色分離は優れている。これが、シリコン基板内に3つのPDを積層し、シリコン基板内でBGR光を全て分離する形式の固体撮像素子に比べ、大きく優れた点である。以下の説明では、固体撮像素子100のp型シリコン基板1内に形成される無機材料からなる光電変換を行う部分(Bフォトダイオード及びRフォトダイオード)のことを無機層とも言う。   With such a configuration, G light can be photoelectrically converted by the photoelectric conversion film 123, and B light and R light can be photoelectrically converted by the B photodiode and the R photodiode in the p-type silicon substrate. Also, since G light is first absorbed at the top, color separation between B-G and G-R is excellent. This is a great advantage over a solid-state imaging device in which three PDs are stacked in a silicon substrate and all BGR light is separated in the silicon substrate. In the following description, the part (B photodiode and R photodiode) that performs photoelectric conversion made of an inorganic material formed in the p-type silicon substrate 1 of the solid-state imaging device 100 is also referred to as an inorganic layer.

尚、p型シリコン基板1と第一電極膜11との間(例えば絶縁膜7とp型シリコン基板1との間)に、光電変換膜123を透過した光を吸収して、該光に応じた電荷を発生しこれを蓄積する無機材料からなる無機光電変換部を形成することも可能である。この場合、p型シリコン基板1内に、この無機光電変換部の電荷蓄積領域に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すためのMOS回路を設け、このMOS回路にも配線10を接続しておけば良い。   The light transmitted through the photoelectric conversion film 123 is absorbed between the p-type silicon substrate 1 and the first electrode film 11 (for example, between the insulating film 7 and the p-type silicon substrate 1), and according to the light. It is also possible to form an inorganic photoelectric conversion portion made of an inorganic material that generates and accumulates charges. In this case, a MOS circuit for reading a signal corresponding to the charge accumulated in the charge accumulation region of the inorganic photoelectric conversion unit is provided in the p-type silicon substrate 1, and the wiring 10 is also connected to the MOS circuit. It ’s fine.

第一電極膜11は、光電変換膜123で発生して移動してきた正孔を吐き出す機能を有する。第一電極膜11は、全画素で共通して用いることができる。このため、固体撮像素子100では、第一電極膜11が全画素で共通の一枚構成の膜となっている。図5に示す構成では、p型シリコン基板1でも光電変換を行っているため、第一電極膜11は、可視光に対する透過率が60%以上であることが好ましく、90%であることがより好ましい。第一電極膜11下方に光電変換領域が存在しない構成の場合には、第一電極膜11は透明性の低いものであっても構わない。材料としては、ITO、IZO、ZnO2、SnO2、TiO2、FTO、Al、Ag、及びAuのいずれかを最も好ましく用いることができる。第一電極膜11の詳細については後述する。 The first electrode film 11 has a function of discharging holes generated and moved in the photoelectric conversion film 123. The first electrode film 11 can be used in common for all pixels. For this reason, in the solid-state imaging device 100, the first electrode film 11 is a single-layer film common to all pixels. In the configuration shown in FIG. 5, since the p-type silicon substrate 1 performs photoelectric conversion, the first electrode film 11 preferably has a visible light transmittance of 60% or more, more preferably 90%. preferable. In the case where the photoelectric conversion region does not exist below the first electrode film 11, the first electrode film 11 may be low in transparency. As the material, any of ITO, IZO, ZnO 2 , SnO 2 , TiO 2 , FTO, Al, Ag, and Au can be most preferably used. Details of the first electrode film 11 will be described later.

第二電極膜13は、光電変換膜123で発生して移動してきた電子を捕集する役割を果たす。第二電極膜13は、画素毎に分離されており、これによって画像データを生成することができる。第二電極膜13は、光電変換膜123に光を入射させる必要があるため、可視光に対する透過性が高い材料を用いる必要がある。第二電極膜13は、その可視光に対する透過率が60%以上であることが好ましく、90%であることがより好ましい。材料としては、ITO、IZO、ZnO2、SnO2、TiO2、FTO、Al、Ag、及びAuのいずれかを最も好ましく用いることができる。第二電極膜13の詳細については後述する。 The second electrode film 13 plays a role of collecting electrons generated and moved in the photoelectric conversion film 123. The second electrode film 13 is separated for each pixel, whereby image data can be generated. Since the second electrode film 13 needs to make light incident on the photoelectric conversion film 123, it is necessary to use a material having high transparency to visible light. The second electrode film 13 preferably has a visible light transmittance of 60% or more, and more preferably 90%. As the material, any of ITO, IZO, ZnO 2 , SnO 2 , TiO 2 , FTO, Al, Ag, and Au can be most preferably used. Details of the second electrode film 13 will be described later.

無機層は、結晶シリコン、アモルファスシリコン、GaAsなどの化合物半導体のpn接合またはpin接合が一般的に用いられる。この場合、シリコンの光進入深さで色分離を行っているため積層された各受光部で検知するスペクトル範囲はブロードとなる。しかしながら、図5に示すように光電変換層12を上層に用いることにより、すなわち光電変換層12を透過した光をシリコンの深さ方向で検出することにより色分離が顕著に改良される。特に図5に示すように、光電変換層12でG光を検出すると、光電変換層12を透過する光はB光とR光になるため、シリコンでの深さ方向での光の分別はBR光のみとなり色分離が改良される。光電変換層12がB光またはR光を検出する場合でも、シリコンのpn接合面の深さを適宜選択することにより顕著に色分離が改良される。   As the inorganic layer, a pn junction or a pin junction of a compound semiconductor such as crystalline silicon, amorphous silicon, or GaAs is generally used. In this case, since color separation is performed based on the light penetration depth of silicon, the spectral range detected by each stacked light receiving unit is broad. However, color separation is remarkably improved by using the photoelectric conversion layer 12 as an upper layer as shown in FIG. 5, that is, by detecting light transmitted through the photoelectric conversion layer 12 in the depth direction of silicon. In particular, as shown in FIG. 5, when G light is detected by the photoelectric conversion layer 12, light transmitted through the photoelectric conversion layer 12 becomes B light and R light. Therefore, the separation of light in the depth direction in silicon is BR. Only light is used and color separation is improved. Even when the photoelectric conversion layer 12 detects B light or R light, color separation is remarkably improved by appropriately selecting the depth of the pn junction surface of silicon.

無機層の構成は、光入射側から、npn又はpnpnとなっていることが好ましい。特に、表面にp層を設け表面の電位を高くしておくことで、表面付近で発生した正孔、及び暗電流をトラップすることができ暗電流を低減できるため、pnpn接合とすることがより好ましい。   The structure of the inorganic layer is preferably npn or pnpn from the light incident side. In particular, by providing a p layer on the surface and increasing the surface potential, holes generated in the vicinity of the surface and dark current can be trapped and dark current can be reduced. preferable.

尚、図5では、光電変換部がp型シリコン基板1上方に1つ積層される構成を示したが、p型シリコン基板1上方に、光電変換部を複数積層した構成にすることも可能である。光電変換部を複数積層した構成については後の第三実施形態で説明する。このようにした場合は、無機層で検出する光は一色で良く、好ましい色分離が達成できる。また、固体撮像素子100の1画素にて4色の光を検出しようとする場合には、例えば、光電変換部にて1色を検出して無機層にて3色を検出する構成、光電変換部を2つ積層して2色を検出し、無機層にて2色を検出する構成、光電変換部を3つ積層して3色を検出し、無機層にて1色を検出する構成等が考えられる。また、固体撮像素子100が、1画素で1色のみを検出する構成であっても良い。この場合は、図5においてn領域2、p領域3、n領域4を無くした構成となる。   FIG. 5 shows a configuration in which one photoelectric conversion unit is stacked above the p-type silicon substrate 1, but a configuration in which a plurality of photoelectric conversion units are stacked above the p-type silicon substrate 1 is also possible. is there. A configuration in which a plurality of photoelectric conversion units are stacked will be described later in a third embodiment. In this case, the light detected by the inorganic layer may be one color, and preferable color separation can be achieved. Further, when detecting four colors of light with one pixel of the solid-state imaging device 100, for example, a configuration in which one color is detected with a photoelectric conversion unit and three colors are detected with an inorganic layer, photoelectric conversion Two parts are stacked to detect two colors and two layers are detected by the inorganic layer, three photoelectric converters are stacked to detect three colors, and one layer is detected from the inorganic layer, etc. Can be considered. The solid-state imaging device 100 may be configured to detect only one color with one pixel. In this case, the n region 2, the p region 3, and the n region 4 are eliminated in FIG.

無機層についてさらに詳細に説明する。無機層の好ましい構成としては、光伝導型、p−n接合型、ショットキー接合型、PIN接合型、MSM(金属−半導体−金属)型の受光素子やフォトトランジスタ型の受光素子が挙げられる。特に、図5に示したように、単一の半導体基板内に、第1導電型の領域と、第1導電型と逆の導電型である第2導電型の領域とを交互に複数積層し、第1導電型及び第2導電型の領域の各接合面を、それぞれ異なる複数の波長帯域の光を主に光電変換するために適した深さに形成してなる無機層を用いることが好ましい。単一の半導体基板としては、単結晶シリコンが好ましく、シリコン基板の深さ方向に依存する吸収波長特性を利用して色分離を行うことができる。   The inorganic layer will be described in more detail. As a preferable configuration of the inorganic layer, a photoconductive type, a pn junction type, a Schottky junction type, a PIN junction type, an MSM (metal-semiconductor-metal) type light receiving element or a phototransistor type light receiving element can be given. In particular, as shown in FIG. 5, a plurality of first conductivity type regions and second conductivity type regions, which are opposite to the first conductivity type, are alternately stacked in a single semiconductor substrate. It is preferable to use an inorganic layer formed by forming each bonding surface of the first conductivity type region and the second conductivity type region to a depth suitable for mainly photoelectrically converting light in a plurality of different wavelength bands. . As the single semiconductor substrate, single crystal silicon is preferable, and color separation can be performed using absorption wavelength characteristics depending on the depth direction of the silicon substrate.

