JP2011023399A - Organic-inorganic hybrid junction type photoelectric transducer - Google Patents

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Takashi Ando
孝止 安東
Daisuke Katada
大介 堅田
Tomonori Abe
友紀 阿部
Hirofumi Kasada
洋文 笠田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an organic-inorganic hybrid junction type photoelectric transducer of high sensitivity, which has signal gain G and has a visible-ultraviolet optical wave band having superior response and low dark current property such as a p-i-n or Schottky type. <P>SOLUTION: A basic junction structure is made into a p<SP>*</SP>-i-p (n<SP>*</SP>-i-n) symmetric junction structure formed of a p<SP>*</SP>(n<SP>*</SP>)-type organic semiconductor thin film being a hole transportation-type organic semiconductor thin film functioning as an emitter layer-cum-window layer of a hole, an i-type inorganic semiconductor photoelectric transducing layer being an inorganic semiconductor layer of low carrier concentration and high resistance, and a p(n)-type inorganic semiconductor collector layer from above an element. The organic-inorganic hybrid junction type photoelectric transducer applying bias voltage of DC or AC of several V to dozens of V is obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、可視−紫外光波帯で動作し、顕著な信号利得を発現する有機−無機半導体ハイブリッド接合型光電変換素子に関するものである。   The present invention relates to an organic-inorganic semiconductor hybrid junction photoelectric conversion element that operates in the visible-ultraviolet light band and exhibits a significant signal gain.

<有機−無機半導体のハイブリッド構成での受光素子の従来技術>
有機半導体薄膜によるEL発光素子の進展に伴い、有機半導体薄膜の合成や薄膜形成技術が高度化してきている。この技術背景には、有機半導体薄膜でのホール輸送型または電子輸送型の伝導型制御が着実に進展していることがあげられる。なお、ホール輸送型の有機半導体薄膜を「p*型」、電子輸送型の有機半導体薄膜を「n*型」と記載するものとする。
<Conventional technology of light receiving element in hybrid structure of organic-inorganic semiconductor>
With the progress of EL light-emitting devices using organic semiconductor thin films, organic semiconductor thin film synthesis and thin film forming techniques have been advanced. The background of this technology is the steady development of hole transport or electron transport control in organic semiconductor thin films. The hole transport organic semiconductor thin film is referred to as “p * type”, and the electron transport organic semiconductor thin film is referred to as “n * type”.

有機−無機ハイブリッド構造の光起電力型の光電変換素子開発では、有機太陽電池や全有機半導体薄膜による受光素子の研究も進展してきている。一方、有機−無機ハイブリッド接合型の光電変換素子の研究も基礎研究段階ではあるが着実な進展を見せている。これら従来の有機−無機半導体複合素子においては、有機半導体薄膜の役割は、半導体機能よりは、透明な有機導電薄膜として利用され、無機半導体とのショットキー接合が多く使用されている。   In the development of photovoltaic photoelectric conversion elements having an organic-inorganic hybrid structure, research on light-receiving elements using organic solar cells and all-organic semiconductor thin films has also progressed. On the other hand, research on organic-inorganic hybrid junction type photoelectric conversion elements has also made steady progress although it is in the basic research stage. In these conventional organic-inorganic semiconductor composite elements, the role of the organic semiconductor thin film is utilized as a transparent organic conductive thin film rather than a semiconductor function, and a Schottky junction with an inorganic semiconductor is often used.

つまり有機−無機複合素子では、有機薄膜の役割は窓層としての優れた透過性と無機半導体との良好なショットキー接合の役割を果たしている。実際、近年、紫外―可視域で透明な有機導電性薄膜とワイドギャップ化合物半導体との接触による良好なショットキー接触(整流性)が見いだされており、これを利用したZnOなどの有機半導体―無機ワイドギャップ半導体のショットキー接合型・紫外受光素子も東北大学の研究グループなどから提案されている(例えば、特許文献1参照。)。   That is, in the organic-inorganic composite element, the role of the organic thin film plays the role of excellent permeability as a window layer and good Schottky junction with the inorganic semiconductor. In fact, in recent years, good Schottky contact (rectification) due to contact between an organic conductive thin film that is transparent in the ultraviolet-visible range and a wide gap compound semiconductor has been found, and organic semiconductors such as ZnO and inorganic using this A wide-gap semiconductor Schottky junction type ultraviolet light-receiving element has also been proposed by a research group of Tohoku University (see, for example, Patent Document 1).

上記の有機−無機半導体のショットキー接合を原理として動作させる半導体受光素子は、吸収損失の大きい無機半導体窓層、例えばp+窓層を吸収損失の少ない有機半導体薄膜で置き換え、外部からのバイアス印加で形成されるショットキー接合界面に形成される高電界・空乏層領域を利用して動作させるものである。 The semiconductor light-receiving element that operates on the principle of the above-mentioned organic-inorganic semiconductor Schottky junction replaces an inorganic semiconductor window layer having a large absorption loss, for example, a p + window layer with an organic semiconductor thin film having a low absorption loss, and applies an external bias. The operation is performed using the high electric field / depletion layer region formed at the Schottky junction interface formed in step (b).

言い換えれば、今までの有機−無機ハイブリッドでの受光素子は、通常の金属―半導体接触でのショットキー接合を透明な有機・薄膜に置き換えたショットキー型受光素子ということができる。   In other words, the conventional organic-inorganic hybrid light receiving element can be said to be a Schottky type light receiving element in which a normal Schottky junction at the metal-semiconductor contact is replaced with a transparent organic / thin film.

現在までに提案されている有機−無機半導体によるショットキー接合型受光素子の問題点は、電流の信号利得Gが発生しないことである。つまり、従来の無機半導体で構成しているp-i-n型受光素子などと同様に、ショットキー接合型の有機−無機複合型受光素子の受光感度を支配する外部量子効率ηexの限界値は、有機窓層の吸収や反射損失を完全に制御してもηex<100%であり、この制限のために飛躍的な高感度化に限界があった。 A problem of the organic-inorganic semiconductor Schottky junction type light-receiving element proposed so far is that no signal gain G of current is generated. That is, the limit value of the external quantum efficiency η ex that governs the light receiving sensitivity of the Schottky junction type organic-inorganic composite light receiving element, as in the case of a conventional p-i-n light receiving element made of an inorganic semiconductor. However, even if the absorption and reflection loss of the organic window layer are completely controlled, η ex <100%.

<信号利得を有する従来の半導体受光素子 原理と課題>
受光感度の飛躍的な向上には、量子効率の上限である100%を超える信号増倍型の受光素子が要求されるが、この信号利得Gを発現する光起電力型の半導体受光素子には、Si、Geなどの無機半導体で構成したp-n-p型、あるいはn-p-n型のフォトトランジスタ素子や雪崩増倍型のAPD素子がある。
<Principle and problem of conventional semiconductor photo detector with signal gain>
In order to dramatically improve the light receiving sensitivity, a signal multiplication type light receiving element exceeding the upper limit of the quantum efficiency of 100% is required, but a photovoltaic type semiconductor light receiving element that expresses this signal gain G is required. There are pnp type or npn type phototransistor elements and avalanche multiplication type APD elements composed of inorganic semiconductors such as Si, Ge, and the like.

Siなどによるフォトトランジスタ型の受光ダイオードの接合構造は、p-n-p接合あるいはn-p-n接合である。その動作原理は、n-p-n型では、素子外部から入射した光によりベース領域に微小な少数キャリアである電子が注入され、これらの電子が拡散効果によりベース層からエミッタ側へ流入し、それと同時に、増倍された正孔電流がエミッタからベースに流入し、ベース層を拡散しながら通過し、コレクタへ向かう大きな電流を生じるこトトなっている。所謂、バイポーラトランジスタの電流増倍動作を利用するものである。   The junction structure of the phototransistor type light receiving diode by Si or the like is a p-n-p junction or an n-p-n junction. The operating principle of the npn type is that electrons that are minute minority carriers are injected into the base region by light incident from the outside of the device, and these electrons flow from the base layer to the emitter side due to the diffusion effect, and at the same time increase. The doubled hole current flows from the emitter into the base, passes through the base layer while diffusing, and generates a large current toward the collector. A so-called bipolar transistor current multiplication operation is used.

しかし、これらのSiやGeなどのフォトトランジスタ型の受光素子は、信号利得Gは発生するが、最大の欠点は、動作速度が遅いことである。また、暗電流が大きく、高速応答でのS/N比が小さいなどの欠点もある。素子応答速度がp-i-nやショットキー型と比較して極めて遅いことは、フォトトランジスタ素子の動作メカニズムに起因しており、本質的な欠点となっており、それらの応用は狭い範囲に限定されている。   However, these phototransistor type light receiving elements such as Si and Ge generate a signal gain G, but the biggest drawback is that the operation speed is slow. In addition, there are disadvantages such as a large dark current and a low S / N ratio in high-speed response. The fact that the device response speed is extremely slow compared to the p-i-n or Schottky type is due to the operating mechanism of the phototransistor device, which is an essential drawback, and their applications are limited. Limited.

周知のように、例えばn-p-n型フォトトランジスタの応答速度を決定する最大の要因は、光による励起によってベース層で発生した電子などのキャリアがエミッタ層へ移動する移動速度や、また、それが増倍され、エミッタ層からベース層を通過してコレクタ層へ流入する正孔の移動速度が、ベース層での拡散速度で限定されることによる。この問題を少しでも低減するためにベース層を、極力、薄く設計したり、また不純物濃度に勾配をつけたりするなどの工夫がされているが、それらの改良においても数MHz程度が限界点とされている。また、前記したが、受光素子のS/Nを支配する暗電流が大きいという課題も克服されていない。   As is well known, the biggest factor that determines the response speed of npn phototransistors, for example, is the speed at which carriers such as electrons generated in the base layer move to the emitter layer due to excitation by light, and the multiplication factor. This is because the moving speed of holes flowing from the emitter layer through the base layer to the collector layer is limited by the diffusion speed in the base layer. In order to reduce this problem as much as possible, the base layer has been designed to be as thin as possible and the impurity concentration has been given a gradient. However, the improvement is limited to a few MHz. ing. In addition, as described above, the problem that the dark current governing the S / N of the light receiving element is large has not been overcome.

<APD型の半導体受光素子>
信号利得を発現するもう一つの光起電力型の半導体受光素子として、Si,GeなどのAPD素子がある。この素子では200V以上の直流バイアスを印加し、光電変換層の電界強度をアバランシェ増倍が生じる電界強度(>106/cm)まで高め、光電流信号をアバランシェ増倍させることにより2−3桁増倍して動作させている。しかし、この増倍機能を有するこのAPD素子の課題は、数V−数10Vで動作させるp-i-n素子やショットキー素子と比較して、高い動作電圧であること、またAPD素子の製作工程で、放電や暗電流を阻止するための、埋め込み型ガードリングの形成など複雑なプロセスが必要であり、素子の集積化が容易でなく、コストも高いため、APD素子の応用範囲は光通信システムの一部や科学光計測分野などの特殊な用途に限定されている。
<APD type semiconductor light receiving element>
As another photovoltaic-type semiconductor light-receiving element that exhibits signal gain, there are APD elements such as Si and Ge. In this device, a DC bias of 200 V or higher is applied, the electric field strength of the photoelectric conversion layer is increased to an electric field strength (> 10 6 / cm) at which avalanche multiplication occurs, and the photocurrent signal is avalanche multiplied by 2-3 digits. It is operated by multiplying. However, the problem of this APD element having this multiplication function is that it has a higher operating voltage than that of a p-i-n element or a Schottky element operated at several volts to several tens of volts, and the manufacture of the APD element. The process requires complicated processes such as the formation of a buried guard ring to prevent discharge and dark current, and the integration of elements is not easy and the cost is high. It is limited to special applications such as part of the system and scientific light measurement field.

このように説明してきたようにp-i-n構造、ショットキー構造、APD構造、およびフォトトランジスタなどの素子はそれぞれに長所と短所を持ち、それぞれの特性の限界値に向けて設計・製作されている。信号利得Gを有する半導体受光素子の課題は、信号利得Gを低減させず、且つ高速応答性、集積性、低コスト性などを可能にする新しい素子の開発であり、その一つが本発明の有機−無機ハイブリッド接合型の半導体受光素子である。   As described above, devices such as the pin structure, the Schottky structure, the APD structure, and the phototransistor each have advantages and disadvantages, and are designed and manufactured to the limit value of each characteristic. ing. The problem of the semiconductor light-receiving element having the signal gain G is the development of a new element that does not reduce the signal gain G and enables high-speed response, integration, low cost, and the like. -An inorganic hybrid junction type semiconductor light-receiving element.

特開2008−211203号公報JP 2008-211203 A

本発明の課題は、信号利得Gを有しかつ、p-i-nやショットキー型のような優れた応答性と低い暗電流性を備えた可視−紫外光波帯の高感度の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子を提供することである。   The subject of the present invention is a highly sensitive organic-inorganic light-wave band having a signal gain G, excellent response such as p-i-n and Schottky type, and low dark current characteristics. A hybrid junction photoelectric conversion element is provided.

本発明の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子では、基本接合構造を、素子上部から、ホールのエミッタ層兼窓層として機能する正孔輸送型の有機半導体薄膜であるp*型有機半導体薄膜と、低キャリア濃度且つ高抵抗の無機半導体層であるi型無機半導体光電変換層と、p型無機半導体コレクタ層とからなるp*-i-p対称接合構造として、数Vから数十Vの直流あるいは交流のバイアス電圧を印加することにより、光電流の信号利得を発現することとした。 In the organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element of the present invention, the basic junction structure is formed from the upper part of the element with a p * type organic semiconductor thin film that is a hole transport type organic semiconductor thin film that functions as a hole emitter layer and window layer. As a p * -i-p symmetrical junction structure comprising an i-type inorganic semiconductor photoelectric conversion layer, which is an inorganic semiconductor layer having a low carrier concentration and high resistance, and a p-type inorganic semiconductor collector layer, a direct current of several V to several tens of V Alternatively, the signal gain of the photocurrent is expressed by applying an alternating bias voltage.

また、本発明の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子では、基本接合構造を、素子上部から、電子のエミッタ層兼窓層として機能する電子輸送型の有機半導体薄膜であるn*型有機半導体薄膜と、低キャリア濃度且つ高抵抗の無機半導体層であるi型無機半導体光電変換層と、n型無機半導体コレクタ層とからなるn*-i-n対称接合構造として、数Vから数十Vの直流あるいは交流のバイアス電圧を印加することにより、光電流の信号利得を発現することとした。 In the organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element of the present invention, the basic junction structure is an n * -type organic semiconductor thin film that is an electron transport type organic semiconductor thin film that functions as an electron emitter layer and window layer from the top of the element. And an n * -i-n symmetric junction structure comprising an i-type inorganic semiconductor photoelectric conversion layer, which is an inorganic semiconductor layer having a low carrier concentration and a high resistance, and an n-type inorganic semiconductor collector layer. By applying a direct current or alternating current bias voltage, the signal gain of the photocurrent is expressed.

さらに、本発明の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子では、バイアス電圧の印加方向を変えることで、光電流の信号利得を発生する信号増倍型の受光特性モードと、信号利得を発生しない通常のPIN型の受光特性モードを選択可能としていることにも特徴を有するものである。   Furthermore, in the organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element of the present invention, by changing the application direction of the bias voltage, the signal multiplication type light-receiving characteristic mode that generates the signal gain of the photocurrent and the normal that does not generate the signal gain. Another feature is that the PIN type light receiving characteristic mode can be selected.

