CN117940765A - 能测量电场强度的传感器装置及测量外部电场的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种尺寸小且能够测量小的电场强度的传感器装置。该传感器装置具备：第一电介质层；第一原子层材料膜，其配置在第一电介质层上，具有由第一材料形成的一个或多个原子层；沟道层，其配置在第一原子层材料膜上，具有沟道区域，并且具有一个或多个石墨烯原子层；第二原子层材料膜，其配置在沟道层上，具有由第二材料形成的一个或多个原子层；以及第一电极和第二电极，其以夹着沟道区域相对的方式配置在沟道层上，第二原子层材料膜具有第一面和第二面，第一面配置在沟道层上，第二面中的与沟道区域相对的部分露出到外部，或者在第二面上配置第二电介质层、且第二电介质层中的与第二原子层材料膜相反一侧的面中的与沟道区域相对的部分露出到外部。
Description
技术领域
本发明涉及能测量电场强度的传感器装置及测量外部电场的方法。
背景技术
以往，使用传感器装置测量大气中的电场强度。通过测量大气中的电场强度，监视雷云发生、接近及通过(例如，参照专利文献1)。
另外，还使用传感器装置在室内测量气氛中的电场强度。通过测量电场强度，监视在室内产生的静电的状况，预防由静电引起的事故等的发生。
作为测量电场强度的传感器装置，有机械式传感器装置和半导体传感器装置。机械式传感器装置是尺寸比较大且重的装置(例如，参照专利文献1)。半导体传感器装置是尺寸比较小且轻的装置(例如，参照非专利文献1)。
机械式传感器装置具有：通过施加外部电场而感应出电荷的电极、具有电极能够向外部露出的开口部的旋转板、以及旋转驱动旋转板的驱动部。在机械式传感器装置中，通过旋转板旋转，电极向外部露出和电极被旋转板覆盖反复，由此对电极间歇地施加静电场，外部电场的电场强度以在电极上产生的交流信号的方式被测量。
半导体传感器装置具有配置在基板上的晶体管。施加到基板的外部电场的电场强度以在晶体管的导通状态下在源电极和漏电极之间流动的电流的大小的方式被测量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2020-46213号公报
非专利文献
非专利文献1:WANG et al.,High-performance graphene-based electrostaticfield sensor、IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS、VOL38,No.8、AUGUST 2017
发明内容
发明要解决的问题
上述的机械式传感器装置由于尺寸大且重，所以存在不能配置在狭窄的场所的问题。另外，半导体传感器装置由于尺寸小且轻，虽然能够配置在狭窄的场所，但存在可测量的电场强度的下限值高的问题。
本发明的目的在于提供一种尺寸小且能够测量小的电场强度的传感器装置。
解决问题的技术手段
根据本说明书公开的传感器装置的一个方式，提供了一种能够测量外部电场的电场强度的传感器装置，具备：第一电介质层；第一原子层材料膜，其配置在第一电介质层上，具有由第一材料形成的一个或多个原子层；沟道层，其配置在第一原子层材料膜上，具有沟道区域，并且具有一个或多个石墨烯原子层；第二原子层材料膜，其配置在沟道层上，具有由第二材料形成的一个或多个原子层；以及第一电极和第二电极，其以夹着沟道区域相对的方式配置在沟道层上，第二原子层材料膜具有第一面和第二面，第一面配置在沟道层上，第二面中的与沟道区域相对的部分露出到外部，或者在第二面上配置第二电介质层、且第二电介质层中的与第二原子层材料膜相反一侧的面中的与沟道区域相对的部分露出到外部。
另外，根据本说明书公开的测量外部电场的方法的一个方式，使用上述的传感器装置测量外部电场。该方法包括：在对传感器装置施加了外部电场的状态下，测量在第一电极和第二电极之间流动的电流值，根据电流值求出外部电场的电场强度。
