JP2012529768A - 長波長放射を検出することができる光検出器 - Google Patents
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Abstract
【課題】長波長放射を検出することができる装置を提供する。
【解決手段】
長波長放射を検出することができる光検出器であって、絶縁層の近位端上に配置されたソースと、絶縁層の遠位端上に配置されたドレインと、近位端と遠位端との間でソース及びドレインを結合する少なくとも１つのナノアセンブリと、ソースとドレインとの間に配置され、少なくとも１つのナノアセンブリの長手方向に少なくとも１つのナノアセンブリと並置された少なくとも２つの表面プラズモン導波路とを備え、少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの一方は、少なくとも１つのナノアセンブリの第１の側に沿って配置され、少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの他方は、第１の側に対向する少なくとも１つのナノアセンブリの第２の側に沿って配置される長波長放射を検出することができる光検出器を実現する。
【選択図】図１
【解決手段】
長波長放射を検出することができる光検出器であって、絶縁層の近位端上に配置されたソースと、絶縁層の遠位端上に配置されたドレインと、近位端と遠位端との間でソース及びドレインを結合する少なくとも１つのナノアセンブリと、ソースとドレインとの間に配置され、少なくとも１つのナノアセンブリの長手方向に少なくとも１つのナノアセンブリと並置された少なくとも２つの表面プラズモン導波路とを備え、少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの一方は、少なくとも１つのナノアセンブリの第１の側に沿って配置され、少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの他方は、第１の側に対向する少なくとも１つのナノアセンブリの第２の側に沿って配置される長波長放射を検出することができる光検出器を実現する。
【選択図】図１
Description
本発明は、長波長放射を検出することが可能な装置及び長波長放射を検出するための技術に関する。
室温での長波長放射の検出には、軍事利用及び民生利用を含む、いくつかの有用な用途がある。例えば、長波長放射を検出するための光検出器は、医療機器、ミサイルの追尾装置として、あるいは麻薬取り締まりなどにおいて使用することができる。光学デバイス及び光検出器を含むナノスケールの電子機器（つまり、約１００ｎｍ以下のサイズを有する構造）の設計を伴うナノテクノロジーは発展し続けているので、ナノテクノロジーの進歩を、改善された効率及び検出能力のために、そのようなナノスケールの電子機器（つまり、光学デバイス及び光検出器）の設計に応用することができると考えられる。
長波長放射（例えば、赤外線スペクトル光）を検出することができる装置及び長波長放射（例えば、赤外線スペクトル光）を検出するための技術が提供される。一実施形態では、長波長放射を検出することができる光検出器は、近位端上に配置されたソース、遠位端上に配置されたドレイン、近位端と遠位端との間でソース及びドレインを結合する少なくとも１つのナノアセンブリ、ソースとドレインとの間に配置され、少なくとも１つのナノアセンブリの長手方向に少なくとも１つのナノアセンブリと並置された少なくとも２つの表面プラズモン導波路を備え、少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの一方は、少なくとも１つのナノアセンブリの第１の側に沿って配置され、少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの他方は、第１の側に対向する少なくとも１つのナノアセンブリの第２の側に沿って配置される。
別の実施形態では、光検出器は、少なくとも１つのナノアセンブリ及び少なくとも２つの表面プラズモン導波路に近接する位置に置かれ、またソース及びドレインのうちの少なくとも一方に実質的に平行に延在するように配置されている透明ゲートをさらに備えることができる。
前述の説明は、例示的なものにすぎず、いっさい制限することを意図されていない。上述の例示的な態様、実施形態、及び特徴に加えて、図面を参照し、以下の詳細な説明を参照することによってさらなる態様、実施形態、及び特徴も明らかになるであろう。
以下の詳細な説明では、本明細書の一部をなす、付属の図面が参照される。図面中の類似の符合は、典型的には、文脈上別のものを示していない限り類似のコンポーネントを明示する。詳細な説明、図面、及び請求項で説明されている例示的な実施形態は、制限することを意図されていない。他の実施形態も利用することができ、また本明細書に提示されている発明対象の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他の変更を加えることができる。本明細書で一般的に説明され、また図に例示されているような本開示の態様は、さまざまな異なる構成による配置、置換、組み合わせ、分離、設計が可能であり、すべて本明細書において明示的に企図されることが容易に理解されるだろう。
図１は、長波長放射（例えば、赤外線スペクトル光）を検出するために使用することができる光検出器１００の例示的な一実施形態の斜視図である。図１に示されているように、光検出器１００は、基材１１０と絶縁層１２０との積層構造上に形成されうる。さらに、ナノアセンブリ１３０、表面プラズモン導波路（これ以降「ＳＰ導波路」と称する）１４０、ソース１５０、及びドレイン１６０は、絶縁層１２０上に配置されうる。一実施形態では、少なくとも２つのＳＰ導波路１４０が、積層構造の近位端と遠位端上にそれぞれ配置されているソース１５０とドレイン１６０との間に配置される。例えば、ソース１５０及びドレイン１６０は、それぞれ絶縁層１２０の近位端と遠位端上に配置されうる。入射光を受光すると、ナノアセンブリ１３０は、光検出器１００に結合されている外部回路（図示せず）内に所定の電流が流れるようにソース１５０とドレイン１６０とを相互接続するチャネルとして動作しうる。
