JP4096059B2 - Photon detector and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、光子1個の検出が可能な光子検出器及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a photon detector capable of detecting one photon and a manufacturing method thereof.
高感度な光検出装置は、光学測定装置や通信技術など現在多くの分野で用いられている。単一の光子を検出できる検出器としては、光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードが挙げられる。 High-sensitivity photodetectors are currently used in many fields such as optical measurement devices and communication technologies. Detectors that can detect single photons include photomultiplier tubes and avalanche photodiodes.
しかしながら、光電子増倍管は、外部光電効果を利用しているため、小型化が難しく、高電圧を必要とするという欠点を有する。また、アバランシェフォトダイオードは、熱雑音に弱く、高感度に光子の検出を行うためには素子を極低温に冷却する必要があるということや、大きな印加電圧を必要とするという欠点を有する。 However, since the photomultiplier tube utilizes the external photoelectric effect, it is difficult to reduce the size and requires a high voltage. In addition, the avalanche photodiode is weak against thermal noise, and has a drawback that the element needs to be cooled to a very low temperature in order to detect photons with high sensitivity, and requires a large applied voltage.
近年、後述する単一電子トランジスタ(Single Electron Transitor、以下「SET」という。)を利用した光子検出器が開発され、より小型で高感度な光子の検出が可能となりつつある。 In recent years, a photon detector using a single electron transistor (hereinafter referred to as “SET”), which will be described later, has been developed, and it is becoming possible to detect a photon with a smaller size and higher sensitivity.
A. N. Clelandらは、光検出部分と増幅素子となるSETとを接続した装置を作製し、波長650nmの微弱光を検出している(下記非特許文献1参照)。しかし、この光検出装置は、電子線リソグラフィー法により作製されるため、20mKという極低温での動作に制限され室温動作は、困難である。また、前記光検出装置は、構造が複雑なため、大量生産や集積化が困難である。 A. N. Cleland et al. Manufactured a device in which a light detection portion and SET as an amplifying element are connected to detect weak light having a wavelength of 650 nm (see Non-Patent Document 1 below). However, since this photodetector is manufactured by an electron beam lithography method, it is limited to an operation at an extremely low temperature of 20 mK and is difficult to operate at room temperature. Further, the photodetection device has a complicated structure, and is difficult to mass-produce and integrate.
また、S. Komiyamaらは、微小な伝導体へ入射した光子が引き起こす電荷分極をSETの作用で巨視的な電流に増幅することにより、波長200μmの遠赤外光の光子を単一で検出できることを示している(下記非特許文献2参照)。しかし、電荷分極を引き起こすためには、強磁場の印加が必須で、測定できる光子の波長域も200mm付近に限定されている。また、装置の構造が複雑なため、リソグラフィー技術を用いた作製法では、素子の微小化に限界があり、0.4Kという極低温での動作に限られる。
Also, S. Komiyama et al. Can detect photons of far-infrared light with a wavelength of 200μm by amplifying the charge polarization caused by photons incident on a minute conductor into a macroscopic current by the action of SET. (See Non-Patent
高田らは、酸化チタン微粒子と有機金属錯体等の光吸収体を組み合わせ、外部電界を印加せずに、自己分極する量子ドットを作製し、この量子ドットに入射した波長540nmの光を室温においてSETの作用で検出している(下記特許文献1参照)。微粒子を量子ドットとして用いることで、簡素な構造で高感度な検出を実現しているが、電極は電子線リソグラフィーにより精密に配置する必要があるため、コストが掛かり、大量生産には適していない。また、受光部がソース・ドレイン電極間の微小領域に限定されるため、高感度な測定のためには入射光を受光部へ集光させるための装置が必要になると予想される。 Takada et al. Produced a self-polarizing quantum dot by combining a titanium oxide fine particle and a light absorber such as an organometallic complex without applying an external electric field, and set the light with a wavelength of 540 nm incident on the quantum dot at room temperature. (See Patent Document 1 below). By using fine particles as quantum dots, high-sensitivity detection is achieved with a simple structure, but the electrodes need to be placed precisely by electron beam lithography, which is expensive and not suitable for mass production. . In addition, since the light receiving part is limited to a minute region between the source and drain electrodes, it is expected that a device for condensing incident light on the light receiving part is required for highly sensitive measurement.
