WO2021256018A1 - 電磁波検出器および電磁波検出器集合体 - Google Patents

電磁波検出器および電磁波検出器集合体 Download PDF

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wave detector
layer
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新平 小川
政彰 嶋谷
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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    • G01J1/02—Details
    • G01J1/0204—Compact construction

Definitions

  • This disclosure relates to an electromagnetic wave detector and an assembly of electromagnetic wave detectors.
  • Graphene which is an example of a two-dimensional material layer, is known as a material for an electromagnetic wave detection layer used in a next-generation electromagnetic wave detector.
  • Graphene has extremely high mobility.
  • the absorption rate of graphene is as low as 2.3%. Therefore, a method for increasing the sensitivity of an electromagnetic wave detector using graphene as a two-dimensional material layer has been proposed.
  • US Patent Application Publication No. 2015/0243826 proposes a detector having the following structure. That is, in US Patent Application Publication No. 2015/0243826, 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. 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 detector detects an electromagnetic wave having a large energy equal to or larger than the difference between the Fermi level of the graphene layer and the Fermi level of the n-type semiconductor layer in contact with the graphene layer.
  • the detector electromagnetic wave detector
  • the fermi level of the graphene layer two-dimensional material layer
  • an appropriate Schottky barrier may not be formed depending on the film formation state of the graphene layer. Therefore, the detector may not be able to detect the electromagnetic wave to be detected by the detector.
  • the present disclosure has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an electromagnetic wave detector and an electromagnetic wave detector aggregate capable of changing the Fermi level of a two-dimensional material layer.
  • the electromagnetic wave detector of the present disclosure includes a semiconductor layer, a first insulating film, a two-dimensional material layer, a first electrode, a second electrode, a second insulating film, and a control electrode.
  • the first insulating film is arranged on the semiconductor layer. An opening is formed in the first insulating film.
  • the two-dimensional material layer is electrically connected to the semiconductor layer at the opening.
  • the two-dimensional material layer extends from the opening to the first insulating film.
  • the first electrode is electrically connected to the two-dimensional material layer.
  • the second electrode is electrically connected to the semiconductor layer.
  • the second insulating film is in contact with the two-dimensional material layer.
  • the control electrode is connected to the two-dimensional material layer via the second insulating film.
  • the fermi level of the two-dimensional material layer can be changed.
  • FIG. 1 shows roughly the 1st structure of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a top view which shows typically the 1st structure of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a top view schematically showing a second configuration of the electromagnetic wave detector according to the first embodiment. It is sectional drawing which shows schematic the 3rd structure of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is sectional drawing which shows schematic the 4th structure of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 1.
  • FIG. It is a band diagram which shows the Fermi level of a two-dimensional material layer and the Fermi level of a semiconductor layer in a state where a Schottky barrier is formed.
  • FIG. 1 The first configuration of the electromagnetic wave detector according to the third embodiment is schematically shown, and it is an enlarged view of the region corresponding to the IX region of FIG.
  • the second configuration of the electromagnetic wave detector according to the third embodiment is schematically shown, and is a top view corresponding to FIG. 9.
  • a third configuration of the electromagnetic wave detector according to the third embodiment is schematically shown, and is a top view corresponding to FIG. 9.
  • FIG. 3 is a top view schematically showing the configuration of the electromagnetic wave detector according to the fifth embodiment. It is a top view which shows schematic the structure of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 6. It is sectional drawing which shows schematic the structure of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 7. It is sectional drawing which shows schematic the structure of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 8. It is sectional drawing which shows schematic the structure of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 9. FIG. FIG. FIG.
  • FIG. 3 is a top view schematically showing the configuration of the electromagnetic wave detector according to the ninth embodiment. It is sectional drawing which shows schematic the structure of the electromagnetic wave detector which concerns on 1st modification of Embodiment 9. It is sectional drawing which shows schematic the structure of the electromagnetic wave detector which concerns on the 2nd modification of Embodiment 9. It is a top view schematically showing the structure of the electromagnetic wave detector which concerns on the 2nd modification of Embodiment 9. It is sectional drawing which shows schematic the structure of the electromagnetic wave detector which concerns on the 3rd modification of Embodiment 9.
  • FIG. 3 is a top view schematically showing a configuration of an electromagnetic wave detector according to a third modification of the ninth embodiment.
  • FIG. 3 is a top view schematically showing the configuration of the electromagnetic wave detector according to the tenth embodiment.
  • FIG. 3 is a top view schematically showing the configuration of a plurality of openings of the electromagnetic wave detector according to the tenth embodiment.
  • FIG. 3 is a top view schematically showing another configuration of a plurality of openings of the electromagnetic wave detector according to the tenth embodiment.
  • FIG. It is sectional drawing which shows schematic the structure of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 12.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of an electromagnetic wave detector, a pad, a bump, and a readout circuit among a plurality of electromagnetic wave detectors included in the electromagnetic wave detector aggregate according to the sixteenth embodiment. It is a top view schematically showing the structure of the electromagnetic wave detector aggregate which concerns on the modification of Embodiment 16. It is a top view which shows schematic the structure of the electromagnetic wave detector which concerns on Embodiment 17. It is a top view which shows schematic the structure of the electromagnetic wave detector which concerns on the 1st modification of Embodiment 17. It is a top view schematically showing the structure of the electromagnetic wave detector which concerns on the 2nd modification of Embodiment 17.
  • the figure is schematic and conceptually describes the function or structure. Further, the present disclosure is not limited to 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 configuration of the electromagnetic wave detector when detecting visible light or infrared light is described, but the light detected by the electromagnetic wave detector of the present disclosure is visible light or infrared light. Not limited.
  • the embodiments described below are also used as detectors for detecting radio waves such as X-rays, ultraviolet light, near-infrared light, terahertz (THz) waves, and microwaves in addition to visible light and infrared light. It is valid. In the embodiments of the present disclosure, these light and radio waves are collectively referred to as electromagnetic waves.
  • p-type graphene and n-type graphene may be used as graphene.
  • graphene having more holes than graphene in the true state is called p-type graphene
  • graphene having more electrons than graphene in the true state is called n-type graphene.
  • the electron is dominant is sometimes called n-type.
  • the hole becomes dominant is sometimes called p-type.
  • the material of the member in contact with graphene which is an example of the two-dimensional material layer, either one of organic substances and inorganic substances or a mixture of organic substances and inorganic substances may be used.
  • a plasmon resonance phenomenon such as a surface plasmon resonance phenomenon, which is an interaction between a metal surface and light, and a phenomenon called pseudo-surface plasmon resonance in the sense of resonance on a metal surface other than the visible light region and the near-infrared light region.
  • a plasmon resonance phenomenon such as a surface plasmon resonance phenomenon, which is an interaction between a metal surface and light
  • pseudo-surface plasmon resonance in the sense of resonance on a metal surface other than the visible light region and the near-infrared light region.
  • metamaterials or plasmonic metamaterials in the sense that the wavelength is manipulated by a structure with dimensions below the wavelength
  • these resonances are referred to as surface plasmon resonance, plasmon resonance, or simply resonance.
  • graphene is used as an example as the material of the two-dimensional material layer, but the material of the two-dimensional material layer is not limited to graphene.
  • the materials of the two-dimensional material layer include transition metal dichalcogenide (TMD), black phosphorus (Black Phosphorus), silicene (two-dimensional honeycomb structure with silicon atoms), and germanene (two-dimensional honeycomb structure with germanium atoms).
  • Etc. may be applied.
  • transition metal dichalcogenide include transition metal dichalcogenides such as molybdenum disulfide (MoS 2 ), tungsten disulfide (WS 2 ), and tungsten diselened (WSe 2 ).
  • These materials have a structure similar to graphene.
  • the atoms are 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.
  • an insulating layer is a layer of an insulating material having a thickness that does not generate a tunnel current.
  • a barrier layer is a layer of an insulator having a thickness at which a tunnel current is generated.
  • Embodiment 1 ⁇ Configuration of electromagnetic wave detector 100> The configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
  • the electromagnetic wave detector 100 includes a two-dimensional material layer 1, a first electrode 2a, a second electrode 2b, a control electrode 2c, a first insulating film 3a, and a second insulating film 3b. And the semiconductor layer 4.
  • the first insulating film 3a is arranged on the semiconductor layer 4.
  • An opening OP is formed in the first insulating film 3a.
  • the semiconductor layer 4 is exposed from the first insulating film 3a at the opening OP. Therefore, the electromagnetic wave is applied to the semiconductor layer 4 through the opening OP.
  • the shape of the first insulating film 3a may be appropriately determined as long as the opening OP is provided.
  • the shape of the opening OP may be appropriately determined as long as the semiconductor layer 4 is exposed from the first insulating film 3a. At least one of the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 may be exposed from the opening OP. Therefore, the electromagnetic wave may be applied to the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 through the opening OP.
  • the shape of the first insulating film 3a may be a shape surrounded by the opening OP. Further, as shown in FIG. 3, the shape of the first insulating film 3a may be a shape surrounding the opening OP. As shown in FIG. 4, the first insulating film 3a may have a shape that covers the entire two-dimensional material layer 1.
  • the two-dimensional material layer 1 is electrically connected to the semiconductor layer 4 at the opening OP.
  • the two-dimensional material layer 1 extends from the opening OP to the first insulating film 3a.
  • the two-dimensional material layer 1 is selected from the group consisting of graphene, transition metal dichalcogenide (TMD), black phosphorus (Black Phosphorus), silicene (two-dimensional honeycomb structure with silicon atoms), graphene nanoribbons and borophene. Contains any of the materials that are used.
  • the material of the two-dimensional material layer 1 contains graphene, which will be described later.
  • the material of the two-dimensional material layer 1 is preferably a material that causes surface plasmon resonance.
  • the two-dimensional material layer 1 includes a first portion 1a, a second portion 1b, and a third portion 1c.
  • the first portion 1a is directly connected to the semiconductor layer 4.
  • the first portion 1a is arranged in the opening OP.
  • the electromagnetic wave applied to the electromagnetic wave detector 100 passes through the first portion 1a and is incident on the semiconductor layer 4.
  • the second portion 1b is arranged on the first insulating film 3a. As will be described later, a gap may be provided between the second portion 1b and the first insulating film 3a.
  • the third portion 1c is electrically connected to the first electrode 2a.
  • the third portion 1c is arranged on the first electrode 2a, but may be appropriately arranged as long as it is electrically connected to the first electrode 2a.
  • the first electrode 2a is arranged on the first insulating film 3a.
  • the first electrode 2a is connected to the semiconductor layer 4 via the first insulating film 3a.
  • the first electrode 2a is electrically connected to the two-dimensional material layer 1.
  • the first electrode 2a may be directly connected to the two-dimensional material layer 1.
  • the second electrode 2b is electrically connected to the semiconductor layer 4.
  • the second electrode 2b may be directly connected to the semiconductor layer 4.
  • the electromagnetic wave detector 100 is configured to change the voltage difference between the first electrode 2a and the second electrode 2b. Therefore, the electromagnetic wave detector 100 is configured so that the bias voltage V1 is applied to the two-dimensional material layer 1, the first insulating film 3a, and the semiconductor layer 4 arranged between the first electrode 2a and the second electrode 2b. Has been done.
  • the second insulating film 3b is in contact with the two-dimensional material layer 1.
  • the second insulating film 3b may be directly connected to the two-dimensional material layer 1.
  • the second insulating film 3b sandwiches the two-dimensional material layer 1 with the semiconductor layer 4.
  • the second insulating film 3b is arranged on the two-dimensional material layer 1.
  • the control electrode 2c is connected to the two-dimensional material layer 1 via the second insulating film 3b. In the present embodiment, the control electrode 2c sandwiches the second insulating film 3b with the two-dimensional material layer 1.
  • the control electrode 2c is arranged on the second insulating film 3b.
  • the electromagnetic wave detector 100 is configured to apply a voltage to the two-dimensional material layer 1 by the control electrode 2c. Specifically, the electromagnetic wave detector 100 is configured to change the fermi level of the two-dimensional material layer 1 by applying a voltage to the two-dimensional material layer 1 by the control electrode 2c.
  • the control electrode 2c includes a plurality of control electrode portions 2c0.
  • the plurality of control electrode units 2c0 include a first control electrode unit 2c1.
  • the first control electrode portion 2c1 is connected to the first portion 1a via the second insulating film 3b.
  • the second insulating film 3b may include a plurality of second insulating film portions 3b0.
  • Each of the plurality of control electrode portions 2c0 is connected to the semiconductor layer 4 via each of the plurality of second insulating film portions 3b0.
  • control electrode 2c is connected to the two-dimensional material layer 1 via the second insulating film 3b, the number and position of the plurality of control electrode portions 2c0 may be appropriately determined. Further, as shown in FIG. 5, the control electrode 2c may be a single electrode. Even when the control electrode 2c is a single electrode, the fermi level of the two-dimensional material layer 1 is controlled by the voltage.
  • the semiconductor layer 4 includes a first surface 4a and a second surface 4b.
  • the second surface 4b faces the first surface 4a.
  • the two-dimensional material layer 1 and the first insulating film 3a are arranged on the first surface 4a.
  • the electromagnetic wave is applied to the first surface 4a side of the semiconductor layer 4.
  • the second electrode 2b may be arranged on the second surface 4b.
  • the semiconductor layer 4 has sensitivity to the detection wavelength.
  • the detection wavelength is in the wavelength range of the electromagnetic wave to be detected by the electromagnetic wave detector 100.
  • the detection wavelength is predetermined.
  • the semiconductor layer 4 is configured such that an electromagnetic wave having a detection wavelength irradiates the semiconductor layer 4 to generate optical carriers in the semiconductor layer 4.
  • the phenomenon that optical carriers are generated by irradiation with electromagnetic waves is called photoelectric conversion.
  • the semiconductor material constituting the semiconductor layer 4 may be appropriately determined according to the detection wavelength.
  • the Fermi level of the semiconductor layer 4 is different from the Fermi level of the two-dimensional material layer 1.
  • the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 is the energy that can form a Schottky barrier between the semiconductor layers 4. Therefore, a Schottky barrier is formed between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4. Therefore, the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 are configured to function as diodes by the Schottky barrier.
