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JP2018198314A - 光検出器 - Google Patents

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Abstract

【課題】新型の光検出器を提供する。【解決手段】光検出器は、半導体構造１０４、カーボンナノチューブ１０２及び導電フィルム１０６を含む。半導体構造１０４が積層して設置されるＰ型半導体層及びＮ型半導体層を含み、半導体構造１０４が第一表面及び該第一表面と対向して設置される第二表面を含む。カーボンナノチューブ１０２が半導体構造の第一表面に設置される。導電フィルム１０６が堆積する方法によって、半導体構造の第二表面に形成され、半導体構造１０４をカーボンナノチューブ１０２と導電フィルム１０４との間に設置させ、カーボンナノチューブ１０２、半導体構造１０４及び導電フィルム１０６が積層して、多層の立体構造を形成する。第一電極がカーボンナノチューブ１０２と電気的に接続され、第二電極が導電フィルム１０４と電気的に接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、光検出器に関する。
光検出器は、光エネルギーを検出する部品である。一般的に、光検出器の作動原理は、光電効果に基づくものである。材料が光エネルギーを吸収した後、材料の電気性能が変わるので、光線の有無及び光エネルギーの大きさを検出できる。半導体部品が光検出器にますます多く応用されてきている。
しかしながら、技術レベルに制限されるため、半導体部品が通常はマイクロスケールの構造であるので、ある程度に光検出器のサイズを制限することとなり、光検出器の応用範囲に影響を及ぼすこととなる。
これによって、新型の光検出器を提供する必要がある。
光検出器は、半導体素子、第一電極、第二電極及び電流検出素子を含む。前記半導体素子、前記第一電極、前記第二電極及び前記電流検出素子が互いに電気的に接続され、回路が形成される。前記半導体素子は、半導体構造、カーボンナノチューブ及び導電フィルムを含む。前記半導体構造が積層して設置されるＰ型半導体層及びＮ型半導体層を含み、該半導体構造が第一表面及び該第一表面と対向して設置される第二表面を含む。前記カーボンナノチューブが前記半導体構造の第一表面に設置される。前記導電フィルムが堆積する方法によって、前記半導体構造の第二表面に形成されて、該半導体構造を前記カーボンナノチューブと前記導電フィルムとの間に設置させ、前記カーボンナノチューブ、前記半導体構造及び前記導電フィルムが積層して、多層の立体構造を形成する。前記第一電極が前記カーボンナノチューブと電気的に接続され、前記第二電極が前記導電フィルムと電気的に接続される。
前記カーボンナノチューブが金属性のカーボンナノチューブである。
前記多層の立体構造の横方向断面の面積が１ｎｍ２〜１００００ｎｍ２である。
前記半導体構造の厚さが１ナノメートル〜２００００ナノメートルである。
更に、積層して設置される第三電極及び絶縁層を含み、前記半導体素子、前記第一電極及び前記第二電極が前記絶縁層の表面に設置され、前記第三電極が前記絶縁層を通じて、前記半導体素子、前記第一電極及び前記第二電極と絶縁して設置される。
従来技術と比べて、本発明の光検出器は、半導体素子を含む。半導体素子において、カーボンナノチューブ、半導体構造及び導電フィルムがナノヘテロ接合構造を形成する。従って、光検出器は、小さいサイズを有し、応用される場合には、少ないエネルギー消費及びより高い整合性を持つ。
本発明の第一実施例の光検出器の構造を示す図である。 本発明の第一実施例の光検出器における半導体素子の側面を示す図である。 本発明の他の実施例のもう一種の半導体素子の側面を示す図である。 本発明の第二実施例の光検出器の一部の構造を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
