JP6054859B2 - Quantum tunneling photodetector array - Google Patents
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Description
本発明は、概して、量子トンネル効果光検出器アレイ、および画像生成方法に関する。 The present invention relates generally to quantum tunneling photodetector arrays and image generation methods.
近年、カメラ付き携帯電話、スチルおよびビデオカメラなどの光学装置における需要の増加が主な原因で、電荷結合素子(CCD)、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)センサなどの撮像素子に対する需要が著しく増加した。 In recent years, the demand for imaging devices such as charge-coupled devices (CCD) and complementary metal oxide semiconductor (CMOS) sensors has been significantly increased mainly due to the increasing demand for optical devices such as camera-equipped mobile phones, stills, and video cameras. Increased.
さらに、カメラ付き電話および個人秘書(PA)装置における継続中のブームとともに、パソコン(PC)、特にノートブックPC、または、自動車のバックミラーカメラにおける、埋め込みカメラなどのカメラが組み込まれた消費者装置がますます発展し続けるにつれて、撮像素子の需要は今後も伸び続けると予想される。 In addition, a consumer device incorporating a camera, such as an embedded camera, in a personal computer (PC), in particular a notebook PC, or in a car rearview camera, along with an ongoing boom in camera phones and personal assistant (PA) devices However, as the development continues to increase, the demand for imaging devices is expected to continue to grow.
本発明はこの背景をもって行われたものであり、本発明の実施形態の例は、増加し続ける撮像素子への需要を考慮して、代わりとなる撮像素子および画像生成方法を提供しようとするものである。 The present invention has been made with this background, and an example of an embodiment of the present invention intends to provide an alternative image sensor and an image generation method in consideration of the increasing demand for image sensors. It is.
本発明の第一の側面によると、対向する第一電極および第二電極の対の配列と、それぞれの前記対における前記対向する前記第一電極および前記第二電極の間に配置された感光性の絶縁材料と、それぞれの前記対における前記対向する前記第一電極および前記第二電極の間の光アシスト量子トンネル電流を検出するための電気回路とを含む、量子トンネル効果光検出器アレイが提供される。 According to a first aspect of the present invention, an array of opposing first and second electrode pairs and a photosensitivity disposed between the opposing first and second electrodes in each of the pairs. A quantum tunneling photodetector array comprising: an insulating material; and an electrical circuit for detecting a light-assisted quantum tunneling current between the opposing first and second electrodes in each of the pairs Is done.
第一電極および第二電極の間の隔離距離は、実質的に固定されていてよい。 The separation distance between the first electrode and the second electrode may be substantially fixed.
対向する第一電極および第二電極は、それぞれ第一基板および第二基板の上に担持されていてよい。 The opposing first electrode and second electrode may be carried on the first substrate and the second substrate, respectively.
絶縁材料は第一基板および第二基板の間に配置されていてよい。 The insulating material may be disposed between the first substrate and the second substrate.
絶縁材料はソフトマター材料を含んでいてよい。 The insulating material may include a soft matter material.
ソフトマター材料は、チオール、自己組織化単分子膜(SAM)、有機溶媒、パーフルオロポリエーテルPFPE、有機溶媒、および高分子ブラシ(polymer brush)からなる群の一つまたはそれ以上を含んでいてよい。 The soft matter material includes one or more of the group consisting of thiol, self-assembled monolayer (SAM), organic solvent, perfluoropolyether PFPE, organic solvent, and polymer brush. Good.
絶縁材料は、固体状態材料(solid state material)を含んでいてよい。 The insulating material may include a solid state material.
固体状態材料は、誘電体材料、または、AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAsのようなドープされたヘテロ構造の二重井戸障壁からなる群の一つまたはそれ以上を含んでいてよい。 Solid state material, dielectric material or,, Al x Ga 1-x As / GaAs / Al x Ga 1-x As one or more of the group consisting of double-well barriers such doped heterostructure as May be included.
第一基板および第二基板の少なくとも一つは透明であってよい。 At least one of the first substrate and the second substrate may be transparent.
