JP6049899B2 - 光検出 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は光検出に関し、具体的には、半導体ナノ構造を用いた光検出に関する。
背景
光検出器とは、入射光を電流に変換することによって光を検出するものである。
摘要
本発明の様々な、しかし必ずしも全てではない実施形態によれば、次の装置が提供される。この装置は、半導体フィルムと、ヘテロ接合を含む少なくとも1つの半導体ナノ構造を備え、前記ヘテロ接合は、光生成キャリアが前記少なくとも1つの半導体ナノ構造から前記半導体フィルムへ移動するのを助けることによって、前記半導体フィルムの導電率を調節するように構成される。
前記半金属フィルムはグラフェンでもよい。前記ヘテロ接合は、前記少なくとも25つの半導体ナノ構造の光生成キャリアを分離することによって、前記光生成キャリアが前記半導体フィルムに移動するのを助けてもよい。前記ヘテロ接合はタイプIIヘテロ接合でもよい。
前記光生成キャリアが前記少なくとも1つの半導体ナノ構造から前記半導体フィルムへ移動することは、前記半導体フィルムの導電率を調節する電場を生じさせてもよい。
前記少なくとも1つの半導体ナノ構造は、前記ヘテロ接合を形成する第1の半導体ナノ材料及び第2の半導体ナノ材料を含んでもよい。
前記第1及び第2の半導体ナノ材料は、光生成キャリアが前記第2の半導体ナノ材料から前記半導体フィルムへ移動され、前記第1の半導体ナノ材料から前記半導体フィルムへは移動されないように、前記半導体フィルムに対して配置されてもよい。
前記第2の半導体ナノ材料は、前記半導体フィルムに直接接触していてもよい。前記第1の半導体ナノ材料は、前記半導体フィルムに接触していなくてもよい。前記第1の半導体ナノ材料は、前記第2の半導体ナノ材料の中に包み込まれていてもよい。
前記装置は、前記第2の半導体ナノ材料から前記半導体フィルムに伸びる電気ブリッジを更に備えてもよい。前記電気ブリッジは金属でもよく、又は金属を含んでもよい。前記金属は金、白金、パラジウム、ニッケル及び銅のうちの少なくとも1つでもよく、又は少なくとも1つを含んでもよい。
本発明の様々な、しかし必ずしも全てではない実施形態によれば、次の方法が提供される。この方法は、半導体フィルムの導電率を調節するために、少なくとも1つの半導体ナノ構造のヘテロ接合を用いることを含み、前記調整は、光生成キャリアが前記少なくとも1つの半導体ナノ構造から前記半導体フィルムへ移動するのを助けることによって行われる。
前記ヘテロ接合は、前記少なくとも25つの半導体ナノ構造の光生成キャリアを分離することによって、前記光生成キャリアが前記半導体フィルムに移動するのを助けてもよい。前記ヘテロ接合はタイプIIヘテロ接合でもよい。
前記光生成キャリアが前記少なくとも1つの半導体ナノ構造から前記半導体フィルムへ移動することは、前記半導体フィルムの導電率を調節する電場を生じさせてもよい。
本発明の様々な、しかし必ずしも全てではない実施形態によれば、次の装置が提供される。この装置は、半金属フィルムと、ヘテロ接合を含む少なくとも1つの半導体ナノ構造を備え、前記半導体ナノ構造は、共鳴エネルギー移動を介して前記半金属フィルムにキャリア対を生成し、前記生成キャリア対を分離する外部電場を前記半金属フィルムに生じさせるように構成される。
前記半金属フィルムはグラフェンでもよい。前記ヘテロ接合はタイプIIヘテロ接合でもよい。前記ヘテロ接合は、光生成キャリア対を分離することによって前記外部電場を生じさせるように構成されてもよい。前記半金属のキャリア対は、共鳴エネルギー移動を介して前記少なくとも1つの半導体ナノ構造の光生成キャリア対から生成されてもよい。
前記装置は、前記少なくとも1つの半導体ナノ構造と前記半金属フィルムの間に障壁を更に備えてもよい。前記外部電場は、前記障壁で前記少なくとも1つの半導体ナノ構造の中に束縛される光生成キャリア対を分離することによって生じてもよい。前記外部電場は概ね双極子電場でもよい。前記少なくとも1つの半導体ナノ構造は、光生成キャリアが前記少なくとも1つの半導体ナノ構造から前記半金属フィルムへ移動するのを助けることによって、前記外部電場を生じさせるように構成されてもよい。
前記少なくとも1つの半導体ナノ構造は、前記ヘテロ接合を形成する第1の半導体ナノ材料及び第2の半導体ナノ材料を含んでもよい。前記ヘテロ接合は、前記半金属フィルムで生成されたキャリア対の移動方向に対して実質的に直交する向きに伸びていてもよい。
