JP2017220577A - Photo-detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、光検出装置に関する。 The present disclosure relates to a light detection device.
従来、光検出装置、イメージセンサなどに光検出素子が用いられている。光検出素子の典型例は、フォトダイオード、フォトトランジスタなどの光電変換素子である。よく知られているように、光の照射によって光電変換素子に生じる光電流を検出することにより、光を検出することができる。 Conventionally, a light detection element is used in a light detection device, an image sensor, or the like. A typical example of the light detection element is a photoelectric conversion element such as a photodiode or a phototransistor. As is well known, light can be detected by detecting a photocurrent generated in a photoelectric conversion element by light irradiation.
下記の特許文献1は、図2に、所定の化合物が有機重合体中に分散された有機膜をゲート絶縁膜として有する薄膜トランジスタ(TFT)を開示している。有機膜を構成する所定の化合物としては、光の照射によって分極の状態が変化する化合物が選ばれる。特許文献1の薄膜トランジスタでは、ゲート絶縁膜に光が照射されると、ゲート絶縁膜の誘電率が変化する。そのため、ゲート絶縁膜への光の照射によって、ソース−ドレイン間を流れる電流が変化する。特許文献1には、このような薄膜トランジスタを光センサに用いることが可能であると記載されている。
新規な構成を有する光検出装置を提供する。 Provided is a light detection device having a novel structure.
本開示の限定的ではないある例示的な実施形態によれば、以下が提供される。 According to certain non-limiting exemplary embodiments of the present disclosure, the following is provided.
それぞれが、半導体基板に形成されたソース領域およびドレイン領域と、前記半導体基板上のゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上の透明ゲート電極とを有する、複数の検出セルを備え、前記ゲート絶縁層は、吸収ピークが互いに異なる第1光電変換材料および第2光電変換材料を含む光電変換層を有し、前記複数の検出セルの各々は、前記透明ゲート電極を介した前記光電変換層への光の入射によって生じる、前記光電変換層の誘電率の変化に対応した電気信号を前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの一方から出力する、光検出装置。 Each of the gate insulating layers includes a plurality of detection cells each having a source region and a drain region formed in a semiconductor substrate, a gate insulating layer on the semiconductor substrate, and a transparent gate electrode on the gate insulating layer. Has a photoelectric conversion layer including a first photoelectric conversion material and a second photoelectric conversion material having absorption peaks different from each other, and each of the plurality of detection cells has light to the photoelectric conversion layer via the transparent gate electrode. An optical detection device that outputs an electric signal corresponding to a change in dielectric constant of the photoelectric conversion layer caused by incidence of light from one of the source region and the drain region.
包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、装置、システム、集積回路または方法で実現されてもよい。また、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、装置、システム、集積回路および方法の任意の組み合わせによって実現されてもよい。 Inclusive or specific aspects may be realized in an element, device, apparatus, system, integrated circuit or method. In addition, comprehensive or specific aspects may be realized by any combination of elements, devices, apparatuses, systems, integrated circuits, and methods.
開示された実施形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および/または利点は、明細書および図面に開示の様々な実施形態または特徴によって個々に提供され、これらの1つ以上を得るために全てを必要とはしない。 Additional effects and advantages of the disclosed embodiments will become apparent from the specification and drawings. The effects and / or advantages are individually provided by the various embodiments or features disclosed in the specification and drawings, and not all are required to obtain one or more of these.
本開示の一態様によれば、新規な構成を有する光検出装置が提供される。 According to one aspect of the present disclosure, a photodetection device having a novel configuration is provided.
本開示の一態様の概要は以下のとおりである。 The outline | summary of 1 aspect of this indication is as follows.
[項目1]
それぞれが、
半導体基板に形成されたソース領域およびドレイン領域と、
半導体基板上のゲート絶縁層と、
ゲート絶縁層上の透明ゲート電極と、
を有する、複数の検出セルを備え、
ゲート絶縁層は、吸収ピークが互いに異なる第1光電変換材料および第2光電変換材料を含む光電変換層を有し、
複数の検出セルの各々は、透明ゲート電極を介した光電変換層への光の入射によって生じる、光電変換層の誘電率の変化に対応した電気信号をソース領域およびドレイン領域のうちの一方から出力する、光検出装置。
[Item 1]
Each is
A source region and a drain region formed in a semiconductor substrate;
A gate insulating layer on a semiconductor substrate;
A transparent gate electrode on the gate insulating layer;
Having a plurality of detection cells,
The gate insulating layer has a photoelectric conversion layer including a first photoelectric conversion material and a second photoelectric conversion material having absorption peaks different from each other,
Each of the plurality of detection cells outputs, from one of the source region and the drain region, an electric signal corresponding to a change in the dielectric constant of the photoelectric conversion layer, which is caused by light incident on the photoelectric conversion layer through the transparent gate electrode. A photodetection device.
項目1の構成によれば、単一の光電変換材料を用いる場合と比較して、光電変換層における誘電率の変化を利用して検出が可能な波長範囲を拡大し得る。
According to the structure of the
[項目2]
ゲート絶縁層は、光電変換層と半導体基板の間に配置された絶縁層を含む、項目1に記載の光検出装置。
[Item 2]
項目2の構成によれば、光電変換層におけるリーク電流を低減して、必要なS/N比を確保し得る。
According to the configuration of
[項目3]
透明ゲート電極と半導体基板との間に配置された遮光膜を有する、項目1または2に記載の光検出装置。
[Item 3]
Item 3. The photodetection device according to
項目3の構成によれば、ソース領域およびドレイン領域の間に形成されるチャネル領域への迷光の入射を抑制することが可能であるので、隣接する検出セル間の混色などのノイズの混入を抑制し得る。 According to the configuration of item 3, it is possible to suppress the incidence of stray light to the channel region formed between the source region and the drain region, so that mixing of noise such as color mixture between adjacent detection cells is suppressed. Can do.
[項目4]
透過する波長域が互いに異なる第1フィルタおよび第2フィルタを含む帯域フィルタをさらに備え、
複数の検出セルは、第1検出セルおよび第2検出セルを含み、
第1フィルタは、第1検出セルの透明ゲート電極に対向し、
第2フィルタは、第2検出セルの透明ゲート電極に対向する、項目1から3のいずれかに記載の光検出装置。
[Item 4]
A bandpass filter including a first filter and a second filter having different wavelength ranges to be transmitted;
The plurality of detection cells include a first detection cell and a second detection cell,
The first filter faces the transparent gate electrode of the first detection cell,
4. The photodetecting device according to any one of
項目4の構成によれば、複数の検出セルのうち、所望の検出セルの光電変換層に所望の波長域の光を選択的に入射させ得るので、複数の検出セルの間における光電変換層の構成を共通としながら、異なる波長域の光を検出セルごとに検出し得る。 According to the configuration of item 4, light in a desired wavelength range can be selectively incident on the photoelectric conversion layer of the desired detection cell among the plurality of detection cells. While having a common configuration, light in different wavelength ranges can be detected for each detection cell.
[項目5]
第1検出セルの透明ゲート電極および第2検出セルの透明ゲート電極のそれぞれは、連続する単一の電極の一部である、項目4に記載の光検出装置。
[Item 5]
項目5の構成によれば、製造工程の複雑化を回避し得る。
According to the configuration of
[項目6]
光電変換層は、逆方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第1電圧範囲、順方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第2電圧範囲、および、第1電圧範囲と第2電圧範囲との間の第3電圧範囲において、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率が互いに異なる光電流特性を有し、
第3電圧範囲における変化率は、第1電圧範囲における変化率および第2電圧範囲における変化率よりも小さい、項目1から5のいずれかに記載の光検出装置。
[Item 6]
The photoelectric conversion layer includes a first voltage range in which the absolute value of the output current density increases as the reverse bias voltage increases, a second voltage range in which the output current density increases as the forward bias voltage increases, and a first voltage range And a third voltage range between the first voltage range and the second voltage range, the change rate of the output current density with respect to the bias voltage has different photocurrent characteristics,
6. The photodetector according to any one of
項目6の構成によれば、照度の変化に対する応答が高速な光検出装置を提供し得る。例えば、照度の変化に対する応答が高速な赤外線検出装置を提供し得る。 According to the configuration of item 6, it is possible to provide a photodetection device that responds quickly to changes in illuminance. For example, it is possible to provide an infrared detection device that responds quickly to changes in illuminance.
[項目7]
ソース領域およびドレイン領域のうちの他方の電位を基準としたときに第3電圧範囲内にあるゲート電圧を透明ゲート電極に供給する電圧供給回路をさらに備え、
複数の検出セルの各々は、ソース領域およびドレイン領域のうちの他方と、透明ゲート電極との間の電位差が第3電圧範囲内に維持された状態で、光電変換層の誘電率の変化に対応した電気信号をソース領域およびドレイン領域のうちの一方から出力する、項目6に記載の光検出装置。
[Item 7]
A voltage supply circuit for supplying a gate voltage within the third voltage range to the transparent gate electrode when the other potential of the source region and the drain region is used as a reference;
Each of the plurality of detection cells responds to a change in the dielectric constant of the photoelectric conversion layer while the potential difference between the other of the source region and the drain region and the transparent gate electrode is maintained within the third voltage range. Item 7. The photodetector according to item 6, wherein the electrical signal is output from one of the source region and the drain region.
項目7の構成によれば、ソース領域またはドレイン領域と透明ゲート電極との間に第3電圧範囲の電位差を与えることが可能である。 According to the configuration of item 7, it is possible to give a potential difference in the third voltage range between the source region or the drain region and the transparent gate electrode.
[項目8]
それぞれが、
第1電極と、
半導体基板に形成された電界効果トランジスタであって、ゲートが第1電極に電気的に接続された電界効果トランジスタと、
第1電極に対向する透光性の第2電極と、
第1電極と第2電極との間に配置された光電変換層と、
を有する、複数の検出セルを備え、
光電変換層は、吸収ピークが互いに異なる第1光電変換材料および第2光電変換材料を含み、
光電変換層は、逆方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第1電圧範囲、順方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第2電圧範囲、および、第1電圧範囲と第2電圧範囲との間の第3電圧範囲において、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率が互いに異なる光電流特性を有し、
第3電圧範囲における変化率は、第1電圧範囲における変化率および第2電圧範囲における変化率よりも小さく、
複数の検出セルの各々は、電界効果トランジスタのソースおよびドレインのうちの一方と、第2電極との間の電位差が第1電圧範囲内または第3電圧範囲内に維持された状態で、第2電極を介した光電変換層への光の入射によって生じる、第1電極と第2電極との間の誘電率の変化に対応した電気信号をソースおよびドレインのうちの他方から出力する、光検出装置。
[Item 8]
Each is
A first electrode;
A field effect transistor formed in a semiconductor substrate, the gate of which is electrically connected to the first electrode;
A translucent second electrode facing the first electrode;
A photoelectric conversion layer disposed between the first electrode and the second electrode;
Having a plurality of detection cells,
The photoelectric conversion layer includes a first photoelectric conversion material and a second photoelectric conversion material having absorption peaks different from each other,
The photoelectric conversion layer includes a first voltage range in which the absolute value of the output current density increases as the reverse bias voltage increases, a second voltage range in which the output current density increases as the forward bias voltage increases, and a first voltage range And a third voltage range between the first voltage range and the second voltage range, the change rate of the output current density with respect to the bias voltage has different photocurrent characteristics,
The rate of change in the third voltage range is smaller than the rate of change in the first voltage range and the rate of change in the second voltage range,
Each of the plurality of detection cells is in a state where the potential difference between one of the source and drain of the field effect transistor and the second electrode is maintained in the first voltage range or the third voltage range. An optical detection device that outputs an electrical signal corresponding to a change in dielectric constant between the first electrode and the second electrode, which is generated by the incidence of light to the photoelectric conversion layer via the electrode, from the other of the source and the drain .
項目8の構成によれば、単一の光電変換材料を用いる場合と比較して、第1電極と第2電極との間の誘電率の変化を利用して検出が可能な波長範囲を拡大し得る。
According to the configuration of
[項目9]
第1電極と光電変換層との間、および、光電変換層と第2電極との間の少なくとも一方に配置された、少なくとも1つの絶縁層をさらに備える、項目8に記載の光検出装置。
[Item 9]
Item 9. The photodetector according to
項目9の構成によれば、電界効果トランジスタのソースまたはドレインと第2電極との間により大きなバイアス電圧を印加し得る。 According to the configuration of item 9, a larger bias voltage can be applied between the source or drain of the field effect transistor and the second electrode.
[項目10]
ソースおよびドレインのうちの一方の電位を基準としたときに第1電圧範囲内にある電圧を第2電極に供給する電圧供給回路をさらに備える、項目9に記載の光検出装置。
[Item 10]
項目10の構成によれば、電界効果トランジスタのソースまたはドレインと第2電極との間に第1電圧範囲の電位差を与えることが可能である。
According to the configuration of
[項目11]
ソースおよびドレインのうちの一方の電位を基準としたときに第3電圧範囲内にある電圧を第2電極に供給する電圧供給回路をさらに備える、項目8または9に記載の光検出装置。
[Item 11]
項目11の構成によれば、電界効果トランジスタのソースまたはドレインと第2電極との間に第3電圧範囲の電位差を与えることが可能である。 According to the configuration of item 11, it is possible to give a potential difference in the third voltage range between the source or drain of the field effect transistor and the second electrode.
[項目12]
第1電極は、遮光性電極である、項目8から11のいずれかに記載の光検出装置。
[Item 12]
項目12の構成によれば、電界効果トランジスタのチャネル領域への迷光の入射を抑制することが可能であるので、隣接する検出セル間の混色などのノイズの混入を抑制し得る。
According to the configuration of
[項目13]
電界効果トランジスタのゲートは、半導体基板上に設けられたゲート絶縁層およびゲート電極を含み、
第1電極は、ゲート電極と第1電極とを接続する接続部を有する、項目8から12のいずれかに記載の光検出装置。
[Item 13]
The gate of the field effect transistor includes a gate insulating layer and a gate electrode provided on the semiconductor substrate,
13. The photodetecting device according to any one of
項目13の構成によれば、半導体基板と第1電極との間に配置される配線の設計の自由度が向上する。 According to the structure of item 13, the freedom degree of design of the wiring arrange | positioned between a semiconductor substrate and a 1st electrode improves.
[項目14]
透過する波長域が互いに異なる第1フィルタおよび第2フィルタを含む帯域フィルタをさらに備え、
複数の検出セルは、第1検出セルおよび第2検出セルを含み、
第1フィルタは、第1検出セルの第2電極に対向し、
第2フィルタは、第2検出セルの第2電極に対向する、項目8から13のいずれかに記載の光検出装置。
[Item 14]
A bandpass filter including a first filter and a second filter having different wavelength ranges to be transmitted;
The plurality of detection cells include a first detection cell and a second detection cell,
The first filter faces the second electrode of the first detection cell,
14. The photodetecting device according to any one of
項目14の構成によれば、複数の検出セルのうち、所望の検出セルの光電変換層に所望の波長域の光を選択的に入射させ得るので、複数の検出セルの間における光電変換層の構成を共通としながら、異なる波長域の光を検出セルごとに検出し得る。 According to the configuration of item 14, light in a desired wavelength range can be selectively incident on the photoelectric conversion layer of a desired detection cell among the plurality of detection cells. While having a common configuration, light in different wavelength ranges can be detected for each detection cell.
