JP7477766B2

JP7477766B2 - Photodetector

Info

Publication number: JP7477766B2
Application number: JP2020161229A
Authority: JP
Inventors: 裕泰山下
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2024-05-02
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: JP2022054180A

Description

本発明は、光検出装置に関する。 The present invention relates to a light detection device.

光照射によってグラフェンに発生する電圧等を検出する光検出器（以下、グラフェン光検出器と呼ぶ）が注目されている。グラフェンは、炭素原子が２次元ハニカム状に配列された材料であり、特徴的な物性を有する。 Photodetectors that detect voltages generated in graphene when exposed to light (hereafter referred to as graphene photodetectors) have attracted attention. Graphene is a material in which carbon atoms are arranged in a two-dimensional honeycomb pattern, and has unique physical properties.

例えばグラフェンは、小さな熱容量と大きな熱電効果とを有する。従って、赤外線やテラヘルツ光がグラフェンに照射されると、グラフェンの温度は大きく上昇しその結果、大きな熱起電力が発生する。グラフェン光検出器は、これらの特徴を利用した光検出器である（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。 For example, graphene has a small heat capacity and a large thermoelectric effect. Therefore, when infrared or terahertz light is irradiated onto graphene, the temperature of the graphene rises significantly, resulting in the generation of a large thermoelectric power. A graphene photodetector is a photodetector that takes advantage of these characteristics (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

グラフェンとグラフェンに対向する２つのバックゲートとを有するグラフェン光検出器（以下、２バックゲート光検出器と呼ぶ）により、グラフェンによる光検出が実証されている（例えば、非特許文献１参照）。２つのバックゲートに別々の電圧が印加されると、グラフェンに非対称なキャリア分布が形成される。ゼーベック係数はキャリア密度に依存するので、非対称なキャリア分布が形成されたグラフェンに赤外光等が照射されて温度が上昇すると、熱起電力が発生する。２バックゲート光検出器は、この熱起電力を検出する。なお非対称なキャリア分布とは、多数キャリアのタイプおよび／または密度が均一でないことを意味する。 Light detection using graphene has been demonstrated by a graphene photodetector (hereafter referred to as a two-backgate photodetector) that has graphene and two backgates facing the graphene (see, for example, Non-Patent Document 1). When different voltages are applied to the two backgates, an asymmetric carrier distribution is formed in the graphene. Since the Seebeck coefficient depends on the carrier density, when graphene with an asymmetric carrier distribution is irradiated with infrared light or the like and the temperature rises, a thermoelectromotive force is generated. The two-backgate photodetector detects this thermoelectromotive force. Note that an asymmetric carrier distribution means that the type and/or density of the majority carriers are not uniform.

非対称なキャリア分布は、グラフェンの隣接する領域に互いに異なる異種物質を付着させることでも実現できる（例えば、特許文献１参照）。しかし、互いに異なる異種物質がグラフェンに付着されたグラフェン光検出器を製造することは容易ではない。２バックゲート光検出器には、この様な問題はない。 Asymmetric carrier distribution can also be achieved by attaching different substances to adjacent regions of graphene (see, for example, Patent Document 1). However, it is not easy to manufacture a graphene photodetector in which different substances are attached to graphene. The two-backgate photodetector does not have this problem.

グラフェンの物性に関しては、グラフェンに孔を設けることで、ゼロギャップ半導体であるグラフェンにバンドギャップを設ける技術が報告されている（例えば、特許文献１参照）。テラヘルツ光を検出する検出器に関しては、３次元多孔質グラフェンを受光層として用いることで感度が向上したデバイスが報告されている（例えば、特許文献２参照）。 Regarding the physical properties of graphene, a technology has been reported in which holes are provided in graphene to provide a band gap in graphene, which is a zero-gap semiconductor (see, for example, Patent Document 1). Regarding detectors that detect terahertz light, devices have been reported that use three-dimensional porous graphene as a light-receiving layer to improve sensitivity (see, for example, Patent Document 2).

再表２０１３／０１８１５３号公報Republished Publication No. 2013/018153 特開２０１８－３７６１７号公報JP 2018-37617 A

Kei Kinoshita et al., Applied Physics Letters 113, 103102 (2018)Kei Kinoshita et al., Applied Physics Letters 113, 103102 (2018)

２バックゲート光検出器は、互いに異なる異種物質のグラフェンへの付着という複雑な工程を経ずに製造できるデバイスである。しかし２バックゲート光検出器には、構造が複雑であるという問題がある。 The two-back-gate photodetector is a device that can be manufactured without going through the complicated process of attaching different materials to graphene. However, the two-back-gate photodetector has the problem of being complex in structure.

２バックゲート光検出器には更に、２つのバックゲートに互いに異なる電圧が印加されるので、周辺回路も複雑であるという問題がある。これらの問題は、２つのバックゲートに別々の電圧を印加するという２バックゲート光検出器の基本動作に関わっている。 Two-back-gate photodetectors also have the problem that the peripheral circuitry is complicated because different voltages are applied to the two back gates. These problems are related to the basic operation of the two-back-gate photodetector, which is to apply separate voltages to the two back gates.

そこで本発明は、このような問題を解決することを課題とする。 Therefore, the objective of this invention is to solve these problems.

一つの実施の形態では、光検出装置は、孔が設けられた第１領域が一端側に配置され前記第１領域とは異なる第２領域が他端側に配置された受光領域を含むグラフェンと前記受光領域に対向するゲート電極とを有し、前記受光領域に照射される光に応答して電気信号を出力する光センサと、前記受光領域と前記ゲート電極との間に、ゲート電圧を印加するゲート電圧印加回路とを有し、前記第１領域のうち孔以外の領域の面積と前記第１領域の面積の比は、前記第２領域のうち孔以外の領域の面積と前記第２領域の面積の比より小さく、前記ゲート電圧は前記電気信号の強度と前記光の強度の比が、特定の値になるように設定されている。 In one embodiment, the photodetector includes graphene including a light receiving region in which a first region having a hole is arranged at one end and a second region different from the first region is arranged at the other end, a gate electrode facing the light receiving region, an optical sensor that outputs an electrical signal in response to light irradiated to the light receiving region, and a gate voltage application circuit that applies a gate voltage between the light receiving region and the gate electrode, the ratio of the area of the first region other than the holes to the area of the first region being smaller than the ratio of the area of the second region other than the holes to the area of the second region, and the gate voltage is set so that the ratio of the intensity of the electrical signal to the intensity of the light is a specific value.

一つの側面では、本発明によれば、一つのバックゲートに一つの電圧を印加するだけで、光の検出が可能なグラフェン光検出装置（すなわち、光をグラフェンで光電変換する光検出装置）を提供できる。 In one aspect, the present invention provides a graphene photodetector (i.e., a photodetector that converts light into electricity using graphene) that can detect light simply by applying one voltage to one backgate.

図１は、実施の形態１の光検出装置２の一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of a photodetector 2 according to the first embodiment. 図２は、光センサ４の一例を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing an example of the optical sensor 4. As shown in FIG. 図３は、受光領域１０の一例を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing an example of the light receiving region 10. As shown in FIG. 図４は、不純物のドーピングや異種物質の付着がされていないグラフェンのエネルギーバンド構造を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the energy band structure of graphene that is not doped with impurities or has a foreign substance attached thereto. 図５は、実施の形態１における受光領域１０の導電型を説明する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating the conductivity type of the light receiving region 10 in the first embodiment. 図６は、特定の波長（例えば、８μｍ）の光を受光領域１０に照射した時の光検出装置２の感度Ｒ１とゲート電圧Ｖｇとの関係の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of the relationship between the sensitivity R1 and the gate voltage Vg of the photodetector 2 when light of a specific wavelength (for example, 8 μm) is irradiated onto the light-receiving region 10. In FIG. 図７は、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂに誘起される電子３４の密度を説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating the density of electrons 34 induced in the first region 16a and the second region 16b. 図８は、実施の形態１の光センサ４の製造方法の一例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing an example of a method for manufacturing the optical sensor 4 according to the first embodiment. 図９は、実施の形態１の光センサ４の製造方法の一例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing an example of a method for manufacturing the optical sensor 4 according to the first embodiment. 図１０は、ゲート電極を２つ備えた光センサ１０４を有する光検出装置１０２の構造の一例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing an example of the structure of a photodetection device 102 having a photosensor 104 with two gate electrodes. 図１１は、第１領域１６ａの変形例２１６ａを説明する図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a modified example 216a of the first region 16a. 図１２は、実施の形態２の光検出装置２０２の一例を示す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a photodetector 202 according to the second embodiment. 図１３は、実施の形態２における受光領域１０の導電型を説明する図である。FIG. 13 is a diagram illustrating the conductivity type of the light receiving region 10 in the second embodiment. 図１４は、特定の波長の光を受光領域１０に照射した時の光検出装置２０２の感度Ｒ２とゲート電圧Ｖｇとの関係の一例を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing an example of the relationship between the sensitivity R2 and the gate voltage Vg of the photodetector 202 when light of a specific wavelength is irradiated onto the light-receiving region 10. In FIG.

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。図面が異なっても同じ構造を有する部分等には同一の符号を付し、その説明を省略する。 Below, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the matters described in the claims and their equivalents. Parts having the same structure in different drawings will be given the same reference numerals, and their description will be omitted.

（実施の形態１）
（１）構造
図１は、実施の形態１の光検出装置２の一例を示す図である。図１に示すように、実施の形態１の光検出装置２は、光センサ４と、ゲート電圧印加回路６と、電気信号検出回路８とを有する。 (Embodiment 1)
(1) Structure Fig. 1 is a diagram showing an example of a photodetector 2 according to embodiment 1. As shown in Fig. 1, the photodetector 2 according to embodiment 1 has a photosensor 4, a gate voltage application circuit 6, and an electric signal detection circuit 8.

―光センサ４―
図２は、光センサ４の一例を示す斜視図である。図２には、光センサ４のうちグラフェン１２（図１参照）の近傍が示されている。 -Optical sensor 4-
Fig. 2 is a perspective view showing an example of the optical sensor 4. Fig. 2 shows the vicinity of the graphene 12 (see Fig. 1) of the optical sensor 4.

光センサ４は、光が照射される領域１０（以下、受光領域と呼ぶ）と、受光領域１０の一端Ｅ１（図１参照）に接する第１接続領域１５ａと、受光領域１０の他端Ｅ２に接する第２接続領域１５ｂとを含むグラフェン１２を有する。光センサ４は、受光領域１０に照射される光に応答して電気信号を出力するデバイスである。 The optical sensor 4 has a graphene 12 including an area 10 where light is irradiated (hereinafter referred to as a light receiving area), a first connection area 15a that contacts one end E1 of the light receiving area 10 (see FIG. 1), and a second connection area 15b that contacts the other end E2 of the light receiving area 10. The optical sensor 4 is a device that outputs an electrical signal in response to light irradiated to the light receiving area 10.

光センサ４は更に、第１接続領域１５ａに接続された第１電極１１ａと、第２接続領域１５ｂに接続された第２電極１１ｂとを有する。光センサ４は更に、受光領域１０に対向するゲート電極５を有する。ゲート電極５は例えば、導電性のシリコン基板７（すなわち、ｎ⁺シリコン基板またはｐ⁺シリコン基板）である。 The optical sensor 4 further includes a first electrode 11a connected to the first connection region 15a and a second electrode 11b connected to the second connection region 15b. The optical sensor 4 further includes a gate electrode 5 facing the light receiving region 10. The gate electrode 5 is, for example, a conductive silicon substrate 7 (i.e., an n ⁺ silicon substrate or a p ⁺ silicon substrate).

