JP4719597B2 - 光電変換素子及び固体撮像素子 - Google Patents

Description

本発明は、平坦面上に形成された第一電極と、前記第一電極上方に形成された光電変換層と、前記光電変換層上方に形成された第二電極とを含む光電変換素子に関する。

デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等に搭載されるＣＣＤ型・ＣＭＯＳ型の固体撮像素子は、技術進歩が限界近くまで進み受光部１個の開口の大きさが２μｍ程度と入射光の波長オーダに近付いている。このため製造歩留まりが悪いという問題に直面している。又、１つの受光部で検出できる光量が少なくなって感度が低下している。更に微細化された受光部１個に蓄積される光電荷量の上限は電子が約３０００個と少なく２５６階調を綺麗に表現する事が困難にもなってきている。このような問題から、画質や感度の点で従来のＣＣＤ型やＣＭＯＳ型固体撮像素子の飛躍的な性能向上を期待するのは困難になっている。

そこでこれら問題を解決する為に、例えば、特許文献１，２に記載されているように、半導体基板には信号読出回路だけを設け、半導体基板の上層部に赤色（Ｒ）検出用の光電変換層を電極で挟んだＲ検出用光電変換素子と、緑色（Ｇ）検出用の光電変換層を電極で挟んだＧ検出用光電変換素子と、青色（Ｂ）検出用の光電変換層を電極で挟んだＢ検出用光電変換素子とを積層した積層型固体撮像素子が提案されている。

特開昭５８−１０３１６５号公報 特開２００２−８３９４６号公報

上述した積層型撮像素子では、分光特性や感度に優れる点から、光電変換層を構成する材料として有機材料が好ましく用いられる。ところが、光電変換層を構成する材料として有機材料を用いた場合には、その有機材料が水分やガス（酸素等）等の劣化因子により容易に劣化してしまう。有機材料を含んで構成される光電変換層を有する光電変換素子においては、劣化因子による素子の性能劣化をいかにして防ぐかが重要な課題となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、劣化因子による性能劣化を抑制することが可能な光電変換素子及び固体撮像素子を提供することを目的とする。

本発明の光電変換素子は、平坦面上に形成された第一電極と、前記第一電極上方に形成された光電変換層と、前記光電変換層上方に形成された第二電極とを含む光電変換素子であって、前記第一電極、前記光電変換層、及び前記第二電極を覆う層であって、劣化因子を吸着する吸着性及び劣化因子と反応する反応性を有する金属錯体化合物で構成される劣化因子吸着・反応性層と、前記劣化因子吸着・反応性層を覆って、前記第一電極、前記光電変換層、及び前記第二電極を保護する無機材料で構成される保護層とを備えるものである。
本発明の光電変換素子は、前記劣化因子吸着・反応性層が、前記劣化因子の吸着の後及び前記劣化因子との反応の後も前記光電変換層の性能を維持可能な材料で構成されるものである。
本発明の光電変換素子は、前記保護層が窒化珪素又は窒化酸化珪素で構成されるものである。
本発明の光電変換素子は、前記光電変換層が有機材料を含んで構成されるものである。
本発明の光電変換素子は、前記劣化因子吸着・反応性層を構成する材料が物理気相堆積法によって形成可能な材料であるものである。
本発明の固体撮像素子は、半導体基板上方に少なくとも１つ積層された請求項１〜５のいずれか１項記載の光電変換素子と、前記少なくとも１つの光電変換素子の各々で発生した信号電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し部とを備えるものである。
本発明の固体撮像素子は、前記半導体基板内に、前記少なくとも１つの光電変換素子を透過した光を検出するフォトダイオードを備えるものである。

本発明によれば、劣化因子による性能劣化を抑制することが可能な光電変換素子及び固体撮像素子を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態を説明するための光電変換素子の概略構成を示す断面模式図である。
図１に示す光電変換素子１００は、ガラス基板等の平坦面を有する基板１の平坦面上に形成された第一電極である下部電極２と、下部電極２上に形成された光電変換層３と、光電変換層３上に形成された第二電極である上部電極４と、下部電極２、光電変換層３、及び上部電極４の露出面を覆う層であって、水分や酸素等の劣化因子を吸着する吸着性及び劣化因子と反応する反応性の少なくとも一方を有する劣化因子吸着・反応性層５と、劣化因子吸着・反応性層５を覆って、下部電極２、光電変換層３、及び上部電極４を保護する保護層６とを備える。

図１の例では、光電変換素子１００には上部電極４側から光が入射され、この光に応じた電荷が光電変換層３で発生する。そして、下部電極２と上部電極４とに電圧を印加することで、光電変換層３で発生した電荷が下部電極２及び上部電極４に移動し、下部電極２及び上部電極４のいずれかに移動した電荷に応じた信号を外部に取り出す構成となっている。

下部電極２は、光電変換層３で発生した電荷（例えば電子）を捕集するための電極である。光電変換素子１００を半導体基板上方に少なくとも１つ積層して積層型固体撮像素子を実現する場合には、下部電極２は透明であることが好ましい。本明細書において、透明とは、波長が約４２０ｎｍ〜約６６０ｎｍの範囲の可視光を８０％以上透過することを言う。

上部電極４は、光電変換層３で発生した電荷（例えば正孔）を捕集するための電極である。光電変換層３に光を入射させる必要があるため、上部電極４は透明であることが好ましい。

光電変換層３は、特定の波長の光を吸収して、吸収した光に応じた電荷を発生する光電変換部位を少なくとも含む。光電変換部位は単層構造でも多層構造でも良い。光電変換部位を構成する材料としては、無機材料と有機材料を用いることができるが、分光特性や感度に優れる点から、有機材料を用いることが特に好ましい。光電変換層３は、光電変換部位の他に、下部電極２や上部電極４から電荷が注入されるのを抑制するための電荷阻止層等を含んでいても良い。

保護層６は、緻密な無機材料で構成される。

劣化因子吸着・反応性層５は、劣化因子の吸着及び劣化因子との反応の後も光電変換層３の性能を維持可能な材料で構成される。又、劣化因子吸着・反応性層５は、保護層６と相互作用が小さく内部応力が伝わりにくい材料を用いることが好ましい。又、劣化因子吸着・反応性層５は、光電変換層３に光を入射させる必要があるため、透明であることが好ましい。このような条件を満たす材料としては、次のような有機材料と無機材料が挙げられる。有機材料は、ポリビニルアルコールのような高分子や、光電変換材料として利用されている有機半導体・金属錯体化合物が挙げられる。無機材料は、弗化カルシウム・弗化マグネシウム・弗化リチウムのような金属弗化物や酸化カルシウム・酸化珪素・酸化ストロンチウム・酸化バリウム・酸化マグネシウムのような金属酸化物が挙げられる。

上記例示した劣化因子吸着・反応性層５に用いられる材料の中で、吸着性のみを有する有機材料としてはポリビニルアルコールが挙げられ、無機材料としては金属弗化物が挙げられる。又、反応性のみを有する有機材料としては有機半導体が挙げられる。又、反応性と吸着性の両方を有する有機材料としては金属錯体化合物が挙げられ、無機材料としては金属酸化物が挙げられる。

このように構成された光電変換素子１００では、下部電極２、光電変換層３、及び上部電極４を覆って保護層６が形成されているため、保護層６が形成されていない場合に比べると、下部電極２、光電変換層３、及び上部電極４が劣化因子によって劣化してしまうのを抑制することができる。しかし、劣化因子吸着・反応性層５を設けずに、保護層６を形成しただけの構成の場合、次のような課題が発生する。

（第一の課題）
保護層６を上部電極４上に直接成膜したとしても、保護層６の製造時の発塵等を要因とする保護層６自体の欠陥（亀裂・ピンホール等）は避けられない。このような欠陥部分から水・酸素等の劣化因子が浸透し、下部電極２、光電変換層３、及び上部電極４が劣化してしまう。
（第二の課題）
保護層６としては窒化珪素や窒化酸化珪素のような緻密な無機材料が利用されるが、このような無機層は内部応力が大きい。このため、特に光電変換層３の端部に於いて光電変換層３が破壊され、上部電極４と下部電極２の一部が接触し短絡してしまう。

