JP2019002852A - 電磁波検出器およびその製造方法 - Google Patents

電磁波検出器およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高感度な電磁波検出器の実現。【解決手段】実施例１の電磁波検出器は、基板１０と、基板１０上に設けられた第１絶縁膜１１と、第１絶縁膜１１上に設けられた半導体層１２と、半導体層１２上に設けられた第２絶縁膜１３と、第２絶縁膜１３上に設けられた吸収層１４と、吸収層１４を覆う第３絶縁膜１８と、ゲート電極１５、ソース電極１６、ドレイン電極１７と、を有している。半導体層１２は、グラフェンからなり、第１絶縁膜１１上に接して位置している。半導体層１２は、トランジスタのチャネルとして動作する層である。半導体層１２は、吸収層１４の平面パターンと重ならず、かつ吸収層１４の周の少なくとも一部の近傍に位置するパターンに形成されている。第２絶縁膜１３は、吸収層１４から半導体層１２へ電流がリークしない厚さに設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波を検出する電磁波検出器、およびその製造方法に関するものであり、特に電磁波を吸収し電流の変化として検出するものである。
炭素の同素体の１つとして、グラフェンがある。グラフェンは、炭素原子が蜂の巣格子状に並んで結合したシート状の単層の構造であり、バンドギャップのない半導体である。グラフェンは、物理的な強度、電子移動度、および熱伝導性が高いなど、特異な性質を有しており、各種応用研究が進められている。また、グラフェンは広い吸収スペクトルを有し、電磁波検出器として用いることが検討されている。
特許文献１には、Ｓｉからなる基板上に、ゲート絶縁膜、グラフェンを順に積層し、グラフェン上にソース電極とドレイン電極を形成したＦＥＴ型の光検出器が記載されている。特許文献１では、グラフェンの電磁波吸収による電気抵抗の変化により光を検出し、ゲート電圧を印加して光電流の変化率の大きな動作点を利用する。
特許文献２には、基板上に金属層、絶縁層、グラフェン層、孤立金属を順に形成し、グラフェン層上に孤立金属を挟んで対向して２つの電極を設けた電磁波検出器が記載されている。孤立金属は、表面プラズモン共鳴を生じやすい金属からなり、複数の正方形が間隔を空けて正方格子状に配列されたパターンである。この電磁波検出器では、金属層と孤立金属とにより挟まれた絶縁層内で表面プラズモン共鳴が生じ、所定波長の電磁波が局在する。そして、共振器内にグラフェン層が配置されていることにより、所定波長の電磁波がグラフェン層に入射を繰り返す。このように、特許文献２では、表面プラズモン共鳴と共振器構造を利用して電磁波の吸収率を高め、電磁波の検出感度の向上を図っている。
特許文献３には、下層金属層、絶縁層、グラフェンからなる上層金属パターンを順に形成した構造体を有し、その構造体の温度変化を電気信号に変換して電磁波を検出する電磁波検出器が記載されている。特許文献３では、上層金属パターンによる表面プラズモン共鳴を利用してグラフェンの光吸収率を高めている。
特表２０１３−５０２７３５号公報 特開２０１５−４５６２９号公報 特開２０１５−１２１４１７号公報
しかし、特許文献１の光検出器では、グラフェンの光吸収率が低いため高感度の検出は難しかった。
また、特許文献１〜３の構造では、ノイズや暗電流を低減させることはできないため、Ｄ＊値などのデバイス性能が低いという問題があった。
また、特許文献１〜３では、全面にグラフェンが形成されているため、プラズモンで誘起された電荷に偏りが生じたとしても、偏りが打ち消され、検出感度を向上させることができなかった。
そこで本発明の目的は、高感度に電磁波を検出することができる電磁波検出器を実現することである。
電磁波を検出する電磁波検出器において、層状物質の半導体からなる半導体層、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を備えたトランジスタ構造と、半導体層から離間して設けられ、電磁波を吸収して電界を生じさせる吸収層と、半導体層と吸収層との間に設けられ、吸収層から半導体層へとトンネル電流が生じない厚さに設定された絶縁膜と、を有し、半導体層の平面パターンは、吸収層の平面パターンと重ならず、かつ吸収層の周の少なくとも一部の近傍に位置するパターンに設定されている、ことを特徴とする電磁波検出器である。
本発明において、半導体層の平面パターンと吸収層の平面パターンが重ならないとは、完全に重ならないことを意味するのではなく、多少の重なりは許容される。
本発明において、層状物質とは、層状構造を有する物質であって、単層から数層の積層構造であるものを示すとする。
半導体層は、層状物質であれば任意でよいが、グラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイドが好ましい。
吸収層は、電磁波を吸収して電界を生じさせるものであれば任意でよく、表面プラズモン共鳴により電磁波を吸収する材料や、電磁波の吸収により電子−正孔対が生成される材料を用いることができる。
