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

摘要

結晶セレン（以降Seとする）は極めて高い光吸収係数を有していること、および可視光波長の吸収にマッチングの良いバンドギャップ（1.8 eV)を持つp型半導体であることから可視光センサのための薄膜光吸収層として有望な材料である。Seとのバンドアライメントが適切なn型半導体薄膜と組み合わせることで蒸着やスパッタといった薄膜成長技術を用いて簡便に光センサを作製できる(1)。また、比較的低いバイアス電圧（?3V程度）の印加により、アバランシェ効果が得られ、光電流のなだれ増倍が起こる。このことから、高感度な薄膜光センサの実現が期待できる。これまでに、結晶Seと酸化チタンのヘテロ接合を用いたカラーセンサの作製が中田らにより報告されている(1)。また、為村らは、結晶 Se を用いたフォトダイオード（PD）を信号処理回路上へ直接集積化したイメージセンサを報告しており、暗電流の低減に成功している(2)。薄膜センサをポリマーフィルムに形成したフレキシブルセンサは、薄く軽量であり、形状の自由度が高いため、マイクロデバイスの可動部や非平滑面への搭載といった幅広い応用が期待できる(3)。一方で、結晶Seは結晶中の格子欠陥によって、キャリア濃度などの電子物性が変化する欠陥制御型の半導体である。結晶Se蒸着以降のプロセスで生じるプラズマ粒子の衝突や加熱などは結晶 Se の欠陥に影響を与え半導体物性を損なう可能性がある。本研究では結晶Se薄膜光センサをポリマーフィルム上に形成したフレキシブル光センサについて報告する。これまで半導体微細加工技術により結晶Se薄膜PDをパターニングした応用デバイスの報告はほとhどない。以前報告したSe薄膜PDのパターニングプロセスをもとに(4)、総厚1 μm以下のSe薄膜PDを25 μm厚の透明ポリイミドフィルム基板上（以降PI，TORMED?,株式会社I.S.T, Japan）にパターニングした。フレキシブル光センサの受光素子には、200°C以下の低温プロセスで作製できるp-Se/ n-Ga_2O_3ヘテロpn接合による薄膜PD（図１）を採用した。これにより総厚26 μm厚の極めて薄く、曲げ可能な光センサを実現した。本稿では作製したフィルム型フレキシブル光センサの作製とその応用について述べる。