Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7527768B2 - Phototransistors and Electronic Devices - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7527768B2 - Phototransistors and Electronic Devices - Google Patents

Phototransistors and Electronic Devices Download PDF

Info

Publication number
JP7527768B2
JP7527768B2 JP2019165115A JP2019165115A JP7527768B2 JP 7527768 B2 JP7527768 B2 JP 7527768B2 JP 2019165115 A JP2019165115 A JP 2019165115A JP 2019165115 A JP2019165115 A JP 2019165115A JP 7527768 B2 JP7527768 B2 JP 7527768B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
quantum dot
dot layer
phototransistor
core
shell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019165115A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021044367A (en
Inventor
新平 小野
直 清水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central Research Institute of Electric Power Industry
Original Assignee
Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central Research Institute of Electric Power Industry filed Critical Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority to JP2019165115A priority Critical patent/JP7527768B2/en
Publication of JP2021044367A publication Critical patent/JP2021044367A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7527768B2 publication Critical patent/JP7527768B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Light Receiving Elements (AREA)

Description

本開示は、量子ドットを用いたフォトトランジスタ、および、そのようなフォトトランジスタを備えた電子機器に関する。 This disclosure relates to a phototransistor using quantum dots and an electronic device equipped with such a phototransistor.

量子ドットを用いたフォトトランジスタ(光トランジスタ)としては、例えば非特許文献1に開示されているものが挙げられる。この非特許文献1のフォトトランジスタでは、DPP-DTTを用いた有機半導体層上に量子ドット層が配置されており、その有機半導体層内に、ドレイン電流(光電流)が流れるようになっている。 An example of a phototransistor (optical transistor) using quantum dots is disclosed in Non-Patent Document 1. In the phototransistor in Non-Patent Document 1, a quantum dot layer is disposed on an organic semiconductor layer using DPP-DTT, and a drain current (photocurrent) flows in the organic semiconductor layer.

Zou et al., Adv. Optical Mater. (2018)1800324Zou et al., Adv. Optical Mater. (2018)1800324

ところで、このようなフォトトランジスタでは一般に、そのデバイスの特性を向上させることが求められている。デバイスの特性を向上させることが可能なフォトトランジスタ、および、そのようなフォトトランジスタを備えた電子機器を提供することが望ましい。 However, in such phototransistors, there is generally a demand for improving the device characteristics. It is desirable to provide a phototransistor capable of improving the device characteristics, and an electronic device equipped with such a phototransistor.

本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタは、ゲート電極を有する半導体基板と、この半導体基板上に形成された絶縁膜と、この絶縁膜上において互いに離間配置されたソース電極およびドレイン電極と、これらのソース電極とドレイン電極との間に配置されていると共に、ソース電極とドレイン電極との間に流れる光電流としてのドレイン電流の経路となる量子ドット層と、絶縁膜と量子ドット層との間において、ソース電極とドレイン電極との間に配置された自己組織化単分子膜と、を備えたものである。この量子ドット層は、コア・シェル型により構成された複数の量子ドットと、これら複数の量子ドットの間に分散配置された導電性イオンとを有している。コア・シェル型の量子ドットは、半導体材料を用いて構成されたコアと、このコアの周囲を覆うと共に、半導体材料を用いて構成されたシェルと、このシェルの周囲を覆うと共に、絶縁体材料を用いて構成されたリガンドと、を有している。また、量子ドット層に対して所定の光が照射されている明状態の際に量子ドット層内を流れるドレイン電流を、Id(L)とすると共に、量子ドット層に対して所定の光が照射されていない暗状態の際に量子ドット層内を流れるドレイン電流を、Id(D)とした場合において、(上記Id(L)/上記Id(D))の値が、105よりも大きくなっている。 A phototransistor according to an embodiment of the present disclosure includes a semiconductor substrate having a gate electrode, an insulating film formed on the semiconductor substrate, a source electrode and a drain electrode spaced apart from each other on the insulating film, a quantum dot layer disposed between the source electrode and the drain electrode and serving as a path for a drain current as a photocurrent flowing between the source electrode and the drain electrode, and a self-assembled monolayer disposed between the insulating film and the quantum dot layer and between the source electrode and the drain electrode. The quantum dot layer has a plurality of quantum dots of a core-shell type and conductive ions dispersed among the plurality of quantum dots. The core-shell quantum dot has a core made of a semiconductor material, a shell that covers the periphery of the core and is made of a semiconductor material, and a ligand that covers the periphery of the shell and is made of an insulating material. In addition, when the drain current flowing through the quantum dot layer in a bright state in which the quantum dot layer is irradiated with a predetermined light is Id(L), and the drain current flowing through the quantum dot layer in a dark state in which the quantum dot layer is not irradiated with a predetermined light is Id(D), the value of (the above Id(L)/the above Id(D)) is greater than 10 .

本開示の一実施の形態に係る電子機器は、1または複数の上記本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタを備えたものである。 An electronic device according to one embodiment of the present disclosure includes one or more phototransistors according to one embodiment of the present disclosure.

本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタおよび電子機器では、光電流(ドレイン電流)の経路となる量子ドット層に、上記したコア、シェルおよびリガンドを有するコア・シェル型の複数の量子ドットと、これら複数の量子ドットの間に分散配置された導電性イオンとが、設けられている。これにより、光が照射されている明状態において、光が照射されていない暗状態と比べ、電子の移動度が大幅に増大する結果、明状態と暗状態とでの光電流値の差も、大幅に増大することになる。また、(上記Id(L)/上記Id(D))の値が105よりも大きくなっているため、デバイス(フォトトランジスタ)の特性が、実際に向上することになる。 In the phototransistor and electronic device according to an embodiment of the present disclosure, a quantum dot layer that serves as a path for a photocurrent (drain current) is provided with a plurality of core-shell type quantum dots having the above-mentioned core, shell, and ligand , and conductive ions dispersed among the plurality of quantum dots. As a result, in a bright state where light is irradiated, the mobility of electrons is significantly increased compared to a dark state where light is not irradiated, and the difference in the photocurrent value between the bright state and the dark state is also significantly increased. In addition, since the value of (Id(L)/Id(D)) is greater than 10 5 , the characteristics of the device (phototransistor) are actually improved.

本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタでは、上記量子ドット層の膜厚を、例えば、22nm以上かつ175nm以下の範囲内の値としてもよい。そのようにした場合、明状態と暗状態とでの光電流値の差が、特に増大するため、デバイスの特性が更に向上する。また、この場合において、上記量子ドット層の膜厚を、例えば75nmとしてもよい。そのようにした場合、明状態と暗状態とでの光電流値の差が、最大限に増大するため、デバイスの特性がより一層向上する。 In a phototransistor according to one embodiment of the present disclosure, the thickness of the quantum dot layer may be set to, for example, a value in the range of 22 nm or more and 175 nm or less. In this case, the difference in the photocurrent value between the bright state and the dark state is particularly increased, and the device characteristics are further improved. In this case, the thickness of the quantum dot layer may be set to, for example, 75 nm. In this case, the difference in the photocurrent value between the bright state and the dark state is maximized, and the device characteristics are further improved.

なお、上記コア・シェル型の上記量子ドットにおいて、上記コアとしては、例えばCdSeを用いて構成されると共に、上記シェルとしては、例えばCdSを用いて構成され、上記リガンドとしては、例えばチオシアン酸塩を用いて構成される。また、上記導電性イオンとしては、例えば、Cdイオン(Cd2+)が挙げられる。 In the core-shell quantum dot, the core is made of, for example, CdSe, the shell is made of, for example, CdS , the ligand is made of, for example, thiocyanate, and the conductive ion is, for example, Cd ion (Cd 2+ ).

本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタおよび電子機器によれば、光電流(ドレイン電流)の経路となる量子ドット層に、コア・シェル型の複数の量子ドットと、これら複数の量子ドットの間に分散配置された導電性イオンとを設けるようにしたので、明状態と暗状態とでの光電流値の差を、大幅に増大させることができる。よって、デバイス(フォトトランジスタ)の特性を向上させることが可能となる。 According to the phototransistor and electronic device according to one embodiment of the present disclosure, the quantum dot layer, which serves as the path of the photocurrent (drain current), is provided with multiple core-shell type quantum dots and conductive ions dispersed among the multiple quantum dots, so that the difference in photocurrent value between the bright state and the dark state can be significantly increased. This makes it possible to improve the characteristics of the device (phototransistor).