光電変換素子１００では、劣化因子吸着・反応性層５を設けたことにより、保護層６にある欠陥から劣化因子が侵入した場合でも、侵入してきた劣化因子が、劣化因子吸着・反応性層５で吸着されるため、劣化因子が下部電極２、光電変換層３、及び上部電極４まで到達するのを抑制することができる。又は、侵入してきた劣化因子が、劣化因子吸着・反応性層５と反応して消滅するため、劣化因子が下部電極２、光電変換層３、及び上部電極４まで到達するのを抑制することができる。又は、侵入してきた劣化因子が、劣化因子吸着・反応性層５で吸着され且つ劣化因子吸着・反応性層５と反応するため、劣化因子が下部電極２、光電変換層３、及び上部電極４まで到達するのを抑制することができ、素子劣化を抑制することができる。この結果、上記第一の課題を解決することができる。

更に、劣化因子吸着・反応性層５として有機材料を用いた場合には、保護層６を構成する無機材料と有機材料との密着性を低くすることができ、保護層６の内部応力を光電変換層３に伝わりにくくすることができる。この結果、上記第二の課題を解決することができる。保護層６として窒化珪素や窒化酸化珪素を用いた場合には、劣化因子吸着・反応性層５と保護層６の密着性を特に低くすることができ、効果的である。

このように、劣化因子吸着・反応性層５は、劣化因子が下部電極２、光電変換層３、及び上部電極４まで到達するのを抑制することができるが、光電変換素子１００の製造時に、劣化因子が下部電極２、光電変換層３、及び上部電極４まで侵入してしまっては、意味がない。このため、光電変換素子１００の製造時における劣化因子の侵入を防止する為に、下部電極２、光電変換層３、上部電極４、劣化因子吸着・反応性層５、及び保護層６を、真空一貫工程で形成することが好ましい。真空一貫工程で光電変換素子１００を製造するためには、劣化因子吸着・反応性層５の材料として、上述した材料のうち、真空条件下で下部電極２、光電変換層３、及び上部電極４と一貫して作製できる真空蒸着法・スパッタ法・イオンプレーティング法・分子線エピタキシ法等の物理気相堆積法で成膜可能な材料を用いることが好ましい。尚、劣化因子吸着・反応性層５の厚さは、光電変換効率と劣化因子侵入抑制効果とを考慮し、０．０５μｍ〜１μｍが好ましく０．１μｍ〜０．５μｍがより好ましい。

以下、上述した下部電極２、光電変換層３、上部電極４、及び保護層６の具体例について説明する。

（光電変換層）
光電変換層は、電磁波を吸収する部位、光電変換部位、電子輸送部位、正孔輸送部位、電子阻止部位、正孔阻止部位、結晶化防止部位等の積み重ねもしくは混合から形成される。光電変換層は有機ｐ型化合物または有機ｎ型化合物を含有することが好ましい。

有機ｐ型半導体（化合物）は、ドナ性有機半導体（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、ドナ性有機化合物は、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、チオフェン化合物、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等を用いることができる。なお、これに限らず、上記したように、ｎ型（アクセプタ性）化合物として用いた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性有機半導体として用いてよい。

有機ｎ型半導体（化合物）は、アクセプタ性有機半導体（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、アクセプタ性有機化合物は、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、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等）、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、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が挙げられる。なお、これに限らず、上記したように、ドナ性有機化合物として用いた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性有機半導体として用いてよい。

ｐ型有機色素、またはｎ型有機色素としては、いかなるものを用いても良いが、好ましくは、シアニン色素、スチリル色素、ヘミシアニン色素、メロシアニン色素（ゼロメチンメロシアニン（シンプルメロシアニン）を含む）、３核メロシアニン色素、４核メロシアニン色素、ロダシアニン色素、コンプレックスシアニン色素、コンプレックスメロシアニン色素、アロポーラ色素、オキソノール色素、ヘミオキソノール色素、スクアリウム色素、クロコニウム色素、アザメチン色素、クマリン色素、アリーリデン色素、アントラキノン色素、トリフェニルメタン色素、アゾ色素、アゾメチン色素、スピロ化合物、メタロセン色素、フルオレノン色素、フルギド色素、ペリレン色素、フェナジン色素、フェノチアジン色素、キノン色素、インジゴ色素、ジフェニルメタン色素、ポリエン色素、アクリジン色素、アクリジノン色素、ジフェニルアミン色素、キナクリドン色素、キノフタロン色素、フェノキサジン色素、フタロペリレン色素、ポルフィリン色素、クロロフィル色素、フタロシアニン色素、金属錯体色素、縮合芳香族炭素環系色素（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）が挙げられる。

次に金属錯体化合物について説明する。金属錯体化合物は金属に配位する少なくとも１つの窒素原子または酸素原子または硫黄原子を有する配位子をもつ金属錯体であり、金属錯体中の金属イオンは特に限定されないが、好ましくはベリリウムイオン、マグネシウムイオン、アルミニウムイオン、ガリウムイオン、亜鉛イオン、インジウムイオン、または錫イオンであり、より好ましくはベリリウムイオン、アルミニウムイオン、ガリウムイオン、または亜鉛イオンであり、更に好ましくはアルミニウムイオン、または亜鉛イオンである。前記金属錯体中に含まれる配位子としては種々の公知の配位子が有るが、例えば、Ｈ．Ｙｅｒｓｉｎ著「Ｐｈｏｔｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ」（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、１９８７年）、山本明夫著「有機金属化学−基礎と応用−」（裳華房、１９８２年）等に記載の配位子が挙げられる。

前記配位子として、好ましくは含窒素ヘテロ環配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数２〜２０、特に好ましくは炭素数３〜１５であり、単座配位子であっても２座以上の配位子であっても良い。好ましくは２座配位子である。例えばピリジン配位子、ビピリジル配位子、キノリノール配位子、ヒドロキシフェニルアゾール配位子（ヒドロキシフェニルベンズイミダゾール、ヒドロキシフェニルベンズオキサゾール配位子、ヒドロキシフェニルイミダゾール配位子）などが挙げられる）、アルコキシ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数１〜２０、特に好ましくは炭素数１〜１０であり、例えばメトキシ、エトキシ、ブトキシ、２−エチルヘキシロキシなどが挙げられる。）、アリールオキシ配位子（好ましくは炭素数６〜３０、より好ましくは炭素数６〜２０、特に好ましくは炭素数６〜１２であり、例えばフェニルオキシ、１−ナフチルオキシ、２−ナフチルオキシ、２，４，６−トリメチルフェニルオキシ、４−ビフェニルオキシなどが挙げられる。）、ヘテロアリールオキシ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数１〜２０、特に好ましくは炭素数１〜１２であり、例えばピリジルオキシ、ピラジルオキシ、ピリミジルオキシ、キノリルオキシなどが挙げられる。）、アルキルチオ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数１〜２０、特に好ましくは炭素数１〜１２であり、例えばメチルチオ、エチルチオなどが挙げられる。）、アリールチオ配位子（好ましくは炭素数６〜３０、より好ましくは炭素数６〜２０、特に好ましくは炭素数６〜１２であり、例えばフェニルチオなどが挙げられる。）、ヘテロ環置換チオ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数１〜２０、特に好ましくは炭素数１〜１２であり、例えばピリジルチオ、２−ベンズイミゾリルチオ、２−ベンズオキサゾリルチオ、２−ベンズチアゾリルチオなどが挙げられる。）、またはシロキシ配位子（好ましくは炭素数１〜３０、より好ましくは炭素数３〜２５、特に好ましくは炭素数６〜２０であり、例えば、トリフェニルシロキシ基、トリエトキシシロキシ基、トリイソプロピルシロキシ基などが挙げられる）であり、より好ましくは含窒素ヘテロ環配位子、アリールオキシ配位子、ヘテロアリールオキシ基、またはシロキシ配位子であり、更に好ましくは含窒素ヘテロ環配位子、アリールオキシ配位子、またはシロキシ配位子が挙げられる。

光電変換層は、下部電極と上部電極の間にｐ型半導体層とｎ型半導体層とを有し、該ｐ型半導体とｎ型半導体の少なくともいずれかが有機半導体であり、かつ、それらの半導体層の間に、該ｐ型半導体およびｎ型半導体を含むバルクヘテロ接合構造層を中間層として有する場合が好ましい。バルクへテロ接合構造を含有させることにより、有機層のキャリア拡散長が短いという欠点を補い、光電変換効率を向上させることができる。なお、バルクへテロ接合構造については、特願２００４−０８０６３９号において詳細に説明されている。

光電変換層は、下部電極と上部電極の間にｐ型半導体の層とｎ型半導体の層で形成されるｐｎ接合層の繰り返し構造（タンデム構造）の数を２以上有する構造を含有する場合も好ましく、さらに好ましくは、前記繰り返し構造の間に、導電材料の薄層を挿入する場合である。ｐｎ接合層の繰り返し構造（タンデム構造）の数はいかなる数でもよいが、光電変換効率を高くするために好ましくは２〜５０であり、さらに好ましくは２〜３０であり、特に好ましくは２または１０である。導電材料としては銀または金が好ましく、銀が最も好ましい。なお、タンデム構造については、特願２００４−０７９９３０号において詳細に説明されている。

