JP6749157B2 - 有機光電素子及びイメージセンサ並びに電子装置 - Google Patents
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Description
光ダイオードを備えるイメージセンサは、益々解像度が高まり、これに伴い、画素が小さくなってきている。
有機物質は、吸光係数が大きく、しかも分子の構造に応じて特定の波長領域の光を選択的に吸収することから、光ダイオード及びカラーフィルタに同時に代え得るというメリットがあり、その結果、感度の改善及び高集積に非常に有利である。
また、本発明の他の目的は、上記有機光電素子を備えたイメージセンサ及びこのイメージセンサを備えた電子装置を提供することにある。
前記第1の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p1/n1)と前記第2の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p2/n2)とは異なることが好ましい。
前記吸光層のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p/n)は、前記吸光層の厚さ方向に沿って連続的に増加した後に減少することが好ましい。
前記吸光層のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p/n)は、前記吸光層の厚さ方向に沿って不連続的に増加した後に減少することが好ましい。
前記吸光層のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p/n)は、前記吸光層の厚さ方向に沿って連続的に減少した後に増加することが好ましい。
前記吸光層のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p/n)は、前記吸光層の厚さ方向に沿って不連続的に減少した後に増加することが好ましい。
前記可視光線波長領域は、互いに異なる波長領域である第1の可視光及び第2の可視光を含み、前記第1の可視光は、前記吸光層の第1の領域又は第2の領域において最大に吸収され、前記第2の可視光は、前記吸光層の第3の領域において最大に吸収されることが好ましい。
前記p型半導体及び前記n型半導体のうちのいずれか一方は、前記第1の可視光を選択的に吸収する吸光物質であり、前記p型半導体及び前記n型半導体のうちの他方は、前記第1の可視光及び前記第2の可視光を吸収する吸光物質であることが好ましい。
前記p型半導体は、前記第1の可視光を選択的に吸収する吸光物質であり、前記n型半導体は、前記第1の可視光及び前記第2の可視光を吸収する吸光物質であり、前記吸光層の第3の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p3/n3)は、前記第1の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p1/n1)及び前記第2の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p2/n2)よりも大きいことが好ましい。
前記第3の領域は、前記第1の領域及び前記第2の領域よりもn型半導体の含有量が低いことが好ましい。
前記第3の領域は、前記第1の領域及び前記第2の領域よりもp型半導体の含有量が低いことが好ましい。
前記第1の可視光は、500nm〜600nmの波長領域であり、前記第2の可視光は、380nm以上500nm未満の波長領域であることが好ましい。
前記p型半導体及び前記n型半導体のうちのいずれか一方は、C60、C70、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせを含むことが好ましい。
前記第1の光感知素子及び前記第2の光感知素子は、水平方向に離隔して配置されることが好ましい。
前記第1の光感知素子と重なり合い、前記第2の可視光を選択的に透過させる第1のカラーフィルタと、前記第2の光感知素子と重なり合い、前記第3の可視光を選択的に透過させる第2のカラーフィルタと、をさらに備えることが好ましい。
前記第1の光感知素子及び前記第2の光感知素子は、垂直方向に離隔して配置されることが好ましい。
前記第1の可視光は、500nm〜600nmの波長領域であり、前記第2の可視光は、380nm以上500nm未満の波長領域であり、前記第3の可視光は、600nm超え780nm以下の波長領域であることが好ましい。
図中、様々な層及び領域の厚さは、明確性を図るために誇張している。明細書全体に亘って同じ構成部分に対しては同じ図面符号を付する。
なお、層、膜、領域、板などの構成部分が他の構成部分の「上」にあるとした場合、それは、他の構成部分の「真上」にある場合だけではなく、これらの間に更に他の構成部分がある場合も含む。逆に、ある構成部分が他の構成部分の「直上」にあるとした場合には、これらの間に他の構成部分がないことを意味する。
