(57)【要約】【課題】紫外光を可視光から分離して検出する紫外光センサー及びその製造方法を提供する。【解決手段】第１の電極層と、第１の電極層上に形成され、ポリシランを含むＰ型半導体材料と、Ｎ型半導体材料とを含み、紫外光のみを吸収する光電変換層と、光電変換層上に形成された第２の電極層とを有する。【選択図】図３
2012169521.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極層と、
前記第１の電極層上に形成され、ポリシランを含むＰ型半導体材料と、Ｎ型半導体材料とを含み、紫外光のみを吸収する光電変換層と、
前記光電変換層上に形成された第２の電極層と
を有することを特徴とする紫外光センサー。
【請求項２】
請求項１記載の紫外光センサーにおいて、
前記光電変換層は、
前記第１の電極層上に形成され、前記Ｐ型半導体材料を含むＰ型半導体層と、
前記Ｐ型半導体層上に形成され、前記Ｎ型半導体材料を含むＮ型半導体層と
を有することを特徴とする紫外光センサー。
【請求項３】
請求項１の紫外光センサーにおいて、
前記光電変換層は、前記Ｐ型半導体材料と前記Ｎ型半導体材料とのバルクヘテロ接合を有する
ことを特徴とする紫外光センサー。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の紫外光センサーにおいて、
前記ポリシランは、一般式
【化６】
2012169521.tif 000008
（式中、Ｒ１は炭化水素基又はハロゲン化炭化水素基を表し、Ｒ２は、炭化水素基又はハロゲン化炭化水素基を表し、ｎは、１０〜１０００の整数を表す）
で表される構造を有する
ことを特徴とする紫外光センサー。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の紫外光センサーにおいて、
前記第１の電極層の材料は、インジウムスズ酸化物であり、
前記第２の電極層の材料は、アルミニウムである
ことを特徴とする紫外光センサー。
【請求項６】
第１の電極層を形成する工程と、
前記第１の電極層上に、ポリシランを含むＰ型半導体材料とＮ型半導体材料を含み、紫外光のみを吸収する光電変換層を形成する工程と、
前記光電変換層上に、第２の電極層を形成する工程と
を有することを特徴とする紫外光センサーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外光センサー及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、紫外光を検出する光センサーの需要が高まっている。例えば、健康及び美容分野では、皮膚にダメージを与える紫外線を検出するために、紫外光を検出する光センサーが用いられている。紫外光を検出する光センサーは、健康及び美容分野のほか、気象モニターとしても用いられている。
【０００３】
従来、紫外光を検出する光センサーにはシリコンが広く用いられてきた。しかしながら、シリコンは紫外光のみならず可視光も吸収するので、紫外光を可視光から分離して検出することができなかった。
【０００４】
そこで、シリコンを用いた光センサーに可視光をカットするフィルターを設けたり、シリコンの代わりに可視光を吸収しないＧａＡｓやＧａＡｓＰといった化合物半導体を用いたりすることにより、紫外光を可視光から分離して検出することが行われてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１５８２５４号公報
【特許文献２】特開２００５−３０３２６６号公報
【特許文献３】特開平８−１６７７２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、シリコンを用いた光センサーに可視光をカットするフィルターを設ける方法では、可視光をカットするフィルターを素子に組み込むため、素子が大型になることと感度が落ちるということがあった。また、シリコンの代わりに可視光を吸収しない化合物半導体を用いる方法では、化合物半導体自体が高価であり、安価な光センサーを実現することが困難であった。
【０００７】
