JPH08264821A - 光電変換方法および光電変換素子 - Google Patents

光電変換方法および光電変換素子

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光が入射する側の金属電極上にも表面プラズ
モンを励起させて変換効率を高める。 【構成】 入射したHe−Neレーザー光Lは、半円柱
レンズ5で屈折させられて所要の角度で弗化マグネシウ
ム層4に入射する。これによって弗化マグネシウム層4
とAl電極2との界面に表面プラズモンを励起し、この
表面プラズモンが銅フタロシアニン層1で吸収され、光
電流がAl電極2とAg電極3の間に得られる構成を特
徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光を電気に変換する方法
および素子に関し、特に表面プラズモンを用いることに
より変換効率を向上させる機能を有する光電変換方法と
光電変換素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】光電変換素子では、素子に用いる材料や
構成によって素子自身の変換効率が決まってしまうため
に、少しでも光の利用効率を向上させる目的で、周知の
とおり、素子に光導波路や光散乱構造を形成したり、素
子を複数層積層することによって実質的な変換効率の向
上がはかられてきた。
【0003】ところが、薄い光吸収層を二つの薄い金属
電極ではさんだ構造の光電変換素子で、プリズムが光を
入射する側の電極(第1電極)に密着させた配置をとる
ことにより、プリズムを通った入射光が電極に対して適
当な入射角度をとるときに、光入射と反対側の電極(第
2電極)上に表面プラズモンが励起されて、通常の光入
射の場合よりも大きな光電流が発生するという現象が認
められた。すなわち、金属表面に局在して、通常の光と
は異なった性質を有する表面プラズモンを利用すること
で光電変換素子の変換効率を向上できる可能性がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た構成の光電変換素子では、表面プラズモンを励起する
ためには、光は第1電極、光吸収層、第2電極と各部を
すべて通過しなければならないために、途中で大きく減
衰してしまい効率的ではない。また、光吸収層が厚く第
2電極を兼ねている構造の光電変換素子においては、表
面プラズモンを励起することが不可能となる。
【0005】本発明は、このような事情に鑑み、光が入
射する側の金属電極上に表面プラズモンを励起すること
を図って、変換効率の高い光電変換方法および光電変換
素子を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者はまず、プリズ
ムと金属薄膜の間にプリズムよりも屈折率が小さくかつ
厚さが用いる光の波長の半分同程度の光透過層を導入す
ることにより、光透過層と光が入射する側の金属電極
(薄膜)の界面に表面プラズモンを励起可能であるとの
知見を得た。こうした知見に基づき、本発明はなされた
ものである。
【0007】すなわち、請求項1に記載の発明は、入射
光を光行路変更層を通して所要の角度で前記入射光の波
長の半分程度の厚みで前記光行路変更層より低い屈折率
の光透過層に入射してこの光透過層と密着する金属電極
との界面に表面プラズモンを励起させ、この表面プラズ
モンを光吸収層に入射して光電流を得るようにしたもの
である。
【0008】また、請求項2に記載の発明は、光吸収層
を二つの薄い金属電極で挟み、光が入射する側の金属電
極上に光透過層と光行路変更層が順次密着して形成され
た光電変換素子であって、前記光行路変更層が入射光を
屈折させて所要の角度で前記光透過層に入射させる機能
を有し、前記光透過層の屈折率が前記光行路変更層の屈
折率よりも小さく、かつその厚みを前記入射光の波長の
半分程度としたものである。
【0009】さらに、請求項3に記載の発明は、光行路
変更層はBK7ガラス製の半円柱レンズであり、光透過
層は弗化マグネシウム層であり、光が入射する側の金属
