光電変換装置及びその製造方法
【課題】 対象物に光を照射して応答を検出する際の検出感度の向上及びノイズの低減をはかる。
【解決手段】 不透明な配線層１０７，１０８を有する基板１００上に、複数の発光素子２００と複数の受光素子３００を基板面内方向に離間して形成した光電変換装置であって、発光素子２００及び受光素子３００は基板１００上に形成したバンク２０２，３０２の開口部にそれぞれ形成されている。発光層の半導体材料２０３〜２０５と受光層の半導体材料３０３，３０５とは異なり、発光素子２００及び受光素子３００の上部電極層２０７，３０７とは共通である。さらに、配線層１０７，１０８は、バンク２０２，３０２の開口部で規定される各領域の外側の領域に形成されている。
【解決手段】 不透明な配線層１０７，１０８を有する基板１００上に、複数の発光素子２００と複数の受光素子３００を基板面内方向に離間して形成した光電変換装置であって、発光素子２００及び受光素子３００は基板１００上に形成したバンク２０２，３０２の開口部にそれぞれ形成されている。発光層の半導体材料２０３〜２０５と受光層の半導体材料３０３，３０５とは異なり、発光素子２００及び受光素子３００の上部電極層２０７，３０７とは共通である。さらに、配線層１０７，１０８は、バンク２０２，３０２の開口部で規定される各領域の外側の領域に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、対象物に光を照射する光源と対象物からの反射光を検出するセンサを基板上に一体化した光源−センサ一体型の光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生体に対して光を照射しその応答を検出するセンサや、表示装置の表面の状態を光学的に検出するセンサなどに用いる光源−センサ一体型の光電変換装置が提案されている。
【０００３】
例えば、複写機の原稿読み取り装置として、基板上に薄膜発光素子と固体撮像素子（受光素子）を重ならない領域に独立に形成し、発光素子から基板と反対側に取り出した光を対象物に照射し、対象物からの反射光を受光素子で検出する光源一体型の固体撮像装置が提案されている。この装置では、発光素子と受光素子を同一基板上に形成することで、対象物の状態を精度良く検出することができる。
【０００４】
しかし、この種の装置にあっては、基板上に発光素子と受光素子を独立に形成するために、各々の構成に制約が生じると共に、その製造に多大な手間が掛かる。また、例えば受光素子を形成した後に発光素子を形成する場合、発光素子の形成の際に、既に形成された受光素子の上層がダメージを受けて素子特性の劣化を招くおそれがある。特に、有機系半導体材料を用いた場合にこの問題は顕著に現れる。さらに、発光素子と受光素子を同一基板上に形成した場合、発光素子からの光の一部がデバイス内の各層で反射して受光素子に入射し、これが検出ノイズの増大を招くことになる。
【０００５】
また、生体に近赤外光を照射し、その応答を検出して生体内の情報を得る近赤外分光法として、例えばパルスオキシメータが実用化されている。しかし、生体内の近赤外光は、可視光よりは透過し易いが散乱が大きいため、入射光に対する反射光の検出では、光量が数％以下になり高感度での検出が必要である。このため、近赤外光に感度が高い受光素子を得るのに、受光素子として一般的な微結晶ＳｉのＰＩＮフォトダイオードではバンドギャップの点から不十分であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１５３４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明が解決しようとする課題は、対象物に光を照射して応答を検出する際の検出感度の向上及びノイズの低減をはかり得る光源−センサ一体型の光電変換装置及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態は、不透明な配線層を有する基板上に、複数の発光素子と複数の受光素子を基板面内方向に離間して形成した光電変換装置であって、前記発光素子及び前記受光素子は前記基板上に形成したバンクの開口部にそれぞれ形成されている。前記発光素子の発光層の半導体材料と前記受光素子の受光層の半導体材料とは異なり、前記発光素子の上部電極層と前記受光素子の上部電極層とは共通である。そして、前記基板上の不透明な配線層は、前記バンクの開口部で規定される各領域の外側の領域に形成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の素子配列例を示す模式図。
【図２】図１の光電変換装置の断面構成を示す模式図。
【図３】図１の光電変換装置における素子構造を示す断面図。
【図４】図１の光電変換装置における画素部の回路構成を示す図。
【図５】図３の素子構造及び図４の回路構成に対応する素子の平面レイアウトを示す図。
【図６】第２の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の素子構造を示す断面図。
【図７】図６の素子構造に対応する素子の平面レイアウトを示す図。
【図８】図６の光電変換装置における画素部と溝との関係を示す図。
【図９】図６の光電変換装置の製造工程の前半を示す断面図。
【図１０】図６の光電変換装置の製造工程の後半を示す断面図。
【図１１】第３の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の画素部の回路構成を示す図。
【図１２】図１１の回路構成に対応する素子の平面レイアウトを示す図。
【図１３】図１１の光電変換装置における画素部と溝との関係を示す図。
【図１４】図１１の光電変換装置における画素部と溝との関係の別の例を示す図。
【図１５】第４の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の画素部の平面レイアウトを示す図。
【図１６】図１５の光電変換装置における素子構造を示す断面図。
【図１７】図１５の光電変換装置における画素部と溝との関係を示す図。
【図１８】図１５の光電変換装置における画素部と溝との関係の別の例を示す図。
【図１９】図１２の光電変換装置における画素部と溝との関係の別の例を示す図。
【図２０】図１２の光電変換装置における画素部と溝との関係の更に別の例を示す図。
【図２１】第５の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の基本素子構成を示す断面図。
【図２２】第６の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の素子構造を示す断面図。
【図２３】第７の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の素子構造を示す断面図。
【図２４】第８の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の素子構造を示す断面図。
【図２５】第９の実施形態の光源−センサ一体型の光電変換装置における画素部の回路構成を示す図。
【図２６】第１０の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置における画素部の回路構成を示す図。
【図２７】第１１の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置における画素部の回路構成を示す図。
【図２８】図２７の光電変換装置における画素部の平面レイアウトを示す図。
【図２９】図２７の光電変換装置における素子構造を示す断面図。
【図３０】第２の実施形態の光電変換装置の受光層に用いた半導体材料の分子構造を示す図。
【図３１】第２の実施形態の光電変換装置の発光層に用いたドーピング材料の分子構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態の光電変換装置を、図面を参照して説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の素子配列例を示す模式図である。
【００１２】
本実施形態の光電変換装置は、基板１０上に発光素子２０と受光素子３０をマトリクス状に配置して構成されており、対象物への光の照射と、対象物に照射した光の応答の２次元的な検出が可能となっている。なお、図１では、発光素子２０と受光素子３０が列毎に交互に並んでいるが、この並び方は受光素子３０が多くなることも、発光素子２０が多くなることも可能である。
【００１３】
図２は、図１の光電変換装置（センサアレイ）の断面構成を示す模式図である。基板１０の上に発光素子と受光素子が交互に配置されている。図中の２１，２２が発光素子であり、３１，３２，３３が受光素子である。発光素子２１，２２及び受光素子３１，３２，３３を覆うように、別の基板１１とその間を封着する封着層１２が形成されている。これにより、外部からの機械的力や水分、酸素などの化学的影響から素子を保護するようになっている。基板１１には気体を透過させにくいバリア層を形成しておくことができ、封着層１２もバリア性の高い材料を選択することができる。
【００１４】
発光素子２１からの光を対象物１３に照射し、その応答を受光素子３１，３２，３３で検出することで、対象物１３内を透過、散乱した情報が検出される。発光素子２１の隣接画素（受光素子）３１だけではなく、離れた画素３２，３３での受光により、深い光路を通った情報を得ることができる。このため、発光素子２０と受光素子３０の位置関係の適切な組合せを取ることで、深さ方向の情報を含む様々な生体の情報を獲得することができる。なお、離れた位置の受光素子の信号は弱くなることから、受光素子を高感度で動作させ、不要な光によるノイズを防ぐ必要がある。
【００１５】
また、別の期間には発光素子２１は発光させず発光素子２２を発光させて周辺の受光素子で受光することで、対象物１３の情報を２次元的に獲得することができる。これは、特に生体センサとして適用でき、各受光素子に入る光の通過する光路１４の情報、生体センサでは例えば酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビンの量に対応した光の強度が反射光として得られる。
【００１６】
７６０ｎｍと８４０ｎｍといったマルチ波長の発光を順次させることで、分光的に酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの量を算出することもできる。また、特に腕などの部位では曲面になっているので、センサアレイがフレキシブルで曲げられることが望ましい。
【００１７】
図３は、本実施形態の発光素子と受光素子を含む基本構成を示す素子構造断面図である。発光素子２００からの光を透過する透明基板１００の上に、アクティブマトリクス層が形成されている。即ち、基板１００上に、受光素子３００からの信号を読み取る薄膜トランジスタ１１０、発光素子２００への電圧を制御する薄膜トランジスタ１２０を含む、駆動用，制御用，読取用の各薄膜トランジスタと、走査線，信号線，電源線などの配線１０７，１０８等が形成されている。
【００１８】
ここでは、受光素子３００側のトランジスタ１１０は、ゲート１０１、ゲート絶縁層１０２、ソース１０３、ドレイン１０４及び半導体層１０５から構成されたボトムゲート、ボトムコンタクトの有機薄膜トランジスタで形成されている。発光素子２００側のトランジスタ１２０もトランジスタ１１０と同様の構成である。
【００１９】
有機半導体は、低分子系，高分子系の材料でもよく、インクジェットなどの塗布で形成しても、蒸着で形成してもよい。薄膜トランジスタとしては有機半導体だけでなく、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン、ＩｎＧａＺｎＯｘなどの金属酸化物を活性層でもよく、逆スタッガ型、プレナー型など種々の構造のものを用いてもよい。特に、有機薄膜トランジスタは、フレキシブル性が高く、生体センサに適用するのに好適である。
【００２０】
なお、基板１００もＰＥＮ，ＰＥＳ，ＰＣなどのプラスチック基板やガラス繊維と有機樹脂からなるハイブリッド基板でもよく、０．１ｍｍ以下の薄いガラス基板を含むものでもよい。有機樹脂基板などでガス透過性があって問題となる場合は、バリア層を設けたものを用いてもよい。また、静電シールド電極を配置したものでもよい。
【００２１】
薄膜トランジスタ１１０，１２０が形成された基板１００の上に、パッシベーション層、層間絶縁層となる絶縁層１０６が形成され、この絶縁層１０６にはアクティブマトリクス層の電極と接続するためのコンタクトホールが形成されている。絶縁層１０６上には、コンタクトホールを介してアクティブマトリクス層の電極と接続された透明電極２０１，３０１が形成されている。透明電極２０１，３０１はＩＴＯでもよく、ＩＴＯなどの微粒子を樹脂に分散させたものでもよく、更には有機透明導電膜でもよい。透明電極２０１，３０１及び絶縁層１０６の上には、発光素子２００の領域を決めるバンク２０２と受光素子３００の領域を決めるバンク３０２が形成されている。バンク２０２，３０２は絶縁材料で形成され、発光素子２００及び受光素子３００を形成すべき領域に開口が形成されている。開口におけるバンク２０２，３０２の底面は、透明電極２０１，３０１の外周よりも内側に形成されている。これにより、画素電極のエッジに起因する発光層及び受光層の有機半導体層に欠陥や電界集中による電流集中部が形成されることを防ぎ、劣化を防止することが可能となっている。
【００２２】
また、バンク２０２，３０２の上部開口位置の範囲には、信号線層、ゲート層などの配線１０７，１０８を平面的に重ならないようにする。これにより、発光層からの光が、アレイ絶縁層１０６を伝播していったものが、信号線層、ゲート層などの配線１０７，１０８に直接当たって受光層側に伝搬するのを防ぐようになっている。本実施形態では、配線１０７，１０８（反射する電極層）を、発光層、受光層のバンク上部開口の直下から、バンクの厚さ分の距離の２倍以上離した。これにより、絶縁層１０６に閉じ込められた光が散乱しても受光層に入射する量を軽減でき、また発光層からの光が配線１０７，１０８で散乱して絶縁層１０６内に伝播するのを抑制することができる。即ち、微弱な光を受光するのに問題となる基板内での迷光を抑制し、検出感度を高くすることができる。
【００２３】
