WO2016121408A1 - 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ - Google Patents

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WO2016121408A1
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electromagnetic wave
wave detector
graphene
electrode
layer
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新平 小川
大介 藤澤
政彰 嶋谷
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三菱電機株式会社
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    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic wave detector and an electromagnetic wave detector array using graphene as a detection layer, and more particularly to a highly sensitive electromagnetic wave detector and an electromagnetic wave detector array in which a buffer layer is provided between the detection layer and an electrode.
  • a semiconductor material is generally used as the electromagnetic wave detection layer.
  • the semiconductor material has a predetermined band gap, there is a problem that only an electromagnetic wave having energy larger than the band gap can be detected. Accordingly, graphene having a band gap of zero or extremely small is attracting attention as a material for the next generation detection layer.
  • Cited Document 1 a gate oxide film is provided on a substrate, and a graphene channel layer is deposited on the gate oxide film. An electromagnetic wave detector in which a source and a drain are formed at both ends has been proposed.
  • the detection layer is graphene alone, the absorption rate of electromagnetic waves is as low as several percent, and there is a problem that the detection sensitivity is lowered even if the detectable wavelength range is widened.
  • an object of the present invention is to provide an electromagnetic wave detector using graphene as a material for the detection layer, which has a wide detection wavelength range and high detection sensitivity.
  • the present invention relates to a substrate, an insulating layer provided on the substrate, a graphene layer provided on the insulating layer, a pair of electrodes provided on the insulating layer with the graphene layer interposed therebetween, and graphene
  • An electromagnetic wave detector comprising: a buffer layer sandwiched between a layer and an electrode to separate them.
  • the buffer layer exists between the detection layer made of graphene and the electrode, the movement of electric charge between the graphene and the electrode is hindered, and the graphene-electrode different from the Dirac point (DPg) of the graphene body Dirac points (DPe) are formed between them.
  • DPg Dirac point
  • DPe Dirac points
  • FIG. 7 is a cross-sectional view in the VV direction of the electromagnetic wave detector of FIG. 6. It is sectional drawing of the electromagnetic wave detector concerning Embodiment 3 of this invention. It is sectional drawing of the electromagnetic wave detector concerning Embodiment 4 of this invention. It is sectional drawing of the electromagnetic wave detector concerning Embodiment 5 of this invention.
  • the electromagnetic wave detector will be described using visible light or infrared light.
  • the present invention includes, for example, ultraviolet light, near infrared light, terahertz (THz) wave, micro wave, and the like. It is also effective as a detector for radio wave areas such as waves. In the embodiment of the present invention, these lights and radio waves are collectively referred to as electromagnetic waves.
  • an electromagnetic wave detector will be described using a structure having two electrodes, a source and a drain, and a back gate electrode.
  • the present invention is not limited to a four-terminal electrode structure or a top gate structure.
  • the present invention can also be applied to an electromagnetic wave detector having an electrode structure.
  • FIG. 1 is a top view of the electromagnetic wave detector according to the first exemplary embodiment of the present invention, the whole being represented by 100, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II in FIG.
  • the electromagnetic wave detector 100 includes a substrate 4 made of Si, for example.
  • the substrate 4 holds the entire electromagnetic wave detector 100, and is made of, for example, a semiconductor substrate, and a high resistance silicon substrate, a substrate with enhanced thermal insulation properties, etc. are used.
  • a doped silicon substrate may be used to form a back gate as will be described later.
  • the thermal oxide film may also serve as the insulating layer 3.
  • An insulating layer 3 made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiN), aluminum oxide, nickel oxide, boron nitride (BN) or the like is provided on the substrate 4. Since boron nitride has an atomic arrangement similar to that of graphene, it does not interfere with charge transfer by contact with graphene, does not adversely affect it, and does not hinder the performance of graphene such as electron mobility. Therefore, boron nitride is preferable as a base film for graphene.
  • a pair of electrodes 2 are provided on the insulating layer 3.
  • the electrode 2 is made of a metal such as Au, Ag, Cu, Al, Ni, Cr, or Pd.
  • An adhesion film (not shown) made of Cr or Ti may be formed between the electrode 2 and the underlying insulating layer 3.
  • the shape of the electrode 2 is not particularly limited as long as it has a size and thickness that can output an electric signal.
  • a buffer layer 5 is provided on the electrode 2.
  • the buffer layer 5 is made of an insulator such as silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or silicon nitride (SiN), such as LiF, Li 2 O 3 , Li 2 CO 3 , Ca, Ba, Active metals such as Cs, Cs 2 CO 3 , TiO 2 , alkali metals, alkaline earth metals, transition metal oxides such as V 2 O 5 , WO 3 , MoO 3 , organic substances, and these metals and organic substances
  • the mixed film may be used.
  • any material may be used as long as the buffer layer 5 prevents the movement of electric charges between the graphene and the electrode and forms the Dirac point DPe between the graphene and the electrode in addition to the Dirac point of the graphene body.
  • the expression “layer” is used for the buffer layer 5, when viewed at the atomic layer level, there may be a sparse or dense region. Specifically, nanoparticles may be used.
  • the graphene layer 1 is provided on the insulating layer 3.
  • a buffer layer 5 is sandwiched between the graphene layer 1 and the electrode 2.
  • the graphene layer 1 is composed of a single layer or two or more layers of graphene. Increasing the number of graphene layers increases the light absorptance and increases the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100.
  • Graphene is a monoatomic layer of a two-dimensional carbon crystal, and the thickness of the monolayer graphene is as thin as 0.34 nm per one carbon atom. Graphene has carbon atoms in each chain arranged in a hexagonal shape.
  • the arbitrary two layers of graphene included in the laminated structure may not have the same hexagonal lattice vector orientation, that is, the orientation may be shifted. Further, a laminated structure in which lattice vectors are completely matched may be used. In particular, when two or more layers of graphene are stacked, a band gap is formed, so that a wavelength selection effect can be provided.
  • a graphene nanoribbon alone or a structure in which a plurality of graphene nanoribbons are arranged may be used.
  • the graphene layer 1 may be non-doped, but may be doped p-type or n-type. By doping the graphene layer 1 to be n-type or p-type, the position of the Dirac point (DPg) in the graphene can be controlled as will be described later.
  • the buffer layer 5 is provided between the graphene layer 1 and the electrode 2, so that the charge mobility of the graphene layer 1 depends on the presence or absence of electromagnetic wave irradiation. Threshold electric fields that change the values are respectively formed. For this reason, when the graphene layer 1 is irradiated with light, the Dirac point (DPg) of the graphene layer 1 is shifted. As a result, a large current change occurs, and the electric resistance value of the graphene layer 1 changes. By detecting this change in the electrical resistance value with the electrode 2 disposed outside the graphene layer 1, the intensity of the incident electromagnetic wave having an arbitrary wavelength can be detected as an electrical signal with high sensitivity.
  • an output amplification circuit using graphene may be provided in an adjacent portion or a lower layer portion of the electromagnetic wave detector 100. Accordingly, the operation is faster than that of an output amplifier circuit formed from a silicon-based semiconductor material, and a high-performance electromagnetic wave detector can be realized.
  • 3a to 3f are cross-sectional views of other electromagnetic wave detectors according to the first exemplary embodiment of the present invention.
