JP2013216942A

JP2013216942A - ヘテロ接合積層体及び受光素子

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Publication number: JP2013216942A
Application number: JP2012088325A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Nakajima; 敦中嶋; Takeshi Iwasa; 豪岩佐; Hiroki Kadoyama; 寛規角山; Hiromi Akatsuka; 紘己赤塚
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-04-09
Publication date: 2013-10-24

Abstract

【課題】ヘテロ接合積層体及び受光素子に関し、新規な構造で新規な特性を有するオリゴマー或いはオリゴマーと同様の結合を有するヘテロ接合積層体を提供する。
【解決手段】金属原子を内包する１６個のシリコンからなる骨格を有するアルカリ様超原子が一個分の超原子の厚さに堆積した単超原子層と、金属原子を内包する１６個のシリコンからなる骨格を有するハロゲン様超原子が一個分の超原子の厚さに堆積した単超原子層と積層して積層体とし、前記積層体の少なくとも一部において、前記積層体の積層方向において、前記アルカリ様超原子と前記ハロゲン様超原子とを結合させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヘテロ接合積層体及び受光素子に関するものであり、特に、金属原子内包ケイ素ケージ化合物を超原子（ｓｕｐｅｒａｔｏｍ）として、異なった超原子を超原子層単位で積層した新規な特性を有するヘテロ接合積層体及び受光素子に関するものである。

半導体材料として有用なケイ素は、ＰやＢ等の導電型決定不純物元素のドープによって電気特性を向上させることができる。そのため、遷移金属をドープすることによってケイ素クラスターの生成分布とは分布が変化する金属−ケイ素クラスターは興味深い研究対象である。理論や実験による研究から，金属を内包したケイ素クラスターが生成することが示され、金属内包ケイ素クラスターの顕著な生成は，主に幾何構造に由来するとされてきた。

例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）等の遷移金属を含有するシリコンクラスターの発見は、シリコンだけをベースとした材料に代わる代替材料の鍵として注目を集めている。

本発明者は、Ｓｃ，Ｖ，Ｔｉ等をドープしたシリコンクラスターの生成に成功しており、特に、１６個のシリコンの骨格の中に金属が内包されたＭ＠Ｓｉ_１６を安定して生成することに成功している（例えば、非特許文献１或いは非特許文献２参照）。

このＭ＠Ｓｉ_１６の構造としては、図１９に示すように、いくつかの対称構造が存在すると考えられるが、この内、Ｄ_４ｄ対称性を有する分子構造が最も安定であり、次いで、Ｃ_３Ｖ対称性或いはＴ_ｄ（ＦＫ）対称性を有する分子構造が安定である。

図２０は、Ｄ_４ｄ対称構造を有する分子構造の説明図であり、図２０（ａ）と図２０（ｂ）とは互いに９０°ずれた位置から見た側面図に相当する。このＭ＠Ｓｉ_１６は、図２０（ａ）の両側に示す矢印の位置の２つの四角形格子とその他の８つの五角形格子とが組み合わさったシリコン骨格を有している。

このシリコン骨格の中に金属原子Ｍを内包することで、シリコンクラスターに存在するダングリングボンドが減少するために、シリコンクラスターだけは生成しない安定なカゴ型構造となっている。

また、見方を変えると、図２０（ａ）に示した各矢印の位置でそれぞれ四角形（Ｓｉ_４）を形成していると見ることもでき、その場合には４枚の正方形に近い四角形によりシリコン骨格が構成されていることになる。なお、両側の２枚の四角形は実際にＳｉが互いに共有結合しているが、内側の二枚の四角形は四角形を構成するＳｉが直接互いに共有結合していない。