前記ヘテロ接合は、前記少なくとも25つの半導体ナノ構造の光生成キャリアを分離することによって、前記光生成キャリアが前記半金属フィルムに移動するのを助けてもよい。
前記少なくとも1つの半導体ナノ構造は、前記ヘテロ接合を形成する第1の半導体ナノ材料及び第2の半導体ナノ材料を含んでもよい。前記第1及び第2の半導体ナノ材料は、光生成キャリアが前記第2の半導体ナノ材料から前記半金属フィルムへ移動され、前記第1の半導体ナノ材料から前記半金属フィルムへは移動されないように、前記半金属フィルムに対して配置されてもよい。
前記第2の半導体ナノ材料は、前記半金属フィルムに直接接触していてもよい。前記第1の半導体ナノ材料は、前記半金属フィルムに接触していなくてもよい。前記第1の半導体ナノ材料は、前記第2の半導体ナノ材料の中に包み込まれていてもよい。
前記装置は、追加ヘテロ接合を含む少なくとも1つの追加半導体ナノ構造を更に備え、前記追加半導体ナノ構造は、共鳴エネルギー移動を介して前記半金属フィルムに追加キャリア対を生成し、前記生成された追加キャリア対を分離する追加外部電場を前記半金属フィルムに生じさせるように構成されてもよい。
前記少なくとも1つの半導体ナノ構造は、第1の振動数閾値以上の振動数を持つ光の入射に反応して、前記少なくとも1つの半導体ナノ構造に生成した光生成キャリア対から、共鳴エネルギー移動を介して前記半金属フィルムにキャリア対を生成するように構成されてもよい。
前記少なくとも1つの追加半導体ナノ構造は、第2の振動数閾値以上の振動数を持つ光の入射に反応して、前記少なくとも1つの追加半導体ナノ構造に生成した光生成キャリア対から、共鳴エネルギー移動を介して前記半金属フィルムに追加キャリア対を生成するように構成され、前記第2の振動数閾値は、前記第1の振動数閾値よりも低くてもよい。
前記少なくとも1つの半導体ナノ構造及び前記少なくとも1つの追加半導体ナノ構造に入射する、振動数が前記第2の振動数閾値以上かつ前記第1の振動数閾値未満の光に反応して、前記半金属フィルムに電流が発生し、一方で、前記少なくとも1つの半導体ナノ構造及び前記少なくとも1つの追加半導体ナノ構造に入射する、振動数が前記第1の振動数閾値以上または前記第2の振動数閾値未満の光に対しては、前記半金属フィルムに電流が発生しなくてもよい。
本発明の様々な、しかし必ずしも全てではない実施形態によれば、次の方法が提供される。この方法は、共鳴エネルギー移動を介して半金属フィルムにキャリア対を生成するために、ヘテロ接合を含む少なくとも1つの半導体ナノ構造を用いることと、前記半金属フィルムに生成したキャリア対を分離する外部電場を生じさせるために、前記ヘテロ接合を用いることとを含む。
前記外部電場は、前記ヘテロ接合が光生成キャリア対を分離することによって生じてもよい。
前述の簡単な説明を理解するために有用な種々の実施例の理解に資するべく、例として次の添付図面を参照する。
半導体フィルムと半導体ナノ構造を備える装置を示す。 図1に示す装置で受光開始前の導電率対時間のグラフを示す。 図1に示す装置が光子を受け取った後を示す。 図1に示す装置で受光後の導電率対時間のグラフを示す。 図1及び3に示す装置のエネルギーバンド図の例を示す。 第1の方法のフローチャートを示す。 半導体フィルムと、半導体ナノ構造と、半導体フィルム及び半導体ナノ構造を接続する電気的ブリッジを備える装置を示す。 図7に示す装置で受光開始前の導電率対時間のグラフを示す。 図7に示す装置が光子を受け取った後を示す。 図7に示す装置で受光後の導電率対時間のグラフを示す。 図7及び9に示す装置のエネルギーバンド図の例を示す。 半金属フィルムと半導体ナノ構造を備える装置を示す。 半金属フィルムと複数の半導体ナノ構造を備える装置の平面図を示す。 装置であって、半金属フィルムと複数の半導体ナノ構造を備える装置を含む装置を示す。 装置であって、半金属フィルムと、第1の半導体ナノ構造セットと、第2の半導体ナノ構造セットを備える装置を含む装置を示す。 第2の方法のフローチャートを示す。
詳細説明
本発明の実施形態は、半導体ナノ構造を用いた光検出に関する。
添付図面には、半導体フィルム10と、ヘテロ接合21を含む少なくとも1つの半導体ナノ構造20を備える装置100／101であって、ヘテロ接合は、光生成キャリア31が少なくとも1つの半導体ナノ構造20から半導体フィルム10へ移動するのを助けることによって、半導体フィルム10の導電率を調節するように構成される、装置が示されている。
