JP6010514B2 - Photoelectric conversion device and imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、受光した光に応じて電荷を生成する光電変換層が有機化合物を用いて構成されており、可視光像を電気信号に変換する光電変換素子および撮像素子に関し、特に、光電変化効率が高く、暗電流が低い光電変換素子および撮像素子に関する。 The present invention relates to a photoelectric conversion element and an imaging element in which a photoelectric conversion layer that generates an electric charge according to received light is configured using an organic compound and converts a visible light image into an electric signal, and in particular, photoelectric conversion efficiency. The present invention relates to a photoelectric conversion element and an imaging element having a high dark current and a low dark current.
テジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話用カメラ、内視鏡用カメラ等に利用されているイメージセンサとして、シリコン(Si)チップ等の半導体基板にフォトダイオードを含む画素を配列し、各画素のフォトダイオードで発生した光電子に対応する信号電荷をCCD型またはCMOS型読出し回路で取得する、CCDセンサおよびMOSセンサ等の固体撮像素子が広く知られている。現在、有機化合物を用いた光電変換素子の開発が進められている(特許文献1〜3等)。 As an image sensor used for a digital still camera, a digital video camera, a mobile phone camera, an endoscope camera, etc., pixels including photodiodes are arranged on a semiconductor substrate such as a silicon (Si) chip, and Solid-state imaging devices such as CCD sensors and MOS sensors that acquire signal charges corresponding to photoelectrons generated in a photodiode with a CCD-type or CMOS-type readout circuit are widely known. Currently, development of photoelectric conversion elements using organic compounds is underway (Patent Documents 1 to 3, etc.).
特許文献1には、光を吸収し電荷を発生させる光電変換層、電極からの電荷注入を抑制する電荷ブロッキング層等、複数の機能層を積層した構造の有機光電変換素子が開示されている。
また、特許文献2には、同一組成の有機化合物の配向膜と非晶質膜との積層膜を有する、有機光起電力素子が開示されている。
ここで、光電変換素子には、高い光電変換効率と、低い暗電流が必要である。そこで、特許文献3には、高い光電変換効率と低い暗電流を実現する構成として、光電変換層に結晶化したフラーレンまたはフラーレン誘導体を含む構造が示されている。
Patent Document 1 discloses an organic photoelectric conversion element having a structure in which a plurality of functional layers are laminated, such as a photoelectric conversion layer that absorbs light and generates charges, and a charge blocking layer that suppresses charge injection from an electrode.
Patent Document 2 discloses an organic photovoltaic element having a laminated film of an organic compound alignment film and an amorphous film having the same composition.
Here, the photoelectric conversion element requires high photoelectric conversion efficiency and low dark current. Therefore, Patent Document 3 discloses a structure including fullerene or a fullerene derivative crystallized in a photoelectric conversion layer as a configuration for realizing high photoelectric conversion efficiency and low dark current.
上述のように特許文献3には、高い光電変換効率と低い暗電流を実現する構成として光電変換層に結晶化したフラーレンまたはフラーレン誘導体を含む構造が示されているものの、更なる高い光電変換効率と、低い暗電流が要求されている。 As described above, Patent Document 3 discloses a structure containing fullerene or a fullerene derivative crystallized in a photoelectric conversion layer as a configuration realizing high photoelectric conversion efficiency and low dark current, but still higher photoelectric conversion efficiency. Therefore, a low dark current is required.
本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、光電変化効率が高く、暗電流が低い光電変換素子および撮像素子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion element and an imaging element that solve the above-described problems based on the prior art, have high photoelectric change efficiency, and low dark current.
上記目的を達成するために、本発明の第1の態様は、下部電極と、下部電極上に積層された電子ブロッキング層と、ブロッキング層上に積層された光電変換層と、光電変換層上に積層された中間層と、中間層上に積層された上部電極とを備え、光電変換層は、p型有機半導体と、結晶化したフラーレンまたは結晶化したフラーレン誘導体を混合したバルクヘテロ層であり、中間層は、非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体を含み、上部電極は、透明導電膜で構成されていることを特徴とする光電変換素子を提供するものである。 In order to achieve the above object, the first aspect of the present invention includes a lower electrode, an electron blocking layer stacked on the lower electrode, a photoelectric conversion layer stacked on the blocking layer, and a photoelectric conversion layer. The photoelectric conversion layer is a bulk hetero layer in which a p-type organic semiconductor and a crystallized fullerene or a crystallized fullerene derivative are mixed, and includes a laminated intermediate layer and an upper electrode laminated on the intermediate layer. The layer includes an amorphous fullerene or an amorphous fullerene derivative, and the upper electrode is formed of a transparent conductive film to provide a photoelectric conversion element.
光電変換層は、p型有機半導体と、下部電極の表面に対して垂直に(111)方向に配向したフラーレンまたは結晶化したフラーレン誘導体を混合してなるバルクヘテロ層で構成されていることが好ましい。
光電変換層は、結晶化したフラーレンまたは結晶化したフラーレン誘導体を30%〜80%の割合で含有することが好ましい。
中間層の厚さは、上部電極の厚さの1/3以上であることが好ましく、中間層の厚さは、上部電極の厚さ以下であることが好ましい。
中間層は、少なくとも1種の有機材料を更に含むことが好ましい。また、中間層は、非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体と、イオン化ポテンシャルが5.5eV以上の透明正孔輸送材料を混合した層であることが好ましい。
上部電極はITOで構成され、上部電極の厚さは5〜30nmであることが好ましい。
The photoelectric conversion layer is preferably composed of a bulk hetero layer formed by mixing a p-type organic semiconductor and fullerene or a crystallized fullerene derivative oriented in the (111) direction perpendicular to the surface of the lower electrode.
The photoelectric conversion layer preferably contains crystallized fullerene or crystallized fullerene derivative in a proportion of 30% to 80%.
The thickness of the intermediate layer is preferably 1/3 or more of the thickness of the upper electrode, and the thickness of the intermediate layer is preferably not more than the thickness of the upper electrode.
The intermediate layer preferably further includes at least one organic material. The intermediate layer is preferably a layer in which an amorphous fullerene or an amorphous fullerene derivative and a transparent hole transport material having an ionization potential of 5.5 eV or more are mixed.
The upper electrode is made of ITO, and the thickness of the upper electrode is preferably 5 to 30 nm.
本発明の第2の態様は、本発明の第1の態様の光電変換素子を有することを特徴とする撮像素子を提供するものである。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an imaging device comprising the photoelectric conversion element according to the first aspect of the present invention.
本発明によれば、光電変換素子および撮像素子において、光電変化効率を向上させ、暗電流を低減することができる。 According to the present invention, the photoelectric conversion efficiency and the dark current can be reduced in the photoelectric conversion element and the imaging element.
以下に、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて、本発明の光電変換素子および撮像素子を詳細に説明する。
図1(a)は、本発明の実施形態の光電変換素子を示す模式的断面図であり、(b)は、本発明の実施形態の光電変換素子の要部拡大図であり、(c)は、本発明の実施形態の光電変換素子の変形例を示す要部拡大図である。
Hereinafter, a photoelectric conversion element and an imaging element of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
Fig.1 (a) is typical sectional drawing which shows the photoelectric conversion element of embodiment of this invention, (b) is a principal part enlarged view of the photoelectric conversion element of embodiment of this invention, (c) These are the principal part enlarged views which show the modification of the photoelectric conversion element of embodiment of this invention.
図1に示す光電変換素子100は、入射光Lを電気信号に変えるものである。光電変換素子100は、基板102の表面102aに下部電極104が積層して形成されている。この下部電極104上に電子ブロッキング層106が積層されて形成されており、この電子ブロッキング層106上に光電変換層108が積層されて形成されている。
光電変換層108上に中間層110が積層されて形成されており、この中間層110上に上部電極112が積層されて形成されている。下部電極104、有機層120および上部電極112を覆う封止層114が形成されている。
なお、電子ブロッキング層106、光電変換層108および中間層110をまとめて有機層120という。
A photoelectric conversion element 100 shown in FIG. 1 converts incident light L into an electric signal. The photoelectric conversion element 100 is formed by laminating a lower electrode 104 on a surface 102 a of a substrate 102. An electron blocking layer 106 is laminated on the lower electrode 104, and a photoelectric conversion layer 108 is laminated on the electron blocking layer 106.
An intermediate layer 110 is stacked on the photoelectric conversion layer 108, and an upper electrode 112 is stacked on the intermediate layer 110. A sealing layer 114 that covers the lower electrode 104, the organic layer 120, and the upper electrode 112 is formed.
The electron blocking layer 106, the photoelectric conversion layer 108, and the intermediate layer 110 are collectively referred to as an organic layer 120.
光電変換素子100では、上部電極112の表面112a側から入射光Lが有機層120の光電変換層108に入射されて、この入射光Lが光電変換層108にて電気信号に変換される。このため、後述するように封止層114および上部電極112は、入射光Lを透過させるものである。 In the photoelectric conversion element 100, incident light L is incident on the photoelectric conversion layer 108 of the organic layer 120 from the surface 112 a side of the upper electrode 112, and the incident light L is converted into an electrical signal by the photoelectric conversion layer 108. For this reason, the sealing layer 114 and the upper electrode 112 transmit the incident light L as will be described later.
基板102は、例えば、シリコン基板、ガラス基板等で構成される。なお、基板102としては、光電変換素子100を形成することができれば、特に限定されるものではない。 The substrate 102 is composed of, for example, a silicon substrate or a glass substrate. Note that there is no particular limitation on the substrate 102 as long as the photoelectric conversion element 100 can be formed.
下部電極104は、光電変換層108で発生した電荷のうちの正孔を捕集するための電極である。下部電極104の材料としては、例えば、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属硼化物および有機導電性化合物、ならびにこれらの混合物等が挙げられる。具体例としては、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫(ITO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)、酸化インジウムタングステン(IWO)および酸化チタン等の導電性金属酸化物、窒化チタン(TiN)等の金属窒化物、金(Au)、白金(Pt)、銀(Ag)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)およびアルミニウム(Al)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、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化合物、ならびにこれらとITOとの積層物等が挙げられる。下部電極104の材料として特に好ましいのは、窒化チタン、窒化モリブデン、窒化タンタルおよび窒化タングステンのいずれかの材料である。 The lower electrode 104 is an electrode for collecting holes out of charges generated in the photoelectric conversion layer 108. Examples of the material of the lower electrode 104 include metals, metal oxides, metal nitrides, metal borides, organic conductive compounds, and mixtures thereof. Specific examples include tin oxide, zinc oxide, indium oxide, indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), indium tungsten oxide (IWO), conductive metal oxides such as titanium oxide, and titanium nitride (TiN). Metal nitrides such as gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), chromium (Cr), nickel (Ni) and aluminum (Al), and these metals and conductive metal oxides A mixture or laminate of the above, an organic conductive compound such as polyaniline, polythiophene, and polypyrrole, and a laminate of these with ITO. The material of the lower electrode 104 is particularly preferably any of titanium nitride, molybdenum nitride, tantalum nitride, and tungsten nitride.
電子ブロッキング層106は、下部電極104から光電変換層108に電子が注入されてしまうのを防ぐための層であり、単層または複数層で構成されている。電子ブロッキング層106は、有機材料単独膜で構成されてもよいし、複数の異なる有機材料の混合膜で構成されていてもよい。 The electron blocking layer 106 is a layer for preventing electrons from being injected into the photoelectric conversion layer 108 from the lower electrode 104, and is composed of a single layer or a plurality of layers. The electron blocking layer 106 may be composed of a single organic material film, or may be composed of a mixed film of a plurality of different organic materials.
電子ブロッキング層106には、電子供与性有機材料を用いることができる。具体的には、低分子材料では、N,N’−ビス(3−メチルフェニル)−(1,1’−ビフェニル)−4,4’−ジアミン(TPD)や4,4’−ビス[N−(ナフチル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル(α−NPD)等の芳香族ジアミン化合物、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、スチルベン誘導体、ピラゾリン誘導体、テトラヒドロイミダゾール、ポリアリールアルカン、ブタジエン、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)、ポルフィン、テトラフェニルポルフィン銅、フタロシアニン、銅フタロシアニン、チタニウムフタロシアニンオキサイド等のポリフィリン化合物、トリアゾール誘導体、オキサジザゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、ピラゾリン誘導体、ピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アニールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、シラザン誘導体、カルバゾール誘導体、ビフルオレン誘導体などを用いることができ、高分子材料では、フェニレンビニレン、フルオレン、カルバゾール、インドール、ピレン、ピロール、ピコリン、チオフェン、アセチレン、ジアセチレン等の重合体や、その誘導体を用いることができる。電子供与性化合物でなくとも、充分な正孔輸送性を有する化合物であれば用いることは可能である。 An electron-donating organic material can be used for the electron blocking layer 106. Specifically, in a low molecular material, N, N′-bis (3-methylphenyl)-(1,1′-biphenyl) -4,4′-diamine (TPD) or 4,4′-bis [N Aromatic diamine compounds such as-(naphthyl) -N-phenyl-amino] biphenyl (α-NPD), oxazole, oxadiazole, triazole, imidazole, imidazolone, stilbene derivative, pyrazoline derivative, tetrahydroimidazole, polyarylalkane, butadiene 4,4 ′, 4 ″ -tris (N- (3-methylphenyl) N-phenylamino) triphenylamine (m-MTDATA), porphine, tetraphenylporphine copper, phthalocyanine, copper phthalocyanine, titanium phthalocyanine oxide, etc. Polyphyrin compounds, triazole derivatives, oxa Zazole derivatives, imidazole derivatives, polyarylalkane derivatives, pyrazoline derivatives, pyrazolone derivatives, phenylenediamine derivatives, annealing amine derivatives, amino-substituted chalcone derivatives, oxazole derivatives, styrylanthracene derivatives, fluorenone derivatives, hydrazone derivatives, silazane derivatives, carbazole derivatives, bifluorenes Derivatives can be used, and as the polymer material, polymers such as phenylene vinylene, fluorene, carbazole, indole, pyrene, pyrrole, picoline, thiophene, acetylene, diacetylene, and derivatives thereof can be used. Even if it is not an ionic compound, it can be used as long as it is a compound having sufficient hole transportability.
電子ブロッキング層106は、隣接する下部電極104からの電子注入障壁が高くかつ正孔輸送性が高い材料で構成することが好ましい。電子注入障壁としては、隣接する電極の仕事関数よりも、電子ブロッキング層106の電子親和力が1eV以上小さいことが好ましい、より好ましくは1.3eV以上、特に好ましいのは1.5eV以上である。 The electron blocking layer 106 is preferably made of a material having a high electron injection barrier from the adjacent lower electrode 104 and a high hole transporting property. As an electron injection barrier, the electron affinity of the electron blocking layer 106 is preferably 1 eV or less, more preferably 1.3 eV or more, and particularly preferably 1.5 eV or more than the work function of the adjacent electrode.
電子ブロッキング層106は、下部電極104と光電変換層112の接触を十分に抑制し、また下部電極104表面に存在する欠陥およびゴミの影響を避けるために、膜厚が20nm以上であることが好ましい、より好ましくは40nm以上、特に好ましいのは60nm以上である。
一方、電子ブロッキング層106の膜厚を厚くしすぎると、光電変換層112に適切な電界強度を印加するために必要な供給電圧が高くなるという問題が生じ、電子ブロッキング層106中のキャリア輸送過程が光電変換素子の性能に悪影響を与えるという問題が生じる。電子ブロッキング層106の膜厚は、300nm以下であることが好ましい、より好ましくは200nm以下、さらに好ましくは100nm以下である。
The electron blocking layer 106 preferably has a thickness of 20 nm or more in order to sufficiently suppress contact between the lower electrode 104 and the photoelectric conversion layer 112 and to avoid the influence of defects and dust existing on the surface of the lower electrode 104. More preferably, it is 40 nm or more, and particularly preferably 60 nm or more.
On the other hand, if the thickness of the electron blocking layer 106 is too thick, there is a problem that a supply voltage necessary for applying an appropriate electric field strength to the photoelectric conversion layer 112 increases, and a carrier transport process in the electron blocking layer 106 occurs. However, there is a problem that the performance of the photoelectric conversion element is adversely affected. The thickness of the electron blocking layer 106 is preferably 300 nm or less, more preferably 200 nm or less, and still more preferably 100 nm or less.
光電変換層108は入射光Lを受光して、その光量に応じた電荷を発生する光電変換材料を含んで構成された層である。光電変換層108において、光電変材料としては有機化合物を使用することができる。
光電変換層108は、p型有機半導体(有機p型化合物)と、結晶化したフラーレンまたは結晶化したフラーレン誘導体を混合したバルクへテロ層である。光電変換層108は、バルクヘテロ構造を有する。光電変換層108として、バルクへテロ層を用いることにより有機層120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。最適な混合比率でバルクへテロ層を作製することにより、光電変換層108の電子移動度、および正孔移動度を高くすることができ、光電変換素子100の光応答速度を十分高速にすることができる。このため、光電変換層108中の結晶化したフラーレンまたは結晶化したフラーレン誘導体の比率としては、体積比率で30%〜80%が好ましい。
The photoelectric conversion layer 108 is a layer configured to include a photoelectric conversion material that receives incident light L and generates a charge corresponding to the amount of light. In the photoelectric conversion layer 108, an organic compound can be used as the photoelectric conversion material.
