JP2018536298A - 量子ドット光検出器装置およびそれに関連する方法 - Google Patents

量子ドット光検出器装置およびそれに関連する方法 Download PDF

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Abstract

第１の光検出器および第２の光検出器の対を少なくとも１対備える装置であって、光検出器の対の各光検出器は、チャネル部材と、間にあるチャネル部材に電流が流れるようにそれぞれ構成されたソース電極およびドレイン電極と、入射電磁放射線に暴露されると電子正孔対を生成して、チャネル部材を流れる電流の検出可能な変化をもたらすように構成された複数の量子ドットとを含み、装置は、光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器が、それぞれチャネル部材を通る電流の増加および減少をもたらす電子正孔対を生成して、第１の光検出器および第２の光検出器の対の電流の変化の合計が、入射電磁放射線の存在および大きさのうちの一方または両方を示すように構成される装置。

Description

本開示は、特に、光検出器、それに関連する方法および装置に関する。ある特定の実施形態は、詳細には、入射電磁放射線に暴露されると電子正孔対を生成するように構成された複数の量子ドットをそれぞれ有する第１の光検出器および第２の光検出器の対を少なくとも１対備える装置に関する。これらの実施形態では、装置は、第１の光検出器および第２の光検出器が、それぞれ電流の増加および減少をもたらす電子正孔対を生成するように構成され、第１の光検出器および第２の光検出器の対の電流の変化の合計は、入射電磁放射線の存在および大きさのうちの一方または両方を示す。いくつかの実施形態は、携帯型電子機器、特に、使用中、手で持ってもよい（使用中、受け台に置いてもよいが）、いわゆる手で持ち運びができる携帯型電子機器に関してもよい。そのような手で持ち運びができる携帯型電子機器は、いわゆる携帯情報端末（ＰＤＡｓ）およびタブレットＰＣを含む。
開示する１つまたは複数の態様／実施形態の例に係る携帯型電子機器／装置は、１つまたは複数のオーディオ／テキスト／ビデオ通信機能（例えば電気通信、映像通信および／またはテキスト送信、ショートメッセージサービス（ＳＭＳ）／マルチ媒体メッセージサービス（ＭＭＳ）／電子メール機能、対話型／非対話型視聴機能（例えばウェブ閲覧、ナビゲーション、テレビ／プログラム視聴機能）、音楽記録／再生機能（例えば、ＭＰ３もしくは他のフォーマットおよび／または（ＦＭ／ＡＭ）ラジオ放送記録／再生）、データのダウンロード／送信機能、撮像機能（例えば（例えば内蔵された）デジタルカメラを使用して）、およびゲーム機能を提供し得る。
現在、新規の光検出器装置を開発するために研究が行われている。
先に公開された文献またはいずれかの背景技術を本明細書において挙げたり、または述べたりすることは、その文献または背景技術が技術水準の一部、または技術常識であることの認識と必ずしも理解されるべきではない。
第１の態様によれば、第１の光検出器および第２の光検出器の対を少なくとも１対備える装置であって、光検出器の対の各光検出器は、チャネル部材と、間にあるチャネル部材に電流が流れるようにそれぞれ構成されたソース電極およびドレイン電極と、入射電磁放射線に暴露されると電子正孔対を生成して、チャネル部材を流れる電流の検出可能な変化をもたらすように構成された複数の量子ドットとを含み、装置は、光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器が、それぞれチャネル部材を通る電流の増加および減少をもたらす電子正孔対を生成して、第１の光検出器および第２の光検出器の対の電流の変化の合計が、入射電磁放射線の存在および大きさのうちの一方または両方を示すように構成される装置が提供される。
装置は、光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器が、チャネル部材をそれぞれ通る電流の増加および減少を同時にもたらす電子正孔対を生成するように構成されてもよい。
複数の量子ドットは、量子ドットに結合した配位子を含み、配位子は、生成された電子正孔対の電子または正孔のいずれかの、チャネル部材への移動を可能にし、移動しない方の電荷キャリアが量子ドットに残り、電流の検出可能な変化をもたらすように構成されてもよい。
光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器は、同じ型にドープされたチャネル部材を含んでもよく、電流にもたらす変化が互いに異なるよう、第１の光検出器の配位子は、第２の光検出器の配位子と異なる型の電荷キャリアの、それぞれのチャネル部材への移動を可能にするように構成されてもよい。
光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器は、異なる型にドープされたチャネル部材を含んでもよく、電流にもたらす変化が互いに異なるよう、第１の光検出器の配位子は、第２の光検出器の配位子と同じ型の電荷キャリアの、それぞれのチャネル部材への移動を可能にするように構成されてもよい。
光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器はそれぞれ、電圧が印加されると電界を発生させるように構成されたゲート電極を含み、発生した電界は、生成された電子正孔対の電子または正孔のいずれかの、チャネル部材への移動を可能にし、移動しない方の電荷キャリアが量子ドットに残り、電流の検出可能な変化をもたらしてもよい。
光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器は、同じ型にドープされたチャネル部材を含んでもよく、電流にもたらす変化が互いに異なるよう、第１の光検出器のゲート電極に印加される電圧は、結果として生じる電界が、異なる型の電荷キャリアの、それぞれのチャネル部材への移動を可能にするように、第２の光検出器のゲート電極に印加される電圧と反対の極性を有してもよい。