添付図面には、半金属フィルム11と、ヘテロ接合21／121を含む少なくとも1つの半導体ナノ構造20／120／20a-20e／20a-20jを備える装置102／103／104／105が示されている。半導体ナノ構造は、共鳴エネルギー移動を介して半金属フィルム11にキャリア対230・231を生成し、生成キャリア対230・231を分離する外部電界60を半金属フィルム11に生じさせるように構成される。
図１は、半導体フィルム10と半導体ナノ構造20を備える第1の装置100の横断面を示す。半導体ナノ構造20は、半導体フィルム10上で2つの電気接点2・3の間に配置されている。
説明に役立つよう、図1の実施例では電気接点2・3の間に半導体ナノ構造20が1つだけ示されている。当業者であれば、実際には電気接点2・3の間に複数の半導体ナノ構造20を配置できることも理解されよう。
この実施例では、半導体フィルム10はグラフェンである。グラフェンはゼロギャップの半導体であり、半金属でもある。他の実施例では、半導体フィルム10が例えばシリコンであってもよい。
半導体ナノ構造20は、タイプII（スタガギャップ）ヘテロ接合21を形成する第1の半導体ナノ材料22と第2の半導体ナノ材料23を備える。図示した実施例では、半導体ナノ構造20はナノロッドである。第1の半導体ナノ材料22は、第2の半導体ナノ材料23の中に（全体が）包み込まれ、
図1の半導体フィルム10とは接触していない。つまり、第1の半導体ナノ材料22は、第2の半導体ナノ材料23によって半導体フィルム10から分離されている。
第2の半導体ナノ材料23は、半導体フィルム10と直に接触しているものと見なされる。第2の半導体ナノ材料23と半導体フィルム10の間に外来材料の層があるかもしれない。しかし、これを無くすことは困難であるか、不便であるか、あるいは不可能である。こうした外来材料層には、半導体ナノ構造20の自然酸化物や、ナノ構造の合成工程からの残留有機リガンド、及び／又は環境からの吸着水や吸着分子が含まれる。外来材料層は厚さが5ナノメートル（好ましくはそれ未満）に制限される。
動作中では、光が半導体ナノ構造20に入射すると、ナノ構造20内にキャリア対（電子・正孔対）が生成される。図1は、入射光子40が半導体ナノ構造20内にキャリア対30・31を生成する実施例を示している。図1では、第2の半導体ナノ材料23に電子31、第1の半導体ナノ材料22に正孔30がそれぞれ示されている。
ヘテロ接合21のビルトイン電界によって、キャリアの一方（電子又は正孔）30／31が他方から引き離される。これは、ナノ構造20での高速再結合を防止し、ナノ構造20とフィルム10の間で生じるトンネル現象に要する時間をより長く与えることで、電子又は正孔が半導体フィルム10に移動するのを助ける。図3に示す実施例では、電子31が半導体フィルム10へトンネルしたかのように描かれている。参照番号37を付された矢印は、電子31がフィルム10に移動した向きを示している。
キャリア31がフィルムに移動することでナノ構造20とフィルム10の間に電場が生じ、これがフィルム10の導電率を調節する（高くする又は低くする）。この実施例では、電子31がフィルム10にトンネルして後に（図3ではプラス記号36で示されるような）正電荷イオンを残していくとき、フィルム10の導電率は低くなる。正孔30は第1の半導体ナノ材料22にあり、第1の半導体ナノ材料22が第2の半導体ナノ材料23によってフィルム10から隔てられているため、フィルム10に移動することはない。したがって、ナノ構造20からフィルム10に向かう電場が生じることになる。
電気接点2・3を使ってフィルム10にバイアスをかけると、フィルム10に移動したキャリアは、フィルム10に沿って電気接点2・3の間を流れる。図3は、第1の接点2が第2の接点3に対してプラスに帯電していて、矢印35で示す通り、第1の接点2に向かって動く電子31の移動を生じさせる状況を示している。
図6は、第1の方法に従うフローチャートを示す。図6のブロック601で、半導体ナノ構造20の受光前に接点2・3を介して半導体フィルム10にバイアスがかけられる。この実施例では、バイアス印加によって第1の接点2から第2の接点3に電流が流れることになる。図2は、この時点でフィルム10の導電率が実質的に一定であることを示している。