無機半導体として、InGaN系、InAlN系、InAlP系、又はInGaAlP系の無機半導体を用いることもできる。nGaN系の無機半導体は、Inの含有組成を適宜変更し、青色の波長範囲内に極大吸収値を有するよう調整されたものである。すなわち、InxGa1-xN(0≦X<1)の組成となる。このような化合物半導体は、有機金属気相成長法(MOCVD法)を用いて製造される。Gaと同じ13族原料のAlを用いる窒化物半導体のInAlN系についても、InGaN系と同様に短波長受光部として利用することができる。また、GaAs基板に格子整合するInAlP、InGaAlPを用いることもできる As the inorganic semiconductor, an InGaN-based, InAlN-based, InAlP-based, or InGaAlP-based inorganic semiconductor can also be used. The nGaN-based inorganic semiconductor is adjusted so as to have a maximum absorption value in the blue wavelength range by appropriately changing the composition of In. That is, the composition is In x Ga 1-x N (0 ≦ X <1). Such a compound semiconductor is manufactured using a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method). A nitride semiconductor InAlN system using Al, which is the same group 13 raw material as Ga, can also be used as a short wavelength light receiving section in the same manner as the InGaN system. It is also possible to use InAlP or InGaAlP lattice-matched to the GaAs substrate.

無機半導体は、埋め込み構造となっていてもよい。埋め込み構造とは、短波長受光部部分の両端を短波長受光部とは異なる半導体で覆われる構成のものをいう。両端を覆う半導体としては、短波長受光部のバンドギャップ波長より短い又は同等のバンドギャップ波長を有する半導体であることが好ましい。   The inorganic semiconductor may have a buried structure. The embedded structure means a structure in which both ends of the short wavelength light receiving part are covered with a semiconductor different from the short wavelength light receiving part. The semiconductor covering both ends is preferably a semiconductor having a band gap wavelength shorter than or equivalent to the band gap wavelength of the short wavelength light receiving part.

第一電極膜11と第二電極膜13の材料は、金属、合金、金属酸化物、電気伝導性化合物、またはこれらの混合物などを用いることができる。金属材料としては、Li、Na、Mg、K、Ca、Rb、Sr、Cs、Ba、Fr、Ra、Sc、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe,Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Al、Ga、In,Tl、Si、Ge、Sn、Pb、P、As、Sb、Bi、Se、Te、Po、Br、I、At、B、C、N、F、O、S、Nの中から選ばれる任意の組み合わせを挙げることができるが、特に好ましいのはAl、Pt、W、Au、Ag、Ta、Cu、Cr、Mo、Ti、Ni、Pd、Znである。   As the material of the first electrode film 11 and the second electrode film 13, a metal, an alloy, a metal oxide, an electrically conductive compound, or a mixture thereof can be used. Metal materials include Li, Na, Mg, K, Ca, Rb, Sr, Cs, Ba, Fr, Ra, Sc, Ti, Y, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn , Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Al, Ga, In, Tl, Si, Ge, Sn, Pb, P , As, Sb, Bi, Se, Te, Po, Br, I, At, B, C, N, F, O, S, and N can be mentioned, but particularly preferred Are Al, Pt, W, Au, Ag, Ta, Cu, Cr, Mo, Ti, Ni, Pd, Zn.

第一電極膜11は、光電変換層12に含まれる正孔輸送性の光電変換膜または正孔輸送膜から正孔を取り出してこれを吐き出すため、正孔輸送性光電変換膜、正孔輸送膜などの隣接する膜との密着性や電子親和力、イオン化ポテンシャル、安定性等を考慮して選ばれる。第二電極膜13は、光電変換層12に含まれる電子輸送性の光電変換膜または電子輸送膜から電子を取り出してこれを捕集ため、電子輸送性光電変換膜、電子輸送膜などの隣接する膜との密着性や電子親和力、イオン化ポテンシャル、安定性等を考慮して選ばれる。これらの具体例としては酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウムスズ(ITO)等の導電性金属酸化物、あるいは金、銀、クロム、ニッケル等の金属、さらにこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物または積層物、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールなどの有機導電性材料、シリコン化合物およびこれらとITOとの積層物などが挙げられ、好ましくは、導電性金属酸化物であり、特に、生産性、高導電性、透明性等の点からITO、IZOが好ましい。   The first electrode film 11 takes out holes from the hole-transporting photoelectric conversion film or hole-transporting film contained in the photoelectric conversion layer 12 and discharges them, so that the hole-transporting photoelectric conversion film and the hole-transporting film are discharged. It is selected in consideration of adhesion to adjacent films, electron affinity, ionization potential, stability, and the like. The second electrode film 13 takes out electrons from the electron transport photoelectric conversion film or the electron transport film included in the photoelectric conversion layer 12 and collects them, so that the second electrode film 13 is adjacent to the electron transport photoelectric conversion film, the electron transport film, or the like. It is selected in consideration of adhesion to the film, electron affinity, ionization potential, stability, and the like. Specific examples of these include conductive metal oxides such as tin oxide, zinc oxide, indium oxide and indium tin oxide (ITO), or metals such as gold, silver, chromium and nickel, and these metals and conductive metal oxides. Inorganic conductive materials such as copper iodide and copper sulfide, organic conductive materials such as polyaniline, polythiophene and polypyrrole, silicon compounds and laminates of these with ITO, etc. In particular, ITO and IZO are preferable from the viewpoints of productivity, high conductivity, transparency, and the like.

電極の作製には材料によって種々の方法が用いられるが、例えばITOの場合、電子ビーム法、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、化学反応法(ゾルーゲル法など)、酸化インジウムスズの分散物の塗布などの方法で膜形成される。ITOの場合、UV−オゾン処理、プラズマ処理などを施すことができる。   Various methods are used for producing the electrode depending on the material. For example, in the case of ITO, an electron beam method, a sputtering method, a resistance heating vapor deposition method, a chemical reaction method (sol-gel method, etc.), a coating of a dispersion of indium tin oxide, etc. A film is formed by this method. In the case of ITO, UV-ozone treatment, plasma treatment, etc. can be performed.

透明な電極膜(透明電極膜)成膜時の条件について触れる。透明電極膜成膜時のシリコン基板温度は500℃以下が好ましく、より好ましくは、300℃以下で、さらに好ましくは200℃以下、さらに好ましくは150℃以下である。また、透明電極膜成膜中にガスを導入しても良く、基本的にそのガス種は制限されないが、Ar、He、酸素、窒素などを用いることができる。また、これらのガスの混合ガスを用いても良い。特に酸化物の材料の場合は、酸素欠陥が入ることが多いので、酸素を用いることが好ましい。   The conditions for forming a transparent electrode film (transparent electrode film) will be described. The silicon substrate temperature at the time of forming the transparent electrode film is preferably 500 ° C. or lower, more preferably 300 ° C. or lower, further preferably 200 ° C. or lower, and further preferably 150 ° C. or lower. Further, a gas may be introduced during the formation of the transparent electrode film, and basically the gas species is not limited, but Ar, He, oxygen, nitrogen and the like can be used. Further, a mixed gas of these gases may be used. In particular, in the case of an oxide material, oxygen defects are often introduced, so that oxygen is preferably used.

また、透明電極膜の表面抵抗は、第一電極膜11であるか第二電極膜13であるか等により好ましい範囲は異なる。信号読出し部がCMOS構造である場合、透明導電膜の表面抵抗は、10000Ω/□以下が好ましく、より好ましくは、1000Ω/□以下である。信号読出し部が仮にCCD構造の場合、表面抵抗は1000Ω/□以下が好ましく、より好ましくは、100Ω/□以下である。第二電極膜13に使用する場合には1000000Ω/□以下が好ましく、より好ましくは、100000Ω/□以下である。   Further, the preferable range of the surface resistance of the transparent electrode film differs depending on whether it is the first electrode film 11 or the second electrode film 13. When the signal readout part has a CMOS structure, the surface resistance of the transparent conductive film is preferably 10000Ω / □ or less, more preferably 1000Ω / □ or less. If the signal reading unit has a CCD structure, the surface resistance is preferably 1000Ω / □ or less, and more preferably 100Ω / □ or less. When used for the second electrode film 13, it is preferably 1000000 Ω / □ or less, more preferably 100000 Ω / □ or less.

透明電極膜の材料として特に好ましいのは、ITO、IZO、SnO2、ATO(アンチモンドープ酸化スズ)、ZnO、AZO(Alドープ酸化亜鉛)、GZO(ガリウムドープ酸化亜鉛)、TiO2、FTO(フッ素ドープ酸化スズ)のいずれかの材料である。透明電極膜の光透過率は、その透明電極膜を含む光電変換部に含まれる光電変換膜の吸収ピーク波長において、60%以上が好ましく、より好ましくは80%以上で、より好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上である。 Particularly preferable as a material for the transparent electrode film are ITO, IZO, SnO 2 , ATO (antimony-doped tin oxide), ZnO, AZO (Al-doped zinc oxide), GZO (gallium-doped zinc oxide), TiO 2 , FTO (fluorine). Doped tin oxide). The light transmittance of the transparent electrode film is preferably 60% or more, more preferably 80% or more, more preferably 90% or more, at the absorption peak wavelength of the photoelectric conversion film included in the photoelectric conversion part including the transparent electrode film. More preferably, it is 95% or more.

また、光電変換層12を複数積層する場合、第一電極膜11と第二電極膜13は、光入射側に最も近い位置にある光電変換膜から最も遠い位置にある光電変換膜まで、それぞれの光電変換膜が検出する光以外の波長の光を透過させる必要があり、可視光に対し、好ましくは90%、さらに好ましくは95%以上の光を透過する材料を用いる事が好ましい。   In addition, when a plurality of photoelectric conversion layers 12 are stacked, the first electrode film 11 and the second electrode film 13 are respectively connected from the photoelectric conversion film located closest to the light incident side to the photoelectric conversion film located farthest. It is necessary to transmit light having a wavelength other than the light detected by the photoelectric conversion film, and it is preferable to use a material that transmits light of 90%, more preferably 95% or more with respect to visible light.

