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JP2005311329A - 光電変換素子及び撮像素子 - Google Patents

光電変換素子及び撮像素子 Download PDF

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JP2005311329A
JP2005311329A JP2005081555A JP2005081555A JP2005311329A JP 2005311329 A JP2005311329 A JP 2005311329A JP 2005081555 A JP2005081555 A JP 2005081555A JP 2005081555 A JP2005081555 A JP 2005081555A JP 2005311329 A JP2005311329 A JP 2005311329A
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JP
Japan
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photoelectric conversion
group
transporting property
organic material
electron transporting
Prior art date
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Application number
JP2005081555A
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English (en)
Inventor
Yasushi Araki
康 荒木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujifilm Holdings Corp
Original Assignee
Fuji Photo Film Co Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】積層が容易で量子効率が高い光電変換素子を提供する。
【解決手段】
少なくとも一つの電子輸送性を有する有機材料と少なくとも一つのホール輸送性を持つ材料を有する光電変換素子において、該電子輸送性を有する有機材料のイオン化ポテンシャルが5.5eVよりも大きい光電変換素子。
【選択図】 図1

Description

本発明は、光電変換素子及び撮像素子に関する。
光を電気信号に変換する光電変換素子は撮像素子の基本素子として非常に重要な役割を持ち、撮像素子の特性を大きく左右する。撮像素子はデジタルカメラや携帯電話の普及に伴い活発に研究開発が行われ、非常に高性能化したが、光電変換素子をSiウェハー内に持つ従来の撮像素子は、基板内に全ての素子を作成する理由から受光面の面積は限られてしまい、光利用効率が悪い。そのため、光利用効率の高い受光部の開発が望まれていた。光利用効率の高い撮像素子の構造として、特開昭58−103165号公報に挙げられている構造が考えられる。このように信号伝達基板上の上に光電変換素子を設けることで光利用効率は向上するが、実用にかなう高性能特性をもつ光電変換素子を作成することが非常に困難であった
特開昭58−103165号公報
本発明の目的は、積層が容易で量子効率が高い光電変換素子と画素数が多く光利用効率が高い撮像素子を開発することにある。
本発明の目的は、以下の手段で達成された。
(1)少なくとも一つの電子輸送性を有する有機材料と少なくとも一つのホール輸送性を持つ材料を有する光電変換素子において、該電子輸送性を有する有機材料のイオン化ポテンシャルが5.5eVよりも大きいことを特徴とする光電変換素子。
(2)少なくとも一つの電子輸送性を有する有機材料と少なくとも一つのホール輸送性を持つ材料を有する光電変換素子において、該電子輸送性を有する有機材料のイオン化ポテンシャルが該ホール輸送性を持つ材料の最も高い準位にある電子を真空無限遠点まで取り出すのに必要なエネルギーよりも大きいことを特徴とする光電変換素子。
(3) 該ホール輸送性を持つ材料が、ホール輸送性を持つ有機材料であり、該真空無限遠点まで取り出すのに必要なエネルギーがイオン化ポテンシャルであることを特徴とする(2)に記載の光電変換素子。
(4)該電子輸送性を有する有機材料のイオン化ポテンシャルが6.0eVよりも大きいことを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の光電変換素子。
(5)該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(I)で表される化合物であることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の光電変換素子。
Figure 2005311329
(式中、Aは二つ以上の芳香族ヘテロ環が縮合したヘテロ環基を表し、Aで表されるヘテロ環基は同一または異なってもよい。mは2以上の整数を表す。Lは連結基を表す。)
(6)該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(II)で表される化合物であることを特徴とする(1)〜(5)のいずれかに記載の光電変換素子。
Figure 2005311329
(式中、Bは二つ以上の5員環および/または6員環の芳香族ヘテロ環が縮合したヘテロ環基を表し、Bで表されるヘテロ環基は同一または異なってもよい。mは2以上の整数を表す。Lは連結基を表す。)
(7)該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(III)で表される化合物であること
を特徴とする(1)〜(6)のいずれかに記載の光電変換素子。
Figure 2005311329
(式中、XはO、S、Se、TeまたはN−Rを表す。Rは水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。Q3は芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。mは2以上の整数を表す。Lは連結基を表す。)
(8)該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(IV)で表される化合物であることを特徴とする(1)〜(7)のいずれかに記載の光電変換素子。
Figure 2005311329
(式中、XはO、S、Se、TeまたはN−Rを表す。Rは水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。Q4は含窒素芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。mは2以上の整数を表す。Lは連結基を表す。)
(9)該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(V)で表される化合物であることを特徴とする(1)〜(8)のいずれかに記載の光電変換素子。
Figure 2005311329
(式中、X5はO、SまたはN−Rを表す。Rは水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。Q5は6員の含窒素芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。mは2以上の整数を表す。Lは連結基を表す。)
(10)該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(VI)で表される化合物であることを特徴とする(1)〜(9)のいずれかに記載の光電変換素子。
Figure 2005311329
(式中、X6はO、SまたはN−Rを表す。Rは水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。Q6は6員の含窒素芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。nは2ないし8の整数を表す。Lは連結基を表す。)
(11)該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(VII)で表される化合物であることを特徴とする(1)〜(10)のいずれかに記載の光電変換素子。
Figure 2005311329
(式中、Rは水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。Q7は6員の含窒素芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。nは2ないし8の整数を表す。Lは連結基を表す。)
(12)該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(VIII)で表される化合物であることを特徴とする(1)〜(11)のいずれかに記載の光電変換素子。
Figure 2005311329
(式中、Q81、Q82およびはQ83は、それぞれ6員の含窒素芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。R81、R82およびR83は、それぞれ水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。L1 、L2 およびL3は、それぞれ連結基を表す。Yは窒素原子または1,3,5−ベンゼントリイル基を表す。)
(13)該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(IX)で表されることを特徴とする(1)〜(12)のいずれかに記載の光電変換素子。
Figure 2005311329
(式中、Q91、Q92およびはQ93は、それぞれ6員の含窒素芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。R91、R92およびR93は、それぞれ水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。)
(14)該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(X)で表されることを特徴とする(1)〜(13)のいずれかに記載の光電変換素子。
Figure 2005311329
(式中、R101 、R102 およびR103 は、それぞれ水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。R104 、R105 およびR106 は、それぞれ置換基を表す。p1 、p2 およびp3 は、それぞれ0ないし3の整数を表す。p1 、p2 およびp3が2以上のときは R104 、R105 およびR106 は、それぞれが同じであっても異なっていてもよい。)
(15)該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(XI)で表される化合物であることを特徴とする(1)〜(6)のいずれかに記載の光電変換素子。
Figure 2005311329
(式中、Q3 は芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。R11は水素原子または置換基を表す。mは2以上の整数を表す。Lは連結基を表す。)
(16) 該電子輸送性を有する有機材料および/またはホール輸送性材料が真空製膜により作成されたことを特徴とする(1)〜(15)のいずれかに記載の光電変換素子。
(17) (1)〜(16)のいずれかに記載の光電変換素子を用いて作成されたことを特徴とする撮像素子。
(18)該光電変換素子が少なくとも一つの光電変換素子を持つSi基板上に作成されたことを特徴とする(17)に記載の撮像素子
(19) (1)〜(16)のいずれかに記載の光電変換素子を基板上に少なくとも二つ積層したことを特徴とする撮像素子。
(20) (1)〜(16)のいずれかに記載の光電変換素子を基板上に少なくとも三つ積層したことを特徴とする撮像素子。
(21) 該少なくとも3つの光電変換素子が青色光電変換素子、緑色光電変換素子、赤色光電変換素子からなることを特徴とする(20)に記載の撮像素子。
本発明により、積層が容易で量子効率が高い光電変換素子が得られ、光電変換素子と画素数が多く光利用効率が高い撮像素子を得ることができた。
本発明の光電変換素子は、少なくとも一つの電子輸送性を有する有機材料と少なくとも一つのホール輸送性を持つ材料を有し、該電子輸送性を有する有機材料のイオン化ポテンシャルが5.5eVよりも大きいことが非常に好ましい。さらに好ましくは5.8eV以上であり、より好ましくは6.0eV以上、より好ましくは、6.2eV以上、より好ましくは6.5eV以上、さらに好ましくは6.8eV以上である。すなわち、イオン化ポテンシャルが大きい方が好ましい。なぜならホールブロック能が向上し、電荷分離効率が高くなるためである。そのため、本発明においては、該電子輸送性を有する有機材料のイオン化ポテンシャルが該ホール輸送性を持つ材料の最も高い準位にある電子を真空無限遠点まで取り出すのに必要なエネルギーよりも大きいことが望ましい。ここで言う、ホール輸送性を持つ材料の最も高い準位にある電子を真空無限遠点まで取り出すのに必要なエネルギーは、有機材料を用いる場合はイオン化ポテンシャル、金属を用いる場合は仕事関数、無機半導体を用いる場合は、価電子帯の最も高い準位としても良い。金属の例としては、例えば、Li、Na、Mg、K、Ca、Rb、Sr、Cs、Ba、Fr、Ra、Sc、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Al、Ga、In、Tl、Si、Ge、Sn、Pb、P、As、Sb、Bi、Se、Te、Po、Br、I、At、B、C、N、F、O、S、Nの中から選ばれる任意の組み合わせで良い。
また、無機半導体の好ましい例では、Si、Geのような単体半導体の他に、III−V族半導体、II−VI族半導体、金属のカルコゲニドに代表されるような化合物半導体またはペロブスカイト構造を有する化合物等を使用することができる。金属のカルコゲニドとしては好ましくはチタン、スズ、亜鉛、鉄、タングステン、ジルコニウム、ハフニウム、ストロンチウム、インジウム、セリウム、イットリウム、ランタン、バナジウム、ニオブ、あるいはタンタルの酸化物、カドミウム、亜鉛、鉛、銀、アンチモン、ビスマスの硫化物、カドミウム、鉛のセレン化物、カドミウムのテルル化物等が挙げられる。他の化合物半導体としては亜鉛、ガリウム、インジウム、カドミウム、等のリン化物、ガリウム砒素、銅−インジウム−セレン化物、銅−インジウム−硫化物等が挙げられる。また、酸化物半導体としては、例えば、TiO2、ZnO、SnO2、Nb25、In23、WO3、ZrO2、La23、Ta25、SrTiO3、BaTiO3等が挙げられるが、これに限定されるわけではない。
本発明におけるホール輸送材料は有機材料や無機半導体であることが非常に好ましいが、特に好ましいのは、有機材料であるため該電子輸送性を有する有機材料のイオン化ポテンシャルが該ホール輸送性を持つ有機材料のイオン化ポテンシャルよりも大きいことが非常に好ましい。このエネルギー差の好ましい例は、0.2eV以上が好ましく、より好ましくは0.4eV、より好ましくは0.6eV以上である。ホール輸送性材料のイオン化ポテンシャルが小さいと、さまざまな電子輸送性有機材料を用いることができるため、イオン化ポテンシャルの小さなホール輸送性材料を用いることが好ましい。
