JP6073530B2 - 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ - Google Patents

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Description

本発明は、グラフェンを検出層に用いた電磁波検出器および電磁波検出器アレイに関し、特に、検出層と電極との間にバッファ層を設けた高感度の電磁波検出器および電磁波検出器アレイに関する。
従来の電磁波検出器では、電磁波検出層として一般に半導体材料が用いられるが、半導体材料は所定のバンドギャップを有するため、バンドギャップよりも大きいエネルギーを有する電磁波しか検出できないという問題があった。
そこで、次世代の検出層の材料としてバンドギャップがゼロまたは極めて小さいグラフェンが注目され、例えば引用文献１では、基板上にゲート酸化膜を設け、その上にグラフェンのチャネル層を堆積し、チャネル層の両端にソースおよびドレインを形成した電磁波検出器が提案されている。
特表２０１３−５０２７３５号公報
しかしながら、検出層がグラフェン単体では電磁波の吸収率が数％と非常に低く、検出できる波長域は広がっても、検出感度が低くなるという問題があった。
そこで、本発明は、検出波長域が広く、かつ検出感度の高い、グラフェンを検出層の材料に用いた電磁波検出器の提供を目的とする。
本発明は、基板と、基板の上に設けられた絶縁層と、絶縁層の上に設けられたグラフェン層と、絶縁層の上に、グラフェン層を挟んで設けられた一対の電極と、グラフェン層と電極との間に挟まれてこれらを離隔するバッファ層と、を含むことを特徴とする電磁波検出器である。
本発明では、グラフェンからなる検出層と電極との間にバッファ層が存在するため、グラフェンと電極との間の電荷の移動が妨げられ、グラフェン本体のディラックポイント（ＤＰｇ）とは異なるグラフェン−電極間のディラックポイント（ＤＰｅ）が形成される。このため、検出光が入射した場合に、入射電界を打ち消すように電極表面で電荷の移動が生じ、グラフェンと電極との間でも電荷の移動が増加してＤＰｅが消失する。これにより、グラフェン中のＤＰｇが移動し、取り出し電流が増大し、検出感度が高くなる。
本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の上面図である。 図１の電磁波検出器のＩ−Ｉ方向における断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器に対して光照射有と光照射無の場合の電気特性である。 本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の回路図である。 本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器の上面図である。 図６の電磁波検出器のＶ−Ｖ方向における断面図である。 本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態４にかかる電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態５にかかる電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態５にかかる電磁波検出器の電極の上面図である。 本発明の実施の形態５にかかる電磁波検出器の電極の上面図である。 本発明の実施の形態６にかかる電磁波検出器のグラフェン層の上面図である。 本発明の実施の形態６にかかる電磁波検出器のグラフェン層の上面図である。 本発明の実施の形態８にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。 本発明の実施の形態９にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。
本発明の実施の形態では、電磁波検出器について、可視光または赤外光を用いて説明するが、本発明はこれらに加えて、例えば紫外光、近赤外光、テラヘルツ（ＴＨｚ）波、マイクロ波などの電波領域の検出器としても有効である。なお、本発明の実施に形態において、これらの光や電波を総称して電磁波とも記載する。
本発明の実施の形態では、電磁波検出器としてソースとドレインの２つの電極とバックゲート電極を有する構造を用いて説明するが、本発明は、４端子電極構造や、トップゲート構造などの他の電極構造を備えた電磁波検出器にも適用できる。
また、金属表面と光との相互作用である表面プラズモン共鳴現象やプラズモン共鳴現象、可視光域・近赤外光域以外での金属表面にかかる共鳴という意味での擬似表面プラズモン共鳴と呼ばれる現象、あるいは、波長以下の寸法の構造により、特定の波長を操作するという意味での、メタマテリアルやプラズモニックメタマテリアルと呼ばれる現象については、特にこれらを名称により区別せず、現象が及ぼす効果の面からは同等の扱いとする。ここでは、これらの共鳴を、表面プラズモン共鳴、プラズモン共鳴、あるいは単に共鳴と呼ぶ。
