(57)【要約】      （修正有）【課題】新規な構成の紫外線センサを提供する。【解決手段】入射面、反射面、出射面を有するプリズム１１と、プリズム１１の反射面上に形成された金属薄膜１２と、金属薄膜１２の上に形成されたｎ型半導体層１６と、ｎ型半導体層１６の上に形成された遷移金属酸化物層１８と、遷移金属酸化物層１８に接触する電極対２１，２２と、を有する。金属薄膜１２は、表面プラズモン共鳴を起こしうる膜厚を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射面、反射面、出射面を有するプリズムと、
前記プリズムの反射面上に形成された金属薄膜と、
前記金属薄膜の上に形成されたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の上に形成された遷移金属酸化物層と、
前記遷移金属酸化物層に接触する電極対と、
を有する紫外線センサ。
【請求項２】
前記金属薄膜が、表面プラズモン共鳴を起こしうる膜厚を有する請求項１記載の紫外線センサ。
【請求項３】
前記ｎ型半導体層と前記遷移金属酸化物層のヘテロ接合が、前記ｎ型半導体層で発生した電子・正孔対の内、正孔を前記遷移金属酸化物層に移動させる性質を有する請求項１又は２に記載の紫外線センサ。
【請求項４】
前記入射面に入射光を入射する入射光路をさらに有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の紫外線センサ。
【請求項５】
前記入射光路が、入射角調整機能を有する請求項４に記載の紫外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施例は、紫外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外線センサとして、光電子増倍管を用いたセンサ、半導体等の固体を用いたセンサ等が知られている。光電子増倍管は、高感度を提供できるが、紫外線以外の光にも感度を有し、外乱によって破壊される可能性を有する。複雑な装置構成を必要とし、簡便なセンサを構成することは容易でない。
【０００３】
固体センサは、バンドギャップエネルギ以上のエネルギを有する光の入射によって、抵抗を変化させたり起電力を生じ、外乱によって破壊される可能性は低いが、一般的に感度が低い。
【０００４】
酸化チタンなどのｎ型半導体と遷移金属化合物をヘテロ接合させ、ｎ型半導体中で紫外線を吸収させて電子・正孔対を発生させ、正孔を遷移金属化合物に移動させ、遷移金属化合物の抵抗変化により、入射光を検出するセンサが提案されている（例えば特開２００４−１７２１６６号）。
【０００５】
ＴｉＯ２に５価のＮｂをドープすると、伝導帯の近くにドナー準位が形成されｎ型半導体となる。フェルミレベルも伝導帯近傍に形成される。遷移金属化合物であるＶＯ２のバンド構造は、Ｖの３ｄバンドが２つに分裂し、より低エネルギにＯの２ｐバンドがある。このＯの２ｐバンドは、ＴｉＯ２の価電子帯と近い位置にある。ＶＯ２のフェルミレベルは、ＴｉＯ２：Ｎｂのフェルミレベルより約０．５ｅＶ低い位置にあると考えられる。ＶＯ２とＴｉＯ２：Ｎｂとのヘテロ接合を形成すると、フェルミレベルを合わせるため、ＴｉＯ２：Ｎｂ側に空乏層が形成され、ポテンシャル勾配が生じる。このポテンシャル勾配は、ＴｉＯ２：Ｎｂ内において、電子にとっては障壁として機能し、正孔にとっては加速電界として機能する。その結果、正孔はＶＯ２に流れ込み、電子はＴｉＯ２：Ｎｂ内に留まる。
【０００６】
プリズム面上に金属薄膜を形成したクレッチマン配置を用い、金属薄膜表面に表面プラズモンを生じさせ、入射光を検出する検査装置が知られている（例えば、特開２００９−１３９２７９号）。
【０００７】
表面プラズモンを利用して、光触媒作用を促進する提案もある（例えば特開２００９−４５５１４号）。プリズム面上に金属薄膜を形成してクレッチマン配置を構成し、さらに金属薄膜上に光触媒層を形成する。プリズムに入射した入射光は、金属薄膜に侵入してエバネッセント光を形成する。エバネッセント光が表面プラズモン共鳴光を励起し、電界強度増大効果を生じる。表面プラズモン共鳴光は、電界強度増大効果により、入射光の強度を増大する。入射光強度は、電界強度の二乗に比例し、光触媒層に入射する。光触媒層は強い触媒作用を示すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１７２１６６号公報
【特許文献２】特開２００９−１３９２７９号公報
【特許文献３】特開２００９−４５５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
