JP2003303978A

JP2003303978A - 光電変換素子および光電変換装置

Info

Publication number: JP2003303978A
Application number: JP2002106809A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Watanabe; 浩之渡邊; Kazunori Anazawa; 一則穴澤; Tsutomu Manabe; 力真鍋; Masaaki Shimizu; 正昭清水
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2003-10-24
Anticipated expiration: 2022-04-09
Also published as: EP1353387A2; US20030189235A1; DE60318512T2; DE60318512D1; EP1353387A3; US6724064B2; JP4051988B2; EP1353387B1

Abstract

(57)【要約】【課題】通信帯の高速光パルス信号を高周波もしくは
電磁波の信号に直接変換する光電変換素子および光電変
換装置を提供すること。【解決手段】基板１２と、基板１２の表面に設けら
れ、高速光パルス信号を受光して高周波に変換する受光
体２と、を備え、受光体２が、少なくともカーボンナノ
チューブからなることを特徴とする光電変換素子、およ
びそれを有する光電変換装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光信号処理、光通
信、高周波信号処理、あるいは高周波信号通信におい
て、高速光パルスを高周波もしくは電磁波に変換する光
電変換素子および光電変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、通信分野では、基幹通信網はもと
より、各ユーザーまでの通信網までが光通信に替わろう
としている。しかし、携帯端末や携帯電話に代表される
通信端末では、高周波通信が今後も重要となり、通信網
全体は、光通信網と高周波通信網が混在する形態を取ら
ざるを得ない。

【０００３】現在、光通信および高周波通信では、これ
らの信号が一度電気信号に変換されて、増幅やスイッチ
ングが行われている。高速の光変調器やレーザーの光変
調技術も存在する。また、半導体や酸化物超伝導体にフ
ェムト秒の高速パルス光を照射し、波長がＴＨｚ程度の
電磁波を発生させる技術もある。

【０００４】半導体や酸化物超伝導体によるＴＨｚ電磁
波の発生は、１００ＧＨｚ以上の高速領域では有望であ
る。阪井らの報告によれば、低温成長のＧａＡｓ薄膜光
スイッチでは、キャリアの寿命が１ｐｓ以下で、有望な
光スイッチである。

【０００５】一般に、半導体の多くは、バイアス電圧を
印加した場合、表面近傍のエネルギーバンドが曲がった
状態にあり、空乏層を形成し、表面電場が生じる。この
表面電場が生じている半導体表面にフェムト秒レーザー
パルスを照射すると、レーザー光により誘起された電子
と正孔とが、半導体表面の電場で加速されることにより
サージ電流が流れ、双極子放射によりＴＨｚ電磁波が発
生する。電磁波の電場成分は、サージ電流の時間微分に
比例し、半導体表面の分極率の２回時間微分に比例す
る。バンドギャップの広いＩｎＰやＧａＡｓでは、誘起
される表面電場が大きく、さらに、表面付近での二次の
非線形光学効果による入射光パルスの光整流によるＴＨ
ｚパルス波も同時に放射される。

【０００６】一方、バンドギャップの狭いＩｎＳｂやＩ
ｎＡｓなどでは、誘起される表面電場は大きくなく、フ
ォトデンバー効果と呼ばれる光パスルで表面を励起した
時に生じる電子と正孔の拡散速度の差によって表面電流
が流れ、ＴＨｚパルス波を生じるとともに、光整流効果
によるＴＨｚパルス波の放射も起きる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、光変調器やレ
ーザーの光変調技術は、いずれも、数十ＧＨｚ程度の速
度が上限で、数百ＧＨｚ帯や数ＴＨｚといった高速応答
はできない。また、半導体光スイッチは、入射波長が８
００ｎｍ近傍の光パルスしか使用できず、実際の通信帯
である波長が１．５μｍ程度の光については適用できな
い。したがって本発明の目的は、通信帯の高速光パルス
信号を高周波もしくは電磁波の信号に直接変換する光電
変換素子および光電変換装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、以下の本発
明により達成される。すなわち本発明の光電変換素子
は、基板と、該基板の表面に設けられ、高速光パルス信
号を受光して高周波に変換する受光体と、を備え、前記
受光体が、少なくともカーボンナノチューブからなるこ
とを特徴とする。

【０００９】本発明の光電変換素子によれば、前記カー
ボンナノチューブに対して、例えば波長１μｍ以上２μ
ｍ以下の光パルスからなる光信号を照射すると、高周波
もしくは電磁波に変換されて放出される。また、本発明
の光電変換素子によれば、１ＭＨｚ以上程度は勿論のこ
と、１０ＴＨｚもの高周波の光信号に対しても高速応答
し得るものとなる。

【００１０】より具体的には、前記カーボンナノチュー
ブの両端ないしその周辺にそれぞれ接続される一対の電
極を備えていれば、当該電極間に高周波もしくは電磁波
が生成し、一方、電極が接続されていない、あるいは電
極が電気回路に組み込まれていない状態であれば、高速
光パルス信号から変換された高周波もしくは電磁波がさ
らに空気中に放出される。この原理については、明らか
ではないが、バンドギャップが狭く、移動度の高いＩｎ
Ａｓが微粒子となることで、光に対する応答速度が向上
し、高速光パルスに応じた電磁波を放出するものと推定
される。さらにカーボンナノチューブが効率良く電磁波
を吸収することで、高速光パルス信号の電気光変換が実
現されるものと推定される。

【００１１】高速光パルスから高周波もしくは電磁波へ
の変換効率（以下、「光電変換効率」と称する。）をよ
り向上させるには、前記カーボンナノチューブと電気的
に接触した状態で、前記受光体としてさらに半導体微粒
子を配置することが好ましく、その位置としては、前記
基板の表面であって、前記一対の電極の間とすることが
好ましい。当該半導体微粒子としては、ＩｎＡｓ、Ｇａ
Ａｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＧａＮ、ＩｎＮ、およびＧａ
ＩｎＮからなる群より選ばれるいずれか１の半導体微粒
子を含むことが好ましい。