受光素子３００では、透明電極３０１の上にホール注入層３０３が形成され、その上に光電変換層３０５が形成されている。光電変換層３０５は有機半導体を含むとよく、有機ｐ型半導体と有機ｎ型半導体を適当な溶媒に溶解して塗布した後に乾燥、アニールによってｐ型半導体とｎ型半導体が微視的に相分離してｐ−ｎ接合が自己組織的に形成されるバルクへテロ構造であるとよい。ホール注入層３０３には、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ＮＰＢを用いることができる。なお、受光素子３００の層構成として電荷輸送層や層の間の相互拡散を防ぐ中間層、電荷を閉じ込めるためのブロック層などを含めてもよい。
【００２４】
一方、発光素子２００は、透明電極２０１上にホール注入層２０３、ホール輸送層２０４、発光層２０５を順次積層することにより形成されている。発光層２０５は有機半導体とすると発光波長を種々変更できるのでよい。なお、発光素子２００でも、中間層やブロック層を設けることや発光層を多層にして、より電子−正孔が結合しやすく電荷を閉じ込めるなどの工夫を行うために層構成を変化させてもよい。また、発光素子２００、受光素子３００を構成する各層は必ずしもバンク内だけでなく、バンクの上にも形成されてもよい。蒸着で形成する場合にはメタルマスクなどにより成膜領域を形成してバンク上で境界を持つようにすればよい。
【００２５】
そして、発光素子２００の電子注入層２０６及びカソード電極２０７と受光素子３００の電子注入層３０６及びカソード電極３０７を共通に形成する。電子注入層２０６，３０６にはＬｉＦ，ＣｓＦなどのフッ化物や、Ｃａなどのカルシウム化合物を用いることができ、カソード電極２０７，３０７にはＡｌ，Ａｇなどの金属層を用いることができる。
【００２６】
電子注入層２０６，３０６は仕事関数を小さく（３ｅＶ程度）にすることが望ましいことから、前述のような酸素や水分に弱い材料を用いるとよい。発光素子２００と受光素子３００の電子注入層２０６，３０６及びカソード電極２０７，３０７を共通にすることで、耐性の低い材料を用いても、発光素子２００と受光素子３００が同時に形成できるため、受光素子３００及び発光素子２００のそれぞれの特性を高くすることができる。特に、受光活性層をバルクへテロ接合とすることで、受光活性層形成後の表面が安定的となり、受光層３００の形成後に発光素子２００の各層を形成しても、その影響を小さくすることができる。
【００２７】
さらに、カソード電極２０７，３０７を全面で形成することができ、全体の抵抗を低減することができる。これにより、発光素子２００での電流による電圧降下が低減されると共に、受光素子３００が他の素子との電気的カップリングを低減することができ、クロストークや分布を低減することができる。また、耐環境性の低い電子注入層２０６，３０６を保護するために、図示されていない封着層や封着基板を電極形成直後に形成することができ、発光素子２００及び受光素子３００共に素子特性を劣化させることなく、高い性能を維持することができる。
【００２８】
近赤外光の発光及び受光には、所定のバンドギャップ、遷移準位ギャップが必要であり、材料特性のバリエーションが多い有機半導体をそれぞれの素子に用いることが好適である。特に、フレキシブル基板上の素子形成では基板の耐熱性が低く、無機材料系では実現が困難であっても、有機半導体を用いることでプロセスの低温化が得られて、かつ高性能な有機半導体を用いることができ、高感度、高性能化が図られる。
【００２９】
図４は、本実施形態の１つの画素部回路図を示したものである。受光素子３００のアノードはトランジスタ１１０を介してセンサ用信号線１１５と接続される。トランジスタ１１０のゲートはセンサ用走査線１１４と接続される。発光素子２００のアノードは駆動用トランジスタ１２０のドレインと接続され、駆動用トランジスタ１２０のソースは電源線１２６に接続されている。駆動用トランジスタ１２０のゲートには、蓄積容量１２２と制御用トランジスタ１２１のドレインが接続されている。蓄積容量１２２のもう一方の端子は電源線１２６に接続されている。制御用トランジスタ１２１のソースは発光素子用信号線１２５に接続され、制御用トランジスタ１２１のゲートは発光素子用走査線１２４に接続されている。発光素子２００のカソードはカソード電極１２３（図３の２０７）に接続され、受光素子３００のカソードはカソード電極１１３（図３の３０７）に接続されており、これらカソード電極１１３，１２３は共通の電極として画素領域全体をほぼ覆うように接続されている。
【００３０】
このような回路構成では、発光素子２００側では、走査線１２４をハイレベル（トランジスタがｐチャネルの場合は電圧としては低電圧）として制御用トランジスタ１２１がオンすることにより、信号線１２５の信号電圧で駆動用トランジスタ１２０のゲート電圧を設定する。走査線１２４がローレベル（同ｐチャネルの場合は電圧としては高電圧）となって制御用トランジスタ１２１がオフしても、蓄積容量１２２とゲート容量によって電圧が保持される。そして、その電圧に応じた電流が駆動用トランジスタ１２０から発光素子２００に供給されることで、発光素子２００が所定の強度で発光する。
【００３１】
一方、受光素子３００側では、走査線１１４がハイレベルになりトランジスタ１１０がオンすることで受光素子３００の電荷を信号線１１５に流すことができる。信号線１１５の先には、図示しない積分回路を設けてあり、流れてきた電荷量に比例した出力電圧を得ることができる。同時に信号線１１５の電位を所定の値にするようになっており、受光素子３００のアノード側の電位を検出感度として適当なバイアス電位にすることができる。走査線１１４をローレベルとしてトランジスタ１１０をオフにすると、受光素子３００のアノード電位は受光素子３００に入射する光量による光電流と素子の容量によって、電位が変動しながら次にトランジスタ１１０がオンするまでの時間の光照射量に応じた電荷を蓄積することとなる。これを順次読み出すことにより、検査対象物からの光の反射量を検出することができる。受光素子３００はマトリクス状に繰り返されており、２次元的な検出が可能となり、図２で示すようなセンサとして使用することができる。
【００３２】
図５は、図４の回路に基づいて図３の断面図にも対応した素子のレイアウト図を示す。図５のＡ−Ａ’断面が図３に対応している。図５ではバンク構造までの図を示しており、発光素子、受光素子、共通電極などは省略されている。
【００３３】
受光素子３００の透明電極３０１の内側にバンクの境界３１２があり、この内側で受光層が機能する。受光素子用走査線１１４にトランジスタ１１０のゲートが接続されており、受光素子用信号線１１５にトランジスタ１１０のソース、受光素子３００の下部電極３０１にトランジスタ１１０のドレインが接続されている。半導体層１０５は有機半導体で塗布又は蒸着で形成されている。
【００３４】
発光素子２００の透明電極２０１の内側にバンクの境界２１２があり、この内側で発光層が機能する。駆動用トランジスタ１２０及び制御用トランジスタ１２１が、受光素子用トランジスタ１１０と同様な構成で形成されている。蓄積容量１２２は、トランジスタ１２０のゲート、走査線１２４と同じ層で下部電極を、ゲート絶縁膜１０２と同じ層で絶縁層を、トランジスタ１２０のソース／ドレイン、信号線１２６と同じ層で上部電極を、それぞれ形成しており、トランジスタ１２１とはコンタクトホールで接続されている。トランジスタ１２０，１２１の半導体層１３５，１４５もトランジスタ１１０の半導体層１０５と同様に形成されている。
【００３５】
発光素子２００と受光素子３００の共通の層は全面に形成するが、バンクやパッシベーション・層間絶縁層により絶縁されており、機能に問題はない。さらに、共通の層であるカソード電極２０７，３０７は外部からの静電ノイズに対してシールドとなることから、受光素子３００の検出電荷が小さくても、ノイズの影響なく検出することができる。
【００３６】
このように本実施形態によれば、発光素子２００と受光素子３００を同一基板１００上に形成し、発光素子２００の発光層の半導体材料と受光素子３００の受光層の半導体材料を異ならせ、発光素子２００の電荷注入層２０６及びカソード電極２０７と受光素子３００の電荷注入層３０６及びカソード電極３０７を共通にすることにより、対象物に光を照射して応答を検出する際の検出感度の向上及びノイズの低減をはかることができる。
【００３７】
より具体的には、有機半導体などで構成された所定の特性（例えば近赤外に感度を有する）を持つ受光素子３００と所定の特性（例えば近赤外の特定の波長で発光する）を持つ発光素子２００が一体に形成されると共に、高性能・高感度を確保できる。それぞれの電荷注入層２０６，３０６に性能が高いが耐水、耐薬品、耐酸素等の耐性が低いフッ化物やカルシウム化合物などを用いることができ、高性能が確保できる。また、上部の電極２０７，３０７を共通して厚くも薄くもでき、熱工程を通すこともなく、高性能を確保することができる。そして、同一基板１００上に配置した発光素子２００からのアレイ内での光が絶縁層を伝播して受光素子３００に入射する光を低減でき、ノイズを減らして高感度の検出が可能となる。
【００３８】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係わる光電変換装置の基本素子構成を示す断面図である。また、図７は、本実施形態の平面レイアウト図を示している。図７のＡ−Ａ’の断面が図６に相当するようになっている。なお、前記図３及び図５と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３９】
本実施形態においては、図６に示すように、発光素子２００と受光素子３００との間にバンクの溝５００が形成されている点が特徴である。さらに、発光素子２００と受光素子３００の共通の電子注入層２０６，３０６とカソード電極２０７，３０７と同じ構成４０６，４０７がバンクの溝５００内に形成されている。また、図７に示すように、受光素子３００の信号線１１５と発光素子２００の電源線１２６との間に溝５００を配置している。このようにバンクの溝５００を形成し、溝５００内のカソード電極４０７が発光素子２００からの光を反射及び吸収することで、発光素子２００からの光が受光素子３００へ至ることを大幅に低減でき、微弱な対象物からの光を高感度にノイズが少なく検出できる。カソード電極４０７（２０７，３０７）としては、ＡｌやＡｇなどで１００ｎｍ以上あることが望ましい。
【００４０】
溝５００は、図７に示したように発光素子２００と受光素子３００の列を通しておくと遮光として好適である。画素回路に溝５００の位置を記載したものを、図８に示す。配線と溝５００の重なりなどの関係は詳細には示しておらず、配線に重なっているものも重なっていないものも表している。なお、溝５００は部分的に形成してもよい。走査線との間にバンクを残すことで寄生容量を減らす効果はある。
【００４１】
このように本実施形態によれば、発光素子２００からの光が発光素子２００と受光素子３００との間にあるバンクの溝５００により遮断され、受光素子３００に照射されることを抑制できる。このため、本来の対象物からの応答光とは別の光（迷光）によるノイズを低減でき、検出感度が高くできる。また、バンクの溝５００に発光素子２００からの光を吸収又は反射する材料４０７等を埋め込むことにより、上記のノイズを更に低減することができる。
【００４２】
図９及び図１０は、第２の実施形態の光電変換装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【００４３】
まず、図９（ａ）に示すように、プラスチック基板や有機樹脂にガラス繊維を入れたハイブリッド基板（基板や有機樹脂に対してバリア層やアンダーコート層を形成してもよい）、又はガラス基板等の基板１００の上に、ゲート電極１０１及び走査線等を形成する。これらの形成には、Ａｇナノインクを印刷し焼成してもよく、ＭｏＴａ，ＭｏＷなどの導電膜をスパッタ等で成膜した後に、通常のフォトリソグラフィ工程でレジストパターン形成し、エッチングして形成してもよい。ここでは、ＭｏＷをスパッタで２００ｎｍ成膜した後に、ドライエッチングで加工形成した。
【００４４】
次いで、図９（ｂ）に示すように、ゲート絶縁層１０２を成膜し、所定のコンタクトホールを形成する。ポリイミド、アクリル樹脂、フッ素樹脂、部分フッ素樹脂、ＰＶＰ（ポリビニルフェノール）などの有機層を塗布、アニールしてからレジストをパターニングしてエッチングしてもよい。また、印刷法で局所的に塗布してもよく、感光性を持たせて露光、現像してからアニールして硬化することでパターン形成してもよい。さらに、ＣＶＤやスパッタでＳｉＯｘなどの無機膜を成膜し、フォトリソグラフィ工程でコンタクトホールをエッチングしてもよく、無機膜と有機膜を積層してもよい。ここでは、感光性部分フッ素化樹脂を用いて、露光現像後、１５０℃でアニールして成膜した。
【００４５】
次いで、図９（ｃ）に示すように、ソース／ドレイン電極１０３，１０４及び信号線や電源線等の配線１０７，１０８を成膜し、パターン形成する。ゲートと同じように種々の方法、材料で形成することができるが、ここではＡｇナノインクを印刷でパターン塗布し、１５０℃で焼成して成膜した。
【００４６】
次いで、図９（ｄ）に示すように、半導体層１０５を塗布や蒸着、ＣＶＤなどで成膜する。半導体層は有機材料でも無機材料でもよい。印刷する場合には表面エネルギーのパターンを形成してから塗布してもよく、バンクパターンを形成して塗布してもよい。ここでは、図示していないが、感光性樹脂でバンクを露光現像、アニールにして形成した。さらに、ソース／ドレイン電極のＡｇ電極の仕事関数を高めるＰＦＢＴないしＦ４ＴＣＮＱのＳＡＭ（自己組織単分子層）を溶液に浸漬して形成した。有機半導体としては、低分子系のＴＩＰＳ−Pentacene（6,13-bis(triisopropyl-silylethynyl) pentacene）或いは Ｃｎ−ＢＴＢＴ（2,7-dialkyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene）をインクジェット法で塗布、乾燥して形成した。膜厚は１０〜１０００ｎｍとした。
【００４７】
次いで、図９（ｅ）に示すように、これらの上にパッシベーション及び層間絶縁となる絶縁層１０６を形成し、絶縁層１０６にコンタクトホールパターンを形成する。絶縁層１０６は、有機膜でも無機膜でもよく、両者の積層でもよい。ここでは、感光性フッ素樹脂を用いて露光現像後、１５０℃以下でアニールして０．５〜３μｍ形成した。
【００４８】
次いで、図１０（ｆ）に示すように、発光素子２００及び受光素子３００の透明導電電極２０１，３０１を形成する。ＩＴＯをスパッタし、フォトリソ工程でエッチング加工して形成してもよく、ＩＴＯ粒子などを分散したインクを印刷塗布してアニールしてもよい。ここでは、ＩＴＯナノ粒子を分散したインクの印刷、アニールで形成した。
