JP2014229779A - 光検出器 - Google Patents
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Abstract
【課題】容易に製作でき、入射角に依存することなく赤外線領域の光をも高感度で検出できる光検出器を提供する。
【解決手段】凸部を有する有機半導体２０と、有機半導体２０上に付加され、検出光の照射により電子が励起される局在プラズモン共鳴及び表面プラズモン共鳴の少なくとも一方のプラズモン共鳴を促進する金属層３０と、金属層３０に接合され、プラズモン共鳴により励起される電子を金属層３０との接合部４０ａにおいて通過させる半導体４０と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】凸部を有する有機半導体２０と、有機半導体２０上に付加され、検出光の照射により電子が励起される局在プラズモン共鳴及び表面プラズモン共鳴の少なくとも一方のプラズモン共鳴を促進する金属層３０と、金属層３０に接合され、プラズモン共鳴により励起される電子を金属層３０との接合部４０ａにおいて通過させる半導体４０と、を備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、光検出器に関するものである。
近年、光検出器として、量子井戸構造を有するもの（例えば、非特許文献１参照）、量子井戸の代わりに金属（Ａｕ)／半導体材料(Ｇｅ)を用いた赤外光吸収体（メタマテリアル型）を有するもの（例えば、非特許文献２参照）、シリコンを用いた金属半導体接合を利用したもの（例えば、非特許文献３参照）、表面プラズモン共鳴を発生させるアンテナ層を備えるもの（例えば、特許文献１参照）、などが提案されている。
Altin, E., M. Hostut, and Y. Ergun. "Dark current and optical properties in asymmetric GaAs/AlGaAs staircase-like multi quantum well structure." Infrared Physics & Technology (2013)
Yanxia Cui, Kin Hung Fung,Jun Xu, Hyungjin Ma,Yi Jin, Sailing He,and Nicholas X. Fang, "Ultrabroadband Light Absorption by a Sawtooth Anisotropic Metamaterial Slab",Nano letters,Vol.12,No.3,pp.1443〜1447 (2012)
Casalino, M.; Sirleto, L.; Moretti, L. & Rendina, "A silicon compatible resonant cavity enhanced photodetector working at 1.55 μm.", Semicond. Sci. Technol.,Vol.23,No.7,pp.075001(2008)
しかしながら、非特許文献１に開示の光検出器は、化合物半導体を使用するため、シリコンプロセスとの親和性に欠けるものである。つまり、化合物半導体の材料制御は、きめ細かく、かつ、高温で行う必要があるため、真空チャンバー内のコンタミネーション（汚染物）が存在すると、汚染物の拡散により材料の組成が変化し、所望の材料が得られないことになる。そのため、シリコンデバイスに、これらの光検出器を製膜等のプロセスを用いてインテグレーションするのは困難となることが想定される。したがって、シリコンデバイスを用いて量子井戸を形成することを考えると、結晶シリコンとアモルファスシリコンとの積層作成は、通常の蒸着プロセスでは理論上不可能とある。その理由は、結晶シリコンを得るには、アモルファスシリコンを高温でアニールして再結晶化するプロセスが必要となるからである。
非特許文献２に開示の光検出器は、金属のプラズモニックな共鳴を利用して、赤外光を吸収するものであるが、作製が困難であることが想定される。その理由としては、上述した金属のコンタミネーションの問題があることが挙げられる。
非特許文献３に開示の光検出器は、シリコンを用いた金属半導体接合を利用するので、非特許文献１、２に開示の光検出器と比較して、容易に作製することが可能である。しかしながら、シリコンは赤外線領域の光の検出感度が低いため、検出光の波長が制限されることになる。
