2015 Fiscal Year Research-status Report
ZnSe系有機－無機ハイブリッド型紫外線光波帯集積APDの開発
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15K04665
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| Research Institution | Tottori University |
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Principal Investigator |
阿部 友紀 鳥取大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20294340)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
市野 邦男 鳥取大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90263483)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 紫外線アバランシェフォトダイオード / 有機-無機ハイブリッド / ZnSe |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，近年注目されている紫外線の光検出器，特に医療用に必要な微弱紫外線検出用のアバランシェ・フォトダイオード(APD)の集積化を目指すものである。新世代の医療用高速PETシステムとして，紫外線変換型の高速シンチレータを用いた方式が期待されており，紫外線専用の集積型APDが必須となるが，まだ実用化されていない。
そこで，ZnSe系有機-無機ハイブリッド型APDにより紫外線APDのもつ感度および暗電流などの課題を打破して，紫外線光波帯で初めての集積型APDを実現し，医療分野のみならず，天文計測，科学計測，次世代光ディスク用などの新たな応用分野の開拓を目指すことを目的として研究を進めた。
平成27年度はAPDの窓層である紫外透明有機導電膜PEDOT:PSSを形成する際に，イソプロピルアルコール，H2Oなどの溶媒で希釈することにより，粘度及び表面張力を最適化してPEDOT:PSSの薄膜化を図った。その結果，最大量子効率90%以上，250～400nmの紫外域における量子効率70%以上を達成した。
また，単一APD素子の低暗電流化・安定動作化においては，MBE成長条件の最適化により低暗電流化を達成した。本年度新たにアバランシェ降伏領域における電流通電時の素子劣化を観測し，Ag電極またはPEDOT:PSSとZnSSe層の間の密着性に問題があることが分かり，PEDOT:PSS形成プロセスの見直しを図った。そして，2素子APDアレイを作製し，PEDOT:PSS窓層間のギャップ0.14mmにおいて光電流のクロストーク-42dBを達成した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
APD窓層をインクジェット法により形成する際，イソプロピルアルコールおよびH2O希釈により，粘度及び表面張力を最適化してPEDOT:PSSの薄膜化を実現した。その結果，当初の計画通り，最大量子効率90%以上，250～400nmの紫外域における量子効率70%以上を達成したから。
本年度新たにアバランシェ降伏領域における電流通電時の素子劣化を観測し，Ag電極またはPEDOT:PSSとZnSSe層の間の密着性に問題があることが分かり，PEDOT:PSS形成プロセスの見直しを図った。そして，2素子APDアレイを作製し，PEDOT:PSS窓層間のギャップ0.14mmにおいて光電流のクロストーク-42dBを達成したから。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成28年度からは，本研究の最終目標である集積型APD実現の第2段階に入る。
現在，図5に示すように窓層のパターニングのみで3素子のAPDアレイを試作しており，APD動作状態においてレーザ光でトレースして，3素子から独立した光電流を取り出すことに成功している。従って，インクジェット法ではメサエッチを必要とせずに素子間分離が可能となり，活性層にまったくダメージを与えることなく集積型APD素子を実現し得る可能性が十分にある。本集積型APD素子の特徴であるプレーナー型構造を利用して，高感度・高速ラインスキャンが可能な1次元APDアレイや，高感度撮像素子に用いられる2次元APDアレイの実現を目指す。その際，絶縁性であるパッシベーション膜の上に，インクジェット法でAg配線をパターニングして外部端子に接続する。
集積化に伴い，暗電流の増加や隣接素子間のクロストークなどが予想される。従って，本研究では集積型APDの実用化を阻害するこれらの影響を排除する。そのために，初年度で得られたパッシベーション技術を用いて，素子間分離なしの集積型APD構造の最適化を図る。またPEDOT:PSS窓層の素子間距離などの最適化を図り，実用に供し得る集積型APDを実現する。
また，集積型APDを実現するためには，素子面内に流れる暗電流を徹底的に低減する必要がある。暗電流やクロストークを低減するには，活性層の高抵抗化（残留キャリア濃度10^13cm^-3以下：現在より1桁減）が必要である。そのために，欠損が生成しやすいSeの供給源にバルブド・クラッカーセルを導入したので，ZnSSe活性層の成長条件を最適化する。また，窒素アクセプタをわずかにドーピングして残留ドナーを補償して，徹底的な高抵抗化を図る。以上の手法により，素子サイズ数100μm□，素子間ギャップ100μm以下を目標として集積型APDの最適化を進める。
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