JP2024018113A - 光センサ、及び光センサアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】プラズモン共鳴による光吸収効率の向上とゼーベック効果とを両立させたグラフェンの光センサを提供する。【解決手段】光センサは、基板上の絶縁膜と、前記絶縁膜の上に設けられて少なくとも一部に周期構造を有するグラフェンの受光層と、前記受光層に接続される一対の電極と、前記絶縁膜を介して前記受光層にゲート電圧を印加するゲート電極と、を有し、前記ゲート電圧は、前記受光層のゼーベック係数が５０μＶ／Ｋ以上、かつ、光吸収効率が５％以上となる範囲に設定されている。【選択図】図５

Description

本開示は、光センサ、及び光センサアレイに関する。

近年、グラフェンを用いた新しい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ーバンド構造を有し、紫外域からテラヘルツ帯におよぶ広い波長範囲の光を吸収可能であることから、光センサの材料として研究開発が進められている（たとえば、特許文献１参照）。

グラフェンを用いた光センサの検出方式のひとつに、グラフェンの光熱電効果を用いた検出方式がある。光熱電効果は、光吸収にともなう加熱で生じる熱電効果である。グラフェンの光熱電効果を利用する場合、十分なセンサ感度を得るためにはグラフェンの光吸収効率が高いことが好ましい。しかし、グラフェンの光吸収効率は典型的には数パーセント程度であり、一般的な光センサ材料と比較して小さい。プラズモン共鳴を利用して、光熱電効果を用いたグラフェン赤外線センサの光吸収効率を向上する構造が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。

特開２０２０－２１６１６９号公報

A. Safaei et al., Nature Communication 10, 3498 (2019)

光熱電効果を利用したグラフェンセンサで高感度を実現する場合、光吸収効率の向上とともに、ゼーベック係数を高く維持することが求められる。しかし、プラズモン共鳴による光吸収効率の向上に適したフェルミエネルギーと、高いゼーベック効果を実現するフェルミエネルギーとが一致しない。プラズモン共鳴を用いて光吸収効率を高めるには、一定以上のキャリア密度が得られるフェルミエネルギーが必要である。一方、ゼーベック効果はフェルミエネルギーの絶対値がゼロに近い領域で最大となり、そこからフェルミエネルギーの絶対値が大きくなるにつれて減少する。この理由で、プラズモン共鳴による光吸収効率とゼーベック効果とを両立させることが難しい。

一つの側面で、本開示はプラズモン共鳴による光吸収効率の向上とゼーベック効果とを両立させたグラフェンの光センサを提供する。

光センサは、基板上の絶縁膜と、前記絶縁膜の上に設けられて少なくとも一部に周期構造を有するグラフェンの受光層と、前記受光層に接続される一対の電極と、前記絶縁膜を介して前記受光層にゲート電圧を印加するゲート電極と、を有し、
前記ゲート電圧は、前記受光層のゼーベック係数が５０μＶ／Ｋ以上、かつ、光吸収効率が５％以上となる範囲に設定されている。

プラズモン共鳴による光吸収効率の向上とゼーベック効果とを両立させたグラフェンの光センサが実現される。

実施形態の光センサの光吸収効率のシミュレーションモデルの図である。 図１のモデルで波長の関数としての光吸収効率の計算結果を示す図である。 図１のモデルでキャリア密度の関数としての光吸収効率を示す図である。 グラフェンのフェルミ準位の関数としてのゼーベック係数を示す図である。 実施形態の光センサの模式図である。 実施形態の別の光センサの模式図である。 実施形態のさらに別の光センサの模式図である。 実施形態のさらに別の光センサの模式図である。 初期ドーピングがないときのゲート電圧の関数としての光吸収効率とゼーベック係数を示す図である。 初期ドーピングがあるときのゲート電圧の関数としての光吸収効率とゼーベック係数を示す図である。 異なる初期ドーピング濃度でのゲート電圧の関数としての光吸収効率とゼーベック係数を示す図である。 異なる初期ドーピング濃度でのゲート電圧の関数としての光吸収効率とゼーベック係数を示す図である。 実施形態の光センサを用いた光センサアレイの模式図である。

