JP6891415B2 - Solid-state image sensor and solid-state image sensor - Google Patents
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Description
本開示は、有機半導体材料を用いた光電変換層を備えた固体撮像素子およびこれを備えた固体撮像装置に関する。 The present disclosure relates to a solid-state image sensor provided with a photoelectric conversion layer using an organic semiconductor material, and a solid-state image sensor provided with the solid-state image sensor.
有機半導体材料を用いて構成されている固体撮像素子では、光電変換層は、一般に、p型有機半導体およびn型有機半導体を積層または混合して形成されている。これにより、効率の良い電荷生成および電荷輸送が可能となる。 In a solid-state image sensor constructed using an organic semiconductor material, the photoelectric conversion layer is generally formed by laminating or mixing a p-type organic semiconductor and an n-type organic semiconductor. This enables efficient charge generation and charge transport.
また、例えば、特許文献1では、有機光電変換膜を間に対向配置された陰極および陽極と有機光電変換膜との間に、それぞれ、キャリアブロッキング層(電子ブロッキング層および正孔ブロッキング層)および電荷輸送層(電子輸送補助層および正孔輸送補助層)を有する有機光電変換素子が開示されている。この有機光電変換素子では、電荷ブロッキング層および電荷輸送層を設けることで、さらなる電荷の取り出し効率の向上が図られている。
Further, for example, in
ところで、固体撮像素子には、電気特性の向上が求められている。 By the way, the solid-state image sensor is required to have improved electrical characteristics.
電気特性を向上させることが可能な固体撮像素子および固体撮像装置を提供することが望ましい。 It is desirable to provide a solid-state image sensor and a solid-state image sensor capable of improving electrical characteristics.
本開示の一実施形態の固体撮像素子は、対向配置された下部電極および上部電極と、下部電極と上部電極との間に設けられた光電変換層と、光電変換層と下部電極との間に設けられた下部キャリアブロック層と、光電変換層と上部電極との間に設けられると共に、分子内にハロゲン原子を含むナフタレンジイミド(NDI)系の有機半導体材料によって形成されている上部キャリアブロック層と、上部電極と上部キャリアブロック層との間に設けられると共に、分子内にハロゲン原子を含まず、分子内にピリジン骨格、ピリミジン骨格またはトリアジン骨格を有する材料によって形成され、上部電極および上部キャリアブロック層を構成する材料の変性を抑制する中間層とを備えたものである。 The solid-state imaging device of the embodiment of the present disclosure includes a lower electrode and an upper electrode arranged to face each other, a photoelectric conversion layer provided between the lower electrode and the upper electrode, and a photoelectric conversion layer and the lower electrode. A lower carrier block layer provided between the photoelectric conversion layer and the upper electrode, and an upper carrier block layer formed of a naphthalenediimide (NDI) -based organic semiconductor material containing a halogen atom in the molecule. , together is provided between the upper electrode and the upper carrier block layer, free of halogen atoms in the molecule, pyridine skeleton in the molecule is formed of a material having a pyrimidine skeleton or a triazine skeleton, the upper electrode and the upper carrier block layer It is provided with an intermediate layer that suppresses modification of the material constituting the above.
本開示の一実施形態の固体撮像装置は、複数の画素毎に、1または複数の上記本開示の一実施形態の固体撮像素子を備えたものである。 The solid-state image sensor according to the embodiment of the present disclosure includes one or a plurality of solid-state image sensors according to the embodiment of the present disclosure for each of a plurality of pixels.
本開示の一実施形態の固体撮像素子および一実施形態の固体撮像装置では、上部電極と上部キャリアブロック層との間に、ハロゲン原子を含まず、分子内にピリジン骨格、ピリミジン骨格またはトリアジン骨格を有する材料によって形成される中間層を設ける。これにより、上部電極および上部キャリアブロック層を構成する材料の成膜時における変性を抑制することが可能となる。 In the solid-state image sensor of one embodiment and the solid-state image sensor of one embodiment of the present disclosure, a halogen atom is not contained between the upper electrode and the upper carrier block layer, and a pyridine skeleton, a pyrimidine skeleton, or a triazine skeleton is provided in the molecule. An intermediate layer formed by the material to be provided is provided. This makes it possible to suppress denaturation of the materials constituting the upper electrode and the upper carrier block layer during film formation.
本開示の一実施形態の固体撮像素子および一実施形態の固体撮像装置によれば、上部電極と上部キャリアブロック層との間に、ハロゲン原子を含まず、分子内にピリジン骨格、ピリミジン骨格またはトリアジン骨格を有する材料を用いた中間層を設けるようにしたので、上部電極および上部キャリアブロック層を構成する材料の成膜時における変性が抑制される。よって、電気特性を向上させることが可能となる。 According to the solid-state image sensor of one embodiment and the solid-state image sensor of one embodiment of the present disclosure, there is no halogen atom between the upper electrode and the upper carrier block layer, and the pyridine skeleton, pyrimidine skeleton or triazine is contained in the molecule. Since the intermediate layer using the material having a skeleton is provided, the modification of the material constituting the upper electrode and the upper carrier block layer at the time of film formation is suppressed. Therefore, it is possible to improve the electrical characteristics.
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれの効果であってもよい。 The effects described here are not necessarily limited, and may be any of the effects described in the present disclosure.
以下、本開示における一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明する順序は、下記の通りである。
1.実施の形態(上部電極とキャリアブロック層との間に中間層を設けた例)
1−1.固体撮像素子の構成
1−2.固体撮像素子の製造方法
1−3.作用・効果
2.適用例
Hereinafter, one embodiment in the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The order of explanation is as follows.
1. 1. Embodiment (example in which an intermediate layer is provided between the upper electrode and the carrier block layer)
1-1. Configuration of solid-state image sensor 1-2. Manufacturing method of solid-state image sensor 1-3. Action /
<1.実施の形態>
図1は、本開示の一実施の形態に係る固体撮像素子(固体撮像素子10)が備えた有機光電変換部20の断面構成を模式的に表したものである。図2は、図1に示した有機光電変換部20を備えた固体撮像素子10の断面構成を表したものである。固体撮像素子10は、例えば、デジタルスチルカメラ、ビデオカメラ等の電子機器に用いられるCMOSイメージセンサ等の固体撮像装置(固体撮像装置1;図8参照)において1つの画素(単位画素P)を構成するものである。
<1. Embodiment>
FIG. 1 schematically shows a cross-sectional configuration of an organic
(1−1.固体撮像素子の構成)
固体撮像素子10は、例えば、1つの有機光電変換部20と、2つの無機光電変換部32B,32Rとが縦方向に積層された、いわゆる縦方向分光型のものである。有機光電変換部20は、半導体基板30の第1面(裏面)30A側に設けられている。無機光電変換部32B,32Rは、半導体基板30内に埋め込み形成されており、半導体基板30の厚み方向に積層されている。有機光電変換部20は、対向配置された下部電極21と上部電極25との間に、p型半導体およびn型半導体を用いて形成されている光電変換層23を有する。有機光電変換部20は、さらに下部電極21と光電変換層23との間にはキャリアブロック層22Aを、光電変換層23と上部電極25との間にはキャリアブロック層22Bを有する。本実施の形態では、キャリアブロック層22Bと上部電極25との間に、さらに中間層24が設けられた構成を有する。
(1-1. Configuration of solid-state image sensor)
The solid-state image sensor 10 is, for example, a so-called vertical spectroscopic type in which one organic
有機光電変換部20と、無機光電変換部32B,32Rとは、互いに異なる波長域の光を選択的に検出して光電変換を行うものである。例えば、有機光電変換部20は、緑(G)の色信号を取得する。無機光電変換部32B,32Rは、吸収係数の違いにより、それぞれ、青(B)および赤(R)の色信号を取得する。これにより、固体撮像素子10では、カラーフィルタを用いることなく一つの画素において複数種類の色信号を取得可能となっている。
The organic
なお、本実施の形態では、光電変換によって生じる電子および正孔の対のうち、電子を信号電荷として読み出す場合(n型半導体領域を光電変換層とする場合)について説明する。また、図中において、「p」「n」に付した「+(プラス)」は、p型またはn型の不純物濃度が高いことを表し、「++」はp型またはn型の不純物濃度が「+」よりも更に高いことを表している。 In this embodiment, a case where electrons are read out as signal charges (a case where the n-type semiconductor region is used as a photoelectric conversion layer) among pairs of electrons and holes generated by photoelectric conversion will be described. Further, in the figure, "+ (plus)" attached to "p" and "n" indicates that the concentration of p-type or n-type impurities is high, and "++" indicates that the concentration of p-type or n-type impurities is high. It means that it is even higher than "+".