上述のように、従来のSETを利用した光検出法においては、極低温下や強磁場中という過酷な動作環境を必要とする、構造が複雑である、受光部が微小である等の問題点があった。
本発明は、上記問題点を解決し、超微弱光を室温で検出することが可能で、広い受光部面積を有し、容易な製造・集積化が可能な光子検出装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a photon detection device capable of detecting ultra-weak light at room temperature, having a wide light receiving area, and capable of being easily manufactured and integrated. And
本発明の目的は、少なくとも一方は、透明電極である上下二枚の電極間に金属微粒子を、絶縁層を介して二次元的に配置させ、上記金属微粒子に隣接するように絶縁膜で覆われた半導体微粒子を配置した構成を実現することで達成される。 It is an object of the present invention to dispose metal fine particles two-dimensionally through an insulating layer between two upper and lower electrodes, which are transparent electrodes, and are covered with an insulating film so as to be adjacent to the metal fine particles. This is achieved by realizing a configuration in which the semiconductor fine particles are arranged.
上記半導体微粒子に入射した光子により生成される電子正孔対を分離させ、且つ上記両電極間に上記金属微粒子を介したトンネル電流を生じさせるために、上下の電極間にバイアス電圧を印加する。 A bias voltage is applied between the upper and lower electrodes in order to separate electron-hole pairs generated by photons incident on the semiconductor fine particles and to generate a tunnel current via the metal fine particles between the electrodes.
本発明は、ソース電極とドレイン電極が共通な単一電子トランジスタ(以下「SET」という。)を二次元的に並列に接続した構成を有する。上下二枚の電極がそれぞれドレイン、ソース電極であり、半導体微粒子がゲート電極となる。 The present invention has a configuration in which single electron transistors (hereinafter referred to as “SET”) having a common source electrode and drain electrode are connected in parallel two-dimensionally. The upper and lower electrodes are the drain and source electrodes, respectively, and the semiconductor fine particles are the gate electrodes.
SETは、微小な導体(島電極)の両端にソース、ドレイン電極がトンネル接合し、さらに島電極近傍でトンネルによる結合を起こさない位置にゲート電極を設置した構造を有する。ゲート電極への印加電圧が0の時、ソース-ドレイン間の印加電圧がe/2C(e:素電荷量、C:島電極全体の静電容量)未満であれば、電子1個の島電極へのトンネルによる静電エネルギーの増加分e2/2Cに対応する熱エネルギーkT(k:ボルツマン定数、T:絶対温度)を外部から提供されない限り、電子はトンネルを禁止される。これをクーロンブロッケード現象と呼ぶ。室温でクーロンブロッケードを発現させるためには、Cを微小に、即ち島電極とソース、ドレイン間のトンネル接合の面積を10nm四方程度にしなければならない。クーロンブロッケードの状態でゲート電極に正電圧を印加していくと、トンネル接合の静電エネルギーは(-ne+CgVg)2/2C (n:島電極に存在する電子の数、Cg:ゲート容量、Vg:ゲート電圧)と表され、CgVg=e/2, 3e/2, 5e/2,…の場合にn=N,N+1(N=0,1,2,…)で静電エネルギーが最小となるため、クーロンブロッケードが破れソース-ドレイン間にトンネル電流が流れる。つまり、電子数個を引き寄せるだけの微弱な電圧をゲート電極に印加することにより、ソース-ドレイン間の電流を制御することができる。 SET has a structure in which a source and a drain electrode are tunnel-joined at both ends of a minute conductor (island electrode), and a gate electrode is installed at a position where no tunnel coupling occurs in the vicinity of the island electrode. When the voltage applied to the gate electrode is 0, if the voltage applied between the source and drain is less than e / 2C (e: elementary charge, C: capacitance of the entire island electrode), one island electrode Unless thermal energy kT (k: Boltzmann constant, T: absolute temperature) corresponding to the increase in electrostatic energy e 2 / 2C due to tunneling to the outside is provided from outside, electrons are prohibited from tunneling. This is called the Coulomb blockade phenomenon. In order to develop Coulomb blockade at room temperature, C must be made minute, that is, the area of the tunnel junction