JPWO2019171622A1 - 電磁波検出器及びそれを備えた電磁波検出器アレイ - Google Patents

電磁波検出器及びそれを備えた電磁波検出器アレイ Download PDF

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Abstract

電磁波検出器（１）は、第１の面と第１の面と対向する第２の面を有する絶縁膜（２２）と、入射された電磁波により光電変換し、電位が変化する第１の二次元原子層材料からなる第１の層（４０）と、第１の面上に設けられ、絶縁膜（２２）を介して電位の変化が与えられ、電気量の変化を発生する第２の二次元原子層材料からなる第２の層（３０）とを備える。これにより、入射された電磁波を電気量の変化として検出するものであり、入射された電磁波に対する応答速度が速い高感度な電磁波検出器（１）を提供することができる。

Description

本発明は、電磁波検出器及びそれを備えた電磁波検出器アレイに関する。
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、バンドギャップがゼロ又は極めて小さいグラフェンが注目されている。
例えば、半導体基板上に絶縁膜を設け、絶縁膜上にグラフェン層からなるチャネル層を形成し、グラフェン層の両端にソース・ドレイン電極を形成した電磁波検出器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、半導体基板上に絶縁膜を介してグラフェン層を設け、さらに、グラフェン層と絶縁膜との間に、電磁波による分極効果を有する強誘電体層を備える電磁波検出器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特表２０１３−５０２７３５号公報 国際公開第２０１８／０１２０７６号
しかしながら、従来の単体のグラフェン層からなる電磁波検出器は、グラフェンを用いることにより、広帯域の電磁波の波長域を検出することができるが、グラフェンは電磁波の光電変換効率が数％と非常に低いため、電磁波の検出感度が低いという問題点があった。
また、強誘電体層を用いた従来の電磁波検出器は、従来の単体のグラフェン層からなる電磁波検出器に比べて、電磁波の検出感度を高めることができるが、強誘電体層は電磁波に対する応答速度が遅いため、電磁波に対する早い検出速度が求められる電磁波検出器には適さないという問題点があった。
そこで、本発明は、このような従来技術の問題点を解決すべくなされたものであって、電磁波に対する応答速度が速い高感度な電磁波検出器及びそれを備えた電磁波検出器アレイを提供することを目的とする。
以上の目的を達成するために、本発明の電磁波検出器は、第１の面と第１の面と対向する第２の面を有する第１の絶縁膜と、入射された電磁波により光電変換し、電位が変化する第１の二次元原子層材料からなる第１の層と、第１の面上に設けられ、第１の絶縁膜を介して電位の変化が与えられ、電気量の変化を発生する第２の二次元原子層材料からなる第２の層とを備える。
以上のように構成された本発明の電磁波検出器及びそれを備えた電磁波検出器アレイは、入射された電磁波を電気量の変化として検出するものであり、入射された電磁波に対する応答速度が速い高感度な電磁波検出器及びそれを備えた電磁波検出器アレイを提供することができる。
本発明の実施の形態１である電磁波検出器の構成を示す平面図。 本発明の実施の形態１である電磁波検出器の構成を示す断面図。 本発明の実施の形態１である電磁波検出器の動作原理を説明するための図。 本発明の実施の形態１である電磁波検出器の製造工程を示すフロー図。 本発明の実施の形態２である電磁波検出器の構成を示す平面図。 本発明の実施の形態２である電磁波検出器の構成を示す断面図。 本発明の実施の形態２である電磁波検出器の製造工程を示すフロー図。 本発明の実施の形態３である電磁波検出器の構成を示す断面図。 本発明の実施の形態３である電磁波検出器の動作原理を説明するための図。 本発明の実施の形態４である電磁波検出器の構成を示す平面図。 本発明の実施の形態４である電磁波検出器の構成を示す断面図。 本発明の実施の形態５である電磁波検出器の構成を示す断面図。 本発明の実施の形態６である電磁波検出器の構成を示す断面図。 本発明の実施の形態７である電磁波検出器の構成を示す断面図。 本発明の実施の形態８である電磁波検出器の構成を示す平面図。 本発明の実施の形態８である電磁波検出器の構成を示す断面図。 本発明の実施の形態８である電磁波検出器の別の構成を示す平面図。 本発明の実施の形態９である電磁波検出器の構成を示す平面図。 本発明の実施の形態９である電磁波検出器の構成を示す断面図。 本発明の実施の形態１０である電磁波検出器アレイの構成を示す平面図。 本発明の実施の形態１１である電磁波検出器アレイの構成を示す平面図。
はじめに、この発明の電磁波検出器の構成について、図面を参照しながら説明する。なお、図は模式的なものであり、機能又は構造を概念的に説明するものである。また、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。特記する場合を除いて、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、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通する。
本発明の実施の形態では、電磁波検出器について、可視光または赤外光を用いて説明するが、本発明はこれらに加えて、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領域の検出器としても有効である。なお、本発明の実施に形態におい、これらの光及び電波を総称して電磁波と記載する。
また、本発明の実施の形態では、電磁波検出器として、二次元原子層材料の一つであるグラフェンを有するグラフェン層を用いて説明するが、本発明は、例えば、グラフェンナノリボン、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２等の遷移金属ダイカルコゲナイド、黒リン（Ｂｌａｃｋ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ）、シリセン、ゲルマネンなどの二次元原子層材料からなる層を有する電磁波検出器にも適用できる。
また、本発明の実施の形態では、電磁波検出器として、ソースとドレインの２つの電極を有する構造、バックゲートとなる裏面電極をさらに有する構造を用いて説明するが、本発明は、４端子電極構造又はトップゲート構造などの他の電極構造を備えた電磁波検出器にも適用できる。
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・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、又は、波長以下の寸法の構造により特定の波長を操作するという意味でのメタマテリアル又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、又は、単に共鳴と呼ぶ。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態である電磁波検出器の構成を示す平面図である。図２は、本実施の形態である電磁波検出器の構成を示す断面図であり、図１の切断線Ａ−Ａから見た断面図である。
図１と図２とを用いて、本実施の形態である電磁波検出器１の構成を説明する。
本実施の形態である電磁波検出器１は、基板１０と、基板１０上に設けられる絶縁膜２０と、絶縁膜２０上に設けられるグラフェン層３０と、グラフェン層３０上に設けられる絶縁膜２２と、絶縁膜２２上に設けられるグラフェン層４０とを備える。
また、電磁波検出器１は、グラフェン層３０の一端と電気的に接続されるドレイン電極５０と、グラフェン層３０の他端と電気的に接続されるソース電極５２と備え、ドレイン電極５０及びソース電極５２は、絶縁膜２０上にグラフェン層３０で一部覆われるように設けられる。ドレイン電極５０は、グラフェン層３０に電圧Ｖｄを印加するために電源回路に電気的に接続され、ソース電極５２は接地される。また、ドレイン電極５０に接続される電源回路は、ドレイン電極５０とソース電極５２間のグラフェン層３０の電流Ｉｄを検出するための電流計が接続される。
また、電磁波検出器１は、グラフェン層４０の一端と電気的に接続される電極６０と、グラフェン層４０の他端と電気的に接続される電極６２とを備える。電極６０はバイアス電圧Ｖｂｉａｓを印加する電源回路に接続され、電極６２は接地される。これにより、グラフェン層４０は、バイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加される。
基板１０は、表面及び表面と平行に対向する裏面を有し、例えば、シリコン等の半導体材料からなり、具体的には、高抵抗シリコン基板、熱酸化膜を形成して絶縁性を高めた基板、又は、不純物がドープされたシリコン基板などが用いられる。
絶縁膜２０は、図２に示すように、基板１０の表面上に設けられ、例えば、酸化シリコンからなる絶縁膜を用いることができる。
グラフェン層３０は、図２に示すように、絶縁膜２０の基板１０が設けられる面とは反対面上に設けられる。グラフェン層３０は、例えば、単層のグラフェンを用いることができる。単層のグラフェンは二次元炭素結晶の単原子層であり、単層のグラフェンの厚さは炭素原子１個分に相当する０．３４ｎｍである。また、グラフェンは六角形状に配置された各連鎖に炭素原子を有している。
絶縁膜２２は、図２に示すように、上面と下面を有し、下面と接するようにグラフェン層３０上に設けられ、例えば、酸化シリコンからなる絶縁膜を用いることができる。
グラフェン層４０は、絶縁膜２２の上面と接するように絶縁膜２２上に設けられ、図１に示すように、電極６０からバイアス電圧Ｖｂｉａｓがグラフェン層４０に印加される。グラフェン層４０は、グラフェン層３０と同様、例えば、単層のグラフェンを用いることができる。
ドレイン電極５０及びソース電極５２は、グラフェン層３０に電気的に接続され、絶縁膜２０上にグラフェン層３０で一部覆われるように設けられる。また、ドレイン電極５０及びソース電極５２は、例えば、Ａｕからなる金属から構成される。
また、上述の通り、ドレイン電極５０とソース電極５２間には電圧Ｖｄが印加され、ドレイン電極５０とソース電極５２との間のグラフェン層３０の電流Ｉｄの変化を検出することにより、電磁波の検出を行うことができる。
電極６０及び電極６２は、上述の通り、グラフェン層４０にバイアス電圧Ｖｂｉａｓを印加し、例えば、Ａｕからなる金属から構成される。
以上より、本実施の形態である電磁波検出器１が構成される。
