JP7063495B1 - 電界強度を測定可能なセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】寸法が小さく且つ小さな電界強度を測定可能なセンサ装置を提供する。【解決手段】外部電界の電界強度を測定可能なセンサ装置であって、基板１１と、基板１１上に配置される電気絶縁層１２であって、平面視で第１領域１２Ａ及び第２領域１２Ｂを有する電気絶縁層１２と、電気絶縁層１２の第１領域１２Ａ上に配置され、第１の材料により形成される一又は複数の原子層により形成される格子整合層１３と、格子整合層１３上に配置され、チャネル領域１４１を有し、グラフェンの単原子層又は複数の原子層を有するチャネル層１４と、チャネル層１４上に配置され、第２の材料により形成される一又は複数の原子層により形成されるゲート絶縁層１５と、ゲート絶縁層１５上に配置されるゲート電極１６と、チャネル領域１４１を挟んで対向するようにチャネル層１４上に配置される一対のソース電極１７及びドレイン電極１８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電界強度を測定可能なセンサ装置及びセンサ装置を用いて外部電界の向きを判定する方法に関する。

従来、センサ装置を用いて、大気中の電界強度を測定することが行われている。大気中の電界強度を測定することにより、雷が発生し、接近して通過することが監視されている（例えば、特許文献１参照）。

また、センサ装置を用いて、室内において雰囲気中の電界強度を測定することも行われている。電界強度を測定することにより、室内に発生している静電気の状況を監視して、静電気による事故等の発生が予防される。

電界強度を測定するセンサ装置としては、機械式センサ装置と、半導体センサ装置とがある。機械式センサ装置は、寸法が比較的大きく重い装置である（例えば、特許文献１参照）。半導体センサ装置は、寸法が比較的小さく軽い装置である（例えば、非特許文献１参照）。

機械式センサ装置は、外部電界が加えられることにより電荷が誘起される電極と、電極が外部へ露出可能な開口部を有する回転板と、回転板を回転駆動する駆動部とを有する。機械式センサ装置では、回転板が回転することにより、電極が外部へ露出することと、回転板により覆われることが繰り返されることにより、静電界が電極に間欠的に印加されて、外部電界の電界強度が電極に生じる交流信号として測定される。

また、半導体センサ装置は、基板上に配置されたトランジスタを有する。基板に加えられた外部電界の電界強度は、トランジスタのオン状態においてソース電極及びドレイン電極間に流れる電流の大きさとして測定される。

特開２０２０－４６２１３号公報

ＷＡＮＧ ｅｔ ａｌ．，Ｈｉｇｈ－ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｇｒａｐｈｅｎｅ－ｂａｓｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｓｅｎｓｏｒ、ＩＥＥＥ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＤＥＶＩＣＥ ＬＥＴＴＥＲＳ、ＶＯＬ３８，Ｎｏ．８、ＡＵＧＵＳＴ ２０１７

上述した機械式センサ装置は、寸法が大きく且つ重いので、狭い場所には設置できない問題がある。また、半導体センサ装置は、寸法が小さく且つ軽いので、狭い場所にも設置可能であるが、測定可能な電界強度の下限値が高いという問題がある。晴天時の大気の地面付近の電界強度は、通常１００∨／ｍ程度であるが、従来の半導体センサ装置の測定可能な電界強度の下限値は、２００∨／ｍ程度である。

静電界は、ベクトル量で向きがあり、外部からセンサ装置に向かう向きと、センサ装置から外部へ向かう向きとがある。しかし、半導体センサ装置を用いて、外部電界の向きを判定する方法は提案されていない。外部電界の発生源の情報を得るために外部電界の向きを知ることは有用である。

本明細書では、寸法が小さく且つ小さな電界強度を測定可能なセンサ装置を提案することを課題とする。

また、本明細書では、トランジスタを有するセンサ装置を用いて外部電界の向きを判定する方法を提案することを課題とする。

本明細書に開示するセンサ装置の第１形態によれば、外部電界の電界強度を測定可能なセンサ装置であって、基板と、前記基板上に配置される電気絶縁層であって、平面視で第１領域及び第２領域を有する電気絶縁層と、前記電気絶縁層の前記第１領域上に配置され、第１の材料により形成される一又は複数の原子層により形成される格子整合層と、前記格子整合層上に配置され、チャネル領域を有し、グラフェンの単原子層又は複数の原子層を有するチャネル層と、前記チャネル層上に配置され、第２の材料により形成される一又は複数の原子層により形成されるゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上に配置されるゲート電極と、前記チャネル領域を挟んで対向するように前記チャネル層上に配置される一対のソース電極及びドレイン電極と、を備えることを特徴とする。

本明細書に開示するセンサ装置の第２形態によれば、外部電界の電界強度を測定可能なセンサ装置であって、第１面及び第２面を有する基板と、前記第１面上に配置される電気絶縁層であって、平面視で第１領域と第２領域を有する電気絶縁層と、前記電気絶縁層の前記第１領域上に配置され、第１の材料により形成される一又は複数の原子層により形成されるゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層上に配置され、チャネル領域を有し、グラフェンの単原子層又は複数の原子層を有するチャネル層と、前記チャネル層上に配置され、第２の材料により形成される一又は複数の原子層により形成される格子整合層と、前記チャネル領域を挟んで対向するように前記チャネル層上に配置される一対のソース電極及びドレイン電極と、前記チャネル領域と対応する前記第２面上の領域に配置されるゲート電極と、を備えることを特徴とする。

本明細書に開示するトランジスタを有するセンサ装置を用いて外部電界の向きを判定する方法の第１形態によれば、両極性のトランジスタを有し外部電界の電界強度を測定可能なセンサ装置を用いて外部電界の向きを判定する方法であって、外部電界が加えられていない時に前記センサ装置を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係において、ドレイン電流が最小値を示す電荷中性点ゲート電圧よりも大きい第１ゲート電圧における第１ドレイン電流値と、前記電荷中性点ゲート電圧よりも小さい第２ゲート電圧における第２ドレイン電流値と、外部電界が加えられている時に前記センサ装置を用いて測定された前記第１ゲート電圧における第３ドレイン電流値と、前記第２ゲート電圧における第４ドレイン電流値とが、前記第３ドレイン電流値が前記第４ドレイン電流値よりも大きいか、又は、前記第３ドレイン電流値が前記第１ドレイン電流値よりも大きく、且つ、前記第２ドレイン電流値が前記第４ドレイン電流値よりも大きい関係を満たす場合、外部電界の向きは外部から前記センサ装置へ向かう向きであると判定し、前記第４ドレイン電流値が前記第３ドレイン電流値よりも大きいか、又は、前記第１ドレイン電流値が前記第３ドレイン電流値よりも大きく、且つ、前記第４ドレイン電流値が前記第２ドレイン電流値よりも大きい関係を満たす場合、外部電界の向きは前記センサ装置から外部へ向かう向きであると判定することをプロセッサが実行することを特徴とすることを特徴とする。

本明細書に開示するトランジスタを有するセンサ装置を用いて外部電界の向きを判定する方法の第２形態によれば、両極性のトランジスタを有し外部電界の電界強度を測定可能なセンサ装置を用いて外部電界の向きを判定する方法であって、外部電界が加えられていない時に前記センサ装置を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係において、ドレイン電流が最小値を示す電荷中性点ゲート電圧よりも大きい第１ゲート電圧における第１ドレイン電流値と、外部電界が加えられている時に前記センサ装置を用いて測定された前記第１ゲート電圧における第３ドレイン電流値と、前記第１ゲート電圧よりも大きい第２ゲート電圧における第４ドレイン電流値とが、前記第３ドレイン電流値が前記第１ドレイン電流値よりも大きく、且つ、前記第４ドレイン電流値が前記第３ドレイン電流値よりも大きい関係を満たす場合、外部電界の向きは外部から前記センサ装置へ向かう向きであると判定し、前記第１ドレイン電流値が前記第３ドレイン電流値よりも大きいか、又は、前記第３ドレイン電流値が前記第４ドレイン電流値よりも大きい関係を満たす場合、外部電界の向きは前記センサ装置から外部へ向かう向きであると判定することをプロセッサが実行することを特徴とする。