特許文献１に開示の光検出器は、アンテナ層で発生する表面プラズモン共鳴により、アンテナ層の貫通孔から近接場光を出力させ、その近接場光を貫通孔部分の受光面を介して受光層で受光するものである。したがって、かかる光検出器によると、所望の波長の光により表面プラズモン共鳴が生じるようにアンテナ層を適切に構成することで、赤外線領域の光をも検出することが可能となる。しかしながら、かかる光検出器においては、アンテナ層がグレーティング構造からなるため、検出感度に入射角依存性を有することになり、広範囲の入射角に亘って安定した検出感度が得られないことになる。
したがって、上述した観点に鑑みてなされた本発明の目的は、容易に製作でき、入射角に依存することなく赤外線領域の光をも高感度で検出できる光検出器を提供することにある。
上記目的を達成する本発明に係る光検出器は、
凸部を有する有機半導体と、
前記有機半導体上に付加され、検出光の照射により電子が励起される局在プラズモン共鳴及び表面プラズモン共鳴の少なくとも一方のプラズモン共鳴を促進する金属層と、
前記金属層に接合され、前記プラズモン共鳴により励起される電子を前記金属層との接合部において通過させる半導体と、
を備える。
かかる構成によると、プラズモン共鳴によって励起される電子が多くなることから検出感度の向上が図れる。また、有機半導体を容易に製作でき、入射角に依存することなく赤外線領域の光をも高感度で検出することが可能となる。
凸部を有する有機半導体と、
前記有機半導体上に付加され、検出光の照射により電子が励起される局在プラズモン共鳴及び表面プラズモン共鳴の少なくとも一方のプラズモン共鳴を促進する金属層と、
前記金属層に接合され、前記プラズモン共鳴により励起される電子を前記金属層との接合部において通過させる半導体と、
を備える。
かかる構成によると、プラズモン共鳴によって励起される電子が多くなることから検出感度の向上が図れる。また、有機半導体を容易に製作でき、入射角に依存することなく赤外線領域の光をも高感度で検出することが可能となる。
前記金属層を含む凸部の高さは、前記検出光の波長以下の寸法で、該凸部の太さの最大寸法が前記検出光の波長以下の寸法とするとよい。これにより、プラズモン共鳴をより効率よく促進させることが可能となる。
前記半導体は、有機半導体としてもよい。これにより、金属層との接合部のショットキー障壁のチューニングが可能となることから、障壁を乗り越えられる電子量を多くでき、感度の向上が図れるとともに、感度帯域のチューニングも可能となる。
さらに、前記半導体を支持する基板を備えるとよい。これにより、種々の実装が可能となる。
前記基板は、半導体基板としてもよい。これにより、シリコンなどの汎用性の高い基板を用いることができ、コストダウンが図れるとともに、集積化が容易にでき、応用性を広げることが可能となる。
前記基板は、導電性基板としてもよい。これにより、ＩＴＯ／ＰＥＴ、ＩＴＯ／ポリイミド、アルミホイルなどのフレキシブルな導電性基板を用いることができ、フレキシブルな光検出器を実現することが可能となる。
前記基板は、絶縁性基板としてもよい。これにより、ガラスなどの絶縁性基板上に表面実装でき、応用性の拡大が図れる。
前記半導体は、無機半導体であってもよい。これにより、プラズモン共鳴による光吸収を促す作用を実現することができる。
前記金属層を含む凸部の高さは、２０ｎｍ以上とするとよい。これにより、凸部のない光検出器と比較して、約６倍の検出感度向上を実現できる。
前記金属層を含む凸部の高さは、５０ｎｍ以上とするとよい。これにより、凸部のない光検出器と比較して、一桁以上の検出感度向上を実現できる。
前記金属層は、凸部と該凸部に隣接する凹部とを有する凹凸構造であって、
前記凹凸構造の凸部の高さは、前記検出光の波長以下の寸法で、かつ該凸部の太さの最大寸法が前記検出光の波長以下の寸法であってもよい。
前記凹凸構造の凸部の高さは、前記検出光の波長以下の寸法で、かつ該凸部の太さの最大寸法が前記検出光の波長以下の寸法であってもよい。
前記金属層を含む凸部は、任意の形状に湾曲又は屈曲して形成されてもよい。これによい、製作がより容易になる。
前記有機半導体は、フタロシアニン系、チオフェン系、Ａｌｑ３のいずれかとしてもよい。
前記金属層は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｇのいずれかとしてもよい。
前記半導体は、フタロシアニン系、チオフェン系、Ａｌｑ３、シリコンのいずれかとしてもよい。
