JP2020088387A - 光電変換素子と有機センサ及び電子装置 - Google Patents

光電変換素子と有機センサ及び電子装置 Download PDF

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勇 完 陳
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Yong-Suk Choi
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Abstract

【課題】電荷抽出効率を改善させた光電変換素子と有機センサ及び電子装置を提供する。【解決手段】本発明の光電変換素子は、互いに対向する第１電極１０及び第２電極２０と、第１電極と前記第２電極との間に位置し、少なくとも一部の波長領域の光を吸収して電気的信号に変換する光電変換層３０と、第１電極と光電変換層との間に位置し、光電変換層の電荷移動度よりも高い電荷移動度を有する有機補助層４０と、を備え、電荷抽出効率を改善させる。【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換素子と有機センサ及び電子装置に関する。
光電変換素子は、光を受けて電気信号に変換する素子であって、光ダイオード及び光トランジスターなどを含み、有機センサ、光検出器、又は太陽電池などに適用される。
有機センサは、日増しに高い解像度が求められており、それに伴って画素の大きさが小さくなっている。現在主に使用されるシリコン光ダイオードの場合、画素の大きさが小さくなりながら吸収面積が減るため、感度低下が発生することがある。これによって、シリコンを代替することができる有機物質が研究されている。
有機物質は、吸光係数が大きく、分子構造に応じて特定の波長領域の光を選択的に吸収することができることから、光ダイオード及び色フィルタを同時に代替することができるため、高集積に有利である。
しかし、有機物質は、高い結合エネルギー（ｂｉｎｄｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ）及び再結合（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）挙動によりシリコンと異なる特性を示すことがあり、有機物質の特性を正確に予測しにくく、光電変換素子で要求される物性を容易に制御しにくい。
特開２０１７−０１１２７３号公報
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、電荷抽出効率を改善させた光電変換素子、光電変換素子を含む有機センサ、及び光電変換素子又は前記有機センサを含む電子装置を提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による光電変換素子は、互いに対向する第１電極及び第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、少なくとも一部の波長領域の光を吸収して電気的信号に変換する光電変換層と、前記第１電極と前記光電変換層との間に位置し、前記光電変換層の電荷移動度よりも高い電荷移動度を有する有機補助層と、を備える。
前記有機補助層の電荷移動度は、前記光電変換層の電荷移動度よりも１００倍以上高くあり得る。
前記有機補助層の電荷移動度は、１．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上であり得る。
前記光電変換層は、第１有機物を含み、前記有機補助層は、前記第１有機物と異なる第２有機物を含み、前記第２有機物の電荷移動度は、前記第１有機物の電荷移動度よりも約１００倍以上高くあり得る。
前記第２有機物の電荷移動度は、１．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上であり得る。
前記第２有機物は、縮合多環芳香族化合物、縮合多環ヘテロ芳香族化合物、又はこれらの組み合わせであり得る。
前記縮合多環芳香族化合物又は前記縮合多環ヘテロ芳香族化合物は、４つ以上の環が縮合していてもよい。
前記縮合多環ヘテロ芳香族化合物は、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、又はこれらの組み合わせを含み得る。
前記光電変換層は、前記第１有機物とｐｎ接合を形成するｐ型半導体又はｎ型半導体を更に含み、前記有機補助層は、前記ｐ型半導体又は前記ｎ型半導体を更に含み得る。
前記ｐ型半導体又は前記ｎ型半導体は、フラーレン又はフラーレン誘導体を含み得る。
前記有機補助層の厚さは、約５ｎｍ以下であり得る。
前記光電変換素子は、前記第１電極と前記光電変換層との間に位置する無機ナノ層を更に含み得る。
前記無機ナノ層は、ランタン族元素、カルシウム（Ｃａ）、カリウム（Ｋ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれらの合金を含み得る。
前記ランタン族元素は、イッテルビウム（Ｙｂ）を含み得る。
前記無機ナノ層の厚さは、約５ｎｍ以下であり得る。
前記有機補助層は、前記光電変換層に当接し、前記無機ナノ層は、前記第１電極に当接し得る。
前記第１電極は、カソードであり、前記第２電極は、アノードであり得る。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による有機センサは、前記光電変換素子を含む。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による電子装置は、前記光電変換素子又は前記有機センサを含む。
本発明によれば、電荷移動性を改善して残留電荷を減らすことによって、光電変換素子の電荷抽出効率を高めることができる。
本発明の第１実施形態による光電変換素子の一例を示す断面図である。 本発明の第２実施形態による光電変換素子の一例を示す断面図である。 本発明の第３実施形態による光電変換素子の一例を示す断面図である。 本発明の第４実施形態による光電変換素子の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態による有機センサの一例を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施形態による有機センサの他の例を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施形態による有機センサの一例を概略的に示す平面図である。 図７の有機センサの一例を概略的に示す断面図である。 図７の有機センサの他の例を概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態による有機センサの一例を概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態による有機センサの他の例を概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態による有機センサの一例を概略的に示す平面図である。 図１２の有機センサの一例を概略的に示す断面図である。 図１２の有機センサの他の例を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施形態による有機ＣＭＯＳイメージセンサを概略的に示す平面図である。 図１５の有機ＣＭＯＳイメージセンサの一例を示す断面図である。 有機ＣＭＯＳイメージセンサの他の例を示す断面図である。 有機ＣＭＯＳイメージセンサの更に他の例を示す断面図である。 本発明の一実施形態による電子装置の概略的なブロック図である。
以下、本発明を実施するための形態の具体例を、図面を参照しながら詳細に説明する。しかし、実際に適用される構造は、様々な異なる形態で実現することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。
図面において、複数の層及び領域を明確に表現するために、厚さを拡大して示した。
層、膜、領域、板などの部分が他の部分の‘上’にあるという場合、これは他の部分の‘直上’にある場合のみならず、その中間に更に他の部分がある場合も含む。一方、ある部分が他の部分の‘直上’にあるという場合には、中間に他の部分がないことを意味する。
本明細書で別途の定義がない限り、‘置換’とは、化合物中の水素原子がハロゲン原子、ヒドロキシ基、アルコキシ基、ニトロ基、シアノ基、アミノ基、アジド基、アミジノ基、ヒドラジノ基、ヒドラゾノ基、カルボニル基、カルバモイル基、チオール基、エステル基、カルボキシル基又はその塩、スルホン酸基又はその塩、リン酸又はその塩、シリル基、炭素数１〜２０のアルキル基、炭素数２〜２０のアルケニル基、炭素数２〜２０のアルキニル基、炭素数６〜３０のアリール基、炭素数７〜３０のアリールアルキル基、炭素数１〜３０のアルコキシ基、炭素数１〜２０のヘテロアルキル基、炭素数３〜２０のヘテロアリール基、炭素数３〜２０のヘテロアリールアルキル基、炭素数３〜３０のシクロアルキル基、炭素数３〜１５のシクロアルケニル基、炭素数６〜１５のシクロアルキニル基、炭素数３〜３０のヘテロシクロアルキル基、及びこれらの組み合わせから選択される置換基で置換されたことを意味する。
本明細書で別途の定義がない限り、‘ヘテロ’とは、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓｉ、及びＰから選択されるヘテロ原子を１〜４個含有したものを意味する。
本明細書において‘組み合わせ’とは、混合及び２つ以上の積層構造を含む。
本明細書において‘金属’は、金属、半金属、又はこれらの組み合わせを含む。
本明細書において‘エネルギー準位（ｅｎｅｒｇｙ ｌｅｖｅｌ）’は、最高被占軌道（ｈｉｇｈｅｓｔ ｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ：ＨＯＭＯ）エネルギー準位又は最低空軌道（ｌｏｗｅｓｔ ｕｎｏｃｃｕｐｉｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｏｒｂｉｔａｌ：ＬＵＭＯ）エネルギー準位である。
本明細書において、仕事関数（ｗｏｒｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）又はエネルギー準位値は、真空レベル（ｖａｃｕｕｍ ｌｅｖｅｌ）からの絶対値として表される。また、仕事関数又はエネルギー準位が深い、高い、又は大きいということは真空レベルを‘０ｅＶ’として絶対値が大きいことを意味し、仕事関数又はエネルギー準位が浅い、低い、又は小さいということは真空レベルを‘０ｅＶ’として絶対値が小さいことを意味する。
