JP2007088440A - Photoelectric conversion device and imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光電変換層の上部に透明電極を有する固体撮像素子に関するものであり、高感度でノイズが少なく、かつ歩留まりが高い固体撮像素子を提供する。 The present invention relates to a solid-state imaging device having a transparent electrode above a photoelectric conversion layer, and provides a solid-state imaging device with high sensitivity, low noise, and high yield.
光電変換部の上に透明電極を形成した光電変換素子においては、光電変換部内に入射する光の絶対量を増加させ、光電変換後のキャリア読み出しの効率を上げるために、これまで該透明電極の透過率はより高いものが求められてきた。そのような高透過率と低抵抗値を考えた場合、一般に、透明導電性酸化物(TCO)薄膜が好ましいと考えられる。TCO透明電極の形成は、一般にスパッタ法などにより行われるが、その場合、Al電極などに比較して、短絡部の増加が原因と思われるリーク電流の増大が生じやすく、S/Nの悪化、性能のばらつき、場合によっては完全にDCショートが生じて素子が駆動しない、などの問題が生じる。
通常、透明導電性酸化物薄膜をスパッタ等で有機膜上に成膜する場合、有機膜へのダメージを低減するために、金属層、あるいは特定の有機物層を保護層として有機膜上に薄く積層させる方法が知られている。これにより、リーク電流の増大を減じさせる事ができる場合があるが、このような保護層の導入は、そのデバイスの他の性能を劣化させる要因となる場合があった。
特開平5−299682号公報は光起電力素子に関するものであるが、透明電極の好ましい厚みが1〜1000nmであるとの記載があるのみで透明導電性薄膜の膜厚と光電変換薄膜厚との比率に付いては一切記載がない。又特開2003−332551号公報は積層型固体撮像素子に関するものであり、基体上の光電変換膜の上に形成された光入射側の電極としてはAg電極80nmの例が記載されているが、この場合、膜自体の光透過率は低く透明電極とは言えず、開口部を設ける事で光入射を行っており、光電変換膜とその上部に積層された光入射可能な透明導電性膜の厚み、比率についての記述はない。
In a photoelectric conversion element in which a transparent electrode is formed on a photoelectric conversion unit, in order to increase the absolute amount of light incident on the photoelectric conversion unit and increase the efficiency of carrier reading after photoelectric conversion, A higher transmittance has been demanded. In view of such high transmittance and low resistance value, it is generally considered that a transparent conductive oxide (TCO) thin film is preferable. The TCO transparent electrode is generally formed by a sputtering method or the like. In that case, compared with an Al electrode or the like, an increase in leakage current, which is thought to be caused by an increase in the short-circuited portion, easily occurs, and the S / N deteriorates. There arises problems such as variations in performance, and in some cases, DC short-circuiting occurs and the device does not drive.
Normally, when a transparent conductive oxide thin film is formed on an organic film by sputtering or the like, a metal layer or a specific organic layer is thinly laminated on the organic film as a protective layer in order to reduce damage to the organic film. The method of making it known is known. This may reduce the increase in leakage current, but the introduction of such a protective layer may cause other performance degradation of the device.
Japanese Patent Laid-Open No. 5-299682 relates to a photovoltaic device, but only there is a description that the preferred thickness of the transparent electrode is 1 to 1000 nm. There is no description about the ratio. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-332551 relates to a stacked solid-state imaging device, and an example of an Ag electrode of 80 nm is described as a light incident side electrode formed on a photoelectric conversion film on a substrate. In this case, the light transmittance of the film itself is low and it cannot be said that it is a transparent electrode. Light is incident by providing an opening, and a photoelectric conversion film and a transparent conductive film capable of entering light laminated on the photoelectric conversion film are formed. There is no description about thickness and ratio.
上部透明電極を有する固体撮像素子について、暗電流の増大、歩留まりの悪化、素子性能のばらつきを改善する。 For a solid-state imaging device having an upper transparent electrode, an increase in dark current, deterioration in yield, and variation in device performance are improved.
本発明は下記の手段により、解決された。
(1) 基体上に導電性薄膜、光電変換膜、透明導電性薄膜の順に積層されてなる光電変換素子において、該透明導電性薄膜の膜厚が該光電変換膜厚みの1/5以下であることを特徴とする光電変換素子。
(2) 前記透明導電性薄膜の膜厚が光電変換膜厚みの1/10以下であることを特徴とする(1)に記載の光電変換素子。
(3) 基体上に導電性薄膜、光電変換膜、透明導電性薄膜の順に積層されてなる光電変換素子において、該透明導電性薄膜の膜厚が5nm以上30nm以下であることを特徴とする光電変換素子。
(4) 前記光電変換膜の膜厚が350nm以下であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の光電変換素子。
(5) 前記透明導電性薄膜が透明導電性酸化物からなることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の光電変換素子。
(6) 前記透明導電性薄膜の光透過率が光波長400〜700nmの範囲で75%以上であることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の光電変換素子。
(7) 前記透明導電性薄膜のシート抵抗が100Ω/□以上10000Ω/□以下であることを特徴とする(1)〜(6)のいずれかに記載の光電変換素子。
(8) 前記透明導電性薄膜がプラズマフリーな方法で成膜されることを特徴とする(1)〜(7)のいずれかに記載の光電変換素子。
(9) 前記光電変換膜に、顔料系材料層が含まれることを特徴とする(1)〜(8)のいずれかに記載の光電変換素子。
(10) 前記顔料系材料層の膜厚が75nm以上であることを特徴とする(9)に記載の光電変換素子。
(11) 前記顔料系材料層の膜厚が100nm以上であることを特徴とする(9)または(10)に記載の光電変換素子。
(12) 半導体基板内に無機光電変換膜を有し、該無機光電変換膜の上方に(1)〜(11)のいずれかに記載の光電変換膜を積層してなる光電変換素子。
(13) (1)〜(12)のいずれかに記載の光電変換素子を有する撮像素子。
The present invention has been solved by the following means.
(1) In a photoelectric conversion element in which a conductive thin film, a photoelectric conversion film, and a transparent conductive thin film are laminated in this order on a substrate, the thickness of the transparent conductive thin film is 1/5 or less of the thickness of the photoelectric conversion film. The photoelectric conversion element characterized by the above-mentioned.
(2) The photoelectric conversion element according to (1), wherein the thickness of the transparent conductive thin film is 1/10 or less of the thickness of the photoelectric conversion film.
(3) In a photoelectric conversion element in which a conductive thin film, a photoelectric conversion film, and a transparent conductive thin film are laminated in this order on a substrate, the thickness of the transparent conductive thin film is 5 nm to 30 nm. Conversion element.
(4) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (3), wherein the photoelectric conversion film has a thickness of 350 nm or less.
(5) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (4), wherein the transparent conductive thin film is made of a transparent conductive oxide.
(6) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (5), wherein the light transmittance of the transparent conductive thin film is 75% or more in a light wavelength range of 400 to 700 nm.
(7) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (6), wherein a sheet resistance of the transparent conductive thin film is 100Ω / □ or more and 10000Ω / □ or less.
(8) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (7), wherein the transparent conductive thin film is formed by a plasma-free method.
(9) The photoelectric conversion element according to any one of (1) to (8), wherein the photoelectric conversion film includes a pigment-based material layer.
(10) The photoelectric conversion element according to (9), wherein the thickness of the pigment-based material layer is 75 nm or more.
(11) The photoelectric conversion element according to (9) or (10), wherein the thickness of the pigment-based material layer is 100 nm or more.
(12) A photoelectric conversion element comprising an inorganic photoelectric conversion film in a semiconductor substrate, and the photoelectric conversion film according to any one of (1) to (11) laminated on the inorganic photoelectric conversion film.
(13) An imaging device having the photoelectric conversion device according to any one of (1) to (12).
本発明により、光電変換素子を高感度、低ノイズにし、さらに素子の歩留まりを上げる事ができる。 According to the present invention, the photoelectric conversion element can be made highly sensitive and have low noise, and the yield of the element can be increased.
基体上に導電性薄膜、光電変換膜、透明導電性薄膜の順に積層されてなる光電変換素子において、透明導電性薄膜の厚みが、光電変換膜厚みの1/5以下、好ましくは1/10以下であるような光電変換素子が本発明の特徴である。
本発明では光電変換膜とはn型半導体、p型半導体のような半導体からなる層、及び電荷輸送層を含む、対向電極(好ましくは透明導電性薄膜)と画素電極(好ましくは導電性薄膜)に挟まれた膜を意味する。本発明の光電変換膜の膜厚は350nm以下が好ましく、300nm以下がより好ましく、200nm以下がより好ましい。
In a photoelectric conversion element in which a conductive thin film, a photoelectric conversion film, and a transparent conductive thin film are laminated on a substrate in this order, the thickness of the transparent conductive thin film is 1/5 or less, preferably 1/10 or less of the thickness of the photoelectric conversion film. Such a photoelectric conversion element is a feature of the present invention.