また、本発明の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子では、基本接合構造を、素子上部から、正孔輸送型の有機半導体薄膜である透明p*型有機半導体薄膜と、低キャリア濃度且つ高抵抗のi型ワイドギャップ無機半導体層と、n型ワイドギャップ無機半導体層としたp*-i-n接合、あるいは、電子輸送型の有機半導体薄膜である透明n*型有機半導体薄膜と、キャリア濃度且つ高抵抗のi型ワイドギャップ無機半導体層と、p型ワイドギャップ無機半導体層としたn*-i-p接合とし、この基本接合構造への直流バイアス電圧の印加によりキャリアの雪崩増倍型の信号利得を発現させることとした。 Further, in the organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element of the present invention, the basic junction structure is formed from the top of the element, a transparent p * type organic semiconductor thin film that is a hole transport type organic semiconductor thin film, and a low carrier concentration and high resistance. An n-type wide gap inorganic semiconductor layer, a p * -i-n junction as an n-type wide gap inorganic semiconductor layer, or a transparent n * -type organic semiconductor thin film that is an electron transport type organic semiconductor thin film; High resistance i-type wide gap inorganic semiconductor layer and p-type wide gap inorganic semiconductor layer n * -i-p junction. By applying DC bias voltage to this basic junction structure, carrier avalanche multiplication type signal Gain was expressed.

さらに、上記有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子を同一半導体基板上に、所定間隔で線状あるいは面状に複数個形成し、全体を反射防止膜や保護膜などで被覆して集積型受光素子とし、また、上記有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子または上記集積型受光素子と、深紫外線や、X線、ガンマ線などの高エネルギー放射線を紫外域や可視光域へ変換する高効率シンチレーション材料とを組み合わせて構成した光電子増倍管を使用しない全固体型の深紫外および放射線の高速・高感度の検出装置としているものである。   Further, an integrated light receiving element in which a plurality of the organic-inorganic hybrid junction type photoelectric conversion elements are formed on the same semiconductor substrate in a linear or planar manner at a predetermined interval, and the whole is covered with an antireflection film or a protective film. And the organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element or the integrated light receiving element, and a high-efficiency scintillation material that converts high-energy radiation such as deep ultraviolet rays, X-rays, and gamma rays into the ultraviolet region and the visible light region. This is an all-solid-type deep ultraviolet and radiation high-speed and high-sensitivity detection device that does not use a photomultiplier tube constructed by combining the above.

本発明によれば、信号利得Gを有し、かつ優れた応答性と低い暗電流性を備えた可視−紫外光波帯の高感度の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the highly sensitive organic-inorganic hybrid junction type photoelectric conversion element of the visible-ultraviolet light wave band which has the signal gain G, was equipped with the outstanding responsiveness and low dark current property can be provided. .

本発明に係る有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the organic-inorganic hybrid junction type photoelectric conversion element which concerns on this invention. 第1実施形態の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the organic-inorganic hybrid junction type photoelectric conversion element of 1st Embodiment. 第1実施形態の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子の感度スペクトルのグラフである。It is a graph of the sensitivity spectrum of the organic-inorganic hybrid junction type photoelectric conversion element of 1st Embodiment. 第2実施形態の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the organic-inorganic hybrid junction type photoelectric conversion element of 2nd Embodiment. 第3実施形態の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the organic-inorganic hybrid junction type photoelectric conversion element of 3rd Embodiment. 第4実施形態の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the organic-inorganic hybrid junction type photoelectric conversion element of 4th Embodiment. 第4実施形態の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子の動作原理の説明図である。It is explanatory drawing of the operation principle of the organic-inorganic hybrid junction type photoelectric conversion element of 4th Embodiment. 第4実施形態の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子の暗電流の測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the dark current of the organic-inorganic hybrid junction type photoelectric conversion element of 4th Embodiment. 第4実施形態の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子の感度スペクトルのグラフである。It is a graph of the sensitivity spectrum of the organic-inorganic hybrid junction type photoelectric conversion element of 4th Embodiment. 第5実施形態の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the organic-inorganic hybrid junction type photoelectric conversion element of 5th Embodiment. 本発明に係る放射線検出装置の概略模式図である。1 is a schematic diagram of a radiation detection apparatus according to the present invention. 本発明に係る放射線検出装置で計測したZnSSe結晶薄膜のX線分光スペクトルの計測結果のグラフである。It is a graph of the measurement result of the X-ray-spectral spectrum of the ZnSSe crystal thin film measured with the radiation detector concerning the present invention. 本発明に係る集積型受光素子の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the integrated light-receiving element according to the present invention.

本発明の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子では、上記課題を克服するために、大きく分類して、二つの新規な手法を採用している。   In order to overcome the above problems, the organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element of the present invention is roughly classified into two new methods.

その一つは、従来のSiなどによる信号利得Gを持つフォトトランジスタ動作、あるいはそれに類似した増倍機能を有する受光素子を有機−無機ハイブリッド接合で構成する手法である。このため、従来の有機−無機ハイブリッド構成での受光素子における有機半導体薄膜の役割、すなわち、低抵抗窓層、有機ショットキー接合、素子保護層などを変更する必要がある。   One of them is a technique in which a conventional phototransistor having a signal gain G due to Si or the like, or a light-receiving element having a multiplication function similar to that is composed of an organic-inorganic hybrid junction. Therefore, it is necessary to change the role of the organic semiconductor thin film in the light receiving element in the conventional organic-inorganic hybrid configuration, that is, the low resistance window layer, the organic Schottky junction, the element protective layer, and the like.

特に、本発明では、有機半導体薄膜の機能を、その下部に構成する無機半導体の活性層、あるいはコレクタ層へのキャリア・エミッタとして機能させる接合構造を形成した。そのための接合構造は対称型のp*-i-p構造あるいはn*-i-n構造とし、従来のp-n-p構造における中間のベース層であるn層、あるいはn-p-n構造における中間のベース層であるp層を、極めて高抵抗のi層で構成している。 In particular, in the present invention, a junction structure is formed in which the function of the organic semiconductor thin film functions as a carrier / emitter to the active layer or the collector layer of the inorganic semiconductor that forms the organic semiconductor thin film. For this purpose, the junction structure is a symmetric p * -i-p structure or n * -i-n structure, and n layer, which is an intermediate base layer in the conventional pnp structure, or p, which is an intermediate base layer in the npn structure. The layer is composed of an extremely high resistance i layer.

ここで、p-n-p構造におけるn層に相当するi層は、n-型の伝導型の真性半導体層で構成することによりキャリア濃度を1x1016/cm3以下の低濃度とし、高抵抗化している。同様に、n-p-n構造におけるp層に相当するi層は、p-型の伝導型の真性半導体層で構成することによりキャリア濃度を1x1016/cm3以下の低濃度とし、高抵抗化している。 Here, the i layer corresponding to the n layer in the pnp structure is composed of an n -type intrinsic semiconductor layer having a low carrier concentration of 1 × 10 16 / cm 3 or less, thereby increasing the resistance. Similarly, the i layer corresponding to the p layer in the npn structure is formed of a p -type intrinsic semiconductor layer having a low carrier concentration of 1 × 10 16 / cm 3 or less and has a high resistance.

これらのp*-i-p構造あるいはn*-i-n構造のような有機−無機ハイブリッドの対称接合構造は、従来の無機半導体のフォトトランジスタの特徴である信号利得Gを発生し、さらに、従来のフォトトランジスタの問題であった高速応答性を可能にする接合構造であることが検証された。 These organic-inorganic hybrid symmetric junction structures such as p * -i-p structure or n * -i-n structure generate a signal gain G that is characteristic of conventional inorganic semiconductor phototransistors, It was verified that the junction structure enables high-speed response, which was a problem with conventional phototransistors.

このような有機−無機ハイブリッド構成によるp*-i-p構造あるいはn*-i-n構造が高速応答性を発現する理由は、ベース層を高抵抗のi層で構成することによる。この高抵抗のi層は、光活性層となるベース層に対応し、素子外部からの数V−数10Vのバイアス電圧により光活性層内に高電界を印加することが可能になり、光によって励起されることにより生成されたキャリアを、拡散ではなく、電界で加速して高速移動させることが可能となる。 The reason why the p * -i-p structure or the n * -i-n structure with such an organic-inorganic hybrid structure exhibits high-speed response is that the base layer is formed of a high-resistance i layer. This high-resistance i layer corresponds to the base layer serving as a photoactive layer, and a high electric field can be applied to the photoactive layer by a bias voltage of several tens to several tens of volts from the outside of the device. Carriers generated by being excited can be accelerated by an electric field instead of diffusion and moved at high speed.

実験例で詳述するが、光活性層となるi層を構成する無機半導体として、Si,ZnSSe,GaN,ZnOなどのワイドギャップ化化合物半導体を選択し、有機半導体薄膜に可視−紫外で透明な正孔輸送型のp*型半導体となるPEDOT(商品名)を用いたp*-i-p接合構造の受光素子において、以下の優れた受光特性が実証された。 As will be described in detail in the experimental examples, wide-gap compound semiconductors such as Si, ZnSSe, GaN, and ZnO are selected as the inorganic semiconductors constituting the i layer to be the photoactive layer, and the organic semiconductor thin film is visible-ultraviolet and transparent. The following excellent light-receiving characteristics have been demonstrated in a light-receiving element having a p * -ip junction structure using PEDOT (trade name), which is a hole-transporting p * -type semiconductor.

(1)数V−数10Vの直流あるいは交流のバイアス条件で、擬似バイポーラトランジスタ機能することにより、1桁―3桁におよぶ大きな光電流の信号利得Gを発生し、直流または交流のバイアスで高速で動作する。
有機−無機ハイブリッド接合型トランジスタにおける信号増倍機能は、無機半導体のそれと類似していると考えられるが、正確な信号増倍のメカニズムの解明には、さらに有機−無機ハイブリッド接合素子の基礎研究が必要と思われる。
(2)受光素子の暗電流は、数V−数10Vの領域で数pA/mm2〜数10nA/mm2であった。
(3)素子容量を10pF以下に低減した受光素子において、直流あるいは交流のバイアスにより数100MHz以上の応答速度を検証できた。
(1) Generates a large photocurrent signal gain G ranging from one to three digits by functioning as a pseudo bipolar transistor under DC or AC bias conditions of several volts to several tens of volts. Works with.
The signal multiplication function in an organic-inorganic hybrid junction transistor is thought to be similar to that of an inorganic semiconductor. However, in order to clarify the exact signal multiplication mechanism, further basic research on organic-inorganic hybrid junction elements is needed. It seems necessary.
(2) The dark current of the light receiving element was several pA / mm 2 to several tens of nA / mm 2 in the region of several volts to several tens of volts.
(3) The response speed of several hundred MHz or more was verified by the direct current or alternating current bias in the light receiving element with the element capacitance reduced to 10 pF or less.

前にも述べたが、本発明の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子における素子構成での注意点は、実際のp*-i-p接合構造では、無機半導体で構成する高抵抗のi層はキャリア濃度が1016/cm3以下の低キャリア濃度となっているn-層で構成し、n*-i-n接合構造では、i層はキャリア濃度1016/cm3以下の低キャリア濃度となっているp-層で構成することが必要となる。本説明では、これらのn-層およびp-層を、半導体の慣例に従いi層と記述している。 As mentioned before, the point of caution in the element structure of the organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element of the present invention is that a high-resistance i layer composed of an inorganic semiconductor is used in an actual p * -ip junction structure. n is the carrier concentration becomes 10 16 / cm 3 or lower carrier concentration - constitute a layer, n * in the -i-n junction structure, i layer is low carrier concentration in the carrier concentration 10 16 / cm 3 or less It is necessary to be composed of p - layers. In the present description, these n layers and p layers are described as i layers in accordance with semiconductor conventions.

本発明における、もう一つの信号利得Gを発生する有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子は、青−紫外光波帯で高感度で動作する雪崩増倍型の短波長APD受光素子である。APD素子は、Si、Geなどの無機半導体では近赤外や可視光波帯で実用的な受光素子が開発されているが、350nm以下の紫外域では実用可能な受光素子は不在である。また、有機−無機半導体複合素子によるAPD素子もまだ開発されていない。   The organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element that generates another signal gain G in the present invention is an avalanche multiplication type short wavelength APD light-receiving element that operates with high sensitivity in a blue-ultraviolet light wave band. As for the APD element, practical light receiving elements in the near infrared and visible light wave bands have been developed for inorganic semiconductors such as Si and Ge, but there are no practical light receiving elements in the ultraviolet region of 350 nm or less. An APD element using an organic-inorganic semiconductor composite element has not been developed yet.

本発明では、有機半導体と無機・ワイドギャップ化合物半導体の、p*-i-n構造およびn*-i-p構造の非対称接合により、初めて青−紫外光波帯における有機−無機ハイブリッド接合型APD素子の動作と、極めて高い信号利得Gを達成した。これらの有機−無機ハイブリッド接合型雪崩増倍素子は、単純な有機−無機半導体の接触では逆バイアスでのリーク電流が大きく、安定なAPD動作は困難であるが、Ptなどの金属によるガードリング構造、SiO2膜などの絶縁膜、素子表面の保護膜などのプロセス技術を応用することで実現した。 In the present invention, an organic-inorganic hybrid junction type APD element in a blue-ultraviolet light band is used for the first time by an asymmetric junction of an organic semiconductor and an inorganic / wide gap compound semiconductor with a p * -i-n structure and an n * -ip structure. And an extremely high signal gain G were achieved. These organic-inorganic hybrid junction avalanche multiplication elements have a large leak current due to reverse bias in a simple organic-inorganic semiconductor contact, and a stable APD operation is difficult. However, a guard ring structure using a metal such as Pt is difficult. It was realized by applying process technology such as insulating film such as SiO 2 film and protective film on the element surface.

以上、信号利得Gを発生する有機−無機半導体ハイブリッド素子の基本接合構造、特性と作製プロセスの概略を説明したが、これらの素子のもう一つの特徴は、受光素子の集積化が容易なことである。集積化の容易さは、本発明を大面積のSi結晶、GaAsなどの大きなウエハー上に形成する際に威力を発揮する。   The basic junction structure, characteristics, and outline of the fabrication process of the organic-inorganic semiconductor hybrid element that generates the signal gain G have been described above. Another feature of these elements is that the light receiving elements can be easily integrated. is there. The ease of integration is effective when the present invention is formed on a large wafer such as a large-area Si crystal or GaAs.

すなわち、所定のウエハー上に無機半導体によってi層を形成しておき、有機半導体薄膜は、i層の半導体結晶表面にスピンコート法や真空蒸着法、あるいは直接の重合手法などの単純なプロセスで形成した。リーク電流などを防止するためのPtなどのガードリングを形成するときは、有機半導体薄膜の形成の前に、i層の無機半導体表面上にリングパターンなどの形状で形成している。また、この金属ガードリングを利用して高密度の集積化が可能となる。   That is, an i layer is formed on a predetermined wafer by an inorganic semiconductor, and an organic semiconductor thin film is formed on the surface of the i layer semiconductor crystal by a simple process such as a spin coating method, a vacuum deposition method, or a direct polymerization method. did. When a guard ring such as Pt for preventing leakage current is formed, it is formed in the shape of a ring pattern or the like on the surface of the i-layer inorganic semiconductor before the formation of the organic semiconductor thin film. Further, high density integration is possible using this metal guard ring.

