WO2021256016A1 - 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ - Google Patents

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layer
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material layer
wave detector
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政彰 嶋谷
新平 小川
昌一郎 福島
聡志 奥田
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三菱電機株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to an electromagnetic wave detector and an electromagnetic wave detector array.
  • Patent Document 1 proposes a detector having the following structure. That is, in the detector of Patent Document 1, two or more dielectric layers are provided on the n-type semiconductor layer. A graphene layer is formed on the two dielectric layers and on the surface portion of the n-type semiconductor layer located between the two dielectric layers.
  • the graphene layer and the n-type semiconductor layer are Schottky-bonded.
  • Source / drain electrodes connected to both ends of the graphene layer are arranged on the dielectric layer.
  • the gate electrode is connected to the n-type semiconductor layer.
  • 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.
  • a main object of the present disclosure is to provide an electromagnetic wave detector and an electromagnetic wave detector array having higher detection sensitivity than the above-mentioned detector.
  • the electromagnetic wave detector according to the present disclosure includes a semiconductor layer, a two-dimensional material layer electrically connected to the semiconductor layer, and a first electrode electrically connected to the two-dimensional material layer without a semiconductor layer.
  • a second electrode portion electrically connected to the two-dimensional material layer via the semiconductor layer, and a strong dielectric layer in contact with at least a part of the two-dimensional material layer are provided.
  • an electromagnetic wave detector and an electromagnetic wave detector array having higher detection sensitivity than the above detector.
  • 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 of FIG. It is a flowchart for demonstrating the manufacturing method of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a cross-sectional schematic diagram in the line segment VV of FIG. It is sectional drawing which shows the 1st modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is sectional drawing which shows the 2nd modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a plane schematic diagram of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the line segment IX-IX of FIG. It is a plane schematic diagram of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along the line segment XI-XI of FIG. It is a plane schematic diagram which shows the 1st modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. It is sectional drawing of the line segment XIII-XIII of FIG. It is a plane schematic diagram which shows the 2nd modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. It is sectional drawing in FIG. 14 line segment XV-XV. It is sectional drawing of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 5.
  • FIG. 14 line segment XV-XV.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of an electromagnetic wave detector according to a tenth embodiment. It is sectional drawing of the line segment XXIII-XXIII of FIG. 22.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view taken along the line segment XXIV-XXIV of FIG. 22.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along the line segment XXVI-XXVI of FIG. 25. It is a plane schematic diagram which shows the 2nd modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 10.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view taken along the line segment XXVIII-XXVIII of FIG. 27. It is sectional drawing of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 11. FIG. It is sectional drawing which shows the modification of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 11. It is sectional drawing of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 12.
  • the figure is schematic and conceptually explains 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 to the entire text of 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.
  • An embodiment described below is a detector that detects 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 true graphene is referred to as p-type graphene
  • graphene having more electrons is referred to as 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-withdrawing 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 described 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 for 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 II-II of FIG.
  • the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2 include a two-dimensional material layer 1, a first electrode portion 2a, a second electrode portion 2b, an insulating film 3, a semiconductor layer 4, and a ferroelectric layer 5. Mainly prepared for.
  • the ferroelectric layer 5 has sensitivity to the wavelength of the electromagnetic wave to be detected by the electromagnetic wave detector. When the ferroelectric layer 5 is irradiated with an electromagnetic wave having a wavelength to be detected, the polarization changes in the ferroelectric layer 5.
  • the resistance value of the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5 changes when the polarization changes in the ferroelectric layer 5. It is provided as follows.
  • the semiconductor layer 4 has a first surface and a second surface located on the side opposite to the first surface. As shown in FIGS. 1 and 2, the two-dimensional material layer 1, the first electrode portion 2a, the insulating film 3, and the ferroelectric layer 5 are arranged on the first surface of the semiconductor layer 4.
  • the second electrode portion 2b is arranged on the second surface of the semiconductor layer 4.
  • the portions located on the opposite side of the semiconductor layer 4 with respect to each of the two-dimensional material layer 1, the first electrode portion 2a, the insulating film 3, and the dielectric layer 5 are respectively.
  • the upper part is called the upper part, and the part located on the semiconductor layer 4 side with respect to each of the two-dimensional material layer 1, the first electrode portion 2a, the insulating film 3, and the dielectric layer 5 is called the lower part of each.
  • the semiconductor layer 4 is made of a semiconductor material such as silicon (Si). Specifically, as the semiconductor layer 4, a silicon substrate or the like doped with impurities is used.
  • the semiconductor layer 4 may have a multilayer structure, or a pn junction photodiode, a pin photodiode, a shotkey photodiode, or an avalanche photodiode may be used. Further, a phototransistor may be used as the semiconductor layer 4.
  • the silicon substrate has been described as an example as described above, but other materials may be used as the material constituting the semiconductor layer 4.
  • compound semiconductors such as germanium (Ge), III-V group or II-V group semiconductors, mercury cadmium tellurium (HgCdTe), indium antimonide (InSb), lead selenium (PbSe), and the like.
  • PbS Lead sulfur
  • CdS cadmium sulfur
  • GaN gallium nitride
  • SiC silicon carbide
  • GaP gallium phosphide
  • InGaAs indium gallium arsenide
  • InAs indium arsenide
  • quantum well Alternatively, a substrate containing quantum dots, a single material such as Type II superlattice, or a material in which they are combined may be used.
  • the semiconductor layer 4 and the semiconductor layer 4 are doped with impurities so that the electrical resistivity of the semiconductor layer 4 and the semiconductor layer 4 is 100 ⁇ ⁇ cm or less. ..
  • the moving speed (reading speed) of the carriers in the semiconductor layer 4 and the semiconductor layer 4 becomes high. As a result, the response speed of the electromagnetic wave detector is improved.
  • the thickness T1 of the semiconductor layer 4 is preferably 10 ⁇ m or less. By reducing the thickness T1 of the semiconductor layer 4, the deactivation of the carrier is reduced.
  • a power supply circuit for applying a bias voltage V is electrically connected between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b.
  • the power supply circuit is a circuit for applying a voltage V to the two-dimensional material layer 1.
  • An ammeter (not shown) for detecting the current I in the two-dimensional material layer 1 is connected to the power supply circuit.
  • the insulating film 3 is arranged on the first surface of the semiconductor layer 4.
  • the insulating film 3 has a lower surface in contact with the first surface of the semiconductor layer 4 and an upper surface located on the side opposite to the lower surface.
  • the insulating film 3 is formed with an opening that exposes a part of the first surface of the semiconductor layer 4. The opening extends from the upper surface to the lower surface. At least a part of the upper surface of the insulating film 3 is in contact with the lower surface of the two-dimensional material layer 1. In other words, the insulating film 3 is arranged below the two-dimensional material layer 1.
  • an insulating film made of silicon oxide can be used as the insulating film 3.
  • the material constituting the insulating film 3 is not limited to the above-mentioned silicon oxide, and other insulating materials may be used.
  • a material constituting the insulating film 3 tetraethyl orthosilicate, silicon nitride, hafnium oxide, aluminum oxide, nickel oxide, boron nitride, a siloxane-based polymer material, or the like may be used.
  • boron nitride 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 mobility of electric charge. Therefore, boron nitride is suitable as a material constituting the insulating film 3 from the viewpoint of suppressing the insulating film 3 from impairing the performance of the two-dimensional material layer 1 such as electron mobility.
  • the thickness T2 of the insulating film 3, that is, the distance between the lower surface and the upper surface of the insulating film 3 is particularly limited as long as the first electrode portion 2a is insulated from the semiconductor layer 4 and no tunnel current is generated. Not done. Further, the insulating film 3 does not have to be arranged below the two-dimensional material layer 1.
  • the first electrode portion 2a is arranged on the upper surface of the insulating film 3.
  • the first electrode portion 2a is arranged at a position away from the opening of the insulating film 3.
  • the first electrode portion 2a has a lower surface in contact with the upper surface of the insulating film 3, an upper surface located on the opposite side of the lower surface, and a side surface extending in a direction intersecting the upper surface.
  • the second electrode portion 2b is arranged on the second surface of the semiconductor layer 4.
  • any material can be used as long as it is a conductor.
  • a metal material such as gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), or palladium (Pd) can be used. ..
  • an adhesion layer (not shown) may be formed between the first electrode portion 2a and the insulating film 3 or between the second electrode portion 2b and the semiconductor layer 4.
  • the adhesion layer enhances the adhesion between the first electrode portion 2a and the insulating film 3 or the adhesion between the second electrode portion 2b and the semiconductor layer 4.
  • Any material can be used as the material constituting the adhesion layer, but a metal material such as chromium (Cr) or titanium (Ti) may be used.
  • first electrode portion 2a is formed in the lower part of the two-dimensional material layer 1 in FIG. 2, the first electrode portion 2a may be formed in the upper part of the two-dimensional material layer 1.
  • the second electrode portion 2b is provided on the entire surface of the second surface of the semiconductor layer 4, but the second electrode portion 2b may be in contact with at least a part of the semiconductor layer 4.
  • the second electrode portion 2b may be provided so as to come into contact with a part of the first surface, the second surface, and the side surface extending in the direction intersecting the first surface of the semiconductor layer 4.
  • Such an electromagnetic wave detector can detect an electromagnetic wave incident from the second surface side. As shown in FIG.
  • the electromagnetic wave detector in which the second electrode portion 2b is provided on the entire surface of the second surface is suitable when the electromagnetic wave to be detected is incident only from the first surface side. be.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 2 the electromagnetic wave incident from the first surface side and transmitted through the ferroelectric layer 5 and the semiconductor layer 4 is reflected by the second electrode portion 2b and reaches the ferroelectric layer 5 again. Therefore, the absorption rate of electromagnetic waves in the ferroelectric layer 5 is increased.
  • the two-dimensional material layer 1 is arranged on the first electrode portion 2a, the insulating film 3, and the semiconductor layer 4.
  • the two-dimensional material layer 1 extends from the inside of the opening of the insulating film 3 to the first electrode portion 2a.
  • a part of the two-dimensional material layer 1 is arranged on the first electrode portion 2a and is in contact with the first electrode portion 2a.
  • the other part of the two-dimensional material layer 1 is arranged inside the opening of the insulating film 3 and is in contact with the semiconductor layer 4.
  • the two-dimensional material layer 1 is arranged below the ferroelectric layer 5 and is in contact with the ferroelectric layer 5.
  • the two-dimensional material layer 1 is arranged between the first electrode portion 2a, the insulating film 3, the semiconductor layer 4, and the ferroelectric layer 5.
  • the two-dimensional material layer 1 includes a first portion electrically connected to the semiconductor layer 4, a second portion electrically connected to the first electrode portion 2a, and a first portion. Includes a third portion that electrically connects to and from the second portion.
  • the first portion is arranged on the first surface of the semiconductor layer 4 in the opening of the insulating film 3.
  • the first portion is arranged below the ferroelectric layer 5.
  • the first portion is arranged between the semiconductor layer 4 and the ferroelectric layer 5, and is in contact with each of the semiconductor layer 4 and the ferroelectric layer 5.
  • the first portion is Schottky bonded to the semiconductor layer 4.
  • the second part is arranged on the upper surface of the insulating film 3.
  • a part of the second portion is arranged on the upper surface of the first electrode portion 2a.
  • At least a portion of the second portion is located below the ferroelectric layer 5.
  • the second portion is arranged between the first electrode portion 2a and the ferroelectric layer 5, and is in contact with each of the first electrode portion 2a and the ferroelectric layer 5.
  • the third portion is arranged on the upper surface of the insulating film 3 and on the inner peripheral surface of the opening of the insulating film 3.
  • the third portion is arranged between the insulating film 3 and the ferroelectric layer 5, and is in contact with each of the insulating film 3 and the ferroelectric layer 5.
  • the insulating film 3 separates the third portion of the two-dimensional material layer 1 from the semiconductor layer 4.
  • the thicknesses of the first portion, the second portion, and the third portion of the two-dimensional material layer 1 are, for example, equal to each other.
  • the upper surface of the two-dimensional material layer 1 is formed with irregularities caused by the first portion, the second portion, and the third portion.
  • the distance between the upper surface of the first portion and the first surface of the semiconductor layer 4 is less than the distance between the upper surface of the second portion and the first surface of the semiconductor layer 4.
  • the two-dimensional material layer 1 includes a region in contact with the ferroelectric layer 5 and a region in contact with the semiconductor layer 4.
  • the ferroelectric layer 5 is formed in at least one of a region in contact with the ferroelectric layer 5 and a region in contact with the semiconductor layer 4 of the two-dimensional material layer 1 with respect to the extending direction of the two-dimensional material layer 1. It is provided so that an electric field in the vertical direction is generated.
  • the two-dimensional material layer 1 in FIG. 2 extends from the first electrode portion 2a side (left side in FIG. 2) to the opposite side (right side in FIG. 2) with respect to the center of the opening of the insulating film 3.
  • the end portion (right end) located on the opposite side of the first electrode portion 2a of the two-dimensional material layer 1 may be arranged on the left side with respect to the center of the opening of the insulating film 3.
  • the two-dimensional material layer 1 in FIG. 2 is arranged so as to expose a part of the first surface of the semiconductor layer 4 at the opening of the insulating film 3, but the present invention is not limited to this.
  • the two-dimensional material layer 1 may be arranged so as to cover the entire first surface of the semiconductor layer 4 at the opening of the insulating film 3.
  • the end portion (right end) of the two-dimensional material layer 1 located on the opposite side of the first electrode portion 2a is arranged on the insulating film 3 located on the opposite side of the first electrode portion 2a with respect to the opening. You may.
  • a single layer of graphene for example, a single layer of graphene can be used.
  • Single-layer graphene is a monatomic layer of two-dimensional carbon crystals.
  • single-layer graphene has carbon atoms in each chain arranged in a hexagonal shape.
  • the two-dimensional material layer 1 may be configured as a multilayer graphene in which two or more layers of single-layer graphene are laminated.
  • non-doped graphene or graphene doped with p-type or n-type impurities may be used as the two-dimensional material layer 1.
  • the multi-layer graphene used as the two-dimensional material layer 1 may or may not have the same orientation of the lattice vectors of the hexagonal lattice in any two-layer graphene. For example, by laminating two or more layers of graphene, a band gap is formed in the two-dimensional material layer 1. As a result, it is possible to have a wavelength selection effect of the electromagnetic wave to be photoelectrically converted. As the number of layers in the multilayer graphene constituting the two-dimensional material layer 1 increases, the mobility of carriers in the channel region decreases.
  • the two-dimensional material layer 1 is less susceptible to carrier scattering from the underlying structure such as the substrate, and as a result, the noise level is lowered. Therefore, the electromagnetic wave detector using the multilayer graphene as the two-dimensional material layer 1 can increase the light absorption and increase the detection sensitivity of the electromagnetic wave.
  • the carrier is doped from the first electrode portion 2a to the two-dimensional material layer 1.
  • gold Au
  • holes are generated in the two-dimensional material layer 1 in the vicinity of the first electrode portion 2a due to the difference in work functions between the two-dimensional material layer 1 and Au. Doped.
  • the electromagnetic wave detector is driven in the electron conduction state in this state, the movement of electrons flowing in the channel region of the two-dimensional material layer 1 due to the influence of the holes doped in the two-dimensional material layer 1 from the first electrode portion 2a. The degree decreases, and the contact resistance between the two-dimensional material layer 1 and the first electrode portion 2a increases.
  • the mobility of electrons (carriers) due to the electric field effect in the electromagnetic wave detector decreases, and the performance of the electromagnetic wave detector may deteriorate.
  • the doping amount of the carrier injected from the first electrode portion 2a is large. Therefore, the decrease in electron mobility in the electromagnetic wave detector is particularly remarkable when single-layer graphene is used as the two-dimensional material layer 1. Therefore, when the two-dimensional material layer 1 is entirely formed of single-layer graphene, the performance of the electromagnetic wave detector may deteriorate.
  • the first portion of the two-dimensional material layer 1 in which the carriers from the first electrode portion 2a are easily doped may be composed of multilayer graphene.
  • Multilayer graphene has less carrier doping from the first electrode portion 2a than single layer graphene. Therefore, it is possible to suppress an increase in contact resistance between the two-dimensional material layer 1 and the first electrode portion 2a. As a result, it is possible to suppress the above-mentioned decrease in electron mobility in the electromagnetic wave detector, and it is possible to improve the performance of the electromagnetic wave detector.
  • a nanoribbon-shaped graphene (hereinafter, also referred to as graphene nanoribbon) can be used.
  • the two-dimensional material layer 1 for example, either a simple graphene nanoribbon, a composite in which a plurality of graphene nanoribbons are laminated, or a structure in which graphene nanoribbons are periodically arranged on a plane can be used. ..
  • a structure in which graphene nanoribbons are periodically arranged is used as the two-dimensional material layer 1, plasmon resonance can be generated in the graphene nanoribbons.
  • the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be improved.
  • the structure in which graphene nanoribbons are periodically arranged is sometimes called a graphene metamaterial. Therefore, the above-mentioned effect can be obtained even in an electromagnetic wave detector using a graphene metamaterial as the two-dimensional material layer 1.
  • the ferroelectric layer 5 is arranged on the two-dimensional material layer 1. That is, the ferroelectric layer 5 is arranged on the side opposite to the semiconductor layer 4 with respect to the two-dimensional material layer 1. The ferroelectric layer 5 is in contact with the two-dimensional material layer 1. The ferroelectric layer 5 is arranged on each of the first portion, the second portion, and the third portion of the two-dimensional material layer 1, and the first portion and the first portion of the two-dimensional material layer 1 are arranged. It is in contact with each of the second part and the third part.
  • the ferroelectric layer 5 is arranged on the upper part of the first portion of the two-dimensional material layer 1, and has a fourth portion in contact with the first portion and a two-dimensional material layer 1. It is arranged on the upper part of the second part and is arranged on the upper part of the fifth part which is in contact with the second part and the third part of the two-dimensional material layer 1, and is in contact with the third part. It has a sixth part that is used.
  • the thicknesses of the fourth portion, the fifth portion, and the sixth portion of the ferroelectric layer 5 are, for example, equal to each other.
  • the upper surface of the two-dimensional material layer 1 is formed with irregularities caused by the first portion, the second portion, and the third portion.
  • the distance between the upper surface of the first portion and the first surface of the semiconductor layer 4 is less than the distance between the upper surface of the second portion and the first surface of the semiconductor layer 4.
  • any material can be used as long as it is a material that causes polarization with respect to the detection wavelength.
  • the materials constituting the ferroelectric layer 5 are, for example, BaTIO 3 (barium titanate), LiNbO 3 (lithium niobate), LiTaO 3 (lithium tantalate), SrTiO 3 (strontium titanate), and PZT (lead zirconate titanate).
  • the ferroelectric layer 5 may be made by laminating and mixing different ferroelectric materials.
  • the material constituting the ferroelectric layer 5 is not limited to the above-mentioned ferroelectric material, and may be any pyroelectric material that exerts a pyroelectric effect.
  • the material constituting the ferroelectric layer 5 may be any ferroelectric substance whose polarization changes with respect to changes in thermal energy. Since electromagnetic waves simply act as a heat source in the pyroelectric effect, the pyroelectric effect is basically wavelength-independent. Therefore, the ferroelectric layer 5 is sensitive to electromagnetic waves in a wide band.
  • the ferroelectric layer 5 is designed so that the rate of change of the dielectric polarization in the ferroelectric layer 5 is as short as possible.