本明細書に開示するトランジスタを有するセンサ装置を用いて外部電界の向きを判定する方法の第３形態によれば、両極性のトランジスタを有し外部電界の電界強度を測定可能なセンサ装置を用いて外部電界の向きを判定する方法であって、外部電界が加えられていない時に前記センサ装置を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係において、ドレイン電流が最小値を示す電荷中性点ゲート電圧よりも小さい第１ゲート電圧における第１ドレイン電流値と、前記第１ゲート電圧よりも小さい第２ゲート電圧における第２ドレイン電流値と、外部電界が加えられている時に前記センサ装置を用いて測定された前記第１ゲート電圧における第３ドレイン電流値と、前記第１ゲート電圧よりも小さい前記第２ゲート電圧における第４ドレイン電流値とが、前記第３ドレイン電流値が前記第１ドレイン電流値よりも大きく、且つ、前記第４ドレイン電流値が前記第２ドレイン電流値よりも大きい関係を満たさない場合、外部電界の向きは外部から前記センサ装置へ向かう向きであると判定し、前記第３ドレイン電流値が前記第１ドレイン電流値よりも大きく、且つ、前記第４ドレイン電流値が前記第２ドレイン電流値よりも大きい関係を満たす場合、外部電界の向きは前記センサ装置から外部へ向かう向きであると判定することをプロセッサが実行することを特徴とする。

本明細書に開示するトランジスタを有するセンサ装置を用いて外部電界の向きを判定する方法の第４形態によれば、両極性トランジスタを有し、外部電界の電界強度を測定可能なセンサ装置を用いて外部からセンサ装置に加えられる外部電界の向きを判定する方法であって、外部電界が加えられていない時に前記センサ装置を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係においてドレイン電流が最小値を示す第１電荷中性点ゲート電圧が、外部電界が加えられている時に前記センサ装置を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係においてドレイン電流が最小値を示す第２電荷中性点ゲート電圧よりも大きい場合、外部電界の向きは外部から前記センサ装置へ向かう向きであると判定し、前記第２電荷中性点ゲート電圧が前記第１電荷中性点ゲート電圧よりも大きい場合、外部電界の向きは前記センサ装置から外部へ向かう向きであると判定することをプロセッサが実行することを特徴とする。

上述した本明細書に開示するセンサ装置によれば、寸法が小さく且つ小さな電界強度を測定可能である。

また、上述した本明細書に開示するトランジスタを有するセンサ装置を用いて外部電界の向きを判定する方法によれば、外部電界の向きを判定できる。

（Ａ）は本明細書に開示するセンサ装置の第１実施形態の断面図であり、（Ｂ）は平面図である。 センサ装置に対してセンサ装置から外部に向かう向き（負の向き）の外部電界が加えられている状態を示す図である。 （Ａ）は正の向きの外部電界がセンサ装置に加えられた時のドレイン電流と時間との関係を示す図であり、（Ｂ）はドレイン電流変化率と電界強度との関係を示す図（その１）であり、（Ｃ）はドレイン電流変化率と電界強度との関係を示す図（その２）である。 （Ａ）は負の向きの外部電界がセンサ装置に加えられた時のドレイン電流と時間との関係を示す図であり、（Ｂ）はドレイン電流変化率と電界強度との関係を示す図である。 （Ａ）は、センサ装置が高い抵抗率の基板を有する時のドレイン電流変化率と電界強度との関係を示す図であり、（Ｂ）は、センサ装置が低い抵抗率の基板を有する時のドレイン電流変化率と電界強度との関係を示す図である。 本明細書に開示するセンサ装置の第２実施形態の断面図である。 本明細書に開示するセンサ装置の第３実施形態の断面図である。 （Ａ）～（Ｃ）は本明細書に開示するセンサ装置の製造方法の一実施形態の製造工程を示す図（その１）である。 （Ａ）～（Ｃ）は本明細書に開示するセンサ装置の製造方法の一実施形態の製造工程を示す図（その２）である。 （Ａ）～（Ｃ）は本明細書に開示するセンサ装置の製造方法の一実施形態の製造工程を示す図（その３）である。 本明細書に開示する外部電界の向きを判定する判定装置を説明する図である。 本明細書に開示する外部電界の向きを判定する方法の第１実施形態において、Ｇ２＜∨_CNP＜Ｇ１の場合の判定を説明する図である。 本明細書に開示する外部電界の向きを判定する方法の第１実施形態において、∨_CNP＜Ｇ１＜Ｇ２の場合の判定を説明する図である。 本明細書に開示する外部電界の向きを判定する方法の第１実施形態において、Ｇ２＜Ｇ＜１∨_CNPの場合の判定を説明する図である。 本明細書に開示する外部電界の向きを判定する方法の第２実施形態における判定を説明する図である。

以下、本明細書で開示するセンサ装置の好ましい第１実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。

図１（Ａ）は、本明細書に開示するセンサ装置の第１実施形態を示す図１（Ｂ）のＸ－Ｘ線断面図であり、図１（Ｂ）は平面図である。図１（Ａ）は、外部からセンサ装置に向かう向き（正の向き）の外部電界が加えられている状態を示す。

本実施形態のセンサ装置１０は、外部から加えられた外部電界の強度を測定可能である。外部電界は、センサ装置１０の外に存在する発生源から生じる電界を意味する。センサ装置１０は、高い感度を有するので、小さな電界強度を測定可能である。

センサ装置１０は、基板１１と、電気絶縁層１２と、格子整合層１３と、チャネル層１４と、ゲート絶縁層１５と、ゲート電極１６と、ソース電極１７と、ドレイン電極１８とを有する。詳しくは後述するが、センサ装置１０は、チャネル層１４が単層又は複層のグラフェンを用いて形成されることにより、高い感度を有するので、小さい外部電界を測定可能である。本実施形態のセンサ装置１０は、いわゆるトップゲート型のトランジスタである。

基板１１は、センサ装置１０の他の構成要素を支持する機械的強度を有する。基板１１は、第１面１１Ａ及び第２面１１Ｂを有する。基板１１として、例えば、シリコン基板、シリコンカーバイド、化合物半導体等の半導体基板を用いることができる。半導体基板として、アモルファス、多結晶又は単結晶の基板を用いることができる。基板１１は、ｐ型の極性を有していてもよいし、ｎ型の極性を有していてもよい。また、基板は、不純物が添加されていない真性であってもよい。

電気絶縁層１２は、電気絶縁性を有し、基板１１の第１面１１Ａ上に配置される。電気絶縁層１２は、基板１１と格子整合層１３とを電気的に絶縁する。電気絶縁層１２は、平面視で第１領域１２Ａ及び第２領域１２Ｂを有する。第１領域１２Ａ上には、格子整合層１３と、チャネル層１４と、ゲート絶縁層１５と、ゲート電極１６と、ソース電極１７と、ドレイン電極１８とが配置される。第２領域１２Ｂは、外部電界に曝される。

電気絶縁層１２として、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム又は窒化ケイ素等の誘電体を用いることができる。基板１１がシリコン基板である場合、電気絶縁層１２として、ニ酸化シリコンを用いることができる。電気絶縁層１２は、９０ｎｍ以下の厚さを有することが、センサ装置１０の感度の向上及び測定レンジのワイド化の観点から好ましい。センサ装置１０の感度が高い程、測定可能な電界強度の下限値が低くなる。また、センサ装置１０の測定レンジが広い程、測定可能な電界強度の範囲が広くなる。電気絶縁層１２の厚さと、測定レンジとの関係については後述する。

