WO2005008787A1 - 光検出素子 - Google Patents

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WO2005008787A1
WO2005008787A1 PCT/JP2004/010428 JP2004010428W WO2005008787A1 WO 2005008787 A1 WO2005008787 A1 WO 2005008787A1 JP 2004010428 W JP2004010428 W JP 2004010428W WO 2005008787 A1 WO2005008787 A1 WO 2005008787A1
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photodetector
light
photoconductive
present
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PCT/JP2004/010428
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Yasushi Nagamune
Kazuhiko Matsumoto
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Japan Science And Technology Agency
National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
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Definitions

  • the present invention relates to a photodetecting element combining a photoconductive substance and a carbon nanotube.
  • a photodetector converts the energy of light or electromagnetic waves into electrical energy.
  • Conventional photodetectors include a photo diode and an avalanche photo diode mainly composed of semiconductors. Smart Phototransistor, Photo M0 SCCD sensor, CMOS sensor, Photomultiplier tube using photoelectric effect, etc.
  • the former semiconductor photodetector has two types: a carrier that is generated by light irradiation, that is, an electron or a hole, which is directly or amplified and is extracted as an external current, and a minority capacitor that is generated by light irradiation. ) A number of carriers are stored in a predetermined location and modulated by the directional electric field created by them.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-510 17 06 04
  • Non-Patent Document 2 P.G.Co 11 ins, K. Brad 1 ey, H. 1 sh i gam i,
  • Non-Patent Document 3 (Non-Patent Document 3) 1. A. e V i tsky, W. B. E u I e r
  • the conventional photodetectors described above use n-type semiconductors as conductive layers and storage layers.
  • Patent Document 1 and Non-patent Documents 1 and 2 use a carbon nanotube as a detection element. Although this example is used, it is intended to detect gas and not to be used as a light-emitting element (the content disclosed in Non-Patent Document 3 is applied to a carbon nanotube JL pump). This is an example of measuring the light current of a single-pitch nanotube by the obtained light.
  • the operating principle is different from that of the present invention described below.
  • the Hammond wavelength region is narrow and the sensitivity is low.
  • the present invention achieves such a conventional situation
  • the first means of the present invention is to generate a carrier inside the cell by irradiating light or electromagnetic waves, for example, a silicon, germanium, or galium.
  • a carrier for example, a silicon, germanium, or galium.
  • a photoconductive material, and a force-bonded carbon nanotube provided in correspondence with the photoconductive material, and are exposed to light or magnetic waves. It is characterized in that the generated carrier is detected by a change in the five conductions of the self-powered bon nanotube.
  • the light-recording 1E conductive material includes, for example, silicon, germanium-aluminum arsenide, and cinnamonium-aluminum arsenide. It is characterized by having a single-layer or multi-layer structure made of a plurality of types of photoconductive materials having photoconductivity in the area of different waves VZ selected from different types such as aluminum phosphor and aluminum phosphorus.
  • the third means of the present invention is as follows. It is characterized in that a film made of a photoconductive substance is formed.
  • a fourth means of the present invention is a method according to the first to third means, wherein a transparent or translucent insulating layer such as, for example, silicon oxide is provided between the photoconductive substance and the carbon nanotube. It is characterized by being formed
  • the fifth means of the present invention is characterized in that in the first to fourth keys, the photodetector has a field effect transmissive structure or a single electron transmissive structure. is there
  • the sixth means of the present invention is the fifth means, wherein the field effect transistor structure has a gate electrode below the WJ photoconductive material. It is characterized by having a popped structure
  • the electric field effect transistor structure has a structure in which a gate electrode is provided at an upper part of a five-point nanotube with five gate electrodes. It is characterized by this
  • the electric field effect transistor comprises:
  • the ninth means of the present invention is based on the first to eighth means.
  • the electrodes have electrodes that are in contact with both ends of the pon nanotubes, and the electrodes are arranged in a comb shape so as to face each other, and a large number of the pon-nanotubes are connected in parallel between the electrodes. Is characterized by
  • a tenth means of the present invention is the first to ninth means, wherein a condensing lens is disposed on a side to which the light or the magnetic wave is irradiated. ).
  • the present invention has a structure as described above, has a simple structure, can be manufactured by a simple method, and provides a photodetector having high sensitivity in a wide wavelength range.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a light detection principle of a light detection element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of the photodetector according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the photodetector.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the photodetector according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the photodetector according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the photodetector according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view of the photodetector according to the fifth embodiment of the present invention. It is a figure showing an example of a sensitivity characteristic.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a temperature sensitivity characteristic of the photodetector according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a gate voltage characteristic of the photodetector according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a plan view HI of the photodetector according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a sectional view of a photodetection device according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of the light detection device according to the eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a photodetector device according to a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic configuration diagram of an optical signal processing circuit using a detection element according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a schematic configuration diagram showing an example in which a photodetector according to an embodiment of the present invention is used for a image sensor.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining the light detection principle of the photodetector according to the embodiment of the present invention.
  • a pontoon tube 2 shines on the photoconductive substance 1 in the vicinity of the photoconductive substance 1 or is irradiated with a magnetic wave 3, as shown in FIG.
  • the carrier 4 is generated in the photoconductive material 1 and this carrier 4 emits a bundled wire 5C (see FIG. 3 (c)).
  • the presence or intensity of light or magnetic wave 3 irradiating photoconductive substance 1 that affects conduction can be detected as a change in the electrical conduction of carbon nanotube 2.
  • FIGS. 2 and 3 are views for explaining the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of the photodetector.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the photodetector. Then, a pontotube 2 is formed on the photoconductive substance 1 via an insulating layer 6, and the force is applied to the bon nanotube 2. Open electrode 7 7 to apply pressure equivalent to M
  • a photoconductive silicon substrate (photoconductive material) is used.
  • Photoconductive substance 1 is used for chemical phase growth equipment (CVD equipment) such as metal vapor deposition equipment (MBE equipment) and metal vapor phase epitaxy equipment (M0CVD).