本発明の目的は、紫外光を可視光から分離して検出する、安価で高効率の紫外光センサー及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の一観点によれば、第１の電極層と、前記第１の電極層上に形成され、ポリシランを含むＰ型半導体材料と、Ｎ型半導体材料とを含み、紫外光のみを吸収する光電変換層と、前記光電変換層上に形成された第２の電極層とを有する紫外光センサーが提供される。
【０００９】
また、実施形態の他の観点によれば、第１の電極層を形成する工程と、前記第１の電極層上に、ポリシランを含むＰ型半導体材料とＮ型半導体材料を含み、紫外光のみを吸収する光電変換層を形成する工程と、前記光電変換層上に、第２の電極層を形成する工程とを有する紫外光センサーの製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
開示の紫外光センサー及びその製造方法によれば、紫外光を可視光から分離して検出する、安価で高効率の紫外光センサー及びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施形態による紫外光センサーの構造を示す断面図である。
【図２】図２は、ポリシランの光吸収スペクトルを示すグラフである。
【図３】図３は、第１実施形態による紫外光センサーの動作を示す図である。
【図４】図４は、第１実施形態による紫外光センサーのエネルギーダイアグラムである。
【図５】図５は、第１実施形態による紫外光センサーの出力特性を示すグラフである。
【図６】図６は、第２実施形態による紫外光センサーの構造を示す断面図である。
【図７】図７は、第２実施形態による紫外光センサーの光電変換層の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［第１実施形態］
第１実施形態による紫外光センサー及びその製造方法について図１乃至図５を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態による紫外光センサーの構造を示す断面図である。図２は、ポリシランの光吸収スペクトルを示すグラフである。図３は、本実施形態による紫外光センサーの動作を示す図である。図４は、本実施形態による紫外光センサーのエネルギーダイアグラムである。図５は、本実施形態による紫外光センサーの出力特性を示すグラフである。
【００１４】
本実施形態による紫外光センサーの構造について図１を用いて説明する。
【００１５】
透明基板であるガラス基板１０上には、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を材料とする透明な第１の電極層１２が形成されている。第１の電極層１２上には、紫外光のみを吸収して光電流を発生する光電変換層１３が形成されている。光電変換層１３は、Ｐ型半導体であるポリシランを含み、紫外光のみを吸収するＰ型半導体層１４と、Ｐ型半導体層１４上に形成され、Ｎ型半導体であるフェニルＣ６１酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）を含むＮ型半導体層１６とを有する。光電変換層１３上には、アルミニウムを材料とする第２の電極層１８が形成されている。
【００１６】
このように、本実施形態による紫外光センサーは、ガラス基板１０上の第１の電極層１２及び第２の電極層１８を電極とし、その間のＰ型半導体層１４及びＮ型半導体層１６を光電変換層１３とする構造を有している。
【００１７】
Ｐ型半導体層１４は、前述のようにポリシランを含み、紫外線を吸収する層である。ポリシランは下記の構造で表される。
【００１８】
【化１】
2012169521.tif 000003
（式中、Ｒ１は、炭化水素基又はハロゲン化炭化水素基を表し、Ｒ２は、炭化水素基又はハロゲン化炭化水素基を表し、ｎは、１０〜１０００の整数を表す。）
ポリシランの具体例としては、特に限定されるものではないが、例えば、下記の構造で表されるポリジフェニルシランが挙げられる。
【００１９】
【化２】
2012169521.tif 000004
（式中、ｎは、１０〜１０００の整数を表す。）
或いは、下記の構造で表されるポリ（ｍ−ヘキソキシフェニル）フェニルシランが挙げられる。
【００２０】
【化３】
2012169521.tif 000005
