WO2021124609A1 - 電磁波検出器および電磁波検出器集合体 - Google Patents
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- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
- H01L27/14601—Structural or functional details thereof
- H01L27/14625—Optical elements or arrangements associated with the device
- H01L27/14629—Reflectors
Definitions
- This disclosure relates to an electromagnetic wave detector and an assembly of electromagnetic wave detectors.
- a voltage is applied to the graphene layer as a channel via the source / drain electrodes.
- the sensitivity of the detector is increased by amplifying the optical carriers generated in the n-type semiconductor layer.
- the OFF operation is enabled by the Schottky connection between the graphene and the n-type semiconductor layer.
- the transistor operates during the high-sensitivity operation in which the source / drain voltage is applied to the graphene.
- the sensitivity of the detector depends on the quantum efficiency of the semiconductor layer. Therefore, it is not possible to sufficiently amplify the optical carrier, and it is difficult to increase the sensitivity of the detector.
- the conventional detector using a two-dimensional material layer such as graphene cannot achieve both high sensitivity and OFF operation at the same time.
- a main object of the present disclosure is to provide an electromagnetic wave detector and an electromagnetic wave detector aggregate using a two-dimensional material layer, which has high detection sensitivity and can be turned off.
- the electromagnetic wave detector according to the present disclosure has a semiconductor layer having at least one step portion formed and having sensitivity to a detection wavelength, and a part of the at least one step portion arranged on the at least one step portion. It has an insulating film provided with at least one opening for exposing, and a connecting region arranged on the insulating film and at least one opening and electrically connected to the semiconductor layer at the at least one opening.
- the first electrode is arranged on the dimensional material layer, the first electrode portion arranged on the insulating film and electrically connected to the two-dimensional material layer, and the first electrode is arranged on the semiconductor layer and passed through the connecting region of the two-dimensional material layer.
- a second electrode portion electrically connected to the portion is provided.
- FIG. It is a plane schematic diagram of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1.
- FIG. It is sectional drawing of the line segment II-II in FIG. It is a flowchart for demonstrating the manufacturing method of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1.
- FIG. It is sectional drawing which shows the 2nd modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1.
- FIG. It is sectional drawing which shows the 3rd modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1.
- FIG. It is sectional drawing which shows the 4th modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1.
- FIG. 5 is a schematic plan view showing a sixth modification of the electromagnetic wave detector according to the first embodiment. It is a plane schematic diagram which shows the 7th modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1. FIG. It is a plane schematic diagram which shows the 8th modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1.
- FIG. FIG. 5 is a schematic plan view showing a sixth modification of the electromagnetic wave detector according to the first embodiment. It is a plane schematic diagram which shows the 7th modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1.
- FIG. It is a plane schematic diagram which shows the 8th modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1.
- FIG. 5 is a schematic plan view showing a ninth modification of the electromagnetic wave detector according to the first embodiment. It is sectional drawing which shows the tenth modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1. FIG. It is sectional drawing which shows the eleventh modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1. FIG. It is sectional drawing which shows the twelfth modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1. FIG. It is sectional drawing of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 2. FIG. It is a plane internal schematic diagram of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 2. FIG. It is sectional drawing which shows the modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 2. FIG. It is sectional drawing of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 3. FIG.
- FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the fourth embodiment.
- FIG. 5 is a schematic plan view of an electromagnetic wave detector according to a fifth embodiment. It is sectional drawing of the line segment XXV-XXV in FIG. 24. It is sectional drawing which shows the 1st modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 5. It is sectional drawing which shows the 2nd modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 5.
- FIG. It is sectional drawing which shows the 3rd modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 5.
- FIG. It is a plane schematic diagram of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 6.
- FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along the line segment XXX-XXX in FIG. 29. It is sectional drawing which shows the 1st modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 6. It is a plane schematic diagram which shows the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 7. It is sectional drawing of the line segment XXXIII-XXXIII of FIG. 32.
- FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the eighth embodiment.
- FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the ninth embodiment.
- FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the tenth embodiment. It is sectional drawing which shows the modification of the electromagnetic wave detector which concerns on embodiment 10.
- FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the eleventh embodiment. It is a plane schematic diagram of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 12. It is a plane schematic diagram which shows the modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 12.
- the figure is schematic and conceptually describes the function or structure. Further, the present disclosure is not limited by the embodiments described below. Unless otherwise specified, the basic configuration of the electromagnetic wave detector is common to all embodiments. Further, those having the same reference numerals are the same or equivalent as described above. This is common throughout the specification.
- the electromagnetic wave detector will be described using a configuration for detecting visible light or infrared light, but the present disclosure is not limited thereto.
- the embodiments described below are detectors that detect radio waves such as X-rays, ultraviolet light, near-infrared light, terahertz (THz) waves, or microwaves in addition to visible light or infrared light. It is also effective as.
- these light and radio waves are collectively referred to as electromagnetic waves.
- p-type graphene or n-type graphene may be used as graphene.
- graphene having more holes than graphene in the intrinsic state is called p-type graphene
- graphene having more electrons is called n-type graphene.
- the n-type or p-type term may be used for the material of the member in contact with graphene, which is an example of the two-dimensional material layer.
- the n-type material is a material having an electron donating property
- the p-type material is a material having an electron attracting property.
- the charge is biased in the whole molecule, and the one in which electrons are dominant is called n-type, and the one in which holes are dominant is called p-type.
- these materials either one of organic substances and inorganic substances or a mixture thereof can be used.
- plasmon resonance phenomena such as surface plasmon resonance, which is the interaction between the metal surface and light, and pseudo-surface plasmon resonance in the sense of resonance on the metal surface outside the visible and near-infrared regions.
- these resonances are referred to as surface plasmon resonance, plasmon resonance, or simply resonance.
- graphene is used as an example of the material of the two-dimensional material layer, but the material constituting the two-dimensional material layer is not limited to graphene.
- the materials of the two-dimensional material layer include transition metal dichalcogenide (TMD), black phosphorus (Black Phosphorus), silicene (two-dimensional honeycomb structure with silicon atoms), and germanene (two-dimensional honeycomb structure with germanium atoms).
- TMD transition metal dichalcogenide
- Black Phosphorus Black Phosphorus
- silicene two-dimensional honeycomb structure with silicon atoms
- germanene two-dimensional honeycomb structure with germanium atoms
- transition metal dichalcogenide include transition metal dichalcogenides such as MoS 2 , WS 2 , and WSe 2 .
- These materials have a structure similar to graphene, and are materials that allow atoms to be arranged in a single layer in a two-dimensional plane. Therefore, even when these materials are applied to the two-dimensional material layer, the same action and effect as when graphene is applied to the two-dimensional material layer can be obtained.
- FIG. 1 is a schematic plan view of the electromagnetic wave detector according to the first embodiment.
- FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the line segment IB-IB of FIG.
- FIG. 3 also shows a typical electrical connection of the electromagnetic wave detector 100.
- the electromagnetic wave detector according to the first embodiment includes a semiconductor layer 4 having a stepped portion, an insulating film 3, a two-dimensional material layer 1, and a first electrode portion 2a. And a second electrode portion 2b are mainly provided.
- the semiconductor layer 4 has sensitivity to a predetermined detection wavelength from the above-mentioned electromagnetic waves. That is, the semiconductor layer 4 has a first conductive side, and is provided so that an optical carrier is generated in the semiconductor layer 4 when an electromagnetic wave having a predetermined detection wavelength is incident on the semiconductor layer 4.
- the semiconductor material constituting the semiconductor layer 4 can be arbitrarily selected according to the detection wavelength that should have sensitivity.
- gallium phosphide GaP
- silicon Si
- germanium Ge
- indium gallium arsenide InGaAs
- indium arsenide InAs
- indium antimonide InSb
- mercury cadmium tellurium HgCdTe
- the semiconductor material constituting the semiconductor layer 4 is not limited to the above.
- the material constituting the semiconductor layer 4 is a compound semiconductor such as Si, Ge, III-V group semiconductor or II-V group semiconductor, HgCdTe, InSb, lead selenium (PbSe), lead sulfur (PbS), cadmium sulfur (CdS). , Gallium Nitride (GaN), Silicon Carbide (SiC), Gallium Phosphide (GaP), InGaAs, InAs, or Substrates Containing Quantum Wells or Quantum Dots, Type II Super Lattice, etc. There may be. If the material constituting the semiconductor layer 4 is a combination of the above-mentioned semiconductor materials, the electromagnetic wave detector provided with the semiconductor layer 4 can detect multiple wavelengths.
- the stepped portion 40 has a convex shape in which the number of top portions 43 is smaller than the number of bottom portions 41 and the total area of the bottom portion 41 is larger than the total area of the top portion 43.
- the step portion 40 has two bottom portions 41, one top portion 43, and two side portions 42.
- the top 43 projects with respect to the two bottoms 41 in the thickness direction of the semiconductor layer 4.
- Each of the two side portions 42 is located between the bottom 41 and the top 43.
- the top 43 has, for example, a longitudinal direction and a lateral direction. Both ends of the top 43 in the lateral direction are connected to the side 42.
- Each side portion 42 has an upper end connected to one end of the top portion 43 in the lateral direction and a lower end connected to one end of the bottom portion 41 in the lateral direction.
- Each bottom portion 41 has the one end connected to the lower end of the side portion 42 and the other end arranged on the opposite side to the one end in the lateral direction. As shown in FIG. 2, the width of one of the two bottoms 41 in the lateral direction is wider than the width of the other bottom 41b in the lateral direction.
- the back surface portion 44 of the semiconductor layer 4 located on the side opposite to the step portion 40 in the thickness direction of the semiconductor layer 4 is configured as, for example, a flat surface.
- the semiconductor layer 4 is prepared, for example, by doping a silicon substrate on which a step portion 40 is formed with impurities.
- the insulating film 3 is arranged on the semiconductor layer 4.
- the insulating film 3 is provided with an opening 3a that exposes a part of the step portion 40.
- the insulating film 3 is arranged, for example, on the entire two bottom portions 41 and the two side portions 42 of the step portion 40, and on a part of the top portion 43.
- the opening 3a exposes, for example, a part of the top 43.
- the opening 3a exposes the central portion of the top 43, for example, in the lateral direction.
- the distance between the opening 3a and one end of the top 43 in the lateral direction is equal to the distance between the opening 3a and the other end of the top 43 in the lateral direction.
- the distance between the opening 3a and one end of the top 43 in the lateral direction and the distance between the opening 3a and the other end of the top 43 in the lateral direction are constant, for example, in the longitudinal direction.
- the opening 3a extends from one end to the other end of the top 43, for example, in the longitudinal direction.
- the opening 3a has, for example, a longitudinal direction and a lateral direction.
- the longitudinal direction of the opening 3a is, for example, along the longitudinal direction of the top 43.
- the lateral direction of the opening 3a is along the lateral direction of the top 43.
- the material constituting the insulating film 3 is, for example, silicon oxide (SiO 2 ) such as NSG (None-topped Silicone Glass), PSG (Phospho silicate glass), BPSG (Boro-phossilicate glass), tetraethyl orthosilicate (Si (Si)).
- silicon oxide SiO 2
- NSG Non-topped Silicone Glass
- PSG Phospho silicate glass
- BPSG Bo-phossilicate glass
- tetraethyl orthosilicate Si (Si)
- the BN Since BN has an atomic arrangement similar to that of graphene, contact with the two-dimensional material layer 1 made of graphene does not adversely affect the electron mobility of the two-dimensional material layer 1. Therefore, the BN is suitable for the insulating film 3 as the base film arranged under the two-dimensional material layer 1.
- the thickness T of the insulating film 3 is such that the two-dimensional material layer 1 and the first electrode portion 2a are electrically insulated from the semiconductor layer 4, and the tunnel current is the two-dimensional material layer 1 and the first electrode portion 2a and the semiconductor. There is no particular limitation as long as it is prevented from occurring between the layer 4 and the layer 4.
- the electric field change of the two-dimensional material layer 1 caused by the optical carrier generated at the interface between the insulating film 3 and the semiconductor layer 4 is called an optical gate effect, and the details thereof will be described later.
- the first electrode portion 2a is arranged on the insulating film 3.
- the first electrode portion 2a is arranged at a position away from the opening 3a.
- the first electrode portion 2a is arranged on the bottom portion 41a.
- the first electrode portion 2a is electrically connected to the two-dimensional material layer 1.
- the second electrode portion 2b is arranged on the semiconductor layer 4.
- the second electrode portion 2b is electrically connected to the first electrode portion 2a via a region 1c (connection region) described later in the two-dimensional material layer 1.
- the second electrode portion 2b is arranged on the entire back surface portion 44 of the semiconductor layer 4, which is located on the side opposite to the step portion 40 in the thickness direction of the semiconductor layer 4, for example. In this case, among the electromagnetic waves incident on the electromagnetic wave detector from the step portion 40 side, the electromagnetic waves that have passed through the semiconductor layer 4 and reached the back surface portion 44 are reflected by the second electrode portion 2b. Therefore, the absorption rate of electromagnetic waves of the semiconductor layer 4 is increased.
- the materials constituting the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b any material can be used as long as it is a conductor.
- the materials constituting the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b are gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), and It comprises at least one selected from the group consisting of palladium (Pd).
- An adhesion layer (not shown) that enhances the adhesion between the first electrode portion 2a and the insulating film 3 may be formed between the first electrode portion 2a and the insulating film 3.
- An adhesion layer (not shown) that enhances the adhesion between the second electrode portion 2b and the semiconductor layer 4 may be formed between the second electrode portion 2b and the semiconductor layer 4.
- the material constituting the adhesion layer includes, for example, a metal material such as chromium (Cr) or titanium (Ti).
- the first electrode portion 2a shown in FIG. 2 is formed in the lower part of the two-dimensional material layer 1, the first electrode portion 2a may be formed in the upper part of the two-dimensional material layer 1.
- the second electrode portion 2b shown in FIG. 2 is arranged in the entire area of the back surface portion 44 of the semiconductor layer 4, but is not limited to this.
- the second electrode portion 2b may be arranged on a portion exposed from the insulating film 3 on the bottom portion 41 or the side portion 42 of the semiconductor layer 4, and may be directly connected to the portion. If the second electrode portion 2b is not arranged on the back surface portion 44, the electromagnetic wave emitted from the back surface portion 44 side can be detected.
- the two-dimensional material layer 1 is arranged on the insulating film 3 and the opening 3a.
- the two-dimensional material layer 1 extends from the inside of the opening 3a to the insulating film 3.
- the two-dimensional material layer 1 is electrically connected to the first electrode portion 2a on the insulating film 3 and is electrically connected to the semiconductor layer 4 inside the opening 3a.
- the two-dimensional material layer 1 is arranged, for example, on a part of one bottom portion 41a, one side portion 42, a top portion 43, the other side portion 42, and a part of the other bottom portion 41b.
- the two-dimensional material layer 1 has a region 1a that is electrically connected to the first electrode portion 2a and a region 1c (which is electrically connected to the semiconductor layer 4 inside the opening 3a). It has a region (region located inside the opening 3a) and a region 1b that faces the semiconductor layer 4 via the insulating film 3.
- the region 1a is directly connected to, for example, the first electrode portion 2a.
- the region 1c is directly connected to, for example, the semiconductor layer 4.
- the region 1a is arranged on a part of the bottom 41.
- Region 1c is located on a portion of top 43.
- Region 1b is located on the rest of the top 43 and two side portions 42.
- a part of the region 1b is arranged on one side portion 42 and connects the region 1a and the region 1c.
- the other portion of the region 1b is located on the other side portion 42.
- the other part of the region 1b extends from the region 1c to the portion of the insulating film 3 on the side opposite to the side where the first electrode portion 2a is located when viewed from the opening 3a of the insulating film 3. ..
- the two-dimensional material layer 1 is, for example, a single layer of graphene.
- Single-layer graphene is a monoatomic layer of two-dimensional carbon crystals.
- single-layer graphene has carbon atoms in each chain arranged in a hexagonal shape. Since graphene has a higher carrier mobility than semiconductor materials such as Si used in conventional electronic devices, the electromagnetic wave detector 100 has an effect of improving the optical response speed.
- the two-dimensional material layer 1 may be a laminated body of two or more layers of graphene (hereinafter referred to as multilayer graphene).
- the orientations of the lattice vectors of the hexagonal lattices of each graphene in the multilayer graphene may not match or may differ.
- the orientations of the lattice vectors of the hexagonal lattices of each graphene in the multilayer graphene may be completely the same.
- the size of the band gap of multi-layer graphene can be adjusted by the number of layers of graphene.
- the two-dimensional material layer 1 can act as an electromagnetic wave absorption layer, and further, an optical filter can be eliminated. As a result, the number of optical components can be reduced, and the loss of incident light due to passing through the optical filter can be reduced.
- the graphene may be configured as a nanoribbon (hereinafter referred to as graphene nanoribbon) obtained by cutting out a graphene sheet with a width of nanoorder.
- the two-dimensional material layer 1 may be configured as a single graphene nanoribbon, a laminate of a plurality of graphene nanoribbons, or a structure in which graphene nanoribbons are periodically arranged on a plane.
- the two-dimensional material layer 1 contains a graphene nanoribbon (graphene metamaterial) in which the two-dimensional material layer 1 is periodically arranged, plasmon resonance occurs in the two-dimensional material layer 1 and the electromagnetic wave detection sensitivity by the two-dimensional material layer 1 is improved.
- graphene nanoribbon graphene metamaterial
- the graphene may be undoped graphene doped with impurities. Further, the graphene may be graphene doped with p-type or n-type impurities.
- the material constituting the two-dimensional material layer 1 is, for example, uniform in each of the region 1a, the region 1b, and the region 1c.
- the materials constituting the two-dimensional material layer 1 may be different in each of the region 1a, the region 1b, and the region 1c.
- the material constituting the region 1a is, for example, multi-layer graphene.
- the region 1a is doped with carriers from the first electrode portion 2a.
- the material of the first electrode portion 2a is gold (Au)
- holes are doped in the region 1a of the two-dimensional material layer 1 due to the difference in work functions between graphene and Au.
- the electromagnetic wave detector is driven in this state, the carrier mobility flowing in the channel region of the two-dimensional material layer 1 decreases due to the influence of the holes doped in the region 1a from the first electrode portion 2a, and the two-dimensional material The contact resistance between the layer 1 and the first electrode portion 2a increases.
- the material constituting the region 1a is single-layer graphene
- the doping amount of the carrier injected from the first electrode portion 2a is larger than that when the material constituting the region 1a is multi-layer graphene.
- the decrease in carrier mobility in the electromagnetic wave detector becomes remarkable. Therefore, from the viewpoint of suppressing the above-mentioned decrease in carrier mobility and improving the performance of the electromagnetic wave detector, the material constituting the region 1a is preferably multi-layer graphene rather than single-layer graphene.
- the material constituting the region 1b is, for example, single-layer graphene.
- the region 1b acts as a so-called channel region.
- the electron mobility in single-layer graphene is higher than the electron mobility in multi-layer graphene. Therefore, from the viewpoint of increasing the mobility of electrons in the region 1b and improving the performance of the electromagnetic wave detector, the material constituting the region 1b is preferably single-layer graphene rather than multi-layer graphene.
- the region 1a and the first electrode portion 2a can be suppressed from increasing in contact resistance.
- the mobility of electrons in 1b can be increased, and the performance of the electromagnetic wave detector can be improved.
- FIG. 3 is a flowchart for explaining a method of manufacturing the electromagnetic wave detector according to the first embodiment. A method of manufacturing the electromagnetic wave detector shown in FIGS. 1 and 2 will be described with reference to FIG.
- the preparation step (S1) shown in FIG. 3 is carried out.
- a flat semiconductor substrate is prepared.
- the semiconductor material constituting the semiconductor substrate is a semiconductor material having sensitivity to a predetermined detection wavelength.
- the semiconductor layer stepped portion forming step (S2) is carried out.
- a protective film is formed on the region where the top 43 of the step portion 40 is to be formed in the semiconductor substrate.
- the protective film is, for example, a resist.
- the protective film is formed with an opening that exposes the area where the bottom 41 should be formed, for example by photoengraving or electron beam (EB) drawing.
- the semiconductor substrate is etched using the protective film as an etching mask.
- the etching method can be selected from either wet etching using a chemical solution such as acid or alkali, or dry etching using a reactive species in plasma. After etching, the protective film is removed. In this way, the semiconductor layer 4 having the stepped portion 40 is formed from the semiconductor substrate.
- the electrode forming step (S3) is carried out.
- the second electrode portion 2b is formed on the back surface of the semiconductor layer 4. Specifically, after forming a protective film on the stepped portion 40 of the semiconductor layer 4, a metal film is formed.
- the above-mentioned adhesion layer is formed in the region connected to the second electrode portion 2b in the semiconductor layer 4. May be formed in advance.
- the insulating film forming step (S4) is carried out.
- the insulating film 3 is formed on the stepped portion 40 of the semiconductor layer 4.
- the insulating film 3 is formed so as to be in close contact with the entire bottom portion 41, side portions 42, and top portion 43 of the step portion 40 without gaps.
- the film forming method of the insulating film 3 is not particularly limited.
- the insulating film 3 can be formed by thermally oxidizing the surface of the semiconductor layer 4.
- the film forming method of the insulating film 3 may be a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or a sputtering method.
- a barrier film is formed between the semiconductor layer 4 and the insulating film 3 immediately before the insulating film forming step (S4). May be formed.
- the material constituting the barrier film may be a material having higher resistance to the etchant used in the opening forming step (S6) than the material constituting the insulating film 3 (a material having a slow etching rate), for example, nitriding. Silicon (SiN), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or graphene.
- the electrode forming step (S5) is carried out.
- the first electrode portion 2a is formed on the insulating film 3.
- the above-mentioned adhesion layer is formed in the region of the insulating film 3 connected to the first electrode portion 2a. May be formed in advance.
- the following process can be used.
- a resist mask is formed on the surface of the insulating film 3 by photoengraving or EB drawing.
- the resist mask has an opening formed in a region where the first electrode portion 2a should be formed.
- a film such as metal to be the first electrode portion 2a is formed on the resist mask.
- a thin-film deposition method, a sputtering method, or the like can be used to form the film.
- the film is formed so as to extend from the inside of the opening of the resist mask to the upper surface of the resist mask.
- the other part of the film arranged in the opening of the resist mask remains on the surface of the insulating film 3 and becomes the first electrode portion 2a. ..
- the method described above is generally called lift-off.
- a film such as a metal film to be the first electrode portion 2a is first formed on the surface of the insulating film 3. Then, a resist mask is formed on the film by a photolithography method. The resist mask is formed so as to cover the region where the first electrode portion 2a should be formed, but is not formed in a region other than the region where the first electrode portion 2a should be formed. Then, the film is partially removed by wet etching or dry etching using a resist mask as a mask. As a result, a part of the film remains under the resist mask. A part of this film becomes the first electrode portion 2a. After that, the resist mask is removed. In this way, the first electrode portion 2a may be formed.
- the opening forming step (S6) is carried out.
- the opening 3a is formed in the insulating film 3.
- a resist mask is formed on the insulating film 3 by photoengraving or EB drawing.
- an opening is formed in a region where the opening 3a of the insulating film 3 is to be formed.
- the insulating film 3 is etched using the resist mask as an etching mask.
- the etching method can be arbitrarily selected from either the wet etching or the dry etching. After etching, the resist mask is removed. In this way, the opening 3a is formed in the insulating film 3.
- the above step (S6) may be performed before the step (S5).
- the two-dimensional material layer forming step (S7) is carried out.
- the two-dimensional material layer 1 is formed on the step portion 40.
- the two-dimensional material layer 1 is formed so as to cover the entire semiconductor layer 4 exposed inside the first electrode portion 2a, the insulating film 3, and the opening 3a of the insulating film 3.
- the method for forming the two-dimensional material layer 1 is not particularly limited.
- the two-dimensional material layer 1 may be formed by, for example, epitaxial growth, or may be formed by a screen printing method.
- the two-dimensional material layer 1 may be formed by transferring and attaching a two-dimensional material film previously formed by a CVD method onto the step portion 40, or may be in the form of a film peeled off by mechanical peeling or the like. It may be formed by transferring and pasting the two-dimensional material film of No. 1 on the step portion 40.
- a resist mask is formed on the two-dimensional material layer 1 by photoengraving or EB drawing.
- the resist mask is formed so as to cover the region where the two-dimensional material layer 1 should be formed and to expose the other regions.
- the resist mask is used as a mask to etch the two-dimensional material layer 1.
- the etching method is, for example, dry etching with oxygen plasma. After that, the resist mask is removed. As a result, the two-dimensional material layer 1 shown in FIGS. 1 and 2 is formed.
- the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 3 are manufactured.
- the two-dimensional material layer 1 was formed on the first electrode portion 2a, but the two-dimensional material layer 1 was formed in advance on the insulating film 3 and partially above the two-dimensional material layer 1.
- the first electrode portion 2a may be formed so as to overlap with the first electrode portion 2a.
- care must be taken not to give process damage to the two-dimensional material layer 1 when the first electrode portion 2a is formed.
- a power supply circuit (not shown) is electrically connected between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b, and a voltage is applied between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b. V is applied.
- a current path in which the first electrode portion 2a, the two-dimensional material layer 1, the semiconductor layer 4, and the second electrode portion 2b are connected in series in this order is formed inside the electromagnetic wave detector, and the two-dimensional material layer is formed.
- a current I flows through 1.
- An ammeter (not shown) is installed in the power supply circuit to monitor the current I flowing through the two-dimensional material layer 1. In this way, the electromagnetic wave detector is in a state where it can detect electromagnetic waves.
- the positive or negative voltage is selected according to the conductive type (doping type) of the semiconductor layer 4. If the conductive type is p-type, a positive voltage is applied to the first electrode portion 2a, and if the conductive type is n-type, a negative voltage is applied to the first electrode portion 2a.
- the optical carriers generated in the semiconductor layer 4 in the vicinity of the opening 3a are injected into the region 1c of the two-dimensional material layer 1 and cause a change in the current I through the region 1b and the region.
