CN107210326B - 电磁波检测器以及电磁波检测器阵列 - Google Patents

电磁波检测器以及电磁波检测器阵列 Download PDF

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Abstract

电磁波检测器包括基板、设置于基板之上的绝缘层、设置于绝缘层之上的石墨烯层、夹着石墨烯层设置于绝缘层之上的一对电极以及夹在石墨烯层与电极之间并将它们隔离的缓冲层。电磁波检测器阵列包括阵列状地配置的相同或者相互不同的电磁波检测器。

Description

电磁波检测器以及电磁波检测器阵列
技术领域
本发明涉及将石墨烯用于检测层的电磁波检测器以及电磁波检测器阵列，特别涉及在检测层与电极之间设置有缓冲层的高灵敏度的电磁波检测器以及电磁波检测器阵列。
背景技术
在以往的电磁波检测器中，一般使用半导体材料作为电磁波检测层，但半导体材料由于具有规定的带隙，所以存在只能检测到具有比带隙大的能量的电磁波这样的问题。
因此，作为下一代的检测层的材料，带隙为零或者极小的石墨烯受到关注，例如在引用文献1中提出了如下电磁波检测器，在该电磁波检测器中，在基板上设置栅极氧化膜，在其上堆积石墨烯的沟道层，在沟道层的两端形成源极以及漏极。
现有技术文献
专利文献1:日本特表2013－502735号公报
发明内容
然而，在检测层是石墨烯单体的情况下，电磁波的吸收率为几％，非常低，存在即使能够检测的波长范围变宽，检测灵敏度也变低这样的问题。
因此，本发明的目的在于，提供检测波长范围宽并且检测灵敏度高的将石墨烯用作检测层的材料的电磁波检测器。
本发明涉及一种电磁波检测器，其特征在于，包括：基板；绝缘层，设置于基板之上；石墨烯层，设置于绝缘层之上；一对电极，夹着石墨烯层设置于绝缘层之上；以及缓冲层，夹在石墨烯层与电极之间并将它们隔离。
在本发明中，由于包括石墨烯的检测层与电极之间存在缓冲层，所以妨碍石墨烯与电极之间的电荷的移动，形成与石墨烯主体的狄拉克点(DPg)不同的石墨烯－电极间的狄拉克点(DPe)。因此，在检测光入射的情况下，在电极表面发生电荷的移动以消除入射电场，在石墨烯与电极之间，电荷的移动也增加而DPe消失。由此，石墨烯中的DPg移动，取出电流增大，检测灵敏度变高。
附图说明
图1是本发明的实施方式1的电磁波检测器的俯视图。
图2是图1的电磁波检测器的I－I方向上的剖视图。
图3a是本发明的实施方式1的其他电磁波检测器的剖视图。
图3b是本发明的实施方式1的其他电磁波检测器的剖视图。
图3c是本发明的实施方式1的其他电磁波检测器的剖视图。
图3d是本发明的实施方式1的其他电磁波检测器的剖视图。
图3e是本发明的实施方式1的其他电磁波检测器的剖视图。
图3f是本发明的实施方式1的其他电磁波检测器的剖视图。
图4是对本发明的实施方式1的电磁波检测器有光照射和无光照射的情况下的电气特性。
图5是本发明的实施方式1的电磁波检测器的电路图。
图6是本发明的实施方式2的电磁波检测器的俯视图。
图7是图6的电磁波检测器的V－V方向上的剖视图。
图8是本发明的实施方式3的电磁波检测器的剖视图。
图9是本发明的实施方式4的电磁波检测器的剖视图。
图10是本发明的实施方式5的电磁波检测器的剖视图。
图11是本发明的实施方式5的电磁波检测器的电极的俯视图。
图12是本发明的实施方式5的电磁波检测器的电极的俯视图。
图13是本发明的实施方式6的电磁波检测器的石墨烯层的俯视图。
图14是本发明的实施方式6的电磁波检测器的石墨烯层的俯视图。
