JP7002475B2 - 光検出器アレイ - Google Patents
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Description
その一方で、有機材料からなる薄膜は有機溶剤に溶けるため、無機半導体プロセスで用いられる有機レジストのパターニングを利用したエッチング方法を適用することができない。また同じく、無機半導体プロセスで用いられる高エネルギープラズマによるドライエッチングは、エッチング速度が速く制御が難しく、複雑なパターンの積層構造からなる有機半導体デバイスを形成することが困難である。
また、この構成では、スイッチングダイオードのシリコンと導電性アモルファスシリコンとフォトダイオードのシリコンは導電性が高いため、2次元配列された光検出器の素子間を分離する必要がある。ブロッキングダイオードは、シリコン膜が溝によって個別電極に沿って分割されている。導電性アモルファスシリコンはさらに共通電極に沿っても分割された矩形にパターニングされている。その後、素子を分割する溝は絶縁材料で埋められ、上部に透明な共通電極が形成されている。このように、積層デバイスの製造では多くのパターン形成が必要であり、プロセスコストが高くなるという課題が有る。また、スイッチングダイオードとフォトダイオードとを個別にパターニングするため、同様な構成をパターニング方法に制限がある有機半導体材料で実現することは困難であった。
なお、上記本発明の構成は任意に組み合わせることができる。
透明なガラス基板上に、図10に示す光検出器アレイを作成する。線状に2mmの間隔で1mm幅のスリットを16本の開口させたマスクを用意し、ガラス基板に密着して重ね合わせて、このマスク面側からスパッタリングによりITOを50nmの厚さに製膜して、16本の第1の電極54を形成した。次に、ITO表面の仕事関数を浅くするため、PEIE(ポリエチレンイミンエトキシレート)でITO表面を修飾した。PEIEは2メトキシエタノールと体積比1:100の割合で混合し、スピンコート法により塗膜形成したのち、100℃、60秒の焼成を行った。
図11は、上記で作成した有機光検出器アレイを動作させた様子を示している。各16本の個別電極54と共通電極59を、図示していない外部の制御回路にケーブルで接続して動作させた。制御回路は、共通電極にVon電圧とVoff電圧を印加する読み出し制御回路と、個別電極を流れる電流を計測する16チャンネルの微小電流計と、読み出し制御回路と微小電流計を制御する制御コンピューターから構成される。読み出し制御回路は16本の共通電極に接続し、共通電極の1本にVonの電圧を印加し、その他の共通電極にVoffの電圧を印加する。図9に示した光検出器の特性より、Von電圧は-2V、Voff電圧は0.5Vに設定した。Von電圧とVoff電圧は、微小電流計が計測する光電流の立ち上がり後に、適切に設定した静定時間を確保した時間印加され、微小電流計での電流計測の完了後、次の共通電極の計測に移る。この計測過程を16本の共通電極を順次スキャン行うことで、2次元の光強度分布を時間変化として可視化することを可能にする。図11では、光検出器アレイと照明との間に挿入した綿棒による影を検出している。
図12は、図10に示した構成の光検出器アレイを高精細で作成した装置によるイメージング結果である。第1の電極と第2の電極は、それぞれ100μm間隔で50μmの幅に16本形成した。すなわち、光検出器アレイのイメージングセンサーサイズは1.6mm×1.6mmで、画素数は16×16の256ピクセルである。図12では、6ポイントのフォントサイズの文字を読み取っている。このように、本発明の構成によれば、高精細な光検出器アレイから大面積の光検出器アレイまで、多様な仕様のセンサーを容易に作成することが可能となる。
図13は、図10に示した構成の光検出器アレイをフレキシブル基板上に作成した実施例である。フレキシブルな基板は平坦性を保って製膜プロセスを行うことが困難であるため、固く平坦なサポート基板に積層して製膜を行った後に、サポート基板から剥離して完成させる。本実施例では、サポート基板としてガラス基板を用いた。まず、プロセス完了後にサポート基板からフレキシブル光検出器アレイを剥離しやすくするため、ガラス基板上にフッ素系のコーティング膜を形成する。本実施例では、3M社のフッ素系液体Novecを用いて表面コーティングを施した。その上に、透明なフレキシブル基材を積層する。フレキシブル基材として、PEN(ポリエチレンナフタレート)やPET(ポリエチレンテレフタレート)や透明PI(ポリイミド)を用いることができるが、本実施例ではパリレン(ポリ・パラキシレン)を真空蒸着でサポート基板上に堆積して作成する方法を採用した。