特許 6952148 光検出器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6952148

(24)【登録日】2021年9月29日

(45)【発行日】2021年10月20日

(54)【発明の名称】光検出器

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20211011BHJP

【ＦＩ】

   H01L31/10 H

   H01L31/10 A

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2020-33010(P2020-33010)

(22)【出願日】2020年2月28日

(65)【公開番号】特開2021-77846(P2021-77846A)

(43)【公開日】2021年5月20日

【審査請求日】2020年2月28日

(31)【優先権主張番号】201911089315.7

(32)【優先日】2019年11月8日

(33)【優先権主張国】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】598098331

【氏名又は名称】ツィンファ ユニバーシティ

(73)【特許権者】

【識別番号】500080546

【氏名又は名称】鴻海精密工業股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＨＯＮ ＨＡＩ ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＩＮＤＵＳＴＲＹ ＣＯ．，ＬＴＤ．

(74)【代理人】

【識別番号】110002848

【氏名又は名称】特許業務法人ＳＢＰＪ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】張 金

(72)【発明者】

【氏名】魏 洋

(72)【発明者】

【氏名】▲ハン▼ 守善

【審査官】 桂城 厚

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１８−１９８３１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−００６７５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１１６６１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１７１９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−００６７５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／０９９６４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１８／０００６２５５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 中国特許出願公開第１０７５６４９４８（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３１／００−３１／０３９２

Ｈ０１Ｌ ３１／０８−３１／１１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体素子、第一電極、第二電極及び電流検出素子を含む光検出器において、前記半導体素子、前記第一電極、前記第二電極及び前記電流検出素子が互いに電気的に接続されて、回路が形成され、
前記半導体素子は、第一カーボンナノチューブと、半導体層と、第二カーボンナノチューブと、を含み、
前記半導体層はｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含み、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層は積層して設置され、前記半導体層が第一表面及び第二表面を有し、前記第一表面及び前記第二表面が対向して設置され、
前記第一カーボンナノチューブは前記第一表面に設置され、且つ前記第一表面と直接に接触され、前記第一カーボンナノチューブは前記第一電極と電気的に接続され、
前記第二カーボンナノチューブは前記第二表面に設置され、且つ前記第二表面と直接に接触され、前記第二カーボンナノチューブは前記第二電極と電気的に接続され、
前記第一カーボンナノチューブ及び前記第二カーボンナノチューブは交差して設置され、前記第一カーボンナノチューブ、前記半導体層及び前記第二カーボンナノチューブは順に積層して設置されて、多層構造体が形成され、
第三電極及び絶縁層をさらに備え、
前記第三電極、前記絶縁層及び前記半導体素子が順次積層され、
前記第三電極の電圧を変更して、前記半導体層に形成されたヘテロ接合を、ｐｎ接合とｎｎ接合との間で切り替え、前記光検出器の動作モードを、走査光電流がドット状に検出されるドットモードと走査光電流が線状に検出される線モードとの間で切り替える切り替え部を備えることを特徴とする光検出器。

【請求項2】

前記第一カーボンナノチューブ及び前記第二カーボンナノチューブは金属性のカーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項１に記載の光検出器。

【請求項3】

前記第一カーボンナノチューブ及び前記第二カーボンナノチューブは内殻カーボンナノチューブであることを特徴とする、請求項１に記載の光検出器。

【請求項4】

前記多層構造体の横方向断面の面積は１ｎｍ^２〜１００ｎｍ^２であることを特徴とする、請求項１に記載の光検出器。

【請求項5】

前記第一カーボンナノチューブの延伸方向と前記第二カーボンナノチューブの延伸方向とは互いに垂直であることを特徴とする、請求項１に記載の光検出器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光検出器に関する。

【背景技術】

【0002】

光検出器は、光エネルギーを検出する部品である。一般的に、光検出器の作動原理は、光電効果に基づくものである。材料が光エネルギーを吸収した後、材料の電気性能が変わるので、光線の有無及び光エネルギーの大きさを検出できる。半導体部品が光検出器にますます多く応用されてきている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0003】

