JP2011192929A

JP2011192929A - 半導体位置検出器および光センサー

Info

Publication number: JP2011192929A
Application number: JP2010059811A
Authority: JP
Inventors: Takuji Kato; 拓司加藤; Satoshi Yamamoto; 諭山本; Toshiya Kosaka; 俊也匂坂; Takashi Okada; 崇岡田; Masahito Shinoda; 雅人篠田; Daisuke Goto; 大輔後藤; Shinji Matsumoto; 真二松本; Masataka Mori; 匡貴毛利; Keiichiro Yutani; 圭一郎油谷; Tetsuya Ogata; 哲也小形
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】設置場所の自由度が高く、且つ、生産性の優れた安価な光センサー及び半導体位置検出器を提供する。
【解決手段】受光面を形成する半導体層２と、半導体層の両端部に半導体層に流れる電流を電極３ａ，ｂとを有する光センサーを用い、受光面上の入射光位置により電極から検出される電流値がそれぞれ変化することに基づき位置検出をおこなう半導体位置検出器において、半導体層はＰ型特性を有する芳香族化合物薄膜からなるＰ型有機半導体層２ａと、Ｎ型特性を有する芳香族化合物薄膜からなるＮ型有機半導体層２ｂとを積層した構成を有し、半導体層がアンバイポーラー性を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体からなる光検出素子である光センサーを用いて位置を検出する半導体位置検出器、および、これに採用される光センサーに関するものである。

近年、半導体位置検出器は、様々な分野において利用され、急速に普及している。例えば、カメラ等の撮像機器で被測定物の距離を測定してフォーカシングに利用する装置（特許文献１）、工場で自動化のため対象物の位置を検出してスイッチングに利用する装置、または、トイレの便座で人の位置を検出する人感センサー等の分野で利用されている。このような光センサーを用いた半導体位置検出器としては、受光面となる半導体層の両端部に電極を設け、電極で検出される電流値が受光面の入射光位置に応じて変化することを利用する構成が知られている。

半導体位置検出器に用いられる光センサーとしては、従来、Ｓｉ，Ｇｅなどの無機材料からなるＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（ＣｏｍｐlｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）等が知られている。しかし、無機材料からなる光センサーは、設置位置を変更することが容易ではなく、特に曲線部への設置が困難であるという問題があった。また、Ｓｉ，Ｇｅなどの無機材料はコストが高いという問題があった。

一方、有機材料からなる光センサーは、無機材料が有する上記問題に対して有利と考えられる。有機半導体を用いた光センサーとして、特許文献２に、半導体基板上に縮合多環芳香族化合物の薄膜を形成して基板側と薄膜側とに電極を設け、光照射に伴う電気的特性変化を検出するものが記載されている。また、特許文献３に、フラーレン構造を有する芳香族化合物の薄膜に接して複数の電極を設け、照射された光の強度に応じて変化する電流値を検出するものが記載されている。

しかし、有機材料からなる光センサーを用いた半導体位置検出器は、ほとんど普及していない。これは、有機半導体の電荷輸送能力は無機半導体と比して桁違いに低いため、有機半導体からなる光センサーで入射光に対して発生した光キャリアを効率よく検出するには電極間距離を極端に短くする必要がある。電極間距離を極端に短くすると受光面が狭くなるため、半導体位置検出器としては、入射光位置に対する位置検出精度が悪くなったり、検出可能な位置範囲が狭くなったりしてしまう。また、有機半導体からなる光センサーのマトリックス化により位置検出を可能とすることはできるが、マトリックス化に複雑な製造プロセスを必要とするため、有機材料が有する生産性での優位性をキャンセルすることになってしまう。このような理由から、上記特許文献２、３の光センサーは、光検出素子としての利用は可能であるが、位置検出器への利用は実用的には困難であった。

