特表 2024-544073 柔軟及び小型化コンパクト光センサー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-11-27

(54)【発明の名称】柔軟及び小型化コンパクト光センサー

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/08 20060101AFI20241120BHJP

   H01L 31/02 20060101ALI20241120BHJP

【ＦＩ】

H01L31/08 L

H01L31/02 A

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024532460

(86)(22)【出願日】2022-11-30

(85)【翻訳文提出日】2024-07-24

(86)【国際出願番号】 US2022080657

(87)【国際公開番号】W WO2023102421

(87)【国際公開日】2023-06-08

(31)【優先権主張番号】63/284,451

(32)【優先日】2021-11-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】509057590

【氏名又は名称】ジョージア ステート ユニバーシティ リサーチ ファウンデーション インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】レイ、シートン

(72)【発明者】

【氏名】リー、ニンシン

(72)【発明者】

【氏名】オクミ、アイーシャ

【テーマコード（参考）】

5F149

【Ｆターム（参考）】

5F149AB01

5F149AB07

5F149AB11

5F149CB06

5F149DA41

5F149DA44

5F149LA01

5F149LA02

5F149LA03

5F149XB24

(57)【要約】

縦型積層型センサーを用いた色及び光感知に関する様々な例を提供する。一例では、縦型色感知素子は、第一感知材料を含むＲ感知チャンネル層、第二感知材料を含むＧ感知チャンネル層、及び第三感知材料を含むＢ感知チャンネル層を備える。第一及び第二厚さを有する第一及び第二透明絶縁層が、それぞれ、Ｒ及びＧ感知チャンネル層間並びにＧ及びＢ感知チャンネル層間に存在する。第一及び第二厚さが、縦型色感知デバイスに入るＲ光、Ｇ光及びＢ光の焦点距離に基づき得る。別の例では、縦型光センサーは、第一感知材料を含む第一感知チャンネル層、透明絶縁層、及び第二感知材料を含む第二感知チャンネル層を備え得る。第一感知材料は、ｖｄＷ－Ｓであり得、第二感知材料は異なり得る。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

縦型色感知素子であって、前記縦型色感知素子は、
第一感知材料を含むＲ感知チャンネル層と；
前記Ｒ感知チャンネル層の面上に配置されている第一透明絶縁層であって、前記第一透明絶縁層は、第一厚さを有する、第一透明絶縁層と；
第二感知材料を含むＧ感知チャンネル層であって、前記Ｇ感知チャンネル層は、前記Ｒ感知チャンネル層の反対側の前記第一透明絶縁層の面上に配置されている、Ｇ感知チャンネル層と；
前記第一透明絶縁層の反対側の前記Ｇ感知チャンネル層の面上に配置されている第二透明絶縁層であって、前記第二透明絶縁層は、第二厚さを有する、第二透明絶縁層と；
第三感知材料を含むＢ感知チャンネル層であって、前記Ｂ感知チャンネル層は、前記Ｇ感知チャンネル層の反対側の前記第二透明絶縁層の面上に配置されている、Ｂ感知チャンネル層と、
を備える、縦型色感知素子。

【請求項2】

前記第一及び第二厚さは、前記縦型色感知デバイスに入るＲ光、Ｇ光及びＢ光の焦点距離に基づく、請求項１に記載の縦型色感知素子。

【請求項3】

前記焦点距離は、前記縦型色感知デバイスへ前記Ｒ光、Ｇ光及びＢ光を方向付けるレンズと関連している、請求項２に記載の縦型色感知素子。

【請求項4】

前記縦型色感知素子は、前記レンズにより生成される像面湾曲部に一致する形状を有する、請求項３に記載の縦型色感知素子。

【請求項5】

前記縦型色感知素子は、ＵＶ感知層又はＩＲ感知層を更に含む、請求項３に記載の縦型色感知素子。

【請求項6】

前記ＵＶ感知層は、別の透明絶縁層により前記Ｂ感知チャンネル層から分離されている、請求項５に記載の縦型色感知素子。

【請求項7】

前記ＩＲ感知層は、別の透明絶縁層により前記Ｒ感知チャンネル層から分離されている、請求項５に記載の縦型色感知素子。

【請求項8】

前記第一、第二及び第三感知材料の１又は複数は、ファンデルワールス半導体（ｖｄＷ－Ｓ）である、請求項１に記載の縦型色感知素子。

【請求項9】

前記第一、第二又は第三感知材料の厚さは、この感知材料の感度に基づく、請求項１に記載の縦型色感知素子。

【請求項10】

前記第一感知材料は、セレン化銅インジウム（ＣＩＳ）を含む、請求項１に記載の縦型色感知素子。

【請求項11】

前記第二感知材料は、セレン化インジウム（ＩｎＳｅ）を含む、請求項１に記載の縦型色感知素子。

【請求項12】

前記第三感知材料は、硫化ガリウム（ＧａＳ）を含む、請求項１に記載の縦型色感知素子。

【請求項13】

前記第一透明絶縁層は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）又は雲母を含む、請求項１に記載の縦型色感知素子。

【請求項14】

前記第二透明絶縁層は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）又は雲母を含む、請求項１に記載の縦型色感知素子。

【請求項15】

前記第一、第二及び第三感知材料は、一連のファンデルワールス半導体（ｖｄＷ－Ｓ）を含む、請求項１に記載の縦型色感知素子。

【請求項16】

前記ｖｄＷ－Ｓは、ＧａＳｅ_１－ｘＳ_ｘ、ＩｎＧａ_１－ｘＳｅ_ｘ、ＩｎＧａ_１－ｘＳｅ_ｘＴｅ、Ｔｅ_ｘＳｅ_１－ｘ、Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＳｅ、ＧａＳ_ｘＳｅ_１－ｘ、ＭｏＳ_ｘＳｅ_１－ｘ、又はＭｏ_ｘＷ_１－ｘＳｅ_２であり、０≦ｘ≦１であり、前記第一、第二及び第三感知材料の各々は、異なる禁制帯に同調されている、請求項１５に記載の縦型色感知素子。

【請求項17】

請求項１～請求項１６のいずれか一項に記載の縦型色感知素子のアレイを備える縦型感知デバイス。

【請求項18】

前記縦型色感知素子のアレイは、湾曲デバイスホルダー上に形成されている、請求項１７に記載の縦型感知デバイス。

【請求項19】

前記湾曲デバイスホルダーの湾曲部は、前記縦型色感知素子のアレイへ光を方向付けるレンズにより生成される像面湾曲部と一致する、請求項１８に記載の縦型感知デバイス。

【請求項20】

前記縦型色感知素子のアレイは、柔軟性基材上に形成されている、請求項１７に記載の縦型感知デバイス。

【請求項21】

縦型光センサーであって、前記縦型光センサーは、
ファンデルワールス半導体（ｖｄＷ－Ｓ）を含む第一感知材料を含む第一感知チャンネル層と；
前記第一感知チャンネル層の面上に配置されている透明絶縁層であって、前記第一透明絶縁層は、厚さを有する、透明絶縁層と；
第二感知材料を含む第二感知チャンネル層であって、前記第二感知チャンネル層は、前記第一感知チャンネル層の反対側の前記透明絶縁層の面上に配置されている、第二感知チャンネル層と、
を備える、縦型光センサー。

【請求項22】

前記第一感知材料は、第一光応答スペクトル範囲を示し、前記第二感知材料は、前記第一光応答スペクトル範囲と異なる第二光応答スペクトル範囲を示す、請求項２１に記載の縦型光センサー。

【請求項23】

前記第二感知チャンネルは、ＵＶ感知層又はＩＲ感知層である、請求項２１に記載の縦型光センサー。

【請求項24】

前記ｖｄＷ－Ｓは、ＩＩＩ～ＶＩ族半導体、ＩＩＩ～Ｖ族化合物、又は遷移金属カルコゲニドである、請求項２１に記載の縦型光センサー。

【請求項25】

前記第一材料は、第一禁制帯に同調された元素の第一組成物を有するｖｄＷ－Ｓ合金を含み、前記第二感知材料は、第二禁制帯に同調された元素の第二組成物を有するｖｄＷ－Ｓ合金を含む、請求項２１に記載の縦型光センサー。

【請求項26】

前記ｖｄＷ－Ｓ合金は、ＧａＳｅ_１－ｘＳ_ｘ、ＩｎＧａ_１－ｘＳｅ_ｘ、ＩｎＧａ_１－ｘＳｅ_ｘＴｅ、Ｔｅ_ｘＳｅ_１－ｘ、Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＳｅ、ＧａＳ_ｘＳｅ_１－ｘ、ＭｏＳ_ｘＳｅ_１－ｘ、又はＭｏ_ｘＷ_１－ｘＳｅ_２であり、０≦ｘ≦１であり、前記第一及び第二感知材料の各々は、異なる禁制帯に同調されている、請求項２５に記載の縦型光センサー。

【請求項27】

前記縦型光センサーは、
前記第一透明絶縁層の反対側の前記第二感知チャンネル層の面上に配置されている第二透明絶縁層であって、前記第二透明絶縁層は、第二厚さを有する、第二透明絶縁層と；
第三感知材料を含む第三感知チャンネル層であって、前記第三感知チャンネル層は、前記第二感知チャンネル層の反対側の前記第二透明絶縁層の面上に配置されている、第三感知チャンネル層と、
を更に備える、請求項２１に記載の縦型光センサー。

【請求項28】

前記第一材料は、第一禁制帯に同調された元素の第一組成物を有するｖｄＷ－Ｓ合金を含み、前記第二感知材料は、第二禁制帯に同調された元素の第二組成物を有するｖｄＷ－Ｓ合金を含み、前記第三感知材料は、第三禁制帯に同調された元素の第三組成物を有するｖｄＷ－Ｓ合金を含む、請求項２７に記載の縦型光センサー。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願への相互参照
本願は、「Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｎｄ Ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃｏｌｏｒ Ｓｅｎｓｏｒ」と題され、２０２１年１１月３０日に出願された同時係属中の米国特許仮出願第６３／２８４，４５１号の優先権、及び利益を主張し、この開示は、その全体を参照することにより本明細書に援用される。