しかしながら、技術レベルに制限されるため、光検出器が単一なモードで使われ、光検出器の応用範囲に影響を及ぼすこととなる。

【0004】

これによって、三つのモードで使われる新型の光検出器を提供する必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

半導体素子、第一電極、第二電極及び電流検出素子を含む光検出器において、前記半導体素子、前記第一電極、前記第二電極及び前記電流検出素子が互いに電気的に接続されて、回路が形成され、前記半導体素子は、第一カーボンナノチューブと、半導体層と、第二カーボンナノチューブと、を含み、前記半導体層はｎ型半導体層とｐ型半導体層とを含み、前記ｎ型半導体層と前記ｐ型半導体層は積層して設置され、前記半導体層が第一表面及び第二表面を有し、前記第一表面及び前記第二表面が対向して設置され、前記第一カーボンナノチューブは前記第一表面に設置され、且つ前記第一表面と直接に接触され、前記第一カーボンナノチューブは前記第一電極と電気的に接続され、前記第二カーボンナノチューブは前記第二表面に設置され、且つ前記第二表面と直接に接触され、前記第二カーボンナノチューブは前記第二電極と電気的に接続され、前記第一カーボンナノチューブ及び前記第二カーボンナノチューブは交差して設置され、前記第一カーボンナノチューブ、前記半導体層及び前記第二カーボンナノチューブは順に積層して設置されて、多層構造体が形成される。

【0006】

前記第一カーボンナノチューブ及び前記第二カーボンナノチューブは金属性のカーボンナノチューブである。

【0007】

前記第一カーボンナノチューブ及び前記第二カーボンナノチューブは内殻カーボンナノチューブである。

【0008】

前記多層構造体の横方向断面の面積は１ｎｍ^２〜１００ｎｍ^２である。

【0009】

前記第一カーボンナノチューブの延伸方向と前記第二カーボンナノチューブの延伸方向とは互いに垂直である

【発明の効果】

【0010】

従来技術と比べて、本発明の光検出器の半導体素子は、２本のカーボンナノチューブが交差して、垂直ｐｎ接合を有する２次元半導体層を挟み込んで形成され、２本のカーボンナノチューブが電極として用いられる。２本のカーボンナノチューブが電極として用いられる際の電界シールドは弱く、垂直ポイントｐｎ接合の漏れ電流は低く、且つカーボンナノチューブとヘテロ接合のナノ材料とのドーピングを電界によって容易に調整できる。電界の変調によって、カーボンナノチューブとｐｎ接合の材料とのドーピング状態を変化させる。これにより、光検出器は、電界変調で半導体層に形成されたヘテロ接合をｐｎ接合とｎｎ接合との間で切り替えることができるため、光検出器は３つの異なるモードで動作することができる。これは、ナノエレクトロニクス及びナノオプトエレクトロニクスの将来において非常に重要である。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の第一実施例の光検出器の構造を示す図である。

【図2】本発明の第一実施例の光検出器における半導体素子の側面を示す図である。

【図3】本発明の第二実施例の光検出器の構造を示す図である。

【図4】本発明の第二実施例の光検出器における半導体素子の側面を示す図である。

【図5】本発明の第二実施例において、異なるゲート電圧で光検出器の走査光電流顕微鏡写真である。

【図6】本発明の第二実施例の光検出器の光応答性能グラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

【0013】

図１を参照すると、本発明の第一実施例は、光検出器１０を提供する。光検出器１０は、半導体素子１００、第一電極２０２、第二電極２０４及び電流検出素子２１２を含む。半導体素子１００、第一電極２０２、第二電極２０４及び電流検出素子２１２が互いに電気的に接続されて、回路が形成される。

