(57)【要約】【課題】シリコンを用いた素子で負性フォトコンダクタンスが実現できるようにする。【解決手段】シリコン基板１０１と、シリコン基板１０１の上に形成された絶縁層１０２と、絶縁層１０２の上に形成されたシリコンからなるソース１０３およびドレイン１０４とを備える。また、ソース１０３およびドレイン１０４の間にこれらと接続して配置されたシリコンからなる細線部１０５を備える。また、細線部１０５にゲート絶縁層１１１を介して設けられたゲート電極１０６を備える。また、ゲート電極１０６に電圧を印加するゲート電圧印加部１０８を備える。ゲート電圧印加部１０８は、細線部１０５が形成された領域を含む受光領域１０７に光を照射することによってソース１０５およびドレイン１０４の間のコンダクタンスが低下する電圧を、ゲート電極１０６に印加する。【選択図】  図１
2012238728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンから構成されて互いに離間して配置されたソースおよびドレイン、
シリコンから構成されて前記ソースおよびドレイン間に接続して配置された細線部、
前記細線部に絶縁層を介して設けられたシリコン層、
および前記細線部にゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極を備える単電子トランジスタと、
前記ゲート電極に電圧を印加するゲート電圧印加手段と
を備え、
前記ゲート電圧印加手段が印加する電圧は、前記細線部が形成された領域を含む受光領域に光を照射することによって前記ソースおよびドレイン間のコンダクタンスが低下する電圧である
ことを特徴とする受光装置。
【請求項２】
請求項１記載の受光装置において、
前記細線部に、単電子島が形成されていることを特徴とする受光装置。
【請求項３】
請求項２記載の受光装置において、
前記シリコン層に電圧を印加して前記シリコン層の前記受光領域における前記絶縁層との界面近傍のバンド端のエネルギーに変化がない状態とするシリコン層電圧制御手段を備えることを特徴とする受光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の照射によりコンダクタンスが低下する受光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フォトコンダクタンスとは、光をあてるとコンダクタンス（導電性）が実効的に高まる、すなわち抵抗が下がる現象であり、半導体など色々な材料系で観測されている。フォトコンダクタンスは、光のエネルギーを借りて、新たな電子や正孔を励起し、導電性を増すという現象であるので、容易に実現できる。
【０００３】
一方、負性フォトコンダクタンス、正確には負性微分フォトコンダクタンスと言うべきものは、光を照射する、あるいは光強度を増すと、コンダクタンスが下がる現象である。負性フォトコンダクタンスの現象は、表面プラズモンなどを用いて観測されている（非特許文献１，２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】H.Nakanishi, et al. , "Photoconductance and inverse photoconductance in films of functionalized metal nanoparticles",NATURE, vol.460, no.16, pp.371-375, 2009.
【非特許文献２】J.-L. Sun, et al. , "Negative photoconductivity induced by surface plasmon polaritons in Ag nanowire macrobundles",OPTICS EXPRESS, vol.18, no.5, pp.4066-4073, 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した負性フォトコンダクタンスの技術は、実用には供されていない。この原因の１つとして、実現されている材料系が、複雑なことにある。また、この現象は、一般に用いられている半導体材料、特に、通常の集積回路やフォトセンサーに用いられるＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型光センサーを構成する半導体材料であるシリコンでは、実現できないと考えられていた。