格子整合層１３は、電気絶縁層１２の第１領域１２Ａ上に配置される。格子整合層１３は、単原子層を形成可能な材料により形成される。格子整合層１３は、この材料により形成される一又は複数の原子層により形成される。この材料として、例えば、六方晶系の窒化ホウ素、六方晶系の二硫化モリブデン又は六方晶系の二硫化タングステンが挙げられる。

格子整合層１３は、チャネル層１４を形成するグラフェンとの格子不整合度が、好ましくは１０％以下であり、特に５％以下であることが好ましい。格子不整合度は、格子整合層１３の格子定数とグラフェンの格子定数との一致度が最大となるように、格子整合層１３がチャネル層１４上に配置された時の、格子整合層１３の格子定数と、グラフェンの格子定数との差の絶対値を、グラフェンの格子定数で割った商を百分率で表した値である。例えば、格子整合層１３が窒化ホウ素で形成される場合、グラフェン及び窒化ホウ素のそれぞれの単原子層の単位格子は、２次元平面内に伸びるａ軸及びｂ軸と、ａ軸及びｂ軸に対して直交するｃ軸とを有する。グラフェン及び窒化ホウ素のそれぞれのｃ軸を一致させてａ軸及びｃ軸を回転させて、グラフェン及び窒化ホウ素のそれぞれの単原子層の格子定数との一致度が最大となるように、格子整合層１３がチャネル層１４上に配置された場合、窒化ホウ素で形成される場合の格子不整合度は１．７１％である。また、格子整合層１３が二硫化モリブデンで形成される場合の格子不整合度は３．０１％であり、格子整合層１３が二硫化タングステンで形成される場合の格子不整合度は３．２６％である。

二酸化ケイ素等により形成される電気絶縁層１２の表面は、通常平坦ではなく凹凸がある。また、電気絶縁層１２の表面には、不純物が存在する場合がある。チャネル層１４が電気絶縁層１２の表面上に直接配置された場合、電気絶縁層１２の表面の状態の影響を受けて、チャネル層１４を形成するグラフェンの２次元周期構造に歪みが生じ、また不純物による電気的な影響を受ける。これにより、グラフェン内を移動するキャリアが歪み又は不純物により散乱されるので、キャリアの移動度が低下する。そこで、本実施形態では、電気絶縁層１２の表面に格子整合層１３を配置し、この格子整合層１３上にチャネル層１４が配置されることにより、グラフェン中のキャリアの移動度が、電気絶縁層１２の影響を受けて低下することが抑制される。

ここで、格子整合層１３は、チャネル層１４を形成するグラフェンとの格子不整合度が小さいので、格子整合層１３がチャネル層１４上に直接配置されても、チャネル層１４を形成するグラフェンの２次元周期構造に歪みが生じることは抑制される。

格子整合層１３の厚さは、１～１０原子層の範囲にあることが好ましい、格子整合層１３の厚さが１原子層以上であることにより、グラフェン中のキャリアの移動度が、電気絶縁層１２の影響を受けることを抑制できる。また、格子整合層１３の厚さが１０原子層以下であることにより、外部電界が加えられたことにより基板１１に生じた内部電界の変化を、チャネル層１４へ十分に伝えることができる。センサ装置１０に外部電界が加えられることにより、基板１１の内部電界に変化が生じることについては後述する。

チャネル層１４は、チャネル領域１４１を有し、グラフェンの単原子層又は複数の原子層を有する。チャネル層１４のチャネル領域１４１は、少なくとも格子整合層１３上に配置されることが好ましい。本実施形態では、チャネル層１４の全体が、格子整合層１３上に配置される。

センサ装置１０の感度（ゲイン）Ｇが高い程、測定可能な電界強度の下限値が増大する。センサ装置１０では、グラフェンの一又は複数の原子層を用いてチャネル層１４が形成されるので、高い感度を有する。

まず、外部電界を測定するセンサ装置１０の感度について、以下に説明する。センサ装置１０の感度は、以下の式（１）で表される。

Ｇ＝Ｔｔｒａｐ／Ｔｔｒａｎｓｉｔ （１）

ここで、Ｔｔｒａｐは、基板１１内のキャリアのライフタイムであり、主に、外部電界により電気絶縁層１２と基板１１との界面に誘起されたキャリアが、界面のキャリアトラップにより捕捉されるまでの捕捉時間によって決定される。Ｔｔｒａｎｓｉｔは、キャリアが、ソース電極１７とドレイン電極１８との間のチャネル領域１４１を移動するのに要する移動時間である。

式（１）に示すように、Ｔｔｒａｐを増大するか、又は、Ｔｔｒａｎｓｉｔを低減することにより、センサ装置１０の感度Ｇは増加する。

センサ装置１０では、より短いＴｔｒａｎｓｉｔを得る観点から、チャネル層１４をグラフェンの一又は複数の原子層を用いて形成する。グラフェンは高いキャリアの移動度を有する。グラフェンの単原子層は、２×１０⁵（ｃｍ²∨^-1Ｓ^-1）のキャリア移動度を有する。このキャリア移動度は、結晶性のシリコン基板における電子の移動度の１．４×１０³（ｃｍ²∨^-1Ｓ^-1）に対して、２桁以上高い値である。高いキャリア移動度を得る観点から、チャネル層１４は、グラフェンの１～１０の原子層、特に１～３の原子層を用いて形成されることが好ましい。特に、チャネル層１４は、グラフェンの単原子層を用いて形成されることにより最も高いキャリア移動度が得られる。

また、センサ装置１０では、より長いＴｔｒａｐを得る観点から、基板１１とチャネル層１４との間に、格子整合層１３を介して上述した電気絶縁層１２が配置される。電気絶縁層１２が配置されることにより、外部電界により基板１１内に誘起されたキャリアのＴｔｒａｐを増大する。特に、電気絶縁層１２の厚さを９０ｎｍ以下にすることにより、電気絶縁層１２と基板１１との界面に誘起されたキャリアにより、界面のキャリアトラップにより捕捉される確率が大きく低減するので、Ｔｔｒａｐが増大される。

ゲート絶縁層１５は、電気絶縁性を有し、チャネル層１４上に配置される。ゲート絶縁層１５は、単原子層を形成可能な材料により形成される。ゲート絶縁層１５は、この材料により形成される一又は複数の原子層により形成される。この材料として、例えば、六方晶系の窒化ホウ素、二硫化モリブデン又は二硫化タングステンが挙げられる。ゲート絶縁層１５は、チャネル層１４を形成するグラフェンとの格子不整合度が好ましくは１０％以下であり、特に５％以下であることが好ましい。ゲート絶縁層１５の格子不整合度の説明に対して、上述した格子整合層１３における説明が適宜適用される。

ゲート絶縁層１５はチャネル層１４上に直接配置されるが、ゲート絶縁層１５の形成材料と、チャネル層１４を形成するグラフェンとの格子不整合度が大きいと、チャネル層１４を形成するグラフェンの２次元周期構造に歪みが生じる。これにより、グラフェン内を移動するキャリアが散乱されて、キャリアの移動度が低下する。そこで、本実施形態では、チャネル層１４上に、チャネル層１４を形成するグラフェンとの格子不整合度が小さいゲート絶縁層１５が配置されることにより、グラフェン中のキャリアの移動度が、ゲート絶縁層１５の影響を受けて低下することが抑制される。

ゲート絶縁層１５の厚さは、１～１０原子層の範囲にあることが好ましく、特に５～１０原子層の範囲にあることが好ましい、ゲート絶縁層１５の厚さが１原子層以上であることにより、ゲート電極１６とチャネル層１４とを電気的に絶縁できる。特に、ゲート絶縁層１５の厚さが５原子層以上であることにより、ゲート電極１６とチャネル層１４とを十分に電気的に絶縁できる。また、ゲート絶縁層１５の厚さが、１０原子層以下であることにより、ゲート電圧を、ゲート電極１６を介してチャネル層１４に印加することができる。

ゲート電極１６は、ゲート絶縁層１５上に配置される。ゲート電極１６は、導電性を有する材料を用いて形成される。ゲート電極１６は、例えば、クロムと金との積層構造とすることができる。