[項目15]
第1検出セルの第2電極および第2検出セルの第2電極のそれぞれは、連続する単一の電極の一部である、項目14に記載の光検出装置。
[Item 15]
Item 15. The photodetector according to item 14, wherein each of the second electrode of the first detection cell and the second electrode of the second detection cell is a part of a single continuous electrode.
項目15の構成によれば、製造工程の複雑化を回避し得る。 According to the configuration of item 15, the manufacturing process can be prevented from becoming complicated.
[項目16]
第1検出セルの光電変換層および第2検出セルの光電変換層のそれぞれは、連続する単一の層の一部である、項目14または15に記載の光検出装置。
[Item 16]
Item 16. The photodetector according to item 14 or 15, wherein each of the photoelectric conversion layer of the first detection cell and the photoelectric conversion layer of the second detection cell is a part of a single continuous layer.
項目16の構成によれば、製造工程の複雑化を回避し得る。 According to the configuration of item 16, it is possible to avoid complication of the manufacturing process.
[項目17]
第1フィルタは、可視光のうち、第1波長範囲の光を選択的に透過させ、第2フィルタは、可視光のうち、第2波長範囲の光を選択的に透過させる、項目4、5、14、15または16のいずれかに記載の光検出装置。
[Item 17]
The first filter selectively transmits light in the first wavelength range of visible light, and the second filter selectively transmits light in the second wavelength range of visible light. , 14, 15 or 16.
項目17の構成によれば、例えば、RGBのカラーイメージセンサを実現し得る。 According to the configuration of item 17, for example, an RGB color image sensor can be realized.
[項目18]
第1フィルタは、可視光のうち、第1波長範囲の光を選択的に透過させ、第2フィルタは、第2波長範囲の赤外線を選択的に透過させる、項目4、5、14、15または16のいずれかに記載の光検出装置。
[Item 18]
The first filter selectively transmits light in the first wavelength range out of visible light, and the second filter selectively transmits infrared light in the second wavelength range,
項目18の構成によれば、可視光の照度および赤外線の照度に関する情報を取得可能な光検出装置を提供できる。 According to the structure of the item 18, the photodetector which can acquire the information regarding the illumination intensity of visible light and the illumination intensity of infrared rays can be provided.
[項目19]
第1光電変換材料の吸収ピークは、第1波長範囲内にある、項目17または18に記載の光検出装置。
[Item 19]
Item 19. The photodetection device according to Item 17 or 18, wherein the absorption peak of the first photoelectric conversion material is in the first wavelength range.
[項目20]
第2光電変換材料の吸収ピークは、第2波長範囲内にある、項目17から19のいずれかに記載の光検出装置。
[Item 20]
[項目21]
光電変換層は、第1光電変換材料および第2光電変換材料の積層構造を有する、項目1から20のいずれかに記載の光検出装置。
[Item 21]
21. The photodetector according to any one of
項目21の構成によれば、第1光電変換材料の層と第2光電変換材料の層との間の厚さの比の調整が比較的容易であり、厚さの比の調整により、複数の波長域の間における、光の入射に起因する誘電率の変調の程度を制御し得る。
According to the configuration of the
以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that each of the embodiments described below shows a comprehensive or specific example. Numerical values, shapes, materials, components, arrangement and connection forms of components, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the present disclosure. The various aspects described herein can be combined with each other as long as no contradiction arises. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept are described as optional constituent elements. In the following description, components having substantially the same function are denoted by common reference numerals, and description thereof may be omitted.
(光検出装置の第1の実施形態)
図1は、本開示の第1の実施形態に係る例示的な光検出装置の断面を模式的に示す。図1に示す光検出装置1000は、各々が光検出構造100Aを有する2以上の検出セル10Aを含む。検出セル10Aは、例えばマトリクス状に配列されることにより、光センサアレイを形成する。なお、図1は、光検出装置1000を構成する各部の配置をあくまでも模式的に示しており、図1に示す各部の寸法は、必ずしも現実のデバイスにおける寸法を厳密に反映しない。このことは、本開示の他の図面においても同様である。
(First Embodiment of Photodetector)
FIG. 1 schematically illustrates a cross-section of an exemplary photodetection device according to the first embodiment of the present disclosure. The
図1は、複数の検出セル10Aのうち、光センサアレイの行方向に沿って配置された3つの検出セル10Aa〜10Acの断面を模式的に示している。半導体基板20の法線方向から見たときの検出セル10Aa〜10Acの形状およびサイズは、これらの間で全て同じであっていてもよいし、これらの一部または全部において異なっていてもよい。典型的には、光センサアレイは、1以上の検出セル10A(例えば検出セル10Aa〜10Acのセット)を単位とする繰り返し構造を有する。言うまでもないが、図1に例示する検出セル10Aa〜10Acの配置は、あくまでも一例であり、これらが直線状に配置されることは必須ではない。
FIG. 1 schematically shows a cross section of three detection cells 10Aa to 10Ac arranged in the row direction of the photosensor array among the plurality of
複数の検出セル10Aは、半導体基板20に形成される。ここでは、半導体基板20としてp型シリコン(Si)基板を例示する。検出セル10Aの各々は、半導体基板20に形成された素子分離領域20tによって互いに電気的に分離されている。隣接する2つの検出セル10A間の距離(画素ピッチと呼んでもよい)は、例えば2μm程度であり得る。なお、本明細書における「半導体基板」は、その全体が半導体である基板に限定されず、光が照射される側の表面に半導体層が設けられた絶縁基板などであってもよい。
The plurality of
検出セル10A中の光検出構造100Aは、概略的には、電界効果トランジスタ(FET)に似たデバイス構造を有する。すなわち、光検出構造100Aは、半導体基板20内に形成された不純物領域(ここではn型領域)20sおよび20dと、半導体基板20上に配置されたゲート絶縁層23と、ゲート絶縁層23上に配置された透明ゲート電極22gとを含む。図1に示すように、透明ゲート電極22gは、半導体基板20を覆う層間絶縁層50上に配置される。図1に示す例では、層間絶縁層50上の透明ゲート電極22gは、複数の検出セル10Aにわたって形成されている。つまり、ここでは、検出セル10Aaにおける透明ゲート電極22g、検出セル10Abにおける透明ゲート電極22g、および、検出セル10Acにおける透明ゲート電極22gのそれぞれは、連続する単一の電極の一部である。複数の検出セル10Aの間において、連続する単一の電極の形で透明ゲート電極22gを形成することにより、製造工程の複雑化を回避し得る。
The
図1に例示する構成において、ゲート絶縁層23は、層間絶縁層50を貫通して半導体基板20の上面と透明ゲート電極22gの下面とを結んでいる。なお、本明細書における「上面」および「下面」の用語は、部材間の相対的な配置を示すために用いられており、本開示の光検出装置の姿勢を限定する意図ではない。
In the configuration illustrated in FIG. 1, the
ゲート絶縁層23は、光電変換層23pを含む。後に詳しく説明するように、各検出セル10Aは、透明ゲート電極22gを介した光電変換層23pへの光の入射によって生じる、光電変換層23pの誘電率の変化に対応した電気信号を、半導体基板20内に形成された不純物領域(ここでは不純物領域20s)から出力する。
The
光電変換層23pは、吸収ピークが互いに異なる第1および第2の光電変換材料を含む。第1および第2の光電変換材料を用いて光電変換層23pを形成することにより、単一の光電変換材料を用いる場合と比較して、検出が可能な波長範囲を拡大することが可能である。したがって、複数の波長域に感度を有する光検出構造100Aを実現し得る。例えば、可視光の波長範囲(例えば、380nm以上780nm以下)と、赤外線の波長範囲との両方に感度を有する光検出構造100Aを実現し得る。光電変換層23pの構成の詳細、ならびに、第1光電変換材料および第2光電変換材料の例は、後述する。光電変換層23pの厚さ(半導体基板20の法線方向に沿って測った長さ)は、例えば1500nm程度である。
The
図1に例示する構成では、光電変換層23pと半導体基板20との間に、絶縁層23xが配置されている。光電変換層23pと半導体基板20の間に絶縁層23xを配置することにより、光電変換層23pにおけるリーク電流を低減して、必要なS/N比を確保し得る。絶縁層23xとしては、例えば、シリコンの熱酸化膜または酸化アルミニウム膜を用い得る。絶縁層23xとして、シリコン半導体において一般的に用いられるシリコン酸窒化膜(SiON膜)を適用してもよいし、HfO2膜などのHigh−k膜を適用してもよい。絶縁層23xの厚さは、絶縁層23xを構成する材料に応じて適宜設定されればよい。
In the configuration illustrated in FIG. 1, the insulating
図1に示す例では、透明ゲート電極22g上に、帯域フィルタ26が配置されている。帯域フィルタ26は、透過する波長域が互いに異なる複数の部分を含む。図1に例示する構成において、帯域フィルタ26は、検出セル10Aaにおける透明ゲート電極22gに対向する第1フィルタ26a、検出セル10Abにおける透明ゲート電極22gに対向する第2フィルタ26b、および、検出セル10Acにおける透明ゲート電極22gに対向する第3フィルタ26cを有する。第1フィルタ26a、第2フィルタ26bおよび第3フィルタ26cのうち、互いに隣接する2つのフィルタ間には、ブラックマトリクスが配置され得る(図1において不図示)。
In the example shown in FIG. 1, a band-
第1フィルタ26a、第2フィルタ26bおよび第3フィルタ26cは、例えば、赤(R)、緑(G)および青(B)の波長範囲の光をそれぞれ選択的に透過させるカラーフィルタであり得る。帯域フィルタ26において透過スペクトルが互いに異なる部分(第1フィルタ26a、第2フィルタ26bおよび第3フィルタ26c)を複数の検出セル10Aに対応して配置することにより、複数の検出セル10Aのうちの所望の検出セル10Aの光電変換層23pに所望の波長域の光を選択的に入射させ得る。つまり、複数の検出セル10Aの間における光電変換層23pの構成を共通としながら、異なる波長域の光を検出セル10Aごとに検出することが可能であり、光検出装置1000を例えばRGBのカラーイメージセンサとして利用することができる。もちろん、帯域フィルタ26に含まれるフィルタが選択的に透過させる光の波長範囲は、赤(R)、緑(G)または青(B)の波長範囲に限定されず、他の色の波長範囲であってもよい。
For example, the
また、帯域フィルタ26に含まれるフィルタは、可視光を透過させるフィルタに限定されず、例えば、第1フィルタ26a、第2フィルタ26bおよび第3フィルタ26cの少なくともいずれかを、赤外線を選択的に透過させるIRフィルタとしてもよい。あるいは、帯域フィルタ26が、赤色光(波長:620〜750nm)を透過させるRフィルタ、緑色光(波長:490〜585nm)を透過させるGフィルタ、青色光(波長:400〜495nm)を透過させるBフィルタおよび赤外線を透過させるIRフィルタを含んでいてもよい。帯域フィルタ26が赤外線透過フィルタを含むことにより、赤外線透過フィルタに対向する透明ゲート電極22gを有する検出セル10Aを、赤外線検出セルとして機能させ得る。したがって、例えば、可視光を透過させるフィルタと、赤外線を透過させるフィルタとを含む帯域フィルタを用いることにより、可視光の照度および赤外線の照度に関する情報を光検出装置1000によって取得することが可能である。すなわち、例えば、光検出装置1000を、可視光の検出装置および赤外線の検出装置として利用し得る。あるいは、光検出装置1000を、カラーのエリアセンサおよび赤外線のエリアセンサとして利用し得る。可視光を透過させるフィルタが透明ゲート電極22gに対向して配置された複数の検出セル10Aからの出力を利用すれば、カラー画像を取得でき、赤外線を透過させるフィルタが透明ゲート電極22gに対向して配置された複数の検出セル10Aからの出力を利用すれば、赤外画像を取得できる。
The filter included in the
このように、光検出装置1000によって検出される光は、可視光の波長範囲内の光に限定されない。なお、本明細書では、赤外線および紫外線を含めた電磁波全般を、便宜上「光」と表現する。本明細書における「透明」および「透光性」の用語は、検出しようとする波長範囲の光の少なくとも一部を透過することを意味し、可視光の波長範囲全体にわたって光を透過することは必須ではない。
As described above, the light detected by the
例えば、帯域フィルタ26が可視光を選択的に透過させるフィルタと赤外線透過フィルタとを含む場合、透明ゲート電極22gの材料として、可視光および近赤外線に対する透過率が高く、抵抗値が小さい材料が選ばれる。例えば、透明ゲート電極22gの材料として透明導電性酸化物(Transparent Conducting Oxide(TCO))を用い得る。TCOとして、例えば、ITO、IZO、AZO、FTO、SnO2、TiO2、ZnO2などを用いることができる。透明ゲート電極22gとして、Auなどの金属薄膜を用いてもよい。
For example, when the band-
透明ゲート電極22gは、不図示の電源との接続を有する。透明ゲート電極22gは、光検出装置1000の動作時に所定のバイアス電圧(第1のバイアス電圧)を印加可能に構成されている。ここでは、透明ゲート電極22gが複数の検出セル10Aにわたって形成されているので、第1のバイアス電圧を複数の検出セル10Aに一括して印加することが可能である。
The
図1に例示する構成において、層間絶縁層50は、複数の絶縁層(典型的にはシリコン酸化膜)を含む積層構造を有する。層間絶縁層50中には、多層配線40が配置されている。多層配線40は、複数の配線層を含む。図1に例示する構成では、多層配線40は、3つの配線層を含んでおり、中央の配線層に、電源配線42、アドレス信号線44および垂直信号線46が設けられている。電源配線42、アドレス信号線44および垂直信号線46は、例えば、紙面に垂直な方向(光センサアレイにおける列方向)に沿って延びる。図1に示す例では、層間絶縁層50および多層配線40は、それぞれ、4層の絶縁層および3層の配線層を含む。しかしながら、層間絶縁層50中の絶縁層の層数および多層配線40中の配線層の層数は、この例に限定されない。
In the configuration illustrated in FIG. 1, the
図1に例示する構成において、多層配線40の電源配線42は、コンタクトプラグ52を介して不純物領域20dに接続されている。後述するように、電源配線42には、所定の電圧を供給する電源が接続される。光検出装置1000の動作時、不純物領域20dには、透明ゲート電極22gと同様に、電源配線42を介して所定のバイアス電圧(第2のバイアス電圧)が印加される。
In the configuration illustrated in FIG. 1, the
光検出装置1000の動作時、透明ゲート電極22gと不純物領域20dとにそれぞれ所定の電圧が印加されることにより、透明ゲート電極22gと不純物領域20dとの間の電位差が一定に維持される。動作時において透明ゲート電極22gと不純物領域20dとの間の電位差を一定に維持することが可能であれば、透明ゲート電極22gは、複数の検出セル10Aにわたって形成されていなくてもよい。例えば、検出セル10Aごとに分離して透明ゲート電極22gが形成されていても構わない。
During operation of the
後に詳しく説明するように、光の検出動作においては、透明ゲート電極22gと不純物領域20dとの間の電位差が一定に維持された状態で、光検出構造100Aの透明ゲート電極22g側(図1における上側)から、光が光検出装置1000に照射される。光検出装置1000に照射された光は、透明ゲート電極22gを介してゲート絶縁層23の光電変換層23pに入射する。光電変換層23pは、光が照射されることによって正および負の電荷の対(例えば電子−正孔対)を発生させる。光電変換層23p中に正および負の電荷の対が発生することにより、光電変換層23pの誘電率が変化する。光検出構造100Aを電界効果トランジスタとみなすと、光電変換層23pにおける誘電率が変化することにより、このトランジスタにおけるゲート容量が変化したときと同様の効果が生じる。すなわち、ゲート絶縁層23への光の照射により、このトランジスタにおけるしきい値電圧が変化する。この変化を利用することにより、光を検出することが可能である。
As will be described in detail later, in the light detection operation, with the potential difference between the
このような動作原理から、光検出構造100Aを容量変調トランジスタと呼んでもよい。不純物領域20sおよび20dは、それぞれ、容量変調トランジスタの例えばソース領域およびドレイン領域に相当する。以下では、不純物領域20sをソース領域(またはドレイン領域)と呼ぶことがあり、不純物領域20dをドレイン領域(またはソース領域)と呼ぶことがある。また、以下では、簡単のため、不純物領域20sおよび20dの間に流れる電流を、単にドレイン電流と呼ぶことがある。
