JP6161554B2 - 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
を含み、孤立金属の平面形状の大きさによって、入射光のうち、表面プラズモンが生じる所定の波長が決定され、所定の波長の光を吸収してグラフェン層に生じる電気信号の変化を検知することを特徴とする電磁波検出器でもある。
また、グラフェンは単原子層と非常に薄いため、周期的な孤立金属に対してグラフェンが下にあっても上にあっても、検出器の性能においては同等の効果を有する。よって実施の形態1では、グラフェンが周期的な孤立金属の下に有る場合のみを用いて説明する。グラフェンが周期的な孤立金属の上に有る場合、例えば実施の形態4、24などについても、同等の吸収特性を有するため、実施の形態4、24においては詳細な吸収特性の説明は省略する。
なお、各実施の形態において、同一の構成には同一の符号を付して、説明を省略する。
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斜視図である。図2は、図1のI−I’における断面図である。また、図3は、図2を上面(「表面」または「入射面」ともいう。)から見た場合の平面図である。
δ=(2/μσω)1/2
ただし、μ、σはそれぞれ孤立金属1の透磁率、電気伝導率であり、
ωは検出波長を有する電磁波の角振動数である。
で表される表皮効果の厚さδ(skin depth)の2倍程度の厚さ(波長によって変化するが、赤外域においては、数10nm程度から数100nm程度)以上であれば、一般に入射光の漏れ出しが充分に小さいといえる。よって、膜厚hの最低膜厚は、上記条件を満たさなければならない。以下の解析に示すように、赤外波長域に対しては、膜厚hが数10〜100nm程度以上であれば十分な吸収が生じ、200nm程度あれば十分である。このように、孤立金属1の膜厚が薄い場合、表面プラズモン共鳴は、主として、孤立金属1の面内方向において生じ、吸収する入射光の波長は、孤立金属1の大きさにより決まる。
λab∝L
の関係が成立することが分かる。
λab∝L
の関係が成立することが分かる。かかる関係は、図6の場合とほぼ同じであり、周期を変化させても、孤立金属1の大きさで決定される波長の光が吸収されることが分かる。また、λabとLの関係は周期が変化してもほぼ変わらないことが分かる。以上より、nを正の実数とすると、λab≒n×Lとなる。
λab≒n×L
λab>S
の関係を満たせば、十分な吸収が得られる。
図13(a)は、本発明の実施の形態2にかかる電磁波検出器110の斜視図である。実施の形態1の電磁波検出器100と異なる点は、グラフェン層2をシート状に配置せず、グラフェン層2を部分的に加工して、グラフェン接続配線6とする点である。即ち、グラフェン層2は、孤立金属1と電極5の下部と、これらを接続するグラフェン接続配線6の部分のみに設けられる。
で表すことができる。
で表すことができる。このため、
となる。
図15は、全体が140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斜視図である。電磁波検出器140では、2つの電極5の間で、孤立金属1がグラフェン接続配線6で直列に接続されている。図15に示した電磁波検出器140において、孤立金属1下部に配置されたグラフェン層2の抵抗値をR1とし、孤立金属1と孤立金属1の間のグラフェン接続配線6の抵抗値をR2とすると、n個の孤立金属1を直列接続した場合、電極5間の抵抗値Rは、
で表すことができるため、
となる。
図16は、全体が150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。電磁波検出器150では、グラフェン層2を孤立金属1および電極5の上部に配置している点で、下部に配置している電磁波検出器100と異なる。金属層4、絶縁層3、電極5、孤立金属1を形成した後に、例えばエピタキシャル成長によりグラフェン層2を形成することで、実施の形態4にかかる電磁波検出器150が得られる。あるいはあらかじめ銅箔等にCVDで製膜したグラフェンを転写することでグラフェンを形成してもよい。電磁波検出器150の光学特性については、実施の形態1で既に述べたように、同等の吸収特性を有するため省略する。