- the current component that causes a change in the current I due to electromagnetic wave irradiation is referred to as a photocurrent.
- a depletion layer is formed at the interface between the semiconductor layer 4 and the insulating film 3.
- the depletion layer is widely formed at the bottom 41, the side 42, and the interface between the top 43 and the insulating film 3 of the step 40.
- an electromagnetic wave having a wavelength having a sensitivity of the semiconductor layer 4 is incident on the semiconductor layer 4, optical carriers are also generated in the depletion layer.
- the optical carriers generated in the depletion layer give an electric field effect to the region 1b of the two-dimensional material layer 1 via the insulating film 3.
- the resistance value of the region 1b of the two-dimensional material layer 1 changes, and the current I flowing through the two-dimensional material layer 1 changes.
- the electric field effect derived from the light irradiation is applied to the region 1b, so that the electrical characteristics of the two-dimensional material layer 1 are changed.
- the optical gate effect described above is thus triggered.
- the change in the current I is detected via the first electrode portion 2a electrically connected to the region 1a of the two-dimensional material layer 1. This makes it possible to detect the electromagnetic wave radiated to the electromagnetic wave detector.
- the electromagnetic wave detector according to the present embodiment is not limited to the configuration for detecting the change in the current in the two-dimensional material layer 1 as described above, and is, for example, the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2a.
- a constant current may be passed between the electrode portion 2b and the change in the voltage V between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b (that is, the change in the voltage value in the two-dimensional material layer 1) may be detected.
- the material constituting the two-dimensional material layer 1 is single-layer graphene
- the material constituting the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b is Au
- the material constituting the insulating film 3 is Al 2 O 3
- the semiconductor layer is Al 2 O 3
- the material constituting 4 is n-type InSb
- N-type InSb is sensitive to electromagnetic waves of 1 ⁇ m or more and 5.4 ⁇ m or less. Therefore, when an electromagnetic wave of 1 ⁇ m or more and 5.4 ⁇ m or less is incident on the semiconductor layer 4, optical carriers are generated in the semiconductor layer 4. The optical carriers generated in the semiconductor layer 4 in the vicinity of the opening 3a are injected into the single-layer graphene in the region 1c to cause a change in the current I.
- the electrons in the semiconductor layer 4 are seconded. It is attracted to the electrode portion 2b, and holes, which are minority carriers, are attracted to the insulating film 3 side. As a result, a depletion layer is formed at the interface between the semiconductor layer 4 and the insulating film 3.
- the optical carriers generated in the depletion layer generate an optical gate effect as described above, apply an electric field effect to the single-layer graphene constituting the region 1b, and change the mobility of the single-layer graphene constituting the region 1b.
- the magnitude of this field effect correlates with the amount of photocarriers generated in the depletion layer. That is, when an electromagnetic wave of 1 ⁇ m or more and 5.4 ⁇ m or less is incident on the n-type InSb, a photocurrent is generated by injecting the photocarrier generated by the n-type InSb into the single-layer graphene constituting the region 1c, and the region 1b is generated. The optical gate effect is given to the single-layer graphene that composes. As a result, the photocurrent is amplified in region 1b.
- the optical gate effect does not directly enhance the quantum efficiency of the photoelectric conversion material, but increases the current change due to the incident of electromagnetic waves. Therefore, the quantum efficiency calculated equivalently from the differential current due to the incident of electromagnetic waves exceeds 100%. Can be done.
- the amount of change in the current I when the electromagnetic wave is incident on the electromagnetic wave detector according to the present embodiment is the same as that of the conventional electromagnetic wave detector in which the region 1b is not provided and the optical gate effect is not exhibited. Is larger than the amount of change in the current when is incident. Therefore, the electromagnetic wave detector according to the present embodiment has high sensitivity as compared with the conventional electromagnetic wave detector.
- the above-mentioned optical gate effect increases as the region 1b of the two-dimensional material layer 1 subject to the electric field effect increases, enabling more sensitive electromagnetic wave detection.
- the two-dimensional material layer 1 is formed of a monoatomic layer or a monomolecular layer, it is possible to form a film along the structural surface of the electromagnetic wave detector.
- the two-dimensional material layer 1 in the electromagnetic wave detector according to the present embodiment is arranged on the bottom portion 41, the side portion 42, and the top portion 43 of the step portion 40, and the region 1b is one of the side portion 42 and the top portion 43. It is placed on the department. Therefore, the electromagnetic wave detector and the two-dimensional material layer 1 according to the present embodiment, in which the occupied area of the region 1b shown in FIG.
- the electromagnetic wave detector according to the present embodiment When compared with the electromagnetic wave detector as a comparative example that is not arranged, the area 1b of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment is wider than the area 1b that can be formed in the above comparative example. As a result, the optical gate effect produced by the electromagnetic wave detector according to the present embodiment is enhanced as compared with the optical gate effect produced in the above comparative example. As a result, the electromagnetic wave detector according to the present embodiment has higher detection sensitivity than the electromagnetic wave detector of the above comparative example.
- the occupied area of the region 1b required to realize the specific detection sensitivity in the electromagnetic wave detector according to the present embodiment is the specific detection sensitivity in the electromagnetic wave detector of the comparative example. It is smaller than the occupied area of the region 1b required to realize the above. Therefore, the area of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be reduced as compared with the electromagnetic wave detector of the above comparative example. As a result, the electromagnetic wave detector according to the present embodiment is suitable for an image sensor in which the electromagnetic wave detector is arranged at a high density.
- the electromagnetic wave detector according to the present embodiment is provided so that the portion of the region 1b that connects the region 1c and the region 1a is sufficiently long.
- the region 1b is arranged on the entire one side portion 42 connecting the bottom portion 41a and the top portion 43 at least on the step portion 40. Therefore, in the electromagnetic wave detector according to the present embodiment, the length of the portion of the region 1b that connects the region 1c and the region 1a is such that the region 1c connects the bottom 41a and the top 43. It is longer than that of the electromagnetic wave detector arranged on the side portion 42 of the.
- the optical carriers injected from the semiconductor layer 4 to the two-dimensional material layer 1 at the opening 3a at the time of electromagnetic wave incident have an optical gate effect. Since the region affected by the electric field change of the two-dimensional material layer 1 is widened, the degree of the photocurrent change becomes large, and electromagnetic wave detection with higher sensitivity becomes possible.
- the current I can be reduced to zero by adjusting the voltage V. That is, when light is not irradiated, the current I becomes zero, and when light is irradiated, only the current derived from the optical carrier injected into the two-dimensional material layer 1 is detected as the current I after being changed by the above-mentioned optical gate effect. Therefore, the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be turned off.
- the thickness of the two-dimensional material layer 1 is as thin as one atomic layer.
- the carrier mobility of single-layer graphene is higher than that of conventional semiconductor materials. Therefore, the two-dimensional material layer 1 causes a large current change with respect to a slight potential change as compared with the conventional semiconductor material. For example, the amount of current change due to the potential change applied to the two-dimensional material layer 1 due to the change in the electric field in the semiconductor layer 4 is larger than the amount of current change in a normal semiconductor.
- the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can detect electromagnetic waves with higher sensitivity than the electromagnetic wave detector that detects only the optical carriers generated in the semiconductor layer 4.
- the electromagnetic wave detector according to the present embodiment in addition to the photocurrent generated in the semiconductor layer 4 due to light irradiation, a photocurrent due to the photoelectric conversion efficiency of the two-dimensional material layer 1 is also generated. Therefore, in the electromagnetic wave detector according to the present embodiment, in addition to the current generated in the semiconductor layer 4 and the current associated with the optical gate effect due to the incident of the electromagnetic wave, the original photoelectric conversion efficiency of the two-dimensional material layer 1 is obtained. The resulting photocurrent can also be detected.
- the electromagnetic wave detector of the present embodiment has higher detection sensitivity than the conventional electromagnetic wave detector and the electromagnetic wave detector of the above-mentioned comparative example, and can be turned off. Further, in the electromagnetic wave detector of the present embodiment, the area can be reduced as compared with the conventional electromagnetic wave detector and the electromagnetic wave detector of the above-mentioned comparative example.
- Each electromagnetic wave detector shown in FIGS. 4, 5 and 6 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIG. 2, but has a stepped portion 40 and an opening 3a of the insulating film 3. The relative positional relationship of is different from that of the electromagnetic wave detector shown in FIG.
- the step portion 40 has a recess in which the number of tops 43 is larger than the number of bottoms 41 and the total area of the bottom 41 is smaller than the total area of the top 43. It has a shape.
- One step 40 has one bottom 41, two tops 43, and two side 42s. The bottom portion 41 is recessed with respect to the two top portions 43 in the thickness direction of the semiconductor layer 4. Each of the two side portions 42 is located between the bottom 41 and the top 43.
- the insulating film 3 is arranged, for example, on the entire two tops 43 and two side portions 42 of the step portion 40, and on a part of the bottom portion 41.
- the opening 3a exposes, for example, a part of the bottom 41.
- the opening 3a exposes the central portion of the bottom portion 41, for example, in the lateral direction.
- the distance between the opening 3a and one end of the bottom 41 in the lateral direction is equal to the distance between the opening 3a and the other end of the bottom 41 in the lateral direction.
- the distance between the opening 3a and one end of the bottom 41 in the lateral direction and the distance between the opening 3a and the other end of the bottom 41 in the lateral direction are constant, for example, in the longitudinal direction.
- the opening 3a extends from one end to the other end of the bottom 41 in the longitudinal direction, for example.
- the opening 3a has, for example, a longitudinal direction and a lateral direction.
- the longitudinal direction of the opening 3a is, for example, along the longitudinal direction of the bottom 41.
- the lateral direction of the opening 3a is along the lateral direction of the bottom 41.
- the first electrode portion 2a is arranged on one of the two top portions 43a in the lateral direction.
- the two-dimensional material layer 1 is arranged, for example, on a part of one top 43a, one side 42, a bottom 41, the other side 42, and a part of the other top 43b.
- the region 1c electrically connected to the semiconductor layer 4 is arranged on the bottom portion 41.
- the distance between the region 1c shown in FIG. 4 and the second electrode portion 2b is shorter than that shown in FIG. Therefore, in the electromagnetic wave detector shown in FIG. 4, two of the optical carriers generated in the semiconductor layer 4 by the electromagnetic waves reflected or scattered by the second electrode portion 2b are compared with the electromagnetic wave detector shown in FIG. The number of photocarriers that are not injected into the region 1c of the dimensional material layer 1 and are deactivated is reduced, and the light current is increased.
- the region in which the optical carriers injected from the semiconductor layer 4 to the two-dimensional material layer 1 are modulated by the optical gate effect during electromagnetic wave irradiation is located.
- the detection sensitivity is high because the contribution of the optical gate effect increases.
- the opening 3a of the insulating film 3 and the region 1c of the two-dimensional material layer 1 do not face the first electrode portion 2a of the two side portions 42. It is arranged on one side portion 42. Therefore, in the region 1b of the two-dimensional material layer 1, the portion connecting the region 1a and the region 1c is arranged on the entire at least one side portion and the entire one top portion. Therefore, the length of the portion of the region 1b shown in FIG. 6 that connects the region 1c and the region 1a is longer than that shown in FIG.
- the bottom 41 is referred to as the back surface 44 from the viewpoint of accurately and easily forming the opening 3a. It is preferable that they are provided in parallel.
- the electromagnetic wave detector according to the third modification if one side portion 42 and the other side portion 42 are provided in parallel, the bottom portion 41 is not provided in parallel with the back surface portion 44. Also, the opening 3a can be formed accurately and easily. As a result, the electromagnetic wave detector according to the third modification can have a smaller area (pixel area) when viewed in a plan view than the electromagnetic wave detector according to the second modification. As a result, when a plurality of electromagnetic wave detectors are arranged side by side to form an electromagnetic wave detector aggregate, each electromagnetic wave detector can be arranged at a high density.
- the electromagnetic wave detector according to the fourth modification shown in FIG. 7 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIG. 2, but has a plurality of openings 3a and a plurality of openings 3a for one step portion 40. It differs from the electromagnetic wave detector shown in FIG. 2 in that the region 1c is provided.
- the area of the joint surface 4aa of the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 is larger than that of the electromagnetic wave detector shown in FIG.
- the material constituting the two-dimensional material layer 1 is different from the material constituting the semiconductor layer 4, their work functions are also different.
- carriers are doped into the region 1c of the two-dimensional material layer 1 in contact with the semiconductor layer 4, but the amount of doping to the region 1c is the number of contact regions between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4. And is greatly affected by size.
- the efficiency of extracting the optical carriers generated in the semiconductor layer 4 to the two-dimensional material layer 1 when an electromagnetic wave is incident is greatly affected by the amount of doping in the region 1c.
- the number and size of the contact region between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 can be adjusted by the number of openings 3a and each opening area.
- the efficiency of extracting the optical carriers generated in the semiconductor layer 4 to the two-dimensional material layer 1 when the electromagnetic wave is incident is higher than that in the electromagnetic wave detector shown in FIG. Is enhanced.
- the electromagnetic wave detector according to the fourth modification since a plurality of paths for transmitting optical carriers are formed in the two-dimensional material layer 1, defects or defects are formed in either path during manufacturing or use. Even when an abnormality occurs, the decrease in yield or the occurrence of failure is suppressed.
- the electromagnetic wave detector according to the fifth modification shown in FIGS. 8, 9 and 10 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIG. 2, but has a plurality of stepped portions 40 formed therein. In that respect, it differs from the electromagnetic wave detector shown in FIG. In FIGS. 9 and 10, only the semiconductor layer 4 is shown in order to explain the shapes and arrangements of the plurality of stepped portions 40.
- the plurality of stepped portions 40 have a plurality of bottom portions 41, a plurality of side portions 42, and a plurality of top portions 43.
- two or more stepped portions 40 are arranged between the opening portion 3a of the insulating film 3 and the first electrode portion 2a.
- the opening 3a of the insulating film 3 is arranged on, for example, the step portion 40 farthest from the first electrode portion 2a.
- the opening 3a of the insulating film 3 is arranged on, for example, the top 43 of the step portion 40 farthest from the first electrode portion 2a.
- FIGS. 2 and 2 the length of the region 1b extending between the region 1a connected to the first electrode portion 2a and the region 1c connected to the semiconductor layer 4 in the opening 3a is shown in FIGS. 2 and 2. It is longer than the length of each region 1b shown in FIGS. 4 to 6.
- the optical carriers injected from the semiconductor layer 4 into the two-dimensional material layer 1 at the time of electromagnetic wave irradiation are present.
- the detection sensitivity is high because the region modulated by the optical gate effect increases and the contribution of the optical gate effect increases.
- each step portion 40 provided so as to have the same or different planar shapes extends in one direction, and the one direction thereof. They are evenly spaced in other directions orthogonal to.
- the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector can be controlled by the shape and arrangement of the plurality of stepped portions 40.
- a part of the electromagnetic wave incident on the region other than the region located below the opening 3a in the step portion 40 of the semiconductor layer 4 can be propagated to the region located below the opening 3a to generate an optical carrier. Therefore, when the plurality of stepped portions 40 are formed as the grid pattern shown in FIGS. 9 and 10, the plurality of stepped portions 40 are not formed as the grid pattern shown in FIGS. 9 and 10. In comparison, the amount of optical carriers injected from the semiconductor layer 4 into the two-dimensional material layer 1 increases, and the sensitivity of the electromagnetic wave photodetector improves.
- the region 1b of the two-dimensional material layer 1 is arranged on the surface of the step portion 40 through which the diffracted electromagnetic wave propagates via the insulating film 3. Therefore, the amount of optical carriers generated increases by absorbing the electromagnetic waves diffracted by the region 1b. In addition, the electric field effect applied to the region 1b is also enhanced. As a result, the sensitivity of the electromagnetic wave detector in which the plurality of stepped portions 40 are formed as the grid pattern shown in FIGS. 9 and 10, the plurality of stepped portions 40 are formed as the grid pattern shown in FIGS. 9 and 10. Higher than when not.
- FIG. 8 only one opening 3a is formed in the insulating film 3, and the opening 3a is arranged on the top 43 of one of the plurality of stepped portions 40, but the present invention is limited to this. It's not a thing.
- a plurality of openings 3a may be formed in the insulating film 3, and each opening 3a may be arranged on different step portions 40. Further, each opening 3a may be arranged at at least one of the top 43, the bottom 41, and the side 42 of each step 40.
- the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 11, 12, 13 and 14 basically have the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, but inside the opening 3a of the two-dimensional material layer 1.
- the planar shape of the region 1c in contact with the semiconductor layer 4 is different from the planar shape of the region 1c in the electromagnetic wave detector shown in FIG.
- the area of the contact area between the region 1c and the top 43 shown in FIGS. 11 to 14 is smaller than the area of the contact area between the region 1c and the top 43 shown in FIGS. 1 and 2.
- the area of the contact region between the region 1c and the top 43 is smaller than the sum of the occupied areas of the region 1a (electrode connection region) and the region 1b in a plan view.
- Each region 1c shown in FIGS. 11 to 14 is, from the region 1c shown in FIG. 1, at least the longitudinal direction of the top 43, in other words, the region 1a (electrode connection region), the region 1b, and the region of the two-dimensional material layer 1. Corresponds to the direction in which a plurality of spaced regions are removed in the direction in which 1c is arranged side by side and the direction in which the 1c is arranged side by side. In FIGS. 11 to 13, each plane shape of the plurality of regions is rectangular. In FIG. 14, each plane shape of the plurality of regions is triangular.
- each planar shape of each region 1c shown in FIGS. 11 to 14 is symmetrical with respect to a straight line extending along the longitudinal direction through the center of the top 43 in the lateral direction.
- Each planar shape of the region 1c shown in FIGS. 11-14 is symmetrical with respect to a straight line extending along the lateral direction through the longitudinal center of the apex 43.
- the planar shape of the region 1c shown in FIG. 11 is a ribbon shape.
- the width of the region 1c in the longitudinal direction of the top 43 is narrower than the width of the regions 1a and 1b in the longitudinal direction.
- the planar shape of the region 1c shown in FIG. 12 is a comb shape (ladder shape).
- the sum of the widths of the regions 1c in the longitudinal direction of the top 43 is narrower than the widths of the regions 1a and 1b in the longitudinal direction.
- a plurality of openings for exposing the top 43 are formed, and the plurality of openings are arranged side by side in the longitudinal direction of the top 43.
- the planar shape of the region 1c shown in FIG. 13 is a grid shape.
- a plurality of openings for exposing the top 43 are formed, and the plurality of openings are arranged side by side in each of the longitudinal direction and the lateral direction of the top 43. ..
- the minimum value of the total width of the region 1c in the longitudinal direction of the top 43 is narrower than the minimum width of the region 1a and the region 1b in the longitudinal direction.
- the width of the region 1c in the longitudinal direction of the top 43 gradually narrows as the distance from the region 1b in the lateral direction of the top 43 increases, and is the largest at the center in the lateral direction. narrow.
- the width of the region 1c in the direction intersecting the arrangement direction of each region 1a, 1b, 1c of the two-dimensional material layer 1 gradually narrows as the distance from the region 1a and the region 1b in the arrangement direction increases.
- the width of the region 1c in the direction intersecting the arrangement direction of each region 1a, 1b, 1c of the two-dimensional material layer 1 is, for example, the narrowest at the center of the region 1c in the arrangement direction.
- the area of the contact region between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 is adjusted according to the width of the region 1c in the longitudinal direction of the top 43. Therefore, in the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 11 to 14, the contact resistance between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 and the resistance of the electromagnetic wave detector can be adjusted. In the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 11 to 14, the variation in the characteristics of the electromagnetic wave detectors can be reduced and the dark current can be reduced as compared with the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2.
- the total area of the end faces of the regions 1c shown in FIGS. 12 to 14 is larger than the total area of the end faces of the regions 1c shown in FIGS. 1 and 2.
- the end face of the region 1c is a plane extending along the thickness direction of the two-dimensional material layer 1, in other words, the direction orthogonal to the sheet in which the atoms are two-dimensionally arranged in the two-dimensional material layer 1.
- the end face region of the two-dimensional crystal structure in each region 1c of FIGS. 12 to 14 is larger than the end face region of the two-dimensional crystal structure in the regions 1c of FIGS. 1 and 2. Therefore, in each of the two-dimensional material layers 1 of FIGS.
- the region 1c of the two-dimensional material layer 1 may be a graphene nanoribbon.
- Graphene nanoribbons have a bandgap that varies with their width. Therefore, the wavelength range of the electromagnetic wave that can be photoelectrically converted in the region 1c can be adjusted according to the width of the region 1c composed of the graphene nanoribbon in the longitudinal direction. For example, the wavelength of the electromagnetic wave that can be photoelectrically converted in the other regions 1a and 1b. It can be narrower than the range. In this case, the optical carriers generated by the photoelectric conversion in the region 1c can be detected separately from the optical carriers generated by the photoelectric conversion in the other regions 1a and 1b.
- the sensitivity of the electromagnetic wave detector is improved by detecting the optical carriers generated by the photoelectric conversion in the region 1c. Further, in such an electromagnetic wave detector, since the region 1c composed of the graphene nanoribbon and the semiconductor layer 4 are Schottky-bonded, the dark current is reduced and the electromagnetic wave absorbed at the Schottky-junction is generated. Sensitivity is improved by detecting optical carriers.
- the region 1c shown in FIGS. 11 to 14 is arranged on the top 43 of the step portion 40, but is not limited to this.
- the planar shape of the region 1c shown in FIGS. 4 and 5 may be formed in the same manner as the region 1c shown in any of FIGS. 11 to 14.
- the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 15, 16 and 17 basically have the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIG. 2, but the stepped portion 40 on the cross section of the top 43 perpendicular to the longitudinal direction. Is different from the electromagnetic wave detector shown in FIG. 2 in that the shape of is tapered.
- the distance between the two side parts 42 on the bottom 41 side is different from the distance between the two side parts 42 on the top 43 side.
- the distance between the two side portions 42 gradually increases from the bottom portion 41 to the top portion 43.
- the distance between the two side portions 42 gradually narrows from the bottom portion 41 to the top portion 43.
- the distance between the two side portions 42 gradually narrows from the bottom portion 41 toward the top portion 43, and the top portion 43 does not form a surface and becomes linear. It is provided.
- the opening 3a and the first electrode portion 2a The region 1b of the two-dimensional material layer 1 that extends the space can be widely provided.
- the contribution of the optical gate effect is larger than that of the electromagnetic wave detector shown in FIG. 2, and the detection sensitivity is increased. Can be enhanced.
- the electromagnetic wave detector according to the first embodiment may further include an insulating protective film (not shown) arranged so as to cover the two-dimensional material layer.
- the insulating protective film may be provided on the insulating film 3 so as to cover the two-dimensional material layer 1, the semiconductor layer 4, and the first electrode portion 2a.
- the material constituting the insulating protective film may be any material having electrical insulating properties, and is selected from the group consisting of , for example, SiO 2 , Si 3 N 4 , HfO 2 , Al 2 O 3, and BN. Includes at least one.
- the electromagnetic wave detector according to the present embodiment has the same structure as the electromagnetic wave detector according to the present embodiment and is used in combination with an electromagnetic wave detector (not shown) shielded from the electromagnetic wave to be detected.
- the difference in output between the two electromagnetic wave detectors may be detected. By detecting the difference in this way, it is possible to suppress the influence of changes in characteristics depending on the environmental temperature, so that highly accurate detection is possible.
- the electromagnetic wave detector according to the present embodiment may be configured integrally with an output amplifier circuit (not shown) using graphene. That is, an output amplifier circuit using graphene may be further provided on the semiconductor layer 4 of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment.
- An output amplifier circuit using graphene operates faster than an output amplifier circuit using a silicon-based semiconductor material, and a high-performance electromagnetic wave detector can be realized. Further, by using graphene for peripheral circuits such as a readout circuit, high-speed readout and simplification of the manufacturing process become possible.
- FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the second embodiment.
- FIG. 19 is a plan internal view of the electromagnetic wave detector according to the second embodiment.
- the electromagnetic wave detector according to the second embodiment has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector according to the first embodiment, and the same effect can be obtained.
- the semiconductor layer 4 is different from the electromagnetic wave detector according to the first embodiment in that the semiconductor layer 4 includes a current cutoff structure.
- FIG. 19 only the opening 3a of the insulating film 3, the semiconductor layer 4, and the current blocking structure 5 are shown in order to explain the position of the current blocking mechanism.
- the current cutoff structure 5 is a part capable of cut off the current. Specifically, the current cutoff structure 5 blocks the movement of carriers in the semiconductor layer 4 from a region facing the region 1b via the insulating film 3 to a region connected to the region 1c. It is a part for.
- the current cutoff structure 5 is arranged in the region of the semiconductor layer 4 facing the insulating film 3. As shown in FIG. 19, in a plan view, the current cutoff structure 5 is arranged so as to surround the opening end of the opening 3a. When the region 1c and the opening 3a are arranged on the top 43 of the step portion 40, the current cutoff structure 5 is arranged on the top 43.
- the current cutoff structure 5 has one end exposed from the semiconductor layer 4 at the top 43 and connected to the insulating film 3, and the other end embedded in the semiconductor layer 4.
- the distance (depth) between the one end and the other end of the current cutoff structure 5 and the width in the direction intersecting the distance are not particularly limited as long as the diffusion of carriers can be prevented.
- the specific structure of the current cutoff structure 5 is not particularly limited as long as it is a structure that cuts off the current.
- the current cutoff structure 5 may be, for example, a trench formed in the semiconductor layer 4. The inside of the trench may be hollow or may be filled with an insulator. Further, the current cutoff structure 5 may be a region in which impurities having a higher concentration than that of the semiconductor layer 4 are doped, and may be a region in which the conductivity is higher than that of the semiconductor layer 4. Further, the current cutoff structure 5 may be a region having a higher conductivity than the semiconductor layer 4 formed by embedding a metal material inside the trench.