電極はAl層であり、光吸収層は銅フタロシアニン層で
あり、光の入射と反対側の金属電極はAg層としたもの
である。
【0010】
【作用】請求項1に記載の発明においては、入射光を高
い屈折率の光行路変更層を通し所要の角度で低い屈折率
の光透過層に入射すると、光透過層と光の入射する側の
金属電極との界面に表面プラズモンが励起され、これが
光吸収層に入射して光電流が得られる。
【0011】請求項2,3に記載の発明においては、入
射光は高い屈折率の光行路変更層で屈折して所要の角度
で低い屈折率の光透過層に入射する。これにより、光透
過層とこれに密着した金属電極との界面に表面プラズモ
ンが励起され、これが光吸収層に入射して光電流を発生
する。
【0012】
【実施例】図1は、本発明の光電変換素子の一実施例に
おける断面図が示されている。1は光吸収層である例え
ば厚さ約30nmの銅フタロシアニン層、2は第1電極
(入射側)である例えば厚さ約20nmのAl層、3は
第2電極である例えば厚さ約50nmのAg層、4は光
透過層である例えば厚さ約300nmの弗化マグネシウ
ム層、5は光行路変更層である例えば半径15mmのB
K7ガラス製の半円柱レンズである。なお、Aは電流計
を示す。
【0013】半円柱レンズ5は、入射光を屈折させるこ
とによって光行路変更層として機能し、第1電極である
Al層2に対して光が入射する角度θを変更する役割を
はたす。
【0014】BK7ガラスは屈折率約1.52であり、
弗化マグネシウムは屈折率約1.38であるので、弗化
マグネシウム層4は光行路変更層である半円柱レンズ5
よりも小さな屈折率を有しかつ厚みが半波長程度の光透
過層としての役割をはたす。
【0015】銅フタロシアニン層1は光吸収層として機
能し、Al層2とショットキー障壁を形成する一方、A
g層3とはオーム接触を形成するので、Al、銅フタロ
シアニン、Agの3層部分がショットキー接合型の光電
変換素子を構成する。光電変換機能は主にAl層2と銅
フタロシアニン層1との界面において発現する。
【0016】例えば波長632.8nmでビーム径1m
mのHe−Neレーザー光Lを、入射角度θを変えて光
電変換素子に入射したときに発生する光電流の相対的な
大きさの変化を電流計Aで測定したものを図2に示す。
θが40°付近のときの値が表面プラズモンの寄与がな
いときの、通常の光電変換素子としての光電流値に対応
する。θが43°付近にあらわれるシャープな光電流の
極大は、すでに知られているようにAg層3(第2電
極)上に表面プラズモンが励起されたことによる効果で
ある。一方、θが63°付近にあらわれる大きな光電流
の極大が、本発明による、Al層2(第1電極)上に表
面プラズモンが励起されたことに起因する光電流の増大
である。
【0017】この光電変換素子が実際に使用されるとき
には、細く絞られたレーザービームとは異なり、広く幅
を持った光束が照射されて半円柱レンズ5により収束さ
れるので、様々な入射角度θを持った光が同時に入射す
ることになる。しがたって、図2の特性曲線と数値軸で
囲まれた部分の面積が光電変換に効いてくることにな
る。図2において、従来例のAg層3(第2電極)上で
の表面プラズモンの励起特性が非常にシャープであるの
に対し、Al層2(第1電極)上での励起特性はかなり
ゆるやかであるが、これは本発明による表面プラズモン
の励起条件が従来例のものよりもゆるいために、より多
くの光で表面プラズモンを励起できることを意味してい
る。
【0018】また、表面プラズモンが励起されない条件
の入射角度θで光が照射された場合でも、半円柱レンズ
5(光行路変更層)や弗化マグネシウム層4(光透過
層)が通常の光電変換素子としての機能を損なうことは
ないので、本発明により変換効率が向上することはあっ
ても、減少することはない。
【0019】このように、本発明は、光電変換素子にお
いて、光電変換効率の向上に非常に有効である。
【0020】なお、上記実施例においては、光行路変更
層としてBK7ガラス製の半円柱レンズ5を示したが、
ガラスのほかにはサファイヤ、プラスチック等の屈折率
の高い透明な材料であれば何でもよい。形状は円柱レン