光検出器アレイは、第一電極および第二電極の間で実質的に固定された隔離距離を維持するスペーサ要素をさらに含んでいてよい。 The photodetector array may further include a spacer element that maintains a substantially fixed separation distance between the first electrode and the second electrode.
スペーサ要素は、第一電極および第二電極の対の平行性をさらに維持していてよい。 The spacer element may further maintain the parallelism of the first and second electrode pairs.
スペーサ要素は、分離した固体状態材料のスペーサとして形成されていてもよく、あるいは、感光性材料の中に組み込まれていてもよい。 The spacer element may be formed as a separate solid state material spacer or may be incorporated into the photosensitive material.
対向する第一電極および第二電極の配列は、第一セットの電極ワイヤおよび第二セットの電極ワイヤの交差格子(cross−grid)を含み、第一電極および第二電極が、交差格子の投影交差点(projected cross−over points)における、第一セットの電極ワイヤおよび第二セットの電極ワイヤの対向部分として構成されていてもよい。 The array of opposing first and second electrodes includes a cross-grid of a first set of electrode wires and a second set of electrode wires, the first electrode and the second electrode being projected from the cross grid. You may comprise as an opposing part of the 1st set of electrode wires and the 2nd set of electrode wires in the intersection (projected cross-over points).
第一セットの電極ワイヤおよび第二セットの電極ワイヤは、互いに約90°で配置されていてよい。 The first set of electrode wires and the second set of electrode wires may be arranged at about 90 ° to each other.
電気回路は、第一セットの電極ワイヤおよび第二セットの電極ワイヤへの個々の電気的接続を含んでいてよい。 The electrical circuit may include individual electrical connections to the first set of electrode wires and the second set of electrode wires.
電気回路は、第一セットの電極ワイヤおよび第二セットの電極ワイヤにおける、対向部分の間の量子トンネル電流を検出するために、第一セットの電極ワイヤおよび第二セットの電極ワイヤからの電気信号を多重分離するためのマルチプレクサ部品をさらに含んでいてよい。 The electrical circuit is configured to detect an electrical signal from the first set of electrode wires and the second set of electrode wires to detect a quantum tunneling current between the opposing portions of the first set of electrode wires and the second set of electrode wires. May further include a multiplexer component for demultiplexing.
対向する第一電極および第二電極の配列は、それぞれ第一セットの画素電極および第二セットの画素電極として構成されていてよい。 The arrangement of the first electrode and the second electrode facing each other may be configured as a first set of pixel electrodes and a second set of pixel electrodes, respectively.
電気回路は、第一セットの画素電極および第二セットの画素電極への個々の電気的接続を含んでいてよい。 The electrical circuit may include individual electrical connections to the first set of pixel electrodes and the second set of pixel electrodes.
電気回路は、第一の対向する電極および第二の対向する電極を横切る電位差を印加するための電源(source)をさらに含んでいてよい。 The electrical circuit may further include a power source for applying a potential difference across the first opposing electrode and the second opposing electrode.
本発明の第二の側面によると、第一の側面において定義されるような量子トンネル効果光検出器アレイを用いることを含む、画像生成方法が提供される。 According to a second aspect of the present invention there is provided an image generation method comprising using a quantum tunneling photodetector array as defined in the first aspect.
本発明の第三の側面によると、対向する第一電極および第二電極の対の配列のそれぞれにおいて、対向する第一電極および第二電極の間の光アシスト量子トンネル電流を検出する工程と、それぞれの検出された、対向する第一電極および第二電極の間の光アシストトンネル電流に基づいて画像を生成する工程とを含む、画像生成方法が提供される。 According to a third aspect of the present invention, in each of the array of opposing first and second electrode pairs, detecting a photo-assisted quantum tunneling current between the opposing first and second electrodes; Generating an image based on each detected photo-assisted tunneling current between the opposing first and second electrodes.
本発明の実施形態は、例示にすぎないが、図面と関連づけて説明する以下の記載から、当業者によりよく理解され、直ちに明らかとなるであろう。 Embodiments of the present invention are illustrative only and will be readily understood and readily apparent to those skilled in the art from the following description, which is described in connection with the drawings.
