JP6887133B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
入射した光を電荷に変換する光電変換部を含む少なくとも1つの単位画素セルと、
電圧印加回路と、を備える。
前記光電変換部は、
第1電極と、
透光性の第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極の間に配置され、第1波長に吸収ピークを有する第1材料を含む第1光電変換層と、
前記第1電極および前記第2電極の間に配置され、前記第1波長と異なる第2波長に吸収ピークを有する第2材料を含む第2光電変換層と、
を含む。
前記第1光電変換層のインピーダンスは、前記第2光電変換層のインピーダンスよりも大きい。
前記第1波長および前記第2波長の一方は、可視波長域に含まれ、
前記第1波長および前記第2波長の他方は、赤外波長域に含まれる。
前記電圧印加回路は、
第1電圧および第2電圧のいずれかを前記第1電極と前記第2電極との間に選択的に印加し、
前記第2電圧の絶対値は、前記第1電圧の絶対値よりも大きい。
本開示の項目1に係る撮像装置は、
入射した光を電荷に変換する光電変換部を含む少なくとも1つの単位画素セルと、
電圧印加回路と、を備え、
前記光電変換部は、
第1電極と、
透光性の第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極の間に配置され、第1波長に吸収ピークを有する第1材料を含む第1光電変換層と、
前記第1電極および前記第2電極の間に配置され、前記第1波長と異なる第2波長に吸収ピークを有する第2材料を含む第2光電変換層と、
を含み、
前記第1光電変換層のインピーダンスは、前記第2光電変換層のインピーダンスよりも大きく、
前記第1波長および前記第2波長の一方は、可視波長域に含まれ、
前記第1波長および前記第2波長の他方は、赤外波長域に含まれ、
前記電圧印加回路は、
第1電圧および第2電圧のいずれかを前記第1電極と前記第2電極との間に選択的に印加し、
前記第2電圧の絶対値は、前記第1電圧の絶対値よりも大きい。
この構成によれば、第1電極および第2電極の間に印加する電圧を変化させることにより、光電変換部における分光感度特性を電気的に変化させ得る。また、この構成によれば、複数の電圧から選択された1つを選択的に光電変換部に印加し得る。
ここで、可視波長域とは、例えば、380nm以上750nm未満の波長範囲をいい、赤外波長域とは、750nm以上の波長範囲をいう。
項目1に記載の撮像装置において、
前記第1波長は、可視波長域に含まれ、
前記第2波長は、赤外波長域に含まれてもよい。
この構成によれば、撮像装置の赤外波長域における感度を電気的に変化させ得る。
項目1または2に記載の撮像装置において、
第1光電変換層の単位厚さあたりのインピーダンスは、第2光電変換層の単位厚さあたりのインピーダンスよりも大きくてもよい。
この構成によれば、第1電極および第2電極の間への電圧の印加時に、第2光電変換層に印加される電圧よりも大きな電圧を第1光電変換層に印加し得る。
項目1から3のいずれかに記載の撮像装置において、
第2光電変換層の前記インピーダンスに対する第1光電変換層の前記インピーダンスの比は、44倍以上であってもよい。
項目1から4のいずれかに記載の撮像装置において、
第1材料および第2材料は、電子供与性の分子であってもよい。
項目1から5のいずれかに記載の撮像装置において、
前記第1光電変換層および前記第2光電変換層がいずれも、電子受容性の分子をさらに含んでいてもよい。
項目1から6のいずれかに記載の撮像装置において、
前記第1光電変換層のインピーダンスおよび前記第2光電変換層のインピーダンスは、前記第1光電変換層および前記第2光電変換層に光を照射しない状態での、周波数が1Hzにおけるインピーダンスであってもよい。
項目1から7のいずれかに記載の撮像装置において、
前記第2材料の吸収ピークに対応する第2波長において、前記第1電極と前記第2電極との間に前記第2電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率は、前記第1電極と前記第2電極との間に前記第1電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率よりも大きく、
前記第2波長における、前記第2電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率と、前記第1電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率との差は、前記第1材料の吸収ピークに対応する第1波長における、前記第2電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率と、前記第1電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率との差よりも大きくてもよい。
