JP6054859B2 - 量子トンネル効果光検出器アレイ - Google Patents

Description

本発明は、概して、量子トンネル効果光検出器アレイ、および画像生成方法に関する。

近年、カメラ付き携帯電話、スチルおよびビデオカメラなどの光学装置における需要の増加が主な原因で、電荷結合素子（ＣＣＤ）、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサなどの撮像素子に対する需要が著しく増加した。

さらに、カメラ付き電話および個人秘書（ＰＡ）装置における継続中のブームとともに、パソコン（ＰＣ）、特にノートブックＰＣ、または、自動車のバックミラーカメラにおける、埋め込みカメラなどのカメラが組み込まれた消費者装置がますます発展し続けるにつれて、撮像素子の需要は今後も伸び続けると予想される。

本発明はこの背景をもって行われたものであり、本発明の実施形態の例は、増加し続ける撮像素子への需要を考慮して、代わりとなる撮像素子および画像生成方法を提供しようとするものである。

本発明の第一の側面によると、対向する第一電極および第二電極の対の配列と、それぞれの前記対における前記対向する前記第一電極および前記第二電極の間に配置された感光性の絶縁材料と、それぞれの前記対における前記対向する前記第一電極および前記第二電極の間の光アシスト量子トンネル電流を検出するための電気回路とを含む、量子トンネル効果光検出器アレイが提供される。

第一電極および第二電極の間の隔離距離は、実質的に固定されていてよい。

対向する第一電極および第二電極は、それぞれ第一基板および第二基板の上に担持されていてよい。

絶縁材料は第一基板および第二基板の間に配置されていてよい。

絶縁材料はソフトマター材料を含んでいてよい。

ソフトマター材料は、チオール、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）、有機溶媒、パーフルオロポリエーテルＰＦＰＥ、有機溶媒、および高分子ブラシ（ｐｏｌｙｍｅｒ ｂｒｕｓｈ）からなる群の一つまたはそれ以上を含んでいてよい。

絶縁材料は、固体状態材料（ｓｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）を含んでいてよい。

固体状態材料は、誘電体材料、または、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ／ＧａＡｓ／Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓのようなドープされたヘテロ構造の二重井戸障壁からなる群の一つまたはそれ以上を含んでいてよい。

第一基板および第二基板の少なくとも一つは透明であってよい。

光検出器アレイは、第一電極および第二電極の間で実質的に固定された隔離距離を維持するスペーサ要素をさらに含んでいてよい。

スペーサ要素は、第一電極および第二電極の対の平行性をさらに維持していてよい。

スペーサ要素は、分離した固体状態材料のスペーサとして形成されていてもよく、あるいは、感光性材料の中に組み込まれていてもよい。

対向する第一電極および第二電極の配列は、第一セットの電極ワイヤおよび第二セットの電極ワイヤの交差格子（ｃｒｏｓｓ−ｇｒｉｄ）を含み、第一電極および第二電極が、交差格子の投影交差点（ｐｒｏｊｅｃｔｅｄ ｃｒｏｓｓ−ｏｖｅｒ ｐｏｉｎｔｓ）における、第一セットの電極ワイヤおよび第二セットの電極ワイヤの対向部分として構成されていてもよい。

第一セットの電極ワイヤおよび第二セットの電極ワイヤは、互いに約９０°で配置されていてよい。

電気回路は、第一セットの電極ワイヤおよび第二セットの電極ワイヤへの個々の電気的接続を含んでいてよい。

電気回路は、第一セットの電極ワイヤおよび第二セットの電極ワイヤにおける、対向部分の間の量子トンネル電流を検出するために、第一セットの電極ワイヤおよび第二セットの電極ワイヤからの電気信号を多重分離するためのマルチプレクサ部品をさらに含んでいてよい。