  • CVD equipment chemical phase growth equipment
  • MBE equipment metal vapor deposition equipment
  • M0CVD metal vapor phase epitaxy equipment
  • the photoconductive substance 1 that can be made by crystal growth using y can be P or semi-insulating even if n ⁇ y
  • the insulating layer 6 is made of a transparent or translucent material. Then, as shown in FIG. 3, the key 4 generated by irradiating the photoconductive material 1 with light or a magnetic wave 3 through the insulating layer 6 through O is contained in the photoconductive material 1. If it exists, it is not always necessary to flow into the force-pong nanotube2. The light can be incident from the bottom or side of the photodetector.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a photodetector for illustrating a second embodiment of the present invention.
  • a plurality of types of photoconductive materials having photoconductivity in different wavelength ranges are shown. If a multilayer structure 8 of a to 1 e is adopted, a photodetector having sensitivity over the entire photosensitivity wavelength in of each photoconductive substance 1 is manufactured. be able to.
  • An example of the photosensitivity wavelength range of the photoconductive material 1 is as follows. Silicon (Si): 200 1100 nm, Germanium (Ge): 500-1500 nm, Gallium arsenide (GaAs): 200 0 nm, indium gallium arsenide (InGaAs): 65 0 to 2900 nm, indium arsenide (InAs): 130 000 nm
  • AIAs aluminum arsenic
  • AIGAAs aluminum arsenic arsenic
  • InAAIAs indium aluminum arsenide
  • GaAsP gallium arsenide phosphorus
  • Rum Arsenic phosphorus (1 nGaAsP) indium antimony (1 nSb)
  • mercury (millimeter) mercury HgCdTe
  • PbSe lead selenium
  • PbS lead sulfur
  • CdSe cadmium selenium
  • Cdsulfate Cds
  • GAN gallium nitrogen
  • indium gallium nitrogen indium gallium nitrogen
  • the sensitivity wavelength varies depending on the combination (composition ratio) of the various optical IE conductive substances 1.
  • the appropriate film thickness of each layer is from several nanometers to several micrometer. The larger the film thickness, the larger the volume of the sensitive region, but if the film is too thick, it takes time to form the film.
  • aluminum gallium arsenide (1 nGaAs) film, gallium arsenide (GaAS) film, aluminum-aluminum arsenide (A1As) The shells are layered in the order of the membrane. However, it is not always necessary to arrange them in this way. ⁇ Necessary / light hL, response characteristics, and characteristics of individual materials! It should be noted that the order of the layers to be formed, the thickness of the layers, and the number of the layers may be appropriately determined.
  • the multilayer structure 8 is used.However, a plurality of types of photoconductive materials 1 having photoconductivity in different wavelength ranges are appropriately mixed according to the required light response characteristics and the characteristics of each material. It is possible to manufacture a photodetector having a single-layer structure having sensitivity over the entire photosensitivity wavelength range of each photoconductive substance 1.
  • the photodetector according to the present invention has a very simple configuration, it does not have to be a carrier generated by irradiation of light or electromagnetic waves.
  • the bundle n3 ⁇ 4N emitted from the filter has a structure that affects the i-conduction of carbon nano-naps installed through the insulating layer, the irradiation of light or electromagnetic waves is detected with high accuracy. You can do it.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a photodetector for illustrating a third embodiment of the present invention. 0
  • a gate electrode is provided below photoconductive material 1.
  • Pole 9 is provided to create a field effect transmissive structure
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a photodetector for illustrating a fourth embodiment of the present invention.
  • the field effect transistor is made with a gate electrode 9
  • FIG. 7 is a perspective view of a photodetector for explaining a fifth embodiment of the present invention.
  • a gate electrode is formed on the insulating layer 6 of the present embodiment in the vicinity of the power nanotube 2.
  • the field effect structure is a lantern structure.
  • y ⁇ H1 It is possible to measure a single fan with 13 ⁇ 4 sensitivity by lowering the current.
  • the photoconductive substance may be located under the power nanotube, but may be located on the top. If the method of formation by coating is adopted, it is easy to fabricate a photodetector. If a photoconductive substance is dissolved in a resin or the like and applied, the production of a photodetector can be more easily performed.
  • the above-mentioned resin functions as a binder, and for example, a transparent resin such as an acrylic resin or an epoxy resin is suitable. Also, the sensitivity can be improved by coloring the layer of the photoconductive material 1. It is possible to provide a color filter that limits the wavelength range.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the wavelength sensitivity characteristics of the photodetector according to the first embodiment (see FIGS. 2 and 3) in a room.
  • silicon oxide as the insulating layer 6
  • a carbon nanotube 2 was formed on the insulating layer 6, and the two electrodes 7, 7 formed on both the carbon nanotube 2 were formed.
  • M Pressure in this embodiment, a drain pressure of 2 V
  • the light sensitivity obtained from the change in the current flowing through the pressure-sensitive nanotube 2 is changed by the light emitted to the photoconductive material 1. Shown for different wavelengths
  • the photosensitivity wavelength shown in this figure is that of a silicon V-con, with a light intensity of 15 A / W near the wavelength of 600 nm, which is the same as that of the conventional silicon Z1.
  • Fig. 9 is a graph showing an example of the characteristic of the photodetector with a very high optical sensitivity of about 20 times.
  • the measurement conditions at this time are as follows. Using a light with a skin length of 600 ⁇ m, the light intensity was measured at each time. As shown in the figure, by adjusting the measurement temperature of the photodetector ud element, high light sensitivity can be obtained, and the measurement Lim degree can be adjusted to the section H of 1725250K. And due to light
  • FIGS. 2 and 3 the other structures are the same, and in the structure in which only the force-ponnane tube 2 is not manufactured, not only 3 ⁇ 41E is not seen, but also ⁇ the light-detecting element. No action
  • a gate electrode is formed in the vicinity of a carbon nanotube to form a field effect transistor structure, so that a photoconductive substance or
  • the sensitivity of the photodetector can be adjusted by controlling the number of elements in the probe and adjusting the lane current and photocurrent.
  • FIG. 10 shows the ⁇ f ⁇ of the photodetector having the field effect transmissive structure when the gate voltage was changed.
  • FIG. 1 is a characteristic diagram showing a change in the lane current and the photocurrent in FIG. 1.