図6のブロック602で、光がナノ構造20に入射し、フィルム10に電荷移動が生じる。電荷移動によって生じる電場は、フィルム10の導電率を調整する。この実施例では、図4のグラフで示す通り、フィルム10の導電率を下げている。フィルム10の導電率が調節される範囲は、半導体ナノ構造20に入射する光子束に依存する。フィルム10の導電率の調節速度は、半導体ナノ構造20と半導体フィルム10の間にある外来材料の量に依存する。外来材料の障壁が薄い程、フィルム10へのキャリア移動もし易くなり、導電率の変化率も大きくなる。
実際には、半導体ナノ構造20は、導電チャネルの導電率を制御するのに用いられる光子ゲートとして動作する。この導電チャネルは半導体フィルム10に備わっていて、接点2・3間にある。
前述の通り、半導体ナノ構造20のヘテロ接合21には、ナノ構造20内で光生成電子と光生成正孔を分離して高速再結合を防止するのに役立つという利点がある。これにより、電子又は正孔が半導体フィルム10に移動し、フィルム10の導電率を変化させる時間がより多く与えられる。
ある実施例では、第1の半導体ナノ材料22が硫化カドミウム（CdS）、第2の半導体ナノ材料23がセレン化カドミウム（CdSe）、半導体フィルム10がグラフェンでもよい。図5は、このような実施例のエネルギーバンド図を示す。この図には、外来材料の界面障壁12が示されている。前述の通り、この界面障壁12の厚さは5ナノメートル以下である。
図7から11は、図1から6に示して前述した実施形態に類似する、本発明の実施形態を示す。図7及び9には第2の装置101が示されているが、これは、電気ブリッジ70を更に備える点で図1及び3に示した第1の装置100とは異なる。電気ブリッジ70は、第2の半導体ナノ材料23から半導体フィルム10まで伸びている。
電気ブリッジ70は金属でもよい。使用される金属は空気にさらされても酸化し難いものが好ましく、金や白金、パラジウム、ニッケル、銅等の金属が適する。
電気ブリッジ70には、光生成キャリアがナノ構造20から半導体フィルム10に移動するのを助けるという利点がある。図9の矢印38は、第2の半導体ナノ材料23から電気ブリッジ70に移動する電子31を示す。図9のもう1つの矢印39は、電気ブリッジ10から半導体フィルム10に移動する電子31を示す。
図8のグラフは、この実施形態におけるナノ構造の受光前での半導体フィルム10の導電率を示す。図10のグラフは、ナノ構造20に光が入射したときに半導体フィルム10の導電率が低下したことを示す。この実施形態では電気ブリッジ70が存在するために、フィルム10の導電率の調節速度が図1から5に関連して前述した実施形態よりも速いという利点がある。
図11は、本発明に関するこの実施形態のエネルギーバンド図を示す。ここで、第1の半導体ナノ材料22は硫化カドミウム（CdS）、第2の半導体ナノ材料23はセレン化カドミウム（CdSe）であり、電気ブリッジ70は金（Au）でできていて、半導体フィルム10はグラフェンである。第2の半導体ナノ材料23と電気ブリッジ70の間には、エピタキシャル界面14が示されている。
図12は、半金属フィルム11と半導体ナノ構造120を備える第3の装置102の横断面を示す。半金属フィルム11は、例えばグラフェンでもよい。図示した実施例では、半導体ナノ構造120はナノロッドである。
半導体ナノ構造120は、半金属フィルム11上で第1の電気接点2と第2の電気接点3の間に配置されている。図1から11に関連して前述された実施形態とは異なり、この実施形態では動作中、接点2・3間にバイアスはかけられない。
半導体ナノ構造120は、共鳴エネルギー移動を介して半金属フィルム11にキャリア対230・231を生成し、生成キャリア対230・231を分離する外部電場60を半金属フィルム11に生じさせるように構成される。これについては以降で詳述する。
図12で示す半導体ナノ構造120は、タイプII（スタガギャップ）ヘテロ接合121を形成する第1の半導体ナノ材料122と第2の半導体ナノ材料123を備える。この図では、ヘテロ接合121は、図示した半金属フィルム11に対して実質的に直交する方向に伸びている。図示した実施例では、半導体ナノ構造120はナノロッドである。図示したヘテロ接合121は、ナノ構造120の中心を通っていて、ナノ構造を2つに分けている。
装置10には、半金属フィルム11から第1の半導体ナノ材料122と第2の半導体ナノ材料123の両方を隔てる障壁（図12には示されていない）も含まれる。この障壁は、例えば厚さが5ナノメートル以上あり、半導体ナノ構造120と半金属フィルム11の間の電荷移動を軽減又は防止しようとするものである。