【０００６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、シリコンを用いた素子で負性フォトコンダクタンスが実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る受光装置は、シリコンから構成されて互いに離間して配置されたソースおよびドレイン、シリコンから構成されてソースおよびドレイン間に接続して配置された細線部、細線部に絶縁層を介して設けられたシリコン層、および細線部にゲート絶縁層を介して設けられたゲート電極を備える単電子トランジスタと、ゲート電極に電圧を印加するゲート電圧印加手段とを備え、ゲート電圧印加手段が印加する電圧は、細線部が形成された領域を含む受光領域に光を照射することによってソースおよびドレイン間のコンダクタンスが低下する電圧である。
【０００８】
上記受光装置において、細線部に、単電子島が形成されていてもよい。この場合、シリコン層に電圧を印加してシリコン層の受光領域における絶縁層との界面近傍のバンド端のエネルギーに変化がない状態とするシリコン層電圧制御手段を備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明によれば、細線部の形成領域を含む受光領域に光を照射することによってソースおよびドレイン間のコンダクタンスが低下する電圧をゲート電極に印加するようにしたので、シリコンを用いた素子で負性フォトコンダクタンスが実現できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１における受光装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は、ゲート電圧を変化させたときのソース・ドレイン間電流の変化を示す特性図である。
【図３】図３は、実施の形態１における受光装置の、細線部１０５を含む層方向のポテンシャルの状態を示すポテンシャル図である。
【図４】図４は、実施の形態１における受光装置のゲート電圧を変化させたときの、ソース・ドレイン間電流の変化の関係のシフトの状態を説明する説明図である。
【図５】図５は、実施の形態１における受光装置の、細線部１０５を含む層方向のポテンシャルの状態を示すポテンシャル図である。
【図６】図６は、実施の形態１における受光装置の、細線部１０５を含む層方向のポテンシャルの状態を示すポテンシャル図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態１における受光装置の構成を示す構成図である。
【図８】図８は、実施の形態２における受光装置の、細線部１０５を含む層方向のポテンシャルの状態を示すポテンシャル図である。
【図９】図９は、実施の形態２における受光装置のゲート電圧を変化させたときの、ソース・ドレイン間電流の変化の関係のシフトの状態を説明する説明図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態における受光装置を用いた回路構成例１における回路構成を示す回路図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態における受光装置を用いた回路構成例２における回路構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
[実施の形態１]
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における受光装置の構成を示す構成図である。図１において、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は、断面図である。
【００１２】
本実施の形態における受光装置は、まず、シリコン基板（シリコン層）１０１と、シリコン基板１０１の上に形成された絶縁層１０２と、絶縁層１０２の上に形成されたソース１０３およびドレイン１０４とを備える。ソース１０３およびドレイン１０４は、シリコンから構成されて互いに離間して配置されている。
【００１３】
また、この受光装置は、ソース１０３およびドレイン１０４の間にこれらと接続して配置された細線部１０５を備える。細線部１０５は、ソース１０３およびドレイン１０４と同様にシリコンから構成されている。また、細線部１０５にゲート絶縁層１１１を介して設けられたゲート電極１０６を備える。
【００１４】
これらの細線部１０５，ソース１０３，ドレイン１０４，およびゲート電極１０６により、よく知られた単電子トランジスタが構成されている。さらに、細線部１０５に、単電子島が形成される構成としてもよい。例えば、細線部１０５とソース１０３との間、および細線部１０５とドレイン１０４との間に各々トンネル接合が形成される状態とすれば、これらのトンネル接合に挟まれた領域に単電子島が形成できる。なお、本実施の形態における受光装置においては、細線部１０５の形成領域を含んで受光領域１０７が構成されている。