本明細書において、電荷移動度（ｃｈａｒｇｅ ｍｏｂｉｌｉｔｙ）はダイオード構造により評価された値である。
以下、本発明の実施形態による光電変換素子を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による光電変換素子の一例を示す断面図である。
図１を参照すると、本実施形態による光電変換素子１００は、第１電極１０、第２電極２０、光電変換層３０、及び有機補助層４０を含む。
基板（図示せず）は、第１電極１０側に配置してもよく、第２電極２０側に配置してもよい。基板は、例えば、ガラスなどの無機物質、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアミド、ポリエーテルスルホン、又はこれらの組み合わせなどの有機物質、或いはシリコンウェハーなどで作られる。基板は省略され得る。
第１電極１０及び第２電極２０のうちの１つはアノード（ａｎｏｄｅ）であり、他の１つはカソード（ｃａｔｈｏｄｅ）である。例えば、第１電極１０はカソードであり、第２電極２０はアノードである。例えば、第１電極１０はアノードであり、第２電極２０はカソードである。
第１電極１０及び第２電極２０のうちの少なくとも１つは透明電極である。ここで透明電極は、光透過度約８０％以上の高い透過率を有する透明電極であり、例えば微小共振（ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ）のための半透明電極を含まない。透明電極は、例えば酸化物導電体及び炭素導電体のうちの少なくとも１つを含み、酸化物導電体は、例えば、インジウム錫酸化物（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ、ＩＴＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ、ＩＺＯ）、亜鉛錫酸化物（ｚｉｎｃ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ、ＺＴＯ）、アルミニウム錫酸化物（Ａｌｕｍｉｎｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ、ＡｌＴＯ）、及びアルミニウム亜鉛酸化物（Ａｌｕｍｉｎｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ、ＡＺＯ）から選択される１つ以上であり、炭素導電体はグラフェン及び炭素ナノ体から選択される１つ以上である。
第１電極１０及び第２電極２０のうちのいずれか１つは反射電極である。ここで反射電極は、例えば光透過度約１０％未満又は約５％以上の高い反射率を有する反射電極である。反射電極は、金属などの反射導電体を含み、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、又はこれらの合金を含む。
一例として、第１電極１０は、光透過度８０％以上の透明電極、又は光透過度約１０％未満の反射電極である。
光電変換層３０は、少なくとも一部の波長領域の光を吸収して電気的信号に変換する。例えば、緑色波長領域の光（以下、‘緑色光’という）、青色波長領域の光（以下、‘青色光’という）、赤色波長領域の光（以下、‘赤色光’という）、及び赤外線波長領域の光（以下、‘赤外光’という）のうちの一部を電気的信号に変換する。
一例として、光電変換層３０は、緑色光、青色光、赤色光、及び赤外光のうちのいずれか１つを選択的に吸収する。ここで、緑色光、青色光、赤色光、及び赤外光のうちのいずれか１つを選択的に吸収するということは、吸光スペクトルのピーク吸収波長（λｍａｘ）が約５００ｎｍ〜６００ｎｍ、約３８０ｎｍ以上５００ｎｍ未満、約６００ｎｍ超７００ｎｍ以下、及び約７００ｎｍ超のうちのいずれか１つに存在し、当該波長領域内の吸光スペクトルがその他の波長領域の吸光スペクトルよりも顕著に高いことを意味する。
光電変換層３０は、少なくとも１つのｐ型半導体と少なくとも１つのｎ型半導体とがｐｎ接合（ｐｎ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を形成し、外部から光を受けてエキシトン（ｅｘｃｉｔｏｎ）を生成した後、生成されたエキシトンを正孔と電子とに分離する。
ｐ型半導体及びｎ型半導体はそれぞれ吸光物質であり、例えばｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも１つは有機吸光物質である。一例として、ｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも１つは、所定の波長領域の光を選択的に吸収する波長選択性吸光物質であり、例えばｐ型半導体及びｎ型半導体のうちの少なくとも１つは波長選択性有機吸光物質である。ｐ型半導体及びｎ型半導体は互いに同一又は異なる波長領域でピーク吸収波長（λｍａｘ）を有する。
一例として、ｐ型半導体は電子供与モイエティ、π共役連結基、及び電子受容モイエティを含むコア構造を有する有機物質である。
ｐ型半導体は、例えば下記化学式１で表されるが、これに限定されるものではない。
［化学式１］
ＥＤＧ−ＨＡ−ＥＡＧ
上記化学式１中、
ＨＡは、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、及びＳｉのうちの少なくとも１つを有する炭素数２〜３０のヘテロ環基であり、
ＥＤＧは、電子供与基であり、
ＥＡＧは、電子受容基である。
一例として、上記化学式１で表されるｐ型半導体は、例えば下記化学式１Ａで表される。
Figure 2020088387
上記化学式１Ａ中、
Ｘは、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、ＳＯ、ＳＯ２、又はＳｉＲａＲｂであり、
Ａｒは、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリーレン基、置換又は非置換の炭素数３〜３０のヘテロ環基、又はこれらの中から選択される２つ以上の縮合環であり、
Ａｒ１ａ及びＡｒ２ａは、それぞれ独立して、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、或いは置換又は非置換の炭素数３〜３０のヘテロアリール基であり、
Ａｒ１ａ及びＡｒ２ａは、それぞれ独立して存在するか、又は互いに結合して縮合環を形成し、
Ｒ１ａ〜Ｒ３ａ、Ｒａ及びＲｂは、それぞれ独立して、水素、重水素、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換又は非置換の炭素数３〜３０のヘテロアリール基、置換又は非置換の炭素数１〜６のアルコキシ基、ハロゲン又はシアノ基である。
一例として、上記化学式１Ａ中、Ａｒ１ａ及びＡｒ２ａは、それぞれ独立して、置換又は非置換のフェニル基、置換又は非置換のナフチル基、置換又は非置換のアントラセニル基、置換又は非置換のフェナントレニル基、置換又は非置換のピリジニル（ｐｙｒｉｄｉｎｙｌ）基、置換又は非置換のピリダジニル（ｐｙｒｉｄａｚｉｎｙｌ）基、置換又は非置換のピリミジニル（ｐｙｒｉｍｉｄｉｎｙｌ）基、置換又は非置換のピラジニル（ｐｙｒａｚｉｎｙｌ）基、置換又は非置換のキノリニル（ｑｕｉｎｏｌｉｎｙｌ）基、置換又は非置換のイソキノリニル（ｉｓｏｑｕｉｎｏｌｉｎｙｌ）基、置換又は非置換のナフチリジニル（ｎａｐｈｔｈｙｒｉｄｉｎｙｌ）基、置換又は非置換のシノリニル（ｃｉｎｎｏｌｉｎｙｌ）基、置換又は非置換のキナゾリニル（ｑｕｉｎａｚｏｌｉｎｙｌ）基、置換又は非置換のフタラジニル（ｐｈｔｈａｌａｚｉｎｙｌ）基、置換又は非置換のベンゾトリアジニル（ｂｅｎｚｏｔｒｉａｚｉｎｙｌ）基、置換又は非置換のピリドピラジニル（ｐｙｒｉｄｏｐｙｒａｚｉｎｙｌ）基、置換又は非置換のピリドピリミジニル（ｐｙｒｉｄｏｐｙｒｉｍｉｄｉｎｙｌ）基、及び置換又は非置換のピリドピリダジニル（ｐｙｒｉｄｏｐｙｒｉｄａｚｉｎｙｌ）基から選択される。
一例として、上記化学式１Ａ中、Ａｒ１ａ及びＡｒ２ａは、互いに縮合して環を形成し、Ａｒ１ａ及びＡｒ２ａは、例えば単結合、−（ＣＲｇＲｈ）ｎ２−（ｎ２は、１又は２）、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｓｅ−、−Ｎ＝、−ＮＲｉ−、−ＳｉＲｊＲｋ−、及び−ＧｅＲｌＲｍ−から選択される１つで連結されて環を形成する。ここでＲｇ〜Ｒｍは、それぞれ独立して、水素、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換又は非置換の炭素数３〜３０のヘテロアリール基、置換又は非置換の炭素数１〜６のアルコキシ基、ハロゲン又はシアノ基である。
一例として、上記化学式１で表されるｐ型半導体は、例えば下記化学式１Ｂ−１又は１Ｂ−２で表される。
Figure 2020088387
上記化学式１Ｂ−１又は１Ｂ−２中、
Ｘ１は、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｏ、Ｓ、ＳＯ、又はＳＯ２であり、
Ａｒ３は、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリーレン基、置換又は非置換の炭素数３〜３０のヘテロ環基、又はこれらの中から選択される２つ以上の縮合環であり、
Ｒ１〜Ｒ３は、それぞれ独立して、水素、重水素、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルコキシ基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換又は非置換の炭素数３〜３０のヘテロアリール基、ハロゲン、シアノ基、シアノ基含有、及びこれらの組み合わせから選択され、
Ｇは、単結合、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｓｅ−、−Ｎ＝、−（ＣＲｆＲｇ）ｋ−、−ＮＲｈ−、−ＳｉＲｉＲｊ−、−ＧｅＲｋＲｌ−、−（Ｃ（Ｒｍ）＝Ｃ（Ｒｎ））−、及びＳｎＲｏＲｐから選択され、ここでＲｆ、Ｒｇ、Ｒｈ、Ｒｉ、Ｒｊ、Ｒｋ、Ｒｌ、Ｒｍ、Ｒｎ、Ｒｏ、及びＲｐは、それぞれ独立して、水素、ハロゲン、置換又は非置換の炭素数１〜１０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数１〜１０のアルコキシ基、及び置換又は非置換の炭素数６〜１２のアリール基から選択され、ＲｆとＲｇ、ＲｉとＲｊ、ＲｋとＲｌ、ＲｍとＲｎ、及びＲｏとＲｐは、それぞれ独立して存在するか又は互いに連結されて環を形成し、ｋは１又は２であり、