  • 3A to 3F the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same or corresponding portions.
  • the graphene layer 1 is formed on the insulating layer 3, and the buffer layer 5 and the electrode 2 are sequentially formed thereon.
  • a method such as vapor deposition that does not damage the graphene layer 1.
  • one electrode (left electrode in FIG. 3b) is provided with the graphene layer 1 on the electrode 2 via the buffer layer 5, and the other electrode (right electrode in FIG. 3b). Electrode), the electrode 2 is provided on the graphene layer 1 with the buffer layer 5 interposed therebetween.
  • the graphene layer 12 has an electrode 2 formed thereon via a buffer layer 5, while the graphene layer 1 has an electrode 2 is formed via a buffer layer 5.
  • a protective film 13 is formed so as to cover the graphene layer 1, the buffer layer 5, and the electrode 2.
  • the buffer layer 5 is made of a thin film such as a natural oxide film
  • the protective film 13 can be provided to prevent changes in the properties of the buffer layer 5 due to the influence of the surrounding atmosphere.
  • the protective film 13 is made of an insulating film such as silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or silicon nitride (SiN).
  • an electrode 14 is provided on the protective film 13.
  • This electrode 14 operates as a top gate electrode.
  • a back gate type (see FIG. 5) may be used in which an electric signal applied to the electrode 2 is detected by applying a voltage from the back side of the substrate 4 (lower side in FIG. 3E).
  • the upper surface of the electrode 2 and the upper surface of the insulating layer 3 are in the same plane.
  • a buffer layer 5 is interposed between the graphene layer 1 and the electrode 2.
  • a buffer layer 5 such as an oxide film exists between the graphene layer 1 and the electrode 2.
  • the potential at the contact point between the graphene layer 1 and the electrode 2 is the same regardless of what bias voltage is applied to the graphene layer 1, but the actual measurement results are shown in FIG.
  • the buffer layer 5 is present, charge transfer between the graphene and the electrode is hindered, and therefore, the buffer layer 5 between the graphene and the electrode, which is different from the Dirac point DP (hereinafter referred to as “DPg1”) of the graphene body. A level formed by the influence of is formed.
  • DPe Dirac point DP
  • DPe can be defined as a point that becomes a threshold electric field that changes the charge mobility of graphene depending on the presence or absence of light irradiation. That is, it can be considered that DPe is formed by the buffer layer 5 preventing the movement of electric charges between the graphene layer 1 and the electrode 2.
  • the film thickness of the buffer layer 5 is such that the charge can be transferred between the graphene layer 1 and the electrode 2 through the buffer layer 5 when the graphene layer 1 is irradiated with electromagnetic waves. Good. If the buffer layer 5 is too thick, charge transfer between the graphene layer 1 and the electrode 2 becomes impossible. Therefore, the thickness of the buffer layer 5 is usually very thin, about several atomic layers to 10 nm. preferable. However, depending on the material of the buffer layer 5, the charge may be transferred even when the thickness is larger than this thickness.
  • a protective film or the like may be formed on the graphene layer 1, the electrode 2, and the buffer layer 5 therebetween as long as the irradiated electromagnetic wave can reach when irradiated with the electromagnetic wave.
  • FIG. 4 shows measurement results of the electrical characteristics of the graphene layer 1 when the electromagnetic wave detector 100 according to the first embodiment is irradiated with light and when it is not irradiated.
  • the horizontal axis represents the back gate voltage
  • the vertical axis represents the current flowing between the two electrodes 2.
  • the graphene layer 1 is composed of a single layer of graphene, and the distance between the two electrodes 2 is 5 ⁇ m, and the length of the electrode 2 (vertical direction in FIG. 1) is 15 ⁇ m.
  • the electrode 2 has a multilayer structure of metal, the outermost surface is gold, and the thickness is 30 nm.
  • a Ti film having a thickness of 5 nm is formed between the insulating layer 3 and the insulating layer 3 in order to improve adhesion.
  • the substrate 4 is made of silicon doped N-type.
  • the substrate 4 operates as a back gate type in which a voltage is applied from the back surface.
  • the insulating layer 3 is made of a silicon thermal oxide film (SiO 2 ) and has a thickness of 290 nm.
  • the buffer layer 5 was a gold oxide film formed by oxidizing gold on the surface of the electrode 2 by UV ozone treatment. The thickness is several nm or less. Or inclusions, such as OH group, may be sufficient.
  • the above dimensions are the dimensions of the sample used in the measurement of FIG. 4, and the electromagnetic wave detector 100 is not limited to these dimensions, and is appropriately designed according to the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 and the like.
  • one of the two electrodes 2 is a source, the other is a drain, and a voltage is applied from the back surface of the substrate 4 to operate as a back gate (see FIG. 5).
  • FIG. 4 clearly shows DPg1 and DPe without light irradiation, and DPg2 moved by light irradiation.
  • the difference in Vbg between DPg1 and DPg2 is as large as about 20V.
  • the back gate voltage Vbg is about 25V
  • the current becomes 100 ⁇ A due to the fluctuation of the Dirac point due to light irradiation.
  • the sensitivity obtained in the above experiment is calculated, a very large sensitivity of several hundred A / W is realized.
  • the amount of current change is very small, so that a highly sensitive photoresponse can be obtained.
  • the elimination of this asymmetry due to electric field movement at the time of light irradiation in the metal part of the electrode 2 can result in a large extraction current at the time of light irradiation.
  • the silicon substrate is doped.
  • Dpe is formed in a region where Vbg is positive, the difference between DPg1 and DPg2 tends to increase due to the N-type silicon substrate.
  • Dpe is formed in a region where Vbg is negative, the difference between DPg1 and DPg2 tends to increase due to the P-type silicon substrate.
  • these effects occur in combination with effects such as a buffer layer.
  • a photocurrent generated by the incidence of electromagnetic waves on the graphene layer 1 may be detected.
  • the electromagnetic wave detector 100 operates with or without applying an external bias between the electrodes 2 at both ends of the photocurrent generation path of the graphene layer 1.
  • the detection efficiency of the generated carriers is increased by applying a bias.
  • the graphene layer 1 is connected to an electric circuit for taking out a change in photocurrent such as an external bias through an electrode 2. For example, when a voltage Vd is applied between the two electrodes 2 as a method for reading an electrical signal, the amount of current Id flowing between the electrodes 2 changes due to an electrical signal of a resistance value change in the graphene layer 1. By detecting the change in the amount of current, the magnitude of the incident electromagnetic wave can be detected. A circuit that allows a constant current to flow between the two electrodes 2 may be added to detect the amount of change in the voltage value.
  • an electrical signal may be taken out as a transistor structure by combining the back surface of the substrate 4 with the back gate terminal and the two-terminal electrode 2.
  • an even larger electric field can be generated in the graphene layer 1, and carriers generated by incidence of electromagnetic waves can be detected with high efficiency.
  • only one electrode 2 may be formed, and the potential change of the graphene layer 1 due to the incidence of electromagnetic waves may be detected using this.
  • an electrical signal may be taken out as a top gate structure in which a transistor structure is formed by forming an oxide film on the graphene layer 1 and combining it with the two-terminal electrode 2 as a gate terminal on the oxide film (FIG. 3e). reference).