本発明における電子輸送性材料としては、例えばアクセプター性有機半導体(化合物)を好ましく用いることができる。アクセプター性有機半導体(化合物)とは主に電子輸送性有機化合物に代表され、電子を受容しやすい性質がある有機化合物をいう。さらに詳しくは2つの有機化合物を接触させて用いたときに電子親和力の大きい方の有機化合物をいう。したがって、アクセプター性有機化合物は、電子受容性のある有機化合物であればいずれの有機化合物も使用可能である。例えば、縮合芳香族炭素環化合物(ナフタレン誘導体、アントラセン誘導体、フェナントレン誘導体、テトラセン誘導体、ピレン誘導体、ペリレン誘導体、フルオランテン誘導体)、窒素原子、酸素原子、硫黄原子を含有する5ないし7員のヘテロ環化合物(例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、キノリン、キノキサリン、キナゾリン、フタラジン、シンノリン、イソキノリン、プテリジン、アクリジン、フェナジン、フェナントロリン、テトラゾール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、インダゾール、ベンズイミダゾール、ベンゾトリアゾール、ベンゾオキサゾール、ベンゾチアゾール、カルバゾール、プリン、トリアゾロピリダジン、トリアゾロピリミジン、テトラザインデン、オキサジアゾール、イミダゾピリジン、ピラリジン、ピロロピリジン、チアジアゾロピリジン、ジベンズアゼピン、トリベンズアゼピン等)、ポリアリーレン化合物、フルオレン化合物、シクロペンタジエン化合物、シリル化合物、含窒素ヘテロ環化合物を配位子として有する金属錯体などが挙げられる。なお、これに限らず、ドナー性有機化合物として用いた有機化合物よりも電子親和力の大きな有機化合物であればアクセプター性有機半導体として用いてよい。
また、同じホール輸送性材料を用いた場合には、該電子輸送性を有する有機材料のイオン化ポテンシャルが大きい方が好ましい。イオン化ポテンシャルが大きい電子輸送性を有する有機材料のイオン化ポテンシャルが大きい化合物は、無限に存在するわけではなく、特に6.0eV超えてくると非常に少なく、これらの化合物を見出すことは難しい。また、仮にイオン化ポテンシャルの大きな化合物が発見されても、その材料の真空製膜後の膜質や電極との相性が光電変換特性に影響を与えるため、良い光電変換特性を持つ材料を発見するのは極めて難しいのである。しかし本発明において鋭意努力の結果、発見された。その一つの例が、下記の化合物119の構造を有する化合物である。なお、このイオン化ポテンシャルは理研計器社製AC−1表面分析装置を用いて測定した。具体的には、光量を20〜50nW、分析エリア4mmφとした。
Figure 2005311329
さらに驚くことには、AC−1にて測定できないほど、大きなイオン化ポテンシャルを有する化合物が見出され、良い光電変換特性が得られた。それが、後記の化合物21である。このようなイオン化ポテンシャルがAC−1にて測定できない場合は、例えばUPS(紫外線光電子分光法)を用いて測定を行うことができる。
上記化合物119や21における化合物と同様に、大きなイオン化ポテンシャルを持つ化合物群が多数存在し、その中でも良い光電変換特性を有する化合物の特徴としては以下のとおりである。すなわち、本発明においては、下記のような構造を有する化合物群を電子輸送性材料として用いることは大変好ましい。
まず、一般式(I)で表される化合物について説明する。Aは二つ以上の芳香族ヘテロ環が縮合したヘテロ環基を表し、Aで表されるヘテロ環基は同一または異なってもよい。Aで表されるヘテロ環基として好ましくは5員環または6員環の芳香族ヘテロ環が縮合したものであり、より好ましくは2ないし6個、更に好ましくは2ないし3個、特に好ましくは2個の芳香族ヘテロ環が縮合したものである。この場合のヘテロ原子として好ましくは、N、O、S、Se、Te原子であり、より好ましくはN、O、S原子であり、更に好ましくはN原子である。Aで表されるヘテロ環基を構成する芳香族ヘテロ環の具体例としては、例えばフラン、チオフェン、ピラン、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、チアゾール、オキサゾール、イソチアゾール、イソオキサゾール、チアジアゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、セレナゾール、テルラゾールなどが挙げられ、好ましくはイミダゾール、ピラゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、チアゾール、オキサゾールであり、より好ましくはイミダゾール、チアゾール、オキサゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジンである。
Aで表される縮合環の具体例としては、例えばインドリジン、プリン、プテリジン、カルボリン、ピロロイミダゾール、ピロロトリアゾール、ピラゾロイミダゾール、ピラゾロトリアゾール、ピラゾロピリミジン、ピラゾロトリアジン、トリアゾロピリジン、テトラザインデン、イミダゾイミダゾール、イミダゾピリジン、イミダゾピラジン、イミダゾピリミジン、イミダゾピリダジン、オキサゾロピリジン、オキサゾロピラジン、オキサゾロピリミジン、オキサゾロピリダジン、チアゾロピリジン、チアゾロピラジン、チアゾロピリミジン、チアゾロピリダジン、ピリジノピラジン、ピラジノピラジン、ピラジノピリダジン、ナフチリジン、イミダゾトリアジンなどが挙げられ、好ましくはイミダゾピリジン、イミダゾピラジン、イミダゾピリミジン、イミダゾピリダジン、オキサゾロピリジン、オキサゾロピラジン、オキサゾロピリミジン、オキサゾロピリダジン、チアゾロピリジン、チアゾロピラジン、チアゾロピリミジン、チアゾロピリダジン、ピリジノピラジン、ピラジノピラジンであり、更に好ましくはイミダゾピリジン、オキサゾロピリジン、チアゾロピリジン、ピリジノピラジン、ピラジノピラジンであり、特に好ましくはイミダゾピリジンである。
Aで表されるヘテロ環基は更に他の環と縮合してもよく、また置換基を有してもよい。Aで表されるヘテロ環基の置換基としては、例えばアルキル基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜10であり、例えばメチル、エチル、iso−プロピル、tert−ブチル、n−オクチル、n−デシル、n−ヘキサデシル、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシルなどが挙げられる。)、アルケニル基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜10であり、例えばビニル、アリル、2−ブテニル、3−ペンテニルなどが挙げられる。)、アルキニル基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜10であり、例えばプロパルギル、3−ペンチニルなどが挙げられる。)、アリール基(好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12であり、例えばフェニル、p−メチルフェニル、ナフチルなどが挙げられる。)、アミノ基(好ましくは炭素数0〜30、より好ましくは炭素数0〜20、特に好ましくは炭素数0〜10であり、例えばアミノ、メチルアミノ、ジメチルアミノ、ジエチルアミノ、ジベンジルアミノ、ジフェニルアミノ、ジトリルアミノなどが挙げられる。)、アルコキシ基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜10であり、例えばメトキシ、エトキシ、ブトキシ、2−エチルヘキシロキシなどが挙げられる。)、アリールオキシ基(好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12であり、例えばフェニルオキシ、1−ナフチルオキシ、2−ナフチルオキシなどが挙げられる。)、アシル基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数2〜12であり、例えばアセチル、ベンゾイル、ホルミル、ピバロイルなどが挙げられる。)、アルコキシカルボニル基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜12であり、例えばメトキシカルボニル、エトキシカルボニルなどが挙げられる。)、アリールオキシカルボニル基(好ましくは炭素数7〜30、より好ましくは炭素数7〜20、特に好ましくは炭素数7〜12であり、例えばフェニルオキシカルボニルなどが挙げられる。)、アシルオキシ基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜10であり、例えばアセトキシ、ベンゾイルオキシなどが挙げられる。)、アシルアミノ基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜10であり、例えばアセチルアミノ、ベンゾイルアミノなどが挙げられる。)、アルコキシカルボニルアミノ基(好ましくは炭素数2〜30、より好ましくは炭素数2〜20、特に好ましくは炭素数2〜12であり、例えばメトキシカルボニルアミノなどが挙げられる。)、アリールオキシカルボニルアミノ基(好ましくは炭素数7〜30、より好ましくは炭素数7〜20、特に好ましくは炭素数7〜12であり、例えばフェニルオキシカルボニルアミノなどが挙げられる。)、スルホニルアミノ基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えばメタンスルホニルアミノ、ベンゼンスルホニルアミノなどが挙げられる。)、スルファモイル基(好ましくは炭素数0〜30、より好ましくは炭素数0〜20、特に好ましくは炭素数0〜12であり、例えばスルファモイル、メチルスルファモイル、ジメチルスルファモイル、フェニルスルファモイルなどが挙げられる。)、カルバモイル基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えばカルバモイル、メチルカルバモイル、ジエチルカルバモイル、フェニルカルバモイルなどが挙げられる。)、アルキルチオ基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えばメチルチオ、エチルチオなどが挙げられる。)、アリールチオ基(好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12であり、例えばフェニルチオなどが挙げられる。)、スルホニル基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えばメシル、トシルなどが挙げられる。)、スルフィニル基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えばメタンスルフィニル、ベンゼンスルフィニルなどが挙げられる。)、ウレイド基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えばウレイド、メチルウレイド、フェニルウレイドなどが挙げられる。)、リン酸アミド基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜20、特に好ましくは炭素数1〜12であり、例えばジエチルリン酸アミド、フェニルリン酸アミドなどが挙げられる。)、ヒドロキシ基、メルカプト基、ハロゲン原子(例えばフッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子)、シアノ基、スルホ基、カルボキシル基、ニトロ基、ヒドロキサム酸基、スルフィノ基、ヒドラジノ基、イミノ基、ヘテロ環基(好ましくは炭素数1〜30、より好ましくは炭素数1〜12であり、ヘテロ原子としては、例えば窒素原子、酸素原子、硫黄原子、具体的には例えばイミダゾリル、ピリジル、キノリル、フリル、チエニル、ピペリジル、モルホリノ、ベンズオキサゾリル、ベンズイミダゾリル、ベンズチアゾリル、カルバゾリル、アゼピニルなどが挙げられる。)、シリル基(好ましくは炭素数3〜40、より好ましくは炭素数3〜30、特に好ましくは炭素数3〜24であり、例えばトリメチルシリル、トリフェニルシリルなどが挙げられる。)などが挙げられる。これらの置換基は更に置換されてもよい。また置換基が二つ以上ある場合は、同じでも異なってもよい。また、可能な場合には連結して環を形成してもよい。
Aで表されるヘテロ環基の置換基として好ましくは、アルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アミノ基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシル基、アルコキシカルボニル基、アリールオキシカルボニル基、アシルオキシ基、アシルアミノ基、アルコキシカルボニルアミノ基、アリールオキシカルボニルアミノ基、スルホニルアミノ基、スルファモイル基、カルバモイル基、アルキルチオ基、アリールチオ基、スルホニル基、ハロゲン原子、シアノ基、ヘテロ環基であり、より好ましくはアルキル基、アルケニル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基、ハロゲン原子、シアノ基、ヘテロ環基であり、更に好ましくはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基、芳香族ヘテロ環基であり、特に好ましくはアルキル基、アリール基、アルコキシ基、芳香族ヘテロ環基である。mは2以上の整数を表し、好ましくは2ないし8、より好ましくは2ないし6、更に好ましくは2ないし4であり、特に好ましくは2または3であり、最も好ましくは3である。Lは連結基を表す。Lで表される連結基として好ましくは、単結合、C、N、O、S、Si、Geなどで形成される連結基であり、より好ましくは単結合、アルキレン、アルケニレン、アルキニレン、アリーレン、二価のヘテロ環(好ましくは芳香族ヘテロ環であり、より好ましくはアゾール、チオフェン、フラン環から形成される芳香族ヘテロ環などである。)およびNとこれらの組合わせから成る基であり、更に好ましくはアリーレン、二価の芳香族ヘテロ環およびNとこれらの組合わせから成る基である。
Lで表される連結基の具体例としては、単結合の他、例えば以下のものが挙げられる。
Figure 2005311329
Figure 2005311329
Figure 2005311329
Figure 2005311329
Lで表される連結基は置換基を有してもよく、置換基としては例えばAで表されるヘテロ環基の置換基として挙げたものが適用できる。Lの置換基として好ましくはアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基、アシル基、ハロゲン原子、シアノ基、ヘテロ環基、シリル基であり、より好ましくはアルキル基、アルケニル基、アルキニル基、アリール基、アルコキシ基、アリールオキシ基、ハロゲン原子、シアノ基、芳香族ヘテロ環基であり、更に好ましくはアルキル基、アリール基、芳香族ヘテロ環基である。
一般式(I)で表される化合物のうち、好ましくは下記一般式(II)で表される化合物である。
Figure 2005311329
式中、m、Lは、それぞれ一般式(I)におけるそれらと同義であり、また好ましい範囲も同様である。Bは二つ以上の5員環および/または6員環の芳香族ヘテロ環が縮合したヘテロ環基を表し、Bで表されるヘテロ環基は同一または異なってもよい。Bで表されるヘテロ環基として好ましくは5員環または6員環の芳香族ヘテロ環が2ないし6個縮合したものであり、更に好ましくは2ないし3個、特に好ましくは2個の芳香族ヘテロ環が縮合したものである。この場合のヘテロ原子として好ましくは、N、O、S、Se、Te原子であり、より好ましくはN、O、S原子であり、更に好ましくはN原子である。Bで表されるヘテロ環基を構成する芳香族ヘテロ環の具体例としては、例えばフラン、チオフェン、ピラン、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、チアゾール、オキサゾール、イソチアゾール、イソオキサゾール、チアジアゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、セレナゾール、テルラゾールなどが挙げられ、好ましくはイミダゾール、ピラゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、チアゾール、オキサゾールであり、より好ましくはイミダゾール、チアゾール、オキサゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジンである。