光センサ４は更に、シリコン基板７上に配置されグラフェン１２を支持するＳｉＯ_２膜９を有する。光センサ４は更に、シリコン基板７に接続された基板電極１３（図１参照）を有する。 The optical sensor 4 further comprises a _SiO2 film 9 disposed on the silicon substrate 7 and supporting the graphene 12. The optical sensor 4 further comprises a substrate electrode 13 (see FIG. 1) connected to the silicon substrate 7.

図３は、受光領域１０の一例を示す平面図である。受光領域１０の一端Ｅ１側には、孔１４が設けられた第１領域１６ａが配置される。受光領域１０の他端Ｅ２側には、第１領域１６ａとは異なる第２領域１６ｂが配置される。第１領域１６ａのフィルファクタは、第２領域１６ｂのフィルファクタより小さい。 Figure 3 is a plan view showing an example of the light receiving region 10. A first region 16a having a hole 14 is arranged on one end E1 side of the light receiving region 10. A second region 16b different from the first region 16a is arranged on the other end E2 side of the light receiving region 10. The fill factor of the first region 16a is smaller than the fill factor of the second region 16b.

ある領域Ａ（例えば、第１領域１６ａ）のフィルファクタとは、領域Ａのうち孔以外の領域の面積Ｓ１と領域Ａの面積Ｓ２の比（＝Ｓ１／Ｓ２）である。従って第１領域１６ａのフィルファクタは、第１領域１６ａのうち炭素原子で満たされた領域３（以下、充填領域と呼ぶ）の面積Ｓ１と第１領域１６ａの面積Ｓ２の比（＝Ｓ１／Ｓ２）である。第１領域１６ａの面積Ｓ２は、第１領域１６ａの外周の内側全体の面積である。図３に示す例では、第１領域１６ａのフィルファクタは略０．５である。 The fill factor of a certain region A (for example, the first region 16a) is the ratio (=S1/S2) of the area S1 of the region A other than the holes to the area S2 of the region A. Therefore, the fill factor of the first region 16a is the ratio (=S1/S2) of the area S1 of the region 3 filled with carbon atoms (hereinafter referred to as the filled region) of the first region 16a to the area S2 of the first region 16a. The area S2 of the first region 16a is the entire area inside the periphery of the first region 16a. In the example shown in FIG. 3, the fill factor of the first region 16a is approximately 0.5.

第２領域１６ｂのフィルファクタについても同様である。図３に示す例では、第２領域１６ｂに孔は設けられていないので、第２領域１６ｂのフィルファクタは１である。 The same applies to the fill factor of the second region 16b. In the example shown in FIG. 3, the second region 16b has no holes, so the fill factor of the second region 16b is 1.

―ゲート電圧印加回路６―
ゲート電圧印加回路６（図１参照）は、受光領域１０とゲート電極５との間に、ゲート電圧Ｖｇを印加する回路である。光検出装置２のゲート電圧Ｖｇは、一定の電圧Ｖ１（例えば、３Ｖ）である。電圧Ｖ１の詳細については、「（２）動作」で説明される。 -Gate voltage application circuit 6-
The gate voltage application circuit 6 (see FIG. 1) is a circuit that applies a gate voltage Vg between the light receiving region 10 and the gate electrode 5. The gate voltage Vg of the photodetector 2 is a constant voltage V1 (e.g., 3 V). Details of the voltage V1 will be described in "(2) Operation".

図１に示す例ではゲート電圧印加回路６は、基板電極１３と第２電極１１ｂとに接続され電圧Ｖ１を出力する定電圧源１７を有する。ゲート電圧Ｖｇ（すなわち、電圧Ｖ１）は、基板電極１３と第２電極１１ｂとを介して受光領域１０とゲート電極５との間に印加される。 In the example shown in FIG. 1, the gate voltage application circuit 6 has a constant voltage source 17 that is connected to the substrate electrode 13 and the second electrode 11b and outputs a voltage V1. The gate voltage Vg (i.e., voltage V1) is applied between the light receiving region 10 and the gate electrode 5 via the substrate electrode 13 and the second electrode 11b.

受光領域１０の導電型は、受光領域１０とゲート電極５との間にいかなる電圧も印加されない場合にはｐ型（またはｎ型）である。受光領域１０とゲート電極５との間への電圧Ｖ１の印加により、第１領域１６ａの導電型が反転し、第２領域１６ｂの導電型は維持される。 The conductivity type of the light-receiving region 10 is p-type (or n-type) when no voltage is applied between the light-receiving region 10 and the gate electrode 5. Application of voltage V1 between the light-receiving region 10 and the gate electrode 5 inverts the conductivity type of the first region 16a and maintains the conductivity type of the second region 16b.

―電気信号検出回路８―
電気信号検出回路８（図１参照）は、受光領域１０に照射される光（例えば、可視光、赤外線またはテラヘルツ光）に応答して光センサ４が出力する電気信号を検出する回路である。 - Electrical signal detection circuit 8 -
The electrical signal detection circuit 8 (see FIG. 1) is a circuit that detects an electrical signal output by the optical sensor 4 in response to light (for example, visible light, infrared light, or terahertz light) irradiated onto the light receiving region 10 .

実施の形態１の電気信号検出回路８は、受光領域１０の両端Ｅ１，Ｅ２に電圧Ｖbiasを印加しながら、受光領域１０に流れる電流Ｉを検出する電流検出回路１９である。電流検出回路１９は例えば、受光領域１０に電圧Ｖbiasを印加する定電圧源１８と、定電圧源１８に接続された電流計２０とを有する。電流検出回路１９の一端は、第１電極１１ａに接続され他端は第２電極１１ｂに接続される。 The electrical signal detection circuit 8 in the first embodiment is a current detection circuit 19 that detects a current I flowing through the light receiving region 10 while applying a voltage Vbias to both ends E1, E2 of the light receiving region 10. The current detection circuit 19 has, for example, a constant voltage source 18 that applies a voltage Vbias to the light receiving region 10, and an ammeter 20 connected to the constant voltage source 18. One end of the current detection circuit 19 is connected to the first electrode 11a, and the other end is connected to the second electrode 11b.

電圧Ｖbiasは、第１～第２領域１６ａ，１６ｂの一方であって受光領域１０とゲート電極５との間に電圧Ｖ１が印加されている間の導電型がｎ型である領域の電位を、第１～第２領域１６ａ，１６ｂの他方の電位より高くする電圧である。第１～第２領域１６ａ，１６ｂの導電型については、「（２）動作」で説明される。電圧Ｖbiasは、受光領域１０に形成されるｐｎ接合（「（２）動作」参照）に印加される逆バイアス電圧である。 The voltage Vbias is a voltage that makes the potential of one of the first and second regions 16a and 16b, which has n-type conductivity while voltage V1 is applied between the light-receiving region 10 and the gate electrode 5, higher than the potential of the other of the first and second regions 16a and 16b. The conductivity types of the first and second regions 16a and 16b are explained in "(2) Operation." The voltage Vbias is a reverse bias voltage that is applied to the pn junction (see "(2) Operation") formed in the light-receiving region 10.

光センサ４が出力する電気信号は、受光領域１０とゲート電極５との間に電圧Ｖ１が印加されている間に電流検出回路１９が検出する電流Ｉ（すなわち、逆バイアスされた受光領域１０への光照射により受光領域１０に流れる電流）である。 The electrical signal output by the optical sensor 4 is the current I detected by the current detection circuit 19 while the voltage V1 is applied between the light receiving region 10 and the gate electrode 5 (i.e., the current flowing through the light receiving region 10 due to the irradiation of the reverse-biased light receiving region 10 with light).

（２）動作
図４は、不純物のドーピングや異種物質の付着がされていないグラフェンのエネルギーバンド構造を示す図である。ｋ_ｘ軸２２は、ｘ軸方向の波数ｋ_ｘを示している。ｋ_ｙ軸２４は、ｙ軸方向の波数ｋ_ｙを示している。エネルギー軸２６は、電子のエネルギーＥを示している。 (2) Operation Figure 4 shows the energy band structure of graphene that is not doped with impurities or has foreign substances attached. The _{k x-} axis 22 shows the wave number k _x in the x-axis direction. The _{k y-} axis 24 shows the wave number k _y in the y-axis direction. The energy axis 26 shows the energy E of the electron.

図４に示すように、グラフェンの価電子帯２８と伝導帯３０とは、Ｋ点３２で接している。このため、グラフェンはゼロギャップ半導体と呼ばれることがある。グラフェンにおけるＫ点３２は、ディラック点（すなわち、バンドが縮退している点）である。 As shown in FIG. 4, the valence band 28 and conduction band 30 of graphene meet at the K point 32. For this reason, graphene is sometimes called a zero-gap semiconductor. The K point 32 in graphene is the Dirac point (i.e., the point where the bands are degenerate).

図５は、実施の形態１における受光領域１０の導電型を説明する図である。図５には、受光領域１０のエネルギーバンドの一例が示されている。図５に示された例では、受光領域１０の導電型は、受光領域１０とゲート電極５との間にいかなる電圧も印加されていない時はｐ型である。説明が煩雑にならないよう、図５の説明では電子の熱エネルギーは無視されている（後述する図１３についても同様）。 Figure 5 is a diagram explaining the conductivity type of the light-receiving region 10 in embodiment 1. Figure 5 shows an example of the energy band of the light-receiving region 10. In the example shown in Figure 5, the conductivity type of the light-receiving region 10 is p-type when no voltage is applied between the light-receiving region 10 and the gate electrode 5. To avoid complicating the explanation, the thermal energy of electrons is ignored in the explanation of Figure 5 (the same applies to Figure 13 described later).

以後の説明では、「受光領域１０とゲート電極５との間に」は、「ゲート電極５に」と略される。従って例えば、「受光領域１０とゲート電極５との間にいかなる電圧も印加されていない時」は、「ゲート電極５にいかなる電圧も印加されていない時」と略される。同様に「受光領域１０とゲート電極５との間への」は、「ゲート電極５への」と略される。 In the following explanation, "between the light-receiving region 10 and the gate electrode 5" is abbreviated to "to the gate electrode 5." Therefore, for example, "when no voltage is applied between the light-receiving region 10 and the gate electrode 5" is abbreviated to "when no voltage is applied to the gate electrode 5." Similarly, "between the light-receiving region 10 and the gate electrode 5" is abbreviated to "to the gate electrode 5."

図５（ａ）には、ゲート電極５にいかなる電圧も印加されていない時の受光領域１０のエネルギーバンドの一例が示されている。ゲート電極５にいかなる電圧も印加されていない時、受光領域１０の価電子帯２８（図５（ａ）参照）は、エネルギーＥ_０まで電子で満たされ、エネルギーＥ_０から価電子帯の頂上（すなわち、Ｋ点）までは正孔で満たされている。すなわち、ゲート電極５にいかなる電圧も印加されていない時、受光領域１０の導電型はｐ型である。 5A shows an example of the energy band of the light-receiving region 10 when no voltage is applied to the gate electrode 5. When no voltage is applied to the gate electrode 5, the valence band 28 (see FIG. 5A) of the light-receiving region 10 is filled with electrons up to energy _E0 , and is filled with holes from energy _E0 to the top of the valence band (i.e., point K). That is, when no voltage is applied to the gate electrode 5, the conductivity type of the light-receiving region 10 is p-type.