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の上面図であり、図２は、図１のＩ−Ｉにおける断面図である。
電磁波検出器１００は、例えばＳｉからなる基板４を含む。基板４は、電磁波検出器１００全体を保持するもので、例えば半導体基板からなり、高抵抗シリコン基板や熱酸化膜を形成して絶縁性を高めた基板などが用いられる。または、後述するようにバックゲートを形成するためにドープされたシリコン基板を用いても良い。熱酸化膜を有する基板の場合は、熱酸化膜が絶縁層３を兼ねても良い。
基板４の上には、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム、酸化ニッケル、ボロンナイトライド（ＢＮ）等からなる絶縁層３が設けられる。ボロンナイトライドは原子配列がグラフェンと似ているため、グラフェンとの接触で電荷移動を妨げることなく、悪影響を与えず、電子移動度などグラフェンの性能を阻害しないため、グラフェンの下地膜として好ましい。
絶縁層３の上には、一対の電極２が設けられている。電極２は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｄ等の金属から形成される。電極２とその下の絶縁層３との間には、ＣｒやＴｉからなる密着膜（図示せず）を形成しても良い。電極２は、電気信号を出力できる大きさ、厚さであれば、特に形状に制限はない。
電極２の上には、バッファ層５が設けられる。バッファ層５は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（ＳｉＮ）のような絶縁物、例えばＬｉＦ、Ｌｉ２Ｏ３、Ｌｉ２ＣＯ３、Ｃａ、Ｂａ、Ｃｓ、Ｃｓ２ＣＯ３、ＴｉＯ２のような活性金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、例えばＶ２Ｏ５、ＷＯ３、ＭｏＯ３のような遷移金属酸化物、有機物やこれらの金属と有機物との混合膜でもよい。または、電極２とグラフェンとの間にＯＨ基が介在するなど、電極２とグラフェンの間に介在物があればよい。つまり、バッファ層５によってグラフェンと電極との間の電荷の移動が妨げられ、グラフェン本体のディラックポイント以外にグラフェン−電極間にディラックポイントＤＰｅを形成する材料であればいずれの材料でも良い。
なお、バッファ層５は「層」という表現を用いているが、原子層レベルで見た場合、疎密があるかまたは不連続な領域があっても良い。具体的にはナノ粒子を用いても良い。
絶縁層３の上には、グラフェン層１が設けられる。グラフェン層１と電極２との間には、バッファ層５が挟まれる。グラフェン層１は単層または２層以上のグラフェンからなる。グラフェンの積層数を増やすと光吸収率が増加し、電磁波検出器１００の感度が高くなる。グラフェンは２次元炭素結晶の単原子層であり、単層グラフェンの厚さは炭素原子１個分の０．３４ｎｍと非常に薄い。グラフェンは６角形状に配置された各連鎖に炭素原子を有する。
グラフェン層１が２層以上のグラフェンの積層構造からなる場合、積層構造に含まれる任意の２層のグラフェンは、六方格子の格子ベクトルの向きが一致しない、つまり向きにずれがあっても良い。また、完全に格子ベクトルが一致した積層構造でもよい。特に、２層以上のグラフェンが積層されるとバンドギャップが形成されるため、波長選択効果を持たせることができる。
また、ナノリボン状のグラフェンを用いる場合、グラフェンナノリボン単体、あるいはグラフェンナノリボンを複数配列した構造としても良い。グラフェン層１はノンドープでも良いが、ｐ型またはｎ型にドープされてもよい。グラフェン層１をｎ型またはｐ型にドープすることにより、後述するようにグラフェン中のディラックポイント（ＤＰｇ）の位置を制御できる。
このように、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００では、グラフェン層１と電極２との間にバッファ層５を有することにより、電磁波照射の有無によって、グラフェン層１の電荷移動度を変化させる閾値電界がそれぞれ形成される。このため、グラフェン層１に光を照射することで、グラフェン層１のディラックポイント（ＤＰｇ）がシフトする。この結果、大きな電流変化が生じ、グラフェン層１の電気抵抗値が変化する。この電気抵抗値の変化をグラフェン層１の外部に配置した電極２で検出することで、入射する任意の波長の電磁波の強度を電気的信号として高感度で検出できる。
また、本電磁波検出器１００と共に、グラフェンを用いた出力増幅回路を電磁波検出器１００の隣接部や下層部に設けてもよい。これにより、シリコン系の半導体材料から形成される出力増幅回路に比較して動作が速くなり、高性能な電磁波検出器が実現できる。
