JP2003243692A

JP2003243692A - 光検出器

Info

Publication number: JP2003243692A
Application number: JP2002038560A
Authority: JP
Inventors: Hokuto Takada; 北斗高田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2003-08-29

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】光検出素子の構造が簡素であり、光子のカウン
トおよび超微弱光の検出が可能であり、受光波長の波長
帯の設計（ピーク中心波長、受光波長の幅）が容易であ
り、磁場や極低温度などの特殊な動作環境を必要としな
い光検出器を提供すること。【解決手段】受光体１１と、該受光体とトンネル接合し
てなる第１の電極１３及び第２の電極１４と、を有する
受光素子１０を備える光検出器であって、前記受光体
が、相互に電荷の供受が可能なように隣接する光吸収体
と電荷受容体とからなり、該光吸収体および／または該
電荷受容体が、量子ドットからなり、前記光吸収体が光
を受光した際に、前記第１の電極と前記第２の電極との
間に流れる電流の変化を検出することを特徴とする光検
出器。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光および光子を検
出するための光検出器に関するものであり、さらに詳し
くは、量子ドットを用いた光検出器に関するものであ
る。

【従来の技術】

【０００２】（従来の光検出器）通信、情報処理、分光
計測や撮像等の分野において、光検出器を用いた光検出
のニーズがある。例えば、情報通信の分野では、特に、
量子情報通信において、単一光子の生成・検出が必要と
される。また、分光計測・撮像用の分野では、赤外・可
視・紫外のさまざまな波長帯で、高感度の光検出、とく
に単一光子の検出が必要とされる。

【０００３】このような分野にて通常利用されている従
来の光検出器としては、光電子増倍管（ｐｈｏｔｏｍｕ
ｌｔｉｐｌｉｅｒ。以下、「ＰＭＴ」と略す）やアバラ
ンシェフォトダイオード（ａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏ
ｔｏｄｉｏｄｅ。以下、「ＡＰＤ」と略す）である。し
かしながら、これらの光検出器は、以下の本質的な欠点
を有する。

【０００４】即ち、ＰＭＴの場合の欠点としては、装置
が大きく、その構成が複雑でありると共に、真空管を用
いているために経時的安定性が低く、機械的に壊れやす
く、高電圧を必要とし、測定に際しては量子効率が低い
といったことが挙げられる。また、ＡＰＤの場合の欠点
としては、大きな印加電圧が必要であり、測定に際して
は、受光波長領域が限定され、光子カウントが困難であ
ることや、ダークカウント（暗電流）大きいことが挙げ
られる。

【０００５】一方、光検出器の性能を示す主な指標とし
ては、検出感度、動作環境、受光波長領域、動作速度な
どが挙げられるが、これらのうち、光検出感度が最も重
要な指標である。しかしながら、ＲＭＴ及びＡＰＤのい
ずれにおいても、光検出感度に関しては、各分野での光
検出のニーズに十分に対応することができていない。

【０００６】（ＳＥＴを用いた光検出器）このような問
題を解決するために、単一電子トランジスタ（Ｓｉｎｇ
ｌｅＥｌｅｃｔｒｏｎＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以
下、「ＳＥＴ」と略す）を光検出素子として利用した光
検出器として、下記の（１）〜（５）に後述するような
提案がなされている。

【０００７】（１）Ａ．Ｎ．Ｃｌｅｌａｎｄ（「Ｖｅｒ
ｙｌｏｗｎｏｉｓｅｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ
ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｉｎｇｌｅｅｌｅｃ
ｔｒｏｎｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ」、ＡＰＬ，Ｖｏｌ．
６１，ｐ２８２０，１９９２）らは、ＳＥＴをアンプ
として世界で初めて利用した光検出器（以下、「光検出
器（１）」と略す場合がある）を作製し、温度２０ｍＫ
において、波長６５０ｎｍの光の検出・増幅に利用でき
ることを示している。

【０００８】この光検出器は、電荷分離部（Ｐｈｏｔｏ
ｄｅｔｅｃｔｏｒ）と、増幅部（Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｔ
ｅｒ）と、が完全に分離したＳｉ系の光検出素子を有す
るものである。測定に際しては、この光検出器のＳｉ基
板上の金属電極にバイアス電圧を印可し、電荷分離させ
ることが必要なため、前記光検出素子の電極とＳＥＴ部
との間の静電遮蔽が必須である。しかしながら、電荷分
離効率が低いために、量子効率が低いのが課題である。
また、前記光検出素子は、その構造が複雑であり、電子
線リソグラフィ法によって作製されるため、室温動作は
厳しく、生産性も低いことが容易に推定される。

【０００９】（２）Ｊ．Ｍ．Ｈｅｒｇｅｎｒｏｔｈｅｒ
（「Ｔｈｅｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｔｒａ
ｎｓｉｓｔｏｒａｓａｎｕｌｔｒａｓｅｎｓｉｔ
ｉｖｅｍｉｃｒｏｗａｖｅｄｅｔｅｃｔｏｒ」、ＩＥ
ＥＥｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎａｐｐｌｉｅ
ｄｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ，Ｖｏｌ．
５，ｐ２６０４，１９９５）らは、光検出素子として超
伝導体を用いた光検出器（以下、「光検出器（２）」と
略す場合がある）を作製し、これ用いてマイクロ波を検
出している。しかしながら、光検出素子として超伝導体
を用いているため、極低温度においてしか測定ができ
ず、また、用いている超伝導材料自体も特殊な材料であ
る。

【００１０】（３）Ｒ．Ｊ．Ｓｃｈｏｅｌｋｏｐｆ
（「Ａｃｏｎｃｅｐｔｆｏｒａｓｕｂｍｉｌｌ
ｉｍｅｔｅｒ−ｗａｖｅｓｉｎｇｌｅ−ｐｈｏｔｏｎ
ｃｏｕｎｔｏｒ」、ＩＥＥＥｔｒａｎｓａｃｔｉｏ
ｎｓｏｎａｐｐｌｉｅｄｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃ
ｔｉｖｉｔｙ，Ｖｏｌ．９，ｐ２９３５，１９９９）ら
は、超伝導体とＳＥＴとを組合せた光検出素子を有する
高量子効率、低ＮＥＰ、サブμｓスケールでの動作が可
能な光検出器（以下、「光検出器（３）」と略す場合が
ある）によりサブミリ波を測定している。

【００１１】この光検出器による光検出のメカニズム
は、前記超伝導体によりサブミリ波を吸収して、準粒子
を励起し、この準粒子がＳＩＳ接合をトンネル（通過）
することによるものである。しかしながら、光検出素子
として超伝導体を用いているため、測定には１００ｍＫ
以下の極低温環境が必須であり、また、ＳＩＳ接合には
高純度の金属を用いることが必要である。

【００１２】（４）Ｈ．Ａｌｂｅｒｔ（欧州特許：ＥＰ
１０７７４９２、特開２００１−６０６９９号公報）ら
は、受光部と、ＳＥＴと、からなる光検出素子を有する
光検出器を作製し、無機半導体材料（Ｓｉ又はＧａＡｓ
系）からなる受光部に光を吸収させて励起させた電子
を、バイアス電圧の印加による電界で電荷分離した際の
静電ポテンシャルの変化を、ＳＥＴで検出する光検出器
（以下、「光検出器（４）」と略す場合がある）提唱し
ている。また、この光検出器は、２つのＳＥＴで差動動
作させることにより、測定時のノイズをキャンセルする
工夫もなされている。

【００１３】しかし、ＳＥＴの動作を考慮した場合、印
加できるバイアス電圧には制限があるため十分な電荷分
離が行えるとはいい難い。さらに光検出素子の構造が複
雑であり、測定時の量子効率は低いと予想される。ま
た、光検出素子のスケールはＥＢリソグラフィの分解能
に支配され、現在の装置では、室温動作は難しく、生産
性も低いと予想される。

【００１４】（５）Ｓ．Ｋｏｍｉｙａｍａ（特開２００
１−１１９０４１号公報、Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４０
３，ｐ４０５，２０００、ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉ
ｅｗＢ，Ｖｏｌ．６２，ｐ１６７３１，２０００）ら
は、ＳＥＴを用いた遠赤外光子検出器（以下、「光検出
器（５）」と略す場合がある）を作製し、飛躍的に高い
検出感度及びＳＮ比で遠赤外光（波長０．２ｍｍ）が検
出できることを提唱している。

【００１５】この光検出器は、２次元電子系（２ＤＥ
Ｇ）を利用したものであり、その測定メカニズムは、磁
場印加により生じるランダウ準位の準位間の電子遷移で
光子を吸収し、円盤状の量子ドット中に形成される各ラ
ンダウ準位の端状態の分布により、電荷を空間的に分離
し、量子ドット内に安定な分極状態を作ることを利用し
ている。

【００１６】しかし、測定には磁場印加が必須である上
に、測定可能な波長域が０．２ｍｍと非常に特殊であ
り、可視〜近赤外の波長域の測定に利用することができ
ない。また、光子の吸収および検出機構が、量子ドット
のスケールと、印加磁場と、の双方に関係しているた
め、光検出素子のスケールに制約があり、測定には極低
温環境下で前記光検出素子を動作させることが必須であ
る。さらに、２ＤＥＧ系を利用するために、光検出素子
の構成が、複雑かつ限定的である。

【００１７】（ＳＥＴを用いた光検出器の基本的な動作
原理）上述したＳＥＴを用いた光検出器が高感度である
のは、ＳＥＴの伝導度がその周囲の静電ポテンシャルに
非常に敏感であるというメカニズムに起因しており、こ
のようなメカニズムについては、例えば、Ａ．Ｆ．Ｃｌ
ａｒｋ（「Ｃｈａｒｇｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏ
ｆａｓｉｎｇｌｅｅｌｅｃｔｒｏｎｔｒａｎｓ
ｉｓｔｏｒ」、ＡＰＬ，Ｖｏｌ６５，ｐ１８４７、１９
９４）らによって示されている。

【００１８】また、ＳＥＴとして動作するためには、電
荷の局在する領域の１電子の帯電エネルギーが、熱エネ
ルギーに比べて十分大きいことが必要である。実際に
は、例えば、Ｈ．Ｉｓｈｉｋｕｒｏ（ＪＪＡＰ，Ｖｏ
ｌ．４０，ｐ２０１０、２００１）、Ｌ．Ｚｈｕａｎｇ
（ＡＰＬ，Ｖｏｌ．７２，ｐ１２０５、１９９８）、
Ｊ．Ｓｈｉｒａｋａｓｈｉ（ＡＰＬ，Ｖｏｌ．７２，ｐ
１８９３、１９９８）らにより、室温で動作するＳＥＴ
が現実に作製されている。

【００１９】（従来のＳＥＴを用いた光検出器の課題）
しかし、従来のＳＥＴを用いた光検出器には、以下のよ
うな課題がある。即ち、光検出器（１）及び光検出器
（４）は、電荷分離のためにバイアス電圧の印加が必要
である。このため、バイアス電圧端子等が必要となり、
これら光検出器の構造が複雑になる。また、バイアス電
圧によって発生する外部電界がＳＥＴの伝導度にも影響
することが容易に考えられ、検出感度の安定性・再現性
に本質的に問題がある。仮にこの影響を防止できるとし
ても、より複雑な構成が必要となる。