  • the electromagnetic wave detector 100 further includes a first power supply circuit (not shown) and a second power supply circuit (not shown).
  • the electromagnetic wave detector 100 may further include an ammeter (not shown).
  • the first power supply circuit is configured to apply a bias voltage V1 to the first insulating film 3a and the semiconductor layer 4 via the first electrode 2a and the second electrode 2b.
  • the electromagnetic wave detector 100 is configured to change the voltage difference between the first electrode 2a and the second electrode 2b by the first power supply circuit.
  • the second power supply circuit is configured to apply a control voltage V2 to the two-dimensional material layer 1 via the control electrode 2c.
  • the control voltage V2 is a voltage for controlling the Fermi level of the two-dimensional material layer 1.
  • the electromagnetic wave detector 100 is configured to change the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 by applying a voltage to the two-dimensional material layer 1 via the control electrode 2c by the second power supply circuit.
  • the electromagnetic wave detector 100 may include a plurality of second power supply circuits.
  • Each of the plurality of second power supply circuits may be connected to each of the plurality of control electrode units 2c0.
  • each of the three second power supply circuits may be configured to apply different control voltages V2, V3, and V4 to each of the three control electrode units 2c0.
  • the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 changes.
  • the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 before the change is energy that cannot form a Schottky barrier with the semiconductor layer 4
  • the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 is the same as that of the semiconductor layer 4. It changes to energy that can form a Schottky barrier.
  • the ammeter is electrically connected to the first power supply circuit.
  • the ammeter is configured to detect the current flowing through the two-dimensional material layer 1 between the first electrode 2a and the second electrode 2b. ⁇ About the Schottky barrier provided between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4> Subsequently, the Schottky barrier formed between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 will be described with reference to FIGS. 6 and 7.
  • FIG. 6 and 7 are band diagrams in the case where the material of the two-dimensional material layer 1 is graphene and the semiconductor layer 4 is indium antimonide (InSb).
  • FIG. 6 is a band diagram in a state where the Schottky barrier is formed.
  • FIG. 7 is a band diagram in a state where the Schottky barrier is not formed.
  • the conductive type of the semiconductor layer 4 is p type. Optical carriers are electrons.
  • ⁇ B is a Schottky barrier.
  • E FG is the Fermi level of the two-dimensional material layer 1.
  • E FS is the Fermi level of the semiconductor layer 4.
  • E C is the conduction band of the semiconductor layer 4.
  • E V is the valence band of the semiconductor layer 4.
  • the fermi level of the two-dimensional material layer 1 is larger than the lower limit of the valence band of the semiconductor layer 4.
  • a Schottky barrier is formed between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4. Therefore, a diode characteristic is generated between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
  • the electromagnetic wave detector 100 is configured to change the voltage difference between the first electrode 2a and the third electrode, the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer are configured so that the optical carrier has energy exceeding the Schottky barrier. A voltage is applied to 4. As a result, the optical carrier reaches the semiconductor layer 4 from the two-dimensional material layer 1 over the Schottky barrier.
  • the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 is smaller than the lower limit of the valence band of the semiconductor layer 4 as shown in FIG. 7, a Schottky barrier is formed between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4. Not done. Therefore, no diode characteristic is generated between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4. When no diode characteristic is generated between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4, the dark current flowing through the two-dimensional material layer 1 becomes large. Therefore, even if a large detection signal is obtained by the optical gate effect described later, the SN ratio deteriorates.
  • the Schottky barrier is small, the ratio of the dark current to the change in the bias voltage V1 becomes large, so that the operation as the electromagnetic wave detector 100 becomes unstable. That is, even when the bias voltage V1 changes slightly, the dark current becomes large and the SN ratio deteriorates.
  • FIGS. 6 and 7 show band diagrams in the case where the optical carrier is an electron and the conductive type of the semiconductor layer 4 is a p-type, but the optical carrier and the conductive type are not limited thereto. That is, the optical carrier may be either an electron or a hole as long as a Schottky barrier is formed between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4. Further, as long as a Schottky barrier is formed between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4, the conductive type of the semiconductor layer 4 may be either n-type or p-type.
  • the two-dimensional material layer 1, the first electrode 2a, the second electrode 2b, the control electrode 2c, the first insulating film 3a, the first insulating film 3a, and the semiconductor layer 4 of the electromagnetic wave detector 100 according to the first embodiment.
  • Each configuration will be described in detail.
  • the two-dimensional material layer 1 is, for example, a single layer of graphene.
  • Graphene in a single layer is a monatomic layer of two-dimensional carbon crystals.
  • the thickness of graphene in a single layer is, for example, 0.34 nm, which corresponds to one carbon atom.
  • graphene has a plurality of carbon atoms arranged in each of a plurality of chains arranged in a hexagonal shape.
  • the absorption rate of graphene is as low as 2.3%. Specifically, the absorption rate of white light of graphene is 2.3%.
  • the white light is light in which light having a wavelength of visible light is evenly mixed.
  • the two-dimensional material layer 1 may be a multilayer graphene in which a plurality of graphene layers are laminated.
  • the orientation of the lattice vectors of each hexagonal lattice of graphene in the multilayer graphene may be the same or different.
  • the orientations of the lattice vectors of the respective hexagonal lattices of graphene in the multilayer graphene may be completely the same.
  • a band gap is formed in the two-dimensional material layer 1 by laminating two or more graphene layers. That is, the size of the band gap can be adjusted by changing the number of laminated graphene layers.
  • the two-dimensional material layer 1 can have a wavelength selection effect of selecting an electromagnetic wave (detection wavelength) to be photoelectric conversion.
  • the mobility in the channel region decreases.
  • the number of graphene layers of the multilayer graphene is increased, the influence of carrier scattering from the substrate is suppressed, so that the noise of the electromagnetic wave detector 100 is reduced. Therefore, in the electromagnetic wave detector 100 having the two-dimensional material layer 1 in which the multilayer graphene is used, the light absorption is increased, so that the detection sensitivity of the electromagnetic wave is improved.
  • the two-dimensional material layer 1 includes a region that functions as a channel region and a region that functions as a source / drain layer.
  • the first portion 1a and the third portion 1c are regions that function as source / drain regions.
  • the second portion 1b is a region that functions as a channel region.
  • the material of the two-dimensional material layer 1 may be uniform or different in the region functioning as the channel region and the region functioning as the source / drain layer.
  • the optical carrier is doped from the first electrode 2a to the two-dimensional material layer 1.
  • the two-dimensional material layer 1 is graphene and the first electrode 2a is gold (Au)
  • the optical carrier is a hole. Due to the difference between the work function of graphene and the work function of gold (Au), holes are doped in the third portion 1c in contact with the first electrode 2a.
  • the electromagnetic wave detector 100 is driven in the electron conduction state in the state where the holes are doped in the third portion 1c, the mobility of the electrons flowing in the channel decreases due to the influence of the holes. Therefore, the contact resistance between the two-dimensional material layer 1 and the first electrode 2a increases.
  • the amount of carriers (doped amount) injected from the first electrode 2a into the two-dimensional material layer 1 is large. Therefore, the mobility of the electric field effect of the electromagnetic wave detector 100 is significantly reduced. Therefore, when all the regions of the two-dimensional material layer 1 are formed of the single-layer graphene, the performance of the electromagnetic wave detector 100 is deteriorated.
  • the amount of carriers doped into the multilayer graphene from the first electrode 2a is smaller than the amount of carriers doped into the single-layer graphene from the first electrode 2a. Therefore, the source / drain regions (first portion 1a and third portion 1c) in which carriers are easily doped are formed from the multilayer graphene, so that the contact resistance between the two-dimensional material layer 1 and the first electrode 2a is increased. The increase can be suppressed. As a result, it is possible to suppress a decrease in the mobility of the electric field effect of the electromagnetic wave detector 100, so that the performance of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • multilayer graphene is used as the material for the source / drain region (first portion 1a and third portion 1c).
  • single-layer graphene is used for the channel region (second portion 1b).
  • the two-dimensional material layer 1 may be non-doped graphene.
  • the two-dimensional material layer 1 may be graphene doped with p-type or n-type impurities.
  • nanoribbon-shaped graphene may be used as the two-dimensional material layer 1.
  • the two-dimensional material layer 1 may be a single graphene nanoribbon.
  • the structure of the two-dimensional material layer 1 may be a structure in which a plurality of graphene nanoribbons are laminated.
  • the structure of the two-dimensional material layer 1 may be a structure in which graphene nanoribbons are periodically arranged on a plane.
  • plasmon resonance is generated in the graphene nanoribbons, so that the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 is improved.
  • the structure in which graphene nanoribbons are periodically arranged is sometimes called a graphene metamaterial.
  • a protective film may be provided on the two-dimensional material layer 1.
  • the protective film (not shown) is provided so as to cover the two-dimensional material layer 1, the first electrode 2a, the first insulating film 3a, and the semiconductor layer 4.
  • the protective film is, for example, an insulating film made of silicon oxide (SiO).
  • the protective film may be an insulating film such as an oxide or a nitride.
  • the protective film may be, for example, aluminum oxide (alumina: Al 2 O 3 ) or hafnium oxide (HfO 2 ).
  • the protective film may be boron nitride (boron nitride: BN).
  • the material of the first electrode 2a, the second electrode 2b, and the control electrode 2c may be any material as long as it is a conductor.
  • the materials of the first electrode 2a, the second electrode 2b and the control electrode 2c are, for example, gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr) and palladium. It may contain at least one of (Pd).
  • an adhesion layer (not shown) is provided between the first electrode 2a and the first insulating film 3a, between the second electrode 2b and the semiconductor layer 4, and between the control electrode 2c and the second insulating film 3b. good.
  • the adhesion layer is configured to enhance adhesion.
  • the material of the adhesion layer includes, for example, a metal material such as chromium (Cr) or titanium (Ti).
  • the first insulating film 3a and the second insulating film 3b are, for example, silicon oxide (SiN) insulating films.
  • the materials of the first insulating film 3a and the second insulating film 3b are, for example, tetraethyl orthosilicate (Si (OC 2 H 5 ) 4 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), hafnium oxide (HfO 2 ), and aluminum oxide (HfO 2).
  • Al 2 O 3 ), nickel oxide (NiO), boron nitride (BN), or a siloxane-based polymer material may be used.
  • boron nitride (BN) is suitable as an insulating film as a base film arranged under the two-dimensional material layer 1.
  • the thickness of the first insulating film 3a and the second insulating film 3b is such that the two-dimensional material layer 1, the first electrode 2a and the second electrode 2b are electrically insulated from the semiconductor layer 4, and the tunnel current is two-dimensional. It is not particularly limited as long as it does not occur between the material layer 1, the first electrode 2a and the second electrode 2b and the semiconductor layer 4.
  • the thinner the thickness of the first insulating film 3a the greater the degree of electric field change of the two-dimensional material layer 1 due to the optical carrier generated at the interface between the first insulating film 3a and the semiconductor layer 4.
  • the thinner the thickness of the second insulating film 3b the greater the degree of electric field change of the two-dimensional material layer 1 due to the optical carrier generated at the interface between the second insulating film 3b and the semiconductor layer 4. Therefore, it is desirable that the thickness of the first insulating film 3a and the second insulating film 3b is as thin as possible.
  • the electric field change of the two-dimensional material layer 1 caused by the optical carrier generated at the interface between the insulating film (first insulating film 3a and the second insulating film 3b) and the semiconductor layer 4 is an optical gate. It is called an effect. The detailed generation process of the optical gate effect will be described later.
  • the material of the semiconductor layer 4 is, for example, a compound semiconductor such as silicon (Si), germanium (Ge), III-V group semiconductor or II-V group semiconductor, cadmium mercury telluride (HgCdTe), iridium antimonized (InSb), and the like.
  • the semiconductor layer 4 may be a substrate including a quantum well or quantum dots.
  • the material of the semiconductor layer 4 may be a Type II superlattice.
  • the material of the semiconductor layer 4 may be a simple substance of the above-mentioned materials, or may be a material in which the above-mentioned materials are combined.
  • the above materials of the semiconductor layer 4 have different detection wavelengths from each other. Therefore, if the material of the semiconductor layer 4 is a combination of the above-mentioned semiconductor materials, the electromagnetic wave detector 100 provided with the semiconductor layer 4 can detect multiple wavelengths.
  • the semiconductor layer 4 is doped with impurities so that the resistivity is 100 ⁇ ⁇ cm or less.
  • a pn junction may be provided inside the semiconductor layer 4.
  • the semiconductor layer 4 is doped with a high concentration, so that the read speed of the optical carriers generated at the pn junction interface is improved, so that the response speed of the electromagnetic wave detector 100 is improved.
  • the manufacturing method of the electromagnetic wave detector 100 includes a preparation step, a first insulating film forming step, a resist removing step, a first electrode forming step, an opening forming step, a two-dimensional material layer forming step, a second insulating film forming step, and a control electrode. Includes forming steps.
  • the preparation step, the first insulating film forming step, the resist removing step, the first electrode forming step, the opening forming step, the two-dimensional material layer forming step, the second insulating film forming step and the control electrode forming step are carried out in sequence. ..
  • the preparation process is carried out.
  • a flat semiconductor substrate containing silicon (Si) or the like is prepared as the semiconductor layer 4.
  • the material of the semiconductor substrate is a material having sensitivity to a predetermined detection wavelength.
  • the second electrode forming step is carried out.
  • a resist is formed as a protective film on the first surface 4a of the semiconductor layer 4.
  • the second electrode 2b is formed on the second surface 4b of the semiconductor layer 4.
  • An adhesion layer (not shown) may be formed in the region of the second surface 4b of the semiconductor layer 4 on which the second electrode 2b is formed before the second electrode 2b is formed.
  • the resist removal step is carried out.
  • the resist is removed from the first surface 4a of the semiconductor layer 4.
  • the first insulating film forming step is carried out.
  • the first insulating film 3a is formed on the first surface 4a of the semiconductor layer 4.
  • the first insulating film 3a may be thermally oxidized silicon oxide (SiO 2 ).
  • the film forming method of the first insulating film 3a may be a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or a sputtering method.