次に、本実施の形態における電磁波検出器１の動作原理について、説明を行う。
上述で説明したように、本実施の形態である電磁波検出器１は、基板１０と、基板１０上に設けられる絶縁膜２０と、絶縁膜２０上に設けられるグラフェン層３０と、グラフェン層３０上に設けられる絶縁膜２２と、絶縁膜２２上に設けられるグラフェン層４０とを備える。また、グラフェン層３０の一端と電気的に接続されるドレイン電極５０と、グラフェン層３０の他端と電気的に接続されるソース電極５２と備え、ドレイン電極５０とソース電極５２との間に電圧Ｖｄが印加され、ドレイン電極５０とソース電極５２間のグラフェン層３０の電流Ｉｄの変化を検出する。さらに、グラフェン層４０の一端と電気的に接続される電極６０と、グラフェン層４０の他端と電気的に接続される電極６２と備え、電極６０はバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加される。
そのため、本実施の形態である電磁波検出器１は、バイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加されるグラフェン層４０をゲート電極とし、グラフェン層３０をチャネル層としたグラフェントランジスタとして機能する。そのため、バイアス電圧Ｖｂｉａｓがグラフェン層４０に印加されると、絶縁膜２２を介してグラフェン層３０にゲート電圧が印加され、電圧Ｖｄが印加されるドレイン電極５０とソース電極５２との間のグラフェン層３０に電流Ｉｄが流れる。
図３は、本実施の形態である電磁波検出器１の動作原理を説明するための図であり、本実施の形態である電磁波検出器１における、グラフェン層４０に印加されるゲート電圧Ｖｇとグラフェン層３０に流れる電流Ｉｄとの関係を示した図である。
グラフェン層４０に電磁波が入射していない場合、本実施の形態である電磁波検出器１は、図３の破線で示すようなゲート電圧Ｖｇ−電流Ｉｄの特性を示し、通常のグラフェンにおける両極性のトランジスタ動作を示す曲線となる。ここで、ディラックポイントを与えるゲート電圧ＶｇをＶＤＰとする。
一方、電磁波がグラフェン層４０に入射した場合、グラフェン層４０は光電変換を引き起こし、バイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加されるグラフェン層４０の電位が変化し、グラフェン層３０に印加されるゲート電圧が変化する。グラフェン層４０の電位が変化したことによるゲート電圧の変化分をＶｐｈとすると、電磁波がグラフェン層４０に入射した場合のゲート電圧Ｖｇ−電流Ｉｄの特性は、図３の実線で示すような曲線となり、ディラックポイントを与えるゲート電圧がＶＤＰからＶＤＰ＋Ｖｐｈにシフトした曲線となる。
つまり、電磁波がグラフェン層４０に入射されると、ゲート電圧Ｖｇ−電流Ｉｄの特性が、図３の破線で示す曲線から図３の実線で示す曲線にシフトするため、ドレイン電極５０とソース電極５２との間のグラフェン層３０には、グラフェン層４０の電位の変化に伴う電気量の変化であるΔＩｐｈの差分電流が発生する。このような効果を光ゲート効果又は光スイッチと呼び、この電気量の変化である差分電流ΔＩｐｈを検出することで、電磁波の入射を検出することができる。
グラフェン層３０は、単層のグラフェンを用いた場合、厚さが原子層１層という薄膜であり、電子の移動度が大きい。そのため、通常の半導体と比較して、わずかな電位変化に対して大きな電流変化を生じる。例えば、ゲート電圧の変化Ｖｐｈによって印加されるグラフェン層３０への電位変化に対する電流変化量ΔＩｐｈは、通常の半導体と比較して、電子の移動度及び膜厚から算出すると、数百倍〜数千倍程度大きくなる。
したがって、グラフェンの低い光電変換効率と比較して、光ゲート効果を利用することで、グラフェン層３０の検出電流の取り出し効率は大幅に大きくなる。このような光ゲート効果は、光電変換材料の量子効率を直接的に増強するのではなく、電磁波入射による電流変化を大きくするため、等価的に電磁波入射による差分電流から算出した量子効率は１００％を超えることができる。よって、従来の電磁波検出器と比較して、高感度な電磁波検出器を得ることができる。
また、上記差分電流に加えて、グラフェン本来の光電変換効率に起因する光電流も生じるため、グラフェン層３０では、電磁波の入射により、上述した光ゲート効果に伴う差分電流に加え、グラフェン本来の光電変換効率に起因する光電流も検出することができる。
また、本実施の形態である電磁波検出器１では、電磁波入射に伴うグラフェン層４０のゲート電圧の変化により、グラフェン層３０に差分電流が発生する。グラフェン層４０はグラフェンからなり、半導体と比較して、電子の移動度が大きいため、早い応答速度で電磁波入射に伴うグラフェン層４０の電位の変化に起因するゲート電圧の変化をグラフェン層３０に伝えることができる。そのため、グラフェン層３０に発生する差分電流の検出を速くすることができ、本実施の形態である電磁波検出器１は、電磁波に対する応答速度を速くすることができる。
また、グラフェンは、広帯域の電磁波の波長域に対して、光電変換に対する感度を有するため、グラフェン層４０は、広帯域の電磁波の波長域に対してゲート電圧の変化を発生させる。そのため、グラフェン層３０では、広帯域の電磁波の波長域に対して差分電流が発生するため、本実施の形態である電磁波検出器１は、例えば、紫外光から電波までの広帯域の波長域の電磁波を検出することができる。
また、本実施の形態である電磁波検出器１では、グラフェン層４０がドレイン電極５０とソース電極５２との間のグラフェン層３０上方の一部分に設けられている。つまり、グラフェン層３０上方には、絶縁膜２２を介してグラフェン層４０が設けられる領域と設けられない領域が存在する。そのため、グラフェン層３０に印加されるゲート電圧が、グラフェン層４０が設けられる領域と設けられない領域とで異なるため、グラフェン層３０内のフェルミレベルに差が生じる。つまり、グラフェン層３０内のグラフェン層４０が設けられる領域と設けられない領域との間に電位勾配が発生し、疑似的なＰＮＰ接合又はＮＰＮ接合が形成される。
上述の通り、グラフェンは両極性のトランジスタ特性を有するため、ゲート電圧によりフェルミレベルの調整が可能であり、多数キャリアを電子又は正孔のいずれかを選択可能で、等価的にＮ型又はＰ型の導電型にすることができる。つまり、グラフェン層４０からグラフェン層３０にゲート電圧が印加されると、グラフェン層３０内のグラフェン層４０が設けられる領域と設けられない領域との間に異なるゲート電圧が印加されることになるため、グラフェン層３０内のグラフェン層４０が設けられる領域と設けられない領域との間で異なるキャリア密度の領域が形成され、グラフェン層３０内に疑似的なＰＮＰ接合又はＮＰＮ接合の電位勾配が形成される。このような疑似的なＰＮＰ接合又はＮＰＮ接合の電位勾配の形成は、グラフェン層３０内の検出電流の取り出し効率を向上させるため、本実施の形態である電磁波検出器１の電磁波に対する感度を高めることができる。
以上より、上述のように構成された本実施の形態である電磁波検出器は、広い波長域の電磁波を検出することができ、電磁波に対する応答速度が速い高感度な電磁波検出器を提供することができる。
ここで、基板１０として、シリコン基板を例に説明したが、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族又は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カドミウムテルル、インジウムアンチモン、鉛セレン，鉛硫黄、カドミウム硫黄、ガリウム窒素，シリコンカーバイド，又は、量子井戸や量子ドットを含む基板、ＴｙｐｅＩＩ超格子などの材料の単体又はそれらを組み合わせた基板を用いてもよい。
ここで、絶縁膜２０及び絶縁膜２２として、酸化シリコンからなる絶縁膜を例に説明したが、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ニッケル、又は、ボロンナイトライド等からなる絶縁膜を用いることもできる。例えば、ボロンナイトライドは原子配列がグラフェンと似ているため、グラフェンと接触しても電荷の移動度を妨げない。そのため、電子移動度などのグラフェンの性能を阻害せず、グラフェンの下地膜として好ましい。
ここで、グラフェン層３０及びグラフェン層４０は、２層以上積層した多層のグラフェンを用いてもよい。また、グラフェン層３０及びグラフェン層４０は、ノンドープのグラフェンを用いても、ｐ型又はｎ型の不純物がドープされたグラフェンを用いても構わない。
グラフェン層３０及びグラフェン層４０に多層のグラフェンを用いた場合、グラフェン層３０及びグラフェン層４０の光電変換効率は増加し、電磁波検出器の感度は高くなる。また、多層のグラフェンは、任意の２層のグラフェンの六方格子の格子ベクトルの向きが一致しなくても、完全に一致してもどちらでもよい。例えば、２層以上のグラフェンを積層することで、グラフェン層３０及びグラフェン層４０にバンドギャップが形成されるので、光電変換させる電磁波の波長選択効果を持たせることができる。
また、グラフェン層３０及びグラフェン層４０はナノリボン状のグラフェンを用いることもできる。その場合、グラフェン層３０及びグラフェン層４０は、グラフェンナノリボン単体、複数のグラフェンナノリボンを積層した構造、又は、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を用いることができる。例えば、グラフェンナノリボンが周期的に配置された構造の場合、グラフェンナノリボンにおいて、プラズモン共鳴を発生させ、電磁波検出器の感度を向上させることができる。ここで、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が、現象としては同じである。
また、グラフェン層４０は、グラフェン層３０上の一部に絶縁膜２２を介して設けられる例を説明したが、必ずしもこの構成に限定されるわけではなく、グラフェン層３０上の全面に絶縁膜を介して設けても構わない。
ここで、ドレイン電極５０及びソース電極５２は、上記構成に限定されるわけではなく、例えば、グラフェン層３０上にドレイン電極５０及びソース電極５２を設けても構わない。
また、ドレイン電極５０及びソース電極５２は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、又は、Ｐｄ等の金属を用いてもよいし、ドレイン電極５０と絶縁膜２０との間、又は、ソース電極５２と絶縁膜２０との間に、Ｃｒ又はＴｉからなる不図示の密着膜を形成しても構わない。また、ドレイン電極５０及びソース電極５２は、電気信号を出力できる大きさ、厚さであれば、特に形状に制限はない。
