JP2012129276A

JP2012129276A - 光電変換素子

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Publication number: JP2012129276A
Application number: JP2010277827A
Authority: JP
Inventors: Hokuto Seo; 北斗瀬尾; Satoshi Aihara; 聡相原
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-07-05

Abstract

【課題】本発明は、色分解特性を向上させることができる光電変換素子を提供することを目的とする。
【解決手段】入射光を複数の波長範囲に分けて光電変換する光電変換素子であって、
前記入射光が入射され、第１の波長範囲に光吸収の最大値Ｗｐ１を有する第１の光電変換層１０と、
該第１の光電変換層の背面側に設けられ、前記第１の波長範囲に光吸収の最大値Ｗｐ１ｃを有する第１のカラーフィルタ１５と、
該第１のカラーフィルタの背面側に設けられ、第２の波長範囲に光吸収の最大値Ｗｐ２を有する第２の光電変換層２０と、
該第２の光電変換層の背面側に設けられ、前記第２の波長範囲に光吸収の最大値Ｗｐ２ｃを有する第２のカラーフィルタ２５と、
該第２のカラーフィルタの背面側に設けられ、第３の波長範囲に光吸収の最大値を有する第３の光電変換層と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光電変換素子に関し、特に、入射光を複数の波長範囲に分けて光電変換する光電変換素子に関する。

従来から、放送用テレビカメラや民生用ビデオカメラ、民生用デジタルスチルカメラには、単結晶シリコンを加工したＣＣＤ（Charge Coupled Device）撮像素子や、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）撮像素子等が主に採用されている。これらの撮像素子は、自分自身で入射光を３原色に分離する機能が無い。そこで、カラー対応とするために、プリズムを利用して入射光を青色・緑色・赤色に色分解し、それぞれの色に対応する３枚の撮像素子を配置したカラー撮像方式（３板式）や、１枚の撮像素子上に青色・緑色・赤色のカラーフィルタをモザイク状に配置したカラー撮像方式（単板式）が用いられている。３板式のカラー撮像方式は、高画質が得られるため放送用テレビカメラに採用されることが多い。一方、単板式のカラー撮像方式は、３板式のカラー撮像方式に比較して解像度は劣るが、カメラシステムの小型化・軽量化が容易であり、コストの低減も図れることから、民生用ビデオカメラやデジタルスチルカメラに採用されることが多い。

しかしながら、放送用テレビカメラでは、機動的な報道に対応するために、カメラの更なる小型化が求められており、一方の民生用ビデオカメラ、デジタルスチルカメラでは、小型・軽量を維持しつつ、より一層の高画質化が望まれている。

そこで、従来の撮像素子では実現できなかった高画質と小型・軽量を両立するカメラを意図して、光電変換部に有機光電変換層を用いた撮像素子が提案されている（例えば、特許文献１〜６参照）。かかる有機光電変換層を用いた撮像素子においては、赤色・青色・緑色の各々の光のみを吸収して光電変換する３種類の有機光電変換層を３層に積層することで、撮像素子内で入射光を色分解・光電変換できる。よって、従来の撮像素子でカラー撮像に必要とされた色分解プリズムや、カラーフィルタが不要となる。そして、従来の３板式カラー撮像方式と同等に高画質が得られ、かつ、単板式カラー撮像方式と同等に小型・軽量なカラーカメラを実現できると期待されている。

かかる有機光電変換層を積層した光電変換素子では、入射光のうち、青色光のみが第１の有機光電変換層で吸収されて光電変換され、第１の有機光電変換層を透過した光のうち、緑色光のみが第２の有機光電変換層で吸収されて光電変換される。そして、第１の光電変換膜及び第２の光電変換膜を透過した光のうち、赤色光のみが第３の有機光電変換層で吸収され、光電変換される。そのため、光電変換素子の色分解特性は、有機光電変換層の光吸収特性に依存する。即ち、第１の有機光電変換素子の分光特性は、第１の有機光電変換層の光吸収特性に従い、第２の有機光電変換層の分光特性は、第１の光電変換膜の光吸収特性及び第２の光電変換膜の光吸収特性に従う。また、第３の有機光電変換層の分光特性は、第１の有機光電変換層の光吸収特性、第２の有機光電変換層の光吸収特性及び第３の有機光電変換層の光吸収特性に従うことになる。

特開２００６−３１９２７５号公報特開２００６−２７００２１号公報特開２００６−８０２５４号公報特開２００５−３０３２７５号公報特開２００５−２６８６０９号公報特開２００５−５１１１５号公報

