(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の対向電極に触媒金属の厚さ或いは径のいずれかを互いに異なる特定の複数種類の大きさに変化させた複数対の対向触媒金属を設け、前記各対向触媒金属間に径が前記触媒金属の厚さ或いは径のいずれかに依存する各１本のシングルウォールカーボンナノチューブを架橋させて、前記各１本のシングルウォールカーボンナノチューブを互いに異なった波長に感応する受光部とすることを特徴とする光検知器。
【請求項２】
上記受光部を、１次元或いは２次元のいずれかに配置したことを特徴とする請求項１記載の光検知器。
【請求項３】
受光部に用いるシングルウォールカーボンナノチューブを、厚さ或いは径のいずれかを制御した触媒金属を有する一対の対向電極間方向に電界を掛けながら成長させ、前記一対の対向電極間に成長したシングルウォールカーボンナノチューブを受光部に用いることを特徴とした光検知器の製造方法において、前記一対の対向電極に設ける触媒金属の厚さ或いは径のいずれかを互いに異なる特定の複数種類の大きさに変化させて複数対の対向触媒金属を形成するとともに、前記各対向触媒金属間において前記触媒金属の厚さ或いは径のいずれかに依存する径を有する各１本のシングルウォールカーボンナノチューブを成長させることを特徴とする光検知器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光検知器及びその製造方法に関するものであり、特に、特定の光の感度波長に対応するバンド・ギャップを有するカーボンナノチューブを受光部として用いた点に特徴のある光検知器及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光検知器、特に赤外線検知器は、受光部に用いるデバイスが限られており、例えば、光を熱的に検知する非冷却型のボロメーターや焦電センサ、或いは、光電変換を用いた冷却量子型のＨｇＣｄＴｅフォトダイオードまたはＧａＡｓのＱＷＩＰ（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）センサ等である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、非冷却型の光検知器の場合、光を熱的に検知するため、応答速度が遅く、高速応答が必要な応用には使用できないという問題がある。
【０００４】
一方、光電変換を利用した量子型のＨｇＣｄＴｅフォトダイオード、は量子効率が高く、応答速度も早いが、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体であるため、物理的、熱的にもろく、半導体プロセスが難しく、且つ、結晶も高価であるという問題がある。
【０００５】
さらに、同じく量子型のＧａＡｓのＱＷＩＰセンサの場合には、量子井戸に形成されるサブバンド間の遷移を光検出に用いており、且つ、量子井戸構造に対して横方向から光を入射させる必要があるため、ＨｇＣｄＴｅフォトダイオードに比べて量子効率が低いという問題がある。
【０００６】
したがって、本発明は、量子効率の高い新規で簡単な構成の光検知器を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記目的を達成するため、本発明は、光検知器において、一対の対向電極２，３に触媒金属４，５の厚さ或いは径のいずれかを互いに異なる特定の複数種類の大きさに変化させた複数対の対向触媒金属４，５を設け、各対向触媒金属４，５間に径が触媒金属４，５の厚さ或いは径のいずれかに依存する各１本のシングルウォールカーボンナノチューブ６，７を架橋させて、各１本のシングルウォールカーボンナノチューブ６，７を互いに異なった波長に感応する受光部とすることを特徴とする。
【０００８】
半導体特性を示すカーボンナノチューブは、特定の光の感光波長に対応するバンドギャップを持っており、且つ、このバンドギャップは、大気の透過率の関係から一般的な赤外線検出波長帯である３〜５μｍ帯及び８〜１０μｍ帯の赤外線に良く対応しているので効率の高い量子型の光検知器、特に、赤外線検知器を構成することが可能になる。
【０００９】
この場合、カーボンナノチューブ６，７のバンドギャップは、カーボンナノチューブの直径ｄに依存し、直径ｄが大きいほど狭バンドギャップとなる。
因に、ｄ＝２．５ｎｍで、Ｅg ＝０．３ｅＶ（λ≒４．１μｍ）となる。
なお、カーボンナノチューブ６，７は純粋なカーボンナノチューブである必要はなく、フラーレンとの混合物でも良い。