ソース電極１７及びドレイン電極１８は、チャネル層１４のチャネル領域１４１を挟んで対向するようにチャネル層１４上に配置される。一対のソース電極１７及びドレイン電極１８のそれぞれは、少なくとも一部がチャネル層１４上に配置されていればよい。本実施形態では、ソース電極１７及びドレイン電極１８の全体が、チャネル層１４上に配置される。

センサ装置１０は、両極性（ａｍｂｉｐｏｌａｒ：アンビポーラ性)のキャリアを有するトランジスタとして動作する。センサ装置１０は、ゲート電圧を変化させてドレイン電流を測定すると、図１２～図１５に示すように、電荷中性点ゲート電圧において、ドレイン電流は最小値を示す。ゲート電圧を変化させると、ドレイン電流は電荷中性点ゲート電圧に対して左右対称に変化する。

次に、外部電界が加えられたセンサ装置１０が、外部電界の大きさをドレイン電流値の変化として測定する動作を、図１及び図２を参照しながら、以下に説明する。

図１（Ａ）では、センサ装置１０に対して、外部からセンサ装置１０に向かう向き（正の向き）の外部電界が加えられている。正の向きの外部電界の電気力線は、基板１１の第１面１１Ａに対して、外部からセンサ装置１０の内部に向かって伸びる。

センサ装置１０に加えられた外部電界によって、電気絶縁層１２の第２領域１２Ｂには、電気絶縁層１２と基板１１との界面に基板１１内の電子が誘起される。外部電界によって界面に誘起される電子の数は、外部電界の大きさに対応する。一方、電気絶縁層１２の第１領域１２Ａでは、ゲート電極１６、ソース電極１７及びドレイン電極１８等の電気導電体により外部電界は遮蔽されるので、電気絶縁層１２と基板１１との界面における電子の誘起は相対的に小さい。その結果、基板１１内部には、第１領域１２Ａから第２領域１２Ｂへ向かう第１の内部電界Ｆ１が生じる。第２領域１２Ｂにおける電気絶縁層１２と基板１１との界面に誘起された電子は、この第１の内部電界Ｆ１に駆動されて、第１領域１２Ａへ移動する。第１領域１２Ａに電子が移動することにより、第１領域１２Ａにおける電気絶縁層１２と基板１１との界面では、電子密度が増加する。この電子密度の増加によって、チャネル１４に加わる第２の内部電界Ｆ２が変化するので、チャネル領域１４１の電子密度が増加する。このチャネル領域１４１の電子密度の変化により、ドレイン電流値が変化する。外部電界がセンサ装置１０に加えられていない時のドレイン電流値を基準としたドレイン電流値の変化の大きさに基づいて、外部電界の大きさを測定できる。

図２は、センサ装置１０に対して、センサ装置１０から外部に向かう向き（負の向き）の外部電界が加えられている。負の向きの外部電界の電気力線は、基板１１の第１面１１Ａに対して、センサ装置１０の内部から外部に向かって伸びる。

センサ装置１０に加えられた外部電界によって、電気絶縁層１２の第２領域１２Ｂには、電気絶縁層１２と基板１１との界面に基板１１内のホールが誘起される。第２領域１２Ｂにおける界面に誘起されたホールが、第１領域１２Ａに移動することにより、上述したのと同様にして、チャネル層１４のチャネル領域１４１の電子密度が変化してドレイン電流が変化する。同様にして、外部電界がセンサ装置１０に加えられていない時のドレイン電流値を基準としたドレイン電流値の変化の大きさに基づいて、外部電界の大きさを測定できる。

センサ装置１０に求められる性能として、上述した感度の高いことと共に、測定レンジの広いことがある。センサ装置１０の測定レンジが広い程、測定可能な電界強度の範囲が広くなる。センサ装置１０の測定レンジは、センサ装置１０に加えられた外部電界によって、電気絶縁層１２の第２領域１２Ｂにおける基板１１との界面に誘起されるキャリアの数が多い程広くなる。

外部電界が加えられた時に界面に誘起される最大のキャリア数は、電気絶縁層１２の厚さが薄い程多くなる。界面に誘起されるキャリアの数は、外部電界の大きさが増大すると共に増大してやがて飽和する。外部電界が加えられていない時の界面のキャリアの数と、飽和した時の界面に誘起されているキャリアの数との差が、センサ装置１０の測定レンジに対応する。界面に誘起される最大のキャリア数を増大する観点から、上述したように、電気絶縁層１２の厚さは、９０ｎｍ以下であることが好ましい。

次に、センサ装置１０を用いて外部電界が測定された測定例を、以下に説明する。

図３（Ａ）は正の向きの外部電界がセンサ装置１０に加えられた時のドレイン電流と時間との関係を示す図である。図３（Ａ）の縦軸はドレイン電流を示し、横軸は時間を示す。図３（Ａ）～図３（Ｃ）に示す関係は、３ｃｍの間隔をあけた平行平板がセンサ装置１０を挟んで配置されて、平行平板間に５００∨が印加されて測定された。ソース電極１７とドレイン電極１８との間には、１００ｍ∨が印加された。図４及び図５に示す関係も、同様の構成でドレイン電流の測定が行われた。正の向きの外部電界がセンサ装置１０に加えられている時のドレイン電流値は、外部電界がセンサ装置１０に加えられていない時よりも低い。

図３（Ｂ）は、正の向きの外部電界がセンサ装置１０に加えられた時のドレイン電流変化率と電界強度との関係を示す図である。図３（Ｂ）の縦軸はドレイン電流変化率を示し、横軸は電界強度を示す。ドレイン電流変化率は、外部電界がセンサ装置１０に加えられた時のドレイン電流値と外部電界が加えられていない時のドレイン電流値との差の絶対値を、外部電界が加えられていない時のドレイン電流値で割った商を百分率で表したものである。ドレイン電流変化率は、正の向きの外部電界の大きさが増大すると共に低減する。外部電界がセンサ装置１０に加えられていない時のドレイン電流変化率を基準として、正の向きの外部電界が加えられている時の電流変化率の変化の大きさに基づいて、外部電界の大きさを測定できることがわかる。

図３（Ｃ）は、比較的小さい大きさの正の向きの外部電界がセンサ装置１０に加えられた時のドレイン電流変化率と電界強度との関係を示す図である。本実施形態のセンサ装置１０は、１００（∨／ｍ）の大きさの電界強度を測定できる。図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）に示すように、センサ装置１０は、１００～２×１０⁵（∨／ｍ）の広い測定レンジを有する。

図４（Ａ）は負の向きの外部電界がセンサ装置１０に加えられた時のドレイン電流と時間との関係を示す図である。図４（Ａ）の縦軸はドレイン電流を示し、横軸は時間を示す。負の向きの外部電界がセンサ装置１０に加えられている時のドレイン電流値は、外部電界がセンサ装置１０に加えられていない時よりも高い。

図４（Ｂ）は、負の向きの外部電界がセンサ装置１０に加えられた時のドレイン電流変化率と電界強度との関係を示す図である。図４（Ｂ）の縦軸はドレイン電流変化率を示し、横軸は電界強度を示す。ドレイン電流変化率は、負の向きの外部電界の大きさが増大すると共に増大する。外部電界がセンサ装置１０に加えられていない時のドレイン電流変化率を基準として、負の向きの外部電界が加えられている時の電流変化率の変化の大きさに基づいて、外部電界の大きさを測定できることがわかる。

図５（Ａ）は、センサ装置１０が高い抵抗率（４０～６０Ω・ｃｍ）の基板１１を有する時のドレイン電流変化率と電界強度との関係を示す図であり、図５（Ｂ）は、センサ装置が低い抵抗率（０．００１０Ω・ｃｍ）の基板１１を有する時のドレイン電流変化率と電界強度との関係を示す図である。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）の縦軸は、ドレイン電流変化率を示し、横軸は平行平板に印加された電圧を示す。横軸の値を電界強度（∨／ｍ）で表すには、平行平板間に印加される電圧の値を、間隔を表す０．０３（ｍ）で割れば良い。同じ電界強度（電圧）が加えられた時のドレイン電流変化率は、基板１１の抵抗率が高い方が高いことがわかる。ドレイン電流変化率の大きさは、センサ装置１０の感度の大きさに対応するので、高い感度を有するセンサ装置１０を得る観点からは、基板１１の抵抗率は高い方が好ましいことがわかる。