图15是本发明的实施方式8的电磁波检测器阵列的俯视图。
图16是本发明的实施方式9的电磁波检测器阵列的俯视图。
(符号说明)
1石墨烯；2电极；3绝缘层；4基板；5缓冲层；6、7电极；8、9缓冲层；10、11凹部；12石墨烯层；13保护膜；14电极；100、110、120、130电磁波检测器；1000、2000电磁波检测器阵列。
具体实施方式
在本发明的实施方式中，关于电磁波检测器，使用可见光或者红外光来进行说明，但本发明除这些光之外，作为例如紫外光、近红外光、太赫兹(THz)波、微波等电波区域的检测器也是有效的。此外，在本发明的实施方式中，将这些光、电波统称地记为电磁波。
在本发明的实施方式中，作为电磁波检测器使用具有源极与漏极这2个电极以及背栅电极的构造来进行说明，但本发明也能够应用于具备4端子电极构造、顶栅构造等其他电极构造的电磁波检测器。
另外，关于作为金属表面与光的相互作用的表面等离激元共振现象或等离激元共振现象、可见光域及近红外光域以外的对金属表面施加的共振这样的含义下的被称为伪表面等离激元共振的现象、或者通过波长以下的尺寸的构造来操作特定的波长这样的含义下的被称为超材料或等离激元超材料的现象，不专门通过名称来对它们进行区分，从现象所带来的效果这方面看来，进行等同的处置。在这里，将这些共振称为表面等离激元共振、等离激元共振，或者简称为共振。
实施方式1.
图1是由100表示整体的本发明的实施方式1的电磁波检测器的俯视图，图2是图1的I－I处的剖视图。
电磁波检测器100例如包括包含Si的基板4。基板4保持电磁波检测器100整体，例如由半导体基板构成，使用高电阻硅基板、形成热氧化膜而使绝缘性提高的基板等。或者，也可以使用如后所述为了形成背栅而进行了掺杂的硅基板。在具有热氧化膜的基板的情况下，热氧化膜也可以兼作绝缘层3。
在基板4之上设置例如包括氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氧化铝、氧化镍、氮化硼(BN)等的绝缘层3。氮化硼的原子排列与石墨烯相似，所以不会由于与石墨烯的接触而妨碍电荷移动，不造成不良影响，不阻碍电子迁移率等石墨烯的性能，所以作为石墨烯的基底膜是优选的。
将一对电极2设置于绝缘层3之上。电极2例如包括Au、Ag、Cu、Al、Ni、Cr、Pd等金属。也可以在电极2与其下方的绝缘层3之间形成包括Cr、Ti的密合膜(未图示)。电极2只要是能够输出电信号的大小、厚度，则对形状没有特别限制。
将缓冲层5设置于电极2之上。缓冲层5可以是例如氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiN)等绝缘物、例如LiF、Li2O3、Li2CO3、Ca、Ba、Cs、Cs2CO3、TiO2等活性金属、碱金属、碱土类金属、例如V2O5、WO3、MoO3等过渡性金属氧化物、有机物或这些金属与有机物的混合膜。或者，使OH基介于电极2与石墨烯之间等，在电极2与石墨烯之间存在中介物即可。即，只要是由缓冲层5妨碍石墨烯与电极之间的电荷的移动、且除石墨烯主体的狄拉克点以外在石墨烯－电极间形成狄拉克点DPe的材料，则可以是任意材料。
此外，缓冲层5使用“层”这样的表述，但在以原子层水平观察的情况下，也可以存在有疏密或者不连续的区域。具体来说，也可以使用纳米粒子。
将石墨烯层1设置于绝缘层3之上。在石墨烯层1与电极2之间夹着缓冲层5。石墨烯层1包括单层或者2层以上的石墨烯。如果增加石墨烯的层叠数，则光吸收率增加，电磁波检测器100的灵敏度变高。石墨烯是2维碳晶体的单原子层，单层石墨烯的厚度为与1个碳原子相当的0.34nm，非常薄。石墨烯在配置成6边形状的各链具有碳原子。
