(57)【要約】【課題】応答速度、キャリア輸送性(感度)、耐熱性の良好な有機光電変換素子及びそれを備えた撮像素子を提供する【解決手段】有機光電変換素子１は、正孔捕集電極２０と電子捕集電極４０とに挟持された少なくとも光電変換層３２を含む受光層３０を有し、正孔捕集電極２０と光電変換層３２との間に電子ブロッキング層３１を備え、光電変換層３２が、ｎ型有機半導体とｐ型有機半導体とのバルクへテロ層である第１の光電変換層３２ｂと、第１の光電変換層３２ｂの正孔捕集電極２０側の表面に接して形成されてなる第２の光電変換層３２ａとからなり、第２の光電変換層３２ａのｐ型有機半導体に対するｎ型有機半導体の混合比率の平均値Ｘ２が、第１の光電変換層３２ｂと第２の光電変換層３２ａとからなる光電変換層の前記平均値Ｘ１よりも高くなっている。【選択図】図１
2014209557.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正孔捕集電極と電子捕集電極とに挟持された少なくとも光電変換層を含む受光層を有する有機光電変換素子であって、
前記正孔捕集電極と前記光電変換層との間に電子ブロッキング層を備え、
前記光電変換層が、ｎ型有機半導体とｐ型有機半導体とのバルクへテロ層である第１の光電変換層と、
該第１の光電変換層の前記正孔捕集電極側の表面に接して形成されてなる第２の光電変換層とからなり、
該第２の光電変換層の前記ｐ型有機半導体に対する前記ｎ型有機半導体の混合比率の平均値が、前記第１の光電変換層と前記第２の光電変換層とからなる光電変換層の該平均値よりも高い光電変換素子。
【請求項２】
前記第２の光電変換層の厚みが、前記第１の光電変換層と前記第２の光電変換層とからなる光電変換層の厚みの０．７５％以下である請求項１記載の光電変換素子。
【請求項３】
前記正孔捕集電極が下部電極である請求項１又は２いずれか１項に記載の光電変換素子。
【請求項４】
前記ｎ型有機半導体がフラーレンを含む請求項１〜３いずれか１項記載の光電変換素子。
【請求項５】
前記ｐ型有機半導体材料は、下記一般式（１）で表される化合物を含む請求項１〜４いずれか１項記載の光電変換素子。
【化１】
2014209557.tif 000016
（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。）
【請求項６】
複数の、請求項１〜５のいずれか1項に記載の光電変換素子と、
前記光電変換素子の前記光電変換層で発生した電荷に応じた信号を読み出す信号読出し回路が形成された回路基板とを備えてなることを特徴とする撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は有機層からなる光電変換層を有する有機光電変換素子及びそれを備えてなる撮像素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
デ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、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子が広く知られている。これらの素子には、光電変換層を含む受光層を備えた光電変換素子が備えられている。
【０００３】
有機化合物を用いた光電変換素子及びそれを用いた撮像素子の開発が本出願人らによって進められている。上記センサや撮像素子等の用途で用いられる光電変換素子には、光電流／暗電流のＳ／Ｎ比、及び、応答速度、及び光電変換効率（感度）がその性能において重要である。
【０００４】
本出願人らは、光電変換効率（感度）の向上を目的として、受光層の一部に、ｐ型有機半導体とフラーレン又はフラーレン誘導体等のｎ型半導体との混合層（バルクへテロ層）を用いた有機光電変換素子を出願している（特許文献１）。
【０００５】
また、本出願人らは、特許文献２において、受光層の一部にバルクへテロ層を備えた構成において、電子ブロッキング層の少なくとも一層が、フラーレンを含む混合層である光電変換素子を開示している。
【０００６】
特許文献３では、バルクヘテロ層において、ｐ型有機半導体に対するフラーレン類の混合比を２：１より小さくすることにより、暗電流の発生を抑制し、光電変換効率を向上させた光電変換素子を開示している。
更に、特許文献４では、光電変換層の少なくとも１部がバルクヘテロ層であり、電子捕集電極側のバルクヘテロ層のフラーレン類の体積比を多くすることにより暗電流を抑制し、光電変換効率が高くなることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１２３７０７号公報
【特許文献２】特開２０１２−９４６６０号公報
【特許文献３】特開２０１２−４５７８号公報
【特許文献４】特開２００９−９９８６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
バルクヘテロ層の成膜方法としては、ｐ型有機半導体材料とｎ型有機半導体材料とを共蒸着する方法が一般によく採用される。共蒸着は、例えば２種類の蒸着源を配してその蒸着量や速度をコントロールしてその所望の組成の膜を形成する。
バルクヘテロ層を共蒸着により成膜した場合に、蒸着条件によって光電変換素子の応答速度や感度が異なることがある。共蒸着は、通常、成膜の制御をシャッターの開閉により行うため、開閉時には、シャッターの開き具合によって成膜される膜組成が変化することがある。膜組成のずれは、応答速度、キャリア輸送性(感度)、耐熱性等の光電変換素子の性能に悪影響を与えることがあるため、かかる影響を極力受けずに成膜を実施することが好ましい。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、応答速度、キャリア輸送性(感度)、耐熱性の良好な有機光電変換素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の有機光電変換素子は、正孔捕集電極と電子捕集電極とに挟持された少なくとも光電変換層を含む受光層を有する有機光電変換素子であって、
正孔捕集電極と光電変換層との間に電子ブロッキング層を備え、
光電変換層が、ｎ型有機半導体とｐ型有機半導体とのバルクへテロ層である第１の光電変換層と、
第１の光電変換層の正孔捕集電極側の表面に接して形成されてなる第２の光電変換層とからなり、
第２の光電変換層のｐ型有機半導体に対するｎ型有機半導体の混合比率の平均値が、第１の光電変換層と第２の光電変換層とからなる光電変換層のｐ型有機半導体に対するｎ型有機半導体の混合比率の平均値よりも高いものである。
【００１０】
ｐ型有機半導体に対するｎ型有機半導体の混合比率の平均値は、以下のようにして求めた値とする。
あらかじめ、分光吸収測定によりｐ型有機半導体単膜、ｎ型有機半導体単膜の吸収スペクトルを測定し、p型、ｎ型の吸収ピークのabsobanceと膜厚の相関関係を把握しておく。
その上でバルクへテロ膜の分光吸収測定を行ない、p型、ｎ型有機半導体のそれぞれの吸収ピークのabsorbanceから膜厚を算出し、バルクへテロ中のp型とｎ型の比を求めることにより算出する。P型、ｎ型の吸収ピークは各材料によって異なっているため、材料毎に吸収ピークを求めておく必要がある。本実施例では光電変換層に用いたp型有機半導体の化合物１，３，４は560nmに、化合物5は600nmに吸収ピークをもち、n型有機半導体は400nmに吸収ピークを持つ。本実施例では、分光吸収測定はHITACHI社製UV3360を用いて測定している。
【００１１】
第２の光電変換層の厚みは、第１の光電変換層と第２の光電変換層とからなる光電変換層の厚みの０．７５％以下であることが好ましい。ここで、各層の厚みとは、各層成膜後に触針膜厚計DEKTAKにて、膜端部の任意の4箇所測定した平均値を意味する。
【００１２】