半導体基板30の第2面(表面)30Bには、例えば、フローティングディフュージョン(浮遊拡散層)FD1,FD2,FD3と、縦型トランジスタ(転送トランジスタ)Tr1と、転送トランジスタTr2と、アンプトランジスタ(変調素子)AMPと、リセットトランジスタRSTと、多層配線40とが設けられている。多層配線40は、例えば、配線層41,42,43を絶縁層44内に積層した構成を有している。
On the second surface (surface) 30B of the
なお、図面では、半導体基板30の第1面30A側を光入射側S1、第2面30B側を配線層側S2と表している。
In the drawings, the
有機光電変換部20は、上記のように、下部電極21、キャリアブロック層22A、光電変換層23、キャリアブロック層22B、中間層24および上部電極25が、半導体基板30の第1面30Aの側からこの順に積層された構成を有している。本実施の形態では、上部電極25は、例えば、固体撮像素子10ごとに分離形成されている。下部電極21、キャリアブロック層22A、光電変換層23、キャリアブロック層22Bおよび中間層24は、複数の固体撮像素子10に共通した連続層として設けられている。半導体基板30の第1面30Aと下部電極21との間には、例えば、固定電荷を有する層(固定電荷層)26と、絶縁性を有する誘電体層27と、層間絶縁層28とが設けられている。上部電極25の上には、保護層29が設けられている。保護層29の上方には、平坦化層やオンチップレンズ等の光学部材(いずれも図示せず)が配設されている。
In the organic
半導体基板30の第1面30Aと第2面30Bとの間には、貫通電極34が設けられている。有機光電変換部20は、この貫通電極34を介して、アンプトランジスタAMPのゲートGampと、フローティングディフュージョンFD3とに接続されている。これにより、固体撮像素子10では、半導体基板30の第1面30A側の有機光電変換部20で生じた電荷を、貫通電極34を介して半導体基板30の第2面30B側に良好に転送し、特性を高めることが可能となっている。
Through
貫通電極34は、例えば、固体撮像素子10の各々に、有機光電変換部20ごとに設けられている。貫通電極34は、有機光電変換部20とアンプトランジスタAMPのゲートGampおよびフローティングディフュージョンFD3とのコネクタとしての機能を有すると共に、有機光電変換部20において生じた電荷(ここでは電子)の伝送経路となるものである。貫通電極34の下端は、例えば、下部第1コンタクト35を介して、多層配線40の配線層41内の接続部41Aに接続されている。接続部41Aと、アンプトランジスタAMPのゲートGampとは、下部第2コンタクト45により接続されている。接続部41Aと、フローティングディフュージョンFD3とは、下部第3コンタクト46により接続されている。貫通電極34の上端は、例えば、上部コンタクト36を介して上部電極25に接続されている。
Through
フローティングディフュージョンFD3の隣には、図2に示したように、リセットトランジスタRSTのリセットゲートGrstが配置されていることが好ましい。これにより、フローティングディフュージョンFD3に蓄積された電荷を、リセットトランジスタRSTによりリセットすることが可能となる。 As shown in FIG. 2, it is preferable that the reset gate Grst of the reset transistor RST is arranged next to the floating diffusion FD3. As a result, the electric charge accumulated in the floating diffusion FD3 can be reset by the reset transistor RST.
貫通電極34は、半導体基板30を貫通すると共に、例えば、分離溝50により半導体基板30とは分離されている。貫通電極34は、例えば、半導体基板30と同じ半導体、例えばシリコン(Si)により構成され、n型またはp型の不純物が注入される(図2では例えばp+)ことにより抵抗値が低減されていることが好ましい。また、貫通電極34の上端部および下端部には、高濃度不純物領域(図2では例えばp++)が設けられ、上部コンタクト36との接続抵抗および下部第1コンタクト35との接続抵抗が更に低減されていることが好ましい。貫通電極34は、金属または導電性材料により構成されていてもよい。金属または導電性材料を用いることにより、貫通電極34の抵抗値をさらに低減すると共に、貫通電極34と下部第1コンタクト35、下部第2コンタクト45および下部第3コンタクト46との接続抵抗をさらに低減することが可能となる。貫通電極34を構成する金属または導電性材料としては、アルミニウム(Al)、タングステン(W)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)等が挙げられる。
The through
図2に示したように、分離溝50の外側面51、内側面52および底面53は、例えば絶縁性を有する誘電体層27により被覆されている。誘電体層27は、例えば、分離溝50の外側面51を被覆する外側誘電体層27Aと、分離溝50の内側面52を被覆する内側誘電体層27Bとを有している。外側誘電体層27Aと内側誘電体層27Bとの間には、空洞54が設けられていることが好ましい。即ち、分離溝50は環状または輪状であり、空洞54は分離溝50と同心円をなす環状または輪状である。これにより、貫通電極34と半導体基板30との間に生じる静電容量を低減させ、変換効率を高めると共に遅延(残像)を抑えることが可能となる。
As shown in FIG. 2, the
また、分離溝50の外側面51の半導体基板30内には、貫通電極34と同じ導電型(n型またはp型)の不純物領域(図2ではp+)が設けられていることが好ましい。更に、分離溝50の外側面51、内側面52および底面53と、半導体基板30の第1面30Aとに、固定電荷層26が設けられていることが好ましい。具体的には、例えば、分離溝50の外側面51の半導体基板30内にp型の不純物領域(図2のp+)を設けると共に、固定電荷層26として負の固定電荷を有する膜を設けることが好ましい。これにより、暗電流を低減することが可能となる。
Further, it is preferable that the
本実施の形態の固体撮像素子10では、上部電極25側から有機光電変換部20に入射した光は、光電変換層23のバルクヘテロ接合界面における電子受容体あるいは電子供与体で吸収される。これによって生じた励起子は、電子供与体と電子受容体との界面に移動し、電子と正孔とに解離する。ここで発生した電荷(電子および正孔)は、キャリアの濃度差による拡散や、陽極(ここでは、下部電極21)と陰極(ここでは、上部電極25)との仕事関数の差による内部電界によって、それぞれ異なる電極へ運ばれ、光電流として検出される。また、下部電極21と上部電極25との間に電位を印加することによって、電子および正孔の輸送方向を制御することができる。
In the solid-state image sensor 10 of the present embodiment, the light incident on the organic
以下、各部の構成や材料等について説明する。 Hereinafter, the configuration and materials of each part will be described.