また、読み出し回路等の周辺回路にグラフェンを用いることにより、高速読み出しや、製造プロセスの簡素化が可能となる。
図３ａ〜図３ｆは、本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。図３ａ〜図３ｆ中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
図３ａに示す電磁波検出器１００ａでは、絶縁層３の上にグラフェン層１が形成され、その上にバッファ層５、電極２が順に形成されている。バッファ層５や電極２の形成には、グラフェン層１にダメージを与えない蒸着などの方法を用いることが好ましい。
図３ｂに示す電磁波検出器１００ｂでは、一方の電極（図３ｂでは左側の電極）は、電極２の上にバッファ層５を介してグラフェン層１が設けられ、他方の電極（図３ｂでは右側の電極）は、グラフェン層１の上にバッファ層５を介して電極２が設けられている。
図３ｃに示す電磁波検出器１００ｃでは、２層のグラフェン層１、１２が形成され、グラフェン層１２は、その上にバッファ層５を介して電極２が形成され、一方、グラフェン層１は、電極２の上にバッファ層５を介して形成されている。
図３ｄに示す電磁波検出器１００ｄでは、グラフェン層１、バッファ層５、電極２を覆うように保護膜１３が形成されている。バッファ層５が自然酸化膜などの薄膜からなる場合、保護膜１３を設けることで、周辺雰囲気の影響でバッファ層５の性質が変化することを防止できる。特に、高温、低温環境で電磁波検出器を使用する場合、グラフェン層１とバッファ層５との接触を保持することが重要となる。つまり、保護膜１３を設けることにより、安定した動作が保障される。保護膜１３は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（ＳｉＮ）などの絶縁膜からなる。
図３ｅに示す電磁波検出器１００ｅでは、保護膜１３の上に電極１４が設けられている。この電極１４は、トップゲート電極として動作する。逆に、基板４の裏側（図３ｅでは下側）から電圧を印加して電極２にかかる電気信号を検出するバックゲート型（図５参照）でも良い。
図３ｆに示す電磁波検出器１００ｆでは、電極２の上面と、絶縁層３の上面とが同一平面となっている。グラフェン層１と電極２との間にはバッファ層５が介在している。
次に、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００の動作原理について説明する。電磁波検出器１００では、グラフェン層１と電極２との間に、酸化膜などのバッファ層５が存在する。バッファ層５が無い場合は、グラフェン層１と電極２の接点の電位は、どのようなバイアス電圧をグラフェン層１に印加しても同電位となるが、図４に実際の測定結果を示すように、バッファ層５が存在する場合、グラフェンと電極との間の電荷の移動が妨げられるため、グラフェン本体のディラックポイントＤＰ（以下「ＤＰｇ１」と呼ぶ）とは異なるグラフェン−電極間のバッファ層５の影響によって形成される準位が形成される。本発明では、グラフェン−電極間に形成されるディラックポイントＤＰ（以下「ＤＰｅ」）と呼ぶ。ＤＰｅは、光照射の有無によって、グラフェンの電荷移動度を変化させる閾値電界となる点として定義できる。つまり、簡単にはバッファ層５がグラフェン層１と電極２間の電荷の移動を妨げることによってＤＰｅが形成されていると考えることができる。
ここで、バッファ層５の膜厚は、電磁波がグラフェン層１に照射された場合に、バッファ層５を介してグラフェン層１と電極２との間で電荷の移動が可能な厚さであればよい。バッファ層５が厚すぎると、グラフェン層１と電極２との間で電荷の移動が不可能となるため、バッファ層５の膜厚は、通常、数原子層〜１０ｎｍ程度と非常に薄いことが好ましい。ただし、バッファ層５の材料によっては、この膜厚より厚くても電荷の移動が可能になる場合がある。
なお、電磁波を照射した時に、グラフェン層１と電極２とその間のバッファ層５に、照射された電磁波が到達可能であれば、保護膜等がこれらの上に形成されていても良い。
一般に、電磁波検出器１００に光が入射した場合、入射光の電界を打ち消すように電極２の表面で電荷の移動が生じる。このエネルギーにより、バッファ層５をトンネルして電荷が移動するため、グラフェン層１と電極２との間でも電荷の移動が増加し、グラフェン−電極間のディラックポイントＤＰｅが消失する。あるいは、電極以外の効果として、グラフェンが光を吸収して増加した電荷が、バッファ層５によってブロックされ蓄積され、あるバイアス電圧を境として、バッファ層５をトンネルする。この結果、電磁波検出器１００のグラフェン層１の内部の電荷部分布が変化し、ＤＰｅが消失するため、結果的に、ＤＰｇ１が移動しＤＰｇ２となる。以上の原理によって、光を照射した場合、バッファ層５の影響によって光電流が増加することになる。