図19は、全体が180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斜視図である。電磁波検出器180では、孤立金属1および電極5が接続された金属パターン30を有している点で、電磁波検出器100とは異なっている。
で表すことができる。
となり、特定波長の光に対する電気特性は、孤立金属1および電極5が接続されたパターンの有無にかかわらず、変化しないことがわかる。
図21は、全体が200で表される、本発明の実施の形態6にかかる電磁波検出器の斜視図である。電磁波検出器200では、孤立金属1の、表面に平行な面における形状が、正方形ではなく円形となっている。孤立金属1は、円形以外に楕円形、または三角形等の非点対称系でも良い。
図22は、全体が210で表される、本発明の実施の形態7にかかる電磁波検出器の斜視図である。また、図23は、図22のA−Bにおける断面図である。
図24は、全体が220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の断面図である。電磁波検出器220では、孤立金属1の下部に第1グラフェン層11が、上部に第2グラフェン層12が、それぞれ設けられている。他の構造は、電磁波検出器100と同じである。
図25は、全体が230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の断面図である。電磁波検出器230では、金属層4の上から順番に、第1絶縁層31、第1グラフェン層11、第2絶縁層32に覆われた第1孤立金属21、第2グラフェン層12、第2孤立金属22の順で配置されている。
図26は、全体が240で表される、本発明の実施の形態10にかかる電磁波検出器の断面図である。電磁波検出器240では、孤立金属1がグラフェン層2表面に接触することなく中空に形成されている。大気と絶縁層の光屈折率を比べると、絶縁層の方が大きな屈折率を有していることがわかる。孤立金属1の周期パターンと、平坦な金属層4との間に絶縁層3が挟まれた多層構造において、表面プラズモン共鳴と絶縁層3における導波モードが同時に発生する。絶縁層3における導波モードとは、絶縁層3の内部で共振した光のモードである。この導波モードは、光屈折率が大きい方が強くなる。つまり、孤立金属1の周辺は酸化膜のほうが光の閉じ込め効果は大きい。
なお、本発明の実施の形態10にかかる中空構造は、孤立金属1の光の閉じ込め効果を著しく悪化させない程度の構造物により孤立金属1を保持することにより形成してもよい。また、中空構造は、酸化膜などの膜構造により孤立金属1を保持することにより形成してもよい。
図27は、全体が300で表される、本発明の実施の形態11にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。電磁波検出器アレイ300は、実施の形態1〜10で述べた電磁波検出器のうち、孤立金属1の大きさが均一な電磁波検出器(例えば電磁波検出器100)を複数個、一次元もしくは二次元アレイ状に配置することで、画像センサを構成するものである。
図28は、全体が400で表される、本発明の実施の形態12にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。電磁波検出器アレイ400は、実施の形態1〜10で述べた電磁波検出器のうち、孤立金属1の大きさが異なる電磁波検出器101、102、103、104を、規則性を持たせた状態で一次元もしくは二次元アレイ状に配置することで、画像センサを構成するものである。既に述べたように、電磁波検出器の吸収体に形成した孤立金属1の一辺の長さLを変えることにより、画素を構成するセンサの検出波長を変えることができる。つまり、各センサの吸収体に異なる深さを有する溝部を設けることにより、画素によって異なる波長の入射光強度情報を有する画像を検出する画像センサとして用いることが可能となる。
図29は、全体が500で表される、本発明の実施の形態13にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。電磁波検出器アレイ500では、実施の形態1〜10で述べた電磁波検出器のうち、孤立金属1の大きさを変えたものを複数種類、規則性を持たせた状態で配置した電磁波検出器250を形成し、それを一次元もしくは二次元アレイ状に配置することで、画像センサを構成するものである。