  • the first electrode forming step is carried out.
  • the first electrode 2a is formed on the first insulating film 3a.
  • An adhesion layer may be formed in the region of the first insulating film 3a in which the first electrode 2a is formed before the first electrode is formed.
  • the following process is used as a method for forming the first electrode 2a.
  • a resist mask is formed on the upper surface of the first insulating film 3a by photoengraving or drawing with an electron beam (EB: Electron Beam).
  • EB Electron Beam
  • An opening region is formed in the region of the resist mask on which the first electrode 2a is formed.
  • a film such as metal to be the first electrode 2a is formed on the resist mask.
  • a thin-film deposition method, a sputtering method, or the like is used to form the film.
  • the film is formed so as to extend from the inside of the opening region of the resist mask to the upper surface of the resist mask.
  • the resist mask is removed together with a part of the film.
  • the other part of the film arranged in the opening region of the resist mask remains on the surface of the first insulating film 3a and becomes the first electrode 2a.
  • the method described above is generally called a lift-off method.
  • a film such as a metal film to be the first electrode 2a is first formed on the surface of the first insulating film 3a. After that, 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 2a is formed, but is not formed in a region other than the region where the first electrode 2a is formed. Then, the film is partially removed by wet etching or dry etching using the 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 2a. After that, the resist mask is removed. In this way, the first electrode 2a may be formed.
  • the opening forming step is carried out.
  • the opening forming step may be performed before the first electrode forming step.
  • the opening OP is formed in the first insulating film.
  • a resist mask (not shown) is formed on the first insulating film 3a by photoengraving, electron beam lithography, or the like.
  • An opening region is formed in the region of the resist mask in which the opening OP of the first insulating film 3a is formed.
  • the first insulating film 3a is etched using the resist mask as an etching mask.
  • the etching method can be arbitrarily selected from either the wet etching or the dry etching. After etching, the resist mask is removed. In this way, the opening OP is formed in the first insulating film 3a.
  • the two-dimensional material layer forming step is carried out.
  • the two-dimensional material layer 1 is formed so that the semiconductor layer 4 exposed inside the first electrode 2a, the first insulating film 3a, and the opening OP is covered with the two-dimensional material layer 1. ..
  • the method for forming the two-dimensional material layer 1 is not particularly limited.
  • the two-dimensional material layer 1 may be formed by, for example, epitaxial growth, or may be formed by a screen printing method. Further, the two-dimensional material layer 1 may be formed by transferring and attaching a two-dimensional material film previously formed by a CVD method.
  • the two-dimensional material layer 1 may be formed by transferring and attaching a film-like two-dimensional material film peeled off by mechanical peeling or the like.
  • a resist mask is formed on the two-dimensional material layer 1 by photoengraving or the like.
  • the resist mask is formed so as to cover the region where the two-dimensional material layer 1 is formed and to expose the other regions.
  • the two-dimensional material layer 1 is etched using the resist mask as an etching mask.
  • the etching method is, for example, dry etching with oxygen plasma. After that, the resist mask is removed. As a result, the two-dimensional material layer 1 shown in FIG. 1 is formed.
  • the second insulating film forming step is carried out.
  • an insulating film is formed on the two-dimensional material layer 1.
  • the method for forming the second insulating film 3b is, for example, an electron beam vapor deposition method, a CVD method, a sputtering method, or the like.
  • the method for forming the second insulating film 3b is preferably a method for forming the two-dimensional material layer 1 without damaging it.
  • the shape of the second insulating film 3b is processed by photolithography or the like.
  • the shape of the second insulating film 3b is the same as the shape of the region of the control electrode 2c in which the control electrode 2c is in contact with the second insulating film 3b as shown in FIG. 1 at the time of the second insulating film forming step. You may. Further, the shape of the second insulating film 3b may be processed into a large shape so that the control electrode 2c does not come into direct contact with the two-dimensional material layer 1 at the time of the second insulating film forming step. Further, the shape of the second insulating film 3b may be processed after the control electrode 2c is formed in the control electrode forming step. Similar to the opening OP forming step described above, the resist mask is formed by photolithography or EB drawing, and then the second insulating film 3b is processed by dry etching or the like.
  • control electrode forming step is carried out.
  • the control electrode 2c is formed on the second insulating film 3b.
  • the method of forming the control electrode 2c is the same as the method of forming the first electrode 2a in the first electrode forming step.
  • the electromagnetic wave detector 100 is manufactured.
  • the two-dimensional material layer 1 was formed on the first electrode 2a, but after the two-dimensional material layer 1 was formed on the first insulating film 3a, the two-dimensional material layer 1 was formed.
  • the first electrode 2a may be formed so as to overlap a part thereof. However, care must be taken when forming the first electrode 2a so that the two-dimensional material layer 1 is not damaged by the formation process of the first electrode 2a.
  • a first power supply circuit (not shown) is electrically connected between the first electrode 2a and the second electrode 2b.
  • a bias voltage V1 is applied between the first electrode 2a and the second electrode 2b.
  • a current circuit in which the first electrode 2a, the two-dimensional material layer 1, the semiconductor layer 4, and the second electrode 2b are connected in series in this order is formed inside the electromagnetic wave detector 100.
  • a current I flows through the two-dimensional material layer 1.
  • the current I flowing through the two-dimensional material layer 1 is measured by an ammeter (not shown) connected to the first power supply circuit.
  • the electromagnetic wave detector 100 is in a state where it can detect the electromagnetic wave.
  • the positive or negative voltage is selected according to the conductive type (doping type) of the semiconductor layer 4. If the conductive type of the semiconductor layer 4 is p type, a positive voltage is applied to the first electrode 2a. If the conductive type of the semiconductor layer 4 is n-type, a negative voltage is applied to the first electrode 2a.
  • the semiconductor layer 4 When the semiconductor layer 4 is irradiated with an electromagnetic wave having a wavelength having a sensitivity (electromagnetic wave having a detection wavelength), optical carriers are generated inside the semiconductor layer 4.
  • the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 function as diodes. Therefore, the optical carriers generated in the region of the semiconductor layer 4 facing the opening OP are injected into the first portion 1a of the two-dimensional material layer 1.
  • the magnitude of the current I changes as the optical carrier passes through the first portion 1a.
  • the current component that causes a change in the magnitude of the current when irradiated with an electromagnetic wave is called a photocurrent.
  • the above-mentioned optical gate effect is caused by the following process. Since the semiconductor layer 4 and the first insulating film 3a function as diodes, a depletion layer is formed at the interface between the semiconductor layer 4 and the first insulating film 3a by applying a voltage to the semiconductor layer 4. When the semiconductor layer 4 is irradiated with an electromagnetic wave having a detection wavelength, optical carriers are also generated in the depletion layer. The optical carriers generated in the depletion layer give an electric field effect to the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 via the first insulating film 3a. As a result, the resistance value of the two-dimensional material layer 1 changes, so that the current I flowing through the two-dimensional material layer 1 changes. That is, the electric field effect is generated by irradiating the semiconductor layer 4 with electromagnetic waves. The electric field effect changes the electrical properties of the two-dimensional material layer 1.
  • the change in the current I is detected via the first electrode 2a electrically connected to the two-dimensional material layer 1. More specifically, the change in current I is detected by an ammeter (not shown) connected to a first power supply circuit (not shown) electrically connected to the first power supply. As a result, the electromagnetic wave detector 100 detects the electromagnetic wave radiated to the electromagnetic wave detector 100.
  • the electromagnetic wave detector 100 is not limited to the above-described configuration in which a change in current in the two-dimensional material layer 1 is detected by an ammeter (not shown).
  • a constant current is passed between the first electrode 2a and the second electrode 2b, and the change in voltage V between the first electrode 2a and the second electrode 2b (that is, the voltage value in the two-dimensional material layer 1). Changes) may be detected by a voltmeter (not shown).
  • the above-mentioned electromagnetic wave detector 100 may be arranged as the first electromagnetic wave detector, and a second electromagnetic wave detector having the same configuration as the first electromagnetic wave detector may be further arranged.
  • the first electromagnetic wave detector is arranged in the space where the electromagnetic wave is irradiated.
  • the second electromagnetic wave detector is arranged in a space where electromagnetic waves are shielded. It may be detected by detecting the difference between the current of the first electromagnetic wave detector and the current of the second electromagnetic wave detector. It may be detected by detecting the difference between the voltage of the first electromagnetic wave detector and the voltage of the second electromagnetic wave detector.
  • the electromagnetic wave detector 100 includes a control electrode 2c. Therefore, the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 can be changed by applying a voltage (control voltage V2) to the control electrode 2c.
  • the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 is unstable. Therefore, the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 changes depending on the manufacturing environment and the operating environment of the electromagnetic wave detector 100. Changes due to the operating environment are, for example, doping from insulating films and electrodes and aging. Therefore, the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 can change to energy in which a Schottky barrier is not formed between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4. In this case, the electromagnetic wave detector 100 does not operate properly.
  • the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 can change to an energy that cannot form a Schottky barrier even if it is an energy that can form a Schottky barrier at the time when the electromagnetic wave detector 100 is manufactured. Further, in the Schottky type electromagnetic wave detector in which the two-dimensional material layer is formed on the semiconductor layer, the Fermi level of the two-dimensional material layer does not change after the two-dimensional material layer is formed. Therefore, if the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 is not the energy that can form the Schottky barrier, the Schottky barrier cannot be formed. From the above, it is necessary to change the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 after the electromagnetic wave detector 100 is manufactured.
  • the electromagnetic wave detector 100 includes the control electrode 2c. Therefore, even after the electromagnetic wave detector 100 is manufactured, the fermi level of the two-dimensional material layer 1 can be changed.
  • the electromagnetic wave detector 100 includes a control electrode 2c. Therefore, the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 can be changed to the energy at which a Schottky barrier is formed between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4. Therefore, a Schottky barrier can be formed between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
  • the cutoff wavelength is a wavelength range in which the electromagnetic wave detector 100 can respond. Therefore, the cutoff wavelength can be controlled by applying the control voltage V2 to the two-dimensional material layer 1.
  • the control electrode 2c sandwiches the second insulating film 3b with the two-dimensional material layer 1. Therefore, the control electrode 2c can be formed after the two-dimensional material layer 1 is formed. Therefore, the unevenness of the two-dimensional material layer 1 can be reduced as compared with the case where the two-dimensional material layer 1 is formed on the control electrode 2c after the control electrode 2c is formed. That is, the two-dimensional material layer 1 can be flattened. Therefore, the performance of the two-dimensional material layer 1 is improved. Further, after forming the two-dimensional material layer 1, the first electrode 2a, the second electrode 2b and the control electrode 2c can be formed at the same time. Therefore, the manufacturing process of the electromagnetic wave detector 100 can be reduced.
  • the electromagnetic wave detector 100 is configured to change the voltage difference between the first electrode 2a and the second electrode 2b. Therefore, the bias voltage V1 can be applied to the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 so that the optical carriers cross the Schottky barrier. Therefore, the optical carrier can be injected from the semiconductor layer 4 into the two-dimensional material layer 1. Therefore, the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the electromagnetic wave detector 100 is configured to change the fermi level of the two-dimensional material layer 1 by applying a voltage to the control electrode 2c. Therefore, even after the electromagnetic wave detector 100 is manufactured, the fermi level of the two-dimensional material layer 1 can be changed.
  • the control electrode 2c includes a plurality of control electrode portions 2c0. Therefore, by applying different control voltages to each of the plurality of control electrode portions 2c0, a potential gradient can be formed in the two-dimensional material layer 1. An internal electric field is formed in the two-dimensional material layer 1 by the gradient of the potential. Therefore, it is possible to improve the extraction efficiency of optical carriers generated by photoelectric conversion in the two-dimensional material layer 1 when irradiated with electromagnetic waves.
  • the extraction efficiency is the efficiency at which the optical carrier moves from the semiconductor layer 4 to the two-dimensional material layer 1. As a result, the photocurrent flowing through the two-dimensional material layer 1 can be increased. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the two-dimensional material layer 1 contains any material selected from the group consisting of graphene, transition metal dicarbogenite, black phosphorus, silicene, graphene nanoribbons and borophenes. Therefore, the action and effect of the present embodiment can be surely obtained.
  • the thickness of the two-dimensional material layer 1 is as thin as one atomic layer.
  • the carrier mobility of single-layer graphene is higher than that of conventional semiconductor materials. Therefore, in the two-dimensional material layer 1, a large current change is generated with respect to a slight potential change as compared with the conventional semiconductor material. For example, the amount of current change due to the potential change applied to the two-dimensional material layer 1 due to the electric field change in the semiconductor layer 4 is larger than the amount of current change in a normal semiconductor.
  • the electromagnetic wave detector 100 when calculated from the mobility and thickness of electrons in the two-dimensional material layer 1, the current change amount in the two-dimensional material layer 1 is several hundred times to several thousand times the current change amount in a normal semiconductor. It is about double. Therefore, the electromagnetic wave detector 100 according to the present embodiment can detect electromagnetic waves with higher sensitivity than the electromagnetic wave detector that detects only the optical carriers generated in the semiconductor layer 4.
  • the electromagnetic wave detector 100 in addition to the photocurrent generated in the semiconductor layer 4 by light irradiation and the current associated with the optical gate effect, the light caused by the photoelectric conversion effect of the two-dimensional material layer 1 An electric current is also generated.
  • the electromagnetic wave detector 100 can detect not only the current generated in the semiconductor layer 4 by the incident electromagnetic wave and the current associated with the optical gate effect, but also the optical current caused by the original photoelectric conversion effect of the two-dimensional material layer 1.
  • the two-dimensional material layer 1 is electrically connected to the semiconductor layer 4 at the opening OP. Therefore, the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 function as diodes. Therefore, by applying the reverse bias to the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4, the current I in the state where the light is not irradiated can be made zero. That is, by applying the reverse bias, the electromagnetic wave detector 100 can be turned off. As a result, it is possible to suppress the flow of dark current through the two-dimensional material layer 1, so that the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the current derived from the optical carrier injected into the two-dimensional material layer 1 is detected as the current I flowing through the electromagnetic wave detector 100.