図中、本発明の実施形態を明確に説明するために、本発明に関係のない部分についての説明は省略し、明細書全体に亘って同一又は類似の構成要素に対しては同じ図面符号を付する。
以下、添付図面に基づき、本発明の一実施形態による有機光電素子について説明する。
図1を参照すると、本実施形態による有機光電素子100は、対向する第1の電極10及び第2の電極20と、第1の電極10と第2の電極20との間に配設される吸光層30と、を備える。
第1の電極10及び第2の電極20の内の少なくともいずれか一方は透光電極であり、透光電極は、例えば、インジウム錫酸化物(indium tin oxide:ITO)やインジウム亜鉛酸化物(indium zinc oxide:IZO)などの透明導電体であり、薄い厚さの単一層又は複数層の金属薄膜で製作される。
第1の電極10及び第2の電極20の内のいずれか一方が不透光電極である場合、例えばアルミニウム(Al)などの不透明導電体で製作される。
例えば、第1の電極10及び第2の電極20は、両方とも透光電極である。
吸光層30は、可視光線波長領域の内の少なくとも一部の波長領域の光を吸収し、例えば、約500nm〜600nmの緑色光、380nm以上500nm未満の青色光、及び約600nm超え780nm以下の赤色光のうちの一部を選択的に吸収する。
例えば、p型半導体及びn型半導体の内のいずれか一方は、緑色光、青色光、及び赤色光の内のいずれか一つを選択的に吸収する吸光物質であり、p型半導体及びn型半導体のうちの他方は、緑色光、青色光、及び赤色光の内の2つ以上を吸収する吸光物質である。
例えば、p型半導体及びn型半導体の内のいずれか一方は、緑色光を選択的に吸収する吸光物質であり、p型半導体及びn型半導体の内の他方は、緑色光と共に青色光及び/又は赤色光を吸収する吸光物質である。
例えば、n型半導体は、緑色光を選択的に吸収する吸光物質であり、p型半導体は、緑色光と共に青色光及び/又は赤色光を吸収する吸光物質である。
また、例えば、p型半導体は緑色光を選択的に吸収する吸光物質であり、n型半導体は、緑色光と共に青色光を吸収する吸光物質である。
また、例えば、n型半導体は、緑色光を選択的に吸収する吸光物質であり、p型半導体は、緑色光と共に青色光を吸収する吸光物質である。
しかしながら、本発明はこれらに限定されない。
例えば、緑色光は、吸光層30のうち光が入射する側に近い領域において主として吸収され、青色光は、吸光層30の中間領域において主として吸収される。
本実施形態においては、可視光線波長領域に応じて吸光層30の吸収位置が異なるという点を考慮して、各波長領域の光が主として吸収される位置に応じてp型半導体及び/又はn型半導体を異ならせて分布させる。
このため、吸光層30の吸収波長領域を調節することにより、所望の波長領域の吸収を強化することができ、不所望の波長領域の吸収を抑えることにより、波長選択性を高めることができる。
ここで、p/n組成比は、n型半導体の体積に対するp型半導体の体積と定義する。
p/n組成比は、吸光率及び効率に影響を与える。
例えば、図2を参照すると、吸光層30は、第1の領域30a、第2の領域30b、及び第1の領域30aと第2の領域30bとの間に配設される第3の領域30cを備える。
例えば、第1の領域30aは、第1の電極10に近い領域であり、第2の領域30bは、第2の電極20に近い領域である。
第1の領域30a又は第2の領域30bは、光が入射する側に近い領域であり、第3の領域30cは、吸光層30の中間領域である。
例えば、第1の領域30aのn型半導体の体積に対するp型半導体の体積の組成比をp1/n1とし、第2の領域30bのn型半導体の体積に対するp型半導体の体積の組成比をp2/n2とし、第3の領域30cのn型半導体の体積に対するp型半導体の体積の組成比をp3/n3としたとき、吸光層30の第1の領域30a、第2の領域30b及、び第3の領域30cの組成比は、下記に示す関係式1及び2を満たす。
(p3/n3)>(p1/n1)・・・関係式1
(数2)
(p3/n3)>(p2/n2)・・・関係式2
この場合、青色光が主として吸収される吸光層30の中間領域、すなわち、第3の領域30cにおいてn型半導体の体積に対するp型半導体の体積を相対的に増加させることにより、n型半導体による青色光の吸収を低減させることができ、青色光の外部量子効率(EQE)もまた低減させることができる。これにより、吸光層30の緑色波長選択性を高めることができる。
他の例によれば、吸光層30の第1の領域30a、第2の領域30b及び第3の領域30cの組成比は、下記に示す関係式3及び4を満たす。
(p3/n3)<(p1/n1)・・・関係式3
(数4)
(p3/n3)<(p2/n2)・・・関係式4