【００４９】
次いで、図１０（ｇ）に示すように、これらの上にバンク２０２，３０２を形成すると共に、透明導電電極２０１，３０１の内側に位置するように２０２，３０２バンクの開口を形成する。これらはパターン印刷で形成してもよく、感光性樹脂を用いてもよい。ここでは、感光性アクリル樹脂を用いて膜厚を５〜１０μｍとした。さらに、発光素子２００と受光素子３００との間に、バンクの溝５００を形成する。
【００５０】
次いで、図１０（ｈ）に示すように、受光素子側のバンクの開口内に受光素子３００の受光活性層を含む各層３０３，３０５を形成する。ホール注入層３０３としては、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを塗布し、乾燥して成膜した。ここで、受光素子３００内のみにＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを形成してもよく、発光素子２００のホール注入層としても全体に形成してもよい。発光素子２００と受光素子３００に共通のホール注入層を設けることで、電極表面をプラズマ処理などで界面制御（清浄化、仕事関数制御）が行いやすい。ホール注入層３０３上に受光活性層３０５として、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体を溶媒に溶かしてインクジェット或いはディスペンサーなどで局所塗布した。その後、乾燥、アニールすることでバルクへテロ構造を形成した。
【００５１】
近赤外に感度を有する材料として、ｐ型半導体としてＰＤＴＰ−ＤＴＤＰＰ(Bu)（poly{N-[1-(2-ethylhexyl)-3-ethylheptanyl]-dithieno[3,2-b:2',3'-d]pyrrole-3,6-dithien-2-yl-2,5-dibutylpyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione-5',5''-diyl}）を用いたが、ＰＤＴＰ−ＤＴＤＰＰ（poly{N-[1-(2-ethylhexyl)-3-ethylheptanyl]-dithieno[3,2-b:20,30-d]pyrrole-3,6-dithien-2-yl-2,5-di(2-ethylhexyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione-50,500-diyl}）を用いてもよい。ｎ型半導体としてフラーレンのＰＣＢＭ或いはＰＣ７０ＢＭを用いるとよい。
【００５２】
これらの分子構造を、図３０（ａ）〜（ｄ）に示す。ＰＤＴＰ−ＤＴＤＰＰ(Bu)のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ差は１．２７ｅＶで、近赤外光を吸収する材料であり、素子での感度として波長１１００ｎｍまで、特に７００〜９００ｎｍで外部量子効率ＥＱＥが２０％以上を得ることができる。溶媒としてクロロフォルムとｏ−ジクロロベンゼンの混合溶媒（体積比率４：１）を用いたが、有機材料と下地基板で特性が得られる適切な溶媒を選択するとよい。
【００５３】
活性層３０５の膜厚は１〜１０μｍとした。膜厚を厚くすることで暗電流を低減することができることが分かり、暗電流により受光素子３００の電荷が蓄積されて光照射時の信号との差が少なくなる。特に、２μｍ以上とすることで暗電流が十分に低減でき、感度が下がることが防止されて好適である。一方で、発光素子２００からの横方向からの光による感度が高くなることから、迷光によるノイズが増加する傾向があり、第２の実施形態の構造のバンクの溝５００による遮光の効果がより高くなる（リークが低減する）ことが分かった。バルクへテロ構造を形成するのに、１２０℃でアニールすると良い。なお、受光素子３００として波長や感度に応じてｐ型半導体とｎ型半導体の積層として形成してもよい。
【００５４】
次いで、図１０（ｉ）に示すように、発光素子２００の発光層を含む各層２０３，２０４，２０５を形成する。ここでは、ホール注入層２０３としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを用い、発光層２０５としてＰＶＫとＯＸＤ−７を混合した電子輸送を向上したホスト層にＰｔ（ｔｐｂｐ）（Pt-tetraphenyltetrabenzoporphyrin）をドーピングすることにより、近赤外波長（ピーク波長７８０ｎｍ付近）を発光させた。
【００５５】
別の構成として、ホール注入層２０３としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ或いはＭｏＯ3 、ホール輸送層２０４としてＮＰＢ、発光層２０５としてＡｌｑ3 をホストにドーパントを導入、更にホールブロック層としてＢＣＰ、電子輸送層としてＡｌｑ3 を積層した。ドーパントとして triphenylamine 系と benzobis(thiadiazole) 系を結合させたものを用いた（ピーク波長７５０〜８５０ｎａｍ付近をドーパント材料と濃度で変化）。ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが大きいホスト材料に電子−正孔を注入し、ドーパントのＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ準位にキャリアが移動して再結合することで発光する。
【００５６】
このような材料を受光素子３００として使うと受光素子の感度が殆ど得られないが、本実施形態のようにそれぞれ別の構成とすることで生体からの情報のような微弱な信号をも得ることができる。発光素子２００の各層２０３〜２０５は蒸着で形成してもよく、一部は塗布で形成してもよい。これらの有機発光素子は熱工程に弱いことから、受光素子３００のバルクへテロ構造のアニール（１２０℃など）は発光素子２００の成膜前に形成することができるので、発光素子２００を劣化させることがない。なお、ホール輸送層は発光素子２００と受光素子３００で同時に形成してもよい。近赤外発光に適したドーピング材料の構造を、図３１（ａ）（ｂ）に示す。
【００５７】
最後に、図１０（ｊ）に示すように、発光素子２００と受光素子３００の共通の電子注入層２０６，３０６とカソード電極２０７，３０７を形成する。ここでは、電子注入層はＬｉＦ，ＣｓＦなどで、カソード電極はＡｌとした。Ａｌの膜厚は１００ｎｍ〜３μｍとした。厚いほど溝５００での遮光性が増加し、抵抗も低減でき、封着までの水透過を低減してプロセス劣化を抑えることができる。ここでは記載していないが、電極形成後に封着するが、発光素子２００と受光素子３００の電極形成が同時に得られていることから、素子劣化を抑制して封着することができる。
【００５８】
このように本実施形態では、発光素子２００と受光素子３００の材料及び構成を最適なものにすることができ、近赤外光で微弱な信号を得ることができる。なお、この製造方法は他の実施形態への適用も可能である。
【００５９】
（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態に係わる光電変換装置の画素部の回路構成を示す図である。また、図１２は対応する画素部のレイアウト図を示す。
【００６０】
本実施形態では、受光素子３００の検出回路として、アクティブ型のアンプを設けている例である。受光素子３００の一方の電極がソースフォロアのアンプ用薄膜トランジスタ１１１のゲートに接続されており、そのソース電極は電源線１１６と接続されている。トランジスタ１１１のドレイン電極は、スイッチ用トランジスタ１１０を介して信号線１１５に接続されている。スイッチ用トランジスタ１１０のゲートは走査線１３４と接続されていて、ハイレベルになってスイッチをオンすることで、信号線１１５へ電流を供給するようになっている。受光素子３００の入射光に応じた電荷でアンプ用トランジスタ１１１のゲート電圧が設定されて、おおよそＶth分低い電圧が、スイッチ用トランジスタ１１０を介して信号線１１５に供給される。
【００６１】
このようにすることで、信号線１１５に流れる電荷量は、前記図４の回路に示したアンプのない回路に比べてトランジスタの寸法、オン電流に合わせた大きな電荷量にできることから、外部ノイズの影響を抑制することができる。これは、特に生体センサで人に密着させて使い、またウエアラブルに張り付けるように使用する場合には、ノイズの影響は重要であり、有効となる。なお、アンプ型の場合には、受光素子３００の電荷は読み出しに対して一定の電圧に戻すことができないため、リセット用トランジスタ１１２を受光素子３００に接続して、別の走査線１３４のハイレベルのタイミングでリセット用信号線１１７の電圧に設定することにより、繰り返し読み出しができるようにしている。発光素子側の回路や構成は前記図４、図５と同等としている。
【００６２】
ここでは、受光素子３００の読み出し用の走査線１１４は画素の上下で隣接したものを用いており、読み出し後にリセットを行ってから、次の読み出しまでの間の時間で受光素子３００の電荷蓄積を行うようにしている。また、発光素子２００の書き込み用の走査線１２４とも共通にしている。これにより、走査線１３４の本数を減らすことで、画素内の面積を広くし、発光素子２００や受光素子３００の有効面積を増やすことができて、検出感度や発光強度の増加に有効である。なお、走査線１３４の共通化は他の実施例にも適用できると共に、アンプ型でも別の走査線にすることも可能である。逆に、読み出し用走査線とリセット用走査線を別にすることも可能である。これらの配線を別にすることで、タイミングが自由にコントロールできて感度調整やノイズ低減に効果がある。
【００６３】
本実施形態では、さらに発光素子２００のバンク（画素の境界２１２）と受光素子３００のバンク（画素の境界３１２）との間に溝５００を形成している。発光素子２００と受光素子３００の共通のカソード電極４０７及び電子注入層４０６をバンク溝５００に形成することで更に遮光性を高めている。これにより、受光素子３００への光の入射が抑制されてノイズが減る。
【００６４】
溝５００の底面は発光素子２００の電源線１２６と重なるようにしている。これにより、溝５００の側面に照射された光が基板方向に反射されたときにも電源線１２６が遮光して下方方向のみの光として射出できるようになり、受光素子３００への迷光を抑制することができる。さらに、本実施形態では、受光素子３００の電源線１１６を発光素子２００の電源線１２６と隣接するように配置した。このとき、溝５００の底面が受光素子３００の電源線１１６と重なるようにすることで、溝５００の幅を広くして加工精度を緩和して作りやすくなる。さらに、電源線という電位変動のない或いは少ない電極とカソード電極との間の絶縁層が薄くなっても、カソード電極は寄生容量の影響がなく、ノイズが少なく、さらには変動しにくい電極とすることができる。受光素子側の電源線１１６との重なりは迷光の入射経路としての遮光にもなり、光学的なノイズ低減の効果も有する。複数の画素に渡る広域的な溝５００と画素回路との関係を、図１３に示す。
【００６５】
なお、受光素子３００の電源線１１６は、図１１及び図１２とは逆に電源線を図の右側に置くようにしてもよい。それにより、発光素子２００の左側に受光素子３００を配置する場合の溝のレイアウトとして、受光素子３００の電源線と重ねるようにすることができ、発光素子側の電源線との重なりと同じような効果を得ることができる。広域的な画素と溝５００との関係を、図１４に示した。電圧が変動しない電源線が発光素子２００と受光素子３００の並びにそれぞれ配置されるので、溝５００を配線に重ねて配置しても寄生容量で影響が少なく、配置が可能となる。遮光効果が配線に重ねることで向上する。
【００６６】
（第４の実施形態）
図１５は、第４の実施形態の画素の平面レイアウト図を示し、Ａ−Ａ’の断面図を図１６で示す。
【００６７】
本実施形態では、バンクの溝の配置を工夫したものであり、発光素子２００の外周に溝５１０を配置すると共に、アクティブマトリクスの電極（電源線）１２６上に溝５１０の底面を重ねていることを特徴とする。溝５１０は、発光素子２００と受光素子３００との間で電極１２６と重なっており、溝５１０の側面に照射された光が基板方向に反射するのに対して斜め方向に出射することを電極１２６で抑制している。これにより、受光素子３００に至る迷光が抑制されてリークによるノイズが低減できる。
【００６８】
図１５及び図１６では溝５１０に重ねる配線は電源線１２６であるが、この代わりに走査線や信号線も利用できる。これらのマトリクス交差を利用すれば、発光素子部の外周を取り巻くように溝を配置することができ、遮光効果を改善することとなる。図１７に、溝５１０と画素回路との関係を模式的に示した。
【００６９】
溝５１０のレイアウトとしては、多重に形成することも可能である。図１８には、第４の実施形態に受光素子側にも溝５１０を多重に配置したものを示す。図１９には、図１４のレイアウトにさらに溝５２０を加えたものである。このように多重化することで遮光効果を高めると共に、ノイズの低減やインピーダンスマッチングなどを得ることもできる。
【００７０】
また、溝を部分的に形成することも可能である。溝同士の関係で遮光を得るようにしたり、強度の強い箇所の遮光を行ったりすればよい。図２０には、一例として溝５３０が受光素子３００の信号線近傍のみに途切れ途切れに形成している。走査線との重なりには溝を形成しないことで走査信号の遅延を低減したり、走査信号の大きな電位変化が共通電極にノイズとして乗ることを抑制することができる。溝５４０との間で遮光を得ており、電源線と走査線の重なり上に溝を形成することで走査線との重なりによる寄生容量の発生を抑えることで前述の問題は発生しないようにできる。受光素子側の電源線に沿った溝５５０は全体に通しており、これらの溝で遮光が得られるようになっている。
【００７１】
このように、溝５１０は受光素子３００との間で多段に形成してもよく、一部に溝５１０がない箇所があっても他の箇所で補うようにすればよい。
【００７２】
（第５の実施形態）
図２１は、第５の実施形態に係わる光電変換装置の基本素子構成を示す断面図である。
【００７３】
本実施形態では、発光素子２００と受光素子３００との間に配置するバンクの溝５００に受光素子３００の受光活性層３０５を含む層４０５を形成することが特徴である。受光活性層は受光感度波長の光に対して吸収する特性を有することから、バンクの溝５００に形成することで、迷光の吸収による遮光効果が得られる。また、受光活性層は、半導体層であり、１〜１０μｍと云うように厚く形成される。このため、半導体であることから、電気的にも金属よりは導電性が低く、下層のアクティブ層との静電容量によるカップリングが小さくなり、溝５００の配置位置の制約を小さくすることができる。
