(57)【要約】【課題】人体に無害の二酸化チタンを使用した受光素子を得る。その簡易な作製方法を提供する。【解決手段】ＩＴＯ−ＴｉＯ２−Ｔｉの三層構造を有する受光素子１０の場合、ＩＴＯ電極１３を正極側、Ｔｉ電極１２を負極側にして、これらの電極に数十ボルトの電圧を印加する。ＩＴＯ電極１３側から照度６００ｌｘ程度の可視光を照射する。可視光はＩＴＯ電極１３を透過し、二酸化チタン層１１の受光部に照射される。これにより、二酸化チタン層１１内に光電流が誘起され、ＩＴＯ電極１３からＴｉ電極１２の方向に数十ｍＡの電流が流れる。この受光素子１０は、太陽光感知器や高密度光メモリのメモリ部などに応用できる。また、チタン基板の表面を加熱し、二酸化チタン層１１をチタン基板表面に形成する。二酸化チタン層１１の表面に透明電極を積層することで、受光素子１０を構成できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化チタン層と、この二酸化チタン層の表裏面にそれぞれ積層された表面電極および裏面電極とを備えた受光素子であって、
上記二酸化チタン層の表裏面の少なくとも一方に可視光の受光部を設けた受光素子。
【請求項２】
上記受光部は、上記表面電極および裏面電極のうちの少なくとも一方を、導電性を有し可視光を透過させる構成とした請求項１に記載の受光素子。
【請求項３】
上記表面電極および裏面電極のうちの少なくとも一方が、チタンである請求項１に記載の受光素子。
【請求項４】
チタン基板を準備する工程と、
酸素と窒素との混合比が異なる雰囲気中で、このチタン基板を加熱してチタン基板の表面に二酸化チタン層を作製する工程と、
この二酸化チタン層の表面に、導電性を有し可視光を透過させる電極を積層する工程とを備えた受光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は受光素子およびその製造方法、詳しくは二酸化チタンを使用した光伝導型受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば街路灯の自動点滅装置、火災報知器、煙検出器などには受光素子が使用されている。従来から、この受光素子としては、ＣｄＳセルやＰｂＳセルなどが知られている。ＣｄＳセルは、可視光を受光すると、光電流を発生する。すなわち、可視光が色温度２７５０°Ｋの照度５０ｌｘの条件で、１０Ｖの電圧が印加されたとき、ＣｄＳ光電導セルは平均１０ｍＡの光電流を発生する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＣｄＳセルには、腎臓をおかすなど人体にも有害なカドミウムが含まれる。また、受光素子の動作速度が遅いという問題点も有していた。
【０００４】
【発明の目的】
そこで、この発明は、人体に害を及ぼすことのない二酸化チタンを使用した受光素子を得ることを目的とする。また、この発明は、二酸化チタンを用いた受光素子の簡易な作製方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、二酸化チタン層と、この二酸化チタン層の表裏面にそれぞれ積層された表面電極および裏面電極とを備えた受光素子であって、上記二酸化チタン層の表裏面の少なくとも一方に可視光の受光部を設けた受光素子である。
二酸化チタン（ＴｉＯ２）は、水素の発生や殺菌作用を有しており、環境対策の素材として注目を集めている。現在では光触媒材料として、脱臭、抗菌、殺菌、有害物質の除去、ガラス・鏡の曇り防止などに使用されている。この二酸化チタンは、窒素と酸素とが異なる比で混合された雰囲気中で、チタン基板を加熱して作製することができる。また、二酸化チタン層の形成方法は限定されない。例えば、チタンアルコキシドを用いた方法を採用することもできる。
この二酸化チタン層の表裏面には、二酸化チタン層に電圧を印加するための表面電極および裏面電極をそれぞれ積層する。各電極は、二酸化チタン層の表裏面の全面に積層しても、その一部のみに積層してもよい。二酸化チタン層および表裏電極の厚さは限定されない。例えば、二酸化チタン層は１０〜２０μｍの厚さとすることができる。また、電極の素材も限定されない。例えばポリシリコン、アルミニウムその他の金属を使用することができる。