この場合、青色光が主として吸収される吸光層30の中間領域、すなわち、第3の領域30cにおいてn型半導体の体積に対するp型半導体の体積を相対的に低減させることにより、n型半導体による青色光の吸収を低減させることができ、青色光の外部量子効率(EQE)もまた低減させることができる。これにより、吸光層30の緑色波長選択性を高めることができる。
(p1/n1)=(p2/n2)・・・関係式5
(数6)
(p1/n1)>(p2/n2)・・・関係式6
(数7)
(p1/n1)<(p2/n2)・・・関係式7
(数8)
(p3/n3)>(p1/n1)=(p2/n2)・・・関係式8
(数9)
(p3/n3)>(p1/n1)>(p2/n2)・・・関係式9
(数10)
(p3/n3)>(p2/n2)>(p1/n1)・・・関係式10
(数11)
(p3/n3)<(p1/n1)=(p2/n2)・・・関係式11
(数12)
(p3/n3)<(p1/n1)<(p2/n2)・・・関係式12
(数13)
(p3/n3)<(p2/n2)<(p1/n1)・・・関係式13
図3及び図4を参照すると、吸光層30のp/n組成比は、吸光層30の厚さ方向に沿って連続的に又は不連続的に増加した後に減少する。
ここで、不連続的とは、少なくとも一つの断続的な個所が存在することをいい、漸進的に変化することを除くあらゆることを含む。
ここで、連続的とは、一定若しくは非一定の速度で漸進的に変化することを意味する。
具体的には、図5を参照すると、第3の領域30cのp/n組成比は、第1の領域30aのp/n組成比、及び第2の領域30bのp/n組成比よりも小さく、第1の領域30a、第3の領域30c、及び第2の領域30bに沿ってp/n組成比が不連続的に減少した後に増加する。
図5において、各第1の領域30a、第2の領域30b、及び第3の領域30cは、所定のp/n組成比を有することを例示したが、これに限定されるものではなく、各領域内においてp/n組成比は可変である。
このように、本実施形態においては、可視光線波長領域に応じて吸光層30の吸収位置が異なるという点を考慮して、吸光層30の厚さ方向に沿ってp/n組成比を変化させることにより、所望の波長領域の吸収を強化させることができ、不所望の波長領域の吸収を抑えることにより、波長選択性を高めることができる。
これにより、所望の波長領域の光の吸光度及び外部量子効率(EQE)を確保することができ、不所望の波長領域の光の吸光度及び外部量子効率を抑えることにより、波長選択性を高めることができる。
吸光層30の第3の領域30cのp/n組成比は、第1の領域30a又は第2の領域30bのp/n組成比よりも約5%〜80%大きいか又は小さく、前記範囲内において約10%〜60%大きいか又は小さく、前記範囲内において約10%〜50%大きいか又は小さい。
例えば、有機光電素子100は、第1の電極10と第2の電極20との間にp型層/I層、I層/n型層、p型層/I層/n型層など様々な組み合わせで配設され得る。
p型層はp型半導体を備え、n型層はn型半導体を備える。
上記範囲の厚さを有することにより、光を効果的に吸収し、正孔及び電子を効果的に分離及び伝達することにより光電変換効率を効果的に改善することができる。
励起子は吸光層30において正孔及び電子に分離され、分離された正孔は第1の電極10及び第2の電極20の内のいずれか一方であるアノード側に移動し、分離された電子は第1の電極10及び第2の電極20の内の他方であるカソード側に移動して電流が流れる。
図7は、本発明の他の実施形態による有機光電素子を示す概略断面図である。
図7を参照すると、本実施形態による有機光電素子200は、上述した実施形態と同様に、対向する第1の電極10及び第2の電極20、及び第1の電極10と第2の電極20との間に配設される吸光層30を備える。第1の電極10、第2の電極20及び吸光層30は、上述した通りである。
電荷補助層(40、50)は、吸光層30において分離された正孔及び電子を移動しやすくして効率を高める。
有機物は、正孔又は電子の特性を有する有機化合物であり、無機物は、例えば、モリブデン酸化物、タングステン酸化物、ニッケル酸化物などの金属酸化物である。
有機光電素子は、太陽電池、イメージセンサ、光検出器、光センサ、及び有機発光ダイオードなどに適用可能であるが、これらに限定されない。
有機光電素子は、例えば、イメージセンサに適用される。
以下、図面を参照しながら、本有機光電素子を適用したイメージセンサの一例について説明する。ここでは、イメージセンサの一例である有機CMOSイメージセンサについて説明する。
図8及び図9を参照すると、本発明の一実施形態による有機CMOSイメージセンサ300は、光感知素子(50B、50R)、伝送トランジスタ(図示せず)と電荷保存場所55が集積された半導体基板110、下部絶縁層60、カラーフィルタ層70、上部絶縁層80、及び有機光電素子100を備える。
光感知素子(50R、50B)は、光ダイオードである。