有機光電変換部20は、選択的な波長域(例えば、495nm〜570nm)の一部または全部の波長域に対応する緑色光を吸収して、電子−正孔対を発生させる有機固体撮像素子である。
The organic
下部電極21は、半導体基板30内に形成された無機光電変換部32B,32Rの受光面と正対して、これらの受光面を覆う領域に設けられている。下部電極21は、光透過性を有する導電材料(透明導電材料)を用いて形成され、例えば、ITO(インジウムスズ酸化物)により構成されている。但し、下部電極21の構成材料としては、このITOの他にも、ドーパントを添加した酸化スズ(SnO2)系材料、あるいは亜鉛酸化物(ZnO)にドーパントを添加してなる酸化亜鉛系材料を用いてもよい。酸化亜鉛系材料としては、例えば、ドーパントとしてアルミニウム(Al)を添加したアルミニウム亜鉛酸化物(AZO)、ガリウム(Ga)添加のガリウム亜鉛酸化物(GZO)、インジウム(In)添加のインジウム亜鉛酸化物(IZO)が挙げられる。また、この他にも、インジウムタングステン酸化物(IWO)、CuI、InSbO4、ZnMgO、CuInO2、MgIN2O4、CdO、ZnSnO3等を用いてもよい。固体撮像素子10を1つの画素として用いる固体撮像装置1では、下部電極21は、画素毎に分離されていてもよいし、各画素に共通の電極として形成されていてもよい。
The
キャリアブロック層22Aは、例えば、下部電極21からの電荷(ここでは、電子)の注入を抑制するものである。キャリアブロック層22Aを形成する材料としては、例えば、フェナンスロリン系化合物、アルミニウムキノリン系化合物、オキサジアゾール系化合物およびシロール系化合物等が挙げられる。キャリアブロック層22Aの積層方向の膜厚(以下、単に厚みという)は、例えば10nm以上100nm以下であることが好ましい。
The
光電変換層23は、光エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。光電変換層23は、p型半導体またはn型半導体として機能する有機半導体材料を用いて形成されている。光電変換層23は、このp型半導体とn型半導体とが積層あるいは混合されて設けられたものであり、層内に、p型半導体とn型半導体との接合面(p/n接合面)が形成された、いわゆるバルクヘテロ構造を有するものである。p型半導体は、相対的に電子供与体(ドナー)として機能するものであり、n型半導体は、相対的に電子受容体(アクセプタ)として機能するものである。光電変換層23は、光を吸収した際に生じる励起子が電子と正孔とに分離する場を提供するものであり、具体的には、電子供与体と電子受容体との界面(p/n接合面)において、励起子が電子と正孔とに分離する。
The
光電変換層23を構成する有機半導体材料としては、例えば、キナクリドン、塩素化ホウ素サブフタロシアニン、ペンタセン、ベンゾチエノベンゾチオフェン、フラーレンおよびそれらの誘導体が挙げられる。光電変換層23は、上記有機半導体材料を2種以上組み合わせて構成されている。上記有機半導体材料は、その組み合わせによってp型半導体またはn型半導体として機能する。
Examples of the organic semiconductor material constituting the
なお、光電変換層23を構成する有機半導体材料は特に限定されない。上記した有機半導体材料以外には、例えば、ナフタレン、アントラセン、フェナントレン、テトラセン、ピレン、ペリレン、およびフルオランテンあるいはそれらの誘導体のうちのいずれか1種が好適に用いられる。あるいは、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れらの誘導体を用いてもよい。加えて、金属錯体色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、フェニルキサンテン系色素、トリフェニルメタン系色素、ロダシアニン系色素、キサンテン系色素、大環状アザアヌレン系色素、アズレン系色素、ナフトキノン、アントラキノン系色素、アントラセンおよびピレン等の縮合多環芳香族および芳香環あるいは複素環化合物が縮合した鎖状化合物、または、スクアリリウム基およびクロコニツクメチン基を結合鎖として持つキノリン、ベンゾチアゾール、ベンゾオキサゾール等の二つの含窒素複素環、または、スクアリリウム基およびクロコニツクメチン基により結合したシアニン系類似の色素等を好ましく用いることができる。なお、上記金属錯体色素としては、ジチオール金属錯体系色素、金属フタロシアニン色素、金属ポルフィリン色素、またはルテニウム錯体色素が好ましいが、これに限定されるものではない。光電変換層23の厚みは、例えば50nm以上500nm以下であることが好ましい。
The organic semiconductor material constituting the
キャリアブロック層22Bは、例えば、上部電極25からの電荷(ここでは、正孔)の注入を抑制するものである。キャリアブロック層22Bを形成する材料としては、分子内にハロゲン原子を含む材料、例えば、ナフタレンジイミド(NDI)系材料等の有機半導体材料が挙げられる。キャリアブロック層22Bの厚みは、例えば10nm以上100nm以下であることが好ましい。
The
中間層24は、例えば、分子内にハロゲン原子を含まない材料によって形成されたものである。分子内にハロゲン原子を含まない材料としては、例えば、分子内にピリジン骨格、ピリミジン骨格またはトリアジン骨格を含む材料が挙げられる。具体的には、例えば、B3PyMPM(bis-4,6-(3,5-di-3-pyridylphenyl)-2-methylpyrimi-dine)およびB4PyMPM等が挙げられる。
The
なお、有機光電変換部20には、キャリアブロック層22A,22B、光電変換層23および中間層24以外の他の層、例えば、バッファ層等が設けられていてもよい。
The organic
上部電極25は、下部電極21と同様の光透過性を有する導電材料(透明導電材料)を用いて形成されている。具体的には、例えば、ITO(インジウムスズ酸化物)、ドーパントを添加した酸化スズ(SnO2)系材料、あるいは、ドーパントを添加した酸化亜鉛系材料が挙げられる。酸化亜鉛系材料としては、例えば、ドーパントとしてアルミニウム(Al)を添加したアルミニウム亜鉛酸化物(AZO)、ガリウム(Ga)添加のガリウム亜鉛酸化物(GZO)、インジウム(In)添加のインジウム亜鉛酸化物(IZO)が挙げられる。また、この他にも、インジウムタングステン酸化物(IWO)、CuI、InSbO4、ZnMgO、CuInO2、MgIN2O4、CdO、ZnSnO3等を用いてもよい。上部電極25の厚みは、例えば10nm以上200nm以下であることが好ましい。
The
なお、有機光電変換部20を構成する各層の材料として複数の材料を挙げたが、本実施の形態の有機光電変換部20は、例えば、図3に示したようなエネルギー準位となるように選択されることが好ましい。具体的には、上部電極25(陰極)の仕事関数(WF)と、中間層24の最低空軌道(LUMO1)準位と、キャリアブロック層22Bの最低空軌道(LUMO2)準位と、光電変換層23に含まれるn型有機半導体材料の最低空軌道(LUMO3)準位とが、WF>LUMO1>LUMO2>LUMO3の大小関係となっていることが好ましい。これにより、光電変換層23で生じた電荷(ここでは、電子)の取り出し効率を向上させることが可能となる。また、中間層24の最高被占軌道(HOMO1)準位およびキャリアブロック層22Bの最高被占軌道(HOMO2)準位のうちの少なくとも一方が、上部電極25の仕事関数(WF)よりも深い準位に位置することが好ましい。これにより、上部電極25からの電荷(ここでは、電子)の注入を効率よく抑制することが可能となる。