From such an operation principle, the
上述したように、本開示の典型的な実施形態において、光電変換層23pは、吸収ピークが互いに異なる第1および第2の光電変換材料を含む。そのため、光電変換層23pにおける誘電率の変化は、ある特定の波長域の光の入射のみでなく、他の波長域の光の入射によっても生じ得る。したがって、本開示の実施形態によれば、光電変換層23pにおける誘電率の変化を利用して、単一の検出セルによって例えば2つの異なった波長域の光を検出することが可能である。特に、図1に例示するように、特定の波長域の光を選択的に透過させる光学フィルタ(カラーフィルタ、IRフィルタなど)を光電変換層23pの光入射側に配置し、光電変換層23pに入射する光の波長域を選択することにより、複数の検出セルの間で光電変換層を共通としながら、光電変換層23pにおける誘電率の変化を利用して、検出セルごとに異なった波長域の光を検出し得る。
As described above, in a typical embodiment of the present disclosure, the
図1に例示する構成において、検出セル10Aの各々は、アドレストランジスタ30を有する。アドレストランジスタ30は、半導体基板20内に形成された不純物領域20sおよび30sと、ゲート絶縁層33と、ゲート電極34とを含む。以下では、特に断りの無い限り、トランジスタとしてNチャンネルMOSFETを例示する。
In the configuration illustrated in FIG. 1, each
ゲート絶縁層33およびゲート電極34は、それぞれ、例えば、シリコンの熱酸化膜(二酸化シリコン膜)およびポリシリコン電極である。この例では、アドレストランジスタ30と光検出構造100Aとは、不純物領域20sを共有しており、不純物領域20sを共有することによってこれらが電気的に接続されている。
The
アドレストランジスタ30における不純物領域20sおよび30sは、例えば、アドレストランジスタ30のドレイン領域およびソース領域としてそれぞれ機能する。アドレストランジスタ30のゲート電極34(典型的にはポリシリコン電極)および不純物領域30sは、コンタクトプラグ52を介して、多層配線40のアドレス信号線44および垂直信号線46にそれぞれ接続されている。したがって、アドレス信号線44を介してゲート電極34の電位を制御し、アドレストランジスタ30をオン状態とすることにより、光検出構造100Aによって生成される信号を、垂直信号線46を介して選択的に読み出すことができる。
The
垂直信号線46などをその一部に含む上述の多層配線40は、例えば銅などの金属によって形成される。多層配線40中の配線層により、遮光膜を形成してもよい。層間絶縁層50内に配置された配線層を遮光膜として機能させることにより、透明ゲート電極22gを透過した光のうち、光電変換層23pに入射しなかった光を、遮光性の配線層によって遮ることが可能である。これにより、光電変換層23pに入射しなかった光が、半導体基板20に形成されたトランジスタ(容量変調トランジスタまたはアドレストランジスタ30)のチャネル領域に入射することを抑制し得る。絶縁層23xおよび/またはゲート絶縁層33が遮光性を有していてもよい。チャネル領域への迷光の入射を抑制することにより、隣接する検出セル間における混色など、ノイズの混入を抑制し得る。なお、透明ゲート電極22gを透過した光のうち、光電変換層23pに向かって進行する光のほとんどは、光電変換層23pによって吸収される。そのため、光電変換層23pに向かって進行する光は、半導体基板20に形成されたトランジスタの動作に悪影響を及ぼさない。
The above-described
図1に示すように、照射された光を集光して光電変換層23pに入射させるマイクロレンズ28を、各検出セル10Aに対応させて帯域フィルタ26上に対向して配置してもよい。帯域フィルタ26の上面および/下面上に保護層を配置してもよい。この例では、帯域フィルタ26と各検出セル10Aの透明ゲート電極22gとの間、および、マイクロレンズ28と帯域フィルタ26との間に、それぞれ、保護層25aおよび保護層25bが配置されている。
As shown in FIG. 1, a
(光検出装置の例示的な回路構成)
図2は、光検出装置1000の例示的な回路構成を示す。上述したように、光検出構造100Aは、電界効果トランジスタに似たデバイス構造を有している。そのため、ここでは、トランジスタと同様の回路記号を用いて便宜的に光検出構造100Aを表現する。
(Exemplary circuit configuration of photodetection device)
FIG. 2 shows an exemplary circuit configuration of the
図2は、検出セル10Aが2行2列のマトリクス状に配置された例を模式的に示している。本明細書では、行および列が延びる方向を、それぞれ、行方向および列方向と呼ぶことがある。言うまでもないが、光検出装置1000における検出セルの数および配置は、図2に示す例に限定されない。検出セルは、1次元に配列されていてもよい。この場合、光検出装置1000は、ラインセンサである。光検出装置1000に含まれる検出セルの数は、典型的には、2以上である。
FIG. 2 schematically shows an example in which the
既に説明したように、各検出セル10Aの光検出構造100Aにおける不純物領域20d(容量変調トランジスタのドレインといってもよい)は、電源配線42に接続されている。図2に示す例では、電源配線42が、光センサアレイの列ごとに配置されている。これらの電源配線42は、電圧供給回路12に接続されている。光検出装置1000の動作時、電圧供給回路12は、電源配線42を介して、光センサアレイを構成する検出セル10Aの各々に所定の電圧(第2のバイアス電圧)を供給する。
As already described, the
各検出セル10Aの光検出構造100Aにおける透明ゲート電極22gは、ゲート電圧制御線48に接続されている。図2に例示する構成において、ゲート電圧制御線48は、電圧供給回路12に接続されている。したがって、光検出装置1000の動作時、光センサアレイにおける各光検出構造100Aの透明ゲート電極22gには、ゲート電圧制御線48を介して、電圧供給回路12から所定のゲート電圧(第1のバイアス電圧)が印加される。電圧供給回路12は、特定の電源回路に限定されず、所定の電圧を生成する回路であってもよいし、他の電源から供給された電圧を所定の電圧に変換する回路であってもよい。後述するように、各光検出構造100Aの透明ゲート電極22gには、光検出構造100Aにおける不純物領域20dの電位を基準としたときに所定の範囲内にあるゲート電圧が印加される。
The
図2に例示する構成において、アドレストランジスタ30のゲートとの接続を有するアドレス信号線44は、垂直走査回路(「行走査回路」とも呼ばれる)14に接続されている。垂直走査回路14は、アドレス信号線44に所定の電圧を印加することにより、各行に配置された複数の検出セル10Aを行単位で選択する。これにより、アドレストランジスタ30を介して、選択された検出セル10Aの信号を読み出すことができる。
In the configuration illustrated in FIG. 2, the
図示するように、アドレストランジスタ30のソースおよびドレインの一方(典型的にはドレイン)は、光検出構造100Aにおける不純物領域20s(容量変調トランジスタのソースといってもよい)に接続されており、アドレストランジスタ30のソースおよびドレインの他方(ここではソース)は、光センサアレイの列ごとに設けられた垂直信号線46に接続されている。垂直信号線46は、光センサアレイからの画素信号を周辺回路へ伝達する主信号線である。
As shown in the figure, one of the source and drain (typically drain) of the
この例では、垂直信号線46と接地との間に定電流源49が接続されている。したがって、垂直信号線46の電圧の変化を検出することにより、光検出構造100Aに光が照射されることに起因する、光検出構造100Aにおけるしきい値電圧の変化を検出することができる。すなわち、垂直信号線46の電圧の変化に基づいて、光を検出することができる。このとき、電源配線42は、ソースフォロア電源として機能する。光検出構造100Aの不純物領域20sから出力される電流を検出することによって光を検出してもよい。ただし、電圧の変化を検出する方が、シリコンのフォトダイオードを用いた光センサと同様のプロセスおよび回路を適用でき、高いS/N比を得る観点からも有利である。
In this example, a constant
なお、光検出構造100Aにおける不純物領域20dに所定の電圧を供給する回路と、透明ゲート電極22gに所定の電圧を供給する回路とは、図2に例示するように共通であってもよいし、異なっていてもよい。光検出構造100Aにおける不純物領域20dに所定の電圧を供給する回路および透明ゲート電極22gに所定の電圧を供給する回路の少なくとも一方が、垂直走査回路14の一部であってもよい。
The circuit for supplying a predetermined voltage to the
(光電変換層)
次に、光電変換層23pの構成の典型例を詳細に説明する。
(Photoelectric conversion layer)
Next, a typical example of the configuration of the
光電変換層23pを構成する材料としては、典型的には、半導体材料が用いられる。光電変換層23pは、光の照射を受けて内部に正および負の電荷の対(典型的には電子−正孔対)を生成する。ここでは、光電変換層23pを構成する材料として有機半導体材料を用いる。この場合、光電変換層23pは、典型的には、有機p型半導体(化合物)および有機n型半導体(化合物)を含む。
As a material constituting the
有機p型半導体(化合物)は、ドナー性有機半導体(化合物)であり、主に正孔輸送性有機化合物に代表され、電子を供与しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは、有機p型半導体(化合物)は、2つの有機材料を接触させて用いたときにイオン化ポテンシャルの小さい方の有機化合物をいう。したがって、ドナー性有機化合物としては、電子供与性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、トリアリールアミン化合物、ベンジジン化合物、ピラゾリン化合物、スチリルアミン化合物、ヒドラゾン化合物、トリフェニルメタン化合物、カルバゾール化合物、ポリシラン化合物、P3HTなどのチオフェン化合物、サブフタロシアニン(SubPc)または銅フタロシアニンなどのフタロシアニン化合物、スズナフタロシアニンなどのナフタロシアニン化合物、シアニン化合物、メロシアニン化合物、オキソノール化合物、ポリアミン化合物、インドール化合物、ピロール化合物、ピラゾール化合物、ポリアリーレン化合物、縮合芳香族炭素環化合物(ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体)、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などを用いることができる。なお、ドナー性有機半導体は、これらに限らず、n型(アクセプター性)化合物として用いる有機化合物よりもイオン化ポテンシャルの小さい有機化合物であればドナー性有機半導体として用い得る。 The organic p-type semiconductor (compound) is a donor-type organic semiconductor (compound), which is mainly represented by a hole-transporting organic compound and refers to an organic compound having a property of easily donating electrons. More specifically, an organic p-type semiconductor (compound) refers to an organic compound having a smaller ionization potential when two organic materials are used in contact with each other. Therefore, any organic compound can be used as the donor organic compound as long as it is an electron-donating organic compound. For example, triarylamine compounds, benzidine compounds, pyrazoline compounds, styrylamine compounds, hydrazone compounds, triphenylmethane compounds, carbazole compounds, polysilane compounds, thiophene compounds such as P3HT, phthalocyanine compounds such as subphthalocyanine (SubPc) or copper phthalocyanine, Naphthalocyanine compounds such as tin naphthalocyanine, cyanine compounds, merocyanine compounds, oxonol compounds, polyamine compounds, indole compounds, pyrrole compounds, pyrazole compounds, polyarylene compounds, condensed aromatic carbocyclic compounds (naphthalene derivatives, anthracene derivatives, phenanthrene derivatives, tetracenes) Derivatives, pyrene derivatives, perylene derivatives, fluoranthene derivatives), nitrogen-containing heterocyclic compounds Or the like can be used a metal complex having as a child. The donor organic semiconductor is not limited to these, and any organic compound having an ionization potential smaller than that of the organic compound used as the n-type (acceptor) compound can be used as the donor organic semiconductor.
有機n型半導体(化合物)は、アクセプター性有機半導体(化合物)であり、主に電子輸送性有機化合物に代表され、電子を受容しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは、有機n型半導体(化合物)は、2つの有機化合物を接触させて用いたときに電子親和力の大きい方の有機化合物をいう。したがって、アクセプター性有機化合物としては、電子受容性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、C60などのフラーレン、フェニルC61酪酸メチルエステル(PCBM)などのフラーレン誘導体、縮合芳香族炭素環化合物(ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体)、窒素原子、酸素原子、硫黄原子を含有する5ないし7員のヘテロ環化合物(例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、インダゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、カルバゾール、プリン、トリアゾロピリダジン、トリアゾロピリミジン、テトラザインデン、オキサジアゾール、イミダゾピリジン、ピラリジン、ピロロピリジン、チアジアゾロピリジン、ジベンズアゼピン、トリベンズアゼピンなど)、ポリアリーレン化合物、フルオレン化合物、シクロペンタジエン化合物、シリル化合物、ペリレンテトラカルボキシルジイミド化合物(PTCDI)、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などを用いることができる。なお、これらに限らず、p型(ドナー性)有機化合物として用いる有機化合物よりも電子親和力の大きな有機化合物であればアクセプター性有機半導体として用い得る。 Organic n-type semiconductors (compounds) are acceptor organic semiconductors (compounds), which are mainly represented by electron-transporting organic compounds and refer to organic compounds that easily accept electrons. More specifically, an organic n-type semiconductor (compound) refers to an organic compound having a higher electron affinity when two organic compounds are used in contact with each other. Therefore, as the acceptor organic compound, any organic compound can be used as long as it is an electron-accepting organic compound. For example, fullerenes such as C 60, fullerene derivatives such as phenyl C 61 butyric acid methyl ester (PCBM), a fused aromatic carbocyclic compound (naphthalene derivatives, anthracene derivatives, phenanthrene derivatives, tetracene derivatives, pyrene derivatives, perylene derivatives, fluoranthene derivatives) A 5- to 7-membered heterocyclic compound containing a nitrogen atom, oxygen atom, sulfur atom (for example, pyridine, pyrazine, pyrimidine, pyridazine, triazine, quinoline, quinoxaline, quinazoline, phthalazine, cinnoline, isoquinoline, pteridine, acridine, phenazine, Phenanthroline, tetrazole, pyrazole, imidazole, thiazole, oxazole, indazole, benzimidazole, benzotriazole, benzoxazole, benzothiazole Carbazole, purine, triazolopyridazine, triazolopyrimidine, tetrazaindene, oxadiazole, imidazopyridine, pyralidine, pyrrolopyridine, thiadiazolopyridine, dibenzazepine, tribenzazepine, etc.), polyarylene compound, fluorene compound, cyclopentadiene A compound, a silyl compound, a perylene tetracarboxyl diimide compound (PTCDI), a metal complex having a nitrogen-containing heterocyclic compound as a ligand, or the like can be used. In addition, not only these but an organic compound with an electron affinity larger than the organic compound used as a p-type (donor property) organic compound can be used as an acceptor organic semiconductor.