The photoelectric conversion layer 108 is a bulk hetero layer in which a p-type organic semiconductor (organic p-type compound) and a crystallized fullerene or a crystallized fullerene derivative are mixed. The photoelectric conversion layer 108 has a bulk heterostructure. By using a bulk hetero layer as the photoelectric conversion layer 108, the disadvantage that the carrier diffusion length of the organic layer 120 is short can be compensated and the photoelectric conversion efficiency can be improved. By producing a bulk hetero layer with an optimal mixing ratio, the electron mobility and hole mobility of the photoelectric conversion layer 108 can be increased, and the photoresponse speed of the photoelectric conversion element 100 can be sufficiently increased. Can do. For this reason, the ratio of the crystallized fullerene or the crystallized fullerene derivative in the photoelectric conversion layer 108 is preferably 30% to 80% in volume ratio.
光電変換層108中においては、フラーレンまたはフラーレン誘導体が結晶化した状態であることにより、更に高い光電変換効率を得られるとともに、フラーレまたはフラーレン誘導体のキャリアパスが有効に形成された状態となるので、光電変換素子100の高速応答にも寄与することができる。フラーレンまたはフラーレン誘導体を結晶化させる手段としては、適当な光電変換材料を選択した上で、フラーレン類の比率を上げること、および成膜中に基板を加熱すること等が挙げられる。
フラーレンまたはフラーレン誘導体が結晶化した状態であるか否かは、フラーレンまたはフラーレン誘導体を含む膜のX線回折像に、フラーレンまたはフラーレン誘導体の結晶構造に由来する結晶ピークが認められるかどうかで判断することができる。これ以外にも、フラーレンまたはフラーレン誘導体を含む膜の断面TEM像での電子線回折による断面の電子線回折像に、フラーレンまたはフラーレン誘導体の結晶構造に由来する回折点が認められるかどうかで判断することができる。
In the photoelectric conversion layer 108, since the fullerene or fullerene derivative is in a crystallized state, a higher photoelectric conversion efficiency can be obtained, and the carrier path of the fullerene or fullerene derivative is effectively formed. It can also contribute to the high-speed response of the photoelectric conversion element 100. Examples of means for crystallizing fullerene or fullerene derivatives include selecting a suitable photoelectric conversion material, increasing the ratio of fullerenes, and heating the substrate during film formation.
Whether or not the fullerene or fullerene derivative is in a crystallized state is determined by whether or not a crystal peak derived from the crystal structure of the fullerene or fullerene derivative is observed in the X-ray diffraction image of the film containing the fullerene or fullerene derivative. be able to. In addition to this, it is judged whether or not a diffraction point derived from the crystal structure of fullerene or fullerene derivative is observed in the electron diffraction pattern of the cross section by electron beam diffraction in the cross-sectional TEM image of the film containing fullerene or fullerene derivative. be able to.
結晶化したフラーレンまたは結晶化したフラーレン誘導体を含む光電変換層108において、フラーレンまたはフラーレン誘導体が下部電極104の表面104a(基板102の表面102a)に対して(111)方向に配向していることが好ましい。 In the photoelectric conversion layer 108 including crystallized fullerene or a crystallized fullerene derivative, the fullerene or the fullerene derivative is oriented in the (111) direction with respect to the surface 104a of the lower electrode 104 (the surface 102a of the substrate 102). preferable.
フラーレンまたはフラーレン誘導体が基板面に対して垂直な方向に(111)方向に配向していることにより、ランダムに結晶化した構造を含む場合よりもフラーレンフラーレン誘導体を含む光電変換層108の凹凸が抑制され、それにより上部電極がその凹凸に入り込んで下部電極と近接してリーク電流が増大する事が抑制されたり、光電変換層の上に成膜する層(例えば電荷ブロッキング層)の平坦性、カバレッジが向上するため注入電流が抑制されたりする事となり、高い暗電流抑制効果が得られる。
この観点から、光電変換層108中の結晶化フラーレンまたは結晶化フラーレン誘導体は、一様に結晶化していること、すなわち、配向方向が同じであることが好ましい。そのうち、配向方向としては、(111)方向が、好ましくは体積比率で50〜100%、より好ましくは80〜100%で(111)である。
As the fullerene or fullerene derivative is oriented in the (111) direction in a direction perpendicular to the substrate surface, the unevenness of the photoelectric conversion layer 108 containing the fullerene fullerene derivative is suppressed as compared with the case of including a randomly crystallized structure. As a result, it is possible to prevent the upper electrode from entering into the unevenness and increase the leakage current in the vicinity of the lower electrode, or the flatness and coverage of the layer (eg, charge blocking layer) formed on the photoelectric conversion layer. As a result, the injection current is suppressed, and a high dark current suppression effect is obtained.
From this viewpoint, it is preferable that the crystallized fullerene or the crystallized fullerene derivative in the photoelectric conversion layer 108 is uniformly crystallized, that is, the orientation direction is the same. Among them, as the orientation direction, the (111) direction is preferably 50 to 100% by volume ratio, more preferably 80 to 100% and (111).
フラーレンまたはフラーレン誘導体の前記結晶方向を制御するには、成膜時における基板温度および蒸着速度等を調節することでも結晶方向を実現することができる。具体的には、基板温度をより高い温度で加熱し、蒸着速度をより遅い速度にすることが好ましい。但し、過度に高温、低蒸着速度にすると、フラーレンまたはフラーレン誘導体の結晶化が促進され、フラーレンまたはフラーレン誘導体と光電変換材料との混合層における膜面の凹凸が増大することがある。膜面の凹凸が増大すると、その上層に電極を敷設した際、ショート(リーク電流)が増大する原因となり、暗電流が増大するため、好ましくない。 In order to control the crystal direction of fullerene or fullerene derivative, the crystal direction can also be realized by adjusting the substrate temperature, the deposition rate, and the like during film formation. Specifically, it is preferable to heat the substrate at a higher temperature and to lower the deposition rate. However, when the temperature is excessively high and the deposition rate is low, crystallization of fullerene or fullerene derivatives is promoted, and unevenness of the film surface in the mixed layer of fullerenes or fullerene derivatives and a photoelectric conversion material may increase. If the unevenness of the film surface increases, when an electrode is laid on the upper layer, it causes a short (leakage current) to increase and dark current increases, which is not preferable.
基板温度は、光電変換層108中に存在するフラーレンまたはフラーレン誘導体以外の材料の種類、フラーレンまたはフラーレン誘導体の含有比率等によって異なるが、120℃以下とすることが好ましく、100℃以下とすることがより好ましい。基板温度の下限は、60℃とすることが好ましく、70℃〜90℃とすることがより好ましい。
また、蒸着速度は、光電変換層108中に存在するフラーレンまたはフラーレン誘導体以外の、フラーレンまたはフラーレン誘導体の含有比率等によって異なるが、0.1〜15Å/sとすることが好ましく、0.5〜3.0Å/sとすることがより好ましい。
The substrate temperature varies depending on the type of material other than fullerene or fullerene derivative existing in the photoelectric conversion layer 108, the content ratio of fullerene or fullerene derivative, etc., but is preferably 120 ° C. or lower, and preferably 100 ° C. or lower. More preferred. The lower limit of the substrate temperature is preferably 60 ° C, and more preferably 70 ° C to 90 ° C.
The deposition rate varies depending on the content ratio of fullerene or fullerene derivative other than fullerene or fullerene derivative present in the photoelectric conversion layer 108, but is preferably 0.1 to 15 Å / s, preferably 0.5 to It is more preferable to set it as 3.0 kg / s.
ここで、フラーレンまたはフラーレン誘導体が,下部電極104の表面104aに対して垂直な方向に(111)方向に配向した状態であることは、下部電極104に相当する基板上に成膜したフラーレン膜またはフラーレン誘導体膜をX線回折法で測定することにより、フラーレンまたはフラーレン誘導体の結晶ピークが観察され、かつこのピークが下部電極104の表面104aに相当する基板表面に垂直な方向に対して(111)方向の(111)、(222)、(333)等の指数のみ複数観察されることから確認することができる。
X線回折法以外にも、断面TEM像での電子線回折による断面の電子線回折像から、(111)方向への配向を測定することができる。
Here, the state in which the fullerene or fullerene derivative is oriented in the (111) direction perpendicular to the surface 104 a of the lower electrode 104 indicates that the fullerene film formed on the substrate corresponding to the lower electrode 104 or By measuring the fullerene derivative film by X-ray diffraction, a crystal peak of fullerene or fullerene derivative is observed, and this peak is (111) with respect to a direction perpendicular to the substrate surface corresponding to the surface 104a of the lower electrode 104. This can be confirmed from the fact that only a plurality of indices such as (111), (222), and (333) in the direction are observed.
In addition to the X-ray diffraction method, the orientation in the (111) direction can be measured from the electron beam diffraction image of the cross section by electron beam diffraction in the cross section TEM image.
以下、フラーレンおよびフラーレン誘導体について、より具体的に説明する。
フラーレンとは、フラーレンC60、フラーレンC70、フラーレンC76、フラーレンC78、フラーレンC80、フラーレンC82、フラーレンC84、フラーレンC90、フラーレンC96、フラーレンC240、フラーレンC540、ミックスドフラーレン、フラーレンナノチューブを表す。
フラーレン誘導体とは、フラーレンに置換基が付加された化合物である。置換基としては、アルキル基、アリール基、または複素環基が好ましい。アルキル基としては、炭素数1〜12が好ましく、炭素数1〜6がより好ましい。アリール基としては、例えば、フェニル基、ナフチル基、アントリル基等が挙げられる。複素環基としては、例えば、フリル基、チエニル基、ピロリル基、オキサゾリル基、ピリジル基、キノリニル基、カルバゾリル基等が挙げられる。フラーレン誘導体としては、特に以下の化合物が好ましい。
Hereinafter, fullerene and fullerene derivatives will be described more specifically.
The fullerene, fullerene C 60, fullerene C 70, fullerene C 76, fullerene C 78, fullerene C 80, fullerene C 82, fullerene C 84, fullerene C 90, fullerene C 96, fullerene C 240, fullerene C 540, mixed Fullerene and fullerene nanotube.
A fullerene derivative is a compound in which a substituent is added to fullerene. As the substituent, an alkyl group, an aryl group, or a heterocyclic group is preferable. As an alkyl group, C1-C12 is preferable and C1-C6 is more preferable. Examples of the aryl group include a phenyl group, a naphthyl group, and an anthryl group. Examples of the heterocyclic group include a furyl group, a thienyl group, a pyrrolyl group, an oxazolyl group, a pyridyl group, a quinolinyl group, and a carbazolyl group. As the fullerene derivative, the following compounds are particularly preferable.
また、フラーレンおよびフラーレン誘導体としては、日本化学会編 季刊化学総説No.43(1999)、特開平10−167994号公報、特開平11−255508号公報、特開平11−255509号公報、特開2002−241323号公報、および特開2003−196881号公報等に記載の化合物を用いることもできる。 In addition, as fullerenes and fullerene derivatives, the Chemical Society of Japan, Quarterly Chemical Review No. 43 (1999), JP-A-10-167994, JP-A-11-255508, JP-A-11-255509, JP-A-2002-241323, JP-A-2003-19681, and the like. Can also be used.
p型有機半導体材料(化合物)は、ドナー性有機半導体材料(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。更に詳しくは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、ドナー性有機化合物は、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(アクセプター性)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ー性有機半導体として用いてよい。 The p-type organic semiconductor material (compound) is a donor-type organic semiconductor material (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 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 compound, benzidine compound, pyrazoline compound, styrylamine compound, hydrazone compound, triphenylmethane compound, carbazole compound, polysilane compound, thiophene compound, phthalocyanine compound, cyanine compound, merocyanine compound, oxonol compound, polyamine compound, indole Compounds, pyrrole compounds, pyrazole compounds, polyarylene compounds, condensed aromatic carbocyclic compounds (naphthalene derivatives, anthracene derivatives, phenanthrene derivatives, tetracene derivatives, pyrene derivatives, perylene derivatives, fluoranthene derivatives), nitrogen-containing heterocyclic compounds The metal complex etc. which it has as can be used. Not limited to this, as described above, any organic compound having an ionization potential smaller than that of the organic compound used as the n-type (acceptor property) compound may be used as the donor organic semiconductor.
光電変換層108に用いられるp型有機半導体材料(化合物)としては、上記の中でもトリアリールアミン化合物、ピラン化合物が好ましく、トリアリールアミン化合物がより好ましい。トリアリールアミン化合物としては、下記一般式(1)で表される化合物が好ましい。 Among the above, the p-type organic semiconductor material (compound) used for the photoelectric conversion layer 108 is preferably a triarylamine compound or a pyran compound, and more preferably a triarylamine compound. As the triarylamine compound, a compound represented by the following general formula (1) is preferable.
上記一般式(1)中、Z1は少なくとも2つの炭素原子を含む環であって、5員環、6員環、または、5員環および6員環の少なくともいずれかを含む縮合環を表す。L1、L2、およびL3はそれぞれ独立に無置換メチン基、または置換メチン基を表す。D1は原子群を表す。nは0以上の整数を表す。 In the general formula (1), Z 1 represents a ring containing at least two carbon atoms and represents a 5-membered ring, a 6-membered ring, or a condensed ring containing at least one of a 5-membered ring and a 6-membered ring. . L 1 , L 2 , and L 3 each independently represent an unsubstituted methine group or a substituted methine group. D 1 represents an atomic group. n represents an integer of 0 or more.
Z1は少なくとも2つの炭素原子を含む環であって、5員環、6員環、または、5員環および6員環の少なくともいずれかを含む縮合環を表す。5員環、6員環、または、5員環および6員環の少なくともいずれかを含む縮合環としては、通常メロシアニン色素で酸性核として用いられるものが好ましく、その具体例としては例えば以下のものが挙げられる。 Z 1 is a ring containing at least two carbon atoms, and represents a 5-membered ring, a 6-membered ring, or a condensed ring containing at least one of a 5-membered ring and a 6-membered ring. As a condensed ring containing at least one of a 5-membered ring, a 6-membered ring, and a 5-membered ring and a 6-membered ring, those usually used as an acidic nucleus in a merocyanine dye are preferable, and specific examples thereof include the following: Is mentioned.
(a)1,3−ジカルボニル核:例えば1,3−インダンジオン核、1,3−シクロヘキサンジオン、5,5−ジメチル−1,3−シクロヘキサンジオン、1,3−ジオキサン−4,6−ジオン等。
(b)ピラゾリノン核:例えば1−フェニル−2−ピラゾリン−5−オン、3−メチル−1−フェニル−2−ピラゾリン−5−オン、1−(2−ベンゾチアゾイル)−3−メチル−2−ピラゾリン−5−オン等。
(c)イソオキサゾリノン核:例えば3−フェニル−2−イソオキサゾリン−5−オン、3−メチル−2−イソオキサゾリン−5−オン等。
(d)オキシインドール核:例えば1−アルキル−2,3−ジヒドロ−2−オキシインドール等。
(e)2,4,6−トリケトヘキサヒドロピリミジン核:例えばバルビツル酸または2−チオバルビツル酸およびその誘導体等。誘導体としては例えば1−メチル、1−エチル等の1−アルキル体、1,3−ジメチル、1,3−ジエチル、1,3−ジブチル等の1,3−ジアルキル体、1,3−ジフェニル、1,3−ジ(p−クロロフェニル)、1,3−ジ(p−エトキシカルボニルフェニル)等の1,3−ジアリール体、1−エチル−3−フェニル等の1−アルキル−1−アリール体、1,3−ジ(2―ピリジル)等の1,3位ジヘテロ環置換体等が挙げられる。
(f)2−チオ−2,4−チアゾリジンジオン核:例えばローダニンおよびその誘導体等。誘導体としては例えば3−メチルローダニン、3−エチルローダニン、3−アリルローダニン等の3−アルキルローダニン、3−フェニルローダニン等の3−アリールローダニン、3−(2−ピリジル)ローダニン等の3位ヘテロ環置換ローダニン等が挙げられる。
(A) 1,3-dicarbonyl nucleus: For example, 1,3-indandione nucleus, 1,3-cyclohexanedione, 5,5-dimethyl-1,3-cyclohexanedione, 1,3-dioxane-4,6- Zeon etc.
(B) pyrazolinone nucleus: for example 1-phenyl-2-pyrazolin-5-one, 3-methyl-1-phenyl-2-pyrazolin-5-one, 1- (2-benzothiazoyl) -3-methyl-2 -Pyrazolin-5-one and the like.
(C) Isoxazolinone nucleus: For example, 3-phenyl-2-isoxazolin-5-one, 3-methyl-2-isoxazolin-5-one and the like.
(D) Oxindole nucleus: For example, 1-alkyl-2,3-dihydro-2-oxindole and the like.
(E) 2,4,6-triketohexahydropyrimidine nucleus: for example, barbituric acid or 2-thiobarbituric acid and its derivatives. Examples of the derivatives include 1-alkyl compounds such as 1-methyl and 1-ethyl, 1,3-dialkyl compounds such as 1,3-dimethyl, 1,3-diethyl and 1,3-dibutyl, 1,3-diphenyl, 1,3-diaryl compounds such as 1,3-di (p-chlorophenyl) and 1,3-di (p-ethoxycarbonylphenyl), 1-alkyl-1-aryl compounds such as 1-ethyl-3-phenyl, Examples include 1,3-di (2-pyridyl) 1,3-diheterocyclic substituents and the like.