本発明は、正孔捕集電極が下部電極である場合に好適である。また、ｎ型有機半導体としてはフラーレンを含むことが好ましい。本明細書において「フラーレン」とは、「フラーレン及びフラーレン誘導体」を意味するものとする。
ｐ型有機半導体は、下記一般式（１）で表される化合物を含むことが好ましい。
【化１】
2014209557.tif 000003
（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。）
【００１３】
本発明の撮像素子は、複数の、上記本発明の光電変換素子と、光電変換層で発生した電荷に応じた信号を読み出す信号読出し回路が形成された回路基板とを備えてなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光電変換素子は、第１の光電変換層と第２の光電変換層とからなる光電変換層を備えており、第２の光電変換層は正孔捕集電極側の表面に形成されてなり、第１の光電変換層と第２の光電変換層とからなる光電変換層よりも、ｐ型有機半導体に対するｎ型有機半導体の混合比率の平均値が高い第２の光電変換層を備えた構成としている。かかる構成によれば、光電変換層において、正孔捕集電極側の端部にｐ型有機半導体の単一組成膜やｐ型有機半導体組成の多い領域が存在することによる移動度の低下、及びその端部付近における再結合を抑制することができる。従って、本発明の有機光電変換素子は、応答速度、キャリア輸送性(感度)、耐熱性の良好なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態の光電変換素子の概略構成を示す断面模式図
【図２】本発明の一実施形態の撮像素子の概略構成を示す断面模式図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
「光電変換素子」
図面を参照して、本発明にかかる一実施形態の光電変換素子について説明する。図１は、本実施形態の光電変換素子の構成を示す概略断面図である。本明細書の図面において、視認しやすくするため、各部の縮尺は適宜変更して示してある。
【００１７】
図１に示されるように、有機光電変換素子１（光電変換素子１）は、基板１０と、基板１０上に形成された正孔捕集電極２０と、正孔捕集電極２０上に形成された電子ブロッキング層３１と、電子ブロッキング層３１上に形成された光電変換層３２と、光電変換層３２上に形成された正孔ブロッキング層３３と、正孔ブロッキング層３３上に形成された電子捕集電極４０と、電子捕集電極４０の表面及び、正孔捕集電極２０から電子捕集電極４０まで積層された積層体の側面を被覆してなる封止層５０とを備える。
【００１８】
光電変換素子１において、電子捕集電極４０は透明電極であり、電子捕集電極４０上方から光が入射すると、この光が電子捕集電極４０を透過して光電変換層３２に入射し、ここで電荷が発生する。発生した電荷のうちの正孔は正孔捕集電極２０に移動し、電子は電子捕集電極４０に移動する。
【００１９】
電子捕集電極４０及び正孔捕集電極２０間にバイアス電圧（外部電場）を印加することで、光電変換層３２で発生した電荷のうち、正孔を正孔捕集電極２０に、電子を電子捕集電極４０に移動させることができる。
【００２０】
光電変換層３２は、電子捕集電極４０側の第１の光電変換層３２ｂと、正孔捕集電極側の第２の光電変換層３２ａとから構成されている。第１の光電変換層３２ｂ及び第２の光電変換層３２ａは、バルクヘテロ層であるが、第２の光電変換層３２ａについては、ｎ型有機半導体の単層であることもある。
【００２１】
バルクへテロ層からなる光電変換層は、バルクへテロ層におけるｎ型有機半導体とｐ型有機半導体の混合比率によって、（１）バルクへテロ層中のキャリア輸送性、（２）可視光吸収率、（３）電子ブロッキング層との間のキャリア輸送性、（４）耐熱性について最適化することができる。これらの特性を良好にすることで、耐熱性を有し、且つ、応答速度及び感度が良好な、暗電流の少ない光電変換素子とすることができる。
【００２２】
（１）バルクヘテロ層中のキャリア輸送性の観点では、
バルクへテロ層中のｎ型有機半導体の含有率は、４０％〜８０％が好ましい。
【００２３】
（２）可視光吸収率の観点では、
可視領域に吸収ピーク波長を有するp型有機半導体の量が少ないと、入射光の吸収量が低下する。従って、充分な入射光吸収量を得るためにはｐ型有機半導体をバルクへテロ層中に充分混入する必要がある。
【００２４】
バルクへテロ層中のｎ型有機半導体の含有率が多い場合、p型有機半導体を充分混入させると、光電変換層の膜厚が厚くなる。光電変換素子１は、一対の電極間に外部電場を印加して駆動することが出来るが、光電変換層３２の膜厚が厚くなると、光電変換素子を駆動するために必要な電圧が高くなってしまうことから、光電変換層３２の膜厚はできるだけ薄い方が好ましい。光電変換層３２の膜厚は、１０００ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは７００ｎｍ以下、特に好ましくは５００ｎｍ以下である。従って、可視光吸収性を高くするためにｐ型有機半導体を充分混入させるためには、光電変換層３２中のｎ型有機半導体の含有率はできるだけ低くすることが好ましい。
（３）電子ブロッキング層へのキャリア輸送性（正孔輸送性）の観点では、
光電変換層３２で発生した光キャリアのうち正孔は、電子ブロッキング層３１を経由して正孔捕集電極２０で捕集される。
【００２５】
電子ブロッキング層３１と、光電変換層３２ａの接触界面において、電子ブロッキング層３１を構成する有機半導体と、光電変換層中３２ａ中のｐ型有機半導体とが混合した領域が形成されると、その混合領域にトラップが形成され、感度、光電変換効率、暗電流特性の低下を引き起こすと考えられる。従って、電子ブロッキング層３１側、すなわち、正孔捕集電極側と接触している光電変換層は、ｐ型有機半導体ができるだけ少ない方が好ましい。
（４）耐熱性の観点では、の光センサに用いる場合、デバイス化するために、カラーフィルターの形成や、ワイヤーボンディング工程等を行う必要がある。これらの工程で、撮像デバイスは２００℃以上に加熱されるため、撮像デバイスに用いる有機光電変換膜には２００℃以上の耐熱性が必要となる。
【００２６】
バルクへテロ層は、ｎ型有機半導体の含有率が高い程、膜が安定となり、耐熱性が向上する。従って、充分高い耐熱性を実現するためには、第１の光電変換層３２ｂにおいてｎ型有機半導体の含有率は５０％以上であることが好ましい。第２の光電変換層３２ａのｎ型有機半導体の含有量は、耐熱性の観点からは多い方が好ましい。
【００２７】
上記（１）〜（４）の観点による検討によれば、応答速度、キャリア輸送性、耐熱性の観点では、バルクへテロ層中のｎ型有機半導体含有率はより高い方がよいが、可視光吸収性の観点ではｎ型有機半導体含有率を下げてバルクへテロ層の膜厚増加を抑制する方がよい。本発明者は、鋭意検討の結果、（３）に記載したトラップの形成が、応答速度、キャリア輸送性(感度)、耐熱性に大きく影響を及ぼすことを見出した（後記実施例を参照）。
【００２８】
（３）の観点では、電子ブロッキング層３１側（正孔捕集電極側）と接触している光電変換層（バルクヘテロ層）は、できるだけｐ型有機半導体の含有量が少ないことが好ましく、理論的には、ｎ型有機半導体のみである（バルクヘテロ層ではない単層）ことが好ましいことになる。
そこで本発明者は、正孔捕集電極側の第１の光電変換層３２ａとして、応答速度、キャリア輸送性(感度)、耐熱性への影響を最小限としうる、組成及び膜厚について検討を行った。
【００２９】