第二電極膜13はプラズマフリーで作製することが好ましい。プラズマフリーで第二電極膜13を作成することで、プラズマが基板に与える影響を少なくすることができ、光電変換特性を良好にすることができる。ここで、プラズマフリーとは、第二電極膜13の成膜中にプラズマが発生しないか、またはプラズマ発生源から基体までの距離が2cm以上、好ましくは10cm以上、更に好ましくは20cm以上であり、基体に到達するプラズマが減ずるような状態を意味する。   The second electrode film 13 is preferably made plasma-free. By creating the second electrode film 13 free of plasma, the influence of plasma on the substrate can be reduced, and the photoelectric conversion characteristics can be improved. Here, plasma free means that no plasma is generated during the formation of the second electrode film 13, or the distance from the plasma generation source to the substrate is 2 cm or more, preferably 10 cm or more, more preferably 20 cm or more, It means a state in which the plasma reaching the substrate is reduced.

第二電極膜13の成膜中にプラズマが発生しない装置としては、例えば、電子線蒸着装置(EB蒸着装置)やパルスレーザー蒸着装置がある。EB蒸着装置またはパルスレーザー蒸着装置については、沢田豊監修「透明導電膜の新展開」(シーエムシー刊、1999年)、沢田豊監修「透明導電膜の新展開II」(シーエムシー刊、2002年)、日本学術振興会著「透明導電膜の技術」(オーム社、1999年)、及びそれらに付記されている参考文献等に記載されているような装置を用いることができる。以下では、EB蒸着装置を用いて透明電極膜の成膜を行う方法をEB蒸着法と言い、パルスレーザー蒸着装置を用いて透明電極膜の成膜を行う方法をパルスレーザー蒸着法と言う。   Examples of apparatuses that do not generate plasma during the formation of the second electrode film 13 include an electron beam vapor deposition apparatus (EB vapor deposition apparatus) and a pulse laser vapor deposition apparatus. Regarding EB deposition equipment or pulse laser deposition equipment, “Surveillance of Transparent Conductive Films” supervised by Yutaka Sawada (published by CMC, 1999), “New Development of Transparent Conductive Films II” supervised by Yutaka Sawada (published by CMC, 2002) ), "Transparent conductive film technology" by the Japan Society for the Promotion of Science (Ohm Co., 1999), and the references attached thereto, etc. can be used. Hereinafter, a method of forming a transparent electrode film using an EB vapor deposition apparatus is referred to as an EB vapor deposition method, and a method of forming a transparent electrode film using a pulse laser vapor deposition apparatus is referred to as a pulse laser vapor deposition method.

プラズマ発生源から基体への距離が2cm以上であって基体へのプラズマの到達が減ずるような状態を実現できる装置(以下、プラズマフリーである成膜装置という)については、例えば、対向ターゲット式スパッタ装置やアークプラズマ蒸着法などが考えられ、それらについては沢田豊監修「透明導電膜の新展開」(シーエムシー刊、1999年)、沢田豊監修「透明導電膜の新展開II」(シーエムシー刊、2002年)、日本学術振興会著「透明導電膜の技術」(オーム社、1999年)、及びそれらに付記されている参考文献等に記載されているような装置を用いることができる。   For an apparatus that can realize a state in which the distance from the plasma generation source to the substrate is 2 cm or more and the arrival of plasma to the substrate is reduced (hereinafter referred to as a plasma-free film forming apparatus), for example, an opposed target sputtering Equipment, arc plasma deposition, etc. are considered, and these are supervised by Yutaka Sawada "New development of transparent conductive film" (published by CMC, 1999), and supervised by Yutaka Sawada "New development of transparent conductive film II" (published by CMC) 2002), “Transparent conductive film technology” (Ohm Co., 1999) by the Japan Society for the Promotion of Science, and references and the like attached thereto can be used.

TCOなどの透明導電膜を第二電極膜13とした場合、DCショート、あるいはリーク電流増大が生じる場合がある。この原因の一つは、光電変換膜123に導入される微細なクラックがTCOなどの緻密な膜によってカバレッジされ、反対側の第一電極膜11との間の導通が増すためと考えられる。そのため、Alなど膜質が比較して劣る電極の場合、リーク電流の増大は生じにくい。第二電極膜13の膜厚を、光電変換膜123の膜厚(すなわち、クラックの深さ)に対して制御する事により、リーク電流の増大を大きく抑制できる。第二電極膜13の厚みは、光電変換膜123厚みの1/5以下、好ましくは1/10以下であるようにする事が望ましい。   When a transparent conductive film such as TCO is used as the second electrode film 13, a DC short circuit or an increase in leakage current may occur. One reason for this is thought to be that fine cracks introduced into the photoelectric conversion film 123 are covered by a dense film such as TCO, and conduction between the first electrode film 11 on the opposite side is increased. Therefore, in the case of an electrode having a poor film quality such as Al, an increase in leakage current is unlikely to occur. By controlling the film thickness of the second electrode film 13 with respect to the film thickness of the photoelectric conversion film 123 (that is, the depth of cracks), an increase in leakage current can be largely suppressed. The thickness of the second electrode film 13 is desirably 1/5 or less, preferably 1/10 or less of the thickness of the photoelectric conversion film 123.

通常、導電性膜をある範囲より薄くすると、急激な抵抗値の増加をもたらすが、本実施形態の固体撮像素子100では、シート抵抗は、好ましくは100〜10000Ω/□でよく、薄膜化できる膜厚の範囲の自由度は大きい。また、透明導電性薄膜は厚みが薄いほど吸収する光の量は少なくなり、一般に光透過率が増す。光透過率の増加は、光電変換膜123での光吸収を増大させ、光電変換能を増大させるため、非常に好ましい。薄膜化に伴う、リーク電流の抑制、薄膜の抵抗値の増大、透過率の増加を考慮すると、透明導電性薄膜の膜厚は、5〜100nmであることが好ましく、さらに好ましくは5〜20nmである事が望ましい。   Usually, when the conductive film is made thinner than a certain range, the resistance value is rapidly increased. However, in the solid-state imaging device 100 of the present embodiment, the sheet resistance is preferably 100 to 10,000 Ω / □, and the film can be thinned. The degree of freedom in the thickness range is large. Further, the thinner the transparent conductive thin film is, the less light is absorbed, and the light transmittance is generally increased. The increase in light transmittance is very preferable because it increases the light absorption in the photoelectric conversion film 123 and increases the photoelectric conversion ability. In consideration of the suppression of leakage current, the increase in the resistance value of the thin film, and the increase in transmittance due to the thinning, the thickness of the transparent conductive thin film is preferably 5 to 100 nm, more preferably 5 to 20 nm. Something is desirable.

透明電極膜の材料は、プラズマフリーである成膜装置、EB蒸着装置、及びパルスレーザー蒸着装置により成膜できるものが好ましい。例えば、金属、合金、金属酸化物、金属窒化物、金属ホウ化物、有機導電性化合物、これらの混合物等が好適に挙げられ、具体例としては、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム亜鉛(IZO)、酸化インジウム錫(ITO)、酸化インジウムタングステン(IWO)等の導電性金属酸化物、窒化チタン等の金属窒化物、金、白金、銀、クロム、ニッケル、アルミニウム等の金属、更にこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物又は積層物、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロ−ル等の有機導電性材料、これらとITOとの積層物、などが挙げられる。また、沢田豊監修「透明導電膜の新展開」(シーエムシー刊、1999年)、沢田豊監修「透明導電膜の新展開II」(シーエムシー刊、2002年)、日本学術振興会著「透明導電膜の技術」(オーム社、1999年)等に詳細に記載されているものを用いても良い。   The material of the transparent electrode film is preferably one that can be formed by a plasma-free film forming apparatus, an EB vapor deposition apparatus, and a pulse laser vapor deposition apparatus. For example, a metal, an alloy, a metal oxide, a metal nitride, a metal boride, an organic conductive compound, a mixture thereof, and the like are preferable. Specific examples include tin oxide, zinc oxide, indium oxide, and indium zinc oxide. (IZO), indium tin oxide (ITO), conductive metal oxides such as indium tungsten oxide (IWO), metal nitrides such as titanium nitride, metals such as gold, platinum, silver, chromium, nickel, aluminum, and these A mixture or laminate of a metal and a conductive metal oxide, an inorganic conductive material such as copper iodide or copper sulfide, an organic conductive material such as polyaniline, polythiophene or polypyrrole, a laminate of these and ITO, Etc. Also, supervised by Yutaka Sawada “New Development of Transparent Conductive Film” (published by CMC, 1999), supervised by Yutaka Sawada “New Development of Transparent Conductive Film II” (published by CMC, 2002), “Transparent by Japan Society for the Promotion of Science” Those described in detail in “Technology of Conductive Film” (Ohm Co., 1999) may be used.

次に、仕事関数調整膜126を設けたことによる利点について説明する。
第二電極膜13をITO、IZO、ZnO2、SnO2、TiO2、及びFTO等の仕事関数が高く、透明性の高い材料にした場合、第二電極膜13へのバイアス印加時の暗電流は、電圧1V印加時で10μA/cm2程度とかなり大きなものとなる。
暗電流の原因の一つとして、バイアス印加時に第二電極膜13から光電変換層12へと流入する電流が考えられる。ITO、IZO、ZnO2、SnO2、TiO2、及びFTO等の透明性の高い電極を第二電極膜13として用いた場合は、その仕事関数が比較的大きい(4.5eV以上)ことにより、正孔が光電変換層12へと移動する際の障壁が低くなり、光電変換膜123への正孔注入が起こりやすくなるのではないかと考えられた。実際、ITO、IZO、SnO2、TiO2、及びFTO等の透明性の高い金属酸化物系透明電極の仕事関数を調べてみると、例えばITO電極の仕事関数は4.8eV程度であり、Al(アルミニウム)電極の仕事関数が約4.3eVであるのと比べてかなり高く、また、ITO以外の他の金属酸化物系の透明電極も、最も小さいAZO(Alがドープされた酸化亜鉛)の4.5eV程度を除くと、約4.6〜5.4とその仕事関数は比較的大きいものであることが知られている(例えば、J.Vac.Sci.Technol.A17(4),Jul/Aug 1999 p.1765−1772のFig.12参照。)。
Next, advantages of providing the work function adjusting film 126 will be described.
When the second electrode film 13 is made of a material having high work function such as ITO, IZO, ZnO 2 , SnO 2 , TiO 2 , and FTO and having high transparency, the dark current at the time of bias application to the second electrode film 13 Is as large as about 10 μA / cm 2 when a voltage of 1 V is applied.
As one of the causes of the dark current, a current flowing from the second electrode film 13 to the photoelectric conversion layer 12 when a bias is applied can be considered. When a highly transparent electrode such as ITO, IZO, ZnO 2 , SnO 2 , TiO 2 , and FTO is used as the second electrode film 13, its work function is relatively large (4.5 eV or more), It was thought that the barrier at the time of a hole moving to the photoelectric converting layer 12 became low, and the hole injection to the photoelectric converting film 123 would become easy to occur. Actually, when examining the work function of a highly transparent metal oxide based transparent electrode such as ITO, IZO, SnO 2 , TiO 2 , and FTO, for example, the work function of the ITO electrode is about 4.8 eV. The work function of the (aluminum) electrode is considerably higher than that of about 4.3 eV, and other metal oxide-based transparent electrodes other than ITO also have the smallest AZO (Al-doped zinc oxide). Except for about 4.5 eV, it is known that its work function is relatively large, about 4.6 to 5.4 (for example, J. Vac. Sci. Technol. A17 (4), Jul. / See Fig. 12 of Aug 1999 p. 1765-1772).