受光部は、二酸化チタン層の表裏面のいずれかの面でもよい。また、受光部は、表裏面の全面で構成しても、その一部で構成してもよい。例えば電極層にスリット、窓などを形成し、その面の一部を受光部としてもよい。また、導電性を有し、可視光を透過させる透明な電極を、二酸化チタン層の表裏面のいずれかに設けることもできる。可視光は透明電極を透過するため、透明電極を設けた側の二酸化チタン層の全面が受光部となる。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、上記受光部は、上記表面電極および裏面電極のうちの少なくとも一方を、導電性を有し可視光を透過させる構成とした請求項１に記載の受光素子である。
表面電極および裏面電極のうちの少なくとも一方は、導電性を有し可視光を透過させる素材で形成される。電極の素材は限定されない。例えば、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）、ＺｎＯ、ＳｎＯ２などが使用される。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、上記表面電極および裏面電極のうちの少なくとも一方が、チタンである請求項１に記載の受光素子である。
窒素と酸素との混合ガスの雰囲気中でチタン基板を加熱すれば、チタン基板の表面に二酸化チタン層が形成される。その結果、二酸化チタン層を支持するチタン基板が電極部を構成することができる。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、チタン基板を準備する工程と、酸素と窒素との混合比が異なる雰囲気中で、このチタン基板を加熱してチタン基板の表面に二酸化チタン層を作製する工程と、この二酸化チタン層の表面に導電性を有し可視光を透過させる電極を積層する工程とを備えた受光素子の製造方法である。
【０００９】
【作用】
請求項１〜３に記載の受光素子にあっては、二酸化チタン層の表裏面にそれぞれ積層した表面電極および裏面電極間に数十ボルトの電圧を印加する。これとともに、二酸化チタン層に可視光（波長が４００ｎｍから７００ｎｍ）を照射する。例えば、ＩＴＯ−ＴｉＯ２−Ｔｉの三層構造を有する受光素子の場合、ＩＴＯ電極を正極側、Ｔｉ電極を負極側にして、これらの電極に数十ボルトの電圧を印加する。そして、ＩＴＯ電極側から照度６００ｌｘ程度の可視光を照射する。可視光はＩＴＯ電極を透過し、二酸化チタン層の受光部に照射される。これにより、二酸化チタン層内に電流が誘起され、ＩＴＯ電極からＴｉ電極の方向に数十ｍＡの電流が流れる。
したがって、受光素子は、印加電圧と光照射により光電流を発生する特性を活かし、夜間自動照明灯の太陽光感知器や高密度光メモリのメモリ部などに応用することができる。
【００１０】
請求項２に記載の受光素子にあっては、表面電極およびまたは裏面電極を、導電性を有し可視光を透過させる素材で形成する。例えば、ＩＴＯを表面電極として二酸化チタン層の表面に積層する。ＩＴＯの可視光の透過率は、８０％以上である。二酸化チタン層の表面全面にＩＴＯを形成しても、可視光はＩＴＯ電極を透過し二酸化チタン層の表面に照射される。これにより、ＩＴＯに電圧を印加させるとともに、二酸化チタン層の表面に可視光を照射することができる。
【００１１】
請求項３に記載の受光素子にあっては、例えば窒素と酸素との混合ガス雰囲気中でチタン基板を加熱する。これにより、チタン基板の表面に二酸化チタン層が形成される。チタンは導電性を有するので、二酸化チタン層の裏面側のチタン基板が電極部を構成することととなる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明では、チタン基板の表面を加熱することで二酸化チタン層をチタン基板の表面に形成することができる。そして、この二酸化チタン層の表面に透明電極を積層することで、受光素子を構成することができる。これは、その作製が他法、例えばアルコキシド法などに比べてきわめて簡易であるという特徴を有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る受光素子の一実施形態を図１〜図７を参照して説明する。