In the present invention, the photoelectric conversion film includes an n-type semiconductor, a layer made of a semiconductor such as a p-type semiconductor, and a charge transport layer, and a counter electrode (preferably a transparent conductive thin film) and a pixel electrode (preferably a conductive thin film). It means a film sandwiched between. The film thickness of the photoelectric conversion film of the present invention is preferably 350 nm or less, more preferably 300 nm or less, and more preferably 200 nm or less.
透明導電性酸化物(TCO)などの透明導電性薄膜を光電変換膜上に積層した場合に生じる、リーク電流増大の原因の一つは、光電変換膜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、反対側の導電性薄膜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。本発明では、上記の現象、考察を踏まえて、透明導電性薄膜の膜厚を、光電変換膜の膜厚(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事を見出した。透明導電性薄膜の厚みは、光電変換膜厚みの1/5以下、好ましくは1/10以下(好ましくは、1/100以上)であるようにする事が望ましい。 One of the causes of increase in leakage current that occurs when a transparent conductive thin film such as a transparent conductive oxide (TCO) is laminated on the photoelectric conversion film is that fine cracks introduced into the photoelectric conversion film are caused by TCO or the like. This is considered to be due to coverage with the dense film and increased conduction between the conductive thin film on the opposite side. For this reason, in the case of an electrode having a poor film quality such as Al, an increase in leakage current hardly occurs. In the present invention, based on the above phenomena and considerations, the increase in leakage current is greatly increased by controlling the film thickness of the transparent conductive thin film with respect to the film thickness of the photoelectric conversion film (that is, the crack depth). It was found that it can be suppressed. The thickness of the transparent conductive thin film is desirably 1/5 or less, preferably 1/10 or less (preferably 1/100 or more) of the thickness of the photoelectric conversion film.
通常、導電性薄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、本発明の光電変換素子においては、シート抵抗は、好ましくは100Ω/□以上10000Ω/□以下でよく、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、5nm以上30nm以下であること、好ましくは5nm以上15nmm以下である事が望ましい。
前記透明導電性薄膜の光透過率が光波長400〜700nmの範囲で75%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましく、さらに好ましくは90%以上、特に好ましくは95%以上である。
本発明の効果は、より緻密な膜を透明導電性薄膜として適用した場合に顕著に表れる。透明導電性薄膜としては、高透過率、低抵抗率であることから、透明導電性酸化物(TCO)が好ましく考えられるが、一般に透明導電性酸化物(TCO)膜はAlなどの金属薄膜に対し緻密な膜が形成されるため、本発明の効果が顕著に表れる。
Usually, when the conductive thin film is made thinner than a certain range, the resistance value is rapidly increased. However, in the photoelectric conversion element of the present invention, the sheet resistance is preferably 100Ω / □ or more and 10000Ω / □ or less, and the film thickness is reduced. The degree of freedom in the range of film thickness that can be produced 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 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 5 nm or more and 30 nm or less, preferably 5 nm or more and 15 nm m or less. Things are desirable.
The light transmittance of the transparent conductive thin film is preferably 75% or more in the light wavelength range of 400 to 700 nm, more preferably 80% or more, still more preferably 90% or more, particularly preferably 95% or more. It is.
The effect of the present invention is noticeable when a denser film is applied as a transparent conductive thin film. As the transparent conductive thin film, a transparent conductive oxide (TCO) is preferably considered because of its high transmittance and low resistivity. Generally, the transparent conductive oxide (TCO) film is a metal thin film such as Al. On the other hand, since a dense film is formed, the effect of the present invention is remarkably exhibited.
本発明の効果は、クラックが入りやすいような、結晶性の膜(即ち粒界を有する層を含む膜)が含まれる光電変換膜に対して特に顕著である。光電変換膜として有機薄膜を適用する場合、顔料系材料が光電変換膜中に含まれると、本発明の効果は大きい。また、膜の不均一性が増すため、顔料系材料による膜厚が増すと、本発明の効果はさらに大きくなる。光吸収や十分な光電変換性能を有せさせるためには、ある範囲で顔料系材料の膜厚は厚い方が良く、好ましくは75nm以上、さらに好ましくは100nm以上(好ましくは1000nm以下)である。粒界は電子顕微鏡等で確かめられる。
顔料系材料としては、通常の顔料、即ち有機顔料、及び無機顔料が上げられ、水、有機溶媒にほとんど不溶の物質を言い、本発明では、上記のような結晶性の膜を形成する材料を意味する。また、水、有機溶媒に溶解する物質でも、固体状態で用いて結晶性の膜を形成する材料も含まれることとする。顔料系材料としては有機顔料が好ましく、有機顔料としては後記の色素、即ち、p型有機色素、又はn型有機色素のうちの顔料が好ましく用いられる。
The effect of the present invention is particularly remarkable for a photoelectric conversion film including a crystalline film (that is, a film including a layer having a grain boundary) that is easily cracked. When an organic thin film is applied as the photoelectric conversion film, the effect of the present invention is great if a pigment-based material is included in the photoelectric conversion film. Further, since the non-uniformity of the film increases, the effect of the present invention is further enhanced when the film thickness of the pigment-based material is increased. In order to have light absorption and sufficient photoelectric conversion performance, the film thickness of the pigment-based material should be thick within a certain range, preferably 75 nm or more, more preferably 100 nm or more (preferably 1000 nm or less). Grain boundaries can be confirmed with an electron microscope or the like.
Examples of the pigment-based material include ordinary pigments, that is, organic pigments and inorganic pigments, which are substances that are almost insoluble in water and organic solvents. In the present invention, a material that forms a crystalline film as described above is used. means. In addition, even a substance that dissolves in water or an organic solvent includes a material that is used in a solid state to form a crystalline film. As the pigment-based material, an organic pigment is preferable, and as the organic pigment, a pigment described later, that is, a p-type organic dye or an n-type organic dye is preferably used.
光電変換膜として有機膜を想定した場合、該透明導電性薄膜を通常のスパッタ法などで成膜すると、プラズマによるダメージにより、光電変換層の性能が劣化する場合がある。このため、透明導電性薄膜の成膜は、プラズマフリーな方法で成されることが好ましい。ここで、プラズマフリーとは、透明電極膜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。
透明電極膜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。
When an organic film is assumed as the photoelectric conversion film, if the transparent conductive thin film is formed by a normal sputtering method or the like, the performance of the photoelectric conversion layer may be deteriorated due to plasma damage. For this reason, it is preferable that the transparent conductive thin film is formed by a plasma-free method. Here, plasma free means that no plasma is generated during the formation of the transparent electrode film, 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 that reaches is reduced.
Examples of an apparatus that does not generate plasma during the formation of the transparent electrode film 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.
導電性薄膜および透明導電性薄膜成膜時の基板温度は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。 The substrate temperature during the formation of the conductive thin film and the transparent conductive thin film is preferably 500 ° C. or lower, more preferably 300 ° C. or lower, still more preferably 200 ° C. or lower, and further preferably 150 ° C. or lower.
本発明を満たす導電性薄膜および透明導電性薄膜の材料は、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、硫化銅などの透明導電性酸化物(TCO)、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、さらに好ましくはIn2O3系材料、またはZnO系材料であり、特に、生産性、高導電性、透明性等の点からITO、またはIZOが好ましい。 The material of the conductive thin film and the transparent conductive thin film satisfying the present invention is a conductive metal oxide such as tin oxide, zinc oxide, indium oxide and indium tin oxide (ITO), or a metal such as gold, silver, chromium and nickel. Furthermore, mixtures or laminates of these metals and conductive metal oxides, transparent conductive oxides (TCO) such as copper iodide and copper sulfide, organic conductive materials such as polyaniline, polythiophene and polypyrrole, silicon compounds and A laminate of these and ITO can be mentioned, preferably a conductive metal oxide, more preferably an In 2 O 3 -based material or a ZnO-based material, especially productivity, high conductivity, transparent From the viewpoint of properties, ITO or IZO is preferable.
(光電変換素子)
以下に本発明の光電変換素子について説明する。
本発明の光電変換素子は電磁波吸収/光電変換部位(導電性薄膜、光電変換膜、透明導電性薄膜を含む)と光電変換により生成した電荷の電荷蓄積/転送/読み出し部位よりなる。
本発明において電磁波吸収/光電変換部位は、少なくとも青光、緑光、赤光を各々吸収し光電変換することができる少なくとも2層の積層型構造を有する。青光吸収層(B)は少なくとも400nm以上500nm以下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−ク波長の吸収率は50%以上である。緑光吸収層(G)は少なくとも500nm以上600nm以下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−ク波長の吸収率は50%以上である。赤光吸収層(R)は少なくとも600nm以上700nm以下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−ク波長の吸収率は50%以上である。これらの層の序列はいずれの序列でも良く、3層積層型構造の場合は上層(光入射側)からBGR、BRG、GBR、GRB、RBG、RGBの序列が可能である。好ましくは最上層がGである。2層積層型構造の場合は上層が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層が形成される。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。このように下層の同一平面状に2つの光吸収層が設けられる場合には上層の上もしくは上層と下層の間に色分別できるフィルタ−層を例えばモザイク状に設けることが好ましい。場合により4層目以上の層を新たな層としてもしくは同一平面状に設けることが可能である。
(Photoelectric conversion element)
The photoelectric conversion element of the present invention will be described below.