吸収層の平面パターンは、２回対称以上の対称性を有したパターンとするのが望ましい。効率的に電磁波を吸収させることができ、より高感度に電磁波を検出することができる。
半導体層の平面パターンは、吸収層の平面パターンと重ならず、かつ吸収層の周の少なくとも一部の近傍に位置するパターンであれば任意のパターンでよい。ただし、吸収層の平面パターンを、２つの二等辺三角形を頂角で重ねたボウタイ型の単位構造が正方格子状に配列された周期的パターンとする場合には、半導体層の平面パターンは、ボウタイ型の二等辺三角形の底辺に沿ったストライプ状とするのがよい。より高感度に電磁波を検出することができる。また、吸収層の平面パターンを、正方形の単位構造が正方格子状に配列された周期的パターンとする場合には、吸収層の正方形の一辺に沿ったストライプ状のパターンとするのがよい。より高感度に電磁波を検出することができる。あるいは、吸収層の各辺に沿った格子状のパターンとするのがより望ましい。さらに高感度に電磁波を検出することができる。
吸収層と半導体層が同一面上に形成された構造や、吸収層とゲート電極が同一面上に形成された構造としてもよい。製造工程を削減することができ、低コスト化を図ることができる。
また、ゲート電極を２以上設けてもよい。トランジスタの電気的特性をより細かに制御することができ、より高感度に電磁波を検出することができる。
本発明の電磁波検出器は、吸収層による電磁波の吸収によって吸収層の周囲に電界を生じさせ、その生じた電界の強度の強い領域に半導体層を晒すことで半導体層の電気的特性に変化を生じさせ、その変化によって電磁波の検出をするものである。
このように、本発明の電磁波検出器では、電磁波の吸収を担う構造と、電磁波の吸収に伴う電流変化を検出するための構造とを分離しているため、ノイズや暗電流の影響を回避することができ、電磁波を高感度に検出することができる。
実施例１の電磁波検出器の構成を示した図。 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。 実施例１の電磁波検出器の製造工程を示した図。 グラフェンをチャネルとするトランジスタのゲート電圧−ドレイン電流特性を示したグラフ。 グラフェンをチャネルとするトランジスタのゲート電圧−ドレイン電流特性の変化を示した図。 半導体層１２および吸収層１４の平面パターンを示した図。 吸収層１４の透過スペクトルを示したグラフ。 半導体層１２および吸収層１４の平面パターンを示した図。 吸収層１４の透過スペクトルを示したグラフ。 吸収層１４がボウタイ型形状の場合の電界強度分布について示した図。 吸収層１４が正方形の場合の電界強度分布について示した図。 吸収層１４の透過スペクトルを示したグラフ。 吸収層１４がボウタイ型形状の場合の電界強度分布について示した図。 吸収層１４が正方形の場合の電界強度分布について示した図。 半導体層１２および吸収層１４の平面パターンを示した図。
以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
図１は、実施例１の電磁波検出器の構成を示した図である。図１のように、実施例１の電磁波検出器は、基板１０と、基板１０上に設けられた第１絶縁膜１１と、第１絶縁膜１１上に設けられた半導体層１２と、半導体層１２上に設けられた第２絶縁膜１３と、第２絶縁膜１３上に設けられた吸収層１４と、吸収層１４を覆う第３絶縁膜１８と、ゲート電極１５、ソース電極１６、ドレイン電極１７と、を有している。基板１０、第１絶縁膜１１、半導体層１２、ゲート電極１５、ソース電極１６、ドレイン電極１７は、本発明のトランジスタ構造（ＭＯＳＦＥＴ）に相当する。実施例１の電磁波検出器は、半導体層１２をチャネルとして、ドレイン電流の変化により遠赤外線を検出するＦＥＴ型の電磁波検出器である。
（基板１０について）
基板１０は、表面に第１絶縁膜１１が形成されたｎ−Ｓｉからなる。第１絶縁膜１１はＳｉの熱酸化膜（ＳｉＯ2 ）であり、厚さは５００ｎｍである。第１絶縁膜１１は、ＦＥＴのゲート絶縁膜として機能する。
なお、基板１０はＳｉに限らず、任意の材料を用いることができる。ただし、基板１０裏面側からの遠赤外線を検出する場合には、基板１０は遠赤外線を透過する材料とする必要がある。基板１０を遠赤外線透過材料とする場合、基板１０の表面側と裏面側の両方からの両方の遠赤外線を検出するようにしてもよい。
また、第１絶縁膜１１はＳｉの熱酸化膜としているが、他の方法により形成したＳｉＯ2 でもよいし、ＳｉＯ2 以外の絶縁体を用いてもよい。たとえば、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＴｉＯ2 、ＨｆＯ2 ＺｒＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 などを用いることができる。また、異なる材料の積層であってもよい。
また、実施例１の電磁波検出器では、ボトムゲート型であるため基板１０を導電性材料としているが、トップゲート型とする場合には絶縁性材料を用いてもよい。
（半導体層１２について）