发明的效果
根据上述的本说明书公开的传感器装置，其尺寸小且能够测量小的电场强度。
另外，根据上述的本说明书公开的测量外部电场的方法，能够使用尺寸小的传感器装置测量小的电场强度。
附图说明
图1的(A)是本说明书公开的传感器装置的第一实施方式的截面图，(B)是俯视图。
图2的(A)是表示施加在具有p型石墨烯的沟道层的传感器装置上的外部电场的强度与漏极电流的关系的图，(B)是表示施加在具有n型石墨烯的沟道层的传感器装置上的外部电场的强度与漏极电流的关系的图。
图3是表示对传感器装置施加了从传感器装置朝向外部的方向(负方向)的外部电场的状态的图。
图4是表示向传感器装置施加正方向的外部电场时的漏极电流与时间的关系的图。
图5是表示第一原子层材料膜的原子层数和漏极电流的变化量的关系的图。
图6是本说明书公开的传感器装置的第二实施方式的截面图。
图7是本说明书公开的传感器装置的第三实施方式的截面图。
图8的(A)～(C)是表示本说明书公开的传感器装置的制造方法的一个实施方式的制造工序的图(其一)。
图9的(A)和(B)是表示本说明书公开的传感器装置的制造方法的一个实施方式的制造工序的图(其二)。
图10的(A)和(B)是表示本说明书公开的传感器装置的制造方法的一个实施方式的制造工序的图(其三)。
图11是本说明书公开的测量外部电场的方法的一个实施方式的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对本说明书所公开的传感器装置的优选的第一实施方式进行说明。但是，本发明的技术范围并不限定于这些实施方式，而是涉及权利要求书所记载的发明及其等同物。
图1的(A)表示本说明书公开的传感器装置的第一实施方式，是图1的(B)的X-X线截面图，图1的(B)是俯视图。图1的(A)表示施加了从外部朝向传感器装置的方向(正方向)的外部电场的状态。
本实施方式的传感器装置10能够测量从外部施加的外部电场E1的强度。外部电场E1是指从存在于传感器装置10外部的发生源产生的电场。传感器装置10具有高灵敏度，因此能够测量小的电场强度。
传感器装置10具有：基板11、电介质层12、第一原子层材料膜13、沟道层14、第二原子层材料膜15、源电极16、漏电极17。传感器装置10通过使用单层或多层的石墨烯形成沟道层14而具有高灵敏度，因此能够测量小的外部电场E1。本实施方式的传感器装置10通过被施加外部电场而作为双极性晶体管进行动作，能够以电流的方式来测量外部电场E1的大小。
基板11具有支承传感器装置10的其它构成元件的机械强度。基板11具有第一面11A和第二面11B。作为基板11，例如可以使用硅基板、碳化硅、化合物半导体等半导体基板。作为半导体基板，可以使用非晶、多晶或单晶基板。基板11可以具有p型极性，也可以具有n型极性。另外，基板也可以是未添加杂质的本征。另外，在电介质层12具有支承传感器装置10的其他构成元件的机械强度的情况下，传感器装置10也可以不具有基板11。
电介质层12具有电绝缘性，配置在基板11的第一面11A上。电介质层12使基板11和第一原子层材料膜13电绝缘。
作为电介质层12，可以使用二氧化硅、氧化铝或氮化硅等电介质。从制造传感器装置10的观点出发，在基板11是硅基板的情况下，优选使用二氧化硅作为电介质层12。
第一原子层材料膜13配置在电介质层12上。第一原子层材料膜13由能够形成单原子层的材料形成。第一原子层材料膜13具有由该材料形成的一个或多个原子层。作为该材料，例如可以举出六方晶系的氮化硼、六方晶系的二硫化钼或六方晶系的二硫化钨。
