JP2007081185A

JP2007081185A - 光検出素子

Info

Publication number: JP2007081185A
Application number: JP2005267891A
Authority: JP
Inventors: Hideki Asano; 英樹浅野
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2007-03-29
Also published as: US7531778B2; US20070057144A1

Abstract

【課題】微弱光についても高精度に検出することができ、２次元アレイ化にも対応可能な、高感度な光検出素子を提供する。
【解決手段】光検出素子１は、光を吸収して光電子を発生する光電子発生体１０と、光電子発生体１０で発生した光電子の量に応じた電流が流れるトランジスタ３０とを備えた光検出素子であり、トランジスタ３０は、光電子発生体１０の表面に絶縁体２０を介して形成されたソース電極３１とドレイン電極３２とを有し、ソース電極３１とドレイン電極３２とが、導電性又は半導電性のナノチューブを含むチャネル部３３を介して接続されたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を吸収して光電子を発生する光電子発生体と、光電子発生体で発生した光電子の量に応じた電流が流れるトランジスタとを備えた光検出素子に関するものである。

光を電流に変換して検出する光検出素子としては、フォトダイオードや、光電子をトランジスタにより増幅させて検出するフォトトランジスタ（特許文献１〜３）が広く用いられている。近年、長距離光通信の光検出、生化学分野における微弱光の検出等の用途にて、より高感度な光検出素子が求められるようになってきている。

かかる背景下、真空管を用いて光電子を増幅する光電子増倍管や、光電子をアバランシェ増倍層により増幅させて検出するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ、特許文献４）が提案されている。光電子増倍管やＡＰＤは、光電子の増幅効果が大きく、従来のフォトダイオードやフォトトランジスタよりも、大きな光電流が得られるとされている。
特開平6-104477号公報特開平6-260674号公報特開平11-17208号公報特開平5-29647号公報

しかしながら、光電子増倍管は、真空管を用いるため経時安定性が良好でなく、充分な量子効率を維持することが難しい。また、イメージセンサや生化学分析等の分野においては、光検出素子を２次元アレイ構造として、異なる箇所に入射した入射光の独立検出を実施できることが好ましいが、真空管を用いる光電子増倍管では、素子形状の制約が大きく、２次元アレイ化に対応することが難しい。
ＡＰＤは、２次元アレイ化に対応できるものの、暗電流が大きいためＳ/Ｎ比が良好でなく微弱光の検出精度には限界があり、より高感度な光検出素子が求められている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、微弱光についても高精度に検出することができ、２次元アレイ化にも対応可能な、高感度な光検出素子を提供することを目的とするものである。

本発明の光検出素子は、光を吸収して光電子を発生する光電子発生体と、該光電子発生体で発生した前記光電子の量に応じた電流が流れるトランジスタとを備えた光検出素子において、
前記トランジスタは、前記光電子発生体の表面に絶縁体を介して形成されたソース電極とドレイン電極とを有し、該ソース電極と該ドレイン電極とが、導電性又は半導電性のナノチューブを含むチャネル部を介して接続されたものであることを特徴とするものである。

「ナノチューブ」は、炭素原子等の規則正しい環構造のネットワークによって、チューブが構成された、径１〜１００ｎｍのチューブである。

本発明の光検出素子において、前記光電子発生体としては、ｐｎ接合構造、ｐｉｎ接合構造、多重量子井戸構造、及び量子ドット構造のうち、いずれかの構造を有する半導体積層構造体が好ましい。

本発明の光検出素子において、前記チャネル部をなす前記ナノチューブとしては、カーボン、窒化ホウ素、及びシリコンからなる群より選択される少なくとも１種を含むナノチューブが好ましい。前記チャネル部は、かかるナノチューブを１種以上含むことができる。

本発明の光検出素子は、光を吸収して光電子を発生する光電子発生体と、発生した光電子の量に応じた電流が流れるトランジスタとを備えた光検出素子であり、トランジスタのソース電極とドレイン電極とを導電性又は半導電性のナノチューブを含むチャネル部を介して接続する構成としたものである。