本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタの全体構成例を模式的に表す斜視図である。1 is a perspective view illustrating a schematic example of an overall configuration of a phototransistor according to an embodiment of the present disclosure; 図1に示した量子ドットの詳細構成例を表す模式図である。2 is a schematic diagram illustrating a detailed configuration example of the quantum dot illustrated in FIG. 1 . 図1に示した量子ドット層の形成方法の一例を工程順に表す流れ図である。2 is a flow chart showing an example of a method for forming the quantum dot layer shown in FIG. 1 in the order of steps. 暗状態および明状態におけるフォトトランジスタの動作例を説明するための模式図である。1A and 1B are schematic diagrams for explaining an example of the operation of a phototransistor in a dark state and a light state. 暗状態および明状態におけるフォトトランジスタの特性例を表す模式図である。1A and 1B are schematic diagrams illustrating an example of characteristics of a phototransistor in a dark state and a light state. 本開示の実施例に係るフォトトランジスタの特性例を表す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of characteristics of a phototransistor according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施例に係るフォトトランジスタの他の特性例を表す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating another example of characteristics of a phototransistor according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施例に係るフォトトランジスタの他の特性例を表す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating another example of characteristics of a phototransistor according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施例に係るフォトトランジスタの他の特性例を表す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating another example of characteristics of a phototransistor according to an embodiment of the present disclosure.

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
1.実施の形態(コア・シェル型の量子ドットを用いたフォトトランジスタの構成例)
2.適用例(フォトトランジスタの電子機器への適用例)
3.変形例
Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings. The description will be made in the following order.
1. Embodiment (Example of the configuration of a phototransistor using core-shell type quantum dots)
2. Application examples (applications of phototransistors to electronic devices)
3. Modifications

<1.実施の形態>
[フォトトランジスタの全体構成]
図1は、本開示の一実施の形態に係るフォトトランジスタ(フォトトランジスタ1)の全体構成例を、模式的に斜視図で表したものである。このフォトトランジスタ1は、詳細は後述するが、所定の波長領域の光を検出可能な、電界効果トランジスタ(FET:Field effect transistor)である。
1. Preferred embodiment
[Overall configuration of phototransistor]
1 is a schematic perspective view illustrating an example of the overall configuration of a phototransistor (phototransistor 1) according to an embodiment of the present disclosure. The phototransistor 1 is a field effect transistor (FET) capable of detecting light in a predetermined wavelength range, as will be described in detail later.

フォトトランジスタ1は、図1に示したように、ゲート電極11を有する半導体基板10と、絶縁膜12と、自己組織化単分子膜13と、量子ドット層14と、一対の電極15a,15bとを備えている。 As shown in FIG. 1, the phototransistor 1 includes a semiconductor substrate 10 having a gate electrode 11, an insulating film 12, a self-assembled monolayer 13, a quantum dot layer 14, and a pair of electrodes 15a and 15b.

(半導体基板10,ゲート電極11)
半導体基板10は、各種の半導体を用いた基板である。このような半導体基板10としては、例えば、n型のSi(シリコン)基板等が挙げられる。
(Semiconductor substrate 10, gate electrode 11)
The semiconductor substrate 10 is a substrate using various semiconductors. An example of such a semiconductor substrate 10 is an n-type Si (silicon) substrate.

ゲート電極11は、図1の例では上記したように、半導体基板10に設けられており、バックゲート電極として機能するようになっている。ただし、ゲート電極11としては、そのようなバックゲート電極には限られず、他の構造であってもよい。このようなゲート電極11には、図1に示したように、グランド(および後述するソース電極としての電極15a)との間に、所定のゲート電圧Vgが印加されるようになっている。 As described above, in the example of FIG. 1, the gate electrode 11 is provided on the semiconductor substrate 10 and functions as a back gate electrode. However, the gate electrode 11 is not limited to such a back gate electrode and may have other structures. As shown in FIG. 1, a predetermined gate voltage Vg is applied to such a gate electrode 11 between the ground (and the electrode 15a as a source electrode, which will be described later).

(絶縁膜12,自己組織化単分子膜13)
絶縁膜12は、図1に示したように、半導体基板10上に形成されている。この絶縁膜12は、例えば、SiO2(二酸化ケイ素)等の絶縁材料により構成されており、絶縁膜12の膜厚は、一例として500nm程度が挙げられる。
(Insulating film 12, self-assembled monolayer 13)
1, the insulating film 12 is formed on the semiconductor substrate 10. The insulating film 12 is made of an insulating material such as SiO2 (silicon dioxide), and the thickness of the insulating film 12 is, for example, about 500 nm.

自己組織化単分子膜13は、図1に示したように、絶縁膜12上における電極15a,15bの間の領域に形成されている。この自己組織化単分子膜13は、いわゆるSAM(Self-Assembled Monolayer)と呼ばれる膜であり、例えばSi基板からなる半導体基板10の表面を再構成するようになっている。このような自己組織化単分子膜13は、例えば、n-オクタデシルホスホン酸,ビス(トリメチルシリル)アミン,1H,1H,2H,2H- ハ゜ーフルオロテ゛シルトリエトキシシラン等の材料により構成されており、自己組織化単分子膜13の膜厚は、一例として10nm程度が挙げられる。 As shown in FIG. 1, the self-assembled monolayer 13 is formed in the region between the electrodes 15a and 15b on the insulating film 12. This self-assembled monolayer 13 is a film called a SAM (Self-Assembled Monolayer), and is designed to reconstruct the surface of the semiconductor substrate 10, which is, for example, a Si substrate. Such a self-assembled monolayer 13 is made of materials such as n-octadecylphosphonic acid, bis(trimethylsilyl)amine, and 1H,1H,2H,2H-perfluorodecyltriethoxysilane, and the thickness of the self-assembled monolayer 13 is, for example, about 10 nm.

(量子ドット層14)
量子ドット層14は、図1に示したように、自己組織化単分子膜13上における電極15a,15bの間の領域に形成されている。この量子ドット層14は、詳細は後述するが、電極15a,15b(後述するソース電極およびドレイン電極)の間に流れる、光電流としてのドレイン電流Idの経路(電流経路)となる層である。なお、この量子ドット層14の膜厚dとしては、詳細は後述するが、例えば、22nm~175nmの範囲内の値(22nm≦d≦175nm)が挙げられる。
(Quantum dot layer 14)
1, the quantum dot layer 14 is formed in a region between the electrodes 15a and 15b on the self-assembled monolayer 13. The quantum dot layer 14 is a layer that serves as a path (current path) of a drain current Id as a photocurrent that flows between the electrodes 15a and 15b (a source electrode and a drain electrode, which will be described later in detail). The thickness d of the quantum dot layer 14 is, for example, within a range of 22 nm to 175 nm (22 nm≦d≦175 nm), which will be described later in detail.

このような量子ドット層14は、図1に示したように、複数の量子ドット141および複数の導電性イオン142を有している。 Such a quantum dot layer 14 has a plurality of quantum dots 141 and a plurality of conductive ions 142, as shown in FIG.

量子ドット141は、量子ドット層14内において分散配置されており、後述するコア(core)・シェル(shell)型により構成されている。なお、このような量子ドット141の詳細構成例については、後述する(図2)。 The quantum dots 141 are dispersed in the quantum dot layer 14 and are configured in a core-shell structure, which will be described later. A detailed configuration example of such quantum dots 141 will be described later (Figure 2).

導電性イオン142は、図1に示したように、複数の量子ドット141の間に分散配置されている。この導電性イオン142としては、例えば、カドミウムイオン(Cd2+)等の金属イオンが挙げられる。 1, the conductive ions 142 are dispersed among the multiple quantum dots 141. Examples of the conductive ions 142 include metal ions such as cadmium ions (Cd 2+ ).