図５（ｂ）には、ゲート電極５に電圧Ｖ１（すなわち、実施の形態１のゲート電圧Ｖｇ）が印加された時の第１領域１６ａのエネルギーバンドが示されている。図５（ｃ）には、ゲート電極５に電圧Ｖ１が印加された時の第２領域１６ｂのエネルギーバンドが示されている。 Figure 5(b) shows the energy band of the first region 16a when a voltage V1 (i.e., the gate voltage Vg in embodiment 1) is applied to the gate electrode 5. Figure 5(c) shows the energy band of the second region 16b when a voltage V1 is applied to the gate electrode 5.

図５（ｂ）～（ｃ）に示された例では、電圧Ｖ１は、受光領域１０の電位をゲート電極５の電位より低くする電圧である。このためゲート電極５に電圧Ｖ１が印加されると、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂには電子が誘起される。 In the example shown in Figures 5(b) to (c), voltage V1 is a voltage that makes the potential of the light-receiving region 10 lower than the potential of the gate electrode 5. Therefore, when voltage V1 is applied to the gate electrode 5, electrons are induced in the first region 16a and the second region 16b.

この際、フィルファクタが低い第１領域１６ａの充填領域３（図３参照）には、第２領域１６ｂの電子密度より高密度の電子が誘起される（下記「―非対称なキャリア誘起―」参照）。その結果、第１領域１６ａの価電子帯２８は誘起された電子で満たされ、価電子帯２８に入れなった電子が第１領域１６ａの伝導帯３０の底を満たす（図５（ｂ）参照）。従って第１領域１６ａの導電型は、ゲート電極５への電圧Ｖ１の印加により反転してｎ型になる。 At this time, electrons with a higher density than that of the second region 16b are induced in the filling region 3 (see FIG. 3) of the first region 16a, which has a low fill factor (see "Asymmetric carrier induction" below). As a result, the valence band 28 of the first region 16a is filled with the induced electrons, and the electrons that do not enter the valence band 28 fill the bottom of the conduction band 30 of the first region 16a (see FIG. 5(b)). Therefore, the conductivity type of the first region 16a is inverted to n-type by application of voltage V1 to the gate electrode 5.

一方、ゲート電極５に電圧Ｖ１が印加されても、第２領域１６ｂには伝導帯３０を満たすのに十分な電子は誘起されず、第２領域１６ｂの導電型はｐ型に維持される（図５（ｃ）参照）。従って受光領域１０には、ゲート電極５への電圧Ｖ１の印加によりｐｎ接合が発生する。受光領域１０に発生したｐｎ接合は例えば、走査型プローブ顕微鏡により検出することができる。 On the other hand, even if a voltage V1 is applied to the gate electrode 5, sufficient electrons are not induced in the second region 16b to fill the conduction band 30, and the conductivity type of the second region 16b remains p-type (see FIG. 5(c)). Therefore, a pn junction is generated in the light-receiving region 10 by applying a voltage V1 to the gate electrode 5. The pn junction generated in the light-receiving region 10 can be detected, for example, by a scanning probe microscope.

付言するならば、第２領域１６ｂでは、ゲート電極５への電圧Ｖ１の印加により、価電子帯２８内の電子のエネルギーの最大値が、Ｅ_０からＥ_２（図５（ｃ）参照）に上昇する。従って第２領域１６ｂの正孔密度は、ゲート電極５への電圧Ｖ１の印加により低下する。 In addition, in the second region 16b, the maximum value of the energy of electrons in the valence band 28 increases from _E0 to _E2 (see FIG. 5C) due to application of the voltage V1 to the gate electrode 5. Therefore, the hole density in the second region 16b decreases due to application of the voltage V1 to the gate electrode 5.

―光電流の発生―
受光領域１０に電圧Ｖbias（すなわち、逆バイアス電圧）が印加されると、受光領域１０に発生するｐｎ接合の空乏層は広がる。広がった空乏層に光が照射されると、電子-正孔対が発生する。発生した電子-正孔対は、空乏層内の電界により電子と正孔とに分離される。分離された電子と正孔は、空乏層内の電界により、電子の流れと正孔の流れとになる。この電子の流れと正孔の流れの束が、光照射によって受光領域１０に流れる電流（以下、光電流と呼ぶ）である。 --Generation of photocurrent--
When a voltage Vbias (i.e., a reverse bias voltage) is applied to the light-receiving region 10, the depletion layer of the pn junction generated in the light-receiving region 10 expands. When the expanded depletion layer is irradiated with light, electron-hole pairs are generated. The generated electron-hole pairs are separated into electrons and holes by the electric field in the depletion layer. The separated electrons and holes become a flow of electrons and a flow of holes due to the electric field in the depletion layer. This flux of electron flow and hole flow is the current (hereinafter referred to as photocurrent) that flows in the light-receiving region 10 due to light irradiation.

受光領域１０に流れる光電流は、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとを介して受光領域１０から出力され、電流検出回路１９の電流計２０（図１参照）により検出される。光センサ４が出力する電気信号は、受光領域１０とゲート電極５との間に電圧Ｖ１が印加され受光領域１０に電圧Ｖbiasが印加されている間に、光照射により受光領域１０に流れる光電流である。 The photocurrent flowing through the light-receiving region 10 is output from the light-receiving region 10 via the first electrode 11a and the second electrode 11b, and is detected by the ammeter 20 (see FIG. 1) of the current detection circuit 19. The electrical signal output by the optical sensor 4 is the photocurrent flowing through the light-receiving region 10 due to light irradiation while the voltage V1 is applied between the light-receiving region 10 and the gate electrode 5 and the voltage Vbias is applied to the light-receiving region 10.

―感度―
図６は、特定の波長（例えば、８μｍ）の光を受光領域１０に照射した時の光検出装置２の感度Ｒ１とゲート電圧Ｖｇとの関係の一例を示す図である。横軸は、ゲート電圧Ｖｇである。縦軸は、光検出装置２の感度Ｒ１である。光検出装置２の感度とは、受光領域１０に照射される光に応答して光センサ４が出力する電気信号（実施の形態１では光電流）の強度Ａと受光領域１０に照射される光の強度（所謂、光パワー）Ｂの比（＝Ａ／Ｂ）である。図６に示すように、感度Ｒ１は正および負いずれの値にもなり得る。 -sensitivity-
6 is a diagram showing an example of the relationship between the sensitivity R1 and the gate voltage Vg of the photodetector 2 when light of a specific wavelength (e.g., 8 μm) is irradiated to the light receiving region 10. The horizontal axis is the gate voltage Vg. The vertical axis is the sensitivity R1 of the photodetector 2. The sensitivity of the photodetector 2 is the ratio (=A/B) of the intensity A of the electrical signal (photocurrent in the first embodiment) output by the optical sensor 4 in response to the light irradiated to the light receiving region 10 to the intensity B of the light irradiated to the light receiving region 10 (so-called optical power). As shown in FIG. 6, the sensitivity R1 can be either a positive or negative value.

光検出装置２の感度Ｒ１の正負は、電気信号検出回路８に流れる電流の正負によって決まる。例えば電流が負の場合、感度も負になる。電流の正負は（電流の）正方向の定義によって決まるので、光検出装置２の感度の正負は便宜的である。実施の形態２の光検出装置２０２の感度についても同様である。 The positive or negative sensitivity R1 of the photodetector 2 is determined by the positive or negative current flowing through the electrical signal detection circuit 8. For example, if the current is negative, the sensitivity is also negative. Since the positive or negative current is determined by the definition of the positive direction (of the current), the positive or negative sensitivity of the photodetector 2 is a matter of convenience. The same is true for the sensitivity of the photodetector 202 of embodiment 2.

ゲート電圧Ｖｇ（ここでは、受光領域１０に対するゲート電極５の電位）が小さい領域Iでは、受光領域１０の第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂの導電型は反転しないので、受光領域１０にはｐｎ接合は形成されない。このため、光検出装置２の感度は略ゼロである。一方、ゲート電圧Ｖｇが大き過ぎる領域IIIでは、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂ両方の導電型が反転するので、受光領域１０にはｐｎ接合は形成されない。従って領域IIIでも、光検出装置２の感度は略ゼロである。 In region I, where the gate voltage Vg (here, the potential of the gate electrode 5 relative to the light-receiving region 10) is small, the conductivity type of the first region 16a and the second region 16b of the light-receiving region 10 is not inverted, so no pn junction is formed in the light-receiving region 10. Therefore, the sensitivity of the photodetector 2 is approximately zero. On the other hand, in region III, where the gate voltage Vg is too large, the conductivity type of both the first region 16a and the second region 16b is inverted, so no pn junction is formed in the light-receiving region 10. Therefore, even in region III, the sensitivity of the photodetector 2 is approximately zero.

ゲート電圧Ｖｇが小さ過ぎず且つ大き過ぎない領域IIでは、第１領域１６ａのみの導電型が反転するので、受光領域１０にｐｎ接合が形成される。すると、光検出装置２の感度は増大し、ゲート電圧Ｖｇと感度Ｒ１の関係を示す曲線３５に、大きなピーク３６が現れる。 In region II, where the gate voltage Vg is neither too small nor too large, the conductivity type of only the first region 16a is inverted, forming a pn junction in the light receiving region 10. This increases the sensitivity of the photodetector 2, and a large peak 36 appears on the curve 35 showing the relationship between the gate voltage Vg and the sensitivity R1.

感度Ｒ１のピーク値Ｐ１（すなわち、感度Ｒ１のうち絶対値が最大の感度）は、ゲート電圧Ｖｇだけでなく受光領域１０に印加される電圧Ｖbiasにも依存する。電圧Ｖbiasが１Ｖの場合、感度Ｒ１のピーク値Ｐ１は例えば、１ｍＡ／Ｗである。 The peak value P1 of the sensitivity R1 (i.e., the sensitivity R1 with the maximum absolute value) depends not only on the gate voltage Vg but also on the voltage Vbias applied to the light receiving region 10. When the voltage Vbias is 1 V, the peak value P1 of the sensitivity R1 is, for example, 1 mA/W.

実施の形態１のゲート電圧Ｖｇは、光検出装置２の感度Ｒ１（図６参照）が特定の値（以下、目標感度と呼ぶ）になるように設定された電圧Ｖ１である。電圧Ｖ１は、変更可能な電圧であっても良い。すなわち、ゲート電圧印加回路６の定電圧源１７は、可変電圧源であっても良い。 The gate voltage Vg in the first embodiment is a voltage V1 that is set so that the sensitivity R1 (see FIG. 6) of the photodetector 2 becomes a specific value (hereinafter referred to as the target sensitivity). The voltage V1 may be a changeable voltage. In other words, the constant voltage source 17 of the gate voltage application circuit 6 may be a variable voltage source.