between the island electrode and the source and drain must be about 10 nm square. When a positive voltage is applied to the gate electrode in the Coulomb blockade state, the electrostatic energy of the tunnel junction is (-ne + CgVg) 2 / 2C (n: number of electrons present in the island electrode, Cg: gate capacitance, Vg: gate voltage), and when CgVg = e / 2, 3e / 2, 5e / 2, ..., the electrostatic energy is n = N, N + 1 (N = 0, 1, 2, ...) Because it is minimized, the Coulomb blockade is broken and a tunnel current flows between the source and drain. That is, the current between the source and the drain can be controlled by applying a weak voltage enough to attract several electrons to the gate electrode.
本発明においては、半導体微粒子への光子の入射により生成され上下の電極間に印加された電界により半導体微粒子下方へドリフトした正孔が、隣接する金属微粒子内の電荷を引き寄せることにより、ソース電極から金属微粒子を通りドレイン電極へ電子がトンネルし、電流が流れる。この電流を測定することにより、光子の検出を行うことが可能となる。 In the present invention, the holes that are generated by the incidence of photons on the semiconductor fine particles and drift to the lower side of the semiconductor fine particles due to the electric field applied between the upper and lower electrodes attract the charges in the adjacent metal fine particles. Electrons tunnel through the fine metal particles to the drain electrode, and current flows. By measuring this current, photons can be detected.
本発明によると二次元的に配置された多数の半導体微粒子のうちどれか1つに光子が入射すると電流として検出できるため、受光面を広くとることができ、入射光を集光するための光学部品を介さずに高感度な光子の検出が可能である。 According to the present invention, when a photon is incident on any one of a large number of two-dimensionally arranged semiconductor fine particles, it can be detected as an electric current, so that a light receiving surface can be widened and an optical for condensing incident light. It is possible to detect photons with high sensitivity without using any parts.
本発明の構成は、各電極間の絶縁層をアルカンチオールあるいは高分子材料で形成し、金属および半導体微粒子を自己組織的に配置した構造であるため、半導体加工等を必要としない容易な製造方法が提供される。 Since the structure of the present invention is a structure in which an insulating layer between electrodes is formed of alkanethiol or a polymer material, and metal and semiconductor fine particles are arranged in a self-organized manner, an easy manufacturing method that does not require semiconductor processing or the like Is provided.
金属微粒子、半導体微粒子、絶縁層で形成される構造は、上下の電極間に一様に形成されるため、受光面の面積を任意に形成し、平面上に限定されず曲面上にも形成可能である。 The structure formed by metal fine particles, semiconductor fine particles, and insulating layers is uniformly formed between the upper and lower electrodes, so the area of the light-receiving surface can be arbitrarily formed, and can be formed on curved surfaces as well. It is.
上下の電極のうちどちらか一方をアレイ状に並べるだけで二次元にアレイ化された素子を作製することが可能で、光子の入射位置検出が可能である。 By arranging either one of the upper and lower electrodes in an array, a two-dimensional array of elements can be produced, and the incident position of a photon can be detected.
以下に、本発明に係る光子検出器の実施形態を、図を参照して説明する。図1は、素子の断面図であり、図2は、図1の等価回路図である。 Embodiments of a photon detector according to the present invention will be described below with reference to the drawings. 1 is a cross-sectional view of the element, and FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of FIG.