(F) 2-thio-2,4-thiazolidinedione nucleus: for example, rhodanine and derivatives thereof. Examples of the derivatives include 3-alkylrhodanine such as 3-methylrhodanine, 3-ethylrhodanine and 3-allylrhodanine, 3-arylrhodanine such as 3-phenylrhodanine, and 3- (2-pyridyl) rhodanine. And the like.
(g)2−チオ−2,4−オキサゾリジンジオン(2−チオ−2,4−(3H,5H)−オキサゾールジオン核:例えば3−エチル−2−チオ−2,4−オキサゾリジンジオン等。
(h)チアナフテノン核:例えば3(2H)−チアナフテノン−1,1−ジオキサイド等。
(i)2−チオ−2,5−チアゾリジンジオン核:例えば3−エチル−2−チオ−2,5−チアゾリジンジオン等。
(j)2,4−チアゾリジンジオン核:例えば2,4−チアゾリジンジオン、3−エチル−2,4−チアゾリジンジオン、3−フェニル−2,4−チアゾリジンジオン等。
(k)チアゾリン−4−オン核:例えば4−チアゾリノン、2−エチル−4−チアゾリノン等。
(l)2,4−イミダゾリジンジオン(ヒダントイン)核:例えば2,4−イミダゾリジンジオン、3−エチル−2,4−イミダゾリジンジオン等。
(m)2−チオ−2,4−イミダゾリジンジオン(2−チオヒダントイン)核:例えば2−チオ−2,4−イミダゾリジンジオン、3−エチル−2−チオ−2,4−イミダゾリジンジオン等。
(n)イミダゾリン−5−オン核:例えば2−プロピルメルカプト−2−イミダゾリン−5−オン等。
(o)3,5−ピラゾリジンジオン核:例えば1,2−ジフェニル−3,5−ピラゾリジンジオン、1,2−ジメチル−3,5−ピラゾリジンジオン等。
(p)ベンゾチオフェン−3−オン核:例えばベンゾチオフェン−3−オン、オキソベンゾチオフェン−3−オン、ジオキソベンゾチオフェン−3−オン等。
(q)インダノン核:例えば1−インダノン、3−フェニル−1−インダノン、3−メチル−1−インダノン、3,3−ジフェニル−1−インダノン、3,3−ジメチル−1−インダノン等。
(G) 2-thio-2,4-oxazolidinedione (2-thio-2,4- (3H, 5H) -oxazoledione nucleus: for example, 3-ethyl-2-thio-2,4-oxazolidinedione and the like.
(H) Tianaphthenone nucleus: For example, 3 (2H) -thianaphthenone-1,1-dioxide and the like.
(I) 2-thio-2,5-thiazolidinedione nucleus: for example, 3-ethyl-2-thio-2,5-thiazolidinedione and the like.
(J) 2,4-thiazolidinedione nucleus: For example, 2,4-thiazolidinedione, 3-ethyl-2,4-thiazolidinedione, 3-phenyl-2,4-thiazolidinedione, and the like.
(K) Thiazolin-4-one nucleus: For example, 4-thiazolinone, 2-ethyl-4-thiazolinone and the like.
(L) 2,4-imidazolidinedione (hydantoin) nucleus: for example, 2,4-imidazolidinedione, 3-ethyl-2,4-imidazolidinedione, etc.
(M) 2-thio-2,4-imidazolidinedione (2-thiohydantoin) nucleus: for example, 2-thio-2,4-imidazolidinedione, 3-ethyl-2-thio-2,4-imidazolidinedione etc.
(N) Imidazolin-5-one nucleus: for example, 2-propylmercapto-2-imidazolin-5-one and the like.
(O) 3,5-pyrazolidinedione nucleus: for example, 1,2-diphenyl-3,5-pyrazolidinedione, 1,2-dimethyl-3,5-pyrazolidinedione and the like.
(P) Benzothiophen-3-one nucleus: for example, benzothiophen-3-one, oxobenzothiophen-3-one, dioxobenzothiophen-3-one and the like.
(Q) Indanone nucleus: For example, 1-indanone, 3-phenyl-1-indanone, 3-methyl-1-indanone, 3,3-diphenyl-1-indanone, 3,3-dimethyl-1-indanone and the like.
Z1で形成される環として好ましくは、1,3−ジカルボニル核、ピラゾリノン核、2,4,6−トリケトヘキサヒドロピリミジン核(チオケトン体も含み、例えばバルビツル酸核、2−チオバルビツール酸核)、2−チオ−2,4−チアゾリジンジオン核、2−チオ−2,4−オキサゾリジンジオン核、2−チオ−2,5−チアゾリジンジオン核、2,4−チアゾリジンジオン核、2,4−イミダゾリジンジオン核、2−チオ−2,4−イミダゾリジンジオン核、2−イミダゾリン−5−オン核、3,5−ピラゾリジンジオン核、ベンゾチオフェン−3−オン核、インダノン核であり、より好ましくは1,3−ジカルボニル核、2,4,6−トリケトヘキサヒドロピリミジン核(チオケトン体も含み、例えばバルビツル酸核、2−チオバルビツール酸核)、3,5−ピラゾリジンジオン核、ベンゾチオフェン−3−オン核、インダノン核であり、更に好ましくは1,3−ジカルボニル核、2,4,6−トリケトヘキサヒドロピリミジン核(チオケトン体も含み、例えばバルビツル酸核、2−チオバルビツール酸核)であり、特に好ましくは1,3−インダンジオン核、バルビツル酸核、2−チオバルビツール酸核およびそれらの誘導体である。 The ring formed by Z 1 is preferably a 1,3-dicarbonyl nucleus, a pyrazolinone nucleus, a 2,4,6-triketohexahydropyrimidine nucleus (including a thioketone body, for example, a barbituric acid nucleus, 2-thiobarbitur tool) Acid nucleus), 2-thio-2,4-thiazolidinedione nucleus, 2-thio-2,4-oxazolidinedione nucleus, 2-thio-2,5-thiazolidinedione nucleus, 2,4-thiazolidinedione nucleus, 2, In 4-imidazolidinedione nucleus, 2-thio-2,4-imidazolidinedione nucleus, 2-imidazolin-5-one nucleus, 3,5-pyrazolidinedione nucleus, benzothiophen-3-one nucleus, indanone nucleus More preferably 1,3-dicarbonyl nucleus, 2,4,6-triketohexahydropyrimidine nucleus (including thioketone, for example, barbituric acid nucleus, 2-thiovale nucleus, Bituric acid nucleus), 3,5-pyrazolidinedione nucleus, benzothiophen-3-one nucleus, indanone nucleus, more preferably 1,3-dicarbonyl nucleus, 2,4,6-triketohexahydropyrimidine Nuclei (including thioketone bodies, such as barbituric acid nuclei, 2-thiobarbituric acid nuclei), particularly preferably 1,3-indandione nuclei, barbituric acid nuclei, 2-thiobarbituric acid nuclei and derivatives thereof. is there.
L1、L2、およびL3はそれぞれ独立に、無置換メチン基、または置換メチン基を表す。置換メチン基同士が結合して環(例、6員環、例えば、ベンゼン環)を形成してもよい。置換メチン基の置換基は置換基Wが挙げられるが、L1、L2、L3は全てが無置換メチン基である場合が好ましい。
L1〜L3は互いに連結して環を形成しても良く、形成する環として好ましくはシクロヘキセン環、シクロペンテン環、ベンゼン環、チオフェン環等が挙げられる。
L 1 , L 2 , and L 3 each independently represent an unsubstituted methine group or a substituted methine group. The substituted methine groups may be bonded to each other to form a ring (eg, a 6-membered ring such as a benzene ring). Although the substituent of the substituted methine group includes the substituent W, it is preferable that all of L 1 , L 2 and L 3 are unsubstituted methine groups.
L 1 to L 3 may be linked to each other to form a ring, and preferred examples of the ring formed include a cyclohexene ring, a cyclopentene ring, a benzene ring, and a thiophene ring.
nは0以上の整数を表し、好ましくは0以上3以下の整数を表し、より好ましくは0である。nを増大させた場合、吸収波長域が長波長にする事ができるか、熱による分解温度が低くなる。可視域に適切な吸収を有し、かつ蒸着成膜時の熱分解を抑制する点でn=0が好ましい。 n represents an integer of 0 or more, preferably 0 or more and 3 or less, and more preferably 0. When n is increased, the absorption wavelength region can be made longer, or the thermal decomposition temperature is lowered. N = 0 is preferable in that it has appropriate absorption in the visible region and suppresses thermal decomposition during vapor deposition.
D1は原子群を表す。D1は−NRa(Rb)を含む基であることが好ましく−NRa(Rb)が置換したアリーレン基を表す場合が更に好ましい。Ra、Rbはそれぞれ独立に、水素原子、または置換基を表す。 D 1 represents an atomic group. D 1 is preferably a group containing —NR a (R b ), and more preferably —NR a (R b ) represents an arylene group substituted. R a and R b each independently represent a hydrogen atom or a substituent.
D1が表すアリーレン基としては、好ましくは炭素数6〜30のアリーレン基であり、より好ましくは炭素数6〜18のアリーレン基である。アリーレン基は、後述の置換基Wを有していてもよく、好ましくは炭素数1〜4のアルキル基を有していてもよい炭素数6〜18のアリーレン基である。例えば、フェニレン基、ナフチレン基、アントラセニレン基、ピレニレン基、フェナントレニレン基、メチルフェニレン基、ジメチルフェニレン基等が挙げられ、フェニレン基またはナフチレン基が好ましい。 The arylene group represented by D 1 is preferably an arylene group having 6 to 30 carbon atoms, and more preferably an arylene group having 6 to 18 carbon atoms. The arylene group may have a substituent W described later, and is preferably an arylene group having 6 to 18 carbon atoms which may have an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms. Examples thereof include a phenylene group, a naphthylene group, an anthracenylene group, a pyrenylene group, a phenanthrenylene group, a methylphenylene group, and a dimethylphenylene group, and a phenylene group or a naphthylene group is preferable.
Ra、Rbで表される置換基としては後述の置換基Wが挙げられ、好ましくは、脂肪族炭化水素基(好ましくは置換されてよいアルキル基、アルケニル基)、アリール基(好ましくは置換されてよいフェニル基)、またはヘテロ環基である。 Examples of the substituent represented by R a or R b include the substituent W described later, and preferably an aliphatic hydrocarbon group (preferably an alkyl group or alkenyl group which may be substituted) or an aryl group (preferably a substituent). A phenyl group which may be substituted), or a heterocyclic group.
Ra、Rbが表すアリール基としては、それぞれ独立に、好ましくは炭素数6〜30のアリール基であり、より好ましくは炭素数6〜18のアリール基である。アリール基は、置換基を有していてもよく、好ましくは炭素数1〜4のアルキル基または炭素数6〜18のアリール基を有していてもよい炭素数6〜18のアリール基である。例えば、フェニル基、ナフチル基、アントラセニル基、ピレニル基、フェナントレニル基、メチルフェニル基、ジメチルフェニル基、ビフェニル基等が挙げられ、フェニル基またはナフチル基が好ましい。 The aryl groups represented by R a and R b are each independently preferably an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, and more preferably an aryl group having 6 to 18 carbon atoms. The aryl group may have a substituent, and is preferably an alkyl group having 1 to 4 carbon atoms or an aryl group having 6 to 18 carbon atoms which may have an aryl group having 6 to 18 carbon atoms. . Examples thereof include a phenyl group, a naphthyl group, an anthracenyl group, a pyrenyl group, a phenanthrenyl group, a methylphenyl group, a dimethylphenyl group, and a biphenyl group, and a phenyl group or a naphthyl group is preferable.
Ra、Rbが表すヘテロ環基としては、それぞれ独立に、好ましくは炭素数3〜30のヘテロ環基であり、より好ましくは炭素数3〜18のヘテロ環基である。ヘテロ環基は、置換基を有していてもよく、好ましくは炭素数1〜4のアルキル基または炭素数6〜18のアリール基を有していてもよい炭素数3〜18のヘテロ環基である。また、Ra、Rbが表すヘテロ環基は縮環構造であることが好ましく、フラン環、チオフェン環、セレノフェン環、シロール環、ピリジン環、ピラジン環、ピリミジン環、オキサゾール環、チアゾール環、トリアゾール環、オキサジアゾール環、チアジアゾール環からから選ばれる環の組み合わせ(同一でも良い)の縮環構造が好ましく、キノリン環、イソキノリン環、ベンゾチオフェン環、ジベンゾチオフェン環、チエノチオフェン環、ビチエノベンゼン環、ビチエノチオフェン環が好ましい。 The heterocyclic groups represented by R a and R b are preferably each independently a heterocyclic group having 3 to 30 carbon atoms, and more preferably a heterocyclic group having 3 to 18 carbon atoms. The heterocyclic group may have a substituent, preferably a C3-C18 heterocyclic group which may have a C1-C4 alkyl group or a C6-C18 aryl group. It is. The heterocyclic group represented by R a and R b is preferably a condensed ring structure, and furan ring, thiophene ring, selenophene ring, silole ring, pyridine ring, pyrazine ring, pyrimidine ring, oxazole ring, thiazole ring, triazole. A condensed ring structure of a ring combination selected from a ring, an oxadiazole ring, and a thiadiazole ring (which may be the same) is preferable. A bithienothiophene ring is preferred.
D1、Ra、およびRbが表すアリーレン基およびアリール基はベンゼン環または縮環構造であることが好ましく、ベンゼン環を含む縮環構造であることがより好ましく、ナフタレン環、アントラセン環、ピレン環、フェナントレン環を挙げることができ、ベンゼン環、ナフタレン環またはアントラセン環がより好ましくは、ベンゼン環またはナフタレン環が更に好ましい。 The arylene group and aryl group represented by D 1 , R a and R b are preferably a benzene ring or a condensed ring structure, more preferably a condensed ring structure containing a benzene ring, a naphthalene ring, an anthracene ring, pyrene A benzene ring, a naphthalene ring or an anthracene ring, more preferably a benzene ring or a naphthalene ring.
置換基Wとしてはハロゲン原子、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良い)、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基、アリールオキシカルボニル基、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、アルキルおよび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、アルキルおよびアリールスルフィニル基、アルキルおよび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、アリールおよびヘテロ環アゾ基、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)、その他の公知の置換基が挙げられる。 As the substituent W, a halogen atom, an alkyl group (including a cycloalkyl group, a bicycloalkyl group, and a tricycloalkyl group), an alkenyl group (including a cycloalkenyl group and a bicycloalkenyl group), an alkynyl group, an aryl group, and a heterocyclic group (May be referred to as a heterocyclic group), cyano group, hydroxy group, nitro group, carboxy group, alkoxy group, aryloxy group, silyloxy group, heterocyclic oxy group, acyloxy group, carbamoyloxy group, alkoxycarbonyl group, aryl Oxycarbonyl group, amino group (including anilino group), ammonio group, acylamino group, aminocarbonylamino group, alkoxycarbonylamino group, aryloxycarbonylamino group, sulfamoylamino group, alkyl and arylsulfonylamino group, mercap Group, alkylthio group, arylthio group, heterocyclic thio group, sulfamoyl group, sulfo group, alkyl and arylsulfinyl group, alkyl and arylsulfonyl group, acyl group, aryloxycarbonyl group, alkoxycarbonyl group, carbamoyl group, aryl and heterocyclic ring 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), and other known substituents.
Ra、Rbが置換基(好ましくはアルキル基、アルケニル基)を表す場合、それらの置換基は、−NRa(Rb)が置換したアリール基の芳香環(好ましくはベンゼン環)骨格の水素原子、または置換基と結合して環(好ましくは6員環)を形成してもよい。
Ra、Rbは互いに置換基同士が結合して環(好ましくは5員または6員環、より好ましくは6員環)を形成してもよく、また、Ra、RbはそれぞれがL(L1、L2、L3のいずれかを表す)中の置換基と結合して環(好ましくは5員または6員環、より好ましくは6員環)を形成してもよい。
When R a and R b represent a substituent (preferably an alkyl group or an alkenyl group), the substituent is an aromatic ring (preferably benzene ring) skeleton of an aryl group substituted by —NR a (R b ). It may combine with a hydrogen atom or a substituent to form a ring (preferably a 6-membered ring).
R a and R b may be bonded to each other to form a ring (preferably a 5-membered or 6-membered ring, more preferably a 6-membered ring), and R a and R b are each L A ring (preferably a 5-membered or 6-membered ring, more preferably a 6-membered ring) may be formed by combining with a substituent in (representing any of L 1 , L 2 , L 3 ).
一般式(1)で表される化合物は、特開2000−297068号公報に記載の化合物であり、前記公報に記載のない化合物も、前記公報に記載の合成方法に準じて製造することができる。
一般式(1)で表される化合物の具体例としては、以下に示すものが挙げられるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
The compound represented by the general formula (1) is a compound described in JP 2000-297068 A, and a compound not described in the above publication can also be produced according to the synthesis method described in the above publication. .
Specific examples of the compound represented by the general formula (1) include those shown below, but the present invention is not limited thereto.
(分子量)
一般式(1)で表される化合物は、成膜適性の観点から、分子量が300以上1500以下であることが好ましく、350以上1200以下であることがより好ましく、400以上900以下であることが更に好ましい。分子量が小さすぎる場合では、成膜した光電変換膜の膜厚が揮発により減少してしまい、逆に分子量が大きすぎる場合では蒸着ができず、光電変換素子を作製できない。
(Molecular weight)
The compound represented by the general formula (1) preferably has a molecular weight of 300 or more and 1500 or less, more preferably 350 or more and 1200 or less, and more preferably 400 or more and 900 or less, from the viewpoint of film forming suitability. Further preferred. When the molecular weight is too small, the film thickness of the formed photoelectric conversion film decreases due to volatilization. Conversely, when the molecular weight is too large, vapor deposition cannot be performed, and a photoelectric conversion element cannot be manufactured.