  • the current derived from the optical carrier injected into the two-dimensional material layer 1 is detected after the magnitude of the current changes due to the above-mentioned optical gate effect.
  • the two-dimensional material layer 1 extends from the opening OP to the first insulating film 3a. Therefore, the two-dimensional material layer 1 is connected to the semiconductor layer 4 via the first insulating film 3a. Therefore, since the optical gate effect is generated in the two-dimensional material layer 1, the voltage of the two-dimensional material layer 1 changes.
  • the voltage change of the two-dimensional material layer 1 is regarded as a pseudo application of a gate voltage to the two-dimensional material layer 1. Thereby, the conductivity of the two-dimensional material layer 1 can be modulated. Therefore, the photocurrent injected from the semiconductor layer 4 into the two-dimensional material layer 1 can be amplified.
  • the optical gate effect does not directly enhance the quantum efficiency of the photoelectric conversion material, but increases the current change due to the incident of electromagnetic waves. Therefore, the quantum efficiency calculated equivalently from the differential current due to the incident of electromagnetic waves exceeds 100%, and when optimized, the equivalent quantum efficiency reaches about 1000% to 10000%. Therefore, the amount of change in the current I when the electromagnetic wave detector 100 according to the present embodiment is irradiated with the electromagnetic wave is the amount of change in the current when the electromagnetic wave is incident on the conventional electromagnetic wave detector in which the optical gate effect is not exhibited. Greater than. Therefore, the electromagnetic wave detector 100 according to the present embodiment has higher sensitivity than the conventional electromagnetic wave detector.
  • Embodiment 2 Next, the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. Unless otherwise specified, the second embodiment has the same configuration, manufacturing method, and action and effect as those of the first embodiment. Therefore, the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the control electrode 2c sandwiches the semiconductor layer 4 with the second electrode 2b.
  • the second electrode 2b is directly connected to the semiconductor layer 4.
  • the second insulating film 3b covers the control electrode 2c.
  • the two-dimensional material layer 1 covers the semiconductor layer 4, the first insulating film 3a, and the second insulating film 3b.
  • the control electrode 2c is arranged below the two-dimensional material layer 1. Further, the control electrode 2c is connected to a second power supply circuit (not shown) at a portion extending to the back side or the front side of the paper surface.
  • the electromagnetic wave detector 100 according to the present embodiment is different from the electromagnetic wave detector 100 according to the first embodiment in that the control electrode 2c is arranged below the graphene layer.
  • the method for manufacturing the electromagnetic wave detector 100 according to the present embodiment after the above-mentioned first insulating film forming step, opening OP forming step, second insulating film forming step and control electrode forming step are sequentially carried out, two The dimensional material layer forming step is carried out. That is, the two-dimensional material layer 1 is formed after the first insulating film 3a, the second insulating film 3b, and the control electrode 2c are formed. Therefore, the two-dimensional material layer 1 is finally formed into a film.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the second embodiment can be applied to other embodiments.
  • the two-dimensional material layer 1 covers the semiconductor layer 4, the first insulating film 3a, and the second insulating film 3b. Therefore, the two-dimensional material layer 1 can be formed after the first insulating film 3a, the second insulating film 3b, and the control electrode 2c are formed. Therefore, it is possible to prevent the two-dimensional material layer 1 from being damaged by the forming process of the second insulating film 3b and the control electrode 2c. In addition, residues such as resist can be suppressed. Therefore, the performance of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • Embodiment 3 Next, the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 9 to 12. Unless otherwise specified, the third embodiment has the same configuration, manufacturing method, and action and effect as those of the first embodiment. Therefore, the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • FIG. 9 is a top view schematically showing the first configuration of the third embodiment.
  • FIG. 9 is a partially enlarged view of a region corresponding to the IX region of FIG. 10 to 12 are top views of the region corresponding to FIG. 9.
  • the electromagnetic wave detector 100 is configured so that surface plasmon resonance occurs in the control electrode 2c.
  • the material of the control electrode 2c is a material that causes surface plasmon resonance.
  • the material of the control electrode 2c is a material that causes surface plasmon resonance by an electromagnetic wave having a detection wavelength.
  • the detection wavelength of the electromagnetic wave detector 100 is in the region from the wavelength of visible light to the wavelength of infrared light, the material of the control electrode 2c is, for example, aluminum (Al), gold (Au), or the like.
  • the surface of the control electrode 2c where the electromagnetic wave is incident on the control electrode 2c may be coated with a coating material that causes plasmon resonance.
  • the coating material that causes plasmon resonance is, for example, titanium nitride (TiN), a transparent conductive film (ITO film: Indium Tin Oxide film), graphene, or the like.
  • the coating material may be a material other than the metal material.
  • the electrode itself may be graphene.
  • Graphene may be single-layered or multi-layered, and in the case of multi-layered graphene, graphite may be used.
  • the control electrode 2c includes a plurality of control electrode portions 2c0.
  • the adjacent control electrode portions 2c0 among the plurality of control electrode portions 2c0 are arranged at intervals where surface plasmon resonance occurs in each of the plurality of control electrode portions 2c0.
  • the plurality of control electrode portions 2c0 are periodically arranged.
  • the fact that the plurality of control electrode portions 2c0 are periodically arranged means that the distance between the adjacent control electrode portions 2c0 among the plurality of control electrode portions 2c0 is constant.
  • the wavelength at which surface plasmon resonance occurs in the control electrode unit 2c0 is determined by the width w of the control electrode unit 2c0, the distance g between adjacent control electrode units 2c0, and the period p.
  • the width w is a dimension along the X-axis direction of the control electrode portion 2c0.
  • the interval g is an interval between adjacent control electrode portions 2c0 along the X-axis direction.
  • the period p is the sum of the interval g and the width w.
  • the width w is 2 ⁇ m and the interval g is 1 ⁇ m
  • the plasmon resonance wavelength is 10 ⁇ m.
  • plasmon resonance occurs even at wavelengths other than the above-mentioned infrared wavelength region.
  • FIGS. 9 and 10 three control electrode portions 2c0 are arranged, and in FIGS. 11 and 12, nine control electrode portions 2c0 are arranged, but the number of control electrode portions 2c0 is not limited. Further, although the plurality of control electrode portions 2c0 are arranged periodically in one dimension in FIGS.
  • the width w, the interval g, and the period p of the control electrode portions 2c0 are appropriately adjusted. As a result, plasmon resonance occurs in the control electrode portion 2c0. If these parameters are different, the plasmon resonance wavelength will also be different. However, in the structures of FIGS. 9 to 12, the width w is the most dominant parameter, but which parameter is dominant depends on the structure.
  • the shape and arrangement of the control electrode portion 2c0 may be appropriately determined as long as plasmon resonance occurs in the control electrode portion 2c0. Regardless of whether the shape of the control electrode portion 2c0 is a polygon such as a rectangle, a square, or a triangle, or a circle, plasmon resonance can occur in the control electrode portion 2c0. Further, the shape of the control electrode portion 2c0 may be a fractal shape. The plurality of control electrode portions 2c0 may be arranged concentrically.
  • the second electrode 2b, the control electrode 2c, the second insulating film 3b, and the semiconductor layer 4 form a metamaterial structure in which a metal, a dielectric, and a metal are sequentially laminated. ..
  • the dominant parameter that determines the plasmon resonance wavelength is the width w of the control electrode portion 2c0.
  • each of the plurality of control electrode portions 2c0 may extend along the X-axis direction.
  • Each of the plurality of control electrode portions 2c0 may be arranged side by side along the Y-axis direction.
  • the plurality of control electrode units 2c0 may include a third control electrode unit 2c3, a fourth control electrode unit 2c4, and a fifth control electrode unit 2c5.
  • the third control electrode portion 2c3, the fourth control electrode portion 2c4, and the fifth control electrode portion 2c5 have different widths w3, w4, and w5, respectively.
  • the distance g between the third control electrode unit 2c3 and the fourth control electrode unit 2c4 is the same as the distance g between the fourth control electrode unit 2c4 and the fifth control electrode unit 2c5. Further, the intervals g may be different.
  • adjacent control electrode portions 2c0 may be arranged with the same spacing g in each of the X-axis direction and the Y-axis direction.
  • the plurality of control electrode units 2c0 may include a plurality of sixth control electrode units 2c6, a plurality of seventh control electrode units 2c7, and a plurality of eighth control electrode units 2c8.
  • Each of the plurality of sixth control electrode portions 2c6 has a width w6.
  • Each of the plurality of seventh control electrode portions 2c7 has a width w7.
  • Each of the plurality of eighth control electrode portions 2c8 has a width w8.
  • the width w6, the width w7 and the width w8 are different from each other.
  • the distance g1 between the adjacent sixth control electrode portion 2c6 and the seventh control electrode portion 2c7 is smaller than the distance g2 between the adjacent seventh control electrode portion 2c7 and the eighth control electrode portion 2c8. Further, the distance between the adjacent sixth control electrode portions 2c6 is the same as each other. The distance between the adjacent seventh control electrode portions 2c7 is the same as each other. The distance between the adjacent eighth control electrode portions 2c8 is the same as each other.
  • the plasmon resonance wavelengths in the regions having different structures are different, and the plasmon resonance wavelength is multi-wavelength. To become. When different plasmon resonance wavelengths are in close proximity, the resonance wavelength is broadened.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the third embodiment can be applied to other embodiments.
  • the material of the control electrode 2c is a material that causes surface plasmon resonance. Therefore, surface plasmon resonance can be generated in the control electrode 2c. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the mechanism by which the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 is improved by surface plasmon resonance will be described later.
  • the adjacent control electrodes 2c of the plurality of control electrode portions 2c0 are arranged at intervals where surface plasmon resonance occurs in each of the plurality of control electrode portions 2c0. Therefore, surface plasmon resonance can be generated in each of the plurality of control electrode portions 2c0. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the electromagnetic field is enhanced around the control electrode 2c and the control electrode 2c.
  • This enhancement of the electromagnetic field is also called localized surface plasmon resonance.
  • the electromagnetic field is also enhanced at the same time in the two-dimensional material layer 1 to which the control electrode 2c is connected. Therefore, the absorption rate of the optical carriers of the two-dimensional material layer 1 increases.
  • the absorptivity of the optical carriers of the two-dimensional material layer 1 is improved to nearly 100% by appropriately designing the width w, the interval g, and the period p.
  • the electromagnetic field is also strengthened at the same time in the semiconductor layer 4. As a result, the photoelectric conversion efficiency of the semiconductor layer 4 is enhanced, so that the optical carriers generated in the semiconductor layer 4 increase.
  • the current flowing through the two-dimensional material layer 1 becomes large. Further, since more optical carriers are generated in the semiconductor layer 4, the current flowing through the two-dimensional material layer 1 becomes large. Since the current flowing through the two-dimensional material layer 1 is finally taken out as a photodetection signal, the photodetection signal becomes large. Further, since the magnitude of the optical gate effect in the two-dimensional material layer 1 is proportional to the magnitude of the current flowing through the two-dimensional material layer 1, the magnitude of the optical gate effect becomes stronger. Therefore, the final photodetection signal is further enhanced. Therefore, the detection performance of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the enhancement of the electromagnetic field by the plasmon resonance is caused only by the electromagnetic wave having the plasmon resonance wavelength. Therefore, the electromagnetic field is selectively enhanced by the electromagnetic wave having the plasmon resonance wavelength. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 is selectively enhanced at the plasmon resonance wavelength. Therefore, by setting the detection wavelength to the plasmon resonance wavelength, the electromagnetic wave detector 100 can selectively detect the electromagnetic wave having the detection wavelength. Alternatively, when the plasmon resonance wavelength is increased to multiple wavelengths, the detection sensitivity is enhanced at the multiple wavelengths.
  • the plurality of control electrode units 2c0 include the first control electrode unit 2c1.
  • the first control electrode portion 2c1 is connected to the second portion (see FIG. 1) of the two-dimensional material layer 1 via the second insulating film 3b (see FIG. 1).
  • the electromagnetic field is strongly localized at the lower end of the electrode. Therefore, the plasmon resonance generated in the first control electrode unit 2c1 has a larger electromagnetic field than the plasmon resonance generated in the second control electrode unit 2c2 (FIG. 13) described later. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • each of the plurality of control electrode portions 2c0 extends along the Y-axis direction.
  • Each of the plurality of control electrode portions 2c0 is arranged side by side along the X-axis direction. Therefore, plasmon resonance occurs due to the absorption of the electromagnetic wave only when the electric field of the electromagnetic wave incident on the electromagnetic wave detector 100 is parallel to the X-axis direction. Further, when the electric field of the electromagnetic wave is parallel to the Y-axis direction, the electromagnetic wave is not absorbed. That is, the electromagnetic wave detector 100 has polarization selectivity. As a result, the electromagnetic wave detector 100 can selectively detect polarized light. In addition, when the shape of each of the plurality of control electrode portions 2c0 is square or circular as shown in FIG. 11, the electromagnetic wave detector 100 does not have polarization selectivity.
  • the plurality of control electrode portions 2c0 have different widths, intervals, and periods from each other. Therefore, the plasmon resonance wavelength becomes multi-wavelength. As shown in FIGS. 9 and 11, resonance occurs at multiple wavelengths as compared with the case where the plurality of control electrode portions 2c0 have the same width, spacing, and period. If the resonance wavelengths are close to each other, the resonance wavelength is equivalently widened. Therefore, the detection wavelength of the electromagnetic wave detector 100 can be widened. That is, the detection wavelength of the electromagnetic wave detector 100 can be widened.
  • Embodiment 4 the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. Unless otherwise specified, the fourth embodiment has the same configuration, manufacturing method, and action and effect as those of the third embodiment. Therefore, the same components as those in the third embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the plurality of control electrode units 2c0 include a first control electrode unit 2c1 and a second control electrode unit 2c2.
  • the second control electrode portion 2c2 is connected to the second portion 1b via the second insulating film 3b.
  • the second control electrode portion 2c2 is arranged above the first insulating film 3a. Therefore, the second control electrode portion 2c2 is arranged outside the opening OP.
  • the second control electrode portion 2c2 is not arranged in the opening OP.
