JP6939802B2 - 電磁波検出素子、電磁波センサ、電子機器及び構造体 - Google Patents

電磁波検出素子、電磁波センサ、電子機器及び構造体 Download PDF

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Description

本技術は、電磁波の検出に利用することが可能な電磁波検出素子、電磁波センサ、電子機器及び構造体に関する。
テラヘルツ（ＴＨｚ）波からミリ波に至る広帯域電磁波の検出に用いられるアンテナは、電磁波の半波長分のアンテナ長を必要とするため、アンテナを集積化した広帯域電磁波検出素子の微細化および検出帯域の変調は困難である。
近年、表面プラズモンポラリトン(SPP：Surface Plasmon Polariton)を利用した金属微細アンテナも提案されているが、金属表面は電子散乱の影響の為にＳＰＰ伝搬特性が低く、微細化可能な帯域限界は近赤外帯域であるため、テラヘルツ光などの広帯域の電磁波検出アンテナの微細化は困難であった。また、金属微細アンテナを用いた場合もアンテナサイズによって検出帯域は固定される。
これに対して、グラフェンは高いキャリア移動度や高い電荷平均自由行程を有しており、他材料と比較してもＳＰＰ伝搬特性が優れている。このため、グラフェンを利用することで、ＴＨｚ帯域でもサブミクロンオーダーのアンテナサイズが理論上実現することも知られている (IEEE 2013、 31、 685)。
また、グラフェンはディラックコーンに由来する特異なバンド構造を有していることから、キャリア濃度の微細な変調が可能であり、このキャリア濃度変調によってプラズモン共鳴周波数を変調させたグラフェンプラズモンアンテナの提案がなされている(非特許文献１参照)。
また、グラフェンをＳＰＰ輸送層に用いた、金属アンテナ集積型のＦＥＴ（Field effect transistor）型グラフェンＴＨｚセンサによるＴＨｚ光イメージングも報告されている(非特許文献２参照)。
Appl. Phys. Lett. 2012、 101、 2140 Nature Material 2012、 9、 865
しかしながら、非特許文献１に記載されたグラフェンプラズモンアンテナではグラフェンアンテナ部とＳＰＰの検出部が異なる材料で構成されており、両者の接合部における伝搬損失の影響が大きい。また、特許文献２に記載されたＦＥＴ型ＴＨｚセンサにおいても、アンテナの影響で微細化は難しく、検出可能な周波数帯域もアンテナサイズによって固定されている。
以上のような事情を鑑み、本技術の目的は、任意の波長の電磁波を検出することが可能であり、かつ微細化が可能な電磁波検出素子、電磁波センサ、電子機器及び構造体を提供することにある。
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る電磁波検出素子は、アンテナ部と、検出部とを具備する。
上記アンテナ部は、導電性材料からなる第１の導電層と、上記第１の導電層に積層され、誘電体からなる第１の誘電層と、上記第１の誘電層に積層され、グラフェンからなる第１のグラフェン層と、導電性材料からなり、上記第１の導電層と離間する第２の導電層と、上記第２の導電層に積層され、誘電体からなる第２の誘電層と、上記第２の誘電層に積層され、グラフェンからなり、上記第１のグラフェン層と所定の間隔を介して対向する第２のグラフェン層を備える。
上記検出部は、上記第２の導電層と、上記第２の導電層に積層され、誘電体からなる第２の誘電層と、上記第２の誘電層に積層され、グラフェンからなり、上記第１のグラフェン層と所定の間隔を介して対向する第２のグラフェン層とを具備する。
この構成によれば、テラヘルツ波等の電磁波が第１のグラフェン層に到達すると、第１のグラフェン層においてＳＰＰ（表面プラズモンポラリトン）が生じ、第１第２の各グラフェン層間でそれぞれ生じるプラズモンの相互作用によって第２のグラフェン層に伝搬する。第１の導電層及び第２の導電層への印加電圧によってＳＰＰの共鳴周波数、即ち検出対象の電磁波の周波数を制御することが可能である。
上記第１のグラフェン層及び上記第２のグラフェン層は、グラフェンの単原子層からなるものであってもよい。
グラフェンはキャリア移動度が大きく、ＳＰＰの減衰が小さいため、テラヘルツ帯域の電磁波との共振が可能となる。
上記第１のグラフェン層及び上記第２のグラフェン層は、互いに離間する方向に沿って配向する短冊状のナノリボン形状を有してもよい。
第１のグラフェン層と第２のグラフェン層をナノリボン形状とすることにより、ＳＰＰの伝搬方向に指向性を付与し、ＳＰＰの共鳴周波数におけるアンテナ利得の向上と小型化が可能となる。
上記第１のグラフェン層と上記第２のグラフェン層の距離は５μｍ以下であってもよい。
第１のグラフェン層と第２のグラフェン層の距離が５μｍより大きいとグラフェン層間のプラズモン相互作用による影響が小さくなる為、この距離は５μｍ以下が好適である。
上記第１の電極層は第１のゲート電源に接続され、上記第２の電極層は第２のゲート電源に接続され、上記第１のグラフェン層と上記第２のグラフェン層は上記第１のグラフェン層と上記第２のグラフェン層の電位差または変位電流、インピーダンス変位、変位静電容量、発光変位、交流信号の振幅もしくは位相変化を出力する演算増幅器に接続されていてもよい。
この構成によれば、第１の導電層（第１のゲート）への印加電圧によって第１のグラフェン層の電荷密度を制御し、第２の導電層（第２のゲート）への印加電圧によって第２のグラフェン層の電荷密度を制御することができる。これによって第１および第２のグラフェン層それぞれにおいて独立にＳＰＰ共振周波数を変調することが可能となる。
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る電磁波センサは、アンテナ部と、検出部と、信号処理回路とを具備する。
上記アンテナ部は、導電性材料からなる第１の導電層と、上記第１の導電層に積層され、誘電体からなる第１の誘電層と、上記第１の誘電層に積層され、グラフェンからなる第１のグラフェン層とを備える。
