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金ナノロッドを用いた高効率赤外通信用光検出器

工学部 電気・電子情報工学系

教授 福田 光男

助教 山口 堅三

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新技術の概要新技術の概要

本技術は、振動エネルギーの小さい長波長光の検出効率を飛躍的に向上させるものである。これは金ナノロッド表面での光共鳴（プラズモン共鳴）を利用し、ショットキー障壁を超えた光電子量を増加させる。このため、フォトダイオードを始め、各種検出素子への高効率検出が可能とする。

本技術は、振動エネルギーの小さい長波長光の検本技術は、振動エネルギーの小さい長波長光の検出効率を飛躍的に向上させるものである。これは金出効率を飛躍的に向上させるものである。これは金ナノロッド表面での光共鳴（プラズモン共鳴）を利用ナノロッド表面での光共鳴（プラズモン共鳴）を利用し、ショットキー障壁を超えた光電子量を増加させし、ショットキー障壁を超えた光電子量を増加させる。このため、フォトダイオードを始め、各種検出素る。このため、フォトダイオードを始め、各種検出素子への高効率検出が可能とする。子への高効率検出が可能とする。

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研究背景研究背景 –– 光検出器光検出器 ––

カロリーメータa 超電導による超長波長検出器b 光通信システムによるフォトダイオードc

a http://www.scientech-inc.com/AstralSeriesSCalorimeters.phtmlb http://jstore.jst.go.jp/image/patent/PDFpub/16/8/16811jpa_2006216795_0000.pdfc http://jp.hamamatsu.com/index.html

光などの電磁気的なエネルギーを検出するセンサには、

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研究背景研究背景 –– PINPINフォトダイオードとフォトダイオードとAPD APD ––半導体での光吸収により電子と正孔を発生していた（光電流）。

pn接合に到達する電子と正孔だけが光電流になる。

高電界層を形成し、加速された電子が、結晶格子と衝突し、電子数を増加させる。

PINフォトダイオード アバランシェフォトダイオード（APD）

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研究背景研究背景 –– ショットキーダイオードショットキーダイオード ––pn接合と同様な効果を有し、光検出が可能である。

1.3 ~1.5 μm帯の赤外波長の持つ振動エネルギーは小さいため、ショットキー障壁型で光通信システムとしての光検出効率の向上が必要ショットキー障壁型で光通信システムとしての光検出効率の向上が必要である。

半導体に吸収された光により発生する電子と正孔は、ショットキー障壁で分けられ、外部回路に流れ出し、光電流となる。

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想定される用途想定される用途

• 本技術の特徴を生かすためには、光の共鳴現象を適用することで検出感度の増大が大きく期待される。

• 上記以外に、赤外線センサーを始めとする各種センサーとしても期待される。

• また、達成された長波長光の検出効率の増大に着目すると、医療や食品中の異物検出といった分野や用途に展開することも可能と思われる。

• 想定される分野– 光検出器製造メーカー

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従来技術とその問題点従来技術とその問題点

既に、レーザー共振器やマイクロストリップアンテナを設けた方法等が報告されているが、

共振させるための特殊な構造や光学系が必要、

通信波長域での増強効果が低く、アレー化する必要がある、

等の問題があり、広く利用されるまでには至っていない。

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新技術の基となる技術新技術の基となる技術 –– ナノ粒子ナノ粒子 ––金は何色でしょう?

http://www.shimadzu-ltd.jp/kiriko/make3.htm

金は、ナノ粒子のコロイド状態になると、『赤い金色』になる。

薩摩切子 ステンドグラス

■ガラスの原料主原料 ： 硅石粉、酸化鉛、炭酸カリ副原料 ： 清澄剤、酸化アンチモン、硝酸カリ着色剤 ： 酸化銅、二酸化マンガン、

酸化クローム、コバルト、酸化ニッケル、酸化鉄、金、銀

http://ja.wikipedia.org/wiki/

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–– 表面ﾌﾟﾗｽﾞﾓﾝ共鳴表面ﾌﾟﾗｽﾞﾓﾝ共鳴11 ––局在表面プラズモン（Localized Surface Plasmon: LSP）

数十nm

小さくすると、

+++ ++

- - -- -

http://www.excite.co.jp/News/photo_news/p-94069/

光 e-

振動

光が強くなる空間が存在する（LSP）

電子の振動の様子を変化させ、粒子特有の振動が起こる

応用研究例として、高感度検出器や光学素子などが報告されている。

[1] 山田淳監修、プラズモンナノ材料の設計と応用技術、CMC出版（2006）

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–– 局在表面プラズモン局在表面プラズモン22 ––微粒子の種類種類（例えば、入射光に対し、金は40倍、銀は100倍の増強電場を持つ。）、微粒子の形状形状に大きく依存する。

＜＜

光局在効果光局在効果

共鳴波長共鳴波長 22

[2] H. Tamaru et al., Appl. Phys. Lett., 80 1826 (2002)