本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、設置場所の自由度が高く、且つ、生産性に優れた安価な光センサー及び半導体位置検出器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、受光面を形成する半導体層と、該半導体層の両端部に流れる電流をそれぞれ検出するための電極とを有する光センサーを用い、受光面上の入射光位置により該電極から検出される電流値がそれぞれ変化することに基づき位置検出をおこなう半導体位置検出器において、上記半導体層はＰ型特性を有する芳香族化合物薄膜からなるＰ型有機半導体層と、Ｎ型特性を有する芳香族化合物薄膜からなるＮ型有機半導体層とを積層した構成を有し、該半導体層がアンバイポーラー性を有することを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の半導体位置検出器において、上記半導体層を構成するＮ型有機半導体層の芳香族化合物薄膜として、フラーレン骨格を有する化合物を用いることを特徴とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１または２の半導体位置検出器において、上記半導体層を構成するＰ型有機半導体層の芳香族化合物薄膜としてビチオフェン骨格を有する化合物を用いることを特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、請求項１、２または３の何れかの半導体位置検出器において、上記Ｎ型有機半導体層におけるキャリア移動度と、上記Ｐ型有機半導体層におけるキャリア移動度がほぼ等しくなるように、上記半導体層に電圧を印加することを特徴とするものである。
また、請求項５の発明は、支持基板と、受光面を形成する半導体層と、該半導体層の両端部に流れる電流をそれぞれ検出するための電極とを有する光センサーにおいて、上記半導体層はＰ型特性を有する芳香族化合物薄膜からなるＰ型有機半導体層と、Ｎ型特性を有する芳香族化合物薄膜からなるＮ型有機半導体層とを積層した構造であり、該半導体層がアンバイポーラー性を有することを特徴とするものである。
本発明においては、半導体層はＰ型特性を有する芳香族化合物薄膜からなるＰ型有機半導体層と、Ｎ型特性を有する芳香族化合物薄膜からなるＮ型有機半導体層とを積層し、これらがアンバイポーラー性を有する構成である。従来の半導体層としてＰ型特性を有する芳香族化合物薄膜、または、Ｎ型特性を有する芳香族化合物薄膜の何れかを用いた構成の光センサーは、入射光により発生したホール電流、または、電子電流のいずれかを流すものである。これに対して、本発明の構成は、ホール電流と電子電流との両方をそれぞれ流すことを可能としている。ホール電流と電子電流との両方がそれぞれ流れることで電荷輸送能力が向上するため、電極間距離を従来の有機材料を用いた光センサーよりも長くしても、光キャリアを効率よく検出することが可能であり、位置検出器としての利用が可能となる。このように、本構成の半導体位置検出器は、成形性、可撓性、生産性、コスト面に優れる有機材料を用い、且つ、半導体層を上記構成とすることで位置検出器としての利用が可能とする。

本発明によれば、設置場所の自由度が高く、且つ、生産性の優れた安価な光センサー及び半導体位置検出器を提供することができるという優れた効果がある。

本実施形態の半導体位置検出器の断面図。Ｐ型特性を有するビチオフェン骨格を有する芳香族化合物薄膜の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示すグラフ。Ｎ型特性を有するフラーレン骨格を有する芳香族化合物薄膜の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示すグラフ。ビチオフェン骨格／フラーレン骨格の積層膜の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を示すグラフ。ビチオフェン骨格／フラーレン骨格の積層膜の光照射による電流―電圧（Ｉ−Ｖ）特性変化を示すグラフ。半導体位置検出器を用いたスイッチング装置のブロック図。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態としての半導体位置検出器（ＰＳＤ）を説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
図１は、本実施形態にかかる半導体位置検出器の断面図である。支持基板４上に、ゲート電極及びゲート絶縁膜１と、半導体層２としてのＰ型有機半導体層２ａ、Ｎ型有機半導体層２ｂとが順次積層形成されたものである。さらに、半導体層２の上には、電子電流およびホール電流を取り出すための電極３ａ、３ｂを形成する。なお、Ｐ型有機半導体層とＮ型有機半導体層はどちらが先に形成されてもいいが、ここでは、下層として先にＰ型有機半導体層２ａを形成した例で説明をおこなう。

