JP2009081296A - 受発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】受光素子としての機能と発光素子としての機能とを併せ持つ受発光素子であって、製造が容易な受発光素子を提供する。
【解決手段】発光機能と光電変換機能とを有する受発光素子１００であって、基板１１上方に形成された有機層４と、有機層４に外部から電荷を注入するために、有機層４の両端間にバイアス電圧（以下、順バイアスという）を印加する順バイアス電源１０と、有機層４で発生した電荷を外部に取り出すために、有機層４の両端間に順バイアスとは極性が逆のバイアス電圧（以下、逆バイアスという）を印加する逆バイアス電源９と、逆バイアス印加時に有機層４で発生した電荷に応じた電流を検出する電流計８とを備え、有機層４が、順バイアス印加時に発光機能を有し、逆バイアス印加時に光電変換機能を有する有機材料で構成された層である。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光機能と、受光した光を電荷に変換する光電変換機能とを有する受発光素子に関する。

従来、受光素子と発光素子が混在した撮像装置が提案されている（特許文献１参照）。この撮像装置では、発光素子から発光された光が被写体に入射し、ここで反射して受光素子で受光されることで、被写体の撮像を行うことを可能にしている。受光素子は、光電変換層とこれを挟む一対の電極から構成され、発光素子は、発光層とこれを挟む一対の電極から構成されており、光電変換層と発光層とは全く別のものとなっている。

特開２００７−１０４０８８号公報

特許文献１記載の撮像装置は、構成の異なる発光素子と受光素子を同一面上に多数形成する必要がある。このため、発光層の成膜及びパターニングと光電変換層の成膜及びパターニングとを別々に行う必要があり、その製造が容易ではない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、受光素子としての機能と発光素子としての機能とを併せ持つ受発光素子であって、製造が容易な受発光素子を提供することを目的とする。

本発明の受発光素子は、発光機能と、受光した光を電荷に変換する光電変換機能とを有する受発光素子であって、基板上方に形成された有機層と、前記有機層に外部から電荷を注入するために、前記有機層の両端間にバイアス電圧（以下、順バイアスという）を印加する順バイアス電源と、前記有機層で発生した電荷を外部に取り出すために、前記有機層の両端間に前記順バイアスとは極性が逆のバイアス電圧（以下、逆バイアスという）を印加する逆バイアス電源と、前記逆バイアス印加時に前記有機層で発生した電荷に応じた電流を検出する電流検出手段とを備え、前記有機層が、前記順バイアス印加時に発光機能を有し、前記逆バイアス印加時に光電変換機能を有する有機材料で構成された層である。

本発明の受発光素子は、前記基板と前記有機層との間に形成された第１の電極と、前記有機層を挟んで前記第１の電極と対向する位置に形成された第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極間に前記順バイアス電源を接続する状態と、前記第１の電極及び前記第２の電極間に前記逆バイアス電源を接続する状態とを切り替え可能な切り替え手段とを備える。

本発明の受発光素子は、前記第１の電極及び前記第２の電極のいずれかが透明電極である。

本発明の受発光素子は、前記第１の電極と前記有機層と前記第２の電極がそれぞれ二次元状に多数配列されている。

本発明の受発光素子は、前記多数の第１の電極と前記多数の第２の電極のいずれかが共通化された１つの電極であり、前記多数の有機層が共通化された１つの層である。

本発明の受発光素子は、前記基板と前記有機層との間に前記基板に平行に並べて形成された第１の電極及び第２の電極と、前記有機層を挟んで前記第１の電極及び第２の電極と対向する位置に形成された前記第１の電極及び第２の電極とで共通の共通電極とを備え、前記順バイアス電源が、前記第１の電極及び前記共通電極間に接続され、
前記逆バイアス電源が、前記第２の電極及び前記共通電極間に接続され、前記電流検出手段が、前記第２の電極と前記逆バイアス電源の間又は前記共通電極と前記逆バイアス電源の間に流れる電流を検出するものである。

本発明の受発光素子は、前記共通電極と前記第１の電極及び前記第２の電極のいずれかが透明電極である。

本発明の受発光素子は、前記第１の電極及び前記第２の電極が二次元状に多数配列されている。

本発明の受発光素子は、前記順バイアス電源が供給電圧を変えることのできる電圧可変電源である。

本発明によれば、受光素子としての機能と発光素子としての機能とを併せ持つ受発光素子であって、製造が容易な受発光素子を提供することができる。

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。

（第一実施形態）
図１は、本発明の実施形態である受発光素子の概略構成を示す断面模式図である。
受発光素子１００は、光を受光し、受光した光に応じた電荷を発生する光電変換機能を有する受光素子１００ａと、光を発光する発光機能を有する発光素子１００ｂとを含み、これらが基板１１上方に二次元状に交互に配列された構成となっている。

