JP7433533B1

JP7433533B1 - 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ

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Publication number: JP7433533B1
Application number: JP2023533952A
Authority: JP
Inventors: 政彰嶋谷; 新平小川; 学岩川; 昌一郎福島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2022-04-22
Filing date: 2023-01-26
Publication date: 2024-02-19
Anticipated expiration: 2043-01-26
Also published as: WO2023203822A1; JPWO2023203822A1

Abstract

電磁波検出器（１００）は、熱吸収層（ＨＡ）と、絶縁膜（３）と、二次元材料層（１）と、第１電極（２ａ）とを備えている。熱吸収層（ＨＡ）は、熱電材料層（５）と相転移材料層（６）とを含む。絶縁膜（３）は、熱吸収層（ＨＡ）上の一部に配置されている。二次元材料層（１）は、熱吸収層（ＨＡ）上および絶縁膜（３）上に配置され、熱吸収層（ＨＡ）と電気的に接続されている。第１電極部（２ａ）は、絶縁膜（３）上に配置され、二次元材料層（１）を介して熱吸収層（ＨＡ）と電気的に接続されている。

Description

本開示は、電磁波検出器および電磁波検出器アレイに関するものである。

次世代の電磁波検出器に用いられる電磁波検出層の材料として、二次元材料層の一例であるグラフェンが知られている。グラフェンは、極めて高い移動度を有している。グラフェンの吸収率は、２．３％と低い。このため、二次元材料層としてグラフェンが用いられた電磁波検出器における高感度化手法が提案されている。

例えば、米国特許出願公開２０１５／０２４３８２６号明細書（特許文献１）では、下記のような構造を有する検出器が提案されている。すなわち、米国特許出願公開２０１５／０２４３８２６号明細書では、ｎ型半導体層上に２つ以上の誘電体層が設けられている。２つの誘電体層上および当該２つの誘電体層の間に位置するｎ型半導体層の表面部分上にグラフェン層が形成されている。グラフェン層の両端に接続されたソース・ドレイン電極が誘電体層上に配置されている。ゲート電極がｎ型半導体層に接続されている。

上記検出器では、チャネルとしてのグラフェン層にソース・ドレイン電極を介して電圧が印加される。この結果、ｎ型半導体層で発生した光キャリアが増幅されるため検出器の感度が向上する。また、ゲート電極とソース電極またはドレイン電極とに電圧が印加された場合は、グラフェンとｎ型半導体層とのショットキー接続によってＯＦＦ動作が可能となる。

米国特許出願公開２０１５／０２４３８２６号明細書

上記公報に記載された検出器（電磁波検出器）では、半導体層に電磁波が照射されることによって生じた光キャリアによって電磁波が検出される。このため、検出器の感度は半導体層の量子効率に依存する。半導体層の量子効率は、電磁波の波長によっては十分に高くない。したがって、電磁波検出器の検出感度は、不十分である。

本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、感度を向上させることができる電磁波検出器および電磁波検出器アレイを提供することである。

本開示の電磁波検出器は、熱吸収層と、絶縁膜と、二次元材料層と、第１電極とを備えている。熱吸収層は、熱電材料層と相転移材料層とを含む。絶縁膜は、熱吸収層上の一部に配置されている。二次元材料層は、熱吸収層上および絶縁膜上に配置され、熱吸収層と電気的に接続されている。第１電極部は、絶縁膜上に配置され、二次元材料層を介して熱吸収層と電気的に接続されている。熱電材料層は、電磁波が照射されることで熱電変換が生じるように構成されている。相転移材料層は、電磁波が照射されることで相転移を生じ抵抗が変化するように構成されている。熱電材料層は、相転移材料層に電気的に接続されている。

本開示の電磁波検出器によれば、熱吸収層により感度を向上させることができる。

実施の形態１に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態１に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。実施の形態１の第１の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態１の第２の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態１の第３の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態２に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態３に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態３の第１の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態４に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態４の第１の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態４の第２の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態４の第２の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。実施の形態４の第３の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。実施の形態５に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態６に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態６の第１の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態７に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態７の第１の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態８に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態９に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態９の第１の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態９の第２の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態９の第３の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態１０に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態１０の第１の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態１０の第２の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態１０の第２の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。実施の形態１１に係る電磁波検出器アレイの構成を概略的に示す上面図である。実施の形態１１の第１の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態１２に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。実施の形態１３に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。

以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下では、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。

以下に説明される実施の形態において、図は模式的なものであり、機能または構造を概念的に説明するものである。また、以下に説明される実施の形態により本開示が限定されるものではない。特記される場合を除いて、電磁波検出器の基本構成は全ての実施の形態において共通である。また、同一の符号が付されたものは、上述のように同一またはこれに相当するものである。これは明細書の全文において共通する。

以下に説明される実施の形態では、可視光または赤外光を検出する場合の電磁波検出器の構成が説明されるが、本開示の電磁波検出器が検出する光は可視光および赤外光に限定されない。以下に説明される実施の形態は、可視光および赤外光に加えて、例えば、Ｘ線、紫外光、近赤外光、テラヘルツ（ＴＨｚ）波、マイクロ波などの電波を検出する検出器としても有効である。なお、本開示の実施の形態において、これらの光および電波を総称して電磁波と記載する。

また、本実施の形態では、グラフェンとしてｐ型グラフェンおよびｎ型グラフェンの用語が用いられる場合がある。以下の実施の形態では、真性状態のグラフェンよりも正孔が多いものがｐ型グラフェンと呼ばれ、真性状態のグラフェンよりも電子が多いものがｎ型グラフェンと呼ばれる。つまり、ｎ型の材料は、電子供与性を有する材料である。また、ｐ型の材料は、電子求引性を有する材料である。

また、分子全体において電荷に偏りが見られる場合に電子が支配的になるものがｎ型と呼ばれる場合もある。分子全体において電荷に偏りが見られる場合に正孔が支配的になるものがｐ型と呼ばれる場合もある。二次元材料層の一例であるグラフェンに接触する部材の材料には、有機物および無機物のいずれか一方または有機物および無機物の混合物が用いられてもよい。

また、金属表面と光との相互作用である表面プラズモン共鳴現象等のプラズモン共鳴現象、可視光域および近赤外光域以外での金属表面にかかる共鳴という意味での擬似表面プラズモン共鳴と呼ばれる現象、または、波長以下の寸法の構造により波長を操作するという意味でのメタマテリアルまたはプラズモニックメタマテリアルと呼ばれる現象については、特にこれらを名称により区別せず、現象が及ぼす効果の面からは同等の扱いとする。ここでは、これらの共鳴を、表面プラズモン共鳴、プラズモン共鳴、または、単に共鳴と呼ぶ。

また、以下に説明する実施の形態では、二次元材料層の材料として、グラフェンを例に説明が行われているが、二次元材料層の材料はグラフェンに限られない。例えば、二次元材料層の材料としては、遷移金属ダイカルコゲナイド（ＴＭＤ：ＴｒａｎｓｉｔｉｏｎＭｅｔａｌＤｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）、黒リン（ＢｌａｃｋＰｈｏｓｐｈｏｒｕｓ）、シリセン（シリコン原子による二次元ハニカム構造）、ゲルマネン（ゲルマニウム原子による二次元ハニカム構造）等の材料が適用され得る。遷移金属ダイカルコゲナイドとしては、例えば、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、二硫化タングステン（ＷＳ_２）、二セレン化タングステン（ＷＳｅ_２）等の遷移金属ダイカルコゲナイドが挙げられる。

より好ましくは、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（ＴＭＤ：ＴｒａｎｓｉｔｉｏｎＭｅｔａｌＤｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）、黒リン（ＢｌａｃｋＰｈｏｓｐｈｏｒｕｓ）、シリセン（シリコン原子による二次元ハニカム構造）、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んでいる。

これらの材料は、グラフェンと類似の構造を有している。これらの材料では、原子が二次元面内に単層で配列されている。したがって、これらの材料が二次元材料層に適用された場合においても、二次元材料層にグラフェンが適用された場合と同様の作用効果が得られる。

また、本実施の形態において、絶縁層と表記されるものは、トンネル電流が生じない厚さを有する絶縁物の層である。

実施の形態１．
＜電磁波検出器１００の構成＞
図１～図５を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。図１は、図２のＩ－Ｉ線における断面図である。

図１および図２に示されるように、電磁波検出器１００は、二次元材料層１と、第１電極部２ａと、第２電極部２ｂと、絶縁膜３と、熱吸収層ＨＡとを含んでいる。熱吸収層ＨＡは、熱電材料層５と、相転移材料層６とを含んでいる。二次元材料層１、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、熱電材料層５および相転移材料層６は、第１電極部２ａ、二次元材料層１、相転移材料層６、熱電材料層５および第２電極部２ｂの順に電気的に接続されている。また、電磁波検出器１００は、電流計Ｉまたは電圧計の少なくともいずれかをさらに含んでいる。図１に示される電磁波検出器１００は、電流計Ｉをさらに含んでいる。

二次元材料層１は、熱吸収層ＨＡと電気的に接続されている。二次元材料層１は、相転移材料層６に電気的に接続されている。二次元材料層１は、熱吸収層ＨＡおよび絶縁膜３上に配置されている。二次元材料層１は、第１電極部２ａ、絶縁膜３および相転移材料層６上に配置されている。すなわち、二次元材料層１は、第１電極部２ａ、絶縁膜３および相転移材料層６に接触している。二次元材料層１は、第１部分１ａと、第２部分１ｂと、第３部分１ｃとを含んでいる。第１部分１ａは、相転移材料層６上に配置されている。第１部分１ａは、相転移材料層６に電気的に接続されている。第２部分１ｂは、第１電極部２ａ上に配置されている。第２部分１ｂは、第１電極部２ａに電気的に接続されている。第３部分１ｃは、第１部分１ａおよび第２部分１ｂを電気的に接続している。第１部分１ａおよび第２部分１ｂは、第３部分１ｃによって繋がっている。本実施の形態において、第３部分１ｃは、絶縁膜３上に配置されている。

第１部分１ａ、第２部分１ｂおよび第３部分１ｃの厚みは、互いに等しくてもよい。二次元材料層１が相転移材料層６に重ねられた方向に沿って、第１部分１ａの天面側の表面と相転移材料層６の天面側の表面との距離は、第２部分１ｂの天面側の表面と相転移材料層６の天面側の表面との距離より近い。図示されないが、二次元材料層１の表面には、第１部分１ａ、第２部分１ｂおよび第３部分１ｃに起因した凹凸が形成されている。

第１電極部２ａは、二次元材料層１に電気的に接続されている。第１電極部２ａは、相転移材料層６を介さずに二次元材料層１に電気的に接続されている。本実施の形態において、第１電極部２ａは、二次元材料層１に直接接続されている。第１電極部２ａは、二次元材料層１の底面側に配置されている。また、図示されないが、第１電極部２ａは、二次元材料層１の天面側に配置されていてもよい。第１電極部２ａは、二次元材料層１を介して熱吸収層ＨＡと電気的に接続されている。

第２電極部２ｂは、熱電材料層５および相転移材料層６を介して二次元材料層１に電気的に接続されている。第２電極部２ｂは、熱吸収層ＨＡと電気的に接続されている。第２電極部２ｂは、熱電材料層５に接触している。図１に示された電磁波検出器１００では、第２電極部２ｂは、熱電材料層５の底面の全面を覆っている。第２電極部２ｂが底面の全面を覆っている電磁波検出器１００は、検出対象である電磁波が天面側のみから電磁波検出器１００に入射する場合に好適である。また、天面側から電磁波検出器１００に入射した電磁波は、熱電材料層５および相転移材料層６を透過した後、第２電極部２ｂによって反射する。第２電極部２ｂによって反射した電磁波は、底面側から再び熱電材料層５および相転移材料層６に入射する。このため、熱電材料層５および相転移材料層６には、天面側、底面側の各々から電磁波が入射する。これにより、熱電材料層５および相転移材料層６の電磁波の吸収率が向上する。

また、図示されないが、第２電極部２ｂは、熱電材料層５の全面を覆ってなくてもよい。すなわち、第２電極部２ｂは、熱電材料層５の一部に接触していればよい。例えば、第２電極部２ｂは、熱電材料層５の一部と接触していればよい。熱電材料層５の底面が第２電極部２ｂから露出している場合、電磁波検出器１００は、底面側から入射した電磁波を検出可能である。

絶縁膜３は、熱吸収層ＨＡ上の一部に配置されている。絶縁膜３は、相転移材料層６上に配置されている。絶縁膜３は、相転移材料層６の天面側に配置されている。絶縁膜３には、開口部ＯＰが形成されている。開口部ＯＰは、絶縁膜３を貫通している。相転移材料層６は、開口部ＯＰにおいて絶縁膜３から露出している。すなわち、相転移材料層６は、開口部ＯＰにおいて絶縁膜３に覆われていない。相転移材料層６の一部は、開口部ＯＰにおいて絶縁膜３に覆われていない。