（式中、ｎは、１０〜１０００の整数を表す。）
或いは、下記の構造で表されるものが挙げられる。
【００２１】
【化４】
2012169521.tif 000006
（式中、ｍは、１〜６の整数を表し、ｎは、１０〜１０００の整数を表す。）
この構造を満たす例として、ｍ＝４であるポリｎ−ブチルフェニルシランやｍ＝６であるポリヘキシルフェニルシランが挙げられる。
【００２２】
或いは、下記の構造で表されるものが挙げられる。
【００２３】
【化５】
2012169521.tif 000007
（式中、ｋは、１〜６の整数を表し、ｍは、１〜６を表し、ｎは、１０〜１０００を表す。）
図２は、ポリシランの光吸収スペクトルを示すグラフである。このグラフは、ポリシランとしてポリｎ−ブチルフェニルシランを用いた例である。図２に示すように、ポリｎ−ブチルフェニルシランは３５０ｎｍ以下の波長の光に強い吸収のピークを示す。この性質は、ポリシランの一般的な性質である。ポリシランは、紫外光を吸収するが、可視光を吸収しない。
【００２４】
Ｐ型半導体層１４は、必ずしも１種類のポリシランを含有するものである必要はなく、複数種類のポリシランを含有するものでもよい。また、Ｐ型半導体層１４は、必ずしもポリシランのみにより形成される必要はないが、紫外光を選択的に検出する観点から、紫外光以外を吸収する物質、例えば、可視光や赤外光を吸収する色素物質を添加しないことが望ましい。
【００２５】
Ｎ型半導体層１６は、Ｎ型半導体材料を含む層である。Ｎ型半導体材料の具体例としては、特に限定されるものではないが、例えば、フェニルＣ６０酪酸メチルエステル、フェニルＣ６１酪酸メチルエステル等のＮ型有機半導体材料が挙げられる。或いは、Ｃ７０酪酸メチルエステル、Ｃ６０フラーレン、Ｃ７０フラーレン、ポリ｛２，５−ジ（オクチルオキシ）シアノテレフタリリデン）｝等のＮ型有機半導体材料が挙げられる。或いは、ポリ｛５−（２−エチルヘキシルオキシ）−２−メトキシ−シアノテレフタリリデン｝、ポリ（ベンゾイミダゾベンゾフェナントロリン）、ポリ（ベンゾビスイミダゾベンゾフェナントロリン）等のＮ型有機半導体材料が挙げられる。Ｎ型半導体層１６は、必ずしも１種類のＮ型半導体を含有するものである必要はなく、複数種類のＮ型半導体を含有するものでもよい。また、Ｎ型半導体層１６は、必ずしもＮ型有機半導体により形成される必要はなく、Ｎ型無機半導体により形成されてもよい。
【００２６】
第１の電極層１２の材料は、Ｐ型半導体層１４を形成するＰ型半導体が有する価電子帯によって決定される。第１の電極層１２の材料が有する仕事関数は、Ｐ型半導体層１４を形成するＰ型半導体の価電子帯より大きいことが望ましい。この条件を満たす例として、ＩＴＯが挙げられる。
【００２７】
第２の電極層１８の材料は、Ｎ型半導体層１６を形成するＮ型半導体が有する伝導帯によって決定される。第２の電極層１８の材料が有する仕事関数は、Ｎ型半導体層１６を形成するＮ型半導体が有する伝導帯より小さいことが望ましい。この条件を満たす例として、アルミニウムが挙げられる。
【００２８】
本実施形態による紫外光センサーの動作について図３を用いて説明する。
【００２９】
図３に示すように、第１の電極層１２に正の電位を付加し、第２の電極層１８に負の電位を付加する。また、検出対象の紫外光は、紫外光センサーのガラス基板１０の裏側にから照射される。
【００３０】
図４は、本実施形態による紫外光センサーの電極及び光電変換層１３のエネルギーダイアグラムである。Ｐ型半導体層１４に紫外光が入射すると、Ｐ型半導体層１４の材料であるポリシランは紫外光を吸収し、励起子を生成する。この励起子は電子と正孔の対であり、電荷を持たないのでＰ型半導体層１４内を自由に拡散することができる。Ｐ型半導体層１４とＮ型半導体層１６の界面に励起子が到達すると、ＰＮ接合の内蔵電界によって励起子は電荷分離される。励起子から分離した電子は、より安定したエネルギー状態である層に移動する、つまり、Ｎ型半導体層１６内に移動し、第２の電極層１８まで到達する。励起子から分離した正孔は、よりエネルギー状態の安定した層に移動する、つまり、Ｐ型半導体層１４内を逆戻りして第１の電極層１２に到達する。このように、分離した電子及び正孔がそれぞれ第２の電極層１８及び第１の電極層１２に移動することにより、光電流が発生する。
