(57)【要約】【課題】高分解能の光電変換装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、光電変換部と、電圧印加部と、検出部と、を含む光電変換装置が提供される。前記光電変換部は、光透過性の第１導電部と、電荷トラップ層と、前記第１導電部と前記電荷トラップ層との間に設けられた光電変換層と、を含む。前記電圧印加部は、前記第１導電部と前記電荷トラップ層との間に電圧を印加する。前記検出部と前記光電変換部との間に前記電荷トラップ層が配置される。記第１導電部を介して前記光電変換層に入射した光により生じた第１電荷は、前記電圧により前記電荷トラップ層にトラップされる。前記検出部は、前記電荷トラップ層にトラップされた前記第１電荷に応じた信号を検出する。【選択図】図１
2015185222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性の第１導電部と、
電荷トラップ層と、
前記第１導電部と前記電荷トラップ層との間に設けられた光電変換層と、
を含む光電変換部と、
前記第１導電部と前記電荷トラップ層との間に電圧を印加する電圧印加部と、
検出部と、
を備え、
前記検出部と前記光電変換部との間に前記電荷トラップ層が配置され、
記第１導電部を介して前記光電変換層に入射した光により生じた第１電荷は、前記電圧により前記電荷トラップ層にトラップされ、
前記検出部は、前記電荷トラップ層にトラップされた前記第１電荷に応じた信号を検出する光電変換装置。
【請求項２】
前記電荷トラップ層は、酸化シリコン及びアモルファスシリコンのいずれかを含む請求項１記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記電荷トラップ層の厚さは、１ナノメートル以上１０ナノメートル以下である請求項１または２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記光電変換層は、シリコン、ＧａＡｓ、ＣｄＳ及びＣｄＴｅの少なくもいずれかを含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記第１電荷は正孔である請求項１〜４のいずれか１つに記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記光電変換部は、前記検出部と前記電荷トラップ層との間に設けられた第２導電部をさらに含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記電荷トラップ層は、
前記第１導電部から前記光電変換層に向かう方向に対して交差する平面内に配置された複数の半導体領域と、
前記複数の半導体領域どうしの間に設けられた絶縁層と、
を含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記電荷トラップ層は、
複数の第１層と、
前記第１層とは組成が異なる複数の第２層と、
を含み、
前記複数の第２層のそれぞれは、前記複数の第１層どうしの間のそれぞれに配置される請求項１〜７のいずれか１つに記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記複数の第１層と、前記複数の第２層と、は、超格子を形成する請求項８記載の光電変換装置。
【請求項１０】
前記複数の第１層は、シリコン、または、III-Ｖ族半導体を含み、
前記複数の第２層は、シリコン、または、III-Ｖ族半導体を含む請求項８または９に記載の光電変換装置。
【請求項１１】
前記複数の第１層のバンドギャップエネルギーは、前記複数の第２層のバンドギャップエネルギーよりも大きく、前記第１電荷は、前記複数の第２層の少なくともいずれかにトラップされる請求項８〜１０のいずれか１つに記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光電変換層が、例えば、カメラや光センサなどに用いられている。光電変換層を用いた光電変換層において分解能を向上することが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−３６３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、高分解能の光電変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、光電変換部と、電圧印加部と、検出部と、を含む光電変換装置が提供される。前記光電変換部は、光透過性の第１導電部と、電荷トラップ層と、前記第１導電部と前記電荷トラップ層との間に設けられた光電変換層と、を含む。前記電圧印加部は、前記第１導電部と前記電荷トラップ層との間に電圧を印加する。前記検出部と前記光電変換部との間に前記電荷トラップ層が配置される。記第１導電部を介して前記光電変換層に入射した光により生じた第１電荷は、前記電圧により前記電荷トラップ層にトラップされる。前記検出部は、前記電荷トラップ層にトラップされた前記第１電荷に応じた信号を検出する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に係る光電変換装置を例示する模式的断面図である。
【図２】実施形態に係る光電変換装置を例示する模式的平面図である。
【図３】実施形態に係る光電変換装置を例示する模式的断面図である。
【図４】実施形態に係る光電変換装置を例示する模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（実施形態）  