しかしながら、上述の従来の有機光電変換層を積層した光電変換素子では、第１の有機光電変換層と第２の有機光電変換層の光吸収特性、第２の有機光電変換層と第３の有機光電変換層の光吸収特性にそれぞれ大きな重なりがあり、光電変換素子の色分解特性が十分ではないという問題があった。つまり、第２の光電変換膜で第１の光電変換膜で吸収し切れずに透過した青色光を吸収し、第３の光電変換膜で第２の光電変換膜で吸収し切れずに透過した青色光を吸収してしまうため、色分解特性が低下してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、色分解特性を向上させることができる光電変換素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明に係る光電変換素子は、入射光を複数の波長範囲に分けて光電変換する光電変換素子であって、
前記入射光が入射され、第１の波長範囲に光吸収の最大値を有する第１の光電変換層と、
該第１の光電変換層の背面側に設けられ、前記第１の波長範囲に光の最大値を有する第１のカラーフィルタと、
該第１のカラーフィルタの背面側に設けられ、第２の波長範囲に光吸収の最大値を有する第２の光電変換層と、
該第２の光電変換層の背面側に設けられ、前記第２の波長範囲に光吸収の最大値を有する第２のカラーフィルタと、
該第２のカラーフィルタの背面側に設けられ、第３の波長範囲に光吸収の最大値を有する第３の光電変換層と、を備えることを特徴とする。

これにより、第１の光電変換層で吸収し切れなかった第１の波長範囲の光を第１のカラーフィルタで吸収することができ、第２の光電変換層で吸収し切れなかった第２の波長範囲の光を第２のカラーフィルタで吸収することができるため、色分解特性を向上させることができる。

第２の発明は、第１の発明に係る光電変換素子において、
前記第１の波長範囲が前記第２の波長範囲より短波長側で、かつ前記第２の波長範囲が前記第３の波長範囲より短波長側であって、
前記第１のカラーフィルタの吸収端波長は、前記第１の光電変換層の吸収端波長よりも長く、
前記第２のカラーフィルタの吸収端波長は、前記第２の光電変換層の吸収波長よりも長いことを特徴とする。

これにより、光電変換層の吸収特性に重複を生じ易い各波長範囲の境界付近の透過光を、カラーフィルタで確実に吸収することができ、色分解特性を向上させることができるとともに、エネルギーの高い波長範囲の光から順に光電変換を開始することができ、エネルギーの高い波長範囲の光の減衰機会を多くして色彩全体のバランスを保つことができる。

第３の発明は、第１の発明に係る光電変換素子において、
前記第１の波長範囲が前記第２の波長範囲より長波長側で、かつ前記第２の波長範囲が前記第３の波長範囲より長波長側であって、
前記第１のカラーフィルタの吸収端波長は、前記第１の光電変換層の吸収端波長よりも短く、
前記第２のカラーフィルタの吸収端波長は、前記第２の光電変換層の吸収波長よりも短いことを特徴とする。

これにより、光電変換層の吸収特性に重複を生じ易い各波長範囲の境界付近の透過光を、カラーフィルタで確実に吸収することができ、色分解特性を向上させることができる。

第４の発明は、第２の発明に係る光電変換素子において、
前記第１の波長範囲は、青色光の波長範囲であり、
前記第２の波長範囲は、緑色光の波長範囲であり、
前記第３の波長範囲は、赤色光の波長範囲であることを特徴とする。

これにより、赤色・緑色・青色の光の３原色を分解して光電変換することができ、撮像等の種々の用途に利用することができる。

第５の発明は、第３の発明に係る光電変換素子において、
前記第１の波長範囲は、赤色光の波長範囲であり、
前記第２の波長範囲は、緑色光の波長範囲であり、
前記第３の波長範囲は、青色光の波長範囲であることを特徴とする。

第６の発明は、第１〜５のいずれかの発明に係る光電変換素子において、
前記第１の光電変換層、前記第２の光電変換層及び前記第３の光電変換層は、有機光電変換層であって、該有機光電変換層は、それぞれ有機光電変換膜を厚さ方向の両側から電極で挟んだ構成であることを特徴とする。

第７の発明に係る光電変換素子において、
前記電極のうち一方は、画素に分割されていることを特徴とする。

これにより、色分解能の高い画素毎の表示を行うことができ、ディスプレイ等の表示装置への応用を容易にすることができる。

本発明によれば、色分解特性を向上させることができる。

実施形態１に係る光電変換素子の一例を示した構成図である。実施形態１に係る光電変換素子の第１の有機光電変換層の一例を示した構成図である。実施形態２に係る光電変換素子の一例を示した構成図である。実施形態２に係る光電変換素子の第１の有機光電変換層の一例を示した構成図である。比較例に係る従来の光電変換素子を示した図である。比較例に係る光電変換素子の分光特性を示した図である。実施例１に係る光電変換素子の分光特性を示した図である。第１のカラーフィルタ及び第２のカラーフィルタの透過率特性を示した図である。実施例１に係る光電変換素子の分光特性を色度図として示した図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。

〔実施形態１〕
図１は、本発明の実施形態１に係る光電変換素子４０の一例を示した構成図である。図１において、実施形態１に係る光電変換素子４０は、第１の有機光電変換層１０と、第１のカラーフィルタ１５と、第２の有機光電変換層２０と、第２のカラーフィルタ２５と、第３の光電変換層４０とを備える。

光電変換素子４０は、入射光に対して、第１の有機光電変換層１０、第１のカラーフィルタ１５、第２の有機光電変換層２０、第２のカラーフィルタ２５及び第３の有機光電変換層３０の順序で重なるように配置されて構成される。図１においては、各層が離れた状態で示されているが、必要に応じて絶縁層等を挿入して、全体としては１個の積層体として構成されてよい。