- the optical carriers generated in the semiconductor layer 4 are injected into the region 1c of the two-dimensional material layer 1 by the current blocking structure 5 and two-dimensionally via the insulating film 3. It is separated into carriers that contribute to the optical gate effect that gives an electric field change to the region 1b of the material layer 1.
- the optical carriers under the insulating film 3 are provided. Contributes to the optical gate effect and is injected into the two-dimensional material layer 1.
- the amplification of the current change due to the above-mentioned optical gate effect is caused with a delay with respect to the generation of optical carriers.
- the carrier contributing to the optical gate effect and the carrier injected into the two-dimensional material layer 1 are separated by the current blocking structure 5. As a result, the delay is eliminated and the response speed of the electromagnetic wave detector is improved. Further, when a plurality of electromagnetic wave detectors according to the second embodiment are arranged to form an electromagnetic wave detector aggregate, each pixel is separated.
- the electromagnetic wave detector shown in FIG. 20 has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector according to the second embodiment shown in FIGS. 18 and 19, but the current cutoff structure 5 penetrates the semiconductor layer 4. It differs from that in that it is formed so as to reach the second electrode portion 2b.
- FIG. 21 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the third embodiment.
- the electromagnetic wave detector according to the third embodiment has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector according to the first embodiment, and can obtain the same effect, but is insulated. It differs from the electromagnetic wave detector according to the first embodiment in that the buffer layer 6 is arranged between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 inside the opening 3a of the film 3.
- the buffer layer 6 electrically connects the region 1c of the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4. Specifically, the buffer layer 6 creates a tunnel between the region 1c of the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4, and the region 1c of the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 are connected by the tunnel current. It is provided so that it is electrically connected.
- the material constituting the buffer layer 6 may be any material having electrical insulation, and is selected from the group consisting of , for example, SiO 2 , Si 3 N 4 , HfO 2 , Al 2 O 3, and BN. Includes at least one.
- the thickness of the buffer layer 6 is set so that a tunnel current can be generated between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 when an electromagnetic wave is incident.
- the thickness of the buffer layer 6 is, for example, 1 nm or more and 10 nm or less.
- the method for producing the buffer layer 6 can be any method, and can be selected from, for example, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, a vacuum deposition method, a sputtering method, and the like.
- the buffer layer 6 may be formed by oxidizing or nitriding the surface of the semiconductor layer 4.
- the buffer layer 6 may be a natural oxide film formed on the surface of the semiconductor layer 4.
- the electromagnetic wave detector according to the third embodiment further includes a buffer layer 6.
- the buffer layer 6 is arranged between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 inside the opening 3a.
- the buffer layer 6 has a thickness capable of forming a tunnel current between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
- the thickness of the buffer layer 6 is set to such a thickness that tunnel injection occurs from the semiconductor layer 4 to the two-dimensional material layer 1, so that the injection efficiency is improved and a large photocurrent is injected into the two-dimensional material layer 1. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be improved. Further, the dark current can be reduced by suppressing the leakage current at the junction interface between the semiconductor layer 4 and the two-dimensional material layer 1 by the buffer layer 6.
- the electromagnetic wave detector shown in FIG. 22 has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector according to the third embodiment shown in FIG. 21, but the first electrode portion 2a is formed on the surface of the insulating film 3. It differs from that in that it further includes another third electrode portion 2c.
- the third electrode portion 2c is preferably arranged in a region opposite to the region where the first electrode portion 2a is located when viewed from the opening 3a.
- the two-dimensional material layer 1 is also connected to the electrode portion 2c.
- a source / drain voltage Vd is applied between the first electrode portion 2a and the third electrode portion 2c. In this way, the photocurrent extracted from the two-dimensional material layer 1 can be increased.
- FIG. 23 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the fourth embodiment.
- the electromagnetic wave detector according to the fourth embodiment has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector according to the first embodiment, and can obtain the same effect, but has an insulating film. It differs from the electromagnetic wave detector according to the first embodiment in that the connecting conductor 2d is formed inside the opening 3a of the third embodiment.
- the connecting conductor 2d electrically connects the semiconductor layer 4 and the region 1c of the two-dimensional material layer 1.
- the region 1c of the two-dimensional material layer 1 is arranged so as to overlap on the upper surface of the connecting conductor 2d.
- the back surface of the connecting conductor 2d is electrically connected to the front surface of the semiconductor layer 4.
- the two-dimensional material layer 1 and the upper surface of the connecting conductor 2d are electrically connected. From a different point of view, the region 1c of the two-dimensional material layer 1 is electrically connected to the semiconductor layer 4 via the connecting conductor 2d.
- the position of the upper surface of the connecting conductor 2d is substantially the same as the position of the upper surface of the insulating film 3.
- the two-dimensional material layer 1 extends flatly from the upper surface of the insulating film 3 to the upper surface of the connecting conductor 2d without bending.
- the connecting conductor 2d is ohmic-bonded to the semiconductor layer 4. Further, it is desirable that the connecting conductor 2d exhibits a high transmittance at the wavelength of the electromagnetic wave detected by the electromagnetic wave detector.
- the material constituting the connecting conductor 2d is a material whose characteristics are changed by irradiation with electromagnetic waves to give a change in electric potential to the two-dimensional material layer 1, and is, for example, a quantum dot, a dielectric material, a liquid crystal material, or the like. It comprises at least one selected from the group consisting of fullerene, rare earth oxides, semiconductor materials, pn junction materials, metal-semiconductor junction materials, and metal-insulator-semiconductor junction materials.
- the material constituting the connecting conductor 2d is a ferroelectric material having a polarization effect (pyroelectric effect) due to electromagnetic waves
- the polarization of the ferroelectric material is changed by irradiation with electromagnetic waves, and the two-dimensional material layer 1 Can be given a change in potential.
- the electromagnetic wave detector includes a connecting conductor 2d.
- the connecting conductor 2d electrically connects the semiconductor layer 4 and the two-dimensional material layer 1 inside the opening 3a. It is desirable that the connecting conductor 2d is ohmic-bonded to the semiconductor layer 4. Further, it is desirable that the connecting conductor 2d exhibits a high transmittance at the detection wavelength of the electromagnetic wave.
- the connecting conductor 2d is provided between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4, so that the two-dimensional material is compared with the electromagnetic wave detector according to the first embodiment.
- the contact resistance between the layer 1 and the semiconductor layer 4 can be reduced, and the attenuation of the photocurrent, which becomes a problem when the junction between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 is a Schottky junction, can be suppressed.
- the thickness of the connecting conductor 2d and the thickness of the insulating film 3 are substantially the same, that is, the position of the upper surface of the connecting conductor 2d is the position of the upper surface of the insulating film 3. It is preferably substantially the same as the position.
- the two-dimensional material layer 1 is formed horizontally without bending, the mobility of carriers in the two-dimensional material layer 1 is improved. Since the optical gate effect is proportional to the mobility, the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector is improved.
- the configuration of the electromagnetic wave detector according to the fourth embodiment can be applied to other embodiments.
- FIG. 24 is a schematic plan view of the electromagnetic wave detector according to the fifth embodiment.
- FIG. 25 is a schematic cross-sectional view of the line segment XXV-XXV of FIG. 24.
- the electromagnetic wave detector according to the fifth embodiment has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector according to the first embodiment, and the same effect can be obtained.
- the semiconductor layer 4 includes a first semiconductor portion 4a having a first conductive type and a second semiconductor portion 4b having a second conductive type, and both are joined inside the opening 3a. It is different from the electromagnetic wave detector according to the first embodiment.
- the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b are arranged side by side along the lateral direction of the opening 3a.
- the first semiconductor portion 4a is doped with a carrier opposite to that of the second semiconductor portion 4b. That is, the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b are pn-junctioned.
- the first semiconductor portion 4a, the second semiconductor portion 4b, and the pn junction interface 4ab between the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b are exposed inside the opening 3a.
- the joining interface 4ab extends along the longitudinal direction of the opening 3a.
- the bonding interface 4ab extends below the opening 3a of the insulating film 3.
- the opening 3a of the insulating film 3 is arranged on, for example, the top 43.
- the materials constituting the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b are, for example, the same semiconductor material.
- the materials constituting the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b may be different semiconductor materials. In that case, since the electromagnetic wave detector can be driven in the wavelength band of the electromagnetic wave that can be absorbed by each semiconductor material, the wavelength range of the detectable electromagnetic wave can be expanded and selected.
- the semiconductor layer 4 further includes another semiconductor portion 4c below, for example, the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b.
- the other semiconductor portion 4c may or may not have a first conductive type or a second conductive type.
- Another electrode portion 2c may be arranged on the other semiconductor portion 4c.
- the step portion 40 includes at least the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b.
- the step portion 40 is composed of, for example, a first semiconductor portion 4a, a second semiconductor portion 4b, and another semiconductor portion 4c.
- One bottom portion 41a, the other bottom portion 41b, the lower portion of one side portion 42, and the lower portion of the other side portion 42 are composed of, for example, another semiconductor portion 4c.
- the upper portion of one side portion 42 and the portion of the top portion 43 located on the side portion 42 side are composed of the first semiconductor portion 4a.
- the upper portion of the other side portion 42 and the portion of the top portion 43 located on the other side portion 42 side are composed of the second semiconductor portion 4b.
- the second electrode portion 2b is arranged on the bottom portion 41b.
- the region 1c of the two-dimensional material layer 1 includes a portion electrically connected to the first semiconductor portion 4a and a portion electrically connected to the second semiconductor portion 4b inside the opening 3a.
- the joint portion 4ac in which the region 1c of the two-dimensional material layer 1 and the first semiconductor portion 4a are joined, and the joint portion 4bc in which the region 1c and the second semiconductor portion 4b are joined are inside the opening 3a. Have been placed.
- the two-dimensional material layer 1 further includes, in addition to the region 1a, the region 1b, and the region 1c, a region 1d that is connected to the other portion of the region 1b and is located on the other bottom 41b.
- the region 1d is electrically connected to the second electrode portion 2b.
- the pn junction interface 4ab between the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b is arranged so as to be in contact with the two-dimensional material layer 1. Therefore, the optical carriers generated at the pn junction interface 4ab between the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b by light irradiation can be easily taken out to the two-dimensional material layer 1. Further, the conductivity of the two-dimensional material layer 1 on the pn junction interface 4ab changes under the influence of the local electric field change in the pn junction generated by the optical carrier. As a result, the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector is improved.
- the two-dimensional material layer 1 is arranged so as to connect between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b.
- the two-dimensional material layer 1 is connected to the semiconductor layer 4 in a region between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b.
- a voltage can be applied between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b, and the optical carriers generated in the semiconductor layer 4 can be read out by the two-dimensional material layer 1.
- each of the region in contact with the first semiconductor portion 4a and the region in contact with the second semiconductor portion 4b is doped by each semiconductor portion. Therefore, a gradient of charge density is formed in the two-dimensional material layer 1.
- the mobility of carriers in the two-dimensional material layer 1 is improved, and the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector is improved.
- the electromagnetic wave detector shown in FIG. 26 has the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIGS. 24 and 25 and can obtain the same effect, but the first semiconductor portion 4a and the first electrode portion 2a It differs from the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 24 and 25 in that it is directly connected and the second semiconductor portion 4b is directly connected to the second electrode portion 2b.
- the first semiconductor portion 4a extends from below the opening 3a to a region located below the first electrode portion 2a.
- the second semiconductor portion 4b extends from below the opening 3a to a region located below the second electrode portion 2b.
- the step portion 40 is composed of a first semiconductor portion 4a and a second semiconductor portion 4b.
- the step portion 40 does not include the other semiconductor portion 4c.
- a portion of the bottom portion 41a, the side portion 42, and the top portion 43 located on the side portion 42 side is composed of the first semiconductor portion 4a.
- the portion of the other bottom portion 41a, the other side portion 42, and the top portion 43 located on the other side portion 42 side is composed of the second semiconductor portion 4b.
- an additional opening is formed in a region sandwiching the opening 3a and located below each of the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b.
- the first electrode portion 2a is directly connected to the first semiconductor portion 4a inside the additional opening.
- the second electrode portion 2b is directly connected to the second semiconductor portion 4b inside the additional opening.
- the voltage can be applied to the two-dimensional material layer 1 while applying the voltage V between the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b.
- the photodiode composed of the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b is in a saturated state in which a reverse bias is applied, a current flows only in the two-dimensional material layer 1.
- a depletion layer is generated in the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b, and a large voltage change can be given to the two-dimensional material layer 1, and as a result, a large photocurrent (optical carrier) is taken out. Can be done.
- the conductivity of the two-dimensional material layer 1 is affected by the local electric field change generated at the junction 4ba, which is the pn junction interface between the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b. Change. As a result, the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector is improved.
- a tunnel diode composed of a first semiconductor portion 4a and a second semiconductor portion 4b when used, a large photocurrent is generated only at the time of light irradiation.
- the photocurrent is injected into the two-dimensional material layer 1.
- the change in conductivity due to the influence of the change in the electric field can be generated in the two-dimensional material layer 1 only at the time of light irradiation. As a result, the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be increased.
- the other semiconductor portion 4c and the other electrode portion 2c may not be formed.
- the electromagnetic wave detector shown in FIG. 27 has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 24 and 25, and the same effect can be obtained, but the region 1c of the two-dimensional material layer 1 is the joint portion 4ac. It differs from the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 24 and 25 in that it is separated from the joint portion 4bc.
- the electromagnetic wave detector shown in FIG. 28 has the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIG. 26 and can obtain the same effect, but the region 1c of the two-dimensional material layer 1 is the joint portion 4ac and the joint portion. It differs from the electromagnetic wave detector shown in FIG. 26 in that it is separated from 4 bc.
- the region 1c of the two-dimensional material layer 1 shown in FIGS. 27 and 28 is divided on the bonding interface 4ab.
- the region 1c of the two-dimensional material layer 1 shown in FIGS. 27 and 28 has a first connection region in contact with the first semiconductor portion 4a and a second connection region in contact with the second semiconductor portion 4b. doing.
- the first connection region and the second connection region are electrically connected not via the two-dimensional material layer 1 but only through the pn junction interface 4ab.
- the two-dimensional material layer 1 shown in FIGS. 27 and 28 includes a first two-dimensional material layer 1 having a first connection region electrically connected to the first semiconductor portion 4a, and a second semiconductor portion 4b. It includes a second two-dimensional material layer 1 having a second connecting region that is electrically connected.
- the first two-dimensional material layer 1 and the second two-dimensional material layer 1 are configured as separate members independent of each other.
- the first two-dimensional material layer 1 and the second two-dimensional material layer 1 are arranged so as to face each other with the bonding interface 4ab interposed therebetween.
- the first two-dimensional material layer 1 and the second two-dimensional material layer 1 are separated on the bonding interface 4ab.
- the current I is the second electrode portion 2b, the second two-dimensional material layer 1, the junction portion 4bc, the second semiconductor portion 4b, the pn junction interface 4ab, and the first semiconductor portion. It flows in this order through 4a, the junction 4ac, the first two-dimensional material layer 1, and the first electrode portion 2a.
- the joint portion 4ac and the joint portion 4bc are Schottky joint portions in which the two-dimensional material layer 1 and the first semiconductor portion 4a or the second semiconductor portion 4b are Schottky-bonded.
- the degree of change in the barrier height with respect to the voltage value (reverse bias) applied to the Schottky junction of the junction portion 4ac. is different from the degree of change in the barrier height with respect to the voltage value (forward bias) applied to the Schottky junction of the junction 4bc.
- the joint portion 4ac and the joint portion 4bc are Schottky joint portions, the behavior of the dark current and the photocurrent changes according to the barrier height. Therefore, in the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 27 and 28, the rate of change of each of the dark current and the photocurrent can be freely adjusted by the voltage value, so that the temperature sensitivity can be improved.
- FIG. 29 is a schematic plan view of the electromagnetic wave detector according to the sixth embodiment.
- FIG. 30 is a schematic cross-sectional view taken along the line segment XXX-XXX of FIG. 29.
- the electromagnetic wave detector according to the sixth embodiment has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector according to the fifth embodiment, and the same effect can be obtained.
- the electromagnetic wave detector according to the fifth embodiment is different from the electromagnetic wave detector according to the fifth embodiment in that the first semiconductor portion 4a is arranged so as to sandwich at least a part of the second semiconductor portion 4b when the semiconductor layer 4 is viewed from the opening 3a. ..
- the first semiconductor portion 4a is the first portion 4a1 arranged on one side of the opening 3a with respect to the second semiconductor portion 4b in the lateral direction, and the opening 3a. It has a second portion 4a2 arranged on the other side with respect to the second semiconductor portion 4b in the above-mentioned lateral direction. Inside the opening 3a, the second semiconductor portion 4b, the first portion 4a1 of the first semiconductor portion 4a, and the second portion 4a2 of the first semiconductor portion 4a are arranged so as to face the two-dimensional material layer 1. There is. Each of the first portion 4a1 and the second portion 4a2 is joined to the second semiconductor portion 4b.
- the pn junction interface 4ab2 with 4b is exposed inside the opening 3a.
- the two-dimensional material layer 1 is connected to the first portion 4a1 and the second portion 4a2 of the first semiconductor portion 4a, the second semiconductor portion 4b, and the pn junction interface 4ab1 and the pn junction interface 4ab2 inside the opening 3a. Has been done.
- the pn junction interface between the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b can be increased as compared with the electromagnetic wave detector according to the fifth embodiment. Further, by increasing the contact region between the pn junction interface and the two-dimensional material layer 1, the influence of the local electric field change generated at the pn junction interface by light irradiation on the two-dimensional material layer 1 can be increased. Further, by increasing the contact region between the pn junction interface and the two-dimensional material layer 1, the influence of the local electric field change generated at the pn junction interface by light irradiation on the two-dimensional material layer 1 can be increased.
- a plurality of second semiconductor portions 4b may be provided. That is, inside the opening 3a, a plurality of second semiconductor portions 4b may be arranged in the first semiconductor portion 4a at intervals from each other. As a result, the pn junction interface between the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b can be further increased. Further, by further increasing the contact region between the pn junction interface and the two-dimensional material layer 1, the influence of the local electric field change generated at the pn junction interface by light irradiation on the two-dimensional material layer 1 can be increased.
- the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b can be pnp or npn phototransistors.
- the first electrode portion 2a may be brought into contact with the first semiconductor portion 4a.
- the electromagnetic wave detector shown in FIG. 31 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 29 and 30, and the same effect can be obtained, but the insulating film 3 and the first electrode portion
- the configurations of 2a and the electrode portion 2c are different from those of the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 29 and 30. That is, in the electromagnetic wave detector shown in FIG. 31, the first electrode portion 2a and the first semiconductor portion 4a are in contact with each other.
- the electrode portion 2c and the first semiconductor portion 4a are also in contact with each other.
- an additional opening is formed in a region sandwiching the opening 3a and located below each of the first electrode portion 2a and the electrode portion 2c.
- the first electrode portion 2a and the electrode portion 2c extend inside the additional opening, respectively. Inside the additional opening, the first electrode portion 2a and the electrode portion 2c are connected to the first semiconductor portion 4a.
- FIG. 32 is a schematic plan view of the electromagnetic wave detector according to the seventh embodiment.
- FIG. 33 is a schematic cross-sectional view of the line segment XXXIII-XXXIII of FIG. 32.
- the electromagnetic wave detector according to the seventh embodiment has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector according to the fifth embodiment, and the same effect can be obtained. However, it differs from the electromagnetic wave detector according to the fifth embodiment in that the second semiconductor portion 4b is embedded in the first semiconductor portion 4a.
- the second semiconductor portion 4b is arranged below the opening 3a.
- the second semiconductor portion 4b is embedded under the first semiconductor portion 4a connected to the two-dimensional material layer 1 inside the opening 3a.
- the second semiconductor portion 4b is arranged below the top portion 43 and above the bottom portion 41, for example, inside the step portion 40.
- a first semiconductor portion 4a is arranged between the top portion 43 and the second semiconductor portion 4b.
- a thin first semiconductor portion 4a is arranged between the two-dimensional material layer 1 and the second semiconductor portion 4b.
- the thickness of the first semiconductor portion 4a located between the top portion 43 and the second semiconductor portion 4b is thinner than the thickness of the second semiconductor portion 4b.
- a pn junction is formed by the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b.
- the pn junction is formed directly below the two-dimensional material layer 1 located inside the opening 3a. Therefore, the efficiency of extracting the photocurrent from the semiconductor layer 4 to the two-dimensional material layer 1 is improved. Further, since the electric field change given to the two-dimensional material layer 1 by the semiconductor layer 4 becomes large, the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be increased.
- a pn junction is formed at the junction interface between the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b, and a diode is formed.
- the diode is irradiated with electromagnetic waves (light)
- the deactivation of photocarriers generated at the junction interface between the first semiconductor portion 4a and the second semiconductor portion 4b is reduced, and the light injected into the two-dimensional material layer 1 is reduced.
- the current increases.
- an electromagnetic wave detector with high sensitivity can be obtained.
- the other semiconductor portion 4c and the other electrode portion 2c may not be formed.
- the configuration of the electromagnetic wave detector according to the seventh embodiment can be applied to other embodiments.
- FIG. 34 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the eighth embodiment.
- the electromagnetic wave detector according to the eighth embodiment has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector according to the first embodiment, and can obtain the same effect, but is insulated.
- the film 3 differs from the electromagnetic wave detector according to the first embodiment in that a tapered portion 3b is formed in which the thickness of the insulating film 3 gradually decreases from the first electrode portion 2a toward the opening 3a.
- a tapered portion 3b in which the surface of the insulating film 3 is inclined with respect to the side portion 42 is formed between the first electrode portion 2a and the opening portion 3a of the insulating film 3.
- the angle formed by the surface of the tapered portion 3b and the surface of the first semiconductor portion 4a may be an acute angle, for example, 45 ° or less, or 30 ° or less.
- the surface of the tapered portion 3b is, for example, a flat surface, but may be a curved surface.
- the tapered portion 3b can be formed by any method.
- the tapered portion 3b may be formed by inclining the semiconductor layer 4 to form an insulating film.
- the tapered portion 3b may be formed by dry etching the insulating film 3 previously formed on the semiconductor layer 4 in a state where the semiconductor layer 4 is tilted.
- the electromagnetic wave detector according to the eighth embodiment since the insulating film 3 is provided with a gradient in the tapered portion 3b, the electric field change in the two-dimensional material layer 1 when the semiconductor layer 4 is irradiated with the electromagnetic wave. There is a degree of local variation. That is, when the semiconductor layer 4 is irradiated with electromagnetic waves and the two-dimensional material layer 1 is subjected to an electric field change, the degree of the electric field change locally changes according to the change in the thickness of the insulating film 3. As a result, the mobility of carriers in the two-dimensional material layer 1 is improved, and the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector is improved.
- the configuration of the electromagnetic wave detector according to the eighth embodiment can be applied to other embodiments.
- FIG. 35 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the ninth embodiment.
- the electromagnetic wave detector according to the ninth embodiment has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector according to the first embodiment, and can obtain the same effect, but is two-dimensional. It differs from the electromagnetic wave detector according to the first embodiment in that the material layer 1 includes the irregular layer structure portion 1e.
- the region corresponding to the channel region in the two-dimensional material layer 1 is the random layer structure portion 1e.
- the disordered layer structure portion 1e means a region in which a plurality of graphenes are laminated, and a structure in which the lattices of the laminated graphenes are laminated in an inconsistent state.
- the entire two-dimensional material layer 1 may have a turbulent layer structure, or only the turbulent layer structure portion 1e may have a turbulent layer structure.
- the method for producing the disordered layer structure portion 1e may be any method.
- the random layer structure portion 1e can be formed, for example, by transferring a single layer graphene produced by a CVD method a plurality of times and laminating the multilayer graphene.
- the disordered layer structure portion 1e can be formed, for example, by growing graphene on graphene by a CVD method using ethanol, methane or the like as a carbon source.
- the portion corresponding to the channel region in the two-dimensional material layer 1 is the irregular layer structure portion 1e, the mobility of carriers in the two-dimensional material layer 1 is improved.
- ordinary laminated graphene is called AB lamination, and the laminated graphenes are laminated in a aligned state.
- the graphene produced by the CVD method is polycrystalline, and when the graphene is further transferred onto the graphene multiple times, or when the graphene is laminated on the underlying graphene by the CVD method, the laminated graphenes are deposited with each other. It has a disordered layer structure in which the lattice is in an inconsistent state.
- the graphene having a random layer structure constituting the disordered layer structure portion 1e is less affected by the interaction between the layers and has the same properties as the single layer graphene. Further, the mobility of the two-dimensional material layer 1 is lowered due to the influence of carrier scattering in the underlying insulating film 3. However, in the irregular layer structure portion 1e, the graphene in contact with the insulating film 3 is affected by carrier scattering, but the graphene in the upper layer laminated on the graphene in the irregular layer structure is affected by the carrier scattering of the underlying insulating film 3. Less susceptible. Further, in graphene having a disordered layer structure, the influence of interaction between layers is small, so that the conductivity is also improved. From the above, the mobility of carriers can be improved in graphene having a disordered layer structure. As a result, the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be improved.
- the graphene having a disordered layer structure may be applied only to the portion of the two-dimensional material layer 1 existing on the insulating film 3.
- graphene having a non-random layer structure for example, single-layer graphene may be used for the region 1a.
- the influence of carrier scattering of the insulating film 3 on the two-dimensional material layer 1 can be suppressed without increasing the contact resistance between the first electrode portion 2a and the first semiconductor portion 4a and the two-dimensional material layer 1. ..
- the configuration of the electromagnetic wave detector according to the ninth embodiment can be applied to other embodiments.
- FIG. 36 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the tenth embodiment.
- the electromagnetic wave detector according to the tenth embodiment has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector according to the first embodiment, and can obtain the same effect, but is two-dimensional. It differs from the electromagnetic wave detector according to the first embodiment in that it further includes one or more conductors 7 arranged so as to be in contact with the material layer 1.
- a plurality of conductors 7 are arranged so as to come into contact with the region 1b of the two-dimensional material layer 1.
- the plurality of conductors 7 are arranged at intervals from each other.