【００１２】前記カーボンナノチューブは、１本であっ
てもよいが、複数本であることが光電変換効率の観点か
らは好ましい。当該カーボンナノチューブとしては、多
層カーボンナノチューブであることが好ましい。多層カ
ーボンナノチューブとすることで、ハンドリングが容易
になり、製造効率が向上するのに加え、各層が並列的な
電気伝送路として機能するため、高速光パルスの変換効
率が向上する。

【００１３】前記カーボンナノチューブとしては、その
直径が、０．３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好
ましく、その長さが、０．１μｍ以上１００μｍ以下で
あることが好ましい。また、前記電極としては、Ａｕ、
Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉからなる群より選
ばれるいずれか１の材料を含むことが望ましい。前記一
対の電極の間隙としては、１ｎｍ以上１００μｍ以下で
あることが好ましい。前記カーボンナノチューブと、そ
れが接続する電極との間の接続抵抗値としては、１０Ｍ
Ω以下であることが好ましい。

【００１４】前記基板が、その少なくとも前記カーボン
ナノチューブが配される部位に、分散除去層が形成され
てなることが好ましく、当該分散除去層としては、半導
体超格子層とすることが好ましく、Ｇａ、Ａｓ、Ｉｎお
よびＰよりなる群から選ばれる２以上の元素からなる半
導体超格子層からなることが好ましい。

【００１５】前記カーボンナノチューブの少なくとも一
部は、保護層により覆われていることが好ましい。この
保護層は、誘電体であることが好ましい。本発明の光電
変換素子は、周波数として１ＭＨｚ以上１０ＴＨｚ以下
の高速光パルスを、また、波長として１μｍ以上２μｍ
以下の高速光パルスを、高周波の電磁波に変換すること
ができる。

【００１６】一方、本発明の光電変換装置は、上記本発
明の光電変換素子を有し、該光電変換素子により変換さ
れた高周波を電気信号に変換する高周波検出器を備える
ことを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の詳細を好ましい
実施の形態を挙げて詳細に説明する。＜本発明の概要＞図１および図２に、本発明の光電変換
素子の態様を、カーボンナノチューブ１本のみ用いた例
で、模式断面図にて示す。図１に示される光電変換素子
は、高速光パルスを高周波に変換するものとして用いら
れる。一方、図２に示される光電変換素子は、高速光パ
ルスを電磁波に変換するものとして用いられる。

【００１８】図１において、２はカーボンナノチューブ
であり、支持板１０に分散除去層８が形成された基板１
２の、分散除去層８が形成された側の表面に設けられた
一対の電極６ａおよび６ｂに橋渡しされた状態で配置さ
れる。また、４は半導体微粒子であり、基板１２の分散
除去層８が形成された側の表面であって、一対の電極６
ａおよび６ｂの間に、カーボンナノチューブ２と電気的
に接触した状態で配置されている。

【００１９】一方、図２に示される光電変換素子は、図
１に示される光電変換素子から、一対の電極６ａおよび
６ｂを除した構成となっており、相互に電気的に接触し
た状態のカーボンナノチューブ２と半導体微粒子４と
が、支持板１０に形成された分散除去層８の表面に配置
されている。

【００２０】カーボンナノチューブ２は、外気から遮断
する目的、および／または、物理的に保護する目的で形
成される、保護層により覆われていることも好ましい態
様である。以下、本発明の各構成要素について詳述す
る。

【００２１】（カーボンナノチューブ）一般にカーボン
ナノチューブとは、炭素の６角網目のグラフェンシート
が、チューブの軸に平行に管を形成したものを言う。カ
ーボンナノチューブは、さらに分類され、グラフェンシ
ートが１枚の構造のものは単層カーボンナノチューブ
（シングルウォールカーボンナノチューブ）と呼ばれ、
一方、多層のグラフェンシートから構成されているもの
は多層カーボンナノチューブ（マルチウォールカーボン
ナノチューブ）と呼ばれている。どのような構造のカー
ボンナノチューブが得られるかは、合成方法や条件によ
ってある程度決定される。

【００２２】本発明において、主要な構成要素であるカ
ーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブで
も、二層以上の多層カーボンナノチューブでも構わない
が、多層カーボンナノチューブであることが好ましい受
光部を多層カーボンナノチューブとすることで、ハンド
リングが容易になり、製造効率が向上するのに加え、各
層が並列的な電気伝送路として機能するため、高速光パ
ルス信号の変換効率が向上し、光電変換効率が向上す
る。

【００２３】また、単層カーボンナノチューブの変種で
あるカーボンナノホーン（一方の端部から他方の端部ま
で連続的に拡径しているホーン型のもの）、カーボンナ
ノコイル（全体としてスパイラル状をしているコイル型
のもの）、カーボンナノビーズ（中心にチューブを有
し、これがアモルファスカーボン等からなる球状のビー
ズを貫通した形状のもの）、カップスタック型ナノチュ
ーブ、カーボンナノホーンやアモルファスカーボンで外
周を覆われたカーボンナノチューブ等、厳密にチューブ
形状をしていないものも、本発明においてカーボンナノ
チューブとして用いることができる。

【００２４】さらに、カーボンナノチューブ中に金属等
が内包されている金属内包ナノチューブ、フラーレンま
たは金属内包フラーレンがカーボンナノチューブ中に内
包されるピーポッドナノチューブ等、何らかの物質をカ
ーボンナノチューブ中に内包したカーボンナノチューブ
も、本発明においてカーボンナノチューブとして用いる
ことができる。

【００２５】以上のように、本発明においては、一般的
なカーボンナノチューブのほか、その変種や、種々の修
飾が為されたカーボンナノチューブ等、いずれの形態の
カーボンナノチューブでも、その電気特性および高周波
特性等から見て問題なく使用することができる。したが
って、本発明における「カーボンナノチューブ」には、
これらのものが全て、その概念に含まれる。

【００２６】これらカーボンナノチューブの合成は、従
来から公知のアーク放電法、レーザーアブレーション
法、ＣＶＤ法のいずれの方法によっても行うことがで
き、本発明においては制限されない。これらのうち、高
純度なカーボンナノチューブが合成できるとの観点から
は、磁場中でのアーク放電法が好ましい。