二次元材料層１は、開口部ＯＰにおいて相転移材料層６に電気的に接続されている。二次元材料層１は、開口部ＯＰ上から絶縁膜３まで延在している。本実施の形態において、二次元材料層１は、開口部ＯＰ上から絶縁膜３上まで延在している。二次元材料層１の第１部分１ａは、開口部ＯＰ内において、相転移材料層６上に配置されている。好ましくは、二次元材料層１は、開口部ＯＰにおいてショットキー接合によって相転移材料層６に接合されている。二次元材料層１の第１部分１ａは、開口部ＯＰにおいて相転移材料層６に接合されている。絶縁膜３は、二次元材料層１の第２部分１ｂおよび第３部分１ｃと相転移材料層６とを隔てている。

二次元材料層１の第１端は、開口部ＯＰ内に配置されている。二次元材料層１の第２端は、第２電極部２ｂ上に配置されている。なお、二次元材料層１の第１端および第２端は、二次元材料層１の長手方向における端部である。図１において、二次元材料層１の第１端は、相転移材料層６の面内方向における開口部ＯＰの中央に対して第１電極部２ａとは反対側に配置されており、かつ二次元材料層１の第２端は、開口部ＯＰの中央に対して第１電極部２ａ側に配置されている。図示されないが、二次元材料層１の第１端および第２端の各々が開口部ＯＰの中央に対して第１電極部２ａ側に配置されてもよい。

また、図示されないが、二次元材料層１は、開口部ＯＰにおいて相転移材料層６の天面側の表面の一部を露出するように配置されていてもよい。図１のように二次元材料層１は、開口部ＯＰにおいて相転移材料層６の天面側の表面の全面を覆うように配置されていてもよい。

絶縁膜３の底面は相転移材料層６の上面に接触している。相転移材料層６の上面の一部は、二次元材料層１に接触している。すなわち、絶縁膜３は、二次元材料層１に対して底面側に配置されている。第１電極部２ａは、絶縁膜３上に配置されている。第１電極部２ａは、開口部ＯＰから離れた位置に配置されている。

相転移材料層６は、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、二次元材料層１および熱電材料層５の少なくともいずれかと電気的に接続されている。本実施の形態において、相転移材料層６は、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂおよび熱電材料層５に電気的に接続されている。図１では、相転移材料層６上には、絶縁膜３が配置されている。すなわち、相転移材料層６は、絶縁膜３によって覆われている。相転移材料層６は、熱電材料層５上に配置されている。相転移材料層６は、熱電材料層５に接触している。相転移材料層６は、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に配置されている。

相転移材料層６は、電磁波検出器１００の検出対象となる電磁波の波長（検出波長）に感度を有している。このため、相転移材料層６に検出波長を有する電磁波が照射された場合には、相転移材料層６において抵抗が変化する。すなわち、相転移材料層６に検出波長を有する電磁波が照射された場合には、相転移材料層６に相転移が生じる。

本実施の形態において、相転移材料層６は、電磁波照射により相転移材料層６の抵抗が変化したときに第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の抵抗が変化するように配置されている。

熱電材料層５は、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、二次元材料層１および相転移材料層６の少なくともいずれかと電気的に接続されている。本実施の形態において、熱電材料層５は、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂおよび相転移材料層６に電気的に接続されている。図１では、熱電材料層５下には第２電極部２ｂが形成されており、熱電材料層５上には相転移材料層６が形成されている。熱電材料層５は相転移材料層６に接触している。熱電材料層５は相転移材料層６に電気的に接続されていてもよい。熱電材料層５は相転移材料層６に面するように配置されていてもよい。熱電材料層５は、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に配置されている。

熱電材料層５は、電磁波検出器１００の検出対象となる電磁波の波長（検出波長）に感度を有していてもよい。このため、熱電材料層５に検出波長を有する電磁波が照射された場合には、熱電材料層５において温度差が生じることで抵抗が変化する。すなわち、熱電材料層５に検出波長を有する電磁波が照射された場合には、熱電材料層５に電圧が生じる。これはゼーベック効果と呼ばれる。熱電材料層５は、相転移材料層６から熱電材料層５に電荷が注入されることにより熱電材料層５に電流が流れるように構成されていることが好ましい。

また、相転移材料層６の抵抗が変化し熱電材料層５に電流が流れた場合、熱電材料層５に温度変化が生じる。これはペルチェ効果と呼ばれる。熱電材料層５は、ペルチェ効果により発熱する発熱部が相転移材料層６に熱的に接触するように配置されていることが好ましい。熱電材料層５は、ペルチェ効果により発熱する発熱部が相転移材料層６に直接接触するように配置されていることがさらに好ましい。相転移材料層６は、電磁波が照射されることにより相転移材料層６の抵抗値が低下するように構成されていることが好ましい。生じた温度変化により相転移材料層６の抵抗がさらに変化するように熱電材料層５を配置することが望ましい。具体的には、温度上昇により抵抗が低下する相転移材料層６が用いられている場合、電磁波照射により熱電材料層５に電流が流れ、熱電材料層５の相転移材料層６と接触する側が発熱し、その反対側が冷却されるように構成されていることが望ましい。このような構成であれば相転移材料層６と熱電材料層５の配置は逆でもよく、図３のような構造でも良い。

また、これらの構造は図４および図５のように半導体層４上に配置されていても良い。この場合、電磁波検出器１００は、半導体層４をさらに備えている。熱吸収層ＨＡは、半導体層４上に配置されている。また、図４のように、導電率の高い半導体層４、熱電材料層５、相転移材料層６が用いられる場合、電磁波を検出するための電流または電圧を取り出すことが可能であれば第２電極部２ｂは無くても良い。図５では、半導体層４の底面側に第２電極部２ｂが配置されている。第２電極部２ｂは半導体層４と電気的に接続されている。

電流計Ｉは、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に電気的に接続されている。電流計Ｉは、電磁波が電磁波検出器１００に照射されることによって生じた電流変化を検出するための電流計Ｉである。電磁波検出器１００は、電流計Ｉが第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に流れる電流の変化を検出することで電磁波を検出するように構成されている。ここで、電流計Ｉの代わりに電圧計が用いられてもよく、その場合、電磁波検出器１００は、電圧計が第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に発生する電圧の変化を検出することで電磁波を検出するように構成されている。

図２に示されるように、平面視における二次元材料層１の端部の形状は、矩形状である。二次元材料層１の端部の形状は、矩形状に限られず、三角形状、櫛形形状等であってもよい。また、図示されないが、二次元材料層１の端部の形状が櫛形形状である場合には、第１部分１ａは、相転移材料層６に電気的に接続された複数の端部を有していてもよい。図２では、二次元材料層１の端部の全体が相転移材料層６に接触している。このため、二次元材料層１の端部の全体が第１部分１ａとして構成されている。図示されないが、二次元材料層１の端部の一部が相転移材料層６に接触し、二次元材料層１の端部の他の部分が絶縁膜３に接触していてもよい。すなわち、二次元材料層１の端部の一部が第１部分１ａとして構成され、二次元材料層１の端部の他の部分が第３部分１ｃとして構成されていてもよい。また、図示されないが、二次元材料層１の一部が第１部分１ａにおいて相転移材料層６と接触していれば、二次元材料層１の端部は第１部分１ａとして構成されていなくとも良い。

次に、二次元材料層１、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、絶縁膜３、半導体層４、熱電材料層５および相転移材料層６の構成について詳細に説明する。

＜二次元材料層１の構成＞
二次元材料層１は、例えば、単層のグラフェンである。単層のグラフェンは、二次元炭素結晶の単原子層である。グラフェンは、六角形状に配置された複数の連鎖の各々にそれぞれ配置された複数の炭素原子を有している。グラフェンの吸収率は、２．３％と低い。具体的には、グラフェンの吸収率は、２．３％である。また、二次元材料層１は、複数のグラフェン層が積層された多層グラフェンであってもよい。多層グラフェン中のグラフェンのそれぞれの六方格子の格子ベクトルの向きは、一致していてもよいし、異なっていてもよい。また、多層グラフェン中のグラフェンのそれぞれの六方格子の格子ベクトルの向きは、完全に一致していてもよい。また、二次元材料層１は、ｐ型またはｎ型の不純物がドープされたグラフェンであってもよい。

例えば、２層以上のグラフェン層が積層されることによって、二次元材料層１にバンドギャップが形成される。すなわち、積層されたグラフェン層の数を変更することによって、バンドギャップの大きさを調整することができる。これにより、二次元材料層１は、光電変換の対象となる電磁波（検出波長）を選択する波長選択効果を有することができる。また、例えば、多層グラフェンのグラフェン層の数が増加すると、チャネル領域での移動度が低下する。一方で、多層グラフェンのグラフェン層の数が増加すると、基板からの光キャリア散乱の影響が抑制されるため、電磁波検出器１００のノイズが低下する。このため、多層グラフェンが用いられた二次元材料層１を有する電磁波検出器１００では、光吸収が増加されるため、電磁波の検出感度が向上する。あるいは、多層グラフェンは、乱層積層と呼ばれる、積層方位角度がランダムに配置された多層グラフェンであってもよい。乱層積層グラフェンはグラフェンの層間相互作用が弱いため、移動度が単層グラフェンと同等程度であり、かつグラフェン下地の電気的な外乱が抑制されるため、通常の単層グラフェンよりも移動度が高く保たれるといった効果がある。

また、二次元材料層１としてナノリボン状のグラフェン（グラフェンナノリボン）が用いられてもよい。二次元材料層１は、グラフェンナノリボン単体であってもよい。二次元材料層１の構造は、複数のグラフェンナノリボンが積層された構造であってもよい。二次元材料層１の構造は、グラフェンナノリボンが平面上に周期的に配列された構造であってもよい。二次元材料層１の構造がグラフェンナノリボンが周期的に配列された構造である場合、グラフェンナノリボンにおいてプラズモン共鳴を発生するため、電磁波検出器１００の感度が向上する。グラフェンナノリボンが周期的に配列された構造は、グラフェンメタマテリアルと呼ばれることもある。つまり、二次元材料層１としてグラフェンメタマテリアルが用いられた電磁波検出器１００では、上述の効果が得られる。あるいは、グラフェンに周期的に穴が形成されてもよい。この場合にも穴の大きさ、周期によってプラズモン共鳴が生じるため、特定波長において吸収が増加し、電磁波検出器１００の感度が向上する。穴の形状は真円、楕円、正方形、長方形などが挙げられる。周期は、１次元周期、２次元周期、二重周期、非対称性を含む周期であってもよい。

二次元材料層１の端部はグラフェンナノリボンであってもよい。この場合、グラフェンナノリボンはバンドギャップを有するため、グラフェンナノリボンと相転移材料層６との接合領域においてショットキー接合が形成される。

二次元材料層１の第２部分１ｂが第１電極部２ａに接触することによって、第１電極部２ａから二次元材料層１にキャリアがドープされる。例えば、二次元材料層１がグラフェンであり第１電極部２ａが金（Ａｕ）である場合、キャリアは正孔である。グラフェンの仕事関数と金（Ａｕ）の仕事関数との差によって、第１電極部２ａに接している第２部分１ｂに正孔がドープされる。第２部分１ｂに正孔がドープされた状態において、電磁波検出器１００が電子伝導状態で駆動すると、正孔の影響によって、チャネル内に流れる電子の移動度が低下する。このため、二次元材料層１と第１電極部２ａとのコンタクト抵抗が増加する。特に、二次元材料層１の全ての領域が単層グラフェンによって形成されている場合、第１電極部２ａから二次元材料層１に注入されるキャリアの量（ドープ量）が大きい。このため、電磁波検出器１００の電界効果の移動度の低下は、顕著である。したがって、二次元材料層１の全ての領域が単層グラフェンによって形成されている場合、電磁波検出器１００の性能は低下する。

また、多層グラフェンに第１電極部２ａからドープされるキャリアの量は、単層グラフェンに第１電極部２ａからドープされるキャリアの量よりも小さい。このため、キャリアがドープされやすい第１部分１ａおよび第２部分１ｂが多層グラフェンから形成されることによって、二次元材料層１と第１電極部２ａとの間のコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。これにより、電磁波検出器１００の電界効果の移動度の低下を抑制することができるため、電磁波検出器１００の性能を向上させることができる。

＜第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂの構成＞
第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂの材料は、導電体であれば任意の材料であってよい。第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂの材料は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）およびパラジウム（Ｐｄ）の少なくともいずれかを含んでいてもよい。第１電極部２ａと絶縁膜３との間または第２電極部２ｂと半導体層４との間に、図示されない密着層が設けられていてもよい。密着層は、密着性を高めるように構成されている。密着層の材料は、例えば、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）またはチタン（Ｔｉ）等の金属材料を含んでいる。