(融点)
一般式(1)で表される化合物は、蒸着安定性の観点から、融点が200℃以上であることが好ましく、220℃以上がより好ましく、240℃以上が更に好ましい。融点が低いと蒸着前に融解してしまい、安定に成膜できないことに加え、化合物の分解物が多くなるため、光電変換性能が劣化する。
(Melting point)
The compound represented by the general formula (1) has a melting point of preferably 200 ° C. or higher, more preferably 220 ° C. or higher, and further preferably 240 ° C. or higher from the viewpoint of vapor deposition stability. If the melting point is low, it melts before vapor deposition, and in addition to being unable to form a stable film, the decomposition product of the compound increases, so the photoelectric conversion performance deteriorates.
(吸収スペクトル)
一般式(1)で表される化合物の吸収スペクトルのピーク波長は、可視領域の光を幅広く吸収するという観点から400nm以上700nm以下であることが好ましく、480nm以上700nm以下がより好ましく、510nm以上680nm以下であることが更に好ましい。
(Absorption spectrum)
The peak wavelength of the absorption spectrum of the compound represented by the general formula (1) is preferably 400 nm or more and 700 nm or less, more preferably 480 nm or more and 700 nm or less, more preferably 510 nm or more and 680 nm, from the viewpoint of broadly absorbing light in the visible region. More preferably, it is as follows.
(ピーク波長のモル吸光係数)
一般式(1)で表される化合物は、光を効率よく利用する観点から、モル吸光係数は高ければ高いほどよい。吸収スペクトル(クロロホルム溶液)が、波長400nmから700nmまでの可視領域において、モル吸光係数は20000M−1cm−1以上が好ましく、30000M−1cm−1以上がより好ましく、40000M−1cm−1以上が更に好ましい。
(Molar extinction coefficient of peak wavelength)
The higher the molar extinction coefficient is, the better the compound represented by the general formula (1) is from the viewpoint of efficiently using light. Absorption spectrum (chloroform solution), in the visible region of the wavelength 400nm to 700 nm, the molar absorption coefficient preferably 20000 -1 cm -1 or more, more preferably 30000 m -1 cm -1 or more, 40000M -1 cm -1 or more Is more preferable.
中間層110は、光電変換層108と上部電極112の間に導入された層である。
中間層110の機能としては、光電変換層108で発生した電子を上部電極112に輸送し、上部電極112から光電変換層108への正孔注入を抑制する機能を有する。
中間層110は、非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体を含む層で構成される。
光電変換層108が、上述のように結晶化した構造を含むため、光電変換層108上に上部電極112を直接形成すると、結晶粒界に上部電極112が食い込み、上下電極間に電圧印加した際に食い込んだ箇所に電界が集中し、上部電極112からの注入電流が増大してしまう。光電変換層108と上部電極112の間に中間層110として非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体を含む層を形成することで、上部電極112の光電変換層108への局所的な電界集中を抑制し、注入電流を大幅に抑制することができる。また光電変換層108で発生した電荷のうち、電子は中間層110を経由して上部電極112で捕集するが、中間層110に非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体を含む層を用いることで、効率的に電子を輸送することが可能である。
The intermediate layer 110 is a layer introduced between the photoelectric conversion layer 108 and the upper electrode 112.
The intermediate layer 110 has a function of transporting electrons generated in the photoelectric conversion layer 108 to the upper electrode 112 and suppressing hole injection from the upper electrode 112 to the photoelectric conversion layer 108.
The intermediate layer 110 includes an amorphous fullerene or an amorphous fullerene derivative.
Since the photoelectric conversion layer 108 includes the crystallized structure as described above, when the upper electrode 112 is directly formed on the photoelectric conversion layer 108, the upper electrode 112 bites into the crystal grain boundary and a voltage is applied between the upper and lower electrodes. As a result, the electric field concentrates on the portion that has penetrated into the electrode, and the injection current from the upper electrode 112 increases. By forming a layer containing amorphous fullerene or an amorphous fullerene derivative as the intermediate layer 110 between the photoelectric conversion layer 108 and the upper electrode 112, local electric field concentration on the photoelectric conversion layer 108 of the upper electrode 112 is reduced. And the injection current can be greatly suppressed. Among the charges generated in the photoelectric conversion layer 108, electrons are collected by the upper electrode 112 through the intermediate layer 110, and a layer containing an amorphous fullerene or an amorphous fullerene derivative is used for the intermediate layer 110. Thus, it is possible to efficiently transport electrons.
中間層110の膜厚が薄すぎると、上部電極112から光電変換層108への正孔注入を抑制する効果が十分に発揮されない。上記正孔注入を抑制する効果を十分に発揮するためには、図1(b)に示すように、中間層110の厚さをt1とし、上部電極112の厚さをt2とするとき、中間層110の厚さt1はt1≧1/3×t2であることが好ましい。
一方、中間層110の膜厚を厚くしすぎると、光電変換層108に適切な電界強度を印加するために必要な供給電圧が高くなる。このため、中間層110の膜厚の上限値としては、例えば、100nm以下であり、好ましくは50nm以下、さらに好ましくは20nm以下である。
If the thickness of the intermediate layer 110 is too thin, the effect of suppressing hole injection from the upper electrode 112 to the photoelectric conversion layer 108 is not sufficiently exhibited. In order to sufficiently exhibit the effect of suppressing the hole injection, as shown in FIG. 1B, when the thickness of the intermediate layer 110 is t 1 and the thickness of the upper electrode 112 is t 2 The thickness t 1 of the intermediate layer 110 is preferably t 1 ≧ 1/3 × t 2 .
On the other hand, when the film thickness of the intermediate layer 110 is excessively increased, the supply voltage necessary for applying an appropriate electric field strength to the photoelectric conversion layer 108 increases. For this reason, as an upper limit of the film thickness of the intermediate | middle layer 110, it is 100 nm or less, for example, Preferably it is 50 nm or less, More preferably, it is 20 nm or less.
なお、中間層110の厚さt1の上限値は、上部電極112を基準とした場合、上部電極112の膜厚t2に対して、t1≦t2であることが好ましい。このようなことから、中間層110の厚さt1は、上部電極112を基準とした場合、1/3×t2≦t1≦t2であることが好ましい。
中間層110の厚さt1を上部電極112の厚さt2に対して上述のように規定することにより、暗電流を低減することができる。
The upper limit value of the thickness t 1 of the intermediate layer 110 is preferably t 1 ≦ t 2 with respect to the film thickness t 2 of the upper electrode 112 when the upper electrode 112 is used as a reference. For this reason, the thickness t 1 of the intermediate layer 110 is preferably 1/3 × t 2 ≦ t 1 ≦ t 2 when the upper electrode 112 is used as a reference.
By defining the thickness t 1 of the intermediate layer 110 with respect to the thickness t 2 of the upper electrode 112 as described above, the dark current can be reduced.
中間層110には、非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体と、光電変換層108に含まれる有機p型化合物の混合層で構成することができる。これ以外にも、中間層110には、非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体と透明正孔輸送材料の混合層で構成することができる。
透明正孔注入を抑制するために、透明正孔輸送材料にはイオン化ポテンシャルが5.5eV以上の材料を用いることが好ましい。透明正孔輸送材料として、イオン化ポテンシャルが5.5eV以上の材料も用いることにより、上部電極112からの正孔注入を十分抑制することができる。これにより、暗電流を低減することができる。
The intermediate layer 110 can be composed of a mixed layer of amorphous fullerene or an amorphous fullerene derivative and an organic p-type compound contained in the photoelectric conversion layer 108. In addition, the intermediate layer 110 can be composed of a mixed layer of amorphous fullerene or an amorphous fullerene derivative and a transparent hole transport material.
In order to suppress transparent hole injection, it is preferable to use a material having an ionization potential of 5.5 eV or more as the transparent hole transport material. By using a material having an ionization potential of 5.5 eV or more as the transparent hole transport material, hole injection from the upper electrode 112 can be sufficiently suppressed. Thereby, dark current can be reduced.
透明正孔輸送材料は、イオン化ポテンシャルが6eV以下で、イオン化ポテンシャルと電子親和力の差が3eV以上の材料であることが好ましい。材料のイオン化ポテンシャルは、石英基板上に材料を約100nmの膜厚で成膜して、理研計器社製AC−2表面分析装置を用いて測定することができる。イオン化ポテンシャルと電子親和力の差を求めるには、まず成膜した材料のスペキュラーを測定し、その吸収端のエネルギーを求める。吸収端のエネルギーがイオン化ポテンシャルと電子親和力のエネルギー差に相当する。
中間層110はフラーレンまたはフラーレン誘導体と透明正孔輸送材料の比率が一定の層でもよいし、膜厚方向によって比率が異なるグラデーション層であってもよい。
中間層110中の非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体の比率が少なすぎると、中間層110の電子輸送能が低下してしまい、光電変換層108で発生した電子を上部電極112、すなわち、電子捕集電極に輸送する効率が低下してしまい、光電変換効率が低下してしまう。非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体は可視光を吸収するために、中間層110中でも、吸収した光によりキャリアが発生するが、中間層110中の非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体の比率が多すぎると、中間層110の正孔輸送能が低下してしまい、応答速度の遅れにつながってしまう。このため、中間層110中の非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体の比率としては、体積比率で30%〜80%であることが好ましい。
The transparent hole transport material is preferably a material having an ionization potential of 6 eV or less and a difference between the ionization potential and the electron affinity of 3 eV or more. The ionization potential of the material can be measured using an AC-2 surface analyzer manufactured by Riken Keiki Co., Ltd. after depositing the material with a film thickness of about 100 nm on a quartz substrate. In order to obtain the difference between the ionization potential and the electron affinity, first, the specularity of the deposited material is measured, and the energy at the absorption edge is obtained. The energy at the absorption edge corresponds to the energy difference between the ionization potential and the electron affinity.
The intermediate layer 110 may be a layer in which the ratio of fullerene or a fullerene derivative to a transparent hole transport material is constant, or may be a gradation layer in which the ratio varies depending on the film thickness direction.
When the ratio of the amorphous fullerene or the amorphous fullerene derivative in the intermediate layer 110 is too small, the electron transport ability of the intermediate layer 110 is reduced, and the electrons generated in the photoelectric conversion layer 108 are transferred to the upper electrode 112, that is, The efficiency of transporting to the electron collecting electrode is lowered, and the photoelectric conversion efficiency is lowered. Since amorphous fullerene or amorphous fullerene derivative absorbs visible light, carriers are generated in the intermediate layer 110 by the absorbed light. However, the amorphous fullerene or amorphous fullerene derivative in the intermediate layer 110 If the ratio is too large, the hole transport ability of the intermediate layer 110 is lowered, leading to a delay in response speed. For this reason, the ratio of the amorphous fullerene or the amorphous fullerene derivative in the intermediate layer 110 is preferably 30% to 80% in volume ratio.
以下、透明正孔輸送材料の具体的について説明する。
透明正孔輸送材料には、電子供与性有機材料を用いることができる。具体的には、低分子材料では、N,N’−ビス(3−メチルフェニル)−(1,1’−ビフェニル)−4,4’−ジアミン(TPD)や4,4’−ビス[N−(ナフチル)−N−フェニル−アミノ]ビフェニル(α−NPD)等の芳香族ジアミン化合物、オキサゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、イミダゾール、イミダゾロン、スチルベン誘導体、ピラゾリン誘導体、テトラヒドロイミダゾール、ポリアリールアルカン、ブタジエン、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)、ポルフィン、テトラフェニルポルフィン銅、フタロシアニン、銅フタロシアニン、チタニウムフタロシアニンオキサイド等のポリフィリン化合物、トリアゾール誘導体、オキサジザゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、ピラゾリン誘導体、ピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アニールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、およびシラザン誘導体等を用いることができる。高分子材料では、フェニレンビニレン、フルオレン、カルバゾール、インドール、ピレン、ピロール、ピコリン、チオフェン、アセチレンおよびジアセチレン等の重合体、ならびにその誘導体を用いることができる。電子供与性化合物でなくとも十分な正孔輸送性を有する化合物であれば用いることは可能である。より具体的には、透明正孔輸送材料として、下記化合物1、化合物3および化合物4等が挙げられる。
Hereinafter, specific examples of the transparent hole transport material will be described.
An electron-donating organic material can be used as the transparent hole transport material. Specifically, in a low molecular material, N, N′-bis (3-methylphenyl)-(1,1′-biphenyl) -4,4′-diamine (TPD) or 4,4′-bis [N Aromatic diamine compounds such as-(naphthyl) -N-phenyl-amino] biphenyl (α-NPD), oxazole, oxadiazole, triazole, imidazole, imidazolone, stilbene derivative, pyrazoline derivative, tetrahydroimidazole, polyarylalkane, butadiene 4,4 ′, 4 ″ -tris (N- (3-methylphenyl) N-phenylamino) triphenylamine (m-MTDATA), porphine, tetraphenylporphine copper, phthalocyanine, copper phthalocyanine, titanium phthalocyanine oxide, etc. Porphyrin compounds, triazole derivatives, oxazizazo Derivatives, imidazole derivatives, polyarylalkane derivatives, pyrazoline derivatives, pyrazolone derivatives, phenylenediamine derivatives, annealing amine derivatives, amino-substituted chalcone derivatives, oxazole derivatives, styrylanthracene derivatives, fluorenone derivatives, hydrazone derivatives, silazane derivatives, etc. As the polymer material, polymers such as phenylene vinylene, fluorene, carbazole, indole, pyrene, pyrrole, picoline, thiophene, acetylene, and diacetylene, and derivatives thereof can be used, even if they are not electron donating compounds. Any compound having sufficient hole transportability can be used, and more specifically, examples of the transparent hole transport material include the following compounds 1, 3 and 4. That.
以下、上記有機化合物を含む層の成膜方法について説明する。
上記有機化合物を含む層は、乾式成膜法または湿式成膜法により成膜することができる。乾式成膜法の具体的な例としては、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法およびMBE法等の物理気相成長法、またはプラズマ重合等のCVD法が挙げられる。湿式成膜法としては、キャスト法、スピンコート法、ディッピング法およびLB法等を用いることができる。
p型半導体(化合物)、またはn型半導体(化合物)のうち、少なくとも1つとして高分子化合物を用いる場合、作製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ーを好ましく用いることができる。一方、本発明において、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。蒸着時のすべての工程は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、外気の酸素および水分と接触しないようにする。水晶振動子または干渉計等の膜厚モニタ−を用いて蒸着速度をPI制御またはPID制御することが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、またはフラッシュ蒸着法等を好ましく用いることができる。
Hereinafter, a method for forming a layer containing the organic compound will be described.
The layer containing an organic compound can be formed by a dry film formation method or a wet film formation method. Specific examples of the dry film forming method include a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, a physical vapor deposition method such as an ion plating method and an MBE method, or a CVD method such as plasma polymerization. As the wet film formation method, a cast method, a spin coating method, a dipping method, an LB method, or the like can be used.
When a polymer compound is used as at least one of a p-type semiconductor (compound) and an n-type semiconductor (compound), it is preferable to form a film by a wet film formation method that is easy to manufacture. When a dry film formation method such as vapor deposition is used, it is difficult to use a polymer because it may be decomposed, and an oligomer thereof can be preferably used instead. On the other hand, in the present invention, when a low molecule is used, a dry film forming method is preferably used, and a vacuum deposition method is particularly preferably used. All steps during the deposition are preferably performed in a vacuum, and basically the compound is not directly in contact with oxygen and moisture in the outside air. It is preferable to perform PI control or PID control of the deposition rate using a film thickness monitor such as a crystal resonator or an interferometer. When two or more kinds of compounds are deposited at the same time, a co-evaporation method or a flash deposition method can be preferably used.
上部電極112は、光電変換層108に入射する光の絶対量を増加させ、外部量子効率を高くするためのものであり、透明導電膜で構成される。
透明導電膜の材料として好ましいのは、ITO、IZO、SnO2、ATO(アンチモンドープ酸化スズ)、ZnO、AZO(Alドープ酸化亜鉛)、GZO(ガリウムドープ酸化亜鉛)、TiO2、およびFTO(フッ素ドープ酸化スズ)のうち、いずれかの材料である。
透明電極膜の光透過率は、可視光波長において、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。
通常、導電性薄膜をある範囲より薄くすると、急激な抵抗値の増加をもたらす。しかし、透明電極膜のシート抵抗は、好ましくは100Ω/□以上10000Ω/□以下であり、薄膜化できる膜厚の範囲の自由度は大きい。また、透明電極膜は厚みが薄いほど吸収する光の量は少なくなり、一般に光透過率が増す。光透過率の増加は、光電変換層108での光吸収を増大させ、光電変換能を増大させるため、非常に好ましい。薄膜化に伴う薄膜の抵抗値の増大、および光の透過率の増加を考慮すると、透明電極膜、すなわち、上部電極112の膜厚は、5nm以上30nm以下であることが好ましくは、より好ましくは5nm以上20nm以下である。
上部電極112の作製方法としては、構成する材料によって種々の方法が用いられるが、スパッタリング法を用いることが好ましい。
The upper electrode 112 is for increasing the absolute amount of light incident on the photoelectric conversion layer 108 and increasing the external quantum efficiency, and is made of a transparent conductive film.