半導体層１２は、グラフェンからなり、第１絶縁膜１１上に接して位置している。ここでグラフェンは、単層のものだけでなく数層のものも含み、たとえば１〜９層のものである。半導体層１２は、トランジスタのチャネルとして動作する層である。半導体層１２は、吸収層１４の平面パターンと重ならず、かつ吸収層１４の周の少なくとも一部の近傍に位置するパターンに形成されている。そのパターンの詳細については後述する。
半導体層１２には、グラフェン層以外の層状物質の半導体を用いることもできる。ここで層状物質は、強い結合によって二次元的に結合したシート状の構造を単位として、そのシート状構造が弱い接合によって積層した層状構造を有し、積層数が単層から数層程度（たとえば１〜９層）の積層のものを示すとする。
たとえば、遷移金属ダイカルコゲナイドを用いることができる。遷移金属ダイカルコゲナイドは、化学式ＭＸ2 で表される層状物質である。ここでＭは、遷移金属であり、たとえば、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｒｅ、Ｓｎ、などである。また、Ｘは、Ｓ、Ｓｅ、またはＴｅである。具体的には、ＭｏＳ2 、ＷＳ2 、ＷＳｅ2 、ＭｏＳｅ2 、ＨｆＳ2 、ＳｎＳ2 などを用いることができる。
また、たとえば、１３族カルコゲナイドや１４族カルコゲナイドを用いることができる。１３族カルコゲナイドは、１３族元素と１６族元素の化合物であり、１４族カルコゲナイドは、１４族元素と１６族元素の化合物である。具体的には、ＧａＳ、ＧａＳｅ、ＩｎＳｅ、ＧｅＳｅ、ＳｎＳｅ2 などを用いることができる。
また、たとえば、フォスフォレン、シリセン、ゲルマネンなどの単一元素からなる層状物質を用いることができる。
（第２絶縁膜１３について）
第２絶縁膜１３は、半導体層１２上に接して設けられている。第２絶縁膜１３は、ＳｉＯ2 からなる。第２絶縁膜１３は、半導体層１２と吸収層１４とを離間させ、吸収層１４から半導体層１２へ電流がリークしないようにするために設けるものである。
第２絶縁膜１３の厚さは、吸収層１４から半導体層１２へトンネル効果により電流がリークしない厚さに設定されていればよい。電流リークがあると、検出精度に影響を及ぼしてしまうからである。なお、完全に電流リークが生じない厚さである必要はなく、遠赤外線の検出精度に影響のない範囲で多少の電流リークが生じることは許容される。
たとえば、第２絶縁膜１３の厚さは、２ｎｍ以上とすることが望ましい。２ｎｍ未満の厚さでは電流リークを十分に抑制できない。また、第２絶縁膜１３の厚さは、１００ｎｍ以下とすることが望ましい。吸収層１４と半導体層１２の距離が離れると、吸収層１４で発生した電界の半導体層１２での電界強度が弱くなり、遠赤外線の検出精度が十分に向上しないためである。また、第２絶縁膜１３が厚くなると製造に時間やコストがかかり、電磁波検出器も大型となってしまうためである。より望ましい第２絶縁膜１３の厚さは、２〜５０ｎｍ、さらに望ましくは５〜２０ｎｍである。
また、第２絶縁膜１３の材料はＳｉＯ2 に限らず、第１絶縁膜１１とは異なる材料であってもよい。たとえば、Ａｌ2 Ｏ3 、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＴｉＯ2 、ＨｆＯ2 ＺｒＯ2 、Ｔａ2 Ｏ5 などを用いることができる。第２絶縁膜１３は複数の材料の積層であってもよい。装置の小型化を図りつつ電流リークを効果的に防止するために、第２絶縁膜１３は高誘電率材料が望ましい。たとえば、比誘電率が４以上の材料が望ましい。
（吸収層１４について）
吸収層１４は、第２絶縁膜１３上の一部領域に設けられている。吸収層１４は、厚さ５ｎｍのＣｒ、厚さ３０ｎｍのＡｕを順に積層した構造である。Ａｕ層は、表面プラズモン共鳴により所望の波長の遠赤外線を吸収し、吸収層１４の周囲に電界を発生させるための層である。Ｃｒ層は、第２絶縁膜１３とＡｕ層との密着性を高めるための層である。吸収層１４の平面パターンは、所望の波長を効率的に吸収可能なパターンに形成されている。そのパターンの詳細については後述する。
吸収層１４の厚さは、３０ｎｍに限らず、所望の波長の遠赤外線を十分に吸収できる厚さであれば任意である。たとえば１０〜１０００ｎｍの範囲とすれば十分である。
吸収層１４の材料はＡｕに限らず、遠赤外線を吸収して電界を生じさせるような材料であれば任意の材料を用いることができ、絶縁体、金属、半導体のいずれでもよいし、無機材料であっても有機材料であってもよい。複数材料の積層であってもよい。また、遠赤外線の吸収は、材料の格子欠陥や不純物による吸収でもよい。また、電界の発生要因は、表面プラズモン共鳴によるもの、電子と正孔対の生成による電荷の局在に起因するもの、分極によるもの、など任意の要因であってよい。
たとえば、表面プラズモン共鳴を生ずる材料である。そのような材料であれば、金属、半導体、絶縁体のいずれであってもよい。そのような材料の一例は、実施例１のＡｕの他、Ａｇ、Ｃｕなどの金属、ＰｂＴｉＯ3 、ＢａＴｉＯ3 などの強誘電体、遷移金属ダイカルコゲナイド、である。遷移金属ダイカルコゲナイドについては、半導体層１２の説明で挙げた材料を用いることができる。