上記検出部は、導電性材料からなり、上記第１の導電層と離間する第２の導電層と、上記第２の導電層に積層され、誘電体からなる第２の誘電層と、上記第２の誘電層に積層され、グラフェンからなり、上記第１のグラフェン層と所定の間隔を介して対向する第２のグラフェン層とを具備する。
上記信号処理回路は、上記第１の導電層を第１のゲートとして、上記第２の導電層を第２のゲートとして、上記第１のグラフェン層をソースとして、上記第２のグラフェン層をドレインとして用い、上記ソースと上記ドレインの電位差または電流変位、インピーダンス変位、静電容量の変位、発光変位、交流信号の振幅もしくは位相変化を出力する。
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る電子機器は、電磁波センサを備える。
上記電磁波センサは、導電性材料からなる第１の導電層と、上記第１の導電層に積層され、誘電体からなる第１の誘電層と、上記第１の誘電層に積層され、グラフェンからなる第１のグラフェン層とを備えるアンテナ部と、導電性材料からなり、上記第１の導電層と離間する第２の導電層と、上記第２の導電層に積層され、誘電体からなる第２の誘電層と、上記第２の誘電層に積層され、グラフェンからなり、上記第１のグラフェン層と所定の間隔を介して対向する第２のグラフェン層とを備える検出部と、上記第１の導電層を第１のゲートとして、上記第２の導電層を第２のゲートとして、上記第１のグラフェン層をソースとして、上記第２のグラフェン層をドレインとして用い、上記ソースと上記ドレインの電位差または電流変位、インピーダンス変位、静電容量の変位、発光変位、交流信号の振幅もしくは位相変化を出力する信号処理回路とを備える。
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る構造体は、アンテナ部と、検出部とを具備する。
上記アンテナ部は、導電性材料からなる第１の導電層と、上記第１の導電層に積層され、誘電体からなる第１の誘電層と、上記第１の誘電層に積層され、グラフェンからなる第１のグラフェン層と、導電性材料からなり、上記第１の導電層と離間する第２の導電層と、上記第２の導電層に積層され、誘電体からなる第２の誘電層と、上記第２の誘電層に積層され、グラフェンからなり、上記第１のグラフェン層と所定の間隔を介して対向する第２のグラフェン層を備える。
上記検出部は、上記第２の導電層と、上記第２の導電層に積層され、誘電体からなる第２の誘電層と、上記第２の誘電層に積層され、グラフェンからなり、上記第１のグラフェン層と所定の間隔を介して対向する第２のグラフェン層とを具備する。
以上、本技術によれば、任意の周波数帯の電磁波を検出することが可能であり、かつ微細化が可能な電磁波検出素子、電磁波センサ、電子機器及び構造体を提供することができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本技術の実施形態に係る構造体の平面図である。 同構造体の斜視図である。 本技術の実施形態に係る電磁波検出素子の平面図である。 同電磁波検出素子の斜視図である。 ＳＰＰの原理を示す模式図である。 本技術の実施形態に係る構造体の製造方法１に係る製造プロセスを示す模式図である。 同構造体の製造方法１に係る製造プロセスを示す模式図である。 同構造体の製造方法１に係る製造プロセスを示す模式図である。 同構造体の製造方法２に係る製造プロセスを示す模式図である。 同構造体の製造方法２に係る製造プロセスを示す模式図である。 同構造体の製造方法３に係る製造プロセスを示す模式図である。 同構造体の製造方法３に係る製造プロセスを示す模式図である。 同構造体の製造方法４に係る製造プロセスを示す模式図である。 同構造体の製造方法４に係る製造プロセスを示す模式図である。 同構造体の製造方法４に係る製造プロセスを示す模式図である。 本技術の実施形態に係る電磁波センサの模式図である。 同電磁波センサにおける構造体と誘電体レンズの位置関係を示す模式図である。 本技術の実施形態に係る電磁波検出素子における構造体の平面図である。 同電磁波検出素子のアレイを示す模式図である。 同電磁波検出素子のアレイを示す模式図である。 同電磁波検出素子を用いたイメージング素子の模式図である。 同電磁波検出素子を用いたイメージング素子の模式図である。
［構造体の構成］
本実施形態に係る構造体について説明する。図１は本実施形態に係る構造体１００の断面図であり、図２は構造体１００の斜視図である。なお、以下の図において相互に直交する３方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向とする。
図１及び図２に示すように構造体１００はアンテナ部１１０及び検出部１２０を有する。アンテナ部１１０及び検出部１２０は基板１５０上に設けられている。
アンテナ部１１０は、導電層１１１、誘電層１１２及びグラフェン層１１３を備える。
導電層１１１は導電性材料からなる層であり、基板１５０に積層されている。導電層１１１は例えばＡｕ蒸着膜である。導電層１１１の厚さは特に限定されないが、例えば１００Åとすることができる。
誘電層１１２は、誘電体からなる層であり、導電層１１１に積層されている。誘電層１１２を形成する誘電体はｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＳｉＯ、Ｌａ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＳＴＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２又はＺｎＯ等とすることができる。誘電層１１２の厚さは特に限定されないが、例えば５〜１０ｎｍ程度とすることができる。
グラフェン層１１３は、グラフェンからなる層であり、誘電層１１２に積層されている。グラフェン層１１３は、単原子層のグラフェンからなるものが好適である。グラフェン層１１３の厚みは、グラフェン層１１３が単原子層のグラフェンからなる場合、０．３ｎｍ程度である。グラフェン層１１３は、図２に示すように一方向（Ｙ方向）に配向されており、ナノリボン形状を有するものとすることができる。グラフェン層１１３の長さ（Ｙ方向）は５μｍ以下、グラフェン層１１３の幅（Ｘ方向）は１００ｎｍ以下が好適である。
