JP7374222B2 - 電磁波検出器および電磁波検出器集合体 - Google Patents
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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IB-IBにおける断面模式図である。図3には、電磁波検出器100の典型的な電気的接続も示されている。
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に示される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。
図4、図5、および図6に示される各電磁波検出器は、基本的には図2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、段差部40と絶縁膜3の開口部3aとの相対的な位置関係が図2に示される電磁波検出器と異なっている。
図4に示される第1変形例に係る電磁波検出器では、段差部40は、頂部43の数が底部41の数よりも多く、かつ底部41の全面積が頂部43の全面積よりも小さい凹部形状を有している。1つの段差部40は、1つの底部41、2つの頂部43、および2つの側部42を有する。底部41は、半導体層4の厚さ方向において、2つの頂部43に対して凹んでいる。2つの側部42の各々は、底部41と頂部43との間に配置されている。
図5に示される第2変形例に係る電磁波検出器では、絶縁膜3の開口部3aおよび二次元材料層1の領域1cが底部41b上に配置されている。そのため、二次元材料層1の領域1bのうち領域1aと領域1cとを接続する部分が、少なくとも2つの側部の全体および1つの頂部の全体上に配置されている。そのため、図4に示される領域1bのうち領域1cと領域1aとの間を接続している部分の長さは、図2に示されるそれと比べて長い。
図6に示される第3変形例に係る電磁波検出器では、絶縁膜3の開口部3aおよび二次元材料層1の領域1cが2つの側部42のうち第1電極部2aに面していない一方の側部42上に配置されている。そのため、二次元材料層1の領域1bのうち領域1aと領域1cとを接続する部分が、少なくとも1つの側部の全体および1つの頂部の全体上に配置されている。そのため、図6に示される領域1bのうち領域1cと領域1aとの間を接続している部分の長さは、図2に示されるそれと比べて長い。
図7に示される第4変形例に係る電磁波検出器は、基本的には図2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、1つの段差部40に対して複数の開口部3aおよび領域1cが設けられている点で、図2に示される電磁波検出器と異なっている。
図8,9,10に示される第5変形例に係る電磁波検出器は、基本的には図2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、複数の段差部40が形成されている点で、図2に示される電磁波検出器とは異なる。なお、図9,10においては複数の段差部40の形状および配列を説明するために、半導体層4のみを図示している。
図11,12,13,14に示される電磁波検出器は、基本的には図1および2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、二次元材料層1のうち開口部3aの内部において半導体層4と接触している領域1cの平面形状が図1に示される電磁波検出器における領域1cの平面形状とは異なっている。
図15,16,17に示される電磁波検出器は、基本的には図2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、頂部43の上記長手方向に垂直な断面上での段差部40の形状がテーパ形状である点で、図2に示される電磁波検出器とは異なる。
また、実施の形態1に係る電磁波検出器は、二次元材料層を覆うように配置された図示しない絶縁保護膜をさらに備えていてもよい。絶縁保護膜は、絶縁膜3上において二次元材料層1、半導体層4、第1電極部2aの周りを覆うように設けられてもよい。絶縁保護膜を構成する材料は、電気的絶縁性を有する任意の材料であればよいが、例えばSiO2、Si3N4、HfO2、Al2O3、およびBNから成る群から選択される少なくとも1つを含む。
図18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19は実施の形態2に係る電磁波検出器の平面内部図である。図18,図19に示されるように、実施の形態2に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、半導体層4が電流遮断構造を含む点で、実施の形態1に係る電磁波検出器とは異なる。なお、図19においては電流遮断機構の位置を説明するために、絶縁膜3の開口部3a、半導体層4、および電流遮断構造5のみ図示している。
図20に示される電磁波検出器は、図18および図19に示される実施の形態2に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備えるが、電流遮断構造5が半導体層4を貫いて第2電極部2bに達するように形成されている点で、それとは異なる。
図21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21に示されるように、実施の形態3に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、絶縁膜3の開口部3a内部において、二次元材料層1と半導体層4との間にバッファ層6が配置されている点で、実施の形態1に係る電磁波検出器とは異なる。
図22に示される電磁波検出器は、図21に示される実施の形態3に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備えるが、絶縁膜3の表面上に第1電極部2aとは別の第3電極部2cをさらに備えている点で、それとは異なる。