下部電極と上部電極の間にｐ型半導体の層、ｎ型半導体の層、（好ましくは混合・分散（バルクヘテロ接合構造）層）を持つ光電変換層において、ｐ型半導体およびｎ型半導体のうちの少なくとも１方に配向制御された有機化合物を含む場合も好ましく、さらに好ましくは、ｐ型半導体およびｎ型半導体の両方に配向制御された（可能な）有機化合物を含む場合である。光電変換部位に用いられる有機化合物としては、π共役電子を持つものが好ましく用いられるが、このπ電子平面が、基板（電極基板）に対して垂直ではなく、平行に近い角度で配向しているほど好ましい。基板に対する角度として好ましくは０°以上８０°以下であり、さらに好ましくは０°以上６０°以下であり、さらに好ましくは０°以上４０°以下であり、さらに好ましくは０°以上２０°以下であり、特に好ましくは０°以上１０°以下であり、最も好ましくは０°（すなわち基板に対して平行）である。上記のように、配向の制御された有機化合物の層は、有機層全体に対して一部でも含めば良いが、好ましくは、有機層全体に対する配向の制御された部分の割合が１０％以上の場合であり、さらに好ましくは３０％以上、さらに好ましくは５０％以上、さらに好ましくは７０％以上、特に好ましくは９０％以上、最も好ましくは１００％である。このような状態は、光電変換層において、有機層の有機化合物の配向を制御することにより有機層のキャリア拡散長が短いという欠点を補い、光電変換効率を向上させるものである。

有機化合物の配向が制御されている場合において、さらに好ましくはヘテロ接合面（例えばｐｎ接合面）が基板に対して平行ではない場合である。ヘテロ接合面が、基板（電極基板）に対して平行ではなく、垂直に近い角度で配向しているほど好ましい。基板に対する角度として好ましくは１０°以上９０°以下であり、さらに好ましくは３０°以上９０°以下であり、さらに好ましくは５０°以上９０°以下であり、さらに好ましくは７０°以上９０°以下であり、特に好ましくは８０°以上９０°以下であり、最も好ましくは９０°（すなわち基板に対して垂直）である。上記のような、ヘテロ接合面の制御された有機化合物の層は、有機層全体に対して一部でも含めば良い。好ましくは、有機層全体に対する配向の制御された部分の割合が１０％以上の場合であり、さらに好ましくは３０％以上、さらに好ましくは５０％以上、さらに好ましくは７０％以上、特に好ましくは９０％以上、最も好ましくは１００％である。このような場合、有機層におけるヘテロ接合面の面積が増大し、界面で生成する電子、正孔、電子正孔対等のキャリア量が増大し、光電変換効率の向上が可能となる。以上の、有機化合物のヘテロ接合面とπ電子平面の両方の配向が制御された光電変換膜（光電変換膜）において、特に光電変換効率の向上が可能である。これらの状態については、特願２００４−０７９９３１号において詳細に説明されている。光吸収の点では有機色素層の膜厚は大きいほど好ましいが、電荷分離に寄与しない割合を考慮すると、有機色素層の膜厚として好ましくは、３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、さらに好ましくは５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下、特に好ましくは８０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。

（有機層の形成法）
これらの有機化合物を含む層は、乾式成膜法あるいは湿式成膜法により成膜される。乾式成膜法の具体的な例としては、真空蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法，分子線エピタキシ法等の物理気相堆積法あるいはプラズマ重合等の化学気相堆積法が挙げられる。湿式成膜法としては、塗布法、回転塗布法、浸漬法、ＬＢ法等が用いられる。
ｐ型半導体（化合物）、または、ｎ型半導体（化合物）のうちの少なくとも一つとして高分子化合物を用いる場合は、作成の容易な湿式成膜法により成膜することが好ましい。蒸着等の乾式成膜法を用いた場合、高分子を用いることは分解のおそれがあるため難しく、代わりとしてそのオリゴマを好ましく用いることができる。一方、低分子を用いる場合は、乾式成膜法が好ましく用いられ、特に真空蒸着法が好ましく用いられる。真空蒸着法は抵抗加熱蒸着法、電子線加熱蒸着法等の化合物の加熱の方法、るつぼ、ボ−ト等の蒸着源の形状、真空度、蒸着温度、基盤温度、蒸着速度等が基本的なパラメータである。均一な蒸着を可能とするために基板を回転させて蒸着することは好ましい。真空度は高い方が好ましく１０^-2Ｐａ以下、好ましくは１０^-4Ｐａ以下、特に好ましくは１０^-6Ｐａ以下で真空蒸着が行われる。蒸着時のすべての工程は上記の真空中で行われることが好ましく、基本的には化合物が直接、外気の酸素、水分と接触しないようにする。真空蒸着の上述した条件は有機膜の結晶性、非晶質性、密度、緻密度等に影響するので厳密に制御する必要がある。水晶振動子、干渉計等の膜厚モニタを用いて蒸着速度をＰＩもしくはＰＩＤ制御することは好ましく用いられる。２種以上の化合物を同時に蒸着する場合には共蒸着法、フラッシュ蒸着法等を好ましく用いることができる。

（電極）
正孔を捕集するための正孔捕集電極は、正孔輸送性光電変換部位または正孔輸送部位から正孔を取り出すことが好ましく、金属、合金、金属酸化物、電気伝導性化合物、またはこれらの混合物などを用いることができる材料である。電子を捕集するための電子捕集電極は、光電変換部位から電子を取り出すことが好ましく、光電変換部位などの隣接する層との密着性や電子親和力、イオン化ポテンシャル、安定性等を考慮して選ばれる。これらの具体例としては酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）等の導電性金属酸化物、あるいは金、銀、クロム、ニッケル等の金属、さらにこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物または積層物、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールなどの有機導電性材料、シリコン化合物およびこれらとＩＴＯとの積層物などが挙げられ、好ましくは、導電性金属酸化物であり、特に、生産性、高導電性、透明性等の点からＩＴＯ、ＩＺＯが好ましい。膜厚は材料により適宜選択可能であるが、通常１０ｎｍ以上１μｍ以下の範囲のものが好ましく、より好ましくは３０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、更に好ましくは５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。

特に、光電変換素子を積層した積層型固体撮像素子に応用する場合は、上部電極・下部電極ともに透明であることが好ましい。更に、暗電流を抑制する為に、電子捕集電極は、ＩＴＯのような導電性金属酸化物薄膜と、その光電変換層側に銀・インジウム・マグネシウムのような仕事関数の小さい金属超薄膜を積層させた構造がより好ましい。なお、この電子捕集電極の構造については、特願２００５−２５１７４５号において詳細に説明されている。

電極の作製には材料によって種々の方法が用いられるが、例えばＩＴＯの場合、電子線加熱蒸着法、スパッタ法、抵抗加熱蒸着法、化学反応法（ゾルーゲル法など）、ＩＴＯ分散物の塗布などの方法で膜形成される。ＩＴＯの場合、紫外線オゾン処理、プラズマ処理などを施すことができる。

透明電極膜をプラズマフリーで作製することが好ましい。プラズマフリーで透明電極膜を作成することで、プラズマが基板に与える影響を少なくすることができ、光電変換特性を良好にすることができる。ここで、プラズマフリーとは、透明電極膜の成膜中にプラズマが発生しないか、またはプラズマ発生源から基体までの距離が２ｃｍ以上、好ましくは１０ｃｍ以上、更に好ましくは２０ｃｍ以上であり、基体に到達するプラズマが減ずるような状態を意味する。

透明電極膜の成膜中にプラズマが発生しない装置としては、例えば、電子線加熱蒸着装置（ＥＢ蒸着装置）やパルスレーザ蒸着装置がある。ＥＢ蒸着装置またはパルスレーザ蒸着装置については、沢田豊監修「透明導電膜の新展開」（シーエムシー、１９９９年）、沢田豊監修「透明導電膜の新展開ＩＩ」（シーエムシー、２００２年）、日本学術振興会著「透明導電膜の技術」（オーム社、１９９９年）、およびそれらに付記されている参考文献等に記載されているような装置を用いることができる。以下では、ＥＢ蒸着装置を用いて透明電極膜の成膜を行う方法をＥＢ蒸着法と言い、パルスレーザ蒸着装置を用いて透明電極膜の成膜を行う方法をパルスレーザ蒸着法と言う。 プラズマ発生源から基体への距離が２ｃｍ以上であって基体へのプラズマの到達が減ずるような状態を実現できる装置（以下、プラズマフリーである成膜装置という）については、例えば、対向ターゲット式スパッタ装置やアークプラズマ蒸着法などが考えられ、それらについては沢田豊監修「透明導電膜の新展開」（シーエムシー、１９９９年）、沢田豊監修「透明導電膜の新展開ＩＩ」（シーエムシー、２００２年）、日本学術振興会著「透明導電膜の技術」（オーム社、１９９９年）、およびそれらに付記されている参考文献等に記載されているような装置を用いることができる。