動作中では、（光子40・41によって示されるように）光が半導体ナノ構造41に入射すると、ナノ構造120内にキャリア対（電子・正孔対）が生成される。ヘテロ接合121のビルトイン電場によって、光生成電子が光生成正孔から引き離される。図12は、入射光子40が半導体ナノ構造120内にキャリア対130・131を生成する実施例を示している。図12では、第2の半導体ナノ材料123に電子131、第1の半導体ナノ材料122に正孔130がそれぞれ示されている。
光生成キャリア対は、半導体ナノ構造120内に束縛される。ナノ構造120とフィルム11の間の障壁は、光生成キャリア対が半金属フィルム11を通過することができない、又は略不可能であるような厚さである。
半導体ナノ構造での光生成キャリア（電子・正孔）対は、光子を放出せず、近接場結合を介して半金属フィルム11の等価キャリア（電子・正孔）対を励起しながら再結合することができる。これは、共鳴エネルギー移動として知られている。
半導体ナノ構造120では、光生成正孔から光生成電子を分離することで、半導体ナノ構造120の外側に電場60が生じる。この実施例における電場は、ナノ構造120の内側ではゼロであり、ナノ構造120の外側では、図12に示す通り概ね双極子電場である。外部電場60は、図12のプラス記号61及びマイナス記号62で示す通り、第1の半導体ナノ材料122から第2の半導体ナノ材料123に向いている。
外部電場60は、共鳴エネルギー移動を介して半金属フィルム11に生成されたキャリア対を分離する。図12は、外部電場60の影響下で半金属フィルム11を通って第1の接点2に向かって移動する正孔231を示す（矢印229を参照）。図12は、外部電場60の影響下で半金属フィルム11を通って第2の接点3に向かって移動する電子235も示す（矢印235を参照）。
半金属フィルム11での電子及び正孔の移動によって、半金属フィルム11には図12の矢印75で示すような電流が発生する。それ故、電流75の向きは、半導体ナノ構造120によって生じる電場60の向きに依存し、同様に、ナノ構造120のヘテロ接合121の配向にも依存する。図12から、フィルム11でのキャリア対の移動方向に対して実質的に直交する（したがって、電流の向きに直交する）向きにヘテロ接合121が伸びていることが分かる。
図13には、接点2・3の間に複数の半導体ナノ構造1200を備える第4の装置103であって、各半導体ナノ構造が図12に示して前述した半導体ナノ構造と同じ形状を有する、装置が示されている。
複数の半導体ナノ構造1200の各々は、図13と同じ極性に揃えられている。すなわち、各ナノ構造の第1の半導体ナノ材料122は、第2の接点3よりも第1の接点2寄りにあり、各ナノ構造の第2の半導体ナノ材料123は、第1の接点2よりも第2の接点3寄りにある。図13のナノ構造の各々は、十分な間隔を空け、隣接するナノ構造間で互いの電場を相殺しないように配置される。
動作中では、光が半導体ナノ構造1200に入射すると、半金属フィルム11を通って第1の接点2から第2の接点3へ電流75が流れる。
第3及び第4の装置102・103には、（接点2・3の間にかかるバイアスが無いために）電力入力を必要としなくても光検出器として動作するという利点がある。
図14は、半金属フィルム11と複数の半導体ナノ構造20a-20eを備える第5の装置104を示す。半金属フィルム11は、例えばグラフェンでもよい。
半導体ナノ構造20a-20eは、半金属フィルム11上で第1の接点2と第2の接点3の間に配置されている。この実施例では、半導体ナノ構造20a-20eは、第1の接点3よりも第2の接点2に近い領域に配置されている。動作中、接点2・3間にバイアスはかけられない。
半導体ナノ構造20a-20eの各々は、図1及び3、又は図7及び9に示した半導体ナノ構造20と同じ形状を有し、半金属フィルム11に接触しているものと見なされる。図1から11に示した前述の実施形態のように、ナノ構造20a-20eとフィルム11の間、又は（電気ブリッジ70が存在する場合は）ナノ構造20a-20eと電気ブリッジ70の間に界面層12・14があってもよい。
光が半導体ナノ構造20a-20eに入射すると、ナノ構造20a-20e内にキャリア対（電子・正孔対）が生成される。図1から11に関連して前述した通り、各ナノ構造20a-20eにおけるヘテロ接合21のビルトイン電場によって、キャリアの一方（電子又は正孔）が他方から引き離される。これは、ナノ構造20a-20eでの高速再結合を防止し、ナノ構造とフィルム11の間で生じるトンネル現象のためにより長い時間を与えることで、電子又は正孔が半金属フィルム11に移動するのを助ける。
