(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファスセレンを主体とした超格子構造を有する光電変換膜を有する光検出器を搭載するアプリケーションが必要とする様々な要件に応じて、
前記光検出器の形態を決定するステップと、
前記要件のうち前記光電変換膜で検出しようとする波長に合う基板の種類を決定するステップと、
前記超格子構造におけるトンネリングの過程で生じる増幅利得を表す乗算係数Ｍを算出するステップと、
前記乗算係数Ｍが前記超格子構造の層数ＮＳＬと近似するとして、前記超格子構造の一層当たりの厚さに前記層数ＮＳＬを掛け合わせた厚みを前記光電変換膜の膜厚と決定するステップと、
を有することを特徴とする、光検出器設計方法。
【請求項２】
前記乗算係数Ｍは、前記光電変換膜が使用される光検出器の受光素子からの集電電流ＩＣ、前記光検出器の暗電流ＩＤ，および前記トンネリングにおけるキャリアとなる光子数Ｎ００を用いて、下記式から算出されることを特徴とする請求項１に記載の光検出器設計方法。
【数２７】
0006887634.tif 000028
但し、ｑは基本電子電荷
【請求項３】
前記光検出器が真空ギャップを持つ場合、前記Ｍを増大させる修正係数γを含めることを特徴とする請求項１に記載の光検出器設計方法。
【請求項４】
アモルファスセレンを主体とした超格子構造を有する光電変換膜の厚みを設計する方法であって、
前記超格子構造におけるトンネリングの過程で生じる増幅利得を表す乗算係数Ｍから前記超格子構造の層数ＮＳＬを求め、前記光電変換膜の膜厚を決定する、膜厚設計方法。
【請求項５】
前記層数ＮＳＬの数と回転板の回転数を一致させて、前記基板上に回転蒸着によって前記光電変換膜を積層させて、請求項１に記載の光検出器設計方法により設計された光検出器を製造することを特徴とする光検出器製造方法。
【請求項６】
前記超格子構造は、セレンと三セレン化二ヒ素で作製されることを特徴とする請求項５に記載の光検出器製造方法。
【請求項７】
光入射側から順に、透明電極を備える第一基板と、アモルファスセレンを主体とした超格子構造を有しかつ前記超格子構造の一層当たりの厚さに前記超格子構造におけるトンネリングの過程で生じる増幅利得を表す乗算係数Ｍと近似する前記超格子構造の層数ＮＳＬを掛け合わせた膜厚を有する光電変換膜と、前記光電変換膜が検出しようとする波長の要件に合う基板種類であって前記光電変換膜が積層される第二基板と、を備えることを特徴とする光検出器。
【請求項８】
光入射側から順に、透明電極を備える第一基板と、アモルファスセレンを主体とした超格子構造を有しかつ前記超格子構造の一層当たりの厚さに前記超格子構造におけるトンネリングの過程で生じる増幅利得を表す乗算係数Ｍと近似する前記超格子構造の層数ＮＳＬを掛け合わせた膜厚を有する陽極層と、真空ギャップと、陰極層と、を備えることを特徴とする光検出器。
【請求項９】
請求項１〜３のいずれかに記載の光検出器設計方法を、コンピュータプログラムで記載し、それを実行可能にしたことを特徴とする光検出器設計プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出器の設計方法に係り、特に、アモルファスセレンを主体とする光電変換膜を備えた光検出器の設計方法、膜厚設計方法、該光電変換膜を用いた光検出器およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アモルファスセレンに高電界をかけると電気信号を増幅する信号増幅効果が知られており、近年では、この性質を利用して、アモルファスセレンを光電変換膜に用いた光検出器が開発されている。例えば特許文献１および特許文献２には、アモルファスセレンを含む光電変換層が基板上に形成され、さらに、その信号増幅効果を阻害するノイズ等を除去するための機能層が追加形成された光検出器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１４６６３５号公報
【特許文献２】特開２０１９−２１２８４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記文献らは、アモルファスセレンを含む光電変換層を規定の要領で作製したのちに、デバイスが所望する効果が得られるように、光電変換層の機能を補佐する機能層を創意工夫により追加設計したものとなる。このため、所望の性能を実現する光検出器を作製するために、機能層の設計に時間と工数がかかるという問題がある。【０００５】
本発明は、従来技術の問題点に基づいて為されたものであり、量子力学に基づいて光電変換膜（アモルファスセレン層）を設計することで、機能層を追加することなく、所望の性能を実現するデバイスを容易に設計する、デバイスデザイニング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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の光検出器設計方法は、アモルファスセレンを主体とした超格子構造を有する光電変換膜を有する光検出器を搭載するアプリケーションの要件に応じて、前記光検出器の形態を決定するステップと、前記アプリケーション要件に合う基板の種類を決定するステップと、前記超格子構造におけるトンネリングの過程で生じる増幅利得を表す乗算係数Ｍを算出するステップと、前記乗算係数Ｍが前記超格子構造の層数ＮＳＬと近似するとして、前記超格子構造の一層当たりの厚さに前記層数ＮＳＬを掛け合わせた厚みを前記光電変換膜の膜厚と決定するステップと、を有する。【０００７】