本発明によれば、容易に製作でき、入射角に依存することなく赤外線領域の光をも高感度で検出できる光検出器を得ることができる。
先ず、本発明に係る光検出器の原理について説明する。
図１は、本発明に係る光検出器の原理的構成を示す断面図である。本発明に係る光検出器１０は、有機半導体２０と、金属層３０と、半導体４０とを備える。有機半導体２０は、半導体４０上に凸状に複数形成されて、半導体４０とともに凸部と該凸部に隣接する凹部とを有する凹凸構造を構成する。金属層３０は、凹凸構造の有機半導体２０及び半導体４０上に付加されて、検出光の照射により局在プラズモン共鳴及び表面プラズモン共鳴の少なくとも一方のプラズモン共鳴を促進する。したがって、金属層３０を含む凹凸構造の凸部の高さｈ、つまり金属層３０の凸部と凹部との垂直方向の幅は、検出光の波長以下の寸法で、かつ凸部の太さ、つまり凸部の伸直方向（高さ方向）と直交する平面内における最大寸法ｄは検出光の波長以下となっている。なお、凸部の高さｈは、検出波長の１／１０〜１／５がより好ましい。この場合には、局在プラズモンを効率よく励起させることができる（例えば、J. J. Mock, M. Barbic, D. R. Smith, D. A. Schultz, and S. Schultz, “Shape effects in plasmon resonance of individual colloidal silver nanoparticles”,J. Chem. Phys. 116, 6755 (2002)参照）また、凸部は、円柱状、角柱状等の任意の形状で、規則的に形成されていても、不規則に林立して形成されていてもよい。
半導体４０は、有機半導体又は無機半導体で構成され、金属層３０でのプラズモン共鳴により励起される電子を金属層３０との接合部４０ａにおいて通過させる。なお、半導体４０は、好ましくは基板上に支持される。
図２（ａ）〜（ｄ）は、図１の光検出器１０の作用を説明するための図である。先ず、図２（ａ）に示すように、凹凸構造の金属３０に光が入射すると、入射光の波長と凹凸構造の大きさとが整合して、局在プラズモン共鳴及び／又は表面プラズモン共鳴が生じる。これにより、図２（ｂ）に示すように、金属層３０の電子が励起される。このプラズモン共鳴によって励起され電子の量は、プラズモン共鳴が励起されない場合、つまり入射光が全反射される場合と比較して多い。
金属層３０に励起された電子は、図２（ｃ）に示すように、金属層３０と半導体４０との接合部４０ａを通過する。ここで、接合部４０ａには、金属と半導体との接触により電界が形成されているので、励起された電子は、接合部４０ａの金属／半導体のショットキー障壁を乗り越えられた電子が拡散電流として流れる。したがって、図２（ｄ）に示すように、半導体４０に流れる電流を電流計等の電流検出部５０で検知することにより、入射光を検出することができる。なお、接合部４０ａにおける金属／半導体界面の電界を急峻にするために、接合部４０ａに電位を印加してもよい。図３は、光検出器１０における入射光の波長と検出電流との関係を示す図である。
図１に示した光検出器１０によると、有機半導体３０を用いるので、製作及び集積化が容易にできる。また、凹凸構造のサイズを適切に設定することにより、図３の吸収波長λｍを変更できるので、光検出波長のチューニングが可能となる。また、図２（ｃ）において、金属層３０に励起された電子は、接合部４０ａの障壁を乗り越えるので、障壁をチューニングすることにより、検出する光の波長帯域（図３のλｅ）をチューニングすることができる。特に、半導体４０を有機半導体で構成する場合は、無機半導体で構成する場合よりも材料の選択性が多いので、障壁を制御し易い効果がある。有機半導体３０を凸状（柱状）に形成することから、入射角に依存することなく赤外線領域の光をも高感度で検出することが可能となる。
ここで、上述した光検出器１０を構成する有機半導体２０、金属層３０及び半導体４０、並びに半導体４０を支持する基板としては、例えば、表１に示す材料から任意の組み合わせが可能であるが、これに限定されるものではない。例えば、有機半導体２０は、ＣｕＰｃに限らず、他のフタロシアニン系で構成したり、チオフェン系やＡｌｑ３で構成したりしてもよい。
表１において、例えば、金属層３０をＡｌ、有機半導体２０をＣｕＰｃ、半導体４０及び基板をシリコンとした場合、Ａｌの仕事関数（４．１ｅＶ）と、シリコンの電子親和力（４．１５ｅＶ）との差が障壁高さ（０．０５ｅＶ）となるため、検出光の波長λは、λ＝２０μｍ以下となる。さらに、表1の選択を最適化し、障壁高さを小さくすることにより、検出光の波長を大きくしてもよい。