図1は、実施形態の例による、量子トンネル効果光検出器アレイ100の平面図を示す。アレイ100は、ここではナノワイヤ、例えば104の形状をした電極ワイヤの第一セット102を含む。ナノワイヤ、例えば108の形状をした電極ワイヤの第二セット106は、第一セット102に対して約90°で配置されており、それゆえ、ナノワイヤの交差格子を形成している。第一セットおよび第二セット102,106におけるナノワイヤ、それぞれ例えば104,108は、その間に固定された隔離距離が保たれるように配置されている。すなわち、セット102,106は、図1の紙面に垂直な軸に沿って、固定された隔離距離で位置する。本発明の実施形態の例における利用に適した製造技術の例の記載としては、例えば担体基板などの上にナノワイヤを形成するための数多くのとりうる製造工程の中から、例えば、エル−アール・ハケット・ジュニア,「プロセス・アンド・マスク・フォア・イオン・ビーム・エッチング・オブ・ファイン・パターンズ」、米国特許第4,275,286号(L-R. Hackett, Jr., Process and mask for ion beam etching of fine patterns, United States Patent 4,275,286)、および、ジェイ・アール・ヒース、エム・エー・ラトナー,「モレキュラー・エレクトロニクス」,フィジクス・トゥデイ,2003年5月,p.43−49(J. R. Heath and M.A. Ratner, Molecular Electronics, Physics Today, May 2003, pp.43-49)を参照できる。
FIG. 1 shows a top view of a quantum
電気回路部品110,112が配置され、これらは、第二および第一セット106,102におけるそれぞれのナノワイヤ、例えば108,104に電気的に相互に接続される。電気回路部品110,112は、後述のように、格子の投影交差点の間に流れるトンネル電流を読み取るため、および、いずれの投影交差点に光が照射されたかを測定するために、第一セットおよび第二セット102,106におけるナノワイヤ、例えば104,108の間に電位差を印加するように制御される。
量子トンネル効果光検出器アレイ100の詳細を示す図2に移る。交差格子の投影交差点において、第一セットおよび第二セット102,106のナノワイヤの交差格子は、ナノワイヤ、例えば202における対向部分、例えば200と、ナノワイヤ204における対応した対向部分(図2中には図示せず)との形で、対向する第一電極および第二電極の配列を構成していることが当業者に理解されるであろう。
Turning to FIG. 2 which shows details of the quantum
電気回路部品110,112は、加えて、交差格子の投影交差点において、ナノワイヤ、例えば202,204における対向部分の間の光アシスト量子トンネル電流を検出するために、第一セットおよび第二セット102,106におけるナノワイヤ、例えば202,204からの電気信号を多重分離するためのマルチプレクサとして機能するように構成されている。これは当該技術分野において理解されうるものであるから、ここではより詳しい説明はしない。本発明の実施形態の例における利用に適したマルチプレクサ部品および技術の例の記載としては、交差格子配列における検知回線のネットワークをインテロゲート(interrogate)するための、数多くのとりうるマルチプレクサ部品および技術の中から、例えば、ピー・ジェイ・クエケス、アール・エス・ウィリアムズ,「デマルチプレクサ・フォア・モレキュラー・ワイヤ・クロスバー・ネットワーク(MWCN DEMUX)」,米国特許第6,256,767号(P.J. Kuekes, R.S. Williams, Demultiplexer for a molecular wire crossbar network (MWCN DEMUX) United States Patent 6,256,767)が参照される。
The
実施形態の例における作動の詳細について、図3および図4を参照して説明する。図3は、実施形態の例における量子トンネル効果光検出器アレイ100の断面図を示す。第一セット102のナノワイヤ、例えば300は、透明な基板302中に埋め込まれている。この実施形態の例では、第二セット106のナノワイヤ、例えば304もまた、透明な基板306中に埋め込まれている。しかし、別の実施形態の例では、ナノワイヤのセット102,106のうちの一つだけが透明な材料中に埋め込まれていてよく、他方、もう一つのセットは不透明な材料の基板中に埋め込まれうることに注意されたい。
Details of the operation in the example of the embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 shows a cross-sectional view of the quantum
実施形態の例では、透明な基板302,306はガラス基板を含むことができる。しかし別の実施形態では、石英、サファイア透明酸化物(TOX)、およびシリコンまたは絶縁性もしくは半導電性の酸化物などの半導体材料を含め、これらに限定されない別の透明な材料が用いられうることが理解されるであろう。材料の選択は、関心の持たれている関連波長にも依存する。
In an example embodiment, the
ここで、実施形態の例は、可視波長域における作動に限定されず、赤外(IR)または紫外の波長域を含めて、別の波長範囲に適応されうることに注意されたい。 It should be noted here that example embodiments are not limited to operation in the visible wavelength range, but can be adapted to other wavelength ranges, including infrared (IR) or ultraviolet wavelength ranges.