本発明に係る光子検出器の製造方法について、図1を用いて説明する。まず、金属基板101上に絶縁層102を形成する。上記絶縁層上に、表面を絶縁膜104で被覆された金属微粒子103を、それ同士が密着せず散在するように、固定化する。金属基板上の絶縁層と金属微粒子表面における絶縁層の膜厚の合計は、電子のトンネルが容易に起こるように数nm以下に設定する。金属微粒子の直径は、上下の電極とのトンネル接合を電子1個がトンネルした時に変化する静電エネルギーが室温の熱エネルギーに匹敵するよう、1〜20nm程度とする。しかる後に表面を絶縁膜106で被覆した半導体微粒子105を上記金属微粒子に隣接するように上記金属基板上の絶縁層上に配置する。半導体微粒子表面の絶縁膜の膜厚は、光子により生成された電子正孔対が半導体微粒子の外部へトンネルせずに内部に保持されるように、且つ生成された正孔と隣接する金属微粒子内の電子との間に静電的相互作用が作用し易いように、10〜20nmが好ましい。半導体微粒子の直径は、金属微粒子の直径の2、3倍程度が好ましい。続いて金属基板から後述する上部の透明電極への電子の直接トンネリングを起こさないために、金属基板上の絶縁層上の金属微粒子と半導体微粒子が堆積していない領域に望ましくは10nm程度以上の絶縁層107を堆積する。最後に素子の上部に透明電極108を蒸着する。
A method of manufacturing a photon detector according to the present invention will be described with reference to FIG. First, the
半導体微粒子は、光の照射により電子・正孔対が形成される作用を有する物質であり、例えばSi、Ge等の真性半導体、GaAs、GaP、CdS、ZnS、ZnSe、CdSe、InP、InSb、PbS、PbSe、TiO2、ZnO等のIII-V族、II-VI族、I-VII族、I-III-VI族、II-IV-V族半導体が挙げられるが、検出する光子の波長に対応するエネルギーよりも小さなエネルギーギャップを有するものであれば、これらに限定されるものではない。 Semiconductor fine particles are substances that have the effect of forming electron-hole pairs when irradiated with light, such as intrinsic semiconductors such as Si and Ge, GaAs, GaP, CdS, ZnS, ZnSe, CdSe, InP, InSb, PbS. III-V, II-VI, I-VII, I-III-VI, II-IV-V semiconductors such as PbSe, TiO 2 , ZnO, etc., but corresponding to the wavelength of photons to be detected It is not limited to these as long as it has an energy gap smaller than the energy to be applied.
半導体内での電荷分離が低効率である場合は、上記半導体微粒子表面に金属錯体色素あるいは有機色素を結合することにより、これらの色素で光励起された電子は半導体の伝導帯へ直ちに移動し正孔は色素内に留まるため、より高効率な電荷分離を図ることが可能である。色素の結合方法としては、半導体微粒子を上記色素の溶液に混合するだけで自動的に色素が半導体微粒子表面に結合する。 When charge separation in the semiconductor is low efficiency, by bonding a metal complex dye or organic dye to the surface of the semiconductor fine particles, the electrons photoexcited by these dyes immediately move to the conduction band of the semiconductor. Stays in the dye, so that more efficient charge separation can be achieved. As a method for bonding the dye, the dye is automatically bonded to the surface of the semiconductor fine particles simply by mixing the semiconductor fine particles into the dye solution.
金属微粒子は、金、銀、銅、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、鉄、ニッケル、クロム、スズ、アルミニウム、鉛等の第VIa〜IVb族元素からなる金属やこれらの合金が例示されるが、微粒子のサイズ制御が容易で後述するアルカンチオールの自己組織化膜を容易に被覆できる金が特に好ましい。 Examples of the metal fine particles include metals composed of Group VIa to IVb elements such as gold, silver, copper, platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, osmium, iron, nickel, chromium, tin, aluminum, lead, and alloys thereof. However, gold that can easily control the size of the fine particles and can easily cover the self-assembled film of alkanethiol described later is particularly preferable.