Bで表される縮合環の具体例としては、例えばインドリジン、プリン、プテリジン、カルボリン、ピロロイミダゾール、ピロロトリアゾール、ピラゾロイミダゾール、ピラゾロトリアゾール、ピラゾロピリミジン、ピラゾロトリアジン、トリアゾロピリジン、テトラザインデン、ピロロイミダゾール、ピロロトリアゾール、イミダゾイミダゾール、イミダゾピリジン、イミダゾピラジン、イミダゾピリミジン、イミダゾピリダジン、オキサゾロピリジン、オキサゾロピラジン、オキサゾロピリミジン、オキサゾロピリダジン、チアゾロピリジン、チアゾロピラジン、チアゾロピリミジン、チアゾロピリダジン、ピリジノピラジン、ピラジノピラジン、ピラジノピリダジン、ナフチリジン、イミダゾトリアジンなどが挙げられ、好ましくはイミダゾピリジン、イミダゾピラジン、イミダゾピリミジン、イミダゾピリダジン、オキサゾロピリジン、オキサゾロピラジン、オキサゾロピリミジン、オキサゾロピリダジン、チアゾロピリジン、チアゾロピラジン、チアゾロピリミジン、チアゾロピリダジン、ピリジノピラジン、ピラジノピラジンであり、更に好ましくはイミダゾピリジン、オキサゾロピリジン、チアゾロピリジン、ピリジノピラジン、ピラジノピラジンであり、特に好ましくはイミダゾピリジンである。Bで表されるヘテロ環基は置換基を有してもよく、置換基としては一般式(I)におけるAで表されるヘテロ環基の置換基として挙げたものが適用でき、また好ましい置換基も同様である。
一般式(I)で表される化合物のうち、より好ましくは下記一般式(III)又は(XI)で表される化合物である。
Figure 2005311329
一般式(III)について説明する。m、Lは、それぞれ一般式(I)におけるそれらと同義であり、また好ましい範囲も同様である。XはO、S、Se、TeまたはN−Rを表す。Rは水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。Q3は芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。Rで表される脂肪族炭化水素基として好ましくは、アルキル基(好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜12、特に好ましくは炭素数1〜8であり、例えばメチル、エチル、iso−プロピル、tert−ブチル、n−オクチル、n−デシル、n−ヘキサデシル、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシルなどが挙げられる。)、アルケニル基(好ましくは炭素数2〜20、より好ましくは炭素数2〜12、特に好ましくは炭素数2〜8であり、例えばビニル、アリル、2−ブテニル、3−ペンテニルなどが挙げられる。)、アルキニル基(好ましくは炭素数2〜20、より好ましくは炭素数2〜12、特に好ましくは炭素数2〜8であり、例えばプロパルギル、3−ペンチニルなどが挙げられる。)であり、より好ましくはアルキル基、アルケニル基である。
Rで表されるアリール基として好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12であり、例えばフェニル、2−メチルフェニル、3−メチルフェニル、4−メチルフェニル、4−メトキシフェニル、3−トリフルオロメチルフェニル、ペンタフルオロフェニル、2−ビフェニリル、3−ビフェニリル、4−ビフェニリル、1−ナフチル、2−ナフチル、1−ピレニルなどが挙げられる。Rで表されるヘテロ環基は、単環または縮環のヘテロ環基(好ましくは炭素数1〜20、好ましくは炭素数1〜12、更に好ましくは炭素数2〜10のヘテロ環基)であり、好ましくは窒素原子、酸素原子、硫黄原子、セレン原子の少なくとも一つを含む芳香族ヘテロ環基である。Rで表されるヘテロ環基の具体例としては、例えばピロリジン、ピペリジン、ピロール、フラン、チオフェン、イミダゾリン、イミダゾール、ベンズイミダゾール、ナフトイミダゾール、チアゾリジン、チアゾール、ベンズチアゾール、ナフトチアゾール、イソチアゾール、オキサゾリン、オキサゾール、ベンズオキサゾール、ナフトオキサゾール、イソオキサゾール、セレナゾール、ベンズセレナゾール、ナフトセレナゾール、ピリジン、キノリン、イソキノリン、インドール、インドレニン、ピラゾール、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、インダゾール、プリン、フタラジン、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン、プテリジン、フェナントリジン、プテリジン、フェナントロリン、テトラザインデンなどが挙げられ、好ましくはフラン、チオフェン、ピリジン、キノリン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、フタラジン、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリンであり、より好ましくはフラン、チオフェン、ピリジン、キノリンであり、特に好ましくはキノリンである。
Rで表される脂肪族炭化水素基、アリール基、ヘテロ環基は置換基を有してもよく、置換基としては一般式(I)におけるAで表されるヘテロ環基の置換基として挙げたものが適用でき、また好ましい置換基も同様である。Rとして好ましくは、アルキル基、アリール基、芳香族ヘテロ環基であり、より好ましくはアリール基、芳香族ヘテロ環基であり、更に好ましくはアリール基、芳香族アゾール基である。
Xとして好ましくはO、S、N−Rであり、より好ましくはO、N−Rであり、更に好ましくはN−Rであり、特に好ましくはN−Ar(Arはアリール基、芳香族アゾール基であり、より好ましくは炭素数6〜30のアリール基、炭素数2〜30の芳香族アゾール基、更に好ましくは炭素数6〜20のアリール基、炭素数2〜16の芳香族アゾール基、特に好ましくは炭素数6〜12のアリール基、炭素数2〜10の芳香族アゾール基である。)である。
3 は芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。Q3 で形成される芳香族ヘテロ環として好ましくは5または6員の芳香族ヘテロ環であり、より好ましくは5または6員の含窒素芳香族ヘテロ環であり、更に好ましくは6員の含窒素芳香族ヘテロ環である。Q3で形成される芳香族ヘテロ環の具体例としては、例えばフラン、チオフェン、ピラン、ピロール、イミダゾール、ピラゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、チアゾール、オキサゾール、イソチアゾール、イソオキサゾール、チアジアゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、セレナゾール、テルラゾールなどが挙げられ、好ましくはピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジンであり、より好ましくはピリジン、ピラジンであり、更に好ましくはピリジンである。Q3で形成される芳香族ヘテロ環は更に他の環と縮合環を形成してもよく、また置換基を有してもよい。置換基としては一般式(I)におけるAで表されるヘテロ環基の置換基として挙げたものが適用でき、また好ましい置換基も同様である。
一般式(III)で表される化合物のうち、更に好ましくは下記一般式(IV)で表される化合物である。
Figure 2005311329
式中、m、Lは、それぞれ一般式(I)におけるそれらと同義であり、また好ましい範囲も同様である。Xは一般式(III)におけるそれと同義であり、また好ましい範囲も同様である。Q4 は含窒素芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。Q4で形成される含窒素芳香族ヘテロ環として好ましくは5または6員の含窒素芳香族ヘテロ環であり、より好ましくは6員の含窒素芳香族ヘテロ環である。Q4で形成される含窒素芳香族ヘテロ環の具体例としては、例えばピロール、イミダゾール、ピラゾール、ピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、チアゾール、オキサゾール、イソチアゾール、イソオキサゾール、チアジアゾール、オキサジアゾール、トリアゾール、セレナゾール、テルラゾールなどが挙げられ、好ましくはピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジンであり、より好ましくはピリジン、ピラジンであり、更に好ましくはピリジンである。Q4で形成される芳香族ヘテロ環は更に他の環と縮合環を形成してもよく、また置換基を有してもよい。置換基としては一般式(I)におけるAで表されるヘテロ環基の置換基として挙げたものが適用でき、また好ましい置換基も同様である。
一般式(III)で表される化合物のうち、更に好ましくは下記一般式(V)で表される化合物である。
Figure 2005311329
式中、m、Lは、それぞれ一般式(I)におけるそれらと同義であり、また好ましい範囲も同様である。X5はO、SまたはN−Rを表す。Rは一般式(III )におけるそれと同義であり、また好ましい範囲も同様である。Q5は6員の含窒素芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。Q5で形成される6員の含窒素芳香族ヘテロ環の具体例としては、例えばピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジンなどが挙げられ、好ましくはピリジン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジンであり、より好ましくはピリジン、ピラジンであり、更に好ましくはピリジンである。Q5で形成される6員の含窒素芳香族ヘテロ環は更に他の環と縮合環を形成してもよく、また置換基を有してもよい。置換基としては一般式(I)におけるAで表されるヘテロ環基の置換基として挙げたものが適用でき、また好ましい置換基も同様である。
一般式(III)で表される化合物のうち、更に好ましくは下記一般式(VI)で表される
化合物である。
Figure 2005311329
式中、Lは一般式(I)におけるそれと同義であり、また好ましい範囲も同様である。X6 は一般式(V)におけるX5 と同義であり、また好ましい範囲も同様である。Q6 は一般式(V)におけるQ5 と同義であり、また好ましい範囲も同様である。nは2ないし8の整数を表し、好ましくは2ないし6、より好ましくは2ないし4であり、更に好ましくは2または3であり、特に好ましくは3である。一般式(III)で表される化合物のうち、更に好ましくは下記一般式(VII)で表される化合物である。
Figure 2005311329
式中、Lは一般式(I)におけるそれと同義であり、また好ましい範囲も同様である。Rは一般式(III)におけるそれと同義であり、また好ましい範囲も同様である。Q7 は一般式(V)におけるQ5 と同義であり、また好ましい範囲も同様である。nは一般式(VI)におけるそれと同義であり、また好ましい範囲も同様である。
一般式(III)で表される化合物のうち、更に好ましくは下記一般式(VIII)で表される化合物である。
Figure 2005311329
式中、R81、R82およびR83は、それぞれ一般式(III)におけるRと同義であり、また好ましい範囲も同様である。Q81、Q82およびQ83は、それぞれ一般式(V)におけるQ5 と同義であり、また好ましい範囲も同様である。L1 、L2およびL3は、それぞれ一般式(I)におけるLと同義である。L1 、L2 、L3 として好ましくは、単結合、アリーレン、二価の芳香族ヘテロ環およびこれらの組合わせから成る連結基であり、より好ましくは単結合、ベンゼン、ナフタレン、アントラセン、ピリジン、ピラジン、チオフェン、フラン、オキサゾール、チアゾール、オキサジアゾール、チアジアゾール、トリアゾールおよびこれらの組合わせから成る連結基であり、更に好ましくは単結合、ベンゼン、チオフェンおよびこれらの組合わせから成る連結基であり、特に好ましくは単結合、ベンゼンおよびこれらの組合わせから成る連結基であり、最も好ましくは単結合である。L1 、L2 、L3 は置換基を有してもよく、置換基としては一般式(I)におけるAで表されるヘテロ環基の置換基として挙げたものが適用できる。
Yは窒素原子または1,3,5−ベンゼントリイル基を表すが、後者は2,4,6位に置換基を有してもよく、置換基としては例えばアルキル基、アリール基、ハロゲン原子などが挙げられる。Yとして好ましくは窒素原子または無置換1,3,5−ベンゼントリイル基であり、より好ましくは無置換1,3,5−ベンゼントリイル基である。一般式(III)で表される化合物のうち、特に好ましくは下記一般式(IX)で表される化合物である。
Figure 2005311329
式中、R91、R92およびR93は、それぞれ一般式(III)におけるRと同義であり、また好ましい範囲も同様である。Q91、Q92およびQ93は、それぞれ一般式(V)におけるQ5と同義であり、また好ましい範囲も同様である。一般式(III)で表される化合物のうち、最も好ましくは下記一般式(X)で表される化合物である。
Figure 2005311329
式中、R101 、R102 およびR103は、それぞれ一般式(III)におけるRと同義であり、また好ましい範囲も同様である。R104 、R105 およびR106は、それぞれ置換基を表し、置換基としては一般式(I)におけるAで表されるヘテロ環基の置換基として挙げたものが適用でき、また好ましい置換基も同様である。また可能な場合、置換基同士が連結して環を形成してもよい。p1 、p2 およびp3 は、それぞれ0ないし3の整数を表し、好ましくは0ないし2、より好ましくは0または1、更に好ましくは0である。
次に一般式(XI)について説明する。m、Lは、それぞれ一般式(I)におけるそれらと同義であり、また好ましい範囲も同様である。Q3は一般式(III)におけるそれと同義であり、また好ましい範囲も同様である。R11は水素原子または置換基を表す。R11で表される置換基としては例えば一般式(I)におけるAで表されるヘテロ環基の置換基として挙げたものが適用できる。R11で表される置換基として好ましくは、脂肪族炭化水素基、アリール基、芳香族ヘテロ環基であり、より好ましくは、アルキル基(好ましくは炭素数1〜20、より好ましくは炭素数1〜12、特に好ましくは炭素数1〜8であり、例えばメチル、エチル、iso−プロピル、tert−ブチル、n−オクチル、n−デシル、n−ヘキサデシル、シクロプロピル、シクロペンチル、シクロヘキシルなどが挙げられる。)、アリール基(好ましくは炭素数6〜30、より好ましくは炭素数6〜20、特に好ましくは炭素数6〜12であり、例えばフェニル、2−メチルフェニル、3−メチルフェニル、4−メチルフェニル、4−メトキシフェニル、3−トリフルオロメチルフェニル、ペンタフルオロフェニル、1−ナフチル、2−ナフチルなどが挙げられる。)、芳香族ヘテロ環基(好ましくは炭素数1〜20、好ましくは炭素数1〜12、更に好ましくは炭素数2〜10の芳香族ヘテロ環基であり、より好ましくは窒素原子、酸素原子、硫黄原子、セレン原子の少なくとも一つを含む芳香族ヘテロ環基である。芳香族ヘテロ環としては、例えばピロリジン、ピペリジン、ピロール、フラン、チオフェン、イミダゾリン、イミダゾール、ベンズイミダゾール、ナフトイミダゾール、チアゾリジン、チアゾール、ベンズチアゾール、ナフトチアゾール、イソチアゾール、オキサゾリン、オキサゾール、ベンズオキサゾール、ナフトオキサゾール、イソオキサゾール、セレナゾール、ベンズセレナゾール、ナフトセレナゾール、ピリジン、キノリン、イソキノリン、インドール、インドレニン、ピラゾール、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、インダゾール、プリン、フタラジン、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリン、シンノリン、プテリジン、フェナントリジン、プテリジン、フェナントロリン、テトラザインデン、カルバゾールなどが挙げられ、好ましくはフラン、チオフェン、ピリジン、キノリン、ピラジン、ピリミジン、ピリダジン、トリアジン、フタラジン、ナフチリジン、キノキサリン、キナゾリンであり、より好ましくはフラン、チオフェン、ピリジン、キノリンであり、更に好ましくはキノリンである。)であり、更に好ましくはアリール基、芳香族ヘテロ環基である。R11で表される置換基は、更に置換されてもよく、また可能な場合には連結して環を形成してもよい。