実施形態の光センサの構成を説明する前に、プラズモン共鳴による光吸収効率とゼーベック係数とのトレードオフの関係を説明する。上述のように、プラズモン共鳴を用いて光吸収効率を高めるには、キャリア密度を高くできるフェルミエネルギーが必要であるが、ゼーベック効果はフェルミエネルギーの絶対値がゼロに近い領域で最大となる。そこで、プラズモン共鳴を利用した光センサでの光吸収効率と、グラフェンのゼーベック係数を計算により確認する。

図１は、実施形態の光センサの光吸収効率のシミュレーションモデルの図である。実施形態の光センサは、受光層にグラフェンを用い、かつ、プラズモン共鳴を利用する。プラズモンは、物質中のキャリアの集団的振動である。微細な周期構造をもつグラフェンに光が入射することでプラズモン共鳴が生じ、グラフェン中の自由電子が集団的に振動する。発生したプラズモンはグラフェンの周期構造に局在し、閉じ込められることで、光吸収が促進される。共鳴周波数や光吸収効率は、グラフェンのキャリア密度または電気伝導率に依存し、所望の共鳴波長や光吸収効率を得るために、キャリア密度が高いことが望まれる場合がある。通常は、グラフェンのキャリア密度はポテンシャルによって制御され、フェルミエネルギーが高いほど、キャリア密度は高くなる。

図１のモデルは、基板１１上に絶縁膜１２を介してグラフェンの受光層１５を有する。受光層１５の周期構造として、所定幅ｗのグラフェン層１５０を用いて、一定ピッチのストライプ構造を採用する。図１の座標系で、グラフェン層１５０の幅方向がＸ方向、グラフェン層１５０の長軸方向がＹ方向、積層方向がＺ方向である。グラフェン層１５０の幅ｗは１００ｎｍ、周期構造のピッチＰを２５０ｎｍとする。基板１１としてシリコン（Ｓｉ）基板を用いる。絶縁膜１２として、厚さ２０ｎｍの酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）層を用いる。このシミュレーションモデルで、グラフェン層１５０のキャリア密度を変えて、光吸収率を計算する。

図２は、波長の関数として光吸収効率を示す。グラフェン中のキャリア密度を６．７×１０Ｅ１２ｃｍ^－２（データａ）、１．９×１０Ｅ１３ｃｍ^－２（データｂ）、３．７×１０Ｅ１３ｃｍ^－２（データｃ）と変える。この中で、データａのキャリア密度が最も低く、データｃのキャリア密度が最も高い。データａでは、波長９．５μｍに光吸収効率のピークを有するが、その吸収効率は２％程度である。後述するように、グラフェンにゲート電圧を印加することでグラフェン中のキャリア密度を増やすことができる（ゲート電圧印加によるドーピング効果）。

データｂでは、データａよりもキャリア密度が高く、８μｍ近傍に光吸収効率のピークを有する。光吸収効率は１０％近くに向上する。キャリア密度の増加によりプラズモン共鳴による光電場の振動エネルギーが大きくなるためと考えられる。データｃでは、データｂよりもさらにキャリア密度を高くしたことで、７．２μｍ近傍に光吸収効率のピークを有し、１５％以上の光吸収効率が得られる。

図３は、図２のデータａ、ｂ、ｃに基づくキャリア密度の関数としての光吸収効率を示す。縦軸の光吸収効率は、各データのピークの値を用いている。図２と図３から、特定の波長に対する所望の光吸収効率を実現するのに適したキャリア密度があり、そのキャリア密度を実現するのに適したゲート電圧があることがわかる。

図４は、グラフェンのフェルミ準位の関数としてのゼーベック係数を示す。グラフェンのゼーベック係数Ｓは、下記のＭｏｔｔの式で近似される。

ここで、Ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｅは素電荷、Ｅ_Ｆはフェルミ準位、σは電気伝導度である。図４のプロットのためにＴを３００Ｋに固定する。電気伝導度σは、下記の現象論的式で表現される。

ここで、σ_ｍｉｎとΔは現象論的パラメータである。

図４と上記の２つの式によると、グラフェンのゼーベック係数の絶対値は、フェルミ準位の変化率（傾き）が１のとき、すなわちＥ_Ｆ＝±Δで最大値をとり、それを超える領域で、フェルミ準位の二乗値に対して単調減少となる。典型値として、現象論的パラメータΔの値を１００ｍｅＶとすると、一般的にプラズモン共鳴に必要とされる０．５ｅＶ乃至１．０ｅＶのフェルミ準位において、グラフェンのゼーベック係数は最大値の１／４乃至１／２程度の値となる。

