(57)【要約】【課題】スイッチング可能で、特に微弱な光の検出性能に優れた光検出器を提供する。【解決手段】本発明の一態様にかかる光検出器１０は、電子供与体と電子受容体とが混合するバルクヘテロ接合の有機半導体層１と、前記有機半導体層１の少なくとも一部を第１の方向に挟むソース電極２及びドレイン電極３と、前記第１の方向と交差する第２の方向に電圧を印加できる第１ゲート電極４及び第２ゲート電極５と、を備える。【選択図】図１
2019134030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子供与体と電子受容体とが混合するバルクヘテロ接合の有機半導体層と、
前記有機半導体層の少なくとも一部を第１の方向に挟むソース電極及びドレイン電極と、
前記第１の方向と交差する第２の方向に前記有機半導体層を挟み、前記第２の方向に電圧を印加できる第１ゲート電極及び第２ゲート電極と、を備える、光検出器。
【請求項２】
前記第１ゲート電極と前記有機半導体層との間及び前記第２ゲート電極と前記有機半導体層との間に絶縁層を有する、請求項１に記載の光検出器。
【請求項３】
前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記前記有機半導体層の第２の方向における中心位置より第１ゲート電極又は第２ゲート電極側に位置する、請求項１又は２に記載の光検出器。
【請求項４】
前記第１ゲート電極と前記第２ゲート電極との間に異なる極性の電圧を印加できる電圧印加手段をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光検出器。
【請求項５】
前記電圧印加手段により前記第１ゲート電極と前記第２ゲート電極との間に電圧を印加した際に、
１ｍＷ／ｃｍ２以下の弱い光強度の光を検出する、請求項４に記載の光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機半導体でつくるフレキシブルエレクトロニクスは、素材の軟らかさから、人体の表面や体内への装着により、細胞や組織から直接生体情報を得る手段として、近年注目を集めている。
【０００３】
光検出器もその応用の一つとして注目されている。例えば、赤外線を血管に照射し、その反射光を検出することで、脈拍、脈波、血中酸素飽和度、血流、血圧等の様々な生体情報を非侵襲で計測できる。情報の正確性を高めるためには、面での計測が求められ、人体等の複雑な形状に追従できるフレキシブルな光検出器が求められている。
【０００４】
光検出器のフレキシブル性を実現する手段として、有機半導体を利用したフォトダイオードやフォトトランジスタが知られている。例えば、特許文献１には複数のフォトダイオードとそれぞれに接続されたトランジスタとをマトリックス配置した光電変換装置が記載されている。また例えば、特許文献２には、フォトトランジスタを利用した撮像素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１５９７８２号公報
【特許文献２】特開２０１３−２５８２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フォトダイオードを利用した光検出器は、単独でスイッチングすることができない。スイッチングするためには、特許文献１のようにそれぞれをトランジスタと接続する必要がある。それぞれのフォトダイオードにトランジスタを接続すると製造工程が複雑化する。またトランジスタもフレキシブル性が求められる。
【０００７】
一方で、フォトトランジスタは単独でスイッチングが可能である。しかしながら、応答速度が遅く、十分な利得を得ることができない。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、スイッチング可能で、特に微弱な光の検出性能に優れた光検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用した。
【００１０】
（１）第１の態様にかかる光検出器は、電子供与体と電子受容体とが混合するバルクヘテロ接合の有機半導体層と、前記有機半導体層の少なくとも一部を第１の方向に挟むソース電極及びドレイン電極と、前記第１の方向と交差する第２の方向に前記有機半導体層を挟み、前記第２の方向に電圧を印加できる第１ゲート電極及び第２ゲート電極と、を備える。
【００１１】