図４は、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００に光を照射した場合と照射しない場合における、グラフェン層１の電気特性の測定結果である。図４において、横軸は、バックゲート電圧であり、縦軸は２つの電極２の間を流れる電流である。グラフェン層１は単層のグラフェンからなり、２つの電極２の間隔は５μｍ、電極２の長さ（図１の上下方向）は１５μｍである。電極２は、金属の多層構造からなり、最表面が金であり、厚さは３０ｎｍである。絶縁層３との間には、密着性を向上させるために厚さ５ｎｍのＴｉ膜が形成されている。基板４はＮ型にドープしたシリコンからなる。基板４は裏面から電圧を印加するバックゲート型として動作する。絶縁層３はシリコンの熱酸化膜（ＳｉＯ２）からなり、厚さは２９０ｎｍである。バッファ層５は、電極２の表面の金をＵＶオゾン処理で酸化させて形成した金の酸化膜とした。厚さは数ｎｍ以下である。または、ＯＨ基などの介在物でもよい。
以上の寸法は、図４の測定に用いた試料の寸法であり、電磁波検出器１００はこれらの寸法に限定されるものではなく、電磁波検出器１００の感度等に応じて適宜設計される。ここでは、２つの電極２の内、一方をソース、他方をドレインとし、基板４の裏面から電圧を印加することでバックゲートとして動作させた（図５参照）。
図４には、光照射無の場合のＤＰｇ１、ＤＰｅと、光照射により移動したＤＰｇ２が明確に現れている。図４に示すように、ＤＰｇ１とＤＰｇ２のＶｂｇの差は２０Ｖ程度と非常に大きくなっている。光照射によるディラックポイントの変動によって、電流は、例えばバックゲート電圧Ｖｂｇが２５Ｖ程度の場合、１００μＡとなる。上記の実験で得た感度を算出すると、数１００Ａ／Ｗと非常に大きな感度を実現している。ＤＰｅの無いグラフェンの場合の電流変化分は非常に小さいため、これと比較して高感度な光応答が得られる。
以上のように、グラフェン層１を電極２上に形成し、金属表面の酸化膜を利用したバッファ層５を有する電極２と、グラフェン層１とのコンタクトポイントにおけるディラックポイントと、グラフェン自体におけるディラックポイントとの非対称性、および電極２の金属部における光照射時の電界移動によるこの非対称性の解消を用いて、結果的に光照射時の取り出し電流を大きくできる。また、バックゲート型の場合、シリコン基板がドープされていることが望ましい。特に、Ｖｂｇがプラスの電圧の領域にＤＰｅが形成される場合、Ｎ型シリコン基板によってＤＰｇ１とＤＰｇ２の差が増大する傾向にある。また、Ｖｂｇがマイナスの電圧の領域にＤＰｅが形成される場合、Ｐ型シリコン基板によってＤＰｇ１とＤＰｇ２の差が増大する傾向にある。但し、これらの効果は、バッファ層などの効果と複合して発生している。
検出器の動作状態では、グラフェン層１への電磁波の入射によって発生する光電流を検出する場合もある。その場合、グラフェン層１の光電流発生経路の両端にある電極２の間には、外部バイアスを印加しても、印加しなくても電磁波検出器は１００動作する。ただし、バイアスを印加することにより、発生したキャリアの検出効率は高くなる。
グラフェン層１には、電極２を介して外部バイアスなどの光電流の変化を取り出すための電気回路が接続されている。例えば電気信号の読み出し方法として、２つの電極２の間に電圧Ｖｄを印加すると、グラフェン層１内の抵抗値変化という電気的な信号により、電極２の間を流れる電流量Ｉｄが変化する。この電流量の変化を検出することで、入射する電磁波の大きさを検出することができる。２つの電極２の間に、一定電流を流す回路を付加し、電圧値の変化量を検出してもよい。
また、図５に示すように、基板４の裏面をバックゲート端子として、２端子の電極２と組み合わせることでトランジスタ構造として、電気信号を取り出してもよい。この場合、基板４の裏面に電圧をかけることにより、グラフェン層１に更に大きな電界を生じさせることができ、電磁波の入射により発生したキャリアを高効率に検出できる。
また、電極２を１つだけ形成し、これを用いて電磁波の入射によるグラフェン層１の電位変化を検出してもよい。
また、グラフェン層１上に酸化膜を形成し、酸化膜上にゲート端子として、２端子の電極２と組み合わせることでトランジスタ構造を形成したトップゲート構造として、電気信号を取り出してもよい（図３ｅ参照）。
本発明の実施の形態１では、簡略化のために、一対の電極２を形成し、その間の電気抵抗を検出する場合を例に説明したが、トランジスタ構造等の他の構造を適用しても構わない。
次に、電磁波検出器１００の製造方法について簡単に説明する。電磁波検出器１００の製造方法は、以下の工程１〜５を含む。
工程１：まず、シリコン等の平坦な基板４を準備する。