前記第2波長における、前記第2電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率は、前記第1電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率の2倍以上であってもよい。
項目1から8のいずれかに記載の撮像装置において、
前記光電変換部は、前記第1材料および前記第2材料を含む混合層をさらに含んでいてもよい。
項目1から9のいずれかに記載の撮像装置において、
前記少なくとも1つの単位画素セルは、第1単位画素セルおよび第2単位画素セルを含んでいてもよい。
項目10に記載の撮像装置において、
前記第1単位画素セルは、
前記第1単位画素セルの前記第1電極に電気的に接続され、前記電荷を検出する第1電荷検出回路、及び
第1抵抗器を含み、
前記第2単位画素セルは、
前記第2単位画素セルの前記第1電極に電気的に接続され、前記電荷を検出する第2電荷検出回路、及び
前記第1抵抗器とは抵抗値の異なる第2抵抗器を含んでいてもよい。
この構成によれば、電圧印加回路から第1単位画素セルおよび第2単位画素セルに印加される電圧を共通としながら、第1単位画素セルの第1電極と第2電極との間に印加される実効的なバイアス電圧と第2単位画素セルの第1電極と第2電極との間に印加される実効的なバイアス電圧とを、異ならせることができる。
項目10または11に記載の撮像装置は、
第1単位画素セルの第2電極に対向して配置されたカラーフィルタをさらに備えていてもよい。
この構成によれば、第1電極および第2電極の間に印加する電圧を切り替えることにより、例えば、RGB画像と、赤色光と赤外光、緑色光と赤外光および青色光と赤外光に基づく画像とを切り替えて取得可能である。
項目12に記載の撮像装置は、
第2単位画素セルの第2電極に対向して配置された赤外透過フィルタをさらに備えていてもよい。
この構成によれば、RGBの画像信号を出力する単位画素セルと、赤外光に基づく画像信号を出力する単位画素セルとを感光領域中に混在させることができる。
項目13に記載の撮像装置は、
カラーフィルタに対向して配置された赤外線カットフィルタをさらに備えていてもよい。
この構成によれば、RGBのカラー画像と赤外光による画像とを一括して取得可能なカメラを実現し得る。
項目10から14のいずれかに記載の撮像装置において、
第1単位画素セルの第2電極および第2単位画素セルの第2電極は、連続した単一の電極であってもよい。
項目10から15のいずれかに記載の撮像装置において、
前記第1単位画素セルの前記第1光電変換層および前記第2単位画素セルの前記第1光電変換層は、連続した単一の層であり、
前記第1単位画素セルの前記第2光電変換層および前記第2単位画素セルの前記第2光電変換層は、連続した単一の層であってもよい。
項目1に記載の撮像装置において、
前記第1波長は、赤外波長域に含まれ、
前記第2波長は、可視波長域に含まれていてもよい。
本開示の項目18に係る撮像装置は、
入射した光を電荷に変換する光電変換部を含む少なくとも1つの単位画素セルを備え、
前記光電変換部は、
第1電極と、
透光性の第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極の間に配置され、第1波長に吸収ピークを有する第1材料を含む第1光電変換層と、
前記第1電極および前記第2電極の間に配置され、前記第1波長と異なる第2波長に吸収ピークを有する第2材料を含む第2光電変換層と、
を含み、
前記第1光電変換層のインピーダンスは、前記第2光電変換層のインピーダンスよりも大きく、
前記第1波長および前記第2波長の一方は、可視波長域に含まれ、
前記第1波長および前記第2波長の他方は、赤外波長域に含まれ、
前記光電変換部は、
第1電圧および前記第1電圧よりも絶対値が大きい第2電圧のうちいずれかを前記第1電極と前記第2電極との間に選択的に印加した場合、
前記第2材料の吸収ピークに対応する第2波長において、前記第1電極と前記第2電極との間に前記第2電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率は、前記第1電極と前記第2電極との間に前記第1電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率よりも大きく、かつ