一般式(XI)で表される化合物のうち、より好ましくは下記一般式(XII)で表される化合物である。
Figure 2005311329
式中、m、Lは、それぞれ一般式(I)におけるそれらと同義であり、また好ましい範囲も同様である。Q12は一般式(IV)におけるQ4と同義であり、また好ましい範囲も同様である。R11は一般式(XI)におけるそれと同義であり、また好ましい範囲も同様である。
一般式(XI)で表される化合物のうち、更に好ましくは下記一般式(XIII)で表される化合物である。
Figure 2005311329
式中、m、Lは、それぞれ一般式(I)におけるそれらと同義であり、また好ましい範囲も同様である。Q13は一般式(V)におけるQ5と同義であり、また好ましい範囲も同様である。R11は一般式(XI)におけるそれと同義であり、また好ましい範囲も同様である。
一般式(XI)で表される化合物のうち、特に好ましくは下記一般式(XIV)で表される化合物である。
Figure 2005311329
式中、L1 、L2 、L3 およびYは、それぞれ一般式(VIII)におけるそれらと同義であり、また好ましい範囲も同様である。Q141 、Q142 およびQ143 は、それぞれ一般式(V)におけるQ5と同義であり、また好ましい範囲も同様である。R141 、R142 およびR143 は、それぞれ一般式(XI)におけるR11と同義であり、また好ましい範囲も同様である。
一般式(XI)で表される化合物のうち、最も好ましくは下記一般式(XV)で表される化合物である。
Figure 2005311329
式中、Q151 、Q152 およびQ153 は、それぞれ一般式(V)におけるQ5と同義であり、また好ましい範囲も同様である。R151 、R152 およびR153は、それぞれ一般式(XI)におけるR11と同義であり、また好ましい範囲も同様である。
以下に本発明の一般式(I)で表される化合物の具体例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
Figure 2005311329
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Figure 2005311329
Figure 2005311329
一般式(I)〜(XV)で表される本発明の化合物は、特公昭44−23025号、同48−8842号、特開昭53−6331号、特開平10−92578号、米国特許3,449,255号、同5,766,779号、J.Am.Chem.Soc.,94,2414(1972)、Helv.Chim.Acta,63,413(1980)、LiebigsAnn.Chem.,1423(1982)などに記載の方法を参考にして合成できる。
以下に本発明の化合物の合成法について具体例をもって説明する。
合成例1.例示化合物2の合成
Figure 2005311329
1−1.化合物2aの合成
2−クロロ−3−ニトロピリジン50.8g(0.320モル)、炭酸カリウム90.8g(0.657モル)、ヨウ化銅(I)7.90g(0.0416モル)、トルエン300ミリリットルを室温にて窒素雰囲気下攪拌しているところへ、アニリン45.7g(0.490モル)を加えた。5時間加熱還流した後、反応液を濾過し、濾液を減圧濃縮した。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム)にて精製した後、クロロホルム/ヘキサンにて再結晶することにより化合物2aを45.7g(0.21モル)得た。収率66%。
1−2.化合物2bの合成
化合物2a17.0g(0.0790モル)をテトラヒドロフラン170ミリリットルに溶解し、室温にて窒素雰囲気下攪拌しているところへハイドロサルファイトナトリウム69.0g(0.396モル)/水220ミリリットルの溶液を滴下した。1時間攪拌した後、酢酸エチル170ミリリットルを加え、次に炭酸水素ナトリウム13.6g(0.162モル)/水140ミリリットルの溶液を滴下した。更に4,4'−ビフェニルジカルボニルクロリド10.0g(0.0358モル)/酢酸エチル100ミリリットルの溶液を滴下し、室温下5時間攪拌した。析出した固体を濾取し、水、次いで酢酸エチルで洗浄することにより化合物2bを16.0g(0.0277モル)得た。収率77%。
1−3.例示化合物2の合成
化合物2b10.0g(0.0173モル)、p−トルエンスルホン酸一水和物2.3g(0.0121モル)にキシレン300ミリリットルを加え、窒素雰囲気下6時間加熱還流し、共沸脱水した。反応液を室温まで冷却した後、析出した固体を濾取し、ジメチルホルムアミド/アセトニトリルにて再結晶することにより例示化合物2を5.20g(9.62ミリモル)得た。収率57%。融点:298〜300℃。
合成例2.例示化合物18の合成
Figure 2005311329
Figure 2005311329
2−1.化合物18bの合成
化合物2a15.0g(0.0697モル)をテトラヒドロフラン150ミリリットルに溶解し、室温にて窒素雰囲気下攪拌しているところへハイドロサルファイトナトリウム60.9g(0.345モル)/水200ミリリットルの溶液を滴下した。2時間攪拌した後、酢酸エチル150ミリリットルを加え、次に炭酸水素ナトリウム12.0g(0.143モル)/水120ミリリットルの溶液を滴下した。更にトリメシン酸クロリド5.2g(0.0196モル)/酢酸エチル50ミリリットルの溶液を滴下し、室温下3時間攪拌した。反応液に飽和食塩水を加え、酢酸エチルにて抽出した後、有機相を飽和食塩水で洗浄し、有機相を無水硫酸マグネシウムにより乾燥した。溶媒を減圧留去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム/メタノール=10/1(vol/vol))にて精製した後、ジメチルホルムアミド/アセトニトリルにて再結晶することにより化合物18bを4.1g(5.76ミリモル)得た。収率29%。
2−2.例示化合物18の合成
化合物18b3.70g(5.20ミリモル)、p−トルエンスルホン酸一水和物0.7g(3.68ミリモル)にキシレン100ミリリットルを加え、窒素雰囲気下3時間加熱還流し、共沸脱水した。反応液を室温まで冷却した後、溶媒を減圧留去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム/メタノール=20/1(vol/vol))にて精製した後、クロロホルム/メタノールにて再結晶することにより例示化合物18を1.70g(2.58ミリモル)得た。収率50%。融点:279〜281℃。
合成例3.例示化合物19の合成
3−1.化合物19aの合成
2−クロロ−3−ニトロピリジン50.0g(0.315モル)、炭酸カリウム90.8g(0.657モル)、ヨウ化銅(I)7.90g(0.0416モル)、トルエン300ミリリットルを室温にて窒素雰囲気下攪拌しているところへ、m−トルイジン45.0g(0.420モル)を加えた。8時間加熱還流した後、反応液を濾過し、濾液を減圧濃縮した。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム)にて精製した後、クロロホルム/ヘキサンにて再結晶することにより化合物19aを51.0g(0.222モル)得た。収率71%。
3−2.化合物19bの合成
化合物19a32.5g(0.142モル)をテトラヒドロフラン320ミリリットルに溶解し、室温にて窒素雰囲気下攪拌しているところへハイドロサルファイトナトリウム124g(0.712モル)/水320ミリリットルの溶液を滴下し、次いでメタノール100ミリリットルを加えた。1時間攪拌した後、酢酸エチル380ミリリットルを加え、次に炭酸水素ナトリウム24.4g(0.290モル)/水55ミリリットルの溶液を滴下した。更にトリメシン酸クロリド10.5g(0.0396モル)/酢酸エチル100ミリリットルの溶液を滴下し、室温下3時間攪拌した。反応液に飽和食塩水を加え、酢酸エチルにて抽出した後、有機相を飽和食塩水で洗浄し、有機相を無水硫酸マグネシウムにより乾燥した。溶媒を減圧留去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム/メタノール=10/1(vol/vol))にて精製することにより化合物19bを10.2g(0.0135モル)得た。収率34%。
3−3.例示化合物19の合成
化合物19b3.30g(4.38ミリモル)、p−トルエンスルホン酸一水和物0.5g(2.63ミリモル)にキシレン50ミリリットルを加え、窒素雰囲気下3時間加熱還流し、共沸脱水した。反応液を室温まで冷却した後、溶媒を減圧留去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム/メタノール=20/1(vol/vol))にて精製した後、クロロホルム/メタノールにて再結晶することにより例示化合物19を1.97g(2.81ミリモル)得た。収率64%。融点:258〜259℃。
合成例4.例示化合物20の合成
4−1.化合物20aの合成
2−クロロ−3−ニトロピリジン45.5g(0.286モル)、炭酸カリウム81.1g(0.587モル)、ヨウ化銅(I)7.10g(0.0373モル)、トルエン300ミリリットルを室温にて窒素雰囲気下攪拌しているところへ、4−tert−ブチルアニリン40.0g(0.268モル)を加えた。8時間加熱還流した後、反応液を濾過し、濾液を減圧濃縮した。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム)にて精製した後、クロロホルム/ヘキサンにて再結晶することにより化合物20aを52.0g(0.192モル)得た。収率72%。
4−2.化合物20bの合成
化合物20a34.8g(0.128モル)をテトラヒドロフラン350ミリリットルに溶解し、室温にて窒素雰囲気下攪拌しているところへハイドロサルファイトナトリウム112g(0.643モル)/水320ミリリットルの溶液を滴下し、次いでメタノール90ミリリットルを加えた。1時間攪拌した後、酢酸エチル350ミリリットルを加え、次に炭酸水素ナトリウム22.0g(0.262モル)/水50ミリリットルの溶液を滴下した。更にトリメシン酸クロリド9.5g(0.0358モル)/酢酸エチル90ミリリットルの溶液を滴下し、室温下2時間攪拌した。反応液に飽和食塩水を加え、酢酸エチルにて抽出した後、有機相を飽和食塩水で洗浄し、有機相を無水硫酸マグネシウムにより乾燥した。溶媒を減圧留去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム/メタノール=10/1(vol/vol))にて精製することにより化合物20bを12.0g(0.0136モル)得た。収率38%。
4−3.例示化合物20の合成
化合物20b3.00g(3.41ミリモル)、p−トルエンスルホン酸一水和物0.3g(1.58ミリモル)にキシレン50ミリリットルを加え、窒素雰囲気下3時間加熱還流し、共沸脱水した。反応液を室温まで冷却した後、析出した固体を濾取した後、クロロホルム/メタノールにて再結晶することにより例示化合物20を2.06g(2.49ミリモル)得た。収率73%。融点:300℃以上。
合成例5.例示化合物21の合成
5−1.化合物21aの合成
2−クロロ−3−ニトロピリジン50.0g(0.315モル)、炭酸カリウム90.8g(0.657モル)、ヨウ化銅(I)7.90g(0.0416モル)、トルエン300ミリリットルを室温にて窒素雰囲気下攪拌しているところへ、o−トルイジン45.0g(0.420モル)を加えた。8時間加熱還流した後、反応液を濾過し、濾液を減圧濃縮した。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム)にて精製した後、クロロホルム/ヘキサンにて再結晶することにより化合物21aを46.3g(0.202モル)得た。収率64%。
5−2.化合物21bの合成
化合物21a32.5g(0.142モル)をテトラヒドロフラン320ミリリットルに溶解し、室温にて窒素雰囲気下攪拌しているところへハイドロサルファイトナトリウム124g(0.712モル)/水320ミリリットルの溶液を滴下し、次いでメタノール100ミリリットルを加えた。1時間攪拌した後、酢酸エチル380ミリリットルを加え、次に炭酸水素ナトリウム24.4g(0.290モル)/水55ミリリットルの溶液を滴下した。更にトリメシン酸クロリド10.5g(0.0396モル)/酢酸エチル100ミリリットルの溶液を滴下し、室温下3時間攪拌した。反応液に飽和食塩水を加え、酢酸エチルにて抽出した後、有機相を飽和食塩水で洗浄し、有機相を無水硫酸マグネシウムにより乾燥した。溶媒を減圧留去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム/メタノール=10/1(vol/vol))にて精製することにより化合物21bを8.5g(0.0112モル)得た。収率28%。
5−3.例示化合物21の合成
化合物21b3.30g(4.38ミリモル)、p−トルエンスルホン酸一水和物0.5g(2.63ミリモル)にキシレン50ミリリットルを加え、窒素雰囲気下7時間加熱還流し、共沸脱水した。反応液を室温まで冷却した後、溶媒を減圧留去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム/メタノール=20/1(vol/vol))にて精製した後、クロロホルム/アセトニトリルにて再結晶することにより例示化合物21を2.02g(2.88ミリモル)得た。収率66%。融点:250℃。
合成例6.例示化合物24の合成
6−1.化合物24aの合成
2−クロロ−3−ニトロピリジン59.0g(0.347モル)、炭酸カリウム105g(0.760モル)、ヨウ化銅(I)9.40g(0.0494モル)、トルエン300ミリリットルを室温にて窒素雰囲気下攪拌しているところへ、8−アミノキノリン75.0g(0.520モル)を加えた。16時間加熱還流した後、反応液を濾過し、濾液を減圧濃縮した。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム)にて精製した後、クロロホルム/ヘキサンにて再結晶することにより化合物24aを27.0g(0.102モル)得た。収率29%。
6−2.化合物24bの合成
化合物24a25.0g(93.9ミリモル)をテトラヒドロフラン220ミリリットルに溶解し、室温にて窒素雰囲気下攪拌しているところへハイドロサルファイトナトリウム82.2g(0.472モル)/水420ミリリットルの溶液を滴下し、次いでメタノール70ミリリットルを加えた。1時間攪拌した後、酢酸エチル380ミリリットルを加え、次に炭酸水素ナトリウム24.4g(0.290モル)/水55ミリリットルの溶液を滴下した。更にトリメシン酸クロリド7.55g(28.4ミリモル)/酢酸エチル100ミリリットルの溶液を滴下し、室温下3時間攪拌した。反応液に飽和食塩水を加え、酢酸エチルにて抽出した後、有機相を飽和食塩水で洗浄し、有機相を無水硫酸マグネシウムにより乾燥した。溶媒を減圧留去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム/メタノール=10/1(vol/vol))にて精製することにより化合物24bを7.86g(9.09ミリモル)得た。収率32%。
6−3.例示化合物24の合成
化合物24b5.00g(5.78ミリモル)、p−トルエンスルホン酸一水和物0.5g(2.63ミリモル)にキシレン100ミリリットルを加え、窒素雰囲気下5時間加熱還流し、共沸脱水した。反応液を室温まで冷却した後、溶媒を減圧留去し、シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム/メタノール=20/1(vol/vol))にて精製した後、クロロホルム/アセトニトリルにて再結晶することにより例示化合物24を1.87g(2.31ミリモル)得た。収率40%。融点:384℃
合成例7.