  • a second insulating film 3b, a two-dimensional material layer 1 and a first insulating film 3a are sequentially laminated between the second control electrode portion 2c2 and the semiconductor layer 4.
  • the shortest distance between the first control electrode unit 2c1 and the semiconductor layer 4 is shorter than the shortest distance between the second control electrode unit 2c2 and the semiconductor layer 4.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the fourth embodiment can be applied to other embodiments.
  • the second control electrode portion 2c2 is connected to the second portion 1b via the second insulating film 3b. Therefore, at least one of the plurality of control electrode portions 2c0 is not arranged in the opening OP. Therefore, the dimension of the electromagnetic wave detector 100 along the in-plane direction of the semiconductor layer 4 should be smaller than that in the case where all the control electrode portions 2c0 out of the plurality of control electrode portions 2c0 are arranged in the opening OP. Can be done.
  • Embodiment 5 the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG. Unless otherwise specified, the fifth embodiment has the same configuration, manufacturing method, and action and effect as those of the third embodiment. Therefore, the same components as those in the third embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the first electrode 2a includes a first side portion 2aa and a second side portion 2ab.
  • the second side portion 2ab sandwiches the opening OP with the first side portion 2aa.
  • the first electrode 2a is provided with a through hole TH.
  • the through hole TH communicates with the opening OP.
  • the through hole TH may be provided in the center of the first electrode 2a. That is, the shape of the first electrode 2a is a ring shape centered on the through hole TH. Although the shape of the first electrode 2a is ring-shaped in FIG. 14, the first electrode 2a may be U-shaped.
  • the two-dimensional material layer 1 includes a first end portion 11 and a second end portion 12.
  • the second end portion 12 faces the first end portion 11.
  • the first end portion 11 is directly connected to the first side portion 2aa.
  • the second end portion 12 is directly connected to the second side portion 2ab.
  • the two-dimensional material layer 1 extends from the first side portion 2aa to the second side portion 2ab across the through hole TH.
  • the two-dimensional material layer 1 is partially directly connected to the first electrode 2a, but the two-dimensional material layer 1 may be directly connected to the entire surface of the first electrode 2a.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the fifth embodiment can be applied to other embodiments.
  • the first end portion 11 is directly connected to the first side portion 2aa.
  • the second end portion 12 is directly connected to the second side portion 2ab. Therefore, the current transmitted from the two-dimensional material layer 1 to the first electrode 2a is larger than that in the case where either one of the ends of the two-dimensional material layer 1 is not directly connected to the first electrode 2a. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved. Further, when the two-dimensional material layer 1 is directly connected to the entire surface of the first electrode 2a, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be further improved.
  • Embodiment 6 the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the sixth embodiment will be described with reference to FIG. Unless otherwise specified, the sixth embodiment has the same configuration, manufacturing method, and action and effect as those of the fifth embodiment. Therefore, the same components as those in the fifth embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the two-dimensional material layer 1 includes a first end portion 11 and a second end portion 12.
  • the first end portion 11 is directly connected to the first electrode 2a.
  • the first end portion 11 is arranged outside the opening OP.
  • the second end portion 12 is arranged away from the first electrode 2a.
  • the second end portion 12 is not directly connected to the first electrode 2a.
  • the second end portion 12 is arranged in the opening OP.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the fifth embodiment can be applied to other embodiments.
  • the first end portion 11 is directly connected to the first electrode 2a.
  • the second end portion 12 is arranged away from the first electrode 2a. Therefore, the contact between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 is better than when both ends of the two-dimensional material layer 1 are connected to the first electrode 2a.
  • the two-dimensional material layer 1 may be bent so that only the central portion of the two-dimensional material layer 1 comes into contact with the semiconductor layer 4. .. If only the central portion of the two-dimensional material layer 1 comes into contact with the semiconductor layer 4, good characteristics may not be obtained.
  • the second end portion 12 is arranged away from the first electrode 2a. Therefore, the contact between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 is improved.
  • the contact between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 is good, the movement of the optical carrier generated by the electromagnetic wave detector 100 is not hindered. As a result, the detection signal of the electromagnetic wave detector 100 becomes large. Also, the noise is reduced. Therefore, the performance of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 does not greatly depend on the contact area between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4. Therefore, when the contact state between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 is improved, the optical carrier path becomes large. Therefore, the pixel area (area of the semiconductor layer 4) of the electromagnetic wave detector 100 can be reduced. Therefore, the electromagnetic wave detector 100 can be miniaturized.
  • Embodiment 7 the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the seventh embodiment will be described with reference to FIG. Unless otherwise specified, the seventh embodiment has the same configuration, manufacturing method, and action and effect as those of the third embodiment. Therefore, the same components as those in the third embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the electromagnetic wave detector 100 further includes a buffer layer 5.
  • the buffer layer 5 is sandwiched between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
  • the buffer layer 5 electrically connects the semiconductor layer 4 and the first portion 1a. Therefore, in the present embodiment, the first portion 1a is connected to the semiconductor layer 4 via the buffer layer 5.
  • the thickness of the buffer layer 5 is thinner than that of the first insulating film 3a.
  • the plurality of control electrode units 2c0 include a ninth control electrode unit 2c9.
  • the ninth control electrode portion 2c9 is connected to the buffer layer 5 via the second insulating film 3b and the two-dimensional material layer 1.
  • the buffer layer 5 has a thickness capable of forming a tunnel current between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
  • the buffer layer 5 is, for example, an insulating film having a thickness of 1 nm or more and 10 nm or less.
  • the buffer layer 5 is thinner than the first insulating film 3a.
  • the type of insulating film is, for example, a metal oxide such as alumina (aluminum oxide) or hafnium oxide (HfO 2 ), a semiconductor oxide such as silicon oxide, and a semiconductor nitride such as silicon nitride (Si 3 N 4).
  • the method for producing the buffer layer 5 may be appropriately determined, but may be selected from, for example, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, a vacuum vapor deposition method, a sputtering method, or the like. Further, the buffer layer 5 may be formed by oxidizing or nitriding the surface of the semiconductor layer 4. Further, the buffer layer 5 may be a natural oxide film formed on the surface of the semiconductor layer 4.
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • a vacuum vapor deposition method a vacuum vapor deposition method
  • a sputtering method or the like.
  • the buffer layer 5 may be formed by oxidizing or nitriding the surface of the semiconductor layer 4. Further, the buffer layer 5 may be a natural oxide film formed on the surface of the semiconductor layer 4.
  • the thickness of the buffer layer 5 according to the modified example of the seventh embodiment is thicker than the thickness capable of forming a tunnel current between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4, and is thicker than the first insulating film 3a. Is also thin. Therefore, the optical carriers generated in the semiconductor layer 4 are not injected into the two-dimensional material layer 1 through the buffer layer 5. Also, the optical gate effect occurs. Since the thickness of the buffer layer 5 is thinner than that of the first insulating film 3a, a carrier is placed between the two-dimensional material layer 1 in the region in contact with the first insulating film 3a and the two-dimensional material layer 1 in contact with the buffer layer 5. A density gradient occurs.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the seventh embodiment and its modified example can be applied to other embodiments.
  • the electromagnetic wave detector 100 further includes a buffer layer 5. Therefore, the carrier density is between the two-dimensional material layer 1 (second portion 1b) in the region in contact with the first insulating film 3a and the two-dimensional material layer 1 (first portion 1a) in the region in contact with the buffer layer 5. Gradient occurs. As a result, the mobility of the two-dimensional material layer 1 becomes high, so that the photocurrent taken out from the two-dimensional material layer 1 becomes large. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the buffer layer 5 has a thickness capable of forming a tunnel current between the semiconductor and the two-dimensional material layer 1. Therefore, the optical carriers generated in the semiconductor layer 4 are injected into the two-dimensional material layer 1 through the buffer layer 5. As a result, a large photocurrent is injected into graphene, so that the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the plurality of control electrode units 2c0 include the ninth control electrode unit 2c9.
  • the ninth control electrode portion 2c9 is connected to the buffer layer 5 via the second insulating film 3b and the two-dimensional material layer 1. Therefore, the magnitude of the tunnel current can be controlled in addition to the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 by the ninth control electrode unit 2c9. Further, by applying the bias voltage V1, the magnitude of the tunnel current can be increased. Thereby, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • Embodiment 8 the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the eighth embodiment will be described with reference to FIG. Unless otherwise specified, the eighth embodiment has the same configuration, manufacturing method, and action and effect as those of the third embodiment. Therefore, the same components as those in the third embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the electromagnetic wave detector 100 further includes a connecting conductor 6.
  • the two-dimensional material layer 1 is electrically connected to the semiconductor layer 4 via the connecting conductor 6.
  • the connecting conductor 6 is arranged inside the opening OP.
  • the connecting conductor 6 is in contact with the first insulating film 3a.
  • a two-dimensional material layer 1 is superposed on the upper surface of the connecting conductor 6.
  • the lower surface of the connecting conductor 6 is electrically connected to the first surface 4a of the semiconductor layer 4.
  • the two-dimensional material layer 1 is electrically connected to the upper surface of the connecting conductor 6.
  • the position of the upper surface of the connecting conductor 6 is the same as the position of the upper surface of the first insulating film 3a.
  • the two-dimensional material layer 1 extends from the upper surface of the first insulating film 3a to the upper surface of the connecting conductor 6 in a planar shape without bending.
  • the connecting conductor 6 is bonded to the semiconductor layer 4 by ohmic contact. Further, it is desirable that the connecting conductor 6 has a high transmittance at the detection wavelength.
  • the material of the connecting conductor 6 is the same as that of the first electrode 2a, the second electrode 2b, and the control electrode 2c.
  • the material of the semiconductor layer 4 is indium antimonide (InSb)
  • it is desirable that the material of the connecting conductor 6 is nickel (Ni) in consideration of the difference in Fermi level from the two-dimensional material layer 1.
  • the contact resistance between the connecting conductor 6 and the two-dimensional material layer 1 is smaller than the contact resistance between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
  • the contact resistance between the connecting conductor 6 and the semiconductor layer 4 is smaller than the contact resistance between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
  • the sum of the contact resistance between the connecting conductor 6 and the two-dimensional material layer 1 and the contact resistance between the connecting conductor 6 and the semiconductor layer 4 is smaller than the contact resistance between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the eighth embodiment can be applied to other embodiments.
  • the two-dimensional material layer 1 is electrically connected to the semiconductor layer 4 via the connecting conductor 6.
  • the sum of the contact resistance between the connecting conductor 6 and the two-dimensional material layer 1 and the contact resistance between the connecting conductor 6 and the semiconductor layer 4 is smaller than the contact resistance between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4. Therefore, the contact resistance can be reduced as compared with the case where the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 are directly bonded. Further, since the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 are joined by Schottky bonding, the attenuation of photocurrent can be suppressed.
  • the position of the upper surface of the connecting conductor 6 is the same as the position of the upper surface of the first insulating film 3a. Therefore, since the two-dimensional material layer 1 is formed horizontally without bending, the mobility of carriers in the two-dimensional material layer 1 is improved. Since the optical gate effect is proportional to the mobility, the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • Embodiment 9 the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the ninth embodiment will be described with reference to FIGS. 18 to 24.
  • the ninth embodiment has the same configuration, manufacturing method, and action and effect as those of the third embodiment. Therefore, the same components as those in the third embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the semiconductor layer 4 includes a first semiconductor unit 41 and a second semiconductor unit 42.
  • the second semiconductor unit 42 has a conductive type different from that of the first semiconductor unit 41. That is, the first semiconductor unit 41 and the second semiconductor unit 42 are photodiodes having different conductive types from each other.
  • the first semiconductor unit 41 has a first conductive type.
  • the second semiconductor portion 42 has a second conductive type.
  • the first conductive type is a conductive type opposite to the second conductive type. Therefore, the carrier doped in the first semiconductor portion 41 is different from the carrier doped in the second semiconductor portion 42.
  • the first semiconductor portion 41 is joined to the second semiconductor portion 42.
  • the first semiconductor portion 41 is joined to the second semiconductor portion 42 immediately below the opening OP. Therefore, a pn junction is formed inside the semiconductor layer 4.
  • the second semiconductor unit 42 has an absorption wavelength different from that of the first semiconductor unit 41.
  • the absorption wavelength of the second semiconductor unit 42 may be larger or smaller than the absorption wavelength of the first semiconductor unit 41.
  • the absorption wavelength of the second semiconductor unit 42 may be partially the same as the absorption wavelength of the first semiconductor unit 41, as long as it is not completely the same as the absorption wavelength of the first semiconductor unit 41.
  • a tunnel diode may be used as the semiconductor layer 4 including the first semiconductor portion 41 and the second semiconductor portion 42.
  • a large photocurrent is generated only when the semiconductor layer 4 is irradiated with electromagnetic waves. Therefore, the photocurrent is injected into the two-dimensional material layer 1, and the electric field changes in the two-dimensional material layer 1. This improves the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100.
  • the semiconductor layer 4 may further include a third semiconductor unit 43.
  • the third semiconductor unit 43 may have either a first semiconductor type or a second semiconductor type.
  • the third semiconductor portion 43 is joined to at least one of the first semiconductor portion 41 and the second semiconductor portion 42.
  • the third semiconductor portion 43 is preferably bonded to both the first semiconductor portion 41 and the second semiconductor portion 42.
  • the third semiconductor portion 43 may surround the first semiconductor portion 41 and the second semiconductor portion 42 along the in-plane direction of the semiconductor layer 4.
  • the first electrode 2a may include a pair of first electrode portions 2a1 arranged so as to sandwich the opening OP. Each of the pair of first electrode portions 2a1 is connected to the first insulating film 3a.
  • the electromagnetic wave irradiates the first semiconductor portion 41, the second semiconductor portion 42, and the junction interface between the first semiconductor portion 41 and the second semiconductor portion 42.
  • the first electrode 2a is connected to each of the first semiconductor section 41 and the second semiconductor section 42.
  • the pair of first electrode portions 2a1 are connected to the first semiconductor portion 41 and the second semiconductor portion 42, respectively. Therefore, the bias voltage V1 is applied to each of the first semiconductor unit 41 and the second semiconductor unit 42 via the first electrode 2a.