第二電極膜13の仕事関数が比較的大きい(4.8eV)と、バイアス印加時に正孔が光電変換膜123へと移動する際の障壁が低くなり、第二電極膜13から光電変換膜123への正孔注入が起こりやすく、その結果として暗電流が大きくなると考えられる。本実施形態では正孔ブロッキング膜124を設けているため暗電流が抑制されているが、第二電極膜13の仕事関数が大きいと、正孔ブロッキング膜124があっても、暗電流の抑制は難しくなる。   When the work function of the second electrode film 13 is relatively large (4.8 eV), the barrier when holes move to the photoelectric conversion film 123 when a bias is applied is lowered, and the photoelectric conversion film 123 is transferred from the second electrode film 13. It is considered that hole injection tends to occur, and as a result, dark current increases. In this embodiment, the dark current is suppressed because the hole blocking film 124 is provided. However, if the work function of the second electrode film 13 is large, the dark current is suppressed even if the hole blocking film 124 is present. It becomes difficult.

そこで、本実施形態では、第二電極膜13と光電変換膜123との間に、仕事関数が4.5eV以下となる膜を設けた。   Therefore, in the present embodiment, a film having a work function of 4.5 eV or less is provided between the second electrode film 13 and the photoelectric conversion film 123.

なお、以下に、仕事関数が4.5eV以下の金属をその特性とともに列挙する。   In the following, metals having a work function of 4.5 eV or less are listed together with their characteristics.

Figure 2007080936
Figure 2007080936

以下に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Examples are shown below, but the present invention is not limited thereto.

〔比較例1〕
厚み250nmのITO電極(理研計器(株)製の大気中光電子分光装置AC−2で求めた仕事関数4.8eV;可視域光透過率約90%)が積層されたガラス基板(市販品)の上に、厚み100nmのキナクリドン(下記化合物1;5,12−ジヒドロキノ[2,3−b]アクリジン−7,14−ジオン)、および厚み100nmのAl電極(仕事関数4.3eV;可視域光透過率0%)を順次真空蒸着により積層した構造で、ITO電極側から光を入射し、ITO電極側で電子を捕集する場合を例として挙げる。素子面積2mm×2mmとして実際に素子作製および測定を行った結果、電圧1V印加時(ITO電極を正バイアスとして電子捕集、以下も同様)で暗電流が9.3μA/cm2と大きな値となった。
この場合、電子捕集電極であるITOの仕事関数が大きいため、バイアス電圧印加時には、ITO電極からキナクリドンへの正孔注入が起こりやすく、暗電流が大きくなると考えられる。
[Comparative Example 1]
A glass substrate (commercially available) on which an ITO electrode having a thickness of 250 nm (a work function of 4.8 eV obtained by an atmospheric photoelectron spectrometer AC-2 manufactured by Riken Keiki Co., Ltd .; visible light transmittance of about 90%) was laminated On top of this, quinacridone having a thickness of 100 nm (compound 1 below; 5,12-dihydroquino [2,3-b] acridine-7,14-dione) and an Al electrode having a thickness of 100 nm (work function 4.3 eV; visible light transmission) An example is a case where light is incident from the ITO electrode side and electrons are collected on the ITO electrode side in a structure in which the rate 0%) is sequentially laminated by vacuum deposition. As a result of actual device fabrication and measurement with an element area of 2 mm × 2 mm, the dark current was as large as 9.3 μA / cm 2 when a voltage of 1 V was applied (ITO electrode was used as a positive bias to collect electrons, and so on). became.
In this case, since the work function of ITO, which is an electron collection electrode, is large, when a bias voltage is applied, hole injection from the ITO electrode to quinacridone occurs easily, and the dark current is considered to increase.

〔実施例1〕
一方、仕事関数が4.3eVと小さいInを2nm真空蒸着によりITO電極上に積層し、キナクリドンとITO電極との間にInを介在させた他は比較例1と同様の素子を作製した(2nmのInの可視域光透過率は約98%)。その結果、電圧1V印加時の暗電流が1.8nA/cm2と4桁程度大きく抑制された。
このことは、電子捕集電極であるITO電極の仕事関数を小さくすることで電子捕集電極からの正孔注入が大きく抑制されたことを示している。
同じく1Vバイアス印加条件で、ITO電極側から550nmの光を照射強度50μW/cm2で入射したところ、外部量子効率(入射フォトン数に対する測定電荷数)で12%であった。また、バイアス2V印加時においては、暗電流は約100nA/cm2、外部量子効率は19%であった。
[Example 1]
On the other hand, a device similar to Comparative Example 1 was fabricated except that In having a small work function of 4.3 eV was laminated on the ITO electrode by 2 nm vacuum deposition and In was interposed between the quinacridone and the ITO electrode (2 nm). In visible light transmittance of In is about 98%). As a result, the dark current when a voltage of 1 V was applied was greatly suppressed by 1.8 nA / cm 2 and about 4 digits.
This indicates that hole injection from the electron collection electrode is greatly suppressed by reducing the work function of the ITO electrode as the electron collection electrode.
Similarly, when 550 nm light was incident from the ITO electrode side at an irradiation intensity of 50 μW / cm 2 under the 1 V bias application condition, the external quantum efficiency (measured charge number relative to the number of incident photons) was 12%. When a bias voltage of 2 V was applied, the dark current was about 100 nA / cm 2 and the external quantum efficiency was 19%.

(第二実施形態)
本実施形態では、第一実施形態で説明した図5に示す構成の無機層を、p型シリコン基板内で2つのフォトダイオードを積層するのではなく、入射光の入射方向に対して垂直な方向に2つのフォトダイオードを配列して、p型シリコン基板内で2色の光を検出するようにしたものである。
(Second embodiment)
In the present embodiment, the inorganic layer having the configuration shown in FIG. 5 described in the first embodiment is not stacked with two photodiodes in a p-type silicon substrate, but is perpendicular to the incident light incident direction. Two photodiodes are arranged in such a manner that light of two colors is detected in the p-type silicon substrate.

図7は、本発明の第二実施形態を説明するための固体撮像素子の1画素分の断面模式図である。
図7に示す固体撮像素子200の1画素は、p型シリコン基板17と、p型シリコン基板17上方に形成された第一電極膜30、第一電極膜30上に形成された光電変換層31、及び光電変換層31上に形成された第二電極膜32からなる光電変換部とを含んで構成され、光電変換部上には開口の設けられた遮光膜34が形成されており、この遮光膜34によって光電変換層31の受光領域が制限されている。また、遮光膜34上には透明な絶縁膜33が形成されている。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of one pixel of a solid-state image sensor for explaining the second embodiment of the present invention.
One pixel of the solid-state imaging device 200 shown in FIG. 7 includes a p-type silicon substrate 17, a first electrode film 30 formed above the p-type silicon substrate 17, and a photoelectric conversion layer 31 formed on the first electrode film 30. And a photoelectric conversion part composed of the second electrode film 32 formed on the photoelectric conversion layer 31, and a light shielding film 34 having an opening is formed on the photoelectric conversion part. The light receiving region of the photoelectric conversion layer 31 is limited by the film 34. A transparent insulating film 33 is formed on the light shielding film 34.

第一電極膜30、光電変換層31、及び第二電極膜32は、第一電極膜11、光電変換層12、及び第二電極膜13と同じ構成である。   The first electrode film 30, the photoelectric conversion layer 31, and the second electrode film 32 have the same configuration as the first electrode film 11, the photoelectric conversion layer 12, and the second electrode film 13.

