(57)【要約】【課題】新規な構成を有する光検出装置を提供する。【解決手段】本開示のある実施形態による光検出装置は、複数の検出セルを有し、各検出セルは、半導体基板に形成されたソース領域およびドレイン領域と、半導体基板上のゲート絶縁層と、ゲート絶縁層上の透明ゲート電極とを有する。ゲート絶縁層は、吸収ピークが互いに異なる第１光電変換材料および第２光電変換材料を含む光電変換層を有する。各検出セルは、透明ゲート電極を介した光電変換層への光の入射によって生じる、光電変換層の誘電率の変化に対応した電気信号をソース領域およびドレイン領域のうちの一方から出力する。【選択図】図１
2017220577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが、
半導体基板に形成されたソース領域およびドレイン領域と、
前記半導体基板上のゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層上の透明ゲート電極と、
を有する、複数の検出セルを備え、
前記ゲート絶縁層は、吸収ピークが互いに異なる第１光電変換材料および第２光電変換材料を含む光電変換層を有し、
前記複数の検出セルの各々は、前記透明ゲート電極を介した前記光電変換層への光の入射によって生じる、前記光電変換層の誘電率の変化に対応した電気信号を前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの一方から出力する、光検出装置。
【請求項２】
前記ゲート絶縁層は、前記光電変換層と前記半導体基板の間に配置された絶縁層を含む、請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記透明ゲート電極と前記半導体基板との間に配置された遮光膜を有する、請求項１または２に記載の光検出装置。
【請求項４】
透過する波長域が互いに異なる第１フィルタおよび第２フィルタを含む帯域フィルタをさらに備え、
前記複数の検出セルは、第１検出セルおよび第２検出セルを含み、
前記第１フィルタは、前記第１検出セルの透明ゲート電極に対向し、
前記第２フィルタは、前記第２検出セルの透明ゲート電極に対向する、請求項１から３のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項５】
前記第１検出セルの透明ゲート電極および前記第２検出セルの透明ゲート電極のそれぞれは、連続する単一の電極の一部である、請求項４に記載の光検出装置。
【請求項６】
前記光電変換層は、逆方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第１電圧範囲、順方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第２電圧範囲、および、前記第１電圧範囲と前記第２電圧範囲との間の第３電圧範囲において、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率が互いに異なる光電流特性を有し、
前記第３電圧範囲における前記変化率は、前記第１電圧範囲における前記変化率および前記第２電圧範囲における前記変化率よりも小さい、請求項１から５のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項７】
前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの他方の電位を基準としたときに前記第３電圧範囲内にあるゲート電圧を前記透明ゲート電極に供給する電圧供給回路をさらに備え、
前記複数の検出セルの各々は、前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの前記他方と、前記透明ゲート電極との間の電位差が前記第３電圧範囲内に維持された状態で、前記光電変換層の誘電率の変化に対応した電気信号を前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの前記一方から出力する、請求項６に記載の光検出装置。
【請求項８】
それぞれが、
第１電極と、
半導体基板に形成された電界効果トランジスタであって、ゲートが前記第１電極に電気的に接続された電界効果トランジスタと、
前記第１電極に対向する透光性の第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置された光電変換層と、
を有する、複数の検出セルを備え、
前記光電変換層は、吸収ピークが互いに異なる第１光電変換材料および第２光電変換材料を含み、
前記光電変換層は、逆方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第１電圧範囲、順方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第２電圧範囲、および、前記第１電圧範囲と前記第２電圧範囲との間の第３電圧範囲において、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率が互いに異なる光電流特性を有し、
前記第３電圧範囲における前記変化率は、前記第１電圧範囲における前記変化率および前記第２電圧範囲における前記変化率よりも小さく、
前記複数の検出セルの各々は、前記電界効果トランジスタのソースおよびドレインのうちの一方と、前記第２電極との間の電位差が前記第１電圧範囲内または前記第３電圧範囲内に維持された状態で、前記第２電極を介した前記光電変換層への光の入射によって生じる、前記第１電極と前記第２電極との間の誘電率の変化に対応した電気信号を前記ソースおよびドレインのうちの他方から出力する、光検出装置。
【請求項９】
前記第１電極と前記光電変換層との間、および、前記光電変換層と前記第２電極との間の少なくとも一方に配置された、少なくとも１つの絶縁層をさらに備える、請求項８に記載の光検出装置。
【請求項１０】
前記ソースおよび前記ドレインのうちの前記一方の電位を基準としたときに前記第１電圧範囲内にある電圧を前記第２電極に供給する電圧供給回路をさらに備える、請求項９に記載の光検出装置。
【請求項１１】
前記ソースおよび前記ドレインのうちの前記一方の電位を基準としたときに前記第３電圧範囲内にある電圧を前記第２電極に供給する電圧供給回路をさらに備える、請求項８または９に記載の光検出装置。
【請求項１２】
前記第１電極は、遮光性電極である、請求項８から１１のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項１３】
前記電界効果トランジスタの前記ゲートは、前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁層およびゲート電極を含み、
前記第１電極は、前記ゲート電極と前記第１電極とを接続する接続部を有する、請求項８から１２のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項１４】
透過する波長域が互いに異なる第１フィルタおよび第２フィルタを含む帯域フィルタをさらに備え、
前記複数の検出セルは、第１検出セルおよび第２検出セルを含み、
前記第１フィルタは、前記第１検出セルの第２電極に対向し、
前記第２フィルタは、前記第２検出セルの第２電極に対向する、請求項８から１３のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項１５】
前記第１検出セルの第２電極および前記第２検出セルの第２電極のそれぞれは、連続する単一の電極の一部である、請求項１４に記載の光検出装置。
【請求項１６】
前記第１検出セルの光電変換層および前記第２検出セルの光電変換層のそれぞれは、連続する単一の層の一部である、請求項１４または１５に記載の光検出装置。
【請求項１７】
前記第１フィルタは、可視光のうち、第１波長範囲の光を選択的に透過させ、前記第２フィルタは、可視光のうち、第２波長範囲の光を選択的に透過させる、請求項４、５、１４、１５または１６のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項１８】
前記第１フィルタは、可視光のうち、第１波長範囲の光を選択的に透過させ、前記第２フィルタは、第２波長範囲の赤外線を選択的に透過させる、請求項４、５、１４、１５または１６のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項１９】
前記第１光電変換材料の吸収ピークは、前記第１波長範囲内にある、請求項１７または１８に記載の光検出装置。
【請求項２０】
前記第２光電変換材料の吸収ピークは、前記第２波長範囲内にある、請求項１７から１９のいずれかに記載の光検出装置。
【請求項２１】
前記光電変換層は、前記第１光電変換材料および前記第２光電変換材料の積層構造を有する、請求項１から２０のいずれかに記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光検出装置、イメージセンサなどに光検出素子が用いられている。光検出素子の典型例は、フォトダイオード、フォトトランジスタなどの光電変換素子である。よく知られているように、光の照射によって光電変換素子に生じる光電流を検出することにより、光を検出することができる。
【０００３】
下記の特許文献１は、図２に、所定の化合物が有機重合体中に分散された有機膜をゲート絶縁膜として有する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を開示している。有機膜を構成する所定の化合物としては、光の照射によって分極の状態が変化する化合物が選ばれる。特許文献１の薄膜トランジスタでは、ゲート絶縁膜に光が照射されると、ゲート絶縁膜の誘電率が変化する。そのため、ゲート絶縁膜への光の照射によって、ソース−ドレイン間を流れる電流が変化する。特許文献１には、このような薄膜トランジスタを光センサに用いることが可能であると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−６０８３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
新規な構成を有する光検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の限定的ではないある例示的な実施形態によれば、以下が提供される。
【０００７】
それぞれが、半導体基板に形成されたソース領域およびドレイン領域と、前記半導体基板上のゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上の透明ゲート電極とを有する、複数の検出セルを備え、前記ゲート絶縁層は、吸収ピークが互いに異なる第１光電変換材料および第２光電変換材料を含む光電変換層を有し、前記複数の検出セルの各々は、前記透明ゲート電極を介した前記光電変換層への光の入射によって生じる、前記光電変換層の誘電率の変化に対応した電気信号を前記ソース領域および前記ドレイン領域のうちの一方から出力する、光検出装置。
【０００８】
包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、装置、システム、集積回路または方法で実現されてもよい。また、包括的または具体的な態様は、素子、デバイス、装置、システム、集積回路および方法の任意の組み合わせによって実現されてもよい。
【０００９】
開示された実施形態の追加的な効果および利点は、明細書および図面から明らかになる。効果および／または利点は、明細書および図面に開示の様々な実施形態または特徴によって個々に提供され、これらの１つ以上を得るために全てを必要とはしない。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の一態様によれば、新規な構成を有する光検出装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本開示の第１の実施形態に係る例示的な光検出装置の断面を示す模式的な断面図である。
【図２】図２は、光検出装置１０００の例示的な回路構成を模式的に示す図である。
【図３】図３は、透過測定により得られた、Ｃ60の吸収スペクトルの一例を示す図である。
【図４】図４は、光検出構造１００Ａのうち、ゲート絶縁層２３とその周辺を取り出して示す模式的な断面図である。
【図５】図５は、光電変換層２３ｐの構成の他の例を示す模式的な断面図である。
【図６】図６は、スズナフタロシアニンおよびＣ60のバルクへテロ接合構造に関する吸収スペクトルの一例を示す図である。
【図７】図７は、透過測定により得られた、一般式（４）で表されるサブフタロシアニンの吸収スペクトルの一例を示す図である。