【００１０】
この場合の検出原理は、一対の対向電極２，３を介してカーボンナノチューブ６，７に一定電流（バイアス）を流した状態において、赤外線がカーボンナノチューブ６，７に入射すると電子正孔対が発生し、カーボンナノチューブ６，７の伝導度が変化する。
この伝導度の変化は、入射する赤外線の強度に依存するため、赤外線が入射しない場合との差を検知することにより赤外線の検知が可能になる。
【００１１】
さらに、カーボンナノチューブ６，７は化学的に安定で機械強度が強いばかりでなく、ナノスケールの微細粒子として特性を維持したまま単独で存在できるため、信号読出回路基板等の基板１に直接配置でき、受光部と信号読出回路が別々のハイブリッド検知器に見られる動作温度と室温とのサーマルサイクルによる結合電極の切断や短絡といった問題が発生することがなくなる。
【００１２】
また、本発明においては、受光部を、互いに異なった感光波長に対応するバンドギャップを持つ複数のシングルウォールカーボンナノチューブ６，７で構成しているので、検知波長の多波長化、即ち、多色化が可能になる。
【００１３】
また、この様な受光部を、１次元或いは２次元のいずれかに配置することによって、フォトダイオードアレイとすることができ、さらに、ポリゴンミラー等の受光部を走査する手段を設けることによって、更に次元を上げることができる。
【００１４】
また、上述の光検知器を製造するためには、基板１上に厚さ或いは径のいずれかを制御した触媒金属４，５を有する一対の対向電極２，３を設け、この一対の対向電極間方向に電界を掛けながら成長させる際に、一対の対向電極２，３に設ける触媒金属４，５の厚さ或いは径のいずれかを互いに異なる特定の複数種類の大きさに変化させることによって、各対向触媒金属４，５間に径が触媒金属４，５の厚さ或いは径のいずれかに依存する各１本のシングルウォールカーボンナノチューブ６，７が成長するので、複数の波長を一度に検知することができる。
【００１５】
このように、触媒金属４，５の厚さ、あるいは径を特定の大きさに変化させることによって、カーボンナノチューブ６，７の径を変化させ、任意のバンドギャップを持つようにすることができ、任意の波長の検出が可能になる。
【００１７】
また、異なる複数の波長帯の受光部が形成できることから、プランク放射体の分光分布における複数の波長の受光強度を結ぶ線の傾斜角から検知対象物の絶対温度の同定することが可能になる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図７を参照して、本発明の実施の形態の光検知器を説明するが、まず、図２及び図３を参照して、本発明の実施の形態の光検知器の製造工程を説明する。
なお、各図は、工程要所における光検知器における１受光部分の概略的斜視図である。
図２（ａ）参照
まず、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）等の素子を形成した信号読出シリコン基板１１上に、Ａｕ層１２を堆積させたのち、厚さが、例えば、２．５ｎｍのＮｉ層を堆積させ、このＮｉ層をパターニングすることによってＮｉ触媒層１３を形成する。
なお、図示を省略しているが、Ａｕ層１２は、信号読出シリコン基板１１に形成した素子に電気的導通をとるためのコンタクトホールを有する層間絶縁膜を介して堆積させるものである。
【００１９】
図２（ｂ）参照
次いで、再び全面にＡｕ層１４を堆積させたのち、厚さが、例えば、６．３ｎｍのＮｉ膜を堆積させ、このＮｉ層をパターニングすることによってＮｉ触媒層１５を形成する。
【００２０】
図２（ｃ）参照
次いで、再び、全面にＡｕ層１６を堆積させる。
【００２１】
図３（ｄ）参照
次いで、堆積層を、幅Ｗ＝５μｍ、長さＬ＝５μｍ、高さＨ＝０．５μｍの直方体状にエッチングすることによって、間隔Ｄ＝１５μｍで対向する一対の対向電極１７，１８を形成する。
【００２２】
図３（ｅ）参照
次いで、熱ＣＶＤ法を用いて、Ｈ2 ＋ＣＨ4 の混合ガスを流した状態で、基板温度を８００〜９００℃とし、基板バイアスを２００Ｖとし、一対の対向電極１７，１８の対向方向に沿った電界を印加することによって、Ｎｉ触媒層１３，１５を起点とする二種類の径のカーボンナノチューブ１９，２０を成長させ、この二種類の径のカーボンナノチューブ１９，２０を受光部とする。
【００２３】
この場合、成長した二本のカーボンナノチューブ１９，２０の直径は、起点となるＮｉ触媒層１３，１５の膜厚或いは幅の小さい方の値にほぼ等しくなるので、約、２．５ｎｍと６．３ｎｍの直径となる。