第１の有機光電変換層１０は、入射光のうち、第１の波長範囲に光吸収の最大値を有し、第１の波長範囲の光を吸収して光電変換する層である。また、第１の有機光電変換層１０は、第１の波長範囲以外の波長範囲の光を透過させる。第１の波長範囲の光は、光電変換素子４０の構成により、種々の光を対象としてよいが、例えば、青色光としてもよい。

第１のカラーフィルタ１５は、第１の波長範囲に光吸収の最大値を有し、第１の波長範囲の光を吸収し、第１の波長範囲以外の光を透過させる光分離手段である。第１のカラーフィルタ１５は、第１の有機光電変換層１０の背面側に設けられ、第１の有機光電変換層と第１のカラーフィルタ１５が積層するように設けられてよい。第１のカラーフィルタ１５は、第１の波長範囲の光で、第１の有機光電変換層１０が吸収し切れなかった光を吸収することになる。

第１のカラーフィルタ１５の吸収波長端は、第１の有機光電変換層１０の波長端よりも大きいことが好ましい。第１のカラーフィルタ１５は、第１の有機光電変換層１０で吸収し切れなかった光を吸収する役割を有するため、第１の有機光電変換層１０よりも広い光の範囲を吸収することが好ましいからである。

第２の有機光電変換層２０は、第２の波長範囲に光吸収の最大値を有する層であり、第１の有機光電変換層１０及び第１のカラーフィルタ１５を透過した光のうち、第２の波長範囲の光を吸収して光電変換する。また、第２の有機光電変換層２０は、第２の波長範囲以外の光は透過させる。なお、第２の波長範囲の光は、用途に応じて種々の波長範囲の光を対象としてよいが、例えば、緑色光であってもよい。

第２のカラーフィルタ２５は、第２の波長範囲に光吸収の最大値を有し、第２の波長範囲の光を吸収するとともに、第２の波長範囲以外の光を透過させる光分離手段である。第２のカラーフィルタ２５は、第２の有機光電変換層の背面側に設けられ、第２のカラーフィルタ２５と第２の有機光電変換層２０とが積層されるように設けられてもよい。第２のカラーフィルタ２５は、第２の有機光電変換層２０が吸収し切れなかった第２の波長範囲の光を吸収する役割を果たす。

第３の光電変換層３０は、第３の波長範囲に光吸収の最大値を有する層であり、第１の光電変換層１０、第１のカラーフィルタ１５、第２の光電変換層２０及び第２のカラーフィルタ２５を透過した光のうち、第３の波長範囲の光を吸収して光電変換する。第３の波長範囲の光は、用途に応じて種々の波長範囲の光を対象としてよいが、例えば、赤色光としてもよい。

次に、個々の構成要素について、より詳細に説明する。なお、以後、説明と理解の容易のため、第１の波長範囲の光は青色光、第２の波長範囲の光は緑色光、第３の波長範囲の光は赤色光である例を挙げて説明するが、例示した光に限定する趣旨ではない。

図２は、本発明の実施形態１に係る光電変換素子４０の第１の有機光電変換層１０の一例を示した構成図である。図２において、第１の光電変換層１０は、第１の有機光電変換膜１１と、電極５０、５１とを備える。第１の有機光電変換膜１１は、波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの可視光のうち、波長４００ｎｍから波長５００ｎｍまでの青色光に対して最大の吸収度を示す有機材料（４００ｎｍ＜Ｗｐ１＜５００ｎｍ：Ｗｐ１は波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの単波長光を材料に入射した場合に、材料の吸収度が最大となる波長）から構成される。第１の有機薄膜は、例えば、ポルフィリン系材料、クマリン系材料、フラーレン系材料の単層膜、積層膜又は混合膜を含む薄膜等で形成されてよい。

電極５０、５１は、第１の有機光電変換膜１１で発生した電荷を読み取るために、第１の有機光電変換膜１１を上下で挟むように設けられている。電極５０、５１は、例えば、ＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide）膜、ＩＺＯ（Indium-Zinc-Oxide）膜、ＡＺＯ（Aluminum-Zinc-Oxide）膜等の透明導電膜や、膜厚５０ｎｍ以下のＭｇ−Ａｇ合金の薄膜やＡｕ薄膜で構成されてよい。第１の有機光電変換膜１１は、図２に示すように、両電極５０、５１間に電源６０から電圧を印加した状態で動作し、両電極間には、入射光の強度と波長に応じた電流が流れる。流れた電流を電流計６１で読み取ることにより、入射光の青色成分における情報を読み取ることができる。

なお、第２の有機光電変換層２０及び第３の有機光電変換層３０も、図２と同様に、有機材料からなる有機光電変換膜の両面が電極により挟まれた構成を有する。電源６０から電圧が印加され、流れた電流を電流計６１で測定し、入射光の緑色成分及び赤色成分における情報を読み取ることができる。