本開示の実施形態においては、上述の有機p型半導体(化合物)および有機n型半導体(化合物)を、それぞれ、第1および第2の光電変換材料として用いることができる。例えば、第1光電変換材料および第2光電変換材料の組み合わせとして、スズナフタロシアニンおよびC60の組み合わせを適用することができる。 In the embodiment of the present disclosure, the above-described organic p-type semiconductor (compound) and organic n-type semiconductor (compound) can be used as the first and second photoelectric conversion materials, respectively. For example, a combination of tin naphthalocyanine and C 60 can be applied as a combination of the first photoelectric conversion material and the second photoelectric conversion material.
スズナフタロシアニンは、下記一般式(1)で表される。
一般式(1)中、R1〜R24は、独立して、水素原子または置換基を表す。置換基は、特定の置換基に限定されない。置換基は、重水素原子、ハロゲン原子、アルキル基(シクロアルキル基、ビシクロアルキル基、トリシクロアルキル基を含む)、アルケニル基(シクロアルケニル基、ビシクロアルケニル基を含む)、アルキニル基、アリール基、複素環基(ヘテロ環基といってもよい)、シアノ基、ヒドロキシ基、ニトロ基、カルボキシ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、シリルオキシ基、ヘテロ環オキシ基、アシルオキシ基、カルバモイルオキシ基、アルコキシカルボニルオキシ基、アリールオキシカルボニルオキシ基、アミノ基(アニリノ基を含む)、アンモニオ基、アシルアミノ基、アミノカルボニルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルファモイルアミノ基、アルキルスルホニルアミノ基、アリールスルホニルアミノ基、メルカプト基、アルキルチオ基、アリールチオ基、ヘテロ環チオ基、スルファモイル基、スルホ基、アルキルスルフィニル基、アリールスルフィニル基、アルキルスルホニル基、アリールスルホニル基、アシル基、アリールオキシカルボニル基、アルコキシカルボニル基、カルバモイル基、アリールアゾ基、ヘテロ環アゾ基、イミド基、ホスフィノ基、ホスフィニル基、ホスフィニルオキシ基、ホスフィニルアミノ基、ホスホノ基、シリル基、ヒドラジノ基、ウレイド基、ボロン酸基(−B(OH)2)、ホスファト基(−OPO(OH)2)、スルファト基(−OSO3H)、または、その他の公知の置換基であり得る。 In general formula (1), R < 1 > -R < 24 > represents a hydrogen atom or a substituent independently. The substituent is not limited to a specific substituent. Substituents include deuterium atoms, halogen atoms, alkyl groups (including cycloalkyl groups, bicycloalkyl groups, and tricycloalkyl groups), alkenyl groups (including cycloalkenyl groups and bicycloalkenyl groups), alkynyl groups, aryl groups, Heterocyclic group (may be referred to as heterocyclic group), cyano group, hydroxy group, nitro group, carboxy group, alkoxy group, aryloxy group, silyloxy group, heterocyclic oxy group, acyloxy group, carbamoyloxy group, alkoxycarbonyl Oxy group, aryloxycarbonyloxy group, amino group (including anilino group), ammonio group, acylamino group, aminocarbonylamino group, alkoxycarbonylamino group, aryloxycarbonylamino group, sulfamoylamino group, alkylsulfonylamino group The ant Rusulfonylamino group, mercapto group, alkylthio group, arylthio group, heterocyclic thio group, sulfamoyl group, sulfo group, alkylsulfinyl group, arylsulfinyl group, alkylsulfonyl group, arylsulfonyl group, acyl group, aryloxycarbonyl group, alkoxy Carbonyl group, carbamoyl group, arylazo group, heterocyclic azo group, imide group, phosphino group, phosphinyl group, phosphinyloxy group, phosphinylamino group, phosphono group, silyl group, hydrazino group, ureido group, boronic acid group (-B (OH) 2), phosphato group (-OPO (OH) 2), a sulfato group (-OSO 3 H), or may be other known substituents.
上述の一般式(1)で表されるスズナフタロシアニンとしては、市販されている製品を用いることができる。あるいは、上述の一般式(1)で表されるスズナフタロシアニンは、例えば特開2010−232410号公報に示されているように、下記の一般式(2)で表されるナフタレン誘導体を出発原料として合成することができる。一般式(2)中のR25〜R30は、一般式(1)におけるR1〜R24と同様の置換基であり得る。
上述の一般式(1)で表されるスズナフタロシアニンにおいて、分子の凝集状態の制御のし易さの観点から、R1〜R24のうち、8個以上が水素原子または重水素原子であると有益であり、R1〜R24のうち、16個以上が水素原子または重水素原子であるとより有益であり、全てが水素原子または重水素原子であるとさらに有益である。さらに、以下の式(3)で表されるスズナフタロシアニンは、合成の容易さの観点で有利である。
上述の一般式(1)で表されるスズナフタロシアニンは、概ね200nm以上1100nm以下の波長帯域に吸収を有する。例えば、上述の式(3)で表されるスズナフタロシアニンは、波長が概ね870nmの位置に吸収ピークを有し得る。すなわち、スズナフタロシアニンは、近赤外領域に吸収を有し、第1光電変換材料として、スズナフタロシアニンを選択することにより、近赤外線を検出可能な光検出構造100Aを実現し得る。
Tin naphthalocyanine represented by the above general formula (1) has absorption in a wavelength band of approximately 200 nm to 1100 nm. For example, tin naphthalocyanine represented by the above formula (3) may have an absorption peak at a wavelength of about 870 nm. That is, tin naphthalocyanine has absorption in the near-infrared region, and by selecting tin naphthalocyanine as the first photoelectric conversion material, the
他方、C60は、波長が概ね440nmの位置に吸収ピークを有する。すなわち、C60における吸収ピークは、青色光の波長範囲内に位置するといえる。また、C60は、波長が700nm付近においても吸収を示す。換言すれば、C60は、赤色光に対しても吸収を示す。したがって、第2光電変換材料として、C60を選択することにより、可視光(特に青色光)を検出可能な光検出構造100Aを実現し得る。図3は、透過測定により得られた、C60の吸収スペクトルを示す。測定においては、日立ハイテクノロジー社製の分光光度計U4100を用い、真空蒸着によって石英基板上にC60層が形成されたサンプル(C60層の厚さ:50nm)を用いている。C60層の形成においては、5.0×10-4Pa以下の高真空のもと、1Å/secの成膜レートでC60を堆積している(「×」は乗算を表す)。
On the other hand, C 60 has an absorption peak at a position where the wavelength is approximately 440 nm. That is, it can be said that the absorption peak at C 60 is located within the wavelength range of blue light. C 60 also exhibits absorption even when the wavelength is around 700 nm. In other words, C 60 also absorbs red light. Accordingly, the second photoelectric conversion material, by selecting the C 60, can realize detectable
図4は、光検出構造100Aのうち、ゲート絶縁層23とその周辺を取り出して模式的に示す。図4に例示するように、光電変換層23pは、主として第1光電変換材料(ここでは有機p型半導体材料)を含む第1層122pと、主として第2光電変換材料(ここでは有機n型半導体材料)を含む第2層122nとの積層構造120sを有し得る。第1層122pは、光電変換および/または正孔輸送の機能を有する。第2層122nは、光電変換および/または電子輸送の機能を有する。なお、この例では、絶縁層23xと第1層122pとの間、および、透明ゲート電極22gと第2層122nとの間に、それぞれ、電子ブロッキング層120eおよび正孔ブロッキング層120hが配置されている。このように、光電変換層23pが電子ブロッキング層120eおよび/または正孔ブロッキング層120hを含んでいてもよい。
FIG. 4 schematically shows the
第1層122pおよび第2層122nの積層構造によれば、第1層122pおよび第2層122nの間の厚さの比を比較的容易に調整し得る。これらの厚さの比の調整により、第1光電変換材料が吸収を示す波長域の光が入射したときの光電変換層23pにおける誘電率の変調の程度と、第2光電変換材料が吸収を示す波長域の光が入射したときの光電変換層23pにおける誘電率の変調の程度とを制御し得る。
According to the stacked structure of the
図5は、光電変換層23pの構成の他の例を示す。図5に例示する構成において、光電変換層23pは、電子ブロッキング層120eおよび正孔ブロッキング層120hの間に挟まれた光電変換構造120tを含んでいる。光電変換構造120tは、第1層122pと、第2層122nと、混合層122mとを有する。混合層122mは、第1層122pおよび第2層122nの間に位置している。
FIG. 5 shows another example of the configuration of the
混合層122mは、例えば、第1光電変換材料(ここではp型半導体材料)および第2光電変換材料(ここではn型半導体材料)を含むバルクヘテロ接合構造層であり得る。バルクへテロ接合構造を有する層として混合層122mを形成する場合、上述の一般式(1)で表されるスズナフタロシアニンをp型半導体材料として用い得る。n型半導体材料としては、例えば、フラーレンおよび/またはフラーレン誘導体を用いることができる。第1層122pに含まれるp型半導体材料が、混合層122mに含まれるp型半導体材料と同じであると有益である。同様に、第2層122nに含まれるn型半導体材料が、混合層122mに含まれるn型半導体材料と同じであると有益である。バルクへテロ接合構造は、特許第5553727号公報において詳細に説明されている。参考のため、特許第5553727号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。
The
図6は、スズナフタロシアニンおよびC60のバルクへテロ接合構造に関する吸収スペクトルの一例を示す。吸収スペクトルの測定においては、C60の吸収スペクトルの測定と同様に日立ハイテクノロジー社製の分光光度計U4100を用い、石英基板上にスズナフタロシアニンおよびC60を堆積したサンプルを用いている。サンプルは、5.0×10-4Pa以下の高真空のもと、1Å/secの成膜レートで共蒸着を行うことにより作製し、バルクヘテロ接合構造層におけるスズナフタロシアニンおよびC60の体積比ならびに厚さが、それぞれ、1:1および50nmとなるように調整を行っている。 Figure 6 shows an example of absorption spectra for the bulk heterojunction structure of Suzuna phthalocyanine and C 60. In the measurement of the absorption spectrum, and using a sample with a spectrophotometer U4100 manufactured by the measurement as well as by Hitachi High-Technologies Corporation absorption spectra of C 60, deposited Suzuna phthalocyanine and C 60 on a quartz substrate. The sample was prepared by performing co-evaporation under a high vacuum of 5.0 × 10 −4 Pa or less at a film formation rate of 1 kg / sec, and the volume ratio of tin naphthalocyanine and C 60 in the bulk heterojunction structure layer and Adjustments are made so that the thicknesses are 1: 1 and 50 nm, respectively.
図6からわかるように、スズナフタロシアニンおよびC60を含む層の全体としての吸収特性は、スズナフタロシアニンにおける吸収の特性と、C60における吸収の特性(図3参照)とを重ねあわせたような吸収特性となる。つまり、第1光電変換材料としてのスズナフタロシアニンと、第2光電変換材料としてのC60とを含む構造を有する層として光電変換層23pを形成すると、その光電変換層23pは、近赤外の波長範囲および青色光の波長範囲において相対的に高い吸収を示す。換言すれば、スズナフタロシアニンおよびC60を含む構造を光電変換層23pとして用いることにより、赤外線および可視光(特に青色光)に感度を有する光検出構造100Aを実現し得る。このような光電変換層23pを有する光検出構造100Aに例えば赤外透過フィルタを透過した光を入射させれば、赤外線を選択的に検出することが可能である。同様に、例えば青色のカラーフィルタを透過した光を入射させれば、青色光を選択的に検出することが可能である。
As can be seen from FIG. 6, the absorption characteristics as a whole of the layer containing tin naphthalocyanine and C 60 is an absorption obtained by superimposing the absorption characteristics of tin naphthalocyanine and the absorption characteristics of C 60 (see FIG. 3). It becomes a characteristic. That is, the Suzuna phthalocyanine as a first photoelectric conversion material, to form a
スズナフタロシアニンに代えて、例えば、サブフタロシアニンを第1光電変換材料として用いてもよい。サブフタロシアニンは、下記一般式(4)で表される。下記一般式(4)で表されるサブフタロシアニンとしては、市販されている製品を用いることができる。下記一般式(4)で表されるサブフタロシアニンとして、例えばシグマアルドリッチジャパン合同会社から提供されているホウ素サブフタロシアニンクロリドを用いることができる。この場合、下記の一般式(4)におけるXは、塩素である。
図7は、透過測定により得られた、上述の一般式(4)で表されるサブフタロシアニンの吸収スペクトルを示す。測定においては、図3および図6を参照して説明した例と同様に日立ハイテクノロジー社製の分光光度計U4100を用い、石英基板上にサブフタロシアニン層(厚さ:50nm)が形成されたサンプルを用いている。サンプルの作製における成膜の方法および条件は、石英基板にC60が堆積された上述のサンプルと同様である。図7には、図3を参照して説明した、C60に関する吸収スペクトルもあわせて破線で示されている。 FIG. 7 shows the absorption spectrum of subphthalocyanine represented by the above general formula (4), obtained by transmission measurement. In the measurement, a sample in which a subphthalocyanine layer (thickness: 50 nm) is formed on a quartz substrate using a spectrophotometer U4100 manufactured by Hitachi High-Technology, as in the example described with reference to FIGS. Is used. The film forming method and conditions in the preparation of the sample are the same as those in the above-described sample in which C60 is deposited on a quartz substrate. In FIG. 7, the absorption spectrum related to C 60 described with reference to FIG. 3 is also shown by a broken line.