遮光膜34の開口下方のp型シリコン基板17表面には、p領域19とn領域18からなるフォトダイオードと、p領域21とn領域20からなるフォトダイオードとが、p型シリコン基板17表面に並んで形成されている。p型シリコン基板17表面上の任意の方向が、入射光の入射方向に対して垂直な方向となる。   On the surface of the p-type silicon substrate 17 below the opening of the light shielding film 34, a photodiode composed of the p region 19 and the n region 18 and a photodiode composed of the p region 21 and the n region 20 are formed on the surface of the p-type silicon substrate 17. It is formed side by side. An arbitrary direction on the surface of the p-type silicon substrate 17 is a direction perpendicular to the incident direction of incident light.

p領域19とn領域18からなるフォトダイオードの上方には、透明な絶縁膜24を介してB光を透過するカラーフィルタ28が形成され、その上に第一電極膜30が形成されている。p領域21とn領域20からなるフォトダイオードの上方には、透明な絶縁膜24を介してR光を透過するカラーフィルタ29が形成され、その上に第一電極膜30が形成されている。カラーフィルタ28,29の周囲は、透明な絶縁膜25で覆われている。   Above the photodiode composed of the p region 19 and the n region 18, a color filter 28 that transmits B light is formed through a transparent insulating film 24, and a first electrode film 30 is formed thereon. Above the photodiode composed of the p region 21 and the n region 20, a color filter 29 that transmits R light through a transparent insulating film 24 is formed, and a first electrode film 30 is formed thereon. The periphery of the color filters 28 and 29 is covered with a transparent insulating film 25.

p領域19とn領域18からなるフォトダイオードは、カラーフィルタ28を透過したB光を吸収してそれに応じた電子を発生し、発生した電子をn領域18に蓄積する。p領域21とn領域20からなるフォトダイオードは、カラーフィルタ29を透過したR光を吸収してそれに応じた電子を発生し、発生した電子をn領域20に蓄積する。   The photodiode including the p region 19 and the n region 18 absorbs the B light transmitted through the color filter 28 and generates electrons corresponding thereto, and accumulates the generated electrons in the n region 18. The photodiode composed of the p region 21 and the n region 20 absorbs the R light transmitted through the color filter 29 and generates electrons corresponding thereto, and accumulates the generated electrons in the n region 20.

p型シリコン基板17表面の遮光膜34によって遮光されている部分には、n+領域23が形成され、n+領域23の周りはp領域22によって囲まれている。   An n + region 23 is formed in a portion of the surface of the p-type silicon substrate 17 that is shielded by the light shielding film 34, and the n + region 23 is surrounded by the p region 22.

n+領域23は、絶縁膜24,25、第一電極膜30、及び光電変換層31に開けられた開口に形成された接続部27を介して第二電極膜32と電気的に接続されており、接続部27を介して、第二電極膜32で捕集された電子を蓄積する。接続部27は、第二電極膜32とn+領域23以外とは絶縁膜26によって電気的に絶縁される。   The n + region 23 is electrically connected to the second electrode film 32 through a connection portion 27 formed in an opening formed in the insulating films 24 and 25, the first electrode film 30, and the photoelectric conversion layer 31. The electrons collected by the second electrode film 32 are accumulated through the connection portion 27. The connecting portion 27 is electrically insulated by the insulating film 26 except for the second electrode film 32 and the n + region 23.

n領域18に蓄積された電子は、p型シリコン基板17内に形成されたnチャネルMOSトランジスタからなるMOS回路(不図示)によってその電荷量に応じた信号に変換され、n領域20に蓄積された電子は、p型シリコン基板17内に形成されたnチャネルMOSトランジスタからなるMOS回路(不図示)によってその電荷量に応じた信号に変換され、n+領域23に蓄積された電子は、p領域22内に形成されたnチャネルMOSトランジスタからなるMOS回路(不図示)によってその電荷量に応じた信号に変換されて、固体撮像素子200外部へと出力される。これらのMOS回路が特許請求の範囲の信号読み出し部を構成する。各MOS回路は配線35によって図示しない信号読み出しパッドに接続される。
尚、信号読出し部は、MOS回路ではなくCCDとアンプによって構成しても良い。つまり、n領域18、n領域20、及びn+領域23に蓄積された電子をp型シリコン基板17内に形成したCCDに読み出し、これをCCDでアンプまで転送して、アンプからその電子に応じた信号を出力させるような信号読出し部であっても良い。
The electrons accumulated in the n region 18 are converted into a signal corresponding to the amount of charge by a MOS circuit (not shown) formed of an n channel MOS transistor formed in the p-type silicon substrate 17 and accumulated in the n region 20. The electrons are converted into a signal corresponding to the amount of charge by a MOS circuit (not shown) formed of an n-channel MOS transistor formed in the p-type silicon substrate 17, and the electrons accumulated in the n + region 23 are converted into the p region. The signal is converted into a signal corresponding to the amount of charge by a MOS circuit (not shown) formed of an n-channel MOS transistor formed in 22 and output to the outside of the solid-state imaging device 200. These MOS circuits constitute the signal readout section in the claims. Each MOS circuit is connected to a signal readout pad (not shown) by wiring 35.
The signal reading unit may be constituted by a CCD and an amplifier instead of the MOS circuit. That is, the electrons accumulated in the n region 18, the n region 20, and the n + region 23 are read out to a CCD formed in the p-type silicon substrate 17, and transferred to the amplifier by the CCD. A signal reading unit that outputs a signal may be used.

このように、信号読み出し部は、CCDおよびCMOS構造が挙げられるが、消費電力、高速読出し、画素加算、部分読出し等の点から、CMOSの方が好ましい。また、CMOSの場合、取り扱うことのできる信号電荷としては、電子および正孔のいずれかが考えられるが、電荷移動度に由来する信号読み出しの高速性、製造におけるプロセス条件の完成度等の点から電子の方が優れているため、電子を捕集する電極をn+領域に接続するのが好ましい。   As described above, the signal reading unit includes a CCD and a CMOS structure, but CMOS is preferable in terms of power consumption, high-speed reading, pixel addition, partial reading, and the like. In addition, in the case of CMOS, signal charges that can be handled are either electrons or holes, but from the viewpoints of high-speed signal readout derived from charge mobility, completeness of process conditions in manufacturing, etc. Since electrons are superior, it is preferable to connect an electrode for collecting electrons to the n + region.

尚、図7では、カラーフィルタ28,29によってR光とB光の色分離を行っているが、カラーフィルタ28,29を設けず、n領域20とp領域21のpn接合面の深さと、n領域18とp領域19のpn接合面の深さを各々調整して、それぞれのフォトダイオードでR光とB光を吸収するようにしても良い。この場合、p型シリコン基板17と第一電極膜11との間(例えば絶縁膜24とp型シリコン基板17との間)に、光電変換層31を透過した光を吸収して、該光に応じた電荷を発生しこれを蓄積する無機材料からなる無機光電変換部を形成することも可能である。この場合、p型シリコン基板17内に、この無機光電変換部の電荷蓄積領域に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すためのMOS回路を設け、このMOS回路にも配線35を接続しておけば良い。   In FIG. 7, the color filters 28 and 29 perform color separation of the R light and the B light. However, the color filters 28 and 29 are not provided, and the depths of the pn junction surfaces of the n region 20 and the p region 21 are as follows. The depths of the pn junction surfaces of the n region 18 and the p region 19 may be adjusted to absorb the R light and the B light by the respective photodiodes. In this case, the light transmitted through the photoelectric conversion layer 31 is absorbed between the p-type silicon substrate 17 and the first electrode film 11 (for example, between the insulating film 24 and the p-type silicon substrate 17), It is also possible to form an inorganic photoelectric conversion portion made of an inorganic material that generates and accumulates a corresponding charge. In this case, a MOS circuit for reading a signal corresponding to the charge accumulated in the charge accumulation region of the inorganic photoelectric conversion unit is provided in the p-type silicon substrate 17, and the wiring 35 is also connected to the MOS circuit. It ’s fine.

また、p型シリコン基板17内に設けるフォトダイオードを1つとし、p型シリコン基板17上方に光電変換部を複数積層した構成としても良い。更に、p型シリコン基板17内に設けるフォトダイオードを複数とし、p型シリコン基板17上方に光電変換部を複数積層した構成としても良い。また、カラー画像を作る必要がないのであれば、p型シリコン基板17内に設けるフォトダイオードを1つとし、光電変換部を1つだけ積層した構成としても良い。   Alternatively, a single photodiode may be provided in the p-type silicon substrate 17 and a plurality of photoelectric conversion units may be stacked above the p-type silicon substrate 17. Further, a plurality of photodiodes provided in the p-type silicon substrate 17 may be provided, and a plurality of photoelectric conversion units may be stacked above the p-type silicon substrate 17. If there is no need to produce a color image, a single photodiode provided in the p-type silicon substrate 17 and a single photoelectric conversion unit may be stacked.

(第三実施形態)
本実施形態の固体撮像素子は、第一実施形態で説明した図5に示す構成の無機層を設けず、シリコン基板上方に複数(ここでは3つ)の光電変換層を積層した構成である。
図8は、本発明の第三実施形態を説明するための固体撮像素子の1画素分の断面模式図である。
図8に示す固体撮像素子300は、シリコン基板41上方に、第一電極膜56、第一電極膜56上に積層された光電変換層57、及び光電変換層57上に積層された第二電極膜58を含むR光電変換部と、第一電極膜60、第一電極膜60上に積層された光電変換層61、及び光電変換層61上に積層された第二電極膜62を含むB光電変換部と、第一電極膜64、第一電極膜64上に積層された光電変換層65、及び光電変換層65上に積層された第二電極膜66を含むG光電変換部とが、それぞれに含まれる第一電極膜をシリコン基板41側に向けた状態で、この順に積層された構成となっている。
(Third embodiment)
The solid-state imaging device of this embodiment has a configuration in which a plurality of (here, three) photoelectric conversion layers are stacked above a silicon substrate without providing the inorganic layer having the configuration shown in FIG. 5 described in the first embodiment.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of one pixel of a solid-state image sensor for explaining the third embodiment of the present invention.
8 includes a first electrode film 56, a photoelectric conversion layer 57 stacked on the first electrode film 56, and a second electrode stacked on the photoelectric conversion layer 57 above the silicon substrate 41. B photoelectric including an R photoelectric conversion portion including a film 58, a first electrode film 60, a photoelectric conversion layer 61 stacked on the first electrode film 60, and a second electrode film 62 stacked on the photoelectric conversion layer 61. The conversion unit, the G photoelectric conversion unit including the first electrode film 64, the photoelectric conversion layer 65 stacked on the first electrode film 64, and the second electrode film 66 stacked on the photoelectric conversion layer 65, respectively. In this state, the first electrode film included in the structure is laminated in this order with the first electrode film facing the silicon substrate 41 side.

シリコン基板41上には透明な絶縁膜48が形成され、その上にR光電変換部が形成され、その上に透明な絶縁膜59が形成され、その上にB光電変換部が形成され、その上に透明な絶縁膜63が形成され、その上にG光電変換部が形成され、その上に開口の設けられた遮光膜68が形成され、その上に透明な絶縁膜67が形成されている。   A transparent insulating film 48 is formed on the silicon substrate 41, an R photoelectric conversion portion is formed thereon, a transparent insulating film 59 is formed thereon, a B photoelectric conversion portion is formed thereon, and A transparent insulating film 63 is formed thereon, a G photoelectric conversion portion is formed thereon, a light shielding film 68 having an opening is formed thereon, and a transparent insulating film 67 is formed thereon. .