Although a plurality of materials have been mentioned as materials for each layer constituting the organic
なお、図3では、中間層24のHOMO準位がキャリアブロック層22BのHOMO準位よりも浅くなっているが、これに限定されない。例えば、中間層24のHOMOは、キャリアブロック層22BのHOMO準位よりも深い準位を有していてもよい。
In FIG. 3, the HOMO level of the
固定電荷層26は、正の固定電荷を有する膜でもよいし、負の固定電荷を有する膜でもよい。負の固定電荷を有する膜の材料としては、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化タンタル、酸化チタン等が挙げられる。また上記以外の材料としては酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化セリウム、酸化ネオジム、酸化プロメチウム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロシウム、酸化正孔ミウム、酸化ツリウム、酸化イッテルビウム、酸化ルテチウム、酸化イットリウム、窒化アルミニウム膜、酸窒化ハフニウム膜または酸窒化アルミニウム膜等を用いてもよい。
The fixed
固定電荷層26は、2種類以上の膜を積層した構成を有していてもよい。それにより、例えば負の固定電荷を有する膜の場合には、正孔蓄積層としての機能をさらに高めることが可能である。
The fixed
誘電体層27の材料は特に限定されないが、例えば、シリコン酸化膜、TEOS、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜等によって形成されている。
The material of the
層間絶縁層28は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコン(SiON)等のうちの1種よりなる単層膜か、あるいはこれらのうちの2種以上よりなる積層膜により構成されている。
The interlayer insulating
保護層29は、光透過性を有する材料により構成され、例えば、酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコン等のうちのいずれかよりなる単層膜、あるいはそれらのうちの2種以上よりなる積層膜により構成されている。この保護層29の厚みは、例えば、100nm〜30000nmである。
The
半導体基板30は、例えば、n型のシリコン(Si)基板により構成され、所定領域にpウェル31を有している。pウェル31の第2面30Bには、上述した縦型トランジスタTr1,転送トランジスタTr2,アンプトランジスタAMP,リセットトランジスタRST等が設けられている。また、半導体基板30の周辺部には、ロジック回路等からなる周辺回路(図示せず)が設けられている。
The
無機光電変換部32B,32Rは、それぞれ、半導体基板30の所定領域にpn接合を有する。無機光電変換部32B,32Rは、シリコン基板において光の入射深さに応じて吸収される光の波長が異なることを利用して縦方向に光を分光することを可能としたものである。無機光電変換部32Bは、青色光を選択的に検出して青色に対応する信号電荷を蓄積させるものであり、青色光を効率的に光電変換可能な深さに設置されている。無機光電変換部32Rは、赤色光を選択的に検出して赤色に対応する信号電荷を蓄積させるものであり、赤色光を効率的に光電変換可能な深さに設置されている。なお、青(B)は、例えば450nm〜495nmの波長域、赤(R)は、例えば620nm〜750nmの波長域にそれぞれ対応する色である。無機光電変換部32B,32Rはそれぞれ、各波長域のうちの一部または全部の波長域の光を検出可能となっていればよい。
The inorganic
無機光電変換部32Bは、例えば、正孔蓄積層となるp+領域と、電子蓄積層となるn領域とを含んで構成されている。無機光電変換部32Rは、例えば、正孔蓄積層となるp+領域と、電子蓄積層となるn領域とを有する(p−n−pの積層構造を有する)。無機光電変換部32Bのn領域は、縦型トランジスタTr1に接続されている。無機光電変換部32Bのp+領域は、縦型トランジスタTr1に沿って屈曲し、無機光電変換部32Rのp+領域につながっている。
The inorganic
縦型トランジスタTr1は、無機光電変換部32Bにおいて発生し、蓄積された、青色に対応する信号電荷(本実施の形態では電子)を、フローティングディフュージョンFD1に転送する転送トランジスタである。無機光電変換部32Bは半導体基板30の第2面30Bから深い位置に形成されているので、無機光電変換部32Bの転送トランジスタは縦型トランジスタTr1により構成されていることが好ましい。
The vertical transistor Tr1 is a transfer transistor that transfers the signal charge (electrons in the present embodiment) corresponding to blue generated and accumulated in the inorganic
転送トランジスタTr2は、無機光電変換部32Rにおいて発生し、蓄積された、赤色に対応する信号電荷(本実施の形態では電子)を、フローティングディフュージョンFD2に転送するものであり、例えばMOSトランジスタにより構成されている。
The transfer transistor Tr2 transfers the signal charge (electrons in the present embodiment) corresponding to red color generated and accumulated in the inorganic
アンプトランジスタAMPは、有機光電変換部20で生じた電荷量を電圧に変調する変調素子であり、例えばMOSトランジスタにより構成されている。
The amplifier transistor AMP is a modulation element that modulates the amount of electric charge generated by the organic
リセットトランジスタRSTは、有機光電変換部20からフローティングディフュージョンFD3に転送された電荷をリセットするものであり、例えばMOSトランジスタにより構成されている。
The reset transistor RST resets the electric charge transferred from the organic
下部第1コンタクト35、下部第2コンタクト45、下部第3コンタクト46および上部コンタクト36は、例えば、PDAS(Phosphorus Doped Amorphous Silicon)等のドープされたシリコン材料、または、アルミニウム(Al)、タングステン(W)、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)等の金属材料により構成されている。
The lower
(1−2.固体撮像素子の製造方法)
本実施の形態の固体撮像素子10は、例えば、次のようにして製造することができる。
(1-2. Manufacturing method of solid-state image sensor)
The solid-state image sensor 10 of the present embodiment can be manufactured, for example, as follows.