また、たとえば、電磁波の吸収によって電子−正孔対を生成し、その電子と正孔の局在によって電界が発生する材料である。たとえば、Ｇｅ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＧａＡｓなどの半導体、有機色素、フタロシアニン系材料などの有機半導体、ＢａＴｉＯ3 などの強誘電体、ＰｂＴｉＯ3 などの焦電体である。また、ｐｎ接合構造やｐｉｎ接合構造としてもよい。電子と正孔の局在がより顕著となり、より強い電界が発生することで電磁波検出器の遠赤外線検出精度の向上を図ることができる。
なお、実施例１では、半導体層１２と吸収層１４の位置関係は、遠赤外線の入射側（基板１０表面側）から順に、吸収層１４、半導体層１２の順であるが、逆に半導体層１２、吸収層１４の順の構造であってもよい。一例として、図２に、実施例１において第２絶縁膜１３上の吸収層１４を第１絶縁膜１１中に埋め込む構成（吸収層１４Ａとする）に替え、第２絶縁膜１３は省略した構成を示す。図２のような構成であっても、半導体層１２を透過した遠赤外線を吸収層１４Ａによって吸収させることができるため、実施例１の電磁波検出器と同様に動作させることができる。
また、実施例１では、吸収層１４は１層のみであるが、２層以上設けてもよい。これにより、複数の波長を検出可能としたりすることができる。一例として、図３に、実施例１において第１絶縁膜１１中に吸収層１４Ａをさらに加えた構成を示す。図３の電磁波検出器において、吸収層１４の材料、平面パターンと、吸収層１４Ａの材料、平面パターンとを変えることで、吸収層１４の吸収波長と、吸収層１４Ａの吸収波長を変えてもよい。たとえば、波長５μｍの遠赤外線と波長１０μｍの遠赤外線の両方を検出可能な電磁波検出器を実現することができる。
（第３絶縁膜１８について）
第３絶縁膜１８は、吸収層１４を覆うようにして形成されている。第３絶縁膜１８の厚さは、たとえば５〜２０ｎｍである。吸収層１４は第２絶縁膜１３と第３絶縁膜１８によって内部に封止された状態となっている。このように絶縁膜で吸収層１４を封止することで、吸収層１４を物理的、化学的に保護している。第３絶縁膜１８はＳｉＯ2 からなる。ＳｉＯ2 以外にも、吸収層１４を物理的、化学的に保護可能な任意の材料を用いることができる。
（電極構造について）
第２絶縁膜１３および第３絶縁膜１８の一部領域にコンタクトホールが設けられ、その底面に半導体層１２が露出している。その露出する半導体層１２上に接してソース電極１６およびドレイン電極１７が設けられている。ソース電極１６とドレイン電極１７は所定距離離間して設けられている。ゲート電極１５は、基板１０の裏面に接して設けられている。ソース電極１６、ドレイン電極１７、およびゲート電極１５は、Ｔｉ／Ａｕからなる。
なお、実施例１では、ゲート電極１５が第１絶縁膜１１を介して半導体層１２に接続する絶縁ゲート構造のＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ）を構成しているが、ゲート電極１５の材料としてグラフェンにショットキー接続する材料を用い、ゲート電極１５と半導体層１２とを直接接続してショットキーゲート構造のＦＥＴ（ＭＥＳＦＥＴ）としてもよい。たとえば、基板１０をグラフェンにショットキー接続する材料とし、ゲート電極１５を兼ねる構造としてもよい。
また、実施例１では、ゲート電極１５を１つ設けているが、複数設けてもよい。複数のゲート電極１５を設けることで、半導体層１２に対する電圧の印加位置を制御することができ、ＦＥＴの動作を両極性から半極性としたり、半導体層１２のディラックポイントのシフト量制御をより容易とすることができ、電磁波の検出精度の向上を図ることができる。また、実施例１では、基板１０裏面側にゲート電極１５を設けたバックゲート型の構造としているが、基板１０表面側にゲート電極１５を設けたトップゲート型の構造としてもよいし、表面側と裏面側の両方に設けたデュアルゲート型の構造としてもよい。
ゲート電極１５を複数設ける場合の具体例を以下にいくつか例示する。図４の電磁波検出器は、実施例１において、第３絶縁膜１８上にグラフェンからなるゲート電極１５Ａをさらに加えた構成である。この場合、第３絶縁膜１８はゲート絶縁膜としての機能を兼ねる。
また、図５の電磁波検出器は、ゲート電極１５に替えて、ゲート電極２５、２６を加えた構成であり、実施例１において基板１０に替えて、遠赤外線を透過する高抵抗のｎ−Ｓｉからなる基板２０を用いている。基板２０上には、グラフェンからなるゲート電極２５、第１絶縁膜１１、半導体層１２が順に積層され、半導体層１２上には、実施例１と同様に第２絶縁膜１３、吸収層１４、ソース電極１６、ドレイン電極１７、第３絶縁膜１８が設けられている。また、第３絶縁膜１８上にＴｉ／Ａｕからなるゲート電極２６が設けられている。基板２０裏面には、ゲート電極２５を底面に露出させるコンタクトホールが設けられ、コンタクトホールを埋めてゲート電極２５と接続するコンタクト電極２７が設けられている。この図５の電磁波検出器では、基板２０裏面側から基板２０を透過して入射する遠赤外線を検出する。
