JP2017220577A - Photo-detection device - Google Patents

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Takahiro Koyanagi
貴裕 小柳
徳彦 玉置
Norihiko Tamaoki
徳彦 玉置
学 中田
Manabu Nakada
学 中田
健富 徳原
Taketomi Tokuhara
健富 徳原
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a photo-detection device having a novel configuration.SOLUTION: A photo-detection device according to an embodiment has a plurality of detection cells. Each detection cell has: a source region and a drain region formed on a semiconductor substrate; a gate insulating layer on the semiconductor substrate; and a transparent gate electrode on the gate insulating layer. The gate insulating layer has a photoelectric conversion layer that contains a first photoelectric conversion material and a second photoelectric conversion material having different absorption peaks from each other. Each detection cell outputs an electric signal that is generated by light incidence to the photoelectric conversion layer via the transparent gate electrode and that corresponds to a change in dielectric constant of the photoelectric conversion layer, from one of the source region and the drain region.SELECTED DRAWING: Figure 1

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。   Patent Document 1 below discloses a thin film transistor (TFT) having an organic film in which a predetermined compound is dispersed in an organic polymer as a gate insulating film in FIG. As the predetermined compound constituting the organic film, a compound whose polarization state is changed by light irradiation is selected. In the thin film transistor disclosed in Patent Document 1, when the gate insulating film is irradiated with light, the dielectric constant of the gate insulating film changes. Therefore, the current flowing between the source and the drain changes due to the light irradiation to the gate insulating film. Patent Document 1 describes that such a thin film transistor can be used for an optical sensor.

特開2011−60830号公報JP 2011-60830 A

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.

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示す模式的な断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a cross section of an exemplary photodetection device according to the first embodiment of the present disclosure. 図2は、光検出装置1000の例示的な回路構成を模式的に示す図である。FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an exemplary circuit configuration of the photodetection device 1000. 図3は、透過測定により得られた、C60の吸収スペクトルの一例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of an absorption spectrum of C 60 obtained by transmission measurement. 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示す模式的な断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the gate insulating layer 23 and its periphery in the light detection structure 100A. 図5は、光電変換層23pの構成の他の例を示す模式的な断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing another example of the configuration of the photoelectric conversion layer 23p. 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図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of an absorption spectrum related to a bulk heterojunction structure of tin naphthalocyanine and C 60 . 図7は、透過測定により得られた、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の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of an absorption spectrum of subphthalocyanine represented by the general formula (4) obtained by transmission measurement. 図8は、サブフタロシアニンおよびC60を含む層の例示的な吸収スペクトルを示す図である。Figure 8 is a diagram illustrating an exemplary absorption spectrum of the layer containing the subphthalocyanine and C 60. 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グラフである。FIG. 9 is a graph showing a typical example of the photocurrent characteristic in the photoelectric conversion layer 23p. 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示す模式的な断面図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating a cross-section of the light detection device according to the second embodiment of the present disclosure. 図11は、本開示の第2の実施形態に係る光検出装置の変形例を示す模式的な断面図である。FIG. 11 is a schematic cross-sectional view illustrating a modified example of the light detection device according to the second embodiment of the present disclosure. 図12は、実施例1のサンプルにおける積層構造を示す模式的な断面図である。FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing a laminated structure in the sample of Example 1.

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 item 1, compared with the case where a single photoelectric conversion material is used, the wavelength range which can be detected can be expanded using the change of the dielectric constant in a photoelectric converting layer.

[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]
Item 2. The photodetection device according to Item 1, wherein the gate insulating layer includes an insulating layer disposed between the photoelectric conversion layer and the semiconductor substrate.

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 item 2, it is possible to reduce the leakage current in the photoelectric conversion layer and ensure the necessary S / N ratio.

[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 Item 1 or 2, further comprising a light-shielding film disposed between the transparent gate electrode and the semiconductor substrate.

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 items 1 to 3, wherein the second filter faces the transparent gate electrode of the second detection cell.

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]
Item 5. The photodetector according to item 4, wherein each of the transparent gate electrode of the first detection cell and the transparent gate electrode of the second detection cell is a part of a single continuous electrode.

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 item 5, the manufacturing process can be prevented from becoming complicated.

[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 items 1 to 5, wherein a change rate in the third voltage range is smaller than a change rate in the first voltage range and a change rate in the second voltage range.

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 item 8, as compared with the case where a single photoelectric conversion material is used, the wavelength range that can be detected is expanded using the change in the dielectric constant between the first electrode and the second electrode. obtain.

[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 Item 8, further comprising at least one insulating layer disposed between the first electrode and the photoelectric conversion layer and at least one between the photoelectric conversion layer and the second electrode.

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]
Item 10. The photodetection device according to Item 9, further comprising a voltage supply circuit that supplies a voltage within the first voltage range to the second electrode when the potential of one of the source and the drain is used as a reference.

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 item 10, it is possible to provide a potential difference in the first voltage range between the source or drain of the field effect transistor and the second electrode.

[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]
Item 10. The photodetecting device according to Item 8 or 9, further comprising a voltage supply circuit that supplies a voltage within the third voltage range to the second electrode when the potential of one of the source and the drain is used as a reference.

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]
Item 12. The photodetecting device according to any one of Items 8 to 11, wherein the first electrode is a light-shielding electrode.

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 item 12, since it is possible to suppress the incidence of stray light to the channel region of the field effect transistor, it is possible to suppress the mixing of noise such as a color mixture between adjacent detection cells.

[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 items 8 to 12, wherein the first electrode has a connection portion that connects the gate electrode and the first electrode.

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 items 8 to 13, wherein the second filter faces the second electrode of the second detection cell.

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, Item 4, 5, 14, 15 or The photodetection device according to any one of 16.

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]
Item 20. The photodetecting device according to any one of Items 17 to 19, wherein the absorption peak of the second photoelectric conversion material is in the second wavelength range.

[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 items 1 to 20, wherein the photoelectric conversion layer has a laminated structure of a first photoelectric conversion material and a second photoelectric conversion material.

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 item 21, the adjustment of the thickness ratio between the first photoelectric conversion material layer and the second photoelectric conversion material layer is relatively easy. It is possible to control the degree of modulation of the dielectric constant caused by the incidence of light between the wavelength ranges.

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 light detection apparatus 1000 shown in FIG. 1 includes two or more detection cells 10A each having a light detection structure 100A. For example, the detection cells 10A are arranged in a matrix to form an optical sensor array. Note that FIG. 1 schematically illustrates the arrangement of each unit included in the light detection apparatus 1000, and the size of each unit illustrated in FIG. 1 does not strictly reflect the size of an actual device. The same applies to other drawings of the present disclosure.

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 detection cells 10A. The shapes and sizes of the detection cells 10Aa to 10Ac when viewed from the normal direction of the semiconductor substrate 20 may be the same between them, or may be different in some or all of them. Typically, the optical sensor array has a repeating structure with one or more detection cells 10A (for example, a set of detection cells 10Aa to 10Ac) as a unit. Needless to say, the arrangement of the detection cells 10Aa to 10Ac illustrated in FIG. 1 is merely an example, and it is not essential that these are arranged in a straight line.

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 detection cells 10 </ b> A are formed on the semiconductor substrate 20. Here, a p-type silicon (Si) substrate is illustrated as the semiconductor substrate 20. Each of the detection cells 10 </ b> A is electrically isolated from each other by an element isolation region 20 t formed in the semiconductor substrate 20. A distance between two adjacent detection cells 10A (which may be referred to as a pixel pitch) may be about 2 μm, for example. Note that the “semiconductor substrate” in this specification is not limited to a substrate that is entirely a semiconductor, and may be an insulating substrate in which a semiconductor layer is provided on the surface irradiated with light.

