JP2011029489A - 温度可変光センサ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】エルビウムが添加されたシリコンナノ結晶と、該シリコンナノ結晶の温度を調節する温調手段と、該シリコンナノ結晶に励起光を照射する励起手段とを備え、前記シリコンナノ結晶が、励起光照射時の温度に依存して異なる発光スペクトルを示すことを特徴とする温度可変光センサ素子;エルビウムが添加されたシリコンナノ結晶と、該シリコンナノ結晶の温度を調節する温調手段と、該シリコンナノ結晶に励起光を照射する励起手段とを備え、前記シリコンナノ結晶の発光強度が、励起光照射時の温度の上昇に伴い増大することを特徴とする温度可変光センサ素子。
【選択図】なし
Description
一方で、ドーパントとして、希土類元素の一種であるエルビウム(Er)を添加することにより、Er3+による波長1.5μm帯の発光強度が増強されることが知られており、より高感度な発光素子の開発が期待されている(例えば、特許文献2参照)。
本発明の第一の発明は、エルビウムが添加されたシリコンナノ結晶と、該シリコンナノ結晶の温度を調節する温調手段と、該シリコンナノ結晶に励起光を照射する励起手段とを備え、前記シリコンナノ結晶が、励起光照射時の温度に依存して異なる発光スペクトルを示すことを特徴とする温度可変光センサ素子を提供する。
第一の発明の温度可変光センサ素子においては、温度の上昇に伴い、発光強度が増大することが好ましい。
また、本発明の第二の発明は、エルビウムが添加されたシリコンナノ結晶と、該シリコンナノ結晶の温度を調節する温調手段と、該シリコンナノ結晶に励起光を照射する励起手段とを備え、前記シリコンナノ結晶の発光強度が、励起光照射時の温度の上昇に伴い増大することを特徴とする温度可変光センサ素子を提供する。
第二の発明の温度可変光センサ素子においては、励起光照射時に、温度に依存して異なる発光スペクトルを示すことが好ましい。
第一又は第二の発明の温度可変光センサ素子においては、前記シリコンナノ結晶が水又は水溶性の液体中に分散された分散液、あるいは該分散液を塗布及び乾燥してなる層を備えることが好ましい。
第一又は第二の発明の温度可変光センサ素子においては、前記シリコンナノ結晶が、薄膜中に含有されていることが好ましい。
また、本発明の温度可変光センサ素子は、エルビウムが添加されたシリコンナノ結晶と、該シリコンナノ結晶の温度を調節する温調手段と、該シリコンナノ結晶に励起光を照射する励起手段とを備え、前記シリコンナノ結晶の発光強度が、励起光照射時の温度の上昇に伴い増大することを特徴とする。
本発明は、エルビウム(以下、Erと略記する)が添加されたシリコンナノ結晶(以下、Er添加Siナノ結晶と略記する)の発光素子としての機能と、さらにその発光スペクトルが、励起光照射時における温度に依存して変化する、又はその発光強度が、励起光照射時の温度の上昇に伴い増大するという特性とを利用して、温度可変光センサ素子として構成したものである。
このようなEr添加Siナノ結晶は、例えば、シリコン基板(以下、Si基板と略記する)上に、Er、Si及びSiO2をスパッタリングし、Er、Si及びSiO2を含む薄膜(以下、Er添加薄膜と略記する)を形成し、これを加熱処理することで、前記薄膜中にEr添加Siナノ結晶を形成すると共に、Erを光学的に活性化することで作製できる。Er添加Siナノ結晶は、このように、薄膜中に含有された状態であっても良いし、加熱処理後の前記薄膜から、さらに分離されていても良い。
高周波電源出力は、150〜250Wであることが好ましく、170〜210Wであることがより好ましい。このような範囲とすることで、SiO2ターゲットと各チップとを均一にスパッタリングすることができ、Si基板全体に、一層均一な膜を成膜できる。
スパッタリング時間は3〜12 時間であることが好ましい。このような範囲とすることで、Si基板全体に、一層均一な膜を成膜できる。
スパッタリングは、アルゴン(Ar)ガス等の希ガスや窒素(N2)ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
Siチップ及びErチップの使用量は、スパッタリング時の諸条件によって適宜調整すれば良い。例えば、上記条件の場合には、一つあたりの表面積が好ましくは75〜125mm2であるチップを使用して、Siチップとしては好ましくは5〜9個、ErチップとしてはSiチップ1個に対して好ましくは5〜9個使用すると良い。このような範囲とすることで、形成されるEr添加薄膜中のEr及びSiの含有量を一層容易に適量に調整できる。
そして、例えば、前記エッチング部位を液体中に浸漬し、洗浄することで、Er添加Siナノ結晶の分散液が得られ、該分散液の液体成分を除去して乾燥させることで、Er添加Siナノ結晶の粉末が得られる。
そして、Er添加Siナノ結晶が基材上に保持された好ましいものとしては、Er添加Siナノ結晶を含有する分散液やインクにより、基材上に文字やパターンが形成されたものが例示できる。このようなものは、基材に特有の情報を付与したメモリ素子として好適である。
下記手順により、Er添加Siナノ結晶分散液を調製し、これを備えた温度可変光センサ素子の発光スペクトルを確認した。
高周波マグネトロンスパッタ装置(日電アネルバ社製、SPF−210H)を使用して、Si基板上にEr添加薄膜を作製した。
