JP2009147147A

JP2009147147A - 有機光電変換素子

Info

Publication number: JP2009147147A
Application number: JP2007323481A
Authority: JP
Inventors: Takashi Goto; 崇後藤
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-07-02
Also published as: US7687761B2; US20090152439A1

Abstract

【課題】信号電荷を効率的に読み出すことができ、残像の発生を抑制することができる有機光電変換素子を提供する。
【解決手段】射光を光電変換し、信号電荷を生成する有機光電変換膜を備えた有機光電変換素子１０であって、有機光電変換膜１０１の一方の面に設けられた第１電極と、有機光電変換膜１０１の他方の面に配列された複数の第２電極とを備え、隣り合う第２電極同士の間の隙間が３μｍ以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射光を光電変換し、信号電荷を生成する有機光電変換膜を備えた有機光電変換素子に関する。

従来、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサに代表される単板イメージセンサは、光電変換する画素(フォトダイオード)配列上に3種または4種のモザイク状色フィルタを設けることにより、各色フィルタに対応した色信号が出力される。そして出力された色信号を信号処理してカラー画像を生成する。しかし、モザイク状色フィルタを設けた撮像素子は、原色の色フィルタの場合、およそ入射光の2/3が色フィルタで吸収されるため、光利用効率が悪く、感度が低いという欠点がある。また、各画素で1色の色信号しか得られないため、解像度も悪い。特に、偽色が目立つ。

このような欠点を克服するために、従来では、例えば下記特許文献1のような撮像素子が開発されている。この撮像素子では、シリコン基板内に光信号検出の3重のウエル(フォトダイオード)を設けることにより、シリコン基板の深さの違いにより、分光感度が異なる信号(表面から青、緑、赤の波長にピークを持つ)が得られる。解像度が良く、光の利用効率も良くなるが、RGB出力信号の分光感度特性の分離が十分でないため、色再現性が悪く、かつ、真のRGB信号を得るための出力信号の加減を行うが、この加減算によりS/Nが劣化するという欠点がある。そこで、特許文献２及び３のように、更に、RGB出力信号の分光感度特性の分離を良くする撮像素子が研究・開発されている。これらの撮像素子は、3層光電変換膜構造の撮像素子で、例えば、光入射面から順次B、G、Rの光に対して信号電荷を発生する光電変換膜を積層した画素構造で、しかも各画素毎に、各光電変換膜で光発生した信号電荷を独立に読み出すことが出来る読み出し部が一体化して設けられている。したがって、この撮像素子の場合、入射光が光電変換されて、読み出されるため、可視光の利用効率は100%に近く、しかも各画素でR、G、Bの3色の色信号が得られる。さらに、3層の光電変換膜の分光感度特性は独立に選択できるため、RGB出力信号の分光感度特性の分離が良好である。そのため、高感度で、高解像度(偽色が目立たない)で、かつ、色再現が良くS/Nも良い画像が得られる。

特表２００２−５１３１４５号公報特表２００２−５０２１２０号公報特開２００２−８３９４６号公報

ところで、上記特許文献２及び３に示す有機光電変換膜を用いた固体撮像素子においては、1画素ごとに区画された画素電極を構築し、その上に有機光電変換膜および対向電極を全画素共通で積層する。この場合、隣接する画素電極間の隙間（ギャップ）では、画素電極上に比べて電界強度が小さいため、ギャップで発生した信号電荷が読み出されるまでに時間を要し、残像になるという問題点があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、信号電荷を効率的に読み出すことができ、残像の発生を抑制することができる有機光電変換素子を提供することにある。

本発明者は、鋭意検討の結果、画素電極同士の間の隙間を所定の寸法以下とすることで、残像の発生を、実用上問題のないレベルまで抑制することができることがわかった。すなわち、本発明の上記目的は、下記構成によって達成される。

（１）入射光を光電変換し、信号電荷を生成する有機光電変換膜を備えた有機光電変換素子であって、
前記有機光電変換膜の一方の面に設けられた第１電極と、
前記有機光電変換膜の他方の面に配列された複数の第２電極とを備え、
隣り合う第２電極同士の間の隙間が３μｍ以下であることを特徴とする有機光電変換素子。
（２）前記第１電極が光透過性を有する単一の対向電極で構成されていることを特徴とする上記（１）に記載の有機光電変換素子。
（３）前記複数の第２電極が画素領域ごとに配置された画素電極であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の有機光電変換素子。
（４）前記第２電極が信号電荷を読み出し、出力部へ転送する読み出し回路に接続されていることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の有機光電変換素子。