(電極15a,15b)
電極15a,15bは、図1に示したように、絶縁膜12上において自己組織化単分子膜13および量子ドット層14を挟み込むようにして、互いに離間配置されている。図1の例では、電極15aはグランド(接地)に接続されており、電極15a,15bの間には、所定のドレイン電圧Vdsが印加されるようになっている。つまり、図1の例では、電極15aはソース電極として機能し、電極15bはドレイン電極として機能するようになっている。
(Electrodes 15a, 15b)
1, the electrodes 15a and 15b are disposed on the insulating film 12 at a distance from each other so as to sandwich the self-assembled monolayer 13 and the quantum dot layer 14 therebetween. In the example of FIG. The electrode 15a is connected to the ground, and a predetermined drain voltage Vds is applied between the electrodes 15a and 15b. In other words, in the example of FIG. 1, the electrode 15a is a source electrode. and the electrode 15b functions as a drain electrode.

このような電極15a,15bはそれぞれ、例えば各種の金属材料等により構成されており、一例としては、Au(金)およびCr(クロム)の2層構造の電極が挙げられる。また、その場合におけるAu層およびCr層の膜厚としては、一例として、(Au/Cr)=(17nm/3nm)が挙げられる。 Each of these electrodes 15a and 15b is made of, for example, various metal materials, and an example is an electrode with a two-layer structure of Au (gold) and Cr (chromium). In this case, the thickness of the Au layer and the Cr layer is, for example, (Au/Cr) = (17 nm/3 nm).

なお、電極15aは、本開示における「ソース電極」の一具体例に対応し、電極15bは、本開示における「ドレイン電極」の一具体例に対応している。 Note that electrode 15a corresponds to a specific example of a "source electrode" in this disclosure, and electrode 15b corresponds to a specific example of a "drain electrode" in this disclosure.

[量子ドット141の詳細構成]
次いで、図2,図3を参照して、前述した量子ドット141(および量子ドット層14)の詳細構成例について説明する。
[Detailed configuration of quantum dot 141]
Next, a detailed configuration example of the quantum dots 141 (and the quantum dot layer 14) will be described with reference to FIGS.

図2(A),図2(B)は、量子ドット141の詳細構成例を、模式的に表したものである。 Figures 2(A) and 2(B) are schematic diagrams showing examples of the detailed configuration of quantum dot 141.

図2(A)に示したように、量子ドット141は、コア・シェル型により構成された量子ドットであり、コア21、シェル22およびリガンド(Ligand)23を有している。 As shown in FIG. 2A, the quantum dot 141 is a core-shell quantum dot, and has a core 21, a shell 22, and a ligand 23.

コア21は、図2(A)に示したように、量子ドット141の中心部分に配置された球状部分である。このコア21は、例えば各種の半導体材料を用いて構成されており、一例としては、化合物半導体であるCdSe(セレン化カドミウム)が挙げられる。 As shown in FIG. 2A, the core 21 is a spherical portion located in the center of the quantum dot 141. The core 21 is made of, for example, various semiconductor materials, one example of which is the compound semiconductor CdSe (cadmium selenide).

シェル22は、図2(A)に示したように、コア21の周囲を覆う膜状部分である。このシェル22もまた、例えば各種の半導体材料を用いて構成されており、一例としては、化合物半導体であるCdS(硫化カドミウム)が挙げられる。 As shown in FIG. 2A, the shell 22 is a film-like portion that surrounds the core 21. The shell 22 is also made of various semiconductor materials, such as the compound semiconductor CdS (cadmium sulfide).

リガンド23は、図2(A)に示したように、シェル22の周囲を覆うように配置されている。このリガンド23は、例えば各種の絶縁体材料により構成されており、一例としては、チオシアン酸塩(S-C≡N)が挙げられる。 As shown in FIG. 2(A), the ligand 23 is disposed so as to cover the periphery of the shell 22. The ligand 23 is made of, for example, various insulating materials, one example of which is thiocyanate (S-C≡N).

なお、このような量子ドット141における、コア21、シェル22およびリガンド23の各部分の位置に対応するエネルギー準位は、例えば図2(B),図2(C)に示したようになっている。すなわち、コア21のエネルギー準位と比べて、シェル22のエネルギー準位のほうが高くなっていると共に、シェル22のエネルギー準位と比べて、リガンド23のエネルギー準位のほうが高くなっている。つまり、この量子ドット141では、いわゆる量子井戸構造が実現されている。 The energy levels corresponding to the positions of the core 21, shell 22, and ligand 23 in such a quantum dot 141 are, for example, as shown in Figures 2(B) and 2(C). That is, the energy level of the shell 22 is higher than the energy level of the core 21, and the energy level of the ligand 23 is higher than the energy level of the shell 22. In other words, a so-called quantum well structure is realized in this quantum dot 141.

[量子ドット層14の形成方法]
ここで、このようなコア・シェル型の量子ドット141と、前述した導電性イオン142とを有する量子ドット層14は、例えば、図3に示したようにして形成することができる。図3(A)~図3(C)は、量子ドット層14の形成方法の一例を、工程順に流れ図で表したものである。
[Method of forming quantum dot layer 14]
Here, the quantum dot layer 14 having such core-shell type quantum dots 141 and the above-mentioned conductive ions 142 can be formed, for example, as shown in Fig. 3. Fig. 3(A) to Fig. 3(C) are flow charts showing an example of a method for forming the quantum dot layer 14 in the order of steps.

まず、図3(A)に示したように、前述したコア・シェル構造(コア21、シェル22およびリガンド23)を有する量子ドット141が分散配置された、量子ドット膜を成膜する。 First, as shown in FIG. 3(A), a quantum dot film is formed in which quantum dots 141 having the aforementioned core-shell structure (core 21, shell 22, and ligand 23) are dispersed.

次いで、図3(B)に示したように、このようにして成膜された量子ドット膜において、リガンド交換の処理を行う。これにより、量子ドット膜内において、量子ドット141同士の間隔が狭くなる。 Next, as shown in FIG. 3B, the quantum dot film thus formed is subjected to a ligand exchange process. This narrows the distance between the quantum dots 141 in the quantum dot film.

続いて、図3(C)に示したように、量子ドット膜において所定の表面修飾および充填の処理を行うことで、前述した導電性イオン142を、その量子ドット膜に添加させる。 Next, as shown in FIG. 3(C), the quantum dot film is subjected to a predetermined surface modification and filling process, thereby adding the conductive ions 142 described above to the quantum dot film.

そして、図3中の破線の矢印で示したように、図3(A)~図3(C)の形成工程を、適宜繰り返すようにする。以上により、図1,図2に示した量子ドット層14が完成する。 Then, as indicated by the dashed arrows in FIG. 3, the formation steps in FIG. 3(A) to FIG. 3(C) are repeated as appropriate. This completes the quantum dot layer 14 shown in FIG. 1 and FIG. 2.

[動作および作用・効果]
次に、図1~図3に加えて、図4~図9を参照して、本実施の形態のフォトトランジスタ1における動作、作用および効果について、詳細に説明する。
[Actions, actions and effects]
Next, the operation, function and effects of the phototransistor 1 of the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 9 in addition to FIGS. 1 to 3.

(A.動作)
図4は、暗状態および明状態における本実施の形態のフォトトランジスタ1の動作例を、模式的に表したものである。また、図5は、暗状態および明状態におけるフォトトランジスタの特性例(ゲート電圧Vgとドレイン電流Idとの対応関係の例)を、模式的に表したものである。なお、図5(A),図5(B)はそれぞれ、一般的なフォトトランジスタにおける特性例を示し、図5(C)は、本実施の形態のフォトトランジスタ1における特性例を示している。
A. Operation
Fig. 4 is a schematic diagram showing an example of the operation of the phototransistor 1 of the present embodiment in a dark state and a light state. Fig. 5 is a schematic diagram showing an example of the characteristics of the phototransistor (an example of the corresponding relationship between the gate voltage Vg and the drain current Id) in a dark state and a light state. Fig. 5(A) and Fig. 5(B) each show an example of the characteristics of a general phototransistor, and Fig. 5(C) shows an example of the characteristics of the phototransistor 1 of the present embodiment.