ＳＰ導波路１４０は、ソース１５０とドレイン１６０との間に配置され、ナノアセンブリ１３０の長手方向にナノアセンブリ１３０と並置されうる。さらに、一方のＳＰ導波路１４０は、ナノアセンブリ１３０の第１の側に沿って配置され、他方のＳＰ導波路１４０は、第１の側に対向するナノアセンブリ１３０の第２の側に沿って配置され、ＳＰ導波路１４０とナノアセンブリ１３０との間に少なくともある程度の空間を画成し、これは数ナノメートルから数千ナノメートルまでの範囲であるものとしてよい。図４に関連して以下でさらに説明されるように、ナノアセンブリ１３０とＳＰ導波路１４０の交互配置は、入射光から光子を受けるためのインターフェースを構成し、これにより、光子をＳＰ導波路１４０の間のナノアセンブリ１３０の周りに効果的に閉じ込めることができる。一実施形態では、ＳＰ導波路１４０とナノアセンブリ１３０との間の空間に、磁器（セラミック）、マイカ、ガラス、プラスチック、さまざまな金属の酸化物、又は空気などの誘電体を充填することができるが、任意の種類の誘電体を含むことができる。ＳＰ導波路１４０は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉなどの任意の種類の金属材料を含みうる。
一実施形態では、ソース１５０及びドレイン１６０は、金属、シリサイド、又はシリコン、ゲルマニウム、ＩＩ−ＶＩ族半導体化合物、もしくはＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物などの半導体を含むことができる。該当するＩＩ−ＶＩ族半導体化合物の例として、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＳＳｅ、又はＺｎＳＳｅを挙げることができ、またＩＩＩ−Ｖ族半導体化合物の例としてＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＧａＡｓ、又はＧａＮを挙げることができる。
図２は、光検出器１００によって検出されうる長波長放射のスペクトルを示している。図２に示されているように、長波長放射は、数μｍ以上の波長を有する光の放射を含むことができる。そのような長波長放射の検出は、軍事用途及び民生用途の両方を含む、さまざまな用途において有用である。例えば、室温での近赤外放射（約１μｍから約３μｍまでの範囲の波長を有する「ＮＩＲ」）の検出は、癌の発見に有用でありうる。室温での中赤外放射（約３μｍから約５μｍまでの範囲の波長を有する「ＭＩＲ」）の検出は、ミサイルの追尾装置などの多くの軍事用途に利用することができる。室温での赤外放射（約８μｍから約１２μｍまでの範囲の波長を有する「ＩＲ」）の検出は、人体検出などの用途向けの軍用及び民生用の両方の用途に利用することができる。さらに、室温での遠赤外放射（数十μｍを超える波長を有する「ＦＩＲ」）の検出は、麻薬取り締まりに利用することができる。
図３は、ナノアセンブリ１３０の伝導帯内のサブバンド間遷移の例示的な一実施形態の概念図である。光検出器１００は、ナノアセンブリ１３０の伝導帯内でサブバンド間遷移を使用することによって長波長放射を検出することができる。図３に示されているように、ナノアセンブリ１３０の伝導帯３０２は、いくつかのインターサブバンド３０４及び３０６を有するものとしてよい。インターサブバンド３０４と３０６との間のサブバンド間遷移エネルギーギャップに対応するエネルギーを有する光子が、伝導帯３０２に衝突すると、伝導帯３０２内の電子は、下側インターサブバンド３０４（つまり、基底状態）から上側インターサブバンド３０６に遷移し、光検出器１００に電流を通すことができる。光子は、数ｍｅＶから数百ｍｅＶまでの範囲内のエネルギーを有することができる。
図４は、ＳＰ導波路１４０とＳＰ導波路１４０間に配置されたナノアセンブリ１３０を備える、光検出器１００のインターフェース内に閉じ込められた光子の電界強度を示すグラフである。図４では、ＳＰ導波路１４０に対応する領域４０２は、金属材料を含むが、ナノアセンブリ１３０に対応する領域４０４は、図１にも示されているように、誘電体を含む。さらに、ｘ軸は、ナノアセンブリ１３０及びＳＰ導波路１４０の水平位置を示すが、ｙ軸は、電界強度を示す。図４に示されているグラフは、入射光（つまり、光子）によって発生する光場の実質的部分が領域４０４内に閉じ込められることを示している。領域４０２と領域４０４との間に閉じ込められる電界は、以下に示す式１によって説明することができる。
式１において、εmetalの値はεdielectricの値よりかなり大きいので、Ｅx_dielectricは、Ｅx_metalより大きくなるが、これは、光場のかなりの部分が領域４０４内に閉じ込められることを意味している。
図４及び式１を参照すると、ＳＰ導波路１４０（つまり、ナノアセンブリ１３０）間に閉じ込められる入射光子の電界は、ＳＰ導波路１４０の誘電率とナノアセンブリ１３０（及び／又はＳＰ導波路１４０間に充填される誘電体）の誘電率との比に実質的に比例することがわかる。したがって、電界の所望の閉じ込めは、ナノアセンブリ１３０の幅及び／又はＳＰ導波路１４０の高さが入射光子の波長より小さい場合であっても、ＳＰ導波路１４０及び／又はナノアセンブリ１３０に適した誘電率の（複数可）材料を選択することによって得ることができる。このような実施形態では、ＳＰ導波路１４０は、１つ又は複数のさまざまな種類の金属から製造することができる。以下の式２に示されているように、金属の誘電率εmetalは、周波数の関数であり、したがって、使用される金属の種類は、光検出器１００によって検出される光子の振動数に依存しうる。金属の種類は、光検出器１００によって検出される波長に基づいて選択することができる。一実施形態では、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、又は他の適切な金属などの化合物を長波長検出のために選択することができる。