パリレン膜の形成後に、表面平坦化のためにポリイミドを極めて薄くスピンコートしたものを基板53として、上記と同様なプロセスで素子形成を行った。図13に示す光検出器アレイは、素子形成後に外部回路を接続するためのフレキシブル配線を実装し、最後にサポート基板から剥がして完成させた。本発明の構成によれば、柔らかく低温プロセスで製膜できる有機材料を用いて、フレキシブルな基材に光検出器アレイを形成することができる。スイッチング素子である有機整流ダイオードと、光検出素子である有機フォトダイオードが一体的に積層して集積化された高性能なアクティブ素子を、簡便な構造で生産性良く製造できる。
Claims (11)
- 基板上に形成され、第1の方向に並行して伸びる複数の第1電極と、この第1電極に交差する第2の方向に並行して伸びる複数の第2電極との間に、第1の有機薄膜ダイオードと、第2の有機薄膜ダイオードとが、共通アノードまたは共通カソードとなる中間接続電極層で逆ダイオード接続された積層膜を有し、前記第1電極と前記第2電極の少なくとも一方は光を透過する透明性を有し、前記第1の有機薄膜ダイオードは光応答性有機ダイオードであり、前記第2の有機薄膜ダイオードは有機整流ダイオードであり、前記中間接続電極層はその接続する前記第1の有機薄膜ダイオードと前記第2の有機薄膜ダイオードに対して、共通アノードとしては正孔を、共通カソードとしては電子を受け渡しして動作し、
前記第1の有機薄膜ダイオードと前記第2の有機薄膜ダイオードは、前記中間接続電極層を介して受け渡しされる電子または正孔のキャリアを輸送するエネルギー準位が同じである、ことを特徴とする光検出器アレイ。 - 前記第1の有機薄膜ダイオードと前記第2の有機薄膜ダイオードは、前記中間接続電極層を介して受け渡しされる電子または正孔のキャリアを輸送する有機材料が同じである、請求項1記載の光検出器アレイ。
- 前記第1の有機薄膜ダイオードは、ヘテロ接合型の光応答性有機ダイオードであり、前記第2の有機薄膜ダイオードは、シングルキャリア型またはショットキー型の有機整流ダイオードであることを特徴とする、請求項1又は2記載の光検出器アレイ。
- 前記中間接続電極層は、前記第1または第2の有機薄膜ダイオードを塗布手段により製膜するときに用いられる溶剤に対して不溶であることを特徴とする、請求項1~3の何れか一項記載の光検出器アレイ。
- 前記複数の第1電極と前記複数の第2電極の間に形成された複数の光検出器に亘って、前記積層膜が形成されていることを特徴とする、請求項1~4の何れか一項記載の光検出器アレイ。
- 前記中間接続電極層は、有機導電材料または金属酸化物導電材料からなることを特徴とする請求項1~5の何れか一項記載の光検出器アレイ。
- 前記第1の有機薄膜ダイオード及び/又は前記第2の有機薄膜ダイオードを構成する有機半導体材料が、ポリ3-ヘキシルチオフェン-2,5-ジイル(P3HT)又はこれと類似の又は異なる波長の光に感度を有するp型半導体材料を含む請求項1に記載の光検出器アレイ。
- 前記第1の有機薄膜ダイオードの活性層及び/又は前記第2の有機薄膜ダイオードの半導体層の最高占有分子軌道(HOMO)のエネルギー準位と、前記中間接続電極層材料の仕事関数のエネルギー準位との差が、0.5eV以下である請求項1~7何れか一項に記載の光検出器アレイ。
- 前記基板がフレキシブル基板からなる請求項1~8何れか一項に記載の光検出器アレイ。
- 前記フレキシブル基板が、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、透明ポリイミド(PI)又はパリレン(ポリ・パラキシレン)からなる請求項9に記載の光検出器アレイ。
- 基板上に形成され、第1の方向に並行して伸びる複数の第1電極に、第1の有機薄膜ダイオードの活性層を塗布する工程と、
前記第1の有機薄膜ダイオードの活性層上に、共通アノードまたは共通カソードとなる中間接続電極層を塗布する工程と、
前記中間接続電極層に第2の有機薄膜ダイオードの半導体層を塗布する工程と、
前記第2の有機薄膜ダイオードの半導体層上に、前記第1電極に交差する第2の方向に並行して伸びる複数の第2電極を製膜する工程と、
を含み、
前記第1の有機薄膜ダイオードと前記第2の有機薄膜ダイオードは、前記中間接続電極層を介して受け渡しされる電子または正孔のキャリアを輸送するエネルギー準位が同じである、ことを特徴とする光検出器アレイの製造方法。
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