  • the second semiconductor portion 42 includes a pair of second semiconductor portions 420.
  • the pair of second semiconductor portions 420 sandwiches the first semiconductor portion 41. Therefore, each of the pair of second semiconductor portions 420 is joined to the first semiconductor portion 41. Therefore, two joints are joined to the first semiconductor portion 41. Therefore, two pn junctions are formed in the first semiconductor portion 41.
  • the semiconductor layer 4 is configured as either a pnp photoresistor or an npn photoresistor.
  • the first semiconductor portion 41 is joined to the second semiconductor portion 42 along the in-plane direction of the semiconductor layer 4. Therefore, the bonding interface extends along the in-plane direction of the semiconductor layer 4.
  • the second semiconductor unit 42 is embedded in the first semiconductor unit 41.
  • the two-dimensional material layer 1 is joined to the second semiconductor portion 42 via a thin portion of the first semiconductor portion 41.
  • the bonding interface extends directly below the semiconductor layer 4 along the in-plane direction of the semiconductor layer 4.
  • the second semiconductor portion 42 is not exposed from the first insulating film 3a.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the ninth embodiment can be applied to other embodiments.
  • the electromagnetic wave detector 100 according to the ninth embodiment, as shown in FIG. 18, the first semiconductor portion 41 is joined to the second semiconductor portion 42. Therefore, a pn junction is formed in the semiconductor layer 4. Therefore, optical carriers can be generated from the pn junction of the semiconductor layer 4. The optical carriers generated in the pn junction can be taken out from the two-dimensional material layer 1. Further, the region of the semiconductor layer 4 arranged directly above the junction interface is affected by the local electric field change at the junction interface between the first semiconductor portion 41 and the second semiconductor portion 42. As a result, the conductivity of the two-dimensional material layer 1 changes, so that the optical gate effect is enhanced. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the second semiconductor unit 42 has an absorption wavelength different from that of the first semiconductor unit 41. Therefore, the absorption wavelength of the semiconductor layer 4 is wider than that in the case where the semiconductor layer 4 is composed of one semiconductor portion. Therefore, the band of the detection wavelength of the electromagnetic wave detector 100 can be widened.
  • the first electrode 2a is connected to each of the first semiconductor unit 41 and the second semiconductor unit 42. ing. Thereby, the voltage can be applied to the two-dimensional material layer 1 while applying the voltage to each of the first semiconductor portion 41 and the second semiconductor portion 42. Therefore, since the depletion layer generated in the first semiconductor unit 41 and the second semiconductor unit 42 can be increased, the photocurrent can be increased. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the pair of second semiconductor portions 420 sandwich the first semiconductor portion 41. Therefore, the bonding interface between the first semiconductor portion 41 and the second semiconductor portion 42 is larger than that in the case where the second semiconductor portion 42 is composed of a single member. Further, the area of contact between the bonding interface and the two-dimensional material layer 1 is larger than that in the case where the second semiconductor portion 42 is made of a single member. Therefore, it is possible to increase the influence of the local electric field change caused by the irradiation of the semiconductor layer 4 with the electromagnetic wave on the two-dimensional material layer 1. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the pair of second semiconductor portions 420 sandwiches the first semiconductor portion 41.
  • the semiconductor layer 4 can function as either an npn photoresistor or a pnp photoresistor. Therefore, as the intensity of the light applied to the semiconductor layer 4 decreases, the resistance of the first semiconductor portion 41 and the second semiconductor portion 42 increases. Therefore, the photocurrent flows through the first semiconductor section 41 and the second semiconductor section 42 only when the semiconductor layer 4 is irradiated with light. Therefore, since the electric field changes only when the semiconductor layer 4 is irradiated with light, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the first semiconductor portion 41 is the second semiconductor portion 42 along the in-plane direction of the semiconductor layer 4. It is joined to. Therefore, the bonding interface between the first semiconductor portion 41 and the second semiconductor portion 42 extends along the in-plane direction of the semiconductor layer 4.
  • the semiconductor layer 4 is irradiated with electromagnetic waves from a direction in which the electromagnetic waves intersect in the in-plane direction of the semiconductor layer 4. Therefore, the intensity of the electromagnetic wave radiated to the junction interface is higher than that in the case where the junction interface extends along the intersecting direction. Therefore, since the photocurrent becomes large, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • Embodiment 10 the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the tenth embodiment will be described with reference to FIGS. 25 to 27. Unless otherwise specified, the tenth embodiment has the same configuration, manufacturing method, and operation and effect as those of the third embodiment. Therefore, the same components as those in the third embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the opening OP includes a plurality of opening portions OP1 provided so as to be spaced apart from each other.
  • the broken line (see FIG. 1) showing the bending of the two-dimensional material layer 1 and the control electrode 2c is not shown in FIG. 25.
  • the two-dimensional material layer 1 is connected to the semiconductor layer 4 at each of the plurality of opening portions OP1.
  • two opening portions OP1 may be provided.
  • four opening portions OP1 may be provided.
  • the outer shape of the two-dimensional material layer 1 and the outer shape of the control electrode 2c are shown by broken lines.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the tenth embodiment can be applied to other embodiments.
  • the two-dimensional material layer 1 is connected to the semiconductor layer 4 at each of the plurality of opening portions OP1. Therefore, the two-dimensional material layer 1 comes into contact with the semiconductor layer 4 at more positions than when the opening OP is single. Therefore, in the manufacturing process, it is possible to reduce the variation in contact between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4. Therefore, the performance of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • Embodiment 11 the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the eleventh embodiment will be described with reference to FIG. 28. Unless otherwise specified, the eleventh embodiment has the same configuration, manufacturing method, and operation and effect as those of the third embodiment. Therefore, the same components as those in the third embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the first insulating film 3a includes the tapered portion 3a1.
  • the tapered portion 3a1 is configured to change in thickness as it approaches the opening OP from the first electrode 2a. That is, the first insulating film 3a is provided with a gradient.
  • the tapered portion 3a1 is configured to become thinner as it approaches the opening OP from the first electrode 2a.
  • the second portion 1b of the two-dimensional material layer 1 is directly connected to the tapered portion 3a1.
  • the tapered portion 3a1 may be formed by forming the first insulating film 3a in a state where the semiconductor layer 4 is tilted.
  • the tapered portion 3a1 may be formed by dry etching the first insulating film 3a in a state where the semiconductor layer 4 is tilted. As long as the taper portion 3a1 is configured so that the thickness changes as it approaches the opening OP from the first electrode 2a, the taper portion 3a1 is appropriately formed.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the eleventh embodiment can be applied to other embodiments.
  • the tapered portion 3a1 is configured to change in thickness as it approaches the opening OP from the first electrode 2a. Therefore, when the semiconductor layer 4 is irradiated with electromagnetic waves, a local change occurs in the degree of electric field change in the two-dimensional material layer 1. That is, when the semiconductor layer 4 is irradiated with electromagnetic waves and the electric field change is applied to the two-dimensional material layer 1, the degree of the electric field change locally changes according to the change in the thickness of the first insulating film 3a. As a result, the mobility of the carriers in the two-dimensional material layer 1 is improved, and the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 is improved.
  • Embodiment 12 the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the twelfth embodiment will be described with reference to FIG. 29. Unless otherwise specified, the twelfth embodiment has the same configuration, manufacturing method, and operation and effect as those of the third embodiment. Therefore, the same components as those in the third embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • a gap GAP is provided between the first insulating film 3a and the two-dimensional material layer 1. That is, the region corresponding to the channel region of the two-dimensional material layer 1 does not come into contact with the first insulating film 3a, unlike the electromagnetic wave detector 100 according to the first embodiment.
  • the size of the void GAP is such that an optical gate effect is generated between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4.
  • the electromagnetic wave detector 100 may further include a connection portion 7.
  • the connection portion 7 is arranged in the opening OP.
  • the two-dimensional material layer 1 is electrically connected to the semiconductor layer 4 via the connecting portion 7.
  • the material of the connecting portion 7 may be the same as the material of the semiconductor layer 4, the first electrode 2a, the second electrode 2b, or the control electrode 2c. It is desirable that the height of the upper surface of the connecting portion 7 is the same as the height of the upper surface of the first electrode 2a.
  • the two-dimensional material layer 1 extends from the first electrode 2a to the connection portion 7. If a gap GAP is provided between the insulating film and the two-dimensional material layer 1, another configuration may be adopted.
  • the second electrode 2b and the second insulating film 3b according to the present embodiment have the same configuration as the second electrode 2b and the second insulating film 3b of the second embodiment shown in FIG. Therefore, the second electrode 2b is directly connected to the semiconductor layer 4.
  • the second insulating film 3b covers the control electrode 2c. Further, the two-dimensional material layer 1 covers the semiconductor layer 4, the first insulating film 3a and the second insulating film 3b.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the twelfth embodiment can be applied to other embodiments.
  • the electromagnetic wave detector 100 according to the twelfth embodiment, as shown in FIG. 29, a gap GAP is provided between the first insulating film 3a and the two-dimensional material layer 1. Therefore, it is possible to eliminate the influence of carrier scattering due to the contact between the first insulating film 3a and the two-dimensional material layer 1. As a result, it is possible to suppress a decrease in carrier mobility in the two-dimensional material layer 1. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved. The optical gate effect can be exerted even if the void GAP is provided below the two-dimensional material layer 1.
  • Embodiment 13 Next, the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the thirteenth embodiment will be described with reference to FIGS. 30 and 31. Unless otherwise specified, the thirteenth embodiment has the same configuration, manufacturing method, and effect as those of the third embodiment. Therefore, the same components as those in the third embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the electromagnetic wave detector 100 further includes a contact layer 8.
  • the contact layer 8 is arranged so as to be in contact with at least one of the two-dimensional material layer 1 and the first electrode 2a.
  • the contact layer 8 is configured to supply holes or electrons (optical carriers) to the two-dimensional material layer 1 by coming into contact with either the two-dimensional material layer 1 or the first electrode 2a. That is, the contact layer 8 is configured to dope holes or electrons into the two-dimensional material layer 1.
  • the contact layer 8 is in contact with the first electrode 2a, but as shown in FIG. 31, the contact layer 8 may not be in contact with the first electrode 2a. Further, the contact layer 8 may be arranged so as to be in contact with either one of the two-dimensional material layer 1 and the first electrode 2a and not to the other.
  • a plurality of contact layers 8 may be laminated on the two-dimensional material layer 1.
  • a plurality of contact layers 8 may be formed on the two-dimensional material layer 1 between the first electrode 2a and the semiconductor layer 4.
  • the materials of the plurality of contact layers 8 may be the same or different.
  • the material of the contact layer 8 is, for example, a positive photoresist.
  • the positive photoresist is a composition containing a photosensitive agent having a quinonediagit group and a novolak resin.
  • the material of the contact layer 8 may be, for example, a material having a polar group. More specifically, the material of the contact layer 8 may be a material having an electron attracting group, which is an example of a material having a polar group. The material having an electron attracting group has an effect of reducing the electron density of the two-dimensional material layer 1. Further, the material of the contact layer 8 may be, for example, a material having an electron donating group, which is an example of a material having a polar group. The material having an electron donating group has an effect of increasing the electron density of the two-dimensional material layer 1.
  • the material of the contact layer 8 may be an organic substance, a metal, a semiconductor, an insulator, a two-dimensional material, or a mixture of any of these materials, as long as the charge is biased throughout the molecule to generate polarity.
  • the material of the contact layer 8 is an inorganic substance
  • the work function of the contact layer 8 is larger than the work function of the two-dimensional material layer 1, the two-dimensional material layer 1 is doped in a p-type.
  • the material of the contact layer 8 is an inorganic substance
  • the work function of the contact layer 8 is smaller than the work function of the two-dimensional material layer 1, the two-dimensional material layer 1 is doped in an n-type.
  • the material of the contact layer 8 is organic, the organic does not have a clear work function.
  • the two-dimensional material layer 1 is doped into n-type or p-type by determining the polar group of the material of the contact layer 8 based on the polarity of the molecules of the organic substances constituting the material of the contact layer 8. It is desirable to judge.
  • the region in which the resist is formed in the two-dimensional material layer 1 by the photolithography step becomes the p-type two-dimensional material layer region.
  • the manufacturing method can be simplified.
  • the material of the contact layer 8 may be a material in which polarity conversion occurs when the contact layer 8 is irradiated with an electromagnetic wave.
  • the polarity conversion occurs in the contact layer 8
  • the electrons or holes generated during the polarity conversion are supplied to the two-dimensional material layer 1. Therefore, electrons or holes are doped in the portion of the two-dimensional material layer 1 in which the contact layer 8 is in contact. Therefore, even after 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 undergoes a polarity conversion is used as the material of the contact layer 8, the contact layer 8 may be removed from the two-dimensional material layer 1 after the polarity conversion occurs.
  • the area of the open portion of the two-dimensional material layer 1 increases as compared with the case where the contact layer 8 is arranged. Therefore, the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the polar 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 is changed. It means a phenomenon in which a non-polar group changes to a non-polar group or a non-polar group changes to a polar group.
  • polarity conversion occurs in the contact layer 8 only when an electromagnetic wave having a detection wavelength is irradiated.
  • doping is performed on the two-dimensional material layer 1 only when an electromagnetic wave having a detection wavelength is irradiated.
  • the photocurrent flowing into the two-dimensional material layer 1 can be increased.
  • the material of the contact layer 8 may be a material in which a redox reaction occurs when the contact layer 8 is irradiated with an electromagnetic wave.
  • the two-dimensional material layer 1 can be doped with electrons or holes generated when a redox reaction occurs in the contact layer 8.
  • the film thickness of the contact layer 8 is preferably sufficiently thin so that photoelectric conversion can be performed when the two-dimensional material layer 1 is irradiated with electromagnetic waves.
  • the contact layer 8 is formed so as to have a thickness such that the carrier is doped from the contact layer 8 to the two-dimensional material layer 1.
  • the configuration of the contact layer 8 may be appropriately determined as long as carriers such as molecules or electrons are supplied to the two-dimensional material layer 1.
