TWI839840B

TWI839840B - 可測量電場強度的感測器裝置及測量外部電場的方法

Info

Publication number: TWI839840B
Application number: TW111133897A
Authority: TW
Inventors: 阿弗薩爾卡利昆南; 水田博; 馬諾哈蘭穆爾賈納坦; 工藤剛史; 圓山武志
Original assignee: 日商音羽電機工業股份有限公司
Priority date: 2021-09-08
Filing date: 2022-09-07
Publication date: 2024-04-21

Abstract

[課題]提供一種尺寸小且可測量小的電場強度的感測器裝置。 [解決手段]感測器裝置具備：第1介電體層；第1原子層材料膜，配置在第1介電體層上，具有利用第1材料所形成之一或複數層原子層；通道層，配置在第1原子層材料膜上，具有通道區域，並且具有石墨烯的一或複數層原子層；第2原子層材料膜，配置在通道層上，具有利用第2材料所形成之一或複數層原子層；及第1電極及第2電極，以夾著通道區域相互對向的方式配置在通道層上，第2原子層材料膜具有第1面及第2面，第1面配置在通道層上，第2面中之與通道區域對向的部分朝外部露出、或是在第2面上配置第2介電體層而且第2介電體層中之與第2原子層材料膜相反的相反側的面中之與通道區域對向的部分朝外部露出。

Description

可測量電場強度的感測器裝置及測量外部電場的方法

發明領域

本發明為有關一種可測量電場強度的感測器裝置及測量外部電場的方法。

發明背景

習知以來，一直進行著使用感測器裝置測量大氣中的電場強度。藉由測量大氣中的電場強度，監測積雨雲的發生、接近、通過(例如參照專利文獻1)。

又，也進行使用感測器裝置在室內測量環境中的電場強度。藉由測量電場強度，監測在室內發生的靜電狀況，預防根據靜電之事故的發生。

作為測量電場強度的感測器裝置，有機械式感測器裝置及半導體感測器裝置。機械式感測器裝置為尺寸較大且重量重的裝置(例如參照專利文獻1)。半導體感測器裝置為尺寸較小且重量輕的裝置(例如參照非專利文獻1)。

機械式感測器裝置具有：藉由施加外部電場而誘發電荷之電極、具有可使電極朝外部露出的開口部之旋轉板、及旋轉驅動旋轉板之驅動部。在機械式感測器裝置中，藉由反覆進行利用旋轉旋轉板使電極朝外部露出及利用旋轉板予以覆蓋，使靜電間歇性施加到電極，將外部電場的電場強度作為在電極產生的交流訊號予以測量。

半導體感測器裝置具有配置在基板上的電晶體。施加在基板之外部電場的電場強度在電晶體的開啟狀態中作為在源電極與汲電極間流通的電流大小予以測量。

先前技術文獻

專利文獻

[專利文獻1] 日本特開2020-46213號公報

非專利文獻

[非專利文獻1] 王等人之High-performance graphene-based electrostatic filed sensor, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS 2017年8月第38卷第8號。

發明概要

上述的機械式感測器裝置因為尺寸大且重量重，因此會有在狹小場所無法設置的問題。又，半導體感測器裝置因為尺寸小且重量輕，即使在狹小場所也可以設置，但是會有可測量的電場強度的下限值為高之問題。

在本說明書中，以提出尺寸小且可測量小的電場強度之感測器裝置為課題。

根據揭露於本說明書之感測器裝置之一形態，為可測量外部電場的電場強度之感測器裝置，其特徵在於：具備：第1介電體層；第1原子層材料膜，配置在第1介電體層上，具有利用第1材料所形成一或複數層原子層；通道層，配置在第1原子層材料膜上，具有通道區域，並且具有石墨烯的一或複數層原子層；第2原子層材料膜，配置在通道層上，具有利用第2材料所形成之一或複數層原子層；及第1電極及第2電極，以夾著通道區域相互對向的方式配置在通道層上，第2原子層材料膜具有第1面及第2面，第1面配置在通道層上，第2面中之與通道區域對向的部分朝外部露出、或是在第2面上配置第2介電體層而且前述第2介電體層中之與前述第2原子層材料膜相反的相反側的面中之與通道區域對向的部分朝外部露出之第2面朝外部露出、或是在第2面上配置第2介電體層。