キャリア11が半導体ナノ構造20a-20eからフィルムに移動することで、ナノ構造20a-20eとフィルム11の間に電場が生じ、これがフィルム11の導電率を下げる。この実施例では、電子は、正電荷イオンを残しながらフィルム11にトンネル移動する。正電荷イオンは、図14のナノ構造20a-20eの各々にあるプラス記号36で示される。これにより、ナノ構造20a-20eからフィルム11に向かう外部電場が生じることになる。電場の存在により、半金属フィルム11のエネルギーバンドプロファイル80は、半導体ナノ構造20a-20eが配置される領域で低くなるように変更される。変更されたフィルム11のエネルギーバンドプロファイル80は、図14の点線で示される。
各ナノ構造20a-20eには、蓄積可能な最大電荷量があり、「飽和値」と見なすことができる。ナノ構造20a-20eとフィルム11の間に生じる外部電場は、ある特定のポイントを越えるとナノ構造20a-20eとフィルム11の間でのキャリア移動を妨げる。これが原因となって飽和が起きることになる。外部電場により、ナノ構造20a-20eからフィルム11へ移動する光生成キャリアとフィルム11からナノ構造20a-20eへ移動する光生成キャリアとの間で動的平衡が形成される。
半導体ナノ構造20a-20eに光が入射すると、共鳴エネルギー移動も起きる。前述した通り、共鳴エネルギー移動では、光生成キャリア（電子・正孔）対は、光子を放出せず、近接場結合を介して半金属フィルム11の等価キャリア（電子・正孔）対を励起しながら半導体ナノ構造20a-20eで再結合する。
ナノ構造20a-20eとフィルム11の間で電荷移動が起こり、それによって両者間に電場が生じると（そして、フィルム11のエネルギーバンドプロファイル80が調節されると）、共鳴エネルギー移動によってフィルム11に生成された電子及び正孔の移動は、この電場によって影響を受ける。これにより、ナノ構造20a-20eに光が入射すると、接点2・3の間で電流が流れる。
図14は、正孔229と電子230がエネルギーバンドプロファイル80に沿って誘導されている状況（矢印229・235を参照）を示す。発生する電流の向きは、第2の接点3から第1の接点2への向きである。
第5の装置104には、（動作中に接点2・3の間にかかるバイアスが無いために）電力入力を必要としなくても光検出器として動作するという利点がある。
図15には、半金属フィルム11と、半金属フィルム11に配置される第1の半導体ナノ構造セット20a-20eと、半金属フィルム11に配置される第2の半導体ナノ構造セット20f-20jを備える装置が示されている。図15には、装置105に入射する一連の光子40-43も示されている。
第1の半導体ナノ構造20a-20e及び第2の半導体ナノ構造20f-20jは、半金属フィルム11上で第1の接点2と第2の接点3の間にある。ただし、第1のセット20a-20eは第2のセット20f-20jから離れた位置にある。動作中、接点2・3間にバイアスはかけられない。
第1のセットにおける半導体ナノ構造20a-20eの形状は、半導体ナノ構造20f-20jとは異なる。さらに、第1のセットにおける半導体ナノ構造20a-20eの各々は、第2のセットにおける半導体ナノ構造20f-20jとは異なるバンドギャップを有する。
第1の半導体ナノ構造セット20a-20eは、例えば、第2の半導体ナノ構造セット20f-20jとは異なる材料（複数でもよい）からできていてもよい。
第1のセットにおける半導体ナノ構造20a-20eの各々は、第1の閾値以上の振動数を持つ光に反応する。すなわち、第1の閾値以上の振動数を持つ光の入射に応答して、第1の半導体ナノ構造セット20a-20eで光生成キャリア対が生成される。
第2のセットにおける半導体ナノ構造20f-20jの各々は、第2の閾値以上の振動数を持つ光に反応する。すなわち、第2の閾値以上の振動数を持つ光の入射に応答して、第2の半導体ナノ構造セット20f-20jで光生成キャリア対が生成される。第2の振動数閾値は第1の振動数閾値よりも低い。
第1の振動数閾値と第2の振動数閾値の何れよりも低い振動数を持つ光が第1及び第2の半導体ナノ構造セット20a-20jに入射すると、ナノ構造20a-20jで光生成キャリア対は生成されず、接点2・3間で電流は流れない。