上記態様において、前記乗算係数Ｍは、前記光電変換膜が使用される光検出器の受光素子からの集電電流ＩＣ、前記光検出器の暗電流ＩＤ，および前記トンネリングにおけるキャリアとなる光子数Ｎ００を用いて、後述の数式（１０）から算出されるのも好ましい。【０００８】
上記態様において、前記光検出器が真空ギャップを持つ場合、前記Ｍを増大させる修正係数γを含めるのも好ましい。【０００９】
また、上記課題を解決するために、本発明のある態様の膜厚設計方法は、アモルファスセレンを主体とした超格子構造を有する光電変換膜の厚みを設計する方法であって、前記超格子構造におけるトンネリングの過程で生じる増幅利得を表す乗算係数Ｍから前記超格子構造の層数ＮＳＬを求め、前記光電変換膜の膜厚を決定する。【００１０】
また、前記層数ＮＳＬの数と回転板の回転数を一致させて、前記基板上に回転蒸着によって前記光電変換膜を積層させて、上記態様の光検出器を製造する光検出器製造方法も好ましい。【００１１】
また、上記態様の光検出器製造方法において、前記超格子構造は、セレンと三セレン化二ヒ素で作製されるのも好ましい。【００１２】
また、光入射側から順に、透明電極を備える第一基板と、アモルファスセレンを主体とした超格子構造を有し上記態様の光検出器設計方法によって設計された膜厚を有する光電変換膜と、請上記態様の光検出器設計方法によって選択され前記光電変換膜が積層された第二基板と、を備える光検出器も好ましい。【００１３】
また、光入射側から順に、透明電極を備える第一基板と、アモルファスセレンを主体とした超格子構造を有し上記態様の光検出器設計方法によって設計された膜厚を有する陽極層と、真空ギャップと、陰極層と、を備える光検出器も好ましい。【００１４】
また、上記態様の光検出器設計方法を、コンピュータプログラムで記載し、それを実行可能にした光検出器設計プログラムも好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、特に量子力学に基づいて光電変換膜（アモルファスセレン層）を設計することで、所望の性能を実現するデバイスを容易にデザインすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光検出器（撮像素子）の概略構成断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る光検出器（真空撮像装置）の概略構成断面図である。
【図３】基板のタイプよる赤外光、可視光、紫外光の吸収係数を示した図である。
【図４】基板のタイプよるＸ線の光電吸収を示した図である。
【図５】本形態で行った回転蒸着法の概略図である。
【図６】図５の回転蒸着法により作製された膜の飛行時間型二次イオン質量分析による深さ方向の元素分析の結果を示す図である。
【図７】図５の回転蒸着法により作製された膜のＸＰＳスペクトルを示した図である。
【図８】アモルファスセレン超格子による量子トンネル増幅過程のイメージ図である。
【図９】ある緑色光検出器のためのデバイス構成図である。
【図１０】図９のデバイスにおける電流電圧特性を示す図である。
【図１１】ある青色光検出器のためのデバイス構成図である。
【図１２】図１１のデバイスにおける電流電圧特性を示す図である。
【図１３】ある紫外光検出器のためのデバイス構成図である。
【図１４】図１３のデバイスにおける電流電圧特性を示す図である。
【図１５】あるＸ線検出器のためのデバイス構成図である。
【図１６】図１５のデバイスにおける電流電圧特性を示す図である。
【発明を実施するための実施の形態】
【００１７】
次に、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。但し、本発明はここに記載した実施形態に限るものではなく、当業者の知識に基づいて種々の変形が可能である。例えば、実施形態の光電変換膜はアモルファスセレンを主体としているが、カルコゲナイド半導体を主体としたものであっても、同様の膜厚設計方法，光検出器，および製造方法が展開できるものと推察され、そのような形態も本発明の範疇に含まれるものと解する。
【００１８】
従来の、アモルファスセレンを光電変換層に用いた光検出器、或いは光検出器を搭載したアプリケーションは、まずアモルファスセレン層を分子線エピタキシーによる方法で規定の要領で作製し、該光電変換膜から得られる信号増幅効果をアプリケーションの要件を満たす効果にまで昇華させるために、機能層を追加設計していたと推察する。
【００１９】
これに対し、実施の形態のアモルファスセレン層を含む光検出器は、機能層を追加することなく、プリケーションの要件を満たすのに必要な信号増幅効果を得るためのアモルファスセレン層の膜厚（層数）を予測した上で作製される。この膜厚（層数）は、量子力学に基づいて算出される。そして、このアモルファスセレン層をどんな種類の基板に積層させるかによって、様々な光領域の光検出が可能となり、またアプリケーションの要件に合わせた性能カスタマイズが可能となる。以下、このデバイスデザイニングについて説明していく。
【００２０】
＜光検出器の形態例＞
まず、本発明を好適に実施する光検出器の形態例について説明する。