（保護層）
保護層に要求される条件は、第一に、受光面側に保護層を作製する為に透明である必要がある。第二に、有機材料から成る光電変換層を作製する場合には、保護層製造時に既に成膜された有機材料を劣化させない条件・手段を選択する必要がある。第三に、光電変換素子製造時の各工程に於いて加熱・プラズマ・溶媒等から光電変換層を保護しなくてはならない（プロセス耐性）。また製造後に水分や酸素等を遮断して有機材料の劣化を防止する（経時保存性）。このような点を満足する材料として窒化珪素・窒化酸化珪素・酸化珪素のような珪素化合物・ポリ四弗化エチレン等の弗素樹脂・ポリパラキシレン等の水・酸素等が浸透・反応しない緻密な材料が挙げられる。保護層作製手段としては光電変換素子製造時に水・酸素等の劣化因子の混入を防ぐ為に真空条件下で保護層を成膜する事が好ましい。緻密な保護層を作製できるイオンプレーティング法・スパッタ法のような物理気相堆積法やプラズマ励起化学気相堆積（プラズマＣＶＤ）法・触媒化学気相堆積（触媒ＣＶＤ）法のような化学気相堆積法が好ましく用いられる。保護層の膜厚は、０．１μｍ〜１０μｍが好ましく０．５μｍ〜５μｍがより好ましく１μｍ〜３μｍが更に好ましい。

以上のような構成の光電変換素子１００を利用して積層型固体撮像素子を実現することが可能である。
例えば、特許文献１，２記載のように、シリコン等の半導体基板上方に光電変換素子１００を少なくとも１つ積層し、該半導体基板に、その上方に積層した少なくとも１つの光電変換素子１００の各々で発生した電荷に応じた信号をＣＣＤやＣＭＯＳ回路等によって読み出す信号読み出し部を形成した画素部をアレイ状に多数配置することで、積層型固体撮像素子を実現することができる。光電変換素子１００を１つ積層する場合、図１に示す基板１の代わりに、半導体基板上に平坦な絶縁層を形成し、この絶縁層の平坦面上に光電変換素子１００を形成すれば良い。光電変換素子１００を複数積層する場合は、既に形成された光電変換素子１００上に絶縁層を形成し、この上に光電変換素子１００を積層すれば良い。光電変換素子１００を複数層積層した場合には、積層された光電変換素子１００同士の間にある絶縁層が、その絶縁層の下にある光電変換素子１００の保護層として機能する。

又、半導体基板上方に１つの光電変換素子１００を積層した場合には、例えば、この光電変換素子１００の光電変換層３の材料として、Ｇの波長域の光を吸収する材料を選択することで、モノクロ撮影を行うことができる。又、光電変換素子１００を３つ積層した場合には、３つの光電変換素子１００のそれぞれの光電変換層３の材料として、Ｇの波長域の光を吸収する材料と、Ｒの波長域の光を吸収する材料と、Ｂの波長域の光を吸収する材料とを選択することで、カラー撮影を行うことができる。

又、光電変換素子１００が積層された半導体基板内に、積層された光電変換素子１００を透過した光を検出するフォトダイオードを形成した固体撮像素子を実現することもできる。この場合には、半導体基板上方で１色を検出し、半導体基板内で２色を検出してカラー撮影を可能とする構成や、半導体基板上方で２色を検出し、半導体基板内で１色を検出してカラー撮影を可能とする構成等が実現可能である。

以下、積層型固体撮像素子の構成例について説明する。以下では、半導体基板上方に積層された光電変換を行う部分を有機層といい、半導体基板内に形成された光電変換を行う部分を無機層といい、有機層と無機層を併せて光電変換部という。
（光電変換部）
有機層は、少なくとも青色光、緑色光、赤色光を各々吸収し光電変換することができる少なくとも２層の積層型構造を有する。青色光吸収層（Ｂ）は少なくとも４００〜５００ｎｍの光を吸収することができ、好ましくはその波長域でのピーク波長の吸収率は５０％以上である。緑色光吸収層（Ｇ）は少なくとも５００〜６００ｎｍの光を吸収することができ、好ましくはその波長域でのピーク波長の吸収率は５０％以上である。赤色光吸収層（Ｒ）は少なくとも６００〜７００ｎｍの光を吸収することができ、好ましくはその波長域でのピーク波長の吸収率は５０％以上である。これらの層の序列はいずれの序列でも良く、３層積層型構造の場合は上層からＢＧＲ、ＢＲＧ、ＧＢＲ、ＧＲＢ、ＲＢＧ、ＲＧＢの序列が可能である。好ましくは最上層がＧである。２層積層型構造の場合は上層がＲ層の場合は下層が同一平面状にＢＧ層、上層がＢ層の場合は下層が同一平面状にＧＲ層、上層がＧ層の場合は下層が同一平面状にＢＲ層が形成される。好ましくは上層がＧ層で下層が同一平面状にＢＲ層である。このように下層の同一平面状に２つの光吸収層が設けられる場合には上層の上もしくは上層と下層の間に色分別できるフィルタ層を例えばモザイク状に設けることが好ましい。場合により４層目以上の層を新たな層としてもしくは同一平面状に設けることが可能である。

光電変換部は、有機層がＢ／Ｇ／Ｒ層を形成していても良いし無機層がＢ／Ｇ／Ｒ層を形成していても良い。好ましくは有機層と無機層の混合である。この場合、基本的には有機層が１層の時は無機層は１層または２層であり、有機層が２層の時は無機層は１層である。有機層と無機層が１層の場合には無機層が同一平面状に２色以上の光を検出する光電変換素子を形成する。好ましくは上層が有機層でＧ層であり、下層が無機層で上からＢ層、Ｒ層の序列である。場合により４層目以上の層を新たな層として、もしくは同一平面状に設けることが可能である。有機層がＢ／Ｇ／Ｒ層を形成する場合には、その下に電荷蓄積／転送／読み出し部位を設ける。光電変換部として無機層を用いる場合には、この無機層が電荷蓄積／転送／読み出し部位を兼ねる。

有機層に用いられる電極についてさらに詳細に説明する。有機の光電変換層は、画素電極膜（下部電極）、対向電極膜（上部電極）により挟まれる。画素電極膜とは、電荷蓄積／転送／読み出し部位が形成された基板上方に作成された電極膜のことで、通常１ピクセルごとに分割される。これは、光電変換層により変換された信号電荷を電荷蓄積／転送／信号読出回路基板上に１ピクセルごとに読み出すことで、画像を得るためである。

対向電極膜とは、光電変換層を画素電極膜と共にはさみこむことで信号電荷と逆の極性を持つ信号電荷を吐き出す機能をもっている。この信号電荷の吐き出しは各画素間で分割する必要がないため、通常、対向電極膜は各画素間で共通にすることができる。そのため、共通電極膜（コモン電極膜）と呼ばれることもある。光電変換層は、画素電極膜と対向電極膜との間に位置する。光電変換機能は、この光電変換層と画素電極膜および対向電極膜により機能する。

光電変換層積層の構成例としては、まず基板上に積層される有機層が一つの場合として、基板から画素電極膜（基本的に透明電極膜）、光電変換層、対向電極膜（透明電極膜）を順に積層した構成が挙げられるが、これに限定されるものではない。さらに、基板上に積層される有機層が２つの場合、例えば、基板から画素電極膜（基本的に透明電極膜）、光電変換層、対向電極膜（透明電極膜）、層間絶縁膜、画素電極膜（基本的に透明電極膜）、光電変換層、対向電極膜（透明電極膜）を順に積層した構成が挙げられる。

