CN109417106B - 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

对入射到石墨烯层的电磁波进行光电变换而检测的电磁波检测器包括：基板，具有表面和背面；下部绝缘层，设置于基板的表面上；设置于下部绝缘层上的铁电体层、及隔着铁电体层相向配置的一对电极；上部绝缘层，设置于铁电体层上；以及石墨烯层，在下部绝缘层及上部绝缘层上以连接2个电极的方式设置，或者，包括：石墨烯层，设置于下部绝缘层上；以及在石墨烯层上经由上部绝缘层设置的铁电体层、及隔着该铁电体层相向配置的一对电极，与下部绝缘层相反的一侧的石墨烯层的表面是电磁波入射面，由于电磁波，铁电体层的极化值变化，对石墨烯层施加电压。

Description

电磁波检测器以及电磁波检测器阵列
技术领域
本发明涉及电磁波检测器，特别涉及在光检测层中使用石墨烯的电磁波检测器。
背景技术
在以往的电磁波检测器中，作为电磁波检测层一般使用半导体材料，但半导体材料由于具有预定的带隙，所以存在仅能够检测具有比带隙大的能量的电磁波这样的问题。
因此，作为在下一代的电磁波检测器中使用的电磁波检测层的材料，带隙为零或者极其小的石墨烯得到瞩目，例如，提出了在基板上设置栅极氧化膜、在其上堆积石墨烯的沟道层并在沟道层的两端形成源极以及漏极的电磁波检测器(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2013-502735号公报
发明内容
然而，在由石墨烯单体形成电磁波检测器的电磁波检测层的情况下，在石墨烯中电磁波的吸收率非常低到几％，所以存在即使可检测的电磁波的波长域宽，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一种能够高灵敏度地检测宽的波长域的电磁波的电磁波检测器。
本发明是一种电磁波检测器，其特征在于，包括：
基板，具有表面和背面；
下部绝缘层，设置于基板的表面上；
设置于下部绝缘层上的铁电体层、及隔着铁电体层相向配置的一对电极；
上部绝缘层，设置于铁电体层上；以及
石墨烯层，在下部绝缘层及上部绝缘层上，以连接2个电极的方式设置，
与下部绝缘层相反的一侧的石墨烯层的表面是电磁波入射面，
对入射到石墨烯层的电磁波进行光电变换而检测，其中，
由于电磁波，铁电体层的极化值变化，通过该变化，对石墨烯层施加电压。
另外，本发明是一种电磁波检测器，其特征在于，包括：
基板，具有表面和背面；
下部绝缘层，设置于基板的表面上；
石墨烯层，设置于下部绝缘层上；以及
在石墨烯层上经由上部绝缘层设置的铁电体层、及隔着铁电体层相向配置的一对电极，
与下部绝缘层相反的一侧的石墨烯层的表面是电磁波入射面，
对入射到石墨烯层的电磁波进行光电变换而检测，其中，
由于电磁波，铁电体层的极化值变化，通过该变化，对石墨烯层施加电压。
在本发明中，通过入射电磁波的热电效果(pyroelectric effect)，铁电体层的表面的极化值变化，通过该变化施加电压(以下将其称为“极化电压”)。其结果，除了通过电磁波的入射在石墨烯层中发生的光电流以外，通过对石墨烯层施加极化电压，也在石墨烯层中流过电流，能够高灵敏度地检测电磁波。
另外，在本发明中，通过设置铁电体层，在石墨烯层中形成伪PNP结，通过该电位梯度(电子密度梯度)，光电流的取出效率进一步提高。
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2A是图1的电磁波检测器的剖面图。
图2B是本发明的实施方式1的另一电磁波检测器的剖面图。
图3是说明本发明的电磁波检测器的检测灵敏度的增强的图。
图4是本发明的实施方式2的电磁波检测器的俯视图。
图5A是图4的电磁波检测器的剖面图。
图5B是本发明的实施方式2的另一电磁波检测器的剖面图。
图6是本发明的实施方式3的电磁波检测器的剖面图。
图7是本发明的实施方式4的电磁波检测器的剖面图。
图8是本发明的实施方式4的另一电磁波检测器的剖面图。
图9是本发明的实施方式5的电磁波检测器的俯视图。
图10是本发明的实施方式5的另一电磁波检测器的俯视图。
图11是本发明的实施方式6的电磁波检测器的剖面图。
图12是说明本发明的实施方式6的电磁波检测器的动作原理的图。
图13是说明本发明的实施方式6的电磁波检测器的动作原理的图。
图14是本发明的实施方式7的电磁波检测器的剖面图。
图15是本发明的实施方式9的电磁波检测器阵列的俯视图。
图16是本发明的实施方式10的电磁波检测器阵列的俯视图。
(附图标记说明)
1：石墨烯层；2：电极；3：背面电极；4：绝缘层；5：铁电体层；6：基板；7：绝缘层；8：电极；9：电极；14：绝缘层；100：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，使用可见光或者红外光，说明电磁波检测器，但本发明除了这些以外，作为例如X射线、紫外光、近红外光、太赫兹(THz)波、微波等电波区域的检测器也有效。此外，在本发明的实施方式中，将这些光、电波总称而还记载为电磁波。
在本发明的实施方式中，作为电磁波检测器，使用具有源极和漏极这2个电极的构造、还具有成为背栅(back gate)的背面电极的构造进行说明，但本发明还能够应用于具备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，关于作为金属表面和光的相互作用的表面等离子共振现象或等离子共振现象、可见光域/近红外光域以外处的施加到金属表面的共振这样的意义下的被称为伪表面等离子共振的现象、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意义下的被称为超材料或等离子体超材料(plasmonic metamaterial)的现象，未特别用名称区分这些，从现象所起到的效果的方面，设为等同的处置。在此，将这些共振称为表面等离子共振、等离子共振、或者简称为共振。
实施方式1.