図１を参照すると、本発明の第一実施例は、光検出器１０を提供する。光検出器１０は、半導体素子１００、第一電極２０２、第二電極２０４及び電流検出素子２１２を含む。半導体素子１００、第一電極２０２、第二電極２０４及び電流検出素子２１２が互いに電気的に接続されて、回路を形成する。半導体素子１００は、半導体構造１０４、カーボンナノチューブ１０２及び導電フィルム１０６を含む。半導体構造１０４がカーボンナノチューブ１０２と導電フィルム１０６との間に設置される。
図２を参照すると、半導体構造１０４がＰ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂを含む。Ｐ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂが積層して設置される。半導体構造１０４が第一表面及び第二表面を含み、第一表面及び第二表面が対向して設置される。半導体構造１０４の厚さが１ナノメートル〜２００００ナノメートルである。好ましくは、半導体構造１０４の厚さが１ナノメートル〜１００００ナノメートルである。
カーボンナノチューブ１０２が金属性のカーボンナノチューブである。カーボンナノチューブ１０２の直径が制限されず、０．５ナノメートル〜１５０ナノメートルである。ある実施例において、カーボンナノチューブ１０２の直径が１ナノメートル〜１０ナノメートルである。好ましくは、カーボンナノチューブ１０２が単層カーボンナノチューブであり、その直径が１ナノメートル〜５ナノメートルである。本実施例において、カーボンナノチューブ１０２が金属性の単層カーボンナノチューブであり、その直径が１ナノメートルである。カーボンナノチューブ１０２が半導体構造１０４の第一表面に設置され、第一表面と直接的に接触される。半導体構造１０４の第一表面に一つのカーボンナノチューブ１０２のみを設置してもよい。
半導体構造１０４は、二次元構造の半導体層である。即ち、半導体構造１０４の厚さが小さくて、半導体構造１０４の厚さが１ナノメートル〜２００００ナノメートルである。好ましくは、半導体構造１０４の厚さが１ナノメートル〜１００００ナノメートルである。より好ましくは、半導体構造１０４の厚さが１ナノメートル〜２００ナノメートルである。半導体構造１０４がＰ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂを含み、Ｐ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂが積層して設置される。半導体構造１０４が第一表面及び第二表面を含み、第一表面及び第二表面が対向して設置される。図２を参照すると、第一表面がＮ型半導体層１０４ｂの表面であり、第二表面がＰ型半導体層１０４ａの表面である。このように、カーボンナノチューブ１０２がＮ型半導体層１０４ｂの表面に設置され、導電フィルム１０６がＰ型半導体層１０４ａの表面に設置される。図３を参照すると、ほかの実施例において、第一表面がＰ型半導体層１０４ａの表面であり、第二表面がＮ型半導体層１０４ｂの表面である。このように、カーボンナノチューブ１０２がＰ型半導体層１０４ａの表面に設置され、導電フィルム１０６がＮ型半導体層１０４ｂの表面に設置されることができる。Ｐ型半導体層１０４ａ及びＮ型半導体層１０４ｂの材料が制限されず、無機化合物半導体、元素半導体、有機半導体又はこれらの材料がドープされた材料である。本実施例において、Ｐ型半導体層１０４ａの材料がセレン化タングステン（ＷＳｅ２）であり、その厚さが６ナノメートルであり、Ｎ型半導体層１０４ｂの材料が硫化モリブデン（ＭＯＳ２）であり、その厚さが２．６ナノメートルである。カーボンナノチューブ１０２がＮ型半導体層１０４ｂの表面に設置され、導電フィルム１０６がＰ型半導体層１０４ａの表面に設置される。