感度Ｒ１のピーク値Ｐ１が正の値の場合、目標感度は好ましくは、感度Ｒ１のピーク値Ｐ１の０．５倍以上である。更に好ましくは、目標感度は感度Ｒ１のピーク値Ｐ１の０．７倍以上である。最も好ましくは、目標感度は感度Ｒ１のピーク値Ｐ１の０．９倍以上（例えば、ピーク値Ｐ１）である。目標感度の上限は、感度Ｒ１のピーク値Ｐ１である。 When the peak value P1 of sensitivity R1 is a positive value, the target sensitivity is preferably 0.5 times or more the peak value P1 of sensitivity R1. More preferably, the target sensitivity is 0.7 times or more the peak value P1 of sensitivity R1. Most preferably, the target sensitivity is 0.9 times or more the peak value P1 of sensitivity R1 (e.g., peak value P1). The upper limit of the target sensitivity is the peak value P1 of sensitivity R1.

一方、感度Ｒ１のピーク値Ｐ１が負の値の場合には、目標感度は好ましくは、感度Ｒ１のピーク値Ｐ１の０．５倍以下である。更に好ましくは、目標感度は感度Ｒ１のピーク値Ｐ１の０．７倍以下である。最も好ましくは、目標感度は感度Ｒ１のピーク値Ｐ１の０．９倍以下（例えば、ピーク値Ｐ１）である。目標感度の下限は、感度Ｒ１のピーク値Ｐ１である。 On the other hand, when the peak value P1 of sensitivity R1 is a negative value, the target sensitivity is preferably 0.5 times or less the peak value P1 of sensitivity R1. More preferably, the target sensitivity is 0.7 times or less the peak value P1 of sensitivity R1. Most preferably, the target sensitivity is 0.9 times or less the peak value P1 of sensitivity R1 (e.g., peak value P1). The lower limit of the target sensitivity is the peak value P1 of sensitivity R1.

具体的には、目標感度の絶対値は好ましくは、０．５ｍＡ／Ｗ以上である。更に好ましくは目標感度の絶対値は、０．７ｍＡ／Ｗ以上である。最も好ましくは目標感度の絶対値は、０．９ｍＡ／Ｗ以上である。 Specifically, the absolute value of the target sensitivity is preferably 0.5 mA/W or more. More preferably, the absolute value of the target sensitivity is 0.7 mA/W or more. Most preferably, the absolute value of the target sensitivity is 0.9 mA/W or more.

なお、実施の形態２で説明するように、ゲート電極５にゲート電圧Ｖｇが印加されると、受光領域１０の第１領域１６ａのゼーベック係数と第２領域１６ｂのゼーベック係数は互いに乖離する。従って、光センサ４から出力される電気信号は、光熱電効果（すなわち、光吸収で発生する熱による熱電効果）により生じる電流を含んでいる。 As described in the second embodiment, when a gate voltage Vg is applied to the gate electrode 5, the Seebeck coefficient of the first region 16a of the light receiving region 10 and the Seebeck coefficient of the second region 16b diverge from each other. Therefore, the electrical signal output from the optical sensor 4 contains a current generated by the photothermoelectric effect (i.e., the thermoelectric effect caused by heat generated by light absorption).

しかし実施の形態１の光検出装置２では、受光領域１０に逆バイアス電圧Ｖbiasが印加され空乏層が広がるので、光起電力効果による光電流（すなわち、ｐｎ接合の内部電界により発生する光電流）が、多くの場合、光熱電効果による電流より支配的である。 However, in the photodetector 2 of embodiment 1, a reverse bias voltage Vbias is applied to the light receiving region 10, causing the depletion layer to expand, so that the photocurrent due to the photovoltaic effect (i.e., the photocurrent generated by the internal electric field of the pn junction) is often dominant over the current due to the photothermoelectric effect.

光熱電効果については、実施の形態２で説明される。 The photothermoelectric effect is explained in embodiment 2.

―非対称なキャリア誘起―
図７は、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂに誘起される電子３４の密度を説明する図である。ここでも受光領域１０の導電型は、受光領域１０とゲート電極５との間にいかなる電圧も印加されない時にはｐ型とする。 - Asymmetric carrier induction -
7 is a diagram for explaining the density of electrons 34 induced in the first region 16 a and the second region 16 b. Here, too, the conductivity type of the light-receiving region 10 is assumed to be p-type when no voltage is applied between the light-receiving region 10 and the gate electrode 5.

静電場に関するガウスの法則から明らかなように、あるゲート電圧Ｖｇにより第１領域１６ａに誘起される電子の数Ｎ_１は、式（１）で表される。 As is clear from Gauss's law regarding electrostatic fields, the number _N1 of electrons induced in the first region 16a by a certain gate voltage Vg is expressed by formula (1).

ここで、εはＳｉＯ_２膜９の誘電率である。eは素電荷である。Ｅ_ｎは、第１領域１６ａからゲート電極５に向かう電界ベクトルの成分のうち第１領域１６ａに垂直な成分である。第１領域１６ａとゲート電極５の間隔ｄ（すなわち、ＳｉＯ_２膜９の厚さ）に比べ孔１４の幅が十分に小さい場合、Ｅ_ｎは充填領域３（すなわち、炭素原子で満たされた領域：図２参照）および孔１４両方の直下で略Ｖｇ／ｄである。 Here, ε is the dielectric constant of the SiO ₂ film 9, e is the elementary charge, and _{E n} is the component perpendicular to the first region 16 a among the components of the electric field vector from the first region 16 a toward the gate electrode 5. When the width of the hole 14 is sufficiently small compared with the distance d between the first region 16 a and the gate electrode 5 (i.e., the thickness of the SiO ₂ film 9), E _n is approximately Vg/d immediately below both the filling region 3 (i.e., the region filled with carbon atoms: see FIG. 2 ) and the hole 14.

従って、ゲート電圧Ｖｇの印加により第１領域１６ａに誘起される巨視的な電子密度ＥＤ_ｍａｃは、式（２）で表される。 Therefore, the macroscopic electron density _EDmac induced in the first region 16a by application of the gate voltage Vg is expressed by equation (2).

巨視的な電子密度とは、巨視的領域（すなわち、ある領域の外周の内側全体）の面積で、巨視的領域に誘起される電子の総数を割った値である。従って、ゲート電圧Ｖｇの印加により第１領域１６ａに誘起される巨視的電子密度ＥＤ_ｍａｃは、第１領域１６ａの外周の内側全体の面積Ｓ_ｍａｃでゲート電圧Ｖｇの印加により第１領域１６ａに誘起される電子の総数Ｎ_１を割った値（＝Ｎ_１／Ｓ_ｍａｃ）である。 The macroscopic electron density is the total number of electrons induced in a macroscopic region divided by the area of the macroscopic region (i.e., the entire area inside the periphery of a region). Therefore, the macroscopic electron density ED _mac induced in the first region 16a by application of the gate voltage Vg is the total number N ₁ of electrons induced in the first region 16a by application of the gate voltage Vg divided by the area S _mac of the entire area inside the periphery of the first region 16a (= N ₁ /S _mac ).

一方、炭素原子で満たされた充填領域３（図２参照）に誘起される電子の密度ＥＤ_ｍｉｃ（以下、微視的な電子密度と呼ぶ）は、Ｎ_１／Ｓ_ｍｉｃである。ここで、Ｓ_ｍｉｃは充填領域の面積である。Ｓ_ｍｉｃは、ある領域（ここでは、第１領域１６ａ）のうち孔１４以外の部分の面積である。 On the other hand, the density of electrons ED _mic (hereinafter referred to as microscopic electron density) induced in the filled region 3 (see FIG. 2) filled with carbon atoms is N ₁ /S _mic , where S _mic is the area of the filled region and S _mic is the area of the portion of a certain region (here, first region 16a) other than holes 14.

従って、第１領域１６ａの微視的な電子密度ＥＤ_ｍｉｃは式（３）で表される。 Therefore, the microscopic electron density ED _mic in the first region 16a is expressed by equation (3).

ここで、Ｆは巨視的領域（ここでは、第１領域１６ａ）のフィルファクタ（＝Ｓ_ｍｉｃ／Ｓ_ｍａｃ）である。第１領域１６ａ内のグラフェン１２に誘起される電子の密度は、巨視的な電子密度ＥＤ_ｍａｃではなく微視的な電子密度ＥＤ_ｍｉｃである。 Here, F is the fill factor (=S _mic /S _mac ) of the macroscopic region (here, the first region 16 a). The density of electrons induced in the graphene 12 in the first region 16 a is the microscopic electron density ED _mic rather than the macroscopic electron density ED _mac .

同様に、第２領域１６ｂ内のグラフェン１２に誘起される電子の密度も、巨視的な電子密度ではなく微視的な電子密度である。式（１）～（３）は、第２領域１６ｂの電子密度等についても成立する。 Similarly, the density of electrons induced in the graphene 12 in the second region 16b is not a macroscopic electron density but a microscopic electron density. Equations (1) to (3) also hold true for the electron density in the second region 16b.

第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂには同じゲート電圧Ｖｇが印加されるので、式（２）から明らかなように、第１領域１６ａの巨視的な電子密度ＥＤ_ｍａｃと第２領域１６ｂの巨視的な電子密度ＥＤ_ｍａｃは等しい。一方、図３に示されているように、第１領域１６ａのフィルファクタＦは、第２領域１６ｂのフィルファクタＦより小さい。 Since the same gate voltage Vg is applied to the first region 16a and the second region 16b, as is clear from equation (2), the macroscopic electron density _EDmac of the first region 16a is equal to the macroscopic electron density _EDmac of the second region 16b. On the other hand, as shown in FIG. 3, the fill factor F of the first region 16a is smaller than the fill factor F of the second region 16b.

従って第１領域１６ａの微視的な電子密度ＥＤ_ｍｉｃは、第２領域１６ｂの微視的な電子密度ＥＤ_ｍｉｃより大きい。故に、第１領域１６ａのグラフェン１２に誘起される電子の密度は、第２領域１６ｂのグラフェン１２に誘起される電子の密度より高い。すなわち、一つのゲート電極５への一つのゲート電圧Ｖｇの印加により、受光領域１０に非対称なキャリア分布（図５参照）が誘起される。 Therefore, the microscopic electron density ED _mic in the first region 16 a is higher than the microscopic electron density ED _mic in the second region 16 b. Therefore, the density of electrons induced in the graphene 12 in the first region 16 a is higher than the density of electrons induced in the graphene 12 in the second region 16 b. That is, application of one gate voltage Vg to one gate electrode 5 induces an asymmetric carrier distribution in the light-receiving region 10 (see FIG. 5 ).

以上の説明では、孔１４の幅はＳｉＯ_２膜９の厚さに比べ十分に小さい。しかし、この様な理想的な条件が満たされなくても、第１領域１６ａに誘起される電子（または正孔）の密度は、第２領域１６ｂに誘起される電子（または正孔）の密度より高くなる。 In the above description, the width of the hole 14 is sufficiently smaller than the thickness of the _SiO2 film 9. However, even if such an ideal condition is not satisfied, the density of electrons (or holes) induced in the first region 16a will be higher than the density of electrons (or holes) induced in the second region 16b.

（３）製造方法
図８～９は、実施の形態１の光センサ４の製造方法の一例を示す図である。 (3) Manufacturing Method FIGS. 8 and 9 are diagrams showing an example of a manufacturing method for the optical sensor 4 according to the first embodiment.

先ず、導電性のシリコン基板７上にＳｉＯ_２膜９を形成する（図８（ａ）参照）。ＳｉＯ_２膜９の厚さは例えば、５０ｎｍ～２００ｎｍ（好ましくは、９０ｎｍ）である。 First, a SiO ₂ film 9 is formed on a conductive silicon substrate 7 (see FIG. 8A). The thickness of the SiO ₂ film 9 is, for example, 50 nm to 200 nm (preferably, 90 nm).