在石墨烯层1包括2层以上的石墨烯的层叠构造的情况下，层叠构造中包括的任意的2层石墨烯的六方晶格的晶格矢量的方向也可以不一致、即方向存在偏移。另外，也可以是晶格矢量完全一致的层叠构造。特别是，如果层叠2层以上的石墨烯，则形成带隙，所以能够赋予波长选择效果。
另外，在使用纳米带状的石墨烯的情况下，也可以做成石墨烯纳米带单体或者排列有多个石墨烯纳米带的构造。石墨烯层1既可以无掺杂，也可以掺杂为p型或者n型。通过将石墨烯层1掺杂为n型或者p型，能够如后所述控制石墨烯中的狄拉克点(DPg)的位置。
这样，在本发明的实施方式1的电磁波检测器100中，通过在石墨烯层1与电极2之间具有缓冲层5，能够根据有没有电磁波照射而分别形成使石墨烯层1的电荷迁移率变化的阈值电场。因此，通过对石墨烯层1照射光，石墨烯层1的狄拉克点(DPg)发生位移。其结果，发生大的电流变化，石墨烯层1的电阻值变化。通过配置于石墨烯层1的外部的电极2来检测该电阻值的变化，从而能够将入射的任意波长的电磁波的强度作为电信号来高灵敏度地进行检测。
另外，也可以与本电磁波检测器100一起，将使用石墨烯的输出放大电路设置于电磁波检测器100的邻接部或下层部。由此，与由硅系的半导体材料形成的输出放大电路相比动作变快，能够实现高性能的电磁波检测器。
另外，通过将石墨烯用于读出电路等外围电路，能够实现高速读出、制造工艺的简化。
图3a～图3f是本发明的实施方式1的其他电磁波检测器的剖视图。在图3a～图3f中，与图1、2相同的符号表示相同或者相当的部位。
在图3a所示的电磁波检测器100a中，在绝缘层3之上形成石墨烯层1，并在其上依次形成缓冲层5、电极2。在缓冲层5、电极2的形成中优选使用对石墨烯层1不造成损伤的蒸镀等方法。
在图3b所示的电磁波检测器100b中，关于一个电极(在图3b中，左侧的电极)，在电极2之上隔着缓冲层5设置石墨烯层1，关于另一个电极(在图3b中，右侧的电极)，在石墨烯层1之上隔着缓冲层5设置电极2。
在图3c所示的电磁波检测器100c中，形成2层石墨烯层1、12，石墨烯层12在其上隔着缓冲层5形成电极2，另一方面，石墨烯层1隔着缓冲层5形成于电极2之上。
在图3d所示的电磁波检测器100d中，以覆盖石墨烯层1、缓冲层5、电极2的方式形成有保护膜13。在缓冲层5包括自然氧化膜等薄膜的情况下，通过设置保护膜13，能够防止由于周边环境的影响而缓冲层5的性质变化。特别是在高温、低温环境下使用电磁波检测器的情况下，保持石墨烯层1与缓冲层5的接触变得重要。即，通过设置保护膜13，稳定的动作得到保障。保护膜13例如包括氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiN)等绝缘膜。
在图3e所示的电磁波检测器100e中，在保护膜13之上设置有电极14。该电极14作为顶栅电极而进行动作。相反地，也可以是从基板4的背侧(在图3e中，下侧)施加电压而检测对电极2施加的电信号的背栅型(参照图5)。
在图3f所示的电磁波检测器100f中，电极2的上表面与绝缘层3的上表面为同一平面。缓冲层5介于石墨烯层1与电极2之间。
