JPWO2020003613A1 - 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、全体が100で表される、本発明の実施の形態1にかかる電磁波検出器の上面図である。図2は、図1の電磁波検出器100をII−II方向に見た場合の断面図である。図2には、電磁波検出器100の典型的な電気的接続も示されている。
互いに略平行で平坦な表面と裏面とを有する基板5を準備する。基板5は、例えばシリコンからなる。基板5には、予め、検出器の駆動回路、読出し回路などが形成されていてもよい。
基板5の上に絶縁層4を形成する。絶縁層4を構成する希土類酸化物は、賦活元素を母材中に(イオンまたは化合物としてではなく)原子単位で分散させることが可能な作製法によって作製されることが望ましい。賦活元素を母材中に原子単位で分散させる手段は、例えば、以下の分散手段1〜分散手段5のいずれかである。
・基板5上で上記のいずれかの方法の化学反応を起こすことにより、基板5上に希土類酸化物を直接作製して成膜する方法、
・上記のいずれかの方法で作製した希土類酸化物をターゲット材料として、スパッタ法を用いて基板5上に希土類酸化物を形成する方法、
・CVD法、
・熱酸化や自然酸化により形成された酸化シリコン(SiO2)の上に、上記のいずれかの方法で作製した希土類酸化物を重ねる方法、または、
・CVD法またはスパッタ法を用いて形成した他の絶縁層の上に、上記のいずれかの方法で作製した希土類酸化物を重ねる方法、
などがある。
絶縁層4上に間隔を空けて対向配置されるように、一対の電極2を形成する。電極2は、例えばAu、Ag、Cu、Al、Ni、Cr、Ti、Pd等からなる。電極2とその下の絶縁層4との密着性を上げるために、電極2と絶縁層4との間に、Crおよび/またはTiからなる密着膜(図示せず)を形成してもよい。
電極2および絶縁層4の上にグラフェン層1を形成する。グラフェン層1は、エピタキシャル成長により形成される。あるいは、予めCVD法を用いて別の基板に形成したグラフェンまたは機械剥離などで剥離したグラフェンを、電極2および絶縁層4の上に転写して貼り付けてもよい。続いて、写真製版などでグラフェンをレジストマスクで被覆し、例えば酸素プラズマなどの酸化雰囲気でエッチングしてパターニングする。これにより、電極2の上や電極2の間のチャネル部分以外の不用なグラフェンを選択的に除去する。
次に、図6を参照して、全体が150で表される、本発明の実施の形態1にかかる電磁波検出器の変形例1について説明する。変形例1では、電磁波検出器150の絶縁層4の上には、間隔を空けて対向配置された一対の電極2と電極20とが設けられている。電極2と電極20とは、互いに異なる金属からなる。
さらに、図7を参照して、全体が160で表される、本発明の実施の形態1にかかる電磁波検出器の変形例2について説明する。変形例2では、電磁波検出器160の絶縁層4の上には、電極2ではなく、グラフェン層1が設けられている。グラフェン層1の上には、絶縁体からなる保護膜9が設けられ、保護膜9の上に間隔を空けて対向配置された一対の電極2が設けられている。保護膜9は、電極2を形成する際にグラフェン層1がプロセスダメージを受けるのを防止するとともに、外部からの不純物およびノイズなどからグラフェン層1を保護することができる。したがって、より性能の高い電磁波検出器が得られる。
次に、本発明の実施の形態1にかかる電磁波検出器の変形例3について説明する。変形例3では、グラフェン層1は、乱層構造を有する。
図8は、全体が170で表される、本発明の実施の形態2にかかる電磁波検出器の断面図である。図8の断面において、絶縁層4は、基板5を完全には覆っていない。絶縁層4は、基板5の表面を露出するように形成された貫通孔を有する。グラフェン層1は、貫通孔の中で基板5に接している。言い換えれば、グラフェン層1は、基板5に接触する領域と、絶縁層4に接触する領域とを有する。
図9は、全体が200で表される、本発明の実施の形態3にかかる電磁波検出器の断面図である。実施の形態3では、基板5の上には、絶縁層6が設けられている。実施の形態3の絶縁層6と実施の形態1の絶縁層4(図2参照)とは、材質である希土類元素の組み合わせが異なる。
図12は、全体が300で表される、本発明の実施の形態4にかかる電磁波検出器の断面図である。実施の形態4では、基板5の上には、絶縁層7が設けられている。実施の形態4の絶縁層7と実施の形態1、2の絶縁層4(図2および図8参照)および実施の形態3の絶縁層6(図9参照)とは、材質である希土類元素の組み合わせが異なる。
図15は、全体が400で表される、本発明の実施の形態5にかかる電磁波検出器の断面図である。実施の形態5では、絶縁層4および電極2の上には、電極2の両方に接続されるように二次元材料層8が設けられている。
図16は、全体が1000で表される、本発明の実施の形態6にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。図16の電磁波検出器アレイ1000では、実施の形態1にかかる電磁波検出器100が、2×2のマトリックス状に配置されているが、配置する電磁波検出器100の数はこれに限定されるものではない。また、図16では、電磁波検出器100は、2次元に所定の周期で配列されているが、1次元に所定の周期で配置されてもよい。また、周期的ではなく異なる間隔で配置してもよい。