また、上述の構成に限定されるわけではなく、例えば、ドレイン電極５０とソース電極５２との間に一定電流を流し、ドレイン電極５０とソース電極５２との間のグラフェン層３０の電圧値を検出してもよいし、ドレイン電極５０とソース電極５２のどちらか一つだけ電極を形成し、グラフェン層３０の電位変化を検出してもよく、グラフェン層３０の電気量の変化を検出できる構成であればよい。
ここで、本実施の形態では、電極６０及び電極６２を二つ設ける構成を例に説明したが、これに限定されるわけではなく、グラフェン層４０にバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加され、グラフェン層３０にゲート電圧又はゲート電流が印加され、グラフェン層４０の電位の変化をグラフェン層３０に与えられる構成であれば、例えば、グラフェン層４０に接続される電極は一つでも複数でも構わない。また、グラフェン層４０に電位が与えられ、絶縁膜２２を介してグラフェン層３０にグラフェン層４０の電位の変化が与えられる構成であればよく、上述した回路構成に限定されない。
また、電極６０及び電極６２は、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、又は、Ｐｄ等の金属を用いても構わないし、電極６０及び電極６２と絶縁膜２２との間に、Ｃｒ又はＴｉからなる不図示の密着膜を形成してもよい。また、電極６０及び電極６２は、電気信号を出力できる大きさ、厚さであれば、特に形状に制限はない。
また、電極６０及び電極６２は、グラフェン層４０に電気的に接続されていればよく、グラフェン層４０上に設けても、絶縁膜２２上に設けてもどちらでも構わない。
ここで、本実施の形態である電磁波検出器１は、グラフェン層４０をゲート電極として、グラフェン層３０にゲート電圧を印加していたが、グラフェン層３０をゲート電極とし、グラフェン層４０にゲート電圧を印加する構成でも構わない。その場合、電極６０及び電極６２に接続される電源回路等が、ドレイン電極５０及びソース電極５２に接続され、ドレイン電極５０及びソース電極５２に接続される電源回路等が電極６０及び電極６２に接続される。このとき、絶縁膜２２は、入射される電磁波が絶縁膜２２を透過してグラフェン層３０に達する程度の厚さに設定すればよい。また、絶縁層２２の厚さはトンネル電流が発生しない程度の厚さにすることが望ましい。
次に、本実施の形態である電磁波検出器１の製造方法について説明する。図４は、本実施の形態である電磁波検出器１の製造工程を示すフロー図である。
まず、表面及び表面と平行に対向する裏面を有する、例えば、シリコン基板からなる基板１０を準備する（Ｓ１）。
次に、基板１０上に絶縁膜２０を形成する（Ｓ２）。絶縁膜２０は、例えば、基板１０がシリコン基板の場合、熱酸化により形成されたシリコン酸化膜、又は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法又はスパッタ法を用いて形成された他の絶縁膜でもよい。
次に、絶縁膜２０上にドレイン電極５０及びソース電極５２を形成する（Ｓ３）。ドレイン電極５０及びソース電５２は、フォトリソグラフィ又はＥＢ描画等を用いて、絶縁膜２０上に開口部を有するレジストマスクを形成した後、Ａｕ等の金属膜をＥＢ蒸着又はスパッタ蒸着法などを用いて堆積してリフトオフすることにより形成することができる。ここで、ドレイン電極５０及びソース電極５２を形成する場合、下部の絶縁膜２０との密着性を上げるために、ドレイン電極５０と絶縁膜２０との間、又は、ソース電極５２と絶縁膜２０との間にＣｒ又はＴｉなどの密着膜を形成してもよい。
そして、絶縁膜２０、ドレイン電極５０及びソース電極５２上にグラフェン層３０を、エピタキシャル成長法を用いて選択成長させることで形成する（Ｓ４）。グラフェン層３０を形成する方法は、選択成長可能なエピタキシャル成長法以外に、ＣＶＤ法を用いて形成したグラフェンを転写して貼り付ける方法、又は、グラファイトから機械剥離などで剥離したグラフェンを転写して貼り付ける方法でグラフェンを成膜した後、フォトリソグラフィなどでグラフェン上にレジストマスクをパターニングし、酸素プラズマ等で余分なグラフェンをエッチングすることにより、グラフェン層３０を形成してもよい。
次に、グラフェン層３０、ドレイン電極５０及びソース電極５２上に絶縁膜２２を形成する（Ｓ５）。絶縁膜２２は、蒸着、ＣＶＤ法、又は、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを用いて形成することができる。
次に、絶縁膜２２上に電極６０及び電極６２を形成する（Ｓ６）。電極６０及び電極６２は、フォトリソグラフィ又はＥＢ描画等を用いて、絶縁膜２２上に開口部を有するレジストマスクを形成した後、Ａｕ等の金属膜をＥＢ蒸着又はスパッタ蒸着法などを用いて堆積してリフトオフすることで形成することができる。ここで、電極６０及び電極６２を形成する場合、下部の絶縁膜２２との密着性を上げるために、電極６０と絶縁膜２２との間、又は、電極６２と絶縁膜２２との間にＣｒ又はＴｉなどの密着膜を形成してもよい。
そして、絶縁膜２２、電極６０及び電極６２上にグラフェン層４０を、エピタキシャル成長法を用いて選択成長させることで形成する（Ｓ７）。グラフェン層４０を形成する方法は、選択成長可能なエピタキシャル成長法以外に、ＣＶＤ法を用いて形成したグラフェンを転写して貼り付ける方法、又は、グラファイトから機械剥離などで剥離したグラフェンを転写して貼り付ける方法でグラフェンを成膜した後、フォトリソグラフィなどでグラフェン上にレジストマスクをパターニングし、酸素プラズマ等で余分なグラフェンをエッチングすることにより、グラフェン層４０を形成してもよい。
ここで、ドレイン電極５０及びソース電極５２の上にグラフェン層３０を形成する工程を示したが、先にグラフェン層３０を形成し、そのグラフェン層３０上にドレイン電極５０及びソース電極５２を形成してもよい。また、電極６０及び電極６２についても同様に、先にグラフェン層４０を形成し、そのグラフェン層４０上に電極６０及び電極６２を形成してもよい。その場合、電極を形成する際にグラフェン層３０又はグラフェン層４０が蒸着時のプロセスダメージを受けるため、グラフェン層３０又はグラフェン層４０上に保護膜を形成することが望ましい。このような保護膜は外部からの汚染及びノイズの発生を抑制することができ、さらに性能の高い電磁波検出器を得ることができる。
以上より、本実施の形態である電磁波検出器１を製造することができる。
以上のように構成された本実施の形態である電磁波検出器及びその製造方法は、広い波長域の電磁波を検出することができ、電磁波に対する応答速度が速い高感度な電磁波検出器を提供することができる。
実施の形態２．
本実施の形態である電磁波検出器は、実施の形態１とは異なり、グラフェン層３０及びグラフェン層４０が、積層構造ではなく、平面上、つまり、同一面内に形成されている。同一符号を付した部分については、実施の形態１の電磁波検出器と同様に構成されるため、説明は省略する。
図５は、本実施の形態である電磁波検出器の構成を示す平面図である。図６は、本実施の形態である電磁波検出器の構成を示す断面図であり、図５の切断線Ｂ−Ｂから見た断面図である。
図５と図６とを用いて、本実施の形態である電磁波検出器２の構成を説明する。
本実施の形態である電磁波検出器２は、基板１０と、基板１０上に設けられる絶縁膜２０と、絶縁膜２０の基板１０が設けられる面とは反対面に設けられる電極６４及び電極６６と、絶縁膜２０の基板１０が設けられる面とは反対面に設けられ、電極６４及び電極６６と電気的に接続されるグラフェン層４２と、電極６４上に設けられる絶縁膜２４と、絶縁膜２４上に設けられるグラフェン層３２と、絶縁膜２４上に設けられ、グラフェン層３２と電気的に接続されるソース電極５４及びドレイン電極５６とを備える。
電極６４及び電極６６は、図６に示すように、絶縁膜２０の基板１０が設けられる面とは反対面と接するように絶縁膜２０上に設けられ、グラフェン層４２と電気的に接続される。電極６４は、絶縁膜２４のグラフェン層３２と接する面とは反対面に設けられる。電極６４及び電極６６の間には、図５に示すように、グラフェン層３２に絶縁膜２４を介して電位の変化を与えるため、バイアス電圧Ｖｂｉａｓを印加する電源回路と抵抗Ｒとが電気的に接続され、グラフェン層４２に電流が流れるよう構成される。電極６４及び電極６６の材料等は、実施の形態１の電極６０及び電極６２と同様であるため説明は省略する。
グラフェン層４２は、図６に示すように、電極６４及び電極６６の一部を覆うように絶縁膜２０上に設けられ、電極６４及び電極６６と電気的に接続される。なお、グラフェン層４２が設けられる位置は、電極６４の端部となっている。グラフェン層４２の材料及び層構造等は、実施の形態１のグラフェン層４０と同様であるため説明は省略する。
絶縁膜２４は、図６に示すように、上面と下面を有し、下面で電極６４と接するように電極６４上に設けられ、上面にグラフェン層３２が設けられる。つまり、絶縁膜２４は、グラフェン層４２が電極６４と電気的に接続する領域と異なる領域の電極６４上に設けられる。絶縁膜２４の材料等は、実施の形態１の絶縁膜２２と同様であるため説明は省略する。
ソース電極５４及びドレイン電極５６は、図６に示すように、絶縁膜２４の上面に設けられ、グラフェン層３２と電気的に接続される。また、図５に示すように、ソース電極５４及びドレイン電極５６との間には、グラフェン層３２に電圧Ｖｄを印加するために、電源回路が接続され、また、ソース電極５４とドレイン電極５６間のグラフェン層３２の電流Ｉｄを検出するための電流計が接続される。ソース電極５４及びドレイン電極５６の材料等は、実施の形態１のドレイン電極５０及びソース電極５２と同様であるため説明は省略する。
また、上述の通り、ソース電極５４とドレイン電極５６との間には電圧Ｖｄが印加され、ソース電極５４とドレイン電極５６との間のグラフェン層３２の電流の変化を検出することにより、電磁波の検出を行うことができる。
グラフェン層３２は、図６に示すように、絶縁膜２４の上面に設けられ、ソース電極５４及びドレイン電極５６の一部を覆うように設けられ、ソース電極５４及びドレイン電極５６と電気的に接続される。具体的には、グラフェン層３２は、絶縁膜２４を介して、電極６４と対向するように設けられ、グラフェン層４２が形成される領域と異なる領域にグラフェン層３２が設けられる。つまり、本実施の形態である電磁波検出器２の最表面には、グラフェン層３２とグラフェン層４２が設けられる。グラフェン層３２の材料及び層構造等は、実施の形態１のグラフェン層３０と同様であるため説明は省略する。
以上より、本実施の形態である電磁波検出器２が構成される。
次に、本実施の形態における電磁波検出器２の動作原理について、説明を行う。
まず、本実施の形態である電磁波検出器２は、電極６４と電極６６との間にバイアス電圧Ｖｂｉａｓを印加する電源回路及び抵抗Ｒが電気的に接続されているため、電極６４と電極６６との間のグラフェン層４２には電流が流れる。