通常、隣接するバルクヘテロ層（光電変換層）同士のｎ型有機半導体含有率の差は、大きすぎると層間のキャリア輸送速度が低下してしまい、光電変換素子の応答速度低下を引き起こす。本発明者は、第２の光電変換層３２ａの厚みｄを、第１の光電変換層と第２の光電変換層とからなる光電変換層３２の厚みＤの０．７５％以下とすることにより、第２の光電変換層をｎ型有機半導体の単層とした場合であっても、上記層間のキャリア輸送速度への大きな影響を及ぼすことなく、正孔捕集電極２０側（電子ブロッキング層側）のトラップの抑制し、応答速度、キャリア輸送性(感度)、耐熱性の良好な有機光電変換素子となることを見出し、本発明を完成した。
【００３０】
すなわち、有機光電変換素子１は、正孔捕集電極２０と電子捕集電極４０とに挟持された少なくとも光電変換層３２を含む受光層３０を有するものであって、
正孔捕集電極２０と光電変換層３２との間に電子ブロッキング層３１を備え、
光電変換層３２が、ｎ型有機半導体とｐ型有機半導体とのバルクへテロ層である第１の光電変換層３２ｂと、
第１の光電変換層３２ｂの正孔捕集電極２０側の表面に接して形成されてなる第２の光電変換層３２ａとからなり、
第２の光電変換層３２ａのｐ型有機半導体に対するｎ型有機半導体の混合比率の平均値Ｘ２が、第１の光電変換層３２ｂと第２の光電変換層３２ａとからなる光電変換層の前記平均値Ｘ１よりも高い構成としている。
以下に、有機光電変換素子１の各層の構成について説明する。
【００３１】
＜基板及び電極＞
基板１０としては特に制限なく、シリコン基板、ガラス基板等を用いることができる。
正孔捕集電極２０は、光電変換層３２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り、後記する撮像素子の構成においては画素電極に相当する。正孔捕集電極２０としては、導電性が良好であれば特に制限されないが、用途に応じて、透明性を持たせる場合と、逆に透明を持たせず光を反射させるような材料を用いる場合等がある。
【００３２】
具体的には、金属、金属酸化物、金属窒化物、金属硼化物、有機導電性化合物、これらの混合物等が挙げられ、更に具体的には、アンチモンやフッ素等をドープした酸化錫（ＡＴＯ、ＦＴＯ）、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）、酸化亜鉛インジウム（ＩＺＯ）等の導電性金属酸化物、金、銀、クロム、ニッケル、チタン、タングステン、アルミ等の金属及びこれらの金属の酸化物や窒化物などの導電性化合物（一例として窒化チタン（ＴｉＮ）を挙げる）、更にこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物又は積層物、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロールなどの有機導電性材料、及びこれらとＩＴＯ又は窒化チタンとの積層物などが挙げられる。正孔捕集電極２０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、窒化タングステンのいずれかの材料である。
【００３３】
電子捕集電極４０は、光電変換層３２で発生した電荷のうちの電子を捕集する電極であり、本実施形態では受光側に配された透明電極である。電子捕集電極４０としては、光電変換層３２に光を入射させるために、光電変換層３２が感度を持つ波長の光に対して十分に透明な導電性材料であれば特に制限されないいが、光電変換層３２に入射する光の絶対量が大きく、外部量子効率を高くするために、透明導電性酸化物（ＴＣＯ）を用いることが好ましい。電子捕集電極４０は、後記する撮像素子の構成においては画素電極に相当する。
【００３４】
電子捕集電極４０としては、具体的には、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、ＦＴＯ（フッ素ドープ酸化スズ）のいずれかの材料が挙げられる。
【００３５】
電子捕集電極４０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。
【００３６】
電極（２０，４０）を形成する方法は特に限定されず、電極材料との適正を考慮して適宜選択することができる。具体的には、印刷方式、コーティング方式等の湿式方式、真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等の物理的方式、ＣＶＤ、プラズマＣＶＤ法等の化学的方式等により形成することができる。
【００３７】
電極の材料がＩＴＯの場合、電子ビーム法、スパッタリング法、抵抗加熱蒸着法、化学反応法（ゾルーゲル法など）、酸化インジウムスズの分散物の塗布などの方法で形成することができる。更に、ＩＴＯを用いて作製された膜に、ＵＶ−オゾン処理、プラズマ処理などを施すことができる。電極の材料がＴｉＮの場合、反応性スパッタリング法をはじめとする各種の方法が用いられ、更にアニール処理、ＵＶ−オゾン処理、プラズマ処理などを施すことができる。
【００３８】
ＴＣＯなどの透明導電膜を電子捕集電極４０とした場合、ＤＣショート、あるいはリーク電流増大が生じる場合がある。この原因の一つは、光電変換層３２に導入される微細なクラックがＴＣＯなどの緻密な膜によってカバレッジされ、反対側の下部電極２０との間の導通が増すためと考えられる。そのため、Ａｌなど膜質が比較的劣る電極の場合、リーク電流の増大は生じにくい。電子捕集電極４０の膜厚を、光電変換層３２の膜厚（すなわち、クラックの深さ）に対して制御する事により、リーク電流の増大を大きく抑制できる。電子捕集電極４０の厚みは、光電変換層３２厚みの１／５以下、好ましくは１／１０以下であるようにする事が望ましい。
【００３９】
通常、導電性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が、本実施形態に係る光電変換素子を組み込んだ固体撮像素子では、シート抵抗は、好ましくは１００〜１００００Ω／□でよく、薄膜化できる膜厚の範囲の自由度は大きい。また、上部電極４０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３２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、リーク電流の抑制、薄膜の抵抗値の増大、透過率の増加を考慮すると、電子捕集電極４０の膜厚は、５〜１００ｎｍであることが好ましく、５〜２０ｎｍである事がより好ましい。
【００４０】
＜受光層＞
受光層３０は、少なくとも電子ブロッキング層３１と光電変換層３２を含む層である。
受光層３０の成膜方法は特に制限されず、それぞれの乾式成膜法又は湿式成膜法により形成することができるが、成膜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、水分と接触しないようにすることが好ましい。かかる成膜方法としては真空蒸着法が挙げられる。真空蒸着法においては、水晶振動子、干渉計等の膜厚モニタ−を用いて蒸着速度をＰＩもしくはＰＩＤ制御することが好ましい。また、２種以上の化合物を同時に蒸着する場合には共蒸着法を用いることができ、共蒸着法は、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、フラッシュ蒸着等を用いて実施することが好ましい。
【００４１】
受光層３０を乾式成膜法により形成する場合、形成時の真空度は、受光層形成時の素子特性の劣化を防止することを考慮すると、１×１０−３Ｐａ以下が好ましく、４×１０−４Ｐａ以下がさらに好ましく、１×１０−４Ｐａ以下が特に好ましい。
【００４２】
受光層３０の厚みは、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下が好ましく、さらに好ましくは５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下、特に好ましくは１００ｎｍ以上６００ｎｍ以下である。１０ｎｍ以上とすることにより、好適な暗電流抑制効果が得られ、１０００ｎｍ以下とすることにより、好適な光電変換効率（感度）が得られる。