（第１の実施形態：撮像素子としての形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る光検出器１０（撮像素子）の概略構成断面図である。第１実施形態に係る光検出器１０は、光入射側から順に、透明電極１４を備える第一基板１１と、アモルファスセレン層１２と、第二基板１３とを備える。基板１１には、例えば、ガラス基板や透明樹脂、Ｘ線にはベリリウム、紫外線にはサファイアや酸化イットリウム等、光を透過する種々の材料が用いられてよい。透明電極１４には、ＩＴＯ膜（Indium Tin Oxide），ＩＧＺＯ（登録商標）等の酸化物半導体，グラフェン (Graphene), 導電性ポリマー等が用いられてよい。
【００２１】
光検出器１０は、第一基板１１に設けられた通過孔１５を介してアモルファスセレン層１２に高電界を印加すると、入射した光エネルギーが増幅されて光電変換される。アモルファスセレン層１２は光電変換膜である。信号増幅効果はアモルファスセレン層１２の構造によって変動する。光検出器１０に接続された読み出し回路（受光素子）１６は、信号電流を読み出して光検出する。
【００２２】
（第２の実施形態：撮像装置としての形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係る光検出器１０´（真空撮像装置）の概略構成断面図である。なお、第１実施形態と同一の要素については同一の符号を用いて説明を割愛する。第２実施形態に係る光検出器１０´は、光入射側から順に、透明電極１４を備えるガラス基板１１と、アモルファスセレン層１２（陽極層）と、真空ギャップ１７と、窒素ドープダイヤモンド冷陰極層１８とを備える。
【００２３】
光検出器１０´は、ガラス基板１１に設けられた通過孔１５を介してアモルファスセレン層１２に高電界を印加すると、入射した光エネルギーが信号増幅されて光電変換される。その信号増幅効果はアモルファスセレン層１２の構造によって変動する。また、真空ギャップ１７とダイヤモンド冷陰極層１８を持つことによる高入力インピーダンスの増加が得られる。光検出器１０´に接続された読み出し回路（受光素子）１６は、信号電流を読み出して光検出する。
【００２４】
＜デバイスデザイニング＞
次に、これらの実施形態のデバイスデザイニングについて説明する。
【００２５】
（基板のデザイニング）
第二基板１３は、光子吸収体としても機能するため、基板のタイプによって異なるエネルギーの光子を吸収することができる。従って、光検出器１０は、幅広い光領域の波長スペクトルに拡張可能である。
【００２６】
図３は、基板のタイプよる赤外光、可視光、紫外光の吸収係数を示した図である。シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、テルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）の３材料を基板として、赤外光、可視光、紫外光を照射した時の吸収係数を測定し、横軸は電子エネルギー［ｅＶ］、縦軸は吸収係数［ｃｍ−１］で示した。各材料の吸収係数スペクトルから、どの基板が用途に適しているかを判断することができる。赤外光域の検出にはＧｅ基板を使用するのが最も適しており、約２ｅＶの低エネルギー可視光域までその傾向は続く。この領域を超える紫外光域の高エネルギーの光子の検出には、Ｓｉ基板を使用するのが最も適している。
【００２７】
図４は、基板のタイプよるＸ線の光電吸収を示した図である。Ｓｉ、Ｇｅ、ｃｄＴｅの３材料を基板として、Ｘ線を照射した時の光電吸収として、横軸は電子エネルギー［ＭｅＶ］、縦軸は光電吸収［ｃｍ２／ｇ］で示した。ｋｅＶ領域の超高エネルギーの光子に対しては、特に１ｋｅＶから１０ｋｅＶの範囲ではＧｅが優れた性能を発揮している。ＳｉとＣｄＴｅはどちらも同等の性能を提供しているが、ＧｅとＳｉには、慣用性と定着性という利点がある。１００ｋｅＶ付近ではＨｉｇｈ−Ｚ材料であるＣｄＴｅが優れた性能を発揮している。Ｇｅもまだ合理的な性能を提供している。
【００２８】
以上より、光検出器１０のデザイニングは、アモルファスセレン層１２を積層させる第二基板１３のタイプの選択により、各アプリケーションに必要とされる光領域に適した性能を提供することができる。
【００２９】
（アモルファスセレン層の作製）
本形態のアモルファスセレン層１２は、回転蒸着法により作製するのが好適である。セレン（以下、Ｓｅ）は、例えば２〜３ｍｍサイズ、純度９９．９９９％のものを、三セレン化二ヒ素（以下、Ａｓ２Ｓｅ３）は、例えば粉末状、純度９９．９９９％（ヒ素）のものが好適であり、薬品メーカーなどから入手可能である。
【００３０】
次に、上記のＳｅとＡｓ２Ｓｅ３を用いて、アモルファスセレン層１２を作製する方法を示す。図５は、本形態で行った真空回転蒸着法の概略図である。なお、図５の回転蒸着法は一例であり、この他の蒸着法が採られることを否定しない。まず、洗浄済みのシリコンやガラスなどの基板１３をサンプルホルダー２１にセットする。次に、スリット２５を有するボート２２，２３を、それぞれＳｅ，Ａｓ２Ｓｅ３の蒸発源で満たし、それぞれのボート２２，２３を回転板２４の下にセットする。ボート２２，２３は電源と接続されており、抵抗加熱により温度を上げることができる。次に、ベルジャーの中を１×１０−６ Ｔｏｒｒ程度の真空度になるまで排気する。排気が完了したら、それぞれのボート２２，２３に４０Ａ, ４５Ａの電流を流し加熱する。回転板２４を例えば８０ＲＰＭで回転させ、加熱が安定した段階で、それぞれのボート２２，２３の上方に設置されているシャッターを開き、蒸着を開始する。膜厚は水晶発振器２６によりモニター可能である。層数は、回転板２４の回転数と一致する。膜厚はスリット２５の大きさを変えることで、層数は回転数を変更することで、制御できる。