本発明によれば、信号電荷を効率的に読み出すことができ、残像の発生を抑制することができる有機光電変換素子を提供できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本実施形態の有機光電変換素子の概略的な構成を示す断面図である。図２は、画素電極の配置を示す平面図である。図１に示すように、有機光電変換素子１０は、入射光を光電変換し、信号電荷を生成する有機光電変換膜１０１を備えている。有機光電変換膜１０１の一方の面に対向電極１０２が設けられ、他方の面に複数の画素電極１００が設けられている。本実施形態では、有機光電変換膜１０１の図中における上側面から入射光が照射され、有機光電変換膜１０１で生成された信号電荷が有機光電変換膜１０１の図中における下側面から信号電荷が読み出される構成である。なお、画素電極１００及び対向電極１０２は、撮像時に有機光電変換膜１０１内に電界を発生させることができれば特に限定されず、有機光電変換膜１０１の一方の面に第１電極を設け、他方の面に配列された複数の第２電極を設けることができる。

対向電極１０２と有機光電変換膜１０１と一つの画素電極１００との３層によって画素が構成されている。

対向電極１０２は、光透過性の電極材料で構成され、全画素領域に対して共通の膜状であって、単一の部材によって構成されている。対向電極１０２は、図示しない電圧供給手段に電気的に接続されており、撮像時に、電圧が印加され電位Ｖ２に設定される。対向電極１０２は、光学的に透明又は光吸収が少ない材料によって構成され、例えば、ＩＴＯなどのような金属化合物や非常に薄い金属膜などによって構成されている。

画素電極１００は、対向電極１０２に対して平行な２次元平面において画素電極１００同士が所定の間隔をおいて画素ごとに分離して形成されている。画素電極１００は、金属や金属化合物などの導電性材料から構成されている。図２に示すように、各画素電極１００は平面視において、略正方形状を有している。なお、各画素電極１００の周縁端部には必要に応じてテーパーが形成されていてもよい。

有機光電変換膜１０１は、光が照射されると光電変換によって、入射光に応じた信号電荷を生成する有機材料から構成されている。有機光電変換膜１０１には、必要に応じて、正孔や電子の通過を防止するブロッキング層や輸送層が形成されていてもよい。有機光電変換膜１０１としては、メロシアニン、フタロシアニン、４Ｈピラン、キナクリドンなどの固有の分光感度を有する材料が用いられる。本実施形態においては、有機光電変換膜１０１は、全画素に対して共通に１枚の膜状に形成されている。

信号電荷は、電子／ホール（正孔）のいずれを用いてもよい。移動度の高いキャリアを用いることが望ましい。本実施形態では、信号電荷としてホールを用いている。

各画素電極１００は、電荷読み出し時に信号電荷を読み出して出力部へ転送する読み出し回路に配線層やプラグなどによって電気的に接続されている。読み出し回路は、半導体基板にＭＯＳ型トランジスタを備えた構成とすることができる。また、読み出し回路は、電荷結合素子を用いて電荷転送・出力方式、薄膜トランジスタを用いた電流出力方式などいずれでもよい。本発明にかかる有機光電変換素子は、読み出し回路の構成にかかわらず、後述する効果を得ることができる。

本実施形態において、図１及び図２に示すように、隣り合う画素電極１００同士の間の隙間をａとし、画素電極１００の幅（本実施形態のように正方形状の電極の場合、その周縁の一辺の長さ）をｄとし、画素電極１００の配置のピッチをｐとし、有機光電変換膜１０１の厚さをｔとした。また、有機光電変換膜１０１中における画素電極１００上の電界をＥとし、画素電極１００同士の間の隙間における電界をＥ’とした。さらに、有機光電変換膜１０１の信号電荷の移動度をｕとした。なお、電界Ｅ，Ｅ’はそれぞれ下記式で表すことができる。

一般に有機光電変換膜１０１中におけるキャリアの移動に要する時間τは、有機光電変換膜１０１におけるキャリア移動度uを用いて、下記式によって表される。ここで、lは移動距離を示し、E は電界強度を表している。