支持基板４としては、特に限定されるものではないが、例えば、ガラス基板、プラスチック基板、シリコン基板等が挙げられる。特に、プラスチック基板を用いると、完成するデバイスに可撓性、軽量化、安価、耐衝撃性などの特性を与えることができる。プラスチック基板としては、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリイミド、ポリカーボネイト、セルローストリアセテート、セルロースセテートポロピオネート等からなる基板が挙げられる。

また、本実施形態の半導体位置検出器では、後述するように半導体層２にゲート電極から適当な電圧を印加することによりホール電流と電子電流が均一に流れるようする。このため、支持基板４上にゲート電極およびゲート絶縁膜１を設けている。ゲート絶縁膜としては、種々の絶縁膜材料を用いることができる。例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化チタン、酸化タンタル、酸化スズ、酸化バナジウム、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコウム酸化チタン酸バリウム、ジルコニウム酸チタン酸鉛、チタン酸鉛ランタン、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、フッ化バリウムマグネシウム、タンタル酸ニオブ酸ビスマス、トリオキサイドイットリウム等の無機系絶縁材料が挙げられる。
また、例えば、ポリイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリエステル、ポリエチレン、ポリフェニレンスルフィド、無置換またはハロゲン原子置換ポリパラキシリレン、ポリアクリロニトリル、シアノエチルプルラン等の高分子化合物を用いることができる。
さらに、上記絶縁材料を２種以上合わせて用いても良い。特に材料は限定されないが、中でも誘電率が高く、導電率が低いものが好ましい。
上記材料を用いた絶縁膜層の作製方法としては、例えば、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、プラズマ重合法、蒸着法のドライプロセスや、スプレーコート法、スピンコート法、ディップコート法、インクジェット法、キャスト法、ブレードコート法、バーコート法等の塗布によるウェットプロセスが挙げられる。

Ｐ型有機半導体層２ａに用いられる化合物としては、Ｐ型特性を有する芳香族化合物薄膜であれば特に限定されるものではない。また、Ｎ型有機半導体層２ａに用いられる化合物としては、Ｎ型特性を有する芳香族化合物薄膜であれば特に限定されるものではない。何れも、複素環を含んでもよい多環縮合環などが挙げられ、具体例としては、例えば、（化１）などを部分構造として有するものが挙げられる。さらに、必要に応じてアルキル基、アルコキシ基、チオアルキル基、トリアルキルシリル基、シクロアルキル基、シクロアルケニル基、アリル基、アルアリル基、アリルアルキル基、アリロキシ基、パーフロロアルキル基、パーフロロアルケニル基、アルキルカルボニル基、アルキルカルボキシル基などの溶解性基を有してもよい。溶解性基の具体例としては、例えば、（化２）の官能基が挙げられる。ここで、ａ，ｂ，ｃはそれぞれ独立に１から３０の整数である。溶解性の効果と汎用性の面から１から２２の整数の範囲がより好ましい。

さらに、Ｐ型有機半導体層２ａまたはＮ型有機半導体層２ｂに用いられる有機半導体材料の具体的な構造としては、（化３）のものも挙げられるが、本発明はこれらに限定されるものではない。

さらに、Ｎ型有機半導体層２ｂに用いる特に好ましい有機半導体材料としては、フラーレン骨格を有するＣ６０，Ｃ７０、ＰＣＢＭや、フッ素化銅フタロシアニン系のＦ_１６ＣｕＰｃ（銅ヘキサデカフルオロフタロシアニン）、Ｆ_４ＣｕＰｃ（銅テトラフルオロフタロシアニン）が挙げられる。また、Ｐ型有機半導体層２ａに用いる特に好ましい有機半導体材料としては、下記（化４）に示すビチオフェン骨格を有するＰＴＴ系化合物である５，５‘−ビス（４−ヘキシルオキシフェニル）２，２’−ビチオフェンや、ペンタセン、ｍ−ＭＴＤＡＴＡ、Ｐ３ＨＴが挙げられる。