これらのＭ＠Ｓｉ_１６のうち、Ｔｉ＠Ｓｉ_１６は電気的に中性の時に、Ｔｉより３ｄ電子が１つ少ないＳｃでは負イオン（Ｓｉ_１６Ｓｃ⁻）の時に、また、Ｔｉより３ｄ電子が１つ多いＶでは正イオン（Ｓｉ_１６Ｖ^＋）の時に顕著に生成する。このＳｃ＠Ｓｉ_１６はハロゲン様の超原子と見做せ、一方、Ｖ＠Ｓｉ_１６はアルカリ様の超原子と見做せる。

ｗｗｗ．ｍｏｌｓｃｉ．ｊｐ／ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ＿ｐａｓｔ／２００４／ＢＫ２００４／Ａｂｓ／２Ｐ／２Ｐ０３２．ｐｄｆｗｗｗ．ｍｏｌｓｃｉ．ｊｐ／ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ＿ｐａｓｔ／２００５／ｐａｐｅｒｓ／３Ｂ０３＿ｗ．ｐｄｆ

しかしながら、これらの超原子を単量体（モノマー）として用いた場合には、その特性や用途が限られたものになり、機能素子の実現が困難であるという問題がある。

したがって、本発明は、金属内包した１６個のシリコンからなる骨格を有する超原子から新規な構造と新規な特性を有するオリゴマー（多量体）或いはオリゴマーと同様の結合を有するヘテロ接合積層体を提供することを目的とする。

（１）本発明は、上記の課題を解決するために、ヘテロ接合積層体において、基板上に、金属原子を内包する１６個のシリコンからなる骨格を有するアルカリ様超原子或いは金属原子を内包する１６個のシリコンからなる骨格を有するハロゲン様超原子の一方が前記超原子が一個分の超原子の厚さに堆積した単超原子層と、前記アルカリ様超原子或いはハロゲン様超原子の他方が前記超原子が一個分の超原子の厚さに堆積した単超原子層を順次積層した積層体からなり、前記積層体の少なくとも一部において、前記積層体の積層方向において、前記アルカリ様超原子と前記ハロゲン様超原子とが結合していることを特徴とする。

このように、電気的特性の異なるアルカリ様超原子とハロゲン様超原子のヘテロ接合を形成して二量体（ｄｉｍｅｒ）或いは二量体に近い構造とすることにより、分子軌道が偏在して内殻の分子軌道よりもエネルギー的に浅い所にある占有軌道はアルカリ様超原子側に偏り、一方非占有軌道はハロゲン様超原子側に偏るので、光吸収によりエネルギー的に低いアルカリ様超原子からエネルギー的に高いハロゲン様超原子への電荷移動が可能になる。

（２）また、本発明は、上記（１）において、前記アルカリ様超原子からなる単超原子層と前記ハロゲン様超原子からなる単超原子層との間に、金属原子を内包する１６個のシリコンからなる骨格を有する中性超原子が前記超原子が一個分の超原子の厚さに堆積した単超原子層を有し、前記積層体の少なくとも一部において、前記積層体の積層方向において、前記アルカリ様超原子と前記中性ハロゲン様超原子とが結合しているとともに、前記積層体の少なくとも一部において、前記積層体の積層方向において、前記中性超原子と前記ハロゲン様超原子とが結合していることを特徴とする。

このように、アルカリ様超原子からなる単超原子層とハロゲン様超原子からなる単超原子層との間に、中性超原子からなる単超原子層を挿入して三量体（ｔｒｉｍｅｒ）或いは三量体に近い構造とすることによって、占有側においても非占有側においても分子軌道の局在性を高めることができ、それによって、アルカリ様超原子とハロゲン様超原子の両側に電荷を確実に分離することが可能になる。

（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、前記アルカリ様超原子に内包される金属原子がタンタルであり、前記ハロゲン様超原子に内包される金属原子がスカンジウムであることを特徴とする。