【００２７】用いられるカーボンナノチューブの直径と
しては、０．３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好
ましい。カーボンナノチューブの直径が、当該範囲を超
えると、合成が困難であり、コストの点で好ましくな
い。カーボンナノチューブの直径のより好ましい上限と
しては、３０ｎｍ以下である。

【００２８】一方、一般的にカーボンナノチューブの直
径の下限としては、その構造から見て、０．３ｎｍ程度
であるが、あまりに細すぎると合成時の収率が低くなる
点で好ましくない場合もあるため、１ｎｍ以上とするこ
とがより好ましく、３ｎｍ以上とすることがさらに好ま
しい。

【００２９】用いられるカーボンナノチューブの長さと
しては、０．１μｍ以上１００μｍ以下であることが好
ましい。カーボンナノチューブの長さが、当該範囲を超
えると、合成が困難、もしくは、合成に特殊な方法が必
要となりコストの点で好ましくなく、当該範囲未満であ
ると、図１に示す構成のように一対の電極を備える場
合、電極に接続することが困難になる点で好ましくな
い。カーボンナノチューブの長さの上限としては、１０
μｍ以下であることがより好ましく、下限としては、１
μｍ以上であることがより好ましい。

【００３０】電極に接続されるカーボンナノチューブの
本数は、図１および図２ではいずれも１本のものを例示
しており、勿論１本でも光電変換効果を発揮するが、複
数本でも構わない。光電変換効率を高めるには、この本
数は多い方が好ましい。

【００３１】（半導体微粒子）光電変換効率をより向上
させるには、前記カーボンナノチューブと電気的に接触
した状態で、受光体として半導体微粒子を配置すること
が好ましい。半導体微粒子を配置することで、高速光パ
ルスを直接、かつ高い効率で高周波もしくは電磁波に変
換することができる。

【００３２】当該半導体微粒子としては、特に制限され
ないが、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、Ｇａ
Ｎ、ＩｎＮ、およびＧａＩｎＮからなる群より選ばれる
いずれか１の半導体微粒子を含むことが好ましく、なか
でもＩｎＡｓもしくはＩｎＳｂの半導体微粒子が好まし
い。

【００３３】当該半導体微粒子の直径（球でない場合に
は、球相当とした場合の直径）としては、０．１ｎｍ以
上１００ｎｍ以下の範囲が好ましく、２ｎｍ以上１０ｎ
ｍ以下の範囲がより好ましい。当該半導体微粒子と前記
カーボンナノチューブとは、電気的に接触した状態で、
受光体として機能する。ここで電気的に接触した状態と
は、物理的に接触している場合は勿論のこと、物理的に
は離間していても、電気的に導通可能な程度に近接して
いることを指す。

【００３４】かかる半導体微粒子が配置される位置とし
ては、一対の電極を有する場合、基板の表面（図１およ
び図２に示すように、支持板１０に分散除去層８が形成
されている場合には、さらにその上層として。本発明に
おいて、「基板の表面」といった場合に同様。）であっ
て、前記一対の電極（６ａ，６ｂ）の間とすることが好
ましい。当該半導体微粒子と前記カーボンナノチューブ
との位置関係としては、どちらが上下であっても構わな
いし、双方とも基板の表面に位置していてもよい。すな
わち、図１や図２の態様では、半導体微粒子４が支持板
１０（さらには分散除去層８）の表面に配され、その上
にカーボンナノチューブが位置しているが、この関係に
限定されるものではない。

【００３５】配置される半導体微粒子の量としては、当
該半導体微粒子からなる層（微粒子層）の厚さとして、
０．１ｎｍ以上１μｍ以下の範囲が好ましく、１ｎｍ以
上１０ｎｍ以下の範囲がより好ましい。

【００３６】（電極）本発明の光電変換素子について、
前記受光体としてのカーボンナノチューブが受光した高
速光パルス信号を高周波に変換させるには、図１に示す
構成のように、カーボンナノチューブの両端ないしその
周辺がそれぞれ接続する一対の電極が必要となる。当該
電極を端子として、変換された高周波を外部回路に取り
出すことができる。本発明の光電変換素子について、前
記高速光パルス信号を電磁波に変換させる場合には、か
かる一対の電極は必須ではないが、配されていても構わ
ない。一対の電極を配することにより、生じる電磁波を
放射するいわゆるアンテナの機能の一部を当該一対の電
極に担わせることができる。また、さらに電極に他の放
射アンテナを取り付けてもよい。

【００３７】本発明において電極は、導電性を有するも
のであれば制限なく、従来公知の材料を問題なく使用す
ることができるが、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｎ
ｂ、Ｔｉからなる群より選ばれるいずれか１の材料を含
むことが好ましい。これら材料は、単独のものであって
もよいが、２以上の材料からなる合金や、これらの材料
の１以上と他の金属との合金であっても好ましいもので
ある。これら材料は、電導性が良好であり、加工性や安
定性も高く、従来から電子デバイスの電極として用いら
れている。また、電極を基板表面に形成する際に、電極
と基板との接着を十分に確保できない場合には、電極と
基板との間に接着層を設けることもできる。

【００３８】図１に示されるように、基板１２の表面に
一対の電極６ａ，６ｂが設けられる場合、両者の間隙
（電極間距離）としては、１ｎｍ以上１００μｍ以下と
することが好ましい。電極間距離が大きすぎると、それ
を橋渡しし得る長さのカーボンナノチューブの調達が困
難である点で好ましくない。一方、電極間距離が小さす
ぎると、実質的に両電極が導通状態になってしまう場合
があり、また、電極作製が極めて困難となり、コストの
点で好ましくない。電極間距離の上限としては１０μｍ
以下とすることがより好ましく、電極間距離の下限とし
ては１０ｎｍ以上とすることがより好ましく、５０ｎｍ
以上とすることがさらに好ましい。本発明において電極
の厚みとしては、特に制限はないが、１０ｎｍ〜１００
μｍの範囲が適当であり、５０ｎｍ〜１μｍの範囲がよ
り好ましい。