図7からわかるように、サブフタロシアニン(SubPc)は、波長が概ね580nmの位置に吸収ピークを有する。すなわち、サブフタロシアニンにおける吸収ピークは、緑色光の波長範囲内に位置するといえる。サブフタロシアニンおよびC60とを含む層は、図8において模式的に示すように、これらの吸収特性を重ねあわせた吸収特性を示す。図3を参照しながら説明したように、C60は、波長440nm付近に吸収のピークを有し、かつ、700nm程度までの波長範囲において吸収を示す。したがって、例えば、第1光電変換材料としてのサブフタロシアニンと、第2光電変換材料としてのC60とを含む構造(図4または図5参照)を適用することにより、可視光の波長範囲のほぼ全体にわたって吸収を示す光電変換層23pを形成し得る。
As can be seen from FIG. 7, subphthalocyanine (SubPc) has an absorption peak at a wavelength of about 580 nm. That is, it can be said that the absorption peak in subphthalocyanine is located within the wavelength range of green light. As schematically shown in FIG. 8, the layer containing subphthalocyanine and C 60 exhibits absorption characteristics obtained by superimposing these absorption characteristics. As described with reference to FIG. 3, C 60 has an absorption peak in the vicinity of a wavelength of 440 nm and exhibits absorption in a wavelength range up to about 700 nm. Therefore, for example, by applying a structure (see FIG. 4 or 5) including subphthalocyanine as the first photoelectric conversion material and C 60 as the second photoelectric conversion material, almost the entire wavelength range of visible light is applied. A
このような光電変換層23pを有する光検出構造100Aに例えば赤色のカラーフィルタを透過した光を入射させれば、赤色光を選択的に検出することが可能である。同様に、緑色のカラーフィルタを透過した光を入射させれば、緑色光を、青色のカラーフィルタを透過した光を入射させれば、青色光をそれぞれ選択的に検出することが可能である。
For example, red light can be selectively detected by making light transmitted through, for example, a red color filter incident on the
このように、検出を行いたい波長域に応じて適切な材料を用いることにより、所望の波長域に感度を有する光センサを実現し得る。吸収ピークが互いに異なる複数の光電変換材料を含む光電変換層を用いることにより、単一の光電変換材料を用いる場合と比較して、強い吸収を示す波長範囲を拡大または増加させることが可能である。特に、ある1つの吸収ピークに対応する波長を含む第1の波長範囲の光を選択的に透過するフィルタをある検出セルに対向して配置し、他のある1つの吸収ピークに対応する波長を含む第2の波長範囲の光を選択的に透過するフィルタを他のある検出セルに対向して配置すると有益である。このような構成によれば、光電変換層を共通としながら、前者によって第1の波長範囲の光を選択的に検出し、第2の波長範囲の光を選択的に検出することが可能である。したがって、赤外線を検出する第1の検出セルと、可視光を検出する第2の検出セルとが混在する光センサアレイを有する光検出装置を比較的容易に実現し得る。このような光検出装置によれば、例えば、第1の検出セルの出力に基づいて赤外画像を取得し、第2の検出セルの出力に基づいて可視域に関するモノクロ画像を取得することが可能である。 As described above, an optical sensor having sensitivity in a desired wavelength range can be realized by using an appropriate material according to the wavelength range to be detected. By using a photoelectric conversion layer including a plurality of photoelectric conversion materials having different absorption peaks, it is possible to expand or increase the wavelength range exhibiting strong absorption compared to the case of using a single photoelectric conversion material. . In particular, a filter that selectively transmits light in a first wavelength range including a wavelength corresponding to one absorption peak is arranged opposite to a certain detection cell, and a wavelength corresponding to one other absorption peak is set. It may be beneficial to place a filter that selectively transmits light in the second wavelength range, including, opposite to some other detection cell. According to such a configuration, it is possible to selectively detect light in the first wavelength range and selectively detect light in the second wavelength range by the former while using a common photoelectric conversion layer. . Therefore, it is possible to relatively easily realize a photodetecting device having a photosensor array in which a first detection cell that detects infrared rays and a second detection cell that detects visible light are mixed. According to such a light detection device, for example, an infrared image can be acquired based on the output of the first detection cell, and a monochrome image related to the visible range can be acquired based on the output of the second detection cell. It is.
上述の第1層122pおよび第2層122nの形成方法は、特定の形成方法に限定されず、例えば、蒸着などの乾式または塗布などの湿式の、公知の成膜方法を適用し得る。同様に、上述の混合層122mの形成方法も、特定の形成方法に限定されない。スズナフタロシアニンおよびC60のバルクヘテロ接合構造は、例えば、スズナフタロシアニンとC60とを共蒸着することによって得ることができる。光電変換層23pの具体的な構造は、図4および図5を参照して説明した構造に限定されない。光電変換層23pは、2種以上の光電変換材料が混合された構成を有していてもよいし、互いに異なる光電変換材料から形成された2種以上の光電変換層の積層構造を有していてもよい。光電変換層23pは、アモルファスシリコンなどの無機半導体材料を含んでいてもよい。光電変換層23pは、有機材料から構成される層と無機材料から構成される層とを含んでいてもよい。
The formation method of the
(光電変換層における光電流特性の典型例)
図9は、光電変換層23pにおける光電流特性の典型例を示す。図9中、太い実線のグラフは、光が照射された状態における、光電変換層の例示的なI−V特性を示している。なお、図9には、光が照射されていない状態におけるI−V特性の一例も、太い破線によってあわせて示されている。
(Typical example of photocurrent characteristics in photoelectric conversion layer)
FIG. 9 shows a typical example of the photocurrent characteristic in the
図9は、一定の照度のもとで、光電変換層の2つの主面の間に印加するバイアス電圧を変化させたときの主面間の電流密度の変化を示している。本明細書において、光電変換層の2つの主面の間にバイアスを印加する場合、バイアス電圧における順方向および逆方向は、以下のように定義される。光電変換層が、層状のp型半導体および層状のn型半導体の接合構造を有する場合には、n型半導体の層よりもp型半導体の層の電位が高くなるようなバイアス電圧を順方向のバイアス電圧と定義する。他方、n型半導体の層よりもp型半導体の層の電位が低くなるようなバイアス電圧を逆方向のバイアス電圧と定義する。有機半導体材料を用いた場合も、無機半導体材料を用いた場合と同様に、順方向および逆方向を定義することができる。光電変換層がバルクヘテロ接合構造を有する場合、上述の特許第5553727号公報の図1に模式的に示されるように、光電変換層の2つの主面のうちの一方の表面には、n型半導体よりもp型半導体が多く現れ、他方の表面には、p型半導体よりもn型半導体が多く現れる。したがって、n型半導体よりもp型半導体が多く現れた主面側の電位が、p型半導体よりもn型半導体が多く現れた主面側の電位よりも高くなるようなバイアス電圧を順方向のバイアス電圧と定義する。 FIG. 9 shows a change in current density between the main surfaces when the bias voltage applied between the two main surfaces of the photoelectric conversion layer is changed under a constant illuminance. In this specification, when a bias is applied between two main surfaces of the photoelectric conversion layer, the forward direction and the reverse direction in the bias voltage are defined as follows. When the photoelectric conversion layer has a layered p-type semiconductor and a layered n-type semiconductor junction structure, a bias voltage is set so that the potential of the p-type semiconductor layer is higher than that of the n-type semiconductor layer. Defined as bias voltage. On the other hand, a bias voltage in which the potential of the p-type semiconductor layer is lower than that of the n-type semiconductor layer is defined as a reverse bias voltage. When the organic semiconductor material is used, the forward direction and the reverse direction can be defined as in the case where the inorganic semiconductor material is used. When the photoelectric conversion layer has a bulk heterojunction structure, as schematically shown in FIG. 1 of the above-mentioned Japanese Patent No. 5553727, one of the two main surfaces of the photoelectric conversion layer has an n-type semiconductor. More p-type semiconductors appear, and more n-type semiconductors appear on the other surface than p-type semiconductors. Therefore, a bias voltage is applied in the forward direction such that the potential on the main surface side where more p-type semiconductors appear than the n-type semiconductor is higher than the potential on the main surface side where more n-type semiconductors appear than the p-type semiconductor. Defined as bias voltage.
図9に示すように、本開示の実施形態による光電変換層の光電流特性は、概略的には、第1〜第3の3つの電圧範囲によって特徴づけられる。第1電圧範囲は、逆バイアスの電圧範囲であって、逆方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する電圧範囲である。第1電圧範囲は、光電変換層の主面間に印加されるバイアス電圧の増大に従って光電流が増大する電圧範囲といってもよい。第2電圧範囲は、順バイアスの電圧範囲であって、順方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する電圧範囲である。つまり、第2電圧範囲は、光電変換層の主面間に印加されるバイアス電圧の増大に従って順方向電流が増大する電圧範囲である。第3電圧範囲は、第1電圧範囲と第2電圧範囲の間の電圧範囲である。 As shown in FIG. 9, the photocurrent characteristic of the photoelectric conversion layer according to the embodiment of the present disclosure is generally characterized by the first to third voltage ranges. The first voltage range is a reverse bias voltage range in which the absolute value of the output current density increases as the reverse bias voltage increases. The first voltage range may be a voltage range in which the photocurrent increases as the bias voltage applied between the main surfaces of the photoelectric conversion layer increases. The second voltage range is a forward bias voltage range in which the output current density increases as the forward bias voltage increases. That is, the second voltage range is a voltage range in which the forward current increases as the bias voltage applied between the main surfaces of the photoelectric conversion layer increases. The third voltage range is a voltage range between the first voltage range and the second voltage range.
第1〜第3の電圧範囲は、リニアな縦軸および横軸を用いたときにおける光電流特性のグラフの傾きによって区別され得る。参考のため、図9では、第1電圧範囲および第2電圧範囲のそれぞれにおけるグラフの平均的な傾きを、それぞれ、破線L1および破線L2によって示している。図9に例示されるように、第1電圧範囲、第2電圧範囲および第3電圧範囲における、バイアス電圧の増加に対する出力電流密度の変化率は、互いに異なっている。第3電圧範囲は、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率が、第1電圧範囲における変化率および第2電圧範囲における変化率よりも小さい電圧範囲として定義される。あるいは、I−V特性を示すグラフにおける立ち上がり(立ち下り)の位置に基づいて、第3電圧範囲が決定されてもよい。第3電圧範囲では、バイアス電圧を変化させても、光電変換層の主面間の電流密度は、ほとんど変化しない。後に詳しく述べるように、この第3電圧範囲では、光の照射によって生じた正および負の電荷の対(典型的には正孔−電子対)は、光の照射をやめれば速やかに再結合して消滅する。そのため、光検出装置の動作時に光電変換層の2つの主面の間に印加するバイアス電圧を第3電圧範囲の電圧に調整することによって、高速な応答を実現することが可能となる。 The first to third voltage ranges can be distinguished by the slope of the graph of the photocurrent characteristic when the linear vertical axis and horizontal axis are used. For reference, in FIG. 9, the average slope of the graph in each of the first voltage range and the second voltage range is indicated by a broken line L1 and a broken line L2, respectively. As illustrated in FIG. 9, the change rate of the output current density with respect to the increase of the bias voltage in the first voltage range, the second voltage range, and the third voltage range is different from each other. The third voltage range is defined as a voltage range in which the change rate of the output current density with respect to the bias voltage is smaller than the change rate in the first voltage range and the change rate in the second voltage range. Alternatively, the third voltage range may be determined based on the rising (falling) position in the graph indicating the IV characteristics. In the third voltage range, even if the bias voltage is changed, the current density between the main surfaces of the photoelectric conversion layer hardly changes. As will be described in detail later, in this third voltage range, positive and negative charge pairs (typically hole-electron pairs) generated by light irradiation rapidly recombine when light irradiation is stopped. Disappear. Therefore, a high-speed response can be realized by adjusting the bias voltage applied between the two main surfaces of the photoelectric conversion layer to the voltage in the third voltage range during the operation of the photodetector.