グラフェン層４２に電磁波が入射していない場合、グラフェン層４２に流れる暗電流に対応して抵抗Ｒで誘起される電位が、電極６４から絶縁膜２４を介して、グラフェン層３２に印加される。つまり、グラフェン層４２をゲート電極として、電極６４から絶縁膜２４を介して、グラフェン層３２にゲート電圧が与えられる。
このときのグラフェン層３２に与えられるゲート電圧をＶｇとすると、実施の形態１と同様、図３の破線で示すようなゲート電圧Ｖｇ−電流Ｉｄの特性を示し、通常のグラフェンにおける両極性のトランジスタ動作を示す曲線となる。
一方、電磁波がグラフェン層４２に入射した場合、グラフェン層４２は光電変換を引き起こし、バイアス電圧Ｖｂｉａｓが印加されるグラフェン層４２の電流が、電磁波が入射していない場合から変化し、電極６４から絶縁膜２４を介して電位の変化が与えられ、グラフェン層３２に印加されるゲート電圧が変化する。グラフェン層４０の電流が変化したことによるゲート電圧の変化分をＶｐｈとすると、電磁波がグラフェン層４２に入射した場合のゲート電圧Ｖｇ−電流Ｉｄの特性は、実施の形態１と同様、図３の実線で示すような曲線となり、ディラックポイントを与えるゲート電圧がＶＤＰからＶＤＰ＋Ｖｐｈにシフトした曲線となる。
つまり、電磁波がグラフェン層４２に入射されると、実施の形態１と同様、ゲート電圧Ｖｇ−電流Ｉｄの特性が、図３の破線で示す曲線から図３の実線で示す曲線にシフトするため、ソース電極５４とドレイン電極５６との間のグラフェン層３２には、グラフェン層４２の電位の変化に伴う電気量の変化であるΔＩｐｈの差分電流が発生する。この電気量の変化である差分電流ΔＩｐｈを検出することで、電磁波の入射を検出することができる。
本実施の形態である電磁波検出器２の効果については、実施の形態１と同様であるため、詳細な説明は省略するが、本実施の形態である電磁波検出器２は、実施の形態１と同様、広い波長域の電磁波を検出することができ、電磁波に対する応答速度が速い高感度な電磁波検出器を提供することができる。
ここで、グラフェン層４２に電位が与えられ、電極６４から絶縁膜２２を介してグラフェン層３２にグラフェン層４２の電位の変化が与えられる構成であればよく、上述で説明した回路構成に限定されない。
ここで、上述のようなグラフェン層３２の電流の変化を検出する構成に限定されるわけではなく、例えば、ソース電極５４とドレイン電極５６間に一定電流を流し、ソース電極５４とドレイン電極５６間のグラフェン層３２の電圧値を検出してもよいし、ソース電極５４とドレイン電極５６のどちらか一つだけ電極を形成し、グラフェン層３２の電位変化を検出してもよく、グラフェン層３２の電気量の変化を検出できる構成であればよい。
次に、本実施の形態である電磁波検出器２の製造方法について説明する。図７は、本実施の形態である電磁波検出器２の製造工程を示すフロー図である。
まず、表面及び表面と平行に対向する裏面を有する、例えば、シリコン基板からなる基板１０を準備する（Ｓ１１）。
次に、基板１０上に絶縁膜２０を形成する（Ｓ２２）。絶縁膜２０は、例えば、基板１０がシリコン基板の場合、熱酸化により形成されたシリコン酸化膜、又は、ＣＶＤ法又はスパッタ法を用いて形成された他の絶縁膜でもよい。
次に、絶縁膜２０上に電極６４及び電極６６を形成する（Ｓ３３）。電極６４及び電極６６は、フォトリソグラフィ又はＥＢ描画等を用いて、絶縁膜２０上に開口部を有するレジストマスクを形成した後、Ａｕ等の金属膜をＥＢ蒸着又はスパッタ蒸着法などを用いて堆積してリフトオフすることにより形成することができる。ここで、電極６４及び電極６６を形成する場合、下部の絶縁膜２０との密着性を上げるために、電極６４と絶縁膜２０との間、又は、電極６６と絶縁膜２０との間にＣｒ又はＴｉなどの密着膜を形成してもよい。
次に、電極６４上に絶縁膜２４を形成する（Ｓ４４）。絶縁膜２４は、蒸着、ＣＶＤ法、又は、ＡＬＤ法などを用いて形成することができる。
次に、絶縁膜２４上にソース電極５４及びドレイン電極５６を形成する（Ｓ５５）。ソース電極５４及びソース電５６は、フォトリソグラフィ又はＥＢ描画等を用いて、絶縁膜２４上に開口部を有するレジストマスクを形成した後、Ａｕ等の金属膜をＥＢ蒸着又はスパッタ蒸着法などを用いて堆積してリフトオフすることにより形成することができる。ここで、ソース電極５４及びドレイン電極５６を形成する場合、下部の絶縁膜２４との密着性を上げるために、ソース電極５４と絶縁膜２４との間、又は、ドレイン電極５６と絶縁膜２４との間にＣｒ又はＴｉなどの密着膜を形成してもよい。
そして、絶縁膜２０、電極６４及び電極６６上にグラフェン層４２を、絶縁膜２４、ソース電極５４及びドレイン電極５６上にグラフェン層３２を、エピタキシャル成長法を用いて一括して選択成長させることで形成する（Ｓ６６）。グラフェン層３２及びグラフェン層４２を形成する方法は、選択成長可能なエピタキシャル成長法以外に、ＣＶＤ法を用いて形成したグラフェンを転写して貼り付ける方法、又は、グラファイトから機械剥離などで剥離したグラフェンを転写して貼り付ける方法でグラフェンを成膜した後、フォトリソグラフィなどでグラフェン上にレジストマスクをパターニングし、酸素プラズマ等で余分なグラフェンをエッチングすることにより、グラフェン層３２及びグラフェン層４２を形成してもよい。
以上より、本実施の形態である電磁波検出器２を製造することができる。
実施の形態１では、グラフェン層３０を形成した後に絶縁膜２２、電極６０及び電極６２を形成し、その後、グラフェン層４０を形成していたが、本実施の形態である電磁波検出器２の製造方法では、上述の通り、基板１０上に絶縁膜２０、絶縁膜２４、ソース電極５４、ドレイン電極５６、電極６４及び電極６６を形成した後に一括してグラフェン層３２及びグラフェン層４２を形成している。
実施の形態１では、グラフェン層３０を形成した後、絶縁膜２２、電極６０、電極６２及びグラフェン層４０を形成していたため、これらのプロセスによりグラフェン層３０にプロセスダメージ及び不純物付着等が発生し、グラフェン層３０の移動度が劣化する可能性があり、電磁波検出器の感度の低下及び応答速度の劣化を引き起こす可能性があった。
しかしながら、本実施の形態である電磁波検出器２は、絶縁膜２０、絶縁膜２４、ソース電極５４、ドレイン電極５６、電極６４及び電極６６を形成した後に一括してグラフェン層３２及びグラフェン層４２を形成しているため、グラフェン層３２及びグラフェン層４２が絶縁膜２０、絶縁膜２４、ソース電極５４、ドレイン電極５６、電極６４及び電極６６を形成するプロセスによって、プロセスダメージ及び不純物付着等が発生することはなく、電磁波検出器の感度の低下及び応答速度の劣化を防止することができるため、高性能な電磁波検出器を提供することができる。
また、本実施の形態である電磁波検出器の製造方法は、グラフェン層３２及びグラフェン層４２を一括して形成しているため、実施の形態１に比べて、グラフェン層を形成するプロセスを減らすことができるため、製造工程数を削減することができ、製造コストを下げることができる。
以上より、上述のように構成された本実施の形態である電磁波検出器及びその製造方法は、実施の形態１と同様、広い波長域の電磁波を検出することができ、電磁波に対する応答速度が速い高感度な電磁波検出器を提供することができる。また、本実施の形態である電磁波検出器及びその製造方法は、グラフェン層へのプロセスダメージ及び不純物付着を抑制し、電磁波検出器の感度の低下及び応答速度の劣化を防止することができるため、高性能な電磁波検出器を提供することができる。また、本実施の形態である電磁波検出器及びその製造方法は、グラフェン層を形成するプロセスを減らすことができるため、製造工程数を削減することができ、製造コストを下げることができる。
実施の形態３．
本実施の形態である電磁波検出器は、実施の形態１とは異なり、グラフェン層４４がドレイン電極５０よりもソース電極５２の近くに配置されている。同一符号を付した部分については、実施の形態１の電磁波検出器と同様に構成されるため、説明は省略する。
図８は、本実施の形態である電磁波検出器の構成を示す断面図であり、断面の見方は実施の形態１の場合の図１の切断線Ａ−Ａから見た断面図と同様である。
図８に示すように、本実施の形態である電磁波検出器３は、グラフェン層４４が絶縁膜２２上に設けられ、ドレイン電極５０よりもソース電極５２の近くに配置されている。つまり、ソース電極５２とグラフェン層４４との間の距離が、ドレイン電極５０とグラフェン層４４との間の距離よりも小さく、平面視において、ドレイン電極５０とソース電極５２との間でグラフェン層４４が非対称に配置される。また、本実施の形態である電磁波検出器３は、実施の形態１と異なり、ドレイン電極５０とソース電極５２との間に電圧Ｖｄを印加する電源回路は接続されておらず、ドレイン電極５０とソース電極５２との間の電流Ｉｄを検出する構成のみ備えている。
ここで、非対称に配置されるとは、平面視におけるドレイン電極５０とソース電極５２との間の図１の中間線８０を対称軸とした場合のグラフェン４４の配置又は形状の非対称性をいう。つまり、上述のようにグラフェン層４４をソース電極５２の近くに配置することで非対称に配置するだけでなく、グラフェン層４４を対称軸上に配置し、平面視で対称軸に対して非対称な形状を有するグラフェン層４４を配置しても構わないし、グラフェン層４４の配置及び形状の両方を非対称にしても構わない。
以上より、本実施の形態である電磁波検出器３が構成される。本実施の形態である電磁波検出器３の製造方法については、実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。
次に本実施の形態である電磁波検出器３の動作原理について説明を行う。図９は、本実施の形態である電磁波検出器の動作原理を説明するための図である。基本的な動作原理については、実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略し、本実施の形態の特徴部分についてのみ説明を行う。
上述の実施の形態１で説明したように、グラフェン層４０からグラフェン層３０にゲート電圧が印加されると、グラフェン層３０内のグラフェン層４０が設けられる領域と設けられない領域との間に異なるゲート電圧が印加されることになるため、グラフェン層３０内のグラフェン層４０が設けられる領域と設けられない領域との間で異なるキャリア密度の領域が形成され、グラフェン層３０内に疑似的なＰＮＰ接合又はＮＰＮ接合の電位勾配が形成される。