  • the gate voltage of the photodetector having the field effect transistor structure is adjusted. Therefore, it is possible to obtain a high intensity of the photocurrent, and it is possible to increase the sensitivity. Since the photodetectors of the present invention can be easily connected in a plurality of rows or in parallel, the output can be further increased.
  • FIG. 11 illustrates the sixth embodiment of the fifth embodiment.
  • this embodiment which is a plan view of a photodetecting element for performing the operation, the two comb-shaped poles 7 and 7 are placed ⁇ on the insulating layer 6 so as to face each other, and a force is applied between the electrodes 77. Many Nanotubes 2 are connected in parallel. With this arrangement, the output of the photodetector can be made larger.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of a light detection device for describing a seventh embodiment m of the present invention.
  • This embodiment shows a more specific structure OH using the light detection element of the above embodiment.
  • the light detection element is attached and fixed on the stage 11.
  • the stage 11 has a plurality of lead electrodes ⁇ 2 a C for connecting to an external circuit.
  • the cap 17 is covered with a cap 17 for maintenance, and the lower part of the cap 17 is welded or adhered to the stage 11.
  • the U-light is generated by the force to bring the space between the cap 17 attached to 15 and the stage 11 into a true state (decompressed state), or by applying an inert gas such as raw gas or argon gas. Increases the durability and stabilizes the sensing element
  • a photodetector having a gate 9 at the bottom and a gate 9 is used, and the gate electrode 9 is fixed to a metal stem 11 by a conductive layer 10. Since the U electrode 12c is directly fixed to the stage 11, the gate electrode 9 is connected to the conductive electrode 10 and the metal electrode 11 via the metal stem 11. 1 2 c
  • 11-poles 12a and 12b are a-insulated by insulator 13
  • FIG. 13 is a sectional view of a light detection device for illustrating an eighth embodiment of the present invention.
  • a part or the whole of a? 15 described above is constituted by a lens body 18.
  • the convex part of lens body 18 is Or on both sides.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of a light detection device for illustrating a ninth embodiment of the present invention.
  • the light detection element on the stage 11 is sealed with a transparent synthetic resin. If the lens body 18 is used as if the shape of the lens body 18 is the same as that of the lens body 18, the light sensitivity can be increased by collecting a large amount of light 3 by the light receiving section of the photodetector. By encapsulating the detection element with synthetic resin, the durability of the light detection element can be increased and the stability can be improved.
  • the plurality of photodetectors of the present invention can be easily connected in series or in parallel, they can be used as a first-order or two-dimensional or three-dimensional sensor.