上述した本実施形態のセンサ装置１０によれば、寸法が小さく且つ小さな電界強度を測定可能である。また、センサ装置１０は、従来の機械式センサ装置と比べて、以下の長所を有する。機械式センサ装置は、寸法が数１０ｃｍあり、重さが数ｋｇあるので、その設置場所に制約があったが、センサ装置１０の寸法は高々数ｃｍであり重さも高々数ｇであるので、設置場所の制約が大幅に緩和される。また、機械式センサ装置は、駆動部を有するので、故障する可能性があり、また保守が必要であったが、センサ装置１０は、半導体センサであり、故障する可能性は大きく低減する。更に、機械式センサ装置は、消費電力が大きくＡＣ電源等の給電装置が必要であるが、センサ装置１０は、消費電力が小さいので、電池等の簡易な給電装置で駆動できる。

また、センサ装置１０は、従来の半導体センサ装置と比べて、以下の長所を有する。従来の半導体センサ装置は、測定可能な電界強度の下限値が２００∨／ｍ程度であったが、センサ装置１０は、１００∨／ｍまで測定可能である。従って、本実施形態のセンサ装置１０は、感度が高いので、計測対象から離れて電界強度が小さくなっても、電界強度を測定可能である。

次に、上述したセンサ装置の他の実施形態を、図６及び図７を参照しながら以下に説明する。他の実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。

図６は、本明細書に開示するセンサ装置の第２実施形態の断面図である。本実施形態のセンサ装置１０Ａの基板１１には、電気絶縁層１２が配置される第１面１１Ａとは反対側の第２面１１Ｂ上にも第２の電気絶縁層１９が配置される点が、上述した第１実施形態とは異なる。

センサ装置１０Ａは、基板１１の第１面１１Ａ上に第１の電気絶縁層１２が配置されると共に、第２面１１Ｂ上に第２の電気絶縁層１９が配置されるので、第１電気絶縁層１２及び第２の電極絶縁層１９と基板１１との界面に誘起されたキャリアが、界面のキャリアトラップにより捕捉される確率を更に低減できる。界面のキャリアトラップにより捕捉される確率を更に低減されるので、センサ装置１０Ａの感度が更に向上する。

また、センサ装置１０Ａは、第１電気絶縁層１２及び第２の電極絶縁層１９と基板１１との２つの界面にキャリア誘起されるので、誘起されるキャリアの数が増大する。そのため、測定レンジが更に向上する。

図７は、本明細書に開示するセンサ装置の第３実施形態の断面図である。本実施形態のセンサ装置１０Ｂは、いわゆるボトムゲート型のトランジスタである点が、上述した第１実施形態とは異なる。

本実施形態のセンサ装置１０Ｂは、基板１１と、電気絶縁層１２と、ゲート絶縁層２２と、チャネル層１４と、格子整合層２３と、遮蔽層２１と、ゲート電極２０と、ソース電極１７と、ドレイン電極１８とを有する。

ゲート電極２０は、チャネル領域１４１と対応する基板１１における第２面１１Ｂ上の領域に配置される。本実施形態では、ゲート電極２０は、基板１１における第２面１１Ｂの全体を覆うように配置される。

ゲート絶縁層２２は、電気絶縁性を有すると共に、第１実施形態における格子整合層と同様に、チャネル層１４と格子整合する機能を有する。第１実施形態における格子整合層の説明は、ゲート電極層２２に対して適宜適用される。

格子整合層２３は、第１実施形態におけるゲート絶縁層と同様に、チャネル層１４と格子整合する機能を有する。第１実施形態におけるゲート絶縁層の説明は、格子整合層２３に対して適宜適用される。

格子整合層２３上に配置される遮蔽層２１は、電気導電性を有し、外部電界を遮蔽して、外部電界がチャネル領域１４１に加わることを抑制する。

上述した本実施形態のセンサ装置によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。

次に、上述した第１実施形態のセンサ装置の製造方法の好ましい一実施形態を、図８～図１０を参照しながら、以下に説明する。

まず、図８（Ａ）に示すように、第１面１１Ａ及び第２面１１Ｂを有する基板１１が準備される。基板１１として、例えば、シリコン基板、シリコンカーバイド、化合物半導体等の半導体基板を用いることができる。

次に、図８（Ｂ）に示すように、基板１１の第１面１１Ａ上に電気絶縁層１２が形成される。基板１１として、シリコン基板が用いられる場合、電気絶縁層１２として、例えば、二酸化ケイ素層が形成される。この二酸化ケイ素層は、熱酸化法又はＣＶＤ法を用いて形成される。電気絶縁層１２の厚さは、９０ｎｍ以下であることが、センサ装置の感度を向上し且つ測定レンジを広げる観点から好ましい。電気絶縁層１２として、熱酸化法を用いて二酸化ケイ素層が形成される場合、二酸化ケイ素層とシリコンとの界面が、新たな第１面１１Ａとなる。

次に、図８（Ｃ）に示すように、将来格子整合層を形成する一例としての窒化ホウ素層１３Ａが、電気絶縁層１２上に配置される。窒化ホウ素層１３Ａは、例えば、剥離法又はＣＶＤ法を用いて、電気絶縁層１２上に形成される。窒化ホウ素層１３Ａの厚さは、５～１０原子層の範囲であることが好ましい。窒化ホウ素層１３Ａは、将来トランジスタが形成される電気絶縁層１２の第１領域１２Ａと、外部電界に曝される電気絶縁層１２の第２領域１２Ｂとを覆うように形成される。

次に、図９（Ａ）に示すように、将来チャネル層を形成する一例としてのグラフェン層１４Ａが、窒化ホウ素層１３Ａ上に形成される。グラフェン層１４Ａは、例えば、剥離法又はＣＶＤ法を用いて、窒化ホウ素層１３Ａ上に形成される。グラフェン層１４Ａの厚さ及び品質は、例えばラマン分光法を用いて測定される。例えば、グラフェン層の欠陥の有無は１３５０ｃｍ^-1のＤピーク強度によって測定され、グラフェンの原子層の数は、１５８０ｃｍ^-1のＧピーク強度又は２６０８ｃｍ^-1の２Ｄピーク形状によって測定される。特に、グラフェン層１４Ａは、ＣＶＤ法を用いて形成されることが、欠陥の少ない品質のよいグラフェンを得る観点から好ましい。また、単原子層のグラフェン層１４Ａを形成することが、キャリア移動度の高いグラフェンを得る観点から好ましい。

次に、図９（Ｂ）に示すように、リソグラフィ法及びエッチング法を用いて、グラフェン層１４Ａ及び窒化ホウ素層１３Ａがパターニングされて、格子整合層１３及びチャネル層１４が、電気絶縁層１２の第１領域Ａ上に形成される。リソグラフィ法として、例えば、電子線リソグラフィを用いることができる。エッチング法として、例えば、酸素プラズマのドライエッチングを用いることができる。

次に、図９（Ｃ）に示すように、リソグラフィ法及びエッチング法を用いて、チャネル層１４上にマスク（図示せず）が形成され、マスクが形成されたチャネル層１４上に導電体層が形成された後リフトオフ法を用いて導電体層（図示せず）がパターニングされて、ソース電極１７及びドレイン電極１８が、チャネル層１４上に形成される。リソグラフィ法として、例えば、電子線リソグラフィを用いることができる。エッチング法として、例えば、酸素プラズマのドライエッチングを用いることができる。導電体層は、例えば、電子線蒸着法を用いて、クロムと金との積層体として形成することができる。クロムの厚さを５ｎｍとし、金の厚さを８０ｎｍとすることができる。