光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器は、異なる型にドープされたチャネル部材を含んでもよく、電流にもたらす変化が互いに異なるよう、第１の光検出器のゲート電極に印加される電圧は、結果として生じる電界が、同じ型の電荷キャリアの、それぞれのチャネル部材への移動を可能にするように、第２の光検出器のゲート電極に印加される電圧と同じ極性を有してもよい。
光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器のうちの一方または両方のゲート電極は、印加された電圧によって発生した電界が、配位子による電荷キャリアの、それぞれのチャネル部材への移動を促進または抑制するように構成されてもよい。
光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器のうちの一方または両方のゲート電極は、印加された電圧によって発生した電界が、それぞれのチャネル部材の静電気ドーピングを引き起こすように構成されてもよい。
光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器は、電流の変化の合計が、対応する電圧信号に変換されるように配置されてもよい。
光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器は、電流の変化の合計をシングルエンド電圧信号に変換するように構成されたハーフブリッジ回路を形成するように配置されてもよい。
装置は、電流の変化の合計を差動電圧信号に変換するように構成されたフルブリッジ回路を形成するように配置された第１の光検出器および第２の光検出器の対を少なくとも２対備えてもよい。
量子ドットの材料、寸法および形状のうちの１つまたは複数は、Ｘ線、可視光線、赤外線、紫外線、電波、マイクロ波、ガンマ線および熱放射線のタイプの電磁放射線のうちの少なくとも１つに暴露されると電子正孔対が生成されるように構成されてもよい。
少なくとも１つの光検出器のチャネル部材は、二次元材料、グラフェン、グラフェン様材料および遷移金属ジカルコゲナイドのうちの１つまたは複数を含んでもよい。チャネル部材は、ナノメートルの厚みのカーボン構造の膜／箔を含んでもよいことが理解される。
グラフェン様材料は、グラフェン酸化物、フォスフォレン、シリセン、ゲルマネン、スタネン、ｈ−ＢＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＢＰ、ＢＡｓおよびＧａＰのうちの１つまたは複数を含んでもよい。
遷移金属ジカルコゲナイドは、ＷＸ２、ＭｏＸ２、ＳｃＸ２、ＴｉＸ２、ＨｆＸ２、ＺｒＸ２、ＶＸ２、ＣｒＸ２、ＭｎＸ２、ＦｅＸ２、ＣｏＸ２、ＮｉＸ２、ＮｂＸ２、ＴｃＸ２、ＲｅＸ２、ＰｄＸ２、ＰｔＸ２のうちの１つまたは複数を含んでもよく、ただしＸ＝Ｓ、ＳｅまたはＴｅである。
少なくとも１つの光検出器の量子ドットは、ＰｂＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＣＺＴＳ、Ｃｕ２Ｓ、Ｂｉ２Ｓ３、Ａｇ２Ｓ、Ａｇ２Ｓ、ＨｇＴｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧｅおよびＣＩＳのうちの１つまたは複数を含んでもよい。
少なくとも１つの光検出器の配位子は、オレイン酸塩、トリオクチルホスフィン酸化物、アルキルホスホン酸、脂肪酸、長鎖アルキルアミン、１，２−エタンジチオール、ピリジン、ブチルアミンおよび１，３−ベンゼンジチオールのうちの１つまたは複数を含んでもよい。
少なくとも１つの光検出器のソース電極、ドレイン電極およびゲート電極は、金属、金属ナノ粒子インク、銀、金、銅、ニッケル、コバルト、パラジウム、導電性金属酸化物、炭素系材料、有機材料およびポリマーのうちの１つまたは複数を含んでもよい。
装置は、電子機器、携帯型電子機器、携帯型通信機器、携帯電話、携帯情報端末、タブレット、ファブレット、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、サーバ、スマートフォン、スマートウオッチ、スマートアイウェア、センサ、Ｘ線センサ、およびそれらのモジュールのうちの１つまたは複数であってもよい。
さらなる態様によれば、第１の光検出器および第２の光検出器の対を少なくとも１対備える装置を使用する方法であって、光検出器の対の各光検出器は、チャネル部材と、間にあるチャネル部材に電流が流れるようにそれぞれ構成されたソース電極およびドレイン電極と、入射電磁放射線に暴露されると電子正孔対を生成して、チャネル部材を流れる電流の検出可能な変化をもたらすように構成された複数の量子ドットとを含み、装置は、光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器が、それぞれチャネル部材を通る電流の増加および減少をもたらす電子正孔対を生成して、第１の光検出器および第２の光検出器の対の電流の変化の合計が、入射電磁放射線の存在および大きさのうちの一方または両方を示すように構成され、方法は、入射電磁放射線の結果として、第１の光検出器および第２の光検出器の対の電流の変化の合計に基づいて、装置上の入射電磁放射線の存在の判定および大きさの測定のうちの一方または両方を行うステップを含む方法が提供される。
さらなる態様によれば、第１の光検出器および第２の光検出器の対を少なくとも１対備える装置を作製する方法であって、光検出器の対の各光検出器は、チャネル部材と、間にあるチャネル部材に電流が流れるようにそれぞれ構成されたソース電極およびソース電極と、入射電磁放射線に暴露されると電子正孔対を生成して、チャネル部材を流れる電流の検出可能な変化をもたらすように構成された量子ドットとを含み、方法は、光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器が、それぞれチャネル部材を通る電流の増加および減少をもたらす電子正孔対を生成して、第１の光検出器および第２の光検出器の対の電流の変化の合計が、入射電磁放射線の存在および大きさのうちの一方または両方を示すように装置を構成するステップを含む方法が提供される。
方法は、第１の光検出器および第２の光検出器の対を少なくとも１対形成するステップを含んでもよい。
明示する、または当業者が理解する場合を除いて、本明細書に開示するいずれの方法のステップも、開示する順序どおりに実行する必要はない。