  • a light-emitting element 21 such as a light-emitting diode and a power supply 22 are connected to the light-detecting element ⁇ 9 of the present invention via a conductive wire 20 as shown in FIG. It is also possible to directly drive the light-emitting element 21 without connecting an amplifier just by connecting it.
  • the two-dimensional optical amplification s # or the optical amplifier s # as shown in Fig. 16 can be used as a night vision camera.
  • a main amplifier or optical memo U it can also be applied to an optical signal processing circuit for analog or digital circuits.
  • Image sensor 26 is a display that is connected to image sensor 25 (photodetector element 19) by conductor 20.
  • a photodetector that responds to light of any wavelength or an electromagnetic wave can be configured.
  • a photodetector having an arbitrary multiplication factor can be configured.
  • the force nanotube was formed in the plane.
  • the shape of the force tube is not necessarily linear, but may be curved, for example, wavy or spiral.
  • the power bonder knob was formed on silicon via silicon oxide.
  • single element such as silicon germanium, gallium arsenide, and silicon arsenide were formed.
  • a similar device can be manufactured even with a semiconductor of
  • Multi-structures need not be installed horizontally, but may be installed vertically. Also, it is not always necessary to have a layered structure. If it is a multi-layered structure, it may be a three-dimensional structure it.
  • the insulating layer 6 is not always necessary, but removing the insulating layer 6 has an effect of reducing dark current. ⁇ id real
  • silicon oxide is used as the insulating layer.
  • silicon oxide transparent or translucent glass or resin
  • the present invention is based on, for example, a power supply, a photodetection element, and an optical switching element array--next rupture, a one-dimensional or three-dimensional image sensor, and a precision measurement device using the same.
  • Position detection elements such as plastic and photo interactive devices in combination with cameras, night vision, cameras, and light-emitting elements can be applied to various technical fields such as optical amplifier 55 for optical arithmetic circuits Is

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Abstract

光または電磁波3の照射により内部にキャリア4を発生する光伝導性物質1と、カーボンナノチューブ2とを有し、光または電磁波3の照射により前記光伝導性物質1内に発生したキャリア4を前記カーボンナノチューブ2の電気伝導の変化により検出することを特徴とする。

Description

明 細 書
-a 光検出素子 技術分野
本発明は、 光伝導性物質とカーボンナノチュ ―プを組み合わせた 光検出素子に関するものである。 背景技術
一般に、 光検出素子とは、 光または電磁波のェネルギーを電 的 なエネルギーに変換するもので、 従来の光検出素子には、 半導体を 主材料とするフォ 卜ダイ才ー ド、 アバランシ フ才 卜ダイ才ー ド フォ 卜 卜 ラ ンジス夕 、 フ ォ 卜 M 0 S C C Dセンサ、 C M O S セン サゃ、 光電効果を利用 した光電子増倍管などがある
前者の半導体光検出素子は 、 光照射によつて発生したキヤ リ ァす なわち電子または正孔を直接あるいは増幅して外部電流と して取 U 出すものと、 光照射によって発生した少数キャ Uァを所定箇所に蓄 積し、 それが作る向所電場によ ϋ 多数キヤ リ ァ 0)流れを変調する とで、 外部出力と して取り出すものがめ 。
なお、 カーボンナノチューブを用いた検出器の提案やカーボンナ ノチューブの光特性に関する報告と して、 下記のような特許文献な らびに非特許文献を挙げることができる
(特許文献 1 ) 特開 2 0 0 3 - 5 1 7 6 0 4
(非特許文献 Ί ) J . Kon , N. R . Frank 1 i π, C. Zhou
M. G. Chap 1 i ne, S . Peng, K. Cho, H. Da i , ' Nan 0 t u b e Mo 1 e c u 1 a r
W i res a s Chem i ca 1 S e n s o r s ' , Sc i ence Voに 287 ( J anu a r y
Figure imgf000002_0001