再び図1および図2を参照する。本開示の典型的な実施形態では、光検出装置の動作時、半導体基板20に形成された2つの不純物領域のうち電源配線42に接続された側と、透明ゲート電極22gとの間の電位差が、上述の第3電圧範囲に維持された状態で、光の検出が実行される。例えば、図2を参照して説明した構成では、不純物領域20dを基準としたときに第3電圧範囲内にあるゲート電圧が、電圧供給回路12から透明ゲート電極22gに供給される。
Please refer to FIG. 1 and FIG. 2 again. In a typical embodiment of the present disclosure, during operation of the photodetection device, a potential difference between the side connected to the
光電変換層23pに光が入射すると、光電変換層23pの内部に例えば正孔−電子対が発生する。このとき、光電変換層23pに所定のバイアス電圧が印加されているので、複数の正孔−電子対の各々における双極子モーメントは、ほぼ同じ方向に揃う。そのため、正孔−電子対の発生に伴って光電変換層23pの誘電率が増大する。所定のバイアス電圧が印加され、光が照射された状態にある光電変換層23p内の電場の大きさをEとすれば、ガウスの法則により、E=((σf−σp)/ε0)およびE=(σf/ε)が成り立つ。ここで、σfは、電極(例えば透明ゲート電極22g)における電荷密度であり、σpは、分極により、光電変換層23pにおいて電極に対向する表面に生じた電荷の密度である。ε0およびεは、それぞれ、真空の誘電率および光電変換層23pの誘電率である。E=((σf−σp)/ε0)およびE=(σf/ε)から、ε=ε0(σf/(σf−σp))が得られ、分極に寄与する電荷(正孔−電子対)の増加により光電変換層23pの誘電率が増大することがわかる。つまり、光電変換層23pへの光の照射により、ゲート絶縁層23全体の誘電率が増大する。
When light enters the
光検出構造100Aをトランジスタとみなせば、ゲート絶縁層23の誘電率の増大に伴い、しきい値電圧が低下する(実効的なゲート電圧が増大するといってもよい)。これにより、不純物領域20sの電圧が、ソースフォロワによって、ゲート絶縁層23の誘電率の変化に伴って変化する。すなわち、光検出構造100Aをトランジスタとみなしたときのソース電圧は、光検出構造100Aへの照度の変化に応じた変化を示す。したがって、ソース電圧の変化を適当な検出回路によって検出することにより、光を検出することが可能である。光検出構造100Aからの出力信号は、電圧の変化の形であってもよいし、電流の変化の形であってもよい。
If the
ここで注目すべき点は、光の検出時に、光電変換層23pに第3電圧範囲のバイアス電圧を印加している点である。フォトダイオード(または光電変換膜)を利用した従来の光センサでは、一般に、図9に示す第1電圧範囲に対応する、逆バイアスのもとで光検出の動作が実行される。そのため、光電変換によって生じた正孔および電子は、それぞれ、フォトダイオードのカソードおよびアノードに向かって移動する。フォトダイオード(または光電変換膜)を利用した、従来の光センサの光検出においては、光電変換によって生じた電荷が、信号として外部回路に取り出される。
What should be noted here is that a bias voltage in the third voltage range is applied to the
これに対し、本開示の光検出装置の典型例では、光の検出時、光電変換層23pには、第3電圧範囲のバイアス電圧が印加される。ゲート電圧制御線48を介して透明ゲート電極22gに印加される第1のバイアス電圧は、例えば2.5Vであり、電源配線42を介して不純物領域20dに印加される第2のバイアス電圧は、例えば2.4Vである。第3電圧範囲のバイアス電圧が印加された状態で光電変換層23pに光が照射されると、光電変換層23pに例えば正孔−電子対が生成される。ただし、第3電圧範囲のバイアス電圧が印加された状態においては、生成された正孔および電子は、分離して電極に移動することなく、双極子を形成する。すなわち、生成された正孔および電子自体が光電変換層23pの外部に取り出されることはない。
On the other hand, in the typical example of the light detection device of the present disclosure, a bias voltage in the third voltage range is applied to the
光電変換層からの電荷の排出および光電変換層への電荷の流入は、その速度が遅い(数十m秒程度)。そのため、イメージセンサへの適用において、光電変換層からの電荷の排出または光電変換層への電荷の流入を伴う構成では、撮像開始時の光電変換層への電圧の印加、光照射などに伴ってノイズ、残像などが発生するおそれがある。光の検出時に光電変換層23pに印加するバイアス電圧を第3電圧範囲の電圧とする構成では、このような光電変換層からの電荷の排出または光電変換層への電荷の流入を伴わないので、ノイズ、残像などの発生を抑制し得る。
The discharge of charge from the photoelectric conversion layer and the flow of charge into the photoelectric conversion layer are slow (about several tens of milliseconds). Therefore, in application to an image sensor, in a configuration that involves discharge of charge from the photoelectric conversion layer or inflow of charge to the photoelectric conversion layer, voltage application to the photoelectric conversion layer at the start of imaging, light irradiation, etc. Noise and afterimages may occur. In the configuration in which the bias voltage applied to the
また、第3電圧範囲のバイアス電圧が印加された状態においては、光電変換層23pに光が入射しなくなると、正孔−電子対は、速やか(数十μ秒以下)に再結合して消滅する。したがって、本開示の実施形態によれば、高速な応答を実現することが可能である。高速な応答を実現し得るので、本開示の実施形態による光検出装置は、飛行時間法(Time-of-flight method)を利用した距離計測、超高速撮影などへの適用に有利である。
In addition, in a state where a bias voltage in the third voltage range is applied, when light is no longer incident on the
このように、本開示の実施形態によれば、照度の変化に対する応答が高速な光検出装置を実現し得る。光電変換層23pを形成するための光電変換材料として、吸収ピークが互いに異なる2種以上の光電変換材料を用いることにより、例えば2以上の波長域において感度を有し、照度の変化に対して高速な応答を示す検出セルを実現し得る。第1および第2の光電変換材料は、上述した材料に限定されない。光の入射によって誘電率の変化を示し得る材料であれば、第1および第2の光電変換材料として利用し得る。
As described above, according to the embodiment of the present disclosure, it is possible to realize a photodetection device that responds quickly to changes in illuminance. By using two or more types of photoelectric conversion materials having different absorption peaks as the photoelectric conversion material for forming the
光検出装置1000は、一般的な半導体製造プロセスを用いて製造することができる。特に、半導体基板20としてシリコン基板を用いる場合には、種々のシリコン半導体プロセスを利用することによって光検出装置1000を製造することができる。光検出構造100Aは、電界効果トランジスタに似たデバイス構造を有するので、他のトランジスタと光検出構造100Aとを同一の半導体基板に形成することも比較的容易である。
The
(光検出装置の第2の実施形態)
図10は、本開示の第2の実施形態に係る光検出装置の断面を模式的に示す。第2の実施形態において、光検出装置1000は、各々が光検出構造100Bを有する複数の検出セル10Bを含む。図10では、光センサアレイの行方向に沿って配置された3つの検出セル10Ba〜10Bcの断面が示されている。
(Second Embodiment of Photodetector)
FIG. 10 schematically illustrates a cross-section of a light detection device according to the second embodiment of the present disclosure. In the second embodiment, the
図10に例示する構成において、光検出構造100Bは、容量変調トランジスタ60と、光電変換部27Bとを有する。容量変調トランジスタ60は、半導体基板20に形成された電界効果トランジスタである。容量変調トランジスタ60は、不純物領域20dおよび20sと、半導体基板上の絶縁層23xと、絶縁層23x上のゲート電極24とを有する。不純物領域20dは、容量変調トランジスタ60のドレイン領域(またはソース領域)として機能し、不純物領域20sは、容量変調トランジスタ60のソース領域(またはドレイン領域)として機能する。第1の実施形態と同様に、不純物領域20dは、電源配線42との接続を有することにより、光検出装置1000の動作時に所定の電圧(第2のバイアス電圧)を印加可能に構成されている。絶縁層23xは、容量変調トランジスタ60のゲート絶縁層として機能する。絶縁層23xは、例えばシリコン熱酸化膜である。
In the configuration illustrated in FIG. 10, the
光電変換部27Bは、画素電極21と、画素電極21に対向する透明電極22と、これらの間に挟まれた光電変換層23pとを含む。画素電極21は、隣接する検出セル10Bとの間で空間的に分離して配置されることにより、他の検出セル10Bにおける画素電極21と電気的に分離されている。画素電極21は、典型的には、金属電極または金属窒化物電極である。画素電極21を形成するための材料の例は、Al、Cu、Ti、TiN、Ta、TaN、Mo、RuおよびPtである。画素電極21は、不純物がドープされることにより導電性が付与されたポリシリコンなどから形成されてもよい。ここでは、画素電極21としてTiN電極を用いる。画素電極21を遮光性の電極として形成することにより、容量変調トランジスタ60のチャネル領域および/またはアドレストランジスタ30のチャネル領域への迷光の入射を抑制することが可能である。
The
光電変換層23pは、この例では、他の検出セル10Bにわたって形成されている。換言すれば、図10に例示する構成において、検出セル10Ba、10Bbおよび10Bcのそれぞれにおける光電変換層23pは、連続する単一の層の一部である。複数の検出セル10Bの光電変換層23pを連続する単一の層の形で形成することにより、検出セル10Bごとに光電変換層23pを分離して形成する場合と比較して、製造工程を簡略化し得る。光電変換層23pの厚さは、例えば200nm程度であり得る。
In this example, the
この例では、透明電極22も、第1の実施形態における透明ゲート電極22gと同様に、TCOを用いて他の検出セル10Bにわたって形成されている。透明電極22は、ゲート電圧制御線48(図10において不図示、図2参照)との接続を有し、光検出装置1000の動作時に所定の電圧(第1のバイアス電圧)を印加可能に構成されている。すなわち、上述の電圧供給回路12(図2参照)は、容量変調トランジスタ60のドレイン領域およびソース領域の一方として機能する不純物領域20dの電位を基準として所定の範囲内(例えば上述の第3電圧範囲)にある電圧を透明電極22に印加することができる。ここでは、透明電極22が複数の検出セル10Bにわたって形成されているので、ゲート電圧制御線48を介して、共通の第1のバイアス電圧を複数の検出セル10Aに一括して印加することが可能である。また、複数の検出セル10Bの透明電極22を連続する単一の電極の形で形成することにより、製造工程の複雑化を回避し得る。
In this example, the
図示する例では、透明電極22および光電変換層23pが層間絶縁層50上に配置されており、多層配線40の一部およびコンタクトプラグ52を含む接続部54により、光電変換部の画素電極21と、容量変調トランジスタ60のゲート電極24とが互いに接続されている。第2の実施形態による光検出構造100Bは、概略的には、第1の実施形態による光検出構造100A(図1参照)における光電変換層23pと絶縁層23xとの間に電極(ここでは接続部54およびゲート電極24)を介在させた構造を有するということができる。なお、容量変調トランジスタ60が、絶縁層23xを誘電体層として有するキャパシタと、光電変換層23pを誘電体層として有するキャパシタとの直列接続を含むゲートを含んでいるとみなすこともできる。この場合、ゲート電極24を間に有する、絶縁層23xおよび光電変換層23pの積層構造が、容量変調トランジスタ60におけるゲート容量(ゲート絶縁層といってもよい)を構成し、透明電極22が、容量変調トランジスタ60におけるゲート電極を構成するといえる。
In the illustrated example, the
第2の実施形態における光の検出の原理は、第1の実施形態とほぼ同様である。すなわち、透明電極22および不純物領域20dにそれぞれ第1および第2のバイアス電圧が印加されることにより、光電変換層23pの主面間に所定のバイアス(典型的には、第3電圧範囲の電圧)が与えられる。透明電極22および不純物領域20dの間の電位差が一定に維持された状態で、透明電極22を介して光電変換層23pに光が入射される。
The principle of light detection in the second embodiment is almost the same as in the first embodiment. That is, by applying the first and second bias voltages to the
光電変換層23pに光が入射すると、光電変換層23p内に例えば正孔−電子対が生成され、画素電極21および透明電極22の間の誘電率が変化する。画素電極21および透明電極22の間の誘電率の変化に伴い、容量変調トランジスタ60の実効的なゲート電圧が変化し、容量変調トランジスタ60におけるしきい値電圧が変化する。しきい値の変化により、不純物領域20sからの電圧または電流が変化する。したがって、照度の変化を、例えば垂直信号線46における電圧の変化の形で検出することが可能である。
When light enters the
既に説明したように、光電変換層23pは、吸収ピークが互いに異なる第1および第2の光電変換材料を含む。したがって、上述の誘電率の変化は、単一の光電変換材料を用いた場合と比較してより広い波長範囲において生じる。本開示の第2の実施形態によれば、画素電極21と透明電極22との間の誘電率の変化を利用して、第1の実施形態と同様に、例えば2つの異なった波長域の光を検出することが可能である。
As already described, the
図10に示す例では、さらに、透明電極22とマイクロレンズ28との間に帯域フィルタ26が配置されている。帯域フィルタ26が有する第1フィルタ26a、第2フィルタ26bおよび第3フィルタ26cは、それぞれ、検出セル10Baの透明電極22、検出セル10Bbの透明電極22および検出セル10Bcの透明電極22に対向する。第1フィルタ26a、第2フィルタ26bおよび第3フィルタ26cにおける透過特性を互いに異ならせることにより、検出セル10Ba〜10Bcにそれぞれ第1、第2および第3の波長範囲の光を選択的に入射させることができる。
In the example shown in FIG. 10, a
上述したように、第1フィルタ26a、第2フィルタ26bおよび第3フィルタ26cは、例えば、赤(R)、緑(G)および青(B)の波長範囲の光をそれぞれ選択的に透過させるカラーフィルタであり得る。この場合、検出セル10Ba、10Bbおよび10Bcによって赤色光、緑色光および青色光をそれぞれ検出し得る。あるいは、第1フィルタ26a、第2フィルタ26bおよび第3フィルタ26cの少なくとも1つを、例えば780nm以上の波長の光を透過するIRフィルタとしてもよい。例えば、第1フィルタ26aにIRフィルタを用いれば、検出セル10Baによって赤外線を検出し得る。
As described above, the
第1、第2および第3の波長範囲のうちの少なくとも1つは、第1光電変換材料におけるピーク波長または第2光電変換材料におけるピーク波長を含む波長範囲であり得る。例えば、第1光電変換材料および第2光電変換材料として、それぞれ、サブフタロシアニンおよびC60を用い、第2フィルタ26bおよび第3フィルタ26cとして、それぞれ、緑色光を選択的に透過させるGフィルタおよび青色光を選択的に透過させるBフィルタを用いてもよい。あるいは、第1光電変換材料および第2光電変換材料として、それぞれ、スズナフタロシアニンおよびC60を用い、第2フィルタ26bおよび第3フィルタ26cとして、それぞれ、IRフィルタおよびBフィルタを用いてもよい。
At least one of the first, second and third wavelength ranges may be a wavelength range including a peak wavelength in the first photoelectric conversion material or a peak wavelength in the second photoelectric conversion material. For example, as the first photoelectric conversion material and the second photoelectric conversion material, subphthalocyanine and C 60 are used, respectively, and as the
第2の実施形態によれば、光電変換層23pが層間絶縁層50上に配置されるので、層間絶縁層50内に光電変換層23pを埋め込んだ構造(図1参照)と比較して、多層配線40における各種の配線のレイアウトの自由度が向上する。図10に例示する構成では、検出セル10Bを半導体基板20の法線方向から見たときにおける、画素電極21および透明電極22が重なる領域の、検出セル10Bに対する割合が、検出セル10Bにおける開口率に相当する。そのため、層間絶縁層50内に光電変換層23pを埋め込んだ構造(図1参照)と比較して、より大きな開口率を得やすい。
According to the second embodiment, since the
また、光電変換層23pが層間絶縁層50上に配置する方が、層間絶縁層50内に光電変換層23pを埋め込むよりも製造プロセス上の難易度が低く、製造の面では有利である。例えば、容量変調トランジスタ60のゲート電極24と、アドレストランジスタ30のゲート電極34とをともにポリシリコン電極とすれば、容量変調トランジスタ60のゲートの形成と同時にアドレストランジスタ30のゲートを形成し得る。
In addition, it is less difficult to manufacture the
例えば、容量変調トランジスタ60のゲート電極24と、アドレストランジスタ30のゲート電極34とを、互いに異なる材料を用いて形成するには、これらを順次に形成する必要がある。リソグラフィー技術を適用して、ゲート電極24およびゲート電極34を形成したり、不純物を注入したりする場合、ゲート電極24およびゲート電極34の間におけるアラインメントのずれを回避することは一般に困難である。したがって、容量変調トランジスタ60のゲート電極24と、アドレストランジスタ30のゲート電極34とを、互いに異なる材料を用いて形成しようとすると、アラインメントにおけるマージンを確保する必要がある。換言すれば、光検出装置における検出セルの微細化に不利である。
For example, in order to form the
図10に例示するように、容量変調トランジスタ60におけるゲート電極24と、アドレストランジスタ30におけるゲート電極34とを同層(共通のレベル)とすることにより、共通のマスクおよび共通の材料を用いて、アラインメントのずれを考慮することなく、これらを所望の位置および形状に一括して配置し得る。同様に、容量変調トランジスタ60のゲートにおける絶縁層23xと、アドレストランジスタ30におけるゲート絶縁層33とを同層とすることにより、共通のマスクおよび共通の材料を用いて、アラインメントのずれを考慮することなく、これらを所望の位置および形状に一括して配置し得る。したがって、より微細な画素を形成し得る。容量変調トランジスタ60のゲートの構造と、アドレストランジスタ30のゲートの構造とを共通化することにより、製造コストのさらなる削減が可能である。
As illustrated in FIG. 10, by making the
なお、上述の第1の実施形態では、光検出構造100Aは、容量変調トランジスタ60におけるゲート電極24に相当する電極を有していない(図1参照)。しかしながら、共通のマスクおよび共通の材料を用いて、光検出構造100Aにおける絶縁層23xとアドレストランジスタ30におけるゲート絶縁層33とを形成することが可能である。これにより、絶縁層23xの形成後における、ゲート絶縁層33の形成のためのアライメント、あるいは、ゲート絶縁層33の形成後における、絶縁層23xの形成のためのアライメントを不要とできる。したがって、絶縁層23xとゲート絶縁層33とを同層として、絶縁層23xとゲート絶縁層33との間の位置ずれをなくし得る。
In the first embodiment described above, the
なお、図10に例示するデバイス構造は、一見すると、半導体基板上に光電変換層が配置された、積層型のイメージセンサのデバイス構造に似ている。しかしながら、積層型のイメージセンサでは、画素電極と、画素電極に対向する透明電極との間に比較的高いバイアス電圧が印加されることにより、光の照射によって光電変換層内に生成された正孔および電子の一方が、信号電荷として画素電極に収集される。収集された信号電荷は、単位画素セル内のフローティングディフュージョンに一時的に蓄積され、蓄積された電荷量に応じた信号電圧が所定のタイミングで読み出される。 Note that the device structure illustrated in FIG. 10 is similar to the device structure of a stacked image sensor in which a photoelectric conversion layer is disposed on a semiconductor substrate. However, in the stacked image sensor, holes generated in the photoelectric conversion layer by light irradiation are applied by applying a relatively high bias voltage between the pixel electrode and the transparent electrode facing the pixel electrode. One of the electrons and electrons is collected as a signal charge on the pixel electrode. The collected signal charge is temporarily accumulated in the floating diffusion in the unit pixel cell, and a signal voltage corresponding to the accumulated charge amount is read at a predetermined timing.