以下、本発明の実施例について説明する。なお、以下の実施例においては、光検出器を表２に示す材料で構成するものとする。
（実施例１）
図４は、実施例１に係る光検出器の概略構成を示す断面図である。図４の光検出器６０は、無機半導体であるシリコン基板７０の表面に、図１の有機半導体２０及び半導体４０を構成するＰＴＣＤＡ／ＣｕＰｃからなる有機半導体部８０が形成され、この有機半導体部８０の凹凸構造の表面に図１の金属層３０を構成するＡｕ層９０が形成されている。また、シリコン基板７０の裏面には、出力電流を取り出すためのＡｌ層１００が形成されている。
図４は、実施例１に係る光検出器の概略構成を示す断面図である。図４の光検出器６０は、無機半導体であるシリコン基板７０の表面に、図１の有機半導体２０及び半導体４０を構成するＰＴＣＤＡ／ＣｕＰｃからなる有機半導体部８０が形成され、この有機半導体部８０の凹凸構造の表面に図１の金属層３０を構成するＡｕ層９０が形成されている。また、シリコン基板７０の裏面には、出力電流を取り出すためのＡｌ層１００が形成されている。
図４の光検出器６０において、凹凸構造のＡｕ層９０に光が入射すると、局在プラズモン共鳴及び／又は表面プラズモン共鳴が生じて、Ａｕ層９０の電子が励起される。Ａｕ層９０で励起された電子は、Ａｕ層９０と有機半導体部８０との接合部８０ａのショットキー障壁を乗り越えて有機半導体部８０に注入され、シリコン基板７０を経てＡｌ層１００から取り出される。
図５及び図６は、図４の光検出器６０の製造方法の一例を説明するための工程図である。先ず、図５（ａ）に示すように、面方位＜１００＞、比抵抗ρ＝４０Ωｃｍのｎ型単結晶のシリコン基板７０の表面に、二種類の有機半導体（ＰＴＣＤＡ／ＣｕＰｃ）を、それぞれ例えば３ｎｍに相当する厚さに蒸着した。ＰＴＣＤＡは、凸部を形成するＣｕＰｃが成長する部位を同定する役割を果たすものである。その後、シリコン基板７０を８０℃〜２３０℃で１時間加熱して、図５（ｂ）に示すように、ＣｕＰｃを結晶成長させて凹凸構造を有する有機半導体部８０を形成した。なお、図５（ｂ）では、凹凸構造の凹部のシリコン基板７０上に形成されるＣｕＰｃの図示を省略している。
次に、真空蒸着装置（真空度＝１．０×１０−４Ｐａ）により、図６（ａ）に示すように、有機半導体部８０の凹凸構造の表面にＡｕを蒸着してＡｕ層９０を形成した。そして、最後に、真空蒸着装置（真空度＝４．０×１０−２Ｐａ）により、シリコン基板７０の裏面にＡｌを蒸着してＡｌ層１００を形成し、光検出器６０を完成させた。
図７は、上述したようにして作製された光検出器６０の電子顕微鏡画像を示すもので、（ａ）は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による光検出器６０の凹凸構造の表面像を示し、（ｂ）は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による光検出器６０の断面像を示す。なお、図７は、シリコン基板７０を２００℃で１時間加熱してＣｕＰｃを結晶成長させて有機半導体部８０を形成した場合の光検出器６０の電子顕微鏡画像である。
図７（ａ）から明らかなように、光検出器６０の表面には、ナノサイズの凸部が林立していることが分かる。また、図７（ｂ）から明らかなように、有機半導体部８０の凸部を取り囲むように、Ａｕ層９０が成膜されていることが分かる。さらに、図７（ｂ）から明らかなように、Ａｕ層９０とシリコン基板７０とは直接接しておらず、これらの間には有機半導体部８０を構成する有機半導体層が１０ｎｍ以下の厚さで介在していることが分かる。また、光検出器６０の凹凸構造の凸部の高さすなわち凹部の深さは、５０ｎｍ以上であることが分かる。なお、シリコン基板７０を１１０℃で１時間加熱してＣｕＰｃを結晶成長させて有機半導体部８０を形成し、同様にして光検出器６０を作成して観察したところ、この場合の光検出器６０の凹凸構造の凸部の高さは、２０ｎｍ以上であることが分かった。
次に、本実施例に係る光検出器６０によるプラズモン吸収作用について、本発明者らが行った検証について説明する。この検証は、汎用物理シミュレーションソフトである「COMSOL Multiphysics」（商品名）を用い、凹凸構造の電磁界シミュレーションを試みたものである。つまり、Ａｕの凸部が林立している基板上に光を照射し、近赤外領域に吸収ピークが存在するかを確認したものである。