次に、図１０（Ａ）に示すように、将来ゲート絶縁層を形成する一例としての窒化ホウ素層１５Ａが、チャネル層１４、ソース電極１７及びドレイン電極１８の上に形成される。窒化ホウ素層１５Ａの厚さは、５～１０原子層の範囲であることが好ましい。窒化ホウ素層１５Ａは、例えば、剥離法又はＣＶＤ法を用いて、チャネル層１４、ソース電極１７及びドレイン電極１８の上に形成される。窒化ホウ素層１５Ａを形成することに対して、上述した窒化ホウ素層１３Ａの説明が適宜適用される。

次に、図１０（Ｂ）に示すように、リソグラフィ法及びエッチング法を用いて、窒化ホウ素層１５Ａがパターニングされて、ゲート絶縁層１５が、チャネル層１４上に形成される。また、ゲート絶縁層１５は、ソース電極１７及びドレイン電極１８の少なくとも一部を覆うように形成される。リソグラフィ法として、例えば、電子線リソグラフィを用いることができる。エッチング法として、例えば、酸素プラズマのドライエッチングを用いることができる。

次に、図１０（Ｃ）に示すように、ゲート電極１６がゲート絶縁層１５上に形成されて、図１に示す第１実施形態のセンサ装置１０が得られる。

また、上述した図８（Ｂ）の工程において、基板１１の第１面１１Ａ上に電気絶縁層１２が形成され、且つ、第２面１１Ｂ上に電気絶縁層１９が形成された後、図８（Ｃ）以降の工程は同様に行って、図６に示す第２実施形態のセンサ装置１０Ａが得られる。

更に、上述した図８（Ａ）の工程において、基板１１の第１面１１Ａ上に電気絶縁層１２が形成され、且つ、第２面１１Ｂ上にゲート電極２０が形成された後、図８（Ｃ）以降の工程は同様に行って、図７に示す第２実施形態のセンサ装置１０Ｂが得られる。

次に、本明細書に開示する、両極性のトランジスタを有し電界強度を測定可能なセンサ装置を用いて外部電界の向きを判定する方法の好ましい第１実施形態について、図１１～図１４を参照しながら、以下に説明する。

本明細書に開示する外部電界の向きを判定する方法は、両極性（ａｍｂｉｐｏｌａｒ：アンビポーラ性)のトランジスタを有し外部電界の電界強度を測定可能なセンサ装置を用いて外部電界の向きを判定する方法である。この方法は、例えば、上述したセンサ装置の第１実施形態～第３実施形態を用いて行うことができる。

具体的には、外部電界の向きを判定する方法は、外部電界が加えられていない時にセンサ装置を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係において、ドレイン電流が最小値を示す電荷中性点ゲート電圧∨_CNPとは異なる第１ゲート電圧Ｇ１における第１ドレイン電流値Ｉ_D１と、電荷中性点ゲート電圧及び第１ゲート電圧Ｇ１とは異なる第２ゲート電圧Ｇ２における第２ドレイン電流値Ｉ_D２と、外部電界が加えられている時にセンサ装置を用いて測定された第１ゲート電圧Ｇ１における第３ドレイン電流値Ｉ_D３と、第２ゲート電圧Ｇ２における第４ドレイン電流値Ｉ_D４とを含む４つの電流値のうち少なくとも２つの電流値の関係に基づいて、外部電界の向きを判定する。この電流値間の関係は、電荷中性点ゲート電圧と∨_CNP、第１ゲート電圧Ｇ１及び第２ゲート電圧Ｇ２の大小関係により定められる。

図１１は、本明細書に開示する外部電界の向きを判定する判定装置を説明する図である。上述した判定処理は、プロセッサ５１と、メモリ５２と、センサ装置１０との間で信号の入出力を行うインタフェース５３と、表示部等の出力部５４とを有するコンピュータを判定装置５０として用いて実行できる。プロセッサ５１は、インタフェース５３を介して、センサ装置１０が測定した各ゲート電圧におけるドレイン電流値を入力し、メモリ５２に記憶されたコンピュータプログラムを実行することにより、上述した判定処理を行って、判定結果を出力部５４を介して出力する。メモリ５２は、コンピュータプログラムを記憶すると共に、センサ装置１０から入力されたデータ、判定処理の実行に伴うデータ等を記憶する。なお、プロセッサ５１は、コンピュータプログラムを実行する代わりに、上述した判定処理を行う回路を有していてもよい。

センサ装置１０に外部電界が加えられていない状態は、センサ装置１０の外の電界強度が、ここでは、０．１∨／ｍ以下のことをいう。外部電界が加えられていない時にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係は、センサ装置１０がアルミ箔等の電気導電性を有するフィルムで覆われた状態で、ドレイン電流とゲート電圧との関係を測定することにより得られる。

図１２は、本明細書に開示する外部電界の向きを判定する方法の第１実施形態において、Ｇ２＜∨_CNP＜Ｇ１の場合の判定を説明する図である。

外部電界の向きを判定する方法におけるゲート電圧の大小関係は、第１ゲート電圧Ｇ１は電荷中性点ゲート電圧∨_CNPよりも大きく、且つ、第２ゲート電圧Ｇ２は電荷中性点ゲート電圧∨_CNPよりも小さく、且つ、第１ゲート電圧Ｇ１及び第２ゲート電圧Ｇ２の絶対値は同じというものである。即ち、ゲート電圧の大小関係は、以下の式（２）の関係を有する。

Ｇ２＜∨_CNP＜Ｇ１、｜Ｇ１｜＝｜Ｇ２｜ （２）

プロセッサ５１は，ゲート電圧の大小関係が式（２）の関係を満たす時にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係を入力する。

ゲート電圧の大小関係が式（２）の関係を有する場合、本実施形態の外部電界の向きを判定する方法は、第３ドレイン電流値Ｉ_D３が第４ドレイン電流値Ｉ_D４よりも大きいか、又は、第３ドレイン電流値Ｉ_D３が第１ドレイン電流値Ｉ_D１よりも大きく、且つ、第２ドレイン電流値Ｉ_D２が第４ドレイン電流値Ｉ_D４よりも大きい場合、外部電界の向きは外部からセンサ装置へ向かう向き（正の向き）であると判定する。即ち、プロセッサ５１は、以下の式（３）又は（４）の関係が満たされる場合、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（正の向き）であると判定する。

Ｉ_D４＜Ｉ_D３ （３）

Ｉ_D１＜Ｉ_D３、Ｉ_D４＜Ｉ_D２ （４）

また、ゲート電圧の大小関係が、式（２）の関係を有する場合、本実施形態の外部電界の向きを判定する方法は、第４ドレイン電流値Ｉ_D４が第３ドレイン電流値Ｉ_D３よりも大きいか、又は、第１ドレイン電流値Ｉ_D１が第３ドレイン電流値Ｉ_D３よりも大きく、且つ、第４ドレイン電流値Ｉ_D４が第２ドレイン電流値Ｉ_D２よりも大きい場合、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（負の向き）であると判定する。即ち、プロセッサ５１は、以下の式（５）又は（６）の関係が満たされる場合、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（負の向き）であると判定する。

Ｉ_D３＜Ｉ_D４ （５）

Ｉ_D３＜Ｉ_D１、Ｉ_D２＜Ｉ_D４ （６）

次に、外部電界の向きを判定する方法の第１実施形態を、図１２に示す例を参照しながら、以下に説明する。

図１２において、カーブＥ０は、外部電界が加えられていない時（Ｅ０＝０）にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係を示す。カーブＥ０は、電荷中性点ゲート電圧∨_CNPにおいて、ドレイン電流が最小値を示す。電荷中性点ゲート電圧∨_CNPは、通常ゼロであるが、ゼロ以外の値を示すセンサ装置もある。図１２～図１４では、電荷中性点ゲート電圧∨_CNPゼロではない例で示されている。ゲート電圧を変化させると、ドレイン電流は電荷中性点ゲート電圧∨_CNPに対して対称に変化する。図１２において、カーブＥ０について、第１ドレイン電流値Ｉ_D１をＩ_D（Ｇ１）Ｅ０と示し、第２ドレイン電流値Ｉ_D２をＩ_D（Ｇ２）Ｅ０と示す。このことは、図１３及び図１４においても同様である。

