JP2015149376A - 半導体光検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数種類の半導体を組み合わせることにより、広帯域の半導体光検出器を提供する。
【解決手段】ワイドバンドギャップの半導体または絶縁体基板上に設けられた電極の対の間にナノワイヤ等を接続する。ナノワイヤとして種類の違う半導体で作成したものを混在させたり、また基板とナノワイヤの半導体として種類の異なるものを使用することで、複数種類の半導体光検出器を並列接続した回路構成と等価な広帯域の光検出素子を構成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は複数の半導体の光検出特性を組み合わせることにより、広い波長帯域で光検出を行うことができる半導体光検出器に関する。

高感度でしかも所望の波長で多色光検出を行うことができれば、イメージング、監視、光通信、遠隔制御、目標識別などの多様な用途に適用することができる（非特許文献１、２）。しかしながら通常の光検出器は特定の光スペクトル帯域しか検出できない。例えば、ＩｎＧａＡｓやグラフェン−ＰｂＳ量子ドットは近赤外（ＮＩＲ）光しか検出できず、ＧｄＳやＳｉは可視光しか検出できず、ＺｎＯやＩＩＩ族窒化物は紫外光しか検出できない（非特許文献３〜５）。これまでに開発された光検出器は何れも、６Ｓ要求（任意スペクトル選択、高感度、高速、高いＳ／Ｎ比、高安定、単純さ（arbitrary spectral selectivity, high sensitivity, high speed, high signal-to-noise ratio, high stability, simplicity））のうちの高感度、高速、高いＳ／Ｎ比、高安定及び単純さを維持しながら任意スペクトル選択可能性を達成することはできなかった。

特定の波長における二色あるいは多色検出を行うためのいくつかの手法が提案されている。一つの従来手法では、バンド間／バンド内遷移あるいはホモ接合／ヘテロ接合構造を使用した量子井戸光検出器（非特許文献６〜８）のような、薄膜構造の光吸収材料をいくつか積層したものを使用する。この積層法は各吸収層間の界面の品質に依存しているが、これによって、とりわけ大きな格子不整合のあるヘテロ接合の場合に作製が困難かつ複雑になる。この問題は、広い帯域の光に応答する検出器の制限となる。

他の手法として、カットオフ波長を長波長側にシフトするように半導体にドーピングするというものがある。しかしながら、この手法では、応答速度の低下などの、デバイス性能の劣化を引き起こすようなギャップ状態がもたらされる。

ＮＩＲからＵＶまでの全帯域光検出を達成するため、これまでの素材に代わる有機材料が提案された（非特許文献９）。しかし、有機材料はよく知られているように熱的に不安定である。とりわけ、このような有機材料からの暗電流は非常に大きい。他のやり方としては、グラフェンなどのある種の材料を構造的に修飾することで多帯域検出を達成しようというものがある。しかしながら、致命的な欠陥をもたらすことなく、この手法を用いてエネルギーバンドギャップを広い範囲で制御することは達成不能である。

組成調節可能な半導体ナノ構造により多色光検出を行うのは見込みのある手法である（非特許文献１０、１１）。例えば組成を段階的に変化させたＣｄＳ_ＸＳｅ_１−Ｘナノワイヤを並列に配置したアレイを作製したことがＮｉｎｇ他により非特許文献１１で報告されている。しかしながら報告されたＣｄＳ_ＸＳｅ_１−Ｘは可視光域中の特定帯域の光検出に使用されている。ＣｄＳ_ＸＳｅ_１−Ｘだけを使用して光帯域を遠紫外（ＤＵＶ）あるいは赤外（ＩＲ）域へ拡張することは困難である。Ｙａｎｇ他の非特許文献１２では、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮナノワイヤのバンドギャップを、Ｉｎ量を変えることで赤外域から紫外域まで調節した。この手法は多色光検出に有望なはずである。残念なことに、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＮ混成集積によって多色光検出を実現しようとする努力はなされていない。