対向する第一電極および第二電極の配列は、それぞれ第一セットの画素電極および第二セットの画素電極として構成されていてよい。

電気回路は、第一セットの画素電極および第二セットの画素電極への個々の電気的接続を含んでいてよい。

電気回路は、第一の対向する電極および第二の対向する電極を横切る電位差を印加するための電源（ｓｏｕｒｃｅ）をさらに含んでいてよい。

本発明の第二の側面によると、第一の側面において定義されるような量子トンネル効果光検出器アレイを用いることを含む、画像生成方法が提供される。

本発明の第三の側面によると、対向する第一電極および第二電極の対の配列のそれぞれにおいて、対向する第一電極および第二電極の間の光アシスト量子トンネル電流を検出する工程と、それぞれの検出された、対向する第一電極および第二電極の間の光アシストトンネル電流に基づいて画像を生成する工程とを含む、画像生成方法が提供される。

本発明の実施形態は、例示にすぎないが、図面と関連づけて説明する以下の記載から、当業者によりよく理解され、直ちに明らかとなるであろう。

実施形態の例による、量子トンネル効果光検出器アレイを示す模式的な平面図である。 図１の量子トンネル効果光検出器アレイの詳細を示す図である。 図１の量子トンネル効果光検出器アレイの模式的な断面図である。 図３の詳細を示し、実施形態の例による量子トンネル効果光検出器アレイにおける、光アシストトンネル効果を示す図である。 電位差の関数として量子トンネル電流をプロットした例を示し、環境照度（ａｍｂｉｅｎｔ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）および蛍光照度中における測定結果の比較を示す図である。 実施形態の例による画像生成方法を示すフローチャートである。

図１は、実施形態の例による、量子トンネル効果光検出器アレイ１００の平面図を示す。アレイ１００は、ここではナノワイヤ、例えば１０４の形状をした電極ワイヤの第一セット１０２を含む。ナノワイヤ、例えば１０８の形状をした電極ワイヤの第二セット１０６は、第一セット１０２に対して約９０°で配置されており、それゆえ、ナノワイヤの交差格子を形成している。第一セットおよび第二セット１０２，１０６におけるナノワイヤ、それぞれ例えば１０４，１０８は、その間に固定された隔離距離が保たれるように配置されている。すなわち、セット１０２，１０６は、図１の紙面に垂直な軸に沿って、固定された隔離距離で位置する。本発明の実施形態の例における利用に適した製造技術の例の記載としては、例えば担体基板などの上にナノワイヤを形成するための数多くのとりうる製造工程の中から、例えば、エル−アール・ハケット・ジュニア，「プロセス・アンド・マスク・フォア・イオン・ビーム・エッチング・オブ・ファイン・パターンズ」、米国特許第４，２７５，２８６号（L-R. Hackett, Jr., Process and mask for ion beam etching of fine patterns, United States Patent 4,275,286）、および、ジェイ・アール・ヒース、エム・エー・ラトナー，「モレキュラー・エレクトロニクス」，フィジクス・トゥデイ，２００３年５月，ｐ．４３−４９（J. R. Heath and M.A. Ratner, Molecular Electronics, Physics Today, May 2003, pp.43-49）を参照できる。

電気回路部品１１０，１１２が配置され、これらは、第二および第一セット１０６，１０２におけるそれぞれのナノワイヤ、例えば１０８，１０４に電気的に相互に接続される。電気回路部品１１０，１１２は、後述のように、格子の投影交差点の間に流れるトンネル電流を読み取るため、および、いずれの投影交差点に光が照射されたかを測定するために、第一セットおよび第二セット１０２，１０６におけるナノワイヤ、例えば１０４，１０８の間に電位差を印加するように制御される。

量子トンネル効果光検出器アレイ１００の詳細を示す図２に移る。交差格子の投影交差点において、第一セットおよび第二セット１０２，１０６のナノワイヤの交差格子は、ナノワイヤ、例えば２０２における対向部分、例えば２００と、ナノワイヤ２０４における対応した対向部分（図２中には図示せず）との形で、対向する第一電極および第二電極の配列を構成していることが当業者に理解されるであろう。