【００３１】
図６に、図５の真空回転蒸着法により成膜したアモルファスセレン層１２を、飛行時間型二次イオン質量分析（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ）によって深さ方向の元素分析を行った結果を示す。横軸は試料表面からの分析深さ、縦軸は各元素に起因した信号強度を示す。この結果から、積層薄膜中の原子の濃度分布が明らかになる。図６に示すグラフより、Ｓｅ, Ａｓに起因した信号強度が、表面からの深さの増加とともに周期的に変化しており、回転蒸着法を用いることで、積層膜の作製が行われたことがわかる。
【００３２】
図７は、図５の回転蒸着法により作製された、アモルファスセレン（ａ−Ｓｅ）単体膜の、またアモルファス三セレン化二ヒ素（ａ−Ａｓ２Ｓｅ３）単体膜の、ＸＰＳスペクトルである。ａ−Ｓｅのスペクトルより、光検出器１０を構成するアモルファスセレン層１２は、蒸着源として用いる材料同様、セレンに起因したピーク(２３０ｅＶ，１６５ｅＶ，５５ｅＶ) を示し，他の元素は０．１％以下しか含まれていないことがわかる。一方、ａ−Ａｓ２Ｓｅ３のスペクトルより，光検出器１０を構成するアモルファスセレン層１２は、蒸着源として用いる材料同様、セレン，ヒ素に起因したピーク(Ｓｅ： ２３０ｅＶ，１６５ｅＶ，５５ｅＶ, Ａｓ： ２１０ｅＶ，１４５ｅＶ，４８ｅＶ) を示し，他の元素は０．１％以下しか含まれていないことがわかる。また、蒸着源と比較すると、一度熱により分解された後に堆積されているため、Ｃの汚染，また最表面の酸素終端の影響は軽減されていることがわかる。さらに，ＳｅとＡｓ２Ｓｅ３の化学量論的比（Stoichiometry）は、Ｓｅ：Ａｓ＝４：１程度であることが確認された。
【００３３】
以上の結果より、図５の蒸着法を用いることで、アモルファスセレン層１２は、炭素や酸化物の汚染がない状態で積層膜として作製することができ、かつ、層数を調整して作製することができる。
【００３４】
（アモルファスセレン層のデザイニング）
光検出器１０は、アモルファスセレン層１２の超格子量子トンネル乗算（Superlattice Quantum Tunneling Multiplication）により高利得を実現する。ＳｅおよびＡｓ２Ｓｅ３の超格子構造はミニバンドのエネルギー準位を形成する。電子や正孔などのキャリアは、これらのエネルギー準位を支配し、超格子構造の量子井戸バリアの間に閉じ込められている。キャリアがトンネリングする可能性は常にあるが、外部電場を印加することで、バリアの幅を小さくすることができ、量子井戸から量子井戸へ、電場方向へのトンネリング確率を高めることができる。
【００３５】
アモルファスセレン超格子中の正孔の場合、正孔はＡｓ２Ｓｅ３の量子井戸からＳｅのバリアを通ってトンネリングすることができる。図８に、これをモデル化したものを示す。すなわち、正孔ｈは、Ａｓ２Ｓｅ３の量子井戸のミニバンドからトンネルを通り、バンドの不一致からエネルギーを得て衝撃イオン化に利用し、より多くの正孔を生成する。
【００３６】
正孔がＳｅバリアを通過する際に、正孔が衝突して別の正孔を放出するのに十分な運動エネルギーが得られれば、衝突電離が可能となる。この過程で生じる乗算係数Ｍは、数式（１）で表される。
【００３７】
【数１】
0006887634.tif 000002
ここで、ｌはＳｅバリアのみの厚さである。各超格子構造は、ＳｅバリアとＡｓ２Ｓｅ３量子井戸で構成されており、アモルファスセレン超格子構造の総厚さは“２ＮＳＬｌ”となる。イオン化係数“αＳＬ”は、正孔が閾値エネルギーＥｔｈに到達して衝突電離を起こす確率を表す。厚さｌは量子的特徴を維持するために１０ｎｍ以下であり、イオン化係数“αＳＬ”は１０−４［ｍ−１］のオーダーである。これは、指数項が「１（unity）」に近似することを意味する。そこで、
【００３８】
【数２】
0006887634.tif 000003
数式（２）のように、乗算係数Ｍは、超格子構造の層数ＮＳＬに依存するため、アモルファスセレン超格子構造の層数ＮＳＬを制御することで、光検出器１０の性能カスタマイズが可能であることを意味する。
【００３９】
感度や応答性、量子効率は、光検出器１０の性能を評価するために使用される数字の例である。波長λにおける感度Ｓは数式（３）のように計算される。
【００４０】
【数３】
0006887634.tif 000004
ここで、Ｐはその波長λでの入射光電力、ＩＣは受光素子からの集電電流である。感度と量子効率ηは、数式（４）のように関連している。
【００４１】
【数４】
0006887634.tif 000005
ここで、λは単位［ｎｍ］を持つ。
【００４２】
波長λと入射光電力Ｐ [Ｗ／ｍ２]を持つ入射光は、数式（５）のように計算された光子量Ｎ０を運ぶ。
【００４３】
【数５】
0006887634.tif 000006
ここで、ｈはプランク定数、ｃは光速である。
これらの光子は、光検出器１０の活性領域Ａ［ｍ２］に電子Ｎ００と正孔のペアを生み出す。電子Ｎ００と光子量ＮＯの関係式は数式（６）である。
【００４４】
【数６】
0006887634.tif 000007
これらのキャリアに起因する結果として生じる電流“ＩＰｈ”は、数式（７）である。
【００４５】
【数７】
0006887634.tif 000008
ここで、ｑは基本電子電荷である。
【００４６】
一般に、検出器には特徴的な暗電流ＩＤがある。アモルファスセレン層１２による信号増幅効果を持つ本形態の光検出器１０は、バイアス電圧がデバイスに印加されると光電流を乗算する。したがって、集電電流ＩＣは数式（８）のように乗算係数Ｍを持っている。