【図８】図８は、サブフタロシアニンおよびＣ60を含む層の例示的な吸収スペクトルを示す図である。
【図９】図９は、光電変換層２３ｐにおける光電流特性の典型例を示すグラフである。
【図１０】図１０は、本開示の第２の実施形態に係る光検出装置の断面を示す模式的な断面図である。
【図１１】図１１は、本開示の第２の実施形態に係る光検出装置の変形例を示す模式的な断面図である。
【図１２】図１２は、実施例１のサンプルにおける積層構造を示す模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示の一態様の概要は以下のとおりである。
【００１３】
［項目１］
それぞれが、
半導体基板に形成されたソース領域およびドレイン領域と、
半導体基板上のゲート絶縁層と、
ゲート絶縁層上の透明ゲート電極と、
を有する、複数の検出セルを備え、
ゲート絶縁層は、吸収ピークが互いに異なる第１光電変換材料および第２光電変換材料を含む光電変換層を有し、
複数の検出セルの各々は、透明ゲート電極を介した光電変換層への光の入射によって生じる、光電変換層の誘電率の変化に対応した電気信号をソース領域およびドレイン領域のうちの一方から出力する、光検出装置。
【００１４】
項目１の構成によれば、単一の光電変換材料を用いる場合と比較して、光電変換層における誘電率の変化を利用して検出が可能な波長範囲を拡大し得る。
【００１５】
［項目２］
ゲート絶縁層は、光電変換層と半導体基板の間に配置された絶縁層を含む、項目１に記載の光検出装置。
【００１６】
項目２の構成によれば、光電変換層におけるリーク電流を低減して、必要なＳ／Ｎ比を確保し得る。
【００１７】
［項目３］
透明ゲート電極と半導体基板との間に配置された遮光膜を有する、項目１または２に記載の光検出装置。
【００１８】
項目３の構成によれば、ソース領域およびドレイン領域の間に形成されるチャネル領域への迷光の入射を抑制することが可能であるので、隣接する検出セル間の混色などのノイズの混入を抑制し得る。
【００１９】
［項目４］
透過する波長域が互いに異なる第１フィルタおよび第２フィルタを含む帯域フィルタをさらに備え、
複数の検出セルは、第１検出セルおよび第２検出セルを含み、
第１フィルタは、第１検出セルの透明ゲート電極に対向し、
第２フィルタは、第２検出セルの透明ゲート電極に対向する、項目１から３のいずれかに記載の光検出装置。
【００２０】
項目４の構成によれば、複数の検出セルのうち、所望の検出セルの光電変換層に所望の波長域の光を選択的に入射させ得るので、複数の検出セルの間における光電変換層の構成を共通としながら、異なる波長域の光を検出セルごとに検出し得る。
【００２１】
［項目５］
第１検出セルの透明ゲート電極および第２検出セルの透明ゲート電極のそれぞれは、連続する単一の電極の一部である、項目４に記載の光検出装置。
【００２２】
項目５の構成によれば、製造工程の複雑化を回避し得る。
【００２３】
［項目６］
光電変換層は、逆方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第１電圧範囲、順方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第２電圧範囲、および、第１電圧範囲と第２電圧範囲との間の第３電圧範囲において、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率が互いに異なる光電流特性を有し、
第３電圧範囲における変化率は、第１電圧範囲における変化率および第２電圧範囲における変化率よりも小さい、項目１から５のいずれかに記載の光検出装置。
【００２４】
項目６の構成によれば、照度の変化に対する応答が高速な光検出装置を提供し得る。例えば、照度の変化に対する応答が高速な赤外線検出装置を提供し得る。
【００２５】
［項目７］
ソース領域およびドレイン領域のうちの他方の電位を基準としたときに第３電圧範囲内にあるゲート電圧を透明ゲート電極に供給する電圧供給回路をさらに備え、
複数の検出セルの各々は、ソース領域およびドレイン領域のうちの他方と、透明ゲート電極との間の電位差が第３電圧範囲内に維持された状態で、光電変換層の誘電率の変化に対応した電気信号をソース領域およびドレイン領域のうちの一方から出力する、項目６に記載の光検出装置。
【００２６】
項目７の構成によれば、ソース領域またはドレイン領域と透明ゲート電極との間に第３電圧範囲の電位差を与えることが可能である。
【００２７】
［項目８］
それぞれが、
第１電極と、
半導体基板に形成された電界効果トランジスタであって、ゲートが第１電極に電気的に接続された電界効果トランジスタと、
第１電極に対向する透光性の第２電極と、
第１電極と第２電極との間に配置された光電変換層と、
を有する、複数の検出セルを備え、
光電変換層は、吸収ピークが互いに異なる第１光電変換材料および第２光電変換材料を含み、
光電変換層は、逆方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する第１電圧範囲、順方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する第２電圧範囲、および、第１電圧範囲と第２電圧範囲との間の第３電圧範囲において、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率が互いに異なる光電流特性を有し、
第３電圧範囲における変化率は、第１電圧範囲における変化率および第２電圧範囲における変化率よりも小さく、
複数の検出セルの各々は、電界効果トランジスタのソースおよびドレインのうちの一方と、第２電極との間の電位差が第１電圧範囲内または第３電圧範囲内に維持された状態で、第２電極を介した光電変換層への光の入射によって生じる、第１電極と第２電極との間の誘電率の変化に対応した電気信号をソースおよびドレインのうちの他方から出力する、光検出装置。
【００２８】
項目８の構成によれば、単一の光電変換材料を用いる場合と比較して、第１電極と第２電極との間の誘電率の変化を利用して検出が可能な波長範囲を拡大し得る。
【００２９】
［項目９］
第１電極と光電変換層との間、および、光電変換層と第２電極との間の少なくとも一方に配置された、少なくとも１つの絶縁層をさらに備える、項目８に記載の光検出装置。
【００３０】
項目９の構成によれば、電界効果トランジスタのソースまたはドレインと第２電極との間により大きなバイアス電圧を印加し得る。
【００３１】
［項目１０］
ソースおよびドレインのうちの一方の電位を基準としたときに第１電圧範囲内にある電圧を第２電極に供給する電圧供給回路をさらに備える、項目９に記載の光検出装置。
【００３２】
項目１０の構成によれば、電界効果トランジスタのソースまたはドレインと第２電極との間に第１電圧範囲の電位差を与えることが可能である。
【００３３】
［項目１１］
ソースおよびドレインのうちの一方の電位を基準としたときに第３電圧範囲内にある電圧を第２電極に供給する電圧供給回路をさらに備える、項目８または９に記載の光検出装置。
【００３４】
項目１１の構成によれば、電界効果トランジスタのソースまたはドレインと第２電極との間に第３電圧範囲の電位差を与えることが可能である。
【００３５】
［項目１２］
第１電極は、遮光性電極である、項目８から１１のいずれかに記載の光検出装置。
【００３６】
項目１２の構成によれば、電界効果トランジスタのチャネル領域への迷光の入射を抑制することが可能であるので、隣接する検出セル間の混色などのノイズの混入を抑制し得る。
【００３７】
［項目１３］
電界効果トランジスタのゲートは、半導体基板上に設けられたゲート絶縁層およびゲート電極を含み、
第１電極は、ゲート電極と第１電極とを接続する接続部を有する、項目８から１２のいずれかに記載の光検出装置。
【００３８】
項目１３の構成によれば、半導体基板と第１電極との間に配置される配線の設計の自由度が向上する。
【００３９】
［項目１４］
透過する波長域が互いに異なる第１フィルタおよび第２フィルタを含む帯域フィルタをさらに備え、
複数の検出セルは、第１検出セルおよび第２検出セルを含み、
第１フィルタは、第１検出セルの第２電極に対向し、
第２フィルタは、第２検出セルの第２電極に対向する、項目８から１３のいずれかに記載の光検出装置。
【００４０】
項目１４の構成によれば、複数の検出セルのうち、所望の検出セルの光電変換層に所望の波長域の光を選択的に入射させ得るので、複数の検出セルの間における光電変換層の構成を共通としながら、異なる波長域の光を検出セルごとに検出し得る。
【００４１】
［項目１５］
第１検出セルの第２電極および第２検出セルの第２電極のそれぞれは、連続する単一の電極の一部である、項目１４に記載の光検出装置。
【００４２】
項目１５の構成によれば、製造工程の複雑化を回避し得る。
【００４３】
［項目１６］
第１検出セルの光電変換層および第２検出セルの光電変換層のそれぞれは、連続する単一の層の一部である、項目１４または１５に記載の光検出装置。
【００４４】
項目１６の構成によれば、製造工程の複雑化を回避し得る。
【００４５】
［項目１７］
第１フィルタは、可視光のうち、第１波長範囲の光を選択的に透過させ、第２フィルタは、可視光のうち、第２波長範囲の光を選択的に透過させる、項目４、５、１４、１５または１６のいずれかに記載の光検出装置。
【００４６】
項目１７の構成によれば、例えば、ＲＧＢのカラーイメージセンサを実現し得る。
【００４７】
［項目１８］
第１フィルタは、可視光のうち、第１波長範囲の光を選択的に透過させ、第２フィルタは、第２波長範囲の赤外線を選択的に透過させる、項目４、５、１４、１５または１６のいずれかに記載の光検出装置。
【００４８】
項目１８の構成によれば、可視光の照度および赤外線の照度に関する情報を取得可能な光検出装置を提供できる。
【００４９】
［項目１９］
第１光電変換材料の吸収ピークは、第１波長範囲内にある、項目１７または１８に記載の光検出装置。
【００５０】
［項目２０］
第２光電変換材料の吸収ピークは、第２波長範囲内にある、項目１７から１９のいずれかに記載の光検出装置。
【００５１】
［項目２１］
光電変換層は、第１光電変換材料および第２光電変換材料の積層構造を有する、項目１から２０のいずれかに記載の光検出装置。
【００５２】
項目２１の構成によれば、第１光電変換材料の層と第２光電変換材料の層との間の厚さの比の調整が比較的容易であり、厚さの比の調整により、複数の波長域の間における、光の入射に起因する誘電率の変調の程度を制御し得る。
【００５３】
以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示す。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。本明細書において説明される種々の態様は、矛盾が生じない限り互いに組み合わせることが可能である。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。以下の説明において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示し、説明を省略することがある。
【００５４】
（光検出装置の第１の実施形態）
図１は、本開示の第１の実施形態に係る例示的な光検出装置の断面を模式的に示す。図１に示す光検出装置１０００は、各々が光検出構造１００Ａを有する２以上の検出セル１０Ａを含む。検出セル１０Ａは、例えばマトリクス状に配列されることにより、光センサアレイを形成する。なお、図１は、光検出装置１０００を構成する各部の配置をあくまでも模式的に示しており、図１に示す各部の寸法は、必ずしも現実のデバイスにおける寸法を厳密に反映しない。このことは、本開示の他の図面においても同様である。
【００５５】
図１は、複数の検出セル１０Ａのうち、光センサアレイの行方向に沿って配置された３つの検出セル１０Ａａ〜１０Ａｃの断面を模式的に示している。半導体基板２０の法線方向から見たときの検出セル１０Ａａ〜１０Ａｃの形状およびサイズは、これらの間で全て同じであっていてもよいし、これらの一部または全部において異なっていてもよい。典型的には、光センサアレイは、１以上の検出セル１０Ａ（例えば検出セル１０Ａａ〜１０Ａｃのセット）を単位とする繰り返し構造を有する。言うまでもないが、図１に例示する検出セル１０Ａａ〜１０Ａｃの配置は、あくまでも一例であり、これらが直線状に配置されることは必須ではない。
【００５６】
複数の検出セル１０Ａは、半導体基板２０に形成される。ここでは、半導体基板２０としてｐ型シリコン（Ｓｉ）基板を例示する。検出セル１０Ａの各々は、半導体基板２０に形成された素子分離領域２０ｔによって互いに電気的に分離されている。隣接する２つの検出セル１０Ａ間の距離（画素ピッチと呼んでもよい）は、例えば２μｍ程度であり得る。なお、本明細書における「半導体基板」は、その全体が半導体である基板に限定されず、光が照射される側の表面に半導体層が設けられた絶縁基板などであってもよい。