【背景技術】

【0002】

色感知は、病変及び組織の外観検査、血中酸素レベルの測定、環境研究における植物健康モニタリング、並びに医療及び環境サーベイランスにおける多くの他の応用において重要な役割を果たす。色感知の基本原理は、赤、緑、及び青（ＲＧＢ）成分の部分から入射光色を検出するためのヒト眼の色知覚構造物を模倣する光電子デバイスを構築することである。したがって、各色センサーは、通常、これらの成分の各々に応じて独立して作動する３つのチャンネルからなる。

【発明の概要】

【0003】

本開示の態様は、縦型積層型センサーを用いた色及び光感知に関する。一態様では、とりわけ、縦型色感知素子は、第一感知材料を含むＲ感知チャンネル層と；前記Ｒ感知チャンネル層の面上に配置されている第一透明絶縁層であって、前記第一透明絶縁層は、第一厚さを有する、第一透明絶縁層と；第二感知材料を含むＧ感知チャンネル層であって、前記Ｇ感知チャンネル層は、前記Ｒ感知チャンネル層の反対側の前記第一透明絶縁層の面上に配置されている、Ｇ感知チャンネル層と；前記第一透明絶縁層の反対側の前記Ｇ感知チャンネル層の面上に配置されている第二透明絶縁層であって、前記第二透明絶縁層は、第二厚さを有する、第二透明絶縁層と；第三感知材料を含むＢ感知チャンネル層であって、前記Ｂ感知チャンネル層は、前記Ｇ感知チャンネル層の反対側の前記第二透明絶縁層の面上に配置されている、Ｂ感知チャンネル層と、を備える。

【0004】

１又は複数の態様では、第一及び第二厚さは、縦型色感知デバイスに入るＲ光、Ｇ光及びＢ光の焦点距離に基づき得る。焦点距離は、縦型色感知デバイスへＲ光、Ｇ光及びＢ光を方向付けるレンズと関連し得る。縦型色感知素子は、レンズにより生成される像面湾曲部に一致する形状を有することができる。縦型色感知素子は、ＵＶ感知層又はＩＲ感知層を含むことができる。ＵＶ感知層を、別の透明絶縁層によりＢ感知チャンネル層から分離することができる。ＩＲ感知層を、別の透明絶縁層によりＲ感知チャンネル層から分離することができる。第一透明絶縁層は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）又は雲母を含むことができる。第二透明絶縁層は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）又は雲母を含むことができる。

【0005】

様々な態様では、第一、第二及び第三感知材料の１又は複数は、ファンデルワールス半導体（ｖｄＷ－Ｓ）であり得る。第一、第二又は第三感知材料の厚さは、この感知材料の感度に基づき得る。第一感知材料は、セレン化銅インジウム（ＣＩＳ）を含むことができる。第二感知材料は、セレン化インジウム（ＩｎＳｅ）を含むことができる。第三感知材料は、硫化ガリウム（ＧａＳ）を含むことができる。第一、第二及び第三感知材料は、一連のファンデルワールス半導体（ｖｄＷ－Ｓ）を含むことができる。ｖｄＷ－Ｓは、ＧａＳｅ_１－ｘＳ_ｘ、ＩｎＧａ_１－ｘＳｅ_ｘ、ＩｎＧａ_１－ｘＳｅ_ｘＴｅ、Ｔｅ_ｘＳｅ_１－ｘ、Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＳｅ、ＧａＳ_ｘＳｅ_１－ｘ、ＭｏＳ_ｘＳｅ_１－ｘ、又はＭｏ_ｘＷ_１－ｘＳｅ_２であり、０≦ｘ≦１であり、第一、第二及び第三感知材料の各々は、異なる禁制帯に同調され得る。

【0006】

別の態様では、縦型感知デバイスは、縦型色感知素子のアレイを含むことができる。縦型色感知素子は、上記特徴を備えることができる。縦型色感知素子のアレイを、湾曲デバイスホルダー上に形成することができる。湾曲デバイスホルダーの湾曲部は、縦型色感知素子のアレイへ光を方向付けるレンズにより生成される像面湾曲部と一致し得る。縦型色感知素子のアレイを、柔軟性基材上に形成することができる。

【0007】

別の態様では、縦型光センサーは、ファンデルワールス半導体（ｖｄＷ－Ｓ）を含む第一感知材料を含む第一感知チャンネル層と；前記第一感知チャンネル層の面上に配置されている透明絶縁層であって、前記第一透明絶縁層は、厚さを有する、透明絶縁層と；第二感知材料を含む第二感知チャンネル層であって、前記第二感知チャンネル層は、前記第一感知チャンネル層の反対側の前記透明絶縁層の面上に配置されている、第二感知チャンネル層と、を備えることができる。第一感知材料は、第一光応答スペクトル範囲を示すことができ、第二感知材料は、第一光応答スペクトル範囲と異なる第二光応答スペクトル範囲を示すことができる。第二感知チャンネルは、ＵＶ感知層又はＩＲ感知層であり得る。１又は複数の態様では、ｖｄＷ－Ｓは、ＩＩＩ～ＶＩ族半導体、ＩＩＩ～Ｖ族化合物、又は遷移金属カルコゲニドであり得る。第一材料は、第一禁制帯に同調された元素の第一組成物を有するｖｄＷ－Ｓ合金を含み、第二感知材料は、第二禁制帯に同調された元素の第二組成物を有するｖｄＷ－Ｓ合金を含むことができる。ｖｄＷ－Ｓ合金は、ＧａＳｅ_１－ｘＳ_ｘ、ＩｎＧａ_１－ｘＳｅ_ｘ、ＩｎＧａ_１－ｘＳｅ_ｘＴｅ、Ｔｅ_ｘＳｅ_１－ｘ、Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＳｅ、ＧａＳ_ｘＳｅ_１－ｘ、ＭｏＳ_ｘＳｅ_１－ｘ、又はＭｏ_ｘＷ_１－ｘＳｅ_２であり、０≦ｘ≦１であり、第一及び第二感知材料の各々は、異なる禁制帯に同調され得る。様々な態様では、縦型光センサーは、第一透明絶縁層の反対側の第二感知チャンネル層の面上に配置されている第二透明絶縁層であって、第二透明絶縁層は、第二厚さを有する、第二透明絶縁層と；第三感知材料を含む第三感知チャンネル層であって、第三感知チャンネル層は、第二感知チャンネル層の反対側の第二透明絶縁層の面上に配置されている、第三感知チャンネル層と、を備えることができる。第一材料は、第一禁制帯に同調された元素の第一組成物を有するｖｄＷ－Ｓ合金を含むことができ、第二感知材料は、第二禁制帯に同調された元素の第二組成物を有するｖｄＷ－Ｓ合金を含むことができ、第三感知材料は、第二禁制帯に同調された元素の第三組成物を有するｖｄＷ－Ｓ合金を含むことができる。

【0008】

本開示の他のシステム、方法、特徴、及び利点は、以下の図面の検査及び詳細な説明により当業者に明らかであるか又は明らかになるだろう。かかる全ての追加のシステム、方法、特徴、及び利点は、本明細書に含まれ、本開示の範囲であり、添付の特許請求の範囲により保護されるものとする。加えて、記載されている実施形態の全ての所望により存在する及び好ましい特徴及び変更は、本明細書に教示されている本開示の全ての態様において使用することができる。更に、独立請求項の個々の特徴、並びに記載されている実施形態の全ての所望により存在する及び好ましい特徴及び変更は、相互に組合せ可能であり、相互に交換可能である。

【0009】

本開示の多くの態様を、以下の図面を参照してよりよく理解することができる。図面中の構成要素は、必ずしも縮尺通りではなく、その代わりに、本開示の原理を明白に例示することに重点が置かれている。更に、図面では、いくつかの表示全体を通して、同様の参照番号は、対応するパーツを指定する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1A】図１Ａは、ベイヤー式カラーフィルターで被覆された従来の横型画素マトリックスの例を示し、Ｒ感知チャンネル、Ｇ感知チャンネル、及びＢ感知チャンネルを定義する。

【0011】

【図1B】図１Ｂは、本開示の様々な実施形態による、それぞれ、Ｒチャンネル、Ｇチャンネル、及びＢチャンネルとして機能するＣＩＳ層、ＩｎＳｅ層、及びＧａＳ層からなるｖｄＷ－Ｓベースの縦型色センサーの実施例を例示する概略図である。