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 light detection structure 100A in the detection cell 10A generally has a device structure similar to a field effect transistor (FET). That is, the light detection structure 100A includes impurity regions (in this case, n-type regions) 20s and 20d formed in the semiconductor substrate 20, a gate insulating layer 23 disposed on the semiconductor substrate 20, and a gate insulating layer 23. The transparent gate electrode 22g is disposed. As shown in FIG. 1, the transparent gate electrode 22 g is disposed on the interlayer insulating layer 50 that covers the semiconductor substrate 20. In the example shown in FIG. 1, the transparent gate electrode 22g on the interlayer insulating layer 50 is formed over the plurality of detection cells 10A. That is, here, each of the transparent gate electrode 22g in the detection cell 10Aa, the transparent gate electrode 22g in the detection cell 10Ab, and the transparent gate electrode 22g in the detection cell 10Ac is a part of a single continuous electrode. By forming the transparent gate electrode 22g in the form of a single continuous electrode between the plurality of detection cells 10A, the manufacturing process can be prevented from becoming complicated.

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 gate insulating layer 23 penetrates the interlayer insulating layer 50 and connects the upper surface of the semiconductor substrate 20 and the lower surface of the transparent gate electrode 22g. Note that the terms “upper surface” and “lower surface” in the present specification are used to indicate a relative arrangement between members, and are not intended to limit the posture of the light detection device of the present disclosure.

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 gate insulating layer 23 includes a photoelectric conversion layer 23p. As will be described in detail later, each detection cell 10A generates an electrical signal corresponding to a change in the dielectric constant of the photoelectric conversion layer 23p caused by the incidence of light on the photoelectric conversion layer 23p via the transparent gate electrode 22g. 20 is output from the impurity region (in this case, the impurity region 20s) formed in the semiconductor layer 20.

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 photoelectric conversion layer 23p includes first and second photoelectric conversion materials having absorption peaks different from each other. By forming the photoelectric conversion layer 23p using the first and second photoelectric conversion materials, it is possible to expand the detectable wavelength range compared to the case of using a single photoelectric conversion material. . Therefore, the light detection structure 100A having sensitivity in a plurality of wavelength ranges can be realized. For example, the light detection structure 100A having sensitivity in both the wavelength range of visible light (for example, 380 nm or more and 780 nm or less) and the infrared wavelength range can be realized. Details of the configuration of the photoelectric conversion layer 23p, and examples of the first photoelectric conversion material and the second photoelectric conversion material will be described later. The thickness of the photoelectric conversion layer 23p (the length measured along the normal direction of the semiconductor substrate 20) is, for example, about 1500 nm.

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 layer 23 x is disposed between the photoelectric conversion layer 23 p and the semiconductor substrate 20. By disposing the insulating layer 23x between the photoelectric conversion layer 23p and the semiconductor substrate 20, a leakage current in the photoelectric conversion layer 23p can be reduced and a necessary S / N ratio can be ensured. As the insulating layer 23x, for example, a silicon thermal oxide film or an aluminum oxide film can be used. As the insulating layer 23x, a silicon oxynitride film (SiON film) generally used in a silicon semiconductor may be applied, or a High-k film such as an HfO 2 film may be applied. The thickness of the insulating layer 23x may be set as appropriate according to the material constituting the insulating layer 23x.

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-pass filter 26 is disposed on the transparent gate electrode 22g. The band filter 26 includes a plurality of portions having different wavelength ranges for transmission. In the configuration illustrated in FIG. 1, the band-pass filter 26 includes a first filter 26a facing the transparent gate electrode 22g in the detection cell 10Aa, a second filter 26b facing the transparent gate electrode 22g in the detection cell 10Ab, and the detection cell 10Ac. Has a third filter 26c facing the transparent gate electrode 22g. A black matrix may be disposed between two adjacent filters among the first filter 26a, the second filter 26b, and the third filter 26c (not shown in FIG. 1).

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 first filter 26a, the second filter 26b, and the third filter 26c may be color filters that selectively transmit light in the red (R), green (G), and blue (B) wavelength ranges, respectively. By disposing portions (first filter 26a, second filter 26b, and third filter 26c) having different transmission spectra in the band filter 26 corresponding to the plurality of detection cells 10A, a desired one of the plurality of detection cells 10A. The light of a desired wavelength range can be selectively incident on the photoelectric conversion layer 23p of the detection cell 10A. In other words, it is possible to detect light in different wavelength ranges for each detection cell 10A while making the configuration of the photoelectric conversion layer 23p common among the plurality of detection cells 10A. It can be used as a sensor. Of course, the wavelength range of light that is selectively transmitted by the filter included in the band filter 26 is not limited to the wavelength range of red (R), green (G), or blue (B), but in the wavelength range of other colors. There may be.

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 band filter 26 is not limited to a filter that transmits visible light. For example, at least one of the first filter 26a, the second filter 26b, and the third filter 26c selectively transmits infrared light. An IR filter may be used. Alternatively, the bandpass filter 26 transmits an R filter that transmits red light (wavelength: 620 to 750 nm), a G filter that transmits green light (wavelength: 490 to 585 nm), and a B filter that transmits blue light (wavelength: 400 to 495 nm). A filter and an IR filter that transmits infrared light may be included. By including the infrared transmission filter in the band filter 26, the detection cell 10A having the transparent gate electrode 22g facing the infrared transmission filter can function as an infrared detection cell. Therefore, for example, by using a bandpass filter including a filter that transmits visible light and a filter that transmits infrared light, the light detection apparatus 1000 can acquire information on the illuminance of visible light and the illuminance of infrared light. . That is, for example, the light detection apparatus 1000 can be used as a visible light detection apparatus and an infrared detection apparatus. Alternatively, the photodetection device 1000 can be used as a color area sensor and an infrared area sensor. If a filter that transmits visible light uses the output from the plurality of detection cells 10A arranged facing the transparent gate electrode 22g, a color image can be acquired, and a filter that transmits infrared light faces the transparent gate electrode 22g. Infrared images can be acquired by using outputs from a plurality of detection cells 10A arranged in the same manner.

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 light detection apparatus 1000 is not limited to light within the wavelength range of visible light. In this specification, electromagnetic waves in general including infrared rays and ultraviolet rays are expressed as “light” for convenience. In this specification, the terms “transparent” and “translucent” mean transmitting at least part of light in the wavelength range to be detected, and transmitting light over the entire wavelength range of visible light Not required.

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-pass filter 26 includes a filter that selectively transmits visible light and an infrared transmission filter, a material having a high transmittance for visible light and near infrared rays and a low resistance value is selected as the material of the transparent gate electrode 22g. It is. For example, a transparent conductive oxide (Transparent Oxide (TCO)) can be used as the material of the transparent gate electrode 22g. As TCO, for example, ITO, IZO, AZO, FTO, SnO 2 , TiO 2 , ZnO 2 and the like can be used. A metal thin film such as Au may be used as the transparent gate electrode 22g.

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 transparent gate electrode 22g has a connection with a power source (not shown). The transparent gate electrode 22g is configured to be able to apply a predetermined bias voltage (first bias voltage) during operation of the light detection device 1000. Here, since the transparent gate electrode 22g is formed over the plurality of detection cells 10A, the first bias voltage can be collectively applied to the plurality of detection cells 10A.