さらに、図１の積層構造で、ゲート絶縁膜１と半導体層２の接着性を向上、リーク電流低減等の目的で、ゲート絶縁膜１と半導体層２との間に有機薄膜を設けても良い。この有機薄膜は半導体層２に対し、化学的悪影響を与えなければ、特に限定されないが、例えば、有機分子膜や高分子薄膜が利用できる。有機分子膜としては、オクタデシルトリクロロシラン、オクチルトリクロロシラン、ヘキサメチレンジシラザン等を具体的な例としたカップリング剤が挙げられる。また、高分子薄膜としては、上述の高分子絶縁膜材料を利用することができ、これらが絶縁膜の一種として機能していても良い。また、この有機薄膜をラビング等により、異方性処理を施していても良い。

下層となる有機半導体層（図１では、Ｐ型有機半導体層２ａ）の界面を平滑にすることは電流値の上昇をもたらすため望ましい。この場合、上述のゲート絶縁膜１と半導体層２との間に有機薄膜層を設けることが有用である。特に、オクチルトリクロロシラン、フェニルトリクロロシラン、フェニルブチルトリクロロシランといった有機分子膜を作成し、この上に下層有機半導体層を結晶成長させることで、上記界面の平滑性を向上させることができ、特に望ましい。

また、本実施形態の積層構成では、必要に応じて引出し電極を設けることができる。さらに、水分、大気及びガスからの保護、またはデバイスの集積の都合上の保護等のため必要に応じて保護層を設けることもできる。

このようにＰ型有機半導体層２ａと、Ｎ型有機半導体層２ｂとを積層させて、アンバイポーラー性を有するよう半導体素子からなる光センサーを用いて、後述の図４に示すように、ホール電流、電子電流の両方をほぼ同量流すことができる。これにより、従来の有機材料を用いた光センサーに比べて感度に優れた光センサーを得ることができ、半導体位置検出器としての利用が可能となる。図６は、このような光センサーを受光制御回路と組み合わせた半導体位置検出器をスイッチング回路とを組み合わせることによりスイッチングデバイスとして用いた場合の回路図である。

以下、実施例および比較例に基づき、本発明をさらに詳細に説明する。
＜実施例＞
膜厚３００ｎｍの熱酸化膜を形成し、さらに浸漬によりオクチルトリクロロシラン処理を施したＮドープＳｉ基板４上に、半導体層２として、Ｐ型半導体特性を示す（化４）のビチオフェン骨格を有する５，５‘−ビス（４−ヘキシルオキシフェニル）２，２’−ビチオフェンを２５ｎｍ、Ｎ型半導体特性を示すフラーレンを有する化合物Ｃ６０を５５ｎｍを、それぞれ真空蒸着法にて順次成膜した。その後、これらの積層構成の半導体層２の上に、信号取り出し電極３ａ、ｂをそれぞれ真空蒸着法にて成膜した。この時、光キャリア発生領域が２ｍｍ×５０μｍとなるシャドーマスクによりパターニングを行った。

このような構成で、半導体特性を確認のために、信号取り出し電極３ａ，ｂを、それぞれソース電極（アース）、ドレイン電極（−４０Ｖ）とし、ゲート電圧を０Ｖから−１００Ｖまで変化させて、電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を測定した。この結果、図４に示すように、ホール電流（図中Ａ）と電子電流（図中Ｂ）との両方がそれぞれ流れており、アンバイポーラー性を確認した。また、ソース電極−ドレイン電極間のＳ−Ｄ電圧が１００Ｖの場合に、それぞれ５０Ｖ付近にキャリアバランスのとれた領域（図中Ｃ）があり、ホール移動度０．０８ｃｍ^２／Ｖｓ、電子移動度０．１０ｃｍ^２／Ｖｓと、ほぼ同レベルのキャリア輸送能を持つことを確認した。

