JP2023006033A - Infrared sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、赤外線センサに関する。 The present disclosure relates to infrared sensors.
物質はその温度に応じた熱輻射光を放出している。室温程度の物質による熱輻射光の波長は赤外線の波長帯で最も強度が大きい。このため、熱輻射を検出する赤外線センサは夜間の暗視やサーモグラフィなどに広く用いられている。 Materials emit thermal radiation according to their temperature. The wavelength of thermal radiation from a substance at about room temperature has the highest intensity in the infrared wavelength band. For this reason, infrared sensors that detect thermal radiation are widely used for night vision, thermography, and the like.
近年、グラフェンを用いた赤外線検出の方式が提案されている。グラフェンは炭素原子が2次元ハニカム状に配列された2次元材料である。グラフェンは特徴的なエネルギバンド構造を有するため、紫外域からテラヘルツ帯に及ぶ広い波長範囲の光を吸収可能である。 In recent years, a method of infrared detection using graphene has been proposed. Graphene is a two-dimensional material in which carbon atoms are arranged in a two-dimensional honeycomb. Since graphene has a characteristic energy band structure, it can absorb light in a wide wavelength range from the ultraviolet region to the terahertz band.
グラフェンを用いた赤外線センサの一例として、グラフェンの光熱電効果を用いた検出方式が提案されている。光熱電効果は、光吸収に伴う加熱により生じる熱電効果である。この検出方式では、赤外線センサを構成するグラフェンに光が入射すると、グラフェン中の電子が光を吸収してエネルギを得る。光吸収により電子が得たエネルギは、電子間の散乱によって他の電子によって共有されて熱化する。電子間でエネルギが熱化する時間と、格子原子とのエネルギ共有にかかる時間とに差があり、電子間での熱化の方が速いため、光吸収後には電子温度が格子温度より高い状況が実現する。グラフェンの端部に接続された金属電極においては、電子温度は格子温度と同程度であるため、熱拡散によってグラフェン内で電子温度分布が形成される。 As an example of an infrared sensor using graphene, a detection method using the photothermoelectric effect of graphene has been proposed. The photothermoelectric effect is a thermoelectric effect caused by heating accompanying light absorption. In this detection method, when light enters the graphene constituting the infrared sensor, electrons in the graphene absorb the light and obtain energy. The energy obtained by electrons through light absorption is shared by other electrons due to inter-electron scattering and thermalized. There is a difference between the time it takes for energy to be thermalized between electrons and the time it takes for energy sharing with lattice atoms, and the thermalization between electrons is faster, so the electron temperature is higher than the lattice temperature after light absorption is realized. At the metal electrode connected to the edge of graphene, the electron temperature is similar to the lattice temperature, so thermal diffusion forms an electron temperature distribution in the graphene.
また、面内で異なるゲート電圧の印加によって、グラフェン内でポテンシャル分布を形成することができる。ゼーベック係数はグラフェンのポテンシャルに応じて変化するため、グラフェン層内のポテンシャル分布によってゼーベック係数分布が形成される。電子温度分布とゼーベック係数分布が同時に存在する場合、ゼーベック効果により起電力が形成される。 In addition, a potential distribution can be formed in the graphene by applying different gate voltages in the plane. Since the Seebeck coefficient varies with the potential of graphene, the potential distribution within the graphene layer forms the Seebeck coefficient distribution. When the electron temperature distribution and the Seebeck coefficient distribution exist simultaneously, an electromotive force is formed by the Seebeck effect.
グラフェンにおける光吸収効率は典型的には数パーセント程度であり、光センサに用いられる一般的な材料と比較して小さい。近年、プラズモン共鳴を利用することによってグラフェンの光吸収効率を向上させる方法が提案されている。 The light absorption efficiency in graphene is typically on the order of a few percent, which is small compared to common materials used for optical sensors. In recent years, a method for improving the light absorption efficiency of graphene by using plasmon resonance has been proposed.