【0012】

【図1C】図１Ｃは、本開示の様々な実施形態による、色感知原理を例示する。

【図1D】図１Ｄは、本開示の様々な実施形態による、色感知原理を例示する。

【図1E】図１Ｅは、本開示の様々な実施形態による、色感知原理を例示する。

【0013】

【図2A】図２Ａは、本開示の様々な実施形態による、Ｂ感知チャンネルとして機能することができるＧａＳの大きい禁制帯を例示する。

【0014】

【図2B】図２Ｂは、本開示の様々な実施形態による、Ｇ感知チャンネルとして機能することができるＩｎＳｅの価電子帯及び禁制帯を例示する。

【0015】

【図2C】図２Ｃは、本開示の様々な実施形態による、Ｒ感知チャンネルとして機能することができるＣＩＳの光応答スペクトル及び禁制帯を例示する。

【0016】

【図2D】図２Ｄは、本開示の様々な実施形態による、色センサーデバイス製造の実施例を例示する。

【0017】

【図2E】図２Ｅは、本開示の様々な実施形態による、感知チャンネルの正規化された光応答性（Ｐ．Ｒ．）スペクトル及び光電流－光強度曲線の実施例を示す。

【図2F】図２Ｆは、本開示の様々な実施形態による、感知チャンネルの正規化された光応答性（Ｐ．Ｒ．）スペクトル及び光電流－光強度曲線の実施例を示す。

【0018】

【図2G】図２Ｇは、本開示の様々な実施形態による、ＲＧＢ感知チャンネルの光電流及び暗電流曲線の実施例を例示する。

【図2H】図２Ｈは、本開示の様々な実施形態による、ＲＧＢ感知チャンネルの光電流及び暗電流曲線の実施例を例示する。

【図2I】図２Ｉは、本開示の様々な実施形態による、ＲＧＢ感知チャンネルの光電流及び暗電流曲線の実施例を例示する。

【0019】

【図3A】図３Ａは、本開示の様々な実施形態による、色温度測定のための実験セットアップの実施例を例示する。

【0020】

【図3B】図３Ｂは、本開示の様々な実施形態による、ＲＧＢ感知チャンネルにより感知された生の値及び補正された三刺激値の実施例を例示する。

【0021】

【図3C】図３Ｃは、本開示の様々な実施形態による、実験的に測定された色温度に対する色座標及び発光スペクトルを例示するＣＩＥカラースペクトルチャートである。

【図3D】図３Ｄは、本開示の様々な実施形態による、実験的に測定された色温度に対する色座標及び発光スペクトルを例示するＣＩＥカラースペクトルチャートである。

【0022】

【図4A】図４Ａは、本開示の様々な実施形態による、３画素色センサーの実施例を示す回路図である。

【0023】

【図4B】図４Ｂは、本開示の様々な実施形態による、色センサーデバイス製造の実施例を例示する。

【0024】

【図4C】図４Ｃは、本開示の様々な実施形態による、３画素ｖｄＷ－Ｓをベースとする縦型色の偽色走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。

【0025】

【図4D】図４Ｄは、本開示の様々な実施形態による、空間分解光強度マッピング及び色感知のための実験的構成の光学像である。

【0026】

【図4E】図４Ｅは、本開示の様々な実施形態による、光強度分布の検出の実施例を例示する。

【0027】

【図4F】図４Ｆは、本開示の様々な実施形態による、３画素色センサーアレイによるＲＧＢ光色認識検査の実施例を示す。

【0028】

【図4G】図４Ｇは、本開示の様々な実施形態による、色収差補正のためのｖｄＷ－Ｓベースの縦型色センサーの設計原理及び製造された縦型色センサーの横断面のＳＥＭ画像を例示する。

【図4H】図４Ｈは、本開示の様々な実施形態による、色収差補正のためのｖｄＷ－Ｓベースの縦型色センサーの設計原理及び製造された縦型色センサーの横断面のＳＥＭ画像を例示する。

【0029】

【図4I】図４Ｉは、本開示の様々な実施形態による、湾曲デバイスホルダー上に形成された凹形デバイスホルダー及び色センサーを示す画像である。

【図4J】図４Ｊは、本開示の様々な実施形態による、湾曲デバイスホルダー上に形成された凹形デバイスホルダー及び色センサーを示す画像である。

【0030】

【図5A】図５Ａは、本開示の様々な実施形態による、補正前後のＣＩＳの光応答性スペクトルの実施例を例示する。

【図5B】図５Ｂは、本開示の様々な実施形態による、補正前後のＣＩＳの光応答性スペクトルの実施例を例示する。

【図5C】図５Ｃは、本開示の様々な実施形態による、補正前後のＣＩＳの光応答性スペクトルの実施例を例示する。

【0031】

【図6A】図６Ａは、本開示の様々な実施形態による、ＣＩＳの厚さ依存性光応答性スペクトルの実施例を例示する。

【図6B】図６Ｂは、本開示の様々な実施形態による、ＣＩＳの厚さ依存性光応答性スペクトルの実施例を例示する。

【0032】

【図7A】図７Ａは、本開示の様々な実施形態による、ＣＩＳ（Ｒチャンネル）、ＩｎＳｅ（Ｇチャンネル）、及びＧａＳ（Ｂチャンネル）の厚さプロファイルの実施例を例示する。

【図7B】図７Ｂは、本開示の様々な実施形態による、ＣＩＳ（Ｒチャンネル）、ＩｎＳｅ（Ｇチャンネル）、及びＧａＳ（Ｂチャンネル）の厚さプロファイルの実施例を例示する。

【図7C】図７Ｃは、本開示の様々な実施形態による、ＣＩＳ（Ｒチャンネル）、ＩｎＳｅ（Ｇチャンネル）、及びＧａＳ（Ｂチャンネル）の厚さプロファイルの実施例を例示する。

【0033】

【図8】図８は、本開示の様々な実施形態による、色マッチング関数のグラフの実施例を例示する。

【0034】

【図9A】図９Ａは、本開示の様々な実施形態による、様々な禁制帯を有する一連のｖｄＷ－Ｓ合金を含む層を含む単画素分光計の実施例を例示する。

【図9B】図９Ｂは、本開示の様々な実施形態による、様々な禁制帯を有する一連のｖｄＷ－Ｓ合金を含む層を含む単画素分光計の実施例を例示する。

【発明を実施するための形態】

【0035】

縦型積層型センサーを用いた色及び光感知に関する様々な例を、本明細書において提供する。画像センサーは、透明半導体薄膜の多層を含む縦型色感知アーキテクチャーを含むことができる。前記薄膜は、ファンデルワールス半導体、ペロブスカイト膜、有機半導体薄膜等を含むことができるが、これらに限定されない。可視画像キャプチャーの例として、かかる半導体薄膜の３層を、それぞれ、赤色光、緑色光及び青色光を感知するために縦型に積層することができる。隣接する半導体層を、透明絶縁材を用いて分離する。追加の半導体層及び絶縁層を加えることにより、感知スペクトル範囲は更に広がり赤外及び／又は紫外範囲を含むことができる。いくつかの実施形態では、センサーを、交互に重なる感知層を用いて単色イメージングのために構成することができる。ここで、図面中に例示されている実施形態の記載を詳細に参照し、いくつかの表示全体を通して、同様の参照番号が同様のパーツを示す。

【0036】

従来の半導体の入手可能性及び一般的な平面デバイス製造技術により限定されるが、赤色、緑色、及び青色（ＲＧＢ）チャンネルは、通常、色成分分離のため上部にカラーフィルターを有する同じ光検出器の横型アレイから構築される。横型センサーのこの分類の一例は、ベイヤー式カラーフィルターで被覆されたシリコン光検出アレイである。図１Ａは、ベイヤー式カラーフィルターで被覆された従来の横型画素マトリックスの例を示し、Ｒ感知チャンネル、Ｇ感知チャンネル、及びＢ感知チャンネルを定義する。その広い及び成熟した応用にもかかわらず、ベイヤー式センサーは、協同して色認識機能を達成するための４以上の隣同士の検出器（Ｇチャンネル用２つ）を必要とし、したがって、余分な物理的スペースを占める。このことは、デバイスの小型化、詳細には、何百万ものこれらの構造物が画像センサー、すなわち、カメラのケンネルに集積される場合、デバイスの小型化にとって大きな障害となる。この問題に取り組むため、フォビオンセンサーは、シリコンにおける波長依存性のある光の侵入深さを利用する縦型色感知構成を用いて開発された。それにもかかわらず、そのＲＧＢチャンネルは、光応答スペクトルにおける著しい重複を有し、フォビオンセンサーは、色成分の識別においてベイヤー式構造物より精度が低くなる。

【0037】

ファンデルワールス半導体（ｖｄＷ－Ｓ）の開発及び積層技術は、新規ハードウェアアーキテクチャーを鼓舞することにより上記ジレンマを克服するための代替アプローチを示す。従来の半導体と比較して、ｖｄＷ－Ｓは、豊富な選択肢及び同調広帯域構造を示し、それ自体、追加のカラーフィルターを必要とすることなく、それぞれ、Ｒ光、Ｇ光、及びＢ光を検出するための最適な材料の使用を可能とする。使用することができる他の材料は、例えば、ペロブスカイト膜、有機半導体薄膜等を含む。更に、継続的に改良される積層技術は、従来の半導体ヘテロ構造、例えば、格子不整合において遭遇する課題について心配することなく複雑な縦型光電子アーキテクチャーの製造を可能とする。

【0038】

これらの固有の利益を考慮して、新規縦型及びコンパクト色センサーを開示している。図１Ｂの実施例において例証されているように、Ｒチャンネル、Ｇチャンネル、及びＢチャンネルとして機能するための層状感知材料（例えば、ＣｕＩｎ_７Ｓｅ_１１、ＩｎＳｅ、及びＧａＳ）の積層により、センサーを強化することができる。図１Ｂの光学的画像は、感知デバイスの製造において使用される生ｖｄＷ－Ｓ結晶を示す。製造されたままのセンサーは、色感知における高精度、並びにコンパクトなデバイス体積を示す。色感知機能は、精巧な材料選択及び正確なエネルギー帯域構造操作によるｖｄＷ－Ｓオプトエレクトロニクスにおいて実装されてきた。新しく開発されたセンサーのこの型の拡張性を有する統合は、生物学的、医療、及び環境応用のためのマイクロロボティクスに適合した小型化画像キャプチャーデバイス及びカメラを届けることができる可能性がある。拡張性を有する製造の可能性を示すため、色収差補正の機能を有する３画素縦型色センサーも構築され、次に、光学レンズの設計を簡素化し、カメラの小型化を加速することができる。

