JPH0216421A - 光検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、微弱光検出装置にかかわるものである。

従来の技術 従来の微弱光検出装置の例として、現存する光検出器の
なかでもっとも高感度なものは、光電子増倍管である。

第４図に、その断面図を示す。光電面５０に光が照射さ
れると、光電子が真空領域５１に放出される。放出され
た光電子は、約１００Ｖの電圧が印加された第１ダイノ
ード５２による電界によって加速されて、第１ダイノー
ド５２に入射し、ａ（３−６）個の二次電子を放出する
。

これらの二次電子が今度は第２ダイノード５３に加速、
衝突し、３２個の二次電子を放出する。　この過程を繰
り返して、ｋ段目ではａｋ個（通常は１０６個）となる
。　これらの電子が陽極５４に集められ出力電流となる
。

光電面５０の代表的な材料としては、使用する波長範囲
に応じて、例えば、ＣｓＣｓ−１（１１５−２００ｎ、
Ａｇ−０−Ｃｓ　（４００−１２００ｎｍ）、Ｎａ−に
−８ｂ−Ｃｓ　（マルチアルカリ）（３００−８５０ｎ
ｍ）、ＧａＡｓ　　（Ｃｓ）（３００−９１０ｎｍ）な
どがある。これらの最高放射感度は、６０６０−８Ｏ／
Ｗである。

光電面が、光電子を放出し得る入射光（エネルギーｈν
）の長波長側限界は、光電子放出材料のバンドギャップ
Ｅｇと、電子親和力χの和Ｅｇ＋χによって規定される
。即ちｈν≦Ｅｇ十χの光は検出できない。

従来、もっとも長波長域まで検出できる光電材料は、負
電子親和力系材料（ＮＢＡ材料）であった。これは、所
定の半導体単結晶の清浄表面にＣｓ−０を単原子層程度
吸着させ、表面にバンド湾曲を生じさせたもので、真空
準位は、伝導バンドの底よりも低（、実効的に負の電子
親和力状態（ＮＥＡ状態）となっている。現在、実用に
供する負電子親和力系材料（ＮＢＡ材料）は、ＧａＡｓ
（Ｃｓ）であるが、ＧａＡｓのバンドギャップＥｇは１
．４ｅＶであり、その長波長側検出限界は９１０ｎｍで
ある。

また、これ以上長波長の赤外線検出器のうち、最も高感
度のものは、Ｓ１アバランシエフオトダイオードであっ
た。第５図にその断面図を示す。

入射光が、逆方向降伏電圧に近い値にまで逆バイアスさ
れたＰＮ接合部５５で吸収され、空乏層内に電子正孔対
が生成する。空乏層内の強い電界により加速されたこれ
らのキャリヤーは、走行中に次々と束縛電子を衝撃し、
イオン化する。この様な機構が雪崩的に起こって、電流
が増倍される。

しかし、その検出限界光強度は、１０す４Ｗ程度である
。また、その長波長側検出限界波長は、１１０５０ｎで
ある。

発明が解決しようとする課題 一方、近年、例えば近赤外領域の極微弱光センサのニー
ズが高まっている。その−例として、生体からの極微弱
な近赤外化学発光を捉えようとするものがある。

しかしながら、現存する近赤外光センサでは、これらの
極微弱光を検出できる感度を有するものは存在しなかっ
た。

課題を解決するための手段 所定の波長の極微弱な光を検出するため、そ、の波長域
に光感度を有する感光体層及び、その内部もしくはそれ
に接して構成される電場発光体と、前記感光体及び前記
電場発光体に所定の電界が印加できるように設けられた
電極より構成される波長変換部と、前記電場発光体の発
光を検知し電気信号に変換する光電変換部から成る光検
出器を形成する。前記電場発光体は、前記光電変換部が
高感度を有する波長の光を放出する材料で構成する。

作用 所定の波長域に感度を有する感光体層及び、その内部も
しくはそれに接して構成される電場発光体には、それら
に近接して設けられた電極対により所定の電界が印加さ
れる。光電変換部は、前記電場発光体からの発光を検知
できる位置に設けられる。前記光電変換部は、前記電場
発光体の発光波長領域では、高感度の光電変換効率を有
するように、前記光電変換部材料及び前記電場発光体材
料が選ばれる。