【００４７】
【数８】
0006887634.tif 000009
そして、アプリケーションの要件に応じて、波長λとその波長での入射光電力Ｐが分かるので、電流ＩＰｈが得られる。アプリケーションの要件に応じて、デバイスの暗電流ＩＤも決定され、外部回路に必要な電流を使用して、集電電流ＩＣも選択される。従って、数式（８）から、必要な利得である、乗算係数Ｍは数式（９）で決定される。
【００４８】
【数９】
0006887634.tif 000010
数式（７）を用いると、数式（９）は数式（１０）と書ける。
【００４９】
【数１０】
0006887634.tif 000011
ここで、数式（２）の関係があるため、乗算係数Ｍを求めることで、アモルファスセレン超格子構造の層数ＮＳＬを決定することができる。
【００５０】
また、デバイスを動作させるためには電圧を印加する必要がある。本形態の光検出器１０，１０´では、
（１）入射光によって生成された電子-正孔対の再結合を防ぐため（分離）の電圧
（２）アモルファスセレン層１２内で，キャリア増倍を起こさせるために必要な電圧／電界
（３）これらのキャリアをデバイスに設置した電極まで輸送するために必要な電圧
の三種類の電圧が必要である。通常、これらの三種類の電圧のうち，最も高いことが想定される（２）を超える電圧（以下、閾値電圧と称する。）を印加することが必要となる。
【００５１】
以上の通り、量子力学的に、超格子量子トンネル乗算（Superlattice Quantum Tunneling Multiplication）を考察することにより、数式（１０）が得られた。したがって、アプリケーションの要件に応じて、数式（１０）のファクターＩＣ，ＩＤ，Ｎ００は決定できることから、必要な乗算係数Ｍを求めることができる。そして、乗算係数Ｍを求めることで、アプリケーションの要件を満たすための、アモルファスセレン層１２を構成するアモルファスセレン超格子構造の層数ＮＳＬを決定することができる。
【００５２】
但し、第２の実施形態に係る光検出器１０´の場合は、ダイヤモンド冷陰極層１８と真空ギャップ１７を持つことによって可能になった低暗電流（高入力インピーダンス）により、乗算係数Ｍは、実験的なＭ（exp）が計算的な乗算係数Ｍ（cal）より大きくなる可能性がある。電界放出電流は、アモルファスセレン層（アモルファスＳｅ陽極）１２とダイヤモンド冷陰極層１８の間に閾値電位差がない限り、無視できるほど小さくなる。したがって、ダイヤモンド冷陰極層１８と真空ギャップ１７を使用した場合は、入力インピーダンスの増加を考慮して、計算的な乗算係数Ｍ（cal）は、数式（１１）の通り修正係数γを掛け合わせる必要がある。
【００５３】
【数１１】
0006887634.tif 000012
【００５４】
＜実施例＞
次に、アプリケーション要件を想定して、デバイスデザイニングを行った。
【００５５】
なお、このデバイスデザイニングは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのＰＬＤ（Programmable Logic Device）などの電子回路によりソフトウェア的に構成することもできる。該電子回路で構成されるプログラムは、与えられた要件に従って、上記計算に必要な各ファクターの数値を記憶した記憶装置から数値を読み出し、光検出器の形態、層の設計、基板を組み合わせ、アプリケーションが所望する性能を実現するデバイスデザイニングを行う。
【００５６】
（実施例１）
（緑色光の光検出器）
要件：このアプリケーションでは、５μＷ／ｃｍ２の最小入射光電力で波長５２０ｎｍの緑色光（可視光）を検出する必要があるものとする。光検出器として第１実施形態の光検出器１０（撮像素子）を採用する。光検出器に接続された外部読み出し回路は、少なくとも１５０ｎＡの電流を必要とする。このアプリケーションは、５０ｎＡまでの暗電流を許容する。
【００５７】
λ＝５２０ｎｍの単一光子エネルギーＥは、数式（１２）の通り求められる。
【００５８】
【数１２】
0006887634.tif 000013
同光子エネルギーＥがＰ＝５μＷ／ｃｍ２の光検出器に１ｍｍ２の活性面積で入射した場合、電子（光子数）Ｎ００は数式（１３）の通り求められる。
【００５９】
【数１３】
0006887634.tif 000014
ここで、要件から、集電電流ＩＣは１５０、暗電流ＩＤは５０となる。数式（１０）を用いると、計算的な乗算係数Ｍ（cal）は数式（１４）の通り求められる。
【００６０】
【数１４】
0006887634.tif 000015
したがって、数式（２）から、上記の要件を満たす光検出器１０は、アモルファスセレン超格子構造は少なくとも“５”の層を持つ必要がある。ここで、Ｓｅバリアのみの厚さｌは８ｎｍである。乗算はＳｅバリアでのみ発生する。各超格子は、Ｓｅバリア（８ｎｍ）とＡｓ２Ｓｅ３量子井戸（同じく８ｎｍ）で構成されているから、一層当たりのアモルファスセレン超格子構造の厚さは１６ｎｍになる。以上から、本アプリケーションのために必要なアモルファスセレン層１２の膜厚（アモルファスセレン超格子構造の総厚さ）は、少なくとも、１６ｎｍ×５層（または、２×８ｎｍ×５層としても良い）＝８０ｎｍとなる。
【００６１】
（実施例２）
（青色光の光検出器）