導電フィルム１０６の材料が導電材料である。具体的には、導電材料が金属、導電性ポリマー又はＩＴＯである。導電フィルム１０６が半導体構造１０４の第二表面に直接的に堆積される。導電フィルム１０６が半導体構造１０４の第二表面に堆積される具体的な方法は、制限されず、イオンスパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法又は他のフィルムをコーティングする方法であってもよい。導電フィルム１０６の厚さが制限されず、５ナノメートル〜１００マイクロメートルである。ある実施例において、導電フィルム１０６の厚さが５ナノメートル〜１００ナノメートルである。ある実施例において、導電フィルム１０６の厚さが５ナノメートル〜２０ナノメートルである。好ましくは、導電フィルム１０６が透明構造である。導電フィルム１０６の形状が制限されず、長手形状、線形、方形などの形状である。本実施例において、導電フィルム１０６は、材料が金属であり、形状が長手形状である。
カーボンナノチューブ１０２、半導体構造１０４及び導電フィルム１０６が積層して設置されて、多層の立体構造１１０を形成する。多層の立体構造１１０は、横方向断面及び縦方向断面を定義して、横方向断面が半導体構造１０４の表面に平行する断面であり、縦方向断面が半導体構造１０４の表面に垂直する断面である。横方向断面の面積がカーボンナノチューブ１０２の直径及び長さによって決まる。縦方向断面の面積がカーボンナノチューブ１０２の長さ及び多層の立体構造１１０の厚さによって決まる。カーボンナノチューブ１０２のサイズが半導体構造１０４及び導電フィルム１０６のサイズより小さいので、多層の立体構造１１０の横方向断面及び縦方向断面の面積が小さく、多層の立体構造１１０の体積も小さい。好ましくは、多層の立体構造１１０の横方向断面の面積は、０．２５ｎｍ２〜１０００００ｎｍ２である。更に好ましくは、多層の立体構造１１０の横方向断面の面積は、１ｎｍ２〜１００００ｎｍ２である。
第一電極２０２及び第二電極２０４が導電材料からなり、導電材料が金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、導電銀テープ、導電性ポリマー又は導電カーボンナノチューブ等である。金属材料がアルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、パラジウム又は任意の組み合わせの合金である。第一電極２０２及び第二電極２０４も導電フィルムであってもよく、導電フィルムの厚さが２ナノクロメートル〜１００マイクロメートルである。本実施例において、第一電極２０２及び第二電極２０４が金及びチタンからなる金属複合構造である。具体的には、金属複合構造が金層及びチタン層からなり、金層がチタン層の表面に設置される。チタン層の厚さが５ナノメートルであり、金層の厚さが５ナノメートルである。本実施例において、第一電極２０２は、カーボンナノチューブ１０２と電気的に接続され、カーボンナノチューブ１０２の一端に設置され、カーボンナノチューブ１０２の表面と緊密に接触する。チタン層がカーボンナノチューブ１０２の表面に設置され、金層がチタン層の表面に設置される。第二電極２０４は、導電フィルム１０６と電気的に接続され、導電フィルム１０６の一端に設置され、導電フィルム１０６の表面と緊密に接触する。チタン層が導電フィルム１０６の表面に設置され、金層がチタン層の表面に設置される。
光検出器１０は、光に対して定性検出又は定量検出を行ってもよい。光検出器１０が光に対して定性検出を行う作動原理は、光線が光検出器１０に照射されない場合、カーボンナノチューブ１０２と半導体構造１０４と導電フィルム１０６との間がオフ状態になり、電流が回路を流れず、電流検出素子２１２が電流を検出しない。光線が光検出器１０に照射される場合、半導体構造が光起のキャリアを生成し、カーボンナノチューブ１０２と導電フィルム１０６との間に形成されるビルトインポテンシャルが光起の電子正孔対を分けた後、光起電流が生成され、即ち、電流が回路を流れ、電流検出素子２１２が電流を検出することができる。即ち、電流が回路を流れるかどうかによって、光源を検出する。