図５は、可視光スペクトルを検出するために使用することができる光検出器５００の別の例示的な実施形態の斜視図である。光検出器５００は、ナノアセンブリ１３０及びＳＰ導波路１４０より上、又は実質的にその頂部に透明ゲート１８０を形成することができる点を除いて光検出器１００と実質的に同一である。絶縁層１７０が、透明ゲート１８０とナノアセンブリ１３０（又はＳＰ導波路１４０）との間に配置することができる。支持部材１７５を使用することによって、絶縁層１７０及び透明ゲート１８０が、ナノアセンブリ１３０及びＳＰ導波路１４０より上に配置されていることが図５に示されているが、ナノアセンブリ１３０及びＳＰ導波路１４０上に絶縁層１７０及び透明ゲート１８０を置くためにあらゆる他の好適な構造を使用することができる。透明ゲート１８０は、ナノアセンブリ１３０及びＳＰ１４０に実質的に垂直に、またソース１５０又はドレイン１６０の長い方向に実質的に平行に配置することができる。透明ゲート１８０は、ソース１５０及びドレイン１６０のうちの少なくとも一方に実質的平行に延在するように少なくとも１つのナノアセンブリ１３０及び少なくとも２つのＳＰ導波路１４０に近接して配置されうる。透明ゲート１８０は、ナノアセンブリ１３０の（以下で詳しくさらに説明するような）自発分極によって引き起こされるナノアセンブリ１３０の内部場を縮小する働きをする。
図６は、光検出器５００によって検出されうる可視光スペクトルにおける波長の範囲を例示している。図６に示されているように、可視光スペクトルは、約３８０から約７８０ｎｍまでの波長帯に対応する（例えば、紫色から赤色までの色のスペクトルに対応する）。例えば、可視青色光、可視緑色光、及び可視赤色光は、約４５０ｎｍ、約５２０ｎｍ、及び約６５０ｎｍの波長を有する。光検出器５００は、ナノアセンブリ１３０における電子のサブバンド間遷移を測定することによって可視光スペクトルを検出することができる。
図７は、ナノアセンブリ１３０内の価電子帯７０２と伝導帯７０４との間の電子のバンド間（つまりバンドからバンドへの）遷移の例示的な一実施形態の概念図である。価電子帯７０２と伝導帯７０４との間のバンドギャップエネルギーに対応するエネルギーを有する光子がナノアセンブリ１３０に衝突すると、価電子帯７０２内の電子７０６は、伝導帯７０４へ遷移しうる。価電子帯７０２から伝導帯７０４への電子７０６の遷移（バンド−バンド間遷移）により、電流が光検出器５００内を流れる。
図８は、約１００ｎｍの幅及び約１０ｎｍの厚さを有するものとしてよい、ＺｎＯナノベルト８００の基本構造を例示している。図８に示されているように、ＺｎＯナノベルト８００の側面は、（０００１）極性表面を含むものとしてよい。この場合、（０００１）極性表面上の正及び負のイオン電荷により、ＺｎＯナノベルト８００上に自発分極が誘発される。その結果、（０００１）方向に沿って形成される内部場（Ｅ）があり、これにより、自発分極によるエネルギーへの全寄与分が最小になり、光学遷移確率が下がる。図５に示されているように、透明ゲート１８０は、ナノアセンブリ１３０より上に、又は実質的に頂部に配置されることによって、ナノアセンブリ１３０内の内部場（Ｅ）を補正するように設けられることができる。一実施形態では、絶縁層１７０は、ナノアセンブリ１３０（及び／又はＳＰ導波路１４０）と透明ゲート１８０との間に配置することができる。
図９は、光検出器５００のナノアセンブリ１３０のエネルギーバンド図の例示的な一実施形態を示している。図９の左部分のエネルギーバンド図は、透明ゲート１８０が光検出器５００内に存在していない（つまり、そこにない）場合に得られるナノアセンブリ１３０内の伝導帯を示している。さらに、図９の右部分のエネルギーバンド図は、透明ゲート１８０が光検出器５００内に存在している（つまり、そこにある）場合に得られるナノアセンブリ１３０内の伝導帯を示している。２つの図を互いに比較すると、エネルギーバンド図の勾配９１０（つまり、伝導帯の下界）は、透明ゲート１８０が光検出器５００内に備えられている場合に小さくなるが、それは、自発分極の結果として生じるナノアセンブリ１３０内の内部場が、ナノアセンブリ１３０より上の、又は実質的に上部の透明ゲート１８０に逆電圧を印加することによって弱められるからである。ナノアセンブリ１３０内の内部場（Ｅ）の方向と反対の方向の逆電圧を、外部回路（図示せず）から透明ゲート１８０に印加し、これにより、ナノアセンブリ１３０の内部場を無効にすることができる。
図１０は、図１の直線Ａ−Ａ’に沿って切り取った光検出器１００の断面図を示している。図１０では、ナノアセンブリ１３０の断面の寸法は、ナノメートルスケールである。いくつかの実施形態では、ナノアセンブリ１３０は、約１０ｎｍ、約２０ｎｍ、約５０ｎｍ、約１００ｎｍ、約２００ｎｍ、又は約５００ｎｍなど、約１０ｎｍから約５００ｎｍまでの範囲の幅、及び約０．５μｍ、約１μｍ、約２μｍ、約３μｍ、約４μｍ、又は約５μｍなど、約０．５μｍから約５μｍまでの範囲の長さを有することができる。他の実施形態では、ナノアセンブリ１３０は、約３０ｎｍから約３００ｎｍまでの範囲の幅、約５から約１０までの範囲の幅／厚さの比、及び最大数ミリメートルまでの長さを有することができる。ナノアセンブリ１３０の幅及び長さは、さまざまな実施形態において実質的に変えることができる。ナノアセンブリ１３０は、ナノワイヤ、ナノベルト、ナノロッドなどとすることができる。
一実施形態では、ナノアセンブリ１３０は、Ｓｉ、ＩｎＡｓ、又はＺｎＯなどの半導体材料（これ以降、「ナノ材料」と称する）を含むことができる。ナノアセンブリ１３０の材料は、検出すべき放射波長の範囲に応じて選択することができる。表１は、ナノ材料の特性（つまり、サブバンド間エネルギーギャップ及び検出すべき波長）を示している。
いくつかの実施形態では、ＳＰ導波路１４０の厚さは、光子の細かな閉じ込めが可能になるように約２μｍから約３μｍまでの範囲である。ＳＰ導波路１４０は、図１及び５において矩形の形状をとるものとして示されているが、ＳＰ導波路１４０の形状及び寸法は、それぞれの用途に応じて変えることができる。例えば、ＳＰ導波路１４０のそれぞれは、光検出器１００又は５００で使用するためにスラブ、リブ、又はリッジの形状をとりうる。