光感知素子(50B、50R)、伝送トランジスタ、及び/又は電荷保存場所55は、画素毎に集積され、例えば図9に示すように、光感知素子(50B、50R)は青色画素及び赤色画素にそれぞれ含まれ、電荷保存場所55は緑色画素に含まれる。
金属配線及びパッドは、信号の遅延を減らすために低い比抵抗を有する金属、例えば、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、及びこれらの合金で製作されるが、これらに限定されない。
また、上記構造に限定されるものではなく、金属配線及びパッドが光感知素子(50B、50R)の下部に配設されてもよい。
下部絶縁層60は、酸化ケイ素及び/又は窒化ケイ素などの無機絶縁物質、或いはSiC、SiCOH、SiCO、及びSiOFなどの低誘電率(low K)物質で製作される。
下部絶縁層60は、電荷保存場所55を露出させるトレンチを有する。
トレンチには、充填材が充填される。
カラーフィルタ層70は、青色画素に形成される青色フィルタ70Bと、赤色画素に形成される赤色フィルタ70Rと、を備える。
実施形態では、緑色フィルタを備えない例について説明するが、場合によって緑色フィルタを備えてもよい。
上部絶縁層80は、カラーフィルタ層70による段差を除去して平坦化させる。
上部絶縁層80及び下部絶縁層60は、パッドを露出させるコンタクト孔(図示せず)と、緑色画素の電荷保存場所55を露出させる貫通口85と、を有する。
有機光電素子100は、上述したように、第1の電極10、吸光層30、及び第2の電極20を備える。
第1の電極10及び第2の電極20は両方とも透明電極であり、吸光層30は、上述した通りである。吸光層30は、緑色の波長領域の光を選択的に吸収することから、緑色画素のカラーフィルタに取って代わる。
上述したように、緑色の波長領域の光を選択的に吸収する有機光電素子が積層された構造を有することから、イメージセンサを小型化させて小型化イメージセンサを具現することができる。
また、上述したように、有機光電素子100の吸光層30で緑色の波長選択性を高めることから、緑色を除く波長領域の光を余計に吸収して発生するクロストークを減らしてイメージセンサの感度を高めることができる。
図8及び図9では、緑色の波長領域の光を選択的に吸収する有機光電素子が積層された構造を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、青色の波長領域の光を選択的に吸収する有機光電素子が積層され、緑色光感知素子及び赤色光感知素子が半導体基板110内に集積された構造を有していてもよく、赤色の波長領域の光を選択的に吸収する有機光電素子が積層され、緑色光感知素子及び青色光感知素子が半導体基板110内に集積された構造を有していてもよい。
本実施形態による有機CMOSイメージセンサ400は、上述した実施形態と同様に、光感知素子(50B、50R)、伝送トランジスタ(図示せず)及び電荷保存場所55が集積された半導体基板110、上部絶縁層80及び有機光電素子100を備える。
しかし、本実施形態による有機CMOSイメージセンサ400は、上述した実施形態とは異なり、青色光感知素子50B及び赤色光感知素子50Rが垂直方向に積層され、カラーフィルタ層70が省略される。
青色光感知素子50B及び赤色光感知素子50Rは、積層深さに応じて各波長領域の光を選択的に吸収する。
上述したように、緑色の波長領域の光を選択的に吸収する有機光電素子が積層された構造を有し、且つ赤色光感知素子及び青色光感知素子が積層された構造を有することから、イメージセンサを更に小型化させて小型化イメージセンサを具現することができる。
また、上述したように、有機光電素子100の吸光層30で緑色の波長選択性を高めることから、緑色を除く波長領域の光を余計に吸収して発生するクロストークを減らして感度を高めることができる。
図10には、緑色の波長領域の光を選択的に吸収する有機光電素子が積層された構造を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、青色の波長領域の光を選択的に吸収する有機光電素子が積層され、緑色光感知素子及び赤色光感知素子が半導体基板110内に集積された構造を有していてもよく、赤色の波長領域の光を選択的に吸収する有機光電素子が積層され、緑色光感知素子及び青色光感知素子が半導体基板110内に集積された構造を有していてもよい。
本実施形態による有機CMOSイメージセンサ500は、緑色の波長領域の光を選択的に吸収する緑色光電素子、青色の波長領域の光を選択的に吸収する青色光電素子、及び赤色の波長領域の光を選択的に吸収する赤色光電素子が積層された構造である。
半導体基板110はシリコン基板であり、伝送トランジスタ(図示せず)及び電荷保存場所(55a、55b、55c)が集積される。
半導体基板110の上には金属配線(図示せず)及びパッド(図示せず)が形成され、金属配線及びパッドの上には、下部絶縁層60が形成される。