実施例は、新規な構成の紫外線センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施例に従えば、
入射面、反射面、出射面を有するプリズムと、
前記プリズムの反射面上に形成された金属薄膜と、
前記金属薄膜の上に形成されたｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層の上に形成された遷移金属酸化物層と、
前記遷移金属酸化物層に接触する電極対と、
を有する紫外線センサ
が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１Ａ，１Ｂは、誘電体と通常の金属の状態を示すダイアグラム、図１Ｃは金属中でプラズマ振動の量子化（プラズモン）が生じた状態を示すダイアグラム、図１Ｄは金属と誘電体の界面で表面プラズモンが生じた状態を示すダイアグラムである。
【図２−１】と、
【図２−２】図２Ａは、クレッチマン配置を示す断面図、図２Ｂは、クレッチマン配置における全反射、表面プラズモン共鳴を反映した反射率対入射角度のグラフ、図２Ｃは、クレッチマン配置におけるＡｕ層の厚さを変化させたときの特性の変化を示すグラフ、図２Ｄは、クレッチマン配置の金属薄層の上に誘電体層を形成した表面プラズモン共鳴構造の断面図、図２Ｅは、図２Ｄに示す構造の特性を示すグラフである。
【図３】図３Ａは、実施例による紫外線センサの構成を示す断面図、図３Ｂは、図３Ａの紫外線センサの反射率を、波長をパラメータとして、入射角度の関数として示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１Ａは誘電体（絶縁体）に光が入射した状態を示す。誘電体は、例えば正の電荷を有する陽イオンと負の電荷を有する陰イオンとが結合した構成を有し、誘電率εは正（ε＞０）である。図１Ｂは金属に光が入射した状態を示す。金属中には電子が海の如くに存在し、自由に電界に応じた運動をすることにより、光の電場を遮断し、全反射を生じさせる。所謂金属光沢が生じる。
【００１３】
図１Ｃは、金属中の電子が集団振動する状態を示す。プラズマ振動により電場が変動し、誘電率が正になる（ε＞０）。プラズマ振動の量子化したものがプラズモンと呼ばれる。
【００１４】
図１Ｄは、誘電率ε＞０である誘電体と、誘電率ε＜０である金属とが接しているヘテロ接合を示す。境界では、表面プラズモンと呼ばれる特殊なプラズマ振動が生じる。
【００１５】
表面プラズモン共鳴が生じると、光がナノ領域や平面に閉じ込められる。光を閉じ込めた領域では、光の電場（振幅）増強、波長の圧縮といった効果が起こる。
【００１６】
図２Ａは、クレッチマン配置を示す。クレッチマン配置においては、プリズムの１面が反射面を構成し、反射面に斜めに対向する２面が入射面と出射面を構成する。入射面と出射面とが、円筒面、または球面である場合を含めて、プリズムと呼ぶ。誘電体のプリズム１１の反射面上に金属薄膜１２が形成されている。誘電体プリズム１１は、例えば高屈折率を有する、オハラ製Ｓ−ＬＡＨで構成する。金属薄膜１２は、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ、Ａｌ、Ａｌ合金等で形成される。
【００１７】
図２Ｂは、図２Ａのクレッチマン配置の反射面に、入射光を斜め入射した時の入射角に対する反射率の変化を示すグラフである。反射率は臨界角で全反射となり、さらに入射角度を増加すると、急激に減少し、その後再び増加する。反射率の減少は、入射光が金属薄膜１２に滲み出し、エバネッセント光となり、表面プラズモン共鳴を起こしていることを示唆する。
【００１８】
図２Ｃは、金属薄膜１２の厚さを変えた時の特性の変化を示すグラフである。金属薄膜１２はＡｕ層で形成した。金属薄膜１２がない時（Ａｕ＝０ｎｍ）は、入射角３０度付近から反射率は増大し、全反射に達する。全反射に達した後の反射率の低下はない。Ａｕ層１２の厚さを、２０，４０，５０，６０，８０（ｎｍ）と増加していくと、低入射角での反射率が次第に増加し、全反射の臨界角付近で急激に増加し、その後低下し、再び増加する。反射率低下の程度は、Ａｕ層１２の厚さが４０，５０（ｎｍ）の時最も大きい。
【００１９】
図２Ｄは、クレッチマン配置の金属薄膜１２の上に誘電体膜１４を積層した構成を示す。金属薄膜１２中にエバネッセント光１３が生じ、誘電体膜１４との界面に表面プラズモン１５が発生する。
【００２０】
図２Ｅは、入射光、エバネッセント光、金属薄膜／誘電体膜界面における表面プラズモン、金属薄膜／プリズム間の表面プラズモンの分散関係を示すグラフである。エバネッセント光の特性と金属薄膜／誘電体膜界面における表面プラズモンの特性の交点において、共鳴が可能である。