アルカリ様超原子に内包される金属原子としては、３ｄ遷移金属であるＶ（〔Ａｒ〕（３ｄ）^３（４ｓ）^２）、４ｄ遷移金属であるＮｂ（〔Ｋｒ〕（４ｄ）^３（５ｓ）^２）或いは５ｄ遷移金属であるＴａ（〔Ｘｅ〕（５ｄ）^３（４ｆ）^１４（６ｓ）^２）が好適であるが、超原子の生成容易性の観点からＴａ（タンタル）が好適である。一方、ハロゲン様超原子の内包される金属原子としては、３ｄ遷移金属であるＳｃ（〔Ａｒ〕（３ｄ）^１（４ｓ）^２）或いは４ｄ遷移金属であるＹ（〔Ｋｒ〕（４ｄ）^１（５ｓ）^２）が好適であるが、超原子の生成容易性の観点からＳｃ（スカンジウム）が好適である。

（４）また、本発明は、上記（２）において、中性超原子に内包される金属原子としては、閉殻電子配置を取る３ｄ遷移金属であるＴｉ（〔Ａｒ〕（３ｄ）^２（４ｓ）^２）或いは閉殻電子配置を取る４ｄ遷移金属であるＺｒ（〔Ｋｒ〕（４ｄ）^２（５ｓ）^２）が好適であるが、超原子の生成容易性の観点からＴｉ（チタン）が好適である。

（５）また、本発明は、受光素子において、上記（１）乃至（４）のいずれかのヘテロ接合積層体の前記基板の表面に第１の電極層を有するとともに、前記ヘテロ接合積層体の積層表面に第２の電極層とを有し、前記第１の電極層及び前記第２の電極層の少なくとも一方が可視光に対して透明或いは半透明であることを特徴とする。

このように、ヘテロ接合積層体を少なくとも一方が可視光に対して透明或いは半透明である第１の電極層と第２の電極層とにより挟み込むことによって、光吸収により電荷の遷移が生じた場合に、電流の変化或いは電圧の変化として検出することができ、ｐｎフォトダイオード、ｐｉｎ光スイッチ素子或いは光起電力素子等として用いることが可能になる。

開示のヘテロ接合積層体及び受光素子によれば、新規な構造で新規な特性を有するオリゴマー（重合体）或いはオリゴマーと同様の結合を有するヘテロ接合積層体を提供することが可能になる。

二量体構造のヘテロ接合積層体の形成方法の説明図である。二量体の分子モデルの最適化構造である。二量体の内殻の分子軌道である。二量体の占有軌道及び非占有軌道の説明図である。二量体の状態密度の説明図である。二量体の吸収スペクトルの説明図である。二量体について計算した原子間距離とワイバーグ結合指標である。三量体構造のヘテロ接合積層体の形成方法の説明図である。三量体の分子モデルの最適化構造である。三量体の占有軌道の説明図である。三量体の非占有軌道の説明図である。三量体の状態密度の説明図である。三量体の吸収スペクトルの説明図である。三量体について計算した原子間距離とワイバーグ結合指標である。単量体（Ｔｉ＠Ｓｉ_１６）の分子軌道の説明図である。単量体の吸収スペクトルである。本発明の実施例１の受光素子の概念的断面図である。本発明の実施例２の受光素子の概念的断面図である。Ｍ＠Ｓｉ_１６の分子構造図である。Ｄ_４ｄ対称構造を有する分子構造の説明図である。

ここで、図１乃至図１６を参照して、本発明の実施の形態のヘテロ接合積層体を説明するが、まず、図１乃至図７を参照して二量体によるヘテロ接合を説明する。図１は、二量体構造のヘテロ接合積層体の形成方法を説明図であり、まず、基板１上にアルカリ様超原子２を蒸着して単超原子層３を形成する。この場合のアルカリ様超原子２は、Ｖ、Ｎｂ或いはＴａを内包した１６個のシリコンからなる骨格を有するＶ＠Ｓｉ_１６、Ｎｂ＠Ｓｉ_１６或いはＴａ＠Ｓｉ_１６を用いる。