しかしながら、良好な熱電変換効率を得ようとグラフェンのポテンシャル分布を制御すると、プラズモン共鳴の効果が低下してしまう。逆に、プラズモン共鳴の効果を高めようとすると、熱電変換効率が低下してしまう。つまり、従来の赤外線センサでは、プラズモン共鳴により高い光吸収効率を得ながら、良好な熱電変換効率を得ることができない。 However, if the potential distribution of graphene is controlled to obtain good thermoelectric conversion efficiency, the effect of plasmon resonance is reduced. Conversely, if an attempt is made to enhance the effect of plasmon resonance, the thermoelectric conversion efficiency will decrease. In other words, the conventional infrared sensor cannot obtain good thermoelectric conversion efficiency while obtaining high light absorption efficiency due to plasmon resonance.
本開示の目的は、高い光吸収効率と高い熱電変換効率とを両立することができる赤外線センサを提供することにある。 An object of the present disclosure is to provide an infrared sensor capable of achieving both high light absorption efficiency and high thermoelectric conversion efficiency.
本開示の一形態によれば、プラズモン共鳴を利用して赤外線を吸収する第1グラフェン層と、前記第1グラフェン層に連なる連結部を有する第2グラフェン層と、前記連結部を間に挟んで前記第2グラフェン層に接続された第1電極及び第2電極と、前記第2グラフェン層のフェルミエネルギの分布を、前記第1電極と前記第2電極との間で非対象に制御する制御電極と、を有する赤外線センサが提供される。 According to one aspect of the present disclosure, a first graphene layer that absorbs infrared rays using plasmon resonance, a second graphene layer having a connecting portion connected to the first graphene layer, and the connecting portion sandwiched therebetween a first electrode and a second electrode connected to the second graphene layer; and a control electrode for asymmetrically controlling Fermi energy distribution of the second graphene layer between the first electrode and the second electrode. and an infrared sensor.
本開示によれば、高い光吸収効率と高い熱電変換効率とを両立することができる。 According to the present disclosure, both high light absorption efficiency and high thermoelectric conversion efficiency can be achieved.
以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。本明細書及び図面において、X1-X2方向、Y1-Y2方向、Z1-Z2方向を相互に直交する方向とする。X1-X2方向及びY1-Y2方向を含む面をXY面とし、Y1-Y2方向及びZ1-Z2方向を含む面をYZ面とし、Z1-Z2方向及びX1-X2方向を含む面をZX面とする。便宜上、Z1方向を上方向、Z2方向を下方向とする。また、本開示において平面視とは、Z1側から対象物を視ることをいう。 Embodiments of the present disclosure will be specifically described below with reference to the accompanying drawings. In the present specification and drawings, constituent elements having substantially the same functional configuration may be denoted by the same reference numerals, thereby omitting redundant description. In this specification and drawings, the X1-X2 direction, the Y1-Y2 direction, and the Z1-Z2 direction are mutually orthogonal directions. A plane including the X1-X2 direction and the Y1-Y2 direction is the XY plane, a plane including the Y1-Y2 direction and the Z1-Z2 direction is the YZ plane, and a plane including the Z1-Z2 direction and the X1-X2 direction is the ZX plane. do. For convenience, the Z1 direction is defined as the upward direction, and the Z2 direction is defined as the downward direction. In addition, in the present disclosure, planar viewing means viewing an object from the Z1 side.