検出部１２０は、導電層１２１、誘電層１２２及びグラフェン層１２３を備える。
導電層１２１は導電性材料からなる層であり、基板１５０に積層されている。導電層１２１は例えばＡｕ蒸着膜である。導電層１２１の厚さは特に限定されないが、例えば１００Åとすることができる。
誘電層１２２は、誘電体からなる層であり、導電層１２１に積層されている。誘電層１１２を形成する誘電体はｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＳｉＯ、Ｌａ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＳＴＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２又はＺｎＯ等とすることができる。誘電層１２２の厚さは特に限定されないが、例えば５〜１０ｎｍ程度とすることができる。
グラフェン層１２３は、グラフェンからなる層であり、誘電層１２２に積層されている。グラフェン層１２３は、単原子層のグラフェンからなるものが好適である。グラフェン層１２３の厚みは、グラフェン層１２３が単原子層の層グラフェンからなる場合、０．３ｎｍ程度である。グラフェン層１２３は、図２に示すように一方向（Ｙ方向）に配向されており、ナノリボン形状を有するものとすることができる。グラフェン層１２３の長さ（Ｙ方向）は５μｍ以下、グラフェン層１２３の幅（Ｘ方向）は１００ｎｍ以下が好適である。
上記のようにアンテナ部１１０と検出部１２０は、同一構造を有するものとすることができる。詳細は後述するが、アンテナ部１１０と検出部１２０の各層は同一のプロセスで作成した一つの層を分離することによって形成したものとすることができる。なお、アンテナ部１１０と検出部１２０は必ずしも同一構造でなくてもよい。
アンテナ部１１０と検出部１２０は、基板１５０においてＹ方向に離間する。図１に示すように、アンテナ部１１０と検出部１２０の間の間隙を間隙Ｔとする。間隙Ｔの幅、即ちアンテナ部１１０と検出部１２０の間の距離は５μｍ以下が好適である。導電層１１１と導電層１２１、誘電層１１２と誘電層１２２、グラフェン層１１３とグラフェン層１２３は互いに同等の厚さを有し、間隙Ｔを介して対向する。
なお、誘電層１１２と誘電層１２２は離間せずに連続した一つの層であってもよく（図９参照）、少なくとも導電層１１１と導電層１２１が離間し、かつグラフェン層１１３とグラフェン層１２３が離間する構成であればよい。また、導電層１１１と導電層１２１の間の距離と、グラフェン層１１３とグラフェン層１２３の間の距離は同一でなくてもよい。この場合においてもグラフェン層１１３とグラフェン層１２３の距離は５μｍ以下が好適である。
なお、間隙Ｔは空間であってもよく、誘電体が埋め込まれてもよい。
［電磁波検出素子の構成］
上述した構造体１００を利用して電磁波検出素子を実現することができる。図３は構造体１００を利用した電磁波検出素子２００の断面図であり、図４は電磁波検出素子２００の斜視図である。
これらの図に示すように、電磁波検出素子２００は、構造体１００と信号処理回路１６０によって構成されている。信号処理回路１６０は、ゲート電源１６１、ゲート電源１６２及び演算増幅器１６３を備える。
ゲート電源１６１は導電層１１１に接続され、導電層１１１にゲート電圧を印加する。ゲート電源１６２は導電層１２１に接続され、導電層１２１にゲート電圧を印加する。演算増幅器１６３はグラフェン層１１３及びグラフェン層１２３に接続され、グラフェン層１１３とグラフェン層１２３の電位差を増幅して出力する。
このような信号処理回路１６０によって、導電層１１１及び導電層１２１はそれぞれ独立したゲート（図中Ｇ１、Ｇ２）として機能する。また、グラフェン層１１３はソース（図中Ｓ）として、グラフェン層１２３はドレイン（図中Ｄ）として機能する。
［電磁波センサによる電磁波の検出について］
電磁波検出素子２００は、表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ：Surface Plasmon Polariton）を利用して電磁波を検出する。図５はＳＰＰを示す模式図である。同図に示すように電磁波が導電体Ｃの表面に到達すると、電荷の粗密波が導電体Ｃの表面で電場の縦波型を形成し、電磁波との共鳴現象（ＳＰＰ）を生じる。ＳＰＰでは電磁波のエネルギーを波長より微細な構造に閉じ込めることが可能である。
電磁波検出素子２００においては、ゲートＧ１及びゲートＧ２での電圧を制御することにより、グラフェン層１１３及びグラフェン層１２３の表面における電荷密度を独立して変調し、ＳＰＰの共鳴周波数を制御することが可能である。グラフェン層１１３を伝搬するＳＰＰは間隙Ｔを介してグラフェン層１２３との相互作用による現象（プラズモンカップリング）を生じ、グラフェン層１２３に伝搬する。これにより、ソース（Ｓ）−ドレイン（Ｄ）間の電位差または電流変位、静電容量の変位、発光変位、交流信号の振幅もしくは位相変化に基づいて電磁波検出素子２００に到達する電磁波を検出することが可能となる。
なお、グラフェン層１１３及びグラフェン層１２３をナノリボン形状とすることにより、ＳＰＰの伝搬方向に指向性を付与することができ、共鳴周波数におけるアンテナ利得の向上と小型化を実現することが可能である。
また、グラフェン層１１３とグラフェン層１２３の距離（間隙Ｔの幅）は５μｍ以下が好適である。これはこの距離が５μｍより大きいとグラフェン層間のプラズモン相互作用による影響が小さくなる為である。また、この距離が１ｎｍ以下であってもトンネル電流が生じるため、トンネル電流が生じない程度の距離が好適である。
[電磁波検出技術について]
赤外帯域からミリ波帯域における電磁波検出に利用される各種アンテナについて説明する。
遠赤外帯域からミリ波帯域の電磁波（光を含む）を検出する際、一般的な誘導電流を用いたアンテナ構造を利用すると、検出波長の約半分のサイズが必要とされる為、小型化が困難である。例えば、３００ＧＨｚの電磁波を受信するために必要なアンテナ長は５００ｍｍ程度であり、３０ＴＨｚの電磁波を受信するために必要なアンテナ長は５μｍ程度である。