このように、第１の有機光電変換層１０、第２の光電変換層２０及び第３の有機光電変換層３０は、有機光電変換膜の両面が電極で挟まれた構成を有してよい。

図１に戻る。

第１のカラーフィルタ１５は、波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの波長範囲の可視光のうち、波長４００ｎｍから５００ｎｍまでの範囲の青色光に対して最大の吸収を示す材料（４００ｎｍ＜Ｗｐ１ｃ＜５００ｎｍ：Ｗｐ１ｃは波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲の単波長光を材料に入射した場合に、材料の吸収度が最大となる波長）で構成される。また、好ましくは、第１カラーフィルタ１５の吸収端波長が、第１の有機光電変換層１０の吸収端波長よりも大きい（Ｗｅ１＜Ｗｅ１ｃ：Ｗｅ１、Ｗｅ１ｃはそれぞれ、第１の有機光電変換層１０、第１のカラーフィルタ１５の吸収端波長）材料で構成される。これにより、第１の有機光電変換層１０の波長範囲よりも広い波長範囲で光吸収を行うことができ、第１の有機光電変換層１０で吸収できなかった範囲の光を吸収することができる。第１のカラーフィルタ１１は、例えば、ポルフィリン系材料、クマリン系材料の単層膜、積層膜又は混合膜で構成されてよい。ここで、吸収端波長とは、入射光波長−吸収度特性において、入射光を７００ｎｍから４００ｎｍに掃引した際に、吸収度が急激に大きくなり始める入射光波長を示している。

第２の有機光電変換層２０は、波長４００ｎｍから７００ｎｍの可視光のうち、波長５００ｎｍから波長６００ｎｍまでの緑色光に対して最大の吸収を示す（５００ｎｍ＜Ｗｐ２＜６００ｎｍ：Ｗｐ２は波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲の単波長光を材料に入射した場合に、材料の吸収度が最大となる波長）有機材料からなる第２の有機光電変換膜（図示せず）を含んで構成される。有機材料は、例えば、キナクリドリン系材料、ペリレン系材料、クマリン系材料、ローダミン系材料、フラーレン系材料の単層膜、積層膜又は混合膜を含む薄膜と、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯ等の透明電極、又は膜厚５０ｎｍ未満で半透明なＭｇ−Ａｇ合金やＡｕ膜で構成された電極で構成される。図２において説明したように、第２の有機光電変換膜も、両電極間５０、５１に電圧を印加した状態で動作し、両電極間５０、５１には、入射光の強度と波長に応じた電流が流れる。

第２のカラーフィルタ２５は、波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの可視光のうち、波長５００ｎｍから波長６００ｎｍまでの緑色光に対して最大の吸収を示す（５００ｎｍ＜Ｗｐ２ｃ＜６００ｎｍ：Ｗｐ２ｃは波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの範囲の単波長光を材料に入射した場合に、材料の吸収度が最大となる波長）ように構成される。また、好ましくは、吸収端波長が、第２の有機光電変換層２０よりも大きく（Ｗｅ２＜Ｗｅ２ｃ：Ｗｅ２、Ｗｅ２ｃはそれぞれ、第２の有機光電変換層２０、第２のカラーフィルタ２５の吸収端波長）なるように構成される。第２のカラーフィルタ２５は、このような条件を満たす材料で構成され、例えば、キナクリドン系材料、クマリン系材料、ローダミン系材料、ペリレン系材料の単層膜、積層膜又は混合膜で構成されてよい。

第３の有機光電変換層３０は、波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの波長範囲の可視光のうち、波長６００ｎｍから波長７００ｎｍｍでの赤色光に対して光吸収の最大値（６００ｎｍ＜Ｗｐ３＜７００ｎｍ：Ｗｐ１は波長４００ｎｍから７００ｎｍまでの単波長光を材料に入射した場合に、材料の吸収度が最大となる波長）を有するように構成される。第３の有機光電変換層３０は、図２で説明したように、第３の有機光電変換膜（図示せず）の両面を、電極で挟んで構成される。第３の有機光電変換膜は、例えば、フタロシアニン系材料、ナフタロシアニン系材料の単層膜、積層膜又は混合層を含む有機材料から構成されてよい。また、その両面に設けられた電極は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＡＺＯ等の透明電極、又は膜厚５０ｎｍ未満で半透明なＭｇ−Ａｇ合金やＡｕ薄膜で構成されてよい。第３の有機光電変換膜も、両電極間に電圧を印加した状態で動作し、両電極間には、入射光の強度と波長に応じた電流が流れる。

実施形態１に係る光電変換素子４０は、かかる構成を有することにより、入射した光から、第１の光電変換層１０で青色光が吸収されて光電変換され、第１のカラーフィルタ１５で第１の光電変換層１０で吸収し切れずに透過した青色光が吸収される。第１のカラーフィルタ１５の吸収端波長を、第１の光電変換層１０よりも大きく構成することにより、第１の光電変換層１０で吸収し切れなかった青色光を、第１のカラーフィルタ１５で吸収できるので、色分解特性を向上させることができる。そして、第１の有機光電変換層１０及び第１のカラーフィルタ１５を透過した光から、第２の光電変換層２０で緑色光が吸収され、光電変換される。第２の光電変換膜２０で吸収し切れずに透過した緑色光は、第２のカラーフィルタ２５で吸収される。第２のカラーフィルタ２５の吸収端波長を第２の有機光電変換膜の吸収端波長よりも大きくすることにより、第２の有機光電変換膜で吸収し切れない緑色光を第２のカラーフィルタ２５で吸収することができ、色分解特性を向上させることができる。第１の有機光電変換層１０、第１のカラーフィルタ１５、第２の有機光電変換層２０及び第２のカラーフィルタ２５を透過した光は、第３の有機光電変換層３０に入射し、赤色光が吸収され、光電変換される。第２のカラーフィルタ２５で緑色光が十分に吸収されているので、第３の有機光電変換層３０で赤色光のみを光電変換することができ、青色光、緑色光、赤色光の分解特性の高い信号を出力することができる。