本発明の光検出素子は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）よりも大きな光電流が得られ、従来は検出ができなかった微弱光についても高精度に検出することが可能な高感度な光検出素子である。本発明の光検出素子は、真空管を用いる光電子増倍管と異なり、２次元アレイ化にも対応可能である。

「第１実施形態」
図１を参照して、本発明に係る第１実施形態の光検出素子の構造について説明する。図１は光検出素子の厚み方向断面図である。

本実施形態の光検出素子１は、光を吸収して光電子を発生する光電子発生体１０と、光電子発生体１０で発生した光電子の量に応じた電流が流れるトランジスタ３０とから概略構成されている。

光電子発生体１０はｐｎ接合構造の半導体積層構造体からなり、ｐ−Ｓｉ基板１１の表面略全体にｎ−Ｓｉ膜１２が成膜されたものである。
ｐ−Ｓｉ基板１１のドーパントとしては、Ｂ等が挙げられる。ｐ−Ｓｉ基板１１のドーパント濃度は、例えば３×１０^１６〜１×１０^１８ｃｍ^−３が好ましい。ｐ−Ｓｉ基板１１の厚みは、例えば１０〜１００μｍである。
ｎ−Ｓｉ膜１２のドーパントとしては、Ｐ、Ｎ等が挙げられる。ｎ−Ｓｉ膜１２のドーパント濃度は、例えば３×１０^１６〜７×１０^１７ｃｍ^−３が好ましい。ｎ−Ｓｉ膜１２の厚みは、例えば１０〜１０００ｎｍである。ｎ−Ｓｉ膜１２の成膜法としては、ＣＶＤ法、スパッタ法等が挙げられる。

ｐｎ接合構造をなすｐ型及びｎ型の半導体材料としては、上記のＳｉに限定されず、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＨｇＣｄＴｅ、ＺｎＯ、ＺｎＳｅ等を用いることもできる。
ｐ−Ｓｉ基板１１及びｎ−Ｓｉ膜１２は、数ｎｍサイズのＳｉ等の半導体微粒子の焼結体により構成してもよい。

ｎ−Ｓｉ膜１２の表面略全体に、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜、ＳｉＯＮ膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜等からなる絶縁体２０が積層されている。絶縁体２０の厚みは、例えば１０〜２００ｎｍが好ましい。絶縁体２０の成膜法としては、ＣＶＤ法、スパッタ法等が挙げられる。

トランジスタ３０は、絶縁体２０上に互いに離間して形成されたソース電極３１とドレイン電極３２とを有し、これらソース電極３１とドレイン電極３２とは、導電性又は半導電性のナノチューブからなるチャネル部３３を介して接続されている。

絶縁体２０上に、ソース電極３１とチャネル部３３とドレイン電極３２とが、互いに重ならないよう隙間なく形成されている場合について図示してある。ソース電極３１とチャネル部３３は部分的に重ねて、チャネル部３３の一部がソース電極３１の下に入り込むように構成してもよい。同様に、チャネル部３３とドレイン電極３２は部分的に重ねて、チャネル部３３の一部がドレイン電極３２の下に入り込むように構成してもよい。

上記構成のトランジスタ３０は、例えば、導電性又は半導電性のナノチューブを単数又は複数用意し、これを原子間力顕微鏡にて観察しながら、絶縁体２０の表面の所定の位置に配置し、その後、ソース電極３１とドレイン電極３２とを公知方法にてパターン形成することで、形成できる。ソース電極３１とドレイン電極３２とをパターン形成してから、チャネル部３３を形成してもよい。ナノチューブは、半田融着などして、絶縁体２０に固定することが好ましい。

導電性又は半導電性のナノチューブとしては制限なく、カーボン、窒化ホウ素、及びシリコンからなる群より選択される少なくとも１種を含むナノチューブ等が挙げられる。具体的には、カーボンナノチューブ、窒化ホウ素ナノチューブ、カーボン／窒化ホウ素複合材料からなるナノチューブ、シリコンナノチューブ等が挙げられる。
ナノチューブの製造方法としては、アーク放電法、プラズマＣＶＤ法等が挙げられる。ナノチューブは、市販品を用いても製造して用いてもよい。