【0014】

半導体素子１００は、第一カーボンナノチューブ１０２、半導体層１０４及び第二カーボンナノチューブ１０６を含む。半導体層１０４が第一カーボンナノチューブ１０２と第二カーボンナノチューブ１０６との間に設置される。半導体層１０４が第一表面（図示せず）及び第二表面（図示せず）を含み、第一表面及び第二表面が対向して設置される。第一カーボンナノチューブ１０２が半導体層１０４の第一表面に設置され、且つ第一表面と直接に接触される。第二カーボンナノチューブ１０６が半導体層１０４の第二表面に設置され、且つ第二表面と直接に接触される。半導体層１０４がｎ型半導体層１０４２及びｐ型半導体層１０４４を含む。ｐ型半導体層１０４４及びｎ型半導体層１０４２が積層して設置される。ｐ型半導体層１０４４及びｎ型半導体層１０４２がそれぞれ二次元材料である。二次元材料とは、電子がナノメートルスケール（１〜１００ｎｍ）の二次元のみで自由に移動（平面移動）できる材料を指す。例えば、二次元材料は、ナノフィルム、超格子、量子井戸などであってもよい。第一カーボンナノチューブ１０２の延伸方向と第二カーボンナノチューブ１０６の延伸方向とは交差して設置される。

【0015】

第一カーボンナノチューブ１０２が金属性のカーボンナノチューブである。第一カーボンナノチューブ１０２は、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、または多層カーボンナノチューブであってもよい。 第一カーボンナノチューブ１０２の直径は制限されず、０．５ｎｍ〜１００ｎｍであってもよい。一つの例において、第一カーボンナノチューブ１０２の直径は０．５ｎｍ〜１０ｎｍである。 好ましくは、第一カーボンナノチューブ１０２は単層カーボンナノチューブであり、その直径が０．５ｎｍ〜２ｎｍである。本実施例において、第一カーボンナノチューブ１０２の直径が１ｎｍである。

【0016】

本実施例において、第一カーボンナノチューブ１０２は内殻カーボンナノチューブである。内殻カーボンナノチューブとは、二層カーボンナノチューブまたは多層カーボンナノチューブの最も内側のカーボンナノチューブを指す。内殻カーボンナノチューブは、超長二層カーボンナノチューブまたは超長多層カーボンナノチューブから引き抜くことにより得られる。超長二層カーボンナノチューブまたは超長多層カーボンナノチューブとは、長さが１５０ミクロン以上の二層カーボンナノチューブまたは多層カーボンナノチューブである。具体的に、超長二層カーボンナノチューブまたは超長多層カーボンナノチューブの両端を伸ばして、超長二層カーボンナノチューブまたは超長多層カーボンナノチューブの外壁をすべて破損させると、超長二層カーボンナノチューブまたは超長多層カーボンナノチューブの中央部にある最も内側のカーボンナノチューブ（すなわち、内殻カーボンナノチューブ）のみが残される。内殻カーボンナノチューブの表面がきれいであり、その表面に不純物がないため、第一カーボンナノチューブ１０２は半導体層１０４と良好に接触することができる。もちろん、第一カーボンナノチューブ１０２は内殻カーボンナノチューブに制限されず、他の単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブまたは多層カーボンナノチューブであってもよい。 半導体層１０４の第一表面に、１つの第一カーボンナノチューブ１０２のみが設置される。

【0017】

半導体層１０４には、ｎ型半導体層１０４２とｐ型半導体層１０４４が積層して設置され、半導体層１０４に垂直な方向にｐｎ接合が形成される。半導体層１０４は二次元層状構造であり、その厚さはナノスケールである。 半導体層１０４の厚さが大きすぎると、半導体素子１００の電流変調効果が制限される場合がある。好ましくは、半導体層１０４の厚さが１ナノメートル〜２００ナノメートルである。好ましくは、ｎ型半導体層１０４２の厚さが０．５ナノメートル〜１００ナノメートルである。好ましくは、ｐ型半導体層１０４４の厚さが０．５ナノメートル〜１００ナノメートルである。さらに好ましくは、ｎ型半導体層１０４２の厚さが０．５ナノメートル〜５０ナノメートルであり、ｐ型半導体層１０４４の厚さが０．５ナノメートル〜５０ナノメートルである。本実施例において、ｎ型半導体層１０４２は第一カーボンナノチューブ１０２と直接に接触され、ｐ型半導体層１０４４は第二カーボンナノチューブ１０６と直接に接触される。 他の実施例では、ｎ型半導体層１０４２は第二カーボンナノチューブ１０６と直接に接触され、ｐ型半導体層１０４４は第一カーボンナノチューブ１０２と直接に接触される。