第1の有機光電素子100Aは、対向する第1の電極10A及び第2の電極20A、及び第1の電極10Aと第2の電極20Aとの間に配設される吸光層30Aを備える。
第1の電極10A及び第2の電極20Aの内のいずれか一方はアノードであり、他方はカソードである。
吸光層30Aは、赤色、青色及び緑色の内のいずれか一つの波長領域の光を選択的に吸収する。
例えば、第1の有機光電素子100Aは、赤色光電素子である。
中間絶縁層90の上には、第2の有機光電素子100Bが形成される。
第2の有機光電素子100Bは、対向する第1の電極10B及び第2の電極20B、及び第1の電極10Bと第2の電極20Bとの間に配設される吸光層30Bを備える。
第1の電極10B及び第2の電極20Bの内のいずれか一方はアノードであり、他方はカソードである。
吸光層30Bは、赤色、青色及び緑色の内のいずれか一つの波長領域の光を選択的に吸収する。
例えば、第2の有機光電素子100Bは、青色光電素子である。
下部絶縁層60、中間絶縁層90及び上部絶縁層80は、電荷保存場所(55a、55b、55c)を露出させる複数の貫通口を有する。
第3の有機光電素子100Cは、対向する第1の電極10C及び第2の電極20C、及び第1の電極10Cと第2の電極20Cとの間に配設される吸光層30Cを備える。
第1の電極10C及び第2の電極20Cの内の一方はアノードであり、他方はカソードである。
吸光層30Cは、赤色、青色及び緑色の内のいずれか一つの波長領域の光を選択的に吸収する。
例えば、第3の有機光電素子100Cは、緑色光電素子である。
その具体的な内容は、上述した通りである。
図面には、第1の有機光電素子100A、第2の有機光電素子100B、及び第3の有機光電素子100Cがこの順に積層された構造を示すが、本発明はこれに限定されるものではなく、積層順序は種々に変更可能である。
また、上述したように、有機光電素子100の吸光層30で緑色の波長選択性を高めることから、緑色を除く波長領域の光を余計に吸収して発生するクロストークを減らして感度を高めることができる。
イメージセンサは、様々な電子装置に適用可能であり、例えば、モバイル電話、デジタルカメラなどに適用されるが、これらに限定されない。
但し、下記の実施例は単に説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。
<実施例1>
ガラス基板の上にインジウム錫酸化物(ITO)をスパッタリング法により積層して約150nmの厚さのアノードを形成し、その上にp型半導体である2−((5−(ナフタレン−1−イル(フェニル)アミノ)セレノフェン−2−イル)メチレン)−1H−シクロペンタ[b]ナフタレン−1,3(2H)−ジオン及びn型半導体であるC60を共蒸着して130nmの厚さの吸光層を形成する。
次いで、モリブデン酸化物薄膜の上にインジウム錫酸化物(ITO)をスパッタリングで積層して7nmの厚さのカソードを形成し、その上に高屈折膜として酸化アルミニウム40nmを蒸着して有機光電素子を製作する。
図19を参照すると、p型半導体である2−(5−(ナフタレン−1−イル(フェニル)アミノ)セレノフェン−2−イル)メチレン)−1H−シクロペンタ[b]ナフタレン−1,3(2H)−ジオンは、約500〜600nmの波長領域、すなわち、緑色の波長領域の光を選択的に吸収する吸光物質であり、n型半導体であるC60は、約400〜600nmの波長領域、すなわち、青色の波長領域及び緑色の波長領域の光を吸収する吸光物質であることが確認できる。
p型半導体及びn型半導体が1.3:1の体積比を有する60nmの厚さの下部層、p型半導体及びn型半導体が1.6:1の体積比を有する40nmの厚さの中間層、及びp型半導体及びn型半導体が1.3:1の体積比を有する30nmの厚さの上部層を有する吸光層を形成する以外は、実施例1の方法と同様にして有機光電素子を製作する。
p型半導体及びn型半導体が1.3:1の体積比を有する60nmの厚さの下部層、p型半導体及びn型半導体が1.9:1の体積比を有する40nmの厚さの中間層、及びp型半導体及びn型半導体が1.3:1の体積比を有する30nmの厚さの上部層を有する吸光層を形成する以外は、実施例1の方法と同様にして有機光電素子を製作する。
p型半導体及びn型半導体が1.25:1の単一の体積比になるように共蒸着して130nmの厚さの吸光層を形成する以外は、実施例1の方法と同様にして有機光電素子を製作する。
<比較例2>
p型半導体及びn型半導体が1:1の単一体積比になるように共蒸着して130nmの厚さの吸光層を形成する以外は、実施例1の方法と同様にして有機光電素子を製作する。
<比較例3>
p型半導体及びn型半導体が1:3の体積比を有する60nmの厚さの下部層、p型半導体及びn型半導体が1:1の体積比を有する40nmの厚さの中間層、及びp型半導体及びn型半導体が3:1の体積比を有する30nmの厚さの上部層を有する吸光層を形成する以外は、実施例1の方法と同様にして有機光電素子を製作する。