(第1実施形態)
まず、第1実施形態について説明する。第1実施形態は、グラフェンを用いた赤外線センサに関する。図1は、第1実施形態に係る赤外線センサを示す平面図である。図2及び図3は、第1実施形態に係る赤外線センサを示す断面図である。図2は、図1中のII-II線に沿った断面図に相当する。図3は、図1中のIII-III線に沿った断面図に相当する。
(First embodiment)
First, the first embodiment will be described. The first embodiment relates to an infrared sensor using graphene. FIG. 1 is a plan view showing an infrared sensor according to the first embodiment. FIG. 2 and 3 are cross-sectional views showing the infrared sensor according to the first embodiment. FIG. 2 corresponds to a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. FIG. 3 corresponds to a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
第1実施形態に係る赤外線センサ1は、図1~図3に示すように、主として、基板11と、絶縁層12と、絶縁層13と、グラフェン層20と、制御電極40と、第1電極31と、第2電極32と、第5電極55とを有する。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
基板11は、Z1側の面に絶縁性を有する。基板11は、例えば、絶縁性基板であってもよく、熱酸化膜付きSi基板であってもよい。基板11の上に制御電極40が設けられている。制御電極40は、第3電極43と、第4電極44とを含む。第3電極43及び第4電極44は、互いから電気的に絶縁されている。第3電極43及び第4電極44は、X1-X2方向に平行に延びる。第4電極44は第3電極43よりもY1側に配置され、第3電極43は第4電極44よりもY2側に配置されている。第3電極43及び第4電極44を覆うようにして、絶縁層12が基板11の上に設けられている。絶縁層12は、例えば酸化シリコン層である。
The
絶縁層12の上にグラフェン層20が設けられている。グラフェン層20は、1又は互いに積層された複数のグラフェンを含む。グラフェン層20が複数のグラフェンを含む場合、複数のグラフェンがランダム(回転)積層されていることが好ましい。これは、ランダム(回転)積層により、比較的高いキャリア移動度が得られるからである。グラフェン層20は、第1グラフェン層21と、第2グラフェン層22とを含む。第1グラフェン層21及び第2グラフェン層22は、互いに連なっている。第1グラフェン層21は光吸収領域として機能し、第2グラフェン層22は熱電変換領域として機能する。
A
第2グラフェン層22は、第3電極43及び第4電極44の上方に配置され、平面視で第3電極43及び第4電極44と重なり合う。詳細は後述するが、第2グラフェン層22のフェルミエネルギが第3電極43及び第4電極44により制御される。第1グラフェン層21は第2グラフェン層22よりもX2側に配置され、第2グラフェン層22は第1グラフェン層21よりもX1側に配置されている。平面視で、第1グラフェン層21及び第2グラフェン層22は矩形状の形状を有する。第1グラフェン層21のY1-Y2方向の寸法は、第2グラフェン層22のY1-Y2方向の寸法よりも小さい。第1グラフェン層21のX1-X2方向に平行な2辺のうちY1側に位置する辺は、第2グラフェン層22のX1-X2方向に平行な2辺のうちY1側に位置する辺よりもY2側にある。第1グラフェン層21のX1-X2方向に平行な2辺のうちY2側に位置する辺は、第2グラフェン層22のX1-X2方向に平行な2辺のうちY2側に位置する辺よりもY1側にある。第2グラフェン層22は、第1グラフェン層21に連なる連結部22Aを有する。例えば、連結部22Aが平面視で第3電極43及び第4電極44と重なり合う。
The
第1グラフェン層21はプラズモン共鳴を利用して赤外線を吸収する。例えば、第1グラフェン層21には、複数の開口23が周期的に形成されている。例えば、開口23の平面形状は、直径が400nmの円形状であり、複数の開口23は600nmのピッチで正六方格子状に配置されている。一方、第2グラフェン層22には、開口23が形成されていない。第2グラフェン層22も赤外線を吸収してよいが、第2グラフェン層22において赤外線の吸収により光励起されるキャリアの密度は、第1グラフェン層21において赤外線の吸収により光励起されるキャリアの密度よりも低い。
The
グラフェン層20を覆うようにして、絶縁層13が絶縁層12の上に設けられている。絶縁層13は、例えば厚さが10nm程度の酸化アルミニウム層である。絶縁層13には、第2グラフェン層22のY2側の端部を露出する開口13Aと、Y1側の端部を露出する開口13Bとが形成されている。開口13Aの内側に第1電極31が設けられている。第1電極31は第2グラフェン層22に接触する。開口13Bの内側に第2電極32が設けられている。第2電極32は第2グラフェン層22に接触する。平面視で、第3電極43及び第4電極44は第1電極31と第2電極32との間に配置され、第3電極43は第1電極31と第4電極44との間に配置され、第4電極44は第2電極32と第3電極43との間に配置されている。第1電極31及び第2電極32は、連結部22Aを間に挟んで第2グラフェン層22に接続されている。第1電極31及び第2電極32の材料は特に限定されず、例えば、Au、Pd、Ni、Cr又はTiが用いられてもよい。第1電極31及び第2電極32が、これら金属の積層体を含んでいてもよい。例えば、第1電極31及び第2電極32が、Ti膜と、Ti膜上に形成されたAu膜との積層体を含んでいてもよく、Cr膜と、Cr膜上に形成されたAu膜との積層体を含んでいてもよい。第1電極31と第2電極32との間で材料が共通していてもよく、相違していてもよい。