【００２４】
図４参照
図４は、シングルウォールカーボンナノチューブのバンド・ギャップの直径依存性を示す図（必要ならば、Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．３９１，ｐ．５９−６１，１  ｊａｎｕａｒｙ  １９９８参照）であり、二本のカーボンナノチューブ１９，２０の直径ｄを夫々２．５ｎｍ及び６．３ｎｍとすることによって、３〜５μｍ帯及び８〜１０μｍ帯に感度を持たせることができる。
【００２５】
図５参照
図５は、上記の受光部を２次元マトリクス状の配置して形成して二次元フォトダイオードアレイとした光検知器であり、各受光部の検出出力を対向電極１７，１８を介して信号読出シリコン基板１１に設けた信号読出回路によって読み出すものである。
なお、ここでは、カーボンナノチューブ１９のみを図示している。
【００２６】
図６参照
図６は、本発明の実施の形態の光検知器の等価回路図であり、並列接続されたカーボンナノチューブ１９，２０からなる光可変抵抗２１，２２に対して電源２３から一定のバイアスを印加した状態で、電流計２４によって光可変抵抗２１，２２の伝導度の変化を読み取るものである。
【００２７】
即ち、各光可変抵抗２１，２２にバイアスを印加し、それぞれのバンドギャップに対応した波長の赤外線を入射すると、各光可変抵抗２１，２２において光電変換され、対向電極間に赤外線強度に対応する電流の信号が流れる。
この信号を信号読み出し回路を経由して読み出すことによって、赤外線を検知することができる。
【００２８】
また、本発明の実施の形態の光検知器は、二波長の信号を検出できることから、赤外線放出物体の絶対温度を知ることができるので、この原理を図７を参照して説明する。
【００２９】
図７参照
図７は、プランク放射体の分光分布図である。
ある温度を持つ物体から放射される赤外線を黒体放射と仮定すると、放射される赤外線の分光分布は下記のプランクの放射法則に従う。
Ｅ（λ，Ｔ）＝（Ｃ1 ／λ5 ）｛１／〔ｅｘｐ（Ｃ2 ／λＴ）−１〕｝
但し、Ｃ1 ＝２πｈｃ2 ＝３．７３×１０4 〔Ｗ／ｃｍ2 〕，
Ｃ2 ＝ｃｈ／ｋ＝１．４３８×１０4 〔μｍｄｅｇ〕
なお、Ｅは黒体の分光放射発散度、ｈはプランク定数、ｋはボルツマン定数、ｃは光速、Ｔは黒体の絶対温度、及び、λは放射される赤外線の波長である。
【００３０】
この式より求めた放射エネルギーの波長特性が図７に示す分光分布図であり、図より放射エネルギーの波長プロファイルは物体の温度により異なっていることが理解できる。
【００３１】
ここで、物体から放射される赤外線の二波長以上の放射エネルギーを観測し、波長プロファイルを特定することができれば、物体の絶対温度を推定できる。
即ち、上記の二つのカーボンナノチューブ１９，２０の直径は夫々２．５ｎｍ及び６．３ｎｍであり、それに対応するバンド・ギャップは、０．３ｅＶ及び０．１２ｅＶであり、波長換算では、夫々、約４μｍ及び約１０μｍとなる。
【００３２】
この４μｍにおける強度と１０μｍにおける強度を結ぶ線の傾きを求め、この傾きと一致する分光分布を求めることによって、照射物体の絶対温度を推定することが可能になる。
なお、異なった波長を独立に測定するためには、フィルタを切り替えて測定を行うか、或いは、異なった波長の信号を独立に読み出せる複数の信号読出回路を設ければ良い。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は実施の形態に記載した構成及び条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、感光波長として３〜５μｍ帯と８〜１０μｍ帯を採用しているが、このような波長に限られるものではなく、いかなる波長帯を用いても良いものである。
【００３４】
また、上記の実施の形態においては、二波長を検出する光検知器を例に説明しているが、赤外線を検出するだけの一波長でも良く、或いは、絶対温度をより正確に測定できるように三波長以上の受光部を構成しても良い。
【００３５】
また、上記の実施の形態においては、カーボンナノチューブを受光部に用いているが、同等のバンドギャップを持つフラーレンや、フラーレンとカーボンナノチューブとの混成による受光部を用いても良い。
【００３６】
また、上記の実施の形態においては、二次元フォトダイオードアレイとして説明しているが、受光部を一次元状に配置して一次元フォトダイオードアレイとしても良く、その場合に、ポリゴンミラー等を用いて一次元フォトダイオードアレイを走査して二次元フォトダイオードアレイ的に使用しても良いものである。