まず、図4(A)に示した暗状態では、後述する所定の光(照射光Lin)が、フォトトランジスタ1に照射されていない。したがってこの暗状態では、フォトトランジスタ1内の半導体層(量子ドット層14)において、所定のエネルギー障壁(例えば量子井戸構造におけるエネルギーギャップ等)を、電子eが乗り越えることができない状態となっている(矢印P11参照)。その結果、このような暗状態では、フォトトランジスタ1におけるソース電極とドレイン電極との間(電極15a,15bの間)には、光電流としてのドレイン電流Idが流れない状態となっている。 First, in the dark state shown in FIG. 4A, the phototransistor 1 is not irradiated with a specific light (irradiation light Lin) described later. Therefore, in this dark state, the electrons e cannot overcome a specific energy barrier (such as an energy gap in a quantum well structure) in the semiconductor layer (quantum dot layer 14) in the phototransistor 1 (see arrow P11). As a result, in this dark state, the drain current Id as a photocurrent does not flow between the source electrode and drain electrode (between electrodes 15a and 15b) in the phototransistor 1.

一方、図4(B)に示した明状態では、外部からの照射光(入射光)Linが、フォトトランジスタ1に照射されている。したがってこの暗状態では、フォトトランジスタ1内の半導体層(量子ドット層14)において、照射光Linの光エネルギーの分だけ、電子eが励起されることから(矢印P12参照)、この励起された電子eは、上記したエネルギー障壁を乗り越えることが可能となっている(矢印P13参照)。その結果、このような明状態では、フォトトランジスタ1におけるソース電極とドレイン電極との間(電極15a,15bの間)に、光電流としてのドレイン電流Idが流れることになる。 On the other hand, in the bright state shown in FIG. 4B, external illumination light (incident light) Lin is irradiated onto the phototransistor 1. Therefore, in this dark state, electrons e are excited in the semiconductor layer (quantum dot layer 14) in the phototransistor 1 by the light energy of the illumination light Lin (see arrow P12), and the excited electrons e are able to overcome the energy barrier described above (see arrow P13). As a result, in this bright state, a drain current Id flows as a photocurrent between the source electrode and drain electrode (between electrodes 15a and 15b) in the phototransistor 1.

そして、このような暗状態と明状態とでの光電流(ドレイン電流Id)の変化(光電流のオン状態とオフ状態との差分)を検出することで、例えば、本実施の形態のフォトトランジスタ1を光センサとして利用することが可能となる。 Then, by detecting the change in the photocurrent (drain current Id) between the dark state and the light state (the difference between the on and off states of the photocurrent), it becomes possible to use the phototransistor 1 of this embodiment as an optical sensor, for example.

ちなみに、本実施の形態のフォトトランジスタ1において、例えば、以下のような構造となっていてもよい。すなわち、このフォトトランジスタ1において検出可能な光(上記した照射光Lin)の波長範囲が、前述した量子ドット層14におけるエネルギー準位構造(図2(B),図2(C)参照)に応じて、選択的に設定されるようにしてもよい。具体的には、例えば長波長側の波長領域(赤外領域や赤色領域)の照射光Linを検出可能とする場合には、量子ドット層14におけるエネルギーギャップを、比較的小さく設定する必要がある。一方、短波長側の波長領域(紫外領域や青色領域など)の照射光Linを検出可能とする場合には、量子ドット層14におけるエネルギーギャップを、比較的大きく設定してもよいことになる。 Incidentally, the phototransistor 1 of this embodiment may have, for example, the following structure. That is, the wavelength range of light detectable by this phototransistor 1 (the above-mentioned irradiated light L in ) may be selectively set according to the energy level structure in the quantum dot layer 14 described above (see FIG. 2(B) and FIG. 2(C)). Specifically, for example, when irradiated light L in a wavelength region on the long wavelength side (infrared region or red region) is to be detectable, it is necessary to set the energy gap in the quantum dot layer 14 relatively small. On the other hand, when irradiated light L in a wavelength region on the short wavelength side (such as ultraviolet region or blue region) is to be detectable, the energy gap in the quantum dot layer 14 may be set relatively large.

ここで、図5(A)に示した(一般的なフォトトランジスタの)特性例では、上記した暗状態の特性G11と、上記した明状態の特性G12とがそれぞれ、以下のようになっている。すなわち、特性G11,G12ではそれぞれ、ゲート電圧Vgが閾値電圧Vth11,Vth12以上となると、ゲート電圧Vgの増加に応じてドレイン電流Idが、大幅に増加していくことになる。また、この図5(A)の例では、暗状態(特性G11)から明状態(特性G12)へと切り替わると(破線の矢印P21参照)、ドレイン電流Idが、ほぼ一律的に増大している。 In the characteristic example (of a typical phototransistor) shown in FIG. 5(A), the above-mentioned dark state characteristic G11 and the above-mentioned bright state characteristic G12 are as follows. That is, in the characteristics G11 and G12, when the gate voltage Vg is equal to or greater than the threshold voltages Vth11 and Vth12, respectively, the drain current Id increases significantly as the gate voltage Vg increases. Also, in the example of FIG. 5(A), when switching from the dark state (characteristic G11) to the bright state (characteristic G12) (see dashed arrow P21), the drain current Id increases almost uniformly.

また、図5(B)に示した特性例(高移動度の半導体を用いたフォトトランジスタの例)では、暗状態の特性G21と明状態の特性G22とがそれぞれ、以下のようになっている。すなわち、この場合においても、特性G21,G22ではそれぞれ、ゲート電圧Vgが閾値電圧Vth21,Vth22以上となると、ゲート電圧Vgの増加に応じてドレイン電流Idが、大幅に増加していくことになる。また、この図5(B)の例においても、暗状態(特性G21)から明状態(特性G22)へと切り替わると(破線の矢印P22参照)、ドレイン電流Idが、ほぼ一律的に増大している。ただし、この図5(B)の例では、上記したように高移動度の半導体が用いられていることから、Vg≧Vth21,Vg≧Vth22の場合におけるドレイン電流Idの傾きが、図5(A)の例と比べ、急峻となっている。 In the characteristic example shown in FIG. 5(B) (an example of a phototransistor using a high-mobility semiconductor), the characteristic G21 in the dark state and the characteristic G22 in the bright state are as follows. That is, in this case, when the gate voltage Vg is equal to or greater than the threshold voltages Vth21 and Vth22 in the characteristics G21 and G22, respectively, the drain current Id increases significantly with the increase in the gate voltage Vg. Also, in the example of FIG. 5(B), when the dark state (characteristic G21) is switched to the bright state (characteristic G22) (see the dashed arrow P22), the drain current Id increases almost uniformly. However, in the example of FIG. 5(B), since a high-mobility semiconductor is used as described above, the slope of the drain current Id in the cases of Vg≧Vth21 and Vg≧Vth22 is steeper than in the example of FIG. 5(A).

一方、図5(C)に示した特性例(本実施の形態のフォトトランジスタ1の例)では、暗状態の特性G31と明状態の特性G32とがそれぞれ、以下のようになっている。すなわち、まず、明状態の特性G32では、図5(A),図5(B)の場合と同様に、ゲート電圧Vgが閾値電圧Vth32以上となると、ゲート電圧Vgの増加に応じてドレイン電流Idが、大幅に増加していくことになる。これに対して、暗状態の特性G31では、ゲート電圧Vgの変化によらず、ドレイン電流Idがほぼ一定の値(≒0)となっている。これは、例えば、暗状態における閾値電圧が、明状態における閾値電圧Vth32と比べ、大幅に高い電圧となっているからである。言い換えると、この図5(C)の例では、暗状態においては、ドレイン電流Idが非常に流れにくい状態になっていると言える。したがって、この図5(C)の例では、暗状態(特性G31)から明状態(特性G32)へと切り替わると(破線の矢印P23参照)、特にゲート電圧Vgが比較的に高い電圧範囲において、ドレイン電流Idの増大幅が、図5(A),図5(B)の例と比較しても非常に大きなものとなる。 On the other hand, in the characteristic example shown in FIG. 5(C) (an example of the phototransistor 1 of this embodiment), the characteristic G31 in the dark state and the characteristic G32 in the bright state are as follows. That is, first, in the characteristic G32 in the bright state, as in the cases of FIG. 5(A) and FIG. 5(B), when the gate voltage Vg becomes equal to or greater than the threshold voltage Vth32, the drain current Id increases significantly in response to an increase in the gate voltage Vg. In contrast, in the characteristic G31 in the dark state, the drain current Id is almost constant (≒0) regardless of the change in the gate voltage Vg. This is because, for example, the threshold voltage in the dark state is significantly higher than the threshold voltage Vth32 in the bright state. In other words, in the example of FIG. 5(C), it can be said that the drain current Id is very unlikely to flow in the dark state. Therefore, in the example of FIG. 5(C), when switching from the dark state (characteristic G31) to the bright state (characteristic G32) (see dashed arrow P23), the increase in drain current Id becomes much larger than in the examples of FIG. 5(A) and FIG. 5(B), especially in the voltage range where the gate voltage Vg is relatively high.