（２）上記態様にかかる光検出器は、前記第１ゲート電極と前記有機半導体層との間及び前記第２ゲートと前記有機半導体層との間に絶縁層を有してもよい。
【００１２】
（３）上記態様にかかる光検出器において前記ソース電極及び前記ドレイン電極は、前記前記有機半導体層の前記第２の方向における中心位置より前記第１ゲート電極又は前記第２ゲート電極側に位置してもよい。
【００１３】
（４）上記態様にかかる光検出器は、前記第１ゲート電極と前記第２ゲート電極との間に異なる極性の電圧を印加できる電圧印加手段をさらに備えてもよい。
【００１４】
（５）上記態様にかかる光検出器において、前記電圧印加手段により前記第１ゲート電極と前記第２ゲート電極との間に電圧を印加した際に、１ｍＷ／ｃｍ２以下の弱い光強度の光を検出してもよい。
【００１５】
（６）上記態様にかかる光検出器において、前記第１絶縁層及び第２絶縁層の厚みは、３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であってもよい。
【００１６】
（７）上記態様にかかる光検出器において、前記ソース電極及び前記ドレイン電極の厚みは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であってもよい。
【００１７】
（８）上記態様にかかる光検出器において、前記第１ゲート電極及び前記第２ゲート電極の厚みは、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、スイッチング可能で、特に微弱な光の検出性能に優れた光検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る光検出器の断面模式図である。
【図２】本実施形態にかかる光検出器の有機半導体層内におけるフォトキャリアの挙動を模式的に示した図である。
【図３】実施例１にかかる光検出器の第２ゲート電極に印加する電圧を変えた際における明電流と暗電流との電流量の差の変化を示したグラフである。
【図４】実施例１にかかる光検出器の第２ゲート電極に印加する電圧を変えた際における光検出器の感度及び利得の変化を示すグラフである。
【図５】実施例１にかかる光検出器において、照射時と非照射時においてソース電極とドレイン電極間に流れる明電流と暗電流の電流量の差をプロットしたグラフである。
【図６】実施例１にかかる光検出器の第２ゲート電極に印加する電圧を変えた際における光検出器の比検出能の変化を示すグラフである。
【図７】実施例１にかかる光検出器において光の照射量を変化した際の光検出器の感度の変化を示したグラフである。
【図８】実施例１にかかる光検出器において光の照射量を変化した際の光検出器の利得の変化を示したグラフである。
【図９】実施例１にかかる光検出器において光の照射量を変化した際の光検出器の比検出能の変化を示したグラフである。
【図１０】比較例１にかかる光検出器の模式図である。
【図１１】比較例１にかかる光検出器の第２ゲート電極に印加する電圧を変えた際における光検出器の感度及び利得の変化を示すグラフである。
【図１２】比較例１にかかる光検出器の第２ゲート電極に印加する電圧を変えた際における光検出器の比検出能の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明について、図面を用いてその構成を説明する。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００２１】
「光検出器」
図１は、本実施形態にかかる光検出器の断面模式図である。図１に示す光検出器１０は、有機半導体層１と、ソース電極２と、ドレイン電極３と、第１ゲート電極４と、第２ゲート電極５と、第１絶縁層６と、第２絶縁層７とを備える。図１では光検出器１０を支持する基板８を同時に図示している。
以下、ソース電極２とドレイン電極３とを結ぶ第１の方向をｘ方向、各層の積層方向をｚ方向とする。ｚ方向はｘ方向に対して交差（直交）しており、第２の方向に対応する。
【００２２】
有機半導体層１は、電子供与体と電子受容体とが混合するバルクヘテロ接合の有機半導体層である。バルクヘテロ接合の有機半導体は、ｐ型有機半導体（電子供与体）とｎ型有機半導体（電子受容体）とを溶剤に混ぜて、スピンコート、インクジェット等の手段で塗布することで得られる。バルクヘテロ接合の有機半導体は、ｐ型層とｎ型層を積層する構成よりも広い電荷分離界面を確保でき、量子効率（受光感度）が向上する。また、製造プロセスも積層型よりも簡便になる。