  • the thickness of the ferroelectric layer 5 is preferably thin as long as it is possible to give a polarization change to the two-dimensional material layer 1.
  • the electromagnetic wave detector may further include a Mott insulator that is in contact with the ferroelectric layer 5 and whose physical properties (for example, temperature) change due to a photoinduced phase transition caused by light irradiation.
  • a Mott insulator that is in contact with the ferroelectric layer 5 and whose physical properties (for example, temperature) change due to a photoinduced phase transition caused by light irradiation.
  • the ferroelectric layer 5 is arranged so as to overlap with at least one of the first portion, the second portion, and the third portion of the two-dimensional material layer 1, and is contained in the ferroelectric layer 5. It may be provided so that the resistance value of the two-dimensional material layer 1 changes when the polarization of the two-dimensional material layer 1 changes.
  • the film thickness of the ferroelectric layer 5 is preferably such that when an electromagnetic wave is applied to the graphene layer 1, an electric field as large as possible is applied to the graphene layer 1.
  • the polarization direction of the ferroelectric layer 5 is not particularly limited, but is preferably perpendicular to the plane direction of the two-dimensional material layer.
  • a protective film (not shown) may be formed on the two-dimensional material layer 1.
  • the protective film may be provided so as to cover the periphery of the two-dimensional material layer 1, the semiconductor layer 4, the first electrode portion 2a, and the ferroelectric layer 5.
  • Any material can be used as the material constituting the protective film, and for example, an insulating film made of silicon oxide can be used as the protective film.
  • an insulator such as an oxide or a nitride, for example, silicon oxide, silicon nitride, hafnium oxide, aluminum oxide, boron nitride or the like may be used.
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining a method of manufacturing the electromagnetic wave detector according to the first embodiment. A method for 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.
  • the semiconductor layer 4 which is a flat substrate made of, for example, silicon is prepared.
  • the electrode forming step (S2) is carried out.
  • the second electrode portion 2b is formed on the back surface of the semiconductor layer 4.
  • a protective film is formed on the surface of the semiconductor layer 4.
  • a resist is used as the protective film.
  • the second electrode portion 2b is formed on the back surface of the semiconductor layer 4.
  • a metal such as gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr) can be used. ..
  • the adhesion layer may be formed on the back surface of the semiconductor layer 4 before the second electrode portion 2b.
  • the material of the adhesion layer for example, copper (Cr) or titanium (Ti) can be used.
  • the above step (S2) may be performed after the steps (S3 to 7) as long as the surface of the semiconductor layer 4 is protected.
  • the insulating film forming step (S3) is carried out.
  • the insulating film 3 is formed on the surface of the semiconductor layer 4.
  • the insulating film 3 may be silicon oxide (SiO2) formed by partially thermal-oxidizing the surface of the semiconductor layer 4.
  • an insulating layer may be formed on the surface of the semiconductor layer 4 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or a sputtering method.
  • the electrode forming step (S4) is carried out.
  • the first electrode portion 2a is formed on the insulating film 3.
  • a metal such as gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr) is used.
  • an adhesion layer may be formed between the insulating film 3 and the first electrode portion 2a.
  • the material constituting the adhesion layer for example, chromium (Cr), titanium (Ti) or the like can be used.
  • the following process can be used. First, a resist mask is formed on the surface of the insulating film 3 by using photoengraving or EB drawing. In the resist mask, an opening is formed in a region where the first electrode portion 2a should be formed. After that, 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. At this time, 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 a lift-off method.
  • 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 (S5) is carried out.
  • this step (S5) an opening is formed in the insulating film 3.
  • a resist mask is formed on the insulating film 3 by using photoengraving or EB drawing.
  • the resist mask an opening is formed in a region where the opening of the insulating film 3 should be formed.
  • the insulating film 3 is partially removed using the resist mask as a mask by wet etching or dry etching to form an opening.
  • the resist mask is removed.
  • the above step (S5) may be performed before the step (S4).
  • the two-dimensional material layer forming step (S6) is carried out.
  • the two-dimensional material layer 1 is formed so as to cover the entire part of the semiconductor layer 4 exposed in the first electrode portion 2a, the insulating film 3, and the opening of the insulating film 3.
  • an atomic layer material such as graphene or a molecular layer material may be used.
  • the two-dimensional material layer 1 may be formed by any method.
  • the two-dimensional material layer 1 may be formed by epitaxial growth, or the two-dimensional material layer 1 previously formed by the CVD method is transferred onto the first electrode portion 2a, the insulating film 3, and a part of the semiconductor layer 4. And paste it.
  • the two-dimensional material layer 1 may be formed by screen printing or the like. Further, the two-dimensional material layer 1 peeled off by mechanical peeling or the like may be transferred onto the first electrode portion 2a or the like described above.
  • a resist mask is formed on the two-dimensional material layer 1 by using photoengraving or the like. The resist mask is formed so as to cover the region where the two-dimensional material layer 1 remains, but is not formed in the region where the two-dimensional material layer 1 does not remain. Then, using a resist mask as a mask, the two-dimensional material layer 1 is partially removed by etching with oxygen plasma. As a result, unnecessary parts of the two-dimensional material layer are removed to form the two-dimensional material layer 1 as shown in FIGS. 1 and 2. After that, the resist mask is removed.
  • the ferroelectric layer forming step (S7) is carried out.
  • the ferroelectric layer 5 is formed on the two-dimensional material layer 1.
  • Materials for forming the ferroelectric layer 5 include, for example, BaTiO3 (barium titanate), LiNbO3 (lithium niobate), LiTaO3 (lithium niobate), SrTiO3 (strontium titanate), PZT (lead zirconate titanate), SBT.
  • the ferroelectric layer 5 may be formed by any method.
  • a polymer film is formed by a spin coating method or the like, and then processed by a photolithography method.
  • a method called lift-off may be used in which the resist mask is used as a mask to form a ferroelectric material and then the resist mask is removed.
  • the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2 can be obtained.
  • the two-dimensional material layer 1 is formed on the first electrode portion 2a, but the two-dimensional material layer 1 is formed in advance on the insulating film 3 and is partially above the two-dimensional material layer 1.
  • the first electrode portion 2a may be formed so as to overlap with the above.
  • 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 for applying a voltage V is electrically connected between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b, and the first electrode portion 2a and the two-dimensional material layer 1 are connected.
  • the semiconductor layer 4, and the second electrode portion 2b are electrically connected in the order described.
  • a voltage V is applied between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b.
  • the voltage V is set to have a reverse bias with respect to the Schottky junction between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
  • An ammeter (not shown) is installed in the power supply circuit, and the ammeter monitors the current I flowing through the two-dimensional material layer 1.
  • the ferroelectric layer 5 is irradiated with electromagnetic waves.
  • the pyroelectric effect of the ferroelectric layer 5 causes a change in the dielectric polarization inside the ferroelectric layer 5.
  • the change in polarization in the ferroelectric layer 5 gives an electric field change to the two-dimensional material layer 1.
  • a pseudo gate voltage is applied to the two-dimensional material layer 1, and the resistance value in the two-dimensional material layer 1 changes. This is called the optical gate effect.
  • the current I which is the optical current flowing in the two-dimensional material layer 1, changes.
  • the electromagnetic wave radiated to the electromagnetic wave detector can be detected.
  • the semiconductor layer 4 constituting the semiconductor layer 4 is made of p-type material silicon and the two-dimensional material layer 1 is made of n-type material graphene, the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 are Schottky-bonded.
  • the current I can be reduced to zero by adjusting the voltage V and applying a reverse bias to the Schottky junction. That is, the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be turned off.
  • the dielectric polarization of the ferroelectric layer 5 changes due to the pyroelectric effect, and the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 is modulated to form the two-dimensional material layer 1.
  • the energy barrier of the semiconductor layer 4 is lowered. As a result, the current flows through the semiconductor layer 4 and the current I is detected only when the electromagnetic wave is irradiated.
  • 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.
  • electromagnetic waves may be detected by using two or more of the same electromagnetic wave detectors. For example, prepare two or more of the same electromagnetic wave detectors. One electromagnetic wave detector is placed in a shielded space that is not irradiated with electromagnetic waves. Another electromagnetic wave detector is placed in the space where the electromagnetic wave to be measured is irradiated. Then, the difference between the current I or voltage V of the other electromagnetic wave detector irradiated with the electromagnetic wave and the current I or voltage V of the electromagnetic wave detector arranged in the shielded space is detected. In this way, the electromagnetic wave may be detected.
  • the vicinity of the junction interface between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 is applied.
  • a depletion layer is formed in.
  • the range of detection wavelengths of the electromagnetic wave detector is determined according to the absorption wavelength of lithium niobate.
  • the change rate of the dielectric polarization of the ferroelectric layer 5 is designed to be as short as possible, the time from the electromagnetic wave incident on the electromagnetic wave detector to the change of the resistance value in the two-dimensional material layer 1 occurs. It gets shorter. According to such an electromagnetic wave detector, the delay in amplification due to the optical gate effect is eliminated, and high-speed response can be achieved.
  • the electromagnetic wave detector according to the present embodiment is electrically connected to the semiconductor layer 4, the two-dimensional material layer 1 electrically connected to the semiconductor layer 4, and the two-dimensional material layer 1 without going through the semiconductor layer 4.
  • the first electrode portion 2a that is connected, the second electrode portion 2b that is electrically connected to the two-dimensional material layer 1 via the semiconductor layer 4, and at least a part of the two-dimensional material layer 1 are in contact with each other.
  • the strong dielectric layer 5 is provided.
  • the resistance value of the two-dimensional material layer 1 may change when the polarization in the ferroelectric layer 5 changes due to the pyroelectric effect.
  • the conductivity of the two-dimensional material layer 1 is modulated by the optical gate effect, and as a result, the optical current can be amplified in the two-dimensional material layer 1.
  • the amount of current change in the two-dimensional material layer 1 due to the change in polarization in the ferroelectric layer 5 is larger than the amount of current change in a normal semiconductor.
  • a large current change occurs with respect to a slight potential change as compared with a normal semiconductor.
  • the thickness of the two-dimensional material layer 1 is one atomic layer, which is extremely thin.
  • the mobility of electrons in single-layer graphene is high.
  • the current change amount in the two-dimensional material layer 1 calculated from the electron mobility and thickness in the two-dimensional material layer 1 is about several hundred times to several thousand times the current change amount in a normal semiconductor. Will be.
  • the efficiency of extracting the detected current in the two-dimensional material layer 1 is greatly improved.
  • Such an optical gate effect does not directly enhance the quantum efficiency of a photoelectric conversion material such as a normal semiconductor, but increases the current change due to the incident of electromagnetic waves. Therefore, the quantum efficiency of the electromagnetic wave detector, which is equivalently calculated from the difference current due to the incident of the electromagnetic wave, can exceed 100%. Therefore, the detection sensitivity of the electromagnetic wave by the electromagnetic wave detector according to the present embodiment is higher than that of the conventional semiconductor electromagnetic wave detector or the graphene electromagnetic wave detector to which the optical gate effect is not applied.
  • the electromagnetic wave detector according to the present embodiment further includes an insulating film 3 which is in contact with a part of the semiconductor layer 4 and has an opening formed to open another part of the semiconductor layer 4.
  • the two-dimensional material layer 1 is electrically connected to the other part of the semiconductor layer 4 at the opening, and specifically, is Schottky-bonded to the semiconductor layer 4. Since the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 are Schottky-bonded, no current flows when the reverse bias is applied, and the electromagnetic wave detector can be turned off.
  • the two-dimensional material layer 1 since the two-dimensional material layer 1 has a region arranged on the insulating film 3, the two-dimensional material layer 1 is arranged on the insulating film 3.
  • the conductivity of the two-dimensional material layer 1 due to the optical gate effect is more likely to be modulated than in the case where the region is not provided.
  • the amount of change in the current value I when the electromagnetic wave detector according to the present embodiment is irradiated with an electromagnetic wave is the current generated by the resistance change of the two-dimensional material layer 1 due to the dielectric polarization generated in the strong dielectric layer 5.
  • the photoelectric flow rate generated by the photoelectric conversion in the two-dimensional material layer 1 is included. That is, in the electromagnetic wave detector according to the present embodiment, in addition to the current generated by the above-mentioned optical gate effect due to the incident of the electromagnetic wave and the current due to the change in the energy barrier, 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 according to the present embodiment can achieve both a favorable sensitivity with a quantum efficiency of 100% or more and an OFF operation.
  • the electromagnetic wave detector when silicon is used for the semiconductor layer 4, it is possible to form a read circuit in the semiconductor layer 4. This makes it possible to read the signal without having to form a circuit outside the element.
  • FIG. 4 is a schematic plan view of the electromagnetic wave detector according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the line segment VV of FIG.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a first modification of the electromagnetic wave detector according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a second modification of the electromagnetic wave detector according to the second embodiment. It should be noted that FIGS. 5 to 7 all correspond to FIG.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 4 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and the same effect can be obtained, but the arrangement of the ferroelectric layer 5 is arranged. It is different from the electromagnetic wave detector shown in FIGS. 1 and 2. That is, in the electromagnetic wave detector shown in FIG. 4, the ferroelectric layer 5 is arranged below the two-dimensional material layer 1 or the insulating film 3. In FIG. 5, the ferroelectric layer 5 is formed on the lower part of the two-dimensional material layer 1 and the upper part of the semiconductor layer 4.
  • the first modification of the electromagnetic wave detector according to the second embodiment shown in FIG. 6 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIG. 5, but the arrangement of the ferroelectric layer 5 is shown in the figure. It is different from the electromagnetic wave detector shown in 5. That is, in the electromagnetic wave detector shown in FIG. 6, the ferroelectric layer 5 is formed on the lower part of the two-dimensional material layer 1, the insulating film 3 and the upper part of the semiconductor layer 4.
  • the second modification of the electromagnetic wave detector according to the second embodiment shown in FIG. 7 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIG. 5, but the arrangement of the ferroelectric layer 5 is shown in the figure. It is different from the electromagnetic wave detector shown in 5. That is, in the electromagnetic wave detector shown in FIG. 7, the ferroelectric layer 5 is formed on the lower portion of the insulating film 3 and the upper portion of the semiconductor layer 4. In the lower part of the insulating film 3, the ferroelectric layer 5 is in contact with the two-dimensional material layer 1. Here, the ferroelectric layer 5 may undergo a change in polarization in the horizontal direction with respect to the bonding interface between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
  • the energy barriers of the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 can be changed by electromagnetic wave irradiation. Further, the polarization change may occur perpendicular to the bonding interface between the insulating film 3 and the two-dimensional material layer 1. In this case, the conductivity of the two-dimensional material layer 1 changes, and an optical gate effect can be produced. Further, the polarization may be changed in each direction. At this time, when the ferroelectric layer 5 and the two-dimensional material layer 1 are not in contact with each other, the same effect as that of the fifth embodiment is obtained.
  • the ferroelectric layer 5 is arranged under the two-dimensional material layer 1 or under the insulating film 3.
  • the strong dielectric layer 5 is arranged at the lower part of the two-dimensional material layer 1 or the lower part of the insulating film 3, so that the two-dimensional material layer 1 eliminates process damage in the film formation of the strong dielectric layer 5. This makes it possible to prevent the performance of the two-dimensional material layer 1 from deteriorating, so that the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be increased.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • FIG. 8 is a schematic plan view of the electromagnetic wave detector according to the third embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the line segment IX-IX of FIG.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 8 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and can obtain the same effect, but the two-dimensional material layer 1, the first. It differs from the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2 in that the electrode portion 2a, the second electrode portion 2b, and the semiconductor layer 4 are arranged on the ferroelectric layer 5. That is, the semiconductor layer 4 and the first electrode portion 2a are provided on a part of the ferroelectric layer 5, the second electrode portion 2b is provided on the semiconductor layer 4, and the two-dimensional material layer 1 is the first electrode portion 2a. It is characterized in that it extends from above to the semiconductor layer 4 via the ferroelectric layer 5.
  • the ferroelectric layer 5 can be configured as a ferroelectric crystal substrate.
  • Such a ferroelectric layer 5 has higher crystallinity and can be made thicker than the ferroelectric layer 5 which is not configured as a ferroelectric crystal substrate. Since the rate of change in polarization caused by electromagnetic wave irradiation in such a ferroelectric layer 5 is higher than that of the ferroelectric layer 5 not configured as a ferroelectric crystal substrate, the sensitivity of the electromagnetic wave detector is improved. Further, in the electromagnetic wave detector according to the first embodiment, when the ferroelectric layer 5 is formed on the two-dimensional material layer 1, the two-dimensional material layer 1 may be subject to process damage.
  • the electromagnetic wave detector according to the third embodiment since the two-dimensional material layer 1 is not damaged by the process, it is possible to prevent the performance of the two-dimensional material layer 1 from deteriorating, so that the electromagnetic wave detector is highly sensitive. Can be transformed into.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • FIG. 10 is a schematic plan view of the electromagnetic wave detector according to the fourth embodiment.
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the line segment XI-XI of FIG.
  • FIG. 12 is a schematic plan view showing a first modification of the electromagnetic wave detector according to the fourth embodiment.
  • FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of the line segment XIII-XIII of FIG.
  • FIG. 14 is a schematic plan view showing a second modification of the electromagnetic wave detector according to the fourth embodiment.
  • FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of the line segment XV-XV of FIG.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 10 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and the same effect can be obtained, but the arrangement of the ferroelectric layer 5 is arranged. It is different from the electromagnetic wave detector shown in FIGS. 1 and 2. That is, in the electromagnetic wave detector shown in FIG. 10, the ferroelectric layer 5 is arranged only on the upper part of the joint surface between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4. In other words, the ferroelectric layer 5 is arranged so as to overlap only the first portion of the two-dimensional material layer 1 and is in contact with only the first portion.
  • the ferroelectric layer 5 is arranged only on the upper part of the two-dimensional material layer 1 on the insulating film 3. In other words, the ferroelectric layer 5 is arranged so as to overlap only the second portion and the third portion of the two-dimensional material layer 1, and is in contact with only the second portion and the third portion. There is.
  • the ferroelectric layer 5 is arranged in a part of the two-dimensional material layer 1.
  • the ferroelectric layer 5 is arranged so as to overlap only the third portion of the two-dimensional material layer 1, and is in contact with only the third portion.
  • the ferroelectric layer 5 is arranged above the joint surface between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4. In this case, when an electromagnetic wave is incident on the ferroelectric layer 5, the energy barriers of the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 can be changed by the polarization change of the ferroelectric layer 5, and the electromagnetic wave detector is made highly sensitive. can do.
  • the ferroelectric layer 5 is arranged on the upper part of the two-dimensional material layer 1 on the insulating film 3.
  • the conductivity of the two-dimensional material layer 1 is modulated by the polarization change of the ferroelectric layer 5, and the electromagnetic wave detector can be made highly sensitive.
  • the ferroelectric layer 5 is arranged in a part of the two-dimensional material layer 1.
  • the conductivity is modulated in the vicinity of the region where the ferroelectric layer 5 is in contact. This makes it possible to modulate the conductivity in any region of the two-dimensional material layer 1.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • FIG. 16 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the fifth embodiment.
  • FIG. 16 corresponds to FIG.
  • FIG. 17 is a schematic plan view showing a first modification of the electromagnetic wave detector according to the fifth embodiment.
  • FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of the line segment XVIII-XVIII of FIG.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 16 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and can obtain the same effect, but has a ferroelectric layer 5 and two dimensions. It differs from the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2 in that it includes an insulating film 3b that separates the material layers 1. The ferroelectric layer 5 does not come into direct contact with the two-dimensional material layer 1.
  • the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 17 and 18 basically have the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 8 and 9, and can obtain the same effect, but the ferroelectric layer 5 It differs from the electromagnetic wave detector shown in FIGS. 8 and 9 in that it is provided with an insulating film 3b that separates the two-dimensional material layer 1 from the electromagnetic wave detector.
  • the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 17 and 18 basically have the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIG. 16 and can obtain the same effect, but the two-dimensional material layer 1 ,
  • the first electrode portion 2a, the second electrode portion 2b, the semiconductor layer 4, and the insulating film 3b are arranged on the ferroelectric layer 5, which is different from the electromagnetic wave detector shown in FIG.
  • the thickness of the insulating film 3b is preferably a thickness that can be applied to the two-dimensional material layer 1 without shielding the electric field change due to the pyroelectric effect of the ferroelectric layer 5.
  • the insulating film 3b is arranged between the ferroelectric layer 5 and the two-dimensional material layer 1.
  • the ferroelectric layer 5 does not come into direct contact with the two-dimensional material layer 1.
  • the electric charge is exchanged between the spontaneous polarization of the ferroelectric layer 5 and the two-dimensional material layer 1, so that the optical response becomes small.
  • the ferroelectric layer 5 and the two-dimensional material layer 1 come into contact with each other, hysteresis may occur and the response speed of the electromagnetic wave detector may decrease.
  • these effects can be suppressed. Further, even when the insulating film 3b is inserted, the electric field change due to the pyroelectric effect of the ferroelectric layer 5 can be given to the two-dimensional material layer 1.
  • the polarization change can be increased by applying heat energy to the strong dielectric layer 5 due to the heat generation of the insulating film 3b, and the electromagnetic wave detector is made high. It can be made sensitive.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • Embodiment 6 ⁇ Configuration of electromagnetic wave detector>
  • the position of the end portion of the two-dimensional material layer 1 in a plan view is not particularly limited, but in the electromagnetic wave detector according to the present embodiment, the two-dimensional material is used.
  • the first portion of layer 1 has an end of the two-dimensional material layer 1 in plan view.
  • the electromagnetic wave detector according to the present embodiment basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and can obtain the same effect, but is at the end of the two-dimensional material layer 1.
  • the unit is arranged on the semiconductor layer 4.
  • the end portion of the two-dimensional material layer 1 in a plan view is arranged in the opening portion of the insulating film 3.
  • the end portion of the two-dimensional material layer 1 is, for example, an end portion in the longitudinal direction of the two-dimensional material layer 1.
  • the shape of the end portion of the two-dimensional material layer 1 in a plan view is, for example, a rectangular shape, but may be a triangular shape, a comb shape, or the like.
  • the first portion of the two-dimensional material layer 1 may have a plurality of ends electrically connected to the semiconductor layer 4.
  • the first portion of the two-dimensional material layer 1 may have only a part of the end portion of the two-dimensional material layer 1 in a plan view.
  • the end portion of the two-dimensional material layer 1 in a plan view may have a portion arranged in the opening of the insulating film 3 and a portion arranged on the insulating film 3.
  • the end portion of the two-dimensional material layer 1 may be a graphene nanoribbon.
  • the graphene nanoribbon has a band gap, a Schottky junction is formed in the junction region between the graphene nanoribbon and the semiconductor portion, so that the dark current can be reduced and the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be improved.
  • the end portion of the two-dimensional material layer 1 exists on the semiconductor layer 4.
  • the junction region between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor portion is a Schottky junction.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • FIG. 19 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the seventh embodiment.
  • FIG. 19 corresponds to FIG.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 19 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and can obtain the same effect, but the semiconductor layer 4 and the two-dimensional material layer can be obtained.
  • the configuration of the connection portion with 1 is different from that of the electromagnetic wave detector shown in FIGS. 1 and 2. That is, the electromagnetic wave detector shown in FIG. 19 further includes a tunnel insulating layer 6 arranged between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
  • the tunnel insulating layer 6 is arranged inside the opening of the insulating film 3.
  • the thickness of the tunnel insulating layer 6 is set so that a tunnel current is generated between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 when the electromagnetic wave to be detected is incident on the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5. It is set.
  • the thickness of the tunnel insulating layer 6 is, for example, 1 nm or more and 10 nm or less.
  • the material constituting the tunnel insulating layer 6 may be any material having an electrically insulating property, and for example, a metal oxide such as alumina and hafnium oxide, or an oxide containing a semiconductor such as silicon oxide and silicon nitride.
  • the tunnel insulating layer 6 may be manufactured by using an ALD (Atomic Layer Deposition) method, a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, or the like.
  • the tunnel insulating layer 6 may be formed by oxidizing or nitriding the surface of the semiconductor layer 4.
  • a natural oxide film formed on the surface of the semiconductor layer 4 may be used as the tunnel insulating layer 6.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • the electromagnetic wave detector includes a tunnel insulating layer 6.
  • the tunnel insulating layer 6 is arranged between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
  • the tunnel insulating 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 tunnel insulating 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 generated in the two-dimensional material layer 1. It is injected and can improve the sensitivity of the electromagnetic wave detector. 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 tunnel insulating layer 6.
  • FIG. 20 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the eighth embodiment. Note that FIG. 20 corresponds to FIG.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 20 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and the same effect can be obtained, but the configuration of the ferroelectric layer 5 is It is different from the electromagnetic wave detector shown in FIGS. 1 and 2. That is, the electromagnetic wave detector shown in FIG. 20 is in contact with the ferroelectric layer 5, and the third electrode portion is arranged on the side opposite to the two-dimensional material layer 1 with respect to the ferroelectric layer 5. 2c is further provided. The third electrode portion 2c is arranged on the upper part of the ferroelectric layer 5. The third electrode portion 2c is electrically connected to the surface of the ferroelectric layer 5, and a voltage V is applied between the third electrode portion 2c and the first electrode portion 2a or the second electrode portion 2b.
  • the third electrode portion 2c exhibits a high transmittance at the wavelength of the electromagnetic wave detected by the electromagnetic wave detector.
  • the third electrode portion 2c is arranged on the opposite side to the two-dimensional material layer 1, but it is sufficient as long as it is in contact with the ferroelectric layer 5, and it can be applied to other configurations.
  • the direction in which the voltage is applied from the third electrode portion 2c is preferably the direction perpendicular to the extending direction of the two-dimensional material layer 1.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • the electromagnetic wave detector includes a third electrode portion 2c.
  • the third electrode portion 2c is electrically connected to the ferroelectric layer 5.
  • the same voltage as that of the first electrode portion 2a is applied, but another voltage may be applied.
  • the sensitivity of the detector is improved.
  • FIG. 21 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the ninth embodiment. Note that FIG. 21 corresponds to FIG.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 21 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and can obtain the same effect, but the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer can be obtained.
  • the configuration of the connection portion with 4 is different from the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2. That is, the electromagnetic wave detector shown in FIG. 21 further includes a connecting conductor portion 2d that electrically connects the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
  • the connecting conductor portion 2d is arranged inside the opening of the insulating film 3.
  • the connecting conductor portion 2d is arranged so as to overlap each of the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4, and is in contact with each of the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
  • the lower surface of the connecting conductor portion 2d is in contact with the upper surface of the semiconductor layer 4.
  • the upper surface of the connecting conductor portion 2d is in contact with the lower surface of the two-dimensional material layer 1.
  • the position of the upper surface of the connecting conductor portion 2d is substantially the same as the position of the upper surface of the insulating film 3.
  • the thickness of the connecting conductor portion 2d is equal to the thickness of the insulating film 3.
  • the two-dimensional material layer 1 extends from the upper surface of the insulating film 3 to the upper surface of the connecting conductor portion 2d in a planar shape without bending.
  • the connecting conductor portion 2d exhibits a high transmittance at the wavelength of the electromagnetic wave detected by the electromagnetic wave detector.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • the electromagnetic wave detector includes a connecting conductor portion 2d.
  • the connecting conductor portion 2d electrically connects the semiconductor layer 4 and the two-dimensional material layer 1.
  • the connecting conductor portion 2d can be reduced.
  • the connecting conductor portion 2d and the semiconductor layer 4 form a Schottky junction, and the dark current can be reduced.
  • the thickness of the connecting conductor portion 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 portion 2d is substantially the same as the position of the upper surface of the insulating film 3. Is preferable.
  • 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 sensitivity of the electromagnetic wave detector is improved.
  • FIG. 22 is a schematic plan view of the electromagnetic wave detector according to the tenth embodiment.
  • FIG. 23 is a schematic cross-sectional view of the line segment XXIII-XXIII of FIG. 22.
  • FIG. 24 is a schematic cross-sectional view of the line segment XXIV-XXIV of FIG. 22.
  • FIG. 25 is a schematic plan view showing a first modification of the electromagnetic wave detector according to the tenth embodiment.
  • FIG. 26 is a schematic cross-sectional view of the line segment XXVI-XXVI of FIG.
  • FIG. 27 is a schematic plan view showing a second modification of the electromagnetic wave detector according to the tenth embodiment.
  • FIG. 28 is a schematic cross-sectional view of the line segment XXVIII-XXVIII of FIG. 27.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 22 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and the same effect can be obtained, but the two-dimensional material layer 1 and the insulating film are obtained.
  • the configuration of 3 is different from the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2. That is, the electromagnetic wave detector shown in FIG. 22 is different from the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2 in that a plurality of connecting portions between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 are provided.
  • a plurality of openings are formed as openings in the insulating film 3.
  • the two-dimensional material layer 1 extends to the inside of each of the plurality of openings and is electrically connected to the semiconductor layer 4 inside each of the plurality of openings.
  • the insulating film 3 is formed with a first opening, a second opening, and a third opening as a plurality of openings.
  • the first opening, the second opening, and the third opening are arranged so as to be spaced apart from each other.
  • the first opening, the second opening, and the third opening each penetrate the insulating film 3, and the surface of the semiconductor layer 4 is exposed at the bottom.
  • the two-dimensional material layer 1 extends from the upper surface of the insulating film 3 to the inside of the first opening, the second opening, and the third opening.
  • the two-dimensional material layer 1 is in contact with the semiconductor layer 4 at the bottoms of the first opening, the second opening, and the third opening.
  • the insulating film 3 is provided with a plurality of openings to increase the contact region between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4, thereby dispersing the current flowing from the semiconductor layer 4 to the two-dimensional material layer 1. be able to. Therefore, the region where the two-dimensional material layer 1 is affected by the electric field change can be expanded via the ferroelectric layer 5.
  • the electromagnetic wave detector using the present embodiment is used as one pixel.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 22 is a pixel having a quadrangular planar shape.
  • the first electrode portion 2a is used. It is preferable to make the area of the above as small as possible. Therefore, as shown in FIGS. 22 and 23, the first electrode portion 2a is arranged at one of the four corners of the pixel. Then, as shown in FIGS.
  • the first opening, the second opening, and the third opening of the insulating film 3 are arranged in the other three corners. By doing so, it is possible to increase the contact area between the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5 while minimizing the attenuation of the electromagnetic wave by the first electrode portion 2a. As a result, in the two-dimensional material layer 1, the region affected by the electric field change from the ferroelectric layer 5 can be widened, and the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be increased.
  • the area of the opening of the first electrode portion 2a and the insulating film 3 is preferably as small as possible.
  • connection portions with the semiconductor layer 4 are provided, but as shown in FIGS. 27 and 28, a plurality of connection portions between the two-dimensional material layer 1 and the first electrode portion 2a are provided. May be good.
  • Each of the plurality of first electrode portions 2a is arranged, for example, in two or more corners of the four corners of the pixel. In addition, each of the plurality of first electrode portions 2a may be arranged at another position as long as it is on the insulating film 3.
  • connection portions between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 and a connection portion between the two-dimensional material layer 1 and the first electrode portion 2a may be provided. For example, even if the connection portion between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 and the connection portion between the two-dimensional material layer 1 and the first electrode portion 2a are arranged at two of the four corners of the pixel. good.
  • the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 25 and 26 basically have the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIG. 22 and can obtain the same effect, but the first electrode portion 2a and the insulating film can be obtained.
  • the configuration of 3 is different from the electromagnetic wave detector shown in FIG. That is, in the electromagnetic wave detector shown in FIG. 25, the first electrode portion 2a is formed in an annular shape, and the first portion of the two-dimensional material layer 1 is arranged inside the first electrode portion 2a.
  • the first electrode portion 2a is arranged, for example, on the outer peripheral portion of the pixel.
  • the opening of the insulating film 3 is arranged inside the first electrode portion 2a, and is arranged, for example, in the center of the pixel.
  • the first electrode portion 2a is arranged on the upper surface of the insulating film 3 so as to surround the outer periphery of the opening of the insulating film 3.
  • the photocurrent extracted from the semiconductor layer 4 via the two-dimensional material layer 1 is increased as compared with the electromagnetic wave detector shown in FIG. 22, so that the detection sensitivity is high.
  • the width of the first electrode portion 2a is preferably as narrow as possible in order to suppress the attenuation of electromagnetic waves.
  • the two-dimensional material layer 1 may be arranged in a region that partially overlaps with the opening of the insulating film 3 and the first electrode portion 2a and substantially overlaps with the planar shape of the semiconductor layer 4.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • connection portion between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 and the connection portion between the two-dimensional material layer 1 and the first electrode portion 2a are provided in multiples.
  • the two-dimensional material layer 1 is provided.
  • the current flowing between the semiconductor layer 4 and the first electrode portion 2a does not flow locally in the two-dimensional material layer 1, but flows in a dispersed manner.
  • the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 22 to 24 and 27 two dimensions are caused due to the change in polarization in the ferroelectric layer 5 as compared with the case where only one connection portion is provided. Since the region in which the current can change is widened in the material layer 1, the detection sensitivity is high.
  • the first electrode portion 2a is formed in an annular shape, and the first portion of the two-dimensional material layer 1 is arranged inside the first electrode portion 2a. .. In this case, it is possible to widen the region affected by the electric field change from the semiconductor layer 4 in the two-dimensional material layer 1 while minimizing the attenuation of the electromagnetic wave by the first electrode portion 2a. As a result, the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be increased.
  • FIG. 29 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the eleventh embodiment.
  • FIG. 30 is a schematic cross-sectional view showing a modified example of the electromagnetic wave detector according to the eleventh embodiment.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 29 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and the same effect can be obtained, but the configuration of the semiconductor layer 4 is FIG. 1. And it is different from the electromagnetic wave detector shown in FIG. That is, the electromagnetic wave detector shown in FIG. 29 has the electromagnetic wave detection shown in FIGS. 1 and 2 in that the semiconductor layer 4 includes the semiconductor layer 4a (first semiconductor portion) and the semiconductor layer 4b (second semiconductor portion). It is different from the vessel.
  • the semiconductor layer 4 is composed of, for example, semiconductor layers 4a and 4b.
  • the semiconductor layer 4 may include three or more semiconductor layers.
  • the semiconductor layer 4a is exposed at the opening of the insulating film 3 and is electrically connected to the first electrode portion 2a via the two-dimensional material layer 1.
  • the semiconductor layer 4a is in contact with, for example, the two-dimensional material layer 1 and the insulating film 3.
  • the semiconductor layer 4b is arranged on the side opposite to the two-dimensional material layer 1 with respect to the semiconductor layer 4a, for example, and is electrically connected to the second electrode portion 2b.
  • the semiconductor layer 4a and the semiconductor layer 4b are laminated in FIG. 29, but the present invention is not limited to this.
  • the conductive type of the semiconductor layer 4a is different from the conductive type of the semiconductor layer 4b.
  • the conductive type of the semiconductor layer 4a is n-type
  • the conductive type of the semiconductor layer 4b is p-type.
  • the semiconductor layer 4 constitutes a diode.
  • the semiconductor layer 4 constitutes, for example, a photodiode having a sensitivity different from that of the ferroelectric layer 5.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 30 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIG. 29 and can obtain the same effect, but the semiconductor layer 4b (second semiconductor portion).
  • the electromagnetic wave detection shown in FIG. 29 is further provided with a fourth electrode portion electrically connected to the semiconductor layer 4a (first semiconductor portion). It is different from the vessel.
  • the two-dimensional material layer 1 is electrically connected to the semiconductor layer 4a and the semiconductor layer 4b.
  • the interface between the semiconductor layer 4a and the semiconductor layer 4b is arranged in the opening of the insulating film 3.
  • the semiconductor layer 4a is in contact with, for example, the two-dimensional material layer 1 and the fourth electrode portion 2bb.
  • the semiconductor layer 4b is in contact with, for example, the two-dimensional material layer 1 and the insulating film 3 in addition to the second electrode portion 2b.
  • a voltage V2 is applied between the second electrode portion 2ba and the fourth electrode portion 2bb.
  • a depletion layer is formed at the interface between the semiconductor layer 4a and the semiconductor layer 4b, so that the interface between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4a and the semiconductor layer 4b is formed.
  • a depletion layer is formed.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • the semiconductor layer 4 is composed of a semiconductor layer 4a and a semiconductor layer 4b.
  • the dark current can be reduced.
  • a photodiode in which the semiconductor layer 4a and the semiconductor layer 4b have a sensitivity different from that of the ferroelectric layer 5, it is possible to detect a wide band wavelength by the ferroelectric layer 5 and the photodiode. It becomes.
  • FIG. 31 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the twelfth embodiment.
  • FIG. 32 is a schematic cross-sectional view showing a modified example of the electromagnetic wave detector according to the twelfth embodiment.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 31 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and the same effect can be obtained, but the configuration of the ferroelectric layer 5 is It is different from the electromagnetic wave detector shown in FIGS. 1 and 2. That is, in the electromagnetic wave detector shown in FIG. 31, the ferroelectric layer 5 includes the ferroelectric layer 5a (first ferroelectric portion) and the ferroelectric layer 5b (second ferroelectric portion). It is different from the electromagnetic wave detector shown in FIGS. 1 and 2.
  • the material constituting each of the ferroelectric layer 5a and the ferroelectric layer 5b may be any ferroelectric material that causes a polarization change with respect to a change in thermal energy, but is preferably an electromagnetic wave. Absorption wavelengths are different from each other.
  • the ferroelectric layer 5 is composed of, for example, a ferroelectric layer 5a and a ferroelectric layer 5b.
  • the ferroelectric layer 5 may include 3 or more ferroelectric layers.
  • the ferroelectric layer 5a is arranged on the two-dimensional material layer 1 side with respect to the ferroelectric layer 5b, and is in contact with the two-dimensional material layer 1.
  • the ferroelectric layer 5b is in contact with the ferroelectric layer 5a, but is not in contact with the two-dimensional material layer 1.
  • the ferroelectric layer 5a and the ferroelectric layer 5b are laminated in FIG. 31, but are not limited thereto.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 32 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIG. 31 and can obtain the same effect, but the configuration of the ferroelectric layer 5 is shown in FIG. 31. It is different from the electromagnetic wave detector shown. That is, the electromagnetic wave detector shown in FIG. 32 is different from the electromagnetic wave detector shown in FIG. 31 in that the ferroelectric layer 5a and the ferroelectric layer 5b are in contact with the two-dimensional material layer 1.
  • the ferroelectric layer 5a is arranged so as to overlap the first portion of the two-dimensional material layer 1.