【0018】

ｐ型半導体層１０４４及びｎ型半導体層１０４２の材料が制限されず、無機化合物半導体、元素半導体、有機半導体又はこれらの材料がドープされた材料でもよい。本実施例において、ｐ型半導体層１０４４の材料がセレン化タングステン（ＷＳｅ_２）であり、その厚さが１４ナノメートルであり、ｎ型半導体層１０４２の材料が硫化モリブデン（Ｍ_ＯＳ_２）であり、その厚さが１６ナノメートルである。もう一つの例において、ｐ型半導体層１０４４の材料がセレン化タングステン（ＷＳｅ_２）であり、その厚さが７６ナノメートルであり、ｎ型半導体層１０４２の材料が硫化モリブデン（Ｍ_ＯＳ_２）であり、その厚さが７６ナノメートルである。

【0019】

第二カーボンナノチューブ１０６が金属性のカーボンナノチューブである。第二カーボンナノチューブ１０６は、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、または多層カーボンナノチューブであってもよい。第二カーボンナノチューブ１０６の直径は制限されず、０．５ｎｍ〜１００ｎｍであってもよい。一つの例において、第二カーボンナノチューブ１０６の直径は０．５ｎｍ〜１０ｎｍである。 好ましくは、第二カーボンナノチューブ１０６は単層カーボンナノチューブであり、その直径が０．５ｎｍ〜２ｎｍである。本実施例において、第二カーボンナノチューブ１０６の直径が１ｎｍである。本実施例において、第二カーボンナノチューブ１０６は内殻カーボンナノチューブである。内殻カーボンナノチューブの表面がきれいであり、その表面に不純物がないため、第二カーボンナノチューブ１０６は半導体層１０４と良好に接触することができる。もちろん、第二カーボンナノチューブ１０６は内殻カーボンナノチューブに制限されず、他の単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブまたは多層カーボンナノチューブであってもよい。第二カーボンナノチューブ１０６の直径と第一カーボンナノチューブ１０２の直径とは同じでも異なってもよい。半導体層１０４の第二表面に、一つの第二カーボンナノチューブ１０６のみが設置される。

【0020】

第一カーボンナノチューブ１０２の延伸方向と第二カーボンナノチューブ１０６の延伸方向とは交差して角が形成される。この角は、０°〜９０°（０は含まず）である。本実施例において、第一カーボンナノチューブ１０２の延伸方向と第二カーボンナノチューブ１０６の延伸方向とは互いに垂直であり、すなわち、角は９０度である。

【0021】

図２を参照して、半導体層１０４、第一カーボンナノチューブ１０２、半導体層１０４、及び第二カーボンナノチューブ１０６が積層して設置されて、多層構造体１０８が形成される。多層構造体１０８は、横方向断面及び縦方向断面を定義して、横方向断面が半導体層１０４の表面に平行する断面であり、縦方向断面が半導体層１０４の表面に垂直する断面である。半導体層１０４に対する第一カーボンナノチューブ１０２及び第二カーボンナノチューブ１０６のサイズは小さく、半導体層１０４の表面には第一カーボンナノチューブ１０２及び一つの第二カーボンナノチューブ１０６のみが設置されるため、横方向断面の面積が第一カーボンナノチューブ１０２又は第二カーボンナノチューブ１０６の直径によって決まる。第一カーボンナノチューブ１０２及び第二カーボンナノチューブ１０６の直径は両方ともナノメートルであるため、多層構造体１０８の横方向断面の面積もナノメートルである。縦方向断面の面積は、第一カーボンナノチューブ１０２、第二カーボンナノチューブ１０６の直径および半導体層１０４の厚さによって決定される。第一カーボンナノチューブ１０２及び第二カーボンナノチューブ１０６の直径はともにナノスケールであり、半導体層１０４の厚さもナノスケールであるため、多層構造体１０８の縦方向断面の面積もナノスケールである。好ましくは、多層構造体１０８の横方向断面の面積は１ｎｍ^２〜１００ｎｍ^２である。第一カーボンナノチューブ１０２と第二カーボンナノチューブ１０６と半導体層１０４とは、多層構造体１０８に垂直ｐ-ｎヘテロ接合を形成する。ｐ-ｎヘテロ接合はファンデルワールスヘテロ接合である。

