JP2021044367A - フォトトランジスタおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】デバイスの特性を向上させることが可能なフォトトランジスタ等を提供する。【解決手段】フォトトランジスタ１は、ゲート電極１１を有する半導体基板１０と、この半導体基板１０上に形成された絶縁膜１２と、この絶縁膜１２上において互いに離間配置された電極１５ａ，１５ｂ（ソース電極およびドレイン電極）と、これらの電極１５ａ，１５ｂの間に配置されていると共に、電極１５ａ，１５ｂの間に流れるドレイン電流（光電流）Ｉｄの経路となる量子ドット層１４と、を備えている。量子ドット層１４は、コア・シェル型により構成された複数の量子ドット１４１と、これら複数の量子ドット１４１の間に分散配置された導電性イオン１４２と、を有している。【選択図】図１

Description

本開示は、量子ドットを用いたフォトトランジスタ、および、そのようなフォトトランジスタを備えた電子機器に関する。

量子ドットを用いたフォトトランジスタ（光トランジスタ）としては、例えば非特許文献１に開示されているものが挙げられる。この非特許文献１のフォトトランジスタでは、ＤＰＰ−ＤＴＴを用いた有機半導体層上に量子ドット層が配置されており、その有機半導体層内に、ドレイン電流（光電流）が流れるようになっている。

Zou et al., Adv. Optical Mater. (2018)1800324

ところで、このようなフォトトランジスタでは一般に、そのデバイスの特性を向上させることが求められている。デバイスの特性を向上させることが可能なフォトトランジスタ、および、そのようなフォトトランジスタを備えた電子機器を提供することが望ましい。

本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタは、ゲート電極を有する半導体基板と、この半導体基板上に形成された絶縁膜と、この絶縁膜上において互いに離間配置されたソース電極およびドレイン電極と、これらのソース電極とドレイン電極との間に配置されていると共に、ソース電極とドレイン電極との間に流れる光電流としてのドレイン電流の経路となる量子ドット層とを備えたものである。この量子ドット層は、コア・シェル型により構成された複数の量子ドットと、これら複数の量子ドットの間に分散配置された導電性イオンとを有している。

本開示の一実施の形態に係る電子機器は、１または複数の上記本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタを備えたものである。

本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタおよび電子機器では、光電流（ドレイン電流）の経路となる量子ドット層に、コア・シェル型の複数の量子ドットと、これら複数の量子ドットの間に分散配置された導電性イオンとが、設けられている。これにより、光が照射されている明状態において、光が照射されていない暗状態と比べ、電子の移動度が大幅に増大する結果、明状態と暗状態とでの光電流値の差も、大幅に増大することになる。

本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタでは、このフォトトランジスタにおいて検出可能な光の波長範囲が、上記量子ドット層におけるエネルギー準位構造に応じて、選択的に設定されるようになっていてもよい。そのようにした場合、フォトトランジスタにおいて検出可能な光の波長範囲が、そのようなエネルギー準位構造に応じて、任意に調整可能となる。その結果、デバイスを使用する際の利便性の向上が図られる。

本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタでは、上記量子ドット層の膜厚を、例えば、２２ｎｍ以上かつ１７５ｎｍ以下の範囲内の値としてもよい。そのようにした場合、明状態と暗状態とでの光電流値の差が、特に増大するため、デバイスの特性が更に向上する。また、この場合において、上記量子ドット層の膜厚を、例えば７５ｎｍとしてもよい。そのようにした場合、明状態と暗状態とでの光電流値の差が、最大限に増大するため、デバイスの特性がより一層向上する。

本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタでは、上記量子ドット層に対して所定の光が照射されている明状態の際の上記ドレイン電流を、Ｉｄ（Ｌ）とすると共に、上記量子ドット層に対して所定の光が照射されていない暗状態の際の上記ドレイン電流を、Ｉｄ（Ｄ）とした場合に、（上記Ｉｄ（Ｌ）／上記Ｉｄ（Ｄ））の値が、１０⁵よりも大きくなっているようにしてもよい。そのようにした場合、デバイス（フォトトランジスタ）の特性が、実際に向上することになる。