Ｙ２は、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、及びＣ（Ｒｑ）（ＣＮ）（ここでＲｑは、水素、シアノ基（−ＣＮ）、及び炭素数１〜１０のアルキル基から選択される）から選択され、
Ｒ６ａ〜Ｒ６ｄ及びＲ７ａ〜Ｒ７ｄ、Ｒ１６及びＲ１７は、それぞれ独立して、水素、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換又は非置換の炭素数３〜３０のヘテロアリール基、ハロゲン、シアノ基、シアノ基含有、及びこれらの組み合わせから選択され、
Ｒ６ａ〜Ｒ６ｄは、それぞれ独立して存在するか、又は互いに隣接する２つが互いに連結されて縮合環を形成し、
Ｒ７ａ〜Ｒ７ｄは、それぞれ独立して存在するか、又は互いに隣接する２つが互いに連結されて縮合環を形成する。
一例として、上記化学式１Ｂ−１又は１Ｂ−２中、Ａｒ３は、ベンゼン、ナフチレン、アントラセン、チオフェン、セレノフェン、テルロフェン、ピリジン、ピリミジン、又はこれらの中から選択される２つ以上の縮合環である。
ｎ型半導体は、例えばフラーレン又はフラーレン誘導体であるが、これらに限定されるものではない。
光電変換層３０は、ｐ型半導体とｎ型半導体とがバルクヘテロ接合（ｂｕｌｋ ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ）形態で混合された真性層（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｌａｙｅｒ、Ｉ層）である。この際、ｐ型半導体とｎ型半導体とは約１：９〜９：１の体積比で混合され、このような範囲内で例えば約２：８〜８：２の体積比で混合されるか、このような範囲内で例えば約３：７〜７：３の体積比で混合されるか、このような範囲内で例えば約４：６〜６：４の体積比で混合されるか、又はこのような範囲内で例えば約５：５の体積比で混合される。
光電変換層３０は、上述したｐ型半導体を含むｐ型層と上述したｎ型半導体を含むｎ型層とを含む二重層を含む。この際、ｐ型層とｎ型層との厚さ比は約１：９〜９：１であり、このような範囲内で例えば約２：８〜８：２、約３：７〜７：３、約４：６〜６：４、又は約５：５である。
光電変換層３０は、真性層以外に、ｐ型層及び／又はｎ型層を更に含む。ｐ型層は上述したｐ型半導体を含み、ｎ型層は上述したｎ型半導体を含む。例えば、ｐ型層／Ｉ層、Ｉ層／ｎ型層、ｐ型層／Ｉ層／ｎ型層などの多様な組み合わせで含まれる。
有機補助層４０は、第１電極１０と光電変換層３０との間に位置し、例えば光電変換層３０に当接する。一例として、有機補助層４０の一面は第１電極１０に当接し、有機補助層４０の他面は光電変換層３０に当接する。
有機補助層４０は、光電変換層３０から第１電極１０に移動する電荷（例えば、電子）の抽出を効果的に改善するための層であって、例えば高い電荷移動度を有する有機半導体を含む。
一例として、有機補助層４０の電荷移動度は光電変換層３０の電荷移動度よりも高く、例えば有機補助層４０の電荷移動度は光電変換層３０の電荷移動度よりも約５０倍以上高く、このような範囲内で約７０倍以上、約８０倍以上、約１００倍以上、約１２０倍以上、約１５０倍以上、又は約２００倍以上高い。
一例として、有機補助層４０の電荷移動度は、例えば約１．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上であり、このような範囲内で、例えば約１．２×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約１．５×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約１．８×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約２．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約３．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約４．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、又は約５．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上である。
一例として、有機補助層４０の電荷移動度は、例えば約１．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓであり、このような範囲内で、例えば約１．２×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約１．５×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約１．８×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約２．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約３．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約４．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、又は約５．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓである。
一例として、光電変換層３０は上述したｐ型半導体又はｎ型半導体のうちの１つである第１有機物を含み、有機補助層４０は第１有機物と異なる第２有機物を含み、この際、第２有機物の電荷移動度は、第１有機物の電荷移動度よりも約５０倍以上高く、このような範囲内で、約７０倍以上、約８０倍以上、約１００倍以上、約１２０倍以上、約１５０倍以上、約２００倍以上、約３００倍以上、約５００倍以上、約８００倍以上、又は約１０００倍以上高い。
一例として、第２有機物の電荷移動度は、例えば約１．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上であり、このような範囲内で、例えば約１．２×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約１．５×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約１．８×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約２．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約３．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、約４．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上、又は約５．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上である。
一例として、第２有機物の電荷移動度は、例えば約１．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓであり、このような範囲内で、例えば約１．２×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約１．５×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約１．８×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約２．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約３．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、約４．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓ、又は約５．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ〜１０ｃｍ２／Ｖｓである。
一方、第２有機物は、上述した電荷移動度を満足すると同時に熱蒸着（ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）によって形成される物質である。このように有機補助層４０が熱蒸着によって形成されることによって、有機補助層４０の形成段階及び／又は後続工程で光電変換層３０が熱的、物理的損傷を受けることを防止し、これにより光電変換層３０の劣化による性能低下を防止することができる。
このような特性を満足する第２有機物としては、例えば、低分子有機半導体、高分子半導体、又はこれらの組み合わせであり、例えば低分子有機半導体である。ここで低分子有機半導体は、約３０００以下の平均分子量を有する有機半導体である。
一例として、第２有機物は、芳香族化合物及び／又はヘテロ芳香族化合物であり、例えば、縮合多環芳香族化合物（ｆｕｓｅｄ ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ ａｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、縮合多環ヘテロ芳香族化合物（ｆｕｓｅｄ ｐｏｌｙｃｙｃｌｉｃ ｈｅｔｅｒｏａｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）、又はこれらの組み合わせであり、例えばペンタセン（ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）などの縮合多環芳香族化合物及び／又は少なくとも１つのＯ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｎ、又はこれらの組み合わせを含む縮合多環ヘテロ芳香族化合物であり、例えば少なくとも１つのＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、又はこれらの組み合わせを含む縮合多環ヘテロ芳香族化合物である。
例えば、第２有機物は、４つ以上の環が互いに縮合したコンパクト（ｃｏｍｐａｃｔ）な平面構造を有する縮合多環芳香族化合物及び／又は縮合多環ヘテロ芳香族化合物であり、例えば５、６、７、８、９、１０、１１、又は１２の環が縮合した縮合多環芳香族化合物及び／又は縮合多環ヘテロ芳香族化合物である。
一例として、第２有機物は、少なくとも１つのベンゼン環を含む縮合多環芳香族化合物及び／又は縮合多環ヘテロ芳香族化合物である。
一例として、第２有機物は、少なくとも１つのチオフェン、セレノフェン、及び／又はテルロフェンを含む縮合多環ヘテロ芳香族化合物である。