The photoelectric conversion element of the present invention comprises an electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion site (including a conductive thin film, a photoelectric conversion film, and a transparent conductive thin film) and a charge accumulation / transfer / readout site for charges generated by photoelectric conversion.
In the present invention, the electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion site has a laminated structure of at least two layers capable of absorbing and photoelectrically converting at least blue light, green light, and red light. The blue light absorbing layer (B) can absorb light of at least 400 nm or more and 500 nm or less, and preferably the peak wavelength absorptance in the wavelength region is 50% or more. The green light absorbing layer (G) can absorb light of at least 500 nm to 600 nm, and preferably the peak wavelength absorptance in the wavelength region is 50% or more. The red light absorbing layer (R) can absorb light of at least 600 nm or more and 700 nm or less, and preferably has an absorptance of a peak wavelength in the wavelength region of 50% or more. The order of these layers may be any order, and in the case of a three-layer stacked structure, the order of BGR, BRG, GBR, GRB, RBG, and RGB is possible from the upper layer (light incident side). Preferably, the uppermost layer is G. In the case of a two-layer structure, when the upper layer is the R layer, the lower layer is the same BG layer, when the upper layer is the B layer, the lower layer is the same planar GR layer, and when the upper layer is the G layer, the lower layer is the same A BR layer is formed in a planar shape. Preferably, the upper layer is a G layer and the lower layer is a BR layer on the same plane. Thus, when two light absorption layers are provided on the same plane of the lower layer, it is preferable to provide, for example, a mosaic layer on the upper layer or a filter layer capable of color separation between the upper layer and the lower layer. In some cases, it is possible to provide a fourth layer or more as a new layer or in the same plane.
本発明における電荷蓄積/転送/読み出し部位は電磁波吸収/光電変換部位の下に設ける。下層の電磁波吸収/光電変換部位が電荷蓄積/転送/読み出し部位を兼ねることは好ましい。
本発明において電磁波吸収/光電変換部位は有機層または無機層または有機層と無機層の混合よりなる。有機層がB/G/R層を形成していても良いし無機層がB/G/R層を形成していても良い。好ましくは有機層と無機層の混合である。この場合、基本的には有機層が1層の時は無機層は1層または2層であり、有機層が2層の時は無機層は1層である。有機層と無機層が1層の場合には無機層が同一平面状に2色以上の電磁波吸収/光電変換部位を形成する。好ましくは上層が有機層でG層であり、下層が無機層で上からB層、R層の序列である。場合により4層目以上の層を新たな層として、もしくは同一平面状に設けることが可能である。有機層がB/G/R層を形成する場合には、その下に電荷蓄積/転送/読み出し部位を設ける。電磁波吸収/光電変換部位として無機層を用いる場合には、この無機層が電荷蓄積/転送/読み出し部位を兼ねる。
In the present invention, the charge accumulation / transfer / readout part is provided under the electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion part. It is preferable that the electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion site in the lower layer also serves as a charge storage / transfer / readout site.
In the present invention, the electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion site is composed of an organic layer, an inorganic layer, or a mixture of an organic layer and an inorganic layer. The organic layer may form a B / G / R layer, or the inorganic layer may form a B / G / R layer. A mixture of an organic layer and an inorganic layer is preferred. In this case, basically, when the organic layer is one layer, the inorganic layer is one or two layers, and when the organic layer is two layers, the inorganic layer is one layer. When the organic layer and the inorganic layer are one layer, the inorganic layer forms electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion sites of two or more colors on the same plane. Preferably, the upper layer is an organic layer and is a G layer, and the lower layer is an inorganic layer and is an order of B layer and R layer from the top. In some cases, it is possible to provide a fourth layer or more as a new layer or in the same plane. In the case where the organic layer forms a B / G / R layer, a charge accumulation / transfer / readout portion is provided thereunder. When an inorganic layer is used as the electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion site, this inorganic layer also serves as a charge accumulation / transfer / readout site.
(有機層)
本発明において有機層について説明する。本発明の有機層からなる電磁波吸収/光電変換部位は1対の電極に挟まれた有機層から成る。有機層は電磁波を吸収する部位、光電変換部位、電子輸送部位、正孔輸送部位、電子ブロッキング部位、正孔ブロッキング部位、結晶化防止部位、電極ならびに層間接触改良部位等の積み重ねもしくは混合から形成される。有機層は有機p型化合物または有機n型化合物を含有することが好ましい。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。
(Organic layer)
In the present invention, the organic layer will be described. The electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion site comprising the organic layer of the present invention comprises an organic layer sandwiched between a pair of electrodes. The organic layer is formed by stacking or mixing parts that absorb electromagnetic waves, photoelectric conversion parts, electron transport parts, hole transport parts, electron blocking parts, hole blocking parts, crystallization prevention parts, electrodes and interlayer contact improvement parts, etc. The The organic layer preferably contains an organic p-type compound or an organic n-type compound. 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。 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. There are various known ligands contained in the metal complex. For example, “Photochemistry and Photophysics of Coordination Compounds”, Springer-Verlag H. Examples include the ligands described in Yersin's 1987 issue, “Organometallic Chemistry-Fundamentals and Applications”, Akio Yamamoto's 1982 issue.
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。 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.
本発明においては、1対の電極間に、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(感光層)を含有する場合が好ましい。このような場合、光電変換膜において、有機層にバルクへテロ接合構造を含有させることにより有機層のキャリア拡散長が短いという欠点を補い、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。
本発明において、1対の電極間に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(感光層)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2〜10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。
In the present invention, a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are provided between a pair of electrodes, and at least one of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor is an organic semiconductor, and these semiconductor layers It is preferable to contain a photoelectric conversion film (photosensitive layer) having a bulk heterojunction structure layer containing the p-type semiconductor and the n-type semiconductor as an intermediate layer. In such a case, in the photoelectric conversion film, by incorporating a bulk heterojunction structure in the organic layer, the disadvantage that the carrier diffusion length of the organic layer is short can be compensated, and the photoelectric conversion efficiency can be improved. The bulk heterojunction structure is described in detail in Japanese Patent Application No. 2004-080639.
In the present invention, a photoelectric conversion film (photosensitive layer) 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 between a pair of electrodes ) Is preferable, and more preferably, a thin layer of a 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, and particularly preferably 2 to 10 in order to increase the photoelectric conversion efficiency. It is. Silver or gold is preferable as the conductive material, and silver is most preferable. The tandem structure is described in detail in Japanese Patent Application No. 2004-079930.
1対の電極間に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)を持つ光電変換膜において、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ことを特徴とする光電変換膜の場合が好ましく、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。光電変換膜の有機層に用いられる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、有機層全体に対して一部でも含めば良いが、好ましくは、有機層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、光電変換膜において、有機層の有機化合物の配向を制御することにより有機層のキャリア拡散長が短いという欠点を補い、光電変換効率を向上させるものである。 In a photoelectric conversion film having a p-type semiconductor layer, an n-type semiconductor layer (preferably a mixed / dispersed (bulk heterojunction structure) layer) between a pair of electrodes, at least one of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor In the case of a photoelectric conversion film characterized in that it includes an organic compound whose orientation is controlled in the direction, more preferably in the case where an organic compound whose orientation is controlled is included in both the p-type semiconductor and the n-type semiconductor. It is. As the organic compound used in the organic layer of the photoelectric conversion film, one having π-conjugated electrons is preferably used, but this π-electron plane is not perpendicular to the substrate (electrode substrate) but oriented at an angle close to parallel. The better it is. 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 organic layer, but preferably the proportion of the portion whose orientation is controlled with respect to the entire organic layer is 10% or more. More preferably, it is 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 for the shortcoming of the short carrier diffusion length of the organic layer by controlling the orientation of the organic compound in the organic layer in the photoelectric conversion film, and improves the photoelectric conversion efficiency.
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、有機層全体に対して一部でも含めば良い。好ましくは、有機層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、有機層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(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、本発明における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 organic layer. Preferably, the proportion of the portion where the orientation is controlled with respect to the entire organic layer is 10% or more, more preferably 30% or more, more preferably 50% or more, further preferably 70% or more, and particularly preferably 90%. Above, most preferably 100%. In such a case, the area of the heterojunction surface in the organic layer 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 (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 larger the thickness of the organic dye layer is, the more preferable, but considering the ratio that does not contribute to charge separation, the thickness of the organic dye layer in the present invention is preferably 30 nm to 300 nm, more preferably 50 nm or more. It is 250 nm or less, and particularly preferably 80 nm or more and 200 nm or less.