〔実施形態２〕
図３は、本発明の実施形態２に係る光電変換素子４１の一例を示した構成図である。図３において、入射光の進行順に、第１の有機光電変換層１１、第１のカラーフィルタ１５、第２の有機光電変換層２０、第２のカラーフィルタ２５、第３の有機光電変換層３０が積層されて配置されている点は、実施形態１に係る光電変換素子４０と同様である。実施形態２に係る光電変換素子４１は、第１の有機光電変換層１１、第２の有機光電変換層２１及び第３の有機光電変換層３１の構成が実施形態１に係る光電変換素子４０と異なっている。

図４は、実施形態２に係る光電変換素子４１の第１の有機光電変換層１１の一例を示した構成図である。図４において、有機光電変換層１１は、有機光電変換膜１２と、電極５２、５３とを備える。電極５２、５３が、有機光電変換膜１２の上下から挟むように設けられている点は、図２と同様であるが、電極５３が画素に分割されている点で、図２と異なっている。このように、両電極５２、５３の一方を、画素分割して画素電極５３として構成してもよい。かかる構成により、入射光の強度と波長に応じた電流を、位置情報とともに検出することができる。なお、画素電極５３と電源６０との間には、スイッチング素子５２が各々設けられ、画素毎に電荷の読み取りが可能に構成されている。電流は、電流計６１を用いて読み取ってよい点は、図２と同様である。

また、図示を省略するが、第２の有機光電変換層２１及び第３の有機光電変換層３１も、図４に示した第１の有機光電変換層１１と同様に、全面を連続して覆った１枚の電極５２を一方の面上に備え、分割された画素電極５３を他方の面上に備える構成を有する。これにより、第１の有機光電変換層２１、第２の有機光電変換層及び第３の有機光電変換層３１の総てにおいて、入射光の強度と波長に応じた電流を位置情報とともに検出することができる。

なお、その他の構成及び機能については、実施形態１に係る光電変換素子４０と同様であるので、その説明を省略する。

実施形態１及び実施形態２において説明したように、第１の有機光電変換層１０、１１、第２の有機光電変換層２０、２１及び第３の有機光電変換層３０、３１は、各々の有機光電変換膜を両側から電極５０〜５３で挟むように配置して構成され、各々の有機光電変換膜で生成した電荷を読み取ることができれば、種々の構成とすることができる。

次に、具体的な実施例及び比較例を用いて、実施形態１に係る光電変換素子についてより詳細に説明する。

〔比較例〕
図５は、比較例に係る従来の光電変換素子を示した図である。比較例に係る光電変換素子は、第１の有機光電変換層１０、第２の有機光電変換層２０及び第３の有機光電変換層３０が直接的に積層され、第１のカラーフィルタ１５及び第２のカラーフィルタ２５が挿入されない構成となっている。

第１の有機光電変換層１０は、以下のようにして形成した。厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス基板上に、スパッタ法を用いて膜厚２００ｎｍのＩＴＯ薄膜を成膜した後、蒸着法を用いて、クマリン３０とフラーレンの混合膜を膜厚が１５０ｎｍとなるように成膜した。更に、アルミニウムキノリン薄膜２０ｎｍ、無水ナフタレン薄膜６００ｎｍを順次蒸着した後、スパッタ法により膜厚２００ｎｍのＩＴＯ薄膜を成膜し、第１の有機光電変換層１０とした。

また、第２の有機光電変換薄層２０については、厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス基板上に、スパッタ法を用いて膜厚２００ｎｍのＩＴＯ薄膜を成膜した後、蒸着法を用いて、ジメチルキナクリドン薄膜１００ｎｍ、メチルペリレン薄膜１００ｎｍ、無水ナフタレン薄膜６００ｎｍを順次蒸着した。次いで、スパッタ法により膜厚２００ｎｍのＩＴＯ薄膜を成膜し、第２の有機光電変換層２０を得た。

更に、第３の有機光電変換層３０については、厚さ０．７ｎｍの無アルカリガラス基板上に、スパッタ法を用いて膜厚２００ｎｍのＩＴＯ薄膜を成膜した。次いで、蒸着法を用いて、亜鉛フタロシアニン薄膜１００ｎｍ、チタニルフタロシアニン薄膜１００ｎｍ、無水ナフタレン薄膜６００ｎｍを順次成膜した。その後、スパッタ法により膜厚２００ｎｍのＩＴＯ薄膜を成膜し、第３の有機光電変換薄層を得た。