- the plurality of conductors 7 are arranged, for example, on the side portion 42 of the step portion 40.
- the conductor 7 is a floating electrode.
- the electromagnetic wave detector according to the tenth embodiment includes a plurality of conductors 7 as floating electrodes on the two-dimensional material layer 1.
- the material constituting each conductor 7 may be any material having conductivity, and for example, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), and chromium. It comprises at least one selected from the group consisting of (Cr) and palladium (Pd).
- Each conductor 7 is not connected to a power supply circuit or the like and is floating.
- the plurality of conductors 7 are provided on the region 1b of the two-dimensional material layer 1 located between the first electrode portion 2a and the first semiconductor portion 4a.
- the plurality of conductors 7 have a one-dimensional or two-dimensional periodic structure.
- a one-dimensional periodic structure a structure in which a plurality of conductors 7 are arranged at intervals (periodically) from each other in the horizontal direction on the paper surface or the depth direction of the paper surface in FIG. 36 can be adopted.
- the plan view of the electromagnetic wave detector in the plan view of the electromagnetic wave detector, a structure in which the conductors 7 are arranged at positions corresponding to lattice points such as a square lattice or a triangular lattice can be adopted.
- the planar shape of each conductor 7 may be any shape such as a circular shape, a triangular shape, a quadrangular shape, a polygonal shape, or an elliptical shape.
- the arrangement of the conductors 7 in the plan view is not limited to the above-mentioned arrangement having periodic symmetry, and may be an arrangement having asymmetry in the plan view.
- any method can be adopted as the specific method for forming the conductor 7, but for example, the same method as the method for manufacturing the first electrode portion 2a described in the first embodiment may be used. ..
- the conductor 7 which is a floating electrode is provided on the two-dimensional material layer 1 corresponding to the channel region. Therefore, the optical carriers generated by the irradiation of electromagnetic waves in the semiconductor layer 4 can move back and forth between the plurality of conductors 7, and as a result, the life of the optical carriers is extended. As a result, the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be increased.
- the conductor 7 is polarized depending on the irradiated electromagnetic wave. Occurs.
- the electromagnetic wave detector according to the tenth embodiment can detect only specific polarized light.
- the plurality of conductors 7 have a specific wavelength. Electromagnetic waves can be resonated. In this case, only the electromagnetic wave having a specific wavelength can be detected by the electromagnetic wave detector. In this case, the electromagnetic wave detector according to the tenth embodiment can detect only electromagnetic waves having a specific wavelength with high sensitivity.
- the conductors 7 are subjected to the irradiated electromagnetic waves as in the case where the plurality of conductors 7 have a one-dimensional periodic structure. Polarization dependence occurs in.
- the semiconductor layer 4 can be irradiated with only electromagnetic waves having a specific polarization.
- the electromagnetic wave detector according to the tenth embodiment can detect only specific polarized light.
- the electromagnetic wave detector shown in FIG. 37 has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIG. 36 and can obtain the same effect, but the conductor 7 is provided under the two-dimensional material layer 1. It differs from the electromagnetic wave detector shown in FIG. 36 in that it is arranged. That is, in the electromagnetic wave detector shown in FIG. 37, a plurality of conductors 7 are arranged between the lower surface of the two-dimensional material layer 1 and the upper surface of the insulating film 3.
- the two-dimensional material layer 1 has a plurality of bent portions (concavo-convex portions) along the surfaces of the plurality of conductors 7. Even with such a configuration, the same effect as that of the electromagnetic wave detector shown in FIG. 36 can be obtained. Further, in this case, since the two-dimensional material layer 1 is not damaged when the conductor 7 is formed, it is possible to suppress a decrease in carrier mobility in the two-dimensional material layer 1.
- the uneven portion may be formed in the region of the two-dimensional material layer 1 corresponding to the channel region.
- the uneven portion of the two-dimensional material layer 1 may have a periodic structure or an asymmetrical structure as in the case of the plurality of conductors 7 described above. In this case, the same effect as when a plurality of conductors 7 are formed can be obtained.
- each conductor 7 shown in FIGS. 36 and 37 is formed only on the side portion 42, at least one of the top portion 43, the side portion 42, and the bottom portion 41 is formed as long as it is in contact with the region 1b. It suffices if it is formed on the top.
- each electromagnetic wave detector shown in FIGS. 36 and 37 includes a plurality of conductors 7, but may include only one conductor 7.
- FIG. 38 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the eleventh embodiment.
- the electromagnetic wave detector according to the eleventh embodiment has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector according to the first embodiment, and can obtain the same effect, but is two-dimensional. It differs from the electromagnetic wave detector according to the first embodiment in that it further includes one or more contact layers 8 arranged so as to be in contact with the material layer 1.
- the contact layer 8 is arranged on the region 1b of the two-dimensional material layer 1.
- the contact layer 8 is provided so as to contact the two-dimensional material layer 1 and supply holes or electrons to the two-dimensional material layer 1.
- the material constituting the contact layer 8 is, for example, a composition called a positive photoresist, which contains a photosensitizer having a quinonediagit group and a novolak resin. Further, the material constituting the contact layer 8 may be, for example, a material having a polar group, or more specifically, a material having an electron attracting group which is an example of a material having a polar group. The material having an electron attracting group has an effect of reducing the electron density of the two-dimensional material layer 1. Further, the material constituting the contact layer 8 may be, for example, a material having an electron donating group, which is an example of a material having a polar group. The material having an electron donating group has an effect of increasing the electron density of the two-dimensional material layer 1.
- the material having an electron attracting group examples include a material having a halogen, a nitrile, a carboxyl group, a carbonyl group, and the like.
- the material having an electron donating group examples include a material having an alkyl group, an alcohol, an amino group, a hydroxyl group and the like.
- the material constituting the contact layer 8 may be a material in which the charge is biased in the entire molecule due to polar groups other than the electron attracting group and the electron donating group.
- the material constituting the contact layer 8 is an organic substance, a metal, a semiconductor, an insulator, a two-dimensional material, or a mixture of any of these materials, as long as the charge is biased in the entire molecule to generate polarity. You may.
- the conductive type in which the two-dimensional material layer 1 in contact with the contact layer 8 is doped has a work function of the contact layer 8 rather than a work function of the two-dimensional material layer 1.
- the function is large, it is p-type, and when it is small, it is n-type.
- the material constituting the contact layer 8 is an organic substance, the organic substance constituting the contact layer 8 does not have a clear work function. Therefore, it is preferable to determine the polar group of the material of the contact layer 8 based on the polarity of the organic molecule used for the contact layer 8 whether the conductive type to which the two-dimensional material layer 1 is doped becomes the p type or the n type. ..
- the contact layer 8 when a composition containing a photosensitizer having a quinonediagit group and a novolak resin, which is called a positive photoresist, is used as the contact layer 8, the region where the resist is formed by the photolithography step in the two-dimensional material layer 1 is p. It becomes a mold two-dimensional material layer area. This eliminates the need for a mask forming process that comes into contact with the surface of the two-dimensional material layer 1. As a result, it is possible to reduce the process damage to the two-dimensional material layer 1 and simplify the process.
- the contact layer 8 is formed on the two-dimensional material layer 1.
- the state (conductive type) of the two-dimensional material layer 1 is intentionally n. It can be a type or a p type.
- the carrier doping of the two-dimensional material layer 1 can be controlled without considering the influence of the carrier doping on the two-dimensional material layer 1 from the first electrode portion 2a and the first semiconductor portion 4a. As a result, the performance of the electromagnetic wave detector can be improved.
- the contact layer 8 by forming the contact layer 8 only on either the first electrode portion 2a side or the first semiconductor portion 4a side on the upper surface of the two-dimensional material layer 1, the charge density can be increased in the two-dimensional material layer 1. A gradient is formed. As a result, the mobility of carriers in the two-dimensional material layer 1 is improved, and the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be increased.
- the film thickness of the contact layer 8 is preferably sufficiently thin so that photoelectric conversion can be performed when the electromagnetic wave is irradiated to the two-dimensional material layer 1.
- the contact layer 8 may have any configuration as long as carriers such as molecules or electrons are introduced into the two-dimensional material layer 1. For example, by immersing the two-dimensional material layer 1 in a solution and supplying carriers to the two-dimensional material layer 1 at the molecular level, the solid contact layer 8 is not formed on the two-dimensional material layer 1, and the two-dimensional material is not formed. Layer 1 may be doped with carriers.
- a material that causes a polarity conversion may be used in addition to the material described above.
- the contact layer 8 undergoes polarity conversion the electrons or holes generated during the conversion are supplied to the two-dimensional material layer 1. Therefore, electron or hole doping occurs in the portion of the two-dimensional material layer 1 in which the contact layer 8 is in contact. Therefore, even if the contact layer 8 is removed, the portion of the two-dimensional material layer 1 that has been in contact with the contact layer 8 remains doped with electrons or holes. Therefore, when a material that causes polarity conversion is used as the contact layer 8, the contact layer 8 may be removed from the two-dimensional material layer 1 after a certain period of time has elapsed.
- the opening area of the two-dimensional material layer 1 increases as compared with the case where the contact layer 8 is present. Therefore, the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector can be improved.
- the polarity conversion is a phenomenon in which a polar group is chemically converted. For example, an electron attracting group is changed to an electron donating group, an electron donating group is changed to an electron attracting group, or a polar group. Means a phenomenon in which is changed to a non-polar group, or a non-polar group is changed to a polar group.
- the contact layer 8 may be formed of a material that undergoes polarity conversion by electromagnetic wave irradiation.
- the contact layer 8 by selecting a material that causes a polarity conversion at a specific electromagnetic wave wavelength as the material of the contact layer 8, the contact layer 8 causes a polarity conversion only when the contact layer 8 is irradiated with an electromagnetic wave having a specific electromagnetic wave wavelength, and the two-dimensional material layer. Doping to 1 can be performed. As a result, the photocurrent flowing into the two-dimensional material layer 1 can be increased.
- the two-dimensional material layer 1 can be doped with electrons or holes generated during the redox reaction.
- the electromagnetic wave detector includes a contact layer 8 that comes into contact with the two-dimensional material layer 1.
- the contact layer 8 supplies holes or electrons to the two-dimensional material layer 1.
- the carrier doping of the two-dimensional material layer 1 can be controlled without considering the influence of the carrier doping from the first electrode portion 2a and the first semiconductor portion 4a. As a result, the performance of the electromagnetic wave detector can be improved.
- the contact layer 8 shown in FIG. 38 is formed only on the side portion, it may be formed on at least one of the top portion 43, the side portion 42, and the bottom portion 41.
- FIG. 39 is a schematic plan view of the electromagnetic wave detector assembly according to the twelfth embodiment.
- the electromagnetic wave detector aggregate 1000 according to the twelfth embodiment is an aggregate of a plurality of electromagnetic wave detectors 100.
- the electromagnetic wave detector assembly 1000 has a plurality of electromagnetic wave detectors 100 according to any one of the first to eleventh embodiments as detection elements.
- the electromagnetic wave detector assembly 1000 includes, for example, the electromagnetic wave detector according to the first embodiment as the electromagnetic wave detector 100.
- the detection wavelengths of the plurality of electromagnetic wave detectors 100 are the same.
- a plurality of electromagnetic wave detectors 100 are arranged in an array in the two-dimensional direction.
- the plurality of electromagnetic wave detectors 100 are arranged side by side in the first direction and the second direction intersecting the first direction.
- four electromagnetic wave detectors 100 are arranged in a 2 ⁇ 2 array.
- the number of electromagnetic wave detectors 100 to be arranged is not limited to this.
- a plurality of electromagnetic wave detectors 100 may be arranged in an array of 3 or more ⁇ 3 or more.
- a plurality of electromagnetic wave detectors 100 are periodically arranged in two dimensions, but the plurality of electromagnetic wave detectors 100 are periodically arranged in one direction. It may be arranged. Further, the intervals of the plurality of electromagnetic wave detectors 100 may be equal or different.
- the second electrode portion 2b may be a common electrode as long as each electromagnetic wave detector 100 can be separated.
- the second electrode portion 2b as a common electrode, it is possible to reduce the wiring of pixels in each electromagnetic wave detector 100 as compared with the configuration in which the second electrode portion 2b is independent. As a result, it is possible to increase the resolution of the electromagnetic wave detector assembly.
- a current cutoff structure 5 such as the trench structure described in the second embodiment may be provided on the outer periphery of the electromagnetic wave detector 100.
- the electromagnetic wave detector assembly 1000 using the plurality of electromagnetic wave detectors 100 can also be used as an image sensor by arranging the plurality of electromagnetic wave detectors 100 in an array.
- the electromagnetic wave detector assembly 1000 may include any of the electromagnetic wave detectors according to the second to eleventh embodiments as the electromagnetic wave detector 100.
- the electromagnetic wave detector assembly 1000 may include any of the electromagnetic wave detectors according to the second to eleventh embodiments as the electromagnetic wave detector 100.
- the electromagnetic wave detector assembly 1000 may include a plurality of electromagnetic wave detectors according to any one of the first to eleventh embodiments, or two or more of the first to eleventh embodiments. A plurality of electromagnetic wave detectors according to the form may be provided.
- the electromagnetic wave detector assembly 2000 shown in FIG. 40 has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector assembly 1000 shown in FIG. 39, and can obtain the same effect, but as a plurality of electromagnetic wave detectors. It differs from the electromagnetic wave detector assembly shown in FIG. 39 in that it includes different types of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203. That is, in the electromagnetic wave detector assembly 2000 shown in FIG. 40, different types of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 are arranged in an array (matrix).
- the electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 are arranged in a 2 ⁇ 2 matrix, but the number of arranged electromagnetic wave detectors is not limited to this. .. Further, in the electromagnetic wave detector assembly 2000 shown in FIG. 40, a plurality of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, 203 are periodically arranged in two dimensions, but the plurality of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202 , 203 may be arranged periodically along one direction. Further, the intervals of the plurality of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 may be equal or different.
- electromagnetic wave detector assembly 2000 shown in FIG. 40 different types of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 according to any one of the first to eleventh embodiments are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array. By doing so, it is possible to have a function as an image sensor.
- the electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 are, for example, electromagnetic wave detectors having different detection wavelengths from each other.
- the electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 are electromagnetic wave detectors according to any one of the first to eleventh embodiments, and are prepared as electromagnetic wave detectors having different detection wavelength selectivity. May be good.
- the electromagnetic wave detector assembly can detect at least two or more electromagnetic waves having different wavelengths.
- the electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 having different detection wavelengths in an array for example, ultraviolet light, infrared light, terahertz wave, and radio wave are arranged in the same manner as the image sensor used in the visible light region.
- the wavelength of the electromagnetic wave can be identified in any wavelength range such as the wavelength range of. As a result, it is possible to obtain a colorized image showing, for example, a difference in wavelength as a difference in color.
- semiconductor materials having different detection wavelengths may be used as a constituent material of the semiconductor layer 4 constituting the electromagnetic wave detector.
- a semiconductor material whose detection wavelength is the wavelength of visible light and a semiconductor material whose detection wavelength is the wavelength of infrared rays may be used as the constituent materials.
- the electromagnetic wave detector when the electromagnetic wave detector is applied to an in-vehicle sensor, the electromagnetic wave detector can be used as a camera for visible light images in the daytime. Furthermore, the electromagnetic wave detector can also be used as an infrared camera at night. In this way, it is not necessary to properly use a camera having an image sensor depending on the detection wavelength of the electromagnetic wave.
- the electromagnetic wave detector can be used as a position detection sensor capable of detecting the position of an object even with a small number of pixels.
- the electromagnetic wave detector assembly if the electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, 203 having different detection wavelengths are used as described above, an image sensor that detects the intensity of electromagnetic waves having a plurality of wavelengths can be obtained. As a result, it is possible to detect electromagnetic waves having a plurality of wavelengths and obtain a color image without using a color filter, which has been conventionally required for a CMOS image sensor or the like.
- the polarization identification image sensor can be formed by arranging the electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 having different polarizations to be detected.
- polarization imaging can be performed by arranging a plurality of electromagnetic wave detectors of the unit, with four pixels having detection angles of 0 °, 90 °, 45 °, and 135 ° as one unit.
- the polarization identification image sensor enables, for example, identification of artificial and natural objects, material identification, identification of objects of the same temperature in the infrared wavelength region, identification of boundaries between objects, or equivalent improvement in resolution.
- the electromagnetic wave detector assembly 2000 can detect electromagnetic waves in a wide wavelength range. Further, the electromagnetic wave detector assembly 2000 can detect electromagnetic waves having different wavelengths.
- examples of the material whose characteristics are changed by irradiation with electromagnetic waves and which gives the potential change to the two-dimensional material layer 1 include quantum dots, strong dielectric materials, liquid crystal materials, fullerene, rare earth oxides, semiconductor materials, and pn.
- a bonding material, a metal-semiconductor junction material, a metal-insulator-semiconductor junction material, or the like can be used.
- the ferroelectric material having a polarization effect (pyroelectric effect) due to electromagnetic waves is used as the ferroelectric material, the polarization of the ferroelectric material is changed by irradiation with electromagnetic waves. As a result, the potential can be changed in the two-dimensional material layer 1.
- the material constituting the insulating film 3, the contact layer 8, the first semiconductor portion 4a, or the second semiconductor portion 4b is a material whose characteristics change due to irradiation with electromagnetic waves
- the insulating film 3, the contact layer 8 The characteristics of the first semiconductor portion 4a or the second semiconductor portion 4b are changed by irradiation with electromagnetic waves, and the potential of the two-dimensional material layer 1 can be changed.
- a material whose characteristics are changed by irradiation of electromagnetic waves and giving a change in potential to the two-dimensional material layer 1 to the insulating film 3, the contact layer 8, the first semiconductor portion 4a, or the second semiconductor portion 4b will be described.
- a material whose characteristics are changed by irradiation with electromagnetic waves and which gives a change in potential to the two-dimensional material layer 1 may be applied to at least one or more of the above-mentioned members.
- the contact layer 8 does not necessarily have to be in direct contact with the two-dimensional material layer 1. There is no.
- the contact layer 8 may be provided on the upper surface or the lower surface of the two-dimensional material layer 1 via an insulating film or the like.
- each of the above-described embodiments can be appropriately modified or omitted. Further, the above-described embodiment can be variously modified at the implementation stage without departing from the gist thereof. In addition, the above-described embodiment includes various stages of disclosure, and various disclosures can be extracted by an appropriate combination of a plurality of disclosed constituent requirements.
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Abstract
電磁波検出器は、段差部(40)が形成されておりかつ検出波長に感度を有する半導体層(4)と、段差部(40)上に配置され、かつ段差部(40)の一部を露出する開口部(3a)が設けられた絶縁膜(3)と、絶縁膜(3)および開口部(3a)上に配置され、かつ開口部(3a)において半導体層(4)と電気的に接続された接続領域(1c)を有する二次元材料層(1)と、絶縁膜(3)上に配置され、二次元材料層(1)と電気的に接続された第1電極部(2a)と、半導体層(4)上に配置され、二次元材料層(1)の接続領域(1c)を経由して第1電極部(2a)と電気的に接続された第2電極部(2b)とを備える。
Description
本開示は、電磁波検出器および電磁波検出器集合体に関する。
従来、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、二次元材料層の一例である移動度が極めて高いグラフェンが知られている。グラフェンの吸収率は2.3%と低い。そのため、グラフェンを用いた電磁波検出器における高感度化手法が提案されている。たとえば、米国特許出願公開第2015/0243826号明細書では、下記のような構造の検出器が提案されている。すなわち、米国特許出願公開第2015/0243826号明細書では、n型半導体層上に2つ以上の誘電体層を設けている。2つの誘電体層上および当該2つの誘電体層の間に位置するn型半導体層の表面部分上にグラフェン層を形成している。グラフェン層の両端に接続されたソース・ドレイン電極が誘電体層上に配置されている。ゲート電極はn型半導体層と接続されている。
上記検出器では、チャネルとしてのグラフェン層にソース・ドレイン電極を経由して電圧を印加する。この結果、n型半導体層で発生した光キャリアを増幅することで検出器の高感度化を行っている。また、ゲート電極とソース電極またはドレイン電極とに電圧を印加した場合は、グラフェンとn型半導体層とのショットキー接続によりOFF動作を可能としている。
しかしながら、上述した検出器において、グラフェンにソース・ドレイン電圧を印加した高感度化動作時にはトランジスタ動作をするため、検出器のOFF動作が困難である。また、ゲート電極とソース電極またはドレイン電極とに電圧を印加したショットキー動作時には、検出器の感度は半導体層の量子効率に依存する。そのため、十分な光キャリアの増幅が出来ず、検出器の高感度化が困難である。このように、従来のグラフェンなどの二次元材料層を用いた検出器では高感度化とOFF動作とは両立できていなかった。
本開示の主たる目的は、検出感度が高く、かつOFF動作が可能な、二次元材料層を用いた電磁波検出器および電磁波検出器集合体を提供することを目的とする。
本開示に係る電磁波検出器は、少なくとも1つの段差部が形成されており、かつ検出波長に感度を有する半導体層と、少なくとも1つの段差部上に配置され、かつ少なくとも1つの段差部の一部を露出する少なくとも1つの開口部が設けられた絶縁膜と、絶縁膜および少なくとも1つの開口部上に配置され、かつ少なくとも1つの開口部において半導体層と電気的に接続された接続領域を有する二次元材料層と、絶縁膜上に配置され、二次元材料層と電気的に接続された第1電極部と、半導体層上に配置され、二次元材料層の接続領域を経由して第1電極部と電気的に接続された第2電極部とを備える。
本開示によれば、検出感度が高く、かつOFF動作が可能な、二次元材料層を用いた電磁波検出器および電磁波検出器集合体を提供できる。
以下、図面を参照して、本開示の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
以下に説明する実施の形態において、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、以下に説明する実施の形態により本開示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、上述のように同一又はこれに相当するものである。これは明細書の全文において共通する。
以下に説明する実施の形態では、電磁波検出器について、可視光又は赤外光を検出する場合の構成を用いて説明するが、本開示はこれらに限定されない。以下に説明する実施の形態は、可視光または赤外光に加えて、例えば、X線、紫外光、近赤外光、テラヘルツ(THz)波、又は、マイクロ波などの電波を検出する検出器としても有効である。なお、本開示の実施の形態において、これらの光及び電波を総称して電磁波と記載する。
また、本開示の実施の形態では、グラフェンとしてp型グラフェン又はn型グラフェンの用語が用いられる場合がある。以下の実施の形態では、真性状態のグラフェンよりも正孔が多いものをp型グラフェン、電子が多いものをn型グラフェンと呼ぶ。
また、本開示の実施の形態では、二次元材料層の一例であるグラフェンに接触する部材の材料について、n型又はp型の用語が用いられる場合がある。ここでは、例えば、n型材料とは電子供与性を有する材料、p型材料とは電子求引性を有する材料を示す。また、分子全体において電荷に偏りが見られ、電子が支配的となるものをn型、正孔が支配的となるものをp型と呼ぶ場合もある。これらの材料としては、有機物及び無機物のいずれか一方又はそれらの混合物を用いることができる。
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。
また、以下に説明する実施の形態では、二次元材料層の材料として、グラフェンを例に説明を行っているが、二次元材料層を構成する材料はグラフェンに限られない。たとえば、二次元材料層の材料としては、遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD:Transition Metal Dichalcogenide)、黒リン(Black Phosphorus)、シリセン(シリコン原子による二次元ハニカム構造)、ゲルマネン(ゲルマニウム原子による二次元ハニカム構造)等の材料を適用することができる。遷移金属ダイカルコゲナイドとしては、たとえば、MoS2、WS2、WSe2等の遷移金属ダイカルコゲナイドが挙げられる。
これらの材料は、グラフェンと類似の構造を有しており、原子を二次元面内に単層で配列することが可能な材料である。したがって、これらの材料を二次元材料層に適用した場合においても、二次元材料層にグラフェンを適用した場合と同様の作用効果を得ることができる。
実施の形態1.