従って、６Ｓ要求を満足しながら広いスペクトル（つまりＤＵＶからＩＲまで）で多色光検出を行うことは重大な課題であった。

本発明の課題は、ＤＵＶからＩＲまでの広い帯域中で検出できる光の波長帯域を任意に設定できる半導体光検出器を提供することにある。

本発明の一側面によれば、絶縁体またはワイドバンドギャップ半導体の基板と、前記基板上に設けられた電極の対と、前記電極の対の間に接続された複数種類の半導体ナノ構造体とを設けた半導体光検出器が与えられる。
また、ワイドバンドギャップ半導体の基板と、前記基板上に設けられた電極の対と、前記電極の対の間に設けられた一種類の半導体ナノ構造体とを設けた半導体光検出器も与えられる。
ここで、前記ワイドバンドギャップ半導体はダイヤモンド、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａ_２Ｏ_４、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＺｎＯ、ＳｉＣ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＡｌＮ及びＢＮからなる群から選択されてよい。
また、前記半導体ナノ構造体は長手方向に伸びた形状を有してよい。
また、前記半導体ナノ構造体はＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＧａＮ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、Ｓｉ、ＩｎＧａＮ、ＺｎＯ、ＧａＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｉｎ_２Ｇｅ_２Ｏ_７、ＺｎＧｅ_２Ｏ_４、ＳｉＣ、ダイヤモンド、ＡｌＮ、ＢＮ、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＩｎＧａ_２Ｏ_４及びＧａ_２Ｏ_３からなる群から選択された一または複数の半導体を含んでよい。
また、前記半導体ナノ構造は、その種類毎に応答する光の波長帯域が異なってよい。

本発明によれば、複数の半導体の光検出特性を組み合わせることにより、ＤＵＶからＩＲまでの広い帯域中で任意の波長帯域を選んで検出帯域に設定することができる。

（ａ）本発明の半導体光検出器の構造及び動作を概念的に説明する図。（ｂ）互いに異なる複数の半導体が電荷移動を起こすことなく、個別に光に応答する様子を説明する図。（ｃ）各半導体のエネルギーバンドを概念的に示す図。このエネルギーバンドダイヤグラムにより、各半導体のフェルミレベルは当該半導体と金属によって決まることが分かる。 本発明の一実施例の、ダイヤモンド層の上にＧａ_２Ｏ_３ナノベルトを集積することにより作製された、ＤＵＶ及びＵＶ帯域の二帯域半導体光検出器の構造及び動作を示す図。 本発明の一実施例の、真性単結晶ダイヤモンド層の上にＣｄＳナノワイヤを集積することによって作製された、可視光及びＤＵＶ帯域の二帯域半導体光検出器の構造及び動作を示す図。 本発明の一実施例の、ＩｎＧａＮ層の上にＣｄＳナノワイヤを集積することにより作製された、可視光及びＵＶ帯域の二帯域半導体光検出器の構造及び動作を示す図。 本発明の一実施例の、ダイヤモンド層の上にＳｎＯナノワイヤを集積することによって作製された、ＤＵＶ及びＵＶ帯域の二帯域半導体光検出器の動作特性を示す図。 本発明の一実施例の、ダイヤモンド層の上にＺｎＯサブマイクロロッド及びＣｄＳナノワイヤを集積することによって作製された、可視光、ＵＶ及びＤＵＶ帯域の三帯域半導体光検出器の構造及び動作を示す図。

本発明では、ワイドバンドギャップ半導体（エネルギーバンドギャップが２ｅＶよりも大きな半導体）あるいは絶縁体基板上に多様な半導体ナノ構造体を集積することにより、任意のスペクトルを選択して光検出を行うようにした汎用の構造を有する半導体光検出器が提供される。なお、基板上のナノ構造体の各々は、ヘテロ集積された光検出器上でのナノ構造体の占める面積が小さいため、他のナノ構造体との間で影響し合うことなしで、当該部分の光応答特性を決定する。互いに異なる特性及び高い結晶品質を有する複数の半導体を適切に選択することによって、複数帯域での光検出を高い性能で達成することができる。

本発明の複数帯域光検出器の具体的な構造は、ワイドバンドギャップ半導体または絶縁体の基板上に電極の対を設け、この電極対の間に複数種類の長手方向に伸びた半導体線状部材を互いに並列に接続する。これにより、これら線状部材の各々の特性に従った波長域の光検出特性を合成した検出能力を有する多帯域光検出器が与えられる。

ワイドギャップ半導体基板上にナノ構造を有する半導体をヘテロ集積した構造（ＮＯＷ、Nanostructures on Wide-band gap Semiconductor）または他の半導体基板上へナノ構造を有するナノ構造半導体をヘテロ集積した構造（ＳＯＳ、Semiconductor on Semiconductor）の半導体光検出器が開示される。その具体的な構成及び動作については以下の実施例で説明するが、このようなデバイスの概略の構成は図１に示すとおりである。本発明の構成は従来報告された半導体ナノ構造ベースの光検出器とは明らかに異なっている。そのような従来構成は、通常は絶縁基板上に一つのナノ構造が集積され、従ってただ一つの特定のスペクトルの帯域だけを検出する光検出器が提供されるものであった。