【0039】

積層ｖｄＷ－Ｓ色センサーを実装するため、適切な候補は、国際照明委員会（ＣＩＥ）により導入された色感知原理に従って豊富な材料データベースから先ず選択される。感知材料は、ｖｄＷ－Ｓ化合物及び所望の光反応スペクトル範囲をカバーするこれらの合金を含むことができる。例えば、感知材料は、ＩＩＩ～ＶＩ族半導体（例えば、ＩｎＴｅ、ＩｎＳｅ、ＧａＳｅ、ＧａＳ、ＧａＴｅ、ＩｎＣｕＳｅ、及びこれらの合金、例えば、ＩｎＴｅ_ｘＳｅ_１－ｘ、Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＳｅ、ＧａＳ_ｘＳｅ_１－ｘ等の形態）、ＩＩＩ～Ｖ族ｖｄＷ－Ｓ化合物（例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化ホウ素炭素（ＣＢＮ）等）、又は遷移金属カルコゲニド（例えば、ＭｏＳ_２、ＭｏＳｅ_２、ＭｏＴｅ_２、ＷＳ_２、ＷＳｅ_２、ＷＴｅ_２、ＮｂＳｅ_２、ＴｉＳ_２等、及び、ＭｏＳ_ｘＳｅ_１－ｘ、Ｍｏ_ｘＷ_１－ｘＳｅ_２等のこれらの合金）を含むことができる。感知材料は、有機半導体薄膜又は有機ペロブスカイト薄膜を含むこともできる。図１Ｃ～１Ｅは、色感知原理を例示する。基本的に、色センサーは、Ｒ光、Ｇ光、及びＢ光範囲に位置するこれらのそれぞれの最大光応答を有し、それと同時に、図１Ｃに例示されているように合理的なスペクトル重複を示す３チャンネルを備える。この構成では、全ての感知チャンネルは、入射光に対して応答し、対応する応答（例えば、光電流）を生じ、この比率は、色の測定であるということが分かる。対照的に、過剰又は不十分な重複のいずれかの極端なシナリオは、ＲＧＢチャンネルが、このような場合、図１Ｄ及び１Ｅに説明されているように光色の変化を効果的に識別することができないので、色認識エラーをもたらすだろう。図１Ｃに示されているような合理的なスペクトル重複は、ＲＧＢチャンネルアウトプットの比率に基づいて色認識を可能とするが、図１Ｄに示されているような過剰な重複又は図１Ｅに示されているような不十分な重複は、識別できないアウトプットをもたらし、結果として色感知エラーをもたらす。

【0040】

小さい禁制帯はＲ光、Ｇ光、及びＢ光に対して同等に感受性にするので、過剰な重複は、実際、シリコンベースのフォビオンセンサーの１つの主要な問題である。他方では、波長依存性である侵入深さは、とにかく、これらの成分を効果的に分離することができない。ｖｄＷ－Ｓ、特に、そのより小さい禁制帯が強力なＧ光及びＢ光応答をもたらし、その結果、過剰な重複をもたらすかも知れないＲ感知材料において、同様な課題が存在する可能性もある。Ｇ感知材料は、同様な懸念をもたらし得る。したがって、ｖｄＷ－Ｓ色センサーの実現化への最初の工程は、Ｒ範囲、Ｇ範囲、及びＢ範囲に主に分布しているが、合理的重複を更に有する比較的狭い光応答スペクトルを有する材料候補を特定することである。

【0041】

追加の半導体層及び絶縁層を加えることにより、感知スペクトル範囲は更に広がり赤外（ＩＲ）及び／又は紫外（ＵＶ）感知を含むことができる。ＵＶ感知層を、最上部感知層（例えば、ＵＶは可視青色範囲より短波長であるので、Ｂ感知層上に配置されている）として形成することができ、ＩＲ感知層は、最下部感知層（例えば、ＩＲ波長は可視赤色より長いので、Ｒ感知層下に配置されている）であり得る。例えば、デバイスは、（底部から上部へ）ＩＲ感知層、Ｒ感知層、Ｇ感知層、Ｂ感知層、及びＵＶ感知層を備えることができる。感知層間では、透明絶縁層を形成して短絡及び干渉を避けることができる。ＵＶ／ＩＲ光に対する光応答を示す材料を、例えば、同調可能な禁制帯により、ＵＶ感知のための窒化ホウ素又はＩＲ感知のためのＣｕＩｎＳｅを含むＵＶ又はＩＲ感知のために使用することができる。

【実施例】

【0042】

Ｂチャンネルのため、ＧａＳ（約２５ｎｍ厚さ）を、図２Ａに例示されているように、その比較的大きい（又は広い）禁制帯が理由で選択された。一方、数層のＩｎＳｅが、スペクトル重複に対して見事な解決策を届けるその固有及び魅力的な帯域が理由でＧ感知材料として使用された。ＩｎＳｅは、厚さの減少と共に直接から間接帯域構造遷移を示すＩＩＩ～ＶＩ族層状材料に属する。詳細には、研究は、数層のＩｎＳｅが、図２Ｂに例示されているように、セレンアニオンのｐ軌道から主になる価電子帯を含む間接禁制帯を有することを示した。ＩｎＳｅは、これらの対称性により分類することができるｐ_ｚ軌道及びｐ_ｘｙ軌道からなるその価電子帯（ＶＢ）を有する。ｐ_ｚ軌道は、伝導帯（ＣＢ）と同面内パリティを共有する。これらのｐ_ｚ軌道は、数層のＩｎＳｅの禁制帯を主に決定するが、これらから伝導帯（インジウムカチオンのｓ軌道）へのバンド間双極性遷移は、デバイスにおいて使用された図２Ｂに示されているように、正常光射構成（面内偏光）において禁制される。これは、Ｓｅ ｐ_ｚ軌道及びＩｎ ｓ軌道が、水平偏波を用いた双極性励起を無効にする同面内パリティ対称性（Ｐ対称性）を共有するからである。この効果的でないバンド間遷移は、図２Ｅに例示されているように、Ｒ光にまで及ぶ長いスペクトルテールを生じる。他方、ｐ_ｘｙ帯域の非常にフラットな分散は、状態密度（ＤｏＳ）における特異点を引き起こし、Ｇ光に対する最も強いその光応答を生じるが、Ｂ光に対して効果的でない。

【0043】

Ｇ感知及びＢ感知チャンネルと比較して、Ｒ感知ｖｄＷ－Ｓに関する研究は、上記の繊細な帯域構造だがより狭い禁制帯を有する帯域構造を再現するＩＩＩ～ＶＩ属材料を特定するための挑戦であるということが分かった。他方、強いＲ光励起を有するＭｏＳ_２などのｖｄＷ－Ｓの他の群は、通常、Ｂ領域及びＧ領域において広い光応答を有し、過剰なスペクトル重複の前述の問題を繰り返す。幸運なことに、層状ＣＩＳ、新たに出現した三元ｖｄＷ－Ｓが、６００～７００ｎｍの範囲内により強力な光応答並びにＧ領域及びＢ領域に厚さ制御可能な感度を有し、理想的なＲ感知候補にすることが発見された。所望のデバイス製造パラメータを見出すため、様々な厚さを有する一連のＣＩＳサンプルを、バルク結晶（図１Ｂに示す）から機械的に剥離し、図２Ｃ（左パネル２０３）に示されているように、これらの光応答スペクトル（Ｐ．Ｒ．）を収集した。スペクトルを、
Ｒ（λ）＝［Ｉ_{ｌｉｇｈｔ}（λ）－Ｉ_ｄａｒｋ（λ）］／Ｐ（λ）
の式を用いて算出し、式中、Ｉ_{ｌｉｇｈｔ}及びＩ_ｄａｒｋは、１Ｖバイアス電圧を用いて測定された光電流及び暗電流である。Ｐ（λ）は、入射光を示す。

【0044】

図２Ｃは、この試験中に使用された３０ｎｍ厚デバイスの光学及びＡＦＭ画像（２０６）も示す。プロファイル測定を、ＡＦＭマッピング画像（２０６）中の実線に沿って行った。これらの測定から、Ｇ領域及びＢ領域における光電流レベルは、ＣＩＳがより薄くなると共に減少するが、Ｒ光領域（６００～７００ｎｍ）は、強力なままであるという興味深い現象が現れる。この異常な挙動は、材料がより薄くなると共に光応答ピークの青色シフトを経験する前述のＩＩＩ～ＶＩ族材料及び遷移金属ジカルコゲニド（ＴＭＤＣ）を含む他のｖｄＷ－ＳからＣＩＳを識別する。電流実験観察は、図２Ｃに例示されているように、電子構造変化の概要を提供する。右パネル２０９は、ＣＩＳの推測されるエネルギーバンド構造を示す。サンプルがより薄くなると共に、ＶＢはより低いＤｏＳを有するが、表面状態のＤｏＳは、厚さに著しく依存し、Ｒ光に対する支配的な光応答を得る。Ｒ光及びＧ／Ｂ光応答は、ＣＩＳにおける２つの異なる光励起及び遷移に由来する。サンプル厚さが減少すると、Ｇ／Ｂ光励起に対応するＤｏＳは、Ｒ励起より急速に低下し、したがって、上記スペクトル観察を提供する。更に、Ｒ光励起は、そのＤｏＳがサンプル厚さに有意に依存しないＣＩＳ格子面上の表面状態に由来する可能性はあるが、Ｇ／Ｂ光励起は、より薄いサンプルにおけるＤｏＳ低下と共にエネルギーバンド間の遷移に由来する。現在の実験結果に基づいて、対応する支配的Ｒ光応答並びにＢ領域への合理的拡張が理由で、１０ｎｍのＣＩＳ厚さが選択される。