これに対し、本開示の光検出構造では、典型的には、光電変換層23pで生成された正および負の電荷(例えば正孔および電子)を電極に向けて移動させずに、光電変換層23pの(図10の例においては画素電極21と透明電極22との間の)誘電率の変化に応じた電気信号を読み出す。積層型のイメージセンサでは、信号電荷として正孔および電子の一方しか利用できないことに対して、本開示の光検出構造では、正および負の電荷(例えば正孔および電子)をペアの形でしきい値の変化に利用している。そのため、より高い感度を実現し得る。また、光電変換層23pの上面と下面の間に与えられる電位差を上述の第3電圧範囲の電位差とすると、光の照射をやめれば、生成された正および負の電荷(例えば正孔および電子)のペアは、速やかに再結合する。すなわち、積層型のイメージセンサとは異なり、画素電極の電位のリセット動作が不要である。なお、本開示の光検出構造は、光電変換層23pで生成された正孔または電子をフローティングディフュージョンに信号電荷として蓄積する動作を行わない。そのため、積層型のイメージセンサとは異なり、半導体基板20は、信号電荷を蓄積するための電荷蓄積領域を有しない。
On the other hand, in the light detection structure of the present disclosure, typically, the positive and negative charges (for example, holes and electrons) generated in the
上述したように、光電変換層23pの上面と下面の間に与えられる電位差を上述の第3電圧範囲の電位差とした場合、光の照射をやめると、生成された正および負の電荷のペアが速やかに再結合し得る。これは、光検出構造の出力が、光照射時の照度の変化に応じた変動を示し、積算光量には依存しないことを意味する。そのため、光電変換層23pの上面と下面の間に与えられる電位差を上述の第3電圧範囲の電位差とした場合には、基本的には、露光のタイミングおよび信号の読み出しのタイミングは、一致させられる。
As described above, when the potential difference applied between the upper surface and the lower surface of the
なお、検出セル内に、一方の電極が半導体基板20の不純物領域20sまたは30s(例えば図10参照)に電気的に接続されたキャパシタを設けてもよい。このようなキャパシタを検出セル内に配置することにより、光検出構造に対する露光とは異なるタイミングで出力信号を読み出すことが可能になる。
A capacitor in which one electrode is electrically connected to the
図11は、光検出装置1000の変形例を示す。図11に例示する構成において、光検出装置1000は、各々が光検出構造100Cを有する複数の検出セル10C(ここでは検出セル10Ca、10Cbおよび10Cc)を含む。図11に示す光検出構造100Cの光電変換部27Cと、図10を参照して説明した光検出構造100Bの光電変換部27Bとの間の相違点は、光電変換部27Cが、光電変換層23pと電極(画素電極21および/または透明電極22)との間に配置された絶縁層を含む点である。
FIG. 11 shows a modification of the
図11に例示する構成では、画素電極21と光電変換層23pとの間、および、光電変換層23pと透明電極22との間に、それぞれ、絶縁層29aおよび29bが配置されている。絶縁層29aおよび29bを構成する材料としては、例えば、光電変換層23pを構成する材料よりもリーク電流の小さい材料を選択することができる。例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化物の膜、酸化アルミニウムの膜などを用い得る。
In the configuration illustrated in FIG. 11, insulating
画素電極21と光電変換層23pとの間、および、光電変換層23pと透明電極22との間の少なくとも一方への絶縁層の配置は、近赤外領域に吸収を有する光電変換材料を光電変換層23pに用いた場合に特に有効である。近赤外領域に吸収を有する光電変換材料は、バンドギャップが狭く、0.1Vのバイアス電圧のもとでの有機光電変換層単体におけるリーク電流の大きさは、1×10-8A/cm2程度であり得る。第1光電変換材料または第2光電変換材料として狭バンドギャップ材料を用い、かつ、光電変換層23pの主面間に大きなバイアスを印加すると、光電変換層23pからの、または、光電変換層23pへのリーク電流が生じ、十分なS/N比を確保できない可能性がある。光電変換層23pの少なくとも一方の主面側に絶縁層を配置することにより、このようなリーク電流を低減して、必要なS/N比を確保し得る。なお、図1に示す光検出構造100Aでは、光電変換層23pと半導体基板20との間に配置された絶縁層23xが、このようなリーク電流の低減に貢献する。
The arrangement of the insulating layer between the
図11に例示する構成では、画素電極21と光電変換層23pとの間、および、光電変換層23pと透明電極22との間に、それぞれ、絶縁層29aおよび29bが配置されているので、より大きなバイアス電圧を容量変調トランジスタ60のドレイン領域(またはソース領域)と透明電極22との間に印加することが可能である。例えば、電圧供給回路12により、容量変調トランジスタ60のドレイン領域(またはソース領域)と透明電極22との間に第1電圧範囲の電位差を与えてもよい。換言すれば、光の検出時、光電変換層23pの主面間に、第3電圧範囲の電位差に代えて、第1電圧範囲の電位差を与えてもよい。例えば、第1のバイアス電圧として3.7Vの電圧を、第2のバイアス電圧として1.2Vの電圧を、それぞれ、不純物領域20dおよび透明電極22に印加してもよい。
In the configuration illustrated in FIG. 11, the insulating
光電変換層23pに第1電圧範囲(図9参照)のバイアス電圧が印加された状態で光が光電変換層23pに照射されると、光電変換によって生成された正および負の電荷(例えば正孔および電子)の一方は、透明電極22に向かって移動し、他方は、画素電極21に向かって移動する。このように、光電変換層23pに第1電圧範囲のバイアス電圧を印加する場合には、光電変換によって生じた正の電荷および負の電荷が分離され得るので、光の照射をやめてから正および負の電荷のペアが再結合するまでの時間は、光電変換層23pに第3電圧範囲のバイアス電圧を印加する場合と比較して長い。したがって、露光のタイミングと信号の読み出しのタイミングとを必ずしも一致させる必要はない。露光のタイミングと信号の読み出しのタイミングとを異ならせることが比較的容易であるので、ある側面では、光電変換層23pへの第1電圧範囲のバイアス電圧の印加は、イメージセンサへの適用に有利である。
When light is irradiated onto the
光電変換層23pに第1電圧範囲のバイアス電圧が印加された状態では、光電変換層23pと画素電極21との間の絶縁層29aは、光電変換によって生成された正および負の電荷(例えば正孔および電子)の一方を蓄積するキャパシタとして機能し得る。このキャパシタへの電荷の蓄積に伴い、接続部54において静電誘導が起こり、容量変調トランジスタ60における実効的なゲート電圧が変化する。出力信号の読み出しが終了した後は、例えば、第1のバイアス電圧とは逆極性の電圧が透明電極22に印加されることにより、キャパシタとしての絶縁層29aに蓄積された電荷をリセットするためのリセット動作が実行される。もちろん、上述の第3電圧範囲のバイアス電圧が光電変換層23pに印加された状態で、光の検出動作が行われてもよい。この場合は、リセット動作は不要である。
In a state where a bias voltage in the first voltage range is applied to the
このように、光電変換層23pと画素電極21との間、および、光電変換層23pと透明電極22との間に絶縁層を配置してもよい。光電変換層23pと画素電極21との間、および、光電変換層23pと透明電極22との間に絶縁層を配置することにより、不純物領域20dおよび透明電極22の間の電位差を大きくした場合であっても、光電変換によって生じた電荷の、光電変換層23pの外部への移動を抑制し得る。したがって、残像の発生を抑制し得る。なお、光電変換層23pの外部への電荷の移動を抑制する観点からは、光電変換層23pと画素電極21との間、および、光電変換層23pと透明電極22との間の少なくとも一方に絶縁層が配置されればよい。
Thus, an insulating layer may be disposed between the
上述の各実施形態では、容量変調トランジスタ60およびアドレストランジスタ30の各々がNチャンネルMOSである例を説明した。しかしながら、本開示の実施形態におけるトランジスタは、NチャンネルMOSに限定されない。容量変調トランジスタ60およびアドレストランジスタ30は、NチャンネルMOSであってもよいし、PチャンネルMOSであってもよい。また、これらがNチャンネルMOSまたはPチャンネルMOSのいずれかに統一されている必要はない。アドレストランジスタ30として、FETのほか、バイポーラトランジスタも用い得る。上述の光検出構造100Aの不純物領域20dおよび20sの間に形成されるチャネル中のキャリアは、電子であってもよいし、正孔であってもよい。
In each of the above-described embodiments, the example in which each of the
ガラス基板上に光電変換材料の層が形成されたサンプルを作成し、サンプルへの光の照射による容量値の変化を測定することにより、光電変換層の特性を評価した。 A sample in which a layer of a photoelectric conversion material was formed on a glass substrate was prepared, and the change in capacitance value due to light irradiation on the sample was measured to evaluate the characteristics of the photoelectric conversion layer.
(実施例1)
以下の手順により、実施例1のサンプルを作製した。まず、ガラス基板を用意した。次に、ITO、酸化アルミニウム、第1光電変換材料としてのサブフタロシアニン、第2光電変換材料としてのC60、酸化アルミニウムおよびITOをガラス基板上に順次堆積した。これにより、図12において模式的に示すような、ガラス基板GS、第1電極E1、絶縁層D1、第1光電変換材料の層P1および第2光電変換材料の層P2が積層された光電変換層PL、絶縁層D2ならびに第2電極E2の積層構造を有する、実施例1のサンプルSE1を得た。第1電極E1および第2電極E2の形成にはマグネトロンスパッタリングを適用し、絶縁層D1およびD2の形成には原子層堆積を適用した。第1および第2の光電変換材料の堆積には真空蒸着を適用した。第1電極E1、絶縁層D1、第1光電変換材料の層P1、第2光電変換材料の層P2、絶縁層D2および第2電極E2の厚さは、それぞれ、150nm、20nm、75nm、75nm、20nmおよび30nmであった。
Example 1
The sample of Example 1 was produced by the following procedure. First, a glass substrate was prepared. Next, ITO, aluminum oxide, subphthalocyanine as the first photoelectric conversion material, C 60 as the second photoelectric conversion material, aluminum oxide, and ITO were sequentially deposited on the glass substrate. Thereby, as schematically shown in FIG. 12, the photoelectric conversion layer in which the glass substrate GS, the first electrode E1, the insulating layer D1, the layer P1 of the first photoelectric conversion material, and the layer P2 of the second photoelectric conversion material are stacked. Sample SE1 of Example 1 having a laminated structure of PL, insulating layer D2, and second electrode E2 was obtained. Magnetron sputtering was applied to form the first electrode E1 and the second electrode E2, and atomic layer deposition was applied to the formation of the insulating layers D1 and D2. Vacuum deposition was applied to the deposition of the first and second photoelectric conversion materials. The thicknesses of the first electrode E1, the insulating layer D1, the first photoelectric conversion material layer P1, the second photoelectric conversion material layer P2, the insulating layer D2, and the second electrode E2 are 150 nm, 20 nm, 75 nm, and 75 nm, respectively. 20 nm and 30 nm.
(実施例2)
光電変換層PLとして、スズナフタロシアニンおよびC60を共蒸着したバルクヘテロ層(厚さ:50nm、スズナフタロシアニンおよびC60の体積比:1:1)を形成したこと、絶縁層D2を形成しなかったこと、および、第2電極E2として、Al層(厚さ:80nm)を形成したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2のサンプルを作製した。
(Example 2)
As the photoelectric conversion layer PL, Suzuna phthalocyanine and C 60 codeposited with the bulk layer (thickness: 50 nm, volume Suzuna phthalocyanine and C 60 ratio: 1: 1) was formed, it was not formed insulating layer D2 A sample of Example 2 was produced in the same manner as Example 1 except that an Al layer (thickness: 80 nm) was formed as the second electrode E2.
(比較例1)
第2の光電変換材料の層P2を形成しなかったこと以外は実施例1と同様にして、比較例1のサンプルを作製した。
(Comparative Example 1)
A sample of Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that the second photoelectric conversion material layer P2 was not formed.
(評価)
実施例1、2および比較例1の各サンプルについて、光照射時および光非照射時(暗状態)における容量値の比較により、光電変換層の特性を評価した。各サンプルにおける容量値は、キーサイトテクノロジー社製、4284AプレシジョンLCRメータを第1電極E1および第2電極E2に接続することによって測定した。
(Evaluation)
About each sample of Example 1, 2 and the comparative example 1, the characteristic of the photoelectric converting layer was evaluated by the comparison of the capacitance value at the time of light irradiation and the time of light non-irradiation (dark state). The capacitance value in each sample was measured by connecting a 4284A Precision LCR meter manufactured by Keysight Technology, Inc. to the first electrode E1 and the second electrode E2.
まず、実施例1および比較例1に関し、白色光、赤色光、緑色光および青色光のそれぞれについて、光照射時と暗状態とにおける容量値の変化を測定した。光照射時の容量値の測定においては、サンプルの第2電極E2側に白色LED(消費電力:約7mW)を配置し、光電変換層に光を照射した。赤色光、緑色光および青色光の照射においては、白色LEDと第2電極E2との間に、ZWO社製LGRBカラーフィルタの赤色透過カラーフィルタ(透過波長:630nm〜730nm)、緑色透過カラーフィルタ(透過波長:490nm〜550nm)、青色透過カラーフィルタ(透過波長:400nm〜490nm)をそれぞれ挿入した。 First, regarding Example 1 and Comparative Example 1, for each of white light, red light, green light, and blue light, changes in capacitance values during light irradiation and in a dark state were measured. In the measurement of the capacitance value at the time of light irradiation, a white LED (power consumption: about 7 mW) was arranged on the second electrode E2 side of the sample, and the photoelectric conversion layer was irradiated with light. In the irradiation of red light, green light, and blue light, a red transmission color filter (transmission wavelength: 630 nm to 730 nm), a green transmission color filter (transmission wavelength: 630 nm to 730 nm) manufactured by ZWO, between the white LED and the second electrode E2. A transmission wavelength: 490 nm to 550 nm) and a blue transmission color filter (transmission wavelength: 400 nm to 490 nm) were respectively inserted.
下記の表1は、測定によって得られた容量変化率を示す。容量値の測定は、第1電極E1および第2電極E2の間に6Vの電位差(逆バイアス)を印加した状態で実行した。表1中の容量変化率は、暗状態における容量の測定値に対する、光照射時の容量の測定値の比を意味する。 Table 1 below shows the capacity change rate obtained by the measurement. The capacitance value was measured in a state where a potential difference (reverse bias) of 6 V was applied between the first electrode E1 and the second electrode E2. The capacitance change rate in Table 1 means the ratio of the measured capacitance value during light irradiation to the measured capacitance value in the dark state.