【００４３】
＜＜光電変換層＞＞
既に述べたように、光電変換層３２は、第１の光電変換層３２ｂと第２の光電変換層３２ａとにより構成されている。
第１の光電変換層３２ｂのｐ型有機半導体に対するｎ型有機半導体の混合比率Ｘ１は、上記のように、キャリア輸送性、可視光吸収率等を考慮して最適化された混合比率であることが好ましい。第１の光電変換層３２ｂは、混合比率が略均一な１層からなる構成でもよいし、比率の異なる複数層から構成されていてもよい。
【００４４】
第２の光電変換層３２ａは、第１の光電変換層３２ｂと第２の光電変換層３２ｂとからなる光電変換層３２の混合比率の平均値Ｘ１よりも大きい平均値Ｘ２を持っている層であればよく、ｎ型有機半導体のみからなる層であってもよい。
第２の光電変換層３２ａの混合比率Ｘ２は、好適化された第１の光電変換層３２ｂの混合比率Ｘ１より大きいことから、第２の光電変換層３２ａの平均膜厚は、できるだけ薄いことが好ましく、厚くとも、第１の光電変換層３２ｂの平均膜厚の０．７５％以下の膜厚であることが好ましい（後記実施例を参照）。
【００４５】
光電変換層（バルクへテロ層）３２におけるｎ型有機半導体としては特に制限なく、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５４０、ミックスドフラーレン、フラーレンナノチューブ等が挙げられる。以下に代表的なフラーレンの骨格を示す。
【化２】
2014209557.tif 000004
また、フラーレン誘導体とはこれらに置換基が付加された化合物のことを表す。フラーレン誘導体の置換基として好ましくは、アルキル基、アリール基、又は複素環基である。アルキル基として更に好ましくは、炭素数１〜１２までのアルキル基であり、アリール基、及び複素環基として好ましくは、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、フェナントレン環、フルオレン環、トリフェニレン環、ナフタセン環、ビフェニル環、ピロール環、フラン環、チオフェン環、イミダゾール環、オキサゾール環、チアゾール環、ピリジン環、ピラジン環、ピリミジン環、ピリダジン環、インドリジン環、インドール環、ベンゾフラン環、ベンゾチオフェン環、イソベンゾフラン環、ベンズイミダゾール環、イミダゾピリジン環、キノリジン環、キノリン環、フタラジン環、ナフチリジン環、キノキサリン環、キノキサゾリン環、イソキノリン環、カルバゾール環、フェナントリジン環、アクリジン環、フェナントロリン環、チアントレン環、クロメン環、キサンテン環、フェノキサチイン環、フェノチアジン環、またはフェナジン環であり、さらに好ましくは、ベンゼン環、ナフタレン環、アントラセン環、フェナントレン環、ピリジン環、イミダゾール環、オキサゾール環、またはチアゾール環であり、特に好ましくはベンゼン環、ナフタレン環、またはピリジン環である。これらはさらに置換基を有していてもよく、その置換基は可能な限り結合して環を形成してもよい。なお、複数の置換基を有しても良く、それらは同一であっても異なっていてもよい。また、複数の置換基は可能な限り結合して環を形成してもよい。
【００４６】
バルクへテロ層３２において、ｎ型有機半導体と混合する有機p型半導体は特に制限されないが、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４５０ｎｍ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。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。
【００４７】
ｐ型有機半導体は、ドナー性有機半導体（化合物）であり、主に正孔輸送性有機化合物に代表され、電子を供与しやすい性質がある有機化合物あり、さらに詳しくは２つの有機材料を接触させて用いたときにイオン化ポテンシャルの小さい方の有機化合物である。従って、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。
【００４８】
ｐ型有機半導体としては、例えば、トリアリールアミン化合物、ピラン化合物、キナクリドン化合物、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、トリアリールアミン化合物、ピラン化合物、キナクリドン化合物、ピロール化合物、フタロシアニン化合物、メロシアニン化合物、縮合芳香族炭素環化合物が好ましい。
【００４９】
ｐ型有機半導体の好適な材料として例えば、下記一般式（１）で表される化合物が挙げられる。
【化１】
2014209557.tif 000005
（一般式（１）中、Ｚ１は５又は６員環を形成するのに必要な原子群を表す。Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３はそれぞれ独立に、無置換メチン基、又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。）
【００５０】
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、又は、５員環及び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、又は、５員環及び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。
【００５１】
（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：例えばバルビツール酸又は２−チオバルビツール酸及びその誘導体等。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：例えばローダニン及びその誘導体等。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。
（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）ベンゾチオフェンー３−オン核：例えばベンゾチオフェンー３−オン、オキソベンゾチオフェンー３−オン、ジオキソベンゾチオフェンー３−オン等。
（ｑ）インダノン核：例えば１−インダノン、３−フェニルー１−インダノン、３−メチルー１−インダノン、３，３−ジフェニルー１−インダノン、３，３−ジメチルー１−インダノン等。
【００５２】
Ｚ１で表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、例えばバルビツール酸核、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、例えばバルビツール酸核、２−チオバルビツール酸核）、３，５−ピラゾリジンジオン核、ベンゾチオフェンー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、例えばバルビツール酸核、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、バルビツール酸核、２−チオバルビツール酸核及びそれらの誘導体である。
【００５３】
一般式（１）において、Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３はそれぞれ独立に、無置換メチン基、又は置換メチン基を表す。置換メチン基同士が結合して環を形成してもよい。環としては６員環（例えば、ベンゼン環等）が挙げられる。置換メチン基の置換基としては後述の置換基Ｗが挙げられるが、Ｌ１、Ｌ２及びＬ３は全てが無置換メチン基である場合が好ましい。
【００５４】