ここで、金属の表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）を利用するアンテナ構造は、赤外帯域においては、波長の１／１０程度まで微細化が可能であるといった原理検証が報告されている。しかしながら、金属中においては電子散乱の影響によるＳＰＰ減衰率が大きく、広帯域における光伝導性も低いことから安定したアンテナ利得が得られる帯域は近赤外帯域が限界である（ナノアンテナ実現可能な帯域：＞１００ＴＨｚ）。また、検出可能な波長帯域はアンテナサイズによって決定されるため、任意に変更することができない。
ＳＰＰを利用したアンテナ構造としてはＦＥＴアンテナ構造（Nature Material 2012、 9、 865）が報告されている。このアンテナ構造は、ソース、ドレイン及びゲート電極にＡｕ製アンテナを配置し、ソースとドレインをグラフェンからなる輸送層で接合したものである。アンテアで発生したプラズマ振動をグラフェンのＳＰＰにカップリングさせることで集光効率を向上させ、ゲート電極からグラフェンの電荷密度を変調することでインピーダンス制御を行うものである。
この構造においては光の検出帯域はアンテナサイズで固定されると共に、アンテナ部で発生するプラズマ振動とグラフェンのＳＰＰ伝搬においてカップリング時の利得ロスが大きく、輸送層で生じる表面フォノン散乱によるＳＰＰ伝搬損失も大きくなる。
また、ＳＰＰを利用した他のアンテナ構造として、グラフェンナノアンテナ（ＩＥＥＥ ２０１３）が報告されている。このアンテナはグラフェン表面のＳＰＰ伝搬特定を利用したものであり、１００μｍ長程度（約３ＴＨｚ）の金属アンテナと同等のアンテナ利得を１μｍ長で実現可能（アンテナサイズ１／１００）とされている。
ＴＨｚ電波（フォトン）の進行速度と比較してＳＰＰの群速度が２桁低い為、グラフェンとＴＨｚフォトンとの相互作用長が２桁増大し、アンテナの利得が増強される。また、グラフェンのディラックコーンのバンド構造に由来する高移動度特性より、ＳＰＰ伝搬距離が長く、長波長の電波でもグラフェン上での共振が可能である。さらに、化学ドーピングによって、グラフェンの電荷密度を変調し、共鳴周波数を制御することができ、グラフェンをリボン形状にすることで伝搬指向性を制御し、ＳＰＰの振動振幅を増大させる構造となっている。
この報告ではアンテナによる電磁波とプラズモンの共鳴のみが言及されており、信号取り出しについては言及されていないが、この構造においてはアンテナ部で発生したＳＰＰが検出部に伝搬する際に利得損失が生じる。また、化学ドーピングの場合、グラフェンの電荷密度は固定される為、任意の共鳴周波数変調は困難であり、ドーパントによる吸収、散乱ロスが発生し、アンテナ利得も減少する。
さらに、プラズモン共鳴を利用した周波数変調素子も報告されている（特開２０１５−１７５９５７参照）。この周波数変調素子では、光・無線通信システムで使用するＴＨｚ帯域で動作する周波数可変フィルタであり、アンテナ／グラフェン層／絶縁層／グラフェン層／アンテナの層構造を備え、上部からの入射光について任意の周波数をフィルタリングして、下部アンテナより放射する。
入射光が上部アンテナ電極部で共鳴プラズマを発生させる際に、グラフェンのプラズモン伝搬層においてグラフェン二重層間でのプラズモン共鳴周波数を制御し、共鳴トンネル周波数に一致させることでバリア層間で生じるトンネル電流を増大させることができる。
この構造においては、トンネル電流透過時のロスが大きく、製造プロセス難易度も大きい上、上下のアンテナゲート電極で電界の整合を取る必要がある。また、金属アンテナによってプラズマ周波数が制限されるため、小型化が困難であり、アンテナ部で発生する共鳴プラズマとグラフェン層のカップリングの際の接触抵抗による利得損失が大きい。さらに、下ゲート電極による、キャリア濃度の周期的変調が必要である。
さらに、グラフェン積層構造を用いたプラズモンアンテナも報告されている（Appl. Phys. Lett. 2012、 101、 2140参照）。このアンテナは、ＴＨｚ帯域で動作する周波数可変アンテナであって、バイポーラ型グラフェンアンテナ構造を有し、グラフェン部におけるＳＰＰの電磁波共鳴によって変化するグラフェン部インピーダンス変化をフォトミキサーで検出するものである。グラフェンのキャリア濃度を変調させることによって、共鳴周波数の変調が可能となることが報告されている。
この報告では信号取り出し部についての具体的な言及はなく、フォトミキサー部の材料・構造・回路案等やキャリア濃度変調の具体的な手段は明記されていない。この構造ではアンテナ部で発生したＳＰＰが、フォトミキサー部に伝搬する際に利得損失が生じる上、製造プロセス難易度はやや高い。
以上のように、電磁波の検出にＳＰＰを利用することによりＳＰＰの共鳴周波数を調整し、受信する電磁波の周波数を選択する技術が存在する。しかしながら、アンテナにおいて発生するＳＰＰを少ない伝搬損失で検出部に導く手法・構造については検討が必要であった。
[本技術による効果]
本技術に係る電磁波検出素子２００においては上述のように、ゲートＧ１及びゲートＧ２での電圧を制御することにより、グラフェン層１１３及びグラフェン層１２３の表面における電荷密度を変調し、プラズモンカップリングによりＳＰＰを検出部１２０に導く。
グラフェン層１１３及びグラフェン層１２３が共にグラフェンからなることにより、プラズモン伝搬時のカップリングロスが少なく、より高精度の電磁波検出が可能である。電磁波の光学遷移に基づく電磁波検出と比較しても、プラズモン共鳴を利用することで２桁高い利得が得られる。
また、ゲートＧ１及びゲートＧ２での電圧によってＳＰＰの共鳴周波数、即ち受信する電磁波の周波数を制御することが可能であり、特定構造の素子で数百ＧＨｚ〜数十ＴＨｚの広い波長帯域の電磁波を検出することが可能である。
さらに、従来の金属アンテナと比較してもアンテナサイズを２桁小さいサイズとすることが可能であり、センサの大幅な微細化(数十ｎｍ×数μｍ）が可能である。また、ＳＰＰ伝搬による信号取り出しを利用することで、熱揺らぎによるキャリア輸送ノイズ下でも感度が得られることから、冷却機構を必要とせず室温動作が可能である。