【００３９】なお、本発明において、電極は、図１に示
されるように明確に電極として形成されていることは要
求されない。例えば、プリント基板におけるプリント配
線を一方もしくは双方の電極として、これにカーボンナ
ノチューブを接続しても構わないし、その他リード線や
フレーム等、あらゆるものにカーボンナノチューブを接
続して、これらを電極と見立てることができる。

【００４０】これら一対の電極には、前記カーボンナノ
チューブの両端ないしその周辺が、それぞれ接続されて
いる。ここで「カーボンナノチューブの両端ないしその
周辺」とは、カーボンナノチューブの両方の端部から、
長手方向における中途までのいずれかの部位、を意味
し、それが「接続している」とは、かかるいずれかの部
位において、一部でも接続していれば足りることを意味
し、かかる部位の全てが接続している必要はない。ま
た、ここで言う「接続」とは、電気的な接続を意味し、
必ずしも物理的に接続されることを要求するものではな
い。

【００４１】なお、「長手方向における中途」の位置の
範囲については、特に制限はなく、例えばカーボンナノ
チューブの長手方向におけるほとんどの部位が一方の電
極と接続していても（すなわち、「中途」の位置が、接
続する側の端部よりも他方の端部からの方が近くて
も）、全体として、カーボンナノチューブにより一対の
電極が橋渡しされていれば構わない。

【００４２】前記カーボンナノチューブと、それが接続
する電極との間の接続抵抗値としては、１０ＭΩ以下で
あることが好ましく、１ＭΩ以下であることがより好ま
しい。当該接続抵抗値が大きすぎると、導電性が不十分
となるため好ましくない。なお、当該接続抵抗値は、小
さければ小さいほど好ましいため、好適な下限値は存在
しないが、カーボンナノチューブと電極の場合、一般的
には１０ｋΩ程度が限界である。

【００４３】前記カーボンナノチューブと、それが接続
する電極との成す角としては、１０°以上であることが
好ましく、３０°以上であることがより好ましく、４５
°以上であることがさらに好ましく、垂直であることが
最も好ましい。この成す角を垂直に近づけることは、カ
ーボンナノチューブを２つの電極間に配する場合、当該
２つの電極間の最短距離でカーボンナノチューブを橋渡
しする状態となり、カーボンナノチューブの長さを短く
することができる点で好ましい。

【００４４】ここで「成す角」とは、カーボンナノチュ
ーブと電極とが接続している箇所において、カーボンナ
ノチューブと電極との間に形成される角のことを言う。
直線状のカーボンナノチューブと矩形の電極とを想定し
て、成す角について説明すると、カーボンナノチューブ
の一方の端部において、その端部から長手方向の中途ま
でが、電極の平面に直線状に当接し、電極の縁端から突
出している場合には、前記電極の縁端と前記カーボンナ
ノチューブとの間に形成される最小の角度のことを言
う。

【００４５】カーボンナノチューブが湾曲している場合
や、カーボンナノビーズのように直線状でないものを用
いた場合等、明確な直線相互の関係として角度を求める
ことが困難な場合には、上記成す角は、カーボンナノチ
ューブおよび電極の当接部と非当接部との境界におい
て、必要に応じて接線を引いて求められる。

【００４６】カーボンナノチューブと電極との接続は、
図１のように両者が線で当接する場合には、特に固定し
なくてもある程度の接着が期待できるが、より強固な接
続を企図して、あるいは、両者の当接部が短い場合に
は、両者を何らかの方法で固定することが望ましい。具
体的な固定方法としては、特に制限はないが、例えば、
固定対象部位に電子線を照射することにより、アモルフ
ァスカーボンが照射部に堆積し、電極とカーボンナノチ
ューブとを固定化する方法が挙げられる。また、カーボ
ンナノチューブの製造時、電極を触媒として、これに直
接カーボンナノチューブを成長させる、あるいは、電極
に触媒金属を固定し、これにカーボンナノチューブを成
長させる、といった方法により、カーボンナノチューブ
の製造と共にカーボンナノチューブと電極とを固定化す
る方法も挙げられる。

【００４７】（基板）本発明において、必要に応じて電
極が形成される基板としては、特に制限はないが、変換
対象となる高速光パルス信号を基板側から照射する場合
には、当該高速光パルス信号の波長の光を透過する材質
であることが要求される。また、少なくとも前記カーボ
ンナノチューブが配される側の表面が、絶縁性であるこ
とが要求される。これら要件を満たす範囲内で、従来公
知の電子基板をいずれも用いることができる。

【００４８】前記カーボンナノチューブが配される側の
表面の具体的な抵抗率としては、１×１０⁶Ω・ｃｍ以
上であることが好ましく、５×１０⁶Ω・ｃｍ以上であ
ることがより好ましい。前記表面の抵抗率が１×１０⁶
Ω・ｃｍ未満では、実質的に導電性に近くなり、例えば
図１の場合、電極６ａ−６ｂ間の絶縁が確保できなくな
るため、好ましくない。一方、前記表面の抵抗率の上限
に制限はないが、一般的には１×１０¹²Ω・ｃｍ程度で
ある。

【００４９】また、信号光を基板側から入射させる場
合、光の分散により遅延が生じてしまい、パルス信号な
どが崩れてしまう場合があるため、基板は分散除去層が
形成されてなることが好ましい。

【００５０】図１および図２の構成の光電変換素子を例
に挙げて、好ましい基板の構成を説明する。図１および
図２に示されるように、基板１２は、少なくともカーボ
ンナノチューブ２が配される部位に、分散除去層８が形
成されてなる。

【００５１】ここで、「カーボンナノチューブ２が配さ
れる部位」とは、図１のようにカーボンナノチューブ２
が電極６ａ，６ｂに橋渡しされている場合には、基板１
２の表面において、電極６ａ，６ｂではなくカーボンナ
ノチューブ２が、接触の有無は問わず上方（地球の重力
に関係なく、基板１２の表面を基準として相対的に上
方。以下同様。）に位置している部位をいう。図２のよ
うに電極を有しない場合にも、基板１２の表面におい
て、カーボンナノチューブ２が、接触の有無は問わず上
方に位置している部位をいう。以上の解釈においては、
半導体微粒子４の存在は考慮しない。