工程２：基板４の上に、絶縁層３を形成する。絶縁層３は、例えば基板４がシリコンの場合は、熱酸化により酸化シリコン（ＳｉＯ２）を形成してもよい。また、ＣＶＤやスパッタにより他の絶縁膜を形成してもよい。
工程３：Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等からなる電極２を形成する。この時、下部の絶縁層３との密着性を上げるためにＣｒやＴｉの密着膜を形成しても良い。電極２の形成は、写真製版やＥＢ描画などを用いてレジストマスクを形成した後、その上にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等からなる金属層を蒸着やスパッタリングなどで堆積して行う。
工程４：金属からなる電極２の表面を酸化してバッファ層５を形成する。電極２の酸化は、オゾン雰囲気でＵＶ照射（ＵＶオゾン処理）、プラズマ照射、または自然酸化などで行う。溶液等を用いて酸化膜を形成しても良い。または、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（ＳｉＮ）などの絶縁膜を電極２の上の、グラフェン層１と接触する領域に成膜しても良い。更には、活性金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、例えばＬｉＦ、Ｌｉ２Ｏ３、Ｌｉ２ＣＯ３、Ｃａ、Ｂａ、Ｃｓ、Ｃｓ２ＣＯ３、ＴｉＯ２、遷移金属酸化物、例えばＶ２Ｏ５、ＷＯ３、ＭｏＯ３、有機物や有機物とこれらの金属との混合膜などで形成してもよい。つまり、バッファ層５によってグラフェン本体のディラックポイント以外にＤＰｅを形成する材料であれば、いずれの材料で膜を形成しても良い。
工程５：電極２および絶縁層３の上にグラフェンを形成する。グラフェンは、エピタキシャル成長により形成しても良いし、予めＣＶＤ法を用いて形成グラフェン層を転写して貼り付けてもよい。また、機械剥離などで剥離したグラフェンを転写してもよい。続いて、写真製版などでグラフェンをレジストマスクで被覆し、酸素プラズマでエッチングしてパターニングする。これにより、チャネル部分や電極２と接している領域以外の不要な部分のグラフェンを除去し、グラフェン層１を形成する。
以上の工程１〜５で、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００が完成する。
実施の形態２．
図６は、全体が１１０で表される、本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器の上面図であり、図７は、図６のＶ−Ｖにおける断面図である。図６、７中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
実施の形態２にかかる電磁波検出器１１０が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、グラフェン層１がバッファ層５を介して電極２と重なる部分の面積（図６中に破線で表示）が、２つの電極２の間、即ちソース電極とドレイン電極との間で異なる点である。このような構造は、実施の形態１におけるグラフェンの加工工程（工程５）で、ソースとドレインの上のグラフェンの面積を異なるように加工すればよい。
ソース電極とドレイン電極で、グラフェン層１と電極２が重なる面積が異なると、それに応じて、電極２を構成する金属からグラフェン層１への電荷移動量も異なる。つまり、ソース電極とドレイン電極との間で、エネルギーギャップが異なることになる。これにより、光が照射された場合、発生したキャリアにより２つの電極２の間でバイアスが発生することになり、光電流が増大する。または、グラフェン本体のディラックポイントＤＰとは異なるグラフェン−電極間のディラックポイントＤＰｅが形成され、光照射時には実施の形態１と同じ現象が生じ、光電流の変化が増大する。
以上のように、実施の形態２にかかる電磁波検出器１１０では、光照射時の光電流を増大させることができ、電磁波検出器１１０の感度を向上させることができる。
実施の形態３．
図８は、全体が１２０で表される、本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器の断面図である。図８中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
実施の形態３にかかる電磁波検出器１２０が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、電極６（例えばソース電極）と電極７（例えばドレイン電極）が異なる金属から形成されている点である。グラフェンは接触する金属の種類によってフェルミレベルが移動し、あるいは接触抵抗が異なる。よって、電極６と電極７を異なる金属から形成した場合、ソースとドレインの間でエネルギーギャップが異なる。このため、光が照射された場合、発生したキャリアにより電極５、６間でバイアスが発生して光電流が増大し、電磁波検出器１２０の感度を向上させることができる。