【００５７】
検出セル１０Ａ中の光検出構造１００Ａは、概略的には、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に似たデバイス構造を有する。すなわち、光検出構造１００Ａは、半導体基板２０内に形成された不純物領域（ここではｎ型領域）２０ｓおよび２０ｄと、半導体基板２０上に配置されたゲート絶縁層２３と、ゲート絶縁層２３上に配置された透明ゲート電極２２ｇとを含む。図１に示すように、透明ゲート電極２２ｇは、半導体基板２０を覆う層間絶縁層５０上に配置される。図１に示す例では、層間絶縁層５０上の透明ゲート電極２２ｇは、複数の検出セル１０Ａにわたって形成されている。つまり、ここでは、検出セル１０Ａａにおける透明ゲート電極２２ｇ、検出セル１０Ａｂにおける透明ゲート電極２２ｇ、および、検出セル１０Ａｃにおける透明ゲート電極２２ｇのそれぞれは、連続する単一の電極の一部である。複数の検出セル１０Ａの間において、連続する単一の電極の形で透明ゲート電極２２ｇを形成することにより、製造工程の複雑化を回避し得る。
【００５８】
図１に例示する構成において、ゲート絶縁層２３は、層間絶縁層５０を貫通して半導体基板２０の上面と透明ゲート電極２２ｇの下面とを結んでいる。なお、本明細書における「上面」および「下面」の用語は、部材間の相対的な配置を示すために用いられており、本開示の光検出装置の姿勢を限定する意図ではない。
【００５９】
ゲート絶縁層２３は、光電変換層２３ｐを含む。後に詳しく説明するように、各検出セル１０Ａは、透明ゲート電極２２ｇを介した光電変換層２３ｐへの光の入射によって生じる、光電変換層２３ｐの誘電率の変化に対応した電気信号を、半導体基板２０内に形成された不純物領域（ここでは不純物領域２０ｓ）から出力する。
【００６０】
光電変換層２３ｐは、吸収ピークが互いに異なる第１および第２の光電変換材料を含む。第１および第２の光電変換材料を用いて光電変換層２３ｐを形成することにより、単一の光電変換材料を用いる場合と比較して、検出が可能な波長範囲を拡大することが可能である。したがって、複数の波長域に感度を有する光検出構造１００Ａを実現し得る。例えば、可視光の波長範囲（例えば、３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下）と、赤外線の波長範囲との両方に感度を有する光検出構造１００Ａを実現し得る。光電変換層２３ｐの構成の詳細、ならびに、第１光電変換材料および第２光電変換材料の例は、後述する。光電変換層２３ｐの厚さ（半導体基板２０の法線方向に沿って測った長さ）は、例えば１５００ｎｍ程度である。
【００６１】
図１に例示する構成では、光電変換層２３ｐと半導体基板２０との間に、絶縁層２３ｘが配置されている。光電変換層２３ｐと半導体基板２０の間に絶縁層２３ｘを配置することにより、光電変換層２３ｐにおけるリーク電流を低減して、必要なＳ／Ｎ比を確保し得る。絶縁層２３ｘとしては、例えば、シリコンの熱酸化膜または酸化アルミニウム膜を用い得る。絶縁層２３ｘとして、シリコン半導体において一般的に用いられるシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）を適用してもよいし、ＨｆＯ2膜などのＨｉｇｈ−ｋ膜を適用してもよい。絶縁層２３ｘの厚さは、絶縁層２３ｘを構成する材料に応じて適宜設定されればよい。
【００６２】
図１に示す例では、透明ゲート電極２２ｇ上に、帯域フィルタ２６が配置されている。帯域フィルタ２６は、透過する波長域が互いに異なる複数の部分を含む。図１に例示する構成において、帯域フィルタ２６は、検出セル１０Ａａにおける透明ゲート電極２２ｇに対向する第１フィルタ２６ａ、検出セル１０Ａｂにおける透明ゲート電極２２ｇに対向する第２フィルタ２６ｂ、および、検出セル１０Ａｃにおける透明ゲート電極２２ｇに対向する第３フィルタ２６ｃを有する。第１フィルタ２６ａ、第２フィルタ２６ｂおよび第３フィルタ２６ｃのうち、互いに隣接する２つのフィルタ間には、ブラックマトリクスが配置され得る（図１において不図示）。
【００６３】
第１フィルタ２６ａ、第２フィルタ２６ｂおよび第３フィルタ２６ｃは、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の波長範囲の光をそれぞれ選択的に透過させるカラーフィルタであり得る。帯域フィルタ２６において透過スペクトルが互いに異なる部分（第１フィルタ２６ａ、第２フィルタ２６ｂおよび第３フィルタ２６ｃ）を複数の検出セル１０Ａに対応して配置することにより、複数の検出セル１０Ａのうちの所望の検出セル１０Ａの光電変換層２３ｐに所望の波長域の光を選択的に入射させ得る。つまり、複数の検出セル１０Ａの間における光電変換層２３ｐの構成を共通としながら、異なる波長域の光を検出セル１０Ａごとに検出することが可能であり、光検出装置１０００を例えばＲＧＢのカラーイメージセンサとして利用することができる。もちろん、帯域フィルタ２６に含まれるフィルタが選択的に透過させる光の波長範囲は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）または青（Ｂ）の波長範囲に限定されず、他の色の波長範囲であってもよい。
【００６４】
また、帯域フィルタ２６に含まれるフィルタは、可視光を透過させるフィルタに限定されず、例えば、第１フィルタ２６ａ、第２フィルタ２６ｂおよび第３フィルタ２６ｃの少なくともいずれかを、赤外線を選択的に透過させるＩＲフィルタとしてもよい。あるいは、帯域フィルタ２６が、赤色光（波長：６２０〜７５０ｎｍ）を透過させるＲフィルタ、緑色光（波長：４９０〜５８５ｎｍ）を透過させるＧフィルタ、青色光（波長：４００〜４９５ｎｍ）を透過させるＢフィルタおよび赤外線を透過させるＩＲフィルタを含んでいてもよい。帯域フィルタ２６が赤外線透過フィルタを含むことにより、赤外線透過フィルタに対向する透明ゲート電極２２ｇを有する検出セル１０Ａを、赤外線検出セルとして機能させ得る。したがって、例えば、可視光を透過させるフィルタと、赤外線を透過させるフィルタとを含む帯域フィルタを用いることにより、可視光の照度および赤外線の照度に関する情報を光検出装置１０００によって取得することが可能である。すなわち、例えば、光検出装置１０００を、可視光の検出装置および赤外線の検出装置として利用し得る。あるいは、光検出装置１０００を、カラーのエリアセンサおよび赤外線のエリアセンサとして利用し得る。可視光を透過させるフィルタが透明ゲート電極２２ｇに対向して配置された複数の検出セル１０Ａからの出力を利用すれば、カラー画像を取得でき、赤外線を透過させるフィルタが透明ゲート電極２２ｇに対向して配置された複数の検出セル１０Ａからの出力を利用すれば、赤外画像を取得できる。
【００６５】
このように、光検出装置１０００によって検出される光は、可視光の波長範囲内の光に限定されない。なお、本明細書では、赤外線および紫外線を含めた電磁波全般を、便宜上「光」と表現する。本明細書における「透明」および「透光性」の用語は、検出しようとする波長範囲の光の少なくとも一部を透過することを意味し、可視光の波長範囲全体にわたって光を透過することは必須ではない。
【００６６】
例えば、帯域フィルタ２６が可視光を選択的に透過させるフィルタと赤外線透過フィルタとを含む場合、透明ゲート電極２２ｇの材料として、可視光および近赤外線に対する透過率が高く、抵抗値が小さい材料が選ばれる。例えば、透明ゲート電極２２ｇの材料として透明導電性酸化物（Transparent Conducting Oxide（ＴＣＯ））を用い得る。ＴＣＯとして、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯ、ＦＴＯ、ＳｎＯ2、ＴｉＯ2、ＺｎＯ2などを用いることができる。透明ゲート電極２２ｇとして、Ａｕなどの金属薄膜を用いてもよい。
【００６７】
透明ゲート電極２２ｇは、不図示の電源との接続を有する。透明ゲート電極２２ｇは、光検出装置１０００の動作時に所定のバイアス電圧（第１のバイアス電圧）を印加可能に構成されている。ここでは、透明ゲート電極２２ｇが複数の検出セル１０Ａにわたって形成されているので、第１のバイアス電圧を複数の検出セル１０Ａに一括して印加することが可能である。
【００６８】
図１に例示する構成において、層間絶縁層５０は、複数の絶縁層（典型的にはシリコン酸化膜）を含む積層構造を有する。層間絶縁層５０中には、多層配線４０が配置されている。多層配線４０は、複数の配線層を含む。図１に例示する構成では、多層配線４０は、３つの配線層を含んでおり、中央の配線層に、電源配線４２、アドレス信号線４４および垂直信号線４６が設けられている。電源配線４２、アドレス信号線４４および垂直信号線４６は、例えば、紙面に垂直な方向（光センサアレイにおける列方向）に沿って延びる。図１に示す例では、層間絶縁層５０および多層配線４０は、それぞれ、４層の絶縁層および３層の配線層を含む。しかしながら、層間絶縁層５０中の絶縁層の層数および多層配線４０中の配線層の層数は、この例に限定されない。
【００６９】
図１に例示する構成において、多層配線４０の電源配線４２は、コンタクトプラグ５２を介して不純物領域２０ｄに接続されている。後述するように、電源配線４２には、所定の電圧を供給する電源が接続される。光検出装置１０００の動作時、不純物領域２０ｄには、透明ゲート電極２２ｇと同様に、電源配線４２を介して所定のバイアス電圧（第２のバイアス電圧）が印加される。
【００７０】
光検出装置１０００の動作時、透明ゲート電極２２ｇと不純物領域２０ｄとにそれぞれ所定の電圧が印加されることにより、透明ゲート電極２２ｇと不純物領域２０ｄとの間の電位差が一定に維持される。動作時において透明ゲート電極２２ｇと不純物領域２０ｄとの間の電位差を一定に維持することが可能であれば、透明ゲート電極２２ｇは、複数の検出セル１０Ａにわたって形成されていなくてもよい。例えば、検出セル１０Ａごとに分離して透明ゲート電極２２ｇが形成されていても構わない。
【００７１】
後に詳しく説明するように、光の検出動作においては、透明ゲート電極２２ｇと不純物領域２０ｄとの間の電位差が一定に維持された状態で、光検出構造１００Ａの透明ゲート電極２２ｇ側（図１における上側）から、光が光検出装置１０００に照射される。光検出装置１０００に照射された光は、透明ゲート電極２２ｇを介してゲート絶縁層２３の光電変換層２３ｐに入射する。光電変換層２３ｐは、光が照射されることによって正および負の電荷の対（例えば電子−正孔対）を発生させる。光電変換層２３ｐ中に正および負の電荷の対が発生することにより、光電変換層２３ｐの誘電率が変化する。光検出構造１００Ａを電界効果トランジスタとみなすと、光電変換層２３ｐにおける誘電率が変化することにより、このトランジスタにおけるゲート容量が変化したときと同様の効果が生じる。すなわち、ゲート絶縁層２３への光の照射により、このトランジスタにおけるしきい値電圧が変化する。この変化を利用することにより、光を検出することが可能である。
【００７２】
このような動作原理から、光検出構造１００Ａを容量変調トランジスタと呼んでもよい。不純物領域２０ｓおよび２０ｄは、それぞれ、容量変調トランジスタの例えばソース領域およびドレイン領域に相当する。以下では、不純物領域２０ｓをソース領域（またはドレイン領域）と呼ぶことがあり、不純物領域２０ｄをドレイン領域（またはソース領域）と呼ぶことがある。また、以下では、簡単のため、不純物領域２０ｓおよび２０ｄの間に流れる電流を、単にドレイン電流と呼ぶことがある。
【００７３】
上述したように、本開示の典型的な実施形態において、光電変換層２３ｐは、吸収ピークが互いに異なる第１および第２の光電変換材料を含む。そのため、光電変換層２３ｐにおける誘電率の変化は、ある特定の波長域の光の入射のみでなく、他の波長域の光の入射によっても生じ得る。したがって、本開示の実施形態によれば、光電変換層２３ｐにおける誘電率の変化を利用して、単一の検出セルによって例えば２つの異なった波長域の光を検出することが可能である。特に、図１に例示するように、特定の波長域の光を選択的に透過させる光学フィルタ（カラーフィルタ、ＩＲフィルタなど）を光電変換層２３ｐの光入射側に配置し、光電変換層２３ｐに入射する光の波長域を選択することにより、複数の検出セルの間で光電変換層を共通としながら、光電変換層２３ｐにおける誘電率の変化を利用して、検出セルごとに異なった波長域の光を検出し得る。
【００７４】
図１に例示する構成において、検出セル１０Ａの各々は、アドレストランジスタ３０を有する。アドレストランジスタ３０は、半導体基板２０内に形成された不純物領域２０ｓおよび３０ｓと、ゲート絶縁層３３と、ゲート電極３４とを含む。以下では、特に断りの無い限り、トランジスタとしてＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを例示する。