(有機層の形成法)
これらの有機化合物を含む層は、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。
p型半導体(化合物)、又は、n型半導体(化合物)のうち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、本発明において、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(1.33×10−2Pa)以下、好ましくは10−6Torr(1.33×10−4Pa)以下、特に好ましくは10−8Torr(1.33×10−6Pa)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。
(Formation method of organic layer)
The layer 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.
In the case of using a polymer compound as at least one of the p-type semiconductor (compound) or the n-type semiconductor (compound), it is preferable to form the film by a wet film forming method that is easy to create. 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, in the present invention, 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 higher the degree of vacuum is, preferably 10 −4 Torr (1.33 × 10 −2 Pa) or less, preferably 10 −6 Torr (1.33 × 10 −4 Pa) or less, particularly preferably 10 −8 Torr (1 .33 × 10 −6 Pa) or less, vacuum deposition is performed. 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.
(電極)
本発明の有機層からなる電磁波吸収/光電変換部位は1対の電極に挟まれており、各々が画素電極と対向電極を形成している。好ましくは下層が画素電極である。
対向電極は正孔輸送性光電変換膜または正孔輸送層から正孔を取り出すことが好ましい。
本発明以外の対向電極の材料としては、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。画素電極(本発明の導電性薄膜を含む)は電子輸送性光電変換層または電子輸送層から電子を取り出すことが好ましく、電子輸送性光電変換層、電子輸送層などの隣接する層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、またはIZOが好ましい。画素電極の膜厚は材料により適宜選択可能であるが、通常10nm以上1μm以下の範囲のものが好ましく、より好ましくは20nm以上500nm以下であり、更に好ましくは30nm以上300nm以下である。画素電極、本発明以外の対向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。
(electrode)
The electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion site made of the organic layer of the present invention is sandwiched between a pair of electrodes, each of which forms a pixel electrode and a counter electrode. The lower layer is preferably a pixel electrode.
The counter electrode preferably takes out holes from the hole transporting photoelectric conversion film or the hole transport layer.
As a material of the counter electrode other than the present invention, a metal, an alloy, a metal oxide, an electrically conductive compound, or a mixture thereof can be used. The pixel electrode (including the conductive thin film of the present invention) preferably takes out electrons from the electron-transporting photoelectric conversion layer or the electron-transporting layer, and has adhesion with adjacent layers such as the electron-transporting photoelectric conversion layer and the electron-transporting layer. And electron affinity, ionization potential, stability, etc. 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 or IZO is preferable from the viewpoint of productivity, high conductivity, transparency, and the like. Although the thickness of the pixel electrode can be appropriately selected depending on the material, it is usually preferably in the range of 10 nm to 1 μm, more preferably 20 nm to 500 nm, and still more preferably 30 nm to 300 nm. Various methods are used for manufacturing the pixel electrode and the counter electrode other than the present invention 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.), oxidation, etc. A film is formed by a method such as application of a dispersion of indium tin. In the case of ITO, UV-ozone treatment, plasma treatment, etc. can be performed.
本発明以外の透明電極膜もプラズマフリーで作製することが好ましい。プラズマフリーで透明電極膜を作成することで、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、透明電極膜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。
透明電極膜の成膜中にプラズマが発生しない装置としては、前記記載と同様の装置及び方法が適用できる。
It is preferable that the transparent electrode film other than the present invention is also produced without plasma. By creating a transparent electrode film free from 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 transparent electrode film, 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 that reaches is reduced.
As an apparatus in which plasma is not generated during the formation of the transparent electrode film, the same apparatus and method as described above can be applied.
本発明の有機電磁波吸収/光電変換部位の電極についてさらに詳細に説明する。有機層の光電変換膜は、画素電極膜、対向電極膜により挟まれ、電極間材料等を含むことができる。画素電極膜とは、電荷蓄積/転送/読み出し部位が形成された基板上方に作成された電極膜のことで、通常1ピクセルごとに分割される。これは、光電変換膜により変換された信号電荷を電荷蓄積/転送/信号読出回路基板上に1ピクセルごとに読み出すことで、画像を得るためである。
対向電極膜とは、光電変換膜を画素電極膜と共にはさみこむことで信号電荷と逆の極性を持つ信号電荷を吐き出す機能をもっている。この信号電荷の吐き出しは各画素間で分割する必要がないため、通常、対向電極膜は各画素間で共通にすることができる。そのため、共通電極膜(コモン電極膜)と呼ばれることもある。
光電変換膜は、画素電極膜と対向電極膜との間に位置する。光電変換機能は、この光電変換膜と画素電極膜及び対向電極膜により機能する。
光電変換膜積層の構成例としては、まず基板上に積層される有機層が一つの場合として、基板から画素電極膜(基本的に透明電極膜、本発明の導電性薄膜に相当)、光電変換膜(本発明の光電変換膜に相当)、対向電極膜(透明電極膜、本発明の透明導電性薄膜に相当)を順に積層した構成が挙げられるが、これに限定されるものではない。
さらに、基板上に積層される有機層が2つの場合、例えば、基板から画素電極膜(基本的に透明電極膜)、光電変換膜、対向電極膜(透明電極膜)、層間絶縁膜、画素電極膜(基本的に透明電極膜)、光電変換膜、対向電極膜(透明電極膜)を順に積層した構成が挙げられる。
The electrode of the organic electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion site of the present invention will be described in more detail. The photoelectric conversion film of the organic layer is sandwiched between the pixel electrode film and the counter electrode film, and can include an interelectrode material or the like. The pixel electrode film is an electrode film formed above the substrate on which the charge accumulation / transfer / read-out site is formed, and is usually divided for each pixel. This is to obtain an image by reading out the signal charges converted by the photoelectric conversion film on a charge storage / transfer / signal readout circuit substrate for each pixel.
The counter electrode film has a function of discharging a signal charge having a polarity opposite to that of the signal charge by sandwiching the photoelectric conversion film together with the pixel electrode film. Since the discharge of the signal charge does not need to be divided between the pixels, the counter electrode film can be commonly used between the pixels. Therefore, it may be called a common electrode film (common electrode film).
The photoelectric conversion film is located between the pixel electrode film and the counter electrode film. The photoelectric conversion function functions by the photoelectric conversion film, the pixel electrode film, and the counter electrode film.
As a configuration example of the photoelectric conversion film stacking, first, in the case where there is one organic layer stacked on the substrate, the pixel electrode film (basically a transparent electrode film, equivalent to the conductive thin film of the present invention) from the substrate, photoelectric conversion Although the structure which laminated | stacked the film | membrane (equivalent to the photoelectric converting film of this invention) and the counter electrode film | membrane (transparent electrode film | membrane, equivalent to the transparent conductive thin film of this invention) in order is mentioned, it is not limited to this.
Further, when there are two organic layers stacked on the substrate, for example, from the substrate to the pixel electrode film (basically a transparent electrode film), a photoelectric conversion film, a counter electrode film (transparent electrode film), an interlayer insulating film, a pixel electrode A configuration in which a film (basically a transparent electrode film), a photoelectric conversion film, and a counter electrode film (transparent electrode film) are stacked in order.
光電変換部位を構成する本発明以外の透明電極膜の材料も、本発明の透明導電性薄膜の材料と同様なものが用いられる。 As the material of the transparent electrode film other than the present invention constituting the photoelectric conversion site, the same material as the material of the transparent conductive thin film of the present invention is used.
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素子に含まれる光電変換膜の光電変換光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。また、透明電極膜の表面抵抗は、画素電極であるか対向電極であるか、さらには電荷蓄積/転送・読み出し部位がCCD構造であるかCMOS構造であるか等により好ましい範囲は異なる。対向電極に使用し電荷蓄積/転送/読み出し部位がCMOS構造の場合には10000Ω/□以下が好ましく、より好ましくは、1000Ω/□以下である。対向電極に使用し電荷蓄積/転送/読み出し部位がCCD構造の場合には1000Ω/□以下が好ましく、より好ましくは、100Ω/□以下である。画素電極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。 Particularly preferred as the 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, in the photoelectric conversion light absorption peak wavelength of the photoelectric conversion film included in the photoelectric conversion element including the transparent electrode film. It is 90% or more, more preferably 95% or more. The preferred range of the surface resistance of the transparent electrode film varies depending on whether it is a pixel electrode or a counter electrode, and whether the charge storage / transfer / read-out site is a CCD structure or a CMOS structure. When it is used for the counter electrode and the charge storage / transfer / readout part has a CMOS structure, it is preferably 10000Ω / □ or less, more preferably 1000Ω / □ or less. When it is used for the counter electrode and the charge storage / transfer / readout part has a CCD structure, it is preferably 1000Ω / □ or less, more preferably 100Ω / □ or less. When used for a pixel electrode, it is preferably 1000000 Ω / □ or less, more preferably 100000 Ω / □ or less.
本発明以外の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 at the time of forming the transparent electrode film other than the present invention will be described. The 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.