次に、ゲート電極に−５Ｖ印加し、ソース電極を０Ｖ、ドレイン電極を０Ｖから−１０Ｖまで変化させた場合の、ソース電流とドレイン電流をそれぞれ測定した。その後、光を照射し、同じくソース電流とドレイン電流を測定した。図５に、電流―電圧測定結果を示す。●と○はそれぞれ、暗電流と光電流を示す。図５より、光照射により電流量が大幅に増加していることが確認できる。このように、本実施例では、ソース電極−ドレイン電極間のＳ−Ｄ電圧は最大１０Ｖとしているので、図４の結果から、ゲート電圧が５Ｖ付近でキャリアバランスがとれることになる。よって、本実施例の構成では、わずか１０Ｖで、光キャリア発生領域もわずか２ｍｍ×５０μｍと狭いにも関わらず光キャリアが検出することができる。

＜比較例１＞
膜厚３００ｎｍの熱酸化膜を形成したＮドープＳｉ基板上に、半導体層２として、（化４）に示すビチオフェン骨格を有するＰＴＴＰ系化合物、５，５‘−ビス（４−ヘキシルオキシフェニル）２，２’−ビチオフェンを１００ｎｍを真空蒸着法にて成膜した。その後、単層の半導体層２の上に、信号取り出し電極３ａ、ｂをそれぞれ真空蒸着法にて成膜した。Ｓｉ基板４のＮドープ部分をゲート電極とし、熱酸化膜をゲート絶縁膜１、信号取り出し電極３ａ，ｂを、それぞれソース電極（アース）、ドレイン電極（−１００Ｖ）とした。ゲート電圧を０Ｖから−１００Ｖまで変化させ半導体特性を確認したところ、図２に示すようにＰ型半導体特性を示し、その移動度は０．１ｃｍ^２／Ｖｓであった。次に、ゲート電極に−５Ｖ印加し、ソース電極を０Ｖ、ドレイン電極を０Ｖから−１０Ｖまで変化させた場合の光照射の有無によるドレイン電流の変化を調べたが、大きな電流値の違いは確認されなかった。

＜比較例２＞
膜厚３００ｎｍの熱酸化膜を形成したＮドープＳｉ基板上に、半導体層２として、フラーレン化合物であるＣ６０を１００ｎｍを真空蒸着法にて順次成膜した。その後、単層の半導体層２の上に、信号取り出し電極３ａ、ｂをそれぞれ真空蒸着法にて成膜した。Ｓｉ基板４のＮドープ部分をゲート電極とし、熱酸化膜をゲート絶縁膜１、信号取り出し電極３ａ，ｂを、それぞれソース電極（アース）、ドレイン電極（＋１００Ｖ）とした。ゲート電圧を０Ｖから＋１００Ｖまで変化させ半導体特性を確認したところ、図３に示すようにＮ型半導体特性を示し、その移動度は１．５ｃｍ^２／Ｖｓであった。次に、ゲート電極に−５Ｖ印加し、ソース電極を０Ｖ、ドレイン電極を０Ｖから−１０Ｖまで変化させた場合の光照射の有無によるドレイン電流の変化を調べたが、大きな電流値の違いは確認されなかった。

＜比較例３＞
実施例において、膜厚３００ｎｍの熱酸化膜を形成した後、オクチルトリクロロシラン処理を施さずに酸素プラズマ洗浄による洗浄のみをおこなったＮドープＳｉ基板４上に使用した。他の条件は、実施例と同様である。このような構成で、実施例と同様に電気特性を調べたところ、Ｐ型半導体特性のみが得られアンバイポーラー性は確認されなかった。また同様に光照射の有無によるドレイン電流の変化を調べたが、大きな電流量の違いは確認されなかった。