第一原子层材料膜13与形成沟道层14的石墨烯的晶格失配度优选为10％以下，特别优选为5％以下。晶格失配度是以百分比表示在以第一原子层材料膜13的晶格常数与石墨烯的晶格常数之间的匹配度最大的方式将第一原子层材料膜13配置在沟道层14上时的第一原子层材料膜13的晶格常数与石墨烯的晶格常数的差的绝对值除以石墨烯的晶格常数的商的值。例如，在第一原子层材料膜13由氮化硼形成的情况下，石墨烯和氮化硼中各自的单原子层的晶胞具有在二维平面中延伸的a轴和b轴以及与a轴和b轴正交的c轴。使石墨烯和氮化硼各自的c轴一致而使a轴和c轴旋转，以使石墨烯和氮化硼各自的单原子层的晶格常数的一致度最大的方式，将第一原子层材料膜13配置在沟道层14上的情况下，当第一原子层材料膜13由氮化硼形成时的晶格失配度为1.71％。另外，第一原子层材料膜13由二硫化钼形成时的晶格失配度为3.01％，第一原子层材料膜13由二硫化钨形成时的晶格失配度为3.26％。
由二氧化硅等形成的电介质层12的表面通常不平坦而具有凹凸。另外，有时在电介质层12的表面存在杂质。在沟道层14直接配置在电介质层12的表面上的情况下，由于电介质层12的表面的状态的影响，在形成沟道层14的石墨烯的二维周期结构中产生变形，并且受到杂质的电影响。由此，在石墨烯内移动的载流子由于变形或杂质而被散射，因而载流子的迁移率降低。因此，在本实施方式中，通过在电介质层12的表面配置第一原子层材料膜13，在该第一原子层材料膜13上配置沟道层14，可以抑制石墨烯中的载流子的迁移率受到电介质层12的影响而降低。
这里，由于第一原子层材料膜13与形成沟道层14的石墨烯的晶格失配度小，所以即使沟道层14直接配置在第一原子层材料膜13上，也能够抑制在形成沟道层14的石墨烯的二维周期结构中产生变形。
第一原子层材料膜13的厚度优选在1～120原子层的范围内。通过使第一原子层材料膜13的厚度为1原子层以上，能够抑制石墨烯中的载流子的迁移率受到电介质层12的影响。
第一原子层材料膜13的厚度越厚，在向传感器装置10施加外部电场E1时流过源电极16、漏电极17之间的漏极电流的变化量越小。第一原子层材料膜13的厚度优选根据所测量的外部电场E1的范围来确定。相对于外部电场E1的大小，如果第一原子层材料膜13的厚度过厚，则有可能无法准确地测量小的外部电场E1。详细情况如后所述，如果第一原子层材料膜13的厚度为120原子层，则外部电场E1的大小可测量到约17kV/m。由于雷云正下方的地表附近的电场强度通常为数kV/m～10kV/m，所以从正确测量由通常的雷云引起的外部电场强度的观点出发，优选第一原子层材料膜13的厚度在1～40原子层的范围，以获得漏极电流的较大变化。
沟道层14具有沟道区域141，并且具有一个或多个石墨烯原子层。优选沟道层14的沟道区域141至少配置在第一原子层材料膜13上。在本实施方式中，整个沟道层14配置在第一原子层材料膜13上。沟道层14可以具有p型极性，也可以具有n型极性。另外，沟道层14也可以是未添加杂质的本征。
传感器装置10的灵敏度(增益)G越高，可测量的电场强度的下限值越增大。使用一个或多个石墨烯原子层形成沟道层14，因此传感器装置10具有高灵敏度，
其次，从提高传感器装置10的灵敏度的观点出发，使用一个或多个石墨烯原子层形成沟道层14。石墨烯具有高载流子迁移率。石墨烯的单原子层具有2×105(cm2V-1S-1)的载流子迁移率。该载流子迁移率是相对于结晶性的硅基板中的电子迁移率的1.4×103(cm2V- 1S-1)高两位数以上的值。从获得高载流子迁移率的观点出发，沟道层14优选使用石墨烯的1～10个原子层、特别是1～4个原子层形成。特别地，通过使用石墨烯的单原子层形成沟道层14，可以获得最高的载流子迁移率。
沟道层14中的载流子的迁移率在厚度每增加1nm时降低20％以上。当石墨烯的原子层超过13层时，沟道层14的迁移率缓慢降低，在10层左右时显示比较高的迁移率。
第二原子层材料膜15具有电绝缘性并且配置在沟道层14上。第二原子层材料膜15保护沟道层14。第二原子层材料膜15具有第一面15A和第二面15B，第一面15A配置在沟道层14上，第二面15B露出到外部。外部电场E1通过该第二面15B进入传感器装置10的内部。