【００２３】
ｎ型有機半導体は、公知のものを用いることができる。例えば、ペリレン誘導体、ナフタレン誘導体、チオフェン誘導体、フラーレン誘導体、金属錯体化合物（アルミニウム錯体（例えば、Ａｌｑ３(tris (8-hydroxyquionlinato) aluminium)など））等を用いることができる。
【００２４】
ｐ型有機半導体も、公知のものを用いることができる。例えば、ペンタセン誘導体、Ｐ３ＨＴ（poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)、Ｐ３ＯＴ（poly(3-octylthiophene-2,5-diyl)、Ｐ３ＤＤＴ（poly(3-dodecylthiophene-2,5-diyl)、ＰＴＡＡ(poly[bis(4-phenyl)amine])、ＭＥＨ−ＰＰＶ(poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]、ＭＤＭＯ−ＰＰＶ(poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene]) 、Ｆ８ＢＴ(poly[(9,9-di-n-octylfluorenyl-2,7-diyl)-alt-(benzo[2,1,3]thiadiazol-4,8-diyl)])、Ｆ８Ｔ２(poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-bithiophene])、ＰＯＴ−ｃｏ−ＤＯＴ(poly(3-octylthiophene-2,5-diyl-co-3-decyloxythiophene-2,5-diyl))等を用いることができる。
【００２５】
有機半導体層１は、［６，６］−ＰＣＢＭ（［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチル）とＭＤＭＯ−ＰＰＶとが混合されたバルクヘテロ接合の有機半導体であることが好ましい。［６，６］−ＰＣＢＭは、ｎ型有機半導体としてフラーレン誘導体の一種である。当該材料は、広い電荷分離界面（電子供与体／電子受容体の界面）が取れ、数十ｎｍレベルで相分離した混合層となることで励起子を効率良く電荷分離界面に到達させるというという点で優れる。
【００２６】
有機半導体層１の厚みは、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがより好ましく、２０ｎｍ以上４０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。有機半導体層１の厚みが当該範囲内であると、十分な感度と十分なフレキシブル性を得ることができる。
【００２７】
ソース電極２及びドレイン電極３は、有機半導体層１の少なくとも一部をｘ方向に挟む。有機半導体層１で生じたフォトキャリア（電子、正孔）がソース電極２及びドレイン電極３に流れることで、照射された光を電気信号として読み出すことができる。
【００２８】
ソース電極２及びドレイン電極３には、導電性の高い材料を用いることができる。例えば、金、銀、銅、アルミニウム等が、ソース電極２及びドレイン電極３に用いられる。ソース電極２及びドレイン電極３の表面は、単分子膜で修飾することが好ましい。ソース電極２及びドレイン電極３の表面を単分子膜で修飾することで、有機半導体層１との間の電子の授受が改善される。例えば、ソース電極２及びドレイン電極３の表面をチオールの単分子膜で修飾し、電極を官能基化することで仕事関数を調整できる。
【００２９】
ソース電極２及びドレイン電極３の厚みは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、２０ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがより好ましく、２０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３０】
第１ゲート電極４及び第２ゲート電極５は、有機半導体層１をｚ方向に挟む。図１では、第１ゲート電極４及び第２ゲート電極５は、絶縁層を介して有機半導体層１のｚ方向の位置に積層されている。第１ゲート電極４と有機半導体層１との間の絶縁層が第１絶縁層６であり、第２ゲート電極５と有機半導体層１との間の絶縁層が第２絶縁層７である。
【００３１】