【００２０】更に、受光層の有効厚さと、その光吸収係
数と、の関係から光の吸収効率に課題があると予想され
ること、および、バイアス電圧印加による外部電界で電
荷を分離する原理を採用していることから、入射した光
子を、電子と、ホールと、に分離する確率である量子効
率を高くすることは容易ではない。しかも、効率的に電
荷分離を行うためにバイアス電圧を高くすれば、逆に、
このバイアス電圧の印加に伴い発生する外部電界が、Ｓ
ＥＴの伝導度に大きく影響するために、動作の安定性や
高い検出感度を得られなくなるというジレンマがある。

【００２１】光検出器（２）および光検出器（３）は、
受光層に超伝導体を用いている。このため、測定に際し
ては極低温で動作させることが必要となるため、これら
の光検出器は、その構成が複雑かつ大掛かりである上
に、使い勝手が悪い。また、受光波長範囲もマイクロ波
〜サブミリ波に限られる。更に、使用する超伝導体が高
純度の材料からなることが必要であるため、必然的にこ
れら光検出器の作製コストは高くなる。

【００２２】さらに光検出器（５）では、測定に際して
磁場が必須であることから、その構成が複雑かつ大掛か
りである。また、光（サブミリ波）の吸収および検出の
機構、用いる光検出素子の構造及びスケールと、印加磁
場の大きさと、が相互に関係しているために、他の光検
出素子の構成要素に関係なく、量子ドットのスケールを
独立して小さくすることができず、測定に際しては極低
温環境での動作を強いられる。更に、現実的に発生でき
る磁場の強さを考えると、中赤外域よりも短波長域の光
の検出は、非現実的である。

【００２３】なお、光検出器（５）に関する技術文献で
ある特開２００１−１１９０４１号公報には、磁場を用
いる必要のない単一の量子ドットからなる光検出素子を
光検出器に用いることも提唱されている。しかし、光検
出素子が単一の量子ドットからなる構成の場合、前記光
検出素子が光を吸収して励起した電子の励起状態の寿命
が短いために信号の検出が困難である。

【００２４】一方、このような問題を解決するために、
光検出素子を、複数の量子ドットからなる構成とした場
合においても、前記光検出素子の構成が非常に複雑にな
るために、最先端の微細加工技術が必要とされる。この
ため、このような光検出素子を用いた光検出器では、そ
の生産性・コストに問題があり、また、多数のバイアス
電圧を制御する必要があるために前記光検出素子の動作
の安定性確保や、運用が容易でないなどの課題がある。

【００２５】以上に説明したように、従来のＳＥＴを用
いた光検出器においては、該光検出器の光検出素子の構
造が複雑である、検出感度の安定性・再現性に問題があ
る、受光波長に制限がある、磁場や極低温度などの特殊
な動作環境が必要である等の課題があり、コストや測定
性能、生産性、取り扱いの容易さの、少なくともいずれ
かの点で実用性に欠けていた。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
を解決することを課題とする。すなわち、本発明は、
光検出素子の構造が簡素であり、光子のカウントおよ
び超微弱光の検出が可能であり、受光波長の波長帯の
設計（ピーク中心波長、受光波長の幅）が容易であり、
磁場や極低温度などの特殊な動作環境を必要としない
等、実用上、極めて優れた光検出器を提供することを課
題とする。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記課題は以下の本発明
により達成される。すなわち、本発明は、＜１＞受光体と、該受光体とトンネル接合してなる第
１の電極及び第２の電極と、を有する受光素子を備える
光検出器であって、前記受光体が、相互に電荷の供受が
可能なように隣接する光吸収体と電荷受容体とからな
り、前記光吸収体および／または前記電荷受容体が、量
子ドットからなり、前記光吸収体が光を受光した際に、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流の
変化を検出することを特徴とする光検出器である。

【００２８】＜２＞前記光吸収体が、色素からなるこ
とを特徴とする＜１＞に記載の光検出器である。

【００２９】＜３＞前記光吸収体が、有機金属錯体か
らなることを特徴とする＜１＞に記載の光検出器であ
る。

【００３０】＜４＞前記量子ドットが、酸化チタン微
粒子からなることを特徴とする＜１＞に記載の光検出器
である。

【００３１】＜５＞前記受光素子が、前記受光体に対
して電気的に絶縁され、且つ、前記受光体に近接する、
第３の電極を有することを特徴する＜１＞〜＜４＞のい
ずれか１つに記載の光検出器である。

【００３２】＜６＞帯電体と、該帯電体とトンネル接
合してなる第１の電極及び第２の電極と、を有する受光
素子を備える光検出器であって、前記帯電体に近接す
る、光分極体を備え、該光分極体が光を受光した際に、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる電流の
変化を検出することを特徴とする光検出器である。

【００３３】＜７＞前記光分極体が、相互に電荷の供
受が可能なように隣接する光吸収体と電荷受容体とから
なり、前記光吸収体および／または前記電荷受容体が量
子ドットからなることを特徴とする＜６＞に記載の光検
出器である。

【００３４】＜８＞前記受光素子が、前記帯電体に対
して電気的に絶縁され、且つ、前記帯電体に近接する、
第３の電極を有することを特徴する＜６＞または＜７＞
に記載の光検出器である。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明を、第１の本発明
の概要、第１の本発明の実施形態、第２の本発明、本発
明の光検出器に用いられる受光素子の構成、の順に大き
くわけて説明する。

【００３６】（第１の本発明の概要）第１の本発明は、
受光体と、該受光体とトンネル接合してなる第１の電極
及び第２の電極と、を有する受光素子を備える光検出器
であって、前記受光体が、相互に電荷の供受が可能なよ
うに隣接する光吸収体と電荷受容体とからなり、前記光
吸収体および／または前記電荷受容体が、量子ドットか
らなり、前記光吸収体が光を受光した際に、前記第１の
電極と前記第２の電極との間に流れる電流の変化を検出
することを特徴とする。

【００３７】本発明において、「受光体」とは、受光体
にトンネル接合した、第１の電極と、第２の電極と、の
間に電気を流した際に、前記受光体の帯電効果によって
電流が流れにくくなる現象、即ち、クーロン閉塞として
知られている現象が発生する機能を有する。加えて、前
記受光体は、光を受光して自己分極する機能も兼有する
ものである。

【００３８】さらに、第１の本発明においては、前記受
光体は、受光体は、相互に電荷の供受が可能なように隣
接する光吸収体と電荷受容体とからなり、前記光吸収体
および／または前記電荷受容体が、量子ドットからなる
ものである。また、前記光吸収体および前記電荷受容体
を構成する材料は相互に異なることが好ましい。なお、
第１の本発明に用いられる受光体は、光を受光して自己
分極を有する機能を持つ部分（以下、「自己分極発生
部」と略す）と、この自己分極を静電ポテンシャルの変
化として変換する機能を持つ部分（以下、「分極感応
部」と略す）と、が一体化しているために受光素子の構
成を簡素にすることができる。

【００３９】なお、本発明において、「自己分極」と
は、電場や磁場等の外部刺激を印加することなく、光を
受光した際に自発的に分極し、この分極状態が、第１の
電極と、第２の電極と、の間に流れる電流の変化として
測定可能な間、即ち、１ピコ秒〜１０秒の間、より好ま
しくは、１ナノ秒〜１０マイクロ秒の間維持されること
を意味する。従って、本発明に用いられる受光体は、光
を受光した際に、電場や磁場等を印加することなく、光
を検出するために必要な時間、分極状態を維持すること
ができるため、本発明の光検出器は電場や磁場を印加す
るための装置が不要であり、その構成が従来技術による
光検出器よりも簡素である。

【００４０】第１の本発明において、受光体は、相互に
電荷の供受が可能なように隣接する、光吸収体と、電荷
受容体と、からなる。この「光吸収体」とは、光吸収体
が光（光子）を受光した際に、前記光吸収体の電子占有
準位に存在する電子が、前記光吸収体の電子非占有準位
へと励起することが可能な物質からなるものを意味す
る。なお、光吸収体として利用する材料を選択すること
により、所望の波長帯の光を検出することができる光検
出器を作製することができる。

【００４１】第１の本発明に用いられる光吸収体として
は、上記の条件を満たすものであれば特に限定されない
が、色素や有機金属錯体を用いることが好ましい。前記
色素としては、公知のものを用いることができるが、例
えば、キサンテン系色素、シアニン系色素、トリアリル
カルボニウム系色素、ピリリウム系色素、メロシアニン
系色素、チアジン系色素等が挙げられ、前記有機金属錯
体としては、公知のものを用いることができるが、例え
ば、化学式１に示すような構造を有する有機金属錯体で
あるｃｉｓ−（ＳＣＮ）２ｂｉｓ（２，２'−ｂｉｐｙ
ｒｉｄｙｌ−４，４'−ｄｉｃａｒｂｏｘｙｌａｔｅ）
−ｒｕｔｈｅｎｉｕｍ（ＩＩ）（以下、「Ｒｕ錯体」と
略す）、亜鉛テトラポルフィリン、マグネシウムテトラ
ポルフィリン、金属フタロシアニン等が挙げられる。

【００４２】また、「電荷受容体」とは、光励起によっ
て前記光吸収体の電子非占有準位へ移動した電子、ある
いは、光励起によって前記光吸収体の電子占有準位に発
生した正孔、を一時的に受容（トラップ）してエネルギ
ー緩和することにより、受光体内において、空間的に電
荷を分離し、該受光体を、自己分極させる機能を有する
物質を意味する。なお、光励起した場合の光吸収体と、
電荷受容体と、の間における電荷供受の詳細については
後述する。

【００４３】但し、「電子占有準位」および「電子非占
有準位」とは、本発明においては、外部の系との間で、
熱や光等によるエネルギーのやり取りの無い定常状態に
おいて、前者が、電子により占有されているエネルギー
準位を意味し、後者が、電子により占有されていない
（空の）エネルギー準位を意味し、具体例としては以下
のようなものが挙げられる。

【００４４】例えば、有機分子においては、ＨＯＭＯ
（最高占有分子軌道）およびＨＯＭＯの電子の電子エネ
ルギーよりも小さいエネルギーを持つ電子準位が、電子
占有準位に相当し、ＬＵＭＯ（最低非占有分子軌道）お
よびＬＵＭＯの電子の電子エネルギーよりも大きいエネ
ルギーを持つ電子準位が、電子非占有準位に相当する。
あるいは、金属や半導体等のようにフェルミ準位を有す
るような場合においては、フェルミ−ディラックの分布
関数に従い、確率的に電子の存在が許容されるエネルギ
ー準位が、電子占有準位に相当し、確率的に電子の存在
が許容されないエネルギー準位が、電子非占有準位に相
当する。