  • the ferroelectric layer 5b is arranged so as to overlap the second portion and the third portion of the two-dimensional material layer 1.
  • the polarizabilities of the materials constituting each of the ferroelectric layer 5a and the ferroelectric layer 5b are different from each other.
  • the polarizabilities of the materials constituting each of the ferroelectric layer 5a and the ferroelectric layer 5b are designed so that the Fermi level in each region of the two-dimensional material layer 1 is optimized.
  • the polarizability of the material constituting the ferroelectric layer 5a is set higher than the polarizability of the material constituting the ferroelectric layer 5b.
  • the ferroelectric layer 5 includes a ferroelectric layer 5a and a ferroelectric layer 5b.
  • the polarizabilities of the materials constituting each of the ferroelectric layer 5a and the ferroelectric layer 5b are different from each other, so that the Fermi level in each region of the two-dimensional material layer 1 is optimum. Can be designed as such. By optimally designing the Fermi level in each region of the two-dimensional material layer 1, the performance of the electromagnetic wave detector can be improved.
  • Embodiment 13 ⁇ Configuration of electromagnetic wave detector>
  • the electromagnetic wave detector according to the present embodiment is different from the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2 in that the two-dimensional material layer 1 includes a disordered layer structure portion.
  • the region corresponding to the channel region in the two-dimensional material layer 1 is a disordered layer structure portion.
  • the random layer structure means a region in which a plurality of graphenes are laminated, and the lattices of the laminated graphenes are laminated in an inconsistent state.
  • the entire two-dimensional material layer 1 may have a disordered layer structure, or only a part of the two-dimensional material layer 1 may have a disordered layer structure.
  • any method can be used as a method for producing the disordered layer structure portion.
  • a single-layer graphene produced by a CVD method may be transferred a plurality of times, and a multi-layer graphene may be laminated to form a disordered layer structure portion.
  • graphene may be grown on graphene by a CVD method using ethanol, methane or the like as a carbon source to form a disordered layer structure portion.
  • 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 grid is in an inconsistent state.
  • Graphene with a disordered layer structure is less affected by the interaction between layers and has the same properties as 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, graphene having a disordered layer structure is affected by carrier scattering when the graphene is in contact with the insulating film 3, but graphene in the upper layer laminated on the graphene in a disordered layer structure is affected by carrier scattering from the underlying insulating film 3. It becomes difficult to receive. Further, in graphene having a disordered layer structure, the influence of the interaction between the 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.
  • 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 no disordered layer structure for example, single-layer graphene may be used for the contact region with the semiconductor layer 4 and the contact region with the first electrode portion 2a.
  • 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 semiconductor layer 4 and the two-dimensional material layer 1.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • the two-dimensional material layer 1 includes a random layer structure.
  • the mobility of carriers in the two-dimensional material layer 1 can be improved.
  • the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be improved.
  • FIG. 33 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the fourteenth embodiment.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 33 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and can obtain the same effect, but has a configuration on the two-dimensional material layer 1. Is different from the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2. That is, the electromagnetic wave detector shown in FIG. 33 differs from the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2 in that at least one or more conductors 7 are formed on the upper surface of the two-dimensional material layer 1. ing. A plurality of conductors 7 are arranged on the upper surface of the two-dimensional material layer 1. The plurality of conductors 7 are arranged at intervals from each other. The conductor 7 is a floating electrode.
  • a specific description will be given.
  • the electromagnetic wave detector according to the present embodiment is provided with a conductor 7 as a floating electrode on the two-dimensional material layer 1.
  • a conductor 7 As the material constituting the conductor 7, any material can be used as long as it is a conductor.
  • the material of the conductor 7 is a metal material such as gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), or palladium (Pd). Can be used.
  • the conductor 7 is not connected to a power supply circuit or the like and is floating.
  • the conductor 7 is provided on the two-dimensional material layer 1 located between the first electrode portion 2a and the semiconductor layer 4.
  • 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. 33 can be adopted.
  • 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 may 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. Therefore, the surface carriers generated by the irradiation of electromagnetic waves in the ferroelectric layer 5 can move back and forth between the plurality of conductors 7, and as a result, the life of the optical carriers is extended. This makes it possible to increase the sensitivity of the electromagnetic wave detector.
  • the electromagnetic wave detector according to the present 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 present embodiment can detect only electromagnetic waves having a specific wavelength with high sensitivity.
  • the conductors 7 are subjected to the irradiated electromagnetic wave 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 a specific polarized electromagnetic wave.
  • the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can detect only specific polarized light.
  • the conductor 7 may be arranged under the two-dimensional material layer 1. Even with such a configuration, the same effect as that of the electromagnetic wave detector shown in FIG. 33 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 on the two-dimensional material layer 1.
  • the uneven portion of the two-dimensional material layer 1 may have a periodic structure or an asymmetric 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.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • the electromagnetic wave detector further includes one or more conductors 7.
  • the one or more conductors 7 are arranged so as to be in contact with the two-dimensional material layer 1. In this case, the life of the optical carrier in the two-dimensional material layer 1 is extended. As a result, the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be increased.
  • FIG. 34 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the fifteenth embodiment.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 34 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and can obtain the same effect, but has a configuration on the two-dimensional material layer 1. Is different from the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2. That is, the electromagnetic wave detector shown in FIG. 34 differs from the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2 in that at least one or more contact layers 8 are formed on the upper surface of the two-dimensional material layer 1. ing.
  • a specific description will be given.
  • the contact layer 8 is provided on the two-dimensional material layer 1.
  • the contact layer 8 is made of a material capable of supplying holes or electrons to the two-dimensional material layer 1 by coming into contact with the two-dimensional material layer 1.
  • the contact layer 8 allows the two-dimensional material layer 1 to be optionally doped with holes or electrons.
  • a composition called a positive photoresist which contains a photosensitive agent having a quinonediagit group and a novolak resin
  • a material having a polar group can be used as the material constituting the contact layer 8.
  • a material having an electron attracting group which is an example of the material, has an effect of reducing the electron density of the two-dimensional material layer 1.
  • a material having an electron donating group which is an example of the material, has an effect of increasing the electron density of the two-dimensional material layer 1.
  • Examples of the material having an electron attracting group include a material having a halogen, a nitrile, a carboxyl group, a carbonyl group and the like.
  • Examples of the material having an electron donating group include a material having an alkyl group, an alcohol, an amino group, a hydroxyl group and the like.
  • a material in which the charge is biased in the entire molecule due to the polar group can also be used as the material for the contact layer 8.
  • the material can be used as a material for the contact layer 8.
  • the contact layer 8 made of an inorganic substance and the two-dimensional material layer 1 are brought into contact with each other, the conductive type to which the two-dimensional material layer 1 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 contact layer 8 is an organic substance
  • the organic substance which is a material constituting the contact layer 8 does not have a clear work function. Therefore, whether the two-dimensional material layer 1 is an n-type dope or a p-type dope can be determined by the polarity of the organic molecule used in the contact layer 8 to determine the polar group of the material of the contact layer 8. preferable.
  • the contact layer 8 when a composition containing a photosensitive agent 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.
  • a composition containing a photosensitive agent having a quinonediagit group and a novolak resin which is called a positive photoresist
  • the contact layer 8 is formed on the two-dimensional material layer 1.
  • a material having an electron attracting group or a material having an electron donating group as the material of the contact layer 8
  • the state (conductive type) of the two-dimensional material layer 1 is intentionally n. It can be a mold 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 from the polarization of the first electrode portion 2a, the semiconductor layer 4 and the ferroelectric layer 5. 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 semiconductor layer 4 side on the upper surface of the two-dimensional material layer 1, a gradient of charge density can be created in the two-dimensional material layer 1. It is formed. As a result, the mobility of the carriers in the two-dimensional material layer 1 is improved, and the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be increased.
  • a plurality of contact layers 8 may be formed on the two-dimensional material layer 1.
  • the number of the contact layers 8 may be 3 or more, and may be any number.
  • a plurality of contact layers 8 may be formed on the two-dimensional material layer 1 located between the first electrode portion 2a and the semiconductor layer 4. In that case, the materials of the plurality of contact layers 8 may be the same material or different materials.
  • the film thickness of the contact layer 8 is preferably sufficiently thin so that photoelectric conversion can be performed when the electromagnetic wave is applied 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, but the two-dimensional material. 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 a 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 a 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.
  • a material that causes a redox reaction by irradiation with electromagnetic waves may be used as the material of the contact layer 8.
  • the electrons or holes generated during the redox reaction can be doped into the two-dimensional material layer 1.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • 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 semiconductor layer 4. As a result, the performance of the electromagnetic wave detector can be improved.
  • FIG. 35 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the sixteenth embodiment.
  • FIG. 36 is a schematic cross-sectional view showing a modified example of the electromagnetic wave detector according to the sixteenth embodiment.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 35 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and can obtain the same effect, but around the two-dimensional material layer 1. It differs from the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2 in that the void 9 is formed.
  • a gap 9 is provided between the two-dimensional material layer 1 and the insulating film 3.
  • the two-dimensional material layer 1 has a surface facing the void 9. That is, unlike the electromagnetic wave detector according to the first embodiment, the two-dimensional material layer 1 does not come into contact with the insulating film 3. At this time, it is preferable that the upper surface of the semiconductor layer 4 at the opening has the same height as the upper surface of the first electrode portion 2a.
  • the two-dimensional material layer 1 extends from the first electrode portion 2a to the semiconductor layer 4.
  • the void 9 located below the two-dimensional material layer 1 is located between the first electrode portion 2a and the opening. If the void 9 is provided between the insulating film 3 and the two-dimensional material layer 1, another configuration may be adopted.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 36 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIG. 35 and can obtain the same effect, but the structure of the two-dimensional material layer 1 is shown in FIG. 35. It is different from the electromagnetic wave detector shown. That is, in the electromagnetic wave detector shown in FIG. 36, a void 9 is formed between the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5.
  • a gap 9 is provided between the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5. That is, unlike the electromagnetic wave detector according to the first embodiment, the two-dimensional material layer 1 is not in contact with the ferroelectric layer 5.
  • the polarization change of the ferroelectric layer 5 caused by electromagnetic wave irradiation causes an electric field change in the two-dimensional material layer 1 via the first electrode portion 2a or the semiconductor layer 4. At this time, the polarization direction of the ferroelectric layer 5 may be parallel to the plane of the two-dimensional material layer 1. Further, the electric field may be changed through the void 9. At this time, the polarization direction of the ferroelectric layer 5 may be perpendicular to the plane of the two-dimensional material layer 1.
  • the upper surface of the semiconductor layer 4 has the same height as the upper surface of the first electrode portion 2a.
  • the two-dimensional material layer 1 extends from the first electrode portion 2a to the semiconductor layer 4.
  • the void 9 located below the two-dimensional material layer 1 is located between the first electrode portion 2a and the semiconductor layer 4. If the void 9 is provided between the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5, another configuration may be adopted.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • the void 9 is formed in at least one of the upper part and the lower part of the two-dimensional material layer 1.
  • the influence of carrier scattering due to contact between the insulating film 3 or the ferroelectric layer 5 and the two-dimensional material layer 1 can be eliminated.
  • the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be improved.
  • the optical gate effect can act even if a void 9 is formed in the lower part of the two-dimensional material layer 1.
  • FIG. 37 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector according to the seventeenth embodiment.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 37 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detectors shown in FIGS. 1 and 2, and can obtain the same effect, but has the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric substance.
  • FIG. 1 further includes a connecting conductor portion 2e that electrically connects to and from the body layer 5, and the ferroelectric layer 5 is connected to the two-dimensional material layer 1 via the connecting conductor portion 2e. And it is different from the electromagnetic wave detector shown in FIG.
  • the ferroelectric layer 5 is provided so that the polarization change of the ferroelectric layer 5 caused by electromagnetic wave irradiation occurs in a direction perpendicular to the bonding interface between the two-dimensional material layer 1 and the connecting conductor portion 2e. .. In this case, the electric charge generated in the ferroelectric layer 5 due to the change in polarization is injected into the two-dimensional material layer 1 via the connecting conductor portion 2e.
  • the connecting conductor portion 2e and the ferroelectric layer 5 shown in FIG. 37 are arranged on the upper part of the two-dimensional material layer 1.
  • the connecting conductor portion 2e and the ferroelectric layer 5 may be arranged below the two-dimensional material layer 1.
  • the connecting conductor portion 2e is arranged, for example, on the upper portion of the ferroelectric layer 5.
  • the ferroelectric layer 5 is provided so that the polarization change of the ferroelectric layer 5 caused by electromagnetic wave irradiation occurs in a direction perpendicular to the first surface of the semiconductor layer 4.
  • the connecting conductor portion 2e and the ferroelectric layer 5 may be arranged side by side with the two-dimensional material layer 1 along the first surface and in a direction orthogonal to the extending direction of the two-dimensional material layer 1. ..
  • the ferroelectric layer 5 is provided so that the polarization change of the ferroelectric layer 5 caused by electromagnetic wave irradiation occurs in the direction along the two-dimensional plane of the two-dimensional material layer 1.
  • the ferroelectric layer 5 is provided so that the polarization change of the ferroelectric layer 5 caused by electromagnetic wave irradiation occurs in the direction along the first surface of the semiconductor layer 4.
  • the surface resistance of the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5 is high. Therefore, when the ferroelectric layer 5 is connected to the two-dimensional material layer 1 without passing through the connecting conductor portion 2e, the electric charge generated by the polarization change in the ferroelectric layer 5 is transferred to the two-dimensional material layer 1. Not injected.
  • the ferroelectric layer 5 is connected to the two-dimensional material layer 1 via the connecting conductor portion 2e. Therefore, the electric charge generated by the polarization change accompanying the electromagnetic wave irradiation in the ferroelectric layer 5 can be injected into the two-dimensional material layer 1 via the connecting conductor portion 2e.
  • the two-dimensional material layer is compared with the electromagnetic wave detector in which the ferroelectric layer 5 is connected to the two-dimensional material layer 1 without passing through the connecting conductor portion 2e.
  • the conductivity of 1 can be efficiently modulated.
  • the connecting conductor portion 2e and the ferroelectric layer 5 are arranged on the upper part of the two-dimensional material layer 1, the connecting conductor portion 2e and the ferroelectric layer 5 are formed in the method of manufacturing the electromagnetic wave detector.
  • the step of forming the two-dimensional material layer 1 is performed after the step of forming the two-dimensional material layer 1. Therefore, the two-dimensional material layer 1 may be damaged by the process of forming the connecting conductor portion 2e and the ferroelectric layer 5.
  • the connecting conductor portion 2e and the ferroelectric layer 5 are arranged below the two-dimensional material layer 1, in the method of manufacturing the electromagnetic wave detector, the connecting conductor portion 2e and the ferroelectric layer 5 are arranged.
  • the step of forming the two-dimensional material layer 1 is performed before the step of forming the two-dimensional material layer 1. Therefore, the two-dimensional material layer 1 is not likely to be damaged by the process of forming the connecting conductor portion 2e and the ferroelectric layer 5. As a result, it is possible to prevent the performance of the two-dimensional material layer 1 from deteriorating due to the process damage, and further to prevent the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector from deteriorating.
  • the ferroelectric layer 5 is preferably provided so that the polarization change of the ferroelectric layer 5 caused by irradiation with electromagnetic waves occurs in the direction along the two-dimensional plane of the two-dimensional material layer 1.
  • the electrical resistance in the direction along the two-dimensional plane of the two-dimensional material layer 1 is lower than the electrical resistance in the direction perpendicular to the two-dimensional plane of the two-dimensional material layer 1.
  • the polarization change of the strong dielectric layer 5 is provided so as to occur in the direction along the two-dimensional plane of the two-dimensional material layer 1
  • the polarization change of the strong dielectric layer 5 is provided so as to occur in the direction along the two-dimensional plane of the two-dimensional material layer 1.
  • the electric charge generated by the polarization change due to the electromagnetic wave irradiation in the dielectric layer 5 is transferred to the two-dimensional material via the connecting conductor portion 2e. It can be efficiently injected into layer 1.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector according to the present embodiment can be applied to other embodiments.
  • FIG. 38 is a schematic plan view of the electromagnetic wave detector according to the eighteenth embodiment.
  • FIG. 39 is a schematic cross-sectional view showing a modified example of the electromagnetic wave detector according to the eighteenth embodiment.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 38 is an aggregate of electromagnetic wave detectors, and has a plurality of electromagnetic wave detectors 100 according to any one of the first to twelfth embodiments as detection elements.
  • the electromagnetic wave detector according to the first embodiment may be used as the electromagnetic wave detector 100.
  • the electromagnetic wave detectors 100 are arranged in an array in the two-dimensional direction.
  • the plurality of electromagnetic wave detectors 100 may be arranged so as to be arranged in one-dimensional direction.
  • the electromagnetic wave detector 100 is 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 arranged periodically in two dimensions, but a plurality of electromagnetic wave detectors 100 may be arranged periodically along a certain direction. Further, the arrangement of the plurality of electromagnetic wave detectors 100 is not periodic, and may be arranged at different intervals.
  • 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 becomes possible to increase the resolution of the electromagnetic wave detector aggregate.
  • the electromagnetic wave detector aggregate using the plurality of electromagnetic wave detectors 100 in this way can also be used as an image sensor by arranging the plurality of electromagnetic wave detectors 100 in an array.
  • an electromagnetic wave detector aggregate having a plurality of electromagnetic wave detectors 100 according to the first embodiment has been described as an example, but instead of the electromagnetic wave detector according to the first embodiment, another embodiment has been described.
  • the electromagnetic wave detector according to the above embodiment may be used.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 39 is an aggregate of electromagnetic wave detectors, and basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIG. 38 and can obtain the same effect, but a plurality of electromagnetic wave detectors can be obtained. It differs from the electromagnetic wave detector shown in FIG. 38 in that different types of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 are used as the electromagnetic wave detectors. That is, in the electromagnetic wave detector shown in FIG. 39, 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 present embodiment, different types of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 are arranged periodically in two dimensions, but they may be arranged periodically in one dimension. Further, different types of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 may be arranged at different intervals instead of periodically.
  • electromagnetic wave detector assembly shown in FIG. 39
  • different types of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 according to any one of the first to 16th embodiments are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array. Therefore, it is possible to have a function as an image sensor.
  • electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 electromagnetic wave detectors having different detection wavelengths may be used.
  • electromagnetic wave detectors having different detection wavelength selectivity may be prepared from the electromagnetic wave detectors according to any one of the first to 16th embodiments and arranged in an array. In this case, the electromagnetic wave detector aggregate 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.
  • the constituent material of the semiconductor layer 4 and the ferroelectric layer 5 constituting the electromagnetic wave detector materials having different detection wavelengths may be used.
  • 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. By doing so, 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 detectors 200, 201, 202, and 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. This makes it 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 CMOS image sensors and the like.
  • a polarization identification image sensor can be formed.
  • polarization imaging can be performed by arranging a plurality of electromagnetic wave detectors for each 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 aggregate according to the present embodiment configured as described above can detect electromagnetic waves in a wide wavelength range. Further, the electromagnetic wave detector aggregate according to the present embodiment can detect electromagnetic waves having different wavelengths.
  • the above-mentioned electromagnetic wave detector assembly includes a plurality of electromagnetic wave detectors.
  • the plurality of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, 203 may be different types of electromagnetic wave detectors.
  • the plurality of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 may have different detection wavelengths. In this case, electromagnetic waves having different wavelengths can be detected by one set of electromagnetic wave detectors.