本発明の光電変換膜に電圧を印加した場合、光電変換効率が向上する点で好ましい。印加電圧としては、いかなる電圧でも良いが、光電変換膜の膜厚により必要な電圧は変わってくる。すなわち、光電変換効率は、光電変換膜に加わる電場が大きいほど向上するが、同じ印加電圧でも光電変換膜の膜厚が薄いほど加わる電場は大きくなる。従って、光電変換膜の膜厚が薄い場合は、印加電圧は相対的に小さくでも良い。光電変換膜に加える電場として好ましくは、10V/m以上であり、さらに好ましくは1×103V/m以上、さらに好ましくは1×105V/m以上、特に好ましくは1×106V/m以上、最も好ましくは1×107V/m以上である。上限は特にないが、電場を加えすぎると暗所でも電流が流れ好ましくないので、1×1012V/m以下が好ましく、さらに1×109V/m以下が好ましい。 When a voltage is applied to the photoelectric conversion film of the present invention, it is preferable in terms of improving the photoelectric conversion efficiency. The applied voltage may be any voltage, but the required voltage varies depending on the film thickness of the photoelectric conversion film. That is, the photoelectric conversion efficiency improves as the electric field applied to the photoelectric conversion film increases, but the applied electric field increases as the film thickness of the photoelectric conversion film decreases even at the same applied voltage. Therefore, when the photoelectric conversion film is thin, the applied voltage may be relatively small. The electric field applied to the photoelectric conversion film is preferably 10 V / m or more, more preferably 1 × 10 3 V / m or more, further preferably 1 × 10 5 V / m or more, and particularly preferably 1 × 10 6 V / m. m or more, most preferably 1 × 10 7 V / m or more. There is no particular upper limit, but if an electric field is applied too much, an electric current flows even in a dark place, which is not preferable, and is preferably 1 × 10 12 V / m or less, and more preferably 1 × 10 9 V / m or less.
(無機層)
電磁波吸収/光電変換部位としての無機層について説明する。この場合、上層の有機層を通過した光を無機層で光電変換することになる。無機層としては結晶シリコン、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。積層型構造として米国特許第5965875号に開示されている方法を採用することができる。すなわちシリコンの吸収係数の波長依存性を利用して積層された受光部を形成し、その深さ方向で色分離を行う構成である。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、前述した有機層を上層に用いることにより、すなわち有機層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。特に有機層にG層を配置すると有機層を透過する光はB光とR光になるために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。有機層がB層またはR層の場合でもシリコンの電磁波吸収/光電変換部位を深さ方向で適宜選択することにより顕著に色分離が改良される。有機層が2層の場合にはシリコンでの電磁波吸収/光電変換部位としての機能は基本的には1色で良く、好ましい色分離が達成できる。
(Inorganic layer)
The inorganic layer as the electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion site will be described. In this case, light passing through the upper organic layer is photoelectrically converted by the inorganic layer. 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. The method disclosed in US Pat. No. 5,965,875 can be adopted as the laminated structure. In other words, a stacked light receiving portion is formed using the wavelength dependence of the absorption coefficient of silicon, and color separation is performed in the depth direction. 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 above-described organic layer as an upper layer, that is, by detecting light transmitted through the organic layer in the depth direction of silicon. In particular, when the G layer is disposed in the organic layer, the light transmitted through the organic layer becomes B light and R light, so that the separation of light in the depth direction in silicon becomes only BR light, and color separation is improved. Even when the organic layer is a B layer or an R layer, color separation is remarkably improved by appropriately selecting the electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion site of silicon in the depth direction. When the organic layer has two layers, the function as an electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion site in silicon may be basically one color, and preferable color separation can be achieved.
無機層は好ましくは、半導体基板内の深さ方向に、画素毎に複数のフォトダイオードが重層され、前記複数のフォトダイオードに吸収される光によって各フォトダイオードに生じる信号電荷に応じた色信号を外部に読み出す構造である。好ましくは、前記複数のフォトダイオードは、B光を吸収する深さに設けられる第1のフォトダイオードと、R光を吸収する深さに設けられる第2のフォトダイオードの少なくとも1つとを含み、前記複数のフォトダイオードの各々に生じる前記信号電荷に応じた色信号を読み出す色信号読み出し回路を備えることが好ましい。この構成により、カラーフィルタを用いることなく色分離を行うことができる。又、場合によっては、負感度成分の光も検出することができるため、色再現性の良いカラー撮像が可能となる。又、本発明においては、前記第1のフォトダイオードの接合部は、前記半導体基板表面から約0.2μmまでの深さに形成され、前記第2のフォトダイオードの接合部は、前記半導体基板表面から約2μmまでの深さに形成されることが好ましい。 The inorganic layer is preferably formed by stacking a plurality of photodiodes for each pixel in the depth direction in the semiconductor substrate, and a color signal corresponding to a signal charge generated in each photodiode by light absorbed by the plurality of photodiodes. It is a structure that reads out to the outside. Preferably, the plurality of photodiodes include a first photodiode provided at a depth that absorbs B light and at least one of a second photodiode provided at a depth that absorbs R light, It is preferable to include a color signal readout circuit that reads out a color signal corresponding to the signal charge generated in each of the plurality of photodiodes. With this configuration, color separation can be performed without using a color filter. In some cases, light of a negative sensitivity component can also be detected, so that color imaging with good color reproducibility is possible. In the present invention, the junction portion of the first photodiode is formed to a depth of about 0.2 μm from the surface of the semiconductor substrate, and the junction portion of the second photodiode is the surface of the semiconductor substrate. To a depth of about 2 μm.
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。本発明では、単一の半導体基板内に、第1導電型の領域と、前記第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、前記第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受光素子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。
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。InGa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。
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 the present invention, a plurality of first conductivity type regions and second conductivity type regions opposite to the first conductivity type are alternately stacked in a single semiconductor substrate, and the first conductivity type is stacked. It is preferable to use a light receiving element in which each joint surface of the region of the mold and the second conductivity type is formed 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.
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 source material as InGa, can also be used as a short wavelength light receiving section in the same manner as the InGaN system. InAlP or InGaAlP lattice-matched to the GaAs substrate can also be used.
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。
有機層と無機層とは、どのような形態で結合されていてもよい。また、有機層と無機層との間には、電気的に絶縁するために、絶縁層を設けることが好ましい。
接合は、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。
このようなフォトダイオードは、p型シリコン基板表面から順次拡散される、n型層、p型層、n型層、p型層をこの順に深く形成することで、pn接合ダイオードがシリコンの深さ方向にpnpnの4層が形成される。ダイオードに表面側から入射した光は波長の長いものほど深く侵入し、入射波長と減衰係数はシリコン固有の値を示すので、pn接合面の深さが可視光の各波長帯域をカバーするように設計する。同様に、n型層、p型層、n型層の順に形成することで、npnの3層の接合ダイオードが得られる。ここで、n型層から光信号を取り出し、p型層はアースに接続する。
また、各領域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 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.
The organic layer and the inorganic layer may be combined in any form. In addition, it is preferable to provide an insulating layer between the organic layer and the inorganic layer in order to electrically insulate.
The junction 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.
In such a photodiode, an n-type layer, a p-type layer, an n-type layer, and a p-type layer that are sequentially diffused from the surface of the p-type silicon substrate are formed deeply in this order, so that the pn junction diode has a silicon depth. Four layers of pnpn are formed in the direction. The light incident on the diode from the surface side penetrates deeper as the wavelength is longer, and the incident wavelength and attenuation coefficient show values specific to silicon, so that the depth of the pn junction surface covers each wavelength band of visible light. design. Similarly, an n-type layer, a p-type layer, and an n-type layer are formed in this order to obtain a npn three-layer junction diode. Here, an optical signal is taken out from the n-type layer, and the p-type layer is connected to the ground.
Further, when an extraction electrode is provided in each region and a predetermined reset potential is applied, each region is depleted, and the capacitance of each junction becomes an extremely small value. Thereby, the capacity | capacitance produced in a joint surface can be made very small.
(補助層)
本発明においては、好ましくは電磁波吸収/光電変換部位の最上層に紫外線吸収層および/または赤外線吸収層を有しているのが好ましい。紫外線吸収層は少なくとも400nm以下の光を吸収または反射することができ、好ましくは400nm以下の波長域での吸収率は50%以上である。赤外線吸収層は少なくとも700nm以上の光を吸収または反射することができ、好ましくは700nm以上の波長域での吸収率は50%以上である。
(Auxiliary layer)
In the present invention, it is preferable to have an ultraviolet absorption layer and / or an infrared absorption layer in the uppermost layer of the electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion site. The ultraviolet absorbing layer can absorb or reflect at least light of 400 nm or less, and preferably has an absorptance of 50% or more in a wavelength region of 400 nm or less. The infrared absorbing layer can absorb or reflect light of at least 700 nm or more, and preferably has an absorptance of 50% or more in a wavelength region of 700 nm or more.