実施の形態１では、図１に示すように、グラフェン層３０の上方にグラフェン層４０が、平面視におけるドレイン電極５０とソース電極５２との間の中間線８０を対称軸として対称に配置されている。その場合、このグラフェン層３０内の電位勾配も、ドレイン電極５０とソース電極５２との間において対称となるため、入射された電磁波によるグラフェン層４０の電位の変化に伴うグラフェン層３０に発生する差分電流は、グラフェン層３０のドレイン電極５０側とソース電極５２側の領域で互いに逆方向に同じだけ流れ、相殺されてゼロになる。そのため、実施の形態１では、ドレイン電極５０とソース電極５２との間に電圧Ｖｄのバイアス電圧を印加することにより、電磁波の入射に伴う差分電流の検出を行っている。
それに対して、本実施の形態である電磁波検出器３は、平面視において、ドレイン電極５０よりもソース電極の近く、つまり、ドレイン電極５０とソース電極５２との間でグラフェン層４４が非対称に配置される。そのため、グラフェン層４０からグラフェン層３０にゲート電圧が印加された場合のグラフェン層３０内の電位勾配は、図９に示すように、左右で非対称になる。この非対称の電位勾配は、ドレイン電極５０とソース電極５２との間のグラフェン層３０内に流れる電流の総和が相殺されず、ドレイン電極５０とソース電極５２との間にバイアス電圧を印加することなく、ドレイン電極５０とソース電極５２との間に電流が流れる。つまり、ドレイン電極５０とソース電極５２との間にバイアス電圧を印加することなく、グラフェン層４０に生じる電位の変化に伴うグラフェン層３０に発生する差分電流を検出することができる。
したがって、本実施の形態である電磁波検出器３は、ドレイン電極５０とソース電極５２との間にバイアス電圧を印加することなく、電磁波の検出を行うことができ。バイアス電圧が印加されていないため、低ノイズで低消費電力の電磁波検出器を提供することができる。
以上より、上述のように構成された本実施の形態である電磁波検出器は、実施の形態１と同様、広い波長域の電磁波を検出することができ、電磁波に対する応答速度が速い高感度な電磁波検出器を提供することができる。また、本実施の形態である電磁波検出器は、ドレイン電極とソース電極との間にバイアス電圧を印加することなく、電磁波の検出を行うことができるため、低ノイズで低消費電力の電磁波検出器を提供することができる。
ここで、本実施の形態である電磁波検出器３では、ドレイン電極５０よりもソース電極５２の近くにグラフェン層４４を配置したが、グラフェン層４４を非対称に配置すればよく、例えば、ソース電極５２よりもドレイン電極５０の近くにグラフェン層４４を配置しても構わない。
また、グラフェン層４４の配置は、上述したグラフェン層３０のフェルミレベル、つまり、電位勾配が非対称になるグラフェン層４４の配置又は形状であれば、上述のようなグラフェン層４４の配置又は形状に限定されない。
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、実施の形態２にも適用することができる。その場合、グラフェン層３２の下方に設けられる電極６４を、グラフェン層３２下方の全面ではなく、部分的に設けて、平面視におけるソース電極５４とドレイン電極５６との間の中間線を対称軸として、電極６４を対称軸に対して非対称に配置したり、非対称な形状を設けたりすることで、本実施の形態と同様の効果を有する低ノイズで低消費電力の電磁波検出器を提供することができる。
実施の形態４．
本発明の実施の形態４である電磁波検出器は、実施の形態１とは異なり、グラフェン層４６が絶縁膜２２上に複数有し、基板１０の面内方向に離間して配置される。同一符号を付した部分については、実施の形態１の電磁波検出器と同様に構成されるため、説明は省略する。
図１０は、本実施の形態である電磁波検出器の構成を示す平面図である。図１１は、本実施の形態である電磁波検出器の構成を示す断面図であり、図１０の切断線Ｃ−Ｃから見た断面図である。
図１０と図１１とを用いて、本実施の形態である電磁波検出器４の構成を説明する。
本実施の形態である電磁波検出器４は、絶縁膜２２上に設けられ、基板１０の面内方向に離間して配置される複数のグラフェン層４６を備える。ここで、紙面上の上下方向を垂直方向、紙面上の左右方向を水平方向とすると、複数のグラフェン層４６は、ドレイン電極５０とソース電極５２との間にグラフェン層３０と対向するように設けられ、平面視で垂直方向に延在し、互いに水平方向に離間して平行に配置される。さらに、本実施の形態である電磁波検出器４は、複数のグラフェン層４６の一端を共通に電気的に接続する電極６８と、他端を共通に電気的に接続する電極６９とを備える。その他の構成については、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
次に、本実施の形態である電磁波検出器４の動作原理について説明を行う。基本的な動作原理については、実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略し、本実施の形態の特徴部分についてのみ説明を行う。
上述の通り、本実施の形態である電磁波検出器４は、ドレイン電極５０とソース電極５２との間にグラフェン層３０と対向するように設けられ、平面視で垂直方向に延在し、互いに水平方向に離間して平行に配置される複数のグラフェン層４６を有する。そのため、グラフェン層３０内には、複数のグラフェン層４６から印加されるゲート電圧により複数の電子密度勾配が形成される。さらに、ドレイン電極５０とソース電極５２との間にバイアス電圧を印加することにより、グラフェン層３０内に階段状の電子密度勾配が形成される。
階段状の電子密度勾配の形成は、ドレイン電極５０とソース電極５２との間に印加されるバイアス電圧を増加させることと同じ効果があり、グラフェン層３０内の差分電流の取り出し効率を向上させることができる。つまり、本実施の形態である電磁波検出器４は、実施の形態１と比較して、さらに高感度な電磁波検出器を提供することができる。
以上より、上述のように構成された本実施の形態である電磁波検出器は、実施の形態１と同様、広い波長域の電磁波を検出することができ、電磁波に対する応答速度が速い電磁波検出器を提供することができ、さらに高感度な電磁波検出器を提供することができる。
ここで、本実施の形態では、３つのグラフェン層４６を例に説明を行ったが、２つ以上のグラフェン層４６であれば同様の効果を得ることができる。また、グラフェン層４６の間隔及び本数は適宜調整することができる。また、本実施の形態では、３つのグラフェン層４６をグラフェン層３０上のドレイン電極５０とソース電極５２との間に対称に配置したが、実施の形態３の効果を奏するように非対称に配置することもできる。
また、本実施の形態では、３つのグラフェン層４６に共通に接続される電極６８及び電極６９を設けたが、各グラフェン層４６に異なる電圧を印加するために、各グラフェン層４６にそれぞれ電極を設けて、異なる電圧を印加しても構わない。
また、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、実施の形態２にも適用することができる。その場合、グラフェン層３２の下方に設けられる電極６４を、グラフェン層３２下方の全面ではなく、部分的に設け、平面視でソース電極５４とドレイン電極５６との間に垂直方向に延在し、互いに水平方向に離間して平行に配置した複数の電極を設けることで、本実施の形態と同様の効果を有する電磁波検出器を提供することができる。
実施の形態５．
本発明の実施の形態５である電磁波検出器は、他の実施の形態とは異なり、グラフェン層４８が、入射される電磁波が共鳴するような周期的な構造を有する。同一符号を付した部分については、実施の形態１の電磁波検出器と同様に構成されるため、説明は省略する。
図１２は、本実施の形態である電磁波検出器の構成を示す断面図であり、断面の見方は実施の形態４の場合の図１０の切断線Ｃ−Ｃから見た断面図と同様である。
本実施の形態である電磁波検出器５は、入射される電磁波が共鳴するような周期的な構造を有するグラフェン層４８を備える。具体的には、図１２に示すように、複数のグラフェン層４８を有し、複数のグラフェン層４８は、ドレイン電極５０とソース電極５２との間に平面視で垂直方向に延在し、水平方向に平行に一定の間隔で周期的に配置されている。
本実施の形態である電磁波検出器５の動作原理は実施の形態１及び実施の形態４と同様であるため詳細な説明は省略するが、本実施の形態である電磁波検出器５は、例えば、入射される電磁波が共鳴するような周期でグラフェン層４８を配置することで、入射される電磁波を回折させる、又は、表面プラズモン共鳴によって表面波を形成させることもできる。
グラフェンは表面プラズモン共鳴を伝搬する場合に、損失が少ない材料として知られている。このため、グラフェン表面に結合した電磁波は、グラフェン層４８の表面上をプラズモンポラリトンとして伝搬することが可能となる。つまり、このようなプラズモン共鳴波長においてグラフェン層４８の光電変換効率を向上させることができ、電磁波検出器としての感度を高くすることができる。また、幅が異なるグラフェン層４８を複数周期的に並べた場合、共鳴波長が多波長化し、選択的な波長帯域の中で広い波長帯域のプラズモン共鳴を生じさせることが可能である。
グラフェン層４８が、絶縁膜２２上に周期的に配置される場合は、例えば、入射される電磁波の偏光に依存して回折又はプラズモン共鳴が異なることになる。この結果、グラフェン層４８によって、電磁波は特定の偏光を回折又はグラフェン層４８表面に結合させることが可能となる。つまり、入射された電磁波の特定の波長及び偏光のみがグラフェン層４８に結合するため、本実施の形態である電磁波検出器５は、電磁波の特定の波長及び偏光のみを検出することができ、特定の波長の電磁波を選択的に検出することができる。このように、本実施の形態である電磁波検出器５は、電磁波の特定の偏光を検出することが可能であるため、偏光イメージング機器への応用が可能になる。また、本実施の形態である電磁波検出器５の動作波長帯域は、グラフェン層４８の周期及び幅に応じて決定される。
以上より、上述のように構成された本実施の形態である電磁波検出器は、実施の形態１と同様、電磁波に対する応答速度が速い高感度な電磁波検出器を提供することができる。また、本実施の形態である電磁波検出器５は、電磁波の特定の偏光のみを検出することができるため、特定の波長の電磁波を選択的に検出することができる。
ここで、本実施の形態では、図１２に示すように、平面視で垂直方向に延在する複数のグラフェン層４８を水平方向に周期的に配置しているが、必ずしもこれに限定されず、入射される電磁波が共鳴するような周期的な構造であればよく、例えば、グラフェン層４８を周期的な格子状にしたり、その他の対称性を有する周期的な形状を設けたりするなど、適宜、本実施の形態の趣旨を逸脱しない範囲で種々にグラフェン層４８の形状を設定することができる。
また、本実施の形態では、各グラフェン層４８に異なる電圧を印加するために、各グラフェン層４８にそれぞれ電極を設けて異なる電圧を印加しても構わない。その場合、グラフェン層４８が応答する電磁波の波長を電気的に制御することが可能となる。