加えて、高いプラズモン伝搬特性を有するグラフェンという同一材料でアンテナ部と検出部を形成しているため、接触抵抗ロスが少なく応答性に優れる。また、バックゲート型で容量を制御することで、トップゲートやドーパントによる入射する電磁波ロスが無いため、高感度化が可能である。
後述する製造方法においても、グラフェンの転写以外は既存のシリコンプロセスで素子形成が可能であり、化合物半導体の量子井戸構造のような複雑な積層構造を必要としないため、製造が容易である。
［構造体の製造方法ついて］
構造体１００は、以下のようにして製造することが可能である。
（製造方法１）
図６〜図８は、構造体１００の製造方法１の製造プロセスを示す模式図である。
図６（ａ）に示すように、基板１５０を準備し、図６（ｂ）に示すように基板１５０上に感光性のレジスト膜Ｒを形成する。レジスト膜Ｒはスピンコートによって形成することができ、厚さは１００〜２００ｎｍ程度とすることができる。スピンコートの条件は例えば回転数３０００ｒｐｍ、継続時間３０ｓｅｃであり、塗布直後に１８０℃で３ｍｉｎの熱処理を行う。
続いて、フォトマスクを配置して露光を行う。露光条件は例えば照射出力４０ｍＪ／ｓｅｃ、照射時間２．５ｓｅｃである。露光後に基板１５０を現像液に含浸させ、図６（ｃ）に示すようにレジスト膜Ｒのパターニング部分を除去する。含浸時間は例えば５０ｓｅｃである。その後洗浄し、乾燥させる。
続いて、図６（ｄ）に示すように、導電層３０１を積層する。導電層３０１は例えば蒸着によって積層することができる。積層条件は例えば蒸着速度５Å／ｓｅｃ、蒸着時間２０ｓｅｃである。
続いて、有機溶媒等を用いてリフトオフを行い、図７（ａ）に示すようにレジスト膜Ｒを除去する。有機溶媒は、シンクロペンタノン、アセトン又はイソプロピルアルコール等を利用することができる。その後に洗浄し、乾燥させる。これにより、基板１５０上にリボン状の導電層３０１が形成される。
続いて、図７（ｂ）に示すように導電層３０１上に誘電層３０２を積層する。誘電層３０２は例えばｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素）であり、乾式転写によって積層することができる。誘電層３０２の厚さは１０ｎｍ程度とすることができる。
続いて、図７（ｃ）に示すように誘電層３０２上にグラフェン層３０３を積層する。グラフェン層３０３は例えば乾式転写によって積層することができる。グラフェンは、例えば銅箔等の支持体を加熱し、支持体表面に炭素源ガスを供給することによって成膜することができ、グラフェン層３０３はそのグラフェンを転写したものとすることができる。
続いて、図７（ｄ）に示すように、グラフェン層３０３及び誘電層３０２を離間させる。この加工はイオンビームリソグラフィや反応性イオンエッチングによって行うことができる。照射条件は例えば３５０Ｗ程度である。
以上のようにして構造体１００を製造することができる。なお、導電層３０１は導電層１１１及び導電層１２１に対応し、誘電層３０２は誘電層１１２及び誘電層１２２に、グラフェン層３０３はグラフェン層１１３及びグラフェン層１２３にそれぞれ対応する。
なお、グラフェン層３０３及び誘電層３０２を離間させる代わりに、図８に示すようにグラフェン層３０３のみを離間させてもよい。
（製造方法２）
図９及び図１０は、構造体１００の製造方法２の製造プロセスを示す模式図である。
図９（ａ）に示すように、基板１５０を準備し、図９（ｂ）に示すように基板１５０上に感光性のレジスト膜Ｒを形成する。レジスト膜Ｒはスピンコートによって形成することができ、厚さは１００〜２００ｎｍ程度とすることができる。スピンコートの条件は例えば回転数３０００ｒｐｍ、継続時間３０ｓｅｃであり、塗布直後に１８０℃で３ｍｉｎの熱処理を行う。
続いて、フォトマスクを配置して露光を行う。露光条件は例えば照射出力４０ｍＪ／ｓｅｃ、照射時間２．５ｓｅｃである。露光後に基板１５０を現像液に含浸させ、図９（ｃ）に示すようにレジスト膜Ｒのパターニング部分を除去する。含浸時間は例えば５０ｓｅｃである。その後洗浄し、乾燥させる。
続いて、図９（ｄ）に示すように、導電層３０１を積層する。導電層３０１は例えば蒸着によって積層することができる。積層条件は例えば蒸着速度５Å／ｓｅｃ、蒸着時間２０ｓｅｃである。
続いて、図１０（ａ）に示すように導電層３０１上に誘電層３０２を積層する。誘電層３０２は例えばＡｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＳｉＯ、Ｌａ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＳＴＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２又はＺｎＯ等であり、原子層堆積法によって積層することができる。誘電層３０２の厚さは５ｎｍ、成膜温度は２００℃とすることができる。
続いて、有機溶媒等を用いてリフトオフを行い、図１０（ｂ）に示すようにレジスト膜Ｒを除去する。有機溶媒は、シンクロペンタノン、アセトン又はイソプロピルアルコール等を利用することができる。その後に洗浄し、乾燥させる。これにより、基板１５０上にリボン状の導電層３０１及び誘電層３０２が形成される。
続いて、図１０（ｃ）に示すように誘電層３０２上にグラフェン層３０３を積層する。グラフェン層３０３は例えば乾式転写によって積層することができる。グラフェンは、例えば銅箔等の支持体を加熱し、支持体表面に炭素源ガスを供給することによって成膜することができ、グラフェン層３０３はそのグラフェンを転写したものとすることができる。
続いて、図１０（ｄ）に示すように、グラフェン層３０３、誘電層３０２及び導電層３０１を離間させる。この加工はイオンビームリソグラフィや反応性イオンエッチングによって行うことができる。照射条件は例えば３５０Ｗ程度である。
以上のようにして構造体１００を製造することができる。なお、導電層３０１は導電層１１１及び導電層１２１に対応し、誘電層３０２は誘電層１１２及び誘電層１２２に、グラフェン層３０３はグラフェン層１１３及びグラフェン層１２３にそれぞれ対応する。
（製造方法３）
図１１及び図１２は、構造体１００の製造方法３の製造プロセスを示す模式図である。