接下来，说明本发明的实施方式1的电磁波检测器100的动作原理。在电磁波检测器100中，在石墨烯层1与电极2之间存在氧化膜等缓冲层5。在没有缓冲层5的情况下，无论将什么样的偏置电压施加到石墨烯层1，石墨烯层1与电极2的接点的电位都是相同电位，但如在图4中所示的实际的测定结果，在存在缓冲层5的情况下，石墨烯与电极之间的电荷的移动受到妨碍，所以形成与石墨烯主体的狄拉克点DP(以下称为“DPg1”)不同的由于石墨烯－电极间的缓冲层5的影响而形成的能级。在本发明中，称为形成于石墨烯－电极间的狄拉克点DP(以下，称为“DPe”)。DPe能够定义为成为根据有没有光照射使石墨烯的电荷迁移率变化的阈值电场的点。即，能够简单地认为通过缓冲层5妨碍石墨烯层1与电极2间的电荷的移动而形成有DPe。
在这里，缓冲层5的膜厚只要是在将电磁波照射到石墨烯层1的情况下能够经由缓冲层5在石墨烯层1与电极2之间发生电荷的移动的厚度即可。如果缓冲层5过厚，则在石墨烯层1与电极2之间不能发生电荷的移动，所以缓冲层5的膜厚通常优选为几个原子层～10nm左右非常薄的厚度。但是根据缓冲层5的材料，有时即使比该膜厚厚，也能够发生电荷的移动。
此外，在照射电磁波时，只要所照射的电磁波能够到达石墨烯层1、电极2以及其间的缓冲层5，则也可以将保护膜等形成于它们之上。
一般来说，在光入射到电磁波检测器100的情况下，在电极2的表面发生电荷的移动以消除入射光的电场。通过该能量，电荷隧穿缓冲层5地进行移动，所以在石墨烯层1与电极2之间，电荷的移动也增加，石墨烯－电极间的狄拉克点DPe消失。或者，作为电极以外的效果，石墨烯吸收光而增加的电荷被缓冲层5阻拦并蓄积，以某个偏置电压为界限，隧穿缓冲层5。其结果，电磁波检测器100的石墨烯层1的内部的电荷部分布发生变化，DPe消失，所以作为结果，DPg1移动而变成DPg2。根据以上的原理，在照射光的情况下，由于缓冲层5的影响而光电流增加。
图4是在对实施方式1的电磁波检测器100照射光的情况下和不照射光的情况下的石墨烯层1的电气特性的测定结果。在图4中，横轴是背栅电压，纵轴是在2个电极2之间流过的电流。石墨烯层1包括单层的石墨烯，2个电极2的间隔是5μm、电极2的长度(图1的上下方向)是15μm。电极2包括金属的多层构造，最表面是金，厚度是30nm。在与绝缘层3之间，为了提高密合性，形成有厚度5nm的Ti膜。基板4包括掺杂为N型的硅。基板4作为从背面施加电压的背栅型而进行动作。绝缘层3包括硅的热氧化膜(SiO2)，厚度是290nm。缓冲层5做成通过UV臭氧处理使电极2的表面的金氧化而形成的金的氧化膜。厚度是几nm以下。或者，也可以是OH基等中介物。
以上的尺寸是图4的测定中使用的样品的尺寸，电磁波检测器100不限定于这些尺寸，能够根据电磁波检测器100的灵敏度等适当设计。在这里，将2个电极2中的一个设为源极，将另一个设为漏极，从基板4的背面施加电压，从而作为背栅而进行动作(参照图5)。
在图4中，明确地出现无光照射的情况下的DPg1、DPe以及由于光照射而移动的DPg2。如图4所示，DPg1与DPg2的Vbg之差为20V左右，非常大。由于光照射所致的狄拉克点的变动，电流例如在背栅电压Vbg为25V左右的情况下变成100μA。如果计算通过上述实验得到的灵敏度，则实现几100A/W这样的非常大的灵敏度。没有DPe的石墨烯的情况下的电流变化量非常小，所以与它相比得到高灵敏度的光响应。
如上所述，将石墨烯层1形成于电极2上，使用具有利用金属表面的氧化膜的缓冲层5的电极2与石墨烯层1的接触点处的狄拉克点和石墨烯自身的狄拉克点的非对称性、以及电极2的金属部处的光照射时的电场移动所致的该非对称性的解除，其结果，能够使光照射时的取出电流增大。另外，在背栅型的情况下，最好掺杂硅基板。特别是在Vbg为正的电压的区域形成DPe的情况下，通过N型硅基板，DPg1与DPg2之差有增大的趋势。另外，在Vbg为负的电压的区域形成DPe的情况下，通过P型硅基板，DPg1与DPg2之差有增大的趋势。但是，这些效果与缓冲层等的效果复合地产生。