＜絶縁膜３の構成＞
絶縁膜３の材料は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）である。絶縁膜３の材料は、酸化ケイ素に限られず、例えば、オルトケイ酸テトラエチル（Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、窒化ボロン（ＢＮ）（ボロンナイトライド）、シロキサン系のポリマー材料であってもよい。例えば、窒化ボロン（ＢＮ）の原子配列は、グラフェンの原子配列と似ている。このため、窒化ボロン（ＢＮ）がグラフェンからなる二次元材料層１に接触する場合、二次元材料層１の電子移動度の低下が抑制される。よって、窒化ボロン（ＢＮ）は、二次元材料層１の下に配置される下地膜としての絶縁膜３に好適である。

絶縁膜３の厚さは、第１電極部２ａが相転移材料層６に対して電気的に絶縁され、かつトンネル電流が第１電極部２ａと相転移材料層６との間に生じない限りにおいて、特に制限されない。また、絶縁層は、二次元材料層１の下方に配置されていなくてもよい。

＜半導体層４の構成＞
半導体層４の材料は、例えば、珪素（Ｓｉ）等の半導体材料である。具体的には、半導体層４は、不純物がドープされたシリコン基板等である。

半導体層４は、多層構造であってもよい。また、半導体層４は、ｐｎ接合フォトダイオード、ｐｉｎフォトダイオード、ショットキーフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードであってもよい。また、半導体層４は、フォトトランジスタであってもよい。

本実施の形態においては半導体層４を構成する材料がシリコン基板である場合が説明されたが、半導体層４の材料は他の材料であってもよい。半導体層４の材料は、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＩＩＩ－Ｖ族半導体またはＩＩ－Ｖ族半導体などの化合物半導体、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、アンチモン化イリジウム（ＩｎＳｂ）、鉛セレン（ＰｂＳｅ）、鉛硫黄（ＰｂＳ）、カドミウム硫黄（ＣｄＳ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、アンチモン化ガリウム（ＧａＳｂ）、インジウムガリウムヒ素（ＩｎＧａＡｓ）である。半導体層４は、量子井戸または量子ドットを含む基板であってもよい。半導体層４の材料は、ＴｙｐｅＩＩ超格子であってもよい。半導体層４の材料は、上記の材料の単体であってもよいし、上記の材料を組み合わせた材料であってもよい。

半導体層４は、抵抗率が１００Ω・ｃｍ以下になるように不純物がドーピングされていることが望ましい。半導体層４が高濃度にドーピングされることで半導体層４内における光キャリアの読み出し速度（移動速度）が向上するため、電磁波検出器１００の応答速度が向上する。

半導体層４の厚みは、１０μｍ以下であることが望ましい。半導体層４の厚みが小さくなることで、光キャリアの失活が小さくなる。

本実施の形態では、熱吸収層は熱電材料層５と相転移材料層６により構成される。熱電材料層５と相転移材料層６は互いに直列に接続され、電磁波照射時において接続された二次元材料層１および第２電極部２ｂに電流が流れるように構成されていることが好ましい。熱電材料層５のゼーベック効果を利用する場合は必ずしも電流が流れるように構成されていなくてもよい。

＜熱電材料層５の構成＞
熱電材料層５の材料は、温度差が付与されることにより生じる熱エネルギーを電気エネルギーに変換する材料であれば適宜に決められてもよい。熱電材料層５の材料は、例えばｐ型ビスマステルライド、ｎ型ビスマステルライド、ビスマス－テルル系熱電半導体材料、テルライド系熱電半導体材料、アンチモン－テルル系熱電半導体材料、亜鉛－アンチモン系熱電半導体材料、シリコン－ゲルマニウム系熱電半導体材料、セレナイド系熱電半導体材料、シリサイド系熱電半導体材料、酸化物系熱電半導体材料、ホイスラー材料、酸化物材料、硫化物系材料、スクッテルダイト系材料、カルコゲナイド系材料などの少なくともいずれかを含む。ビスマス－テルル系熱電半導体材料は、例えば、テルル化ビスマス（Ｂｉ₂Ｔｅ₃）等である。テルライド系熱電半導体材料は、例えば、テルル化ゲルマニウム（ＧｅＴｅ）、テルル化マグネシウム（ＭｇＴｅ）およびテルル化鉛（ＰｂＴｅ）等である。アンチモン－テルル系熱電半導体材料は、例えば、アンチモン・テルル化合物（Ｓｂ₂Ｔｅ₃）等である。亜鉛－アンチモン系熱電半導体材料は、例えば、アンチモン化亜鉛（ＺｎＳｂ、Ｚｎ₃Ｓｂ₂およびＺｎ₄Ｓｂ₃）等である。シリコン－ゲルマニウム系熱電半導体材料は、例えば、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）等である。セレナイド系熱電半導体材料は、セレン化ビスマス（ＩＩＩ）（Ｂｉ₂Ｓｅ₃）、Ｃｕ₂Ｓｅ、ＳｎＳｅ等である。シリサイド系熱電半導体材料は、鉄シリサイド（β―ＦｅＳｉ₂）、ケイ化クロム（ＣｒＳｉ₂）、ケイ化マンガン（ＭｎＳｉ_1.73）、ケイ化マグネシウム（Ｍｇ₂Ｓｉ）等である。ホイスラー材料は、例えば、ＦｅＶＡｌ、ＦｅＶＡｌＳｉおよびＦｅＶＴｉＡｌ等である。酸化物系熱電半導体材料は例えば、ＢｉＣｕＳｅＯ、Ｃｏ：ＢｉＣｕＳｅＯ等である。望ましくは、熱電材料層５の材料は、ｐ型ビスマステルライド、ｎ型ビスマステルライド、ビスマス－テルル系熱電半導体材料ならびにシリサイド系熱電半導体材料のいずれかである。望ましくは、ｐ型ビスマステルライドのキャリアは正孔であり、ｐ型ビスマステルライドのゼーベック係数は正値であり、ｐ型ビスマステルライドの構成はＢｉ_ＸＴｅ₃Ｓｂ₂－Ｘ（０＜Ｘ≦０．６）で示される。望ましくは、ｎ型ビスマステルライドのキャリアは電子であり、ｎ型ビスマステルライドのゼーベック係数は負値であり、ｎ型ビスマステルライドの構成はＢｉ₂Ｔｅ₃－ＹＳｅ_Ｙ（０＜Ｙ≦３）で示される。上記のｐ型ビスマステルライドおよびｎ型ビスマステルライドは、一対で使用されることが望ましい。上記のｐ型ビスマステルライドおよびｎ型ビスマステルライドは、互いに直列接続によって接続された複数対で使用されてもよい。この場合、熱電変換によって発生する電圧を増加させることができるため、電磁波検出器１００の感度が向上する。また、熱電材料層５は、異なる熱電材料を積層または混合したものでもよい。また、上記の材料に不純物が加えられてｐ型、ｎ型の極性が制御されてもよく、また電気伝導率が制御されてもよい。材料の粒径が制御されることで熱伝導率が制御されてもよい。

なお、熱電材料層５を構成する材料は、上記熱電材料に限られるものではなく、熱電発電効果を奏する任意の物質であればよい。具体的には、熱電材料層５を構成する材料は、物質間の温度差によって電位差が生じるか、電流が流れることで物体間に温度差が生じる任意の熱電材料であればよい。熱電変換効果において電磁波は単に熱源として作用するために、熱電変換効果には基本的に波長依存性はない。そのため、熱電材料層５は、広帯域の電磁波に感度を有する。

また、熱電材料層５は温度差が生じやすいように発熱部と冷却部が互いの温度に干渉されない程度に離れていることが好ましい。

＜相転移材料層６の構成＞
相転移材料層６の材料は、検出波長の電磁波（温度）に対して相転移を生じ抵抗が変化する材料を用いることが望ましい。具体的には、放射率可変素子、Ｍｏｔｔ絶縁体、金属－半導体相転移材料、金属－絶縁体相転移材料、結晶構造相転移または磁気相転移等に伴い熱を吸収するセラミック材料、光誘起相転移を有する酸化チタンナノ粒子、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）のカルコゲナイド合金（Ｇｅ₂Ｓｂ₂Ｔｅ₅：ＧＳＴ）、Ｇｅ₂Ｓｂ₂Ｓｅ₄Ｔｅ₁（ＧＳＳＴ）、ＴａＳ二次元材料層などが用いられる。

これらは主として遷移金属の酸化物から構成され、ペロブスカイト構造を有するものが特に望ましい。遷移金属の酸化物としては、ＲｅＮｉＯ₃（Ｒｅは希土類元素）、Ｍ１（１－（ｘ＋ｙ））Ｍ２_ｘＭ３_ｙＭｎＯ₃（Ｍ１はＬａ、Ｐｒ、Ｓｃ、Ｉｎ、ＮｄまたはＳｍ、Ｍ２はアルカリ土類金属、Ｍ３はＭ２と同一ではないアルカリ土類金属、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）、Ｌａ_{１－ｘ－ｙ}Ｓｒ_ｘＣａ_ｙＭｎＯ₃（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）、Ｃａ₂Ｒｕ_１－ｘＭ_ｘＯ₄（ＭはＭｎまたはＦｅ、０≦ｘ≦１）、ＶＯ₂等が挙げられる。遷移金属の酸化物はある特定の温度領域を境に放射率が変化する材料である。温度領域の温度やその温度幅は用途によって適切なものを選択する必要がある。

結晶構造相転移または磁気相転移等に伴い熱を吸収するセラミック材料として、二酸化バナジウム（ＶＯ₂）、リチウムバナジウム複合酸化物（ＬｉＶＯ₂）等が挙げられる。

相転移材料層６の厚さは任意に設定できるが、相転移材料層６は、電磁波非照射時において高抵抗となり、電磁波照射時に低抵抗となるように配置されることが望ましい。

＜電磁波検出器１００の製造方法＞
次に、図５を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の製造方法を説明する。

電磁波検出器１００の製造方法は、準備工程、第２電極部形成工程、熱電材料層形成工程、相転移材料層形成工程、絶縁膜形成工程、第１電極部形成工程、開口部形成工程、二次元材料層形成工程を含んでいる。

まず、準備工程が実施される。準備工程では、図５に示されるように、ケイ素（Ｓｉ）等を含む平坦な半導体基板が半導体層４として準備される。半導体基板の材料は、予め定められた検出波長に感度を有している材料であってもよい。

続いて、第２電極部形成工程が実施される。第２電極部形成工程では、半導体層４の第１面に保護膜が形成される。保護膜は、例えば、レジストである。半導体層４の第１面が保護膜によって保護された状態で、半導体層４の第２面に第２電極部２ｂが成膜される。第２電極部２ｂが成膜される前に、第２電極部２ｂが成膜される半導体層４の第２面の領域に図示されない密着層が形成されてもよい。

続いて、熱電材料層形成工程が実施される。熱電材料層形成工程では、半導体層４の第１面上に熱電材料層５が形成される。熱電材料層を形成する方法は、適宜に決められてもよい。例えば、熱電材料層５がポリマー系材料によって形成される場合、スピンコート法等によってポリマー膜が形成された後にフォトリソグラフィ法によってポリマー膜が加工されることで、熱電材料層５が形成される。熱電材料層５の材料がポリマー系材料とは異なる材料である場合には、エピタキシャル成長法、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）、スパッタ、蒸着または金属有機物分解法（ＭＯＤコート法、ＭＯＤ：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によって熱電材料層５が形成された後に、フォトリソグラフィ法によって熱電材料層５がパターニングされる。また、リフトオフと呼ばれる方法が用いられてもよい。リフトオフと呼ばれる方法では、レジストマスクがマスクとして用いられることで熱電材料層５が成膜された後に、レジストマスクが除去される。

続いて、相転移材料層６が形成される。相転移材料層形成工程では、熱電材料層５上に相転移材料層６が形成される。相転移材料層６を形成する方法は適宜に決められても良い。例えば、相転移材料層６がポリマー系材料によって形成される場合、スピンコート法等によってポリマー膜が形成された後にフォトリソグラフィ法によってポリマー膜が加工されることで、相転移材料層６が形成される。相転移材料層６の材料がポリマー系材料とは異なる材料である場合には、エピタキシャル成長法、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）、スパッタ、蒸着または金属有機物分解法（ＭＯＤコート法、ＭＯＤ：ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によって相転移材料層６が形成された後に、フォトリソグラフィ法によって相転移材料層６がパターニングされる。また、リフトオフと呼ばれる方法が用いられてもよい。リフトオフと呼ばれる方法では、レジストマスクがマスクとして用いられることで相転移材料層６が成膜された後に、レジストマスクが除去される。