なお、上記コア・シェル型の上記量子ドットにおいて、上記コアとしては、例えばＣｄＳｅを用いて構成されると共に、上記シェルとしては、例えばＣｄＳを用いて構成される。また、上記導電性イオンとしては、例えば、Ｃｄイオン（Ｃｄ²⁺）が挙げられる。

本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタおよび電子機器によれば、光電流（ドレイン電流）の経路となる量子ドット層に、コア・シェル型の複数の量子ドットと、これら複数の量子ドットの間に分散配置された導電性イオンとを設けるようにしたので、明状態と暗状態とでの光電流値の差を、大幅に増大させることができる。よって、デバイス（フォトトランジスタ）の特性を向上させることが可能となる。

本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタの全体構成例を模式的に表す斜視図である。 図１に示した量子ドットの詳細構成例を表す模式図である。 図１に示した量子ドット層の形成方法の一例を工程順に表す流れ図である。 暗状態および明状態におけるフォトトランジスタの動作例を説明するための模式図である。 暗状態および明状態におけるフォトトランジスタの特性例を表す模式図である。 本開示の実施例に係るフォトトランジスタの特性例を表す図である。 本開示の実施例に係るフォトトランジスタの他の特性例を表す図である。 本開示の実施例に係るフォトトランジスタの他の特性例を表す図である。 本開示の実施例に係るフォトトランジスタの他の特性例を表す図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
１．実施の形態（コア・シェル型の量子ドットを用いたフォトトランジスタの構成例）
２．適用例（フォトトランジスタの電子機器への適用例）
３．変形例

＜１．実施の形態＞
［フォトトランジスタの全体構成］
図１は、本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタ（フォトトランジスタ１）の全体構成例を、模式的に斜視図で表したものである。このフォトトランジスタ１は、詳細は後述するが、所定の波長領域の光を検出可能な、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field effect transistor）である。

フォトトランジスタ１は、図１に示したように、ゲート電極１１を有する半導体基板１０と、絶縁膜１２と、自己組織化単分子膜１３と、量子ドット層１４と、一対の電極１５ａ，１５ｂとを備えている。

（半導体基板１０，ゲート電極１１）
半導体基板１０は、各種の半導体を用いた基板である。このような半導体基板１０としては、例えば、ｎ型のＳｉ（シリコン）基板等が挙げられる。

ゲート電極１１は、図１の例では上記したように、半導体基板１０に設けられており、バックゲート電極として機能するようになっている。ただし、ゲート電極１１としては、そのようなバックゲート電極には限られず、他の構造であってもよい。このようなゲート電極１１には、図１に示したように、グランド（および後述するソース電極としての電極１５ａ）との間に、所定のゲート電圧Ｖｇが印加されるようになっている。

（絶縁膜１２，自己組織化単分子膜１３）
絶縁膜１２は、図１に示したように、半導体基板１０上に形成されている。この絶縁膜１２は、例えば、ＳｉＯ₂（二酸化ケイ素）等の絶縁材料により構成されており、絶縁膜１２の膜厚は、一例として５００ｎｍ程度が挙げられる。

自己組織化単分子膜１３は、図１に示したように、絶縁膜１２上における電極１５ａ，１５ｂの間の領域に形成されている。この自己組織化単分子膜１３は、いわゆるＳＡＭ（Self-Assembled Monolayer）と呼ばれる膜であり、例えばＳｉ基板からなる半導体基板１０の表面を再構成するようになっている。このような自己組織化単分子膜１３は、例えば、n-オクタデシルホスホン酸，ビス(トリメチルシリル)アミン，1H,1H,2H,2H- ハ゜ーフルオロテ゛シルトリエトキシシラン等の材料により構成されており、自己組織化単分子膜１３の膜厚は、一例として１０ｎｍ程度が挙げられる。

（量子ドット層１４）
量子ドット層１４は、図１に示したように、自己組織化単分子膜１３上における電極１５ａ，１５ｂの間の領域に形成されている。この量子ドット層１４は、詳細は後述するが、電極１５ａ，１５ｂ（後述するソース電極およびドレイン電極）の間に流れる、光電流としてのドレイン電流Ｉｄの経路（電流経路）となる層である。なお、この量子ドット層１４の膜厚ｄとしては、詳細は後述するが、例えば、２２ｎｍ〜１７５ｎｍの範囲内の値（２２ｎｍ≦ｄ≦１７５ｎｍ）が挙げられる。