次いで、Ｓｃ或いはＹを内包したハロゲン様超原子４を蒸着して単超原子層５を形成してヘテロ接合を形成する。この時、このヘテロ接合積層体の少なくとも一部において、アルカリ様超原子２とハロゲン様超原子４とが結合して二量体或いは二量体に近い構造を形成する。或いは、成膜後に可視光の波長帯のレーザ光を照射したり、各超原子における分子軌道間の遷移エネルギーに等しいエネルギーを有する電子線を照射してヘテロ接合を形成する。この場合も、このヘテロ接合積層体の少なくとも一部において、アルカリ様超原子２とハロゲン様超原子４とが結合して二量体或いは二量体に近い構造を形成する。なお、アルカリ様超原子２とハロゲン様超原子４の積層順序は逆でも良い。結合の態様としては、共有結合やファンデルワース結合であり、さらには、イオン結合や金属結合や配位結合でも良い。

なお、各超原子を生成するためには、例えば、真空中でＳｉと内包金属となるＭの試料棒にＹＡＧレーザの第２高調波を照射して蒸発させてＳｉとＭとを反応させた後、高圧パルスバルブから噴射させたヘリウムガスで冷却して生成する。或いは、真空中でＳｉと内包金属となるＭのディスクをマグネトロンスパッタリングして蒸発させてＳｉとＭとを反応させた後、ガスセル内でヘリウムガスで冷却して生成する。

図２は、二量体の分子モデルの最適化構造であり、構造的に最も安定なＤ_４ｄ対称構造のアルカリ様超原子２とハロゲン様超原子４とが４角形格子が互いに対向した状態で共有結合した構造になる。ここでは、図２０（ａ）に示したモノマーと同様に、４つのＳｉ原子で構成される四角形構造（Ｓｉ_４）を順に、ａ〜ｈまで番号付けしている。ここで、ａ，ｄ，ｅ，ｈに位置する４角形構造の各Ｓｉはその面内で互いに共有結合しており、一方、ｂ，ｃ，ｆ，ｇに位置する４角形構造の各Ｓｉはその面内で直接共有結合はしていない。

図３は、二量体の内殻の分子軌道であり、ここでは、内包金属をＶとＳｃにして実際に分子軌道法計算プログラムを用いた結果をしている。なお、Ｋｏｈｎ−Ｓｈａｍ密度汎関数による電子状態の計算による幾何学構造の最適化のためには、Ｂ３ＬＹＰ汎関数及びｄｅｆ−ＳＶ（Ｐ）ｂａｓｉｓｓｅｔｓを採用したプログラムＴＵＲＢＯＭＯＬＥ６．２及び６．３を用いた。構造最適化した二量体及び三量体に対する自然結合軌道（ＮＢＯ）解析と吸収スペクトルについては、６−３１Ｇ（ｄ，ｐ）ｂａｓｉｓｓｅｔｓとＣＡＭ−Ｂ３ＬＹＰ汎関数を採用したＧａｕｓｓｉａｎ０９を用いた。

図に示すように、超原子の場合にも通常の原子と同様にｓ軌道、ｐ軌道、ｄ軌道を有しており、下から順にＳ軌道、Ｐ_ｚ軌道、Ｄ_ｚ２軌道を示している。なお、左側の３つは分子軌道同士が同位相で相互作用する結合性軌道（ｂｏｎｄｉｎｇ）を表し、右側の３つは分子軌道同士が逆位相で相互作用する反結合性軌道（ａｎｔ−ｂｏｎｄｉｎｇ）を表している。

図４は二量体の占有軌道及び非占有軌道の説明図であり、左側は占有軌道であり、右側は非占有軌道である。図３に示した内殻の分子軌道よりもエネルギー的に浅い所にある占有軌道は右側のＶ＠Ｓi_１６側に偏っている。エネルギー的には上のＨＯＭＯ（ＨｉｇｈｅｓｔＯｃｃｕｐｉｅｄＭｏｌｅｃｕｌａｒＯｒｂｉｔａｌ）から順に、ＨＯＭＯ−１、ＨＯＭＯ−２へと低くなっている。