続いて、絶縁膜形成工程が実施される。絶縁膜形成工程では、相転移材料層６の表面上に絶縁膜３が形成される。例えば、絶縁膜３の成膜方法は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法またはスパッタリング法であってもよい。

続いて、第１電極部形成工程が実施される。第１電極部形成工程では、絶縁膜３上に第１電極部２ａが形成される。第１電極部２ａが形成される前に、第１電極部２ａが形成される絶縁膜３の領域に密着層が形成されてもよい。

第１電極部２ａの形成方法として、例えば、以下のプロセスが用いられる。まず、絶縁膜３上に写真製版または電子線（ＥＢ：Electron Beam）描画などによってレジストマスクが形成される。第１電極部２ａが形成されるレジストマスクの領域には、開口した部分が形成される。その後、レジストマスク上に、第１電極部２ａとなる金属などの膜が形成される。当該膜の形成には、蒸着法またはスパッタリング法などが用いられる。このとき、当該膜はレジストマスクの開口領域の内部から当該レジストマスクの上部表面にまで延在するように形成される。その後、レジストマスクが当該膜の一部と共に除去される。レジストマスクの開口領域に配置されていた膜の他の一部が絶縁膜３上に残存し、第１電極部２ａとなる。上述した方法は、一般的にはリフトオフと呼ばれる方法である。

第１電極部２ａの形成方法として、他の方法が用いられてもよい。例えば、絶縁膜３上に第１電極部２ａとなる金属膜などの膜が先に成膜される。その後、フォトリソグラフィ法によって当該膜上にレジストマスクが形成される。レジストマスクは、第１電極部２ａが形成される領域を覆うように形成される一方、第１電極部２ａが形成される領域以外の領域には形成されない。その後、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより、レジストマスクをマスクとして当該膜が部分的に除去される。この結果、レジストマスク下に膜の一部が残存する。この膜の一部が第１電極部２ａとなる。その後、レジストマスクが除去される。このようにして、第１電極部２ａが形成されてもよい。

続いて、開口部形成工程が実施される。開口部形成工程では、絶縁膜３に開口部ＯＰが形成される。具体的には、絶縁膜３上に写真製版または電子線描画などによって図示されないレジストマスクが形成される。絶縁膜３の開口部ＯＰが形成されるレジストマスクの領域に開口した部分が形成されている。その後、レジストマスクをエッチングマスクとして絶縁膜３がエッチングされる。エッチングの手法は、上記ウェットエッチングおよび上記ドライエッチングのいずれかから適宜に選択され得る。エッチング後に、レジストマスクが除去される。なお、開口部形成工程は、第１電極部形成工程よりも前に実施されてもよい。

続いて、二次元材料層形成工程が実施される。二次元材料層形成工程では、第１電極部２ａ、絶縁膜３および開口部ＯＰの内部において露出する相転移材料層６が二次元材料層１によって覆われるように二次元材料層１が形成される。二次元材料層１の形成方法は、特に制限されない。二次元材料層１は、例えばエピタキシャル成長によって形成されてもよいし、スクリーン印刷法によって形成されてもよい。また、二次元材料層１は、予めＣＶＤ法により成膜された二次元材料膜が転写されて貼り付けられることによって形成されてもよい。二次元材料層１は、機械剥離等により剥離されたフィルム状の二次元材料膜が転写されて貼り付けられることによって形成されてもよい。

二次元材料層１が形成された後、写真製版などによって二次元材料層１の上にレジストマスクが形成される。レジストマスクは、二次元材料層１が形成される領域を覆うとともに、それ以外の領域を露出するように形成される。その後、レジストマスクをエッチングマスクとして二次元材料層１がエッチングされる。エッチングの手法は、例えば酸素プラズマによるドライエッチングである。その後、レジストマスクが除去される。これにより、図１に示される二次元材料層１が形成される。

以上の工程によって、電磁波検出器１００が製造される。
なお、上述された製造方法では第１電極部２ａの上に二次元材料層１が形成されたが、絶縁膜３上に二次元材料層１が形成された後に当該二次元材料層１の一部上に重なるように第１電極部２ａが形成されてもよい。ただし、第１電極部２ａの形成時に、二次元材料層１が第１電極部２ａの形成プロセスによって損傷しないように注意する必要がある。例えば、二次元材料層１において第１電極部２ａが重ねられる領域の他の領域が保護膜等によって予め覆われた状態で第１電極部２ａが形成されることで、第１電極部２ａの形成プロセスによって損傷することが抑制される。

＜電磁波検出器１００の動作原理＞
次に、図１を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の動作原理を説明する。

図１に示されるように、まず、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に電流計Ｉまたは図示しない電流計が電気的に接続される。第１電極部２ａ、二次元材料層１、相転移材料層６、熱電材料層５および第２電極部２ｂが順に電気的に接続される。電流計Ｉまたは図示しない電圧計によって二次元材料層１に流れる電流の電圧または電流が計測される。このとき、バイアス電圧Ｖが二次元材料層１に印加される。また、バイアス電圧Ｖが二次元材料層１に印加されない場合、電圧が印加されていないため暗電流がゼロになる。すなわち、電磁波検出器１００は、ＯＦＦ動作を行う。また、二次元材料層１と相転移材料層６の界面、相転移材料層６と熱電材料層５の界面、あるいは熱電材料層５内においてショットキー接合またはｐｎ接合を形成することで、バイアス電圧Ｖが印加されても暗電流をゼロにしてＯＦＦ動作させることが可能である。

次に、相転移材料層６に電磁波が照射される。電磁波の熱により相転移材料層６の温度が上昇し、相転移材料に相転移が生じることによって、相転移材料層６の抵抗値が低下する。これにより、相転移材料層６から熱電材料層５に電荷が注入される。これにより熱電材料層５に電流が流れることで、ペルチェ効果により熱電材料層５の上部と下部に温度差が発生する。熱電材料層５の上部は発熱、下部は冷却される。熱電材料層５の上部は相転移材料層６と接触しているため相転移材料層６はさらに加熱され抵抗値が低下し、さらに熱電材料層５に電流が流れる。この現象が平衡状態になるまで繰り返されることで大きな電流変化が生じる。さらに、相転移材料層６は絶縁膜３を介して二次元材料層１と接続されており、相転移材料層６の抵抗値が変化することで二次元材料層１に擬似的なゲート電圧の変化が生じる。これにより二次元材料層１のフェルミレベルが変調され、二次元材料層１の抵抗値が変化する。これは光ゲート効果と呼ばれる。このように、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の抵抗の変化によって、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の電圧および電流が変化する。電圧および電流の変化のいずれかが検出されることによって、電磁波検出器１００に照射された電磁波を検出することができる。

また、電磁波が熱電材料層５の一面に照射されることで、熱電材料層５内に温度変化が生じ、ゼーベック効果によって熱電材料層５に電圧が発生する。バイアス電圧Ｖを印加せずに代わりにこの電圧を用いて素子が駆動されても良い。また、バイアス電圧Ｖを印加する場合でも発生した電圧は各層に追加で印加されるため、抵抗変化がさらに大きくなる。このとき、発生した電圧による光ゲート効果が発生し、二次元材料層１のフェルミレベルが変調され、二次元材料層１の抵抗値も変化する。これにより、光電流が増加し、更に電磁波検出器１００の感度が高くなる。

また、電磁波検出器１００は、上記のような電流の変化が検出される構成に限定されない。例えば、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に一定の電流が流された状態で、電磁波検出器１００に電磁波が照射されたときの第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の電圧の変化が検出されてもよい。なお、電磁波検出器１００に電磁波が照射されたときの第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の電圧の変化は、二次元材料層１での電圧の変化である。

また、上述された電磁波検出器１００が第１の電磁波検出器として配置され、第１の電磁波検出器と同じ構成を有する第２の電磁波検出器がさらに配置されてもよい。第１の電磁波検出器は、電磁波が照射される空間に配置される。第２の電磁波検出器は、電磁波が遮蔽された空間に配置される。第１の電磁波検出器の電流と第２の電磁波検出器の電流との差分が検出されることで電磁波が検出されてもよい。第１の電磁波検出器の電圧と第２の電磁波検出器の電圧との差分が検出されることで電磁波が検出されてもよい。

＜電磁波検出器１００の動作＞
次に、図１を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の具体的な動作について説明する。

二次元材料層１と、相転移材料層６および熱電材料層５により構成された熱吸収層ＨＡとの接合に対して電流計Ｉが接続される。電磁波検出器１００の検出波長は、熱吸収層ＨＡの吸収波長に応じて定まる。

電磁波が照射されていない状態のとき、グラフェンおよび熱吸収層ＨＡ間あるいは熱吸収層ＨＡ内にショットキー接合またはｐｎ接合が形成されていると、暗電流が抑制され、ＯＦＦ動作が可能となる。検出波長を有する電磁波が熱吸収層ＨＡに入射することで、相転移材料層６に温度変化が発生し、抵抗変化が生じる。また、熱電材料層５に温度差が発生しゼーベック効果により電圧が発生する。熱吸収層ＨＡが相転移材料層６と熱電材料層５の直列接続により構成されている場合、グラフェンおよび熱吸収層ＨＡ間に電圧が印加されると、相転移材料層６の抵抗値が変化したことで熱電材料層５に電流が流れる。これによりペルチェ効果が発生し熱電材料層５の温度差が増加する。このとき、熱電材料層５の高温側を相転移材料層６と接触するように構成することで、相転移材料層６の抵抗値を更に低下させることができる。これにより大きな電流が発生する。また、相転移材料層６の抵抗変化および熱電材料層５の電圧変化が光ゲート効果により絶縁膜３を介してグラフェンのフェルミレベルを変化させ、二次元材料層１の抵抗値が変化する。これらの効果を組み合わせることで大きな電流変化を発生させることが出来る。

さらに、熱電材料層５の温度変化および相転移材料層６の抵抗変化の変化速度が可能な限り短く設定されている場合には、電磁波が電磁波検出器１００に入射してから二次元材料層１において抵抗の変化が生じるまでの時間が短くなる。これにより、光キャリアの増幅の遅延が抑制されるため、電磁波検出器１００の応答速度が大きくなる。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図１に示されるように、熱電材料層５および相転移材料層６により構成される熱吸収層ＨＡは、二次元材料層１と電気的に接続されている。熱吸収層ＨＡは電磁波照射による発熱により相転移材料層６の抵抗値が低下し、熱電材料層５は温度差が生じることで電圧が発生する。また、相転移材料層６の抵抗低下により熱電材料層５に流れる電流が増加し、熱電材料層５の温度差が拡大する。これにより熱電材料層５の発熱部と接触する相転移材料層６はさらに加熱され、さらに抵抗値が低下する。以上が平衡状態になるまで繰り返される。これにより熱吸収層ＨＡの抵抗値が変化し、絶縁膜３を介して接続された二次元材料層１のフェルミレベルが変調されることで、二次元材料層１の抵抗値も変化する。以上より、電磁波検出器１００において電圧変化および電流変化が生じる。相転移材料層６の抵抗変化および熱電材料層５の温度差による電圧変化は温度変化によるものであり、電磁波の波長に依存しない。このため、電磁波検出器１００の感度は、従来の半導体を用いた検出器と比較して半導体の量子効率に依存しない。よって、半導体層の量子効率が低下する波長であっても、電磁波検出器１００の感度が低下することが抑制される。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。具体的には、量子効率１００％を超える高感度化が可能となる。

より詳細には、熱吸収層ＨＡの抵抗変化に起因した光ゲート効果による二次元材料層１における電流の変化量は、通常の半導体における電流の変化量よりも大きい。特に、二次元材料層１では、通常の半導体と比較して、小さなゲート電圧変化に対して大きな電流変化が生じる。例えば、二次元材料層１として単層のグラフェンが用いられた場合、二次元材料層１の厚みは原子層１層分であるため極めて薄い。また、単層のグラフェンにおける電子の移動度は大きい。この場合、二次元材料層１における電子の移動度および厚み等から算出される二次元材料層１での電流の変化量は、通常の半導体における電流の変化量の数百倍から数千倍程度である。なお、上記の熱吸収層ＨＡの抵抗変化により二次元材料層１に印加されるバイアス電圧の変化も生じる。電磁波検出器１００に擬似的にバイアス電圧が印加されることで二次元材料層１のフェルミレベルが大きく変化し、二次元材料層１と熱吸収層ＨＡとのエネルギー障壁が変化する効果は、光バイアス効果と呼ばれる。