一般式（１）において、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ことができるが、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。
【００５５】
一般式（１）において、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、更に、前記Ｄ１が−ＮＲａ（Ｒｂ）が置換したアリール基（好ましくは、置換基を有してもよい、フェニル基又はナフチル基）を表す場合が好ましい。Ｒａ、及びＲｂはそれぞれ独立に、水素原子、又は置換基を表し、該置換基としては後述する置換基Ｗが挙げられるが、好ましくは、脂肪族炭化水素基（好ましくは置換基を有してもよいアルキル基又はアルケニル基）、アリール基、又はヘテロ環基である。
【００５６】
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。該アリーレン基は、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、フェニレン基又はナフチレン基が好ましい。
【００５７】
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）、又はヘテロ環基である。
【００５８】
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。該アリール基は、置換基を有していてもよく、好ましくは炭素数１〜４のアルキル基又は炭素数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、フェニル基又はナフチル基が好ましい。
【００５９】
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。該ヘテロ環基は、置換基を有していてもよく、好ましくは炭素数１〜４のアルキル基又は炭素数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。
【００６０】
Ｄ１、Ｒａ、及びＲｂが表すアリーレン基及びアリール基はベンゼン環又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、ナフタレン環又はアントラセン環がより好ましくは、ベンゼン環又はナフタレン環が更に好ましい。
【００６１】
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、アルキル及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、アルキル及びアリールスルフィニル基、アルキル及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、アリール及びヘテロ環アゾ基、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（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。
【００６２】
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、又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。
【００６３】
Ｒａ、Ｒｂは互いに置換基同士が結合して環（好ましくは５員又は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員又は６員環、より好ましくは６員環）を形成してもよい。
【００６４】
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。
【００６５】
一般式（１）で表される化合物は下記一般式（２）で表される化合物であることが好ましい。
【化３】
2014209557.tif 000006
（式中、Ｚ２、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、及びｎは一般式（１）におけるＺ１、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、及びｎと同義であり、その好ましい例も同様である。Ｄ２１は置換又は無置換のアリーレン基を表す。Ｄ２２、及びＤ２３はそれぞれ独立に、置換若しくは無置換のアリール基又は置換若しくは無置換のヘテロ環基を表す。）
Ｄ２１が表すアリーレン基としては、Ｄ１が表すアリーレン環基と同義であり、その好ましい例も同様である。
【００６６】
Ｄ２２、及びＤ２３が表すアリール基としては、それぞれ独立に、Ｒａ、及びＲｂが表すヘテロ環基と同義であり、その好ましい例も同様である。
【００６７】
以下に一般式（１）で表される化合物の好ましい具体例を、一般式（３）を用いて示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【化４】
2014209557.tif 000007
（式（３）中、Ｚ３は下記Ａ−１〜Ａ−１２のいずれかを表す。Ｌ３１がメチレンを表し、ｎが０を表す。Ｄ３１がＢ−１〜Ｂ−９のいずれかであり、Ｄ３２、及びＤ３３がＣ−１〜Ｃ−１６のいずれかを表す。）
Ｚ３としては、Ａ−２が好ましく、Ｄ３２、及びＤ３３はＣ−１、Ｃ−２、Ｃ−１５、Ｃ−１６から選択されることが好ましく、Ｄ３１はＢ−１又はＢ−９であることが好ましい。
【化５】
2014209557.tif 000008
特に好ましいｐ型有機材料としては、染料若しくは５個以上の縮環構造を持たない材料（縮環構造を０〜４個、好ましは１〜３個有する材料）が挙げられる。有機薄膜太陽電池で一般的に使用されている顔料系ｐ型材料を用いると、ｐｎ界面での暗時電流が増大しやすい傾向になること、結晶性の粒界でのトラップにより光応答が遅くなりがちであることから、撮像素子用として用いることが難しい。このため、結晶化しにくい染料系のｐ型材料、若しくは５個以上の縮環構造を持たない材料が撮像素子用に好ましく用いることができる。
【００６８】
一般式（１）で表される化合物の更に好ましい具体例は、一般式（３）における以下の置換基、連結基及び部分構造の組み合わせであるが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【化６】
2014209557.tif 000009
ここで、Ａ−１〜Ａ−１２、Ｂ−１〜Ｂ−９、及びＣ−１〜Ｃ−１６は既に示したものと同義である。
【００６９】
以下に一般式（１）で表される化合物の特に好ましい具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【化７】
2014209557.tif 000010
【化８】
2014209557.tif 000011
【化９】
2014209557.tif 000012
【化１０】
2014209557.tif 000013
【００７０】
光電変換層３２は、有機ＥＬの発光層（電気信号を光に変換する層）とは異なり非発光性の層である。非発光性層とは、可視光領域（波長４００ｎｍ〜７３０ｎｍ）において発光量子効率が１％以下、好ましくは０．５％以下、より好ましくは０．１％以下の層であることを意味する。光電変換層３２において、発光量子効率が１％を超えると、センサや撮像素子に適用した場合にセンシング性能又は撮像性能に影響を与えるため、好ましくない。
【００７１】
＜＜電子ブロッキング層＞＞
電子ブロッキング層３１は、正孔捕集電極２０から光電変換層３２に電子が注入されるのを抑制するための層である。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あるいは無機材料の混合膜で構成されていてもよい。
【００７２】