このような量子ドット層１４は、図１に示したように、複数の量子ドット１４１および複数の導電性イオン１４２を有している。

量子ドット１４１は、量子ドット層１４内において分散配置されており、後述するコア（core）・シェル（shell）型により構成されている。なお、このような量子ドット１４１の詳細構成例については、後述する（図２）。

導電性イオン１４２は、図１に示したように、複数の量子ドット１４１の間に分散配置されている。この導電性イオン１４２としては、例えば、カドミウムイオン（Ｃｄ²⁺）等の金属イオンが挙げられる。

（電極１５ａ，１５ｂ）
電極１５ａ，１５ｂは、図１に示したように、絶縁膜１２上において自己組織化単分子膜１３および量子ドット層１４を挟み込むようにして、互いに離間配置されている。図１の例では、電極１５ａはグランド（接地）に接続されており、電極１５ａ，１５ｂの間には、所定のドレイン電圧Ｖｄｓが印加されるようになっている。つまり、図１の例では、電極１５ａはソース電極として機能し、電極１５ｂはドレイン電極として機能するようになっている。

このような電極１５ａ，１５ｂはそれぞれ、例えば各種の金属材料等により構成されており、一例としては、Ａｕ（金）およびＣｒ（クロム）の２層構造の電極が挙げられる。また、その場合におけるＡｕ層およびＣｒ層の膜厚としては、一例として、（Ａｕ／Ｃｒ）＝（１７ｎｍ／３ｎｍ）が挙げられる。

なお、電極１５ａは、本開示における「ソース電極」の一具体例に対応し、電極１５ｂは、本開示における「ドレイン電極」の一具体例に対応している。

［量子ドット１４１の詳細構成］
次いで、図２，図３を参照して、前述した量子ドット１４１（および量子ドット層１４）の詳細構成例について説明する。

図２（Ａ），図２（Ｂ）は、量子ドット１４１の詳細構成例を、模式的に表したものである。

図２（Ａ）に示したように、量子ドット１４１は、コア・シェル型により構成された量子ドットであり、コア２１、シェル２２およびリガンド（Ligand）２３を有している。

コア２１は、図２（Ａ）に示したように、量子ドット１４１の中心部分に配置された球状部分である。このコア２１は、例えば各種の半導体材料を用いて構成されており、一例としては、化合物半導体であるＣｄＳｅ（セレン化カドミウム）が挙げられる。

シェル２２は、図２（Ａ）に示したように、コア２１の周囲を覆う膜状部分である。このシェル２２もまた、例えば各種の半導体材料を用いて構成されており、一例としては、化合物半導体であるＣｄＳ（硫化カドミウム）が挙げられる。

リガンド２３は、図２（Ａ）に示したように、シェル２２の周囲を覆うように配置されている。このリガンド２３は、例えば各種の絶縁体材料により構成されており、一例としては、チオシアン酸塩（Ｓ−Ｃ≡Ｎ）が挙げられる。

なお、このような量子ドット１４１における、コア２１、シェル２２およびリガンド２３の各部分の位置に対応するエネルギー準位は、例えば図２（Ｂ），図２（Ｃ）に示したようになっている。すなわち、コア２１のエネルギー準位と比べて、シェル２２のエネルギー準位のほうが高くなっていると共に、シェル２２のエネルギー準位と比べて、リガンド２３のエネルギー準位のほうが高くなっている。つまり、この量子ドット１４１では、いわゆる量子井戸構造が実現されている。

［量子ドット層１４の形成方法］
ここで、このようなコア・シェル型の量子ドット１４１と、前述した導電性イオン１４２とを有する量子ドット層１４は、例えば、図３に示したようにして形成することができる。図３（Ａ）〜図３（Ｃ）は、量子ドット層１４の形成方法の一例を、工程順に流れ図で表したものである。

まず、図３（Ａ）に示したように、前述したコア・シェル構造（コア２１、シェル２２およびリガンド２３）を有する量子ドット１４１が分散配置された、量子ドット膜を成膜する。

次いで、図３（Ｂ）に示したように、このようにして成膜された量子ドット膜において、リガンド交換の処理を行う。これにより、量子ドット膜内において、量子ドット１４１同士の間隔が狭くなる。