図１の構成により与えられる半導体光検出器では基板がワイドバンドギャップ半導体で構成されているため（もちろん、基板を絶縁体で構成しても良い）、基板自体をＵＶ（波長４００〜１０ｎｍ）あるいはＤＵＶ（波長２８０〜１０ｎｍ）帯域を検出するために利用することができる（図１（ａ）左上の構成）。また、図１（ｂ）右上に示すように、電極対間に半導体のナノ構造体Ａを接続すれば、基板が検出できる帯域に加えて、ナノ構造体Ａが検出できる帯域が検出器全体の検出帯域に追加される。図１（ａ）の右下及び左下に示すように、半導体のナノ構造体Ｂ及びＣを追加すれば、これらの半導体ナノ構造体が検出する帯域が同様に検出器減退の検出帯域に追加される。これは、図１（ｂ）に示すように、検出可能な帯域の光照射により変化する基板の抵抗Ｒ_Ｗ、半導体ナノ構造体Ａ〜Ｃの抵抗である抵抗Ｒ_Ａ〜Ｒ_Ｃ（図１（ｂ）ではＲ_Ｃは省略）は電極対の間に並列接続されることになるため、これらの抵抗の並列回路に流れる電流は各半導体の光照射に従って決まる電流を加算したものになるからである。

なお、図１を参照して上で説明したように、基板としてワイドギャップ半導体を使用し、また当該ワイドギャップ半導体が検出可能な帯域が検出したい帯域の一部である場合には、基板のワイドギャップ半導体にも光検出用の半導体として利用することができる。この場合、検出したい帯域のうちの当該基板が受け持つ帯域以外の部分の範囲によっては、電極対間に接続する接続すべき半導体線状部材は複数種類ではなく一種類で良い場合もある。

基板に使用できるワイドバンドギャップ半導体としては、例えばダイヤモンド、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａ_２Ｏ_４、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＺｎＯ、ＳｉＣ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＢＮなどがある。また、基板に使用できる絶縁体としては、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ、ＺｒＯ_２、ＣａＦ_２、ＳｉＯ_２などがある。

また、基板は他の基材の上に形成された、例えば上記材料の薄膜であってもよいし、あるいはバルクでもよい。

半導体線状部材としては、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノベルトなどのナノ構造体を使用することができる。どのような種類のナノ構造体を使用できるかは、半導体の種類などによって決まる。また、半導体線状部材は一種類の半導体について一本だけ使用してもよいし、あるいは同一種類の半導体毎に複数本の線状部材を使用してもよい。また、同一種類の半導体毎に複数本の線状部材を使用する場合、同一径の線状部材を使用してもよいし、あるいは互いに径の異なる線状部材としてもよい。

更に、本発明では、ダイヤモンドやＩＩＩ族窒化物のようなワイドバンドギャップ半導体は、暗電流が小さいこと及びＵＶ検出に当たっての高い応答性により、基板としてだけではなく、図１を参照して上で説明したように、ＵＶ検出材料としても使用することができる。

このような構造の光検出器において使用することができる光検出用の半導体としては、これに限定する意図はないが、例えば以下の物質を使用することができる。
・ＩＲ光：ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＧａＮ
・可視光：ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、Ｓｉ、ＩｎＧａＮ
・ＵＶ光：ＺｎＯ、ＧａＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｉｎ_２Ｇｅ_２Ｏ_７、ＺｎＧｅ_２Ｏ_４、ＳｉＣ
・ＤＵＶ光：ダイヤモンド、ＡｌＮ、ＢＮ、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＩｎＧａ_２Ｏ_４、Ｇａ_２Ｏ_３

また、電極の材料としては基板や半導体ナノ構造体との接続等、半導体光検出器を作成・使用するに当たって問題が出ない限り、基本的に任意の材料を使用することができる。

以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。なお、以下で説明する実施例はあくまで本発明の理解を助けるための例示であり、本発明は特許請求の範囲によって規定されるものであることに注意されたい。