  • the manufacturing method of the electromagnetic wave detector 100 includes the following steps 1 to 5.
  • Step 1 First, a flat substrate 4 such as silicon is prepared.
  • Step 2 The insulating layer 3 is formed on the substrate 4.
  • the insulating layer 3 may be formed of silicon oxide (SiO 2 ) by thermal oxidation. Further, another insulating film may be formed by CVD or sputtering.
  • Step 3 An electrode 2 made of Au, Ag, Cu, Al, Ni, Cr or the like is formed. At this time, an adhesion film of Cr or Ti may be formed in order to improve adhesion with the lower insulating layer 3.
  • the electrode 2 is formed by forming a resist mask using photoengraving or EB drawing, and then depositing a metal layer made of Au, Ag, Cu, Al, Ni, Cr, etc. on the resist mask by vapor deposition or sputtering. Do.
  • Step 4 The buffer layer 5 is formed by oxidizing the surface of the electrode 2 made of metal.
  • the electrode 2 is oxidized by UV irradiation (UV ozone treatment), plasma irradiation, natural oxidation, or the like in an ozone atmosphere.
  • An oxide film may be formed using a solution or the like.
  • an insulating film such as silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or silicon nitride (SiN) may be formed over the electrode 2 in a region in contact with the graphene layer 1.
  • active metals alkali metals, alkaline earth metals such as LiF, Li 2 O 3 , Li 2 CO 3 , Ca, Ba, Cs, Cs 2 CO 3 , TiO 2 , transition metal oxides such as V 2 O 5 , WO 3 , MoO 3 , an organic material or a mixed film of these materials and these metals may be used.
  • the film may be formed of any material as long as it is a material that forms DPe other than the Dirac point of the graphene body by the buffer layer 5.
  • Graphene is formed on the electrode 2 and the insulating layer 3.
  • Graphene may be formed by epitaxial growth, or the formed graphene layer may be transferred and pasted in advance using a CVD method. Alternatively, graphene peeled by mechanical peeling or the like may be transferred. Subsequently, graphene is covered with a resist mask by photolithography or the like, and is patterned by etching with oxygen plasma. As a result, the graphene layer 1 is formed by removing unnecessary portions of graphene other than the channel portion and the region in contact with the electrode 2.
  • the electromagnetic wave detector 100 according to the first exemplary embodiment of the present invention is completed through the above steps 1 to 5.
  • FIG. FIG. 6 is a top view of the electromagnetic wave detector according to the second exemplary embodiment of the present invention, indicated as a whole by 110, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line VV of FIG. 6 and 7, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same or corresponding portions.
  • the electromagnetic wave detector 110 according to the second exemplary embodiment is different from the electromagnetic wave detector 100 according to the first exemplary embodiment in that the area of the graphene layer 1 that overlaps the electrode 2 via the buffer layer 5 (the broken line in FIG. 6). Is different between the two electrodes 2, that is, between the source electrode and the drain electrode.
  • Such a structure may be processed in the graphene processing step (step 5) in Embodiment 1 so that the areas of the graphene on the source and the drain are different.
  • the amount of charge transfer from the metal constituting the electrode 2 to the graphene layer 1 also differs accordingly. That is, the energy gap is different between the source electrode and the drain electrode.
  • the Dirac point DPe between the graphene and the electrode which is different from the Dirac point DP of the graphene main body, is formed, and the same phenomenon as in Embodiment 1 occurs at the time of light irradiation, and the change in photocurrent increases.
  • the photocurrent at the time of light irradiation can be increased, and the sensitivity of the electromagnetic wave detector 110 can be improved.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the third exemplary embodiment of the present invention, which is indicated as a whole by 120. 8, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same or corresponding portions.
  • the electromagnetic wave detector 120 according to the third exemplary embodiment is different from the electromagnetic wave detector 100 according to the first exemplary embodiment in that the electrode 6 (for example, source electrode) and the electrode 7 (for example, drain electrode) are made of different metals. Is a point. Graphene has a different Fermi level or different contact resistance depending on the type of metal in contact. Therefore, when the electrodes 6 and 7 are formed from different metals, the energy gap differs between the source and the drain. For this reason, when light is irradiated, a bias is generated between the electrodes 5 and 6 due to the generated carriers, the photocurrent is increased, and the sensitivity of the electromagnetic wave detector 120 can be improved.
  • the electrode 6 for example, source electrode
  • the electrode 7 for example, drain electrode
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the fourth exemplary embodiment of the present invention, the whole of which is represented by 130. 9, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same or corresponding portions.
  • the electromagnetic wave detector 130 according to the fourth exemplary embodiment is different from the electromagnetic wave detector 100 according to the first exemplary embodiment in that the buffer layers 8 and 9 formed on the two electrodes 2 are made of different oxides. It is. As a result, the contact resistance between the electrode and graphene is different between the two electrodes 2, that is, the source electrode and the drain electrode, and the energy gap is different between the source and the drain. For this reason, when light is irradiated, a bias is generated between the two electrodes 2 by the generated carriers, the photocurrent is increased, and the sensitivity of the electromagnetic wave detector 130 can be improved.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the fifth exemplary embodiment of the present invention, indicated as a whole by 140. 10, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 indicate the same or corresponding portions.
  • the electromagnetic wave detector 140 according to the fifth embodiment is different from the electromagnetic wave detector 100 according to the first embodiment in that a periodic recess 10 is formed on the surface of the electrode 2.
  • 11 and 12 are top views of the electrode 2.
  • the recessed part 10 consists of a cylindrical recessed part arrange
  • the arrangement may be any periodic arrangement such as a square lattice or a triangular lattice.
  • a concave portion having another shape such as a rectangular column, a triangular column, a quadrangular column, or an elliptical column may be used.
  • the recess 11 may be a one-dimensional groove arranged in parallel as shown in FIG. 12, for example. These recesses 10 and 11 generate plasmon resonance regardless of whether or not they penetrate the electrode 2.
  • a pattern design for detecting the target wavelength may be appropriately made.
  • the material of the electrode 2 may be any metal as long as surface plasmon resonance occurs. For example, Au, Ag, Al, or the like is used.
  • periodic concave portions 10 and 11 are formed on the surface of the electrode 2
  • periodic convex portions may be formed. Plasmon resonance with the same effect occurs.
  • the resonance wavelength of plasmon resonance is determined depending on the periodic structure.
  • the electromagnetic wave detector 100 can strongly detect only an electromagnetic wave having a specific resonance wavelength, and the detection sensitivity of the specific wavelength can be increased.
  • FIG. 13 and 14 are top views showing only the graphene layer 1 used in the electromagnetic wave detector according to the sixth embodiment.
  • the difference from the electromagnetic wave detector 100 according to the first exemplary embodiment is that a one-dimensional or two-dimensional periodic recesses 20 and 21 are formed in the graphene layer 1.
  • the recesses 20 and 21 may be holes penetrating the graphene layer 1.
  • the recesses 20 and 21 are holes that penetrate the graphene layer 1.
  • the recesses 20 and 21 do not penetrate the graphene layer 1 as long as the holes penetrate only one of the layers. Further, if the hole penetrates all of the plurality of layers, the recesses 20 and 21 penetrate the graphene layer 1.