【0022】

光検出器１０が応用される時には、第一カーボンナノチューブ１０２及び第二カーボンナノチューブ１０６は、半導体層１０４の対向する二つの表面に設置された電極として用いることができる。光線が半導体層１０４の表面に照射される際、電流が半導体素子１００、第一電極２０２、第二電極２０４及び電流検出素子２１２からなる回路に流れ、電流が多層構造体１０８の横方向断面を流れて、半導体素子１００の有効部分が多層構造体１０８である。半導体素子１００の全体のサイズが多層構造体１０８の体積より大きればよい。従って、半導体素子１００が小さいサイズを有することができ、多層構造体１０８を含めばよい。半導体素子１００はナノスケールの半導体素子となる。従って、半導体素子１００を採用する光検出器１０も、小さいサイズを有することができる。光検出器１０が少ないエネルギー消費、ナノスケールのサイズ及びより高い集積度を持つ。

【0023】

第一電極２０２及び第二電極２０４が導電材料からなり、導電材料が金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、導電銀テープ、導電性ポリマー又は導電カーボンナノチューブのいずれの一つである。金属材料がアルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、パラジウム又は任意の組み合わせの合金である。第一電極２０２及び第二電極２０４は導電フィルムであってもよい。導電フィルムの厚さが２ナノクロメートル〜１００マイクロメートルである。本実施例において、第一電極２０２及び第二電極２０４が銅及びチタンからなる金属複合構造である。具体的には、金属複合構造が銅層及びチタン層からなり、銅層がチタン層の表面に設置される。チタン層の厚さが５ナノメートルであり、銅層の厚さが６０ナノメートルである。本実施例において、第一電極２０２は、第一カーボンナノチューブ１０２と電気的に接続され、第一カーボンナノチューブ１０２の一端に設置され且つ第一カーボンナノチューブ１０２の表面と緊密に接触される。第二電極２０４は、第二カーボンナノチューブ１０６と電気的に接続され、第二カーボンナノチューブ１０６の一端に設置され、且つ第二カーボンナノチューブ１０６の表面と緊密に接触される。

【0024】

光検出器１０は、光に対して定性検出又は定量検出を行ってもよい。光検出器１０が光に対して定性検出を行う作動原理は、光線が光検出器１０に照射されない場合、第一カーボンナノチューブ１０２と半導体層１０４と第二カーボンナノチューブ１０６との間がオフ状態になり、電流が回路に流れず、電流検出素子２１２が電流を検出しない。光線が光検出器１０に照射される場合、半導体層１０４が光起のキャリアを生成し、第一カーボンナノチューブ１０２と第二カーボンナノチューブ１０６との間に形成されるビルトインポテンシャルが光起の電子正孔対を分けた後、光起電流が生成され、即ち、電流が回路に流れ、電流検出素子２１２が電流を検出することができる。即ち、電流が回路に流れるかどうかによって、光源を検出する。

【0025】

光検出器１０は、光に対して定量検出を行う作動原理は、電源をオンして、既知の異なる強度を有する光線で順次に検出点を照射して、電流検出素子２１２が検出する電流値を読み出し、ある強度を有する光線が一つの電流値に対応する。異なる強度を有する光線に対応する異なる電流値を、相応する折れ線グラフに作成することによって、異なる強度を有する光線に対応して形成される電流値の標準曲線を示すことができる。未知の強度を有する光線が検出点を照射する場合、電流検出素子２１２が検出する電流値によって、標準曲線から光線の強度値を読み出すことができる。