図30は、全体が260で表される、本発明の実施の形態14にかかる電磁波検出器の断面図である。電磁波検出器260では、孤立金属1とグラフェン層2間に孤立金属絶縁保護膜40を設置することで、孤立金属1をグラフェン層2から電気的に絶縁している。孤立金属1がグラフェン層2と電気的に接触していた場合、電極5より電気信号を取り出す際、孤立金属1に電位が発生する。この電位により、孤立金属1と金属層4の間の光閉じ込め効果に影響をもたらす可能性がある。また、この電位は、複数設置されている孤立金属1間で微小な差異を持っているため、孤立金属1間で光閉じ込め効果に差が生じる可能性がある。これに対して、電磁波検出器260では、このような問題点が解決でき、検知強度が安定した電磁波検出器260を提供できる。
図31は、全体が600で表される、本発明の実施の形態15にかかる電磁波検出器の斜視図であり、図32はその断面図である。
電磁波検出器600が本発明の実施の形態1の電磁波検出器100と異なる点は、グラフェン層2が半導体層13上に配置されている点である。ここで、グラフェン層2は、半導体層13とショットキー接合を形成する。電極5とグラフェン層2は電気的に接続される。グラフェン層2は、電極5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に接続されている。例えば電気信号の読み出し方法としては、電極5と金属層4との間での、電流量変化や電圧値変化を検出することで、入射する電磁波を検出することができる。
なお、半導体層13、グラフェン層2、孤立金属1の相互作用に関しては、実施の形態16で詳述する。
図33は、全体が650で表される、本発明の実施の形態16にかかる電磁波検出器の斜視図であり、図34はその断面図である。
電磁波検出器650が実施の形態1の電磁波検出器100と異なる点は、グラフェン層2が半導体層13および孤立金属1の上に配置されている点である。特に、電磁波検出器650は、金属層4、半導体層13、絶縁層14、電極5、孤立金属1を形成した後に、その上に別途作製したグラフェン層2を張りつけるため、製造工程のプロセスの影響を受けない良質のグラフェン層2を使用でき、より高効率に光を吸収することができる。
図39は、全体が700で表される、本発明の実施の形態17にかかる電磁波検出器の断面図である。電磁波検出器700では、孤立金属1の下部に、第1グラフェン層11が、上部に第2グラフェン層12が、それぞれ設けられている。他の構造は、実施の形態15の電磁波検出器600と同じである。
図40は、全体が800で表される、本発明の実施の形態18にかかる電磁波検出器の断面図である。
電磁波検出器800が実施の形態1の電磁波検出器100と異なる点は、グラフェン層2が強誘電体層15上に配置されている点である。電極5とグラフェン層2は電気的に接続される。強誘電体材料としては、PZT(PbZrxTi1−xO3)やSBT(SrBi2Ta2O9)などが用いられ、これらの材料は分極特性を有する。強誘電体材料は、ペロブスカイト構造と呼ばれる結晶構造を持ち、強誘電体材料にかかる電界により分極値が変化する。電磁波の入射によるグラフェン層2の電位変化により強誘電体層15にかかる電界が変化し、強誘電体層15の分極値が変化する。この分極値変化を検出することで、入射する電磁波を検出することができる。
また、半導体層13、絶縁層14、強誘電体層15の代わりに遷移金属ダイカルコゲナイト層を用いた場合も、グラフェン層との間でヘテロ接合を形成するため、光電変換効率の増大が可能となる。
図42は、全体が810で表される、本発明の実施の形態19にかかる電磁波検出器の断面図である。
電磁波検出器810が実施の形態18の電磁波検出器800と異なる点は、グラフェン層2が強誘電体層15および孤立金属上に配置されている点である。本実施の形態の電磁波検出器810は、金属層4、強誘電体層15、絶縁層14、電極5、孤立金属1を形成した後に、その上に別途作製したグラフェン層2を張りつけて作製するため、製造工程のプロセスの影響を受けていない良質のグラフェン層2を使用でき、より高効率に光を吸収することができる。また、グラフェン層2と電極5は電気的に良好な接続を有していることが好ましく、ランプアニール等の後処理や、スパッタエッチング、WET処理等の前処理を行うことが好ましい。