【００４５】第１の本発明においては、光吸収体および
／または電荷受容体が、量子ドットからなることが必要
である。但し、本発明において、「量子ドット」とは、
この量子ドットに、２つの電極（以下「電極Ａ」、「電
極Ｂ」と略す）をトンネル接合した回路を形成して電気
を流した際に、前記量子ドットの帯電効果によって電極
Ａと電極Ｂとの間に電流が流れにくくなる現象、即ち、
クーロン閉塞として知られている現象が発生する機能を
必ず有する物質からなるものを意味する。但し、本発明
に用いられる量子ドットは、２つの電極とトンネル接合
した形態においてのみ使用されることに限定されるもの
ではない。また、第１の本発明においては、１つの量子
ドットは、上記した機能に加え、既述した光吸収体ある
いは電荷受容体のいずれか一方の機能を兼有するもので
ある。

【００４６】第１の本発明に用いられる量子ドットとし
ては、既述した条件を満たすものであれば特に限定され
ないが、その形状が微粒子状の酸化チタン等が好適に用
いられる。なお、該酸化チタン以外からなる量子ドット
の具体例については後述する。

【００４７】第１の本発明は、受光体と、該受光体とト
ンネル接合してなる第１の電極及び第２の電極と、を有
する受光素子を備える光検出器であるが、光を受光した
際に、前記第１の電極と前記第２の電極との間に流れる
電流の変化の検出を容易にするために、前記受光素子
が、前記受光体に対して電気的に絶縁され、且つ、近接
する、第３の電極を有することが好ましい。

【００４８】但し、当該近接とは、第３の電極に対して
電圧を印加した際に、該電圧の印加に応じて発生する電
場によって、前記受光体の静電ポテンシャルを変化さ
せ、第１の電極と、第２の電極と、の間に流れる電流量
を制御できることが可能であることを意味する。

【００４９】図１は、本発明の光検出器に用いられる受
光素子の構成の一例を示す模式図であり、第１の本発明
の光検出器において好適に用いることができる。図１
（ａ）は、絶縁体基板表面に形成された受光素子を、該
絶縁体基板表面に対して垂直方向から見た模式図であ
り、図１（ｂ）は、図１（ａ）において、記号Ａおよび
記号Ａ’間の模式断面図である。

【００５０】図１中、受光素子１０は、絶縁体基板１６
表面に、第１の電極１３と、第２の電極１４と、の間
に、トンネル接合１２によって接合された受光体１１が
設けられ、受光体１１に対して近接する位置に第３の電
極１５が設けられている。なお、第１の電極１３、第２
の電極１４および第３の電極１５は、必要に応じて絶縁
部材により覆われていてもよい。また、受光体１１も、
少なくとも受光波長の波長域を透過することが可能な絶
縁部材により覆われていてもよい。

【００５１】図１に示される受光素子１０の構成は、い
わゆる単一電子トランジスタ（以下、「ＳＥＴ」と略す
場合がある）として知られているものであるが、本発明
においては、受光体１１が、光を受光する機能と、受光
により受光体１１内で発生した自己分極、即ち、静電ポ
テンシャルの変化を電気的に増幅して検出可能とする機
能と、を兼ね備えていることが、従来のＳＥＴと大きく
異なる点である。なお、ＳＥＴにおいては、図１に示す
第１の電極１３はソース電極、第２の電極１４はドレイ
ン電極、第３の電極１５はゲート電極と呼ばれるもので
ある（以下、第１の電極を「ソース電極」、第２の電極
を「ゲート電極」、第３の電極を「ゲート電極」、と表
現する場合がある）。

【００５２】第１の本発明において、図１に示した受光
素子１０を構成する受光体１１は、相互に電荷の供受が
可能なように隣接する、光吸収体と、電荷受容体と、か
らなるものであり、その具体例を図２に示す。図２は、
第１本発明の光検出器に用いられる受光素子を構成する
受光体の構成例を示す模式図である。図２（ａ）〜
（ｃ）において、受光体２０は、相互に電荷の供受が可
能なように隣接（以下、図２の説明において「付着」あ
るいは「接合」と略す場合がある）する光吸収体２１
と、電荷受容体２２と、からなる。

【００５３】図２（ａ）は、電荷受容体２２表面に、１
種類以上および／または１個以上からなる光吸収体２１
が付着した例であり、図２（ｂ）は、ひとつの光吸収体
と、ひとつの電荷受容体２２と、が接合した例であり、
図２（ｃ）は、電荷受容体２２中に、光吸収体２１が、
含有されることにより、前者と、後者と、が接合した例
である。但し、第１の本発明に用いられる受光体は、図
２に示した例に限定されるものでは無く、少なくとも、
相互に電荷の供受が可能なように隣接する、光吸収体
と、電荷受容体と、からなるものであれば特に限定され
るものではない。

【００５４】光吸収体２１と、電荷受容体２２と、は両
者の間で電荷が移動できる程度に隣接していればよい
が、両者が相互に強く吸着していることが好ましい。光
吸収体２１は、図２（ａ）に示すように電荷受容体２２
の表面に担持させても良いし、また、図２（ｃ）電荷受
容体２２の内部に光吸収体２１を埋め込んでも良い。電
荷受容体２２の表面に光吸収体２１を担持させる方法と
しては、光吸収体２１を分散・溶解させた溶液中に電荷
受容体２２を浸漬させる自然吸着法や、電荷受容体２２
表面に光吸収体２１を化学的に固定する化学吸着法な
ど、公知の技術を利用できる。

【００５５】第１の本発明の光検出器は、図１に示す受
光素子１０のような構成を有するＳＥＴに限定されるも
のではなく、後述する受光素子のような構成を有するＳ
ＥＴや、公知のＳＥＴからなるものを利用することがで
きる。たとえば、パターン化されたＡｌなどの金属やＳ
ｉなどの半導体膜と、その絶縁性酸化膜によるＳＥＴ；
ＧａＡｓ系などのヘテロ界面に形成される２次元電子ガ
スを、基板表面に設けたゲート電極により静電的にパタ
ーン化した、いわゆる表面ゲート型のＳＥＴ；金属や半
導体の微粒子を量子ドットとし、金属または半導体を電
極として利用したタイプのＳＥＴ、などである。

【００５６】ソース電極１３およびドレイン電極１４を
構成する材料は、導電性を有するものであればよく、公
知の導電性材料であれば特に限定されない。このような
材料としては、金属または半導体が利用できる。金属と
しては、例えば、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｎ、Ｓ
ｎ、Ａｇ、Ｔｉなどが挙げられ、これらは単独でも合金
でも良い。半導体としては、例えば、ＳｉなどのＩＶ族
半導体、ＧａＡｓなどのＩＩＩ−Ｖ族半導体、ＺｎＳｅ
などのＩＩ−ＶＩ族半導体などが挙げられる。また、ア
ントラセン、ペンタセン、ポリフェニレン、ポリフェニ
レンビニレン、ポリチオフェンなどのπ電子共役系を有
する有機導電性材料や、ＴＴＦ−ＴＣＮＱ（テトラチア
フルバレン−テトラシアノキノジメタン）などの電荷移
動錯体、あるいはカーボンナノチューブ、でもよい。

【００５７】ソース電極１３およびドレイン電極１４
は、絶縁性の基板上に一般的に知られたパターニング手
法により形成することができる。また、走査型トンネル
電子顕微鏡（ＳＴＭ）に用いられる探針のように、針状
の導電性材料を支持体により中空に支持されたものであ
ってもよい。ゲート電極１５についても、任意の公知の
導電性材料を利用できる。ソース電極１３およびドレイ
ン電極１４と同様に、金属、半導体、有機物等の導電性
材料を用いることができ、絶縁性基板上に形成、または
針状の電極を中空に支持して用いる。また、受光素子１
０を設ける面に絶縁層を有する導電性基板を用いる場合
は、この導電性基板をゲート電極１５として用いること
も出来る。

【００５８】絶縁体基板１６は、少なくとも受光素子１
０を設ける面が非導電性を有していればよく、公知の絶
縁性材料あるいはドーパントを添加していない無ドープ
の半導体材料等を用いた基板、および、導電性基板の表
面に絶縁層あるいは無ドープの半導体層等からなる非導
電性層を設けた基板等が利用できる。絶縁体基板１６
が、絶縁性材料あるいは無ドープ半導体材料のみからな
る場合には、たとえば、無ドープのＳｉ、ＧａＡｓ、Ｓ
ｉＣなどのような非導電性半導体基板、非導電性あるい
は絶縁性のＳｉＯ₂、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂などの酸化物基
板、Ｓｉ₃Ｎ₄などの窒化物基板等の絶縁性無機材料や、
ポリエチレンテレフタラートなどの絶縁性有機材料を利
用できる。

【００５９】絶縁体基板１６が、導電性材料からなる導
電性基板の表面に非導電性層を設けてなる場合には、公
知の導電性材料からなる基板の表面に、上記の絶縁性材
料や無ドープ半導体材料等からなる非導電性層が設けら
れる。例えば、ボロンをドープしたｐ型ＳｉあるいはＡ
ｓをドープしたｎ型Ｓｉのような導電性のＳｉ基板表面
に、非導電性層（絶縁層）としてＳｉＯ₂層を形成した
ものや、Ａｕ基板（導電性基板）表面に、非導電性層
（絶縁層）としてチオール基を有する有機分子を吸着さ
せたＳｅｌｆ−ＡｓｓｅｍｂｌｅｄＭｏｎｏｌａｙｅ
ｒ（ＳＡＭ）と呼ばれる単分子膜を形成したもの、など
が挙げられる。

【００６０】第１の本発明の光検出器に用いられる量子
ドットは、公知のものを利用できる。この量子ドット
は、ソース電極あるいはドレイン電極との間で電子が移
動するための、電子準位を有すれば足りるが、ＳＥＴと
して動作するためには、量子ドットのサイズは小さいほ
ど好ましい。量子ドットのスケールは、その形状が、微
粒子等の３次元的なものである場合は、その最大長が、
１μｍ以下であることが好ましく、１００ｎｍ以下であ
ることがより好ましく、１０ｎｍ以下であることが更に
好ましい。特に、量子ドットが粒子状の酸化チタンから
なる場合には、粒径が好ましくは１ｎｍ〜１μｍの範
囲、より好ましくは１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲である酸化
チタン微粒子が好適に用いられる。

【００６１】また、第１の本発明に用いられる、光吸収
体および電荷受容体は、量子ドットも含め公知の材料用
いることが出来るが、前者は光吸収効率が高い色素や有
機金属錯体が好ましく、後者は、電荷を一時的に受容す
る能力が高いことが好ましい。なお、第１の本発明に用
いられる光吸収体、電荷受容体、および、量子ドットの
具体例については後述する。

【００６２】（第１の本発明の実施形態）第１の本発明
は、光吸収体および／または電荷受容体が、量子ドット
からなることが必要であるが、電荷受容体のみが、量
子ドットからなることが好ましい場合、光吸収体のみ
が、量子ドットからなることが好ましい場合について、
前記に対しては第１および第２の実施形態として、前
記に対しては第３および第４の実施形態として以下に
具体的に説明する。なお、第１〜第４の実施形態に共通
する要素については、既述したため省略する。

【００６３】第１の実施形態は、受光体を構成する光吸
収体および電荷受容体のうち、該電荷受容体のみが量子
ドットからなる場合の第１の本発明の一例である。さら
に、第１の実施形態は、前記光吸収体が光を受光した際
の前記受光体の自己分極（および、自己分極による、静
電的ポテンシャルエネルギーの変化）の発生が、次のよ
うな動作原理に基づくところに特徴がある。