上下の電極として、金属電極については上記金属微粒子同様に金、銀、銅、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、鉄、ニッケル、クロム、スズ、アルミニウム、鉛等の第VIa〜IVb族元素からなる金属やこれらの合金が例示されるが、後述するアルカンチオールの自己組織化膜を容易に被覆できる金が特に好ましい。透明電極については、ZnO、SnO2、In2O3にそれぞれAl3+、Sb5+、Sn4+をドープしn型半導体にしたものが使用可能であるが、検出する光子の波長に対して透過率の高いものが望ましい。 As the upper and lower electrodes, the metal electrodes are the same as the above metal fine particles, such as gold, silver, copper, platinum, palladium, ruthenium, rhodium, iridium, osmium, iron, nickel, chromium, tin, aluminum, lead, etc. Examples thereof include metals composed of elements and alloys thereof, and gold that can easily cover an alkanethiol self-assembled film described later is particularly preferable. For transparent electrodes, ZnO, SnO 2 , In 2 O 3 doped with Al 3+ , Sb 5+ , Sn 4+ respectively to make an n-type semiconductor can be used, but the transmittance with respect to the wavelength of the photon to be detected Higher one is desirable.
金属電極上と金属微粒子表面の絶縁層は、チオールやジスルフィドを有する分子の自己組織化膜、高分子薄膜、SiO2、Al2O3、ZrO2等の酸化膜が挙げられるが、膜厚の制御と形成が容易なためアルカンチオールの自己組織化膜が好ましい。半導体微粒子表面の絶縁層についても上述の例が挙げられるが、10nm程度以上の厚さが必要なため、高分子の交互積層膜が好ましい。 Examples of the insulating layer on the metal electrode and the surface of the metal fine particle include a self-assembled film of a molecule having thiol or disulfide, a polymer thin film, an oxide film such as SiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2, etc. Alkanethiol self-assembled films are preferred because they are easy to control and form. Examples of the insulating layer on the surface of the semiconductor fine particles include the above-mentioned examples. However, since a thickness of about 10 nm or more is required, a polymer alternating laminated film is preferable.
(作用)本発明の作用について図2を用いて説明する。半導体微粒子のエネルギーギャップ以上のエネルギーを持つ光子が半導体微粒子203に入射すると、光電効果により電子正孔対が生成される。上下の電極に印加されている電圧のため、電子は上方へ、正孔は下方へそれぞれ分離しドリフトする。半導体微粒子内の下方へ移動した正孔は、金属微粒子内の電子を引き寄せ、SETの動作原理により、金属基板201から金属微粒子を通って透明電極202へ電子が移動するため、上下の電極間に電流が流れる。
(Operation) The operation of the present invention will be described with reference to FIG. When photons having energy equal to or greater than the energy gap of the semiconductor fine particles are incident on the semiconductor
以下に本発明の方法による光子検出装置の作製と評価の実施例を示す。 Examples of production and evaluation of a photon detection device according to the method of the present invention will be described below.
(1)自己組織化膜被覆金微粒子の作製
本実施例では金属微粒子として金微粒子を用いた。G. Tsutsui(Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 40, 2001, 346-349)らの方法を参照して作製した直径約11nmの金コロイド溶液(1mg/ml)50μlを0.5mM N-Fmoc-Aminohexanethiol/N,N-Dimethyl Formamide (DMF)溶液4mlに滴下し、攪拌した後24時間放置し、金微粒子表面にN-Fmoc-Aminohexanethiolの自己組織化膜を形成した。1mlのpiperidineを加え1時間放置しFmocを脱保護した後、溶媒をDMFから水に置換し、未反応のAminohexanethiolを除去するため、35000×g、30分間の遠心分離を3回繰り返し最終容量を0.88mlとした。
(1) Preparation of self-assembled film-coated gold fine particles In this example, gold fine particles were used as the metal fine particles. G. Tsutsui (Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 40, 2001, 346-349) et al. 50 μl of an approximately 11 nm diameter gold colloid solution (1 mg / ml) prepared with 0.5 mM N- The solution was dropped into 4 ml of Fmoc-Aminohexanethiol / N, N-dimethyl formamide (DMF) solution, stirred and allowed to stand for 24 hours to form a self-assembled film of N-Fmoc-Aminohexanethiol on the surface of the gold fine particles. Add 1 ml piperidine and let stand for 1 hour to deprotect Fmoc, then replace DMF with water and remove unreacted Aminohexanethiol by repeating 35,000 xg for 30 minutes three times to obtain the final volume. 0.88 ml.
