JP2017028059A - Photoelectric conversion element array - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の光電変換素子が2次元的に配列された光電変換素子アレイに関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element array in which a plurality of photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged.
光電変換素子アレイとして、特開2013−165216号公報(特許文献1)に記載されたものが知られている。特許文献1に記載の構成では、光電変換素子アレイが撮像素子に用いられている。ここで、光電変換素子アレイを構成する複数の光電変換素子は、光電変換効率の波長分布が互いに同一とされている。そのため、光電変換素子に対して光の入射側に、光電変換素子毎に異なるカラーフィルタ(青、緑、赤のいずれかに対応するカラーフィルタ)を設けることで、カラー画像を得ている。
What was described in Unexamined-Japanese-Patent No. 2013-165216 (patent document 1) is known as a photoelectric conversion element array. In the configuration described in
上記のように、特許文献1に記載の構成では、カラー画像のように入射光のスペクトル(分光分布)の情報が反映された画像を得るために、光電変換素子毎に異なる特性を有するフィルタを設けることが必須とされる。また、光電変換効率の波長分布が全ての光電変換素子の間で同一であるため、各フィルタに要求される特性(帯域幅等)も厳しくなりやすい。そのため、光電変換素子のサイズに応じて定まる画素サイズを低減しようとする場合に、フィルタの存在によってその下限値が制限されやすいという問題があった。また、フィルタによって入射光の透過率が減少することに応じて感度が低下し得るという問題もあった。
As described above, in the configuration described in
そこで、光電変換素子毎に異なる特性のフィルタを設けることが必須ではない光電変換素子アレイの実現が望まれる。 Therefore, it is desired to realize a photoelectric conversion element array in which it is not essential to provide a filter having different characteristics for each photoelectric conversion element.
上記に鑑みた、複数の光電変換素子が2次元的に配列された光電変換素子アレイの特徴構成は、前記光電変換素子のそれぞれは、光電変換の対象の光である変換対象光が入射される活性層を備え、前記光電変換素子のそれぞれの前記活性層は、前記変換対象光との相互作用によってプラズモン共鳴が生じる材料であるプラズモニック材料を含み、複数の前記光電変換素子には、第一光電変換素子と第二光電変換素子とが含まれ、前記第一光電変換素子の前記活性層である第一活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長と、前記第二光電変換素子の前記活性層である第二活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長とを互いに異ならせている点にある。 In view of the above, the characteristic configuration of the photoelectric conversion element array in which a plurality of photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged is that each of the photoelectric conversion elements receives light to be converted which is light to be subjected to photoelectric conversion. An active layer, and each active layer of the photoelectric conversion element includes a plasmonic material that is a material in which plasmon resonance is generated by interaction with the light to be converted. A photoelectric conversion element and a second photoelectric conversion element are included, the resonance wavelength of plasmon resonance generated in the first active layer that is the active layer of the first photoelectric conversion element, and the active layer of the second photoelectric conversion element The resonance wavelength of plasmon resonance generated in the second active layer is different from each other.
上記のようにプラズモン共鳴を利用して光エネルギを電気エネルギに変換するプラズモン共鳴型の光電変換素子では、光電変換効率のピーク波長は、活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長と概ね一致する。よって、上記の特徴構成のように、第一活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長と、第二活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長とを互いに異ならせることで、光電変換効率の波長分布を、第一光電変換素子と第二光電変換素子との間で互いに異ならせることができる。すなわち、光電変換素子そのものに、光の吸収に対する波長選択性を持たせることができる。この結果、光電変換素子毎に異なる特性のフィルタを設けなくとも、光電変換素子アレイを構成する複数の光電変換素子のそれぞれによって生成される電気信号を用いて、例えばカラー画像のように入射光のスペクトルの情報が反映された画像を得ることが可能となる。
以上のように、上記の特徴構成によれば、光電変換素子毎に異なる特性のフィルタを設けることが必須ではない光電変換素子アレイを実現することができる。
In the plasmon resonance type photoelectric conversion element that converts light energy into electric energy using plasmon resonance as described above, the peak wavelength of the photoelectric conversion efficiency substantially coincides with the resonance wavelength of plasmon resonance generated in the active layer. Therefore, the wavelength distribution of the photoelectric conversion efficiency can be obtained by making the resonance wavelength of the plasmon resonance generated in the first active layer and the resonance wavelength of the plasmon resonance generated in the second active layer different from each other as in the above characteristic configuration. Can be different from each other between the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element. That is, the photoelectric conversion element itself can have wavelength selectivity for light absorption. As a result, even if a filter having different characteristics is not provided for each photoelectric conversion element, the electric signal generated by each of the plurality of photoelectric conversion elements constituting the photoelectric conversion element array can be used to generate incident light such as a color image. It is possible to obtain an image in which spectrum information is reflected.
As described above, according to the above characteristic configuration, it is possible to realize a photoelectric conversion element array in which it is not essential to provide filters having different characteristics for each photoelectric conversion element.