表1に示すように、白色光を入射した場合は、実施例1のサンプルおよび比較例1のサンプルの両方において、比較的大きな容量変化率が得られる。つまり、実施例1または比較例1のサンプルにおける光電変換層の構成と同様の構成を、光検出装置1000の光電変換層23pに適用することにより、誘電率の変化を利用して白色光を検出可能であることがわかる。
As shown in Table 1, when white light is incident, a relatively large capacity change rate is obtained in both the sample of Example 1 and the sample of Comparative Example 1. That is, by applying the same configuration as the configuration of the photoelectric conversion layer in the sample of Example 1 or Comparative Example 1 to the
比較例1のサンプルでは、緑色光および青色光に関して、それぞれ、1.09倍および1.07倍の容量変化率が得られているものの、赤色光に関しては、1倍よりも大きな容量変化率が得られていない。これは、サブフタロシアニンが、620nm以上の波長を有する光をほとんど吸収しないからである(図7参照)。青色光に関して1.07倍の容量変化率が得られているのは、図7に示すように、サブフタロシアニンの吸収スペクトルが470nm付近から立ち上がり始めるからであると考えられる。なお、表1から、青色光と比較して緑色光の方が高い容量変化率が得られていることがわかる。これは、サブフタロシアニンにおける吸収が青色よりも緑色の波長範囲において大きいことと整合している。 In the sample of Comparative Example 1, although a capacity change rate of 1.09 times and 1.07 times was obtained for green light and blue light, respectively, a capacity change rate larger than 1 time was obtained for red light. Not obtained. This is because subphthalocyanine hardly absorbs light having a wavelength of 620 nm or more (see FIG. 7). The reason why the capacity change rate of 1.07 times with respect to blue light is obtained is that the absorption spectrum of subphthalocyanine starts to rise from around 470 nm as shown in FIG. From Table 1, it can be seen that a higher capacity change rate is obtained for green light than for blue light. This is consistent with the absorption in subphthalocyanine being greater in the green wavelength range than in blue.
他方、実施例1のサンプルでは、赤色光に関しても1.07倍の容量変化率が得られている。つまり、単一の光電変換材料を用いる場合と比較して、検出可能な波長範囲が拡大していることがわかる。サブフタロシアニンが、620nm以上の波長を有する光をほとんど吸収しないにも関わらず、赤色光の入射に対して1.07倍の容量変化率を示すのは、第2光電変換材料として用いたC60が、波長700nm付近においても吸収を示すからであると考えられる。また、実施例1のサンプルでは、緑色光および青色光に関しても、比較例1のサンプルよりも高い容量変化率が得られている。これは、C60が、可視光の範囲にわたって吸収を示すからであると考えられる。 On the other hand, in the sample of Example 1, a capacity change rate of 1.07 times was also obtained for red light. That is, it can be seen that the detectable wavelength range is expanded as compared with the case where a single photoelectric conversion material is used. Despite the fact that subphthalocyanine hardly absorbs light having a wavelength of 620 nm or more, it exhibits a capacity change rate of 1.07 times the incidence of red light, which is the C 60 used as the second photoelectric conversion material. However, this is considered to be because absorption is also observed in the vicinity of a wavelength of 700 nm. In the sample of Example 1, a higher capacity change rate than that of the sample of Comparative Example 1 was obtained for green light and blue light. This is thought to be because C 60 exhibits absorption over the visible light range.
このように、実施例1のサンプルでは、カラーフィルタを用いて赤色光、緑色光または青色光のいずれを選択的に照射した場合であっても、比較的高い容量変化率が得られており、カラーフィルタを利用して、検出すべき波長域を切り替え可能であることがわかる。すなわち、吸収ピークが互いに異なる2種以上の光電変換材料を用いることによって、誘電率の変化を利用して検出可能な波長範囲を拡大することが可能であることがわかる。したがって、例えば、RGBのカラーイメージセンサを提供し得ることがわかる。 As described above, in the sample of Example 1, a relatively high capacity change rate is obtained even when any of red light, green light, and blue light is selectively irradiated using the color filter. It can be seen that the wavelength range to be detected can be switched using the color filter. That is, it can be seen that by using two or more kinds of photoelectric conversion materials having different absorption peaks, it is possible to expand the detectable wavelength range by utilizing the change in dielectric constant. Therefore, for example, it can be seen that an RGB color image sensor can be provided.
次に、実施例2に関し、波長940nm程度の近赤外線について、光照射時と暗状態とにおける容量値の変化を測定した。光照射時の容量値の測定においては、サンプルの第1電極E1側に光源を配置し、ガラス基板GSを介して光電変換層に近赤外線を照射した。測定においては第1電極E1および第2電極E2の間の電位差を0Vとし、光源に投入する電力を変化させて、各投入電力について容量変化率を求めた。 Next, regarding Example 2, the near-infrared wavelength of about 940 nm was measured for the change in capacitance value during light irradiation and in the dark state. In the measurement of the capacitance value at the time of light irradiation, a light source was arranged on the first electrode E1 side of the sample, and the near infrared ray was irradiated to the photoelectric conversion layer through the glass substrate GS. In the measurement, the potential difference between the first electrode E1 and the second electrode E2 was set to 0 V, the electric power supplied to the light source was changed, and the capacity change rate was obtained for each input electric power.
下記の表2は、測定によって得られた容量変化率を示す。表2中の容量変化率は、暗状態における容量の測定値に対する、近赤外線の照射時の容量の測定値の比を意味する。 Table 2 below shows the capacity change rate obtained by the measurement. The capacity change rate in Table 2 means the ratio of the measured value of the capacity when irradiated with near infrared rays to the measured value of the capacity in the dark state.
表2から、近赤外線の照射により、1よりも大きい容量変化率を得られることがわかる。また、光源に投入する電力の増大に従って容量変化率も増大を示すことがわかる。この例では、投入電力を4mW程度まで増大させることによって7%の容量変調が得られており、投入電力が69mWのときに34%程度の容量変調が得られている。つまり、第1電極E1および第2電極E2の間において、照度に応じた誘電率の変化が生じていることがわかる。したがって、例えば実施例2のサンプルにおける光電変換層の構成と同様の構成を光検出装置1000の光電変換層23pに適用することにより、近赤外線の照度に関する情報を誘電率の変化を利用して取得可能であることがわかる。
It can be seen from Table 2 that a capacity change rate greater than 1 can be obtained by irradiation with near infrared rays. It can also be seen that the rate of change in capacity also increases as the power supplied to the light source increases. In this example, the capacity modulation of 7% is obtained by increasing the input power to about 4 mW, and the capacity modulation of about 34% is obtained when the input power is 69 mW. That is, it can be seen that a change in dielectric constant according to the illuminance occurs between the first electrode E1 and the second electrode E2. Therefore, for example, by applying a configuration similar to the configuration of the photoelectric conversion layer in the sample of Example 2 to the
また、表1に示す結果から、第1および第2の光電変換材料としてスズナフタロシアニンおよびC60をそれぞれ用いた実施例2のサンプルでは、可視光(特に青色光)に関しても照度に応じた容量変調が生じると期待できる。すなわち、赤外領域に吸収を有する光電変換材料と、可視域に吸収を有する光電変換材料とを組み合わせることにより、誘電率の変化を利用した赤外線および可視光の検出が可能である。 Further, from the results shown in Table 1, in the sample of Example 2 using tin naphthalocyanine and C 60 as the first and second photoelectric conversion materials, the capacity modulation according to the illuminance is also applied to visible light (particularly blue light). Can be expected to occur. That is, by combining a photoelectric conversion material having absorption in the infrared region with a photoelectric conversion material having absorption in the visible region, infrared and visible light can be detected using changes in dielectric constant.
本開示の実施形態は、光検出装置、イメージセンサなどに適用可能である。光電変換層の材料を適切に選択することにより、例えば、可視光および赤外線を利用した画像の取得が可能である。本開示の光検出装置は、例えば、デジタルカメラ、セキュリティカメラ、車両に搭載されて使用されるカメラなどに用いることができる。車両搭載用カメラは、例えば、車両が安全に走行するための、制御装置に対する入力として利用され得る。あるいは、車両が安全に走行するための、オペレータの支援に利用され得る。 Embodiments of the present disclosure are applicable to a light detection device, an image sensor, and the like. By appropriately selecting the material of the photoelectric conversion layer, for example, it is possible to acquire an image using visible light and infrared rays. The light detection device of the present disclosure can be used for, for example, a digital camera, a security camera, a camera mounted on a vehicle, and the like. The vehicle-mounted camera can be used, for example, as an input to the control device for the vehicle to travel safely. Alternatively, it can be used for assistance of an operator for the vehicle to travel safely.
10A〜10C 検出セル
12 電圧供給回路
14 垂直走査回路
20 半導体基板
20d、20s、30s 不純物領域
20t 素子分離領域
21 画素電極
22 透明電極
22g 透明ゲート電極
23 ゲート絶縁層
23p 光電変換層
23x 絶縁層
24 ゲート電極
25a、25b 保護層
26 帯域フィルタ
26a 第1フィルタ
26b 第2フィルタ
26c 第3フィルタ
27B、27C 光電変換部
29a、29b 絶縁層
30 アドレストランジスタ
30s 不純物領域
54 接続部
60 容量変調トランジスタ
100A〜100C 光検出構造
120s 積層構造
120t 光電変換構造
122m 混合層
1000 光検出装置
10A to
Claims (21)
半導体基板に形成されたソース領域およびドレイン領域と、
前記半導体基板上のゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上の透明ゲート電極と、
を有する、複数の検出セルを備え、
前記ゲート絶縁層は、吸収ピークが互いに異なる第1光電変換材料および第2光電変換材料を含む光電変換層を有し、
前記複数の検出セルの各々は、前記透明ゲート電極を介した前記光電変換層への光の入射によって生じる、前記光電変換層の誘電率の変化に対応した電気信号を前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの一方から出力する、光検出装置。 Each is
A source region and a drain region formed in a semiconductor substrate;
A gate insulating layer on the semiconductor substrate;
A transparent gate electrode on the gate insulating layer;
Having a plurality of detection cells,
The gate insulating layer has a photoelectric conversion layer including a first photoelectric conversion material and a second photoelectric conversion material having absorption peaks different from each other,
Each of the plurality of detection cells outputs an electric signal corresponding to a change in dielectric constant of the photoelectric conversion layer, which is generated by light incident on the photoelectric conversion layer through the transparent gate electrode, in the source region and the drain region. Output from one of the two.
前記複数の検出セルは、第1検出セルおよび第2検出セルを含み、
前記第1フィルタは、前記第1検出セルの透明ゲート電極に対向し、
前記第2フィルタは、前記第2検出セルの透明ゲート電極に対向する、請求項1から3のいずれかに記載の光検出装置。 A bandpass filter including a first filter and a second filter having different wavelength ranges to be transmitted;
The plurality of detection cells include a first detection cell and a second detection cell;
The first filter is opposed to the transparent gate electrode of the first detection cell;
4. The photodetecting device according to claim 1, wherein the second filter faces a transparent gate electrode of the second detection cell. 5.
前記第3電圧範囲における前記変化率は、前記第1電圧範囲における前記変化率および前記第2電圧範囲における前記変化率よりも小さい、請求項1から5のいずれかに記載の光検出装置。 The photoelectric conversion layer includes a first voltage range in which an absolute value of an output current density increases as the reverse bias voltage increases, a second voltage range in which an output current density increases as the forward bias voltage increases, and the first In the third voltage range between the voltage range and the second voltage range, the change rate of the output current density with respect to the bias voltage has different photocurrent characteristics,
6. The photodetecting device according to claim 1, wherein the change rate in the third voltage range is smaller than the change rate in the first voltage range and the change rate in the second voltage range.
前記複数の検出セルの各々は、前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの前記他方と、前記透明ゲート電極との間の電位差が前記第3電圧範囲内に維持された状態で、前記光電変換層の誘電率の変化に対応した電気信号を前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの前記一方から出力する、請求項6に記載の光検出装置。 A voltage supply circuit for supplying a gate voltage within the third voltage range to the transparent gate electrode when the other potential of the source region and the drain region is used as a reference;
Each of the plurality of detection cells includes the photoelectric conversion layer in a state where a potential difference between the other of the source region and the drain region and the transparent gate electrode is maintained within the third voltage range. The light detection device according to claim 6, wherein an electrical signal corresponding to a change in dielectric constant is output from the one of the source region and the drain region.
第1電極と、
半導体基板に形成された電界効果トランジスタであって、ゲートが前記第1電極に電気的に接続された電界効果トランジスタと、
前記第1電極に対向する透光性の第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に配置された光電変換層と、
を有する、複数の検出セルを備え、
前記光電変換層は、吸収ピークが互いに異なる第1光電変換材料および第2光電変換材料を含み、
前記光電変換層は、逆方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第1電圧範囲、順方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第2電圧範囲、および、前記第1電圧範囲と前記第2電圧範囲との間の第3電圧範囲において、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率が互いに異なる光電流特性を有し、
前記第3電圧範囲における前記変化率は、前記第1電圧範囲における前記変化率および前記第2電圧範囲における前記変化率よりも小さく、
前記複数の検出セルの各々は、前記電界効果トランジスタのソースおよびドレインのうちの一方と、前記第2電極との間の電位差が前記第1電圧範囲内または前記第3電圧範囲内に維持された状態で、前記第2電極を介した前記光電変換層への光の入射によって生じる、前記第1電極と前記第2電極との間の誘電率の変化に対応した電気信号を前記ソースおよびドレインのうちの他方から出力する、光検出装置。 Each is
A first electrode;
A field effect transistor formed on a semiconductor substrate, the field effect transistor having a gate electrically connected to the first electrode;
A translucent second electrode facing the first electrode;
A photoelectric conversion layer disposed between the first electrode and the second electrode;
Having a plurality of detection cells,
The photoelectric conversion layer includes a first photoelectric conversion material and a second photoelectric conversion material having absorption peaks different from each other,
The photoelectric conversion layer includes a first voltage range in which an absolute value of an output current density increases as the reverse bias voltage increases, a second voltage range in which an output current density increases as the forward bias voltage increases, and the first In the third voltage range between the voltage range and the second voltage range, the change rate of the output current density with respect to the bias voltage has different photocurrent characteristics,
The rate of change in the third voltage range is smaller than the rate of change in the first voltage range and the rate of change in the second voltage range,
In each of the plurality of detection cells, a potential difference between one of a source and a drain of the field effect transistor and the second electrode is maintained within the first voltage range or the third voltage range. In the state, an electric signal corresponding to a change in dielectric constant between the first electrode and the second electrode, which is caused by light incident on the photoelectric conversion layer through the second electrode, is transmitted between the source and the drain. Photodetector that outputs from the other of them.
前記第1電極は、前記ゲート電極と前記第1電極とを接続する接続部を有する、請求項8から12のいずれかに記載の光検出装置。 The gate of the field effect transistor includes a gate insulating layer and a gate electrode provided on the semiconductor substrate,
The photodetecting device according to claim 8, wherein the first electrode has a connection portion that connects the gate electrode and the first electrode.
前記複数の検出セルは、第1検出セルおよび第2検出セルを含み、
前記第1フィルタは、前記第1検出セルの第2電極に対向し、
前記第2フィルタは、前記第2検出セルの第2電極に対向する、請求項8から13のいずれかに記載の光検出装置。 A bandpass filter including a first filter and a second filter having different wavelength ranges to be transmitted;
The plurality of detection cells include a first detection cell and a second detection cell;
The first filter is opposed to the second electrode of the first detection cell;
The photodetection device according to claim 8, wherein the second filter is opposed to the second electrode of the second detection cell.
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