これらの紫外線吸収層、赤外線吸収層は従来公知の方法によって形成できる。例えば基板上にゼラチン、カゼイン、グリューあるいはポリビニルアルコールなどの親水性高分子物質からなる媒染層を設け、その媒染層に所望の吸収波長を有する色素を添加もしくは染色して着色層を形成する方法が知られている。さらには、ある種の着色材が透明樹脂中に分散されてなる着色樹脂を用いた方法が知られている。例えば、特開昭58−46325号公報、特開昭60−78401号公報、特開昭60−184202号公報、特開昭60−184203号公報、特開昭60−184204号公報、特開昭60−184205号公報等に示されている様に、ポリアミノ系樹脂に着色材を混合した着色樹脂膜を用いることができる。感光性を有するポリイミド樹脂を用いた着色剤も可能である。
特公平7−113685記載の感光性を有する基を分子内に持つ、200℃以下にて硬化膜を得ることのできる芳香族系のポリアミド樹脂中に着色材料を分散すること、特公平7−69486記載の含量を分散着色樹脂を用いることも可能である。
These ultraviolet absorbing layer and infrared absorbing layer can be formed by a conventionally known method. For example, a method of forming a colored layer by providing a mordanting layer made of a hydrophilic polymer material such as gelatin, casein, mulled or polyvinyl alcohol on a substrate and adding or dyeing a dye having a desired absorption wavelength to the mordanting layer. Are known. Furthermore, a method using a colored resin in which a certain kind of coloring material is dispersed in a transparent resin is known. For example, JP-A-58-46325, JP-A-60-78401, JP-A-60-184202, JP-A-60-184203, JP-A-60-184204, JP-A-60-184204 As shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-184205 and the like, a colored resin film obtained by mixing a colorant with a polyamino resin can be used. A colorant using a polyimide resin having photosensitivity is also possible.
Dispersing a coloring material in an aromatic polyamide resin having a photosensitivity group described in JP-B-7-113685 in the molecule and capable of obtaining a cured film at 200 ° C. or lower, JP-B-7-69486 It is also possible to use dispersed colored resins with the stated content.
本発明においては好ましくは誘電体多層膜が用いられる。誘電体多層膜は光の透過の波長依存性がシャ−プであり、好ましく用いられる。
各電磁波吸収/光電変換部位は絶縁層により分離されていることが好ましい。絶縁層は、ガラス、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン等の透明性絶縁材料を用いて形成することができる。窒化珪素、酸化珪素等も好ましく用いられる。プラズマCVDで製膜した窒化珪素は緻密性が高く透明性も良いために好ましく用いられる。
酸素や水分等との接触を防止する目的で保護層あるいは封止層を設けることもできる。 保護層としては、ダイヤモンド薄膜、金属酸化物、金属窒化物等の無機材料膜、フッ素樹脂、ポリパラキシレン、ポリエチレン、シリコン樹脂、ポリスチレン樹脂等の高分子膜、さらには、光硬化性樹脂等が挙げられる。また、ガラス、気体不透過性プラスチック、金属などで素子部分をカバーし、適当な封止樹脂により素子自体をパッケージングすることもできる。この場合吸水性の高い物質をパッケージング内に存在させることも可能である。
更に、マイクロレンズアレイを受光素子の上部に形成することにより、集光効率を向上させることができるため、このような態様も好ましい。
In the present invention, a dielectric multilayer film is preferably used. The dielectric multilayer film is preferably used because the wavelength dependency of light transmission is sharp.
Each electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion site is preferably separated by an insulating layer. The insulating layer can be formed using a transparent insulating material such as glass, polyethylene, polyethylene terephthalate, polyethersulfone, and polypropylene. Silicon nitride, silicon oxide and the like are also preferably used. Silicon nitride formed by plasma CVD is preferably used because it has high density and good transparency.
A protective layer or a sealing layer can be provided for the purpose of preventing contact with oxygen or moisture. Examples of protective layers include diamond thin films, inorganic material films such as metal oxides and metal nitrides, polymer films such as fluororesins, polyparaxylene, polyethylene, silicon resins, and polystyrene resins, and photocurable resins. Can be mentioned. Further, the element portion can be covered with glass, gas-impermeable plastic, metal, etc., and the element itself can be packaged with an appropriate sealing resin. In this case, a substance having high water absorption can be present in the packaging.
Furthermore, since the light collection efficiency can be improved by forming the microlens array on the light receiving element, such an embodiment is also preferable.
(電荷蓄積/転送/読み出し部位)
電荷転送/読み出し部位については特開昭58−103166、特開昭58−103165、特開2003−332551等を参考にすることができる。半導体基板上にMOSトランジスタが各画素単位に形成された構成や、あるいは、素子としてCCDを有する構成を適宜採用することができる。例えばMOSトランジスタを用いた光電変換素子の場合、電極を透過した入射光によって光導電膜の中に電荷が発生し、電極に電圧を印加することにより電極と電極との間に生じる電界によって電荷が光導電膜の中を電極まで走行し、さらにMOSトランジスタの電荷蓄積部まで移動し、電荷蓄積部に電荷が蓄積される。電荷蓄積部に蓄積された電荷は、MOSトランジスタのスイッチングにより電荷読出し部に移動し、さらに電気信号として出力される。これにより、フルカラーの画像信号が、信号処理部を含む固体撮像装置に入力される。
(Charge accumulation / transfer / readout part)
Regarding the charge transfer / readout part, reference can be made to JP-A-58-103166, JP-A-58-103165, JP-A-2003-332551 and the like. A configuration in which a MOS transistor is formed in each pixel unit on a semiconductor substrate or a configuration having a CCD as an element can be appropriately employed. For example, in the case of a photoelectric conversion element using a MOS transistor, charges are generated in the photoconductive film by incident light transmitted through the electrodes, and the charges are generated by an electric field generated between the electrodes by applying a voltage to the electrodes. It travels to the electrode through the photoconductive film, and further moves to the charge storage part of the MOS transistor, and charges are stored in the charge storage part. The charge accumulated in the charge accumulation unit moves to the charge readout unit by switching of the MOS transistor, and is further output as an electric signal. Thereby, a full-color image signal is input to the solid-state imaging device including the signal processing unit.
一定量のバイアス電荷を蓄積ダイオードに注入して(リフレッシュモード)おき、一定の電荷を蓄積(光電変換モード)後、信号電荷を読み出すことが可能である。受光素子そのものを蓄積ダイオードとして用いることもできるし、別途、蓄積ダイオードを付設することもできる。
信号の読み出しについてさらに詳細に説明する。信号の読み出しは、通常のカラー読み出し回路を用いることができる。受光部で光/電気変換された信号電荷もしくは信号電流は、受光部そのものまたは付設されたキャパシタで蓄えられる。蓄えられた電荷は、X−Yアドレス方式を用いたMOS型撮像素子(いわゆるCMOSセンサ)の手法により、画素位置の選択とともに読み出される。他には、アドレス選択方式として、1画素づつ順次マルチプレクサスイッチとデジタルシフトレジスタで選択し、共通の出力線に信号電圧(または電荷)として読み出す方式が挙げられる。2次元にアレイ化されたX−Yアドレス操作の撮像素子がCMOSセンサとして知られる。これは、X−Yの交点に接続された画素に儲けられたスイッチは垂直シフトレジスタに接続され、垂直操走査シフトレジスタからの電圧でスイッチがオンすると同じ行に儲けられた画素から読み出された信号は、列方向の出力線に読み出される。この信号は水平走査シフトレジスタにより駆動されるスイッチを通して順番に出力端から読み出される。
出力信号の読み出しには、フローティングディフュージョン検出器や、フローティングゲート検出器を用いることができる。また画素部分に信号増幅回路を設けることや、相関二重サンプリング(Correlated Double Sampling)の手法などにより、S/Nの向上をはかることができる。
信号処理には、ADC回路によるガンマ補正、AD変換機によるデジタル化、輝度信号処理や、色信号処理を施すことができる。色信号処理としては、ホワイトバランス処理や、色分離処理、カラーマトリックス処理などが挙げられる。NTSC信号に用いる際は、RGB信号をYIQ信号の変換処理を施すことができる。
電荷転送/読み出し部位は電荷の移動度が100cm2/volt・sec以上であることが必要であり、この移動度は、材料をIV族、III−V族、II−VI族の半導体から選択することによって得ることができる。その中でも微細化技術が進んでいることと、低コストであることからシリコン半導体(Si半導体共記す)が好ましい。電荷転送/電荷読み出しの方式は数多く提案されているが、何れの方式でも良い。特に好ましい方式はCMOS型あるいはCCD型のデバイスである。更に本発明の場合、CMOS型の方が高速読み出し、画素加算、部分読み出し、消費電力などの点で好ましいことが多い。
It is possible to inject a certain amount of bias charge into the storage diode (refresh mode) and store the constant charge (photoelectric conversion mode), and then read out the signal charge. The light receiving element itself can be used as a storage diode, or a storage diode can be additionally provided.