カーブＥ１～Ｅ４は、外部電界が加えられている時にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係を示す。図１２において、カーブＥ１について、第３ドレイン電流値Ｉ_D３をＩ_D（Ｇ１）Ｅ１と示し、第４ドレイン電流値Ｉ_D４をＩ_D（Ｇ２）Ｅ１と示し、カーブＥ２について、第３ドレイン電流値Ｉ_D３をＩ_D（Ｇ１）Ｅ２と示し、第４ドレイン電流値Ｉ_D４をＩ_D（Ｇ２）Ｅ２と示し、カーブＥ３について、第３ドレイン電流値Ｉ_D３をＩ_D（Ｇ１）Ｅ３と示し、第４ドレイン電流値Ｉ_D４をＩ_D（Ｇ２）Ｅ３と示し、カーブＥ４について、第３ドレイン電流値Ｉ_D３をＩ_D（Ｇ１）Ｅ４と示し、第４ドレイン電流値Ｉ_D４をＩ_D（Ｇ２）Ｅ４と示す。このことは、図１３及び図１４においても同様である。

プロセッサ５１は、カーブＥ１のドレイン電流とゲート電圧との関係について、式（４）の関係を満たすので、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（正の向き）であると判定する（Ｅ１＞０）。

また、プロセッサ５１は、カーブＥ２のドレイン電流とゲート電圧との関係について、式（３）の関係を満たすので、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（正の向き）であると判定する（Ｅ２＞０）。

また、プロセッサ５１は、カーブＥ３のドレイン電流とゲート電圧との関係について、式（６）の関係を満たすので、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（負の向き）であると判定する（Ｅ３＜０）。

更に、プロセッサ５１は、カーブＥ４のドレイン電流とゲート電圧との関係について、式（５）の関係を満たすので、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（負の向き）であると判定する（Ｅ４＜０）。

図１３は、本明細書に開示する外部電界の向きを判定する方法の第１実施形態において、∨_CNP＜Ｇ１＜Ｇ２の場合の判定を説明する図である。

外部電界の向きを判定する方法におけるゲート電圧の大小関係は、第１ゲート電圧Ｇ１は電荷中性点ゲート電圧∨_CNPよりも大きく、且つ、第２ゲート電圧Ｇ２は第１ゲート電圧Ｇ１よりも大きいというものである。即ち、ゲート電圧の大小関係は、以下の式（７）の関係を有する。

∨_CNP＜Ｇ１＜Ｇ２ （７）

プロセッサ５１は，ゲート電圧の大小関係が式（７）の関係を満たす時にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係を入力する。

ゲート電圧の大小関係が式（７）の関係を有する場合、本実施形態の外部電界の向きを判定する方法は、第３ドレイン電流値Ｉ_D３が第１ドレイン電流値Ｉ_D１よりも大きく、且つ、第４ドレイン電流値Ｉ_D４が第３ドレイン電流値Ｉ_D３よりも大きい場合、外部電界の向きは外部からセンサ装置１０へ向かう向き（正の向き）であると判定する。即ち、プロセッサ５１は、以下の式（８）の関係が満たされる場合、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（正の向き）であると判定する。

Ｉ_D１＜Ｉ_D３、Ｉ_D３＜Ｉ_D４ （８）

また、ゲート電圧の大小関係が、式（７）の関係を有する場合、本実施形態の外部電界の向きを判定する方法は、第１ドレイン電流値Ｉ_D１が第３ドレイン電流値Ｉ_D３よりも大きいか、又は、第３ドレイン電流値Ｉ_D３が第４ドレイン電流値Ｉ_D４よりも大きい場合、外部電界の向きはセンサ装置１０から外部へ向かう向き（負の向き）であると判定する。即ち、プロセッサ５１は、以下の式（９）又は式（１０）の関係が満たされる場合、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（負の向き）であると判定する。

Ｉ_D３＜Ｉ_D１ （９）

Ｉ_D４＜Ｉ_D３ （１０）

次に、外部電界の向きを判定する方法の第１実施形態を、図１３に示す例を参照しながら、以下に説明する。

図１３において、カーブＥ０は、外部電界が加えられていない時にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係を示す。カーブＥ０は、電荷中性点ゲート電圧∨_CNPにおいて、ドレイン電流が最小値を示す。

カーブＥ１～Ｅ３は、外部電界が加えられている時にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係を示す。

プロセッサ５１は、カーブＥ１のドレイン電流とゲート電圧との関係について、式（８）の関係を満たすので、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（正の向き）であると判定する（Ｅ１＞０）。

また、プロセッサ５１は、カーブＥ２のドレイン電流とゲート電圧との関係について、式（９）の関係を満たすので、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（負の向き）であると判定する（Ｅ２＜０）。

また、プロセッサ５１は、カーブＥ３のドレイン電流とゲート電圧との関係について、式（１０）の関係を満たすので、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（負の向き）であると判定する（Ｅ３＜０）。

図１４は、本明細書に開示する外部電界の向きを判定する方法の第１実施形態において、Ｇ２＜Ｇ１＜１∨_CNPの場合の判定を説明する図である。

外部電界の向きを判定する方法におけるゲート電圧の大小関係は、電荷中性点ゲート電圧∨_CNPは第１ゲート電圧Ｇ１よりも大きく、且つ、第１ゲート電圧Ｇ１は第２ゲート電圧Ｇ２よりも大きいというものである。即ち、ゲート電圧の大小関係は、以下の式（１１）の関係を有する。

Ｇ２＜Ｇ１＜∨_CNP （１１）

プロセッサ５１は，ゲート電圧の大小関係が式（１１）の関係を満たす時にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係を入力する。

ゲート電圧の大小関係が式（１１）の関係を有する場合、本実施形態の外部電界の向きを判定する方法は、第３ドレイン電流値Ｉ_D３が第１ドレイン電流値Ｉ_D１よりも大きく、且つ、第４ドレイン電流値Ｉ_D４が第２ドレイン電流値Ｉ_D２よりも大きい関係を満たさない場合、外部電界の向きは外部からセンサ装置１０へ向かう向き（正の向き）であると判定する。即ち、プロセッサ５１は、以下の式（１２）の関係が満たされない場合、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（正の向き）であると判定する。

Ｉ_D１＜Ｉ_D３、Ｉ_D２＜Ｉ_D４ （１２）

また、ゲート電圧の大小関係が、式（１１）の関係を有する場合、本実施形態の外部電界の向きを判定する方法は、式（１２）の関係が満たされる場合、外部電界の向きはセンサ装置１０から外部へ向かう向き（負の向き）であると判定する。即ち、プロセッサ５１は、式（１２）の関係が満たされる場合、外部電界の向きはセンサ装置１０から外部へ向かう向き（負の向き）であると判定する。

次に、外部電界の向きを判定する方法の第１実施形態を、図１４に示す例を参照しながら、以下に説明する。

図１４において、カーブＥ０は、外部電界が加えられていない時にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係を示す。カーブＥ０は、電荷中性点ゲート電圧∨_CNPにおいて、ドレイン電流が最小値を示す。

カーブＥ１～Ｅ４は、外部電界が加えられている時にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係を示す。

プロセッサ５１は、カーブＥ１のドレイン電流とゲート電圧との関係について、式（１２）の関係が満たされないので、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（正の向き）であると判定する（Ｅ１＞０）。

また、プロセッサ５１は、カーブＥ２のドレイン電流とゲート電圧との関係について、式（１２）の関係が満たされないので、外部電界の向きはセンサ装置から外部へ向かう向き（正の向き）であると判定する（Ｅ２＞０）。