又，根據揭露於本說明書之測量外部電場的方法之一形態，其為使用上述的感測器裝置測量外部電場。該方法之特徵在於具有下述步驟：在對感測器裝置施加外部電場的狀態下，測量在第1電極與第2電極間流通之電流值、及依據電流值求出外部電場的電場強度。

根據上述之揭露於本說明書之感測器裝置，其尺寸為小且可測量小的電場強度。

又，根據上述之揭露於本說明書之測量外部電場的方法，其可以使用尺寸為小的感測器裝置測量小的電場強度。

10:感測器裝置

10A:感測器裝置

10B:感測器裝置

11:基板

11A:第1面

11B:第2面

12:介電體層(第1介電體層)

13:第1原子層材料膜

14:通道層

141:通道區域

15:第2原子層材料膜

15A:第1面

15B:第2面

15C:輸入輸出區域

16:源電極(第1電極)

17:汲電極(第2電極)

18:第2介電體層

18A:第1面

18B:第2面

18C:輸入輸出區域

19:閘極絕緣層

20:閘極電極(第3電極)

S101~S103:步驟

圖1(A)為揭露於本說明書的感測器裝置之第1實施形態的剖面圖，(B)為平面圖。

圖2(A)為顯示施加在具有p型石墨烯的通道層的感測器裝置之外部電場的強度與汲電流的關係之圖，(B)為顯示施加在具有n型石墨烯的通道層的感測器裝置之外部電場的強度與汲電流的關係之圖。

圖3為顯示對感測器裝置施加從感測器裝置朝向外部的方向(負方向)的外部電場的狀態之圖。

圖4為顯示將正方向的外部電場施加到感測器裝置時之汲電流與時間的關係之圖。

圖5為顯示第1原子層材料膜的原子層數與汲電流的變化量的關係之圖。

圖6為揭露於本說明書之感測器裝置之第2實施形態的剖面圖。

圖7為揭露於本說明書之感測器裝置之第3實施形態的剖面圖。

圖8(A)至(C)為顯示揭露於本說明書之感測器裝置的製造方法之一實施形態的製造工程之圖(其一)。

圖9(A)及(B)為顯示揭露於本說明書之感測器裝置的製造方法之一實施形態的製造工程之圖(其二)。

圖10(A)及(B)為顯示揭露於本說明書之感測器裝置的製造方法之一實施形態的製造工程之圖(其三)。

圖11為顯示揭露於本說明書之測量外部電場的方法之一實施形態的流程圖。

用以實施發明之形態

以下，參照圖面說明利用本說明書揭露之感測器裝置的合適合第1實施形態。但是，本發明的技術範圍並非限定於該等實施形態，其為可溯及申請專利範圍所記載之發明及其相等物者。

圖1(A)顯示揭露於本說明書的感測器裝置之第1實施形態，並且為圖1(B)之X-X線剖面圖，圖1(B)為平面圖。圖1(A)顯示施加從外部朝向感測器裝置之方向(正方向)的外部電場之狀態。

本實施形態之感測器裝置10可測量從外部所施加之外部電場E1的強度。外部電場E1意指由存在於感測器裝置10之外的發生源所產生的電場。感測器裝置10因為具有高感度，因此可以測量小的電場強度。

感測器裝置10具有：基板11、介電體層12、第1原子層材料膜13、通道層14、第2原子層材料膜15、源電極16、及汲電極17。詳細說明之後敘述，但是因為感測器裝置10之通道層14為根據使用單層或複數層石墨烯予以形成而具有高感度，因此可測量小的外部電場E1。本實施形態之感測器裝置10藉由施加外部電場而作為雙極性的電晶體進行動作，可將外部電場E1的大小作為電流進行測量。

基板11具有支撐感測器裝置10的其他構成要件之機械強度。基板11具有第1面11A及第2面11B。作為基板11例如可以使用矽基板、碳化矽、化合物半導體等半導體基板。作為半導體基板可以使用非晶、多晶或單晶的基板。基板11為可以具有p型極性，也可以具有n型極性。又，基板為不添加不純物之本質者亦可。又，在介電體層12具有支撐感測器裝置10的的其他構成要件之機械強度的情況下，感測器裝置10也可以不具有基板11。

