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KR-20260061202-A - 광 검출 장치 및 전자 기기

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Abstract

본 개시의 일 실시 형태의 제1 광 검출 장치는, 광전 변환층과, 광전 변환층과 전기적으로 접속된 제1 전극과, 광전 변환층을 사이에 두고 제1 전극과 대향 배치된 제2 전극과, 제1 전극과 광전 변환층의 사이의, 평면으로 보아 적어도 제1 전극의 외측에 마련되고, 면내 방향 및 면내 방향과 직교하는 적층 방향 중, 면내 방향으로의 전하의 이동도가, 광전 변환층보다 높은 제1 중간층을 구비한다.

Inventors

  • 요코야마 다카미치
  • 이데 다쿠야

Assignees

  • 소니 세미컨덕터 솔루션즈 가부시키가이샤

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20240815
Priority Date
20230904

Claims (17)

  1. 광전 변환층과, 상기 광전 변환층과 전기적으로 접속된 제1 전극과, 상기 광전 변환층을 사이에 두고 상기 제1 전극과 대향 배치된 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 광전 변환층의 사이의, 평면으로 보아 적어도 상기 제1 전극의 외측에 마련되고, 면내 방향 및 상기 면내 방향과 직교하는 적층 방향 중, 상기 면내 방향으로의 전하의 이동도가, 상기 광전 변환층보다 높은 제1 중간층 를 구비한 광 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극과 병렬로 배치됨과 함께, 상기 광전 변환층과 전기적으로 절연된 제3 전극을 추가로 갖는, 광 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제3 전극과 상기 제1 중간층의 사이에 마련된 산화막과, 상기 제1 전극 및 상기 제3 전극과 상기 산화막의 사이에 마련된 산화물 반도체층을 추가로 구비하고, 상기 광전 변환층의 LUMO를 E0, 상기 산화막의 전도대 에너지를 E1, 상기 산화물 반도체층의 전도대 에너지를 E2, 상기 제1 중간층의 LUMO를 E4로 했을 때 |E4|≥|E0|을 충족하는, 광 검출 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 광전 변환층과 상기 제1 중간층의 사이에 제2 중간층을 추가로 갖고, 상기 제2 중간층의 LUMO를 E5로 했을 때 |E4|≥|E0|≥|E5|를 충족하는, 광 검출 장치.
  5. 제3항에 있어서, |E1|-|E4|≥-0.4를 충족하는, 광 검출 장치.
  6. 제3항에 있어서, |E2|-|E1|≥-0.4를 충족하는, 광 검출 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 중간층을 구성하는 분자는, 상기 제1 전극의 면내 방향에 대해 에지 온 배향하고 있는, 광 검출 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 중간층은 n형 반도체 재료를 포함하는, 광 검출 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 중간층은, C 60 풀러렌, C 60 풀러렌 유도체 또는 페릴렌 유도체를 포함하는, 광 검출 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 중간층의 상기 적층 방향의 막 두께는 60nm 이하인, 광 검출 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 광전 변환층은 전기적으로 접속되어 있는, 광 검출 장치.
  12. 제2항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제3 전극과 상기 산화물 반도체층의 사이에 절연층을 추가로 갖고, 상기 제1 전극은 상기 절연층에 마련된 개구를 통해서 상기 광전 변환층과 전기적으로 접속되어 있는, 광 검출 장치.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제3 전극의 사이에, 상기 절연층에 의해 상기 광전 변환층과 전기적으로 절연된 제4 전극을 추가로 갖는, 광 검출 장치.
  14. 제2항에 있어서, 2차원 어레이상으로 배치된 복수의 화소를 구비하고, 상기 제1 전극은 상기 화소마다 각각 마련되고, 상기 제3 전극은, 인접하는 상기 화소의 사이에 마련되어 있는, 광 검출 장치.
  15. 병렬로 배치된 제1 전극 및 제3 전극과, 상기 제1 전극 및 상기 제3 전극과 대향 배치된 제2 전극과, 상기 제1 전극 및 상기 제3 전극과, 상기 제2 전극의 사이에 마련된 광전 변환층을 구비하고, 상기 제3 전극은 상기 광전 변환층과 전기적으로 절연되고, 상기 제3 전극의 상방의 상기 광전 변환층에 인가되는 전계는, 상기 제1 전극의 상방의 상기 광전 변환층에 인가되는 전계보다 약한, 광 검출 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 전극은, 상기 광전 변환층과 전기적으로 접속되어 있는, 광 검출 장치.
  17. 광전 변환층과, 상기 광전 변환층과 전기적으로 접속된 제1 전극과, 상기 광전 변환층을 사이에 두고 상기 제1 전극과 대향 배치된 제2 전극과, 상기 제1 전극과 상기 광전 변환층의 사이의, 평면으로 보아 적어도 상기 제1 전극의 외측에 마련되고, 면내 방향 및 상기 면내 방향과 직교하는 적층 방향 중, 상기 면내 방향으로의 전하의 이동도가, 상기 광전 변환층보다 높은 제1 중간층 을 갖는 광 검출 장치를 구비한 전자 기기.