電子ブロッキング層３１は、複数層で構成してあってもよい。このようにすることで、電子ブロッキング層３１を構成する各層の間に界面ができ、各層に存在する中間準位に不連続性が生じる。この結果、中間準位等を介した電荷の移動がしにくくなるため電子ブロッキング効果を高めることができる。但し、電子ブロッキング層３１を構成する各層が同一材料であると、各層に存在する中間準位が全く同じとなる場合も有り得るため、電子ブロッキング効果を更に高めるために、各層を構成する材料を異なるものにすることが好ましい。
【００７３】
電子ブロッキング層３１は、正孔捕集電極２０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。
【００７４】
電子ブロッキング層３１は、正孔捕集電極２０と光電変換層３２との接触を充分に抑制し、また正孔捕集電極２０表面に存在する欠陥やゴミの影響を避けるために、２０ｎｍ以上であることが好ましく、４０ｎｍ以上であることがより好ましい。
【００７５】
電子ブロッキング層３１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、アリールアミン誘導体、フルオレン誘導体、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。具体的には、例えば、特開２００８−７２０９０号公報に記載された化合物等を好ましく用いることができる。
【００７６】
電子ブロッキング層３１として好適な化合物の一例を以下に示す。
【化１１】
2014209557.tif 000014
電子ブロッキング層３１としては無機材料を用いることもできる。一般的に、無機材料は有機材料よりも誘電率が大きいため、電子ブロッキング層３１に用いた場合に、光電変換層３２に電圧が多くかかるようになり、光電変換効率（感度）を高くすることができる。電子ブロッキング層３１となりうる材料としては、酸化カルシウム、酸化クロム、酸化クロム銅、酸化マンガン、酸化コバルト、酸化ニッケル、酸化銅、酸化ガリウム銅、酸化ストロンチウム銅、酸化ニオブ、酸化モリブデン、酸化インジウム銅、酸化インジウム銀、酸化イリジウム等がある。
【００７７】
電子ブロッキング層３１が単層の場合にはその層を無機材料からなる層とすることができ、または、複数層の場合には１つ又は２以上の層を無機材料からなる層とすることができる。
【００７８】
＜＜正孔ブロッキング層＞＞
光電変換素子１において、正孔ブロッキング層３３は、外部電圧印加時に電子捕集電極４０からの正孔注入を抑制する層であり、上に形成する層（本実施形態では電子捕集電極４０）の形成時、光電変換層３２を保護して成膜ダメージを抑制する機能を有する。
【００７９】
正孔ブロッキング層には、電子受容性有機材料を用いることができる。電子受容性材料は特に制限されないが、１，３−ビス（４−ｔｅｒｔ−ブチルフェニル−１，３，４−オキサジアゾリル）フェニレン（ＯＸＤ−７）等のオキサジアゾール誘導体、アントラキノジメタン誘導体、ジフェニルキノン誘導体、バソクプロイン、バソフェナントロリン、及びこれらの誘導体、トリアゾール化合物、トリス（８−ヒドロキシキノリナート）アルミニウム錯体、ビス（４−メチル−８−キノリナート）アルミニウム錯体、ジスチリルアリーレン誘導体、シロール化合物などを用いることができる。また、電子受容性有機材料でなくとも、十分な電子輸送性を有する材料ならば使用することは可能である。ポルフィリン系化合物や、ＤＣＭ（４−ジシアノメチレン−２−メチル−６−（４−（ジメチルアミノスチリル））−４Ｈピラン）等のスチリル系化合物、４Ｈピラン系化合物を用いることができる。
【００８０】
正孔ブロッキング層３３及び電子ブロッキング層３１より構成される電荷ブロッキング層は、厚くしすぎると、光電変換層に適切な電界強度を印加するために必要な、供給電圧が高くなってしまう問題や、電荷ブロッキング層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てしまう問題を生じる可能性がある。従って、正孔ブロッキング層３３及び電子ブロッキング層３１の合計膜厚は、３００ｎｍ以下となるように設計されることが好ましい。該合計膜厚は、２００ｎｍ以下がより好ましく、１００ｎｍ以下が更に好ましい。
【００８１】
＜封止層＞
封止層５０は、光電変換素子１、もしくは後記する撮像素子１００の作製後に、水分子や酸素分子などの光電変換材料を劣化させる因子の侵入を阻止して、長期間の保存/使用にわたって、光電変換層の劣化を防止するための層である。また、封止層５０は、封止層成膜後の撮像素子１００の作製工程において溶液、プラズマなどに含まれる光電変換層を劣化させる因子の侵入を阻止して光電変換層を保護するための層でもある。
【００８２】
封止層５０は、正孔捕集電極２０、電子ブロッキング層３１、光電変換層３２、正孔ブロッキング層３３及び電子捕集電極４０を覆って形成されている。
【００８３】
光電変換素子１では、入射光は封止層５０を通じて光電変換層３２に到達するので、光光電変換層３２に光を効率よく入射させるために、封止層５０は、光電変換層３２が感度を持つ波長の光に対して十分に透明である必要がある。かかる封止層５０としては、水分子を浸透させない緻密な金属酸化物・金属窒化物・金属窒化酸化物などセラミクスやダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）などがあげられ、従来から、酸化アルミニウム、酸化珪素、窒化珪素、窒化酸化珪素やそれらの積層膜、それらと有機高分子の積層膜などが用いられている。
【００８４】
封止層５０は、単一材料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で、封止層５０全体の応力緩和、製造工程中の発塵等によるクラック、ピンホールなどの欠陥発生の抑制、材料開発の最適化が容易になることなどの効果が期待できる。例えば、封止層５０は、水分子などの劣化因子の浸透を阻止する本来の目的を果たす層の上に、その層で達成することが難しい機能を持たせた「封止補助層」を積層した２層構成を形成することができる。３層以上の構成も可能だが、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。
【００８５】
封止層５０の形成方法は、特に制限されず、既に成膜された光電変換層３２等の性能、膜質をなるべく劣化させない方法で成膜されることが好ましい。
【００８６】
有機光電変換材料は、水分子、酸素分子などの劣化因子の存在で顕著に性能が劣化してしまう。そのために劣化因子を浸透させない緻密な金属酸化物、金属窒化酸化物など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、窒化酸化珪素やそれらの積層構成、それらと有機高分子の積層構成などを封止層として、各種真空成膜技術で形成されている。
【００８７】
しかしながら、従来の封止層は、基板表面の構造物、基板表面の微小欠陥、基板表面に付着したパーティクルなどによる段差において、薄膜の成長が困難なので（段差が影になるので）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、封止層全体を厚くする必要がある。封止層形成時の真空度は、１×１０３Ｐａ以下が好ましく、５×１０２Ｐａ以下がさらに好ましい。
【００８８】
画素寸法が２μｍ未満、特に１μｍ程度の撮像素子とした場合、封止層５０の膜厚が大きいと、カラーフィルタと光電変換層との距離が大きくなり、封止層内で入射光が回折／発散し、混色が発生する恐れがある。従って、画素寸法が１μｍ程度の撮像素子への適用を考えた場合、封止層５０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／製造方法が必要になる。
【００８９】