図８に計算モデルと電界強度分布の計算結果との解析写真を示す。計算モデルは、シリコン基板上に厚さ５０ｎｍのＡｕ薄膜が蒸着されており、中央部に幅５０ｎｍ、高さｈｎｍのＡｕの凸部が立っている構造である。簡単のため、有機半導体は計算から除外した。境界条件として、凸部側面方向に周期境界条件を適用したので、図８の場合であれば、Ａｕ薄膜上に５００ｎｍピッチで平面を埋め尽くすように凸部が林立している構造となる。ここでは、凸部の高さｈ及び凸部のピッチに対して、上面側から垂直にＴＭ（Transverse Magnetic）波を入射して、反射率Ｒ及び透過率Ｔから１−Ｔ−Ｒ計算によって基板表面による吸収率を計算した。
図９は、この場合の異なる高さｈに対する吸収率スペクトルを示す図である。図９から、ｈ＝１５０ｎｍ〜２５０ｎｍの凸部が、赤色可視光領域から１５００ｎｍの波長領域において、シングルピークの共鳴点で吸収が増大していることが判明した。なお、図９における凸部のピッチは４００ｎｍに対応している。
この結果は、凹凸構造の形状が、吸収波長（図３のλｍ）を決定することを示している。また、図８から、共鳴が生じているときに凸部周囲に電界強度分布が生じているのが認められ、ダイポール的なプラズモンモードが励起されていることが示唆される。実際に吸収ピークにおける振動がダイポール的な応答かを調べるために、電界強度分布をベクトル表示して解析した。
図１０は、電界強度分布を示す解析写真である。図１０から、凸部の先端を起点とする電界が、基板表面に垂直に入射して終端していることがわかった。これは、凸部がＡｕ薄膜表面から直立して形成されているため、基板内部の鏡像の位置に負電荷が誘起され、これにより上半分のダイポール状の電界強度分布が形成される可能性がある。
図１１は、この場合の電流分布を可視化した解析写真である。図１１から、電流が凸部の先端部に向かって流れていることがわかる。これにより、凸部先端の電荷密度が上昇していることが示唆された。
以上の解析により、共鳴時においては凸部先端に電荷分布が発生し、ダイポール状のプラズモンモードが励起されていることが分かった。したがって、本実施例に係る光検出器６０は、光吸収・検出が表面構造のプラズモン共鳴によって促進されている可能性がある。
また、本発明者らは、光検出器６０の効果を確認するために、その電気的特性を取得した。まず、光検出器６０のＡｕ層９０を正極、ｎ型のシリコン基板７０側を負極にとって、電流・電圧特性を取得した。その結果を図１２（ａ）に示す。図１２（ａ）において、実施例１−１は、シリコン基板７０を２００℃で加熱して凹凸構造の有機半導体部８０を形成した光検出器６０を示す。また、実施例１−２は、シリコン基板７０を１１０℃で加熱して凹凸構造の有機半導体部８０を形成した光検出器６０を示す。なお、図１２（ａ）には、参照用のデバイスとして、凹凸構造のないＡｕ／ｎ型シリコン接合からなる参照ダイオード（Ａｕの厚さは５０ｎｍ）の測定結果も示している。
図１２（ａ）の結果から、順方向に流れるキャリアは電子であることが言える(Sze S M 1981 Physics of Semiconductor Devices 2nd edn (NewYork: Wiley)参照)。また、これらのダイオードの寄生抵抗Ｒｓ、ショットキー障壁高さΦｂ及びｎ値を求めることは、ダイオードの特長を知る上で重要である。特にショットキー障壁高さΦｂについては、赤外光センサの検出帯域を決定する重要なパラメータである。そこで、これらのパラメータを求めた。その結果を表３に示す。なお、パラメータは、「Guirong Liang, Tianhong Cui , Kody Varahramyan,” Fabrication and electrical characteristics of polymer-based Schottky diode” Solid-State Electronics 47 (2003) 691-694」記載の方法に基づいて算出したものである。
表３から明らかなように、実施例１−１、１−２と凹凸構造を有しない参照ダイオードとを比較すると、（１）寄生抵抗Ｒｓについては、実施例１−１、１−２の光検出器６０の方が低く、（２）ショットキー障壁高さΦｂについては、殆ど変わらないことが分かる。（１）については、Ａｕとｎ型シリコンとの接触面積よりも、Ａｕと凹凸構造を形成している有機半導体との接触面積が大きくなり、電流経路が増えたためと想定される。一方、（２）については、実施例１−１、１−２の光検出器６０を赤外線センサとして用いる場合、検出帯域は参照ダイオードの検出帯域と殆ど変わらないことが考えられる。また、ｎ値については、いずれも１．５以下である。これは、実施例１−１、１−２の光検出器６０の支配的な駆動電流が拡散電流であることから、欠陥の少ない良好なダイオード動作を実現していることを示している。