图1是用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2A是在IIA-IIA方向上观察图1的电磁波检测器100的情况的剖面图。
电磁波检测器100包括具有大致平行的表面和背面的基板6。基板6保持电磁波检测器100整体，包括例如Si等半导体材料，具体而言，使用高电阻硅基板、形成热氧化膜而提高绝缘性的基板等。另外，也可以使用如后所述为了形成背面电极3而掺杂杂质的硅基板。在具有热氧化膜的基板的情况下，也可以热氧化膜兼作绝缘层4。
在基板6的表面上，设置有绝缘层(下部绝缘层)4。绝缘层4例如包括氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氧化铝、氧化镍、氮化硼(BN)等。特别，氮化硼的原子排列与石墨烯类似。因此，即使与石墨烯接触，也不会妨碍电荷的移动，不会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。
在绝缘层4上，设置有一对电极2。电极2由例如Au、Ag、Cu、Al、Ni、Cr、Pd等金属形成。也可以在电极2与其下的绝缘层4之间，形成包括Cr、Ti的密接膜(未图示)。电极2只要是能够输出电信号的大小、厚度，则形状没有特别限制。
以介于2个电极2之间的方式，在绝缘层4上设置铁电体层5。铁电体层5的膜厚优选为在对石墨烯层1照射了电磁波的情况下，对石墨烯层1施加尽可能大的电场的厚度。在此“介于2个电极2之间”是指，例如如图2的俯视图所示，在从基板6的表面的法线方向观察的情况下，在2个电极2之间存在铁电体层5，还包括如图4的情况。
另外，铁电体层5的材料是具有利用电磁波的极化效果(热电效果)的材料即可。作为铁电体层5的材料的代表性的例子，可以举出BaTiO3(钛酸钡)、LiNbO3(铌酸锂)、LiTaO3(钽酸锂)、SrTiO3(钛酸锶)、PZT(lead titanate zirconate，锆钛酸铅)、SBT(strontiumtantalate bismuthate，钽酸锶铋)、BFO(铁酸铋)、ZnO(氧化锌)、HfO2(二氧化铪)、作为有机聚合物的聚偏二氟乙烯系铁电体(PVDF、P(VDF-TrFE)、P(VDF-TrFE-CTFE)等)，但铁电体材料不限定于这些。
进而也可以是层叠、混合不同的铁电体材料。即使是上述以外的铁电体材料，只要通过电磁波在铁电体中产生极化的变化，就得到本发明的效果。另外，除了铁电体材料以外，即使使用通过光照射产生光诱导相转变(photoinduced phase transition)而物性变化的莫托绝缘体等，也能够得到本发明的效果。
图2B是用210表示整体的本发明的实施方式1的另一电磁波检测器的剖面图。在图2B中，与图2A相同的符号表示同一或者相当的部位。如图2B所示，铁电体层5不仅可以如电磁波检测器100配置于石墨烯层1的下方(基板的表面方向)，而且也可以配置于电极2和石墨烯层1接触的界面的下方。另外，铁电体层5不仅可以如图2B配置于单方的电极2和石墨烯层1的界面的下方，而且也可以配置于双方的电极2和石墨烯层1的界面的下方(基板的表面方向)。另外，铁电体层5既可以配置于石墨烯层1的下方整体，也可以部分性地配置于石墨烯层1和电极2的界面的下方。
在铁电体层5上，设置绝缘层(上部绝缘层)14，使铁电体层5与石墨烯层1不直接接触。在铁电体层5与石墨烯层1直接接触的情况下，在铁电体层5的自发极化与石墨烯层1之间交换电荷，所以光响应变小。另外，在铁电体层5和石墨烯层1接触的情况下，产生强的滞后，作为电磁波检测器不优选。绝缘层14的厚度优选为不产生这些效果、并且通过铁电体层5的热电效果产生的电场被尽可能大地施加到石墨烯层1的厚度。
在绝缘层4、14、以及电极2上，以与2个电极2连接的方式，设置石墨烯层1。石墨烯层1包括单层或者2层以上的石墨烯。在增加石墨烯的层叠数时，光吸收率增加，电磁波检测器100的灵敏度变高。石墨烯是二维碳晶体的单原子层，单层石墨烯的厚度非常薄，为与1个碳原子量相当的0.34nm。石墨烯在6边形形状地配置的各锁链具有碳原子。
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，在层叠构造中包含的任意的2层的石墨烯也可以六方晶格的晶格矢量的朝向不一致、即也可以在朝向上有偏移。另外，也可以是晶格矢量完全一致的层叠构造。特别，通过层叠2层以上的石墨烯，能够形成带隙，能够带来吸收波长选择效果。
另外，在使用纳米带(nanoribbon)状的石墨烯的情况下，石墨烯层1也可以成为石墨烯纳米带单体、或者、层叠多个石墨烯纳米带的构造、或者、石墨烯纳米带在平面上周期性地排列的构造。在周期性地配置有石墨烯纳米带的情况下，具有在石墨烯中发生等离子共振，使光检测器灵敏度提高的效果。另外，周期性地排列石墨烯纳米带的构造虽然还有时被称为石墨烯超材料，但作为现象是相同的。石墨烯层1虽然也可以是无掺杂，但也可以掺杂为P型或者N型。