一例として、第２有機物は、下記化学式２Ａ又は２Ｂで表されるが、これらに限定されるものではない。
Figure 2020088387
Figure 2020088387
上記化学式２Ａ及び２Ｂ中、
Ａｒ１及びＡｒ２は、それぞれ独立して、置換又は非置換のベンゼン、置換又は非置換のナフタレン、又は置換又は非置換のアントラセンであり、ａは、Ａｒ１とＡｒ２の炭素に結合する水素の個数に対応し、
Ｘ１〜Ｘ４は、それぞれ独立して、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、又はＮ−Ｒａであり、ここでＲａは、それぞれ独立して、水素、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のアルケニル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のアルキニル基、置換又は非置換の炭素数７〜３０のアリールアルキル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルコキシ基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリールオキシ基（−ＯＲｂ、ここでＲｂは、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基である）、置換又は非置換の炭素数４〜３０のシクロアルキル基、置換又は非置換の炭素数４〜３０のシクロアルキルオキシ基（−ＯＲｃ、ここでＲｃは、置換又は非置換の炭素数４〜３０のシクロアルキル基である）、置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロアリール基、アシル基（Ｃ（＝Ｏ）Ｒｄ、ここでＲｄは、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基）、スルホニル基（−Ｓ（＝Ｏ）２Ｒｅ、ここでＲｅは、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基）、又はカルバメート基（−ＮＨＣ（＝Ｏ）ＯＲｆ、ここでＲｆは、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基）であり、
Ｒ１〜Ｒ１３は、それぞれ独立して、水素、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルコキシ基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のアルケニル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のアルキニル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロアリール基、置換又は非置換の炭素数７〜３０のアリールアルキル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロアリールアルキル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のアルキルヘテロアリール基、置換又は非置換の炭素数５〜３０のシクロアルキル基、或いは置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロシクロアルキル基であり、
ｎ１は、０又は１であり、
ｎ２及びｎ３は、それぞれ独立して、０、１、２又は３であり、
ｎ１が０である場合、ｎ２及びｎ３は１、２又は３であり、
ｎ１が１である場合、ｎ１＋ｎ２＋ｎ３≧２を満足する。
例えば、Ｒ１及びＲ７は、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロアリール基、置換又は非置換の炭素数７〜３０のアリールアルキル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロアリールアルキル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のアルキルヘテロアリール基、置換又は非置換の炭素数５〜３０のシクロアルキル基、或いは置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロシクロアルキル基である。
例えば、Ｒａは、置換又は非置換の炭素数１０〜３０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数１０〜３０のアルコキシ基、置換又は非置換の炭素数１０〜３０のアルケニル基、或いは置換又は非置換の炭素数１０〜３０のアルキニル基であり、他の例として、フルオロ置換された炭素数１〜３０のアルキル基、好ましくは炭素数１〜３０のパーフルオロアルキル基（ＣｎＦ２ｎ＋１、ここでｎは、１以上の整数である）、又はフルオロ置換された炭素数１０〜３０のアルキル基、好ましくは炭素数１０〜３０のパーフルオロアルキル基（ＣｎＦ２ｎ＋１、ここでｎは、１０〜３０の整数である）である。
上記化学式２Ａ及び２Ｂ中、ｎ１が０である場合、ｎ２及びｎ３は、１、２、又は３の整数であり、ｎ１が１である場合、ｎ１＋ｎ２＋ｎ３≧２を満足する。例えば、ｎ１が１である場合、ｎ２及びｎ３は、全て０ではない。
第２有機物は、例えば下記グループ１に列記された化合物のうちの１つであるが、これらに限定されるものではない。
［グループ１］
Figure 2020088387
Figure 2020088387
Figure 2020088387
Figure 2020088387
Figure 2020088387
グループ１の化合物中、それぞれのベンゼン、チオフェン、セレノフェン、及び／又はピロールの水素は、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルコキシ基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のアルケニル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のアルキニル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロアリール基、置換又は非置換の炭素数７〜３０のアリールアルキル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロアリールアルキル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のアルキルヘテロアリール基、置換又は非置換の炭素数５〜３０のシクロアルキル基、或いは置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロシクロアルキル基で置換される。
一例として、第２有機物は、下記化学式３Ａ又は３Ｂで表されるが、これらに限定されるものではない。
Figure 2020088387
上記化学式３Ａ及び３Ｂ中、
Ｘ１及びＸ２は、それぞれ独立して、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、又はＮ−Ｒａであり、ここでＲａは、水素、置換又は非置換の炭素数１〜１２のアルキル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリールアルキル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換又は非置換の炭素数１〜１２のアルコキシ基、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアシル基、スルホニル基、又はカルバメート基であり、
Ｒ１〜Ｒ４は、それぞれ独立して、水素、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルケニル基、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキニル基、置換又は非置換の炭素数１〜３０のヘテロアルキル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリールアルキル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロアリールアルキル基、置換又は非置換の炭素数５〜２０のシクロアルキル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロシクロアルキル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、或いは置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロアリール基である。
上記化学式３Ａで表される有機半導体物質は、例えば下記化学式３Ａ−１で表され、上記化学式３Ｂで表される有機半導体物質は、例えば下記化学式３Ｂ−１で表される。
Figure 2020088387
上記化学式３Ａ−１及び３Ｂ−１中、Ｒ１〜Ｒ４は、上述した通りである。
一例として、第２有機物は、例えば下記グループ２に列記された化合物のうちの１つであるが、これらに限定されるものではない。
［グループ２］
Figure 2020088387
グループ２の化合物中、それぞれのベンゼン及び／又はチオフェンの水素は、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルコキシ基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のアルケニル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のアルキニル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロアリール基、置換又は非置換の炭素数７〜３０のアリールアルキル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロアリールアルキル基、置換又は非置換の炭素数２〜３０のアルキルヘテロアリール基、置換又は非置換の炭素数５〜３０のシクロアルキル基、或いは置換又は非置換の炭素数２〜３０のヘテロシクロアルキル基で置換される。
一例として、有機補助層４０は、第２有機物以外に、有機物、無機物、及び／又は有機−無機物を更に含む。
一例として、有機補助層４０は、光電変換層３０に含まれるｐ型半導体及び／又はｎ型半導体を更に含む。