【００６４】即ち、この動作原理とは、光吸収体の電子
非占有準位に光励起された電子が、この光吸収体の電子
非占有準位よりも低いエネルギー準位である電荷受容体
の電子非占有準位へ移動して一時的にトラップされるこ
とである。第１の実施形態の光検出器は、この時発生す
る自己分極を、第１の電極と、第２の電極と、の間に流
れる電流の変化として増幅・検出するものである。以下
に、上記の動作原理を詳細に説明する。

【００６５】図３は、第１の本発明による光検出器の動
作原理の一例を示す概念図であり、第１の実施形態は、
図３に示す動作原理に基づき光を検出する。図３は、受
光体を構成する光吸収体および電荷受容体（即ち、第１
の実施形態においては量子ドット）の電子のエネルギー
準位、および、光吸収体が光を吸収した際の光吸収体
と、電荷受容体と、の間での電荷の供受を概念的に示し
たものである。図３（ａ）は、定常状態の場合、図３
（ｂ）は、光吸収体が光を吸収することにより光励起が
発生した場合、図３（ｃ）は、光励起した電子が、光吸
収体から電荷受容体へと移動して、電荷受容体に一時的
にトラップされた場合、図３（ｄ）は、電荷受容体に一
時的にトラップされた電子が、再び光吸収体へと移動
し、定常状態に戻る場合、を示す概念図である。

【００６６】また、図３中、実線で示される３０は光吸
収体の電子占有準位、破線で示される３１は光吸収体の
電子非占有準位、破線で示される３２は電荷受容体の電
子非占有準位を示し、黒丸は電子、白丸は正孔を示し、
矢印は、光吸収体の電子占有準位３０と、光吸収体の電
子非占有準位３１と、電荷受容体の電子非占有準位３２
と、の間の電子の移動が、光吸収体と、電荷受容体と、
の間の電子軌道の重なりを通して行われることを示すも
のである。

【００６７】図３（ａ）において、定常状態では、光吸
収体の電子占有準位３０に電子が存在する。ところが、
図３（ｂ）に示したように、光吸収体が光を吸収した場
合は、光吸収体の電子占有準位３０に存在する電子が、
矢印ｈν方向、即ち、光吸収体の電子非占有準位３１に
光励起され、この際、光吸収体の電子占有準位３０に正
孔が発生する。次に、図３（ｃ）に示したように、光吸
収体の電子非占有準位３１に光励起された電子が、矢印
Ｔ方向、即ち、電荷受容体の電子非占有準位３２にトラ
ップされてエネルギー緩和する。

【００６８】この際、光吸収体の電子占有準位３０に正
孔が存在し、電荷受容体の電子非占有準位３２に電子が
存在する、即ち、プラスの電荷と、マイナス電荷と、が
空間的に分離されてしまうために、受光体が自己分極す
る。その後、図３（ｄ）に示したように、電荷受容体の
電子非占有準位３２に一時的にトラップされていた電子
が、矢印Ｒ方向、即ち、光吸収体の電子占有準位３０に
移動し、正孔と結合することにより、空間的な電荷の分
離が消失してしまうために、受光体の分極状態も消失す
る。

【００６９】なお、第１の本発明は、上記した第１の実
施形態の例に限らず、受光体が光を受光した際に、空間
的に異なる位置を占める光吸収体と、電荷受容体と、が
一時的に相互に逆符号の電荷に帯電すると共にエネルギ
ー緩和が起こるために、自己分極することができる。

【００７０】このように、光を受光した際に、受光体が
自己分極することにより、受光体近傍の静電ポテンシャ
ルが変化する。この際、図１に示す受光素子１０におい
て、受光体１１と、ソース電極１３およびドレイン電極
１４と、の間に形成されたトンネル接合部１２のトンネ
ル確率が変化し、これが、ソース電極１３と、ドレイン
電極１４と、の間に流れる電流量を変化させる。この電
流量の変化は、図３（ｃ）に示す、電荷の空間的な分離
状態が、図３（ｄ）に示す、電子と正孔との再結合によ
り消失するまでの間、保持される。

【００７１】すなわち、第１の実施形態の光検出器にお
いては、一つの光子の吸収によって、ソース電極１３
と、ドレイン電極１４と、の間の多数のキャリア輸送が
制御される。従って、第１の実施形態の光検出器は精度
の高い単一光子の検出を行うことができる。

【００７２】また、光吸収体において、エネルギー的に
最も高い電子占有準位を、「ＰＨＯ準位」、エネルギー
的に最も低い電子非占有準位を、「ＰＬＵ準位」と表現
し、電荷受容体において、エネルギー的に最も低い電子
非占有準位を「ＣＬＵ準位」と表現した場合において、
受光した際に高い確率で上記したような動作原理で受光
体１１を自己分極させるためには、下式（１）の関係を
満たすことが好ましい。・式（１）ＰＬＵ準位＞ＣＬ
Ｕ準位＞ＰＨＯ準位なお、図３において、式（１）の関
係を適用した場合は、光吸収体の電子非占有準位３１が
ＰＬＵ準位に相当し、電荷受容体の電子非占有準位３２
がＣＬＵ準位に相当し、光吸収体の電子占有準位３０が
ＰＨＯ準位に相当する。

【００７３】次に、上記した一連の動作原理を、電流値
の変化として具体的に捉えた場合について説明する。図
４は、本発明による光検出器のゲート電圧と、ソース・
ドレイン電流との関係の一例を示す模式図であり、第１
の実施形態においては、光を検出した際に図４に示すよ
うな電流値の変化を示す。図４において、横軸がゲート
電圧（Ｖ_g）、縦軸がソース・ドレイン電流（Ｉ）を表
す。なお、ゲート電圧とは、例えば、光検出器に用いら
れる受光素子が、図１に示す受光素子１０からなる場合
において、ゲート電極１５に印加される電圧のことであ
る。同様に、ソース・ドレイン電流とは、ソース電極１
３と、ドレイン電極１４と、の間に流れる電流のことで
ある。

【００７４】図４において、実線で示されるゲート電圧
の増加に伴う、ソース・ドレイン電流のパルス状の鋭い
ピークは、クーロン閉塞の効果がゲート電圧に依存する
ことによって生じるクーロン振動と呼ばれる現象であ
り、本発明において第３の電極（ゲート電極）を有する
受光素子や、公知のＳＥＴ素子において一般的に観察さ
れる現象である。第１の実施形態の光検出器において、
光を検出する際には、ソース電極と、ドレイン電極と、
の間の伝導度が極大になるようにゲート電圧を調整する
ことが好ましく、図４に示すように、定常状態におい
て、Ｖ_g＝Ｖ_g1となるように調整されている。

【００７５】上記したような状態で、第１の実施形態の
光検出器に光（光子）が入射すると、この光子は光吸収
体に吸収され、既述したような図３に示すプロセスによ
り、自己分極が発生する。この自己分極発生に伴う静電
ポテンシャルの変化により、実質的なゲート電圧は、Ｖ
_g1からＶ_g2へと、ΔＶ_g12だけ減少し、この結果、ソー
ス・ドレイン電流は図４のΔＩ₁₂だけ減少する。

【００７６】このソース・ドレイン電流の変化した状態
は、光子吸収により発生した自己分極が、図３（ｄ）に
示すように空間的に分離した電子と、正孔と、が再結合
によって消失するまでの間保持される。このため、この
ような単一光子の吸収がソース・ドレイン電流のパルス
状の変動として測定される。なお、自己分極が保持され
る時間は、量子ドットからなる電荷受容体と、光吸収体
と、の組み合わせによって異なるが、およそ１ｎｓ〜１
０μｓの範囲である。

【００７７】第１の実施形態に用いられる電荷受容体、
即ち、量子ドットとして用いられる材料としては、たと
えば、Ａｌ、Ａｕなどの金属、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＡ
ｓなどの無機半導体、ＺｎＯ、ＴｉＯ₂などの酸化物半
導体、アントラセンやテトラセンなどのπ電子共役系を
有する有機分子、フラーレン（Ｃ₆₀）、などが適当な例
として挙げられる。

【００７８】また、第１の実施形態に用いられる光吸収
体の材料としては、例えば、ＣｕＩｎＳｅ、ＣｕＩｎ
Ｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＰなどの直接遷移型半導体；アゾ系
色素、キノン系色素、シアニン系色素、カチオン系色
素、フタロシアニン系色素、ポルフィリン系色素、クロ
ロフィル系色素、インジゴ発色系の色素、フルギド系色
素、分子間電荷移動錯体型の色素などの有機材料や有機
金属錯体などを挙げることが出来る。

【００７９】第１の実施形態において、受光体を構成す
る電荷受容体（量子ドット）と、光吸収体と、を構成す
る材料の組合せは、図３（ａ）に示すように、電荷受容
体の電子非占有準位３２よりも、光吸収体の電子非占有
準位３１の方が、エネルギーが高いことが必要であり、
さらに、既述した式（１）の関係を満たすことが好まし
い。このような条件を満たす材料の組合せ例を表１に示
す。

【００８０】

【表１】

【００８１】なお、電荷受容体（量子ドット）として用
いられる材料としては、表１に示したような太陽電池に
利用されるようなＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、Ｉｎ₂Ｏ₃、Ｎｂ₂
Ｏ₅、ＺｎＯ、ＣｄＳや、電子写真に利用されるような
ＰＶＫ（ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾール）や、銀塩写真
に利用されるようなＡｇＢｒ等のハロゲン化銀や、その
他の材料が用いられる。表１においては、電荷受容体と
して微粒子状の酸化チタンからなる量子ドットと、光吸
収体として化学式１に示すＲｕ錯体と、からなる組み合
わせが特に好ましい例として挙げられる。但し、第１の
実施形態の、電荷受容体（量子ドット）と、光吸収体
と、の組合せは、表１に示した例に限定されるものでは
なく、上記した条件を満たすものであれば特に限定され
ない。

【００８２】

【化１】

【００８３】第２の実施形態は、受光体を構成する光吸
収体および電荷受容体のうち、該電荷受容体のみが量子
ドットからなる場合の第１の本発明の他の例である。さ
らに、第２の実施形態は、前記光吸収体が光を受光した
際の前記受光体の一時的な自己分極（および、自己分極
による、静電的ポテンシャルエネルギーの変化）の発生
が、次ぎのような動作原理に基づくところに特徴があ
る。

【００８４】即ち、この動作原理とは、光励起により光
吸収体の電子占有準位に発生した正孔に、この光吸収体
の電子占有準位よりも高いエネルギー準位である電荷受
容体の電子占有準位の電子が移動し、この電荷受容体の
電子占有準位に一時的に正孔が発生することである。第
２の実施形態の光検出器は、この時発生する自己分極
を、第１の電極と、第２の電極と、の間に流れる電流の
変化として増幅・検出するものである。以下に、上記の
動作原理を詳細に説明する。