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 interlayer insulating layer 50 has a stacked structure including a plurality of insulating layers (typically silicon oxide films). A multilayer wiring 40 is disposed in the interlayer insulating layer 50. The multilayer wiring 40 includes a plurality of wiring layers. In the configuration illustrated in FIG. 1, the multilayer wiring 40 includes three wiring layers, and a power supply wiring 42, an address signal line 44, and a vertical signal line 46 are provided in the central wiring layer. The power supply wiring 42, the address signal line 44, and the vertical signal line 46 extend, for example, along a direction perpendicular to the paper surface (column direction in the photosensor array). In the example illustrated in FIG. 1, the interlayer insulating layer 50 and the multilayer wiring 40 include four insulating layers and three wiring layers, respectively. However, the number of insulating layers in the interlayer insulating layer 50 and the number of wiring layers in the multilayer wiring 40 are not limited to this example.

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 power supply wiring 42 of the multilayer wiring 40 is connected to the impurity region 20 d through the contact plug 52. As will be described later, the power supply wiring 42 is connected to a power supply for supplying a predetermined voltage. During the operation of the photodetection device 1000, a predetermined bias voltage (second bias voltage) is applied to the impurity region 20d through the power supply wiring 42, similarly to the transparent gate electrode 22g.

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 photodetection device 1000, a predetermined voltage is applied to the transparent gate electrode 22g and the impurity region 20d, whereby the potential difference between the transparent gate electrode 22g and the impurity region 20d is maintained constant. If the potential difference between the transparent gate electrode 22g and the impurity region 20d can be kept constant during operation, the transparent gate electrode 22g may not be formed over the plurality of detection cells 10A. For example, the transparent gate electrode 22g may be formed separately for each detection cell 10A.

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 transparent gate electrode 22g and the impurity region 20d maintained constant, the light detection structure 100A side of the light detection structure 100A (in FIG. 1) From the upper side), the light detection device 1000 is irradiated with light. The light irradiated to the photodetection device 1000 is incident on the photoelectric conversion layer 23p of the gate insulating layer 23 through the transparent gate electrode 22g. The photoelectric conversion layer 23p generates positive and negative charge pairs (for example, electron-hole pairs) when irradiated with light. The generation of a pair of positive and negative charges in the photoelectric conversion layer 23p changes the dielectric constant of the photoelectric conversion layer 23p. When the photodetection structure 100A is regarded as a field effect transistor, the dielectric constant in the photoelectric conversion layer 23p changes, so that the same effect as when the gate capacitance in this transistor changes is produced. That is, the threshold voltage of this transistor changes due to light irradiation to the gate insulating layer 23. By utilizing this change, it is possible to detect light.

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 light detection structure 100A may be called a capacitance modulation transistor. The impurity regions 20s and 20d correspond to, for example, a source region and a drain region of the capacitance modulation transistor, respectively. Hereinafter, the impurity region 20s may be referred to as a source region (or drain region), and the impurity region 20d may be referred to as a drain region (or source region). In the following, for the sake of simplicity, the current flowing between the impurity regions 20s and 20d may be simply referred to as a drain current.

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 photoelectric conversion layer 23p includes the first and second photoelectric conversion materials having different absorption peaks. Therefore, the change in the dielectric constant in the photoelectric conversion layer 23p can be caused not only by the incidence of light in a specific wavelength range but also by the incidence of light in other wavelength ranges. Therefore, according to the embodiment of the present disclosure, it is possible to detect, for example, light in two different wavelength ranges by a single detection cell by using the change in the dielectric constant in the photoelectric conversion layer 23p. In particular, as illustrated in FIG. 1, an optical filter (a color filter, an IR filter, or the like) that selectively transmits light in a specific wavelength range is disposed on the light incident side of the photoelectric conversion layer 23p, and the photoelectric conversion layer 23p By selecting the wavelength range of the incident light, the photoelectric conversion layer is made common among the plurality of detection cells, and the change of the dielectric constant in the photoelectric conversion layer 23p is utilized to change the wavelength range different for each detection cell. Light can be detected.

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 detection cell 10 </ b> A includes an address transistor 30. Address transistor 30 includes impurity regions 20 s and 30 s formed in semiconductor substrate 20, gate insulating layer 33, and gate electrode 34. In the following, an N-channel MOSFET will be exemplified as a transistor unless otherwise specified.

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 gate insulating layer 33 and the gate electrode 34 are, for example, a silicon thermal oxide film (silicon dioxide film) and a polysilicon electrode, respectively. In this example, the address transistor 30 and the light detection structure 100A share the impurity region 20s, and these are electrically connected by sharing the impurity region 20s.

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 impurity regions 20s and 30s in the address transistor 30 function as, for example, a drain region and a source region of the address transistor 30, respectively. The gate electrode 34 (typically a polysilicon electrode) and the impurity region 30 s of the address transistor 30 are connected to the address signal line 44 and the vertical signal line 46 of the multilayer wiring 40 through the contact plug 52, respectively. Therefore, by controlling the potential of the gate electrode 34 via the address signal line 44 and turning on the address transistor 30, a signal generated by the light detection structure 100 A is selectively transmitted via the vertical signal line 46. Can be read.

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 multilayer wiring 40 including the vertical signal line 46 and the like as a part thereof is formed of a metal such as copper. A light shielding film may be formed by a wiring layer in the multilayer wiring 40. By causing the wiring layer disposed in the interlayer insulating layer 50 to function as a light shielding film, light that has not entered the photoelectric conversion layer 23p out of the light transmitted through the transparent gate electrode 22g is blocked by the light shielding wiring layer. It is possible. Thereby, it is possible to suppress the light that has not entered the photoelectric conversion layer 23p from entering the channel region of the transistor (capacitance modulation transistor or address transistor 30) formed in the semiconductor substrate 20. The insulating layer 23x and / or the gate insulating layer 33 may have a light shielding property. By suppressing the incidence of stray light to the channel region, it is possible to suppress the mixing of noise such as a color mixture between adjacent detection cells. Of the light transmitted through the transparent gate electrode 22g, most of the light traveling toward the photoelectric conversion layer 23p is absorbed by the photoelectric conversion layer 23p. Therefore, the light traveling toward the photoelectric conversion layer 23p does not adversely affect the operation of the transistor formed on the semiconductor substrate 20.

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 microlens 28 that collects irradiated light and makes it incident on the photoelectric conversion layer 23p may be disposed on the band filter 26 so as to correspond to each detection cell 10A. A protective layer may be disposed on the upper surface and / or the lower surface of the band-pass filter 26. In this example, a protective layer 25a and a protective layer 25b are disposed between the band filter 26 and the transparent gate electrode 22g of each detection cell 10A, and between the microlens 28 and the band filter 26, respectively.

(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 photodetection device 1000. As described above, the light detection structure 100A has a device structure similar to a field effect transistor. Therefore, here, the photodetection structure 100A is expressed for convenience by using a circuit symbol similar to that of a transistor.

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 detection cells 10A are arranged in a matrix of 2 rows and 2 columns. In this specification, the direction in which a row and a column extend may be referred to as a row direction and a column direction, respectively. Needless to say, the number and arrangement of detection cells in the light detection apparatus 1000 are not limited to the example shown in FIG. The detection cells may be arranged in one dimension. In this case, the light detection apparatus 1000 is a line sensor. The number of detection cells included in the light detection apparatus 1000 is typically two or more.

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 impurity region 20d (which may be called the drain of the capacitance modulation transistor) in the light detection structure 100A of each detection cell 10A is connected to the power supply wiring 42. In the example shown in FIG. 2, the power supply wiring 42 is arranged for each column of the photosensor array. These power supply wirings 42 are connected to the voltage supply circuit 12. During operation of the photodetection device 1000, the voltage supply circuit 12 supplies a predetermined voltage (second bias voltage) to each of the detection cells 10A constituting the photosensor array via the power supply wiring.