【0026】

光検出器１０において、半導体素子１００は、２本のカーボンナノチューブが垂直ｐｎ接合を有する２次元半導体層を挟み込んで形成され、２本のカーボンナノチューブが電極として用いられる。２本のカーボンナノチューブが電極として用いられる際、電界シールドは弱く、カーボンナノチューブとヘテロ接合のナノ材料とのドーピングを電界によって容易に調整できる。電界の変調によって、カーボンナノチューブとｐｎ接合の材料とのドーピング状態を変化させる。これにより、光検出器１０は、電界変調で半導体層１０４に形成されたヘテロ接合をｐｎ接合とｎｎ接合との間で切り替えることができるため、光検出器１０は３つの異なるモードで動作することができる。したがって、光検出器１０を応用する際、光検出器を交換することなく、電界のみを調整して複数のモードで光を検出し、異なる性能を実現できる。これは、従来の光検出器が実現できない。例えば、従来の光検出器は、高解像度検出と高応答検出を同時に実現できない。異なる光検出器を交換することによって、高解像度検出と高応答検出をそれぞれ実行する必要がある。しかし、本発明の光検出器１０は、電界を調整することのみによって異なる動作モードを切り替えることができ、高解像度検出および高応答検出を実現でき、光検出器を交換する必要がない。

【0027】

図３及び図４を参照すると、本発明の第二実施例は、光検出器２０を提供する。第一実施例の光検出器１０と比べて、本実施例の光検出器２０は、更に第三電極２０６及び絶縁層２０８を含み、他の構造が第一実施例の光検出器１０と同じであり、ここで詳しく説明しない。半導体素子１００が第一電極２０２及び第二電極２０４と電気的に接続され、第三電極２０６が絶縁層２０８を通じて、半導体素子１００、第一電極２０２及び第二電極２０４と絶縁して設置される。半導体素子１００の具体的な構造が第一実施例の半導体素子１００の構造と同じであり、ここで詳しく説明しない。

【0028】

光検出器２０において、第三電極２０６は層状構造体である。絶縁層２０８が第三電極２０６の表面に設置される。第一電極２０２、第二電極２０４及び半導体素子１００が絶縁層２０８の表面に設置され、且つ絶縁層２０８に支持される。本実施例において、第二カーボンナノチューブ１０６は絶縁層２０８が第三電極２０６と離れる表面に直接的に設置され、第二カーボンナノチューブ１０６は第三電極２０６に近く、第一カーボンナノチューブ１０２は第三電極２０６から遠い。第一カーボンナノチューブ１０２は半導体層１０４と第三電極２０６との間にシールド効果を生じない。半導体デバイス２００が応用される際、第三電極２０６は半導体層１０４を制御することができ、その結果、光検出器２０の光電性能を制御である。

【0029】

絶縁層２０８の材料が絶縁材料であり、例えば、窒化ケイ素や酸化ケイ素などの硬質材料、またはベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）、ポリエステル、アクリル樹脂などの可撓性材料である。絶縁層２０８の厚さが２ナノメートル〜１００マイクロメートルである。本実施例において、絶縁層の材料が酸化シリコンであり、その厚さは５０ナノメートルである。

【0030】

第三電極２０６が導電材料からなり、導電材料が金属、ＩＴＯ、ＡＴＯ、導電銀テープ、導電性ポリマー又は導電カーボンナノチューブ等である。金属材料がアルミニウム、銅、タングステン、モリブデン、金、チタン、パラジウム又は任意の組み合わせの合金である。

【0031】

図３及び図４を参照すると、光検出器２０は、半導体素子１００の制御電極としての第三電極２０６を含む。第三電極２０６は、光検出器２０のゲートとみなすことができる。

【0032】

更に、光検出器２０は基板２１０を含んでもよい。第三電極２０６、絶縁層２０８及び半導体素子１００が基板２１０の表面に順次積層して設置されている。基板２１０は、主に第三電極２０６、絶縁層２０８及び半導体素子１００を支持することに用いられる。基板２１０の材料は、光を吸収しない材料である。本実施例には、基板２１０の材料はシリコンである。