Description

광 검출 장치 및 전자 기기 본 개시는, 예를 들어 유기 재료를 사용한 광 검출 장치 및 전자 기기에 관한 것이다. 예를 들어, 특허문헌 1에서는, 제1 전극과 유기계 재료를 포함하는 광전 변환층의 사이에, 제1 전극측에서부터 산화물 반도체층 및 산화막이 적층된 촬상 소자가 개시되어 있다. 도 1은 본 개시의 일 실시 형태에 관한 광 검출 소자의 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다. 도 2는 도 1에 나타낸 광 검출 소자의 화소 구성의 일례를 나타내는 평면 모식도이다. 도 3은 도 1에 나타낸 광전 변환부의 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다. 도 4는 도 3에 나타낸 광전 변환부를 구성하는 각 층의 에너지 준위를 나타내는 도면이다. 도 5는 도 1에 나타낸 광 검출 소자의 등가 회로도이다. 도 6은 도 1에 나타낸 광 검출 소자의 하부 전극 및 제어부를 구성하는 트랜지스터의 배치를 나타내는 모식도이다. 도 7은 도 1에 나타낸 광 검출 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 8은 도 7에 이어지는 공정을 나타내는 단면도이다. 도 9는 도 8에 이어지는 공정을 나타내는 단면도이다. 도 10은 도 9에 이어지는 공정을 나타내는 단면도이다. 도 11은 도 10에 이어지는 공정을 나타내는 단면도이다. 도 12는 도 11에 이어지는 공정을 나타내는 단면도이다. 도 13은 도 1에 나타낸 광 검출 소자의 일 동작예를 나타내는 타이밍도이다. 도 14는 비교예로서의 광전 변환부의 단면 구성(A)과 각 부의 포텐셜(B)을 나타내는 도면이다. 도 15는 본 개시의 변형예 1에 관한 광전 변환부의 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다. 도 16은 도 15에 나타낸 광전 변환부를 구성하는 각 층의 에너지 준위를 나타내는 도면이다. 도 17은 본 개시의 변형예 2에 관한 광 검출 소자의 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다. 도 18은 도 17에 나타낸 광 검출 소자의 화소 구성의 일례를 나타내는 평면 모식도이다. 도 19는 도 17에 나타낸 광전 변환부의 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다. 도 20은 도 19에 나타낸 광전 변환부를 구성하는 실드 전극 상방의 각 층의 에너지 준위를 나타내는 도면이다. 도 21은 본 개시의 변형예 3에 관한 광전 변환부의 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다. 도 22는 도 21에 나타낸 광전 변환부를 구성하는 실드 전극 상방의 각 층의 에너지 준위를 나타내는 도면이다. 도 23은 본 개시의 변형예 4에 관한 광 검출 소자의 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다. 도 24a는 본 개시의 변형예 5에 관한 광 검출 소자의 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다. 도 24b는 도 24a에 나타낸 광 검출 소자의 평면 모식도이다. 도 25a는 본 개시의 변형예 6에 관한 광 검출 소자의 구성의 일례를 나타내는 단면 모식도이다. 도 25b는 도 25a에 나타낸 광 검출 소자의 평면 모식도이다. 도 26은 본 개시의 다른 변형예에 관한 변형예 2의 광 검출 소자의 구성의 다른 예를 나타내는 단면 모식도이다. 도 27a는 본 개시의 다른 변형예에 관한 변형예 3의 광 검출 소자의 구성의 다른 예를 나타내는 단면 모식도이다. 