また、ゲート電極１５を吸収層１４と同一面上に設けてもよい。一例を図６に示す。図６の電磁波検出器は、高抵抗の基板２０上に半導体層１２、第２絶縁膜１３を順に形成し、第２絶縁膜１３上に吸収層１４とゲート電極１５を離間して形成し、さらに第２絶縁膜１３にコンタクトホールを設けて半導体層１２と接続するソース電極１６、ドレイン電極１７を形成した構成である。このように吸収層１４とゲート電極１５を同一面上に設けると、素子構造を簡略化して絶縁膜の形成回数を削減でき、製造コストの低減を図ることができる。また、吸収層１４と半導体層１２とを隔てて電流リークを抑制するための第２絶縁膜１３が、ゲート絶縁膜としての機能を兼ねるようにすることができる。
また、実施例１では吸収層１４と半導体層１２は異なる面上に位置しているが、吸収層１４から半導体層１２に電流リークが生じないように絶縁膜によって離間して設けられていれば、吸収層１４と半導体層１２との位置関係は任意でよい。吸収層１４と半導体層１２を同一面上に設けてもよい。絶縁膜を形成する領域を削減でき、製造工程の簡略化、コスト低減を図ることができる。なお、吸収層１４と半導体層１２を同一面上に形成する場合、必然的に吸収層１４の平面パターンと半導体層１２の平面パターンは重ならない。
吸収層１４と半導体層１２を同一面上に形成する場合の具体例を以下にいくつか例示する。図７は、変形例の電磁波検出器の構成を示し、図７（ａ）は断面図、図７（ｂ）は平面図である。図７のように、基板１０上に第１絶縁膜１１が設けられ、第１絶縁膜１１上に正方形のパターンの吸収層１４を設けられ、同じく第１絶縁膜１１上に半導体層１２が設けられている。半導体層１２は正方形の窓が空けられ、その窓内に半導体層１２から一定距離離間して吸収層１４が位置している。そして吸収層１４と半導体層１２を覆うようにして第３絶縁膜１８が設けられ、吸収層１４と半導体層１２との隙間にも第３絶縁膜１８が位置する。ゲート電極１５、ソース電極１６、ドレイン電極１７については実施例１と同様にして設けられている。
図８は、図７の電磁波検出器において、図４と同様にして第３絶縁膜１８上にもゲート電極１５Ａを設けてゲート電極を２つ有した構成としたものである。
図９は、図７の電磁波検出器において、図５と同様にして２つのゲート電極２５、２６を設けた構成としたものである。
これら図７〜９の電磁波検出器では、実施例１の電磁波検出器に比べて第２絶縁膜１３を設ける必要がないため、製造工程をより削減でき、低コスト化を図ることができる。
（実施例１の電磁波検出器の製造方法）
次に、実施例１の電磁波検出器の製造方法について、図１０を参照に説明する。
まず、銅箔上に、ＣＶＤ法を用いて半導体層１２を形成する。炭素源にはメタン、エタンなどの炭素含有ガスを用いる。温度はたとえば１０００℃以上とし、圧力はたとえば５００Ｐａ以下とする。
次に、表面、裏面に５００ｎｍの熱酸化膜（第１絶縁膜１１）が形成されたｎ−Ｓｉからなる低抵抗な基板１０を用意する。この基板１０表面に、銅箔上の半導体層１２を張り合わせる。そして、銅箔をウェットエッチングによって除去する。このようにして、半導体層１２を基板１０表面の第１絶縁膜１１上に転写する（図１０（ａ）参照）。
なお、半導体層１２の形成方法はＣＶＤ法に限らず、テープ剥離法などの任意の方法を用いてもよい。
次に、フォトリソグラフィ、ドライエッチングにより、第１絶縁膜１１上に所定のパターンの半導体層１２を形成する（図１０（ｂ）参照）。
次に、半導体層１２上に、ＣＶＤ法によって厚さ２０ｎｍの第２絶縁膜１３を形成し、第２絶縁膜１３上に所定のパターンの吸収層１４を形成する（図１０（ｃ）参照）。吸収層１４は、Ｃｒ／Ａｕであり、Ｃｒ層は５ｎｍ、Ａｕ層は３０ｎｍとする。吸収層１４は、スパッタ法や蒸着法などによって形成する。吸収層１４のパターニングは、フォトリソグラフィとドライエッチングを用いる。あるいはリフトオフ法によってパターニングしてもよい。
次に、吸収層１４を覆うようにしてＣＶＤ法により第３絶縁膜１８を形成する。そして、第２絶縁膜１３、第３絶縁膜１８の一部領域をドライエッチングしてコンタクトホールを形成し、コンタクトホール底面に半導体層１２を露出させる。そして、露出させた半導体層１２上に、フォトリソグラフィ、蒸着、リフトオフにより、ソース電極１６、ドレイン電極１７を形成する（図１０（ｄ）参照）。次に、基板１０裏面の熱酸化膜を除去し、ゲート電極１５を形成する。以上によって図１に示す実施例１の電磁波検出器を作製する。
（電磁波検出器の動作について）
次に、実施例１の電磁波検出器の動作について説明する。
まず、ゲート電極１５に所定の電圧を印加し、ドレイン電圧の変化に対してドレイン電流が大きく変化する領域となるように設定しておく。グラフェンからなる半導体層１２をチャネルとするトランジスタは、両極性を示し、図１１のように、ゲート電圧−ドレイン電流特性の曲線は線対称に現れる。そこで、曲線の傾きの大きな領域Ａや領域Ｂとなるようにゲート電圧を印加する。
このようにゲート電圧を印加した状態で、実施例１の電磁波検出器の基板１０表面側から遠赤外線が入射すると、遠赤外線は吸収層１４に吸収される。すると、吸収層１４中の電子の分布に偏りが生じ、吸収層１４の周囲に電界が生じる。