介電體層12具有電絕緣性，並且配置在基板11的第1面11A上。介電體層12將基板11與第1原子層材料膜13電氣絕緣。

作為介電體層12可以使用二氧化矽、氧化鋁或氮化矽等介電體。在基板11為矽基板情況下，從製造感測器裝置10的觀點來看，使用二氧化矽作為介電體層12為佳。

第1原子層材料膜13配置在介電體層12上。第1原子層材料膜13利用可形成單原子層的材料予以形成。第1原子層材料膜13具有利用該材料所形成之一或複數層原子層。作為該材料可以舉例如六方晶系的氮化硼、六方晶系的二硫化鉬或六方晶系的二硫化鎢。

第1原子層材料膜13與形成通道層14之石墨烯的晶格不匹配度可以為10%以下，尤其是以5%以下為佳。晶格不匹配度為以使第1原子層材料膜13的晶格常數與石墨烯的晶格常數之一致度達到最大值的方式，將第1原子層材料膜13配置在通道層14上時之第1原子層材料膜13的晶格常數與石墨烯的晶格常數之差的絕對值與石墨烯的晶格常數相除後之商值以百分率表示之值。例如，在第1原子層材料膜13為利用氮化硼予以形成之情況下，石墨烯與氮化硼各自的單原子層之單位晶格具有在2次元平面內延伸之a軸及b軸、及對a軸及b軸為正交之c軸。使石墨烯與氮化硼各自的c軸一致後旋轉a軸及c軸，以石墨烯及氮化硼各自之單原子層的晶格常數之一致度達到最大值方式，將第1原子層材料膜13配置在通層14上之情況下，在第1原子層材料膜13為利用氮化硼予以形成情況之晶格不匹配度為1.71%。又，在第1原子層材料膜13為利用二硫化鉬予以形成情況之晶格不匹配度為3.01%，在第1原子層材料膜13為利用二硫化鎢予以形成情況之晶格不匹配度為3.26%。

利用二氧化矽等所形成之介電體層12的表面通常都是不平坦而有凹凸情況。又，在介電體層12的表面中會有存在不純物的情況。在將通道層14直接配置在介電體層12的表面上之情況下，受到介電體層12的表面狀態之影響，對形成通道層14之石墨烯的2次元周期構造會產生扭曲，而且會受到根據不純物之電氣影響。藉此，因為在石墨烯內移動的載子會根據扭曲或不純物而散射，因此會減低載子的移動率。因此，在本實施形態中，藉由在介電體層12的表面配置第1原子層材料膜13，在該第1原子層材料膜13上配置通道層14，可以抑制石墨烯中的載子移動率受到介電體層12的影響而減低乙事。

其中，因為第1原子層材料膜13與形成通道層14之石墨烯的晶格不匹配度為小，因此即使將通道層14直接配置在第1原子層材料膜13上，也可以抑制對形成通道層14之石墨烯的2次元周期構造產生扭曲的情況。

第1原子層材料膜13的厚度以落在1至120層原子層的範圍為佳。藉由第1原子層材料膜13的厚度為1層原子層以上，可以抑制石墨烯中之載子移動率受到介電體層12的影響。

當第1原子層材料膜13的厚度越厚，在外部電場E1施加到感測器裝置10時流通於源電極16‧汲電極17間之汲電流的變化量越小。第1原子層材料膜13的厚度以因應要測量之外部電場E1的範圍予以決定為佳。對於外部電場E1的大小而言，當第1原子層材料膜13的厚度過厚時，恐怕無法正確測量小的外部電場E1。詳細說明之後敘述，但是若第1原子層材料膜13的厚度到達120層原子層的話，可測量外部電場E1的大小大約達到17kV/m。因為積雨雲正下方之地表附近的電場強度通常為數kV/m至10kV/m，因此從正確測量根據通常的積雨雲之外部電場強度的觀點來看，第1原子層材料膜13的厚度以落在1至40層原子層的範圍就可以得到汲電流的大變化為佳。