本明細書に開示する方法の１つまたは複数のステップを実施するための対応するコンピュータプログラムもまた、本開示の範囲内にあり、記載する１つまたは複数の実施形態の例によって包含される。
１つまたは複数のコンピュータプログラムは、コンピュータで実行される場合、本明細書に開示するコンピュータに、バッテリ、回路、コントローラまたはデバイスを含む任意の装置を構成し、本明細書に開示する任意の方法を実行させてもよい。１つまたは複数のコンピュータプログラムは、ソフトウェアの実装であってもよく、コンピュータは、限定されない例として、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラ、および、読出専用メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読取専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）または電子的消去可能プログラマブル読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）への実装を含む任意の適切なハードウェアと見なされてもよい。ソフトウェアは、アセンブリプログラムであってもよい。
１つまたは複数のコンピュータプログラムは、コンピュータ読取可能媒体に設けられてもよく、コンピュータ読取可能媒体は、ディスクまたはメモリデバイスなどの物理的コンピュータ読取可能媒体であってもよいし、過渡信号として具体化されてもよい。そのような過渡信号はインターネットダウンロードを含むネットワークダウンロードであってもよい。
本開示は、様々な組合せまたは単独で具体的に記述（特許請求の範囲への記載も含む）していても、していなくても、１つまたは複数の対応する態様、実施形態の例または特徴を単独またはその組合せで含む。記載した１つまたは複数の機能を実行するための対応する手段もまた、本開示の範囲にある。
上記の概要は、単なる例であり、限定されるものではない。
ここで、添付図面を参照して、単なる例として説明する。
ハーフブリッジ回路を備える光検出器装置の一例を示す。 量子ドット電界効果トランジスタを備える光検出器を示す。 ハーフブリッジ回路を備える本装置の一例を示す。 量子ドットからチャネル部材への電荷キャリアの移動を制御するための配位子の使用方法を示す。 量子ドットからチャネル部材への電荷キャリアの移動を制御するためのゲート電極の使用方法を示す。 印加されるゲート電圧に応じた量子ドット光検出器における光電子応答の変化の仕方を示す。 フルブリッジ回路を備える光検出器装置の一例を示す。 フルブリッジ回路を備える本装置の一例を示す。 図１、図３、図７および図８に示す装置の電圧出力信号の例を示す。 本装置の別の例を示す。 本装置を使用する方法を示す。 本装置を作製する方法を示す。 本明細書に記載する方法を実行、制御、または使用可能にするように構成されたコンピュータプログラムを備えるコンピュータ可読媒体を示す。
既存の光検出器装置は、信号対雑音比が低い場合が多く、そのため、高性能増幅器により補償する必要がある。そのような増幅器は、回路類のコストおよび複雑さを高め、そして、そうでなければ検知に使用することができるであろうチップの表面積を消費する。
図１は、電源ＶＤＤと接地ＧＮＤ端子との間に直列接続された抵抗器Ｒと、電界効果トランジスタを用いた光検出器ＦＥＴとを備える既存の光検出器装置の一例を示す。電界効果トランジスタは、間にあるチャネル部材に電流が流れるようにそれぞれ構成されたソース電極およびドレイン電極と、電圧が印加されると、チャネル部材を流れる電流を変化させるように構成されたゲート電極とを備える。しかしながら、光検出を可能にするために、ゲート電極は、入射電磁放射線１０１に暴露されると電流の検出可能な変化をもたらすように構成された感光材料に置き換えられ（または補足され）、電流の検出可能な変化は、入射電磁放射線の存在および大きさのうちの一方または両方を示す。
図２は、電界効果トランジスタ（それ自体は、基板２０７に支持される）のチャネル部材２０２の上にある感光材料を含む光検出器装置を示す。装置はまた、ソース電極２０３とドレイン電極２０４との間に電位差Ｖを印加するように構成された電源と、チャネル部材２０２を流れる電流を測定するように構成された電流計２０５とを備える。この例では、感光材料は、入射電磁放射線２０１に暴露されると電子正孔対を生成するように構成された複数の量子ドット２０６を含む。装置は、これらの電子正孔対の生成後に、電子または正孔のいずれかがチャネル部材２０２へ移動し、移動しない方の電荷キャリアが量子ドット２０６に残るように構成される。次いで、これらの移動しない方の電荷キャリアは、チャネル部材２０２をゲート制御し、チャネル部材２０２を流れる電流の検出可能な変化を引き起こす。
多くの場合、光検出器の出力信号は、後のデジタル信号処理を可能にするために、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）に通される。しかしながら、ほとんどのＡＤＣは、電圧モード信号を必要とするため、電界効果トランジスタの現在のモード信号（すなわちチャネル部材２０２を流れる電流の変化）は、対応する電圧信号ＶＮに変換される必要がある。このことは、抵抗器Ｒおよび電界効果トランジスタＦＥＴの分圧器構成によって達成される。代替の選択肢は、トランスインピーダンス増幅器を組み込むことであるが、これは、より多くのハードウェア、電力および表面積を必要とする。
ここで、追加の信号増幅を必要とすることなく、より大きな信号対雑音比を提供し得る装置およびそれに関連する方法を説明する。
図３は、本装置の一例を示す。装置は、第１の光検出器ＦＥＴ１および第２の光検出器ＦＥＴ２の対を少なくとも１対備える。光検出器の対ＦＥＴ１、ＦＥＴ２の各光検出器は、チャネル部材と、間にあるチャネル部材に電流が流れるようにそれぞれ構成されたソース電極およびドレイン電極と、入射電磁放射線３０１に暴露されると電子正孔対を生成して、チャネル部材を流れる電流の検出可能な変化をもたらすように構成された複数の量子ドットとを備える。さらに、装置は、光検出器の対ＦＥＴ１、ＦＥＴ２の第１の光検出器ＦＥＴ１および第２の光検出器ＦＥＴ２が、それぞれチャネル部材を通る電流の増加および減少を（例えば同時に）もたらす電子正孔対を生成して、第１の光検出器ＦＥＴ１および第２の光検出器ＦＥＴ２の対の電流の変化の合計が、入射電磁放射線３０１の存在および大きさのうちの一方または両方を示すように構成される。