在检测器的动作状态下，有时也检测通过电磁波入射到石墨烯层1而产生的光电流。在该情况下，在处于石墨烯层1的光电流产生路径的两端的电极2之间，无论施加还是不施加外部偏压，电磁波检测器100都进行动作。但是通过施加偏压，所产生的载流子的检测效率变高。
对石墨烯层1经由电极2连接有用于取出外部偏压等光电流的变化的电路。例如，作为电信号的读出方法，当将电压Vd施加到2个电极2之间时，根据石墨烯层1内的电阻值变化这样的电信号，在电极2之间流过的电流量Id变化。通过检测该电流量的变化，能够检测入射的电磁波的大小。在2个电极2之间也可以附加流过恒定电流的电路，检测电压值的变化量。
另外，如图5所示，也可以将基板4的背面作为背栅端子并与2个端子的电极2组合，从而做成晶体管构造来取出电信号。在该情况下，通过对基板4的背面施加电压，能够使石墨烯层1产生更大的电场，能够高效地检测由于电磁波的入射而产生的载流子。
另外，也可以仅形成1个电极2，使用它来检测电磁波的入射所致的石墨烯层1的电位变化。
另外，也可以在石墨烯层1上形成氧化膜，在氧化膜上做成栅极端子并与2个端子的电极2进行组合，从而做成形成有晶体管构造的顶栅构造来取出电信号(参照图3e)。
在本发明的实施方式1中，为了简化，以形成一对电极2并检测其间的电阻的情况为例进行了说明，但也可以应用晶体管构造等其他构造。
接下来，简单地说明电磁波检测器100的制造方法。电磁波检测器100的制造方法包括以下的工序1～5。
工序1：首先，准备硅等的平坦的基板4。
工序2：在基板4之上形成绝缘层3。关于绝缘层3，例如在基板4是硅的情况下，也可以通过热氧化形成氧化硅(SiO2)。另外，也可以通过CVD、溅射形成其他绝缘膜。
工序3：形成包括Au、Ag、Cu、Al、Ni、Cr等的电极2。此时，为了提升与下部的绝缘层3的密合性，也可以形成Cr、Ti的密合膜。电极2的形成是在使用照相制版、EB绘图等来形成抗蚀剂掩模之后，在其上通过蒸镀、溅射等堆积包括Au、Ag、Cu、Al、Ni、Cr等的金属层来进行的。
工序4：使包括金属的电极2的表面氧化来形成缓冲层5。电极2的氧化是在臭氧环境中通过UV照射(UV臭氧处理)、等离子体照射或者自然氧化等来进行的。也可以使用溶液等来形成氧化膜。或者也可以在电极2之上的与石墨烯层1接触的区域对氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiN)等绝缘膜进行成膜。进一步地，也可以通过活性金属、碱金属、碱土类金属例如LiF、Li2O3、Li2CO3、Ca、Ba、Cs、Cs2CO3、TiO2、过渡性金属氧化物例如V2O5、WO3、MoO3、有机物或有机物与这些金属的混合膜等来形成。即，只要是通过缓冲层5在石墨烯主体的狄拉克点以外形成DPe的材料，可以用任意材料来形成膜。
工序5：在电极2以及绝缘层3之上形成石墨烯。石墨烯既可以通过外延生长而形成，也可以转印并粘附预先使用CVD法形成的石墨烯层。另外，也可以转印通过机械剥离等剥离而得到的石墨烯。接下来，通过照相制版等用抗蚀剂掩模包覆石墨烯，通过氧等离子体进行蚀刻并图案化。由此，去除沟道部分、与电极2相接的区域以外的不需要的部分的石墨烯，形成石墨烯层1。
通过以上的工序1～5，完成本发明的实施方式1的电磁波检测器100。
实施方式2.