さらに、本発明者らは、光検出器６０の分光感度特性の評価を行った。この評価では、波長の長い領域の評価を行うため、波長領域λをλ＝１０００ｎｍ〜１５００ｎｍに絞って感度の評価を行った。なお、電流検出については、ソースメータ（ケースレー社製２４００）を用い、印加電圧は０Ｖ(つまり、短絡時)の電流検出を行った。その結果を図１２（ｂ）に示す。
図１２（ｂ）において、λ＝１２００ｎｍでの感度特性について比較すると、実施例１−１が１．７９ｍＡ／Ｗであり、実施例１−２が０．９４５ｍＡ／Ｗであり、参照ダイオードは０．１４１ｍＡ／Ｗであった。この結果から、凹凸構造が存在すると、本波長での感度が高くなることが分かった。具体的には、実施例１−１の場合、参照ダイオードに対して約１２．７倍の一桁以上の感度向上が確認できた。また、実施例１−２の場合、参照ダイオードに対して約６．７倍の感度向上が確認できた。この波長（λ＝１２００ｎｍ）を持つ光のエネルギー（ｈν＝１．０３ｅＶ）は、シリコンのバンドギャップ（Ｅｇ＝１．１２ｅＶ）以下であるため、この波長での光吸収はＡｕ層９０で行われているものと考えられる。これにより、この波長での凹凸構造を有するダイオードの感度は、参照ダイオードの感度と比較して大きくなっていることから、Ａｕ層９０での吸収が大きくなっていることが言える。
以上のことから、本実施例によれば、容易に製作でき、入射角に依存することなく赤外線領域の光をも高感度で検出できる光検出器を得ることができる。また、汎用性の高いシリコン基板７０を用いることから、コストダウンが図れるとともに、集積化が容易になり、応用性を広げることが可能となる。
（実施例２）
図１３は、実施例２に係る光検出器の概略構成を示す断面図である。本実施例の光検出器６１は、図４の光検出器６０において、シリコン基板７０及びＡｌ層１００を導電性基板７１に変更したものである。導電性基板７１は、ポリイミド基板７２上に透明電極（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）７３を蒸着して形成され、透明電極７３上に有機半導体部８０が形成されている。その他の構成は図４と同様であるので、図４と同様の構成要素には、同一参照符号を付して説明を省略する。
図１３は、実施例２に係る光検出器の概略構成を示す断面図である。本実施例の光検出器６１は、図４の光検出器６０において、シリコン基板７０及びＡｌ層１００を導電性基板７１に変更したものである。導電性基板７１は、ポリイミド基板７２上に透明電極（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）７３を蒸着して形成され、透明電極７３上に有機半導体部８０が形成されている。その他の構成は図４と同様であるので、図４と同様の構成要素には、同一参照符号を付して説明を省略する。
本実施例において、局在プラズモン共鳴及び／又は表面プラズモン共鳴によってＡｕ層９０に励起された電子は、Ａｕ層９０と有機半導体部８０との接合部８０ａのショットキー障壁を乗り越えて有機半導体部８０に注入される。そして有機半導体部８０に注入された電子は、導電性基板７１の透明電極７３を経て取り出される。
図１３の光検出器６１を製造するにあたっては、先ず、市販のポリイミド基板７２上に、透明酸化物材料（ＩＴＯ）を蒸着して透明電極７３を形成して導電性基板７１を作成する。その後、透明電極６２上に、実施例１の場合と同様に、ＰＴＣＤＡ／ＣｕＰｃから成る凹凸構造の有機半導体部８０を作成し、さらに有機半導体部８０の凹凸側にＡｕを蒸着してＡｕ層９０を形成することで、光検出器６１が作製される。
本実施例の光検出器６１について、実施例１と同様に、ソースメータを用いて分光感度特性を測定した。その結果、赤外領域（λ＝１２００ｎｍ）において光応答を確認することができた。また、本実施例において、導電性基板７１は、ＩＴＯ／ポリイミドに限らず、ＩＴＯ／ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）やアルミホイルなどのフレキシブルな導電性基板で構成することができる。したがって、実施例１と同様の効果が得られる他、フレキシブルなセンサが実現でき、ユビキタス的な用途への展開が可能となる。
（実施例３）