【００１５】
また、この受光装置は、ゲート電極１０６に電圧を印加するゲート電圧印加部１０８を備える。ゲート電圧印加部１０８は、細線部１０５が形成された領域を含む受光領域１０７に光を照射することによってソース１０３およびドレイン１０４の間のコンダクタンスが低下する電圧を、ゲート電極１０６に印加する。言い換えると、ゲート電圧印加部１０８は、受光領域１０７に光が照射されていない状態に比較して受光領域１０７に光が照射されている状態の方が、ソース１０３およびドレイン１０４間のコンダクタンスが低下する条件となるゲート電圧を、ゲート電極１０６に印加する。
【００１６】
ここで、シリコン基板１０１，絶縁層１０２および絶縁層１０２の上に設けられているソース１０３，ドレイン１０４，細線部１０５は、例えば、よく知られたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いて形成することができる。ＳＯＩ基板のシリコンからなる基部がシリコン基板１０１であり、埋め込み絶縁層が絶縁層１０２である。また、ＳＯＩ基板における埋め込み絶縁層の上の表面シリコン層を、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術などで微細加工することで、ソース１０３，ドレイン１０４，および細線部１０５が形成できる。
【００１７】
また、ゲート電極１０６は、例えば、ｎ型の不純物が高濃度に添加されたポリシリコンから構成すればよい。ポリシリコンから構成したゲート電極１０６であれば、ゲート電極１０６を介して受光領域１０７の細線部およびシリコン基板１０１に、入射した光が到達する。特に、ゲート電極１０６は、層厚が１μｍ以下と薄いので、十分に光が透過する
この場合は、シリコン基板１０１から見てゲート電極１０６の側より光を入射した場合である。また、シリコン基板１０１の側より受光領域１０７に対して光を入射する場合、ゲート電極１０６は、どの様な材料から構成してもよい。なお、酸化物や窒化物から構成されるゲート絶縁層１１１および絶縁層１０２は、よく知られているように光が透過する。
【００１８】
上述した構成とした本実施の形態における受光装置によれば、細線部１０５をチャネルとした電界効果型トランジスタの構成としており、よく知られているように、ゲート電極１０６に印加するゲート電圧Ｖｇの変化に対し、図２に示すように、ソース・ドレイン間コンダクタンスが変化（振動）する。本実施の形態における受光装置によれば、受光領域１０７に対する光照射により、図２に示す「ゲート電圧変化に対するソース・ドレイン間コンダクタンスの変化の関係」がシフトし、同じゲート電圧であっても、ソース・ドレイン間コンダクタンスが異なるものとなる。
【００１９】
従って、まず、ゲート電圧印加部１０８により、受光領域１０７に光を照射することによってソース１０３およびドレイン１０４の間のコンダクタンスが低下する電圧を、ゲート電極１０６に印加しておく。このようなゲート電圧の状態では、光が照射されていない場合、ソース・ドレイン間コンダクタンスは高い状態となるが、光が照射されると、上述したように「ゲート電圧変化に対するソース・ドレイン間コンダクタンスの変化の関係」がシフトし、ソース・ドレイン間コンダクタンスが低い状態となる。このように、本実施の形態によれば、シリコンを用いた素子で負性フォトコンダクタンスが実現できるようになる。
【００２０】
以下、受光領域１０７のシリコン基板１０１に対する光照射と、「ゲート電圧変化に対するソース・ドレイン間コンダクタンスの変化の関係」のシフトとの関係について、より詳細に説明する。なお、以下では、特に断らない限り、光の照射は、受光領域１０７のシリコン基板１０１に対するものである。
【００２１】
上述したように、単電子トランジスタのソース・ドレイン間のコンダクタンスは、図２に示すように、ゲート電圧の変化に対して振動する特性を示す。言うまでもなく、ゲート電圧を一定にしておけば、コンダクタンスは変化しない。小さな電圧をソース・ドレイン間に印加すれば、コンダクタンスとほぼ比例する電流が流れることになるので、図２の縦軸は、ドレイン電流と読み替えてもよい。
【００２２】