図１１（ａ）に示すように、基板１５０を準備し、図１１（ｂ）に示すように基板１５０上に感光性のレジスト膜Ｒを形成する。レジスト膜Ｒはスピンコートによって形成することができ、厚さは１００〜２００ｎｍ程度とすることができる。スピンコートの条件は例えば回転数３０００ｒｐｍ、継続時間３０ｓｅｃであり、塗布直後に１８０℃で３ｍｉｎの熱処理を行う。
続いて、フォトマスクを配置して露光を行う。露光条件は例えば照射出力４０ｍＪ／ｓｅｃ、照射時間２．５ｓｅｃである。露光後に基板１５０を現像液に含浸させ、図１１（ｃ）に示すようにレジスト膜Ｒのパターニング部分を除去する。含浸時間は例えば５０ｓｅｃである。その後洗浄し、乾燥させる。
続いて、図１１（ｄ）に示すように、導電層３０１を積層する。導電層３０１は例えば蒸着によって積層することができる。積層条件は例えば蒸着速度５Å／ｓｅｃ、蒸着時間２０ｓｅｃである。
続いて、図１２（ａ）に示すように導電層３０１上に誘電層３０２を積層する。誘電層３０２は例えばＡｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＳｉＯ、Ｌａ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＳＴＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２又はＺｎＯ等であり、原子層堆積法によって積層することができる。誘電層３０２の厚さは５ｎｍ、成膜条件は２００℃とすることができる。
続いて、有機溶媒等を用いてリフトオフを行い、図１２（ｂ）に示すようにレジスト膜Ｒを除去する。有機溶媒は、シンクロペンタノン、アセトン又はイソプロピルアルコール等を利用することができる。その後に洗浄し、乾燥させる。これにより、基板１５０上にリボン状の導電層３０１及び誘電層３０２が形成される。
続いて、図１２（ｃ）に示すように誘電層３０２上にグラフェン層３０３を積層する。グラフェン層３０３は例えば乾式転写によって積層することができる。グラフェンは、例えば銅箔等の支持体を加熱し、支持体表面に炭素源ガスを供給することによって成膜することができ、グラフェン層３０３はそのグラフェンを転写したものとすることができる。
続いて、図１２（ｄ）に示すように、グラフェン層３０３を離間させる。この加工はイオンビームリソグラフィや反応性イオンエッチングによって行うことができる。照射条件は例えば３５０Ｗ程度である。
以上のようにして構造体１００を製造することができる。なお、導電層３０１は導電層１１１及び導電層１２１に対応し、誘電層３０２は誘電層１１２及び誘電層１２２に、グラフェン層３０３はグラフェン層１１３及びグラフェン層１２３にそれぞれ対応する。
（製造方法４）
図１３〜図１５は、構造体１００の製造方法４の製造プロセスを示す模式図である。
図１３（ａ）に示すように、基板１５０を準備し、図１３（ｂ）に示すように基板１５０上に感光性のレジスト膜Ｒ１を形成する。レジスト膜Ｒ１はスピンコートによって形成することができ、厚さは１００〜２００ｎｍ程度とすることができる。スピンコートの条件は例えば回転数３０００ｒｐｍ、継続時間３０ｓｅｃであり、塗布直後に１８０℃で３ｍｉｎの熱処理を行う。
続いて、フォトマスクを配置して露光を行う。露光条件は例えば照射出力４０ｍＪ／ｓｅｃ、照射時間２．５ｓｅｃである。露光後に基板１５０を現像液に含浸させ、図１３（ｃ）に示すようにレジスト膜Ｒ１のパターニング部分を除去する。含浸条件は例えば５０ｓｅｃである。その後洗浄し、乾燥させる。
続いて、図１３（ｄ）に示すように、導電層３０１を積層する。導電層３０１は例えば蒸着によって積層することができる。積層条件は例えば蒸着速度５Å／ｓｅｃ、蒸着時間２０ｓｅｃである。
続いて、有機溶媒等を用いてリフトオフを行い、図１４（ａ）に示すようにレジスト膜Ｒ１を除去する。有機溶媒は、シンクロペンタノン、アセトン又はイソプロピルアルコール等を利用することができる。その後に洗浄し、乾燥させる。これにより、基板１５０上にリボン状の導電層３０１が形成される。
続いて、図１４（ｂ）に示すように、基板１５０及び導電層３０１上に感光性のレジスト膜Ｒ２を形成する。レジスト膜Ｒ２はスピンコートによって形成することができ、厚さは１００〜２００ｎｍ程度とすることができる。スピンコートの条件は例えば回転数５０００ｒｐｍ、継続時間３０ｓｅｃであり、塗布直後に１８０℃で３ｍｉｎの熱処理を行う。
続いて、フォトマスクを配置して露光を行う。露光条件は例えば照射出力４０ｍＪ／ｓｅｃ、照射時間２．５ｓｅｃである。露光後に基板１５０を現像液に含浸させ、図１４（ｃ）に示すようにレジスト膜Ｒ２のパターニング部分を除去する。含浸条時間は例えば５０ｓｅｃである。その後洗浄し、乾燥させる。さらに、表面研磨を行い、導電層３０１の間に設けられた間隙がレジスト膜Ｒ２によって包埋された状態を形成する。
続いて、図１４（ｄ）に示すように、基板１５０及び導電層３０１上に感光性のレジスト膜Ｒ３を形成する。レジスト膜Ｒ３はスピンコートによって形成することができ、厚さは１００〜２００ｎｍ程度とすることができる。スピンコートの条件は例えば回転数３０００ｒｐｍ、継続時間３０ｓｅｃであり、塗布直後に１８０℃で３ｍｉｎの熱処理を行う。
続いて、フォトマスクを配置して露光を行う。露光条件は例えば照射出力４０ｍＪ／ｓｅｃ、照射時間２．５ｓｅｃである。露光後に基板１５０を現像液に含浸させ、図１５（ａ）に示すようにレジスト膜Ｒ３のパターニング部分を除去する。含浸時間は例えば５０ｓｅｃである。その後洗浄し、乾燥させる。
続いて、図１５（ｂ）に示すように導電層３０１上に誘電層３０２を積層する。誘電層３０２は例えばＡｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＳｉＯ、Ｌａ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＳＴＯ、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２又はＺｎＯ等であり、原子層堆積法によって積層することができる。誘電層３０２の厚さは５ｎｍ、成膜温度は２００℃とすることができる。