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 transparent gate electrode 22g in the light detection structure 100A of each detection cell 10A is connected to the gate voltage control line 48. In the configuration illustrated in FIG. 2, the gate voltage control line 48 is connected to the voltage supply circuit 12. Therefore, during the operation of the photodetection device 1000, a predetermined gate voltage (first bias) is applied to the transparent gate electrode 22 g of each photodetection structure 100 A in the photosensor array from the voltage supply circuit 12 via the gate voltage control line 48. Voltage) is applied. The voltage supply circuit 12 is not limited to a specific power supply circuit, and may be a circuit that generates a predetermined voltage, or may be a circuit that converts a voltage supplied from another power supply into a predetermined voltage. . As will be described later, a gate voltage within a predetermined range is applied to the transparent gate electrode 22g of each light detection structure 100A with reference to the potential of the impurity region 20d in the light detection structure 100A.

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 address signal line 44 having a connection with the gate of the address transistor 30 is connected to a vertical scanning circuit (also referred to as “row scanning circuit”) 14. The vertical scanning circuit 14 selects a plurality of detection cells 10 </ b> A arranged in each row by applying a predetermined voltage to the address signal line 44. Thereby, the signal of the selected detection cell 10 </ b> A can be read out via the address transistor 30.

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 address transistor 30 is connected to the impurity region 20s (which may be called the source of the capacitance modulation transistor) in the light detection structure 100A, and the address transistor 30 The other of the source and the drain of the transistor 30 (here, the source) is connected to a vertical signal line 46 provided for each column of the photosensor array. The vertical signal line 46 is a main signal line that transmits a pixel signal from the photosensor array to a peripheral circuit.

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 current source 49 is connected between the vertical signal line 46 and the ground. Therefore, by detecting a change in the voltage of the vertical signal line 46, it is possible to detect a change in the threshold voltage in the light detection structure 100A due to the light being irradiated to the light detection structure 100A. That is, light can be detected based on a change in the voltage of the vertical signal line 46. At this time, the power supply wiring 42 functions as a source follower power supply. Light may be detected by detecting a current output from the impurity region 20s of the light detection structure 100A. However, it is more advantageous to detect a change in voltage from the viewpoint of obtaining a high S / N ratio because a process and a circuit similar to those of an optical sensor using a silicon photodiode can be applied.

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 impurity region 20d in the light detection structure 100A and the circuit for supplying a predetermined voltage to the transparent gate electrode 22g may be common as illustrated in FIG. May be different. At least one of a circuit for supplying a predetermined voltage to the impurity region 20d and a circuit for supplying a predetermined voltage to the transparent gate electrode 22g in the light detection structure 100A may be a part of the vertical scanning circuit 14.

(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 photoelectric conversion layer 23p will be described in detail.

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 photoelectric conversion layer 23p, a semiconductor material is typically used. The photoelectric conversion layer 23p generates positive and negative charge pairs (typically, electron-hole pairs) in response to light irradiation. Here, an organic semiconductor material is used as a material constituting the photoelectric conversion layer 23p. In this case, the photoelectric conversion layer 23p typically includes an organic p-type semiconductor (compound) and an organic n-type semiconductor (compound).

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。

Figure 2017220577
Tin naphthalocyanine is represented by the following general formula (1).
Figure 2017220577

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。

Figure 2017220577
As the tin naphthalocyanine represented by the above general formula (1), a commercially available product can be used. Alternatively, tin naphthalocyanine represented by the above general formula (1) is obtained by using a naphthalene derivative represented by the following general formula (2) as a starting material, as disclosed in, for example, JP-A-2010-232410. Can be synthesized. R 25 to R 30 in the general formula (2) may be the same substituents as R 1 to R 24 in the general formula (1).
Figure 2017220577

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。

Figure 2017220577
In the tin naphthalocyanine represented by the general formula (1), eight or more of R 1 to R 24 are hydrogen atoms or deuterium atoms from the viewpoint of easy control of the molecular aggregation state. It is beneficial that 16 or more of R 1 to R 24 are hydrogen atoms or deuterium atoms, and it is further beneficial that all are hydrogen atoms or deuterium atoms. Furthermore, tin naphthalocyanine represented by the following formula (3) is advantageous from the viewpoint of ease of synthesis.
Figure 2017220577

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 light detection structure 100A capable of detecting near-infrared light can be realized.

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 light sensing structure 100A visible light (especially blue light). FIG. 3 shows an absorption spectrum of C 60 obtained by transmission measurement. In the measurement, a spectrophotometer U4100 manufactured by Hitachi High-Technology Co., Ltd. is used, and a sample in which a C 60 layer is formed on a quartz substrate by vacuum deposition (C 60 layer thickness: 50 nm) is used. In forming the C 60 layer, C 60 is deposited at a film formation rate of 1 kg / sec under a high vacuum of 5.0 × 10 −4 Pa or less (“×” represents multiplication).

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 gate insulating layer 23 and its periphery in the light detection structure 100A. As illustrated in FIG. 4, the photoelectric conversion layer 23 p includes a first layer 122 p mainly including a first photoelectric conversion material (here, an organic p-type semiconductor material) and a second photoelectric conversion material (here, an organic n-type semiconductor). 120s including the second layer 122n including a material. The first layer 122p has a function of photoelectric conversion and / or hole transport. The second layer 122n has a function of photoelectric conversion and / or electron transport. In this example, an electron blocking layer 120e and a hole blocking layer 120h are disposed between the insulating layer 23x and the first layer 122p and between the transparent gate electrode 22g and the second layer 122n, respectively. Yes. Thus, the photoelectric conversion layer 23p may include the electron blocking layer 120e and / or the hole blocking layer 120h.

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 first layer 122p and the second layer 122n, the thickness ratio between the first layer 122p and the second layer 122n can be adjusted relatively easily. By adjusting the ratio of these thicknesses, the degree of modulation of the dielectric constant in the photoelectric conversion layer 23p when the light in the wavelength range in which the first photoelectric conversion material exhibits absorption and the second photoelectric conversion material exhibit absorption. It is possible to control the degree of dielectric constant modulation in the photoelectric conversion layer 23p when light in the wavelength region is incident.

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 photoelectric conversion layer 23p. In the configuration illustrated in FIG. 5, the photoelectric conversion layer 23p includes a photoelectric conversion structure 120t sandwiched between an electron blocking layer 120e and a hole blocking layer 120h. The photoelectric conversion structure 120t includes a first layer 122p, a second layer 122n, and a mixed layer 122m. The mixed layer 122m is located between the first layer 122p and the second layer 122n.

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 mixed layer 122m can be, for example, a bulk heterojunction structure layer including a first photoelectric conversion material (here, p-type semiconductor material) and a second photoelectric conversion material (here, n-type semiconductor material). When the mixed layer 122m is formed as a layer having a bulk heterojunction structure, tin naphthalocyanine represented by the above general formula (1) can be used as a p-type semiconductor material. As the n-type semiconductor material, for example, fullerene and / or fullerene derivatives can be used. It is beneficial if the p-type semiconductor material contained in the first layer 122p is the same as the p-type semiconductor material contained in the mixed layer 122m. Similarly, it is beneficial if the n-type semiconductor material contained in the second layer 122n is the same as the n-type semiconductor material contained in the mixed layer 122m. The bulk heterojunction structure is described in detail in Japanese Patent No. 5553727. For reference, the entire disclosure of Japanese Patent No. 5553727 is incorporated herein by reference.

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 photoelectric conversion layer 23p as a layer having a structure containing a C 60 as a second photoelectric conversion material, its photoelectric conversion layer 23p, the wavelength of near-infrared Shows relatively high absorption in the range and wavelength range of blue light. In other words, by using a structure comprising Suzuna phthalocyanine and C 60 as a photoelectric conversion layer 23p, capable of realizing light detection structure 100A having sensitivity to infrared and visible light (especially blue light). For example, infrared light can be selectively detected if light transmitted through an infrared transmission filter, for example, is incident on the light detection structure 100A having the photoelectric conversion layer 23p. Similarly, for example, if light transmitted through a blue color filter is incident, it is possible to selectively detect blue light.