図23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。図23に示されるように、実施の形態4に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、絶縁膜3の開口部3a内部に接続導電体2dが形成されている点で、実施の形態1に係る電磁波検出器と異なっている。
図24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25は、図24の線分XXV-XXVにおける断面模式図である。
図26に示される電磁波検出器は、図24,図25に示される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、第1半導体部分4aが第1電極部2aと直接接続されており、かつ第2半導体部分4bが第2電極部2bと直接接続されている点で、図24,図25に示される電磁波検出器と異なる。
図29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30は、図29の線分XXX-XXXにおける断面模式図である。図29および図30に示されるように、実施の形態6に係る電磁波検出器は、実施の形態5に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、開口部3aから半導体層4を視て、第1半導体部分4aが第2半導体部分4bの少なくとも一部を挟むように配置されている点で、実施の形態5に係る電磁波検出器と異なる。
第2半導体部分4bは、複数設けられていてもよい。つまり開口部3aの内部において、第1半導体部分4a中に互いに間隔を隔てて複数の第2半導体部分4bを配置してもよい。この結果、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとのpn接合界面をさらに増やすことができる。さらに、上記pn接合界面と二次元材料層1との接触領域をさらに増加させることで、光照射によりpn接合界面で生じる局所電界変化が二次元材料層1に与える影響を増大させることができる。
図32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33は、図32の線分XXXIII-XXXIIIにおける断面模式図である。図32および図33に示されるように、実施の形態7に係る電磁波検出器は、実施の形態5に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、第2半導体部分4bが第1半導体部分4aに埋め込まれている点で、実施の形態5に係る電磁波検出器と異なる。
図34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34に示されるように、実施の形態8に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備え、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で、実施の形態1に係る電磁波検出器と異なる。
<電磁波検出器の構成>
図35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35に示されるように、実施の形態9に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1が乱層構造部分1eを含む点で、実施の形態1に係る電磁波検出器と異なる。
図36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37に示される電磁波検出器は、図36に示される電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1の下に導電体7が配置されている点で、図36に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図37に示される電磁波検出器では、複数の導電体7が二次元材料層1の下面と絶縁膜3の上部表面との間に配置されている。二次元材料層1は、複数の導電体7の表面に沿って複数の屈曲部(凹凸部)を有する。このような構成によっても、図36に示した電磁波検出器と同様の効果を得ることができる。さらに、この場合、導電体7の形成時に二次元材料層1にダメージを与えないため、二次元材料層1でのキャリアの移動度の低下を抑制できる。
図38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38に示されるように、実施の形態11に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1に接触するように配置された1つ以上の接触層8をさらに備える点で、実施の形態1に係る電磁波検出器と異なる。
図39は、実施の形態12に係る電磁波検出器集合体の平面模式図である。
図40に示される電磁波検出器集合体2000は、図39に示される電磁波検出器集合体1000と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、複数の電磁波検出器として種類の異なる電磁波検出器200、201,202,203を備えている点で、図39に示される電磁波検出器集合体と異なる。すなわち、図40に示される電磁波検出器集合体2000では、互いに異なる種類の電磁波検出器200,201,202,203がアレイ状(マトリックス状)に配置されている。
なお、上述した各実施の形態において、絶縁膜3、接触層8、または第1半導体部分4aおよび第2半導体部分4bの材料として、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層1に電位の変化を与える材料を用いることが好ましい。