光検出器１０は、光に対して定量検出を行う作動原理は、電源３０８をオンして、既知の異なる強度を有する光線で順次に検出点に照射して、電流検出素子２１２が検出する電流値を読み出し、ある強度を有する光線が一つの電流値に対応する。異なる強度を有する光線に対応する異なる電流値を、相応する折れ線グラフに作成することで、異なる強度を有する光線に対応して形成される電流値の標準曲線を示すことができる。未知の強度を有する光線が検出点に照射する場合、電流検出素子２１２が検出する電流値によって、標準曲線から光線の強度値を読み出すことができる。
光検出器１０において、カーボンナノチューブ１０２及び導電フィルム１０６と半導体構造１０４は、多層の立体構造１１０にファンデルワールスヘテロ接合構造を形成する。応用される時には、カーボンナノチューブ１０２及び導電フィルム１０６が半導体構造１０４の対向する二つの表面に設置される電極であると見られ、光線が半導体構造１０４の表面に照射される場合には、電流が半導体素子１００、第一電極２０２、第二電極２０４及び電流検出素子２１２からなる回路を流れ、電流が多層の立体構造１１０の横方向断面を流れて、半導体素子１００の有効部分が多層の立体構造１１０である。半導体素子１００の全体のサイズが多層の立体構造１１０の体積より大きればよい。従って、半導体素子１００が小さいサイズを有することができ、多層の立体構造１１０を含めばよい。半導体素子１００はナノスケールの半導体素子となる。従って、半導体素子１００を採用する光検出器１０も、小さいサイズを有することができる。光検出器１０が少ないエネルギー消費、ナノスケールのサイズ及びより高い集積度を持つ。
図４を参照すると、本発明の第二実施例は、光検出器２０を提供する。第一実施例の光検出器１０と比べて、本実施例の光検出器２０は、更に第三電極２０８及び絶縁層２１０を含み、他の構造が第一実施例の光検出器１０と同じであり、ここで詳しく説明しない。半導体素子１００が第一電極２０２及び第二電極２０４と電気的に接続され、第三電極２０８が絶縁層２１０を通じて、半導体素子１００、第一電極２０２及び第二電極２０４と絶縁して設置される。半導体素子１００の具体的な構造が第一実施例の半導体素子１００の構造と同じであり、ここで詳しく説明しない。
光検出器２０において、第三電極２０８及び絶縁層２１０が積層して設置され、半導体素子１００が絶縁層２１０の表面に設置され、絶縁層２１０を第三電極２０８と半導体素子１００との間に位置させる。半導体素子１００において、カーボンナノチューブ１０２が絶縁層２１０の表面に直接的に設置され、半導体構造１０４がカーボンナノチューブ１０２の上方に設置され、カーボンナノチューブ１０２を半導体構造１０４と絶縁層２１０との間に位置させ、導電フィルム１０６が半導体構造１０４の上方に位置する。本実施例において、カーボンナノチューブ１０２は、絶縁層２１０の表面に直接的に設置され、第三電極２０８に接近して、第三電極２０８が半導体素子１００を制御することができる。絶縁層２１０の材料が絶縁材料であり、その厚さが１ナノメートル〜１００マイクロメートルである。絶縁層２１０がカーボンナノチューブ１０２と第三電極２０８とを、間隔を置いて、絶縁的に設置させる。本実施例において、絶縁層の材料が酸化シリコンである。
第三電極２０８が導電材料からなり、導電材料が金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、導電銀テープ、導電性ポリマー又は導電カーボンナノチューブ等である。金属材料がアルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、パラジウム又は任意の組み合わせの合金である。本実施例において、第三電極２０８が層状の構造であり、絶縁層２１０が第三電極２０８の表面に設置され、第一電極２０２、第二電極２０４及び半導体素子１００は絶縁層２１０に設置され、第三電極２０８及び絶縁層２１０により支持される。