【0045】

一旦、材料候補が決定されたら、これらのｖｄＷ－Ｓにより強化されたプロトタイプ積層色センサーの製造を進めることができる。図２Ｄは、デバイス製造ワークフローの実施例を例示する。この目的を達成するために、機械的剥離方法を使用して、図１Ｂに示されているバルク結晶から適切な厚さを有するこれらのｖｄＷ－Ｓを単離し、これらをドライ転写して、図２Ｄに例示されているボトムアップ方式でプロトタイプ縦型色センサーを構築することができる。積層構造物全体の底部に、Ｒチャンネル層（例えば、１０ｎｍのＣＩＳ層）を、例えば、直接レーザー描画システム又は他の適切な方法によりパターン化された電極（２１５）を用いてＲ感知チャンネルとして機能するように形成する（２１２）。次いで、第一絶縁層を、例えば、ＭｇＦ_２若しくは雲母などの誘電体材料又は、例えば、ＧａＦ_２、ＳｉＯ_２、ポリマー薄膜等の他の絶縁材を成膜又は転写のいずれかによりＲチャンネル層及び電極（２１８）上に導入する。第一絶縁層上、同じ手順を反復して、Ｇ感知チャンネルとしてＧチャンネル層（２１８）（例えば、１３ｎｍ ＩｎＳｅから作製）及びパターン化された電極（２２１）を創設する。次いで、第二絶縁層を、Ｇチャンネル層及び電極上に形成し（２２４）、次いで、Ｂ感知チャンネルとしてＢチャンネル層（２２４）（例えば、２５ｎｍ ＧａＳ層を用いて製造）を形成し、電極（２２７）をパターン化する。電極は、透明電極（例えば、金属酸化インジウムスズ）であり得る。図２Ｄは、積層方法の光学画像及び得られたプロトタイプデバイスも含む。これらのスケールは、各画像中の白色実線により示されているように５μｍである。いくつかの実装では、積層構造物は、Ｂチャンネル層上に形成された第三絶縁層を備えることができ、次いで、ＵＶ感知チャンネルを形成（及び電極のパターン化）する。場合によっては、積層構造物は、底部にＩＲ感知チャンネル（及び電極）を備え、上にＲチャンネル層を形成することができるＩＲ感知チャンネル上に最初の絶縁層を備えることができる。

【0046】

製造を成功した後、デバイスの機能検証を行った。より早く導入されるとき、新しく設計された色センサーの基本原理は、各感知層上でＲＧＢ光成分を個々に検出し、ｖｄＷ－Ｓ及びこれらの広く同調可能なエネルギーバンド構造物の豊富な選択を利用することである。成功したプロトタイプ製造の実証として、図２Ｅは、
Ｒ（λ）＝［Ｉ_{ｌｉｇｈｔ}（λ）－Ｉ_ｄａｒｋ（λ）］／Ｐ（λ）
の式を用い、それぞれ、５０．０、１．０、及び５３．４の因子を乗算することにより算出されたこれらのＲＧＢチャンネル（１Ｖのバイアス電圧）の正規化された光応答スペクトル（Ｐ．Ｒ．）を示す。こうすることにより、スペクトル曲線の各々により囲まれた領域は、フラットなスペクトルを有する白色光があらゆるチャンネルから同じ応答レベルを与えるように等しくされる。（すなわち、とりわけ、比率は、１：１：１である）。この手順は、ホワイトバランス（ＷＢ）補正として知られており、正確な色感知に向けて重要な工程である。

【0047】

参照として、スペクトルチャートは、光応答曲線の下に挿入され、製造されたプロトタイプにおける各感知層が、Ｒ光を第一に検出するＣＩＳ；Ｇ色に対して主に応答するＩｎＳｅ；及びＢ領域において作動するＧａＳを用いて設計された機能を上手く発揮することを明白に実証する。より重要なことに、合理的重複は、正確な色認識を約束するために基本的色感知原理により必要とされる場合、これらのそれぞれの最大値に沿って存在する。ＣＩＳの大きい倍率は、図２Ｄに示されているように、剥離で得られる比較的小さいサンプル領域に起因し得るが、ＧａＳの大きい因子は、高い電極接触抵抗に起因し得、これはＧａＮなどの広い禁制帯半導体についての共通の課題である。

【0048】

スペクトル感応性に加えて、色感知のための別の必要条件は、各感知チャンネルにおける入射光パワーに対する光電流の線形依存性である。理由は、色測定が、代わりに光輝度を表すこれらの絶対値以外のこれらのチャンネルからの光電流の読み間の比率に依存することである。したがって、各チャンネルにおける優れた線形性は、強度に依存しない正確な色測定を保証することができる。さもなければ、検出された光色は、強度が変化すると色ずれし得る。プロトタイプデバイスの線形性を評価するため、ＧａＳ、ＩｎＳｅ、及びＣＩＳ層の光電流－発電（Ｉ－Ｐ）依存性を、調整可能な輝度を有する４５８ｎｍ、５１４ｎｍ、及び６４７ｎｍレーザーを光らせることによりそれぞれ測定した。図２Ｆは、１Ｖのバイアス電圧で測定された各感知チャンネルの光電流－光強度曲線を示す。ＣＩＳ、ＩｎＳｅ及びＧａＳ層の曲線を、それぞれ、５０．０、１．０、及び５３．４のスペクトル正規化因子で乗算する。

【0049】

図２Ｆは、デバイスにおける全ての感知チャンネルが、線形Ｉ－Ｐ挙動を有し、色感知必要条件を満足することを明らかにしている。感知チャンネルＣＩＳ、ＩｎＳｅ及びＧａＳの暗電流及び光電流Ｉ－Ｖ曲線も、それぞれ、図２Ｇ～２Ｉに示されているように試験した。ＧａＳ層、ＩｎＳｅ層、及びＣＩＳ層を、１７．５ｍＷ／ｃｍ^２の強度で、それぞれ、４５８ｎｍ、５１４ｎｍ、及び６４７ｎｍで励起した。非常に低く一定の暗電流が全ての感知チャンネルにおいて確認された。一方、全ての光電流は、より高いバイアス電圧と共に増加し、飽和しない合理的範囲におけるより高い電圧を示唆するが、感知層は、これらの感度及び検出能を増強することができる。挿入物は、暗電流に関する詳細なデータを示す。

【0050】

上記光電子特性評価、詳細には、光電流スペクトル及びＩ－Ｐ測定は、色感知能力のその後の検査を準備する。例として、センサーを使用して、色温度をプローブし、色温度は、冶金のプロセス制御、星の活動モニタリングなど多数のもの、多くの応用に使用されるパラメータである。実験では、センサーを、ハロゲンランプで照射した。図３Ａは、色温度測定実験に使用された実験セットアップを例示する。様々な電力設定３０６を有するハロゲンランプ３０３を使用して、異なる色温度を有する白色光を生成した。ｖｄＷ－Ｓベースの縦型色センサー３０９をランプの近くに配置し、スイッチボックス３１５によりソースメータユニット３１２に接続して、それぞれの感知チャンネルからの光電流を読み取った。ランプ電力を調整することにより、白熱するタングステンワイヤはほぼ黒体放射体であるので、測定される色温度にほぼ等しいフィラメント温度に調節することができる。プロトタイプデバイス３０９により測定される色を、（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の形式、すなわち、図３Ｂの上側の表に列挙されているように、各感知層から読み取る光電流で表すことができる。上側の表は、４つの異なる電力設定点（Ｓ１～Ｓ４）下、本発明者らのデバイスにより感知されたＲＧＢ生の値を列挙している。

【0051】

他の色センサーと同様に、これらの値は、物理的特性、詳細にはデバイスの光応答スペクトルに依存する。したがって、（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の生の色値を、データ交換及び処理のため標準化及びデバイスに依存する形式への変換を必要とする。ＣＩＥ １９３１ ＸＹＺ色空間は、この目的のための最も広く受け入れられている色表現システムの１つである。ＣＩＥシステムにおいて標準値を得るため、生の色座標を、（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のＣＩＥ色値に先ず投影することができ、前記ＣＩＥ色値は、

【数1】

により与えられる。ここで、Ｍは、色補正マトリクス（ＣＣＭ）と呼ばれる３×３行列であり、その決定は、ホワイトバランス補正、色空間変換等を含むいくつかの工程を含み、各工程は、Ｍ_ＷＢ、Ｍ_ＣＴ等として示されるその対応する補正行列を有する。得られたＣＣＭはＭ＝Ｍ_ＣＴ×Ｍ_ＷＢとして表すことができる。プロトタイプセンサーの光応答スペクトルは異なるＲ、Ｇ、及びＢピーク及び標準的三刺激曲線と同様な適切なスペクトル重複を有するので、Ｍ_ＣＴが同じ行列であり、その結果、Ｍは約Ｍ_ＷＢと仮定してもよい。製造されたセンサーの一例について、ＣＣＭを、Ｍ_ＷＢ：

【数2】

により近似してもよい。
これらの行列の要素は、図２Ｅ中のＣＩＳ、ＩｎＳｅ、及びＧａＳスペクトル面積と等しくする正規化パラメータであり、色補正マトリクスを用いて補正された三刺激値を生成する。したがって、図３Ｂの下側の表は、４電力設定点（Ｓ１～Ｓ４）のＸＹＺ計算値を示す。これは一次近似であるが、色を感知する合理的精度を有するプロトタイプセンサーを得る。

【0052】

更に、三次元（Ｘ、Ｙ、Ｚ）表現を、
ａ＝Ｘ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ） （３）
ｂ＝Ｙ／（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ） （４）
の式の使用により二次元に簡素化することができ、これらの絶対値の代わりに座標中の比のみが光色を表すので、絶対光強度を無視する。これらの（ａ、ｂ）の値は、図３Ｃに示されている二次元ＣＩＥ１９３１色空間における色座標と定義される。４電力設定点の座標は、図３Ｃ中の白色点として分類され、２５００Ｋ、２７５０Ｋ、３０００Ｋ、及び３４００Ｋの対応する色温度を示す。十字は、６４７ｎｍ、５１４ｎｍ、及び４５８ｎｍにおけるレーザーラインの色座標測定値を示す。

【0053】

精度を検査するため、２６５０Ｋ、２８３０Ｋ、２９６０Ｋ、及び３２５０Ｋの色温度を、黒体放射曲線を用いてこれらの設定点の発光スペクトルをフィッティングすることによっても決定した。図３Ｄは、４電力設定点を有するハロゲンランプの発光スペクトル及び黒体放射曲線（破線３２１）を用いたスペクトルフィッティングにより得られた色温度を示す。シリコン光検出器をスペクトル収集に使用したので、ＵＶ～可視光範囲（４００～８００ｎｍ）のスペクトルのみをフィッティングのために採用した。比較により、データセット間の密接な一致を、上記２方法から５．０％以内の誤差で得て、デバイスアーキテクチャーの実践的な実現可能性及び測定精度を確認した。更に、図３ＢにおけるＲＧＢ値及び図３Ｄにおけるスペクトルに示されているように、より高電力と共にハロゲンランプ輝度が増加することに留意すべきである。それにもかかわらず、色温度測定は、先に紹介したように、絶対光強度の効果を排除する優れた線形Ｉ－Ｐ関係性のおかげでこの変化による影響を受けなかった。