要件：このアプリケーションでは、５μＷ／ｃｍ２の最小入射光電力で波長４７０ｎｍの青色光（可視光）を検出する必要がある。光検出器として第１実施形態の光検出器１０（撮像素子）を採用する。光検出器に接続された外部読み出し回路は、少なくとも２００ｎＡの電流を必要とする。このアプリケーションは、５０ｎＡまでの暗電流を許容する。
【００６２】
λ＝４７０ｎｍの単一光子エネルギーＥは、数式（１５）の通り求められる。
【００６３】
【数１５】
0006887634.tif 000016
同光子エネルギーＥがＰ＝５μＷ／ｃｍ２の光検出器に１ｍｍ２の活性面積で入射した場合、光子数Ｎ００は数式（１６）の通り求められる。
【００６４】
【数１６】
0006887634.tif 000017
ここで、要件から、集電電流ＩＣは２００、暗電流ＩＤは５０となる。数式（１０）を用いると、計算的な乗算係数Ｍ（cal）は数式（１７）の通り求められる。
【００６５】
【数１７】
0006887634.tif 000018
したがって、数式（２）から、上記の要件を満たす光検出器１０は、アモルファスセレン超格子の構造は少なくとも“８”の層を持つ必要がある。一層当たりのアモルファスセレン超格子構造の厚さは１６ｎｍであるから、本アプリケーションのために必要なアモルファスセレン層１２の膜厚（アモルファスセレン超格子構造の総厚さ）は、少なくとも、１６ｎｍ×８層（または、２×８ｎｍ×８層としても良い）＝１２８ｎｍとなる。
【００６６】
（実施例３）
（紫外光の光検出器）
要件：このアプリケーションでは、紫外光ＬＥＤは波長３７５ｎｍで１５ｍＷ/ｍ２の入射パワーを提供する。光検出器として第２実施形態の光検出器１０´（真空撮像装置）を採用する。光検出器に接続された外部読み出し回路は少なくとも１００ｎＡの電流を必要とする。このアプリケーションは１ｎＡまでの暗電流を許容する。ダイヤモンド冷陰極層１８からの活性領域Ａは１００μｍの正方形である。
【００６７】
λ＝波長３７５ｎｍの光子エネルギーＥは、数式（１８）の通り求められる。
【００６８】
【数１８】
0006887634.tif 000019
同光子エネルギーＥがＰ＝１５ｍＷ/ｍ２の光検出器に０．０１ｍｍ２の活性面積で入射した場合、光子数Ｎ００は数式（１９）の通り求められる。
【００６９】
【数１９】
0006887634.tif 000020
ここで、要件から、集電電流ＩＣは１００、暗電流ＩＤは１となる。数式（１０）を用いると、計算的な乗算係数Ｍ（cal）は数式（２０）の通り求められる。
【００７０】
【数２０】
0006887634.tif 000021
したがって、数式（２）から、上記要件を満たす光検出器１０´は、アモルファスセレン超格子の構造は少なくとも“１０４”の層を持つ必要がある。一層当たりのアモルファスセレン超格子構造の厚さは１６ｎｍであるから、本アプリケーションのために必要なアモルファスセレン層１２の膜厚（アモルファスセレン超格子構造の総厚さ）は、少なくとも、１６ｎｍ×１０４層（または、２×８ｎｍ×１０４層としても良い）＝１６６４ｎｍとなる。
【００７１】
（実施例４）
（Ｘ線の光検出器）
要件：このアプリケーションでは、７．５ｍＷ／ｍ２の最小入射光電力でＸ線を検出する必要があるものとする。光検出器として第１実施形態の光検出器１０（撮像素子）を採用する。光検出器に接続された外部読み出し回路は、少なくとも５ｎＡの電流を必要とする。このアプリケーションは、３ｎＡまでの暗電流を許容する。厚さ５００μｍのＳｉ層の３０ｋｅＶにおける吸収係数は０．１４であり、Ｓｉのイオン化係数αＳＬは３．６ｅＶである。
【００７２】
Ｘ線の場合、エネルギーＥはｅＶで既に与えられているため、ジュールに変換する必要がある。Ｘ線のエネルギーＥは数式（２１）の通り求められる。
【００７３】
【数２１】
0006887634.tif 000022
イオン化係数と吸収係数、タングステンチップからの活性面積１００μｍ２を調整すると、Ｓｉ吸収体に発生する光子数Ｎ００は数式（２２）の通り求められる。
【００７４】
【数２２】
0006887634.tif 000023
ここで、要件から、集電電流ＩＣは５、暗電流ＩＤは３となる。数式（１０）を用いると、計算的な乗算係数Ｍ（cal）は数式（２３）の通り求められる。
【００７５】
【数２３】
0006887634.tif 000024
したがって、数式（２）から、上記の要件を満たす光検出器１０は、アモルファスセレン超格子の構造は少なくとも“８３”の層を持つ必要がある。一層当たりのアモルファスセレン超格子構造の厚さは１６ｎｍであるから、本アプリケーションのために必要なアモルファスセレン層１２の膜厚（アモルファスセレン超格子構造の総厚さ）は、少なくとも、１６ｎｍ×８３層（または、２×８ｎｍ×８３層としても良い）＝１３３０ｎｍとなる。
【００７６】
（実施例５）
（赤外光の光検出器）
要件：このアプリケーションでは、５μＷ／ｃｍ２の最小入射光電力で波長９４０ｎｍの赤外光を検出する必要があるものとする。光検出器として第１実施形態の光検出器１０（撮像素子）を採用する。光検出器に接続された外部読み出し回路は、少なくとも２５０ｎＡの電流を必要とする。このアプリケーションは、５０ｎＡまでの暗電流を許容する。
【００７７】
λ＝９４０ｎｍの単一光子エネルギーＥは、数式（２４）の通り求められる。
【００７８】
【数２４】
0006887634.tif 000025
同光子エネルギーＥがＰ＝５μＷ／ｃｍ２の光検出器に１ｍｍ２の活性面積で入射した場合、光子数Ｎ００は数式（２５）の通り求められる。
【００７９】
【数２５】
0006887634.tif 000026
