JP6884288B1 - 電磁波検出器 - Google Patents
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Abstract
Description
<電磁波検出器の構成>
図1は、実施の形態1に係る電磁波検出器の平面模式図である。図2は、図1の線分II−IIにおける断面模式図である。図1および図2に示した電磁波検出器は、受光素子4と、絶縁膜3と、二次元材料層1と、第1電極部2aと、第2電極部2bとを主に備える。受光素子4は、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとを含む。受光素子4は電磁波検出器の検出対象とする電磁波の波長に感度を有し、検出対象とする波長を有する電磁波が照射されると、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとの接合内で光電変換する素子である。第1半導体部分4aは第1導電型を有する。第2半導体部分4bは、第1半導体部分4aと接合部4aaにおいて接合される。第2半導体部分4bは、第1導電型と異なる第2導電型を有する。第1半導体部分4aはたとえば第1導電型のキャリアをドーピングされている。第2半導体部分4bは、たとえば第2導電型のキャリアをドーピングされている。第2半導体部分4bにおいて接合部4aaと反対側に位置する裏面には第2電極部2bが接続されている。
<電磁波検出器の製造方法>
図3は、実施の形態1に係る電磁波検出器の製造方法を説明するためのフローチャートである。図3を参照しながら、図1および図2に示した電磁波検出器の製造方法を説明する。
次に、本実施の形態に係る電磁波検出器の動作原理について説明する。
次に、図1および図2に示した電磁波検出器の具体的な動作について説明する。ここでは、第2半導体部分4bとしてp型シリコンを用い、第1半導体部分4aとしてn型シリコンを用いた場合について説明する。
本開示に従った電磁波検出器は、受光素子4と、絶縁膜3と、二次元材料層1と、第1電極部2aと、第2電極部2bとを備える。受光素子4は、第1導電型の第1半導体部分4aと、第2半導体部分4bとを含む。第2半導体部分4bは、第1半導体部分4aに接合される。第2半導体部分4bは第1導電型とは異なる第2導電型である。絶縁膜3は、受光素子4上に配置される。より具体的には、絶縁膜3は第1半導体部分4a上に配置される。絶縁膜3には開口部3aが形成されている。二次元材料層1は、開口部3aにおいて第1半導体部分4aと電気的に接続される。より具体的には、第1半導体部分4aは、開口部3aで二次元材料層1と電気的に接続される。二次元材料層1は、開口部3a上から絶縁膜3上にまで延在する。第1電極部2aは、絶縁膜3上に配置される。第1電極部2aは二次元材料層1と電気的に接続される。第2電極部2bは、第2半導体部分4bと電気的に接続される。
<電磁波検出器の構成>
図4は、実施の形態2に係る電磁波検出器の断面模式図である。図5は、実施の形態2に係る電磁波検出器の第1変形例を示す断面模式図である。図6は、実施の形態2に係る電磁波検出器の第2変形例を示す断面模式図である。なお、図4から図6はいずれも図2に対応する。
上記電磁波検出器において、受光素子4は、電流遮断機構5を含む。電流遮断機構5は、絶縁膜3と対向する領域に位置する。電流遮断機構5は、開口部3aの外周を囲むように配置される。
<電磁波検出器の構成>
図7は、実施の形態3に係る電磁波検出器の断面模式図である。図8は、実施の形態3に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。なお、図7は図2に対応する。
上記電磁波検出器はバッファ層6を備える。バッファ層6は、開口部3aの内部において、二次元材料層1と受光素子4との間に配置される。バッファ層6は、二次元材料層1と受光素子4との間にトンネル電流を形成することが可能な厚さを有する。この場合、バッファ層6の膜厚を受光素子4から二次元材料層1へトンネル注入が生じる程度の厚さとすることで、注入効率が改善させることにより二次元材料層1に大きな光電流が注入され、電磁波検出器の感度を向上させることができる。また、バッファ層6により受光素子4と二次元材料層1との接合界面での漏れ電流を抑制することで、暗電流を低減することができる。
<電磁波検出器の構成>
図9は、実施の形態4に係る電磁波検出器の断面模式図である。なお図9は図2に対応する。
上記電磁波検出器は、接続導電体2dを備える。接続導電体2dは、開口部3aの内部において、受光素子4と二次元材料層1とを電気的に接続する。この場合、二次元材料層1と第1半導体部分4aとの間に接続導電体2dが設けられることにより、二次元材料層1と第1半導体部分4aとの間のコンタクト抵抗を低減することが出来る。また、接続導電体2dと第1半導体部分4aとがショットキー接合となり、暗電流を低減することが出来る。