G光電変換部に含まれる第一電極膜64、光電変換層65、及び第二電極膜66は、図5に示す第一電極膜11、光電変換層12、及び第二電極膜13と同じ構成である。   The first electrode film 64, the photoelectric conversion layer 65, and the second electrode film 66 included in the G photoelectric conversion unit have the same configuration as the first electrode film 11, the photoelectric conversion layer 12, and the second electrode film 13 illustrated in FIG. It is.

B光電変換部に含まれる第一電極膜60、光電変換層61、及び第二電極膜62は、図5に示す第一電極膜11、光電変換層12、及び第二電極膜13と同じ構成である。ただし、光電変換膜61に含まれる光電変換膜は、青色光を吸収してこれに応じた電子及び正孔を発生する材料を用いる。   The first electrode film 60, the photoelectric conversion layer 61, and the second electrode film 62 included in the B photoelectric conversion unit have the same configuration as the first electrode film 11, the photoelectric conversion layer 12, and the second electrode film 13 illustrated in FIG. It is. However, the photoelectric conversion film included in the photoelectric conversion film 61 uses a material that absorbs blue light and generates electrons and holes according to the blue light.

R光電変換部に含まれる第一電極膜56、光電変換層57、及び第二電極膜58は、図5に示す第一電極膜11、光電変換層12、及び第二電極膜13と同じ構成である。ただし、光電変換膜57に含まれる光電変換膜は、赤色光を吸収してこれに応じた電子及び正孔を発生する材料を用いる。   The first electrode film 56, the photoelectric conversion layer 57, and the second electrode film 58 included in the R photoelectric conversion unit have the same configuration as the first electrode film 11, the photoelectric conversion layer 12, and the second electrode film 13 illustrated in FIG. It is. However, the photoelectric conversion film included in the photoelectric conversion film 57 uses a material that absorbs red light and generates electrons and holes corresponding thereto.

シリコン基板41表面の遮光膜68によって遮光されている部分には、n+領域43,45,47が形成され、それぞれの周りはp領域42,44,46によって囲まれている。   N + regions 43, 45, and 47 are formed in portions of the surface of the silicon substrate 41 that are shielded by the light-shielding film 68, and each is surrounded by p regions 42, 44, and 46.

n+領域43は、絶縁膜48、第一電極膜56、及び光電変換層57に開けられた開口に形成された接続部54を介して第二電極膜58と電気的に接続されており、接続部54を介して、第二電極膜58で捕集された電子を蓄積する。接続部54は、第二電極膜58とn+領域43以外とは絶縁膜51によって電気的に絶縁される。   The n + region 43 is electrically connected to the second electrode film 58 through a connection portion 54 formed in an opening formed in the insulating film 48, the first electrode film 56, and the photoelectric conversion layer 57. The electrons collected by the second electrode film 58 are accumulated via the part 54. The connection portion 54 is electrically insulated by the insulating film 51 except for the second electrode film 58 and the n + region 43.

n+領域45は、絶縁膜48、R光電変換部、絶縁膜59、第一電極膜60、光電変換層61に開けられた開口に形成された接続部53を介して第二電極膜62と電気的に接続されており、接続部53を介して、第二電極膜62で捕集された電子を蓄積する。接続部53は、第二電極膜62とn+領域45以外とは絶縁膜50によって電気的に絶縁される。   The n + region 45 is electrically connected to the second electrode film 62 via the insulating film 48, the R photoelectric conversion portion, the insulating film 59, the first electrode film 60, and the connection portion 53 formed in the opening opened in the photoelectric conversion layer 61. The electrons collected by the second electrode film 62 are accumulated via the connection portion 53. The connection portion 53 is electrically insulated by the insulating film 50 except for the second electrode film 62 and the n + region 45.

n+領域47は、絶縁膜48、R光電変換部、絶縁膜59、B光電変換部、絶縁膜63、第一電極膜64、光電変換層65に開けられた開口に形成された接続部52を介して第二電極膜66と電気的に接続されており、接続部52を介して、第二電極膜66で捕集された電子を蓄積する。接続部52は、第二電極膜66とn+領域47以外とは絶縁膜49によって電気的に絶縁される。   The n + region 47 includes an insulating film 48, an R photoelectric conversion unit, an insulating film 59, a B photoelectric conversion unit, an insulating film 63, a first electrode film 64, and a connection unit 52 formed in an opening opened in the photoelectric conversion layer 65. The second electrode film 66 is electrically connected, and the electrons collected by the second electrode film 66 are accumulated via the connection portion 52. The connection portion 52 is electrically insulated by the insulating film 49 except for the second electrode film 66 and the n + region 47.

n+領域43に蓄積された電子は、p領域42内に形成されたnチャネルMOSトランジスタからなるMOS回路(不図示)によってその電荷量に応じた信号に変換され、n+領域45に蓄積された電子は、p領域44内に形成されたnチャネルMOSトランジスタからなるMOS回路(不図示)によってその電荷量に応じた信号に変換され、n+領域47に蓄積された電子は、p領域46内に形成されたnチャネルMOSトランジスタからなるMOS回路(不図示)によってその電荷量に応じた信号に変換されて、固体撮像素子300外部へと出力される。これらのMOS回路が特許請求の範囲の信号読み出し部を構成する。各MOS回路は配線55によって図示しない信号読み出しパッドに接続される。尚、信号読出し部は、MOS回路ではなくCCDとアンプによって構成しても良い。つまり、n+領域43,45,47に蓄積された電子をシリコン基板41内に形成したCCDに読み出し、これをCCDでアンプまで転送して、アンプからその電子に応じた信号を出力させるような信号読出し部であっても良い。   The electrons accumulated in the n + region 43 are converted into a signal corresponding to the amount of charge by a MOS circuit (not shown) formed of an n-channel MOS transistor formed in the p region 42, and accumulated in the n + region 45. Is converted into a signal corresponding to the amount of charge by a MOS circuit (not shown) formed of an n-channel MOS transistor formed in the p region 44, and the electrons accumulated in the n + region 47 are formed in the p region 46. The signal is converted into a signal corresponding to the amount of charge by a MOS circuit (not shown) formed of the n-channel MOS transistor, and output to the outside of the solid-state imaging device 300. These MOS circuits constitute the signal readout section in the claims. Each MOS circuit is connected to a signal readout pad (not shown) by wiring 55. The signal reading unit may be constituted by a CCD and an amplifier instead of the MOS circuit. In other words, the signals accumulated in the n + regions 43, 45, and 47 are read out to a CCD formed in the silicon substrate 41, transferred to the amplifier by the CCD, and a signal corresponding to the electrons is output from the amplifier. It may be a reading unit.

なお、シリコン基板41と第一電極膜56との間(例えば絶縁膜48とシリコン基板41との間)に、光電変換層57,61,65を透過してきた光を吸収して、該光に応じた電荷を発生しこれを蓄積する無機材料からなる無機光電変換部を形成することも可能である。この場合、シリコン基板41内に、この無機光電変換部の電荷蓄積領域に蓄積された電荷に応じた信号を読み出すためのMOS回路を設け、このMOS回路にも配線55を接続しておけば良い。   The light transmitted through the photoelectric conversion layers 57, 61, 65 is absorbed between the silicon substrate 41 and the first electrode film 56 (for example, between the insulating film 48 and the silicon substrate 41), and the light is absorbed into the light. It is also possible to form an inorganic photoelectric conversion portion made of an inorganic material that generates and accumulates a corresponding charge. In this case, a MOS circuit for reading a signal corresponding to the charge accumulated in the charge accumulation region of the inorganic photoelectric conversion unit is provided in the silicon substrate 41, and the wiring 55 may be connected to this MOS circuit. .

このように、第一実施形態及び第二実施形態で述べた、光電変換層をシリコン基板上に複数積層する構成は、図8のような構成によって実現できる。   As described above, the configuration in which a plurality of photoelectric conversion layers are stacked on the silicon substrate described in the first embodiment and the second embodiment can be realized by the configuration shown in FIG.

以上の説明において、B光を吸収する光電変換膜とは、少なくとも400〜500nmの光を吸収することができ、好ましくはその波長域でのピ−ク波長の吸収率が50%以上であるものを意味する。G光を吸収する光電変換膜とは、少なくとも500〜600nmの光を吸収することができ、好ましくはその波長域でのピ−ク波長の吸収率が50%以上であることを意味する。R光を吸収する光電変換膜とは、少なくとも600〜700nmの光を吸収することができ、好ましくはその波長域でのピ−ク波長の吸収率が50%以上であることを意味する。   In the above description, the photoelectric conversion film that absorbs B light can absorb light of at least 400 to 500 nm, and preferably has a peak wavelength absorptance of 50% or more in that wavelength region. Means. The photoelectric conversion film that absorbs G light means that it can absorb light of at least 500 to 600 nm, and preferably has a peak wavelength absorptance of 50% or more in that wavelength region. The photoelectric conversion film that absorbs R light means that it can absorb at least light of 600 to 700 nm, and preferably has an absorption factor of a peak wavelength in the wavelength region of 50% or more.

第一実施形態や第三実施形態のような構成の場合は、上層からBGR、BRG、GBR、GRB、RBG、RGBという順序で色を検出するパターンが考えられる。好ましくは最上層がGである。また、第二実施形態のような構成の場合は、上層がR層の場合は下層が同一平面状にBG層、上層がB層の場合は下層が同一平面状にGR層、上層がG層の場合は下層が同一平面状にBR層といった組み合わせが可能である。好ましくは上層がG層で下層が同一平面状にBR層である図7のような構成である。   In the case of the configuration of the first embodiment or the third embodiment, a pattern for detecting colors in the order of BGR, BRG, GBR, GRB, RBG, and RGB from the upper layer is conceivable. Preferably, the uppermost layer is G. In the case of the configuration as in the second embodiment, when the upper layer is the R layer, the lower layer is the same BG layer, and when the upper layer is the B layer, the lower layer is the same plane and the upper layer is the G layer. In the case of (2), a combination in which the lower layer is the same plane and the BR layer is possible. Preferably, the upper layer is the G layer and the lower layer is the same plane as the BR layer as shown in FIG.