一方、非占有軌道は左側のＳｃ＠Ｓｉ_１６側に偏っている。エネルギー的には上のＬＵＭＯ（ＬｏｗｅｓｔＵｎｏｃｃｕｐｉｅｄＭｏｌｅｃｕｌａｒＯｒｂｉｔａｌ）から順に、ＬＵＭＯ＋１、ＬＵＭＯ＋2へと高くなっている。

したがって、占有軌道のいずれかと非占有軌道のいずれかとの間のエネルギー差に等しいエネルギーの光が入射した場合に、光が吸収されてＶ＠Ｓｉ_１６側からＳｃ＠Ｓｉ_１６側へ電荷の移動が生ずることになる。この電荷の移動を電流或いは電圧の変化として検出すれば受光素子として動作することになる。なお、受光素子とする場合には、ヘテロ接合積層体の表裏にＩＴＯ等の透明電極を成膜しても良いし、或いは、平坦な金属プレートで表裏からヘテロ接合積層体を押さえ付けるようにしても良い。

図５は、二量体の状態密度の説明図であり、ここでは、Ｖ＠Ｓｉ_１６とＳｃ＠Ｓｉ_１６の分子軌道のエネルギーと状態密度の相関を表したものである。右側に行くほどエネルギー的に浅くなっている。ここでは、まず、マリケン密度解析（Ｍｕｌｌｉｋｅｎｐｏｐｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ）を実行し、ｐ（ｉ）で表記されるＶ＠Ｓｉ_１６の軌道ｉの密度を計算する。この値とｋ番目の吸収ピーク強度Ｉ（ｋ）を用いてＶ＠Ｓｉ_１６における電荷の増減をそれぞれ、ｐ_{ｉｎｃｒｅａｓｅ}＝Σ_ａｐ（ａ）（ｘ_ｉ ^ａ）^２とｐ_{ｄｅｃｒｅａｓｅ}＝Σ_ｉｐ（ｉ）（ｘ_ｉ ^ａ）^２として表わす。なお、ｉ，ｊ・・・は占有軌道を表し、a，ｂ・・・は非占有軌道を表す。なお、系数ｘ_ｉ ^ａは、Ｋｏｈｎ−Ｓｈａｍ軌道における占有軌道ｉから非占有軌道ａへの遷移を意味し、これらの係数の二乗の総和が１になるように規格化したものである。

Ｖ＠Ｓｉ_１６における電荷の全体として増加は、ｐ_{ｉｎｃｒｅａｓｅ}−ｐ_{ｄｅｃｒｅａｓｅ}として計算する。なお、この値が負の場合には、Ｓｃ＠Ｓｉ_１６の電荷が増加したことを意味する。最後に、得られた値を上記のＩ（k）と掛け合わせて、シミュレーションを行った紫外−可視帯域の吸収スペクトルに重ねてプロットした。

図６は、二量体の吸収スペクトルの説明図であり、左側は太い実線で示したのが上述のように計算した吸収スペクトルであり、その内部に書き込んだベタ塗りの波形がＶ＠Ｓｉ_１６側からＳｃ＠Ｓｉ_１６側へ電荷移動と、逆にＳｃ＠Ｓｉ_１６側からＶ＠Ｓｉ_１６側へ電荷移動を示している。なお、この場合の吸収スペクトルは計算により得た吸収線スペクトルをローレンツ関数により畳み込んだものである。

図から明らかなように、可視光領域でヘテロ接合において光吸収が生じた場合には、主に、Ｖ＠Ｓｉ_１６側からＳｃ＠Ｓｉ_１６側へ電荷移動が生ずることを意味する。このことは、図４において、占有軌道がＶ＠Ｓｉ_１６側に偏り、非占有軌道がＳｃ＠Ｓｉ_１６側に偏っていることに対応する。