本発明の特徴となる信号利得G、高速性、集積性により、従来にない新規な応用分野を開拓できるが、その一つは、後述するように、集積型受光素子とシンチレーション材料による深紫外線、およびX線の検出装置である   The signal gain G, high speed, and integration that are the characteristics of the present invention can pioneer a new application field that has not existed in the past, but one of them is deep ultraviolet rays using an integrated light receiving element and a scintillation material, And X-ray detection device

本発明の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子では、無機・ワイドギャップ半導体表面に有機半導体薄膜をスピンコート法、真空蒸着法、あるいは直接の重合手法などで製膜するだけで、優れたキャリア・エミッタとして機能するヘテロ接合界面が得られるが、このことは驚きに値する。なぜならば、無機半導体どうしによるヘテロ接合界面においてp-n-p構造などのヘテロ・バイポーラトランジスタからなるフォトトランジスタを形成すると、高濃度の界面欠陥がキャリアの消滅などに寄与し、効率の高いエミッタ作用が阻害されることが良く知られているからである。   In the organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element of the present invention, an excellent carrier-synthetic film can be obtained by simply forming an organic semiconductor thin film on the surface of an inorganic / wide gap semiconductor by a spin coating method, a vacuum deposition method, or a direct polymerization method. A heterojunction interface that functions as an emitter is obtained, which is surprising. This is because, when a phototransistor consisting of a hetero-bipolar transistor such as a pnp structure is formed at a heterojunction interface between inorganic semiconductors, a high concentration of interface defects contributes to the disappearance of carriers and the high-efficiency emitter action is inhibited. This is because it is well known.

後述するように、無機半導体がZnSe,ZnOなどのワイドギャップ半導体に限らず、バンドギャップ値が小さいSiにおいても、効率的な有機−無機ハイブリッド接合が実現されうることは、有機−無機複合界面の有利な特徴ということができる。   As will be described later, the inorganic semiconductor is not limited to a wide gap semiconductor such as ZnSe or ZnO, and an efficient organic-inorganic hybrid junction can be realized even in Si having a small band gap value. This can be an advantageous feature.

しかし、有機−無機複合界面で注意すべき点は、有機−無機接合界面にキャリアが蓄積する性質があることである。これは、有機半導体薄膜が電子や正孔のキャリア・ブロック層として機能することによるが、この蓄積効果は、有機半導体薄膜と接合される無機半導体との界面特性に依存するが、ZnSSeなどのワイドギャップ半導体などでは発生する。この蓄積効果は、受光素子の応答速度の低下や信号利得Gの低減につながるので、このような場合には、直流バイアスにさらにパルスなどの交流バイアスを重畳することによりに高感度と高速応答が可能となる。   However, a point to be noted at the organic-inorganic composite interface is that carriers accumulate at the organic-inorganic bonding interface. This is due to the fact that the organic semiconductor thin film functions as a carrier block layer for electrons and holes, but this accumulation effect depends on the interface characteristics between the organic semiconductor thin film and the inorganic semiconductor to be joined. It occurs in gap semiconductors. This accumulation effect leads to a decrease in the response speed of the light receiving element and a decrease in the signal gain G. In such a case, high sensitivity and high speed response can be achieved by superimposing an AC bias such as a pulse on the DC bias. It becomes possible.

なお、有機−無機の清浄な界面形成には、無機半導体表面の清浄化、酸化層の除去、さらにはZnOなどの酸化物半導体では表面の酸素による反応を防止する適切な表面処理が必要であるが、それらは全て洗浄やエッチングを含む単純なウエットプロセスやドライプロセスで行うことが出来る。   In order to form an organic-inorganic clean interface, it is necessary to clean the surface of the inorganic semiconductor, remove the oxide layer, and, in the case of an oxide semiconductor such as ZnO, an appropriate surface treatment to prevent reaction due to oxygen on the surface. However, they can all be performed by simple wet and dry processes including cleaning and etching.

以上、本発明と従来技術との関係、本発明の基本的な動作原理および実際に素子を作成する際のプロセスなどを説明してきたが、以下に具体的な実施形態に基づいて、本発明の効果を説明していく。   As described above, the relationship between the present invention and the prior art, the basic operation principle of the present invention, the process for actually creating the element, and the like have been described. The following is a description of the present invention based on specific embodiments. I will explain the effect.

<有機半導体薄膜の種類について>
本実験では数種類の有機半導体薄膜を試みた。今までに有機EL開発で多くの有機半導体薄膜が開拓されており、その中で実用商品となっている電子輸送型有機半導体薄膜としては、2-(4-tert-ブチルファエニル)-5-(4-ビフェニリ)-1,3,4-オキサジアゾールが知られており、正孔輸送型有機半導体薄膜としては、PEDT/PSS(3,4エチレンジオキシチオフェンとポリスチレンスルフォン酸との重合体)あるいはp*型CuPcなどが知られている。
<Types of organic semiconductor thin films>
In this experiment, several kinds of organic semiconductor thin films were tried. Many organic semiconductor thin films have been pioneered in the development of organic EL, and among them, as an electron transport organic semiconductor thin film that has become a practical product, 2- (4-tert-butylphenyl) -5- (4-Biphenylyl) -1,3,4-oxadiazole is known, and as a hole transport organic semiconductor thin film, PEDT / PSS (polymer of 3,4 ethylenedioxythiophene and polystyrene sulfonic acid is used. ) Or p * type CuPc is known.

特に、高分子系有機半導体薄膜として用いたPEDT/PSSはすでに商品として開拓され、有機EL素子などに活発に応用されており、スピンコート法と適正な熱処理で多くの無機半導体上に形成できる利点を有している。また、低分子系の有機半導体薄膜では、CuPc系材料を真空蒸着で形成した。この有機材料は有機EL素子で使用されている実績のある材料だが、本発明での有機−無機ハイブリッド接合型の受光素子に用いた場合、紫外域での透過性が劣るためPEDT/PSSより低い感度を示した。   In particular, PEDT / PSS used as a polymer organic semiconductor thin film has already been pioneered as a product and is actively applied to organic EL devices, etc., and can be formed on many inorganic semiconductors by spin coating and appropriate heat treatment have. For low molecular organic semiconductor thin films, CuPc-based materials were formed by vacuum deposition. This organic material is a proven material used in organic EL elements, but when used in an organic-inorganic hybrid junction type light receiving element in the present invention, it is lower than PEDT / PSS due to poor transparency in the ultraviolet region. Sensitivity was shown.

本発明の光電変換素子における受光機能または発光機能を最大に発揮するための好適な有機半導体薄膜材料の選択は、この有機半導体薄膜と接合界面を形成する無機半導体の種類で異なる可能性があるが、p*型有機半導体薄膜を形成する場合には、PEDT/PSSが、種族の異なる多くの半導体との接合界面が良好で、且つスピンコート法と熱アニールなどの簡単なプロセスで形成でき、しかも可視−紫外で透明性が優れていた。 The selection of a suitable organic semiconductor thin film material for maximizing the light receiving function or the light emitting function in the photoelectric conversion element of the present invention may differ depending on the type of inorganic semiconductor that forms a junction interface with the organic semiconductor thin film. In the case of forming a p * type organic semiconductor thin film, PEDT / PSS has a good bonding interface with many semiconductors of different species and can be formed by a simple process such as spin coating and thermal annealing. Visible-ultraviolet and excellent transparency.

<基本構造の説明>
図1は、本発明の基本的な有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子の断面模式図である。
<Description of basic structure>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a basic organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element of the present invention.

この有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子は、裏面に下部電極1が設けられた無機半導体基板2の上面に、無機半導体層3と、無機半導体層からなる光電変換層4と、有機半導体薄膜5とを順次積層させて形成し、有機半導体薄膜5に上部電極6を接続させて設けて構成している。下部電極1と上部電極6は、適宜のバイアス電圧を印加するためバイアス印加手段7に接続している。   This organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element has an inorganic semiconductor layer 3, a photoelectric conversion layer 4 made of an inorganic semiconductor layer, and an organic semiconductor thin film 5 on the upper surface of an inorganic semiconductor substrate 2 having a lower electrode 1 provided on the back surface. Are sequentially laminated, and the upper electrode 6 is connected to the organic semiconductor thin film 5 to provide it. The lower electrode 1 and the upper electrode 6 are connected to a bias applying means 7 in order to apply an appropriate bias voltage.

ここで、有機半導体薄膜5がエミッタ層兼窓層となっており、無機半導体層3がコレクタ層となっている。以下においては、エミッタ層兼窓層は単に有機半導体薄膜5と称し、コレクタ層は単に無機半導体層3と称する。   Here, the organic semiconductor thin film 5 is an emitter layer / window layer, and the inorganic semiconductor layer 3 is a collector layer. Hereinafter, the emitter layer / window layer is simply referred to as the organic semiconductor thin film 5, and the collector layer is simply referred to as the inorganic semiconductor layer 3.

なお、無機半導体基板2がp型である場合には、無機半導体層3はp型、光電変換層4はn-型、有機半導体薄膜5はp*型としてp*-i-p対称接合構造とし、無機半導体基板2がn型である場合には、無機半導体層3はn型、光電変換層4はp-型、有機半導体薄膜5はn*型としてn*-i-n対称接合構造としている。 When the inorganic semiconductor substrate 2 is p-type, the inorganic semiconductor layer 3 is p-type, the photoelectric conversion layer 4 is n - type, and the organic semiconductor thin film 5 is p * -type and has a p * -ip symmetrical structure. When the inorganic semiconductor substrate 2 is n-type, the inorganic semiconductor layer 3 is n-type, the photoelectric conversion layer 4 is p - type, and the organic semiconductor thin film 5 is n * -type and has an n * -i-n symmetric junction structure. It is said.

特に、無機半導体層3及び有機半導体薄膜5はキャリア濃度を1×1017/cm3以上とする一方、光電変換層4はキャリア濃度を1×1016/cm3以下として高抵抗のi層としている。 In particular, the inorganic semiconductor layer 3 and the organic semiconductor thin film 5 have a carrier concentration of 1 × 10 17 / cm 3 or more, while the photoelectric conversion layer 4 has a carrier concentration of 1 × 10 16 / cm 3 or less as a high resistance i layer. Yes.

図1の基本構造から判るように、無機半導体層3上にi層となる光電変換層4を無機半導体で形成し、その上に有機半導体薄膜をスピンコートや真空蒸着、あるいは化学的な重合法などで形成して有機半導体薄膜5としている。   As can be seen from the basic structure of FIG. 1, a photoelectric conversion layer 4 to be an i layer is formed on an inorganic semiconductor layer 3 with an inorganic semiconductor, and an organic semiconductor thin film is formed thereon by spin coating, vacuum deposition, or chemical polymerization. Thus, the organic semiconductor thin film 5 is formed.

図1では、本発明の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子の基本構造のみを示したが、実際にII-VI系、III-V系のワイドギャップ半導体やSiなどで、実用レベルの素子作製においては、安定動作のための付加的な絶縁膜、素子のパッシベーション膜、金属ガードリングおよび超音波ボンディングを可能にするための上部金属電極の配置の工夫が必要である。   Although only the basic structure of the organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element of the present invention is shown in FIG. 1, practical device fabrication is actually made with II-VI, III-V wide gap semiconductors, Si, and the like. However, it is necessary to devise the arrangement of an additional insulating film for stable operation, a passivation film for the element, a metal guard ring, and an upper metal electrode to enable ultrasonic bonding.

<第1実施形態>
図2は、より具体的な第1実施形態の光電変換素子であって、ワイドギャップを有する半導体であるZnSSeを用いて構成したp*-i-p構造の受光素子の断面模式図である。
<First Embodiment>
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a light-receiving element having a p * -ip structure, which is a more specific photoelectric conversion element according to the first embodiment and is configured using ZnSSe, which is a semiconductor having a wide gap.

本実施形態の光電変換素子は、裏面に下部電極1が設けられた無機半導体基板2の上面に、障壁解消用のバッファ層Bと、無機半導体層3と、無機半導体層からなる光電変換層4と、有機半導体薄膜5とを順次積層させて形成し、有機半導体薄膜5に上部電極6を接続させて設けて構成している。下部電極1と上部電極6は、適宜のバイアス電圧を印加するためバイアス印加手段7に接続している。   In the photoelectric conversion element of this embodiment, the barrier conversion buffer layer B, the inorganic semiconductor layer 3, and the photoelectric conversion layer 4 composed of the inorganic semiconductor layer are formed on the upper surface of the inorganic semiconductor substrate 2 provided with the lower electrode 1 on the back surface. And the organic semiconductor thin film 5 are sequentially laminated, and the upper electrode 6 is connected to the organic semiconductor thin film 5 and provided. The lower electrode 1 and the upper electrode 6 are connected to a bias applying means 7 in order to apply an appropriate bias voltage.

さらに、本実施形態の光電変換素子では、光電変換層4と有機半導体薄膜5との間に、リング状とすることにより光が入射する開口が形成されているガードリングRを設けている。   Furthermore, in the photoelectric conversion element of the present embodiment, a guard ring R in which an opening through which light is incident is formed between the photoelectric conversion layer 4 and the organic semiconductor thin film 5 by forming a ring shape.

無機半導体基板2は、(100)面でカットされたp−GaAs基板であり、厚みは0.3mm程度とし、キャリア濃度は1×1018/cm3程度としている。 The inorganic semiconductor substrate 2 is a p-GaAs substrate cut along the (100) plane, has a thickness of about 0.3 mm, and a carrier concentration of about 1 × 10 18 / cm 3 .

バッファ層Bは、無機半導体基板2の上面に形成したZnTe-ZnSe超格子層であって、無機半導体基板2のp−GaAsと無機半導体層3を構成するp−Zn1-xSxSe層とを接合させた際に界面に流れる正孔流に起因した約1.0eV程度の障壁を解消させるためのものであり、バッファ層Bの界面超格子によって共鳴トンネル効果を生じさせて、正孔を通過させている。 The buffer layer B is a ZnTe—ZnSe superlattice layer formed on the upper surface of the inorganic semiconductor substrate 2, and a p-Zn 1-x S x Se layer constituting the p-GaAs and the inorganic semiconductor layer 3 of the inorganic semiconductor substrate 2. Is used to eliminate a barrier of about 1.0 eV due to the hole flow flowing at the interface, and the interface superlattice of the buffer layer B causes a resonant tunneling effect, I let it pass.

無機半導体層3は、バッファ層Bの上面にエピタキシャル成長法によって形成したp−Zn1-xSxSe層であって、活性窒素を添加することによりキャリア濃度を5×1017/cm3程度としている。 The inorganic semiconductor layer 3 is a p-Zn 1-x S x Se layer formed on the upper surface of the buffer layer B by the epitaxial growth method, and the carrier concentration is set to about 5 × 10 17 / cm 3 by adding active nitrogen. Yes.

光電変換層4は、無機半導体層3の上面にエピタキシャル成長法によって無添加で形成したi−Zn1-xSxSe層であり、厚みは約0.4μm程度とし、電子濃度を2×1015/cm3程度としている。 The photoelectric conversion layer 4 is an i-Zn 1-x S x Se layer formed on the upper surface of the inorganic semiconductor layer 3 without addition by epitaxial growth, has a thickness of about 0.4 μm, and has an electron concentration of 2 × 10 15 / About 3 cm.

有機半導体薄膜5を形成する前に、光電変換層4の上面にはスパッタリングなどによってPt金属膜を形成し、このPt金属膜をパターンニングしてガードリングRを形成している。このガードリングRは、光電変換層4のi−Zn1-xSxSe層にショットキー接合させており、暗電流の発生を防止できる。 Before the organic semiconductor thin film 5 is formed, a Pt metal film is formed on the upper surface of the photoelectric conversion layer 4 by sputtering or the like, and the guard ring R is formed by patterning the Pt metal film. This guard ring R is Schottky joined to the i-Zn 1-x S x Se layer of the photoelectric conversion layer 4 and can prevent the occurrence of dark current.

