JPWO2010038785A1 - Optical sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
長波長の光に対する応答性の優れた光センサ及びその製造方法を提供する。受光することにより電気伝導度が変化する電気伝導度変化体と、電気伝導度変化体の受光面に設けた第1電極及び第2電極と、第1電極と第2電極との間に生じた電流を検出する電流検出手段とを有する光センサであって、電気伝導度変化体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で構成する。前記化合物は、Rを、In,Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ti,Ca,Sr,Ce,Sn,Hfから選ばれる少なくとも1種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも1種類の元素、nを1以上の整数、mを0以上の整数、δを0以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される層状三角格子構造を有する化合物、またはその化合物のRの一部を正二価以下の元素により置換した化合物とする。Provided are an optical sensor excellent in responsiveness to long-wavelength light and a method for manufacturing the same. An electrical conductivity change body whose electrical conductivity changes by receiving light, the first electrode and the second electrode provided on the light receiving surface of the electrical conductivity change body, and the first electrode and the second electrode An optical sensor having a current detecting means for detecting a current, wherein the electrical conductivity changing body is composed of a compound having a layered triangular lattice structure containing a rare earth element. In the compound, R is at least one element selected from In, Sc, Y, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ti, Ca, Sr, Ce, Sn, and Hf, Ma and Mb, At least one element selected from Ti, Mn, Fe, Co, Cu, Ga, Zn, Al, Mg, and Cd, allowing overlap, n is an integer of 1 or more, m is an integer of 0 or more, and δ is 0 or more A compound having a layered triangular lattice structure represented by (RMbO3-δ) n (MaO) m as a real number of 0.2 or less, or a compound obtained by substituting a part of R of the compound with an element not more than positive divalent.
Description
本発明は、光センサ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical sensor and a method for manufacturing the same.
従来、光センサでは、p型半導体層とn型半導体層とを積層させることにより形成したpn接合界面を用いて光の検出を行っている。 Conventionally, in an optical sensor, light is detected using a pn junction interface formed by stacking a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer.
すなわち、光センサでは、pn接合界面に光が照射されると、pn接合界面部分の電子が励起されて自由電子と正孔が生成されている。 That is, in the optical sensor, when light is applied to the pn junction interface, electrons at the pn junction interface are excited to generate free electrons and holes.
そして、生成された自由電子がn型半導体層に移動し、生成された正孔がp型半導体層に移動することによりn型半導体層とp型半導体層との間には所定の電位差が生じ、この電位差を検出することにより光の検出を行っている。 Then, the generated free electrons move to the n-type semiconductor layer, and the generated holes move to the p-type semiconductor layer, so that a predetermined potential difference is generated between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer. The light is detected by detecting this potential difference.
p型半導体層及びn型半導体層には、一般的にシリコンを用いているが、シリコンを用いて形成したpn接合界面ではエネルギーバンドギャップが大きく、エネルギーバンドギャップよりも小さいエネルギの光を受光しても自由電子及び正孔が生成されず、光センサが感応しないこととなっていた。すなわち、シリコンを用いた光センサでは、長波長側の光に対する感度が十分ではなった。 Silicon is generally used for the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer. However, the pn junction interface formed using silicon has a large energy band gap and receives light with energy smaller than the energy band gap. However, free electrons and holes are not generated, and the optical sensor is not sensitive. That is, in the photosensor using silicon, the sensitivity to light on the long wavelength side is not sufficient.
そこで、半導体層に光吸収部を設けて長波長側の光に対する吸収効率を向上させた光センサが提案されている。 In view of this, an optical sensor has been proposed in which a light absorption part is provided in a semiconductor layer to improve absorption efficiency for light on the long wavelength side.
具体的には、シリコンで形成したp型半導体層の場合では、Cu,Zn,Au,Fe,Mnなどの添加物を添加することにより光吸収部を形成することが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
しかしながら、未だに光センサにおける長波長側の感度は十分ではなく、さらなる感度の向上が求められていた。 However, the sensitivity on the long wavelength side in the optical sensor is still not sufficient, and further improvement in sensitivity has been demanded.
そこで、本発明の光センサでは、受光することにより電気伝導度が変化する電気伝導度変化体と、電気伝導度変化体の受光面に設けた第1電極及び第2電極と、第1電極と第2電極との間に生じた電流を検出する電流検出手段とを有する光センサであって、電気伝導度変化体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で構成することとした。 Therefore, in the optical sensor of the present invention, the electrical conductivity change body whose electrical conductivity changes by receiving light, the first electrode and the second electrode provided on the light receiving surface of the electrical conductivity change body, the first electrode, An optical sensor having a current detecting means for detecting a current generated between the second electrode and the second electrode, wherein the electrical conductivity changing body is composed of a compound having a layered triangular lattice structure containing a rare earth element.