図１１は、図５の直線Ａ−Ａ’に沿って切り取った光検出器５００の断面図を示している。一実施形態では、ナノアセンブリ１３０は、ＩＩＩ−Ｖ族及びＩＩ−ＶＩ族の半導体材料から作ることができる。以下の表２は、対応するバンドギャップエネルギー（ｅＶ）、オングストローム（Å）の単位の格子定数（ａ軸）、及び結晶構造を持つＩＩＩ−Ｖ族及びＩＩ−ＶＩ族の半導体材料の例を示している。
［式３］
Ｅg＝３．７２３−１．２４１ｘ
ｘ＝０．７である場合、ＣｄＺｎＳのバンドギャップエネルギーＥgは２．８５３ｅＶであり、これは、約４３５ｎｍの波長を有する光子（青色スペクトル光）のエネルギーに対応する。一実施形態では、ナノアセンブリ１３０が、ＣｄxＺｎ1-xＳ（０≦ｘ≦０．５）を含む場合、光検出器５００は、青色スペクトルを検出するのに適しうる。
別の実施形態では、ナノアセンブリ１３０はＣｄＳＳｅを含むことができる。ＣｄＳＳｅは、ＣｄＳと直接バンドギャップ半導体材料であり、六方晶構造を有するＣｄＳｅとの合金である。ＣｄＳｅxＳ1-xのバンドギャップエネルギーは、以下の式４によって決定されうる。
［式４］
Ｅg＝２．４８２−０．７５ｘ
ｘ＝０．１５である場合、ＣｄＳＳｅのバンドギャップエネルギーＥgは２．３７ｅＶであり、これは、約５２０ｎｍの波長を有する光子（緑色スペクトル光）のエネルギーに対応し、ｘ＝０．７である場合、ＣｄＳＳｅのバンドギャップエネルギーＥgは１．９５７ｅＶであり、これは、約６３３ｎｍの波長を有する光子（赤色スペクトル光）のエネルギーに対応する。つまり、ＣｄＳＳｅを含むナノアセンブリ１３０は、緑色と赤色の両方のスペクトルの光を検出するのに適しうる。一実施形態では、ナノアセンブリ１３０が、ＣｄＳｅxＳ1-x（０≦ｘ≦０．４）を含む場合、光検出器５００は、緑色スペクトルを検出するのに適しうる。一実施形態では、ナノアセンブリ１３０が、ＣｄＳｅxＳ1-x（０．６≦ｘ≦１．０）を含む場合、光検出器５００は、赤色スペクトルを検出するのに適しうる。他の適切な（複数可）ナノ材料も、所望のスペクトル範囲を検出するために光検出器５００に使用することができる。
［式４］
Ｅg＝２．４８２−０．７５ｘ
ｘ＝０．１５である場合、ＣｄＳＳｅのバンドギャップエネルギーＥgは２．３７ｅＶであり、これは、約５２０ｎｍの波長を有する光子（緑色スペクトル光）のエネルギーに対応し、ｘ＝０．７である場合、ＣｄＳＳｅのバンドギャップエネルギーＥgは１．９５７ｅＶであり、これは、約６３３ｎｍの波長を有する光子（赤色スペクトル光）のエネルギーに対応する。つまり、ＣｄＳＳｅを含むナノアセンブリ１３０は、緑色と赤色の両方のスペクトルの光を検出するのに適しうる。一実施形態では、ナノアセンブリ１３０が、ＣｄＳｅxＳ1-x（０≦ｘ≦０．４）を含む場合、光検出器５００は、緑色スペクトルを検出するのに適しうる。一実施形態では、ナノアセンブリ１３０が、ＣｄＳｅxＳ1-x（０．６≦ｘ≦１．０）を含む場合、光検出器５００は、赤色スペクトルを検出するのに適しうる。他の適切な（複数可）ナノ材料も、所望のスペクトル範囲を検出するために光検出器５００に使用することができる。
図１２は、ＳＰ導波路から離れているナノアセンブリを有する光検出器１２００の例示的な一実施形態の斜視図を示している。図１２を参照すると、光検出器１２００は、３つのナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６、ならびに４つのＳＰ導波路１４２、１４４、１４６、及び１４８を備えることがわかる。ＳＰ導波路１４４及び１４６をナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６の間に置いて、ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６ならびにＳＰ導波路１４４及び１４６の交互配置を構成することができる。一実施形態では、ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６は、それぞれ、同じ種類のナノ材料を含むことができる。この場合、光検出器１２００は、ナノ材料に対応する１つの特定の波長帯を検出するのに好適でありうる。ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６を使用することによって、光検出器１２００は、入射光からより多くの光子を集めつつ、所望の波長の放射を素早く検出することができる。別の実施形態では、ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６のそれぞれは、異なる種類のナノ材料を含むことができる。ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６が異なるナノ材料（例えば、それぞれＺｎＯ、Ｓｉ、及びＩｎＡｓ）を含む例示的な一実施形態では、光検出器１２００は異なる波長帯（例えば、ＦＩＲ、ＩＲ、ＭＩＲ）を検出するのに好適でありうる。この場合、それぞれのドレインに接続されている外部回路が異なる波長帯を検出することができるようにナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６のそれぞれについて別々のドレインを備えるとよい。
図１３は、図１２の直線Ａ−Ａ’に沿って切り取った光検出器１２００の断面図を示している。図１３を参照すると、光検出器１２００は、基材１１０、絶縁層１２０、ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６（又はＳＰ導波路１４２、１４４、１４６、及び１４８）が順に積み重ねられている積層構造を有することがわかる。一実施形態では、基材１１０は、ガラス、シリコン、又は石英を含みうる。絶縁層１２０又は１７０は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、フッ化ケイ酸塩ガラス（ＦＳＧ）、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）酸化物、シラノール（ＳｉＯＨ）、流動性酸化物（ＦＯｘ）、底面反射防止膜（ＢＡＲＣ）、反射防止膜（ＡＲＣ）、フォトレジスト（ＰＲ）、ほとんど摩擦のないカーボン（ＮＦＣ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、オキシ炭化ケイ素（ＳｉＯＣ）、及び／又は炭素ドープ酸化ケイ素（ＳｉＣＯＨ）を含みうる。ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６は、Ｓｉ、ＩｎＡｓ、又はＺｎＯなどのナノ材料を含むことができるが、ＳＰ導波路１４０は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、又はＴｉを含む任意の種類の金属材料を含むことができる。図１３では、ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６は、絶縁層１２０上でＳＰ導波路１４２、１４４、１４６、及び１４８と交互に配置され、ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６のそれぞれは、その隣接するＳＰ導波路１４２、１４４、１４６、及び１４８から離れている。
図１４は、ＳＰ導波路と接触するナノアセンブリを有する光検出器１４００の例示的な一実施形態の断面図を示している。図１４を参照すると、光検出器１４００は、交互に配置され、ＳＰ導波路１４２、１４４、１４６、及び１４８と接触するナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６を備えることがわかる。図１４に示されているようなナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６とＳＰ導波路１４２、１４４、１４６、及び１４８の交互配置は、入射光を受光するためのインターフェースを構成し、そこでは誘電体媒質は金属材料の間にサンドイッチ状に挟まれる。
図１５は、ＳＰ導波路から離れているナノアセンブリを有する光検出器１５００の例示的な一実施形態の斜視図を示している。光検出器１５００は、３つのナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６、ならびに４つのＳＰ導波路１４２、１４４、１４６、及び１４８を備える。ＳＰ導波路１４４及び１４６をナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６の間に置いて、ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６ならびにＳＰ導波路１４４及び１４６の交互配置を構成することができる。さらに、ドレイン１６２、１６４、及び１６６は、ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６のそれぞれについて別々に配置されている。一実施形態では、ドレイン１６２、１６４、及び１６６のそれぞれを異なる外部回路（図示せず）に、ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６のそれぞれを通る所定の電流が各外部回路（図示せず）内で検出されるように接続することができる。一実施形態では、ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６は、それぞれ、異なるナノ材料を含むことができる。例えば、ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６は、それぞれ、ＣｄxＺｎ1-xＳ（０．５≦ｘ≦１．０）、ＣｄＳｅxＳ1-x（０≦ｘ≦０．４）、及びＣｄＳｅxＳ1-x（０．６≦ｘ≦１．０）を含みうる。この場合、光検出器１５００は、青色、緑色、又は赤色のスペクトルの光などの、異なる色のスペクトルを検出するのに好適でありうる。
図１６は、図１５の直線Ａ−Ａ’に沿って切り取った光検出器１５００の断面図を示している。図１６を参照すると、光検出器１５００は、基材１１０、絶縁層１２０、ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６（又はＳＰ導波路１４２、１４４、１４６、及び１４８）、絶縁層１７０、ならびに透明ゲート１８０が順に積み重ねられている積層構造を有することがわかる。基材１１０、絶縁層１２０及び１７０、ソース１５０及びドレイン１６０は、図１１で使用されているのと同じ材料を含むことができる。ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６は、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＭｇＳｅ、又はＺｎＳなどのナノ材料を含むことができるが、ＳＰ導波路１４０及び透明ゲート１８０は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、又はＴｉを含む任意の種類の金属材料を含むことができる。図１６では、ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６は、絶縁層１２０上でＳＰ導波路１４２、１４４、１４６、及び１４８と交互に配置され、ナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６のそれぞれは、各隣接するＳＰ導波路１４２、１４４、１４６、及び１４８から離れている。
図１７は、ＳＰ導波路と接触するナノアセンブリを有する光検出器１７００の例示的な一実施形態の断面図を示している。図１７を参照すると、光検出器１７００は、交互に配置され、ＳＰ導波路１４２、１４４、１４６、及び１４８と接触するナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６を備えることがわかる。図１７に示されているようなナノアセンブリ１３２、１３４、及び１３６とＳＰ導波路１４２、１４４、１４６、及び１４８の交互配置は、入射光を受光するためのインターフェースを構成し、そこでは誘電体媒質は金属材料の間にサンドイッチ状に挟まれる。