【００３１】
図５は、本実施形態による紫外光センサーの出力特性を示すグラフである。測定条件として、３３０ｎｍの紫外光を紫外光センサーに照射し続けた。このグラフは、本実施形態による紫外光センサーに印加する電圧を増加させた際の電流の変化を示している。
【００３２】
約０．４５Ｖ以上の電圧を印加すると、電流密度はマイナスとなる。これは、紫外光がＰ型半導体層１４に入射することによって形成された励起子がＰ型半導体層１４とＮ型半導体層１６の界面で電荷分離して光電流が流れたことを表している。印加する電圧を増加することにより、分離した電子は界面からＮ型半導体層１６を経て負の電位を印加した第２の電極層１８に移動しやすくなり、分離した正孔は界面からＰ型半導体層１４を経て正の電位を印加した第１の電極層１２に移動しやすくなるためである。つまり、図５の結果から、紫外光の照射により発生する光電流を検知することにより、本実施形態による紫外光センサーは紫外光に対応するセンサーとして動作することが検証された。
【００３３】
次に、本実施形態による紫外光センサーの製造方法について図１を用いて説明する。
【００３４】
まず、透明基板であるガラス基板１０上に、例えば、スパッタリング法により、例えば、膜厚２００ｎｍのＩＴＯ膜を堆積する。これにより、ガラス基板１０上に透明な第１の電極層であるＩＴＯ層１２が形成される。
【００３５】
次いで、ＩＴＯ層１２上に、例えば、ポリヘキシルフェニルシラン溶液を塗布し、ガラス基板１０を高速回転させ、熱処理を加えることにより、膜厚５０ｎｍのポリヘキシルフェニルシラン膜を形成する。これにより、ＩＴＯ層１２上にＰ型半導体であるポリシラン層１４が形成される。
【００３６】
次いで、ポリシラン層１４上に、例えば、ＰＣＢＭ溶液を塗布し、ガラス基板１０を高速回転させ、熱処理を加えることにより、例えば、膜厚５０ｎｍのＰＣＢＭ膜を形成する。これにより、ポリシラン層１４上にＮ型半導体であるＰＣＢＭ層１６が形成される。
【００３７】
次いで、ＰＣＢＭ層１６上に、例えば、真空蒸着法により、例えば、膜厚３５０ｎｍのアルミニウム膜を製膜する。これにより、ＰＣＢＭ層１６上に第２の電極層であるアルミニウム層１８が形成される。
【００３８】
こうして、本実施形態の紫外光センサーを完成する。
【００３９】
このように、本実施形態によれば、紫外光センサーを安価に作製することができる。また、本実施形態による紫外光センサーは、可視光をカットするフィルターを用いる光センサーよりも紫外光を高効率で検出することができる。
【００４０】
［第２実施形態］
第２実施形態による紫外光センサー及びその製造方法について図６及び図７を用いて説明する。図１乃至図５に示す第１実施形態による紫外光センサー及びその製造方法と同一の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し又は簡潔にする。
【００４１】
図６は、本実施形態による紫外光センサーの構造を示す断面図である。図７は、本実施形態による紫外光線センサーの光電変換層２０の模式図である。
【００４２】
はじめに、本実施形態による紫外光センサーの構造について図６を用いて説明する。
【００４３】
透明基板であるガラス基板１０上には、ＩＴＯを材料とする透明な第１の電極層１２が形成されている。第１の電極層１２上には、紫外光のみを吸収する光電変換層２０が形成されている。光電変換層２０は、Ｐ型半導体であるポリシランを含み、紫外光のみを吸収するＰ型半導体領域２２と、Ｎ型半導体であるＰＣＢＭを含むＮ型半導体領域２４とを有している。Ｐ型半導体領域２２とＮ型半導体領域２４とは、バルクヘテロ接合構造を形成している。光電変換層２０上には、アルミニウムを材料とする第２の電極層１８が形成されている。
【００４４】
このように、本実施形態による紫外光センサーは、ガラス基板１０上の第１の電極層１２及び第２の電極層１８を電極とし、その間に光電変換層２０を有している。
【００４５】
本実施形態による紫外光センサーにおいて、光電変換層２０のＰ型半導体領域２２は、第１実施形態による紫外光センサーの光電変換層１３のＰ型半導体材料と同様の材料で形成されている。
【００４６】