p型半導体及びn型半導体が1.3:1の単一体積比になるように共蒸着して130nmの厚さの吸光層を形成する以外は、実施例1の方法と同様にして有機光電素子を製作する。
<比較例5>
p型半導体及びn型半導体が1.39:1の単一体積比になるように共蒸着して130nmの厚さの吸光層を形成する以外は、実施例1の方法と同様にして有機光電素子を製作する。
<比較例6>
p型半導体及びn型半導体が1.48:1の単一体積比になるように共蒸着して130nmの厚さの吸光層を形成する以外は、実施例1の方法と同様にして有機光電素子を製作する。
<評価1>
実施例1及び比較例1の有機光電素子の波長領域による外部量子効率を比較する。
図13は、実施例1及び比較例1による有機光電素子の波長による外部量子効率を示すグラフである。
図13を参照すると、実施例1による有機光電素子は、約500nm〜600nmの波長領域、すなわち、緑色の波長領域の外部量子効率(EQE)が確保され、且つ、比較例1による有機光電素子に比べて約400nm〜500nmの波長領域、すなわち、青色の波長領域の外部量子効率(EQE)が減少することが確認できる。
これより、実施例1による有機光電素子は、比較例1による有機光電素子に比べて緑色の波長領域に対する波長選択性を高める可能性があることが確認できる。
実施例1及び比較例1〜比較例3の有機光電素子の緑色の波長領域及び青色の波長領域の外部量子効率の変化を比較する。
図14は、実施例1及び比較例1による有機光電素子の緑色の波長領域及び青色の波長領域の外部量子効率を示すグラフであり、図15は、比較例2及び比較例3の有機光電素子の緑色の波長領域及び青色の波長領域の外部量子効率を示すグラフである。
これより、実施例1による有機光電素子は、青色の波長領域の外部量子効率を低めることにより、緑色の波長領域に対する波長選択性を高める可能性があることが確認できる。
これより、比較例2及び比較例3による有機光電素子は、緑色の波長領域に対する波長選択性が低いだけではなく、特に、比較例3による有機光電素子は、緑色の波長領域の外部量子効率(EQE)もまた大幅に低くなることが確認できる。
これにより、実施例1による有機光電素子は、緑色の波長領域の外部量子効率(EQE)は確保しながら、青色の波長領域の外部量子効率(EQE)を減少させて波長選択性を高める可能性があることが確認できる。
図16は、実施例2による有機光電素子の吸光層の位置による吸収波長領域を評価したシミュレーション結果であり、図17は、比較例4による有機光電素子の吸光層の位置による吸収波長領域を評価したシミュレーション結果である。
図16及び図17を参照すると、実施例2による有機光電素子は、比較例4による有機光電素子に比べて、青色の波長領域の光の吸収が少なくなったことが確認できる。
実施例2及び実施例3と、比較例4〜比較例6による有機光電素子の緑色の波長領域の最大の外部量子効率(Max EQE)地点における青色の波長領域の外部量子効率(EQE)の減少度をシミュレーションで予測する。
シミュレーションは、MATLABソフトウェアを用いて評価する。
実施例1及び比較例1による有機光電素子を適用したイメージセンサを設計し、イメージセンサの色差及びYSNR10を評価する。
イメージセンサは、図9に示す構造に設計される。
イメージセンサの色差は、下記の方法を用いて評価する。
イメージセンサから得られたRGB原信号は、イメージプロセッシングを行って実際の色との差を減らす工程を経る。
イメージプロセッシングには、RGB信号の強さの差を等しくするホワイトバランス過程及びマクベスチャート(24色)の実際の色とイメージセンサで測定した原色の色との間の差を減らす色補正工程がある。
色差は、マクベスチャートの実際の色との差を示し、色差が小さいほど、実際の色に近いことを意味する。
YSNR10は、信号及びノイズ間の比率が10になる照度(単位:lux)であり、ここで、信号は、色補正マトリックスを用いた色補正過程を経た後の緑色信号の感度であり、ノイズは、イメージセンサで信号を測定するときに発生するノイズである。
YSNR10値が小さいほど、低い照度でイメージ特性が良好であることを意味する。
その結果を図18に示す。
図18を参照すると、実施例1による有機光電素子を適用したイメージセンサは、比較例1による有機光電素子を適用したイメージセンサに比べて、色差及びYSNR10が小さいことが確認できる。
これより、実施例1による有機光電素子を適用したイメージセンサは、比較例1による有機光電素子を適用したイメージセンサに比べて、波長選択性が改善されて色表現特性が改善される可能性があることが予想できる。
実施例1及び比較例1による有機光電素子を適用したイメージセンサを設計し、イメージセンサのクロストークを評価する。
イメージセンサは、図9に示す構造に設計される。
クロストーク評価は、次のようにして行う。