前記第2波長における、前記第2電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率と、前記第1電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率との差は、前記第1材料の吸収ピークに対応する第1波長における、前記第2電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率と、前記第1電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率との差よりも大きくなる特性を有する、
撮像装置。
本開示の項目19に係る撮像装置は、
入射した光を電荷に変換する光電変換部を含む少なくとも1つの単位画素セルと、
電圧印加回路と、を備え、
前記光電変換部は、
第1電極と、
透光性の第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極の間に配置され、第1波長に吸収ピークを有する第1材料を含む第1光電変換層と、
前記第1電極および前記第2電極の間に配置され、前記第1波長と異なる第2波長に吸収ピークを有する第2材料を含む第2光電変換層と、
を含み、
前記電圧印加回路は、
第1電圧および第2電圧のいずれかを前記第1電極と前記第2電極との間に選択的に印加し、
前記第2電圧の絶対値は、前記第1電圧の絶対値よりも大きく、
前記第2材料の吸収ピークに対応する第2波長において、前記第1電極と前記第2電極との間に前記第2電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率は、前記第1電極と前記第2電極との間に前記第1電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率よりも大きく、
前記第2波長における、前記第2電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率と、前記第1電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率との差は、前記第1材料の吸収ピークに対応する第1波長における、前記第2電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率と、前記第1電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率との差よりも大きい。
図1は、本開示の実施形態に係る撮像装置の例示的な回路構成を模式的に示している。図1に示す撮像装置101は、複数の単位画素セル14と周辺回路とを有する。
図2は、本開示の実施形態に係る撮像装置101中の単位画素セル14の例示的なデバイス構造を示す。
図3は、光電変換部10の断面構造の一例を示す。上述したように、光電変換部10は、画素電極50および対向電極52と、これらに挟まれた光電変換構造51とを含む。光電変換構造51は、典型的には、有機材料を含む複数の層を有する。図3に例示する構成において、光電変換構造51は、第1光電変換層511および第2光電変換層512の積層構造を含む。図示するように、この例では、第2光電変換層512は、第1光電変換層511および対向電極52の間に位置している。
光電変換構造51が、インピーダンスが互いに異なる第1光電変換層511および第2光電変換層512を含む場合、画素電極50および対向電極52の間にバイアス電圧を印加すると、第1光電変換層511および第2光電変換層512には、インピーダンスに比例した電圧(電界といってもよい。)が印加される。本発明者らは、インピーダンスが互いに異なる光電変換層を含む光電変換構造に印加するバイアス電圧を変化させることにより、ある波長範囲に関する外部量子効率(external quantum efficiency:E.Q.E.)を変化させ得ることを見出した。換言すれば、そのような光電変換構造を光電変換部に有する単位画素セルにおいて、分光感度特性を電気的に変化させ得ることを見出した。例えば、第2材料の吸収ピークに対応する波長における、第1電圧VAの印加時を基準としたときの、第2電圧VBの印加時における光電変換構造51の外部量子効率の増分は、第1材料の吸収ピークに対応する波長における、第1電圧VAの印加時を基準としたときの、第2電圧VBの印加時における光電変換構造51の外部量子効率の増分よりも大きい。
本発明者らは、さらに、第1光電変換層511のインピーダンスが第2光電変換層512のインピーダンスと同じか、第2光電変換層512のインピーダンスよりも小さい場合であっても、第1材料および第2材料の間のイオン化ポテンシャルの差がある程度大きければ、印加するバイアス電圧を変化させることによって分光感度特性を変化させ得ることを見出した。
次に、撮像装置101の動作例を説明する。