［実施例１：ダイヤモンド基板−Ｇａ_２Ｏ_３ナノベルトによるＤＵＶ−ＵＶ半導体光検出器］
図２（ａ）は単斜晶系Ｇａ_２Ｏ_３（β−Ｇａ_２Ｏ_３、バンドギャップ４．２〜４．９ｅＶ）ナノベルトを真性単結晶ダイヤモンド層（バンドギャップ５．５ｅＶ）の上に集積することによって作製されたＤＵＶ及びＵＶ帯域半導体光検出器の構成を概念的に示す図、及びその光学顕微鏡写真を示す。図２（ｂ）にこのＧａ_２Ｏ_３ヘテロ集積光検出器の暗黒下、２２０ｎｍ光（ダイヤモンドのバンド端に対応）照射時、及び２４０ｎｍ（β−Ｇａ_２Ｏ_３のバンド端に対応）光照射時の電圧−電流特性を示す。図２（ｃ）にはこのＧａ_２Ｏ_３ヘテロ集積光検出器の照射光の波長に対する応答特性を、電極間に印加する電圧（４、１６、３２Ｖ）をパラメータとして示す。印加する電圧４Ｖと低い場合には、この半導体光検出器の主要なカットオフ波長は２２５ｎｍであったが、これはダイヤモンドの吸収波長帯域の上端に相当する。これよりも長波長側ではβ−Ｇａ_２Ｏ_３ナノベルトの光応答だけとなり、印加電圧を高くするにつれてこの長波長側における応答が大きくなった。印加電圧が１６Ｖでは２２０ｎｍにおける応答と２４０ｎｍにおける応答とが同等になった。印加電圧を３２Ｖまで増加すると、β−Ｇａ_２Ｏ_３ナノベルト側の応答の方が支配的になった。

ヘテロ集積プロセスはβ−Ｇａ_２Ｏ_３／ダイヤモンド検出器の応答速度に悪影響を与えないことが、図２（ｄ）及び（ｅ）により確認された。図２（ｄ）は印加電圧を４Ｖとして波長２２０ｎｍの照射光の点滅（機械的な遮蔽／遮蔽の解除による。以下同様）に対する電流応答を示す。図２（ｅ）は印加電圧を３２Ｖとして波長２４０ｎｍの照射光の点滅を行った場合の電流応答を示す。何れの波長の場合でも、照射光を遮蔽した時、０．３秒以内に非照射時の電流値に復帰することが確認できた。

以上説明したように、本発明の検出器構成によれば、検出器全体の特性は、検出器を構成する各半導体が相互に干渉することなく、これらの半導体個別での検出特性の合成結果と同等な特性として与えられることが確認できた。

［実施例２：ダイヤモンド基板−ＣｄＳナノワイヤによるＤＵＶ−可視光半導体検出器］
図３（ａ）はＣｄＳ（バンドギャップ２．５ｅＶ）ナノワイヤを真性単結晶ダイヤモンド層の上に集積することによって作製されたＤＵＶ及び可視光帯域半導体光検出器の構成を概念的に示す図、及びその光学顕微鏡写真を示す。図３（ｂ）にこの半導体光検出器の暗黒下、２２０ｎｍ光照射時、及び４８０ｎｍ光照射時の電圧−電流特性を示す。図３（ｃ）は、この半導体光検出器の照射光の波長に対する応答特性を、電極間に印加する電圧（１６、３２Ｖ）をパラメータとした応答であり、この二帯域半導体光検出器のＤＵＶ及び可視光に対するスペクトル応答を示す。

図３（ｄ）及び（ｅ）は、それぞれ波長２２０ｎｍ及び４８０ｎｍの照射光を実施例１の場合と同じように断続した時の電流応答を示す。この測定の際の印加電圧は何れも３２Ｖとした。この結果から、本実施例でもそれぞれの半導体の高速光応答性が集積後も維持されることが確認できた。

［実施例３：ＩｎＧａＮ基板−ＣｄＳナノワイヤによるＵＶ−可視光半導体光検出器］
図４（ａ）はＣｄＳナノワイヤをＩｎＧａＮ層の上に集積することによって作製されたＵＶ−Ａ及び可視光帯域検出器の構成を概念的に示す図及びその光学顕微鏡写真を示す。図４（ｂ）にこの光検出器の暗黒下、３７８ｎｍ光照射時、及び４８０ｎｍ光照射時の電圧−電流特性を示す。図４（ｃ）は、この光検出器の照射光の波長に対する応答特性を、電極間に２Ｖの電圧を印加した状態で測定したものである。この波長応答特性には、この二帯域半導体光検出器におけるＵＶ−Ａ帯域でのＩｎＧａＮ層からの応答及び青〜緑帯域でのＣｄＳナノワイヤからの応答が明確に示されている。