도 27b는 도 31a에 나타낸 광 검출 소자의 평면 구성을 나타내는 모식도이다. 도 28a는 본 개시의 다른 변형예에 관한 변형예 4의 광 검출 소자의 구성의 다른 예를 나타내는 단면 모식도이다. 도 28b는 도 28a에 나타낸 광 검출 소자의 평면 구성을 나타내는 모식도이다. 도 29는 도 1 등에 나타낸 광 검출 소자를 구비한 광 검출 장치의 전체 구성을 나타내는 블록도이다. 도 30은 도 29에 나타낸 광 검출 장치를 사용한 전자 기기의 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 도 31a는 도 29에 나타낸 광 검출 장치를 사용한 광 검출 시스템의 전체 구성의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 31b는 도 29에 나타낸 광 검출 시스템의 회로 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 도 32는 내시경 수술 시스템의 개략적인 구성의 일례를 나타내는 도면이다. 도 33은 카메라 헤드 및 CCU의 기능 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 도 34는 차량 제어 시스템의 개략적인 구성의 일례를 나타내는 블록도이다. 도 35는 차외 정보 검출부 및 촬상부의 설치 위치의 일례를 나타내는 설명도이다. 이하, 본 개시에서의 일 실시 형태에 대해서, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 본 개시의 일 구체예이며, 본 개시는 이하의 양태에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 개시는, 각 도면에 나타내는 각 구성 요소의 배치나 치수, 치수비 등에 대해서도, 그것들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 설명하는 순서는, 하기와 같다. 1. 실시 형태(실드 전극과 광전 변환층의 사이에 전하 포획층을 갖는 광 검출 소자의 예) 1-1. 광 검출 소자의 구성 1-2. 광 검출 소자의 제조 방법 1-3. 광 검출 소자의 신호 취득 동작 1-4. 작용·효과 2. 변형예 2-1. 변형예 1(광전 변환부의 구성의 다른 예) 2-2. 변형예 2(광전 변환부의 구성의 다른 예) 2-3. 변형예 3(광전 변환부의 구성의 다른 예) 2-4. 변형예 4(컬러 필터를 사용하여 분광하는 광 검출 소자의 일례) 2-5. 변형예 5(컬러 필터를 사용하여 분광하는 광 검출 소자의 다른 예) 2-6. 변형예 6(복수의 광전 변환부가 적층된 광 검출 소자의 일례) 3. 적용예 4. 응용예 <1. 실시 형태> 도 1은 본 개시의 일 실시 형태에 관한 광 검출 소자(광 검출 소자(1))의 단면 구성을 나타낸 것이다. 도 2는, 도 1에 나타낸 광 검출 소자(1)의 평면 구성의 일례를 모식적으로 나타낸 것이며, 도 1은, 도 2에 나타낸 I-I선에서의 단면을 나타내고 있다. 도 3은, 도 1에 나타낸 광 검출 소자(1)의 주요부(광전 변환부(20))의 단면 구성의 일례를 확대해서 모식적으로 나타낸 것이다. 광 검출 소자(1)는, 예를 들어 디지털 스틸 카메라, 비디오 카메라 등의 전자 기기에 사용되는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서 등의 촬상 소자로서, 예를 들어 광 검출 장치(예를 들어, 광 검출 장치(100), 도 29 참조)의 화소 어레이부(100A)에 있어서 어레이상으로 반복 배치되는 1개의 화소(단위 화소 P)를 구성하는 것이다. 