以上、本実施形態によれば、受光面を形成する半導体層２と、半導体層２の両端部に流れる電流をそれぞれ検出するための電極３ａ，ｂとを有する光センサーを用い、受光面上の入射光位置により電極３ａ、ｂから検出される電流値がそれぞれ変化することに基づき位置検出をおこなう半導体位置検出器において、半導体層２はＰ型特性を有する芳香族化合物薄膜からなるＰ型有機半導体層２ａと、Ｎ型特性を有する芳香族化合物薄膜からなるＮ型有機半導体層２ｂとを積層した構成を有し、半導体層２がアンバイポーラー性を有するものである。このような構成の半導体位置検出器は、設置場所の自由度が高く、且つ、生産性に優れ、安価である。
また、本実施形態によれば、半導体層２を構成するＮ型有機半導体層２ｂの芳香族化合物薄膜として、フラーレン骨格を有する化合物を用いることにより、効率よく電子電流の輸送を可能とし、高性能な位置検出器を提供できる。
また、本実施形態によれば、半導体層２を構成するＰ型有機半導体層２ａの芳香族化合物薄膜としてビチオフェン骨格を有する化合物を用いることにより、効率よくホール電流の輸送を可能とし、高性能な位置検出器を提供できる。
また、本実施形態によれば、Ｎ型有機半導体層２ｂにおけるキャリア移動度と、Ｐ型有機半導体層２ａにおけるキャリア移動度がほぼ等しくなるように半導体層２にゲート電極より電圧を印加して用いる。これにより、入射光位置に応じて、ホール電流、電子電流の両方をほぼ同量流すことができ、感度に優れた半導体位置検出器としての利用が可能となる。
また、本実施形態によれば、このような構成の光センサーは、設置場所の自由度が高く、且つ、生産性に優れ、安価である。

１ゲート電極およびゲート絶縁膜
２半導体層
２ａＰ型有機半導体層
２ｂＮ型有機半導体層
３ａ、ｂ電極
４支持基板

特開平４−２４０５１１号公報特開平５−５５６１０号公報特開平６−２９５１４号公報

Claims

受光面を形成する半導体層と、該半導体層の両端部に流れる電流をそれぞれ検出するための電極とを有する光センサーを用い、受光面上の入射光位置により該電極から検出される電流値がそれぞれ変化することに基づき位置検出をおこなう半導体位置検出器において、
上記半導体層はＰ型特性を有する芳香族化合物薄膜からなるＰ型有機半導体層と、Ｎ型特性を有する芳香族化合物薄膜からなるＮ型有機半導体層とを積層した構成を有し、該半導体層がアンバイポーラー性を有することを特徴とする半導体位置検出器。
請求項１の半導体位置検出器において、上記半導体層を構成するＮ型有機半導体層の芳香族化合物薄膜として、フラーレン骨格を有する化合物を用いることを特徴とする半導体位置検出器。
請求項１または２の半導体位置検出器において、上記半導体層を構成するＰ型有機半導体層の芳香族化合物薄膜としてビチオフェン骨格を有する化合物を用いることを特徴とする半導体位置検出器。
請求項１、２または３の何れかの半導体位置検出器において、上記Ｎ型有機半導体層におけるキャリア移動度と、上記Ｐ型有機半導体層におけるキャリア移動度がほぼ等しくなるように、上記半導体層に電圧を印加することを特徴とする半導体位置検出器。
支持基板と、受光面を形成する半導体層と、該半導体層の両端部に流れる電流をそれぞれ検出するための電極とを有する光センサーにおいて、上記半導体層はＰ型特性を有する芳香族化合物薄膜からなるＰ型有機半導体層と、Ｎ型特性を有する芳香族化合物薄膜からなるＮ型有機半導体層とを積層した構造であり、該半導体層がアンバイポーラー性を有することを特徴とする光センサー。