  • the contact layer 8 or the semiconductor layer 4 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 is used. You may.
  • examples of the material whose characteristics are changed by irradiation with electromagnetic waves and which gives a change in potential 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 bonding material, a metal-insulator-semiconductor bonding 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 ferroelectric material the polarization of the ferroelectric material is changed by irradiation with electromagnetic waves.
  • the potential can be changed in the two-dimensional material layer 1.
  • the characteristics of the insulating film 3, the contact layer 8, or the semiconductor layer 4 change due to the irradiation of electromagnetic waves. As a result, the potential can be changed in the two-dimensional material layer 1.
  • a material whose characteristics are changed by irradiation with electromagnetic waves and giving a change in potential to the two-dimensional material layer 1 may be applied to at least one of them.
  • 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.

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Abstract

電磁波検出器は、半導体層（４）と、半導体層と電気的に接続されている二次元材料層（１）と、半導体層を介さずに二次元材料層と電気的に接続されている第１電極部（２ａ）と、半導体層（４）を介して二次元材料層と電気的に接続されている第２電極部（２ｂ）と、二次元材料層の少なくとも一部と接触している強誘電体層（５）とを備える。

Description

電磁波検出器および電磁波検出器アレイ
　本開示は、電磁波検出器および電磁波検出器アレイに関する。
　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（特許文献１）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、上記特許文献１の検出器では、ｎ型半導体層上に２つ以上の誘電体層が設けられている。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が形成されている。グラフェン層とｎ型半導体層とはショットキー接合している。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。ゲート電極とソース電極またはドレイン電極との間に電圧を印加した場合には、上記ショットキー接合により、ＯＦＦ動作が可能となる。
米国特許出願公開第２０１５／０２４３８２６号明細書
　しかしながら、ゲート電極とソース電極またはドレイン電極との間に電圧を印加した状態は、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。
　本開示の主たる目的は、上記検出器と比べて検出感度が高い電磁波検出器および電磁波検出器アレイを提供することにある。
　本開示に係る電磁波検出器は、半導体層と、半導体層と電気的に接続されている二次元材料層と、半導体層を介さずに二次元材料層と電気的に接続されている第１電極部と、半導体層を介して二次元材料層と電気的に接続されている第２電極部と、二次元材料層の少なくとも一部と接触している強誘電体層とを備える。
　本開示によれば、上記検出器と比べて検出感度が高い電磁波検出器および電磁波検出器アレイを提供することができる。
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１の線分ＩＩ－ＩＩにおける断面模式図である。 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。 実施の形態２に係る電磁波検出器の平面模式図である。 図４の線分Ｖ－Ｖにおける断面模式図である。 実施の形態２に係る電磁波検出器の第１変形例を示す断面模式図である。 実施の形態２に係る電磁波検出器の第２変形例を示す断面模式図である。 実施の形態３に係る電磁波検出器の平面模式図である。 図８の線分ＩＸ－ＩＸにおける断面模式図である。 実施の形態４に係る電磁波検出器の平面模式図である。 図１０の線分ＸＩ－ＸＩにおける断面模式図である。 実施の形態４に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。 図１２の線分ＸＩＩＩ－ＸＩＩＩにおける断面模式図である。 実施の形態４に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。 図１４の線分ＸＶ－ＸＶにおける断面模式図である。 実施の形態５に係る電磁波検出器の断面模式図である。 実施の形態５に係る電磁波検出器の変形例を示す平面模式図である 図１７の線分ＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩにおける断面模式図である。 実施の形態７に係る電磁波検出器の断面模式図である。 実施の形態８に係る電磁波検出器の断面模式図である。 実施の形態９に係る電磁波検出器の断面模式図である。 実施の形態１０に係る電磁波検出器の平面模式図である。 図２２の線分ＸＸＩＩＩ－ＸＸＩＩＩにおける断面模式図である。 図２２の線分ＸＸＩＶ－ＸＸＩＶにおける断面模式図である。 実施の形態１０に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。 図２５の線分ＸＸＶＩ－ＸＸＶＩにおける断面模式図である。 実施の形態１０に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。 図２７の線分ＸＸＶＩＩＩ－ＸＸＶＩＩＩにおける断面模式図である。 実施の形態１１に係る電磁波検出器の断面模式図である。 実施の形態１１に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。 実施の形態１２に係る電磁波検出器の断面模式図である。 実施の形態１２に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。 実施の形態１４に係る電磁波検出器の断面模式図である。 実施の形態１５に係る電磁波検出器の断面模式図である。 実施の形態１６に係る電磁波検出器の断面模式図である。 実施の形態１６に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。 実施の形態１７に係る電磁波検出器の断面模式図である。 実施の形態１８に係る電磁波検出器の平面模式図である。 実施の形態１８に係る電磁波検出器の変形例を示す平面模式図である。
　以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
　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ＩＩ－ＩＩにおける断面模式図である。図１および図２に示した電磁波検出器は、二次元材料層１と、第１電極部２ａと、第２電極部２ｂと、絶縁膜３と、半導体層４と、強誘電体層５とを主に備える。強誘電体層５は電磁波検出器の検出対象とする電磁波の波長に感度を有している。強誘電体層５に検出対象とする波長を有する電磁波が照射されると、強誘電体層５において分極が変化する。図１および図２に示した電磁波検出器において、二次元材料層１および強誘電体層５は、強誘電体層５において分極が変化したときに、二次元材料層１の抵抗値が変化するように設けられている。
　半導体層４は、第１面および第１面とは反対側に位置する第２面を有している。図１および図２に示されるように、二次元材料層１、第１電極部２ａ、絶縁膜３、および強誘電体層５は、半導体層４の第１面上に配置されている。第２電極部２ｂは、半導体層４の第２面上に配置されている。以下では、第１面上において、二次元材料層１、第１電極部２ａ、絶縁膜３、および強誘電体層５の各々に対して半導体層４とは反対側に位置する部分を各々の上部とよび、二次元材料層１、第１電極部２ａ、絶縁膜３、および強誘電体層５の各々に対して半導体層４側に位置する部分を各々の下部とよぶ。
　半導体層４は、例えば、シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料からなる。具体的には、半導体層４としては、不純物がドープされたシリコン基板などが用いられる。
　ここで、半導体層４は、多層構造であってもよく、ｐｎ接合フォトダイオードや、ｐｉｎフォトダイオード、ショットキーフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードを用いてもよい。また、半導体層４としてフォトトランジスタを用いてもよい。
　半導体層４を構成する半導体材料として、上述のようにシリコン基板を例として説明したが、当該半導体層４を構成する材料として他の材料を用いてもよい。たとえば、半導体層４を構成する材料として、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＩＩＩ－Ｖ族又はＩＩ－Ｖ族半導体などの化合物半導体、水銀カドミウムテルル（ＨｇＣｄＴｅ）、インジウムアンチモン（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）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、ヒ化インジウム（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を用いてもよい。
　本実施の形態に係る電磁波検出器においては、半導体層４および半導体層４の電気抵抗率が１００Ω・ｃｍ以下になるように、半導体層４および半導体層４に不純物がドーピングされていることが好ましい。半導体層４および半導体層４が高濃度にドーピングされることで、キャリアの半導体層４および半導体層４中での移動速度（読み出し速度）が速くなる。この結果、電磁波検出器の応答速度が向上する。
　また、半導体層４の厚さＴ１は１０μｍ以下とすることが好ましい。半導体層４の厚さＴ１を薄くすることで、キャリアの失活が少なくなる。
　図２に示されるように、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間には、バイアス電圧Ｖを印加するための電源回路が電気的に接続される。上記電源回路は、二次元材料層１に電圧Ｖを印加するための回路である。上記電源回路には、二次元材料層１での電流Ｉを検出するための図示しない電流計が接続される。
　絶縁膜３は、半導体層４の第１面上に配置されている。絶縁膜３は、半導体層４の第１面に接触している下部表面と、下部表面とは反対側に位置する上部表面とを有している。絶縁膜３には、半導体層４の第１面の一部を露出する開口部が形成されている。開口部は、上部表面から下部表面に達している。絶縁膜３の上部表面の少なくとも一部は、二次元材料層１の下部表面に接触している。言い換えると、絶縁膜３は、二次元材料層１の下部に配置されている。
　絶縁膜３としては、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜を用いることができる。なお、絶縁膜３を構成する材料は上述した酸化シリコンに限定されず、他の絶縁材料を用いてもよい。たとえば、絶縁膜３を構成する材料として、オルトケイ酸テトラエチル、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ニッケル、ボロンナイトライド、又は、シロキサン系のポリマー材料等を用いてもよい。例えば、ボロンナイトライドは原子配列がグラフェンと似ているため、グラフェンからなる二次元材料層１と接触しても電荷の移動度に悪影響を与えない。そのため、絶縁膜３が電子移動度などの二次元材料層１の性能を阻害することを抑制する観点から、ボロンナイトライドは絶縁膜３を構成する材料として好適である。
　また、絶縁膜３の厚さＴ２、すなわち絶縁膜３の下部表面と上部表面との間の距離は、第１電極部２ａが半導体層４と絶縁されており、トンネル電流が生じなければ特に限定されない。また、絶縁膜３は二次元材料層１の下部に配置されていなくても良い。
　第１電極部２ａは、絶縁膜３の上部表面上に配置されている。第１電極部２ａは、絶縁膜３の開口部から離れた位置に配置されている。第１電極部２ａは、絶縁膜３の上部表面と接触している下部表面と、該下部表面とは反対側に位置する上部表面と、上部表面と交差する方向に延びる側面とを有している。第２電極部２ｂは、半導体層４の第２面上に配置されている。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。たとえば、当該材料として、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、又はパラジウム（Ｐｄ）等の金属材料を用いることができる。また、第１電極部２ａと絶縁膜３との間、又は、第２電極部２ｂと半導体層４との間に、図示しない密着層を形成してもよい。密着層は、第１電極部２ａと絶縁膜３との密着性、または第２電極部２ｂと半導体層４との密着性を高めるものである。密着層を構成する材料としては、任意の材料を用いることができるが、たとえばクロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）などの金属材料を用いてもよい。
　また、図２では第１電極部２ａが二次元材料層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では第２電極部２ｂが半導体層４の第２面の全面上に設けられているが、第２電極部２ｂは少なくとも半導体層４の一部と接触していれば良い。例えば、第２電極部２ｂは、半導体層４の第１面、第２面、および第１面と交差する方向に延びる側面のうちの一部と接触するように設けられていてもよい。このような電磁波検出器は、第２面側から入射した電磁波を検知可能となる。なお、図２に示すように第２電極部２ｂが第２面の全面上に設けられている電磁波検出器は、検出対象とされる電磁波が第１面側からのみ入射する場合に、好適である。図２に示される電磁波検出器では、第１面側から入射して強誘電体層５および半導体層４を透過した電磁波が第２電極部２ｂにより反射して再び強誘電体層５に到達するため、強誘電体層５における電磁波の吸収率が高められる。
　二次元材料層１は、第１電極部２ａ、絶縁膜３、および半導体層４上に配置されている。二次元材料層１は、絶縁膜３の開口部の内部から第１電極部２ａにまで延在する。二次元材料層１の一部は、第１電極部２ａ上に配置されており、第１電極部２ａと接触している。二次元材料層１の他の一部は、絶縁膜３の開口部の内部に配置されており、半導体層４と接触している。二次元材料層１は、強誘電体層５の下部に配置されており、強誘電体層５と接触している。二次元材料層１は、第１電極部２ａ、絶縁膜３、および半導体層４と、強誘電体層５との間に配置されている。
　具体的には、二次元材料層１は、半導体層４と電気的に接続されている第１部分と、第１電極部２ａと電気的に接続されている第２部分と、第１部分と第２部分との間を電気的に接続する第３部分とを含む。
　第１部分は、絶縁膜３の開口部内において、半導体層４の第１面上に配置されている。第１部分は、強誘電体層５の下部に配置されている。第１部分は、半導体層４と強誘電体層５との間に配置されており、かつ半導体層４および強誘電体層５の各々と接触している。好ましくは、第１部分は、半導体層４とショットキー接合している。
　第２部分は、絶縁膜３の上部表面上に配置されている。第２部分の一部は、第１電極部２ａの上部表面上に配置されている。第２部分の少なくとも一部は、強誘電体層５の下部に配置されている。第２部分は、第１電極部２ａと強誘電体層５との間に配置されており、かつ第１電極部２ａおよび強誘電体層５の各々と接触している。
　第３部分は、絶縁膜３の上部表面上および絶縁膜３の開口部の内周面上に配置されている。第３部分は、絶縁膜３と強誘電体層５との間に配置されており、かつ絶縁膜３および強誘電体層５の各々と接触している。言い換えると、絶縁膜３は、二次元材料層１の第３部分と半導体層４とを隔てている。
　二次元材料層１の上記第１部分、上記第２部分、および上記第３部分の各々の厚みは、例えば互いに等しい。二次元材料層１の上部表面には、上記第１部分、上記第２部分、および上記第３部分に起因した凹凸が形成されている。上記第１部分の上部表面と半導体層４の第１面との間の距離は、上記第２部分の上部表面と半導体層４の第１面との間の距離未満である。
　二次元材料層１は、強誘電体層５と接触している領域、および半導体層４と接触している領域とを含む。強誘電体層５は、二次元材料層１の強誘電体層５と接触している領域および半導体層４と接触している領域の少なくとも一方において二次元材料層１の延在方向に対して垂直な方向の電界が生じるように、設けられている。
　なお、図２における二次元材料層１は、絶縁膜３の開口部の中央に対して第１電極部２ａ側（図２の左側）からその反対側（図２の右側）まで延在しているが、これに限られるものではない。図２において二次元材料層１の第１電極部２ａとは反対側に位置する端部（右端）は、絶縁膜３の開口部の中央に対して左側に配置されていてもよい。また、図２における二次元材料層１は、絶縁膜３の開口部において半導体層４の第１面の一部を露出するように配置されているが、これに限られるものではない。二次元材料層１は、絶縁膜３の開口部において半導体層４の第１面の全体を覆うように配置されていてもよい。二次元材料層１の第１電極部２ａとは反対側に位置する端部（右端）は、開口部に対して第１電極部２ａとは反対側に位置する絶縁膜３上に配置されていてもよい。
　二次元材料層１は、例えば、単層のグラフェンを用いることができる。単層のグラフェンは二次元炭素結晶の単原子層である。また、単層の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。また、二次元材料層１は、単層グラフェンが２層以上積層した多層グラフェンとして構成されていてもよい。また、二次元材料層１として、ノンドープのグラフェン、またはｐ型又はｎ型の不純物がドープされたグラフェンが用いられてもよい。
　二次元材料層１に多層グラフェンを用いた場合、二次元材料層１の光電変換効率が増加し、電磁波検出器の感度は高くなる。二次元材料層１として用いられる多層グラフェンは、任意の２層のグラフェンにおける六方格子の格子ベクトルの向きが一致しなくてもよく、一致してもよい。例えば、２層以上のグラフェンを積層することで、二次元材料層１においてバンドギャップが形成される。この結果、光電変換される電磁波の波長選択効果を持たせることが可能である。なお、二次元材料層１を構成する多層グラフェンにおける層数が増加すると、チャネル領域でのキャリアの移動度は低下する。一方、この場合には二次元材料層１が基板などの下地構造からのキャリア散乱の影響を受けにくくなり、結果的にノイズレベルが低下する。そのため、二次元材料層１として多層グラフェンを用いた電磁波検出器は、光吸収が増加し、電磁波の検出感度を高めることができる。
　また、二次元材料層１が第１電極部２ａと接触している場合、第１電極部２ａから二次元材料層１へキャリアがドープされる。例えば、第１電極部２ａの材料として金（Ａｕ）を用いた場合、二次元材料層１とＡｕとの仕事関数の差から、第１電極部２ａ近傍の二次元材料層１に正孔がドープされる。この状態で電磁波検出器を電子伝導状態で駆動させると、第１電極部２ａから二次元材料層１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電子の移動度が低下し、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、二次元材料層１として単層グラフェンを用いた場合、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い。そのため、電磁波検出器における上記電子の移動度の低下は、二次元材料層１として単層グラフェンを用いた場合に特に顕著である。したがって、二次元材料層１をすべて単層グラフェンにより形成した場合、電磁波検出器の性能が低下する恐れがあった。
　そこで、第１電極部２ａからのキャリアがドープされやすい二次元材料層１の上記第１部分は、多層グラフェンにより構成されていてもよい。多層グラフェンは単層グラフェンに比べ、第１電極部２ａからのキャリアドーピングが小さい。そのため、二次元材料層１と第１電極部２ａとの間のコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。この結果、電磁波検出器における上述した電子の移動度の低下を抑制することができ、電磁波検出器の性能を向上させることができる。
　また、二次元材料層１としてはナノリボン状のグラフェン（以下、グラフェンナノリボンとも呼ぶ）を用いることもできる。その場合、二次元材料層１としては、たとえばグラフェンナノリボン単体、複数のグラフェンナノリボンを積層した複合体、又は、グラフェンナノリボンが平面上に周期的に配列された構造体のいずれかを用いることができる。例えば、二次元材料層１として、グラフェンナノリボンが周期的に配置された構造体を用いる場合、グラフェンナノリボンにおいて、プラズモン共鳴を発生させることができる。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。ここで、グラフェンナノリボンが周期的に配列された構造は、グラフェンメタマテリアルと呼ばれることもある。したがって、二次元材料層１としてグラフェンメタマテリアルを用いた電磁波検出器においても、上述した効果を得ることができる。
　強誘電体層５は二次元材料層１上に配置されている。つまり、強誘電体層５は、二次元材料層１に対して、半導体層４とは反対側に配置されている。強誘電体層５は、二次元材料層１と接触している。強誘電体層５は、二次元材料層１の上記第１部分、上記第２部分、および上記第３部分の各々の上部に配置されており、二次元材料層１の上記第１部分、上記第２部分、および上記第３部分の各々と接触している。
　具体的には、強誘電体層５は、二次元材料層１の上記第１部分の上部に配置されており、上記第１部分と接触している第４部分と、二次元材料層１の上記第２部分の上部に配置されており、上記第２部分と接触している第５部分と、二次元材料層１の上記第３部分の上部に配置されており、上記第３部分と接触している第６部分とを有している。
　強誘電体層５の上記第４部分、上記第５部分、および上記第６部分の各々の厚みは、例えば互いに等しい。二次元材料層１の上部表面には、上記第１部分、上記第２部分、および上記第３部分に起因した凹凸が形成されている。上記第１部分の上部表面と半導体層４の第１面との間の距離は、上記第２部分の上部表面と半導体層４の第１面との間の距離未満である。
　強誘電体層５を構成する材料としては、検出波長に対して分極を生じる材料であれば任意の材料を用いることができる。強誘電体層５を構成する材料は、例えば、ＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＳＢＴ（タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム）、ＢＦＯ（ビスマスフェライト）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＨｆＯ２（酸化ハフニウム）、および有機ポリマーであるポリフッ化ビニリデン系強誘電体（ＰＶＤＦ、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ－ＣＴＦＥ）等）の少なくともいずれかを含む。また、強誘電体層５は、更に異なる強誘電体材料を積層、混合したものでもよい。
　なお、強誘電体層５を構成する材料は、上記強誘電体材料に限られるものではなく、焦電効果を奏する任意の焦電体であればよい。具体的には、強誘電体層５を構成する材料は、熱エネルギーの変化に対して分極変化が生じる任意の強誘電体であればよい。焦電効果において電磁波は単に熱源として作用するため、焦電効果には基本的に波長依存性はない。そのため、強誘電体層５は、広帯域の電磁波に感度を有する。
　好ましくは、強誘電体層５は、強誘電体層５における誘電分極の変化速度が可能な限り短くなるように設計されている。具体的には、強誘電体層５の厚さは二次元材料層１に分極変化を与えうることが可能である範囲で薄いことが好ましい。
　なお、上記電磁波検出器は、強誘電体層５と接触しており、かつ光照射により光誘起相転移が生じて物性（例えば温度）が変化するモット絶縁体をさらに備えていてもよい。
　また、強誘電体層５は、二次元材料層１の上記第１部分、上記第２部分、および上記第３部分のうちの少なくともいずれかと重なるように配置されており、強誘電体層５内の分極が変化したときに、二次元材料層１の抵抗値が変化するように設けられていればよい。
　また、強誘電体層５の膜厚は、電磁波がグラフェン層１に照射された場合に、グラフェン層１になるべく大きな電界が印加される厚さが好ましい。また、強誘電体層５の分極方向は、特に制限されないが、好ましくは二次元材料層の平面方向に対して垂直方向である。
　また、二次元材料層１上には、図示しない保護膜が形成されていてもよい。保護膜は、二次元材料層１、半導体層４、第１電極部２ａ、強誘電体層５の周りを覆うように設けられてもよい。保護膜を構成する材料としては任意の材料を用いることができるが、例えば、保護膜として酸化シリコンからなる絶縁膜を用いることができる。保護膜を構成する材料としては、酸化物又は窒化物等の絶縁体、たとえば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、ボロンナイトライドなどを用いてもよい。
　本実施の形態に係る電磁波検出器は、上記のような構成を備えている。
　＜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に示した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、たとえばシリコン等からなる平坦な基板である半導体層４を準備する。