このＳｉＯ_２膜９の上に、炭素原子の一部がヘテロ原子（例えば、窒素やホウ素）で置換された帯状のグラフェン１２を配置する（図８（ｂ）参照）。炭素原子の一部がヘテロ原子で置換されると、グラフェン１２の導電型はｎ型またはｐ型になる。例えば、炭素原子の一部が窒素原子で置換されたグラフェン１２の導電型はｎ型である。炭素原子の一部がホウ素原子で置換されたグラフェン１２の導電型はｐ型である。 A strip-shaped graphene 12 in which some of the carbon atoms are replaced with heteroatoms (e.g., nitrogen or boron) is placed on the _SiO2 film 9 (see FIG. 8(b)). When some of the carbon atoms are replaced with heteroatoms, the conductivity type of the graphene 12 becomes n-type or p-type. For example, the conductivity type of the graphene 12 in which some of the carbon atoms are replaced with nitrogen atoms is n-type. The conductivity type of the graphene 12 in which some of the carbon atoms are replaced with boron atoms is p-type.

グラフェン１２の長さは例えば、５μｍ～２０μｍ（例えば、９μｍ）である。グラフェン１２の幅は例えば、２μｍ～１０μｍ（例えば、５μｍ）である。 The length of the graphene 12 is, for example, 5 μm to 20 μm (for example, 9 μm). The width of the graphene 12 is, for example, 2 μm to 10 μm (for example, 5 μm).

ＳｉＯ_２膜９およびグラフェン１２の上に、グラフェン１２の一端側に複数の開口３７が設けられたフォトレジスト膜３８を形成する（図８（ｃ）参照）。このフォトレジスト膜３８を介して、グラフェン１２をエッチングする。グラフェン１２のエッチングは例えば、酸素を反応ガスとするドライエッチングにより行われる。 A photoresist film 38 having a plurality of openings 37 provided on one end side of the graphene 12 is formed on the _SiO2 film 9 and the graphene 12 (see FIG. 8C). The graphene 12 is etched through the photoresist film 38. The etching of the graphene 12 is performed by, for example, dry etching using oxygen as a reactive gas.

このエッチングにより、グラフェン１２の一端側に複数の孔１４が形成される（図９（ａ）参照）。複数の孔１４が形成された領域は、受光領域１０の第１領域１６ａになる。第１領域１６ａに接する領域は、受光領域１０の第２領域１６ｂになる。図９（ａ）では第１領域１６ａは第２領域１６ｂより長くなっているが、第１領域１６ａと第２領域１６ｂの長さは略同じであっても良い。或いは、第１領域１６ａは第２領域１６ｂより短くても良い。 This etching forms multiple holes 14 on one end side of the graphene 12 (see FIG. 9(a)). The region in which the multiple holes 14 are formed becomes the first region 16a of the light receiving region 10. The region adjacent to the first region 16a becomes the second region 16b of the light receiving region 10. In FIG. 9(a), the first region 16a is longer than the second region 16b, but the lengths of the first region 16a and the second region 16b may be approximately the same. Alternatively, the first region 16a may be shorter than the second region 16b.

孔１４の幅は例えば、１０ｎｍ～１０００ｎｍである。第１領域１６ａのフィルファクタは例えば、０．７～０．９５（好ましくは、０．９）である。第２領域１６ｂのフィルファクタは例えば、１．０である。 The width of the holes 14 is, for example, 10 nm to 1000 nm. The fill factor of the first region 16a is, for example, 0.7 to 0.95 (preferably, 0.9). The fill factor of the second region 16b is, for example, 1.0.

複数の孔１４の形成後、ＳｉＯ_２膜９を貫通するコンタクトホール４０を形成する（図９（ｂ）参照）。 After the formation of the plurality of holes 14, a contact hole 40 penetrating the _SiO2 film 9 is formed (see FIG. 9B).

その後、グラフェン１２の一端に第１電極１１ａを形成し、他端に第２電極１１ｂを形成する。更に、コンタクトホール４０内に露出されたシリコン基板７に接しＳｉＯ_２膜９上に延在する基板電極１３を形成する（図９（ｃ）参照）。 Then, a first electrode 11a is formed on one end of the graphene 12, and a second electrode 11b is formed on the other end. Furthermore, a substrate electrode 13 is formed in contact with the silicon substrate 7 exposed in the contact hole 40 and extending onto the _SiO2 film 9 (see FIG. 9C).

（４）２バックゲート光検出器
図１０は、ゲート電極を２つ備えた光センサ１０４（すなわち、２バックゲート光検出器）を有する光検出装置１０２の構造の一例を示す図である。光検出装置１０２は、図１等を参照して説明した実施の形態１の光検出装置２に類似している。従って光検出装置２と共通する部分については、説明を省略する。 (4) Two-Back Gate Photodetector Fig. 10 is a diagram showing an example of the structure of a photodetector 102 having a photosensor 104 with two gate electrodes (i.e., a two-back gate photodetector). The photodetector 102 is similar to the photodetector 2 of the first embodiment described with reference to Fig. 1 etc. Therefore, a description of the parts common to the photodetector 2 will be omitted.

光検出装置１０２は、光センサ１０４と、第１バイアス回路１０６ａと、第２バイアス回路１０６ｂと、電気信号検出回路８とを有する。電気信号検出回路８は、図１等を参照して説明した回路である。 The light detection device 102 has a light sensor 104, a first bias circuit 106a, a second bias circuit 106b, and an electrical signal detection circuit 8. The electrical signal detection circuit 8 is the circuit described with reference to FIG. 1 etc.

―光センサ１０４―
光センサ１０４のグラフェン１１２には、孔が設けられない。従って、受光領域１１０の第１領域１１６ａのフィルファクタは１である。受光領域１１０の第２領域１１６ｂのフィルファクタも１である。 -Optical sensor 104-
The graphene 112 of the optical sensor 104 does not have any holes. Therefore, the fill factor of the first region 116a of the light-receiving region 110 is 1. The fill factor of the second region 116b of the light-receiving region 110 is also 1.

光センサ１０４は、第１領域１１６ａに対向する第１ゲート電極１０５ａと、第２領域１１６ｂに対向する第２ゲート電極１０５ｂとを有する。光センサ１０４は更に、第１ゲート電極１０５ａおよび第２ゲート電極１０５ｂとグラフェン１１２の間に配置された絶縁膜１０９（例えば、ＳｉＯ_２膜）とを有する。第１ゲート電極１０５ａおよび第２ゲート電極１０５ｂは、シリコン基板７を覆うＳｉＯ_２膜９の上に配置される。 The optical sensor 104 has a first gate electrode 105a facing the first region 116a and a second gate electrode 105b facing the second region 116b. The optical sensor 104 further has an insulating film 109 (e.g., a SiO ₂ film) disposed between the first gate electrode 105a and the second gate electrode 105b and the graphene 112. The first gate electrode 105a and the second gate electrode 105b are disposed on a SiO ₂ film 9 covering the silicon substrate 7.

―第１バイアス回路１０６ａおよび第２バイアス回路１０６ｂ―
第１バイアス回路１０６ａは、受光領域１１０の第１領域１１６ａと第１ゲート電極１０５ａとの間に、第１ゲート電圧Ｖｇ１を印加する。第２バイアス回路１０６ｂは、受光領域１１０の第２領域１１６ｂと第２ゲート電極１０５ｂとの間に、第１ゲート電圧Ｖｇ１とは異なる第２ゲート電圧Ｖｇ２を印加する。 --First bias circuit 106a and second bias circuit 106b--
The first bias circuit 106a applies a first gate voltage Vg1 between the first region 116a of the light-receiving region 110 and the first gate electrode 105a. The second bias circuit 106b applies a second gate voltage Vg2, which is different from the first gate voltage Vg1, between the second region 116b of the light-receiving region 110 and the second gate electrode 105b.

第１領域１１６aと第１ゲート電極１０５ａとの間および第２領域１１６ｂと第２ゲート電極１０５ｂとの間にいかなる電圧も印加されない場合、受光領域１１０の導電型はｐ型（またはｎ型）である。 When no voltage is applied between the first region 116a and the first gate electrode 105a and between the second region 116b and the second gate electrode 105b, the conductivity type of the light receiving region 110 is p-type (or n-type).

第１ゲート電圧Ｖｇ１と第２ゲート電圧Ｖｇ２とは互いに異なる電圧である。従って、第１ゲート電圧Ｖｇ１により第１領域１１６aに誘起される微視的なキャリア密度（例えば、電子密度）および第２ゲート電圧Ｖｇ２により第２領域１１６ｂに誘起される微視的なキャリア密度は互いに異なる。従って受光領域１１０に、ｐｎ接合を形成することは容易である。 The first gate voltage Vg1 and the second gate voltage Vg2 are different voltages. Therefore, the microscopic carrier density (e.g., electron density) induced in the first region 116a by the first gate voltage Vg1 and the microscopic carrier density induced in the second region 116b by the second gate voltage Vg2 are different from each other. Therefore, it is easy to form a pn junction in the light receiving region 110.

故に、図１０の光検出装置１０２によっても、グラフェン１１２に照射される光の検出は可能である。しかし光センサ１０４は２つのゲート電極（すなわち、第１ゲート電極１０５ａおよび第２ゲート電極１０５ｂ）を含むので、光センサ１０４の構造は複雑である。更に、２つのゲート電極１０５ａ，１０５ｂには別々の電圧Ｖｇ１，Ｖｇ２が印加されるので、周辺回路４２も複雑になる。 Therefore, the light irradiated to the graphene 112 can be detected by the photodetector 102 of FIG. 10 as well. However, since the photodetector 104 includes two gate electrodes (i.e., the first gate electrode 105a and the second gate electrode 105b), the structure of the photodetector 104 is complex. Furthermore, since separate voltages Vg1 and Vg2 are applied to the two gate electrodes 105a and 105b, the peripheral circuit 42 is also complex.

図１を参照して説明した光検出装置２には、これらの問題はない。 The photodetector 2 described with reference to Figure 1 does not have these problems.

（５）変形例
図１１は、第１領域１６ａの変形例２１６ａを説明する図である。図３に示された第１領域１６ａの孔１４は、両端が丸められた帯状の孔である。一方、図１１に示された第１領域２１６ａの孔１１４は、円形の孔である。変型例によれば、第１領域１６ａのバリエーションが増加する。 (5) Modifications Fig. 11 is a diagram illustrating a modification 216a of the first region 16a. The hole 14 in the first region 16a shown in Fig. 3 is a band-shaped hole with rounded ends. On the other hand, the hole 114 in the first region 216a shown in Fig. 11 is a circular hole. According to this modification, the variety of the first region 16a is increased.

以上の例では、第２領域１６ｂに孔１４は設けられない。しかし、孔１４は第１領域１６ａだけでなく、第２領域１６ｂにも設けられて良い。 In the above example, holes 14 are not provided in the second region 16b. However, holes 14 may be provided not only in the first region 16a but also in the second region 16b.