Figure 2005311329
7−1.化合物101bの合成
化合物2a50.0g(0.232モル)をテトラヒドロフラン500ミリリットルに溶解させ、窒素雰囲気下、室温で攪拌しているところに、ハイドロサルファイトナトリウム200g(1.149モル)/水700ミリリットルの溶液を滴下した。更にメタノール20ミリリットルを加えて、1時間攪拌した。次に、酢酸エチル500ミリリットルを加えて、炭酸水素ナトリウム40g(0.476モル)/水400ミリリットルの溶液を加えた。更に5−ブロモイソフタロイルクロリド65.4g(0.232モル)/酢酸エチル150ミリリットルの溶液を滴下し、室温で5時間攪拌した。酢酸エチルで抽出し、水、飽和食塩水で順次洗浄した後、無水硫酸マグネシウムで乾燥し、溶媒を減圧留去した。シリカゲルカラムクロマトグラフィー(展開溶媒:クロロホルム)で精製した後、クロロホルム/ヘキサンで再結晶することにより化合物101bを29.6g(0.051モル)得た。収率22%。
7−2.化合物101cの合成
化合物101b30g(0.05モル)をキシレン1リットルに溶解させ、p−トルエンスルホン酸一水和物4.7g(0.025モル)を加え、窒素雰囲気下、2時間加熱還流しながら共沸脱水を行った。反応液を室温まで冷却した後、析出した固体を濾取し、エタノール/クロロホルムで再結晶することにより、化合物101cを16.3g(0.03モル)得た。収率58%。
7−3.例示化合物101の合成
化合物101c500ミリグラム(0.92ミリモル)と化合物101d332ミリグラム(1.01ミリモル)をエチレングリコールジメチルエーテル20ミリリットルおよび水10ミリリットルに懸濁させた。この懸濁液に炭酸ナトリウム214.5ミリグラム(2.02ミリモル)、パラジウムカーボン15ミリグラム、トリフェニルホスフィン12ミリグラムを加え、2時間加熱還流した。加熱停止後、熱時濾過で触媒を除き、濾液を酢酸エチルで抽出後、硫酸マグネシウムで乾燥し、溶媒留去した。残渣をクロロホルムから再結晶し、例示化合物101を180ミリグラム(0.27ミリモル)得た。収率29%。
続いて、本発明における光電変換素子についてその好ましい態様について述べる。
本発明における光電変換素子とは、光を吸収して電子に変える光電変換層を含み、かつ、その電子を分離するために必要な電極間材料や電極を含む。その好ましい構成としては、まず基板上に積層される光電変換素子が一つの光電変換素子の場合として、下から[1]下部電極層、電子輸送性材料層、ホール輸送性材料層、透明電極という構成、[2]下部電極層、ホール輸送性材料層、電子輸送性材料層、透明電極という構成などが挙げられるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、電子輸送性材料を二つ以上の層に分割しても良いし、ホール輸送性材料層を二つ以上に分割しても構わない。例えば、[3]下部電極層、電子輸送性材料層、電子輸送性材料層、ホール輸送性材料層、透明電極という構成、[4]部電極層、電子輸送性材料層、ホール輸送性材料層、ホール輸送性材料、透明電極という構成、[5]下部電極層、電子輸送性材料層、電子輸送性材料層、ホール輸送性材料層、ホール輸送性材料、透明電極という構成である。さらに、基板上に積層される光電変換素子が二つの場合は、基本的に光電変換素子が一つの場合の組み合わせを作成することができる。すなわち、例えば、[1]と[1]との組み合わせである下から下部電極層、電子輸送性材料層、ホール輸送性材料層、透明電極、層間絶縁膜、下部電極層(透明電極)、電子輸送性材料層、ホール輸送性材料層、透明電極という構成や、[1]と[2]の組み合わせである下部電極層、電子輸送性材料層、ホール輸送性材料層、透明電極、層間絶縁膜、下部電極層(透明電極)、ホール輸送性材料層、電子輸送性材料層、透明電極という構成などが挙げられ、そのような複数層の構成は基本的に[1]、[2]、[3]、[4]、[5]から選ばれる組み合わせで任意に構成しても良いし、[1]、[2] [3]、[4]、[5]以外の他の構成と[1]、[2]、[3]、[4]、[5]とを任意に組み合わせても良い。基板上に少なくとも二つの光電変換素子を積層することは、一つの場合よりも単位面積あたりの光利用効率が上がるため、本発明ではより好ましく構成要件として挙げることができる。さらに、基板上に少なくとも三つの光電変換素子を積層することは、さらに光利用効率を上げることができるため、本発明では特に好ましい。特に少なくとも3つの場合では、青色光電変換素子、緑色光電変換素子、赤色光電変換素子を作成することができるため、フルカラー撮像素子を作成することが可能となる。そのため、本発明では非常に好ましい。当然のことながら、基板上に少なくとも三つの光電変換素子を積層する場合の構成は、二つの場合と同様に、[1]、[2]から選ばれる任意の組み合わせや他の構成と[1]、[2]との組み合わせが挙げられ、もちろん、それ以外の組み合わせでも構わない。
上記電極として考えられる材料は、例えば、Li、Na、Mg、K、Ca、Rb、Sr、Cs、Ba、Fr、Ra、Sc、Ti、Y、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Tc、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、Zn、Cd、Al、Ga、In、Tl、Si、Ge、Sn、Pb、P、As、Sb、Bi、Se、Te、Po、Br、I、At、B、C、N、F、O、S、Nの中から選ばれる任意の組み合わせで良いが、本発明において特に好ましいのはAl、Pt、W、Au、Ag、Ta、Cu、Cr、Mo、Ti、Ni、Pd、Znである。
また、本発明におけるホール輸送性材料は無機材料であっても、有機材料であっても構わないが、本発明では有機材料が含まれている場合、特に好ましく用いることができるため、その好ましく用いることのできる例を記載する。例えば、ポリ-N-ビニルカルバゾール誘導体、ポリフェニレンビニレン誘導体、ポリフェニレン、ポリチオフェン、ポリメチルフェニルシラン、ポリアニリン、トリアゾール誘導体、オキサジアゾール誘導体、イミダゾール誘導体、ポリアリールアルカン誘導体、ピラゾリン誘導体及びピラゾロン誘導体、フェニレンジアミン誘導体、アリールアミン誘導体、アミノ置換カルコン誘導体、オキサゾール誘導体、カルバゾール誘導体、スチリルアントラセン誘導体、フルオレノン誘導体、ヒドラゾン誘導体、スチルベン誘導体、ポリフィリン誘導体(フタロシアニン等)、芳香族三級アミン化合物及びスチリルアミン化合物、ブタジエン化合物、ベンジジン誘導体、ポリスチレン誘導体、トリフェニルメタン誘導体、テトラフェニルベンジン誘導体、スターバーストポリアミン誘導体等が使用可能である。また、有機色素を用いることも非常に好ましく、上記の材料を光を吸収する構造を持たせることや、他にも金属錯体色素、シアニン系色素、メロシアニン系色素、フェニルキサンテン系色素、トリフェニルメタン系色素、ロダシアニン系色素、キサンテン系色素、大環状アザアヌレン系色素、アズレン系色素、ナフトキノン、アントラキノン系色素、アントラセン、ピレン等の縮合多環芳香族及び芳香環乃至複素環化合物が縮合した鎖状化合物、キノリン、ベンゾチアゾール、ベンゾオキサゾール等の2ケの含窒素複素環、スクアリリウム基及びクロコニツクメチン基により結合したシアニン系類似の色素等を好ましく用いることができる。金属錯体色素である場合、ジチオール金属錯体系色素、金属フタロシアニン色素、金属ポルフィリン色素又はルテニウム錯体色素が好ましく、ルテニウム錯体色素が特に好ましい。ルテニウム錯体色素としては、例えば米国特許4927721号、同4684537号、同5084365号、同5350644号、同5463057号、同5525440号、特開平7-249790号、特表平10-504512 号、WO98/50393号、特開2000-26487号等に記載の錯体色素等が挙げられる。また、シアニン色素、メロシアニン色素、スクワリリウム色素などのポリメチン色素の具体例としては特開平11-35836号、特開平11-67285号、特開平11-86916号、特開平11-97725号、特開平11-158395号、特開平11-163378号、特開平11-214730 号、特開平11-214731号、特開平11-238905号、特開2000-26487号、欧州特許892411号、同911841号及び同991092号の各明細書に記載の色素である。
なお、本発明においてはこれらの材料を必要に応じて、ポリマ−バインダ−内に含有させても良い。そのように用いられるポリマ−バインダ−としては、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリカ−ボネ−ト、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレ−ト、ポリブチルメタクリレ−ト、ポリエステル、ポリスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリブタジエン、炭化水素樹脂、ケトン樹脂、フェノキシ樹脂、ポリアミド、エチルセルロ−ス、酢酸ビニル、ABS樹脂、ポリウレタン、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、アルキド樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリビニルブチラ−ル、ポリビニルアセタ−ル等を挙げることができる。
また、本発明においては1対の電極間に、p型半導体層とn型半導体層とを有し、該p型半導体とn型半導体の少なくともいずれかが有機半導体であり、かつ、それらの半導体層の間に、該p型半導体およびn型半導体を含むバルクヘテロ接合構造層を中間層として有する光電変換膜(感光層)を含有する場合が好ましい。このような場合、光電変換膜において、有機層にバルクへテロ接合構造を含有させることにより有機層のキャリア拡散長が短いという欠点を補い、光電変換効率を向上させることができる。なお、バルクへテロ接合構造については、特願2004−080639号において詳細に説明されている。
本発明において、1対の電極間にp型半導体の層とn型半導体の層で形成されるpn接合層の繰り返し構造(タンデム構造)の数を2以上有する構造を持つ光電変換膜(感光層)を含有する場合が好ましく、さらに好ましくは、前記繰り返し構造の間に、導電材料の薄層を挿入する場合である。pn接合層の繰り返し構造(タンデム構造)の数はいかなる数でもよいが、光電変換効率を高くするために好ましくは2〜50であり、さらに好ましくは2〜30であり、特に好ましくは2または10である。導電材料としては銀または金が好ましく、銀が最も好ましい。なお、タンデム構造については、特願2004−079930号において詳細に説明されている。
1対の電極間にp型半導体の層、n型半導体の層、(好ましくは混合・分散(バルクヘテロ接合構造)層)を持つ光電変換膜において、p型半導体及びn型半導体のうちの少なくとも1方に配向制御された有機化合物を含むことを特徴とする光電変換膜の場合が好ましく、さらに好ましくは、p型半導体及びn型半導体の両方に配向制御された(可能な)有機化合物を含む場合である。光電変換膜の有機層に用いられる有機化合物としては、π共役電子を持つものが好ましく用いられるが、このπ電子平面が、基板(電極基板)に対して垂直ではなく、平行に近い角度で配向しているほど好ましい。基板に対する角度として好ましくは0°以上80°以下であり、さらに好ましくは0°以上60°以下であり、さらに好ましくは0°以上40°以下であり、さらに好ましくは0°以上20°以下であり、特に好ましくは0°以上10°以下であり、最も好ましくは0°(すなわち基板に対して平行)である。上記のように、配向の制御された有機化合物の層は、有機層全体に対して一部でも含めば良いが、好ましくは、有機層全体に対する配向の制御された部分の割合が10%以上の場合であり、さらに好ましくは30%以上、さらに好ましくは50%以上、さらに好ましくは70%以上、特に好ましくは90%以上、最も好ましくは100%である。このような状態は、光電変換膜において、有機層の有機化合物の配向を制御することにより有機層のキャリア拡散長が短いという欠点を補い、光電変換効率を向上させるものである。
有機化合物の配向が制御されている場合において、さらに好ましくはヘテロ接合面(例えばpn接合面)が基板に対して平行ではない場合である。ヘテロ接合面が、基板(電極基板)に対して平行ではなく、垂直に近い角度で配向しているほど好ましい。基板に対する角度として好ましくは10°以上90°以下であり、さらに好ましくは30°以上90°以下であり、さらに好ましくは50°以上90°以下であり、さらに好ましくは70°以上90°以下であり、特に好ましくは80°以上90°以下であり、最も好ましくは90°(すなわち基板に対して垂直)である。上記のような、ヘテロ接合面の制御された有機化合物の層は、有機層全体に対して一部でも含めば良い。好ましくは、有機層全体に対する配向の制御された部分の割合が10%以上の場合であり、さらに好ましくは30%以上、さらに好ましくは50%以上、さらに好ましくは70%以上、特に好ましくは90%以上、最も好ましくは100%である。このような場合、有機層におけるヘテロ接合面の面積が増大し、界面で生成する電子、正孔、電子正孔ペア等のキャリア量が増大し、光電変換効率の向上が可能となる。以上の、有機化合物のヘテロ接合面とπ電子平面の両方の配向が制御された光電変換膜(光電変換膜)において、特に光電変換効率の向上が可能である。これらの状態については、特願2004−079931号において詳細に説明されている。
光吸収の点では有機色素層の膜厚は大きいほど好ましいが、電荷分離に寄与しない割合を考慮すると、本発明における有機色素層の膜厚として好ましくは、30nm以上300nm以下、さらに好ましくは50nm以上250nm以下、特に好ましくは80nm以上200nm以下である。