さらに、本発明の光センサでは、以下の点にも特徴を有するものである。すなわち、
(1)前記化合物が、Rを、In,Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ti,Ca,Sr,Ce,Sn,Hfから選ばれる少なくとも1種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも1種類の元素、nを1以上の整数、mを0以上の整数、δを0以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される層状三角格子構造を有する化合物、またはその化合物のRの一部を正二価以下の元素により置換した化合物であること。
(2)第1電極と第2電極をそれぞれ櫛歯状に設けること。Furthermore, the optical sensor of the present invention is also characterized by the following points. That is,
(1) In the compound, R is at least one element selected from In, Sc, Y, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ti, Ca, Sr, Ce, Sn, and Hf, Ma, and Mb is at least one element selected from Ti, Mn, Fe, Co, Cu, Ga, Zn, Al, Mg, and Cd, n is an integer of 1 or more, m is an integer of 0 or more, δ A compound having a layered triangular lattice structure represented by (RMbO 3 -δ ) n (MaO) m , wherein R is a real number of 0 or more and 0.2 or less, or a compound in which a part of R of the compound is substituted with an element less than or equal to positive Be.
(2) The first electrode and the second electrode are provided in a comb shape.
また、本発明の光センサの製造方法では、受光することにより電気伝導度が変化する電気伝導度変化体の受光面に設けた第1電極と第2電極との間に生じた電流を電流検出手段で検出する光センサの製造方法であって、電気伝導度変化体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で形成する工程を有することとした。 Further, in the method for manufacturing an optical sensor according to the present invention, the current generated between the first electrode and the second electrode provided on the light receiving surface of the electrical conductivity changing body whose electrical conductivity changes by receiving light is detected. A method of manufacturing an optical sensor for detecting by means, comprising the step of forming an electrical conductivity change body with a compound having a layered triangular lattice structure containing a rare earth element.
本発明によれば、受光することにより電気伝導度が変化する電気伝導度変化体と、電気伝導度変化体の受光面に設けた第1電極及び第2電極と、第1電極と前記第2電極との間に生じた電流を検出する電流検出手段とを有する光センサにおいて、電気伝導度変化体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で構成することにより、半導体のpn接合を利用する光センサよりも長波長の光に対する応答性を向上させた光センサを提供できる。 According to the present invention, the electrical conductivity change body whose electrical conductivity changes by receiving light, the first electrode and the second electrode provided on the light receiving surface of the electrical conductivity change body, the first electrode, and the second electrode In an optical sensor having a current detecting means for detecting a current generated between the electrode and the electrode, the electrical conductivity change body is made of a compound having a layered triangular lattice structure containing a rare earth element, thereby forming a semiconductor pn junction. It is possible to provide an optical sensor with improved response to light having a longer wavelength than the optical sensor used.
10 絶縁基板
20 電気伝導度変化体
31 第1電極
31a 第1基部
31b 第1歯部
32 第2電極
32a 第2基部
32b 第2歯部
40 電流検出手段
41 バイアス電源
42 電流検出回路10 Insulating substrate
20 Electric conductivity change body
31 First electrode
31a First base
31b First tooth
32 Second electrode
32a Second base
32b Second tooth
40 Current detection means
41 Bias power supply
42 Current detection circuit
本発明の光センサでは、受光することにより電気伝導度が変化する電気伝導度変化体を用いることに特徴を有しており、特に、電気伝導度変化体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で構成しているものである。 The optical sensor of the present invention is characterized in that an electrical conductivity change body whose electrical conductivity changes by receiving light is used. In particular, the electrical conductivity change body is a layered triangular lattice structure containing a rare earth element. It is comprised with the compound which has this.
電気伝導度変化体は、具体的には、Rを、In,Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ti,Ca,Sr,Ce,Sn,Hfから選ばれる少なくとも1種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも1種類の元素、nを1以上の整数、mを0以上の整数、δを0以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される化合物、またはその化合物のRの一部を正二価以下の元素により置換した化合物である。Specifically, the electrical conductivity change body is at least one selected from R, In, Sc, Y, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ti, Ca, Sr, Ce, Sn, and Hf. Elements, Ma and Mb, at least one element selected from Ti, Mn, Fe, Co, Cu, Ga, Zn, Al, Mg, and Cd, allowing overlap, n is an integer greater than or equal to 1, and m is 0 A compound represented by (RMbO 3 -δ ) n (MaO) m , or a compound in which a part of R of the compound is substituted with an element less than or equal to a positive divalent, is there.