<電磁波検出器の構成>
図10は、実施の形態5に係る電磁波検出器の平面模式図である。図11は、図10の線分XI−XIにおける断面模式図である。図12は、実施の形態5に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。なお、図11および図12は図2に対応する。
上記電磁波検出器において、受光素子4は、第3半導体部分4cと第4半導体部分4dとを含む。第3半導体部分4cは第1導電型を有する。第4半導体部分4dは、第3半導体部分4cと接合される。第4半導体部分4dは、第1導電型と異なる第2導電型を有する。開口部3cの底部において、第3半導体部分4cと第4半導体部分4dとの接合部4caの一部と、当該接合部4caに連なる第3半導体部分4cの一部および第4半導体部分4dの一部とが二次元材料層1に面するように配置されている。
<電磁波検出器の構成>
図13は、実施の形態6に係る電磁波検出器の平面模式図である。図14は、図13の線分XIV−XIVにおける断面模式図である。図15は、実施の形態6に係る電磁波検出器の第1変形例を示す断面模式図である。図16は、実施の形態6に係る電磁波検出器の第2変形例を示す平面模式図である。図17は、図16の線分XVII−XVIIにおける断面模式図である。
上記電磁波検出器において、受光素子4は、第1半導体部分4aと、第2半導体部分4bとを含む。第1半導体部分4aは、第1導電型を有する。第2半導体部分4bは、第1半導体部分と接合される。第2半導体部分4bは、第1導電型と異なる第2導電型を有する。絶縁膜3は、第1半導体部分4aにおいて第2半導体部分4bと接合された接合部4aaと反対側に位置する表面4ab上に形成される。受光素子4は、第5半導体部分4eをさらに含む。図14および図15に示すように、第5半導体部分4eは、開口部3aの底部において、第1半導体部分4aの表面4abから第2半導体部分4b側の表面まで貫通するように配置されてもよい。第5半導体部分4eは、第2導電型を有する。また、図17に示すように、第5半導体部分4eは、開口部3aの底部において、接合部4aa上に設けられていてもよい。第5半導体部分4e上には第1半導体部分4aが形成されていてもよい。
<電磁波検出器の構成>
図18は、実施の形態7に係る電磁波検出器の平面模式図である。図19は、図18の線分XIX−XIXにおける断面模式図である。図20は、図18の線分XX−XXにおける断面模式図である。図21は、実施の形態7に係る電磁波検出器の第1変形例を示す平面模式図である。図22は、実施の形態7に係る電磁波検出器の第2変形例を示す平面模式図である。図23は、図22の線分XXIII−XXIIIにおける断面模式図である。図24は、実施の形態7に係る電磁波検出器の第3変形例を示す平面模式図である。図25は、図24の線分XXV−XXVにおける断面模式図である。
上記電磁波検出器において、図18および図21に示すように、開口部3aは、第1開口3aaと第2開口3abとを含む。第1開口3aaは絶縁膜3に形成される。第2開口3abは、第1開口3aaと異なる位置に形成される。二次元材料層1は、絶縁膜3上から第1開口3aaおよび第2開口3abの内部にまで延在する。二次元材料層1は第1開口3aaおよび第2開口3abの内部において受光素子4から光電流を入力可能に構成されている。第1開口3aaおよび第2開口3abの内部において二次元材料層1は受光素子4と接触していてもよい。
<電磁波検出器の構成>
図26は、実施の形態8に係る電磁波検出器の断面模式図である。図26に示した電磁波検出器は、基本的には図1および図2に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1および絶縁膜3の構成が図1および図2に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図26に示した電磁波検出器では、絶縁膜3において第1電極部2aから開口部3aに向けて絶縁膜3の厚さが徐々に薄くなるテーパ部3bが形成されている点が図1および図2に示した電磁波検出器と異なっている。
上記電磁波検出器において、絶縁膜3は、テーパ部3bを含む。テーパ部3bは、開口部3aから第1電極部2aに近づくにつれて厚さが変化する部分である。より具体的には、テーパ部3bの厚さは、開口部3aから第1電極部2aに近づくにつれて厚くなっている。この場合、受光素子4に電磁波が照射されたときに発生する二次元材料層1中の電界変化の程度を、テーパ部3bでの絶縁膜3の厚さの変化に応じて局所的に変更できる。その結果、二次元材料層1中のキャリアの移動度が向上し、電磁波検出器の高感度化を図ることが出来る。