  • the two-dimensional material layer 1 is immersed in a solution and carriers are supplied to the two-dimensional material layer 1 at the molecular level, so that the solid contact layer 8 is not formed on the two-dimensional material layer 1 and two.
  • Carriers may be doped into the dimensional material layer 1.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the thirteenth embodiment can be applied to other embodiments.
  • the contact layer 8 is arranged so as to be in contact with at least one of the two-dimensional material layer 1 and the first electrode 2a. ..
  • the contact layer 8 is configured to supply holes or electrons to the two-dimensional material layer 1 by contacting at least one of the two-dimensional material layer 1 and the first electrode 2a. Therefore, the conductive type of the two-dimensional material layer 1 can be made into an n type or a p type. Thereby, even when the optical carrier is doped into the two-dimensional material layer 1 from the first electrode 2a and the semiconductor layer 4, the conductive type of the two-dimensional material layer 1 can be controlled. Therefore, the performance of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the contact layer 8 may be arranged so as to be in contact with either one of the two-dimensional material layer 1 and the first electrode 2a and not to the other. In FIG. 31, they are arranged so as to be in contact with the two-dimensional material layer 1 and not with the first electrode 2a. As a result, a gradient of charge density is formed in the two-dimensional material layer 1, so that the mobility of the two-dimensional material layer 1 is improved. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • Embodiment 14 the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the fourteenth embodiment will be described with reference to FIG. 32. Unless otherwise specified, the fourteenth embodiment has the same configuration, manufacturing method, and operation and effect as those of the third embodiment. Therefore, the same components as those in the third embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the two-dimensional material layer 1 according to the present embodiment includes the irregular layer structure portion 1T.
  • the disordered layer structure portion 1T is a structure in which a plurality of graphene layers are laminated in a state in which the lattices of the plurality of graphene layers are inconsistent.
  • the two-dimensional material layer 1 may include the irregular layer structure portion 1T as a part of the two-dimensional material layer 1, or the entire two-dimensional material layer 1 may be composed of the irregular layer structure portion 1T. ..
  • the material of the two-dimensional material layer 1 according to the present embodiment is laminated graphene.
  • the method for producing the disordered layer structure portion 1T may be appropriately determined.
  • the single-layer graphene produced by the CVD method may be transferred a plurality of times, and the multi-layer graphene may be laminated to form the disordered layer structure portion 1T.
  • ethanol or methane may be arranged on the graphene as a carbon source, and the graphene may be grown by the CVD method to form the disordered layer structure portion 1T.
  • the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the fourteenth embodiment can be applied to other embodiments.
  • the two-dimensional material layer 1 includes the disordered layer structure portion 1T. Therefore, the mobility of carriers in the two-dimensional material layer 1 can be improved. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • the normal laminated graphene that does not contain the random layer structure portion 1T is laminated in a state in which the lattices of the plurality of graphenes are aligned with each other.
  • This state is called AB lamination.
  • the laminated graphene containing the irregular layer structure portion 1T is formed as follows. Graphene produced by the CVD method has polycrystals. Therefore, when graphene is further transferred onto graphene multiple times, or when graphene is further laminated with the underlying graphene as the nucleus by the CVD method, the lattices of each of the plurality of graphenes are inconsistent. It is laminated with.
  • a disordered layer structure portion 1T is formed on graphene.
  • the graphene having a disordered layer structure constituting the disordered layer structure portion 1T is less affected by the interaction between the layers and has the same properties as the single layer graphene. Further, the mobility of the two-dimensional material layer 1 is lowered due to the influence of carrier scattering in the underlying insulating film.
  • the graphene in contact with the insulating film is affected by carrier scattering, but the graphene in the upper layer laminated on the graphene in the disordered layer structure is affected by the carrier scattering of the underlying insulating film. It becomes difficult to receive.
  • the influence of the interaction between the layers is small, so that the conductivity is also improved. From the above, the mobility of carriers is improved in graphene having a disordered layer structure. As a result, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • Embodiment 15 the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the fifteenth embodiment will be described.
  • the electromagnetic wave detector 100 according to the present embodiment detects electromagnetic waves according to the thirteenth embodiment shown in FIG. 30, in addition to the materials of the first insulating film 3a, the second insulating film 3b, the semiconductor layer 4 and the contact layer 8. It has the same structure as the vessel 100.
  • the fifteenth embodiment has the same configuration, manufacturing method, and effect as those of the thirteenth embodiment. Therefore, the same components as those in the thirteenth embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the electromagnetic wave detector 100 includes the contact layer 8. At least one of the materials of the first insulating film 3a, the second insulating film 3b, the semiconductor layer 4, and the contact layer 8 according to the present embodiment is a two-dimensional material because its characteristics are changed by being irradiated with electromagnetic waves. It is a material that gives a change in electric potential to layer 1.
  • the material that changes the potential of the two-dimensional material layer 1 by changing its characteristics when irradiated with electromagnetic waves is, for example, a ferroelectric material or rare earth oxidation. Things and so on.
  • the semiconductor layer 4 for example, the above-mentioned semiconductor material, pn junction material, metal, and semiconductor are bonded to the material that changes the potential of the two-dimensional material layer 1 by changing its characteristics when irradiated with an electromagnetic wave. Structures joined to metal, insulators and semiconductor bonding materials, pebro skids, etc.
  • the material that gives a change in potential to the two-dimensional material layer 1 by changing its characteristics by being irradiated with electromagnetic waves is, for example, a quantum dot, a liquid crystal material, a fullerene, a pebroskide, or the like.
  • ferroelectric material having a polarization effect (pyroelectric effect) due to electromagnetic waves
  • ferroelectric material is irradiated with electromagnetic waves to change the polarization of the ferroelectric material. ..
  • a change in potential occurs in the two-dimensional material layer 1.
  • a material that changes the potential of the two-dimensional material layer 1 by changing its characteristics when irradiated with electromagnetic waves is applied to the first insulating film 3a, the second insulating film 3b, the semiconductor layer 4, and the contact layer 8.
  • the contact layer 8 does not necessarily directly reach the two-dimensional material layer 1. You don't have to be in contact.
  • 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 (not shown).
  • the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the fifteenth embodiment can be applied to other embodiments.
  • the electromagnetic wave detector 100 according to the fifteenth embodiment, as shown in FIG. 30, at least one of the first insulating film 3a, the second insulating film 3b, the semiconductor layer 4, and the contact layer 8 is an electromagnetic wave. It is a material that gives a change in potential to the two-dimensional material layer 1 by changing its characteristics when it is irradiated with. Therefore, the potential of the two-dimensional material layer 1 can be changed by irradiating at least one of the first insulating film 3a, the second insulating film 3b, the contact layer 8, and the semiconductor layer 4 with an electromagnetic wave.
  • Embodiment 16 Next, the configuration of the electromagnetic wave detector assembly 200 according to the 16th embodiment will be described with reference to FIGS. 33 and 34.
  • the electromagnetic wave detector assembly 200 has a plurality of electromagnetic wave detectors 100 according to the first to 14th embodiments and the 17th embodiment to be described later.
  • the plurality of electromagnetic wave detectors 100 are arranged side by side along at least one of the first direction DR1 and the second direction DR2 intersecting the first direction DR1.
  • the plurality of electromagnetic wave detectors 100 included in the electromagnetic wave detector aggregate 200 are the same electromagnetic wave detectors 100.
  • one second electrode 2b (see FIG. 1) is used as a common electrode in the plurality of electromagnetic wave detectors 100. May be good. As a result, the wiring of the electromagnetic wave detector assembly 200 can be reduced, so that the resolution of the electromagnetic wave detector assembly 200 can be increased.
  • Each of the semiconductor layers 4 (see FIG. 1) of the plurality of electromagnetic wave detectors 100 is separated from each other by, for example, providing a trench structure on the outer periphery of the semiconductor layer 4 (see FIG. 1).
  • the control electrode 2c may be shared with the first electrode 2a.
  • electromagnetic wave detector assembly 200 shown in FIG. 33 four electromagnetic wave detectors 100 are arranged in a 2 ⁇ 2 matrix, but the number of the arranged electromagnetic wave detectors 100 is not limited to this. Further, in the electromagnetic wave detector assembly 200 shown in FIG. 33, a plurality of electromagnetic wave detectors 100 are periodically arranged two-dimensionally, but the plurality of electromagnetic wave detectors 100 are periodically arranged in one direction. It may be arranged. Further, the intervals between the adjacent electromagnetic wave detectors 100 among the plurality of electromagnetic wave detectors 100 may be equal or different.
  • the electromagnetic wave detector assembly 200 may include a read circuit 93 configured to read a signal from the electromagnetic wave detector 100.
  • the electromagnetic wave detector 100 may be arranged on the readout circuit 93.
  • the read format of the read circuit 93 is, for example, a CTIA (Capacitive Transimpedance Amplifier) type.
  • the read circuit 93 may be in another read format.
  • the electromagnetic wave detector assembly 200 may include a bump 92 that electrically connects the electromagnetic wave detector 100 and the readout circuit 93.
  • the structure in which the electromagnetic wave detector 100 and the readout circuit 93 are connected by the bump 92 is called a hybrid junction. Hybrid junctions are a common structure in quantum infrared sensors.
  • the bump 92 and the electromagnetic wave detector 100 are electrically connected by a pad 91 provided on the control electrode 2c.
  • the material of the bump 92 is, for example, a conductive material such as indium (Ib).
  • the material of the pad 91 is a conductive material such as an aluminum silicon (Al—Si) alloy, nickel (Ni), or gold (Au).
  • the plurality of electromagnetic wave detectors included in the electromagnetic wave detector assembly 200 are electromagnetic wave detectors 101 to 104 that are different from each other. Electromagnetic wave detectors 101 to 104 of different types are arranged in an array (matrix). Each of the plurality of electromagnetic wave detectors 101 to 104 may have different detection wavelengths from each other. Specifically, each of the plurality of electromagnetic wave detectors 101 to 104 may have different detection wavelength selectivity. Further, each of the plurality of electromagnetic wave detectors 101 to 104 may be configured to detect electromagnetic waves having different polarizations from each other.
  • the semiconductor materials constituting each of the semiconductor layers 4 (see FIG. 1) of the plurality of electromagnetic wave detectors 101 to 104 may have different detection wavelengths from each other.
  • 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.
  • the electromagnetic wave detector assembly 200 when the electromagnetic wave detector assembly 200 is applied to an in-vehicle sensor, the electromagnetic wave detector assembly 200 can be used as a camera for a visible light image in the daytime. Further, the electromagnetic wave detector assembly 200 can also be used as an infrared camera at night. In this way, it is not necessary to use a plurality of cameras properly according to the detection wavelength of the electromagnetic wave.
  • the electromagnetic wave detector assembly 200 according to the 16th embodiment, as shown in FIG. 33, the electromagnetic wave detector assembly 200 has a plurality of electromagnetic wave detectors 100 according to the first to 14th embodiments. .. Therefore, by using each of the plurality of electromagnetic wave detectors 100 as a detection element, the electromagnetic wave detector aggregate 200 can be provided with a function as an image sensor.
  • each of the plurality of electromagnetic wave detectors 101 to 104 has different detection wavelengths from each other. Therefore, the electromagnetic wave detector assembly 200 can detect at least two or more electromagnetic waves having different wavelengths.
  • the electromagnetic wave detector assembly 200 has the wavelength of the electromagnetic wave in an arbitrary wavelength range such as ultraviolet light, infrared light, terahertz wave, and radio wave wavelength range, similarly to the image sensor used in the visible light range. Can be identified. As a result, it is possible to obtain a colorized image showing, for example, a difference in wavelength as a difference in color.
  • the electromagnetic wave detector assembly 200 can be used, for example, as a position detection sensor capable of detecting the position of an object even with a small number of pixels. Further, for example, the electromagnetic wave detector assembly 200 can be used as an image sensor capable of detecting the intensity of electromagnetic waves at a plurality of wavelengths. This makes it possible to detect a plurality of electromagnetic waves and obtain a colorized image without using a color filter conventionally required for CMOS (Complementary MOS) sensors and the like.
  • CMOS Complementary MOS
  • Each of the plurality of electromagnetic wave detectors 101 to 104 is configured to detect electromagnetic waves having different polarizations from each other.
  • the electromagnetic wave detector assembly 200 can be provided with a function as a polarization identification image sensor.
  • polarization imaging can be performed by arranging a plurality of electromagnetic wave detectors 100 for each unit, with four pixels having detection angles of 0 °, 90 °, 45 °, and 135 ° as one unit.
  • Polarization identification image sensors for example, distinguish between man-made objects and natural objects, identify materials, identify multiple objects with the same temperature in the infrared wavelength range, identify boundaries between multiple objects, or have equivalent resolution. Can be improved.
  • the electromagnetic wave detector aggregate 200 can detect electromagnetic waves in a wide wavelength range. Further, the electromagnetic wave detector assembly 200 can detect electromagnetic waves having different wavelengths.
  • Embodiment 17 Next, the configuration of the electromagnetic wave detector 100 according to the 17th embodiment will be described with reference to FIGS. 36 to 38. Unless otherwise specified, the 17th embodiment has the same configuration and operation and effect as those of the 1st embodiment. Therefore, the same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
  • the two-dimensional material layer 1 contains a pattern that causes plasmon resonance.
  • the pattern that causes plasmon resonance is a periodic striped pattern.
  • the two-dimensional material layer contains a plurality of strips 15.
  • the width d of each of the plurality of strips 15 is equal to each other.
  • the width d of each of the plurality of strips 15 is a dimension along the lateral direction of each of the plurality of strips 15.
  • adjacent strips 15 are arranged at equal intervals with a gap. That is, the plurality of strips 15 of the two-dimensional material layer 1 are periodically arranged.
  • the period p of the plurality of strips 15 is the sum of the width d of each of the plurality of strips 15 and the distance between the adjacent strips 15.
  • the plasmon resonance wavelength is determined according to the width d of each of the plurality of strips 15, the period p of the plurality of strips 15, and the Fermi level of the two-dimensional material layer 1. It should be noted that the width d of each of the plurality of strips 15 and the period p of the plurality of strips 15 have a relative relationship. For example, when the width d of each of the plurality of strips 15 is 40 nm, the period p of the plurality of strips 15 is 50 nm, and the chemical potential is 1.0 eV, the plasmon resonance wavelength is 4 ⁇ m.