電気回路部品１１０，１１２は、加えて、交差格子の投影交差点において、ナノワイヤ、例えば２０２，２０４における対向部分の間の光アシスト量子トンネル電流を検出するために、第一セットおよび第二セット１０２，１０６におけるナノワイヤ、例えば２０２，２０４からの電気信号を多重分離するためのマルチプレクサとして機能するように構成されている。これは当該技術分野において理解されうるものであるから、ここではより詳しい説明はしない。本発明の実施形態の例における利用に適したマルチプレクサ部品および技術の例の記載としては、交差格子配列における検知回線のネットワークをインテロゲート（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅ）するための、数多くのとりうるマルチプレクサ部品および技術の中から、例えば、ピー・ジェイ・クエケス、アール・エス・ウィリアムズ，「デマルチプレクサ・フォア・モレキュラー・ワイヤ・クロスバー・ネットワーク（ＭＷＣＮ ＤＥＭＵＸ）」，米国特許第６，２５６，７６７号（P.J. Kuekes, R.S. Williams, Demultiplexer for a molecular wire crossbar network (MWCN DEMUX) United States Patent 6,256,767）が参照される。

実施形態の例における作動の詳細について、図３および図４を参照して説明する。図３は、実施形態の例における量子トンネル効果光検出器アレイ１００の断面図を示す。第一セット１０２のナノワイヤ、例えば３００は、透明な基板３０２中に埋め込まれている。この実施形態の例では、第二セット１０６のナノワイヤ、例えば３０４もまた、透明な基板３０６中に埋め込まれている。しかし、別の実施形態の例では、ナノワイヤのセット１０２，１０６のうちの一つだけが透明な材料中に埋め込まれていてよく、他方、もう一つのセットは不透明な材料の基板中に埋め込まれうることに注意されたい。

実施形態の例では、透明な基板３０２，３０６はガラス基板を含むことができる。しかし別の実施形態では、石英、サファイア透明酸化物（ＴＯＸ）、およびシリコンまたは絶縁性もしくは半導電性の酸化物などの半導体材料を含め、これらに限定されない別の透明な材料が用いられうることが理解されるであろう。材料の選択は、関心の持たれている関連波長にも依存する。

ここで、実施形態の例は、可視波長域における作動に限定されず、赤外（ＩＲ）または紫外の波長域を含めて、別の波長範囲に適応されうることに注意されたい。

基板３０２，３０６の間には、第一セットおよび第二セット１０２，１０６のナノワイヤの間の固定された隔離距離のギャップ内にて、絶縁材料３０８が配置されている。絶縁材料３０８は感光性の性質を有するように選択される。より具体的には、材料３０８は、交差格子の投影交差点、例えば３１０におけるナノワイヤ、例えば３００，３０４の対向部分において、第一セットおよび第二セット１０２，１０６のナノワイヤの間で光アシスト量子トンネル効果が成し遂げられうるように選択される。

図４は図３の詳細を示す。作動に際して、感光性材料３０８に侵入した光子４００は、感光性材料３０８と相互作用し、第一セットおよび第二セットのナノワイヤにおける、それぞれのナノワイヤ３００，３０４の対向部分４０２，４０４の間で、光アシスト量子トンネル効果４０１が成し遂げられる。図１を参照して上記で説明したように、ナノワイヤの第一セットおよび第二セットにおけるナノワイヤ、例えば３００，３０４を横切る電位差を印加するとともに、ナノワイヤ３００，３０４における対向部分４０２，４０４の間の量子トンネル電流を検出するために、第一セットおよび第二セットのナノワイヤ、例えば３００，３０４からの電気信号を多重分離するように、電気回路部品、例えば１１０が構成されている。

図５は、電位差の関数として量子トンネル電流をプロットした例を示し、環境照度（曲線５００）および蛍光照度（曲線５０２）中における測定結果の比較を示す。曲線５００，５０２を比較すると分かるように、与えられた印加電位差において測定されたトンネル電流の増加が、光アシスト量子トンネル効果の証拠となっている。本発明の実施形態の例は、撮像素子の実施を目的として、ナノワイヤの交差格子における多数の投影交差点において光子または光学信号を検知するために、光アシスト量子トンネル効果を採用している。当業者に理解されうるように、実施形態の例において、量子トンネル効果光検出器アレイにより検出された画像を生成するために、例えば、閾値に基づく信号処理、またはアナログ（スペクトル）信号処理を行うことができる。閾値に基づく信号処理、およびアナログ（スペクトル）信号処理は、当該技術分野において理解されうるものであるから、ここではより詳しい説明はしない。