此外，也可以与电磁波检测器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的旁边、下部。在使用石墨烯的输出放大电路中，相比于使用硅系的半导体材料的输出放大电路，动作更快，能够实现高性能的电磁波检测器。另外，通过在读出电路等周边电路中使用石墨烯，能够实现高速读出、制造工艺的简化。
对石墨烯层1，经由电极2连接用于取出外部偏置等光电流的变化的电气电路。例如，作为电信号的读出方法，在2个电极2之间施加电压Vd时，由于通过对石墨烯层1入射电磁波而产生的石墨烯层1的电阻值的变化，在电极2之间流过的电流量Id变化。通过检测该电流量Id的变化，能够检测入射到石墨烯层1的电磁波的大小。另外，也可以在2个电极2之间，附加流过恒定电流的电路，检测电压值的变化量。此外，也可以将电极2仅形成1个，使用它检测电磁波的入射所致的石墨烯层1的电位变化。
此外，在电磁波检测器100中，检测通过向石墨烯层1入射电磁波而发生的光电流的情况下，即使对电磁波检测器100的2个电极2之间施加外部偏置，电磁波检测器100仍动作。但是，通过施加外部偏置，发生的载流子的检测效率变高。
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，在对铁电体层5入射电磁波时，由于热电效果，铁电体层5的表面的极化值变化。通过该变化，经由绝缘层14，对石墨烯层1施加极化电压。在该情况下，极化电压成为栅极电压，成为等价地施加栅极电压的状态。如上所述，石墨烯层1是厚度为1层的原子层这样的终极性的薄膜，并且电子的迁移率大。因此，相比于通常的半导体，针对稍微的电场变化也产生大的电流变化。其结果，能够针对电磁波的入射取出大的差分电流，能够高灵敏度地检测电磁波。将这样的效果称为光闸(optical gate)效果、或者光开关。
图3是用于具体地说明光闸效果的图。在此，为了易于理解地说明，参照具备背面电极3的构造(实施方式6的构造、图11)进行说明。在图3中，纵轴表示源极/漏极之间的电流，横轴表示施加到背面电极3的背栅电压Vbg。在图3中，虚线是无光的照射的情况(无光照射：dark)，实线是照射了光的情况(有光照射：illuminated)。
在使背栅电压Vbg变化的情况下，在无光照射的情况下，成为通常的石墨烯中的两极性的晶体管动作。此时，将提供狄拉克点的背栅电压Vbg设为VDP。另一方面，在照射了光的情况下，铁电体层5通过热电效果，发生电介质极化的变化。该电介质极化的变化形成的极化电压被施加到铁电体层5的上部的石墨烯层1。在该情况下，对石墨烯层1，施加本来从背面电极3施加的背栅电压Vbg、和铁电体层5的电介质极化的变化所引起的极化电压这双方。将该变化量的电压在图3中表示为Vph。因此，在有光照射的情况下，成为图3中的用虚线表示的电流-电压特性，狄拉克点电压(VDP)偏移到VDP+Vph。因此，由于该偏移，在无光照射的情况和有光照射的情况下，产生电流的差、即差分电流(ΔIph)。通过该ΔIph，能够检测入射电磁波。
另外，如图2B所示，在铁电体层5不仅配置于石墨烯层1的下方而且还配置于电极2和石墨烯层1接触的界面的下方的情况下，对电极2和石墨烯层1的界面施加极化电压。一般，石墨烯层1通过在电极2中使用的金属中的自由电子接受掺杂。因此，在石墨烯层1和电极2的界面中在能位(energy potential)中产生梯度，所以取出光电变换后的电子的效率变高。通过以覆盖该界面区域的方式配置铁电体层5，铁电体层5的极化电压被施加到界面。由此，取出光电变换后的电子的效率进一步提高，其结果，灵敏度提高。
如上所述，石墨烯层1是厚度为1层的原子层这样的终极性的薄膜、并且电子的迁移率大。因此，相比于通常的半导体，针对稍微的电场变化(通过Vph施加到石墨烯的电场)产生大的电流变化。例如，针对通过外部电压的变化(Vph)施加的向石墨烯的电场的电流变化量(Iph)相比于通常的半导体，在根据迁移率和膜厚计算时，变大最低几100～几1000倍程度。
如以上所述，通过将利用光照射产生的电介质极化的变化作为极化电压，能够与石墨烯的低效率的光电变换(2.3％)相比，大幅提高变换效率。关于这样的光闸效果，并非直接地增强光电变换材料的量子效率，而是增大光入射所致的电流变化，所以等价地根据光入射所致的差分电流计算出的量子效率能够超过100％。因此，能够得到与以往的高灵敏度化方法相比非常大的效果(几100～几1000倍左右)。另外，除了本效果以外，还产生石墨烯本来的2.3％的吸收效率所引起的光电流。
另外，如图1所示，在2个电极(源电极和漏电极)2之间设置有铁电体层5的情况下，在下部无铁电体层5的石墨烯层1的区域、和在下部存在铁电体层5的石墨烯层1的区域中，施加的极化电压不同，所以在各个区域中在费米能级中产生差。即，产生电位梯度，形成伪PNP结(或者NPN结)。说明该现象。此外，N、P意味着作为半导体导电类型的N型、P型。