<電磁波検出器の構成>
図1は、実施の形態1に係る電磁波検出器の平面模式図である。図2は、図1の線分IB-IBにおける断面模式図である。図3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。
<電磁波検出器の構成>
図1は、実施の形態1に係る電磁波検出器の平面模式図である。図2は、図1の線分IB-IBにおける断面模式図である。図3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。
図1および図2に示されるように、実施の形態1に係る電磁波検出器は、段差部が形成された半導体層4と、絶縁膜3と、二次元材料層1と、第1電極部2aと、第2電極部2bとを主に備える。
半導体層4は、上述した電磁波の中から予め定められた検出波長に感度を有している。すなわち、半導体層4は、第1導電側を有しており、半導体層4に予め定められた検出波長の電磁波が入射したときに半導体層4内に光キャリアが生じるように設けられている。半導体層4を構成する半導体材料は、感度を有すべき検出波長に応じて任意に選択され得る。
例えば、検出波長の範囲が0.1μm以上0.6μm以下である場合、リン化ガリウム(GaP)が半導体層4を構成する半導体材料として選択され得る。検出波長の範囲が0.2μm以上1.1μm以下である場合、シリコン(Si)が上記半導体材料として選択され得る。検出波長の範囲が0.8μm以上1.8μm以下である場合、ゲルマニウム(Ge)が上記半導体材料として選択され得る。検出波長の範囲が0.7μm以上2.55μm以下である場合、ヒ化インジウムガリウム(InGaAs)が上記半導体材料として選択され得る。検出波長の範囲が1μm以上3.1μm以下である場合、ヒ化インジウム(InAs)が上記半導体材料として選択され得る。検出波長の範囲が1μm以上5.4μm以下である場合、アンチモン化インジウム(InSb)が上記半導体材料として選択され得る。検出波長の範囲が2μm以上16μm以下である場合、水銀カドミウムテルル(HgCdTe)が上記半導体材料として選択され得る。
なお、半導体層4を構成する半導体材料は、上記に限られるものではない。半導体層4を構成する材料は、Si、Ge、III-V族半導体またはII-V族半導体などの化合物半導体、HgCdTe、InSb、鉛セレン(PbSe)、鉛硫黄(PbS)、カドミウム硫黄(CdS)、窒化ガリウム(GaN)、シリコンカーバイド(SiC)、リン化ガリウム(GaP)、InGaAs、InAs、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材料であってもよい。半導体層4を構成する材料が上述した半導体材料の組み合わせであれば、該半導体層4を備える電磁波検出器では多波長の検出が可能となる。
半導体層4には、1つの段差部40が形成されている。段差部40は、頂部43の数が底部41の数よりも少なく、かつ底部41の全面積が頂部43の全面積よりも大きい凸部形状を有している。段差部40は、2つの底部41、1つの頂部43、および2つの側部42を有する。頂部43は、半導体層4の厚さ方向において、2つの底部41に対して突出している。2つの側部42の各々は、底部41と頂部43との間に配置されている。図1に示されるように、頂部43は、例えば長手方向と短手方向とを有している。上記短手方向における頂部43の両端が、側部42に接続されている。各側部42は、上記短手方向における頂部43の一端と接続されている上端と、上記短手方向における底部41の一端と接続されている下端とを有している。各底部41は、側部42の下端と接続されている上記一端と、上記短手方向において当該一端とは反対側に配置されている他端とを有している。図2に示されるように、2つの底部41のうち、上記短手方向における一方の底部41aの幅は、上記短手方向における他方の底部41bの幅よりも広い。
半導体層4の厚さ方向において段差部40とは反対側に位置する半導体層4の裏面部44は、例えば平面として構成されている。
半導体層4は、例えば段差部40が形成されたシリコン基板に不純物がドープされることにより、準備される。
絶縁膜3は、半導体層4上に配置されている。絶縁膜3には、段差部40の一部を露出する開口部3aが設けられている。絶縁膜3は、例えば段差部40の2つの底部41および2つの側部42の全体上、ならびに頂部43の一部上に配置されている。開口部3aは、例えば頂部43の一部を露出している。開口部3aは、例えば上記短手方向において頂部43の中央部を露出している。開口部3aと頂部43の上記短手方向の一端との間の距離は、開口部3aと頂部43の上記短手方向の他端との間の距離と等しい。開口部3aと頂部43の上記短手方向の一端との間の距離、および開口部3aと頂部43の上記短手方向の他端との間の距離は、例えば上記長手方向において一定である。開口部3aは、例えば上記長手方向において頂部43の一端から他端まで延びている。開口部3aは、例えば長手方向と短手方向とを有している。開口部3aの長手方向は、例えば頂部43の上記長手方向と沿っている。開口部3aの短手方向は、頂部43の上記短手方向に沿っている。
絶縁膜3を構成する材料は、例えばNSG(None-doped Silicate Glass)、PSG(Phospho silicate glass)、BPSG(Boro-phospho silicate glass)等の酸化シリコン(SiO2)、オルトケイ酸テトラエチル(Si(OC2H5)4)、窒化シリコン(Si3N4)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ニッケル(NiO)、オルトケイ酸テトラエチル(TEOS)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、ジルコン酸チタン酸鉛(PbZrTiO3)、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム(SrBi2Ta2O9),ビスマスフェライト(BFO:BiFeO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)、タンタル酸リチウム(LiTaO3)、ボロンナイトライド(BN)、又は、シロキサン系のポリマー材料である。BNは原子配列がグラフェンと似ているため、グラフェンからなる二次元材料層1と接触しても、二次元材料層1の電子移動度に悪影響を与えない。そのため、BNは、二次元材料層1の下に配置される下地膜としての絶縁膜3に好適である。
絶縁膜3の厚さTは、二次元材料層1および第1電極部2aが半導体層4と電気的に絶縁されており、かつトンネル電流が二次元材料層1および第1電極部2aと半導体層4との間に生じることを防止する限りにおいて、特に制限されない。なお、絶縁膜3の厚さTが薄いほど、絶縁膜3と半導体層4との界面に生じた光キャリアによる二次元材料層1の電界変化の程度が大きくなる。そのため、絶縁膜3の厚さTは可能な限り薄いことが望ましい。なお、絶縁膜3と半導体層4との界面に生じた光キャリアによって引き起こされる二次元材料層1の電界変化については、光ゲート効果とよび、その詳細は後述する。
第1電極部2aは、絶縁膜3上に配置されている。第1電極部2aは開口部3aから離れた位置に配置されている。好ましくは、第1電極部2aは、底部41a上に配置されている。第1電極部2aは、二次元材料層1と電気的に接続されている。
第2電極部2bは、半導体層4上に配置されている。第2電極部2bは、二次元材料層1の後述する領域1c(接続領域)を経由して第1電極部2aと電気的に接続されている。第2電極部2bは、例えば半導体層4の厚さ方向において段差部40とは反対側に位置する半導体層4の裏面部44の全域上に配置されている。この場合、段差部40側から電磁波検出器に入射された電磁波のうち半導体層4を透過して裏面部44に達した電磁波が第2電極部2bにて反射する。そのため、半導体層4の電磁波の吸収率が高められる。
第1電極部2aおよび第2電極部2bを構成する材料としては、導電体であれば任意の材料を用いることができる。例えば、第1電極部2aおよび第2電極部2bを構成する材料は、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、およびパラジウム(Pd)からなる群から選択される少なくとも1つを含む。第1電極部2aと絶縁膜3との間には、第1電極部2aと絶縁膜3との密着性を高める図示しない密着層が形成されていてもよい。第2電極部2bと半導体層4との間には、第2電極部2bと半導体層4との密着性を高める図示しない密着層が形成されていてもよい。密着層を構成する材料は、例えばクロム(Cr)またはチタン(Ti)等の金属材料を含む。
なお、図2に示される第1電極部2aは二次元材料層1の下部に形成されているが、第1電極部2aは二次元材料層1の上部に形成されていてもよい。また、図2に示される第2電極部2bは半導体層4の裏面部44の全域に配置されているが、これに限られるものではない。第2電極部2bは、例えば半導体層4の底部41または側部42上において絶縁膜3から露出している部分上に配置されて、当該部分と直接接続されていてもよい。第2電極部2bが裏面部44上に配置されていなければ、裏面部44側から照射された電磁波を検出できる。
二次元材料層1は、絶縁膜3および開口部3a上に配置されている。二次元材料層1は、開口部3aの内部から絶縁膜3上にまで延在する。二次元材料層1は、絶縁膜3上において第1電極部2aと電気的に接続されており、かつ開口部3aの内部において半導体層4と電気的に接続されている。二次元材料層1は、例えば一方の底部41aの一部、一方の側部42、頂部43、他方の側部42,および他方の底部41bの一部上に配置されている。
異なる観点から言えば、二次元材料層1は、第1電極部2aと電気的に接続されている領域1aと、開口部3aの内部において半導体層4と電気的に接続されている領域1c(開口部3aの内部に位置する領域)と、半導体層4と絶縁膜3を介して対向している領域1bとを有している。領域1aは、例えば第1電極部2aと直接接続されている。領域1cは、例えば半導体層4と直接接続されている。領域1aは、底部41の一部上に配置されている。領域1cは、頂部43の一部上に配置されている。領域1bは、頂部43の残部と2つの側部42上に配置されている。領域1bの一部は、一方の側部42上に配置されて、領域1aと領域1cとの間を接続している。領域1bの他の一部は、他方の側部42上に配置されている。領域1bの他の一部は、絶縁膜3の開口部3aから見て第1電極部2aが位置する側と反対側の絶縁膜3の部分上にまで、該領域1cから延在している。
二次元材料層1は、例えば、単層のグラフェンである。単層グラフェンは二次元炭素結晶の単原子層である。また、単層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。グラフェンは、従来の電子機器に用いられてきたSi等の半導体材料と比較して高いキャリア移動度を有することから、電磁波検出器100により、光応答速度を向上させる効果がある。
二次元材料層1は、2層以上のグラフェンの積層体(以下、多層グラフェンとよぶ)であってもよい。多層グラフェン中の各グラフェンの六方格子の格子ベクトルの向きは、一致しなくてもよく、異なっていてもよい。また、多層グラフェン中の各グラフェンの六方格子の格子ベクトルの向きは、完全に一致していてもよい。多層グラフェンでは、グラフェンの層数により、多層グラフェンのバンドギャップの大きさを調整することが可能となる。そのため、多層グラフェンのバンドギャップの大きさを、検出波長に応じて調整することで、二次元材料層1を電磁波吸収層として作用させることができ、さらには光学フィルタを不要とすることができる。これにより、光学部品の点数を低減でき、光学フィルタを通過することによる入射光の損失を低減できる。
二次元材料層1を構成する材料がグラフェンを含む場合、当該グラフェンは、グラフェンシートをナノオーダーの幅で切り出されたナノリボン(以下、グラフェンナノリボンとよぶ)として構成されていてもよい。二次元材料層1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の積層体、またはグラフェンナノリボンが平面上に周期的に並んだ構造体、として構成されていてもよい。
二次元材料層1が周期的に配置されたグラフェンナノリボン(グラフェンメタマテリアル)を含む場合、二次元材料層1においてプラズモン共鳴が発生し、二次元材料層1による電磁波検出感度が向上する。
二次元材料層1を構成する材料がグラフェンを含む場合、当該グラフェンは、不純物がドープされたドープされていないグラフェンであってもよい。また、上記グラフェンは、p型又はn型の不純物がドープされたグラフェンであってもよい。
二次元材料層1を構成する材料は、その領域1a、領域1b、および領域1cの各々において例えば一様である。二次元材料層1を構成する材料は、その領域1a、領域1b、および領域1cの各々において異なっていてもよい。
領域1aを構成する材料は、例えば多層グラフェンである。領域1aには、第1電極部2aからキャリアがドープされる。例えば、第1電極部2aの材料が金(Au)である場合、グラフェンとAuとの仕事関数の差から、二次元材料層1の領域1aには正孔がドープされる。この状態で電磁波検出器を駆動させると、第1電極部2aから領域1aにドープされた正孔の影響により、二次元材料層1のチャネル領域内に流れるキャリア移動度が低下し、二次元材料層1と第1電極部2aとのコンタクト抵抗が増加する。このコンタクト抵抗の増加により、電磁波検出器における電界効果による電子(キャリア)の移動度が低下し、電磁波検出器の性能低下が生じ得る。特に、領域1aを構成する材料が単層グラフェンである場合、領域1aを構成する材料が多層グラフェンである場合と比べて、第1電極部2aから注入されるキャリアのドープ量が大きくなり、その結果電磁波検出器における上記キャリア移動度の低下が顕著となる。そのため、上述したキャリア移動度の低下を抑制して電磁波検出器の性能を向上させる観点から、領域1aを構成する材料は、単層グラフェンよりも、多層グラフェンであるのが好ましい。
領域1bを構成する材料は、例えば単層グラフェンである。領域1bは、いわゆるチャネル領域として作用する。単層グラフェン中の電子の移動度は多層グラフェン中の電子の移動度よりも高い。そのため、領域1bでの電子の移動度を高めて電磁波検出器の性能を向上させる観点から、領域1bを構成する材料は、多層グラフェンよりも、単層グラフェンであるのが好ましい。
つまり、領域1aを構成する材料を多層グラフェンとし、かつ領域1bを構成する材料を単層グラフェンとすることで、領域1aと第1電極部2aとのコンタクト抵抗の増加を抑制しながらも、領域1bでの電子の移動度を高めることができ、電磁波検出器の性能を向上させることができる。
<電磁波検出器の製造方法>
図3は、実施の形態1に係る電磁波検出器の製造方法を説明するためのフローチャートである。図3を参照しながら、図1および図2に示される電磁波検出器の製造方法を説明する。
図3は、実施の形態1に係る電磁波検出器の製造方法を説明するためのフローチャートである。図3を参照しながら、図1および図2に示される電磁波検出器の製造方法を説明する。
まず、図3に示す準備工程(S1)を実施する。この工程(S1)では、平坦な半導体基板が準備される。該半導体基板を構成する半導体材料は、予め定められた検出波長に感度を有している半導体材料である。
次に、半導体層段差部形成工程(S2)を実施する。この工程(S2)では、まず上記半導体基板において段差部40の頂部43が形成されるべき領域上に、保護膜を形成する。保護膜は例えばレジストである。保護膜には、例えば写真製版または電子ビーム(EB)描画により、底部41が形成されるべき領域を露出する開口部が形成される。次に、保護膜をエッチングマスクとして、上記半導体基板をエッチングする。エッチングの手法は、酸、アルカリ等の化学溶液を用いるウェットエッチング、およびプラズマ中の反応種を用いるドライエッチングのいずれかから選択され得る。エッチング後に、保護膜が除去される。このようにして、上記半導体基板から、段差部40を有する半導体層4が形成される。
次に、電極形成工程(S3)を実施する。この工程(S3)では、半導体層4の裏面に第2電極部2bを形成する。具体的には、半導体層4の段差部40上に保護膜を形成した後に、金属膜を成膜する。第2電極部2bを形成する前に、半導体層4と第2電極部2bとの密着性を向上させるために、半導体層4において第2電極部2bと接続される領域に、上述した密着層を予め形成しておいてもよい。
次に、絶縁膜形成工程(S4)を実施する。この工程(S4)では、半導体層4の段差部40上に、絶縁膜3を形成する。好ましくは、絶縁膜3は、段差部40の底部41、側部42、および頂部43の全体と隙間なく密着するように形成される。絶縁膜3の成膜方法は、特に制限されない。半導体層4を構成する材料がSiであり、かつ絶縁膜3を構成する材料がSiO2である場合には、絶縁膜3は半導体層4表面を熱酸化することにより形成され得る。絶縁膜3の成膜方法は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法またはスパッタリング法であってもよい。
なお、後述する開口部形成工程(S6)におけるエッチングによる半導体層4の損傷、汚染を抑制するために、本絶縁膜形成工程(S4)の直前に半導体層4と絶縁膜3の間にバリア膜を形成してもよい。バリア膜を構成する材料は、開口部形成工程(S6)で用いられるエッチャントに対し、絶縁膜3を構成する材料よりも高い耐性を持つ材料(エッチング速度が遅い材料)であればよく、例えば窒化シリコン(SiN)、酸化アルミニウム(Al2O3)、またはグラフェンである。
次に、電極形成工程(S5)を実施する。この工程(S5)では、絶縁膜3上に第1電極部2aを形成する。第1電極部2aを形成する前に、絶縁膜3と第1電極部2aとの密着性を向上させるために、絶縁膜3において第1電極部2aと接続される領域に、上述した密着層を予め形成しておいてもよい。
第1電極部2aの形成方法として、例えば以下のプロセスを用いることができる。まず、絶縁膜3の表面上に写真製版またはEB描画などを用いてレジストマスクを形成する。レジストマスクには、第1電極部2aが形成されるべき領域に開口部が形成されている。その後、レジストマスク上に、第1電極部2aとなるべき金属などの膜を形成する。当該膜の形成には、蒸着法やスパッタリング法などを用いることができる。このとき、当該膜はレジストマスクの開口部の内部から当該レジストマスクの上部表面にまで延在するように形成される。その後、レジストマスクを当該膜の一部と共に除去することで、レジストマスクの開口部に配置されていた膜の他の一部が絶縁膜3の表面上に残存し、第1電極部2aとなる。上述した方法は、一般的にはリフトオフと呼ばれる方法である。
第1電極部2aの形成方法として、他の方法を用いてもよい。例えば、絶縁膜3の表面上に第1電極部2aとなるべき金属膜などの膜を先に成膜する。その後、フォトリソグラフィ法によって当該膜上にレジストマスクを形成する。レジストマスクは、第1電極部2aが形成されるべき領域を覆うように形成される一方、第1電極部2aが形成されるべき領域以外の領域には形成されない。その後、ウェットエッチングやドライエッチングにより、レジストマスクをマスクとして当該膜を部分的に除去する。この結果、レジストマスク下に膜の一部が残存する。この膜の一部が第1電極部2aとなる。その後、レジストマスクを除去する。このようにして、第1電極部2aを形成してもよい。
次に、開口部形成工程(S6)を実施する。この工程(S6)では、絶縁膜3に開口部3aを形成する。具体的には、絶縁膜3上に写真製版またはEB描画によりレジストマスクを形成する。レジストマスクには、絶縁膜3の開口部3aが形成されるべき領域に開口部が形成されている。その後、レジストマスクをエッチングマスクとして絶縁膜3をエッチングする。エッチングの手法は、上記ウェットエッチングおよび上記ドライエッチングのいずれかから任意に選択され得る。エッチング後に、レジストマスクが除去される。このようにして、絶縁膜3に開口部3aが形成される。上記工程(S6)は工程(S5)より先に実施してもよい。
次に、二次元材料層形成工程(S7)を実施する。この工程(S7)では、段差部40上に、二次元材料層1を形成する。二次元材料層1は、第1電極部2a、絶縁膜3、および絶縁膜3の開口部3aの内部において露出する半導体層4の全体を覆うように、形成される。二次元材料層1の形成方法は、特に制限されない。二次元材料層1は、例えばエピタキシャル成長により形成されてもよいし、スクリーン印刷法により形成されてもよい。また、二次元材料層1は、予めCVD法により成膜された二次元材料膜を段差部40上に転写して貼り付けることにより形成されてもよいし、機械剥離等により剥離されたフィルム状の二次元材料膜を段差部40上に転写して貼り付けることにより形成されてもよい。
その後、写真製版またはEB描画により、二次元材料層1の上にレジストマスクを形成する。レジストマスクは、二次元材料層1が形成されるべき領域を覆うとともに、それ以外の領域を露出するように形成される。その後、レジストマスクをマスクとして用いて、二次元材料層1をエッチングする。エッチングの手法は、例えば酸素プラズマによるドライエッチングである。その後、レジストマスクを除去する。これにより、図1および図2に示される二次元材料層1が形成される。
以上の工程(S1~S7)により、図1および図3に示される電磁波検出器が製造される。なお、上述した製造方法では第1電極部2aの上に二次元材料層1を形成したが、絶縁膜3上に予め二次元材料層1を形成し、当該二次元材料層1の一部上に重なるように第1電極部2aを形成してもよい。ただし、この構造を用いる場合は、第1電極部2aの形成時に、二次元材料層1に対してプロセスダメージを与えないように注意が必要である。たとえば、二次元材料層1において第1電極部2aが重ねて形成される領域以外を保護膜などで予め覆った状態で、第1電極部2aを形成する、といった対応が考えられる。
<動作原理>
次に、本実施の形態に係る電磁波検出器の動作原理について説明する。
次に、本実施の形態に係る電磁波検出器の動作原理について説明する。
図2に示すように、第1電極部2aおよび第2電極部2bの間に電源回路(図示せず)が電気的に接続され、第1電極部2aおよび第2電極部2bの間に電圧Vが印加される。これにより、電磁波検出器の内部には、第1電極部2a、二次元材料層1、半導体層4、および第2電極部2bが順に直列に接続された電流経路が形成され、二次元材料層1には電流Iが流れる。電源回路には電流計(図示せず)が設置されており、二次元材料層1に流れる電流Iをモニターする。このようにして、電磁波検出器は電磁波を検出可能な状態とされる。なお、電圧の正負は半導体層4の導電型(ドーピング型)に応じて選択される。導電型がp型であれば第1電極部2aに正電圧が、導電型がn型であれば第1電極部2aに負電圧が、印加される。
上記状態において、半導体層4が感度を有する波長の電磁波が半導体層4に入射すると、半導体層4の内部において光キャリアが発生する。この時、開口部3aの近傍の半導体層4に生じた光キャリアは、二次元材料層1の領域1cに注入され、領域1bおよび領域を通って電流Iに変化を生じさせる。以下、電磁波照射に起因して電流Iに変化を引き起こす電流成分を光電流とよぶ。
さらに、半導体層4に対して電圧が印加されているため、半導体層4と絶縁膜3との界面に空乏層が形成される。空乏層は、段差部40の底部41、側部42、および頂部43と絶縁膜3との各界面に広く形成される。半導体層4が感度を有する波長の電磁波が半導体層4に入射すると、空乏層内にも光キャリアが生じる。空乏層において生じた光キャリアは、絶縁膜3を介して二次元材料層1の領域1bに電界効果を与える。この結果、二次元材料層1の領域1bの抵抗値が変化し、二次元材料層1に流れる電流Iが変化する。このように、光照射に由来する電界効果が領域1bに与えられることで、二次元材料層1の電気特性が変化する。上述した光ゲート効果は、このようにして引き起こされる。
電流Iの変化は、二次元材料層1の領域1aと電気的に接続された第1電極部2aを介して検出される。これにより、電磁波検出器に照射された電磁波を検出することができる。
ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器は、上述のような二次元材料層1で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、第1電極部2aと第2電極部2bとの間に一定電流を流し、第1電極部2aと第2電極部2b間の電圧Vの変化(つまり二次元材料層1での電圧値の変化)を検出してもよい。
次に、図1および図2に示される電磁波検出器の具体的な動作について説明する。ここでは、二次元材料層1を構成する材料が単層グラフェン、第1電極部2aおよび第2電極部2bを構成する材料がAu、絶縁膜3を構成する材料がAl2O3、半導体層4を構成する材料がn型InSbである場合について説明する。
n型InSbは、1μm以上5.4μm以下の電磁波に感度を有する。そのため、半導体層4に1μm以上5.4μm以下の電磁波が入射すると、半導体層4内にて光キャリアが発生する。開口部3aの近傍の半導体層4にて生じた光キャリアは、領域1cの単層グラフェンに注入され、電流Iに変化を生じさせる。
さらに、半導体層4に対して逆バイアスとなるように、第2電極部2bに正電圧を印加、もしくは第1電極部2aに負電圧を印加することにより、半導体層4中の電子が第2電極部2bに引き寄せられ、少数キャリアである正孔が絶縁膜3側に引き寄せられる。その結果、半導体層4と絶縁膜3との界面に空乏層が形成される。空乏層において生じた光キャリアは、上述のように光ゲート効果を生じさせ、領域1bを構成する単層グラフェンに電界効果を与え、領域1bを構成する単層グラフェンの移動度を変化させる。この電界効果の大きさは、空乏層において生じた光キャリアの量と相関する。つまり、n型InSbに1μm以上5.4μm以下の電磁波が入射すると、領域1cを構成する単層グラフェンにn型InSbにて生じた光キャリアが注入されることによって光電流が生じるとともに、領域1bを構成する単層グラフェンに光ゲート効果が与えられる。その結果、光電流は領域1bにおいて増幅される。
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。
そのため、本実施の形態に係る電磁波検出器に上記電磁波が入射されたときの電流Iの変化量は、領域1bが設けられておらず上記光ゲート効果が奏されない従来の電磁波検出器に上記電磁波が入射したときの電流の変化量よりも大きい。したがって、本実施の形態に係る電磁波検出器は、従来の電磁波検出器と比較して、高感度である。
上述の光ゲート効果は電界効果を受ける二次元材料層1の領域1bが広いほど高まり、より高感度の電磁波検出が可能となる。二次元材料層1は単原子層もしくは単分子層で形成されている性質上、電磁波検出器の構造表面に沿った成膜が可能である。本実施の形態に係る電磁波検出器における二次元材料層1は、段差部40の底部41、側部42、および頂部43上に配置されており、その領域1bは側部42および頂部43の一部上に配置されている。そのため、図1に示される領域1bの占有面積(すなわち平面視における領域1bの占有面積)が等しく設けられた、本実施の形態に係る電磁波検出器と二次元材料層1が段差部40上に配置されていない比較例としての電磁波検出器とを比較したときに、本実施の形態に係る電磁波検出器の領域1bは、上記比較例において形成され得る領域1bよりも、広い。これにより、本実施の形態に係る電磁波検出器において奏される光ゲート効果は、上記比較例において奏される光ゲート効果と比べて、高められている。その結果、本実施の形態に係る電磁波検出器は上記比較例の電磁波検出器と比べて、検出感度が高い。
異なる観点から言えば、本実施の形態に係る電磁波検出器において特定の検出感度を実現するために必要とされる領域1bの上記占有面積は、上記比較例の電磁波検出器において当該特定の検出感度を実現するために必要とされる領域1bの上記占有面積よりも小さくなる。したがって、本実施の形態に係る電磁波検出器では、上記比較例の電磁波検出器と比べて、省面積化できる。その結果、本実施の形態に係る電磁波検出器は、電磁波検出器が高密度に配置される画像センサに好適である。
特に、本実施の形態に係る電磁波検出器は、領域1bのうち領域1cと領域1aとの間を接続している部分が十分に長くなるように、設けられている。具体的には、領域1bは、少なくとも段差部40上において底部41aと頂部43との間を接続する一方の側部42の全体上に配置されている。そのため、本実施の形態に係る電磁波検出器において領域1bのうち領域1cと領域1aとの間を接続している部分の長さは、領域1cが底部41aと頂部43との間を接続する一方の側部42上に配置されている電磁波検出器のそれと比べて、長くなる。その結果、本実施の形態に係る電磁波検出器では、上記電磁波検出器と比べて、電磁波入射時に開口部3aにおいて半導体層4から二次元材料層1に注入された光キャリアが、光ゲート効果に伴う二次元材料層1の電界変化の影響を受ける領域が広くなるため、光電流変化の程度が大きくなり、より高感度の電磁波検出が可能となる。
