結晶セレン薄膜を用いた光電変換の研究

光導電効果は1873年にW. Smith がセレンを用いて発見しました[1]。その後、1883年にアメリカの発明家のCharles Frittsがセレンを半透明な薄い金箔でサンドイッチした構造を用いて世界初の固体光電池を開発しています。結晶セレンは可視光での光吸収係数が従来Siの約100倍と極めて高いことが特徴です。室内照明環境下での光電変換効率の理論限界は単接合の素子では最大(約60%)になると期待されています。ポリマーフィルムの上にでも製作が可能であり、照明を利用した軽く柔らかい発電素子への応用が期待されます。(立命館大学研究シーズ集リンク)また、比較的低い外部電圧(約3V)の印加時に電子なだれ増倍現象(アバランシェ効果)が起こり高い光信号電流が得られることからイメージセンサ用高感度フォトダイオード(以降PD)の有望な材料と考えられており、次世代ハイビジョン用イメージセンサ材料としても期待されています[2, 3]。

本研究室では結晶セレン薄膜を用いた小型で高効率な光電変換素子を実現するための微細加工および薄膜物性の研究に取り組んでいます。本研究室では光強度や波長分布のセンシング応用のために有用となる光センサの小型化およびアレイ化に取り組んでいます[4, 5]。比較的低温 (約200 ℃) で蒸着成膜できることから、異種基板や信号処理チップ上への集積化への応用も期待されます。本研究は文部科学省 科学研究費 基盤研究(C) 18K04914による助成を受けております。ここに謝意を表します。

 

参考文献

[1] W. Smith, “Effect of Light on Selenium during the passage of an Electric Current”  Nature(1873)

[2]   T. Nakada et al.,: “Integrated selenium color sensor and its application to a color recognition system”, Sens. and Act. A, Vol. 40, pp. 117-119 (1994)

[3]   S. Imura et al., : “High-sensitivity image sensors overlaid with thin-film gallium oxide/crystalline selenium heterojunction photodiodes”, IEEE Trans. Electron Devices., Vol.63, No.1, pp.86-91 (2016)

 

本研究のこれまでの成果 (論文誌と学会発表)

[4] 足立悠輔,小林大造,” 結晶Se薄膜マイクロフォトダイオードを用いたフィルム型フレキシブル光センサの作製とその応用”, 電気学会論文誌E 140 (12) , pp.363-368, (2020)

[5] 足立悠輔,小林大造,”結晶セレン薄膜を用いたマイクロ可視光センサのためのパターニング技術の開発”,電気学会論文誌E, Vol. 139, Issue 4, pp. 75-80, (2019)

[6] T. Kobayashi, " Interface Engineering of Chalcogen and Chalcogenide Thin Films for Photovoltaic Applications", International Conference on Electronics, Instrumentation and Devices (ICEID) 2021 (2021. 6), Keynote talk 

[7] T. Kobayashi “Se/Ga2O3 Thin Film Micro-photodiodes for Flexible Color Sensor", Virtual IEEE-NEMS2020 (2020. 9), Invited talk  

[8] Y. Adachi and T. Kobayashi “Tiny, Light-weight and Flexible Color Sensor by Combination of Se/Ga2O3 Photodiode Array and Fluidic-Printed RGB Filters", Proc. of Transducers 2019 (2019. 6)

[9] 足立 悠輔, 小林 大造,”薄膜 Seフォトダイオードのパターニングのための Te下地層の検討”, 日本機械学会2021年度年次大会, 2021年9月7日

[10]  川岸稜也, 足立悠輔, 小林大造, "TiO2 窓層の結晶構造制御による結晶Se薄膜光電変換素子の高効率化", 電気学会全国大会 2021年3月10日

[11]  道垣内公介, 足立悠輔, 小林大造, "毛細管効果により形成したカラーフィルタをフォトダイオードに一体化したカラーセンサ", 電気学会全国大会 2021年3月10日

[12] 足立悠輔,小林大造,”結晶Se薄膜マイクロフォトダイオードを用いたフィルム型フレキシブル光センサの作製とその応用”,第36回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム,2019年11月19日

[13] 足立悠輔,小林大造,”結晶Seを用いたヘテロ接合フォトダイオードの光応答性へのデバイス作製条件の影響”,電気学会全国大会,2018年3月15日

[14] 足立悠輔,小林大造,”結晶セレン薄膜を用いたマイクロ可視光センサのための微細加工技術の開発”,第35回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム,2018年10月30日