(2)高分子交互積層膜被覆二酸化チタン微粒子の作製
本実施例では半導体微粒子として二酸化チタン(TiO2)微粒子を用いた。直径約25nmの二酸化チタン微粒子(Degussa P25)0.6gにキレート剤10% Acetylacetone水溶液0.2mlを加え乳鉢ですりつぶした後、60mlミリQ水を加え、超音波洗浄器で1時間超音波処理を行い、4000×gで15分間遠心分離し沈殿を除去して二酸化チタンコロイド溶液を作製した。このコロイド溶液に30mg/ml poly(sodium 4-styrenesulfonate)(PSS) / 1M NaCl溶液1mlを加え超音波洗浄器で1時間超音波処理を行った後に30000×gで30分間遠心分離し上澄み液を除去し、ミリQ水を加え再分散させた。この遠心分離による洗浄操作は3回行った。これにより、表面をPSSでコーティングされたTiO2微粒子が作製された。このコロイド溶液に30mg/ml poly(allylamine hydrochloride)(PAH) / 1M NaCl溶液1mlを加え同様の操作により表面をPSS/PAHでコーティングされたTiO2微粒子を作製した。この一連の操作をPSS、PAHについて交互に行い、TiO2微粒子をPSSとPAHの5層の膜でコーティングした。この微粒子の直径は、動的光散乱法により約58nmと求められた。
(2) Preparation of polymer alternate layer-coated titanium dioxide fine particles In this example, titanium dioxide (TiO 2 ) fine particles were used as semiconductor fine particles. After adding 0.2 ml of 10% Acetylacetone aqueous solution of chelating agent to 0.6 g of titanium dioxide fine particles (Degussa P25) with a diameter of about 25 nm, grind it in a mortar, add 60 ml milli-Q water, and perform ultrasonic treatment for 1 hour with an ultrasonic cleaner Centrifugation was performed at 4000 × g for 15 minutes to remove the precipitate, thereby preparing a titanium dioxide colloidal solution. Add 30ml / ml poly (sodium 4-styrenesulfonate) (PSS) / 1M NaCl solution 1ml to this colloidal solution, sonicate with ultrasonic cleaner for 1 hour, then centrifuge at 30000 × g for 30 minutes and remove the supernatant. Removed and redispersed with Milli-Q water. This washing operation by centrifugation was performed three times. As a result, TiO 2 fine particles whose surface was coated with PSS were produced. To this colloidal solution, 1 ml of 30 mg / ml poly (allylamine hydrochloride) (PAH) / 1M NaCl solution was added, and TiO 2 fine particles whose surface was coated with PSS / PAH were prepared in the same manner. This series of operations was alternately performed for PSS and PAH, and TiO 2 fine particles were coated with a five-layer film of PSS and PAH. The diameter of the fine particles was determined to be about 58 nm by the dynamic light scattering method.
(3)光検出装置の作製
本実施例では金属基板として金を、透明電極としてIndium Tin Oxide(ITO)を、絶縁層としてアルカンチオール類を用いた。ガラス基板(Corning 7059)上にクロムの接着層を挟んで金をスパッタで330℃にて蒸着した。クロム、金の膜厚はそれぞれ300nm、450nmであった。金薄膜を形成した後、ガスバーナーで熱処理を行った。
(3) Production of Photodetector In this example, gold was used as the metal substrate, Indium Tin Oxide (ITO) was used as the transparent electrode, and alkanethiols were used as the insulating layer. Gold was deposited at 330 ° C. by sputtering on a glass substrate (Corning 7059) with a chromium adhesive layer in between. The film thicknesses of chromium and gold were 300 nm and 450 nm, respectively. After the gold thin film was formed, heat treatment was performed with a gas burner.