続いて、図３（Ｃ）に示したように、量子ドット膜において所定の表面修飾および充填の処理を行うことで、前述した導電性イオン１４２を、その量子ドット膜に添加させる。

そして、図３中の破線の矢印で示したように、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）の形成工程を、適宜繰り返すようにする。以上により、図１，図２に示した量子ドット層１４が完成する。

［動作および作用・効果］
次に、図１〜図３に加えて、図４〜図９を参照して、本実施の形態のフォトトランジスタ１における動作、作用および効果について、詳細に説明する。

（Ａ．動作）
図４は、暗状態および明状態における本実施の形態のフォトトランジスタ１の動作例を、模式的に表したものである。また、図５は、暗状態および明状態におけるフォトトランジスタの特性例（ゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄとの対応関係の例）を、模式的に表したものである。なお、図５（Ａ），図５（Ｂ）はそれぞれ、一般的なフォトトランジスタにおける特性例を示し、図５（Ｃ）は、本実施の形態のフォトトランジスタ１における特性例を示している。

まず、図４（Ａ）に示した暗状態では、後述する所定の光（照射光Ｌin）が、フォトトランジスタ１に照射されていない。したがってこの暗状態では、フォトトランジスタ１内の半導体層（量子ドット層１４）において、所定のエネルギー障壁（例えば量子井戸構造におけるエネルギーギャップ等）を、電子ｅが乗り越えることができない状態となっている（矢印Ｐ１１参照）。その結果、このような暗状態では、フォトトランジスタ１におけるソース電極とドレイン電極との間（電極１５ａ，１５ｂの間）には、光電流としてのドレイン電流Ｉｄが流れない状態となっている。

一方、図４（Ｂ）に示した明状態では、外部からの照射光（入射光）Ｌinが、フォトトランジスタ１に照射されている。したがってこの暗状態では、フォトトランジスタ１内の半導体層（量子ドット層１４）において、照射光Ｌinの光エネルギーの分だけ、電子ｅが励起されることから（矢印Ｐ１２参照）、この励起された電子ｅは、上記したエネルギー障壁を乗り越えることが可能となっている（矢印Ｐ１３参照）。その結果、このような明状態では、フォトトランジスタ１におけるソース電極とドレイン電極との間（電極１５ａ，１５ｂの間）に、光電流としてのドレイン電流Ｉｄが流れることになる。

そして、このような暗状態と明状態とでの光電流（ドレイン電流Ｉｄ）の変化（光電流のオン状態とオフ状態との差分）を検出することで、例えば、本実施の形態のフォトトランジスタ１を光センサとして利用することが可能となる。

ちなみに、本実施の形態のフォトトランジスタ１において、例えば、以下のような構造となっていてもよい。すなわち、このフォトトランジスタ１において検出可能な光（上記した照射光Ｌin）の波長範囲が、前述した量子ドット層１４におけるエネルギー準位構造（図２（Ｂ），図２（Ｃ）参照）に応じて、選択的に設定されるようにしてもよい。具体的には、例えば長波長側の波長領域（赤外領域や赤色領域）の照射光Ｌinを検出可能とする場合には、量子ドット層１４におけるエネルギーギャップを、比較的小さく設定する必要がある。一方、短波長側の波長領域（紫外領域や青色領域など）の照射光Ｌinを検出可能とする場合には、量子ドット層１４におけるエネルギーギャップを、比較的大きく設定してもよいことになる。

ここで、図５（Ａ）に示した（一般的なフォトトランジスタの）特性例では、上記した暗状態の特性Ｇ１１と、上記した明状態の特性Ｇ１２とがそれぞれ、以下のようになっている。すなわち、特性Ｇ１１，Ｇ１２ではそれぞれ、ゲート電圧Ｖｇが閾値電圧Ｖth11，Ｖth12以上となると、ゲート電圧Ｖｇの増加に応じてドレイン電流Ｉｄが、大幅に増加していくことになる。また、この図５（Ａ）の例では、暗状態（特性Ｇ１１）から明状態（特性Ｇ１２）へと切り替わると（破線の矢印Ｐ２１参照）、ドレイン電流Ｉｄが、ほぼ一律的に増大している。

