JP6858840B2 - 電磁波検出器、電磁波検出器アレイおよび電磁波検出方法 - Google Patents
電磁波検出器、電磁波検出器アレイおよび電磁波検出方法 Download PDFInfo
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Description
所定の検出波長の電磁波を電気信号に変換して検出する電磁波検出器であって、
基板と、
基板の上に設けられた絶縁層と、
絶縁層の上に並置された受光グラフェンおよび参照グラフェンと、
受光グラフェンおよび参照グラフェンを挟んで対向配置された第1電極および第2電極であって、
第1電極は、受光グラフェンおよび参照グラフェンの一端で双方に電気的に接続された1つの電極であり、
第2電極は、受光グラフェンおよび参照グラフェンの他端にそれぞれ電気的に接続
された2つの電極である、
第1電極および第2電極と、
受光グラフェンおよび参照グラフェンにゲート電圧を印加するゲート電極と、
2つの第2電極の間に接続された平衡回路と、
2つの第2電極の間の電気信号を検出する検出回路と、
を含み、
受光グラフェンは、キャリアがドーピングされて、検出波長を有する電磁波が入射した場合にバンド内遷移により光キャリアが発生し、
参照グラフェンは、キャリアがドーピングされて、検出波長を有する電磁波が入射した場合にパウリブロッキング効果により光キャリアが発生せず、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、平衡回路は、第1電極と第2電極とを同一電位にし、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長の電磁波が入射した状態で、検出回路が、第2電極の間の電気信号を検出し、
検出波長を有する電磁波が入射した状態の電気信号を出力することを特徴とする電磁波検出器である。
所定の検出波長の電磁波を電気信号に変換して検出する電磁波検出器であって、
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と、
グラフェンを挟んで対向配置された第1電極および第2電極であって、グラフェンの一端に電気的に接続された第1電極と、グラフェンの他端に電気的に接続された第2電極と、
グラフェンにゲート電圧を印加するゲート電極と、
第1電極と第2電極の間の電気信号を検出する検出回路と、
を含み、
ゲート電圧は、
検出波長を有する電磁波が入射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するように、グラフェンにキャリアをドーピングする第1ゲート電圧と、
検出波長を有する電磁波が入射した場合に、パウリブロッキング効果により光キャリアが発生しないように、グラフェンにキャリアをドーピングする第2ゲート電圧と、を含み、さらに、検出波長を有する電磁波が入射しない場合に、第1ゲート電圧を印加した状態と、第2ゲート電圧を印加した状態において、第1電極と第2電極との間の電流または電圧が同一になるようなゲート電圧であり、
検出波長を有する電磁波が入射した場合の、第1ゲート電圧を印加した状態と、第2ゲート電圧を印加した状態との、電気信号の差分を出力することを特徴とする電磁波検出器である。
所定の検出波長を有する電磁波を照射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するようにキャリアがドーピングされた受光グラフェンのチャネルを有する第1トランジスタと、
検出波長を有する電磁波を照射した場合に、パウリブロッキングにより光キャリアが発生しないようにキャリアがドーピングされた参照グラフェンのチャネルを有する第2トランジスタと、を直列に接続して、その両端の電気信号を検出する電磁波検出方法であって、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、第1トランジスタと第2トランジスタにゲート電圧を印加し、受光グラフェンのチャネルの抵抗値と参照グラフェンのチャネルの抵抗値が同一になるように制御する工程と、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、電気信号を検出する工程と、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長を有する電磁波が入射した状態で、電気信号を検出する工程と、
検出波長を有する電磁波が入射した状態と、入射しない状態との、電気信号の差分を求めて出力する工程と、を含むことを特徴とする電磁波検出方法である。
グラフェンのチャネルのドーピングレベルがゲート電圧により制御されるトランジスタの、両端の電気信号を検出する電磁波検出方法であって、
ゲート電圧を、
検出波長を有する電磁波が入射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するように、グラフェンにキャリアをドーピングする第1ゲート電圧と、
検出波長を有する電磁波が入射した場合に、パウリブロッキング効果により光キャリアが発生しないように、グラフェンにキャリアをドーピングする第2ゲート電圧と、に制御する工程であって、さらに、検出波長を有する電磁波が入射しない場合に、第1ゲート電圧を印加した状態と、第2ゲート電圧を印加した状態において、第1電極と第2電極との間の電流または電圧を同一にする工程と、