An insulating
例えば、第2グラフェン層22の第1電極31と第2電極32との間の中心線Cを基準として、第3電極43は第1電極31側、すなわちY2側に配置され、第4電極44は第2電極32側、すなわちY1側に配置されている。
For example, with respect to the center line C between the
絶縁層13の上に第5電極55が設けられている。第5電極55は赤外線を透過する材料から構成されている。第5電極55は、例えば酸化インジウムスズ(ITO)膜等の透明導電膜である。第5電極55は、第1グラフェン層21の上方に配置され、平面視で第1グラフェン層21と重なり合う。詳細は後述するが、第1グラフェン層21のフェルミエネルギが第5電極55により制御される。
A
ここで、第1実施形態に係る赤外線センサ1の動作について説明する。
Here, the operation of the
第5電極55により、第1グラフェン層21のフェルミエネルギが、第1グラフェン層21においてプラズモン共鳴による光吸収が発現しやすい範囲に制御される。例えば、第1グラフェン層21のフェルミエネルギは+0.5eV~+1.0eV程度に制御される。
The
また、第3電極43及び第4電極44により、第2グラフェン層22のフェルミエネルギが、第2グラフェン層22においてゼーベック効果による起電力が大きくなりやすい範囲に制御される。図4は、グラフェンのフェルミエネルギとゼーベック係数との関係を示す図である。図4に示すように、グラフェンのゼーベック係数は、フェルミエネルギが0.05eV程度で極大となり、-0.05eV程度で極小となる。このため、例えば、第2グラフェン層22の第3電極43と重なる部分のフェルミエネルギは+0.05eV程度又は-0.05eV程度に制御され、第4電極44と重なる部分のフェルミエネルギは、逆極性の-0.05eV程度又は+0.05eV程度に制御される。
In addition, the Fermi energy of the
なお、グラフェンのゼーベック係数Sは、下記のMottの近似式(式(1))と、グラフェンの電気伝導度σについての現象論的式(式(2))によって表現できる。式(1)及び式(2)において、eは素電荷であり、kBはボルツマン定数であり、Tは絶対温度であり、εFはフェルミエネルギであり、σmin及びΔは現象論的パラメータである。 Note that the Seebeck coefficient S of graphene can be expressed by the following Mott approximation formula (formula (1)) and a phenomenological formula (formula (2)) for the electrical conductivity σ of graphene. In equations (1) and (2), e is the elementary charge, k B is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, ε F is the Fermi energy, and σ min and Δ are phenomenological parameters. is.
式(1)及び式(2)によれば、グラフェンのゼーベック係数Sの絶対値は、εF=±Δで最大値をとり、フェルミエネルギがそれより大きい領域では、フェルミエネルギに対して単調減少となる。図4に示す関係は、このようにして導き出させる。図4に示すように、典型値として現象論的パラメータΔの値を100meVとすると、プラズモン共鳴に好適な0.5eV~1.0eV程度のフェルミエネルギにおいては、グラフェンのゼーベック係数Sは最大値の1/4~1/2程度の値となる。 According to equations (1) and (2), the absolute value of the Seebeck coefficient S of graphene has a maximum value at ε F =±Δ, and monotonically decreases with respect to the Fermi energy in the region where the Fermi energy is larger than that. becomes. The relationships shown in FIG. 4 are thus derived. As shown in FIG. 4, if the value of the phenomenological parameter Δ is 100 meV as a typical value, the Seebeck coefficient S of graphene reaches the maximum value at the Fermi energy of about 0.5 eV to 1.0 eV, which is suitable for plasmon resonance. The value is about 1/4 to 1/2.