また、図５（Ｂ）に示した特性例（高移動度の半導体を用いたフォトトランジスタの例）では、暗状態の特性Ｇ２１と明状態の特性Ｇ２２とがそれぞれ、以下のようになっている。すなわち、この場合においても、特性Ｇ２１，Ｇ２２ではそれぞれ、ゲート電圧Ｖｇが閾値電圧Ｖth21，Ｖth22以上となると、ゲート電圧Ｖｇの増加に応じてドレイン電流Ｉｄが、大幅に増加していくことになる。また、この図５（Ｂ）の例においても、暗状態（特性Ｇ２１）から明状態（特性Ｇ２２）へと切り替わると（破線の矢印Ｐ２２参照）、ドレイン電流Ｉｄが、ほぼ一律的に増大している。ただし、この図５（Ｂ）の例では、上記したように高移動度の半導体が用いられていることから、Ｖｇ≧Ｖth21，Ｖｇ≧Ｖth22の場合におけるドレイン電流Ｉｄの傾きが、図５（Ａ）の例と比べ、急峻となっている。

一方、図５（Ｃ）に示した特性例（本実施の形態のフォトトランジスタ１の例）では、暗状態の特性Ｇ３１と明状態の特性Ｇ３２とがそれぞれ、以下のようになっている。すなわち、まず、明状態の特性Ｇ３２では、図５（Ａ），図５（Ｂ）の場合と同様に、ゲート電圧Ｖｇが閾値電圧Ｖth32以上となると、ゲート電圧Ｖｇの増加に応じてドレイン電流Ｉｄが、大幅に増加していくことになる。これに対して、暗状態の特性Ｇ３１では、ゲート電圧Ｖｇの変化によらず、ドレイン電流Ｉｄがほぼ一定の値（≒０）となっている。これは、例えば、暗状態における閾値電圧が、明状態における閾値電圧Ｖth32と比べ、大幅に高い電圧となっているからである。言い換えると、この図５（Ｃ）の例では、暗状態においては、ドレイン電流Ｉｄが非常に流れにくい状態になっていると言える。したがって、この図５（Ｃ）の例では、暗状態（特性Ｇ３１）から明状態（特性Ｇ３２）へと切り替わると（破線の矢印Ｐ２３参照）、特にゲート電圧Ｖｇが比較的に高い電圧範囲において、ドレイン電流Ｉｄの増大幅が、図５（Ａ），図５（Ｂ）の例と比較しても非常に大きなものとなる。

これらのことから、フォトトランジスタにおける光応答性（暗状態と明状態とでの光電流（ドレイン電流Ｉｄ）の変化量）を考慮すると、上記した図５（Ａ）〜図５（Ｃ）の例のうちでは、図５（Ｃ）の例が、最も理想的な光応答性の例であると言える。これは上記したように、図５（Ｃ）の例では、フォトトランジスタにおける明状態と暗状態とでの光電流値（ドレイン電流Ｉｄの値）の差が、最も大きいからである。

ところで、量子ドットを用いた従来のフォトトランジスタでは、例えば前述した非特許文献１のフォトトランジスタのように、量子ドット層ではなく、別の半導体層（有機半導体層など）内に、光電流としてのドレイン電流が流れるようになっている。このような従来のフォトトランジスタでは、例えば上記した図５（Ａ）または図５（Ｂ）に示したような特性となることから、デバイス（フォトトランジスタ）の特性（光応答性）が、不十分なものとなっている。

（Ｂ．作用・効果）
これに対して、本実施の形態のフォトトランジスタ１では、コア・シェル型の量子ドットでは、量子ドットの中でも、特に電流が非常に流れにくい（例えば上記した図５（Ｃ）中の特性Ｇ３１のように、閾値電圧が非常に高い値を示す）ことに着目して、以下のようにしている。すなわち、上記した従来のフォトトランジスタとは異なり、コア・シェル型の量子ドット１４１を用いた量子ドット層１４を、光電流としてのドレイン電流Ｉｄの流れる経路に設定するとともに、量子ドット層１４内での電流経路となり得る導電性イオン１４２を、この量子ドット層１４内で分散配置させるようにしている。