【0033】

図５は、光強度が０．２３６μＷであり、ソース-ドレイン電圧が０Ｖであり、ゲート電圧がそれぞれ１０Ｖ、−１０Ｖ、０Ｖである場合の光検出器２０の走査光電流に対応する顕微鏡写真ａ、ｂ、ｃである。図５の顕微鏡写真ａ〜ｃから、ゲート電圧が１０Ｖである際、光検出器２０の走査光電流は垂直線モードとして現れ、ゲート電圧が０Ｖである際、光検出器２０の走査光電流は水平線モードとして現れ、ゲート電圧が−１０Ｖである際、光検出器２０の走査光電流はドットモードとして現れることがわかる。これは、光検出器２０がゲート電圧を調整することにより三つの動作モードを切り替えることができることを示す。

【0034】

図６は、ゲート電圧が−１０Ｖである際、ＭｏＳ_２層の厚さが７．６ｎｍであり、ＷＳｅ_２層が７６ｎｍである光検出器、又はＭｏＳ_２層の厚さが１６ｎｍであり、ＷＳｅ_２層が１４ｎｍである光検出器の光応答性能グラフを示す。光応答性能グラフから、光検出器２０の光応答が比較的に大きいことがわかる。特に、ＭｏＳ_２層の厚さが７．６ｎｍであり、ＷＳｅ_２層が７６ｎｍである光検出器の光応答は２１６ｍＡ/Ｗに達することができ、従来の光検出器よりもはるかに高い。ゲート電圧が−１０Ｖである際、光検出器２０の外部量子効率は４１．７％に達する可能性がある。したがって、この光検出器には大きな可能性がある。

【0035】

本発明の光検出器が以下の効果がある。第一に、半導体素子は、２本のカーボンナノチューブが交差して、垂直ｐｎ接合を有する２次元半導体層を挟み込んで形成され、２本のカーボンナノチューブが電極として用いられる。２本のカーボンナノチューブが電極として用いられる際の電界シールドは弱く、垂直ポイントｐｎ接合の漏れ電流は低く、且つカーボンナノチューブとヘテロ接合のナノ材料とのドーピングを電界によって容易に調整できる。電界の変調によって、カーボンナノチューブとｐｎ接合の材料とのドーピング状態を変化させる。これにより、光検出器は、電界変調で半導体層に形成されたヘテロ接合をｐｎ接合とｎｎ接合との間で切り替えることができるため、光検出器は３つの異なるモードで動作することができる。第二に、光検出器の半導体素子は、２本のカーボンナノチューブが交差して２次元の半導体層を挟んで挟むことで形成される。２本のカーボンナノチューブチューブの直径はそれぞれナノスケールであり、２本のカーボンナノチューブチューブの交差部では、２本のカーボンナノチューブと半導体層とが重なり合ってナノメートルの多層構造体（垂直ポイントｐｎテロ接合）が形成される。半導体素子の完全体積は多層構造体の堆積より大きければよい。これにより、半導体素子のサイズはナノメートルに達することができる。したがって、半導体素子を使用した光検出器は、より小さなナノメートルサイズを有する可能性があり、これは将来のナノエレクトロニクスおよびナノフォトニクスに対する重要な意義がある。第三に、半導体素子の電極は、２本のカーボンナノチューブのみからなる。従来の電極と比較して、カーボンナノチューブが光を吸収しまたは反射することは無視できる。したがって、光検出器に半導体素子を使用すると、光検出の効率が大幅に向上できる。第四に、半導体素子のビルトインポテンシャルは比較的大きいため、本発明の光検出器は、光検出器の電力消費及びゼロオフセット信号対雑音比に関して優れた性能を有する。第五に、半導体素子の垂直点ｐｎヘテロ接合は、異なる種類の半導体層を垂直に積層して設置することで形成される。横方向ｐｎヘテロ接合に比べて、垂直点ｐｎヘテロ接合において、電子の拡散距離が短く、リーク電流が低く、より高い光誘起キャリア抽出効率を有する。

【符号の説明】

【0036】

１０、２０ 光検出器
１００ 半導体素子
１０２ 第一カーボンナノチューブ
１０４ 半導体層
１０４２ ｎ型半導体層
１０４４ ｐ型半導体層
１０６ 第二カーボンナノチューブ
１０８ 多層構造体
２０２ 第一電極
２０４ 第二電極
２０６ 第三電極
２０８ 絶縁層
２１０ 基板
２１２ 電流検出素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】