第１絶縁層６及び第２絶縁層７には、絶縁性を有する材料が用いられる。例えば、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリパラキシリレン等の高分子材料を用いることができる。
【００３２】
第１絶縁層６及び第２絶縁層７の厚みは、３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがより好ましく、６０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。第１絶縁層６及び第２絶縁層７が厚すぎると、フレキシブル性が低下し、有機半導体層１に電圧を印加することが困難になる。第１絶縁層６及び第２絶縁層７が薄すぎると、十分な絶縁性を確保できない。
【００３３】
第１ゲート電極４と第２ゲート電極５のうちいずれか一方は、測定する光の波長に対して透明である。ここで、透明とは測定する光の波長を検出できる程度に充分透過することを意味し、例えば測定する光の波長に対する透過率が７０％以上であることを意味する。一方で、透明なゲート電極と対向するゲート電極は、測定する光の波長の反射率が高い材料であることが好ましい。一方のゲート電極から入射した光を反射し、有機半導体層１に再度侵入させることで、光検出器の感度を高めることができる。例えば、第１ゲート電極４をＩＴＯとし、第２ゲート電極５を金とすることが好ましい。
【００３４】
第１ゲート電極４及び第２ゲート電極５の厚みは、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが好ましく、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることがより好ましく、４０ｎｍ以上６０ｎｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３５】
第１ゲート電極４及び第２ゲート電極５は、電圧印加手段に接続される。電圧印加手段により第１ゲート電極４と第２ゲート電極５との間に電位差を与えることで、有機半導体層１に電圧が印加される。電圧印加手段は公知の電源を用いることができる。電圧印加手段は、第１ゲート電極４と第２ゲート電極５との間に大きな電位差を加えるために、第１ゲート電極４と第２ゲート電極５とに異なる極性の電圧を印加できることが好ましい。
【００３６】
基板８は、光検出器１０を作製する際の支持体である。光検出器１０をフレキシブルな用途で用いる際は、基板８を除去することが好ましい。基板８は平坦性の高いものであれば特に問わない。
【００３７】
「光検出器の動作」
図１に示す光検出器１０は、第１ゲート電極４と第２ゲート電極５との間の電位差に基づいて有機半導体層１内におけるフォトキャリア（電子、正孔）の挙動が変化する。
【００３８】
図２は、本実施形態にかかる光検出器の有機半導体層内におけるフォトキャリアの挙動を模式的に示した図である。図２では、理解を容易にするために第１絶縁層６及び第２絶縁層７を省略している。
【００３９】
図２（ａ）は、第１ゲート電極４の電位がＶ１で第２ゲート電極５の電位が０Ｖである。そのため、有機半導体層１にはＶ１の電位差が与えられている。有機半導体層１の第１ゲート電極４側の面には、電位Ｖ１によりマイナスの電荷が蓄積する。
【００４０】
有機半導体層１に光が入射すると、有機半導体層１内に電子ｅとホールｈが発生する。有機半導体層１の第１ゲート電極４側の面にはマイナスの電荷が蓄積し、チャネルが形成されているため、発生した電子ｅはソース電極２とドレイン電極３との間を移動できる。この挙動は、一般のフォトトランジスタと同様の挙動である。すなわち、図２（ａ）に示すように、第２ゲート電極５の電位が０Ｖの場合、光検出器１０はフォトトランジスタ的な挙動を示す。なお、発生したホールｈは、周りに存在する多くの電子と再結合して消滅する。
【００４１】
図２（ｂ）は、第１ゲート電極４の電位がＶ１で第２ゲート電極５の電位が−Ｖ２である。有機半導体層１にはＶ１＋Ｖ２の電位差が与えられている。有機半導体層１は電子供与体と電子受容体の両極性のキャリアが存在するため、有機半導体層１の第１ゲート電極４側の面には電位Ｖ１によりマイナスの電荷が蓄積し、有機半導体層１の第２ゲート電極５側の面には電位−Ｖ２によりプラスの電荷が蓄積する。そして有機半導体層１の中間には、空乏層Ｄが形成される。この際、空乏層Ｄはソース電極２及びドレイン電極３までは到達していない。