第1の振動数閾値以上の（従って第2の振動数閾値以上でもある）振動数を持つ光が第1及び第2の半導体ナノ構造セット20a-20jに入射すると、第1のナノ構造セット20a-20eと第2の半導体ナノ構造セット20f-20jの両方で光生成キャリア対が生成される。第1の半導体ナノ構造セット20a-20eとフィルム11の間でのキャリア移動、及び第2の半導体ナノ構造セット20f-20jとフィルム11の間でのキャリア移動は、半金属フィルム11のエネルギーバンドプロファイル81を変化させる。図15は、この状況における半金属フィルム11のエネルギーバンドプロファイルを示す。
共鳴エネルギー移動を介してフィルム11に生成されたキャリア対の移動は、変更されたフィルム11のエネルギーバンドプロファイル81によって影響を受ける。第1のナノ構造セット20a-20eからフィルム11に生成された電子は、第2の接点3へ導かれ、第1のナノ構造セット20a-20eからフィルム11に生成された正孔は、第1の接点2へ導かれる。反対に、第2のナノ構造セット20f-20jからフィルム11に生成された電子は、第1の接点2へ導かれ、第2のナノ構造セット20f-20jからフィルム11に生成された正孔は、第2の接点3へ導かれる。
その結果、第1のナノ構造セット20a-20eによって発生する電流は、第2のナノ構造セット20f-20jによって発生する電流によって相殺され、接点2・3間を流れる総電流はゼロになる。
振動数が第2の振動数閾値以上かつ第1の振動数閾値未満である光が第1及び第2の半導体ナノ構造セット20a-20jに入射すると、光生成キャリア対は第2の半導体ナノ構造セット20f-20jで生成されるが、第1のナノ構造セット20a-20eでは生成されない。第1の半導体ナノ構造セット20a-20eとフィルム11の間でのキャリア移動は、半金属フィルム11のエネルギーバンドプロファイルを変化させる。しかし、第1の半導体ナノ構造セット20a-20eとフィルム11の間でキャリアの移動は起きないので、半金属フィルム11のエネルギーバンドプロファイルは、図15に示したものではなく、図14に示されるような形状である。
光生成された電子と正孔が第1のナノ構造セット20a-20eで再結合するために、共鳴エネルギー移動を介してフィルム11にキャリア対が生成される。こうしたキャリア対の移動は、変更されたフィルム11のエネルギーバンドプロファイルによって影響を受け、フィルム11に電流が発生する。
結論として、第6の装置105は、特定の振動数帯にある振動数を持つ光にだけ反応する光検出器として動作する。第6の装置105には、（動作中に接点2・3の間にかかるバイアスが無いために）電源が無くても動作し、他の光検出器にあるような光フィルタによってもたらされるロスを被ることもないという利点がある。
図16には、本明細書の実施形態に従う第2の方法が示されている。図16のブロック1601で、ヘテロ接合21／121を含む（図12、13、14、又は15に示したような）半導体ナノ構造20／120は、共鳴エネルギー移動を介して半金属フィルム11にキャリア対230・231を生成する。図16のブロック1602で、半導体ナノ構造20／120は、生成したキャリア対230・231を分離する外部電場を半金属フィルム11に発生させる。
前述の通り、本発明の様々な実施形態が様々な実施例と共に説明されてきたが、当然のこととして、特許請求の範囲にある本発明の範囲を逸脱することなく実施例の変形が可能である。
例えば、前述の実施例によっては、電荷がフィルム10に移動することでフィルム10の導電率が下げられるが、別の実施例ではフィルム10の導電率が上げられてもよい。
図1から11に関連して前述した本発明の実施形態では、共鳴エネルギー移動を介してフィルム10にキャリア対が生成されてもよい。しかし当然ながら、ナノ構造（複数の場合もある）20とフィルム10の間での電荷移動によって起きる光ゲート効果は、共鳴エネルギー移動によって直接生み出される光電流よりも桁違いに大きい。
これまでに記述してきた事項は、明示的に記述された組合せだけでなく、それ以外の組合せで用いられてもよい。
特定の事項を参照して種々の機能を記述してきたが、こうした機能は、記述の有無を問わずその他の事項によって遂行可能であってもよい。
特定の実施形態を参照して種々の事項を記述してきたが、こうした事項は、記述の有無を問わずその他の実施形態で用いられてもよい。