本実施形態に係る受光素子１０は、図１に示すように、二酸化チタン層１１と、金属チタンからなる裏面電極１２と、ＩＴＯからなる表面電極１３とを有している。二酸化チタン層１１の厚さは、例えば１０〜２０μｍとする。そして、これらの電極間には所定の電圧が印加される。
この三層構造を有する受光素子１０のうち、二酸化チタン層１１は、以下の装置および方法により作製される。
図２は、二酸化チタン層１１を形成する装置の概略図である。この装置は、筒状の石英管２１を有し、この石英管２１は筒形状のヒータ２９に挿入されている。２２はこのヒータ２９に給電するＡＣ電源である。また、石英管２１には、その管内の温度を測定する熱電対２３が取り付けられており、この熱電対２３は図示しない温度計に接続されている。
石英管２１の一端には、ガスを流入する流入口２４が設けられている。このガス流入口２４には、ガス流路２５を介して、窒素ガス流入器（ガスボンベ）２７ａと酸素ガス流入器２７ｂ（ガスボンベ）とがそれぞれ接続されている。なお、これらのガス流入器２７ａ，２７ｂの吹き出し口には、流量計２６ａ、２６ｂがそれぞれ設けられている。また、窒素ガスと酸素ガスとが混合されるように、２本のガス流路が途中のＡ点にて１本のガス流路２５に連通されている。
一方、石英管２１の他端には、ガスの流出口２８が設けられている。
【００１４】
次に、この装置を用いた二酸化チタン層１１の製造方法を説明する。まず、石英管２１内に２ｃｍ角で厚さ０．２ｍｍのチタン基板１４を挿入する。ＡＣ電源２２から電力をヒータ２９に供給し、石英管２１を加熱する。熱電対２３により石英管２１内の温度を測定する。このときの温度は８００〜９００℃である。次に、各ガス流入器２７ａ、２７ｂから酸素ガスと窒素ガスとが、それぞれ流量計２６ａ、２６ｂにより計量されて所定量ずつ石英管２１内に流入される。これらのガスは、途中の流路Ａ点で混合されて、流入口２４から石英管２１に流入される。このとき、窒素ガスと酸素ガスとの混合比（体積比）は９：１である。流入された混合ガスは、石英管２１の流出口２８から流出される。
これらの結果、石英管２１内において、この窒素と酸素との混合ガス雰囲気中で、温度が８００〜９００℃、１時間程度の条件で、チタン基板１４が加熱される。これにより、チタン基板１４上には、厚さ１０〜３０μｍの多結晶の二酸化チタン層１１が形成される。二酸化チタン層１１は、Ｘ線解析法で結晶構造を調べると、安定型のルチル構造であることが確認される。
【００１５】
このチタン基板１４上の二酸化チタン層１１の表面に、表面電極１３を積層する。この表面電極１３は、導電性を有し可視光を透過させる材料、例えばＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）で形成される。表面電極１３は、例えば電子励起プラズマスパッタ法により積層する。表面電極１３の膜厚は、約２００ｎｍ、可視透過率は８０％以上である。なお、この表面電極１３は、二酸化チタン層１１の全面に、または、その一部に積層してもよい。
この結果、三層構造を有する受光素子１０が作製される。各層の膜厚は、金属チタン板である裏面電極１２が約０．２ｍｍ、二酸化チタン層１１が約２０μｍ、表面電極１３が約２００ｎｍである。
【００１６】
上記製造方法により作製された受光素子１０にあっては、図３に示すように、直流電源３０が接続される。すなわち、電流計を介して直流電源３０の正極側には表面電極１３が、負極側には裏面電極１２が接続される。
そして、表面電極１３側（図３のＢ方向）から可視光（波長は４００ｎｍ〜７００ｎｍ）を照射する。このときの照度は６００ｌｘ以上である。可視光は、表面電極１３を透過し、二酸化チタン層１１の表面を照射する。また、光照射とともに、直流電源３０から電圧を受光素子１０に印加する。
これにより、光照射の時間の経過とともに、直流電源３０の正極側の近辺に接続した電流計３１により電流値が測定される。
図４は、この光照射の経過時間と電流計３１で測定した電流値との関係を示したグラフである。照度６００ｌｘで、バイアス電圧７０Ｖを印加したとき、約２０ｍＡの電流が発生する。つまり、両電極１２，１３間に印加するバイアス電圧を大きくすると、発生する光電流も大きくなることが観測される。