基板302,306の間には、第一セットおよび第二セット102,106のナノワイヤの間の固定された隔離距離のギャップ内にて、絶縁材料308が配置されている。絶縁材料308は感光性の性質を有するように選択される。より具体的には、材料308は、交差格子の投影交差点、例えば310におけるナノワイヤ、例えば300,304の対向部分において、第一セットおよび第二セット102,106のナノワイヤの間で光アシスト量子トンネル効果が成し遂げられうるように選択される。
An insulating
図4は図3の詳細を示す。作動に際して、感光性材料308に侵入した光子400は、感光性材料308と相互作用し、第一セットおよび第二セットのナノワイヤにおける、それぞれのナノワイヤ300,304の対向部分402,404の間で、光アシスト量子トンネル効果401が成し遂げられる。図1を参照して上記で説明したように、ナノワイヤの第一セットおよび第二セットにおけるナノワイヤ、例えば300,304を横切る電位差を印加するとともに、ナノワイヤ300,304における対向部分402,404の間の量子トンネル電流を検出するために、第一セットおよび第二セットのナノワイヤ、例えば300,304からの電気信号を多重分離するように、電気回路部品、例えば110が構成されている。
FIG. 4 shows details of FIG. In operation,
図5は、電位差の関数として量子トンネル電流をプロットした例を示し、環境照度(曲線500)および蛍光照度(曲線502)中における測定結果の比較を示す。曲線500,502を比較すると分かるように、与えられた印加電位差において測定されたトンネル電流の増加が、光アシスト量子トンネル効果の証拠となっている。本発明の実施形態の例は、撮像素子の実施を目的として、ナノワイヤの交差格子における多数の投影交差点において光子または光学信号を検知するために、光アシスト量子トンネル効果を採用している。当業者に理解されうるように、実施形態の例において、量子トンネル効果光検出器アレイにより検出された画像を生成するために、例えば、閾値に基づく信号処理、またはアナログ(スペクトル)信号処理を行うことができる。閾値に基づく信号処理、およびアナログ(スペクトル)信号処理は、当該技術分野において理解されうるものであるから、ここではより詳しい説明はしない。
FIG. 5 shows an example in which the quantum tunneling current is plotted as a function of potential difference, and shows a comparison of the measurement results in ambient illuminance (curve 500) and fluorescent illuminance (curve 502). As can be seen by comparing
図4に戻って、実施形態の例における感光性材料308は、チオールを含むことができる。しかし、別の実施形態では別の感光性材料が用いられうることが理解されるであろう。さらに、別の実施形態において、感光性材料308は、ソフトマター材料、または、固体状態材料であってよい。適する感光性材料の例には、チオール、自己組織化単分子膜(SAM)、有機溶媒、パーフルオロポリエーテル(PFPE)、または、AlxGa1-xAs/GaAs/AlxGa1-xAsのようなドープされたヘテロ構造の二重井戸障壁、もしくは、共鳴トンネルダイオード(RTD)において用いられるような誘電体材料のような固体状態材料(例えば、エイチ・ミズタ、ティー・タノウエ,「ザ・フィジクス・アンド・アプリケーションズ・オブ・レゾナント・トンネリング・ダイオード」,ケンブリッジ・ユー・ピー,1995(H.Mizuta and T. Tanoue, The Physics and Applications of Resonant Tunneling Diodes, Cambridge U. P., 1995)参照)が含まれるが、これらに限定されるものではない。そのような感光性材料の堆積は、当該技術分野において理解されうるものであるから、ここではより詳しい説明はしない。
Returning to FIG. 4, the
固定された隔離距離と、ナノワイヤ配列102,106が埋め込まれた基板302,306の間の2次元の平行性とは、投影されたナノワイヤの交差点、例えば310の間をトンネル電流が流れうるように選択される。感光性材料308がソフトマター材料である実施形態では、隔離距離を固定し、基板302,306を平行に維持するために、分離した固体状態のスペーサ、例えば311が用いられうる。例えば酸化物である固体状態のスペーサ311は、ナノワイヤの配列102,106の領域より外側において基板302,306の一つまたは両方の上に作られうる。