図１８は、長波長放射を検出する光検出器を実現するための方法の例示的な一実施形態の流れ図を例示している。ブロック１８１０では、ソースとドレインが構成され、これらは、化学気相成長、フォトリソグラフィ、又はエッチング技術などのさまざまなよく知られている製造技術のいずれかを使用して製造することができる。ブロック１８２０では、ソースとドレインは、エピタキシャル成長技術などのさまざまな好適な技術のいずれかを使用してソースとドレインとの間に成長させることができる、少なくとも１つのナノアセンブリによって結合されるか、又は好適な蒸着技術によって非晶質蒸着される。コーティングを施すための例示的な技術として、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、化学気相成長法（ＣＶＤ）、又はプラズマＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）が挙げられる。
ブロック１８３０では、ＳＰ導波路の一方がナノアセンブリの第１の側に沿って配置され、ＳＰ導波路の他方が第１の側に対向するナノアセンブリの第２の側に沿って配置されるように、ＳＰ導波路が設けられ、ナノアセンブリの長手方向にナノアセンブリと並置される。図１９は、ＳＰ導波路を実現するための方法の例示的な一実施形態の流れ図である。図１０Ａ〜２０Ｃは、図１９に示されている方法を例示する一連の図である。図１９を参照すると、ブロック１９１０では、図２０Ａに示されているように、第１の反射防止層２０１０が絶縁層１２０上の光子受け入れ表面２０１２上に形成されることがわかる。一実施形態では、光子受け入れ表面２０１２は、絶縁層１２０の頂面の一部であってもよい。ブロック１０２０では、図２０Ｂに示されているように、第１の反射防止層２０１０のパターン形成を行って、その中に、２つの細長い孔２０２２及び２０２４を画成する。例えば、第１の反射防止層２０１０は、最初に２つの細長い孔２０２２及び２０２４に対応するパターンでフォトマスクを形成し、第１の反射防止層２０１０をエッチングし、次いでフォトマスクを取り除くことによってパターン形成されうる。ブロック１９３０では、図２０Ｃに示されているように、金属を２つの細長い孔２０２２及び２０２４（図２０Ｂに示されている）内に蒸着して、それぞれ、２つのＳＰ導波路２０４２及び２０４４を中に形成する。このような蒸着は、例えば、当技術分野で知られている好適なマスキング及び蒸着技術を使用することによって実行されうる。ＳＰ導波路２０４２及び２０４４は、金属エッチングなどのさまざまなよく知られている技術のいずれかを使用することによって構成することができる。
図１８を再び参照すると、ＳＰ導波路を配置した後、ブロック１８４０で、透明ゲートがナノアセンブリ及び少なくとも２つのＳＰ導波路より上に、又は実質的に頂部に配置されうることがわかる。例示的な一実施形態では、透明ゲートを配置する前に、絶縁層をナノアセンブリ及びＳＰ導波路上に置くことができる。ブロック１８５０では、透明ゲートは、ソース及びドレインのうちの少なくとも一方に実質的平行に延在するように少なくとも１つのナノアセンブリ及び少なくとも２つのＳＰ導波路に近接する形でさらに配置される。
このプロセス及び他のプロセスならびに本明細書で開示されている方法に関して、これらのプロセス及び方法で実行される機能は、異なる順序で実施することができることは理解されるであろう。さらに、概要を述べたステップ及び動作は、例としてのみ提示されており、これらのステップ及び動作のいくつかは、開示されている実施形態の本質から逸脱することなく、任意選択であるか、さらに少ないステップ及び動作にまとめられるか、又はステップ及び動作を加えて拡大することができる。
本開示は、さまざまな態様を例示するものとして意図されている、本出願において説明されている特定の実施形態に関して限定されない。本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく多くの修正及び変更を加えることができる。本開示の範囲内で機能的に同等の方法及び装置は、本明細書に列挙されているものに加えて、明らかであろう。このような修正形態及び変更形態は、付属の請求項の範囲内にあることが意図されている。本開示は、付属の請求項の対象である等価物の全範囲とともに、付属の請求項に関してのみ限定されるものとする。本開示は、もちろん変化しうる、特定の方法、試薬、化合物、組成物、又は生体系に限定されないことを理解されたい。また、本明細書で使用されている用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、限定的であることを意図されていないことは理解されるであろう。
本明細書における実質的に複数形及び／又は単数形の語の使用に関して、背景状況及び／又は用途に応じて適切に、複数形を単数形に、及び／又は単数形を複数形に変えることができることは理解されるであろう。さまざまな単数形／複数形の置き換えは、本明細書ではわかりやすくするために明示的に述べる場合がある。
一般に、本明細書で使用されている、また特に付属の請求項（例えば、付属の請求項の本文）で使用されている言い回しは、「制約のない」言い回し（例えば、「含むこと」という言い回しは、「限定はしないが、含むこと」と解釈すべきであり、「有する」という言い回しは、「少なくとも有する」と解釈すべきであり、「含む」という言い回しは、「限定はしないが、含む」と解釈すべきである、など）として一般的に意図されていることはさらに理解されるであろう。導入される請求項列挙の特定の数が意図されている場合、そのような意図は、請求項内で明示的に記載され、そのような列挙がない場合は、そのような意図は存在しないことはさらに理解されるであろう。例えば、理解の助けとして、付属の請求項に、導入句「少なくとも１つの」及び「１つ又は複数の」を入れて請求項列挙を導入することができる。しかし、英語原文において、このような語句を使用したとしても、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」による請求項列挙の導入によって、たとえその請求項が導入句「１つ又は複数の」又は「少なくとも１つの」、及び「ａ」又は「ａｎ」などの不定冠詞を含むとしても、そのような導入される請求項列挙を含む特定の請求項がそのような列挙を１つしか含まない実施形態に制限されることを意味すると解釈すべきではなく（例えば、「ａ」及び／又は「ａｎ」は、「少なくとも１つの」又は「１つ又は複数の」を意味すると解釈されるべきである）、請求項列挙を導入するために使用される定冠詞の使用についても同じことが成り立つ。