吸収層１４の遠赤外線吸収によって生じた電界に半導体層１２が晒され、電圧が印加されると、半導体層１２を構成するグラフェンのディラックポイントがシフトする。半導体層１２は、後述のような平面パターンであるため、吸収層１４の遠赤外線吸収により発生する電界のうち、電界強度の強い領域に半導体層１２を効率的に晒すことができる。その結果、半導体層１２のディラックポイントを効率的にシフトさせることができる。ディラックポイントのシフトにより、半導体層１２をチャネルとするトランジスタの電気的特性（ゲート電圧−ドレイン電流の特性）も変化し、図１２のようにその曲線がシフトする。
ここで、あらかじめゲート電圧の印加によって、ゲート電圧の変動によって大きくドレイン電流が変化する領域（図１１中の領域Ａや領域Ｂ）に設定されている。そのため、グラフェンをチャネルとするトランジスタの電気的特性の変化によって、ドレイン電流も大きく変化する（図１２参照）。このドレイン電流の変化により、遠赤外線を検出することができる。また、ドレイン電流の変化量から遠赤外線の強度を測定することができる。
実施例１の電磁波検出器では、遠赤外線を吸収させる機能と、その吸収を電流の変化として検出するトランジスタの機能とを分離させている。また、半導体層１２は、遠赤外線の吸収によって発生する電界の強い領域に配置され、弱い領域には配置されていない。そのため、実施例１の電磁波検出器はノイズや暗電流に強く、高感度に遠赤外線を検出することができ、たとえば比検出能（Ｄ＊）を向上させることができる。
（吸収層１４および半導体層１２のパターン）
上述のように、吸収層１４、半導体層１２の平面パターンは、効率的に遠赤外線を検出できるように設定されている。その平面パターンについて、図を参照に詳しく説明する。
まず、吸収層１４の平面パターンについて説明する。吸収層１４は、図１３に示すように、ボウタイ型の形状を単位構造として、その単位構造が正方格子状に配列されたパターンである。ボウタイ型の形状は、２つの二等辺三角形の頂角が一部重なるように対向させた形状である。また、ボウタイ型の２つの底辺１４ａは、検出したい偏光方向に対して垂直となるように配置する。これにより、その偏光方向の遠赤外線を高効率に検出することができる。
図１４は、吸収層１４の透過スペクトルをシミュレーションにより算出した結果を示したグラフである。吸収層１４のボウタイ型の形状は、２つの二等辺三角形の底辺１４ａの長さを２３４０ｎｍ、頂角の重なり幅を８０ｎｍ、２つの底辺１４ａの間隔を２３４０ｎｍとし、そのボウタイ型の形状を周期２５９０ｎｍで正方格子状に無限に配列した平面パターンとした。また、遠赤外線は吸収層１４の厚さ方向に入射し、偏光方向は、ボウタイ型の底辺１４ａに直交する方向とした。このような平面パターンの吸収層１４は、図１４のように、波長１０μｍの遠赤外線の透過率はおよそ０．０２であり、波長１０μｍの遠赤外線を効率的に吸収できることがわかる。
なお、吸収層１４の単位構造は、実施例１ではボウタイ型の構造としているが、任意のパターンでよい。ただし、効率的に遠赤外線を吸収するために、２回対称以上の対称性を有するパターンとするのがよい。たとえば、正三角形、正方形、長方形、正六角形、円、楕円、十字型などのパターンとしてもよい。特に、４回対称以上とすれば、無偏光であっても効率的に検出することができる。
吸収層１４の単位構造の他の例として、図１５に、吸収層１４の単位構造を正方形とした場合の平面パターンを示す。また、図１６は、この平面パターンにおける吸収層１４の透過スペクトルをシミュレーションにより算出した結果を示したグラフである。正方形の一辺の長さは２μｍとし、その正方形を周期５μｍで正方格子状に無限に配列した平面パターンとした。また、吸収層１４の厚さは１００ｎｍとした。図１６のように、波長５μｍの遠赤外線の透過率はおよそ０．０７であり、波長５μｍの遠赤外線を効率的に吸収できることがわかる。
また、実施例１では、吸収層１４を単位構造が正方格子状に配列されたパターンとしているが、所望の吸収波長、吸収帯域幅などに応じて配列パターンや配列数を設定してよく、正方格子以外にも、三角格子、蜂の巣格子などの周期的パターンであってもよい。ただし、吸収層１４全体として２回対称以上の対称性となるように配置することが望ましい。吸収層１４によって効率的に遠赤外線を吸収させることができる。また、複数の単位構造を配列したパターンではなく、単位構造を１つ有するのみであってもよい。
次に、吸収層１４の単位構造がボウタイ型形状の場合における半導体層１２の平面パターンについて説明する。半導体層１２は、図１３に示すように、ストライプ状に形成されている。吸収層１４のボウタイ型形状における底辺１４ａに垂直な方向をｘ軸方向、底辺１４ａに沿う方向をｙ軸方向とすると、そのストライプの方向は、ｙ軸方向である。また、隣接するボウタイ型形状の一方の底辺１４ａと他方の底辺１４ａとの隙間の位置に設けられており、吸収層１４と半導体層１２とは平面視で重ならないように設定されている。また、ストライプの幅は、隣接するボウタイ型形状の一方の底辺１４ａと他方の底辺１４ａとの間隔に等しい。
図１７は、ｘ軸方向に偏光した波長１０μｍの遠赤外線の吸収層１４による吸収で発生する電界の強度分布をシミュレーションにより求めた結果を示した図である。吸収層１４直下のｘｙ平面での電界強度分布である。吸収層１４がボウタイ型形状である場合、図１７のように、電界強度分布は、吸収層１４と平面視が重なる領域では非常に弱くなる。一方、ボウタイ型形状の底辺１４ａ近傍の領域では負の強い電界強度を示す。