【００７５】
ゲート絶縁層３３およびゲート電極３４は、それぞれ、例えば、シリコンの熱酸化膜（二酸化シリコン膜）およびポリシリコン電極である。この例では、アドレストランジスタ３０と光検出構造１００Ａとは、不純物領域２０ｓを共有しており、不純物領域２０ｓを共有することによってこれらが電気的に接続されている。
【００７６】
アドレストランジスタ３０における不純物領域２０ｓおよび３０ｓは、例えば、アドレストランジスタ３０のドレイン領域およびソース領域としてそれぞれ機能する。アドレストランジスタ３０のゲート電極３４（典型的にはポリシリコン電極）および不純物領域３０ｓは、コンタクトプラグ５２を介して、多層配線４０のアドレス信号線４４および垂直信号線４６にそれぞれ接続されている。したがって、アドレス信号線４４を介してゲート電極３４の電位を制御し、アドレストランジスタ３０をオン状態とすることにより、光検出構造１００Ａによって生成される信号を、垂直信号線４６を介して選択的に読み出すことができる。
【００７７】
垂直信号線４６などをその一部に含む上述の多層配線４０は、例えば銅などの金属によって形成される。多層配線４０中の配線層により、遮光膜を形成してもよい。層間絶縁層５０内に配置された配線層を遮光膜として機能させることにより、透明ゲート電極２２ｇを透過した光のうち、光電変換層２３ｐに入射しなかった光を、遮光性の配線層によって遮ることが可能である。これにより、光電変換層２３ｐに入射しなかった光が、半導体基板２０に形成されたトランジスタ（容量変調トランジスタまたはアドレストランジスタ３０）のチャネル領域に入射することを抑制し得る。絶縁層２３ｘおよび／またはゲート絶縁層３３が遮光性を有していてもよい。チャネル領域への迷光の入射を抑制することにより、隣接する検出セル間における混色など、ノイズの混入を抑制し得る。なお、透明ゲート電極２２ｇを透過した光のうち、光電変換層２３ｐに向かって進行する光のほとんどは、光電変換層２３ｐによって吸収される。そのため、光電変換層２３ｐに向かって進行する光は、半導体基板２０に形成されたトランジスタの動作に悪影響を及ぼさない。
【００７８】
図１に示すように、照射された光を集光して光電変換層２３ｐに入射させるマイクロレンズ２８を、各検出セル１０Ａに対応させて帯域フィルタ２６上に対向して配置してもよい。帯域フィルタ２６の上面および／下面上に保護層を配置してもよい。この例では、帯域フィルタ２６と各検出セル１０Ａの透明ゲート電極２２ｇとの間、および、マイクロレンズ２８と帯域フィルタ２６との間に、それぞれ、保護層２５ａおよび保護層２５ｂが配置されている。
【００７９】
（光検出装置の例示的な回路構成）
図２は、光検出装置１０００の例示的な回路構成を示す。上述したように、光検出構造１００Ａは、電界効果トランジスタに似たデバイス構造を有している。そのため、ここでは、トランジスタと同様の回路記号を用いて便宜的に光検出構造１００Ａを表現する。
【００８０】
図２は、検出セル１０Ａが２行２列のマトリクス状に配置された例を模式的に示している。本明細書では、行および列が延びる方向を、それぞれ、行方向および列方向と呼ぶことがある。言うまでもないが、光検出装置１０００における検出セルの数および配置は、図２に示す例に限定されない。検出セルは、１次元に配列されていてもよい。この場合、光検出装置１０００は、ラインセンサである。光検出装置１０００に含まれる検出セルの数は、典型的には、２以上である。
【００８１】
既に説明したように、各検出セル１０Ａの光検出構造１００Ａにおける不純物領域２０ｄ（容量変調トランジスタのドレインといってもよい）は、電源配線４２に接続されている。図２に示す例では、電源配線４２が、光センサアレイの列ごとに配置されている。これらの電源配線４２は、電圧供給回路１２に接続されている。光検出装置１０００の動作時、電圧供給回路１２は、電源配線４２を介して、光センサアレイを構成する検出セル１０Ａの各々に所定の電圧（第２のバイアス電圧）を供給する。
【００８２】
各検出セル１０Ａの光検出構造１００Ａにおける透明ゲート電極２２ｇは、ゲート電圧制御線４８に接続されている。図２に例示する構成において、ゲート電圧制御線４８は、電圧供給回路１２に接続されている。したがって、光検出装置１０００の動作時、光センサアレイにおける各光検出構造１００Ａの透明ゲート電極２２ｇには、ゲート電圧制御線４８を介して、電圧供給回路１２から所定のゲート電圧（第１のバイアス電圧）が印加される。電圧供給回路１２は、特定の電源回路に限定されず、所定の電圧を生成する回路であってもよいし、他の電源から供給された電圧を所定の電圧に変換する回路であってもよい。後述するように、各光検出構造１００Ａの透明ゲート電極２２ｇには、光検出構造１００Ａにおける不純物領域２０ｄの電位を基準としたときに所定の範囲内にあるゲート電圧が印加される。
【００８３】
図２に例示する構成において、アドレストランジスタ３０のゲートとの接続を有するアドレス信号線４４は、垂直走査回路（「行走査回路」とも呼ばれる）１４に接続されている。垂直走査回路１４は、アドレス信号線４４に所定の電圧を印加することにより、各行に配置された複数の検出セル１０Ａを行単位で選択する。これにより、アドレストランジスタ３０を介して、選択された検出セル１０Ａの信号を読み出すことができる。
【００８４】
図示するように、アドレストランジスタ３０のソースおよびドレインの一方（典型的にはドレイン）は、光検出構造１００Ａにおける不純物領域２０ｓ（容量変調トランジスタのソースといってもよい）に接続されており、アドレストランジスタ３０のソースおよびドレインの他方（ここではソース）は、光センサアレイの列ごとに設けられた垂直信号線４６に接続されている。垂直信号線４６は、光センサアレイからの画素信号を周辺回路へ伝達する主信号線である。
【００８５】
この例では、垂直信号線４６と接地との間に定電流源４９が接続されている。したがって、垂直信号線４６の電圧の変化を検出することにより、光検出構造１００Ａに光が照射されることに起因する、光検出構造１００Ａにおけるしきい値電圧の変化を検出することができる。すなわち、垂直信号線４６の電圧の変化に基づいて、光を検出することができる。このとき、電源配線４２は、ソースフォロア電源として機能する。光検出構造１００Ａの不純物領域２０ｓから出力される電流を検出することによって光を検出してもよい。ただし、電圧の変化を検出する方が、シリコンのフォトダイオードを用いた光センサと同様のプロセスおよび回路を適用でき、高いＳ／Ｎ比を得る観点からも有利である。
【００８６】
なお、光検出構造１００Ａにおける不純物領域２０ｄに所定の電圧を供給する回路と、透明ゲート電極２２ｇに所定の電圧を供給する回路とは、図２に例示するように共通であってもよいし、異なっていてもよい。光検出構造１００Ａにおける不純物領域２０ｄに所定の電圧を供給する回路および透明ゲート電極２２ｇに所定の電圧を供給する回路の少なくとも一方が、垂直走査回路１４の一部であってもよい。
【００８７】
（光電変換層）
次に、光電変換層２３ｐの構成の典型例を詳細に説明する。
【００８８】
光電変換層２３ｐを構成する材料としては、典型的には、半導体材料が用いられる。光電変換層２３ｐは、光の照射を受けて内部に正および負の電荷の対（典型的には電子−正孔対）を生成する。ここでは、光電変換層２３ｐを構成する材料として有機半導体材料を用いる。この場合、光電変換層２３ｐは、典型的には、有機ｐ型半導体（化合物）および有機ｎ型半導体（化合物）を含む。
【００８９】
有機ｐ型半導体（化合物）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をいう。さらに詳しくは、有機ｐ型半導体（化合物）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をいう。したがって、ドナー性有機化合物としては、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。例えば、トリアリールアミン化合物、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、Ｐ３ＨＴなどのチオフェン化合物、サブフタロシアニン（ＳｕｂＰｃ）または銅フタロシアニンなどのフタロシアニン化合物、スズナフタロシアニンなどのナ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などを用いることができる。なお、ドナー性有機半導体は、これらに限らず、ｎ型（アクセプター性）化合物として用いる有機化合物よりもイオン化ポテンシャルの小さい有機化合物であればドナー性有機半導体として用い得る。
【００９０】
有機ｎ型半導体（化合物）は、アクセプター性有機半導体（化合物）であり、主に電子輸送性有機化合物に代表され、電子を受容しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは、有機ｎ型半導体（化合物）は、２つの有機化合物を接触させて用いたときに電子親和力の大きい方の有機化合物をいう。したがって、アクセプター性有機化合物としては、電子受容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。例えば、Ｃ60などのフラーレン、フェニルＣ61酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）などのフラーレン誘導体、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）、窒素原子、酸素原子、硫黄原子を含有する５ないし７員のヘテロ環化合物（例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、インダゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、カルバゾール、プリン、トリアゾロピリダジン、トリアゾロピリミジン、テトラザインデン、オキサジアゾール、イミダゾピリジン、ピラリジン、ピロロピリジン、チアジアゾロピリジン、ジベンズアゼピン、トリベンズアゼピンなど）、ポリアリーレン化合物、フルオレン化合物、シクロペンタジエン化合物、シリル化合物、ペリレンテトラカルボキシルジイミド化合物（ＰＴＣＤＩ）、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などを用いることができる。なお、これらに限らず、ｐ型（ドナー性）有機化合物として用いる有機化合物よりも電子親和力の大きな有機化合物であればアクセプター性有機半導体として用い得る。
【００９１】
本開示の実施形態においては、上述の有機ｐ型半導体（化合物）および有機ｎ型半導体（化合物）を、それぞれ、第１および第２の光電変換材料として用いることができる。例えば、第１光電変換材料および第２光電変換材料の組み合わせとして、スズナフタロシアニンおよびＣ60の組み合わせを適用することができる。
【００９２】
スズナフタロシアニンは、下記一般式（１）で表される。
【化１】
2017220577.tif 000003
【００９３】
一般式（１）中、Ｒ1〜Ｒ24は、独立して、水素原子または置換基を表す。置換基は、特定の置換基に限定されない。置換基は、重水素原子、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よい）、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オキシ基、アリールオキシカルボニルオキシ基、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、アルキルスルホニルアミノ基、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、アルキルスルフィニル基、アリールスルフィニル基、アルキルスルホニル基、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、アリールアゾ基、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（ＯＨ）2）、スルファト基（−ＯＳＯ3Ｈ）、または、その他の公知の置換基であり得る。
【００９４】
上述の一般式（１）で表されるスズナフタロシアニンとしては、市販されている製品を用いることができる。あるいは、上述の一般式（１）で表されるスズナフタロシアニンは、例えば特開２０１０−２３２４１０号公報に示されているように、下記の一般式（２）で表されるナフタレン誘導体を出発原料として合成することができる。一般式（２）中のＲ25〜Ｒ30は、一般式（１）におけるＲ1〜Ｒ24と同様の置換基であり得る。