電磁波の入射によるグラフェン層2の電位変化により強誘電体層15にかかる電界が変化し、強誘電体層15の分極値が変化する。電磁波検出器810では、この分極値の変化を検出することで、入射する電磁波を検出することができる。
図43は、全体が820で表される、本発明の実施の形態20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にかかる電磁波検出器820では、孤立金属1の下部に第1グラフェン層11が、上部に第2グラフェン層12が、それぞれ設けられている。他の構造は、実施の形態18の電磁波検出器800と同じである。本実施の形態にかかる電磁波検出器820では、孤立金属1の周辺に、複数のグラフェン層2層(第1グラフェン層11と第2グラフェン層12)が配置されているため、光吸収率を向上させることが可能となり、特定の偏光成分および波長成分の光に対する電気特性変化量の増大が可能となる。
図44は、全体が1100で表される、本発明の実施の形態21にかかる電磁波検出器の斜視図である。図45は、図44のII−II’(ストライプ状の孤立金属1の長手方向に垂直な断面)における断面図である。また、図46は、図45を上面(「表面」または「入射面」ともいう。)から見た場合の平面図である。
δ=(2/μσω)1/2
ただし、μ、σはそれぞれ孤立金属1の透磁率、電気伝導率であり、
ωは検出波長を有する電磁波の角振動数である。
で表される表皮効果の厚さ(skin depth)の2倍程度の厚さ(波長によって変化するが、赤外域においては、数10nm程度から数100nm程度)以上であれば、一般に入射光の漏れ出しが充分に小さいといえる。よって、膜厚hの最低膜厚は、上記の条件を満たさなければならない。以下の解析に示すように、赤外波長域においては、数10〜100nm程度以上であれば十分な吸収が生じ、200nm程度あれば十分である。このように、孤立金属1の膜厚が薄い場合、表面プラズモン共鳴は、主として、孤立金属1の面内方向において生じ、吸収する入射光の波長は、孤立金属1の大きさにより決まる。
λab∝L
λab>S
を満たせば、十分な吸収が得られる。
図56(a)は、本発明の実施の形態22にかかる電磁波検出器1110の斜視図である。実施の形態21の電磁波検出器1100と異なる点は、グラフェン層2をシート状に配置せず、グラフェン層2を部分的に加工して、グラフェン接続配線6とする点である。即ち、グラフェン層2は、孤立金属1と電極5の下部と、これらを接続するグラフェン接続配線6の部分のみに設けられる。
で表すことができる。
で表すことができる。このため、
となる。
図58は、全体が1140で表される、本発明の実施の形態23にかかる電磁波検出器の斜視図である。電磁波検出器1140では、孤立金属1とグラフェン接続配線6を直列接続し、孤立金属1の長辺方向に向かって電流を印加している。電磁波検出器1140において、孤立金属1の下部に配置されたグラフェン層2の長辺方向の抵抗値をR1’とし、孤立金属1と孤立金属1の間のグラフェン接続配線6の抵抗値をR2とすると、n個の孤立金属1を直列接続した場合、電極5間の抵抗値Rは
で表すことができるため、
となる。
図59は、全体が1150で表される、本発明の実施の形態24にかかる電磁波検出器の断面図である。電磁波検出器1150では、グラフェン層2を孤立金属1および電極5の上部に配置している点で、下部に配置している電磁波検出器1100と異なる。金属層4、絶縁層3、電極5、孤立金属1を形成した後に、例えばエピタキシャル成長によりグラフェン層2を形成することで、実施の形態24にかかる電磁波検出器1150が得られる。あるいは予め銅箔等にCVDで製膜したグラフェンを転写することでグラフェンを形成してもよい。電磁波検出器1150の光学特性については、実施の形態1で既に述べたように、同等の吸収特性を有するため省略する。
図62は、全体が1180で表される、本発明の実施の形態25にかかる電磁波検出器の斜視図である。電磁波検出器1180では、孤立金属1および電極5が接続された金属パターン30を有している点で、電磁波検出器1100とは異なっている。