光電変換素子アレイの実施形態について、図面を参照して説明する。ここでは、光電変換素子アレイが、光電変換素子として、活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長(以下、「プラズモン共鳴波長」という。)が互いに異なる3つの光電変換素子(第一光電変換素子、第二光電変換素子、及び第三光電変換素子)を備える場合を例として説明する。なお、以下の説明で参照する図1、図4、図7、及び図8では、光電変換素子を構成する各層の厚さ(図中上下方向の幅)の比率は、必ずしも現実の比率を正確に反映しているわけではない。また、図1、図4、図7、及び図8では、光電変換素子の断面構造(層構成)を簡略化して示している。例えば、本実施形態では、プラズモニック層40aは、複数の微粒子(ナノ粒子)を含む層であるが、図1では、各微粒子の図示を省略しており、プラズモニック層40aやそれに積層された非プラズモニック層40bの双方を、均一な厚みの一様な層として簡略化して示している。また、以下では、光電変換素子を構成する各層が積層される方向、すなわち、図1、図4、図7、及び図8における上下方向を、「積層方向」という。
An embodiment of a photoelectric conversion element array will be described with reference to the drawings. Here, as the photoelectric conversion element, the photoelectric conversion element includes three photoelectric conversion elements (first photoelectric conversion element, different plasmon resonance resonance wavelengths (hereinafter referred to as “plasmon resonance wavelengths”) generated in the active layer. A case where the second photoelectric conversion element and the third photoelectric conversion element are provided will be described as an example. 1, 4, 7, and 8 referred to in the following description, the ratio of the thickness (width in the vertical direction in the figure) of each layer constituting the photoelectric conversion element is not necessarily the actual ratio. It is not reflected in. 1, 4, 7, and 8, the cross-sectional structure (layer configuration) of the photoelectric conversion element is simplified. For example, in this embodiment, the
光電変換素子アレイ1は、図5に示すように、複数の光電変換素子10が2次元的に配列されて形成される。複数の光電変換素子10は、積層方向に直交する面に沿って2次元的に配列される。なお、図5では、光電変換素子10の積層方向視での外形が正方形であり、複数の光電変換素子10が積層方向視で正方格子状に配置される場合を例示している。光電変換素子10の積層方向視での外形を、正方形以外の形状(例えば、長方形、四角形以外の多角形、円形等)とすることもできる。また、複数の光電変換素子10の積層方向視での配列を、正方格子以外の格子状(例えば、長方格子状や六方格子状等)とすることもできる。本実施形態では、光電変換素子アレイ1は、撮像素子(イメージセンサ)に用いられ、1つの光電変換素子10が1画素に相当する。詳細は省略するが、撮像素子は、例えば、複数のレンズが2次元的に配置されたレンズアレイを、光電変換素子アレイ1に対して変換対象光の入射側に備える。この場合、光電変換素子10のそれぞれには、対応するレンズによって集光された光が入射される。
As shown in FIG. 5, the photoelectric
光電変換素子10のそれぞれは、光エネルギを電気エネルギに変換する機能を有する。図1に示すように、光電変換素子10のそれぞれは、光電変換の対象の光である変換対象光が入射される活性層40を備える。図1では、活性層40が支持基板70に直接的に支持される形態を例として示している。また、図4及び図8では、活性層40が支持基板71,72に間接的に(すなわち、間に他の層を介して)支持される形態を例として示している。支持基板70,71,72として、Si基板,ガラス基板(例えば石英ガラス基板),TiO2単結晶基板を例示することができる。なお、TiO2単結晶基板は、例えば、NbがドープされたTiO2単結晶基板とされる。
Each of the
光電変換素子10のそれぞれの活性層40は、変換対象光との相互作用によってプラズモン共鳴が生じる材料であるプラズモニック材料を含む。本実施形態では、光電変換素子アレイ1は、可視光用の撮像素子に用いられる。そのため、本実施形態では、変換対象光は、可視光の波長領域の光とされる。プラズモニック材料として、例えば、金属、金属窒化物、又は金属酸化物を用いることができる。プラズモニック材料として用いる金属として、Au,Ag,Al,Cu,Pt,Pdを例示することができる。プラズモニック材料として用いる金属窒化物として、TiNを例示することができる。プラズモニック材料として用いる金属酸化物として、ITO(Indium tin oxide),FTO(Fluorine-doped tin oxide),他元素(アルミニウムやガリウム等)をドープしたZnOを例示することができる。以下では、ITO,FTO,及び他元素をドープしたZnOを総称して「透明導電性材料」という場合がある。プラズモニック材料として、複数種の材料を組み合わせた複合材料を用いることも可能である。活性層40の厚さは、例えば、変換対象光の一部が活性層40における変換対象光の出射側の端部に到達する範囲内の値に、言い換えれば、変換対象光の一部が活性層40を透過する範囲内の値に設定される。活性層40の厚さは、例えば、400nm以下の範囲に含まれる厚さとされる。図1に示す例では、活性層40に対して図中上側が変換対象光の入射側であり、活性層40に対して図中下側が変換対象光の出射側(変換対象光の入射側とは反対側)である。なお、図1に示す構造において、活性層40に対して図中下側から変換対象光が入射される構成とする場合には、支持基板70として、変換対象光に対する透明性を有する基板を用いると良い。「変換対象光に対する透明性」については後述する。
Each
活性層40において局在表面プラズモン共鳴を発生させることが可能な波長の光が活性層40に入射されると、局在表面プラズモン共鳴による光の吸収や散乱が生じる。活性層40において局在表面プラズモン共鳴を発生させることが可能な光の波長範囲において吸光度が最大となる波長(吸光度スペクトルのピーク波長)をプラズモン共鳴波長とすると、プラズモン共鳴波長は、プラズモニック材料の種類、プラズモニック材料により形成される構造体(後述するように、本実施形態ではプラズモニック粒子)の形状、プラズモニック材料により形成される構造体の寸法、プラズモニック材料により形成される構造体同士の離間距離等によって制御することができる。例えば、プラズモニック粒子の粒径が小さくなるに従って、プラズモン共鳴波長は一般に短波長シフトする。また、例えば、プラズモニック粒子の形状が球に近づくに従って、プラズモン共鳴波長は一般に短波長シフトする。
When light having a wavelength capable of generating localized surface plasmon resonance in the
光電変換素子10は、活性層40において発生する表面プラズモン共鳴(特に局在表面プラズモン共鳴)を利用して、変換対象光の光エネルギを電気エネルギに変換する。具体的には、変換対象光の活性層40における吸収に起因して活性層40と活性層40の周囲の媒質との間の電子移動が生じることで、電気エネルギが生成される。活性層40に入射される変換対象光と活性層40に含まれるプラズモニック材料との相互作用を強めることで、変換対象光が活性層40において吸収される割合を高めて光電変換効率の向上を図ることができる。
The
本実施形態では、図1に示すように、活性層40を、プラズモニック層40aと非プラズモニック層40bとが積層方向に交互に積載された構造(積層体)を有する層としている。ここで、プラズモニック層40aは、プラズモニック材料を用いて形成される層であり、非プラズモニック層40bは、プラズモニック材料とは異なる材料(非プラズモニック材料)を用いて形成される層である。活性層40を、プラズモニック層40aと非プラズモニック層40bとが交互に積載された構造を有する層とすることで、活性層40が単一のプラズモニック層40aのみを有する場合とは異なり、異なるプラズモニック層40aの間での表面プラズモンの結合効果を利用して、変換対象光が活性層40において吸収される割合の向上を図ることができる。非プラズモニック材料として、例えば、金属酸化物を用いることができる。非プラズモニック材料として用いる金属酸化物として、TiO2,ZnO,SnO2,SrTiO3を例示することができる。例えば、非プラズモニック材料としてTiO2を用いると好適である。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the
プラズモニック層40a及び非プラズモニック層40bのそれぞれの厚さは、例えば、1nm以上5nm以下の範囲に含まれる厚さとすることができる。なお、後述するように、本実施形態では、プラズモニック層40aは、複数のプラズモニック粒子を含む層とされ、プラズモニック層40aの厚さは、積層方向に直交する面内の位置に応じて異なり得る。この場合、プラズモニック層40aの厚さを、例えば、積層方向に直交する面内の各位置における厚さの平均値や最大値等と定義することができる。活性層40を構成するプラズモニック層40a及び非プラズモニック層40bのそれぞれの層数の和を積層数とすると、積層数は、例えば、変換対象光の一部が活性層40における変換対象光の出射側の端部に到達する範囲内の値に設定される。積層数は、例えば、20以下の範囲に含まれる値とされる。本実施形態では、図1に示すように、活性層40を構成する積層体の最下層(最も変換対象光の出射側の層)がプラズモニック層40aとされると共に、活性層40を構成する積層体の最上層(最も変換対象光の入射側の層)もプラズモニック層40aとされる。よって、本実施形態では、積層数は奇数とされる。図1に示す例では、積層数は“15”である。