ズの他に、空気と光行路変更層との界面で屈折により光
行路を変更できればどんなものでもよい。
【0021】また光透過層として弗化マグネシウム層4
を示したが、これは基本的に光行路変更層よりも屈折率
の低い透明な材料でなければならない。固体薄膜となる
とそれば限定されて、弗化マグネシウムの他には弗化カ
ルシウムが使用できる。
【0022】さらに光吸収層として銅フタロシアニン層
1を示したが、これは光吸収のある半導体であればよ
く、有機材料・無機材料を問わない。例えば有機材料で
はメロシアニン、スクアリリウム、ポルフィリンなどが
あり、無機材料ではシリコン、ゲルマニウムなど。
【0023】また、金属電極として、Al電極2とAg
電極3を示したが、この他にはAuとCuの組み合わせ
を用いることができる。
【0024】
【発明の効果】本発明にかかる請求項1に記載の発明
は、入射光を光行路変更層を通して所要の角度で前記入
射光の波長の半分程度の厚みで前記光行路変更層より低
い屈折率の光透過層に入射してこの光透過層と密着する
金属電極との界面に表面プラズモンを励起させ、この表
面プラズモンを光吸収層に入射して光電流を得るように
したので、光入射側でも表面プラズモンを励起させるこ
とができるため、光電変換効率を大きく向上させること
ができる。
【0025】また、請求項2に記載の発明は、光吸収層
を二つの薄い金属電極で挟み、光が入射する側の金属電
極上に光透過層と光行路変更層が順次密着して形成され
た光電変換素子であって、前記光行路変更層が入射光を
屈折させて所要の角度で前記光透過層に入射させる機能
を有し、前記光透過層の屈折率が前記光行路変更層の屈
折率よりも小さく、かつその厚みを前記入射光の波長の
半分程度としたので、光行路変更層で入射光が屈折して
光透過層に入射して光入射側でも表面プラズモンが励起
されるので、光電変換効率を大きく向上させることがで
きる。
【0026】また、請求項3に記載の発明は、光行路変
更層はBK7ガラス製の半円柱レンズであり、光透過層
は弗化マグネシウム層であり、光が入射する側の金属電
極はAl層であり、光吸収層は銅フタロシアニン層であ
り、光の入射と反対側の金属電極はAg層としたので、
光電変換効率の大きい光電変換素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光電変換素子の一実施例の構成を示す
断面略図である。
【図2】図1に示す実施例における光電流の光入射角度
依存特性図である。
【符号の説明】
1 銅フタロシアニン層 2 Al層 3 Ag層 4 弗化マグネシウム層 5 半円柱レンズ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入射光を光行路変更層を通して所要の角
    度で前記入射光の波長の半分程度の厚みで前記光行路変
    更層より低い屈折率の光透過層に入射してこの光透過層
    と密着する金属電極との界面に表面プラズモンを励起さ
    せ、この表面プラズモンを光吸収層に入射して光電流を
    得ることを特徴とする光電変換方法。
  2. 【請求項2】 光吸収層を二つの薄い金属電極で挟み、
    光が入射する側の金属電極上に光透過層と光行路変更層
    が順次密着して形成された光電変換素子であって、前記
    光行路変更層が入射光を屈折させて所要の角度で前記光
    透過層に入射させる機能を有し、前記光透過層の屈折率
    が前記光行路変更層の屈折率よりも小さく、かつその厚
    みを前記入射光の波長の半分程度としたことを特徴とす
    る光電変換素子。
  3. 【請求項3】 光行路変更層はBK7ガラス製の半円柱
    レンズであり、光透過層は弗化マグネシウム層であり、
    光が入射する側の金属電極はAl層であり、光吸収層は
    銅フタロシアニン層であり、光の入射と反対側側の金属
    電極はAg層であることを特徴とする請求項2に記載の
    光電変換素子。
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