光电转换元件材料、光电转换元件材料的制造方法以及分散有半导体纳米粒子的油墨技术

本发明专利技术涉及由基材和形成在所述基材上的由半导体膜构成的光接收层构成的光电转换元件材料。形成该光接收层的半导体膜由Ag2‑

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】光电转换元件材料、光电转换元件材料的制造方法以及分散有半导体纳米粒子的油墨


[0001]本专利技术涉及用于光传感器等的光电转换元件材料。特别涉及在基材上具备由预定的金属硫族化合物构成的光接收层的光电转换元件材料。另外，本专利技术涉及适用于形成光电转换元件材料的光接收层的分散有半导体纳米粒子的油墨。

技术介绍

[0002]作为搭载在太阳能电池、光传感器、发光器件(LED)等各种光半导体器件上的光电转换元件或发光元件的构成材料，期待利用被称为量子点(QD：Quantum Dot)的半导体纳米粒子。半导体通过成为纳米级的微小粒子而表现出量子限制效应，显示出与粒径对应的带隙。因此，通过控制半导体纳米粒子的组成和粒径来调节带隙，可以任意地设定发光波长和吸收波长。
[0003]半导体纳米粒子可以有助于具备光电转换元件作为光接收元件的半导体器件的小型化/薄型化。例如，传统上搭载在摄像机/移动电话照相机等上的CMOS图像传感器的光电转换部使用硅光电二极管。在该CMOS图像传感器中，为了传感器驱动所需的光吸收，要求形成一定厚度(2～3μm)的硅薄膜。另一方面，半导体纳米粒子具有高量子效率而也具有吸光系数高的特性。由此，CMOS图像中心的光接收元件的厚度可以设为比现有技术薄(小于1μm)。
[0004]并且，能够调节发光/吸收波长之类的半导体纳米粒子的特征在于，可以将以现有的半导体材料难以对应的波长区域的光为对象的光电转换元件的开发作为起点。特别是最近，要求开发对于近红外区域的光具有应答性的光电转换元件。作为利用近红外光的光电转换元件，可以列举出适用于LIDAR(Light Detection and Ranging：光探测和测距)或近红外线(SWIR)图像传感器的光接收元件。LIDAR是指汽车自动驾驶/无人机/船舶等的遥感系统。LIDAR是通过对对象物照射激光并用光接收元件感知其反射光而检测与对象物的距离/角度的测定系统。LIDAR可以认为是近年来自动驾驶技术发展中的重要设备。另外，SWIR图像传感器也是被预测今后在食品检查、农业领域、无人机等领域中需求提高的设备。
[0005]上述示例的LIDAR或SWIR图像传感器等光电转换元件对于近红外区域的光要求良好的应答特性。在这一点上，现有的半导体材料难以满足该要求。在上述的CMOS图像传感器中使用的硅难以从其带隙值对应于近红外光。因此，从对该近红外光的对应的观点来看，也期待半导体纳米粒子的有效性。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1：日本特开2020
‑
40847号公报
[0009]专利文献2：日本特开2020
‑
15802号公报