一例として、有機補助層４０は、光電変換層３０に含まれるｐ型半導体を更に含む。例えば、第２有機物とｐ型半導体とは混合され、第２有機物とｐ型半導体とは約１：９〜９：１の体積比で混合され、このような範囲内で、例えば約２：８〜８：２、例えば約３：７〜７：３、例えば約４：６〜６：４、例えば約５：５の体積比で混合される。
一例として、有機補助層４０は、光電変換層３０に含まれるｎ型半導体を更に含む。例えば、第２有機物とｎ型半導体とは混合され、第２有機物とｎ型半導体とは約１：９〜９：１の体積比で混合され、このような範囲内で、例えば約２：８〜８：２、例えば約３：７〜７：３、例えば約４：６〜６：４、例えば約５：５の体積比で混合される。
一例として、有機補助層４０は、光電変換層３０に含まれるｐ型半導体及びｎ型半導体を更に含む。例えば、第２有機物とｐ型半導体／ｎ型半導体とは混合され、第２有機物とｐ型半導体／ｎ型半導体とは約１：９〜９：１の体積比で混合され、このような範囲内で、例えば約２：８〜８：２、例えば約３：７〜７：３、例えば約４：６〜６：４、例えば約５：５の体積比で混合される。
一例として、有機補助層４０は、フラーレン又はフラーレン誘導体を更に含む。例えば、第２有機物とフラーレン又はフラーレン誘導体とは混合され、第２有機物とフラーレン又はフラーレン誘導体とは約１：９〜９：１の体積比で混合され、このような範囲内で、例えば約２：８〜８：２、例えば約３：７〜７：３、例えば約４：６〜６：４、例えば約５：５の体積比で混合される。
有機補助層４０は、光電変換層３０よりも薄く、例えば約１０ｎｍ以下の厚さを有し、このような範囲内で約５ｎｍ以下の厚さを有する。例えば、有機補助層４０は約１ｎｍ〜１０ｎｍ厚さを有し、このような範囲内で約１ｎｍ〜５ｎｍ厚さを有する。
このように、光電変換素子１００は、第１電極１０と光電変換層３０との間に有機補助層４０を含むことによって、光電変換層３０から第１電極１０に移動する電荷（例えば電子）の抽出を効果的に高めて残留電荷（ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｃｈａｒｇｅ ｃａｒｒｉｅｒｓ）を減らし、高い電荷抽出効率を示す。これにより、光電変換素子１００の光電変換効率を高め、残留電荷によって発生するイメージラグ（Ｉｍａｇｅ Ｌａｇ）を減らして、残像特性を効果的に改善することができる。
光電変換素子１００は、第１電極１０又は第２電極２０の一面に反射防止層（図示せず）を更に含むことができる。反射防止層は、光が入射する側に配置されて入射光の反射度を低くすることによって、光吸収度を更に改善することができる。例えば、第１電極１０側に光が入射する場合、反射防止層は第１電極１０の一面に位置し、第２電極２０側に光が入射する場合、反射防止層は第２電極２０の一面に位置する。
反射防止層は、例えば約１．６〜２．５の屈折率を有する物質を含み、例えば、このような範囲の屈折率を有する金属酸化物、金属硫化物、及び有機物のうちの少なくとも１つを含む。反射防止層は、例えばアルミニウム含有酸化物、モリブデン含有酸化物、タングステン含有酸化物、バナジウム含有酸化物、レニウム含有酸化物、ニオビウム含有酸化物、タンタル含有酸化物、チタニウム含有酸化物、ニッケル含有酸化物、銅含有酸化物、コバルト含有酸化物、マンガン含有酸化物、クロム含有酸化物、テルル含有酸化物、又はこれらの組み合わせなどの金属酸化物；亜鉛スルフィドなどの金属硫化物；又はアミン誘導体などの有機物を含むが、これらに限定されるものではない。
光電変換素子１００は、第１電極１０又は第２電極２０側から光が入射して光電変換層３０が所定の波長領域の光を吸収すると、内部でエキシトンが生成される。エキシトンは光電変換層３０で正孔と電子とに分離され、分離された正孔は第１電極１０及び第２電極２０のうちの１つであるアノード側に移動し、分離された電子は第１電極１０及び第２電極２０のうちの他の１つであるカソード側に移動して電流が流れることになる。
以下、第２実施形態による光電変換素子を説明する。
図２は、本発明の第２実施形態による光電変換素子の一例を示す断面図である。
図２を参照すると、本実施形態による光電変換素子２００は、上述した実施形態と同様に、第１電極１０、第２電極２０、光電変換層３０、及び有機補助層４０を含む。
しかし、本実施形態による光電変換素子２００は、上述した実施形態とは異なり、第２電極２０と光電変換層３０との間に電荷遮断層４８を更に含む。電荷遮断層４８は、光電変換層３０から分離された電荷（例えば電子）が反対電極側に移動することを遮断して、光電変換効率を高めることができる。
電荷遮断層４８は、例えば有機物、無機物、又は有機−無機物を含む。有機物は正孔又は電子特性を有する有機化合物であり、無機物は、例えばモリブデン酸化物、タングステン酸化物、ニッケル酸化物などの金属酸化物である。
電荷遮断層４８は、例えば可視光線領域の光を実質的に吸収しない可視光非吸収物質を含み、例えば可視光非吸収有機物質である。
一例として、可視光非吸収物質は、下記化学式４Ａ又は４Ｂで表される化合物であるが、これらに限定されるものではない。
Figure 2020088387
Figure 2020088387
上記化学式４Ａ又は４Ｂ中、
Ｍ１及びＭ２は、それぞれ独立して、ＣＲｎＲｏ、ＳｉＲｐＲｑ、ＮＲｒ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、又はＴｅであり、
Ａｒ１ｂ、Ａｒ２ｂ、Ａｒ３ｂ、及びＡｒ４ｂは、それぞれ独立して、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、或いは置換又は非置換の炭素数３〜３０のヘテロアリール基であり、
Ｇ２及びＧ３は、それぞれ独立して、単結合、−（ＣＲｓＲｔ）ｎ３−、−Ｏ−、−Ｓ−、−Ｓｅ−、−Ｎ＝、−ＮＲｕ−、−ＳｉＲｖＲｗ−、又は−ＧｅＲｘＲｙ−であり、ここで、ｎ３は、１又は２であり、
Ｒ３０〜Ｒ３７及びＲｎ〜Ｒｙは、それぞれ独立して、水素、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換又は非置換の炭素数３〜３０のヘテロ環基、置換又は非置換の炭素数１〜６のアルコキシ基、ハロゲン、又はシアノ基である。
一例として、可視光非吸収物質は、下記化学式４Ａ−１又は４Ｂ−１で表される化合物であるが、これらに限定されるものではない。
Figure 2020088387
Figure 2020088387
上記化学式４Ａ−１又は４Ｂ−１中、
Ｍ１、Ｍ２、Ｇ２、Ｇ３、Ｒ３０〜Ｒ３７は、上述した通りであり、
Ｒ３８〜Ｒ４５は、それぞれ独立して、水素、置換又は非置換の炭素数１〜３０のアルキル基、置換又は非置換の炭素数６〜３０のアリール基、置換又は非置換の炭素数３〜３０のヘテロアリール基、置換又は非置換の炭素数１〜６のアルコキシ基、ハロゲン、又はシアノ基である。
一例として、可視光非吸収物質は、下記化学式４Ａ−１ａ又は４Ｂ−１ａで表される化合物であるが、これらに限定されるものではない。
Figure 2020088387
Figure 2020088387
上記化学式４Ａ−１ａ又は４Ｂ−１ａ中、Ｒ３８〜Ｒ４５、及びＲｏ及びＲｎは、上述した通りである。
本実施形態による光電変換素子２００は、第１電極１０と光電変換層３０との間に位置する有機補助層４０以外に、第２電極２０と光電変換層３０との間に電荷遮断層４８を更に含むことによって、光電変換層３０から分離された正孔及び電子がそれぞれアノード及びカソード側に効率的に移動することができ、これにより電荷抽出効率を一層高めることができる。
以下、第３実施形態による光電変換素子を説明する。
図３は、本発明の第３実施形態による光電変換素子の一例を示す断面図である。
図３を参照すると、本実施形態による光電変換素子３００は、上述した実施形態と同様に、第１電極１０、第２電極２０、光電変換層３０、及び有機補助層４０を含む。
しかし、本実施形態による光電変換素子３００は、上述した実施形態とは異なり、無機ナノ層４５を更に含む。
無機ナノ層４５は、第１電極１０と光電変換層３０との間に位置し、例えば第１電極１０に当接する。一例として、有機補助層４０は光電変換層３０に当接し、無機ナノ層４５は第１電極１０に当接し、一例として、有機補助層４０と無機ナノ層４５とは当接する。
無機ナノ層４５は、厚さ数ナノメートルの非常に薄い薄膜であり、例えば約５ｎｍ以下、例えば約３ｎｍ以下、例えば約２ｎｍ以下の厚さを有する。無機ナノ層４５は、例えば約１ｎｍ〜５ｎｍ、約１ｎｍ〜３ｎｍ、約１ｎｍ〜２ｎｍの厚さを有する。
無機ナノ層４５は、第１電極１０よりも低い仕事関数を有する無機物質を含む。例えば、無機ナノ層４５の仕事関数は、第１電極１０の仕事関数よりも約０．５ｅＶ以上小さい。例えば、第１電極１０の仕事関数は約４．５ｅＶ以上であり、無機ナノ層４５の仕事関数は約４．０ｅＶ以下である。例えば、第１電極１０の仕事関数は約４．５ｅＶ以上であり、無機ナノ層４５の仕事関数は約３．５ｅＶ以下である。例えば、第１電極１０の仕事関数は約４．５ｅＶ以上であり、無機ナノ層４５の仕事関数は約３．０ｅＶ以下である。例えば、第１電極１０の仕事関数は約４．５ｅＶ以上であり、無機ナノ層４５の仕事関数は約２．８ｅＶ以下である。例えば、第１電極１０の仕事関数は約４．５ｅＶ〜５．０ｅＶであり、無機ナノ層４５の仕事関数は約１．５ｅＶ〜４．０ｅＶ、約１．５ｅＶ〜３．５ｅＶ、約１．５ｅＶ〜３．０ｅＶ、約１．５ｅＶ〜２．８ｅＶである。
無機ナノ層４５は、例えばランタン族元素、カルシウム（Ｃａ）、カリウム（Ｋ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれらの合金を含む。ランタン族元素は、例えばイッテルビウム（Ｙｂ）を含む。
上述のように、無機ナノ層４５は、第１電極１０と光電変換層３０との間で第１電極１０の表面に当接し、第１電極１０に比べて非常に薄い厚さを有する。これにより、無機ナノ層４５は、第１電極１０の表面で第１電極１０の表面処理層と同様の役割をする。
一例として、第１電極１０の表面での有効仕事関数は、無機ナノ層４５の影響によって第１電極１０をなす透明導電体又は反射導電体の仕事関数と異なり、例えば第１電極１０の表面での有効仕事関数は、第１電極１０をなす透明導電体又は反射導電体の仕事関数よりも小さい。例えば、第１電極１０の表面での有効仕事関数は、無機ナノ層４５の仕事関数と同一、又は無機ナノ層４５の仕事関数と第１電極１０の仕事関数との中間値である。