それに加えて、特定の数の導入される請求項列挙が明示的に記載されるとしても、そのような列挙は、少なくとも記載されている数を意味するものと解釈すべきであると理解されるであろう（例えば、ほかに修飾語を付けずに「２つの列挙」とのみ記載されている場合は、少なくとも２つの列挙、又は２つ以上の列挙を意味する）。さらに、「Ａ、Ｂ、及びＣなどのうちの少なくとも１つ」に類似の慣用的言い回しが使用される場合、一般的に、このような構文は、この慣用的言い回しとして理解されることが意図されたものである（例えば、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、限定はしないが、Ａだけ、Ｂだけ、Ｃだけ、Ａ及びＢを一緒に、Ａ及びＣを一緒に、Ｂ及びＣを一緒に、及び／又はＡ、Ｂ、及びＣを一緒に、などを有するシステムを含む）。「Ａ、Ｂ、又はＣなどのうちの少なくとも１つ」に類似の慣用的言い回しが使用される場合、一般的に、このような構文は、この慣用的言い回しとして理解されることが意図されたものである（例えば、「Ａ、Ｂ、又はＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、限定はしないが、Ａだけ、Ｂだけ、Ｃだけ、Ａ及びＢを一緒に、Ａ及びＣを一緒に、Ｂ及びＣを一緒に、及び／又はＡ、Ｂ、及びＣを一緒に、などを有するシステムを含む）。説明中であろうと、請求項中であろうと、図面中であろうと２つ以上の代替語を示す実質的に任意の離接語及び／又は語句は、複数の語のうちの１つ、複数の語いずれか、又は両方の語を含む可能性を考えるものと理解されるべきであることはさらに理解されるであろう。例えば、語句「Ａ又はＢ」は、「Ａ」又は「Ｂ」又は「Ａ及びＢ」の可能性を含むと理解される。
それに加えて、本開示の特徴又は態様がマーカッシュグループに関して説明されている場合、本開示は、これにより、マーカッシュグループのあらゆる個別のメンバー又はメンバーのサブグループに関しても説明されることが理解される。
書面による明細書を提示することに関してなど、あらゆる目的について、本明細書で開示されているすべての範囲は、あらゆる可能な部分範囲及びそれらの部分範囲の組み合わせを包含することもさらに理解されるであろう。リストされている範囲は、同じ範囲を少なくとも２等分、３等分、４等分、５等分、１０等分などに分割することを十分に記述し、またそのように分割することを可能にする範囲であると容易に理解できる。非限定的な例として、本明細書で説明されているそれぞれの範囲は、下３分の１、中３分の１、及び上３分の１などに容易に分割できる。「最大〜まで」、「少なくとも」、及び同様の語句などのすべての言い回しは、参照されている数を含み、上で説明したようにその後いくつかの部分範囲に分割することができる範囲を指すことも理解されるであろう。最後に、範囲はそれぞれの個別のメンバーを含むことも理解されるであろう。したがって、例えば、１〜３個のセルを持つ１つのグループは、１、２、又は３個のセルを持ついくつかのグループを指す。同様に、１〜５個のセルを持つ１つのグループは、１、２、３、４、又は５個のセルを持ついくつかのグループを指す。
上記の説明から、本開示のさまざまな実施形態が例示することを目的として本明細書において説明されていること、また本開示の範囲及び精神から逸脱することなくさまざまな修正を加えることができることが理解されるであろう。したがって、本明細書で開示されているさまざまな実施形態は、制限することを意図しておらず、真の範囲及び精神は以下の請求項によって示される。
Claims (36)
- 長波長放射を検出することができる光検出器であって、
絶縁層の近位端上に配置されたソースと、
前記絶縁層の遠位端上に配置されたドレインと、
前記近位端と遠位端との間で前記ソース及び前記ドレインを結合する少なくとも１つのナノアセンブリと、
前記ソースと前記ドレインとの間に配置され、前記少なくとも１つのナノアセンブリの長手方向に前記少なくとも１つのナノアセンブリと並置された少なくとも２つの表面プラズモン導波路とを備え、
前記少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの一方は、前記少なくとも１つのナノアセンブリの第１の側に沿って配置され、前記少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの他方は、前記第１の側に対向する前記少なくとも１つのナノアセンブリの第２の側に沿って配置される、光検出器。 - 前記少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの少なくとも一方が、前記少なくとも１つのナノアセンブリと接触している、請求項１に記載の光検出器。
- 前記少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの少なくとも一方が、前記少なくとも１つのナノアセンブリから数ナノメートルから数千ナノメートルまでの範囲の距離だけ離れている、請求項１に記載の光検出器。
- 前記ナノアセンブリが、少なくとも１つのインターサブバンドを有するように構成され、当該少なくとも１つのインターサブバンドにおける電子の少なくとも１つの遷移が、光子の検出に対応する、請求項１に記載の光検出器。
- 前記光子が、約数ｍｅＶから数百ｍｅＶまでの範囲のエネルギーを有する、請求項４に記載の光検出器。
- 複数の導波路及びナノアセンブリが配置され、前記導波路の少なくともいくつかが前記ナノアセンブリの間に置かれて前記導波路と前記ナノアセンブリの交互配置を構成する、請求項１に記載の光検出器。
- 前記ソース及び前記ドレインが互いに離れている、請求項１に記載の光検出器。
- 前記少なくとも１つのナノアセンブリが、ナノワイヤ、ナノベルト、又はナノロッドのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の光検出器。
- 前記少なくとも１つのナノアセンブリが、ナノワイヤ、ナノベルト、又はナノロッドのうちの少なくとも１つのアレイを備える、請求項１に記載の光検出器。