以下において、RをLuとし、Ma及びMbをFeとしたLuFe2O4を代表例として、層状三角格子構造を有する化合物を説明する。Hereinafter, a compound having a layered triangular lattice structure will be described with LuFe 2 O 4 in which R is Lu and Ma and Mb are Fe as representative examples.
LuFe2O4は、以下の手順により生成できる。
(1)酸化ルテチウム(Lu2O3)と酸化鉄(III)(Fe2O3)とを1:2の割合で混合するとともに、ボールミルで約1時間混合し、混合物を生成する。
(2)前記混合物を所定形状に成形して、酸素雰囲気下で、24時間、800℃に加熱して仮焼成体を生成する。
(3)FZ(Floating Zone)法によって前記仮焼成体を本焼成することにより、単結晶のLuFe2O4とする。このとき、一酸化炭素と二酸化炭素の混合ガスであるCO−CO2混合ガスの雰囲気下で結晶成長させている。LuFe 2 O 4 can be produced by the following procedure.
(1) Lutetium oxide (Lu 2 O 3 ) and iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ) are mixed at a ratio of 1: 2 and mixed with a ball mill for about 1 hour to form a mixture.
(2) The mixture is formed into a predetermined shape and heated to 800 ° C. for 24 hours in an oxygen atmosphere to form a pre-fired body.
(3) The temporary fired body is fired by the FZ (Floating Zone) method to obtain single crystal LuFe 2 O 4 . At this time, crystals are grown in an atmosphere of a CO—CO 2 mixed gas that is a mixed gas of carbon monoxide and carbon dioxide.
なお、単結晶を生成する本焼成では、CO−CO2混合ガスの代わりにCO2−H2混合ガスを用いてもよく、還元雰囲気で酸素分圧を制御しながら焼成することにより酸素の量を調整している。In the main firing for producing a single crystal, a CO 2 —H 2 mixed gas may be used instead of the CO—CO 2 mixed gas, and the amount of oxygen is obtained by firing while controlling the oxygen partial pressure in a reducing atmosphere. Is adjusted.
単結晶のLuFe2O4の結晶構造について、図1及び図2を用いて説明する。なお、説明の便宜上、LuFe2O4の結晶構造は、結晶中のFeイオンにおいてFe3+とFe2+の規則構造が出現していない、いわゆる電荷秩序化前の状態としている。The crystal structure of single crystal LuFe 2 O 4 will be described with reference to FIGS. For convenience of explanation, the crystal structure of LuFe 2 O 4 is in a state before so-called charge ordering, in which the ordered structure of Fe 3+ and Fe 2+ does not appear in Fe ions in the crystal.
図1は、平面視における各元素の配置の概略説明図であり、元素Aの三角格子と、元素Bの三角格子と、元素Cの三角格子の位置関係を示している。以下において、元素Aの三角格子における格子点の位置を「A位置」、元素Bの三角格子における格子点の位置を「B位置」、元素Cの三角格子における格子点の位置を「C位置」と呼ぶこととする。 FIG. 1 is a schematic explanatory diagram of the arrangement of each element in plan view, and shows the positional relationship between the triangular lattice of element A, the triangular lattice of element B, and the triangular lattice of element C. In the following, the position of the lattice point in the triangular lattice of element A is “A position”, the position of the lattice point in the triangular lattice of element B is “B position”, and the position of the lattice point in the triangular lattice of element C is “C position”. I will call it.
図2は、側面視における各元素の配置の概略説明図であり、最上層から下方に向けて以下の順番で所定の位置に各元素が位置している。
Lu−B位置
O −C位置
Fe−C位置
O −B位置
O −C位置
Fe−B位置
O −B位置
Lu−C位置
O −A位置
Fe−A位置○
O −C位置○
O −A位置○
Fe−C位置○
O −C位置
Lu−A位置
O −B位置
Fe−B位置
O −A位置
O −B位置
Fe−A位置
O −A位置
Lu−B位置FIG. 2 is a schematic explanatory diagram of the arrangement of each element in a side view, and each element is located at a predetermined position in the following order from the uppermost layer downward.
Lu-B position
OC position
Fe-C position
O-B position
OC position
Fe-B position
O-B position
Lu-C position
O-A position
Fe-A position
O-C position ○
O-A position ○
Fe-C position ○
OC position
Lu-A position
O-B position
Fe-B position
O-A position
O-B position
Fe-A position
O-A position
Lu-B position
このうち、○印を付した4層で構成される部分をW層(W-Layer)と呼んでおり、このW層を有していることがLuFe2O4の特徴点となっている。Among these, a portion composed of four layers marked with a circle is called a W layer (W-Layer), and having this W layer is a characteristic point of LuFe 2 O 4 .