チャネル部３３におけるナノチューブの配置形態は、ソース電極３１とドレイン電極３２とを導通できればよく、特に制限されない。チャネル部３３の形態としては例えば、（１）単数のナノチューブがソース電極３１とドレイン電極３２とを橋渡しするよう配置された形態、（２）複数のナノチューブが各々ソース電極３１とドレイン電極３２とを橋渡しするよう配置された形態（複数のナノチューブは、束になっていてもよいし、互いに離間してしてもよい）、（３）複数のナノチューブが網目状など規則的又はランダムに重なり合ってソース電極３１とドレイン電極３２との間に配置された形態等が挙げられる。チャネル部３３は、チャネル部３３全体として充分な導通性を確保できれば、ナノチューブ以外の他の材料を含むものであっても構わない。

複数のナノチューブを用いることで、チャネル部３３の導通性が増すので、より高感度な光検出素子１が得られ、好ましい。また、複数のナノチューブをランダム配置する形態は、原子間力顕微鏡にて観察しながらナノチューブを配置するような精密配置を必要とせず、光検出素子１の量産性に優れている。

ソース電極３１とドレイン電極３２の電極材料は同一でも非同一でもよく、ＳｉＣ／Ａｕ複合材料、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ複合材料等が使用できる。

本実施形態では、ｐ−Ｓｉ基板１１の裏面略全体に、ゲート電極３４が形成されている。ゲート電極３４はトランジスタ３０の構成要素である。ゲート電極３４の材料としては、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ複合材料等が使用できる。

本実施形態の光検出素子１は、以上のように構成されている。

本実施形態の光検出素子１では、図示下側（ゲート電極３４側）から光検出素子１に光が入射するよう、光検出素子１が配置される。本実施形態の光検出素子１では、光電子発生体１０において入射光の光量に応じた量の光電子が発生し、発生した光電子に応じた量の電流がトランジスタ３０に流れる。

光検出素子１では、微少発生した光電子に対しても、トランジスタ３０に高感度に電流が流れ、微弱光についても高精度に検出することができる。本発明者は、光検出素子１が、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）よりも大きな光電流が得られ、従来は検出ができなかった微弱光についても高精度に検出することが可能な高感度な光検出素子であることを見出している（後記実施例１を参照）。

メカニズムは必ずしも明らかではないが、ｐｎ接合構造の半導体積層構造体からなる光電子発生体１０のｐｎ接合面（ｐ−Ｓｉ基板１１とｎ−Ｓｉ膜１２との界面）に光が入射すると、光電子が発生して光電子発生体１０の電位に変化が生じ、この変化を受けて、光電子発生体１０の表面に絶縁体２０を介して形成された、導電性又は半導電性のナノチューブからなるチャネル部３３の電気的特性が変わって、ソース電極３１からドレイン電極３２に電流が流れると考えられる。

トランジスタではチャネル部をＳｉ半導体層により構成することが一般的であるが、本実施形態では、チャネル部３３が導電性又は半導電性のナノチューブにより構成されているので、チャネル部３３の導通性が高く、トランジスタ３０が光電子発生体１０の微妙な電位変化にも高感度に応答して、微弱光についても高精度に検出を行うことができると考えられる。

ゲート電極３４は必須ではないが、ソース電極３１とドレイン電極３２とゲート電極３４にバイアス電流を流しておくことで、光検出をより高感度に実施することができる。

本実施形態の光検出素子１は、光を吸収して光電子を発生するｐｎ接合構造の光電子発生体１０と、光電子発生体１０で発生した光電子の量に応じた電流が流れるトランジスタ３０とを備え、トランジスタ３０のソース電極３１とドレイン電極３２とを導電性又は半導電性のナノチューブを含むチャネル部３３を介して接続する構成としたものである。