光電変換層を挟む透明電極膜の材料は、プラズマフリーである成膜装置、ＥＢ蒸着装置、およびパルスレーザ蒸着装置により成膜できるものが好ましい。例えば、金属、合金、金属酸化物、金属窒化物、金属硼化物、有機導電性化合物、これらの混合物等が好適に挙げられ、具体例としては、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、ＩＴＯ、ＩＺＯ、酸化インジウムタングステン（ＩＷＯ）等の導電性金属酸化物、窒化チタン等の金属窒化物、金、白金、銀、クロム、ニッケル、アルミニウム等の金属、更にこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物または積層物、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール等の有機導電性材料、これらとＩＴＯとの積層物、などが挙げられる。また、沢田豊監修「透明導電膜の新展開」（シーエムシー、１９９９年）、沢田豊監修「透明導電膜の新展開ＩＩ」（シーエムシー、２００２年）、日本学術振興会著「透明導電膜の技術」（オーム社、１９９９年）等に詳細に記載されているものを用いても良い。

透明電極膜の材料として特に好ましいのは、ＩＴＯ、ＩＺＯ、酸化錫、アンチモンドープ酸化錫（ＡＴＯ）、弗素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）、酸化亜鉛、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、ガリウムドープ酸化亜鉛（ＧＺＯ）、酸化チタンのいずれかの材料である。透明電極膜の光透過率は、その透明電極膜を含む光電変換素子に含まれる光電変換膜の光電変換光吸収ピーク波長において、６０％以上が好ましく、より好ましくは８０％以上で、より好ましくは９０％以上、より好ましくは９５％以上である。また、透明電極膜の表面抵抗は、画素電極であるか対向電極であるか、さらには電荷蓄積／転送・読み出し部位がＣＣＤ構造であるかＣＭＯＳ構造であるか等により好ましい範囲は異なる。対向電極に使用し電荷蓄積／転送／読み出し部位がＣＭＯＳ構造の場合には１００００Ω／□以下が好ましく、より好ましくは、１０００Ω／□以下である。対向電極に使用し電荷蓄積／転送／読み出し部位がＣＣＤ構造の場合には１０００Ω／□以下が好ましく、より好ましくは、１００Ω／□以下である。画素電極に使用する場合には１００００００Ω／□以下が好ましく、より好ましくは、１０００００Ω／□以下である。

透明電極膜成膜時の条件について触れる。透明電極膜成膜時の基板温度は５００℃以下が好ましく、より好ましくは、３００℃以下で、さらに好ましくは２００℃以下、さらに好ましくは１５０℃以下である。また、透明電極膜成膜中にガスを導入しても良く、基本的にそのガス種は制限されないが、アルゴン、ヘリウム、酸素、窒素などを用いることができる。また、これらのガスの混合ガスを用いても良い。特に酸化物の材料の場合は、酸素欠陥が入ることが多いので、酸素を用いることが好ましい。

光電変換層に電圧を印加した場合、光電変換効率が向上する点で好ましい。印加電圧としては、いかなる電圧でも良いが、光電変換層の層厚により必要な電圧は変わってくる。すなわち、光電変換効率は、光電変換層に加わる電場が大きいほど向上するが、同じ印加電圧でも光電変換層の層厚が薄いほど加わる電場は大きくなる。従って、光電変換層の層厚が薄い場合は、印加電圧は相対的に小さくても良い。光電変換層に加える電場として好ましくは、１０Ｖ・ｍ^−１以上であり、さらに好ましくは１×１０³Ｖ・ｍ^−１以上、さらに好ましくは１×１０⁵Ｖ・ｍ^−１以上、特に好ましくは１×１０⁶Ｖ・ｍ^−１以上、最も好ましくは１×１０⁷Ｖ・ｍ^−１以上である。上限は特にないが、電場を加えすぎると暗所でも電流が流れ好ましくないので、１×１０¹²Ｖ・ｍ^−１以下が好ましく、さらに１×１０⁹Ｖ・ｍ^−１以下が好ましい。

（無機層）
無機層について説明する。この場合、上層の有機層を通過した光を無機層で光電変換することになる。無機層としては結晶シリコン、非晶質シリコン、ガリウム砒素などの化合物半導体のｐｎ接合またはｐｉｎ接合が一般的に用いられる。積層型構造として米国特許第５９６５８７５号明細書に開示されている方法を採用することができる。すなわちシリコンの吸収係数の波長依存性を利用して積層された受光部を形成し、その深さ方向で色分離を行う構成である。この場合、シリコンの光進入深さで色分離を行っているため積層された各受光部で検知するスペクトル範囲はブロードとなる。しかしながら、前述した有機層を上層に用いることにより、すなわち有機層を透過した光をシリコンの深さ方向で検出することにより色分離が顕著に改良される。特に有機層にＧ層を配置すると有機層を透過する光は青色光と赤色光になるためにシリコンでの深さ方向での光の分別は青色・赤色光のみとなり色分離が改良される。有機層がＢ層またはＲ層の場合でもシリコンの光電変換部位を深さ方向で適宜選択することにより顕著に色分離が改良される。有機層が２層の場合にはシリコンでの光電変換部位としての機能は基本的には１色で良く、好ましい色分離が達成できる。

無機層は好ましくは、半導体基板内の深さ方向に、画素毎に複数のフォトダイオードが重層され、前記複数のフォトダイオードに吸収される光によって各フォトダイオードに生じる信号電荷に応じた色信号を外部に読み出す構造である。好ましくは、前記複数のフォトダイオードは、青色光を吸収する深さに設けられる第１のフォトダイオードと、赤色光を吸収する深さに設けられる第２のフォトダイオードの少なくとも１つとを含み、前記複数のフォトダイオードの各々に生じる前記信号電荷に応じた色信号を読み出す色信号読み出し回路を備えることが好ましい。この構成により、カラーフィルタを用いることなく色分離を行うことができる。また、場合によっては、負感度成分の光も検出することができるため、色再現性の良いカラー撮像が可能となる。また、前記第１のフォトダイオードの接合部は、前記半導体基板表面から約０．２μｍまでの深さに形成され、前記第２のフォトダイオードの接合部は、前記半導体基板表面から約２μｍまでの深さに形成されることが好ましい。

無機層についてさらに詳細に説明する。無機層の好ましい構成としては、光伝導型、ｐｎ接合型、ショットキ接合型、ｐｉｎ接合型、ＭＳＭ（金属−半導体−金属）型の受光素子やフォトトランジスタ型の受光素子が挙げられる。単一の半導体基板内に、第１導電型の領域と、前記第１導電型と逆の導電型である第２導電型の領域とを交互に複数積層し、前記第１導電型および第２導電型の領域の各接合面を、それぞれ異なる複数の波長帯域の光を主に光電変換するために適した深さに形成してなる受光素子を用いることが好ましい。単一の半導体基板としては、単結晶シリコンが好ましく、シリコン基板の深さ方向に依存する吸収波長特性を利用して色分離を行うことができる。

無機半導体として、ＩｎＧａＮ系、ＩｎＡｌＮ系、ＩｎＡｌＰ系、またはＩｎＧａＡｌＰ系の無機半導体を用いることもできる。ＩｎＧａＮ系の無機半導体は、Ｉｎの含有組成を適宜変更し、青色の波長範囲内に極大吸収値を有するよう調整されたものである。すなわち、Ｉｎ_xＧａ_1-xＮ（０≦Ｘ＜１）の組成となる。このような化合物半導体は、有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて製造される。Ｇａと同じ１３族原料のＡｌを用いる窒化物半導体のＩｎＡｌＮ系についても、ＩｎＧａＮ系と同様に短波長受光部として利用することができる。また、ＧａＡｓ基板に格子整合するＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰを用いることもできる

無機半導体は、埋め込み構造となっていてもよい。埋め込み構造とは、短波長受光部部分の両端を短波長受光部とは異なる半導体で覆われる構成のものをいう。両端を覆う半導体としては、短波長受光部のバンドギャップ波長より短いまたは同等のバンドギャップ波長を有する半導体であることが好ましい。有機層と無機層とは、どのような形態で結合されていてもよい。また、有機層と無機層との間には、電気的に絶縁するために、絶縁層を設けることが好ましい。

接合は、光入射側から、ｎｐｎ、またはｐｎｐｎとなっていることが好ましい。特に、表面にｐ層を設け表面の電位を高くしておくことで、表面付近で発生した正孔、および暗電流をトラップすることができ暗電流を低減できるため、ｐｎｐｎ接合とすることがより好ましい。