　次に、電極形成工程（Ｓ２）を実施する。この工程（Ｓ２）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、まず半導体層４の表面に保護膜を形成する。保護膜としてはたとえばレジストを用いる。この状態で、半導体層４の裏面に第２電極部２ｂを成膜する。第２電極部２ｂを構成する材料としては、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）等の金属を用いることができる。この時、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の裏面に、第２電極部２ｂより先に密着層を形成してもよい。密着層の材料としては、たとえば銅（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）を用いることができる。なお、上記工程（Ｓ２）は半導体層４の表面が保護されている限り、工程（Ｓ３～７）より後に実施してもよい。
　次に、絶縁膜形成工程（Ｓ３）を実施する。この工程（Ｓ３）では、半導体層４の表面上に、絶縁膜３を形成する。絶縁膜３は、例えば半導体層４がシリコンの場合は、半導体層４において表面を部分的に熱酸化して形成される酸化シリコン（ＳｉＯ２）でもよい。あるいは、ＣＶＤ（Chemical　Vapor　Deposition）法やスパッタ法により、半導体層４の表面上に絶縁層を形成してもよい。
　次に、電極形成工程（Ｓ４）を実施する。この工程（Ｓ４）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を構成する材料は、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）等の金属を用いる。この時、第１電極部２ａと絶縁膜３との密着性を向上させるために、絶縁膜３と第１電極部２ａとの間に密着層を形成してもよい。密着層を構成する材料としては、たとえばクロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等を用いることができる。
　第１電極部２ａの形成方法としては、たとえば以下のような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。たとえば、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（Ｓ５）を実施する。この工程（Ｓ５）では、絶縁膜３に開口部を形成する。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、絶縁膜３の開口部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、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絶縁膜３を部分的に除去し、開口部を形成する。次にレジストマスクを除去する。なお、上記工程（Ｓ５）は工程（Ｓ４）より先に実施してもよい。
　次に、二次元材料層形成工程（Ｓ６）を実施する。この工程（Ｓ６）では、第１電極部２ａ、絶縁膜３および絶縁膜３の開口部内において露出する半導体層４の一部の全体を覆うように二次元材料層１を形成する。二次元材料層１を構成する材料は、例えばグラフェンなどの原子層材料や分子層材料を用いれば良い。二次元材料層１は、任意の方法により形成してもよい。たとえば、二次元材料層１をエピタキシャル成長によって形成しても良いし、予めＣＶＤ法を用いて形成した二次元材料層１を第１電極部２ａ、絶縁膜３および半導体層４の一部上に転写して貼り付けてもよい。あるいは、スクリーン印刷などを用いて二次元材料層１を形成してもよい。また、機械剥離などで剥離した二次元材料層１を上述した第１電極部２ａ等の上に転写してもよい。次に、写真製版などを用いて二次元材料層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を残存させる領域を覆うように形成される一方、二次元材料層１を残存させない領域には形成されない。その後、レジストマスクをマスクとして用いて、酸素プラズマにより二次元材料層１をエッチングにより部分的に除去する。これにより、不要な二次元材料層の部分を除去し、図１および図２に示すような二次元材料層１を形成する。その後、レジストマスクを除去する。
　次に、強誘電体層形成工程（Ｓ７）を実施する。この工程（Ｓ７）では、二次元材料層１上に強誘電体層５を形成する。強誘電体層５を形成する材料として、例えばＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＳＢＴ（タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム）、ＢＦＯ（ビスマスフェライト）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＨｆＯ２（酸化ハフニウム）、有機ポリマーであるポリフッ化ビニリデン系強誘電体などを用いれば良い。また、強誘電体層５は、任意の方法により形成してもよい。たとえば、強誘電体層５がポリマー系材料からなる場合、スピンコート法などによりポリマー膜を形成した後に、フォトリソグラフィ法を用いて加工する。他の材料の場合は、スパッタや蒸着、ＭＯＤコート法などで成膜した後に、フォトリソグラフィ法を用いてパターニングする。また、レジストマスクをマスクとして用いて強誘電体材料を成膜した後に、レジストマスクを除去するリフトオフと呼ばれる方法を用いても良い。
　以上の工程（Ｓ１～Ｓ７）により、図１および図２に示した電磁波検出器が得られる。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。
　＜電磁波検出器の動作原理＞
　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。
　まず、図２に示すように、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に、電圧Ｖを印加する電源回路が電気的に接続され、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、この記載順に電気的に接続される。次に、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。好ましくは、電圧Ｖは、二次元材料層１と半導体層４とのショットキー接合に対して逆バイアスとなるように設定される。電圧Ｖが印加されることにより、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の電流経路の一部となる二次元材料層１には電流Ｉが流れる。電源回路には図示しない電流計が設置されており、当該電流計により二次元材料層１に流れる電流Ｉをモニターする。
　次に、強誘電体層５に電磁波が照射される。この場合、強誘電体層５の焦電効果により強誘電体層５の内部に誘電分極の変化が生じる。これにより、強誘電体層５における分極の変化は二次元材料層１に電界変化を与える。この結果、二次元材料層１に対して擬似的にゲート電圧が印加された状態となり、二次元材料層１内の抵抗値が変化する。これを光ゲート効果と呼ぶ。二次元材料層１における抵抗値の変化により、二次元材料層１に流れる光電流である電流Ｉが変化する。この電流Ｉの変化を検出することによって、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。
　また、たとえば半導体層４を構成する半導体層４がｐ型材料シリコンからなり、二次元材料層１がｎ型材料グラフェンからなる場合、二次元材料層１と半導体層４とはショットキー接合する。このとき、電圧Ｖを調整し、上記ショットキー接合に対して逆バイアスを印加することで、電流Ｉをゼロにすることができる。すなわち、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。
　また、電磁波が強誘電体層５に照射されると、焦電効果により強誘電体層５の誘電分極が変化し、二次元材料層１のフェルミレベルが変調されて、二次元材料層１と半導体層４のエネルギー障壁が低下する。その結果、電磁波が照射された時にのみ、電流が半導体層４を流れ、電流Ｉが検出される。
　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。
　また、同じ電磁波検出器を２つ以上用いて電磁波を検出してもよい。たとえば、同じ電磁波検出器を２つ以上準備する。１つの電磁波検出器を、電磁波が照射されない遮蔽された空間に配置する。他の電磁波検出器を、測定対象である電磁波が照射される空間に配置する。そして、電磁波が照射される他の電磁波検出器の電流Ｉ又は電圧Ｖと、遮蔽された空間に配置された電磁波検出器の電流Ｉ又は電圧Ｖとの差分を検出する。このようにして、電磁波を検出してもよい。
　＜電磁波検出器の動作＞
　次に、図１および図２に示した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、半導体層４としてｐ型シリコンを用い、二次元材料層１としてグラフェンを用い、強誘電体層５としてニオブ酸リチウムを用いた場合について説明する。
　図２に示すように、二次元材料層１と半導体層４とのショットキー接合に対して逆バイアスとなるように電圧を印加すると、二次元材料層１と半導体層４との接合界面の近傍には空乏層が形成される。電磁波検出器の検出波長の範囲は、ニオブ酸リチウムの吸収波長に応じて決定される。
　検出波長の電磁波が強誘電体層５に入射すると、焦電効果により強誘電体層５において誘電分極の変化が発生する。強誘電体層５における分極変化により、二次元材料層１において電界変化が生じる。これは前述した光ゲート効果である。上述のように、二次元材料層１を構成するグラフェンは移動度が高く、わずかな電界変化に対して大きな変位電流を得ることが出来る。そのため、強誘電体層５の焦電効果により二次元材料層１のフェルミレベルは大きく変化し、半導体層４とのエネルギー障壁が低下する。これにより、第１電極部２ａから二次元材料層１に電荷が注入される。さらに、半導体層４から取り出した光注入された電流電荷は、二次元材料層１において光ゲート効果により大きく増幅される。このため、本実施の形態に係る電磁波検出器では、量子効率１００％を超える高感度化が可能となる。
　さらに、強誘電体層５の誘電分極の変化速度が可能な限り短く設計されていれば、電磁波が電磁波検出器に入射してから二次元材料層１において抵抗値の変化が生じるまでの時間が短くなる。このような電磁波検出器によれば、光ゲート効果による増幅の遅延が解消され、高速応答化が可能となる。
　＜作用効果＞
　本実施の形態に係る電磁波検出器は、半導体層４と、半導体層４と電気的に接続されている二次元材料層１と、半導体層４を介さずに二次元材料層１と電気的に接続されている第１電極部２ａと、半導体層４を介して二次元材料層１と電気的に接続されている第２電極部２ｂと、二次元材料層１の少なくとも一部と接触している強誘電体層５とを備える。
　上記電磁波検出器では、焦電効果によって強誘電体層５内の分極が変化したときに、二次元材料層１の抵抗値が変化し得る。その結果、上記光ゲート効果により、二次元材料層１の導電率が変調され、結果的に二次元材料層１において光電流を増幅できる。
　強誘電体層５における分極の変化に起因した二次元材料層１における電流変化量は、通常の半導体における電流変化量より大きくなる。特に、二次元材料層１では、通常の半導体と比較して、わずかな電位変化に対して大きな電流変化が生じる。例えば、二次元材料層１として単層のグラフェンを用いた場合、二次元材料層１の厚さは原子層１層分であって極めて薄い。また、単層のグラフェンにおける電子の移動度は大きい。この場合、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される二次元材料層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。
　したがって、光ゲート効果を利用することで、二次元材料層１における検出電流の取り出し効率は大幅に向上する。このような光ゲート効果は、通常の半導体のような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。そのため、等価的に電磁波入射による差分電流から算出した上記電磁波検出器の量子効率は１００％を超えることができる。よって、本実施の形態に係る電磁波検出器による電磁波の検出感度は、従来の半導体電磁波検出器あるいは光ゲート効果を適用していないグラフェン電磁波検出器と比較して、高い。
　また、本実施の形態に係る電磁波検出器は、半導体層４の一部と接しておりかつ半導体層４の他の一部を開口する開口部が形成されている絶縁膜３をさらに備える。二次元材料層１は、上記開口部において半導体層４の上記他の一部と電気的に接続され、具体的には半導体層４とショットキー接合している。二次元材料層１と半導体層４とがショットキー接合していることで、逆バイアス印加時には電流が流れず、電磁波検出器はＯＦＦ動作可能となる。
　また、本実施の形態に係る電磁波検出器では、上記二次元材料層１が絶縁膜３上に配置されている領域を有しているため、二次元材料層１が絶縁膜３上に配置されている領域を有していない場合と比べて、上記光ゲート効果による二次元材料層１の導電率がより大きく変調しやすい。
　また、本実施の形態に係る電磁波検出器に電磁波が照射されたときの電流値Ｉの変化量は、強誘電体層５において発生する誘電分極による二次元材料層１の抵抗変化により発生する電流の変化量と、二次元材料層１と半導体層４のエネルギー障壁変化により発生する電流の変化量に加えて、二次元材料層１での光電変換により生じる光電流量を含む。つまり、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、上述した光ゲート効果で生じた電流と、エネルギー障壁変化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、本実施の形態に係る電磁波検出器は、量子効率が１００％以上となる好感度化と、ＯＦＦ動作とを両立できる。
　また、本実施の形態に係る電磁波検出器では、半導体層４にシリコンを用いる場合は、半導体層４中に読出回路を形成することが可能となる。これにより、素子の外部に回路を形成する必要なく信号の読出しが可能となる。
　実施の形態２．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図４は、実施の形態２に係る電磁波検出器の平面模式図である。図５は、図４の線分Ｖ－Ｖにおける断面模式図である。図６は、実施の形態２に係る電磁波検出器の第１変形例を示す断面模式図である。図７は、実施の形態２に係る電磁波検出器の第２変形例を示す断面模式図である。なお、図５から図７はいずれも図４に対応する。
　図４に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、強誘電体層５の配置が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図４に示した電磁波検出器では、強誘電体層５が二次元材料層１または絶縁膜３の下部に配置されている。図５では、強誘電体層５は二次元材料層１の下部、半導体層４の上部に形成されている。
　図６に示した実施の形態２に係る電磁波検出器の第１変形例は、基本的には図５に示した電磁波検出器と同様の構成を備えるが、強誘電体層５の配置が図５に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図６に示した電磁波検出器では、強誘電体層５は、二次元材料層１の下部、絶縁膜３および半導体層４の上部に形成されている。
　図７に示した実施の形態２に係る電磁波検出器の第２変形例は、基本的には図５に示した電磁波検出器と同様の構成を備えるが、強誘電体層５の配置が図５に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図７に示した電磁波検出器では、強誘電体層５は、絶縁膜３の下部、半導体層４の上部に形成されている。絶縁膜３の下部において、強誘電体層５は二次元材料層１と接触している。ここで、強誘電体層５は二次元材料層１と半導体層４の接合界面に対して水平方向に分極変化が生じてもよい。その場合、電磁波照射により二次元材料層１と半導体層４のエネルギー障壁を変化させることができる。また、絶縁膜３と二次元材料層１の接合界面に対して垂直に分極変化が生じても良い。この場合、二次元材料層１の導電率が変化し、光ゲート効果を生じさせることができる。また、それぞれの方向に分極変化を生じさせても良い。このとき、強誘電体層５と二次元材料層１が接触していない場合は実施の形態５と同様の効果を得る。
　＜作用効果＞
　上記電磁波検出器において、強誘電体層５は二次元材料層１の下部または、絶縁膜３の下部に配置される。
　この場合、強誘電体層５は二次元材料層１の下部または、絶縁膜３の下部に配置されることで、二次元材料層１は強誘電体層５の成膜におけるプロセスダメージを無くすことができ、二次元材料層１の性能低下を防ぐことができるため、電磁波検出器を高感度化することができる。
　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３．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図８は、実施の形態３に係る電磁波検出器の平面模式図である。図９は、図８の線分ＩＸ－ＩＸにおける断面模式図である。
　図８に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、二次元材料層１、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、および半導体層４が強誘電体層５上に配置されている点で、図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、強誘電体層５上の一部に半導体層４と第１電極部２ａが設けられ、半導体層４上に第２電極部２ｂが設けられ、二次元材料層１は第１電極部２ａ上から強誘電体層５上を経由し半導体層４上にまで延在することを特徴とする。
　＜作用効果＞
　上記電磁波検出器は強誘電体層５上に各層が形成されている。よって、強誘電体層５は、強誘電体結晶基板として構成され得る。このような強誘電体層５は、強誘電体結晶基板として構成されていない強誘電体層５と比べて、結晶性が高く、また厚くできる。このような強誘電体層５において電磁波照射により生じる分極の変化率は、強誘電体結晶基板として構成されていない強誘電体層５と比べて高いため、電磁波検出器の感度が向上する。また、実施の形態１に係る電磁波検出器では、二次元材料層１上に強誘電体層５を成膜する際に、二次元材料層１はプロセスダメージを受けるおそれがある。これに対し、実施の形態３に係る電磁波検出器では、二次元材料層１は上記プロセスダメージを受けないため、二次元材料層１の性能低下を防ぐことができるため、電磁波検出器を高感度化することができる。
　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４．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図１０は、実施の形態４に係る電磁波検出器の平面模式図である。図１１は、図１０の線分ＸＩ－ＸＩにおける断面模式図である。図１２は、実施の形態４に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。図１３は、図１２の線分ＸＩＩＩ－ＸＩＩＩにおける断面模式図である。図１４は、実施の形態４に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。図１５は、図１４の線分ＸＶ－ＸＶにおける断面模式図である。
　図１０に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、強誘電体層５の配置が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図１０に示した電磁波検出器では、強誘電体層５は二次元材料層１と半導体層４の接合面の上部にのみ配置されている。言い換えると、強誘電体層５は、二次元材料層１の上記第１部分のみと重なるように配置されており、かつ上記第１部分のみと接触している。
　図１２に示した実施の形態４に係る電磁波検出器の第１変形例では、強誘電体層５は絶縁膜３上の二次元材料層１の上部にのみ配置されている。言い換えると、強誘電体層５は、二次元材料層１の上記第２部分および上記第３部分のみと重なるように配置されており、かつ上記第２部分および上記第３部分のみと接触している。
　図１４に示した実施の形態４に係る電磁波検出器の第２変形例では、強誘電体層５は二次元材料層１の一部に配置されている。言い換えると、強誘電体層５は、二次元材料層１の上記第３部分のみと重なるように配置されており、かつ上記第３部分のみと接触している。
　＜作用効果＞
　上記電磁波検出器において、強誘電体層５は二次元材料層１と半導体層４の接合面の上部に配置されている。この場合、強誘電体層５に電磁波が入射したとき、強誘電体層５の分極変化により二次元材料層１と半導体層４のエネルギー障壁を変化させることができ、電磁波検出器を高感度化することができる。
　また、上記電磁波検出器の第１変形例において、強誘電体層５は絶縁膜３上の二次元材料層１の上部に配置されている。この場合、強誘電体層５に電磁波が入射したとき、強誘電体層５の分極変化により二次元材料層１の導電率が変調され、電磁波検出器を高感度化することができる。
　また、上記電磁波検出器の第２変形例において、強誘電体層５は二次元材料層１の一部に配置されている。この場合、強誘電体層５に電磁波が入射したとき、強誘電体層５が接触している領域の近傍において導電率の変調が生じる。これにより、二次元材料層１の任意の領域において導電率の変調が可能となる。
　ここで、本実施の形態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．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図１６は、実施の形態５に係る電磁波検出器の断面模式図である。図１６は図１に対応する。図１７は、実施の形態５に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。図１８は、図１７の線分ＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩにおける断面模式図である。
　図１６に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、強誘電体層５と二次元材料層１の間を隔てる絶縁膜３ｂを備えている点で、図１および図２に示した電磁波検出器とは異なる。強誘電体層５は、二次元材料層１と直接接触しないようになっている。
　図１７および図１８に示した電磁波検出器は、基本的には図８および図９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、強誘電体層５と二次元材料層１の間を隔てる絶縁膜３ｂを備えている点で、図８および図９に示した電磁波検出器とは異なる。言い換えると、図１７および図１８に示した電磁波検出器は、基本的には図１６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、二次元材料層１、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、半導体層４、および絶縁膜３ｂが強誘電体層５上に配置されている点で、図１６に示した電磁波検出器とは異なる。
　絶縁膜３ｂの厚さは、強誘電体層５の焦電効果による電界変化を遮蔽せずに二次元材料層１に与えることができる厚さであることが好ましい。
　＜作用効果＞
　上記電磁波検出器において、強誘電体層５と二次元材料層１の間に絶縁膜３ｂが配置されている。
　強誘電体層５と二次元材料層１の間に絶縁膜３ｂを挿入することで、強誘電体層５が二次元材料層１と直接接触しないようになっている。強誘電体層５は二次元材料層１と直接接触した場合、強誘電体層５の自発分極と二次元材料層１との間で電荷のやり取りが行われるため、光応答が小さくなる。また、強誘電体層５と二次元材料層１が接触した場合は、ヒステリシスが生じ、電磁波検出器の応答速度が低下する可能性がある。絶縁膜３ｂを挿入することで、これらの効果を抑制することができる。また絶縁膜３ｂを挿入した場合においても、強誘電体層５の焦電効果による電界変化を二次元材料層１に与えることができる。
　また、絶縁膜３ｂが検出波長の電磁波を吸収して発熱する場合、絶縁膜３ｂの発熱により強誘電体層５に熱エネルギーを与えることで分極変化を増加させることができ、電磁波検出器を高感度化することができる。
　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６．
　＜電磁波検出器の構成＞
　実施の形態１に係る電磁波検出器においては、平面視における二次元材料層１の端部の位置は特に限定されるものではないが、本実施の形態である電磁波検出器においては、二次元材料層１の上記第１部分が平面視における二次元材料層１の端部を有している。本実施の形態に係る電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、二次元材料層１の端部は半導体層４上に配置されている。
　言い換えると、平面視における二次元材料層１の端部は、絶縁膜３の開口部内に配置されている。二次元材料層１の上記端部は、例えば二次元材料層１の長手方向における端部である。
　平面視における二次元材料層１の端部の形状は、例えば矩形状であるが、三角形状、または櫛形形状などであってもよい。また、二次元材料層１の上記第１部分は半導体層４と電気的に接続されている複数の端部を有していてもよい。また、二次元材料層１の上記第１部分は、平面視における二次元材料層１の端部の一部のみを有していてもよい。例えば、平面視における二次元材料層１の端部は、絶縁膜３の開口部内に配置されている部分と、絶縁膜３上に配置されている部分とを有していてもよい。
　また、二次元材料層１の上記端部はグラフェンナノリボンであっても良い。この場合、グラフェンナノリボンはバンドギャップを有するため、グラフェンナノリボンと半導体部分との接合領域においてショットキー接合が形成されるため、暗電流を低減し、電磁波検出器の感度を向上させることができる。
　＜作用効果＞
　上記電磁波検出器において、二次元材料層１の端部は、半導体層４上に存在する。この場合、二次元材料層１と半導体部分の接合領域がショットキー接合となる。この結果、二次元材料層１と半導体部分を逆バイアスで動作させることで、電磁波検出器の暗電流を低減し、感度を向上させることができる。また、二次元材料層１と半導体部分を順バイアスで動作させることで、取り出す光電流を増幅して感度を向上することができる。
　ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　実施の形態７．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図１９は、実施の形態７に係る電磁波検出器の断面模式図である。図１９は図１に対応する。
　図１９に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、半導体層４と二次元材料層１との接続部の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図１９に示した電磁波検出器は、二次元材料層１と半導体層４との間に配置されたトンネル絶縁層６をさらに備える。