图6是由110表示整体的本发明的实施方式2的电磁波检测器的俯视图，图7是图6的V－V处的剖视图。在图6、7中，与图1、2相同的符号表示相同或者相当的部位。
实施方式2的电磁波检测器110与实施方式1的电磁波检测器100的不同点在于，石墨烯层1隔着缓冲层5而与电极2重叠的部分的面积(在图6中用虚线显示)在2个电极2之间、即源极电极与漏极电极之间不同。这样的构造在实施方式1中的石墨烯的加工工序(工序5)中以使源极与漏极之上的石墨烯的面积不同的方式进行加工即可。
在源极电极和漏极电极处，如果石墨烯层1与电极2重叠的面积不同，则与此相应地，从构成电极2的金属向石墨烯层1的电荷的移动量也不同。即，在源极电极与漏极电极之间能隙不同。由此，在照射光的情况下，由于所产生的载流子，在2个电极2之间产生偏压，光电流增大。或者，形成与石墨烯主体的狄拉克点DP不同的石墨烯－电极间的狄拉克点DPe，在光照射时产生与实施方式1相同的现象，光电流的变化增大。
如上所述，在实施方式2的电磁波检测器110中，能够使光照射时的光电流增大，能够提高电磁波检测器110的灵敏度。
实施方式3.
图8是由120表示整体的本发明的实施方式3的电磁波检测器的剖视图。在图8中，与图1、2相同的符号表示相同或者相当的部位。
实施方式3的电磁波检测器120与实施方式1的电磁波检测器100的不同点在于，电极6(例如源极电极)与电极7(例如漏极电极)由不同的金属形成。关于石墨烯，根据所接触的金属的种类，费米能级移动，或者接触电阻不同。因此，在由不同的金属形成电极6与电极7的情况下，在源极与漏极之间能隙不同。因此，在照射光的情况下，由于所产生的载流子，在电极5、6之间产生偏压，光电流增大，能够提高电磁波检测器120的灵敏度。
实施方式4.
图9是由130表示整体的本发明的实施方式4的电磁波检测器的剖视图。在图9中，与图1、2相同的符号表示相同或者相当的部位。
实施方式4的电磁波检测器130与实施方式1的电磁波检测器100的不同点在于，形成于2个电极2之上的缓冲层8、9包括不同的氧化物。其结果，在2个电极2、即源极电极与漏极电极处，电极－石墨烯间的接触电阻不同，在源极与漏极之间能隙不同。因此，在照射光的情况下，由于所产生的载流子，在2个电极2之间产生偏压，光电流增大，能够提高电磁波检测器130的灵敏度。
实施方式5.
图10是由140表示整体的本发明的实施方式5的电磁波检测器的剖视图。在图10中，与图1、2相同的符号表示相同或者相当的部位。
实施方式5的电磁波检测器140与实施方式1的电磁波检测器100的不同点在于，电极2的表面形成有周期性的凹部10。图11、12是电极2的俯视图。凹部10包括例如图11所示的以规定的间隔2维地配置的圆柱状的凹部。配置也可以是正方形格子、三角型格子等任意的周期排列。代替圆柱，也可以是棱柱、三棱柱、四棱柱、椭圆柱等其他形状的凹部。另外，凹部11例如也可以是图12所示的并排配置的1维的槽。这些凹部10、11既可以贯通也可以不贯通电极2，分别发生等离激元共振。适当地进行用于探测作为目标的波长的图案设计即可。
通过将这样的周期性的凹部10、11设置于电极2的表面，在特定的波长下发生高强度地局部存在于金属表面的等离激元共振。电极2的材料只要是发生表面等离激元共振的金属，则可以是任意的金属，例如使用Au、Ag、Al等。
在这里，说明了将周期性的凹部10、11形成于电极2的表面的情况，但也可以形成周期性的凸部。发生具有等同效果的等离激元共振。
在这里，等离激元共振的共振波长取决于周期构造地确定。通过将这样的周期构造形成于电极2之上，能够在电极表面仅吸收具有特定的共振波长的电磁波。即，在电磁波检测器100中，能够仅高强度地检测具有特定的共振波长的电磁波，能够使特定波长的检测灵敏度变高。
实施方式6.