実施の形態４．
図９は、全体が１３０で表される、本発明の実施の形態４にかかる電磁波検出器の断面図である。図９中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
実施の形態４にかかる電磁波検出器１３０が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、２つの電極２の上に形成されるバッファ層８、９が、異なる酸化物からなる点である。この結果、２つの電極２、即ちソース電極とドレイン電極で、電極−グラフェン間の接触抵抗が異なり、ソースとドレインの間でエネルギーギャップが異なるようになる。このため、光が照射された場合、発生したキャリアにより２つの電極２の間でバイアスが発生して光電流が増大し、電磁波検出器１３０の感度を向上させることができる。
実施の形態５．
図１０は、全体が１４０で表される、本発明の実施の形態５にかかる電磁波検出器の断面図である。図１０中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
実施の形態５にかかる電磁波検出器１４０が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、電極２の表面に周期的な凹部１０が形成されている点である。図１１、１２は電極２の上面図である。凹部１０は、例えば図１１に示すような、２次元に所定の間隔で配置された円柱状の凹部からなる。配置は、正方格子、三角格子等、いずれの周期配列でも良い。円柱の代わりに角柱、三角柱、四角柱、楕円柱等、他の形状の凹部でも良い。また、凹部１１は、例えば図１２に示すような、並列配置された１次元の溝でも良い。これらの凹部１０、１１は、電極２を貫通しても、貫通しなくても、それぞれプラズモン共鳴が生じる。適宜、目的とする波長検知するためのパターン設計をすれば良い。
このような周期的な凹部１０、１１を電極２の表面に設けることにより、特定の波長において金属表面に強く局在するプラズモン共鳴が発生する。電極２の材料は、表面プラズモン共鳴が生じる金属であればいずれの金属でも良く、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等が用いられる。
ここでは、電極２の表面に周期的な凹部１０、１１を形成する場合について説明したが、周期的な凸部を形成しても良い。同等の効果を有するプラズモン共鳴が生じる。
ここで、プラズモン共鳴の共鳴波長は、周期構造に依存して決定される。このような周期構造を電極２の上に形成することにより、特定の共鳴波長を有する電磁波のみを電極表面で吸収することができる。つまり、電磁波検出器１００において、特定の共鳴波長を有する電磁波のみを強く検出することができ、特定波長の検出感度を高くできる。
実施の形態６．
図１３、１４は、本実施の形態６にかかる電磁波検出器に用いられるグラフェン層１のみを示した上面図である。実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、グラフェン層１に、一次元または二次元の周期的な凹部２０、２１が形成されている点である。凹部２０、２１は、グラフェン層１を貫通する孔でも良い。グラフェン層１が単層の場合は、凹部２０、２１は、グラフェン層１を貫通する孔となる。グラフェン層１が複数層の場合は、そのうちのいずれかの層のみを貫通する孔であれば、凹部２０、２１はグラフェン層１を貫通しない。また、複数層全てを貫通する孔であれば、凹部２０、２１はグラフェン層１を貫通する。
このように、グラフェン層１に周期的な構造を形成した場合も、上述の電極２に周期的構造を形成した場合と同様に、周期構造に応じた特定波長の電磁波を吸収できる。グラフェンは半金属であるため、原理としては金属と同様のプラズモン共鳴による。
２次元の周期配置は、正方格子、三角格子等、いずれの周期配列でも良い。また、凹部２０の形状は、円柱、角柱、三角柱、四角柱、楕円柱等、いずれの形状の凹部でも良い。ただし。但し、三角柱等、上面から見た形状が非対称性を有する場合、グラフェン層１が吸収する光には偏光依存性が発生するため、特定の偏光のみを検出する電磁波検出器を形成することができる。
１次元の周期配置は、例えば図１４に示すような、並列配置された１次元の溝でも良い。
このような周期構造をグラフェン層１の上に形成することにより、特定の共鳴波長を有する電磁波のみをグラフェン層１の表面で吸収することができる。つまり、電磁波検出器１００において、特定の共鳴波長を有する電磁波のみを強く検出することができ、特定波長の検出感度を高くできる。
ここでは、グラフェン層１の表面に周期的な凹部２０、２１を形成する場合について説明したが、周期的な凸部を形成するようなパターンでも良い。
実施の形態７．