【００８５】図５は、第１の本発明による光検出器の動
作原理の他の例を示す概念図であり、第２の実施形態
は、図５に示す動作原理に基づき光を検出する。図５
は、受光体を構成する光吸収体および電荷受容体（即
ち、第２の実施形態においては量子ドット）の電子のエ
ネルギー準位、および、光吸収体が光を吸収した際の光
吸収体と、電荷受容体と、の間での電荷の供受を模式的
に示したものである。図５（ａ）は、定常状態の場合、
図５（ｂ）は、光吸収体が光を吸収することにより光励
起が発生した場合、図５（ｃ）は、光励起により発生し
た正孔が、電荷受容体の電子を引き抜き、電荷受容体に
一時的に正孔が発生した場合、図５（ｄ）は、電荷受容
体に一時的に発生した正孔が、励起した光吸収体の電子
を引き抜くことにより、再び定常状態に戻る場合、を示
している。

【００８６】また、図５中、実線で示される５０は光吸
収体の電子占有準位、破線で示される５１は光吸収体の
電子非占有準位、実線で示される５２は電荷受容体の電
子占有準位を示し、黒丸は電子、白丸は正孔を示し、矢
印は、光吸収体の電子占有準位５０と、光吸収体の電子
非占有準位５１と、電荷受容体の電子占有準位５２と、
の間の電子の移動が、光吸収体と、電荷受容体と、の間
の電子軌道の重なりを通して行われることを示すもので
ある。

【００８７】図５（ａ）において、定常状態では、光吸
収体の電子占有準位５０に電子が存在する。ところが、
図５（ｂ）に示したように、光吸収体が光を吸収した場
合は、光吸収体の電子占有準位５０に存在する電子が、
矢印ｈν方向、即ち、光吸収体の電子非占有準位５１に
光励起され、この際、光吸収体の電子占有準位５０に正
孔が発生する。次に、図５（ｃ）に示したように、電荷
受容体の電子占有準位５２の電子が、矢印Ｔ方向、即
ち、光吸収体の電子占有準位５０の正孔に引き抜かれる
ことにより、電荷受容体の電子占有準位５２に正孔が発
生してエネルギー緩和する。

【００８８】この際、光吸収体の電子非占有準位５１に
電子が存在し、電荷受容体の電子占有準位５２に正孔が
存在する、即ち、プラスの電荷と、マイナス電荷と、が
空間的に分離されてしまうために、受光体が自己分極す
る。その後、図３（ｄ）に示したように、光吸収体の電
子非占有準位５１に一時的にトラップされていた電子
が、矢印Ｒ方向、即ち、電荷受容体の電子占有準位５２
に引き抜かれ、正孔と結合することにより、空間的な電
荷の分離が消失してしまうために、受光体の分極状態も
消失する。

【００８９】このように、光を受光した際に、受光体が
自己分極することにより、受光体近傍の静電ポテンシャ
ルが変化する。この際、図１に示す受光素子１０におい
て、受光体１１と、ソース電極１３およびドレイン電極
１４と、の間に形成されたトンネル接合部１２のトンネ
ル確率が変化し、これが、ソース電極１３と、ドレイン
電極１４と、の間に流れる電流量を変化させる。この電
流量の変化は、図５（ｃ）に示す、電荷の空間的な分離
状態が、図５（ｄ）に示す、電子と正孔との再結合によ
り消失するまでの間、保持される。

【００９０】すなわち、第２の実施形態の光検出器にお
いては、一つの光子の吸収によって、ソース電極１３
と、ドレイン電極１４と、の間の多数のキャリア輸送が
制御される。従って、第２の実施形態の光検出器は精度
の高い単一光子の検出を行うことができる。

【００９１】また、既述したような、光吸収体のＰＨＯ
準位およびＰＬＵ準位に加えて、電荷受容体において、
エネルギー的に最も高い電子占有準位を、「ＣＨＯ準
位」と表現した場合において、受光した際に高い確率で
上記したような動作原理で受光体１１を自己分極させる
ためには、下式（２）の関係を満たすことが好ましい。
・式（２）ＰＬＵ準位＞ＣＨＯ準位＞ＰＨＯ準位な
お、図５において、式（２）の関係を適用した場合は、
光吸収体の電子非占有準位５１がＰＬＵ準位に相当し、
電荷受容体の電子占有準位５２がＣＨＯ準位に相当し、
光吸収体の電子占有準位５０がＰＨＯ準位に相当する。

【００９２】次に、上記した一連の動作原理を、電流値
の変化として具体的に捉えた場合について説明する。図
６は、本発明による光検出器のゲート電圧と、ソース・
ドレイン電流との関係の他の例を示す模式図であり、第
２の実施形態においては、光を検出した際に図６に示す
ような電流値の変化を示す。図６において、横軸がゲー
ト電圧（Ｖ_g）、縦軸がソース・ドレイン電流（Ｉ）を
表す。第２の実施形態の光検出器において、光を検出す
る際には、ソース電極と、ドレイン電極と、の間の伝導
度が極大になるようにゲート電圧を調整することが好ま
しく、図６に示すように、定常状態において、Ｖ_g＝Ｖ
_g1となるように調整されている。

【００９３】上記したような状態で、第２の実施形態の
光検出器に光（光子）が入射すると、この光子は光吸収
体に吸収され、図５に既述したようなプロセスにより、
自己分極が発生する。この自己分極発生に伴う静電ポテ
ンシャルの変化により、実質的なゲート電圧は、Ｖ_g1か
らＶ_g2へと、ΔＶ_g12だけ増加し、この結果、ソース・
ドレイン電流は図６のΔＩ₁₂だけ減少する。

【００９４】このソース・ドレイン電流の変化した状態
は、光子吸収により発生した自己分極が、図５（ｄ）に
示すように空間的に分離した電子と、正孔と、が再結合
によって消失するまでの間保持される。このため、この
ような単一光子の吸収がソース・ドレイン電流のパルス
状の変動として測定される。なお、自己分極が保持され
る時間は、量子ドットからなる電荷受容体と、光吸収体
と、の組み合わせによって異なるが、およそ１ｎｓ〜１
０μｓの範囲である。

【００９５】第２の実施形態において、受光体を構成す
る電荷受容体（量子ドット）と、を構成する材料の組合
せは、図５（ａ）に示すように、電荷受容体の電子占有
準位５２よりも、光吸収体の電子非占有準位５１の方
が、エネルギーが高いことが必要であり、さらに、既述
した式（２）の関係を満たすことが好ましい。このよう
な条件を満たす材料の組合せ例を表２に示す。なお、電
荷受容体（量子ドット）として用いられる材料として
は、表１に示したような太陽電池に利用されるようなＮ
ｉＯ、ｐ−ＧａＰ、Ａｌ、Ｐｔが好適に用いられる。但
し、第２の実施形態の、電荷受容体（量子ドット）と、
光吸収体と、の組合せは、表１に示した例に限定される
ものではなく、上記した条件を満たすものであれば特に
限定されない。

【００９６】

【表２】

【００９７】第３の実施形態は、受光体を構成する光吸
収体および電荷受容体のうち、該光吸収体のみが量子ド
ットからなる場合の第１の本発明の一例である。さら
に、第３の実施形態は、前記光吸収体が光を受光した際
の前記受光体の一時的な自己分極（および、自己分極に
よる、静電的ポテンシャルエネルギーの変化）の発生
が、次ぎのような動作原理に基づくところに特徴があ
る。

【００９８】即ち、この動作原理とは、光吸収体の電子
非占有準位に光励起された電子が、この光吸収体の電子
非占有準位よりも低いエネルギー準位である電荷受容体
の電子非占有準位へ移動して一時的にトラップされるこ
とである。第３の実施形態の光検出器は、この時発生す
る自己分極を、第１の電極と、第２の電極と、の間に流
れる電流の変化として増幅・検出するものである。

【００９９】その詳細な動作原理は、既述した、第１の
実施形態の動作原理を説明する図３を用いて同様に説明
できるが、第３の実施形態においては、図３に示す光吸
収体が量子ドットからなり、電荷受容体が量子ドット以
外の物質から構成される。

【０１００】すなわち、第３の実施形態の光検出器にお
いては、一つの光子の吸収によって、ソース電極１３
と、ドレイン電極１４と、の間の多数のキャリア輸送が
制御される。従って、第３の実施形態の光検出器は精度
の高い単一光子の検出を行うことができる。また、受光
した際に高い確率で上記したような動作原理で受光体１
１を自己分極させるためには、既述した式（１）の関係
を満たすことが好ましい。

【０１０１】また、上記した一連の動作原理を、電流値
の変化として具体的に捉えた場合には、既述した、第２
の実施形態の動作原理を説明する図６を用いて説明でき
る。第３の実施形態の光検出器において、光を検出する
際には、ソース電極と、ドレイン電極と、の間の伝導度
が極大になるようにゲート電圧を調整することが好まし
く、図６に示すように、定常状態において、Ｖ_g＝Ｖ_g1
となるように調整されている。

【０１０２】上記したような状態で、第２の実施形態の
光検出器に光（光子）が入射すると、この光子は光吸収
体に吸収され、既述したような図３に示すプロセスによ
り、自己分極が発生する。この自己分極発生に伴う静電
ポテンシャルの変化により、実質的なゲート電圧は、Ｖ
_g1からＶ_g2へと、ΔＶ_g12だけ増加し、この結果、ソー
ス・ドレイン電流は図６のΔＩ₁₂だけ減少する。

【０１０３】このソース・ドレイン電流の変化した状態
は、光子吸収により形成された自己分極が、図３（ｄ）
に示すように空間的に分離した電子と、正孔と、が再結
合によって消失するまでの間保持される。このため、こ
のような単一光子の吸収がソース・ドレイン電流のパル
ス状の変動として測定される。なお、自己分極が保持さ
れる時間は、量子ドットからなる電荷受容体と、光吸収
体と、の組み合わせによって異なるが、およそ１ｎｓ〜
１０μｓの範囲である。

【０１０４】第３の実施形態において、受光体を構成す
る電荷受容体と、光吸収体（量子ドット）と、を構成す
る材料の組合せは、図３（ａ）に示すように、電荷受容
体の電子非占有準位３２よりも、光吸収体の電子非占有
準位３１の方が、エネルギーが高いことが必要であり、
さらに、既述した式（１）の関係を満たすことが好まし
い。

【０１０５】第３の実施形態に用いられる光吸収体、即
ち、量子ドットは、光吸収体としての機能を兼有する必
要があるため、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、
ＣｕＩｎＳｅ₂、ＣｕＩｎＳ₂等の半導体、クロロフィル
分子やチアジン系色素分子（例えば、チオニン、メチレ
ンブルー、トルイジンブルー等）等の有機物・有機材料
を用いることが好ましい。

【０１０６】また、電荷受容体としては、図３に示すよ
うに電子を一時的に受容することが必要であるため、ニ
トロ基・シアノ基などの電子吸引性基を有する有機化合
物；ＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド
リン酸）、アズレン、アリルチオ硫酸等の有機化合物
や、仕事関数の大きな金属あるいは半導体；Ｐｂ、Ｐ
ｄ、Ｎｉ、Ｗ、ＮｉＯ、ＷＯ₂、ＺｎＯ等などを用いる
ことが好ましい。