第二原子层材料膜15的第二面15B形成输入输出区域15C。至少第二面15B中的与沟道区域141相对的部分露出到外部。由此，外部电场E1能够经由输入输出区域15C向传感器装置10输入。另外，外部电场E1可以经由输入输出区域15C从传感器装置10输出。
第二原子层材料膜15由能够形成单原子层的材料形成。第二原子层材料膜15具有由该材料形成的一个或多个原子层。作为该材料，例如可以举出六方晶系的氮化硼、二硫化钼或二硫化钨。第二原子层材料膜15与形成沟道层14的石墨烯的晶格失配度优选为10％以下，特别优选为5％以下。对于第二原子层材料膜15的晶格失配度的说明，适当地适用上述第一原子层材料膜13的说明。
第二原子层材料膜15直接配置在沟道层14上，但若第二原子层材料膜15的形成材料与形成沟道层14的石墨烯的晶格失配度大，则在形成沟道层14的石墨烯的二维周期结构中发生变形。由此，在石墨烯内移动的载流子被散射，载流子的迁移率降低。因此，在本实施方式中，通过在沟道层14上配置与形成沟道层14的石墨烯的晶格失配度小的第二原子层材料膜15，可以抑制石墨烯中的载流子的迁移率受到第二原子层材料膜15的影响而降低。
第二原子层材料膜15的厚度优选在1～100原子层的范围内。通过使第二原子层材料膜15的厚度为1原子层以上，能够在物理上保护沟道层14。在制造传感器装置10时，从防止向沟道层14掺杂抗蚀剂或水等的观点出发，第二原子层材料膜15的厚度特别优选在60～90原子层的范围内。外部电场E1对沟道层14作用的详细情况在后面叙述。
源电极16和漏电极17以夹着沟道层14的沟道区域141相对的方式配置在沟道层14上。一对源电极16和漏电极17各自的至少一部分配置在沟道层14上即可。在本实施方式中，源电极16和漏电极17的整体配置在沟道层14上。
传感器装置10作为双极性(ambipolar)晶体管动作。在传感器装置10中，通过向沟道区域141施加外部电场E1(栅极电压)，在源电极16和漏电极17之间流动的漏极电流增加。
图2的(A)是表示施加在具有p型石墨烯的沟道层的传感器装置上的外部电场的强度和漏极电流的关系的图。图2的(B)是表示施加在具有n型石墨烯沟道层的传感器装置上的外部电场的强度和漏极电流的关系的图。
如图2的(A)所示，在使用p型石墨烯形成沟道层14的情况下，随着正方向的外部电场E的大小的增加，漏极电流ID降低。即使在未施加外部电场E的状态(栅极电压为零)下，双极性晶体管也通常流过漏极电流。另一方面，在使用p型石墨烯形成沟道层14的情况下，随着负方向的外部电场E的大小的增加，漏极电流ID增加。在此，负方向的外部电场E的电力线在从基板11朝向第二原子层材料膜15的方向上延伸。另外，如图2的(B)所示，在使用n型石墨烯形成沟道层14的情况下，随着正方向的外部电场E的大小的增加，漏极电流ID增加。另一方面，在使用n型石墨烯形成沟道层14的情况下，随着负方向的外部电场E1的大小的增加，漏极电流ID降低。
接着，参照图1的(A)及图3，对施加了外部电场E1的传感器装置10将外部电场E1的大小作为漏极电流值的变化进行测量的动作进行以下说明。
在图1的(A)中，对传感器装置10施加从外部朝向传感器装置10的方向(正方向)的外部电场E1。正方向的外部电场E1的电力线在从第二原子层材料膜15向基板11的方向上延伸。
外部电场E1从输入输出区域15C进入传感器装置10，从基板11的第二面11B向外部流出。传感器装置10将作为构成元件之一的第二原子层材料膜15的第二面15B用作外部电场E1的输入输出区域15C，因此能够以小尺寸测量外部电场E1。
通过施加到传感器装置10的外部电场E1，沟道层14中的电子由于隧道效应而穿过第一原子层材料膜13并移动到电介质层12。通过外部电场E1透过第一原子层材料膜13的电子的数量取决于外部电场E1的大小。因此，优选第一原子层材料膜13的厚度较薄。