所定の波長λ１の光が前記感光体層に入射すると、感光
体層に吸収され、電子正孔対が生成する。

これらのフォトキャリヤーは印加された電界によりドリ
フトする。

前記フォトキャリヤーのうち前記電場発光体に注入され
た電子は、印加された高電界によって加速され、高エネ
ルギーを得て、電場発光体の母体自体もしくはその中の
不純物中心（発光中心）に衝突し、これをイオン化する
。この際発生した電子は、次々に衝突を繰り返しながら
、雪崩的に新たな電子正孔対を生成する。そして不純物
中心に捕獲された電子正孔対の再結合により発光する。

または、ホットエレクトロンが発光中心イオンに衝突し
、その内殻電子を励起する。そして、発光中心の励起状
態から基底状態への内殻電子遷移により発光する。

以上の電場発光（波長λ２）を、前記光電変換部で受光
し、所定の手段を用いて光電変換し、増倍して、電気信
号に変換する。

実施例 本発明の一実施例を、第１図に示す。これは、本発明の
一実施例における高感度近赤外光検出器の断面図である
。透明導電膜１、発光層２、感光層３及び透明導電膜４
を積層した波長変換部５が、光電変換部６の端面に、図
のように形成される。

光電変換部６として、本実施例では、光電子増倍管７を
用いている。光電子増倍管７は、ガラス管８の内面に構
成された光電変換膜９、及び数段のダイノード群１０、
陽極１１等より成る。

感光層３及び、発光層２には、透明導電膜１．４からな
る電極対により、図のように所定の静電界が印加される
。

所定の波長λ、の光が前記感光層３に入射すると、感光
層３に吸収され、電子正孔対が生成する。

これらのフォトキャリヤーは印加された電界により、電
子は発光層２にむかって、正孔は透明導電膜４にむかっ
てドリフトする。

前記フォトキャリヤーのうち前記発光層２に注入された
電子は、印加された高電界によって加速され、高エネル
ギーを得て、発光層２の母体自体もしくはその中の不純
物中心（発光中心）に衝突し、これをイオン化する。こ
の際発生した電子は、次々に衝突を繰り返しながら、雪
崩的に新たな電子正孔対を生成する。そして不純物中心
に捕獲された電子正孔対の再結合により発光する。また
は、ホットエレクトロンが発光中心イオンに衝突し、そ
の内殻電子を励起する。そして、発光中心の励起状態か
ら基底状態への内殻電子遷移により発光する。

以上の、発光層２からの電場発光（波長λ２）を、前記
光電変換膜９で受光し、外部光電効果を利用して光電子
を真空中に放出する。それをダイノード群１０で１０６
倍程度に増倍して、陽極１１に捕獲して、電気信号とし
て取り出す。

光電変換部６としては、波長λ２の光に対して高感度で
あれば、光電子増倍管以外の光電変換素子であってもよ
い。光電変換部６の他の実施例として、他の、外部光電
効果を利用したものや、アバランシェフォトダイオード
などの内部光電効果を利用した素子などでも、同様の効
果を有する。

透明導電膜１．４はＩＴＯもしくは金属メソシュ等の薄
膜であって、少なくとも透明導電膜１は前記電場発光（
波長λ２）を、透明導電膜４は入射光（波長λ１）をよ
く透過する。。発光層２は、Ｚ　ｎ　Ｓ：　Ｃｕ、　　
Ａ　Ｌ　　Ｚ　ｎ　Ｓ：　Ｍ　ｎ、Ｚ　ｎ　Ｓ：Ｃｕｔ
　　ＣＬ　　ＺｎＳ：　Ｍｎ、Ｃｕｔ　　などのＺｎＳ
系や、　ＳｒＳ：　　Ｃｅ、　　ＣａＳ：　　Ｃｅ、　
　Ｃａｂ：　　ＥＵ等に代表される無機電場発光材料、
もしくは、たとえば８−ハイドロオキシキノリンアルミ
ニウム（以後ＡＩＱ３とよぶ）などの金属キレート蛍光
材料に代表される有機電場発光材料であって可視光を放
つ。　　ＡＩＱａの分子構造は下記の通りである。　（
例えば、ジ−タング（Ｃ，Ｔａｎｇ）アンドエスヴアン
スライク（Ｓ、ＶａｎＳｌｙｋｅ）；アプライド　フィ
ジックス　レター（Ａｐｐｌ、Ｐｈ１ｓ、Ｌｅｔｔ、）
５１　（１９８７）９１３Ｐ〜９１５Ｐ）。本実施例で
は、ＡＩＱａを用いた。

１ｑ３ 感光層３は、本実施例では、アズレニウム塩化合物Ｌ−
（ｐ−ジメチルアミノシンナミリデン）−５−インプロ
ピル−３，８−ジメチルアズレニウムヨウ素（以後、Ｃ
−ＧＡＺ−Ｉとよぶ）を用いた。Ｃ−ＧＡＺ−Ｉの分子
構造は下記の通りである。