検出波長を有する電磁波が入射した状態と、入射しない状態の、第1ゲート電圧の場合の電気信号の差分と、第2ゲート電圧の場合の電気信号の差分とをそれぞれ求めて、これら2つの差分の合計を求めて出力する工程と、を含むことを特徴とする電磁波検出方法である。
図1A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1Bは、図1Aの電磁波検出器100をIB−IB方向に見た場合の断面図である。また、図1Cは、本発明の実施の形態1にかかる電磁波検出器100の回路図である。
図3Aは、全体が200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3Bは、図3Aの電磁波検出器200をIIIB−IIIB方向に見た場合の断面図である。図3A、3B中、図1A、1Bと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
図7Aは、全体が300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回路図であり、図7Bは、本発明の実施の形態3にかかる電磁波検出器300の回路図である。図7A、7B中、図1C、1Dと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
図8Aは、全体が400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上面図であり、図8Bは、図8Aの電磁波検出器400をVIIIB−VIIIB方向に見た場合の断面図である。また図8Cは、全体が450で表される、本発明の実施の形態4にかかる他の電磁波検出器の上面図である。図8A、8B、8C中、図1A、1Bと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
図9Aは、全体が500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上面図であり、図9Bは、図9Aの電磁波検出器500をIXB−IXB方向に見た場合の断面図である。図9A、9B中、図1A、1Bと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
図10Aは、全体が600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上面図であり、図10Bは、図10Aの電磁波検出器600をXB−XB方向に見た場合の断面図である。また、図10Cは、全体が650で表される、本発明の実施の形態6にかかる他の電磁波検出器の上面図であり、図10Dは、図10Cの電磁波検出器650をXD−XD方向に見た場合の断面図である。図10A〜10D中、図1A、1Bと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
本発明の実施の形態7にかかる電磁波検出器(図示せず)では、電磁波検出器100において、受光グラフェン1、参照グラフェン2として2層以上のグラフェン、遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リン(Black Phosphorus)などの2次元材料を用いる。他の構造は電磁波検出器100と同様である。
図11Aは、全体が700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回路図であり、図11A中、図1C、1Dと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
図12Aは、全体が10000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を示す。電磁波検出器アレイ10000は、1つの画素1000を2×2に配置しているが、配置する画素の個数はこれに限定されるものではない。
図13Aは、全体が900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上面図であり、図13A中、図1A、1Bと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
図13Cは、全体が950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の上面図であり、図13C中、図1A、1Bと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
図14は、全体が100000で表される、本発明の実施の形態12にかかるカメラシステムの概略図である。カメラシステム100000は、電磁波検出器アレイ10000または電磁波検出器アレイ20000を含む。電磁波検出器アレイ10000または20000には、信号処理システム30000、画像出力デバイス40000が接続されている。また、カメラシステム100000は、レンズシステム60000、およびシャッタ、アパーチャ、フィルタ等の光学系50000を含む。
