弱い光を高感度に検出するために、光により生成した電子（電流）を増幅するアバランシェフォトダイオードや光電子増倍管が一般に用いられている。材料としてはSiやGaAsなどの無機半導体が用いられており、光電流増幅現象を促すためには高い電圧(～数百V)が必要となる。高電圧印加は環境や装置への負荷が大きいだけでなく、ノイズを増大させるなどセンサー性能を悪化させる原因となる。本研究では、高感度・高効率な光検出を低電圧駆動で実現可能な、有機-無機界面で光電流増幅を促す新しい光センサーを開発した。

光電流増幅機能を持つ超高感度光センサーの開発：酸化チタン(TiO₂)多孔膜表面にペロブスカイトナノ粒子(CH₃NH₃PbI₃)とEu錯体薄膜からなる受光層を形成

• →可視光（400~800nm）に対し、光電流増幅率2900倍、受光感度1000A/Wを達成。駆動電圧は乾電池レベルの1V以下。

【発明のポイント】

• 薄膜界面を利用した光電流増幅：
• 1. 光吸収（受光）層である有機ペロブスカイト（CH₃NH₃PbI₃）が可視光を効率よく吸収し、キャリア（電子およびホール）を形成
• 2. 形成したホールがTiO₂およびEu膜界面に蓄積され、薄膜層に電界が集中
• 3. 外部電極（Ag）から電子が注入され（トンネル電流）光電流が増幅
• 低電圧駆動：
• 5nm以下の薄膜層で電流増幅が生じるため、高い電圧が不要
• 低い暗電流：
• 暗時では、金属錯体の有機配位子とEu酸化物層がブロッキング層として機能し、電流を10^-8 A/cm²まで抑制（高いS/N比）

• ①微弱な光を明るく検出可能、ダイナミックレンジも広い（1uW/cm²から10 mW/cm²の光に応答）
• ⇒月光程度の光も感知！弱い光環境下で感度が要求される防犯カメラ、暗視カメラのセンサ素子としても利用可能
• ②低い駆動電圧、低いノイズ（低暗電流）
• ⇒高電圧回路が不要で素子、装置の簡便化、小型化が期待！ロボット用の視覚センサー、IoT機器（携帯、スマホなど）のセンサーなどへの応用
• ③光吸収層の選択により、受光波長は紫外から近赤外領域まで拡張可能
• ⇒あらゆる光に対応可能！衛星用光学センサーから小型のサーモメータ-非接触体温計など幅広く応用可能

発明の名称：光電変換素子、光電変換装置、光電変換素子前駆体、光の検出方法、および光電変換素子の製造方法
国際公開番号：WO2020/162317
登録番号：特許第7356157号(367KB)