また、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、実施の形態２にも適用することができる。その場合、グラフェン層３２の下方に設けられる電極６４を、グラフェン層３２下方の全面ではなく、部分的に設け、平面視でソース電極５４とドレイン電極５６との間に入射される電磁波が共鳴するような周期的な構造を有する電極を設けることで、本実施の形態と同様の効果を有する電磁波検出器を提供することができる。
実施の形態６．
本発明の実施の形態６である電磁波検出器は、他の実施の形態とは異なり、基板１０に電気的に接続され、バックゲート電圧Ｖｂｇが印加される電極７０を備える。同一符号を付した部分については、実施の形態１の電磁波検出器と同様に構成されるため、説明は省略する。
図１３は、本実施の形態である電磁波検出器の構成を示す断面図であり、断面の見方は実施の形態１の場合の図１の切断線Ａ−Ａから見た断面図と同様である。
本実施の形態である電磁波検出器６は、基板１０に電気的に接続され、バックゲート電圧Ｖｂｇが印加される電極７０を備える。図１３に示すように、電極７０は基板１０の裏面に設けられ、グラフェン層３０にバックゲート電圧Ｖｂｇを印加するために電源回路に接続されている。電極７０は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、又は、Ｐｄ等の金属から形成される。
このとき、基板１０は、例えば、不純物をドープしたシリコン基板などを用いることができる。また、基板１０の代わりに絶縁膜２０の裏面上に電極７０を設けても構わない。基板１０として、不純物をドープしたシリコン基板を用いる場合、電極７０はオーミック接触で基板１０と電気的に接続することが好ましい。
次に、本実施の形態である電磁波検出器６の動作原理について説明を行う。基本的な動作原理については、実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略し、本実施の形態の特徴部分についてのみ説明を行う。
本実施の形態である電磁波検出器６は、基板１０に電気的に接続され、バックゲート電圧Ｖｂｇが印加される電極７０を備える。そのため、グラフェン層３０に印加されるゲート電圧は、グラフェン層４０から印加されるバイアス電圧だけでなく、電極７０から印加されるバックゲート電圧Ｖｂｇでも制御可能となる。
つまり、グラフェン層３０の電子状態密度をグラフェン層４０だけでなく、バックゲート電圧Ｖｂｇでも制御することができるようになり、グラフェン層３０の検出電流の取り出し効率が大きくなるようなグラフェン層３０の電子状態密度を、バックゲート電圧Ｖｂｇによって調整することが可能になる。
逆に、バックゲート電圧Ｖｂｇをグラフェン層３０の電子状態密度が対称になるように制御することにより、電磁波の入射がない場合のグラフェン層３０に流れる電流をゼロにすることができ、グラフェンを用いた電磁波検出器の短所である暗電流をゼロにすることができ、ノイズが少ない電磁波検出器を提供することができる。
以上より、上述のように構成された本実施の形態である電磁波検出器は、実施の形態１と同様、広い波長域の電磁波を検出することができ、電磁波に対する応答速度が速い高感度な電磁波検出器を提供することができる。また、本実施の形態である電磁波検出器は、グラフェン層の検出電流の取り出し効率を大きくすることができるため、さらに高感度な電磁波検出器を提供することができ、また、暗電流をゼロにすることができるため、ノイズが少ない電磁波検出器を提供することができる。
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
実施の形態７．
本発明の実施の形態７である電磁波検出器は、他の実施の形態とは異なり、ドレイン電極５８とソース電極５９の金属材料が互いに異なる。同一符号を付した部分については、実施の形態１の電磁波検出器と同様に構成されるため、説明は省略する。
図１４は、本実施の形態である電磁波検出器の構成を示す断面図であり、断面の見方は実施の形態１の場合の図１の切断線Ａ−Ａから見た断面図と同様である。
本実施の形態である電磁波検出器７は、図１４に示すように、ドレイン電極５８とソース電極５９の金属材料が互いに異なる。ドレイン電極５８とソース電極５９の金属材料は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、又は、Ｐｄ等の金属から互いに異なる金属材料が適宜選択される。
次に、本実施の形態である電磁波検出器７の動作原理について説明を行う。基本的な動作原理については、実施の形態１と同様であるため、ここでは詳細な説明は省略し、本実施の形態の特徴部分についてのみ説明を行う。
グラフェンは、接触する金属の種類によってフェルミレベルが移動し、接触抵抗が異なる。そのため、ドレイン電極５８とソース電極５９の金属材料が互いに異なる場合、金属が異なると仕事関数が異なるので、例えば、ドレイン電極５８とソース電極５９との間で、グラフェン層３０が有するエネルギーギャップが異なるようになる。この結果、電磁波が入射された場合、発生したキャリアにより、ドレイン電極５８とソース電極５９との間の光電流が増大し、電磁波検出器の感度を向上させることができる。また、ドレイン電極５８とソース電極５９の平面形状は、長方形でもよいが、これに限定されるわけではない。
以上より、上述のように構成された本実施の形態である電磁波検出器は、実施の形態１と同様、広い波長域の電磁波を検出することができ、電磁波に対する応答速度が速い高感度な電磁波検出器を提供することができる。また、本実施の形態である電磁波検出器は、電極間の光電流を増大させることができるため、さらに高感度な電磁波検出器を提供することができる。
ここで、ドレイン電極５８とソース電極５９の形状をボウタイアンテナ状としたり、ドレイン電極５８とソース電極５９間の距離を近づけたりすることにより、アンテナ効果又は電極間でのプラズモン共鳴を発生させ、特定の波長のみの検出効率を大きくすることもできる。
また、本実施の形態では、ドレイン電極５８とソース電極５９の金属材料が互いに異なる例を説明したが、電極６０と電極６２の金属材料が互いに異なっていても構わない。
また、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
実施の形態８．
本発明の実施の形態８である電磁波検出器は、実施の形態１とは異なり、絶縁膜２０に基板１０が露出した開口部１１が設けられ、グラフェン層３４と基板１０が接触している。同一符号を付した部分については、実施の形態１の電磁波検出器と同様に構成されるため、説明は省略する。
図１５は、本実施の形態である電磁波検出器の構成を示す平面図である。図１６は、本実施の形態である電磁波検出器の構成を示す断面図であり、図１５の切断線Ｄ−Ｄから見た断面図である。
図１５及び図１６に示すように、本実施の形態である電磁波検出器８は、絶縁膜２０に基板１０が露出した開口部１１が設けられ、グラフェン層３４と基板１０が一部領域で接触している。具体的には、図１５に示すように、絶縁膜２０のグラフェン層４０の下方に、平面視で長方形の形状を有する開口部１１が設けられ、この開口部１１により基板１０が絶縁膜２０から露出した状態になっている。この開口部１１内にグラフェン層３４が設けられ、グラフェン層３４と基板１０とが一部領域で接触している。
また、実施の形態１と異なり、基板１０には、バックゲート電圧Ｖｂｇが印可され、ドレイン電極５０にバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印可され、ソース電極５２は接地される。また、実施の形態１と異なり、電極６０と電極６２との間には電圧Ｖｄが印加され、電極６０と電極６２との間のグラフェン層４０の電流Ｉｄの変化を検出することができる。
ここで、開口部１１の平面視の形状は、長方形に限られず、矩形、円形、楕円形又はその他の多角形でもよく、グラフェン層３４と基板１０とが接触していれば構わない。
次に、本実施の形態における電磁波検出器８の動作原理について、例えば、基板１０がシリコン基板である場合を例にして説明を行う。
例えば、基板１０であるシリコン基板に、シリコン基板が光電変換を起こす波長である、例えば、可視波長の光が入射した場合、シリコン基板中で光電変換が起こり、シリコン基板内にキャリアが発生する。
基板１０であるシリコン基板には、バックゲート電圧Ｖｂｇが印可されているため、シリコン基板内の光電変換で発生したキャリアは、電子又は正孔の一方の電荷がグラフェン層３４側に引き寄せられ、グラフェン層３４に注入される。
グラフェン層３４に注入された電荷は、ドレイン電極５０とソース電極５２との間でバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印可されているため、ドレイン電極５０又はソース電極５２で取り出され、グラフェン層３４に電流が流れる。つまり、基板１０であるシリコン基板が光電変換を発生させる電磁波の波長域に対して、グラフェン層３４内で電位の変化が発生する。
このグラフェン層３４内の電位の変化により、グラフェン層４０は、上述した光ゲート効果に伴う電気量の変化である差分電流を発生する。本実施の形態である電磁波検出器８は、この差分電流を検出することにより、基板１０であるシリコン基板が光電変換を発生させる電磁波の波長域に対して、電磁波を検出することができる。
このとき、グラフェン層３４内のグラフェンの移動度が、グラフェン層３４内に注入されたキャリアの寿命に比べて大きいため、グラフェン層３４で光電変換により発生したキャリアに加え、グラフェン層３４内に注入されたキャリアもドレイン電極５０又はソース電極５２で取り出すことができ、基板１０であるシリコン基板が光電変換を発生させる電磁波の波長域に対して、グラフェン層３４に流れる電流は大きくなり、グラフェン層３４内の電位の変化も大きくなる。そのため、グラフェン層４０内に発生する光ゲート効果に伴う電気量の変化である差分電流も大きくなり、基板１０であるシリコン基板が光電変換を発生させる電磁波の波長域に対して、実施の形態１及び実施の形態６よりも、さらに高感度に電磁波を検出することができる。
ここで、本実施の形態では、ドレイン電極５０及びソース電極５２を用いた例を説明したが、例えば、図１７に示すように、ドレイン電極５０及びソース電極５２の代わりに、電極５３のようにグラフェン層３４を取り囲む一つの電極を用いて、基板１０に接続されたバックゲート電極と電極５３との間でダイオードのように動作させても構わない。図１７は、本実施の形態である電磁波検出器の別の構成を示す平面図であり、電極５３の上方に設けられるグラフェン層３４、絶縁膜２２及びグラフェン層４０のハッチングを省略した平面図である。本実施の形態である電磁波検出器の別の構成の断面構造は、図１６と同様であるため、省略している。