図４に戻って、実施形態の例における感光性材料３０８は、チオールを含むことができる。しかし、別の実施形態では別の感光性材料が用いられうることが理解されるであろう。さらに、別の実施形態において、感光性材料３０８は、ソフトマター材料、または、固体状態材料であってよい。適する感光性材料の例には、チオール、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）、有機溶媒、パーフルオロポリエーテル（ＰＦＰＥ）、または、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ／ＧａＡｓ／Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓのようなドープされたヘテロ構造の二重井戸障壁、もしくは、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ）において用いられるような誘電体材料のような固体状態材料（例えば、エイチ・ミズタ、ティー・タノウエ，「ザ・フィジクス・アンド・アプリケーションズ・オブ・レゾナント・トンネリング・ダイオード」，ケンブリッジ・ユー・ピー，１９９５（H.Mizuta and T. Tanoue, The Physics and Applications of Resonant Tunneling Diodes, Cambridge U. P., 1995）参照）が含まれるが、これらに限定されるものではない。そのような感光性材料の堆積は、当該技術分野において理解されうるものであるから、ここではより詳しい説明はしない。

固定された隔離距離と、ナノワイヤ配列１０２，１０６が埋め込まれた基板３０２，３０６の間の２次元の平行性とは、投影されたナノワイヤの交差点、例えば３１０の間をトンネル電流が流れうるように選択される。感光性材料３０８がソフトマター材料である実施形態では、隔離距離を固定し、基板３０２，３０６を平行に維持するために、分離した固体状態のスペーサ、例えば３１１が用いられうる。例えば酸化物である固体状態のスペーサ３１１は、ナノワイヤの配列１０２，１０６の領域より外側において基板３０２，３０６の一つまたは両方の上に作られうる。

その代わりに、構造上の剛性を呈しうる分子種がソフトマター材料の中に組み込まれていてもよい。例えば、炭素バッキーボールＣ₆₀、またはその他の適する種が、ソフトマター材料中に溶液の状態で供給されうる。

感光性材料３０８が固体状態材料である実施形態では、固体状態材料自身の構造上の整合性を通じて、および／または、基板３０２，３０６の間に分離したスペーサ、例えば３１１を用いることを通じて、隔離距離を固定することができ、基板３０２，３０６を平行に維持することができる。

図６は、実施形態の例による画像生成方法を示すフローチャート６００である。ステップ６０２では、対向する第一電極および第二電極の対の配列のそれぞれにおいて、対向する第一電極および第二電極の間の光アシスト量子トンネル電流が検出される。ステップ６０４では、それぞれの検出された、対向する第一電極および第二電極の間の光アシストトンネル電流に基づいて、画像が生成される。

説明した実施形態の例は、カメラ付き携帯電話、カメラＰＡ装置、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ＰＣにおける埋め込みカメラ、自動車のバックミラーカメラ、または暗視カメラを含めて、これらに限定されない、様々な光学装置における撮像素子としての応用性を有する。実施形態の例は、例えば約０〜２５Ｖの範囲内の、携帯式で電池動作の装置に適した作動電位を有し、例えばミリワット範囲内の低い消費電力を有する撮像素子を提供することができる。

具体的な実施形態において示したように、本発明に対して数多くの変形および／または修正が、広く記載されているように本発明の精神または視野から外れることなく行われうることは、当業者に理解されるであろう。本実施形態は、それゆえ、全ての点において例示的であり、非限定的であるとみなされるべきである。