第１の光検出器ＦＥＴ１は、第２の光検出器ＦＥＴ２に対して反対の光電子応答を示すため、本装置の出力信号は、図１の光検出器装置の最大２倍の大きさにすることができる。さらに、第２の光検出器ＦＥＴ２は、本質的に、図１の抵抗器Ｒに取って代わり、追加のトランスインピーダンス増幅器も必要がなくなるため、装置のより大きな表面積を入射電磁放射線３０１の検知に使用し得る。この態様により、より効率的な装置が提供される。
この例では、各光検出器ＦＥＴ１、ＦＥＴ２のチャネル部材は、グラフェンを含んでもよい。グラフェンは、ゲート電極、すなわち感光材料によって発生した電界に特に影響を受ける比較的高い電荷キャリア移動度を示す。しかしながら他の例では、少なくとも１つの光検出器ＦＥＴ１、ＦＥＴ２のチャネル部材は、グラフェン様材料（例えばグラフェン酸化物、フォスフォレン、シリコーン、ゲルマネン、スタネン、ｈ−ＢＮ、ＡＩＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＢＰ、ＢａＳまたはＧａＰ）または遷移金属ジカルコゲナイド（例えばＷＸ２、ＭｏＸ２、ＳｃＸ２、ＴｉＸ２、ＨｆＸ２、ＺｒＸ２、ＶＸ２、ＣｒＸ２、ＭｎＸ２、ＦｅＸ２、ＣｏＸ２、ＮｉＸ２、ＮｂＸ２、ＴｃＸ２、ＲｅＸ２、ＰｄＸ２、ＰｔＸ２、ただしＸ＝Ｓ、ＳｅまたはＴｅ）などの異なる二次元材料を含んでもよい。さらに、少なくとも１つの光検出器のソース電極、ドレイン電極およびゲート電極は、金属、金属ナノ粒子インク、銀、金、銅、ニッケル、コバルト、導電性金属酸化物、炭素系材料、有機材料およびポリマーのうちの１つまたは複数を含んでもよい。
第１の光検出器ＦＥＴ１および第２の光検出器ＦＥＴ２の電流にもたらす変化が互いに異なるように装置が構成され得る方法は多く存在する。例えば、このことは、それぞれの光検出器ＦＥＴ１、ＦＥＴ２の量子ドットに結合する異なる配位子を使用して達成されてもよい。この例では、光検出器の対ＦＥＴ１、ＦＥＴ２の第１の検出器ＦＥＴ１および第２の光検出器ＦＥＴ２は、同じ型にドープされたチャネル部材を含んでもよく、第１の光検出器ＦＥＴ１の配位子は、第２の光検出器ＦＥＴ２の配位子と異なる型の電荷キャリアの、それぞれのチャネル部材への移動を可能にするように構成されてもよい。同様に、光検出器の対ＦＥＴ１、ＦＥＴ２の第１の光検出器ＦＥＴ１および第２の光検出器ＦＥＴ２は、異なる型にドープされたチャネル部材を含んでもよく、第１の光検出器ＦＥＴ１の配位子は、第２の光検出器ＦＥＴ２の配位子と同じ型の電荷キャリアの、それぞれのチャネル部材への移動を可能にするように構成されてもよい。
図４は、量子ドット４０６からチャネル部材４０２への電荷キャリア４０９の移動を制御するための配位子４０８の使用方法を示す。この例でわかるように、入射電磁放射線４０１は、量子ドット４０６内の電子４０９の励起を引き起こし、電子正孔対を生成する。この例では、量子ドット４０６に結合した配位子４０８は、電子正孔対の電子４０９が、配位子４０８を通り抜けてチャネル部材４０２へ進み、移動しない方の正孔４１０を量子ドット４０６に残し、電流の検出可能な変化をもたらすことができるように構成される。別の例では、量子ドット４０６に結合した配位子４０８は、電子正孔対の正孔４１０が、配位子４０８を通り抜けてチャネル部材４０２へ進み、移動しない方の電子４０９を量子ドット４０６に残し、電流の検出可能な変化をもたらすように構成されてもよい。しかしながら、電荷移動機構は、電子／正孔トンネルだけに限定されない。いくつかの例では、熱活性電子／正孔ホッピングが、電子／正孔トンネルと共に、または電子／正孔トンネルの代わりに用いられてもよい。
チャネル部材４０２がｐドープされ、配位子４０８が、量子ドット４０６からチャネル部材４０２への電子４０９の移動を可能にする場合、量子ドット４０６の移動しない方の正孔４１０は、チャネル部材４０２に空乏領域を形成し、チャネル部材４０２を流れる電流を減少させる。一方、配位子４０８が、量子ドット４０６からチャネル部材４０２への正孔４１０の移動を可能にする場合、量子ドット４０６の移動しない方の電子４０９は、チャネル部材４０２に導電領域を形成し、チャネル部材４０２を流れる電流の増加を引き起こす。チャネル部材４０２がｎドープされる場合、反対のことが当てはまる。
量子ドット４０６の材料、寸法および形状のうちの１つまたは複数は、Ｘ線、可視光線、赤外線、紫外線、電波、マイクロ波、ガンマ線および熱放射線のタイプの電磁放射線４０１のうちの少なくとも１つに暴露されると電子正孔対が生成されるように構成されてもよい。少なくとも１つの光検出器の量子ドット４０６は、ＰｂＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＣＺＴＳ、Ｃｕ２Ｓ、Ｂｉ２Ｓ３、Ａｇ２Ｓ、Ａｇ２Ｓ、ＨｇＴｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧｅおよびＣＩＳのうちの１つまたは複数を含んでもよく、少なくとも１つの光検出器の配位子４０８は、オレイン酸塩、トリオクチルホスフィン酸化物、アルキルホスホン酸、脂肪酸、長鎖アルキルアミン、１，２−エタンジチオール、ピリジン、ブチルアミンおよび１，３−ベンゼンジチオールのうちの１つまたは複数を含んでもよい。
また、電荷キャリア４０９および４１０の移動は、量子ドット４０６とチャネル部材４０２との間のバンド構造に依存し、バンド構造は、ドーピングまたはバイアス電圧により影響を受け得る。この点において、第１の光検出器および第２の光検出器の電流にもたらす変化が互いに異なるように装置を構成する別の方法は、第１の光検出器および第２の光検出器のそれぞれのゲート電極に反対の極性の電圧を印加することによるものである。このシナリオでは、光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器は、同じ型にドープされたチャネル部材４０２を備えてもよく、第１の光検出器のゲート電極に印加される電圧は、第２の光検出器のゲート電極に印加される電圧と反対の極性を有してもよい。同様に、光検出器の対の第１の光検出器および第２の光検出器は、異なる型にドープされたチャネル部材４０２を備えてもよく、第１の光検出器のゲート電極に印加される電圧は、第２の光検出器のゲート電極に印加される電圧と同じ極性を有してもよい。