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。

Figure 2017220577
Instead of tin naphthalocyanine, for example, subphthalocyanine may be used as the first photoelectric conversion material. Subphthalocyanine is represented by the following general formula (4). As the subphthalocyanine represented by the following general formula (4), a commercially available product can be used. As the subphthalocyanine represented by the following general formula (4), for example, boron subphthalocyanine chloride provided by Sigma-Aldrich Japan LLC can be used. In this case, X in the following general formula (4) is chlorine.
Figure 2017220577

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 photoelectric conversion layer 23p that absorbs over the whole can be formed.

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 light detection structure 100A having the photoelectric conversion layer 23p. Similarly, if light transmitted through the green color filter is incident, green light can be selectively detected, and if light transmitted through the blue color filter is incident, blue light can be selectively detected.

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 first layer 122p and the second layer 122n is not limited to a specific formation method, and for example, a dry deposition method such as vapor deposition or a wet deposition method such as coating can be applied. Similarly, the formation method of the mixed layer 122m is not limited to a specific formation method. Bulk heterojunction structure Suzuna phthalocyanine and C 60, for example, can be obtained by co-evaporation of Suzuna phthalocyanine and C 60. The specific structure of the photoelectric conversion layer 23p is not limited to the structure described with reference to FIGS. The photoelectric conversion layer 23p may have a configuration in which two or more types of photoelectric conversion materials are mixed, or has a laminated structure of two or more types of photoelectric conversion layers formed from different photoelectric conversion materials. May be. The photoelectric conversion layer 23p may include an inorganic semiconductor material such as amorphous silicon. The photoelectric conversion layer 23p may include a layer made of an organic material and a layer made of an inorganic material.

(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 photoelectric conversion layer 23p. In FIG. 9, a thick solid line graph shows an exemplary IV characteristic of the photoelectric conversion layer in a state where light is irradiated. In FIG. 9, an example of the IV characteristic in a state where no light is irradiated is also shown by a thick broken line.

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 power supply wiring 42 of the two impurity regions formed in the semiconductor substrate 20 and the transparent gate electrode 22g The light detection is performed in a state where the third voltage range is maintained. For example, in the configuration described with reference to FIG. 2, the gate voltage within the third voltage range when the impurity region 20 d is used as a reference is supplied from the voltage supply circuit 12 to the transparent gate electrode 22 g.

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 photoelectric conversion layer 23p, for example, hole-electron pairs are generated inside the photoelectric conversion layer 23p. At this time, since a predetermined bias voltage is applied to the photoelectric conversion layer 23p, the dipole moments in each of the plurality of hole-electron pairs are aligned in substantially the same direction. Therefore, the dielectric constant of the photoelectric conversion layer 23p increases with the generation of hole-electron pairs. When the magnitude of the electric field in the photoelectric conversion layer 23p in a state where a predetermined bias voltage is applied and irradiated with light is E, E = ((σ f −σ p ) / ε 0 according to Gauss's law. ) And E = (σ f / ε). Here, σ f is the charge density in the electrode (for example, the transparent gate electrode 22g), and σ p is the density of the charge generated on the surface facing the electrode in the photoelectric conversion layer 23p due to polarization. ε 0 and ε are the dielectric constant of vacuum and the dielectric constant of the photoelectric conversion layer 23p, respectively. From E = ((σ f −σ p ) / ε 0 ) and E = (σ f / ε), ε = ε 0f / (σ f −σ p )) is obtained, and the charge contributing to polarization It can be seen that the increase in (hole-electron pairs) increases the dielectric constant of the photoelectric conversion layer 23p. That is, the dielectric constant of the entire gate insulating layer 23 is increased by irradiating the photoelectric conversion layer 23p with light.

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 light detection structure 100A is regarded as a transistor, the threshold voltage decreases as the dielectric constant of the gate insulating layer 23 increases (it may be said that the effective gate voltage increases). As a result, the voltage of the impurity region 20 s changes with the change in the dielectric constant of the gate insulating layer 23 by the source follower. That is, the source voltage when the light detection structure 100A is regarded as a transistor shows a change according to a change in illuminance to the light detection structure 100A. Therefore, light can be detected by detecting a change in the source voltage by an appropriate detection circuit. The output signal from the light detection structure 100A may be in the form of a voltage change or a current change.

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 photoelectric conversion layer 23p when detecting light. In a conventional optical sensor using a photodiode (or photoelectric conversion film), generally, a light detection operation is performed under a reverse bias corresponding to the first voltage range shown in FIG. Therefore, holes and electrons generated by photoelectric conversion move toward the cathode and anode of the photodiode, respectively. In light detection of a conventional optical sensor using a photodiode (or photoelectric conversion film), electric charges generated by photoelectric conversion are taken out as a signal to an external circuit.

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 photoelectric conversion layer 23p when detecting light. The first bias voltage applied to the transparent gate electrode 22g via the gate voltage control line 48 is, for example, 2.5V, and the second bias voltage applied to the impurity region 20d via the power supply line 42 is For example, 2.4V. When the photoelectric conversion layer 23p is irradiated with light in a state where a bias voltage in the third voltage range is applied, for example, hole-electron pairs are generated in the photoelectric conversion layer 23p. However, in a state where a bias voltage in the third voltage range is applied, the generated holes and electrons are separated and do not move to the electrode and form a dipole. That is, the generated holes and electrons themselves are not taken out of the photoelectric conversion layer 23p.

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 photoelectric conversion layer 23p when detecting light is a voltage in the third voltage range, there is no discharge of charge from the photoelectric conversion layer or inflow of charge to the photoelectric conversion layer. Generation of noise and afterimage can be suppressed.

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 photoelectric conversion layer 23p, the hole-electron pair is rapidly recombined (less than several tens of microseconds) and disappears. To do. Therefore, according to the embodiment of the present disclosure, it is possible to realize a high-speed response. Since a high-speed response can be realized, the photodetection device according to the embodiment of the present disclosure is advantageous for application to distance measurement using a time-of-flight method, ultrahigh-speed imaging, and the like.

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 photoelectric conversion layer 23p, for example, the photoelectric conversion layer 23p has sensitivity in two or more wavelength ranges and is high-speed with respect to changes in illuminance. A detection cell that exhibits a good response can be realized. The first and second photoelectric conversion materials are not limited to the materials described above. Any material that can exhibit a change in dielectric constant upon incidence of light can be used as the first and second photoelectric conversion materials.

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 photodetector 1000 can be manufactured using a general semiconductor manufacturing process. In particular, when a silicon substrate is used as the semiconductor substrate 20, the photodetector 1000 can be manufactured by using various silicon semiconductor processes. Since the light detection structure 100A has a device structure similar to a field effect transistor, it is relatively easy to form another transistor and the light detection structure 100A on the same semiconductor substrate.

(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 light detection apparatus 1000 includes a plurality of detection cells 10B each having a light detection structure 100B. In FIG. 10, the cross section of three detection cell 10Ba-10Bc arrange | positioned along the row direction of a photosensor array is shown.