화소 어레이부(100A)에서는, 도 2에 도시한 바와 같이, 예를 들어 2행×2열로 배치된 4개의 단위 화소 P를 포함하는 화소 유닛(1a)이 반복 단위가 되어, 행방향과 열방향을 포함하는 어레이상으로 반복 배치되어 있다. 본 실시 형태의 광 검출 소자(1)는, 반도체 기판(30) 상에 마련된 광전 변환부(20)에 있어서, 판독 전극(21A), 전하 축적 전극(21B) 및 실드 전극(21C)을 포함하는 하부 전극(21)과 광전 변환층(26)의 사이에, 전하 포획층(25)이 마련된 것이다. 전하 포획층(25)은, 면내 방향(XY 평면 방향) 및 XY 평면 방향과 직교하는 적층 방향(Z축 방향) 중, XY 평면 방향으로의 전하의 이동도가 광전 변환층(26)보다 높은 것이다. 구체적으로는, 광전 변환부(20)는, 판독 전극(21A), 전하 축적 전극(21B) 및 실드 전극(21C)을 포함하는 하부 전극(21)과, 절연층(22)과, 산화물 반도체층(23)과, 보호층(24)과, 전하 포획층(25)과, 광전 변환층(26)과, 상부 전극(27)이 이 순으로 적층된 것이다. 절연층(22)은, 판독 전극(21A)의 상방에 개구(22H)를 갖고, 판독 전극(21A)과 광전 변환층(26)은, 이 개구(22H)를 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 실드 전극(21C)은, 인접하는 단위 화소 P의 사이에 마련되어 있고, 절연층(22)에 의해 광전 변환층(26)과는 전기적으로 절연되어 있다. 여기서 판독 전극(21A)이, 본 개시의 일 실시 형태에서의 「제1 전극」의 일 구체예에 상당하는 것이다. 상부 전극(27)이, 본 개시의 일 실시 형태에서의 「제2 전극」의 일 구체예에 상당하는 것이다. 실드 전극(21C)이, 본 개시의 일 실시 형태에서의 「제3 전극」의 일 구체예에 상당하는 것이다. 전하 축적 전극(21B)이, 본 개시의 일 실시 형태에서의 「제4 전극」의 일 구체예에 상당하는 것이다. 전하 포획층(25)은, 본 개시의 일 실시 형태에서의 「축적 전극」의 일 구체예에 상당하는 것이다. (1-1. 광 검출 소자의 구성) 광 검출 소자(1)는, 예를 들어 1개의 광전 변환부(20)와, 2개의 광전 변환 영역(32B, 32R)이 세로 방향으로 적층된, 소위 세로 방향 분광형의 것이다. 광전 변환부(20)는, 반도체 기판(30)의 이면(제1면(30S1))측에 마련되어 있다. 광전 변환 영역(32B, 32R)은, 반도체 기판(30) 내에 매립 형성되어 있고, 반도체 기판(30)의 두께 방향으로 적층되어 있다. 광전 변환부(20)와, 광전 변환 영역(32B, 32R)은, 서로 다른 파장역의 광을 선택적으로 검출해서 광전 변환을 행하는 것이다. 예를 들어, 광전 변환부(20)에서는, 녹(G)의 색 신호를 취득한다. 광전 변환 영역(32B, 32R)에서는, 흡수 계수의 차이에 의해, 각각 청(B) 및 적(R)의 색 신호를 취득한다. 이에 의해, 광 검출 소자(1)에서는, 컬러 필터를 사용하지 않고 하나의 화소에 있어서 복수 종류의 색 신호를 취득 가능하게 되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 광전 변환에 의해 생기는 전자와 정공의 쌍(여기자) 중, 전자를 신호 전하로서 판독하는 경우(n형 반도체 영역을 광전 변환층으로 할 경우)에 대해서 설명한다. 또한, 도면 중에서, 「p」 「n」에 부여한 「+(플러스)」는, p형 또는 n형의 불순물 농도가 높은 것을 나타내고 있다. 반도체 기판(30)의 표면(제2면(30S2))에는, 예를 들어 플로팅 디퓨전(부유 확산층) FD1(반도체 기판(30) 내의 영역(36B)), FD2(반도체 기판(30) 내의 영역(37C)), FD3(반도체 기판(30) 내의 영역(38C))과, 전송 트랜지스터 Tr2, Tr3과, 앰프 트랜지스터(변조 소자) AMP와, 리