光バイアス効果によって、二次元材料層１における検出電流の取り出し効率は大幅に向上する。光バイアス効果は、通常の半導体のように光電変換材料の量子効率を直接的に増強するものではなく、電磁波の入射による電流の変化量を大きくするものである。このため、電磁波の入射による差分電流から算出された電磁波検出器１００の量子効率は、１００％を超えることができる。よって、本実施の形態に係る電磁波検出器１００による電磁波の検出感度は、半導体電磁波検出器または光バイアス効果が適用されていないグラフェン電磁波検出器と比較して、高い。

つまり、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、熱吸収層ＨＡの抵抗変化に起因した絶縁膜３を介したゲート電圧変化による光ゲート効果と、二次元材料層１に印加されるバイアス電圧の変化による光バイアス効果が同時に発生する。

図１に示されるように、二次元材料層１は、開口部ＯＰにおいて相転移材料層６に電気的に接続されている。二次元材料層１は、開口部ＯＰにおいて相転移材料層６にショットキー接合によって接合されていてもよい。また、相転移材料層６と熱電材料層５、あるいは熱電材料層５内においてショットキー接合またはｐｎ接合が形成されてもよい。このとき、電磁波検出器１００に逆バイアスが印加された際には二次元材料層１に電流が流れない。すなわち、二次元材料層１に暗電流が流れることを抑制することができる。よって、電磁波検出器１００は、ＯＦＦ動作が可能となる。また、二次元材料層１に順バイアスが印加された際には、小さな電圧変化で大きな電流変化を得ることができる。このため、電磁波検出器１００の感度が向上する。これにより、電磁波検出器１００の感度の向上と電磁波検出器１００のＯＦＦ動作とを両立することができる。

図４および図５に示されるように、半導体層４が設けられている場合、電磁波検出器１００は、絶縁膜３および熱吸収層ＨＡを透過した電磁波も同時に検出することができる。半導体層４に電磁波が入射することで、半導体層４に光キャリアが生じる。光キャリアは、二次元材料層１を通って第１電極部２ａに出力される。二次元材料層１は、絶縁膜３に配置された部分を有している。このため、半導体層４で生じた光キャリアによる電界変化が絶縁膜３を介して二次元材料層１に印加される。二次元材料層１が絶縁膜３上に配置されている部分を有していない場合と比べて、光ゲート効果による二次元材料層１の導電率がさらに大きく変調されやすい。このため、電磁波検出器１００の感度が向上する。

また、電磁波検出器１００に電磁波が照射された際の電流の変化量は、二次元材料層１における光電変換によって生じた光電電流による変化を含んでいる。このため、電磁波検出器１００に電磁波が照射されることで、上記の光バイアス効果、光ゲート効果および光電変換が生じる。よって、電磁波検出器１００は、光バイアス効果、光ゲート効果および光電変換による電流の変化を検出することができる。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。

図１に示されるように、電磁波検出器１００は、電流計Ｉおよび電圧計の少なくともいずれかが第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に流れる電流の電圧および電流の少なくともいずれかの変化を検出することで電磁波を検出するように構成されている。このため、電流計Ｉおよび電圧計の少なくともいずれかを用いて電磁波を検出することができる。

二次元材料層１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んでいる。このため、本実施の形態の作用効果を確実に得ることができる。

熱電材料層５は、電流が流れることで発熱し、相転移材料層６を加熱するように設けられている。これにより小さな抵抗変化に対して大きな光電流を得ることができる。このため、電磁波検出器１００の感度が向上する。

半導体層４に珪素（Ｓｉ）が用いられてもよい。このため、半導体層４中に読出回路を形成することができる。これにより、電磁波検出器１００の外部に他の回路をさらに形成する必要をなくすことができる。

第２電極部２ｂは、熱吸収層ＨＡまたは半導体層４と電気的に接続されている。このため、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に流れる電流または電圧の変化を検出することで電磁波を検出することができる。

熱電材料層５は、ビスマス－テルル系熱電半導体材料、テルライド系熱電半導体材料およびシリコン－ゲルマニウム系熱電半導体材料の少なくともいずれかを含んでいる。これらを使用することで大きな温度差を得ることができる。

二次元材料層１は、単層グラフェン、多層グラフェン、乱層積層グラフェン、または複数の二次元材料層からなり、これらの群より２種類以上選択された多層構造であってもよい。多層の場合、吸収率が高くなる。乱層積層グラフェンの場合、移動度が高くなるため、感度が向上する。

実施の形態２．
次に、図６を用いて、実施の形態２に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図６に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、半導体層４は、二次元材料層１と熱吸収層ＨＡとの間に配置されている。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、半導体層４が二次元材料層１と接合するように配置されている点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。

半導体層４は絶縁膜３の下に存在していなくても良いが、絶縁膜３の下に存在している場合、半導体層４が電磁波を吸収した際に発生した光キャリアは絶縁膜３を介して光ゲート効果を生じさせる。

半導体層４は、熱吸収層ＨＡの吸収を妨げない波長に感度を有することが望ましい。また、熱吸収層ＨＡの吸収を妨げない厚さであることが好ましい。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図６に示されるように、半導体層４は、熱吸収層ＨＡと二次元材料層１との間に配置されている。このため、二次元材料層１と半導体層４によりショットキー接合が形成される。すなわち、二次元材料層１に流れる暗電流を抑制することができる。このため、電磁波検出器１００の暗電流が低下することでノイズが抑制されるため、電磁波検出器１００は高感度化される。また、半導体層４が絶縁膜３の下に配置されている場合、半導体層４が吸収した光により生じた光キャリアは二次元材料層１に絶縁膜３を介して光ゲート効果を生じさせる。そのため、電磁波検出器１００の感度が向上する。

実施の形態３．
次に、図７を用いて、実施の形態３に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態３は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図７に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、二次元材料層１の下に空隙ＧＰが設けられている。絶縁膜３と二次元材料層１との間に空隙ＧＰが設けられている。二次元材料層１は、空隙ＧＰに面した表面を有している。つまり、二次元材料層１は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なり、絶縁膜３から離れて配置された部分を有している。第１電極部２ａおよび熱吸収層ＨＡとの接合部以外の二次元材料層１は可能な限り空隙ＧＰに面していることが好ましい。なお、二次元材料層１と絶縁層膜との間に空隙ＧＰが設けられていれば、他の構成が採用されてもよい。また、図８に示されるように、二次元材料層１と絶縁膜３または熱吸収層ＨＡとの間に空隙ＧＰを形成するための支柱ＰＲが挿入されていても良い。

空隙ＧＰの厚さは、二次元材料層１または絶縁膜３表面のキャリア散乱の影響を抑制できれば特に規定されない。ただし、熱吸収層ＨＡの抵抗変化による光ゲート効果の影響を最大限に受けるためには空隙ＧＰの厚さは可能な限り薄い方が好ましい。空隙ＧＰの厚さが薄いほど光ゲート効果の影響が大きくなり、二次元材料層１の抵抗変化が大きくなる。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図７に示されるように、二次元材料層１の下に空隙ＧＰが設けられている。絶縁膜３と二次元材料層１との間に空隙ＧＰが設けられている。このため、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、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。

実施の形態４．
次に、図９および図１０を用いて、実施の形態４に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態５は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図９に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、熱吸収層ＨＡの下に空隙ＧＰが設けられている。熱吸収層ＨＡは、空隙ＧＰに面した表面を有している。つまり、熱吸収層ＨＡは、実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なり、半導体層４から離れて配置された部分を有している。半導体層４が用いられない場合は、絶縁層などを使って支柱が形成されてもよい。この絶縁層の材料は、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）である。空隙ＧＰは、熱電材料層５の下に設けられている。図９では、空隙ＧＰは、熱電材料層５の下に設けられているが、相転移材料層６の下に設けられていても良い。第２電極部２ｂ以外の熱吸収層ＨＡの下には可能な限り空隙ＧＰが存在していることが好ましい。なお、熱吸収層ＨＡに空隙ＧＰが設けられていれば、他の構成が採用されてもよい。また、熱吸収層ＨＡの下に空隙ＧＰを形成するための支柱が挿入されていても良い。

なお、図１０のように別の基板１０上に空隙ＧＰを介して熱吸収層ＨＡが形成されてもよい。このとき、熱吸収層ＨＡから信号が読み出せれば第２電極部２ｂは図１０の構成でなくともよい。

図１１および図１２では、熱吸収層ＨＡが中空１４上に形成されている。熱電材料層５は支柱として相転移材料層６などを支えている。熱電材料層５は、相転移材料層６および第２電極部２ｂに接続されている。熱電材料層５の下に中空１４が設けられている。電磁波検出器１００は中空構造を有している。相転移材料層６の下にも中空１４が設けられている。熱電材料層５は、相転移材料層６と接触する領域を発熱部とし、第２電極部２ｂ側を冷却部とする。熱電材料層５は可能な限り長い方が好ましい。

また、図１２では、第２電極部２ｂが２つあるが、別々に電圧が印加されても良いし、同一電圧が印加されてもよい。図１３のように第２電極部２ｂの両端が接続されて同電位とされてもよい。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図９および図１０に示されるように、熱吸収層ＨＡの下に空隙ＧＰが設けられている。このため、熱吸収層ＨＡの断熱性能が向上することにより、電磁波照射後の熱の散逸を抑制することができる。この結果、熱吸収層ＨＡの温度変化に伴う抵抗変化を大きくすることができる。したがって、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。

図１１～図１３では、熱電材料層５が平面視において蛇行するように構成されているため、薄膜状態（直線状態）と比較して、熱電材料層５の相転移材料層６に接続された部分と第２電極部２ｂに接続された部分との距離が長くなる。このため、熱電材料層５の相転移材料層６に接続された部分と第２電極部２ｂに接続された部分との温度差が生じやすくなる。この結果、熱吸収層ＨＡの温度変化に伴う抵抗変化を大きくすることができる。したがって、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。

実施の形態５．
次に、図１４を用いて、実施の形態５に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態５は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１４に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、第１電極部２ａを２つ含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、電磁波検出器１００が一対の第１電極部２ａをさらに含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。一対の第１電極部２ａは二次元材料層１の両端部に配置されている。電磁波検出器１００は、一対の第１電極部２ａの端子間に電圧Ｖｄを印加し、出力された検出信号Ｉｄを検出するように構成されている。すなわち、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、トランジスタ型の構成となっている。

第１電極部２ａは、第１部２ａ１および第２部２ａ２を含んでいる。第２部２ａ２は第１部２ａ１から離れて配置されている。第１部２ａ１は、二次元材料層１の一端に接続されている。第１部２ａ１は、ソース電極を構成している。第２部２ａ２は、二次元材料層１の他端に接続されている。第２部２ａ２は、ドレイン電極を構成している。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図１４に示されるように、一対の第１電極部２ａ間に二次元材料層１が配置されている。このため、電磁波検出器１００は、一対の第１電極部２ａ間から電気信号を取り出すことを特徴としている。よって、熱吸収層ＨＡの抵抗変化により生じた光ゲート効果による二次元材料層１の抵抗変化を、電圧Ｖｄを印加することで増幅することができる。増幅した電荷は第１電極部２ａを介して効率的に取り出すことができる。よって、電磁波検出器１００の感度が向上する。また、検出信号には、熱吸収層ＨＡおよび半導体層４にて生じた抵抗変化も出力される。このため、電磁波検出器１００の感度が向上する。

実施の形態６．
次に、図１５を用いて、実施の形態６に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態６は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１５に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、トンネル絶縁層７をさらに含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、電磁波検出器１００がトンネル絶縁層７をさらに含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。トンネル絶縁層７は、二次元材料層１と熱吸収層ＨＡとの間に挟み込まれている。図１６に示されるように、トンネル絶縁層７は、二次元材料層１と半導体層４との間に挟み込まれていてもよい。トンネル絶縁層７が二次元材料層１と半導体層４の間に挟み込まれた場合でも同様の効果が得られる。トンネル絶縁層７は、熱吸収層ＨＡと二次元材料層１とを電気的に接続している。このため、本実施の形態において、二次元材料層１は、トンネル絶縁層７を介して熱吸収層ＨＡに接続されている。トンネル絶縁層７は、開口部ＯＰの内部に配置されている。

トンネル絶縁層７は、検出波長を有する電磁波が二次元材料層１および熱吸収層ＨＡに入射した際に二次元材料層１と熱吸収層ＨＡ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している。トンネル絶縁層７は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する絶縁層である。トンネル絶縁層７は、例えば、アルミナ（酸化アルミニウム）または酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）などの金属酸化物、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）または窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）などの半導体を含む酸化物、窒化ホウ素（ＢＮ）等の窒化物の少なくともいずれか１つを含む。