沟道层14的沟道区域141的面积越大，向电介质层12移动的电子的数量越增加。
另外，输入输出区域15C的面积越大，向电介质层12移动的电子的数量越增加。
向电介质层12移动的电子被电介质层12中的与第一原子层材料膜13的界面的缺陷捕获。被界面捕获的电子在传感器装置10内生成内部电场E2。通过该内部电场E2作用于沟道层14，沟道层14的费米能级发生变化。由于沟道层14的费米能级变化，所以流过源电极16和漏电极17之间的沟道区域141的漏极电流的大小变化。在沟道层14由p型石墨烯形成的情况下，费米能级升高。另一方面，在沟道层14由n型石墨烯形成的情况下，费米能级下降。如果费米能级上升，则漏极电流降低，如果费米能级下降，则漏极电流增加。可以基于以外部电场E1未施加到传感器装置10时的漏极电流值为基准的漏极电流值的变化的大小，测量外部电场E1的大小。被电介质层12和第一原子层材料膜13的界面的缺陷捕获的载流子的数量越多，传感器装置10的增益越增加。
图3中，对传感器装置10施加了从传感器装置10朝向外部(负方向)的外部电场E1。负方向的外部电场E1的电力线在从基板11向第二原子层材料膜15的方向上延伸。
外部电场E1从基板11的第二面11B进入传感器装置10，从输入输出区域15C向外部流出。
通过施加到传感器装置10的外部电场E1，沟道层14中的空穴由于隧道效应而穿过第一原子层材料膜13并移动到电介质层12。通过外部电场E1透过第一原子层材料膜13的空穴孔的数量取决于外部电场E1的大小。
向电介质层12移动的空穴被电介质层12和第一原子层材料膜13的界面的缺陷捕获。被界面捕获的空穴在传感器装置10内生成内部电场E2。通过内部电场E2作用于沟道层14，沟道层14的费米能级变化。由于沟道层14的费米能级变化，所以在源电极16和漏电极17之间流动的漏极电流的大小变化。可以基于以外部电场E1未施加到传感器装置10时的漏极电流值为基准的漏极电流值的变化的大小，测量外部电场E1的大小。
作为传感器装置10所要求的性能，有时上述灵敏度高并且测量范围宽。传感器装置10的测量范围越宽，可测量的电场强度的范围就越宽。
第一原子层材料膜13的厚度越薄，在施加外部电场时，在电介质层12和第一原子层材料膜13的界面上感应的最大载流子数越多。被电介质层12的界面的缺陷捕获的载流子的数量随着外部电场E1的大小增大而增大，不久就饱和。未施加外部电场时的电介质层12的界面的载流子的数量与饱和时被界面的缺陷捕获的载流子的数量的差对应于传感器装置10的测量范围。
接着，以下说明使用传感器装置10测量外部电场E1的测量例。
图4是表示向传感器装置10施加正向的外部电场E1时的漏极电流与时间的关系的图。图4的纵轴表示漏极电流，横轴表示时间。图4所示的关系是，隔着传感器装置10配置隔开3cm间隔的平行平板，在平行平板间施加500V(外部电场的大小约为16667V/m)来测量的。第一原子层材料膜13使用六方晶系的氮化硼形成。在源电极16和漏电极17之间施加100mV。正方向的外部电场E1被施加到传感器装置10时的漏极电流值低于外部电场E1没有施加到传感器装置10时的漏极电流值。
图5是表示第一原子层材料膜13的原子层数和漏极电流的变化量的关系的图。图5表示在图4所示的测量中使第一原子层材料膜13的原子层数变化，测量漏极电流的变化量的结果。漏极电流的变化量随着第一原子层材料膜13的原子层数的增加而指数函数地减少。从使用传感器装置10测量漏极电流的变化量的观点出发，第一原子层材料膜13的原子层数的上限值为120层。另外，从使用传感器装置10准确地测量漏极电流的变化量的观点出发，认为漏极电流的变化量的下限值为1.5μA左右。此时，第一原子层材料膜13的原子层数的上限值为40层。在想要精确地测量电场强度的情况下，第一原子层材料膜13的原子层优选为1～40层，在想要测量宽的测量范围的电场强度的情况下，第一原子层材料膜13的原子层优选为1～120层。