(非特許文献 2..) P. G. Co 1 1 i ns, K . B rad 1 ey , H. 1 s h i gam i ,
A . Z e 111 , ' Ex t r erne Ox gen Sens i t i i ty o f E 1 e c t r o n i c
Prope r t i es o f C a r bon Nano t u b e s ' , S c i e n c e Vo l . 287 ( January 2000) P.1801 - 1804
(非特許文献 3 ) 1. A.し e V i tsky, W. B . E u I e r
' Photoconduct ivi ty of s i n gl e-wa 11 car b o n nanotubes under cont i nuous-wave near- i n f r a r e d i 11 u m i n a t i o n App I i ed Phys i cs letter s , Vol .83 (Sept etnb e r 2003) P .1 857- 1859 発明の開示
上記の従来の光検出素子は 伝導層や蓄惧 i¾と して n 型半導体や
P 型半導体ある いは金属や絶縁体を複雑に組み合わせた構造を用 い ねばな らない。 そのため作製が困難で、 一ピング条件等の 15 ½条 件が狭い範囲 に制限されているため、 歩田 り ち悪 < 、 コ ス 卜高にな る と い う 問題があ つ た。 さ ら に従来の半導体光検出素子は 、 材料の 選択が限られているェ ピ夕キシャル成長で作製するため、 狭い波長 範囲で しか感度を有 しないと い う 欠点もめ つ た また後者の光電子 增倍管は、 真空容器を必要とするためァ レィ化ゃ小型化が困難であ 前記特許文献 1 および非特許文献 1 ， 2 に開示された内容はカ ー ボンナノ チュ ーブを検出素子と して用 いた例ではめるが、 ガスを検 出する ものであっ て 光 ψ素子と して用 ( る内容ではない。 また 非特許文献 3 に開示された内容は、 カ ーボンナノ チ JL一プに照射さ れた光 よる力一ポンナノ チュ一ブの光 流を測定 した例であっ て 後述する本発明と動作原理が異なるぱか υでな < 、 咸度波長領域が 狭く 、 感度も低い。
本発明はこ う した従来の実情 |%_ |¾ 、 望ま し <はよ リ広い波長範 囲に対しても高感度 •a:示 し、 向迷 )心答を し、 低消費電力を実現し 簡単に要部が構築できる構造原理を持つ製造コ ス 卜の低い 、 亲/Τたな 光検出素子を提供する <— とを 巨 的とする ものである
刖 S己目 的を達.成するため本発明の第 1 の手段は 、 光または電磁波 の照射によ リ 内部にキャ リ ァを発生する例えばシ V ン、 ゲルマ二 ゥ厶、 ガ リ ゥ厶砒素 、 ィ ンジク厶ガ リ ウ厶砒素 、 ィ ンジゥ厶燐など の光伝導性物 と、 その光伝 性物 と対応 して設け bれた力一ボ ンナノ チュ ―プとを有 し 、 光または 磁波の照射によ y 刖 艮己光伝性 導物質内 に発.生 したキャ リ ァを刖言己力 ボンナノ チュ ―ブの 5 伝 導の変化によ 検出する こ とを特徴とするものである
本発明の第 2 の手段は前記第 1 の手段において、 記光 1E導性物 質と して、 例えばシ リ ン、 ゲルマ ―ゥ厶 ガ U ゥ厶砒素、 ィ ンン ゥ厶ガ U ゥ厶砒素 、 ィ ンジゥ厶燐などのダル一プから 択された異 なつた波 VZ皐 n囲に光 導性を有する複数種類の光伝導性物質による 単層搆造または多層構造を有する こ とを特徴とする ちのである 本発明の第 3 の手段は刖 ifi第 1 の手段または第 2 の手段にねいて、 前記多層構造が 光または電磁波の 射を受ける側に Xネルギ ―ギ ャ プのよ U 広い光伝導性物質からなる膜を形成するよ Ό になつて いる こ とを特徴とするものである。
本発明の第 4 の手段は刖 B6第 1 ない し第 3 の手段において リ記 光伝導性物質と力一ボンナノ チュ一ブの間 に例えば酸化シ リ ンな どの透明または半透明の絶縁層が形成されている こ とを特徴とする ものでめる
本発明の第 5 の手段は刖 id第 1 ない し第 4 のキ χにおいて その 光検出素子が 界効果 卜 ラ ンンス夕構造または単電子 卜 ラ ンンス夕 構造を有する こ とを特徴とする ものである
、 '
本発明の第 6 の手段は刖 S己第 5 の手段において、 刖記電界効果 卜 ラ ンンスタ構造が 、 WJ記光伝導性物質の下部にゲ一卜 極を 。¼けた 構造である とを特徴とするものである
本発明の第 7 の手段は刖 B己第 5 の手段において、 刖記電界効果 卜 ラ ンンスタ構造が 、 目リ記力一ポンナノ チュ ―ブの上部にゲ一卜 極 を 5又けた構造である こ とを特徴とする ちのである
本発明の第 8 の手段は目リ S己第 5 の手段において、 記電界効果 卜 ラ ンン ：
スタ構 it
、が 、 記力一ポンナノ チュ一ブの近傍にゲ― 卜 m極 を 5又けた構造である こ とを特徴とするものである
本発明の第 9 の手段は刖 S己第 1 のない し第 8 の手段において 刖 記力 ポンナノチューブの両端に接 feeされる電極を有 し、 その両 極が櫛形で互いに対向するよ う に配置されて、 その両電極間 に前記 力 ―ポンナノ チュ ―ブが多数並列 に接続されている こ とを特徴とす る ちのである
本発明の第 1 0 の手段は前記第 1 ない し第 9 の手段において、 則 記光または 磁波が照射される側上に集光 レ ンズが配置されている こ とを特徴とする もの め ^)。
本発明は リ述のよ う な構成になつ てお り 構造が単純で 、 簡単な 方法で製作が可能で 、 広い波長範囲で高感度を有する光検出素子を 提供する とがでさる 図面の簡単 明
図 1 は、 本発明の実施形態に係る光検出素子の光検出原理を説明 するための図である
図 2 は、 本発明の第 1 実施形態に係 «光検出素子の斜視図である 図 3 は、 その光検出素子の断面図である。
図 4 は、 本発明の第 2 実施形態に係る光検出素子の断面図であ 図 5 は、 本発明の第 3 実施形態に係る光検出素子の断面図であ 図 6 は、 本発明の第 4 実施形態に係 光検出素子の断面図である 図 7 は、 本発明の第 5 実施形態に係る光検出素子の斜視図である 図 8 は、 本発明の実施形態に係る光検出素子の波長感度特性例を 示す図である
図 9 は、 本発明の実施形態に係る光検出素子の温度感度特性例を 示す図である
図 1 0 は 本発明の実施形態に係る光検出素子のゲ 卜電圧特性 例を示す図である
図 1 1 は 本発明の第 6 実施形態に係る光検出素子の平面 HIであ る
図 1 2 は 本発明の第 7 実施形態に係る光検出デバイスの断面図 である 図 1 3 は 本発明の第 8 m施形態に係る光検出丁バ'ィスの断面図 でめ -3
図 1 4 は 本発明の第 9 実施形態に係る光検出ァパ'ィスの断面図 である
図 1 5 は 本発明の実施形態に係 検出素子を用 いた光信 処 理回路の概略構成図である