グラフェンにおけるプラズモン共鳴を利用するために適切なフェルミ準位を設定する場合、高い光吸収効率が実現される一方で、グラフェンのゼーベック係数は最適値よりも小さくなり、効率的な熱電変換を阻害する原因となる。実施形態では、プラズモン共鳴による光吸収率と、ゼーベック効果を両立させる適切なポテンシャル条件、すなわち適切なゲート電圧を設定して、効率的な熱電変換を実現する。具体的には、フェルミ準位が０．０５ｅＶ以上、０．２５ｅＶ以下の範囲、換言すると、ゼーベック係数が５０μＶ／Ｋ以上７５μＶ／Ｋ以下の範囲で、好適なキャリア密度を実現するゲート電圧を設定する。

＜光センサの構成例１＞
図５は、実施形態の光センサ１０Ａの模式図である。図５の（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ－Ｉラインに沿った断面模式図である。光センサ１０Ａは、基板１１上に設けられた絶縁膜１２と、絶縁膜１２の上に設けられたグラフェンの受光層１５Ａと、受光層１５Ａに接続される一対の電極１３、及び１４と、絶縁膜１２を介して受光層１５Ａにゲート電圧を印加するゲート電極１７とを有する。グラフェンの受光層１５Ａは、少なくとも一部に周期構造を有する。ゲート電圧は、後述するように、グラフェンの受光層１５Ａのゼーベック係数が５０μＶ／Ｋ以上７５μＶ／Ｋ以下、かつ、波長７μｍ以上１２μｍ以下の光に対して５％以上の光吸収効率となる範囲に設定されている。

基板１１は、ゲート構成に応じて、Ｓｉ、Ｇｅなどの半導体基板、不純物がドープされて導電性を有する基板、アンドープの半絶縁性基板上に酸化膜が形成された基板などを用いることができる。絶縁膜１２として、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＯＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢＮ、ＨｆＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５等を用いてもよい。実施例では、Ｓｉ基板上に、厚さ１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以下のＡｌ_２Ｏ_３の絶縁膜１２を形成する。これをＳｉＯ２の等価換算膜厚にすると４ｎｍ以上、１２ｎｍ以下の膜厚である。

図５の構成例では、受光層１５Ａの周期構造は、ストライプ状のグラフェン層１５０Ａによって形成される。ストライプ状のグラフェン層１５０Ａとして、電極１３と１４の間に延設される複数のグラフェンリボンを用いてもよい。グラフェンリボンの幅は数十ｎｍから数百ｎｍであり、グラフェンリボンの周期（ピッチ）はグラフェンリボンの幅の１．５倍から２．５倍程度である。グラフェン層１５０の幅とピッチは、赤外光の入射によってプラズモン共鳴を誘起する寸法に設定され、たとえば、幅１５０ｎｍのグラフェンリボンを、１５０ｎｍ間隔（３００ｎｍピッチ）で配置する。

図１の（Ｂ）の断面図で、図示の便宜上、グラフェン層１５０Ａは一層のように描かれているが、実際は２層以上のグラフェンリボンが積層されている。複数のグラフェン層１５０Ａを重ねることで、単層のグラフェンよりも光吸収率が向上する。具体的には、受光層１５が同じポテンシャルの場合、複数層のグラフェン層を重ねることで、単層のグラフェンと比較して、キャリアの面密度、すなわち二次元電気伝導度が増加する。

光センサ１０Ａは、グラフェンの光熱電効果を用いて入射光量を検知する。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。グラフェン層１５０Ａ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ーを得る。光吸収により電子が得たエネルギーは、電子間の散乱によって他の電子と共有されて熱化する。電子間でエネルギーが熱化する時間と、格子原子とのエネルギー共有にかかる時間とは異なる。電子間での熱化の方が格子原子間の熱化よりも速いため、光吸収の直後に電子温度が格子温度よりも高い状況になる。一方、金属の電極１３、及び１４において、電極の電子温度は格子温度と同程度であり、熱拡散によってグラフェン層１５０Ａの内部に温度分布が形成される。