トンネル絶縁層７の作製方法は、適宜に決められてもよいが、例えばＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法、およびスパッタ法などから選択され得る。また、トンネル絶縁層７は、熱吸収層ＨＡまたは半導体層４の表面を酸化または窒化またはフッ化させることにより形成されてもよい。また、トンネル絶縁層７は、半導体層４の表面に形成される自然酸化膜であってもよい。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図１５に示されるように、トンネル絶縁層７は、二次元材料層１と熱吸収層ＨＡとに挟み込まれている。トンネル絶縁層７は、検出波長を有する電磁波が二次元材料層１および熱吸収層ＨＡに入射した際に二次元材料層１と熱吸収層ＨＡ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している。このため、電磁波の入射によってトンネル電流が生じる。よって、熱吸収層ＨＡおよびトンネル絶縁層７を通って二次元材料層１に注入される光電流の注入効率が向上する。これにより、二次元材料層１に大きな光電流が注入される。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。また、トンネル絶縁層７によって、二次元材料層１と熱吸収層ＨＡとの接合界面における漏れ電流を抑制することができる。これにより、暗電流を低減することができる。

実施の形態７．
次に、図１７を用いて、実施の形態７に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態７は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１７に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、接続導電体２ｃをさらに含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、電磁波検出器１００が接続導電体２ｃをさらに含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。二次元材料層１は、接続導電体２ｃを介して熱吸収層ＨＡに電気的に接続されている。接続導電体２ｃは、開口部ＯＰの内部に配置されている。図１８に示されるように、二次元材料層１は、接続導電体２ｃを介して半導体層４に電気的に接続されていてもよい。二次元材料層１が接続導電体２ｃを介して半導体層４に電気的に接続されていている場合でも同様に効果が得られる。

接続導電体２ｃの上面には、二次元材料層１が重ねられている。接続導電体２ｃの下面は、熱吸収層ＨＡに電気的に接続されている。二次元材料層１は、接続導電体２ｃの上面に電気的に接続されている。接続導電体２ｃの上面の位置は、絶縁膜３の上面の位置と同じであることが好ましい。二次元材料層１は、絶縁膜３の上面から接続導電体２ｃの上面上にまで、屈曲することなく平面状に延びていることが好ましい。

接続導電体２ｃと二次元材料層１とのコンタクト抵抗は、二次元材料層１と熱吸収層ＨＡとのコンタクト抵抗よりも小さい。接続導電体２ｃと熱吸収層ＨＡとのコンタクト抵抗は、二次元材料層１と熱吸収層ＨＡとのコンタクト抵抗よりも小さい。接続導電体２ｃと二次元材料層１とのコンタクト抵抗および接続導電体２ｃと熱吸収層ＨＡとのコンタクト抵抗の和は、二次元材料層１と熱吸収層ＨＡとのコンタクト抵抗よりも小さい。

電磁波が接続導電体２ｃを通って熱吸収層ＨＡに入射する場合には、接続導電体２ｃは、電磁波検出器１００が検出する電磁波の波長（検出波長）において高い透過率を有していることが望ましい。

ここで、熱吸収層ＨＡが半導体層４と入れ替わっている場合、つまり、二次元材料層１が接続導電体２ｃを介して半導体層４と接合している場合でも同様の効果が得られる。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図１７に示されるように、二次元材料層１は、接続導電体２ｃを介して熱吸収層ＨＡに電気的に接続されている。接続導電体２ｃと二次元材料層１とのコンタクト抵抗および接続導電体２ｃと熱吸収層ＨＡとのコンタクト抵抗の和は、二次元材料層１と熱吸収層ＨＡとのコンタクト抵抗よりも小さい。このため、二次元材料層１と熱吸収層ＨＡとが直接接合される場合よりも、コンタクト抵抗を低減することができる。よって、電磁波の検出信号の減衰を抑制することができる。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。また、接続導電体２ｃと熱吸収層ＨＡ、あるいは接続導電体２ｃと二次元材料層１がショットキー接合によって接合されるため、暗電流を抑制することができる。

接続導電体２ｃの上面の位置は、絶縁膜３の上面の位置と同じであることが好ましい。この場合、二次元材料層１が折れ曲がることなく水平に形成されるため、二次元材料層１のキャリア移動度が向上する。このため、電磁波検出器１００の検出感度を向上させることができる。

実施の形態８．
次に、図１９を用いて、実施の形態８に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態８は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１９に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、半導体層４は、第１半導体部４ａと、第２半導体部４ｂと含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、半導体層４が第１半導体部４ａおよび第２半導体部４ｂを含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。なお、半導体層４は、図示されない第３半導体部をさらに含んでいてもよい。第１半導体部４ａは、第２半導体部４ｂに接合されている。第１半導体部４ａは、第２半導体部４ｂにｐｎ接合によって接合されている。このため、半導体層４の内部には、ｐｎ接合が形成されている。

第１半導体部４ａは、第２電極部２ｂに電気的に接続されている。第２半導体部４ｂは、熱吸収層ＨＡに接触している。第１半導体部４ａは、第２半導体部４ｂに対して二次元材料層１とは反対側に配置されている。なお、図１９では、第２半導体部４ｂは、第１半導体部４ａに積層されているが、第１半導体部４ａと第２半導体部４ｂとの位置関係はこれに限られない。

第２半導体部４ｂは、第１半導体部４ａとは異なる導電型を有している。第１半導体部４ａは、第１導電型を有している。第２半導体部４ｂは、第２導電型を有している。第１導電型は、第２導電型とは逆の導電型である。例えば、第１半導体部４ａの導電型がｎ型である場合、第２半導体部４ｂの導電型はｐ型である。これにより、半導体層４は、ダイオードとして構成されている。

第２半導体部４ｂは、第１半導体部４ａとは異なる吸収波長を有していてもよい。半導体層４は、熱吸収層ＨＡとは異なる波長に感度を有するダイオードとして構成されていてもよい。また、第１半導体部４ａおよび第２半導体部４ｂは、熱吸収層ＨＡとは異なる波長に感度を有するダイオードとして構成されていてもよい。第１半導体部４ａおよび第２半導体部４ｂは実施の形態２のように熱吸収層ＨＡと二次元材料層１の間に形成されていても良い。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図１９に示されるように、第１半導体部４ａは、第２半導体部４ｂに接合されている。このため、半導体層４の内部にはｐｎ接合が形成されている。これにより、半導体層４がダイオードとして構成されている。よって、半導体層４に暗電流が流れることを抑制することができる。

第１半導体部４ａおよび第２半導体部４ｂは、熱吸収層ＨＡとは異なる波長に感度を有するダイオードとして構成されている場合、電磁波検出器１００が検出可能な波長は、第１半導体部４ａ、第２半導体部４ｂおよび熱吸収層ＨＡの各々がそれぞれ検出可能な波長である。よって、電磁波検出器１００は広帯域の波長を検出することができる。

実施の形態９．
次に、図２０～図２３を用いて、実施の形態９に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態９は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図２０および図２１に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、熱吸収層ＨＡの表面に複数の凹凸部ＵＰが設けられている。図２０および図２１では熱電材料層５の表面に凹凸部ＵＰが設けられているが、相転移材料層６の表面に凹凸部ＵＰが設けられていても良い。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、電磁波検出器１００の熱吸収層ＨＡにおいて凹凸部ＵＰをさらに含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。

また図２２では複数のフローティング電極２ｄが形成されている。図２２では熱電材料層５にフローティング電極２ｄが形成されているが、相転移材料層６にフローティング電極２ｄが形成されていても良い。フローティング電極２ｄは、電源回路等に接続されていない。すなわち、フローティング電極２ｄは、フローティング電極として構成されている。フローティング電極２ｄの材料は、電気が通る材料であれば適宜に決められてもよい。フローティング電極２ｄの材料は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）等の金属材料である。フローティング電極２ｄの材料は、好ましくは、フローティング電極２ｄに表面プラズモン共鳴が生じる材料である。

凹凸部ＵＰの形成方法は、適宜に決められてもよい。凹凸部ＵＰは、例えば熱吸収層ＨＡをドライエッチングまたはウェットエッチングにより加工して形成されてもよい。

フローティング電極２ｄの形成方法は、適宜に決められてもよい。フローティング電極２ｄの形成方法は、例えば、実施の形態１において説明された第１電極部２ａの製造方法と同じであってもよい。

本実施の形態において、複数の凹凸部ＵＰの各々および複数のフローティング電極２ｄの各々は、互いに間隔を空けて配置されている。

本実施の形態において、複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄは、一次元または二次元の周期構造を有している。複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄのうち隣り合う凹凸部ＵＰ同士および隣り合うフローティング電極２ｄ同士は、好ましくは、複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄの各々に表面プラズモン共鳴が生じる間隔を空けて配置されている。熱吸収層ＨＡの表面に表面プラズモン共鳴の生じるパターンが設けられている。

複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄは一次元の周期構造を有していてもよい。複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄのうち隣り合う凹凸部ＵＰおよびフローティング電極２ｄ同士は、第１方向に沿って等間隔に配置されている。

複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄは二次元の周期構造を有していてもよい。複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄのうち隣り合う凹凸部ＵＰおよびフローティング電極２ｄ同士は、第１方向および第２方向に沿って等間隔に配置されている。第２方向は、第１方向に交差している。複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄは、正方格子の格子点に対応する位置に配置されていてもよい。複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄは、例えば、三角格子の格子点に対応する位置に配置されていてもよい。なお、図示されないが、複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄの配置は、周期的な対称性を有する配列に限られない。また、複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄの配置は、平面視において、非対称性を有する配列であってもよい。複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄの平面形状は四角形状、円形状、三角形状等の多角形状であってもよいし、楕円形状等であってもよい。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図２０および図２１に示されるように熱吸収層ＨＡの表面に複数の凹凸部ＵＰが設けられている。また、図２２示されるように、複数のフローティング電極２ｄは、熱吸収層ＨＡに接触するように配置されている。熱吸収層ＨＡの表面に表面プラズモン共鳴の生じるパターンが設けられている。複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄは、互いに間隔を空けて配置されている。さらに、複数の凹凸部ＵＰのうち隣り合う凹凸部ＵＰ同士および複数のフローティング電極２ｄのうち隣り合うフローティング電極２ｄ同士は、第１方向に沿って等間隔に配置されている。また、凹凸部ＵＰおよびフローティング電極２ｄの材料は、フローティング電極２ｄに表面プラズモン共鳴が生じる材料である。このため、電磁波検出器１００は、凹凸部ＵＰおよびフローティング電極２ｄに表面プラズモン共鳴が生じる偏光を有する波長の電磁波を増幅して検出することができる。すなわち、電磁波照射による吸収が増加し、表面の温度が上昇する。これにより熱吸収層ＨＡで吸収される熱が増加し、電磁波検出器１００の感度が向上する。また、熱電材料層５の発熱部にのみ複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄを配置することで、熱電材料層５の温度差を増加させることができ、電磁波検出器１００の感度が向上する。また、電磁波検出器１００に照射される電磁波に応じて複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄに偏光依存性が生じる。

複数の凹凸部ＵＰのうち隣り合う凹凸部ＵＰ同士および複数のフローティング電極２ｄのうち隣り合うフローティング電極２ｄ同士は、第１方向および第２方向に沿って等間隔に配置されている。また、凹凸部ＵＰおよびフローティング電極２ｄの材料は、凹凸部ＵＰおよびフローティング電極２ｄに表面プラズモン共鳴が生じる材料である。このため、電磁波検出器１００は、凹凸部ＵＰおよびフローティング電極２ｄに表面プラズモン共鳴が生じる波長を有する電磁波のみを高い感度で検出することができる。

図示されないが、複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄの配置は、平面視において非対性を有する配列であってもよい。この場合、電磁波検出器１００は、凹凸部ＵＰおよびフローティング電極２ｄに表面プラズモン共鳴が生じる偏光を有する電磁波のみを検出することができる。

図示されないが、二次元材料層１は、複数の凹部または凸部を含んでいてもよい。複数の凹部または凸部は、表面プラズモン共鳴が生じる間隔を空けて配置されている。二次元材料層１は高い導電率を有しているため、二次元材料層１において表面プラズモン共鳴が生じる。このため、上述された複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄによる表面プラズモン共鳴と同様に、複数の凹部または凸部によって二次元材料層１に表面プラズモン共鳴が生じる。これにより、電磁波検出器１００は、二次元材料層１に表面プラズモン共鳴が生じる偏光または周波数を有する電磁波のみを検出することができる。

さらに、複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄは、電磁波照射により発生した熱を放射冷却しても良い。このとき、複数の凹凸部ＵＰおよび複数のフローティング電極２ｄは熱電材料層５の冷却側に設けられていることが好ましい。放射冷却を利用することで熱電材料層５の温度差を増加させることができるため、電磁波検出器１００の感度が向上する。