なお、開口部3aから第1電極部2a間の光キャリア経路外の二次元材料層1においても、絶縁膜3を介して電磁波が入射する半導体層4上に設置されている領域があれば、上記光ゲート効果に伴う電界変化の影響を受け、間接的に光キャリアの変調に寄与することから、電磁波検出器の高感度化に有意である。
また、二次元材料層1と半導体層4が開口部3aにおいて電気的に接続していることから、電圧Vを調整することで電流Iをゼロにすることができる。つまり、光非照射時には電流Iがゼロとなり、光照射時には二次元材料層1に注入された光キャリアに由来する電流のみが上述の光ゲート効果によって変化した後電流Iとして検出される。したがって、本実施の形態に係る電磁波検出器ではOFF動作が可能となる。
二次元材料層1が、たとえば単層グラフェンである場合、二次元材料層1の厚みは原子層1層分と究極的に薄い。また、単層グラフェンにおけるキャリア移動度は従来半導体材料と比較して大きい。そのため、二次元材料層1では、従来の半導体材料と比較して、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、半導体層4における電界変化によって二次元材料層1へ印加される電位変化に起因する電流変化量は、通常の半導体における電流変化量より大きくなる。具体的には、二次元材料層1における電子の移動度及び厚さなどから算出すると、二次元材料層1での上記電流変化量は、通常の半導体における電流変化量の数百倍~数千倍程度となる。このため、本実施の形態に係る電磁波検出器では、半導体層4で生じる光キャリアのみを検出する電磁波検出器と比べて、より高感度の電磁波検出が可能となる。
本実施の形態に係る電磁波検出器では、光照射に伴い半導体層4で発生する光電流に加えて、二次元材料層1の光電変換効率に起因する光電流も生じる。そのため、本実施の形態に係る電磁波検出器では、電磁波の入射により、上述した半導体層4で生じた電流と、光ゲート効果に伴う電流とに加え、二次元材料層1本来の光電変換効率に起因する光電流も検出できる。
以上のように、本実施の形態である電磁波検出器は、従来の電磁波検出器および上述した比較例の電磁波検出器と比べて検出感度が高く、かつOFF動作が可能である。さらに、本実施の形態である電磁波検出器では、従来の電磁波検出器および上述した比較例の電磁波検出器と比べて、省面積化が図られる。
<変形例>
図4、図5、および図6に示される各電磁波検出器は、基本的には図2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、段差部40と絶縁膜3の開口部3aとの相対的な位置関係が図2に示される電磁波検出器と異なっている。
図4、図5、および図6に示される各電磁波検出器は、基本的には図2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、段差部40と絶縁膜3の開口部3aとの相対的な位置関係が図2に示される電磁波検出器と異なっている。
(第1変形例)
図4に示される第1変形例に係る電磁波検出器では、段差部40は、頂部43の数が底部41の数よりも多く、かつ底部41の全面積が頂部43の全面積よりも小さい凹部形状を有している。1つの段差部40は、1つの底部41、2つの頂部43、および2つの側部42を有する。底部41は、半導体層4の厚さ方向において、2つの頂部43に対して凹んでいる。2つの側部42の各々は、底部41と頂部43との間に配置されている。
図4に示される第1変形例に係る電磁波検出器では、段差部40は、頂部43の数が底部41の数よりも多く、かつ底部41の全面積が頂部43の全面積よりも小さい凹部形状を有している。1つの段差部40は、1つの底部41、2つの頂部43、および2つの側部42を有する。底部41は、半導体層4の厚さ方向において、2つの頂部43に対して凹んでいる。2つの側部42の各々は、底部41と頂部43との間に配置されている。
絶縁膜3は、例えば段差部40の2つの頂部43および2つの側部42の全体上、ならびに底部41の一部上に配置されている。開口部3aは、例えば底部41の一部を露出している。開口部3aは、例えば上記短手方向において底部41の中央部を露出している。開口部3aと底部41の上記短手方向の一端との間の距離は、開口部3aと底部41の上記短手方向の他端との間の距離と等しい。開口部3aと底部41の上記短手方向の一端との間の距離、および開口部3aと底部41の上記短手方向の他端との間の距離は、例えば上記長手方向において一定である。開口部3aは、例えば上記長手方向において底部41の一端から他端まで延びている。開口部3aは、例えば長手方向と短手方向とを有している。開口部3aの長手方向は、例えば底部41の上記長手方向と沿っている。開口部3aの短手方向は、底部41の上記短手方向に沿っている。
第1電極部2aは、2つの頂部43のうち、上記短手方向における一方の頂部43a上に配置されている。二次元材料層1は、例えば一方の頂部43aの一部、一方の側部42、底部41、他方の側部42,および他方の頂部43bの一部上に配置されている。図4に示される二次元材料層1において、半導体層4と電気的に接続されている領域1cは、底部41上に配置されている。
図4に示される領域1cと第2電極部2bとの間の距離は、図2に示されるそれと比べて短い。そのため、図4に示される電磁波検出器では、図2に示される電磁波検出器と比べて、第2電極部2bにて反射または散乱した電磁波によって半導体層4にて生じた光キャリアのうち、二次元材料層1の領域1cに注入されずに失活する光キャリアが少なくなり、光電流が増大する。
(第2変形例)
図5に示される第2変形例に係る電磁波検出器では、絶縁膜3の開口部3aおよび二次元材料層1の領域1cが底部41b上に配置されている。そのため、二次元材料層1の領域1bのうち領域1aと領域1cとを接続する部分が、少なくとも2つの側部の全体および1つの頂部の全体上に配置されている。そのため、図4に示される領域1bのうち領域1cと領域1aとの間を接続している部分の長さは、図2に示されるそれと比べて長い。
図5に示される第2変形例に係る電磁波検出器では、絶縁膜3の開口部3aおよび二次元材料層1の領域1cが底部41b上に配置されている。そのため、二次元材料層1の領域1bのうち領域1aと領域1cとを接続する部分が、少なくとも2つの側部の全体および1つの頂部の全体上に配置されている。そのため、図4に示される領域1bのうち領域1cと領域1aとの間を接続している部分の長さは、図2に示されるそれと比べて長い。
図5に示される電磁波検出器では、図2に示される電磁波検出器と比べて、電磁波照射時に半導体層4から二次元材料層1に注入された光キャリアが光ゲート効果によって変調される領域が増加して光ゲート効果の寄与が大きくなるため、検出感度が高い。
(第3変形例)
図6に示される第3変形例に係る電磁波検出器では、絶縁膜3の開口部3aおよび二次元材料層1の領域1cが2つの側部42のうち第1電極部2aに面していない一方の側部42上に配置されている。そのため、二次元材料層1の領域1bのうち領域1aと領域1cとを接続する部分が、少なくとも1つの側部の全体および1つの頂部の全体上に配置されている。そのため、図6に示される領域1bのうち領域1cと領域1aとの間を接続している部分の長さは、図2に示されるそれと比べて長い。
図6に示される第3変形例に係る電磁波検出器では、絶縁膜3の開口部3aおよび二次元材料層1の領域1cが2つの側部42のうち第1電極部2aに面していない一方の側部42上に配置されている。そのため、二次元材料層1の領域1bのうち領域1aと領域1cとを接続する部分が、少なくとも1つの側部の全体および1つの頂部の全体上に配置されている。そのため、図6に示される領域1bのうち領域1cと領域1aとの間を接続している部分の長さは、図2に示されるそれと比べて長い。
なお、図5に示されるように、絶縁膜3の開口部3aが底部41上に配置されている場合には、開口部3aを正確かつ容易に形成する観点から、底部41は裏面部44と平行に設けられているのが好ましい。これに対し、第3変形例に係る電磁波検出器では、一方の側部42と他方の側部42とが平行に設けられていれば、底部41が裏面部44と平行に設けられていなくても、開口部3aを正確かつ容易に形成できる。その結果、第3変形例に係る電磁波検出器では、第2変形例に係る電磁波検出器と比べて、平面視したときの面積(画素面積)を小さくすることができる。この結果、複数の電磁波検出器を並べて電磁波検出器集合体としたときに、各電磁波検出器を高密度に配置することができる。
(第4変形例)
図7に示される第4変形例に係る電磁波検出器は、基本的には図2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、1つの段差部40に対して複数の開口部3aおよび領域1cが設けられている点で、図2に示される電磁波検出器と異なっている。
図7に示される第4変形例に係る電磁波検出器は、基本的には図2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、1つの段差部40に対して複数の開口部3aおよび領域1cが設けられている点で、図2に示される電磁波検出器と異なっている。
第4変形例に係る電磁波検出器では、図2に示される電磁波検出器と比べて、二次元材料層1と半導体層4の接合面4aaの面積が大きい。上述のように、二次元材料層1を構成する材料は半導体層4を構成する材料とは異なるため、それらの仕事関数も異なる。これにより、二次元材料層1において半導体層4と接触している領域1cにはキャリアがドーピングされるが、領域1cへのドーピング量は二次元材料層1と半導体層4との接触領域の数および大きさに大きく影響される。そして、電磁波が入射したときに半導体層4で生じた光キャリアを二次元材料層1への取り出し効率は、領域1cへの上記ドーピング量に大きく影響される。
第4変形例に係る電磁波検出器では、開口部3aの数および各開口面積によって、二次元材料層1と半導体層4との接触領域の数および大きさを調節できる。この結果、第4変形例に係る電磁波検出器では、図2に示される電磁波検出器と比べて、電磁波が入射したときに半導体層4で生じた光キャリアの二次元材料層1への取り出し効率が高められる。また、第4変形例に係る電磁波検出器では、二次元材料層1において光キャリアを伝送する複数の経路が形成されることになるため、製造時または使用時においていずれかの経路にて欠陥または異常が生じた場合にも、歩留まりの低下または故障の発生が抑制されている。
(第5変形例)
図8,9,10に示される第5変形例に係る電磁波検出器は、基本的には図2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、複数の段差部40が形成されている点で、図2に示される電磁波検出器とは異なる。なお、図9,10においては複数の段差部40の形状および配列を説明するために、半導体層4のみを図示している。
図8,9,10に示される第5変形例に係る電磁波検出器は、基本的には図2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、複数の段差部40が形成されている点で、図2に示される電磁波検出器とは異なる。なお、図9,10においては複数の段差部40の形状および配列を説明するために、半導体層4のみを図示している。
複数の段差部40は、複数の底部41、複数の側部42、および複数の頂部43を有している。絶縁膜3の開口部3aと第1電極部2aとの間には、例えば2以上の段差部40が配置されている。図5に示されるように、絶縁膜3の開口部3aは、例えば第1電極部2aから最も離れた段差部40上に配置される。絶縁膜3の開口部3aは、例えば第1電極部2aから最も離れた段差部40の頂部43上に配置される。
このようにすれば、第1電極部2aに接続された領域1aと開口部3a内にて半導体層4に接続された領域1cとの間を延展する領域1bの長さは、図2および図4~図6に示される各領域1bの長さと比べて長くなる。
その結果、図5に示される電磁波検出器では、図2および図4~図6に示される電磁波検出器と比べて、電磁波照射時に半導体層4から二次元材料層1に注入された光キャリアが光ゲート効果によって変調される領域が増加して光ゲート効果の寄与が大きくなるため、検出感度が高い。
また、図9,10に示されるように、半導体層4において複数の段差部を格子状パターンに形成することによって、半導体層4に入射した電磁波間での回折・干渉が誘発される。格子状パターンの一例では、図9に示されるように、平面形状が同一または互いに異なるように設けられた複数の段差部40が、互いに直交する2つの方向に等間隔に配置されている。格子状パターンの他の一例では、図10に示されるように、平面形状が同一または互いに異なるように設けられた各段差部40が、1つの方向に延在しており、かつ当該1つの方向と直交する他の方向に等間隔に配置されている。
これにより、特定の波長の電磁波のみが、半導体層4を透過しまたは半導体層4に吸収される。さらに、特定波長の電磁波のみが回折の作用を受ける中で強め合い、半導体層4表面上を伝搬する。そのため、第5変形例に係る電磁波検出器では、複数の段差部40の形状および配列によって、電磁波検出器の検出感度が制御され得る。
さらに、半導体層4の段差部40において開口部3a下に位置する領域以外の他の領域に入射した電磁波の一部は、開口部3a下に位置する領域まで伝搬され光キャリアを生成し得る。そのため、複数の段差部40が図9,10に示される格子状パターンとして形成されている場合には、複数の段差部40が図9,10に示される格子状パターンとして形成されていない場合と比べて、半導体層4から二次元材料層1に注入される光キャリア量が増加し、電磁波光検出器の感度が向上する。
さらに、二次元材料層1の領域1bが、回折した電磁波が伝搬する段差部40の表面上に絶縁膜3を介して配置されている。そのため、当該領域1bが回折した電磁波を吸収することにより、光キャリアの生成量が増大する。また、当該領域1bに与えられる電界効果も高まる。その結果、複数の段差部40が図9,10に示される格子状パターンとして形成されている電磁波検出器の感度は、複数の段差部40が図9,10に示される格子状パターンとして形成されていない場合と比べて、高い。
なお、図8では、絶縁膜3に1つの開口部3aのみが形成されており、該開口部3aが複数の段差部40のうち1つの頂部43上に配置されているが、これに限られるものではない。絶縁膜3には複数の開口部3aが形成されていてもよく、各開口部3aは互いに異なる段差部40上に配置されていてもよい。さらに、各開口部3aは、各段差部40の頂部43、底部41、および側部42の少なくともいずれかに配置されていればよい。
(第6変形例、第7変形例、第8変形例、第9変形例)
図11,12,13,14に示される電磁波検出器は、基本的には図1および2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、二次元材料層1のうち開口部3aの内部において半導体層4と接触している領域1cの平面形状が図1に示される電磁波検出器における領域1cの平面形状とは異なっている。
図11,12,13,14に示される電磁波検出器は、基本的には図1および2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、二次元材料層1のうち開口部3aの内部において半導体層4と接触している領域1cの平面形状が図1に示される電磁波検出器における領域1cの平面形状とは異なっている。
図11~14に示される領域1cと頂部43との接触領域の面積は、図1および2に示される領域1cと頂部43との接触領域の面積よりも小さい。図11~図14に示される電磁波検出器では、領域1cと頂部43との接触領域の面積は、平面視における領域1a(電極接続領域)および領域1bの占有面積の和よりも小さい。
図11~14に示される各領域1cは、図1に示される領域1cから、少なくとも頂部43の上記長手方向、言い換えると二次元材料層1の領域1a(電極接続領域)、領域1b、および領域1cが並んで配列している方向と交差する方向、において間隔を隔てた複数の領域が除去されたものに対応する。図11~図13では、当該複数の領域の各平面形状が矩形状である。図14では、当該複数の領域の各平面形状が三角形状である。
図11~14に示される各領域1cの各平面形状は、頂部43の短手方向の中心を通って長手方向に沿って延びる直線に対して対称である。図11~14に示される領域1cの各平面形状は、頂部43の長手方向の中心を通って短手方向に沿って延びる直線に対して対称である。
図11に示される領域1cの平面形状は、リボン形状である。図11に示される二次元材料層1では、頂部43の上記長手方向における領域1cの幅が、当該長手方向における領域1aおよび領域1bの幅よりも狭い。
図12に示される領域1cの平面形状は、櫛型形状(梯子型形状)である。図12に示される二次元材料層1では、頂部43の上記長手方向における領域1cの幅の総和が、当該長手方向における領域1aおよび領域1bの幅よりも狭い。図12に示される二次元材料層1では、頂部43を露出させる複数の開口部が形成されており、複数の開口部は頂部43の長手方向に並んで配置されている。
図13に示される領域1cの平面形状は、格子形状である。図13に示される二次元材料層1では、頂部43を露出させる複数の開口部が形成されており、複数の開口部は頂部43の長手方向および短手方向の各々に並んで配置されている。図13に示される二次元材料層1では、頂部43の上記長手方向における領域1cの幅の総和の最小値が、当該長手方向における領域1aおよび領域1bの最小幅よりも狭い。
図14に示される二次元材料層1では、頂部43の上記長手方向における領域1cの幅は、頂部43の短手方向において領域1bから離れるにつれて徐々に狭くなり、上記短手方向の中心で最も狭い。言い換えると、二次元材料層1の各領域1a,1b,1cの上記配列方向と交差する方向における領域1cの幅は、上記配列方向において領域1aおよび領域1bから離れるにつれて徐々に狭くなっている。二次元材料層1の各領域1a,1b,1cの上記配列方向と交差する方向における領域1cの幅は、例えば上記配列方向における領域1cの中心で最も狭い。
図11~14では、頂部43の長手方向における領域1cの幅に応じて、二次元材料層1と半導体層4との接触領域の面積が調整される。そのため、図11~14に示される電磁波検出器では、二次元材料層1と半導体層4との接触抵抗、ひいては電磁波検出器の抵抗、が調整され得る。図11~14に示される電磁波検出器では、図1および2に示される電磁波検出器と比べて、電磁波検出器の特性のばらつきが低減され、また暗電流が低減され得る。
また、図12~14に示される領域1cの端面の面積の総和は、図1および2に示される領域1cの端面の面積の総和と比べて、大きい。領域1cの端面は、二次元材料層1の厚さ方向、言い換えると二次元材料層1において原子が二次元的に配列されてなるシートと直交する方向、に沿って延びる面である。言い換えると、図12~14の各領域1cにおける二次元結晶構造の端面領域は、図1および2の領域1cにおける二次元結晶構造の端面領域よりも増えている。そのため、図12~14の各二次元材料層1では、図1および2に示される二次元材料層1と比べて、二次元結晶構造の未接合手(ダングリングボンド)の割合が増加する。その結果、電磁波照射によって半導体層4に生じたキャリアが二次元材料層1を経て第1電極部2aに輸送される際に、図12~14の各二次元材料層1では、図1および2の二次元材料層1と比べて、キャリア密度の変化の割合が大きくなり、キャリアの移動度が増加し、電流Iの変化量が多くなる。その結果、図12~14に示される各電磁波検出器の感度は、図1および2に示される電磁波検出器の感度と比べて、高い。
また、上述した本実施の形態の各変形例において、二次元材料層1の領域1cはグラフェンナノリボンであってもよい。グラフェンナノリボンは、その幅に応じて変化するバンドギャップを有する。そのため、グラフェンナノリボンで構成された領域1cの上記長手方向の幅に応じて、領域1cにおいて光電変換され得る電磁波の波長域を調整でき、例えば他の領域1a,1bにおいて光電変換され得る電磁波の波長域よりも狭くすることができる。この場合、領域1cでの光電変換により生じた光キャリアは、他の領域1a,1bでの光電変換により生じた光キャリアとは切り分けて検出され得る。また、領域1cでの光電変換により生じた光キャリアを検出することで、電磁波検出器の感度が向上する。また、このような電磁波検出器では、グラフェンナノリボンで構成された領域1cと半導体層4とがショットキー接合するため、暗電流が低減され、かつショットキー接合部において吸収された電磁波により生成された光キャリアを検出することで感度が向上する。
なお、図11~図14に示される領域1cは段差部40の頂部43上に配置されているが、これに限られるものではない。例えば図4および図5に示される領域1cの平面形状が、図11~図14のいずれかに示される領域1cと同様に形成されていてもよい。
(第10変形例、第11変形例、第12変形例)
図15,16,17に示される電磁波検出器は、基本的には図2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、頂部43の上記長手方向に垂直な断面上での段差部40の形状がテーパ形状である点で、図2に示される電磁波検出器とは異なる。
図15,16,17に示される電磁波検出器は、基本的には図2に示される電磁波検出器と同様の構成を備えるが、頂部43の上記長手方向に垂直な断面上での段差部40の形状がテーパ形状である点で、図2に示される電磁波検出器とは異なる。
底部41側での2つの側部42間の間隔が、頂部43側での2つの側部42間の間隔と異なっている。図15に示される第10変形例では、2つの側部42間の間隔が、底部41から頂部43に向かうにつれて徐々に広がっている。図16に示される第11変形例では、2つの側部42間の間隔が、底部41から頂部43に向かうにつれて徐々に狭くなっている。図17に示される第12変形例では、2つの側部42間の間隔が、底部41から頂部43に向かうにつれて徐々に狭くなっており、かつ頂部43が面を成しておらず線状に設けられている。
これらの場合、図2に示されるように頂部43の上記長手方向に垂直な断面上での段差部40の形状が矩形状である場合と比べて、開口部3aと第1電極部2aとの間を延展する二次元材料層1の領域1bを広く設けることができる。この結果、第10変形例、第11変形例、および第12変形例に係る各電磁波検出器では、図2に示される電磁波検出器と比べて、光ゲート効果の寄与が大きくなり、検出感度が高められる。
(その他の変形例)
また、実施の形態1に係る電磁波検出器は、二次元材料層を覆うように配置された図示しない絶縁保護膜をさらに備えていてもよい。絶縁保護膜は、絶縁膜3上において二次元材料層1、半導体層4、第1電極部2aの周りを覆うように設けられてもよい。絶縁保護膜を構成する材料は、電気的絶縁性を有する任意の材料であればよいが、例えばSiO2、Si3N4、HfO2、Al2O3、およびBNから成る群から選択される少なくとも1つを含む。
また、実施の形態1に係る電磁波検出器は、二次元材料層を覆うように配置された図示しない絶縁保護膜をさらに備えていてもよい。絶縁保護膜は、絶縁膜3上において二次元材料層1、半導体層4、第1電極部2aの周りを覆うように設けられてもよい。絶縁保護膜を構成する材料は、電気的絶縁性を有する任意の材料であればよいが、例えばSiO2、Si3N4、HfO2、Al2O3、およびBNから成る群から選択される少なくとも1つを含む。
また、本実施の形態に係る電磁波検出器は、本実施の形態に係る電磁波検出器と同様の構造を有し検出対象となる電磁波から遮蔽された電磁波検出器(図示せず)と併用されて、2つの電磁波検出器の間での出力の差分を検出してもよい。このように差分を検出することにより、環境温度に依存した特性の変化などの影響を抑制できるため、高精度な検出が可能となる。
また、本実施の形態に係る電磁波検出器は、グラフェンを用いた出力増幅回路(図示せず)と一体として構成されていてもよい。すなわち、本実施の形態に係る電磁波検出器の半導体層4上に、グラフェンを用いた出力増幅回路がさらに設けられていてもよい。グラフェンを用いた出力増幅回路では、シリコン系の半導体材料を用いた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、読み出し回路など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。
なお、上述した第1~第12変形例は、以下に説明する他の実施の形態にも適用することができる。
実施の形態2.
図18は、実施の形態2に係る電磁波検出器の断面模式図である。図19は実施の形態2に係る電磁波検出器の平面内部図である。図18,図19に示されるように、実施の形態2に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、半導体層4が電流遮断構造を含む点で、実施の形態1に係る電磁波検出器とは異なる。なお、図19においては電流遮断機構の位置を説明するために、絶縁膜3の開口部3a、半導体層4、および電流遮断構造5のみ図示している。
図18は、実施の形態2に係る電磁波検出器の断面模式図である。図19は実施の形態2に係る電磁波検出器の平面内部図である。図18,図19に示されるように、実施の形態2に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、半導体層4が電流遮断構造を含む点で、実施の形態1に係る電磁波検出器とは異なる。なお、図19においては電流遮断機構の位置を説明するために、絶縁膜3の開口部3a、半導体層4、および電流遮断構造5のみ図示している。
電流遮断構造5は、電流を遮断することが可能な部分である。具体的には、電流遮断構造5は、半導体層4において、領域1bと絶縁膜3を介して対向している領域から、領域1cと接続されている領域との間のキャリアの移動を遮断するための部分である。
図18に示されるように、電流遮断構造5は、半導体層4において絶縁膜3と対向する領域に配置されている。図19に示されるように、平面視において、電流遮断構造5は、開口部3aの開口端を囲むように配置されている。領域1cおよび開口部3aが段差部40の頂部43上に配置されている場合、電流遮断構造5は頂部43に配置されている。電流遮断構造5は、頂部43において半導体層4から露出して絶縁膜3に接続されている一端と、半導体層4内に埋め込まれている他端とを有している。電流遮断構造5の上記一端と上記他端との間の距離(深さ)、および当該距離と交差する方向の幅は、キャリアの拡散を防げる限りにおいて特に制限されない。
電流遮断構造5の具体的な構造は、電流を遮断する構造である限りにおいて、特に制限されない。電流遮断構造5は、例えば半導体層4に形成されたトレンチであってもよい。当該トレンチの内部は中空であってもよいし、絶縁体で満たされていてもよい。また、電流遮断構造5は、半導体層4よりも高濃度の不純物がドーピングされた領域であって、半導体層4より導電率が高められた領域であってもよい。また、電流遮断構造5は、トレンチの内部に金属材料が埋め込まれることによって形成された、半導体層4より導電率が高められた領域であってもよい。
実施の形態2に係る電磁波検出器では、電流遮断構造5により、半導体層4で発生した光キャリアが、二次元材料層1の領域1cに注入されるキャリアと、絶縁膜3を介して二次元材料層1の領域1bに電界変化を与える光ゲート効果に寄与するキャリアとに分離される。例えば、絶縁膜3における開口部3aの幅が半導体層4を構成する半導体材料での光キャリアの拡散長よりも狭く、かつ電流遮断構造5が設けられていない場合、絶縁膜3下における光キャリアは光ゲート効果に寄与するとともに、二次元材料層1へ注入される。この場合、上述した光ゲート効果による電流変化の増幅が、光キャリアの発生に対して遅延して引き起こされる。これに対し、実施の形態2に係る電磁波検出器では、電流遮断構造5により、光ゲート効果に寄与するキャリアと二次元材料層1に注入されるキャリアとが分離される。この結果、上記遅延が解消され、電磁波検出器の応答速度が向上する。また、実施の形態2に係る電磁波検出器を複数並べて電磁波検出器集合体としたときには、それぞれの画素が分離される。
(変形例)
図20に示される電磁波検出器は、図18および図19に示される実施の形態2に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備えるが、電流遮断構造5が半導体層4を貫いて第2電極部2bに達するように形成されている点で、それとは異なる。
図20に示される電磁波検出器は、図18および図19に示される実施の形態2に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備えるが、電流遮断構造5が半導体層4を貫いて第2電極部2bに達するように形成されている点で、それとは異なる。
なお、実施の形態2に係る電磁波検出器およびその変形例の各構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
実施の形態3.