図７は、二量体について計算した原子間距離〔Å〕とワイバーグ結合指標（Ｗｉｂｅｒｇｂｏｎｄｉｎｄｉｃｅｓ）であり、ワイバーグ結合指標は括弧内に示している。なお、図におけるＳｉ_ａ等のサフィックスａは、図２に示した四角形構造（Ｓｉ_４）の位置を表している。

次に、図８乃至図１４を参照して三量体によるヘテロ接合を説明する。図８は、三量体構造のヘテロ接合積層体の形成方法を説明図であり、まず、基板１上にアルカリ様超原子２を蒸着して単超原子層３を形成する。この場合のアルカリ様超原子２は、Ｖ、Ｎｂ或いはＴａを内包した１６個のシリコンからなる骨格を有するＶ＠Ｓｉ_１６、Ｎｂ＠Ｓｉ_１６或いはＴａ＠Ｓｉ_１６用いる。

次いで、Ｔｉ或いはＺｒを内包する中性超原子６を蒸着して単超原子層７を形成したのち、Ｓｃ或いはＹを内包するハロゲン様超原子４を蒸着して単超原子層５を形成してヘテロ接合を形成する。この時、このヘテロ接合積層体の少なくとも一部において、アルカリ様超原子２と中性超原子７とが結合するとともに、中性超原子７とハロゲン様超原子４とが結合して直線状の三量体或いは三量体に近い構造を形成する。或いは、成膜後に可視光の波長帯のレーザ光を照射したり、各超原子における分子軌道間の遷移エネルギーに等しいエネルギーを有する電子線を照射してヘテロ接合を形成する。この場合も、このヘテロ接合積層体の少なくとも一部において、アルカリ様超原子２と中性超原子７とが結合するとともに、中性超原子７とハロゲン様超原子４とが結合して直線状の三量体或いは三量体に近い構造を形成する。なお、各超原子の積層順序は逆でも良い。結合の態様としては、共有結合やファンデルワース結合であり、さらには、[Ｔａ＠Ｓｉ_１６]^＋・・・[Ｓｃ＠Ｓｉ_１６]⁻等のイオン結合や、金属結合や配位結合でも良い。

図９は、三量体の分子モデルの最適化構造であり、構造的に最も安定なＤ_４ｄ対称構造のアルカリ様超原子２、中性超原子６及びハロゲン様超原子４とが４角形格子が互いに対向した状態で共有結合した構造になる。ここでも４つのＳｉ原子で構成される四角形構造（Ｓｉ_４）を順に、ａ〜ｌまで番号付けしている。ここで、ａ，ｄ，ｅ，ｈ，ｉ，ｌに位置する４角形構造の各Ｓｉはその面内で互いに共有結合しており、一方、ｂ，ｃ，ｆ，ｇ，ｊ，ｋに位置する４角形構造の各Ｓｉはその面内で直接共有結合はしていない。

図１０は、三量体の占有軌道の説明図であり、エネルギー的には右上のＨＯＭＯから順に、ＨＯＭＯ−１、ＨＯＭＯ−２・・・ＨＯＭＯ−５へと低くなっている。図から明らかにように、Ｔｉ＠Ｓｉ_１６を挿入したことにより、右側のＶ＠Ｓｉ_１６側に局在した分子軌道が一つ増えて四つになっている。

図１１は、三量体の非占有軌道の説明図であり、エネルギー的には右下のＬＵＭＯから順に、ＬＵＭＯ＋１、ＬＵＭＯ＋2・・・ＬＵＭＯ＋５へと高くなっている。この場合も、Ｔｉ＠Ｓｉ_１６を挿入したことにより、左側のＳｃ＠Ｓｉ_１６側に局在した分子軌道が二つ増えて五つになっている。