したがって、画素電極１００直上における対向電極近傍で発生したキャリアが、画素電極に到達するまでに要する時間T1は下記式になる。

一方、ギャップの中央（最も電界強度が弱い箇所）の有機光電変換膜１０１の最表面において発生した信号電荷が画素電極１００に到達するまでに要する時間T2は下記式になる。

残像が発生しないためには、T1、T2のいずれもが1フレーム期間Tよりも短いことが必要になる。T1 < T2より、T2 < Tの関係を満たせば、残像は発生しない。

T = 33 msec.とし、V2-V1 = 10 Vとし、有機光電変換膜１０１が移動度u = 1 x 10^-6 cm²/V・sec、t = 200 nmの場合、a < 10 μｍを満たせば、理論上は残像が発生しないことになる。

しかし、本発明者の研究によれば、実際に有機光電変換素子１０を作った場合には上述の理論のような結果は得られず、隙間a を更に小さくしなければ依然として残像が発生することがわかった。この要因の一つとしては、有機光電変換膜１０１におけるいキャリアの振る舞いが上記の数式では表せない挙動を示していることが考えられる。

そこで、本発明者は、各構成を変化させた場合において、有機光電変換素子に残像がどの程度生じるかを確認するため、下記のような実験を行った。
図３は、有機光電変換膜を構成する光電変換材料にメロシアニンを用いた場合の、有機光電変換素子の消灯時の残像の発生の比率を示すグラフである。図４は、図３の有機光電変換素子の隙間（Ｇａｐ）を変化させた場合の、１フレーム後の残像の発生の比率を示すグラフである。図５は、有機光電変換膜を構成する光電変換材料にフタロシアニンを用いた場合の、有機光電変換素子の残像の発生の比率を示すグラフである。図６は、図５の有機光電変換素子の隙間（Ｇａｐ）を変化させた場合の、１フレーム後の残像の発生の比率を示すグラフである。図７は、有機光電変換膜を構成する光電変換材料に４Ｈピランを用いた場合の、有機光電変換素子の残像の発生の比率を示すグラフである。図８は、図７の有機光電変換素子の隙間（Ｇａｐ）を変化させた場合の、１フレーム後の残像の発生の比率を示すグラフである。なお、図３，５，７に示すグラフにおいて、縦軸がフレーム数に対する残像の発生の比率（Sig.%）を示し、横軸がフレーム数を示している。ここで、各光電変換素子の測定の際には、０フレーム目に同期して光源を消灯した。また、図４，６，８に示すグラフにおいて、縦軸が１フレーム後の残像の発生の比率（Sig.%）を示し、横軸が隙間の寸法（μｍ）を示している。

図３に示す有機光電変換素子において、画素電極同士の間の隙間を５μｍ，４μｍ，３μｍ，２μｍと変化させて、それぞれ残像の発生の程度を比較した。すると、隙間を５μｍ及び４μｍとした場合には、１〜３フレームで残像が発生が認められたが、隙間を３μｍ及び２μｍとした場合には残像はフレーム数にかかわらず、実用上問題のないレベルに抑制できたことがわかった。

また、図４に示すように隙間を３μｍ以下とした場合、１フレーム後の残像の発生をほぼゼロに抑制することができることがわかった。

図５に示す有機光電変換素子において、画素電極同士の間の隙間を６μｍ，４．５μｍ，３μｍ，１．５μｍと変化させて、それぞれ残像の発生の程度を比較した。すると、隙間を６μｍ及び４．５μｍとした場合には、１〜４フレームで残像が発生が認められたが、隙間を３μｍ及び１．５μｍとした場合には残像はフレーム数にかかわらず、実用上問題のないレベルに抑制できたことがわかった。

また、図６に示すように隙間を３μｍ以下とした場合、１フレーム後の残像の発生をほぼゼロに抑制することができることがわかった。

図７に示す有機光電変換素子において、画素電極同士の間の隙間を５．５μｍ，４μｍ，３μｍ，２．５μｍと変化させて、それぞれ残像の発生の程度を比較した。すると、隙間を５μｍ及び４μｍとした場合には、１〜４フレームで残像が発生が認められたが、隙間を３μｍ及び２．５μｍとした場合には残像はフレーム数にかかわらず、実用上問題のないレベルに抑制できたことがわかった。