【００５２】支持板１０は、本例ではＳドープＩｎＰ基
板を用いているが、これに限定されるものではない。支
持板の厚みとしては、形状保持性が十分となるように、
用いる材料により適宜調整すればよく、通常は、一般の
電気配線基板と同様の範囲から適宜選択される。

【００５３】分散除去層８の材料は、本例ではＩｎＰ
（アンドープ）を用いているが、これに限定されるもの
ではない。分散除去層８の材料としては、光の分散を除
去する機能を有する材料であればよく、支持板１０との
密着性が確保しやすいものが好ましい。光の分散を除去
する機能を有する材料としては、半導体超格子層が好ま
しいものとして例示される。

【００５４】半導体超格子層を形成する材料としては、
Ｇａ、Ａｓ、ＩｎおよびＰよりなる群から選ばれる２以
上の元素からなるものが好ましく、本例のようにＩｎＰ
が特に好ましい。これら材料は、アンドープの状態で用
いられる。なお、このように基板１２の最表面に分散除
去層８を形成することで、支持板１０の導電性の有無に
かかわらず、基板１２に電気的絶縁性を付与することが
できる。

【００５５】前記分散除去層の厚さとしては、１００ｎ
ｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、５００ｎｍ
以上２μｍ以下であることがより好ましい。前記分散除
去層が薄すぎると、分散除去効果が薄れ、逆に厚すぎる
と、光の散乱や吸収が大きくなるので、それぞれ好まし
くない。

【００５６】（保護層）前記カーボンナノチューブの少
なくとも一部は、保護層により覆われていることが望ま
しい。図３は、図１に示される本発明の光電変換素子に
保護層を形成した状態を示す断面図である。図３におい
ては、カーボンナノチューブ２全体を覆い、かつ電極６
ａ，６ｂの表面にまで及ぶように、保護層１４が形成さ
れている。また、図４は、図２に示される本発明の光電
変換素子に保護層を形成した状態を示す断面図である。
図４においても、カーボンナノチューブ２全体を覆うよ
うに、保護層１４が形成されている。

【００５７】この保護層１４としては、誘電体であるこ
とが好ましい。保護層として好ましい誘電体としては、
外気遮断機能あるいは機械的保護機能の観点から、酸化
シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、酸化チタ
ン、酸化ニオブ、ニオブ酸リチウム、チタン酸ストロン
チウム、ダイヤモンド等の無機物や、ポリエチレン、ポ
リプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、
アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、フッ素樹脂、ア
ミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリウレタ
ン、ポリスチレン等の各種樹脂を挙げることができる。

【００５８】保護層は、図３および図４に示す保護層１
４のように、カーボンナノチューブ２全体を覆うように
形成されることが好ましいが、カーボンナノチューブの
少なくとも一部が覆われていれば構わない。一部さえ覆
われていれば、当該覆われた部分について、外気の遮断
あるいは機械的な保護が期待できる。なお、外気の遮断
について、完全密閉であることは要求されないが、勿論
完全密閉であることが好ましい。保護層の厚みとして
は、その材料の選択により異なり一概には言えないが、
概して１００ｎｍ〜０．１ｍｍの範囲とすることが好ま
しい。

【００５９】＜本発明の光電変換素子の作製＞以上説明
した本発明の光電変換素子の作製方法は、特に限定され
ない。分散除去層が形成された基板表面に、カーボンナ
ノチューブの他、一対の電極および半導体微粒子を配す
る具体例を以下に列記するが、本発明はこれらに限定さ
れるものではない。

【００６０】適当な支持板の表面に分散除去層を形成す
る方法としては、半導体超格子層を形成するためには、
有機気相法やハロゲン化学気相成長法を採用してエピタ
キシャル成長させることができる。基板の表面に電極を
形成する方法としては、マスク蒸着法が簡便であるが、
より精密に形成したいとき、特に一対の電極を形成する
場合、両電極の間隙をより狭いギャップとしたいときに
は、電子線リソグラフィー法によることが望ましい。

【００６１】形成した１つの電極あるいは一対の電極間
に、半導体微粒子の層を形成するには、各種蒸着法が挙
げられる。具体的には、分子線ビーム蒸着法が、微粒子
の粒径や微粒子層の膜厚の制御の点で好ましい。

【００６２】形成した１つの電極あるいは一対の電極間
に、受光体として機能させるカーボンナノチューブを配
置させるには、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の顕微鏡で
見ながら、マニピュレータを用いてカーボンナノチュー
ブを直接並べる方法や、カーボンナノチューブを適当な
分散媒に分散させ、その分散液を一対の電極間に滴下し
乾燥する方法等が挙げられる。特に、一対の電極間にカ
ーボンナノチューブを高配向させたい場合には、前記分
散液を一対の電極間に滴下させた後、当該一対の電極間
に電場を与えて配列させる方法が挙げられる。当該配列
させる方法について、図５を用いて説明する。

【００６３】図５は、一対の電極間に電場を与えてカー
ボンナノチューブを配列させる方法を説明するための模
式平面図であり、（ａ）〜（ｃ）の順に時系列で示して
いる。まず、カーボンナノチューブを適当な分散媒に分
散させて分散液を調製する。使用可能な分散媒に特に制
限はないが、例えばイソプロピルアルコールやジメチル
ホルムアミド等が好ましいものとして例示可能である。
得られた分散液を、図５（ａ）に示すように電極１６
ａ，１６ｂ間に滴下して、分散液１８を両電極間に橋渡
しさせた状態とする。

【００６４】次に、図５（ｂ）に示すように、電極１６
ａ，１６ｂ間に高周波装置ＲＦにより高周波を印加しつ
つ、分散液１８中の分散媒を揮発させて、カーボンナノ
チューブ２を電極１６ａ，１６ｂ間で配列させる。する
と、図５（ｃ）に示すように、カーボンナノチューブは
電極１６ａ，１６ｂに対して直交する方向に整列する。
このとき印加する高周波の波長としては、５０ＭＨｚ程
度である。さらに、図５（ｃ）に示すように、電極１６
ａ，１６ｂ間に直流電源装置ＤＣにより２〜５Ｖ程度の
直流電圧を印加することで、カーボンナノチューブ２の
うち、金属性のものを焼き切り、半導体性の物のみを残
す。