通道層14具有通道區域141，並且具有石墨烯的一或複數層原子層。通道層14的通道區域141至少配置在第1原子層材料膜13上為佳。在本實施形態中，通道層14的整體配置在第1原子層材料膜13上。通道層14也可以具有p型極性，也可以具有n型極性。又，通道層14為不添加不純物的本質者亦可。

感測器裝置10的感度(增益)G越高，可測量的電場強度之下限值就越增大。在感測器裝置10中，因為使用石墨烯的一或複數層原子層形成通道層14，因此具有高感度。

其次，從提升感測器裝置10的感度之觀點來看，通道層14為使用使用石墨烯的一或複數層原子層予以形成。石墨烯具有高載子移動率。石墨烯的單原子層具有2×10⁵(cm²V^-1S^-1)的載子移動率。該載子移動率相對於結晶性的矽基板中之電子移動率的1.4×10³(cm²V^-1S^-1)為高出2位數以上的值。從得到高載子移動率的觀點來看，通道層14以使用石墨烯的1至10層原子層、尤其是1至4層原子層予以形成為佳。尤其是通道層14藉由使用石墨烯的單原子層形成，可得到最高的載子移動率。

通道層14中的載子移動率在厚度每一增加1nm，就會減低20%以上。當通道層14之石墨烯的原子層超過13層時移動率就會緩慢減低，但是在到達10層程度可以顯示出比較高的移動率。

第2原子層材料膜15具有電絕緣性，並且配置在通道層14上。第2 原子層材料膜15保護通道層14。第2原子層材料膜15具有第1面15A及第2面15B，第1面15A配置在通道層14上，第2面15B朝外部露出。外部電場E1為通過該第2面15B侵入到感測器裝置10的內部。

第2原子層材料膜15的第2面15B形成輸入輸出區域15C。至少將第2面15B中之與通道區域141對向的部分朝外部露出。藉此，外部電場E1可以透過輸入輸出區域15C，輸入到感測器裝置10。又，外部電場E1可以透過輸入輸出區域15C，從感測器裝置10輸出。

第2原子層材料膜15利用可形成單原子層的材料予以形成。第2原子層材料膜15具有利用該材料所形成之一或複數層原子層。作為該材料可以舉例如六方晶系的氮化硼、六方晶系的二硫化鉬或六方晶系的二硫化鎢。第2原子層材料膜15與形成通道層14之石墨烯的晶格不匹配度可以為10%以下，尤其是以5%以下為佳。對於第2原子層材料膜15之晶格不匹配度的說明，可以適當適用上述之第1原子層材料膜13中的說明。

雖然第2原子層材料膜15為直接配置在通道層14上，但是當第2原子層材料膜15的形成材料與形成通道層14的石墨烯之晶格不匹配度為大時，對於形成通道層14的石墨烯的2次元周期構造會產生扭曲。藉此，會使在石墨烯內移動之載子散射，減低載子的移動率。因此，在本實施形態中，藉由在通道層14上配置與形成通道層14之石墨烯的晶格不匹配度為小的第2原子層材料膜15，可以抑制石墨烯中之載子移動率受到第2原子層材料膜15的影響而減低。

第2原子層材料膜15的厚度以落在1至100層原子層的範圍為佳。根據第2原子層材料膜15的厚度為1層原子層以上，可以物理性保護通道層14。在感測器裝置10的製造時，從防止阻劑或水等摻雜到通道層14的觀點來看，第2原子層材料膜15的厚度以落在60至90層原子層的範圍為特佳。外部電場E1對通道層14的作用之詳細說明之後敘述。

源電極16及汲電極17以夾著通道層14的通道區域141相互對向的方式配置在通道層14上。也可以使一對的源電極16及汲電極17的各自至少一部分配置在通道層14上。在本實施形態中，源電極16及汲電極17的整體配置在通道層14上。

感測器裝置10作為雙極性(ambipolar)電晶體進行動作。感測器裝置10藉由將外部電場E1(閘極電壓)施加在通道區域141，增加在源電極16及汲電極17間流通的汲電流。