本実施の形態７にかかる電磁波検出器（図示せず）は、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と、グラフェン層１の代わりに遷移金属ダイカルコゲナイドか黒リン（Black Phosphorus）などの２次元材料を用いた点で異なる。他の構造は電磁波検出器１００と同様である。遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料は、グラフェンと同様の原子層状構造を有するため、２次元材料と呼ばれ、例えばＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２等遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンからなる。また、これらの材料のうち同種の材料、あるいは異なる材料同士を積層した構造でも良い。あるいはプロベスカイトとグラフェンまたは２次元材料の異種材料接合でもよい。
これらの遷移金属ダイカルコゲナイド材料や黒リンなどの２次元材料は、所定のバンドギャップを有する。このため、オフ電流がほぼゼロとなるため電磁波検出器のノイズが小さくなり、電磁波検出器の高性能化が可能となる。
また、遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料を積層する層数によりバンドギャップが調整できるため、検出する電磁波の波長を層数によって選択できる。これにより、特定の波長の電磁波のみを検知する波長選択型電磁波検出器を得ることができる。従来の半導体検出器のように、半導体材料の組成によってバンドギャップをコントロールする必要がないため、作製が容易である。また、典型的な波長選択法である光学フィルタを用いる必要も無いため、光学部品の点数が低減でき、更にフィルタを通過することによる入射光の損失も低減できる。
また、遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料を用いた場合、複数の層からなる積層構造とすることで、偏光依存性を得ることができる。このため、特定の偏光のみを選択的に検出する電磁波検出器を実現できる。
更に、これらの遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料のうち、異なる２種以上の材料を組み合わせ、または遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料とグラフェンとを組み合わせて、ヘテロ接合とすることにより、異種材料間で、従来の半導体材料における量子井戸構造やトンネル電流と同じ効果が実現できる。これにより、ノイズが低減できるとともに、再結合が低減できるため、電磁波検出器の高感度化が可能となる。
実施の形態８．
図１５は、全体が１０００で表される、本発明の実施の形態８にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。図１５では、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００が２×２に配置されているが、配置する個数はこれに限定されるものではない。
電磁波検出器アレイ１０００では、電磁波検出器１００だけでなく、他の実施の形態２〜７にかかる電磁波検出器をアレイ状に配置しても良い。
このように、グラフェンを用いた電磁波検出器アレイでは、紫外光からマイクロ波まで非常に広い波長範囲の電磁波を検出できる。このため、例えば電磁波検出器アレイを車載センサに適用した場合、日中は可視光画像用カメラとして使用できる、一方、夜間は赤外線カメラとしても使用でき、検出波長によってカメラを使い分ける必要が無くなる。
なお、電磁波検出器アレイ１０００の外に、それぞれの電磁波検出器１００から得られた電気信号を読み出す回路や行列選択回路などを設置しておくことが好ましい。
実施の形態９．
図１６は、全体が２０００で表される、本発明の実施の形態９にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。図１６では、互いに種類の異なる電磁波検出器１００、２００、３００、４００が２×２に配置されているが、配置する個数はこれに限定されるものではない。
本実施の形態９にかかる電磁波検出器アレイ２０００では、実施の形態１〜８で述べた種類の異なる電磁波検出器を１次元または２次元のアレイ状に配置することで、画像センサとしての機能を持たせることができる。
例えば、図１６に示す電磁波検出器アレイ２０００において、電磁波検出器１００、２００、３００、４００を、それぞれ検出波長の異なる電磁波検出器から形成する。具体的には、実施の形態５〜７に記載した検出波長選択性を有する電磁波検出器をアレイ状に並べる。これにより、電磁波検出器アレイ２０００は、少なくとも２つ以上異なる波長の電磁波を検出することができるようになる。