第２図に、その分光感度特性を示す。Ｃ−ＧＡＺ−Ｉは
、近赤外域に、強い感度を有する。感光層３の材料とし
ては他にも、近赤外域に強い感度ヲ有スる、α−チタニ
ルフタロシアニン（αＴｉ０Ｐｃ）などのフタロシアニ
ン系顔料、アゾ系顔料、スクアリウム塩等の有機感光体
材料を用いても良い。

発光層２の膜厚および感光層３の膜厚は、２０００Ａ〜
１μである。対しする透明導電膜１．４には、発光層２
及び感光層３にかかる電界が１０６〜１０７Ｖ／ｍ　に
なるように、数Ｖのバイアス電圧が与えられる。

光電変換膜９として、ＧａＡｓ　（Ｃｓ）（３００−９
１０ｎｍ）を用いた。これは、Ａｇ−０−Ｃｓ　（４０
０−１２００ｎｍ）、Ｎａ−に−８ｂ−Ｃ８（フルチア
ルカリ）（３００−８５０ｎｍ）などでも良い。

本発明の他の実施例の構成を示す断面図を、第３図に示
す。本実施例では、波長変換部５は、図の様に感光層１
５中に発光粒子１６を分散した構成をとる。　　発光粒
子１６は、前記実施例同様の、可視光を放つ無機電場発
光材料、もしくはを機電場発光材料よりなる微粉末であ
る。

波長λ１の光が感光層１５に入射し、吸収され、生成し
たフォトキャリヤーは印加された電界により、電子は透
明導電膜１にむかって、正孔は透明導電膜４にむかって
ドリフトする。

発光粒子１６に衝突した電子の一部は、その中に注入さ
れ、印加された高電界によって加速され、電場発光を生
じる。発光粒子１６からの電場発光（波長λ２）は、光
電子増倍管７で、光電変換、増倍されて、電気信号とし
て取りだされる。

本発明のこれらの光検出器からの信号を、波高弁別器を
用いた単一光電子計数法で計測することにより、数フォ
ト７７分の程度の、近赤外域の超微弱光を検出できるよ
うになった。

本発明は、以上のように、波長λ、の入射光を、感光層
と発光層よりなる波長変換部で、−旦波長λ２の光に変
換して、それを、波長λ２の光に対しては非常に高感度
な光電変換部で光電変換し、増倍し、電気信号に変換す
るものである。従って、例えば、従来存在する光検出器
では十分な感度が得られなかった近赤外域の超微弱光に
対しても、光電子増倍管等の従来の充電変換素子の高感
度波長域の光に波長変換して入射させる作用により、非
常に高感度な検出ができるようになった。無論、感光層
３．１５の材料としては、入射光の波長に対して十分な
感度を有する感光体材料を使用する。

例えば本実施例では、近赤外域に高感度を有する感光体
材料を採用した。特に、有機感光体材料は、近赤外域に
高感度を有するものが多く、また、その様に設計可能性
のある点で、前記感光体材料として、適している。

発明の効果 本発明により、従来の光電子増倍管等の光検出器では不
可能であった、近赤外域などの超微弱光の検出が可能と
なった。これにより、例えば、極微弱な化学発光や生体
発光を捉えることができるようになった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例における光検出器の構成を
示す断面図、第２図は、同実施例で使用される有機感光
体材料の分光感度特性図、第３図は、本発明の光検出器
の他の実施例の構成を示す断面図、第４図は、従来の光
検出器である光電子増倍管の断面図、第５図は、従来の
他の光検出器であるアバランシェフォトダイオードの断
面図である。 ２．５・・・透明導電膜、３・・・発光層、４・・・感
光層、６・・・波長変換部、７・・・光電変換膜、９・
・・光電変換部、１６・・・発光粒子。 代理人の氏名　弁理士　業界重孝　はか１名第 図 浪 長 （ｎｍ） 尾 図 縁ｔ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の波長域に光感度を有する感光体層及び、そ
   の内部もしくはそれに接して構成される電場発光体と、
   前記感光体及び前記電場発光体に所定の電界が印加でき
   るように設けられた電極より構成される波長変換部と、
   前記電場発光体の発光を検知し電気信号に変換する光電
   変換部から成ることを特徴とする光検出器。
2. （２）感光体層の材料として、近赤外域に感度を有する
   感光体材料を用いることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項に記載の光検出器。