最後に、光の入射側から、第１の有機光電変換層１０、第２の有機光電変換層２０、第３の有機光電変換層３０になるように、３枚の基板を重ねて比較例に係る光電変換素子を得た。

図６は、比較例に係る光電変換素子の分光特性を示した図である。比較例においては、３つの有機光電変換層１０、２０、３０の電極間にそれぞれ５Ｖ、１Ｖ、４Ｖの電圧を印加した状態で、５０μＷ／ｃｍ^２のエネルギーの単波長光を入射した。図６は、その際の、入射波長光に対する有機光電変換層１０、２０、３０の出力Ｇ、Ｈ、Ｉを示している。図６において、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は分光特性（Ｎｏｒｍ．）を示しているが、比較の容易のため、縦軸は規格化し、最大値を揃えている。

図６において、４００ｎｍ以上５００ｎｍ未満が青色光の波長範囲、５００ｎｍ以上６００ｎｍ未満が緑色光の波長範囲、６００ｎｍ以上７００ｎｍ未満が赤色光の波長範囲を示しており、各々第１の有機光電変換層１０、第２の有機光電変換層２０及び第３の有機光電変換層３０が出力すべき範囲となっている。グラフから、青色光を光電変換すべき第１の有機光電変換層１０の出力Ｇに、緑色光を光電変換すべき役割を有する第２の有機光電変換層２０の出力Ｈが大きく重なっているのが分かる。また、第３の有機光電変換層３０の出力Ｉも、第２の有機光電変換層２０の出力Ｈに重なっていることが分かる。第１の有機光電変換層１０、第２の有機光電変換層２０及び第３の有機光電変換層３０は、各色光の波長範囲に吸収最大値を有するが、それよりも広い波長範囲で光を吸収する。よって、入射した光に、光電変換対象とする色の光と異なる色の光を含んでいても、吸収範囲内にある光であれば、これを吸収し、光電変換してしまう。よって、各有機光電変換層１０、２０、３０の出力に、異なる色成分の出力が混在してしまい、良好な色分解特性が得られないことになる。

〔実施例１〕
図７は、実施例１に係る光電変換素子の分光特性を示した図である。実施例１においては、実施形態１に係る光電変換素子４０を形成し、この分光特性を測定した。図７において、第１の有機光電変換層１０、第２の有機光電変換層２０及び第３の有機光電変換層３０の出力Ａ、Ｂ、Ｃが各々示されている。

また、図８は、第１のカラーフィルタ１５及び第２のカラーフィルタ２５の透過率特性を示した図である。図８において、出力Ｂが第１のカラーフィルタ１５の入射光波長−透過率特性、出力Ｅが第２のカラーフィルタ２５の入射光波長−透過率特性を示している。なお、実施例１に係る光電変換素子の形成方法は、以下の通りである。

第１の光電変換層１０については、比較例において説明したのと同様の材料を用いて、同様の方法により形成して取得した。第１の有機光電変換層１０は、青色光に対して最大の吸光度を示し、その波長（Ｗｐ１）は４４０ｎｍであった。なお、第１の光電変換層１０自体の出力特性は図６の出力Ｇに示されており、光吸収の最大値を示す波長（Ｗｐ１）は４４０ｎｍとなっている。また、吸収端波長（Ｗｅ１）は４９０ｎｍとなっている。

次に、第１の有機光電変換層１０上に膜厚２００ｎｍのクマリン６薄膜を蒸着法により成膜し、第１のカラーフィルタ１５とした。第１のカラーフィルタ１５も青色光に対して最大の吸光度を示し、図８に示すように、その波長（Ｗｐ１ｃ）は４６０ｎｍであった。また、第１のカラーフィルタ１５の吸収単波長（Ｗｅ１ｃ）は５３０ｎｍであり、第１の有機光電変換層１０の吸収端波長（Ｗｅ１）の４９０ｎｍよりも大きい。

次に、厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス基板上に、第２の有機光電変換層２０を形成した。第２の有機光電変換層２０の形成方法は、比較例と同様であるので、その説明を省略する。第２の有機光電変換層２０は、緑色光に対して最大の吸光度を示し、図６に示すように、その波長（Ｗｐ２）は５４０ｎｍである。

次に、第２の有機光電変換層２０上に膜厚６００ｎｍのジメチルキナクリドン薄膜を蒸着法により成膜し、第２のカラーフィルタ２５とした。第２のカラーフィルタ２５も緑色光に対して最大の吸光度を示し、図８に示すように、その波長（Ｗｐ２ｃ）は５８０ｎｍであった。また、第２のカラーフィルタ２５の吸収端波長（Ｗｅ２ｃ）は６２０ｎｍであり、図６に示した第２の有機光電変換層２０の吸収端波長（Ｗｅ２）の５９０ｎｍよりも大きい。

次に、厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス基板上に、第３の有機光電変換層３０を形成した。第３の有機光電変換層３０の形成方法は、比較例と同様であるので、その説明を省略する。第３の有機光電変換層３０は、図６の出力Ｉに示すように、青色光に対して最大の吸光度を示し、その波長（Ｗｐ３）は、７００ｎｍであった。