また以上の例では、受光領域１０の導電型は、受光領域１０とゲート電極５の間にいかなる電圧も印加されない場合にはｐ型である。しかし受光領域１０の導電型は、受光領域１０とゲート電極５の間にいかなる電圧も印加されない場合にｎ型であっても良い。この場合、ゲート電圧Ｖ１は、受光領域１０の電位をゲート電極５の電位より高くする電圧である。 In the above example, the conductivity type of the light-receiving region 10 is p-type when no voltage is applied between the light-receiving region 10 and the gate electrode 5. However, the conductivity type of the light-receiving region 10 may be n-type when no voltage is applied between the light-receiving region 10 and the gate electrode 5. In this case, the gate voltage V1 is a voltage that makes the potential of the light-receiving region 10 higher than the potential of the gate electrode 5.

以上の例では、受光領域１０はフィルファクタが互いに異なる２つの領域（すなわち、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂ）を有する。しかし受光領域１０は、フィルファクタが互いに異なる３つ以上の領域を有しても良い。例えば受光領域１０は、第１領域１６ａと第２領域１６ｂの間に、フィルファクタが第１領域１６ａより大きく第２領域１６ｂよりは小さい領域を有しても良い。この構造によれば、受光領域１０にｐｉｎ接合を形成できる。 In the above example, the light receiving region 10 has two regions (i.e., the first region 16a and the second region 16b) with different fill factors. However, the light receiving region 10 may have three or more regions with different fill factors. For example, the light receiving region 10 may have a region between the first region 16a and the second region 16b, whose fill factor is larger than that of the first region 16a and smaller than that of the second region 16b. With this structure, a pin junction can be formed in the light receiving region 10.

以上の例では、グラフェン１２に含まれる炭素原子の一部がヘテロ原子により置換される（「（３）製造方法」参照）。しかし炭素原子の置換によらなくても、受光領域１０の導電型をｎ型またはｐ型にすることは可能である。例えば、F4-TCNQ（tetrafluoro-tetracyanoquin-odimethane）等の有機物、Ａｕ等の金属粒子およびＡｌ_２Ｏ_３膜のいずれか一つを受光領域１０に付着させることでも、グラフェン１２の導電型の制御は可能である。或いは、グラフェン１２に欠陥を導入することでも、グラフェン１２の導電型の制御は可能である。炭素原子の置換や有機物等の付着は、意図的でなくても良い。 In the above examples, some of the carbon atoms contained in the graphene 12 are replaced by heteroatoms (see "(3) Manufacturing method"). However, it is possible to make the conductivity type of the light-receiving region 10 n-type or p-type without the substitution of carbon atoms. For example, the conductivity type of the graphene 12 can be controlled by attaching any one of an organic substance such as F4-TCNQ (tetrafluoro-tetracyanoquin-odimethane), metal particles such as Au, and an Al ₂ O ₃ film to the light-receiving region 10. Alternatively, the conductivity type of the graphene 12 can be controlled by introducing defects into the graphene 12. The substitution of carbon atoms and the attachment of an organic substance or the like do not have to be intentional.

また以上の例では、ゲート電極５は導電性のシリコン基板７である。しかしゲート電極５は、金属膜であっても良い。 In the above example, the gate electrode 5 is a conductive silicon substrate 7. However, the gate electrode 5 may also be a metal film.

またグラフェン１２とゲート電極５の間に配置される絶縁膜は、ＳｉＯ_２膜以外の絶縁膜（例えば、ＳｉＮ膜）であっても良い。 Furthermore, the insulating film disposed between the graphene 12 and the gate electrode 5 may be an insulating film other than a SiO ₂ film (for example, a SiN film).

実施の形態１では、フィルファクタが互いに異なる領域を含む受光領域１０とゲート電極５の間に一つの電圧Ｖ１を印加する事で、非対称なキャリア分布を受光領域１０に誘起してｐｎ接合を形成する。従って実施の形態１によれば、一つのゲート電極５に一つの電圧Ｖ１を印加するだけで光検出が可能なグラフェン光検出装置を実現できる。 In the first embodiment, a single voltage V1 is applied between the light receiving region 10, which includes regions with different fill factors, and the gate electrode 5, to induce an asymmetric carrier distribution in the light receiving region 10 and form a pn junction. Therefore, according to the first embodiment, a graphene photodetector capable of detecting light can be realized by simply applying a single voltage V1 to a single gate electrode 5.

（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１に類似している。従って、実施の形態１と同じ構成等については、説明を省略または簡単にする。 (Embodiment 2)
The second embodiment is similar to the first embodiment. Therefore, the description of the same configuration as the first embodiment will be omitted or simplified.

（１）構造
図１２は、実施の形態２の光検出装置２０２の一例を示す図である。図１２に示すように、光検出装置２０２は、光センサ４と、ゲート電圧印加回路６と、電気信号検出回路２０８とを有する。 (1) Structure Fig. 12 is a diagram showing an example of a photodetector 202 according to embodiment 2. As shown in Fig. 12, the photodetector 202 has a photosensor 4, a gate voltage application circuit 6, and an electric signal detection circuit 208.

光センサ４は、実施の形態１で説明したセンサである（図１参照）。同様にゲート電圧印加回路６は、実施の形態１で説明した回路である。一方、電気信号検出回路２０８は、実施の形態１の電気信号検出回路８とは異なる回路である。 The optical sensor 4 is the sensor described in the first embodiment (see FIG. 1). Similarly, the gate voltage application circuit 6 is the circuit described in the first embodiment. On the other hand, the electrical signal detection circuit 208 is a circuit different from the electrical signal detection circuit 8 in the first embodiment.

電気信号検出回路２０８は、受光領域１０の第１領域１６ａに接する第１接続領域１５ａと受光領域１０の第２領域１６ｂに接する第２接続領域１５ｂとの間に発生する電位差Ｖ_ＰＴＥを検出する電圧検出回路２１９である。 The electrical signal detection circuit 208 is a voltage detection circuit 219 that detects a potential difference V _PTE generated between the first connection region 15 a in contact with the first region 16 a of the light receiving region 10 and the second connection region 15 b in contact with the second region 16 b of the light receiving region 10.

図１２に示す例では、電圧検出回路２１９は、第１接続領域１５ａと第２接続領域１５ｂとに接続された電圧計２２０を有する回路である。実施の形態２の光センサ４が出力する電気信号は、光センサ４のゲート電極５に電圧Ｖ２が印加されている間に電圧検出回路２１９が検出する電位差Ｖ_ＰＴＥ（すなわち、光照射された受光領域１０の両端に発生する電位差）である。電圧Ｖ２は、ゲート電圧印加回路６が出力するゲート電圧Ｖｇである。電圧Ｖ２の詳細については、「（２）動作」で説明される。 12, the voltage detection circuit 219 is a circuit having a voltmeter 220 connected to the first connection region 15a and the second connection region 15b. The electrical signal output by the optical sensor 4 of the second embodiment is a potential difference V _PTE (i.e., a potential difference generated across the light-receiving region 10 illuminated with light) detected by the voltage detection circuit 219 while a voltage V2 is applied to the gate electrode 5 of the optical sensor 4. The voltage V2 is a gate voltage Vg output by the gate voltage application circuit 6. Details of the voltage V2 will be described in "(2) Operation".

（２）動作
図１３は、実施の形態２における受光領域１０の導電型を説明する図である。図１３には、受光領域１０のエネルギーバンドの一例が示されている。図１３に示された例では、受光領域１０の導電型は、ゲート電極５にいかなる電圧も印加されていない時はｐ型である。 (2) Operation Fig. 13 is a diagram for explaining the conductivity type of the light-receiving region 10 in the second embodiment. Fig. 13 shows an example of the energy band of the light-receiving region 10. In the example shown in Fig. 13, the conductivity type of the light-receiving region 10 is p-type when no voltage is applied to the gate electrode 5.

図１３（ａ）には、ゲート電極５に電圧が印加されていない時の受光領域１０のエネルギーバンドが示されている。図１３（ａ）に示すように、ゲート電極５にいかなる電圧も印加されていない時、受光領域１０の価電子帯は、エネルギーＥ_０まで電子で満たされ、エネルギーＥ_０から価電子帯の頂上（すなわち、Ｋ点）までは正孔で満たされている。 Fig. 13(a) shows the energy band of the light-receiving region 10 when no voltage is applied to the gate electrode 5. As shown in Fig. 13(a), when no voltage is applied to the gate electrode 5, the valence band of the light-receiving region 10 is filled with electrons up to energy _E0 , and is filled with holes from energy _E0 to the top of the valence band (i.e., point K).

図１３（ｂ）は、ゲート電極５に電圧Ｖ２（すなわち、実施の形態２のゲート電圧Ｖｇ）が印加された時の第１領域１６ａにおけるグラフェン１２のエネルギーバンドを示している。図１３（ｃ）は、ゲート電極５に電圧Ｖ２が印加された時の第２領域１６ｂにおけるグラフェン１２のエネルギーバンドを示している。 Figure 13(b) shows the energy band of graphene 12 in the first region 16a when a voltage V2 (i.e., the gate voltage Vg in embodiment 2) is applied to the gate electrode 5. Figure 13(c) shows the energy band of graphene 12 in the second region 16b when a voltage V2 is applied to the gate electrode 5.

ゲート電極５に電圧Ｖ２が印加されると、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂには電子が誘起される。この際、フィルファクタが小さい第１領域１６ａのグラフェン１２に誘起される電子の密度は、第２領域１６ｂのグラフェンに誘起される電子の密度より高い（実施の形態１参照）。従って、第１領域１６ａにおける価電子帯内の電子のエネルギーの最大値Ｅ１’は、第２領域１６ｂにおける価電子帯内の電子エネルギーの最大値Ｅ２’より高くなる。すなわち第１領域１６ａの正孔密度は、第２領域１６ｂの正孔密度より低くなる。 When a voltage V2 is applied to the gate electrode 5, electrons are induced in the first region 16a and the second region 16b. At this time, the density of electrons induced in the graphene 12 in the first region 16a, which has a small fill factor, is higher than the density of electrons induced in the graphene in the second region 16b (see embodiment 1). Therefore, the maximum value E1' of the electron energy in the valence band in the first region 16a is higher than the maximum value E2' of the electron energy in the valence band in the second region 16b. In other words, the hole density in the first region 16a is lower than the hole density in the second region 16b.

故に、ゲート電極５に電圧Ｖ２が印加されている間、第１領域１６ａにおける多数キャリア（ここでは、正孔）の密度は、第２領域１６ｂにおける多数キャリアの密度より低くなる。 Therefore, while voltage V2 is applied to gate electrode 5, the density of majority carriers (here, holes) in first region 16a is lower than the density of majority carriers in second region 16b.

熱電効果の大きさを示すゼーベック係数は、多数キャリアの密度に依存する。従って、ゲート電極５にゲート電圧Ｖ２が印加されると、第１領域１６ａのゼーベック係数と第２領域１６ｂのゼーベック係数は互いに乖離する。このため、光照射により受光領域１０の温度が上昇すると、第１接続領域１５ａと第２接続領域１５ｂの間に電位差Ｖ_ＰＴＥが発生する（「―熱電効果による電位差Ｖ_ＰＴＥの発生―」参照）。電位差Ｖ_ＰＴＥは、電気信号検出回路２０８の電圧計２２０により検出される。 The Seebeck coefficient, which indicates the magnitude of the thermoelectric effect, depends on the density of majority carriers. Therefore, when a gate voltage V2 is applied to the gate electrode 5, the Seebeck coefficient of the first region 16a and the Seebeck coefficient of the second region 16b deviate from each other. Therefore, when the temperature of the light-receiving region 10 increases due to light irradiation, a potential difference V _PTE occurs between the first connection region 15a and the second connection region 15b (see "-- Generation of potential difference V _PTE due to thermoelectric effect--"). The potential difference V _PTE is detected by the voltmeter 220 of the electric signal detection circuit 208.