で表すことができる。
となり、入射光の特定波長および偏光成分に対する電気特性変化量は、孤立金属1および電極5が接続されたパターンの有無にかかわらず、変化しないことがわかる。
図63は、全体が1210で表される、本発明の実施の形態26にかかる電磁波検出器の斜視図である。また、図64は、図63のA−Bにおける断面図である。
図65は、全体が1220で表される、本発明の実施の形態27にかかる電磁波検出器の断面図である。電磁波検出器1220では、孤立金属1の下部に第1グラフェン層11が、上部に第2グラフェン層12が、それぞれ設けられている。他の構造は、電磁波検出器1100と同じである。
図66は、全体が1230で表される、本発明の実施の形態28にかかる電磁波検出器の断面図である。電磁波検出器1230では、金属層4の上から順番に、第1絶縁層31、第1グラフェン層11、第2絶縁層32に覆われた第1孤立金属21、第2グラフェン層12、第2孤立金属22の順で配置されている。
図67は、全体が1240で表される、本発明の実施の形態29にかかる電磁波検出器の断面図である。電磁波検出器1240では、孤立金属1がグラフェン層2表面に接触することなく中空に形成されている。大気と絶縁層の光屈折率を比べると、絶縁層の方が大きな屈折率を有していることがわかる。孤立金属1の周期パターンと、平坦な金属層4との間に絶縁層3が挟まれた多層構造において、表面プラズモン共鳴と絶縁層3における導波モードが同時に発生する。絶縁層3における導波モードとは、絶縁層3の内部で共振した光のモードである。この導波モードは、光屈折率が大きい方が強くなる。つまり、孤立金属1の周辺は酸化膜のほうが光の閉じ込め効果は大きい。
なお、本発明の実施の形態29にかかる中空構造は、孤立金属1の光の閉じ込め効果を著しく悪化させない程度の寸法の構造体により、孤立金属1を中空保持して形成すればよい。例えば、孤立金属1の長手方向(長辺)の両端に、孤立金属1をグラフェン層2上に中空保持する為の構造体を、孤立金属1と同一の材料で形成すれば、大幅な工程追加の必要が無い。また、中空構造は、酸化膜などの膜構造により孤立金属1を中空保持することにより形成してもよい。
図68は、全体が1300で表される、本発明の実施の形態30にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。電磁波検出器アレイ1300は、実施の形態21〜30で述べた電磁波検出器のうち、孤立金属1の大きさが均一な電磁波検出器(例えば電磁波検出器1100)を複数個、一次元もしくは二次元アレイ状に配置することで、画像センサを構成するものである。
図69aは、全体が1350で表される、本発明の実施の形態31にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。電磁波検出器アレイ1350は、実施の形態21〜29で述べた電磁波検出器のうち、孤立金属1の角度(長手方向)が異なる電磁波検出器1101、1102、1103、1104を、規則性を持たせた状態で一次元もしくは二次元アレイ状に配置することで、画像センサを構成するものである。図69aに示すように、ストライプ状の孤立金属1の配置方向は45°ずつ異なる4方向(0°、45°、90°、135°)となっている。
(2)電磁波検出器1101、1103によって検知される偏光角度は、Φまたは−Φとなる(図69c参照)。
(3)45−Φ>0ならば偏光角はθ、45−Φ<0ならば偏光角は−θである。
図70は、全体が1400で表される、本発明の実施の形態32にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。電磁波検出器アレイセンサは、実施の形態21〜29で述べた電磁波検出器のうち、孤立金属1の短辺の長さを変えた電磁波検出器1201〜1204を形成し、それを一次元もしくは二次元アレイ状に配置することで、画像センサを構成するものである。これにより、一つの電磁波検出器アレイ1400中で入射光における多波長成分の分解吸収が可能となる。これにより、波長選択性を持つ電磁波検出器アレイを得ることができる。