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 light detection structure 100B includes a capacitance modulation transistor 60 and a photoelectric conversion unit 27B. The capacitance modulation transistor 60 is a field effect transistor formed on the semiconductor substrate 20. The capacitance modulation transistor 60 includes impurity regions 20d and 20s, an insulating layer 23x on the semiconductor substrate, and a gate electrode 24 on the insulating layer 23x. The impurity region 20d functions as a drain region (or source region) of the capacitance modulation transistor 60, and the impurity region 20s functions as a source region (or drain region) of the capacitance modulation transistor 60. Similar to the first embodiment, the impurity region 20d is configured to be able to apply a predetermined voltage (second bias voltage) during the operation of the photodetector 1000 by having a connection with the power supply wiring 42. . The insulating layer 23 x functions as a gate insulating layer of the capacitance modulation transistor 60. The insulating layer 23x is, for example, a silicon thermal oxide film.

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 photoelectric conversion unit 27B includes a pixel electrode 21, a transparent electrode 22 facing the pixel electrode 21, and a photoelectric conversion layer 23p sandwiched therebetween. The pixel electrode 21 is electrically separated from the pixel electrodes 21 in the other detection cells 10B by being spatially separated from the adjacent detection cells 10B. The pixel electrode 21 is typically a metal electrode or a metal nitride electrode. Examples of the material for forming the pixel electrode 21 are Al, Cu, Ti, TiN, Ta, TaN, Mo, Ru, and Pt. The pixel electrode 21 may be formed of polysilicon or the like to which conductivity is imparted by doping impurities. Here, a TiN electrode is used as the pixel electrode 21. By forming the pixel electrode 21 as a light-shielding electrode, it is possible to suppress stray light from entering the channel region of the capacitance modulation transistor 60 and / or the channel region of the address transistor 30.

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 photoelectric conversion layer 23p is formed over the other detection cells 10B. In other words, in the configuration illustrated in FIG. 10, the photoelectric conversion layer 23p in each of the detection cells 10Ba, 10Bb, and 10Bc is a part of a single continuous layer. By forming the photoelectric conversion layers 23p of the plurality of detection cells 10B in the form of a continuous single layer, the manufacturing process is simplified compared to the case where the photoelectric conversion layers 23p are formed separately for each detection cell 10B. Can be The thickness of the photoelectric conversion layer 23p can be, for example, about 200 nm.

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 transparent electrode 22 is also formed over the other detection cells 10B using TCO, similarly to the transparent gate electrode 22g in the first embodiment. The transparent electrode 22 is connected to a gate voltage control line 48 (not shown in FIG. 10, refer to FIG. 2), and is configured to be able to apply a predetermined voltage (first bias voltage) when the photodetector 1000 is in operation. Has been. That is, the voltage supply circuit 12 (see FIG. 2) is within a predetermined range (for example, the third voltage range described above) with reference to the potential of the impurity region 20d functioning as one of the drain region and the source region of the capacitance modulation transistor 60. ) Can be applied to the transparent electrode 22. Here, since the transparent electrode 22 is formed over the plurality of detection cells 10B, a common first bias voltage can be collectively applied to the plurality of detection cells 10A via the gate voltage control line 48. It is. Further, by forming the transparent electrodes 22 of the plurality of detection cells 10B in the form of a continuous single electrode, it is possible to avoid complication of the manufacturing process.

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 transparent electrode 22 and the photoelectric conversion layer 23p are arranged on the interlayer insulating layer 50, and the pixel electrode 21 of the photoelectric conversion unit is connected to a part of the multilayer wiring 40 and the connection unit 54 including the contact plug 52. The gate electrode 24 of the capacitance modulation transistor 60 is connected to each other. The photodetection structure 100B according to the second embodiment is schematically configured such that an electrode (here, connected) is provided between the photoelectric conversion layer 23p and the insulating layer 23x in the photodetection structure 100A (see FIG. 1) according to the first embodiment. It can be said that it has a structure in which the portion 54 and the gate electrode 24) are interposed. Note that the capacitance modulation transistor 60 can also be regarded as including a gate including a series connection of a capacitor having the insulating layer 23x as a dielectric layer and a capacitor having the photoelectric conversion layer 23p as a dielectric layer. In this case, the laminated structure of the insulating layer 23x and the photoelectric conversion layer 23p having the gate electrode 24 therebetween constitutes a gate capacitance (may be referred to as a gate insulating layer) in the capacitance modulation transistor 60, and the transparent electrode 22 It can be said that the gate electrode in the capacitance modulation transistor 60 is configured.

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 transparent electrode 22 and the impurity region 20d, respectively, a predetermined bias (typically a voltage in the third voltage range) is applied between the main surfaces of the photoelectric conversion layer 23p. ) Is given. Light enters the photoelectric conversion layer 23p through the transparent electrode 22 in a state where the potential difference between the transparent electrode 22 and the impurity region 20d is kept constant.

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 photoelectric conversion layer 23p, for example, hole-electron pairs are generated in the photoelectric conversion layer 23p, and the dielectric constant between the pixel electrode 21 and the transparent electrode 22 changes. As the dielectric constant between the pixel electrode 21 and the transparent electrode 22 changes, the effective gate voltage of the capacitance modulation transistor 60 changes, and the threshold voltage in the capacitance modulation transistor 60 changes. The voltage or current from the impurity region 20s changes due to the change in threshold value. Therefore, it is possible to detect a change in illuminance, for example, in the form of a change in voltage on the vertical signal line 46.

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 photoelectric conversion layer 23p includes the first and second photoelectric conversion materials having different absorption peaks. Therefore, the above-described change in dielectric constant occurs in a wider wavelength range than when a single photoelectric conversion material is used. According to the second embodiment of the present disclosure, using the change in the dielectric constant between the pixel electrode 21 and the transparent electrode 22, for example, light in two different wavelength ranges, as in the first embodiment. Can be detected.

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 band filter 26 is further disposed between the transparent electrode 22 and the microlens 28. The first filter 26a, the second filter 26b, and the third filter 26c of the band filter 26 face the transparent electrode 22 of the detection cell 10Ba, the transparent electrode 22 of the detection cell 10Bb, and the transparent electrode 22 of the detection cell 10Bc, respectively. By making the transmission characteristics of the first filter 26a, the second filter 26b, and the third filter 26c different from each other, light in the first, second, and third wavelength ranges is selectively incident on the detection cells 10Ba to 10Bc, respectively. be able to.

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 first filter 26a, the second filter 26b, and the third filter 26c are, for example, colors that selectively transmit light in the red (R), green (G), and blue (B) wavelength ranges, respectively. Can be a filter. In this case, red light, green light, and blue light can be detected by the detection cells 10Ba, 10Bb, and 10Bc, respectively. Alternatively, at least one of the first filter 26a, the second filter 26b, and the third filter 26c may be an IR filter that transmits light having a wavelength of 780 nm or more, for example. For example, if an IR filter is used for the first filter 26a, infrared light can be detected by the detection cell 10Ba.

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 second filter 26b and the third filter 26c, a G filter and a blue color that selectively transmit green light, respectively. A B filter that selectively transmits light may be used. Alternatively, tin naphthalocyanine and C 60 may be used as the first photoelectric conversion material and the second photoelectric conversion material, respectively, and an IR filter and a B filter may be used as the second filter 26b and the third filter 26c, respectively.

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 photoelectric conversion layer 23p is disposed on the interlayer insulating layer 50, compared to the structure in which the photoelectric conversion layer 23p is embedded in the interlayer insulating layer 50 (see FIG. 1), a multilayer structure is provided. The degree of freedom of layout of various wirings in the wiring 40 is improved. In the configuration illustrated in FIG. 10, when the detection cell 10B is viewed from the normal direction of the semiconductor substrate 20, the ratio of the region where the pixel electrode 21 and the transparent electrode 22 overlap to the detection cell 10B is the aperture ratio in the detection cell 10B. It corresponds to. Therefore, it is easy to obtain a larger aperture ratio than a structure in which the photoelectric conversion layer 23p is embedded in the interlayer insulating layer 50 (see FIG. 1).