　トンネル絶縁層６は、絶縁膜３の開口部の内部に配置されている。トンネル絶縁層６の厚みは、検出対象とする電磁波が二次元材料層１および強誘電体層５に入射したときに、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るように設定されている。トンネル絶縁層６の厚みは、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。トンネル絶縁層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、たとえば、アルミナおよび酸化ハフニウムなどの金属酸化物、または酸化シリコンおよび窒化シリコンなどの半導体を含む酸化物、ならびにボロンナイトライドなどの窒化物からなる群から選択される少なくとも１つを含む。トンネル絶縁層６の作製方法としては任意の方法を用いることができる。たとえば、トンネル絶縁層６は、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法、スパッタ法などを用いて作製しても良い。あるいは、トンネル絶縁層６を、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しても良い。あるいは、トンネル絶縁層６として半導体層４の表面に形成される自然酸化膜を用いても良い。
　ここで、本実施の形態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。
　＜作用効果＞
　上記電磁波検出器はトンネル絶縁層６を備える。トンネル絶縁層６は、二次元材料層１と半導体層４との間に配置される。トンネル絶縁層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、トンネル絶縁層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、トンネル絶縁層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。
　実施の形態８．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図２０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。なお図２０は図１に対応する。
　図２０に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、強誘電体層５の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２０に示した電磁波検出器は、強誘電体層５と接触しており、かつ強誘電体層５に対して二次元材料層１とは反対側に配置されている第３電極部２ｃをさらに備える。第３電極部２ｃは、強誘電体層５の上部に配置されている。第３電極部２ｃは強誘電体層５の表面と電気的に接続され、第３電極部２ｃと第１電極部２ａまたは第２電極部２ｂの間には電圧Ｖが印加される。
　電磁波が強誘電体層５に対して第３電極部２ｃ側から入射する場合には、第３電極部２ｃ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好ましい。
　ここで、第３電極部２ｃは二次元材料層１とは反対側に配置されているが、強誘電体層５に接触していればよく、他の構成においても適用可能である。なお、第３電極部２ｃから電圧を印加する方向は二次元材料層１の延在方向に対して垂直方向となることが好ましい。本実施の形態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。
　＜作用効果＞
　上記電磁波検出器は、第３電極部２ｃを備える。第３電極部２ｃは、強誘電体層５と電気的に接続する。この場合、第３電極部２ｃに電圧を印加することが可能となり、強誘電体層５の分極を制御することが可能となる。図２０では第１電極部２ａと同一の電圧を印加しているが、別の電圧を印加してもよい。強誘電体層５の分極を制御することで、電磁波照射による分極変化を制御可能となり、電磁波照射により二次元材料層１と半導体層４のエネルギー障壁を効率的に低下させることができるため、電磁波検出器の感度が向上する。
　実施の形態９．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図２１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。なお図２１は図１に対応する。
　図２１に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、二次元材料層１と半導体層４との接続部の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２１に示した電磁波検出器は、二次元材料層１と半導体層４との間を電気的に接続する接続導電体部２ｄをさらに備える。
　接続導電体部２ｄは、絶縁膜３の開口部の内部に配置されている。平面視において、接続導電体部２ｄは、二次元材料層１および半導体層４の各々と重なるように配置されており、かつ二次元材料層１および半導体層４の各々と接触している。接続導電体部２ｄの下面は半導体層４の上面と接触している。接続導電体部２ｄの上面は、二次元材料層１の下面と接触している。好ましくは、接続導電体部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。言い換えると、好ましくは、接続導電体部２ｄの厚みは、絶縁膜３の厚みと等しい。この場合、二次元材料層１は、絶縁膜３の上面から接続導電体部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。
　電磁波が強誘電体層５に対して接続導電体部２ｄ側から入射する場合には、接続導電体部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好ましい。
　ここで、本実施の形態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。
　＜作用効果＞
　上記電磁波検出器は、接続導電体部２ｄを備える。接続導電体部２ｄは、半導体層４と二次元材料層１とを電気的に接続する。この場合、二次元材料層１と半導体層４との間に接続導電体部２ｄが設けられることにより、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することが出来る。また、接続導電体部２ｄと半導体層４とがショットキー接合となり、暗電流を低減することが出来る。
　また、接続導電体部２ｄの厚みと絶縁膜３の厚みとを実質的に同じにする、つまり接続導電体部２ｄの上面の位置を絶縁膜３の上面の位置と実質的に同じにすることが好ましい。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、電磁波検出器の感度が向上する。
　実施の形態１０．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図２２は、実施の形態１０に係る電磁波検出器の平面模式図である。図２３は、図２２の線分ＸＸＩＩＩ－ＸＸＩＩＩにおける断面模式図である。図２４は、図２２の線分ＸＸＩＶ－ＸＸＩＶにおける断面模式図である。図２５は、実施の形態１０に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。図２６は図２５の線分ＸＸＶＩ－ＸＸＶＩにおける断面模式図である。図２７は、実施の形態１０に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。図２８は、図２７の線分ＸＸＶＩＩＩ－ＸＸＶＩＩＩにおける断面模式図である。
　図２２に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、二次元材料層１および絶縁膜３の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２２に示した電磁波検出器は、二次元材料層１と半導体層４との接続部分が複数設けられている点で、図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
　図２２に示した電磁波検出器では、絶縁膜３において開口部として複数の開口部が形成されている。二次元材料層１が複数の開口部の各々の内部にまで延在しかつ当該複数の開口部の各々の内部において半導体層４と電気的に接続されている。絶縁膜３には、複数の開口部として、第１開口、第２開口および第３開口が形成されている。第１開口、第２開口および第３開口は互いに間隔を隔てて配置されている。第１開口、第２開口および第３開口はそれぞれ絶縁膜３を貫通し、底部において半導体層４の表面が露出している。二次元材料層１は絶縁膜３の上部表面上から第１開口、第２開口および第３開口の内部にまで延在している。二次元材料層１は第１開口、第２開口および第３開口の底部において半導体層４と接触している。
　上記のように、絶縁膜３に複数の開口部を設け、二次元材料層１と半導体層４との接触領域を増加させることで、半導体層４から二次元材料層１に流れる電流を分散させることができる。そのため、二次元材料層１が強誘電体層５を介して電界変化の影響を受ける領域を広げることができる。
　例えば、本実施の形態を用いた電磁波検出器を一つの画素とする場合を考える。たとえば、図２２に示した電磁波検出器を平面形状が四角形状である１つの画素とする。図２２～図２４において電磁波が強誘電体層５に対して第１電極部２ａ側から入射する場合、強誘電体層５に入射する電磁波の減衰を少なくするためには、第１電極部２ａの面積を可能な限り小さくすることが好ましい。そのため、図２２および図２３に示すように第１電極部２ａは画素の四隅のうちの１つの隅に配置される。そして、図２２～図２４に示すように他の３つの隅には絶縁膜３の第１開口、第２開口および第３開口が配置される。このようにすれば、第１電極部２ａによる電磁波の減衰を最小限に抑えつつ、二次元材料層１と強誘電体層５との接触面積を増加させることができる。この結果、二次元材料層１において強誘電体層５からの電界変化の影響を受ける領域を広げ、電磁波検出器を高感度化することができる。なお、第１電極部２ａおよび絶縁膜３の開口部の面積は可能な限り小さい方が好ましい。
　図２２～図２４では半導体層４との接続部分が複数設けられているが、図２７および図２８に示すように二次元材料層１と第１電極部２ａとの接続部分が複数設けられてもよい。複数の第１電極部２ａの各々は、例えば上記画素の四隅のうちの２以上の隅に配置される。なお、複数の第１電極部２ａの各々は、絶縁膜３上であれば他の位置に配置されてもよい。
　また、二次元材料層１と半導体層４との接続部分および二次元材料層１と第１電極部２ａとの接続部分のそれぞれが、複数設けられてもよい。例えば、二次元材料層１と半導体層４との接続部分および二次元材料層１と第１電極部２ａとの接続部分のそれぞれが、上記画素の四隅のうちの２の隅に配置されてもよい。
　図２５および図２６に示した電磁波検出器は、基本的には図２２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、第１電極部２ａおよび絶縁膜３の構成が図２２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２５に示した電磁波検出器では、第１電極部２ａが環状に形成されており、二次元材料層１の上記第１部分が第１電極部２ａよりも内側に配置されている。第１電極部２ａは、例えば上記画素の外周部に配置されている。絶縁膜３の開口部は、第１電極部２ａよりも内側に配置されており、例えば上記画素の中央に配置されている。第１電極部２ａは、絶縁膜３の開口部の外周を囲むように、絶縁膜３の上部表面上に配置されている。図２５に示した電磁波検出器では、図２２に示す電磁波検出器と比べて、二次元材料層１を介して半導体層４から取り出される光電流が増加するため、検出感度は高い。なお、第１電極部２ａの幅は、電磁波の減衰を抑制するため、可能な限り細くすることが好ましい。二次元材料層１は、絶縁膜３の開口部および第１電極部２ａと部分的に重なると共に、半導体層４の平面形状とほぼ重なる領域に配置されてもよい。
　ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　＜作用効果＞
　図２２～図２４、図２７に示される電磁波検出器では、二次元の材料層１と半導体層４との接続部分および二次元材料層１と第１電極部２ａとの接続部分の少なくともいずれかが複数設けられている。
　二次元の材料層１と半導体層４との接続部分および二次元材料層１と第１電極部２ａとの接続部分の少なくともいずれかが複数設けられていることにより、二次元材料層１を経て半導体層４と第１電極部２ａとの間を流れる電流は、二次元材料層１において局所的に流れず、分散して流れる。その結果、図２２～図２４、図２７に示される電磁波検出器では、各接続部分が１つのみ設けられている場合と比べて、強誘電体層５における分極の変化に起因して二次元材料層１において電流が変化し得る領域が広くなるため、検出感度が高い。
　図２５および図２６に示される電磁波検出器では、第１電極部２ａが環状に形成されており、二次元材料層１の上記第１部分が第１電極部２ａよりも内側に配置されている。この場合、第１電極部２ａによる電磁波の減衰を最小限に抑えつつ、二次元材料層１において半導体層４からの電界変化の影響を受ける領域を広げることができる。この結果、電磁波検出器を高感度化することが出来る。
　実施の形態１１．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図２９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３０は、実施の形態１１に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。
　図２９に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、半導体層４の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２９に示した電磁波検出器は、半導体層４が半導体層４ａ（第１半導体部分）および半導体層４ｂ（第２半導体部分）を含む点で、図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
　図２９に示すように、半導体層４は、例えば半導体層４ａおよび４ｂにて構成されている。なお、半導体層４は、３以上の半導体層を含んでいてもよい。半導体層４ａは、絶縁膜３の上記開口部において露出しており、二次元材料層１を介して第１電極部２ａと電気的に接続されている。半導体層４ａは、例えば二次元材料層１および絶縁膜３と接触している。半導体層４ｂは、例えば半導体層４ａに対して二次元材料層１とは反対側に配置されており、第２電極部２ｂと電気的に接続されている。なお、半導体層４ａおよび半導体層４ｂは、図２９においては積層しているが、これに限られるものではない。
　半導体層４ａの導電型は、半導体層４ｂの導電型とは異なる。例えば半導体層４ａの導電型がｎ型、半導体層４ｂの導電型がｐ型である。これにより、半導体層４はダイオードを構成する。半導体層４は、例えば強誘電体層５とは異なる波長に感度を有するフォトダイオードを構成する。
　また、図３０に示した電磁波検出器は、基本的には図２９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、半導体層４ｂ（第２半導体部分）と電気的に接続されている第２電極部２ｂａに加え、半導体層４ａ（第１半導体部分）と電気的に接続されている第４電極部をさらに備える点で、図２９に示した電磁波検出器と異なっている。
　二次元材料層１は、半導体層４ａおよび半導体層４ｂと電気的に接続されている。半導体層４ａと半導体層４ｂとの界面は、絶縁膜３の上記開口部内に配置されている。半導体層４ａは、例えば二次元材料層１および第４電極部２ｂｂと接触している。半導体層４ｂは、例えば、第２電極部２ｂに加え、二次元材料層１および絶縁膜３と接触している。
　図３０に示すように、第２電極部２ｂａと第４電極部２ｂｂの間には電圧Ｖ２が印加される。このとき、電圧Ｖ２を逆バイアスで印加することで、半導体層４ａと半導体層４ｂの界面には空乏層が形成されるため、二次元材料層１と半導体層４ａおよび半導体層４ｂの界面には空乏層が形成される。
　ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　＜作用効果＞
　上記電磁波検出器において、半導体層４は半導体層４ａおよび半導体層４ｂにより構成されている。半導体層４ａおよび半導体層４ｂがｐｎ接合を形成することで、暗電流を低減できる。また、半導体層４ａおよびは半導体層４ｂが強誘電体層５とは異なる波長に感度を有するフォトダイオードを構成することにより、強誘電体層５と上記フォトダイオードとにより広帯域の波長の検出が可能となる。
　実施の形態１２．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図３１は、実施の形態１２に係る電磁波検出器の断面模式図である。図３２は、実施の形態１２に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。
　図３１に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、強誘電体層５の構成が図１および図２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は、強誘電体層５が強誘電体層５ａ（第１強誘電体部分）および強誘電体層５ｂ（第２強誘電体部分）を含む点で、図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
　上述のように、強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂの各々を構成する材料は、熱エネルギーの変化に対して分極変化が生じる任意の強誘電体であればよいが、好ましくは電磁波の吸収波長が互いに異なる。
　図３１に示すように、強誘電体層５は、例えば強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂにて構成されている。なお、強誘電体層５は、３以上の強誘電体層を含んでいてもよい。強誘電体層５ａは、強誘電体層５ｂに対して二次元材料層１側に配置されており、二次元材料層１と接触している。強誘電体層５ｂは、強誘電体層５ａと接触しているが、二次元材料層１とは接触していない。なお、強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂは、図３１においては積層しているが、これに限られるものではない。
　図３２に示した電磁波検出器は、基本的には図３１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、強誘電体層５の構成が図３１に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３２に示した電磁波検出器は、強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂが二次元材料層１と接触している点で、図３１に示した電磁波検出器と異なっている。
　強誘電体層５ａは、二次元材料層１の上記第１部分と重なるように配置されている。強誘電体層５ｂは、二次元材料層１の上記第２部分および上記第３部分と重なるように配置されている。強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂの各々を構成する材料の分極率は、互いに異なる。好ましくは、強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂの各々を構成する材料の分極率は、二次元材料層１の各領域におけるフェルミレベルが最適となるように、設計される。例えば、強誘電体層５ａを構成する材料の分極率は、強誘電体層５ｂを構成する材料の分極率と比べて、高く設定される。
　＜作用効果＞
　上記電磁波検出器において、強誘電体層５は強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂを含む。図３１に示した電磁波検出器では、強誘電体層５ａおよびは強誘電体層５ｂの電磁波の吸収波長が互いに異なることにより、強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂの各々を構成する材料の電磁波の吸収波長が互いに等しい場合と比べて、広帯域の波長の検出が可能となる。図３２に示した電磁波検出器では、強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂの各々を構成する材料の分極率が互いに異なるため、二次元材料層１の各領域におけるフェルミレベルが最適となるように、設計され得る。二次元材料層１の各領域におけるフェルミレベルが最適に設計されることで、電磁波検出器の高性能化が図られる。
　実施の形態１３．
＜電磁波検出器の構成＞
　本実施の形態に係る電磁波検出器では、二次元材料層１が乱層構造部分を含む点が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
　上記電磁波検出器では、二次元材料層１においてチャネル領域に対応する領域が乱層構造部分となっている。ここで、乱層構造とは、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、一部のみが乱層構造となっていてもよい。
　乱層構造部分の作製方法としては任意の方法を用いることができる。たとえば、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で乱層構造部分を形成してもよい。また、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して乱層構造部分を形成しても良い。二次元材料層１において絶縁膜３との接触領域を乱層構造とすることで、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、乱層構造のグラフェンは絶縁膜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において半導体層４との接触領域や第１電極部２ａとの接触領域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および半導体層４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。
　ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　＜作用効果＞
　上記電磁波検出器において、二次元材料層１は、乱層構造を含む。この場合、二次元材料層１における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。
　実施の形態１４．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図３３は、実施の形態１４に係る電磁波検出器の断面模式図である。
　図３３に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、二次元材料層１上の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３３に示した電磁波検出器では、二次元材料層１の上部表面上に少なくとも１つ以上の導電体７が形成されている点が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。二次元材料層１の上部表面上には、複数の導電体７が配置されている。複数の導電体７は互いに間隔を隔てて配置されている。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３３に示すように、本実施の形態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導電体７を設けている。導電体７を構成する材料は導電体であれば任意の材料を用いることができる。たとえば、導電体７の材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、又は、パラジウム（Ｐｄ）等の金属材料を用いることができる。ここで、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。
　導電体７は、第１電極部２ａと半導体層４との間に位置する二次元材料層１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３３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。
　本実施の形態に係る電磁波検出器では、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、強誘電体層５において電磁波の照射により発生した表面キャリアが、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、本実施の形態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、本実施の形態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、本実施の形態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、上記電磁波検出器は、二次元材料層１の下に導電体７が配置されていてもよい。このような構成によっても、図３３に示した電磁波検出器と同様に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、二次元材料層１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。
　ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　＜作用効果＞
　上記電磁波検出器は、１つ以上の導電体７をさらに備える。１つ以上の導電体７は、二次元材料層１に接触するように配置される。この場合、二次元材料層１における光キャリアの寿命が長くなる。この結果、電磁波検出器の感度を高めることができる。
　実施の形態１５．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図３４は、実施の形態１５に係る電磁波検出器の断面模式図である。
　図３４に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、二次元材料層１上の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３４に示した電磁波検出器では、二次元材料層１の上部表面上に少なくとも１つ以上の接触層８が形成されている点が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。以下、具体的に説明する。