最後に、光の入射側から第１の有機光電変換層１０、第１のカラーフィルタ１５、第２の有機光電変換層２０、第２のカラーフィルタ２５、第３の有機光電変換層３０の順になるように、基板を重ねて、実施例１に係る光電変換素子を形成した。

図７は、３つの有機光電変換層１０、２０、３０の電極５０、５１間に、それぞれ５Ｖ、１Ｖ、４Ｖの電圧を印加した状態で、５０μＷ／ｃｍ^２のエネルギーの単波長光を入射したときの、入射光波長に対する有機光電変換層１０、２０、３０の出力Ａ、Ｂ、Ｃが示している。図６と同様に、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は分光特性（Ｎｏｒｍ．）を示しているが、比較の容易のため、縦軸は規格化して最大値を１に揃えている。

図７において、第１の有機光電変換層１０の出力Ａ、第２の有機光電変換層２０の出力Ｂ、第３の有機光電変換層３０の出力Ｃ間の重なりが図６と比較して少なくなり、色分解特性が向上していることが分かる。これは、第１の有機光電変換層１０で吸収し切れなかった青色光を、第１のカラーフィルタ１５で吸収し、第２の有機光電変換層２０で吸収し切れなかった緑色光を、第２のカラーフィルタ２５で吸収しているため、第２の有機光電変換層２０で青色光を光電変換し、第３の有機光電変換層３０で緑色光を光電変換することを防止しているからである。

図９は、実施例１に係る光電変換素子の分光特性を、色度図として比較例とともに示した図である。図９において、ＨＤＴＶ（High Definition Television、高精細テレビ）規格の３原色色度も示しているが、比較例に比べると、実施例１の方が、ＨＤＴＶ規格で定められた３原色色度により近くなっていることが分かる。

〔実施例２〕
実施例２においては、実施形態２に係る光電変換素子４１を作製し、その分光特性を測定した。実施例２に係る光電変換素子は、以下のようにして形成した。

まず、厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス基板上に、酸化亜鉛を半導体に用いた薄膜トランジスタ回路を作製した。このトランジスタ回路上にスパッタ法を用いて、膜厚２００ｎｍに画素分割されたＩＴＯ電極５３を形成した。その後、蒸着法を用いて、クマリン３０とフラーレンの混合膜を膜厚１５０ｎｍとなるように成膜した。更に、アルミニウムキノリン薄膜２０ｎｍ、無水ナフタレン薄膜６００ｎｍを順次蒸着した後、スパッタ法により膜厚２００ｎｍのＩＴＯ薄膜５２を成膜し、第１の有機光電変換層１１とした。なお、第１の有機光電変換層１１内の第１の有機光電変換膜１２の構成は、実施例１と同様である。

次に、第１の有機光電変換層１１上に、膜厚２００ｎｍのクマリン６薄膜を蒸着法により成膜し、第１のカラーフィルタ１５とした。

次に、厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス基板上に、酸化亜鉛を半導体に用いた薄膜トランジスタ回路を作製した。このトランジスタ回路上にスパッタ法を用いて、膜厚２００ｎｍに画素分割されたＩＴＯ電極５３を形成した。次いで、蒸着法を用いて、ジメチルキナクリドン薄膜１００ｎｍ、メチルペリレン薄膜１００ｎｍ、無水ナフタレン薄膜６００ｎｍを順次蒸着した後、スパッタ法により膜厚２００ｎｍのＩＴＯ薄膜５２を成膜し、第２の有機光電変換素子２１とした。

そして、第２の有機光電変換層２１上に、膜厚６００ｎｍのジメチルキナクリドン薄膜を蒸着法により成膜し、第２のカラーフィルタ２５とした。

更に、厚さ０．７ｍｍの無アルカリガラス基板上に、酸化亜鉛を半導体層に用いた薄膜トランジスタ回路を作製した。このトランジスタ回路上にスパッタ法を用いて膜厚２００ｎｍの画素分割されたＩＴＯ電極５３を形成した。次いで、蒸着法を用いて、亜鉛フタロシアニン薄膜１００ｎｍ、チタニルフタロシアニン薄膜１００ｎｍ、無水ナフタレン薄膜６００ｎｍを順次蒸着した後、スパッタ法により膜厚２００ｎｍのＩＴＯ薄膜５２を成膜し、第３の有機光電変換層３１とした。

最後に、光の入射側から、第１の有機光電変換層１１、第１のカラーフィルタ１５、第２の有機光電変換層２１、第２のカラーフィルタ２５、第３の有機光電変換層３１の順になるように、基板を重ねた。

３つの有機光電変換層１１、２１、３１の電極５２、５３間にそれぞれ５Ｖ、１Ｖ、４Ｖの電圧を印加した状態で、５０μＷ／ｃｍ^２のエネルギーの単波長光を入射し、選択画素において入射光波長に対する有機光電変換層１１、２１、３１の出力を測定したところ、図７と同様の結果を得ることができた。つまり、図６に示した比較例の結果と比較して、色分解特性が向上し、本実施例に係る光電変換素子の効果を確認することができた。