圖2(A)為顯示施加在具有p型石墨烯的通道層之感測器裝置之外部電場的強度與汲電流的關係之圖，(B)為顯示施加在具有n型石墨烯的通道層之感測器裝置之外部電場的強度與汲電流的關係之圖。

如圖2(A)所示，在通道層14為使用p型石墨烯予以形成之情況下，正方向的外部電場E的大小增加，而且汲電流I_D減低。雙極性電晶體即使在沒有施加外部電場E的狀態(閘極電壓為0)下，通常也會有汲電流流通。另一方面，在通道層14為使用p型石墨烯予以形成之情況下，負方向的外部電場E的大小增加，而且汲電流I_D增加。其中，負方向的外部電場E的電力線從基板11朝向第2原子層材料膜15的的方向延伸。又，如圖2(B)所示，在通道層14為使用n型石墨烯予以形成之情況下，正方向的外部電場E的大小增加，而且汲電流I_D增加。另一方面，在通道層14為使用n型石墨烯予以形成之情況下，負方向的外部電場E1的大小增加，而且汲電流I_D減低。

其次，施加有外部電場E1之感測器裝置10將外部電場E1的大小作為汲電流值的變化進行測量的動作一邊參照圖1(A)及圖3，一邊於以下進行說明。

在圖1(A)中，對感測器裝置10施加從外部朝向感測器裝置10的方向(正方向)之外部電場E1。正方向的外部電場E1的電力線從第2原子層材料膜15朝向基板11的方向延伸。

外部電場E1從輸入輸出區域15C進入到感測器裝置10，再從基板11的第2面11B朝外部出去。感測器裝置10因為將構成要件之一也就是第2原子層材料膜15的第2面15B用來作為外部電場E1的輸入輸出區域15C，因此可以構成為小尺寸，而且可測量外部電場E1。

藉由施加到感測器裝置10的外部電場E1，使通道層14內的電子根據通道效應穿透第1原子層材料膜13，朝介電體層12移動。藉由外部電場E1穿透第1原子層材料膜13的電子數依存於外部電場E1的大小。因此，第1原子層材料膜13的厚度以薄者為佳。

通道層14的通道區域141的面積越大，移動到介電體層12的電子數就越增加。

又，輸入輸出區域15C的面積越大，移動到介電體層12的電子數就越增加。

移動到介電體層12的電子被捕集到介電體層12中之與第1原子層材料膜13的界面缺陷。被捕集到界面的電子在感測器裝置10內產生內部電場E2。根據該內部電場E2在通道層14作用，使通道層14的費米能階有所變化。因為通道層14的費米能階有所變化，因此在源電極16及汲電極17間的通道區域141流通之汲電流的大小有所變化。在通道層14利用p型石墨烯形成的情況下，費米能階上升。另一方向，在通道層14利用n型石墨烯形成的情況下，費米能階降低。當費米能階上升時汲電流減低，當費米能階下降時汲電流增加。依據以外部電場E1未被施加到感測器裝置10時之汲電流值作為基準之汲電流的變化大小，可以測量外部電場E1的大小。當被捕集到介電體層12與第1原子層材料膜13的界面缺陷之載子數越多，感測器裝置10的增益就越增加。

圖3為對感測器裝置10施加從感測器裝置10朝向外部的方向(負方向)的外部電場E1。負方向的外部電場E1的電力線為從基板11朝向第2原子層材料膜15的方向延伸。

外部電場E1從基板11的第2面11B進入到感測器裝置10，再從輸入輸出區域15C朝外部出去。

藉由施加到感測器裝置10的外部電場E1，使通道層14內的電洞根據通道效應穿透第1原子層材料膜13，朝介電體層12移動。藉由外部電場E1穿透第1原子層材料膜13的電洞數依存於外部電場E1的大小。

移動到介電體層12的電洞被捕集到介電體層12與第1原子層材料膜13的界面缺陷。被捕集到界面的電洞在感測器裝置10內產生內部電場E2。藉由內部電場E2在通道層14作用，通道層14的費米能階有所變化。因為通道層14的費米能階有所變化，因此在源電極16及汲電極17間流通之汲電流的大小有所變化。依據未將外部電場E1施加到感測器裝置10時之汲電流值作為基準之汲電流的變化大小，可以測量外部電場E1的大小。