また、図２３のように熱吸収層ＨＡに吸熱材料または冷却材料９が設けられていても良い。熱吸収層ＨＡは吸熱材料または冷却材料９を含んでいる。吸熱材料または冷却材料９は、熱吸収層ＨＡの表面に設けられている。材料を設けることで電磁波から吸収される熱量が増加する。熱電材料層５の発熱部に吸熱材料を設けることで、熱電材料層５の温度差が上昇する。また、熱電材料層５の冷却部に冷却材料を設けることで温度差が増加する。これらにより電磁波検出器１００の感度を向上することができる。

実施の形態１０．
次に、図２４および図２５を用いて、実施の形態１０に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１０は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図２４に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、熱電材料層５は、第１熱電材料層５ａおよび第２熱電材料層５ｂを含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、熱電材料層５が第１熱電材料層５ａおよび第２熱電材料層５ｂを含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。第１熱電材料層５ａおよび第２熱電材料層５ｂの各々は、直列に配列されており、相転移材料層６に電気的に接続されている。第１熱電材料層５ａは、第２熱電材料層５ｂに電気的に接続されている。

第２電極部２ｂは、第１電極２ｂａ、第２電極２ｂｂおよび第３電極２ｂｃを含んでいる。第１電極２ｂａ、第２熱電材料層５ｂ、第２電極２ｂｂ、第１熱電材料層５ａ、第３電極２ｂｃ、相転移材料層６は、この順で直列接続されており、第２電極２ｂｂが相転移材料層６側に配置されており、第１電極２ｂａおよび第３電極２ｂｃが相転移材料層６とは反対側に配置されている。第１熱電材料層５ａと第２熱電材料層５ｂは異なる導電型であることが望ましい。第１熱電材料層５ａは、第２熱電材料層５ｂに接合されていることが好ましい。つまり、第１熱電材料層５ａと第２熱電材料層５ｂはｐｎ接合を形成することが好ましい。これにより、第２電極２ｂｂ面と第１電極２ｂａ、第３電極２ｂｃ面に温度差が発生し、より効率的に相転移材料層６に温度変化を与えることができる。なお、埋め込み絶縁膜ＥＩが埋め込まれているが、各層から相転移材料層６へリーク電流が発生しないよう絶縁されていれば埋め込み絶縁膜ＥＩを用いなくとも良い。例えば空隙が設けられていても良い。

次に、図２５を用いて、実施の形態１０に係る電磁波検出器１００の第１の変形例の構成を説明する。

図２５に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、第１熱電材料層５ａおよび第２熱電材料層５ｂは２個以上複数設けられている。この際、第１熱電材料層５ａおよび第２熱電材料層５ｂは交互に接続されていることが好ましい。具体的には、ｐｎｐ接合あるいはｎｐｎ接合になっていることが好ましい。図２５では、第１熱電材料層５ａおよび第２熱電材料層５ｂは３個であるが、これ以上設けられていてもよく、数が増えるほど発熱部と冷却部の温度差がさらに増加する。この場合も、第１熱電材料層５ａおよび第２熱電材料層５ｂが交互に接続されていることが好ましい。

次に、図２６および図２７を用いて、実施の形態１０に係る電磁波検出器１００の第２の変形例の構成を説明する。

図２６および図２７に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、複数の熱電材料層５が、直列に接続された状態で、中空構造の支柱として設けられている。具体的には、第１電極２ｂａ、第２電極２ｂｂ、第３電極２ｂｃ、第４電極２ｂｄ、第５電極２ｂｅの順で第１熱電材料層５ａと第２熱電材料層５ｂが交互に直列で接続されている。つまり、中空構造の中央部の素子領域を発熱部、中空構造の外周部を冷却部とすることで支柱として長距離で設けられた熱電材料層５により温度差が増加する。さらに、各熱電材料層５がｐｎ接合を有しているため、温度差はさらに増加する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図２４～図２７に示されるように、導電型の異なる熱電材料層５を複数交互に直列に接続されるように含んでいる。このため、熱電材料層５が１つの熱電材料層のみからなる場合よりも熱電材料層５により発生する温度差を増加することができる。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。

第１熱電材料層５ａが吸収可能な電磁波の波長は、第２熱電材料層５ｂが吸収可能な電磁波の波長とは異なっている場合、電磁波検出器１００は、第１熱電材料層５ａおよび第２熱電材料層５ｂが吸収可能な電磁波の波長が同じである場合よりも、広帯域の波長を検出することができる。

本実施の形態の第２の変形例に係る電磁波検出器１００によれば、図２６および図２７に示されるように、熱電材料層５は、中空１４上に設けられている。これにより実施の形態４の効果に加えて、各支柱がｐｎ接合で形成されていることで、素子側（中空１４の中央部）と外周部の温度差が増加し、電磁波検出器１００の感度がさらに向上する。さらに、相転移材料層６も中空１４上に設けられていることから、断熱性能が向上し、電磁波検出器１００の感度がさらに向上する。

実施の形態１１．
次に、図２８を用いて、実施の形態１１に係る電磁波検出器アレイ２００の構成を説明する。

図２８に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器アレイ２００は、実施の形態１～１０に係る電磁波検出器１００を複数備えている。

図２８に図示された電磁波検出器アレイ２００では、４つの電磁波検出器１００が２×２のアレイ状に配置されているが、配置される電磁波検出器１００の数はこれに限定されない。例えば、９つの電磁波検出器１００が３×３のアレイ状に配置されてもよい。また、図２８に示される電磁波検出器アレイ２００は、複数の電磁波検出器１００が二次元に周期的に配列されているが、複数の電磁波検出器１００は１つの方向に沿って周期的に配列されていてもよい。また、複数の電磁波検出器１００のうち隣り合う電磁波検出器１００同士の間隔は等間隔であってもよいし、異なる間隔であってもよい。

複数の電磁波検出器１００の各々の熱吸収層が互いに分離されていれば、複数の電磁波検出器１００において１つの第２電極部２ｂ（図１参照）が共通電極として用いられてもよい。これにより、複数の第２電極部２ｂが独立している場合よりも電磁波検出器アレイ２００の配線を少なくすることができるため、電磁波検出器アレイ２００の解像度を高めることができる。

図２９は、電磁波検出器アレイ２００のうちの１つの電磁波検出器１００と読み出し回路１３との接続構造を説明するための断面図である。図２９に示されるように、電磁波検出器１００は、二次元材料層１を覆うように配置された絶縁層１１と、絶縁層１１上に引き出された第１電極部２ａとをさらに備えていてもよい。二次元材料層１は、第１電極部２ａと電気的に接続されている。第１電極部２ａの表面は、バンプ１２を介して読み出し回路１３と電気的に接続されている。言い換えると、電磁波検出器１００と読み出し回路１３とは、いわゆるハイブリッド接合されている。図２９に示される接続構造は、半導体層４（図５参照）を構成する材料がＳｉ以外の材料である場合、半導体層４を用いない場合に、好適である。

この場合、バンプ１２を構成する材料は、導電性材料であればよい。導電性材料の一例としてインジウムが挙げられるが、これに制限されない。第１電極部２ａを構成する材料は、アルミニウムシリコン、ニッケル、金などの導電性材料である。読み出し回路１３はＣＴＩＡ（ＣａｐａｃｉｔｉｖｅＴｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅＡｍｐｌｉｆｉｅｒ）型などが用いられるが、この方式には限定されず、量子型赤外線検出器およびボロメータなどの熱型赤外線センサで用いられる他の読み出し方式でもよい。

また、図示されないが電磁波検出器アレイ２００に含まれる複数の電磁波検出器１００は、互いに異なる種類の電磁波検出器であってもよい。複数の電磁波検出器１００の各々は、互いに異なる検出波長をそれぞれ有していてもよい。具体的には、複数の電磁波検出器１００の各々は、互いに異なる検出波長選択性を有していてもよい。

複数の電磁波検出器１００の各々の熱吸収層ＨＡまたは半導体層４を構成する材料がそれぞれ互いに異なる検出波長を有している場合、例えば、検出波長が可視光の波長である半導体材料と、検出波長が赤外線の波長である半導体材料または熱吸収層ＨＡとが用いられてもよい。例えば、当該電磁波検出器アレイ２００が車載センサに適用された場合、電磁波検出器アレイ２００は、昼間は可視光画像用カメラとして使用され得る。さらに、電磁波検出器アレイ２００は、夜間は赤外線カメラとしても使用され得る。このようにすれば、電磁波の検出波長に応じて複数のカメラを使い分ける必要がない。

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
本実施の形態に係る電磁波検出器アレイ２００によれば、図２８に示されるように、電磁波検出器アレイ２００は、実施の形態１～１０に係る電磁波検出器１００を複数備えている。このため、複数の電磁波検出器１００の各々を検出素子とすることによって、電磁波検出器アレイ２００に画像センサとしての機能を持たせることができる。

本実施の形態に係る電磁波検出器アレイ２００の変形例によれば、複数の電磁波検出器の各々は、互いに異なる検出波長をそれぞれ有している。このため、電磁波検出器アレイ２００は、少なくとも２つ以上の異なる波長の電磁波を検出することができる。

これにより、電磁波検出器アレイ２００は、可視光域で用いられるイメージセンサと同様に、例えば、紫外光、赤外光、テラヘルツ波、電波の波長域などの任意の波長域において、電磁波の波長を識別できる。この結果、例えば波長の相違を色の相違として示した、カラー化された画像を得ることができる。

また、電磁波検出器アレイ２００は、画像センサ以外のセンサとして用いられてもよい。電磁波検出器アレイ２００は、例えば、少ない画素数であっても物体の位置を検出できる位置検出用センサとして用いられ得る。また、例えば、電磁波検出器アレイ２００は、複数の波長において電磁波の強度を検出できる画像センサとして用いられ得る。これにより、従来、ＣＭＯＳ（Complementary ＭＯＳ：相補型ＭＯＳ）センサ等で必要とされていたカラーフィルタを用いることなく、複数の電磁波を検出し、カラー化された画像を得ることができる。

複数の電磁波検出器１００の各々は、互いに異なる偏光を有する電磁波を検出するように構成されている。これにより、電磁波検出器アレイ２００に偏光識別イメージセンサとしての機能を持たせることができる。例えば、検知する偏光角度が０°、９０°、４５°、１３５°である４つの画素を一単位として、当該一単位の電磁波検出器１００を複数配置することで偏光イメージングが可能になる。偏光識別イメージセンサによって、例えば、人工物と自然物の識別、材料の識別、赤外波長域においてそれぞれ同一温度を有する複数の物体の識別、複数の物体間の境界の識別、または、等価的な分解能の向上などが可能になる。

以上のように、電磁波検出器アレイ２００は、広い波長域の電磁波を検出することができる。また、電磁波検出器アレイ２００は、異なる波長の電磁波を検出することができる。

電磁波検出器１００は、読み出し回路１３を含んでいる。このため、読み出し回路１３を用いて検出信号を読み出すことができる。

実施の形態１２．
次に、図３０を用いて、実施の形態１２に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態２と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態２と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図３０に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、半導体層４と熱吸収層ＨＡとの間に共通電極２ｅが配置されている。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、半導体層４と熱吸収層ＨＡとの間に共通電極２ｅが配置されている点で実施の形態２に係る電磁波検出器１００とは異なっている。

第１電極部２ａ－共通電極２ｅ間および第２電極部２ｂ－共通電極２ｅ間にはそれぞれ別の電圧が印加されている。

共通電極２ｅは熱伝導率が良く、吸収波長の電磁波を透過する材料であることが好ましい。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図３０に示されるように、共通電極２ｅは、熱吸収層ＨＡと半導体層４との間に配置されている。

第１電極部２ａ－共通電極２ｅ間および第２電極部２ｂ－共通電極２ｅ間にはそれぞれ別の電圧が印加されている。このため、第１電極部２ａ－共通電極２ｅ間はグラフェン－半導体のショットキーダイオード、第２電極部２ｂ－共通電極２ｅ間は熱吸収層ＨＡに電圧が印加されることになる。

熱吸収層ＨＡに電圧を印加することで、熱電材料層５において発生する温度差を増加させることができる。これにより、相転移材料層６における電磁波照射による抵抗変化を適切に制御することが可能となる。よって、検出波長の温度に応じて電磁波検出器１００の感度を増加させることができる。

熱電材料層５とグラフェン－半導体のショットキーダイオードが共通電極２ｅを介して接続されていることで、グラフェン－半導体のショットキーダイオードに温度変化を生じさせることができる。グラフェン－半導体のショットキーダイオードは一般的なダイオードと同様に温度により電気特性が変化する。グラフェン－半導体のショットキーダイオードには熱吸収層ＨＡとは別の電圧が印加されており、この電圧を制御することで温度変化による電流変化を制御することが可能となる。よって、熱吸収層ＨＡによる温度変化をグラフェン－半導体のショットキーダイオードに与えることで、光電流を取り出すことができる。