【００３７】
また、上記の実施の形態においては、触媒金属をＮｉによって形成しているが、Ｎｉに限られるものではなく、Ｆｅ或いはＣｏ等のカーボンナノチューブの成長において触媒作用のある他の金属を用いても良いものである。
【００３８】
また、上記の実施の形態においては、対向電極の母体をＡｕによって形成しているが、Ａｕに限られるものではなく、Ａｕと同様にカーボンナノチューブの成長において触媒作用のないＰｔ，Ｃｕ，Ａｌ等の金属を用いても良いものである。
【００３９】
また、上記の実施の形態においては、カーボンナノチューブを熱ＣＶＤ法によって成長させているが、熱ＣＶＤ法に限られるものではなく、プラズマＣＶＤ法等の他の成長方法を用いても良いものである。
【００４０】
ここで、再び図１を参照して、改めて本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図１参照
（付記１）  一対の対向電極２，３に触媒金属４，５の厚さ或いは径のいずれかを互いに異なる特定の複数種類の大きさに変化させた複数対の対向触媒金属４，５を設け、前記各対向触媒金属４，５間に径が前記触媒金属４，５の厚さ或いは径のいずれかに依存する各１本のシングルウォールカーボンナノチューブ６，７を架橋させて、前記各１本のシングルウォールカーボンナノチューブ６，７を互いに異なった波長に感応する受光部とすることを特徴とする光検知器。
（付記２）  上記特定の光の感光波長が、可視光或いは赤外線のいずれかであることを特徴とする付記１記載の光検知器。
（付記３）  上記受光部を、１次元或いは２次元のいずれかに配置したことを特徴とする付記１または２に記載の光検知器。
（付記４）  上記受光部を走査する手段を設けたことを特徴とする付記３記載の光検知器。
（付記５）  受光部に用いるシングルウォールカーボンナノチューブ６，７を、厚さ或いは径のいずれかを制御した触媒金属４，５を有する一対の対向電極２，３間方向に電界を掛けながら成長させ、前記一対の対向電極２，３間に成長したシングルウォールカーボンナノチューブ６，７を受光部に用いることを特徴とした光検知器の製造方法において、前記一対の対向電極２，３に設ける触媒金属４，５の厚さ或いは径のいずれかを互いに異なる特定の複数種類の大きさに変化させて複数対の対向触媒金属４，５を形成するとともに、前記各対向触媒金属４，５間において前記触媒金属４，５の厚さ或いは径のいずれかに依存する径を有する各１本のシングルウォールカーボンナノチューブ６，７を成長させることを特徴とする光検知器の製造方法。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、光検知器の受光部にカーボンナノチューブを用いることにより、ほぼ連続的にバンドギャップを変化させられるため、異なる波長帯の検知が可能になり、異なる複数の波長帯の受光部が形成できることから検知対象物の絶対温度の同定が可能になり、安価で量子効率の高い光検知器の実用化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の光検知器の途中までの製造工程の説明図である。
【図３】本発明の実施の形態の光検知器の図２以降の製造工程の説明図である。
【図４】カーボンナノチューブのバンドギャップの直径依存性の説明図である。
【図５】本発明の実施の形態の光検知器の概略的斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態の光検知器の等価回路図である。
【図７】本発明の実施の形態の光検知器における絶対温度特定原理の説明図である。
【符号の説明】
１  基板
２  対向電極
３  対向電極
４  触媒金属
５  触媒金属
６  カーボンナノチューブ
７  カーボンナノチューブ
１１  信号読出シリコン基板
１２  Ａｕ層
１３  Ｎｉ触媒層
１４  Ａｕ層
１５  Ｎｉ触媒層
１６  Ａｕ層
１７  対向電極
１８  対向電極
１９  カーボンナノチューブ
２０  カーボンナノチューブ
２１  光可変抵抗
２２  光可変抵抗
２３  電源
２４  電流計
【図１】
0004006727.tif 000002
【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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