また、本発明における透明電極の材料は、基本的に何であっても構わない。例えば、金属、合金、金属酸化物、有機導電性化合物、これらの混合物等が好適に挙げられ、具体例としては、酸化錫、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化インジウム亜鉛(IZO)、酸化インジウム錫(ITO)等の導電性金属酸化物、金、白金、銀、クロム、ニッケル等の金属、更にこれらの金属と導電性金属酸化物との混合物又は積層物、ヨウ化銅、硫化銅などの無機導電性物質、ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロ−ル等の有機導電性材料、これらとITOとの積層物、などが挙げられる。また、沢田豊監修「透明導電膜の新展開」(シーエムシー刊、1999年)、日本学術振興会著「透明導電膜の技術」(オーム社、1999年)等に詳細に記載されているものを用いても良い。しかし、本発明において、特に好ましいのは、ITO、IZO、SnO2、ATO、ZnO、TiO2、FTOのいずれかの材料を含むことである。本発明における透明電極の透過率は、光電変換層の吸収ピーク波長において、60%以上が好ましく、より好ましくは80%以上で、より好ましくは90%以上、より好ましくは95%以上である。また表面抵抗は、10000Ω/□以下が好ましく、より好ましくは、100Ω/□以下、より好ましくは10Ω/□以下である。厚みは薄い方が好ましく、0.5μm以下が好ましく、より好ましくは0.3μm以下、より好ましくは0.15μm以下である。
また、本発明における光電変換素子の作成の仕方は、基本的にどんな方法であっても良い。抵抗加熱真空蒸着装置、RFスパッタ装置、DCスパッタ装置、対向ターゲット式スパッタ装置、CVD、MBE、PLDなどを挙げることができるが、本発明はこれに限定されるものではない。
また、本発明の光電変換素子には素子を構成している各層への水分や酸素の侵入を防止するための封止層を設けることが望ましい。これらの封止材料としては、テトラフルオロエチレンと少なくとも1種のコモノマーを含む共重合体、共重合主鎖に環状構造を有する含フッ素共重合体、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルメタクリレート、ポリイミド、ポリユリア、ポリテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリジクロロジフルオロエチレンやクロロトリフルオロエチレンとジクロロジフルオロエチレンとの共重合体、吸水率1%以上の吸水性物質および吸水率0.1%以下の防湿性物質、In、Sn、Pb、Au、Cu、Ag、Al、Ti、Ni等の金属、MgO、SiO、SiO2、Si34、Al23、GeO、NiO、CaO、BaO、Fe23、Y23、TiO2等の金属酸化物、MgF2、LiF、AlF3、CaF2等の金属フッ化物、パーフルオロアルカン、パーフルオロアミン、パーフルオロエーテル等の液状フッ素化炭素および等該液状フッ素化炭素に水分や酸素を吸着する吸着剤を分散させたもの等が用いられる。
電荷転送/読み出し部位については特開昭58−103166、特開昭58−103165、特開2003−332551等を参考にすることができる。半導体基板上にMOSトランジスタが各画素単位に形成された構成や、あるいは、素子としてCCDを有する構成を適宜採用することができる。例えばMOSトランジスタを用いた光電変換素子の場合、電極を透過した入射光によって光導電膜の中に電荷が発生し、電極に電圧を印加することにより電極と電極との間に生じる電界によって電荷が光導電膜の中を電極まで走行し、さらにMOSトランジスタの電荷蓄積部まで移動し、電荷蓄積部に電荷が蓄積される。電荷蓄積部に蓄積された電荷は、MOSトランジスタのスイッチングにより電荷読出し部に移動し、さらに電気信号として出力される。これにより、フルカラーの画像信号が、信号処理部を含む固体撮像装置に入力される。
一定量のバイアス電荷を蓄積ダイオードに注入して(リフレッシュモード)おき、一定の電荷を蓄積(光電変換モード)後、信号電荷を読み出すことが可能である。受光素子そのものを蓄積ダイオードとして用いることもできるし、別途、蓄積ダイオードを付設することもできる。
信号の読み出しについてさらに詳細に説明する。信号の読み出しは、通常のカラー読み出し回路を用いることができる。受光部で光/電気変換された信号電荷もしくは信号電流は、受光部そのものもしくは付設されたキャパシタで蓄えられる。蓄えられた電荷は、X−Yアドレス方式を用いたMOS型撮像素子(いわゆるCMOSセンサー)の手法により、画素位置の選択とともに読み出される。他には、アドレス選択方式として、1画素づつ順次マルチプレクサスイッチとデジタルシフトレジスタで選択し、共通の出力線に信号電圧(または電荷)として読み出す方式が挙げられる。2次元にアレイ化されたX−Yアドレス操作の撮像素子がCMOSセンサーとして知られる。これは、X−Yの交点に接続された画素に儲けられたスイッチは垂直シフトレジスタに接続され、垂直操走査シフトレジスタからの電圧でスイッチがオンすると同じ行に儲けられた画素から読み出された信号は、列方向の出力線に読み出される。この信号は水平走査シフトレジスタにより駆動されるスイッチを通して順番に出力端から読み出される。
出力信号の読み出しには、フローティングディフュージョン検出器や、フローティングゲート検出器を用いることができる。また画素部分に信号増幅回路を設けることや、相関二重サンプリング(Correlated Double Sampling)の手法などにより、S/Nの向上をはかることができる。
信号処理には、ADC回路によるガンマ補正、AD変換機によるデジタル化、輝度信号処理や、色信号信号処理を施すことができる。色信号処理としては、ホワイトバランス処理や、色分離処理、カラーマトリックス処理などが挙げられる。NTSC信号に用いる際は、RGB信号をYIQ信号の変換処理を施すことができる。
電荷転送・読み出し部位は電荷の移動度が100cm2/volt・sec以上であることが必要であり、この移動度は、材料をIV族、III−V族、II−VI族の半導体から選択することによって得ることができる。その中でも微細化技術が進んでいることと、低コストであることからシリコン半導体(Si半導体共記す)が好ましい。電荷転送・電荷読み出しの方式は数多く提案されているが、何れの方式でも良い。特に好ましい方式はCMOS型あるいはCCD型のデバイスである。更に本発明の場合、CMOS型の方が高速読み出し、画素加算、部分読み出し、消費電力などの点で好ましいことが多い。
デバイスのチップサイズは、ブローニーサイズ、135サイズ、APSサイズ、1/1.8インチ、さらに小型のサイズでも選択することができる。本発明の積層光電変換素子の画素サイズは複数の電磁波吸収・光電変換部位の最大面積に相当する円相当直径で表す。いずれの画素サイズであっても良いが、2−20ミクロンの画素サイズが好ましい。さらに好ましくは2−10ミクロンであるが、3−8ミクロンが特に好ましい。
画素サイズが20ミクロンを超えると解像力が低下し、画素サイズが2ミクロンよりも小さくてもサイズ間の電波干渉のためか解像力が低下する。
本発明の光電変換素子は、デジタルスチルカメラに利用することが出来る。また、TVカメラに用いることも好ましい。その他の用途として、デジタルビデオカメラ、下記用途などでの監視カメラ(オフィスビル、駐車場、金融機関・無人契約機、ショッピングセンター、コンビニエンスストア、アウトレットモール、百貨店、パチンコホール、カラオケボックス、ゲームセンター、病院)、その他各種のセンサー(テレビドアホン、個人認証用センサー、ファクトリーオートメーション用センサー、家庭用ロボット、産業用ロボット、配管検査システム)、医療用センサー(内視鏡、眼底カメラ)、テレビ会議システム、テレビ電話、カメラつきケータイ、自動車安全走行システム(バックガイドモニタ、衝突予測、車線維持システム)、テレビゲーム用センサーなどの用途に用いることが出来る。
中でも、本発明の光電変換素子は、テレビカメラ用途としても適するものである。その理由は、色分解光学系を必要としないためにテレビカメラの小型軽量化を達成することが出来るためである。また、高感度で高解像力を有することから、ハイビジョン放送用テレビカメラに特に好ましい。この場合のハイビジョン放送用テレビカメラとは、デジタルハイビジョン放送用カメラを含むものである。
更に、本発明の光電変換素子においては、光学ローパスフィルターを不要とすることが出来、更なる高感度、高解像力が期待できる点で好ましい。
更に、本発明の光電変換素子においては厚みを薄くすることが可能であり、かつ色分解光学系が不要となる為、「日中と夜間のように異なる明るさの環境」、「静止している被写体と動いている被写体」など、異なる感度が要求される撮影シーン、その他分光感度、色再現性に対する要求が異なる撮影シーンに対して、本発明の光電変換素子を交換して撮影する事により1台のカメラにて多様な撮影のニーズにこたえることが出来、同時に複数台のカメラを持ち歩く必要がない為、撮影者の負担も軽減する。交換の対象となる光電変換素子としては、上記の他に赤外光撮影用、白黒撮影用、ダイナミックレンジの変更を目的に交換光電変換素子を用意することが出来る。
本発明のTVカメラは、映像情報メディア学会編、テレビジョンカメラの設計技術(1999年8月20日、コロナ社発行、ISBN 4-339-00714-5)第2章の記述を参考にし、例えば図2.1テレビカメラの基本的な構成の色分解光学系及び撮像デバイスの部分を、本発明の光電変換素子と置き換えることにより作製することができる。
上述の積層された受光素子は、配列することで撮像素子として利用することができるだけでなく、単体としてバイオセンサや化学センサーなどの光センサやカラー受光素子としても利用可能である。
[実施例]
以下に本発明の実施例を述べるが、もちろん、本発明はこれに限定されたものではない。
[光電変換素子A1〜A7の作成]
2.5cm角のコーニング1737ガラス基板を、アセトン、セミコクリーン、イソプロピルアルコール(IPA)でそれぞれ15分超音波洗浄した。最後にIPA煮沸洗浄を行った後、UV/O3洗浄を行った。その基板をスパッタ室に移動し、ITO幅5mm電極間隔5mmのパターン2本になるようなマスクと共に基板ホルダーに固定して室内を3×10-5Paに減圧した。その基板にITOを厚み0.2μmでスパッタ製膜した。得られたITOの表面抵抗は、7Ω/□であった。その基板を有機層蒸着室に移動し、室内を3×10-4Paに減圧した。その後、基板ホルダーを回転させながら、下記のルテニウム錯体を、蒸着速度3〜4Å/secで厚み400Åとなるように蒸着し、この上に、化合物119を厚み600Åになるように蒸着し、製膜した。その後Alを厚み0.02μmで抵抗加熱真空蒸着装置にて製膜した。その上から再びITOを厚み0.20μmで製膜した(素子A1)。化合物119を、化合物21、化合物A、B、C、D及びAlq(トリス−8−ヒドロキシキノリンアルミニウム)にそれぞれ替えて、素子A1と同様にして素子A2〜A7を作成した。また、透明なガラス上に化合物119、21、化合物A、B、C、D及びAlqそれぞれのみを2000Åに製膜し、AC−1にてイオン化ポテンシャルを求めた(AC−1で測定できないほど大きな値のものは、UPSにて測定を行った)。これらの素子A1〜A7それぞれに白色光を1/100秒にて照射し、流れた電流から発生した電子数を計算し、量子効率を求めた。その結果を表1に示した。なお、Al付きITO(上部電極)に、ITO(下部電極)に対して3Vの電圧を印加して試験を行った。光照射前に電流が流れてしまう場合、その電流値を光入射時の電流値から引くことで量子効率を求めた。
表1
Figure 2005311329
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表1から、明らかなように化合物のイオン化ポテンシャルが大きくなるにつれ、効率が向上することがわかる。特に、約6.0eV以上では、効率が30%にも達し、6.8eV以上では、46%にも至る。
[光電変換素子B1〜B7の作成]
実施例1の素子A1〜A7それぞれにおいてルテニウム錯体を用いる代わりに、下記の亜鉛フタロシアニンを用いて同様の赤色光電変換素子を作成し、その上に実施例1の素子を積層し、二つの素子に関して実施例1と同様の評価を行った結果、実施例1と全く同様の傾向が得られた。なお、表2にルテニウム錯体、亜鉛フタロシアニン、化合物Eのイオン化ポテンシャルを示した。
表2
Figure 2005311329
[光電変換素子C1〜C7の作成]
実施例1の素子A1〜A7それぞれにおいてルテニウム錯体を用いた代わりに、下記化合物Eを用いた素子を積層し、実施例1と同様の評価を行った。その結果が表3である。この結果をみると、化合物Eと同等以下のイオン化ポテンシャルを有する材料は、効率が大きく低下することがわかる。すなわち、本発明における該電子輸送性有機材料のイオン化ポテンシャルは、該ホール輸送性材料のイオン化ポテンシャルよりも大きいことが望ましいことがわかる。特に青色変換素子において有効である。もちろん、このような化合物を見出すことは膜質やいろいろな理由から難しく、本発明はその困難を乗り越え発見されたものである。
表3
Figure 2005311329
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Figure 2005311329
[光電変換素子D1〜D7の作成]
実施例1において、ルテニウム錯体を用いる代わりに、下記化合物120を用いて同様の光電変換素子を作成し、実施例1と同様の評価を行った結果、実施例1と全く同様の傾向が得られた。
化合物120
Figure 2005311329
[光電変換素子E1〜E7の作成]
実施例1と同様のITO基板を準備し、その上にm−MTDATAを厚み20nmで蒸着し、その後化合物120を厚み100nmで蒸着し この上に、厚み50nmで製膜する材料を、7種類(化合物119、21、化合物A、B、C、D及びAlq(トリス−8−ヒドロキシキノリンアルミニウム))変化させて7種類の素子を作成した。さらに、その7種類の素子全てに化合物121を厚み20nmで蒸着し、その後Alを厚み0.02μmで抵抗加熱真空蒸着装置にて製膜した。その上から再びITOを厚み0.20μmで製膜した。これらの素子E1〜E7を実施例1と同様に評価した結果、実施例1と同様の効果が見られた。
化合物121
Figure 2005311329
[光電変換素子F1〜F6の作成]