光センサ１０Ａは、グラフェン層１５０Ａの面内方向にポテンシャル分布を生じさせるために、電極１３と電極１４の間で非対称の構成を有する。図５では、電極１３と１４を異なる材料で形成することで、非対称性を実現する。たとえば、電極１３と１４の一方を金（Ａｕ）で形成し、他方をクロム（Ｃｒ）で形成する。ＡｕとＣｒの仕事関数の違いによって、Ａｕとグラフェン層１５０Ａの界面と、Ｃｒとグラフェン層１５０Ａの界面で、エネルギーバンドの勾配が非対称になり、ポテンシャル分布が生じる。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１５０Ａ内のポテンシャル分布によって、ゼーベック係数の面内分布が形成される。電子温度分布と、ゼーベック係数分布が同時に存在することで、ゼーベック効果により起電力が形成される。

光センサ１０Ａの動作時は、ゲート電極１７に適切なゲート電圧を印加して、グラフェン層１５０Ａの電位を制御する。ゲート電極１７は、絶縁膜１２の一部に開口を形成し、露出したシリコンの基板１１上に金属膜を形成することで得られる。ゲート電圧は、ゲート電極１７からシリコン基板１１と絶縁膜１２を介して、グラフェン層１５０Ａに印加される。電極１３と１４の間に所定の読み出し電圧を印加して、入射赤外光の吸収によりグラフェン層１５０Ａに生じる電気信号の変化を読み出す。

＜光センサの構成例２＞
図６は、実施形態の別の光センサ１０Ｂの模式図である。図６の（Ａ）は上面図、（Ｂ）は（Ａ）のII－IIラインに沿った断面模式図である。光センサ１０Ｂは、基板１１上に設けられた絶縁膜１２と、絶縁膜１２の上に設けられたグラフェンの受光層１５Ｂと、受光層１５Ｂに接続される一対の電極１３、及び１４と、絶縁膜１２を介して受光層１５Ｂにゲート電圧を印加するゲート電極１７とを有する。基板１１はシリコン基板を用い、絶縁膜１２として、厚さが１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以下のＡｌ_２Ｏ_３層を形成する。図５と同様に、電極１３と電極１４を異なる種類の金属材料で形成して、非対称の構成とする。

グラフェンの受光層１５Ｂは、その少なくとも一部に周期構造を有する。受光層１５Ｂの周期構造として、グラフェン層１５０Ｂに所定の間隔で孔１５５が形成されている。孔１５５の径と間隔は、入射赤外光によってプラズモン共鳴を誘起できる寸法に設定されている。一例として、孔１５５の径を４００ｎｍ、孔１５５の中心間距離が６００ｎｍとなるように、六方格子状に配列する。孔１５５はプラズマエッチング、フォトリソグラフィ法等で形成され得る。

孔１５５の周期的な配列により、光の入射によりグラフェン層１５０Ｂにプラズモン共鳴が誘発されて、光吸収効率が向上する。ゲート電極１７に、プラズモン共鳴による光吸収効率と、ゼーベック効果とを両立させるゲート電圧を印加することで、光センサ１０Ｂの光吸収効率が最適化される。

＜光センサの構成例３＞
図７は、実施形態のさらに別の光センサ１０Ｃの模式図である。光センサ１０Ｃは、基板１１上に設けられた絶縁膜１２と、絶縁膜１２の上に設けられたグラフェンの受光層１５Ｃと、受光層１５Ｃに接続される一対の電極１３－１、及び１３－２と、絶縁膜１２を介して受光層１５Ｃにゲート電圧を印加するゲート電極１７と、を有する。基板１１はシリコン基板を用い、絶縁膜１２として、厚さが１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以下のＡｌ_２Ｏ_３層を形成する。

光センサ１０Ｃでは、一対の電極１３－１と１３－２を同じ金属材料で形成し、光センサ１０Ｃの非対称性を、グラフェン層１５０Ｃのパターニングで実現する。グラフェンの受光層１５Ｃは、電極１３－１側の第１領域１５１Ｃと、電極１３－２側の第２領域１５１２Ｃを有する。第１領域１５１Ｃは周期構造を有し、第２領域１５２Ｃは周期構造を有しない。第１領域１５１Ｃの周期構造は、たとえばストライプパターンであり、グラフェン層１５０Ｃの各ストライプが電極１３－１から電極１３－２に向かう方向に延設されている。ストライプの幅とピッチは、入射赤外光によってプラズモン共鳴が誘起される寸法に設定されている。たとえば、ストライプの幅は１００ｎｍ～２００ｎｍ、ピッチはストライプの幅の１．５倍から２．５倍である。