具体的には、このフォトトランジスタ１では、図１，図２に示したように、光電流（ドレイン電流Ｉｄ）の経路となる量子ドット層１４に、コア・シェル型の複数の量子ドット１４１と、これら複数の量子ドット１４１の間に分散配置された導電性イオン１４２とが、設けられている。

これによりフォトトランジスタ１では、例えば以下詳述するように、量子ドット層１４に対して照射光Ｌinが照射されている明状態において、量子ドット層１４に対して照射光Ｌinが照射されていない暗状態と比べ、電子ｅの移動度μが大幅に増大する。その結果、このフォトトランジスタ１では、明状態と暗状態とでの光電流値（ドレイン電流Ｉｄの値）の差も、従来のフォトトランジスタの場合と比べ、大幅に増大することになる（例えば前述した図５（Ｃ）の例を参照）。

（実施例）
ここで、図６〜図９を参照して、本実施の形態の実施例に係るフォトトランジスタ１の各種特性例について、詳細に説明する。

図６は、量子ドット層１４の膜厚ｄ＝１７５ｎｍの場合における、フォトトランジスタ１でのゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄとの対応関係の一例と、ドレイン電圧Ｖｄｓとドレイン電流Ｉｄとの対応関係の一例とを、それぞれ示したものである。なお、図６中に示した「Ｎｏ Ｃｄ²⁺」の場合の特性例は、前述した導電性イオン１４２の一例としてのカドミウムイオン（Ｃｄ²⁺）を、量子ドット層内に分散配置させないようにした、比較例に対応している。

この図６に示した特性例では、導電性イオン１４２が量子ドット層内に分散配置されていない比較例では、ゲート電圧Ｖｇやドレイン電圧Ｖｄｓを比較的高く設定しても、ドレイン電流Ｉｄがほとんど流れないことが分かる。これは、前述したように、コア・シェル型の量子ドット１４１では電流が非常に流れにくいのと、量子ドット層内での電流経路となり得る導電性イオン１４２が分散配置されていないからであると、推測される。これに対して、導電性イオン１４２が量子ドット層１４内に分散配置されている実施例では、比較例と比べて低い値のゲート電圧Ｖｇやドレイン電圧Ｖｄｓの場合でも、比較的に大きなドレイン電流Ｉｄが流れていることが分かる。これは、比較例の場合とは異なり、量子ドット層１４内での電流経路となり得る導電性イオン１４２が、量子ドット層１４内に分散配置されているためであると、推測される。

図７は、前述した暗状態および明状態におけるフォトトランジスタ１の特性例（ゲート電圧Ｖｇとドレイン電流Ｉｄとの対応関係の例）を、示したものである。具体的には、図７（Ａ），図７（Ｂ），図７（Ｃ）ではそれぞれ、量子ドット層１４の膜厚ｄ＝約２２ｎｍ，約７５ｎｍ，約１７５ｎｍの場合（前述した膜厚ｄの範囲の一例である、２２ｎｍ≦ｄ≦１７５ｎｍを参照）について、そのような特性例を示している。なお、これらの図７（Ａ）〜図７（Ｃ）ではいずれも、ドレイン電圧Ｖｄｓ＝１５Ｖの場合の特性例であると共に、明状態の際の照射光Ｌinの一例として、紫外光（ＵＶ光）が用いられている。

これらの図７（Ａ）〜図７（Ｃ）に示した特性例ではいずれも、前述した図５（Ｃ）の例と同様に、暗状態ではドレイン電流Ｉｄ≒０となっていると共に、明状態と暗状態とでの光電流値（ドレイン電流Ｉｄの値）の差が、非常に大きくなっている。また、量子ドット層１４の膜厚ｄの値が大きくなるのに従って（図７（Ａ）〜図７（Ｃ）の順に）、明状態におけるドレイン電流Ｉｄの値も、次第に大きくなっていることが分かる。

図８（Ａ）は、量子ドット層１４の膜厚ｄと、明状態の際のドレイン電流Ｉｄ（Ｌ）（ゲート電圧Ｖｇ＝０Ｖ，ドレイン電圧Ｖｄｓ＝１５Ｖの場合）との対応関係の一例を、示したものである。また、図８（Ｂ）は、量子ドット層１４の膜厚ｄと、明状態の際の電子ｅの移動度μ（Ｌ）および暗状態の際の電子ｅの移動度μ（Ｄ）との対応関係の一例を、示したものである。