図１は、実施形態に係る光電変換装置を例示する模式的断面図である。  
図１に表したように、本実施形態に係る光電変換装置１１０は、光電変換部１５と、電圧印加部７０と、検出部６０と、を含む。
【０００９】
光電変換部１５は、第１導電部１０と、光電変換層３０と、電荷トラップ層４０と、を含む。
【００１０】
第１導電部１０から電荷トラップ層４０に向かう方向（第１導電部１０から光電変換層３０に向かう方向でも良い）をＺ軸方向（積層方向）とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向とＸ軸方向とに対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
【００１１】
第１導電部１０は、光透過性である。第１導電部１０には、例えば、例えば、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＴｉよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物が用いられる。第１導電部１０には、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などが用いられる。第１導電部１０として、例えば、光透過性の薄い金属層を用いても良い。
【００１２】
光電変換層３０は、第１導電部１０と電荷トラップ層４０との間に設けられる。光電変換層３０には、例えば、シリコン、ＣｄＳ、ＧａＡｓ、ＣｄＴｅ及びＩｎＰの少なくもいずれかが用いられる。光電変換層３０には、例えば、アモルファスシリコンが用いられる。このアモルファスシリコンの抵抗率は、例えば、１Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下である。
【００１３】
電荷トラップ層４０には、酸化シリコンシリコンのいずれかが用いられる。電荷トラップ層４０には、光電変換層の抵抗率（１Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下）よりも高い抵抗率を有するアモルファスシリコン膜またはシリコン酸化膜が用いられる。電荷トラップ層４０は、例えば、これらのアモルファスシリコン膜またはシリコン酸化膜の膜中に、正孔をトラップする。電荷トラップ層４０の厚さは、例えば、１ナノメートル（ｎｍ）以上１０ｎｍ以下である。厚さは、Ｚ軸方向の長さである。電荷トラップ層４０の厚さについては、後述する。
【００１４】
検出部６０と光電変換層３０との間に、電荷トラップ層４０が配置される。この例では、光電変換部１５に、第２導電部２０がさらに設けられている。第２導電部２０と光電変換層３０との間に、電荷トラップ層４０が配置される。第２導電部２０は、検出部６０と電荷トラップ層４０との間に配置される。検出部６０の例については、後述する。
【００１５】
電圧印加部７０は、第１導電部１０と電荷トラップ層４０との間に電圧を印加する。第２導電部２０が設けられる場合は、電圧印加部７０は、第１導電部１０と第２導電部２０との間に電圧を印加する。これにより、第１導電部１０と電荷トラップ層４０との間に電圧が印加される。例えば、第１導電部１０の電位を、電荷トラップ層４０の電位（第２導電部２０の電位）よりも高くする。
【００１６】
第１導電部１０を介して光電変換層３０に光Ｌ１が入射する。入射した光Ｌ１により、光電変換層３０において、電荷（第１電荷ｃ１及び第２電荷ｃ２）が生じる。第１電荷ｃ１は、例えば、正孔である。第２電荷ｃ２は、例えば、電子である。
【００１７】
電圧印加部７０により印加された電圧により、生じた電荷が移動する。第１電荷ｃ１は、この印加電圧により、電荷トラップ層４０に向けて移動する。この第１電荷ｃ１は、電荷トラップ層４０にトラップされる。一方、第２電荷ｃ２は、第２導電部２０に向けて移動する。
【００１８】
検出部６０は、電荷トラップ層４０にトラップされた第１電荷ｃ１の量に応じた信号を検出する。検出部６０は、例えば、読み出し部である。検出部６０では、入射した光Ｌ１の強度に応じた信号が得られる。
【００１９】
光電変換装置においては、入射する光を吸収することで、光電変換層３０中で電荷が生じる。生じた電荷（電子−正孔対）が多いほど、光に対する感度が高くなる。
【００２０】
例えば、電荷トラップ層４０を設けない参考例がある。この参考例においては、生じた電荷の量が多いと、同じ極性の電荷どうしが反発して電荷の分布が広がる。すなわち、光電変換層３０中に生じた電荷によって電界が発生し、発生した電界によって電荷がＸ−Ｙ平面内で広がる。このため、光電変換装置の分解能が低下する。
【００２１】
これに対して、実施形態に係る光電変換装置１１０においては、生成された電荷（第１電荷ｃ１）は、電荷トラップ層４０にトラップされる。このため、電荷がＸ−Ｙ平面で広がることが抑制される。そして、電荷トラップ層４０にトラップされた電荷を検出部６０が読み出す。実施形態によれば、高分解能の光電変換装置が提供できる。
【００２２】
このように、実施形態に係る光電変換装置１１０においては、電荷トラップ層４０が、光電変換層３０と検出部６０との間（すなわち、光電変換層３０と第２導電部２０との間）に設けられる。電荷トラップ層４０において、読みだされる前の電荷（第１電荷ｃ１）は、拡散しない。これにより、光吸収によって生成した電荷は、印加された電圧による電界によって効果的に移動する。Ｘ−Ｙ平面での電荷の広がりが抑制できる。光吸収された位置と、信号が検出される位置と、の差（すなわち、電荷の拡散）が抑制される。例えば、空間分解能が向上する。
【００２３】