Preferred materials for the transparent conductive film are ITO, IZO, SnO 2 , ATO (antimony-doped tin oxide), ZnO, AZO (Al-doped zinc oxide), GZO (gallium-doped zinc oxide), TiO 2 , and FTO (fluorine). Doped tin oxide).
The light transmittance of the transparent electrode film is preferably 60% or more, more preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and more preferably 95% or more in the visible light wavelength.
Usually, when the conductive thin film is made thinner than a certain range, the resistance value is rapidly increased. However, the sheet resistance of the transparent electrode film is preferably 100Ω / □ or more and 10000Ω / □ or less, and there is a large degree of freedom in the range of film thickness that can be thinned. Further, the thinner the transparent electrode film, the smaller the amount of light absorbed, and the light transmittance generally increases. The increase in light transmittance is very preferable because it increases the light absorption in the photoelectric conversion layer 108 and increases the photoelectric conversion ability. In consideration of the increase in the resistance value of the thin film accompanying the thinning and the increase in light transmittance, the thickness of the transparent electrode film, that is, the upper electrode 112 is preferably 5 nm or more and 30 nm or less, more preferably It is 5 nm or more and 20 nm or less.
As a method for manufacturing the upper electrode 112, various methods are used depending on the constituent materials, but it is preferable to use a sputtering method.
封止層114は、水および酸素等の有機材料を劣化させる因子が有機材料を含む光電変換部106に侵入するのを防ぐための層である。封止層110は、下部電極104、電子ブロッキング層106、光電変換層108、中間層110および上部電極112を覆っており、基板102との間を封止している。封止層114は以下に示す条件が要求される。 The sealing layer 114 is a layer for preventing a factor that degrades an organic material such as water and oxygen from entering the photoelectric conversion unit 106 containing the organic material. The sealing layer 110 covers the lower electrode 104, the electron blocking layer 106, the photoelectric conversion layer 108, the intermediate layer 110, and the upper electrode 112, and seals between the substrate 102. The sealing layer 114 is required to satisfy the following conditions.
第一に、封止層114を形成する際は既に形成された光電変換層108を劣化させない。
第二に、光電変換素子または撮像素子の作製後に、水分子等の有機の光電変換材料を劣化させる因子の浸入を阻止して、長期間の保存および長時間の使用にわたって、光電変換層108の劣化を防止する。
第三に、封止層114形成後の撮像素子の作製工程において、溶液、プラズマ等に含まれる有機の光電変換材料を劣化させる因子の浸入を阻止して光電変換層108を保護することが挙げられる。
第四に、入射光は封止層114を通じて光電変換層108に到達するので、光電変換層108で検知する波長の光に対して封止層114は透明でなくてはならない。
First, when the sealing layer 114 is formed, the already formed photoelectric conversion layer 108 is not deteriorated.
Second, after the production of the photoelectric conversion element or the imaging element, the penetration of factors that degrade the organic photoelectric conversion material such as water molecules is prevented, and the photoelectric conversion layer 108 can be stored over a long period of storage and long use. Prevent deterioration.
Thirdly, in the manufacturing process of the imaging element after the formation of the sealing layer 114, it is possible to protect the photoelectric conversion layer 108 by preventing intrusion of factors that degrade the organic photoelectric conversion material contained in the solution, plasma, and the like. It is done.
Fourth, since incident light reaches the photoelectric conversion layer 108 through the sealing layer 114, the sealing layer 114 must be transparent to light having a wavelength detected by the photoelectric conversion layer 108.
封止層114は、単一材からなる薄膜で構成することもできるが、多層構成にして各層に別々の機能を付与することもできる。例えば、図1(c)に示す封止層114aのように、水分子等の光電変換材料の劣化因子の浸透を阻止する第一封止層116と、第一封止層116上に、第一封止層116では達成することが難しい機能を有する封止補助層118を積層した二層構成であってもよい。但し、製造コストを勘案するとなるべく層数は少ない方が好ましい。 The sealing layer 114 can be formed of a thin film made of a single material, but can also be provided with a separate function for each layer in a multilayer structure. For example, like a sealing layer 114a shown in FIG. 1C, a first sealing layer 116 that prevents penetration of deterioration factors of photoelectric conversion materials such as water molecules, and a first sealing layer 116, A two-layer structure in which a sealing auxiliary layer 118 having a function difficult to achieve with one sealing layer 116 may be stacked. However, considering the manufacturing cost, it is preferable that the number of layers is as small as possible.
また、封止層114は、例えば、以下のようにして形成することができる。
有機光電変換材料は水分子等の劣化因子の存在で顕著にその性能が劣化してしまう。そのために、水分子を浸透させない緻密な金属酸化膜、金属窒化膜、または金属窒化酸化膜等で光電変換層全体を被覆して封止することが必要である。従来から、酸化アルミニウム、酸化珪素、窒化珪素または窒化酸化珪素、それらの積層構成、およびそれらと有機高分子の積層構成等を封止層として、各種真空成膜技術で形成されている。従来の封止層は、基板表面の構造物、基板表面の微小欠陥、または基板表面に付着したパーティクル等による段差において、段差が影になり、薄膜の成長が困難であるため、平坦部と比べて膜厚が顕著に薄くなる。このために段差部分が劣化因子の浸透する経路になってしまう。この段差を封止層114で完全に被覆するには、平坦部において1μm以上の膜厚になるように成膜して、封止層114全体を厚くする必要がある。
Moreover, the sealing layer 114 can be formed as follows, for example.
The performance of organic photoelectric conversion materials is significantly deteriorated due to the presence of deterioration factors such as water molecules. Therefore, it is necessary to cover and seal the entire photoelectric conversion layer with a dense metal oxide film, metal nitride film, or metal oxynitride film that does not allow water molecules to permeate. Conventionally, aluminum oxide, silicon oxide, silicon nitride, or silicon nitride oxide, their laminated structure, and their laminated structure with an organic polymer are used as sealing layers and formed by various vacuum film forming techniques. The conventional sealing layer has a shadow on the step due to the structure on the substrate surface, minute defects on the substrate surface, or particles adhering to the substrate surface, and it is difficult to grow a thin film. As a result, the film thickness is significantly reduced. For this reason, the step portion becomes a path through which the deterioration factor penetrates. In order to completely cover this step with the sealing layer 114, it is necessary to form the film so as to have a film thickness of 1 μm or more in the flat portion, and to increase the thickness of the sealing layer 114 as a whole.
原子層堆積(ALD)法は、CVD法の一種で、薄膜材料となる有機金属化合物分子、金属ハロゲン化物分子、金属水素化物分子の基板表面への吸着、反応と、それらに含まれる未反応基の分解を、交互に繰返して薄膜を形成する技術である。基板表面へ薄膜材料が到達する際は上記低分子の状態なので、低分子が入り込めるごくわずかな空間さえあれば薄膜が成長可能である。そのために、従来の薄膜形成法では困難であった段差部分を完全に被覆でき、すなわち、段差部分に成長した薄膜の厚さが平坦部分に成長した薄膜の厚さと同じでき、段差被覆性が非常に優れる。基板表面の構造物、基板表面の微小欠陥、または基板表面に付着したパーティクル等による段差を完全に被覆できるので、そのような段差部分が光電変換材料の劣化因子の浸入経路にならない。封止層114の形成を原子層堆積(ALD)法で行なった場合は従来技術よりも効果的に必要な封止層の膜厚を薄くすることが可能になる。 The atomic layer deposition (ALD) method is a kind of CVD method, and adsorbs and reacts organometallic compound molecules, metal halide molecules, and metal hydride molecules, which are thin film materials, on the substrate surface and unreacted groups contained in them. Is a technique for forming a thin film by alternately repeating decomposition. When the thin film material reaches the substrate surface, it is in the above-mentioned low molecular state, so that the thin film can be grown in a very small space where the low molecule can enter. For this reason, it is possible to completely cover the stepped portion, which was difficult with the conventional thin film forming method, that is, the thickness of the thin film grown on the stepped portion can be the same as the thickness of the thin film grown on the flat portion, and the step coverage is extremely high. Excellent. Since a step due to a structure on the substrate surface, a minute defect on the substrate surface, or particles adhering to the substrate surface can be completely covered, such a step portion does not become an intrusion path for a deterioration factor of the photoelectric conversion material. When the sealing layer 114 is formed by an atomic layer deposition (ALD) method, the required sealing layer thickness can be reduced more effectively than in the prior art.
原子層堆積法で封止層114を形成する場合は、上述の好ましい封止層に対応した材料を適宜選択できる。しかしながら、有機光電変換材料が劣化しないような、比較的に低温で薄膜成長が可能な材料に制限される。アルキルアルミニウムまたはハロゲン化アルミニウムを材料とした原子層堆積法によると、有機光電変換材料が劣化しない200℃未満で緻密な酸化アルミニウム薄膜を形成することができる。特にトリメチルアルミニウムを使用した場合は100℃程度でも酸化アルミニウム薄膜を形成することができるため好ましい。酸化珪素または酸化チタンも材料を適切に選択することで酸化アルミニウムと同様に200℃未満で、封止層114として緻密な薄膜を形成することができるため好ましい。
封止層114は、水分子等の光電変換材料を劣化させる因子の侵入を十分阻止するために、10nm以上の膜厚であることが好ましい。後述する撮像素子では、封止層の膜厚が厚いと、封止層内で入射光が回折または発散してしまい混色が発生する。このため、封止層の膜厚としては200nm以下であることが好ましい。
When the sealing layer 114 is formed by the atomic layer deposition method, a material corresponding to the above-described preferable sealing layer can be selected as appropriate. However, it is limited to a material capable of growing a thin film at a relatively low temperature so that the organic photoelectric conversion material does not deteriorate. According to the atomic layer deposition method using alkylaluminum or aluminum halide as a material, a dense aluminum oxide thin film can be formed at less than 200 ° C. at which the organic photoelectric conversion material does not deteriorate. In particular, when trimethylaluminum is used, an aluminum oxide thin film can be formed even at about 100 ° C., which is preferable. Silicon oxide or titanium oxide is also preferable because a dense thin film can be formed as the sealing layer 114 at a temperature lower than 200 ° C. similarly to aluminum oxide by appropriately selecting a material.
The sealing layer 114 preferably has a film thickness of 10 nm or more in order to sufficiently prevent the intrusion of factors such as water molecules that degrade the photoelectric conversion material. In an imaging device described later, when the sealing layer is thick, incident light is diffracted or diverged in the sealing layer, resulting in color mixing. For this reason, the film thickness of the sealing layer is preferably 200 nm or less.
原子層堆積法により形成した薄膜は、段差被覆性、緻密性という観点からは比類なく良質な薄膜形成を低温で達成できる。しかし、薄膜がフォトリソグラフィー工程で使用する薬品で劣化してしまうことがある。例えば、原子層堆積法で成膜した酸化アルミニウム薄膜は非晶質なので、現像液および剥離液のようなアルカリ溶液で表面が侵食されてしまう。このような場合には、原子層堆積法で形成した酸化アルミニウム薄膜上に、耐薬品性に優れる薄膜が必要である。すなわち、封止層114を保護する機能層となる封止補助層が必要である。この場合、上述のように図1(c)に示す2層構造の封止層114aとなる。 The thin film formed by the atomic layer deposition method can achieve a high-quality thin film formation at a low temperature that is unmatched from the viewpoint of step coverage and denseness. However, the thin film may be deteriorated by chemicals used in the photolithography process. For example, since an aluminum oxide thin film formed by atomic layer deposition is amorphous, the surface is eroded by an alkaline solution such as a developer and a stripping solution. In such a case, a thin film having excellent chemical resistance is required on the aluminum oxide thin film formed by the atomic layer deposition method. That is, a sealing auxiliary layer that is a functional layer for protecting the sealing layer 114 is necessary. In this case, the sealing layer 114a having the two-layer structure shown in FIG.
次に、光電変換素子100の製造方法について説明する。
まず、下部電極104として、例えば、TiN電極が基板102の表面102aに形成されたTiN基板を用意する。
TiN基板は、例えば、下部電極材料としてTiNが、スパッタ法により所定の真空下で基板102の表面102aに成膜されて、下部電極104として、TiN電極が形成されたものである。
次に、下部電極104上に、電子ブロッキング材料、例えば、カルバゾール誘導体を、更に好ましくはビフルオレン誘導体を、例えば、真空蒸着法を用いて所定の真空下で成膜して電子ブロッキング層106を形成する。
Next, a method for manufacturing the photoelectric conversion element 100 will be described.
First, as the lower electrode 104, for example, a TiN substrate in which a TiN electrode is formed on the surface 102a of the substrate 102 is prepared.
In the TiN substrate, for example, TiN as a lower electrode material is formed on the surface 102a of the substrate 102 under a predetermined vacuum by a sputtering method, and a TiN electrode is formed as the lower electrode 104.
Next, an electron blocking material, for example, a carbazole derivative, more preferably a bifluorene derivative, is formed on the lower electrode 104 under a predetermined vacuum using, for example, a vacuum deposition method to form the electron blocking layer 106. .
次に、電子ブロッキング層106上に、光電変換材料として、例えば、p型有機半導体材料とフラーレンまたはフラーレン誘導体とを、所定の真空下で、基板温度70℃以上で共蒸着して光電変換層108を形成する。これにより、結晶化フラーレンまたは結晶化フラーレン誘導体を得ることができる。この場合、結晶化フラーレンまたは結晶化フラーレン誘導体は、上述のように(111)方向に配向していることが好ましい。
次に、光電変換層108上に、例えば、非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体を、所定の真空下で、基板温度20℃〜60℃で蒸着して中間層110を形成する。これにより、非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体を得ることができる。
次に、中間層110上に、例えば、透明導電酸化物としてITOを用い、スパッタ法により、5〜30nmの厚さのITO膜を成膜する。これにより、透明導電膜で構成された上部電極112が形成される。
次に、下部電極104、有機層120および上部電極112を覆う封止層114として、例えば、酸化アルミニウム層を、原子層堆積(ALD)法を用いて形成する。
Next, on the electron blocking layer 106, as a photoelectric conversion material, for example, a p-type organic semiconductor material and fullerene or a fullerene derivative are co-evaporated at a substrate temperature of 70 ° C. or higher under a predetermined vacuum, and the photoelectric conversion layer 108 is then deposited. Form. Thereby, a crystallized fullerene or a crystallized fullerene derivative can be obtained. In this case, the crystallized fullerene or the crystallized fullerene derivative is preferably oriented in the (111) direction as described above.
Next, for example, an amorphous fullerene or an amorphous fullerene derivative is vapor-deposited at a substrate temperature of 20 ° C. to 60 ° C. under a predetermined vacuum on the photoelectric conversion layer 108 to form the intermediate layer 110. Thereby, an amorphous fullerene or an amorphous fullerene derivative can be obtained.
Next, an ITO film with a thickness of 5 to 30 nm is formed on the intermediate layer 110 by sputtering, for example, using ITO as a transparent conductive oxide. As a result, the upper electrode 112 made of a transparent conductive film is formed.
Next, as the sealing layer 114 covering the lower electrode 104, the organic layer 120, and the upper electrode 112, for example, an aluminum oxide layer is formed using an atomic layer deposition (ALD) method.
光電変換素子100では、光電変換素子100を使用する場合、外部電場を印加することができる。この場合、下部電極104と上部電極112を一対の電極とし、光電変換効率、暗電流および光応答速度において、優れた特性を得るために一対の電極間に印加する外部電場としては、1V/cm以上1×107V/cm以下が好ましい、より好ましくは、1×104V/cm以上1×107V/cm以下である。特に好ましくは、5×104V/cm以上1×106V/cm以下である。
光電変換素子100では、上述のように非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体を含む中間層110を設けることにより、光電変換効率を高くできるとともに、暗電流を低減することができる。
また、上述のように光電変換層108を結晶化フラーレンまたは結晶化フラーレン誘導体含むバルクヘテロ層とすることにより、光電変換効率を向上させることができる。さらには、上述のように結晶化フラーレンまたは結晶化フラーレン誘導体を(111)方向に配向させることにより、更に暗電流を抑制することができる。
In the photoelectric conversion element 100, when the photoelectric conversion element 100 is used, an external electric field can be applied. In this case, the lower electrode 104 and the upper electrode 112 are used as a pair of electrodes, and an external electric field applied between the pair of electrodes in order to obtain excellent characteristics in photoelectric conversion efficiency, dark current, and optical response speed is 1 V / cm. It is preferably 1 × 10 7 V / cm or less, more preferably 1 × 10 4 V / cm or more and 1 × 10 7 V / cm or less. Particularly preferably, it is 5 × 10 4 V / cm or more and 1 × 10 6 V / cm or less.
In the photoelectric conversion element 100, by providing the intermediate layer 110 containing amorphous fullerene or an amorphous fullerene derivative as described above, the photoelectric conversion efficiency can be increased and the dark current can be reduced.
In addition, the photoelectric conversion efficiency can be improved by using the photoelectric conversion layer 108 as a bulk hetero layer including crystallized fullerene or a crystallized fullerene derivative as described above. Furthermore, dark current can be further suppressed by orienting the crystallized fullerene or crystallized fullerene derivative in the (111) direction as described above.