まず、ガラス基板を用意した。次に、表2に示す材料を真空蒸着によってガラス基板上に順次に堆積することにより、下面電極、電子ブロッキング層、下側光電変換層、上側光電変換層および上面電極の積層構造をガラス基板上に形成した。表2には、形成した各層の厚さもあわせて示されている。下側光電変換層の形成においては、SnNcおよびC70を共蒸着した。同様に、DTDCTBおよびC70を共蒸着することにより、上側光電変換層を形成した。下側光電変換層の形成および上側光電変換層の形成においては、SnNcおよびC70の体積比、ならびに、DTDCTBおよびC70の体積比が1:1となるように、蒸着における条件を調整した。これにより、実施例1−1のサンプルを得た。
下側光電変換層および上側光電変換層の間に、SnNcおよびDTDCTBを含む混合層を配置したこと以外は実施例1−1のサンプルとほぼ同様にして、実施例1−2のサンプルを作製した。下記の表3は、実施例1−2のサンプルにおける各層の材料および厚さを示す。混合層は、SnNc、DTDCTBおよびC70の3つの材料を共蒸着することによって形成した。混合層の形成においては、SnNc、DTDCTBおよびC70の体積比が1:1:8となるように、蒸着における条件を調整した。また、下側光電変換層の形成および上側光電変換層の形成においては、SnNcおよびC70の体積比、ならびに、DTDCTBおよびC70の体積比が1:4となるように、蒸着における条件を調整した。
下側光電変換層を形成するための材料としてClAlPcおよびC70を用いたこと以外は実施例1−1のサンプルと同様にして、実施例1−3のサンプルを作製した。下側光電変換層の形成においては、ClAlPcおよびC70の体積比が1:9となるように、蒸着における条件を調整した。下記の表4は、実施例1−3のサンプルにおける各層の材料および厚さを示す。
上側光電変換層を形成するための材料としてSnNcおよびC70を用い、下側光電変換層を形成するための材料としてルブレンおよびC70を用いたこと以外は基本的に実施例1−1と同様にして、実施例2−1のサンプルを作製した。SnNcおよびC70の体積比、および、ルブレンおよびC70の体積比は、1:4となるように調整した。下記の表6は、実施例2−1のサンプルにおける各層の材料および厚さを示す。表6に示すように、上側光電変換層および下側光電変換層の厚さは、ともに200nmであった。
上側光電変換層を形成するための材料としてルブレンおよびC70を用い、下側光電変換層を形成するための材料としてSnNcおよびC70を用いたこと以外は実施例2−1と同様にして、比較例1のサンプルを作製した。すなわち、比較例1のサンプルは、実施例2−1のサンプルにおける上側光電変換層と下側光電変換層とを互いに入れ替えた構成を有する。下記の表7は、比較例1のサンプルにおける各層の材料および厚さを示す。
下記の表9に示す材料を真空蒸着によってガラス基板上に順次に堆積することにより、実施例2−2のサンプルを作製した。下側光電変換層の形成においては、ClAlPcおよびC60を共蒸着し、上側光電変換層の形成においては、α−6TおよびC70を共蒸着した。下側光電変換層の形成においては、ClAlPcおよびC60の体積比が1:4となるように、蒸着における条件を調整し、上側光電変換層の形成においては、α−6TおよびC70の体積比が1:1となるように、蒸着における条件を調整した。
上側光電変換層を形成するための材料および下側光電変換層を形成するための材料を互いに入れ替えたこと以外は、実施例2−2と同様にして、比較例2のサンプルを作製した。下記の表10は、比較例2のサンプルにおける各層の材料および厚さを示す。
14,14x,14y 単位画素セル
15 垂直走査回路
16 バイアス電圧線
20 水平信号読み出し回路
24 電荷蓄積ノード
25,25x,25y 電荷検出回路
31 半導体基板
41A,41B,41C,41D,41E 不純物領域
48,48x,48y 接続部
50 画素電極
51,51A,51B,51C,51x,51y 光電変換構造
510 混合層
511 第1光電変換層
512 第2光電変換層
513 正孔輸送層
514 電子輸送層
515 電子ブロッキング層
516 正孔ブロッキング層
52,52x,52y 対向電極
53,530,531 光学フィルタ
532 カラーフィルタ
534 赤外線カットフィルタ
536 IRフィルタ
60 電圧印加回路
101 撮像装置
R1,R2 抵抗器
Claims (17)
- 入射した光を電荷に変換する光電変換部を含む少なくとも1つの単位画素セルと、
電圧印加回路と、を備え、
前記光電変換部は、
第1電極と、
透光性の第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極の間に配置され、第1波長に吸収ピークを有する第1材料を含む第1光電変換層と、