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–– ナノロッドナノロッド ––利点

[2] H. Tamaru et al., Appl. Phys. Lett., 80 1826 (2002)

光局在効果が大きい光局在効果が大きい。任意の共鳴波長が得られる任意の共鳴波長が得られる。調製が容易である。安定である（金の場合）。粒子表面修飾も可能である。退色がおこらない。

応用研究例として、センサーを始め、太陽電池や印刷機などの報告がある。

例. 銀ナノロッド

例. 銀ナノロッド暗視野像

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新技術の内容新技術の内容33 –– 目的目的 ––

金ナノロッドを用いた高効率赤外通信用光検出器の開発である。（金ナノロッドとショットキーダイオードを組み合わせる）

[3] M. Fukuda, K. Yamaguchi et al., Appl. Phys. Lett., 96 153107 (2010)

+

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新技術の内容新技術の内容 –– 試料図試料図 ––金-シリコン界面にショットキー接合を形成

1 cm

金ナノロッド

金薄膜

30 nm金ナノロッド

0.53 mm

280 nm

シリコン基板

金薄膜

電極

nm(ナノメートル):10の-9乗メートル

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新技術の内容新技術の内容 –– 金ナノロッド金ナノロッド ––大日本塗料株式会社より提供を受けた

* 長軸長さ/短軸長さで吸収波長が変化http://www.dnt.co.jp/japanese/imagepdf/Gold%20Nanorods%20Disperse%20Series.pdf

長軸

短軸

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新技術の内容新技術の内容 –– 実験結果実験結果11 ––吸光度測定

1000 1500 20000.0

1.0

0.5

波長 (nm)

規格化吸光度

2500

乾燥後

アセトン分散中

赤外光領域にプラズモン共鳴を観測

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新技術の内容新技術の内容 –– 評価光学系評価光学系 ––赤外光波長を持つ半導体レーザをシリコン基板側から光を入射する

レーザーダイオード

レンズ

金ナノロッド

金薄膜

電流計

シリコン基板

A

光源 対物レンズ 試料

電流計へ

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新技術の内容新技術の内容 –– 実験結果実験結果22 ––入射光波長（λ = 1300 nm）のとき

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

金ナノロッドなし

金ナノロッドあり

波長: 1300 nm (0.95 eV)バイアス電流なし

200

100

0.0

入射光強度 (a.u.)

光電流

(nA

)

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新技術の内容新技術の内容 –– 実験結果実験結果33 ––入射光波長（λ = 1550 nm）のとき

入射光強度 (a.u.)

波長：1550 nm (0.8 eV)バイアス電流なし

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

20

10

0

30

金ナノロッドなし

金ナノロッドあり

光電流

(nA

)

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新技術の内容新技術の内容 –– メカニズムメカニズム ––

試料断面図

バンド図

電子

入射光

1.1 eV

0.8 eV

光（0.8 eV< E <1.0 eV）を入射

金-シリコン界面近傍の自由電子が励起

局在表面プラズモンが金薄膜を透過した光により発生

局在表面プラズモンによる電場増強で更に自由電子が励起

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新技術の特徴・従来技術との比較新技術の特徴・従来技術との比較

• 従来技術の問題点であった、通信波長帯域での増強効果を大幅に改良することに成功した。

• 従来は、特殊な構造や光学系の使用の点で限られていたが、任意の共鳴位置での増強効果が得られることが可能となった。

• 本技術の適用により、簡易に高効率検出できるため、作製コストや時間が大きく（1/2以下）削減されることが期待される。

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実用化に向けた課題実用化に向けた課題

• 現在、高効率な赤外通信用光検出器のプロトタイプ作製が可能なところまで開発済み。しかし、ロッドの配向制御の点が未解決である。

• 今後、適切な条件（金属膜厚やロッド径）について実験データを取得し、更なる高効率に適用していく場合の条件設定を行っていく。

• 実用化に向けて、長期安定性の確認する必要もあり。

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企業への期待企業への期待

• 共同研究により高性能及びデバイス化の実現を期待している。

• 未解決の配向については、電子ビームリソグラフィー技術により克服できると考えている。

• デバイスの技術を持つ、企業との共同研究を希望。

• また、光電子集積回路（OEIC）を開発中の企業、OEIC分野への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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お問合せ先：（株）豊橋キャンパスイノベーション（とよはしＴＬＯ）Phone: 0532 - 44 - 6975 FAX: 0532 - 44 - 6980Mail: ttlo-iten@kktci.co.jp 担当: 科学技術コーディネータ 白川正知

本技術に関する知的財産権本技術に関する知的財産権

• 発明の名称：ショットキー型光検出器

• 出願番号 ：特願2010-034121

• 出願人 ：国立大学法人豊橋技術科学大学

• 発明者 ：福田光男、山口堅三