在石墨烯的情况下，由于是两极性，所以与半导体中的N、P型不同，但由于能够通过极化电压调整费米能量，所以能够选择多数载流子是电子或者空穴中的哪一个，能够等价地成为N型、P型。即，在施加到石墨烯本体的电压不同的区域之间，载流子密度不同，所以在这些区域之间形成电位梯度。在此，以PNP型为例子，说明该电位梯度。通过该PNP结(或者NPN结)具有的电位梯度，光电流的取出效率进一步提高。这样，通过以介于2个电极(源电极和漏电极)2之间的方式设置铁电体层5，能够形成电位梯度，光电流的取出效率提高。
此外，即使铁电体层5并非2个电极2之间的一部分而形成于整个面，也能够得到光闸效果。
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：准备具有相互大致平行且平坦的表面和背面的基板6。基板6包括例如硅。
工序2：在基板6上，形成绝缘层4。绝缘层4在例如基板6是硅的情况下，也可以是通过热氧化形成的氧化硅(SiO2)。另外，也可以使用CVD法、溅射法来形成其他绝缘层4。
工序3：在绝缘层4上形成铁电体层5。在铁电体层5包括聚合物系材料的情况下，在通过旋涂法等形成聚合物膜之后，使用光刻法加工为作为栅极动作的形状。在其他材料的情况下，在用溅射、蒸镀、MOD涂敷法等成膜之后，使用光刻法来构图。在形成铁电体层5之后，以覆盖铁电体层5的方式形成绝缘层14。
工序4：在绝缘层4上，以隔着铁电体层5的方式形成电极2。电极2包括例如Au、Ag、Cu、Al、Ni、Cr等。在形成电极2的情况下，也可以为了提高与下部的绝缘层4的密接性，在电极2下方形成Cr、Ti的密接膜(未图示)。电极2是在使用照相制版、EB描绘等，在绝缘层4上形成预定的部分开口的抗蚀剂掩模之后，用蒸镀、溅射等堆积Au等的金属层来形成。
工序5：在电极2以及绝缘层4、14上形成石墨烯。石墨烯通过外延生长形成。或者，也可以转印预先使用CVD法形成的石墨烯来粘贴，还可以转印用机械剥离等剥离的石墨烯来粘贴。接下来，通过照相制版等用抗蚀剂掩模覆盖石墨烯，用氧等离子体进行蚀刻而构图。由此，选择性地去除电极2上、电极2之间的沟道部分以外的不需要的石墨烯，形成石墨烯层1。
例如，作为具体的电磁波检测器100的构造，在图2的剖面中观察的情况下，2个电极2的间隔是50μm，电极2的长度是50μm。电极2包括金属的多层构造，最表面是金，厚度是30nm。在电极2与绝缘层4之间，为了提高密接性而形成有厚度10nm的Cr膜(未图示)。绝缘层4包括硅的热氧化膜(SiO2)，厚度是290nm。基板6包括掺杂为P型的硅。
在以上的工序1～5中，本发明的实施方式1的电磁波检测器100完成。在此，在电极2上形成有石墨烯层1，但也可以使用如后所述，预先形成石墨烯层1，并在其上形成有电极2的构造。此外，在使用这样的构造的情况下，为了防止在形成电极2时石墨烯层1受到工艺损害，优选在石墨烯层1上形成保护膜。通过这样的保护膜，还能够从来自外部的污染、噪声等保护石墨烯层1，得到性能更高的电磁波检测器。
实施方式2.
图4是用200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5A是在VA-VA方向上观察图4的电磁波检测器200的情况的剖面图。在图4、5A中，与图1、2相同的符合表示同一或者相当的部位。
实施方式2的电磁波检测器200与实施方式1的电磁波检测器100的不同点在于，铁电体层5并非在绝缘层(下部绝缘层)4上，而是经由绝缘层(上部绝缘层)7形成于石墨烯层1上。利用铁电体层5的光闸效果的机理、光电流增强效果等与实施方式1的电磁波检测器100相同。
在实施方式2的电磁波检测器200中，铁电体层5形成于石墨烯层1上，所以入射到铁电体层5的电磁波的强度变大，光闸效果变大。由此，得到电磁波的检测灵敏度高的电磁波检测器200。
图5B是用210表示整体的本发明的实施方式2的另一电磁波检测器的剖面图。在图5B中，与图5A相同的符号表示同一或者相当的部位。如图5B所示，铁电体层5也可以在电极2和石墨烯层1接触的界面的上方(与基板相反的一侧)，配置于覆盖界面的位置。通过与在实施方式1中叙述的例子同样的原理，通过在石墨烯层1和电极2的界面的上方配置铁电体层5，入射到铁电体层5的电磁波的强度变大，光闸效果进一步变大，得到电磁波的检测灵敏度高的电磁波检测器210。
铁电体层5不仅如图5B配置于单方的电极2和石墨烯层1的界面的上方，而且也可以配置于双方的电极2和石墨烯层1的界面的上方。另外，铁电体层5既可以设置于石墨烯层1的上方整体，也可以部分性地配置于石墨烯层1和电极2的界面的上方。
制造方法也与上述的电磁波检测器100的制造方法大致相同，在形成电极2之后，不形成铁电体层5，而形成石墨烯层1。接下来，在石墨烯层1上作为保护膜用蒸镀等形成绝缘层7。关于绝缘层7的厚度，为了对石墨烯层1良好地施加铁电体层5的极化电压，优选尽可能薄。接下来，在绝缘层7上形成铁电体层5。由此，电磁波检测器200完成。
实施方式3.