実施例1と同様のITO基板を準備し、その上にm−MTDATAを厚み20nmで蒸着し、その後化合物120を厚み100nmで蒸着し この上に、厚み50nmでAlq(トリス−8−ヒドロキシキノリンアルミニウム)を蒸着し、その上から6種類(化合物119、21、化合物A、B、C及びD)の材料を変化させて厚み20nmで蒸着し6種類の素子を作成した。その後Alを厚み0.02μmで抵抗加熱真空蒸着装置にて製膜し、その上から再びITOを厚み0.20μmで製膜した。この素子を実施例1と同様に評価した結果、実施例1と同様の効果が見られた。
実施例5、及び6において、有機材料の蒸着を完全に上下反対(一番上の層がm−MTDATA、一番下が化合物121)にして素子を作成し、評価した結果、実施例5及び6と同様の結果が得られた。なお、実施例5とバイアスの印加方向は逆とした。実施例5は電子を上部電極に取り出すが、本例では電子を下部に取り出すためである。
以下では、上記実施例の光電変換素子を用いた撮像素子について説明する。
[撮像素子の作成]
本発明における電荷転送部基板は、以下のようなものを用いることができる。
図1は本発明の実施形態に用いる電荷転送部基板の概略構成を示す図である。この方式の一つの特徴について触れると、受光部は、ある受光部に隣接する受光部を水平及び垂直方向の画素ピッチの半分ずらした位置に配した、すなわち受光部の画素配列をハニカム状に配置したいわゆるハニカム配列のCCD撮像素子(以下、ハニカムCCDという)を固体撮像素子として用いる。このハニカムCCDの詳細構成は、特開平10−136391号公報などに開示されている。
受光部105は、隣接する受光部に対して水平及び垂直方向において画素ピッチの半分ずらした状態で配列される。すなわち、ある受光部において水平及び垂直方向に形成される正方格子の中心点の位置にそれぞれ隣接する受光部が配置される。これにより、水平及び垂直方向における画素ピッチの1/√2のピッチの正方格子を45度傾けた状態に受光部が配列された撮像領域が構成される。
これらの受光部105は、後ほど作成されるが、この受光部の位置に信号電荷蓄積部を設ける。従来の撮像素子は、図1においてP型低濃度不純物領域(P-well)とN型高濃度不純物層105a及び表面のP型高濃度不純物層105bからなる埋め込みフォトダイオードを作成するが、本発明においては、P型高濃度不純物層105bを作成せず、受光部の下部電極を直接N型高濃度不純物層105aに直結する。すなわち、基板作成プロセスの後半で、図2に示すように、N型高濃度不純物層105aの上にプラグαと下部電極βを作成する。該下部電極は、Alを用いる。なお、それ以外のプロセスは従来のCCD撮像素子と類似である。すなわち、受光部105の周囲の隣接した領域には、垂直方向(図中縦方向)に蛇行して延在した形で、受光部105において蓄積した電荷を転送するN型高濃度不純物による電荷転送路106が配設されている。電荷転送路106の上部には、第1層101と第2層102の2層構造のポリシリコン電極による転送電極111、112、113、114が形成されている。2層ポリシリコン電極は、第1層101を形成した後、端部が重なるように絶縁膜109を介して第2層102を形成したものである。これらの転送電極111、112、113、114によって例えばφ1、φ2、φ3、φ4の4相の転送パルスを印加して電荷転送路106を駆動し、全画素読み出しが可能である。
受光部105の外周の一側部には、光電変換により蓄積された電荷を電荷転送路106へ読み出す読み出しゲート107が設けられ、他方の側部には上下方向にわたって隣の画素列の電荷転送路に電荷が流れないように堰き止めるP型高濃度不純物による素子分離領域(チャネルストップ)108が形成されている。また、受光部105及び電荷転送路106、第1層ポリシリコン電極101、第2層ポリシリコン電極102の表面には、それぞれSiO2 等の酸化膜による絶縁膜109が形成され、この絶縁膜109によって互いに電気的に絶縁されている。
このようなハニカムCCDでは、転送電極を2層ポリシリコン構造としても全画素読み出しに対応できるため、製造プロセスを簡略化できる。また、一画素あたり4電極を配置することができる。この場合、4相の転送パルスで駆動することによって、扱う電荷量を3相駆動の場合の約1.5倍大きくすることができる。ハニカムCCDの構造では、従来の正方格子CCDに比べて、受光部の面積を相対的に大きくでき、しかも水平・垂直の解像度が高いことから、微細化(高密度化、多画素化)していった場合でも高感度の固体撮像素子が得られる。
図3は本発明の第1実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。本実施形態におけるハニカムCCDは、前述したように、受光部105と、それに隣接する電荷転送路106及び転送電極111〜114からなる垂直電荷転送部(VCCD)122とが二次元平面状に配置されている。受光部105における一水平画素行は隣接する画素行に対して水平方向に水平画素ピッチの1/2だけ互いにずれており、また一垂直画素列は隣接する画素列に対して垂直方向(縦方向)に垂直画素ピッチの1/2だけずれて配列されていわゆるハニカム配列を構成している。VCCD122は、一画素に対して4相の転送パルスφ1〜φ4を供給するための転送電極111〜114が配設されている。各転送電極111〜114は水平方向(横方向)に延在しており、受光部105を避けるようにしながら蛇行して形成されている。
入射光を受光することにより受光部105で発生した信号電荷は、図において右下方に設けられた読み出しゲート107から電荷転送路106に読み出される。各画素の受光部105に隣接する電荷転送路106は、図において上部から下部に向かって縦方向に連なっており、ハニカム状に配列した受光部105の間を蛇行しながら垂直方向(縦方向)に延在し、転送電極111〜114とともにVCCD122を形成している。各VCCD122の端部は、遮光された水平電荷転送部(HCCD)123に接続されている。さらにHCCD123の末端には、フローティングディフュージョンアンプ(FDA)等を有してなる信号読み出し回路124が接続され、この信号読み出し回路124より信号電荷がCCD素子外部に読み出される。
本実施形態では、VCCDの転送電極111〜114として使用しているポリシリコン電極の電気抵抗を下げるために、ポリシリコンより比抵抗が小さい電極材料、例えばAl(アルミニウム)やW(タングステン)を金属配線125としてポリシリコン電極上に絶縁膜を介して積層したいわゆるメタル裏打ち構造を形成している。この金属配線125はコンタクトホール126を介してそれぞれの転送電極111〜114に電気接続されている。本実施形態のようなハニカムCCDでは、従来の正方格子CCDとは異なり、2層構造のポリシリコン電極の長手方向に沿って、すなわち図において横方向に蛇行しながら全ての相(層)の転送電極111〜114に対応して金属配線125を敷設することができる。
この金属配線125は、図において横方向に延出され、末端が素子外部より供給される駆動用の転送パルスφ1〜φ4を伝送するための配線パターン130と電気接続されている。この図3の例では、金属配線125及び配線パターン130をAlで形成し、金属配線125と他の位相の配線パターン130とが交わる部分はポリシリコン電極の上に絶縁膜を介して配線パターン130を形成して配線し、金属配線125及び配線パターン130とポリシリコン電極とをコンタクト部で電気的に導通させる構成を示している。
電極材料としては、Al、W、Cu(銅)、Ti(チタン)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Pd(パラジウム)、Pt(白金)、あるいはこれらの窒化物(WSi(タングステンシリコン)など)、シリサイド(TiSi(チタンシリコン)など)、合金、化合物、複合物が適する。Alは加工が容易で扱いやすく、電気抵抗が小さいので裏打金属配線によく用いられる。WはAlに比べてポリシリコンとの間で合金を形成しないので、合金によるポテンシャルシフト(ポテンシャルの部分的な変化)が起こりにくく、VCCDにおいて効率の良い電荷転送が可能である。また、Wは固体撮像素子の遮光膜に用いられるため、遮光膜部分と合わせて使用すればよい。
図4は実施形態におけるコンタクトホール部の構成を示す平面図及び断面図である。本実施形態では、電荷転送路106を垂直画素列ごとに分離する素子分離領域であるチャネルストップ108上にコンタクトホール126を配設し、このコンタクトホール126によってポリシリコン電極127と金属配線125とを電気的に接続している。金属配線125とポリシリコン電極127との間にはSiO2 による絶縁膜129が設けられ、その膜厚dは0.2μm以下となっている。コンタクトホール126はこの絶縁膜129を貫通して金属配線125がポリシリコン電極127と導通するように形成される。
本実施形態のようなハニカムCCDでは、ポリシリコン電極127において上方に露呈可能な空き領域が広く存在するため、正方格子CCDに比べてコンタクトホール126の位置の選択幅が大きく、素子分離領域上に形成することが容易である。また、チャネルストップ108上に設けることによって、コンタクトホール126による無効領域の増加を防止できる。さらに、コンタクトホール126はそれぞれの相(層)のポリシリコン電極127に対して水平方向(横方向)において一画素あたり一つ設けることができる。以上が電荷転送部基板のプロセスである。
上記基板上の下部電極β上に、実施例1〜6で述べた光電変換素子A1〜A7、B1〜B7、C1〜C7、D1〜D7、E1〜E7およびF1〜F6素子を有機層を完全に逆転して作成し、それぞれの撮像素子を得た。それらの撮像素子の量子効率を評価した結果、実施例1と同様の傾向が見られた。
実施例8で用いた基板に代わりに下記に説明するような図5のような基板上に、実施例1〜6で述べた光電変換素子A1〜F6の有機層を完全に逆転して作成し、撮像素子を得た。それらの撮像素子を評価した結果、実施例1と同様の傾向が見られた。
213はシリコン単結晶基盤でありB光とR光の電磁波吸収/光電変換部位と光電変換により生成した電荷の電荷蓄積/転送/読み出し部位を兼ねている。通常、p型のシリコン基盤が用いられる。221、222、223はシリコン基盤中に設けられたn層、p層、n層を各々示す。221のn層はR光の信号電荷の蓄積部でありpn接合により光電変換されたR光の信号電荷を蓄積する。蓄積された電荷は226に示したトランジスタを介して219のメタル配線により227の信号読み出しパッドに接続される。223のn層はB光の信号電荷の蓄積部でありpn接合により光電変換されたB光の信号電荷を蓄積する。蓄積された電荷は226に類似のトランジスタを介して219のメタル配線により227の信号読み出しパッドに接続される。ここでp層、n層、トランジスタ、メタル配線等は模式的に示したが、それぞれが前論で詳述したように、構造等は適宜最適なものが選ばれる。B光、R光はシリコン基盤の深さにより分別しているのでpn接合等のシリコン基盤からの深さ、ドープ濃度の選択などは重要である。212はメタル配線を含む層であり酸化珪素、窒化珪素等を主成分とする層である。212の層の厚みは薄いほど好ましく5μ以下、好ましくは3μ以下、さらに好ましくは2μ以下である。211も同様に酸化珪素、窒化珪素等を主成分とする層である。211と212の層にはG光の信号電荷をシリコン基盤に送るためのプラグが設けられている。プラグは211と212の層の間で216のパッドにより接続されている。プラグはタングステンを主成分としたものが好ましく用いられる。パッドはアルミニウムを主成分としたものが好ましく用いられる。前述したメタル配線も含めてバリア層が設けられていることが好ましい。215のプラグを通して送られるG光の信号電荷はシリコン基盤中の225に示したn層に蓄積される。225に示したn層は224に示したp層により分離されている。蓄積された電荷は226に類似のトランジスタを介して219のメタル配線により227の信号読み出しパッドに接続される。224と225のpn接合による光電変換は雑音となるために211の層中に217に示した遮光膜が設けられる。遮光膜は通常、タングステン、アルミニウム等を主成分としたものが用いられる。212の層の厚みは薄いほど好ましく3μ以下、好ましくは2μ以下、さらに好ましくは1μ以下である。227の信号読み出しパッドはB、G、R信号別に設ける方が好ましい。以上のプロセスは従来公知のプロセス、いわゆるCMOSプロセスにより調製できる。
G光の電磁波吸収/光電変換部位は206、207、208、209、210、214により示される。206と214は透明電極であり、各々、対向電極、画素電極に相当する。画素電極214は透明電極であるが、215のプラグと電気的接続を良好にするために接続部にアルミニウム、モリブデン等の部位が必要な場合が多い。これらの透明電極間には218の接続電極、220の対向電極パッドからの配線を通じてバイアスがかけられる。対向電極206に対して画素電極214に正のバイアスをかけて225に電子が蓄積できる構造が好ましい。この場合207は電子ブロッキング層、208がp層、209がn層、210が正孔ブロッキング層であり、有機層の代表的な層の構成を示した。207、208、209、210から成る有機層の厚みは好ましくは合わせて0.5μ以下、より好ましくは0.3μ以下、特に好ましくは0.2μ以下である。206の透明対向電極、214の透明画素電極の厚みは特に好ましくは0.2μ以下である。203、204、205は窒化珪素等を主成分とする保護膜である。これらの保護膜により、有機層を含む層の製造プロセスが容易となる。特にこれらの層は218等の接続電極作成時のレジストパタ−ン作成、エッチング時等の有機層に対するダメ−ジを低減させることができる。また、レジストパタ−ン作成、エッチング等を避けるために、マスクによる製造も可能である。203は218の接続電極の保護膜である。202は赤外カット誘電体多層膜である。201は反射防止膜である。