グラフェン層１５０Ｃの非対称性により、受光層１５Ｃにポテンシャル分布が生じる。また、第１領域１５１Ｃと電極１３－１との界面と、第２領域１５２Ｃと電極１３－２の界面で温度分布が生じる。光入射による起電力の変化が電気信号として電極１３－１と１３－２から読み出される。

＜光センサの構成例４＞
図８は、実施形態のさらに別の光センサ１０Ｄの模式図である。光センサ１０Ｄは、基板１１上に設けられた絶縁膜１２と、絶縁膜１２の上に設けられたグラフェンの受光層１５Ｄと、受光層１５Ｄに接続される一対の電極１３－１、及び１３－２と、絶縁膜１２を介して受光層１５Ｃにゲート電圧を印加するゲート電極１７と、を有する。基板１１はシリコン基板を用い、絶縁膜１２として、厚さが１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以下のＡｌ_２Ｏ_３層を形成する。

光センサ１０Ｄでは、一対の電極１３－１と１３－２を同じ金属材料で形成し、光センサ１０Ｃの非対称性を、グラフェン層１５０Ｄのパターニングで実現する。グラフェンの受光層１５Ｄは、電極１３－１側の第１領域１５１Ｄと、電極１３－２側の第２領域１５１２Ｄを有する。第１領域１５１Ｄは周期構造を有し、第２領域１５２Ｄは周期構造を有しない。第１領域１５１Ｄの周期構造は、所定の間隔で配置される孔１５５によって実現される。孔１５５の径と中心間距離は、入射赤外光によってプラズモン共鳴が誘起される寸法に設定されている。たとえば、孔１５５の径は３００ｎｍ～５００ｎｍ、中心間距離は、孔１５５の径の１．５倍から２．５倍の範囲で設定されている。

グラフェン層１５０Ｄの非対称性により、受光層１５Ｄにポテンシャル分布が生じる。また、第１領域１５１Ｄと電極１３－１との界面と、第２領域１５２Ｄと電極１３－２の界面で温度分布が生じる。光入射による起電力の変化が電気信号として電極１３－１と１３－２から読み出される。

＜ゲート電圧の検討＞
プラズモン共鳴による光吸収率の向上とゼーベック効果とを両立できるゲート電圧の範囲を検討する。プラズモン共鳴を誘起できるキャリア密度を実現しつつ、より大きなゼーベック係数を持たせることができれば、高い光吸収効率と熱電変換効率を達成できる。ゼーベック係数が高いと、グラフェンに生じた温度差が効率的に電圧に変換されるからである。

図９から図１２は、ゲート電圧の関数としての光吸収効率とゼーベック係数を、それぞれ初期ドーピング量を変えて示す。シミュレーションモデルとして、図１と同じモデルを使用する。Ｓｉ基板上に、厚さ２０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３の絶縁膜を介して、ストライプ状のグラフェンを配置する。グラフェンの各ストライプの幅ｗを１００ｎｍ、ピッチＰを２５０ｎｍとする。グラフェン層の数を単層から１２層まで変える。各グラフェン層でキャリアは均等に分布しているものとする。グラフェンには、ゲート電圧の印加によるドーピングの他に、大気への曝露や絶縁膜との接触などにより、一定程度の不純物がドープされているものとする。このゲート電圧印加以外による不純物のドープを、「初期ドーピング」と呼ぶ。

図９は、初期ドーピングがないときのゲート電圧の関数としての光吸収効率とゼーベック係数を示す。初期ドーピングがないときとは、不純物量が完全にゼロを意味するのではなく、フェルミ準位がほぼ０ｅＶとみなせる程度に少ない場合をいう。

図９の（Ａ）は、ゲート電圧の関数としての光吸収効率を示す。ゲート電圧を、２．５Ｖ、７．０Ｖ、１３．５Ｖと変化させる。グラフェンの各層のキャリア分布は同じと仮定しており、ゲート電圧の印加により、グラフェンの各層に同程度の電子が誘起される。光が入射したときに、グラフェン層の自由電子の集団的な振動（プラズモン共鳴）が誘起され、グラフェンの周期構造に閉じ込められるが、キャリア数が不十分なときは十分な光吸収効率が得られない。図９の（Ａ）を参照すると、初期ドーピングがない場合、ゲート電圧を５．０Ｖ以上にすることで、５％以上の光吸収効率が得られる。１０．０Ｖのゲート電圧の印加で光吸収効率は１２％に増加し、１３．５Ｖの印加で、光吸収効率は１５％を超える。