図 1 6 は 本発明の実施形態に係る光検出素子をィ メ ―ジセ ンサ に用 いた例を示す概略構成図 ある 発明を実施するための最良の形
次に本発明の実施形態を図 と と ち に υέ明する 図 1 は 本発明の 実施形態に係る光検出素子の光検出原理を説明するための図でめる 同図 ( a ) に示すよ に、 光伝導性物質 1 の近辺に力 ポンナノ チュ プ 2 を この光伝導性物質 1 に対 して光める いは 磁波 3 を '照射する こ と によ り 、 同図 ( b ) に示すよ に光伝導性物 質 1 内でキャ リ ア 4 が発生する て してこのキャ ァ 4 が発する a 束線 5 C同図 ( c ) 参照 〕 がカー不ンナノ チュ ブ 2 の電 5<1伝導に 影響を与え 光伝導性物質 1 に照射された光める いは 磁波 3 の存 在ある いはその強度を 力 ボンナノ チュ ―ブ 2 の電 伝導の変化 と して検出する こ とができる
つ て 光ある いは 磁波 3 を照射 した時に発生 したキャ U ァ 4 の数が少な < ても、 キャ リ ァ 4 が発する電束線 5 を力 ―ポンナノ チ ュ ブ 2 によ り 検出するため 、 高感度の検出が可能となる
また 長距離に拡がる電束線 5 を検出するため 局所的にキャ V ァを蓄積する部分を必要とせず、 そのための構造やキャ ァを蓄積 するための余分な電力の消耗がないと い ラ特長も有 している
図 2 と図 3 は本発明の第 1 実施形態を 明するための図で、 図 2 は光検出素子の斜視図 図 3 はその光検出素子の断面図である これらの図 に示すよ ラ に、 光伝導性物質 1 の上に絶縁層 6 を介 し て力 ポンナノ チューブ 2 を形成 し 、 力 ―ボンナノ チュ プ 2 の に M当な 圧を印加するための電極 7 7 を ける
本実施形 の場 、 光 導性を持 シ V コ ン基板 (光伝導性物質
1 ) を用い その上に酸化シ U コ ンの絶縁層 6 を形成し その上に 力 ―ボンナノ チュ プ 2 を配 した
なお 光伝導性物質 1 は、 分子線ェ ピ夕キシ 装 ( M B E 装置） などの ¾首 ェ ^°蒸着装置や有機金属気相成長装置 （ M 0 C V D ) などの 化学 相成長装置 ( C V D装置 ) を用い 結晶成長によ y 作製する と できる 光伝導性物質 1 は、 n 开 yでも、 P でち 半絶縁性 でち構わない
前記絶緣層 6 は 透明または半透明の材料が用い られる 。 そ して 図 3 に示すよ O に 絶縁層 6 を通して光伝導性物質 1 に光あ いは 磁波 3 を照射する こ と によ て発生 したキ ャ 'J ァ 4 は 光伝導性 物質 1 内 に存在 していればよ < 、 力 ―ポンナノ チュ プ 2 に流れ込 む必要は必ずしもない。 なね 光の入射方向は 光検出素子の下面 や側面からでも良い
図 4 は， 本発明の第 2 実施形態を 明するための光検出素子の断 面図でめ 本実施形態の 、 異なつ た波長範囲 に光伝導性を有 する複数種類の光伝導性物質 1 a ~ 1 e の多層構造 8 を採用 してい る のよ ラ にすれば、 それぞれの光伝導性物質 1 がちつ光感度波 長 in囲の全てにわた つ て感度を有する光検出素子を作製する こ とが できる。
光伝導性物質 1 における光感度波長範囲の一例を示せば次の通 り であ 。 シ リ コ ン （ S i ) ： 2 0 0 1 1 0 0 n m、 ゲルマニウ ム ( G e ) ： 5 0 0 ~ 1 5 0 0 n m、 ガ リ ウム砒素 （ G a A s ) : 2 0 0 9 0 0 n m、 イ ンジウムガ リ ウム砒素 （ I n G a A s ) : 6 5 0 ~ 2 9 0 0 n m、 イ ンジウム砒素 （ I n A s ) : 1 3 0 0 3 9 0 0 n m
その他 、 例えばアルミニウム砒素 （ A I A s )、 アルミニウ ムガ リ ウ厶砒素 （ A I G a A s ) , イ ンジウムアルミニウム砒素 （ I n A I A s )、 ガ リ ウム砒素燐 （ G a A s P )、 イ ンジウムガ リ ウ ム 砒素燐 ( 1 n G a A s P ) 、 イ ンジウ ムア ンチモン ( 1 n S b )、 水銀力 ゥ 厶テルル （ H g C d T e )、 鉛セ レン （ P b S e )、 鉛硫黄 ( P b S )、 カ ド ミ ウムセ レン （ C d S e )、 カ ド ミ ウム硫 黄 （ C d s ) 、 ガ リ ウム窒素 ( G a N )、 イ ンジウ ムガ リ ウム窒素
( 1 n G a N )、 アルミニウム窒素 （ A 1 N )、 シ リ コ ンカ ーバイ 卜 （ S i C ) などに J:る無数の組み合わせが可能でめる 。 各種光 IE 導性物質 1 の組み合わせ (組成比） によ 、 感度波長が変化する 0 各層の膜厚は 、 数ナノ メ一夕から数ミ ク □ンメ ータが適当である。 膜厚は厚い方が感度領域体積が増えるが 余 り 厚く する と製膜に時 間がかかるため、 m κΕの範囲が適当である 0
図 4 に示すよ う に、 光あるいは電磁波 3 を上から照射する 1¾ 1=] 、 光 伝導性物質 1 の有効利用 と い う観点から ェネルギ一ギャ ッ プの広 いちのほど上側に配置 した方が効率は良い 例えば下側からィ ンジ ゥ厶ガ リ ゥ厶砒素 （ 1 n G a A s ) 膜 、 ガ U ゥ厶砒素 （ G a A S ) 膜、 アルミ ―ゥ厶砒素 ( A 1 A s ) 膜の順に 貝層される 。 但 し 、 必 ずしも このよ う に配置する必要はな < 必要 /よ光 hL、答特性や個々 の 材料の特性に ！心 し 、 i .層する膜の順 や膜の厚さ 、 膜の数を適宜 δ§疋すれば良い。
本実施形 では多層構造 8 と したが 、 異なつた波長範囲に光伝導 性を有する複数種類の光伝導性物質 1 を必要な光応答特性や個々 の 材料の特性に応 じて適宜混合 して構成 した単層構造のものでち 、 そ れぞれの光伝導性物質 1 がもつ光感度波長範囲の全てにわた て感 度を有する光検出素子を作製する こ とがでさる。
本発明に係る光検出素子は、 非常に簡単な構成であ り ながら 、 光 ある いは電磁波の照射によつ て発生 したキャ リ ァか an
ら発する 束 n¾N が、 絶緣層を介 して設置されたカ ーボンナノ ナュ一プの i 与伝導に 影響するよ ラ な構成になつているか ら 、 问 威度に光ある いは電磁波 の照射を検出する こ とがでさる。
図 5 は、 本発明の第 3 実施形態を 明するための光検出素子の断 面図である 0 本実施形態の場合、 光伝導性物質 1 の下部にゲ ―卜電 極 9 を設けて 界効果 卜 ラ ンンス夕構造と している
図 6 は 本発明の第 4 実施形 を 明するための光検出素子の断 面図である 本実施形態の +星 A 力一ポンナノ チュ一ブ 2 の上部に 絶縁層 6 を介 してゲ一卜電極 9 を けて、 界効果 卜 ラ ンンス夕搆 造と している
図 7 は 本発明の第 5 実施形態を説明するための光検出素子の斜 視図でめる 本実施形態の 絶縁層 6 の上部で力一ポンナノ チ ュ一ブ 2 の近傍にゲ一卜電極 9 を けて、 界効果 卜 ラ ンンスタ構 造と している