【００２１】
表面プラズモン共鳴を励起し、電荷キャリアを取り出すことにより入射紫外線を表す信号を取り出すことが可能である。
【００２２】
図３Ａは、実施例による紫外線センサの構成を示す断面図である。プリズム１１の反射面上に金属薄膜１２が形成され、金属薄膜１２の上にｎ型半導体層１６、遷移金属酸化物層１８が積層されている。遷移金属酸化物層１８表面上に電極２１，２２が形成され、その間に電源Ｖ，電流計Ａが接続されている。遷移金属酸化物層１８の抵抗が変化すると、電流変化として検出できる。
【００２３】
プリズム１１は、高屈折率の、例えばオハラ製Ｓ−ＬＡＨである。金属薄膜１２は例えば厚さ１５ｎｍのＡｌ薄膜である。ｎ型半導体層１６は、例えば、厚さ１ｎｍのＮｂをドープした酸化チタン（ＴｉＯ２：Ｎｂ）層である。ｎ型半導体としては、Ｎｂ，Ｔａ，Ａｓ，Ｓｂ，Ｗ，又はＬａをドープしたＴｉＯ２，又はＳｒＴｉＯ３を用いることができよう。遷移金属酸化物層１８は、例えば、厚さ１．１ｎｍのＶＯ２層である。Ｖ２Ｏ３、ＣｒＯ２，ペロブスカイト型酸化物ＡＢＯ３（ＡはＹ、希土類元素、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ，ＢはＭｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ），銅酸化物ＡｘＣｕＯｙ（ＡはＬａ，Ｙ，Ｂｉ，Ｔｌ，Ｐｂ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）又はＲｕＯ２（膜厚０．５〜１０ｎｍ）を用いることもできる。積層膜は、例えば、レーザアブレーション、スパッタリング、電子ビーム蒸着等を用いて成膜することができる。
【００２４】
図３Ｂは、入射光の波長をパラメータとした、反射率の入射角に対する変化を示すグラフである。ある波長の入射光に対する反射率は、特定の波長で最小値を示す。反射率最低の角度を検出すれば、入射光の波長を検出することができる。
【００２５】
反射率の減少は、表面プラズモン共鳴の発生を意味する。表面プラズモン共鳴は電場増強効果を備えている。表面プラズモン共鳴により、電場増強された光はｎ型半導体層１６に吸収され、電子・正孔対を生成する。表面プラズモン共鳴により高感度の紫外線検出が可能となる。この内、正孔は遷移金属酸化物層１８に移動し、遷移金属酸化物層１８の電気抵抗を低下させ、検出電流の増加を誘起する。反射率が減少している波長の光は吸収され、遷移金属酸化物層１８の電気的特性を変化させる。電流値から電気的特性の変化を検出すれば、波長選択性をもって紫外線の吸収を検出できる。
【００２６】
例えば、入射角を３４度に設定すると、入射光波長２１０ｎｍ〜２３０ｎｍ付近において、表面プラズモン共鳴を起こすことができる。入射角を３４度に設定した場合、ほぼ２４０ｎｍより長波長の入射光に対しては、表面プラズモン共鳴が起こらない。波長２１０ｎｍ〜２３０ｎｍ付近に対するセンサとしての機能を有する。
【００２７】
入射角度を３１度に設定すると、ほぼ２５０ｎｍ〜２７０ｎｍに感度波長を有する紫外線センサとなる。
【００２８】
レンズを含む入射光路２４により、入射角度を設定することにより、検出波長を希望の波長に設定することができる。入射角度調整機構により入射角度を可変とすれば、検出波長を可変とすることができる。希望波長を検出するように、入射角度を設定すれば、希望波長の検出を行うことができる。検出波長から離れた波長の紫外線には感度を有さないセンサを実現できる。太陽光などの外乱を避けることのできる火災センサ、紫外線センサなどを実現できる。
【００２９】
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、これらは制限的意味を有するものではない。例えば例示した材料、数値は制限的なものではない。種々の変更、置換、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【符号の説明】
【００３０】
１１    プリズム、
１２    金属薄膜、
１３    エバネッセント光、
１４    誘電体膜、
１５    表面プラズモン、
１６    ｎ型半導体層、
１８    遷移金属酸化物層、
２１，２２    電極、
２４    レンズを含む入射光路。
【図１】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図３】
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