(57)【要約】【課題】波長検出に外部の波長選択素子を使用せず、有機半導体薄膜のもつ特定波長での吸収率の急激な変化を利用し、さらに光電信号の変化を急峻にすることで、精度の良い波長の同定の機能を有し、且つ簡便な層構造の光検出器を提供する。【解決手段】基板上に下部電極、有機半導体薄膜及び上部電極が順次積層された有機半導体光検出器において、前記光検出器から実際に得られる光電信号の対波長特性（実線）が、前記有機半導体薄膜が有する光吸収率から計算される光電信号強度（点線）の波長特性よりも波長に対する変化がより鋭い特性を有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に下部電極及び有機半導体薄膜・上部電極が順次積層された有機半導体光検出器において、
前記光検出器から実際に得られる光電信号の対波長特性が、前記有機半導体薄膜が有する光吸収率から計算される光電信号強度の波長特性よりも波長に対する変化がより鋭いことを特徴とする有機半導体光検出器。
【請求項２】
前記有機半導体薄膜が有する光吸収率から計算される光電信号強度の波長特性が一様に増大あるいは減少している波長域において、前記光検出器から実際に得られる光電信号の対波長特性が増大から減少に、あるいは減少から増大に転じるような特性を有することを特徴とする請求項１記載の有機半導体光検出器。
【請求項３】
ある特定の波長において、前記有機半導体薄膜が有する光吸収率が零でないにも関わらず、前記光検出器から実際に得られる光電信号強度が零または零に相当する信号強度になることを特徴とする請求項１記載の有機半導体光検出器。
【請求項４】
有機半導体薄膜がシアニン系色素分子を含むことを特徴とする請求項１、２又は３記載の有機半導体光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長の変化に対する光電信号強度の変化が、使用している有機半導体光吸収薄膜の吸収率から計算される光電信号強度の波長特性の変化よりも鋭く変化する特性を備えた有機半導体光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光検出に光検出器が用いられ、分光分析計や屈折率測定器等に光検出器が利用されている。光検出器として、例えば、特許文献１，２には、電極／有機物／電極構造において有機光半導体層を用いた有機半導体光検出器が記載されている。
【特許文献１】特開２００３−１０１０６０号公報
【特許文献２】特表２００２−５０２１２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の光検出器は、光を電気信号に変える光電変換を利用して光の強度を測定する元であり、分光応用などで重要となる波長の同定については十分な機能を有さない。そのため、検出器自体に波長検出機能を持たせず、分光器やプリズム、波長フィルターなどの波長選択性素子を組み合わせることで波長変化を光の強度に変換して、波長を検出させることを行ってきた。特に特定波長のピークをnmオーダーで精度良く検出するためには波長選択素子も大型化し、波長測定を行う装置は大型・高価になっていた。
【０００４】
そこで、本発明は、波長検出に外部の波長選択素子を使用せず、有機半導体薄膜のもつ特定波長での吸収率の急激な変化を利用し、さらに光電信号の変化を急峻にすることで、精度の良い波長の同定の機能を有し、且つ簡便な層構造の光検出器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、基板上に下部電極、有機半導体薄膜及び上部電極が順次積層された有機半導体光検出器において、前記光検出器から実際に得られる光電信号の対波長特性が、前記有機半導体薄膜が有する光吸収率から計算される光電信号強度の波長特性よりも波長に対する変化がより鋭いことを特徴とする。
【０００６】
本発明において、有機半導体薄膜が有する光吸収率から公知の次式により光電信号強度Ｖ（λ）が計算される。
Ｖ（λ）＝ＲＥ（１−（１−Ａ（λ））Ｔ）
ただし、
Ａ（λ）：薄膜の単位厚さ当たりの吸収率を波長の関数
Ｅ：入射光エネルギー
Ｔ：薄膜厚さ
Ｒ：吸収された光エネルギーの電圧への変換効率
【０００７】
一般的には、Ｖ（λ）はＡ（λ）にほぼ比例し、比例しない場合でも両者には正の相関関係がある。
【０００８】
前記有機半導体薄膜の波長に対する吸収率の変化は波長が１０〜５０ｎｍ変化する間に極大値を挟んで増減する様な鋭いピークを持つが、これを利用した前記光検出器の光電信号は光吸収率から計算される光電信号強度の波長特性よりさらに急峻に変化する。一部の素子については吸収率から計算される光電信号強度が一様に増加あるいは減少する波長域において、光電信号強度が増から減あるいは減から増に転じる。その結果、光吸収率から計算される光電信号強度対波長特性のカーブに対して、実際に光電信号の波長特性はより鋭く変化する。さらに、光吸収率から計算される光電信号強度の波長特性が零でない波長域であるにもかかわらず、前記の光電信号反転の結果、信号強度が０になり、波長の変化に対して非常に敏感な検出器として機能する。その波長の前後では光電信号が正負逆転する。また、前記有機半導体薄膜の材料として例えば、シアニン系色素を使用することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の半導体光検出器は、使用する有機半導体薄膜が、ある製膜条件について特に波長の変化に対する吸収率から計算される光電信号強度の波長特性が大きく変化する特性になることを利用し、さらにある条件で積層して光検出素子としてデバイスと成した場合に、吸収率から計算される光電信号強度の波長特性より、実際の光電信号強度の波長特性が吸収に変化する性能を得ることができる。この性能のため、より改善した波長選択性・変調変化の検出機能を有するので、特定波長の光の波長変化を精度良く検出することができる。