本実施形態における画素信号読出部の断面図を図6に示す。半導体基板325の上部には、先ず透明絶縁膜324が積層され、その上に、受光部301毎に区分けされた電極膜(以下、画素電極膜という。)320rが積層され、その上部に、赤色(R)を検出する光電変換膜323rが積層される。この光電変換膜323rは受光部毎に区分けして設ける必要はなく、各受光部301が集合する受光面全面に対し1枚構成で積層される。光電変換膜323rの上には、赤色信号を検出する各受光部301に共通の共通電極膜322rがこれも一枚構成で積層され、その上部に、透明の絶縁膜324が積層される。
絶縁膜324の上部には、受光部301毎に区分けされた画素電極膜320gが積層され、その上に、緑色(G)を検出する光電変換膜323gが上記と同様に1枚構成で積層され、更にその上部に、共通電極膜322gが積層され、その上部に、透明の絶縁膜324が積層される。
この絶縁膜324の上部には、受光部301毎に区分けされた画素電極膜320bが積層され、その上に、青色(B)を検出する光電変換膜323bが上記と同様に1枚構成で積層され、更にその上部に、共通電極膜322bが積層される。なお、該断面図では、赤色信号を検出する323rの画素電極320rから、半導体基板325にある電荷蓄積部345に接続されている部分のみが描かれているが、基板上の違う部分の断面をとると、それぞれ、緑を検出する光電変換膜、青を検出する光電変換膜の画素電極からの電荷を蓄積する電荷蓄積部が存在していて、信号を読み出せるようになっている。ここでは赤を用いて信号読出機構を説明するが、緑、青も同様の機構で読み出せる。
信号読出は以下のように行われる。例えば、赤を検出する光電変換膜に光が当たると、光電変換膜323rに電子が発生し画素電極320r及び柱状電極344rを通って接続部318rに信号電荷が流れ込む。該信号電荷は速やかにソース341r(出力トランジスタのゲート)の下にできた電位井戸内に流れ込み、蓄積される。
この蓄積部はこの断面図とは違う場所に位置するトランジスタのゲート部に電極を通してつながっており、この蓄積部に電子がたまることにより変化した電位を検出して、その信号量を増幅する。このような機構により323rに発生した信号電荷量を読み出す。
上記基板の青色光電変換膜、緑色光電変換膜、赤色光電変換膜の部位に実施例1〜6で記載された光電変換膜を有機層を逆転させていつくかの組み合わせで積層し評価した結果、実施例1と同様の傾向が見られた。
本発明の実施形態に用いるCCD撮像素子の概略構成を示す平面図及びA−A断面図である。 本発明の実施形態に用いるCCD撮像素子の概略構成を示すA−A断面図である。 本発明の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。 実施形態におけるコンタクトホール部の構成を示す図であり、(A)は平面図、(B)はB−B断面図である。 本発明の実施形態に用いるCMOS撮像素子の断面図である。 本発明の実施形態に用いるCMOS撮像素子の断面図である。
符号の説明
101第1層(ポリシリコン電極)
102第2層(ポリシリコン電極)
105受光部
106電荷転送路
107読み出しゲート
108素子分離領域(チャネルストップ)
109絶縁膜
111,112,113,114 転送電極(ポリシリコン電極)
122 垂直電荷転送部(VCCD)
123 水平電荷転送部(HCCD)
124 信号読み出し回路
125 金属配線
126 コンタクトホール
127 ポリシリコン電極
129 絶縁膜
130 配線パターン
201 反射防止膜
202 赤外カット誘電体多層膜
203,204,205 保護膜
206 透明対向電極
207 電子ブロッキング層
208 p層
209 n層
210 正孔ブロッキング層
211,212 メタル配線を含む層
213 シリコン単結晶基盤
214 透明画素電極
215 プラグ
216 パッド
217 遮光膜
218 接続電極
219 メタル配線
220 対向電極パッド
221 n層
222 p層
223 n層
224 p層
225 n層
226 トランジスタ
227 信号読み出しパッド
316r MOSトランジスタ
318r 接続部
320r,320g,320b 透明の画素電極膜
322r,322g,322b 透明の共通電極膜
323r,323g,323b 光電変換膜
324 透明絶縁膜
330 n型半導体基板
331 Pウェル層
332 ゲート絶縁膜
333 絶縁膜
334 光遮蔽膜
340r リセット用トランジスタ116rのゲート電極
341r リセット用トランジスタ116rのソース(n+領域)
342r リセット用トランジスタ116rのドレイン(n+領域)
344r 柱状の配線電極
345r n型半導体領域(電荷通路)

Claims (21)

  1. 少なくとも一つの電子輸送性を有する有機材料及び少なくとも一つのホール輸送性を持つ材料を有する光電変換素子において、該電子輸送性を有する有機材料のイオン化ポテンシャルが5.5eVよりも大きいことを特徴とする光電変換素子。
  2. 少なくとも一つの電子輸送性を有する有機材料及び少なくとも一つのホール輸送性を持つ材料を有する光電変換素子において、該電子輸送性を有する有機材料のイオン化ポテンシャルが該ホール輸送性を持つ材料の最も高い準位にある電子を真空無限遠点まで取り出すのに必要なエネルギーよりも大きいことを特徴とする光電変換素子。
  3. 該ホール輸送性を持つ材料がホール輸送性を持つ有機材料であり、該真空無限遠点まで取り出すのに必要なエネルギーがイオン化ポテンシャルであることを特徴とする請求項2に記載の光電変換素子。
  4. 該電子輸送性を有する有機材料のイオン化ポテンシャルが6.0eVよりも大きいことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光電変換素子。
  5. 該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(I)で表される化合物であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光電変換素子。
    Figure 2005311329
    (式中、Aは二つ以上の芳香族ヘテロ環が縮合したヘテロ環基を表し、Aで表されるヘテロ環基は同一または異なってもよい。mは2以上の整数を表す。Lは連結基を表す。)
  6. 該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(II)で表される化合物であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の光電変換素子。
    Figure 2005311329
    (式中、Bは二つ以上の5員環および/または6員環の芳香族ヘテロ環が縮合したヘテロ環基を表し、Bで表されるヘテロ環基は同一または異なってもよい。mは2以上の整数を表す。Lは連結基を表す。)
  7. 該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(III)で表される化合物であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の光電変換素子。
    Figure 2005311329
    (式中、XはO、S、Se、TeまたはN−Rを表す。Rは水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。Q3は芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。mは2以上の整数を表す。Lは連結基を表す。)
  8. 該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(IV)で表される化合物であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の光電変換素子。
    Figure 2005311329
    (式中、XはO、S、Se、TeまたはN−Rを表す。Rは水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。Q4は含窒素芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。mは2以上の整数を表す。Lは連結基を表す。)
  9. 該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(V)で表される化合物であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の光電変換素子。
    Figure 2005311329
    (式中、X5はO、SまたはN−Rを表す。Rは水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール
    基またはヘテロ環基を表す。Q5は6員の含窒素芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子
    群を表す。mは2以上の整数を表す。Lは連結基を表す。)
  10. 該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(VI)で表される化合物であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の光電変換素子。
    Figure 2005311329
    (式中、X6はO、SまたはN−Rを表す。Rは水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。Q6は6員の含窒素芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。nは2ないし8の整数を表す。Lは連結基を表す。)
  11. 該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(VII)で表される化合物であることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の光電変換素子。
    Figure 2005311329
    (式中、Rは水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。Q7は6員の含窒素芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。nは2ないし8の整数を表す。Lは連結基を表す。)
  12. 該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(VIII)で表される化合物であることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の光電変換素子。
    Figure 2005311329
    (式中、Q81、Q82およびはQ83は、それぞれ6員の含窒素芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。R81、R82およびR83は、それぞれ水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。L1 、L2 およびL3は、それぞれ連結基を表す。Yは窒素原子または1,3,5−ベンゼントリイル基を表す。)
  13. 該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(IX)で表されることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の光電変換素子。
    Figure 2005311329
    (式中、Q91、Q92およびはQ93は、それぞれ6員の含窒素芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。R91、R92およびR93は、それぞれ水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。)
  14. 該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(X)で表されることを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の光電変換素子。
    Figure 2005311329
    (式中、R101 、R102 およびR103 は、それぞれ水素原子、脂肪族炭化水素基、アリール基またはヘテロ環基を表す。R104 、R105 およびR106 は、それぞれ置換基を表す。p1 、p2 およびp3 は、それぞれ0ないし3の整数を表す。p1 、p2 およびp3が2以上のときは R104 、R105 およびR106 は、それぞれが同じであっても異なっていてもよい。)
  15. 該電子輸送性を有する有機材料が下記一般式(XI)で表される化合物であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の光電変換素子。
    Figure 2005311329
    (式中、Q3 は芳香族ヘテロ環を形成するに必要な原子群を表す。R11は水素原子または置換基を表す。mは2以上の整数を表す。Lは連結基を表す。)
  16. 該電子輸送性を有する有機材料および/またはホール輸送性材料が真空製膜により作成されたことを特徴とする請求項1〜15のいずれかに記載の光電変換素子。
  17. 請求項1〜16のいずれかに記載の光電変換素子を用いて作成されたことを特徴とする撮像素子。
  18. 該光電変換素子が少なくとも一つの光電変換素子を持つSi基板上に作成されたことを特徴とする請求項17に記載の撮像素子。
  19. 請求項1〜16のいずれかに記載の光電変換素子を基板上に少なくとも二つ積層したことを特徴とする撮像素子。
  20. 請求項1〜16のいずれかに記載の光電変換素子を基板上に少なくとも三つ積層したことを特徴とする撮像素子。
  21. 該少なくとも3つの光電変換素子が青色光電変換素子、緑色光電変換素子、赤色光電変換素子からなることを特徴とする請求項20に記載の撮像素子。
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