図71は、全体が1250で表される、本発明の実施の形態33にかかる電磁波検出器の上面図である。電磁波検出器1250では、実施の形態21〜29で述べた電磁波検出器のうち、短辺の長さを変えた複数の孤立金属1を、同一の電磁波検出器に、規則性を持たせた状態で配置する。
図72は、全体が1260で表される、本発明の実施の形態34にかかる電磁波検出器の断面図である。電磁波検出器1260では、孤立金属1とグラフェン層2間に孤立金属絶縁層40を設置することで、孤立金属1をグラフェン層2から電気的に絶縁している。孤立金属1がグラフェン層2と電気的に接触していた場合、電極5より電気信号を取り出す際、孤立金属1に電位が発生する。この電位により、孤立金属1と金属層4の間の光閉じ込め効果に影響をもたらす可能性がある。また、この電位は、複数設置されている孤立金属1間で微小な差異を持っているため、孤立金属1間で光閉じ込め効果に差が生じる可能性がある。これに対して、電磁波検出器1260では、このような問題点が解決でき、検知強度が安定した電磁波検出器1260を提供できる。
図73は、全体が1600で表される、本発明の実施の形態35にかかる電磁波検出器の斜視図であり、図74はその断面図である。
電磁波検出器1600が本発明の実施の形態21の電磁波検出器1100と異なる点は、グラフェン層2が半導体層13上に配置されている点である。ここで、グラフェン層2は、半導体層13とショットキー接合を形成する。電極5とグラフェン層2は電気的に接続される。グラフェン層2には、電極5を介して、電気信号の変化を取り出すための電気回路に接続されている。例えば電気信号の読み出し方法としては、電極5と金属層4との間での、電流変化や電圧変化を検出することで、入射する電磁波を検出することができる。
なお、半導体層13、グラフェン層2、孤立金属1の相互作用に関しては、実施の形態36で詳述する。
図75は、全体が1650で表される、本発明の実施の形態36にかかる電磁波検出器の斜視図であり、図76はその断面図である。
電磁波検出器1650が実施の形態21の電磁波検出器1100と異なる点は、グラフェン層2が半導体層13および孤立金属1の上に配置されている点である。特に、電磁波検出器1650は、金属層4、半導体層13、絶縁層14、電極5、孤立金属1を形成した後に、その上に別途作製したグラフェン層2を張りつけるため、製造工程のプロセスの影響を受けていない良質のグラフェン層2を使用でき、より高効率に光を吸収することができる。
図81は、全体が1700で表される、本発明の実施の形態37にかかる電磁波検出器の断面図である。電磁波検出器1700では、孤立金属1の下部に第1グラフェン層11が、上部に第2グラフェン層12が、それぞれ設けられている。他の構造は、実施の形態35の電磁波検出器1600と同じである。
図82は、全体が1800で表される、本発明実施の形態38にかかる電磁波検出器の断面図である。
電磁波検出器1800が実施の形態21の電磁波検出器1100と異なる点は、グラフェン層2が強誘電体層15上に配置されている点である。電極5とグラフェン層2は電気的に接続される。強誘電体材料としては、PZT(PbZrxTi1−xO3)やSBT(SrBi2Ta2O9)などが用いられ、これらの材料は分極特性を有する。強誘電体材料は、ペロブスカイト構造と呼ばれる結晶構造を持ち、強誘電体材料にかかる電界により分極値が変化する。電磁波の入射によるグラフェン層2の電位変化により強誘電体層15にかかる電界が変化し、強誘電体層15の分極値が変化する。この分極値変化を検出することで、入射する電磁波を検出することができる。
図84は、全体が1810で表される、本発明の実施の形態39にかかる電磁波検出器の断面図である。
電磁波検出器1810が実施の形態38と異なる点は、グラフェン層2が強誘電体層15および孤立金属上に配置されている点である。本実施の形態の電磁波検出器1810は、金属層4、強誘電体層15、絶縁層14、電極5、孤立金属1を形成した後に、その上に別途作製したグラフェン層2を張りつけて作製するため、製造工程のプロセスの影響を受けていない良質のグラフェン層2を使用でき、より高効率に光を吸収することができる。また、グラフェン層2と電極5は電気的に良好な接続を有していることが好ましく、ランプアニール等の後処理や、スパッタエッチング、WET処理等の前処理を行うことが好ましい。