赤外線センサ1に入射した赤外線は、第5電極55を透過して第1グラフェン層21(光吸収領域)に吸収される。この時、第1グラフェン層21のフェルミエネルギがプラズモン共鳴による光吸収が発現しやすい範囲に制御されているため、高効率で第1グラフェン層21中のキャリアが加熱される。加熱されて高温となったキャリアは熱拡散によって、第1グラフェン層21に隣接する第2グラフェン層22(熱電変換領域)へと流出する。
Infrared rays incident on the
第2グラフェン層22のフェルミエネルギがゼーベック効果による起電力が大きくなりやすい範囲に制御されているため、第2グラフェン層22に流入したキャリアは更に熱拡散によって、第3電極43及び第4電極44の電圧の極性に応じて第1電極31又は第2電極32電極へと流れる。このようにして、赤外線に対する応答出力が形成される。
Since the Fermi energy of the
上記のように、プラズモン共鳴による光吸収が発現しやすいフェルミエネルギの範囲と、ゼーベック効果による起電力が大きくなりやすいフェルミエネルギの範囲とが相違している。本実施形態では、第1グラフェン層21のフェルミエネルギと、第2グラフェン層22のフェルミエネルギとを個別に制御できる。このため、光吸収領域として機能する第1グラフェン層21において高い光吸収効率を得ることができ、熱電変換領域として機能する第2グラフェン層22において高い熱電変換効率を得ることができる。従って、本実施形態によれば、高い光吸収効率と高い熱電変換効率とを両立することができる。
As described above, the Fermi energy range in which light absorption due to plasmon resonance tends to occur differs from the Fermi energy range in which the electromotive force due to the Seebeck effect tends to increase. In this embodiment, the Fermi energy of the
なお、第5電極55と第1グラフェン層21との間の距離は、制御電極40(第3電極43及び第4電極44)と第2グラフェン層22との間の距離よりも小さいことが好ましい。制御電極40から第2グラフェン層22に印加する電圧の絶対値よりも絶対値が高い電圧を第5電極55から第1グラフェン層21に印加しやすくするためである。
The distance between the
(第2実施形態)
次に、第2実施形態について説明する。図5は、第2実施形態に係る赤外線センサを示す上面図である。図6は、第2実施形態に係る赤外線センサを示す断面図である。
図6は、図5中のVI-VI線に沿った断面図に相当する。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment will be described. FIG. 5 is a top view showing an infrared sensor according to the second embodiment. FIG. 6 is a cross-sectional view showing an infrared sensor according to the second embodiment.
FIG. 6 corresponds to a cross-sectional view taken along line VI-VI in FIG.
第2実施形態に係る赤外線センサ2では、図5及び図6に示すように、絶縁層13に、第1グラフェン層21のY2側の端部を露出する開口13Cが形成されている。開口13Cの内側に第6電極56が設けられている。第6電極56は第1グラフェン層21に接触する。第6電極56の材料は、例えば、第1電極31及び第2電極32の材料と共通している。そして、第1電極31と第6電極56とが電気的に接続されている。
In the
他の構成は第1実施形態と同様である。 Other configurations are the same as those of the first embodiment.
第2実施形態に係る赤外線センサ2では、第5電極55の電圧の極性と第3電極43の電圧の極性とを同極性とし、第4電極44の電圧の極性を逆極性とする。例えば、第5電極55の電圧及び第3電極43の電圧の極性を正とし、第4電極44の電圧の極性を負とする。逆に、第5電極55の電圧及び第3電極43の電圧の極性を負とし、第4電極44の電圧の極性を正としてもよい。
In the
第5電極55の電圧及び第3電極43の電圧の極性を正とし、第4電極44の電圧の極性を負とした場合、第1グラフェン層21の導電型がn型となり、第2グラフェン層22の中心線Cよりも第1電極31側の部分の導電型がn型となり、第2電極32側の部分の導電型がp型となる。この場合、第1グラフェン層21においてキャリアとして電子が加熱され、電子の熱拡散に応じて電流が流れ、赤外線に対する応答出力が形成される。
When the polarity of the voltage of the
また、第5電極55の電圧及び第3電極43の電圧の極性を負とし、第4電極44の電圧の極性を正とした場合、第1グラフェン層21の導電型がp型となり、第2グラフェン層22の中心線Cよりも第1電極31側の部分の導電型がp型となり、第2電極32側の部分の導電型がn型となる。この場合、第1グラフェン層21においてキャリアとして正孔が加熱され、正孔の熱拡散に応じて電流が流れ、赤外線に対する応答出力が形成される。