【００７４】
また、本実施形態は、発光素子２００と受光素子３００の共通電極２０７，３０７を半透過にし、基板１００と反対側にも光を取り出す場合に有効である。即ち、半透過の電極層を用いることで、電極の遮光効果が薄くなっていても、受光活性層による吸収で迷光の影響を抑制することができる。
【００７５】
（第６の実施形態）
図２２は、第６の実施形態に係わる光電変換装置の基本素子構成を示す断面図である。
【００７６】
本実施形態では、共通の電極層を受光素子２００と発光素子３００で連続させずに、受光素子３００の領域と発光素子２００の領域で分離するパターン形成をすることに特徴がある。即ち、発光素子２００の電極層２０７と受光素子３００の電極層３０７とは、ギャップ４１０を設けて相互に絶縁されている。これは、電極層を成膜するときにマスク蒸着などによって実現することができる。
【００７７】
これにより、発光素子２００に流れる電流によって受光素子３００のカソード電極電位が変動する影響を防止することになり、微弱な変動を検知するのに容易になる。画素領域が広い場合や発光素子の変換効率が低い場合などに適用できる。なお、電極を分離するか一面に形成するかは材料やデバイスの設計によって適切な方を選択することができる。
【００７８】
（第７の実施形態）
図２３は、第７の実施形態に係わる光電変換装置の基本素子構成を示す断面図である。
【００７９】
本実施形態では、発光素子２００の構成として、光学機能層２５０を含めた例である。光学機能層２５０としては透過波長を制限するカラーフィルタが１つであり、また光の取り出しを増加させるマイクロレンズを含む取り出し機構部材が１つである。光学機能層２５０は発光素子２００の下部電極２０１の下に形成するとよく、バンク層で覆うようにすることで、バンク層の溝５００を形成した場合にも遮光が得られて有効である。
【００８０】
（第８の実施形態）
図２４は、第８の実施形態に係わる光電変換装置の基本素子構成を示す断面図である。
【００８１】
本実施形態は、図２１の実施形態を改良したものである。トップエミッション、上部受光構造で、共通電極を薄層ＭｇＡｇ合金などの半透過電極６０７で形成すると、電極のシート抵抗が高く、発光のための電流で電極内の電圧降下が発生する。このため、発光強度ムラが出ると共に、受光層との共通電極に印加されるバイアス電位へ影響を与えて、受光感度ムラを発生させる。特に、デバイスサイズが大きくなる場合、例えば腕に巻きつけて広範囲で信号を得る場合などでは問題となる。
【００８２】
そこで本実施形態では、対向する基板６００に電極６０１，６０２を設けて十分に抵抗を下げることを特徴とする。保護・封止基板としても機能する基板６００上に、低抵抗化を図るための補助配線６０１とこれに接続したＩＴＯなどからなる透明低抵抗電極６０２を形成し、発光・受光素子基板と接着層６０３を介して貼り合わせている。発光・受光素子基板の半透過電極６０７と対向基板６００の電極６０１，６０２とは面内全面或いは局所的に、電気的に接続することで、抵抗を大幅に下げて、半透過電極６０７内の電圧降下を抑制する。接着層６０３が導電性を有した構成、例えば接着材に透明導電微粒子を分散させたもの、などが望ましい。或いは対向電極の凸部が半透過電極６０７と直接接触して接続し、間を接着層で充填して固定することでも効果が得られる。
【００８３】
なお、発光・受光素子基板の発光素子、受光素子間に設けた溝５００内には、前記図２１と同様に受光活性層を主成分とする層４０５を充填するとよいが、他の溝の構成と組合せてもよい。
【００８４】
（第９の実施形態）
図２５は、第９の実施形態に係わる光電変換装置における画素部の回路構成を示す図である。
【００８５】
本実施形態では、発光素子２００の画素２１０，２２０と受光素子３００の画素３１０とで画素サイズが異なっており、発光素子２００の画素２１０，２２０を走査方向に重ねた幅で受光素子３００の画素３１０の走査方向ピッチを設定しているものである。発光素子画素は発光波長が異なる発光素子ＬＥＤ１、ＬＥＤ２で構成されている。生体の近赤外光の情報として、例えば波長７６０ｎｍと８４０ｎｍの光を照射することで、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの量に対応した信号が得られ、その信号からヘモグロビンの状態を検出できるようになるが、その際に発光素子からの光の経路が２つの波長で同一の箇所を通ることが前提となる。従って、本実施形態のように２波長の発光素子を隣接させて配置することは有効であり、加えて受光素子の空間分解能は２波長に対して設定できればよいので、図２５に示すように配置することで、受光面積が大きく取ることができ、検出感度を向上させることができる。特に、発光素子２００の走査線１２４を画素の上下に分けることで、受光素子画素の中に走査線を通す必要がなく、受光面積を大きくするのに好適である。
【００８６】
溝５００の形成は、受光素子３００に対して行えばよいから、発光素子２００の列と受光素子３００の列の間に溝５００を形成すればよい。それぞれ発光素子２００、受光素子３００の電源線に一部或いは全部を重ねるように配置するとなおよい。また、配線との関係は他の実施形態と同様に行ってよい。
【００８７】
（第１０の実施形態）
図２６は、第１０の実施形態に係わる光電変換装置における画素部の回路構成を示す図である。
【００８８】
本実施形態では、波長の異なる発光素子２００の画素２１０，２２０を信号線の並びに沿った方向で隣接させており、受光素子３００の画素３１０はそれに対応して配置したものである。受光素子３００の感度が十分であるが、発光素子２００の発光効率が低めである場合や、発光素子２００の電流密度を低減して寿命を長くするためにはこのような複数の発光素子２００を横に隣接して受光素子３００を横に配置する配列が望ましい。
【００８９】
前記図２で示したように生体情報を得る際に最隣接画素での受光は浅い情報のみであり、より深い情報を得るには離れた画素での受光信号の解析を行うことから、このような発光素子配列としてもよく、必要に応じて位置に対する補正を行うなどすればよい。
【００９０】
溝５００の形成では、受光素子３００に対して行えばよく、発光素子２００間に溝５００を形成しないことで、レイアウトの自由度や開口率を改善することもできる。
【００９１】
（第１１の実施形態）
図２７は、第１１の実施形態に係わる光電変換装置における画素部の回路構成を示す図である。
【００９２】
本実施形態では発光素子２００の発光強度の劣化を中心に受光素子３００の経時変化も含めて校正するための構成を示している。発光素子２００の光を基板外に出して反射光を受光する受光素子３００に対して、発光素子２００からの光を基板外に出さずに内部で発光強度を計測するモニタ用受光素子３５０を設けてある。モニタ用受光素子３５０の受光信号をもとに発光素子２００への電流を制御して同一の強度になるようにフィードバックを掛ける、或いはモニタ用受光素子３５０の信号をもとに受光素子３００の信号を補正するようにすればよい。さらに、受光素子３００の周りに設けた溝５１０によって受光素子３００への迷光を抑制して感度を上げる。このとき、モニタ用受光素子３５０と発光素子２００との間での光学的なカップリング構造７００は溝５１０から離す構造とする。これにより、発光素子２００の劣化があっても精度を持って生体からの情報を取得することができる。
【００９３】
具体的な画素レイアウトを、図２８に示す。また、光学的カップリング構造を示すＡ−Ａ’断面、及び発光・受光素子の基本構造を示すＢ−Ｂ’断面が図２９（ａ）（ｂ）である。画素レイアウトで示すように光学的カップリング構造として発光素子２００の光の一部をモニタ用受光素子３５０に基板内部で導くために、不透明な反射材７０１を発光素子２００の下から受光素子３５０の下に配置した。受光素子３５０の下は受光面全体に重なるように配置することで、基板外部に出て反射してきた光の影響を抑制することができる。
【００９４】
発光素子２００では図のように１つの大きな画素の一部に反射材７０１を設けると発光素子画素全体の劣化を評価するのに良い。一方、発光素子２００の構成として反射材の段差により、発光素子２００のリーク電流や電界集中による劣化が発生する場合には、画素（バンク）を外部用と内部用に分けて配置し、下部電極は接続して同時に駆動するようにしてもよい。
【００９５】
反射材７０１としてアレイのゲート電極層を用いることで工程を削減できる。必要に応じて反射材用の別の層を設けてもよく、アレイの構成部材で兼用してもよい。反射材による光学的カップリングの機構は断面図の図２９（ａ）で説明する。反射材７０１に当たった光７０２は反射して、カソード電極４０７などで反射して受光素子３５０に到達する。また、光路７０３に示すようにアレイの絶縁層内を界面反射を通して伝播する場合もある。この場合、臨界角以下になると光が絶縁層外に出にくくなるため、反射材７０１の受光素子近傍で凹凸を付けるなどして散乱構造７０４を設けるとよい。ゲート電極を形成した後に、局所的にエッチング処理して荒らすようにしたが、ゲート電極上に印刷で散乱面を局所的に塗布形成してもよく、下層の絶縁層を荒らして上に電極を形成するなどしてもよい。
【００９６】
このように、光学的カップリングを内部に設けることで、外部の状態に依存せずに発光素子２００の状態（発光強度劣化など）を把握することができる。このカップリングでもたらされる光の量は外部からの反射光の強度に近いものがよい。あまり大きな光量が入射すると受光素子３５０の劣化が実受光素子３００との差が出て補正の精度が低下する要因となる。カップリング量が一定であることが重要であり、反射材７０１と全面に設けたカソード電極４０７との反射を利用するのは好適といえる。
【００９７】
一方、外部を通って受光する正規のルートについては、図２９（ｂ）に示すように発光素子２００と受光素子３００との間に溝５００を設けている。これにより、基板内での反射迷光を遮断することで受光素子３００への光が外光のみとなることで生体内からの反射光の強度が弱いものでも高感度に検出することができる。
【００９８】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
【００９９】
発光素子や受光素子の構造及び材量等は実施形態に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。発光素子の発光層の材料と受光素子の受光層の材料が異なり、発光素子及び受光素子の上部の電極が共通であればよい。
【０１００】
また、バンクに設ける溝の形状や埋め込み材等は、仕様に応じて適宜変更可能である。溝の位置は発光素子と受光層との間であれば良く、埋め込み材料は発光層からの光を吸収するものであればよい。
【０１０１】
本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１０２】
１０，１００…基板
２０，２００…発光素子
３０，３００…受光素子
１０１…ゲート
１０２…ゲート絶縁層
１０３…ソース
１０４…ドレイン
１０５…半導体層
１１０，１１１，１１２…受光素子側トランジスタ
１１４…センサ用走査線
１１５…センサ用信号線
１１６…受光素子用電源線
１２０，１２１…発光素子側トランジスタ
１２２…蓄積容量
１２４…発光素子用走査線
１２５…発光素子用信号線
１２６…発光素子用電源線
１３４…走査線
２０１，３０１…透明電極
２０２，３０２…バンク
２０３，３０３…ホール注入層
２０４…ホール輸送層
２０５…発光層
２０６，３０６…電子注入層
２０７，３０７，４０７…カソード電極
３０５…光電変換層
５００，５１０，５２０，５３０，５４０…溝
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、対象物に光を照射する光源と対象物からの反射光を検出するセンサを基板上に一体化した光源−センサ一体型の光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、生体に対して光を照射しその応答を検出するセンサや、表示装置の表面の状態を光学的に検出するセンサなどに用いる光源−センサ一体型の光電変換装置が提案されている。
【０００３】
例えば、複写機の原稿読み取り装置として、基板上に薄膜発光素子と固体撮像素子（受光素子）を重ならない領域に独立に形成し、発光素子から基板と反対側に取り出した光を対象物に照射し、対象物からの反射光を受光素子で検出する光源一体型の固体撮像装置が提案されている。この装置では、発光素子と受光素子を同一基板上に形成することで、対象物の状態を精度良く検出することができる。
【０００４】
しかし、この種の装置にあっては、基板上に発光素子と受光素子を独立に形成するために、各々の構成に制約が生じると共に、その製造に多大な手間が掛かる。また、例えば受光素子を形成した後に発光素子を形成する場合、発光素子の形成の際に、既に形成された受光素子の上層がダメージを受けて素子特性の劣化を招くおそれがある。特に、有機系半導体材料を用いた場合にこの問題は顕著に現れる。さらに、発光素子と受光素子を同一基板上に形成した場合、発光素子からの光の一部がデバイス内の各層で反射して受光素子に入射し、これが検出ノイズの増大を招くことになる。
【０００５】
また、生体に近赤外光を照射し、その応答を検出して生体内の情報を得る近赤外分光法として、例えばパルスオキシメータが実用化されている。しかし、生体内の近赤外光は、可視光よりは透過し易いが散乱が大きいため、入射光に対する反射光の検出では、光量が数％以下になり高感度での検出が必要である。このため、近赤外光に感度が高い受光素子を得るのに、受光素子として一般的な微結晶ＳｉのＰＩＮフォトダイオードではバンドギャップの点から不十分であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１５３４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明が解決しようとする課題は、対象物に光を照射して応答を検出する際の検出感度の向上及びノイズの低減をはかり得る光源−センサ一体型の光電変換装置及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態は、不透明な配線層を有する基板上に、複数の発光素子と複数の受光素子を基板面内方向に離間して形成した光電変換装置であって、前記発光素子及び前記受光素子は前記基板上に形成したバンクの開口部にそれぞれ形成されている。前記発光素子の発光層の半導体材料と前記受光素子の受光層の半導体材料とは異なり、前記発光素子の上部電極層と前記受光素子の上部電極層とは共通である。そして、前記基板上の不透明な配線層は、前記バンクの開口部で規定される各領域の外側の領域に形成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の素子配列例を示す模式図。