このようなフォトダイオードは、ｐ型シリコン基板表面から順次拡散される、ｎ型層、ｐ型層、ｎ型層、ｐ型層をこの順に深く形成することで、ｐｎ接合ダイオードがシリコンの深さ方向にｐｎｐｎの４層が形成される。ダイオードに表面側から入射した光は波長の長いものほど深く侵入し、入射波長と減衰係数はシリコン固有の値を示すので、ｐｎ接合面の深さが可視光の各波長帯域を満足するように設計する。同様に、ｎ型層、ｐ型層、ｎ型層の順に形成することで、ｎｐｎの３層の接合ダイオードが得られる。ここで、ｎ型層から光信号を取り出し、ｐ型層は接地する。
また、各領域に引き出し電極を設け、所定のリセット電位をかけると、各領域が空乏化し、各接合部の容量は限りなく小さい値になる。これにより、接合面に生じる容量を極めて小さくすることができる。

（補助層）
好ましくは光電変換層の最上層に紫外線吸収層および／または赤外線吸収層を有する。紫外線吸収層は少なくとも４００ｎｍ以下の光を吸収または反射することができ、好ましくは４００ｎｍ以下の波長域での吸収率は５０％以上である。赤外線吸収層は少なくとも７００ｎｍ以上の光を吸収または反射することができ、好ましくは７００ｎｍ以上の波長域での吸収率は５０％以上である。

これらの紫外線吸収層、赤外線吸収層は従来公知の方法によって形成できる。例えば基板上にゼラチン、カゼイン、グリュあるいはポリビニルアルコールなどの親水性高分子物質からなる媒染層を設け、その媒染層に所望の吸収波長を有する色素を添加もしくは染色して着色層を形成する方法が知られている。さらには、ある種の着色材が透明樹脂中に分散されてなる着色樹脂を用いた方法が知られている。例えば、特開昭５８−４６３２５号公報，特開昭６０−７８４０１号公報，特開昭６０−１８４２０２号公報，特開昭６０−１８４２０３号公報，特開昭６０−１８４２０４号公報，特開昭６０−１８４２０５号公報等に示されている様に、ポリアミノ系樹脂に着色材を混合した着色樹脂膜を用いることができる。感光性を有するポリイミド樹脂を用いた着色剤も可能である。

特公平７−１１３６８５号公報記載の感光性を有する基を分子内に持つ、２００℃以下にて硬化膜を得ることのできる芳香族系のポリアミド樹脂中に着色材料を分散すること、特公平７−６９４８６号公報記載の含量を分散着色樹脂を用いることも可能である。好ましくは誘電体多層膜が用いられる。誘電体多層膜は光の透過の波長依存性がシャープであり、好ましく用いられる。

積層される複数の光電変換層は絶縁層により分離されていることが好ましい。絶縁層は、ガラス、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルサルフォン、ポリプロピレン等の透明性絶縁材料を用いて形成することができる。窒化珪素、酸化珪素等も好ましく用いられる。プラズマＣＶＤ法で成膜した窒化珪素は緻密性が高く透明性も良いために好ましく用いられる。更に、マイクロレンズアレイを受光素子の上部に形成することにより、集光効率を向上させることができるため、このような態様も好ましい。

（電荷蓄積／転送／読み出し部位）
電荷転送／読み出し部位については特開昭５８−１０３１６６号公報、特開昭５８−１０３１６５号公報、特開２００３−３３２５５１号公報等を参考にすることができる。半導体基板上にＭＯＳ トランジスタが各画素単位に形成された構成や、あるいは、素子としてＣＣＤを有する構成を適宜採用することができる。例えばＭＯＳトランジスタを用いた積層型固体撮像素子の場合、電極を透過した入射光によって光導電膜の中に電荷が発生し、電極に電圧を印加することにより電極と電極との間に生じる電界によって電荷が光電変換層の中を電極まで走行し、さらにＭＯＳトランジスタの電荷蓄積部まで移動し、電荷蓄積部に電荷が蓄積される。電荷蓄積部に蓄積された電荷は、ＭＯＳトランジスタのスイッチングにより電荷読出し部に移動し、さらに電気信号として出力される。これにより、フルカラーの画像信号が得られる。一定量のバイアス電荷を蓄積ダイオードに注入して（リフレッシュモード）おき、一定の電荷を蓄積（光電変換モード）後、信号電荷を読み出すことが可能である。光電変換層そのものを蓄積ダイオードとして用いることもできるし、別途、蓄積ダイオードを付設することもできる。

信号の読み出しについてさらに詳細に説明する。信号の読み出しは、通常のカラー読み出し回路を用いることができる。受光部で光／電気変換された信号電荷もしくは信号電流は、受光部そのものもしくは付設されたキャパシタで蓄えられる。蓄えられた電荷は、Ｘ−Ｙアドレス方式を用いたＭＯＳ型撮像素子（いわゆるＣＭＯＳセンサ）の手法により、画素位置の選択とともに読み出される。他には、アドレス選択方式として、１画素づつ順次マルチプレクサスイッチとデジタルシフトレジスタで選択し、共通の出力線に信号電圧（または電荷）として読み出す方式が挙げられる。２次元にアレイ化されたＸ−Ｙアドレス操作の撮像素子がＣＭＯＳセンサとして知られる。これは、Ｘ−Ｙの交点に接続された画素に設けられたスイッチは垂直シフトレジスタに接続され、垂直走査シフトレジスタからの電圧でスイッチがオンすると同じ行に設けられた画素から読み出された信号は、列方向の出力線に読み出される。この信号は水平走査シフトレジスタにより駆動されるスイッチを通して順番に出力端から読み出される。

出力信号の読み出しには、フローティングディフュージョン検出器や、フローティングゲート検出器を用いることができる。また画素部分に信号増幅回路を設けることや、相関二重サンプリング（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）の手法などにより、Ｓ／Ｎの向上をはかることができる。

信号処理には、ＡＤＣ回路によるガンマ補正、ＡＤ変換機によるデジタル化、輝度信号処理や、色信号信号処理を施すことができる。色信号処理としては、ホワイトバランス処理や、色分離処理、カラーマトリックス処理などが挙げられる。ＮＴＳＣ信号に用いる際は、ＲＧＢ信号をＹＩＱ信号の変換処理を施すことができる。

電荷転送・読み出し部位は電荷の移動度が１００ｃｍ²・Ｖ^-1・ｓ^-1以上であることが必要であり、この移動度は、材料をIV族、III−Ｖ族、II−VI族の半導体から選択することによって得ることができる。その中でも微細化技術が進んでいることと、低コストであることからシリコン半導体が好ましい。電荷転送・電荷読み出しの方式は数多く提案されているが、何れの方式でも良い。特に好ましい方式はＣＭＯＳ型あるいはＣＣＤ型のデバイスである。更に、ＣＭＯＳ型の方が高速読み出し、画素加算、部分読み出し、消費電力などの点で好ましいことが多い。

（接続）
光電変換層を挟む電極と電荷転送・読み出し部位を連結する複数のコンタクト部位はいずれの金属で連結してもよいが、銅、アルミニウム、銀、金、クロム、タングステンの中から選択するのが好ましく、特に銅が好ましい。複数の光電変換層に応じて、それぞれのコンタクト部位を電荷転送・読み出し部位との間に設置する必要がある。青色・緑色・赤色光の複数感光単位の積層構造を採る場合、青色光用取り出し電極と電荷転送・読み出し部位の間、緑色光用取り出し電極と電荷転送・読み出し部位の間および赤色光用取り出し電極と電荷転送・読み出し部位の間をそれぞれ連結する必要がある。

（プロセス）
積層型固体撮像素子は、公知の集積回路などの製造に用いるいわゆるミクロファブリケーションプロセスにしたがって製造することができる。基本的には、この方法は活性光や電子線などによるパターン露光（水銀のｉ，ｇ輝線、エキシマレーザ、さらにはＸ線、電子線）、現像および／またはバーニングによるパターン形成、素子形成材料の配置（塗設、蒸着、スパッタ、ＣＶなど）、非パターン部の材料の除去（熱処理、溶解処理など）の反復操作による。

（用途）
デバイスのチップサイズは、ブローニーサイズ、１３５サイズ、ＡＰＳサイズ、１／１．８インチ、さらに小型のサイズでも選択することができる。本発明の積層光電変換素子の画素サイズは複数の電磁波吸収・光電変換部位の最大面積に相当する円相当直径で表す。いずれの画素サイズであっても良いが、２〜２０ミクロンの画素サイズが好ましい。さらに好ましくは２〜１０ミクロンであるが、３〜８ミクロンが特に好ましい。画素サイズが２０ミクロンを超えると解像力が低下し、画素サイズが２ミクロンよりも小さくてもサイズ間の電波干渉のためか解像力が低下する。