【化２】
2017220577.tif 000004
【００９５】
上述の一般式（１）で表されるスズナフタロシアニンにおいて、分子の凝集状態の制御のし易さの観点から、Ｒ1〜Ｒ24のうち、８個以上が水素原子または重水素原子であると有益であり、Ｒ1〜Ｒ24のうち、１６個以上が水素原子または重水素原子であるとより有益であり、全てが水素原子または重水素原子であるとさらに有益である。さらに、以下の式（３）で表されるスズナフタロシアニンは、合成の容易さの観点で有利である。
【化３】
2017220577.tif 000005
【００９６】
上述の一般式（１）で表されるスズナフタロシアニンは、概ね２００ｎｍ以上１１００ｎｍ以下の波長帯域に吸収を有する。例えば、上述の式（３）で表されるスズナフタロシアニンは、波長が概ね８７０ｎｍの位置に吸収ピークを有し得る。すなわち、スズナフタロシアニンは、近赤外領域に吸収を有し、第１光電変換材料として、スズナフタロシアニンを選択することにより、近赤外線を検出可能な光検出構造１００Ａを実現し得る。
【００９７】
他方、Ｃ60は、波長が概ね４４０ｎｍの位置に吸収ピークを有する。すなわち、Ｃ60における吸収ピークは、青色光の波長範囲内に位置するといえる。また、Ｃ60は、波長が７００ｎｍ付近においても吸収を示す。換言すれば、Ｃ60は、赤色光に対しても吸収を示す。したがって、第２光電変換材料として、Ｃ60を選択することにより、可視光（特に青色光）を検出可能な光検出構造１００Ａを実現し得る。図３は、透過測定により得られた、Ｃ60の吸収スペクトルを示す。測定においては、日立ハイテクノロジー社製の分光光度計Ｕ４１００を用い、真空蒸着によって石英基板上にＣ60層が形成されたサンプル（Ｃ60層の厚さ：５０ｎｍ）を用いている。Ｃ60層の形成においては、５．０×１０-4Ｐａ以下の高真空のもと、１Å／ｓｅｃの成膜レートでＣ60を堆積している（「×」は乗算を表す）。
【００９８】
図４は、光検出構造１００Ａのうち、ゲート絶縁層２３とその周辺を取り出して模式的に示す。図４に例示するように、光電変換層２３ｐは、主として第１光電変換材料（ここでは有機ｐ型半導体材料）を含む第１層１２２ｐと、主として第２光電変換材料（ここでは有機ｎ型半導体材料）を含む第２層１２２ｎとの積層構造１２０ｓを有し得る。第１層１２２ｐは、光電変換および／または正孔輸送の機能を有する。第２層１２２ｎは、光電変換および／または電子輸送の機能を有する。なお、この例では、絶縁層２３ｘと第１層１２２ｐとの間、および、透明ゲート電極２２ｇと第２層１２２ｎとの間に、それぞれ、電子ブロッキング層１２０ｅおよび正孔ブロッキング層１２０ｈが配置されている。このように、光電変換層２３ｐが電子ブロッキング層１２０ｅおよび／または正孔ブロッキング層１２０ｈを含んでいてもよい。
【００９９】
第１層１２２ｐおよび第２層１２２ｎの積層構造によれば、第１層１２２ｐおよび第２層１２２ｎの間の厚さの比を比較的容易に調整し得る。これらの厚さの比の調整により、第１光電変換材料が吸収を示す波長域の光が入射したときの光電変換層２３ｐにおける誘電率の変調の程度と、第２光電変換材料が吸収を示す波長域の光が入射したときの光電変換層２３ｐにおける誘電率の変調の程度とを制御し得る。
【０１００】
図５は、光電変換層２３ｐの構成の他の例を示す。図５に例示する構成において、光電変換層２３ｐは、電子ブロッキング層１２０ｅおよび正孔ブロッキング層１２０ｈの間に挟まれた光電変換構造１２０ｔを含んでいる。光電変換構造１２０ｔは、第１層１２２ｐと、第２層１２２ｎと、混合層１２２ｍとを有する。混合層１２２ｍは、第１層１２２ｐおよび第２層１２２ｎの間に位置している。
【０１０１】
混合層１２２ｍは、例えば、第１光電変換材料（ここではｐ型半導体材料）および第２光電変換材料（ここではｎ型半導体材料）を含むバルクヘテロ接合構造層であり得る。バルクへテロ接合構造を有する層として混合層１２２ｍを形成する場合、上述の一般式（１）で表されるスズナフタロシアニンをｐ型半導体材料として用い得る。ｎ型半導体材料としては、例えば、フラーレンおよび／またはフラーレン誘導体を用いることができる。第１層１２２ｐに含まれるｐ型半導体材料が、混合層１２２ｍに含まれるｐ型半導体材料と同じであると有益である。同様に、第２層１２２ｎに含まれるｎ型半導体材料が、混合層１２２ｍに含まれるｎ型半導体材料と同じであると有益である。バルクへテロ接合構造は、特許第５５５３７２７号公報において詳細に説明されている。参考のため、特許第５５５３７２７号公報の開示内容の全てを本明細書に援用する。
【０１０２】
図６は、スズナフタロシアニンおよびＣ60のバルクへテロ接合構造に関する吸収スペクトルの一例を示す。吸収スペクトルの測定においては、Ｃ60の吸収スペクトルの測定と同様に日立ハイテクノロジー社製の分光光度計Ｕ４１００を用い、石英基板上にスズナフタロシアニンおよびＣ60を堆積したサンプルを用いている。サンプルは、５．０×１０-4Ｐａ以下の高真空のもと、１Å／ｓｅｃの成膜レートで共蒸着を行うことにより作製し、バルクヘテロ接合構造層におけるスズナフタロシアニンおよびＣ60の体積比ならびに厚さが、それぞれ、１：１および５０ｎｍとなるように調整を行っている。
【０１０３】
図６からわかるように、スズナフタロシアニンおよびＣ60を含む層の全体としての吸収特性は、スズナフタロシアニンにおける吸収の特性と、Ｃ60における吸収の特性（図３参照）とを重ねあわせたような吸収特性となる。つまり、第１光電変換材料としてのスズナフタロシアニンと、第２光電変換材料としてのＣ60とを含む構造を有する層として光電変換層２３ｐを形成すると、その光電変換層２３ｐは、近赤外の波長範囲および青色光の波長範囲において相対的に高い吸収を示す。換言すれば、スズナフタロシアニンおよびＣ60を含む構造を光電変換層２３ｐとして用いることにより、赤外線および可視光（特に青色光）に感度を有する光検出構造１００Ａを実現し得る。このような光電変換層２３ｐを有する光検出構造１００Ａに例えば赤外透過フィルタを透過した光を入射させれば、赤外線を選択的に検出することが可能である。同様に、例えば青色のカラーフィルタを透過した光を入射させれば、青色光を選択的に検出することが可能である。
【０１０４】
スズナフタロシアニンに代えて、例えば、サブフタロシアニンを第１光電変換材料として用いてもよい。サブフタロシアニンは、下記一般式（４）で表される。下記一般式（４）で表されるサブフタロシアニンとしては、市販されている製品を用いることができる。下記一般式（４）で表されるサブフタロシアニンとして、例えばシグマアルドリッチジャパン合同会社から提供されているホウ素サブフタロシアニンクロリドを用いることができる。この場合、下記の一般式（４）におけるＸは、塩素である。
【化４】
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【０１０５】
図７は、透過測定により得られた、上述の一般式（４）で表されるサブフタロシアニンの吸収スペクトルを示す。測定においては、図３および図６を参照して説明した例と同様に日立ハイテクノロジー社製の分光光度計Ｕ４１００を用い、石英基板上にサブフタロシアニン層（厚さ：５０ｎｍ）が形成されたサンプルを用いている。サンプルの作製における成膜の方法および条件は、石英基板にＣ60が堆積された上述のサンプルと同様である。図７には、図３を参照して説明した、Ｃ60に関する吸収スペクトルもあわせて破線で示されている。
【０１０６】
図７からわかるように、サブフタロシアニン（ＳｕｂＰｃ）は、波長が概ね５８０ｎｍの位置に吸収ピークを有する。すなわち、サブフタロシアニンにおける吸収ピークは、緑色光の波長範囲内に位置するといえる。サブフタロシアニンおよびＣ60とを含む層は、図８において模式的に示すように、これらの吸収特性を重ねあわせた吸収特性を示す。図３を参照しながら説明したように、Ｃ60は、波長４４０ｎｍ付近に吸収のピークを有し、かつ、７００ｎｍ程度までの波長範囲において吸収を示す。したがって、例えば、第１光電変換材料としてのサブフタロシアニンと、第２光電変換材料としてのＣ60とを含む構造（図４または図５参照）を適用することにより、可視光の波長範囲のほぼ全体にわたって吸収を示す光電変換層２３ｐを形成し得る。
【０１０７】
このような光電変換層２３ｐを有する光検出構造１００Ａに例えば赤色のカラーフィルタを透過した光を入射させれば、赤色光を選択的に検出することが可能である。同様に、緑色のカラーフィルタを透過した光を入射させれば、緑色光を、青色のカラーフィルタを透過した光を入射させれば、青色光をそれぞれ選択的に検出することが可能である。
【０１０８】
このように、検出を行いたい波長域に応じて適切な材料を用いることにより、所望の波長域に感度を有する光センサを実現し得る。吸収ピークが互いに異なる複数の光電変換材料を含む光電変換層を用いることにより、単一の光電変換材料を用いる場合と比較して、強い吸収を示す波長範囲を拡大または増加させることが可能である。特に、ある１つの吸収ピークに対応する波長を含む第１の波長範囲の光を選択的に透過するフィルタをある検出セルに対向して配置し、他のある１つの吸収ピークに対応する波長を含む第２の波長範囲の光を選択的に透過するフィルタを他のある検出セルに対向して配置すると有益である。このような構成によれば、光電変換層を共通としながら、前者によって第１の波長範囲の光を選択的に検出し、第２の波長範囲の光を選択的に検出することが可能である。したがって、赤外線を検出する第１の検出セルと、可視光を検出する第２の検出セルとが混在する光センサアレイを有する光検出装置を比較的容易に実現し得る。このような光検出装置によれば、例えば、第１の検出セルの出力に基づいて赤外画像を取得し、第２の検出セルの出力に基づいて可視域に関するモノクロ画像を取得することが可能である。
【０１０９】
上述の第１層１２２ｐおよび第２層１２２ｎの形成方法は、特定の形成方法に限定されず、例えば、蒸着などの乾式または塗布などの湿式の、公知の成膜方法を適用し得る。同様に、上述の混合層１２２ｍの形成方法も、特定の形成方法に限定されない。スズナフタロシアニンおよびＣ60のバルクヘテロ接合構造は、例えば、スズナフタロシアニンとＣ60とを共蒸着することによって得ることができる。光電変換層２３ｐの具体的な構造は、図４および図５を参照して説明した構造に限定されない。光電変換層２３ｐは、２種以上の光電変換材料が混合された構成を有していてもよいし、互いに異なる光電変換材料から形成された２種以上の光電変換層の積層構造を有していてもよい。光電変換層２３ｐは、アモルファスシリコンなどの無機半導体材料を含んでいてもよい。光電変換層２３ｐは、有機材料から構成される層と無機材料から構成される層とを含んでいてもよい。
【０１１０】
（光電変換層における光電流特性の典型例）
図９は、光電変換層２３ｐにおける光電流特性の典型例を示す。図９中、太い実線のグラフは、光が照射された状態における、光電変換層の例示的なＩ−Ｖ特性を示している。なお、図９には、光が照射されていない状態におけるＩ−Ｖ特性の一例も、太い破線によってあわせて示されている。
【０１１１】
図９は、一定の照度のもとで、光電変換層の２つの主面の間に印加するバイアス電圧を変化させたときの主面間の電流密度の変化を示している。本明細書において、光電変換層の２つの主面の間にバイアスを印加する場合、バイアス電圧における順方向および逆方向は、以下のように定義される。光電変換層が、層状のｐ型半導体および層状のｎ型半導体の接合構造を有する場合には、ｎ型半導体の層よりもｐ型半導体の層の電位が高くなるようなバイアス電圧を順方向のバイアス電圧と定義する。他方、ｎ型半導体の層よりもｐ型半導体の層の電位が低くなるようなバイアス電圧を逆方向のバイアス電圧と定義する。有機半導体材料を用いた場合も、無機半導体材料を用いた場合と同様に、順方向および逆方向を定義することができる。光電変換層がバルクヘテロ接合構造を有する場合、上述の特許第５５５３７２７号公報の図１に模式的に示されるように、光電変換層の２つの主面のうちの一方の表面には、ｎ型半導体よりもｐ型半導体が多く現れ、他方の表面には、ｐ型半導体よりもｎ型半導体が多く現れる。したがって、ｎ型半導体よりもｐ型半導体が多く現れた主面側の電位が、ｐ型半導体よりもｎ型半導体が多く現れた主面側の電位よりも高くなるようなバイアス電圧を順方向のバイアス電圧と定義する。
【０１１２】