このように異なる検出波長を有する電磁波検出器をアレイ状に配置することにより、可視光域で用いるイメージセンサと同様に、紫外光、赤外光、テラヘルツ波、電波の波長域においてもカラー化した画像を得ることができる。
また、イメージセンサ以外の用途としては、少ない画素数でも、物体の位置検知用センサとして用いることができる。電磁波検出器アレイ２０００の構造により、複数波長の電磁波の光強度を検出する画像センサが製造可能となる。これにより、従来、ＣＭＯＳセンサなどで必要であったカラーフィルタを用いることなく、複数の波長の電磁波を検出し、カラー画像を得ることができる。
更に、検知する偏光が異なる電磁波検出器をアレイ化することにより、偏光識別画像センサを形成することもでき、例えば人工物と自然物の識別が可能となる。
１ グラフェン
２ 電極
３ 絶縁層
４ 基板
５ バッファ層
６、７ 電極
８、９ バッファ層
１０、１１ 凹部
１２ グラフェン層
１３ 保護膜
１４ 電極
１００、１１０、１２０、１３０ 電磁波検出器
１０００、２０００ 電磁波検出器アレイ

Claims (14)

  1. 導電性を有する基板と、
    該基板の上に設けられた絶縁層と、
    該絶縁層の上に設けられたグラフェン層と、
    該絶縁層の上に、該グラフェン層を挟んで設けられた一対の電極と、
    該グラフェン層と該一対の電極との間にそれぞれ挟まれてこれらを離隔するバッファ層と、を含むことを特徴とする電磁波検出器。
  2. 上記一対の電極は、同一材料からなることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
  3. 上記一対の電極の材料が、該電極間で異なることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
  4. 上記グラフェン層と上記電極との間に、該グラフェン層中のディラックポイントとは異なるディラックポイント（ＤＰｅ）が形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電磁波検出器。
  5. 上記電極は金属からなり、上記バッファ層は該金属の酸化物からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電磁波検出器。
  6. 上記グラフェン層および上記バッファ層を覆うように保護膜が設けられたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電磁波検出器。
  7. 上記一対の電極において、上記バッファ層を挟んで電極と上記グラフェン層とが対向する部分の面積が、該電極間で異なることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電磁波検出器。
  8. 上記一対の電極と上記グラフェン層との間にそれぞれ設けられた上記バッファ層の材料が、該バッファ層間で異なることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電磁波検出器。
  9. 上記電極の表面に、表面プラズモン共鳴を生じる周期的な凹部または凸部が形成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電磁波検出器。
  10. 上記グラフェンの表面に、表面プラズモン共鳴を生じる周期的な凹部または凸部が形成されたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の電磁波検出器。
  11. 上記周期的な凹部は、１次元または２次元に配置された周期的な孔、または並列配置された１次元の溝からなることを特徴とする請求項９または１０に記載の電磁波検出器。
  12. 上記グラフェン層は、２層以上のグラフェンの積層構造、または２次元材料、または２次元材料の積層構造、グラフェンと２次元材料との積層構造を有することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の電磁波検出器。
  13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の電磁波検出器をアレイ状に配置したことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
  14. 請求項９〜１２のいずれかに記載の電磁波検出器であって、互いに異なる電磁波検出器をアレイ状に配置したことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
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