図５は、量子ドット５０６からチャネル部材５０２への電荷キャリア５０９、５１０の移動を制御するためのゲート電極５１１の使用方法を示す。示すように、ゲート電極５１１は、ゲート電極５１１とチャネル部材５０２との間に電流が流れないように、誘電材料５１２の層によってチャネル部材５０２から離間されている。電圧５１３がゲート電極５１１に印加されると、生成された電子正孔対の電子５０９または正孔５１０の、チャネル部材５０２への移動を可能にする電界が発生し、移動しない方の電荷キャリアを量子ドット５０６に残し、電流の検出可能な変化をもたらす。正電圧がゲート電極５１１に印加される場合、結果として生じる電界が、量子ドット５０６からチャネル部材５０２への電子５０９の移動を可能にする。同様に、負電圧がゲート電極５１１に印加される場合、結果として生じる電界が、量子ドット５０６からチャネル部材５０２への正孔５１０の移動を可能にする。したがって、チャネル部材５０２がｐドープされ、印加された電圧５１３により、電子５０９が量子ドット５０６からチャネル部材５０２へ移動することができる場合、量子ドット５０６の移動しない方の正孔５１０は、チャネル部材５０２に空乏領域を形成し、チャネル部材５０２を流れる電流を減少させる。一方、印加された電圧５１３により、正孔５１０が量子ドット５０６からチャネル部材５０２へ移動することができる場合、量子ドット５０６の移動しない方の電子５０９は、チャネル部材５０２に導電領域を形成し、チャネル部材５０２を流れる電流を増加させる。チャネル部材５０２がｎドープされる場合、反対のことが当てはまる。
図６は、印加されるゲート電圧に応じた量子ドット光検出器の光電子応答の変化の仕方の例を示す。この例では、負電圧がゲート電極に印加された時、入射電磁放射線の強度が増加すると電流が減少し、正電圧がゲート電極に印加された時、電流が増加した。したがって、第１の光検出器ＦＥＴ１が正のゲート電圧でバイアスされ、第２の光検出器ＦＥＴ２が負のゲート電圧でバイアスされる場合、入射電磁放射線により、それぞれ、関連するチャネル部材を通る電流が増加および減少する。
場合によっては、第１の光検出器ＦＥＴ１および第２の光検出器ＦＥＴ２のうちの一方または両方は、配位子およびゲート電極を利用して、量子ドットからそれぞれのチャネル部材への電荷キャリアの移動を制御してもよい。このシナリオでは、印加されたゲート電圧によって発生した電界を使用して、配位子によるそれぞれのチャネル部材への電荷キャリアの移動を促進または抑制することができる。例えば、配位子が、電子のチャネル部材への移動を可能にするように構成される場合、正のゲート電圧を使用して、電子の移動を促進してもよく、または、負のゲート電圧を使用して、電子の移動を抑制してもよい。このシナリオでは、ゲート電圧によって発生した電界により、それぞれ、電荷移動の速度が増加または減少する。電荷移動の速度を増加させる１つの理由は、量子ドット内における電子正孔再結合の可能性を低くすることであり、そうでなければ、チャネル部材を流れる電流に対する入射電磁放射線の効果が低下するであろう。したがって、電荷移動の速度を増加させることにより、装置の感度が改善される。
場合によっては、光検出器の対ＦＥＴ１、ＦＥＴ２の第１の光検出器ＦＥＴ１および第２の光検出器ＦＥＴ２のうちの一方または両方のチャネル部材は、不純物で化学的にドープされてもよい。さらに、または代替として、第１の光検出器ＦＥＴ１および第２の光検出器ＦＥＴ２のうちの一方または両方のゲート電極は、印加されたゲート電圧によって発生した電界により、それぞれのチャネル部材の静電気ドーピングが生じるように構成されてもよい。例えば、正のゲート電圧を使用して、ドープされていないチャネル部材から量子ドットへ正孔を移動させ、電子正孔対の電子をチャネル部材（すなわちｎドープされたチャネル）内に残すことができ、一方、負のゲート電圧を使用して、ドープされていないチャネル部材から量子ドットへ電子を移動させ、電子正孔対の正孔をチャネル部材（すなわちｐドープされたチャネル）内に残すことができる。したがって、これらの場合には、ゲート電極を使用して、チャネル部材から、およびチャネル部材への両方における電荷キャリアの移動を制御してもよい。
図７は、光検出器装置の別の例を示す。図１および図３に示した、電流の変化を、対応するシングルエンド電圧信号に変換するように構成されたハーフブリッジ回路を備える例と異なり、光検出器ＦＥＴおよび抵抗器Ｒは、電流の変化を差動電圧信号ＶＮ、ＶＰに変換するように構成されたフルブリッジ回路を形成するように配置される。差動信号ＶＮ、ＶＰは、電源干渉およびコモンモードノイズにはそれほど影響を受けない傾向があり、その結果、信号対雑音比がより大きくなる。
図８は、本装置の別の例を示す。この例では、図７の抵抗器Ｒは、入射電磁放射線に対して、既存の光検出器ＦＥＴ２とは反対の応答をするように構成された光検出器ＦＥＴ１に置き換えられている。したがって、図８のフルブリッジ回路は、第１の光検出器ＦＥＴ１および第２の光検出器ＦＥＴ２の対を２対備えるが、１つまたは複数のさらなる光検出器の対ＦＥＴ１、ＦＥＴ２を含むように拡張することができるであろう。
図９は、図１、図３、図７および図８に示した装置の電圧出力信号の例を示す（それぞれ左から右へ）。図の左側は、ハーフブリッジ回路のシングルエンド電圧出力信号を示し、図の右側は、フルブリッジ回路の差動電圧出力信号を示す。示すように、出力信号（ひいてはゲイン）の大きさは、１分流当たりの光検出器（能動部品）の数に伴って増加する。
図１０は、本装置１０１４の別の例を示す。装置１０１４は、電子機器、携帯型電子機器、携帯型通信機器、携帯電話、携帯情報端末、タブレット、ファブレット、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、サーバ、スマートフォン、スマートウオッチ、スマートアイウェア、センサ、Ｘ線センサ、およびそれらのモジュールのうちの１つまたは複数であってもよい。示した例では、装置１０１４は、前述の様々な構成要素（参照符号１０１５により一括して表す）、電流計１０１６、電圧計１０１７、電源１０１８、プロセッサ１０１９および記憶媒体１０２０を備え、それらは、データバス１０２１によって互いに電気的に接続される。