图6是用300表示整体的本发明的实施方式3的电磁波检测器的剖面图。图6是在与图1的IIA-IIA方向相同的方向上观察的情况的剖面图，在图6中，与图2相同的符号表示同一或者相当的部位。
实施方式3的电磁波检测器300与实施方式1的电磁波检测器100的不同点在于，在绝缘层4上形成的铁电体层5、和以隔着铁电体层5的方式设置的2个电极(源电极以及漏电极)2中，从铁电体层5至各个电极2的距离相互不同。其他构造相同。
如上所述，在下部无铁电体层5的石墨烯层1的区域、和在下部存在铁电体层5的石墨烯层1的区域中，施加到石墨烯层1的极化电压不同，所以形成伪PNP结，形成电位梯度。关于该电位梯度，例如，在图2中铁电体层5的两侧的构造对称，所以2个电极2之间的偏置是零。在该情况下，通过电磁波入射而在石墨烯层1中产生的光电流在铁电体层5的左和右的区域中，相互逆向地流过相同的量。因此，2个电极(源电极以及漏电极)之间的电流被相互抵消而成为零。
相对于此，在本实施方式3的电磁波检测器300中，隔着铁电体层5的2个电极2的位置成为非对称(距离不同)，在铁电体层5的两侧的石墨烯层1中的电势中产生差异。即，能够使处于铁电体层5的左右的石墨烯层1的电位梯度成为非对称。电位梯度成为非对称导致施加到石墨烯层1的偏置电压在铁电体层5的左右不同。即，在2个电极2之间流入到石墨烯层1的电流的总和不被相互抵消而成为零，在2个电极之间流过光电流，其结果，无需对2个电极2之间施加偏置电压。由于不需要偏置电压的施加，所以能够克服OFF动作困难这样的石墨烯的物性所引起的根本性的缺点。其结果，能够得到具备良好的S/N比的电磁波检测器300。
实施方式4.
图7是用400表示整体的本发明的实施方式4的电磁波检测器的剖面图。图7是在与图1的IIA-IIA方向相同的方向上观察的情况的剖面图，在图7中，与图2相同的符号表示同一或者相当的部位。
实施方式4的电磁波检测器400与实施方式1的电磁波检测器100的不同点在于，将在电磁波检测器100中设置于2个电极2的中央的铁电体层5以介于2个电极2之间的方式(在图7的左右方向上)并列地设置3个。其他构造相同。
如上所述，通过以介于2个电极2之间的方式设置铁电体层5，能够在石墨烯层1中形成电子密度梯度。在电磁波检测器400中，通过在2个电极2之间设置3个铁电体层5，串列地形成3个电子密度梯度，形成阶段状的电子密度梯度。即，具有与施加到2个电极2之间的偏置电压增加相同的效果，光电流的取出效率提高。通过适宜地调整铁电体层5的间隔、数量，能够调整电子密度梯度，所以由此能够在石墨烯层1中形成最佳的偏置电压。
图8是用410表示整体的本发明的实施方式4的另一电磁波检测器的剖面图。图8是在与图4的VA-VA方向相同的方向上观察的情况的剖面图，在图8中，与图4相同的符号表示同一或者相当的部位。
实施方式4的电磁波检测器410与实施方式2的电磁波检测器200的不同点在于，将在电磁波检测器200中设置于2个电极2的中央的铁电体层5(在图8的左右方向上)并列地设置有3个。其他构造相同。
在电磁波检测器410中，通过在2个电极2之间设置3个铁电体层5，在介于2个电极2之间的石墨烯层1中，串列地形成3个电子密度梯度，形成阶段状的电子密度梯度。由此，施加到2个电极2之间的偏置电压增加，光电流的取出效率提高。在电磁波检测器410中，也能够通过适宜地调整铁电体层5的间隔、数量，调整电子密度梯度，所以由此能够在石墨烯层1中形成最佳的偏置电压。
此外，在电磁波检测器400、410中，使铁电体层5的数量成为3个，但不限于此，只要铁电体层5是2个以上，则得到同样的效果。
实施方式5.