図９の（Ｂ）は、ゲート電圧の関数としてのゼーベック係数（μＶ／Ｋ）を示す。グラフェンの層数にかかわらず、ゼーベック係数の変化の傾向は同じであり、ゲート電圧の増加につれて、ゼーベック係数は減少する。ただし、グラフェンの層数を増やすことで、単層と比較して、ゼーベック係数を高く維持することができる。

図９の（Ａ）で５％以上の光吸収効率が得られるゲート電圧５．０Ｖで、グラフェンの総数が２層または３層のときにゼーベック係数は若干低減するが、ゼーベック係数は５０μＶ／Ｋ以上に維持される。グラフェンの層数が８層以上では、ゼーベック係数が７０μＶ／Ｋの近傍に維持される。

ゲート電圧を１０．０Ｖにすると、グラフェン層を４層以上とすることで、ゼーベック係数は５０μＶ／Ｋ以上に維持され、グラフェン層を８層以上にすることで、ゼーベック係数を６０μＶ／Ｋ以上に維持できる。ゲート電圧が１３．５Ｖのときは、グラフェン層が７層以上のときにゼーベック係数は５０μＶ／Ｋ以上に維持され、グラフェンの層数を１０層以上でゼーベック係数は６０μＶ／Ｋ前後に維持される。

図１０は、初期ドーピングが７．４×１０Ｅ１１ｃｍ^－２の条件で、ゲート電圧の関数としての光吸収効率とゼーベック係数を示す。この初期ドーピングは、単層グラフェンのフェルミ準位０．１ｅＶに相当する。図１０の（Ａ）を参照すると、初期ドーピングを行っているため、ゲート電圧が４．０Ｖで光吸収効率５％が実現され、１０．０Ｖの印加で光吸収効率が１２％以上になり、１３．０Ｖの印加で１５％以上の光吸収効率が達成される。

図１０の（Ｂ）を参照すると、ゲート電圧を７．０Ｖまで上げても３層以上のグラフェン層で５０μＶ／Ｋ以上のゼーベック係数が維持され、１０．０Ｖで６層以上のグラフェン層で５０μＶ／Ｋ以上のゼーベック係数が維持される。ゲート電圧が１３．５Ｖのときは、１０層以上のグラフェン層でゼーベック係数が６０μＶ／Ｋ前後に維持される。

図１１は、初期ドーピングが３．０×１０Ｅ１２ｃｍ^－２の条件で、ゲート電圧の関数としての光吸収効率とゼーベック係数を示す。この初期ドーピングは、単層グラフェンのフェルミ準位０．２ｅＶに相当する。図１１の（Ａ）を参照すると、初期ドーピングを行っているため、ゲート電圧が３．０Ｖで光吸収効率５％が実現され、１０Ｖの印加で光吸収効率が１４％になり、１３．５Ｖの印加で１６％を超える。

図１１の（Ｂ）を参照すると、ゲート電圧を６．０Ｖまで上げても３層以上のグラフェン層で５０μＶ／Ｋ以上のゼーベック係数が維持され、１０．０Ｖで６層以上のグラフェン層で５０μＶ／Ｋ以上のゼーベック係数が維持される。ゲート電圧が１３．５Ｖのときは、１０層以上のグラフェン層でゼーベック係数が６０μＶ／Ｋ前後に維持される。

図１２は、初期ドーピングが６．７×１０Ｅ１２ｃｍ^－２の条件で、ゲート電圧の関数としての光吸収効率とゼーベック係数を示す。この初期ドーピングは、単層グラフェンのフェルミ準位０．３ｅＶに相当する。図１２の（Ａ）を参照すると、初期ドーピングを行っているため、ゲート電圧が２．５Ｖで光吸収効率５％が実現され、１１．５Ｖの印加で光吸収効率が１５％を超える。