ガードリングRの形成後、光電変換層4の上面に液体状のPEDT/PSSをスピンコート法によって塗布し、180℃に加熱して硬化させることにより有機半導体薄膜5を形成している。有機半導体薄膜5の形成は、スピンコート法に限定するものではなく、真空蒸着法などの適宜の方法としてもよい。。本実施形態では、有機半導体薄膜5の厚みは、約250nm程度としている。   After formation of the guard ring R, liquid PEDT / PSS is applied to the upper surface of the photoelectric conversion layer 4 by a spin coating method, and is heated to 180 ° C. to be cured, thereby forming the organic semiconductor thin film 5. The formation of the organic semiconductor thin film 5 is not limited to the spin coating method, and may be an appropriate method such as a vacuum deposition method. . In the present embodiment, the thickness of the organic semiconductor thin film 5 is about 250 nm.

有機半導体薄膜5の形成後、有機半導体薄膜5の上面には、電子ガンによる真空蒸着でAl2O3からなる絶縁保護膜や、SiO2からなる反射防止膜を形成して絶縁保護層8を設けている。絶縁保護層8の厚みは約0.06μm程度としている。 After the formation of the organic semiconductor thin film 5, an insulating protective film 8 made of Al 2 O 3 or an anti-reflective film made of SiO 2 is formed on the upper surface of the organic semiconductor thin film 5 by vacuum deposition using an electron gun. Provided. The thickness of the insulating protective layer 8 is about 0.06 μm.

さらに、絶縁保護層8には、有機半導体薄膜5の一部を露出させる開口部を形成し、この開口部にAgを真空蒸着させて上部電極6を形成している。   Further, an opening for exposing a part of the organic semiconductor thin film 5 is formed in the insulating protective layer 8, and the upper electrode 6 is formed by vacuum-depositing Ag in the opening.

図2に示したp*-i-p型の光電変換素子は、バイアス電圧の方向を変えてもどちらかの接合が逆方向となるため暗電流は、例えば5Vバイアス条件で数pA〜数10pA/mm2程度の極めて低い値であり、しかもバイアス方向において異なる受光特性を示す。 In the p * -i-p type photoelectric conversion element shown in FIG. 2, even if the direction of the bias voltage is changed, either one of the junctions is in the reverse direction. Therefore, the dark current is, for example, several pA to several tens pA under a 5V bias condition. It is an extremely low value of about / mm 2 and shows different light receiving characteristics in the bias direction.

すなわち、本実施形態の受光素子では、素子上部の有機半導体薄膜5を正にバイアスしたときに信号利得Gが発生する。また、有機半導体薄膜5を負バイアスする条件では、信号利得は発生せず、高速・低暗電流のPIN型素子として動作する。   That is, in the light receiving element of this embodiment, a signal gain G is generated when the organic semiconductor thin film 5 on the element is positively biased. Further, under the condition that the organic semiconductor thin film 5 is negatively biased, no signal gain is generated, and the device operates as a PIN type element with high speed and low dark current.

ここで、有機半導体薄膜5を負にバイアスして、信号利得Gが発生しないときの受光特性を説明する。このバイアス条件では、入射光の波長が450−300nm領域で外部量子効率ηex=85%−75%が得られ、受光感度Sは、S=0.15−0.1A/Wの素子として高速・安定動作が検証された。このp-i-n型に類似した受光モードでは、信号利得Gが不在であるが、外部量子効率と感度において既存のSi紫外フォトダイオードのそれを凌駕する良好な特性が得られる。 Here, the light receiving characteristics when the organic semiconductor thin film 5 is negatively biased and the signal gain G is not generated will be described. Under this bias condition, the external quantum efficiency η ex = 85% -75% is obtained in the incident light wavelength range of 450-300 nm, and the light receiving sensitivity S is high-speed and stable operation as an element with S = 0.15-0.1 A / W. Was verified. In the light receiving mode similar to the p-i-n type, the signal gain G is absent, but the external quantum efficiency and sensitivity are superior to those of existing Si ultraviolet photodiodes.

一方、有機半導体薄膜5を正とするバイアスでは、受光感度は極めて大きな変化を示す。すなわち、有機半導体薄膜5を1V以上の正に交流バイアスした条件では、上記のp-i-n動作での光電流信号と比較して、5−120倍に増加する。信号利得Gは、一定の交流バイアス値以上で発現し、そのバイアス値を満たせば、交流バイアスの値に依存せず一定の信号利得Gを維持する。なお交流バイアスは方形型でも正弦波でもよい。この交流バイアスは、有機−無機半導体界面に蓄積する微弱な電荷を吐き出す役割をするものであり、そのバイアス周波数は、数Hzから数100MHzが望ましい。   On the other hand, with a bias with the organic semiconductor thin film 5 being positive, the light receiving sensitivity shows a very large change. That is, under the condition that the organic semiconductor thin film 5 is positively AC biased by 1 V or more, it increases 5-120 times compared with the photocurrent signal in the above-described p-i-n operation. The signal gain G appears above a certain AC bias value, and if the bias value is satisfied, the constant signal gain G is maintained regardless of the AC bias value. The AC bias may be a square type or a sine wave. This AC bias serves to discharge weak charges accumulated at the organic-inorganic semiconductor interface, and the bias frequency is preferably several Hz to several hundred MHz.

このように、バイアス印加手段7から出力するバイアス電圧の出力を選択的に切り替えることにより、光電流の信号利得を発生する信号増倍型の受光特性モードと、信号利得を発生しない通常のPIN型の受光特性モードとを切り替えることができる。   Thus, by selectively switching the output of the bias voltage output from the bias applying means 7, the signal multiplication type light receiving characteristic mode for generating the signal gain of the photocurrent, and the normal PIN type for generating no signal gain. The light receiving characteristic mode can be switched.

信号利得Gが発生するモードにおいて高速応答を実現するには、交流バイアスの最適化とバイアス周波数を高く設定することが必要である。一方、有機−無機半導体界面にキャリア蓄積が生じない場合や、有機半導体薄膜がキャリア・ブロック層として機能しない場合には、通常の直流バイアス条件で高速に動作させることができる。   In order to realize a high-speed response in the mode in which the signal gain G is generated, it is necessary to optimize the AC bias and set the bias frequency high. On the other hand, when carrier accumulation does not occur at the organic-inorganic semiconductor interface, or when the organic semiconductor thin film does not function as a carrier block layer, it can be operated at high speed under normal DC bias conditions.

受光素子の有機半導体薄膜5に0−5Vで正弦波の交流バイアスを印加した状態で、青色(450nm)−紫外領域(300nm)の光を照射した際の感度(A/W)スペクトルを図3に示す。交流バイアスの周波数は100MHzとしている。図3中、三角印が本実施形態の受光素子である。   Fig. 3 shows the sensitivity (A / W) spectrum when light in the blue (450nm) -ultraviolet region (300nm) is irradiated with a 0-5V AC bias applied to the organic semiconductor thin film 5 of the light receiving element. Shown in The frequency of the AC bias is 100 MHz. In FIG. 3, the triangle marks are the light receiving elements of the present embodiment.

比較のため、図3では、現在、実用的に用いられているSiによるp-i-n構造のフォトダイオードの感度を四角印で示し、ZnSSeによるpin構造のフォトダイオードの感度を黒丸印で示しており、信号利得Gが発現するため、本実施形態の受光素子では極めて高い外部量子効率が達成されていることが判る。特に波長300−350nmの紫外領域で現在、実用化されている紫外受光素子として最高感度のSiを用いたp-i-n型受光素子を大幅に上回っていることが判る。   For comparison, in FIG. 3, the sensitivity of a p-i-n photodiode using Si, which is currently used practically, is shown by a square mark, and the sensitivity of a pin structure photodiode made of ZnSSe is shown by a black circle. Since the signal gain G is expressed, it can be seen that extremely high external quantum efficiency is achieved in the light receiving element of this embodiment. In particular, it can be seen that the ultraviolet light receiving element, which is currently in practical use in the ultraviolet region with a wavelength of 300 to 350 nm, greatly exceeds the pin type light receiving element using Si having the highest sensitivity.

このように、p*-i-p構造の受光素子は、従来の高感度なp-i-n型受光素子に比較して1−2桁以上の青−紫外感度を示す。なお、この信号利得を有する受光素子では、反射防止膜などの最適化はなされておらず、最適化をはかることによりさらに高感度化も可能であり、極めて優れた紫外受光感度を有していることが判る。 As described above, the p * -i-p structure light-receiving element exhibits a blue-ultraviolet sensitivity of 1-2 digits or more as compared with the conventional high-sensitivity p-i-n type light-receiving element. In the light receiving element having this signal gain, the antireflection film or the like has not been optimized, and it is possible to further increase the sensitivity by optimizing it, and it has an extremely excellent ultraviolet light receiving sensitivity. I understand that.

なお、本実施形態の受光素子の高速応答性を、受光領域を直径30μmの円形とした受光素子で調べたところ、400MHz程度の高速応答が確認された。受光素子の応答は、i層が完全に高電界領域で覆われるので、キャリア走行時間制限は受けず、CR時定数による制限となる。応答速度は素子容量を低減することでさらに向上させることが可能である。この高速応答は、従来のSiなどによる信号利得Gを有するフォトトランジスタの欠点である低い応答速度の課題が、大幅に改良されていることが判る。   When the high-speed response of the light-receiving element of this embodiment was examined with a light-receiving element having a light-receiving region with a diameter of 30 μm, a high-speed response of about 400 MHz was confirmed. The response of the light receiving element is not limited by the carrier travel time because the i layer is completely covered with the high electric field region, and is limited by the CR time constant. The response speed can be further improved by reducing the element capacitance. This high-speed response shows that the problem of low response speed, which is a drawback of the phototransistor having the signal gain G due to conventional Si or the like, is greatly improved.

本実施形態のp*-i-p型の光電変換素子が顕著な信号利得Gを発生する条件は、有機半導体薄膜5側を正としてバイアス電圧を設定するケースである。このバイアス条件では、有機半導体薄膜がキャリアのエミッタとして動作する条件に対応し、有機半導体薄膜5がp型半導体としての機能を発現し、Siなどによるp-n-pバイポーラトランジスタで知られている電流増倍効果が発生していると考えられる。本実施形態のp*-i-p型の光電変換素子が、Siなどによるp-n-pバイポーラトランジスタと異なる点は、ベース層がi型であることで高抵抗となっており、外部のバイアスがこのi層に印加されてキャリアが高速に移動可能となり、高速駆動が可能となっている。 The condition that the p * -ip type photoelectric conversion element of this embodiment generates a remarkable signal gain G is a case where the bias voltage is set with the organic semiconductor thin film 5 side being positive. This bias condition corresponds to the condition that the organic semiconductor thin film operates as a carrier emitter, the organic semiconductor thin film 5 exhibits the function as a p-type semiconductor, and the current multiplication effect known for pnp bipolar transistors such as Si. Is considered to have occurred. The p * -i-p type photoelectric conversion element of this embodiment is different from the Si pnp bipolar transistor in that the base layer is i-type and has high resistance, and the external bias is i. Applied to the layer, the carrier can move at high speed, and high speed driving is possible.

<第2実施形態>
図4は、第2実施形態の光電変換素子であって、ZnSSeよりも大きなバンドギャップを有するGaNを用いたp*-i-p構造の受光素子の断面模式図である。
Second Embodiment
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a light-receiving element having a p * -ip structure, which is a photoelectric conversion element according to the second embodiment and uses GaN having a band gap larger than that of ZnSSe.

本実施形態の光電変換素子は、無機半導体基板2の上面に、障壁解消用のバッファ層Bと、無機半導体層3と、無機半導体層からなる光電変換層4と、有機半導体薄膜5とを順次積層させて形成し、光電変換層4と有機半導体薄膜5との間に、中間絶縁層9を介して上部電極6を設けている。さらに、有機半導体薄膜5の上面には、有機半導体薄膜5を被覆する絶縁保護層8を設けている。   In the photoelectric conversion element of this embodiment, the buffer layer B for barrier removal, the inorganic semiconductor layer 3, the photoelectric conversion layer 4 made of an inorganic semiconductor layer, and the organic semiconductor thin film 5 are sequentially formed on the upper surface of the inorganic semiconductor substrate 2. The upper electrode 6 is provided between the photoelectric conversion layer 4 and the organic semiconductor thin film 5 with the intermediate insulating layer 9 interposed therebetween. Furthermore, an insulating protective layer 8 that covers the organic semiconductor thin film 5 is provided on the upper surface of the organic semiconductor thin film 5.

特に、上部電極6と有機半導体薄膜5とは、光電変換層4上に面方向に沿って設けており、有機半導体薄膜5の上面に厚い保護膜が形成されることを抑制して、保護膜による光の吸収を抑制しやすくしている。   In particular, the upper electrode 6 and the organic semiconductor thin film 5 are provided along the surface direction on the photoelectric conversion layer 4, and it is possible to suppress the formation of a thick protective film on the upper surface of the organic semiconductor thin film 5. Makes it easier to suppress the absorption of light.

さらに、上部電極6は、有機半導体薄膜5を取り囲む枠状に設けて光が入射する開口部を形成しており、上部電極6自体が遮光体となることによって、遮光体を別途設ける必要がなく、受光領域以外での光励起による電流の発生を防止できる。   Furthermore, the upper electrode 6 is provided in a frame shape surrounding the organic semiconductor thin film 5 to form an opening through which light is incident. Since the upper electrode 6 itself becomes a light shielding body, there is no need to separately provide a light shielding body. Thus, it is possible to prevent the generation of current due to light excitation outside the light receiving region.

下部電極1は、光電変換層4及び無機半導体層3をエッチバックして露出させた無機半導体層3の露出面に設けており、上部電極6及び下部電極1にはバイアス印加手段7を接続して、このバイアス印加手段7で受光素子に所定のバイアス電圧を印加している。   The lower electrode 1 is provided on the exposed surface of the inorganic semiconductor layer 3 exposed by etching back the photoelectric conversion layer 4 and the inorganic semiconductor layer 3, and bias applying means 7 is connected to the upper electrode 6 and the lower electrode 1. The bias applying means 7 applies a predetermined bias voltage to the light receiving element.

無機半導体基板2はサファイヤ基板で構成し、この無機半導体基板2の上面には、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法によってGaN層からなるバッファ層Bを形成している。   The inorganic semiconductor substrate 2 is composed of a sapphire substrate, and a buffer layer B made of a GaN layer is formed on the upper surface of the inorganic semiconductor substrate 2 by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).

無機半導体層3は、バッファ層Bの上面にMOCVD法でMgをアクセプタとして添加しながら形成したp−GaN層であり、厚みを2μm程度とし、キャリア濃度を7×1017/cm3程度としている。 The inorganic semiconductor layer 3 is a p-GaN layer formed on the upper surface of the buffer layer B while adding Mg as an acceptor by MOCVD, and has a thickness of about 2 μm and a carrier concentration of about 7 × 10 17 / cm 3 . .

光電変換層4は、無機半導体層3の上面にMgを微量添加しながらMOCVD法で形成したi−GaN層であり、厚みを約0.4μm程度とし、電子濃度を8×1015/cm3程度としている。 The photoelectric conversion layer 4 is an i-GaN layer formed by MOCVD while adding a small amount of Mg to the upper surface of the inorganic semiconductor layer 3. The photoelectric conversion layer 4 has a thickness of about 0.4 μm and an electron concentration of about 8 × 10 15 / cm 3. It is said.