  • the two-dimensional periodic arrangement may be any periodic arrangement such as a square lattice or a triangular lattice.
  • the shape of the recess 20 may be a recess having any shape such as a cylinder, a prism, a triangular prism, a quadrangular prism, or an elliptical cylinder.
  • the shape viewed from above, such as a triangular prism is asymmetrical, the light absorbed by the graphene layer 1 has polarization dependency, so that an electromagnetic wave detector that detects only specific polarized light can be formed. .
  • the one-dimensional periodic arrangement may be a one-dimensional groove arranged in parallel as shown in FIG. 14, for example.
  • the electromagnetic wave detector 100 can strongly detect only an electromagnetic wave having a specific resonance wavelength, and the detection sensitivity of the specific wavelength can be increased.
  • Embodiment 7 FIG.
  • the electromagnetic wave detector (not shown) according to the seventh embodiment includes a two-dimensional electromagnetic wave detector 100 according to the first embodiment and a transition metal dichalcogenide or black phosphor (Black Phosphorus) instead of the graphene layer 1. It differs in that it uses materials. Other structures are the same as those of the electromagnetic wave detector 100. Two-dimensional materials such as transition metal dichalcogenides and black phosphorus are called two-dimensional materials because they have the same atomic layer structure as graphene. For example, transition metal dichalcogenides such as MoS 2 , WS 2 , WSe 2, etc. Become. Moreover, the structure which laminated
  • a transition metal dichalcogenide or black phosphor Black Phosphorus
  • transition metal dichalcogenide materials and black phosphorus have a predetermined band gap. For this reason, since the off current becomes almost zero, the noise of the electromagnetic wave detector is reduced, and the performance of the electromagnetic wave detector can be improved.
  • the band gap can be adjusted by the number of layers in which two-dimensional materials such as transition metal dichalcogenide and black phosphorus are laminated, the wavelength of the electromagnetic wave to be detected can be selected according to the number of layers.
  • the wavelength selective electromagnetic wave detector which detects only the electromagnetic waves of a specific wavelength can be obtained.
  • it is not necessary to use an optical filter that is a typical wavelength selection method the number of optical components can be reduced, and the loss of incident light due to passing through the filter can also be reduced.
  • two-dimensional materials such as transition metal dichalcogenides and black phosphorus are combined in two or more different materials, or two-dimensional materials such as transition metal dichalcogenide and black phosphorus are combined with graphene to form a heterojunction.
  • FIG. 15 is a top view of the electromagnetic wave detector array according to the eighth exemplary embodiment of the present invention, the whole of which is represented by 1000.
  • the electromagnetic wave detectors 100 according to the first exemplary embodiment are arranged in 2 ⁇ 2, but the number of arranged detectors is not limited to this.
  • the electromagnetic wave detector array 1000 not only the electromagnetic wave detector 100 but also the electromagnetic wave detectors according to other embodiments 2 to 7 may be arranged in an array.
  • an electromagnetic wave detector array using graphene can detect electromagnetic waves in a very wide wavelength range from ultraviolet light to microwaves. For this reason, when an electromagnetic wave detector array is applied to a vehicle-mounted sensor, for example, it can be used as a visible light image camera during the day, while it can also be used as an infrared camera at night, eliminating the need for different cameras depending on the detection wavelength.
  • FIG. 16 is a top view of the electromagnetic wave detector array according to the ninth exemplary embodiment of the present invention, the whole of which is represented by 2000.
  • different types of electromagnetic wave detectors 100, 200, 300, and 400 are arranged in 2 ⁇ 2, but the number to be arranged is not limited to this.
  • the electromagnetic wave detector array 2000 has a function as an image sensor by arranging different types of electromagnetic wave detectors described in the first to eighth exemplary embodiments in a one-dimensional or two-dimensional array. You can have it.
  • the electromagnetic wave detectors 100, 200, 300, and 400 are formed from electromagnetic wave detectors having different detection wavelengths.