前記第1電極および前記第2電極の間に配置され、前記第1波長と異なる第2波長に吸収ピークを有する第2材料を含む第2光電変換層と、
を含み、
前記第1光電変換層のインピーダンスは、前記第2光電変換層のインピーダンスよりも大きく、
前記第1波長および前記第2波長の一方は、可視波長域に含まれ、
前記第1波長および前記第2波長の他方は、赤外波長域に含まれ、
前記電圧印加回路は、
第1電圧および第2電圧のいずれかを前記第1電極と前記第2電極との間に選択的に印加し、
前記第2電圧の絶対値は、前記第1電圧の絶対値よりも大きく、
前記第2材料の吸収ピークに対応する第2波長において、前記第1電極と前記第2電極との間に前記第2電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率は、前記第1電極と前記第2電極との間に前記第1電圧が印加されている時の前記光電変換部の外部量子効率よりも大きく、
前記第2波長における、前記第2電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率と、前記第1電圧印加時の前記光電変換部の前記外部量子効率との差は、前記第1材料の吸収ピークに対応する第1波長における、前記第2電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率と、前記第1電圧印加時の前記光電変換部の外部量子効率との差よりも大きい、
撮像装置。 - 前記第1波長は、可視波長域に含まれ、
前記第2波長は、赤外波長域に含まれる、
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第1光電変換層の単位厚さあたりのインピーダンスは、前記第2光電変換層の単位厚さあたりのインピーダンスよりも大きい、
請求項1または2に記載の撮像装置。 - 前記第2光電変換層の前記インピーダンスに対する前記第1光電変換層の前記インピーダンスの比は、44倍以上である、
請求項1から3のいずれかに記載の撮像装置。 - 前記第1材料および前記第2材料は、電子供与性の分子である、
請求項1から4のいずれかに記載の撮像装置。 - 前記第1光電変換層および前記第2光電変換層がいずれも、電子受容性の分子をさらに含む、
請求項1から5のいずれかに記載の撮像装置。 - 前記第1光電変換層のインピーダンスおよび前記第2光電変換層のインピーダンスは、前記第1光電変換層および前記第2光電変換層に光を照射しない状態での、周波数が1Hzにおけるインピーダンスである、
請求項1から6のいずれかに記載の撮像装置。 - 前記光電変換部は、前記第1材料および前記第2材料を含む混合層をさらに含む、
請求項1から7のいずれかに記載の撮像装置。 - 前記少なくとも1つの単位画素セルは、第1単位画素セルおよび第2単位画素セルを含む、
請求項1から8のいずれかに記載の撮像装置。 - 前記第1単位画素セルは、
前記第1単位画素セルの前記第1電極に電気的に接続され、前記電荷を検出する第1電荷検出回路、及び
第1抵抗器を含み、
前記第2単位画素セルは、
前記第2単位画素セルの前記第1電極に電気的に接続され、前記電荷を検出する第2電荷検出回路、及び
前記第1抵抗器とは抵抗値の異なる第2抵抗器を含む、
請求項9に記載の撮像装置。 - 前記第1単位画素セルの前記第2電極に対向して配置されたカラーフィルタをさらに備える、
請求項9または10に記載の撮像装置。 - 前記第2単位画素セルの前記第2電極に対向して配置された赤外透過フィルタをさらに備える、
請求項11に記載の撮像装置。 - 前記カラーフィルタに対向して配置された赤外線カットフィルタをさらに備える、
請求項12に記載の撮像装置。 - 前記第1単位画素セルの前記第2電極および前記第2単位画素セルの前記第2電極は、連続した単一の電極である、
請求項9から13のいずれかに記載の撮像装置。 - 前記第1単位画素セルの前記第1光電変換層および前記第2単位画素セルの前記第1光電変換層は、連続した単一の層であり、
前記第1単位画素セルの前記第2光電変換層および前記第2単位画素セルの前記第2光電変換層は、連続した単一の層である、
請求項9から14のいずれかに記載の撮像装置。 - 前記第1波長は、赤外波長域に含まれ、
前記第2波長は、可視波長域に含まれる、
請求項1に記載の撮像装置。 - 前記第2電極は前記第1電極よりも光入射側に配置され、前記第1光電変換層および前記第2光電変換層のうち、赤外波長域に吸収ピークを有する材料を含む一方が、可視波長域に吸収ピークを有する材料を含む他方よりも、前記第2電極側に配置される、請求項1に記載の撮像装置。
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