刖 κΕのよ ラ な実施形態のよ う に 光伝導性物質 1 または力一ボン ナノ チュ ―プ 2 にゲ一卜電極 9 を形成 して 電界効果 卜 ラ ンジス夕 構造とする とで 、 光あるいは 磁波の照射によ つ て力 ―ポンナノ チュ ―ブ 2 を流れる 流の変化を大ぎく する こ とがでさる
また 力 ―ボンナノ チュ一ブと して 、 力 ―ボンナノ チュ ―プ内を 流れるキャ ァの数を 1 個単位に制限する力一ボンナノ チューブ単 電子 卜 ラ ンンスタ を用 いる こ と によ y Ϊ H1 電流を下げてよ 1¾感度 とな 単一フ 才 ン 卜の測定までち可能とな
光伝導性物質は力一ポンナノ チュ ―プの下に在つて 良いが、 上 に在つても良 < 塗布による形成方 を採用すれば 簡便に光検出 素子を作製でさる の場 。、 光伝導性物質を樹脂などに溶か して 塗布すれば 光検出素子の作製がよ 容易でめ る 。 述の樹脂はバ ィ ンダ ―と して機能する もので 例えばァク リ ル樹脂やェポキシ樹 脂などの透明な樹脂が好適である また光伝導性物質 1の層を着色 する こ と によ 感度波長域を制限する色フ ィ ル夕 ―の機能を持た せる と ち可能である
図 8 は 刖記第 1 実施形態に係る光検出素子 （図 2 ， 図 3 参照） の室 における波長感度特性例を示す図であ こでは 光伝導 性物質 1 と して' .シ ンを 、 絶縁層 6 と して酸化シ ンをそれぞ れ用い 絶縁層 6 の上に力一ボンナノ チュ ―プ 2 を形成し カ ーボ ンナノ チュ一プ 2 の両 に作製 した 2 つの電極 7 ， 7 間に M当な電 圧 (本実施形態では ド レン 圧 2 V ) を印加 した そ してそのとさ に力一ボンナノ チュ ―ブ 2 に流れる電流変化から求め られる光感度 を 、 光 1 導性物質 1 に 射 した光の波長に対 して示 している
この図に示す光感度波長はシ V コ ンのものであ 、 波長 6 0 0 n m付近で光強度は 1 5 A / Wに してお り 、 従来のシ リ Z1 ンフ 才 卜 ダイ才 ― の約 2 0 倍と い う非常に高い光感度を有 している 図 9 は 、 この光検出素子の 度咸度特性例を示す図である この時 の測定条件は、 ド レィ ン 圧を 2 V と し、 ；皮長 6 0 0 Π mの光を使 用 し、 各 度における光咸度を測定 した。 同図に示すよ ラ に 、 の 光検 ud素子の測定温度を調整する こ と によ リ 高い光感度が得られ 測 L im度を 1 7 5 2 5 0 Kの章 H囲 に調整する こ と によ 光咸度を
6 0 A / w以上に高める とがでさ 、 特に測定温度を 2 0 0 2 2
5 Kの in囲 に調整する t— と によ 8 O A / まで光咸、度を上げる とがでさる \ 図 2 と図 3 にねいて、 カ ーボンナノ チュ ―プに 全に光が当 らないよ ラ に して同様な測定を してあ 1口]様な結果が 得られた
また図 2 と図 3 において 、 その他の構造は同一と して力 ―ポンナ ノ チュ ―ブ 2 のみを作製 しない構造では、 ¾ ΐ 1E が見られないだ けでな < 光検出素子と しての動作を示さなかつ た
本発明の光検出素子において 例えば図 6 または図 7 に示すよ ラ に力一ボンナノ チュ ―ブの近辺にゲー 卜電極を形成し 界効果 卜 ラ ンジス夕構造とする とで 、 光伝導性物質や力 ―ポンナノ チュ ― ブ内の 子数を制御 し 、 レィ ン 流や光電流を調 する こ とで 、 光検出素子の感度調整をする こ とができる
図 1 0 は 、 電界効果 卜 ラ ンンス夕構造を有する光検出素子におい て 、 ゲ一卜電圧を変化させたとさの ί f—
1 おける レィ ン電流な ら びに光電流の変化を示す特性図である の図か ら明 らかなよ ラ に 電界効果 卜 ラ ンジスタ構造を有する光検出素子のゲ ―卜電圧を調整 する こ と によ り 、 光電流の い強度を得る こ とがでさ 、 感度を高 < できる 本発明の光検出 子は容易に複数個 列あるいは並列に接続する とがでさるので 、 出力をさ らに大さ < することがでさる 図 1 1 は 、 5¾明の第 6 実施形態を説明するための光検出素子の平面図で ある 本実施形 の場口 、 絶縁層 6 の上に櫛形の 2 つの 極 7 ， 7 を対向するよう に δ又けて 、 電極 7 7 間に力 ―ポンナノチュープ 2 を多数並列に接 している。 このよラ にすることによ 光検出 子の出力を大き < するしとができる
図 1 2 は 、 本発明の第 7 実施形 mを説明するための光検出デバィ スの断面図である 本実施形態は刖記実施形態の光検出素子を用い たよ り具体的な構 OHを示してお リ 光検出素子をステ厶 1 1 上に接 着固定する のステ厶 1 1 には外部回路に接 zするための複数本 のリ一ド電極 Ί 2 a Cが支持されてお y 光検出素子の電極 7 と
―ド電極 1 2 a ， 1 2 bがリ一ド線 1 4 を介して電 的に接続さ れている ステ厶 1 1 上の光検出素子は 、 1 5 を接着剤 1 6 で固 定した保 m用のキャ ッ プ 1 7で覆われ 、 キャ ッ プ 1 7 の下部はステ 厶 1 1 に溶接または接着固定されている
1 5付さのキャ ップ 1 7 とステ厶 1 1 で囲まれた 間を真 ェ状態 （減圧状態 ) にする力 、 あるいは 素ガスやァルゴンガスな どの不活性ガスで たすことによ U 光検出素子の耐久性を増 し、 安定化を図ることがでさる
本実施形態の場口 、 下部にゲー 卜 .極 9 を有する光検出素子が用い られ 、 そのゲ― 卜 極 9が導電性ぺ ―ス 卜 1 0 によ υ金属製のステ 厶 1 1 に固定され 、 そのステ厶 1 1 には U一 極 1 2 c が直接固 定されているから ゲ ―卜電極 9 は導 性ぺ一ス 卜 1 0 と金属製ス テ厶 1 1 を介して 一 電極 1 2 c に . 的に接祝されている 本
,、 /- 実施形態の 金属製ステ厶 1 1 と刖記 ― 極 1 2 a , 1 2 b は絶縁碍子 1 3 で a 的に絶縁されている
図 1 3 は 発明の第 8 実施形態を 明するための光検出デバィ スの断面図である 本実施形態は 刖記の a? 1 5 の一部あるいは全 部をレンズ体 1 8 で構成している なお レンズ体 1 8 の凸部は下 面でも構わないし 上下両面にあ てもよい
図 1 4 は、 本発明の第 9 実施形台 を 明するための光検出丁バィ スの断面図である 本実施形態は ステ厶 1 1 上の光検出素子を透 明な合成樹脂で封入し その形状を レンズ体 1 8 と している の よう にレンズ体 1 8 を用いれば、 光検出素子の受光部によ り 多 < の 光 3 を集めて、 光感度を上げることがでさる また光検出素子を 成樹脂で封入することによ リ 、 光検出素子の耐久性を増 し、 安定化 を図ることがでさる
本発明の光検出素子は容易に複数個直列めるいは並列に接 miする とができるので 1 次兀、 2 次元めるいは 3次元のィメ一ンセン サと して使用することちできる。