Claims (19)
- 少なくとも1つの段差部が形成されており、かつ検出波長に感度を有する半導体層と、
前記少なくとも1つの段差部上に配置され、かつ前記少なくとも1つの段差部の一部を露出する少なくとも1つの開口部が設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜および前記少なくとも1つの開口部上に配置され、かつ前記絶縁膜を介して前記半導体層と接続され光ゲート効果を発生させる領域と、前記少なくとも1つの開口部において前記半導体層と電気的に接続された接続領域とを有する二次元材料層と、
前記絶縁膜上に配置され、かつ前記絶縁膜の前記開口部から離れた位置において前記二次元材料層と電気的に接続された第1電極部と、
前記半導体層上に配置され、かつ前記二次元材料層の前記接続領域を経由して前記第1電極部と電気的に接続された第2電極部とを備え、
前記少なくとも1つの開口部は、複数の開口部を含み、
前記複数の開口部の各々は、前記少なくとも1つの段差部のうちの1つの段差部の一部を露出するように設けられている、電磁波検出器。 - 少なくとも1つの段差部が形成されており、かつ検出波長に感度を有する半導体層と、
前記少なくとも1つの段差部上に配置され、かつ前記少なくとも1つの段差部の一部を露出する少なくとも1つの開口部が設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜および前記少なくとも1つの開口部上に配置され、かつ前記絶縁膜を介して前記半導体層と接続され光ゲート効果を発生させる領域と、前記少なくとも1つの開口部において前記半導体層と電気的に接続された接続領域とを有する二次元材料層と、
前記絶縁膜上に配置され、かつ前記絶縁膜の前記開口部から離れた位置において前記二次元材料層と電気的に接続された第1電極部と、
前記半導体層上に配置され、かつ前記二次元材料層の前記接続領域を経由して前記第1電極部と電気的に接続された第2電極部とを備え、
前記半導体層は、前記絶縁膜と対向する領域に位置し、前記少なくとも1つの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、電磁波検出器。 - 少なくとも1つの段差部が形成されており、かつ検出波長に感度を有する半導体層と、
前記少なくとも1つの段差部上に配置され、かつ前記少なくとも1つの段差部の一部を露出する少なくとも1つの開口部が設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜および前記少なくとも1つの開口部上に配置され、かつ前記絶縁膜を介して前記半導体層と接続され光ゲート効果を発生させる領域と、前記少なくとも1つの開口部において前記半導体層と電気的に接続された接続領域とを有する二次元材料層と、
前記絶縁膜上に配置され、かつ前記絶縁膜の前記開口部から離れた位置において前記二次元材料層と電気的に接続された第1電極部と、
前記半導体層上に配置され、かつ前記二次元材料層の前記接続領域を経由して前記第1電極部と電気的に接続された第2電極部とを備え、
前記半導体層は、
第1導電型を有する第1半導体部分と、
前記第1半導体部分と接合され、第2導電型を有する第2半導体部分とを含み、
前記少なくとも1つの開口部の内部において、前記第1半導体部分と前記第2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1半導体部分の一部および前記第2半導体部分の一部とが前記二次元材料層の前記接続領域に面するように配置されており、
前記少なくとも1つの開口部から前記半導体層を視て、前記第1半導体部分は前記第2半導体部分の少なくとも一部を挟むように配置されている第1部分および第2部分を有し、
前記少なくとも1つの開口部の内部において、前記第2半導体部分の少なくとも一部、前記第1半導体部分の前記第1部分、および前記第1半導体部分の前記第2部分が、前記二次元材料層の前記接続領域に面するように配置されている、電磁波検出器。 - 少なくとも1つの段差部が形成されており、かつ検出波長に感度を有する半導体層と、
前記少なくとも1つの段差部上に配置され、かつ前記少なくとも1つの段差部の一部を露出する少なくとも1つの開口部が設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜および前記少なくとも1つの開口部上に配置され、かつ前記絶縁膜を介して前記半導体層と接続され光ゲート効果を発生させる領域と、前記少なくとも1つの開口部において前記半導体層と電気的に接続された接続領域とを有する二次元材料層と、
前記絶縁膜上に配置され、かつ前記絶縁膜の前記開口部から離れた位置において前記二次元材料層と電気的に接続された第1電極部と、
前記半導体層上に配置され、かつ前記二次元材料層の前記接続領域を経由して前記第1電極部と電気的に接続された第2電極部とを備え、
前記半導体層は、
第1導電型を有する第1半導体部分と、
前記第1半導体部分と接合され、第2導電型を有する第2半導体部分とを含み、
前記少なくとも1つの開口部の内部において、前記第1半導体部分と前記第2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1半導体部分の一部および前記第2半導体部分の一部とが前記二次元材料層の前記接続領域に面するように配置されており、
前記二次元材料層の前記接続領域は、前記第1半導体部分と接触している第1接続領域と、前記第2半導体部分と接触している第2接続領域とを有し、
前記二次元材料層は、前記第1接続領域を有する第1の二次元材料層と、前記第2接続領域を有する第2の二次元材料層とを含み、
前記第1の二次元材料層と前記第2の二次元材料層とは、前記第1半導体部分と前記第2半導体部分との前記接合部上において分断されている、電磁波検出器。 - 少なくとも1つの段差部が形成されており、かつ検出波長に感度を有する半導体層と、