そこで、半導体層１２を図１３に示すストライプ状とすることで、遠赤外線の吸収により発生する電界の強い領域（ボウタイ型形状の底辺１４ａ近傍の領域）に半導体層１２を配置し、電界の弱い領域（吸収層１４と重なる領域）には半導体層１２を配置しないようにしている。このように半導体層１２を配置することで、半導体層１２を構成するグラフェンのディラックポイントを効率的にシフトさせることができ、高感度に遠赤外線を検出することができる。
次に、吸収層１４の単位構造が正方形の場合における半導体層１２の平面パターンについて説明する。半導体層１２は、図１５のように、ストライプ状に形成されている。吸収層１４の正方形の辺のうち、ある一辺に沿う方向をｘ軸方向、これに垂直な方向をｙ軸方向として、ストライプの方向はｙ軸方向である。また、正方形と正方形の間の領域に設けられており、吸収層１４と半導体層１２とは平面視が重ならないように設定されている。また、ストライプの幅は、正方形と正方形の間隔に等しい。
図１８は、ｘ軸方向に偏光した波長５μｍの遠赤外線の吸収層１４による吸収で発生する電界の強度分布をシミュレーションにより求めた結果を示した図である。吸収層１４直下のｘｙ平面における電界強度分布である。図１８のように、電界強度分布は吸収層１４と重なる領域で非常に弱くなる。一方、正方形の辺のうちｘ軸方向に直交する辺の近傍の領域では負の強い電界強度を示し、他の辺の近傍の領域では弱い電界強度を示す。
そこで、半導体層１２を図１５に示すストライプ状とすることで、遠赤外線の吸収により発生する電界の強い領域（正方形の辺のうちｘ軸方向に直交する辺の近傍の領域）に半導体層１２を配置し、電界の弱い領域（吸収層１４と重なる領域）には半導体層１２を配置しないようにしている。このように半導体層１２を配置することで、半導体層１２を構成するグラフェンのディラックポイントを効率的にシフトさせることができ、高感度に遠赤外線を検出することができる。
以上はｘ軸方向の偏光の遠赤外線を検出する場合の半導体層１２の平面パターンについて述べたが、無偏光の遠赤外線を検出する場合の半導体層１２の平面パターンについて説明する。
まず、吸収層１４の単位構造がボウタイ型形状の場合を考える。ボウタイ型形状を単位構造とする吸収層１４に、無偏光の遠赤外線が入射した場合、ｙ軸方向の偏光に対しては、図１９のように、波長１０μｍの遠赤外線をあまり吸収することはできないが、ｘ軸方向の偏光に対しては、図１４のように波長１０μｍの遠赤外線を効率的に吸収できる。
図２０は、無偏光の遠赤外線を吸収した場合に発生する電界の強度分布を示したグラフである。この図２０のように、無偏光の遠赤外線の場合でも、ボウタイ型形状の底辺１４ａ近傍の領域では負の強い電界強度を示し、吸収層１４と重なる領域では電界強度が非常に弱くなる。
したがって、図１３と同様に半導体層１２の平面パターンをストライプ状のパターンとすれば、無偏光の場合においても高感度に遠赤外線を検出することができる。
次に、吸収層１４の単位構造が正方形の場合を考える。正方形を単位構造とする吸収層１４では、その形状の対称性から、ｘ軸方向の偏光もｙ軸方向の偏光も同じ透過スペクトル（図１６参照）となり、無偏光であっても効率的に波長５μｍの遠赤外線を吸収できる。
また、図２１は、吸収層１４の単位構造を正方形とした場合において、無偏光の遠赤外線が入射したときの電界強度分布を示した図である。図２１のように、吸収層１４と重なる領域は電界強度が弱く、一方で正方形の各辺の近傍の領域では負の強い電界強度を示す。ｘ軸方向に偏光した遠赤外線が入射した場合には、ｘ軸方向に直交する辺の近傍のみが負の強い電界強度を示したが、無偏光の場合には、全ての辺の近傍で負の強い電界強度を示している。
したがって、吸収層１４の単位構造が正方形の場合には、図１５と同様のストライプ状でも高感度に無偏光の遠赤外線を検出することはできるが、格子状とすることでさらに高感度に無偏光の遠赤外線を検出することができる。図２２は、半導体層１２を格子状とした場合の平面パターンを示す。図２２のように、半導体層１２の平面パターンは、吸収層１４の正方形と正方形の間の領域にｘ軸方向に伸びるストライプと、同じく正方形と正方形の間の領域にｙ軸方向に伸びるストライプとが直交して交差する格子状のパターンである。このような格子状のパターンとすることで、遠赤外線の吸収により発生する電界の強い領域（正方形の各辺の近傍の領域）に半導体層１２を配置し、電界の弱い領域（吸収層１４と重なる領域）には半導体層１２を配置しないようにしている。
以上の検討から、半導体層１２の平面パターンは、吸収層１４の平面パターンと重なる領域には設けないようにし、吸収層１４の周の少なくとも一部の近傍に位置するようなパターンとすれば、遠赤外線の吸収により発生する電界のうち、電界強度の強い領域に半導体層１２を晒すことができ、効率的に遠赤外線を検出できることがわかる。特に、吸収層１４の単位構造の周の形状を、ある１組の平行な対辺とそれに直交する１組の対辺とを有した形状（たとえば正方形、長方形、八角形など）とし、半導体層１２の平面パターンを、それらの辺に沿った格子状のパターンとすれば、無偏光の遠赤外線について高感度に検出することができる。