The thickness of each of the
また、本実施形態では、変換対象光と活性層40に含まれるプラズモニック材料との相互作用の増大を図るべく、プラズモニック層40aを、複数のプラズモニック粒子を含む層としている。ここで、プラズモニック粒子は、プラズモニック材料を含む微粒子であり、例えば、プラズモニック材料からなる微粒子とされる。プラズモニック粒子の粒径は、例えば、ナノメートルオーダ(1nm〜100nm)の粒径、又はサブミクロンオーダ(100nm〜1μm)の粒径とされる。本実施形態では、プラズモニック層40aに含まれる複数のプラズモニック粒子は、積層方向に直交する面に沿って、2次元的に分散配置されている。当該面に沿った複数のプラズモニック粒子の配置は、規則的であっても不規則的であっても良い。複数のプラズモニック粒子は、基本的に互いに離間して配置される。プラズモニック層40aが、プラズモニック材料及び非プラズモニック材料の双方を用いて形成される構成とすることもでき、例えば、プラズモニック層40aにおけるプラズモニック粒子間の隙間の全体或いは一部に非プラズモニック材料が存在する構成や、プラズモニック粒子が非プラズモニック材料によって覆われた構成とすることができる。
In the present embodiment, the
次に、本実施形態に係る光電変換素子の製造方法について説明する。図2に示すように、本実施形態に係る光電変換素子の製造方法は、プラズモニック材料堆積工程(ステップ#01、ステップ#03)、非プラズモニック材料堆積工程(ステップ#02)、及びアニール工程(ステップ#04)を含む。本実施形態では、プラズモニック材料堆積工程(ステップ#01)を実行した後に非プラズモニック材料堆積工程(ステップ#02)を実行する工程がn回繰り返し実行された後、プラズモニック材料堆積工程(ステップ#03)及びアニール工程(ステップ#04)が記載の順に実行される。“n”の値は、上述した積層数の半数の整数部分の値(積層数から“1”を減算した値の半数)となる。
Next, a method for manufacturing the photoelectric conversion element according to this embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the photoelectric conversion element manufacturing method according to the present embodiment includes a plasmonic material deposition process (
プラズモニック材料堆積工程(ステップ#01、ステップ#03)は、プラズモニック材料を堆積させてプラズモニック層40aを形成する工程である。プラズモニック材料堆積工程は、例えば、プラズモニック材料をスパッタリングにより堆積させる工程とされる。なお、第1回目のプラズモニック材料堆積工程(ステップ#01)は、支持基板(図1に示す例では支持基板70)上に或いは支持基板に支持された他層(図4に示す例では第二電極32)上に、プラズモニック材料を堆積させる工程であり、第2回目以降のプラズモニック材料堆積工程(ステップ#01、ステップ#03)は、直前の非プラズモニック材料堆積工程(ステップ#02)により堆積された非プラズモニック材料の上に、プラズモニック材料を堆積させる工程である。非プラズモニック材料堆積工程(ステップ#02)は、非プラズモニック材料を堆積させて非プラズモニック層40bを形成する工程である。非プラズモニック材料堆積工程は、例えば、非プラズモニック材料をスパッタリングにより堆積させる工程とされる。アニール工程(ステップ#04)は、アニール処理によって、プラズモニック材料堆積工程によって堆積された薄膜を粒子化させて、プラズモニック層40aを、複数のプラズモニック粒子を含む層に変化させる工程である。
The plasmonic material deposition step (
図2に示す手順に沿って作製した光電変換素子10の光電変換効率、すなわちIPCE(Incident Photon to Current Conversion Efficiency)の測定結果の一例を図3に示す。図3より、本例では、光電変換効率のピーク波長がおよそ650nmであることが分かる。光電変換効率のピーク波長は、プラズモン共鳴波長と概ね一致する。なお、この測定で用いた光電変換素子10は、支持基板70としてTiO2単結晶基板を用い、プラズモニック材料としてAuを用い、非プラズモニック材料としてTiO2を用いて作製したものである。この作製に際しては、プラズモニック材料堆積工程で形成するプラズモニック層40aの1層の厚さを2nmとし、非プラズモニック材料堆積工程で形成する非プラズモニック層40bの1層の厚さを3nmとして、積層数が“15”(n=7)の活性層40を形成した。その後、アニール工程として、アルゴン雰囲気中でのアニール処理を800℃で1時間行って、プラズモニック層40aを、複数のプラズモニック粒子を含む層に変化させた。
FIG. 3 shows an example of the measurement result of photoelectric conversion efficiency of the
光電変換素子アレイ1を構成する光電変換素子10のそれぞれが生成する電気エネルギは、読み出し回路2によって電気信号(電圧信号又は電流信号)として読み出される。読み出し回路2は、例えば、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサ用の読み出し回路と同様の回路、又はCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ用の読み出し回路と同様の回路とされる。図4に、外部回路(本例では、読み出し回路2)に接続するための電極30も含めた光電変換素子10の構造の一例を示す。図4に示すように、光電変換素子10は、第一電極31及び第二電極32の一対の電極30を備えている。図4に示す例では、支持基板71の表面に絶縁層4が形成され、絶縁層4の表面に露出するように形成された配線層3上に、第二電極32、活性層40、透明導電体層81が、記載の順に積層されている。また、透明導電体層81の上面には、第一電極31が形成されている。第一電極31は、透明導電体層81の上面の一部の領域にのみ形成されており、透明導電体層81の上面の大部分は、第一電極31によって覆われていない。
The electrical energy generated by each of the
電極30は、導電性を有する材料を用いて形成される。電極30を形成する材料(電極形成材料)として、例えば、金属又は金属酸化物を用いることができる。電極形成材料として用いる金属として、Au,Ag,Cu,Pt,Pdを例示することができる。また、電極形成材料として用いる金属酸化物として、ITO,FTOを例示することができる。電極形成材料(例えば、第二電極32を形成する材料)として、第5族元素(Nb等)がドープされたTiO2、酸素欠損によって導電性を向上させたTiO2−X等の金属酸化物を用いても良い。また、図4に示す例において、透明導電体層81が、第一電極31の機能を兼ね備えても良い。
The
図4に示す例では、透明導電体層81は、導電性に加えて変換対象光に対する透明性を有し、変換対象光が、透明導電体層81を透過して活性層40に入射される。透明導電体層81を形成する材料として、例えば、ITO,FTO等の透明導電性材料や、NiO,CuAlO2,LaCuOS,LaCuOSe,SrCu2O2等のp型透明導電性材料を用いることができる。図4に示す構造では、変換対象光が活性層40に入射された場合に光電変換素子10の内部に誘起される電子移動の方向は、例えば、活性層40から第二電極32へ向かう方向となる。光電変換素子10の内部における電子移動に伴い第一電極31と第二電極32との間に電位差が発生し、当該電位差に応じた大きさの電圧信号又は電流信号が読み出し回路2によって検出される。
In the example shown in FIG. 4, the
図5に示すように、光電変換素子アレイ1を構成する複数の光電変換素子10には、第一光電変換素子11と第二光電変換素子12とが含まれる。第一光電変換素子11と第二光電変換素子12とは、プラズモン共鳴波長が互いに異なる。すなわち、第一光電変換素子11の活性層40(以下、「第一活性層」という。)において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長と、第二光電変換素子12の活性層40(以下、「第二活性層」という。)において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長とを互いに異ならせている。例えば、プラズモニック材料の種類、プラズモニック材料により形成される構造体(本実施形態ではプラズモニック粒子、以下同様。)の形状、プラズモニック材料により形成される構造体の寸法、及び、プラズモニック材料により形成される構造体同士の離間距離のうちの少なくともいずれかを、第一活性層と第二活性層とで互いに異ならせることで、第一活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長と、第二活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長とを互いに異ならせた構成とすることができる。なお、上記の「プラズモニック材料の種類」について補足すると、プラズモニック材料が複数種の材料を組み合わせた複合材料である場合、2つのプラズモニック材料の間で各材料の配合比率が互いに異なれば、これら2つのプラズモニック材料は、材料の種類が互いに異なるとする。
As shown in FIG. 5, the plurality of