これらのことから、フォトトランジスタにおける光応答性(暗状態と明状態とでの光電流(ドレイン電流Id)の変化量)を考慮すると、上記した図5(A)~図5(C)の例のうちでは、図5(C)の例が、最も理想的な光応答性の例であると言える。これは上記したように、図5(C)の例では、フォトトランジスタにおける明状態と暗状態とでの光電流値(ドレイン電流Idの値)の差が、最も大きいからである。 Considering the above, when considering the photoresponse of the phototransistor (the amount of change in the photocurrent (drain current Id) between the dark and light states), it can be said that among the examples of Figures 5(A) to 5(C) above, the example of Figure 5(C) is the most ideal example of photoresponse. This is because, as mentioned above, in the example of Figure 5(C), the difference in the photocurrent value (the value of the drain current Id) between the light and dark states of the phototransistor is the largest.

ところで、量子ドットを用いた従来のフォトトランジスタでは、例えば前述した非特許文献1のフォトトランジスタのように、量子ドット層ではなく、別の半導体層(有機半導体層など)内に、光電流としてのドレイン電流が流れるようになっている。このような従来のフォトトランジスタでは、例えば上記した図5(A)または図5(B)に示したような特性となることから、デバイス(フォトトランジスタ)の特性(光応答性)が、不十分なものとなっている。 Incidentally, in conventional phototransistors using quantum dots, as in the phototransistor of Non-Patent Document 1 mentioned above, the drain current flows as a photocurrent not in the quantum dot layer but in another semiconductor layer (such as an organic semiconductor layer). In such conventional phototransistors, the characteristics are as shown in Figure 5(A) or Figure 5(B) above, for example, and the device (phototransistor) characteristics (photoresponse) are insufficient.

(B.作用・効果)
これに対して、本実施の形態のフォトトランジスタ1では、コア・シェル型の量子ドットでは、量子ドットの中でも、特に電流が非常に流れにくい(例えば上記した図5(C)中の特性G31のように、閾値電圧が非常に高い値を示す)ことに着目して、以下のようにしている。すなわち、上記した従来のフォトトランジスタとは異なり、コア・シェル型の量子ドット141を用いた量子ドット層14を、光電流としてのドレイン電流Idの流れる経路に設定するとともに、量子ドット層14内での電流経路となり得る導電性イオン142を、この量子ドット層14内で分散配置させるようにしている。
(B. Actions and Effects)
In contrast to this, the phototransistor 1 of the present embodiment focuses on the fact that, among quantum dots, core-shell quantum dots are particularly difficult for current to flow through (for example, the threshold voltage shows a very high value as shown by the characteristic G31 in FIG. 5C described above), and is configured as follows: That is, unlike the conventional phototransistor described above, the quantum dot layer 14 using core-shell quantum dots 141 is set as a path through which the drain current Id, which serves as a photocurrent, flows, and conductive ions 142 that can become a current path in the quantum dot layer 14 are dispersed and arranged in this quantum dot layer 14.

具体的には、このフォトトランジスタ1では、図1,図2に示したように、光電流(ドレイン電流Id)の経路となる量子ドット層14に、コア・シェル型の複数の量子ドット141と、これら複数の量子ドット141の間に分散配置された導電性イオン142とが、設けられている。 Specifically, in this phototransistor 1, as shown in Figures 1 and 2, the quantum dot layer 14, which serves as the path of the photocurrent (drain current Id), is provided with a number of core-shell type quantum dots 141 and conductive ions 142 dispersed among the quantum dots 141.

これによりフォトトランジスタ1では、例えば以下詳述するように、量子ドット層14に対して照射光Linが照射されている明状態において、量子ドット層14に対して照射光Linが照射されていない暗状態と比べ、電子eの移動度μが大幅に増大する。その結果、このフォトトランジスタ1では、明状態と暗状態とでの光電流値(ドレイン電流Idの値)の差も、従来のフォトトランジスタの場合と比べ、大幅に増大することになる(例えば前述した図5(C)の例を参照)。 As a result, in the phototransistor 1, for example, as described in detail below, in the bright state where the quantum dot layer 14 is irradiated with the irradiation light Lin, the mobility μ of the electrons e is significantly increased compared to the dark state where the quantum dot layer 14 is not irradiated with the irradiation light Lin. As a result, in this phototransistor 1, the difference in the photocurrent value (the value of the drain current Id) between the bright state and the dark state is also significantly increased compared to the case of a conventional phototransistor (for example, see the example of Figure 5 (C) described above).

(実施例)
ここで、図6~図9を参照して、本実施の形態の実施例に係るフォトトランジスタ1の各種特性例について、詳細に説明する。
(Example)
Various examples of characteristics of the phototransistor 1 according to the embodiment of the present invention will now be described in detail with reference to FIGS.

図6は、量子ドット層14の膜厚d=175nmの場合における、フォトトランジスタ1でのゲート電圧Vgとドレイン電流Idとの対応関係の一例と、ドレイン電圧Vdsとドレイン電流Idとの対応関係の一例とを、それぞれ示したものである。なお、図6中に示した「No Cd2+」の場合の特性例は、前述した導電性イオン142の一例としてのカドミウムイオン(Cd2+)を、量子ドット層内に分散配置させないようにした、比較例に対応している。 6 shows an example of the correspondence relationship between the gate voltage Vg and the drain current Id in the phototransistor 1 when the quantum dot layer 14 has a thickness d=175 nm, and an example of the correspondence relationship between the drain voltage Vds and the drain current Id. Note that the characteristic example for "No Cd 2+ " shown in Fig. 6 corresponds to a comparative example in which cadmium ions (Cd 2+ ), which are an example of the conductive ions 142 described above, are not dispersed in the quantum dot layer.

この図6に示した特性例では、導電性イオン142が量子ドット層内に分散配置されていない比較例では、ゲート電圧Vgやドレイン電圧Vdsを比較的高く設定しても、ドレイン電流Idがほとんど流れないことが分かる。これは、前述したように、コア・シェル型の量子ドット141では電流が非常に流れにくいのと、量子ドット層内での電流経路となり得る導電性イオン142が分散配置されていないからであると、推測される。これに対して、導電性イオン142が量子ドット層14内に分散配置されている実施例では、比較例と比べて低い値のゲート電圧Vgやドレイン電圧Vdsの場合でも、比較的に大きなドレイン電流Idが流れていることが分かる。これは、比較例の場合とは異なり、量子ドット層14内での電流経路となり得る導電性イオン142が、量子ドット層14内に分散配置されているためであると、推測される。 In the characteristic example shown in FIG. 6, in the comparative example in which the conductive ions 142 are not dispersed in the quantum dot layer, it can be seen that the drain current Id hardly flows even when the gate voltage Vg and drain voltage Vds are set relatively high. This is presumably because, as described above, current flows very little in the core-shell type quantum dots 141, and the conductive ions 142 that can be a current path in the quantum dot layer are not dispersed. In contrast, in the example in which the conductive ions 142 are dispersed in the quantum dot layer 14, it can be seen that a relatively large drain current Id flows even when the gate voltage Vg and drain voltage Vds are low compared to the comparative example. This is presumably because, unlike the comparative example, the conductive ions 142 that can be a current path in the quantum dot layer 14 are dispersed in the quantum dot layer 14.