【図２】図１の光電変換装置の断面構成を示す模式図。
【図３】図１の光電変換装置における素子構造を示す断面図。
【図４】図１の光電変換装置における画素部の回路構成を示す図。
【図５】図３の素子構造及び図４の回路構成に対応する素子の平面レイアウトを示す図。
【図６】第２の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の素子構造を示す断面図。
【図７】図６の素子構造に対応する素子の平面レイアウトを示す図。
【図８】図６の光電変換装置における画素部と溝との関係を示す図。
【図９】図６の光電変換装置の製造工程の前半を示す断面図。
【図１０】図６の光電変換装置の製造工程の後半を示す断面図。
【図１１】第３の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の画素部の回路構成を示す図。
【図１２】図１１の回路構成に対応する素子の平面レイアウトを示す図。
【図１３】図１１の光電変換装置における画素部と溝との関係を示す図。
【図１４】図１１の光電変換装置における画素部と溝との関係の別の例を示す図。
【図１５】第４の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の画素部の平面レイアウトを示す図。
【図１６】図１５の光電変換装置における素子構造を示す断面図。
【図１７】図１５の光電変換装置における画素部と溝との関係を示す図。
【図１８】図１５の光電変換装置における画素部と溝との関係の別の例を示す図。
【図１９】図１２の光電変換装置における画素部と溝との関係の別の例を示す図。
【図２０】図１２の光電変換装置における画素部と溝との関係の更に別の例を示す図。
【図２１】第５の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の基本素子構成を示す断面図。
【図２２】第６の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の素子構造を示す断面図。
【図２３】第７の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の素子構造を示す断面図。
【図２４】第８の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の素子構造を示す断面図。
【図２５】第９の実施形態の光源−センサ一体型の光電変換装置における画素部の回路構成を示す図。
【図２６】第１０の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置における画素部の回路構成を示す図。
【図２７】第１１の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置における画素部の回路構成を示す図。
【図２８】図２７の光電変換装置における画素部の平面レイアウトを示す図。
【図２９】図２７の光電変換装置における素子構造を示す断面図。
【図３０】第２の実施形態の光電変換装置の受光層に用いた半導体材料の分子構造を示す図。
【図３１】第２の実施形態の光電変換装置の発光層に用いたドーピング材料の分子構造を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態の光電変換装置を、図面を参照して説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係わる光源−センサ一体型の光電変換装置の素子配列例を示す模式図である。
【００１２】
本実施形態の光電変換装置は、基板１０上に発光素子２０と受光素子３０をマトリクス状に配置して構成されており、対象物への光の照射と、対象物に照射した光の応答の２次元的な検出が可能となっている。なお、図１では、発光素子２０と受光素子３０が列毎に交互に並んでいるが、この並び方は受光素子３０が多くなることも、発光素子２０が多くなることも可能である。
【００１３】
図２は、図１の光電変換装置（センサアレイ）の断面構成を示す模式図である。基板１０の上に発光素子と受光素子が交互に配置されている。図中の２１，２２が発光素子であり、３１，３２，３３が受光素子である。発光素子２１，２２及び受光素子３１，３２，３３を覆うように、別の基板１１とその間を封着する封着層１２が形成されている。これにより、外部からの機械的力や水分、酸素などの化学的影響から素子を保護するようになっている。基板１１には気体を透過させにくいバリア層を形成しておくことができ、封着層１２もバリア性の高い材料を選択することができる。
【００１４】
発光素子２１からの光を対象物１３に照射し、その応答を受光素子３１，３２，３３で検出することで、対象物１３内を透過、散乱した情報が検出される。発光素子２１の隣接画素（受光素子）３１だけではなく、離れた画素３２，３３での受光により、深い光路を通った情報を得ることができる。このため、発光素子２０と受光素子３０の位置関係の適切な組合せを取ることで、深さ方向の情報を含む様々な生体の情報を獲得することができる。なお、離れた位置の受光素子の信号は弱くなることから、受光素子を高感度で動作させ、不要な光によるノイズを防ぐ必要がある。
【００１５】
また、別の期間には発光素子２１は発光させず発光素子２２を発光させて周辺の受光素子で受光することで、対象物１３の情報を２次元的に獲得することができる。これは、特に生体センサとして適用でき、各受光素子に入る光の通過する光路１４の情報、生体センサでは例えば酸素化ヘモグロビン、脱酸素化ヘモグロビンの量に対応した光の強度が反射光として得られる。
【００１６】
７６０ｎｍと８４０ｎｍといったマルチ波長の発光を順次させることで、分光的に酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの量を算出することもできる。また、特に腕などの部位では曲面になっているので、センサアレイがフレキシブルで曲げられることが望ましい。
【００１７】
図３は、本実施形態の発光素子と受光素子を含む基本構成を示す素子構造断面図である。発光素子２００からの光を透過する透明基板１００の上に、アクティブマトリクス層が形成されている。即ち、基板１００上に、受光素子３００からの信号を読み取る薄膜トランジスタ１１０、発光素子２００への電圧を制御する薄膜トランジスタ１２０を含む、駆動用，制御用，読取用の各薄膜トランジスタと、走査線，信号線，電源線などの配線１０７，１０８等が形成されている。
【００１８】
ここでは、受光素子３００側のトランジスタ１１０は、ゲート１０１、ゲート絶縁層１０２、ソース１０３、ドレイン１０４及び半導体層１０５から構成されたボトムゲート、ボトムコンタクトの有機薄膜トランジスタで形成されている。発光素子２００側のトランジスタ１２０もトランジスタ１１０と同様の構成である。
【００１９】
有機半導体は、低分子系，高分子系の材料でもよく、インクジェットなどの塗布で形成しても、蒸着で形成してもよい。薄膜トランジスタとしては有機半導体だけでなく、アモルファスシリコン、微結晶シリコン、多結晶シリコン、ＩｎＧａＺｎＯｘなどの金属酸化物を活性層でもよく、逆スタッガ型、プレナー型など種々の構造のものを用いてもよい。特に、有機薄膜トランジスタは、フレキシブル性が高く、生体センサに適用するのに好適である。
【００２０】
なお、基板１００もＰＥＮ，ＰＥＳ，ＰＣなどのプラスチック基板やガラス繊維と有機樹脂からなるハイブリッド基板でもよく、０．１ｍｍ以下の薄いガラス基板を含むものでもよい。有機樹脂基板などでガス透過性があって問題となる場合は、バリア層を設けたものを用いてもよい。また、静電シールド電極を配置したものでもよい。
【００２１】
薄膜トランジスタ１１０，１２０が形成された基板１００の上に、パッシベーション層、層間絶縁層となる絶縁層１０６が形成され、この絶縁層１０６にはアクティブマトリクス層の電極と接続するためのコンタクトホールが形成されている。絶縁層１０６上には、コンタクトホールを介してアクティブマトリクス層の電極と接続された透明電極２０１，３０１が形成されている。透明電極２０１，３０１はＩＴＯでもよく、ＩＴＯなどの微粒子を樹脂に分散させたものでもよく、更には有機透明導電膜でもよい。透明電極２０１，３０１及び絶縁層１０６の上には、発光素子２００の領域を決めるバンク２０２と受光素子３００の領域を決めるバンク３０２が形成されている。バンク２０２，３０２は絶縁材料で形成され、発光素子２００及び受光素子３００を形成すべき領域に開口が形成されている。開口におけるバンク２０２，３０２の底面は、透明電極２０１，３０１の外周よりも内側に形成されている。これにより、画素電極のエッジに起因する発光層及び受光層の有機半導体層に欠陥や電界集中による電流集中部が形成されることを防ぎ、劣化を防止することが可能となっている。
【００２２】
また、バンク２０２，３０２の上部開口位置の範囲には、信号線層、ゲート層などの配線１０７，１０８を平面的に重ならないようにする。これにより、発光層からの光が、アレイ絶縁層１０６を伝播していったものが、信号線層、ゲート層などの配線１０７，１０８に直接当たって受光層側に伝搬するのを防ぐようになっている。本実施形態では、配線１０７，１０８（反射する電極層）を、発光層、受光層のバンク上部開口の直下から、バンクの厚さ分の距離の２倍以上離した。これにより、絶縁層１０６に閉じ込められた光が散乱しても受光層に入射する量を軽減でき、また発光層からの光が配線１０７，１０８で散乱して絶縁層１０６内に伝播するのを抑制することができる。即ち、微弱な光を受光するのに問題となる基板内での迷光を抑制し、検出感度を高くすることができる。
【００２３】
受光素子３００では、透明電極３０１の上にホール注入層３０３が形成され、その上に光電変換層３０５が形成されている。光電変換層３０５は有機半導体を含むとよく、有機ｐ型半導体と有機ｎ型半導体を適当な溶媒に溶解して塗布した後に乾燥、アニールによってｐ型半導体とｎ型半導体が微視的に相分離してｐ−ｎ接合が自己組織的に形成されるバルクへテロ構造であるとよい。ホール注入層３０３には、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ＮＰＢを用いることができる。なお、受光素子３００の層構成として電荷輸送層や層の間の相互拡散を防ぐ中間層、電荷を閉じ込めるためのブロック層などを含めてもよい。
【００２４】
一方、発光素子２００は、透明電極２０１上にホール注入層２０３、ホール輸送層２０４、発光層２０５を順次積層することにより形成されている。発光層２０５は有機半導体とすると発光波長を種々変更できるのでよい。なお、発光素子２００でも、中間層やブロック層を設けることや発光層を多層にして、より電子−正孔が結合しやすく電荷を閉じ込めるなどの工夫を行うために層構成を変化させてもよい。また、発光素子２００、受光素子３００を構成する各層は必ずしもバンク内だけでなく、バンクの上にも形成されてもよい。蒸着で形成する場合にはメタルマスクなどにより成膜領域を形成してバンク上で境界を持つようにすればよい。
【００２５】
そして、発光素子２００の電子注入層２０６及びカソード電極２０７と受光素子３００の電子注入層３０６及びカソード電極３０７を共通に形成する。電子注入層２０６，３０６にはＬｉＦ，ＣｓＦなどのフッ化物や、Ｃａなどのカルシウム化合物を用いることができ、カソード電極２０７，３０７にはＡｌ，Ａｇなどの金属層を用いることができる。
【００２６】
電子注入層２０６，３０６は仕事関数を小さく（３ｅＶ程度）にすることが望ましいことから、前述のような酸素や水分に弱い材料を用いるとよい。発光素子２００と受光素子３００の電子注入層２０６，３０６及びカソード電極２０７，３０７を共通にすることで、耐性の低い材料を用いても、発光素子２００と受光素子３００が同時に形成できるため、受光素子３００及び発光素子２００のそれぞれの特性を高くすることができる。特に、受光活性層をバルクへテロ接合とすることで、受光活性層形成後の表面が安定的となり、受光層３００の形成後に発光素子２００の各層を形成しても、その影響を小さくすることができる。
【００２７】
さらに、カソード電極２０７，３０７を全面で形成することができ、全体の抵抗を低減することができる。これにより、発光素子２００での電流による電圧降下が低減されると共に、受光素子３００が他の素子との電気的カップリングを低減することができ、クロストークや分布を低減することができる。また、耐環境性の低い電子注入層２０６，３０６を保護するために、図示されていない封着層や封着基板を電極形成直後に形成することができ、発光素子２００及び受光素子３００共に素子特性を劣化させることなく、高い性能を維持することができる。
【００２８】
近赤外光の発光及び受光には、所定のバンドギャップ、遷移準位ギャップが必要であり、材料特性のバリエーションが多い有機半導体をそれぞれの素子に用いることが好適である。特に、フレキシブル基板上の素子形成では基板の耐熱性が低く、無機材料系では実現が困難であっても、有機半導体を用いることでプロセスの低温化が得られて、かつ高性能な有機半導体を用いることができ、高感度、高性能化が図られる。
【００２９】
図４は、本実施形態の１つの画素部回路図を示したものである。受光素子３００のアノードはトランジスタ１１０を介してセンサ用信号線１１５と接続される。トランジスタ１１０のゲートはセンサ用走査線１１４と接続される。発光素子２００のアノードは駆動用トランジスタ１２０のドレインと接続され、駆動用トランジスタ１２０のソースは電源線１２６に接続されている。駆動用トランジスタ１２０のゲートには、蓄積容量１２２と制御用トランジスタ１２１のドレインが接続されている。蓄積容量１２２のもう一方の端子は電源線１２６に接続されている。制御用トランジスタ１２１のソースは発光素子用信号線１２５に接続され、制御用トランジスタ１２１のゲートは発光素子用走査線１２４に接続されている。発光素子２００のカソードはカソード電極１２３（図３の２０７）に接続され、受光素子３００のカソードはカソード電極１１３（図３の３０７）に接続されており、これらカソード電極１１３，１２３は共通の電極として画素領域全体をほぼ覆うように接続されている。
【００３０】