このように、第１の有機光電変換層１１、第２の有機光電変換層２１及び第３の有機光電変換層３１の電極５２、５３の一方を画素電極として構成した場合にも、光電変換素子４１の色分解特性を向上させることができ。

実施形態１及び実施形態２、実施例１及び実施例２で説明したように、第１の有機光電変換層１０、１１、第２の有機光電変換層２０、２１及び第３の有機光電変換層３０、３１の電極５０〜５４の構成は、光電変換により発生した電荷を読み出すことができれば、用途に応じて種々の構成とすることができ、実施形態１及び実施形態２、実施例１及び実施例２で説明した電極構成以外の構成とすることも可能である。

なお、実施形態１及び実施形態２、実施例１及び実施例２においては、有機光電変換層を３色に対応させた構成としたが、波長範囲を分けて光電変換する用途を有する総ての光電変換素子に適用できるので、２つ以上の有機光電変換素子１０、２０を備えていれば、本発明の作用効果を奏することができる。また、実施形態１及び実施形態２、実施例１及び実施例２においては、対象とする波長範囲を赤色、緑色、青色の３原色としたが、用途に応じて、他の色を光電変換の対象としてもよい。

また、実施形態１及び実施形態２、実施例１及び実施例２においては、第１の有機光電変換層１０、１１、第１のカラーフィルタ１５、第２の有機光電変換層２０、２１、第２のカラーフィルタ２５及び第３の有機光電変換層３０、３１は、波長の短い色から順に青色、緑色、赤色を各々吸収するように配置した例を挙げて説明したが、この順序は、逆であってもよい。例えば、第１の有機光電変換層１０、１１及び第１のカラーフィルタで波長の最も長い赤色光を吸収し、第２の有機光電変換層２０、２１及び第２のカラーフィルタ２５で次に波長の長い緑色光を吸収し、第３の有機光電変換層３０、３１で最も波長の短い青色光を吸収するような配置構成としてもよい。このような配置構成としても、波長の接近した２色を高効率で分離できるので、高い色分解能を実現することができる。

更に、実施形態１及び実施形態２、実施例１及び実施例２においては、有機材料を用いた有機光電変換素子を用いた例を挙げて説明したが、積層型の光電変換素子であれば、無機光電変換素子を含めて、種々の光電変換素子に適用することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳説したが、本発明は、上述した実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

本発明は、光電変換素子全般に利用することができ、例えば、撮像素子に利用することができる。

１０、１１第１の有機光電変換層
１５第１のカラーフィルタ
２０、２１第２の有機光電変換層
２５第２のカラーフィルタ
３０、３１第３の有機光電変換層
４０、４１光電変換素子
５０、５１、５２、５３電極
６０電源
６１電流計

Claims

入射光を複数の波長範囲に分けて光電変換する光電変換素子であって、
前記入射光が入射され、第１の波長範囲に光吸収の最大値を有する第１の光電変換層と、
該第１の光電変換層の背面側に設けられ、前記第１の波長範囲に光吸収の最大値を有する第１のカラーフィルタと、
該第１のカラーフィルタの背面側に設けられ、第２の波長範囲に光吸収の最大値を有する第２の光電変換層と、
該第２の光電変換層の背面側に設けられ、前記第２の波長範囲に光吸収の最大値を有する第２のカラーフィルタと、
該第２のカラーフィルタの背面側に設けられ、第３の波長範囲に光吸収の最大値を有する第３の光電変換層と、を備えることを特徴とする光電変換素子。
前記第１の波長範囲が前記第２の波長範囲より短波長側で、かつ前記第２の波長範囲が前記第３の波長範囲より短波長側であって、
前記第１のカラーフィルタの吸収端波長は、前記第１の光電変換層の吸収端波長よりも長く、
前記第２のカラーフィルタの吸収端波長は、前記第２の光電変換層の吸収波長よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
前記第１の波長範囲が前記第２の波長範囲より長波長側で、かつ前記第２の波長範囲が前記第３の波長範囲より長波長側であって、
前記第１のカラーフィルタの吸収端波長は、前記第１の光電変換層の吸収端波長よりも短く、
前記第２のカラーフィルタの吸収端波長は、前記第２の光電変換層の吸収波長よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
前記第１の波長範囲は、青色光の波長範囲であり、
前記第２の波長範囲は、緑色光の波長範囲であり、
前記第３の波長範囲は、赤色光の波長範囲であることを特徴とする請求項２に記載の光電変換素子。
前記第１の波長範囲は、赤色光の波長範囲であり、
前記第２の波長範囲は、緑色光の波長範囲であり、
前記第３の波長範囲は、青色光の波長範囲であることを特徴とする請求項３に記載の光電変換素子。
前記第１の光電変換層、前記第２の光電変換層及び前記第３の光電変換層は、有機光電変換層であって、該有機光電変換層は、それぞれ有機光電変換膜を厚さ方向の両側から電極で挟んだ構成であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光電変換素子。
前記電極のうち一方は、画素に分割されていることを特徴とする請求項６に記載の光電変換素子。