技术实现思路

[0010]专利技术所要解决的课题
[0011]目前，对于近红外区域的光具有应答性的半导体纳米粒子的报告例并不多。即使半导体纳米粒子能够通过粒径控制来调节带隙，其可调节的范围也以构成纳米粒子的半导体材料的带隙为基准。这里，基于光子能量方程(E＝hc/λ(h：普朗克常数、c：光速度、λ：波长))，为了获得近红外光区域(波长区域为700nm～2500nm)的应答性，半导体纳米粒子的带隙需要为约1.77eV以下。但是，这种低带隙的半导体材料并不多。
[0012]作为构成半导体纳米粒子的半导体材料，已知有属于过渡金属的1种或2种金属(Pb、Cd等)与除去氧的硫族元素(S、Se、Te等)的2元系或3元系化合物即金属硫族化合物(metal chalcogenide)。特别是，在成为半导体纳米粒子时，作为对于近红外光具有应答性并谋求实用化的金属硫族化合物，已知有PbS。但是，由于PbS含有Pb，因此由于最近的环境问题等而难以认为是合适的半导体材料。因此，需要研究满足该要求的半导体材料的构成/组成。
[0013]并且，即使发现了对于近红外光具有应答特性的金属硫族化合物并能够制造该半导体纳米粒子，也需要进一步研究具有实用性的具有高光应答特性的元件材料的形成。作为用于将半导体纳米粒子应用于光电转换元件等的方式，通过将半导体纳米粒子分散在适当的分散介质中以作为油墨(分散液)，并将其涂布在基材上而形成作为光接收层的半导体薄膜。为了提高光电转换元件对于近红外光的应答特性，半导体纳米粒子的特性也是重要的，但是如上所述成为半导体薄膜时的特性更为重要。
[0014]本专利技术是鉴于上述背景而完成的，其目的在于提出由在近红外区域具有光吸收性的金属硫族化合物构成的半导体纳米粒子，提供具备由该半导体纳米粒子形成的半导体薄膜构成的光应答性优异的光接收层的光电转换元件材料。并且，还明确了包含上述半导体纳米粒子的油墨和使用该油墨制造优选构成的半导体薄膜的方法。
[0015]用于解决课题的手段
[0016]为了解决上述课题，本专利技术人首先对具有适当的带隙、作为半导体纳米粒子时能够发挥近红外线区域中的应答性的金属硫族化合物的组成进行了研究。然后，本专利技术人着眼于作为Ag系硫族化合物的AgBiS2和Ag2S。这些Ag系硫族化合物的带隙在体态(bulk state)下为1eV以下，因此认为通过将它们作为半导体纳米粒子，可以发挥近红外线光的应答性。
[0017]因此，本专利技术人确认了AgBiS2和Ag2S各自的半导体纳米粒子的近红外线光的吸收性，并且确认了可以使这些半导体纳米粒子在适当状态下成为油墨、进而形成作为光接收层的半导体薄膜。并且，基于这些研究，本专利技术人对于由半导体纳米粒子形成的AgBiS2薄膜和Ag2S薄膜进行了提高对近红外线光的应答性的薄膜的构成和研究，从而想到了本专利技术。
[0018]解决上述课题的本专利技术是光电转换元件材料，特征在于，在由基材和形成在所述基材上的由半导体膜构成的光接收层构成的光电转换元件材料中，所述半导体膜由Ag2‑
x
Bi
x
S
x+1
(x为0或1的整数)构成，所述半导体膜的微晶直径为10nm以上25nm以下。
[0019]以下，对具备由本专利技术涉及的金属硫族化合物薄膜构成的光接收层的光电转换元件材料的构成及其制造方法进行说明。如上所述，本专利技术涉及的光电转换元件材料以基材和基材上的光接收层作为基本构成。
[0020]A本专利技术涉及的光电转换元件材料的构成
[0021]A
‑
1基材
[0022]基材是用于支持由金属硫族化合物的半导体膜构成的光接收层的部件。只要是能够实现该目的的材质即可，基材可以是任何材质。作为基材的材质，例如可以示例出玻璃、石英、硅、陶瓷或金属等。另外，对基材的形状和尺寸没有特别地限定。
[0023]A
‑
2光接收层
[0024](a)光接收层的组成
[0025]构成本专利技术涉及的光电转换元件材料的光接收层的半导体膜是由Ag系的金属硫族化合物即Ag2‑
x
Bi
x
S
x+1
(x为0或1)、即AgBiS2或Ag2S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种光电转换元件材料，特征在于，在由基材和形成在所述基材上的由半导体膜构成的光接收层构成的光电转换元件材料中，所述半导体膜由Ag2‑
x
Bi
x
S
x+1
(x为0或1的整数)构成，所述半导体膜的微晶直径为10nm以上40nm以下。2.根据权利要求1所述的光电转换元件材料，其中，所述半导体膜的微晶直径为10nm以上25nm以下。3.根据权利要求1或权利要求2所述的光电转换元件材料，其中，所述半导体膜的表面粗糙度为2nm以上15nm以下。4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的光电转换元件材料，其对于波长为700nm以上1200nm以下的光具有应答性。5.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：佐藤弘规，大岛优辅，仲泽达也，金亨俊，金东昡，
申请(专利权)人：延世大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：