例えば、交差格子における電極ワイヤのセットは互いに、実施形態の例に記載された約９０°以外の、ゼロでない別の角度で配置されていてよいことが理解されるであろう。さらに、本発明は、電極ワイヤのセットを伴う実施に限定されない。むしろ、別の実施形態では、対向する第一電極要素および第二電極要素の対の配列は、２つの対向するセットの画素電極の配列を用いて実施されうる。そのような実施形態では、ＣＣＤまたはＣＭＯＳに基づく撮像素子と同様の画素化された画像の撮像を目的として、対向する第一画素電極および第二画素電極の間における光アシスト量子トンネル電流を検出するための電気回路は、画素電極への個々の電気的接続を含む。

Claims (11)

1. 対向する第一電極および第二電極の対の配列と、
   それぞれの前記対における前記対向する前記第一電極および前記第二電極の間に配置された感光性の絶縁材料と、
   それぞれの前記対における前記対向する前記第一電極および前記第二電極の間の与えられた印加電位差におけるトンネル電流の増加を検出するための電気回路と、を含み、
   前記対向する前記第一電極および前記第二電極の配列が、それぞれ画素電極の第一セットおよび画素電極の第二セットとして構成され、
   前記第一電極および前記第二電極の間の隔離距離が実質的に固定され、
   前記対向する前記第一電極および前記第二電極が、それぞれ第一基板および第二基板の上に担持され、
   前記絶縁材料が前記第一基板および前記第二基板の間に配置されている、
   量子トンネル効果光検出器アレイ。
2. 前記絶縁材料が、チオール、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）、有機溶媒、パーフルオロポリエーテルＰＦＰＥ、および高分子ブラシからなる群の一つまたはそれ以上であるソフトマター材料を含む、請求項１に記載の光検出器アレイ。
3. 前記絶縁材料が固体状態材料を含む、請求項１に記載の光検出器アレイ。
4. 前記固体状態材料が、誘電体材料、またはドープされたヘテロ構造の二重井戸障壁を含む、請求項３に記載の光検出器アレイ。
5. 前記固体状態材料が、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ／ＧａＡｓ／Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓを含む、請求項３に記載の光検出器アレイ。
6. 前記第一基板および前記第二基板の少なくとも一つが透明である、請求項１〜５のいずれかに記載の光検出器アレイ。
7. 前記実質的に固定された前記隔離距離を前記第一電極および前記第二電極の間で維持するスペーサ要素をさらに含む、請求項１〜６のいずれかに記載の光検出器アレイ。
8. 前記スペーサ要素が、分離した固体状態材料のスペーサとして形成されている、または、前記感光性材料の中に組み込まれている、請求項７に記載の光検出器アレイ。
9. 前記電気回路が、前記第一セットの前記画素電極および前記第二セットの前記画素電極への個々の電気的接続を含む、請求項１に記載の光検出器アレイ。
10. 前記電気回路は、前記対向する前記第一電極および前記第二電極を横切る電位差を印加するための電源をさらに含む、請求項１に記載の光検出器アレイ。
11. 対向する第一電極および第二電極の対の配列と、
    それぞれの前記対における前記対向する前記第一電極および前記第二電極の間に配置された感光性の絶縁材料と、
    それぞれの前記対における前記対向する前記第一電極および前記第二電極の間の与えられた印加電位差におけるトンネル電流の増加を検出するための電気回路と、を含み、
    前記対向する前記第一電極および前記第二電極の配列が、それぞれ画素電極の第一セットおよび画素電極の第二セットとして構成され、
    前記第一電極および前記第二電極の間の隔離距離が実質的に固定され、
    前記対向する前記第一電極および前記第二電極が、それぞれ第一基板および第二基板の上に担持され、
    前記絶縁材料が前記第一基板および前記第二基板の間に配置されている、量子トンネル効果光検出器アレイを準備するステップと、
    対向する前記第一電極および前記第二電極の間の与えられた印加電位差におけるトンネル電流の増加を検出するステップと、
    それぞれの検出された、前記対向する前記第一電極および前記第二電極の間の前記トンネル電流の増加に基づいて画像を生成するステップと、
    を含む、画像生成方法。

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