【０１０７】上記に列挙したような材料において、電荷
受容体と、光吸収体（量子ドット）と、の好ましい組合
せ例を表３に示す。但し、第３の実施形態の、電荷受容
体と、光吸収体（量子ドット）と、の組合せは、表３に
示した例に限定されるものではなく、上記した条件を満
たすものであれば特に限定されない。

【０１０８】

【表３】

【０１０９】第４の実施形態は、受光体を構成する光吸
収体および電荷受容体のうち、該光吸収体のみが量子ド
ットからなる場合の第１の本発明の他の例である。さら
に、第４の実施形態は、前記光吸収体が光を受光した際
の前記受光体の自己分極（および、自己分極による、静
電的ポテンシャルエネルギーの変化）の発生が、次ぎの
ような動作原理に基づくところに特徴がある。

【０１１０】即ち、この動作原理とは、光励起により光
吸収体の電子占有準位に発生した正孔に、この光吸収体
の電子占有準位よりも高いエネルギー準位である電荷受
容体の電子占有準位の電子が移動し、この電荷受容体の
電子占有準位に一時的に正孔が発生することである。第
２の実施形態の光検出器は、この時発生する自己分極
を、第１の電極と、第２の電極と、の間に流れる電流の
変化として増幅・検出するものである

【０１１１】その詳細な動作原理は、既述した、第２の
実施形態の動作原理を説明する図５を用いて同様に説明
できるが、第４の実施形態においては、図５に示す光吸
収体が量子ドットからなり、電荷受容体が量子ドット以
外の物質から構成される。

【０１１２】すなわち、第４の実施形態の光検出器にお
いては、一つの光子の吸収によって、ソース電極１３
と、ドレイン電極１４と、の間の多数のキャリア輸送が
制御される。従って、第４の実施形態の光検出器は精度
の高い単一光子の検出を行うことができる。また、受光
した際に高い確率で上記したような動作原理で受光体１
１を自己分極させるためには、既述した式（２）の関係
を満たすことが好ましい。

【０１１３】また、上記した一連の動作原理を、電流値
の変化として具体的に捉えた場合には、既述した、第１
の実施形態の動作原理を説明する図４を用いて説明でき
る。第４の実施形態の光検出器において、光を検出する
際には、ソース電極と、ドレイン電極と、の間の伝導度
が極大になるようにゲート電圧を調整することが好まし
く、図４に示すように、定常状態において、Ｖ_g＝Ｖ_g1
となるように調整されている。

【０１１４】上記したような状態で、第４の実施形態の
光検出器に光（光子）が入射すると、この光子は光吸収
体に吸収され、図５に既述したようなプロセスにより、
自己分極が発生する。この自己分極発生に伴う静電ポテ
ンシャルの変化により、実質的なゲート電圧は、Ｖ_g1か
らＶ_g2へと、ΔＶ_g12だけ減少し、この結果、ソース・
ドレイン電流は図４のΔＩ₁₂だけ増加する。

【０１１５】このソース・ドレイン電流の変化した状態
は、光子吸収により形成された自己分極が、図５（ｄ）
に示すように空間的に分離した電子と、正孔と、が再結
合によって消失するまでの間保持される。このため、こ
のような単一光子の吸収がソース・ドレイン電流のパル
ス状の変動として測定される。なお、自己分極が保持さ
れる時間は、量子ドットからなる電荷受容体と、光吸収
体と、の組み合わせによって異なるが、およそ１ｎｓ〜
１０μｓの範囲である。

【０１１６】第４の実施形態において、受光体を構成す
る電荷受容体と、光吸収体（量子ドット）と、を構成す
る材料の組合せは、図５（ａ）に示すように、電荷受容
体の電子占有準位５２よりも、光吸収体の電子非占有準
位５１の方が、エネルギーが高いことが必要であり、さ
らに、既述した式（２）の関係を満たすことが好まし
い。

【０１１７】第４の実施形態に用いられる光吸収体、即
ち、量子ドットは、光吸収体としての機能を兼有する必
要があるため、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、
ＣｕＩｎＳｅ₂、ＣｕＩｎＳ₂等の半導体、クロロフィル
等の有機物・有機材料を用いることが好ましい。

【０１１８】また、電荷受容体としては、図５に示すよ
うに電子を一時的に放出して、正孔を発生させることが
必要であるため、アミノ基・ヒドロキシル基などの電子
供与性基を有する有機化合物；ＡＤＰ（アデノシン−２
−リン酸）、Ｃ６０等、仕事関数の小さな金属あるいは
半導体；Ｌｉ、Ｃａ、Ｍｇ、ＣａＯ、ＴｉＣ、ＬａＢ ₆
などを用いることが好ましい。

【０１１９】上記に列挙したような材料において、電荷
受容体と、光吸収体（量子ドット）と、の好ましい組合
せ例を表４に示す。但し、第４の実施形態の、電荷受容
体と、光吸収体（量子ドット）と、の組合せは、表４に
示した例に限定されるものではなく、上記した条件を満
たすものであれば特に限定されない。

【０１２０】

【表４】

【０１２１】（第２の本発明）第２の本発明は、帯電体
と、該帯電体とトンネル接合してなる第１の電極及び第
２の電極と、を有する受光素子を備える光検出器であっ
て、前記帯電体に近接する、光分極体を備え、該光分極
体が光を受光した際に、前記第１の電極と前記第２の電
極との間に流れる電流の変化を検出することを特徴とす
る。

【０１２２】第２の本発明において、「帯電体」とは、
第１の電極と、第２の電極と、にトンネル接合した量子
ドットからなり、この帯電体に近接する光分極体が自己
分極した際の該光分極体近傍の電場の変化を、前記帯電
体の静電ポテンシャルの変化として変換する機能を有す
るものである。

【０１２３】帯電体として用いられる量子ドットは、公
知のものであれば特に限定されるものではないが、金属
や半導体からなる微粒子が好ましく用いられる。さら
に、ＳＥＴとして動作するためには、そのサイズは小さ
いほど好ましく、前記量子ドットのスケールは、その形
状が、微粒子等の３次元的なものである場合は、その最
大長が、１μｍ以下であることが好ましく、１００ｎｍ
以下であることがより好ましく、１０ｎｍ以下であるこ
とが更に好ましい。特に、量子ドットが粒子状の酸化チ
タンからなる場合には、粒径が好ましくは１ｎｍ〜１μ
ｍの範囲、より好ましくは１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲であ
る酸化チタン微粒子が好適に用いられる。

【０１２４】また、「光分極体」とは、光を受光（光子
を吸収）した際に自己分極することができる機能を必ず
有するものであり、さらに、前記帯電体に近接する位置
に設けられることが必要である。

【０１２５】但し、当該近接とは、帯電体と、光分極体
と、の最短距離が、前記光分極体が光子を吸収して自己
分極した際に発生する前記光分極体近傍の電場の変化
を、前記帯電体の静電ポテンシャルの変化として変換し
た際に、第１の電極と第２の電極との間に流れる電流の
変化として測定可能な範囲内にあることを意味する。帯
電体と、光分極体と、の最短距離は、１０μｍ以下であ
ることが好ましく、１００ｎｍ以下であることがより好
ましい。

【０１２６】更に、光分極体が、双極子モーメントによ
り自己分極するものである場合には、帯電体と、光分極
体と、が接触していることが更に好ましい。この場合、
例えば、帯電体である量子ドット表面に光分極体を担持
させてもよく、また、前記量子ドットの内部に光分極体
を含有させてもよい。

【０１２７】なお、光分極体が、その周囲との電荷の供
受が可能な物質である場合は、前記光分極体の周囲は完
全に絶縁されていることが好ましい。この場合、帯電体
と、光分極体と、の最短距離は絶縁性を維持するため
に、少なくとも５ｎｍ以上の間隔を保つことが好まし
い。これにより、特に、電荷の空間的な分離により自己
分極する光分極体においては、この光分極体が光を受光
した際に自己分極の発生を確実なものとすることができ
る。

【０１２８】光分極体は、光を受光した際に自己分極す
るものであれば特に限定されないが、中でも好ましい例
として、分子内に電子供与性の基と電子吸引性の基とを
持つ分子内電荷移動型の発色系を有するアゾ系やキノン
系などの有機色素および有機金属錯体；カルバゾール類
などの電子供与性の分子と、ナフトキノンなどの電子吸
引性の分子とを組み合わせた分子間電荷移動錯体、を挙
げることが出来る。また、光分極体の光吸収効率が高い
ことが好ましく、このような物質として、以下に示す化
学式２および化学式３のような有機化合物やその誘導体
などが例示できる。なお、第１の本発明に用いられる受
光体を、光分極体として用いることもできる。

【０１２９】

【化２】

【０１３０】

【化３】

【０１３１】第２の本発明も、第１の本発明と同様に、
帯電体に対して、電気的に絶縁され、且つ、近接する第
３の電極（ゲート電極）を有することが好ましい。この
ような構成とすることにより、ゲート電圧を調整するこ
とにより、第１の電極（ソース電極）と、第２の電極
（ドレイン電極）と、の間に流れる電流量を制御するこ
とが可能である。

【０１３２】また、第２の本発明に用いられる受光素子
としては、例えば、第１の本発明と同様に、図１に示す
受光素子１０のような構成を有するのであってもよい。
但し、図１における符号１１は、第１の本発明において
は、受光体を意味するものであるが、第２の本発明にお
いては、帯電体と、光分極体と、が接触してなるもの
（以下、「帯電体・光分極体」と略す場合がある）であ
る。勿論、帯電体と、光分極体と、の最短距離が１０μ
ｍ以下の範囲内であれば、両者の間に間隔を設けて配置
してもよい。

【０１３３】なお、第２の本発明の光検出器は、第１の
本発明と同様に、図１に示す受光素子１０のような構成
を有するＳＥＴに限定されるものではなく、後述する受
光素子のような構成を有するＳＥＴや、公知のＳＥＴか
らなるものを利用することができる。また、帯電体・光
分極体１１を除き、受光素子１０を構成するその他の部
分は、第１の本発明と同様のものを利用することができ
る。

【０１３４】第２の本発明においては、光を受光した際
の双極子モーメントの発生等により自己分極した光分極
体近傍の電場の変化を、量子ドットからなる帯電体の静
電ポテンシャルの変化として変換する。

【０１３５】このように、光を受光した際に、光分極体
が自己分極することにより、帯電体の静電ポテンシャル
が変化する。この際、図１に示す受光素子１０におい
て、帯電体・光分極体１１と、ソース電極１３およびド
レイン電極１４と、の間に形成されたトンネル接合部１
２のトンネル確率が変化し、これが、ソース電極１３
と、ドレイン電極１４と、の間に流れる電流量を変化さ
せる。

【０１３６】すなわち、第２の本発明の光検出器におい
ては、一つの光子の吸収によって、ソース電極１３と、
ドレイン電極１４と、の間の多数のキャリア輸送が制御
される。従って、第２の本発明の光検出器は精度の高い
単一光子の検出を行うことができる。