ここで、要件から、集電電流ＩＣは２５０、暗電流ＩＤは５０となる。数式（１０）を用いると、計算的な乗算係数Ｍ（cal）は数式（２６）の通り求められる。
【００８０】
【数２６】
0006887634.tif 000027
したがって、数式（２）から、上記要件を満たす光検出器１０は、アモルファスセレン超格子の構造は少なくとも“５”の層を持つ必要がある。一層当たりのアモルファスセレン超格子構造の厚さは１６ｎｍであるから、本アプリケーションのために必要なアモルファスセレン層１２の膜厚（アモルファスセレン超格子構造の総厚さ）は、少なくとも、１６ｎｍ×５層（または、２×８ｎｍ×５層としても良い）＝８０ｎｍとなる。
【００８１】
（検証）
上記の立証のために、いくつかのパターンについて実験を行った。
【００８２】
（実験１）
緑色光の光検出器：デバイスの構成図を図９に示す。光検出器は撮像素子の形態（１０）を選択した。デバイスは、透明電極１４を備える第一基板１１と、アモルファスセレン層１２と、第二基板１３を備えた。アプリケーションの対象が可視光域であるため、第二基板１３にはｎ型Ｓｉ基板を選択した。アモルファスセレン層１２は、計算的な乗算係数Ｍ≒５の結果から「５層」の超格子構造を回転蒸着法により作製した。その後、５２０ｎｍの緑色光を光照射５μＷ／ｃｍ２の電力下で照射し、電流電圧特性を用いて受光素子を測定した。その結果を図１０に示す。縦軸は流した電流［Ａ］、横軸はその時の電圧変化［Ｖ］である。
【００８３】
図１０の「Ｇｒｅｅｎ」のグラフからＩＣを、「Ｄａｒｋ」のグラフからＩＤを求めた。その際、「アモルファスセレン層のデザイニング」で示した閾値電圧の存在から、正常な動作モードに入る蓋然性が高い、閾値電圧１４Ｖから１５Ｖの活性化領域（図１０の符号Ａ）の値を使用した。光子数Ｎ００も同様に光パワーＰと活性領域Ａから求めた。図９に示す通り、本形態の光検出器には真空ギャップがないので、γ＝１とした。
【００８４】
以上の要素から求められた実験的なＭ（exp）は、５．５〜７．５となった。これらの値は、Ｍ≒５を予測した、計算的なＭ（cal）と非常によく一致している。
【００８５】
（実験２）
青色光の光検出器：デバイスの構成図を図１１に示す。光検出器は撮像素子の形態（１０）を選択した。デバイスは、透明電極１４を備える第一基板１１と、アモルファスセレン層１２と、第二基板１３を備えた。アプリケーションの対象が可視光域であるため、第二基板１３にはｎ型Ｓｉ基板を選択した。アモルファスセレン層１２は、計算的な乗算係数Ｍ≒８の結果から「８層」の超格子構造を回転蒸着法により作製した。その後、４７０ｎｍの青色光を光照射５μＷ／ｃｍ２の電力下で照射し、電流電圧特性を用いて受光素子を測定した。その結果を図１２に示す。縦軸は流した電流［Ａ］、横軸はその時の電圧変化［Ｖ］である。
【００８６】
図１２の「Ｂｌｕｅ」のグラフからＩＣを、「Ｄａｒｋ」のグラフからＩＤを求めた。その際、「アモルファスセレン層のデザイニング」で示した閾値電圧の存在から、正常な動作モードに入る蓋然性が高い、閾値電圧１４Ｖから１５Ｖの活性化領域（図１２の符号Ａ）の値を使用した。光子数Ｎ００も同様に光パワーＰと活性領域Ａから求めた。図１１に示す通り、本形態の光検出器には真空ギャップがないので、γ＝１とした。
【００８７】
以上の要素から求められた実験的なＭ（exp）は、７〜１２となった。これらの値は、Ｍ≒８を予測した、計算的なＭ（cal）と非常によく一致している。
【００８８】
（実験３）
紫外光の光検出器：デバイスの構成図を図１３に示す。光検出器は真空撮像装置の形態（１０´）を選択した。デバイスは、透明電極１４を備えるガラス基板１１と、アモルファスセレン層１２（陽極層）と、６０ｕｍの真空ギャップ１７と、窒素ドープダイヤモンド冷陰極層１８とを備えた。アモルファスセレン層１２は、計算的な乗算係数Ｍ≒１０４の結果から「１０４層」の超格子構造を回転蒸着法により作製した。その後、３７５ｎｍの紫外線を光照射１５ｍＷ/ｍ２の電力下で照射し、電流電圧特性を用いて受光素子を測定した。その結果を図１４に示す。縦軸は流した電流［Ａ］、横軸はその時の電圧変化［Ｖ］である。
【００８９】
図１４の「ＵＶ」のグラフからＩＣを、「Ｄａｒｋ」のグラフからＩＤを求めた。その際、「アモルファスセレン層のデザイニング」で示した閾値電圧の存在から、正常な動作モードに入る蓋然性が高い、閾値電圧４００Ｖから４５０Ｖの活性化領域（図１４の符号Ａ）の値を使用した。光子数Ｎ００も同様に光パワーＰと活性領域Ａから求めた。
【００９０】
以上の要素から求められた実験的なＭ（exp）は、１１００となった。これは、計算的なＭ（cal）の１０４よりも大幅に大きい。しかし、光検出器１０´は真空ギャップ１７を持つから、乗算係数Ｍは数式（１１）より補正される。ダイヤモンド冷陰極層１８の真空ギャップ１７に対するエミッション電流の依存性は、例えば、K. Okano et al., Electron emission from N-doped homoepitaxially grown diamond, Journal of Applied Physics 92:4, 2194-2197  で報告されている。この結果から、６０ｕｍの真空ギャップ１７では入力インピーダンスが γ≒１０ 倍に増加し、計算的なＭ（cal）は、１０４０になる。これは、実験的なＭ（exp）の１１００とよく一致している。
【００９１】
（実験４）