具体的には、直径が101.6mm(4インチ)である略円板状のSiウェーハ上に、常法により酸化膜を設けたSiO2ターゲット(純度99.9999%)を使用し、その上の中央部付近に、二枚のErチップ(純度99.9%、0.5cm×0.5cm)を離間させて配置し、これらがほぼ中心となるように、これらを取り囲む円周上の位置(エロージョン領域)に、六枚のSiチップ(純度99.999%、0.5cm×0.5cm)を対称に配置した。このSiO2ターゲットと、このSiO2ターゲットから4.2cm離間した位置に対峙させて配置した4インチの略円板状のSi基板とを、スパッタリングチャンバー内にセットし、このターゲットを使用して、Arガス雰囲気下、動作圧力0.8Pa(6×10−3Torr)、高周波電源出力200Wの条件で6時間スパッタリングを行い、未酸化のSi基板上に、厚さ9.6μmのEr添加薄膜を作製した。
次いで、得られたEr添加薄膜を、Arガス雰囲気下、1000℃で1時間加熱処理することで、Erが光学的に活性化された薄膜とした。
次いで、30%フッ化水素酸水溶液を50℃で加熱し、発生した蒸気を使用して、加熱処理後の前記薄膜に対してエッチングを行い、SiO2を選択的に除去した。そして、エッチング部位を純水中での超音波洗浄に供して、Er添加Siナノ結晶をSi基板から純水中に分離させた。次いで、He−Cdレーザ(波長325nm)の照射により、純水中のEr添加Siナノ結晶に由来するPLが目視で確認できる程度にまで、上記のエッチング〜分離の操作を数回繰り返した。
以上により、Er添加Siナノ結晶が純水中に分散された分散液を作製した。
得られたEr添加Siナノ結晶分散液を石英セルに充填した。そして、温調手段としてヒータを使用し、前記分散液の温度を22℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃及び90℃の8通りに調節し、それぞれの場合について、前記分散液にレーザを照射して、Er添加Siナノ結晶の発光スペクトルを測定した。測定は、He−Cdレーザ(波長325nm)を使用し、レーザスポットを直径1mmとして、検出手段として電荷結合素子(CCD)を使用して行った。測定結果を図1に示す。
前記分散液にレーザを照射したところ、Er添加Siナノ結晶の発光に由来する、青みがかった緑色の光が目視で確認できた。そして、図1に示す発光スペクトルから明らかなように、いずれの温度でも波長549.3nm付近、635.7nm付近、735.0nm付近及び811.3nm付近にピークが観測された。そして、いずれのピークも温度の上昇に伴って強度が大きくなっていた。波長735.0nm付近のピークは、いずれの温度でも強度が大きいが、波長549.3nm付近、及び811.3nm付近のピークは、概ね40℃以上で大きな強度であった。また、波長635.7nm付近のピークは、40℃で大きな強度を有していた。
これらのうち、目視で確認できた緑色光は、波長549.3nm付近のピークに該当すると考えられる。そして、Erの4S3/2→5I15/2遷移の発光は、緑色であることが報告知られており(例えば、「足立吟也、新材料シリーズ 希土類の機能と応用、シーエムシー出版、p151、2006」参照)、上記の目視で確認できた緑色光は、Erに由来する発光であると考えられる。
Er添加薄膜の加熱処理を、Arガス雰囲気下に代え、N2ガス雰囲気下で行い、さらにEr添加Siナノ結晶をSi基板からエタノール中に分離させたこと以外は、実施例1と同様にEr添加Siナノ結晶分散液を作製した。そして、前記分散液の温度を21℃に調節したこと以外は、実施例1と同様に発光スペクトルを測定した。測定結果を図2に示す。
前記分散液にレーザを照射したところ、Er添加Siナノ結晶の発光に由来する緑色光が目視で確認できた。そして、図2に示す発光スペクトルから明らかなように、波長538.7nm付近、634.1nm付近及び805.4nm付近にそれぞれピークが観測された。これらのうち、目視で確認できた緑色光は、波長538.7nm付近のピークに該当すると考えられる。
Er添加Siナノ結晶分散液を作製せず、これに代わり、加熱処理後のEr添加薄膜を発光スペクトルの測定に供したこと以外は、実施例2と同様に発光スペクトルを測定した。測定結果を図3に示す。
図3に示す発光スペクトルから明らかなように、波長545.2nm付近及び743.3nm付近にそれぞれピークが観測された。図2において波長634.1nm付近に観測されたピークは、図3においては、波長545.2nm付近のピークの裾と重なっていると考えられる。したがって、図3に示す発光スペクトルは、図2に示す発光スペクトルとはピークの位置がやや異なるが、パターンは同様であり、加熱処理後のEr添加薄膜は、分散液中のEr添加Siナノ結晶と同様のメカニズムで発光していると考えられた。
Claims (6)
- エルビウムが添加されたシリコンナノ結晶と、該シリコンナノ結晶の温度を調節する温調手段と、該シリコンナノ結晶に励起光を照射する励起手段とを備え、前記シリコンナノ結晶が、励起光照射時の温度に依存して異なる発光スペクトルを示すことを特徴とする温度可変光センサ素子。
- 温度の上昇に伴い、発光強度が増大することを特徴とする請求項1に記載の温度可変光センサ素子。
- エルビウムが添加されたシリコンナノ結晶と、該シリコンナノ結晶の温度を調節する温調手段と、該シリコンナノ結晶に励起光を照射する励起手段とを備え、前記シリコンナノ結晶の発光強度が、励起光照射時の温度の上昇に伴い増大することを特徴とする温度可変光センサ素子。
- 励起光照射時に、温度に依存して異なる発光スペクトルを示すことを特徴とする請求項3に記載の温度可変光センサ素子。
- 前記シリコンナノ結晶が水又は水溶性の液体中に分散された分散液、あるいは該分散液を塗布及び乾燥してなる層を備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の温度可変光センサ素子。
- 前記シリコンナノ結晶が、薄膜中に含有されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の温度可変光センサ素子。
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