このような回路構成では、発光素子２００側では、走査線１２４をハイレベル（トランジスタがｐチャネルの場合は電圧としては低電圧）として制御用トランジスタ１２１がオンすることにより、信号線１２５の信号電圧で駆動用トランジスタ１２０のゲート電圧を設定する。走査線１２４がローレベル（同ｐチャネルの場合は電圧としては高電圧）となって制御用トランジスタ１２１がオフしても、蓄積容量１２２とゲート容量によって電圧が保持される。そして、その電圧に応じた電流が駆動用トランジスタ１２０から発光素子２００に供給されることで、発光素子２００が所定の強度で発光する。
【００３１】
一方、受光素子３００側では、走査線１１４がハイレベルになりトランジスタ１１０がオンすることで受光素子３００の電荷を信号線１１５に流すことができる。信号線１１５の先には、図示しない積分回路を設けてあり、流れてきた電荷量に比例した出力電圧を得ることができる。同時に信号線１１５の電位を所定の値にするようになっており、受光素子３００のアノード側の電位を検出感度として適当なバイアス電位にすることができる。走査線１１４をローレベルとしてトランジスタ１１０をオフにすると、受光素子３００のアノード電位は受光素子３００に入射する光量による光電流と素子の容量によって、電位が変動しながら次にトランジスタ１１０がオンするまでの時間の光照射量に応じた電荷を蓄積することとなる。これを順次読み出すことにより、検査対象物からの光の反射量を検出することができる。受光素子３００はマトリクス状に繰り返されており、２次元的な検出が可能となり、図２で示すようなセンサとして使用することができる。
【００３２】
図５は、図４の回路に基づいて図３の断面図にも対応した素子のレイアウト図を示す。図５のＡ−Ａ’断面が図３に対応している。図５ではバンク構造までの図を示しており、発光素子、受光素子、共通電極などは省略されている。
【００３３】
受光素子３００の透明電極３０１の内側にバンクの境界３１２があり、この内側で受光層が機能する。受光素子用走査線１１４にトランジスタ１１０のゲートが接続されており、受光素子用信号線１１５にトランジスタ１１０のソース、受光素子３００の下部電極３０１にトランジスタ１１０のドレインが接続されている。半導体層１０５は有機半導体で塗布又は蒸着で形成されている。
【００３４】
発光素子２００の透明電極２０１の内側にバンクの境界２１２があり、この内側で発光層が機能する。駆動用トランジスタ１２０及び制御用トランジスタ１２１が、受光素子用トランジスタ１１０と同様な構成で形成されている。蓄積容量１２２は、トランジスタ１２０のゲート、走査線１２４と同じ層で下部電極を、ゲート絶縁膜１０２と同じ層で絶縁層を、トランジスタ１２０のソース／ドレイン、信号線１２６と同じ層で上部電極を、それぞれ形成しており、トランジスタ１２１とはコンタクトホールで接続されている。トランジスタ１２０，１２１の半導体層１３５，１４５もトランジスタ１１０の半導体層１０５と同様に形成されている。
【００３５】
発光素子２００と受光素子３００の共通の層は全面に形成するが、バンクやパッシベーション・層間絶縁層により絶縁されており、機能に問題はない。さらに、共通の層であるカソード電極２０７，３０７は外部からの静電ノイズに対してシールドとなることから、受光素子３００の検出電荷が小さくても、ノイズの影響なく検出することができる。
【００３６】
このように本実施形態によれば、発光素子２００と受光素子３００を同一基板１００上に形成し、発光素子２００の発光層の半導体材料と受光素子３００の受光層の半導体材料を異ならせ、発光素子２００の電荷注入層２０６及びカソード電極２０７と受光素子３００の電荷注入層３０６及びカソード電極３０７を共通にすることにより、対象物に光を照射して応答を検出する際の検出感度の向上及びノイズの低減をはかることができる。
【００３７】
より具体的には、有機半導体などで構成された所定の特性（例えば近赤外に感度を有する）を持つ受光素子３００と所定の特性（例えば近赤外の特定の波長で発光する）を持つ発光素子２００が一体に形成されると共に、高性能・高感度を確保できる。それぞれの電荷注入層２０６，３０６に性能が高いが耐水、耐薬品、耐酸素等の耐性が低いフッ化物やカルシウム化合物などを用いることができ、高性能が確保できる。また、上部の電極２０７，３０７を共通して厚くも薄くもでき、熱工程を通すこともなく、高性能を確保することができる。そして、同一基板１００上に配置した発光素子２００からのアレイ内での光が絶縁層を伝播して受光素子３００に入射する光を低減でき、ノイズを減らして高感度の検出が可能となる。
【００３８】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係わる光電変換装置の基本素子構成を示す断面図である。また、図７は、本実施形態の平面レイアウト図を示している。図７のＡ−Ａ’の断面が図６に相当するようになっている。なお、前記図３及び図５と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００３９】
本実施形態においては、図６に示すように、発光素子２００と受光素子３００との間にバンクの溝５００が形成されている点が特徴である。さらに、発光素子２００と受光素子３００の共通の電子注入層２０６，３０６とカソード電極２０７，３０７と同じ構成４０６，４０７がバンクの溝５００内に形成されている。また、図７に示すように、受光素子３００の信号線１１５と発光素子２００の電源線１２６との間に溝５００を配置している。このようにバンクの溝５００を形成し、溝５００内のカソード電極４０７が発光素子２００からの光を反射及び吸収することで、発光素子２００からの光が受光素子３００へ至ることを大幅に低減でき、微弱な対象物からの光を高感度にノイズが少なく検出できる。カソード電極４０７（２０７，３０７）としては、ＡｌやＡｇなどで１００ｎｍ以上あることが望ましい。
【００４０】
溝５００は、図７に示したように発光素子２００と受光素子３００の列を通しておくと遮光として好適である。画素回路に溝５００の位置を記載したものを、図８に示す。配線と溝５００の重なりなどの関係は詳細には示しておらず、配線に重なっているものも重なっていないものも表している。なお、溝５００は部分的に形成してもよい。走査線との間にバンクを残すことで寄生容量を減らす効果はある。
【００４１】
このように本実施形態によれば、発光素子２００からの光が発光素子２００と受光素子３００との間にあるバンクの溝５００により遮断され、受光素子３００に照射されることを抑制できる。このため、本来の対象物からの応答光とは別の光（迷光）によるノイズを低減でき、検出感度が高くできる。また、バンクの溝５００に発光素子２００からの光を吸収又は反射する材料４０７等を埋め込むことにより、上記のノイズを更に低減することができる。
【００４２】
図９及び図１０は、第２の実施形態の光電変換装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【００４３】
まず、図９（ａ）に示すように、プラスチック基板や有機樹脂にガラス繊維を入れたハイブリッド基板（基板や有機樹脂に対してバリア層やアンダーコート層を形成してもよい）、又はガラス基板等の基板１００の上に、ゲート電極１０１及び走査線等を形成する。これらの形成には、Ａｇナノインクを印刷し焼成してもよく、ＭｏＴａ，ＭｏＷなどの導電膜をスパッタ等で成膜した後に、通常のフォトリソグラフィ工程でレジストパターン形成し、エッチングして形成してもよい。ここでは、ＭｏＷをスパッタで２００ｎｍ成膜した後に、ドライエッチングで加工形成した。
【００４４】
次いで、図９（ｂ）に示すように、ゲート絶縁層１０２を成膜し、所定のコンタクトホールを形成する。ポリイミド、アクリル樹脂、フッ素樹脂、部分フッ素樹脂、ＰＶＰ（ポリビニルフェノール）などの有機層を塗布、アニールしてからレジストをパターニングしてエッチングしてもよい。また、印刷法で局所的に塗布してもよく、感光性を持たせて露光、現像してからアニールして硬化することでパターン形成してもよい。さらに、ＣＶＤやスパッタでＳｉＯｘなどの無機膜を成膜し、フォトリソグラフィ工程でコンタクトホールをエッチングしてもよく、無機膜と有機膜を積層してもよい。ここでは、感光性部分フッ素化樹脂を用いて、露光現像後、１５０℃でアニールして成膜した。
【００４５】
次いで、図９（ｃ）に示すように、ソース／ドレイン電極１０３，１０４及び信号線や電源線等の配線１０７，１０８を成膜し、パターン形成する。ゲートと同じように種々の方法、材料で形成することができるが、ここではＡｇナノインクを印刷でパターン塗布し、１５０℃で焼成して成膜した。
【００４６】
次いで、図９（ｄ）に示すように、半導体層１０５を塗布や蒸着、ＣＶＤなどで成膜する。半導体層は有機材料でも無機材料でもよい。印刷する場合には表面エネルギーのパターンを形成してから塗布してもよく、バンクパターンを形成して塗布してもよい。ここでは、図示していないが、感光性樹脂でバンクを露光現像、アニールにして形成した。さらに、ソース／ドレイン電極のＡｇ電極の仕事関数を高めるＰＦＢＴないしＦ４ＴＣＮＱのＳＡＭ（自己組織単分子層）を溶液に浸漬して形成した。有機半導体としては、低分子系のＴＩＰＳ−Pentacene（6,13-bis(triisopropyl-silylethynyl) pentacene）或いは Ｃｎ−ＢＴＢＴ（2,7-dialkyl[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene）をインクジェット法で塗布、乾燥して形成した。膜厚は１０〜１０００ｎｍとした。
【００４７】
次いで、図９（ｅ）に示すように、これらの上にパッシベーション及び層間絶縁となる絶縁層１０６を形成し、絶縁層１０６にコンタクトホールパターンを形成する。絶縁層１０６は、有機膜でも無機膜でもよく、両者の積層でもよい。ここでは、感光性フッ素樹脂を用いて露光現像後、１５０℃以下でアニールして０．５〜３μｍ形成した。
【００４８】
次いで、図１０（ｆ）に示すように、発光素子２００及び受光素子３００の透明導電電極２０１，３０１を形成する。ＩＴＯをスパッタし、フォトリソ工程でエッチング加工して形成してもよく、ＩＴＯ粒子などを分散したインクを印刷塗布してアニールしてもよい。ここでは、ＩＴＯナノ粒子を分散したインクの印刷、アニールで形成した。
【００４９】
次いで、図１０（ｇ）に示すように、これらの上にバンク２０２，３０２を形成すると共に、透明導電電極２０１，３０１の内側に位置するように２０２，３０２バンクの開口を形成する。これらはパターン印刷で形成してもよく、感光性樹脂を用いてもよい。ここでは、感光性アクリル樹脂を用いて膜厚を５〜１０μｍとした。さらに、発光素子２００と受光素子３００との間に、バンクの溝５００を形成する。
【００５０】
次いで、図１０（ｈ）に示すように、受光素子側のバンクの開口内に受光素子３００の受光活性層を含む各層３０３，３０５を形成する。ホール注入層３０３としては、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを塗布し、乾燥して成膜した。ここで、受光素子３００内のみにＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを形成してもよく、発光素子２００のホール注入層としても全体に形成してもよい。発光素子２００と受光素子３００に共通のホール注入層を設けることで、電極表面をプラズマ処理などで界面制御（清浄化、仕事関数制御）が行いやすい。ホール注入層３０３上に受光活性層３０５として、ｐ型有機半導体とｎ型有機半導体を溶媒に溶かしてインクジェット或いはディスペンサーなどで局所塗布した。その後、乾燥、アニールすることでバルクへテロ構造を形成した。
【００５１】
近赤外に感度を有する材料として、ｐ型半導体としてＰＤＴＰ−ＤＴＤＰＰ(Bu)（poly{N-[1-(2-ethylhexyl)-3-ethylheptanyl]-dithieno[3,2-b:2',3'-d]pyrrole-3,6-dithien-2-yl-2,5-dibutylpyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione-5',5''-diyl}）を用いたが、ＰＤＴＰ−ＤＴＤＰＰ（poly{N-[1-(2-ethylhexyl)-3-ethylheptanyl]-dithieno[3,2-b:20,30-d]pyrrole-3,6-dithien-2-yl-2,5-di(2-ethylhexyl)-pyrrolo[3,4-c]pyrrole-1,4-dione-50,500-diyl}）を用いてもよい。ｎ型半導体としてフラーレンのＰＣＢＭ或いはＰＣ７０ＢＭを用いるとよい。
【００５２】
これらの分子構造を、図３０（ａ）〜（ｄ）に示す。ＰＤＴＰ−ＤＴＤＰＰ(Bu)のＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ差は１．２７ｅＶで、近赤外光を吸収する材料であり、素子での感度として波長１１００ｎｍまで、特に７００〜９００ｎｍで外部量子効率ＥＱＥが２０％以上を得ることができる。溶媒としてクロロフォルムとｏ−ジクロロベンゼンの混合溶媒（体積比率４：１）を用いたが、有機材料と下地基板で特性が得られる適切な溶媒を選択するとよい。
【００５３】
活性層３０５の膜厚は１〜１０μｍとした。膜厚を厚くすることで暗電流を低減することができることが分かり、暗電流により受光素子３００の電荷が蓄積されて光照射時の信号との差が少なくなる。特に、２μｍ以上とすることで暗電流が十分に低減でき、感度が下がることが防止されて好適である。一方で、発光素子２００からの横方向からの光による感度が高くなることから、迷光によるノイズが増加する傾向があり、第２の実施形態の構造のバンクの溝５００による遮光の効果がより高くなる（リークが低減する）ことが分かった。バルクへテロ構造を形成するのに、１２０℃でアニールすると良い。なお、受光素子３００として波長や感度に応じてｐ型半導体とｎ型半導体の積層として形成してもよい。
【００５４】
次いで、図１０（ｉ）に示すように、発光素子２００の発光層を含む各層２０３，２０４，２０５を形成する。ここでは、ホール注入層２０３としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳを用い、発光層２０５としてＰＶＫとＯＸＤ−７を混合した電子輸送を向上したホスト層にＰｔ（ｔｐｂｐ）（Pt-tetraphenyltetrabenzoporphyrin）をドーピングすることにより、近赤外波長（ピーク波長７８０ｎｍ付近）を発光させた。