本実施形態では、図5に示すように、光電変換素子アレイ1を構成する複数の光電変換素子10には、第一光電変換素子11及び第二光電変換素子12に加えて第三光電変換素子13が含まれる。そして、第三光電変換素子13は、第一光電変換素子11及び第二光電変換素子12のいずれとも、プラズモン共鳴波長が互いに異なる。すなわち、第三光電変換素子13の活性層40(以下、「第三活性層」という。)において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長を、第一活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長及び第二活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長のいずれとも異ならせている。例えば、プラズモニック材料の種類、プラズモニック材料により形成される構造体の形状、プラズモニック材料により形成される構造体の寸法、及び、プラズモニック材料により形成される構造体同士の離間距離のうちの少なくともいずれかを、第一活性層、第二活性層、及び第三活性層の間で互いに異ならせることで、第一活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長と、第二活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長と、第三活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長とを互いに異ならせた構成とすることができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the plurality of
光電変換素子10の光電変換効率のピーク波長は、当該光電変換素子10のプラズモン共鳴波長(当該光電変換素子10の活性層40において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長)と概ね一致する。なお、光電変換素子10の光電変換効率の波長分布に、当該光電変換素子10のプラズモン共鳴波長と概ね波長が一致するピークに加えて、他のピークも現れる場合があり得る。このような場合、複数のピーク波長のうちのプラズモン共鳴波長と概ね一致するピーク波長を、ここでの光電変換効率のピーク波長とする。
The peak wavelength of the photoelectric conversion efficiency of the
上記のように、第一光電変換素子11、第二光電変換素子12、及び第三光電変換素子13のそれぞれのプラズモン共鳴波長は、互いに異なる波長とされる。そのため、第一光電変換素子11の光電変換効率のピーク波長を第一ピーク波長とし、第二光電変換素子12の光電変換効率のピーク波長を第二ピーク波長とし、第三光電変換素子13の光電変換効率のピーク波長を第三ピーク波長とすると、第一ピーク波長、第二ピーク波長、及び第三ピーク波長は、それぞれ互いに異なる波長となる。
As described above, the plasmon resonance wavelengths of the first
本実施形態では、第一ピーク波長、第二ピーク波長、及び第三ピーク波長のいずれもが、可視光の波長領域に含まれるように、第一光電変換素子11、第二光電変換素子12、及び第三光電変換素子13のそれぞれのプラズモン共鳴波長を決定している。具体的には、図6に模式的に示すように、第一ピーク波長が青に対応する波長(図6の例では450nm)、第二ピーク波長が緑に対応する波長(図6の例では530nm)、第三ピーク波長が赤に対応する波長(図6の例では600nm)となるように、第一光電変換素子11、第二光電変換素子12、及び第三光電変換素子13のそれぞれのプラズモン共鳴波長を決定している。このように各ピーク波長を設定することで、光電変換素子アレイ1を用いてカラー画像を得ることが可能となる。
In the present embodiment, the first
なお、光電変換効率の波長分布が全ての光電変換素子の間で同一である場合には、光電変換素子に対して変換対象光の入射側に、光電変換素子毎に異なるカラーフィルタ(青、緑、赤のいずれかに対応するカラーフィルタ)を設ける必要がある。これに対し、本実施形態に係る光電変換素子アレイ1では、第一ピーク波長、第二ピーク波長、及び第三ピーク波長が、それぞれ互いに異なる波長となるため、光電変換素子毎に異なるカラーフィルタを設けなくとも、カラー画像を得ることができる。よって、光電変換素子毎に異なるカラーフィルタを設ける必要は必ずしもなく、例えば、このようなカラーフィルタが設けられない構成とすることができる。この場合、光電変換素子毎に異なるカラーフィルタが設けられる場合に比べて、画素サイズの低減を図ることが容易となると共に、カラーフィルタによる変換対象光の吸収や散乱がない分だけ、感度を向上させることも可能となる。なお、光電変換の対象外の光(本実施形態の場合、赤外光や紫外光)をカットするためのフィルタを、光電変換素子10に対して変換対象光の入射側に設けても良い。この場合であっても、全ての光電変換素子10に対して共通の特性のフィルタを用いることで、光電変換素子毎に異なる特性のフィルタを設ける場合に比べて、製造工程の簡素化を図ることができるという利点がある。
When the wavelength distribution of the photoelectric conversion efficiency is the same among all the photoelectric conversion elements, different color filters (blue, green) are provided on the incident side of the conversion target light with respect to the photoelectric conversion elements. And a color filter corresponding to any one of red). On the other hand, in the photoelectric
図5に示す例では、カラーフィルタの配列方式の1つであるベイヤ配列と同様、緑に対応する画素数が、青に対応する画素数や赤に対応する画素数の2倍となるように、第二光電変換素子12の個数を、第一光電変換素子11の個数や第三光電変換素子13の個数の2倍としている。すなわち、図5に示す例では、2×2の4画素を1セットとして、複数のセットが規則的に並べられている。そして、1つのセットを構成する4画素のそれぞれを頂点とする四角形を考えた場合に、対角線によって結ばれる2つの頂点に対応する画素のそれぞれに第二光電変換素子12が配置され、残りの2つの頂点に対応する2画素に、第一光電変換素子11と第三光電変換素子13とが配置されている。
In the example shown in FIG. 5, the number of pixels corresponding to green is twice the number of pixels corresponding to blue and the number of pixels corresponding to red, as in the Bayer array which is one of the color filter array methods. The number of second
例えば、プラズモニック材料堆積工程(図2におけるステップ#01、ステップ#03)において、プラズモニック材料としてAuを用いて1層の厚さが2nmのプラズモニック層40aを形成し、非プラズモニック材料堆積工程(図2におけるステップ#02)において、非プラズモニック材料としてTiO2を用いて1層の厚さが2.5nmの非プラズモニック層40bを形成し、アニール工程(図2におけるステップ#04)において、アルゴン雰囲気中でのアニール処理を800℃で1時間行うことで、光電変換効率のピーク波長が赤に対応する波長(600nm程度)となる光電変換素子10を作製することができる。また、プラズモニック材料としてAgを用いること以外は上記と同様に各工程を行うことで、光電変換効率のピーク波長が青に対応する波長(450nm程度)となる光電変換素子10を作製することができる。また、プラズモニック材料堆積工程において、プラズモニック材料としてAuを用いて1層の厚さが1nmのプラズモニック層40aを形成し、非プラズモニック材料堆積工程において、非プラズモニック材料としてTiO2を用いて1層の厚さが2.5nmの非プラズモニック層40bを形成し、アニール工程において、アルゴン雰囲気中でのアニール処理を900℃で2時間以上行うことで、光電変換効率のピーク波長が緑に対応する波長(530nm程度)となる光電変換素子10を作製することができる。
For example, in the plasmonic material deposition step (
なお、プラズモニック材料として更に別の材料(例えばAl等)を用いること、プラズモニック層40aの厚さを変えること、アニール温度やアニール時間を変えること等によって、光電変換効率のピーク波長を調整しても良い。具体的には、プラズモニック層40aの厚さが薄くなるに従って、形成されるプラズモニック粒子の粒径が小さくなり、結果、光電変換効率のピーク波長が短波長側にシフトする。また、アニール温度やアニール時間が増加されるに従って、形成されるプラズモニック粒子の形状がより球に近づき、結果、光電変換効率のピーク波長が短波長側にシフトする。また、ナノインプリントや電子ビーム描画等の微細加工技術を用いてプラズモニック粒子を成形しても良い。
The peak wavelength of the photoelectric conversion efficiency is adjusted by using another material (for example, Al) as the plasmonic material, changing the thickness of the
〔その他の実施形態〕
光電変換素子アレイのその他の実施形態について説明する。なお、以下のそれぞれの実施形態で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することも可能である。
[Other Embodiments]
Other embodiments of the photoelectric conversion element array will be described. Note that the configurations disclosed in the following embodiments can be applied in combination with the configurations disclosed in other embodiments as long as no contradiction arises.