図4〜図7は、固体撮像素子10の製造方法を工程順に表したものである。まず、図4に示したように、半導体基板30内に、第1の導電型のウェルとして例えばpウェル31を形成し、このpウェル31内に第2の導電型(例えばn型)の無機光電変換部32B,32Rを形成する。半導体基板30の第1面30A近傍にはp+領域を形成する。
4 to 7 show the manufacturing method of the solid-state image sensor 10 in the order of processes. First, as shown in FIG. 4, for example, a p-
また、同じく図4に示したように、貫通電極34および分離溝50の形成予定領域に、半導体基板30の第1面30Aから第2面30Bまで貫通する不純物領域(p+領域)を形成する。更に、貫通電極34の上端部および下端部の形成予定領域には高濃度不純物領域(p++領域)を形成する。
Further, as also shown in FIG. 4, an impurity region (p + region) penetrating from the
半導体基板30の第2面30Bには、同じく図4に示したように、フローティングディフュージョンFD1〜FD3となるn+領域を形成したのち、ゲート絶縁層33と、縦型トランジスタTr1、転送トランジスタTr2、アンプトランジスタAMPおよびリセットトランジスタRSTの各ゲートを含むゲート配線層37とを形成する。これにより、縦型トランジスタTr1、転送トランジスタTr2、アンプトランジスタAMPおよびリセットトランジスタRSTを形成する。更に、半導体基板30の第2面30B上に、下部第1コンタクト35、下部第2コンタクト45、下部第3コンタクト46、接続部41Aを含む配線層41〜43および絶縁層44からなる多層配線40を形成する。
As also shown in FIG. 4, an n + region serving as floating diffusion FD1 to FD3 is formed on the
半導体基板30の基体としては、例えば、半導体基板30と、埋込み酸化膜(図示せず)と、保持基板(図示せず)とを積層したSOI(Silicon on Insulator)基板を用いる。埋込み酸化膜および保持基板は、図4には図示しないが、半導体基板30の第1面30Aに接合されている。イオン注入後、アニール処理を行う。
As the substrate of the
次いで、半導体基板30の第2面30B側(多層配線40側)に支持基板(図示せず)または他の半導体基体等を接合して、上下反転する。続いて、半導体基板30をSOI基板の埋込み酸化膜および保持基板から分離し、半導体基板30の第1面30Aを露出させる。以上の工程は、イオン注入およびCVD(Chemical Vapor Deposition)等、通常のCMOSプロセスで使用されている技術にて行うことが可能である。
Next, a support substrate (not shown) or another semiconductor substrate is joined to the
次いで、図5に示したように、例えばドライエッチングにより半導体基板30を第1面30A側から加工し、輪状あるいは環状の分離溝50を形成する。分離溝50の深さは、図5の矢印D50Aに示したように、半導体基板30を第1面30Aから第2面30Bまで貫通してゲート絶縁層33に達することが好ましい。更に、分離溝50の底面53での絶縁効果をより高めるためには、分離溝50は、図5の矢印D50Bに示したように、半導体基板30およびゲート絶縁層33を貫通して多層配線40の絶縁層44に達することが好ましい。図5には、分離溝50が半導体基板30およびゲート絶縁層33を貫通している場合を表している。
Next, as shown in FIG. 5, the
続いて、図6に示したように、分離溝50の外側面51、内側面52および底面53と、半導体基板30の第1面30Aとに、例えば負の固定電荷層26を形成する。負の固定電荷層26として、2種類以上の膜を積層してもよい。それにより、正孔蓄積層としての機能をより高めることが可能となる。負の固定電荷層26を形成したのち、外側誘電体層27Aおよび内側誘電体層27Bを有する誘電体層27を形成する。このとき、誘電体層27の膜厚および成膜条件を適切に調節することで、分離溝50内において、外側誘電体層27Aと内側誘電体層27Bとの間に空洞54を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 6, for example, a negative fixed
次に、図7に示したように、層間絶縁層28を形成する。続いて、層間絶縁層28上に、下部電極21、キャリアブロック層22A、光電変換層23、キャリアブロック層22B、中間層24、上部電極25および保護層29を形成する。また、上部コンタクト36を形成し、貫通電極34の上端に接続する。最後に、平坦化層等の光学部材およびオンチップレンズ(図示せず)を配設する。以上により、図2に示した固体撮像素子10が完成する。
Next, as shown in FIG. 7, the
固体撮像素子10では、有機光電変換部20に、オンチップレンズ(図示せず)を介して光が入射すると、その光は、有機光電変換部20、無機光電変換部32B,32Rの順に通過し、その通過過程において緑、青、赤の色光毎に光電変換される。以下、各色の信号取得動作について説明する。
In the solid-state image sensor 10, when light is incident on the organic
(有機光電変換部20による緑色信号の取得)
固体撮像素子10へ入射した光のうち、まず、緑色光が、有機光電変換部20において選択的に検出(吸収)され、光電変換される。
(Acquisition of green signal by organic photoelectric conversion unit 20)
Of the light incident on the solid-state image sensor 10, green light is first selectively detected (absorbed) by the organic
有機光電変換部20は、貫通電極34を介して、アンプトランジスタAMPのゲートGampとフローティングディフュージョンFD3とに接続されている。よって、有機光電変換部20で発生した電子−正孔対のうちの電子が、ここでは、上部電極25側から取り出され、貫通電極34を介して半導体基板30の第2面30B側へ転送され、フローティングディフュージョンFD3に蓄積される。これと同時に、アンプトランジスタAMPにより、有機光電変換部20で生じた電荷量が電圧に変調される。
The organic
また、フローティングディフュージョンFD3の隣には、リセットトランジスタRSTのリセットゲートGrstが配置されている。これにより、フローティングディフュージョンFD3に蓄積された電荷は、リセットトランジスタRSTによりリセットされる。 Further, next to the floating diffusion FD3, a reset gate Grst of the reset transistor RST is arranged. As a result, the electric charge accumulated in the floating diffusion FD3 is reset by the reset transistor RST.
ここでは、有機光電変換部20が、貫通電極34を介して、アンプトランジスタAMPだけでなくフローティングディフュージョンFD3にも接続されているので、フローティングディフュージョンFD3に蓄積された電荷をリセットトランジスタRSTにより容易にリセットすることが可能となる。
Here, since the organic
これに対して、貫通電極34とフローティングディフュージョンFD3とが接続されていない場合には、フローティングディフュージョンFD3に蓄積された電荷をリセットすることが困難となり、大きな電圧をかけて上部電極25側へ引き抜くことになる。そのため、光電変換層23がダメージを受けるおそれがある。また、短時間でのリセットを可能とする構造は暗時ノイズの増大を招き、トレードオフとなるため、この構造は困難である。
On the other hand, when the through
(無機光電変換部32B,32Rによる青色信号,赤色信号の取得)
続いて、有機光電変換部20を透過した光のうち、青色光は無機光電変換部32B、赤色光は無機光電変換部32Rにおいて、それぞれ順に吸収され、光電変換される。無機光電変換部32Bでは、入射した青色光に対応した電子が無機光電変換部32Bのn領域に蓄積され、蓄積された電子は、縦型トランジスタTr1によりフローティングディフュージョンFD1へと転送される。同様に、無機光電変換部32Rでは、入射した赤色光に対応した電子が無機光電変換部32Rのn領域に蓄積され、蓄積された電子は、転送トランジスタTr2によりフローティングディフュージョンFD2へと転送される。
(Acquisition of blue signal and red signal by inorganic
Subsequently, of the light transmitted through the organic
(1−3.作用・効果)
有機半導体材料を用いた固体撮像素子では、前述したように、効率の良い電荷生成および電荷輸送を可能とするために、光電変換層は、p型およびn型の有機半導体材料を含んで形成されている。光電変換層に用いられているある有機半導体材料がp型半導体またはn型半導体として機能するかは、その有機半導体材料のエネルギー準位と、共に用いられている材料のエネルギー準位との相対関係によって決まる。
(1-3. Action / effect)
In a solid-state image sensor using an organic semiconductor material, as described above, the photoelectric conversion layer is formed to include p-type and n-type organic semiconductor materials in order to enable efficient charge generation and charge transport. ing. Whether an organic semiconductor material used in the photoelectric conversion layer functions as a p-type semiconductor or an n-type semiconductor is a relative relationship between the energy level of the organic semiconductor material and the energy level of the material used together. Depends on.