次に、光を照射した場合の効果を示す。光の照射がない場合の、単電子島（細線部１０５）を含んで、面内に垂直な方向のポテンシャル（バンド）図を、図３の（ａ）に示す。表面（ゲート電極１０６）側を左側に、シリコン基板１０１の側を右側に取って示してある。シリコン基板１０１はｐ形としてある。また、シリコン基板１０１とゲート電極１０６ならびに、ソース・ドレインも全てゼロ電位としてある。このような構成では、ゲート電極１０６の仕事関数、シリコン基板１０１の伝導型や不純物濃度、単電子島の量子サイズ効果により、上述したようにゼロ電位の状態でも、実効的に電圧が印加されたような状態となる。
【００２３】
なお、ポテンシャル（バンド構造）変化に関する以下の説明では、通常使われるｎ型ポリシリコン（多結晶シリコン）をゲート電極１０６に使った場合を想定し、比較的仕事関数が小さい場合を例にとって説明する。また、シリコン基板１０１には、比較的大きな仕事関数を有する金属からなる電極３０１が接続されているものとしている。これらの電極の仕事関数が上記構成とは異なった場合、バンド構造の変化に関しては、当該領域の専門家であれば、容易に推定できることは言うまでもない。
【００２４】
以上のような電極の電位配置を仮定すると、光照射がない状態では、図３の（ａ）に示すように、シリコン基板１０１のバンドが曲がり、実効的にシリコン基板１０１に、図３の（ａ）に示すＥｓだけの電圧を印加したように見える。これに光を照射すると、受光領域１０７のシリコン基板１０１に電子と正孔が多数励起されるため、図３の（ｂ）に示すようにバンドの曲がりが解消され、ほぼフラットなバンド状態（バンド端のエネルギーに変化がない状態）となる。
【００２５】
従って、光照射前に、実効的にシリコン基板１０１に印加されているように見えた電圧Ｅｓが、光照射によりなくなる状態となる。これは、Ｅｓ相当分だけの負電圧が、シリコン基板１０１に印加された場合と等価な効果が得られるということを示している。
【００２６】
図２は、ゲート電圧を変化させたときの、ソース・ドレイン間電流の変化を示しているが、光が照射されると、シリコン基板１０１に正の電圧が印加されたことになるので、「ゲート電圧変化に対するソース・ドレイン間コンダクタンスの変化の関係」（コンダクタンス振動曲線）は、図４に示すように、ゲート電圧の負方向にΔＶｇだけシフトすることになる。すなわち、より低い電圧で同じ状態を実現できることになる。ここで、単電子島とゲート電極１０６の間の容量をＣｇ、単電子島とシリコン基板１０１との間の容量をＣｂとし、光照射によるフェルミレベルの上方へのシフトをＥｓ（ｅＶ）とすると、ゲート電圧で見たシフト量ΔＶｇ（正方向に取る）は概ね、「ΔＶｇ＝−Ｅｓ・Ｃｂ／Ｃｇ」と表される。
【００２７】
次に、上記の条件で、シリコン基板１０１に正の電圧ＶBが印加されていた場合を仮定して考察する。電圧ＶBが印加されるシリコン基板１０１のバンドは、図５の（ａ）に示すように、上方向に曲がる。ただし、シリコン基板１０１はｐ型としているので、バンドが上に曲がると蓄積状態になり、あまり大きく曲がることはできない。このシリコン基板１０１のバンドの曲がり分をＥｓ（ｅＶ）とする。ここで、光を照射すると、前述同様に、図５の（ｂ）に示すようにシリコン基板１０１のバンドはフラットなバンド状態となるので、Ｅｓ相当分だけ、正に電圧を印加したのと同等な効果が得られる。同様に、ゲート電圧で見たコンダクタンス振動曲線のシフト量ΔＶｇ+（正方向に取る）は、概ね「ΔＶｇ+＝Ｅｓ・Ｃｂ／Ｃｇ」と表される。この条件では、Ｅｓは小さいので、ΔＶｇ+も小さな値となる。このときは、正方向にコンダクタンス振動曲線がシフトすることになる。
【００２８】
さらに、上記の条件で、シリコン基板１０１に負の電圧ＶBが印加されていた場合を仮定する。シリコン基板１０１のバンドは、図６の（ａ）に示すように下方向に大きく曲がる。ここで、シリコン基板１０１はｐ型としているので、大きな電圧を印加すると、反転状態となる。このバンドの曲がり分をＥｓ（ｅＶ）とする。ここで、光を照射すると、前述同様に、図６の（ｂ）に示すように、シリコン基板１０１のバンドはフラットなバンド状態となり、Ｅｓ相当分だけ、正に電圧を印加したのと同等な効果が得られる。この場合、ゲート電圧で見たコンダクタンス振動曲線のシフト量ΔＶｇ-（正方向に取る）は概ね、「ΔＶｇ-＝−Ｅｓ・Ｃｂ／Ｃｇ」と表される。この条件では、Ｅｓは比較的大きくできるので、ΔＶｇ-も大きな値となることができる。
【００２９】