有機半導体薄膜5を形成する前に、光電変換層4の上面には電子ガン蒸着によってAl2O3膜とSiO2膜とを順次形成して中間絶縁層9とし、さらに、この中間絶縁層9の上面には真空蒸着によりTi金属膜とPt/Au金属膜を順次形成しており、これらをパターンニングすることにより中間絶縁層9を介して光電変換層4上に設けたリング状の上部電極6を形成している。 Before forming the organic semiconductor thin film 5, an Al 2 O 3 film and an SiO 2 film are sequentially formed on the upper surface of the photoelectric conversion layer 4 by electron gun vapor deposition to form an intermediate insulating layer 9. A Ti metal film and a Pt / Au metal film are sequentially formed on the upper surface of the substrate by vacuum deposition, and a ring-shaped upper electrode provided on the photoelectric conversion layer 4 via the intermediate insulating layer 9 by patterning them. 6 is formed.

また、真空蒸着によりTi金属膜とPt/Au金属膜を形成する前に、ドライエッチングによって光電変換層4をエッチングして無機半導体層3を露出させるとともに、さらに無機半導体層3をエッチングして、下部電極1を形成するための凹部を設け、Ti金属膜とPt/Au金属膜を形成することにより、上部電極6ともに下部電極1を形成している。   Further, before forming the Ti metal film and the Pt / Au metal film by vacuum deposition, the photoelectric conversion layer 4 is etched by dry etching to expose the inorganic semiconductor layer 3, and further the inorganic semiconductor layer 3 is etched, A recess for forming the lower electrode 1 is provided, and a Ti metal film and a Pt / Au metal film are formed to form the lower electrode 1 together with the upper electrode 6.

なお、前記凹部の形成にともなって露出状態となった光電変換層4及び無機半導体層3の断面は、メサ状に加工することによって暗電流の発生を抑制している。   The cross sections of the photoelectric conversion layer 4 and the inorganic semiconductor layer 3 that are exposed as a result of the formation of the recesses are processed into a mesa shape to suppress the generation of dark current.

有機半導体薄膜5は、上部電極6の形成後、光電変換層4の上面に液体状のPEDT/PSSをスピンコート法によって塗布し、180℃に加熱して硬化させて形成している。有機半導体薄膜5の形成は、スピンコート法に限定するものではなく、真空蒸着法などの適宜の方法としてもよい。。本実施形態では、有機半導体薄膜5の厚みは、約800nm程度としている。   The organic semiconductor thin film 5 is formed by applying liquid PEDT / PSS to the upper surface of the photoelectric conversion layer 4 by spin coating after the formation of the upper electrode 6 and heating to 180 ° C. to cure. The formation of the organic semiconductor thin film 5 is not limited to the spin coating method, and may be an appropriate method such as a vacuum deposition method. . In the present embodiment, the thickness of the organic semiconductor thin film 5 is about 800 nm.

有機半導体薄膜5の形成後、有機半導体薄膜5の上面には、全面的にAl2O3からなる絶縁保護膜や、SiO2からなる反射防止膜を形成して絶縁保護層8を設けている。 After the organic semiconductor thin film 5 is formed, an insulating protective layer 8 is formed on the entire upper surface of the organic semiconductor thin film 5 by forming an insulating protective film made of Al 2 O 3 or an antireflection film made of SiO 2 . .

本実施形態の受光素子は、第1実施形態の受光素子と同様に、有機半導体薄膜5を負にバイアスした条件では、光電流の信号利得Gは発生せず、利得のない通常のショットキー型か、p-i-n型の受光素子に類似した受光特性を示した。このバイアス条件では、波長360nm−250nmで外部量子効率ηex=60%−50%であった。この紫外域での外部量子効率は、論文などで報告されているGaNのp-i-n型の受光素子におけるηex=55%−45%より若干優れている。 Similar to the light receiving element of the first embodiment, the light receiving element of this embodiment does not generate a signal gain G of photocurrent under the condition that the organic semiconductor thin film 5 is negatively biased, and is a normal Schottky type without gain. Or, it showed light receiving characteristics similar to a p-i-n type light receiving element. Under this bias condition, the external quantum efficiency η ex = 60% -50% at a wavelength of 360 nm-250 nm. This external quantum efficiency in the ultraviolet region is slightly better than η ex = 55% -45% in the GaN p-i-n type light receiving element reported in papers.

有機半導体薄膜5を正にバイアスした条件では、0−12Vの交流バイアスで印加すると、波長360nm近傍から感度スペクトルが立ち上がり、信号利得Gは5−45程度となった。このバイアス条件では、波長域が360nmから280nmの紫外領域で感度S=1A/W―2A/Wの高い値を示す。感度の長波長端である360nmはGaNの基礎吸収端に相当し、また感度の短波長限界(270nm)は、有機半導体薄膜(PEDT/PSS)窓層の紫外吸収によって制限されている。   Under the condition that the organic semiconductor thin film 5 was positively biased, when an AC bias of 0-12V was applied, the sensitivity spectrum rose from around the wavelength of 360 nm, and the signal gain G was about 5-45. Under this bias condition, a high value of sensitivity S = 1 A / W−2 A / W is shown in the ultraviolet region of the wavelength region from 360 nm to 280 nm. 360 nm, which is the long wavelength end of sensitivity, corresponds to the fundamental absorption edge of GaN, and the short wavelength limit (270 nm) of sensitivity is limited by the ultraviolet absorption of the organic semiconductor thin film (PEDT / PSS) window layer.

本実施形態の受光素子における暗電流Idは、5Vのバイアス条件下で数nA/mm2であり、第1実施形態の受光素子より約1桁高い暗電流となっていた。この原因は、有機―GaN界面の欠陥から生じている成分と転位などのマクロ欠陥を高密度で有するGaN自身から発生している成分が考えられる。受光感度と暗電流制御に関しては、第1実施形態の受光素子より劣るが、GaN結晶膜の欠陥制御と、光電変換層4と有機半導体薄膜5の界面の改善でさらに大幅な紫外感度の向上が期待できる。 The dark current I d in the light receiving element of this embodiment is several nA / mm 2 under a bias condition of 5 V, which is a dark current that is about one digit higher than that of the light receiving element of the first embodiment. This can be attributed to components generated from defects at the organic-GaN interface and components generated from GaN itself having high density of macro defects such as dislocations. Although the light receiving sensitivity and dark current control are inferior to the light receiving element of the first embodiment, the UV sensitivity can be further greatly improved by controlling the defects of the GaN crystal film and improving the interface between the photoelectric conversion layer 4 and the organic semiconductor thin film 5. I can expect.

<第3実施形態>
図5は、第3実施形態の光電変換素子であって、GaNと同等のバンドギャップを有するZnOを用いたn*-i-n構造の受光素子の断面模式図である。
<Third Embodiment>
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a light-receiving element having an n * -in structure using ZnO having a band gap equivalent to that of GaN, which is the photoelectric conversion element of the third embodiment.

本実施形態の光電変換素子は、裏面に下部電極1が設けられた無機半導体基板2の上面に、無機半導体層3と、無機半導体層からなる光電変換層4と、有機半導体薄膜5とを順次積層させて形成し、有機半導体薄膜5に上部電極6を接続させて設けて構成している。下部電極1と上部電極6は、適宜のバイアス電圧を印加するためバイアス印加手段7に接続している。   In the photoelectric conversion element of this embodiment, an inorganic semiconductor layer 3, a photoelectric conversion layer 4 made of an inorganic semiconductor layer, and an organic semiconductor thin film 5 are sequentially formed on the upper surface of an inorganic semiconductor substrate 2 provided with a lower electrode 1 on the back surface. The upper electrode 6 is connected to the organic semiconductor thin film 5 and is formed. The lower electrode 1 and the upper electrode 6 are connected to a bias applying means 7 in order to apply an appropriate bias voltage.

さらに、本実施形態の光電変換素子では、光電変換層4と有機半導体薄膜5との間に、光が入射する開口部が形成された中間絶縁層9を設けている。   Furthermore, in the photoelectric conversion element of this embodiment, an intermediate insulating layer 9 in which an opening through which light enters is formed between the photoelectric conversion layer 4 and the organic semiconductor thin film 5 is provided.

無機半導体基板2は、c面でカットされたn−ZnO基板としている。   The inorganic semiconductor substrate 2 is an n-ZnO substrate cut at the c-plane.

無機半導体層3は、無機半導体基板2の上面にGaをドナーとして添加しながらホモ・エピタキシャル成長法(MBE法)によって形成したn−ZnO層であって、厚みを約2μm程度とし、キャリア濃度を8×1017/cm3程度としている。 The inorganic semiconductor layer 3 is an n-ZnO layer formed by homo-epitaxial growth method (MBE method) while adding Ga as a donor to the upper surface of the inorganic semiconductor substrate 2 and has a thickness of about 2 μm and a carrier concentration of 8 × 10 17 / cm 3 or so.

光電変換層4は、無機半導体層3の上面にN及びAsのアクセプタを低濃度で添加しながら形成したp-型のi−ZnO層であり、厚みを約0.3μm程度とし、ホール濃度を2×1015/cm3程度としている。 The photoelectric conversion layer 4 is a p -type i-ZnO layer formed by adding N and As acceptors at a low concentration on the upper surface of the inorganic semiconductor layer 3, and has a thickness of about 0.3 μm and a hole concentration of 2 × 10 15 / cm 3 or so.

有機半導体薄膜5を形成する前に、光電変換層4の上面にはCVD法などによってAl2O3膜とSiO2膜とを順次形成して中間絶縁層9とし、さらに、この中間絶縁層9をパターンニングすることにより、光が入射する開口部を形成している。 Before the organic semiconductor thin film 5 is formed, an Al 2 O 3 film and a SiO 2 film are sequentially formed on the upper surface of the photoelectric conversion layer 4 by a CVD method or the like to form an intermediate insulating layer 9. By patterning, an opening for receiving light is formed.

さらに、有機半導体薄膜5を形成する前には、光電変換層4の上面に対して、シランカップリング剤を用いた表面処理を行っている。   Furthermore, before the organic semiconductor thin film 5 is formed, a surface treatment using a silane coupling agent is performed on the upper surface of the photoelectric conversion layer 4.

有機半導体薄膜5は、シランカップリング剤による表面処理後、光電変換層4の上面に液体状の2-(4-tert-ブチルファエニル)-5-(4-ビフェニリ)-1,3,4-オキサジアゾールをスピンコート法によって塗布し、150℃に加熱して硬化させることにより形成している。有有機半導体薄膜5の形成は、スピンコート法に限定するものではなく、真空蒸着法などの適宜の方法としてもよい。。本実施形態では、有機半導体薄膜5の厚みは、約200nm程度としている。   The organic semiconductor thin film 5 is subjected to surface treatment with a silane coupling agent, and then liquid 2- (4-tert-butylphenyl) -5- (4-biphenyl) -1,3,4 on the upper surface of the photoelectric conversion layer 4. -Oxadiazole is applied by spin coating and heated to 150 ° C to cure. The formation of the organic semiconductor thin film 5 is not limited to the spin coating method, and may be an appropriate method such as a vacuum deposition method. . In the present embodiment, the thickness of the organic semiconductor thin film 5 is about 200 nm.

有機半導体薄膜5の形成後、有機半導体薄膜5の上面には、全面的にAl2O3からなる絶縁保護膜や、SiO2からなる反射防止膜を形成して絶縁保護層8を設けている。
さらに、絶縁保護層8には、有機半導体薄膜5の一部を露出させる開口部を形成し、この開口部にAgを真空蒸着させて上部電極6を形成している。
After the organic semiconductor thin film 5 is formed, an insulating protective layer 8 is formed on the entire upper surface of the organic semiconductor thin film 5 by forming an insulating protective film made of Al 2 O 3 or an antireflection film made of SiO 2 . .
Further, an opening for exposing a part of the organic semiconductor thin film 5 is formed in the insulating protective layer 8, and the upper electrode 6 is formed by vacuum-depositing Ag in the opening.

本実施形態の受光素子は、酸化物半導体であるZnOを用いているため、有機半導体薄膜5をZnO表面に直接形成した際に界面が顕著に荒れる問題が生じた。そこで、それを低減するためにZnO表面をシランカップリング剤などで短時間処理してから有機半導体薄膜5を形成している。   Since the light receiving element of the present embodiment uses ZnO, which is an oxide semiconductor, there has been a problem that the interface becomes remarkably rough when the organic semiconductor thin film 5 is directly formed on the ZnO surface. In order to reduce this, the organic semiconductor thin film 5 is formed after the ZnO surface is treated with a silane coupling agent for a short time.

また、本実施形態の受光素子では、光電変換層4を構成しているp-型のキャリアを有するi-ZnO層が極めて高い抵抗層となっており、受光素子における暗電流が数pA/mm2であって、第2実施形態のGaN系の受光素子と比較して二桁低い値を示した。この値は、バイアス方向によらず、0−10Vのバイアス条件でほぼ一定である。この低い暗電流はZnO結晶のマクロ欠陥密度がGaNより低いこと、および有機―ZnO界面が優れていることを示唆している。 In the light receiving element of this embodiment, the i-ZnO layer having p type carriers constituting the photoelectric conversion layer 4 is an extremely high resistance layer, and the dark current in the light receiving element is several pA / mm. 2 and a value two orders of magnitude lower than that of the GaN-based light receiving element of the second embodiment. This value is almost constant under the bias condition of 0-10V regardless of the bias direction. This low dark current suggests that the macro defect density of ZnO crystals is lower than that of GaN and that the organic-ZnO interface is superior.

さらに、本実施形態の受光素子では、紫外波長365nm以下で感度を発生し、200nm程度の深い紫外波長まで動作した。紫外光波帯での受光特性は、第1実施形態及び第2実施形態の受光素子と同様に、バイアス方向の選択で、信号利得Gのないn-i-p型と、信号利得Gを発生する利得モードを選ぶことができる。   Furthermore, the light receiving element of this embodiment generates sensitivity at an ultraviolet wavelength of 365 nm or less and operates up to a deep ultraviolet wavelength of about 200 nm. As in the light receiving element of the first and second embodiments, the light receiving characteristic in the ultraviolet light band generates the n-ip type without the signal gain G and the signal gain G by selecting the bias direction. Gain mode can be selected.

信号利得Gがない場合では、10Vの直流バイアス電圧において、360nm−250nmの波長域である紫外域で、外部量子効率ηex=90−85%の高い効率が得られた。この外部量子効率は、すでに報告されているnZnO−有機薄膜のショットキー型の受光素子の特性と類似している。 In the case where there was no signal gain G, high external quantum efficiency η ex = 90-85% was obtained in the ultraviolet region, which is a wavelength region of 360 nm-250 nm, at a DC bias voltage of 10 V. This external quantum efficiency is similar to the characteristics of the already reported nZnO-organic thin film Schottky type light receiving element.