積層型固体撮像素子は、デジタルスチルカメラに利用することが出来る。また、テレビカメラに用いることも好ましい。その他の用途として、デジタルビデオカメラ、下記用途などでの監視カメラ（オフィスビル、駐車場、金融機関・無人契約機、ショッピングセンタ、コンビニエンスストア、アウトレットモール、百貨店、パチンコホール、カラオケボックス、ゲームセンタ、病院）、その他各種のセンサ（テレビドアホン、個人認証用センサ、ファクトリーオートメーション用センサ、家庭用ロボット、産業用ロボット、配管検査システム）、医療用センサ（内視鏡、眼底カメラ）、テレビ会議システム、テレビ電話、カメラ付き携帯電話、自動車安全走行システム（バックガイドモニタ、衝突予測、車線維持システム）、テレビゲーム用センサなどの用途に用いることが出来る。

中でも、積層型固体撮像素子は、テレビカメラ用途としても適するものである。その理由は、色分解光学系を必要としないためにテレビカメラの小型軽量化を達成することが出来るためである。また、高感度で高解像力を有することから、ハイビジョン放送用テレビカメラに特に好ましい。この場合のハイビジョン放送用テレビカメラとは、デジタルハイビジョン放送用カメラを含むものである。更に、積層型固体撮像素子においては、光学ローパスフィルタを不要とすることが出来、更なる高感度、高解像力が期待できる点で好ましい。更に、積層型固体撮像素子においては厚みを薄くすることが可能であり、かつ色分解光学系が不要となる為、「日中と夜間のように異なる明るさの環境」、「静止している被写体と動いている被写体」など、異なる感度が要求される撮影シーン、その他分光感度、色再現性に対する要求が異なる撮影シーンに対して、積層型固体撮像素子を交換して撮影する事により１台のカメラにて多様な撮影の需要に応えることが出来、同時に複数台のカメラを持ち歩く必要がない為、撮影者の負担も軽減する。交換の対象となる積層型固体撮像素子としては、上記の他に赤外光撮影用、白黒撮影用、ダイナミックレンジの変更を目的に交換光電変換素子を用意することが出来る。

テレビカメラは、映像情報メディア学会編「テレビジョンカメラの設計技術」（コロナ社、１９９９年）第２章の記述を参考にし、例えば図２．１テレビカメラの基本的な構成の色分解光学系および撮像デバイスの部分を、上述した積層型固体撮像素子と置き換えることにより作製することができる。上述の光電変換素子は、配列することで撮像素子として利用することができるだけでなく、単体としてバイオセンサや化学センサなどの光センサやカラー受光素子としても利用可能である。

（第二実施形態）
本実施形態では、第一実施形態で説明した光電変換素子を用いた積層型固体撮像素子の一例を説明する。

図２は、本発明の第二実施形態を説明するための積層型固体撮像素子の部分断面模式図である。
図２では、光を検出して電荷を蓄積する部分である画素部における２画素分の断面と、その画素部にある電極に接続される配線や、その配線に接続されるボンディングパッド等が形成される部分である周辺回路部との断面を併せて示した。

画素部のｐ型シリコン基板４１３には、表面部にｎ領域４２１が形成され、ｎ領域４２１の表面部にはｐ領域４２２が形成され、ｐ領域４２２の表面部にはｎ領域４２３が形成され、ｎ領域４２３の表面部にはｐ領域４２４が形成されている。

ｎ領域４２１は、ｐ型シリコン基板４１３とのｐｎ接合により光電変換された赤色（Ｒ）成分の電子を蓄積する。Ｒ成分の電子が蓄積されたことによるｎ領域４２１の電位変化が、ｐ型シリコン基板４１３に形成されたＭＯＳトランジスタ４２６から、そこに接続されたメタル配線４１９を介して信号読み出しＰＡＤ４２７に読み出される。

ｎ領域４２３は、ｐ領域４２２とのｐｎ接合により光電変換された青色（Ｂ）成分の電子を蓄積する。Ｂ成分の電子が蓄積されたことによるｎ領域４２３の電位変化が、ｐ領域４２２に形成されたＭＯＳトランジスタ４２６’から、そこに接続されたメタル配線４１９を介して信号読み出しＰＡＤ４２７に読み出される。

ｐ領域４２４内には、ｐ型シリコン基板４１３上方に積層された光電変換部位４２２，４２３で発生した緑色（Ｇ）成分の電子を蓄積するｎ領域からなる電子蓄積領域４２５が形成されている。Ｇ成分の電子が蓄積されたことによる電子蓄積領域４２５の電位変化が、ｐ領域４２４内に形成されたＭＯＳトランジスタ４２６’’から、そこに接続された金属配線４１９を介して信号読み出しＰＡＤ４２７に読み出される。通常、信号読み出しＰＡＤ４２７は、各色成分が読み出されるトランジスタ毎に別々に設けられる。

ここでｎ領域、ｐ領域、トランジスタ、金属配線等は模式的に示したが、それぞれの構造等はこれに限らず、適宜最適なものが選ばれる。Ｂ光、Ｒ光はシリコン基板の深さにより分別しているのでｐｎ接合等のシリコン基板表面からの深さ、各不純物のドープ濃度の選択などは重要である。

ｐ型シリコン基板４１３上には、酸化珪素、窒化珪素等を主成分とする透明な絶縁層４１２が形成され、絶縁層４１２上には酸化珪素、窒化珪素等を主成分とする透明な絶縁層４１１が形成されている。絶縁層４１２の層厚は薄いほど好ましく５μｍ以下、好ましくは３μｍ以下、さらに好ましくは２μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ以下である。

絶縁層４１１，４１２内には、下部電極４１４と電子蓄積領域としてのｎ領域４２５とを電気的に接続する例えばタングステンを主成分としたプラグ４１５が形成されており、プラグ４１５は絶縁層４１１と絶縁層４１２との間でパッド４１６によって中継接続されている。パッド４１６はアルミニウムを主成分としたものが好ましく用いられる。絶縁層４１２内には、前述した金属配線４１９やトランジスタ４２６，４２６’，４２６’’のゲート電極等も形成されている。金属配線も含めてバリア層が設けられていることが好ましい。プラグ４１５は、１画素毎に設けられている。

絶縁層４１１内には、ｐ領域４２４とｎ領域４２５のｐｎ接合による電荷の発生に起因するノイズを防ぐために、遮光膜４１７が設けられている。遮光膜４１７は通常、タングステンやアルミニウム等を主成分としたものが用いられる。絶縁層４１１内には、ボンディングパッド４２０（外部から電源を供給するためのパッド）と、信号読み出しパッド４２７が形成される。

絶縁層４１１内の各画素のプラグ４１５上には透明な下部電極４１４が形成されている。下部電極４１４は、画素毎に分割されており、この大きさによって受光面積が決定される。下部電極４１４上には光電変換層４２が形成され、この上に、上部電極４２８が形成されている。上部電極４２８には、ボンディングパッド４２０からの配線を通じてバイアスがかけられる。

光電変換層４２は、下部電極４１４上に、正孔阻止層４２１と、ｎ型有機半導体からなる光電変換部位４２２と、ｐ型有機半導体からなる光電変換部位４２３と、電子阻止層４２４とがこの順に積層されて構成される。光電変換層４２は、これらのうち光電変換部位４２２，４２３を少なくとも含んでいれば良い。光電変換層４２の厚みは、０．５μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以下、特に好ましくは０．２μｍ以下である。下部電極４１４及び上部電極４２８の厚みは、それぞれ０．２μｍ以下が好ましい。

図２の構成では、光電変換部位４２２，４２３は、緑色光を吸収してこれに応じた電子及び正孔を発生する材料を用いる。光電変換層４２は、全画素で共通して用いることができるため、１枚構成の膜であれば良く、画素毎に分離しておく必要はない。

光電変換部位４２２，４２３を構成する有機ｐ型半導体及び有機ｎ型半導体として、それぞれキナクリドン誘導体、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、及びフルオランテン誘導体のいずれかを特に好ましく用いることができる。

図２の積層型固体撮像素子は、上部電極４２８を光入射側の電極とし、光電変換層４２で発生した正孔が上部電極４２８に移動し、光電変換層４２で発生した電子が下部電極４１４に移動するように、下部電極４１４と上部電極４２８に電圧が印加される。

正孔阻止層４２１は、下部電極４１４と上部電極４２８への電圧印加時に、下部電極４１４から正孔が注入されることによる暗電流を低減するために設けられており、下部電極４１４からの正孔が光電変換部位４２２，４２３に注入されるのを抑制する。

電子阻止層４２４は、下部電極４１４と上部電極４２８への電圧印加時に、上部電極４２８から電子が注入されることによる暗電流を低減するために設けられており、上部電極４２８からの電子が光電変換部位４２２，４２３に注入されるのを抑制する。