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し（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）、すなわち段差被覆性が非常に優れる。そのため、基板表面の構造物、基板表面の微小欠陥、基板表面に付着したパーティクルなど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５０の形成を原子層堆積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膜厚を薄くすることが可能になる。
【００９０】
原子層堆積法で封止層５０を形成する場合は、先述した封止層５０に好ましいセラミクスに対応した材料を適宜選択できる。もっとも、本発明の光電変換層は有機光電変換材料を使用するために、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や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でき好ましい。酸化珪素や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℃未満で緻密な薄膜を形成することができ好ましい。
【００９１】
封止層は、水分子など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。撮像素子において、封止層の膜厚が大きいと、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。封止層の膜厚としては、２００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００９２】
なお、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。もっとも、薄膜材料の物性が、フォトリソグラフィ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、現像液や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。
【００９３】
また、原子層堆積法のようなＣＶＤ法で形成した薄膜は内部応力が非常に大きな引張応力を持つ例が多く、半導体製造工程のように、断続的な加熱、冷却が繰返される工程や、長期間の高温／高湿度雰囲気下での保存／使用により、薄膜自体に亀裂の入る劣化が発生することがある。
【００９４】
従って、原子層堆積法により成膜した封止層５０を用いる場合は、耐薬品性に優れ、且つ、封止層５０の内部応力を相殺可能な封止補助層を形成することが好ましい。
【００９５】
かかる補助封止層としては、例えば、スパッタ法などの物理的気相成膜（ＰＶＤ）法で成膜した耐薬品性に優れる金属酸化物、金属窒化物、金属窒化酸化物などのセラミクスのいずれか１つを含む層が挙げられる。スパッタ法などのＰＶＤ法で成膜したセラミクスは大きな圧縮応力を持つことが多く、原子層堆積法で形成した封止層５０の引張応力を相殺することができる。
【００９６】
光電変換素子１において、光電変換効率（感度）、暗電流、光応答速度において、優れた特性を得るために、正孔捕集電極２０と電子捕集電極４０との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。外部電場は、一対の電極に外部から印加される電圧を電極間距離で割った値である。
【００９７】
光電変換素子１は、電子ブロッキング層３１と光電変換層３２と正孔ブロッキング層３３とによって受光層３０が形成されている。本実施形態においては正孔ブロッキング層３３を備えた態様について示しているが、正孔ブロッキング層３３は正孔の流れには寄与しないことから、正孔ブロッキング層３３の有無にかかわらず本発明の効果を得ることができる。
【００９８】
以上述べたように、光電変換素子１は、第１の光電変換層３２ｂと第２の光電変換層３２ａとからなる光電変換層３２を備えており、第２の光電変換層３２ａは正孔捕集電極２０側の表面に形成されてなり、第１の光電変換層３２ｂと第２の光電変換層３２ａとからなる光電変換層３２よりも、ｐ型有機半導体に対するｎ型有機半導体の混合比率の平均値が高い構成としている。かかる構成によれば、光電変換層において、正孔捕集電極側の端部にｐ型有機半導体の単一組成膜やｐ型有機半導体組成の多い領域が存在することによる移動度の低下、及びその端部付近における再結合を抑制することができる。従って、本発明の有機光電変換素子は、応答速度、キャリア輸送性(感度)、耐熱性の良好なものとなる。
【００９９】
「撮像素子」
次に、光電変換素子１を備えた撮像素子１００の構成について、図２を参照して説明する。図２は、本発明の一実施形態を説明するための撮像素子の概略構成を示す断面模式図である。この撮像素子は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ等の撮像装置、電子内視鏡、携帯電話機等の撮像モジュール等に搭載して用いられる。
【０１００】
撮像素子１００は、図１に示したような構成の複数の有機光電変換素子１と、各有機光電変換素子の光電変換層で発生した電荷に応じた信号を読み出す読み出し回路が形成された回路基板とを有し、該回路基板上方の同一面上に、複数の有機光電変換素子が１次元状又は二次元状に配列された構成となっている。
【０１０１】
撮像素子１００は、基板１０１と、絶縁層１０２と、接続電極１０３と、画素電極１０４と、接続部１０５と、接続部１０６と、受光層１０７と、対向電極１０８と、緩衝層１０９と、封止層１１０と、カラーフィルタ（ＣＦ）１１１と、隔壁１１２と、遮光層１１３と、保護層１１４と、対向電極電圧供給部１１５と、読出し回路１１６とを備える。
【０１０２】
画素電極１０４は、図１に示した有機光電変換素子１の正孔捕集電極２０と同じ機能を有する。対向電極１０８は、図１に示した有機光電変換素子１の電子捕集電極４０と同じ機能を有する。受光層１０７は、図１に示した有機光電変換素子１の正孔捕集電極２０と電子捕集電極４０との間に設けられる受光層３０と同じ構成である。封止層１１０は、図１に示した有機光電変換素子１の封止層５０と同じ機能を有する。画素電極１０４と、これに対向する対向電極１０８の一部と、これら電極で挟まれる受光層１０７と、画素電極１０４に対向する緩衝層１０９及び封止層１１０の一部とが、有機光電変換素子を構成している。
【０１０３】
基板１０１は、ガラス基板又はＳｉ等の半導体基板である。基板１０１上には絶縁層１０２が形成されている。絶縁層１０２の表面には複数の画素電極１０４と複数の接続電極１０３が形成されている。
【０１０４】
受光層１０７は、複数の画素電極１０４の上にこれらを覆って設けられた全ての有機光電変換素子で共通の層である。
【０１０５】
対向電極１０８は、受光層１０７上に設けられた、全ての有機光電変換素子で共通の１つの電極である。対向電極１０８は、受光層１０７よりも外側に配置された接続電極１０３の上にまで形成されており、接続電極１０３と電気的に接続されている。
【０１０６】
接続部１０６は、絶縁層１０２に埋設されており、接続電極１０３と対向電極電圧供給部１１５とを電気的に接続するためのプラグ等である。対向電極電圧供給部１１５は、基板１０１に形成され、接続部１０６及び接続電極１０３を介して対向電極１０８に所定の電圧を印加する。対向電極１０８に印加すべき電圧が撮像素子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。
【０１０７】