図7は、前述した暗状態および明状態におけるフォトトランジスタ1の特性例(ゲート電圧Vgとドレイン電流Idとの対応関係の例)を、示したものである。具体的には、図7(A),図7(B),図7(C)ではそれぞれ、量子ドット層14の膜厚d=約22nm,約75nm,約175nmの場合(前述した膜厚dの範囲の一例である、22nm≦d≦175nmを参照)について、そのような特性例を示している。なお、これらの図7(A)~図7(C)ではいずれも、ドレイン電圧Vds=15Vの場合の特性例であると共に、明状態の際の照射光Linの一例として、紫外光(UV光)が用いられている。 Figure 7 shows an example of the characteristics of the phototransistor 1 in the dark and bright states described above (an example of the corresponding relationship between the gate voltage Vg and the drain current Id). Specifically, Figures 7(A), 7(B), and 7(C) show such example characteristics when the quantum dot layer 14 has a film thickness d of about 22 nm, about 75 nm, and about 175 nm (see 22 nm≦d≦175 nm, which is an example of the range of film thickness d described above). Note that all of Figures 7(A) to 7(C) show an example of the characteristics when the drain voltage Vds=15 V, and ultraviolet light (UV light) is used as an example of the irradiated light Lin in the bright state.

これらの図7(A)~図7(C)に示した特性例ではいずれも、前述した図5(C)の例と同様に、暗状態ではドレイン電流Id≒0となっていると共に、明状態と暗状態とでの光電流値(ドレイン電流Idの値)の差が、非常に大きくなっている。また、量子ドット層14の膜厚dの値が大きくなるのに従って(図7(A)~図7(C)の順に)、明状態におけるドレイン電流Idの値も、次第に大きくなっていることが分かる。 In all of the characteristic examples shown in Figures 7(A) to 7(C), like the example in Figure 5(C) described above, the drain current Id is ≈ 0 in the dark state, and the difference in the photocurrent value (the value of the drain current Id) between the bright state and the dark state is very large. It can also be seen that as the value of the film thickness d of the quantum dot layer 14 increases (in the order of Figures 7(A) to 7(C)), the value of the drain current Id in the bright state also gradually increases.

図8(A)は、量子ドット層14の膜厚dと、明状態の際のドレイン電流Id(L)(ゲート電圧Vg=0V,ドレイン電圧Vds=15Vの場合)との対応関係の一例を、示したものである。また、図8(B)は、量子ドット層14の膜厚dと、明状態の際の電子eの移動度μ(L)および暗状態の際の電子eの移動度μ(D)との対応関係の一例を、示したものである。 Figure 8 (A) shows an example of the relationship between the film thickness d of the quantum dot layer 14 and the drain current Id(L) in the bright state (when the gate voltage Vg = 0 V and the drain voltage Vds = 15 V). Also, Figure 8 (B) shows an example of the relationship between the film thickness d of the quantum dot layer 14 and the mobility μ(L) of the electron e in the bright state and the mobility μ(D) of the electron e in the dark state.

図8(A)に示した特性例では、量子ドット層14の膜厚dが大きくなるのに従って、明状態の際の光電流としてのドレイン電流Id(L)の値が、ほぼ線形的に増加していることが分かる。また、図8(B)に示した特性例では、暗状態の際の電子eの移動度μ(D)と、明状態の際の電子eの移動度μ(L)とを比較すると、暗状態から明状態へと切り替わることで、電子eの移動度μが大幅に(約数十倍に)増加していることが分かる。更に、この図8(B)の特性例では、量子ドット層14の膜厚dが大きくなるのに従って、電子eの移動度μ(D),μ(L)ともに増加していき、特に、明状態の際の電子eの移動度μ(L)において、その増加率が大きいことが分かる。 In the characteristic example shown in FIG. 8(A), it can be seen that the value of the drain current Id(L) as the photocurrent in the bright state increases almost linearly as the thickness d of the quantum dot layer 14 increases. In addition, in the characteristic example shown in FIG. 8(B), when comparing the mobility μ(D) of the electron e in the dark state with the mobility μ(L) of the electron e in the bright state, it can be seen that the mobility μ of the electron e increases significantly (by about several tens of times) by switching from the dark state to the bright state. Furthermore, in the characteristic example of FIG. 8(B), it can be seen that both the mobility μ(D) and μ(L) of the electron e increase as the thickness d of the quantum dot layer 14 increases, and the rate of increase is particularly large in the mobility μ(L) of the electron e in the bright state.

図9は、ゲート電圧Vgと、暗状態の際のドレイン電流Id(D)に対する明状態の際のドレイン電流Id(L)の比率(=Id(L)/Id(D))との対応関係の一例を、量子ドット層14の膜厚d=約22nm,約75nm,約175nmの各場合について、示したものである。なお、図9中の破線G101は、従来の量子ドットを用いたフォトトランジスタにおける最高値((Id(L)/Id(D)≒8×104程度)を、参考例として示している(Chen et al., Adv. Mater.2017参照)。 9 shows an example of the relationship between the gate voltage Vg and the ratio (=Id(L)/Id(D)) of the drain current Id(L) in the bright state to the drain current Id(D) in the dark state, for each of the thicknesses d of the quantum dot layer 14 of about 22 nm, about 75 nm, and about 175 nm. Note that the dashed line G101 in FIG. 9 shows the maximum value ((Id(L)/Id(D)≈8× 104 ) in a phototransistor using conventional quantum dots as a reference example (see Chen et al., Adv. Mater. 2017).

この図9の特性例では、量子ドット層14の膜厚d=約22nm,約75nmの各場合において、フォトトランジスタ1における(Id(L)/Id(D))の値が、105よりも大きくなっており、上記した参考例での値(≒8×104程度)を超えていることが分かる。つまり、この実施例では、(Id(L)/Id(D))>105となる場合が存在することが、確認された。 9, it can be seen that the value of (Id(L)/Id(D)) in the phototransistor 1 is greater than 10 5 and exceeds the value in the above-mentioned reference example (≈8×10 4 ) when the quantum dot layer 14 has a thickness d of about 22 nm and about 75 nm. In other words, it was confirmed that there are cases in this embodiment where (Id(L)/Id(D))>10 5 .

以上のように本実施の形態では、光電流(ドレイン電流Id)の経路となる量子ドット層14に、コア・シェル型の複数の量子ドット141と、これら複数の量子ドット141の間に分散配置された導電性イオン142とを設けるようにしたので、明状態と暗状態とでの光電流値の差を、大幅に増大させることができる。よって、本実施の形態では、デバイス(フォトトランジスタ1)の特性(光応答性)を、向上させることが可能となる。 As described above, in this embodiment, the quantum dot layer 14, which serves as the path of the photocurrent (drain current Id), is provided with a plurality of core-shell type quantum dots 141 and conductive ions 142 dispersed among these quantum dots 141, so that the difference in photocurrent value between the bright state and the dark state can be significantly increased. Therefore, in this embodiment, it is possible to improve the characteristics (photoresponse) of the device (phototransistor 1).

また、本実施の形態では、フォトトランジスタ1において検出可能な光(照射光Lin)の波長範囲が、量子ドット層14におけるエネルギー準位構造に応じて選択的に設定されるようにした場合には、以下のようになる。すなわち、フォトトランジスタ1において検出可能な照射光Linの波長範囲が、そのようなエネルギー準位構造に応じて、任意に調整可能となる。その結果、フォトトランジスタ1を使用する際の利便性を、向上させることが可能となる。 In addition, in this embodiment, if the wavelength range of the light (illumination light L in ) detectable by the phototransistor 1 is selectively set according to the energy level structure in the quantum dot layer 14, the following occurs. That is, the wavelength range of the illumination light L in detectable by the phototransistor 1 can be arbitrarily adjusted according to such an energy level structure. As a result, it is possible to improve the convenience of using the phototransistor 1.

更に、本実施の形態では、量子ドット層14の膜厚dを、22nm以上かつ175nm以下の範囲内の値とした場合には、明状態と暗状態とでの光電流値の差を、特に増大させることができるため、フォトトランジスタ1の特性を更に向上させることが可能となる。また、この場合において特に、量子ドット層14の膜厚dを75nmとした場合には、明状態と暗状態とでの光電流値の差が最大限に増大するため、フォトトランジスタ1の特性を、より一層向上させることが可能となる。 Furthermore, in this embodiment, when the film thickness d of the quantum dot layer 14 is set to a value within the range of 22 nm or more and 175 nm or less, the difference in the photocurrent value between the bright state and the dark state can be particularly increased, and the characteristics of the phototransistor 1 can be further improved. In this case, particularly, when the film thickness d of the quantum dot layer 14 is set to 75 nm, the difference in the photocurrent value between the bright state and the dark state is maximized, and the characteristics of the phototransistor 1 can be further improved.