  • the electromagnetic wave detectors having detection wavelength selectivity described in the fifth to seventh embodiments are arranged in an array.
  • the electromagnetic wave detector array 2000 can detect electromagnetic waves having different wavelengths by at least two or more.
  • the electromagnetic wave detectors having different detection wavelengths By arranging the electromagnetic wave detectors having different detection wavelengths in an array like this, it is colored in the wavelength range of ultraviolet light, infrared light, terahertz wave, and radio wave as well as the image sensor used in the visible light range. An image can be obtained.
  • the structure of the electromagnetic wave detector array 2000 makes it possible to manufacture an image sensor that detects the light intensity of electromagnetic waves having a plurality of wavelengths. As a result, it is possible to detect a plurality of wavelengths of electromagnetic waves and obtain a color image without using a color filter conventionally required for a CMOS sensor or the like.
  • a polarization discrimination image sensor can be formed by arraying electromagnetic wave detectors having different polarizations to be detected. For example, an artifact and a natural object can be discriminated.

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Abstract

　電磁波検出器が、基板と、基板の上に設けられた絶縁層と、絶縁層の上に設けられたグラフェン層と、絶縁層の上に、グラフェン層を挟んで設けられた一対の電極と、グラフェン層と電極との間に挟まれてこれらを離隔するバッファ層と、を含む。電磁波検出器アレイは、アレイ状に配置された同一または互いに異なる電磁波検出器を含む。

Description

電磁波検出器および電磁波検出器アレイ
　本発明は、グラフェンを検出層に用いた電磁波検出器および電磁波検出器アレイに関し、特に、検出層と電極との間にバッファ層を設けた高感度の電磁波検出器および電磁波検出器アレイに関する。
　従来の電磁波検出器では、電磁波検出層として一般に半導体材料が用いられるが、半導体材料は所定のバンドギャップを有するため、バンドギャップよりも大きいエネルギーを有する電磁波しか検出できないという問題があった。
　そこで、次世代の検出層の材料としてバンドギャップがゼロまたは極めて小さいグラフェンが注目され、例えば引用文献１では、基板上にゲート酸化膜を設け、その上にグラフェンのチャネル層を堆積し、チャネル層の両端にソースおよびドレインを形成した電磁波検出器が提案されている。
特表２０１３－５０２７３５号公報
　しかしながら、検出層がグラフェン単体では電磁波の吸収率が数％と非常に低く、検出できる波長域は広がっても、検出感度が低くなるという問題があった。
　そこで、本発明は、検出波長域が広く、かつ検出感度の高い、グラフェンを検出層の材料に用いた電磁波検出器の提供を目的とする。
　本発明は、基板と、基板の上に設けられた絶縁層と、絶縁層の上に設けられたグラフェン層と、絶縁層の上に、グラフェン層を挟んで設けられた一対の電極と、グラフェン層と電極との間に挟まれてこれらを離隔するバッファ層と、を含むことを特徴とする電磁波検出器である。
　本発明では、グラフェンからなる検出層と電極との間にバッファ層が存在するため、グラフェンと電極との間の電荷の移動が妨げられ、グラフェン本体のディラックポイント（ＤＰｇ）とは異なるグラフェン－電極間のディラックポイント（ＤＰｅ）が形成される。このため、検出光が入射した場合に、入射電界を打ち消すように電極表面で電荷の移動が生じ、グラフェンと電極との間でも電荷の移動が増加してＤＰｅが消失する。これにより、グラフェン中のＤＰｇが移動し、取り出し電流が増大し、検出感度が高くなる。
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１の電磁波検出器のＩ－Ｉ方向における断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器に対して光照射有と光照射無の場合の電気特性である。 本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の回路図である。 本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器の上面図である。 図６の電磁波検出器のＶ－Ｖ方向における断面図である。 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。 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。 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。 本発明の実施の形態５にかかる電磁波検出器の電極の上面図である。 本発明の実施の形態５にかかる電磁波検出器の電極の上面図である。 本発明の実施の形態６にかかる電磁波検出器のグラフェン層の上面図である。 本発明の実施の形態６にかかる電磁波検出器のグラフェン層の上面図である。 本発明の実施の形態８にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。 本発明の実施の形態９にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。
　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て、これらの光や電波を総称して電磁波とも記載する。
　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つの電極とバックゲート電極を有する構造を用いて説明するが、本発明は、４端子電極構造や、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や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、あるいは、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、メタマテリアルや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、あるいは単に共鳴と呼ぶ。
実施の形態１．
　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り、図２は、図１のＩ－Ｉにおける断面図である。
　電磁波検出器１００は、例えばＳｉからなる基板４を含む。基板４は、電磁波検出器１００全体を保持するもので、例えば半導体基板からなり、高抵抗シリコン基板や熱酸化膜を形成して絶縁性を高めた基板などが用いられる。または、後述するようにバックゲートを形成するためにドープされたシリコン基板を用いても良い。熱酸化膜を有する基板の場合は、熱酸化膜が絶縁層３を兼ねても良い。
　基板４の上には、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム、酸化ニッケル、ボロンナイトライド（ＢＮ）等からなる絶縁層３が設けられる。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、グラフェンとの接触で電荷移動を妨げることなく、悪影響を与えず、電子移動度などグラフェンの性能を阻害しないため、グラフェンの下地膜として好ましい。
　絶縁層３の上には、一対の電極２が設けられている。電極２は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｄ等の金属から形成される。電極２とその下の絶縁層３との間には、ＣｒやＴｉからなる密着膜（図示せず）を形成しても良い。電極２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。
　電極２の上には、バッファ層５が設けられる。バッファ層５は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（ＳｉＮ）のような絶縁物、例えばＬｉＦ、Ｌｉ２Ｏ３、Ｌｉ２ＣＯ３、Ｃａ、Ｂａ、Ｃｓ、Ｃｓ２ＣＯ３、ＴｉＯ２のような活性金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、例えばＶ２Ｏ５、ＷＯ３、ＭｏＯ３のような遷移金属酸化物、有機物やこれらの金属と有機物との混合膜でもよい。または、電極２とグラフェンとの間にＯＨ基が介在するなど、電極２とグラフェンの間に介在物があればよい。つまり、バッファ層５によってグラフェンと電極との間の電荷の移動が妨げられ、グラフェン本体のディラックポイント以外にグラフェン－電極間にディラックポイントＤＰｅを形成する材料であればいずれの材料でも良い。