【００５５】
別の構成として、ホール注入層２０３としてＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ或いはＭｏＯ3 、ホール輸送層２０４としてＮＰＢ、発光層２０５としてＡｌｑ3 をホストにドーパントを導入、更にホールブロック層としてＢＣＰ、電子輸送層としてＡｌｑ3 を積層した。ドーパントとして triphenylamine 系と benzobis(thiadiazole) 系を結合させたものを用いた（ピーク波長７５０〜８５０ｎａｍ付近をドーパント材料と濃度で変化）。ＨＯＭＯ−ＬＵＭＯギャップが大きいホスト材料に電子−正孔を注入し、ドーパントのＨＯＭＯ−ＬＵＭＯ準位にキャリアが移動して再結合することで発光する。
【００５６】
このような材料を受光素子３００として使うと受光素子の感度が殆ど得られないが、本実施形態のようにそれぞれ別の構成とすることで生体からの情報のような微弱な信号をも得ることができる。発光素子２００の各層２０３〜２０５は蒸着で形成してもよく、一部は塗布で形成してもよい。これらの有機発光素子は熱工程に弱いことから、受光素子３００のバルクへテロ構造のアニール（１２０℃など）は発光素子２００の成膜前に形成することができるので、発光素子２００を劣化させることがない。なお、ホール輸送層は発光素子２００と受光素子３００で同時に形成してもよい。近赤外発光に適したドーピング材料の構造を、図３１（ａ）（ｂ）に示す。
【００５７】
最後に、図１０（ｊ）に示すように、発光素子２００と受光素子３００の共通の電子注入層２０６，３０６とカソード電極２０７，３０７を形成する。ここでは、電子注入層はＬｉＦ，ＣｓＦなどで、カソード電極はＡｌとした。Ａｌの膜厚は１００ｎｍ〜３μｍとした。厚いほど溝５００での遮光性が増加し、抵抗も低減でき、封着までの水透過を低減してプロセス劣化を抑えることができる。ここでは記載していないが、電極形成後に封着するが、発光素子２００と受光素子３００の電極形成が同時に得られていることから、素子劣化を抑制して封着することができる。
【００５８】
このように本実施形態では、発光素子２００と受光素子３００の材料及び構成を最適なものにすることができ、近赤外光で微弱な信号を得ることができる。なお、この製造方法は他の実施形態への適用も可能である。
【００５９】
（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態に係わる光電変換装置の画素部の回路構成を示す図である。また、図１２は対応する画素部のレイアウト図を示す。
【００６０】
本実施形態では、受光素子３００の検出回路として、アクティブ型のアンプを設けている例である。受光素子３００の一方の電極がソースフォロアのアンプ用薄膜トランジスタ１１１のゲートに接続されており、そのソース電極は電源線１１６と接続されている。トランジスタ１１１のドレイン電極は、スイッチ用トランジスタ１１０を介して信号線１１５に接続されている。スイッチ用トランジスタ１１０のゲートは走査線１３４と接続されていて、ハイレベルになってスイッチをオンすることで、信号線１１５へ電流を供給するようになっている。受光素子３００の入射光に応じた電荷でアンプ用トランジスタ１１１のゲート電圧が設定されて、おおよそＶth分低い電圧が、スイッチ用トランジスタ１１０を介して信号線１１５に供給される。
【００６１】
このようにすることで、信号線１１５に流れる電荷量は、前記図４の回路に示したアンプのない回路に比べてトランジスタの寸法、オン電流に合わせた大きな電荷量にできることから、外部ノイズの影響を抑制することができる。これは、特に生体センサで人に密着させて使い、またウエアラブルに張り付けるように使用する場合には、ノイズの影響は重要であり、有効となる。なお、アンプ型の場合には、受光素子３００の電荷は読み出しに対して一定の電圧に戻すことができないため、リセット用トランジスタ１１２を受光素子３００に接続して、別の走査線１３４のハイレベルのタイミングでリセット用信号線１１７の電圧に設定することにより、繰り返し読み出しができるようにしている。発光素子側の回路や構成は前記図４、図５と同等としている。
【００６２】
ここでは、受光素子３００の読み出し用の走査線１１４は画素の上下で隣接したものを用いており、読み出し後にリセットを行ってから、次の読み出しまでの間の時間で受光素子３００の電荷蓄積を行うようにしている。また、発光素子２００の書き込み用の走査線１２４とも共通にしている。これにより、走査線１３４の本数を減らすことで、画素内の面積を広くし、発光素子２００や受光素子３００の有効面積を増やすことができて、検出感度や発光強度の増加に有効である。なお、走査線１３４の共通化は他の実施例にも適用できると共に、アンプ型でも別の走査線にすることも可能である。逆に、読み出し用走査線とリセット用走査線を別にすることも可能である。これらの配線を別にすることで、タイミングが自由にコントロールできて感度調整やノイズ低減に効果がある。
【００６３】
本実施形態では、さらに発光素子２００のバンク（画素の境界２１２）と受光素子３００のバンク（画素の境界３１２）との間に溝５００を形成している。発光素子２００と受光素子３００の共通のカソード電極４０７及び電子注入層４０６をバンク溝５００に形成することで更に遮光性を高めている。これにより、受光素子３００への光の入射が抑制されてノイズが減る。
【００６４】
溝５００の底面は発光素子２００の電源線１２６と重なるようにしている。これにより、溝５００の側面に照射された光が基板方向に反射されたときにも電源線１２６が遮光して下方方向のみの光として射出できるようになり、受光素子３００への迷光を抑制することができる。さらに、本実施形態では、受光素子３００の電源線１１６を発光素子２００の電源線１２６と隣接するように配置した。このとき、溝５００の底面が受光素子３００の電源線１１６と重なるようにすることで、溝５００の幅を広くして加工精度を緩和して作りやすくなる。さらに、電源線という電位変動のない或いは少ない電極とカソード電極との間の絶縁層が薄くなっても、カソード電極は寄生容量の影響がなく、ノイズが少なく、さらには変動しにくい電極とすることができる。受光素子側の電源線１１６との重なりは迷光の入射経路としての遮光にもなり、光学的なノイズ低減の効果も有する。複数の画素に渡る広域的な溝５００と画素回路との関係を、図１３に示す。
【００６５】
なお、受光素子３００の電源線１１６は、図１１及び図１２とは逆に電源線を図の右側に置くようにしてもよい。それにより、発光素子２００の左側に受光素子３００を配置する場合の溝のレイアウトとして、受光素子３００の電源線と重ねるようにすることができ、発光素子側の電源線との重なりと同じような効果を得ることができる。広域的な画素と溝５００との関係を、図１４に示した。電圧が変動しない電源線が発光素子２００と受光素子３００の並びにそれぞれ配置されるので、溝５００を配線に重ねて配置しても寄生容量で影響が少なく、配置が可能となる。遮光効果が配線に重ねることで向上する。
【００６６】
（第４の実施形態）
図１５は、第４の実施形態の画素の平面レイアウト図を示し、Ａ−Ａ’の断面図を図１６で示す。
【００６７】
本実施形態では、バンクの溝の配置を工夫したものであり、発光素子２００の外周に溝５１０を配置すると共に、アクティブマトリクスの電極（電源線）１２６上に溝５１０の底面を重ねていることを特徴とする。溝５１０は、発光素子２００と受光素子３００との間で電極１２６と重なっており、溝５１０の側面に照射された光が基板方向に反射するのに対して斜め方向に出射することを電極１２６で抑制している。これにより、受光素子３００に至る迷光が抑制されてリークによるノイズが低減できる。
【００６８】
図１５及び図１６では溝５１０に重ねる配線は電源線１２６であるが、この代わりに走査線や信号線も利用できる。これらのマトリクス交差を利用すれば、発光素子部の外周を取り巻くように溝を配置することができ、遮光効果を改善することとなる。図１７に、溝５１０と画素回路との関係を模式的に示した。
【００６９】
溝５１０のレイアウトとしては、多重に形成することも可能である。図１８には、第４の実施形態に受光素子側にも溝５１０を多重に配置したものを示す。図１９には、図１４のレイアウトにさらに溝５２０を加えたものである。このように多重化することで遮光効果を高めると共に、ノイズの低減やインピーダンスマッチングなどを得ることもできる。
【００７０】
また、溝を部分的に形成することも可能である。溝同士の関係で遮光を得るようにしたり、強度の強い箇所の遮光を行ったりすればよい。図２０には、一例として溝５３０が受光素子３００の信号線近傍のみに途切れ途切れに形成している。走査線との重なりには溝を形成しないことで走査信号の遅延を低減したり、走査信号の大きな電位変化が共通電極にノイズとして乗ることを抑制することができる。溝５４０との間で遮光を得ており、電源線と走査線の重なり上に溝を形成することで走査線との重なりによる寄生容量の発生を抑えることで前述の問題は発生しないようにできる。受光素子側の電源線に沿った溝５５０は全体に通しており、これらの溝で遮光が得られるようになっている。
【００７１】
このように、溝５１０は受光素子３００との間で多段に形成してもよく、一部に溝５１０がない箇所があっても他の箇所で補うようにすればよい。
【００７２】
（第５の実施形態）
図２１は、第５の実施形態に係わる光電変換装置の基本素子構成を示す断面図である。
【００７３】
本実施形態では、発光素子２００と受光素子３００との間に配置するバンクの溝５００に受光素子３００の受光活性層３０５を含む層４０５を形成することが特徴である。受光活性層は受光感度波長の光に対して吸収する特性を有することから、バンクの溝５００に形成することで、迷光の吸収による遮光効果が得られる。また、受光活性層は、半導体層であり、１〜１０μｍと云うように厚く形成される。このため、半導体であることから、電気的にも金属よりは導電性が低く、下層のアクティブ層との静電容量によるカップリングが小さくなり、溝５００の配置位置の制約を小さくすることができる。
【００７４】
また、本実施形態は、発光素子２００と受光素子３００の共通電極２０７，３０７を半透過にし、基板１００と反対側にも光を取り出す場合に有効である。即ち、半透過の電極層を用いることで、電極の遮光効果が薄くなっていても、受光活性層による吸収で迷光の影響を抑制することができる。
【００７５】
（第６の実施形態）
図２２は、第６の実施形態に係わる光電変換装置の基本素子構成を示す断面図である。
【００７６】
本実施形態では、共通の電極層を受光素子２００と発光素子３００で連続させずに、受光素子３００の領域と発光素子２００の領域で分離するパターン形成をすることに特徴がある。即ち、発光素子２００の電極層２０７と受光素子３００の電極層３０７とは、ギャップ４１０を設けて相互に絶縁されている。これは、電極層を成膜するときにマスク蒸着などによって実現することができる。
【００７７】
これにより、発光素子２００に流れる電流によって受光素子３００のカソード電極電位が変動する影響を防止することになり、微弱な変動を検知するのに容易になる。画素領域が広い場合や発光素子の変換効率が低い場合などに適用できる。なお、電極を分離するか一面に形成するかは材料やデバイスの設計によって適切な方を選択することができる。
【００７８】
（第７の実施形態）
図２３は、第７の実施形態に係わる光電変換装置の基本素子構成を示す断面図である。
【００７９】
本実施形態では、発光素子２００の構成として、光学機能層２５０を含めた例である。光学機能層２５０としては透過波長を制限するカラーフィルタが１つであり、また光の取り出しを増加させるマイクロレンズを含む取り出し機構部材が１つである。光学機能層２５０は発光素子２００の下部電極２０１の下に形成するとよく、バンク層で覆うようにすることで、バンク層の溝５００を形成した場合にも遮光が得られて有効である。
【００８０】
（第８の実施形態）
図２４は、第８の実施形態に係わる光電変換装置の基本素子構成を示す断面図である。
【００８１】
本実施形態は、図２１の実施形態を改良したものである。トップエミッション、上部受光構造で、共通電極を薄層ＭｇＡｇ合金などの半透過電極６０７で形成すると、電極のシート抵抗が高く、発光のための電流で電極内の電圧降下が発生する。このため、発光強度ムラが出ると共に、受光層との共通電極に印加されるバイアス電位へ影響を与えて、受光感度ムラを発生させる。特に、デバイスサイズが大きくなる場合、例えば腕に巻きつけて広範囲で信号を得る場合などでは問題となる。
【００８２】
そこで本実施形態では、対向する基板６００に電極６０１，６０２を設けて十分に抵抗を下げることを特徴とする。保護・封止基板としても機能する基板６００上に、低抵抗化を図るための補助配線６０１とこれに接続したＩＴＯなどからなる透明低抵抗電極６０２を形成し、発光・受光素子基板と接着層６０３を介して貼り合わせている。発光・受光素子基板の半透過電極６０７と対向基板６００の電極６０１，６０２とは面内全面或いは局所的に、電気的に接続することで、抵抗を大幅に下げて、半透過電極６０７内の電圧降下を抑制する。接着層６０３が導電性を有した構成、例えば接着材に透明導電微粒子を分散させたもの、などが望ましい。或いは対向電極の凸部が半透過電極６０７と直接接触して接続し、間を接着層で充填して固定することでも効果が得られる。
【００８３】
なお、発光・受光素子基板の発光素子、受光素子間に設けた溝５００内には、前記図２１と同様に受光活性層を主成分とする層４０５を充填するとよいが、他の溝の構成と組合せてもよい。
【００８４】
（第９の実施形態）
図２５は、第９の実施形態に係わる光電変換装置における画素部の回路構成を示す図である。
【００８５】
本実施形態では、発光素子２００の画素２１０，２２０と受光素子３００の画素３１０とで画素サイズが異なっており、発光素子２００の画素２１０，２２０を走査方向に重ねた幅で受光素子３００の画素３１０の走査方向ピッチを設定しているものである。発光素子画素は発光波長が異なる発光素子ＬＥＤ１、ＬＥＤ２で構成されている。生体の近赤外光の情報として、例えば波長７６０ｎｍと８４０ｎｍの光を照射することで、酸素化ヘモグロビンと脱酸素化ヘモグロビンの量に対応した信号が得られ、その信号からヘモグロビンの状態を検出できるようになるが、その際に発光素子からの光の経路が２つの波長で同一の箇所を通ることが前提となる。従って、本実施形態のように２波長の発光素子を隣接させて配置することは有効であり、加えて受光素子の空間分解能は２波長に対して設定できればよいので、図２５に示すように配置することで、受光面積が大きく取ることができ、検出感度を向上させることができる。特に、発光素子２００の走査線１２４を画素の上下に分けることで、受光素子画素の中に走査線を通す必要がなく、受光面積を大きくするのに好適である。