実施例1及び比較例1による有機光電素子で成膜された吸光層のn及びk値を分光エリプソメトリーを用いて求める。
n、k値、シリコン光ダイオード及び有機光電素子の光電変換効率を用いて、図9に示す構造の赤色光変換素子、緑色光変換素子及び青色光変換素子の分光感度を有限差分時間領域法(FDTD:Finite Difference Time Domain)で求める。
すなわち、440〜480nmでは、青色光変換素子の感度曲線の積分値を100にし、赤色光変換素子及び緑色光変換素子の感度曲線の440〜480nmにおける相対積分値を求めた。
この値が440〜480nmにおける赤色光変換素子及び緑色光変換素子の青色領域に対するクロストーク値である。
520〜560nm及び590〜630nmに対しても同様に計算してクロストーク値を得る。
最後に、前記6つの数値の平均値を求めて平均クロストーク値を得る。
20、20A、20B、20C 第2の電極
30、30A、30B、30C 吸光層
30a 第1の領域
30b 第2の領域
30c 第3の領域
40、50 電荷補助層
50B、50R (青色、赤色)光感知素子
55(55a、55b、55c) 電荷保存場所
60 下部絶縁層
70 カラーフィルタ層
70B、70R (青色、赤色)フィルタ
80 上部絶縁層
85 貫通口
90 中間絶縁層
100、100A〜100C、200 (第1〜第3の)有機光電素子
110 半導体基板
300、400、500 有機CMOSイメージセンサ
Claims (24)
- 対向する第1の電極及び第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に配設されてp型半導体及びn型半導体を有する吸光層と、を備え、
前記吸光層は、厚さ方向に沿って前記第1の電極に近い第1の領域と、前記第2の電極に近い第2の領域と、前記第1の領域と前記第2の領域との間に配設される第3の領域とを有し、
前記第3の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p 3 /n 3 )は、前記第1の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p 1 /n 1 )よりも大きく、かつ前記第2の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p 2 /n 2 )よりも大きいか、又は、前記第1の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p 1 /n 1 )よりも小さく、かつ前記第2の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p 2 /n 2 )よりも小さい{「(p 3 /n 3 )>(p 1 /n 1 )かつ(p 3 /n 3 )>(p 2 /n 2 )」、又は、「(p 3 /n 3 )<(p 1 /n 1 )かつ(p 3 /n 3 )<(p 2 /n 2 )」}ことを特徴とする有機光電素子。 - 前記第1の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p1/n1)と前記第2の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p2/n2)とは等しいことを特徴とする請求項1に記載の有機光電素子。
- 前記第1の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p1/n1)と前記第2の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p2/n2)とは異なることを特徴とする請求項1に記載の有機光電素子。
- 前記吸光層のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p/n)は、前記吸光層の厚さ方向に沿って連続的に増加した後に減少することを特徴とする請求項1に記載の有機光電素子。
- 前記吸光層のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p/n)は、前記吸光層の厚さ方向に沿って不連続的に増加した後に減少することを特徴とする請求項1に記載の有機光電素子。
- 前記吸光層のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p/n)は、前記吸光層の厚さ方向に沿って連続的に減少した後に増加することを特徴とする請求項1に記載の有機光電素子。
- 前記吸光層のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p/n)は、前記吸光層の厚さ方向に沿って不連続的に減少した後に増加することを特徴とする請求項1に記載の有機光電素子。
- 前記吸光層は、可視光線波長領域のうちの少なくとも一部の波長領域の光を吸収し、