图13、14是仅示出本实施方式6的电磁波检测器中使用的石墨烯层1的俯视图。与实施方式1的电磁波检测器100的不同点在于，石墨烯层1形成有一维或者二维的周期性的凹部20、21。凹部20、21也可以是贯通石墨烯层1的孔。在石墨烯层1是单层的情况下，凹部20、21是贯通石墨烯层1的孔。在石墨烯层1是多层的情况下，如果是仅贯通其中任意层的孔，则凹部20、21不贯通石墨烯层1。另外，如果是贯通全部多层的孔，则凹部20、21贯通石墨烯层1。
这样，在将周期性的构造形成于石墨烯层1的情况下，也与将周期性的构造形成于上述电极2的情况同样地，能够吸收与周期构造相应的特定波长的电磁波。石墨烯由于是半金属，所以在原理上基于与金属相同的等离激元共振。
2维的周期配置也可以是正方型格子、三角型格子等任意的周期排列。另外，凹部20的形状也可以是圆柱、棱柱、三棱柱、四棱柱、椭圆柱等任意形状的凹部。但是，在三棱柱等从上表面观察的形状具有非对称性的情况下，在石墨烯层1吸收的光中产生偏振依赖性，所以能够形成仅检测特定的偏振光的电磁波检测器。
1维的周期配置例如也可以是图14所示的并排配置的1维的槽。
通过将这样的周期构造形成于石墨烯层1之上，能够在石墨烯层1的表面仅吸收具有特定的共振波长的电磁波。即，在电磁波检测器100中，能够仅高强度地检测具有特定的共振波长的电磁波，能够使特定波长的检测灵敏度变高。
在这里，说明了将周期性的凹部20、21形成于石墨烯层1的表面的情况，但也可以是形成周期性的凸部的图案。
实施方式7.
本实施方式7的电磁波检测器(未图示)与实施方式1的电磁波检测器100相比，在代替石墨烯层1而使用过渡性金属硫族化合物或者黑磷(Black Phosphorus)等2维材料这一点上不同。其他构造与电磁波检测器100相同。过渡性金属硫族化合物、黑磷等2维材料具有与石墨烯相同的原子层状构造，所以称为2维材料，例如包括MoS2、WS2、WSe2等过渡性金属硫族化合物、黑磷。另外，也可以是将这些材料中的同种材料或者不同的材料彼此层叠而成的构造。或者也可以接合钙钛矿与石墨烯或者2维材料这样的异种材料。
这些过渡性金属硫族化合物材料、黑磷等2维材料具有规定的带隙。因此，截止电流大致为零，所以电磁波检测器的噪声变小，能够实现电磁波检测器的高性能化。
另外，能够根据层叠过渡性金属硫族化合物、黑磷等2维材料的层数来调整带隙，所以能够根据层数来选择所检测的电磁波的波长。由此，能够得到仅探测特定的波长的电磁波的波长选择型电磁波检测器。由于不需要如以往的半导体检测器那样根据半导体材料的组成来控制带隙，所以容易制作。另外，由于也不需要使用作为典型的波长选择方法的光学滤波器，所以能够使光学构件的件数降低，进一步地，还能够降低由于通过滤波器导致的入射光的损失。
另外，在使用过渡性金属硫族化合物、黑磷等2维材料的情况下，通过做成包括多层的层叠构造，能够得到偏振依赖性。因此，能够实现仅选择性地检测特定的偏振光的电磁波检测器。
进一步地，通过将这些过渡性金属硫族化合物、黑磷等2维材料中的不同的2种以上的材料进行组合，或者将过渡性金属硫族化合物、黑磷等2维材料与石墨烯进行组合来做成异质结，从而在异种材料之间能够实现与以往的半导体材料中的量子阱构造、隧道电流相同的效果。由此，能够使噪声降低，并且能够使复合降低，所以能够实现电磁波检测器的高灵敏度化。
实施方式8.
图15是由1000表示整体的本发明的实施方式8的电磁波检测器阵列的俯视图。在图15中，2×2地配置实施方式1的电磁波检测器100，但配置的个数不限定于此。
在电磁波检测器阵列1000中，不仅可以阵列状地配置电磁波检测器100，也可以阵列状地配置其他实施方式2～7的电磁波检测器。
这样，通过使用石墨烯的电磁波检测器阵列，能够检测紫外光至微波的非常宽的波长范围的电磁波。因此，例如在将电磁波检测器阵列应用于车载传感器的情况下，白天能够用作可见光图像用相机，另一方面，晚上还能够用作红外线相机，不需要根据检测波长而区分使用相机。
此外，优选在电磁波检测器阵列1000之外设置读出从各个电磁波检测器100得到的电信号的电路、行列选择电路等。
实施方式9.