図８（Ａ）に示した特性例では、量子ドット層１４の膜厚ｄが大きくなるのに従って、明状態の際の光電流としてのドレイン電流Ｉｄ（Ｌ）の値が、ほぼ線形的に増加していることが分かる。また、図８（Ｂ）に示した特性例では、暗状態の際の電子ｅの移動度μ（Ｄ）と、明状態の際の電子ｅの移動度μ（Ｌ）とを比較すると、暗状態から明状態へと切り替わることで、電子ｅの移動度μが大幅に（約数十倍に）増加していることが分かる。更に、この図８（Ｂ）の特性例では、量子ドット層１４の膜厚ｄが大きくなるのに従って、電子ｅの移動度μ（Ｄ），μ（Ｌ）ともに増加していき、特に、明状態の際の電子ｅの移動度μ（Ｌ）において、その増加率が大きいことが分かる。

図９は、ゲート電圧Ｖｇと、暗状態の際のドレイン電流Ｉｄ（Ｄ）に対する明状態の際のドレイン電流Ｉｄ（Ｌ）の比率（＝Ｉｄ（Ｌ）／Ｉｄ（Ｄ））との対応関係の一例を、量子ドット層１４の膜厚ｄ＝約２２ｎｍ，約７５ｎｍ，約１７５ｎｍの各場合について、示したものである。なお、図９中の破線Ｇ１０１は、従来の量子ドットを用いたフォトトランジスタにおける最高値（（Ｉｄ（Ｌ）／Ｉｄ（Ｄ）≒８×１０⁴程度）を、参考例として示している（Chen et al., Adv. Mater.2017参照）。

この図９の特性例では、量子ドット層１４の膜厚ｄ＝約２２ｎｍ，約７５ｎｍの各場合において、フォトトランジスタ１における（Ｉｄ（Ｌ）／Ｉｄ（Ｄ））の値が、１０⁵よりも大きくなっており、上記した参考例での値（≒８×１０⁴程度）を超えていることが分かる。つまり、この実施例では、（Ｉｄ（Ｌ）／Ｉｄ（Ｄ））＞１０⁵となる場合が存在することが、確認された。

以上のように本実施の形態では、光電流（ドレイン電流Ｉｄ）の経路となる量子ドット層１４に、コア・シェル型の複数の量子ドット１４１と、これら複数の量子ドット１４１の間に分散配置された導電性イオン１４２とを設けるようにしたので、明状態と暗状態とでの光電流値の差を、大幅に増大させることができる。よって、本実施の形態では、デバイス（フォトトランジスタ１）の特性（光応答性）を、向上させることが可能となる。

また、本実施の形態では、フォトトランジスタ１において検出可能な光（照射光Ｌin）の波長範囲が、量子ドット層１４におけるエネルギー準位構造に応じて選択的に設定されるようにした場合には、以下のようになる。すなわち、フォトトランジスタ１において検出可能な照射光Ｌinの波長範囲が、そのようなエネルギー準位構造に応じて、任意に調整可能となる。その結果、フォトトランジスタ１を使用する際の利便性を、向上させることが可能となる。

更に、本実施の形態では、量子ドット層１４の膜厚ｄを、２２ｎｍ以上かつ１７５ｎｍ以下の範囲内の値とした場合には、明状態と暗状態とでの光電流値の差を、特に増大させることができるため、フォトトランジスタ１の特性を更に向上させることが可能となる。また、この場合において特に、量子ドット層１４の膜厚ｄを７５ｎｍとした場合には、明状態と暗状態とでの光電流値の差が最大限に増大するため、フォトトランジスタ１の特性を、より一層向上させることが可能となる。

加えて、本実施の形態では、明状態の際のドレイン電流Ｉｄ（Ｌ）と、暗状態の際のドレイン電流Ｉｄ（Ｄ）とに関して、（Ｉｄ（Ｌ）／Ｉｄ（Ｄ））の値が、１０⁵よりも大きくなっているようにした場合には、フォトトランジスタ１の特性を、実際に向上させることが可能となる。