図９に示すように、本開示の実施形態による光電変換層の光電流特性は、概略的には、第１〜第３の３つの電圧範囲によって特徴づけられる。第１電圧範囲は、逆バイアスの電圧範囲であって、逆方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度の絶対値が増大する電圧範囲である。第１電圧範囲は、光電変換層の主面間に印加されるバイアス電圧の増大に従って光電流が増大する電圧範囲といってもよい。第２電圧範囲は、順バイアスの電圧範囲であって、順方向バイアス電圧の増大に従って出力電流密度が増大する電圧範囲である。つまり、第２電圧範囲は、光電変換層の主面間に印加されるバイアス電圧の増大に従って順方向電流が増大する電圧範囲である。第３電圧範囲は、第１電圧範囲と第２電圧範囲の間の電圧範囲である。
【０１１３】
第１〜第３の電圧範囲は、リニアな縦軸および横軸を用いたときにおける光電流特性のグラフの傾きによって区別され得る。参考のため、図９では、第１電圧範囲および第２電圧範囲のそれぞれにおけるグラフの平均的な傾きを、それぞれ、破線Ｌ１および破線Ｌ２によって示している。図９に例示されるように、第１電圧範囲、第２電圧範囲および第３電圧範囲における、バイアス電圧の増加に対する出力電流密度の変化率は、互いに異なっている。第３電圧範囲は、バイアス電圧に対する出力電流密度の変化率が、第１電圧範囲における変化率および第２電圧範囲における変化率よりも小さい電圧範囲として定義される。あるいは、Ｉ−Ｖ特性を示すグラフにおける立ち上がり（立ち下り）の位置に基づいて、第３電圧範囲が決定されてもよい。第３電圧範囲では、バイアス電圧を変化させても、光電変換層の主面間の電流密度は、ほとんど変化しない。後に詳しく述べるように、この第３電圧範囲では、光の照射によって生じた正および負の電荷の対（典型的には正孔−電子対）は、光の照射をやめれば速やかに再結合して消滅する。そのため、光検出装置の動作時に光電変換層の２つの主面の間に印加するバイアス電圧を第３電圧範囲の電圧に調整することによって、高速な応答を実現することが可能となる。
【０１１４】
再び図１および図２を参照する。本開示の典型的な実施形態では、光検出装置の動作時、半導体基板２０に形成された２つの不純物領域のうち電源配線４２に接続された側と、透明ゲート電極２２ｇとの間の電位差が、上述の第３電圧範囲に維持された状態で、光の検出が実行される。例えば、図２を参照して説明した構成では、不純物領域２０ｄを基準としたときに第３電圧範囲内にあるゲート電圧が、電圧供給回路１２から透明ゲート電極２２ｇに供給される。
【０１１５】
光電変換層２３ｐに光が入射すると、光電変換層２３ｐの内部に例えば正孔−電子対が発生する。このとき、光電変換層２３ｐに所定のバイアス電圧が印加されているので、複数の正孔−電子対の各々における双極子モーメントは、ほぼ同じ方向に揃う。そのため、正孔−電子対の発生に伴って光電変換層２３ｐの誘電率が増大する。所定のバイアス電圧が印加され、光が照射された状態にある光電変換層２３ｐ内の電場の大きさをＥとすれば、ガウスの法則により、Ｅ＝（（σf−σp）／ε0）およびＥ＝（σf／ε）が成り立つ。ここで、σfは、電極（例えば透明ゲート電極２２ｇ）における電荷密度であり、σpは、分極により、光電変換層２３ｐにおいて電極に対向する表面に生じた電荷の密度である。ε0およびεは、それぞれ、真空の誘電率および光電変換層２３ｐの誘電率である。Ｅ＝（（σf−σp）／ε0）およびＥ＝（σf／ε）から、ε＝ε0（σf／（σf−σp））が得られ、分極に寄与する電荷（正孔−電子対）の増加により光電変換層２３ｐの誘電率が増大することがわかる。つまり、光電変換層２３ｐへの光の照射により、ゲート絶縁層２３全体の誘電率が増大する。
【０１１６】
光検出構造１００Ａをトランジスタとみなせば、ゲート絶縁層２３の誘電率の増大に伴い、しきい値電圧が低下する（実効的なゲート電圧が増大するといってもよい）。これにより、不純物領域２０ｓの電圧が、ソースフォロワによって、ゲート絶縁層２３の誘電率の変化に伴って変化する。すなわち、光検出構造１００Ａをトランジスタとみなしたときのソース電圧は、光検出構造１００Ａへの照度の変化に応じた変化を示す。したがって、ソース電圧の変化を適当な検出回路によって検出することにより、光を検出することが可能である。光検出構造１００Ａからの出力信号は、電圧の変化の形であってもよいし、電流の変化の形であってもよい。
【０１１７】
ここで注目すべき点は、光の検出時に、光電変換層２３ｐに第３電圧範囲のバイアス電圧を印加している点である。フォトダイオード（または光電変換膜）を利用した従来の光センサでは、一般に、図９に示す第１電圧範囲に対応する、逆バイアスのもとで光検出の動作が実行される。そのため、光電変換によって生じた正孔および電子は、それぞれ、フォトダイオードのカソードおよびアノードに向かって移動する。フォトダイオード（または光電変換膜）を利用した、従来の光センサの光検出においては、光電変換によって生じた電荷が、信号として外部回路に取り出される。
【０１１８】
これに対し、本開示の光検出装置の典型例では、光の検出時、光電変換層２３ｐには、第３電圧範囲のバイアス電圧が印加される。ゲート電圧制御線４８を介して透明ゲート電極２２ｇに印加される第１のバイアス電圧は、例えば２．５Ｖであり、電源配線４２を介して不純物領域２０ｄに印加される第２のバイアス電圧は、例えば２．４Ｖである。第３電圧範囲のバイアス電圧が印加された状態で光電変換層２３ｐに光が照射されると、光電変換層２３ｐに例えば正孔−電子対が生成される。ただし、第３電圧範囲のバイアス電圧が印加された状態においては、生成された正孔および電子は、分離して電極に移動することなく、双極子を形成する。すなわち、生成された正孔および電子自体が光電変換層２３ｐの外部に取り出されることはない。
【０１１９】
光電変換層からの電荷の排出および光電変換層への電荷の流入は、その速度が遅い（数十ｍ秒程度）。そのため、イメージセンサへの適用において、光電変換層からの電荷の排出または光電変換層への電荷の流入を伴う構成では、撮像開始時の光電変換層への電圧の印加、光照射などに伴ってノイズ、残像などが発生するおそれがある。光の検出時に光電変換層２３ｐに印加するバイアス電圧を第３電圧範囲の電圧とする構成では、このような光電変換層からの電荷の排出または光電変換層への電荷の流入を伴わないので、ノイズ、残像などの発生を抑制し得る。
【０１２０】
また、第３電圧範囲のバイアス電圧が印加された状態においては、光電変換層２３ｐに光が入射しなくなると、正孔−電子対は、速やか（数十μ秒以下）に再結合して消滅する。したがって、本開示の実施形態によれば、高速な応答を実現することが可能である。高速な応答を実現し得るので、本開示の実施形態による光検出装置は、飛行時間法（Time-of-flight method）を利用した距離計測、超高速撮影などへの適用に有利である。
【０１２１】
このように、本開示の実施形態によれば、照度の変化に対する応答が高速な光検出装置を実現し得る。光電変換層２３ｐを形成するための光電変換材料として、吸収ピークが互いに異なる２種以上の光電変換材料を用いることにより、例えば２以上の波長域において感度を有し、照度の変化に対して高速な応答を示す検出セルを実現し得る。第１および第２の光電変換材料は、上述した材料に限定されない。光の入射によって誘電率の変化を示し得る材料であれば、第１および第２の光電変換材料として利用し得る。
【０１２２】
光検出装置１０００は、一般的な半導体製造プロセスを用いて製造することができる。特に、半導体基板２０としてシリコン基板を用いる場合には、種々のシリコン半導体プロセスを利用することによって光検出装置１０００を製造することができる。光検出構造１００Ａは、電界効果トランジスタに似たデバイス構造を有するので、他のトランジスタと光検出構造１００Ａとを同一の半導体基板に形成することも比較的容易である。
【０１２３】
（光検出装置の第２の実施形態）
図１０は、本開示の第２の実施形態に係る光検出装置の断面を模式的に示す。第２の実施形態において、光検出装置１０００は、各々が光検出構造１００Ｂを有する複数の検出セル１０Ｂを含む。図１０では、光センサアレイの行方向に沿って配置された３つの検出セル１０Ｂａ〜１０Ｂｃの断面が示されている。
【０１２４】
図１０に例示する構成において、光検出構造１００Ｂは、容量変調トランジスタ６０と、光電変換部２７Ｂとを有する。容量変調トランジスタ６０は、半導体基板２０に形成された電界効果トランジスタである。容量変調トランジスタ６０は、不純物領域２０ｄおよび２０ｓと、半導体基板上の絶縁層２３ｘと、絶縁層２３ｘ上のゲート電極２４とを有する。不純物領域２０ｄは、容量変調トランジスタ６０のドレイン領域（またはソース領域）として機能し、不純物領域２０ｓは、容量変調トランジスタ６０のソース領域（またはドレイン領域）として機能する。第１の実施形態と同様に、不純物領域２０ｄは、電源配線４２との接続を有することにより、光検出装置１０００の動作時に所定の電圧（第２のバイアス電圧）を印加可能に構成されている。絶縁層２３ｘは、容量変調トランジスタ６０のゲート絶縁層として機能する。絶縁層２３ｘは、例えばシリコン熱酸化膜である。
【０１２５】
光電変換部２７Ｂは、画素電極２１と、画素電極２１に対向する透明電極２２と、これらの間に挟まれた光電変換層２３ｐとを含む。画素電極２１は、隣接する検出セル１０Ｂとの間で空間的に分離して配置されることにより、他の検出セル１０Ｂにおける画素電極２１と電気的に分離されている。画素電極２１は、典型的には、金属電極または金属窒化物電極である。画素電極２１を形成するための材料の例は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｔａ、ＴａＮ、Ｍｏ、ＲｕおよびＰｔである。画素電極２１は、不純物がドープされることにより導電性が付与されたポリシリコンなどから形成されてもよい。ここでは、画素電極２１としてＴｉＮ電極を用いる。画素電極２１を遮光性の電極として形成することにより、容量変調トランジスタ６０のチャネル領域および／またはアドレストランジスタ３０のチャネル領域への迷光の入射を抑制することが可能である。
【０１２６】
光電変換層２３ｐは、この例では、他の検出セル１０Ｂにわたって形成されている。換言すれば、図１０に例示する構成において、検出セル１０Ｂａ、１０Ｂｂおよび１０Ｂｃのそれぞれにおける光電変換層２３ｐは、連続する単一の層の一部である。複数の検出セル１０Ｂの光電変換層２３ｐを連続する単一の層の形で形成することにより、検出セル１０Ｂごとに光電変換層２３ｐを分離して形成する場合と比較して、製造工程を簡略化し得る。光電変換層２３ｐの厚さは、例えば２００ｎｍ程度であり得る。
【０１２７】
この例では、透明電極２２も、第１の実施形態における透明ゲート電極２２ｇと同様に、ＴＣＯを用いて他の検出セル１０Ｂにわたって形成されている。透明電極２２は、ゲート電圧制御線４８（図１０において不図示、図２参照）との接続を有し、光検出装置１０００の動作時に所定の電圧（第１のバイアス電圧）を印加可能に構成されている。すなわち、上述の電圧供給回路１２（図２参照）は、容量変調トランジスタ６０のドレイン領域およびソース領域の一方として機能する不純物領域２０ｄの電位を基準として所定の範囲内（例えば上述の第３電圧範囲）にある電圧を透明電極２２に印加することができる。ここでは、透明電極２２が複数の検出セル１０Ｂにわたって形成されているので、ゲート電圧制御線４８を介して、共通の第１のバイアス電圧を複数の検出セル１０Ａに一括して印加することが可能である。また、複数の検出セル１０Ｂの透明電極２２を連続する単一の電極の形で形成することにより、製造工程の複雑化を回避し得る。
【０１２８】
図示する例では、透明電極２２および光電変換層２３ｐが層間絶縁層５０上に配置されており、多層配線４０の一部およびコンタクトプラグ５２を含む接続部５４により、光電変換部の画素電極２１と、容量変調トランジスタ６０のゲート電極２４とが互いに接続されている。第２の実施形態による光検出構造１００Ｂは、概略的には、第１の実施形態による光検出構造１００Ａ（図１参照）における光電変換層２３ｐと絶縁層２３ｘとの間に電極（ここでは接続部５４およびゲート電極２４）を介在させた構造を有するということができる。なお、容量変調トランジスタ６０が、絶縁層２３ｘを誘電体層として有するキャパシタと、光電変換層２３ｐを誘電体層として有するキャパシタとの直列接続を含むゲートを含んでいるとみなすこともできる。この場合、ゲート電極２４を間に有する、絶縁層２３ｘおよび光電変換層２３ｐの積層構造が、容量変調トランジスタ６０におけるゲート容量（ゲート絶縁層といってもよい）を構成し、透明電極２２が、容量変調トランジスタ６０におけるゲート電極を構成するといえる。
【０１２９】
第２の実施形態における光の検出の原理は、第１の実施形態とほぼ同様である。すなわち、透明電極２２および不純物領域２０ｄにそれぞれ第１および第２のバイアス電圧が印加されることにより、光電変換層２３ｐの主面間に所定のバイアス（典型的には、第３電圧範囲の電圧）が与えられる。透明電極２２および不純物領域２０ｄの間の電位差が一定に維持された状態で、透明電極２２を介して光電変換層２３ｐに光が入射される。