図21は、実施の形態3に係る電磁波検出器の断面模式図である。図21に示されるように、実施の形態3に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、絶縁膜3の開口部3a内部において、二次元材料層1と半導体層4との間にバッファ層6が配置されている点で、実施の形態1に係る電磁波検出器とは異なる。
図21は、実施の形態3に係る電磁波検出器の断面模式図である。図21に示されるように、実施の形態3に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、絶縁膜3の開口部3a内部において、二次元材料層1と半導体層4との間にバッファ層6が配置されている点で、実施の形態1に係る電磁波検出器とは異なる。
バッファ層6は、二次元材料層1の領域1cと半導体層4とを電気的に接続している。具体的には、バッファ層6は、二次元材料層1の領域1cと半導体層4との間にトンネルを生じさせて、二次元材料層1の領域1cと半導体層4とが当該トンネル電流によって電気的に接続されるように、設けられている。バッファ層6を構成する材料は、電気的絶縁性を有する任意の材料であればよいが、例えばSiO2、Si3N4、HfO2、Al2O3、およびBNから成る群から選択される少なくとも1つを含む。バッファ層6の厚さは、電磁波が入射したときに、二次元材料層1と半導体層4との間にトンネル電流が生じ得るように設定される。
バッファ層6の厚さは、例えば厚さが1nm以上10nm以下である。バッファ層6の作製方法は、任意の方法とされ得るが、例えばALD(Atomic Layer Deposition)法、真空蒸着法、およびスパッタ法などから選択され得る。あるいは、バッファ層6は、半導体層4の表面を酸化または窒化することにより形成されてもよい。あるいは、バッファ層6は、半導体層4の表面に形成される自然酸化膜であってもよい。
実施の形態3に係る電磁波検出器は、バッファ層6をさらに備える。バッファ層6は、開口部3aの内部において、二次元材料層1と半導体層4との間に配置される。バッファ層6は、二次元材料層1と半導体層4との間にトンネル電流を形成することが可能な厚さを有する。この場合、バッファ層6の膜厚を半導体層4から二次元材料層1へトンネル注入が生じる程度の厚さとすることで、注入効率が改善させることにより二次元材料層1に大きな光電流が注入され、電磁波検出器の感度を向上させることができる。また、バッファ層6により半導体層4と二次元材料層1との接合界面での漏れ電流を抑制することで、暗電流を低減することができる。
(変形例)
図22に示される電磁波検出器は、図21に示される実施の形態3に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備えるが、絶縁膜3の表面上に第1電極部2aとは別の第3電極部2cをさらに備えている点で、それとは異なる。
図22に示される電磁波検出器は、図21に示される実施の形態3に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備えるが、絶縁膜3の表面上に第1電極部2aとは別の第3電極部2cをさらに備えている点で、それとは異なる。
第3電極部2cは、開口部3aから見て第1電極部2aが位置する領域と反対側の領域に配置されることが好ましい。二次元材料層1は電極部2cとも接続されている。第1電極部2aと第3電極部2cとの間には、例えばソース・ドレイン電圧Vdが印加される。このようにすれば、二次元材料層1から取り出す光電流を増大させることができる。
なお、実施の形態3に係る電磁波検出器およびその変形例の各構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
実施の形態4.
図23は、実施の形態4に係る電磁波検出器の断面模式図である。図23に示されるように、実施の形態4に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、絶縁膜3の開口部3a内部に接続導電体2dが形成されている点で、実施の形態1に係る電磁波検出器と異なっている。
図23は、実施の形態4に係る電磁波検出器の断面模式図である。図23に示されるように、実施の形態4に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、絶縁膜3の開口部3a内部に接続導電体2dが形成されている点で、実施の形態1に係る電磁波検出器と異なっている。
接続導電体2dは、半導体層4と二次元材料層1の領域1cとを電気的に接続する。接続導電体2dの上面上には二次元材料層1の領域1cが重なるように配置されている。接続導電体2dの裏面は半導体層4の表面と電気的に接続されている。二次元材料層1と接続導電体2dの上面とは電気的に接続されている。異なる観点から言えば、二次元材料層1の領域1cは、半導体層4と、接続導電体2dを経由して電気的に接続されている。接続導電体2dの上面の位置は絶縁膜3の上面の位置と実質的に同じである。二次元材料層1は絶縁膜3の上面から接続導電体2dの上面上にまで、屈曲することなく平面状に延びている。
接続導電体2dは半導体層4とオーミック接合していることが望ましい。また、接続導電体2dは電磁波検出器が検出する電磁波の波長において高い透過率を示すことが望ましい。好ましくは、接続導電体2dを構成する材料は、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層1に電位の変化を与える材料であり、例えば、量子ドット、強誘電体材料、液晶材料、フラーレン、希土類酸化物、半導体材料、pn接合材料、金属-半導体接合材料、および、金属-絶縁物-半導体接合材料からなる群から選択される少なくとも1つを含む。例えば、接続導電体2dを構成する材料が電磁波による分極効果(焦電効果)を有する強誘電体材料であれば、電磁波の照射により、強誘電体に分極の変化が生じ、二次元材料層1に電位の変化を与えることができる。
上記電磁波検出器は、接続導電体2dを備える。接続導電体2dは、開口部3aの内部において、半導体層4と二次元材料層1とを電気的に接続する。接続導電体2dは半導体層4とオーミック接合となっていることが望ましい。また、接続導電体2dは電磁波の検出波長において高い透過率を示すことが望ましい。
実施の形態4に係る電磁波検出器では、二次元材料層1と半導体層4との間に接続導電体2dが設けられることにより、実施の形態1に係る電磁波検出器と比べて、二次元材料層1と半導体層4との間のコンタクト抵抗を低減でき、また二次元材料層1と半導体層4との接合がショットキー接合である場合に問題となる光電流の減衰を抑制できる。
また、実施の形態4に係る電磁波検出器では、接続導電体2dの厚みと絶縁膜3の厚みとが実質的に同じである、つまり接続導電体2dの上面の位置が絶縁膜3の上面の位置と実質的に同じであるのが好ましい。この場合、二次元材料層1が折れ曲がることなく水平に形成されるため、二次元材料層1でのキャリアの移動度が向上する。光ゲート効果は移動度に比例するため、電磁波検出器の検出感度が向上する。
なお、実施の形態4に係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5.
図24は、実施の形態5に係る電磁波検出器の平面模式図である。図25は、図24の線分XXV-XXVにおける断面模式図である。
図24は、実施の形態5に係る電磁波検出器の平面模式図である。図25は、図24の線分XXV-XXVにおける断面模式図である。
図24,図25に示されるように、実施の形態5に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、半導体層4が第1導電型を有する第1半導体部分4aと第2導電型を有する第2半導体部分4bとを含み、かつ両者が開口部3aの内部において接合している点で、実施の形態1に係る電磁波検出器と異なる。
第1半導体部分4aおよび第2半導体部分4bは、開口部3aの上記短手方向に沿って並んで配置されている。第1半導体部分4aは、第2半導体部分4bと逆のキャリアでドーピングされている。すなわち、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとは、pn接合している。第1半導体部分4a、第2半導体部分4b、および第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとのpn接合界面4abは、開口部3aの内部において露出している。接合界面4abは、開口部3aの上記長手方向に沿って延びている。接合界面4abは、絶縁膜3の開口部3aの下に延びている。絶縁膜3の開口部3aは、例えば頂部43上に配置されている。
第1半導体部分4aおよび第2半導体部分4bを構成する材料は、例えば同じ半導体材料である。なお、第1半導体部分4aおよび第2半導体部分4bを構成する材料は、異なる半導体材料であってもよい。その場合、それぞれの半導体材料が吸収できる電磁波の波長帯域で電磁波検出器を駆動できることから、検出可能な電磁波の波長域を拡大、選択することができる。
半導体層4は、例えば、第1半導体部分4aおよび第2半導体部分4bよりも下方に、他の半導体部分4cをさらに含んでいる。他の半導体部分4cは、第1導電型または第2導電型を有していてもよいし、いずれの導電型も有していなくてもよい。他の半導体部分4c上には、他の電極部2cが配置されていてもよい。
段差部40は、少なくとも第1半導体部分4aおよび第2半導体部分4bを含んでいる。段差部40は、例えば第1半導体部分4a、第2半導体部分4b、および他の半導体部分4cにより構成されている。一方の底部41a、他方の底部41b、一方の側部42の下方部分、および他方の側部42の下方部分は、例えば他の半導体部分4cにより構成されている。一方の側部42の上方部分、および頂部43のうち一方の側部42側に位置する部分は、第1半導体部分4aにより構成されている。他方の側部42の上方部分、および頂部43のうち他方の側部42側に位置する部分は、第2半導体部分4bにより構成されている。
第2電極部2bは、底部41b上に配置されている。二次元材料層1の領域1cは、開口部3aの内部において、第1半導体部分4aを電気的に接続されている部分および第2半導体部分4bと電気的に接続されている部分を含む。二次元材料層1の領域1cと第1半導体部分4aとが接合されている接合部4ac、および領域1cと第2半導体部分4bとが接合されている接合部4bcは、開口部3aの内部に配置されている。
二次元材料層1は、上記領域1a、領域1bおよび領域1cに加えて、領域1bの上記他の部分に接続されており、かつ他方の底部41b上に配置されている領域1dをさらに含む。領域1dは、第2電極部2bと電気的に接続されている。
図25に示されるように、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとのpn接合界面4abは二次元材料層1と接触するように配置されている。そのため、光照射により第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとのpn接合界面4abで発生した光キャリアを二次元材料層1に容易に取り出すことができる。さらに、pn接合界面4ab上の二次元材料層1の導電率は、光キャリアにより生じたpn接合での局所電界変化の影響を受けて、変化する。この結果、電磁波検出器の検出感度が向上する。
また、図25に示すように、二次元材料層1は、第1電極部2aと第2電極部2bとの間をつなぐように配置されている。二次元材料層1は、第1電極部2aと第2電極部2bとの間の領域で、半導体層4と接続されている。この結果、第1電極部2aと第2電極部2bとの間に電圧を印加し、半導体層4で発生した光キャリアを二次元材料層1で読み出す事ができる。このとき、二次元材料層1において、第1半導体部分4aと接触している領域および第2半導体部分4bと接触している領域の各々は、各半導体部分によりドーピングされる。そのため、二次元材料層1内に電荷密度の勾配が形成される。この結果、二次元材料層1におけるキャリアの移動度が向上し、電磁波検出器の検出感度が向上する。
(変形例)
図26に示される電磁波検出器は、図24,図25に示される電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、第1半導体部分4aが第1電極部2aと直接接続されており、かつ第2半導体部分4bが第2電極部2bと直接接続されている点で、図24,図25に示される電磁波検出器と異なる。
図26に示される電磁波検出器は、図24,図25に示される電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、第1半導体部分4aが第1電極部2aと直接接続されており、かつ第2半導体部分4bが第2電極部2bと直接接続されている点で、図24,図25に示される電磁波検出器と異なる。
第1半導体部分4aは、開口部3a下から第1電極部2a下に位置する領域にまで延在している。第2半導体部分4bは、開口部3a下から第2電極部2b下に位置する領域にまで延在している。
段差部40は、第1半導体部分4aおよび第2半導体部分4bにより構成されている。段差部40は、他の半導体部分4cを含まない。一方の底部41a、一方の側部42、および頂部43のうち一方の側部42側に位置する部分は、第1半導体部分4aにより構成されている。他方の底部41a、他方の側部42、および頂部43のうち他方の側部42側に位置する部分は、第2半導体部分4bにより構成されている。
絶縁膜3においては、開口部3aを挟む位置であって第1電極部2aと第2電極部2bとのそれぞれの下に位置する領域に追加の開口部が形成されている。第1電極部2aは、当該追加の開口部の内部において、第1半導体部分4aと直接接続されている。第2電極部2bは、当該追加の開口部の内部において、第2半導体部分4bと直接接続されている。
これにより、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとの間に電圧Vを印加しながら二次元材料層1にも電圧を印加することが出来る。このとき、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとからなるフォトダイオードが逆バイアスを印加した飽和状態にあれば、二次元材料層1にのみ電流が流れる。これにより、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bで空乏層が発生し、二次元材料層1に大きな電圧変化を与えることができるため、結果的に大きな光電流(光キャリア)を取り出すことが出来る。さらに、二次元材料層1では第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとのpn接合界面である接合部4baで生じた局所電界変化の影響を受けて、二次元材料層1の導電率が変化する。この結果、電磁波検出器の検出感度が向上する。
また、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとからなるトンネルダイオードを用いる場合、光照射時にのみ大きな光電流が発生する。当該光電流が二次元材料層1へ注入される。さらに、光照射時のみに二次元材料層1において電界変化の影響による導電率の変化を発生させることができる。この結果、電磁波検出器の高感度化を図ることができる。
また、実施の形態5に係る電磁波検出器において、他の半導体部分4cおよび他の電極部2cは形成されていなくてもよい。
図27に示される電磁波検出器は、図24,図25に示される電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1の領域1cが接合部4acと接合部4bcとの間で分断されている点で、図24,図25に示される電磁波検出器と異なる。図28に示される電磁波検出器は、図26に示される電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1の領域1cが接合部4acと接合部4bcとの間で分断されている点で、図26に示される電磁波検出器と異なる。
言い換えると、図27,28に示される二次元材料層1の領域1cは、接合界面4ab上において分断されている。図27,28に示される二次元材料層1の領域1cは、第1半導体部分4aと接触している第1接続領域と、第2半導体部分4bと接触している第2接続領域とを有している。第1接続領域と第2接続領域とは、二次元材料層1を介さずに、pn接合界面4abのみを介して電気的に接続されている。
図27および図28に示される二次元材料層1は、第1半導体部分4aと電気的に接続されている第1接続領域を有する第1の二次元材料層1と、第2半導体部分4bと電気的に接続されている第2接続領域を有する第2の二次元材料層1とを含む。第1の二次元材料層1と第2の二次元材料層1とは、互いに独立した別部材として構成されている。第1の二次元材料層1と第2の二次元材料層1とは、接合界面4abを挟んで対向するように配置されている。第1の二次元材料層1と第2の二次元材料層1とは、接合界面4ab上において分断されている。
図27および28に示される電磁波検出器では、電流Iは、第2電極部2b、第2の二次元材料層1、接合部4bc、第2半導体部分4b、pn接合界面4ab、第1半導体部分4a、接合部4ac、第1の二次元材料層1、および第1電極部2aを順に流れる。接合部4acおよび接合部4bcは、二次元材料層1と第1半導体部分4aまたは第2半導体部分4bとがショットキー接合しているショットキー接合部である。
このような電磁波検出器では、接合部4acに逆バイアスが印加されるため、暗電流が低減される。
また、第1半導体部分4aを構成する材料が第2半導体部分4bを構成する材料と異なる場合、接合部4acのショットキー接合に印加される電圧値(逆バイアス)に対する障壁高さの変化の程度は、接合部4bcのショットキー接合に印加される当該電圧値(順バイアス)に対する障壁高さの変化の程度と異なる。接合部4acおよび接合部4bcがショットキー接合部である場合、障壁高さに応じて暗電流および光電流の振る舞いが変化する。そのため、図27および図28に示される電磁波検出器では、暗電流および光電流の各々の変化の割合が電圧値によって自由に調整され得るため、温度感度が向上され得る。
なお、実施の形態5に係る電磁波検出器および上記変形例の各構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
実施の形態6.
図29は、実施の形態6に係る電磁波検出器の平面模式図である。図30は、図29の線分XXX-XXXにおける断面模式図である。図29および図30に示されるように、実施の形態6に係る電磁波検出器は、実施の形態5に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、開口部3aから半導体層4を視て、第1半導体部分4aが第2半導体部分4bの少なくとも一部を挟むように配置されている点で、実施の形態5に係る電磁波検出器と異なる。
図29は、実施の形態6に係る電磁波検出器の平面模式図である。図30は、図29の線分XXX-XXXにおける断面模式図である。図29および図30に示されるように、実施の形態6に係る電磁波検出器は、実施の形態5に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、開口部3aから半導体層4を視て、第1半導体部分4aが第2半導体部分4bの少なくとも一部を挟むように配置されている点で、実施の形態5に係る電磁波検出器と異なる。
開口部3aから半導体層4を視て、第1半導体部分4aは、開口部3aの上記短手方向において第2半導体部分4bに対する一方の側に配置されている第1部分4a1と、開口部3aの上記短手方向において第2半導体部分4bに対する他方の側に配置されている第2部分4a2と有している。開口部3aの内部において、第2半導体部分4b、第1半導体部分4aの第1部分4a1、および第1半導体部分4aの第2部分4a2は、二次元材料層1に面するように配置されている。第1部分4a1および第2部分4a2の各々は、第2半導体部分4bと接合している。
第1半導体部分4aの第1部分4a1および第2部分4a2、第2半導体部分4b、ならびに、第1部分4a1と第2半導体部分4bとのpn接合界面4ab1および第2部分4a2と第2半導体部分4bとのpn接合界面4ab2は、開口部3aの内部において露出している。
二次元材料層1は、開口部3aの内部において、第1半導体部分4aの第1部分4a1および第2部分4a2、第2半導体部分4b、ならびに、pn接合界面4ab1およびpn接合界面4ab2と、接続されている。
実施の形態6に係る電磁波検出器では、実施の形態5に係る電磁波検出器と比べて、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとのpn接合界面を増やすことができる。さらに、上記pn接合界面と二次元材料層1との接触領域を増加させることで、光照射によりpn接合界面で生じる局所電界変化が二次元材料層1に与える影響を増大させることができる。さらに、上記pn接合界面と二次元材料層1との接触領域を増加させることで、光照射によりpn接合界面で生じる局所電界変化が二次元材料層1に与える影響を増大させることができる。
(変形例)
第2半導体部分4bは、複数設けられていてもよい。つまり開口部3aの内部において、第1半導体部分4a中に互いに間隔を隔てて複数の第2半導体部分4bを配置してもよい。この結果、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとのpn接合界面をさらに増やすことができる。さらに、上記pn接合界面と二次元材料層1との接触領域をさらに増加させることで、光照射によりpn接合界面で生じる局所電界変化が二次元材料層1に与える影響を増大させることができる。
第2半導体部分4bは、複数設けられていてもよい。つまり開口部3aの内部において、第1半導体部分4a中に互いに間隔を隔てて複数の第2半導体部分4bを配置してもよい。この結果、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとのpn接合界面をさらに増やすことができる。さらに、上記pn接合界面と二次元材料層1との接触領域をさらに増加させることで、光照射によりpn接合界面で生じる局所電界変化が二次元材料層1に与える影響を増大させることができる。
また、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとはpnpまたはnpnフォトトランジスタとすることができる。例えば、図31に示されるように、第1電極部2aを第1半導体部分4aと接触させてもよい。図31に示した電磁波検出器は、基本的には図29および図30に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、絶縁膜3、第1電極部2aおよび電極部2cの構成が図29および図30に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図31に示した電磁波検出器では、第1電極部2aと第1半導体部分4aとが接触している。さらに、電極部2cと第1半導体部分4aとも接触している。絶縁膜3においては、開口部3aを挟む位置であって第1電極部2aと電極部2cとのそれぞれの下に位置する領域に追加の開口部が形成されている。当該追加の開口部の内部に第1電極部2aと電極部2cとがそれぞれ延在する。当該追加の開口部の内部において、第1電極部2aおよび電極部2cが第1半導体部分4aと接続されている。
このような構成とすることで、光照射時にのみ第1半導体部分4aおよび第2半導体部分4bからなるトランジスタに電流が流れる。この結果、二次元材料層1に電界変化を生じさせることができ、電磁波検出器の高感度化を図ることができる。
実施の形態7.
図32は、実施の形態7に係る電磁波検出器の平面模式図である。図33は、図32の線分XXXIII-XXXIIIにおける断面模式図である。図32および図33に示されるように、実施の形態7に係る電磁波検出器は、実施の形態5に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、第2半導体部分4bが第1半導体部分4aに埋め込まれている点で、実施の形態5に係る電磁波検出器と異なる。
図32は、実施の形態7に係る電磁波検出器の平面模式図である。図33は、図32の線分XXXIII-XXXIIIにおける断面模式図である。図32および図33に示されるように、実施の形態7に係る電磁波検出器は、実施の形態5に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、第2半導体部分4bが第1半導体部分4aに埋め込まれている点で、実施の形態5に係る電磁波検出器と異なる。
第2半導体部分4bは、開口部3aの下に配置されている。第2半導体部分4bは、開口部3aの内部において二次元材料層1と接続されている第1半導体部分4aの下に埋め込まれている。第2半導体部分4bは、例えば段差部40の内部において、頂部43よりも下方であって底部41よりも上方に配置されている。頂部43と第2半導体部分4bとの間には第1半導体部分4aが配置されている。言い換えると、二次元材料層1と第2半導体部分4bとの間には薄い第1半導体部分4aが配置されている。頂部43と第2半導体部分4bとの間に位置する第1半導体部分4aの厚さは、第2半導体部分4bの厚さよりも薄い。
第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとによりpn接合が形成される。この結果、開口部3aの内部に位置する二次元材料層1の直下に上記pn接合が形成されることになる。このため、半導体層4から二次元材料層1への光電流の取り出し効率が向上する。さらに、半導体層4が二次元材料層1に与える電界変化が大きくなるため、電磁波検出器を高感度化することが出来る。
このようにすれば、図33に示すように、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとの接合界面にpn接合が形成され、ダイオードが構成される。当該ダイオードに電磁波(光)が照射されることにより、第1半導体部分4aと第2半導体部分4bとの接合界面において発生した光キャリアの失活が小さくなり二次元材料層1へ注入される光電流が増加する。この結果、感度の高い電磁波検出器を得ることができる。
また、実施の形態7に係る電磁波検出器において、他の半導体部分4cおよび他の電極部2cは形成されていなくてもよい。
なお、実施の形態7に係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.
図34は、実施の形態8に係る電磁波検出器の断面模式図である。図34に示されるように、実施の形態8に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、絶縁膜3において第1電極部2aから開口部3aに向けて絶縁膜3の厚さが徐々に薄くなるテーパ部3bが形成されている点で、実施の形態1に係る電磁波検出器と異なる。
図34は、実施の形態8に係る電磁波検出器の断面模式図である。図34に示されるように、実施の形態8に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的には同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、絶縁膜3において第1電極部2aから開口部3aに向けて絶縁膜3の厚さが徐々に薄くなるテーパ部3bが形成されている点で、実施の形態1に係る電磁波検出器と異なる。
図34に示されるように、第1電極部2aと絶縁膜3の開口部3aとの間において、絶縁膜3の表面が側部42に対して傾斜したテーパ部3bが形成されている。テーパ部3bの表面と第1半導体部分4aの表面とのなす角度は鋭角であればよく、たとえば45°以下でもよく、30°以下でもよい。テーパ部3bの表面は、例えば平面であるが、曲面であってもよい。テーパ部3bは、任意の方法により形成され得る。たとえば、半導体層4を傾けて絶縁膜を成膜することによりテーパ部3bを形成してもよい。あるいは、半導体層4を傾けた状態で、当該半導体層4上に予め形成された絶縁膜3をドライエッチングすることにより、テーパ部3bを形成してもよい。
実施の形態8に係る電磁波検出器では、テーパ部3bにおいて絶縁膜3に勾配が設けられていることで、半導体層4に電磁波が照射された場合に、二次元材料層1中における電界変化の程度に局所的な変化が生じる。つまり、半導体層4に電磁波が照射され、二次元材料層1に電界変化が与えられる際に、絶縁膜3の厚さの変化に応じて当該電界変化の程度が局所的に変わる。これにより、二次元材料層1中のキャリアの移動度が向上し、電磁波検出器の検出感度が向上する。
なお、実施の形態8に係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.
<電磁波検出器の構成>
図35は、実施の形態9に係る電磁波検出器の断面模式図である。図35に示されるように、実施の形態9に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1が乱層構造部分1eを含む点で、実施の形態1に係る電磁波検出器と異なる。
<電磁波検出器の構成>
図35は、実施の形態9に係る電磁波検出器の断面模式図である。図35に示されるように、実施の形態9に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1が乱層構造部分1eを含む点で、実施の形態1に係る電磁波検出器と異なる。
図35に示されるように、二次元材料層1においてチャネル領域に対応する領域が乱層構造部分1eとなっている。ここで、乱層構造部分1eとは、グラフェンが複数積層された領域であって、積層されたグラフェン同士の格子が不整合な状態で積層された構造を意味する。なお、二次元材料層1の全体が乱層構造であってもよいし、乱層構造部分1eのみが乱層構造となっていてもよい。
乱層構造部分1eの作製方法は、任意の方法であればよい。乱層構造部分1eは、例えばCVD法で作製した単層のグラフェンを複数回転写し、多層グラフェンを積層することにより、形成され得る。また、乱層構造部分1eは、例えばグラフェン上に、エタノールまたはメタンなどを炭素源としてCVD法によりグラフェンを成長することにより、形成され得る。
図35に示される電磁波検出器では、二次元材料層1においてチャネル領域に相当する部分が乱層構造部分1eとなっているので、二次元材料層1におけるキャリアの移動度が向上する。ここで、通常の積層グラフェンは、A-B積層と呼ばれ、積層したグラフェン同士の格子が整合した状態で積層される。しかし、CVD法により作製したグラフェンは多結晶であり、グラフェン上に更にグラフェンを複数回転写した場合、またはCVD法を用いて下地のグラフェン上にグラフェンを積層した場合は、積層されたグラフェン同士の格子が不整合な状態である乱層構造となる。
乱層構造部分1eを構成する乱層構造のグラフェンは、層間の相互作用の影響が少なく、単層グラフェンと同等の性質を持つ。さらに、二次元材料層1は下地となる絶縁膜3でのキャリア散乱の影響を受けて移動度が低下する。しかし、乱層構造部分1eにおいて、絶縁膜3と接触するグラフェンはキャリア散乱の影響を受けるが、当該グラフェン上に乱層構造で積層された上層のグラフェンは、下地の絶縁膜3のキャリア散乱の影響を受けにくくなる。また、乱層構造のグラフェンでは、層間の相互作用の影響が少ないため、導電率も向上する。以上より、乱層構造のグラフェンではキャリアの移動度を向上させることができる。この結果、電磁波検出器の感度を向上させることができる。
また、乱層構造のグラフェンは絶縁膜3上に存在する二次元材料層1の部分のみに適用しても良い。たとえば、二次元材料層1において領域1aについては乱層構造ではないグラフェン、たとえば単層のグラフェンを用いてもよい。この場合、第1電極部2aおよび第1半導体部分4aと二次元材料層1とのコンタクト抵抗を増大させることなく、二次元材料層1に対する絶縁膜3のキャリア散乱の影響を抑制することが出来る。
なお、実施の形態9に係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.