光検出器２０は、更に半導体素子１００の制御電極としての第三電極２０８を含む。カーボンナノチューブ１０２は、背面電極として、絶縁層２１０に直接的に設置され、第三電極２０８と一層の絶縁層２１０のみが隔てられる。カーボンナノチューブが特別な性能を有するので、第三電極２０８によって、半導体素子１００の電気性質を調節でき、半導体素子１００の作動性能を制御するようになる。第三電極２０８が光検出器２０のゲート電極と見られる。本実施例において、カーボンナノチューブ１０２がＮ型半導体層１０４ｂの表面に設置され、導電フィルム１０６がＰ型半導体層１０４ａの表面に設置され、Ｐ型半導体層１０４ａは、厚さが６ナノメートルであるＷＳｅ２であり、Ｎ型半導体層１０４ｂは、厚さが２.６ナノメートルであるＭｏＳ２である。
本発明の光検出器がカーボンナノチューブに基づく非対称のファンデルワールスヘテロ接合構造（ＣＣＶＨ）を含む。半導体構造が二次元の構造であり、非対称にカーボンナノチューブ及び導電フィルムとの間に挟まれる。半導体構造がＰ−Ｎ接合を含み、カーボンナノチューブ及び導電フィルムがそれぞれＰ−Ｎ接合の二つの電極とされる。カーボンナノチューブ及び導電フィルムが二次元の半導体層との非対称的な接触は、ファンデルワールスヘテロ接合構造により優れた光電性能を持たせる。光検出器がゲート電極を含む場合には、ゲート電極の電圧を制御することによって、カーボンナノチューブ及び半導体材料の電気性質を調節できるので、光検出器の性能を向上できる。輸送性能の多様性は、主に半導体素子１００がカーボンナノチューブで背面電極とするからである。カーボンナノチューブが特別な幾何学的形状及びエネルギーバンド構造を有するので、カーボンナノチューブのフェルミエネルギーがゲート電極の電圧に変調されやすい。従って、半導体素子が独特の優れた性能を表現する。
１０、２０ 光検出器
１００ 半導体素子
１０２ カーボンナノチューブ
１０４ 半導体構造
１０４ａ Ｐ型半導体層
１０４ｂ Ｎ型半導体層
１０６ 導電フィルム
１１０ 多層の立体構造
２０２ 第一電極
２０４ 第二電極
２０８ 第三電極
２１０ 絶縁層
２１２ 電流検出素子

Claims (5)

  1. 半導体素子、第一電極、第二電極及び電流検出素子を含む光検出器において、前記半導体素子、前記第一電極、前記第二電極及び前記電流検出素子が互いに電気的に接続されて、回路を形成し、
    前記半導体素子は、半導体構造、カーボンナノチューブ及び導電フィルムを含み、
    前記半導体構造は積層して設置されるＰ型半導体層及びＮ型半導体層を含み、該半導体構造は第一表面及び該第一表面と対向して設置される第二表面を含み、
    前記カーボンナノチューブが前記半導体構造の第一表面に設置され、
    前記導電フィルムは堆積する方法によって、前記半導体構造の第二表面に形成されて、該半導体構造を前記カーボンナノチューブと前記導電フィルムとの間に設置させ、前記カーボンナノチューブ、前記半導体構造及び前記導電フィルムが積層して、多層の立体構造を形成し、
    前記第一電極が前記カーボンナノチューブと電気的に接続され、前記第二電極が前記導電フィルムと電気的に接続されることを特徴とする光検出器。
  2. 前記カーボンナノチューブが金属性のカーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項１に記載の光検出器。
  3. 前記多層の立体構造の半導体構造の表面に平行する断面の面積が１ｎｍ２〜１００００ｎｍ２であることを特徴とする、請求項１に記載の光検出器。
  4. 前記半導体構造の厚さが１ナノメートル〜２００００ナノメートルであることを特徴とする、請求項１に記載の光検出器。
  5. 更に、積層して設置される第三電極及び絶縁層を含み、前記半導体素子、前記第一電極及び前記第二電極が前記絶縁層の表面に設置され、前記第三電極が前記絶縁層を通じて、前記半導体素子、前記第一電極及び前記第二電極と絶縁して設置されることを特徴とする、請求項１に記載の光検出器。
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