受光素子１００ａと発光素子１００ｂの基本構成は、それぞれ、有機層とこれらを挟む一対の電極とからなっている。受発光素子１００は、受光素子１００ａを構成する有機層と発光素子１００ｂを構成する有機層とを同一材料とし、それぞれの有機層に印加するバイアス電圧を変えることで、受光素子１００ａの有機層を光電変換層として機能させ、発光素子１００ｂの有機層を発光層として機能させることを可能にしている。

受発光素子１００は、基板１１と、基板１１上の受光素子１００ａを形成すべき位置に形成された受光素子１００ａ用の電極である受光電極６と、基板１１上の発光素子１００ｂを形成すべき位置に形成された発光素子１００ｂ用の電極である発光電極７と、受光電極６及び発光電極７上に形成された正孔ブロッキング機能及び電子輸送機能を有する機能層５と、
機能層５上に形成された有機層４と、有機層４上に形成された電子ブロッキング機能及び正孔輸送機能を有する機能層３と、機能層３上に形成された受光素子１００ａと発光素子１００ｂで共通の一枚構成である共通電極２と、共通電極２上に形成された素子を保護するための可視光に対して透明な封止基板１と、受光電極６及び共通電極２間に接続された逆バイアス電源９と、発光電極７及び共通電極２間に接続された順バイアス電源１０と、受光電極６と逆バイアス電源９との間に接続された電流検出手段である電流計８とを備える。

機能層３、有機層４、及び機能層５は、それぞれ、受光素子１００ａと発光素子１００ｂで共通の１つの層となっている。共通電極２は、有機層４で発生した光が上方に透過し、上方から入射してくる光が有機層４に入射できるように、可視光に対して透明な材料（例えばＩＴＯ）で構成されている。

順バイアス電源１０は、発光電極７と共通電極２とで挟まれる有機層４に、発光電極７及び共通電極２から電荷（正孔及び電子）を注入するためのバイアス電圧（以下、順バイアスという）を、発光電極７及び共通電極２に印加するものである。順バイアス電源１０は、図示しないスイッチによって発光電極７及び共通電極２に順バイアスを印加する状態と印加しない状態とを切り替え可能となっている。又、順バイアス電源１０は、印加する電圧の大きさを変えることが可能な可変電圧電源となっている。

逆バイアス電源９は、受光電極６と共通電極２とで挟まれる有機層４に、該有機層４で発生した電荷を受光電極６及び共通電極２に移動させるための順バイアスとは極性が逆のバイアス電圧（以下、逆バイアスという）を、受光電極６及び共通電極２に印加するものである。逆バイアス電源９は、図示しないスイッチによって受光電極６及び共通電極２に逆バイアスを印加する状態と印加しない状態とを切り替え可能となっている。

発光電極７と共通電極２とで挟まれる有機層４に順バイアスを印加した場合、機能層５は電子輸送層として機能し、機能層３は正孔輸送層として機能する。このため、陰極（発光電極７）からの有機層４への電子の注入が促進され、陽極（共通電極２）からの有機層４への正孔の注入が促進され、注入された電子と正孔が再結合領域（有機層４）で再結合することで、発光が行われる。機能層５と機能層３は、発光電極７及び共通電極２から注入された電子と正孔を再結合領域まで移動させると共に、界面領域の局所的なエネルギー領域に電子と正孔を溜めて発光作用を強める働きもする。このように、発光電極７と、共通電極２と、これらに挟まれる有機層４とによって、発光素子１００ｂが構成されている。

順バイアス電源１０は、印加する電圧の大きさを変えることが可能なため、印加電圧を変えることで、発光素子１００ｂの発光輝度を調整することが可能である。

受光電極６と共通電極２とで挟まれる有機層４に逆バイアスを印加した場合、機能層５は正孔ブロッキング層として機能し、機能層３は電子ブロッキング層として機能する。このため、陰極（共通電極２）からの有機層４への電子の注入が抑制され、陽極（受光電極６）からの有機層４への正孔の注入が抑制される。一方、この状態で、有機層４に封止基板１上方から光が入射し、電子が伝導帯（励起状態）に励起され、価電子帯（基底状態）に正孔を残すと、これら電子と正孔は逆バイアスによって発生した電界によってそれぞれ逆方向の電極へ移動し、即ち、電子は受光電極６に、正孔は共通電極２に移動して、信号電流となる。電流計８は、この信号電流を検出するために設けられており、電流計８の出力から、被写体に応じた撮像信号を得ることができる。このように、受光電極６と、共通電極２と、これらに挟まれる有機層４とによって、受光素子１００ａが構成されている。