(1)上記の実施形態では、光電変換素子アレイ1が、第一光電変換素子11、第二光電変換素子12、及び第三光電変換素子13を備える構成、すなわち、光電変換素子アレイ1に備えられるプラズモン共鳴波長の互いに異なる光電変換素子10の種類が、3つである構成を例として説明した。しかし、そのような構成に限定されることなく、光電変換素子アレイ1に備えられるプラズモン共鳴波長の互いに異なる光電変換素子10の種類が、2つや4つ以上である構成とすることもできる。例えば、光電変換素子アレイが、プラズモン共鳴波長が互いに異なる、第一光電変換素子、第二光電変換素子、第三光電変換素子、及び第四光電変換素子を備える構成とすることができる。この場合、例えば、第一光電変換素子の光電変換効率のピーク波長がシアンに対応する波長となり、第二光電変換素子の光電変換効率のピーク波長がマゼンダに対応する波長となり、第三光電変換素子の光電変換効率のピーク波長が黄色に対応する波長となり、第四光電変換素子の光電変換効率のピーク波長が緑に対応する波長となるように、第一光電変換素子、第二光電変換素子、第三光電変換素子、及び第四光電変換素子のそれぞれのプラズモン共鳴波長が設定される構成とすることができる。
(1) In said embodiment, the photoelectric
(2)上記の実施形態では、変換対象光が、可視光の波長領域の光とされる構成を例として説明した。しかし、そのような構成に限定されることなく、可視光の波長領域の光に加えて赤外光の波長領域の光も変換対象光とされる構成、可視光の波長領域の光に加えて紫外光の波長領域の光も変換対象光とされる構成、可視光の波長領域の光に加えて赤外光の波長領域の光及び紫外光の波長領域の光も変換対象光とする構成とされることもできる。また、赤外光の波長領域の光のみが変換対象光とされる構成や、紫外光の波長領域の光のみが変換対象光とされる構成とすることもできる。 (2) In the above-described embodiment, the configuration in which the conversion target light is light in the visible wavelength region has been described as an example. However, without being limited to such a configuration, in addition to the light in the visible wavelength region, the light in the infrared wavelength region is also converted into the light to be converted, in addition to the light in the visible wavelength region A configuration in which light in the wavelength region of ultraviolet light is also converted into light, a configuration in which light in the wavelength region of infrared light and light in the wavelength region of ultraviolet light are also converted into light in addition to light in the wavelength region of visible light Can also be done. Alternatively, only light in the infrared wavelength region can be converted into light to be converted, or only light in the ultraviolet wavelength region can be converted into light to be converted.
(3)上記の実施形態では、図4に示すように、第二電極32の上面に、活性層40及び透明導電体層81が記載の順に積層された構成を例として説明した。しかし、そのような構成に限定されることなく、例えば、図7に示す例のように、第二電極32の上面に、第一中間層82、活性層40、電荷移動層80、及び第一電極31が、記載の順に積層された構成とすることもできる。変換対象光が第一電極31及び電荷移動層80を透過して活性層40に入射される場合には、第一電極31は、導電性に加えて変換対象光に対する透明性を有する材料(例えば、ITOやFTO等の透明導電性材料)を用いて形成される。また、変換対象光が第二電極32及び第一中間層82を透過して活性層40に入射される場合には、第二電極32は、導電性に加えて変換対象光に対する透明性を有する材料を用いて形成される。なお、第二電極32は、ガラス基板上に形成された電極であっても良い。また、第二電極32を形成する材料として、第一中間層82との親和性が良い材料を用いることが好ましい。例えば、第一中間層82がTiO2を用いて形成される場合に、第二電極32を形成する材料をTiとすることが好ましい。
(3) In the above embodiment, as illustrated in FIG. 4, the configuration in which the
電荷移動層80は、光エネルギが電気エネルギに変換される際の、第一電極31と活性層40との間の電荷移動を担う層である。電荷移動層80は、例えば、酸化還元種を含む電解質(例えば、液体電解質、ゲル電解質等)を含む層、又はp型半導体を用いたホール輸送層とされる。酸化還元種として、例えば、ハロゲン及び金属の一方又は双方を用いることができる。酸化還元種として用いるハロゲンとして、Cl,Br,Iを例示することができ、酸化還元種として用いる金属として、Na,K,Feを例示することができる。また、ホール輸送層として用いるp型半導体として、CuAlO2,CuNbOを例示することができる。例えば、変換対象光が、第一電極31及び電荷移動層80を透過して活性層40に入射される場合には、電荷移動層80は、変換対象光に対する透明性を有する必要がある。よって、変換対象光が第一電極31及び電荷移動層80を透過して活性層40に入射されると共に電荷移動層80をホール輸送層とする場合には、ホール輸送層は、例えば、CuAlO2やCuNbO等のp型半導体(p型透明導電酸化物)を用いて形成される。
The
第一中間層82は、半導体特性を有する。ここで、「半導体特性を有する」とは、導電率(電気伝導率)に応じて導電率の高い側から順に「導体」、「半導体」、及び「絶縁体」の区分を設定する場合に、「半導体」に分類される導電率を有することを意味する。例えば、常温における導電率が10−6S/m以上106S/m以下の範囲に含まれることを、半導体特性を有するとすることできる。第一中間層82が半導体特性を有することで、電気エネルギを発生させるための第一中間層82における電子の移動を可能としている。変換対象光が第二電極32及び第一中間層82を透過して活性層40に入射される場合には、第一中間層82は、変換対象光に対する透明性を有する必要がある。ここで、「変換対象光に対する透明性を有する」とは、変換対象光に対する透過率が40%以上であることを意味する。ここでの透過率は、変換対象光の波長範囲における最も透過率が高くなる波長での透過率とする。なお、変換対象光が第二電極32及び第一中間層82を透過して活性層40に入射される場合、第一中間層82の変換対象光に対する透過率は、50%以上であることが好ましく、60%以上であることが更に好ましい。第一中間層82の厚さは、例えば、10nm以上500μm以下の範囲に含まれる厚さとされる。
The first