Ｘ線の光検出器：デバイスの構成図を図１５に示す。光検出器は撮像素子の形態（１０）を選択した。デバイスは、透明電極１４を備える第一基板１１と、アモルファスセレン層１２と、第二基板１３を備えた。アプリケーションの対象がＸ線であるため、第二基板１３には厚さ５００μｍのｎ型Ｓｉ基板を選択した。アモルファスセレン層１２は、計算的な乗算係数Ｍ≒８３の結果から「８３層」の超格子構造を回転蒸着法により作製した。その後、Ｘ線を光照射７．５ｍＷ／ｍ２の電力下で照射し、電流電圧特性を用いて受光素子を測定した。その結果を図１６に示す。縦軸は流した電流［Ａ］、横軸はその時の電圧変化［Ｖ］である。
【００９２】
図１６の「Ｘ−ｒａｙ」のグラフからＩＣを、「Ｄａｒｋ」のグラフからＩＤを求めた。その際、「アモルファスセレン層のデザイニング」で示した閾値電圧の存在から、正常な動作モードに入る蓋然性が高い、閾値電圧７５Ｖから８５Ｖの活性化領域（図１６の符号Ａ）の値を使用した。光子数Ｎ００も同様に光パワーＰと活性領域Ａから求めた。図１５に示す通り、本形態の光検出器には真空ギャップがないので、γ＝１とした。
【００９３】
以上の要素から求められた実験的なＭ（exp）は、６８〜１０６となった。これらの値は、Ｍ≒８３を予測した計算的なＭ（cal）と合理的に一致している。
【００９４】
以上の検証実験から、本形態で提唱する量子力学的なデバイスデザイニングが良好に実現されることが確認できた。
【００９５】
したがって、本発明によれば、アプリケーションが所望する要件に合う光電変換膜（アモルファスセレン層）の厚さを、量子力学的に、容易に設計することができる。そして、その光電変換膜を基板と組み合わせることにより、Ｘ線、紫外光、可視光、赤外光の広波長領域において良好に光検出することが可能であり、アプリケーションの要件に合わせた性能を持つデバイスを容易にデザインすることができる。
【００９６】
なお、上記の実施の形態において、セレンの代替として、三方晶系セレン (Trigonal Selenium)，単斜晶系セレン (monoclinic selenium)，菱面体晶系セレン (Rhombohedric selenium)，またはガラス状セレン (Vitreous selenium)を、三セレン化二ヒ素の代替として、Ａｓ２Ｓ３（三硫化二ヒ素），Ｓｂ２Ｓｅ３（三セレン化二アンチモン），Ａｓ２Ｔｅ３（三テルル化二ヒ素），Ｐ２Ｓｅ３（Diphosphorus triselenide)，ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム），ＣｄＳｅ（セレン化カドミウム），ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛），ＺｎＴｅ (テルル化亜鉛），ＰｂＳｅ（セレン化鉛），ＧａＡｓ（ガリウムヒ素），ＧａＰ (ガリウムリン），ＧａＳｅ（セレン化ガリウム），ＡｌＡｓ（ヒ化アルミニウム），Ｉｎ２Ｓｅ３（セレン化インジウム），Ｓｅ３Ｔｌ２（セレン化二タリウム），ＡｌＰ（アルミニウムリン），ＩｎＰ（インジウムリン），ＡｌＳｂ（アルミニウムアンチモン），ＧａＳｂ（ガリウムアンチモン），ＩｎＡｓ（インジウムヒ素），ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）を用いるのも好適であり、これらにより作製されたアモルファスセレン層および光検出器も本発明の範疇に含まれるものと解する。
【符号の説明】
【００９７】
１０，１０´  光検出器
１１  第一基板
１２  アモルファスセレン層（光電変換膜）
１３  第二基板
１４  透明電極
１５  通過孔
１６  読み出し回路
１７  真空ギャップ
１８  冷陰極
２１  サンプルホルダー
２２  ボート（Ｓｅ）
２３  ボート（Ａｓ２Ｓｅ３）
２４  回転板
２５  スリット
２６  水晶発振器
【要約】
量子力学に基づいて光電変換膜（アモルファスセレン層）を設計することで、所望の性能を実現するデバイスを容易に設計する、デバイスデザイニングを提供する。上記課題を解決するために、アモルファスセレンを主体とした超格子構造を有する光電変換膜を有する光検出器を搭載するアプリケーションの要件に応じて、前記光検出器の形態を決定するステップと、前記アプリケーション要件に合う基板（13）の種類を決定するステップと、前記超格子構造におけるトンネリングの過程で生じる増幅利得を表す乗算係数（Ｍ）を算出するステップと、前記乗算係数Ｍが前記超格子構造の層数（ＮＳＬ）と近似するとして、前記超格子構造の一層当たりの厚さに前記層数ＮＳＬを掛け合わせた厚みを前記光電変換膜（12）の膜厚と決定するステップと、により光検出器（10,10´）を設計する。【図１】
0006887634.tif 000029
【図２】
0006887634.tif 000030
【図３】
0006887634.tif 000031
【図４】
0006887634.tif 000032
【図５】
0006887634.tif 000033
【図６】
0006887634.tif 000034
【図７】
0006887634.tif 000035
【図８】
0006887634.tif 000036
【図９】
0006887634.tif 000037
【図１０】
0006887634.tif 000038
【図１１】
0006887634.tif 000039
【図１２】
0006887634.tif 000040
【図１３】
0006887634.tif 000041
【図１４】
0006887634.tif 000042
【図１５】
0006887634.tif 000043
【図１６】
0006887634.tif 000044