図15Aは、全体が800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の上面図であり、図15Bは、図15Aの電磁波検出器800をXVB−XVB方向に見た場合の断面図である。図15A、15B中、図1A、1Bと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
図16Aは全体が980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上面図であり、図16Bは、図16Aの電磁波検出器980をXVIB−XVIB方向に見た場合の断面図である。本発明の実施の形態14にかかる電磁波検出器980が、実施の形態1にかかる電磁波検出器100と異なる点は、図16A、16Bに示すように、受光グラフェン1と、電極3または電極4との、いずれか一つの界面に入射する電磁波の光路中に、遮光部27が設けられている点である。
Claims (17)
- 所定の検出波長の電磁波を電気信号に変換して検出する電磁波検出器であって、
基板と、
該基板の上に設けられた絶縁層と、を含み、
さらに、以下の(a)または(b)の構成:
(a)該絶縁層の上に並置された受光グラフェンおよび参照グラフェンと、
該受光グラフェンおよび該参照グラフェンを挟んで対向配置された第1電極および第2電極であって、
該第1電極は、該受光グラフェンおよび該参照グラフェンの一端で双方に電気的に接続された1つの電極であり、
該第2電極は、該受光グラフェンおよび該参照グラフェンの他端にそれぞれ電気的に接続された2つの電極である、該第1電極および該第2電極と、
該受光グラフェンおよび該参照グラフェンにゲート電圧を印加するゲート電極と、
2つの該第2電極の間に接続された平衡回路と、
2つの該第2電極の間の電気信号を検出する検出回路と、
を含み、
該受光グラフェンは、キャリアがドーピングされて、該検出波長を有する電磁波が入射した場合にバンド内遷移により光キャリアが発生し、
該参照グラフェンは、キャリアがドーピングされて、該検出波長を有する電磁波が入射した場合にパウリブロッキング効果により光キャリアが発生せず、
該受光グラフェンおよび該参照グラフェンに、該検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、該平衡回路は、該第1電極と該第2電極とを同一電位にし、
該受光グラフェンおよび該参照グラフェンに、該検出波長の電磁波が入射した状態で、該検出回路が、該第2電極の間の電気信号を検出し、
該検出波長を有する電磁波が入射した状態の電気信号を出力すること、
(b)該絶縁層の上に設けられたグラフェンと、
該グラフェンを挟んで対向配置された第1電極および第2電極であって、該グラフェンの一端に電気的に接続された該第1電極と、該グラフェンの他端に電気的に接続された第2電極と、
該グラフェンにゲート電圧を印加するゲート電極と、
該第1電極と該第2電極の間の電気信号を検出する検出回路と、
を含み、
該ゲート電圧は、
該検出波長を有する電磁波が入射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するように、該グラフェンにキャリアをドーピングする第1ゲート電圧と、
該検出波長を有する電磁波が入射した場合に、パウリブロッキング効果により光キャリアが発生しないように、該グラフェンにキャリアをドーピングする第2ゲート電圧と、を含み、さらに、該検出波長を有する電磁波が入射しない場合に、該第1ゲート電圧を印加した状態と、該第2ゲート電圧を印加した状態において、該第1電極と該第2電極との間に発生するソース・ドレイン電流またはソース・ドレイン電圧が同一になるように設定されたゲート電圧であり、
該検出波長を有する電磁波が入射した場合の、該第1ゲート電圧を印加した状態と、該第2ゲート電圧を印加した状態との、該電気信号の差分を出力すること、
を有することを特徴とする電磁波検出器。 - 上記受光グラフェンおよび上記参照グラフェンは、上記ゲート電圧の印加によりキャリアがドーピングされることを特徴とする請求項1に記載の電磁波検出器。
- 上記平衡回路は、上記受光グラフェンと上記参照グラフェンと2個以上の抵抗素子とが組み合わされたブリッジ回路、または該受光グラフェンと3個以上の抵抗素子とが組み合わされたブリッジ回路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。
- 上記抵抗素子は、半導体薄膜トランジスタ素子、薄膜抵抗素子、2次元材料トランジスタ素子、および上記参照グラフェンを用いたトランジスタ素子からなるグループから選択された1または複数の素子により構成されたことを特徴とする請求項3に記載の電磁波検出器。
- 上記検出回路として差動増幅回路を用い、上記受光グラフェンおよび上記参照グラフェンを電気的に直列接続する上記第1電極から出力された電磁波照射時の差分電流を、差動増幅回路の入力として用いることを特徴とする請求項1に記載の電磁波検出器。
- 上記ゲート電極は、上記受光グラフェンおよび上記参照グラフェンの少なくともいずれか一方または双方、もしくは上記グラフェンの上または下の少なくとも一方に設けられた絶縁層上または下の少なくとも一方に設けられ、該受光グラフェンおよび該参照グラフェン、または該グラフェンに、該ゲート電極から電圧を印加する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。