金基板を60℃の1mM carboxy-pentanethiol/エタノール溶液20mlに2時間浸漬し、その後約100時間室温にて浸漬し、金基板上にcarboxy-pentanethiolの自己組織化膜を形成した。金基板をリン酸緩衝液(pH7.5)に浸漬し、(1)の工程で作製した自己組織化膜被覆金コロイド溶液0.17ml、10-12mol N-hydroxysuccinimide (NHS)、2×10-12mol 1-[3-(Dimethylamino)propyl] -3- ethylcarbodiimide(EDC)を加え、金微粒子表面に形成された自己組織化膜のアミノ基と、金基板表面に形成された自己組織化膜のカルボキシル基を結合させた。24時間後、0.1mmol NHSと0.2mmol EDCを加え、金基板上の全てのカルボキシル基を活性化させた。1時間後、水で洗浄しミリQ水に浸漬させた金基板に0.17g/lに希釈した(2)の工程で作製したTiO2コロイド溶液を1ml加え、24時間後に水で洗浄した。このTiO2微粒子は、最外層のPSSの陰電荷と金微粒子表面のアミノ基の陽電荷との静電的相互作用により、金微粒子に隣接するように配置されると期待される。金基板を1mM amino- undecanethiol水溶液に64時間浸漬し、金、TiO2微粒子の間隙に自己組織化膜を形成させた。 The gold substrate was immersed in 20 ml of 1 mM carboxy-pentanethiol / ethanol solution at 60 ° C. for 2 hours, and then immersed at room temperature for about 100 hours to form a self-assembled film of carboxy-pentanethiol on the gold substrate. The gold substrate was immersed in a phosphate buffer solution (pH7.5), (1) a was prepared by the process self-assembled film-coated gold colloid solution 0.17ml, 10 -12 mol N-hydroxysuccinimide (NHS), 2 × 10 - 12 mol 1- [3- (Dimethylamino) propyl] -3-ethylcarbodiimide (EDC) was added, and the amino group of the self-assembled film formed on the surface of the gold fine particles and the self-assembled film formed on the gold substrate surface A carboxyl group was attached. After 24 hours, 0.1 mmol NHS and 0.2 mmol EDC were added to activate all carboxyl groups on the gold substrate. After 1 hour, 1 ml of the TiO 2 colloid solution prepared in the step (2) diluted to 0.17 g / l was added to a gold substrate washed with water and immersed in milli-Q water, and washed with water after 24 hours. The TiO 2 fine particles are expected to be disposed adjacent to the gold fine particles due to electrostatic interaction between the negative charge of the outermost PSS and the positive charge of the amino group on the gold fine particle surface. The gold substrate was immersed in a 1 mM amino-undecanethiol aqueous solution for 64 hours to form a self-assembled film in the gap between the gold and TiO 2 fine particles.
上記の金基板上に自己組織化膜、微粒子を固定化させたものの上に、SiO2絶縁膜を一部覆うようにスパッタで形成し、さらにその上にITO膜をSiO2膜からわずかにはみ出るようにスパッタで形成した。このはみ出た部分が光検出部となり、面積は約0.2mm2である。 A self-assembled film and fine particles fixed on the above gold substrate are formed by sputtering so as to partially cover the SiO 2 insulating film, and the ITO film slightly protrudes from the SiO 2 film thereon. Thus, it was formed by sputtering. This protruding portion becomes the light detection portion, and the area is about 0.2 mm 2 .