上記したように、本実施形態の光検出素子１は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）よりも大きな光電流が得られ、従来は検出ができなかった微弱光についても高精度に検出することが可能な高感度な光検出素子である。

本実施形態の光検出素子１は、真空管を用いる光電子増倍管と異なり、各層や電極のパターンの設計自由度が高く、２次元アレイ化にも対応可能な光検出素子である。
２次元アレイ構造とした場合の回路図を、図２に模式的に示しておく。例えば、ゲート電極３４〜絶縁体２０は全面形成し、この上に、ソース電極３１とドレイン電極３２とチャネル部３３の組を多数マトリクス状にパターン形成して、多数のトランジスタ３０をマトリクス状に設け、各トランジスタ３０に走査線６１とデータ線６２とを接続することで、２次元アレイ構造とすることができる。
かかる２次元構造の光検出素子は、例えば高感度なイメージセンサに利用でき、暗視野においてもリアルタイムの平面画像を高感度に得ることができる。

「第２実施形態」
次に、図３を参照して、本発明に係る第２実施形態の光検出素子の構造について説明する。図３において、（ａ）は光検出素子の全体断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。本実施形態の基本構成は第１実施形態と同様であるので、同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明を省略する。

第１実施形態では、ｐｎ接合構造の半導体積層構造体からなる光電子発生体１０を備えた光検出素子１について説明した。本実施形態の光検出素子２は、多重量子井戸構造の半導体積層構造体からなる光電子発生体５０を備える構成としている。

光検出素子２は、ｎ−ＧａＡｓ基板４０の表面略全体に多重量子井戸構造の光電子発生体５０が形成され、この上に、絶縁体２０、及びトランジスタ３０をなすソース電極３１とドレイン電極３２とチャネル部３３とが形成され、ｎ−ＧａＡｓ基板４０の裏面略全体にトランジスタ３０をなすゲート電極３４が形成された素子である。絶縁体２０とトランジスタ３０の構成は第１実施形態と同様であり、トランジスタ３０をなすソース電極３１とドレイン電極３２とは、導電性又は半導電性のナノチューブからなるチャネル部３３を介して接続されている。

基板４０は上記のｎ−ＧａＡｓ基板に限定されず、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＩｎＡｓ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＣ等の基板を用いることもできる。

図３（ｂ）に部分拡大図を示す如く、光電子発生体５０は、ＡｌＧａＡｓバリヤ層５１とＧａＡｓウェル層５２とが交互に積層された多重量子井戸構造を有している。かかる光電子発生体５０では、量子井戸構造で決まる準位間のエネルギーに相当する波長の光が入射した時にのみ光電子が励起されて、光電流が発生する。光検出素子２は、かかる光電子発生体５０を備えているので、光フィルタ等がなくても、光検出素子２単独で、特定波長の光のみを検出することができる。

光電子発生体５０をなすバリヤ層５１とウェル層５２の構成材料は上記組合わせに限定されず、検出したい光の波長に応じて、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等の群から、組合せを適宜選択することができる。

本実施形態の光検出素子２は、以上のように構成されている。

本実施形態の光検出素子２は、光を吸収して光電子を発生する多重量子井戸構造の光電子発生体５０と、光電子発生体５０で発生した光電子の量に応じた電流が流れるトランジスタ３０とを備え、トランジスタ３０のソース電極３１とドレイン電極３２とを導電性又は半導電性のナノチューブを含むチャネル部３３を介して接続する構成としたものである。

第１実施形態と同様、本実施形態の光検出素子２は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）よりも大きな光電流が得られ、従来は検出ができなかった微弱光についても高精度に検出することが可能な高感度な光検出素子である。第１実施形態と同様、本実施形態の光検出素子２は、真空管を用いる光電子増倍管と異なり、各層や電極のパターンの設計自由度が高く、２次元アレイ化にも対応可能な光検出素子である。

本実施形態の光検出素子２は、光電子発生体５０が多重量子井戸構造の半導体積層構造体により構成されているので、光検出素子２単独で特定波長の光を検出することができ、高感度で且つ誤動作が少ないことが要求されるセンサ等に好ましく利用できる。