- さらに、上記受光グラフェンおよび上記参照グラフェンの一方または双方、もしくは上記グラフェンの上部または下部に、該受光グラフェンおよび該参照グラフェン、または上記グラフェンに接触して設けられた接触層であって、該受光グラフェンおよび該参照グラフェン、または上記グラフェンに正孔または電子を供給する該接触層を含む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。
- 上記接触層は、量子ドット、強誘電体材料、フラーレン、液晶材料、およびプラズモンアンテナからなるグループから選択されることを特徴とする請求項7に記載の電磁波検出器。
- 上記参照グラフェンに入射する上記電磁波の光路中に、遮光部が設けられている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。
- 上記受光グラフェンと、上記第1電極または上記第2電極との、いずれか一方の界面に入射する上記電磁波の光路中に、遮光部が設けられている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。
- 上記受光グラフェン、上記参照グラフェン、および上記グラフェンは、グラフェン材料、グラフェンナノリボン材料、およびカーボンナノ材料からなるグループから選択された材料の1層構造または2層以上の積層構造を有することを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の電磁波検出器。
- さらに、上記検出波長を有する電磁波が入射しない場合の上記受光グラフェンおよび上記参照グラフェンの電流値または電圧値を検出して、上記受光グラフェンおよび上記参照グラフェンが同一抵抗値を有するように随時補正する補正回路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。
- 請求項1〜12のいずれかに記載の電磁波検出器を1つの画素として、該画素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。
- 上記受光グラフェンおよび上記参照グラフェン、または上記グラフェンの長手方向が、それぞれ45°ずつ異なる4つの電磁波検出器を画素としてアレイ状に配置したことを特徴とする請求項13に記載の電磁波検出器アレイ。
- 所定の検出波長を有する電磁波を照射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するようにキャリアがドーピングされた受光グラフェンのチャネルを有する第1トランジスタと、
該検出波長を有する電磁波を照射した場合に、パウリブロッキングにより光キャリアが発生しないようにキャリアがドーピングされた参照グラフェンのチャネルを有する第2トランジスタと、を直列に接続して、その両端の電気信号を検出する電磁波検出方法であって、
該受光グラフェンおよび該参照グラフェンに、該検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、該第1トランジスタと該第2トランジスタにゲート電圧を印加し、該受光グラフェンのチャネルの抵抗値と該参照グラフェンのチャネルの抵抗値が同一になるように制御する工程と、
該受光グラフェンおよび該参照グラフェンに、該検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、該電気信号を検出する工程と、
該受光グラフェンおよび該参照グラフェンに、該検出波長を有する電磁波が入射した状態で、該電気信号を検出する工程と、
該検出波長を有する電磁波が入射した状態と、入射しない状態との、該電気信号の差分を求めて出力する工程と、を含むことを特徴とする電磁波検出方法。 - グラフェンのチャネルのドーピングレベルがゲート電圧により制御されるトランジスタの、両端の電気信号を検出する電磁波検出方法であって、
該ゲート電圧を、
検出波長を有する電磁波が入射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するように、該グラフェンにキャリアをドーピングする第1ゲート電圧と、
該検出波長を有する電磁波が入射した場合に、パウリブロッキング効果により光キャリアが発生しないように、該グラフェンにキャリアをドーピングする第2ゲート電圧と、に制御する工程であって、さらに、該検出波長を有する電磁波が入射しない場合に、該第1ゲート電圧を印加した状態と、該第2ゲート電圧を印加した状態において、第1電極と第2電極との間の電流または電圧を同一にする工程と、
該検出波長を有する電磁波が入射した状態と、入射しない状態の、該第1ゲート電圧の場合の電気信号の差分と、該第2ゲート電圧の場合の電気信号の差分とをそれぞれ求めて、これら2つの差分の合計を求めて出力する工程と、を含むことを特徴とする電磁波検出方法。 - 上記電気信号は、電流または電圧であることを特徴とする請求項15または16に記載の電磁波検出方法。
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