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 photoelectric conversion layer 23p on the interlayer insulating layer 50 than in the case where the photoelectric conversion layer 23p is embedded in the interlayer insulating layer 50, which is advantageous in terms of manufacturing. For example, if the gate electrode 24 of the capacity modulation transistor 60 and the gate electrode 34 of the address transistor 30 are both polysilicon electrodes, the gate of the address transistor 30 can be formed simultaneously with the formation of the gate of the capacity modulation transistor 60.

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 gate electrode 24 of the capacitance modulation transistor 60 and the gate electrode 34 of the address transistor 30 using different materials, it is necessary to form them sequentially. When the lithography technique is applied to form the gate electrode 24 and the gate electrode 34 or when impurities are implanted, it is generally difficult to avoid an alignment shift between the gate electrode 24 and the gate electrode 34. Therefore, when the gate electrode 24 of the capacitance modulation transistor 60 and the gate electrode 34 of the address transistor 30 are formed using different materials, it is necessary to ensure a margin in alignment. In other words, it is disadvantageous for miniaturization of the detection cell in the photodetection device.

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 gate electrode 24 in the capacitance modulation transistor 60 and the gate electrode 34 in the address transistor 30 in the same layer (common level), using a common mask and a common material, These can be collectively arranged in a desired position and shape without taking into account the alignment shift. Similarly, by taking the insulating layer 23x at the gate of the capacitance modulation transistor 60 and the gate insulating layer 33 at the address transistor 30 as the same layer, a shift in alignment is taken into account using a common mask and a common material. Instead, they can be collectively arranged in a desired position and shape. Therefore, a finer pixel can be formed. By making the gate structure of the capacitance modulation transistor 60 and the gate structure of the address transistor 30 common, the manufacturing cost can be further reduced.

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 light detection structure 100A does not have an electrode corresponding to the gate electrode 24 in the capacitance modulation transistor 60 (see FIG. 1). However, it is possible to form the insulating layer 23x in the photodetection structure 100A and the gate insulating layer 33 in the address transistor 30 by using a common mask and a common material. Thereby, the alignment for forming the gate insulating layer 33 after the formation of the insulating layer 23x or the alignment for forming the insulating layer 23x after the formation of the gate insulating layer 33 can be eliminated. Therefore, the insulating layer 23x and the gate insulating layer 33 are made the same layer, and the positional shift between the insulating layer 23x and the gate insulating layer 33 can be eliminated.

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 photoelectric conversion layer 23p are not moved toward the electrode, but the photoelectric conversion layer. The electrical signal corresponding to the change in the dielectric constant of 23p (between the pixel electrode 21 and the transparent electrode 22 in the example of FIG. 10) is read. In a stacked image sensor, only one of holes and electrons can be used as a signal charge, whereas in the photodetection structure of the present disclosure, positive and negative charges (for example, holes and electrons) are paired. It is used to change the threshold. Therefore, higher sensitivity can be realized. Further, assuming that the potential difference applied between the upper surface and the lower surface of the photoelectric conversion layer 23p is the potential difference in the third voltage range described above, generated positive and negative charges (for example, holes and electrons) when the light irradiation is stopped. Pairs will recombine promptly. That is, unlike the stacked image sensor, the pixel electrode potential resetting operation is unnecessary. Note that the light detection structure of the present disclosure does not perform the operation of accumulating holes or electrons generated in the photoelectric conversion layer 23p as signal charges in the floating diffusion. Therefore, unlike the stacked image sensor, the semiconductor substrate 20 does not have a charge storage region for storing signal charges.

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 photoelectric conversion layer 23p is the potential difference in the third voltage range described above, when the light irradiation is stopped, a pair of generated positive and negative charges is generated. Can recombine quickly. This means that the output of the light detection structure shows fluctuations according to changes in illuminance during light irradiation, and does not depend on the integrated light quantity. Therefore, when the potential difference applied between the upper surface and the lower surface of the photoelectric conversion layer 23p is set to the potential difference in the third voltage range described above, the exposure timing and the signal readout timing are basically matched. .

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 impurity region 20s or 30s (for example, see FIG. 10) of the semiconductor substrate 20 may be provided in the detection cell. By disposing such a capacitor in the detection cell, it becomes possible to read the output signal at a timing different from the exposure for the light detection structure.

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 light detection apparatus 1000. In the configuration illustrated in FIG. 11, the light detection apparatus 1000 includes a plurality of detection cells 10C (here, detection cells 10Ca, 10Cb, and 10Cc) each having a light detection structure 100C. The difference between the photoelectric conversion unit 27C of the light detection structure 100C shown in FIG. 11 and the photoelectric conversion unit 27B of the light detection structure 100B described with reference to FIG. 10 is that the photoelectric conversion unit 27C has the photoelectric conversion layer 23p. And an electrode (pixel electrode 21 and / or transparent electrode 22).

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 layers 29 a and 29 b are disposed between the pixel electrode 21 and the photoelectric conversion layer 23 p and between the photoelectric conversion layer 23 p and the transparent electrode 22, respectively. As a material constituting the insulating layers 29a and 29b, for example, a material having a smaller leakage current than a material constituting the photoelectric conversion layer 23p can be selected. For example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, an aluminum oxide film, or the like can be used.

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 pixel electrode 21 and the photoelectric conversion layer 23p and at least one between the photoelectric conversion layer 23p and the transparent electrode 22 is a photoelectric conversion of a photoelectric conversion material having absorption in the near infrared region. This is particularly effective when used for the layer 23p. The photoelectric conversion material having absorption in the near infrared region has a narrow band gap, and the magnitude of the leakage current in the organic photoelectric conversion layer alone under a bias voltage of 0.1 V is 1 × 10 −8 A / cm. Can be on the order of 2 . When a narrow band gap material is used as the first photoelectric conversion material or the second photoelectric conversion material and a large bias is applied between the main surfaces of the photoelectric conversion layer 23p, the photoelectric conversion layer 23p is supplied to or from the photoelectric conversion layer 23p. Leakage current may occur, and a sufficient S / N ratio may not be ensured. By disposing an insulating layer on at least one main surface side of the photoelectric conversion layer 23p, such a leakage current can be reduced and a necessary S / N ratio can be ensured. In the light detection structure 100A illustrated in FIG. 1, the insulating layer 23x disposed between the photoelectric conversion layer 23p and the semiconductor substrate 20 contributes to the reduction of such a leakage current.

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 layers 29a and 29b are disposed between the pixel electrode 21 and the photoelectric conversion layer 23p and between the photoelectric conversion layer 23p and the transparent electrode 22, respectively. A large bias voltage can be applied between the drain region (or source region) of the capacitance modulation transistor 60 and the transparent electrode 22. For example, the voltage supply circuit 12 may give a potential difference in the first voltage range between the drain region (or source region) of the capacitance modulation transistor 60 and the transparent electrode 22. In other words, when detecting light, a potential difference in the first voltage range may be applied between the main surfaces of the photoelectric conversion layer 23p instead of the potential difference in the third voltage range. For example, a voltage of 3.7 V as the first bias voltage and a voltage of 1.2 V as the second bias voltage may be applied to the impurity region 20 d and the transparent electrode 22, respectively.

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 photoelectric conversion layer 23p in a state where a bias voltage in the first voltage range (see FIG. 9) is applied to the photoelectric conversion layer 23p, positive and negative charges (for example, holes) generated by the photoelectric conversion are generated. And one of electrons) moves toward the transparent electrode 22, and the other moves toward the pixel electrode 21. In this way, when a bias voltage in the first voltage range is applied to the photoelectric conversion layer 23p, positive and negative charges generated by photoelectric conversion can be separated. The time until the pair of charges is recombined is longer than when a bias voltage in the third voltage range is applied to the photoelectric conversion layer 23p. Therefore, it is not always necessary to match the exposure timing with the signal readout timing. Since it is relatively easy to make the exposure timing different from the signal readout timing, in one aspect, application of the bias voltage in the first voltage range to the photoelectric conversion layer 23p is advantageous for application to an image sensor. It is.