【００８６】
溝５００の形成は、受光素子３００に対して行えばよいから、発光素子２００の列と受光素子３００の列の間に溝５００を形成すればよい。それぞれ発光素子２００、受光素子３００の電源線に一部或いは全部を重ねるように配置するとなおよい。また、配線との関係は他の実施形態と同様に行ってよい。
【００８７】
（第１０の実施形態）
図２６は、第１０の実施形態に係わる光電変換装置における画素部の回路構成を示す図である。
【００８８】
本実施形態では、波長の異なる発光素子２００の画素２１０，２２０を信号線の並びに沿った方向で隣接させており、受光素子３００の画素３１０はそれに対応して配置したものである。受光素子３００の感度が十分であるが、発光素子２００の発光効率が低めである場合や、発光素子２００の電流密度を低減して寿命を長くするためにはこのような複数の発光素子２００を横に隣接して受光素子３００を横に配置する配列が望ましい。
【００８９】
前記図２で示したように生体情報を得る際に最隣接画素での受光は浅い情報のみであり、より深い情報を得るには離れた画素での受光信号の解析を行うことから、このような発光素子配列としてもよく、必要に応じて位置に対する補正を行うなどすればよい。
【００９０】
溝５００の形成では、受光素子３００に対して行えばよく、発光素子２００間に溝５００を形成しないことで、レイアウトの自由度や開口率を改善することもできる。
【００９１】
（第１１の実施形態）
図２７は、第１１の実施形態に係わる光電変換装置における画素部の回路構成を示す図である。
【００９２】
本実施形態では発光素子２００の発光強度の劣化を中心に受光素子３００の経時変化も含めて校正するための構成を示している。発光素子２００の光を基板外に出して反射光を受光する受光素子３００に対して、発光素子２００からの光を基板外に出さずに内部で発光強度を計測するモニタ用受光素子３５０を設けてある。モニタ用受光素子３５０の受光信号をもとに発光素子２００への電流を制御して同一の強度になるようにフィードバックを掛ける、或いはモニタ用受光素子３５０の信号をもとに受光素子３００の信号を補正するようにすればよい。さらに、受光素子３００の周りに設けた溝５１０によって受光素子３００への迷光を抑制して感度を上げる。このとき、モニタ用受光素子３５０と発光素子２００との間での光学的なカップリング構造７００は溝５１０から離す構造とする。これにより、発光素子２００の劣化があっても精度を持って生体からの情報を取得することができる。
【００９３】
具体的な画素レイアウトを、図２８に示す。また、光学的カップリング構造を示すＡ−Ａ’断面、及び発光・受光素子の基本構造を示すＢ−Ｂ’断面が図２９（ａ）（ｂ）である。画素レイアウトで示すように光学的カップリング構造として発光素子２００の光の一部をモニタ用受光素子３５０に基板内部で導くために、不透明な反射材７０１を発光素子２００の下から受光素子３５０の下に配置した。受光素子３５０の下は受光面全体に重なるように配置することで、基板外部に出て反射してきた光の影響を抑制することができる。
【００９４】
発光素子２００では図のように１つの大きな画素の一部に反射材７０１を設けると発光素子画素全体の劣化を評価するのに良い。一方、発光素子２００の構成として反射材の段差により、発光素子２００のリーク電流や電界集中による劣化が発生する場合には、画素（バンク）を外部用と内部用に分けて配置し、下部電極は接続して同時に駆動するようにしてもよい。
【００９５】
反射材７０１としてアレイのゲート電極層を用いることで工程を削減できる。必要に応じて反射材用の別の層を設けてもよく、アレイの構成部材で兼用してもよい。反射材による光学的カップリングの機構は断面図の図２９（ａ）で説明する。反射材７０１に当たった光７０２は反射して、カソード電極４０７などで反射して受光素子３５０に到達する。また、光路７０３に示すようにアレイの絶縁層内を界面反射を通して伝播する場合もある。この場合、臨界角以下になると光が絶縁層外に出にくくなるため、反射材７０１の受光素子近傍で凹凸を付けるなどして散乱構造７０４を設けるとよい。ゲート電極を形成した後に、局所的にエッチング処理して荒らすようにしたが、ゲート電極上に印刷で散乱面を局所的に塗布形成してもよく、下層の絶縁層を荒らして上に電極を形成するなどしてもよい。
【００９６】
このように、光学的カップリングを内部に設けることで、外部の状態に依存せずに発光素子２００の状態（発光強度劣化など）を把握することができる。このカップリングでもたらされる光の量は外部からの反射光の強度に近いものがよい。あまり大きな光量が入射すると受光素子３５０の劣化が実受光素子３００との差が出て補正の精度が低下する要因となる。カップリング量が一定であることが重要であり、反射材７０１と全面に設けたカソード電極４０７との反射を利用するのは好適といえる。
【００９７】
一方、外部を通って受光する正規のルートについては、図２９（ｂ）に示すように発光素子２００と受光素子３００との間に溝５００を設けている。これにより、基板内での反射迷光を遮断することで受光素子３００への光が外光のみとなることで生体内からの反射光の強度が弱いものでも高感度に検出することができる。
【００９８】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。
【００９９】
発光素子や受光素子の構造及び材量等は実施形態に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。発光素子の発光層の材料と受光素子の受光層の材料が異なり、発光素子及び受光素子の上部の電極が共通であればよい。
【０１００】
また、バンクに設ける溝の形状や埋め込み材等は、仕様に応じて適宜変更可能である。溝の位置は発光素子と受光層との間であれば良く、埋め込み材料は発光層からの光を吸収するものであればよい。
【０１０１】
本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１０２】
１０，１００…基板
２０，２００…発光素子
３０，３００…受光素子
１０１…ゲート
１０２…ゲート絶縁層
１０３…ソース
１０４…ドレイン
１０５…半導体層
１１０，１１１，１１２…受光素子側トランジスタ
１１４…センサ用走査線
１１５…センサ用信号線
１１６…受光素子用電源線
１２０，１２１…発光素子側トランジスタ
１２２…蓄積容量
１２４…発光素子用走査線
１２５…発光素子用信号線
１２６…発光素子用電源線
１３４…走査線
２０１，３０１…透明電極
２０２，３０２…バンク
２０３，３０３…ホール注入層
２０４…ホール輸送層
２０５…発光層
２０６，３０６…電子注入層
２０７，３０７，４０７…カソード電極
３０５…光電変換層
５００，５１０，５２０，５３０，５４０…溝
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不透明な配線層を有する基板上に、複数の発光素子と複数の受光素子を基板面内方向に離間して形成した光電変換装置であって、
前記発光素子及び前記受光素子は前記基板上に形成したバンクの開口部にそれぞれ形成され、
前記発光素子の発光層の半導体材料と前記受光素子の受光層の半導体材料とは異なり、前記発光素子の上部電極層と前記受光素子の上部電極層とは共通であり、且つ前記基板上の不透明な配線層は、前記バンクの開口部で規定される各領域の外側の領域に形成されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
不透明な配線層を有する基板上に、複数の発光素子と複数の受光素子を基板面内方向に離間して形成した光電変換装置であって、
前記発光素子及び前記受光素子は前記基板上に形成したバンクの開口部にそれぞれ形成され、
前記発光素子の発光層の半導体材料と前記受光素子の受光層の半導体材料とは異なり、前記発光素子の上部電極層と前記受光素子の上部電極層とは共通であり、且つ前記発光素子と前記受光素子との間のバンクの一部に溝が形成されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
前記発光素子及び前記受光素子は、前記発光層又は前記受光層として有機半導体を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記発光素子及び前記受光素子は、前記上部電極層と共に、電荷注入層を共通にしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記発光素子のバンクと前記受光素子のバンクは同じ材料であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記受光素子は、バルクへテロ接合の活性層を含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記バンクの溝に、前記発光素子と前記受光素子の共通な上部電極層が形成されていることを特徴とする請求項２記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記受光素子はバルクへテロ接合の活性層を含み、前記バンクの溝に前記受光素子の活性層が形成されていることを特徴とする請求項２記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記バンクの溝の底面と前記基板上の不透明な配線層とは平面的に重なっていることを特徴とする請求項２記載の光電変換装置。
【請求項１０】
基板上に薄膜トランジスタ及び不透明な配線を有するアクティブマトリクス層を形成する工程と、
前記アクティブマトリクス層が形成された前記基板上に、発光素子用の下部電極層及び受光素子用の下部電極層をそれぞれ形成する工程と、
前記各下部電極層が形成された前記基板上に、前記発光素子用の下部電極層上に第１の開口を有し、且つ前記受光素子用の下部電極層上に第２の開口を有するバンクを形成する工程と、
前記バンクの第２の開口内に前記受光素子の受光層を形成する工程と、
前記バンクの第１の開口内に前記発光素子の発光層を形成する工程と、
前記発光層、前記受光層、及び前記バンク上に前記発光素子及び前記受光素子で共通のの上部電極層を同時に形成する工程と、
を含むことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【請求項１】
不透明な配線層を有する基板上に、複数の発光素子と複数の受光素子を基板面内方向に離間して形成した光電変換装置であって、
前記発光素子及び前記受光素子は前記基板上に形成したバンクの開口部にそれぞれ形成され、
前記発光素子の発光層の半導体材料と前記受光素子の受光層の半導体材料とは異なり、前記発光素子の上部電極層と前記受光素子の上部電極層とは共通であり、且つ前記基板上の不透明な配線層は、前記バンクの開口部で規定される各領域の外側の領域に形成されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項２】
不透明な配線層を有する基板上に、複数の発光素子と複数の受光素子を基板面内方向に離間して形成した光電変換装置であって、
前記発光素子及び前記受光素子は前記基板上に形成したバンクの開口部にそれぞれ形成され、
前記発光素子の発光層の半導体材料と前記受光素子の受光層の半導体材料とは異なり、前記発光素子の上部電極層と前記受光素子の上部電極層とは共通であり、且つ前記発光素子と前記受光素子との間のバンクの一部に溝が形成されていることを特徴とする光電変換装置。
【請求項３】
前記発光素子及び前記受光素子は、前記発光層又は前記受光層として有機半導体を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記発光素子及び前記受光素子は、前記上部電極層と共に、電荷注入層を共通にしたことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記発光素子のバンクと前記受光素子のバンクは同じ材料であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の光電変換装置。
【請求項６】
前記受光素子は、バルクへテロ接合の活性層を含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の光電変換装置。
【請求項７】
前記バンクの溝に、前記発光素子と前記受光素子の共通な上部電極層が形成されていることを特徴とする請求項２記載の光電変換装置。
【請求項８】
前記受光素子はバルクへテロ接合の活性層を含み、前記バンクの溝に前記受光素子の活性層が形成されていることを特徴とする請求項２記載の光電変換装置。
【請求項９】
前記バンクの溝の底面と前記基板上の不透明な配線層とは平面的に重なっていることを特徴とする請求項２記載の光電変換装置。
【請求項１０】
基板上に薄膜トランジスタ及び不透明な配線を有するアクティブマトリクス層を形成する工程と、
前記アクティブマトリクス層が形成された前記基板上に、発光素子用の下部電極層及び受光素子用の下部電極層をそれぞれ形成する工程と、
前記各下部電極層が形成された前記基板上に、前記発光素子用の下部電極層上に第１の開口を有し、且つ前記受光素子用の下部電極層上に第２の開口を有するバンクを形成する工程と、
前記バンクの第２の開口内に前記受光素子の受光層を形成する工程と、
前記バンクの第１の開口内に前記発光素子の発光層を形成する工程と、
前記発光層、前記受光層、及び前記バンク上に前記発光素子及び前記受光素子で共通のの上部電極層を同時に形成する工程と、
を含むことを特徴とする光電変換装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【公開番号】特開２０１３−７３９６５（Ｐ２０１３−７３９６５Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０９８４８（Ｐ２０１１−２０９８４８）
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２６日（２０１１．９．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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