有機半導体では、HOMOとLUMOの準位差がバンドギャップ(Eg)に相当し、HOMOと真空準位とのエネルギー差をイオン化ポテンシャル(I)、LUMOと真空準位とのエネルギー差を電子親和力(χ)と呼ぶ。例えば、光電変換層に含まれる2種類の有機半導体材料のうち、一の有機半導体材料が他の有機半導体材料よりも高い電子親和力を有する場合には、一の有機半導体材料は、他の有機半導体材料よりも高い電子求引性を有する。このため、一の有機半導体材料はn型半導体として機能することとなり、他の有機半導体材料はp型半導体として機能する。有機半導体材料にn型の性質を持たせる方法としては、例えば、分子構造内に電気陰性度の大きなハロゲン原子を導入する方法がある。例えば、上述した塩素化ホウ素サブフタロシアニンは、キナクリドンと一緒に用いた場合には、n型半導体として機能する。 In organic semiconductors, the level difference between HOMO and LUMO corresponds to the band gap (Eg), the energy difference between HOMO and vacuum level is the ionization potential (I), and the energy difference between LUMO and vacuum level is electron affinity (e.g.). It is called χ). For example, when one of the two types of organic semiconductor materials contained in the photoelectric conversion layer has a higher electron affinity than the other organic semiconductor material, the one organic semiconductor material is the other organic semiconductor. It has higher electron attracting properties than materials. Therefore, one organic semiconductor material functions as an n-type semiconductor, and the other organic semiconductor material functions as a p-type semiconductor. As a method for imparting n-type properties to an organic semiconductor material, for example, there is a method of introducing a halogen atom having a large electronegativity into the molecular structure. For example, the above-mentioned boron chlorinated subphthalocyanine functions as an n-type semiconductor when used together with quinacridone.
また、前述したように、さらに電荷の取り出し効率を向上させるために光電変換層と一対の電極との間に、それぞれ電子ブロッキング層および正孔ブロッキング層が設けられた有機光電変換素子が報告されている。このような構成の有機光電変換素子では、正孔ブロッキング層は、光電変換層で生じた電荷(電子)を取り出しやすくするために、光電変換層内でn型半導体として機能する有機半導体材料よりも深いLUMOの値(高い電子親和力)を有する材料を用いて形成することが望ましい。このため、一般に、正孔ブロッキング層の材料にも、分子内にハロゲン原子を含む有機半導体材料が用いられている。 Further, as described above, an organic photoelectric conversion element in which an electron blocking layer and a hole blocking layer are provided between the photoelectric conversion layer and the pair of electrodes in order to further improve the charge extraction efficiency has been reported. There is. In an organic photoelectric conversion element having such a configuration, the hole blocking layer is more than an organic semiconductor material that functions as an n-type semiconductor in the photoelectric conversion layer in order to facilitate the extraction of charges (electrons) generated in the photoelectric conversion layer. It is desirable to form using a material having a deep LUMO value (high electron affinity). Therefore, in general, an organic semiconductor material containing a halogen atom in the molecule is also used as the material of the hole blocking layer.
ところが、分子内にハロゲン原子を含む有機半導体材料を含む層(例えば、正孔ブロッキング層等の有機層)上に電極を形成する場合、電極と有機層との界面にて有機半導体材料に含まれるハロゲン原子と電極材料とが反応し、互いに変性してしまう虞がある。各材料が変性した電極および有機膜を有する光電変換素子では、暗電流の悪化等の電気特性が低下するという問題が生じる。 However, when an electrode is formed on a layer containing an organic semiconductor material containing a halogen atom in the molecule (for example, an organic layer such as a hole blocking layer), the electrode is included in the organic semiconductor material at the interface between the electrode and the organic layer. There is a risk that the halogen atom and the electrode material will react and be denatured from each other. In a photoelectric conversion element having an electrode and an organic film in which each material is modified, there arises a problem that electrical characteristics such as deterioration of dark current are deteriorated.
これに対して、本実施の形態では、上部電極25と分子内にハロゲン原子を含む有機半導体材料を用いて形成されている層(例えば、キャリアブロック層22B)との間に、ハロゲン原子を含まない材料によって形成されている中間層24を設けるようにした。これにより、上部電極25形成時における上部電極25を構成する導電性材料およびキャリアブロック層22Bを構成する有機半導体材料の変性を抑制することが可能となる。
On the other hand, in the present embodiment, a halogen atom is contained between the
以上、本実施の形態では、上部電極25とキャリアブロック層22Bとの間に、ハロゲン原子を含まない材料を用いた中間層24を設けるようにしたので、上部電極25形成時における上部電極25およびキャリアブロック層22Bを構成する材料の変性が抑制される。よって、優れた電気特性を有する固体撮像素子10を提供することが可能となる。
As described above, in the present embodiment, since the
<2.適用例>
(適用例1)
図8は、上記実施の形態において説明した固体撮像素子10を各画素に用いた固体撮像装置(固体撮像装置1)の全体構成を表したものである。この固体撮像装置1は、CMOSイメージセンサであり、半導体基板30上に、撮像エリアとしての画素部1aを有すると共に、この画素部1aの周辺領域に、例えば、行走査部131、水平選択部133、列走査部134およびシステム制御部132からなる周辺回路部130を有している。
<2. Application example>
(Application example 1)
FIG. 8 shows the overall configuration of the solid-state image sensor (solid-state image sensor 1) using the solid-state image sensor 10 described in the above embodiment for each pixel. The solid-
画素部1aは、例えば、行列状に2次元配置された複数の単位画素P(固体撮像素子10に相当)を有している。この単位画素Pには、例えば、画素行ごとに画素駆動線Lread(具体的には行選択線およびリセット制御線)が配線され、画素列ごとに垂直信号線Lsigが配線されている。画素駆動線Lreadは、画素からの信号読み出しのための駆動信号を伝送するものである。画素駆動線Lreadの一端は、行走査部131の各行に対応した出力端に接続されている。
The
行走査部131は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、画素部1aの各画素Pを、例えば、行単位で駆動する画素駆動部である。行走査部131によって選択走査された画素行の各画素Pから出力される信号は、垂直信号線Lsigの各々を通して水平選択部133に供給される。水平選択部133は、垂直信号線Lsigごとに設けられたアンプや水平選択スイッチ等によって構成されている。
The
列走査部134は、シフトレジスタやアドレスデコーダ等によって構成され、水平選択部133の各水平選択スイッチを走査しつつ順番に駆動するものである。この列走査部134による選択走査により、垂直信号線Lsigの各々を通して伝送される各画素の信号が順番に水平信号線135に出力され、当該水平信号線135を通して半導体基板30の外部へ伝送される。
The
行走査部131、水平選択部133、列走査部134および水平信号線135からなる回路部分は、半導体基板30上に直に形成されていてもよいし、あるいは外部制御ICに配設されたものであってもよい。また、それらの回路部分は、ケーブル等により接続された他の基板に形成されていてもよい。