　なお、バッファ層５は「層」という表現を用いているが、原子層レベルで見た場合、疎密があるかまたは不連続な領域があっても良い。具体的にはナノ粒子を用いても良い。
　絶縁層３の上には、グラフェン層１が設けられる。グラフェン層１と電極２との間には、バッファ層５が挟まれる。グラフェン層１は単層または２層以上のグラフェンからなる。グラフェンの積層数を増やすと光吸収率が増加し、電磁波検出器１００の感度が高くなる。グラフェンは２次元炭素結晶の単原子層であり、単層グラフェンの厚さは炭素原子１個分の０．３４ｎｍと非常に薄い。グラフェンは６角形状に配置された各連鎖に炭素原子を有する。
　グラフェン層１が２層以上のグラフェンの積層構造からなる場合、積層構造に含まれる任意の２層のグラフェンは、六方格子の格子ベクトルの向きが一致しない、つまり向きにずれがあっても良い。また、完全に格子ベクトルが一致した積層構造でもよい。特に、２層以上のグラフェンが積層されるとバンドギャップが形成されるため、波長選択効果を持たせることができる。
　また、ナノリボン状のグラフェンを用いる場合、グラフェンナノリボン単体、あるいはグラフェンナノリボンを複数配列した構造としても良い。グラフェン層１はノンドープでも良いが、ｐ型またはｎ型にドープされてもよい。グラフェン層１をｎ型またはｐ型にドープすることにより、後述するようにグラフェン中のディラックポイント（ＤＰｇ）の位置を制御できる。
　このように、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００では、グラフェン層１と電極２との間にバッファ層５を有することにより、電磁波照射の有無によって、グラフェン層１の電荷移動度を変化させる閾値電界がそれぞれ形成される。このため、グラフェン層１に光を照射することで、グラフェン層１のディラックポイント（ＤＰｇ）がシフトする。この結果、大きな電流変化が生じ、グラフェン層１の電気抵抗値が変化する。この電気抵抗値の変化をグラフェン層１の外部に配置した電極２で検出することで、入射する任意の波長の電磁波の強度を電気的信号として高感度で検出できる。
　また、本電磁波検出器１００と共に、グラフェンを用いた出力増幅回路を電磁波検出器１００の隣接部や下層部に設けてもよい。これにより、シリコン系の半導体材料から形成される出力増幅回路に比較して動作が速くなり、高性能な電磁波検出器が実現できる。
　また、読み出し回路等の周辺回路にグラフェンを用いることにより、高速読み出しや、製造プロセスの簡素化が可能となる。
　図３ａ～図３ｆは、本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。図３ａ～図３ｆ中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
　図３ａに示す電磁波検出器１００ａでは、絶縁層３の上にグラフェン層１が形成され、その上にバッファ層５、電極２が順に形成されている。バッファ層５や電極２の形成には、グラフェン層１にダメージを与えない蒸着などの方法を用いることが好ましい。
　図３ｂに示す電磁波検出器１００ｂでは、一方の電極（図３ｂでは左側の電極）は、電極２の上にバッファ層５を介してグラフェン層１が設けられ、他方の電極（図３ｂでは右側の電極）は、グラフェン層１の上にバッファ層５を介して電極２が設けられている。
　図３ｃに示す電磁波検出器１００ｃでは、２層のグラフェン層１、１２が形成され、グラフェン層１２は、その上にバッファ層５を介して電極２が形成され、一方、グラフェン層１は、電極２の上にバッファ層５を介して形成されている。
　図３ｄに示す電磁波検出器１００ｄでは、グラフェン層１、バッファ層５、電極２を覆うように保護膜１３が形成されている。バッファ層５が自然酸化膜などの薄膜からなる場合、保護膜１３を設けることで、周辺雰囲気の影響でバッファ層５の性質が変化することを防止できる。特に、高温、低温環境で電磁波検出器を使用する場合、グラフェン層１とバッファ層５との接触を保持することが重要となる。つまり、保護膜１３を設けることにより、安定した動作が保障される。保護膜１３は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（ＳｉＮ）などの絶縁膜からなる。
　図３ｅに示す電磁波検出器１００ｅでは、保護膜１３の上に電極１４が設けられている。この電極１４は、トップゲート電極として動作する。逆に、基板４の裏側（図３ｅでは下側）から電圧を印加して電極２にかかる電気信号を検出するバックゲート型（図５参照）でも良い。
　図３ｆに示す電磁波検出器１００ｆでは、電極２の上面と、絶縁層３の上面とが同一平面となっている。グラフェン層１と電極２との間にはバッファ層５が介在している。
　次に、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００の動作原理について説明する。電磁波検出器１００では、グラフェン層１と電極２との間に、酸化膜などのバッファ層５が存在する。バッファ層５が無い場合は、グラフェン層１と電極２の接点の電位は、どのようなバイアス電圧をグラフェン層１に印加しても同電位となるが、図４に実際の測定結果を示すように、バッファ層５が存在する場合、グラフェンと電極との間の電荷の移動が妨げられるため、グラフェン本体のディラックポイントＤＰ（以下「ＤＰｇ１」と呼ぶ）とは異なるグラフェン－電極間のバッファ層５の影響によって形成される準位が形成される。本発明では、グラフェン－電極間に形成されるディラックポイントＤＰ（以下「ＤＰｅ」）と呼ぶ。ＤＰｅは、光照射の有無によって、グラフェンの電荷移動度を変化させる閾値電界となる点として定義できる。つまり、簡単にはバッファ層５がグラフェン層１と電極２間の電荷の移動を妨げることによってＤＰｅが形成されていると考えることができる。
　ここで、バッファ層５の膜厚は、電磁波がグラフェン層１に照射された場合に、バッファ層５を介してグラフェン層１と電極２との間で電荷の移動が可能な厚さであればよい。バッファ層５が厚すぎると、グラフェン層１と電極２との間で電荷の移動が不可能となるため、バッファ層５の膜厚は、通常、数原子層～１０ｎｍ程度と非常に薄いことが好ましい。ただし、バッファ層５の材料によっては、この膜厚より厚くても電荷の移動が可能になる場合がある。
　なお、電磁波を照射した時に、グラフェン層１と電極２とその間のバッファ層５に、照射された電磁波が到達可能であれば、保護膜等がこれらの上に形成されていても良い。
　一般に、電磁波検出器１００に光が入射した場合、入射光の電界を打ち消すように電極２の表面で電荷の移動が生じる。このエネルギーにより、バッファ層５をトンネルして電荷が移動するため、グラフェン層１と電極２との間でも電荷の移動が増加し、グラフェン－電極間のディラックポイントＤＰｅが消失する。あるいは、電極以外の効果として、グラフェンが光を吸収して増加した電荷が、バッファ層５によってブロックされ蓄積され、あるバイアス電圧を境として、バッファ層５をトンネルする。この結果、電磁波検出器１００のグラフェン層１の内部の電荷部分布が変化し、ＤＰｅが消失するため、結果的に、ＤＰｇ１が移動しＤＰｇ２となる。以上の原理によって、光を照射した場合、バッファ層５の影響によって光電流が増加することになる。
　図４は、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００に光を照射した場合と照射しない場合における、グラフェン層１の電気特性の測定結果である。図４において、横軸は、バックゲート電圧であり、縦軸は２つの電極２の間を流れる電流である。グラフェン層１は単層のグラフェンからなり、２つの電極２の間隔は５μｍ、電極２の長さ（図１の上下方向）は１５μｍである。電極２は、金属の多層構造からなり、最表面が金であり、厚さは３０ｎｍである。絶縁層３との間には、密着性を向上させるために厚さ５ｎｍのＴｉ膜が形成されている。基板４はＮ型にドープしたシリコンからなる。基板４は裏面から電圧を印加するバックゲート型として動作する。絶縁層３はシリコンの熱酸化膜（ＳｉＯ２）からなり、厚さは２９０ｎｍである。バッファ層５は、電極２の表面の金をＵＶオゾン処理で酸化させて形成した金の酸化膜とした。厚さは数ｎｍ以下である。または、ＯＨ基などの介在物でもよい。
　以上の寸法は、図４の測定に用いた試料の寸法であり、電磁波検出器１００はこれらの寸法に限定されるものではなく、電磁波検出器１００の感度等に応じて適宜設計される。ここでは、２つの電極２の内、一方をソース、他方をドレインとし、基板４の裏面から電圧を印加することでバックゲートとして動作させた（図５参照）。
　図４には、光照射無の場合のＤＰｇ１、ＤＰｅと、光照射により移動したＤＰｇ２が明確に現れている。図４に示すように、ＤＰｇ１とＤＰｇ２のＶｂｇの差は２０Ｖ程度と非常に大きくなっている。光照射によるディラックポイントの変動によって、電流は、例えばバックゲート電圧Ｖｂｇが２５Ｖ程度の場合、１００μＡとなる。上記の実験で得た感度を算出すると、数１００Ａ／Ｗと非常に大きな感度を実現している。ＤＰｅの無いグラフェンの場合の電流変化分は非常に小さいため、これと比較して高感度な光応答が得られる。
　以上のように、グラフェン層１を電極２上に形成し、金属表面の酸化膜を利用したバッファ層５を有する電極２と、グラフェン層１とのコンタクトポイントにおけるディラックポイントと、グラフェン自体におけるディラックポイントとの非対称性、および電極２の金属部における光照射時の電界移動によるこの非対称性の解消を用いて、結果的に光照射時の取り出し電流を大きくできる。また、バックゲート型の場合、シリコン基板がドープされていることが望ましい。特に、Ｖｂｇがプラスの電圧の領域にＤＰｅが形成される場合、Ｎ型シリコン基板によってＤＰｇ１とＤＰｇ２の差が増大する傾向にある。また、Ｖｂｇがマイナスの電圧の領域にＤＰｅが形成される場合、Ｐ型シリコン基板によってＤＰｇ１とＤＰｇ２の差が増大する傾向にある。但し、これらの効果は、バッファ層などの効果と複合して発生している。
　検出器の動作状態では、グラフェン層１への電磁波の入射によって発生する光電流を検出する場合もある。その場合、グラフェン層１の光電流発生経路の両端にある電極２の間には、外部バイアスを印加しても、印加しなくても電磁波検出器は１００動作する。ただし、バイアスを印加することにより、発生したキャリアの検出効率は高くなる。