上述したように、光照射によりコンダクタンス振動曲線がシフトするなかで、図４からわかるように、ゲート電圧をＶｇａに設定しておくと、光が照射されることで、電流が増える（コンダクタンスが増える）ことになり、またゲート電圧をＶｇｂに設定しておくと、電流が減る（コンダクタンスが減る）ことになる。このゲート電圧Ｖｇｂが、「細線部１０５が形成された領域を含む受光領域１０７に光を照射することによってソース１０３およびドレイン１０４の間のコンダクタンスが低下する電圧」である。なお、前述したように、コンダクタンス振動曲線のシフトの方向は基板電圧ＶBによって変化するので、上記条件は、注意する必要がある。
【００３０】
以上、説明したように、ゲート電圧の設定によって、光照射時に、通常のフォトコンダクタンスと、負性微分フォトコンダクタンスとを自由に切り替えることが可能となる。ところで、上述した説明では、細線部１０５に形成される単電子島における光吸収を考えていないが、後述するように、単電子島の量子サイズ効果による現象が発現されない状態（条件）においては、これを考える必要はない。例えば、光が吸収されて、単電子島内に電子と正孔の対が生成されたとしても、生成される全チャージ(電荷)は、ゼロである。従って、この場合、図２を用いて説明したコンダクタンス振動曲線は変化（シフト）しない。単電子島における光吸収の効果が作用したとしても、この効果が得られない領域にゲート電圧を設定しておけばよく、何ら問題はない。特に、後述するが、単電子島における光吸収の効果は、電子数が極めて少ない場合に生じるので、単電子島内の電子数が多い条件を用いて動作させれば、何ら問題はない。
【００３１】
[実施の形態２]
次に、本発明の実施の形態２について説明する。図７は、本発明の実施の形態２における受光装置の構成を示す構成図である。図７において、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は、断面図である。
【００３２】
本実施の形態における受光装置は、まず、シリコン基板（シリコン層）１０１と、シリコン基板１０１の上に形成された絶縁層１０２と、絶縁層１０２の上に形成されたソース１０３およびドレイン１０４とを備える。ソース１０３およびドレイン１０４は、シリコンから構成されて互いに離間して配置されている。
【００３３】
また、この受光装置は、ソース１０３およびドレイン１０４の間にこれらと接続して配置された細線部１０５を備える。細線部１０５は、ソース１０３およびドレイン１０４と同様にシリコンから構成されている。また、細線部１０５にゲート絶縁層１１１を介して設けられたゲート電極１０６を備える。
【００３４】
これらの細線部１０５，ソース１０３，ドレイン１０４，およびゲート電極１０６により、よく知られた単電子トランジスタが構成されており、実施の形態２では、細線部１０５に、単電子島が形成されることが前提となる。なお、細線部１０５の形成領域を含んで受光領域１０７が構成されている。
【００３５】
また、この受光装置は、ゲート電極１０６に電圧を印加するゲート電圧印加部１０８を備える。ゲート電圧印加部１０８は、細線部１０５が形成された領域を含む受光領域１０７に光を照射することによってソース１０３およびドレイン１０４の間のコンダクタンスが低下する電圧を、ゲート電極１０６に印加する。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。
【００３６】
本実施の形態２における受光装置は、図８に示すように、
シリコン基板１０１に電圧を印加してシリコン基板１０１の受光領域１０７における絶縁層１０２との界面近傍のバンド端のエネルギーに変化がない状態とするシリコン層電圧制御部７１１を備える。シリコン層電圧制御部７１１によりシリコン基板１０１に電圧を印加し、バンド端のエネルギーに変化がない状態とすると、受光領域１０７に光が入射しても、シリコン基板１０１のバンドに変化は発生せず、前述した実施の形態１における光照射の効果は発現されない。
【００３７】
ところで、この状態は、単電子島内の電子数が少ない状態であり、この状態では、光照射により単電子島において発生した電子と正孔の対により、単電子島の帯電状態を変化させることができる。これにより、見かけ上のゲート容量Ｃｇを変化させることができ、結果として、コンダクタンス振動曲線をシフトさせることができる。従って、実施の形態２においても、前述した実施の形態１と同様に、ゲート電圧印加部１０８により、ゲート電極１０６に印加するゲート電圧を制御すれば、負性フォトコンダクタンスが実現できるようになる。
【００３８】
以下、受光領域１０７の細線部１０５に対する光照射と、コンダクタンス振動曲線のシフトとの関係について、より詳細に説明する。なお、以下では、特に断らない限り、光の照射は、受光領域１０７の細線部１０５に対するものである。
【００３９】