【００６５】以上のようにして、電極１６ａ，１６ｂ間
に、カーボンナノチューブを配列させることができる。
当該方法については、”ＥｎｇｉｎｎｅｒｉｎｇＣａ
ｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅｓａｎｄＮａｎｏｔｕ
ｂｅＣｉｒｃｕｉｔｓＵｓｉｎｇＥｌｅｃｔｒｉ
ｃａｌＢｒｅａｋｄｏｗｎ”Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏ
ｌ．２９２，ｐ．７０６〜７０９，（２００１年）に詳
細が記されており、当該方法をそのまま適用することが
できる。

【００６６】＜本発明の光電変換素子の用途＞以上説明
した本発明の光電変換素子は、高速光パルスを直接高周
波もしくは電磁波に変換する素子として、光信号処理、
光通信、高周波信号処理、あるいは高周波信号通信にお
いて、用いることができる。したがって、例えば光ファ
イバーにより得られる高速光パルス信号から、必要に応
じて増幅した上で、本発明の光電変換素子により直接、
高周波あるいは電磁波による各種検出装置で検出して、
利用することができる。

【００６７】本発明においては、変換対象となる高速光
パルスの周波数としては、１ＭＨｚ以上１０ＴＨｚ以下
の範囲のものが対象となり、特に１００ＭＨｚ以上１Ｔ
Ｈｚ以下の範囲のものについて好適に光電変換すること
ができる。また、本発明においては、変換対象となる高
速光パルスの波長が、１μｍ以上２μｍ以下の範囲のも
のが対象となり、特に０．４μｍ以上１．８μｍ以下の
範囲のものについて好適に光電変換することができる。

【００６８】本発明の光電変換素子は、それにより変換
された高周波を電気信号に変換する高周波検出器を備え
る光電変換装置に適用することで、本発明の光電変換装
置とすることができる。このとき用いることができる高
周波検出器としては、光電変換後の高周波を検地しうる
ものであれば特に制限はなく、従来公知のものを用いる
ことができる。

【００６９】

【実施例】次に、実施例を挙げて、本発明をより具体的
に説明する。ただし、本発明は以下の実施例により限定
されるものではない。（実施例１）本実施例では、カーボンナノチューブの本
数が複数であることを除き、図１に示す構造と同様の光
電変換素子を作製した。

【００７０】まず、サイズ２０ｍｍ×２０ｍｍで厚さ５
００μｍのＳドープｎ型ＩｎＰ基板（（１００）面）を
アルゴンビームスパッタリング法で約３０ｎｍ程度スパ
ッタエッチングした。その後、Ｈ₂ＳＯ₄：Ｈ₂Ｏ：Ｈ₂Ｏ
₂＝３：１：１（質量比）溶液で約８０秒間（温度２５
℃に保持）化学エッチングを行い、超純水で洗浄後、イ
ソプロピルアルコール乾燥を行い、支持板１０とした。
次いで、ハロゲン化学気相成長法で、アンドープＩｎＰ
層（厚さ約１μｍ）をエピタキシャル成長させて、分散
除去層８を形成した。分散除去層８の上に、フォトレジ
ストとマスクアライナー露光装置で平行電極用パターン
（サイズ５００μｍ×２００μｍ）を形成させ、電子ビ
ーム蒸着法でＡｕを１００ｎｍの厚さで堆積させ、電極
６ａ，６ｂを形成した。電極６ａ，６ｂの電極間距離は
３μｍとした。さらに、分子線ビーム蒸着法で電極６
ａ，６ｂ間に、直径約２０ｎｍのＩｎＡｓ微粒子（半導
体微粒子４）からなる層（厚さ１００ｎｍ）を形成させ
た。

【００７１】次に、アーク放電法で作製した平均直径約
３ｎｍの単層カーボンナノチューブの複数本を、電極６
ａ，６ｂ間に橋渡しする状態で接続した。このとき、高
い配向性を得るために、カーボンナノチューブをイソプ
ロピルアルコール水溶液（イソプロピルアルコール：水
＝１０：１（質量比））に濃度１０ｍｇ／ｌで分散させ
分散液を調製し、この分散液を電極６ａ，６ｂ間に１
滴、滴下し、５０ＭＨｚの高周波（ｐｅａｋｔｏｐ
ｅａｋ電圧１５０Ｖ）を印加した。カーボンナノチュー
ブを電極に接続した状態の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）像
（倍率約３００００倍）を図６に示す。以上のようにし
て、本実施例の光電変換素子を得た。

【００７２】得られた本実施例の光電変換素子を図７に
示す光学系および測定系の中に組み込み、光電変換特性
を測定した。図７において、Ｍはミラー、ＨＭはハーフ
ミラー、ＡＯは音響光変調器を表し、Ｘ１が本実施例の
光電変換素子である。レーザー光源から発せられた超高
速パルス光は、時間遅延系でパルス幅が調節された上
で、光電変換素子Ｘ１の基板側から、ほぼ全反射する角
度で照射される。また、前記超高速パルス光は、その一
部がハーフミラーＨＭを透過して音響光変調器を経由し
て検出器に供されるようになっており、これにより超高
速パルス光の検出タイミングを調整する構成となってい
る。レーザー光源には、ファイバーレーザー（ＩＭＲＡ
社、Ｆｅｍｔｏｌｉｇｈｔ、出力３０ｍＷ）を用い、こ
こから発せられる前記超高速パルス光は、波長λ＝１５
３２ｎｍ、パルス幅０．５５ｐｓのものとした。

【００７３】このとき、発生した電磁波を検出器で検出
し、これをロックインアンプで測定した電流値（イベン
ト信号）と、時間との関係を示すグラフを図８に示す。
図８のグラフにおいて、横軸は時間を、縦軸は、測定系
で測定された電流値（任意単位）を、それぞれ示すもの
である。なお、図８のグラフにおいて、折れ線Ｙは照射
された超高速パルス光のパルスを模式的に示すものであ
り、縦軸の電流値との相関はない。