紫外感度の大幅な向上は、信号利得の発生させるバイアス電圧を印加した条件下において検証された。すなわち、18Vの直流および交流バイアスにおいて、信号利得Gは50以上が発現した。外部量子効率に換算すると5000%以上の極めて高い効率が得られた。本発明の特徴である有機半導体薄膜をショットキー金属ではなく、有効なキャリア・エミッタとして活用する場合には、本実施形態の受光素子は、200nmまでの紫外光波域において感度S=2A/W−5A/Wの高い紫外感度を有していることが判明した。   A significant improvement in UV sensitivity was verified under conditions in which a bias voltage generating signal gain was applied. That is, a signal gain G of 50 or more was manifested at a direct current and alternating current bias of 18V. When converted to external quantum efficiency, an extremely high efficiency of 5000% or more was obtained. When the organic semiconductor thin film, which is a feature of the present invention, is used as an effective carrier / emitter instead of a Schottky metal, the light receiving element of the present embodiment has a sensitivity S = 2A / W− in the ultraviolet light region up to 200 nm. It was found to have a high UV sensitivity of 5 A / W.

本実施形態のようにZnOを用いた場合には、NとAsアクセプタによるp型化がデバイス水準まで達しておらず、p−ZnO層のキャリア濃度が2×1015/cm3と低濃度であり、また、キャリア濃度の均一性も劣っているため、本発明の信号増倍機能はまだ十分発揮されていない。 When ZnO is used as in this embodiment, p-type conversion by N and As acceptors has not reached the device level, and the carrier concentration of the p-ZnO layer is as low as 2 × 10 15 / cm 3. In addition, since the uniformity of the carrier concentration is inferior, the signal multiplication function of the present invention has not been sufficiently exhibited.

ZnO結晶の完全なp型制御が実現すれば、紫外域で優れた透明性を有するPEDT/PSSとの結合により、p*-i-p構造が可能となり、現在の光電子増倍管に匹敵する信号増倍型の高感度・固体受光素子が可能となるものと思われる。 If complete p-type control of ZnO crystal is realized, a p * -i-p structure becomes possible by combining with PEDT / PSS which has excellent transparency in the ultraviolet region, which is comparable to current photomultiplier tubes. A signal multiplication type high-sensitivity, solid-state light-receiving element is expected to be possible.

<第4実施形態>
図6は、第4実施形態の光電変換素子であって、p*-i-n構造のAPD素子である受光素子の断面模式図である。
<Fourth embodiment>
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a light receiving element which is the photoelectric conversion element of the fourth embodiment and is an APD element having a p * -in structure.

本実施形態の光電変換素子は、裏面に下部電極1が設けられた無機半導体基板2の上面に、障壁解消用のバッファ層Bと、無機半導体層3と、無機半導体層からなる光電変換層4と、有機半導体薄膜5とを順次積層させて形成し、有機半導体薄膜5に上部電極6を接続させて設けて構成している。下部電極1と上部電極6は、適宜のバイアス電圧を印加するためバイアス印加手段7に接続している。   In the photoelectric conversion element of this embodiment, the barrier conversion buffer layer B, the inorganic semiconductor layer 3, and the photoelectric conversion layer 4 composed of the inorganic semiconductor layer are formed on the upper surface of the inorganic semiconductor substrate 2 provided with the lower electrode 1 on the back surface. And the organic semiconductor thin film 5 are sequentially laminated, and the upper electrode 6 is connected to the organic semiconductor thin film 5 and provided. The lower electrode 1 and the upper electrode 6 are connected to a bias applying means 7 in order to apply an appropriate bias voltage.

さらに、本実施形態の光電変換素子では、光電変換層4と有機半導体薄膜5との間に、リング状とすることにより光が入射する開口が形成されているガードリングRを設けている。   Furthermore, in the photoelectric conversion element of the present embodiment, a guard ring R in which an opening through which light is incident is formed between the photoelectric conversion layer 4 and the organic semiconductor thin film 5 by forming a ring shape.

無機半導体基板2は、(100)面でカットされたn−GaAs結晶基板であり、厚みは0.3mm程度とし、キャリア濃度は3×1018/cm3程度としている。 The inorganic semiconductor substrate 2 is an n-GaAs crystal substrate cut along the (100) plane, has a thickness of about 0.3 mm, and a carrier concentration of about 3 × 10 18 / cm 3 .

バッファ層Bは、無機半導体基板2の上面に2チャンバーMBE成長装置を用いて形成したn−GaAsエピ層である。このバッファ層Bを設けることによって、このバッファ層B上に設けた第1半導体層62の転位を105/cm2以下に低減させることができ、高電界で使用する本実施形態の受光素子において暗電流が発生することを低減できる。 The buffer layer B is an n-GaAs epilayer formed on the upper surface of the inorganic semiconductor substrate 2 using a two-chamber MBE growth apparatus. By providing the buffer layer B, the dislocation of the first semiconductor layer 62 provided on the buffer layer B can be reduced to 10 5 / cm 2 or less, and in the light receiving element of this embodiment used in a high electric field. Generation of dark current can be reduced.

無機半導体層3は、バッファ層Bの上面に塩素をドナーとして添加しながら形成したn−Zn1-xSxSe層である。 The inorganic semiconductor layer 3 is an n-Zn 1-x S x Se layer formed while adding chlorine as a donor to the upper surface of the buffer layer B.

光電変換層4は、無機半導体層3の上面に無添加で形成したi−Zn1-xSxSe層であり、厚みを約0.25μm程度とし、電子濃度を2×1015/cm3程度としている。 The photoelectric conversion layer 4 is an i-Zn 1-x S x Se layer formed on the upper surface of the inorganic semiconductor layer 3 without addition, and has a thickness of about 0.25 μm and an electron concentration of about 2 × 10 15 / cm 3. It is said.

有機半導体薄膜5を形成する前に、光電変換層4の上面にはスパッタリングなどによってPt金属膜を形成し、このPt金属膜をパターンニングしてガードリングRを形成している。このガードリングRは、パターンニングによってリング状としており、光電変換層4のi−Zn1-xSxSeにショットキー接合させている。このガードリングRを設けることにより、暗電流の発生を防止できる。 Before the organic semiconductor thin film 5 is formed, a Pt metal film is formed on the upper surface of the photoelectric conversion layer 4 by sputtering or the like, and the guard ring R is formed by patterning the Pt metal film. The guard ring R is formed into a ring shape by patterning and is Schottky joined to i-Zn 1-x S x Se of the photoelectric conversion layer 4. By providing this guard ring R, the generation of dark current can be prevented.

有機半導体薄膜5は、ガードリングRの形成後、光電変換層4の上面に液体状のPEDT/PSSをスピンコート法によって塗布し、180℃に加熱して硬化させることにより形成している。有機半導体薄膜5の形成は、スピンコート法に限定するものではなく、真空蒸着法などの適宜の方法としてもよい。。本実施形態では、有機半導体薄膜5の厚みは、約350nm程度としている。   After forming the guard ring R, the organic semiconductor thin film 5 is formed by applying liquid PEDT / PSS to the upper surface of the photoelectric conversion layer 4 by a spin coating method and heating to 180 ° C. to cure. The formation of the organic semiconductor thin film 5 is not limited to the spin coating method, and may be an appropriate method such as a vacuum deposition method. . In the present embodiment, the thickness of the organic semiconductor thin film 5 is about 350 nm.

有機半導体薄膜5の形成後、有機半導体薄膜5の上面には、CVD法などによって全面的にAl2O3からなる絶縁保護膜や、SiO2からなる反射防止膜を形成して絶縁保護層8を設けている。 After the organic semiconductor thin film 5 is formed, an insulating protective film made of Al 2 O 3 or an antireflection film made of SiO 2 is formed on the entire upper surface of the organic semiconductor thin film 5 by CVD or the like to form an insulating protective layer 8. Is provided.

さらに、絶縁保護層8には、有機半導体薄膜5の一部を露出させる開口部を形成し、この開口部にAgを真空蒸着させて上部電極6を形成している。   Further, an opening for exposing a part of the organic semiconductor thin film 5 is formed in the insulating protective layer 8, and the upper electrode 6 is formed by vacuum-depositing Ag in the opening.

本実施形態の受光素子の基本原理を図7に示す。本実施形態の受光素子はp*-i-n接合を有するAPD素子となっており、バイアス印加手段7によって印加された直流バイアスは、全てn-型の光電変換層4に印加され、図7に示すようにバンドを大きく傾け、電界強度が〜106/cmの領域になることによって雪崩増倍現象が発現する。本実施形態の受光素子におけるAPD動作電圧は、25−40V程度と低いことが特徴である。このAPD動作電圧はSi系のAPD素子が200V程度を要するのに対し、1/5程度であり、APD素子の高密度集積も可能となる。 The basic principle of the light receiving element of this embodiment is shown in FIG. The light receiving element of this embodiment is an APD element having a p * -i-n junction, and all the DC bias applied by the bias applying means 7 is applied to the n type photoelectric conversion layer 4, and FIG. As shown in Fig. 2, the avalanche multiplication phenomenon occurs when the band is tilted greatly and the electric field intensity is in the region of ~ 10 6 / cm. The APD operating voltage in the light receiving element of this embodiment is characterized by being as low as about 25-40V. This APD operating voltage is about 1/5, while Si-based APD elements require about 200 V, and high-density integration of APD elements is also possible.

また、図7のバンド図から判るように、i層の光電変換層4で増倍された電子は無機半導体層3へ、ホールは有機半導体薄膜5へ吸収されるので、接合界面でのキャリア蓄積効果は発生しない。このため、APD素子へのバイアスは通常の直流バイアスでよく、応答速度も数百MHz以上になる。   Further, as can be seen from the band diagram of FIG. 7, electrons multiplied in the i-layer photoelectric conversion layer 4 are absorbed into the inorganic semiconductor layer 3, and holes are absorbed into the organic semiconductor thin film 5. There is no effect. For this reason, the bias to the APD element may be a normal DC bias, and the response speed is several hundred MHz or more.

有機−無機ハイアブリッド接合型APD素子の問題は、APD動作電圧での暗電流の制御であり、暗電流特性を図8に示す。   The problem of the organic-inorganic high-abbreviated junction type APD element is the control of dark current at the APD operating voltage, and the dark current characteristics are shown in FIG.

従来、APD型素子では大きい逆バイアスが要求され、有機−無機半導体界面にリーク電流が発生し、暗電流を増加させ、真正のアバランシェ増倍に支障をきたすという問題があったが、金属のショットキー・ガードリング構造を開発することにより、この問題を回避することができる。すなわち、本実施形態のように、光電変換層4と有機半導体薄膜5との間に、光電変換層4にショットキー接合させたガードリングRを設けるものである。図9は、ガードリングRを付与した有機−無機ハイアブリッド接合型APDにおいて、雪崩増倍が生じているAPD動作時での暗電流が約10pA/mmに低減している様子を示す。このようにガードリングRを設けることによって、有機−無機ハイブリッドAPD素子を高感度かつに安定に動作させることが可能になる。 Conventionally, a large reverse bias is required for an APD type element, a leak current is generated at an organic-inorganic semiconductor interface, a dark current is increased, and there is a problem that a true avalanche multiplication is hindered. By developing a key guard ring structure, this problem can be avoided. That is, as in this embodiment, a guard ring R that is Schottky bonded to the photoelectric conversion layer 4 is provided between the photoelectric conversion layer 4 and the organic semiconductor thin film 5. FIG. 9 shows how the dark current during an APD operation in which an avalanche multiplication occurs is reduced to about 10 pA / mm 2 in an organic-inorganic high-abbreviated APD provided with a guard ring R. By providing the guard ring R in this way, the organic-inorganic hybrid APD element can be operated with high sensitivity and stability.

また、本実施形態のZnSSeを用いた有機−無機ハイブリッド接合型APDの感度のスペクトルを図9に示す。本実施形態の受光素子は、5Vバイアス時で、450−300nm波長帯で外部量子効率ηex=60−30%を有している。37V以上のAPD動作では、それより20倍大きい、ηex=1500%(青)−1000%(紫外)が検証されている。このAPD素子の感度は、青色領域で5A/W、300nm紫外では3A/Wが容易に実現できている。これらの感度はAPD動作電圧を40Vまで増大するとさらにこの1.5倍の感度まで上昇するが、暗電流も増加してくる。 Moreover, the spectrum of the sensitivity of the organic-inorganic hybrid junction type APD using ZnSSe of this embodiment is shown in FIG. The light receiving element of this embodiment has an external quantum efficiency η ex = 60-30% in the 450-300 nm wavelength band at 5 V bias. In an APD operation of 37 V or more, η ex = 1500% (blue) −1000% (ultraviolet) has been verified that is 20 times larger than that. The sensitivity of this APD element can be easily realized at 5 A / W in the blue region and 3 A / W in the 300 nm ultraviolet. These sensitivities increase to 1.5 times the sensitivity when the APD operating voltage is increased to 40V, but the dark current also increases.

さらに、本実施形態の有機−無機ハイブリッドAPD素子のもう一つの特徴は、高速応答であり、直径25μmの円形状とした受光面積のAPD素子で、〜550MHzの高速応答が確認されている。   Furthermore, another feature of the organic-inorganic hybrid APD element of this embodiment is a high-speed response, and a high-speed response of ˜550 MHz has been confirmed with a circular APD element having a diameter of 25 μm.

<第5実施形態>
図10は、第5実施形態の光電変換素子であって、第4実施形態の光電変換素子よりも深い紫外域での感度を向上させたp*-i-n構造のAPD素子からなる受光素子の断面模式図である。
<Fifth Embodiment>
FIG. 10 is a cross-sectional view of a light receiving element which is a photoelectric conversion element according to the fifth embodiment, and which includes an APD element having a p * -in structure in which sensitivity in the ultraviolet region deeper than that of the photoelectric conversion element according to the fourth embodiment is improved. It is a schematic diagram.

本実施形態の光電変換素子は、裏面に下部電極1が設けられた無機半導体基板2の上面に、無機半導体層3と、無機半導体層からなる光電変換層4と、有機半導体薄膜5とを順次積層させて形成し、有機半導体薄膜5に上部電極6を接続させて設けて構成している。下部電極1と上部電極6は、適宜のバイアス電圧を印加するためバイアス印加手段7に接続している。   In the photoelectric conversion element of this embodiment, an inorganic semiconductor layer 3, a photoelectric conversion layer 4 made of an inorganic semiconductor layer, and an organic semiconductor thin film 5 are sequentially formed on the upper surface of an inorganic semiconductor substrate 2 provided with a lower electrode 1 on the back surface. The upper electrode 6 is connected to the organic semiconductor thin film 5 and is formed. The lower electrode 1 and the upper electrode 6 are connected to a bias applying means 7 in order to apply an appropriate bias voltage.

さらに、本実施形態の光電変換素子では、光電変換層4と有機半導体薄膜5との間に、リング状とすることにより光が入射する開口が形成されているガードリングRを設けている。   Furthermore, in the photoelectric conversion element of the present embodiment, a guard ring R in which an opening through which light is incident is formed between the photoelectric conversion layer 4 and the organic semiconductor thin film 5 by forming a ring shape.

無機半導体基板2は、c面でカットされたn−ZnO基板としている。   The inorganic semiconductor substrate 2 is an n-ZnO substrate cut at the c-plane.

無機半導体層3は、無機半導体基板2の上面にGaをドナーとして添加しながらMBE法またはMOCVD法で形成したn−ZnO層であって、キャリア濃度を5×1017/cm3程度としている。 The inorganic semiconductor layer 3 is an n-ZnO layer formed by MBE or MOCVD while adding Ga as a donor to the upper surface of the inorganic semiconductor substrate 2 and has a carrier concentration of about 5 × 10 17 / cm 3 .

光電変換層4は、無機半導体層3の上面にMBE法またはMOCVD法で無添加で形成したi−ZnO層であり、厚みを約0.2μm程度とし、キャリア濃度を1×1015/cm3程度としている。 The photoelectric conversion layer 4 is an i-ZnO layer formed on the top surface of the inorganic semiconductor layer 3 without addition by MBE or MOCVD, has a thickness of about 0.2 μm, and a carrier concentration of about 1 × 10 15 / cm 3. It is said.