電荷トラップ層４０は、光電変換層３０の上に一様に配置されても良い。実施形態において、電荷トラップ層４０は、以下に例示するように、光電変換層３０の上に２次元的に配置されていてもよい。
【００２４】
図２は、実施形態に係る光電変換装置を例示する模式的平面図である。  
図２は、実施形態に係る別の光電変換装置１１１における電荷トラップ層４０を例示している。
【００２５】
図２に表したように、電荷トラップ層４０は、複数の半導体領域４５と、絶縁層４６と、を含む。複数の半導体領域４５は、Ｘ−Ｙ平面内（第１導電部１０から光電変換層３０に向かうＺ軸方向に対して交差する平面）内に配置される。絶縁層４６は、複数の半導体領域４５どうしの間に設けられる。
【００２６】
半導体領域４５には、例えば、アモルファスシリコンなどが用いられる。絶縁層４６には、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜などが用いられる。
【００２７】
絶縁層４６は、複数の半導体領域４５を区分する。複数の半導体領域４５のそれぞれにおいて、電荷（第１電荷ｃ１）がトラップされる。複数の半導体領域４５どうしの間での電荷の移動は実質的に生じない。これにより、分解能がさらに向上する。
【００２８】
図３は、実施形態に係る光電変換装置を例示する模式的断面図である。  
図３は、実施形態に係る別の光電変換装置１１２における電荷トラップ層４０を例示している。
【００２９】
図３に表したように、この例では、電荷トラップ層４０は、複数の第１層４１と、複数の第２層４２と、を含む。第２層４２の組成は、第１層４１の組成とは異なる。複数の第２層４２のそれぞれは、複数の第１層４１どうしの間のそれぞれに配置される。
【００３０】
複数の第１層４１と、複数の第２層４２と、は、超格子を形成する。電荷トラップ層４０は、超格子構造を有する。
【００３１】
例えば、複数の第１層４１は、シリコン、または、III-Ｖ族半導体を含む。複数の第２層４２は、シリコン、または、III-Ｖ族半導体を含む。
【００３２】
例えば、複数の第１層４１のバンドギャップエネルギーは、複数の第２層４２のバンドギャップエネルギーよりも大きい。このとき、例えば、第１電荷ｃ１は、複数の第２層４２の少なくともいずれかにトラップされる。すなわち、量子井戸層に電荷がトラップされる。
【００３３】
このように、電荷トラップ層４０に超格子構造を提供することで、例えば、コントラスの低下要因となる暗電流を抑制できる。
【００３４】
図４は、実施形態に係る光電変換装置を例示する模式的断面図である。  
図４は、検出部６０を例示している。  
図４に表したように、本実施形態に係る別の光電変換装置１２０においては、検出部６０は、管部６２と、電極６１（例えばメッシュ電極）と、陰極６３と、を含む。管部６２の中に、電極６１、陰極６３、第１導電部１０、光電変換層３０、電荷トラップ層４０、及び、第２導電部２０が封入される。光電変換装置１２０において、高い分解能が得られる。
【００３５】
実施形態において、検出部６０には、例えば、フィールドエミッタアレイを用いても良い。検出部６０には、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）を用いても良い。検出部６０には、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）センサを用いても良い。検出部６０には、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）センサを用いても良い。実施形態において、検出部６０は、任意である。
【００３６】
実施形態によれば、高分解能の光電変換装置が提供できる。
【００３７】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【００３８】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、光電変換装置に含まれる導電部、光電変換部、光電変換層、電荷トラップ層、半導体領域、絶縁層、検出部及び電圧印加部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【００３９】
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【００４０】
その他、本発明の実施の形態として上述した光電変換装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての光電変換装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【００４１】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【００４２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４３】
１０…第１導電部、  １５…光電変換部、  ２０…第２導電部、  ３０…光電変換層、  ４０…電荷トラップ層、  ４１…第１層、  ４２…第２層、  ４５…半導体領域、  ４６…絶縁層、  ６０…検出部、  ６１…電極、  ６２…管部、  ６３…陰極、  ７０…電圧印加部、  １１０〜１１２、１２０…光電変換装置、  Ｌ１…光、  ｃ１、ｃ２…第１、第２電荷
【図１】
2015185222.tif 000003
【図２】
2015185222.tif 000004
【図３】
2015185222.tif 000005
【図４】
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