プロセッサ１０１９は、他の構成要素とシグナリングの送受信を行い、それらの動作を管理することによって、装置１０１４を通常動作させるように構成される。記憶媒体１０２０は、装置１０１４の動作を実行、制御、または可能にするように構成されたコンピュータコードを記憶するように構成される。記憶媒体１０２０はまた、他の構成要素の設定を記憶するように構成されてもよい。プロセッサ１０１９は、他の構成要素の動作を管理するために、記憶媒体１０２０にアクセスして、構成要素の設定を検索してもよい。
プロセッサ１０１９による制御下で、電源１０１８は、各光検出器のソース電極とドレイン電極との間に電圧を印加し、それぞれのチャネル部材を通る電流の流れを可能にするように構成される。さらに、電源１０１８は、ゲート電極にさらなる電圧を印加し、量子ドットとチャネル部材との間の電荷キャリアの移動を制御するように構成されてもよい。
電流計１０１６は、入射電磁放射線によって生じるいかなる電流の変化も測定することができるように、それぞれの光検出器のチャネル部材を通る電流を測定するように構成される。さらに、または代替として、電圧計１０１７は、電流の変化の合計に対応する電圧信号を測定するように構成される。
第１の光検出器および第２の光検出器の電流の変化の合計、または対応する電圧信号に基づいて、プロセッサ１０１９は、入射電磁放射線の存在の判定および大きさの測定のうちの一方または両方を行うように構成される。入射電磁放射線の存在の判定／大きさの測定を行うために、プロセッサ１０１９は、電磁放射線の強度を、電流の変化の合計または対応する電圧信号と相関させる、記憶媒体１０２０に保存された所定の較正データを使用してもよい。
プロセッサ１０１９は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含むマイクロプロセッサであってもよい。記憶媒体１０２０は、揮発性ランダムアクセスメモリなどの一時記憶媒体であってもよい。一方、記憶媒体１０２０は、ハードディスクドライブ、フラッシュメモリまたは不揮発性ランダムアクセスメモリなどの永久記録媒体であってもよい。電源１０１８は、一次電池、二次電池、キャパシタ、スーパーキャパシタおよびバッテリ−キャパシタハイブリッドのうちの１つまたは複数を備えてもよい。
図１１は、本装置を使用する方法の主なステップ１１２２〜１１２３を概略的に示す。方法は、一般に、第１の光検出器および第２の光検出器の電流の変化の合計、または対応する電圧信号を測定するステップ１１２２と、電流の変化の合計または対応する電圧信号に基づいて、入射電磁放射線の存在の判定および大きさの測定のうちの一方または両方を行うステップ１１２３とを含む。
図１２は、本装置を作製する方法の主なステップ１２２４〜１２２５を概略的に示す。方法は、一般に、第１の光検出器および第２の光検出器の対を少なくとも１対形成するステップ１２２４と、第１の光検出器および第２の光検出器が、それぞれ電流の増加および減少をもたらす電子正孔対を生成するように、装置を構成するステップ１２２５とを含む。破線の囲みで示すように、ステップ１２２４は、ステップ１２２５とは別々に実行されてもよく、そのため任意選択である。
図１３は、一実施形態に係るコンピュータプログラムを提供するコンピュータ／プロセッサ読取可能媒体１３２６を概略的に示す。コンピュータプログラムは、図１１または図１２の方法ステップ１１２２〜１２２５のうちの１つまたは複数を実行、制御または使用可能にするように構成されたコンピュータコードを含んでもよい。この例では、コンピュータ／プロセッサ読取可能媒体１３２６は、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）またはコンパクトディスク（ＣＤ）などのディスクである。他の実施形態では、コンピュータ／プロセッサ読取可能媒体１３２６は、発明性のある機能を実行するような方法でプログラムされた任意の媒体であってもよい。コンピュータ／プロセッサ読取可能媒体１３２６は、メモリスティックまたはメモリカード（ＳＤ、ミニＳＤ、マイクロＳＤまたはナノＳＤ）などの脱着式メモリデバイスであってもよい。
図に示した他の実施形態には、先に述べた実施形態と同様の特徴に対応する参照符号を付している。例えば、特徴番号１は、番号１０１、２０１、３０１などにも対応し得る。番号を付したこれらの特徴は、図に示され得るが、これらの特定の実施形態の記載において、直接参照していない場合がある。これらはさらに、特に、先に述べた同様の実施形態の特徴に関連して、さらなる実施形態を理解する助けとなるように図に付している。
上述のいずれの装置／デバイスおよび／または上述の特定の装置／デバイスの他の特徴も、例えばスイッチがオンなどの使用可能である時のみ所望の動作を実行するように構成されるよう配置された装置によって提供されてもよいことが当業者に理解される。そのような場合、使用可能でない時に（例えばスイッチオフ状態）適切なソフトウェアがアクティブメモリに必ずしもロードされなくてもよく、使用可能である時にのみ（例えばオン状態）適切なソフトウェアがロードされてもよい。装置は、ハードウェア回路および／またはファームウェアを含んでもよい。装置は、メモリにロードされたソフトウェアを含んでもよい。そのようなソフトウェア／コンピュータプログラムは、同じメモリ／プロセッサ／機能ユニット、および／または、１つまたは複数のメモリ／プロセッサ／機能ユニットに記録されてもよい。
いくつかの実施形態では、上述の特定の装置／デバイスは、所望の動作を実行するために適切なソフトウェアで予めプログラムされてもよく、適切なソフトウェアは、例えば、ソフトウェアおよびその関連する機能をロック解除／使用可能にするための「キー」をユーザがダウンロードすることによって使用を可能にすることができる。そのような実施形態に関連した利点として、さらなる機能がデバイスに必要な場合に、データをダウンロードするための要件が少ないことが挙げられ、これは、ユーザによって可能にならない可能性のある機能について、そのような予めプログラムされたソフトウェアを格納する十分な容量を装置が有すると見なされる例において有用であり得る。