図１４は、実施例３に係る光検出器の概略構成を示す断面図である。本実施例の光検出器６２は、図４の光検出器６０において、シリコン基板７０及びＡｌ層１００を絶縁性基板であるガラス基板７５及び金属接合部１１０に変更したものである。金属接合部１１０は、例えば白金（Ｐｔ）からなり、有機半導体部８０の一部にオーミック接合して形成される。その他の構成は図４と同様であるので、図４と同様の構成要素には、同一参照符号を付して説明を省略する。
図１４は、実施例３に係る光検出器の概略構成を示す断面図である。本実施例の光検出器６２は、図４の光検出器６０において、シリコン基板７０及びＡｌ層１００を絶縁性基板であるガラス基板７５及び金属接合部１１０に変更したものである。金属接合部１１０は、例えば白金（Ｐｔ）からなり、有機半導体部８０の一部にオーミック接合して形成される。その他の構成は図４と同様であるので、図４と同様の構成要素には、同一参照符号を付して説明を省略する。
本実施例において、局在プラズモン共鳴及び／又は表面プラズモン共鳴によってＡｕ層９０に励起された電子は、Ａｕ層９０と有機半導体部８０との接合部８０ａのショットキー障壁を乗り越えて有機半導体部８０に注入される。そして有機半導体部８０に注入された電子は、金属接合部１１０を経て取り出される。
図１４の光検出器６２を製造するにあたっては、先ず、ガラス基板７５上に、実施例１の場合と同様に、ＰＴＣＤＡ／ＣｕＰｃから成る凹凸構造の有機半導体部８０を作成し、さらに有機半導体部８０の凹凸側にＡｕを蒸着してＡｕ層９０を形成する。その後、有機半導体部８０の一部に金属接合部１１０を蒸着してオーミック接合することで、光検出器６２が作製される。
本実施例の光検出器６２について、Ａｕ層９０側を正極、金属接合部１１０側を負極として、実施例１と同様に、ソースメータを用いて分光感度特性を測定した。その結果、赤外領域（λ＝１２００ｎｍ）において光応答を確認することができた。したがって、実施例１と同様の効果が得られる。また、本実施例は、ガラス基板７５などの絶縁性基板に表面実装できるので、例えば車のフロントガラス等に直接実装できるなど、システムの応用性が増大する効果が得られる。
（実施例４）
図１５は、実施例４に係る光検出器の概略構成を示す断面図である。本実施例の光検出器６３は、図４の光検出器６０において、シリコン基板７０上に直接、有機半導体２０を凸状（柱状）に形成したものである。すなわち、図１の半導体４０を、シリコン基板７０としたものである。したがって、本実施の形態においては、Ａｕ層９０が有機半導体２０及びシリコン基板７０に接触することになるので、局在プラズモン共鳴及び／又は表面プラズモン共鳴によってＡｕ層９０で励起された電子は、Ａｕ層９０とシリコン基板７０との接合部７０ａのショットキー障壁を乗り越えて、シリコン基板７０を経てＡｌ層１００から取り出される。
図１５は、実施例４に係る光検出器の概略構成を示す断面図である。本実施例の光検出器６３は、図４の光検出器６０において、シリコン基板７０上に直接、有機半導体２０を凸状（柱状）に形成したものである。すなわち、図１の半導体４０を、シリコン基板７０としたものである。したがって、本実施の形態においては、Ａｕ層９０が有機半導体２０及びシリコン基板７０に接触することになるので、局在プラズモン共鳴及び／又は表面プラズモン共鳴によってＡｕ層９０で励起された電子は、Ａｕ層９０とシリコン基板７０との接合部７０ａのショットキー障壁を乗り越えて、シリコン基板７０を経てＡｌ層１００から取り出される。
図１５の光検出器６２を製造するにあたっては、先ず、シリコン基板７０の基板温度、有機半導体２０を構成するＰＴＣＤＡ／ＣｕＰｃの蒸着条件を最適化して、シリコン基板７０上に凸状の有機半導体２０が存在する部分と、存在しない部分とを形成する。その後、シリコン基板７０の有機半導体２０側にＡｕ層９０を蒸着し、反対側にＡｌ層１００を蒸着することで、光検出器６３が作製される。
本実施例の光検出器６３について、実施例１と同様に、ソースメータを用いて分光感度特性を測定したところ、赤外領域（λ＝１２００ｎｍ）において光応答を確認することができた。したがって、本実施例においても、プラズモン共鳴による光吸収を促す作用を実現でき、実施例１と同様の効果が得られる。
なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。例えば、本発明に係る光検出器は、図１６に概略斜視図を示すように、金属層３０を含む凹凸構造の複数の柱状の凸部が、任意の曲率又は角度で湾曲又は屈曲されて、任意の形状に形成されていてもかまわない。この場合、金属層３０を含む凹凸構造の凸部の高さｈ、つまり金属層３０の凸部と凹部との垂直方向の幅は、上述した本発明に係る光検出器の場合と同様に、検出光の波長以下の寸法、より好ましくは検出波長の１／１０〜１／５で、かつ凸部の太さ、つまり凸部の高さ方向に垂直な断面における最大寸法ｄは検出光の波長以下とする。
１０ 光検出器
２０ 有機半導体
３０ 金属層
４０ 半導体
４０ａ 接合部
５０ 電流検出部
６０、６１、６２、６３ 光検出器
７０ シリコン基板
７０ａ 接合部
７１ 導電性基板
７２ ポリイミド基板
７３ 透明電極
７５ ガラス基板
８０ 有機半導体部
８０ａ 接合部
９０ Ａｕ層
１００ Ａｌ層
１１０ 金属接合部
２０ 有機半導体
３０ 金属層
４０ 半導体
４０ａ 接合部
５０ 電流検出部
６０、６１、６２、６３ 光検出器
７０ シリコン基板
７０ａ 接合部
７１ 導電性基板
７２ ポリイミド基板
７３ 透明電極
７５ ガラス基板
８０ 有機半導体部
８０ａ 接合部
９０ Ａｕ層
１００ Ａｌ層
１１０ 金属接合部
Claims (15)
- 凸部を有する有機半導体と、
前記有機半導体上に付加され、検出光の照射により電子が励起される局在プラズモン共鳴及び表面プラズモン共鳴の少なくとも一方のプラズモン共鳴を促進する金属層と、
前記金属層に接合され、前記プラズモン共鳴により励起される電子を前記金属層との接合部において通過させる半導体と、
を備える光検出器。 - 請求項１に記載の光検出器において、
前記金属層を含む凸部の高さは、前記検出光の波長以下の寸法で、該凸部の太さの最大寸法が前記検出光の波長以下の寸法である、ことを特徴とする光検出器。 - 請求項１又は２に記載の光検出器において、
前記半導体は有機半導体である、ことを特徴とする光検出器。 - 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光検出器において、
前記半導体を支持する基板をさらに備える、ことを特徴とする光検出器。 - 請求項４に記載の光検出器において、
前記基板は半導体基板である、ことを特徴とする光検出器。 - 請求項４に記載の光検出器において、
前記基板は導電性基板である、ことを特徴とする光検出器。 - 請求項４に記載の光検出器において、
前記基板は絶縁性基板である、ことを特徴とする光検出器。 - 請求項１又は２に記載の光検出器において、
前記半導体は無機半導体である、ことを特徴とする光検出器 - 請求項１〜８のいずれか一項に記載の光検出器において、
前記金属層を含む凸部の高さが２０ｎｍ以上である、ことを特徴とする光検出器。 - 請求項１〜８のいずれか一項に記載の光検出器において、
前記金属層を含む凸部の高さが５０ｎｍ以上である、ことを特徴とする光検出器。 - 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光検出器において、
前記金属層は、凸部と該凸部に隣接する凹部とを有する凹凸構造であって、
前記凹凸構造の凸部の高さは、前記検出光の波長以下の寸法で、かつ該凸部の太さの最大寸法が前記検出光の波長以下の寸法である、ことを特徴とする光検出器。 - 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光検出器において、
前記金属層を含む凸部は、任意の形状に湾曲又は屈曲して形成されている、ことを特徴とする光検出器。 - 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光検出器において、
前記有機半導体は、フタロシアニン系、チオフェン系、Ａｌｑ３のいずれかからなる、ことを特徴とする光検出器。 - 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の光検出器において、
前記金属層は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｇのいずれかからなる、ことを特徴とする光検出器。 - 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の光検出器において、
前記半導体は、フタロシアニン系、チオフェン系、Ａｌｑ３、シリコンのいずれかからなる、ことを特徴とする光検出器。
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