続いて、有機溶媒等を用いてリフトオフを行い、図１５（ｃ）に示すようにレジスト膜Ｒ２及びレジスト膜Ｒ３を除去する。有機溶媒は、シンクロペンタノン、アセトン又はイソプロピルアルコール等を利用することができる。その後に洗浄し、乾燥させる。これにより、基板１５０上にリボン状の導電層３０１及び誘電層３０２が形成される。
続いて、図１５（ｄ）に示すように誘電層３０２上にグラフェン層３０３を積層する。グラフェン層３０３は例えば乾式転写によって積層することができる。グラフェンは、例えば銅箔等の支持体を加熱し、支持体表面に炭素源ガスを供給することによって成膜したものを利用することができる。
続いて、グラフェン層３０３を離間させる(図８参照）。この加工はイオンビームリソグラフィや反応性イオンエッチングによって行うことができる。照射条件は例えば３５０Ｗ程度である。この際、同時に誘電層３０２を離間させてもよい。
以上のようにして構造体１００を製造することができる。なお、導電層３０１は導電層１１１及び導電層１２１に対応し、誘電層３０２は誘電層１１２及び誘電層１２２に、グラフェン層３０３はグラフェン層１１３及びグラフェン層１２３にそれぞれ対応する。
［電磁波検出素子の利用態様］
本技術に係る電磁波検出素子２００は、近接無線受信用の電磁波検出センサとして利用することができる。図１６は、電磁波検出素子２００を利用した近接無線用電磁波センサの模式図である。
同図に示すように、この電磁波センサは、電磁波検出素子２００、検出制御装置４０１、誘電体レンズ４０２から構成されている。検出制御装置４０１は上述した信号処理回路１６０を内蔵する。なお誘電体レンズ４０２は構造体１００の表裏いずれか一方にのみ設けられてもよい。
大型の発信装置からテラヘルツ波等の電磁波が誘電体レンズ４０２に入射すると、電磁波は誘電体レンズ４０２によって構造体１００に導かれ、上述のようにＳＰＰを利用してソース−ドレイン間の電位差として信号処理回路１６０から出力される。検出制御装置４０１は、信号処理回路１６０の出力に基づいて電磁波を検出する。電磁波検出素子２００は微細化が可能であるため、近接無線受信用の小型受信センサとして利用することができる。
図１７は、誘電体レンズ４０２と構造体１００の併用方法を示す模式図である。図１７（ａ）に示すように誘電体レンズ４０２と構造体１００は離間していてもよく、図１７（ｂ）に示すように誘電体レンズ４０２と構造体１００は一体的に構成されていてもよい。また、図１７（ｃ）に示すように構造体１００は単独で利用されてもよい。
なお、構造体１００は、電磁波の受信に限られず、電磁波の発信に利用することも可能である。
また、電磁波検出素子２００は、スキャン方式のパッシブ型ＴＨｚイメージング素子として利用することが可能である。このイメージング素子は誘電体レンズ４０２を備えない他は図１６に示す電磁波検出センサと同様の構成とすることができる。
電磁波検出素子２００を利用するイメージング素子は、アレイ化することができる。図１８は、構造体１００の平面図である。同図に矢印示すように、アンテナ部１１０及び検出部１２０が配向する方向（図１８中、Ｙ方向）が偏光方向となる。
図１９及び図２０は、電磁波検出素子２００をアレイ化した撮像素子の模式図である。図１９に示すように、電磁波検出素子２００を偏光方向が一方向になるように配列させることにより、偏光アレイを構成することができる。また、図２０に示すように電磁波検出素子２００を偏光方向が種々の方向になるように配列させることにより、分光アレイを構成することができる。
また、電磁波検出素子２００は、スキャン方式ではないワンショット型ＴＨｚイメージング素子として利用することも可能である。図２１及び図２２は、このイメージング素子の模式図である。これらの図に示すように、複数の電磁波検出素子２００及び複数のマイクロレンズ４０６を配列させてＴＨｚイメージング素子を構成することが可能である。このようなＴＨｚイメージング素子はマイクロボロメーター等に利用することができる。
ＴＨｚ帯域に適したマイクロレンズ４０６の材料としては、高抵抗フロートゾーンシリコン（HRFZ-Si）、ダイアモンド、水晶、サファイア、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、テフロン又はポリエチルメンテンが挙げられる。
以上のように本技術に係る電磁波検出素子２００は、通信機器やイメージング機器等の各種電子機器に搭載することが可能である。
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
（１）
導電性材料からなる第１の導電層と、上記第１の導電層に積層され、誘電体からなる第１の誘電層と、上記第１の誘電層に積層され、グラフェンからなる第１のグラフェン層とを備えるアンテナ部と、
導電性材料からなり、上記第１の導電層と離間する第２の導電層と、上記第２の導電層に積層され、誘電体からなる第２の誘電層と、上記第２の誘電層に積層され、グラフェンからなり、上記第１のグラフェン層と離間する第２のグラフェン層とを備える検出部と
を具備する電磁波検出素子。
（２）
上記（１）に記載の電磁波検出素子であって、
上記第１のグラフェン層及び上記第２のグラフェン層は、グラフェンの単原子層からなる
電磁波検出素子。
（３）
上記（１）又は（２）に記載の電磁波検出素子であって、
上記第１のグラフェン層及び上記第２のグラフェン層は、互いに離間する方向に沿って配向するナノリボン形状を有する
電磁波検出素子。
（４）
上記（１）から（３）のうちいずれか一つに記載の電磁波検出素子であって、
上記第１のグラフェン層と上記第２のグラフェン層の距離は５μｍ以下である
電磁波検出素子。
（５）
上記（１）から（４）のうちいずれか一つに記載の電磁波検出素子であって、
上記第１の電極層は第１のゲート電源に接続され、上記第２の電極層は第２のゲート電源に接続され、上記第１のグラフェン層と上記第２のグラフェン層は上記第１のグラフェン層と上記第２のグラフェン層の電位差を出力する演算増幅器に接続されている
電磁波検出素子。
（６）