The circuit portion including the
システム制御部132は、半導体基板30の外部から与えられるクロックや、動作モードを指令するデータ等を受け取り、また、固体撮像装置1の内部情報等のデータを出力するものである。システム制御部132はさらに、各種のタイミング信号を生成するタイミングジェネレータを有し、当該タイミングジェネレータで生成された各種のタイミング信号を基に行走査部131、水平選択部133および列走査部134等の周辺回路の駆動制御を行う。
The
(適用例2)
上述の固体撮像装置1は、例えば、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等のカメラシステムや、撮像機能を有する携帯電話等、撮像機能を備えたあらゆるタイプの電子機器に適用することができる。図9に、その一例として、電子機器2(カメラ)の概略構成を示す。この電子機器2は、例えば、静止画または動画を撮影可能なビデオカメラであり、固体撮像装置1と、光学系(光学レンズ)310と、シャッタ装置311と、固体撮像装置1およびシャッタ装置311を駆動する駆動部313と、信号処理部312とを有する。
(Application example 2)
The above-mentioned solid-
光学系310は、被写体からの像光(入射光)を固体撮像装置1の画素部1aへ導くものである。この光学系310は、複数の光学レンズから構成されていてもよい。シャッタ装置311は、固体撮像装置1への光照射期間および遮光期間を制御するものである。駆動部313は、固体撮像装置1の転送動作およびシャッタ装置311のシャッタ動作を制御するものである。信号処理部312は、固体撮像装置1から出力された信号に対し、各種の信号処理を行うものである。信号処理後の映像信号Doutは、メモリ等の記憶媒体に記憶されるか、あるいは、モニタ等に出力される。
The
以上、実施の形態および適用例を挙げて説明したが、本開示内容は上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、固体撮像素子として、緑色光を検出する有機光電変換部20と、青色光,赤色光をそれぞれ検出する無機光電変換部32B,32Rとを積層させた構成としたが、本開示内容はこのような構造に限定されるものではない。即ち、有機光電変換部において赤色光あるいは青色光を検出するようにしてもよいし、無機光電変換部において緑色光を検出するようにしてもよい。
Although the embodiments and application examples have been described above, the contents of the present disclosure are not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications can be made. For example, in the above embodiment, the organic
また、これらの有機光電変換部および無機光電変換部の数やその比率も限定されるものではなく、2以上の有機光電変換部を設けてもよいし、有機光電変換部だけで複数色の色信号が得られるようにしてもよい。更に、有機光電変換部および無機光電変換部を縦方向に積層させる構造に限らず、基板面に沿って並列させてもよい。 Further, the number and ratio of these organic photoelectric conversion units and inorganic photoelectric conversion units are not limited, and two or more organic photoelectric conversion units may be provided, or a plurality of colors may be provided only by the organic photoelectric conversion unit. A signal may be obtained. Further, the structure is not limited to the structure in which the organic photoelectric conversion unit and the inorganic photoelectric conversion unit are laminated in the vertical direction, and may be arranged in parallel along the substrate surface.
更にまた、上記実施の形態では、裏面照射型の固体撮像装置の構成を例示したが、本開示内容は表面照射型の固体撮像装置にも適用可能である。また、本開示の固体撮像装置(固体撮像素子)では、上記実施の形態で説明した各構成要素を全て備えている必要はなく、また逆に他の層を備えていてもよい。 Furthermore, in the above embodiment, the configuration of the back-illuminated solid-state image sensor is illustrated, but the contents of the present disclosure can also be applied to the front-illuminated solid-state image sensor. Further, the solid-state image sensor (solid-state image sensor) of the present disclosure does not have to include all the constituent elements described in the above-described embodiment, and may conversely include other layers.
なお、本明細書中に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。 It should be noted that the effects described in the present specification are merely examples and are not limited, and other effects may be obtained.
なお、本開示は、以下のような構成であってもよい。
(1)
対向配置された下部電極および上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた光電変換層と、
前記光電変換層と、前記下部電極および前記上部電極との間にそれぞれ設けられた上部キャリアブロック層および下部キャリアブロック層と、
前記上部電極と前記上部キャリアブロック層との間に設けられると共に、分子内にハロゲン原子を含まない材料によって形成された中間層と
を備えた固体撮像素子。
(2)
前記上部キャリアブロック層は、分子内にハロゲン原子を含む有機半導体材料によって形成されている、前記(1)に記載の固体撮像素子。
(3)
前記分子内にハロゲン原子を含まない材料は、分子内にピリジン骨格、ピリミジン骨格またはトリアジン骨格を含む材料である、前記(1)または(2)に記載の固体撮像素子。
(4)
前記光電変換層は、n型有機半導体およびp型有機半導体を含む、前記(1)乃至(3)のうちのいずれかに記載の固体撮像素子。
(5)
前記上部電極の仕事関数(WF)と、前記中間層の最低空軌道(LUMO1)準位と、前記上部キャリアブロック層の最低空軌道(LUMO2)準位と、前記光電変換層に含まれる前記n型有機半導体の最低空軌道(LUMO3)準位とは、WF>LUMO1>LUMO2>LUMO3の大小関係を有する、前記(4)に記載の固体撮像素子。
(6)
前記中間層の最高被占軌道(HOMO1)準位および前記上部キャリアブロック層の最高被占軌道(HOMO2)準位のうちの少なくとも一方は、前記上部電極の仕事関数(WF)よりも深い準位に位置する、前記(1)乃至(5)のうちのいずれかに記載の固体撮像素子。
(7)
前記分子内にハロゲン原子を含む有機半導体材料は、ナフタレンジイミド(NDI)系材料である、前記(2)乃至(6)のうちのいずれかに記載の固体撮像素子。
(8)
前記上部電極は、透明導電材料により形成されている、前記(1)乃至(7)のうちのいずれかに記載の固体撮像素子。
(9)
前記上部電極は、インジウムスズ酸化物(ITO)、インジウム亜鉛酸化物(IZO)およびインジウムタングステン酸化物(IWO)のうちの少なくとも1種を含んで形成されている、前記(1)乃至(8)のうちのいずれかに記載の固体撮像素子。
(10)
1または複数の前記光電変換層を有する有機光電変換部と、前記有機光電変換部とは異なる波長域の光電変換を行う1または複数の無機光電変換部とが積層されている、前記(1)乃至(9)のうちのいずれかに記載の固体撮像素子。
(11)
前記無機光電変換部は、半導体基板に埋め込み形成され、
前記有機光電変換部は、前記半導体基板の第1面側に形成されている、前記(10)に記載の固体撮像素子。
(12)
前記半導体基板の第2面側に多層配線層が形成されている、前記(11)に記載の固体撮像素子。
(13)
1または複数の固体撮像素子がそれぞれ設けられている複数の画素を有し、
前記固体撮像素子は、
対向配置された下部電極および上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた光電変換層と、
前記光電変換層と、前記下部電極および前記上部電極との間にそれぞれ設けられた上部キャリアブロック層および下部キャリアブロック層と、
前記上部電極と前記上部キャリアブロック層との間に設けられると共に、ハロゲン原子を含まない材料によって形成された中間層と
を備えた固体撮像装置。
The present disclosure may have the following configuration.
(1)
With the lower and upper electrodes placed facing each other,
A photoelectric conversion layer provided between the lower electrode and the upper electrode,
An upper carrier block layer and a lower carrier block layer provided between the photoelectric conversion layer and the lower electrode and the upper electrode, respectively,
A solid-state image sensor provided between the upper electrode and the upper carrier block layer and provided with an intermediate layer formed of a material containing no halogen atom in the molecule.
(2)
The solid-state imaging device according to (1) above, wherein the upper carrier block layer is formed of an organic semiconductor material containing a halogen atom in the molecule.