【0054】

同様の手順に従って、６４７ｎｍ、５１４ｎｍ、及び４５８ｎｍのレーザーラインの色座標を、図３Ｃに示されているように測定した。測定及び予想される座標間にいくつかの偏差が存在するが、センサーは、これらの色も上手く識別することがわかった。これは、この方法におけるＷＢ補正を含むことのみに起因するかも知れないが、Ｍ_ＣＴの導入は、より正確な測定を得ることができる。しかし、Ｍ_ＣＴの補正は、本開示における基本原理及び実践的応用の可能性を実証することにより焦点を超えた精巧だが確立された手順を利用する。

【0055】

色認識のためのスタンドアロンユニットとして作動するのに加えて、本開示のアーキテクチャーを、カメラにおける画像センサーとして機能するアレイ又はマトリクスに統合することもできる。そのコンパクト設計及び優れた光電子性能は、マイクロロボット技術の傾向に特に従った生物学的及び環境応用のための画像センサー及びカメラの小型化へ向かう新たな経路を開く。したがって、シングルユニットプロトタイプで満足するのではなく、先行する画像センサーにおいてめったに達成されていない色収差補正構成を含む、拡張可能な製造の可能性の探査を継続した。この目的を達成するために、３画素色センサーを、図４Ａに示されている回路図を用いて設計した。色センサーは、図４Ａに示されているように２電極を有するこれらの各１つを含む合計９つの光検出器を備える。

【0056】

異なる画素の「上部」電極は接続させたが、同じチャンネルは互いに接続させてチャンネル選択（ＣＳ）端子を得た。同画素における全ての３「下部」電極をまとめて、画素選択（ＰＳ）端子を形成する。このように、各チャンネル及び各画素を、各ＣＳ及びＰＳ端子の任意の組合せにより個別に制御することができる。図４Ｂは、図２Ｄに関して紹介された同様な転写及び積層手順を用いて３画素センサーアレイの構築のためのワークフローを例示する。４０３において、Ｒチャンネル感知層（例えば、１０ｎｍのＣＩＳ層）を形成し、電極をパターン化する。次に、４０６において、第一絶縁層（例えば、ＭｇＦ_２若しくは雲母、又は、例えば、ＧａＦ_２、ＳｉＯ_２、ポリマー薄膜等の他の絶縁材）を、Ｒ感知チャンネル及び電極上に成膜し、Ｇチャンネル感知層（例えば、１３ｎｍのＩｎＳｅ層）を第一絶縁層及びパターン化された電極上に形成する。４０９において、第二絶縁層を、Ｇチャンネル感知層及び電極上に形成し、次いで、Ｂチャンネル感知層（例えば、２５ｎｍのＧａＳ層）を形成し、電極をパターン化する。絶縁層（ＭｇＦ_２薄膜、雲母、又は、ＧａＦ_２、ＳｉＯ_２、ポリマー薄膜等の他の絶縁材）を、熱蒸着法中に制御される厚さを有する隣接する感知チャンネル間に熱蒸着することができる。これらの工程に続いて、モノシリック構造を、例えば、４１２において集束イオンビーム（ＦＩＢ）により独立した３画素に切断し、図４Ｃに示されているその偽色走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を有する設計されたままの３画素色センサーアレイを届けることができる。

【0057】

製造後、光強度分布の空間解像度及び色認識を含む２デバイス機能性試験を、デバイスで行った。空間解像度試験を、プローブステーション及び２０μｍの径を有する光ファイバーによりデバイスに近接して結合された入射光で行った。光ファイバーは、画素に対して同様な大きさを有し、その位置を、個々の画素が主に照射されることを可能とするマイクロマニピュレータにより制御した。図４Ｄは、検査中のデバイス、電気プローブ、及び光ファイバーを含む空間分解光強度マッピング及び色感知のために構成された実験セットアップの光学顕微鏡画像を示す。電気プローブを、ＣＳ及びＰＳ端子によりセンサーアレイと接続する。そして、２０μｍ光ファイバーは、アレイ中の画素を選択的に照射することができる。写真中の白く光る点は、サンプルの面積を照射するファイバーチップにより投影された光である。アレイを横切る光ファイバーの位置を動かすことにより、光電流マッピング（Ｇチャンネルから）を得た。

【0058】

図４Ｅは、検出された光強度分布の一実施例を例示する。３画素アレイを、上パネルに示されている２つの光ファイバーアライメント構成（Ｃ１及びＣ２）を用いて照射した。下パネルは、グレイスケールにおいてこれらの画素の光応答を示し、これを、８０％において最高光電流の読み及び０％において０を設定することにより正規化する。結果は、アレイが、光強度の空間分布を検出することができることを検証する。加えて、Ｒ光、Ｇ光、及びＢ光を、それぞれ、第一、第二、及び第三画素と接続して、これらの色認識能を検査した。図４Ｆは、彩色されたグレイスケールの形態で３画素色センサーアレイに対するＲＧＢ光色認識試験からこれらの画素由来の応答性を示す。Ｒ光、Ｇ光、及びＢ光を、それぞれ、第一、第二、及び第三画素と接続し、ＷＢ因子（Ｒチャンネルに対して５０．０、Ｇチャンネルに対して１．０、及びＢチャンネルに対して５３．４）を掛けた対応する応答性を、高光電流の読みを１００％に、０を０％に設定する彩色されたグレイスケールで示す。全ての画素は、これに投影された光の色を正しく認識し、これら全てが、完全色感知能を有することを示した。空間分解色認識能の成功した実証実験は、複数の画素の大規模統合による超コンパクトな画像センサーのためのデバイスアーキテクチャーの応用性を示している。

【0059】

縦型デバイスアーキテクチャーは、本質的に光学レンズにある色収差の問題を根本的に対処することもできる。デバイス製造の間に、隣接する色感知層間の、ＭｇＦ_２、雲母、又は、例えば、ＧａＦ_２、ＳｉＯ_２、ポリマー薄膜等の他の絶縁材を熱蒸着等されている絶縁層の厚さを、正確に制御することができる。かかる方法では、Ｒ光、Ｇ光、及びＢ光のフォーカスポイントを、対応する感知層に整列し、本質的に単一レンズに起因する色収差を補正することができる。これを、ＩＲ及びＵＶ感知層及び色感知層間の絶縁層に適用することもできる。図４Ｇは、色収差補正のためのｖｄＷ－Ｓベースの縦型色センサーの設計原理を概略的に例示する。３０μｍ及び１５０μｍの面半径を有するモデル単一ＢＫ７両凸レンズのため、Ｒ光、Ｇ光、及びＢ光の焦点距離を、それぞれ、７３．６５０ｎｍ、７２．７６７ｎｍ、及び７２．５４８ｎｍとして算出することができる。したがって、６４０ｎｍ及び１６０ｎｍのＭｇＦ_２絶縁層を、感知層間に形成して、色収差を補正する。この構造では、色収差を補正するための正屈折率及び負屈折率の両方を有する要素からなる接着レンズを使用する必要がない。簡素化されたレンズ設計は、次に、よりコンパクトなカメラ設計を容易にする。

【0060】

例として、３０μｍの半径Ｒ_１及び１５０μｍの半径Ｒ_２を有するＢＫ７レンズの色収差を、式

【数3】

に従って算出し、Ｂ光、Ｇ光、及びＲ光に対してそれぞれ７２．５４８μｍ、７２．７６７μｍ、及び７３．６５０μｍの焦点距離を見つけた。したがって、ＧａＳ感知層及びＩｎＳｅ感知層間に１６０ｎｍのＭｇＦ_２絶縁層並びにＩｎＳｅ層及びＣＩＳ層間に６４０ｎｍのＭｇＦ_２絶縁層を用いて、デバイスを製造した。図４Ｈは、製造された縦型色センサーの横断面のＳＥＭ検査画像である。これらの製造パラメータを、レンズの設計により調整することができる。なお、ｖｄＷ－Ｓは優れた機械的柔軟性を自然に有しているので、画像センサーは、像面湾曲部を補償するようにランダム形状を得ることができる。この原理は、縦型ｖｄＷ－Ｓアーキテクチャーに基づく完全色画像センサーにも当てはまる。

【0061】

デバイス構造全体は柔軟性であるので、マイクロメートルに至るまで湾曲部半径を有する湾曲したセンサーを得ることができるが、従来のシリコンベースのセンサーは、ミリメートルスケールの曲げまでしか達することができない。マイクロスケールの曲げを、図４Ｉに示されている実施例などの前以て製造された湾曲したセンサーホルダー上に仕上げされた柔軟なセンサーを形成することにより行うことができる。感知デバイスの形状を、デバイス中に光を向けさせる光学レンズにより生じる像面湾曲部を補償するように使用することができる。絶縁層厚さを、レンズシステムにより発生する色収差を補償するように変更することができる。フレキシブル半導体により実装される像面湾曲部補正を、湾曲されたセンサーホルダーを用いて行うことができる。センサーホルダーを、例えば、マイクロ３Ｄプリンティングを用いて一定の曲率で製造することができる。図４Ｊは、湾曲されたホルダー上の製造された色センサーの実施例を示す。製造された色センサーはホルダーから取り外すことができ、色センサーは、その柔軟性が理由でそれ自体曲率にぴったり合っている。