Further, when the polarities of the voltage of the
第1実施形態では、断続的に赤外線が照射された場合には、赤外線がオンとなっている間に第1グラフェン層21から第2グラフェン層22に移動したキャリアが、オフとなっている間に第1グラフェン層21に戻ることができる。これに対し、赤外線が連続的に照射された場合には、第1グラフェン層21から第2グラフェン層22へとキャリアが移動し続けるため、第2グラフェン層22内にキャリアが蓄積し、第1グラフェン層21と第2グラフェン層22との間に、キャリアの移動を妨げる方向の電界が生じるようになる。このような電界が生じると、感度が低下するおそれがある。
In the first embodiment, when infrared rays are intermittently irradiated, carriers that have moved from the
第2実施形態では、第1グラフェン層21から第2グラフェン層22へと移動したキャリアは第1電極31及び第6電極56を通じて第1グラフェン層21へと移動する。このため、第2グラフェン層22内でのキャリアの蓄積が抑制され、赤外線が連続的に照射された場合であっても、良好な感度を維持することができる。
In the second embodiment, carriers that have moved from the
第5電極55の電圧及び第3電極43の電圧の極性を正とし、第4電極44の電圧の極性を負とした場合、グラフェン層20の外部では、図7に示すように、第6電極56から第1電極31に向けて電流I1が流れる。第5電極55の電圧及び第3電極43の電圧の極性を負とし、第4電極44の電圧の極性を正とした場合、グラフェン層20の外部では、図8に示すように、第1電極31から第6電極56に向けて電流I2が流れる。
When the polarity of the voltage of the
(第3実施形態)
次に、第3実施形態について説明する。図9は、第3実施形態に係る赤外線センサを示す上面図である。
(Third Embodiment)
Next, a third embodiment will be described. FIG. 9 is a top view showing an infrared sensor according to the third embodiment.
第3実施形態に係る赤外線センサ3では、図9に示すように、第1電極31と第6電極56との間に直流電源61が接続されている。直流電源61の正極が第1電極31に接続され、負極が第6電極56に接続されている。
In the infrared sensor 3 according to the third embodiment, a
他の構成は第2実施形態と同様である。 Other configurations are the same as those of the second embodiment.
第2実施形態に係る赤外線センサ2では、第5電極55の電圧の極性を負とする。第3電極43及び第4電極44の電圧の極性は、互いに異なっていれば、どちらが正でもよい。第5電極55の電圧の極性を正とした場合、第1グラフェン層21の導電型がn型となる。また、第3電極43の電圧の極性を正とし、第3電極43の電圧の極性を負とした場合、第2グラフェン層22の中心線Cよりも第1電極31側の部分の導電型がn型となり、第2電極32側の部分の導電型がp型となる。一方、第3電極43の電圧の極性を負とし、第3電極43の電圧の極性を正とした場合、第2グラフェン層22の中心線Cよりも第1電極31側の部分の導電型がp型となり、第2電極32側の部分の導電型がn型となる。
In the
第5電極55の電圧の極性が負であり、第3電極43及び第4電極44の電圧の極性が互いに異なっていれば、図10に示すように、グラフェン層20の外部では、直流電源61を介して第6電極56から第1電極31に向けて電流I3が流れる。
If the polarity of the voltage of the
第3実施形態によっても第2実施形態と同様の効果が得られる。また、第3実施形態では、直流電源61によりキャリアの拡散が更に促進される。
Effects similar to those of the second embodiment can be obtained by the third embodiment. Further, in the third embodiment, the diffusion of carriers is further promoted by the
(第4実施形態)
次に、第4実施形態について説明する。図11は、第4実施形態に係る赤外線センサを示す上面図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment will be described. FIG. 11 is a top view showing an infrared sensor according to the fourth embodiment.
第4実施形態に係る赤外線センサ4では、図11に示すように、第1電極31と第6電極56との間に直流電源62が接続されている。直流電源62の正極が第6電極56に接続され、負極が第1電極31に接続されている。
In the
他の構成は第2実施形態と同様である。 Other configurations are the same as those of the second embodiment.