【０１３０】
光電変換層２３ｐに光が入射すると、光電変換層２３ｐ内に例えば正孔−電子対が生成され、画素電極２１および透明電極２２の間の誘電率が変化する。画素電極２１および透明電極２２の間の誘電率の変化に伴い、容量変調トランジスタ６０の実効的なゲート電圧が変化し、容量変調トランジスタ６０におけるしきい値電圧が変化する。しきい値の変化により、不純物領域２０ｓからの電圧または電流が変化する。したがって、照度の変化を、例えば垂直信号線４６における電圧の変化の形で検出することが可能である。
【０１３１】
既に説明したように、光電変換層２３ｐは、吸収ピークが互いに異なる第１および第２の光電変換材料を含む。したがって、上述の誘電率の変化は、単一の光電変換材料を用いた場合と比較してより広い波長範囲において生じる。本開示の第２の実施形態によれば、画素電極２１と透明電極２２との間の誘電率の変化を利用して、第１の実施形態と同様に、例えば２つの異なった波長域の光を検出することが可能である。
【０１３２】
図１０に示す例では、さらに、透明電極２２とマイクロレンズ２８との間に帯域フィルタ２６が配置されている。帯域フィルタ２６が有する第１フィルタ２６ａ、第２フィルタ２６ｂおよび第３フィルタ２６ｃは、それぞれ、検出セル１０Ｂａの透明電極２２、検出セル１０Ｂｂの透明電極２２および検出セル１０Ｂｃの透明電極２２に対向する。第１フィルタ２６ａ、第２フィルタ２６ｂおよび第３フィルタ２６ｃにおける透過特性を互いに異ならせることにより、検出セル１０Ｂａ〜１０Ｂｃにそれぞれ第１、第２および第３の波長範囲の光を選択的に入射させることができる。
【０１３３】
上述したように、第１フィルタ２６ａ、第２フィルタ２６ｂおよび第３フィルタ２６ｃは、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）の波長範囲の光をそれぞれ選択的に透過させるカラーフィルタであり得る。この場合、検出セル１０Ｂａ、１０Ｂｂおよび１０Ｂｃによって赤色光、緑色光および青色光をそれぞれ検出し得る。あるいは、第１フィルタ２６ａ、第２フィルタ２６ｂおよび第３フィルタ２６ｃの少なくとも１つを、例えば７８０ｎｍ以上の波長の光を透過するＩＲフィルタとしてもよい。例えば、第１フィルタ２６ａにＩＲフィルタを用いれば、検出セル１０Ｂａによって赤外線を検出し得る。
【０１３４】
第１、第２および第３の波長範囲のうちの少なくとも１つは、第１光電変換材料におけるピーク波長または第２光電変換材料におけるピーク波長を含む波長範囲であり得る。例えば、第１光電変換材料および第２光電変換材料として、それぞれ、サブフタロシアニンおよびＣ60を用い、第２フィルタ２６ｂおよび第３フィルタ２６ｃとして、それぞれ、緑色光を選択的に透過させるＧフィルタおよび青色光を選択的に透過させるＢフィルタを用いてもよい。あるいは、第１光電変換材料および第２光電変換材料として、それぞれ、スズナフタロシアニンおよびＣ60を用い、第２フィルタ２６ｂおよび第３フィルタ２６ｃとして、それぞれ、ＩＲフィルタおよびＢフィルタを用いてもよい。
【０１３５】
第２の実施形態によれば、光電変換層２３ｐが層間絶縁層５０上に配置されるので、層間絶縁層５０内に光電変換層２３ｐを埋め込んだ構造（図１参照）と比較して、多層配線４０における各種の配線のレイアウトの自由度が向上する。図１０に例示する構成では、検出セル１０Ｂを半導体基板２０の法線方向から見たときにおける、画素電極２１および透明電極２２が重なる領域の、検出セル１０Ｂに対する割合が、検出セル１０Ｂにおける開口率に相当する。そのため、層間絶縁層５０内に光電変換層２３ｐを埋め込んだ構造（図１参照）と比較して、より大きな開口率を得やすい。
【０１３６】
また、光電変換層２３ｐが層間絶縁層５０上に配置する方が、層間絶縁層５０内に光電変換層２３ｐを埋め込むよりも製造プロセス上の難易度が低く、製造の面では有利である。例えば、容量変調トランジスタ６０のゲート電極２４と、アドレストランジスタ３０のゲート電極３４とをともにポリシリコン電極とすれば、容量変調トランジスタ６０のゲートの形成と同時にアドレストランジスタ３０のゲートを形成し得る。
【０１３７】
例えば、容量変調トランジスタ６０のゲート電極２４と、アドレストランジスタ３０のゲート電極３４とを、互いに異なる材料を用いて形成するには、これらを順次に形成する必要がある。リソグラフィー技術を適用して、ゲート電極２４およびゲート電極３４を形成したり、不純物を注入したりする場合、ゲート電極２４およびゲート電極３４の間におけるアラインメントのずれを回避することは一般に困難である。したがって、容量変調トランジスタ６０のゲート電極２４と、アドレストランジスタ３０のゲート電極３４とを、互いに異なる材料を用いて形成しようとすると、アラインメントにおけるマージンを確保する必要がある。換言すれば、光検出装置における検出セルの微細化に不利である。
【０１３８】
図１０に例示するように、容量変調トランジスタ６０におけるゲート電極２４と、アドレストランジスタ３０におけるゲート電極３４とを同層（共通のレベル）とすることにより、共通のマスクおよび共通の材料を用いて、アラインメントのずれを考慮することなく、これらを所望の位置および形状に一括して配置し得る。同様に、容量変調トランジスタ６０のゲートにおける絶縁層２３ｘと、アドレストランジスタ３０におけるゲート絶縁層３３とを同層とすることにより、共通のマスクおよび共通の材料を用いて、アラインメントのずれを考慮することなく、これらを所望の位置および形状に一括して配置し得る。したがって、より微細な画素を形成し得る。容量変調トランジスタ６０のゲートの構造と、アドレストランジスタ３０のゲートの構造とを共通化することにより、製造コストのさらなる削減が可能である。
【０１３９】
なお、上述の第１の実施形態では、光検出構造１００Ａは、容量変調トランジスタ６０におけるゲート電極２４に相当する電極を有していない（図１参照）。しかしながら、共通のマスクおよび共通の材料を用いて、光検出構造１００Ａにおける絶縁層２３ｘとアドレストランジスタ３０におけるゲート絶縁層３３とを形成することが可能である。これにより、絶縁層２３ｘの形成後における、ゲート絶縁層３３の形成のためのアライメント、あるいは、ゲート絶縁層３３の形成後における、絶縁層２３ｘの形成のためのアライメントを不要とできる。したがって、絶縁層２３ｘとゲート絶縁層３３とを同層として、絶縁層２３ｘとゲート絶縁層３３との間の位置ずれをなくし得る。
【０１４０】
なお、図１０に例示するデバイス構造は、一見すると、半導体基板上に光電変換層が配置された、積層型のイメージセンサのデバイス構造に似ている。しかしながら、積層型のイメージセンサでは、画素電極と、画素電極に対向する透明電極との間に比較的高いバイアス電圧が印加されることにより、光の照射によって光電変換層内に生成された正孔および電子の一方が、信号電荷として画素電極に収集される。収集された信号電荷は、単位画素セル内のフローティングディフュージョンに一時的に蓄積され、蓄積された電荷量に応じた信号電圧が所定のタイミングで読み出される。
【０１４１】
これに対し、本開示の光検出構造では、典型的には、光電変換層２３ｐで生成された正および負の電荷（例えば正孔および電子）を電極に向けて移動させずに、光電変換層２３ｐの（図１０の例においては画素電極２１と透明電極２２との間の）誘電率の変化に応じた電気信号を読み出す。積層型のイメージセンサでは、信号電荷として正孔および電子の一方しか利用できないことに対して、本開示の光検出構造では、正および負の電荷（例えば正孔および電子）をペアの形でしきい値の変化に利用している。そのため、より高い感度を実現し得る。また、光電変換層２３ｐの上面と下面の間に与えられる電位差を上述の第３電圧範囲の電位差とすると、光の照射をやめれば、生成された正および負の電荷（例えば正孔および電子）のペアは、速やかに再結合する。すなわち、積層型のイメージセンサとは異なり、画素電極の電位のリセット動作が不要である。なお、本開示の光検出構造は、光電変換層２３ｐで生成された正孔または電子をフローティングディフュージョンに信号電荷として蓄積する動作を行わない。そのため、積層型のイメージセンサとは異なり、半導体基板２０は、信号電荷を蓄積するための電荷蓄積領域を有しない。
【０１４２】
上述したように、光電変換層２３ｐの上面と下面の間に与えられる電位差を上述の第３電圧範囲の電位差とした場合、光の照射をやめると、生成された正および負の電荷のペアが速やかに再結合し得る。これは、光検出構造の出力が、光照射時の照度の変化に応じた変動を示し、積算光量には依存しないことを意味する。そのため、光電変換層２３ｐの上面と下面の間に与えられる電位差を上述の第３電圧範囲の電位差とした場合には、基本的には、露光のタイミングおよび信号の読み出しのタイミングは、一致させられる。
【０１４３】
なお、検出セル内に、一方の電極が半導体基板２０の不純物領域２０ｓまたは３０ｓ（例えば図１０参照）に電気的に接続されたキャパシタを設けてもよい。このようなキャパシタを検出セル内に配置することにより、光検出構造に対する露光とは異なるタイミングで出力信号を読み出すことが可能になる。
【０１４４】
図１１は、光検出装置１０００の変形例を示す。図１１に例示する構成において、光検出装置１０００は、各々が光検出構造１００Ｃを有する複数の検出セル１０Ｃ（ここでは検出セル１０Ｃａ、１０Ｃｂおよび１０Ｃｃ）を含む。図１１に示す光検出構造１００Ｃの光電変換部２７Ｃと、図１０を参照して説明した光検出構造１００Ｂの光電変換部２７Ｂとの間の相違点は、光電変換部２７Ｃが、光電変換層２３ｐと電極（画素電極２１および／または透明電極２２）との間に配置された絶縁層を含む点である。
【０１４５】
図１１に例示する構成では、画素電極２１と光電変換層２３ｐとの間、および、光電変換層２３ｐと透明電極２２との間に、それぞれ、絶縁層２９ａおよび２９ｂが配置されている。絶縁層２９ａおよび２９ｂを構成する材料としては、例えば、光電変換層２３ｐを構成する材料よりもリーク電流の小さい材料を選択することができる。例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化物の膜、酸化アルミニウムの膜などを用い得る。
【０１４６】
画素電極２１と光電変換層２３ｐとの間、および、光電変換層２３ｐと透明電極２２との間の少なくとも一方への絶縁層の配置は、近赤外領域に吸収を有する光電変換材料を光電変換層２３ｐに用いた場合に特に有効である。近赤外領域に吸収を有する光電変換材料は、バンドギャップが狭く、０．１Ｖのバイアス電圧のもとでの有機光電変換層単体におけるリーク電流の大きさは、１×１０-8Ａ／ｃｍ2程度であり得る。第１光電変換材料または第２光電変換材料として狭バンドギャップ材料を用い、かつ、光電変換層２３ｐの主面間に大きなバイアスを印加すると、光電変換層２３ｐからの、または、光電変換層２３ｐへのリーク電流が生じ、十分なＳ／Ｎ比を確保できない可能性がある。光電変換層２３ｐの少なくとも一方の主面側に絶縁層を配置することにより、このようなリーク電流を低減して、必要なＳ／Ｎ比を確保し得る。なお、図１に示す光検出構造１００Ａでは、光電変換層２３ｐと半導体基板２０との間に配置された絶縁層２３ｘが、このようなリーク電流の低減に貢献する。
【０１４７】
図１１に例示する構成では、画素電極２１と光電変換層２３ｐとの間、および、光電変換層２３ｐと透明電極２２との間に、それぞれ、絶縁層２９ａおよび２９ｂが配置されているので、より大きなバイアス電圧を容量変調トランジスタ６０のドレイン領域（またはソース領域）と透明電極２２との間に印加することが可能である。例えば、電圧供給回路１２により、容量変調トランジスタ６０のドレイン領域（またはソース領域）と透明電極２２との間に第１電圧範囲の電位差を与えてもよい。換言すれば、光の検出時、光電変換層２３ｐの主面間に、第３電圧範囲の電位差に代えて、第１電圧範囲の電位差を与えてもよい。例えば、第１のバイアス電圧として３．７Ｖの電圧を、第２のバイアス電圧として１．２Ｖの電圧を、それぞれ、不純物領域２０ｄおよび透明電極２２に印加してもよい。
【０１４８】
光電変換層２３ｐに第１電圧範囲（図９参照）のバイアス電圧が印加された状態で光が光電変換層２３ｐに照射されると、光電変換によって生成された正および負の電荷（例えば正孔および電子）の一方は、透明電極２２に向かって移動し、他方は、画素電極２１に向かって移動する。このように、光電変換層２３ｐに第１電圧範囲のバイアス電圧を印加する場合には、光電変換によって生じた正の電荷および負の電荷が分離され得るので、光の照射をやめてから正および負の電荷のペアが再結合するまでの時間は、光電変換層２３ｐに第３電圧範囲のバイアス電圧を印加する場合と比較して長い。したがって、露光のタイミングと信号の読み出しのタイミングとを必ずしも一致させる必要はない。露光のタイミングと信号の読み出しのタイミングとを異ならせることが比較的容易であるので、ある側面では、光電変換層２３ｐへの第１電圧範囲のバイアス電圧の印加は、イメージセンサへの適用に有利である。