(3)
The solid-state image sensor according to (1) or (2) above, wherein the material containing no halogen atom in the molecule is a material containing a pyridine skeleton, a pyrimidine skeleton, or a triazine skeleton in the molecule.
(4)
The solid-state imaging device according to any one of (1) to (3) above, wherein the photoelectric conversion layer includes an n-type organic semiconductor and a p-type organic semiconductor.
(5)
The work function (WF) of the upper electrode, the lowest empty orbital (LUMO1) level of the intermediate layer, the lowest empty orbital (LUMO2) level of the upper carrier block layer, and the n contained in the photoelectric conversion layer. The solid-state image sensor according to (4) above, wherein the lowest empty orbital (LUMO3) level of the type organic semiconductor has a magnitude relationship of WF>LUMO1>LUMO2> LUMO3.
(6)
At least one of the highest occupied orbital (HOMO1) level of the intermediate layer and the highest occupied orbital (HOMO2) level of the upper carrier block layer is a level deeper than the work function (WF) of the upper electrode. The solid-state imaging device according to any one of (1) to (5) above.
(7)
The solid-state image sensor according to any one of (2) to (6) above, wherein the organic semiconductor material containing a halogen atom in the molecule is a naphthalene diimide (NDI) -based material.
(8)
The solid-state image sensor according to any one of (1) to (7) above, wherein the upper electrode is made of a transparent conductive material.
(9)
The upper electrode is formed by containing at least one of indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), and indium tungsten oxide (IWO) (1) to (8). The solid-state image sensor according to any one of.
(10)
(1) The above (1), wherein an organic photoelectric conversion unit having one or a plurality of the photoelectric conversion layers and one or a plurality of inorganic photoelectric conversion units that perform photoelectric conversion in a wavelength range different from that of the organic photoelectric conversion unit are laminated. The solid-state imaging device according to any one of (9) to (9).
(11)
The inorganic photoelectric conversion unit is formed by being embedded in a semiconductor substrate.
The solid-state imaging device according to (10), wherein the organic photoelectric conversion unit is formed on the first surface side of the semiconductor substrate.
(12)
The solid-state image sensor according to (11), wherein a multilayer wiring layer is formed on the second surface side of the semiconductor substrate.
(13)
It has a plurality of pixels, each of which is provided with one or more solid-state image sensors.
The solid-state image sensor
With the lower and upper electrodes placed facing each other,
A photoelectric conversion layer provided between the lower electrode and the upper electrode,
An upper carrier block layer and a lower carrier block layer provided between the photoelectric conversion layer and the lower electrode and the upper electrode, respectively,
A solid-state image sensor provided between the upper electrode and the upper carrier block layer and provided with an intermediate layer formed of a halogen atom-free material.
1…固体撮像装置、10…固体撮像素子、20…有機光電変換部、21…下部電極、22A,22B…キャリアブロック層、23…光電変換層、24…中間層、25…上部電極、26…固定電荷層、27…誘電体層、28…層間絶縁層、29…保護層、30…半導体基板、31…pウェル、32B,32R…無機光電変換部、33…ゲート絶縁層、34…貫通電極、35…下部第1コンタクト、36…上部コンタクト、37…ゲート配線層、40…多層配線、41,42,43…配線層、44…絶縁層、45…下部第2コンタクト、46…下部第3コンタクト、50…分離溝。 1 ... Solid-state image sensor, 10 ... Solid-state image sensor, 20 ... Organic photoelectric conversion unit, 21 ... Lower electrode, 22A, 22B ... Carrier block layer, 23 ... Photoelectric conversion layer, 24 ... Intermediate layer, 25 ... Upper electrode, 26 ... Fixed charge layer, 27 ... dielectric layer, 28 ... interlayer insulating layer, 29 ... protective layer, 30 ... semiconductor substrate, 31 ... p well, 32B, 32R ... inorganic photoelectric conversion unit, 33 ... gate insulating layer, 34 ... through electrode , 35 ... Lower first contact, 36 ... Upper contact, 37 ... Gate wiring layer, 40 ... Multilayer wiring, 41, 42, 43 ... Wiring layer, 44 ... Insulation layer, 45 ... Lower second contact, 46 ... Lower third Contact, 50 ... Separation groove.
Claims (10)
前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた光電変換層と、
前記光電変換層と前記下部電極との間に設けられた下部キャリアブロック層と、
前記光電変換層と前記上部電極との間に設けられると共に、分子内にハロゲン原子を含むナフタレンジイミド(NDI)系の有機半導体材料によって形成されている上部キャリアブロック層と、
前記上部電極と前記上部キャリアブロック層との間に設けられると共に、分子内にハロゲン原子を含まず、分子内にピリジン骨格、ピリミジン骨格またはトリアジン骨格を有する材料によって形成され、前記上部電極および前記上部キャリアブロック層を構成する材料の変性を抑制する中間層と
を備えた固体撮像素子。 With the lower and upper electrodes placed facing each other,
A photoelectric conversion layer provided between the lower electrode and the upper electrode,
A lower carrier block layer provided between the photoelectric conversion layer and the lower electrode,
An upper carrier block layer provided between the photoelectric conversion layer and the upper electrode and formed of a naphthalene diimide (NDI) -based organic semiconductor material containing a halogen atom in the molecule.
Together provided between the upper carrier block layer and the upper electrode, free of halogen atoms in the molecule, pyridine skeleton in the molecule is formed of a material having a pyrimidine skeleton or a triazine skeleton, the upper electrode and the upper A solid-state imaging device including an intermediate layer that suppresses denaturation of materials constituting the carrier block layer.
前記有機光電変換部は、前記半導体基板の第1面側に形成されている、請求項7に記載の固体撮像素子。 The inorganic photoelectric conversion unit is formed by being embedded in a semiconductor substrate.
The solid-state imaging device according to claim 7, wherein the organic photoelectric conversion unit is formed on the first surface side of the semiconductor substrate.
前記固体撮像素子は、
対向配置された下部電極および上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極との間に設けられた光電変換層と、
前記光電変換層と前記下部電極との間に設けられた下部キャリアブロック層と、
前記光電変換層と前記上部電極との間に設けられると共に、分子内にハロゲン原子を含むナフタレンジイミド(NDI)系の有機半導体材料によって形成されている上部キャリアブロック層と、
前記上部電極と前記上部キャリアブロック層との間に設けられると共に、分子内にハロゲン原子を含まず、分子内にピリジン骨格、ピリミジン骨格またはトリアジン骨格を有する材料によって形成され、前記上部電極および前記上部キャリアブロック層を構成する材料の変性を抑制する中間層と
を備えた固体撮像装置。 It has a plurality of pixels, each of which is provided with one or more solid-state image sensors.
The solid-state image sensor
With the lower and upper electrodes placed facing each other,
A photoelectric conversion layer provided between the lower electrode and the upper electrode,
A lower carrier block layer provided between the photoelectric conversion layer and the lower electrode,
An upper carrier block layer provided between the photoelectric conversion layer and the upper electrode and formed of a naphthalene diimide (NDI) -based organic semiconductor material containing a halogen atom in the molecule.
Together provided between the upper carrier block layer and the upper electrode, free of halogen atoms in the molecule, pyridine skeleton in the molecule is formed of a material having a pyrimidine skeleton or a triazine skeleton, the upper electrode and the upper A solid-state imaging device including an intermediate layer that suppresses denaturation of materials constituting the carrier block layer.
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