有機層４は、順バイアス印加時に発光機能を有し、逆バイアス印加時に光電変換機能を有するような有機材料（例えば、キナクリドン、スクアリリウム、亜鉛フタロシアニン等）によって構成されている。

機能層３は、電子ブロッキング機能及び正孔輸送機能を有する有機材料（例えば、アミン系のＴＰＤ等）によって構成されている。

機能層５は、正孔ブロッキング機能及び電子輸送機能を有する有機材料（例えば、Ａｌｑ_３（tris（8-hydroxyquinoline）aluminum）等）によって構成されている。

以下、受発光素子１００の動作について説明する。
受発光素子１００を発光素子として使用する場合は、図示しない駆動回路によって、逆バイアス電源９のスイッチをオフ、順バイアス電源１０のスイッチをオンにして発光電極７及び共通電極２間の有機層４にのみ順バイアスを印加する。これにより、発光素子１００ｂが発光して、受発光素子１００は発光素子として使用できるようになる。一方、受発光素子１００を受光素子として使用する場合は、図示しない駆動回路によって、逆バイアス電源９のスイッチをオン、順バイアス電源１０のスイッチをオフにして受光電極６及び共通電極２間の有機層４にのみ逆バイアスを印加する。これにより、受光素子１００ａによって光電変換された電荷に応じた信号が外部に取り出され、受発光素子１００は受光（撮像）素子として使用できるようになる。

このように、受発光素子１００は、電源接続先のスイッチの切り替えだけで、発光素子としても受光素子としても使用することができ、例えばこの受発光素子１００を携帯電話機に搭載することで、受発光素子を、着信を知らせるライトと撮影用のカメラとの２機能として使用すること等が可能となり、着信お知らせランプとカメラとを別々に持つ携帯電話機に比べて、その携帯電話機の小型化に貢献することができる。

尚、図１の構成例では、共通電極２、機能層３、有機層４、及び機能層５を、それぞれ受光素子１００ａと発光素子１００ｂとで共通化しているが、これらは受光素子１００ａと発光素子１００ｂ毎に分割した構成であっても良い。図１のように共通化した構成にした場合は、受光電極６と発光電極７以外はフォトリソグラフィ法を用いたパターニングを行う必要がなくなるため、受発光素子の製造が容易となる。又、受光電極６及び発光電極７を先に形成した場合は、その上の有機層の形成後にフォトリソグラフィを実施する必要がなくなるため、フォトリソグラフィによる有機層の損傷や特性劣化を防ぐことができる。共通電極２、機能層３、有機層４、及び機能層５を、素子毎に分割する場合でも、これらは各素子で同一の材料を用いることができるため、各層を成膜後にパターニングする工程が追加されるだけであり、構成材料の異なる発光素子と受光素子を同一面上に並べて形成した従来と比較すると、その製造は格段に容易なものとなる。

又、図１の構成例では、封止基板１の上方に光を発したり、封止基板１の上方に被写体を持ってきたりすることを想定しているため、共通電極２を透明電極としているが、基板１１の下方に光を発したり、基板１１の下方に被写体を持ってきたりすることを想定した場合には、受光電極６及び発光電極７を透明電極とすれば良い。又、共通電極２を受光素子と発光素子とで分割した場合は、例えば、受光電極６を透明、受光電極６に対向する共通電極２を不透明とし、発光電極７を不透明、発行電極７に対向する共通電極２を透明とすれば、被写体側と反対側に光を出すことが可能となる。携帯電話機に搭載した場合には、キーパッドの裏面に受発光素子を配置することで、キーパッドの裏面にカメラレンズを設置して撮影可能とし、発光素子１００ｂの光をキーパッドのバックライトとして利用するといったことも可能となる。

又、以上の説明では、受光電極６と発光電極７とを別々の電極としたが、これを受光電極と発光電極とを兼用した１つの電極とした受発光素子も考えられる。
図２は、本発明の実施形態である受発光素子の別の構成例を示す断面模式図である。図２に示した受発光素子２００は、図１に示す受発光素子１００の発光電極７を全て受光電極６に変更し、多数の受光電極６の各々及び共通電極２間に順バイアス電源１０と逆バイアス電源９とをスイッチ１２を介して接続した構成となっている。