また、LuFe2O4以外の層状三角格子構造を有する化合物でも同様にW層が形成されていることが知られている。Further, it is known that a W layer is also formed in a compound having a layered triangular lattice structure other than LuFe 2 O 4 .
W層は三角格子の積層構造となっており、LuFe2O4において同数のFe2+とFe3+とを存在させることにより、電荷のフラストレーションを生じさせている。The W layer has a triangular lattice laminated structure, and the presence of the same number of Fe 2+ and Fe 3+ in LuFe 2 O 4 causes frustration of charges.
これにより、LuFe2O4では、W層中においてFe3+の多い領域が正電荷の役割を持ち、一方、Fe2+の多い領域が負電荷の役割を持つ電荷秩序が形成されることとなっている。As a result, in LuFe 2 O 4 , the Fe 3+ region in the W layer has a positive charge role, while the Fe 2+ region has a negative charge role. It has become.
この電荷秩序は入射光による外場によって乱れやすく、この電荷秩序の乱れが電気伝導度の変化として現れることとなっている。 This charge order is easily disturbed by an external field due to incident light, and this disorder of charge order appears as a change in electrical conductivity.
図3は、LuFe2O4に、白色光と、赤外光をカットするフィルタを介した白色光と、可視光のみを透過するフィルタを介した白色光をそれぞれ照射した際の電気伝導度の変化を示したグラフである。FIG. 3 shows the electrical conductivity when LuFe 2 O 4 is irradiated with white light, white light through a filter that cuts infrared light, and white light through a filter that transmits only visible light. It is the graph which showed the change.
図3のグラフより、LuFe2O4では、赤外領域の波長を有する入射光に対しても電気伝導度が大きく変化しており、広い波長領域にわたって電気伝導度が変化していることがわかる。From the graph of FIG. 3, it can be seen that in LuFe 2 O 4 , the electrical conductivity changes greatly even for incident light having a wavelength in the infrared region, and the electrical conductivity changes over a wide wavelength region. .
このように、希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で構成した電気伝導度変化体を用いた光センサとすることにより、シリコンのバンドギャップよりも小さいエネルギの入射光に対して応答を得ることができ、長波長の光に対する応答性を向上させた光センサを提供できる。 In this way, by using an optical conductivity change body composed of a compound having a layered triangular lattice structure containing a rare earth element, a response to incident light with energy smaller than the band gap of silicon can be obtained. It is possible to provide an optical sensor that can be obtained and has improved response to long-wavelength light.
すなわち、本発明の光センサは、図4に示すように、支持基体となる絶縁基板10と、この絶縁基板10上に形成した層状または膜状の電気伝導度変化体20と、この電気伝導度変化体20の受光面に設けた第1電極31及び第2電極32と、第1電極31と第2電極32との間に生じた電流を検出する電流検出手段40とで構成している。
That is, as shown in FIG. 4, the optical sensor of the present invention includes an insulating
絶縁基板10は、電気伝導度変化体20を支持する基板であって、絶縁基板10上に形成する電気伝導度変化体20の結晶方位が類似する素材を用いることが望ましい。本実施形態では、後述するように電気伝導度変化体20をLuFe2O4としているので、絶縁基板10にはScAlMgO4などを用いるのが望ましい。The insulating
電気伝導度変化体20は、本実施形態ではLuFe2O4としている。なお、電気伝導度変化体20はLuFe2O4に限定するものではなく、Rを、In,Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ti,Ca,Sr,Ce,Sn,Hfから選ばれる少なくとも1種類の元素、Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも1種類の元素、nを1以上の整数、mを0以上の整数、δを0以上0.2以下の実数として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される層状三角格子構造を有する化合物、またはその化合物のRの一部を正二価以下の元素により置換した化合物を用いることができる。以下においては、電気伝導度変化体20はLuFe2O4として説明する。The electrical
電気伝導度変化体20は、微粒子状としたLuFe2O4を用いて、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、スパッタ法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、あるいはエアロゾルデポジション法などによって絶縁基板10上に膜状あるいは層状に形成している。電気伝導度変化体20は、LuFe2O4の単結晶である方が望ましいが、多結晶であってもよい。The electrical
第1電極31及び第2電極32は、AuあるいはCuなどの導電性の高い金属で形成している。具体的には、電気伝導度変化体20の上面にスパッタ法などによって所定の金属膜を形成し、この金属膜の上面にエッチング用のマスクを形成して、エッチングにより第1電極31部分及び第2電極32部分以外の金属膜を除去して形成している。
The
特に、第1電極31及び第2電極32は、図4に示すように、それぞれ櫛歯状としている。
In particular, the