第2実施形態に係る赤外線センサ2では、第5電極55の電圧の極性を正とする。第3電極43及び第4電極44の電圧の極性は、互いに異なっていれば、どちらが正でもよい。第5電極55の電圧の極性を負とした場合、第1グラフェン層21の導電型がp型となる。また、第3電極43の電圧の極性を正とし、第3電極43の電圧の極性を負とした場合、第2グラフェン層22の中心線Cよりも第1電極31側の部分の導電型がn型となり、第2電極32側の部分の導電型がp型となる。一方、第3電極43の電圧の極性を負とし、第3電極43の電圧の極性を正とした場合、第2グラフェン層22の中心線Cよりも第1電極31側の部分の導電型がp型となり、第2電極32側の部分の導電型がn型となる。
In the
第5電極55の電圧の極性が正であり、第3電極43及び第4電極44の電圧の極性が互いに異なっていれば、図12に示すように、グラフェン層20の外部では、直流電源61を介して第1電極31から第6電極56に向けて電流I4が流れる。
If the voltage polarity of the
第4実施形態によっても第2実施形態と同様の効果が得られる。また、第4実施形態では、直流電源62によりキャリアの拡散が更に促進される。
Effects similar to those of the second embodiment can be obtained by the fourth embodiment as well. Further, in the fourth embodiment, the diffusion of carriers is further promoted by the
(第5実施形態)
次に、第5実施形態について説明する。図13は、第5実施形態に係る赤外線センサを示す断面図である。図13は、図2と同様に、図1中のII-II線に沿った断面図に相当する。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment will be described. FIG. 13 is a cross-sectional view showing an infrared sensor according to the fifth embodiment. FIG. 13, like FIG. 2, corresponds to a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
第5実施形態に係る赤外線センサ5は、図13に示すように、第1グラフェン層21を透過した赤外線を第1グラフェン層21に向けて反射する反射層57を有する。反射層57は、例えば、基板11の上に設けられており、絶縁層12により追われている。反射層57は、平面視で第1グラフェン層21と重なり合う。反射層57は、例えばAu層である。
The
他の構成は第1実施形態と同様である。 Other configurations are the same as those of the first embodiment.
第5実施形態によっても第1実施形態と同様の効果が得られる。更に、反射層57により反射された赤外線が第1グラフェン層21に入射するので、感度を向上することができる。
Effects similar to those of the first embodiment can also be obtained by the fifth embodiment. Furthermore, since the infrared rays reflected by the
第2~第4実施形態に、第5実施形態と同様に、反射層57が設けられていてもよい。
A
以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments and the like have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications can be made to the above-described embodiments and the like without departing from the scope of the claims. Modifications and substitutions can be made.
以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。 Hereinafter, various aspects of the present disclosure will be collectively described as appendices.
(付記1)
プラズモン共鳴を利用して赤外線を吸収する第1グラフェン層と、
前記第1グラフェン層に連なる連結部を有する第2グラフェン層と、
前記連結部を間に挟んで前記第2グラフェン層に接続された第1電極及び第2電極と、
前記第2グラフェン層のフェルミエネルギの分布を、前記第1電極と前記第2電極との間で非対象に制御する制御電極と、
を有することを特徴とする赤外線センサ。
(付記2)
前記制御電極は、
平面視で前記第1電極と前記第2電極との間に配置された第3電極と、
平面視で前記第3電極と前記第2電極との間に配置された第4電極と、
を有することを特徴とする付記1に記載の赤外線センサ。
(付記3)
前記第2グラフェン層の前記第1電極と前記第2電極との間の中心線を基準として、
前記第3電極は前記第1電極側に配置され、
前記第4電極は前記第2電極側に配置されていることを特徴とする付記2に記載の赤外線センサ。
(付記4)
前記第1グラフェン層のフェルミエネルギを制御する第5電極を有することを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の赤外線センサ。
(付記5)
前記第5電極と前記第1グラフェン層との間の距離は、前記制御電極と前記第2グラフェン層との間の距離よりも小さいことを特徴とする付記4に記載の赤外線センサ。
(付記6)
前記第1グラフェン層に接続された第6電極を有し、
前記第1電極と前記第6電極とが電気的に接続されることを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の赤外線センサ。
(付記7)
前記第1グラフェン層に接続された第6電極と、
前記第1電極と前記第6電極との間に電気的に接続された直流電源と、
を有することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の赤外線センサ。
(付記8)
前記第1グラフェン層には、複数の開口が周期的に形成されていることを特徴とする付記1乃至7のいずれか1項に記載の赤外線センサ。
(付記9)
前記第1グラフェン層を透過した赤外線を前記第1グラフェン層に向けて反射する反射層を有することを特徴とする付記1乃至8のいずれか1項に記載の赤外線センサ。
(Appendix 1)
a first graphene layer that absorbs infrared rays using plasmon resonance;
a second graphene layer having a connecting portion connected to the first graphene layer;
a first electrode and a second electrode connected to the second graphene layer with the connecting portion interposed therebetween;
a control electrode that asymmetrically controls the Fermi energy distribution of the second graphene layer between the first electrode and the second electrode;
An infrared sensor characterized by comprising:
(Appendix 2)
The control electrode is