―熱電効果による電位差Ｖ_ＰＴＥの発生―
受光領域１０に照射される光は受光領域１０のグラフェン１２に吸収され、受光領域１０の温度を上昇させる。 -Generation of potential difference V _PTE due to thermoelectric effect-
The light irradiated to the light-receiving region 10 is absorbed by the graphene 12 in the light-receiving region 10 , causing the temperature of the light-receiving region 10 to increase.

一方、光センサ４の上方から第１接続領域１５ａに向かって照射される光は、第１電極１１ａによって遮られ、第１接続領域１５ａには届かない。同様に、光センサ４の上方から第２接続領域１５ｂに向かって照射される光も、第２接続領域１５ｂには届かない。従って、第１～第２接続領域１５ａ，１５ｂへの光照射は、第１～第２接続領域１５ａ，１５ｂの温度を上昇させない。 On the other hand, light irradiated from above the optical sensor 4 toward the first connection region 15a is blocked by the first electrode 11a and does not reach the first connection region 15a. Similarly, light irradiated from above the optical sensor 4 toward the second connection region 15b does not reach the second connection region 15b. Therefore, light irradiation of the first and second connection regions 15a and 15b does not increase the temperature of the first and second connection regions 15a and 15b.

故に、シリコン基板７の裏面側からではなく表面側からグラフェン１２全体に向かって光が照射される場合、受光領域１０の中央では温度が上昇し、受光領域１０の両端では第１～第２接続領域１５ａ，１５ｂにより温度上昇が抑制される。その結果、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂに温度勾配が生じる。受光領域１０の中央部だけに光が照射された場合にも当然、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂに温度勾配ＴＧが生じる。 Therefore, when light is irradiated from the front side of the silicon substrate 7, rather than from the back side, toward the entire graphene 12, the temperature rises in the center of the light-receiving region 10, and the temperature rise at both ends of the light-receiving region 10 is suppressed by the first and second connection regions 15a, 15b. As a result, a temperature gradient occurs in the first region 16a and the second region 16b. Naturally, a temperature gradient TG occurs in the first region 16a and the second region 16b when light is irradiated only to the center of the light-receiving region 10.

第１領域１６ａのゼーベック係数と第２領域１６ｂのゼーベック係数とが電圧Ｖ２の印加により乖離した受光領域１０に光が照射され温度勾配ＴＧが生じると、熱電効果により第１接続領域１５ａと第２接続領域１５ｂの間に電位差Ｖ_ＰＴＥが発生する。換言するならば、ゲート電極５への電圧Ｖ２の印加によりゼーベック係数が互いに異なる領域が発生した受光領域１０に光が照射されると、光熱電効果により電位差Ｖ_ＰＴＥが発生する。 When light is irradiated onto the light-receiving region 10 in which the Seebeck coefficient of the first region 16a and the Seebeck coefficient of the second region 16b have diverged due to the application of voltage V2, and a temperature gradient TG is generated, a potential difference V _PTE is generated between the first connection region 15a and the second connection region 15b due to the thermoelectric effect. In other words, when light is irradiated onto the light-receiving region 10 in which regions with different Seebeck coefficients have been generated by the application of voltage V2 to the gate electrode 5, a potential difference V _PTE is generated due to the photothermoelectric effect.

―感度―
以上の説明から明らかなように、光検出装置２０２の感度はゲート電圧Ｖｇにより制御できる。実施の形態２のゲート電圧Ｖｇも、実施の形態１のゲート電圧Ｖｇと同様に、光検出装置２０２の感度が特定の値（すなわち、目標感度）になるように設定される。 -sensitivity-
As is apparent from the above description, the sensitivity of the photodetector 202 can be controlled by the gate voltage Vg. Like the gate voltage Vg of the first embodiment, the gate voltage Vg of the second embodiment is set so that the sensitivity of the photodetector 202 becomes a specific value (i.e., target sensitivity).

目標感度が正の値の場合、実施の形態２の目標感度は好ましくは、０．５Ｖ／Ｗ以上である。更に好ましくは、目標感度は０．７Ｖ／Ｗ以上である。最も好ましくは、目標感度は０．９Ｖ／Ｗ以上である。目標感度の上限は、光検出装置２０２の感度の最大値（例えば、後述する図１４のピーク値Ｐ２）である。 When the target sensitivity is a positive value, the target sensitivity in embodiment 2 is preferably 0.5 V/W or more. More preferably, the target sensitivity is 0.7 V/W or more. Most preferably, the target sensitivity is 0.9 V/W or more. The upper limit of the target sensitivity is the maximum sensitivity of the photodetector 202 (e.g., peak value P2 in FIG. 14 described later).

目標感度が負の値の場合には、実施の形態２の目標感度は好ましくは、－０．５Ｖ／Ｗ以下である。更に好ましくは、目標感度は－０．７Ｖ／Ｗ以下である。最も好ましくは、目標感度は－０．９Ｖ／Ｗ以下である。目標感度の下限は、光検出装置２０２の感度の最小値である。 When the target sensitivity is a negative value, the target sensitivity in embodiment 2 is preferably -0.5 V/W or less. More preferably, the target sensitivity is -0.7 V/W or less. Most preferably, the target sensitivity is -0.9 V/W or less. The lower limit of the target sensitivity is the minimum sensitivity of the photodetector 202.

（３）変形例
（３－１）変形例１
図１３を参照して説明した例では、ゲート電極５にいかなる電圧も印加されない場合、受光領域１０の導電型はｐ型である。しかし受光領域１０の導電型は、ゲート電極５にいかなる電圧も印加されない場合、ｎ型であっても良い。この場合、ゲート電極５への電圧Ｖ２の印加により受光領域１０に誘起されるキャリアは正孔である。 (3) Modifications (3-1) Modification 1
13, the conductivity type of the light-receiving region 10 is p-type when no voltage is applied to the gate electrode 5. However, the conductivity type of the light-receiving region 10 may be n-type when no voltage is applied to the gate electrode 5. In this case, the carriers induced in the light-receiving region 10 by application of voltage V2 to the gate electrode 5 are holes.

或いは受光領域１０の導電型は、ゲート電極５にいかなる電圧も印加されない場合、ｉ型であっても良い。この場合、ゲート電極５への電圧Ｖ２の印加により受光領域１０に誘起されるキャリアは、電子および正孔のいずれであっても良い。変型例１によれば、光検出装置２０２のバリエーションが増加する。 Alternatively, the conductivity type of the light receiving region 10 may be i-type when no voltage is applied to the gate electrode 5. In this case, the carriers induced in the light receiving region 10 by application of the voltage V2 to the gate electrode 5 may be either electrons or holes. According to the first variant, the variety of the light detection device 202 is increased.

（３－２）変形例２
以上の例では、ゲート電極５に電圧Ｖ２が印加されている間、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂの導電型は共にｎ型またはｐ型である。しかし、ゲート電極５に電圧Ｖ２が印加されている間、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂの導電型の一方がｎ型で他方がｐ型であっても良い。 (3-2) Modification 2
In the above example, the conductivity types of the first region 16a and the second region 16b are both n-type or p-type while the voltage V2 is applied to the gate electrode 5. However, one of the conductivity types of the first region 16a and the second region 16b may be n-type and the other may be p-type while the voltage V2 is applied to the gate electrode 5.

ゼーベック係数は熱電交換材料のキャリア密度だけでなく導電型にも依存するので、変形例２によっても、受光領域１０に照射される光の検出は可能である。 The Seebeck coefficient depends not only on the carrier density of the thermoelectric exchange material but also on its conductivity type, so even with variant 2, it is possible to detect light irradiated onto the light receiving region 10.

良く知られているように、ｎ型の熱電交換材料とｐ型の熱電交換材料とが接続された温度センサの感度は、導電型が同じ熱電交換材料が接続された温度センサの感度より高い。従って変形例２によれば、光検出装置２０２の感度を向上させることができる。 As is well known, the sensitivity of a temperature sensor in which an n-type thermoelectric exchange material and a p-type thermoelectric exchange material are connected is higher than the sensitivity of a temperature sensor in which thermoelectric exchange materials of the same conductivity type are connected. Therefore, according to the second modification, the sensitivity of the light detection device 202 can be improved.

変形例２の受光領域１０にはｐｎ接合が形成されるので、光センサ４から出力される電気信号には、光起電力効果により生じる電圧が含まれている。しかし変形例２では、受光領域１０に逆バイアス電圧が印加されないので、多くの場合、光熱電効果による電圧が光起電力効果による電圧より支配的である。 Since a pn junction is formed in the light receiving region 10 of the second modification, the electrical signal output from the optical sensor 4 contains a voltage generated by the photovoltaic effect. However, since a reverse bias voltage is not applied to the light receiving region 10 in the second modification, in many cases the voltage generated by the photothermoelectric effect is dominant over the voltage generated by the photovoltaic effect.

図１４は、特定の波長の光（以下、照射光と呼ぶ）を受光領域１０に照射した時の光検出装置２０２の感度Ｒ２とゲート電圧Ｖｇとの関係の一例を示す図である。照射光の波長は、例えば８μｍである。照射光の強度は、例えば１Ｗ／ｃｍ^２である。 14 is a diagram showing an example of the relationship between the sensitivity R2 and the gate voltage Vg of the photodetector 202 when light of a specific wavelength (hereinafter referred to as the irradiated light) is irradiated to the light receiving region 10. The wavelength of the irradiated light is, for example, 8 μm. The intensity of the irradiated light is, for example, 1 W/ ^cm2 .

横軸は、ゲート電圧Ｖｇである。図１４におけるゲート電圧Ｖｇは、ゲート電極５の電位Φ１とグラフェン１２の電位Φ２の差（＝Φ１－Φ２）である。縦軸は、光検出装置２０２の感度Ｒ２である。光検出装置２０２の感度とは、受光領域１０に照射される光に応答して光センサ４が出力する電気信号（実施の形態２では電圧）の強度ａと受光領域１０に照射される光の強度ｂの比（＝ａ／ｂ）である。 The horizontal axis is the gate voltage Vg. In FIG. 14, the gate voltage Vg is the difference (=Φ1-Φ2) between the potential Φ1 of the gate electrode 5 and the potential Φ2 of the graphene 12. The vertical axis is the sensitivity R2 of the photodetector 202. The sensitivity of the photodetector 202 is the ratio (=a/b) of the intensity a of the electrical signal (voltage in the second embodiment) output by the optical sensor 4 in response to the light irradiated to the light receiving region 10 to the intensity b of the light irradiated to the light receiving region 10.

ゲート電圧Ｖｇが小さい領域２４０では、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂの導電型は反転しない（図１３参照）。従ってゲート電圧Ｖｇが小さい領域２４０では、受光領域１０にｐｎ接合は形成されない。このため、領域２４０では、光検出装置２０２の感度Ｒ２の絶対値はあまり大きくない。 In the region 240 where the gate voltage Vg is small, the conductivity type of the first region 16a and the second region 16b is not inverted (see FIG. 13). Therefore, in the region 240 where the gate voltage Vg is small, a pn junction is not formed in the light receiving region 10. For this reason, in the region 240, the absolute value of the sensitivity R2 of the photodetector 202 is not very large.