<電磁波検出器の構成>
図27は、実施の形態9に係る電磁波検出器の断面模式図である。図27に示した電磁波検出器は、基本的には図1および図2に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1の構成が図1および図2に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図27に示した電磁波検出器では、二次元材料層1が乱層構造部分1dを含む点が図1および図2に示した電磁波検出器と異なっている。
上記電磁波検出器において、二次元材料層1は、乱層構造部分1dを含む。この場合、二次元材料層1におけるキャリアの移動度を向上させることができる。この結果、電磁波検出器の感度を向上させることができる。
<電磁波検出器の構成>
図28は、実施の形態10に係る電磁波検出器の断面模式図である。図29は、実施の形態10に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。
上記電磁波検出器は、1つ以上の導電体7をさらに備える。1つ以上の導電体7は、二次元材料層1に接触するように配置される。1つ以上の導電体7は、二次元材料層1において絶縁膜3上に位置する部分に接触する。この場合、二次元材料層1における光キャリアの寿命が長くなる。この結果、電磁波検出器の感度を高めることができる。
<電磁波検出器の構成>
図30は、実施の形態11に係る電磁波検出器の断面模式図である。図31は、実施の形態11に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。
上記電磁波検出器は、二次元材料層1に接触する接触層8を備える。接触層8は、二次元材料層1に正孔または電子を供給する。この場合、第1電極部2aおよび第1半導体部分4aからのキャリアドーピングの影響を考慮せず、二次元材料層1のキャリアドーピングを制御することができる。この結果、電磁波検出器の性能を向上させることができる。
<電磁波検出器の構成>
図32は、実施の形態12に係る電磁波検出器の断面模式図である。図32に示した電磁波検出器は、基本的には図1および図2に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1の構造が図1および図2に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図32に示した電磁波検出器では、絶縁膜3と二次元材料層1との間に空隙9が形成されている。
上記電磁波検出器において、絶縁膜3と二次元材料層1との間に空隙9が形成されている。この場合、絶縁膜3と二次元材料層1との接触に伴うキャリアの散乱の影響を無くすことができる。この結果、二次元材料層1におけるキャリアの移動度の低下を抑制することができる。したがって、磁波検出器の感度を向上させることができる。なお、光ゲート効果は、二次元材料層1の下部に空隙9が生じていても作用することが可能である。
<電磁波検出器の構成>
図33は、実施の形態13に係る電磁波検出器の平面模式図である。図34は、図33の線分XXXIV−XXXIVにおける断面模式図である。図35は、実施の形態13に係る電磁波検出器の第1変形例を示す平面模式図である。図36は、実施の形態13に係る電磁波検出器の第2変形例を示す平面模式図である。図37は、実施の形態13に係る電磁波検出器の第3変形例を示す平面模式図である。図38は、図37の線分XXXVIII−XXXVIIIにおける断面模式図である。図39は、実施の形態13に係る電磁波検出器の第4変形例を示す平面模式図である。図40は、図39の線分XL−XLにおける断面模式図である。図41は、実施の形態13に係る電磁波検出器の第5変形例を示す平面模式図である。図42は、図41の線分XLII−XLIIにおける断面模式図である。
上記電磁波検出器において、絶縁膜3の開口部3aの縁部以外の内部に、二次元材料層1の少なくとも1つの端部1eが配置されてもよい。開口部3aの内部においては受光素子4の半導体部分が露出する。このため端部1eに隣接する領域においては、二次元材料層1と受光素子4の半導体部分との接合領域においてショットキー結合が形成される。これにより、接合領域において二次元材料層1と半導体部分とを逆バイアスで動作させることで、電磁波検出器の暗電流を低減し、電磁波検出器の感度を向上できる。また接合領域において二次元材料層1と半導体部分とを順バイアスで動作させることで、取り出す光電流を増幅して、電磁波検出器の感度を向上できる。