作為感測器裝置10所要求的性能，除了上述的感度為高，還有測量範圍為廣。感測器裝置10的測量範圍越廣，可測量的電場強度範圍越廣。

在施加外部電場時於介電體層12與第1原子層材料膜13的界面所誘發之最大載子數以第1原子層材料膜13的厚度越薄就越多。被捕集到介電體層12的界面缺陷之載子數會隨著增大外部電場E1的大小而增大之後達到飽和。在沒有施加外部電場時之介電體層12的界面載子數與飽和時之被捕集到界面缺陷的載子數之差對應於感測器裝置10的測量範圍。

其次，在以下說明使用感測器裝置10測量外部電場E1的測量例。

圖4為顯示將正方向的外部電場E1施加到感測器裝置10時之汲電流與時間的關係之圖。圖4的縱軸表示汲電流，橫軸表示時間。圖4所示之關係為隔著3cm的間隔之平行平板夾著感測器裝置10而配置，並且在平行平板間施加 500V進行測量(外部電場的大小約為16667V/m)。第1原子層材料膜13為使用六方晶系的氮化硼予以形成。在源電極16與汲電極17之間施加100mV。將正方向的外部電場E1施加到感測器裝置10時之汲電流值比沒有施加外部電場E1到感測器裝置10時更低。

圖5為顯示第1原子層材料膜13的原子層數與汲電流的變化量的關係之圖。圖5為顯示在圖4所示的測量中變化第1原子層材料膜13的原子層數，測量汲電流的變化量之結果。汲電流的變化量隨著增加第1原子層材料膜13的原子層數呈指數函數性減少。從使用感測器裝置10測量汲電流的變化量之觀點來看，第1原子層材料膜13的原子層數之上限值為120層。又，從使用感測器裝置10精確測量汲電流的變化量之觀點來看，認為汲電流的變化量之下限值為1.5μA程度。在該情況下，第1原子層材料膜13的原子層數之上限值為40層。若要精確測量電場強度的情況下，第1原子層材料膜13的原子層為1至40層，若要測量較廣測量範圍的電場強度之情況下，第1原子層材料膜13的原子層為1至120層為佳。

根據上述之本實施形態的感測器裝置10，其尺寸為小且可測量小的電場強度。又，感測器裝置藉由變更第1原子層材料膜13的原子層數，可以對應精確測量電場強度、及測量較廣測量範圍的電場強度兩者。

又，感測器裝置10與習知的機械式感測器裝置相比，具有以下的優點。機械式感測器裝置因為尺寸為數10cm，且重量為數kg，因此其設置場所有所限制。另一方面，因為感測器裝置10的尺寸即使模組化為具有計測機能充其量也只有數cm重量至多也只有數g，因此感測器裝置10大幅緩解設置場所的限制。又，機械式感測器裝置因為具有驅動部，因此有故障的可能性，而且必須維修。另一方面，感測器裝置10為半導體感測器，故障的可能性大幅減低。再者，機械式感測器裝置的消耗電力為大而必須有AC電源等給電裝置。另一方面，因為感測器裝置10的消耗電力為小，因此只要利用電池等簡易的給電裝置就可以驅動。

其次，一邊參照圖6及圖7，一邊於以下說明上述之感測器裝置的其他實施形態。針對其他實施形態沒有特別說明之處，則適當適用關於上述之第1實施形態詳述的說明。又，在同一構成要件附予相同的符號。

圖6為揭露於本說明書之感測器裝置10A之第2實施形態的剖面圖。在本實施形態之感測器裝置10A中之第2原子層材料膜15的第2面15B上，配置第2介電體層18。第2介電體層18具有電絕緣性，並且具有保護第2原子層材料膜15的機能。

作為第2介電體層18，從保護通道層14的觀點來看，以使用二氧化矽、氧化鋁或氮化矽等介電體為佳。

又，作為第2介電體層18，藉由使用介電率為高的材料，可以增幅外部電場使其在通道層14作用。作為可增幅外部電場的材料，例如可以使用二氧化矽、氮化矽、二氧化鋯、二氧化鉿。