【００４２】
図２（ｂ）においても同様に、有機半導体層１に光が入射すると、有機半導体層１内に電子ｅとホールｈが発生する。有機半導体層１の第１ゲート電極４側の面には、マイナスの電荷が蓄積し、チャネルが形成されているため、発生した電子ｅはソース電極２とドレイン電極３との間を移動できる。これに対し、発生したホールｈは、有機半導体層１のプラスの電荷が蓄積した第２ゲート電極５の近傍や空乏層Ｄ内は移動できるが、有機半導体層１のマイナスの電荷が蓄積した第１ゲート電極４の近傍は移動できない。ホールｈが電子との再結合してしまうためである。したがって、ソース電極２とドレイン電極３間に流れるキャリアは電子ｅのみであり、この場合もフォトトランジスタ的な挙動を示す。
【００４３】
最後に図２（ｃ）は、第１ゲート電極４の電位がＶ１で第２ゲート電極５の電位が−Ｖ３である。有機半導体層１にはＶ１＋Ｖ３の電位差が与えられている。有機半導体層１は電子供与体と電子受容体の両極性のキャリアが存在するため、有機半導体層１の第１ゲート電極４側の面には電位Ｖ１によりマイナスの電荷が蓄積し、有機半導体層１の第２ゲート電極５側の面には電位−Ｖ３によりプラスの電荷が蓄積する。有機半導体層１に加えられた電位差Ｖ１＋Ｖ３は、図２（ｂ）において与えられた電位差Ｖ１＋Ｖ２より大きいため、空乏層Ｄの幅は広がる。その結果、空乏層Ｄはソース電極２及びドレイン電極３に到達する。
【００４４】
図２（ｃ）においても同様に、有機半導体層１に光が入射すると、有機半導体層１内に電子ｅとホールｈが発生する。有機半導体層１の第１ゲート電極４側の面には、マイナスの電荷が蓄積し、チャネルが形成されているため、発生した電子ｅはソース電極２とドレイン電極３との間を移動できる。これに対し、発生したホールｈは、有機半導体層１のプラスの電荷が蓄積した第２ゲート電極５の近傍や空乏層Ｄ内を移動できる。図２（ｃ）において空乏層Ｄは、ソース電極２及びドレイン電極３まで到達している。すなわち、電子ｅのみならずホールｈも、ソース電極２とドレイン電極３間におけるキャリアとして流れる。
【００４５】
つまり図２（ｃ）の場合、ソース電極２とドレイン電極３との間における電子ｅの流れに伴うフォトトランジスタ的なフォトキャリアの挙動に加えて、第１ゲート電極４及び第２ゲート電極５による電荷の分離に伴うフォトダイオード的なフォトキャリアの挙動が加わる。つまり、フォトトランジスタの長所とフォトダイオードの長所とを兼ね備えた光検出器として機能する。
【００４６】
光検出器１０は、第１ゲート電極４と第２ゲート電極５との間に閾値以上の電位差を与えることで、図２（ｃ）に示すフォトキャリアの挙動を示す。第１ゲート電極４と第２ゲート電極５との間に閾値以上の電位差を与えるためには、第１ゲート電極４と第２ゲート電極５とに印加する電圧の極性は異なっていることが好ましい。
【００４７】
光検出器１０のフォトキャリアの挙動を変化させる閾値は、光検出器１０の構成及び各構成に用いられる材料によって変化する。例えば、有機半導体層１の厚みに対してソース電極２とドレイン電極３の厚みが厚い場合は、少しの電位差で空乏層Ｄがソース電極２及びドレイン電極３に到達する。すなわち、僅かな電位差でも図２（ｃ）に示すフォトキャリアの挙動を示す。光検出器１０における検出の挙動を電位差によって調整するためには、ソース電極２及びドレイン電極３は、有機半導体層１のｚ方向における中心位置より第１ゲート電極４又は第２ゲート電極５側に位置することが好ましい。
【００４８】
また光検出器１０におけるフォトキャリアの挙動は、照射される光の強度によっても変化すると考えられる。照射される光の強度が弱いと、有機半導体層１内で発生する電子ｅとホールｈの量が少なくなる。そのため、発生した電子ｅ及びホールｈは、第１ゲート電極４と第２ゲート電極５との間の電位差によりｚ方向に分離される。つまり、フォトダイオード的な挙動を強く示すようになる。これに対し、照射される光の強度が強いと、有機半導体層１内で発生する電子ｅとホールｈの量が多くなる。そのため発生した電子ｅ及びホールｈがｚ方向に分離される速度より、ｘ方向に移動する速度の方が早くなる。つまり、ソース電極２とドレイン電極３間に形成されたチャネル間における電子ｅの移動量が多くなり、フォトトランジスタ的な挙動を占めす割合が高くなっていく。
【００４９】
このフォトキャリアの挙動が変化する閾値照度は、有機半導体層１を構成する電子供与体及び電子受容体の移動度等により変化する。