加えて、本実施の形態では、明状態の際のドレイン電流Id(L)と、暗状態の際のドレイン電流Id(D)とに関して、(Id(L)/Id(D))の値が、105よりも大きくなっているようにした場合には、フォトトランジスタ1の特性を、実際に向上させることが可能となる。 In addition, in this embodiment, when the value of (Id(L)/Id(D)) is set to be greater than 10 5 with respect to the drain current Id(L) in the bright state and the drain current Id(D) in the dark state, it is possible to actually improve the characteristics of the phototransistor 1.

<2.適用例>
続いて、上記実施の形態で説明したフォトトランジスタ1の、電子機器への適用例について説明する。
2. Application Examples
Next, an example of application of the phototransistor 1 described in the above embodiment to an electronic device will be described.

上記実施の形態で説明したフォトトランジスタ1は、各種の電子機器に適用することが可能である。つまり、そのような各種の電子機器に、1または複数のフォトトランジスタ1を内蔵させることが可能である。 The phototransistor 1 described in the above embodiment can be applied to various electronic devices. In other words, one or more phototransistors 1 can be built into such various electronic devices.

そのような電子機器の具体例としては、例えば、撮像装置(高感度カメラなど),赤外光を利用した人感センサ(自動ドアなど),紫外領域での紫外線センサ,スマートフォンなどのモニタの明るさを自動統制する照度センサ等が挙げられる。 Specific examples of such electronic devices include imaging devices (such as high-sensitivity cameras), motion sensors that use infrared light (such as automatic doors), ultraviolet sensors in the ultraviolet range, and illuminance sensors that automatically control the brightness of monitors on smartphones, etc.

<3.変形例>
以上、実施の形態および適用例を挙げて本開示の技術を説明したが、本技術はこれらの実施の形態等に限定されず、種々の変形が可能である。
3. Modifications
Although the technology of the present disclosure has been described above by giving embodiments and application examples, the technology is not limited to these embodiments and the like, and various modifications are possible.

例えば、上記実施の形態等において説明した各部材の構成(形状や配置位置、個数、材料等)は限定されるものではなく、他の形状や配置位置、個数、材料等としてもよい。また、フォトトランジスタ1における数値例や特性例等についても、上記実施の形態等において説明したものには限られず、他の数値例や特性例等であってもよい。 For example, the configuration (shape, arrangement, number, material, etc.) of each component described in the above embodiment is not limited, and other shapes, arrangements, numbers, materials, etc. may be used. In addition, the numerical examples and characteristic examples of the phototransistor 1 are not limited to those described in the above embodiment, and other numerical examples and characteristic examples may be used.

また、上記実施の形態等では、量子ドット層14の形成方法について具体的に挙げて説明したが、上記実施の形態等で説明した形成方法には限られず、他の手法を用いて量子ドット層14を形成するようにしてもよい。 In addition, in the above embodiment, a specific method for forming the quantum dot layer 14 has been described, but the method is not limited to the method described in the above embodiment, and the quantum dot layer 14 may be formed using other methods.

更に、本技術では、これまでに説明した内容を、任意の組み合わせで適用することも可能である。 Furthermore, with this technology, it is possible to apply the contents described so far in any combination.

なお、本明細書中に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、また、他の効果があってもよい。 The effects described in this specification are merely examples and are not limiting, and other effects may also be present.

1…フォトトランジスタ、10…半導体基板、11…ゲート電極、12…絶縁膜、13…自己組織化単分子膜、14…量子ドット層、141…量子ドット、142…導電性イオン、15a,15b…電極、21…コア、22…シェル、23…リガンド、Vg…ゲート電圧、Vds…ドレイン電圧、Id,Id(L),Id(D)…ドレイン電流(光電流)、e…電子、Lin…照射光、Vth11,Vth12,Vth21,Vth22,Vth32…閾値電圧、d…膜厚、μ(L),μ(D)…移動度。 1...phototransistor, 10...semiconductor substrate, 11...gate electrode, 12...insulating film, 13...self-assembled monolayer, 14...quantum dot layer, 141...quantum dot, 142...conductive ion, 15a, 15b...electrodes, 21...core, 22...shell, 23...ligand, Vg...gate voltage, Vds...drain voltage, Id, Id(L), Id(D)...drain current (photocurrent), e...electrons, Lin...irradiated light, Vth11, Vth12, Vth21, Vth22, Vth32...threshold voltage, d...film thickness, μ(L), μ(D)...mobility.

Claims (5)

ゲート電極を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上において互いに離間配置された、ソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されていると共に、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に流れる光電流としてのドレイン電流の経路となる量子ドット層と、
前記絶縁膜と前記量子ドット層との間において、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置された自己組織化単分子膜と
を備え、
前記量子ドット層は、
コア・シェル型により構成された複数の量子ドットと、
前記複数の量子ドットの間に分散配置された導電性イオンと
を有しており、
前記コア・シェル型の前記量子ドットは、
半導体材料を用いて構成されたコアと、
前記コアの周囲を覆うと共に、半導体材料を用いて構成されたシェルと、
前記シェルの周囲を覆うと共に、絶縁体材料を用いて構成されたリガンドと
を有しており、
前記量子ドット層に対して所定の光が照射されている明状態の際に前記量子ドット層内を流れる前記ドレイン電流を、Id(L)とすると共に、
前記量子ドット層に対して前記所定の光が照射されていない暗状態の際に前記量子ドット層内を流れる前記ドレイン電流を、Id(D)とした場合において、
(前記Id(L)/前記Id(D))の値が、105よりも大きくなっている
フォトトランジスタ。
a semiconductor substrate having a gate electrode;
an insulating film formed on the semiconductor substrate;
a source electrode and a drain electrode spaced apart from each other on the insulating film;
a quantum dot layer disposed between the source electrode and the drain electrode and serving as a path for a drain current as a photocurrent flowing between the source electrode and the drain electrode;
a self-assembled monolayer disposed between the source electrode and the drain electrode, between the insulating film and the quantum dot layer;
The quantum dot layer is
A plurality of quantum dots having a core-shell structure;
and conductive ions dispersed among the quantum dots;
The core-shell quantum dots are
A core made of a semiconductor material;
a shell surrounding the core and made of a semiconductor material;
a ligand that covers the shell and is made of an insulating material;
It has
The drain current flowing through the quantum dot layer in a bright state in which the quantum dot layer is irradiated with a predetermined light is defined as Id(L),
When the drain current flowing through the quantum dot layer in a dark state in which the quantum dot layer is not irradiated with the predetermined light is Id(D),
A phototransistor in which the value of (Id(L)/Id(D)) is greater than 10 5 .
前記量子ドット層の膜厚が、22nm以上かつ175nm以下の範囲内の値である
請求項1に記載のフォトトランジスタ。
The phototransistor according to claim 1 , wherein the quantum dot layer has a thickness within a range of 22 nm to 175 nm.
前記量子ドット層の膜厚が、75nmである
請求項2に記載のフォトトランジスタ。
The phototransistor according to claim 2 , wherein the quantum dot layer has a thickness of 75 nm.
前記コア・シェル型の前記量子ドットにおいて、前記コアがCdSeを用いて構成されていると共に、前記シェルがCdSを用いて構成されており、かつ、前記リガンドがチオシアン酸塩を用いて構成されており、
前記導電性イオンが、Cdイオン(Cd2+)である
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のフォトトランジスタ。
In the core-shell quantum dot, the core is made of CdSe, the shell is made of CdS, and the ligand is made of thiocyanate;
4. The phototransistor according to claim 1, wherein the conductive ions are Cd ions (Cd 2+ ).
1または複数のフォトトランジスタを備え、
前記フォトトランジスタは、
ゲート電極を有する半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜上において互いに離間配置された、ソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されていると共に、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に流れる光電流としてのドレイン電流の経路となる量子ドット層と、
前記絶縁膜と前記量子ドット層との間において、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置された自己組織化単分子膜と
を備え、
前記量子ドット層は、
コア・シェル型により構成された複数の量子ドットと、
前記複数の量子ドットの間に分散配置された導電性イオンと
を有しており、
前記コア・シェル型の前記量子ドットは、
半導体材料を用いて構成されたコアと、
前記コアの周囲を覆うと共に、半導体材料を用いて構成されたシェルと、
前記シェルの周囲を覆うと共に、絶縁体材料を用いて構成されたリガンドと
を有しており、
前記量子ドット層に対して所定の光が照射されている明状態の際に前記量子ドット層内を流れる前記ドレイン電流を、Id(L)とすると共に、
前記量子ドット層に対して前記所定の光が照射されていない暗状態の際に前記量子ドット層内を流れる前記ドレイン電流を、Id(D)とした場合において、
(前記Id(L)/前記Id(D))の値が、105よりも大きくなっている
電子機器。
one or more phototransistors;
The phototransistor is
a semiconductor substrate having a gate electrode;
an insulating film formed on the semiconductor substrate;
a source electrode and a drain electrode spaced apart from each other on the insulating film;
a quantum dot layer disposed between the source electrode and the drain electrode and serving as a path for a drain current as a photocurrent flowing between the source electrode and the drain electrode;
a self-assembled monolayer disposed between the source electrode and the drain electrode, between the insulating film and the quantum dot layer;
The quantum dot layer is
A plurality of quantum dots having a core-shell structure;
and conductive ions dispersed among the quantum dots;
The core-shell quantum dots are
A core made of a semiconductor material;
a shell surrounding the core and made of a semiconductor material;
a ligand that covers the shell and is made of an insulating material;
It has
The drain current flowing through the quantum dot layer in a bright state in which the quantum dot layer is irradiated with a predetermined light is defined as Id(L),
When the drain current flowing through the quantum dot layer in a dark state in which the quantum dot layer is not irradiated with the predetermined light is Id(D),
An electronic device in which the value of (Id(L)/Id(D)) is greater than 10 5 .
JP2019165115A 2019-09-11 2019-09-11 Phototransistors and Electronic Devices Active JP7527768B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019165115A JP7527768B2 (en) 2019-09-11 2019-09-11 Phototransistors and Electronic Devices