すなわち、本実施形態の第1電極31は、直線状の第1基部31aと、この第1基部31aから第2電極32に向けて突出させた複数の第1歯部31bとで構成し、本実施形態の第2電極32は、直線状の第2基部32aと、この第2基部32aから第1電極31に向けて突出させた複数の第2歯部32bとで構成しており、第1歯部31b及び第2歯部32bの突出方向と直交する方向に沿って第1歯部31bと第2歯部32bを交互に配置している。
That is, the
第1電極31と第2電極32をそれぞれ櫛歯状とすることにより、第1電極31と第2電極32の間の電気伝導度の変化を検出しやすくすることができ、光センサの感度を向上させることができる。
By making each of the
電流検出手段40は、第1電極31と第2電極32に所定のバイアス電圧を印加するバイアス電源41と、第1電極31と第2電極32の間に流れる電流を検出する電流検出回路42を備えている。
The current detection means 40 includes a
本実施形態の光センサでは、受光にともなって電気伝導度変化体20の電気伝導度が大きくなり、第1電極31と第2電極32の間に流れる電流が大きくなったことを電流検出回路42で検出することにより光を検出可能としている。
In the optical sensor of the present embodiment, the
特に、本発明の光センサでは、電気伝導度変化体20を、希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で形成していることにより、半導体のpn接合を利用するよりも長波長の光に対する応答性を向上させることができるので、光センサを高感度化できる。
In particular, in the optical sensor of the present invention, the electrical
本実施形態の光センサでは、図4に示すように電気伝導度変化体20を平面視矩形形状としているが、電気伝導度変化体20の形状は平面視矩形形状に限定するものではなく、適宜の形状としてよい。
In the optical sensor of the present embodiment, the electrical
本発明によれば、長波長の光に対する応答性の優れた光センサを提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the optical sensor excellent in the responsiveness with respect to the light of a long wavelength can be provided.
Claims (4)
前記電気伝導度変化体の受光面に設けた第1電極及び第2電極と、
前記第1電極と前記第2電極との間に生じた電流を検出する電流検出手段と
を有する光センサであって、
前記電気伝導度変化体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で構成した光センサ。An electrical conductivity change body whose electrical conductivity changes by receiving light; and
A first electrode and a second electrode provided on a light receiving surface of the electric conductivity change body;
An optical sensor having current detection means for detecting a current generated between the first electrode and the second electrode,
An optical sensor in which the electrical conductivity changing body is composed of a compound having a layered triangular lattice structure containing a rare earth element.
Rを、In,Sc,Y,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Ti,Ca,Sr,Ce,Sn,Hfから選ばれる少なくとも1種類の元素、
Ma及びMbを、Ti,Mn,Fe,Co,Cu,Ga,Zn,Al,Mg,Cdから重複を許して選ばれる少なくとも1種類の元素、
nを1以上の整数、
mを0以上の整数、
δを0以上0.2以下の実数
として、(RMbO3-δ)n(MaO)mとして表される層状三角格子構造を有する化合物、またはその化合物のRの一部を正二価以下の元素により置換した化合物である請求項1に記載の光センサ。The compound is
R is at least one element selected from In, Sc, Y, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ti, Ca, Sr, Ce, Sn, and Hf,
Ma and Mb, at least one element selected from Ti, Mn, Fe, Co, Cu, Ga, Zn, Al, Mg, and Cd, allowing duplication,
n is an integer of 1 or more,
m is an integer greater than or equal to 0,
A compound having a layered triangular lattice structure represented by (RMbO 3 -δ ) n (MaO) m or a part of R of the compound was substituted with an element less than positive divalent, where δ is a real number between 0 and 0.2. The optical sensor according to claim 1, which is a compound.
前記電気伝導度変化体を希土類元素を含有した層状三角格子構造を有する化合物で形成する工程を有する光センサの製造方法。A method of manufacturing an optical sensor, wherein a current detection means detects a current generated between a first electrode and a second electrode provided on a light receiving surface of an electrical conductivity change body whose electrical conductivity changes by receiving light. ,
A method of manufacturing an optical sensor, comprising: forming the electric conductivity change body with a compound having a layered triangular lattice structure containing a rare earth element.
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