また、図８に示すように隙間を３μｍ以下とした場合、１フレーム後の残像の発生をほぼゼロに抑制することができることがわかった。

このように、有機光電変換膜に各光電変換材料（メロシアニン、フタロシアニン、4Hピラン）を用いた構成において、光電変換材料にかかわらず、画素電極同士の隙間を３μｍ以下とした場合に残像が問題にならないレベルまで低減でき、一方で隙間を４μｍ以上とした場合には残像が顕著に現れることがわかった。

次に、画素電極の面積及び対向電極に印加する電圧を変化させた場合に、フレームに対する残像を測定した。なお、本測定では、光電変換材料としてメロシアニンを使用した。
図９は、画素電極の電極面積を変化させた場合の、フレーム数に対する残像の発生の比率の相関を示すグラフである。ここで、電極面積を５μｍ×５μｍ、１０μｍ×１０μｍ、１５μｍ×１５μｍとした構成においてそれぞれの相関を測定した。また、本測定では、画素電極同士の隙間を３μｍとし、対向電極に印加する電圧を１０Ｖとした。この結果、画素電極同士の隙間を３μｍのとき、電極面積にかかわらず、フレーム数ごとの残像の発生を抑制できることができた。

図１０は、対向電極の電圧を変化させた場合の、フレーム数に対する残像の発生の比率の相関を示すグラフである。ここで、対向電極の電圧（Ｖ２）を５Ｖ、７Ｖ、１０Ｖとした構成においてそれぞれの相関を測定した。また、本測定では、画素電極同士の隙間を３μｍとし、画素電極の電極面積を１０μｍ×１０μｍとした。この結果、画素電極同士の隙間を３μｍのとき、対向電極の電圧にかかわらず、フレーム数ごとの残像の発生を抑制できることができた。

上記測定を検証すると、有機光電変換素子は、画素電極の電極面積や対向電極の電圧に依存することなく、画素電極同士の隙間によって残像に影響があることがわかった。つまり、画素電極同士の隙間を３μｍ以下とすることで、画素電極の電極面積や対向電極の電圧にかかわらず、残像の発生を抑制することができる。

本発明にかかる有機光電変換素子は、画素電極同士の間の隙間を３μｍ以下とする構成であるため、残像の発生を抑制することができ、有機光電変換膜で生成された信号電荷が膜中に残存することを抑制することで、信号電荷を効率的に読み出すことができる。

有機光電変換素子の概略的な構成を示す断面図である。画素電極の配置を示す平面図である。有機光電変換膜を構成する光電変換材料にメロシアニンを用いた場合の、有機光電変換素子の消灯時の残像の発生の比率を示すグラフである。図３の有機光電変換素子の隙間（Ｇａｐ）を変化させた場合の、１フレーム後の残像の発生の比率を示すグラフである。有機光電変換膜を構成する光電変換材料にフタロシアニンを用いた場合の、有機光電変換素子の残像の発生の比率を示すグラフである。図５の有機光電変換素子の隙間（Ｇａｐ）を変化させた場合の、１フレーム後の残像の発生の比率を示すグラフである。有機光電変換膜を構成する光電変換材料に４Ｈピランを用いた場合の、有機光電変換素子の残像の発生の比率を示すグラフである。図７の有機光電変換素子の隙間（Ｇａｐ）を変化させた場合の、１フレーム後の残像の発生の比率を示すグラフである。画素電極の電極面積を変化させた場合の、フレーム数に対する残像の発生の比率の相関を示すグラフである。対向電極の電圧を変化させた場合の、フレーム数に対する残像の発生の比率の相関を示すグラフである。

符号の説明

１０有機光電変換素子
１００画素電極
１０１有機光電変換膜
１０２対向電極
ａ（画素電極同士の間の）隙間

Claims

入射光を光電変換し、信号電荷を生成する有機光電変換膜を備えた有機光電変換素子であって、
前記有機光電変換膜の一方の面に設けられた第１電極と、
前記有機光電変換膜の他方の面に配列された複数の第２電極とを備え、
隣り合う第２電極同士の間の隙間が３μｍ以下であることを特徴とする有機光電変換素子。
前記第１電極が光透過性を有する単一の対向電極で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の有機光電変換素子。
前記複数の第２電極が画素領域ごとに配置された画素電極であることを特徴とする請求項１又は２に記載の有機光電変換素子。
前記第２電極が信号電荷を読み出し、出力部へ転送する読み出し回路に接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の有機光電変換素子。