図36は、実施の形態10に係る電磁波検出器の断面模式図である。
図36は、実施の形態10に係る電磁波検出器の断面模式図である。
図36に示されるように、実施の形態10に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1に接触するように配置された1つ以上の導電体7をさらに備える点で、実施の形態1に係る電磁波検出器と異なる。
図36に示される電磁波検出器では、複数の導電体7が二次元材料層1の領域1bに接触するように配置されている。複数の導電体7は互いに間隔を隔てて配置されている。複数の導電体7は、例えば段差部40の側部42上に配置されている。導電体7はフローティング電極である。以下、具体的に説明する。
図36に示すように、実施の形態10に係る電磁波検出器は、二次元材料層1上にフローティング電極としての複数の導電体7を備える。各導電体7を構成する材料は、導電性を有する任意の材料であればよいが、たとえば金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、およびパラジウム(Pd)からなる群から選択される少なくとも1つを含む。各導電体7は、電源回路等に接続されておらず、フローティングとなっている。
複数の導電体7は、第1電極部2aと第1半導体部分4aとの間に位置する二次元材料層1の領域1b上に設けられている。複数の導電体7は、一次元、又は、二次元の周期構造を有する。たとえば、一次元の周期構造の例として、図36の紙面上の水平方向又は紙面の奥行き方向に複数の導電体7が互いに間隔を隔てて(周期的に)配列された構造を採用し得る。また、二次元の周期構造の例として、電磁波検出器の平面視において、正方格子又は三角格子等の格子点に対応する位置に導電体7が配列された構造を採用し得る。また、電磁波検出器の平面視において、各導電体7の平面形状は、円形状、三角形状、四角形状、多角形状、又は、楕円形状等の任意の形状であってもよい。また、導電体7の平面視における配置は、上述した周期的な対称性を有する配列だけに限られず、平面視において非対称性を有する配列であってもよい。ここで、導電体7を形成する具体的な方法は、任意の方法を採用し得るが、例えば、実施の形態1で説明した第1電極部2aの製造方法と同様の方法を用いてもよい。
実施の形態10に係る電磁波検出器では、チャネル領域に対応する二次元材料層1の上にフローティング電極である導電体7を設けている。そのため、半導体層4において電磁波の照射により発生した光キャリアが、複数の導電体7の間を行き来できるようになり、その結果光キャリアの寿命が長くなる。これにより、電磁波検出器の感度を高めることができる。
また、複数の導電体7を一次元の周期的な構造を構成する配置し、導電体7の材料を表面プラズモン共鳴が生じる材料とすることにより、照射される電磁波によって導電体7に偏光依存性が生じる。この結果、特定の偏光の電磁波だけを電磁波検出器の半導体層4に照射させることができる。この場合、実施の形態10に係る電磁波検出器は、特定の偏光のみを検出することができる。
また、複数の導電体7を二次元の周期的な構造を構成するように配置し、導電体7の材料を表面プラズモン共鳴が生じる材料とすることにより、複数の導電体7によって特定の波長の電磁波を共鳴させることができる。この場合、特定の波長を有する電磁波だけを電磁波検出器で検出することができる。この場合、実施の形態10に係る電磁波検出器は、特定の波長の電磁波のみを高感度に検出することができる。
また、複数の導電体7を平面視において非対称な配置となるように形成した場合、複数の導電体7を一次元の周期的な構造する場合と同様、照射される電磁波に対して導電体7に偏光依存性が生じる。この結果、特定の偏光の電磁波だけを半導体層4に照射させることができる。この場合、実施の形態10に係る電磁波検出器は、特定の偏光のみを検出することができる。
(変形例)
図37に示される電磁波検出器は、図36に示される電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1の下に導電体7が配置されている点で、図36に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図37に示される電磁波検出器では、複数の導電体7が二次元材料層1の下面と絶縁膜3の上部表面との間に配置されている。二次元材料層1は、複数の導電体7の表面に沿って複数の屈曲部(凹凸部)を有する。このような構成によっても、図36に示した電磁波検出器と同様の効果を得ることができる。さらに、この場合、導電体7の形成時に二次元材料層1にダメージを与えないため、二次元材料層1でのキャリアの移動度の低下を抑制できる。
図37に示される電磁波検出器は、図36に示される電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1の下に導電体7が配置されている点で、図36に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図37に示される電磁波検出器では、複数の導電体7が二次元材料層1の下面と絶縁膜3の上部表面との間に配置されている。二次元材料層1は、複数の導電体7の表面に沿って複数の屈曲部(凹凸部)を有する。このような構成によっても、図36に示した電磁波検出器と同様の効果を得ることができる。さらに、この場合、導電体7の形成時に二次元材料層1にダメージを与えないため、二次元材料層1でのキャリアの移動度の低下を抑制できる。
また、チャネル領域に対応する二次元材料層1の領域に凹凸部を形成してもよい。この場合、二次元材料層1の凹凸部は、上述した複数の導電体7と同様、周期的な構造又は非対称な構造としてもよい。この場合、複数の導電体7を形成した場合と同様の効果を得ることができる。
また、図36および図37に示される各導電体7は側部42上にのみ形成されているが、領域1bに接触している限りにおいて、頂部43、側部42および底部41の少なくともいずれかの上に形成されていればよい。
また、図36および図37に示される各電磁波検出器は、複数の導電体7を備えるが、1つの導電体7のみを備えていてもよい。
なお、実施の形態10に係る電磁波検出器および上記変形例の各構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
実施の形態11.
図38は、実施の形態11に係る電磁波検出器の断面模式図である。図38に示されるように、実施の形態11に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1に接触するように配置された1つ以上の接触層8をさらに備える点で、実施の形態1に係る電磁波検出器と異なる。
図38は、実施の形態11に係る電磁波検出器の断面模式図である。図38に示されるように、実施の形態11に係る電磁波検出器は、実施の形態1に係る電磁波検出器と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層1に接触するように配置された1つ以上の接触層8をさらに備える点で、実施の形態1に係る電磁波検出器と異なる。
図38に示される電磁波検出器では、接触層8は、二次元材料層1の領域1b上に配置されている。接触層8は、二次元材料層1と接触して、二次元材料層1に正孔又は電子を供給するように設けられている。
接触層8を構成する材料は、例えば、ポジ型フォトレジストと呼ばれる、キノンジアジト基を有する感光剤とノボラック樹脂とを含有する組成物である。また、接触層8を構成する材料は、例えば極性基を有する材料であってもよく、より具体的には極性基を有する材料の一例である電子求引基を有する材料であってもよい。電子求引基を有する材料は、二次元材料層1の電子密度を減少させる効果を持つ。また、接触層8を構成する材料は、例えば極性基を有する材料の一例である電子供与基を有する材料であってもよい。電子供与基を有する材料は、二次元材料層1の電子密度を増加させる効果を持つ。
電子求引基を有する材料としては、例えば、ハロゲン、ニトリル、カルボキシル基、又は、カルボニル基等を有する材料が挙げられる。また、電子供与基を有する材料としては、例えば、アルキル基、アルコール、アミノ基、又は、ヒドロキシル基等を有する材料が挙げられる。また、接触層8を構成する材料は、電子求引基および電子供与基以外の極性基によって分子全体において電荷の偏りが生じる材料であってもよい。
また、接触層8を構成する材料は、分子全体で電荷の偏りが生じて極性を生じる限りにおいて、有機物、金属、半導体、絶縁体、2次元材料、又は、これら材料のいずれかの混合物であってもよい。
接触層8を構成する材料が無機物である場合、該接触層8と接触している二次元材料層1がドーピングされる導電型は、二次元材料層1の仕事関数よりも接触層8の仕事関数が大きい場合はp型、小さい場合はn型となる。それに対して、接触層8を構成する材料が有機物の場合には、当該接触層8を構成する材料である有機物は明確な仕事関数を有していない。そのため、二次元材料層1がドーピングされる導電型がp型またはn型となるかは、接触層8に用いる有機物の分子の極性によって、接触層8の材料の極性基を判断することが好ましい。
例えば、接触層8として、ポジ型フォトレジストと呼ばれる、キノンジアジト基を有する感光剤とノボラック樹脂とを含有する組成物を用いる場合、二次元材料層1においてフォトリソグラフィ工程によりレジストを形成した領域がp型二次元材料層領域となる。これにより、二次元材料層1の表面上に接触するマスク形成処理が不要となる。この結果、二次元材料層1に対するプロセスダメージの低減及びプロセスの簡素化が可能となる。
実施の形態11に係る電磁波検出器は、二次元材料層1の上に接触層8を形成している。上述した通り、接触層8の材料として、例えば、電子求引基を有する材料、又は、電子供与基を有する材料を用いることで、二次元材料層1の状態(導電型)を意図的にn型又はp型とすることができる。この場合、第1電極部2aおよび第1半導体部分4aから二次元材料層1へのキャリアドーピングの影響を考慮せず、二次元材料層1のキャリアドーピングを制御することができる。この結果、電磁波検出器の性能を向上させることができる。
また、接触層8を、二次元材料層1の上部表面における第1電極部2a側または第1半導体部分4a側のどちらか一方にのみ形成することで、二次元材料層1中に電荷密度の勾配が形成される。この結果、二次元材料層1中のキャリアの移動度が向上し、電磁波検出器を高感度化することができる。
また、実施の形態11に係る電磁波検出器において、接触層8の膜厚は、電磁波が二次元材料層1に照射された場合に、光電変換を行うことができるよう十分薄い方が好ましい。一方、接触層8から二次元材料層1にキャリアがドーピングされる程度の厚さを有するように接触層8を形成することが好ましい。接触層8は、分子又は電子などのキャリアが二次元材料層1に導入されれば任意の構成としても良い。たとえば、二次元材料層1を溶液に浸漬させて、分子レベルで二次元材料層1にキャリアを供給することで、固体の接触層8を二次元材料層1上に形成しないで、二次元材料層1にキャリアをドーピングしてもよい。
また、接触層8の材料として、上述した材料以外にも、極性変換を生じる材料を用いてもよい。その場合、接触層8が極性変換すると、変換の際に生じた電子又は正孔が、二次元材料層1に供給される。そのため、接触層8が接触している二次元材料層1の部分に電子又は正孔のドーピングが生じる。そのため、接触層8を取り除いても、接触層8と接触していた二次元材料層1の当該部分は、電子又は正孔がドーピングされたままの状態となる。したがって、接触層8として、極性変換を生じる材料を用いた場合、一定の時間が経過した後に接触層8を二次元材料層1上から取り除いてもよい。この場合、接触層8が存在している場合より二次元材料層1の開口部面積が増加する。このため、電磁波検出器の検出感度を向上させることができる。ここで、極性変換とは、極性基が化学的に変換する現象であり、例えば、電子求引基が電子供与基に変化する、または電子供与基が電子求引基に変化する、または極性基が非極性基に変化する、または非極性基が極性基に変化する、といった現象を意味する。
また、接触層8が電磁波照射によって極性変換を生じる材料により形成されてもよい。この場合、特定の電磁波の波長において極性変換を生じる材料を接触層8の材料として選択することで、特定の電磁波の波長の電磁波照射時のみ接触層8で極性変換を生じさせ、二次元材料層1へのドーピングを行うことができる。この結果、二次元材料層1に流入する光電流を増大させることができる。
また、電磁波照射によって酸化還元反応を生じる材料を接触層8の材料として用いてもよい。この場合、酸化還元反応時に生じる電子又は正孔を二次元材料層1にドーピングすることができる。
上記電磁波検出器は、二次元材料層1に接触する接触層8を備える。接触層8は、二次元材料層1に正孔または電子を供給する。この場合、第1電極部2aおよび第1半導体部分4aからのキャリアドーピングの影響を考慮せず、二次元材料層1のキャリアドーピングを制御することができる。この結果、電磁波検出器の性能を向上させることができる。
なお、図38に示される接触層8はが側部にのみ形成されているが、頂部43、側部42および底部41の少なくともいずれかの上に形成されていればよい。
なお、実施の形態11に係る電磁波検出器および上記変形例の各構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
実施の形態12.
図39は、実施の形態12に係る電磁波検出器集合体の平面模式図である。
図39は、実施の形態12に係る電磁波検出器集合体の平面模式図である。
図39に示されるように、実施の形態12に係る電磁波検出器集合体1000は、複数の電磁波検出器100の集合体である。電磁波検出器集合体1000は、検出素子として、実施の形態1~11のいずれかに係る電磁波検出器100を複数有している。電磁波検出器集合体1000は、たとえば、電磁波検出器100として実施の形態1に係る電磁波検出器を備えている。
電磁波検出器集合体1000では、複数の電磁波検出器100の各々の検出波長は等しい。図39に示されるように、電磁波検出器集合体1000では、複数の電磁波検出器100が二次元方向にアレイ状に配置されている。言い換えると、複数の電磁波検出器100は、第1方向および第1方向と交差する第2方向に並んで配置されている。図39に示される電磁波検出器集合体1000では、4つの電磁波検出器100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100の数はこれに限定されない。たとえば、複数の電磁波検出器100を3以上×3以上のアレイ状に配置してもよい。
なお、図39に示される電磁波検出器集合体1000では、複数の電磁波検出器100が二次元に周期的に配列されているが、複数の電磁波検出器100は1つの方向に沿って周期的に配列されていてもよい。また、複数の電磁波検出器100の各々の間隔は等間隔であってもよいし、異なる間隔であってもよい。
また、複数の電磁波検出器100をアレイ状に配置する際は、それぞれの電磁波検出器100が分離出来てさえいれば、第2電極部2bは共通電極としてもよい。第2電極部2bを共通電極とすることで、各電磁波検出器100において第2電極部2bが独立している構成よりも、画素の配線を少なくすることが出来る。この結果、電磁波検出器集合体を高解像度化することが可能となる。
また、それぞれの電磁波検出器100同士を分離する方法としては、例えば実施の形態2で述べたトレンチ構造などの電流遮断構造5を電磁波検出器100の外周に設ければよい。
このように複数の電磁波検出器100を用いた電磁波検出器集合体1000は、アレイ状に複数の電磁波検出器100を配列することで画像センサとしても使用できる。
電磁波検出器集合体1000は、電磁波検出器100として実施の形態2~11に係る電磁波検出器のいずれかを備えていてもよい。電磁波検出器集合体1000は、電磁波検出器100として実施の形態2~11に係る電磁波検出器のいずれかを備えていてもよい。
電磁波検出器集合体1000は、実施の形態1~11のうちのいずれか一つの実施形態に係る電磁波検出器を複数備えていてもよいし、実施の形態1~11のうちの2以上の実施形態に係る電磁波検出器を複数備えていてもよい。
(変形例)
図40に示される電磁波検出器集合体2000は、図39に示される電磁波検出器集合体1000と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、複数の電磁波検出器として種類の異なる電磁波検出器200、201,202,203を備えている点で、図39に示される電磁波検出器集合体と異なる。すなわち、図40に示される電磁波検出器集合体2000では、互いに異なる種類の電磁波検出器200,201,202,203がアレイ状(マトリックス状)に配置されている。
図40に示される電磁波検出器集合体2000は、図39に示される電磁波検出器集合体1000と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、複数の電磁波検出器として種類の異なる電磁波検出器200、201,202,203を備えている点で、図39に示される電磁波検出器集合体と異なる。すなわち、図40に示される電磁波検出器集合体2000では、互いに異なる種類の電磁波検出器200,201,202,203がアレイ状(マトリックス状)に配置されている。
図40に示される電磁波検出器集合体2000では、電磁波検出器200,201,202,203が2×2のマトリックス状に配置されているが、配置される電磁波検出器の数はこれに限定されない。また、図40に示される電磁波検出器集合体2000では、複数の電磁波検出器200,201,202,203が二次元に周期的に配列されているが、複数の電磁波検出器200,201,202,203は1つの方向に沿って周期的に配列されていてもよい。また、複数の電磁波検出器200,201,202,203の各々の間隔は等間隔であってもよいし、異なる間隔であってもよい。
図40に示される電磁波検出器集合体2000では、実施の形態1~11のいずれかに係る、種類の異なる電磁波検出器200,201,202,203を、一次元又は二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。
電磁波検出器200,201,202,203は、例えば互いに検出波長が異なる電磁波検出器である。具体的には、電磁波検出器200,201,202,203は実施の形態1~11のいずれかに係る電磁波検出器であって、互いに異なる検出波長選択性を有する電磁波検出器として準備されていてもよい。この場合、電磁波検出器集合体は、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。
このように異なる検出波長を有する電磁波検出器200,201,202,203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、たとえば紫外光、赤外光、テラヘルツ波、電波の波長域などの任意の波長域において、電磁波の波長を識別できる。この結果、たとえば波長の相違を色の相違として示した、カラー化した画像を得ることができる。
また、電磁波検出器を構成する半導体層4の構成材料として、検出波長の異なる半導体材料を用いてもよい。たとえば、検出波長が可視光の波長である半導体材料と、検出波長が赤外線の波長である半導体材料とを上記構成材料として用いてもよい。この場合、例えば、当該電磁波検出器を車載センサに適用した時に、昼間は可視光画像用カメラとして電磁波検出器を使用できる。さらに、夜間は赤外線カメラとしても電磁波検出器を使用できる。このようにすれば、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。
また、イメージセンサ以外の電磁波検出器の用途としては、たとえば少ない画素数でも、物体の位置検出を行うことが可能な位置検出用センサとして当該電磁波検出器を用いることができる。たとえば、電磁波検出器集合体の構造により、上記のように検出波長の異なる電磁波検出器200,201,202,203を用いれば、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200,201,202,203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、当該一単位の電磁波検出器を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によって、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。
以上のように、電磁波検出器集合体2000は、広い波長域の電磁波を検出することができる。また、電磁波検出器集合体2000は、異なる波長の電磁波を検出することができる。
(変形例)
なお、上述した各実施の形態において、絶縁膜3、接触層8、または第1半導体部分4aおよび第2半導体部分4bの材料として、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層1に電位の変化を与える材料を用いることが好ましい。
なお、上述した各実施の形態において、絶縁膜3、接触層8、または第1半導体部分4aおよび第2半導体部分4bの材料として、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層1に電位の変化を与える材料を用いることが好ましい。
ここで、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層1に電位の変化を与える材料としては、例えば、量子ドット、強誘電体材料、液晶材料、フラーレン、希土類酸化物、半導体材料、pn接合材料、金属-半導体接合材料、又は、金属-絶縁物-半導体接合材料等を用いることができる。例えば、強誘電体材料として、電磁波による分極効果(焦電効果)を有する強誘電体材料を用いる場合、電磁波の照射により、強誘電体材料に分極の変化が生じる。この結果、二次元材料層1に電位の変化を与えることができる。
上述のように絶縁膜3、接触層8、第1半導体部分4a、または第2半導体部分4bを構成する材料が電磁波の照射により特性が変化する材料である場合、絶縁膜3、接触層8、第1半導体部分4a、または第2半導体部分4bでは、電磁波の照射により特性が変化して、二次元材料層1に電位の変化を与えることができる。
なお、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層1に電位の変化を与える材料を絶縁膜3、接触層8、第1半導体部分4a、または第2半導体部分4bに適用する例を説明したが、上述した各部材のうちの少なくとも一つ以上に、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層1に電位の変化を与える材料を適用すればよい。例えば、接触層8に電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層1に電位の変化を与える材料を適用する場合、接触層8は、必ずしも二次元材料層1に直接接触している必要はない。たとえば、電位の変化を二次元材料層1に与えることができれば、絶縁膜等を介して、二次元材料層1の上面又は下面上に接触層8を設けてもよい。
上述した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、上記実施の形態は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開示が含まれており、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開示が抽出され得る。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも2つを組み合わせてもよい。本開示の範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
1 二次元材料層、1a,1b,1c,1d 領域、1e 乱層構造部分、2a 第1電極部、2b 第2電極部、2c 第3電極部、2c 電極部、2d 接続導電体、3 絶縁膜、3a 開口部、3b テーパ部、4 半導体層、4a 第1半導体部分、4a1 第1部分、4a2 第2部分、4ab,4ab1,4ab2 接合界面、4b,ba 第2半導体部分、4ba,4bc 接合部、4c 半導体部分、5 電流遮断機構、6 バッファ層、7 導電体、8 接触層、40 段差部、41,41a,41b 底部、42 側部、43,43a,43b 頂部、44 裏面部、100,200,201,202,203 電磁波検出器、1000,2000 電磁波検出器集合体。
Claims (21)
- 少なくとも1つの段差部が形成されており、かつ検出波長に感度を有する半導体層と、
前記少なくとも1つの段差部上に配置され、かつ前記少なくとも1つの段差部の一部を露出する少なくとも1つの開口部が設けられた絶縁膜と、
前記絶縁膜および前記少なくとも1つの開口部上に配置され、かつ前記少なくとも1つの開口部において前記半導体層と電気的に接続された接続領域を有する二次元材料層と、
前記絶縁膜上に配置され、かつ前記二次元材料層と電気的に接続された第1電極部と、
前記半導体層上に配置され、かつ前記二次元材料層の前記接続領域を経由して前記第1電極部と電気的に接続された第2電極部とを備える、電磁波検出器。 - 前記少なくとも1つの段差部は、頂部、底部、および前記底部と前記頂部との間に配置される側部を有し、
前記少なくとも1つの開口部は、前記頂部、前記底部、および前記側部の少なくとも一部を露出するように設けられている、請求項1に記載の電磁波検出器。 - 前記少なくとも1つの開口部は、複数の開口部を含み、
前記複数の開口部の各々は、前記少なくとも1つの段差部のうちの1つの段差部の一部を露出するように設けられている、請求項1または2に記載の電磁波検出器。 - 前記少なくとも1つの段差部は、複数の段差部を含み、
前記少なくとも1つの開口部は、前記複数の段差部の少なくとも一部を露出するように設けられている、請求項1~3のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記半導体層は、前記絶縁膜と対向する領域に位置し、前記少なくとも1つの開口部の外周を囲むように配置された電流遮断構造を含む、請求項1~4のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記少なくとも1つの開口部の内部において、前記半導体層と前記二次元材料層の前記接続領域との間に配置されたバッファ層をさらに備える、請求項1~5のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記バッファ層は、前記二次元材料層の前記接続領域と前記半導体層との間にトンネル電流を形成することが可能な厚さを有する、請求項6に記載の電磁波検出器。
- 前記少なくとも1つの開口部の内部において、前記半導体層と前記二次元材料層の前記接続領域とを電気的に接続する接続導電体をさらに備える、請求項1~5のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記二次元材料層は、前記第1電極部と電気的に接続されている電極接続領域をさらに有し、
前記接続領域と前記電極接続領域とが並んで配列している方向と交差する方向における前記接続領域の幅の最小値が、前記電極接続領域の幅の最小値よりも狭い、請求項1~8のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記交差する方向における前記接続領域の幅が、前記配列している方向において前記電極接続領域から離れるにつれて、徐々に狭くなっている、請求項9に記載の電磁波検出器。
- 前記半導体層は、
第1導電型を有する第1半導体部分と、
前記第1半導体部分と接合され、第2導電型を有する第2半導体部分とを含み、
前記少なくとも1つの開口部の内部において、前記第1半導体部分と前記第2半導体部分との接合部の一部と、前記接合部に連なる前記第1半導体部分の一部および前記第2半導体部分の一部とが前記二次元材料層の前記接続領域に面するように配置されている、請求項1~10のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記第1電極部は、前記第1半導体部分と直接接続されており、
前記第2電極部は、前記第2半導体部分と直接接続されている、請求項11に記載の電磁波検出器。 - 前記少なくとも1つの開口部から前記半導体層を視て、前記第1半導体部分は前記第2半導体部分の少なくとも一部を挟むように配置されている第1部分および第2部分を有し、
前記少なくとも1つの開口部の内部において、前記第2半導体部分の少なくとも一部、前記第1半導体部分の前記第1部分、および前記第1半導体部分の前記第2部分が、前記二次元材料層の前記接続領域に面するように配置されている、請求項11または12に記載の電磁波検出器。 - 前記二次元材料層の前記接続領域は、前記第1半導体部分と接触している第1接続領域と、前記第2半導体部分と接触している第2接続領域とを有し、
前記二次元材料層は、前記第1接続領域を有する第1の二次元材料層と、前記第2接続領域を有する第2の二次元材料層とを含み、
前記第1の二次元材料層と前記第2の二次元材料層とは、前記第1半導体部分と前記第2半導体部分との前記接合部上において分断されている、請求項11または12に記載の電磁波検出器。 - 前記半導体層は、
第1導電型を有する第1半導体部分と、
前記第1半導体部分と接合され、第2導電型を有する第2半導体部分とを含み、
前記第1半導体部分は、前記少なくとも1つの開口部の内部において、前記二次元材料層の前記接続領域と接続されており、
前記第2半導体部分は、前記少なくとも1つの開口部の内部において前記二次元材料層の前記接続領域と接続されている前記第1半導体部分の下に埋め込まれている、請求項1~10のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記絶縁膜の厚みは、前記第1電極部から前記少なくとも1つの開口部に近づくにつれて変化する、請求項1~15のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記二次元材料層に接触するように配置された、1つ以上の導電体または接触層をさらに備える、請求項1~16のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記二次元材料層は、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、ゲルマネン、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなるグループから選択されるいずれかの材料を含む、請求項1~17のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記二次元材料層は、乱層構造で設けられた1層以上のグラフェンを備え、
前記乱層構造で設けられた1層以上のグラフェンは、前記絶縁膜のうち前記少なくとも1つの開口部と前記第1電極部の間に位置する部分上に設けられている、請求項1~18のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記二次元材料層を覆うように配置された絶縁保護膜をさらに備える、請求項1~19のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 請求項1~20のいずれか1項に記載の電磁波検出器を複数備え、
前記複数の電磁波検出器が、第1方向および第2方向の少なくともいずれかに沿って並んで配置されている、電磁波検出器集合体。
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