【０１３７】また、上記した一連の動作を、電流値の変
化として具体的に捉えた場合、例えば、図４に示す第１
の本発明の第１の実施形態と同様の変化を示す。具体的
に説明すると、第２の本発明の光検出器において、光を
検出する際には、ソース電極と、ドレイン電極と、の間
の伝導度が極大になるようにゲート電圧を調整すること
が好ましく、図４に示すように、定常状態において、Ｖ
_g＝Ｖ_g1となるように調整されている。

【０１３８】上記したような状態で、第２の本発明の光
検出器に光（光子）が入射すると、この光子は光吸収体
に吸収され、既述したような双極子モーメントの発生に
より、自己分極が発生する。この自己分極発生に伴う静
電ポテンシャルの変化により、実質的なゲート電圧は、
Ｖ_g1からＶ_g2へと、ΔＶ_g12だけ減少し、この結果、ソ
ース・ドレイン電流は図４のΔＩ₁₂だけ減少する。

【０１３９】このソース・ドレイン電流の変化した状態
は、双極子モーメントの発生に起因する自己分極が消失
するまでの間保持される。このため、このような単一光
子の吸収がソース・ドレイン電流のパルス状の変動とし
て測定される。なお、自己分極が保持される時間は、光
分極体の構成によって異なるが、およそ１ｎｓ〜１０μ
ｓの範囲である。このようなソース・ドレイン電流の変
化は、第２の本発明に用いる帯電体および光分極体の組
合せによっては、図６に示す第１の本発明の第２の実施
形態のような挙動を示す場合もある。

【０１４０】第２の本発明は、自己分極が可能な光分極
体を用いているために、分極発生部と、分極感応部と、
からなる従来のＳＥＴを用いた光検出器のように、前記
分極発生部において発生した分極状態の寿命を延ばすた
めの磁場や電場等の外部刺激が不要である。また、光分
極体として利用する材料を選択することにより、所望の
波長帯の光を検出することができる光検出器を作製する
ことができる。

【０１４１】さらに、第２の本発明は、第１の本発明と
比べ、自己分極発生部と、分極感応部と、が空間的に分
離独立して機能することが可能であるため、前者と、後
者と、が空間的に分離可能であるところに特徴がある。
このため、必要に応じて、自己分極発生部を、２つの電
極とトンネル接合した量子ドットからなる帯電体から離
して設置した受光素子を作製することが可能である。

【０１４２】（本発明の光検出器に用いられる受光素子
の構成）本発明の光検出器に用いられる受光素子の構成
は、図１に示す受光素子１０に限定されるものではな
く、第１の本発明においては、受光体と、該受光体とト
ンネル接合してなる第１の電極及び第２の電極と、から
なる受光素子であれば特に限定されるものではない。ま
た、第２の本発明においては、帯電体と、該帯電体とト
ンネル接合してなる第１の電極及び第２の電極と、から
なる受光素子において、前記帯電体に近接するように、
光分極体が設けられているものであれば特に限定される
ものではない。

【０１４３】図７は、本発明の光検出器に用いられる受
光素子の構成の他の例を示す模式図であり、図７（ａ）
は、絶縁体基板表面に形成された受光素子を、該絶縁体
基板表面に対して垂直方向から見た模式図であり、図７
（ｂ）は、図７（ａ）において、記号Ｂおよび記号Ｂ’
間の模式断面図である。

【０１４４】第１の本発明において、図７の受光素子１
００は、絶縁体基板１０６表面に、第１の電極１０３
と、第２の電極１０４と、の間に、トンネル接合１２に
よって接合された複数の受光体１０１が設けられ、受光
体１０１に対して近接する位置に第３の電極１０５が設
けられている。

【０１４５】なお、図７に示す受光素子１００の符号１
０１、１０２、１０３、１０４、１０５および１０６で
示される各々の構成部分は、図１に示す受光素子１０の
符号１１、１２、１３、１４、１５および１６で示され
る各々の構成部分と同一の機能を有するものである。

【０１４６】図７に示す受光素子１００は、図１に示す
受光素子１０と比較すると、複数の受光体１０１を用い
ていることろに特徴がある。この場合、隣り合う受光体
１０１同志はトンネル接合していることが必要である。
なお、受光体１０１は、全て同じ構成を有するものであ
ってもよく、また、異なる構成を有するものであっても
よい。

【０１４７】なお、第２の本発明においては、図７中の
符号１０１は、帯電体と光分極体とが接合してなる帯電
体・光分極体からなるものであり、符号１０１が帯電体
のみから構成される場合は、符号１０１に近接する位置
に光分極体が設けられる。なお、この符号１０１部分お
よび／またはこれに近接する範囲内の構成の違いを除け
ば、その他の構成については、上記した第１の本発明の
場合と同様である。

【０１４８】

【実施例】以下に本発明を実施例を挙げてより具体的に
説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるも
のではない。

【０１４９】（実施例１）量子ドットからなる電荷受容
体として酸化チタン微粒子（Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ社、平
均粒径約１０ｎｍ）を分散させたエタノール溶液中に、
光吸収体として化学式１に示すＲｕ錯体を、濃度が０．
３ｍｍｏｌ／ｌとなるように加え、この溶液を１２時間
攪拌しながら保持することにより、酸化チタン微粒子の
表面にＲｕ錯体を吸着させた受光体を分散させたエタノ
ール溶液を得た。

【０１５０】得られた受光体に用いられた電荷受容体
（量子ドット）および光吸収体は以下のような物性を有
するものである。すなわち、電荷受容体（量子ドット）
として用いた酸化チタン微粒子は、光を受光してもそれ
自体では自己分極することができないものである。ま
た、光吸収体は図８に示すような光吸収特性を有するも
のである。

【０１５１】図８は、実施例１に示す本発明に用いられ
る光吸収体（Ｒｕ錯体）をエタノール中に分散させた溶
液の光吸収スペクトルである。図８からわかるように、
光吸収体として用いるＲｕ錯体は波長４００ｎｍおよび
５３８ｎｍ近辺に強い光吸収ピークを有するものであ
る。なお、Ｒｕ錯体がその表面に吸着した酸化チタン微
粒子においては、Ｒｕ錯体の光吸収により励起した電子
がＲｕ錯体から酸化チタン微粒子に移動することが報告
されている（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃａｌ
ＣｈｅｍｉｓｔｒｙＶｏｌ．１００，ｐ２００５６
−２００６２（１９９６）等）。

【０１５２】次に、実施例１に用いる光検出器の電極付
き基板について示す。図９は、実施例１に示す本発明の
光検出器の電極付き基板の模式図を示したものである。
図９（ａ）は絶縁体基板表面に対して垂直方向から見た
場合の模式図を、図９（ｂ）は、図９（ａ）において、
記号Ｃおよび記号Ｃ’間の模式断面図を示したものであ
る。図９において、電極付き基板は、ゲート電極を兼ね
る導電性基板であるボロンドープｐ型シリコン基板２０
５表面に設けられた厚みが１００ｎｍの絶縁性シリコン
酸化膜２０６上に、ソース電極としてＡｕ電極２０３
と、ドレイン電極としてＡｕ電極２０４と、を設てなる
ものである。Ａｕ電極２０３およびＡｕ電極２０４の厚
みは約２０ｎｍであり、Ａｕ電極２０３およびＡｕ電極
２０４と、絶縁性シリコン酸化膜２０６と、の間には接
着層としてＮｉとＣｒとの原子数比が８：２であるＮｉ
−Ｃｒ接着層２０７および２０８が設けられている。ま
た、Ａｕ電極２０３と、Ａｕ電極２０４と、の最短距離
部分（以下、「電極ギャップ部」と略す）の間隔は約１
５ｎｍである。

【０１５３】図９に示す電極付き基板は、ボロンドープ
ｐ型シリコン基板２０５の絶縁性シリコン酸化膜２０６
が形成された面に、電子線リソグラフィー法によりＡｕ
電極２０３およびＡｕ電極２０４を形成することにより
作製した。電子線リソグラフィーにおいては、ＰＭＭＡ
（ポリメチルメタクルレート）レジストマスクを使用
し、露光・現像後に真空蒸着法によりＮｉ−Ｃｒ膜およ
びＡｕ膜を順次斜め蒸着し、その後リフトオフにより未
露光のＰＭＭＡレジストマスクを除去した。なお、図９
に示す電極付き基板を構成する符号２０３、２０４、２
０５および２０６は、図１に示す光学素子１０を構成す
る符号１３、１４、１５および１６と同等の機能を有す
るものである。

【０１５４】このようにして作製した電極付き基板を、
濃度が１ｍｍｏｌ／ｌの１６−ｍｅｒｃａｐｔｏｈｅｘ
ａｄｅｃａｎｏｉｃａｃｉｄ（ＨＳ（ＣＨ₂）₁₅ＣＯ₂
Ｈ）のアルコール溶液に１２時間浸漬した。１６−ｍｅ
ｒｃａｐｔｏｈｅｘａｄｅｃａｎｏｉｃａｃｉｄは、
その一端にチオール基が、他の一端にはカルボキシル基
を有する直鎖状の有機分子であり、その分子長は約２ｎ
ｍである。この浸漬処理において、該有機分子のチオー
ル基がＡｕ電極２０３およびＡｕ電極２０４表面にのみ
選択的に吸着し、Ａｕ電極２０３およびＡｕ電極２０４
表面には、前記有機分子のカルボキシル基が表面に並ん
だ１６−ｍｅｒｃａｐｔｏｈｅｘａｄｅｃａｎｏｉｃ
ａｃｉｄの自己組織化膜（ＳｅｌｆＡｓｓｅｍｂｌｅ
ｄＭｏｎｏｌａｙｅｒ、以下、「ＳＡＭ」と略す）が
形成される。

【０１５５】その後、Ａｕ電極２０３およびＡｕ電極２
０４表面にＳＡＭが形成された電極付き基板を、先に得
られた受光体を分散させたエタノール溶液中に、１２時
間浸漬した。この浸漬処理によりＡｕ電極２０３および
Ａｕ電極２０４の表面を覆うＳＡＭの表面のカルボキシ
ル基と、受光体を構成する酸化チタン微粒子と、が選択
的に結合し、Ａｕ電極２０３、Ａｕ電極２０４表面およ
び電極ギャップ部に受光体が吸着・固定される。

【０１５６】このようにして、図８に示す電極付き基板
の電極ギャップ部に、絶縁性のＳＡＭを介して、Ａｕ電
極２０３およびＡｕ電極２０４にトンネル接合した受光
体を設けた、いわゆる単一電子トランジスタの構造を有
する、実施例１の光検出器（光検出器１）を作製した。

【０１５７】光検出器１を用いた光の測定は、ソース電
極であるＡｕ電極２０３、ドレイン電極であるＡｕ電極
２０４およびゲート電極であるボロンドープｐ型シリコ
ン基板２０５に対して以下のように電源と電流計とを接
続することにより実施した。まず、ソース電極２０３
と、ドレイン電極２０４と、の間に定電圧源を接続し、
ゲート電極２０５と、ドレイン電極２０４と、の間に定
電圧源を接続した。さらに、ソース電極２０３と、ドレ
イン電極２０４と、の間の回路には、オペアンプを用い
た直流電流計を挿入した。次に、ソース電極２０３と、
ドレイン電極２０４と、の間に−５００ｍＶ〜＋５００
ｍＶの範囲内、典型的には＋１５０ｍＶ程度の定電圧を
印加し、ゲート電極２０５と、ドレイン電極２０４と、
の間に−５０００ｍＶ〜＋５０００ｍＶの範囲内、典型
的には＋１５００ｍＶ程度の定電圧を印加した状態で、
光検出器１に光が照射された際のソース・ドレイン電流
の変化を観測した。