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 photoelectric conversion layer 23p, the insulating layer 29a between the photoelectric conversion layer 23p and the pixel electrode 21 has positive and negative charges (for example, positive charges) generated by photoelectric conversion. It can function as a capacitor that stores one of holes and electrons). As the charge is accumulated in the capacitor, electrostatic induction occurs in the connection portion 54, and the effective gate voltage in the capacitance modulation transistor 60 changes. After the reading of the output signal is completed, for example, a voltage having a polarity opposite to the first bias voltage is applied to the transparent electrode 22 to reset the charge accumulated in the insulating layer 29a as a capacitor. A reset operation is performed. Of course, the light detection operation may be performed in a state where the bias voltage in the third voltage range is applied to the photoelectric conversion layer 23p. In this case, the reset operation is not necessary.

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 photoelectric conversion layer 23p and the pixel electrode 21 and between the photoelectric conversion layer 23p and the transparent electrode 22. In the case where the potential difference between the impurity region 20d and the transparent electrode 22 is increased by disposing an insulating layer between the photoelectric conversion layer 23p and the pixel electrode 21 and between the photoelectric conversion layer 23p and the transparent electrode 22. Even if it exists, the movement to the exterior of the photoelectric converting layer 23p of the electric charge produced | generated by photoelectric conversion can be suppressed. Therefore, afterimage generation can be suppressed. In addition, from the viewpoint of suppressing the movement of charges to the outside of the photoelectric conversion layer 23p, insulation is provided between at least one of the photoelectric conversion layer 23p and the pixel electrode 21 and between the photoelectric conversion layer 23p and the transparent electrode 22. A layer may be disposed.

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 capacitance modulation transistor 60 and the address transistor 30 is an N-channel MOS has been described. However, the transistors in the embodiments of the present disclosure are not limited to N-channel MOS. The capacitance modulation transistor 60 and the address transistor 30 may be an N-channel MOS or a P-channel MOS. Further, these need not be unified with either the N-channel MOS or the P-channel MOS. As the address transistor 30, a bipolar transistor can be used in addition to the FET. The carriers in the channel formed between the impurity regions 20d and 20s of the light detection structure 100A described above may be electrons or holes.

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.

Figure 2017220577
Figure 2017220577

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 photoelectric conversion layer 23p of the photodetecting device 1000, white light is detected using a change in dielectric constant. It turns out that it is possible.

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.

Figure 2017220577
Figure 2017220577

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 photoelectric conversion layer 23p of the photodetecting device 1000, information on near-infrared illuminance is obtained using a change in dielectric constant. It turns out that it is possible.

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 10C Detection cell 12 Voltage supply circuit 14 Vertical scanning circuit 20 Semiconductor substrate 20d, 20s, 30s Impurity region 20t Element isolation region 21 Pixel electrode 22 Transparent electrode 22g Transparent gate electrode 23 Gate insulating layer 23p Photoelectric conversion layer 23x Insulating layer 24 Gate Electrode 25a, 25b Protective layer 26 Band filter 26a First filter 26b Second filter 26c Third filter 27B, 27C Photoelectric conversion unit 29a, 29b Insulating layer 30 Address transistor 30s Impurity region 54 Connection unit 60 Capacitance modulation transistor 100A to 100C Photodetection Structure 120s Laminated structure 120t Photoelectric conversion structure 122m Mixed layer 1000 Photodetector

Claims (21)

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 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.
前記ゲート絶縁層は、前記光電変換層と前記半導体基板の間に配置された絶縁層を含む、請求項1に記載の光検出装置。   The photodetecting device according to claim 1, wherein the gate insulating layer includes an insulating layer disposed between the photoelectric conversion layer and the semiconductor substrate. 前記透明ゲート電極と前記半導体基板との間に配置された遮光膜を有する、請求項1または2に記載の光検出装置。   The photodetecting device according to claim 1, further comprising a light shielding film disposed between the transparent gate electrode and the semiconductor substrate. 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、
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1検出セルの透明ゲート電極および前記第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、請求項4に記載の光検出装置。   The light detection device according to claim 4, wherein each of the transparent gate electrode of the first detection cell and the transparent gate electrode of the second detection cell is a part of a single continuous electrode. 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.
前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの他方の電位を基準としたときに前記第3電圧範囲内にあるゲート電圧を前記透明ゲート電極に供給する電圧供給回路をさらに備え、
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.
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電極と前記光電変換層との間、および、前記光電変換層と前記第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、請求項8に記載の光検出装置。   9. The apparatus according to claim 8, further comprising at least one insulating layer disposed between the first electrode and the photoelectric conversion layer and at least one of the photoelectric conversion layer and the second electrode. Photodetector. 前記ソースおよび前記ドレインのうちの前記一方の電位を基準としたときに前記第1電圧範囲内にある電圧を前記第2電極に供給する電圧供給回路をさらに備える、請求項9に記載の光検出装置。   The photodetection according to claim 9, further comprising a voltage supply circuit that supplies a voltage within the first voltage range to the second electrode when the potential of the one of the source and the drain is used as a reference. apparatus. 前記ソースおよび前記ドレインのうちの前記一方の電位を基準としたときに前記第3電圧範囲内にある電圧を前記第2電極に供給する電圧供給回路をさらに備える、請求項8または9に記載の光検出装置。   10. The voltage supply circuit according to claim 8, further comprising a voltage supply circuit that supplies a voltage within the third voltage range to the second electrode when the potential of the one of the source and the drain is used as a reference. Photodetector. 前記第1電極は、遮光性電極である、請求項8から11のいずれかに記載の光検出装置。   The photodetecting device according to claim 8, wherein the first electrode is a light-shielding electrode. 前記電界効果トランジスタの前記ゲートは、前記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、
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.
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、
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.
前記第1検出セルの第2電極および前記第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、請求項14に記載の光検出装置。   The optical detection device according to claim 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. 前記第1検出セルの光電変換層および前記第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、請求項14または15に記載の光検出装置。   The photodetection device according to claim 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. 前記第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、前記第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、請求項4、5、14、15または16のいずれかに記載の光検出装置。   The first filter selectively transmits light in a first wavelength range of visible light, and the second filter selectively transmits light in a second wavelength range of visible light. The photodetection device according to any one of 4, 5, 14, 15 and 16. 前記第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、前記第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、請求項4、5、14、15または16のいずれかに記載の光検出装置。   The first filter selectively transmits light in a first wavelength range of visible light, and the second filter selectively transmits infrared light in a second wavelength range. , 15 or 16. 前記第1光電変換材料の吸収ピークは、前記第1波長範囲内にある、請求項17または18に記載の光検出装置。   The photodetection device according to claim 17 or 18, wherein an absorption peak of the first photoelectric conversion material is in the first wavelength range. 前記第2光電変換材料の吸収ピークは、前記第2波長範囲内にある、請求項17から19のいずれかに記載の光検出装置。   The photodetection device according to claim 17, wherein an absorption peak of the second photoelectric conversion material is in the second wavelength range. 前記光電変換層は、前記第1光電変換材料および前記第2光電変換材料の積層構造を有する、請求項1から20のいずれかに記載の光検出装置。   21. The light detection device according to claim 1, wherein the photoelectric conversion layer has a stacked structure of the first photoelectric conversion material and the second photoelectric conversion material.
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