【0062】

要約すると、縦型積層ｖｄＷ－Ｓにより強化されたプロトタイプ色センサーを、上手く実証した。ｖｄＷ－Ｓエネルギーバンド構造の広い選択及び広い同調性を利用して、優れた光応答は、ＣＩＳ、ＩｎＳｅ、及びＧａＳからなる積層センサーから実装され、それぞれ、Ｒ、Ｇ、及びＢの３つの一次色を感知した。補正後、この構造物は、光の色を効果的に認識し、ＣＩＥ１９３１色空間で対応する色座標をアウトプットすることができる。光電子特性及び色感知実験全ては、コンパクトな体積を有し、デバイス性能を妥協しないこの設計の実現可能性及び有効性を確認した。更に、画素アレイへの縦型積層アーキテクチャーの拡張可能な製造方法も、色収差補正の能力を用いて例示した。実証されたままのセンサーアレイは、それ自体コンパクトな縦型構造を有するだけでなく、光学レンズシステムの簡素化も容易にする。そのようなものとして、センサーアーキテクチャーは、とりわけ、生物学的、医療、及び環境応用のための総合的小型化及びカメラの改良に対する見事な解決策を生み出すことができる。

【0063】

方法
材料合成。ＣＩＳ及びＩＮＳｅを、Ｓ． Ｌｅｉ ｅｔ ａｌ．による“Ｔｅｒｎａｒｙ ＣｕＩｎ_７Ｓｅ_１１：ｔｏｗａｒｄｓ ｕｌｔｒａ－ｔｈｉｎ ｌａｙｅｒｅｄ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ”（Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．，２６，７６６６－７６７２，２０１４）及びＳ．Ｌｅｉ ｅｔ ａｌ．による“Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｂａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｐｈｏｔｏ－ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ａｔｏｍｉｃ ｌａｙｅｒｓ ｏｆ ＩｎＳｅ”（ＡＣＳ Ｎａｎｏ，８，１２６３－１２７２（２０１４）に従って合成した。ＧａＳ単結晶を、ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈの化学量論量のガリウム及び硫黄（純度＜９９．９９）を用いて成長させた。ＧａＳ結晶成長を行うため、２ゾーンを有する管状炉を使用し、９５０℃及び４５０℃の温度で２４時間保持した。ガリウムを、９５０℃のゾーン内に入れた。次いで、室温に達するまで、管を自然冷却させた。

【0064】

サンプル調製。二酸化ケイ素上のｖｄＷ－Ｓ剥離を、ブルーテープを用いて行った（Ｎｉｔｔｏ ＳＰＶ２２４ＰＲ－ＭＪ）。同様に、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）薄膜（Ｇｅｌ Ｐａｋ Ｇｅｌ Ｆｉｌｍ ＰＦ－３０－Ｘ４）上の絶縁層の材料の雲母を剥離し、これは、転写媒体の役割を果たす。乾式転写法を使用することにより、自作乾式転写ワークフローを用いて、雲母を第一層ｖｄＷ－Ｓの上部に転写した。加熱可能な底部固定ステージに、標的基材を配置し、転写する必要があるＰＤＭＳ上の新しい薄片を、上部透明ガラス製ステージ上に固定し、上部ガラス製ステージのＸＹＺノブは、その動きを制御することができた。上部薄片及び底部基材を、顕微鏡下で相互に並べることができる。整列後、基材に接触するまで、上部ガラス製ステージを下げた。完全に接触させて、転写成功率を向上させるために、標的基材に対して９０℃で３分間熱処理を行った。転写終了後、先ず加熱を止めて、上部ガラス製ステージを、急な上昇により予期せぬ引き裂きがあった場合に備えて、ゆっくり上昇させた。この試験では、他の上部の適切な絶縁層及びｖｄＷ－Ｓ薄片を含む全ての転写方法のため、同じ手順を行った。

【0065】

材料特性評価。タッピングモード下、Ｖｅｅｃｏ ＭｕｌｔｉＭｏｄｅ Ｖ ＡＦＭ ｓｙｓｔｅｍでＡＦＭ試験を行った。ソースメータユニット（例えば、ＳＭＵ、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ ２４５０）、ローノイズ電流増幅器（例えば、Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｓｔｅｍ ＳＲ５７０）、オシロスコープ（例えば、Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＴＢＳ ２０００シリーズ デジタルオシロスコープ）を共同して光応答性スペクトルをキャプチャーした。色センサーのＲＧＢ成分のＩ－Ｖ及びＩ－Ｐ特性曲線を、Ｋｅｉｔｈｌｅｙ ２６３４Ｂ ＳＭＵを備えた自作高真空プローブステーションで測定した。Ｂｉｏ－Ｒａｄアルゴン－クリプトンイオンレーザー、及びＬｅｘｅｌ ８５アルゴンイオンレーザーを使用して、４５８ｎｍ、５１４ｎｍ、及び６４７ｎｍ励起を発生させた。強度を、連続して２つのポラライザにより制御した。

【0066】

デバイス製造。本試験における全デバイス製造のため、４５０ｎｍダイオードレーザーを備えた自作直接レーザー描画システムを使用して、光電子試験のための各色感知層上に電極を製造した。各色感知層の剥離及び転写後、１００ｎｍアンダーカットレジスト（例えば、Ｋａｙａｋｕ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ ＰＭＧＩ ＳＦ ３Ｓ）及び３００ｎｍ ＫＬ５３０５フォトレジスト（例えば、Ｋｅｍ Ｌａｂ ＫＬ５３０５ ＨＲ）をスピンコーティングした。露光終了後、ＫＬ５３０５マッチング現像液（例えば、Ｋｅｍ Ｌａｂ ＴＭＡＨ現像液０．２６Ｎ）に３０秒間浸漬することによりパターンを得た。次に、熱蒸発（Ｔｉ ５ｎｍ／Ａｕ ４５ｎｍ）及び金属リフトオフ手順を行い、デバイス製造を完了した。

【0067】

集束イオンビームミリング。３画素アレイに対するＦＩＢミリングを、Ｈｉｔａｃｈｉ ＮＢ５０００ ｎａｎｏＤＵＥ’Ｔ ＦＩＢ－ＳＥＭ ｓｙｓｔｅｍで行い、ＦＩＢカッティングのために４０ｋＶ Ｇａイオンビームを使用した。色収差補正構造物の横断面を、Ｒａｉｔｈ Ｖｅｌｉｏｎ集束イオンビームリソグラフィーシステムで切断した。Ｒａｉｔｈ Ｖｅｌｉｏｎシステムは、レーザー干渉計ステージ利用によるナノメートルスケール配置精度と信頼性を有する配向用の専用３５ｋＶナノＦＩＢカラム、Ｇａフリー、２ビーム（最小フィーチャサイズ１６．７ｎｍのＳｉ又は最小フィーチャサイズ１８．６ｎｍの金のいずれか）ナノファブリケーションを提供する。試験では、Ａｕ^＋＋集束イオンビームは、ＣＩＳ、ＩｎＳｅ、ＧａＳ、及びＭｇＦ_２積層のミリングにおいてＳｉ^＋＋集束イオンビームより優れた結果を得た。

【0068】

走査電子顕微鏡。全ＳＥＭ画像は、Ｔｅｓｃａｎ Ｖｅｇａ３ ｓｙｓｔｅｍでキャプチャーした。

【0069】

ハロゲンランプのスペクトル収集。ｉＤｕｓ ４２０ ＴＥ冷却ＣＣＤカメラが装備されたＡｎｄｏｒ ５００Ｒ分光計を使用して、ハロゲンランプの放射スペクトルをキャプチャーした。ＣＣＤカメラを、－４０℃まで冷却した。

【0070】

光応答性スペクトル補正方法。
スペクトル補正は、正確な光応答の結果を得ることを容易にする。これを達成するため、単色光源の入射光パワーの影響を考慮する。ここで、ＣＩＳを例として挙げ、本試験における特定の補正工程を以下のように説明する：
・図５Ａは、暗電流、すなわち、（Ｉ_{ｌｉｇｈｔ}－Ｉ_ｄａｒｋ）を抽出することによりＣＩＳ層の元の光応答性スペクトル対補正前の波長を示す。これは、４００ｎｍから７００ｎｍへ連続的増加を示す。補正及び正確な応答ピークを見つけるのは困難である。
・図５Ｂは、波長の関数、Ｐ（λ）として入射光パワーに関する単色光源のスペクトルである。
・補正は、Ｒ（λ）＝（Ｉ_{ｌｉｇｈｔ}－Ｉ_ｄａｒｋ）／Ｐ（λ）の式で算出することができる波長の関数Ｒ（λ）として絶対的光応答性を要求する。図５Ｃは、補正後ＣＩＳの光応答性スペクトルを示す。これは、５５０ｎｍ～７００ｎｍの赤色光バンドにおいて強い応答性を示す。こうすることにより、正しいスペクトルが示され、特定の応答ピーク位置も明白である。同じ光応答性スペクトル補正方法を、ＩｎＳｅ及びＧａＳ感知層にも適用する。

【0071】

ＣＩＳ厚さ依存性光応答性スペクトル発展。赤色感知のための適切な材料候補を得るため、材料厚さと光応答スペクトルの発展との関係性を探索する。様々な厚さを有する一連のＣＩＳサンプルを剥離し、これらの光応答スペクトルを収集した。２つのデバイスの光学写真及びＡＦＭデータの実施例を、図６Ａ及び６Ｂに示す。図６Ａでは、上パネルは、このｖｄＷ－Ｓベースの縦型色センサーにおけるＣＩＳ光学画像であり、中央パネル及び下パネルは、ＡＦＭマッピング及びその厚さプロファイルの両方を示し、厚さ１０ｎｍであると確認した。ＡＦＭマッピング画像のスケールは、５μｍであり、ＡＦＭマッピング画像中のライン６０３に沿ってプロファイル測定を行った。この厚さを有するＣＩＳは、赤色光波長範囲の５５０ｎｍ～７００ｎｍで強力な応答性を示す。