图9是用500表示整体的本发明的实施方式5的电磁波检测器的俯视图，图10是用510表示整体的本发明的实施方式5的另一电磁波检测器的俯视图。在图9、10中，与图4相同的符号表示同一或者相当的部位。
实施方式5的电磁波检测器500、510与图4所示的实施方式2的电磁波检测器200的不同点在于，在电磁波检测器500、510中，在绝缘层7上，在一维或者二维方向上周期性地配置有铁电体层5。铁电体层5作为光闸起作用这一点与电磁波检测器200相同，但通过进而以预定的周期配置铁电体层5，能够对入射的电磁波进行衍射。另外，同时还能够通过表面等离子共振形成表面波。
石墨烯作为在传输表面等离子共振的情况下损失少的材料是已知的。因此，在铁电体层5中衍射的电磁波、或者耦合到表面的电磁波能够在石墨烯层的表面上传输。由此，能够通过石墨烯层1仅检测衍射或者耦合的特定波长。
如图9所示，在绝缘层7上在从一方的电极朝向另一方的电极的方向(在图9中横向)上在一维方向上周期性地配置有铁电体层5的情况下，电磁波照射面成为非对称构造。例如，在图9中，对于横向和纵向，依赖于入射电磁波的偏振而衍射不同。其结果，通过铁电体层5，能够对特定的偏振进行衍射、或者耦合到石墨烯表面。仅入射电磁波的特定的偏振耦合到石墨烯层1以及铁电体层5，所以能够实现仅检测特定的偏振的波长选择性的检测。这样，通过本构造，实现检测预定的偏振的电磁波检测器510，能够应用到偏振成像。
如图10所示，在绝缘层7上矩阵状地在二维方向上周期性地配置有铁电体层5，且铁电体层5是正方形、圆型等对称性高的形状的情况下，不依赖于入射电磁波的偏振，仅特定的波长耦合到石墨烯层1以及铁电体层5，能够实现仅检测特定的波长的波长选择性的检测。如果能够仅检测特定的波长，则例如能够在红外线、太赫兹波长域中，用于气体分析、有害物质的识别等。
另外，在铁电体层5是长方形、椭圆型等非对称性高的形状的情况下，成为如上所述依赖于入射电磁波的偏振的光学响应，所以实现检测预定的偏振的电磁波检测器510，能够应用于偏振成像。
此外，通过改变铁电体层5的周期、大小，能够选择可检测的偏振。
实施方式6.
图11是用600表示整体的本发明的实施方式6的电磁波检测器的剖面图。在电磁波检测器600中，除了在基板6的背面设置有背面电极3以外，构造与电磁波检测器100相同。背面电极3包括例如在基板6的背面上形成的金属电极，使用例如与电极2相同的材料。另外，背面电极3也可以在基板6的背面侧注入杂质而形成。另外，也可以代替基板6而在绝缘层4的背面上设置背面电极。背面电极3还被称为背栅电极。
在电磁波检测器600中，通过将基板6的背面电极3作为栅电极并与2个电极(源电极以及漏电极)2组合，作为晶体管构造而取出电信号。在该情况下，通过控制施加到基板6的背面电极3的背栅电压，能够使OFF电流成为零。
说明使OFF电流成为零的原理。通过施加到背面电极3的背栅电压，控制石墨烯层1的电子状态密度。即，在背栅电压是负以及正的情况下，石墨烯层1成为P型以及N型。根据同样的原理，通过在铁电体层5的极化的变化中产生的极化电压，石墨烯层1也成为P型或者N型。因此，在与其左右的石墨烯层1之间产生电位梯度，被施加电场，所以从铁电体层5朝向两侧的电极2，相互逆向地流过电流。在铁电体层5的两侧的完全对称的情况下，左右的电流相互消除而成为零。图12示出该状态。此时，能够使无光照射的情况的电流成为零。即，能够实现OFF状态，能够使作为石墨烯光检测器的根本性的缺点的暗电流成为零，能够实现具有高的SN比的光检测器。
在图12所示的状态下，在铁电体层5上和其两侧，施加到石墨烯层1的电压不同，所以在石墨烯层1中形成伪PNP结。在图12中，将铁电体层5上的区域假设为N型，将其周围假设为P形。铁电体层5的表面极化的正负由材料、制作方法决定，所以适宜地使用适合于设计的材料、方法即可。
接下来，通过调整背面电极3的背栅电压，能够调整石墨烯的费米能级，所以如图13所示，能够使铁电体层5的左右的石墨烯层1中的电流量成为非对称。由此，左右的电流不会相互消除，能够高效率地取出光电流。
此外，石墨烯层1中的电流量也可以用背栅电压调整，也可以通过如上所述，将铁电体层5并非设定于2个电极2的中央而设定于非对称的位置来调整。另外，也可以组合背栅电压、和铁电体层5的位置的非对称性这双方来调整。在该情况下，相比于用一方调整，能够形成更大的电位梯度，光电流的取出效率变大。
这样，在实施方式6的电磁波检测器600中，通过对背面电极3施加背栅电压，能够将在光不入射的情况下在石墨烯晶体管中流过的电流调整为零。因此，能够实现在通常的石墨烯晶体管中困难的OFF状态。
此外，在其他实施方式的电磁波检测器中，也能够通过设置背面电极3，增大光电流的取出效率。
实施方式7.