根据上述本实施方式的传感器装置10，能够尺寸小且测量小的电场强度。另外，传感器装置还能够通过改变第一原子层材料膜13的原子层数来精确地测量电场强度以及测量宽的测量范围的电场强度。
另外，传感器装置10与现有的机械式传感器装置相比，具有以下优点。机械式传感器装置的尺寸为数10cm，重量为数kg，因此其配置位置受到限制。另一方面，即使模块化以具有测量功能，传感器装置10的尺寸也最多为数cm，重量也最多为数g，因此传感器装置10的配置场所的制约被大幅缓和。另外，由于机械式传感器装置具有驱动部，所以可能发生故障，并且需要维护。另一方面，传感器装置10是半导体传感器，故障的可能性大大降低。进而，机械式传感器装置消耗电力大，需要AC电源等供电装置。另一方面，传感器装置10由于消耗电力小，所以能够用电池等简易的供电装置驱动。
下面，参照图6和图7对上述传感器装置的其他实施方式进行说明。关于其他实施方式没有特别说明的点，适当地适用对上述第一实施方式详细叙述的说明。另外，对相同的构成元件赋予相同的符号。
图6是本说明书公开的传感器装置10A的第二实施方式的截面图。在本实施方式的传感器装置10A中的第二原子层材料膜15的第二面15B上配置第二电介质层18。第二电介质层18具有电绝缘性，具有保护第二原子层材料膜15的功能。
从保护沟道层13的观点出发，优选使用二氧化硅、氧化铝或氮化硅等电介质作为第二电介质层18。
另外，通过使用介电常数高的材料作为第二电介质层18，能够放大外部电场使其作用于沟道层14。例如可以使用二氧化硅、氮化硅、二氧化锆、二氧化铪作为能够放大外部电场的材料。
从放大外部电场的观点出发，优选第二电介质层18具有比第二原子层材料膜15高的介电常数。蓄积在第二电介质层18中的电荷量Q由Q＝εrSE表示。这里，εr是第二电介质层18的相对介电常数，S是第二电介质层18的面积，E是外部电场的电场强度。
通过将具有比第二原子层材料膜15高的介电常数的第二电介质层18配置在第二原子层材料膜15上，能够放大外部电场使其作用于沟道层14。
第二原子层材料膜15的形成材料的氮化硼的相对介电常数为3.4。从放大外部电场的观点出发，特别优选使用氮化硅(相对介电常数8.5)、二氧化锆(相对介电常数32)、氧化铪(相对介电常数16～19)作为第二电介质层18的形成材料。
第二电介质层18具有第一面18A和第二面18B，第一面18A配置在第二原子层材料膜15上。第二面18B是第二电介质层18的与第二原子层材料膜15相反一侧的面。至少第二面18B中的与沟道区域141相对的部分露出到外部。第二面18B形成输入输出外部电场的输入输出区域18C。由此，外部电场能够经由输入输出区域18C向传感器装置10A输入。另外，外部电场能够经由输入输出区域18C从传感器装置10A输出。
根据上述本实施方式的传感器装置，通过由第二电介质层18放大外部电场，能够提高外部电场的测量灵敏度。另外，根据本实施方式的传感器装置，能够得到与第一实施方式相同的效果。
图7是本说明书公开的传感器装置的第三实施方式的截面图。本实施方式的传感器装置10B是所谓的底栅型晶体管。
本实施方式的传感器装置10B在基板11的第二面11B上配置栅极绝缘层19，在栅极绝缘层19之下配置栅电极20。栅电极20以覆盖与沟道区域141对应的区域的方式被配置在基板11的第二面11B上。
可以使用二氧化硅、氧化铝或氮化硅等电介质作为栅极绝缘层19。
栅电极20使用具有导电性的材料形成。栅电极20例如可以是铬和金的层叠结构。
传感器装置10B在对栅电极20施加规定的电压的状态下进行外部电场的测量。通过对栅电极20施加栅极电压，漏极电流比施加前增加。与上述第一实施方式相同，传感器装置10B能够基于以外部电场未施加到传感器装置10B时的漏极电流值为基准的漏极电流值的变化的大小，测量外部电场的大小。