前記可視光線波長領域に応じて前記吸光層の最大の吸収位置が異なることを特徴とする請求項1に記載の有機光電素子。 - 前記可視光線波長領域は、互いに異なる波長領域である第1の可視光及び第2の可視光を含み、
前記第1の可視光は、前記吸光層の第1の領域又は第2の領域において最大に吸収され、
前記第2の可視光は、前記吸光層の第3の領域において最大に吸収されることを特徴とする請求項8に記載の有機光電素子。 - 前記p型半導体及び前記n型半導体のうちのいずれか一方は、前記第1の可視光を選択的に吸収する吸光物質であり、
前記p型半導体及び前記n型半導体のうちの他方は、前記第1の可視光及び前記第2の可視光を吸収する吸光物質であることを特徴とする請求項9に記載の有機光電素子。 - 前記p型半導体は、前記第1の可視光を選択的に吸収する吸光物質であり、
前記n型半導体は、前記第1の可視光及び前記第2の可視光を吸収する吸光物質であり、
前記吸光層の第3の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p3/n3)は、前記第1の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p1/n1)及び前記第2の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p2/n2)よりも大きいことを特徴とする請求項10に記載の有機光電素子。 - 前記第3の領域は、前記第1の領域及び前記第2の領域よりもn型半導体の含有量が低いことを特徴とする請求項11に記載の有機光電素子。
- 前記n型半導体は、前記第1の可視光を選択的に吸収する吸光物質であり、
前記p型半導体は、前記第1の可視光及び前記第2の可視光を吸収する吸光物質であり、
前記吸光層の第3の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p3/n3)は、前記第1の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p1/n1)及び前記第2の領域のn型半導体に対するp型半導体の組成比(p2/n2)よりも小さいことを特徴とする請求項10に記載の有機光電素子。 - 前記第3の領域は、前記第1の領域及び前記第2の領域よりもp型半導体の含有量が低いことを特徴とする請求項13に記載の有機光電素子。
- 前記第1の可視光は、500nm〜600nmの波長領域であり、
前記第2の可視光は、380nm以上500nm未満の波長領域であることを特徴とする請求項10に記載の有機光電素子。 - 前記p型半導体及び前記n型半導体のうちのいずれか一方は、C60、C70、これらの誘導体、又はこれらの組み合わせを含むことを特徴とする請求項10に記載の有機光電素子。
- 請求項1乃至請求項16のいずれか一項に記載の有機光電素子を備えることを特徴とするイメージセンサ。
- 可視光線波長領域は、互いに異なる波長領域の第1の可視光と、第2の可視光と、第3の可視光とを含み、
前記有機光電素子は、前記第1の可視光を選択的に吸収し、
前記第2の可視光を感知する複数の第1の光感知素子、及び前記第3の可視光を感知する複数の第2の光感知素子が集積された半導体基板をさらに備えることを特徴とする請求項17に記載のイメージセンサ。 - 前記第1の光感知素子及び前記第2の光感知素子は、水平方向に離隔して配置されることを特徴とする請求項18に記載のイメージセンサ。
- 前記第1の光感知素子と重なり合い、前記第2の可視光を選択的に透過させる第1のカラーフィルタと、
前記第2の光感知素子と重なり合い、前記第3の可視光を選択的に透過させる第2のカラーフィルタと、をさらに備えることを特徴とする請求項19に記載のイメージセンサ。 - 前記第1の光感知素子及び前記第2の光感知素子は、垂直方向に離隔して配置されることを特徴とする請求項18に記載のイメージセンサ。
- 可視光線波長領域は、互いに異なる波長領域の第1の可視光と、第2の可視光と、第3の可視光とを含み、
前記有機光電素子は、前記第1の可視光を選択的に吸収する第1の有機光電素子と、前記第2の可視光を選択的に吸収する第2の有機光電素子と、前記第3の可視光を選択的に吸収する第3の有機光電素子とを含み、
前記第1の有機光電素子と前記第2の有機光電素子と前記第3の有機光電素子は、積層されることを特徴とする請求項17に記載の有機光電素子。 - 前記第1の可視光は、500nm〜600nmの波長領域であり、
前記第2の可視光は、380nm以上500nm未満の波長領域であり、
前記第3の可視光は、600nm超え780nm以下の波長領域であることを特徴とする請求項18又は請求項22に記載のイメージセンサ。 - 請求項17に記載のイメージセンサを備えることを特徴とする電子装置。
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