有機半導体薄膜5を形成する前に、光電変換層4の上面にはSiO2膜を形成し、このSiO2膜をパターンニングしてガードリングRを形成している。このガードリングRを設けることにより、暗電流の発生を防止できる。 Before the organic semiconductor thin film 5 is formed, an SiO 2 film is formed on the upper surface of the photoelectric conversion layer 4, and the guard ring R is formed by patterning the SiO 2 film. By providing this guard ring R, the generation of dark current can be prevented.

有機半導体薄膜5は、ガードリングRの形成後、光電変換層4の上面に液体状のPEDT/PSSをスピンコート法によって塗布し、200℃に加熱して硬化させることにより形成している。有機半導体薄膜5の形成は、スピンコート法に限定するものではなく、真空蒸着法などの適宜の方法としてもよい。。本実施形態では、有機半導体薄膜5の厚みは、約200nm程度としている。   After forming the guard ring R, the organic semiconductor thin film 5 is formed by applying liquid PEDT / PSS to the upper surface of the photoelectric conversion layer 4 by a spin coating method and heating to 200 ° C. to cure. The formation of the organic semiconductor thin film 5 is not limited to the spin coating method, and may be an appropriate method such as a vacuum deposition method. . In the present embodiment, the thickness of the organic semiconductor thin film 5 is about 200 nm.

有機半導体薄膜5の形成後、有機半導体薄膜5の上面には、全面的にAl2O3からなる絶縁保護膜や、SiO2からなる反射防止膜を形成して絶縁保護層8を設けている。 After the organic semiconductor thin film 5 is formed, an insulating protective layer 8 is formed on the entire upper surface of the organic semiconductor thin film 5 by forming an insulating protective film made of Al 2 O 3 or an antireflection film made of SiO 2 . .

さらに、絶縁保護層8には、有機半導体薄膜5の一部を露出させる開口部を形成し、この開口部にAgを真空蒸着させて上部電極6を形成している。   Further, an opening for exposing a part of the organic semiconductor thin film 5 is formed in the insulating protective layer 8, and the upper electrode 6 is formed by vacuum-depositing Ag in the opening.

本実施形態の受光素子の上部には、ウエットプロセスでメサ加工を施し、側面リーク電流を制御している。本実施形態の受光素子の動作電圧は、光電変換層4の厚さで大きく変化するが、65−90V程度であり、第4実施形態の受光素子が35−40Vであることと比べて、大きい動作電圧が必要となっている。   The upper part of the light receiving element of this embodiment is subjected to mesa processing by a wet process to control the side leakage current. The operating voltage of the light receiving element of the present embodiment varies greatly depending on the thickness of the photoelectric conversion layer 4, but is about 65-90V, which is larger than that of the light receiving element of the fourth embodiment is 35-40V. An operating voltage is required.

APD領域での逆方向暗電流は、数100pA/mm2から50nA/mm2であったが、これらの暗電流は、光電変換層4と有機半導体薄膜5との間に設けたガードリングRにより、1−2桁低減させることができた。このガードリング構造と適正な有機半導体薄膜の加工プロセスにより、安定動作の有機―ZnOハイブリッド接合型APD素子が可能となる。 The reverse dark current in the APD region was several hundred pA / mm 2 to 50 nA / mm 2 , but these dark currents were caused by the guard ring R provided between the photoelectric conversion layer 4 and the organic semiconductor thin film 5. It could be reduced by 1-2 digits. By this guard ring structure and an appropriate organic semiconductor thin film processing process, an organic-ZnO hybrid junction type APD element with stable operation becomes possible.

本実施形態の受光素子の外部量子効率ηexは、数Vの直流バイアス条件で、紫外波長360−250nmの範囲で85%〜65%と極めて高い効率を示した。 The external quantum efficiency η ex of the light receiving element of the present embodiment showed an extremely high efficiency of 85% to 65% in the ultraviolet wavelength range of 360 to 250 nm under a DC bias condition of several volts.

APD動作条件では、信号利得Gは、波長350nmでG=45、波長250nmでは、G=15−30の値を示した。これらの信号利得は電界強度が〜5×106/cmでの利得であり、今後、さらなる暗電流制御により、さらに向上させることができる。 Under the APD operating conditions, the signal gain G showed a value of G = 45 at a wavelength of 350 nm and G = 15-30 at a wavelength of 250 nm. These signal gains are gains when the electric field intensity is ˜5 × 10 6 / cm, and can be further improved by further dark current control in the future.

このように、ZnSSe,ZnOなどのワイドギャップ半導体と有機半導体薄膜とのハイブリッド接合による短波長帯のAPD素子の基本構造と特性を説明してきたが、これらの素子の特徴は、素子作製工程がシンプルで、APDの高密度集積が容易なことである。   As described above, the basic structure and characteristics of APD elements in the short wavelength band by hybrid junctions of wide gap semiconductors such as ZnSSe and ZnO and organic semiconductor thin films have been explained. The feature of these elements is that the element fabrication process is simple. Thus, high density integration of APD is easy.

この特徴は、Si,Ge単体のAPDでは複雑な工程とそれによる暗電流制御の困難から集積化が容易でないことを考えると、今後の微弱な紫外光検出において、集積型APD素子は極めて有用な光検出素子となる。   This feature is that the integrated APD element is extremely useful in the future detection of weak ultraviolet light, considering that the integration of Si and Ge alone is difficult due to the complicated process and the difficulty of dark current control. It becomes a light detection element.

特に、これらのAPD素子をシンチレーション材料との組み合わせにより、全固体型・X線検出装置が実現できる。   In particular, an all-solid-state X-ray detector can be realized by combining these APD elements with scintillation materials.

従来、深紫外や放射線の高感度受光素子は、Si−VLSI、液晶などの紫外露光プロセスや紫外照射による殺菌装置、医療分野での各種X線診断装置など多くの分野使用されており、現在、X線など高エネルギー放射線検出において、実用に供されているシンチレーション材料と光電子増倍管の装置の組み合わせ型であるが、光電子増倍管を高感度な半導体受光素子で置き換える利点は、小型化あるいは、低コストの面からも極めて大きいものがある。   Conventionally, high sensitivity light-receiving elements for deep ultraviolet and radiation have been used in many fields such as Si-VLSI, liquid crystal and other ultraviolet exposure processes, ultraviolet irradiation sterilizers, various X-ray diagnostic devices in the medical field, In the detection of high-energy radiation such as X-rays, the combination of scintillation materials and photomultiplier tubes that have been put to practical use is advantageous. The advantage of replacing photomultiplier tubes with highly sensitive semiconductor light-receiving elements is Some are extremely large in terms of low cost.

深紫外や放射線領域の高感度検出素子の全固体化において、本発明の顕著な信号利得を発現する有機−無機半導体ハイブリッド構造の高感度受光素子は、光電子増倍管に代わりうる能力をもっている。特に、放射線を紫外域へ変換するシンチレーション材料とのコンビネーションにより、新しい全固体型放射線検出システムの開拓が期待される。   In the all-solidification of the high-sensitivity detection element in the deep ultraviolet or radiation region, the high-sensitivity light-receiving element having an organic-inorganic semiconductor hybrid structure that exhibits a remarkable signal gain of the present invention has the ability to replace a photomultiplier tube. In particular, the development of a new all-solid-state radiation detection system is expected by combining with scintillation materials that convert radiation into the ultraviolet region.

図11は、上述した受光素子を用いて構成した放射線検出装置の概略模式図であり、特に、受光素子は、第4実施形態のp*-i-n構造のAPD素子としている。なお、受光素子の代わりに、複数の受光素子を集積化した集積型受光素子を用いてもよく、集積型受光素子を用いることによりさらなる高感度化が期待できる。 FIG. 11 is a schematic diagram of a radiation detection apparatus configured using the above-described light receiving element. In particular, the light receiving element is an APD element having a p * -in structure according to the fourth embodiment. In addition, instead of the light receiving element, an integrated light receiving element in which a plurality of light receiving elements are integrated may be used, and higher sensitivity can be expected by using the integrated light receiving element.

本実施形態の放射線検出装置は、検出器本体11と、この検出器本体11と適宜の配線12を介して接続した解析装置13とで構成している。なお、検出器本体11と解析装置13とを一体的に構成してもよい。   The radiation detection apparatus according to the present embodiment includes a detector main body 11 and an analysis apparatus 13 connected to the detector main body 11 via an appropriate wiring 12. Note that the detector main body 11 and the analysis device 13 may be configured integrally.

検出器本体11は、一般的なX線回折分光装置に組まれているシンチレーション結晶と光電子増倍管において、光電子増倍管のみを取り外し、その代替として第4実施形態のp*-i-n構造のAPD素子を装着しており、具体的には、底部を有する筒状のハウジング11aで構成し、このハウジング11a内には、可視−紫外域の光をカットするフィルタ11bと、X線シンチレーション板11cと、スリット板11dと、受光素子11eを、ハウジング11aの開口側から順番に設けている。 The detector main body 11 is a scintillation crystal and a photomultiplier tube assembled in a general X-ray diffraction spectrometer, and only the photomultiplier tube is removed. As an alternative, the detector body 11 has the p * -in structure. An APD element is mounted, specifically, a cylindrical housing 11a having a bottom, and in this housing 11a, a filter 11b for cutting light in the visible-ultraviolet region, an X-ray scintillation plate 11c The slit plate 11d and the light receiving element 11e are sequentially provided from the opening side of the housing 11a.

ハウジング11aはシールド管となっており、フィルタ11bを通って入射された光以外の放射線を遮蔽している。   The housing 11a is a shield tube, and shields radiation other than light incident through the filter 11b.

X線シンチレーション板11bには、本実施形態では、X線から青―紫外線域へ高い変換効率を持つバルク・シンチレーション結晶を用いている。   In this embodiment, a bulk scintillation crystal having a high conversion efficiency from X-rays to a blue-ultraviolet region is used for the X-ray scintillation plate 11b.

受光素子11eは、ハウジング11a内に設けた保持台11f上の所定位置に載設している。また、受光素子11eは配線12を介して解析装置13に接続し、受光素子11eに所定のバイアス電圧を印加するとともに、受光素子11eの出力信号を解析装置13に入力している。   The light receiving element 11e is placed at a predetermined position on a holding base 11f provided in the housing 11a. The light receiving element 11e is connected to the analyzing device 13 through the wiring 12, applies a predetermined bias voltage to the light receiving element 11e, and inputs the output signal of the light receiving element 11e to the analyzing device 13.

本実施形態の放射線検出装置を用いて、X線回折分光で評価した半導体結晶膜は、GaAs上にMBE成長で形成したZnSSe結晶薄膜で、X線ロッキングカーブの測定モードで行っている。そのX線分光スペクトルを図12に示す。   The semiconductor crystal film evaluated by X-ray diffraction spectroscopy using the radiation detection apparatus of the present embodiment is a ZnSSe crystal thin film formed by MBE growth on GaAs, and is performed in the X-ray rocking curve measurement mode. The X-ray spectrum is shown in FIG.

この実験では、シンチレーション材料や装置構成の最適化ができていないが、X線シンチレーション結晶からの微弱な青―近紫外光を明確に検出していることがわかる。本発明の高感度受光素子とX線などのシンチレーションの結合により、光電子増倍管などの真空管を使用しない、全固体型の低コスト且つ高性能のX線あるいはさらに高エネルギーの放射線検出装置を実現しうることが判る。   In this experiment, the scintillation material and the device configuration have not been optimized, but it can be seen that the weak blue-near ultraviolet light from the X-ray scintillation crystal is clearly detected. By combining the high-sensitivity light-receiving element of the present invention with scintillation such as X-rays, an all-solid-state, low-cost, high-performance X-ray or higher-energy radiation detector that does not use a vacuum tube such as a photomultiplier is realized. I understand that it is possible.

現在はまだ実験中であるが、有機−ZnOのハイブリッド構造APD素子のX線および高エネルギー放射線検出装置への応用は、2次元・高密度集積化が可能であり、且つ紫外感度がさらに優れているために、有効な放射線検出装置が実現できる。本実施形態の放射線検出装置は、今後、短波長光波帯での紫外CCD装置、X線などの放射線強度の正確な2次元分布測定装置を光電子増倍管を使用せず、軽量・低コストの全固体型で実現可能なことを示している。   Although still under experiment, the application of organic-ZnO hybrid structure APD elements to X-rays and high-energy radiation detectors can be integrated two-dimensionally and with high density, and the UV sensitivity is even better. Therefore, an effective radiation detection apparatus can be realized. In the future, the radiation detection apparatus of the present embodiment will be a light-weight and low-cost, without using a photomultiplier tube, an ultraviolet CCD apparatus in a short wavelength light wave band, an accurate two-dimensional distribution measuring apparatus of radiation intensity such as X-rays. It shows that it can be realized in all solid form.

また、有機−無機ハイブリッド構造の受光素子は、有機薄膜の選択と素子下部の無機半導体の選択により、可視―紫外線の広範囲で高速・高感度の素子が実現できる利点があり、且つ、受光素子の集積化が容易であるため、放射線医療分野、科学計測分野、などや多くの産業分野への応用が可能である。   In addition, the organic-inorganic hybrid light-receiving element has the advantage that a high-speed, high-sensitivity element can be realized in a wide range of visible-ultraviolet by selecting an organic thin film and an inorganic semiconductor under the element. Because it is easy to integrate, it can be applied in the fields of radiation medicine, scientific measurement, and many other industrial fields.

<第6実施形態>
上述した実施形態では、1つの受光素子に対して説明したが、これらの受光素子は、適宜の素子分離手段を設けながら並設可能であって、容易に集積化できる。図13は、受光素子を集積化して形成した集積型受光素子の断面模式図であり、具体的には、p*-i-p構造の受光素子を集積化して形成した集積型受光素子の断面模式図である。
<Sixth Embodiment>
In the embodiment described above, one light receiving element has been described. However, these light receiving elements can be arranged side by side while providing appropriate element separating means, and can be easily integrated. FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of an integrated light-receiving element formed by integrating light-receiving elements. Specifically, a cross-sectional schematic diagram of an integrated light-receiving element formed by integrating light-receiving elements having a p * -ip structure. It is.

本実施形態の集積型受光素子は、裏面に下部電極1が設けられた無機半導体基板2の上面に、無機半導体層3と、無機半導体層からなる光電変換層4と、有機半導体薄膜5とを順次積層させて形成し、光電変換層4と有機半導体薄膜5との間に、中間絶縁層9を介して上部電極6を設けている。下部電極1と上部電極6は、適宜のバイアス電圧を印加するためバイアス印加手段7に接続している。さらに、有機半導体薄膜5の上面には、有機半導体薄膜5を被覆する絶縁保護層8を設けている。   The integrated light receiving element of this embodiment includes an inorganic semiconductor layer 3, a photoelectric conversion layer 4 made of an inorganic semiconductor layer, and an organic semiconductor thin film 5 on the upper surface of an inorganic semiconductor substrate 2 having a lower electrode 1 provided on the back surface. The upper electrode 6 is provided between the photoelectric conversion layer 4 and the organic semiconductor thin film 5 with an intermediate insulating layer 9 interposed therebetween. The lower electrode 1 and the upper electrode 6 are connected to a bias applying means 7 in order to apply an appropriate bias voltage. Furthermore, an insulating protective layer 8 that covers the organic semiconductor thin film 5 is provided on the upper surface of the organic semiconductor thin film 5.