從增幅外部電場的觀點來看，第2介電體層18具有比第2原子層材料膜15更高的介電率為佳。累積在第2介電體層18之電荷量Q以Q=ε_r SE予以表示。其中，ε_r為第2介電體層18的相對介電率，S為第2介電體層18的面積，E為外部電場的電場強度。

藉由將具有比第2原子層材料膜15更高介電率之第2介電體層18配置在第2原子層材料膜15上，可以增幅外部電場使其在通道層14作用。

第2原子層材料膜15的形成材料之氮化硼的相對介電率為3.4。從增幅外部電場的觀點來看，作為第2介電體層18的形成材料，以使用氮化矽(相對介電率8.5)、二氧化鋯(相對介電率32)、氧化鉿(相對介電率16至19)為特佳。

第2介電體層18具有第1面18A及第2面18B，第1面18A配置在第2原子層材料膜15上。第2面18B為第2介電體層18中之與第2原子層材料膜15相反的相反側的面。至少將第2面18B中之與通道區域141對向的部分朝外部露出。第2面18B形成外部電場所輸入輸出之輸入輸出區域18C。藉此，外部電場可以透過輸入輸出區域18C輸入到感測器裝置10A。又，外部電場可以透過輸入輸出區域18C從感測器裝置10A輸出。

根據上述的本實施形態的感測器裝置，藉由根據第2介電體層18增幅外部電場，可以提升外部電場的測量感度。又，根據本實施形態的感測器裝置，可以得到與第1實施形態相同的效果。

圖7為揭露於本說明書之感測器裝置之第3實施形態的剖面圖。本實施形態之感測器裝置10B為所謂的下閘極型電晶體。

本實施形態之感測器裝置10B為在基板11的第2面11B上配置閘極絕緣層19，在閘極絕緣層19之下配置閘極電極20。閘極電極20在基板11的第2面11B中配置為覆蓋與通道區域141相對應的區域。

作為閘極絕緣層19，可以使用二氧化矽、氧化鋁或氮化矽等介電體。

閘極電極20為使用具有導電性的材料予以形成。閘極電極20例如可以構成為鉻與金的積層構造。

感測器裝置10B在對閘極電極20施加特定的電壓之狀態下，進行外部電場的測量。根據對閘極電極20之閘極電壓的施加，汲電流也比施加前更為增加。感測器裝置10B與上述的實施形態1相同，可以依據沒有將外部電場施加於感測器裝置10B時之汲電流值作為基準之汲電流值的變化大小，測量外部電場的大小。

根據上述的實施形態之感測器裝置，可以得到與第1實施形態相同的效果。

其次，一邊參照圖8至圖10，一邊在以下說明上述之第1實施形態之感測器裝置的製造方法之合適一實施形態。

首先，如圖8(A)所示，準備具有第1面11A及第2面11B之基板11。作為基板11例如可以使用矽基板、碳化矽、化合物半導體等半導體基板。

其次，如圖8(B)所示，在基板11的第1面11A上形成介電體層12。在使用矽基板作為基板11的情況下，例如形成二氧化矽層作為介電體層12。該二氧化矽層為使用熱氧化法或CVD法予以形成。在使用熱氧化法形成二氧化矽層作為介電體層12的情況下，二氧化矽層與矽的界面成為新的第1面11A。

其次，如圖8(C)所示，第1原子層材料膜13配置在介電體層12上。第1原子層材料膜13例如使用剝離法或CVD法予以形成，並且轉印到介電體層12上。第1原子層材料膜13的厚度以1至120層原子層的範圍為佳。

其次，如圖9(A)所示，通道層14形成在第1原子層材料膜13上。通道層14例如使用剝離法或CVD法予以形成，並且轉印到第1原子層材料膜13上。通道層14的厚度及品質例如可以使用拉曼分光法進行測量。例如形成通道層14之石墨烯的缺陷有無為利用1350cm^-1的D峰值強度予以測量，石墨烯的原子層數為利用1580cm^-1的G峰值強度或2608cm^-1的2D峰值形狀予以測量。尤其是從得到缺陷少之品質佳的石墨烯之觀點來看，通道層14使用剝離法予以形成為佳。又，從得到載子移動率高的石墨烯之觀點來看，形成單原子層的通道層14為佳。也可以藉由在石墨烯添加不純物，對通道層14賦予極性。