下部電極４１４、光電変換層４２、及び上部電極４２８の周囲には、これらを覆う劣化因子吸着・反応性層４２９が形成されている。

劣化因子吸着・反応性層４２９上には下部電極４１４、光電変換層４２、及び上部電極４２８を保護する機能を持つ窒化珪素又は窒化酸化珪素を主成分とする保護層４０４が形成されている。劣化因子吸着・反応性層４２９と保護層４０４には、画素部の下部電極４１４と重ならない位置に開口が形成され、絶縁層４１１及び保護層４０４には、ボンディングパッド４２０上の一部に開口が形成されている。そして、この２つの開口によって露出する上部電極４２８とボンディングパッド４２０とを電気的に接続して、上部電極４２８に電位を与えるためのアルミニウム等からなる配線４１８が、開口内部及び保護層４０４上に形成されている。配線４１８の材料としては、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｃｕ合金等のアルミニウムを含有する合金を用いることもできる。

配線４１８上には、配線４１８を保護するための窒化珪素等を主成分とする保護層４０３が形成され、保護層４０３上には赤外線遮断誘電体多層膜４０２が形成され、赤外線遮断誘電体多層膜４０２上には反射防止層４０１が形成されている。

下部電極４１４は、図１に示す下部電極２と同じ機能を果たす。光電変換層４２は、図１に示す光電変換層３と同じ機能を果たす。上部電極４２８は、図１に示す上部電極４と同じ機能を果たす。劣化因子吸着・反応性層４２９は、図１に示す劣化因子吸着・反応性層５と同じ機能を果たす。

以上のような構成により、１画素でＢＧＲ３色の光を検出してカラー撮像を行うことが可能となる。図２の構成では、２つの画素においてＲ，Ｂを共通の値として用い、Ｇの値だけを別々に用いるが、画像を生成する際はＧの感度が重要となるため、このような構成であっても、良好なカラー画像を生成することが可能である。

又、劣化因子吸着・反応性層４２９の機能により、素子製造後の劣化因子による素子劣化を抑制することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。
（実施例）
ＩＴＯから成る透明電極（膜厚１００ｎｍ）が成膜されたガラス基板を使用した。インジウム（膜厚２ｎｍ）を該ＩＴＯ電極上に真空蒸着し、ＩＴＯとインジウムからなる２層構造の電極を下部電極（電子捕集電極）とした。この上に真空蒸着により化合物１の５，１２−ジヒドロキノ[２，３−ｂ]アクリジン−７，１４−ジオン（キナクリドン：膜厚１００ｎｍ）と、化合物２の４，４’，４”−トリス（Ｎ−（３−メチルフェニル）Ｎ−フェニルアミノ）トリフェニルアミン（ｍ−ＭＴＤＡＴＡ：膜厚１００ｎｍ）を順に積層し光電変換層とした。更に高周波マグネトロンスパッタによりＩＴＯ（膜厚１０ｎｍ）を成膜し上部電極（正孔捕集電極）とした。以上が光電変換素子の構成であり、インジウム層は特願２００５−２５１７４５号、ｍ−ＭＴＤＡＴＡ層は特願２００６−０４５９５５号にその効果について詳細が説明されている。このように作製した光電変換素子全体を覆うように劣化因子吸着・反応性層として、化合物３のトリス（８−ヒドロキシキノリナート）アルミニウム（III）錯体（Ａｌｑ_３：膜厚１００ｎｍ）を真空蒸着した。最後に保護層としてプラズマＣＶＤ法により窒化珪素（膜厚１μｍ）を成膜し、劣化因子吸着・反応性層を被覆した。この実施例の素子構成は図１に示した通りである。このような素子を５個作製した。

（比較例）
実施例の光電変換素子の作製に於いて、Ａｌｑ_３から成る劣化因子吸着・反応性層を成膜せず、これ以外については同様にして作製した。

実施例および比較例の光電変換素子の上部電極を接地して下部電極に２Ｖを印加し、上部電極側から波長５６０ｎｍの光を強度５０μＷ・ｃｍ^−２で照射し、外部量子効率と暗電流を測定した。又、温度２３℃・湿度５０％の環境下で暗所保存し、２００時間後・５００時間後・８００時間後の外部量子効率と暗電流を測定した。実施例と比較例の素子それぞれ５個の外部量子効率の平均と暗電流の平均を表１に示す。

実施例の光電変換素子の外部量子効率と暗電流の経時変化は素子ばらつきの範囲内と考えられる。一方、比較例の素子は、外部量子効率はあまり変化しないものの、暗電流が時間経過と共に増大しており、素子劣化が著しい。このため、特に固体撮像素子への応用は不適当である。ここで、比較例の素子は外部量子効率が経時で漸増しているようにみえるが、これは、暗電流の増大によるＳ／Ｎの減少で測定精度が悪化した結果である。つまり比較例の素子の外部量子効率の変化は誤差範囲内である。なお、劣化因子吸着・反応性層と保護層を省略した光電変換素子では、１００時間後には暗電流が１×１０^−６Ａ・ｃｍ^−２を超えたうえに、外部量子効率は測定不能だった。

この結果により、実施例の光電変換素子は、保護層の欠陥部分から水・酸素等の劣化因子が浸入しても、劣化因子と劣化因子吸着・反応性層のＡｌｑ_３とが反応し、上部電極、光電変換層、及び下部電極まで劣化因子が浸透せず、素子性能が維持できることがわかった。

一方、比較例の光電変換素子は、保護層の欠陥部分から劣化因子が上部電極、光電変換層、及び下部電極まで浸入し、特に下部電極のインジウムが酸化してしまったと考えられる。実施例および比較例の光電変換素子は、ＩＴＯ（仕事関数４．８ｅＶ）上にインジウム（仕事関数４．３ｅＶ）が積層された下部電極（電子捕集電極）となっている。このように仕事関数がＩＴＯより小さいインジウムを積層する事により、下部電極からの正孔注入を抑制し光電変換素子の暗電流を減少させているが、インジウムが酸化されてしまうと、ＩＴＯ上に蒸着したインジウムの効果がなくなり正孔注入が起こりやすくなる。この結果、比較例素子の暗電流が増大したと考えられる。

また、実施例および比較例の光電変換素子を１０個ずつ作製した時の素子の短絡数を表２に示す。

以上の結果より、劣化因子吸着・反応性層を設ける事で、光電変換素子の短絡を防止し、歩留まりが向上する効果が明らかになった。

本発明の第一実施形態を説明するための光電変換素子の概略構成を示す断面模式図 本発明の第二実施形態を説明するための積層型固体撮像素子の概略構成を示す部分断面模式図

符号の説明

１ 基板
２ 下部電極
３ 光電変換層
４ 上部電極
５ 劣化因子吸着・反応性層
６ 保護層
１００ 光電変換素子

Claims (7)

1. 平坦面上に形成された第一電極と、前記第一電極上方に形成された光電変換層と、前記光電変換層上方に形成された第二電極とを含む光電変換素子であって、
   前記第一電極、前記光電変換層、及び前記第二電極を覆う層であって、劣化因子を吸着する吸着性及び劣化因子と反応する反応性を有する金属錯体化合物で構成される劣化因子吸着・反応性層と、
   前記劣化因子吸着・反応性層を覆って、前記第一電極、前記光電変換層、及び前記第二電極を保護する無機材料で構成される保護層とを備える光電変換素子。
2. 請求項１記載の光電変換素子であって、
   前記劣化因子吸着・反応性層が、前記劣化因子の吸着の後及び前記劣化因子との反応の後も前記光電変換層の性能を維持可能な材料で構成される光電変換素子。
3. 請求項１又は２記載の光電変換素子であって、
   前記保護層が窒化珪素又は窒化酸化珪素で構成される光電変換素子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の光電変換素子であって、
   前記光電変換層が有機材料を含んで構成される光電変換素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の光電変換素子であって、
   前記劣化因子吸着・反応性層を構成する材料が物理気相堆積法によって形成可能な材料である光電変換素子。
6. 半導体基板上方に少なくとも１つ積層された請求項１〜５のいずれか１項記載の光電変換素子と、
   前記少なくとも１つの光電変換素子の各々で発生した信号電荷に応じた信号を読み出す信号読み出し部とを備える固体撮像素子。
7. 請求項６記載の固体撮像素子であって、
   前記半導体基板内に、前記少なくとも１つの光電変換素子を透過した光を検出するフォトダイオードを備える固体撮像素子。

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