The fixed separation distance and the two-dimensional parallelism between the
その代わりに、構造上の剛性を呈しうる分子種がソフトマター材料の中に組み込まれていてもよい。例えば、炭素バッキーボールC60、またはその他の適する種が、ソフトマター材料中に溶液の状態で供給されうる。 Alternatively, molecular species that can exhibit structural rigidity may be incorporated into the soft matter material. For example, carbon buckyball C 60 , or other suitable species can be provided in solution in the soft matter material.
感光性材料308が固体状態材料である実施形態では、固体状態材料自身の構造上の整合性を通じて、および/または、基板302,306の間に分離したスペーサ、例えば311を用いることを通じて、隔離距離を固定することができ、基板302,306を平行に維持することができる。
In embodiments where the
図6は、実施形態の例による画像生成方法を示すフローチャート600である。ステップ602では、対向する第一電極および第二電極の対の配列のそれぞれにおいて、対向する第一電極および第二電極の間の光アシスト量子トンネル電流が検出される。ステップ604では、それぞれの検出された、対向する第一電極および第二電極の間の光アシストトンネル電流に基づいて、画像が生成される。
FIG. 6 is a
説明した実施形態の例は、カメラ付き携帯電話、カメラPA装置、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、PCにおける埋め込みカメラ、自動車のバックミラーカメラ、または暗視カメラを含めて、これらに限定されない、様々な光学装置における撮像素子としての応用性を有する。実施形態の例は、例えば約0〜25Vの範囲内の、携帯式で電池動作の装置に適した作動電位を有し、例えばミリワット範囲内の低い消費電力を有する撮像素子を提供することができる。 Examples of described embodiments include, but are not limited to, mobile phones with cameras, camera PA devices, digital still cameras, digital video cameras, embedded cameras in PCs, automotive rearview cameras, or night vision cameras. It has applicability as an image sensor in a simple optical device. Example embodiments may provide an imaging device having a working potential suitable for portable, battery-operated devices, for example in the range of about 0-25V, and having low power consumption, for example in the milliwatt range. .
具体的な実施形態において示したように、本発明に対して数多くの変形および/または修正が、広く記載されているように本発明の精神または視野から外れることなく行われうることは、当業者に理解されるであろう。本実施形態は、それゆえ、全ての点において例示的であり、非限定的であるとみなされるべきである。 It will be appreciated by those skilled in the art that many variations and / or modifications to the present invention can be made without departing from the spirit or scope of the invention as broadly described, as shown in the specific embodiments. Will be understood. This embodiment is therefore exemplary in all respects and should be regarded as non-limiting.