- 前記少なくとも１つのナノアセンブリが、ＺｎＯ、Ｓｉ、及びＩｎＡｓからなる群から選択される、請求項１に記載の光検出器。
- 前記少なくとも１つのナノアセンブリのそれぞれが、互いに同じ材料から製造される、請求項１０に記載の光検出器。
- 前記少なくとも１つのナノアセンブリのそれぞれが、異なる種類の材料から製造される、請求項１に記載の光検出器。
- 前記少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの少なくとも一方が、金属材料から製造される、請求項１に記載の光検出器。
- 前記金属材料がＡｇである、請求項１３に記載の光検出器。
- 前記長波長放射が少なくとも１μｍの波長を有する、請求項１に記載の光検出器。
- 前記少なくとも１つのナノアセンブリが、約１０ｎｍから約５００ｎｍまでの範囲の幅を有する、請求項１に記載の光検出器。
- 前記少なくとも１つのナノアセンブリが、約０．５μｍから約５μｍまでの範囲の長さを有する、請求項１に記載の光検出器。
- 前記光検出器が、可視光スペクトルを検出することができ、前記光検出器が、前記少なくとも１つのナノアセンブリ及び前記少なくとも２つの表面プラズモン導波路に近接する位置に置かれ、また前記ソース及び前記ドレインのうちの少なくとも一方に実質的に平行に延在するように配置されている透明ゲートをさらに備える、請求項１に記載の光検出器。
- 前記透明ゲートが、前記ソースと前記ドレインとの間に配置される、請求項１８に記載の光検出器。
- 前記透明ゲートが、前記少なくとも１つのナノアセンブリに関して実質的に垂直に配置される、請求項１８に記載の光検出器。
- 前記ナノアセンブリが、価電子帯及び伝導帯を有するよう構成され、前記価電子帯から前記伝導帯への電子の少なくとも１つの遷移が、光子の検出に対応する、請求項１８に記載の光検出器。
- 前記少なくとも１つのナノアセンブリが、ＩＩ−ＶＩ族の半導体化合物及びＩＩＩ−Ｖ族の半導体化合物からなる群から選択される、請求項１８に記載の光検出器。
- 前記少なくとも１つのナノアセンブリが、ＣｄxＺｎ1-xＳからなり、ｘの値は、約０．５から約１．０までの範囲である、請求項１８に記載の光検出器。
- 前記少なくとも１つのナノアセンブリが、ＣｄＳｅxＳ1-xからなり、ｘの値は、約０から約０．４までの範囲である、請求項１８に記載の光検出器。
- 前記少なくとも１つのナノアセンブリが、ＣｄＳｅxＳ1-xからなり、ｘの値は、約０．６から約１．０までの範囲である、請求項１８に記載の光検出器。
- 前記透明ゲートが金属材料から製造される、請求項１８に記載の光検出器。
- 前記可視光スペクトルが、約３００ｎｍから数８００ｎｍまでの範囲の波長を有する、請求項１８に記載の光検出器。
- 前記透明ゲートが、逆電圧が印加されると、前記少なくとも１つのナノアセンブリの内部場が減少するように構成される、請求項１に記載の光検出器。
- 可視光スペクトルを検出することができる光検出器であって、
第１のスペクトル検出を実行するように構成された第１のナノアセンブリと、
第２のスペクトル検出を実行するように構成された第２のナノアセンブリと、
第３のスペクトル検出を実行するように構成された第３のナノアセンブリと、
前記第１のナノアセンブリ、前記第２のナノアセンブリ、及び前記第３のナノアセンブリによってドレインに結合されたソースと、
前記ソースと前記ドレインとの間に配置され、前記少なくとも１つのナノアセンブリの長手方向に前記少なくとも１つのナノアセンブリと並置された少なくとも２つの表面プラズモン導波路と、
前記少なくとも１つのナノアセンブリ及び前記少なくとも２つの表面プラズモン導波路に近接する位置に置かれ、また前記ソース及び前記ドレインのうちの少なくとも一方に実質的に平行に延在するように配置されている透明ゲートと、
を備え、
前記少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの一方は、前記少なくとも１つのナノアセンブリの第１の側に沿って配置され、前記少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの他方は、前記第１の側に対向する前記少なくとも１つのナノアセンブリの第２の側に沿って配置される、光検出器。 - 前記第１のナノアセンブリによって検出される色が青色である、請求項２９に記載の光検出器。
- 前記第２のナノアセンブリによって検出される色が緑色である、請求項２９に記載の光検出器。
- 前記第３のナノアセンブリによって検出される色が赤色である、請求項２９に記載の光検出器。
- 長波長放射を検出することができる光検出器を組み立てるための方法であって、
ソースとドレインとを設けるステップと、
前記ソース及び前記ドレインを少なくとも１つのナノアセンブリと結合するステップと、
少なくとも２つの表面プラズモン導波路を、前記ソースと前記ドレインとの間に配置し、前記少なくとも１つのナノアセンブリの長手方向に前記少なくとも１つのナノアセンブリと並置するステップとを含み、
前記少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの一方は、前記少なくとも１つのナノアセンブリの第１の側に沿って配置され、前記少なくとも２つの表面プラズモン導波路のうちの他方は、前記第１の側に対向する前記少なくとも１つのナノアセンブリの第２の側に沿って配置される、方法。 - 前記少なくとも１つのナノアセンブリが、エピタキシャル成長技術によって作製される、請求項３３に記載の方法。
- 基材を作製するステップと、前記基材上に絶縁層を作製するステップとを含み、前記ソース及び前記ドレインが前記絶縁層上に配置される、請求項３３に記載の方法。
- 前記光検出器が、可視光スペクトルを検出することができ、前記方法が、前記少なくとも１つのナノアセンブリ及び前記少なくとも２つの表面プラズモン導波路に近接する位置に透明ゲートを置くことをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
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