【００７４】図８のグラフから、光パルスに応じた高周
波信号のイベントが検出されており、サブピコ秒の光パ
ルス信号が高周波信号に、良好なＳＮ比で変換されてい
ることがわかる。

【００７５】（実施例２）本実施例では、各要素の材質
等が異なることを除き、実施例１と同様の構造の光電変
換素子を作製した。ただし、支持板（石英基板）表面に
形成される層は、分散除去層ではなく、誘電体層として
の窒化シリコン層である。また、窒化シリコン層表面に
金電極を直接形成しようとすると、接着性が十分でない
ため、Ｔｉ層を接着層として間に挟んだ。

【００７６】まず、サイズ１０ｍｍ×１０ｍｍで厚さ５
００μｍの石英基板の片面に、窒化シリコン層（厚さ２
００ｎｍ）をプラズマ化学気相成長法で成長させて、最
表面層を形成した。次いで、Ｔｉ層を接着層とする一対
のＡｕ電極（Ｔｉ／Ａｕ電極、Ｔｉ層の厚さ１００ｎ
ｍ、金層の厚さ３００ｎｍ）を形成した。一対のＴｉ／
Ａｕ電極の形成は、実施例１と同様に電子ビーム蒸着法
で行った。電極サイズは５００μｍ×２００μｍ、電極
間距離は３μｍとした。さらに一対の電極間に、実施例
１と同様にして、直径約２０ｎｍのＩｎＡｓ微粒子（半
導体微粒子４）からなる層（厚さ１００ｎｍ）を形成さ
せた。次に、実施例１と同様にして、単層カーボンナノ
チューブの複数本を、一対の電極間に橋渡しする状態で
接続した。以上のようにして、本実施例の光電変換素子
を得た。

【００７７】得られた本実施例の光電変換素子を図９に
示す光学系および測定系の中に組み込み、光電変換特性
を測定した。図９における各符号は図７と同様であり、
Ｘ２が本実施例の光電変換素子である。レーザー光源か
ら発せられた超高速パルス光は、時間遅延系でパルス幅
が調節され、音響光変調器を経由した上で、光電変換素
子Ｘ２の基板側から、ほぼ全反射する角度で照射され
る。音響光変調器の経由により、超高速パルス光の検出
タイミングを調整する構成となっている。レーザー光源
には、ファイバーレーザー（ＩＭＲＡ社、Ｆｅｍｔｏｌ
ｉｇｈｔ、出力３０ｍＷ）を用い、ここから発せられる
前記超高速パルス光は、波長λ＝１５３２ｎｍ、パルス
幅０．５５ｐｓのものとした。

【００７８】このとき、発生した電磁波を検出器で検出
し、これをロックインアンプで測定した電流値（イベン
ト信号）と、時間との関係を示すグラフを図１０に示
す。図１０のグラフにおいて、横軸は時間を、縦軸は、
測定系で測定された電流値（任意単位）を、それぞれ示
すものである。

【００７９】図１０のグラフから、光パルスに応じた高
周波信号のイベントが検出されており、サブピコ秒の光
パルス信号が高周波信号に、良好なＳＮ比で変換されて
いることがわかる。

【００８０】（比較例１）本比較例では、カーボンナノ
チューブを配置せず、受光体としてＩｎＡｓ微粒子のみ
を用いたこと以外は、実施例１と同様の構造の光電変換
素子を作製した。すなわち、実施例１と同様にして、ア
ンドープＩｎＰ層（厚さ約１μｍ）をエピタキシャル成
長させたＳドープｎ型ＩｎＰ基板（（１００）面）上
に、一対のＡｕ電極を１００ｎｍの厚さで堆積させ、さ
らに、分子線ビーム蒸着法で一対のＡｕ電極間にＩｎＡ
ｓ微粒子（直径約２０ｎｍ）層を形成させて、本比較例
の光電変換素子を得た。

【００８１】得られた本比較例の光電変換素子を実施例
１と同様の光学系および測定系の中に組み込み、光電変
換特性を測定した。ただし、波長λは１５６０ｎｍと
し、光電変換素子のＡｕ電極間に放射アンテナを装着
し、発生する電磁波を直径５０ｃｍのパラボラアンテナ
で計測した。測定された電流値（イベント信号）と、時
間との関係を示すグラフを図１１に示す。図１１のグラ
フにおいて、横軸は時間を、縦軸は、測定系で測定され
た電流値（任意単位）を、それぞれ示すものである。

【００８２】図１１のグラフから、光パルスに応じた高
周波信号のイベントが検出されており、サブピコ秒の光
パルス信号が高周波信号に変換されているが、信号のＳ
Ｎ比が悪いことがわかる。

【００８３】（実施例３）本実施例では、電極間にＩｎ
Ａｓ微粒子層を形成せず、受光体としてカーボンナノチ
ューブのみを用いたこと以外は、実施例２と同様の構造
の光電変換素子を作製した。すなわち、実施例２と同様
にして、石英基板上に窒化シリコン層（厚さ２００ｎ
ｍ）をプラズマ化学気相成長法で成長させ、電子ビーム
蒸着法でＴｉ／Ａｕ電極を形成し、さらに、この電極間
にアーク放電法で作製した直径約３ｎｍの単層カーボン
ナノチューブの複数本を一対の電極間に橋渡しする状態
で接続した。以上のようにして、本実施例の光電変換素
子を得た。

【００８４】得られた本実施例の光電変換素子を実施例
１と同様の光学系および測定系の中に組み込み、光電変
換特性を測定した。ただし、光電変換素子のＡｕ電極間
に放射アンテナを装着し、発生する電磁波を直径５０ｃ
ｍのパラボラアンテナで計測した。測定された電流値
（イベント信号）と、時間との関係を示すグラフを図１
２に示す。図１２のグラフにおいて、横軸は時間を、縦
軸は、測定系で測定された電流値（任意単位）を、それ
ぞれ示すものである。

【００８５】図１２のグラフから、光パルスに応じた高
周波信号のイベントが検出されており、サブピコ秒の光
パルス信号が高周波信号に変換されているが、信号のＳ
Ｎ比が、実施例１や２の光電変換素子に比べると悪く、
比較例１に比べると良好であることがわかる。