　グラフェン層１には、電極２を介して外部バイアスなどの光電流の変化を取り出すための電気回路が接続されている。例えば電気信号の読み出し方法として、２つの電極２の間に電圧Ｖｄを印加すると、グラフェン層１内の抵抗値変化という電気的な信号により、電極２の間を流れる電流量Ｉｄが変化する。この電流量の変化を検出することで、入射する電磁波の大きさを検出することができる。２つの電極２の間に、一定電流を流す回路を付加し、電圧値の変化量を検出してもよい。
　また、図５に示すように、基板４の裏面をバックゲート端子として、２端子の電極２と組み合わせることでトランジスタ構造として、電気信号を取り出してもよい。この場合、基板４の裏面に電圧をかけることにより、グラフェン層１に更に大きな電界を生じさせることができ、電磁波の入射により発生したキャリアを高効率に検出できる。
　また、電極２を１つだけ形成し、これを用いて電磁波の入射によるグラフェン層１の電位変化を検出してもよい。
　また、グラフェン層１上に酸化膜を形成し、酸化膜上にゲート端子として、２端子の電極２と組み合わせることでトランジスタ構造を形成したトップゲート構造として、電気信号を取り出してもよい（図３ｅ参照）。
　本発明の実施の形態１では、簡略化のために、一対の電極２を形成し、その間の電気抵抗を検出する場合を例に説明したが、トランジスタ構造等の他の構造を適用しても構わない。
　次に、電磁波検出器１００の製造方法について簡単に説明する。電磁波検出器１００の製造方法は、以下の工程１～５を含む。
　工程１：まず、シリコン等の平坦な基板４を準備する。
　工程２：基板４の上に、絶縁層３を形成する。絶縁層３は、例えば基板４がシリコンの場合は、熱酸化により酸化シリコン（ＳｉＯ２）を形成してもよい。また、ＣＶＤやスパッタにより他の絶縁膜を形成してもよい。
　工程３：Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等からなる電極２を形成する。この時、下部の絶縁層３との密着性を上げるためにＣｒやＴｉの密着膜を形成しても良い。電極２の形成は、写真製版やＥＢ描画などを用いてレジストマスクを形成した後、その上にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等からなる金属層を蒸着やスパッタリングなどで堆積して行う。
　工程４：金属からなる電極２の表面を酸化してバッファ層５を形成する。電極２の酸化は、オゾン雰囲気でＵＶ照射（ＵＶオゾン処理）、プラズマ照射、または自然酸化などで行う。溶液等を用いて酸化膜を形成しても良い。または、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（ＳｉＮ）などの絶縁膜を電極２の上の、グラフェン層１と接触する領域に成膜しても良い。更には、活性金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、例えばＬｉＦ、Ｌｉ２Ｏ３、Ｌｉ２ＣＯ３、Ｃａ、Ｂａ、Ｃｓ、Ｃｓ２ＣＯ３、ＴｉＯ２、遷移金属酸化物、例えばＶ２Ｏ５、ＷＯ３、ＭｏＯ３、有機物や有機物とこれらの金属との混合膜などで形成してもよい。つまり、バッファ層５によってグラフェン本体のディラックポイント以外にＤＰｅを形成する材料であれば、いずれの材料で膜を形成しても良い。
　工程５：電極２および絶縁層３の上にグラフェンを形成する。グラフェンは、エピタキシャル成長により形成しても良いし、予めＣＶＤ法を用いて形成グラフェン層を転写して貼り付けてもよい。また、機械剥離などで剥離したグラフェンを転写してもよい。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、酸素プラズマでエッチングしてパターニングする。これにより、チャネル部分や電極２と接している領域以外の不要な部分のグラフェンを除去し、グラフェン層１を形成する。
　以上の工程１～５で、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００が完成する。
実施の形態２．
　図６は、全体が１１０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上面図であり、図７は、図６のＶ－Ｖにおける断面図である。図６、７中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
　実施の形態２にかかる電磁波検出器１１０が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、グラフェン層１がバッファ層５を介して電極２と重なる部分の面積（図６中に破線で表示）が、２つの電極２の間、即ちソース電極とドレイン電極との間で異なる点である。このような構造は、実施の形態１におけるグラフェンの加工工程（工程５）で、ソースとドレインの上のグラフェンの面積を異なるように加工すればよい。
　ソース電極とドレイン電極で、グラフェン層１と電極２が重なる面積が異なると、それに応じて、電極２を構成する金属からグラフェン層１への電荷移動量も異なる。つまり、ソース電極とドレイン電極との間で、エネルギーギャップが異なることになる。これにより、光が照射された場合、発生したキャリアにより２つの電極２の間でバイアスが発生することになり、光電流が増大する。または、グラフェン本体のディラックポイントＤＰとは異なるグラフェン－電極間のディラックポイントＤＰｅが形成され、光照射時には実施の形態１と同じ現象が生じ、光電流の変化が増大する。
　以上のように、実施の形態２にかかる電磁波検出器１１０では、光照射時の光電流を増大させることができ、電磁波検出器１１０の感度を向上させることができる。
実施の形態３．
　図８は、全体が１２０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。図８中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
　実施の形態３にかかる電磁波検出器１２０が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、電極６（例えばソース電極）と電極７（例えばドレイン電極）が異なる金属から形成されている点である。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、あるいは接触抵抗が異なる。よって、電極６と電極７を異なる金属から形成した場合、ソースとドレインの間でエネルギーギャップが異なる。このため、光が照射された場合、発生したキャリアにより電極５、６間でバイアスが発生して光電流が増大し、電磁波検出器１２０の感度を向上させることができる。
実施の形態４．
　図９は、全体が１３０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。図９中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
　実施の形態４にかかる電磁波検出器１３０が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、２つの電極２の上に形成されるバッファ層８、９が、異なる酸化物からなる点である。この結果、２つの電極２、即ちソース電極とドレイン電極で、電極－グラフェン間の接触抵抗が異なり、ソースとドレインの間でエネルギーギャップが異なるようになる。このため、光が照射された場合、発生したキャリアにより２つの電極２の間でバイアスが発生して光電流が増大し、電磁波検出器１３０の感度を向上させることができる。
実施の形態５．
　図１０は、全体が１４０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。図１０中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
　実施の形態５にかかる電磁波検出器１４０が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、電極２の表面に周期的な凹部１０が形成されている点である。図１１、１２は電極２の上面図である。凹部１０は、例えば図１１に示すような、２次元に所定の間隔で配置された円柱状の凹部からなる。配置は、正方格子、三角格子等、いずれの周期配列でも良い。円柱の代わりに角柱、三角柱、四角柱、楕円柱等、他の形状の凹部でも良い。また、凹部１１は、例えば図１２に示すような、並列配置された１次元の溝でも良い。これらの凹部１０、１１は、電極２を貫通しても、貫通しなくても、それぞれプラズモン共鳴が生じる。適宜、目的とする波長検知するためのパターン設計をすれば良い。
　このような周期的な凹部１０、１１を電極２の表面に設けることにより、特定の波長において金属表面に強く局在するプラズモン共鳴が発生する。電極２の材料は、表面プラズモン共鳴が生じる金属であればいずれの金属でも良く、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等が用いられる。
　ここでは、電極２の表面に周期的な凹部１０、１１を形成する場合について説明したが、周期的な凸部を形成しても良い。同等の効果を有するプラズモン共鳴が生じる。
　ここで、プラズモン共鳴の共鳴波長は、周期構造に依存して決定される。このような周期構造を電極２の上に形成することにより、特定の共鳴波長を有する電磁波のみを電極表面で吸収することができる。つまり、電磁波検出器１００において、特定の共鳴波長を有する電磁波のみを強く検出することができ、特定波長の検出感度を高くできる。
実施の形態６．
　図１３、１４は、本実施の形態６にかかる電磁波検出器に用いられるグラフェン層１のみを示した上面図である。実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、グラフェン層１に、一次元または二次元の周期的な凹部２０、２１が形成されている点である。凹部２０、２１は、グラフェン層１を貫通する孔でも良い。グラフェン層１が単層の場合は、凹部２０、２１は、グラフェン層１を貫通する孔となる。グラフェン層１が複数層の場合は、そのうちのいずれかの層のみを貫通する孔であれば、凹部２０、２１はグラフェン層１を貫通しない。また、複数層全てを貫通する孔であれば、凹部２０、２１はグラフェン層１を貫通する。
　このように、グラフェン層１に周期的な構造を形成した場合も、上述の電極２に周期的構造を形成した場合と同様に、周期構造に応じた特定波長の電磁波を吸収できる。グラフェンは半金属であるため、原理としては金属と同様のプラズモン共鳴による。