図18は、全体が2000で表される、本発明の実施の形態7にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。図18では、互いに種類の異なる電磁波検出器100a、100b、100c、100dが、2×2のマトリックス状に配置されている。配置する電磁波検出器の数はこれに限定されるものではない。図18では、電磁波検出器100a、100b、100c、100dは、2次元に所定の周期で配列されているが、1次元に所定の周期で配置されてもよい。また、周期的ではなく異なる間隔で配置してもよい。
Claims (15)
- 表面と裏面とを有する基板と、
前記基板の表面上に設けられた、希土類酸化物で構成された絶縁層と、
前記絶縁層の上に設けられ、間隔を空けて対向配置された一対の電極と、
前記絶縁層の上に、前記一対の電極と電気的に接続するように設けられた二次元材料層と、を含み、
前記希土類酸化物は、第1希土類元素の酸化物からなる母材と、前記母材に賦活された、前記第1希土類元素と異なる第2希土類元素と、を含むことを特徴とする電磁波検出器。 - 前記絶縁層は、前記基板の表面を露出するように形成された貫通孔を有し、
前記二次元材料層は、前記貫通孔の中で前記基板に接していることを特徴とする請求項1に記載の電磁波検出器。 - 前記絶縁層は、電磁波の入射によって、前記母材に賦活された前記第2希土類元素のイオン内殻電子遷移により電界を生じ、前記二次元材料層は、前記電界により電気量の変化を発生することを特徴とする請求項1または2に記載の電磁波検出器。
- 前記希土類酸化物は、前記母材に賦活された、発光中心として機能する第3希土類元素を更に含み、
前記第2希土類元素は、光増感原子として機能することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電磁波検出器。 - 前記第3希土類元素は、
前記第2希土類元素から電子のエネルギーを受け取ることによって生じる、基底準位から前記基底準位より高い第1エネルギー準位へのイオン内殻電子遷移と、
エネルギーを放出することによって生じる、前記第1エネルギー準位から前記第1エネルギー準位より低い第2エネルギー準位へのイオン内殻電子遷移と、
を経ることによって発光することを特徴とする請求項4に記載の電磁波検出器。 - 前記第1エネルギー準位と前記基底準位との差は、前記第1エネルギー準位と第2エネルギー準位との差より小さいことを特徴とする請求項5に記載の電磁波検出器。
- 前記希土類酸化物は、前記母材に賦活された、蓄光作用を有する第4希土類元素を更に含み、
前記第2希土類元素は、発光中心として機能することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電磁波検出器。 - 前記第1希土類元素は、イットリウム、ランタン、セリウム、ガドリニウム、およびルテチウムからなるグループから選択された1つ以上の元素からなり、
前記第2希土類元素は、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、およびイッテルビウムからなるグループから選択された1つ以上の元素からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電磁波検出器。 - 前記第1希土類元素は、イットリウム、ランタン、ガドリニウム、およびルテチウムからなるグループから選択された1つ以上の元素からなり、
前記第2希土類元素は、セリウム、ネオジム、およびイッテルビウムからなるグループから選択された1つ以上の元素からなり、
前記第3希土類元素は、プラセオジム、サマリウム、ユウロピウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、およびツリウム、からなるグループから選択された1つ以上の元素からなることを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の電磁波検出器。 - 前記第1希土類元素は、イットリウム、ランタン、ガドリニウム、およびルテチウムからなるグループから選択された1つ以上の元素からなり、
前記第2希土類元素は、ユウロピウム、ツリウム、およびイッテルビウムからなるグループから選択された1つ以上の元素からなり、
前記第4希土類元素は、セリウム、ジスプロシウム、およびテルビウムからなるグループから選択された1つ以上の元素からなることを特徴とする請求項7に記載の電磁波検出器。 - 前記二次元材料層の上に設けられた、絶縁体からなる保護膜を更に含むことを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の電磁波検出器。
- 前記電極のそれぞれは、互いに異なる金属からなることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の電磁波検出器。
- 前記二次元材料層は、グラフェン、遷移金属ダイカルコゲナイド、グラフェン、黒リン、シリセン、およびゲルマネンからなるグループから選択された二次元材料からなり、単層または多層構造であることを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の電磁波検出器。
- 前記二次元材料層は、乱層構造を有することを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の電磁波検出器。
- 請求項1〜14のいずれかに記載の複数の電磁波検出器が、1次元方向または2次元方向にアレイ状に配置されたことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
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