図43は、実施の形態14に係る電磁波検出器を示す断面模式図である。図43に示した電磁波検出器は、基本的には図1および図2に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、絶縁膜3の構成が図1および図2に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図43に示した電磁波検出器では、絶縁膜3に段差が形成されている。具体的には、絶縁膜3は、開口部3aと第1電極部2aとの間の第1領域3Eにおける厚さが、上記第1領域3E以外の第2領域3Fにおける厚さよりも薄い点が図1および図2に示した電磁波検出器と異なっている。
上記電磁波検出器において、図43に示すように、絶縁膜3は、開口部3aと第1電極部2aとの間の第1領域3Eにおける厚さが、上記第1領域3E以外の第2領域3Fにおける厚さよりも薄くてもよい。第1領域3Eの絶縁膜3が第2領域3Fの絶縁膜3より薄く形成されることで、二次元材料層1中における電界変化の程度が増加する。つまり第1半導体部分4aおよび第2半導体部分4bからなる受光素子4におけるpn接合に電磁波が照射され、二次元材料層1に電界変化が与えられる。この際に第1領域3Eの絶縁膜3が第2領域3Fの絶縁膜3より薄ければ当該電界変化の程度が増加する。これにより、二次元材料層1に流れる光電流が増加し、電磁波検出器の高感度化が図れる。
<電磁波検出器の構成>
図44は、実施の形態15に係る電磁波検出器の平面模式図である。図45は、実施の形態15に係る電磁波検出器の変形例を示す平面模式図である。
上述した電磁検出器集合体は、複数の電磁波検出器を備える。複数の電磁波検出器200,201,202,203は種類の異なる電磁波検出器であってもよい。たとえば、複数の電磁波検出器200,201,202,203はそれぞれ検出波長が異なっていてもよい。この場合、異なる波長の電磁波を1つの電磁波検出器集合体により検出することができる。
Claims (22)
- 第1導電型の第1半導体部分と、前記第1半導体部分に接合される第2導電型の第2半導体部分とを含む受光素子と、
前記受光素子上に配置され、開口部が形成された絶縁膜と、
前記開口部において前記第1半導体部分と電気的に接続され、前記開口部上から前記絶縁膜上にまで延在する二次元材料層と、
前記絶縁膜上に配置され、前記二次元材料層と電気的に接続された第1電極部と、
前記第2半導体部分と電気的に接続された第2電極部とを備え、
前記二次元材料層は、前記開口部において前記受光素子と直接接続される領域と、前記第1電極部と前記開口部との間において前記絶縁膜を介して前記受光素子と接続され光ゲート効果を発生させる領域とを含む、電磁波検出器。 - 第1導電型の第1半導体部分と、前記第1半導体部分に接合される第2導電型の第2半導体部分とを含む受光素子と、
前記受光素子上に配置され、開口部が形成された絶縁膜と、
前記開口部において前記第1半導体部分と電気的に接続され、前記開口部上から前記絶縁膜上にまで延在する二次元材料層と、
前記開口部の内部において、前記二次元材料層と前記受光素子との間に配置されたバッファ層と、
前記絶縁膜上に配置され、前記二次元材料層と電気的に接続された第1電極部と、
前記第2半導体部分と電気的に接続された第2電極部とを備え、
前記二次元材料層は、前記開口部において前記バッファ層を介して前記受光素子と電気的に接続される領域と、前記第1電極部と前記開口部との間において前記絶縁膜を介して前記受光素子と接続され光ゲート効果を発生させる領域とを含む、電磁波検出器。 - 第1導電型の第1半導体部分と、前記第1半導体部分に接合される第2導電型の第2半導体部分とを含む受光素子と、
前記受光素子上に配置され、開口部が形成された絶縁膜と、
前記開口部において前記第1半導体部分と電気的に接続され、前記開口部上から前記絶縁膜上にまで延在する二次元材料層と、
前記開口部の内部において、前記受光素子と前記二次元材料層とを電気的に接続する接続導電体と、
前記絶縁膜上に配置され、前記二次元材料層と電気的に接続された第1電極部と、
前記第2半導体部分と電気的に接続された第2電極部とを備え、
前記二次元材料層は、前記開口部において前記接続導電体を介して前記受光素子と電気的に接続される領域と、前記第1電極部と前記開口部との間において前記絶縁膜を介して前記受光素子と接続され光ゲート効果を発生させる領域とを含む、電磁波検出器。 - 前記絶縁膜は、前記第1半導体部分上に配置され、
前記第1半導体部分は、前記開口部において前記二次元材料層と電気的に接続される、請求項1に記載の電磁波検出器。 - 前記第1半導体部分は前記第2半導体部分上に配置され、