細線部１０５（単電子島）が光を吸収すると、電子と正孔の対が生成されるが、通常は、すぐ再結合して消滅する。しかし、例えば、シリコン基板１０１に正の電圧を印加し、ゲート電極１０６に負の電圧を印加すると(逆のバイアス関係でも同様)、単電子島に縦方向電界が印加されるので、シリコン基板１０１の側に電子が引き寄せられ、ゲート電極１０６の側に正孔が引き寄せられる。このような電圧制御により、正孔と電子とを分離させることができ、単電子島で生成した電子正孔対を、すぐには消滅しない状態とすることができる。
【００４０】
ここで、光照射による電子正孔対の生成では、大まかには、単電子島内に、正と負の電荷が１個ずつ生成された状態であり、全体では電荷生成はゼロである。従って、図２を用いて説明した単電子トランジスタの特性（コンダクタンス振動曲線）としては、何の変化もないと考えられる。しかしながら、単電子島における電子数が少ない領域では、光照射により電子正孔対が生成することで、違いが生じる。
【００４１】
例えば、電子１個が安定な状態では、光照射がなければ、電子が１個存在しているだけである。これは、図２に示す特性の最初のピークと２番目のピークの間の状態に相当する。この状態では、単電子島内に１個の電子が、この波動関数が広がる形で存在する。この状態で、シリコン基板１０１に正の電圧を印加し、ゲート電極１０６に負の電圧を印加すると、電子は、シリコン基板１０１の正電圧に多少引かれてシリコン基板１０１の側に分布すると考えられる。この状態に光が照射され、電子と正孔の対が１つ生成されると、２個の電子と１個の正孔が単電子島内に存在することになる。
【００４２】
電子と正孔は正負の電荷が引き合うが、電子同士は負電荷同士が反発するので電子の分布は、シリコン基板１０１の平面に平行な横に広がることになる。従って、実効的に単電子島の帯電状態が変化する、あるいは単電子島のサイズが実効的に大きくなることになり、見かけのゲート容量Ｃｇが大きくなる。
【００４３】
このため、図９に示すように、実線で示すゲート電圧に対するコンダクタンスピーク（コンダクタンス振動曲線）の位置が、点線で示すように、ゲート電圧の低い側にシフトすることになる。この際、電子雲の広がりなども変化するので、実効的なトンネル距離などが変化し、コンダクタンスの変化も同時に生じる。図９は、上記の仮定に基づいて、電子同士の反発で、ソース・ドレイン方向に電子雲が広がったと仮定し、トンネル距離が短くなり、コンダクタンスが上昇する例を示した。単電子島の形によっては、これと垂直方向に広がることもあるので、この場合は、逆に、コンダクタンスが小さくなることもある。以上の現象は、電子と正孔の量子状態を無視して古典的に考えた場合に成立するものであるが、等方的な形状の単電子島では、大まかには、このようなことが生じる。
【００４４】
単電子島が複雑な形状、特に凹凸を持った形状の場合には、このような電子・正孔対の生成によるコンダクタンスピークシフトが顕著に起きるが、島の形状と電子数によって、コンダクタンス振動曲線のシフトが必ずしもゲート電圧の負側に起きるとは限らない。また、上記の現象は、電子や正孔の閉じ込めポテンシャルがソフトな（エネルギーが高い電子や正孔に対して、島のサイズが大きくなるような）場合の方が、顕著に起きることは言うまでもない。
【００４５】
[回路構成例１]
次に、本発明の実施の形態における受光装置を用いた回路の構成例１について説明する。図１０は、回路構成例１における回路構成を示す回路図である。この回路は、単電子島１００１とトンネル接合１００２，トンネル接合１００３を備える単電子トランジスタのソース１００４を接地し、ドレイン１００５に、定電流源負荷１０１１を接続し、ドレイン１００５から電圧出力を取り出す。また、ゲート電極１００６に加え、シリコン基板１００７がもう１つのゲート電極として働く。ゲート電圧Ｖｇあるいは基板電圧Ｖｂを変化させることにより、正のフォトコンダクタンスデバイス、負性微分フォトコンダクタンスデバイスのどちらで動作するかを制御できる。入射される光の強度とＶｇ、Ｖｂによって、出力電圧が変化することになる。
【００４６】
[回路構成例２]
次に、本発明の実施の形態における受光装置を用いた回路の構成例２について説明する。図１１は、回路構成例２における回路構成を示す回路図である。この回路は、単電子島１１０１およびトンネル接合１１０２，トンネル接合１１０３を備える単電子トランジスタと、単電子島１１１１およびトンネル接合１１１２，トンネル接合１１１３とを、直列に接続している。
【００４７】