The signal readout will be described in more detail. An ordinary color readout circuit can be used for signal readout. The signal charge or signal current optically / electrically converted by the light receiving unit is stored in the light receiving unit itself or an attached capacitor. The stored charge is read out together with the selection of the pixel position by a technique of a MOS type image pickup device (so-called CMOS sensor) using an XY address method. In addition, as an address selection method, there is a method in which each pixel is sequentially selected by a multiplexer switch and a digital shift register and read as a signal voltage (or charge) to a common output line. An image sensor for XY address operation that is two-dimensionally arrayed is known as a CMOS sensor. This is because a switch connected to a pixel connected to the intersection of XY is connected to a vertical shift register, and when a switch is turned on by a voltage from the vertical scanning shift register, it is read from a pixel placed in the same row. The signal is read out to the output line in the column direction. This signal is sequentially read from the output through a switch driven by a horizontal scanning shift register.
For reading out the output signal, a floating diffusion detector or a floating gate detector can be used. Further, the S / N can be improved by providing a signal amplification circuit in the pixel portion or a correlated double sampling technique.
For signal processing, gamma correction by an ADC circuit, digitization by an AD converter, luminance signal processing, and color signal processing can be performed. Examples of the color signal processing include white balance processing, color separation processing, and color matrix processing. When used for NTSC signals, RGB signals can be converted to YIQ signals.
The charge transfer / readout site needs to have a charge mobility of 100 cm 2 / volt · sec or more, and this mobility is selected from a group IV, III-V, or II-VI group semiconductor. Can be obtained. Of these, silicon semiconductors (also referred to as Si semiconductors) are preferable because miniaturization technology is advanced and the cost is low. Many methods of charge transfer / charge reading have been proposed, but any method may be used. A particularly preferred method is a CMOS type or CCD type device. Furthermore, in the case of the present invention, the CMOS type is often preferable in terms of high-speed readout, pixel addition, partial readout, power consumption, and the like.
(接続)
電磁波吸収/光電変換部位と電荷転送/読み出し部位を連結する複数のコンタクト部位はいずれの金属で連結してもよいが、銅、アルミ、銀、金、クロム、タングステンの中から選択するのが好ましく、特に銅が好ましい。複数の電磁波吸収/光電変換部位に応じて、それぞれのコンタクト部位を電荷転送/読み出し部位との間に設置する必要がある。青・緑・赤光の複数感光ユニットの積層構造を採る場合、青光用取り出し電極と電荷転送/読み出し部位の間、緑光用取り出し電極と電荷転送/読み出し部位の間および赤光用取り出し電極と電荷転送/読み出し部位の間をそれぞれ連結する必要がある。
(Connection)
A plurality of contact parts for connecting the electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion part and the charge transfer / reading part may be connected by any metal, but preferably selected from copper, aluminum, silver, gold, chromium, and tungsten. In particular, copper is preferred. In accordance with a plurality of electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion sites, it is necessary to install each contact site between the charge transfer / readout site. When a laminated structure of a plurality of photosensitive units of blue, green, and red light is adopted, between the blue light extraction electrode and the charge transfer / readout portion, between the green light extraction electrode and the charge transfer / readout portion, and the red light extraction electrode; It is necessary to connect between the charge transfer / readout portions.
(プロセス)
本発明の積層光電変換素子は、公知の集積回路などの製造に用いるいわゆるミクロファブリケーションプロセスにしたがって製造することができる。基本的には、この方法は活性光や電子線などによるパターン露光(水銀のi、g輝線、エキシマレーザー、さらにはX線、電子線)、現像及び/又はバーニングによるパターン形成、素子形成材料の配置(塗設、蒸着、スパッタ、CVなど)、非パターン部の材料の除去(熱処理、溶解処理など)の反復操作による。
(process)
The laminated photoelectric conversion device of the present invention can be manufactured according to a so-called microfabrication process used for manufacturing a known integrated circuit or the like. Basically, this method uses pattern exposure by active light or electron beam (mercury i, g emission line, excimer laser, X-ray, electron beam), pattern formation by development and / or burning, element formation material By repeated operations of arrangement (coating, vapor deposition, sputtering, CV, etc.) and removal of non-patterned material (heat treatment, dissolution treatment, etc.).
(用途)
デバイスのチップサイズは、ブローニーサイズ、135サイズ、APSサイズ、1/1.8インチ、さらに小型のサイズでも選択することができる。本発明の積層光電変換素子の画素サイズは複数の電磁波吸収/光電変換部位の最大面積に相当する円相当直径で表す。いずれの画素サイズであっても良いが、2〜20ミクロンの画素サイズが好ましい。さらに好ましくは2〜10ミクロンであるが、3〜8ミクロンが特に好ましい。
画素サイズが20ミクロンを超えると解像力が低下し、画素サイズが2ミクロンよりも小さくてもサイズ間の電波干渉のためか解像力が低下する。
(Use)
The chip size of the device can be selected from brownie size, 135 size, APS size, 1 / 1.8 inch, and even smaller size. The pixel size of the laminated photoelectric conversion element of the present invention is represented by a circle-equivalent diameter corresponding to the maximum area of a plurality of electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion sites. Any pixel size may be used, but a pixel size of 2 to 20 microns is preferable. More preferably, it is 2 to 10 microns, but 3 to 8 microns is particularly preferable.
When the pixel size exceeds 20 microns, the resolving power decreases, and even if the pixel size is smaller than 2 microns, the resolving power decreases due to radio wave interference between the sizes.
本発明の光電変換素子は、デジタルスチルカメラに利用することが出来る。また、TVカメラに用いることも好ましい。その他の用途として、デジタルビデオカメラ、下記用途などでの監視カメラ(オフィスビル、駐車場、金融機関・無人契約機、ショッピングセンター、コンビニエンスストア、アウトレットモール、百貨店、パチンコホール、カラオケボックス、ゲームセンター、病院)、その他各種のセンサー(テレビドアホン、個人認証用センサー、ファクトリーオートメーション用センサー、家庭用ロボット、産業用ロボット、配管検査システム)、医療用センサー(内視鏡、眼底カメラ)、テレビ会議システム、テレビ電話、カメラつきケータイ、自動車安全走行システム(バックガイドモニタ、衝突予測、車線維持システム)、テレビゲーム用センサーなどの用途に用いることが出来る。
中でも、本発明の光電変換素子は、テレビカメラ用途としても適するものである。その理由は、色分解光学系を必要としないためにテレビカメラの小型軽量化を達成することが出来るためである。また、高感度で高解像力を有することから、ハイビジョン放送用テレビカメラに特に好ましい。この場合のハイビジョン放送用テレビカメラとは、デジタルハイビジョン放送用カメラを含むものである。
更に、本発明の光電変換素子においては、光学ローパスフィルターを不要とすることが出来、更なる高感度、高解像力が期待できる点で好ましい。
The photoelectric conversion element of the present invention can be used for a digital still camera. It is also preferable to use it for a TV camera. Other applications include digital video cameras, surveillance cameras for the following applications (office buildings, parking lots, financial institutions and unmanned contractors, shopping centers, convenience stores, outlet malls, department stores, pachinko halls, karaoke boxes, game centers, Hospital), various other sensors (TV door phone, personal authentication sensor, factory automation sensor, home robot, industrial robot, piping inspection system), medical sensor (endoscope, fundus camera), video conference system, It can be used for applications such as videophones, mobile phones with cameras, safe driving systems for vehicles (back guide monitors, collision prediction, lane keeping systems), and video game sensors.
Especially, the photoelectric conversion element of this invention is suitable also for a television camera use. This is because a television camera can be reduced in size and weight because no color separation optical system is required. Further, since it has high sensitivity and high resolution, it is particularly preferable for a television camera for high-definition broadcasting. In this case, the high-definition broadcast television camera includes a digital high-definition broadcast camera.
Furthermore, the photoelectric conversion element of the present invention is preferable in that an optical low-pass filter can be omitted, and higher sensitivity and higher resolution can be expected.
更に、本発明の光電変換素子においては厚みを薄くすることが可能であり、かつ色分解光学系が不要となる為、「日中と夜間のように異なる明るさの環境」、「静止している被写体と動いている被写体」など、異なる感度が要求される撮影シーン、その他分光感度、色再現性に対する要求が異なる撮影シーンに対して、本発明の光電変換素子を交換して撮影する事により1台のカメラにて多様な撮影のニーズにこたえることが出来、同時に複数台のカメラを持ち歩く必要がない為、撮影者の負担も軽減する。交換の対象となる光電変換素子としては、上記の他に赤外光撮影用、白黒撮影用、ダイナミックレンジの変更を目的に交換光電変換素子を用意することが出来る。
本発明のTVカメラは、映像情報メディア学会編、テレビジョンカメラの設計技術(1999年8月20日、コロナ社発行、ISBN 4−339−00714−5)第2章の記述を参考にし、例えば図2.1テレビカメラの基本的な構成の色分解光学系及び撮像デバイスの部分を、本発明の光電変換素子と置き換えることにより作製することができる。上述の積層された受光素子は、配列することで撮像素子として利用することができるだけでなく、単体としてバイオセンサや化学センサなどの光センサやカラー受光素子としても利用可能である。
Furthermore, in the photoelectric conversion element of the present invention, it is possible to reduce the thickness and eliminate the need for a color separation optical system, so that "an environment with different brightness such as daytime and nighttime" For shooting scenes that require different sensitivities, such as `` subjects that are moving and subjects that are moving, '' and other shooting scenes that require different spectral sensitivity and color reproducibility, replace the photoelectric conversion element of the present invention and shoot. A single camera can meet a variety of shooting needs, and it is not necessary to carry multiple cameras at the same time, reducing the burden on the photographer. As the photoelectric conversion element to be exchanged, an exchange photoelectric conversion element can be prepared for infrared light photography, black-and-white photography, and dynamic range change in addition to the above.