a third electrode disposed between the first electrode and the second electrode in plan view;
a fourth electrode disposed between the third electrode and the second electrode in plan view;
The infrared sensor according to
(Appendix 3)
Based on the center line between the first electrode and the second electrode of the second graphene layer,
The third electrode is arranged on the first electrode side,
The infrared sensor according to
(Appendix 4)
4. The infrared sensor according to any one of
(Appendix 5)
5. The infrared sensor according to
(Appendix 6)
a sixth electrode connected to the first graphene layer;
6. The infrared sensor according to any one of
(Appendix 7)
a sixth electrode connected to the first graphene layer;
a DC power supply electrically connected between the first electrode and the sixth electrode;
The infrared sensor according to any one of
(Appendix 8)
8. The infrared sensor according to any one of
(Appendix 9)
9. The infrared sensor according to any one of
1、2、3、4、5:赤外線センサ
21:第1グラフェン層
22:第2グラフェン層
22A:連結部
31:第1電極
32:第2電極
40:制御電極
43:第3電極
44:第4電極
55:第5電極
56:第6電極
57:反射層
61、62:直流電源
1, 2, 3, 4, 5: infrared sensor 21: first graphene layer 22:
Claims (6)
前記第1グラフェン層に連なる連結部を有する第2グラフェン層と、
前記連結部を間に挟んで前記第2グラフェン層に接続された第1電極及び第2電極と、
前記第2グラフェン層のフェルミエネルギの分布を、前記第1電極と前記第2電極との間で非対象に制御する制御電極と、
を有することを特徴とする赤外線センサ。 a first graphene layer that absorbs infrared rays using plasmon resonance;
a second graphene layer having a connecting portion connected to the first graphene layer;
a first electrode and a second electrode connected to the second graphene layer with the connecting portion interposed therebetween;
a control electrode that asymmetrically controls the Fermi energy distribution of the second graphene layer between the first electrode and the second electrode;
An infrared sensor characterized by comprising:
平面視で前記第1電極と前記第2電極との間に配置された第3電極と、
平面視で前記第3電極と前記第2電極との間に配置された第4電極と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。 The control electrode is
a third electrode disposed between the first electrode and the second electrode in plan view;
a fourth electrode disposed between the third electrode and the second electrode in plan view;
The infrared sensor according to claim 1, characterized by comprising:
前記第1電極と前記第6電極とが電気的に接続されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の赤外線センサ。 a sixth electrode connected to the first graphene layer;
4. The infrared sensor according to claim 1, wherein said first electrode and said sixth electrode are electrically connected.
前記第1電極と前記第6電極との間に電気的に接続された直流電源と、
を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の赤外線センサ。 a sixth electrode connected to the first graphene layer;
a DC power supply electrically connected between the first electrode and the sixth electrode;
4. The infrared sensor according to any one of claims 1 to 3, characterized by comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021108406A JP2023006033A (en) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | Infrared sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021108406A JP2023006033A (en) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | Infrared sensor |
Publications (1)
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Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2021108406A Pending JP2023006033A (en) | 2021-06-30 | 2021-06-30 | Infrared sensor |
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Country | Link |
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2021
- 2021-06-30 JP JP2021108406A patent/JP2023006033A/en active Pending
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