（設計変更）
本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。

上記実施形態では、ｐｎ接合構造又は多重量子井戸構造の光電子発生体１０、５０を備える構成について説明したが、光電子発生体としては、光を吸収して光電子を励起するものであれば任意の構造のものが使用できる。ｐｎ接合構造及び多重量子井戸構造以外の光電子発生体としては、ｐｉｎ接合構造や量子ドット構造の半導体積層構造体からなる光電子発生体等が挙げられる。

また、上記実施形態と「背景技術」の項に挙げた特許文献４に記載の発明とを組み合わせて、光電子発生体１０、５０とトランジスタ３０との間にアバランシェ増倍層を介在させる構成としてもよい。かかる構成とすれば、より大きな光電流が得られ、好ましい。

本発明に係る実施例及び比較例について説明する。

（実施例１）
上記第１実施形態の光検出素子１を製造した。製造条件は下記の通りとした。
ｐ−Ｓｉ基板１１：ドーパントＢ、ドーパント濃度１×１０^１８ｃｍ^−３、１００μｍ厚、
ｎ−Ｓｉ膜１２：ドーパントＰ、ドーパント濃度５×１０^１７ｃｍ^−３、２００ｎｍ厚、エピタキシャル成長により成膜、
絶縁体２０：ＳｉＯ_２膜、１００ｎｍ厚、ＣＶＤ法により成膜、
ソース電極３１及びドレイン電極３２：ＳｉＣ／Ａｕ複合材料、
チャネル部３３：単数のカーボンナノチューブ（径２ｎｍ、長さ５００μｍ）がソース電極３１とドレイン電極３２とを橋渡しするよう配置された形態、半導体性、
ゲート電極３４：Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ複合材料

（比較例１）
市販のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）である、浜松ホトニクス社製「ＳｉＡＰＤＳ９２５１」を、比較用の光検出素子として評価に供した。

（評価）
実施例１及び比較例１の光検出素子について各々、入射光量を変えて光電流を測定した。評価結果を図４に示す。
図４に示す如く、実施例１では比較例１のＡＰＤよりも高い光電流が得られており、本発明の光検出素子がＡＰＤよりも高感度な素子であり、微弱光についても高精度な検出が可能な素子であることが示された。

本発明の光検出素子は、光通信、医療、バイオテクノロジー、セキュリティ等の分野に利用することができる。

本発明に係る第１実施形態の光検出素子の構造を示す図２次元アレイ構造の回路図（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る第２実施形態の光検出素子の構造を示す図実施例１と比較例１の評価結果を示すグラフ

符号の説明

１、２光検出素子
１０ｐｎ接合構造の光電子発生体
１１ｐ−Ｓｉ基板
１２ｎ−Ｓｉ膜
５０多重量子井戸構造の光電子発生体
５１ＡｌＧａＡｓバリヤ層
５２ＧａＡｓウェル層
２０絶縁体
３０トランジスタ
３１ソース電極
３２ドレイン電極
３３チャネル部
３４ゲート電極

Claims

光を吸収して光電子を発生する光電子発生体と、該光電子発生体で発生した前記光電子の量に応じた電流が流れるトランジスタとを備えた光検出素子において、
前記トランジスタは、前記光電子発生体の表面に絶縁体を介して形成されたソース電極とドレイン電極とを有し、該ソース電極と該ドレイン電極とが、導電性又は半導電性のナノチューブを含むチャネル部を介して接続されたものであることを特徴とする光検出素子。
前記光電子発生体は、ｐｎ接合構造、ｐｉｎ接合構造、多重量子井戸構造、及び量子ドット構造のうち、いずれかの構造を有する半導体積層構造体からなることを特徴とする請求項１に記載の光検出素子。
前記チャネル部をなす前記ナノチューブは、カーボン、窒化ホウ素、及びシリコンからなる群より選択される少なくとも１種を含むナノチューブであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光検出素子。