さ らに出力電流が大さ < とれるため図 1 5 に示すよう に、 本発明 の光検出素子 Ί 9 に電導線 2 0 を介して発光ダィォ一ドなどの発光 素子 2 1 と電源 2 2 を接続するだけで 増幅器を介さずに、 発光素 子 2 1 を直接駆動する ともできる
この際、 光出力 2 4 を光入力 2 3 よ y ち大さ < する とがでさる ので、 暗視カメラと して用いた リ 図 1 6 に示すような 2次元の光 増幅 s#あるいはィメ ―ン増幅器や光メモ U と してァナ口グやデン夕 ルの光信号処理回路への応用も可能でめる 図 1 6 (>_あいて 2 5 は多数の光検出素子 1 9 を 2次元に配列 したィメ ―ジセンサ 2 6 はィメージセンサ 2 5 (光検出素子 1 9 ) に 導線 2 0で接続され たディ スプレイである
本発明の光検出素子において、 光伝導性物質を任思に選択する とによ り、 任意の波長の光または電磁波に応答する光検出素子を構 成することがでさる また、 力一ボンナノチュ ―ブの大きさ 数ま たは長さを任意に制御することによ 任意の増倍率を有する光検 出素子を構成する とができる
前記実施形態では力一ボンナノチュ ―ブを面内に形成したが 力
―ボンナノチュ ―プを埋め込む形で垂直型構造にすることも可能で その場合、 他の素子との積層化が容易にでさる また力 ポンナノチュ ブは 素子の中央部に ける必要はな
¾に ていても構わない 。 力 ―ポンナノチュ ―ブの形状も直線状 である必要はなく 、 例えば波状あるいは螺旋状などのよう に曲がつ ていて 構わない。
また力 -ポンナノチュ ―ブを多数並列に並ベれば 咸度が上がる だけでな 全体の抵抗が小さ <なるため 、 流し得る電流を大き する とがでさる。 « の 、 力 ―ボンナノチュ ―プは互いに交叉し たり枝分かれしていてちよい。
育リ記実施形態ではシ υ コ ン上に酸化シ コ ンを介して力 ボンナ ノチュ ブを形成した について示したが、 シ ンゃゲルマ ― ゥ厶などの単元素の他 ガリ ゥ厶砒素やィ ンジゥ厶ガ ゥ厶砒素め るいはィ ンジゥ厶燐などの化合物を用いたもの あるいはそれらを 量子井戸構造またはへテ P接合構造で形成した単層構造や多層構造 を基本とするもの、 めるいは他の物質と faみ f わせた のなど、 光 または 磁波の照射によ 内部にキヤ リ ァを発生する光 導性物質 であれぱ 、 それが絶縁体 体 、 磁性体 、 あるいは n型または P 型の半導体であっても 同様の素子を作製する とがでさる
特に図 4 に示す第 2 実施形態の ン に 感度波長領域の異なる複 数種類の光伝導性物質を 層にした構造を採用すれぱ 個の光検 出素子で広い波長範囲の検出が可能である
なお多層構造にする 口 、 ェピタキシャル成長の必要がないため、 材料の 択範囲が拡がる 従つて 、 光 1E導性物質の多層構造化が容 易であるぱかリでな 光伝導性物質を多 ϊπα日日化した ァモルファ ス化したリ することで キャ U ァの緩和速度を速 すれば、 速動 作が可能となる
多 構造は 、 水平に設置する必要はな 、 垂直配置でも構わない。 また必ずしも層構造である必要はなく 、 多重構造であれば立体構 it にしてち構わな.い。
i記実施形態において 絶縁層 6 は必ずしも必要でないが 、 絶縁 層 6 を exけることによ 暗電流を少な する効果がある。 刖 id実 一 施形態では絶緣層 と して酸化シ コ ンを用 いが、 その他、 至化ン リ コ ンゃ透明または半透明のガラスゃ樹脂なども使用可能である また、 ノ ン ―ブガ リ ゥ厶砒素 ノ ン ド一プァルミニゥ厶砒素など の不純物を実質的に含まない半導体材料も薄ければ使用可能である 刖 己実 形態において 外部と接続するための電極 は力 ―ボン ナノ チュ ―ブ と接 していればよ < 、 必ず しち光伝導性物質 と , 気的に接続する必要はない
本発明は 例えば 威 '、度光検出素子、 光スィ ツチング素子 ァ レ ィ化による ―次兀 、 一次元める いは三次元のィ メ ージセ ンサやそれ を用いた精密計測装置 威 IX.力 メ ラ、 暗視力 メ ラ、 発光素子との 組み合わせによる フ才 卜力 プラやフ 才 卜ィ ンタ ラクティ ブなどの位 置検出素子 光演算回路用の光増幅 55など各種技術分野への応用が 可能である

Claims

の
1 . 光または電磁波の照射によ 内部にキャ リ ァを発生する光伝導 性物質と 力 ―ポンナノ チュープとを有 し 光または電磁波の照射 によ リ 刖記光伝性導物質内 に発生 したキャ ァを前記力一ボンナノ チュ ーブの电 伝導の変化によ 検出する ！ とを特徴とする光検 ud 丰 3.
茶ナ。
2 . B 求の範囲 1 記載の光検出素子にねいて 、 iu 5己允 fe導性物質と して、 異 /よ た 長範囲 に光伝導性を有する複数種類の光伝導性物 質による単層構造または多層構造を有する こ とを特徴とする光検出 素子。
3 . an求の n囲 2 記載の光検出素子において 、 刖記多層構造が 光 または 磁波の照射を受ける側にェネルギ一ギャ ッ プのよ 広い光 伝 性物質から /よる膜を形成するよ になつ ている こ とを特徴とす る光検出素子 0
4 . 請求の til囲 1 ない し 3 のいずれか 1 項 Bし載の光検出素子におい て、 前記光伝導性物質とカ ーボンナノ チュ ―ブの間 に透明または半 透明の絶緣層が形成されている こ とを特徴とする光検出素子 0 o ■ m求の id囲 1 ない し 4 のいずれか 1 項記載の光検出素子におい て、 その光検出素子が電界効果 卜 ラ ンンスタ構造または単 子 卜 ラ ンジスタ構造を有する こ とを特徴とする光検出素子。
6 . 5S求の In囲 5 記載の光検出素子において 、 刖 C ¾界効果 卜 ラ ン ジスタ構造が 、 m s己光伝導性物質の下部にゲ一卜電極を設けた構造 である こ とを特徴とする光検出素子 0
7 . an求の範囲 5 記載の光検出素子において 、 刖 界効果 卜 ラ ン ジス夕構造が 、 刖 s己力一ボンナノ チ ―プの上部にゲ一卜電極を設 けた構造である こ とを特徴とする光検出素子 o
8 . 求の範囲. .5 記載の光検出素子において 、 刖 5し ¾界効果 卜 ラ ン ジス夕構造が 、 Bリ S己力一ポンナノ チュ ―プの近傍にゲ一卜電極を設 けた構造である こ とを特徴とする光検出秦子 o 9 ■ a 求の範囲 1 ない し 8 のいずれか 1 項記載の光検出 子におい て 、 刖 Bliカ ーボンナノチュープの両端に接続される電極を有 し 、 そ の 3電極が櫛形で互いに対向するよ う に配置されて、 その 極間 に刖記カ ーボンナノ チユーブが多数並列 に接続されている こ とを特 徴とする光検出素子。
1 0 . 請求の範囲 1 ない し 9 のいずれか 1 項記載の光検出素子 1 お いて、 則 B己光または電磁波が照射される側上に集光 レンズが SC置さ れている こ とを特徴とす <s>允検出素子。
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