図４（ｄ）及び（ｅ）は、それぞれ波長３７８ｎｍ及び４８０ｎｍの照射光を実施例１、２の場合と同じように断続した時の電流応答を示す。この測定の際の印加電圧は何れも２Ｖとした。この結果から、本実施例においてもそれぞれの半導体の高速光応答性が集積後も維持されることが確認できた。

［実施例４：ダイヤモンド基板−ＳｎＯ_２ナノワイヤによるＤＵＶ−ＵＶ半導体光検出器］
図５はＳｎＯ_２ナノワイヤを真性ダイヤモンド層の上に集積することによって作製されたＤＵＶ及びＵＶ帯域半導体光検出器の照射光の波長に対する応答特性を測定した結果を示す。これまでの実施例と同様に、この波長応答特性にも、この二帯域半導体光検出器におけるダイヤモンド層及びＳｎＯ_２ナノワイヤからの応答が明確に現れている。

［実施例５：ダイヤモンド基板−ＺｎＯサブマイクロロッド及びＣｄＳナノワイヤによるＤＵＶ−ＵＶ−可視光半導体光検出器］
図６（ａ）はＺｎＯ（バンドギャップ３．３７ｅＶ）テトラポッド状分岐付ナノロッド（tetrapod-branched nanorod）及びＣｄＳナノワイヤをダイヤモンド層の上に集積することによって作製されたＤＵＶ、ＵＶ及び可視光帯域半導体光検出器の構成を概念的に示す図及びその光学顕微鏡写真を示す。この光学顕微鏡写真からわかるように、横方向に伸びた平行な２本の電極の間にＣｄＳナノワイヤ（写真左端付近）及びＺｎＯテトラポッド状ナノロッド（写真右端付近）が接続されていることがわかる。もし必要であれば３本あるいはより多くの半導体ナノ構造体をこの電極対の間に接続できることは明らかであろう。

図６（ｂ）には、図６（ａ）に示す三帯域半導体光検出器の照射光の波長に対する応答特性を測定した結果を示す。これまでの実施例と同様に、この波長応答特性にも、この三帯域半導体光検出器におけるダイヤモンド層、ＺｎＯナノロッド及びＳｎＯ_２ナノワイヤのそれぞれからの応答が明確に現れている。このように、電極対間に複数種類の半導体ナノ構造体を接続した場合でも、光検出器全体の特性は、光検出器を構成する個々の半導体ナノ構造体（また、基板が半導体である場合にはその半導体の）光検出特性を足し合わせたものとなることがわかる。

本発明によれば、ＤＵＶからＩＲまでの広い帯域中で任意の波長域を選択した広帯域半導体光検出器を提供するための高い自由度を得ることができるため、本発明は半導体光検出器のみならず、全帯域太陽電池、発光ダイオード、光化学用触媒についての新たな分野を開くものと期待される。

ヨーロッパ公開特許公報１３４１２３４Ａ２（２００３）

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Claims (6)

1. 絶縁体またはワイドバンドギャップ半導体の基板と、
   前記基板上に設けられた電極の対と、
   前記電極の対の間に接続された複数種類の半導体ナノ構造体と
   を設けた半導体光検出器。
2. ワイドバンドギャップ半導体の基板と、
   前記基板上に設けられた電極の対と、
   前記電極の対の間に設けられた一種類の半導体ナノ構造体と
   を設けた半導体光検出器。
3. 前記ワイドバンドギャップ半導体はダイヤモンド、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａ_２Ｏ_４、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＺｎＯ、ＳｉＣ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＡｌＮ及びＢＮからなる群から選択される、請求項１または２に記載の半導体光検出器。
4. 前記半導体ナノ構造体は長手方向に伸びた形状を有する、請求項１から３のいずれかに記載の半導体光検出器。
5. 前記半導体ナノ構造体はＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＧａＮ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、Ｓｉ、ＩｎＧａＮ、ＺｎＯ、ＧａＮ、Ｇａ_２Ｏ_３、ＳｎＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｉｎ_２Ｏ_３、Ｉｎ_２Ｇｅ_２Ｏ_７、ＺｎＧｅ_２Ｏ_４、ＳｉＣ、ダイヤモンド、ＡｌＮ、ＢＮ、ＺｎＧａ_２Ｏ_４、ＩｎＧａ_２Ｏ_４及びＧａ_２Ｏ_３からなる群から選択された一または複数の半導体を含む、請求項１から４のいずれかに記載の半導体光検出器。
6. 前記半導体ナノ構造は、その種類毎に応答する光の波長帯域が異なる、請求項１から５のいずれかに記載の半導体光検出器。