图16是由2000表示整体的本发明的实施方式9的电磁波检测器阵列的俯视图。在图16中，2×2地配置种类相互不同的电磁波检测器100、200、300、400，但配置的个数不限定于此。
在本实施方式9的电磁波检测器阵列2000中，通过1维或者2维的阵列状地配置实施方式1～8中叙述的种类不同的电磁波检测器，能够赋予作为图像传感器的功能。
例如，在图16所示的电磁波检测器阵列2000中，由检测波长各自不同的电磁波检测器形成电磁波检测器100、200、300、400。具体来说，阵列状地排列在实施方式5～7中记载的具有检测波长选择性的电磁波检测器。由此，电磁波检测器阵列2000至少能够检测2个以上不同的波长的电磁波。
通过这样阵列状地配置具有不同的检测波长的电磁波检测器，与在可见光域中使用的图像传感器同样地，在紫外光、红外光、太赫兹波、电波的波长区域中也能够得到彩色化的图像。
另外，作为图像传感器以外的用途，即使以少的像素数也能够用作物体的位置探测用传感器。通过电磁波检测器阵列2000的构造，能够制造检测多个波长的电磁波的光强度的图像传感器。由此，能够在不使用以往在CMOS传感器等中所需的彩色滤波器的情况下检测多个波长的电磁波而得到彩色图像。
进一步地，通过使所探测的偏振光不同的电磁波检测器阵列化，还能够形成偏振光识别图像传感器，例如能够进行人造物与自然物的识别。

Claims (15)

1.一种电磁波检测器，其特征在于，包括：
基板；
绝缘层，设置于该基板之上；
石墨烯层，设置于该绝缘层之上；
一对电极，夹着该石墨烯层设置于该绝缘层之上；以及
缓冲层，分别夹在该石墨烯层与该一对电极之间并将它们隔离，以妨碍该石墨烯层与该一对电极之间的电荷的移动。
2.根据权利要求1所述的电磁波检测器，其特征在于，
所述一对电极由相同材料构成。
3.根据权利要求1所述的电磁波检测器，其特征在于，
所述一对电极中的一个电极的材料与所述一对电极中的另一个电极的材料不同。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
在所述石墨烯层与所述电极之间形成有与该石墨烯层中的狄拉克点不同的狄拉克点(DPe)。
5.根据权利要求1～3中的任一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
所述电极包括金属，所述缓冲层包括该金属的氧化物。
6.根据权利要求1～3中的任一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
以覆盖所述石墨烯层以及所述缓冲层的方式设置有保护膜。
7.根据权利要求1～3中的任一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
在所述一对电极中，电极与所述石墨烯层夹着所述缓冲层而相向的部分的面积在该电极之间不同。
8.根据权利要求1～3中的任一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
设置于所述一对电极中的一个电极与所述石墨烯层之间的缓冲层的材料与设置于所述一对电极中的另一个电极与所述石墨烯层之间的缓冲层的材料不同。
9.根据权利要求1～3中的任一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
在所述电极的表面形成有发生表面等离激元共振的周期性的凹部或者凸部。
10.根据权利要求1～3中的任一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
在所述石墨烯的表面形成有发生表面等离激元共振的周期性的凹部或者凸部。
11.根据权利要求9所述的电磁波检测器，其特征在于，
所述周期性的凹部包括1维或者2维地配置的周期性的孔或者并排配置的1维的槽。
12.根据权利要求10所述的电磁波检测器，其特征在于，
所述周期性的凹部包括1维或者2维地配置的周期性的孔或者并排配置的1维的槽。
13.根据权利要求1～3中的任一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
所述石墨烯层具有2层以上的石墨烯的层叠构造、2维材料、2维材料的层叠构造或者石墨烯与2维材料的层叠构造。
14.一种电磁波检测器阵列，其特征在于，
阵列状地配置有权利要求1～13中的任一项所述的电磁波检测器。
15.一种电磁波检测器阵列，其特征在于，
阵列状地配置有作为权利要求9～13中的任一项所述的电磁波检测器的相互不同的电磁波检测器。
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