前記第2電極部は前記第2半導体部分において前記第1半導体部分が配置される側と反対側に設けられ、前記第2半導体部分と電気的に接続される、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記受光素子は、前記絶縁膜と対向する領域に位置し、前記開口部の外周を囲むように配置された電流遮断構造を含む、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記バッファ層は、前記二次元材料層と前記受光素子との間にトンネル電流を形成することが可能な厚さを有する、請求項2に記載の電磁波検出器。
- 前記受光素子は、
前記第1導電型を有する前記第1半導体部分としての第3半導体部分と、
前記第3半導体部分と接合され、前記第2導電型を有する前記第2半導体部分の一部としての第4半導体部分とを含み、
前記開口部の底部において、前記第3半導体部分と前記第4半導体部分との接合部の一部と、前記接合部に連なる前記第3半導体部分の一部および前記第4半導体部分の一部とが前記二次元材料層に面するように配置されている、請求項1に記載の電磁波検出器。 - 前記受光素子はフォトダイオードである、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記絶縁膜は、前記第1半導体部分において前記第2半導体部分と接合された接合部と反対側に位置する表面上に形成され、
前記受光素子は、前記開口部の底部において、前記第1半導体部分の前記表面から前記第2半導体部分側の表面まで貫通するように配置され、前記第2導電型を有する第5半導体部分をさらに含む、請求項1に記載の電磁波検出器。 - 前記開口部は、前記絶縁膜に形成された第1開口と、前記第1開口と異なる位置に形成された第2開口とを含む、請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記第1電極部は、前記絶縁膜上に配置された第1電極と、前記第1電極と異なる位置に配置された第2電極とを含む、請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記受光素子の平面形状は四角形状であり、
前記受光素子の平面視において、前記開口部および前記第1電極部は前記受光素子の前記平面形状における角部に配置されている、請求項11または請求項12に記載の電磁波検出器。 - 前記第1半導体部分と前記第2半導体部分とは、それぞれ吸収波長が異なる、請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記絶縁膜は、前記開口部から前記第1電極部に近づくにつれて厚さが変化するテーパ部を含む、請求項1から請求項14のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記二次元材料層は、乱層構造部分を含む、請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記二次元材料層に接触するように配置された、1つ以上の導電体または接触層をさらに備える、請求項1から請求項16のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記絶縁膜と前記二次元材料層との間に空隙が形成されている、請求項1から請求項17のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記二次元材料層の少なくとも1つの端部は、前記絶縁膜の前記開口部の内部に配置され、前記第1半導体部分と電気的に接続される、請求項1から請求項18のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記二次元材料層の前記少なくとも1つの端部は櫛形形状を有している、請求項19に記載の電磁波検出器。
- 前記絶縁膜は、前記開口部と前記第1電極部との間の第1領域における厚さが、上記第1領域以外の第2領域における厚さよりも薄い、請求項1から請求項20のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記二次元材料層は、グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト、黒リン、シリセン、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料を含む、請求項1から請求項21のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
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