一例として、第１電極１０をなす透明導電体又は反射導電体の仕事関数は約４．５ｅＶ以上であり、第１電極１０の表面での有効仕事関数は約４．０ｅＶ以下である。例えば、第１電極１０をなす透明導電体又は反射導電体の仕事関数は約４．５ｅＶ以上であり、第１電極１０の表面での有効仕事関数は約３．５ｅＶ以下である。例えば、第１電極１０をなす透明導電体又は反射導電体の仕事関数は約４．５ｅＶ以上であり、第１電極１０の表面での有効仕事関数は約３．０ｅＶ以下である。例えば、第１電極１０をなす透明導電体又は反射導電体の仕事関数は約４．５ｅＶ以上であり、第１電極１０の表面での有効仕事関数は約２．８ｅＶ以下である。例えば、第１電極１０をなす透明導電体又は反射導電体の仕事関数は約４．５ｅＶ〜５．０ｅＶであり、第１電極１０の表面での有効仕事関数は約１．５ｅＶ〜４．０ｅＶ、約１．５ｅＶ〜３．５ｅＶ、約１．５ｅＶ〜３．０ｅＶ、約１．５ｅＶ〜２．８ｅＶである。
このように、第１電極１０の表面での仕事関数を低くすることによって、光電変換層３０から有機補助層４０を通過して第１電極１０に移動する電荷（例えば電子）の抽出をより容易にして残留電荷を更に減らし、より高い電荷抽出効率を示す。
以下、第４実施形態による光電変換素子を説明する。
図４は、本発明の第４実施形態による光電変換素子の一例を示す断面図である。
図４を参照すると、本実施形態による光電変換素子４００は、上述した実施形態と同様に、第１電極１０、第２電極２０、光電変換層３０、有機補助層４０、及び無機ナノ層４５を含む。
しかし、本実施形態による光電変換素子４００は、上述した実施形態とは異なり、第２電極２０と光電変換層３０との間に電荷遮断層４８を更に含む。電荷遮断層４８は、光電変換層３０から分離された電荷（例えば正孔）が反対電極側に移動することを遮断して、光電変換効率を高めることができ、具体的な説明は上述した通りである。
上述した光電変換素子（１００、２００、３００、４００）は、多様な電子装置に適用され、例えば、太陽電池、有機センサ、光検出器、及び光センサなどに適用されるが、これらに限定されるものではない。
光電変換素子（１００、２００、３００、４００）は、例えば有機センサに適用される。
以下、上述した光電変換素子（１００、２００、３００、４００）を適用した有機センサの例について図面を参照して説明する。
図５は、本発明の一実施形態による有機センサの一例を概略的に示す断面図である。
一例として、有機センサは、有機ＣＭＯＳイメージセンサである。
図５を参照すると、本実施形態による有機センサ５００は、半導体基板１１０、絶縁層８０、光電変換素子１００、及び色フィルタ層７０を含む。
半導体基板１１０は、シリコン基板であってもよく、伝送トランジスター（図示せず）及び電荷貯蔵所５５が集積される。伝送トランジスター及び／又は電荷貯蔵所５５は、画素毎に集積される。
半導体基板１１０の上には更に金属配線（図示せず）及びパッド（図示せず）が形成される。金属配線及びパッドは、信号遅延を減らすために低い比抵抗を有する金属、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及びこれらの合金で作られるが、これらに限定されるものではない。
金属配線及びパッドの上には絶縁層８０が形成される。絶縁層８０は、酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素などの無機絶縁物質、又はＳｉＣ、ＳｉＣＯＨ、ＳｉＣＯ、及びＳｉＯＦなどの低誘電率（ｌｏｗ Ｋ）物質で作られる。絶縁層８０は、電荷貯蔵所５５を露出するトレンチ８５を有する。トレンチ８５は充填材で満たされる。
絶縁層８０の上には上述した光電変換素子１００が形成される。光電変換素子１００は、上述のように、第１電極１０、有機補助層４０、光電変換層３０、及び第２電極２０を含む。具体的な説明は上述した通りである。
光電変換素子１００の上には色フィルタ層７０が形成される。色フィルタ層７０は、青色画素に形成された青色フィルタ７０ａ、赤色画素に形成された赤色フィルタ７０ｂ、及び緑色画素に形成された緑色フィルタ７０ｃを含む。しかし、これに限定されず、シアンフィルター、マゼンタフィルター、及び／又はイエローフィルターを代わりにするか、又は更に含むことができる。
光電変換素子１００と色フィルタ層７０との間には絶縁膜（図示せず）が更に形成される。
色フィルタ層７０の上には集光レンズ（図示せず）が更に形成される。集光レンズは、入射光の方向を制御して光を１つの地点に集める。集光レンズは、例えばシリンダー形状又は半球状であるが、これらに限定されるものではない。
図５では、図１の光電変換素子１００が積層された構造を例として示したが、図２、図３、又は図４の光電変換素子（２００、３００、４００）が積層された構造も同様に適用され得る。
図６は、本発明の一実施形態による有機センサの他の例を概略的に示す断面図である。
図６を参照すると、本実施形態によるイメージセンサ６００は、上述した実施形態と同様に、伝送トランジスター（図示せず）及び電荷貯蔵所５５が集積された半導体基板１１０、絶縁層８０、光電変換素子１００、及び色フィルタ層７０を含む。
しかし、本実施形態によるイメージセンサ６００は、上述した実施形態とは異なり、光電変換素子１００の第１電極１０と第２電極２０との位置が入れ替わる。即ち、第１電極１０が受光電極である。
図６では、図１の光電変換素子１００が積層された構造を例として示したが、図２、図３、又は図４の光電変換素子（２００、３００、４００）が積層された構造も同様に適用され得る。
図７は、本発明の一実施形態による有機センサの一例を概略的に示す平面図であり、図８及び図９は、それぞれ図７の有機センサの一例及び他の例を概略的に示す断面図である。
図７及び図８を参照すると、本実施形態による有機センサ７００は、光感知素子（５０ａ、５０ｂ）、伝送トランジスター（図示せず）、及び電荷貯蔵所５５が集積された半導体基板１１０、下部絶縁層６０、色フィルタ層７０、上部絶縁層８０、及び光電変換素子１００を含む。
半導体基板１１０は、シリコン基板であってもよく、光感知素子（５０ａ、５０ｂ）、伝送トランジスター（図示せず）、及び電荷貯蔵所５５が集積される。光感知素子（５０ａ、５０ｂ）は光ダイオード（ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）であり得る。
光感知素子（５０ａ、５０ｂ）、伝送トランジスター、及び／又は電荷貯蔵所５５は、画素毎に集積され、一例として、図から見られるように、光感知素子（５０ａ、５０ｂ）は青色画素及び赤色画素にそれぞれ含まれ、電荷貯蔵所５５は緑色画素に含まれる。
光感知素子（５０ａ、５０ｂ）は光をセンシングし、センシングされた情報は伝送トランジスターによって伝達され、電荷貯蔵所５５は後述する光電変換素子１００に電気的に連結され、電荷貯蔵所５５の情報は伝送トランジスターによって伝達される。
半導体基板１１０の上には更に金属配線（図示せず）及びパッド（図示せず）が形成される。金属配線及びパッドは、信号遅延を減らすために低い比抵抗を有する金属、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及びこれらの合金で作られるが、これらに限定されるものではない。しかし、上記構造に限定されず、金属配線及びパッドは光感知素子（５０ａ、５０ｂ）の下部に位置し得る。
金属配線及びパッドの上には下部絶縁層６０が形成される。下部絶縁層６０は、酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素などの無機絶縁物質、又はＳｉＣ、ＳｉＣＯＨ、ＳｉＣＯ、及びＳｉＯＦなどの低誘電率（ｌｏｗ Ｋ）物質で作られる。下部絶縁層６０は、電荷貯蔵所５５を露出するトレンチ８５を有する。トレンチ８５は充填材で満たされる。
下部絶縁層６０の上には色フィルタ層７０が形成される。色フィルタ層７０は、青色画素に形成された青色フィルタ７０ａと赤色画素に形成された赤色フィルタ７０ｂとを含む。本実施形態では、緑色フィルタを備えない例を説明するが、場合によって緑色フィルタを備えることもできる。他の例として、色フィルタ層７０は光電変換素子１００の上部に位置し得る。
色フィルタ層７０の上には上部絶縁層８０が形成される。上部絶縁層８０は、色フィルタ層７０による段差を除去して平坦化する。上部絶縁層８０及び下部絶縁層６０は、パッドを露出するコンタクトホール（図示せず）と緑色画素の電荷貯蔵所５５を露出するトレンチ８５とを有する。
上部絶縁層８０の上には上述した光電変換素子１００が形成される。光電変換素子１００は、上述のように、第１電極１０、有機補助層４０、光電変換層３０、及び第２電極２０を含む。具体的な説明は上述した通りである。
光電変換素子１００の上には集光レンズ（図示せず）が更に形成される。集光レンズは、入射光の方向を制御して光を１つの地点に集める。集光レンズは、例えばシリンダー形状又は半球状であるが、これらに限定されるものではない。
図９を参照すると、本実施形態によるイメージセンサ８００は、上述した実施形態と同様に、光感知素子（５０ａ、５０ｂ）、伝送トランジスター（図示せず）、及び電荷貯蔵所５５が集積された半導体基板１１０、下部絶縁層６０、色フィルタ層７０、上部絶縁層８０、及び光電変換素子１００を含む。
しかし、本実施形態によるイメージセンサ８００は、上述した実施形態とは異なり、第１電極１０と第２電極２０との位置が入れ替わる。即ち、第１電極１０が受光電極である。
図８及び図９では、図１の光電変換素子１００が積層された構造を例として示したが、図２、図３、又は図４の光電変換素子（２００、３００、４００）が積層された構造も同様に適用され得る。
図１０は、本発明の他の実施形態による有機センサの一例を概略的に示す断面図である。
本実施形態によるイメージセンサ９００は、上述した実施形態と同様に、光感知素子（５０ａ、５０ｂ）、伝送トランジスター（図示せず）、及び電荷貯蔵所５５が集積された半導体基板１１０、トレンチ８５を有する絶縁層８０、及び光電変換素子１００を含む。
しかし、本実施形態によるイメージセンサ９００は、上述した実施形態とは異なり、光感知素子（５０ａ、５０ｂ）が垂直方向に積層され、色フィルタ層７０が省略される。光感知素子（５０ａ、５０ｂ）は電荷貯蔵所（図示せず）に電気的に連結され、伝送トランジスターによって伝達される。光感知素子（５０ａ、５０ｂ）は、積層深さに応じて各波長領域の光を選択的に吸収する。
図１０では、図１の光電変換素子１００が積層された構造を例として示したが、図２、図３、又は図４の光電変換素子（２００、３００、４００）が積層された構造も同様に適用され得る。
図１１は、本発明の他の実施形態による有機センサの他の例を概略的に示す断面図である。
図１１を参照すると、本実施形態によるイメージセンサ１０００は、上述した実施形態と同様に、光感知素子（５０ａ、５０ｂ）、伝送トランジスター（図示せず）、及び電荷貯蔵所５５が集積された半導体基板１１０、トレンチ８５を有する絶縁層８０、及び光電変換素子１００を含む。しかし、本実施形態によるイメージセンサ１０００は、上述した実施形態とは異なり、第１電極１０と第２電極２０との位置が入れ替わる。即ち、第１電極１０が受光電極である。