尚、第一実施形態〜第三実施形態において、光電変換膜以外の光電変換部からの信号の読み出しは、正孔と電子のどちらを用いても構わない。つまり、上述してきたように、半導体基板とその上に積層される光電変換部との間に設けられる無機光電変換部や、半導体基板内に形成されるフォトダイオードにて正孔を蓄積し、この正孔に応じた信号を信号読み出し部によって読み出す構成としても良いし、無機光電変換部や半導体基板内に形成されるフォトダイオードにて電子を蓄積し、この電子に応じた信号を信号読み出し部によって読み出す構成としても良い。   In addition, in 1st embodiment-3rd embodiment, reading of the signal from photoelectric conversion parts other than a photoelectric converting film may use either a hole or an electron. That is, as described above, holes are accumulated in the inorganic photoelectric conversion unit provided between the semiconductor substrate and the photoelectric conversion unit stacked on the semiconductor substrate, or in the photodiode formed in the semiconductor substrate. It is good also as a structure which reads the signal according to a hole with a signal read-out part, accumulate | stores an electron with an inorganic photoelectric conversion part or the photodiode formed in a semiconductor substrate, and the signal according to this electron is read with a signal read-out part. It is good also as a structure to read.

(第四実施形態)
本実施形態では、以上で説明した光電変換部の光入射側の電極である第二電極膜と、第二電極膜で捕集された電子を蓄積する半導体基板内に形成されたn+領域とを、具体的にどのようにして電気的に接続するかを、図9〜12の製造工程図を用いて説明する。図9〜図12は、固体撮像素子の製造工程を示す図であり、各図の右側の図は平面図、左側の図は、右側の平面図を図中の下から上方向に向かって見たときの断面図である。
(Fourth embodiment)
In this embodiment, the second electrode film that is the electrode on the light incident side of the photoelectric conversion unit described above and the n + region formed in the semiconductor substrate that accumulates the electrons collected by the second electrode film are provided. The specific electrical connection will be described with reference to the manufacturing process diagrams of FIGS. 9 to 12 are diagrams showing the manufacturing process of the solid-state imaging device. The right side of each figure is a plan view, and the left side is a plan view of the right side as viewed from the bottom to the top in the figure. FIG.

まず、n+領域や信号読出し部等が形成されたSi基板71上に透明な絶縁膜72を形成し、n+領域上方の絶縁膜72に開口を形成し、この開口内に第二電極膜とn+領域を電気的に接続するための接続電極73を形成する。そして、金属73上にパッド74を形成して図9(a)のような状態を得る。次に、パッド74及び絶縁膜72上に透明な絶縁膜75を形成し(図9(b))、絶縁膜75上に第一電極膜76を形成する(図9(c))。次に、第一電極膜76をフォトリソグラフィによってパターニングし、第一電極膜76の少なくともパッド74上方に開口を形成する(図10(d)、図10(d’))。次に、絶縁膜75及び第一電極膜76上に光電変換層77を形成し、光電変換層77上に第二電極膜78を形成し、第二電極膜78上にハードマスクとなる透明な絶縁膜79を形成する(図10(e))。なお、絶縁膜79をハードマスクとせずに、第一電極膜76をハードマスクとして利用しても構わない。次に、光電変換層77、第一電極膜78、及び絶縁膜78をパーニングし、これらの少なくともパッド74上方に開口を形成し(図11(f))、この開口を埋めるように透明な絶縁膜80を形成する(図11(g))。次に、絶縁膜80をパターニングして、第一電極膜78の一部の上方と、パッド74上方とに開口81,82を形成し(図11(h))、開口81,82を埋めるように接続電極83を形成し(図12(i))、接続電極83をパターニングして図12(j)の状態を得る。   First, a transparent insulating film 72 is formed on a Si substrate 71 on which an n + region, a signal readout unit, and the like are formed, an opening is formed in the insulating film 72 above the n + region, and the second electrode film and the n + are formed in the opening. A connection electrode 73 for electrically connecting the regions is formed. Then, a pad 74 is formed on the metal 73 to obtain a state as shown in FIG. Next, a transparent insulating film 75 is formed on the pad 74 and the insulating film 72 (FIG. 9B), and a first electrode film 76 is formed on the insulating film 75 (FIG. 9C). Next, the first electrode film 76 is patterned by photolithography to form an opening at least above the pad 74 of the first electrode film 76 (FIGS. 10D and 10D ′). Next, a photoelectric conversion layer 77 is formed on the insulating film 75 and the first electrode film 76, a second electrode film 78 is formed on the photoelectric conversion layer 77, and a transparent mask serving as a hard mask is formed on the second electrode film 78. An insulating film 79 is formed (FIG. 10E). Note that the first electrode film 76 may be used as a hard mask without using the insulating film 79 as a hard mask. Next, the photoelectric conversion layer 77, the first electrode film 78, and the insulating film 78 are panned, and an opening is formed at least above the pad 74 (FIG. 11 (f)), and transparent insulation is performed so as to fill the opening. A film 80 is formed (FIG. 11G). Next, the insulating film 80 is patterned to form openings 81 and 82 above a part of the first electrode film 78 and above the pad 74 (FIG. 11H) so as to fill the openings 81 and 82. A connection electrode 83 is formed (FIG. 12I), and the connection electrode 83 is patterned to obtain the state of FIG.

以上説明した固体撮像素子は、デジタルカメラ、ビデオカメラ、ファクシミリ、スキャナー、複写機をはじめとする撮像素子に適用できる。バイオや化学センサーなどの光センサーとしても利用可能である。   The solid-state imaging device described above can be applied to imaging devices such as digital cameras, video cameras, facsimile machines, scanners, and copying machines. It can also be used as an optical sensor such as a bio or chemical sensor.

また、以上の実施形態で説明した絶縁膜として挙げられる材料は、SiOx、SiNx、BSG、PSG、BPSG、Al2O3、MgO、GeO、NiO、CaO、BaO、Fe2O3、Y2O3、TiO2等の金属酸化物、MgF2、LiF、AlF3、CaF2等の金属フッ化物等であるが、最も好ましい材料はSiOx、SiNx、BSG、PSG、BPSGである。
Further, the materials mentioned as the insulating film described in the above embodiment are SiOx, SiNx, BSG, PSG, BPSG, Al 2 O 3 , MgO, GeO, NiO, CaO, BaO, Fe 2 O 3 , Y 2 O. 3 , metal oxides such as TiO 2 , metal fluorides such as MgF 2 , LiF, AlF 3 , and CaF 2 , and the most preferred materials are SiOx, SiNx, BSG, PSG, and BPSG.

一対の電極膜と、これによって挟まれた光電変換膜とを含む光電変換部の構成例を示す図The figure which shows the structural example of the photoelectric conversion part containing a pair of electrode film and the photoelectric conversion film pinched | interposed by this 図1に示す光電変換部のキナクリドンにおける光の吸収率のシミュレーションデータを示す図The figure which shows the simulation data of the light absorption rate in the quinacridone of the photoelectric conversion part shown in FIG. 図1に示す光電変換部の外部量子効率の測定結果を示す図The figure which shows the measurement result of the external quantum efficiency of the photoelectric conversion part shown in FIG. 図1に示す光電変換部の外部量子効率の測定結果を示す図The figure which shows the measurement result of the external quantum efficiency of the photoelectric conversion part shown in FIG. 本発明の第一実施形態を説明するための固体撮像素子の1画素分の断面模式図1 is a schematic cross-sectional view of one pixel of a solid-state image sensor for explaining a first embodiment of the present invention. 図5に示す光電変換層の断面模式図Cross-sectional schematic diagram of the photoelectric conversion layer shown in FIG. 本発明の第二実施形態を説明するための固体撮像素子の1画素分の断面模式図Sectional schematic diagram for 1 pixel of the solid-state image sensor for demonstrating 2nd embodiment of this invention 本発明の第三実施形態を説明するための固体撮像素子の1画素分の断面模式図Sectional schematic diagram for 1 pixel of the solid-state image sensor for demonstrating 3rd embodiment of this invention 固体撮像素子の製造工程を示す図The figure which shows the manufacturing process of a solid-state image sensor 固体撮像素子の製造工程を示す図The figure which shows the manufacturing process of a solid-state image sensor 固体撮像素子の製造工程を示す図The figure which shows the manufacturing process of a solid-state image sensor 固体撮像素子の製造工程を示す図The figure which shows the manufacturing process of a solid-state image sensor

符号の説明Explanation of symbols

1 p型シリコン基板(半導体基板)
2、4 n型半導体領域
6 高濃度n型半導体領域(電子蓄積部)
3、5 p型半導体領域
7、8、15 絶縁膜
9 接続部
10 配線
11 第一電極膜
12 光電変換層
13 第二電極膜
14 遮光膜
1 p-type silicon substrate (semiconductor substrate)
2, 4 n-type semiconductor region 6 High-concentration n-type semiconductor region (electron storage part)
3, 5 p-type semiconductor regions 7, 8, 15 Insulating film 9 Connection portion 10 Wiring 11 First electrode film 12 Photoelectric conversion layer 13 Second electrode film 14 Light shielding film

Claims (22)