例えば、交差格子における電極ワイヤのセットは互いに、実施形態の例に記載された約90°以外の、ゼロでない別の角度で配置されていてよいことが理解されるであろう。さらに、本発明は、電極ワイヤのセットを伴う実施に限定されない。むしろ、別の実施形態では、対向する第一電極要素および第二電極要素の対の配列は、2つの対向するセットの画素電極の配列を用いて実施されうる。そのような実施形態では、CCDまたはCMOSに基づく撮像素子と同様の画素化された画像の撮像を目的として、対向する第一画素電極および第二画素電極の間における光アシスト量子トンネル電流を検出するための電気回路は、画素電極への個々の電気的接続を含む。 For example, it will be appreciated that the sets of electrode wires in the crossing grid may be arranged with respect to each other at a non-zero angle other than about 90 ° as described in the example embodiments. Furthermore, the present invention is not limited to implementations involving a set of electrode wires. Rather, in another embodiment, the array of opposing first and second electrode element pairs can be implemented using an array of two opposing sets of pixel electrodes. In such an embodiment, a photo-assisted quantum tunneling current is detected between the opposing first and second pixel electrodes for the purpose of imaging a pixelated image similar to a CCD or CMOS based imaging device. The electrical circuit for including individual electrical connections to the pixel electrodes.
Claims (11)
それぞれの前記対における前記対向する前記第一電極および前記第二電極の間に配置された感光性の絶縁材料と、
それぞれの前記対における前記対向する前記第一電極および前記第二電極の間の与えられた印加電位差におけるトンネル電流の増加を検出するための電気回路と、を含み、
前記対向する前記第一電極および前記第二電極の配列が、それぞれ画素電極の第一セットおよび画素電極の第二セットとして構成され、
前記第一電極および前記第二電極の間の隔離距離が実質的に固定され、
前記対向する前記第一電極および前記第二電極が、それぞれ第一基板および第二基板の上に担持され、
前記絶縁材料が前記第一基板および前記第二基板の間に配置されている、
量子トンネル効果光検出器アレイ。 An array of opposing first and second electrode pairs;
A photosensitive insulating material disposed between the opposing first and second electrodes in each pair;
An electrical circuit for detecting an increase in tunneling current at a given applied potential difference between the opposing first and second electrodes in each of the pairs;
The array of the first and second electrodes facing each other is configured as a first set of pixel electrodes and a second set of pixel electrodes, respectively .
The separation distance between the first electrode and the second electrode is substantially fixed;
The opposing first and second electrodes are carried on a first substrate and a second substrate, respectively.
The insulating material is disposed between the first substrate and the second substrate;
Quantum tunneling photodetector array.
それぞれの前記対における前記対向する前記第一電極および前記第二電極の間に配置された感光性の絶縁材料と、
それぞれの前記対における前記対向する前記第一電極および前記第二電極の間の与えられた印加電位差におけるトンネル電流の増加を検出するための電気回路と、を含み、
前記対向する前記第一電極および前記第二電極の配列が、それぞれ画素電極の第一セットおよび画素電極の第二セットとして構成され、
前記第一電極および前記第二電極の間の隔離距離が実質的に固定され、
前記対向する前記第一電極および前記第二電極が、それぞれ第一基板および第二基板の上に担持され、
前記絶縁材料が前記第一基板および前記第二基板の間に配置されている、量子トンネル効果光検出器アレイを準備するステップと、
対向する前記第一電極および前記第二電極の間の与えられた印加電位差におけるトンネル電流の増加を検出するステップと、
それぞれの検出された、前記対向する前記第一電極および前記第二電極の間の前記トンネル電流の増加に基づいて画像を生成するステップと、
を含む、画像生成方法。 An array of opposing first and second electrode pairs;
A photosensitive insulating material disposed between the opposing first and second electrodes in each pair;
An electrical circuit for detecting an increase in tunneling current at a given applied potential difference between the opposing first and second electrodes in each of the pairs;
The array of the first and second electrodes facing each other is configured as a first set of pixel electrodes and a second set of pixel electrodes, respectively .
The separation distance between the first electrode and the second electrode is substantially fixed;
The opposing first and second electrodes are carried on a first substrate and a second substrate, respectively.
Providing a quantum tunneling photodetector array, wherein the insulating material is disposed between the first substrate and the second substrate ;
Detecting an increase in tunneling current at a given applied potential difference between the opposing first and second electrodes;
Generating an image based on each detected increase in the tunneling current between the opposing first and second electrodes;
An image generation method including:
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