【０１５８】光検出器１は、温度７７Ｋにおいて、クー
ロン振動現象が明瞭に観測され、また波長５４０ｎｍの
光を照射したところ、光照射によりソース・ドレイン電
流にパルス状の変動が生じることを観測した。また、温
度３００Ｋにおいても、波長５４０ｎｍの光照射による
ソース・ドレイン電流のパルス状の変動を観測した。

【０１５９】以上の結果から、光検出器１においては、
光励起されたＲｕ錯体中の電子が酸化チタン微粒子に一
時的にトラップされることにより、ソース・ドレイン電
流にパルス状の変動が生じ、これにより、単一の光子の
検出が可能であることが確認された。

【０１６０】（実施例２）実施例１の受光体の作製工程
において、Ｒｕ錯体の代わりに、化学式４に示すクマリ
ン３４３（Ｃｏｕｍａｒｉｎ３４３）を用いたことを除
き、実施例１と同様にして、実施例２の光検出器（光検
出器２）を作成した。なお、クマリン３４３は、波長４
００ｎｍ近辺に強い光吸収を示す物質である。実施例１
と同様に測定を実施したところ、光検出器２は、温度７
７Ｋにおいてクーロン振動現象が明瞭に観測され、また
波長４００ｎｍの光を照射したところ、光照射によりソ
ース・ドレイン電流にパルス状の変動が生じることを観
測した。

【０１６１】

【化４】

【０１６２】以上の結果から、光検出器２においては、
光励起されたクマリン３４３中の電子が酸化チタン微粒
子に一時的にトラップされることにより、ソース・ドレ
イン電流にパルス状の変動が生じ、これにより、単一の
光子の検出が可能であることが確認された。

【０１６３】（実施例３）実施例１の受光体の作製工程
において、Ｒｕ錯体の代わりに、化学式５に示すＺｎＰ
ｃ（テトラカルボキシ亜鉛フタロシアニン）を用いたこ
とを除き、実施例１と同様にして、実施例３の光検出器
（光検出器３）を作成した。なお、ＺｎＰｃは、波長６
９０ｎｍ近辺に強い光吸収ピークを有する物質である。
実施例１と同様に測定を実施したところ、光検出器３
は、温度７７Ｋにおいてクーロン振動現象が明瞭に観測
され、また波長７００ｎｍの光を照射したところ、光照
射によりソース・ドレイン電流にパルス状の変動が生じ
ることを観測した。

【０１６４】

【化５】

【０１６５】以上の結果から、光検出器３においては、
光励起されたＺｎＰｃ中の電子が酸化チタン微粒子に一
時的にトラップされることにより、ソース・ドレイン電
流にパルス状の変動が生じ、これにより、単一の光子の
検出が可能であることが確認された。

【０１６６】（実施例４）量子ドットからなる帯電体と
して酸化チタン微粒子（Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ社、平均粒
径約１０ｎｍ）を分散させたエタノール溶液中に、光分
極体として化学式６に示すアゾ系色素を、濃度が０．３
ｍｍｏｌ／ｌとなるように加え、この溶液を１２時間攪
拌しながら保持することにより、酸化チタン微粒子の表
面にアゾ系色素を吸着させてなる帯電体・光分極体を分
散させたエタノール溶液を得た。なお、化学式６に示す
アゾ系色素は、波長５００ｎｍ近辺に強い光吸収ピーク
を有する物質である。

【０１６７】

【化６】

【０１６８】その後、実施例１において、受光体の代わ
りに、上記の帯電体・光分極体を用いたことを除き、実
施例１と同様にして、実施例４の光検出器（光検出器
４）を作製した。実施例１と同様に測定を実施したとこ
ろ、光検出器４は、温度７７Ｋにおいてクーロン振動現
象が明瞭に観測され、また波長５００ｎｍの光を照射し
たところ、光照射によりソース・ドレイン電流にパルス
状の変動が生じることを観測した。

【０１６９】以上の結果から、光検出器４においては、
光を受光した際に自己分極したアゾ系色素近傍の電場の
変化を、酸化チタン微粒子からなる帯電体の静電ポテン
シャルの変化として変換することにより、ソース・ドレ
イン電流にパルス状の変動が生じ、これにより、単一の
光子の検出が可能であることが確認された。

【０１７０】（比較例１）実施例１〜４の受光体あるい
は帯電体・光分極体の作製工程において、酸化チタン微
粒子（Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ社、平均粒径約１０ｎｍ）か
らなる量子ドットのみを用いたエタノール溶液を作製し
たことを除いて、実施例１と同様にして、比較例１の光
検出器Ａを作成した。実施例１と同様に測定を実施した
ところ、光検出器Ａは、温度７７Ｋにおいてクーロン振
動現象が明瞭に観測されたが、波長５４０ｎｍの光の照
射によるソース・ドレイン電流のパルス状の変動は観測
されなかった。従って、比較例１の光検出器Ａでは単一
の光子の検出が出来ないことが確認された。

【０１７１】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
光検出素子の構造が簡素であり、光子のカウントお
よび超微弱光の検出が可能であり、受光波長の波長帯
の設計（ピーク中心波長、受光波長の幅）が容易であ
り、磁場や極低温度などの特殊な動作環境を必要とし
ない等、実用上、極めて優れた光検出器を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光検出器に用いられる受光素子の構
成の一例を示す模式図であり、図１（ａ）は、絶縁体基
板表面に形成された受光素子を、該絶縁体基板表面に対
して垂直方向から見た模式図であり、図１（ｂ）は、図
１（ａ）において、記号Ａおよび記号Ａ’間の模式断面
図である。

【図２】第１の本発明の光検出器に用いられる受光素
子を構成する受光体の構成例を示す模式図であり、図２
（ａ）は、電荷受容体２２表面に、１種類以上および／
または１個以上からなる光吸収体２１が付着した例であ
り、図２（ｂ）は、ひとつの光吸収体２１と、ひとつの
電荷受容体２２と、が接合した例であり、図２（ｃ）
は、電荷受容体２２中に、光吸収体２１が、含有される
ことにより、前者と、後者と、が接合した例である。

【図３】第１の本発明による光検出器の動作原理の一
例を示す概念図であり、図３（ａ）は、定常状態の場
合、図３（ｂ）は、光吸収体が光を吸収することにより
光励起が発生した場合、図３（ｃ）は、光励起した電子
が、光吸収体から電荷受容体へと移動して、電荷受容体
に一時的にトラップされた場合、図３（ｄ）は、電荷受
容体に一時的にトラップされた電子が、再び光吸収体へ
と移動し、定常状態に戻る場合、を示す。

【図４】本発明による光検出器のゲート電圧と、ソー
ス・ドレイン電流との関係の一例を示す模式図である。

【図５】第１の本発明による光検出器の動作原理の他
の例を示す概念図であり、図５（ａ）は、定常状態の場
合、図５（ｂ）は、光吸収体が光を吸収することにより
光励起が発生した場合、図５（ｃ）は、光励起により発
生した正孔が、電荷受容体の電子を引き抜き、電荷受容
体に一時的に正孔が発生した場合、図５（ｄ）は、電荷
受容体に一時的に発生した正孔が、励起した光吸収体の
電子を引き抜くことにより、再び定常状態に戻る場合、
を示す。

【図６】本発明による光検出器のゲート電圧と、ソー
ス・ドレイン電流との関係の他の例を示す模式図であ
る。

【図７】本発明の光検出器に用いられる受光素子の構
成の他の例を示す模式図であり、図７（ａ）は、絶縁体
基板表面に形成された受光素子を、該絶縁体基板表面に
対して垂直方向から見た模式図であり、図７（ｂ）は、
図７（ａ）において、記号Ｂおよび記号Ｂ’間の模式断
面図である。

【図８】実施例１に示す本発明に用いられる光吸収体
（Ｒｕ錯体）をエタノール中に分散させた溶液の光吸収
スペクトルである。

【図９】実施例１に示す本発明の光検出器の電極付き
基板の模式図であり、図９（ａ）は絶縁体基板表面に対
して垂直方向から見た場合の模式図を、図９（ｂ）は、
図９（ａ）において、記号Ｃおよび記号Ｃ’間の模式断
面図である。

【符号の説明】

１０受光素子１１受光体（第１の本発明）、帯電体・光分極体（第
２の本発明）１２トンネル接合１３第１の電極（ソース電極）１４第２の電極（ドレイン電極）１５第３の電極（ゲート電極）１６絶縁体基板２０受光体２１光吸収体２２電荷受容体１００受光素子１０１受光体（第１の本発明）、帯電体・光分極体
（第２の本発明）１０２トンネル接合１０３第１の電極（ソース電極）１０４第２の電極（ドレイン電極）１０５第３の電極（ゲート電極）１０６絶縁体基板２０３Ａｕ電極（ソース電極）２０４Ａｕ電極（ドレイン電極）２０５ボロンドープｐ型シリコン基板（ゲート電極）２０６絶縁性シリコン酸化膜２０７Ｎｉ−Ｃｒ接着層２０８Ｎｉ−Ｃｒ接着層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受光体と、該受光体とトンネル接合して
なる第１の電極及び第２の電極と、を有する受光素子を
備える光検出器であって、前記受光体が、相互に電荷の供受が可能なように隣接す
る光吸収体と電荷受容体とからなり、前記光吸収体および／または前記電荷受容体が、量子ド
ットからなり、前記光吸収体が光を受光した際に、前記第１の電極と前
記第２の電極との間に流れる電流の変化を検出すること
を特徴とする光検出器。
【請求項２】前記光吸収体が、色素からなることを特
徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項３】前記光吸収体が、有機金属錯体からなる
ことを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項４】前記量子ドットが、酸化チタン微粒子か
らなることを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
【請求項５】前記受光素子が、前記受光体に対して電
気的に絶縁され、且つ、前記受光体に近接する、第３の
電極を有することを特徴する請求項１〜４のいずれか１
つに記載の光検出器。
【請求項６】帯電体と、該帯電体とトンネル接合して
なる第１の電極及び第２の電極と、を有する受光素子を
備える光検出器であって、前記帯電体に近接する、光分極体を備え、該光分極体が光を受光した際に、前記第１の電極と前記
第２の電極との間に流れる電流の変化を検出することを
特徴とする光検出器。
【請求項７】前記光分極体が、相互に電荷の供受が可能
なように隣接する光吸収体と電荷受容体とからなり、前
記光吸収体および／または前記電荷受容体が量子ドット
からなることを特徴とする請求項６に記載の光検出器。
【請求項８】前記受光素子が、前記帯電体に対して電
気的に絶縁され、且つ、前記帯電体に近接する、第３の
電極を有することを特徴する請求項６または請求項７に
記載の光検出器。