第一電極膜と、前記第一電極膜に対向する第二電極膜と、前記第一電極膜と前記第二電極膜の間に配置される光電変換膜とを含む光電変換部を有する光電変換素子であって、
前記第二電極膜上方から前記光電変換膜に光が入射されるものであり、
前記光電変換膜は、前記第二電極膜上方からの入射光に応じて電子と正孔を含む電荷を発生するものであり、
前記第二電極膜を前記電子の取り出し用の電極とした光電変換素子。
Photoelectric conversion having a photoelectric conversion part including a first electrode film, a second electrode film facing the first electrode film, and a photoelectric conversion film disposed between the first electrode film and the second electrode film An element,
Light is incident on the photoelectric conversion film from above the second electrode film,
The photoelectric conversion film generates charges including electrons and holes in response to incident light from above the second electrode film,
A photoelectric conversion element using the second electrode film as an electrode for extracting electrons.
請求項1記載の光電変換素子であって、
前記光電変換膜が、前記第一電極膜近傍よりも前記第二電極膜近傍の方が前記電子と前記正孔をより多く発生する光電変換素子。
The photoelectric conversion element according to claim 1,
The photoelectric conversion element in which the photoelectric conversion film generates more electrons and holes in the vicinity of the second electrode film than in the vicinity of the first electrode film.
請求項1又は2記載の光電変換素子であって、
前記光電変換膜が有機材料を含んで構成される光電変換素子。
The photoelectric conversion element according to claim 1, wherein
A photoelectric conversion element in which the photoelectric conversion film includes an organic material.
請求項3記載の光電変換素子であって、
前記有機材料が有機p型半導体及び有機n型半導体の少なくとも一方を含む光電変換素子。
The photoelectric conversion element according to claim 3,
A photoelectric conversion element in which the organic material includes at least one of an organic p-type semiconductor and an organic n-type semiconductor.
請求項4記載の光電変換素子であって、
前記有機p型半導体及び前記有機n型半導体が、それぞれキナクリドン誘導体、ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、及びフルオランテン誘導体のいずれかを含む光電変換素子。
The photoelectric conversion element according to claim 4,
The photoelectric conversion element in which the organic p-type semiconductor and the organic n-type semiconductor each include any of a quinacridone derivative, a naphthalene derivative, an anthracene derivative, a phenanthrene derivative, a tetracene derivative, a pyrene derivative, a perylene derivative, and a fluoranthene derivative.
請求項1〜5のいずれか記載の光電変換素子であって、
前記第一電極膜が、ITO、IZO、ZnO2、SnO2、TiO2、FTO、Al、Ag、又はAuである光電変換素子。
It is a photoelectric conversion element in any one of Claims 1-5, Comprising:
The first electrode film, ITO, IZO, ZnO 2, SnO 2, TiO 2, FTO, Al, Ag, or the photoelectric conversion element is Au.
請求項1〜6のいずれか記載の光電変換素子であって、
前記第二電極膜が、ITO、IZO、ZnO2、SnO2、TiO2、FTO、Al、Ag、又はAuである光電変換素子。
It is a photoelectric conversion element in any one of Claims 1-6, Comprising:
The second electrode film, ITO, IZO, ZnO 2, SnO 2, TiO 2, FTO, Al, Ag, or the photoelectric conversion element is Au.
請求項1〜6のいずれか記載の光電変換素子であって、
前記第二電極膜が、ITO、IZO、ZnO2、SnO2、TiO2、又はFTOであり、
前記光電変換部が、前記光電変換膜と前記第二電極膜との間に、仕事関数4.5eV以下の金属からなる膜を有する光電変換素子。
It is a photoelectric conversion element in any one of Claims 1-6, Comprising:
The second electrode film is ITO, IZO, ZnO 2 , SnO 2 , TiO 2 , or FTO;
The photoelectric conversion element in which the photoelectric conversion unit includes a film made of a metal having a work function of 4.5 eV or less between the photoelectric conversion film and the second electrode film.
請求項1〜8のいずれか記載の光電変換素子であって、
前記第二電極膜の可視光に対する透過率が60%以上である光電変換素子。
It is a photoelectric conversion element in any one of Claims 1-8, Comprising:
The photoelectric conversion element whose transmittance | permeability with respect to visible light of said 2nd electrode film is 60% or more.
請求項1〜9のいずれか記載の光電変換素子であって、
前記第一電極膜の可視光に対する透過率が60%以上である光電変換素子。
It is a photoelectric conversion element in any one of Claims 1-9, Comprising:
The photoelectric conversion element whose transmittance | permeability with respect to visible light of said 1st electrode film is 60% or more.
請求項1〜10のいずれか記載の光電変換素子であって、
前記第一電極膜と前記第二電極膜は、前記第二電極膜に前記電子が移動し、前記第一電極膜に前記正孔が移動するように電圧が印加されるものであり、
前記第一電極膜下方に設けられた半導体基板と、
前記半導体基板内に形成され、前記第二電極膜に移動された前記電子を蓄積するための電子蓄積部と、
前記電子蓄積部と前記第二電極膜とを電気的に接続する接続部とを備える光電変換素子。
It is a photoelectric conversion element in any one of Claims 1-10,
In the first electrode film and the second electrode film, a voltage is applied so that the electrons move to the second electrode film and the holes move to the first electrode film,
A semiconductor substrate provided below the first electrode film;
An electron storage section for storing the electrons formed in the semiconductor substrate and moved to the second electrode film;
A photoelectric conversion element provided with the connection part which electrically connects the said electron storage part and said 2nd electrode film.
請求項11記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換部が、前記第一電極膜と前記光電変換膜との間に、有機高分子材料からなる膜を有する光電変換素子。
The solid-state imaging device according to claim 11,
The photoelectric conversion element in which the photoelectric conversion unit includes a film made of an organic polymer material between the first electrode film and the photoelectric conversion film.
請求項11又は12記載の光電変換素子であって、
前記光電変換膜下方の前記半導体基板内に、前記光電変換膜を透過した光を吸収し、該光に応じた電荷を発生してこれを蓄積する基板内光電変換部を備える光電変換素子。
The photoelectric conversion element according to claim 11 or 12,
A photoelectric conversion element including an in-substrate photoelectric conversion unit that absorbs light transmitted through the photoelectric conversion film in the semiconductor substrate below the photoelectric conversion film, generates a charge corresponding to the light, and accumulates the charge.
請求項13記載の光電変換素子であって、
前記基板内光電変換部が、前記半導体基板内に積層されたそれぞれ異なる色の光を吸収する複数のフォトダイオードである光電変換素子。
The photoelectric conversion element according to claim 13,
The photoelectric conversion element in which the photoelectric conversion part in the substrate is a plurality of photodiodes that absorb light of different colors stacked in the semiconductor substrate.
請求項13記載の光電変換素子であって、
前記基板内光電変換部が、前記半導体基板内の前記入射光の入射方向に対して垂直な方向に配列されたそれぞれ異なる色の光を吸収する複数のフォトダイオードである光電変換素子。
The photoelectric conversion element according to claim 13,
The photoelectric conversion element in which the in-substrate photoelectric conversion unit is a plurality of photodiodes that absorb light of different colors arranged in a direction perpendicular to the incident direction of the incident light in the semiconductor substrate.
請求項14記載の光電変換素子であって、
前記複数のフォトダイオードが、青色の光を吸収可能な位置にpn接合面が形成された青色用フォトダイオードと、赤色の光を吸収可能な位置にpn接合面が形成された赤色用フォトダイオードであり、
前記光電変換膜が緑色の光を吸収するものである光電変換素子。
The photoelectric conversion element according to claim 14,
The plurality of photodiodes are a blue photodiode having a pn junction surface formed at a position capable of absorbing blue light, and a red photodiode having a pn junction surface formed at a position capable of absorbing red light. Yes,
A photoelectric conversion element in which the photoelectric conversion film absorbs green light.
請求項15記載の光電変換素子であって、
前記複数のフォトダイオードが、青色の光を吸収する青色用フォトダイオードと、赤色の光を吸収する赤色用フォトダイオードであり、
前記光電変換膜が緑色の光を吸収するものである光電変換素子。
The photoelectric conversion element according to claim 15,
The plurality of photodiodes are a blue photodiode that absorbs blue light and a red photodiode that absorbs red light,
A photoelectric conversion element in which the photoelectric conversion film absorbs green light.
請求項10〜17のいずれか記載の光電変換素子であって、
前記半導体基板上方に、前記光電変換部が複数積層されており、
前記複数の光電変換部毎に前記電子蓄積部と前記接続部が設けられる光電変換素子。
The photoelectric conversion element according to any one of claims 10 to 17,
A plurality of the photoelectric conversion units are stacked above the semiconductor substrate,
A photoelectric conversion element in which the electron storage unit and the connection unit are provided for each of the plurality of photoelectric conversion units.
請求項10〜18のいずれか記載の光電変換素子であって、
前記半導体基板と該半導体基板の直近にある前記第一電極膜との間に、該第一電極膜を透過した光を吸収して、該光に応じた電荷を発生しこれを蓄積する無機材料からなる無機光電変換部を備える光電変換素子。
The photoelectric conversion element according to claim 10, wherein
An inorganic material that absorbs light transmitted through the first electrode film between the semiconductor substrate and the first electrode film in the immediate vicinity of the semiconductor substrate, generates a charge corresponding to the light, and accumulates it A photoelectric conversion element provided with the inorganic photoelectric conversion part which consists of.
請求項10〜18のいずれか記載の光電変換素子をアレイ状に多数配置した固体撮像素子であって、
前記多数の光電変換素子の各々の前記半導体基板内に蓄積された前記電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し部を備える固体撮像素子。
A solid-state imaging device in which a large number of photoelectric conversion devices according to claim 10 are arranged in an array,
A solid-state imaging device including a signal reading unit that reads a signal corresponding to the electric charge accumulated in the semiconductor substrate of each of the multiple photoelectric conversion elements.
請求項19記載の光電変換素子をアレイ状に多数配置した固体撮像素子であって、
前記多数の光電変換素子の各々の前記半導体基板内に蓄積された前記電荷に応じた信号と、前記無機光電変換部に蓄積された電荷に応じた信号とを読み出す信号読み出し部を備える固体撮像素子。
A solid-state imaging device in which a large number of photoelectric conversion devices according to claim 19 are arranged in an array,
A solid-state imaging device including a signal reading unit that reads a signal corresponding to the charge accumulated in the semiconductor substrate of each of the multiple photoelectric conversion elements and a signal corresponding to the charge accumulated in the inorganic photoelectric conversion unit .
請求項20又は21記載の固体撮像素子であって、
前記光電変換素子に含まれる前記光電変換膜及び前記第一電極膜が、前記多数の光電変換素子全体で共通化されており、
前記光電変換素子に含まれる前記第二電極膜が、前記多数の光電変換素子毎に分離されている固体撮像素子。
The solid-state imaging device according to claim 20 or 21,
The photoelectric conversion film and the first electrode film included in the photoelectric conversion element are shared by the entire large number of photoelectric conversion elements,
A solid-state imaging device in which the second electrode film included in the photoelectric conversion device is separated for each of the plurality of photoelectric conversion devices.
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