また、プロセッサ５１は、カーブＥ３のドレイン電流とゲート電圧との関係について、式（１２）の関係が満たされるので、外部電界の向きはセンサ装置１０から外部へ向かう向き（負の向き）であると判定する（Ｅ３＜０）。

上述した本実施形態の外部電界の向きを判定する方法によれば、外部電界の向きを判定できる。

次に、上述した外部電界の向きを判定する方法の第２実施形態を、図１５を参照しながら以下に説明する。第２実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。

本実施形態における外部電界の向きを判定する方法は、外部電界が加えられていない時にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係においてドレイン電流が最小値を示す第１電荷中性点ゲート電圧∨_CNP（Ｅ０）が、外部電界が加えられている時にセンサ装置を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係においてドレイン電流が最小値を示す第２電荷中性点ゲート電圧∨_CNP（Ｅ１）よりも大きい場合、外部電界の向きは外部からセンサ装置へ向かう向き（正の向き）であると判定し、第２電荷中性点ゲート電圧∨_CNP(Ｅ２）が第１電荷中性点ゲート電圧∨_CNP（Ｅ０）よりも大きい場合、外部電界の向きはセンサ装置１０から外部へ向かう向き（負の向き）であると判定する。上述した判定処理は、図１１に示す判定装置５０を用いて実行することができる。

次に、外部電界の向きを判定する方法の第１実施形態を、図１５に示す例を参照しながら、以下に説明する。

図１５は、本明細書に開示する外部電界の向きを判定する方法の第２実施形態における判定を説明する図である。図１５において、カーブＥ０は、外部電界が加えられていない時にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係を示す。カーブＥ０は、電荷中性点ゲート電圧∨_CNP（Ｅ０）において、ドレイン電流が最小値を示す。

カーブＥ１、Ｅ２は、外部電界が加えられている時にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流とゲート電圧との関係を示す。カーブＥ１は、電荷中性点ゲート電圧∨_CNP（Ｅ１）において、ドレイン電流が最小値を示す。カーブＥ２は、電荷中性点ゲート電圧∨_CNP（Ｅ２）において、ドレイン電流が最小値を示す。

プロセッサ５１は，外部電界が加えられていない時にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流及びゲート電圧の関係と、外部電界が加えられている時にセンサ装置１０を用いて測定されたドレイン電流及びゲート電圧の関係とを入力する。プロセッサ５１は、それぞれの関係に基づいて、ドレイン電流が最小値を示すゲート電圧を、電荷中性点ゲート電圧として選択する。

プロセッサ５１は、カーブＥ１について、第１電荷中性点ゲート電圧∨_CNP（Ｅ０）が、第２電荷中性点ゲート電圧（Ｅ１）よりも大きいので、外部電界の向きは外部からセンサ装置へ向かう向き（正の向き）であると判定する（Ｅ１＞０）。

また、プロセッサ５１は、カーブＥ２について、第２電荷中性点ゲート電圧∨_CNP（Ｅ２）が第１電荷中性点ゲート電圧∨_CNP（Ｅ０）よりも大きいので、外部電界の向きはセンサ装置１０から外部へ向かう向き（負の向き）であると判定する（Ｅ２＜０）。

上述した本実施形態の外部電界の向きを判定する方法によれば、外部電界の向きを判定できる。

本発明では、上述した実施形態の電界強度を測定可能なセンサ装置及びセンサ装置を用いて外部電界の向きを判定する方法は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。

例えば、上述した第１実施形態又は第２実施形態のセンサ装置は、ゲート絶縁層とゲート電極との間に、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム又は窒化ケイ素等を有する電気絶縁性の層が配置されていてもよい。この場合、ゲート絶縁層の厚さは、１～５原子層の範囲にあることが好ましい。ゲート絶縁層の厚さが１原子層以上であることにより、ゲート電極とチャネル層とを十分に電気的に絶縁できる。また、ゲート絶縁層の厚さが、５原子層以下であることにより、ゲート電圧を、ゲート電極を介してチャネル層に印加することができる。また、格子整合層の厚さは、１～５原子層の範囲にあることが好ましい。

また、上述した第１実施形態～第３実施形態のセンサ装置において、電気絶縁層は、平面視で第１領域と第２領域とに横方向において分割されていたが、第１領域及び第２領域の形態は、これに限定されない。例えば、第２領域は、第１領域を囲むような形態を有していてもよい。

１０ センサ装置
１１ 基板
１１Ａ 第１面
１１Ｂ 第２面
１２ 電気絶縁層
１２Ａ 第１領域
１２Ｂ 第２領域
１３ 格子整合層
１３Ａ 窒化ホウ素層
１４ チャネル層
１４１ チャネル領域
１４Ａ グラフェン層
１５ ゲート絶縁層
１５Ａ 窒化ホウ素層
１６ ゲート電極
１７ ソース電極
１８ ドレイン電極
１９ 電気絶縁層
２０ ゲート電極
２１ 遮蔽層
２２ ゲート絶縁層
２３ 格子整合層
３０ マスク
５０ コンピュータ
５１ プロセッサ
５２ メモリ
５３ インタフェース
５４ 出力部

Claims (3)

1. 外部電界の電界強度を測定可能なセンサ装置であって、
   基板と、
   前記基板上に配置される電気絶縁層であって、９０ｎｍ以下の厚さを有し、平面視で第１領域及び第２領域を有する電気絶縁層と、
   前記電気絶縁層の前記第１領域上に配置され、第１の材料により形成される一又は複数の原子層により形成される格子整合層と、
   前記格子整合層上に配置され、チャネル領域を有し、グラフェンの単原子層又は複数の原子層を有するチャネル層と、
   前記チャネル層上に配置され、第２の材料により形成される一又は複数の原子層により形成されるゲート絶縁層と、
   前記ゲート絶縁層上に配置されるゲート電極と、
   前記チャネル領域を挟んで対向するように前記チャネル層上に配置される一対のソース電極及びドレイン電極と、
   を備え、
   前記格子整合層又は前記ゲート絶縁層は、グラフェンとの格子不整合度が１０％以下であり、
   前記第１の材料又は前記第２の材料は、六方晶系の窒化ホウ素、二硫化モリブデン又は二硫化タングステンであり、
   前記格子整合層又は前記ゲート絶縁層の厚さは、１～１０原子層の範囲にあり、
   前記チャネル層は、グラフェンの１層～１０層を有する、ことを特徴とするセンサ装置。
2. 前記基板における前記電気絶縁層が配置される面とは反対側の面上に第２の電気絶縁層が配置される、請求項１に記載のセンサ装置。
3. 外部電界の電界強度を測定可能なセンサ装置であって、
   第１面及び第２面を有する基板と、
   前記第１面上に配置される電気絶縁層であって、９０ｎｍ以下の厚さを有し、平面視で第１領域と第２領域を有する電気絶縁層と、
   前記電気絶縁層の前記第１領域上に配置され、第１の材料により形成される一又は複数の原子層により形成されるゲート絶縁層と、
   前記ゲート絶縁層上に配置され、チャネル領域を有し、グラフェンの単原子層又は複数の原子層を有するチャネル層と、
   前記チャネル層上に配置され、第２の材料により形成される一又は複数の原子層により形成される格子整合層と、
   前記チャネル領域を挟んで対向するように前記チャネル層上に配置される一対のソース電極及びドレイン電極と、
   前記チャネル領域と対応する前記第２面上の領域に配置されるゲート電極と、
   を備え、
   前記格子整合層又は前記ゲート絶縁層は、グラフェンとの格子不整合度が１０％以下であり、
   前記第１の材料又は前記第２の材料は、六方晶系の窒化ホウ素、二硫化モリブデン又は二硫化タングステンであり、
   前記格子整合層又は前記ゲート絶縁層の厚さは、１～１０原子層の範囲にあり、
   前記チャネル層は、グラフェンの１層～１０層を有する、ことを特徴とするセンサ装置。

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