ゲート電圧Ｖｇが大き過ぎる領域（図示せず）では、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂ双方の導電型が反転するので、受光領域１０にｐｎ接合は形成されない。この領域でも、光検出装置２０２の感度Ｒ２の絶対値はあまり大きくない。 In a region (not shown) where the gate voltage Vg is too large, the conductivity types of both the first region 16a and the second region 16b are inverted, so that no pn junction is formed in the light receiving region 10. Even in this region, the absolute value of the sensitivity R2 of the photodetector 202 is not very large.

ゲート電圧Ｖｇが小さ過ぎず且つ大き過ぎない領域２４２では、第１領域１６ａの導電型だけが反転してｐｎ接合が形成される。ｐｎ接合が形成されると、感度Ｒ２の絶対値は著しく増大する。従って、ゲート電圧Ｖｇと感度Ｒ２の関係を示す曲線２３５に、大きなピーク２３６が現れる。感度Ｒ２のピーク値Ｐ２（すなわち、感度Ｒ２のうち絶対値が最大の感度）は例えば、１Ｖ／Ｗである。 In the region 242 where the gate voltage Vg is neither too small nor too large, only the conductivity type of the first region 16a is inverted and a pn junction is formed. When the pn junction is formed, the absolute value of the sensitivity R2 increases significantly. Therefore, a large peak 236 appears on the curve 235 showing the relationship between the gate voltage Vg and the sensitivity R2. The peak value P2 of the sensitivity R2 (i.e., the sensitivity with the maximum absolute value among the sensitivity R2) is, for example, 1 V/W.

ゲート電極５に印加される電圧Ｖ２は、領域２４２内のゲート電圧Ｖｇから選択されるので、変形例２によれば、光検出装置２０２の感度を向上させることができる。 The voltage V2 applied to the gate electrode 5 is selected from the gate voltage Vg in the region 242, so that according to the second modification, the sensitivity of the photodetector 202 can be improved.

実施の形態２では、フィルファクタが互いに異なる領域を含む受光領域１０とゲート電極５の間に一つの電圧Ｖ２を印加する事で、非対称なキャリア分布を受光領域１０に誘起してゼーベック係数が異なる領域を受光領域１０に形成する。従って実施の形態２によれば、実施の形態１と同様、一つのゲート電極５に一つの電圧Ｖ２を印加するだけで光検出が可能なグラフェン光検出装置を実現できる。 In the second embodiment, a single voltage V2 is applied between the light receiving region 10, which includes regions with different fill factors, and the gate electrode 5, to induce an asymmetric carrier distribution in the light receiving region 10, thereby forming regions with different Seebeck coefficients in the light receiving region 10. Therefore, according to the second embodiment, as in the first embodiment, a graphene photodetector capable of detecting light can be realized by simply applying a single voltage V2 to a single gate electrode 5.

以上、本発明の実施形態について説明したが、実施の形態１～２は、例示であって制限的なものではない。例えば以上の例では、第１領域１６ａのフィルファクタが、第２領域１６ｂのフィルファクタより小さい。しかし第１領域１６ａのフィルファクタは、第２領域１６ｂのフィルファクタより大きくても良い。 Although the embodiments of the present invention have been described above, embodiments 1 and 2 are illustrative and not limiting. For example, in the above examples, the fill factor of the first region 16a is smaller than the fill factor of the second region 16b. However, the fill factor of the first region 16a may be larger than the fill factor of the second region 16b.

また以上の例では、グラフェン１２に設けられる電極（すなわち、第１電極１１ａおよび第２電極１１ｂ）は、帯状の電極である。しかし、グラフェン１２に設けられる電極の形状は、帯状には限られない。グラフェン１２に設けられる電極の形状は例えば、櫛型電極であっても良い。 In the above example, the electrodes provided on the graphene 12 (i.e., the first electrode 11a and the second electrode 11b) are strip-shaped electrodes. However, the shape of the electrodes provided on the graphene 12 is not limited to strip-shaped. The shape of the electrodes provided on the graphene 12 may be, for example, a comb-shaped electrode.

以上の実施の形態１～２に関し、更に以下の付記を開示する。 The following notes are further provided with respect to the above embodiments 1 and 2.

（付記１）
孔が設けられた第１領域が一端側に配置され前記第１領域とは異なる第２領域が他端側に配置された受光領域を含むグラフェンと、前記受光領域に対向するゲート電極とを有し、前記受光領域に照射される光に応答して電気信号を出力する光センサと、
前記受光領域と前記ゲート電極との間に、ゲート電圧を印加するゲート電圧印加回路とを有し、
前記第１領域のうち孔以外の領域の面積と前記第１領域の面積の比は、前記第２領域のうち孔以外の領域の面積と前記第２領域の面積の比より小さく、
前記ゲート電圧は、前記電気信号の強度と前記光の強度の比が、特定の値になるように設定されている
光検出装置。 (Appendix 1)
an optical sensor including: graphene including a light receiving region having a first region with a hole disposed on one end side and a second region different from the first region disposed on the other end side; and a gate electrode facing the light receiving region, the optical sensor outputting an electrical signal in response to light irradiated to the light receiving region;
a gate voltage application circuit for applying a gate voltage between the light receiving region and the gate electrode;
a ratio of an area of the first region other than the holes to an area of the first region is smaller than a ratio of an area of the second region other than the holes to an area of the second region;
The gate voltage is set so that the ratio of the intensity of the electrical signal to the intensity of the light becomes a specific value.

（付記２）
前記受光領域の導電型は、前記受光領域と前記ゲート電極との間にいかなる電圧も印加されない場合には、ｎ型またはｐ型であり、
前記受光領域と前記ゲート電極との間への前記ゲート電圧の印加により、前記第１領域の導電型が反転し前記第２領域の導電型は維持されることを
特徴とする付記１に記載の光検出装置。 (Appendix 2)
the conductivity type of the light receiving region is n-type or p-type when no voltage is applied between the light receiving region and the gate electrode;
2. The photodetection device described in claim 1, wherein application of the gate voltage between the light receiving region and the gate electrode inverts the conductivity type of the first region and maintains the conductivity type of the second region.

（付記３）
更に、前記第１領域および前記第２領域の一方であって前記受光領域と前記ゲート電極との間に前記ゲート電圧が印加されている間の導電型がｎ型である領域の電位を、前記第１領域および前記第２領域の他方の電位より高くする電圧を前記受光領域の両端に印加しながら、前記受光領域に流れる電流を検出する電流検出回路を有し、
前記電気信号は、前記受光領域と前記ゲート電極との間に前記ゲート電圧が印加されている間に前記電流検出回路が検出する前記電流であることを
特徴とする付記２に記載の光検出装置。 (Appendix 3)
a current detection circuit that detects a current flowing through the light-receiving region while applying a voltage to both ends of the light-receiving region that makes a potential of one of the first region and the second region, which is an n-type conductive region while the gate voltage is being applied between the light-receiving region and the gate electrode, higher than a potential of the other of the first region and the second region;
3. The photodetector according to claim 2, wherein the electrical signal is the current detected by the current detection circuit while the gate voltage is applied between the light receiving region and the gate electrode.

（付記４）
前記特定の値の絶対値は、０．５ｍＡ／Ｗ以上であることを
特徴とする付記３に記載の光検出装置。 (Appendix 4)
4. The photodetector according to claim 3, wherein the absolute value of the specific value is 0.5 mA/W or more.

（付記５）
更に、前記グラフェンに含まれ前記第１領域に接する第１接続領域と前記グラフェンに含まれ前記第２領域に接する第２接続領域との間に発生する電位差を検出する電圧検出回路を有し、
前記電気信号は、前記受光領域と前記ゲート電極との間に前記ゲート電圧が印加されている間に前記電圧検出回路が検出する前記電位差であることを
特徴とする付記１又は２に記載の光検出装置。 (Appendix 5)
Further, a voltage detection circuit is provided for detecting a potential difference generated between a first connection region included in the graphene and in contact with the first region and a second connection region included in the graphene and in contact with the second region,
3. The photodetector according to claim 1, wherein the electrical signal is the potential difference detected by the voltage detection circuit while the gate voltage is applied between the light receiving region and the gate electrode.

（付記６）
前記特定の値の絶対値は、０．５Ｖ／Ｗ以上であることを
特徴とする付記５に記載の光検出装置。 (Appendix 6)
The photodetector according to claim 5, wherein the absolute value of the specific value is 0.5 V/W or more.

２，２０２：光検出装置
４：光センサ
５：ゲート電極
６：ゲート電圧印加回路
８，２０８：電気信号検出回路
１０：受光領域
１２：グラフェン
１４：孔
１５ａ：第１接続領域
１５ｂ：第２接続領域
１６ａ：第１領域
１６ｂ：第２領域 2, 202: Photodetector 4: Photosensor 5: Gate electrode 6: Gate voltage application circuit 8, 208: Electric signal detection circuit 10: Light receiving region 12: Graphene 14: Hole 15a: First connection region 15b: Second connection region 16a: First region 16b: Second region

Claims

an optical sensor including: graphene including a light receiving region having a first region with a hole disposed on one end side and a second region different from the first region disposed on the other end side; and a gate electrode facing the light receiving region, the optical sensor outputting an electrical signal in response to light irradiated to the light receiving region;
a gate voltage application circuit for applying a gate voltage between the light receiving region and the gate electrode;
a ratio of an area of the first region other than the holes to an area of the first region is smaller than a ratio of an area of the second region other than the holes to an area of the second region;
The gate voltage is set so that the ratio of the intensity of the electrical signal to the intensity of the light becomes a specific value.

the conductivity type of the light receiving region is n-type or p-type when no voltage is applied between the light receiving region and the gate electrode;
2. The photodetector according to claim 1, wherein application of the gate voltage between the light receiving region and the gate electrode inverts the conductivity type of the first region and maintains the conductivity type of the second region.

a current detection circuit that detects a current flowing through the light-receiving region while applying a voltage to both ends of the light-receiving region that makes a potential of one of the first region and the second region, which is an n-type conductive region while the gate voltage is being applied between the light-receiving region and the gate electrode, higher than a potential of the other of the first region and the second region;
3. The photodetection device according to claim 2, wherein the electrical signal is the current detected by the current detection circuit while the gate voltage is applied between the light receiving region and the gate electrode.

Further, a voltage detection circuit is provided for detecting a potential difference generated between a first connection region included in the graphene and in contact with the first region and a second connection region included in the graphene and in contact with the second region,
3. The photodetector according to claim 1, wherein the electrical signal is the potential difference detected by the voltage detection circuit while the gate voltage is applied between the light receiving region and the gate electrode.

an optical sensor including: graphene including a light receiving region, the light receiving region having a first region with a hole disposed on one end side and a second region in contact with the first region disposed on the other end side; and a gate electrode facing the light receiving region, the optical sensor outputting an electrical signal in response to light irradiated to the light receiving region;
a gate voltage application circuit for applying a gate voltage between the light receiving region and the gate electrode;
a ratio of an area of the first region other than the holes to an area of the first region is smaller than a ratio of an area of the second region other than the holes to an area of the second region;
The gate voltage is set so that the ratio of the intensity of the electrical signal to the intensity of the light is a specific value.
Light detection device.