(4)光子検出装置の評価
(3)で作製した光子検出装置の金とITO電極にファンクションジェネレータ(HP 33120A)とマルチメータ(HP 3458A)を直列に接続し、印加電圧を変化させた時の電流の変化を測定した。一定電圧下でいくつかの光強度で光を一定時間照射した時の電流の変化を測定した。
(4) Evaluation of photon detector
A function generator (HP 33120A) and a multimeter (HP 3458A) were connected in series to the gold and ITO electrodes of the photon detection device fabricated in (3), and the change in current when the applied voltage was changed was measured. Changes in current were measured when light was irradiated for a certain period of time at a certain voltage and with several light intensities.
光非照射下で、ソース・ドレイン間の電流電圧特性を測定した結果を図3に示す。本実施例の構成においては、金微粒子-アルカンチオール絶縁膜-ITO電極という電子のトンネル経路部分がMIS(Metal-Insulator-Semiconductor)ダイオードの構造になっており、正電圧の場合は電流が流れにくいという整流作用を示すため、クーロンブロッケードは負電圧の場合のみ現れた。光を照射するとITO内の価電子が励起されるため、この整流作用は破れる。ITO電極の代わりに金を蒸着して電極として用いたところ、(b)のように両方向の電圧においてクーロンブロッケードが観測されたため、金微粒子が量子ドットとして機能していることが確認された。 FIG. 3 shows the results of measuring the current-voltage characteristics between the source and drain under no light irradiation. In the configuration of this example, the electron tunnel path portion of the gold fine particle-alkanethiol insulating film-ITO electrode has a structure of a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) diode, and current is difficult to flow in the case of a positive voltage. Coulomb blockade appeared only in the case of negative voltage. Irradiation excites the valence electrons in the ITO and breaks this rectifying action. When gold was vapor deposited instead of the ITO electrode and used as an electrode, Coulomb blockade was observed at voltages in both directions as shown in (b), confirming that the gold fine particles functioned as quantum dots.
バイアス電圧0.5Vにおいて光を照射した時の電流の変化を測定した例を図4に示す。光照射は電流値の変化がほぼ無くなるまで継続して行った。三種類の入射光強度で測定を行い、紫外線強度は受光面に入射する光子の個数に換算してそれぞれ1秒間に約4×109個、3×105個、6×102個である。入射光子数と電流の最大値の関係は、図5に示すような関係が成り立ち、広範囲の入射光強度において測定が可能であることが確認された。本実施例においては1秒間に約103個の光子まで検出することができた。 FIG. 4 shows an example in which a change in current when light is irradiated at a bias voltage of 0.5 V is measured. The light irradiation was continued until there was almost no change in the current value. Measurements are made with three types of incident light intensity, and the UV intensity is approximately 4 × 10 9 , 3 × 10 5 , and 6 × 10 2 per second in terms of the number of photons incident on the light receiving surface. . The relationship between the number of incident photons and the maximum value of the current is as shown in FIG. 5, and it was confirmed that measurement was possible in a wide range of incident light intensities. In this example, up to about 10 3 photons could be detected per second.
光子1個の検出を必要とする技術分野、あるいは極めて微弱な光を検出することを必要とする技術分野での利用が考えられる。 It can be used in a technical field that requires detection of a single photon, or in a technical field that requires detection of extremely weak light.
101 金属基板
102 絶縁層
103 金属微粒子
104 絶縁層
105 半導体微粒子
106 絶縁層
107 絶縁層
108 透明電極
201 ソース電極となる金属基板
202 ソース電極となる透明電極
203 半導体微粒子
DESCRIPTION OF
Claims (12)
The metal fine particles covered with the insulating film are two-dimensionally arranged on the metal electrode through the insulating layer, and the semiconductor fine particles covered with the insulating film are arranged so as to be adjacent to the metal fine particles. A method of manufacturing a photon detector coated with a conductive film, wherein the semiconductor fine particles are fixed so as to be adjacent to the metal fine particles after the metal fine particles are fixed on the metal electrode. Manufacturing method of the detector.
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