其次，如圖9(B)所示，使用光微影法及蝕刻法，在通道層14上形成遮罩(未圖示)，在形成有遮罩之通道層14上形成導電體層後，再使用光微影法將導電體層(未圖示)圖形化而使源電極16及汲電極17形成在通道層14上。作為光微影法，例如可以使用電子線光微影法。作為蝕刻法例如可以使用氧電漿的乾蝕刻。導電體層例如可以使用電子線蒸鍍法形成為鉻與金的積層體。鉻的厚度可為5nm，金的厚度可為80nm。

其次，如圖10(A)所示，第2原子層材料膜15形成在通道層14、源電極16及汲電極17之上。第2原子層材料膜15的厚度以1至300層原子層的範圍為佳。第2原子層材料膜15例如使用剝離法或CVD法形成在通道層14、源電極16及汲電極17之上。對形成第2原子層材料膜15，可以適當適用上述之第1原子層材料膜13的說明。

其次，如圖10(B)所示，使用光微影法及蝕刻法將第2原子層材料膜15圖案化，得到如圖1所示之第1實施形態的感測器裝置10。又，第2原子層材料膜15形成為覆蓋源電極16及汲電極17的至少一部分。作為光微影法，例如可以使用電子線光微影法。作為蝕刻法，例如可以使用氧電漿的乾蝕刻。

又，在上述之圖10(B)的工程之後，藉由在第2原子層材料膜15的第2面15B上形成第2介電體層18，可以得到圖6所示之第2實施形態的感測器裝置10A。

再者，在上述之圖10(B)的工程之後，其中，藉由在基板11的第2面11B上形成閘極絕緣層19，在該閘極絕緣層19上形成閘極電極20，可以得到圖7所示之第2實施形態的感測器裝置10B。

其次，一邊參照圖11，一邊在以下說明使用上述之第1實施形態的感測器裝置10測量外部電場的方法。圖11為顯示揭露於本說明書之測量外部電場的方法之一實施形態的流程圖。

首先，在分別施加複數個不同電場強度的外部電場的狀態下，測量在源電極16及汲電極17之間流通的汲電流值(步驟S101)。藉此，可以得到汲電流值與外部電場的電場強度之關係(電流電場強度的關係)。

其次，測量對感測器裝置10施加測量對象的外部電場時之在源電極16及汲電極17之間流通的汲電流值(測量汲電流值)。測量外部電場時，以在感測器裝置10中對基板11沒有施加電壓為佳。又，感測器裝置10因為不具有源電極16及汲電極17以外的其他電極，因此在測量外部電場時，對感測器裝置10也不施加閘極電壓。

其次，依據測量汲電流值求出外部電場的電場強度(步驟S102)。測量對象的外部電場為透過輸入輸出區域15C輸入到感測器裝置10、或透過輸入輸出區域15C從感測器裝置10輸出。參照電流電場強度的關係，藉由求出與測量汲電流值相對應之電場強度，得到外部電場的電場強度。

又，在事先取得電流電場強度的關係之情況下，可以省略步驟S101的處理。

根據上述之本實施形態之外部電場的測量方法，可以使用尺寸為小的感測器裝置10，測量小的電場強度。

使用上述之第2實施形態之感測器裝置10A，同樣也可以測量外部電場。測量對象的外部電場為透過輸入輸出區域18C輸入到感測器裝置10A、或透過輸入輸出區域18C從感測器裝置10A輸出。又，使用上述之第3實施形態之感測器裝置10B，同樣也可以測量外部電場。測量對象的外部電場為透過輸入輸出區域15C輸入到感測器裝置10B、或透過輸入輸出區域15C從感測器裝置10B輸出。

在本發明中，上述實施形態之可測量電場強度的感測器裝置及測量外部電場的方法只要不脫離本發明的宗旨都可以適當變更。又，一實施形態所具有之構成要件也可以適當適用於其他實施形態。