次に、光電変換素子100を用いた撮像素子について説明する。
図2(a)は、本発明の実施形態の撮像素子を示す模式的断面図であり、(b)は、本発明の実施形態の撮像素子の要部拡大図である。
本発明の実施形態の撮像素子10は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像装置に用いることができる。更には電子内視鏡および携帯電話機等の撮像モジュール等に搭載することもできる。
Next, an image sensor using the photoelectric conversion element 100 will be described.
FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing the image sensor of the embodiment of the present invention, and FIG. 2B is an enlarged view of a main part of the image sensor of the embodiment of the present invention.
The image sensor 10 according to the embodiment of the present invention can be used in an imaging apparatus such as a digital camera or a digital video camera. Furthermore, it can also be mounted on an imaging module such as an electronic endoscope and a mobile phone.
図2(a)に示す撮像素子10は、可視光像を電気信号に変換するものであり、基板12と、絶縁層14と、画素電極(下部電極)16と、電子ブロッキング層20と、光電変換層22と、中間層24と、対向電極(上部電極)26と、封止層28と、カラーフィルタ32と、隔壁34と、遮光層36と、オーバーコート層38とを有する。電子ブロッキング層20と光電変換層22と中間層24とをまとめて有機層30という。
基板12には読出し回路40と、対向電極電圧供給部42とが形成されている。
なお、画素電極16は上述の光電変換素子100の下部電極104に対応し、対向電極26は上述の光電変換素子100の上部電極112に対応し、有機層30は上述の光電変換素子100の有機層120に対応し、封止層28は上述の光電変換素子100の封止層114に対応する。
An image sensor 10 shown in FIG. 2A converts a visible light image into an electrical signal, and includes a substrate 12, an insulating layer 14, a pixel electrode (lower electrode) 16, an electron blocking layer 20, and photoelectric elements. The conversion layer 22, the intermediate layer 24, the counter electrode (upper electrode) 26, the sealing layer 28, the color filter 32, the partition wall 34, the light shielding layer 36, and the overcoat layer 38 are included. The electron blocking layer 20, the photoelectric conversion layer 22, and the intermediate layer 24 are collectively referred to as an organic layer 30.
A reading circuit 40 and a counter electrode voltage supply unit 42 are formed on the substrate 12.
The pixel electrode 16 corresponds to the lower electrode 104 of the photoelectric conversion element 100 described above, the counter electrode 26 corresponds to the upper electrode 112 of the photoelectric conversion element 100 described above, and the organic layer 30 corresponds to the organic of the photoelectric conversion element 100 described above. The sealing layer 28 corresponds to the layer 120 and the sealing layer 114 of the photoelectric conversion element 100 described above.
基板12は、例えば、ガラス基板またはSi等の半導体基板が用いられる。基板12上には公知の絶縁材料からなる絶縁層14が形成されている。絶縁層14には、表面14aに複数の画素電極16が形成されている。画素電極16は、例えば、1次元または2次元状に配列される。
また、絶縁層14には、画素電極16と読出し回路40とを接続する第1の接続部44が形成されている。更には、対向電極26と対向電極電圧供給部42とを接続する第2の接続部46が形成されている。第2の接続部46は、画素電極16および有機層30に接続されない位置に形成されている。第1の接続部44および第2の接続部46は導電性材料で形成されている。
As the substrate 12, for example, a glass substrate or a semiconductor substrate such as Si is used. An insulating layer 14 made of a known insulating material is formed on the substrate 12. In the insulating layer 14, a plurality of pixel electrodes 16 are formed on the surface 14a. The pixel electrodes 16 are arranged in a one-dimensional or two-dimensional manner, for example.
In addition, a first connection portion 44 that connects the pixel electrode 16 and the readout circuit 40 is formed in the insulating layer 14. Furthermore, a second connection portion 46 that connects the counter electrode 26 and the counter electrode voltage supply unit 42 is formed. The second connection portion 46 is formed at a position not connected to the pixel electrode 16 and the organic layer 30. The first connection portion 44 and the second connection portion 46 are made of a conductive material.
また、絶縁層14の内部には、読出し回路40および対向電極電圧供給部42を、例えば、撮像装置10の外部と接続するための導電性材料からなる配線層48が形成されている。
上述のように、基板12上の絶縁層14の表面14aに、各第1の接続部44に接続された画素電極16が形成されたものを回路基板11という。なお、この回路基板11はCMOS基板ともいう。
In addition, a wiring layer 48 made of a conductive material for connecting the readout circuit 40 and the counter electrode voltage supply unit 42 to, for example, the outside of the imaging device 10 is formed inside the insulating layer 14.
As described above, the circuit board 11 is formed by forming the pixel electrodes 16 connected to the first connection portions 44 on the surface 14 a of the insulating layer 14 on the substrate 12. The circuit board 11 is also referred to as a CMOS substrate.
複数の画素電極16を覆うとともに、第2の接続部46を避けるようにして電子ブロッキング層20が画素電極16上に形成されており、電子ブロッキング層20上に光電変換層22が形成されている。光電変換層22上に中間層24が形成されている。
電子ブロッキング層20は、上述のように光電変換素子100の電子ブロッキング層106に対応するものであり、画素電極16から光電変換層22に電子が注入されるのを抑制するための層である。
The electron blocking layer 20 is formed on the pixel electrode 16 so as to cover the plurality of pixel electrodes 16 and avoid the second connection portion 46, and the photoelectric conversion layer 22 is formed on the electron blocking layer 20. . An intermediate layer 24 is formed on the photoelectric conversion layer 22.
The electron blocking layer 20 corresponds to the electron blocking layer 106 of the photoelectric conversion element 100 as described above, and is a layer for suppressing injection of electrons from the pixel electrode 16 to the photoelectric conversion layer 22.
光電変換層22および中間層24は、それぞれ上述の光電変換素子100の光電変換層108および中間層110と対応するものであるため、その詳細な説明は省略する。光電変換層22は、p型有機半導体(有機p型化合物)と、結晶化したフラーレンまたは結晶化したフラーレン誘導体を混合したバルクへテロ層である。
なお、電子ブロッキング層20、光電変換層22および中間層24は、いずれも画素電極16上で一定の膜厚であれば、それ以外で膜厚が一定でなくてもよい。
Since the photoelectric conversion layer 22 and the intermediate layer 24 correspond to the photoelectric conversion layer 108 and the intermediate layer 110 of the photoelectric conversion element 100 described above, detailed description thereof is omitted. The photoelectric conversion layer 22 is a bulk hetero layer in which a p-type organic semiconductor (organic p-type compound) and a crystallized fullerene or a crystallized fullerene derivative are mixed.
Note that the electron blocking layer 20, the photoelectric conversion layer 22, and the intermediate layer 24 may be other than the film thickness as long as the film thickness is constant on the pixel electrode 16.
対向電極26は、画素電極16と対向する電極であり、有機層30を覆うようにして設けられており、画素電極16と対向電極26との間に有機層30が配置される。
対向電極26は、光電変換層22に光を入射させるため、入射光L(可視光)に対して透明導電膜で構成されている。対向電極26は、光電変換層22よりも外側に配置された第2の接続部46と電気的に接続されており、第2の接続部46を介して対向電極電圧供給部42に接続されている。
The counter electrode 26 is an electrode facing the pixel electrode 16 and is provided so as to cover the organic layer 30, and the organic layer 30 is disposed between the pixel electrode 16 and the counter electrode 26.
The counter electrode 26 is made of a transparent conductive film with respect to incident light L (visible light) in order to make light incident on the photoelectric conversion layer 22. The counter electrode 26 is electrically connected to the second connection portion 46 disposed outside the photoelectric conversion layer 22, and is connected to the counter electrode voltage supply portion 42 via the second connection portion 46. Yes.
対向電極26は、上部電極112と同様の材料で構成することができるため、その詳細な説明は省略する。
対向電極26は、光透過率についても上部電極112と同様に可視光波長において、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、対向電極26は、上部電極112と同様に厚さが5〜30nmであることが好ましい。対向電極26を5nm以上の膜厚にすることにより、下層である中間層24を十分に被覆することができ、均一な性能が得られる。一方、対向電極26を、30nmを超える膜厚にすると対向電極26と画素電極16が局所的に短絡してしまい、暗電流が上昇してしまうことがある。対向電極26を30nm以下の膜厚にすることで局所的な短絡の発生を抑制することができる。
Since the counter electrode 26 can be made of the same material as that of the upper electrode 112, detailed description thereof is omitted.
The counter electrode 26 also has a light transmittance of 60% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and more preferably 95% or more, in the visible light wavelength, similarly to the upper electrode 112. .
The counter electrode 26 preferably has a thickness of 5 to 30 nm, like the upper electrode 112. By making the counter electrode 26 have a film thickness of 5 nm or more, the intermediate layer 24 which is the lower layer can be sufficiently covered, and uniform performance can be obtained. On the other hand, if the counter electrode 26 has a film thickness exceeding 30 nm, the counter electrode 26 and the pixel electrode 16 may be locally short-circuited, resulting in an increase in dark current. The occurrence of a local short circuit can be suppressed by setting the thickness of the counter electrode 26 to 30 nm or less.
なお、対向電極26の膜厚とは、積層方向mにおいて、中間層24の表面24aから有機層30の対向電極26の表面26a迄の距離のことであり、第2の接続部46に接続される部分の厚さは含まない。
撮像素子10においても、図2(b)に示すように、中間層24の膜厚をtaとし、対向電極26の膜厚をtbとするとき、光電変換素子100と同様に、中間層24の膜厚taは対向電極26の膜厚tbの1/3以上であることが好ましく、上限は対向電極26の膜厚tb以下であることが好ましい。すなわち、中間層24の膜厚taは、1/3tb≦ta≦tbであることが好ましい。
なお、中間層24の膜厚taは、光電変換素子100の中間層110の膜厚t1に対応し、対向電極26の膜厚tbは、光電変換素子100の上部電極112の膜厚t2に対応する。
The film thickness of the counter electrode 26 is the distance from the surface 24a of the intermediate layer 24 to the surface 26a of the counter electrode 26 of the organic layer 30 in the stacking direction m, and is connected to the second connection portion 46. This does not include the thickness of the part.
Also in the image pickup device 10, as shown in FIG. 2 (b), the thickness of the intermediate layer 24 and t a, the thickness of the opposing electrode 26 when a t b, similarly to the photoelectric conversion element 100, the intermediate layer The thickness t a of 24 is preferably 1/3 or more of the thickness t b of the counter electrode 26, and the upper limit is preferably equal to or less than the thickness t b of the counter electrode 26. That is, the thickness t a of the intermediate layer 24 is preferably 1 / 3t b ≦ t a ≦ t b.
The thickness t a of the intermediate layer 24 corresponds to the thickness t 1 of the intermediate layer 110 of the photoelectric conversion element 100, the thickness t b of the opposing electrode 26, the thickness of the upper electrode 112 of the photoelectric conversion element 100 corresponding to t 2.
対向電極電圧供給部42は、第2の接続部46を介して対向電極26に所定の電圧を印加するものである。対向電極26に印加すべき電圧が撮像素子10の電源電圧よりも高い場合は、チャージポンプ等の昇圧回路によって電源電圧を昇圧して上記所定の電圧を供給するものである。 The counter electrode voltage supply unit 42 applies a predetermined voltage to the counter electrode 26 via the second connection unit 46. When the voltage to be applied to the counter electrode 26 is higher than the power supply voltage of the image sensor 10, the power supply voltage is boosted by a booster circuit such as a charge pump to supply the predetermined voltage.
画素電極16は、画素電極16とそれに対向する対向電極26との間にある光電変換層22で発生した電荷を捕集するための電荷捕集用の電極である。画素電極16は、第1の接続部44を介して読出し回路40に接続されている。この読出し回路40は、複数の画素電極16の各々に対応して基板12に設けられており、対応する画素電極16で捕集された電荷に応じた信号を読出すものである。
画素電極16は、下部電極104と同様の材料で構成することができるため、その詳細な説明は省略する。
The pixel electrode 16 is an electrode for collecting charges for collecting charges generated in the photoelectric conversion layer 22 between the pixel electrode 16 and the counter electrode 26 facing the pixel electrode 16. The pixel electrode 16 is connected to the readout circuit 40 via the first connection portion 44. The readout circuit 40 is provided on the substrate 12 corresponding to each of the plurality of pixel electrodes 16, and reads out a signal corresponding to the charge collected by the corresponding pixel electrode 16.
Since the pixel electrode 16 can be made of the same material as the lower electrode 104, detailed description thereof is omitted.
画素電極16の端部において画素電極16の膜厚に相当する段差が急峻だったり、画素電極16の表面に顕著な凹凸が存在したり、画素電極16上に微小な塵埃(パーティクル)が付着したりすると、画素電極16上の層が所望の膜厚より薄くなったり亀裂が生じたりする。そのような状態で層上に対向電極26を形成すると、欠陥部分における画素電極16と対向電極26の接触や電界集中により、暗電流の増大や短絡等の画素不良が発生する。更に、上記の欠陥は、画素電極16とその上の層の密着性および撮像素子10の耐熱性を低下させるおそれがある。 A step corresponding to the film thickness of the pixel electrode 16 is steep at the end of the pixel electrode 16, there are significant irregularities on the surface of the pixel electrode 16, or minute dust (particles) adhere to the pixel electrode 16. As a result, a layer on the pixel electrode 16 becomes thinner than a desired film thickness or a crack occurs. When the counter electrode 26 is formed on the layer in such a state, a pixel defect such as an increase in dark current or a short circuit occurs due to contact between the pixel electrode 16 and the counter electrode 26 in the defective portion or electric field concentration. Furthermore, the above-described defects may reduce the adhesion between the pixel electrode 16 and the layer above it and the heat resistance of the image sensor 10.
上記の欠陥を防止して素子の信頼性を向上させるためには、画素電極16の表面粗さRaが0.6nm以下であることが好ましい。画素電極16の表面粗さが小さい程、表面の凹凸が小さいことを意味し、表面平坦性が良好である。また、画素電極16上のパーティクルを除去するため、電子ブロッキング層20を形成する前に、半導体製造工程で利用されている一般的な洗浄技術を用いて画素電極16等を洗浄することが特に好ましい。 In order to prevent the above defects and improve the reliability of the element, the surface roughness Ra of the pixel electrode 16 is preferably 0.6 nm or less. The smaller the surface roughness of the pixel electrode 16 is, the smaller the surface unevenness is, and the surface flatness is better. In order to remove particles on the pixel electrode 16, it is particularly preferable to clean the pixel electrode 16 and the like using a general cleaning technique used in a semiconductor manufacturing process before forming the electron blocking layer 20. .
読出し回路40は、例えば、CCD、MOS回路またはTFT回路等で構成されており、絶縁層14内に設けられた遮光層(図示せず)によって遮光されている。なお、読出し回路40は、一般的なイメージセンサ用途ではCCDまたはCMOS回路を採用することが好ましく、ノイズおよび高速性の観点からはCMOS回路を採用することが好ましい。
なお、図示しないが、例えば、基板12にp領域によって囲まれた高濃度のn領域が形成されており、このn領域に接続部44が接続されている。p領域に読出し回路40が設けられている。n領域は光電変換層22の電荷を蓄積する電荷蓄積部として機能するものである。n領域に蓄積された信号電荷は読出し回路40によって、その電荷量に応じた信号に変換されて、例えば、配線層48を介して撮像素子10外部に出力される。
The read circuit 40 is constituted by, for example, a CCD, a MOS circuit, a TFT circuit, or the like, and is shielded from light by a light shielding layer (not shown) provided in the insulating layer 14. The readout circuit 40 preferably employs a CCD or CMOS circuit for general image sensor applications, and preferably employs a CMOS circuit from the viewpoint of noise and high speed.
Although not shown, for example, a high-concentration n region surrounded by a p region is formed on the substrate 12, and a connection portion 44 is connected to the n region. A read circuit 40 is provided in the p region. The n region functions as a charge storage unit that stores the charge of the photoelectric conversion layer 22. The signal charge accumulated in the n region is converted into a signal corresponding to the amount of charge by the readout circuit 40 and output to the outside of the image sensor 10 via the wiring layer 48, for example.
封止層28は、光電変換層22を水分子等の劣化因子から保護するためのものである。封止層28は、対向電極26の表面28a全体を覆うようにして、絶縁層14の表面14aに形成されている。封止層28は、光電変換素子100の封止層114と同様の材料で構成することができ、同様の製造方法で形成することができるため、その詳細な説明は省略する。
画素寸法が2μm未満、特に1μm程度の撮像素子10において、カラーフィルタ28と光電変換層108との距離、すなわち、封止層28の膜厚が厚いと、封止層28内で入射光Lが回折または発散してしまい混色が発生する。このために、画素寸法が1μm程度の撮像素子10は、封止層28全体の膜厚を減少させても素子性能が劣化しないような封止層材料、およびその製造方法が必要になる。例えば、封止層28を、上述の原子層堆積法で形成した酸化アルミニウム薄膜で構成することにより、膜厚を減少させても素子性能の劣化を抑制できる。
The sealing layer 28 is for protecting the photoelectric conversion layer 22 from deterioration factors such as water molecules. The sealing layer 28 is formed on the surface 14 a of the insulating layer 14 so as to cover the entire surface 28 a of the counter electrode 26. Since the sealing layer 28 can be comprised with the material similar to the sealing layer 114 of the photoelectric conversion element 100, and can be formed with the same manufacturing method, the detailed description is abbreviate | omitted.