また、本実施形態による紫外光センサーにおいて、光電変換層のＮ型半導体領域２４は、第１実施形態による紫外光センサーの光電変換層１３のＮ型半導体材料と同様の材料で形成されている。
【００４７】
図７は、本実施形態による光電変換層２０の模式図である。バルクヘテロ接合とは、Ｐ型半導体領域２２とＮ型半導体領域２４が無配向に層分離した状態のことである。このため、Ｐ型半導体領域２２とＮ型半導体領域２４との接触面積、つまり、電荷分離面積は、積層構造をとる光電変換層１３のＰ型半導体層１４とＮ型半導体層１６との電荷分離面積より大きくなる。そのため、紫外光により励起した励起子が電荷分離界面に到達する確率が増加し、第１の電極層１２及び第２の電極層１８にそれぞれ移動する正孔及び電子の数が増えるので、光電流は大きくなる
次に、本実施形態による紫外光センサーの製造方法について図６を用いて説明する。
【００４８】
まず、透明基板であるガラス基板１０上に、例えば、スパッタリング法により、例えば、膜厚２００ｎｍのＩＴＯ膜を堆積する。これにより、ガラス基板１０上に透明な第１の電極層１２が形成される。
【００４９】
次いで、第１の電極層１２上に、ポリヘキシルフェニルシランとＰＣＢＭとの混合ポリマー溶液を塗布し、熱処理を加えることにより、ポリヘキシルフェニルシランとＰＣＢＭの混合層を形成する。これにより、第１の電極層１２上にＰ型半導体領域２２とＮ型半導体領域２４を有する光電変換層２０が形成される。
【００５０】
次いで、光電変換層２０上に、例えば、真空蒸着法により、例えば、膜厚３５０ｎｍのアルミニウム膜を製膜する。これにより、光電変換層２０上に第２の電極層１８が形成される。
【００５１】
こうして、本実施形態の紫外光センサーを完成する。
【００５２】
このように、本実施形態によれば、光電変換層２０がバルクヘテロ接合を有することにより、紫外光センサーの感度を向上させることができる。
［変形実施形態］
上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００５３】
例えば、上記実施形態では、透明基板としてガラス基板用いたが、紫外光を透過するものであれば、特に限定されるものではない。例えば、プラスチック基板でもよい。
【００５４】
上記実施形態では、第１の電極層の材料にＩＴＯを用いたが、Ｐ型半導体層を形成するＰ型半導体が有する価電帯より大きな仕事関数を有する材料であれば、特に限定されるものではない。
【００５５】
また、第２の電極層の材料にはアルミニウムを用いたが、Ｎ型半導体層を形成するＮ型半導体が有する伝導帯より小さな仕事関数を有する材料であれば、特に限定されるものではない。
【００５６】
例えば、ＩＴＯを陽極である第１の電極層に用いる場合、陰極である第２の電極層の材料は、アルミニウム、マグネシウム、アルミニウム−リチウム合金、カルシウム、アルミニウム／フッ化リチウム、セシウムでもよい。或いは、銀、マグネシウム−銀合金、マグネシウム−インジウム合金、アルミニウム／カルシウム、アルミニウム／二酸化セシウムでもよい。
【００５７】
例えば、ＩＴＯを陰極である第２の電極層に用いる場合、陽極である第１の電極層の材料は、金、銅、銀、アルミニウムでもよい。
【００５８】
上記実施形態では、ガラス基板上に、第１の電極層、Ｐ型半導体層、Ｎ型半導体層、第２の電極層の順に形成したが、第２の電極層、Ｎ型半導体層、Ｐ型半導体層、第１の電極層の順で形成してもよい。その際の基板は透明でなくても電極層を支持するものであれば、特に限定されるものではない。例えば、Ｓｉ基板やプラスチック基板でもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１０…ガラス基板
１２…第１の電極層
１３…光電変換層
１４…Ｐ型半導体層
１６…Ｎ型半導体層
１８…第２の電極層
２０…光電変換層
２２…Ｐ型半導体領域
２４…Ｎ型半導体領域
【図１】
2012169521.tif 000009
【図２】
2012169521.tif 000010
【図３】
2012169521.tif 000011
【図４】
2012169521.tif 000012
【図５】
2012169521.tif 000013
【図６】
2012169521.tif 000014
【図７】
2012169521.tif 000015