なお、吸収層１４と半導体層１２のパターンが完全に重ならないようにする必要はなく、多少の重なりはあってもよい。ただし、平面視において吸収層１４と半導体層１２との重なりの幅は２００ｎｍ以下とすることが望ましい。より望ましくは１００ｎｍ以下、さらに望ましくは２０ｎｍ以下である。最も望ましいのは重ならないようにすることである。また、吸収層１４と半導体層１２とのパターンに間隔が開きすぎると、遠赤外線の吸収により吸収層１４で電界が発生したときに半導体層１２に係る電圧が弱くなり、遠赤外線の検出感度が悪くなる。そのため、平面視において吸収層１４と半導体層１２との間隔は１００ｎｍ以下とすることが望ましい。より望ましくは５０ｎｍ以下、さらに望ましくは２０ｎｍ以下である。
また、実施例１の電磁波検出器は、遠赤外線の検出に用いるものであったが、本発明の電磁波検出器は、任意の波長の電磁波の検出に用いることができる。たとえば、紫外線、可視光、赤外線、テラヘルツ波の検出に用いることができる。特に、赤外線（とりわけ中赤外線や遠赤外線）の検出に有効である。中赤外から遠赤外領域を高感度に検出できる検出器が従来存在していなかったためである。
本発明の電磁波検出器は、各種波長の電磁波の検出に用いることができる。
１０：基板
１１：第１絶縁膜
１２：半導体層
１３：第２絶縁膜
１４：吸収層
１５：ゲート電極
１６：ソース電極
１７：ドレイン電極
１８：第３絶縁膜

Claims (12)

  1. 電磁波を検出する電磁波検出器において、
    層状物質の半導体からなる半導体層、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を備えたトランジスタ構造と、
    前記半導体層から離間して設けられ、電磁波を吸収して電界を生じさせる吸収層と、
    前記半導体層と前記吸収層との間に設けられ、前記吸収層から前記半導体層へとトンネル電流が生じない厚さに設定された絶縁膜と、
    を有し、
    前記半導体層の平面パターンは、前記吸収層の平面パターンと重ならず、かつ前記吸収層の周の少なくとも一部の近傍に位置するパターンに設定されている、
    ことを特徴とする電磁波検出器。
  2. 前記吸収層の平面パターンは、２回対称以上の対称性を有したパターンである、
    ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
  3. 前記吸収層の平面パターンは、２つの二等辺三角形を頂角で重ねたボウタイ型の単位構造が正方格子状に配列された周期的パターンであり、
    前記半導体層の平面パターンは、ボウタイ型の二等辺三角形の底辺に沿ったストライプ状である、
    であることを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
  4. 前記吸収層の平面パターンは、正方形の単位構造が正方格子状に配列された周期的パターンであり、
    前記半導体層の平面パターンは、前記吸収層の正方形の一辺に沿ったストライプ状のパターンである、
    であることを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
  5. 前記吸収層の平面パターンは、正方形の単位構造が正方格子状に配列された周期的パターンであり、
    前記半導体層の平面パターンは、前記吸収層の各辺に沿った格子状のパターンである、
    であることを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
  6. 前記吸収層と前記半導体層は、同一面上に形成されている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  7. 前記吸収層と前記ゲート電極は、同一面上に形成されている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  8. 前記トランジスタ構造は、２以上のゲート電極を備える、ことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  9. 前記半導体層は、グラフェンからなる、ことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  10. 前記半導体層は、遷移金属ダイカルコゲナイドからなる、ことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  11. 前記吸収層は、表面プラズモン共鳴により電磁波を吸収する材料からなる、ことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  12. 前記吸収層は、電磁波の吸収により電子−正孔対が生成される材料からなる、ことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
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