In the image sensor 10 having a pixel size of less than 2 μm, particularly about 1 μm, if the distance between the color filter 28 and the photoelectric conversion layer 108, that is, the film thickness of the sealing layer 28 is thick, the incident light L is generated in the sealing layer 28. Diffraction or divergence causes color mixing. For this reason, the imaging device 10 having a pixel size of about 1 μm requires a sealing layer material and a manufacturing method thereof that do not deteriorate the device performance even when the film thickness of the entire sealing layer 28 is reduced. For example, by forming the sealing layer 28 with an aluminum oxide thin film formed by the above-described atomic layer deposition method, it is possible to suppress deterioration in device performance even if the film thickness is reduced.
カラーフィルタ32は、封止層28の表面28a上において、各画素電極16と対向する位置に形成されている。隔壁34は、封止層28の表面28a上のカラーフィルタ32同士の間に設けられており、カラーフィルタ32の光透過効率を向上させるためのものである。遮光層36は、封止層28の表面28a上のカラーフィルタ32および隔壁34を設けた領域(有効画素領域)以外に形成されており、有効画素領域以外に形成された光電変換層22に光が入射することを防止するものである。カラーフィルタ32、隔壁34および遮光層36は、略同じ厚さに形成されており、例えば、フォトリソグラフィー工程、更には樹脂の焼成工程等を経て形成されるものである。 The color filter 32 is formed at a position facing each pixel electrode 16 on the surface 28 a of the sealing layer 28. The partition wall 34 is provided between the color filters 32 on the surface 28 a of the sealing layer 28, and is for improving the light transmission efficiency of the color filter 32. The light shielding layer 36 is formed in a region other than the region (effective pixel region) where the color filter 32 and the partition wall 34 are provided on the surface 28a of the sealing layer 28, and light is applied to the photoelectric conversion layer 22 formed outside the effective pixel region. Is prevented from entering. The color filter 32, the partition wall 34, and the light shielding layer 36 are formed to have substantially the same thickness, and are formed through, for example, a photolithography process, a resin baking process, and the like.
オーバーコート層38は、カラーフィルタ32を後工程等から保護するためのものであり、カラーフィルタ32、隔壁34および遮光層36を覆うようにして形成されている。
撮像素子10においては、有機層30、対向電極26およびカラーフィルタ32が上方に設けられた画素電極16、1つが単位画素になる。
The overcoat layer 38 is for protecting the color filter 32 from subsequent processes and is formed so as to cover the color filter 32, the partition wall 34, and the light shielding layer 36.
In the image sensor 10, one pixel electrode 16 having the organic layer 30, the counter electrode 26, and the color filter 32 provided thereon is a unit pixel.
オーバーコート層38は、アクリル系樹脂、ポリシロキサン系樹脂、ポリスチレン系樹脂および弗素樹脂等のような高分子材料、ならびに酸化珪素および窒化珪素のような無機材料を適宜使用できる。オーバーコート層38は、有機固体撮像素子に用いられる公知のものを用いて形成することができる。
リスチレン系等の感光性樹脂を使用すると、フォトリソグラフィー法によってオーバーコート層38をパターニングできるので、ボンディング用パッド上の周辺遮光層、封止層、絶縁層等を開口する際のフォトレジストとして使用すること、オーバーコート層38自体をマイクロレンズとして加工することが容易になり好ましい。一方、オーバーコート層38を反射防止層として使用することも可能であり、カラーフィルタ32の隔壁34として使用した各種低屈折率材料を成膜することも好ましい。また、後工程に対する保護層としての機能、反射防止層としての機能を追求するために、オーバーコート層38を、上記材料を組合せた2層以上の構成にすることも可能である。
For the overcoat layer 38, polymer materials such as acrylic resin, polysiloxane resin, polystyrene resin, and fluorine resin, and inorganic materials such as silicon oxide and silicon nitride can be used as appropriate. The overcoat layer 38 can be formed using a known layer used for an organic solid-state imaging device.
When a photosensitive resin such as styrene is used, the overcoat layer 38 can be patterned by a photolithography method, so that it is used as a photoresist when opening the peripheral light shielding layer, sealing layer, insulating layer, etc. on the bonding pad. In particular, it is preferable because the overcoat layer 38 itself can be easily processed as a microlens. On the other hand, the overcoat layer 38 can be used as an antireflection layer, and it is also preferable to form various low refractive index materials used as the partition walls 34 of the color filter 32. Further, in order to pursue a function as a protective layer and a function as an antireflection layer with respect to a subsequent process, the overcoat layer 38 can be constituted by two or more layers combining the above materials.
なお、本実施形態においては、画素電極16は、絶縁層14の表面14aに形成された構成であるが、これに限定されるものではなく、絶縁層14の表面14a部に埋設された構成でもよい。また、第2の接続部46および対向電極電圧供給部42を1つ設ける構成としたが、複数であってもよい。例えば、対向電極26の両端部から対向電極26へ電圧を供給することにより、対向電極26での電圧降下を抑制することができる。第2の接続部46および対向電極電圧供給部42のセットの数は、素子のチップ面積を勘案して、適宜増減すればよい。 In the present embodiment, the pixel electrode 16 has a configuration formed on the surface 14a of the insulating layer 14. However, the present invention is not limited to this, and the pixel electrode 16 may be embedded in the surface 14a portion of the insulating layer 14. Good. Moreover, although the structure which provides the 2nd connection part 46 and the counter electrode voltage supply part 42 was made, it may be plural. For example, a voltage drop at the counter electrode 26 can be suppressed by supplying a voltage from both ends of the counter electrode 26 to the counter electrode 26. The number of sets of the second connection unit 46 and the counter electrode voltage supply unit 42 may be appropriately increased or decreased in consideration of the chip area of the element.
次に、本発明の実施形態の撮像素子10の製造方法について説明する。
図3(a)〜(c)は、本発明の実施形態の撮像素子の製造方法を工程順に示す模式的断面図であり、図4(a)〜(c)は、本発明の実施形態の撮像素子の製造方法を工程順に示す模式的断面図であり、図3(c)の後工程を示す。
Next, a manufacturing method of the image sensor 10 according to the embodiment of the present invention will be described.
3A to 3C are schematic cross-sectional views illustrating the manufacturing method of the image sensor according to the embodiment of the present invention in the order of steps, and FIGS. 4A to 4C are diagrams of the embodiment of the present invention. It is typical sectional drawing which shows the manufacturing method of an image pick-up element in order of a process, and shows the post process of FIG.3 (c).
本発明の実施形態の撮像素子10の製造方法においては、まず、図3(a)に示すように、読出し回路40と対向電極電圧供給部42とが形成された基板12上に、第1の接続部44と第2の接続部46と、配線層48が設けられた絶縁層14が形成され、更に絶縁層14の表面14aに、各第1の接続部44に接続された画素電極16が形成された回路基板11(CMOS基板)を用意する。この場合、上述の如く、第1の接続部44と読出し回路40とが接続されており、第2の接続部46と対向電極電圧供給部42とが接続されている。画素電極16は、例えば、TiNで形成される。 In the method for manufacturing the image sensor 10 according to the embodiment of the present invention, first, as shown in FIG. 3A, the first circuit is formed on the substrate 12 on which the readout circuit 40 and the counter electrode voltage supply unit 42 are formed. The insulating layer 14 provided with the connecting portion 44, the second connecting portion 46, and the wiring layer 48 is formed, and the pixel electrode 16 connected to each first connecting portion 44 is further formed on the surface 14 a of the insulating layer 14. A formed circuit board 11 (CMOS substrate) is prepared. In this case, as described above, the first connection unit 44 and the readout circuit 40 are connected, and the second connection unit 46 and the counter electrode voltage supply unit 42 are connected. The pixel electrode 16 is made of, for example, TiN.
次に、電子ブロッキング層20の成膜室(図示せず)に所定の搬送経路で搬送し、図3(b)に示すように、第2の接続部46上を除き、かつ全ての画素電極16を覆うように電子ブロッキング材料を、例えば、蒸着法を用いて所定の真空下で成膜し、電子ブロッキング層20を形成する。電子ブロッキング材料には、例えば、カルバゾール誘導体、更に好ましくはビフルオレン誘導体が用いられる。 Next, the electron blocking layer 20 is transferred to a film forming chamber (not shown) through a predetermined transfer path, and as shown in FIG. 3B, all the pixel electrodes except for the second connection portion 46 are used. The electron blocking material is formed into a film under a predetermined vacuum using, for example, a vapor deposition method so as to cover 16, thereby forming the electron blocking layer 20. As the electron blocking material, for example, a carbazole derivative, more preferably a bifluorene derivative is used.
次に、光電変換層22の成膜室(図示せず)に所定の搬送経路で搬送し、図3(c)に示すように、電子ブロッキング層20の表面20aに、光電変換材料として、例えば、p型有機半導体材料とフラーレンまたはフラーレン誘導体とを、所定の真空下で、基板温度70℃以上で共蒸着して光電変換層22を形成する。これにより、結晶化フラーレンまたは結晶化フラーレン誘導体を得ることができる。この場合、結晶化フラーレンまたは結晶化フラーレン誘導体は、上述のように、画素電極16の表面16aに垂直な方向に対して(111)方向に配向していることが好ましい。 Next, it conveys to the film-forming chamber (not shown) of the photoelectric converting layer 22 with a predetermined | prescribed conveyance path | route, and as shown in FIG.3 (c), on the surface 20a of the electron blocking layer 20, as a photoelectric converting material, for example, The p-type organic semiconductor material and fullerene or fullerene derivative are co-deposited at a substrate temperature of 70 ° C. or higher under a predetermined vacuum to form the photoelectric conversion layer 22. Thereby, a crystallized fullerene or a crystallized fullerene derivative can be obtained. In this case, the crystallized fullerene or the crystallized fullerene derivative is preferably oriented in the (111) direction with respect to the direction perpendicular to the surface 16a of the pixel electrode 16 as described above.
次に、中間層24の成膜室(図示せず)に所定の搬送経路で搬送し、図4(a)に示すように、光電変換層22の表面22aに、例えば、非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体を、所定の真空下で、基板温度20℃〜60℃で蒸着して中間層24を形成する。これにより、積層方向mに電子ブロッキング層20、光電変換層22および中間層24が積層された有機層30が形成される。 Next, the intermediate layer 24 is transported to a film forming chamber (not shown) through a predetermined transport path, and as shown in FIG. 4A, for example, amorphous fullerene or The amorphous fullerene derivative is deposited at a substrate temperature of 20 ° C. to 60 ° C. under a predetermined vacuum to form the intermediate layer 24. Thereby, the organic layer 30 in which the electron blocking layer 20, the photoelectric conversion layer 22, and the intermediate layer 24 are stacked in the stacking direction m is formed.
次に、対向電極26の成膜室(図示せず)に所定の搬送経路で搬送した後、図4(b)に示すように、中間層24および光電変換層22を覆い、かつ第2の接続部46上に形成されるパターンで対向電極26を、例えば、対向電極材料にITOを用い、スパッタ法を用いて所定の真空下で膜厚5〜30nmに形成する。 Next, after transporting to the film formation chamber (not shown) of the counter electrode 26 through a predetermined transport path, as shown in FIG. 4B, the intermediate layer 24 and the photoelectric conversion layer 22 are covered, and the second layer The counter electrode 26 is formed in a pattern formed on the connection portion 46, for example, ITO is used as the counter electrode material, and a film thickness of 5 to 30 nm is formed under a predetermined vacuum using a sputtering method.
次に、封止層28の成膜室(図示せず)に所定の搬送経路で搬送し、図4(c)に示すように、対向電極26の表面26a全体を覆うようにして絶縁層14の表面14aに、封止層28として、例えば、酸化アルミニウム層を、原子層堆積(ALD)法を用いて形成する。 Next, the insulating layer 14 is transferred to a film forming chamber (not shown) of the sealing layer 28 through a predetermined transfer path, and covers the entire surface 26a of the counter electrode 26 as shown in FIG. 4C. For example, an aluminum oxide layer is formed on the surface 14a as the sealing layer 28 by using an atomic layer deposition (ALD) method.
次に、封止層28の表面28aに、カラーフィルタ32、隔壁34および遮光層36を、例えば、フォトリソグラフィー法を用いて形成する。カラーフィルタ32、隔壁34および遮光層36は有機固体撮像素子に用いられる公知のものを用いて形成することができる。カラーフィルタ32、隔壁34および遮光層36の形成工程は、非真空下であってもよい。
次に、カラーフィルタ32、隔壁34および遮光層36を覆うようにして、オーバーコート層38を、例えば、塗布法を用いて形成する。これにより、図2(a)に示す撮像素子10を形成することができる。なお、オーバーコート層38の形成工程は非真空下であってもよい。
Next, the color filter 32, the partition wall 34, and the light shielding layer 36 are formed on the surface 28a of the sealing layer 28 by using, for example, a photolithography method. The color filter 32, the partition wall 34, and the light shielding layer 36 can be formed using the well-known thing used for an organic solid-state image sensor. The formation process of the color filter 32, the partition wall 34, and the light shielding layer 36 may be under non-vacuum.
Next, an overcoat layer 38 is formed using, for example, a coating method so as to cover the color filter 32, the partition wall 34, and the light shielding layer 36. Thereby, the image sensor 10 shown in FIG. 2A can be formed. In addition, the formation process of overcoat layer 38 may be under non-vacuum.
撮像素子10でも、撮像素子10を使用する場合、外部電場を印加することができる。この場合、画素電極16と対向電極26を一対の電極とし、光電変換効率、暗電流および光応答速度において、優れた特性を得るために一対の電極間に印加する外部電場としては、1V/cm以上1×107V/cm以下が好ましい、より好ましくは、1×104V/cm以上1×107V/cm以下である。特に好ましくは、5×104V/cm以上1×106V/cm以下である。
撮像素子10においても、非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体を含む中間層24を設けることにより、光電変換効率を高くできるとともに、暗電流を低減することができる。また、上述のように光電変換層22を結晶化フラーレンまたは結晶化フラーレン誘導体含むバルクヘテロ層とすることにより、光電変換効率を向上させることができる。さらには、上述のように結晶化フラーレンまたは結晶化フラーレン誘導体を(111)方向に配向させることにより、更に暗電流を抑制することができる。
Even when the image sensor 10 is used, an external electric field can be applied. In this case, the pixel electrode 16 and the counter electrode 26 are a pair of electrodes, and an external electric field applied between the pair of electrodes in order to obtain excellent characteristics in photoelectric conversion efficiency, dark current, and optical response speed is 1 V / cm. It is preferably 1 × 10 7 V / cm or less, more preferably 1 × 10 4 V / cm or more and 1 × 10 7 V / cm or less. Particularly preferably, it is 5 × 10 4 V / cm or more and 1 × 10 6 V / cm or less.
Also in the imaging element 10, by providing the intermediate layer 24 containing amorphous fullerene or an amorphous fullerene derivative, the photoelectric conversion efficiency can be increased and the dark current can be reduced. Moreover, photoelectric conversion efficiency can be improved by making the photoelectric converting layer 22 into the bulk hetero layer containing the crystallized fullerene or the crystallized fullerene derivative as mentioned above. Furthermore, dark current can be further suppressed by orienting the crystallized fullerene or crystallized fullerene derivative in the (111) direction as described above.
本発明は、基本的に以上のように構成されるものである。以上、本発明の光電変換素子および撮像素子について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良または変更をしてもよいのはもちろんである。 The present invention is basically configured as described above. The photoelectric conversion element and the imaging element of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements or modifications may be made without departing from the gist of the present invention. Of course.
以下、本発明において、中間層を設けることによる効果を具体的に説明する。
本実施例においては、実施例1〜16および比較例1〜3の光電変換素子を作製し、実施例1〜16および比較例1〜3の光電変換素子について、暗電流と相対感度を測定した。その測定結果を下記表2に示す。なお、光電変換素子の構成は、図1に示す構成であり、基板上に形成された、下部電極/電子ブロッキング層/光電変換層/中間層/上部電極/封止層の構成である。
Hereinafter, in the present invention, the effect of providing the intermediate layer will be specifically described.
In this example, the photoelectric conversion elements of Examples 1 to 16 and Comparative Examples 1 to 3 were prepared, and the dark current and the relative sensitivity were measured for the photoelectric conversion elements of Examples 1 to 16 and Comparative Examples 1 to 3. . The measurement results are shown in Table 2 below. The configuration of the photoelectric conversion element is the configuration shown in FIG. 1, and is the configuration of the lower electrode / electron blocking layer / photoelectric conversion layer / intermediate layer / upper electrode / sealing layer formed on the substrate.
暗電流については、光電変換素子を遮光した状態で、上部電極側に2×105V/cmの電場を印加し、この状態でソースメータ(Keithley社製6430)を用いて測定された光電変換素子の電流の値を暗電流とした。
相対感度については、実施例1〜16、比較例1〜3の各光電変換素子に2×105V/cmの電場を印加したときの最大感度波長での外部量子効率の値を測定した。実施例3の光電変換素子の外部量子効率の値を1として、各外部量子効率の値を表したものを相対感度とした。
なお、外部量子効率の値は、対向電極に2×105V/cmの外部電界を与え、光電変換素子の上部電極側から、50μW/cm2の強度の光を照射した時に得られる電流値から算出された値である。
以下、実施例1〜16、および比較例1〜3の光電変換素子について説明する。
For dark current, photoelectric conversion was measured using a source meter (Keithley 6430) in the state where an electric field of 2 × 10 5 V / cm was applied to the upper electrode while the photoelectric conversion element was shielded from light. The value of the current of the element was a dark current.