また、図３に示す装置を用いてこの二酸化チタン層１１に対し、光照射をＯＮ／ＯＦＦに変化させて行った場合、その時間の経過による受光素子１０の応答性を図５のグラフに示す。図５では、横軸に経過時間を、縦軸は電流値を示す。この応答性は、受光素子１０の構造による依存性が大きく、受光素子１０の二酸化チタン層１１の厚さをさらに微細化すれば（例えば数百ｎｍ程度）、その応答性はより上昇すると考えられる。微細構造の二酸化チタン層１１の作製は、例えばＣＶＤ、スパッタリングなどが考えられる。
【００１７】
次に、受光素子１０が光電流を発生する現象を、エネルギー帯の構造図を用いて説明する。図３に示すような回路図において、受光素子１０に所定のバイアス電圧を印加し、これに可視光を照射させたときのエネルギー帯の構造の概略図を図６に示す。
可視光の波長が、二酸化チタン層１１のバンドギャップＥｇを越えると、二酸化チタン層１１の価電子帯３２から電子伝導帯３３に電子が励起される。このとき、二酸化チタン層１１のバンドギャップＥｇは、３．０〜３．２ｅＶであり、電子が励起される波長の下限値は４１３〜３８７ｎｍである。
禁制帯３４には、二酸化チタン層１１の不純物に起因する準位、すなわち、ドナー準位３６とアクセプタ準位３５とが存在する。これらの不純物準位が禁制帯３４に存在にすれば、可視光の照射により電子伝導帯３３への電子励起が起こる。図４に示すように、受光素子１０には数十ｍＡの光電流が観測されたことから、二酸化チタン層１１には、禁制帯３４に二酸化チタン層１１の不純物に起因するドナー準位３６やアクセプタ準位３５を多数持っているものと考えられる。
【００１８】
図７は、この発明の一実施例に係る受光素子１０を夜間自動照明灯に応用した場合の回路図である。
この応用例では、ＡＣ電源５４に対して、固定抵抗５１、リレー５２、整流器５３、受光素子１０を直列に接続する。さらに、電源には夜間灯５５がリレースイッチＳを介して接続される。
夜間など、受光素子１０がＯＦＦでリレー５２が非通電時、スイッチＳがＯＮとなり、夜間灯５５はＯＮとなる。一方、昼間、受光素子１０がＯＮでリレー５２が通電の状態では、スイッチＳがＯＦＦであって、夜間灯５５はＯＦＦとなる。
【００１９】
【発明の効果】
この発明によれば、二酸化チタン層の表裏面に電極を各々積層した受光素子を作製する。そして、一方側の電極を例えば透明に形成し、かつ、この表裏電極に電圧を印加する。この受光素子に対して、二酸化チタン層に可視光を照射する。これにより、二酸化チタン層が光電流を発生する。よって、この二酸化チタン層を有する受光素子は、夜間自動照明灯の太陽光感知器や高密度光メモリのメモリ部などに応用することができる。
また、表面電極をＩＴＯで形成すれば、ＩＴＯを介して二酸化チタン層の表面に可視光を照射することができる。素子構成を単純化することができる。
さらに、チタン基板を電極として使用する場合、二酸化チタン層の作製が容易になるという効果を生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例に係る受光素子の構成を示す断面図である。
【図２】この発明の第１の実施例に係る受光素子を製造する装置の構成の一例を示す概略図である。
【図３】この発明の第１の実施例に係る受光素子の光電流を計測する回路図である。
【図４】この発明の第１の実施例に係る受光素子の光照射の変化による時間と光電流との相関を示すグラフである。
【図５】この発明の第１の実施例に係る受光素子の応答性を評価したグラフである。
【図６】この発明の第１の実施例に係る受光素子のエネルギー帯の構造を示す概略図である。
【図７】この発明の第１の実施例に係る受光素子を夜間自動照明灯に応用した回路図である。
【符号の説明】
１０  受光素子、
１１  二酸化チタン層、
１２  表面電極（ＩＴＯ）、
１３  裏面電極（Ｔｉ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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