図１２の（Ｂ）を参照すると、本来のフェルミ準位が高いため、４．５Ｖのゲート電圧を印加で、３層以上のグラフェン層で５０μＶ／Ｋ以上のゼーベック係数が維持され、１０．０Ｖで６層以上のグラフェン層で５０μＶ／Ｋ以上のゼーベック係数が維持される。ゲート電圧が１１．５Ｖのときは、１０層以上のグラフェン層でゼーベック係数が６０μＶ／Ｋ前後に維持される。

図９から図１２の計算結果から、どのゲート電圧においても、単層グラフェンより複数層のグラフェンを用いることで、ゼーベック係数が向上することがわかる。ただし、グラフェンの層数を無制限に増やせばよいわけではなく、層数が多すぎると、かえってゼーベック係数が低下する場合がある。計算結果では、５．０Ｖ以下の定電圧条件で、層数が９層のときにゼーベック係数のピークが得られる。ゼーベック係数向上の観点から、好ましいグラフェンの層数として、２層以上、１２層以下に設定してもよい。５Ｖ以上のゲート電圧で５０μＶ／Ｋのゼーベック係数を維持する観点から、グラフェンの層数を５層以上１２層以下に設定してもよい。現実の系では、印加されるゲート電圧は絶縁破壊電圧の制限を受ける。厚さ２０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３絶縁膜（等価換算膜厚で８ｎｍ）の条件では、ゲート電圧は１０．０Ｖ以下であることが望ましい。

光吸収効率とゼーベック係数を合わせたパラメータとして、光吸収効率とゼーベック係数の積（光吸収効率×ゼーベック係数）を導入すると、図９から図１２の計算条件で、このパラメータはゲート電圧の大きいほど、大きくなる。好ましいゲート電圧の設定は絶縁破壊が生じない範囲で大きな電圧である。ゲート絶縁膜として、１０ｎｍ以上、３０ｎｍ以下の厚さのＡｌ_２Ｏ_３膜（等価換算膜厚で４ｎｍ以上１２ｎｍ以下）を用いるときに、絶縁破壊が起きない範囲として、ゲート電圧を１０Ｖ以下にするのが望ましい。

光吸収効率とゼーベック係数を個別にみると、５％以上の光吸収効率を実現でき、かつ、５層以下のグラフェン受光層でゼーベック係数の絶対値を５０μＶ／Ｋ以上に維持できるゲート電圧の絶対値の範囲として、２．５以上、１０Ｖ以下が望ましい。ゲート電圧の下限は、グラフェン層への初期ドーピングの量に応じて調整可能である、グラフェン層への初期ドーピングがないときは、ゲート電圧を５．０Ｖ以上、１０．０Ｖ以下に設定するのが望ましい。

以上から、等価換算膜厚が４ｎｍ以上１２ｎｍ以下の絶縁膜１２上に設けられた周期構造のグラフェン層で、ゼーベック係数が５０μＶ／Ｋ以上、かつ、５％以上の光吸収効率が得られる範囲のゲート電圧として、２．５Ｖ以上、１０Ｖ以下が好ましい。

光センサ１０の構成として、図５から図８のいずれの構成を採用してもよい。上記のゲート電圧を設定することで、プラズモン共鳴による光吸収率の向上と、ゼーベック効果とを両立させることができる。

図１３は、複数の光センサ１０をアレイ状に配置した光センサアレイ１００の模式図である。光センサアレイ１００は二次元状に配置される複数の光センサ１０を含み、個々の光センサ１０で画素を構成してもよい。たとえば、シリコンウェーハの全面に絶縁膜を形成し、絶縁膜上の所定の位置に所定の周期構造を有するグラフェン層を形成する。図１３の例では、図５と同様のストライプパターンのグラフェン層を用いている。グラフェン層は、機械的剥離法、転写法などで、絶縁膜の上に配置してもよい。あるいは、絶縁膜上に触媒金属をスパッタリングで堆積し、ＣＶＤ法により絶縁膜上に直接、グラフェンを成長してもよい。このとき、触媒金属を周期構造の形状にパターニングしておくことで、所定のパターン形状のグラフェン層が得られる。

２層以上のグラフェンを積層した後に、絶縁膜とグラフェンの密着性を高めるために、１５０～２００℃の温度でアニールしてもよい。グラフェン層に接続される一対の電極を形成する。ゲート電極は、基板の裏面に設けられるバックゲートであってもよい。バックゲートは、基板の裏面で、各光センサ１０のグラフェン層と対応する位置に設けられる。各光センサ１０のゲート電圧が適切に設定されているので、光センサアレイ１００でも、プラズモン共鳴による光吸収効率と、ゼーベック効果による熱電変換効率（感度）とを両立させることができる。