根据上述本实施方式的传感器装置，能够得到与第一实施方式相同的效果。
下面，参照图8～图10对上述第一实施方式的传感器装置的制造方法的一个优选实施方式进行说明。
首先，如图8的(A)所示，准备具有第一面11A和第二面11B的基板11。作为基板11，例如可以使用硅基板、碳化硅、化合物半导体等半导体基板。
接着，如图8的(B)所示，在基板11的第一面11A上形成电介质层12。在使用硅基板作为基板11的情况下，例如形成二氧化硅层作为电介质层12。该二氧化硅层使用热氧化法或CVD法形成。在使用热氧化法形成二氧化硅层作为电介质层12的情况下，二氧化硅层与硅的界面成为新的第一面11A。
接着，如图8的(C)所示，在电介质层12上配置第一原子层材料膜13。第一原子层材料膜13例如使用剥离法或CVD法形成，并转印到电介质层12上。第一原子层材料膜13的厚度优选为1～120原子层的范围。
接着，如图9的(A)所示，在第一原子层材料膜13上形成沟道层14。沟道层14例如使用剥离法或CVD法形成，并转印到第一原子层材料膜13上。沟道层14的厚度和品质例如使用拉曼光谱测量。例如，形成沟道层14的石墨烯的缺陷的有无通过1350cm-1的D峰强度来测量，石墨烯的原子层的数量通过1580cm-1的G峰强度或2608cm-1的2D峰形状来测量。特别地，从获得缺陷少、品质好的石墨烯的观点出发，优选使用剥离法形成沟道层14。另外，从获得载流子迁移率高的石墨烯的观点出发，优选形成单原子层的沟道层14。可以通过向石墨烯中添加杂质，使沟道层14具有极性。
接着，如图9的(B)所示，使用光刻法和蚀刻法在沟道层14上形成掩模(未图示)，在形成有掩模的沟道层14上形成导电体层后，使用剥离法对导电体层(未图示)进行构图。源电极16和漏电极17形成在沟道层14上。作为光刻法，例如可以使用电子束光刻法。作为蚀刻法，例如可以使用氧等离子体的干蚀刻。导电体层例如可以使用电子束蒸镀法形成为铬和金的层叠体。铬的厚度可以是5nm，金的厚度可以是80nm。
接着，如图10的(A)所示，在沟道层14、源电极16和漏电极17上形成第二原子层材料膜15。第二原子层材料膜15的厚度优选为1～300原子层的范围。第二原子层材料膜15例如使用剥离法或CVD法形成在沟道层14、源电极16和漏电极17上。对于第二原子层材料膜15的形成，适当地适用上述第一原子层材料膜13的说明。
接着，如图10的(B)所示，使用光刻法和蚀刻法对第二原子层材料膜15进行构图，得到图1所示的第一实施方式的传感器装置10。另外，第二原子层材料膜15以覆盖源电极16及漏电极17的至少一部分的方式形成。作为光刻法，例如可以使用电子束光刻法。作为蚀刻法，例如可以使用氧等离子体的干蚀刻。
另外，在上述图10的(B)的工序之后，通过在第二原子层材料膜15的第二面15B上形成第二电介质层18，得到图6所示的第二实施方式的传感器装置10A。
进而，在上述图10的(B)的工序之后，通过在基板11的第二面11B上形成栅极绝缘层19，在该栅极绝缘层19上形成栅电极20，得到图7所示的第二实施方式的传感器装置10B。
下面，参照图11说明使用上述第一实施方式的传感器装置10测量外部电场的方法。图11是本说明书公开的测量外部电场的方法的一个实施方式的流程图。
首先，在施加了多个不同电场强度的外部电场的各个状态下，测量在源电极16和漏电极17之间流动的漏极电流值(步骤S101)。由此，得到漏极电流值与外部电场的电场强度的关系(电流电场强度的关系)。
接着，测量对传感器装置10施加测量对象的外部电场时的在源电极16和漏电极17之间流动的漏极电流值(测量漏极电流值)。当测量外部电场时，传感器装置10优选不向基板11施加电压。另外，由于传感器装置10不具有源电极16及漏电极17以外的电极，所以在测量外部电场时，也不会对传感器装置10施加栅极电压。