図１１では、図１の光電変換素子１００が積層された構造を例として示したが、図２、図３、又は図４の光電変換素子（２００、３００、４００）が積層された構造も同様に適用され得る。
図１２は、本発明の他の実施形態による有機センサの一例を概略的に示す平面図であり、図１３は、図１２の有機センサの一例を示す断面図である。
本実施形態による有機センサ１１００は、緑色波長領域の光を選択的に吸収する緑色光電変換素子、青色波長領域の光を選択的に吸収する青色光電変換素子、及び赤色波長領域の光を選択的に吸収する赤色光電変換素子が積層された構造である。
本実施形態による有機センサ１１００は、半導体基板１１０、下部絶縁層６０、中間絶縁層６５、上部絶縁層８０、第１光電変換素子１００ａ、第２光電変換素子１００ｂ、及び第３光電変換素子１００ｃを含む。
半導体基板１１０は、シリコン基板であってもよく、伝送トランジスター（図示せず）及び電荷貯蔵所（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ）が集積される。半導体基板１１０の上には金属配線（図示せず）及びパッド（図示せず）が形成され、金属配線及びパッドの上には下部絶縁層６０が形成される。
下部絶縁層６０の上には第１光電変換素子１００ａが形成される。
第１光電変換素子１００ａは、互いに対向する第１電極１０ａ及び第２電極２０ａ、第１電極１０ａと第２電極２０ａとの間に位置する光電変換層３０ａ及び有機補助層４０ａを含む。第１電極１０ａ、第２電極２０ａ、光電変換層３０ａ、及び有機補助層４０ａは上述の通りであり、光電変換層３０ａは、赤色、青色、及び緑色のうちのいずれか１つの波長領域の光を選択的に吸収する。例えば、第１光電変換素子１００ａは赤色光電変換素子である。
第１光電変換素子１００ａの上には中間絶縁層６５が形成される。
中間絶縁層６５の上には第２光電変換素子１００ｂが形成される。
第２光電変換素子１００ｂは、互いに対向する第１電極１０ｂ及び第２電極２０ｂ、第１電極１０ｂと第２電極２０ｂとの間に位置する光電変換層３０ｂ及び有機補助層４０ｂを含む。第１電極１０ｂ、第２電極２０ｂ、光電変換層３０ｂ、及び有機補助層４０ｂは上述の通りであり、光電変換層３０ｂは、赤色、青色、及び緑色のうちのいずれか１つの波長領域の光を選択的に吸収する。例えば、第２光電変換素子１００ｂは青色光電変換素子である。
第２光電変換素子１００ｂの上には上部絶縁層８０が形成される。下部絶縁層６０、中間絶縁層６５、及び上部絶縁層８０は、電荷貯蔵所（５５ａ、５５ｂ、５５ｃ）を露出する複数のトレンチ８５を有する。
上部絶縁層８０の上には第３光電変換素子１００ｃが形成される。第３光電変換素子１００ｃは、互いに対向する第１電極１０ｃ及び第２電極２０ｃ、第１電極１０ｃと第２電極２０ｃとの間に位置する光電変換層３０ｃ及び有機補助層４０ｃを含む。第１電極１０ｃ、第２電極２０ｃ、光電変換層３０ｃ、及び有機補助層４０ｃは上述の通りであり、光電変換層３０ｃは赤色、青色、及び緑色のうちのいずれか１つの波長領域の光を選択的に吸収する。例えば、第３光電変換素子１００ｃは緑色光電変換素子であり、上述した光電変換素子１００が適用される。
光電変換素子１００ｃの上には集光レンズ（図示せず）が更に形成される。集光レンズは、入射光の方向を制御して光を１つの地点に集める。集光レンズは、例えばシリンダー形状又は半球状であるが、これらに限定されるものではない。
図面では、第１光電変換素子１００ａ、第２光電変換素子１００ｂ、及び第３光電変換素子１００ｃとして図１の光電変換素子１００を例として示したが、図２、図３、又は図４に示した光電変換素子（２００、３００、４００）も同様に適用され得る。
図面では、第１光電変換素子１００ａ、第２光電変換素子１００ｂ、及び第３光電変換素子１００ｃが順次に積層された構造を示したが、これに限定されず、積層順序は多様に変わり得る。
上述のように、それぞれ異なる波長領域の光を吸収する第１光電変換素子１００ａ、第２光電変換素子１００ｂ、及び第３光電変換素子１００ｃが積層された構造を有することによって、イメージセンサの大きさを更に減らして小型化イメージセンサを実現することができる。
図１４は、図１２の有機センサの他の例を概略的に示す断面図である。
図１４を参照すると、本実施形態によるイメージセンサ１２００は、上述した実施形態と同様に、半導体基板１１０、下部絶縁層６０、中間絶縁層６５、上部絶縁層８０、第１光電変換素子１００ａ、第２光電変換素子１００ｂ、及び第３光電変換素子１００ｃを含む。しかし、上述した実施形態とは異なり、第１光電変換素子１００ａ、第２光電変換素子１００ｂ、及び第３光電変換素子１００ｃの第１電極１０と第２電極２０との位置が入れ替わる。即ち、第１電極１０が受光電極である。
図１５は、本発明の一実施形態による有機ＣＭＯＳイメージセンサを概略的に示す平面図であり、図１６は、図１５の有機ＣＭＯＳイメージセンサの一例を示す断面図である。
図１５及び図１６を参照すると、有機ＣＭＯＳイメージセンサ１３００は半導体基板１１０の上に位置する光電変換素子９０を含み、光電変換素子９０は複数の光電変換素子（９０−１、９０−２、９０−３）を含む。複数の光電変換素子（９０−１、９０−２、９０−３）は、互いに異なる波長領域の光（例えば、青色光、緑色光、又は赤色光）を電気的信号に変換する。図１６を参照すると、複数の光電変換素子（９０−１、９０−２、９０−３）は、半導体基板１１０の上で水平方向に並んで配列され、半導体基板１１０の表面１１０ａに並んで伸びた方向に互いに部分的に又は全体的に重畳する。各光電変換素子（９０−１、９０−２、９０−３）は、トレンチ８５を通じて半導体基板１１０内に集積された電荷貯蔵所５５に連結される。
各光電変換素子（９０−１、９０−２、９０−３）は上述した光電変換素子（１００、２００）のうちの１つである。一例として、２つ以上の光電変換素子（９０−１、９０−２、９０−３）は、光電変換素子（９０−１、９０−２、９０−３）の間で連続的に伸びる共通の連続層の異なる部分を含む。一例として、複数の光電変換素子（９０−１、９０−２、９０−３）は、共通の第１電極１０及び／又は共通の第２電極２０を共有する。一例として、２つ以上の光電変換素子（９０−２、９０−２、９０−３）は、入射光の異なる波長領域の光を吸収する異なる光電変換層３０を有する。一例として、２つ以上の光電変換素子（９０−１、９０−２、９０−３）は異なる構成の無機ナノ層４０を含む。有機ＣＭＯＳイメージセンサ１３００のその他の構造は、図５〜図１４で説明した有機ＣＭＯＳイメージ中の１つ以上と同様である。
図１７は、有機ＣＭＯＳイメージセンサの他の例を示す断面図である。
図１７を参照すると、有機ＣＭＯＳイメージセンサ１４００は、半導体基板１１０と半導体基板１１０の上に積層された光電変換素子（９０−１、９１）とを含む。光電変換素子９１は複数の光電変換素子（９０−２、９０−３）を含み、複数の光電変換素子（９０−２、９０−３）は半導体基板１１０の表面１１０ａに並んで伸びた方向に重畳するように配列される。複数の光電変換素子（９０−１、９０−２、９０−３）は、互いに異なる波長領域の光（例えば、青色光、緑色光、又は赤色光）を電気的信号に光電変換する。
一例として、光電変換素子９０−１は、それぞれ異なる波長領域の光を吸収する水平配列された複数の光電変換素子を含む。一例として、光電変換素子９１は、青色光、緑色光、及び赤色光から選択される１つの波長領域の光を光電変換する。一例として、光電変換素子９１は、光電変換素子９０−１と全体的に又は部分的に重畳する。有機ＣＭＯＳイメージセンサ１４００のその他の構造は、図５〜図１４で説明した有機ＣＭＯＳイメージ中の１つ以上と同様である。
図１８は、有機ＣＭＯＳイメージセンサの更に他の例を示す断面図である。
図１８を参照すると、有機ＣＭＯＳイメージセンサ１５００は、光感知素子（５０ａ、５０ｂ）、伝送トランジスター（図示せず）、及び電荷貯蔵所５５が集積された半導体基板１１０、半導体基板１１０の上部に位置する下部絶縁層６０及び色フィルタ層７０、半導体基板１１０の下部に位置する上部絶縁層８０及び光電変換素子９０を含む。光電変換素子９０は上述した光電変換素子（１００、２００）であり得る。図１８において、光電変換素子９０が半導体基板１１０の下部に位置することによって、光感知素子（５０ａ、５０ｂ）に対して光電変換素子９０と色フィルタ層７０とは分離して位置する。有機ＣＭＯＳイメージセンサ１５００のその他の構造は、図５〜図１４で説明した有機ＣＭＯＳイメージ中の１つ以上と同様である。
上述した光電変換素子及びイメージセンサを含む有機センサは、それぞれ多様な電子装置に適用され、例えばモバイルフォン、デジタルカメラなどに適用されるが、これらに限定されるものではない。
図１９は、本発明の一実施形態による電子装置の概略的なブロック図である。
図１９を参照すると、電子装置１７００は、バス（ｂｕｓ）１７１０を通じて電気的に連結されるプロセッサー１７２０、メモリ１７３０、及び有機ＣＭＯＳイメージセンサ１７４０を含む。有機ＣＭＯＳイメージセンサ１７４０は上述した実施形態によるいずれか１つであり得る。非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体であるメモリ１７３０は指示プログラムを保存する。プロセッサー１７２０は、１つ以上の機能を行うために、保存された指示プログラムを実行する。一例として、プロセッサー１７２０は、有機ＣＭＯＳイメージセンサ１７４０によって生成された電気的信号を処理する。プロセッサー１７２０は、このような処理に基づいて出力（例えば、ディスプレイインターフェース上に表示されるイメージ）を生成する。
以下、実施例を通じて上述した本発明の実施形態をより詳細に説明する。但し、下記の実施例は、単に説明の目的のためのものに過ぎず、本発明の権利範囲を制限するものではない。
＜実施例１＞
ガラス基板上にＩＴＯをスパッタリングで積層して１５０ｎｍ厚さのアノードを形成する。次に、アノード上に下記化学式Ａで表される化合物を蒸着して５ｎｍ厚さの電荷遮断層を形成する。次に、電荷遮断層上に下記化学式Ｂ−１で表されるｐ型半導体（λｍａｘ：５４５ｎｍ、電荷移動度：１．５×１０−５ｃｍ２／Ｖｓ）とフラーレン（Ｃ６０）であるｎ型半導体とを１：１の体積比で共蒸着して９０ｎｍ厚さの光電変換層（電荷移動度：４×１０−５ｃｍ２／Ｖｓ）を形成する。次に、光電変換層上に下記化学式Ｃ−１で表される有機半導体（電荷移動度：１．８×１０−２ｃｍ２／Ｖｓ）を熱蒸着して５ｎｍ厚さの有機補助層を形成する。次に、有機補助層上にＩＴＯ（ＷＦ：４．７ｅＶ）をスパッタリングして７ｎｍ厚さのカソードを形成する。次に、カソード上に酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）を蒸着して５０ｎｍ厚さの反射防止層を形成し、ガラス板で封止して光電変換素子を製作する。
