(57)【要約】  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。
2010038785.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
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。
【請求項２】
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である請求項１に記載の光センサ。
【請求項３】
前記第１電極と前記第２電極をそれぞれ櫛歯状に設けた請求項１または請求項２に記載の光センサ。
【請求項４】
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、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光センサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。）。
【特許文献１】特開平０９−３２１３２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は層状三角格子構造を有する化合物の平面視における各元素の配置の概略説明図である。
【図２】図２は層状三角格子構造を有する化合物の側面視における各元素の配置の概略説明図である。
【図３】図３はLuFe2O4の光照射に対する電気伝導度の変化状態を示したグラフである。
【図４】本発明の実施形態にかかる光センサの概略説明図である。
【符号の説明】
【００１４】
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
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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【００２３】
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。【００２４】
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。【００２５】
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。【００２６】
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。【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
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。【００３７】
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。【００３８】
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。【００３９】
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。【００４０】
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。【００４１】
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。【００４２】
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。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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