図１７に示すような本実施の形態である電磁波検出器の別の構成においては、基板１０に接続されたバックゲート電極と電極５３との間でダイオードのように動作させることで、本実施の形態と同様の効果を有するとともに、本実施の形態のようにドレイン電極５０とソース電極５２との間にバイアス電圧が印加されていないため、暗電流を抑制することができ、ノイズを減らした高感度な電磁波検出器を提供することができる。
ここで、本実施の形態では、基板１０として、シリコン基板を用いる例を説明したが、シリコン基板に代わって、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族又はＩＩ−Ｖ族半導体などの化合物半導体、テルル化ガドミウム水銀、インジウムアンチモン、鉛セレン、鉛硫黄、カドミウム硫黄、ガリウム窒素、シリコンカーバイド、又は、量子井戸又は量子ドットを含む基板、ＴｙｐｅＩＩ超格子などの材料の単体又はそれらを組み合わせた基板を用いてもよい。例えば、インジウムアンチモン等の場合は赤外波長域において、上述した動作が可能であるため、赤外波長域において、さらに高感度な電磁波検出器が実現できる。また、基板１０の材料を変えることで、特定の波長をさらに高感度に検出することが可能である。
また、本実施の形態では、絶縁層２２を用いる例を説明したが、絶縁膜２２の全部又は一部を、基板１０で例示したような半導体層又は半導体層と絶縁層との組み合わせにより形成される層にし、これら層とグラフェン層３４又はグラフェン層４０の一部とが接触するようにしても、上記と同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
実施の形態９．
本発明の実施の形態９である電磁波検出器は、実施の形態２とは異なり、絶縁膜２０に基板１０が露出した開口部１２が設けられ、グラフェン層４９と基板１０が接触している。同一符号を付した部分については、実施の形態１の電磁波検出器と同様に構成されるため、説明は省略する。
図１８は、本実施の形態である電磁波検出器の構成を示す平面図である。図１９は、本実施の形態である電磁波検出器の構成を示す断面図であり、図１８の切断線Ｅ−Ｅから見た断面図である。
図１８及び図１９に示すように、本実施の形態である電磁波検出器９は、絶縁膜２０に基板１０が露出した開口部１２が設けられ、グラフェン層４９と基板１０が接触している。具体的には、図１８に示すように、絶縁膜２０のグラフェン層４９の下方に、平面視で長方形の形状を有する開口部１２が設けられ、この開口部１２により基板１０が絶縁膜２０から露出した状態になっている。この開口部１２内にグラフェン層４９設けられ、グラフェン層４９と基板１０とが一部領域で接触している。また、実施の形態２と異なり、基板１０には、バックゲート電圧Ｖｂｇが印可される。
ここで、開口部１２の平面視の形状は、長方形に限られず、矩形、円形、楕円形又はその他の多角形でもよく、グラフェン層４９と基板１０とが接触していれば構わない。
次に、本実施の形態における電磁波検出器９の動作原理について、例えば、基板１０がシリコン基板である場合を例にして説明を行う。
例えば、基板１０であるシリコン基板に、シリコン基板が光電変換を起こす波長である、例えば、可視波長の光が入射した場合、シリコン基板中で光電変換が起こり、シリコン基板内にキャリアが発生する。
基板１０であるシリコン基板には、バックゲート電圧Ｖｂｇが印可されているため、シリコン基板内の光電変換で発生したキャリアは、電子又は正孔の一方の電荷がグラフェン層４９側に引き寄せられ、グラフェン層４９に注入される。
グラフェン層４９に注入された電荷は、ドレイン電極５０とソース電極５２との間でバイアス電圧Ｖｂｉａｓが印可されているため、電極６４又は電極６６で取り出され、グラフェン層４９に電流が流れる。つまり、基板１０であるシリコン基板が光電変換を発生させる電磁波の波長域に対して、グラフェン層４９内で電位の変化が発生する。
このグラフェン層４９内の電位の変化により、グラフェン層３２は、上述した光ゲート効果に伴う電気量の変化である差分電流を発生する。本実施の形態である電磁波検出器９は、この差分電流を検出することにより、基板１０であるシリコン基板が光電変換を発生させる電磁波の波長域に対して、電磁波を検出することができる。
このとき、グラフェン層４９内のグラフェンの移動度が、グラフェン層４９内に注入されたキャリアの寿命に比べて大きいため、グラフェン層４９で光電変換により発生したキャリアに加え、グラフェン層４９内に注入されたキャリアも電極６４又は電極６６で取り出すことができ、基板１０であるシリコン基板が光電変換を発生させる電磁波の波長域に対して、グラフェン層４９に流れる電流は大きくなり、グラフェン層４９内の電位の変化も大きくなる。そのため、グラフェン層３２内に発生する光ゲート効果に伴う電気量の変化である差分電流も大きくなり、基板１０であるシリコン基板が光電変換を発生させる電磁波の波長域に対して、実施の形態２よりも、さらに高感度に電磁波を検出することができる。
ここで、本実施の形態では、基板１０として、シリコン基板を用いる例を説明したが、シリコン基板に代わって、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族又はＩＩ−Ｖ族半導体などの化合物半導体、テルル化ガドミウム水銀、インジウムアンチモン、鉛セレン、鉛硫黄、カドミウム硫黄、ガリウム窒素、シリコンカーバイド、又は、量子井戸又は量子ドットを含む基板、ＴｙｐｅＩＩ超格子などの材料の単体又はそれらを組み合わせた基板を用いてもよい。例えば、インジウムアンチモン等の場合は赤外波長域において、上述した動作が可能であるため、赤外波長域において、さらに高感度な電磁波検出器が実現できる。また、基板１０の材料を変えることで、特定の波長をさらに高感度に検出することが可能である。
また、本実施の形態では、絶縁層２４を用いる例を説明したが、絶縁膜２４の全部又は一部を、基板１０で例示したような半導体層又は半導体層と絶縁層との組み合わせにより形成される層にし、これら層とグラフェン層３２の一部とが接触するようにしても、上記と同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
実施の形態１０．
本発明の実施の形態１０である電磁波検出器アレイは、電磁波検出器を複数有し、一次元方向又は二次元方向にアレイ状に配置される。図２０は、本実施の形態である電磁波検出器アレイの構成を示す平面図である。
図２０に示すように、本実施の形態の電磁波検出器アレイ１００は、実施の形態１である電磁波検出器１を複数有し、二次元方向にアレイ状に配置される。本実施の形態では、実施の形態１である電磁波検出器１が、２×２のアレイ状に配置されている。ただし、配置される電磁波検出器１の数はこれに限定されるものではない。また、本実施の形態では、二次元に周期的に配列したが、一次元に周期的に配列しても構わない。また、周期的ではなく異なる間隔で配置しても構わない。
このようにグラフェンを用いた電磁波検出器アレイ１００では、紫外光からマイクロ波まで非常に広い波長範囲の電磁波を検出できる。特に、アレイ状に配列することで画像センサとしても使用できる。例えば、電磁波検出器アレイ１００を車載センサに適用した場合、昼間は可視光画像用カメラとして使用でき、夜間は赤外線カメラとしても使用でき、電磁波の検出波長によって、画像センサを有するカメラを使い分ける必要が無い。
なお、電磁波検出器アレイ１００の外側には、電磁波検出器１それぞれから得られた電気信号を読み出す読み出し回路及び行列選択回路などを設置しておくことが好ましい。
以上より、上述のように構成された本実施の形態である電磁波検出器アレイは、広い波長域の電磁波を検出することができ、電磁波に対する応答速度が速い高感度な電磁波検出器アレイを提供することができる。
ここで、本実施の形態では、実施の形態１である電磁波検出器１を複数有する電磁波検出器アレイ１００を例に説明したが、実施の形態１である電磁波検出器１の代わりに、他の実施の形態である電磁波検出器を用いても構わない。
実施の形態１１．
本発明の実施の形態１１である電磁波検出器アレイは、実施の形態１０と異なり、互いに種類の異なる電磁波検出器を複数有し、一次元方向又は二次元方向にアレイ状に配置される。図２１は、本実施の形態である電磁波検出器アレイの構成を示す平面図である。
図２１に示すように、本実施の形態の電磁波検出器アレイ２００は、互いに種類の異なる電磁波検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが、２×２のマトリックス状に配置されている。ただし、配置される電磁波検出器の数はこれに限定されるものではない。また、本実施の形態では、二次元に周期的に配列したが、一次元に周期的に配列しても構わない。また、周期的ではなく異なる間隔で配置しても構わない。
本実施の形態である電磁波検出器アレイ２００は、実施の形態１〜９で述べた種類の異なる電磁波検出器を、一次元又は一次元のアレイ状に配置することで、画像センサとしての機能を持たせることができる。
本実施の形態である電磁波検出器アレイ２００においては、例えば、電磁波検出器１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄを、それぞれ検出波長の異なる電磁波検出器から形成しても良い。具体的には、実施の形態１〜９に記載した検出波長選択性を有する電磁波検出器をアレイ状に並べる。これにより、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ようになる。
このように異なる検出波長を有する電磁波検出器をアレイ状に配置することにより、可視光域で用いるイメージセンサと同様に、紫外光、赤外光、テラヘルツ波、電波の波長域においても波長を識別でき、カラー化した画像を得ることができる。
また、イメージセンサ以外の用途としては、少ない画素数でも、物体の位置検出用センサとして用いることができる。電磁波検出器アレイ２００の構造により、複数波長の電磁波の強度を検出する画像センサが得られる。これにより、従来、ＣＭＯＳイメージセンサなどで必要であったカラーフィルタを用いることなく、複数の波長の電磁波を検出し、カラー画像を得ることができる。
さらに、検出する偏光が異なる電磁波検出器をアレイ化することにより、偏光識別イメージセンサを形成することもできる。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、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は、例えば、人工物と自然物の識別、材料識別、赤外波長域における同一温度物体の識別、物体間の境界の識別、又は、等価的な分解能の向上などが可能になる。