Figure 2020088387
Figure 2020088387
上記化学式Ｂ−１で表されるｐ型半導体及び上記化学式Ｃ−１で表される有機半導体の電荷移動度は、Ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ方式で測定する。Ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ方式は、具体的にはＩＴＯ電極とＡｌ電極（８０ｎｍ）との間に上記化学式Ｂ−１で表されるｐ型半導体又は上記化学式Ｃ−１で表される有機半導体からなる半導体層を１μｍ厚さで形成して光電流を評価し、これにより電荷移動度を確認する。
＜実施例２＞
有機補助層上にＹｂ（ＷＦ：２．６ｅＶ）を熱蒸着して１．５ｎｍ厚さの無機ナノ層を更に形成したことを除いて、実施例１と同様の方法で、光電変換素子を製作する。
＜比較例１＞
有機補助層を形成しないことを除いて、実施例１と同様の方法で、光電変換素子を製作する。
＜参考例１＞
有機補助層を形成せず、９０ｎｍ厚さの光電変換層の代わりに１００ｎｍ厚さの光電変換層を形成したことを除いて、実施例１と同様の方法で、光電変換素子を製作する。
＜評価Ｉ＞
実施例、比較例、及び参考例による光電変換素子の波長に応じた光電変換効率を評価する。
光電変換効率は、最大吸収波長（λｍａｘ）（約５４０ｎｍ）での外部量子効率（ＥＱＥ）により評価することができ、４００ｎｍ〜７２０ｎｍの波長領域でＩｎｃｉｄｅｎｔ Ｐｈｏｔｏｎ ｔｏ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ（ＩＰＣＥ）方法で評価する。
その結果は表１の通りである。
Figure 2020088387
表１を参照すると、実施例１、２による光電変換素子は、比較例１による光電変換素子と比較して光電変換効率が改善されることを確認することができる。
また、実施例１、２による光電変換素子は、厚い光電変換層を含む参考例１による光電変換素子と同等な水準の光電変換効率を示すことを確認することができ、これにより実施例１、２による光電変換素子は、光電変換層の厚さを減らしながらも高い光電変換効率を示すことを確認することができる。
＜評価ＩＩ＞
実施例１、２、及び比較例１による光電変換素子の印加電圧に応じた光電変換効率を評価する。
その結果は表２の通りである。
Figure 2020088387
表２を参照すると、実施例１、２による光電変換素子は、比較例１による光電変換素子と比較して各印加電圧で光電変換効率が改善されることを確認することができる。
＜評価ＩＩＩ＞
実施例１、２、及び比較例１による光電変換素子のイメージラグ（Ｉｍａｇｅ Ｌａｇ）特性を評価する。
イメージラグは、実施例及び比較例による光電変換素子に光電変換が起こる波長領域の光を一定時間照射し、光を消した後、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ２４００装置で６ｐＡに至る時間により評価することができる。イメージラグが大きいほど残留電子が多く残り、これにより、残像が多く発生する。
その結果は表３の通りである。
Figure 2020088387
表３を参照すると、実施例１、２による光電変換素子は、比較例１による光電変換素子と比較してイメージラグが減少したことを確認することができ、これにより電荷抽出特性が改善されたことを確認することができる。
＜評価ＩＶ＞
実施例１、２、及び比較例１による光電変換素子を適用したイメージセンサを設計し、イメージセンサのＹＳＮＲ１０を評価する。
イメージセンサのＹＳＮＲ１０は、信号とノイズとの比率（ｓｉｇｎａｌ／ｎｏｉｓｅ）が１０となる最小光量（単位：ｌｕｘ）であり、ここで信号はＦＤＴＤ（ｆｉｎｉｔｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｍｅｔｈｏｄ）方法で計算されたＲＧＢ生信号（ＲＧＢ ｒａｗ ｓｉｇｎａｌ）を色補正マトリックス（ｃｏｌｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｍａｔｒｉｘ：ＣＣＭ）を通した色補正段階を経て得られた信号の感度であり、ノイズはイメージセンサで信号を測定する時に発生するノイズである。色補正段階は、イメージセンサから得られたＲＧＢ生信号を、イメージプロセシングを行って実際の色との差を減らす過程である。ＹＳＮＲ１０値が小さいほど少ない光量におけるイメージ特性が良好であることを意味する。
その結果は表４の通りである。
Figure 2020088387
表４を参照すると、実施例による光電変換素子は、比較例による光電変換素子と比較してＹＳＮＲ１０が低くなることを確認することができ、これによりイメージセンサの感度が改善されることを予想することができる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 第１電極
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ 第２電極
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 光電変換層
４０、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ 有機補助層
４５、４５ａ、４５ｂ、４５ｃ 無機ナノ層
４８ 電荷遮断層
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ 光感知素子
５５、５５ａ、５５ｂ、５５ｃ 電荷貯蔵所
６０ 下部絶縁層
６５ 中間絶縁層
７０ 色フィルタ層
７０ａ、７０ｂ、７０ｃ 青色、赤色、緑色フィルタ
８０ 上部絶縁層、絶縁層
８５ トレンチ
９０、９０−１、９０−２、９０−３、９１、１００、２００、３００、４００ 光電変換素子
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ 第１〜第３光電変換素子
１１０ 半導体基板
１１０ａ 半導体基板の表面
５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、１２００ イメージセンサ（有機センサ）
１３００、１４００、１５００、１７４０ 有機ＣＭＯＳイメージセンサ
１７００ 電子装置
１７１０ バス（ｂｕｓ）
１７２０ プロセッサー
１７３０ メモリ

Claims (20)

  1. 互いに対向する第１電極及び第２電極と、
    前記第１電極と前記第２電極との間に位置し、少なくとも一部の波長領域の光を吸収して電気的信号に変換する光電変換層と、
    前記第１電極と前記光電変換層との間に位置し、前記光電変換層の電荷移動度よりも高い電荷移動度を有する有機補助層と、を備えることを特徴とする光電変換素子。
  2. 前記有機補助層の電荷移動度は、前記光電変換層の電荷移動度よりも１００倍以上高いことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
  3. 前記有機補助層の電荷移動度は、１．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
  4. 前記光電変換層は、第１有機物を含み、
    前記有機補助層は、前記第１有機物と異なる第２有機物を含み、
    前記第２有機物の電荷移動度は、前記第１有機物の電荷移動度よりも１００倍以上高いことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
  5. 前記第２有機物の電荷移動度は、１．０×１０−３ｃｍ２／Ｖｓ以上であることを特徴とする請求項４に記載の光電変換素子。
  6. 前記第２有機物は、縮合多環芳香族化合物、縮合多環ヘテロ芳香族化合物、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする請求項４に記載の光電変換素子。
  7. 前記縮合多環芳香族化合物又は前記縮合多環ヘテロ芳香族化合物は、４つ以上の環が縮合していることを特徴とする請求項６に記載の光電変換素子。
  8. 前記縮合多環ヘテロ芳香族化合物は、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、又はこれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項６に記載の光電変換素子。
  9. 前記光電変換層は、前記第１有機物とｐｎ接合を形成するｐ型半導体又はｎ型半導体を更に含み、
    前記有機補助層は、前記ｐ型半導体又は前記ｎ型半導体を更に含むことを特徴とする請求項４に記載の光電変換素子。
  10. 前記ｐ型半導体又は前記ｎ型半導体は、フラーレン又はフラーレン誘導体を含むことを特徴とする請求項９に記載の光電変換素子。
  11. 前記有機補助層の厚さは、５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
  12. 前記第１電極と前記光電変換層との間に位置する無機ナノ層を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
  13. 前記無機ナノ層は、ランタン族元素、カルシウム（Ｃａ）、カリウム（Ｋ）、アルミニウム（Ａｌ）、又はこれらの合金を含むことを特徴とする請求項１２に記載の光電変換素子。
  14. 前記ランタン族元素は、イッテルビウム（Ｙｂ）を含むことを特徴とする請求項１３に記載の光電変換素子。
  15. 前記無機ナノ層の厚さは、５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の光電変換素子。
  16. 前記有機補助層は、前記光電変換層に当接し、
    前記無機ナノ層は、前記第１電極に当接することを特徴とする請求項１２に記載の光電変換素子。
  17. 前記第１電極は、カソードであり、
    前記第２電極は、アノードであることを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
  18. 請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光電変換素子を含むことを特徴とする電子装置。
  19. 請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光電変換素子を含むことを特徴とする有機センサ。
  20. 請求項１９に記載の有機センサを含むことを特徴とする電子装置。
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