無機半導体基板2は、100面でカットされたp−Si基板であって、厚みを0.3mm程度としており、Bを添加することによってキャリア濃度を2×1018/cm3程度としている。 The inorganic semiconductor substrate 2 is a p-Si substrate cut in 100 planes, has a thickness of about 0.3 mm, and is doped with B to a carrier concentration of about 2 × 10 18 / cm 3 .

無機半導体層3は、無機半導体基板2の上面にCVD法によってBを添加しながら形成したp−Siエピ層であって、厚みを2μm程度とし、キャリア濃度を5×1017/cm3程度としている。 The inorganic semiconductor layer 3 is a p-Si epilayer formed by adding B to the upper surface of the inorganic semiconductor substrate 2 by CVD, with a thickness of about 2 μm and a carrier concentration of about 5 × 10 17 / cm 3. Yes.

光電変換層4は、無機半導体層3の上面に無添加でCVD成長法によって形成したi−Si層であり、厚みを約0.7μm程度とし、電子濃度を5×1014/cm3程度としている。 The photoelectric conversion layer 4 is an i-Si layer formed on the upper surface of the inorganic semiconductor layer 3 without addition by CVD growth, has a thickness of about 0.7 μm, and an electron concentration of about 5 × 10 14 / cm 3 . .

有機半導体薄膜5を形成する前に、光電変換層4の上面には熱酸化によってSiO2膜からなる中間絶縁層9を形成し、さらに、この中間絶縁層9の上面には真空蒸着によりAl金属膜とAg金属膜を順次形成して上部電極層を形成し、この上部電極層をパターンニングすることにより所定位置に上部電極6を形成し、さらに中間絶縁層9をパターンニングすることにより有機半導体薄膜5が接合される接合領域を形成している。この接合領域は、光が入射される開口となっている。本実施形態では、接合領域は、直径0.3mmの円形状とした。 Before forming the organic semiconductor thin film 5, an intermediate insulating layer 9 made of a SiO 2 film is formed on the upper surface of the photoelectric conversion layer 4 by thermal oxidation. Further, an Al metal is formed on the upper surface of the intermediate insulating layer 9 by vacuum deposition. An upper electrode layer is formed by sequentially forming a film and an Ag metal film, the upper electrode layer is formed at a predetermined position by patterning the upper electrode layer, and the intermediate insulating layer 9 is further patterned to form an organic semiconductor. A joining region to which the thin film 5 is joined is formed. This junction region is an opening through which light is incident. In the present embodiment, the joining region has a circular shape with a diameter of 0.3 mm.

有機半導体薄膜5は、光電変換層4の上面に液体状のPEDT/PSSをスピンコート法によって塗布し、180℃に加熱して硬化させることにより形成している。有機半導体薄膜5の形成は、スピンコート法に限定するものではなく、真空蒸着法などの適宜の方法としてもよい。。本実施形態では、有機半導体薄膜5の厚みは、100−200nm程度としている。   The organic semiconductor thin film 5 is formed by applying liquid PEDT / PSS to the upper surface of the photoelectric conversion layer 4 by a spin coating method and heating to 180 ° C. to cure. The formation of the organic semiconductor thin film 5 is not limited to the spin coating method, and may be an appropriate method such as a vacuum deposition method. . In this embodiment, the thickness of the organic semiconductor thin film 5 is about 100 to 200 nm.

有機半導体薄膜5を形成する場合には、隣り合った受光素子の上部電極6に接触しないようにする必要があり、スピンコート法による有機半導体薄膜の形成前に、あらかじめ適宜のマスク(図示せず)を設けて、有機半導体薄膜を選択的に形成するようにしている。   When the organic semiconductor thin film 5 is formed, it is necessary not to contact the upper electrode 6 of the adjacent light receiving element, and an appropriate mask (not shown) is formed in advance before the organic semiconductor thin film is formed by spin coating. ) To selectively form an organic semiconductor thin film.

有機半導体薄膜5の形成後、有機半導体薄膜5の上面には、全面的にAl2O3からなる絶縁保護膜や、SiO2からなる反射防止膜を形成して絶縁保護層8を設けている。 After the organic semiconductor thin film 5 is formed, an insulating protective layer 8 is formed on the entire upper surface of the organic semiconductor thin film 5 by forming an insulating protective film made of Al 2 O 3 or an antireflection film made of SiO 2 . .

このようにして、受光素子を多数設けた集積型受光素子とすることができる。特に、有機半導体薄膜5を用いることにより、製造プロセスを簡便化して低コスト化がはかれるとともに、より高密度に集積させることができる。   In this way, an integrated light receiving element having a large number of light receiving elements can be obtained. In particular, by using the organic semiconductor thin film 5, the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced, and it can be integrated at a higher density.

本実施形態の集積型受光素子では、直線上に10個の受光素子を並べて形成しており、1個の受光素子には、直径0.3mmの円形の受光面を形成している。   In the integrated light receiving element of this embodiment, ten light receiving elements are formed side by side on a straight line, and one light receiving element is formed with a circular light receiving surface having a diameter of 0.3 mm.

10個の受光素子を集積した集積型受光素子の受光特性は、単体の受光素子の特性に類似しているが、暗電流Idは〜300pA/mm2であって、単体の受光素子における暗電流に比較して2−3倍大きい値となった。この暗電流の増加は、フォトリソグラフィの工程が完全でなく、SiO2に設けた受光面用の開口の形状にむらができていること、また有機半導体薄膜の均一な形成が制御できていないことが原因している。 Receiving characteristics of the 10 integrated light-receiving device that the light-receiving element are integrated is similar to the characteristics of the single light receiving element, the dark current I d is a ~300pA / mm 2, the dark at a unit of the light-receiving element The value was 2-3 times larger than the current. This increase in dark current means that the photolithography process is not complete, the shape of the aperture for the light receiving surface provided in SiO 2 is uneven, and the uniform formation of the organic semiconductor thin film cannot be controlled. Is the cause.

本実施形態の集積型受光素子における光電流の信号利得は、有機半導体薄膜5を正とするバイアス条件で動作したときに発生し、10V程度のバイアス条件で、有機半導体薄膜5を負とするバイアス電圧を印加したときの光電流値の5-50倍に増倍されている。感度波長は可視−紫色光波までに達しており、可視域感度は1.3A/W(紫光波)〜3AA/W(赤色光波)であり、400-350nmの近紫外紫光波では0.8A/Wの高い紫外感度を示した。   The signal gain of the photocurrent in the integrated light receiving element of the present embodiment is generated when the organic semiconductor thin film 5 is operated under a bias condition that is positive, and the bias that makes the organic semiconductor thin film 5 negative under a bias condition of about 10V. It is multiplied by 5-50 times the photocurrent value when voltage is applied. The sensitivity wavelength reaches the visible-purple light wave, and the visible range sensitivity is 1.3 A / W (purple light wave) to 3 AA / W (red light wave), and it is 0.8 A / W for 400-350 nm near-ultraviolet purple light wave. High ultraviolet sensitivity was shown.

本実施形態の集積型受光素子の応答速度は、交流バイアス方式で光電変換層4におけるキャリアの走行速度は十分早く、素子の応答速度は、ダイオードのCR時定数で制限されている。特に、受光面を直径0.1mmの円形状とした場合には200MHzの高速応答が確認できた。この応答速度は、有効受光面積を低減した集積により向上させることが可能である。   The response speed of the integrated light receiving device of this embodiment is an AC bias method, the carrier traveling speed in the photoelectric conversion layer 4 is sufficiently fast, and the response speed of the device is limited by the CR time constant of the diode. In particular, when the light-receiving surface was circular with a diameter of 0.1 mm, a high-speed response of 200 MHz was confirmed. This response speed can be improved by integration with a reduced effective light receiving area.

図13に示す集積構造から判るように、本実施形態の集積型受光素子における受光素子は、有機半導体薄膜5の形成過程がスピンコートや真空蒸着法だけで容易に実現でき、集積化のプロセスもシンプルなので、より高密度の2次元集積化も可能である。   As can be seen from the integrated structure shown in FIG. 13, the light receiving element in the integrated light receiving element of this embodiment can easily realize the formation process of the organic semiconductor thin film 5 only by spin coating or vacuum deposition, and the integration process is also possible. Since it is simple, higher density two-dimensional integration is possible.

特に、Si−有機半導体ハイブリッド接合型光検出素子の集積化は、PEDT/PSSの他に、p*型CuPcでも試みた。この場合、有機半導体薄膜は低分子有機材料であって、真空蒸着法で均一な膜厚で構成できる利点がある。Si−有機半導体ハイブリッド接合型光検出素子の単体あるいは集積型受光素子は、紫外域までの高感度CCD素子への応用が可能である。Si−有機半導体ハイブリッド接合型光検出素子は、単体あるいは集積型においても、Si-有機界面特性が優れた有機半導体薄膜の選択と、有機膜の精密加工プロセスを確立することで、可視―紫外までの高感度CCDが実現される。 In particular, integration of the Si-organic semiconductor hybrid junction type photodetecting element has been attempted with p * -type CuPc in addition to PEDT / PSS. In this case, the organic semiconductor thin film is a low molecular organic material, and has an advantage that it can be formed with a uniform film thickness by a vacuum deposition method. The single or integrated light receiving element of the Si-organic semiconductor hybrid junction type photodetecting element can be applied to a highly sensitive CCD element up to the ultraviolet region. Si-Organic Semiconductor Hybrid Junction Photodetectors, whether single or integrated, can be selected from visible to ultraviolet by selecting organic semiconductor thin films with excellent Si-organic interface properties and establishing precision processing processes for organic films. High-sensitivity CCD is realized.

1 下部電極
2 無機半導体基板
3 無機半導体層
4 光電変換層
5 有機半導体薄膜
6 上部電極
7 バイアス印加手段
8 絶縁保護層
9 中間絶縁層
B バッファ層
R ガードリング
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lower electrode 2 Inorganic semiconductor substrate 3 Inorganic semiconductor layer 4 Photoelectric conversion layer 5 Organic semiconductor thin film 6 Upper electrode 7 Bias application means 8 Insulating protective layer 9 Intermediate insulating layer B Buffer layer R Guard ring

Claims (6)

有機−無機ハイブリッド接合構造の光電変換素子において、
基本接合構造を、素子上部から、ホールのエミッタ層兼窓層として機能する正孔輸送型の有機半導体薄膜であるp*型有機半導体薄膜と、低キャリア濃度且つ高抵抗の無機半導体層であるi型無機半導体光電変換層と、p型無機半導体コレクタ層とからなるp*-i-p対称接合構造として、
数Vから数十Vの直流あるいは交流のバイアス電圧を印加することにより、光電流の信号利得を発現することを特徴とする高感度の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子。
In a photoelectric conversion element having an organic-inorganic hybrid junction structure,
The basic junction structure is composed of a p * type organic semiconductor thin film that is a hole transporting organic semiconductor thin film that functions as a hole emitter layer and window layer, and an inorganic semiconductor layer i that has a low carrier concentration and a high resistance. As a p * -i-p symmetrical junction structure composed of a p-type inorganic semiconductor photoelectric conversion layer and a p-type inorganic semiconductor collector layer,
A high-sensitivity organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element that exhibits a signal gain of photocurrent by applying a DC or AC bias voltage of several to several tens of volts.
有機−無機ハイブリッド接合構造の光電変換素子において、
基本接合構造を、素子上部から、電子のエミッタ層兼窓層として機能する電子輸送型の有機半導体薄膜であるn*型有機半導体薄膜と、低キャリア濃度且つ高抵抗の無機半導体層であるi型無機半導体光電変換層と、n型無機半導体コレクタ層とからなるn*-i-n対称接合構造として、
数Vから数十Vの直流あるいは交流のバイアス電圧を印加することにより、光電流の信号利得を発現することを特徴とする高感度の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子。
In a photoelectric conversion element having an organic-inorganic hybrid junction structure,
The basic junction structure consists of an n * type organic semiconductor thin film which is an electron transport type organic semiconductor thin film functioning as an electron emitter layer and window layer, and an i type which is an inorganic semiconductor layer having a low carrier concentration and high resistance. As an n * -i-n symmetric junction structure composed of an inorganic semiconductor photoelectric conversion layer and an n-type inorganic semiconductor collector layer,
A high-sensitivity organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element that exhibits a signal gain of photocurrent by applying a DC or AC bias voltage of several to several tens of volts.
前記バイアス電圧の印加方向を変えることで、光電流の信号利得を発生する信号増倍型の受光特性モードと、信号利得を発生しない通常のPIN型の受光特性モードを選択可能であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子。   By changing the application direction of the bias voltage, it is possible to select a signal multiplication type light receiving characteristic mode that generates a signal gain of photocurrent and a normal PIN type light receiving characteristic mode that does not generate a signal gain. The organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element according to claim 1 or 2. 有機−無機ハイブリッド接合構造の光電変換素子において、
基本接合構造を、素子上部から、正孔輸送型の有機半導体薄膜である透明p*型有機半導体薄膜と、低キャリア濃度且つ高抵抗のi型ワイドギャップ無機半導体層と、n型ワイドギャップ無機半導体層としたp*-i-n接合、あるいは、電子輸送型の有機半導体薄膜である透明n*型有機半導体薄膜と、キャリア濃度且つ高抵抗のi型ワイドギャップ無機半導体層と、p型ワイドギャップ無機半導体層としたn*-i-p接合とし、
この基本接合構造への直流バイアス電圧の印加によりキャリアの雪崩増倍型の信号利得を発現させることを特徴とするアバランシェ増倍型の青−紫外線光波帯の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子。
In a photoelectric conversion element having an organic-inorganic hybrid junction structure,
Basic junction structure from the top of the device, transparent p * type organic semiconductor thin film which is a hole transport type organic semiconductor thin film, low carrier concentration and high resistance i type wide gap inorganic semiconductor layer, and n type wide gap inorganic semiconductor A transparent n * type organic semiconductor thin film which is a p * -i-n junction or an electron transport type organic semiconductor thin film, an i type wide gap inorganic semiconductor layer having a high carrier concentration and a high resistance, and a p type wide gap N * -i-p junction as an inorganic semiconductor layer,
An avalanche multiplication type blue-ultraviolet lightwave organic-inorganic hybrid junction type photoelectric conversion element characterized in that a signal avalanche multiplication type signal gain is developed by applying a DC bias voltage to the basic junction structure.
請求項1〜4のいずれか1項に記載の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子を同一半導体基板上に、所定間隔で線状あるいは面状に複数個形成し、全体を反射防止膜や保護膜などで被覆した集積型受光素子。   A plurality of organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion elements according to any one of claims 1 to 4 are formed on the same semiconductor substrate in a linear or planar manner at a predetermined interval, and the whole is formed with an antireflection film or protection. An integrated light-receiving element covered with a film. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の有機−無機ハイブリッド接合型光電変換素子、または請求項5に記載の集積型受光素子と、
深紫外線や、X線、ガンマ線などの高エネルギー放射線を紫外域や可視光域へ変換する高効率シンチレーション材料と
を組み合わせて構成した光電子増倍管を使用しない全固体型の深紫外および放射線の高速・高感度の検出装置。
The organic-inorganic hybrid junction photoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 4, or the integrated light receiving element according to claim 5,
All-solid-state deep ultraviolet and high-speed radiation that does not use a photomultiplier tube that is constructed by combining high-efficiency scintillation materials that convert high-energy radiation such as deep ultraviolet rays, X-rays, and gamma rays into the ultraviolet and visible light regions・ High sensitivity detection device.
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