電磁波の入射によるグラフェン層2の電位変化により強誘電体層15にかかる電界が変化し、強誘電体層15の分極値が変化する。電磁波検出器1810では、この分極値の変化を検出することで、入射する電磁波を検出することができる。
図85は、全体が1820で表される、本発明の実施の形態40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40にかかる電磁波検出器1820では、孤立金属1の下部に第1グラフェン層11が、上部に第2グラフェン層12が、それぞれ設けられている。他の構造は、実施の形態38の電磁波検出器1800と同じである。本実施の形態40にかかる電磁波検出器1820では、孤立金属1の周辺に、複数のグラフェン層2層(第1グラフェン層11と第2グラフェン層12)が配置されているため、光吸収率を向上させることが可能となり、特定の偏光成分および波長成分の光に対する電気特性変化量の増大が可能となる。
Claims (11)
- 入射光を電気信号に変換して検出する電磁波検出器であって、
支持基板の上に形成された平坦な金属層と、
該金属層の上に形成された中間層と、
該中間層の上に形成されたグラフェン層と、
該グラフェン層と接するように、周期的に形成された孤立金属と、
該孤立金属の両側に対向するように配置された電極と、を含み、
該孤立金属の平面形状の大きさによって、該入射光のうち、表面プラズモンが生じる所定の波長が決定され、該所定の波長の光を吸収してグラフェン層に生じる電気信号の変化を検知することを特徴とする電磁波検出器。 - 入射光を電気信号に変換して検出する電磁波検出器であって、
支持基板の上に形成された平坦な金属層と、
該金属層の上に形成された中間層と、
該中間層の上に周期的に形成された孤立金属と、
該孤立金属の両側に対向するように配置された電極と、
該孤立金属と接し、かつ該電極を覆うように該中間層の上に形成されたグラフェン層と、
を含み、
該孤立金属の平面形状の大きさによって、該入射光のうち、表面プラズモンが生じる所定の波長が決定され、該所定の波長の光を吸収してグラフェン層に生じる電気信号の変化を検知することを特徴とする電磁波検出器。 - 上記中間層は、表面プラズモン共鳴を導波する材料であって、絶縁体、半導体、遷移金属ダイカルコゲナイドおよび強誘電体のうちいずれかの材料からなることを特徴とする請求項1または2に記載の電磁波検出器。
- 上記孤立金属は、2次元方向に、それぞれ所定の周期で配置されたことを特徴とする請求項1または2に記載の電磁波検出器。
- 上記孤立金属は、1次元方向に配置され、
該孤立金属の長辺は、上記入射光のうち、該孤立金属の長辺に垂直な電界成分を有する偏光のみを吸収するように、互いに平行に配置され、
該孤立金属の大きさは、吸収した入射光の波長と表面プラズモン共鳴を生じる大きさからなり、
特定偏光で所定の波長の光を吸収してグラフェン層に生じる電気信号の変化を検知することを特徴とする請求項1または2に記載の電磁波検出器。 - 上記グラフェン層が2層以上であり、各層の結晶方位が一致または不一致であることを特徴とする請求項1または2に記載の電磁波検出器。
- 上記グラフェン層が、孤立金属の下部以外の領域において、形成されていない領域を有することを特徴とする請求項1に記載の電磁波検出器。
- 上記孤立金属の、上記入射光の入射面に平行な面内での形状が、円形、正方形、楕円形、三角形または長方形であることを特徴とする請求項1または2に記載の電磁波検出器。
- 上記孤立金属の大きさ、周期、厚さ、上記中間層の厚さのうち少なくとも一つが互いに異なる複数の該孤立金属を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の電磁波検出器。
- 請求項1または2に記載の電磁波検出器が、アレイ状に複数個配置されたことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
- 少なくとも2つの電磁波検出器の間で、上記孤立金属の大きさ、周期、厚さ、上記中間層の厚さのうち少なくとも1つが互いに異なることを特徴とする請求項10に記載の電磁波検出器アレイ。
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