【００１０】
また、本発明の半導体光検出器では、受光面を１ｍｍ平方以下に局所化した有機光検出器をわずか３層の積層構造で作製することが可能であり、マイクロチップ型光検出器として光学機器に組み込めるので、組込型分光器、レーザー波長モニター、屈折率測定器、マイクロフローサイトメトリーなど各種検査、分析などの様々な分野での利用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例について図を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明による有機フォトダイオードの一例を示す概念図、図２は半導体薄膜材料分子構造の例を示す図である。
【００１３】
本実施例では、図１に示すように、透明電極１と金属電極２の間に有機半導体薄膜３を積層して有機フォトダイオード（ＯＰＤ）が形成される。半導体薄膜材料３には、シアニン系の有機半導体色素分子、たとえば、図２（ａ）に示す赤系シアニン色素、あるいは図２（ｂ）に示す黄色系シアニン色素を利用する。両色素分子は、水溶性であるため扱いやすく、また、使用する絶縁レジストや作製のプロセスで使用される有機溶媒には不溶であるという有利な性質を有する。
【００１４】
図３は本発明によるＯＰＤの作製プロセスの一例を示す図である。
【００１５】
図３においてガラス基板又はフィルム状の基板４上に形成されたＩＴＯ電極１の上に、絶縁層５をスピンコートした後、パターンニングにより受光面６を形成し、有機半導体薄膜３をスピンコートする。その後、アルミ電極２を蒸着する。こうしてパターニングにより絶縁層が存在しない受光面６の部分のみでＩＴＯ電極１とアルミ電極２で有機半導体膜３を挟んでＯＰＤを形成する。また、絶縁層をパターニングずる代わりに、インクジェットを利用して限定的に有機半導体薄膜を製膜する手法でもＯＰＤを作製することが可能である。
【００１６】
ＯＰＤをガラス基板又はフィルム状の基板４上に作製する場合、ＩＴＯ付ガラスあるいはＰＥＴフィルム上にＩＴＯをコートした基板（３００Ω□，ＰＥＴ膜厚１２５μｍ）を利用し、これにまず絶縁層５として例えば有機フィルムレジストをスピンコートした後、プレアニール、紫外露光、現像、ポストアニールによって、ＩＴＯの表面に受光面６を有する絶縁膜パターンを形成する。
【００１７】
次いで、シアニン系色素膜溶液をスピンコートして有機半導体薄膜３の成膜を行う。膜厚は２００〜３００ｎｍである。
【００１８】
最後に透過マスクを用いて有機半導体薄膜の上にアルミ電極２を蒸着してＯＰＤを構成する。
【００１９】
図４はアルミをカソード、ＩＴＯをアノードとして有機半導体色素分子である赤系シアニン色素と黄系シアニン色素のＶ−Ｉ特性を測定した結果を示すグラフである。
【００２０】
図４（ａ）の赤系シアニン色素のグラフ、図４（ｂ）の黄系シアニン色素のグラフに示されるとおり、いずれの有機半導体色素分子についても緩やかなダイオード特性を確認でき、ショットキーバリアが生成できていることがわかる。逆接続時のインピーダンスは２３．３ｋΩであった。
【００２１】
次に分光特性を、光源として開発した光パラメトリック発生器・増幅器（ＯＰＧ＋ＯＰＡ）を使用してレーザーを入射することで、分光特性を測定することが可能である。
【００２２】
図５は測定した光電信号と吸収率から計算される光電信号強度の波長応答ピーク値をプロットしたグラフで、（ａ）は赤系シアニン色素、（ｂ）は黄系シアニン色素について示すものである。
【００２３】
５（ａ）において、赤系シアニン色素を測定した結果、測定した光電信号は、実線で示すように、バイアスは０Ｖ、入力インピーダンスは１０ＭΩで、波長４４０ｎｍ付近から信号が得られており、５２０−５３０ｎｍで応答ピークは最大となる。入力波長が５４０ｎｍより長くなると点線で示す吸収率から計算される光電信号強度Ｖ（λ）は若干ながら増大しているにもかかわらず、光電信号出力は急激に減衰し、より急峻な変化を示している。さらに、５４５ｎｍで光電信号出力は０となり、その前後で信号の正負が逆転している。信号は５５０ｎｍで負の最大となり、波長５５５ｎｍ以降では出力は０に減衰していくことが分かった。
【００２４】
図５（ｂ）において、黄系シアニン色素を測定した結果、点線で示す吸収率から計算される光電信号強度Ｖ（λ）のピークが４６５ｎｍ付近にあるのに対し、実線で示す光電信号のピークは４５４ｎｍ付近にある。信号強度は、ピークからわずか１０ｎｍ波長がずれるだけで負の値にまで急激に変化するという特性を示している。
【００２５】
本発明のＯＰＤは、受光面を１ｍｍ平方以下に局所化した有機光検出器が得られ、自在にチップに組み込めるので、屈折率測定デバイス、波長分光デバイスなど光検出器を備えた様々な分野でのデバイスに利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明によるＯＰＤの一例を示す概念図である。
【図２】本発明の半導体薄膜材料の分子構造の例を示す図である。
【図３】本発明によるＯＰＤの作製プロセスの一例を示す図である。
【図４】有機半導体色素分子赤系シアニン色素と黄系シアニン色素のV-I特性を測定した結果を示すグラフである。
【図５】赤系シアニン色素と黄系シアニン色素の波長応筈ピーク値をプロットしたグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１：透明電極（ＩＴＯ）
２：金属電極（Ａｌ）
３：有機半導体薄膜
４：基板
５：絶縁層（有機フィルムレジスト）
６：受光面
【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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