一方の単電子トランジスタのソース１１０４と他方の単電子トランジスタのドレイン１１１５とを接続している。また、一方の単電子トランジスタのドレイン１１０５に低電流源付加１１２１を接続し、他方の単電子トランジスタのソース１１１４を接地している。ゲート電極１１０６およびゲート電極１１１６に加え、シリコン基板１１０７がもう１つのゲート電極として働く。また、ソース１１０４とドレイン１１１５との間より電圧出力を取り出している。
【００４８】
基板電圧Ｖｂを適宜に設定し、また、ゲート電圧Ｖｇ１およびゲート電圧Ｖｇ２を各々適宜に設定することにより、一方の単電子トランジスタを正のフォトコンダクタンスデバイス、もう一方を負性微分フォトコンダクタンスデバイスとして動作させることができる。この構成の場合は、直接電源を接続することが可能で、２つの直列接続された単電子トランジスタの中間から出力端子を取り出すことで、光の照射に応じて、出力の電圧が増加、あるいは減少することになる。すなわち、負荷抵抗などを接続することなく、電圧変化として光の信号を取り出すことが可能である。
【００４９】
以上に説明した本発明では、単電子トランジスタの、ゲート電圧に対してソース・ドレイン間のコンダクタンスが振動する現象を利用している。この現象は、ゲート電圧が変化するとコンダクタンスが振動するものである。この現象においては、光照射により、実効的にゲート電圧を印加したのと同等な効果を与えれば、光を照射することでコンダクタンスを増やすことも減らすことも可能となる。このため、単電子トランジスタのチャネルとなる細線部（単電子島）の近くに配置されたシリコン層（シリコン基板）に光を照射して電子−正孔対を励起し、シリコン層（通常ｐ形あるいはｎ型）のフェルミレベルをシフトさせることで、実効的に電圧を印加した状態が実現できる。これにより、光照射によりコンダクタンスを増やす、あるいは減らすことが可能となる。
【００５０】
また、単電子トランジスタの単電子島の中に、反対の電荷（単一電子を移動させる単電子トランジスタの場合は正孔）を光照射で励起すれば、単電子島内の全ての電荷数は正負相殺して同じであっても、量子状態の変化により、ゲート電圧に対する電流ピーク位置（コンダクタンス振動曲線）がシフトする。この現象を利用すれば、やはり、実効的にゲート電圧を印加したことと同等な効果が得られ、光照射によりコンダクタンスを増やす、あるいは減らすことが可能となる。
【００５１】
上述した２つの現象ともに、設定条件によって、ある程度自由に、光を照射した場合に、コンダクタンスが減少するようにも、増加するようにもできる。
【００５２】
上述した本発明によれば、光が当たると電流が流れにくくなる現象を容易に実現できる。従来より、光に反応する装置は数多く存在し、光通信用のフォトダイオードから、手をかざすと水道の水が出るというようなセンサーまで、広く使われている。このような広い意味での光センサーは、光が当たると、電流が流れやすくなる現象を用いている。これに対し、これまでは、光が当たると電流が流れにくくなる現象は、実用に供するようなデバイスができなかったために使われてこなかった。素子に制御端子のようなものを設けることで、この端子に印加する電圧を変化させることによって、正のフォトコンダクタンスと負性微分フォトコンダクタンスを切り替えて使うことは、従来では実現されていない。しかしながら、本発明によれば、これらのことが実現できるようになる。
【００５３】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、ゲート電極は、ポリシリコンに限らず、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極材料から構成してもよい。また、上述では、細線部を挟んでゲート電極に対向して細線部に容量結合するシリコン層を、シリコン基板から構成したが、これに限るものではない。例えば、基板の上において、基板平面方向に、細線部とは絶縁分離した状態で、細線部を挟んでゲート電極およびシリコン層を配置してもよい。また、例えば、ゲート電極に加えてチャネル（細線部）に容量結合するシリコン基板（シリコン層）で光を受光して動作させる構成では、細線部に単電子島が形成されている必要はなく、微細なＭＯＳ構造となっていればよい。
【符号の説明】
【００５４】
１０１…シリコン基板（シリコン層）、１０２…絶縁層、１０３…ソース、１０４…ドレイン、１０５…細線部、１０６…ゲート電極、１０７…受光領域、１０８…ゲート電圧制御部。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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