　図３４に示す電磁波検出器では、二次元材料層１上に接触層８が設けられている。接触層８は、二次元材料層１と接触することで、二次元材料層１に正孔又は電子を供給することが可能な材料により構成されている。接触層８により二次元材料層１に任意に正孔又は電子をドーピングすることができる。
　接触層８としては、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を用いることができる。また、接触層８を構成する材料としては、例えば、極性基を有する材料を用いることができる。例えば、当該材料の一例である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、当該材料の一例である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、上記以外にも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も、接触層８の材料として用いることができる。
　また、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においても、分子内で電荷の偏りが生じて極性を生じる材料であれば、接触層８の材料として用いることができる。ここで、無機物からなる接触層８と二次元材料層１とを接触させた場合、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型である。それに対して、接触層８が有機物の場合、当該接触層８を構成する材料である有機物が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に対してｎ型ドープになるのか、ｐ型ドープになるのかは、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。
　本実施の形態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および半導体層４および強誘電体層５の分極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。
　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側または半導体層４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出来る。
　また、二次元材料層１上に複数の接触層８を形成してもよい。接触層８の数は３以上であってもよく、任意の数とすることができる。複数の接触層８を第１電極部２ａと半導体層４との間に位置する二次元材料層１上に形成してもよい。その場合、複数の接触層８の材料は、同じ材料でも異なる材料でもよい。
　また、本実施の形態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。
　ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　＜作用効果＞
　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および半導体層４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。
　実施の形態１６．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図３５は、実施の形態１６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１６に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。図３５に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、二次元材料層１の周囲に空隙９が形成されている点で、図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
　図３５に示すように、二次元材料層１と絶縁膜３との間に空隙９が設けられている。二次元材料層１は、空隙９に面した表面を有している。つまり、二次元材料層１において、実施の形態１に係る電磁波検出器とは異なり、絶縁膜３と接触していない。このとき、開口部において半導体層４の上部表面は第１電極部２ａの上部表面と同一の高さであることが好ましい。二次元材料層１は、第１電極部２ａ上から半導体層４上にまで延在している。二次元材料層１の下に位置する空隙９は、第１電極部２ａと開口部との間に位置する。なお、絶縁膜３と二次元材料層１との間に空隙９が設けられていれば、他の構成を採用してもよい。
　図３６に示した電磁波検出器は、基本的には図３５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、二次元材料層１の構造が図３５に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３６に示した電磁波検出器では、二次元材料層１と強誘電体層５の間に空隙９が形成されている。
　図３６に示すように、二次元材料層１と強誘電体層５との間に空隙９が設けられている。つまり、二次元材料層１において、実施の形態１に係る電磁波検出器とは異なり、強誘電体層５と接触していない。電磁波照射により生じる強誘電体層５の分極変化は第１電極部２ａまたは半導体層４を介して二次元材料層１に電界変化を生じさせる。このとき、強誘電体層５の分極方向は二次元材料層１の面と平行方向であっても良い。また、空隙９を介して電界変化を生じさせても良い。このとき、強誘電体層５の分極方向は二次元材料層１の面と垂直方向であっても良い。また、半導体層４の上部表面は第１電極部２ａの上部表面と同一の高さであることが好ましい。二次元材料層１は、第１電極部２ａ上から半導体層４上にまで延在している。二次元材料層１の下に位置する空隙９は、第１電極部２ａと半導体層４との間に位置する。なお、二次元材料層１と強誘電体層５の間に空隙９が設けられていれば、他の構成を採用してもよい。
　ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　＜作用効果＞
　上記電磁波検出器において、二次元材料層１の上部または下部の少なくとも一方に空隙９が形成されている。この場合、絶縁膜３または強誘電体層５と二次元材料層１との接触に伴うキャリアの散乱の影響を無くすことができる。この結果、二次元材料層１におけるキャリアの移動度の低下を抑制することができる。したがって、電磁波検出器の感度を向上させることができる。なお、光ゲート効果は、二次元材料層１の下部に空隙９が生じていても作用することが可能である。
　実施の形態１７．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図３７は、実施の形態１７に係る電磁波検出器の断面模式図である。図３７に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２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、二次元材料層１と強誘電体層５との間を電気的に接続する接続導電体部２ｅをさらに備え、強誘電体層５が接続導電体部２ｅを介して二次元材料層１と接続されている点で、図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
　強誘電体層５は、電磁波照射により生じる強誘電体層５の分極変化が二次元材料層１と接続導電体部２ｅとの接合界面に対して垂直な方向に生じるように、設けられている。この場合、上記分極変化により強誘電体層５に生じた電荷は、接続導電体部２ｅを介して二次元材料層１に注入される。
　図３７に示される接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５は、二次元材料層１の上部に配置されている。なお、接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５は、二次元材料層１の下部に配置されていてもよい。この場合、接続導電体部２ｅは、例えば強誘電体層５の上部に配置されている。強誘電体層５は、電磁波照射により生じる強誘電体層５の分極変化が半導体層４の第１面に対して垂直な方向に生じるように、設けられている。
　接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５は、第１面に沿っておりかつ二次元材料層１の延在方向と直交する方向において、二次元材料層１と並んで配置されていてもよい。この場合、好ましくは、強誘電体層５は、電磁波照射により生じる強誘電体層５の分極変化が二次元材料層１の二次元面に沿った方向に生じるように、設けられている。言い換えると、強誘電体層５は、電磁波照射により生じる強誘電体層５の分極変化が半導体層４の第１面に沿った方向に生じるように、設けられている。
　＜作用効果＞
　二次元材料層１および強誘電体層５の表面抵抗は高い。そのため、強誘電体層５が接続導電体部２ｅを介さずに二次元材料層１に接続されている場合には、強誘電体層５において分極変化によって生じた電荷は二次元材料層１に注入されない。これに対し、本実施の形態に係る電磁波検出器では、強誘電体層５が接続導電体部２ｅを介して二次元材料層１と接続されている。そのため、強誘電体層５において電磁波照射に伴う分極変化によって生じた電荷は、接続導電体部２ｅを介して二次元材料層１に注入され得る。その結果、本実施の形態に係る電磁波検出器では、強誘電体層５が接続導電体部２ｅを介さずに二次元材料層１に接続されている電磁波検出器と比べて、二次元材料層１の導電率が効率的に変調され得る。
　なお、接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５が二次元材料層１の上部に配置されている場合、当該電磁波検出器の製造方法では、接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５を形成する工程は、二次元材料層１を形成する工程の後に行われる。そのため、二次元材料層１が、接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５を形成する工程によってプロセスダメージを受けるおそれがある。
　これに対し、接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５が二次元材料層１の下部に配置されている場合、当該電磁波検出器の製造方法では、接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５を形成する工程は、二次元材料層１を形成する工程の前に行われる。そのため、二次元材料層１が、接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５を形成する工程によってプロセスダメージを受けるおそれがない。その結果、上記プロセスダメージに伴う二次元材料層１の性能低下、さらには電磁波検出器の検出感度の低下が防止され得る。
　接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５が、第１面に沿っておりかつ二次元材料層１の延在方向と直交する方向において、二次元材料層１と並んで配置されている場合、強誘電体層５は、電磁波照射により生じる強誘電体層５の分極変化が二次元材料層１の二次元面に沿った方向に生じるように、設けられているのが好ましい。二次元材料層１の二次元面に沿った方向の電気抵抗は、二次元材料層１の二次元面に垂直な方向の電気抵抗よりも低い。そのため、強誘電体層５の分極変化が二次元材料層１の二次元面に沿った方向に生じるように設けられている場合には、強誘電体層５の分極変化が二次元材料層１の二次元面に垂直な方向に生じるように設けられている場合と比べて、強誘電体層５において電磁波照射に伴う分極変化によって生じた電荷が、接続導電体部２ｅを介して二次元材料層１に効率的に注入され得る。
　ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　実施の形態１８．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図３８は、実施の形態１８に係る電磁波検出器の平面模式図である。図３９は、実施の形態１８に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。
　図３８に示した電磁波検出器は、電磁波検出器集合体であって、検出素子として実施の形態１～実施の形態１２のいずれかに係る電磁波検出器１００を複数有している。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用いてもよい。図３８では、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。なお、複数の電磁波検出器１００は、一次元方向に並ぶように配置されていてもよい。以下、具体的に説明する。
　図３８に示すように、本実施の形態に係る電磁波検出器では、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。また、本実施の形態では、二次元に周期的に複数の電磁波検出器１００を配列したが、複数の電磁波検出器１００をある方向に沿って周期的に配列しても構わない。また、複数の電磁波検出器１００の配置は周期的ではなく、異なる間隔で配置してもよい。
　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。
　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。
　ここで、本実施の形態では、実施の形態１に係る電磁波検出器１００を複数有する電磁波検出器集合体を例に説明したが、実施の形態１に係る電磁波検出器の代わりに、他の実施の形態に係る電磁波検出器を用いてもよい。
　図３９に示した電磁波検出器は、電磁波検出器集合体であって、基本的には図３８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、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を用いている点が図３８に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３９に示した電磁波検出器では、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３９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、本実施の形態では、種類の異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３を二次元に周期的に配列したが、一次元に周期的に配列してもよい。また、種類の異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３を周期的ではなく異なる間隔で配置してもよい。
　図３９に示した電磁波検出器集合体では、実施の形態１～１６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。例えば、電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３として、それぞれ検出波長の異なる電磁波検出器を用いてもよい。具体的には、実施の形態１～１６のいずれかに係る電磁波検出器からそれぞれ異なる検出波長選択性を有する電磁波検出器を準備し、アレイ状に並べてもよい。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や強誘電体層５の構成材料として、検出波長の異なる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。
　以上より、上述のように構成された本実施の形態に係る電磁波検出器集合体は、広い波長域の電磁波を検出することができる。また、本実施の形態に係る電磁波検出器集合体は、異なる波長の電磁波を検出することができる。
　＜作用効果＞
　上述した電磁検出器集合体は、複数の電磁波検出器を備える。複数の電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３は種類の異なる電磁波検出器であってもよい。たとえば、複数の電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３はそれぞれ検出波長が異なっていてもよい。この場合、異なる波長の電磁波を１つの電磁波検出器集合体により検出することができる。
　なお、上述した各実施の形態において、絶縁膜３、または接触層８、または半導体層４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てもよい。
　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などの材料として上記のような材料を用いる場合、絶縁膜３、または接触層８、または半導体層４は、電磁波の照射により特性が変化する。その結果、二次元材料層１に電位の変化を与えることができる。
　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、または接触層８、または半導体層４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。
　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、２ａ　第１電極部、２ｂ，２ｂａ　第２電極部、２ｂｂ　第４電極部、２ｃ　第３電極部、２ｄ　接続導電体部、３，３ｂ　絶縁膜、４，４ａ，４ｂ　半導体層、５，５ａ，５ｂ　強誘電体層、６　トンネル絶縁層、７　導電体、８　接触層、９　空隙、１００，２００，２０１，２０２，２０３　電磁波検出器。

Claims (31)

  1. 　半導体層と、
    　前記半導体層と電気的に接続されている二次元材料層と、
    　前記半導体層を介さずに前記二次元材料層と電気的に接続されている第１電極部と、
    　前記半導体層を介して前記二次元材料層と電気的に接続されている第２電極部と、
    　強誘電体層とを備え、
    　前記強誘電体層は、前記二次元材料層の少なくとも一部と接触している、または、前記二次元材料層と間隔を隔てて配置されておりかつ前記二次元材料層の少なくとも一部と重なるように配置されている、電磁波検出器。
  2. 　前記半導体層の一部と接しておりかつ前記半導体層の他の一部を開口する開口部が形成されている絶縁膜をさらに備え、
    　前記二次元材料層は、前記開口部において前記半導体層の他の一部と電気的に接続され、かつ前記開口部上から前記絶縁膜上にまで延在している、請求項１に記載の電磁波検出器。
  3. 　前記強誘電体層は、前記強誘電体層内の分極が変化したときに前記二次元材料層の抵抗値が変化するように、前記二次元材料層と間隔を隔てて配置されている、請求項１に記載の電磁波検出器。
  4. 　前記二次元材料層の少なくとも一部と前記強誘電体層との間を隔てる絶縁膜をさらに備える、請求項３に記載の電磁波検出器。
  5. 　前記二次元材料層と前記強誘電体層との間を電気的に接続する接続導電体部をさらに備え、
    　前記強誘電体層は、前記接続導電体部を介して前記二次元材料層と電気的に接続されている、請求項３に記載の電磁波検出器。
  6. 　前記二次元材料層は、前記半導体層または前記半導体層と電気的に接続されている導電部材と接触している第１部分を含み、
    　前記二次元材料層の少なくとも一部は、前記第１部分を含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  7. 　前記二次元材料層は、前記半導体層または前記半導体層と電気的に接続されている導電部材と接触している第１部分と、前記第１電極部と接触している第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間を電気的に接続する第３部分とを含み、
    　前記二次元材料層の少なくとも一部は、前記第３部分を含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  8. 　前記二次元材料層の少なくとも一部は、前記第１部分または前記第３部分のみから成る、請求項６または７に記載の電磁波検出器。
  9. 　前記第１部分または前記導電部材は、前記半導体層とショットキー接合している、請求項６～８のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  10. 　平面視において、前記第１電極部は環状に形成されており、かつ前記第１部分は、前記第１電極部よりも内側に配置されている、請求項６～９のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  11. 　前記第１部分は、平面視における前記二次元材料層の端部を有する、請求項６～１０のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  12. 　前記強誘電体層は、前記二次元材料層に対して前記半導体層とは反対側に配置されている、請求項１～１１のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  13. 　前記強誘電体層は、前記二次元材料層に対して前記半導体層側に配置されている、請求項１～１１のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  14. 　前記強誘電体層と接触している第３電極部をさらに備える、請求項１～１３のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  15. 　前記半導体層、前記二次元材料層、前記第１電極部、および前記第２電極部は、前記強誘電体層上に配置されている、請求項１～１４のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  16. 　前記二次元材料層と前記半導体層との間に配置されているトンネル絶縁層をさらに備える、請求項１～１５のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  17. 　前記トンネル絶縁層の厚みは、検出対象とする電磁波が前記二次元材料層および前記強誘電体層に入射したときに、前記二次元材料層と前記半導体層との間にトンネル電流が生じるように設定されている、請求項１６に記載の電磁波検出器。
  18. 　前記二次元材料層と前記半導体層との間を電気的に接続する接続導電体部をさらに備える、請求項１～１７のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  19. 　前記強誘電体層の分極方向は、前記二次元材料層の延在方向に対して垂直な方向である、請求項１～１８のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  20. 　前記二次元材料層は、前記強誘電体層と接触している領域、および前記半導体層と接触している領域とを含み、
    　前記強誘電体層は、前記二次元材料層の前記強誘電体層と接触している領域および前記半導体層と接触している領域の少なくとも一方において前記二次元材料層の延在方向に対して垂直な方向の電界が生じるように設けられている、請求項１～１９のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  21. 　前記二次元材料層と前記第１電極部との接続部分、および前記二次元材料層と前記半導体層との接続部分の少なくとも一方が、複数設けられている、請求項１～２０のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  22. 　前記強誘電体層は、第１強誘電体部分と第２強誘電体部分とを含み、
    　前記第１強誘電体部分を構成する材料の電磁波吸収波長は、前記第２強誘電体部分を構成する材料の電磁波吸収波長と異なる、請求項１～２１のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  23. 　前記強誘電体層は、第１強誘電体部分と第２強誘電体部分とを含み、
    　前記第１強誘電体部分および前記第２強誘電体部分の各々が前記二次元材料層の少なくとも一部と重なるように配置されており、
    　前記第１強誘電体部分を構成する材料の分極率は、前記第２強誘電体部分を構成する材料の分極率と異なる、請求項１～２２のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  24. 　前記半導体層は、第１導電型の第１半導体部分と、第２導電型の第２半導体部分とを含み、
    　前記二次元材料層は、前記第１半導体部分と電気的に接続されており、
    　前記第２電極部は、前記第２半導体部分を介して前記二次元材料層と電気的に接続されている、請求項１～２３のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  25. 　前記二次元材料層は、前記第１半導体部分および前記第２半導体部分と電気的に接続されており、
    　前記第１半導体部分と電気的に接続されている第４電極部をさらに備える、請求項２４に記載の電磁波検出器。
  26. 　前記二次元材料層は、乱層構造部分を含む、請求項１～２５のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  27. 　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１～２６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  28. 　前記二次元材料層の周囲には、空隙が形成されており、
    　前記二次元材料層は、前記空隙に面した表面を有している、請求項１～２７のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  29. 　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１～２８のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  30. 　前記第１電極部、前記二次元材料層、前記半導体層、および前記第２電極部が、前記第１電極部、前記二次元材料層、前記半導体層、および前記第２電極部の順に電気的に接続されており、
    　検出対象とする電磁波は、前記第１電極部と前記第２電極部との間を流れる電流値の変化として検出される、請求項１～２９のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  31. 　請求項１～３０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、電磁波検出器アレイ。
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