スイッチ１２は、受発光素子２００を発光素子として機能させるときには、受光電極６に接続された端子を順バイアス電源１０に接続された端子に接続して、共通電極２と受光電極６との間に順バイアス電源１０を接続した状態を形成し、受発光素子２００を受光素子として機能させるときには、受光電極６に接続された端子を逆バイアス電源９に接続された端子に接続して、共通電極２と受光電極６との間に逆バイアス電源９を接続した状態を形成する。

以下、受発光素子２００の動作について説明する。
受発光素子２００を発光素子として使用する場合は、図示しない駆動回路によって、スイッチ１２を順バイアス電源１０側に接続して、受光電極６及び共通電極２間の有機層４に順バイアスを印加する。これにより、受光電極６と共通電極２とで挟まれる有機層４が発光して、受発光素子２００は発光素子として使用できるようになる。一方、受発光素子２００を受光素子として使用する場合は、図示しない駆動回路によって、スイッチ１２を逆バイアス電源９側に接続して、受光電極６及び共通電極２間の有機層４に逆バイアスを印加する。これにより、受光電極６と共通電極２とで挟まれる有機層４で光電変換された電荷に応じた信号が外部に取り出され、受発光素子２００は受光（撮像）素子として使用できるようになる。

以上のように、図２に示したような構成であっても、受発光素子２００は、スイッチ１２の切り替えだけで、発光素子としても受光素子としても使用することができる。図２の構成によれば、受光領域と発光領域とを同一位置にすることができるため、図１に示した構成に比べて小型化が可能となる。

本発明の実施形態である受発光素子の概略構成を示す断面模式図 本発明の実施形態である受発光素子の別の構成例を示す断面模式図

符号の説明

１ 保護層
２ 共通電極
３，５ 機能層
４ 有機層
６ 受光電極
７ 発光電極
８ 電流計
９ 逆バイアス電源
１０ 順バイアス電源
１１ 基板

Claims (9)

1. 発光機能と、受光した光を電荷に変換する光電変換機能とを有する受発光素子であって、
   基板上方に形成された有機層と、
   前記有機層に外部から電荷を注入するために、前記有機層の両端間にバイアス電圧（以下、順バイアスという）を印加する順バイアス電源と、
   前記有機層で発生した電荷を外部に取り出すために、前記有機層の両端間に前記順バイアスとは極性が逆のバイアス電圧（以下、逆バイアスという）を印加する逆バイアス電源と、
   前記逆バイアス印加時に前記有機層で発生した電荷に応じた電流を検出する電流検出手段とを備え、
   前記有機層が、前記順バイアス印加時に発光機能を有し、前記逆バイアス印加時に光電変換機能を有する有機材料で構成された層である受発光素子。
2. 請求項１記載の受発光素子であって、
   前記基板と前記有機層との間に形成された第１の電極と、
   前記有機層を挟んで前記第１の電極と対向する位置に形成された第２の電極と、
   前記第１の電極及び前記第２の電極間に前記順バイアス電源を接続する状態と、前記第１の電極及び前記第２の電極間に前記逆バイアス電源を接続する状態とを切り替え可能な切り替え手段とを備える受発光素子。
3. 請求項２記載の受発光素子であって、
   前記第１の電極及び前記第２の電極のいずれかが透明電極である受発光素子。
4. 請求項２又は３記載の受発光素子であって、
   前記第１の電極と前記有機層と前記第２の電極がそれぞれ二次元状に多数配列されている受発光素子。
5. 請求項４記載の受発光素子であって、
   前記多数の第１の電極と前記多数の第２の電極のいずれかが共通化された１つの電極であり、
   前記多数の有機層が共通化された１つの層である受発光素子。
6. 請求項１記載の受発光素子であって、
   前記基板と前記有機層との間に前記基板に平行に並べて形成された第１の電極及び第２の電極と、
   前記有機層を挟んで前記第１の電極及び第２の電極と対向する位置に形成された前記第１の電極及び第２の電極とで共通の共通電極とを備え、
   前記順バイアス電源が、前記第１の電極及び前記共通電極間に接続され、
   前記逆バイアス電源が、前記第２の電極及び前記共通電極間に接続され、
   前記電流検出手段が、前記第２の電極と前記逆バイアス電源の間又は前記共通電極と前記逆バイアス電源の間に流れる電流を検出するものである受発光素子。
7. 請求項６記載の受発光素子であって、
   前記共通電極と前記第１の電極及び前記第２の電極のいずれかが透明電極である受発光素子。
8. 請求項７記載の受発光素子であって、
   前記第１の電極及び前記第２の電極が二次元状に多数配列されている受発光素子。
9. 請求項１〜８のいずれか１項記載の受発光素子であって、
   前記順バイアス電源が供給電圧を変えることのできる電圧可変電源である受発光素子。

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