このように、Ｔｉ＠Ｓｉ_１６を挿入したことにより、分子軌道の局在性を高めることができ、言い換えれば双極子モーメントが大きくなったことを意味している。このことは、半導体におけるｐｉｎ接合が形成されたのと同様であり、絶縁層であるＴｉ＠Ｓｉ_１６により電荷の分離ができている。

図１２は,三量体の状態密度の説明図であり、ここでは、Ｖ＠Ｓｉ_１６、Ｔｉ＠Ｓｉ_１６及びＳｃ＠Ｓｉ_１６の分子軌道のエネルギーと状態密度の相関を表したものである。右側に行くほどエネルギー的に浅くなっている。

図１３は、三量体の吸収スペクトルの説明図であり、左側は太い実線で示したのが計算した吸収スペクトルであり、その内部に書き込んだベタ塗りの波形がＶ＠Ｓｉ_１６側からＳｃ＠Ｓｉ_１６側へ電荷移動を示している。なお、Ｓｃ＠Ｓｉ_１６側からＶ＠Ｓｉ_１６側への逆方向の電荷移動はなく、完全に一方向になっている。

図１４は、三量体について計算した原子間距離〔Å〕とワイバーグ結合指標（Ｗｉｂｅｒｇｂｏｎｄｉｎｄｉｃｅｓ）であり、ワイバーグ結合指標は括弧内に示している。なお、図におけるＳｉ_ａ等のサフィックスａは、図８に示した四角形格子（Ｓｉ_４）の位置を表している。

図１５は、単量体（Ｔｉ＠Ｓｉ_１６）の分子軌道の説明図であり、エネルギーの並びは深い方から順にＨＯＭＯ−５＜ＨＯＭO−４＜・・・ＨＯＭO−１＜ＨＯＭＯ＜ＬＵＭＯ＜ＬＵＭＯ＋＜・・・＜ＬＵＭＯ＋５となる。ここで、図において矢印で示したＬＵＭO＋１，ＬＵＭＯ＋２，ＬＵＭＯ＋４，ＬＵＭＯ＋５の４つがオリゴマーの結合方向、即ち、四角形格子の対向方向に伸びた軌道の形をしている。したがって、光照射によって、これらの矢印で示した軌道へと選択的に励起することで図２或いは図８に示した二量体或いは三量体の形成が容易になる。

図１６は、単量体の吸収スペクトルであり、太い実線は吸収スペクトルであり、吸収スペクトル内の濃いベタ波形は図１５に示した分子軌道への遷移を示しており、薄い波形は吸収線スペクトルである。なお、太い実線は吸収スペクトルは吸収線スペクトルをローレンツ関数により畳み込んだものである。

図から明らかなように、１ｅＶ〜３ｅＶのエネルギー帯に上記の分子軌道への遷移が大部分を占める光吸収を示している。したがって、これらの波長帯の光を複数種の単量体を積層した表面に照射することで共有結合を誘起してヘテロ接合とすることが可能である。

次に、図１７を参照して、本発明の実施例１の受光素子を説明する。図１７は、本発明の実施例１の受光素子の概念的断面図であり、ガラス基板１１上にＩＴＯ膜１２を堆積した成膜基板を用意する。次いで、マグネトロンスパッタリング法を用いてＴａ＠Ｓｉ_１６からなる単超原子層１３とＳｃ＠Ｓｉ_１６からなる単超原子層１４を順次積層する。

次いで、図１６に示した単量体の分子軌道の遷移が大部分を示す吸収スペクトルに合致した波長のレーザ光を照射して、Ｔａ＠Ｓｉ_１６とＳｃ＠Ｓｉ_１６とを共有結合して二量体を形成する。最後に、単超原子層１４の表面に再びＩＴＯ膜１５を成膜することによって受光素子となる。