图14是用700表示整体的本发明的实施方式7的电磁波检测器的剖面图。图14是在与图1的IIA-IIA方向相同的方向上观察的情况的剖面图，在图14中，与图2相同的符号表示同一或者相当的部位。
实施方式7的电磁波检测器700与图2所示的实施方式1的电磁波检测器100的不同点在于，2个电极通过由互不相同的金属构成的电极8(例如源电极)和电极9(例如漏电极)形成。
石墨烯根据接触的金属的种类而费米能级移动、或者接触电阻不同。因此，在电极8和电极9由不同的金属形成的情况下，在电极8与电极9(源电极和漏电极)之间，石墨烯层1具有的能隙不同。其结果，在被照射电磁波的情况下，通过发生的载流子，电极8与电极9之间的光电流增大，能够提高灵敏度。另外，电极8、9的平面形状也可以如图14所示是长方形，但不限定于此。
此外，还能够通过使电极的形状成为蝶形天线(bow-tie antenna)状、或者使电极之间的距离接近而引起天线效果、电极之间的等离子共振，增大仅特定的波长的检测效率。
实施方式8.
在本发明的实施方式8的电磁波检测器(未图示)中，代替实施方式1的电磁波检测器100的石墨烯层1，而使用过渡金属二硫属化合物(transition metal di-chalcogenide)、黑磷(Black Phosphorus)、硅烯(silicene)、锗烯(germanene)等二维材料。其他构造与电磁波检测器100相同。
另外，也可以使用将石墨烯层1加工成具有10hm至100nm程度的宽度的长方形状而得到的石墨烯纳米带。在该情况下，产生石墨烯自身的等离子共振，所以在波长10μm程度下吸收增加。因此，能够增强灵敏度。另外，能够选择性地仅吸收与纳米带的长度方向垂直的电场，所以能够进行偏振探测。因此，能够实现检测偏振的偏振影像传感器。
这些二维材料是与石墨烯类似的构造，是能够在二维面内以单层状态排列原子的材料的总称。其中，代表性的过渡金属二硫属化合物、黑磷等二维材料具有与石墨烯同样的原子层状构造。具体而言，包括MoS2、WS2、WSe2等过渡金属二硫属化合物、黑磷。另外，也可以使用层叠这些材料中的同种的材料、或者不同的材料彼此而得到的构造。或者，也可以使用钙钛矿和石墨烯的接合、或者不同的二维材料的接合。
这些过渡金属二硫属化合物材料、黑磷等二维材料具有预定的带隙。因此，截止电流是大致零，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，能够通过层叠过渡金属二硫属化合物、黑磷等二维材料的层的数量，调整带隙的大小。因此，能够通过层的数量选择检测的电磁波的波长。例如，MoS2、WS2等具有与可见光波长相当的带隙。另外，黑磷具有与中红外域相当的带隙。由此，能够得到仅检测特定的波长的电磁波的波长选择型的电磁波检测器。
另外，无需如以往的半导体检测器，通过半导体材料的组成控制带隙，所以制造工序容易。另外，也无需使用作为典型的波长选择法的光学滤光片，所以能够降低光学零件的个数，进而通过滤光片所致的入射光的损失也能够降低。
另外，在使用过渡金属二硫属化合物、黑磷等二维材料的情况下，通过成为包括多个层的层叠构造，能够调整带隙。进而通过控制层叠方向，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的电磁波检测器。
进而，通过组合这些过渡金属二硫属化合物、黑磷等二维材料中的不同的2种以上的材料、或者组合过渡金属二硫属化合物、黑磷等二维材料和石墨烯而成为异质结，能够在异种材料之间，实现与以往的半导体材料中的量子阱效果、隧道效果相同的效果。由此，能够降低噪声，并且能够降低复合，所以能够实现电磁波检测器的高灵敏度化。特别，在热噪声占主导的红外波长域中，利用隧道效果的热噪声的降低具有大的效果。另外，由此还能够实现常温动作。
实施方式9.
图15是用1000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15的电磁波检测器阵列1000中，实施方式1的电磁波检测器100被配置为2×2的矩阵状，但配置的电磁波检测器100的数量不限于此。另外，在图15中，二维地以预定的周期排列，但也可以一维地以预定的周期配置。另外，也可以并非周期性的而以不同的间隔配置。
这样，在使用石墨烯层1的电磁波检测器阵列1000中，能够检测从紫外光至微波非常宽的波长范围的电磁波。特别是通过阵列化也能够用作图像传感器。例如，在将电磁波检测器阵列1000应用于车载传感器的情况下，在白天能够用作可见光图像用照相机，在夜间还能够用作红外线照相机，无需根据检测波长分开使用照相机。光学系统需要针对每个波长切换，分别使用适合的组合。
此外，优选在电磁波检测器阵列1000的外侧，设置读出从各个电磁波检测器100得到的电信号的读出电路、矩阵选择电路等。
实施方式10.