導電性材料からなる第１の導電層と、上記第１の導電層に積層され、誘電体からなる第１の誘電層と、上記第１の誘電層に積層され、グラフェンからなる第１のグラフェン層とを備えるアンテナ部と、
導電性材料からなり、上記第１の導電層と離間する第２の導電層と、上記第２の導電層に積層され、誘電体からなる第２の誘電層と、上記第２の誘電層に積層され、グラフェンからなり、上記第１のグラフェン層と所定の間隔を介して対向する第２のグラフェン層とを具備する検出部と、
上記第１の導電層を第１のゲートとして、上記第２の導電層を第２のゲートとして、上記第１のグラフェン層をソースとして、上記第２のグラフェン層をドレインとして用い、上記ソースと上記ドレインの電位差を出力する信号処理回路と
を具備する電磁波センサ。
（７）
導電性材料からなる第１の導電層と、上記第１の導電層に積層され、誘電体からなる第１の誘電層と、上記第１の誘電層に積層され、グラフェンからなる第１のグラフェン層とを備えるアンテナ部と、導電性材料からなり、上記第１の導電層と離間する第２の導電層と、上記第２の導電層に積層され、誘電体からなる第２の誘電層と、上記第２の誘電層に積層され、グラフェンからなり、上記第１のグラフェン層と所定の間隔を介して対向する第２のグラフェン層とを備える検出部と、上記第１の導電層を第１のゲートとして、上記第２の導電層を第２のゲートとして、上記第１のグラフェン層をソースとして、上記第２のグラフェン層をドレインとして用い、上記ソースと上記ドレインの電位差を出力する信号処理回路とを備える電磁波センサ
を具備する電子機器。
（８）
導電性材料からなる第１の導電層と、上記第１の導電層に積層され、誘電体からなる第１の誘電層と、上記第１の誘電層に積層され、グラフェンからなる第１のグラフェン層とを備えるアンテナ部と、
導電性材料からなり、上記第１の導電層と離間する第２の導電層と、上記第２の導電層に積層され、誘電体からなる第２の誘電層と、上記第２の誘電層に積層され、グラフェンからなり、上記第１のグラフェン層と所定の間隔を介して対向する第２のグラフェン層とを備える検出部と
を具備する構造体。
１００…構造体
１１０…アンテナ部
１１１…導電層
１１２…誘電層
１１３…グラフェン層
１２０…検出部
１２１…導電層
１２２…誘電層
１２３…グラフェン層
１６０…信号処理回路
２００…電磁波検出素子

Claims (8)

  1. 導電性材料からなる第１の導電層と、前記第１の導電層に積層され、誘電体からなる第１の誘電層と、前記第１の誘電層に積層され、グラフェンからなる第１のグラフェン層とを備えるアンテナ部と、
    導電性材料からなり、前記第１の導電層と離間する第２の導電層と、前記第２の導電層に積層され、誘電体からなる第２の誘電層と、前記第２の誘電層に積層され、グラフェンからなり、前記第１のグラフェン層と離間する第２のグラフェン層とを備える検出部と
    を具備する電磁波検出素子。
  2. 請求項１に記載の電磁波検出素子であって、
    前記第１のグラフェン層及び前記第２のグラフェン層は、グラフェンの単原子層からなる
    電磁波検出素子。
  3. 請求項１又は２に記載の電磁波検出素子であって、
    前記第１のグラフェン層及び前記第２のグラフェン層は、互いに離間する方向に沿って延伸するナノリボン形状を有する
    電磁波検出素子。
  4. 請求項１から３のうちいずれか１項に記載の電磁波検出素子であって、
    前記第１のグラフェン層と前記第２のグラフェン層の距離は５μｍ以下である
    電磁波検出素子。
  5. 請求項１から４のうちいずれか１項に記載の電磁波検出素子であって、
    前記第１の導電層は第１のゲート電源に接続され、前記第２の導電層は第２のゲート電源に接続され、前記第１のグラフェン層と前記第２のグラフェン層は前記第１のグラフェン層と前記第２のグラフェン層の電位差を出力する演算増幅器に接続されている
    電磁波検出素子。
  6. 導電性材料からなる第１の導電層と、前記第１の導電層に積層され、誘電体からなる第１の誘電層と、前記第１の誘電層に積層され、グラフェンからなる第１のグラフェン層とを備えるアンテナ部と、
    導電性材料からなり、前記第１の導電層と離間する第２の導電層と、前記第２の導電層に積層され、誘電体からなる第２の誘電層と、前記第２の誘電層に積層され、グラフェンからなり、前記第１のグラフェン層と所定の間隔を介して対向する第２のグラフェン層とを具備する検出部と、
    前記第１の導電層を第１のゲートとして、前記第２の導電層を第２のゲートとして、前記第１のグラフェン層をソースとして、前記第２のグラフェン層をドレインとして用い、前記ソースと前記ドレインの電位差を出力する信号処理回路と
    を具備する電磁波センサ。
  7. 導電性材料からなる第１の導電層と、前記第１の導電層に積層され、誘電体からなる第１の誘電層と、前記第１の誘電層に積層され、グラフェンからなる第１のグラフェン層とを備えるアンテナ部と、導電性材料からなり、前記第１の導電層と離間する第２の導電層と、前記第２の導電層に積層され、誘電体からなる第２の誘電層と、前記第２の誘電層に積層され、グラフェンからなり、前記第１のグラフェン層と所定の間隔を介して対向する第２のグラフェン層とを備える検出部と、前記第１の導電層を第１のゲートとして、前記第２の導電層を第２のゲートとして、前記第１のグラフェン層をソースとして、前記第２のグラフェン層をドレインとして用い、前記ソースと前記ドレインの電位差を出力する信号処理回路とを備える電磁波センサ
    を具備する電子機器。
  8. 導電性材料からなる第１の導電層と、前記第１の導電層に積層され、誘電体からなる第１の誘電層と、前記第１の誘電層に積層され、グラフェンからなる第１のグラフェン層とを備えるアンテナ部と、
    導電性材料からなり、前記第１の導電層と離間する第２の導電層と、前記第２の導電層に積層され、誘電体からなる第２の誘電層と、前記第２の誘電層に積層され、グラフェンからなり、前記第１のグラフェン層と所定の間隔を介して対向する第２のグラフェン層とを備える検出部と
    を具備する構造体。
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