前記少なくとも1つの段差部上に配置され、かつ前記少なくとも1つの段差部の一部を露出する少なくとも1つの開口部が設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜および前記少なくとも1つの開口部上に配置され、かつ前記絶縁膜を介して前記半導体層と接続され光ゲート効果を発生させる領域と、前記少なくとも1つの開口部において前記半導体層と電気的に接続された接続領域とを有する二次元材料層と、
前記絶縁膜上に配置され、かつ前記絶縁膜の前記開口部から離れた位置において前記二次元材料層と電気的に接続された第1電極部と、
前記半導体層上に配置され、かつ前記二次元材料層の前記接続領域を経由して前記第1電極部と電気的に接続された第2電極部とを備え、
前記半導体層は、
第1導電型を有する第1半導体部分と、
前記第1半導体部分と接合され、第2導電型を有する第2半導体部分とを含み、
前記第1半導体部分は、前記少なくとも1つの開口部の内部において、前記二次元材料層の前記接続領域と接続されており、
前記第2半導体部分は、前記少なくとも1つの開口部の内部において前記二次元材料層の前記接続領域と接続されている前記第1半導体部分の下に埋め込まれている、電磁波検出器。 - 少なくとも1つの段差部が形成されており、かつ検出波長に感度を有する半導体層と、
前記少なくとも1つの段差部上に配置され、かつ前記少なくとも1つの段差部の一部を露出する少なくとも1つの開口部が設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜および前記少なくとも1つの開口部上に配置され、かつ前記絶縁膜を介して前記半導体層と接続され光ゲート効果を発生させる領域と、前記少なくとも1つの開口部において前記半導体層と電気的に接続された接続領域とを有する二次元材料層と、
前記絶縁膜上に配置され、かつ前記絶縁膜の前記開口部から離れた位置において前記二次元材料層と電気的に接続された第1電極部と、
前記半導体層上に配置され、かつ前記二次元材料層の前記接続領域を経由して前記第1電極部と電気的に接続された第2電極部とを備え、
前記絶縁膜の厚みは、前記第1電極部から前記少なくとも1つの開口部に近づくにつれて変化する、電磁波検出器。 - 前記第1電極部は、前記第1半導体部分と直接接続されており、
前記第2電極部は、前記第2半導体部分と直接接続されている、請求項4または5に記載の電磁波検出器。 - 前記少なくとも1つの段差部は、頂部、底部、および前記底部と前記頂部との間に配置される側部を有し、
前記少なくとも1つの開口部は、前記頂部、前記底部、および前記側部の少なくとも一部を露出するように設けられている、請求項1~7のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記少なくとも1つの段差部は、複数の段差部を含み、
前記少なくとも1つの開口部は、前記複数の段差部の少なくとも一部を露出するように設けられている、請求項1~8のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記少なくとも1つの開口部の内部において、前記半導体層と前記二次元材料層の前記
接続領域との間に配置されたバッファ層をさらに備える、請求項1~9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、前記二次元材料層の前記接続領域と前記半導体層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10に記載の電磁波検出器。
- 前記少なくとも1つの開口部の内部において、前記半導体層と前記二次元材料層の前記接続領域とを電気的に接続する接続導電体をさらに備える、請求項1~11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、前記第1電極部と電気的に接続されている電極接続領域をさらに有し、
前記接続領域と前記電極接続領域とが並んで配列している方向と交差する方向における前記接続領域の幅の最小値が、前記電極接続領域の幅の最小値よりも狭い、請求項1~12のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記交差する方向における前記接続領域の幅が、前記配列している方向において前記電極接続領域から離れるにつれて、徐々に狭くなっている、請求項13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1~14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、遷移金属ダイカルコゲナイド、グラフェン、黒リン、シリセン、ゲルマネン、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなるグループから選択されるいずれかの材料を含む、請求項1~15のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記二次元材料層は、乱層構造で設けられた1層以上のグラフェンを備え、
前記乱層構造で設けられた1層以上のグラフェンは、前記絶縁膜のうち前記少なくとも1つの開口部と前記第1電極部の間に位置する部分上に設けられている、請求項1~16のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記二次元材料層を覆うように配置された絶縁保護膜をさらに備える、請求項1~17のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 請求項1~18のいずれか1項に記載の電磁波検出器を複数備え、
複数の前記電磁波検出器が、第1方向および第2方向の少なくともいずれかに沿って並んで配置されている、電磁波検出器集合体。
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