图16是用2000表示整体的本发明的实施方式10的电磁波检测器阵列的俯视图。在图16中，2×2的矩阵状地配置有种类互不相同的电磁波检测器100a、100b、100c、100d。配置的电磁波检测器的数量不限于此。在图16中二维地以预定的周期排列，但也可以一维地以预定的周期配置。另外，也可以并非周期性的而以不同的间隔配置。
在实施方式10的电磁波检测器阵列2000中，通过一维或者二维的阵列状地配置在实施方式1～8中叙述的种类不同的电磁波检测器，能够具有作为图像传感器的功能。
在图16所示的电磁波检测器阵列2000中，例如，也可以使电磁波检测器100a、100b、100c、100d分别由检测波长不同的电磁波检测器形成。具体而言，阵列状地排列实施方式1～8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能够检测至少2个以上不同的波长的电磁波。
通过阵列状地配置这样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影像传感器同样地，在紫外光、红外光、太赫兹波、电波的波长域中，也能够得到彩色化(识别波长)的图像。
另外，作为影像传感器以外的用途，即便是少的像素数，也能够用作物体的位置检测用传感器。通过电磁波检测器阵列2000的构造，得到检测多个波长的电磁波的强度的图像传感器。由此，无需使用以往在CMOS传感器等中必要的彩色滤光片，能够检测多个波长的电磁波，得到彩色图像。
进而，还能够通过对检测的偏振不同的电磁波检测器进行阵列化，形成偏振识别影像传感器。例如，通过将使探测的偏振角度成为0°、90°、45°、135°的4个像素作为一个单位并配置多个，能够实现偏振成像。能够进行偏振识别的影像传感器能够实现例如人造物和自然物的识别、材料识别、红外波长域中的同一温度物体的识别、物体之间的边界的识别、等价的分辨率的提高等。

Claims (18)

1.一种电磁波检测器，其特征在于，包括：
基板，具有表面和背面；
下部绝缘层，设置于该基板的表面上；
铁电体层，设置于该下部绝缘层上；
隔着该铁电体层相向配置的一对电极，设置于该下部绝缘层上；
上部绝缘层，设置于该铁电体层上；以及
二维材料层，在该下部绝缘层及该上部绝缘层上，以连接该一对电极的方式设置，
与该下部绝缘层相反的一侧的该二维材料层的表面是电磁波入射面，
对入射到该二维材料层的电磁波进行光电变换而进行检测，
其中，根据该电磁波，该铁电体层的极化值产生变化，对该二维材料层施加电压，
所述二维材料层是从由石墨烯、过渡金属二硫属化合物、黑磷、硅烯以及锗烯构成的群组选择的二维材料的层。
2.根据权利要求1所述的电磁波检测器，其特征在于，
所述铁电体层配置于所述二维材料层和所述电极接触的界面的下方。
3.根据权利要求1所述的电磁波检测器，其特征在于，
所述铁电体层不配置于所述二维材料层和所述电极接触的界面的下方。
4.一种电磁波检测器，其特征在于，包括：
基板，具有表面和背面；
下部绝缘层，设置于该基板的表面上；
二维材料层，设置于该下部绝缘层上；
铁电体层，在该二维材料层上经由上部绝缘层设置；以及
隔着该铁电体层相向配置的一对电极，
与该下部绝缘层相反的一侧的该二维材料层的表面是电磁波入射面，
对入射到该二维材料层的电磁波进行光电变换而进行检测，
其中，根据该电磁波，该铁电体层的极化值产生变化，对该二维材料层施加电压，
所述二维材料层是从由石墨烯、过渡金属二硫属化合物、黑磷、硅烯以及锗烯构成的群组选择的二维材料的层。
5.根据权利要求4所述的电磁波检测器，其特征在于，
所述铁电体层在所述二维材料层和所述电极接触的界面的上方以覆盖该界面的方式配置。
6.根据权利要求4所述的电磁波检测器，其特征在于，
所述铁电体层在所述二维材料层和所述电极接触的界面的上方以不覆盖该界面的方式配置。
7.根据权利要求1、3、4、6中的任意一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
在所述一对电极之间设置有1个所述铁电体层，从该铁电体层至一对该电极的距离相等。
8.根据权利要求1～6中的任意一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
在所述一对电极之间设置有1个所述铁电体层，从该铁电体层至一对该电极的距离互不相同。
9.根据权利要求1～6中的任意一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
在所述一对电极之间，设置有多个铁电体层。
10.根据权利要求1～6中的任意一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
在所述一对电极之间，在一维方向或者二维方向上配置有多个铁电体层。
11.根据权利要求1～6中的任意一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
所述铁电体层包括层叠或者混合不同的铁电体材料而得到的材料。
12.根据权利要求1～6中的任意一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
所述二维材料层是2层以上的多层构造。
13.根据权利要求1～6中的任意一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
石墨烯的所述二维材料层是纳米带。
14.根据权利要求1～6中的任意一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
所述二维材料层使用层叠了从由石墨烯、过渡金属二硫属化合物、黑磷、硅烯以及锗烯构成的群组选择的二维材料中的至少二种的层叠构造。
15.根据权利要求1～6中的任意一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
所述一对电极由互不相同的金属构成。
16.根据权利要求1～6中的任意一项所述的电磁波检测器，其特征在于，
在所述基板的背面上或者所述下部绝缘层的背面上，设置有背面电极。
17.一种电磁波检测器阵列，其特征在于，
在一维方向或者二维方向上以阵列状配置有多个权利要求1～16中的任意一项所述的电磁波检测器。
18.根据权利要求17所述的电磁波检测器阵列，其特征在于，
配置有多个的所述电磁波检测器互不相同。
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