前述のように本明細書において、とりわけ重要であると考えられる本発明のこうした事項に注目するように努めてきた。しかし、前述した特許されうる全ての事項およびそれらの組合せに対して、参照された添付の図面にそうした事項が特段強調されていたかどうかにかかわらず、本出願人はその保護を求めるものである点を理解されたい。

Claims (14)

  1. 半導体フィルムと、
    ヘテロ接合を含む少なくとも１つの半導体ナノ構造と、
    前記少なくとも１つの半導体ナノ構造から前記半導体フィルムに伸びる電気ブリッジを備える装置であって、
    前記ヘテロ接合及び前記電気ブリッジは、光生成キャリアが前記少なくとも１つの半導体ナノ構造から前記半導体フィルムへ移動するのを助けることによって、前記半導体フィルムの導電率を調節するように構成され、前記少なくとも１つの半導体ナノ構造の光生成キャリアを分離することによって、前記光生成キャリアが前記半導体フィルムに移動するのを助け、
    前記少なくとも１つの半導体ナノ構造は、前記ヘテロ接合を形成する第１の半導体ナノ材料及び第２の半導体ナノ材料を含み、前記第１の半導体ナノ材料は前記第２の半導体ナノ材料によって前記半導体フィルムから隔てられ、光生成キャリアは前記第２の半導体ナノ材料から前記半導体フィルムへ移動するようにされる、
    装置。
  2. 前記光生成キャリアが前記少なくとも１つの半導体ナノ構造から前記半導体フィルムへ移動することは、前記半導体フィルムの導電率を調節する電場を生じさせる、請求項１に記載の装置。
  3. 前記ヘテロ接合はタイプＩＩヘテロ接合である、請求項１又は２に記載の装置。
  4. 前記光生成キャリアは前記第１の半導体ナノ材料から前記半導体フィルムへは移動しない、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
  5. 前記第２の半導体ナノ材料は、前記半導体フィルムに直接接触している、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
  6. 前記第１の半導体ナノ材料は、前記第２の半導体ナノ材料の中に包み込まれている、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
  7. 前記電気ブリッジは、前記第２の半導体ナノ材料から前記半導体フィルムに伸びるように構成される、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
  8. 前記電気ブリッジは金属である、又は金属を含む、請求項１から７のいずれかに記載の装置。
  9. 前記金属は金、白金、パラジウム、ニッケル及び銅のうちの少なくとも１つである、又は少なくとも１つを含む、請求項８に記載の装置。
  10. 前記半導体フィルムはグラフェンである、請求項１から９の何れか１項に記載の装置。
  11. 半導体フィルムの導電率を調節するために、
    少なくとも１つの半導体ナノ構造のヘテロ接合を用いることと、
    前記少なくとも１つの半導体ナノ構造から前記半導体フィルムに伸びる電気ブリッジを用いること
    を含む方法であって、
    前記調整は、光生成キャリアが前記少なくとも１つの半導体ナノ構造から前記半導体フィルムへ移動するのを助けることによって行われ、前記ヘテロ接合及び前記電気ブリッジは、前記少なくとも１つの半導体ナノ構造の光生成キャリアを分離することによって、前記光生成キャリアが前記半導体フィルムに移動するのを助け、
    前記少なくとも１つの半導体ナノ構造は、前記ヘテロ接合を形成する第１の半導体ナノ材料及び第２の半導体ナノ材料を含み、前記第１の半導体ナノ材料は前記第２の半導体ナノ材料によって前記半導体フィルムから隔てられ、光生成キャリアは前記第２の半導体ナノ材料から前記半導体フィルムへ移動するようにされる、
    方法。
  12. 前記光生成キャリアが前記少なくとも１つの半導体ナノ構造から前記半導体フィルムへ移動することは、前記半導体フィルムの導電率を調節する電場を生じさせる、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記ヘテロ接合はタイプＩＩヘテロ接合である、請求項１１又は１２に記載の方法。
  14. 前記光生成キャリアは前記第１の半導体ナノ材料から前記半導体フィルムへは移動しない、請求項１１から１３のいずれかに記載の方法。
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