このように、本発明の実施例１においては、新規な二量体を用いて受光素子を構成することができる。また、この受光素子は個々の二量体がそれぞれ受光素子要素となるので、１個のフォトン等の微弱な光に反応するナノクラスタサイズの受光素子を構成することが可能になる。

次に、図１８を参照して、本発明の実施例２の受光素子を説明する。図１８は、本発明の実施例２の受光素子の概念的断面図であり、ガラス基板１１上にＩＴＯ膜１２を堆積した成膜基板を用意する。次いで、マグネトロンスパッタリング法を用いてＴａ＠Ｓｉ_１６からなる単超原子層１３、Ｔｉ＠Ｓｉ_１６からなる単超原子層１６及びＳｃ＠Ｓｉ_１６からなる単超原子層１４を順次積層する。

次いで、図１６に示した単量体の分子軌道の遷移が大部分を示す吸収スペクトルに合致した波長のレーザ光を照射して、Ｔａ＠Ｓｉ_１６とＴｉ＠Ｓｉ_１６及びＴｉ＠Ｓｉ_１６とＳｃ＠Ｓｉ_１６とを共有結合して直線状の三量体を形成する。最後に、単超原子層１４の表面に再びＩＴＯ膜１５を成膜することによって受光素子となる。

このように、本発明の実施例２においても、新規な三量体を用いて受光素子を構成することができる。また、この受光素子は個々の三量体がそれぞれ受光素子要素となるので、１個のフォトン等の微弱な光に反応するナノクラスタサイズの受光素子を構成することが可能になる。さらに、この実施例２においては、中間に絶縁性のＴｉ＠Ｓｉ_１６からなる単超原子層１６を挟んでいるので、耐圧が高くなり、リーク電流を低減することができる。

１基板
２アルカリ様超原子
３単超原子層
４ハロゲン様超原子
５単超原子層
６中性超原子
７単超原子層
１１ガラス基板
１２ＩＴＯ膜
１３単超原子層
１４単超原子層
１５ＩＴＯ膜
１６単超原子層

Claims

基板上に、金属原子を内包する１６個のシリコンからなる骨格を有するアルカリ様超原子或いは金属原子を内包する１６個のシリコンからなる骨格を有するハロゲン様超原子の一方が前記超原子が一個分の超原子の厚さに堆積した単超原子層と、前記アルカリ様超原子或いはハロゲン様超原子の他方が前記超原子が一個分の超原子の厚さに堆積した単超原子層とを順次積層した積層体からなり、
前記積層体の少なくとも一部において、前記積層体の積層方向において、前記アルカリ様超原子と前記ハロゲン様超原子とが結合していることを特徴とするヘテロ接合積層体。
前記アルカリ様超原子からなる単超原子層と前記ハロゲン様超原子からなる単超原子層との間に、金属原子を内包する１６個のシリコンからなる骨格を有する中性超原子が前記超原子が一個分の超原子の厚さに堆積した単超原子層を有し、
前記積層体の少なくとも一部において、前記積層体の積層方向において、前記アルカリ様超原子と前記中性ハロゲン様超原子とが結合しているとともに、
前記積層体の少なくとも一部において、前記積層体の積層方向において、前記中性超原子と前記ハロゲン様超原子とが結合していることを特徴とする請求項１に記載のヘテロ接合積層体。
前記アルカリ様超原子に内包される金属原子がタンタルであり、
前記ハロゲン様超原子に内包される金属原子がスカンジウムであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヘテロ接合積層体。
前記中性超原子に内包される金属原子がチタンであることを特徴とする請求項２に記載のヘテロ接合積層体。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のヘテロ接合積層体の前記基板の表面に第１の電極層を有するとともに、前記ヘテロ接合積層体の積層表面に第２の電極層とを有し、
前記第１の電極層及び前記第２の電極層の少なくとも一方が可視光に対して透明或いは半透明であることを特徴とする受光素子。