以上、特定の例に基づいて本開示を説明してきたが、本開示は、上述した例に限定されない。電極１３－１、１３－２は、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｐｔ等の良導体で形成される。電極１３と１４に異なる材料を用いて非対称性を実現する場合は、これら良導体の中で適切な仕事関数の組み合わせを選択してもよい。電極１３－１と１３－２の間、あるいは電極１３と電極１４の間に印加される読出し用のバイアス電圧は、たとえば、０．１Ｖから１．０Ｖであってもよい。ゲート電極１７を、基板１１上の絶縁膜１２と同じ面内に設ける替わりに、基板の裏面に設けてもよい。あるいは、絶縁性の基板を用いて、グラフェン層１５０の下方で、基板１１と絶縁膜１２の間にゲート電極を設けてもよい。グラフェン層１５０の周期構造は円形の孔１５５に限定されず、六角形、八角形等の多角形や楕円形の開口であってもよい。光センサ１０で光センサアレイを作製するときに、図１３のような二次元配列に替えて、一次元方向に光センサ１０を配列したリニアアレイであってもよい。

実施形態の光センサは、物質の熱輻射光、すなわち赤外光を検出する赤外線センサや、夜間の暗視サーモグラフィなどに適用可能である。光センサアレイ１００をＣＭＯＳ構造の信号読出し回路と組み合わせて、赤外線検出装置を構成してもよい。そのような赤外線検出装置に、撮像レンズ、フィルタ、Ａ／Ｄコンバータ、プロセッサ等を組み合わせて撮像装置を構成してもよい。光センサでは、所望の共鳴波長で所定の光吸収効率を得るためのキャリア密度を、より低いフェルミ準位（すなわち、０ｅＶに近いポテンシャル条件）で実現する。これにより、プラズモン共鳴を誘起できるキャリア密度の条件を満たしつつ、より大きなゼーベック係数を達成することができ、光吸収効率と熱電変換効率を両立できる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ 光センサ
１１ 基板
１２ 絶縁膜
１３、１３－１、１３－２、１４ 電極
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ、１５Ｄ 受光層
１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃ、１５０Ｄ グラフェン層
１５１Ｃ、１５１Ｄ 第１領域
１５２Ｃ、１５２Ｄ 第２領域
１７ ゲート電極

Claims (8)

1. 基板上の絶縁膜と、
   前記絶縁膜の上に設けられて少なくとも一部に周期構造を有するグラフェンの受光層と、
   前記受光層に接続される一対の電極と、
   前記絶縁膜を介して前記受光層にゲート電圧を印加するゲート電極と、
   を有し、
   前記ゲート電圧は、前記受光層のゼーベック係数が５０μＶ／Ｋ以上、かつ、光吸収効率が５％以上となる範囲に設定されている、
   光センサ。
2. 前記絶縁膜の等価換算膜厚は４ｎｍ以上、１２ｎｍ以下であり、
   前記ゲート電圧は、２．５Ｖ以上、１０Ｖ以下である、
   請求項１に記載の光センサ。
3. 前記グラフェンに、０．１ｅＶ以上、０．３ｅＶ以下の初期ドーピングがされている、
   請求項２に記載の光センサ。
4. 前記受光層は、２以上、１２以下のグラフェン層の積層を有する、
   請求項１に記載の光センサ。
5. 前記一対の電極の一方から他方に向かう方向に非対称な構造を有する、
   請求項１に記載の光センサ。
6. 前記受光層は、前記一対の電極の一方の電極側の第１領域と、他方の電極側の第２領域とを有し、
   前記第１領域と前記第２領域のいずれか一方に周期的な孔構造またはストライプ構造が形成され、前記第１領域と前記第２領域の他方に、前記周期的な孔構造またはストライプ構造が形成されていない、
   請求項５に記載の光センサ。
7. 前記受光層の全体に前記周期構造が設けられ、
   前記一対の電極は異なる導電材料で形成されている、
   請求項５に記載の光センサ。
8. 請求項１に記載の光センサが複数アレイ状に配置された光センサアレイ。

Images