読出し回路１１６は、複数の画素電極１０４の各々に対応して基板１０１に設けられており、対応する画素電極１０４で捕集された電荷に応じた信号を読出すものである。読出し回路１１６は、例えばＣＣＤ、ＭＯＳ回路、又はＴＦＴ回路等で構成されており、絶縁層１０２内に配置された図示しない遮光層によって遮光されている。読み出し回路１１６は、それに対応する画素電極１０４と接続部１０５を介して電気的に接続されている。
【０１０８】
緩衝層１０９は、対向電極１０８上に、対向電極１０８を覆って形成されている。封止層１１０は、緩衝層１０９上に、緩衝層１０９を覆って形成されている。カラーフィルタ１１１は、封止層１１０上の各画素電極１０４と対向する位置に形成されている。隔壁１１２は、カラーフィルタ１１１同士の間に設けられており、カラーフィルタ１１１の光透過効率を向上させるためのものである。
【０１０９】
遮光層１１３は、封止層１１０上のカラーフィルタ１１１及び隔壁１１２を設けた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受光層１０７に光が入射する事を防止する。保護層１１４は、カラーフィルタ１１１、隔壁１１２、及び遮光層１１３上に形成されており、撮像素子１００全体を保護する。
【０１１０】
このように構成された撮像素子１００では、光が入射すると、この光が受光層１０７に入射し、ここで電荷が発生する。発生した電荷のうちの正孔は、画素電極１０４で捕集され、その量に応じた電圧信号が読み出し回路１１６によって撮像素子１００外部に出力される。
【０１１１】
撮像素子１００の製造方法は、次の通りである。
対向電極電圧供給部１１５と読み出し回路１１６が形成された回路基板上に、接続部１０５，１０６、複数の接続電極１０３、複数の画素電極１０４、及び絶縁層１０２を形成する。複数の画素電極１０４は、絶縁層１０２の表面に例えば正方格子状に配置する。
【０１１２】
次に、複数の画素電極１０４上に、受光層１０７、対向電極１０８、緩衝層１０９、封止層１１０を順次形成する。受光層１０７、対向電極１０８、封止層１１０の形成方法は、上記光電変換素子１の説明において記したとおりである。緩衝層１０９については、例えば真空抵抗加熱蒸着法によって形成する。次に、カラーフィルタ１１１、隔壁１１２、遮光層１１３を形成後、保護層１１４を形成して、撮像素子１００を完成する。
【実施例】
【０１１３】
（実施例１）
Ｓｉ基板を用意し、ＴｉＮ電極をパターン形成したＣＭＯＳ基板を用意し、ＣＭＯＳ基板を有機蒸着室の基板ホルダーに設置して、蒸着室内を１.０×１０-４Ｐａ以下となるように減圧した。その後、基板ホルダーを回転させながら、画素電極上に、抵抗加熱蒸着法により化合物２を電子ブロッキング層として蒸着速度１．０〜１．２Å/Secで厚み１０００Åとなるように蒸着した。
次に、化合物１とＣ６０をそれぞれ蒸着速度１．２〜１．４Å/Sec、５．１〜５．３Å/Secで厚み１０Åとなるように蒸着して第２の光電変換層を形成し、次に化合物１とＣ６０をそれぞれ蒸着速度１．２〜１．４Å/Sec、３．８〜４．０Å/Secで厚み３９９０Åとなるように蒸着して第１の光電変換層を形成した。
【０１１４】
次に、スパッタ室に搬送し、第１の光電変換層上に対向電極としてＩＴＯをＲＦマグネトロンスパッタにより厚み１００Åとなるようにスパッタした。その後、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition：原子層堆積）室へ搬送し、保護膜としてＡｌ２Ｏ３膜を原子層堆積法により厚み２０００Åとなるように成膜した。
その後、スパッタ室に搬送し、応力緩和層としてＳｉＯＮ膜をplaner型スパッタにより厚み１０００Åとなるように成膜し、撮像素子を作製した。
【０１１５】
（実施例２）
化合物１とＣ６０をそれぞれ蒸着速度１．２〜１．４Å/Sec、６．４〜６．６Å/Secで厚み１０Åとなるように蒸着した以外は、実施例１と同様にして撮像素子を作製した。
【０１１６】
（実施例３）
化合物１とＣ６０をそれぞれ蒸着速度１．２〜１．４Å/Sec、７．７〜７．９Å/Secで厚み１０Åとなるように蒸着した以外は、実施例１と同様にして撮像素子を作製した。
【０１１７】
（実施例４）
化合物１とＣ６０の代わりに、Ｃ６０のみを蒸着速度２．５〜２．８Å/Secで厚み１０Åとなるように蒸着した以外は、実施例１と同様にして撮像素子を作製した。
【０１１８】
（実施例５）
化合物１とＣ６０をそれぞれ蒸着速度１．２〜１．４Å/Sec、５．１〜５．３Å/Secで厚み３０Åとなるように蒸着した以外は、実施例１と同様にして撮像素子を作製した。
【０１１９】
（実施例６）
化合物１とＣ６０をそれぞれ蒸着速度１．２〜１．４Å/Sec、５．１〜５．３Å/Secで厚み５０Åとなるように蒸着した以外は、実施例１と同様にして撮像素子を作製した。
【０１２０】
（実施例７）
化合物３とＣ６０をそれぞれ蒸着速度１．２〜１．４Å/Sec、５．１〜５．３Å/Secで厚み３０Åとなるように蒸着した以外は、実施例１と同様にして撮像素子を作製した。
【０１２１】
（実施例８）
化合物４とＣ６０をそれぞれ蒸着速度１．２〜１．４Å/Sec、５．１〜５．３Å/Secで厚み３０Åとなるように蒸着した以外は、実施例１と同様にして撮像素子を作製した。
【０１２２】
（実施例９）
化合物５とＣ６０をそれぞれ蒸着速度１．２〜１．４Å/Sec、５．１〜５．３Å/Secで厚み３０Åとなるように蒸着した以外は、実施例１と同様にして撮像素子を作製した。
【０１２３】
（比較例１）
化合物１とＣ６０の代わりに、化合物１のみを蒸着速度１．２〜１．４Å/Secで厚み１０Åとなるように蒸着した以外は、実施例１と同様にして撮像素子を作製した。
【０１２４】
（比較例２）
化合物１とＣ６０をそれぞれ蒸着速度１．２〜１．４Å/Sec、１．２〜１．４Å/Secで厚み１０Åとなるように蒸着した以外は、実施例１と同様にして撮像素子を作製した。
【０１２５】
（比較例３）
化合物１とＣ６０をそれぞれ蒸着速度１．２〜１．４Å/Sec、２．５〜２．８Å/Secで厚み１０Åとなるように蒸着した以外は、実施例１と同様にして撮像素子を作製した。
【０１２６】
（比較例４）
化合物１とＣ６０をそれぞれ蒸着速度１．２〜１．４Å/Sec、３．８〜４．０Å/Secで厚み１０Åとなるように蒸着した以外は、実施例１と同様にして撮像素子を作製した。
【０１２７】
（評価）
上記実施例及び比較例の撮像素子について、分光感度（ＩＰＣＥ）測定装置により感度測定、パルスジェネレーターによる応答速度測定、２２０℃熱処理による暗電流測定により性能劣化の有無を評価した。その結果を表１に示す。表１において、感度及び応答速度は実施例１の光電変換効率を１００とした場合の相対感度にて示してある。暗電流上昇率は、それぞれの素子のアニール前の暗電流値を基準とし、アニール後の上昇率を示してある。表１には、また、各実施例及び比較例の撮像素子における、第１の光電変換層の膜厚（平均値）と、第１及び第２の光電変換層におけるｎ型有機半導体とｐ型有機半導体の混合比率を示してある。混合比率はｐ型有機半導体に対するｎ型有機半導体の割合で示してある。
【０１２８】
表１に示されるように、実施例では比較例１〜３に対して約２倍の感度、応答速度が得られており、本発明の高い効果が確認された。また,耐熱性の指標となる暗電流値についても、本発明により大きく改善されていることが確認された。
【表１】
2014209557.tif 000015
【符号の説明】
【０１２９】
１  有機光電変換素子（光電変換素子）
１０，１０１  基板
２０  正孔捕集電極（電極）
３０  受光層
３１  電子ブロッキング層
３２  光電変換層（バルクへテロ層）
３２ｂ  第１の光電変換層
３２ａ  第２の光電変換層層
３３  正孔ブロッキング層
４０  電子捕集電極（電極）
５０  封止層
１００  撮像素子
１０６  信号読み出し回路
１２０  回路基板
【図１】
2014209557.tif 000017
【図２】
2014209557.tif 000018