　２次元の周期配置は、正方格子、三角格子等、いずれの周期配列でも良い。また、凹部２０の形状は、円柱、角柱、三角柱、四角柱、楕円柱等、いずれの形状の凹部でも良い。ただし。但し、三角柱等、上面から見た形状が非対称性を有する場合、グラフェン層１が吸収する光には偏光依存性が発生するため、特定の偏光のみを検出する電磁波検出器を形成することができる。
　１次元の周期配置は、例えば図１４に示すような、並列配置された１次元の溝でも良い。
　このような周期構造をグラフェン層１の上に形成することにより、特定の共鳴波長を有する電磁波のみをグラフェン層１の表面で吸収することができる。つまり、電磁波検出器１００において、特定の共鳴波長を有する電磁波のみを強く検出することができ、特定波長の検出感度を高くできる。
　ここでは、グラフェン層１の表面に周期的な凹部２０、２１を形成する場合について説明したが、周期的な凸部を形成するようなパターンでも良い。
実施の形態７．
　本実施の形態７にかかる電磁波検出器（図示せず）は、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と、グラフェン層１の代わりに遷移金属ダイカルコゲナイドか黒リン（Black Phosphorus）などの２次元材料を用いた点で異なる。他の構造は電磁波検出器１００と同様である。遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料は、グラフェンと同様の原子層状構造を有するため、２次元材料と呼ばれ、例えばＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２等遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンからなる。また、これらの材料のうち同種の材料、あるいは異なる材料同士を積層した構造でも良い。あるいはプロベスカイトとグラフェンまたは２次元材料の異種材料接合でもよい。
　これらの遷移金属ダイカルコゲナイド材料や黒リンなどの２次元材料は、所定のバンドギャップを有する。このため、オフ電流がほぼゼロとなるため電磁波検出器のノイズが小さくなり、電磁波検出器の高性能化が可能となる。
　また、遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料を積層する層数によりバンドギャップが調整できるため、検出する電磁波の波長を層数によって選択できる。これにより、特定の波長の電磁波のみを検知する波長選択型電磁波検出器を得ることができる。従来の半導体検出器のように、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、作製が容易である。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、更にフィルタを通過することによる入射光の損失も低減できる。
　また、遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料を用いた場合、複数の層からなる積層構造とすることで、偏光依存性を得ることができる。このため、特定の偏光のみを選択的に検出する電磁波検出器を実現できる。
　更に、これらの遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料のうち、異なる２種以上の材料を組み合わせ、または遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料とグラフェンとを組み合わせて、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構造やトンネル電流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。
実施の形態８．
　図１５は、全体が１０００で表される、本発明の実施の形態８にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。図１５では、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００が２×２に配置されているが、配置する個数はこれに限定されるものではない。
　電磁波検出器アレイ１０００では、電磁波検出器１００だけでなく、他の実施の形態２～７にかかる電磁波検出器をアレイ状に配置しても良い。
　このように、グラフェンを用いた電磁波検出器アレイでは、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。このため、例えば電磁波検出器アレイを車載センサに適用した場合、日中は可視光画像用カメラとして使用できる、一方、夜間は赤外線カメラとしても使用でき、検出波長によってカメラを使い分ける必要が無くなる。
　なお、電磁波検出器アレイ１０００の外に、それぞれの電磁波検出器１００から得られた電気信号を読み出す回路や行列選択回路などを設置しておくことが好ましい。
実施の形態９．
　図１６は、全体が２０００で表される、本発明の実施の形態９にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。図１６では、互いに種類の異なる電磁波検出器１００、２００、３００、４００が２×２に配置されているが、配置する個数はこれに限定されるものではない。
　本実施の形態９にかかる電磁波検出器アレイ２０００では、実施の形態１～８で述べた種類の異なる電磁波検出器を１次元または２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。
　例えば、図１６に示す電磁波検出器アレイ２０００において、電磁波検出器１００、２００、３００、４００を、それぞれ検出波長の異なる電磁波検出器から形成する。具体的には、実施の形態５～７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２０００は、少なくとも２つ以上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、物体の位置検知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２０００の構造により、複数波長の電磁波の光強度を検出する画像センサが製造可能となる。これにより、従来、ＣＭＯＳ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。
　更に、検知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、偏光識別画像センサを形成することもでき、例えば人工物と自然物の識別が可能となる。
　１　グラフェン
　２　電極
　３　絶縁層
　４　基板
　５　バッファ層
　６、７　電極
　８、９　バッファ層
　１０、１１　凹部
　１２　グラフェン層
　１３　保護膜
　１４　電極
　１００、１１０、１２０、１３０　電磁波検出器
　１０００、２０００　電磁波検出器アレイ

Claims (13)

  1. 　基板と、
    　該基板の上に設けられた絶縁層と、
    　該絶縁層の上に設けられたグラフェン層と、
    　該絶縁層の上に、該グラフェン層を挟んで設けられた一対の電極と、
    　該グラフェン層と該電極との間に挟まれてこれらを離隔するバッファ層と、を含むことを特徴とする電磁波検出器。
  2. 　上記グラフェン層と上記電極との間に、該グラフェン層中のディラックポイントとは異なるディラックポイント（ＤＰｅ）が形成さ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. 　上記電極は金属からなり、上記バッファ層は該金属の酸化物からな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。
  4. 　上記グラフェン層および上記バッファ層を覆うように保護膜が設けられた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。
  5. 　上記一対の電極において、上記バッファ層を挟んで電極と上記グラフェン層とが対向する部分の面積が、該電極間で異なることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の電磁波検出器。
  6. 　上記一対の電極の材料が、該電極間で異なることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の電磁波検出器。
  7. 　上記一対の電極と上記グラフェン層との間にそれぞれ設けられた上記バッファ層の材料が、該バッファ層間で異なることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の電磁波検出器。
  8. 　上記電極の表面に、表面プラズモン共鳴を生じる周期的な凹部または凸部が形成されたことを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載の電磁波検出器。
  9. 　上記グラフェンの表面に、表面プラズモン共鳴を生じる周期的な凹部または凸部が形成されたことを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載の電磁波検出器。
  10. 　上記周期的な凹部は、１次元または２次元に配置された周期的な孔、または並列配置された１次元の溝からなることを特徴とする請求項８または９に記載の電磁波検出器。
  11. 　上記グラフェン層は、２層以上のグラフェンの積層構造、または２次元材料、または２次元材料の積層構造、グラフェンと２次元材料との積層構造を有する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。
  12. 　請求項１～１１のいずれかに記載の電磁波検出器をアレイ状に配置したことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
  13. 　請求項８～１１のいずれかに記載の電磁波検出器であって、互いに異なる電磁波検出器をアレイ状に配置したことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
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