第一中間層82を形成する材料(第一中間層形成材料)として、例えば、金属酸化物(酸化物半導体)又は導電性高分子(高分子半導体)を用いることができる。第一中間層形成材料として用いる金属酸化物として、TiO2,ZnO,SnO2,NiO,VO2を例示することができる。例えば、第一中間層形成材料としてTiO2を用いると好適である。第一中間層形成材料として用いる金属酸化物を、他元素のドープ又は酸素欠損によって導電性を向上させた金属酸化物とすることもできる。例えば、第一中間層形成材料として、第5族元素(Nb等)がドープされたTiO2を用いることができる。この場合、第一中間層82の半導体特性を維持するという観点から、第5族元素(Nb等)の含有量を、1重量%以下とするのが好ましい。また、例えば、第一中間層形成材料として、酸素欠損を有するTiO2−Xを用いることができる。この場合、第一中間層82の半導体特性を維持するという観点から、TiO2−Xの“X”を、0.5以下とするのが好ましい。第一中間層形成材料として、複数種の材料を組み合わせた複合材料を用いることも可能である。
As a material (first intermediate layer forming material) for forming the first
また、図8に示すように、支持基板72上に、反射層60、第二中間層50、及び活性層40が、記載の順に積層された構成とすることもできる。図8の構成では、活性層40に対して図中上側が変換対象光の入射側である。すなわち、この光電変換素子10は、活性層40に対して変換対象光の入射側とは反対側に配置される第二中間層50と、第二中間層50を挟んで活性層40と対向するように配置される反射層60と、を備える。第二中間層50が「中間層」に相当する。
Further, as shown in FIG. 8, the
第二中間層50は、半導体特性及び変換対象光に対する透明性の双方を有する。第二中間層50の変換対象光に対する透過率は、50%以上であることが好ましく、60%以上であることが更に好ましい。第二中間層50の厚さは、例えば、10nm以上500μm以下の範囲に含まれる厚さとされる。第二中間層50を形成する材料(第二中間層形成材料)として、例えば、金属酸化物(酸化物半導体)又は導電性高分子(高分子半導体)を用いることができる。第二中間層形成材料は、例えば、第一中間層形成材料の上述した具体例のうち、変換対象光に対する透明性を有する材料を用いることができる。
The second
反射層60は、変換対象光に対する反射性を有する。本実施形態では、反射層60は、平板状の層である。ここで、「変換対象光に対する反射性を有する」とは、変換対象光に対する反射率が40%以上であることを意味する。ここでの反射率は、変換対象光の波長範囲における最も反射率が高くなる波長での反射率とする。なお、反射層60の変換対象光に対する反射率は、60%以上であることが好ましく、80%以上であることが更に好ましい。反射層60の厚さは、例えば、10nm以上数μm以下の範囲に含まれる厚さとされる。反射層60を形成する材料(反射層形成材料)として、例えば、金属又は金属窒化物を用いることができる。反射層形成材料として用いる金属として、Au,Ag,Al,Cu,Ptを例示することができる。また、反射層形成材料として用いる金属窒化物として、TiNを例示することができる。反射層形成材料を、活性層40に含まれるプラズモニック材料と同じ材料(例えば、Au)とすることもできる。反射層形成材料として、複数種の材料を組み合わせた複合材料を用いることも可能である。
The
図8に示す構成では、光電変換素子10は、活性層40に対して変換対象光の出射側に、変換対象光に対する反射性を有する反射層60を備えている。そして、活性層40と反射層60との間に配置される第二中間層50は、変換対象光に対する透明性を有している。そのため、活性層40を透過した変換対象光を、反射層60で反射させて活性層40に再度入射させることができ、その分だけ、変換対象光と活性層40に含まれるプラズモニック材料との相互作用を強めることが可能となっている。この結果、変換対象光が活性層40において吸収される割合を高めて光電変換効率の向上を図ることができる。この際、光の多重反射による干渉を考慮して第二中間層50の厚さを適切に設定することで、活性層40から変換対象光の入射側に戻る光(反射光)の強度を低く抑えることができる。この結果、活性層40を透過した変換対象光が、活性層40において吸収されるまで第二中間層50に閉じ込められる割合を高めることが可能となる。
In the configuration illustrated in FIG. 8, the
(4)上記の実施形態では、活性層40が、プラズモニック層40aと非プラズモニック層40bとが交互に積載された構造(積層体)を有する構成を例として説明した。しかし、そのような構成に限定されることなく、活性層40が単一のプラズモニック層40aのみを備える構成とすることもできる。
(4) In the above embodiment, the
(5)上記の実施形態では、活性層40を構成する積層体の最下層(最も変換対象光の出射側の層)がプラズモニック層40aとされると共に、活性層40を構成する積層体の最上層(最も変換対象光の入射側の層)もプラズモニック層40aとされる構成を例として説明した。しかし、そのような構成に限定されることなく、活性層40を構成する積層体の最下層及び最上層の一方又は双方が非プラズモニック層40bとされる構成とすることも可能である。
(5) In the above embodiment, the lowermost layer (the layer on the most emission side of the conversion target light) constituting the
(6)上記の実施形態では、アニール処理によって、プラズモニック材料堆積工程によって堆積された薄膜を粒子化させて、プラズモニック層40aを、複数のプラズモニック粒子を含む層に変化させる構成を例として説明した。しかし、そのような構成に限定されることなく、微細加工技術によって複数のプラズモニック粒子を含むプラズモニック層40aが形成される構成とすることや、コロイド状のプラズモニック粒子を並べることでプラズモニック層40aが形成される構成とすることもできる。
(6) In the above embodiment, as an example, the thin film deposited by the plasmonic material deposition step is converted into particles by annealing, and the
(7)上記の実施形態では、プラズモニック層40aが複数のプラズモニック粒子を含む層である構成を例として説明した。しかし、そのような構成に限定されることなく、例えば、プラズモニック層40aがプラズモニック材料を用いて形成された薄膜層である構成とすることもできる。
(7) In the above embodiment, the configuration in which the
(8)その他の構成に関しても、本明細書において開示された実施形態は全ての点で単なる例示に過ぎないと理解されるべきである。従って、当業者は、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜、種々の改変を行うことが可能である。 (8) Regarding other configurations, it should be understood that the embodiments disclosed herein are merely examples in all respects. Accordingly, those skilled in the art can make various modifications as appropriate without departing from the spirit of the present disclosure.
〔上記実施形態の概要〕
以下、上記において説明した光電変換素子アレイの概要について説明する。
[Overview of the above embodiment]
Hereinafter, an outline of the photoelectric conversion element array described above will be described.
