Practical development of ZnSe-based organic-inorganic hybrid UV-APD array

• Project/Area Number: 18K04284
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 21060:Electron device and electronic equipment-related
• Research Institution: Tottori University
• Principal Investigator: ABE Tomoki 鳥取大学, 工学研究科, 准教授 (20294340)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 市野 邦男 鳥取大学, 工学研究科, 教授 (90263483)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: ZnSe / 紫外アバランシェフォトダイオード / 有機－無機ハイブリッド / アバランシェフォトダイオード / 紫外線 / APD / 有機-無機ハイブリッド / 有機-無機ハイブリッド構造

Outline of Final Research Achievements

The purpose of this study is development of an integration process for ZnSe-based organic-inorganic hybrid APDs, and realization of a highly sensitive practical integrated ultraviolet photodetector.
First, we formed a PEDOT:PSS window layer by photolithography and succeeded in obtaining dark current characteristics equivalent to those of the conventional inkjet method. In addition, the external quantum efficiency, sensitivity, and multiplication factor were all superior to those of the conventional method.
Next, a uniform electrode formation method was established by providing Ti/Au external electrodes on the surface of the PEDOT: PSS window layer, and a 15-element APD array was prototyped. As a result, the failure rate caused by poor dark current was reduced and the yield rate was improved to 70% or more.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では，フォトリソグラフィによる有機窓層の形成により，APDを集積することが可能となり，従来の光電子増倍管やAPDでは成し得なかったAPDの集積化が実現可能になることを示した。また，外部電極形成によりAPDアレイの歩留り率が向上することから，実用化の可能性を示した。本APD集積化技術により，高感度・高速ラインスキャンが可能な1次元APDアレイ，微弱光撮像デバイス等の実現が期待される。また，本研究による紫外線光波帯高感度集積型APDが実用化されれば，医療分野のみならず，天文分野，科学計測分野，次世代光ディスク，火炎センサーなど多様な分野にわたり貢献できるものと考えられる。

Research Products

• [Journal Article] High-Gain Ultraviolet Avalanche Photodiodes Using a ZnSe-Based Organic-Inorganic Hybrid Structure (2020)
  • Author(s): Ichikawa Yuki、Tanaka Keita、Nakagawa Kazuki、Fujii Yuta、Yoshida Kentaro、Nakamura Kaiki、Miyazaki Ryuichi、Abe Tomoki、Kasada Hirofumi、Ichino Kunio、Akaiwa Kazuaki
  • Journal Title: Journal of Electronic Materials Volume: - Issue: 8 Pages: 4589-4593
  • DOI: 10.1007/s11664-020-07970-w
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Degradation and Its Control of Ultraviolet Avalanche Photodiodes Using PEDOT:PSS/ZnSSe Organic?Inorganic Hybrid Structure (2018)
  • Author(s): Abe Tomoki、Uchida Shigeto、Tanaka Keita、Fujisawa Takanobu、Kasada Hirofumi、Ando Koshi、Akaiwa Kazuaki、Ichino Kunio
  • Journal Title: Journal of Electronic Materials Volume: 47 Issue: 8 Pages: 4385-4387
  • DOI: 10.1007/s11664-018-6365-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular Beam Epitaxy and p-type Doping of ZnMgSTe Quaternary Alloys (2018)
  • Author(s): Ichino K.、Sahashi K.、Nanba N.、Nakashima T.、Tomita Y.、Akaiwa K.、Abe T.
  • Journal Title: Journal of Electronic Materials Volume: 47 Issue: 8 Pages: 4321-4324
  • DOI: 10.1007/s11664-018-6240-7
  • Peer Reviewed
• [Presentation] ZnSe系有機-無機ハイブリッド型紫外APDの集積化 (2020)
  • Author(s): 藤井祐太，市川悠喜，中村海輝，中川和樹，吉田健太郎，宮崎竜一，辻裕哉，山本隼平，阿部友紀，市野邦男，赤岩和明
  • Organizer: 2020年第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ZeSe系有機-無機ハイブリッド型紫外 APDの特性評価 (2020)
  • Author(s): 宮崎竜一, 中川和樹, 吉田健 太郎, 市川悠喜, 藤井祐太, 中村 海輝, 山本隼平, 辻裕哉, 阿部友 紀, 赤岩和明, 市野邦男
  • Organizer: 2020年度応用物理・物理系学会中国四国支部合同学術講演会
• [Presentation] ZnSe系有機-無機ハイブリッド型紫外 APDの集積化 (2020)
  • Author(s): 中村海輝, 市川悠喜, 藤井祐 太, 中川和樹, 吉田健太郎, 宮崎 竜一, 辻裕哉, 山本隼平, 阿部友 紀, 赤岩和明, 市野邦男
  • Organizer: 2020年度応用物理・物理系学会中国四国支部合同学術講演会
• [Presentation] High gain ultraviolet avalanche photodiodes using ZnSe based organic-inorganic hybrid structure (2019)
  • Author(s): Ichikawa Yuki、Tanaka Keita、Nakagawa Kazuki、Fujii Yuta、Yoshida Kentaro、Nakamura Kaiki、Miyazaki Ryuichi、Abe Tomoki、Kasada Hirofumi、Ichino Kunio、Akaiwa Kazuaki
  • Organizer: 19th International Conference on II-IV Compounds and Related Materials, Zhengzhou, China, Oct. 27-31, 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 高利得ZnSe系有機－無機ハイブリッド型紫外アバランシェフォトダイオードの開発 (2019)
  • Author(s): 吉田 健太郎，田中 圭汰，中川 和樹，市川 悠喜，藤井 祐太，宮崎竜一，中村海輝，阿部 友紀，笠田 洋文, 市野 邦男，赤岩 和明
  • Organizer: 応用物理・物理系学会 中国四国支部 合同学術講演会
• [Presentation] 高利得ZnSe系有機ー無機ハイブリッド紫外アバランシェ・フォトダイオードの開発 (2019)
  • Author(s): 市川 悠喜，田中 圭汰，藤井 裕太，河原 拓朗，中川 和樹，吉田 健太郎，阿部 友紀，笠田 洋文，安東 孝止，市野 邦男，赤岩 和明
  • Organizer: 第66回春季応用物理学会学術講演会
• [Presentation] 有機ー無機ハイブリッド構造ZnSe系紫外集積型APDの開発 ~窓層形成プロセスの最適化~ (2018)
  • Author(s): 市川 悠喜，田中 圭汰，藤井 裕太，河原 拓朗，中川 和樹，吉田 健太郎，阿部 友紀，笠田 洋文，安東 孝止，市野 邦男，赤岩 和明
  • Organizer: 第79回秋季応用物理学会学術講演会
• [Presentation] Development of high gain ZnSe-based organic-inorganic hybrid ultraviolet avalanche photodiodes (2018)
  • Author(s): K. Nakagawa, T. Kawahara, K. Tanaka, Y. Ichikawa, K.Yoshida, Y.Fujii, T. Abe, H. Kasada, K. Ando, K. Ichino, and K. Akaiwa
  • Organizer: 第38回電子材料シンポジウム