【００５０】
上述のように、本実施形態にかかる光検出器は、フォトダイオードでは実現できないスイッチングを、第１ゲート電極４及び第２ゲート電極５により可能である。また本実施形態にかかる光検出器の感度、利得、比検出能、応答速度は、フォトトランジスタより優れる。さらに、フォトトランジスタでは実現できなかった、線形的な感度変化を実現できる。また所望される事項に応じて、第２ゲート電極５へ印加する電圧を変化させ、光検出器１０における検出の挙動を調整できる。
【００５１】
本実施形態にかかる光検出器のフォトキャリアの挙動をまとめると以下のような表で表すことができる。
【００５２】
【表１】
2019134030.tif 000003
【実施例】
【００５３】
（実施例１）
図１に示す光検出器と同様の構成の光検出器を作製した。各層の構成は以下のようにした。
基板８：ガラス
第１ゲート電極４：厚み７０ｎｍのＩＴＯ膜
ソース電極２及びドレイン電極３：表面にチオールの単分子膜が修飾された厚み３０ｎｍの金
有機半導体層１：厚み３０ｎｍのＭＤＭＯ−ＰＰＶ（ｐ型半導体）と［６，６］−ＰＣＢＭ（ｎ型半導体）との混合体
第１絶縁層６、第２絶縁層７：厚さ７０ｎｍのパリレン
第２ゲート電極５：厚み５０ｎｍの金
平面視形状：長さ５μｍ、幅２０ｎｍの長方形状
【００５４】
実施例１に示す光検出器を用いて光検出器の特性を調べた。第１ゲート電極４に＋２０Ｖを印加し、ドレイン電極３に＋５Ｖを印加し、４５ｍＷ／ｃｍ２の光を有機半導体層１に照射した。この条件で、第２ゲート電極５に印加する電圧を変化させて際の明電流と暗電流との電流量の差の変化を求めた。図３は、実施例１に示す光検出器において第２ゲート電極５に印加する電圧を変えた際における明電流と暗電流との電流量の差の変化を示したグラフである。
【００５５】
明電流と暗電流との電流量の差は、光検出器の感度Ｒ及び利得Ｇの指標となる。
光検出器の感度Ｒは、Ｒ＝（ＩＬ−ＩＤ）／Ｐｉｎ・Ａで表記される。ＩＬは明電流の電流量であり、ＩＤは暗電流の電流量であり、Ｐｉｎは光の照射強度であり、Ａは照射面積である。
光検出器の利得Ｇは、Ｇ＝（ＩＬ−ＩＤ）／ＩＤで表記される。ＩＬは明電流の電流量であり、ＩＤは暗電流の電流量である。
【００５６】
図３において、第２ゲート電極５に印加する電圧ＶＴＧが０Ｖの場合は、第２ゲート電極５がない場合に等しく、フォトキャリアはフォトトランジスタと同様の挙動を示す（図２（ａ））。これに対し、第２ゲート電極５に印加する電圧ＶＴＧを−２０Ｖとすると、フォトキャリアがフォトトランジスタ的な挙動に加えてフォトダイオード的な挙動を示す（図２（ｃ））。その結果、第２ゲート電極５に印加する電圧ＶＴＧを−２０Ｖとすると、明電流と暗電流との電流量の差が大きくなった。つまり、第２ゲート電極５に第１ゲート電極４と反対の極性の電位を与えることで、光検出器の感度Ｒ及び利得Ｇが向上する。
【００５７】
図４は、実施例１に示す光検出器において第２ゲート電極５に印加する電圧を変えた際における光検出器の感度Ｒ及び利得Ｇの変化を示すグラフである。図４において白丸を結んだ線が感度Ｒについてのデータであり、白四角を結んだ線が利得Ｇについてのデータである。図４に示すように、第２ゲート電極５に−１３Ｖ以下の電位を与えると、感度Ｒ及び利得Ｇが急速に向上する。これは有機半導体層１のフォトキャリアの挙動が図２（ｃ）に示す挙動に移行したためと考えられる。
【００５８】
次いで、第１ゲート電極４に＋２０Ｖを印加し、ドレイン電極３に＋５Ｖを印加し、５４５ｎｍの波長のＣＷレーザーを１０Ｈｚのチョッパーを用いて、有機半導体層１に断続的に１０ｍＷ／ｃｍ２の光を照射した。この条件で、第２ゲート電極５に印加する電圧が０Ｖの場合と−２０Ｖの場合で光検出器の応答速度を測定した。図５は、実施例１に示す光検出器の照射時と非照射時においてソース電極とドレイン電極間に流れる明電流と暗電流の電流量の差をプロットしたグラフである。
【００５９】
図５に示すように、第２ゲート電極５に印加する電圧ＶＴＧを−２０Ｖとすることで、明電流と暗電流との電流量の差が大きくなった。つまり、第２ゲート電極５に第１ゲート電極４と反対の極性の電位を与えることで、光検出器の感度Ｒ及び利得Ｇが向上した。また実施例１に示す光検出器は、光検出器の感度Ｒ及び利得Ｇが高いにも関わらず、５０ｍｓ以下の高速応答が可能であった。
【００６０】