複数の光電変換素子(10)が2次元的に配列された光電変換素子アレイ(1)であって、前記光電変換素子(10)のそれぞれは、光電変換の対象の光である変換対象光が入射される活性層(40)を備え、前記光電変換素子(10)のそれぞれの前記活性層(40)は、前記変換対象光との相互作用によってプラズモン共鳴が生じる材料であるプラズモニック材料を含み、複数の前記光電変換素子(10)には、第一光電変換素子(11)と第二光電変換素子(12)とが含まれ、前記第一光電変換素子(11)の前記活性層(40)である第一活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長と、前記第二光電変換素子(12)の前記活性層(40)である第二活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長とを互いに異ならせている。 A photoelectric conversion element array (1) in which a plurality of photoelectric conversion elements (10) are two-dimensionally arranged, and each of the photoelectric conversion elements (10) receives light to be converted, which is light for photoelectric conversion. An active layer (40) that is incident is provided, and each active layer (40) of the photoelectric conversion element (10) includes a plasmonic material that is a material in which plasmon resonance occurs due to interaction with the light to be converted. The plurality of photoelectric conversion elements (10) include a first photoelectric conversion element (11) and a second photoelectric conversion element (12), and the active layer (40) of the first photoelectric conversion element (11). ) And the resonance wavelength of plasmon resonance generated in the second active layer which is the active layer (40) of the second photoelectric conversion element (12). Different There.
上記のようにプラズモン共鳴を利用して光エネルギを電気エネルギに変換するプラズモン共鳴型の光電変換素子(10)では、光電変換効率のピーク波長は、活性層(40)において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長と概ね一致する。よって、上記の構成のように、第一活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長と、第二活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長とを互いに異ならせることで、光電変換効率の波長分布を、第一光電変換素子(11)と第二光電変換素子(12)との間で互いに異ならせることができる。すなわち、光電変換素子(10)そのものに、光の吸収に対する波長選択性を持たせることができる。この結果、光電変換素子(10)毎に異なる特性のフィルタを設けなくとも、光電変換素子アレイ(1)を構成する複数の光電変換素子(10)のそれぞれによって生成される電気信号を用いて、例えばカラー画像のように入射光のスペクトルの情報が反映された画像を得ることが可能となる。
以上のように、上記の構成によれば、光電変換素子(10)毎に異なる特性のフィルタを設けることが必須ではない光電変換素子アレイ(1)を実現することができる。
In the plasmon resonance type photoelectric conversion element (10) that converts light energy into electric energy using plasmon resonance as described above, the peak wavelength of photoelectric conversion efficiency is the resonance of plasmon resonance generated in the active layer (40). It almost coincides with the wavelength. Therefore, the wavelength distribution of the photoelectric conversion efficiency can be obtained by making the resonance wavelength of the plasmon resonance generated in the first active layer different from the resonance wavelength of the plasmon resonance generated in the second active layer as in the above configuration. The first photoelectric conversion element (11) and the second photoelectric conversion element (12) can be different from each other. That is, the photoelectric conversion element (10) itself can have wavelength selectivity for light absorption. As a result, even without providing filters with different characteristics for each photoelectric conversion element (10), using the electrical signals generated by each of the plurality of photoelectric conversion elements (10) constituting the photoelectric conversion element array (1), For example, it is possible to obtain an image reflecting information on the spectrum of incident light, such as a color image.
As described above, according to the above configuration, it is possible to realize the photoelectric conversion element array (1) in which it is not essential to provide filters having different characteristics for each photoelectric conversion element (10).
ここで、前記プラズモニック材料の種類、前記プラズモニック材料により形成される構造体の形状、前記プラズモニック材料により形成される構造体の寸法、及び、前記プラズモニック材料により形成される構造体同士の離間距離のうちの少なくともいずれかを、前記第一活性層と前記第二活性層とで互いに異ならせることで、前記第一活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長と、前記第二活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長とを互いに異ならせていると好適である。 Here, the kind of the plasmonic material, the shape of the structure formed by the plasmonic material, the dimensions of the structure formed by the plasmonic material, and the structures formed by the plasmonic material By making at least one of the separation distances different between the first active layer and the second active layer, the resonance wavelength of plasmon resonance generated in the first active layer, and the second active layer It is preferable that the generated plasmon resonances have different resonance wavelengths.
この構成によれば、プラズモン共鳴の共鳴波長を決定するパラメータのうち、制御の比較的容易なパラメータを活性層の構造に応じて選択して、第一活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長と、第二活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長とが互いに異なるように、第一光電変換素子と第二光電変換素子とを製造することができる。 According to this configuration, among the parameters that determine the resonance wavelength of the plasmon resonance, a parameter that is relatively easy to control is selected according to the structure of the active layer, and the resonance wavelength of the plasmon resonance generated in the first active layer The first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element can be manufactured such that the plasmon resonance resonance wavelengths generated in the second active layer are different from each other.
また、複数の前記光電変換素子(10)には、前記第一光電変換素子(11)及び前記第二光電変換素子(12)に加えて第三光電変換素子(13)が含まれ、前記第三光電変換素子(13)の前記活性層(40)において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長を、前記第一活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長及び前記第二活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長のいずれとも異ならせており、前記第一光電変換素子(11)の光電変換効率のピーク波長である第一ピーク波長、前記第二光電変換素子(12)の光電変換効率のピーク波長である第二ピーク波長、及び前記第三光電変換素子(13)の光電変換効率のピーク波長である第三ピーク波長のいずれもが、可視光の波長領域に含まれていると好適である。 The plurality of photoelectric conversion elements (10) include a third photoelectric conversion element (13) in addition to the first photoelectric conversion element (11) and the second photoelectric conversion element (12). The resonance wavelength of the plasmon resonance generated in the active layer (40) of the three photoelectric conversion element (13) is the resonance wavelength of the plasmon resonance generated in the first active layer and the resonance of the plasmon resonance generated in the second active layer. Different from any of the wavelengths, the first peak wavelength which is the peak wavelength of the photoelectric conversion efficiency of the first photoelectric conversion element (11), and the peak wavelength of the photoelectric conversion efficiency of the second photoelectric conversion element (12). It is preferable that both the second peak wavelength and the third peak wavelength, which is the peak wavelength of the photoelectric conversion efficiency of the third photoelectric conversion element (13), are included in the visible light wavelength region.
この構成によれば、第一ピーク波長、第二ピーク波長、及び第三ピーク波長のそれぞれを適切に設定することで、光電変換素子アレイ(1)を構成する複数の光電変換素子(10)のそれぞれによって生成される電気信号を用いて、カラー画像を生成することができる。 According to this configuration, by appropriately setting each of the first peak wavelength, the second peak wavelength, and the third peak wavelength, the plurality of photoelectric conversion elements (10) constituting the photoelectric conversion element array (1). A color image can be generated using the electrical signals generated by each.
また、前記活性層(40)は、前記プラズモニック材料を用いて形成されるプラズモニック層(40a)と、前記プラズモニック材料とは異なる材料を用いて形成される非プラズモニック層(40b)とが、交互に積層された構造を有すると好適である。 The active layer (40) includes a plasmonic layer (40a) formed using the plasmonic material, and a non-plasmonic layer (40b) formed using a material different from the plasmonic material. However, it is preferable to have a structure in which the layers are alternately stacked.
この構成によれば、活性層(40)が単一のプラズモニック層(40a)のみを有する場合とは異なり、異なるプラズモニック層(40a)の間での表面プラズモンの結合効果を利用して、変換対象光と活性層(40)に含まれるプラズモニック材料との相互作用の増大を図ることが可能となる。この結果、変換対象光が活性層(40)において吸収される割合を高めて光電変換効率の向上を図ることができる。 According to this configuration, unlike the case where the active layer (40) has only a single plasmonic layer (40a), the surface plasmon coupling effect between different plasmonic layers (40a) is utilized. It becomes possible to increase the interaction between the light to be converted and the plasmonic material contained in the active layer (40). As a result, it is possible to improve the photoelectric conversion efficiency by increasing the rate at which the conversion target light is absorbed in the active layer (40).