例えば、電磁波検出器１００の上部から検出波長の電磁波を照射させた場合、相転移材料層６において電磁波が吸収され、熱電材料層５にて温度変化が生じる。この温度変化をグラフェン－半導体のショットキーダイオードに与えることで、ダイオード特性に変化が生じ、第１電極部２ａ－共通電極２ｅ間の抵抗が変化することから電磁波を検出することができる。

また、電磁波検出器１００の下部から電磁波を照射させた場合も同様の効果を得ることができる。このとき第２電極部２ｂは検出波長の電磁波を透過させる材料であることが好ましい。

実施の形態１３．
次に、図３１を用いて、実施の形態１３に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１３は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図３１に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、半導体層４は、第１半導体部４ａと、第２半導体部４ｂと含んでいる。第１半導体部４ａと、第２半導体部４ｂは検出波長に感度を有するフォトダイオードである。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、半導体層４が第１半導体部４ａおよび第２半導体部４ｂを含んでおり、検出波長に感度を有するフォトダイオードである点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。なお、半導体層４は、図示されない第３半導体部をさらに含んでいてもよい。第１半導体部４ａは、第２半導体部４ｂに接合されている。第１半導体部４ａは、第２半導体部４ｂにｐｎ接合によって接合されている。このため、半導体層４の内部には、ｐｎ接合が形成されている。

第１半導体部４ａは、熱吸収層ＨＡに電気的に接続されている。第２半導体部４ｂは、二次元材料層１と電気的に接続されている。第１半導体部４ａは、第２半導体部４ｂに対して二次元材料層１とは反対側に配置されている。なお、図３０では、第２半導体部４ｂは、第１半導体部４ａに積層されているが、第１半導体部４ａと第２半導体部４ｂとの位置関係はこれに限られない。

半導体層４は、検出波長に感度を有するフォトダイオードとして構成されている。また、第１半導体部４ａおよび第２半導体部４ｂは、熱吸収層ＨＡとは同一波長に感度を有するフォトダイオードとして構成されていてもよい。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図３１に示されるように、第１半導体部４ａは、第２半導体部４ｂに接合されている。このため、半導体層４の内部にはｐｎ接合が形成されている。これにより、半導体層４がダイオードとして構成されている。よって、半導体層４に暗電流が流れることを抑制することができる。

第１半導体部４ａおよび第２半導体部４ｂは、検出波長に感度を有するフォトダイオードとして構成されており、電磁波が照射されるとフォトダイオードから光電流が発生する。光電流が熱吸収層ＨＡに流れることで熱電材料層５に温度変化が生じ、相転移材料層６に抵抗変化が生じる。これにより電磁波検出器１００の感度を増強することが可能となる。本実施の形態では必ずしも熱吸収層ＨＡで検出波長の電磁波を吸収する必要はないが、検出波長の電磁波を吸収する場合は、電磁波の熱的な応答と光子的な応答の両方を同時に検出することが可能となる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

以下、本開示の諸形態を付記としてまとめて記載する。
（付記１）
熱電材料層と相転移材料層とを含む熱吸収層と、
前記熱吸収層上の一部に配置された絶縁膜と、
前記熱吸収層および前記絶縁膜上に配置され、前記熱吸収層と電気的に接続された二次元材料層と、
前記絶縁膜上に配置され、前記二次元材料層を介して前記熱吸収層と電気的に接続された第１電極部とを備えた、電磁波検出器。

（付記２）
前記熱電材料層は、ペルチェ効果により発熱する発熱部が前記相転移材料層に熱的に接触するように配置されている、付記１に記載の電磁波検出器。

（付記３）
前記相転移材料層は、電磁波が照射されることにより前記相転移材料層の抵抗値が低下するように構成されており、
前記熱電材料層は、前記相転移材料層から前記熱電材料層に電荷が注入されることにより前記熱電材料層に電流が流れるように構成されている、付記２に記載の電磁波検出器。

（付記４）
半導体層をさらに備え、
前記熱吸収層は、前記半導体層上に配置されている、付記３に記載の電磁波検出器。

（付記５）
半導体層をさらに備え、
前記半導体層は、前記二次元材料層と前記熱吸収層との間に配置されている、付記３に記載の電磁波検出器。

（付記６）
第２電極部をさらに備え、
前記第２電極部は、前記熱吸収層または前記半導体層と電気的に接続されている、付記４または５に記載の電磁波検出器。

（付記７）
前記二次元材料層の下に空隙が設けられている、付記１～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。

（付記８）
前記熱吸収層の下に空隙が設けられている、付記１～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。

（付記９）
前記第１電極部は、第１部と、前記第１部から離れて配置された第２部とを含み、
前記第１部は、前記二次元材料層の一端に接続されており、かつソース電極を構成しており、
前記第２部は、前記二次元材料層の他端に接続されており、かつドレイン電極を構成している、付記１～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。

（付記１０）
トンネル絶縁層をさらに備え、
前記トンネル絶縁層は、前記二次元材料層と前記熱吸収層との間に挟み込まれている、付記１～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。

（付記１１）
トンネル絶縁層をさらに備え、
前記トンネル絶縁層は、前記二次元材料層と前記半導体層との間に挟み込まれている、付記１～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。

（付記１２）
接続導電体をさらに備え、
前記二次元材料層は、前記接続導電体を介して前記熱吸収層に電気的に接続されている、付記１～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。

（付記１３）
接続導電体をさらに備え、
前記二次元材料層は、前記接続導電体を介して前記半導体層に電気的に接続されている、付記１～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。

（付記１４）
前記半導体層は、第１半導体部と、前記第１半導体部とは異なる導電型を有する第２半導体部とを含み、
前記第１半導体部は、前記第２半導体部に接合されている、付記４～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。

（付記１５）
前記熱吸収層の表面に複数の凹凸部が設けられている、付記１～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。

（付記１６）
前記熱吸収層の表面に表面プラズモン共鳴の生じるパターンが設けられている、付記１～１５のいずれか１項に記載の電磁波検出器。

（付記１７）
前記熱吸収層は、吸熱材料または冷却材料を含み、
前記吸熱材料または前記冷却材料は、前記熱吸収層の表面に設けられている、付記１～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。

（付記１８）
前記熱電材料層は、第１熱電材料層と、前記第１熱電材料層とは異なる導電型を有する第２熱電材料層とを含み、
前記第１熱電材料層は、前記第２熱電材料層に電気的に接続されている、付記１～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。

（付記１９）
前記第１熱電材料層および前記第２熱電材料層は、２個以上複数設けられている、付記１８に記載の電磁波検出器。

（付記２０）
前記熱電材料層は、ビスマス－テルル系熱電半導体材料、テルライド系熱電半導体材料およびシリコン－ゲルマニウム系熱電半導体材料の少なくともいずれかを含む、付記１～１９のいずれか１項に記載の電磁波検出器。

（付記２１）
前記二次元材料層は、単層グラフェン、多層グラフェン、乱層積層グラフェン、または複数の二次元材料層からなり、これらの群より２種類以上選択された多層構造である、付記１～２０のいずれか１項に記載の電磁波検出器。

（付記２２）
付記１～２１のいずれか１項に記載の前記電磁波検出器を複数備えた、電磁波検出器アレイ。

（付記２３）
前記電磁波検出器は、読み出し回路を含む、付記２２に記載の電磁波検出器アレイ。

１二次元材料層、２ａ第１電極部、２ｂ第２電極部、２ｃ接続導電体、２ｄフローティング電極、２ｅ共通電極、３絶縁膜、４半導体層、４ａ第１半導体部、４ｂ第２半導体部、５熱電材料層、５ａ第１熱電材料層、５ｂ第２熱電材料層、６相転移材料層、７トンネル絶縁層、９吸熱材料または冷却材料、１０基板、１１絶縁層、１２バンプ、１３読み出し回路、１４中空、１００電磁波検出器、２００電磁波検出器アレイ、ＧＰ空隙、ＨＡ熱吸収層、ＯＰ開口部、ＵＰ凹凸部。

Claims

熱電材料層と相転移材料層とを含む熱吸収層と、
前記熱吸収層上の一部に配置された絶縁膜と、
前記熱吸収層および前記絶縁膜上に配置され、前記熱吸収層と電気的に接続された二次元材料層と、
前記絶縁膜上に配置され、前記二次元材料層を介して前記熱吸収層と電気的に接続された第１電極部とを備え、
前記熱電材料層は、電磁波が照射されることで熱電変換が生じるように構成されており、
前記相転移材料層は、電磁波が照射されることで相転移を生じ抵抗が変化するように構成されており、
前記熱電材料層は、前記相転移材料層に電気的に接続されている、電磁波検出器。
前記熱電材料層は、ペルチェ効果により発熱する発熱部が前記相転移材料層に熱的に接触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。
前記相転移材料層は、電磁波が照射されることにより前記相転移材料層の抵抗値が低下するように構成されており、
前記熱電材料層は、前記相転移材料層から前記熱電材料層に電荷が注入されることにより前記熱電材料層に電流が流れるように構成されている、請求項２に記載の電磁波検出器。
半導体層をさらに備え、
前記熱吸収層は、前記半導体層上に配置されている、請求項３に記載の電磁波検出器。
半導体層をさらに備え、
前記半導体層は、前記二次元材料層と前記熱吸収層との間に配置されている、請求項３に記載の電磁波検出器。
第２電極部をさらに備え、
前記第２電極部は、前記熱吸収層または前記半導体層と電気的に接続されている、請求項４に記載の電磁波検出器。
前記二次元材料層の下に空隙が設けられている、請求項１に記載の電磁波検出器。
前記熱吸収層の下に空隙が設けられている、請求項１に記載の電磁波検出器。
前記第１電極部は、第１部と、前記第１部から離れて配置された第２部とを含み、
前記第１部は、前記二次元材料層の一端に接続されており、かつソース電極を構成しており、
前記第２部は、前記二次元材料層の他端に接続されており、かつドレイン電極を構成している、請求項１に記載の電磁波検出器。
トンネル絶縁層をさらに備え、
前記トンネル絶縁層は、前記二次元材料層と前記熱吸収層との間に挟み込まれている、請求項１に記載の電磁波検出器。
トンネル絶縁層をさらに備え、
前記トンネル絶縁層は、前記二次元材料層と前記半導体層との間に挟み込まれている、請求項５に記載の電磁波検出器。
接続導電体をさらに備え、
前記二次元材料層は、前記接続導電体を介して前記熱吸収層に電気的に接続されている、請求項１に記載の電磁波検出器。
接続導電体をさらに備え、
前記二次元材料層は、前記接続導電体を介して前記半導体層に電気的に接続されている、請求項５に記載の電磁波検出器。
前記半導体層は、第１半導体部と、前記第１半導体部とは異なる導電型を有する第２半導体部とを含み、
前記第１半導体部は、前記第２半導体部に接合されている、請求項４に記載の電磁波検出器。
前記熱吸収層の表面に複数の凹凸部が設けられている、請求項１に記載の電磁波検出器。
前記熱吸収層の表面に表面プラズモン共鳴の生じるパターンが設けられている、請求項１５に記載の電磁波検出器。
前記熱吸収層は、吸熱材料または冷却材料を含み、
前記吸熱材料または前記冷却材料は、前記熱吸収層の表面に設けられている、請求項１に記載の電磁波検出器。
前記熱電材料層は、第１熱電材料層と、前記第１熱電材料層とは異なる導電型を有する第２熱電材料層とを含み、
前記第１熱電材料層は、前記第２熱電材料層に電気的に接続されている、請求項１に記載の電磁波検出器。
前記第１熱電材料層および前記第２熱電材料層は、２個以上複数設けられている、請求項１８に記載の電磁波検出器。
前記熱電材料層は、ビスマス－テルル系熱電半導体材料、テルライド系熱電半導体材料およびシリコン－ゲルマニウム系熱電半導体材料の少なくともいずれかを含む、請求項１に記載の電磁波検出器。
前記二次元材料層は、単層グラフェン、多層グラフェン、乱層積層グラフェン、または複数の二次元材料層からなり、これらの群より２種類以上選択された多層構造である、請求項１に記載の電磁波検出器。
共通電極をさらに備え、
前記共通電極は、前記熱吸収層と前記半導体層との間に配置されている、請求項５に記載の電磁波検出器。
前記半導体層は、第１半導体部と、前記第１半導体部とは異なる導電型を有する第２半導体部とを含み、検出波長に感度を有するフォトダイオードであり、
前記第１半導体部は、前記第２半導体部に接合されている、請求項５に記載の電磁波検出器。
請求項１～２３のいずれか１項に記載の前記電磁波検出器を複数備えた、電磁波検出器アレイ。
前記電磁波検出器は、読み出し回路を含む、請求項２４に記載の電磁波検出器アレイ。