第１ゲート電極４に＋２０Ｖを印加し、ドレイン電極３に＋５Ｖを印加し、４５ｍＷ／ｃｍ２の光を有機半導体層１に照射し、比検出能Ｄ＊を測定した。光検出器の比検出能Ｄ＊は、Ｄ＊≒Ｒ／（２ｑＩＤ）１／２で表記される。Ｒは光検出器の感度、ｑは電子の電荷であり、ＩＤは暗電流の電流量である。図６は、実施例１に示す光検出器において第２ゲート電極５に印加する電圧を変えた際における光検出能の変化を示したグラフである。図６に示すように、第２ゲート電極５に−１３Ｖ以下の電位を与えると、比検出能Ｄ＊も急速に向上した。これは有機半導体層１のフォトキャリアの挙動が図２（ｃ）に示す挙動に移行したためと考えられる。
【００６１】
次いで、光検出器の照射する光の強度を変えて、感度Ｒ、利得Ｇ、比検出能Ｄ＊を求めた。第１ゲート電極４には＋２０Ｖを印加し、ドレイン電極３には＋５Ｖを印加した。第２ゲート電極５に０Ｖを印加した場合と、−２０Ｖを印加した場合とのそれぞれの結果を求めた。図７は、実施例１に示す光検出器に照射する光の照射量を変えた際の光検出器の感度Ｒの変化を示したグラフであり、図８は、実施例１に示す光検出器に照射する光の照射量を変えた際の光検出器の利得Ｇの変化を示したグラフであり、図９は、実施例１に示す光検出器に照射する光の照射量を変えた際の光検出器の比検出能Ｄ＊の変化を示したグラフである。
【００６２】
光検出器の感度Ｒ、利得Ｇ、比検出能Ｄ＊は、光の照射強度が１ｍＷ／ｃｍ２を境目として挙動が変化している。これは上述のように、有機半導体層１で発生するフォトキャリアの量の違いによりフォトキャリアの挙動が変化したことに起因すると考えられる。
【００６３】
図７に示すように光検出器の感度Ｒは、１ｍＷ／ｃｍ２以下の領域において線形的である。すなわち、照射量を大きくすれば大きな電流量が流れるという比例関係が成り立っている。また図８に示すように光検出器の利得Ｇは、いずれの領域においても第２ゲート電極５に電圧を印加しない場合より向上した。さらに、比検出能Ｄ＊は、１ｍＷ／ｃｍ２以下の領域において線形的であった。また比検出能Ｄ＊は、１ｍＷ／ｃｍ２以上の領域において、第２ゲート電極５に電圧を印加しない場合より１桁以上向上した。
【００６４】
（比較例１）
図１０は、比較例１に示す光検出器の模式図である。各層の構成は以下のようにした。
第１ゲート電極１４：厚み５０００ｎｍのＳｉ膜
ソース電極１２及びドレイン電極１３：厚み３０ｎｍの金
有機半導体層１１：厚み２５ｎｍのＤＰＰ−ＤＴＴ（ジケトピロロピオールとジチエノチオフェンとの共重合体：ｐ型半導体）
第１絶縁層１６：厚み２００ｎｍのオクチルトリクロロシラン（ＯＴＳ）処理したＳｉＯ２
第２絶縁層１７：厚さ３００ｎｍのパリレン
第２ゲート電極１５：厚み３０ｎｍの金
平面視形状：長さ３０μｍ、幅７００μｍの長方形状
【００６５】
比較例１にかかる光検出器の特性を調べた。第１ゲート電極１４に−４０Ｖを印加し、ドレイン電極３に−４０Ｖを印加し、４５ｍＷ／ｃｍ２の光を有機半導体層１１に照射した。この条件で、第２ゲート電極５に印加する電圧を変化させて際の感度Ｒ、利得Ｇ、比検出能Ｄ＊の変化を求めた。図１１は、比較例１にかかる光検出器の第２ゲート電極１５に印加する電圧を変えた際における光検出器の感度Ｒ及び利得Ｇの変化を示すグラフである。図１１において白丸を結んだ線が感度Ｒについてのデータであり、白四角を結んだ線が利得Ｇについてのデータである。図１２は、比較例１にかかる光検出器の第２ゲート電極１５に印加する電圧を変えた際における比検出能Ｄ＊の変化を示したグラフである。
【００６６】
図１１に示すように、第２ゲート電極５に印加する電圧を変えても、感度Ｒ、利得Ｇ及び比検出能Ｄ＊の大幅な変化は確認されなかった。これは有機半導体層１１がｐ型半導体のみからなるため、図２（ｃ）に示すような厚さ方向の電荷の分離が生じず、フォトダイオード的なフォトキャリアの挙動が生じなかったためと考えられる。また得られる感度Ｒの絶対値も実施例１（図４参照）と比較して小さかった。同様に、比検出能Ｄ＊も実施例１（図６参照）と比較して１桁小さかった。
【符号の説明】
【００６７】
１、１１  有機半導体層
２、１２  ソース電極
３、１３  ドレイン電極
４、１４  第１ゲート電極
５、１５  第２ゲート電極
６、１６  第１絶縁層
７、１７  第２絶縁層
８  基板
１０、２０  光検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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