また、前記光電変換素子(10)のそれぞれは、前記活性層(40)に対して前記変換対象光の入射側とは反対側に配置される中間層(50)と、前記中間層(50)を挟んで前記活性層(40)と対向するように配置される反射層(60)と、を備え、前記中間層(50)は、半導体特性及び前記変換対象光に対する透明性の双方を有し、前記反射層(60)は、前記変換対象光に対する反射性を有すると好適である。 Each of the photoelectric conversion elements (10) includes an intermediate layer (50) disposed on a side opposite to the incident side of the conversion target light with respect to the active layer (40), and the intermediate layer (50). A reflective layer (60) disposed to face the active layer (40) across the substrate, the intermediate layer (50) having both semiconductor characteristics and transparency to the light to be converted The reflective layer (60) preferably has reflectivity for the conversion target light.
この構成によれば、活性層(40)に対して変換対象光の入射側とは反対側(すなわち、変換対象光の出射側)に、変換対象光に対する反射性を有する反射層(60)が備えられると共に、活性層(40)と反射層(60)との間に配置される中間層(50)が、変換対象光に対する透明性を有する。よって、活性層(40)を透過した変換対象光を、反射層(60)で反射させて活性層(40)に再度入射させることができ、その分だけ、変換対象光と活性層(40)に含まれるプラズモニック材料との相互作用を強めることが可能となる。すなわち、上記の構成によれば、中間層(50)及び反射層(60)が備えられない場合に比べて、変換対象光と活性層(40)に含まれるプラズモニック材料との相互作用を強めることができ、この結果、変換対象光が活性層(40)において吸収される割合を高めて光電変換効率の向上を図ることができる。なお、中間層(50)は、変換対象光に対する透明性に加えて半導体特性を有しているため、このような中間層(50)を設けた場合であっても、電気エネルギの生成時における活性層(40)と反射層(60)との間の電子の移動は許容される。 According to this configuration, the reflective layer (60) having reflectivity with respect to the conversion target light is provided on the side opposite to the incident side of the conversion target light (that is, the emission side of the conversion target light) with respect to the active layer (40). The intermediate layer (50) provided and disposed between the active layer (40) and the reflective layer (60) has transparency to the light to be converted. Therefore, the conversion target light transmitted through the active layer (40) can be reflected by the reflective layer (60) and incident again on the active layer (40), and the conversion target light and the active layer (40) are correspondingly increased. It becomes possible to strengthen the interaction with the plasmonic material contained in the. That is, according to said structure, compared with the case where an intermediate | middle layer (50) and a reflection layer (60) are not provided, interaction with the plasmonic material contained in the light to be converted and an active layer (40) is strengthened. As a result, the ratio of the light to be converted absorbed in the active layer (40) can be increased to improve the photoelectric conversion efficiency. In addition, since the intermediate layer (50) has semiconductor characteristics in addition to transparency with respect to light to be converted, even when such an intermediate layer (50) is provided, the intermediate layer (50) is not Electron movement between the active layer (40) and the reflective layer (60) is allowed.
1:光電変換素子アレイ
10:光電変換素子
11:第一光電変換素子
12:第二光電変換素子
13:第三光電変換素子
40:活性層
40a:プラズモニック層
40b:非プラズモニック層
50:第二中間層(中間層)
60:反射層
1: photoelectric conversion element array 10: photoelectric conversion element 11: first photoelectric conversion element 12: second photoelectric conversion element 13: third photoelectric conversion element 40:
60: Reflective layer
Claims (5)
前記光電変換素子のそれぞれは、光電変換の対象の光である変換対象光が入射される活性層を備え、
前記光電変換素子のそれぞれの前記活性層は、前記変換対象光との相互作用によってプラズモン共鳴が生じる材料であるプラズモニック材料を含み、
複数の前記光電変換素子には、第一光電変換素子と第二光電変換素子とが含まれ、
前記第一光電変換素子の前記活性層である第一活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長と、前記第二光電変換素子の前記活性層である第二活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長とを互いに異ならせている光電変換素子アレイ。 A photoelectric conversion element array in which a plurality of photoelectric conversion elements are two-dimensionally arranged,
Each of the photoelectric conversion elements includes an active layer on which conversion target light that is light of photoelectric conversion is incident,
Each of the active layers of the photoelectric conversion element includes a plasmonic material that is a material in which plasmon resonance occurs due to interaction with the light to be converted,
The plurality of photoelectric conversion elements include a first photoelectric conversion element and a second photoelectric conversion element,
Resonance wavelength of plasmon resonance generated in the first active layer that is the active layer of the first photoelectric conversion element and resonance wavelength of plasmon resonance generated in the second active layer that is the active layer of the second photoelectric conversion element Is a photoelectric conversion element array different from each other.
前記第三光電変換素子の前記活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長を、前記第一活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長及び前記第二活性層において発生するプラズモン共鳴の共鳴波長のいずれとも異ならせており、
前記第一光電変換素子の光電変換効率のピーク波長である第一ピーク波長、前記第二光電変換素子の光電変換効率のピーク波長である第二ピーク波長、及び前記第三光電変換素子の光電変換効率のピーク波長である第三ピーク波長のいずれもが、可視光の波長領域に含まれている請求項1又は2に記載の光電変換素子アレイ。 The plurality of photoelectric conversion elements include a third photoelectric conversion element in addition to the first photoelectric conversion element and the second photoelectric conversion element,
The resonance wavelength of plasmon resonance generated in the active layer of the third photoelectric conversion element is either the resonance wavelength of plasmon resonance generated in the first active layer or the resonance wavelength of plasmon resonance generated in the second active layer. Are different,
The first peak wavelength which is the peak wavelength of the photoelectric conversion efficiency of the first photoelectric conversion element, the second peak wavelength which is the peak wavelength of the photoelectric conversion efficiency of the second photoelectric conversion element, and the photoelectric conversion of the third photoelectric conversion element 3. The photoelectric conversion element array according to claim 1, wherein all of the third peak wavelengths, which are efficiency peak wavelengths, are included in a visible light wavelength region.
前記中間層は、半導体特性及び前記変換対象光に対する透明性の双方を有し、
前記反射層は、前記変換対象光に対する反射性を有する請求項1から4のいずれか一項に記載の光電変換素子アレイ。 Each of the photoelectric conversion elements is disposed so as to face the active layer with an intermediate layer disposed on the side opposite to the incident side of the conversion target light with respect to the active layer and the intermediate layer interposed therebetween. A reflective layer;
The intermediate layer has both semiconductor characteristics and transparency to the light to be converted,
The photoelectric conversion element array according to claim 1, wherein the reflective layer has reflectivity with respect to the conversion target light.
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JP2018200915A (en) * | 2017-05-25 | 2018-12-20 | 富士通株式会社 | Compound semiconductor device, infrared detector, and imaging device |
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- 2015-07-21 JP JP2015144077A patent/JP2017028059A/en active Pending
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