About the relative sensitivity, the value of the external quantum efficiency in the maximum sensitivity wavelength when the electric field of 2 * 10 < 5 > V / cm was applied to each photoelectric conversion element of Examples 1-16 and Comparative Examples 1-3 was measured. The value of the external quantum efficiency of the photoelectric conversion element of Example 3 was set to 1, and the value representing the value of each external quantum efficiency was defined as the relative sensitivity.
The value of the external quantum efficiency is a current value obtained when an external electric field of 2 × 10 5 V / cm is applied to the counter electrode and light having an intensity of 50 μW / cm 2 is irradiated from the upper electrode side of the photoelectric conversion element. It is a value calculated from
Hereinafter, the photoelectric conversion elements of Examples 1 to 16 and Comparative Examples 1 to 3 will be described.
(実施例1)
実施例1において、電子ブロッキング層、光電変換層、中間層、上部電極および封止層の順に形成する。下部電極はTiNで形成される。電子ブロッキング層は化合物1で示される有機化合物を真空蒸着法で50nmの膜厚で形成する。光電変換層は化合物2で示される有機化合物とフラーレンC60(下記表2ではC60と表記)の混合膜(化合物2:フラーレンC60=1:3(体積比))を、基板温度80℃で、真空中で共蒸着により、400nmの膜厚で形成する。中間層は、フラーレンC60を、基板温度10℃で、真空蒸着法により、15nmの膜厚で形成する。有機化合物の成膜は、いずれも5.0×10−4Pa以下真空度で、蒸着速度3Å/sで行った。上部電極はITOをDCスパッタにより、15nmの膜厚で形成した。封止層は、酸化アルミニウムを原子層堆積法により100nmの膜厚で形成した。
なお、化合物1のイオン化ポテンシャルは5.65eVであり、化合物2のイオン化ポテンシャルは5.55eVである。
Example 1
In Example 1, the electron blocking layer, the photoelectric conversion layer, the intermediate layer, the upper electrode, and the sealing layer are formed in this order. The lower electrode is made of TiN. The electron blocking layer is formed by depositing an organic compound represented by Compound 1 with a thickness of 50 nm by vacuum deposition. The photoelectric conversion layer is a mixed film (compound 2: fullerene C 60 = 1: 3 (volume ratio)) of an organic compound represented by compound 2 and fullerene C 60 (denoted as C60 in Table 2 below) at a substrate temperature of 80 ° C. The film is formed with a film thickness of 400 nm by co-evaporation in vacuum. The intermediate layer is formed of fullerene C 60 with a substrate temperature of 10 ° C. and a film thickness of 15 nm by vacuum deposition. All of the organic compounds were formed at a vacuum degree of 5.0 × 10 −4 Pa or less and a deposition rate of 3 Å / s. The upper electrode was formed of ITO with a film thickness of 15 nm by DC sputtering. The sealing layer was formed of aluminum oxide with a thickness of 100 nm by atomic layer deposition.
Compound 1 has an ionization potential of 5.65 eV, and compound 2 has an ionization potential of 5.55 eV.
(実施例2)
中間層として、化合物2で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物2:フラーレンC60=1:2(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、15nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(実施例3)
中間層として、化合物1で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物1:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、25nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(実施例4)
中間層として、化合物1で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物1:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、20nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(実施例5)
中間層として、化合物1で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物1:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、15nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(Example 2)
As an intermediate layer, a mixed film of the organic compound represented by compound 2 and fullerene C 60 (compound 2: fullerene C 60 = 1: 2 (volume ratio)) was 15 nm by co-evaporation in vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the film was formed with a thickness of.
(Example 3)
As an intermediate layer, a mixed film of the organic compound represented by compound 1 and fullerene C 60 (compound 1: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was 25 nm by co-evaporation in vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the film was formed with a thickness of.
Example 4
As an intermediate layer, a mixed film of an organic compound represented by compound 1 and fullerene C 60 (compound 1: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was 20 nm by co-evaporation in vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the film was formed with a thickness of.
(Example 5)
As an intermediate layer, a mixed film of the organic compound represented by Compound 1 and fullerene C 60 (compound 1: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was co-deposited in a vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. to 15 nm. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the film was formed with a thickness of.
(実施例6)
中間層として、化合物1で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物1:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、10nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(実施例7)
中間層として、化合物1で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物1:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、5nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(実施例8)
中間層として、化合物1で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物1:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、3nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(実施例9)
中間層として、化合物4で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物4:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、10nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(Example 6)
As an intermediate layer, a mixed film of the organic compound represented by compound 1 and fullerene C 60 (compound 1: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was co-evaporated in a vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. to 10 nm. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the film was formed with a thickness of.
(Example 7)
As an intermediate layer, a mixed film of the organic compound represented by compound 1 and fullerene C 60 (compound 1: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was co-evaporated in vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. to 5 nm. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the film was formed with a thickness of.
(Example 8)
As an intermediate layer, a mixed film of an organic compound represented by compound 1 and fullerene C 60 (compound 1: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was co-evaporated in vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. to 3 nm. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the film was formed with a thickness of.
Example 9
As an intermediate layer, a mixed film of an organic compound represented by compound 4 and fullerene C 60 (compound 4: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was 10 nm by co-evaporation in vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the film was formed with a thickness of.
(実施例10)
中間層として、化合物4で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物4:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、15nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(実施例11)
中間層を化合物1で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物1:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、20nmの膜厚で形成する。上部電極として、ITO膜をDCスパッタにより、20nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(実施例12)
中間層を化合物1で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物1:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、10nmの膜厚で形成する。上部電極として、ITO膜をDCスパッタにより、20nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(実施例13)
中間層を化合物1で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物1:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、5nmの膜厚で形成する。上部電極として、ITO膜をDCスパッタにより、20nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(Example 10)
As an intermediate layer, a mixed film of the organic compound represented by compound 4 and fullerene C 60 (compound 4: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was co-evaporated in a vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. to 15 nm. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the film was formed with a thickness of.
(Example 11)
As an intermediate layer, a mixed film of an organic compound represented by compound 1 and fullerene C 60 (compound 1: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was co-evaporated in a vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. to a thickness of 20 nm. It is formed with a film thickness. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the ITO film was formed by DC sputtering as the upper electrode to a thickness of 20 nm.
(Example 12)
As an intermediate layer, a mixed film of an organic compound represented by compound 1 and fullerene C 60 (compound 1: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was co-evaporated in vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. It is formed with a film thickness. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the ITO film was formed by DC sputtering as the upper electrode to a thickness of 20 nm.
(Example 13)
As an intermediate layer, a mixed film of an organic compound represented by compound 1 and fullerene C 60 (compound 1: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was co-evaporated in a vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. to a thickness of 5 nm. It is formed with a film thickness. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the ITO film was formed by DC sputtering as the upper electrode to a thickness of 20 nm.
(実施例14)
光電変換層を化合物2で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物2:フラーレンC60=1:3(体積比))を、基板温度130℃で、真空中で共蒸着により、400nmの膜厚で形成する。中間層を化合物1で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物1:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、10nmの膜厚で形成する、上部電極として、ITO膜をDCスパッタにより、20nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(実施例15)
光電変換層を化合物2で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物2:フラーレンC60=1:3(体積比))を、基板温度130℃で、真空中で共蒸着により、400nmの膜厚で形成する。中間層を化合物1で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物1:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、5nmの膜厚で形成する。上部電極として、ITO膜をDCスパッタにより、20nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(実施例16)
光電変換層を化合物2で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物2:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度90℃で、真空中で共蒸着により、400nmの膜厚で形成する。中間層を化合物1で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物1:フラーレンC60=1:1(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、15nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(Example 14)
A photoelectric conversion layer was formed by mixing a mixed film of an organic compound represented by Compound 2 and fullerene C 60 (compound 2: fullerene C 60 = 1: 3 (volume ratio)) at a substrate temperature of 130 ° C. by vacuum co-evaporation to 400 nm. The film thickness is formed. As an intermediate layer, a mixed film of an organic compound represented by compound 1 and fullerene C 60 (compound 1: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was co-evaporated in vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the ITO film was formed with a film thickness of 20 nm by DC sputtering as the upper electrode formed with a film thickness.
(Example 15)
A photoelectric conversion layer was formed by mixing a mixed film of an organic compound represented by Compound 2 and fullerene C 60 (compound 2: fullerene C 60 = 1: 3 (volume ratio)) at a substrate temperature of 130 ° C. by vacuum co-evaporation to 400 nm. The film thickness is formed. As an intermediate layer, a mixed film of an organic compound represented by compound 1 and fullerene C 60 (compound 1: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was co-evaporated in a vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. to a thickness of 5 nm. It is formed with a film thickness. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the ITO film was formed by DC sputtering as the upper electrode to a thickness of 20 nm.
(Example 16)
As a photoelectric conversion layer, a mixed film of an organic compound represented by compound 2 and fullerene C 60 (compound 2: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was co-evaporated in vacuum at a substrate temperature of 90 ° C. to 400 nm. The film thickness is formed. As an intermediate layer, a mixed film of an organic compound represented by compound 1 and fullerene C 60 (compound 1: fullerene C 60 = 1: 1 (volume ratio)) was co-evaporated in a vacuum at a substrate temperature of 30 ° C. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the film was formed with a film thickness.
(比較例1)
中間層を形成しなかったこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(比較例2)
中間層を形成せず、光電変換層を、化合物2で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物2:フラーレンC60=1:3(体積比))を、基板温度30℃で、真空中で共蒸着により、400nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(比較例3)
中間層を形成せず、光電変換層を、化合物2で示される有機化合物とフラーレンC60の混合膜(化合物2:フラーレンC60=1:3(体積比))を、基板温度130℃で、真空中で共蒸着により、400nmの膜厚で形成したこと以外は、実施例1と同様にして光電変換素子を作製した。
(Comparative Example 1)
A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the intermediate layer was not formed.
(Comparative Example 2)
Without forming an intermediate layer, the photoelectric conversion layer was formed by mixing a mixed film of an organic compound represented by compound 2 and fullerene C 60 (compound 2: fullerene C 60 = 1: 3 (volume ratio)) at a substrate temperature of 30 ° C. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the film was formed by vacuum evaporation in a thickness of 400 nm.
(Comparative Example 3)
Without forming an intermediate layer, the photoelectric conversion layer was formed by mixing a mixed film of an organic compound represented by compound 2 and fullerene C 60 (compound 2: fullerene C 60 = 1: 3 (volume ratio)) at a substrate temperature of 130 ° C. A photoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the film was formed by vacuum evaporation in a thickness of 400 nm.
本実施例では、X線回折装置(2θ−θ法)を用いて、各条件で成膜したフラーレンC60、フラーレンC60混合膜のX線回折測定を行ない、結晶化の有無等確認を行った。なお、θ=0°が基板の水平方向、θ=90°が基板に対して垂直方向に一致するように、各条件で基板に成膜したフラーレンC60、フラーレンC60混合膜が形成された試料をセットした。
フラーレンC60が結晶化している場合、11°付近に(111)からの回折パターン、22°付近に(222)からの回折パターン、18°付近に(220)からの回折パターンが観察される。また、フラーレンC60が(111)配向している場合は、(111)、(222)からの回折パターンが観察されるが、(220)からの回折パターンは観察されない。評価結果を表1に示す。
In this example, using an X-ray diffractometer (2θ-θ method), X-ray diffraction measurement of fullerene C 60 and fullerene C 60 mixed film formed under each condition is performed, and the presence or absence of crystallization is confirmed. It was. Here, fullerene C 60 and fullerene C 60 mixed film formed on the substrate were formed so that θ = 0 ° coincided with the horizontal direction of the substrate and θ = 90 ° coincided with the vertical direction with respect to the substrate. A sample was set.
If fullerene C 60 is crystallized, the diffraction pattern from (111) in the vicinity of 11 °, the diffraction pattern from (222) in the vicinity of 22 °, near 18 ° are diffraction patterns from (220) is observed. When fullerene C 60 is (111) oriented, diffraction patterns from (111) and (222) are observed, but diffraction patterns from (220) are not observed. The evaluation results are shown in Table 1.
上記表2に示すように、光電変換層のフラーレンC60が非晶質の比較例2に対して、結晶化している実施例1〜16、比較例1、3は光電変換効率が向上している。しかしながら、中間層のない比較例1、3は、実施例1〜16に比べて暗電流が大きく増加している。
また、比較例1は、上部電極の厚さが同じ実施例2〜10と比べても暗電流が大きい。比較例3は、結晶化(配向無)の実施例14、15と比べても暗電流が大きい。実施例15は中間層の厚さが上部電極の厚さの1/3未満であっても、比較例3よりも暗電流が小さい。
As shown in Table 2, fullerene C 60 in the photoelectric conversion layer relative to Comparative Example 2 of amorphous, crystallized by being Examples 1 to 16 and Comparative Examples 1 and 3 was improved photoelectric conversion efficiency Yes. However, in Comparative Examples 1 and 3 having no intermediate layer, the dark current is greatly increased as compared with Examples 1 to 16.
Moreover, the comparative example 1 has a large dark current compared with Examples 2-10 in which the thickness of the upper electrode is the same. Comparative Example 3 has a larger dark current than Examples 14 and 15 of crystallization (no orientation). In Example 15, the dark current is smaller than that of Comparative Example 3 even if the thickness of the intermediate layer is less than 1/3 of the thickness of the upper electrode.
実施例1に比べ、実施例5はさらに暗電流の低下が得られている。実施例3〜8を比較すると、中間層の膜厚が厚いほど、暗電流がより低下する結果が得られているが、中間層の膜厚を上部電極の膜厚15nmより厚くしても、それ以上の暗電流低下は得られない結果となった。
中間層の膜厚が厚くなると、光電変換素子に、同じ電界強度を印加するために必要な外部電圧が高くなってしまうため、暗電流低下の効果が十分得られる範囲で薄いほうが望ましく、上部電極の膜厚よりも薄いことが望ましい。
また、実施例8,13は、実施例5、11に比べて暗電流が高くなっており、暗電流低下の効果が十分得られる範囲として、中間層の膜厚は、上部電極の膜厚の1/3以上の膜厚であることが望ましい。
上部電極および中間層の構成が同じ実施例5、10、16を比べると、実施例16は結晶化したフラーレンC60の割合が実施例5、10よりも多いものの、暗電流および相対感度のいずれも同等の結果であった。
Compared to the first embodiment, the dark current is further reduced in the fifth embodiment. When comparing Examples 3 to 8, the thicker the intermediate layer, the lower the dark current, the more the result is obtained. No further reduction in dark current was obtained.
When the thickness of the intermediate layer is increased, the external voltage necessary for applying the same electric field strength to the photoelectric conversion element is increased. Therefore, it is desirable that the intermediate layer is thin as long as the effect of reducing the dark current is sufficiently obtained. It is desirable that the film thickness is smaller than
Also, in Examples 8 and 13, the dark current is higher than in Examples 5 and 11, and as a range in which the effect of lowering the dark current is sufficiently obtained, the film thickness of the intermediate layer is the film thickness of the upper electrode. A film thickness of 1/3 or more is desirable.
When Examples 5, 10 and 16 having the same structure of the upper electrode and the intermediate layer were compared, Example 16 had a higher proportion of crystallized fullerene C 60 than Examples 5 and 10, but either dark current or relative sensitivity was observed. Was the same result.
10 撮像素子
12、102 基板
14 絶縁層
16 画素電極
20、106 電子ブロッキング層
22、108 光電変換層
24、110 中間層
26 対向電極
28、114 封止層
40 読出し回路
42 対向電極電圧供給部
44 第1の接続部
46 第2の接続部
100 光電変換素子
104 下部電極
112 上部電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Image sensor 12, 102 Board | substrate 14 Insulating layer 16 Pixel electrode 20, 106 Electron blocking layer 22, 108 Photoelectric conversion layer 24, 110 Intermediate layer 26 Counter electrode 28, 114 Sealing layer 40 Reading circuit 42 Counter electrode voltage supply part 44 1st 1 connection portion 46 second connection portion 100 photoelectric conversion element 104 lower electrode 112 upper electrode
Claims (8)
前記下部電極上に積層された電子ブロッキング層と、
前記ブロッキング層上に積層された光電変換層と、
前記光電変換層上に積層された中間層と、
前記中間層上に積層された上部電極とを備え、
前記光電変換層は、p型有機半導体と、結晶化したフラーレンまたは結晶化したフラーレン誘導体を混合したバルクヘテロ層であり、
前記中間層は、非晶質フラーレンまたは非晶質フラーレン誘導体を含み、前記非晶質フラーレンまたは前記非晶質フラーレン誘導体と、イオン化ポテンシャルが5.5eV以上の透明正孔輸送材料を混合した層であり、
前記上部電極は、透明導電膜で構成されていることを特徴とする光電変換素子。 A lower electrode;
An electron blocking layer laminated on the lower electrode;
A photoelectric conversion layer laminated on the blocking layer;
An intermediate layer laminated on the photoelectric conversion layer;
An upper electrode laminated on the intermediate layer,
The photoelectric conversion layer is a bulk hetero layer in which a p-type organic semiconductor and a crystallized fullerene or a crystallized fullerene derivative are mixed,
The intermediate layer includes an amorphous fullerene or an amorphous fullerene derivative, and is a layer in which the amorphous fullerene or the amorphous fullerene derivative is mixed with a transparent hole transport material having an ionization potential of 5.5 eV or more. Yes,
The photoelectric conversion element, wherein the upper electrode is made of a transparent conductive film.
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