＜２．適用例＞
続いて、上記実施の形態で説明したフォトトランジスタ１の、電子機器への適用例について説明する。

上記実施の形態で説明したフォトトランジスタ１は、各種の電子機器に適用することが可能である。つまり、そのような各種の電子機器に、１または複数のフォトトランジスタ１を内蔵させることが可能である。

そのような電子機器の具体例としては、例えば、撮像装置（高感度カメラなど），赤外光を利用した人感センサ（自動ドアなど），紫外領域での紫外線センサ，スマートフォンなどのモニタの明るさを自動統制する照度センサ等が挙げられる。

＜３．変形例＞
以上、実施の形態および適用例を挙げて本開示の技術を説明したが、本技術はこれらの実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態等において説明した各部材の構成（形状や配置位置、個数、材料等）は限定されるものではなく、他の形状や配置位置、個数、材料等としてもよい。また、フォトトランジスタ１における数値例や特性例等についても、上記実施の形態等において説明したものには限られず、他の数値例や特性例等であってもよい。

また、上記実施の形態等では、量子ドット層１４の形成方法について具体的に挙げて説明したが、上記実施の形態等で説明した形成方法には限られず、他の手法を用いて量子ドット層１４を形成するようにしてもよい。

更に、本技術では、これまでに説明した内容を、任意の組み合わせで適用することも可能である。

なお、本明細書中に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。

１…フォトトランジスタ、１０…半導体基板、１１…ゲート電極、１２…絶縁膜、１３…自己組織化単分子膜、１４…量子ドット層、１４１…量子ドット、１４２…導電性イオン、１５ａ，１５ｂ…電極、２１…コア、２２…シェル、２３…リガンド、Ｖｇ…ゲート電圧、Ｖｄｓ…ドレイン電圧、Ｉｄ，Ｉｄ（Ｌ），Ｉｄ（Ｄ）…ドレイン電流（光電流）、ｅ…電子、Ｌin…照射光、Ｖth11，Ｖth12，Ｖth21，Ｖth22，Ｖth32…閾値電圧、ｄ…膜厚、μ（Ｌ），μ（Ｄ）…移動度。

Claims (7)

1. ゲート電極を有する半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜上において互いに離間配置された、ソース電極およびドレイン電極と、
   前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されていると共に、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に流れる光電流としてのドレイン電流の経路となる量子ドット層と
   を備え、
   前記量子ドット層は、
   コア・シェル型により構成された複数の量子ドットと、
   前記複数の量子ドットの間に分散配置された導電性イオンと
   を有するフォトトランジスタ。
2. 前記フォトトランジスタにおいて検出可能な光の波長範囲が、
   前記量子ドット層におけるエネルギー準位構造に応じて、選択的に設定されるようになっている
   請求項１に記載のフォトトランジスタ。
3. 前記量子ドット層の膜厚が、２２ｎｍ以上かつ１７５ｎｍ以下の範囲内の値である
   請求項１または請求項２に記載のフォトトランジスタ。
4. 前記量子ドット層の膜厚が、７５ｎｍである
   請求項３に記載のフォトトランジスタ。
5. 前記量子ドット層に対して所定の光が照射されている明状態の際の前記ドレイン電流を、Ｉｄ（Ｌ）とすると共に、
   前記量子ドット層に対して前記所定の光が照射されていない暗状態の際の前記ドレイン電流を、Ｉｄ（Ｄ）とした場合において、
   （前記Ｉｄ（Ｌ）／前記Ｉｄ（Ｄ））の値が、１０⁵よりも大きくなっている
   請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のフォトトランジスタ。
6. 前記コア・シェル型の前記量子ドットにおいて、コアがＣｄＳｅを用いて構成されていると共に、シェルがＣｄＳを用いて構成されており、
   前記導電性イオンが、Ｃｄイオン（Ｃｄ²⁺）である
   請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のフォトトランジスタ。
7. １または複数のフォトトランジスタを備え、
   前記フォトトランジスタは、
   ゲート電極を有する半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
   前記絶縁膜上において互いに離間配置された、ソース電極およびドレイン電極と、
   前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されていると共に、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に流れる光電流としてのドレイン電流の経路となる量子ドット層と
   を備え、
   前記量子ドット層は、
   コア・シェル型により構成された複数の量子ドットと、
   前記複数の量子ドットの間に分散配置された導電性イオンと
   を有する電子機器。

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