【００８６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
通信帯の高速光パルス信号を高周波もしくは電磁波の信
号に、良好なＳＮ比で直接変換し得る光電変換素子およ
び光電変換装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光電変換素子の一例を示す模式断面
図である。

【図２】本発明の光電変換素子の他の一例を示す模式
断面図である。

【図３】図１の光電変換素子に保護層を形成した状態
を示す断面図である。

【図４】図２の光電変換素子に保護層を形成した状態
を示す断面図である。

【図５】一対の電極間に電場を与えてカーボンナノチ
ューブを配列させる方法を説明するための模式平面図で
ある。

【図６】実施例１の光電変換素子のＳＥＭ写真像（倍
率約３００００倍）である。

【図７】実施例１の光電変換素子の光電変換特性を測
定するための光学系および測定系の概略を示す模式構成
図である。

【図８】実施例１の光電変換素子について、光電変換
特性を測定した結果を示すグラフであり、横軸は時間
を、縦軸は、測定系で測定された電流値（任意単位）
を、それぞれ示すものである。

【図９】実施例２の光電変換素子の光電変換特性を測
定するための光学系および測定系の概略を示す模式構成
図である。

【図１０】実施例２の光電変換素子について、光電変
換特性を測定した結果を示すグラフであり、横軸は時間
を、縦軸は、測定系で測定された電流値（任意単位）
を、それぞれ示すものである。

【図１１】比較例１の光電変換素子について、光電変
換特性を測定した結果を示すグラフであり、横軸は時間
を、縦軸は、測定系で測定された電流値（任意単位）
を、それぞれ示すものである。

【図１２】実施例３の光電変換素子について、光電変
換特性を測定した結果を示すグラフであり、横軸は時間
を、縦軸は、測定系で測定された電流値（任意単位）
を、それぞれ示すものである。

【符号の説明】

２カーボンナノチューブ４半導体微粒子６ａ、６ｂ、１６ａ、１６ｂ電極８分散除去層１０支持板１２基板１４保護層１８分散液Ｘ１、Ｘ２光電変換素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者真鍋力神奈川県南足柄市竹松1600番地富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者清水正昭神奈川県足柄上郡中井町境430グリーンテクなかい富士ゼロックス株式会社内Ｆターム(参考） 5F088 AA11 AB01 AB07 BA02 BB01 DA05 FA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、該基板の表面に設けられ、高速
光パルス信号を受光して高周波に変換する受光体と、を
備え、前記受光体が、少なくともカーボンナノチューブからな
ることを特徴とする光電変換素子。
【請求項２】前記カーボンナノチューブの両端ないし
その周辺にそれぞれ接続される一対の電極を備えること
を特徴とする請求項１に記載の光電変換素子。
【請求項３】前記カーボンナノチューブと電気的に接
触した状態で、前記受光体としてさらに半導体微粒子が
配置されてなることを特徴とする請求項１または２に記
載の光電変換素子。
【請求項４】前記基板の表面であって、前記一対の電
極の間に、前記カーボンナノチューブと電気的に接触し
た状態で、前記受光体としてさらに半導体微粒子が配置
されてなることを特徴とする請求項２に記載の光電変換
素子。
【請求項５】前記半導体微粒子が、ＩｎＡｓ、ＧａＡ
ｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＧａＮ、ＩｎＮ、およびＧａＩ
ｎＮからなる群より選ばれるいずれか１の半導体微粒子
を含むことを特徴とする請求項３または４に記載の光電
変換素子。
【請求項６】前記カーボンナノチューブが、複数本で
あることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載
の光電変換素子。
【請求項７】前記カーボンナノチューブが、多層カー
ボンナノチューブであることを特徴とする請求項１〜６
のいずれか１に記載の光電変換素子。
【請求項８】前記カーボンナノチューブの直径が、
０．３ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする
請求項１〜７のいずれか１に記載の光電変換素子。
【請求項９】前記カーボンナノチューブの長さが、
０．１μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする
請求項１〜８のいずれか１に記載の光電変換素子。
【請求項１０】前記一対の電極がそれぞれ、Ａｕ、Ｐ
ｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｔｉからなる群より選ば
れるいずれか１の材料を含むことを特徴とする請求項２
〜９のいずれか１に記載の光電変換素子。
【請求項１１】前記一対の電極の間隙が、１ｎｍ以上
１００μｍ以下であることを特徴とする請求項２〜１０
のいずれか１に記載の光電変換素子。
【請求項１２】前記カーボンナノチューブと、それが
接続する電極との間の接続抵抗値が、１０ＭΩ以下であ
ることを特徴とする請求項２〜１１のいずれか１に記載
の光電変換素子。
【請求項１３】前記基板が、その少なくとも前記カー
ボンナノチューブが配される部位に、分散除去層が形成
されてなることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか
１に記載の光電変換素子。
【請求項１４】前記分散除去層が、半導体超格子層か
らなることを特徴とする請求項１３に記載の光電変換素
子。
【請求項１５】前記半導体超格子層が、Ｇａ、Ａｓ、
ＩｎおよびＰよりなる群から選ばれる２以上の元素から
なることを特徴とする請求項１４に記載の光電変換素
子。
【請求項１６】前記カーボンナノチューブの少なくと
も一部が、保護層により覆われていることを特徴とする
請求項１〜１５のいずれか１に記載の光電変換素子。
【請求項１７】前記保護層が、誘電体であることを特
徴とする請求項１６に記載の光電変換素子。
【請求項１８】変換対象となる高速光パルスの周波数
が、１ＭＨｚ以上１０ＴＨｚ以下であることを特徴とす
る請求項１〜１７のいずれか１に記載の光電変換素子。
【請求項１９】変換対象となる高速光パルスの波長
が、１μｍ以上２μｍ以下であることを特徴とする請求
項１〜１８のいずれか１に記載の光電変換素子。
【請求項２０】請求項１〜１９のいずれか１に記載の
光電変換素子を有し、該光電変換素子により変換された
高周波を電気信号に変換する高周波検出器を備えること
を特徴とする光電変換装置。