接着，根据测量漏极电流值求出外部电场的电场强度(步骤S102)。测量对象的外部电场经由输入输出区域15C输入到传感器装置10，或者经由输入输出区域15C从传感器装置10输出。通过参照电流电场强度的关系，求出与测量漏极电流值对应的电场强度，可以得到外部电场的电场强度。
另外，在预先获取了电流电场强度的关系的情况下，省略步骤S101的处理。
根据上述本实施方式的测量外部电场的方法，能够使用尺寸小的传感器装置10测量小的电场强度。
即使使用上述第二实施方式的传感器装置10A，也同样能够测量外部电场。测量对象的外部电场经由输入输出区域18C输入到传感器装置10A，或者经由输入输出区域18C从传感器装置10A输出。另外，即使使用上述第三实施方式的传感器装置10B，也同样能够测量外部电场。测量对象的外部电场经由输入输出区域15C输入到传感器装置10B，或者经由输入输出区域15C从传感器装置10B输出。
在本发明中，上述实施方式的能够测量电场强度的传感器装置以及测量外部电场的方法，只要不脱离本发明的主旨就能够适当变更。另外，一个实施方式所具有的构成要件也可以适当适用于其他实施方式。
符号说明
10传感器装置
11基板
11A第一面
11B第二面
12电介质层(第一电介质层)
13第一原子层材料膜
14沟道层
141沟道区域
15第二原子层材料膜
15A第一面
15B第二面
16源电极(第一电极)
17漏电极(第二电极)
18第二电介质层
19栅极绝缘层
20栅电极(第三电极)。
Claims (7)
1.一种能测量外部电场的电场强度的传感器装置，其特征在于，具备：
第一电介质层；
第一原子层材料膜，其配置在所述第一电介质层上，具有由第一材料形成的一个或多个原子层；
沟道层，其配置在所述第一原子层材料膜上，具有沟道区域，并且具有一个或多个石墨烯原子层；
第二原子层材料膜，其配置在所述沟道层上，具有由第二材料形成的一个或多个原子层；以及
第一电极和第二电极，它们以夹着所述沟道区域相对的方式配置在所述沟道层上，
所述第二原子层材料膜具有第一面和第二面，所述第一面配置在所述沟道层上，所述第二面中的与所述沟道区域相对的部分露出到外部，或者在所述第二面上配置第二电介质层、且所述第二电介质层中的与所述第二原子层材料膜相反一侧的面中的与所述沟道区域相对的部分露出到外部。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，
所述第一原子层材料膜具有由所述第一材料形成的1～120个原子层。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，
所述第二原子层材料膜具有由所述第二材料形成的1～100个原子层。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的传感器装置，其特征在于，
所述第一材料或所述第二材料是六方晶系的氮化硼、二硫化钼或二硫化钨。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的传感器装置，其特征在于，
所述沟道层包括1～10层石墨烯。
6.一种测量外部电场的方法，其特征在于，
使用权利要求1～5中任一项所述的传感器装置来测量外部电场，所述方法包括：
在对所述传感器装置施加了外部电场的状态下，测量在所述第一电极和所述第二电极之间流动的电流值，
根据所述电流值求出外部电场的电场强度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
测量从所述第二原子层材料膜的所述第二面或所述第二电介质层中的与所述第二原子层材料膜的相反一侧的面输入、或从所述第二原子层材料膜的所述第二面或所述第二电介质层中的与所述第二原子层材料膜的相反一侧的面输出的外部电场的电场强度。
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