上述のいかなる装置／回路類／要素／プロセッサも、上述の機能に加えて他の機能を有してもよく、これらの機能は、同じ装置／回路類／要素／プロセッサによって実行されてもよいことが理解される。開示した１つまたは複数の態様において、関連するコンピュータプログラム、および、適切なキャリア（例えばメモリ、信号）に記録されたコンピュータプログラム（符号化されたソース／トランスポートであってもよい）の電子配信を包含してもよい。
本明細書に記載するいかなる「コンピュータ」も、同じ回路基板、または回路基板の同じ領域／位置、さらにまたは同じデバイスに配置されてもよいし、配置されなくてもよい１つまたは複数の個々のプロセッサ／処理要素の集合体を含み得ることが理解される。いくつかの実施形態では、上述の任意のプロセッサのうちの１つまたは複数は、複数の装置に分配されてもよい。同じまたは異なるプロセッサ／処理要素が、本明細書に記載する１つまたは複数の機能を実行してもよい。
「シグナリング」という用語は、一連の送信信号および／または受信信号として伝送される１つまたは複数の信号を指し得ることが理解される。一連の信号は、当該シグナリングを構成するための１つ、２つ、３つ、４つ、またはそれを超える個々の信号成分または別個の信号を含んでもよい。これらの個々の信号のうちのいくつかまたはすべては、同時に、順番に、および／またはそれらが一時的に互いにオーバーラップするように送信／受信されてもよい。
上述の任意のコンピュータおよび／またはプロセッサならびにメモリ（例えばＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭなどを含む）の内容について、これらは、コンピュータプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）および／または発明性のある機能を実行するような方法でプログラムされた他のハードウェア構成要素を含んでもよい。
本明細書により、出願人は、本明細書に記載した個々の特徴のそれぞれ、および２以上のそのような特徴の任意の組合せについて、そのような特徴または特徴の組合せが本明細書で開示した課題を解決するか否かにかかわらず、当業者の技術常識に鑑み、特許請求の範囲に限定されることなく、全体として本明細書に基づいて、そのような特徴または組合せが実行可能な範囲で個別に開示する。出願人は、開示した態様／実施形態が、任意のそのような個々の特徴または特徴の組合せからなり得ることを示す。先の記載を考慮して、様々な一部変更が開示の範囲内でなされてもよいことは、当業者に明らかである。
異なる実施形態に適用したような基本的な新規の特徴を図示、説明、および指摘してきたが、記載したデバイスおよび方法の形式および詳細の様々な省略、置換および変更は、本発明の精神から逸脱することなく、当業者によってなされてもよいことが理解される。例えば、同じ結果を得るために実質的に同じ機能を実質的に同じ方法で実行するこれらの要素および／または方法ステップのすべての組合せは、本発明の範囲内にあることが明らかに意図される。さらに、開示した任意の形式または実施形態に関連して図示および／または記載した構造および／または要素および／または方法ステップは、一般的な設計上の選択事項として、開示、記載または示唆した任意の他の形式または実施形態に組み込んでもよいことを認識されたい。さらに、特許請求の範囲において、ミーンズ・プラス・ファンクション・クローズは、記載した機能を実行するものとして本明細書に記載した構造および構造的均等物だけでなく、同等の構造も対象とすることが意図される。したがって、釘およびねじは、木製部品同士を固定するのに、釘は円筒面を用い、一方、ねじは螺旋面を用いるという点で構造的均等物ではないかもしれないが、木製部品同士を締結する環境では、釘とねじは同等の構造であり得る。
この例では、各光検出器ＦＥＴ１、ＦＥＴ２のチャネル部材は、グラフェンを含んでもよい。グラフェンは、ゲート電極、すなわち感光材料によって発生した電界に特に影響を受ける比較的高い電荷キャリア移動度を示す。しかしながら他の例では、少なくとも１つの光検出器ＦＥＴ１、ＦＥＴ２のチャネル部材は、グラフェン様材料（例えばグラフェン酸化物、フォスフォレン、シリセン、ゲルマネン、スタネン、ｈ−ＢＮ、ＡＩＮ、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＢＰ、ＢＡｓまたはＧａＰ）または遷移金属ジカルコゲナイド（例えばＷＸ２、ＭｏＸ２、ＳｃＸ２、ＴｉＸ２、ＨｆＸ２、ＺｒＸ２、ＶＸ２、ＣｒＸ２、ＭｎＸ２、ＦｅＸ２、ＣｏＸ２、ＮｉＸ２、ＮｂＸ２、ＴｃＸ２、ＲｅＸ２、ＰｄＸ２、ＰｔＸ２、ただしＸ＝Ｓ、ＳｅまたはＴｅ）などの異なる二次元材料を含んでもよい。さらに、少なくとも１つの光検出器のソース電極、ドレイン電極およびゲート電極は、金属、金属ナノ粒子インク、銀、金、銅、ニッケル、コバルト、導電性金属酸化物、炭素系材料、有機材料およびポリマーのうちの１つまたは複数を含んでもよい。

Claims (16)

  1. 第１の光検出器および第２の光検出器の対を少なくとも１対備える装置であって、
    前記光検出器の対の各光検出器は、チャネル部材と、間にある前記チャネル部材に電流が流れるようにそれぞれ構成されたソース電極およびドレイン電極と、入射電磁放射線に暴露されると電子正孔対を生成して、前記チャネル部材を流れる前記電流の検出可能な変化をもたらすように構成された複数の量子ドットとを含み、
    前記装置は、前記光検出器の対の前記第１の光検出器および前記第２の光検出器が、それぞれ前記チャネル部材を通る電流の増加および減少をもたらす電子正孔対を生成して、前記第１の光検出器および前記第２の光検出器の対の電流の前記変化の合計が、前記入射電磁放射線の存在および大きさのうちの一方または両方を示すように構成される
    装置。
  2. 前記複数の量子ドットは、当該量子ドットに結合した配位子を含み、当該配位子は、生成された前記電子正孔対の電子または正孔のいずれかの、前記チャネル部材への移動を可能にし、移動しない方の電荷キャリアが前記量子ドットに残り、電流の前記検出可能な変化をもたらすように構成される、
    請求項１に記載の装置。