【０１４９】
光電変換層２３ｐに第１電圧範囲のバイアス電圧が印加された状態では、光電変換層２３ｐと画素電極２１との間の絶縁層２９ａは、光電変換によって生成された正および負の電荷（例えば正孔および電子）の一方を蓄積するキャパシタとして機能し得る。このキャパシタへの電荷の蓄積に伴い、接続部５４において静電誘導が起こり、容量変調トランジスタ６０における実効的なゲート電圧が変化する。出力信号の読み出しが終了した後は、例えば、第１のバイアス電圧とは逆極性の電圧が透明電極２２に印加されることにより、キャパシタとしての絶縁層２９ａに蓄積された電荷をリセットするためのリセット動作が実行される。もちろん、上述の第３電圧範囲のバイアス電圧が光電変換層２３ｐに印加された状態で、光の検出動作が行われてもよい。この場合は、リセット動作は不要である。
【０１５０】
このように、光電変換層２３ｐと画素電極２１との間、および、光電変換層２３ｐと透明電極２２との間に絶縁層を配置してもよい。光電変換層２３ｐと画素電極２１との間、および、光電変換層２３ｐと透明電極２２との間に絶縁層を配置することにより、不純物領域２０ｄおよび透明電極２２の間の電位差を大きくした場合であっても、光電変換によって生じた電荷の、光電変換層２３ｐの外部への移動を抑制し得る。したがって、残像の発生を抑制し得る。なお、光電変換層２３ｐの外部への電荷の移動を抑制する観点からは、光電変換層２３ｐと画素電極２１との間、および、光電変換層２３ｐと透明電極２２との間の少なくとも一方に絶縁層が配置されればよい。
【０１５１】
上述の各実施形態では、容量変調トランジスタ６０およびアドレストランジスタ３０の各々がＮチャンネルＭＯＳである例を説明した。しかしながら、本開示の実施形態におけるトランジスタは、ＮチャンネルＭＯＳに限定されない。容量変調トランジスタ６０およびアドレストランジスタ３０は、ＮチャンネルＭＯＳであってもよいし、ＰチャンネルＭＯＳであってもよい。また、これらがＮチャンネルＭＯＳまたはＰチャンネルＭＯＳのいずれかに統一されている必要はない。アドレストランジスタ３０として、ＦＥＴのほか、バイポーラトランジスタも用い得る。上述の光検出構造１００Ａの不純物領域２０ｄおよび２０ｓの間に形成されるチャネル中のキャリアは、電子であってもよいし、正孔であってもよい。
【実施例】
【０１５２】
ガラス基板上に光電変換材料の層が形成されたサンプルを作成し、サンプルへの光の照射による容量値の変化を測定することにより、光電変換層の特性を評価した。
【０１５３】
（実施例１）
以下の手順により、実施例１のサンプルを作製した。まず、ガラス基板を用意した。次に、ＩＴＯ、酸化アルミニウム、第１光電変換材料としてのサブフタロシアニン、第２光電変換材料としてのＣ60、酸化アルミニウムおよびＩＴＯをガラス基板上に順次堆積した。これにより、図１２において模式的に示すような、ガラス基板ＧＳ、第１電極Ｅ１、絶縁層Ｄ１、第１光電変換材料の層Ｐ１および第２光電変換材料の層Ｐ２が積層された光電変換層ＰＬ、絶縁層Ｄ２ならびに第２電極Ｅ２の積層構造を有する、実施例１のサンプルＳＥ１を得た。第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２の形成にはマグネトロンスパッタリングを適用し、絶縁層Ｄ１およびＤ２の形成には原子層堆積を適用した。第１および第２の光電変換材料の堆積には真空蒸着を適用した。第１電極Ｅ１、絶縁層Ｄ１、第１光電変換材料の層Ｐ１、第２光電変換材料の層Ｐ２、絶縁層Ｄ２および第２電極Ｅ２の厚さは、それぞれ、１５０ｎｍ、２０ｎｍ、７５ｎｍ、７５ｎｍ、２０ｎｍおよび３０ｎｍであった。
【０１５４】
（実施例２）
光電変換層ＰＬとして、スズナフタロシアニンおよびＣ60を共蒸着したバルクヘテロ層(厚さ：５０ｎｍ、スズナフタロシアニンおよびＣ60の体積比：１：１)を形成したこと、絶縁層Ｄ２を形成しなかったこと、および、第２電極Ｅ２として、Ａｌ層(厚さ：８０ｎｍ)を形成したこと以外は実施例１と同様にして、実施例２のサンプルを作製した。
【０１５５】
（比較例１）
第２の光電変換材料の層Ｐ２を形成しなかったこと以外は実施例１と同様にして、比較例１のサンプルを作製した。
【０１５６】
（評価）
実施例１、２および比較例１の各サンプルについて、光照射時および光非照射時（暗状態）における容量値の比較により、光電変換層の特性を評価した。各サンプルにおける容量値は、キーサイトテクノロジー社製、４２８４ＡプレシジョンＬＣＲメータを第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２に接続することによって測定した。
【０１５７】
まず、実施例１および比較例１に関し、白色光、赤色光、緑色光および青色光のそれぞれについて、光照射時と暗状態とにおける容量値の変化を測定した。光照射時の容量値の測定においては、サンプルの第２電極Ｅ２側に白色ＬＥＤ（消費電力：約７ｍＷ）を配置し、光電変換層に光を照射した。赤色光、緑色光および青色光の照射においては、白色ＬＥＤと第２電極Ｅ２との間に、ＺＷＯ社製ＬＧＲＢカラーフィルタの赤色透過カラーフィルタ(透過波長：６３０ｎｍ〜７３０ｎｍ)、緑色透過カラーフィルタ(透過波長：４９０ｎｍ〜５５０ｎｍ)、青色透過カラーフィルタ(透過波長：４００ｎｍ〜４９０ｎｍ)をそれぞれ挿入した。
【０１５８】
下記の表１は、測定によって得られた容量変化率を示す。容量値の測定は、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２の間に６Ｖの電位差（逆バイアス）を印加した状態で実行した。表１中の容量変化率は、暗状態における容量の測定値に対する、光照射時の容量の測定値の比を意味する。
【０１５９】
【表１】
2017220577.tif 000007
【０１６０】
表１に示すように、白色光を入射した場合は、実施例１のサンプルおよび比較例１のサンプルの両方において、比較的大きな容量変化率が得られる。つまり、実施例１または比較例１のサンプルにおける光電変換層の構成と同様の構成を、光検出装置１０００の光電変換層２３ｐに適用することにより、誘電率の変化を利用して白色光を検出可能であることがわかる。
【０１６１】
比較例１のサンプルでは、緑色光および青色光に関して、それぞれ、１．０９倍および１．０７倍の容量変化率が得られているものの、赤色光に関しては、１倍よりも大きな容量変化率が得られていない。これは、サブフタロシアニンが、６２０ｎｍ以上の波長を有する光をほとんど吸収しないからである（図７参照）。青色光に関して１．０７倍の容量変化率が得られているのは、図７に示すように、サブフタロシアニンの吸収スペクトルが４７０ｎｍ付近から立ち上がり始めるからであると考えられる。なお、表１から、青色光と比較して緑色光の方が高い容量変化率が得られていることがわかる。これは、サブフタロシアニンにおける吸収が青色よりも緑色の波長範囲において大きいことと整合している。
【０１６２】
他方、実施例１のサンプルでは、赤色光に関しても１．０７倍の容量変化率が得られている。つまり、単一の光電変換材料を用いる場合と比較して、検出可能な波長範囲が拡大していることがわかる。サブフタロシアニンが、６２０ｎｍ以上の波長を有する光をほとんど吸収しないにも関わらず、赤色光の入射に対して１．０７倍の容量変化率を示すのは、第２光電変換材料として用いたＣ60が、波長７００ｎｍ付近においても吸収を示すからであると考えられる。また、実施例１のサンプルでは、緑色光および青色光に関しても、比較例１のサンプルよりも高い容量変化率が得られている。これは、Ｃ60が、可視光の範囲にわたって吸収を示すからであると考えられる。
【０１６３】
このように、実施例１のサンプルでは、カラーフィルタを用いて赤色光、緑色光または青色光のいずれを選択的に照射した場合であっても、比較的高い容量変化率が得られており、カラーフィルタを利用して、検出すべき波長域を切り替え可能であることがわかる。すなわち、吸収ピークが互いに異なる２種以上の光電変換材料を用いることによって、誘電率の変化を利用して検出可能な波長範囲を拡大することが可能であることがわかる。したがって、例えば、ＲＧＢのカラーイメージセンサを提供し得ることがわかる。
【０１６４】
次に、実施例２に関し、波長９４０ｎｍ程度の近赤外線について、光照射時と暗状態とにおける容量値の変化を測定した。光照射時の容量値の測定においては、サンプルの第１電極Ｅ１側に光源を配置し、ガラス基板ＧＳを介して光電変換層に近赤外線を照射した。測定においては第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２の間の電位差を０Ｖとし、光源に投入する電力を変化させて、各投入電力について容量変化率を求めた。
【０１６５】
下記の表２は、測定によって得られた容量変化率を示す。表２中の容量変化率は、暗状態における容量の測定値に対する、近赤外線の照射時の容量の測定値の比を意味する。
【０１６６】
【表２】
2017220577.tif 000008
【０１６７】
表２から、近赤外線の照射により、１よりも大きい容量変化率を得られることがわかる。また、光源に投入する電力の増大に従って容量変化率も増大を示すことがわかる。この例では、投入電力を４ｍＷ程度まで増大させることによって７％の容量変調が得られており、投入電力が６９ｍＷのときに３４％程度の容量変調が得られている。つまり、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２の間において、照度に応じた誘電率の変化が生じていることがわかる。したがって、例えば実施例２のサンプルにおける光電変換層の構成と同様の構成を光検出装置１０００の光電変換層２３ｐに適用することにより、近赤外線の照度に関する情報を誘電率の変化を利用して取得可能であることがわかる。
【０１６８】
また、表１に示す結果から、第１および第２の光電変換材料としてスズナフタロシアニンおよびＣ60をそれぞれ用いた実施例２のサンプルでは、可視光（特に青色光）に関しても照度に応じた容量変調が生じると期待できる。すなわち、赤外領域に吸収を有する光電変換材料と、可視域に吸収を有する光電変換材料とを組み合わせることにより、誘電率の変化を利用した赤外線および可視光の検出が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１６９】
本開示の実施形態は、光検出装置、イメージセンサなどに適用可能である。光電変換層の材料を適切に選択することにより、例えば、可視光および赤外線を利用した画像の取得が可能である。本開示の光検出装置は、例えば、デジタルカメラ、セキュリティカメラ、車両に搭載されて使用されるカメラなどに用いることができる。車両搭載用カメラは、例えば、車両が安全に走行するための、制御装置に対する入力として利用され得る。あるいは、車両が安全に走行するための、オペレータの支援に利用され得る。
【符号の説明】
【０１７０】
１０Ａ〜１０Ｃ    検出セル
１２    電圧供給回路
１４    垂直走査回路
２０    半導体基板
２０ｄ、２０ｓ、３０ｓ    不純物領域
２０ｔ    素子分離領域
２１    画素電極
２２    透明電極
２２ｇ    透明ゲート電極
２３    ゲート絶縁層
２３ｐ    光電変換層
２３ｘ    絶縁層
２４    ゲート電極
２５ａ、２５ｂ    保護層
２６    帯域フィルタ
２６ａ    第１フィルタ
２６ｂ    第２フィルタ
２６ｃ    第３フィルタ
２７Ｂ、２７Ｃ    光電変換部
２９ａ、２９ｂ    絶縁層
３０    アドレストランジスタ
３０ｓ    不純物領域
５４    接続部
６０    容量変調トランジスタ
１００Ａ〜１００Ｃ    光検出構造
１２０ｓ    積層構造
１２０ｔ    光電変換構造
１２２ｍ    混合層
１０００    光検出装置
【図１】
2017220577.tif 000009
【図２】
2017220577.tif 000010
【図３】
2017220577.tif 000011
【図４】
2017220577.tif 000012
【図５】
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【図６】
2017220577.tif 000014
【図７】
2017220577.tif 000015
【図８】
2017220577.tif 000016
【図９】
2017220577.tif 000017
【図１０】
2017220577.tif 000018
【図１１】
2017220577.tif 000019
【図１２】
2017220577.tif 000020