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019165115A JP7527768B2 (en) 2019-09-11 2019-09-11 Phototransistors and Electronic Devices

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021044367A JP2021044367A (en) 2021-03-18
JP7527768B2 true JP7527768B2 (en) 2024-08-05

Family

ID=74864248

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019165115A Active JP7527768B2 (en) 2019-09-11 2019-09-11 Phototransistors and Electronic Devices

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7527768B2 (en)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100025595A1 (en) 2006-07-31 2010-02-04 Moungi Bawendi Electro-optical device
JP2014143397A (en) 2012-12-26 2014-08-07 Fujifilm Corp Semiconductor film, semiconductor film manufacturing method, solar cell, light-emitting diode, thin film transistor and electronic device
JP2014522117A (en) 2011-08-02 2014-08-28 フンダシオ インスティチュート デ サイエンセズ フォトニクス Phototransistor with carbon-based conductor and quantum dots
CN105264672A (en) 2013-04-05 2016-01-20 诺基亚技术有限公司 Transparent light detectors for mobile devices
JP2016062745A (en) 2014-09-18 2016-04-25 一般財団法人電力中央研究所 Ionic elements and electronic equipment
JP2016219805A (en) 2015-05-18 2016-12-22 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. Semiconductor device containing two-dimensional material and method for manufacturing the same
JP2017028285A (en) 2015-07-27 2017-02-02 日本化学工業株式会社 ELECTROCHEMICAL LIGHT EMITTING CELL LIGHT EMITTING LAYER ADDITIVE, ELECTROCHEMICAL LIGHT EMITTING CELL LIGHT EMITTING LAYER FORMING COMPOSITION AND ELECTROCHEMICAL LIGHT EMITTING CELL
JP2017092210A (en) 2015-11-09 2017-05-25 株式会社豊田中央研究所 Optical sensor
JP2018524820A (en) 2015-07-28 2018-08-30 ネクスドット Mid-infrared photodetector using nanocrystals with improved performance
WO2018195143A1 (en) 2017-04-18 2018-10-25 The University Of Chicago Photoactive, inorganic ligand-capped inorganic nanocrystals

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100025595A1 (en) 2006-07-31 2010-02-04 Moungi Bawendi Electro-optical device
JP2014522117A (en) 2011-08-02 2014-08-28 フンダシオ インスティチュート デ サイエンセズ フォトニクス Phototransistor with carbon-based conductor and quantum dots
JP2014143397A (en) 2012-12-26 2014-08-07 Fujifilm Corp Semiconductor film, semiconductor film manufacturing method, solar cell, light-emitting diode, thin film transistor and electronic device
CN105264672A (en) 2013-04-05 2016-01-20 诺基亚技术有限公司 Transparent light detectors for mobile devices
JP2016520438A (en) 2013-04-05 2016-07-14 ノキア テクノロジーズ オーユー Transparent light detection element for portable devices
JP2016062745A (en) 2014-09-18 2016-04-25 一般財団法人電力中央研究所 Ionic elements and electronic equipment
JP2016219805A (en) 2015-05-18 2016-12-22 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. Semiconductor device containing two-dimensional material and method for manufacturing the same
JP2017028285A (en) 2015-07-27 2017-02-02 日本化学工業株式会社 ELECTROCHEMICAL LIGHT EMITTING CELL LIGHT EMITTING LAYER ADDITIVE, ELECTROCHEMICAL LIGHT EMITTING CELL LIGHT EMITTING LAYER FORMING COMPOSITION AND ELECTROCHEMICAL LIGHT EMITTING CELL
JP2018524820A (en) 2015-07-28 2018-08-30 ネクスドット Mid-infrared photodetector using nanocrystals with improved performance
JP2017092210A (en) 2015-11-09 2017-05-25 株式会社豊田中央研究所 Optical sensor
WO2018195143A1 (en) 2017-04-18 2018-10-25 The University Of Chicago Photoactive, inorganic ligand-capped inorganic nanocrystals

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021044367A (en) 2021-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104024146B (en) Phototransistor with carbon based conductor and quantum dots
KR101116412B1 (en) Phototransistor
JP4919811B2 (en) Transistor comprising a deposited channel region having a doped portion
US20170084761A1 (en) Photoelectric device and electronic apparatus including the same
US20080291350A1 (en) Electron device using oxide semiconductor and method of manufacturing the same
US9608147B2 (en) Photoconductor and image sensor using the same
EP1655791A1 (en) Transistor with carbon nanotube channel and method of manufacturing the same
CN106449861B (en) Optical sensor components and photoelectric conversion device
US20200373454A1 (en) Photosensitive field-effect transistor
KR101927006B1 (en) Unit pixel of image sensor, and light-receiving element thereof
KR20220013379A (en) vertical solid state device
EP1865560A1 (en) Organic light-emitting display device
CN113193049B (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof, and display panel
JP7527768B2 (en) Phototransistors and Electronic Devices
US20140203249A1 (en) Quasi-Surface Emission Vertical-Type Organic Light-Emitting Transistors And Method Of Manufacturing The Same
CN207947288U (en) Infrared detecting pixel structure and infrared detector
KR20210009147A (en) A method of manufacturing optical sensor using quantum dot and the optical sensor
US6841807B2 (en) PIN photodiode
KR20130015794A (en) Photonic device of using surface plasmon
KR102138037B1 (en) Thin film transistor and display panel having the same, method for fabricating the thin film transistor
JPH03153046A (en) semiconductor equipment
KR100851553B1 (en) Image sensor and method of driving the same
US8586400B2 (en) Fabricating method of organic photodetector
CN108231808A (en) Infrared image sensor
JP2014120628A (en) Photoelectric conversion device and method of manufacturing the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220810

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230512

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230523

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230606

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230919

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20240123

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240409

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20240409

A911 Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911

Effective date: 20240426

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240723

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240724

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7527768

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150