【0072】

図６Ｂでは、上パネルは、別のＣＩＳサンプルの光学画像であり、中央部パネル及び下パネルは、ＡＦＭマッピング及びその厚さプロファイルを示し、厚さ１３０ｎｍであると確認した。ＡＦＭマッピング画像のスケールは、２０μｍであり、ＡＦＭマッピング画像中のライン６０６に沿ってプロファイル測定を行った。これらの３デバイスを比較することにより、短波長範囲（４００ｎｍ～５５０ｎｍ）に対するＣＩＳの光応答スペクトルは、より厚いサンプルに対してより高感度であり、厚さ増加は、可視波長範囲全体をカバーするフラットな応答性をもたらすことが分かる。この傾向は、より薄いＣＩＳは、この範囲におけるその強力な光応答性が理由で、赤色色感知のための適切な候補材料であろうことを決定する助けとなる。

【0073】

ｖｄＷ－Ｓベースの縦型色センサーの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像、乾式転写及び積層デバイス製造手順。このｖｄＷ－Ｓベースの縦型色センサーにおける各感知材料の厚さは、感知能に対する影響をもたらす対応する色に対するその光応答性を制御するだろう。ここで、本発明者らは、赤色、緑色及び青色感知層の厚さを特性評価するために原子間力顕微鏡を使用する。図７Ａ～７Ｃは、本試験において、それぞれ、１０ｎｍ、１３ｎｍ及び２５ｎｍの厚さを有するＣＩＳ（Ｒチャンネル）層、ＩｎＳｅ（Ｇチャンネル）層及びＧａＳ（Ｂチャンネル）層のＡＦＭ画像を示す。この厚さは、スペクトル上のそれぞれの応答間隔は、赤色、緑色及び青色波長範囲と一致することを保証し、デバイスの色感知機能の実現性を更に確認する。左パネルは、ＡＦＭマッピング画像を示し、右パネルは、厚さプロファイルを示す。図７ＡのＡＦＭマッピング画像のスケールは、５μｍであり、ＡＦＭマッピング画像中のライン７０３に沿ってプロファイル測定を行った。図７ＢのＡＦＭマッピング画像のスケールは、２０μｍであり、ＡＦＭマッピング画像中のライン７０６に沿ってプロファイル測定を行った。図７ＣのＡＦＭマッピング画像のスケールは、２０μｍであり、ＡＦＭマッピング画像中のライン７０９に沿ってプロファイル測定を行った。

【0074】

製造の積層に関して、比較的クリーンな乾式転写方法を選択して、化学試薬の汚染を避けた。自作プラットフォームを使用して、乾式転写を終え、感知層及び絶縁層を含む全ての層を積層した。プラットフォーム全体は、２つの部分：転写される材料を配置するための透明スライドガラスを含む上側部分及び標的基材を保持するように設計された下側部分を含む。これは、ＸＹＺ方向に調整することができるマイクロコントローラー上に固定され、回転可能な加熱ステージを備える。ＸＹＺ方向の調整及び回転機能は、最善な積層位置及び転写プロセス中の角度を見つける助けとなる。それと同時に、加熱機能は、層間の接着を得ることにより転写の成功率を更に向上させることができる。しかしながら、加熱温度は、転写される材料及びその厚さにより変わり、厚さが増加すると共に、より高い温度又はより長い時間が必要であるという基本的傾向がある。

【0075】

色マッチング機能。自然の色はいずれも、異なる割合でＲ、Ｇ及びＢの３基本要素を混合することにより得ることができる。したがって、これらの３つのＲＧＢ色標準は、全ての他の色の色知覚及び正確な再現において重要な役割を果たすことができる。１９２０年代後半に、一連の色マッチング実験が開始され、ＣＩＥ色空間標準を表す国際照明委員会（ＣＩＥ）によっても使用されているかかる定量を行った。実験は、同じスクリーン上の３つの基本要素（ＲＧＢ）の混合物である試験光及び標準光を投影し、観察者が、標準光における３つの要素の構成比を変えることによりこれらの間の違いを識別することができないと同時に、これらが同じ色と見做されるまでこれらの２つを比較した。後者の赤色、緑色、及び青色混合比を、前者の色を再現するための標準値として記録した。大量の単色光を試験することにより、色マッチングデータを得た。これに基づいて、ＣＩＥは、前述の実験から得られたＲＧＢ色値を補正するための色補正マトリクスを適用することによりＸＹＺ色空間の概念を提案し、したがって、図８に示されているように、広く使用されている国際色標準値でもある３成分ＣＩＥ ＸＹＺ色マッチング関数を得た。このグラフから、可視光範囲におけるいずれもの波長の標準Ｒ、Ｇ及びＢ成分を直接的に読み取ることができる。

【0076】

通常のＲＧＢ色画像センサー以外、積層多層設計の機能性を拡張することができる。例えば、デバイスの機能性をオンチップ分光計、並びに医療診断、薬物同定、及び材料分析のためのスペクトル分析機能を有するカメラに拡張することがきる。かかるカメラでは、各画素は、スペクトル分析の能力を提供することができる。現在のオンチップ分光計は、マイクロ格子、フィルターアレイ、不規則フォトニック構造、及び線形可変バンドパスフィルターなどの光分散機構を含み、システムの更なるダウンスケーリングを妨げることができる。

【0077】

連続的に変化する光応答スペクトル範囲を有するｖｄＷ－Ｓの多層積層により、代替の解決方法を提供することができる。この目的のため、層状ｖｄＷ－Ｓ合金を、元の化合物の代わりに使用して、禁制帯に連続的に同調し、所望の光応答特性を得ることを可能とする。例えば、ＧａＳｅＳ、ＩｎＧａＳｅ、ＩｎＧａＳｅＴｅ、ＩｎＴｅ、ＩｎＳｅ、ＧａＳｅ、ＧａＳ、ＧａＴｅ、ＩｎＣｕＳｅ、ＭｏＳ_２、ＭｏＳｅ_２、ＭｏＴｅ_２、ＷＳ_２、ＷＳｅ_２、ＷＴｅ_２、ＮｂＳｅ_２、ＴｉＳ_２などのｖｄＷ－Ｓ、又は他のｖｄＷ－Ｓ合金を使用することができる。

【0078】

一例として、徐々に開く禁制帯を有するＧａＳｅ_１－ｘＳ_ｘ合金の群を検討する。この場合、カットオフ波長は、硫黄の比率（ｘ）が増加すると共に青色シフトし得る。他の例としては、ＩｎＧａ_１－ｘＳｅ_ｘ、ＩｎＧａ_１－ｘＳｅ_ｘＴｅ、Ｔｅ_ｘＳｅ_１－ｘ、Ｇａ_ｘＩｎ_１－ｘＳｅ、ＧａＳ_ｘＳｅ_１－ｘ、ＭｏＳ_ｘＳｅ_１－ｘ、Ｍｏ_ｘＷ_１－ｘＳｅ_２等を挙げることができるが、これらに限定されない。図９Ａは、市販のローパスフィルター（上の段）及び合成されたＧａＳｅＳ合金サンプル（下の段）の実施例を例示する。色変化の類似性は、合成サンプルの成功した禁制帯同調を明白に示した。

【0079】

画素当たりの分光計（ＳＰＰ）デバイスを、記載されているように様々な禁制帯を有するｖｄＷ－Ｓ合金を用いて製造することができる。これは、各層が、禁制帯より高いエネルギーを有する光子を検出する光センサーとして機能することと同時に、後続レベルに低エネルギー光子を選択的に放出するローパスフィルターとして同時に作用する、２つの機能を提供するような方法で機能する。図９Ｂは、２倍の機能性を提供する層を含む単一画素分光計の実施例を例示する。それぞれの波長範囲を感知することに加えて、各層は、後続層のためのローパスフィルターとしても機能する。示されているように、各層は、次の層を通過するより低エネルギー光子を可能とする光子を検出する。

【0080】

ＳＰＰマトリックスを備えるカメラは、通常のカメラと同じ大きさを有すると共に、追加の光学要素を有しない完全スペクトル分析の機能性を提供する。そのようなものとして、これは、例えば、内視鏡検査、医用画像、がん診断、並びに画像キャプチャー及び光学的分光測定能力の両方から利益を得るだろう他の分野を含む広範囲の応用に適用することができる。

【0081】

本開示の上記実施形態は、単に、本開示の原理の明瞭な理解のために明記された実装の可能な実施例にすぎないことを強調すべきである。本開示の趣旨及び原理から実質的に逸脱することなく上記実施形態に多くの変更及び改変を行ってもよい。全てのかかる改変及び変更は、本明細書において本開示の範囲内に含まれ、後続の特許請求の範囲により保護されるものとする。

【0082】

用語「実質的に」は、意図されている目的に悪影響を与えない記述用語からの乖離を許容することが意図される。記述用語は、たとえ用語が実質的に言葉により明示的に修正されないとしても、実質的に言葉により修正されると暗黙的に理解される。

【0083】

なお、比、濃度、量、及び他の数値データは、本明細書において範囲の形式で表され得る。かかる範囲の形式は、便宜及び簡略のために使用されると理解されるべきであり、したがって、範囲の限界として明示的に記載されている数値だけでなく、あたかも各数値及びサブレンジが明示的に記載されているかのように、この範囲内に包含される全ての個々の数値又はサブレンジを含むように柔軟に解釈されるべきである。例示するため、「約０．１％～約５％」の濃度範囲は、約０．１重量％～約５重量％の明示的に記載されている濃度だけでなく、指定されている範囲内の個々の濃度（例えば、１％、２％、３％、及び４％）及びサブレンジ（例えば、０．５％、１．１％、２．２％、３．３％、及び４．４％）も含むと解釈されるべきである。用語「約（ａｂｏｕｔ）」は、数値の有効数字により伝統的な四捨五入を含むことができる。加えて、フレーズ「約『ｘ』～『ｙ』」は、「約『ｘ』～約『ｙ』」を含む。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図2E】

【図2F】

【図2G】

【図2H】

【図2I】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図4E】

【図4F】

【図4G】

【図4H】

【図4I】

【図4J】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【国際調査報告】