以上より、上述のように構成された本実施の形態である電磁波検出器アレイは、実施の形態８と同様、広い波長域の電磁波を検出することができ、電磁波に対する応答速度が速い高感度な電磁波検出器アレイを提供することができる。また、本実施の形態である電磁波検出器アレイは、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アレイを提供することができる。
上述したように、本発明の実施の形態では、電磁波検出器として、グラフェン以外にも、例えば、グラフェンナノリボン、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２等の遷移金属ダイカルコゲナイド、黒リン、シリセン、ゲルマネンなどの二次元原子層材料にも適用できることを述べたが、遷移金属ダイカルコゲナイド、黒リンなどの二次元原子層材料は、特定のバンドギャップを有するため、オフ電流はほぼゼロであり、電磁波検出器のノイズを小さくすることができる。
また、遷移金属ダイカルコゲナイド、黒リンなどの二次元原子層材料からなる層は、積層する層の数を調整することにより、バンドギャップの大きさが調整できる。そのため、検出される電磁波の波長を積層する層の数により選択できる。例えば、ＭｏＳ２、ＷＳ２などの遷移金属ダイカルコゲナイドは、可視光波長に相当するバンドギャップを有し、黒リンは中赤外域に相当するバンドギャップを有する。これにより、特定の波長の電磁波のみを検出する波長選択型の電磁波検出器を得ることができる。また、従来の半導体を用いた電磁波検出器のように、半導体材料の組成によってバンドギャップをコントロールする必要がないため、製造工程が容易である。また、典型的な波長選択法である光学フィルタを用いる必要も無いため、光学部品の点数が低減でき、さらにフィルタを通過することによる入射光の損失も低減することができる。
また、遷移金属ダイカルコゲナイド、黒リンなどの二次元原子層材料を用いた場合、複数の層からなる積層構造とし、さらに、積層方向を制御することで、電磁波の偏光依存性を得ることができる。このため、電磁波の特定の偏光のみを選択的に検出する電磁波検出器を提供することができる。
さらに、これらの遷移金属ダイカルコゲナイド、黒リンなどの二次元原子層材料のうち、異なる２種以上の二次元原子層材料を組み合わせ、又は、遷移金属ダイカルコゲナイド、黒リンなどの二次元原子層材料とグラフェンとを組み合わせ、ヘテロ接合とすることにより、異種材料間で、従来の半導体材料における量子井戸効果又はトンネル効果と同じ効果が実現できる。これにより、ノイズが低減できるとともに、再結合が低減できるため、電磁波検出器の高感度化が可能となる。熱雑音が支配的となる赤外波長域においては、トンネル効果を利用した熱雑音の低減は大きな効果がある。また、常温動作も可能となる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。さらに、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。
２０、２２、２４ 絶縁膜、３０、３２、４０、４２、４４、４６、４８ グラフェン層、５０、５６、５８ ドレイン電極、５２、５４、５９ ソース電極、６０、６２、６４、６６、６８、６９ 電極
以上の目的を達成するために、本発明の電磁波検出器は、第１の面と第１の面と対向する第２の面を有する第１の絶縁膜と、入射された電磁波により光電変換し、電位が変化する第１の二次元原子層材料からなる第１の層と、第１の面上に設けられ、第１の絶縁膜を介して電位の変化が与えられ、電気量の変化を発生する第２の二次元原子層材料からなる第２の層とを備え、第１の絶縁膜の膜厚は、第１の層と第２の層との間にトンネル電流が発生しない厚さである。
以上の目的を達成するために、本発明の電磁波検出器は、第１の面と第１の面と対向する第２の面を有する第１の絶縁膜と、入射された電磁波により光電変換し、バイアス電圧が印加され電位が変化する第１の二次元原子層材料からなる第１の層と、第１の面上に設けられ、第１の絶縁膜を介して電位の変化が与えられ、電気量の変化を発生する第２の二次元原子層材料からなる第２の層とを備え、第１の層は、第１の絶縁膜の第２の面に接するように設けられ、第１の絶縁膜の膜厚は、第１の層と第２の層との間にトンネル電流が発生しない厚さである。
また、以上の目的を達成するために、本発明の電磁波検出器は、基板と、第１の面と第１の面と対向する第２の面を有する第１の絶縁膜と、入射された電磁波により光電変換し、バイアス電圧が印加され電位が変化する第１の二次元原子層材料からなる第１の層と、第１の面上に設けられ、第１の絶縁膜を介して電位の変化が与えられ、電気量の変化を発生する第２の二次元原子層材料からなる第２の層と、基板上に設けられる第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜の基板が設けられる面とは反対面に設けられ、第１の絶縁膜の第２の面と接するように設けられる第１の電極とを備え、第１の層は、第２の絶縁膜の基板が設けられる面とは反対面に設けられ、第１の電極と電気的に接続され、第１の電極から第１の絶縁膜を介して第２の層に電位の変化を与える。

Claims (15)

  1. 第１の面と前記第１の面と対向する第２の面を有する第１の絶縁膜（２２，２４）と、
    入射された電磁波により光電変換し、電位が変化する第１の二次元原子層材料からなる第１の層（４０，４２）と、
    前記第１の面上に設けられ、前記第１の絶縁膜（２２，２４）を介して前記電位の変化が与えられ、電気量の変化を発生する第２の二次元原子層材料からなる第２の層（３０，３２）と
    を備えることを特徴とする電磁波検出器。
  2. 基板（１０）と、
    前記基板（１０）上に設けられ、前記基板（１０）が設けられる面とは反対面で第２の層（３０）と接する第２の絶縁膜（２０）とを備え、
    第１の層（４０）は、第１の絶縁膜（２２）の第２の面に接するように設けられることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
  3. 基板（１０）と、
    前記基板（１０）上に設けられ、前記基板（１０）が設けられる面とは反対面で第１の層（３４）と接する第２の絶縁膜（２０）とを備え、
    前記第１の層（３４）は、第１の絶縁膜（２２）の第２の面に接するように設けられ、一部が前記第２の絶縁膜（２０）を貫通して前記基板（１０）に接することを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
  4. 基板（１０）と、
    前記基板（１０）上に設けられる第２の絶縁膜（２０）と、
    前記第２の絶縁膜（２０）の前記基板（１０）が設けられる面とは反対面に設けられ、第１の絶縁膜（２４）の第２の面と接するように設けられる第１の電極（６４）とを備え、
    第１の層（４２）は、前記第２の絶縁膜（２０）の前記基板（１０）が設けられる面とは反対面に設けられ、前記第１の電極（６４）と電気的に接続され、前記第１の電極（６４）から前記第１の絶縁膜（２４）を介して前記第２の層（３２）に電位の変化を与えることを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
  5. 第１の層（４９）は、一部が第２の絶縁膜（２０）を貫通して基板（１０）に接していることを特徴とする請求項４に記載の電磁波検出器。
  6. 第２の層（３０）の一端と電気的に接続される第２の電極（５０）と、
    第２の層（３０）の他端と電気的に接続される第３の電極（５２）とを備え、
    第１の層（４４）は、前記第２の電極（５０）と前記第３の電極（５２）との間の前記第２の層（３０）上方に設けられ、前記第２の電極（５０）よりも前記第３の電極（５２）の近くに配置されることを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
  7. 第１の層（４６）は、第１の絶縁膜（２２）上に複数有し、基板（１０）の面内方向に離間して配置されることを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
  8. 第１の層（４８）は、入射される電磁波が共鳴するような周期的な構造を有することを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
  9. 基板（１０）に電気的に接続され、バックゲート電圧が印加される第４の電極（７０）を備えることを特徴とする請求項２から請求項８のいずれか一項に記載の電磁波検出器。
  10. 第２の層（３０）の一端と電気的に接続される第２の電極（５８）と、
    第２の層（３０）の他端と電気的に接続され、前記第２の電極（３０）と異なる金属材料を有する第３の電極（５９）とを備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電磁波検出器。
  11. 第１の層（４０）の一端と電気的に接続される第４の電極（６０）と、
    第１の層（４０）の他端と電気的に接続され、前記第４の電極（６０）と異なる金属材料を有する第５の電極（６２）とを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電磁波検出器。
  12. 第１の層（４２）と電気的に接続され、第１の電極（６４）と異なる金属材料を有する第４の電極（６６）を備えることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の電磁波検出器。
  13. 第１の二次元原子層材料は、グラフェン、グラフェンナノリボン、遷移金属ダイカルコゲナイド、黒リン、シリセン及びゲルマネンからなるグループから選択される二次元原子層材料を含むことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の電磁波検出器。
  14. 第２の二次元原子層材料は、グラフェン、グラフェンナノリボン、遷移金属ダイカルコゲナイド、黒リン、シリセン及びゲルマネンからなるグループから選択される二次元原子層材料を含むことを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の電磁波検出器。
  15. 請求項１から請求項１４のいずれか一項に記載の電磁波検出器（１〜９）を複数有し、一次元方向又は二次元方向にアレイ状に配置されることを特徴とする電磁波検出器アレイ。
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