The TV camera of the present invention can be obtained by referring to the description in Chapter 2 of the TV Information Technology Society, Television Camera Design Technology (August 20, 1999, Corona, ISBN 4-339-00714-5). Fig. 2.1 The television camera can be manufactured by replacing the part of the color separation optical system and the imaging device in the basic configuration with the photoelectric conversion element of the present invention. The above-described stacked light receiving elements can be used not only as an image pickup element by arranging them but also as a light sensor such as a biosensor or a chemical sensor or a color light receiving element as a single unit.
(本発明の好ましい光電変換素子)
本発明の好ましい光電変換素子について図1により説明する。113はシリコン単結晶基盤でありB光とR光の電磁波吸収/光電変換部位と光電変換により生成した電荷の電荷蓄積/転送/読み出し部位を兼ねている。通常、p型のシリコン基盤が用いられる。121、122、123はシリコン基盤中に設けられたn層、p層、n層を各々示す。121のn層はR光の信号電荷の蓄積部でありpn接合により光電変換されたR光の信号電荷を蓄積する。蓄積された電荷は126に示したトランジスタを介して119のメタル配線により127の信号読み出しパッドに接続される。123のn層はB光の信号電荷の蓄積部でありpn接合により光電変換されたB光の信号電荷を蓄積する。蓄積された電荷は126に類似のトランジスタを介して119のメタル配線により127の信号読み出しパッドに接続される。ここでp層、n層、トランジスタ、メタル配線等は模式的に示したが、それぞれが前論で詳述したように、構造等は適宜最適なものが選ばれる。B光、R光はシリコン基盤の深さにより分別しているのでpn接合等のシリコン基盤からの深さ、ドープ濃度の選択などは重要である。112はメタル配線を含む層であり酸化珪素、窒化珪素等を主成分とする層である。112の層の厚みは薄いほど好ましく5μ以下、好ましくは3μ以下、さらに好ましくは2μ以下である。111も同様に酸化珪素、窒化珪素等を主成分とする層である。111と112の層にはG光の信号電荷をシリコン基盤に送るためのプラグが設けられている。プラグは111と112の層の間で116のパッドにより接続されている。プラグはタングステンを主成分としたものが好ましく用いられる。パッドはアルミニウムを主成分としたものが好ましく用いられる。前述したメタル配線も含めてバリア層が設けられていることが好ましい。115のプラグを通して送られるG光の信号電荷はシリコン基盤中の125に示したn層に蓄積される。125に示したn層は124に示したp層により分離されている。蓄積された電荷は126に類似のトランジスタを介して119のメタル配線により127の信号読み出しパッドに接続される。124と125のpn接合による光電変換は雑音となるために111の層中に117に示した遮光膜が設けられる。遮光膜は通常、タングステン、アルミニウム等を主成分としたものが用いられる。112の層の厚みは薄いほど好ましく3μ以下、好ましくは2μ以下、さらに好ましくは1μ以下である。127の信号読み出しパッドはB、G、R信号別に設ける方が好ましい。以上のプロセスは従来公知のプロセス、いわゆるCMOSプロセスにより調製できる。
(Preferred photoelectric conversion element of the present invention)
A preferred photoelectric conversion element of the present invention will be described with reference to FIG.
G光の電磁波吸収/光電変換部位は105、106、107、108、109、110、114により示される。105と114は透明電極であり、各々、対向電極、画素電極に相当する。画素電極114は透明電極であるが、115のプラグと電気的接続を良好にするために接続部にアルミニウム、モリブデン等の部位が必要な場合が多い。これらの透明電極間には118の接続電極、120の対向電極パッドからの配線を通じてバイアスがかけられる。対向電極105に対して画素電極114に正のバイアスをかけて125に電子が蓄積できる構造が好ましい。この場合107は電子ブロッキング層、108がp層、109がn層、110が正孔ブロッキング層であり、有機層の代表的な層の構成を示した。106はバッファー層であり、107、108、109、110から成る有機層の厚みは好ましくは合わせて0.5μm以下、より好ましくは0.35μm以下、更に好ましくは0.3μm以下、特に好ましくは0.2μm以下である。105の透明対向電極、114の透明画素電極の厚みは特に好ましくは0.2μ以下である。103、104は窒化珪素等を主成分とする保護膜である。これらの保護膜により、有機層を含む層の製造プロセスが容易となる。特にこれらの層は118等の接続電極作成時のレジストパタ−ン作成、エッチング時等の有機層に対するダメ−ジを低減させることができる。また、レジストパタ−ン作成、エッチング等を避けるために、マスクによる製造も可能である。103、104の保護膜の厚みは上述した条件を満足する限りにおいて、好ましくは0.5μm以下である。
103は118の接続電極の保護膜である。102は赤外カット誘電体多層膜と紫外カット層の積層膜である。101は反射防止膜である。101、102、103の層の厚みは合わせて1μm以下が好ましい。
以上の図1で説明した光電変換素子はG画素が4画素に対してB画素とR画素が1画素の構成となっている。G画素が1画素に対してB画素とR画素が1画素の構成となっていても良いし、G画素が3画素に対してB画素とR画素が1画素の構成となっていても良いし、G画素が2画素に対してB画素とR画素が1画素の構成となっていても良い。さらには任意の組み合わせでも良い。以上は本発明の好ましい態様を示すものであるが、これに限定されるものではない。
The electromagnetic wave absorption / photoelectric conversion site of G light is indicated by 105, 106, 107, 108, 109, 110, 114.
The photoelectric conversion element described with reference to FIG. 1 has a configuration in which the G pixel is 4 pixels and the B pixel and the R pixel are 1 pixel. The G pixel may be configured with one B pixel and the R pixel for one pixel, or the G pixel may be configured with one pixel for the B pixel and the R pixel for three pixels. In addition, the B pixel and the R pixel may be configured as one pixel with respect to the G pixel as two pixels. Furthermore, arbitrary combinations may be used. Although the above shows the preferable aspect of this invention, it is not limited to this.
[実施例]
下記に実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、勿論この例に限定されるものではない。
[Example]
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
前記好ましい光電変換素子構造において、本発明及び比較例の透明画素電極114はITOを使用し、その膜厚は100nmであった。本発明及び比較例の透明電極105はITOを使用し、その膜厚は本発明が10nm、比較例が50nmであった。透明画素電極の成膜方法はrfマグネトロンスパッタ法(TS間距離10cm)を用いて、導入O2量は0%で、成膜時の温度は25℃とした。本発明の透明電極はrfマグネトロン法(TS間距離10cm)を用いて、導入O2量は0%で、成膜時の温度は25℃、成膜時間4分50秒により成膜した。一方、比較例の透明電極はrfマグネトロンスパッタ法(TS間距離10cm)を用いて、導入O2量は0%で、成膜時の温度は25℃として成膜時間23分30秒により成膜した。好ましい光電変換素子の有機層107〜110の代わりに、基板側から、トリス−8−ヒドロキシキノリンアルミニウム(Alq)、2−9−ジメチルキナクリドンをそれぞれ50、100nm加熱蒸着により成膜した。透明電極105側に-電圧を1V印加した時、比較例の暗電流値を1とすると、本発明では0.001に減少した。
本発明により、S/N比が良い素子を作成する事ができた。
In the preferable photoelectric conversion element structure, the
According to the present invention, an element having a good S / N ratio could be produced.
本発明の光電変換素子は、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、光センサーとしても利用可能である。 The photoelectric conversion element of the present invention can be applied to imaging elements 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.
101 反射防止膜
102 赤外カット誘電体多層膜
103、104 保護膜
105 透明対向電極
106 バッファー層
107 電子ブロッキング層
108 p層
109 n層
110 正孔ブロッキング層
111、112 メタル配線を含む層
113 シリコン単結晶基盤
114 透明画素電極
115 プラグ
116 パッド
117 遮光膜
118 接続電極
119 メタル配線
120 対向電極パッド
121 n層
122 p層
123 n層
124 p層
125 n層
126 トランジスタ
127 信号読み出しパッド
101
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