  3. 前記光検出器の対の前記第１の光検出器および前記第２の光検出器は、同じ型にドープされたチャネル部材を含み、電流にもたらす前記変化が互いに異なるよう、前記第１の光検出器の前記配位子は、前記第２の光検出器の前記配位子と異なる型の電荷キャリアの、それぞれの前記チャネル部材への移動を可能にするように構成される
    請求項２に記載の装置。
  4. 前記光検出器の対の前記第１の光検出器および前記第２の光検出器は、異なる型にドープされたチャネル部材を含み、電流にもたらす前記変化が互いに異なるよう、前記第１の光検出器の前記配位子は、前記第２の光検出器の前記配位子と同じ型の電荷キャリアの、それぞれの前記チャネル部材への移動を可能にするように構成される
    請求項２に記載の装置。
  5. 前記光検出器の対の前記第１の光検出器および前記第２の光検出器はそれぞれ、電圧が印加されると電界を発生させるように構成されたゲート電極を含み、発生した前記電界は、生成された前記電子正孔対の電子または正孔のいずれかの、前記チャネル部材への移動を可能にし、前記移動しない方の電荷キャリアが前記量子ドットに残り、電流の前記検出可能な変化をもたらす
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
  6. 前記光検出器の対の前記第１の光検出器および前記第２の光検出器は、同じ型にドープされたチャネル部材を含み、電流にもたらす前記変化が互いに異なるよう、前記第１の光検出器の前記ゲート電極に印加される前記電圧は、結果として生じる前記電界が、異なる型の電荷キャリアの、それぞれの前記チャネル部材への移動を可能にするように、前記第２の光検出器の前記ゲート電極に印加される前記電圧と反対の極性を有する
    請求項５に記載の装置。
  7. 前記光検出器の対の前記第１の光検出器および前記第２の光検出器は、異なる型にドープされたチャネル部材を含み、電流にもたらす前記変化が互いに異なるよう、前記第１の光検出器の前記ゲート電極に印加される前記電圧は、結果として生じる前記電界が、同じ型の電荷キャリアの、それぞれの前記チャネル部材への移動を可能にするように、前記第２の光検出器の前記ゲート電極に印加される前記電圧と同じ極性を有する
    請求項５に記載の装置。
  8. 前記光検出器の対の前記第１の光検出器および前記第２の光検出器のうちの一方または両方の前記ゲート電極は、印加された前記電圧によって発生した前記電界が、前記配位子による電荷キャリアの、それぞれの前記チャネル部材への移動を促進または抑制するように構成される
    請求項２〜４のいずれか１項に従属する請求項５〜７のいずれか１項に記載の装置。
  9. 前記光検出器の対の前記第１の光検出器および前記第２の光検出器のうちの一方または両方の前記ゲート電極は、印加された前記電圧によって発生した前記電界が、それぞれの前記チャネル部材の静電気ドーピングを引き起こすように構成される
    請求項５〜８のいずれか１項に記載の装置。
  10. 前記光検出器の対の前記第１の光検出器および前記第２の光検出器は、電流の前記変化の合計が、対応する電圧信号に変換されるように配置される
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
  11. 前記光検出器の対の前記第１の光検出器および前記第２の光検出器は、電流の前記変化の合計をシングルエンド電圧信号に変換するように構成されたハーフブリッジ回路を形成するように配置される
    請求項１０に記載の装置。
  12. 前記装置は、前記電流の前記変化の合計を差動電圧信号に変換するように構成されたフルブリッジ回路を形成するように配置された第１の光検出器および第２の光検出器の対を少なくとも２対備える
    請求項１０に記載の装置。
  13. 前記装置は、前記光検出器の対の前記第１の光検出器および前記第２の光検出器が、前記チャネル部材をそれぞれ通る電流の増加および減少を同時にもたらす電子正孔対を生成するように構成される
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
  14. 第１の光検出器および第２の光検出器の対を少なくとも１対備える装置を使用する方法であって、
    前記光検出器の対の各光検出器は、チャネル部材と、間にある前記チャネル部材に電流が流れるようにそれぞれ構成されたソース電極およびドレイン電極と、入射電磁放射線に暴露されると電子正孔対を生成して、前記チャネル部材を流れる前記電流の検出可能な変化をもたらすように構成された複数の量子ドットとを含み、
    前記装置は、前記光検出器の対の前記第１の光検出器および前記第２の光検出器が、それぞれ前記チャネル部材を通る電流の増加および減少をもたらす電子正孔対を生成して、前記第１の光検出器および前記第２の光検出器の対の電流の変化の合計が、前記入射電磁放射線の存在および大きさのうちの一方または両方を示すように構成され、
    前記方法は、前記入射電磁放射線の結果として、前記第１の光検出器および前記第２の光検出器の対の電流の前記変化の合計に基づいて、前記装置上の入射電磁放射線の存在の判定および大きさの測定のうちの一方または両方を行うステップを含む
    方法。
  15. 第１の光検出器および第２の光検出器の対を少なくとも１対備える装置を作製する方法であって、
    前記光検出器の対の各光検出器は、チャネル部材と、間にある前記チャネル部材に電流が流れるようにそれぞれ構成されたソース電極およびドレイン電極と、入射電磁放射線に暴露されると電子正孔対を生成して、前記チャネル部材を流れる前記電流の検出可能な変化をもたらすように構成された複数の量子ドットとを含み、
    前記方法は、前記光検出器の対の前記第１の光検出器および前記第２の光検出器が、それぞれ前記チャネル部材を通る電流の増加および減少をもたらす電子正孔対を生成して、前記第１の光検出器および前記第２の光検出器の対の電流の前記変化の合計が、前記入射電磁放射線の存在および大きさのうちの一方または両方を示すように前記装置を構成するステップを含む
    方法。
  16. 請求項１４または１５に記載の方法を実行するように構成されたコンピュータコードを含むコンピュータプログラム。
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