  • the portion of the two-dimensional material layer 1 connected to the first electrode 2a does not have to be striped.
  • each of the plurality of strips 15 may have a plurality of first strips 151 and a plurality of second strips 152.
  • Each of the plurality of first strips 151 and each of the plurality of second strips 152 are alternately arranged along the longitudinal direction of the plurality of strips 15.
  • the width of each of the plurality of second strips 152 is larger than the width of each of the plurality of first strips 151.
  • the shapes of the plurality of first band-shaped portions 151 and the plurality of second strip-shaped portions 152 in the top view are quadrangular. Therefore, a square pattern is formed on the two-dimensional material layer 1.
  • the two-dimensional material layer 1 has a shape asymmetrical with respect to the longitudinal direction and the lateral direction of the plurality of strips 15. In other words, the two-dimensional material layer 1 has in-plane asymmetry in two independent directions.
  • the shape of the plurality of second strips 152 may be a circle, an ellipse, a square, a rectangle, or the like.
  • the control electrode 2c (see FIG. 1) is not shown in FIG. 38.
  • the two-dimensional material layer contains a pattern that causes plasmon resonance.
  • the plasmon resonance wavelength is determined according to the width d of each of the plurality of strips 15, the period p of the plurality of strips 15, and the Fermi level of the two-dimensional material layer 1. Therefore, the electromagnetic wave detector 100 can selectively absorb the light irradiated to the electromagnetic wave detector 100 by resonance absorption according to the plasmon resonance wavelength. Further, the electromagnetic wave detector 100 can enhance and absorb the light irradiated to the electromagnetic wave detector 100 by resonance absorption according to the plasmon resonance wavelength.
  • the electromagnetic wave detector 100 when the electromagnetic wave detector 100 is irradiated with light having a plasmon resonance wavelength, the electric field is enhanced on the two-dimensional material layer 1. As a result, the photoelectric conversion efficiency in the semiconductor layer 4 in contact with the two-dimensional material layer 1 is enhanced. Therefore, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 can be selectively increased at the resonance wavelength.
  • the plasmon resonance wavelength can be fixed by adjusting the width d and the period p of the plurality of strips 15. Further, the plasmon resonance wavelength can be electrically changed by adjusting the chemical potential of the two-dimensional material layer 1 with the control electrode. Therefore, the above-mentioned selective detection wavelength can be electrically controlled.
  • each of the plurality of strips 15 may have a plurality of first strips 151 and a plurality of second strips 152.
  • the width of each of the plurality of second strips 152 is larger than the width of each of the plurality of first strips 151.
  • the shape of the two-dimensional material layer 1 has a shape asymmetrical with respect to the longitudinal direction and the lateral direction of the plurality of strips 15.
  • the asymmetry of the two-dimensional material layer 1 also causes asymmetry in the plasmon resonance. Therefore, polarized light can be selectively detected.
  • the electromagnetic wave detector 100 can be applied to polarized light imaging and the like.

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Abstract

電磁波検出器（１００）は、半導体層（４）と、第１絶縁膜（３ａ）と、二次元材料層（１）と、第１電極（２ａ）と、第２電極（２ｂ）と、第２絶縁膜（３ｂ）と、制御電極（２ｃ）とを備えている。第１絶縁膜（３ａ）は、半導体層（１）上に配置されている。第１絶縁膜（３ａ）には、開口部（ＯＰ）が形成されている。二次元材料層（１）は、開口部（ＯＰ）において半導体層（４）に電気的に接続されている。二次元材料層（１）は、開口部（ＯＰ）上から第１絶縁膜（３ａ）まで延在している。第２絶縁膜（３ｂ）は、二次元材料層（１）に接している。制御電極（２ｃ）は、第２絶縁膜（３ｂ）を介して二次元材料層（１）に接続されている。

Description

電磁波検出器および電磁波検出器集合体
　本開示は、電磁波検出器および電磁波検出器集合体に関するものである。
　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グラフェンが知られている。グラフェンは、極めて高い移動度を有している。グラフェンの吸収率は、２．３％と低い。このため、二次元材料層としてグラフェンが用いられ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。
　例えば、米国特許出願公開２０１５／０２４３８２６号明細書では、下記のような構造を有する検出器が提案されている。すなわち、米国特許出願公開２０１５／０２４３８２６号明細書では、ｎ型半導体層上に２つ以上の誘電体層が設けられている。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。ゲート電極がｎ型半導体層に接続されている。
　上記検出器では、チャネルとしてのグラフェン層にソース・ドレイン電極を介して電圧が印加される。この結果、ｎ型半導体層で発生した光キャリアが増幅されるため検出器の感度が向上する。また、ゲート電極とソース電極またはドレイン電極とに電圧が印加された場合は、グラフェンとｎ型半導体層とのショットキー接続によってＯＦＦ動作が可能となる。上記検出器は、グラフェン層のフェルミレベルとグラフェン層に接触するｎ型半導体層のフェルミレベルとの差以上の大きいエネルギーを有する電磁波を検出する。
米国特許出願公開２０１５／０２４３８２６号明細書
　上記公報に記載された検出器（電磁波検出器）では、グラフェン層（二次元材料層）のフェルミレベルをグラフェン層が形成された時点におけるフェルミレベルから変化させることができない。このため、例えばグラフェン層の成膜状態によっては、適切なショットキー障壁が形成されない。よって、検出器は、検出器の検出対象となる電磁波を検出できないことがある。
　本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、二次元材料層のフェルミレベルを変化させることができる電磁波検出器および電磁波検出器集合体を提供することである。
　本開示の電磁波検出器は、半導体層と、第１絶縁膜と、二次元材料層と、第１電極と、第２電極と、第２絶縁膜と、制御電極とを備えている。第１絶縁膜は、半導体層上に配置されている。第１絶縁膜には、開口部が形成されている。二次元材料層は、開口部において半導体層に電気的に接続されている。二次元材料層は、開口部上から第１絶縁膜まで延在している。第１電極は、二次元材料層に電気的に接続されている。第２電極は、半導体層に電気的に接続されている。第２絶縁膜は、二次元材料層に接している。制御電極は、第２絶縁膜を介して二次元材料層に接続されている。
　本開示の電磁波検出器によれば、二次元材料層のフェルミレベルを変化させることができる。
実施の形態１に係る電磁波検出器の第１の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１に係る電磁波検出器の第１の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１に係る電磁波検出器の第２の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１に係る電磁波検出器の第３の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１に係る電磁波検出器の第４の構成を概略的に示す断面図である。 ショットキー障壁が形成された状態における二次元材料層のフェルミレベルおよび半導体層のフェルミレベルを概略的に示すバンド図である。 ショットキー障壁が形成されていない状態における二次元材料層のフェルミレベルおよび半導体層のフェルミレベルを概略的に示すバンド図である。 実施の形態２に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態３に係る電磁波検出器の第１の構成を概略的に示し、図２のＩＸ領域に対応する領域の拡大図である。 実施の形態３に係る電磁波検出器の第２の構成を概略的に示し、図９に対応する上面図である。 実施の形態３に係る電磁波検出器の第３の構成を概略的に示し、図９に対応する上面図である。 実施の形態３に係る電磁波検出器の第４の構成を概略的に示し、図９に対応する上面図である。 実施の形態４に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態５に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態６に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態７に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態８に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態９に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態９に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態９の第１の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態９の第２の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態９の第２の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態９の第３の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態９の第３の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１０に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１０に係る電磁波検出器の複数の開口部分の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１０に係る電磁波検出器の複数の開口部分の他の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１１に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１２に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１３に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１３の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１４に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１６に係る電磁波検出器集合体の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１６に係る電磁波検出器集合体に含まれる複数の電磁波検出器のうち１つの電磁波検出器、パッド、バンプおよび読み出し回路の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１６の変形例に係る電磁波検出器集合体の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１７に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１７の第１の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１７の第２の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。
　以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下では、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。
　以下に説明される実施の形態において、図は模式的なものであり、機能または構造を概念的に説明するものである。また、以下に説明され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、上述のように同一また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。
　以下に説明される実施の形態では、可視光または赤外光を検出する場合の電磁波検出器の構成が説明されるが、本開示の電磁波検出器が検出する光は可視光および赤外光に限定されない。以下に説明する実施の形態は、可視光および赤外光に加えて、例えば、Ｘ線、紫外光、近赤外光、テラヘルツ（ＴＨｚ）波、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、これらの光および電波を総称して電磁波と記載する。
　また、本実施の形態では、グラフェンとしてｐ型グラフェンおよび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がｐ型グラフェンと呼ばれ、真性状態のグラフェンよりも電子が多いものがｎ型グラフェンと呼ばれる。
　また、分子全体において電荷に偏りが見られる場合に電子が支配的になるものがｎ型と呼ばれる場合もある。分子全体において電荷に偏りが見られる場合に正孔が支配的になるものがｐ型と呼ばれる場合もある。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は、有機物および無機物のいずれか一方または有機物および無機物の混合物が用いられてもよい。
　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、可視光域および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、または、波長以下の寸法の構造により波長を操作するという意味でのメタマテリアルまた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、または、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が行われているが、二次元材料層の材料はグラフェンに限られない。例えば、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）等の材料が適用され得る。遷移金属ダイカルコゲナイドとしては、例えば、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、二硫化タングステン（ＷＳ２）、二セレン化タングステン（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いる。これらの材料では、原子が二次元面内に単層で配列されている。したがって、これらの材料が二次元材料層に適用された場合においても、二次元材料層にグラフェンが適用された場合と同様の作用効果が得られる。
　また、本実施の形態において、絶縁層と表記されるものは、トンネル電流が生じない厚さを有する絶縁物の層である。また、バリア層と表記されるものは、トンネル電流が生じる厚さを有する絶縁物の層である。
　実施の形態１．
　＜電磁波検出器１００の構成＞
　図１～図５を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。
　図１に示されるように、電磁波検出器１００は、二次元材料層１と、第１電極２ａと、第２電極２ｂと、制御電極２ｃと、第１絶縁膜３ａと、第２絶縁膜３ｂと、半導体層４とを含んでいる。
　第１絶縁膜３ａは、半導体層４上に配置されている。第１絶縁膜３ａには、開口部ＯＰが形成されている。本実施の形態において、半導体層４は、開口部ＯＰにおいて第１絶縁膜３ａから露出している。このため、電磁波は、開口部ＯＰを通って半導体層４に照射される。第１絶縁膜３ａの形状は、開口部ＯＰが設けられていれば、適宜に決められてもよい。開口部ＯＰの形状は、半導体層４が第１絶縁膜３ａから露出するのであれば、適宜に決められてもよい。二次元材料層１および半導体層４の少なくともいずれか一方が、開口部ＯＰから露出していればよい。このため、電磁波は、開口部ＯＰを通って二次元材料層１および半導体層４に照射されればよい。
　図２に示されるように、第１絶縁膜３ａの形状は、開口部ＯＰに取り囲まれた形状であってもよい。また、図３に示されるように、第１絶縁膜３ａの形状は、開口部ＯＰを取り囲む形状であってもよい。図４に示されるように、第１絶縁膜３ａは、二次元材料層１の全体を覆う形状であってもよい。
　図１に示されるように、二次元材料層１は、開口部ＯＰにおいて半導体層４に電気的に接続されている。二次元材料層１は、開口部ＯＰ上から第１絶縁膜３ａまで延在している。二次元材料層１は、グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト（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）、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料を含んでいる。本実施の形態において、二次元材料層１の材料は、後述されるグラフェンを含んでいる。二次元材料層１の材料は、望ましくは、表面プラズモン共鳴を生じる材料である。
　二次元材料層１は、第１部分１ａと、第２部分１ｂと、第３部分１ｃとを含んでいる。本実施の形態において、第１部分１ａは、半導体層４に直接接続されている。第１部分１ａは、開口部ＯＰ内に配置されている。電磁波検出器１００に照射された電磁波は、第１部分１ａを通って半導体層４に入射する。本実施の形態において、第２部分１ｂは、第１絶縁膜３ａ上に配置されている。後述されるように、第２部分１ｂと第１絶縁膜３ａとの間に空隙が設けられていてもよい。第３部分１ｃは、第１電極２ａに電気的に接続されている。図１では、第３部分１ｃは、第１電極２ａ上に配置されているが、第１電極２ａに電気的に接続されていれば、適宜に配置されてもよい。
　第１電極２ａは、第１絶縁膜３ａ上に配置されている。第１電極２ａは、第１絶縁膜３ａを介して半導体層４に接続されている。第１電極２ａは、二次元材料層１に電気的に接続されている。第１電極２ａは、二次元材料層１に直接接続されていてもよい。
　第２電極２ｂは、半導体層４に電気的に接続されている。第２電極２ｂは、半導体層４に直接接続されていてもよい。電磁波検出器１００は、第１電極２ａと第２電極２ｂとの電圧差を変化させるように構成されている。このため、第１電極２ａと第２電極２ｂとの間に配置された二次元材料層１、第１絶縁膜３ａおよび半導体層４にバイアス電圧Ｖ１が印加されるように電磁波検出器１００が構成されている。
　第２絶縁膜３ｂは、二次元材料層１に接している。第２絶縁膜３ｂは、二次元材料層１に直接接続されていてもよい。本実施の形態において、第２絶縁膜３ｂは、半導体層４とで二次元材料層１を挟み込んでいる。第２絶縁膜３ｂは、二次元材料層１上に配置されている。
　制御電極２ｃは、第２絶縁膜３ｂを介して二次元材料層１に接続されている。本実施の形態において、制御電極２ｃは、二次元材料層１とで第２絶縁膜３ｂを挟み込んでいる。制御電極２ｃは、第２絶縁膜３ｂ上に配置されている。電磁波検出器１００は、制御電極２ｃによって二次元材料層１に電圧を印加するように構成されている。具体的には、電磁波検出器１００は、制御電極２ｃによって二次元材料層１に電圧を印加することで二次元材料層１のフェルミレベルを変化させるように構成されている。
　本実施の形態において、制御電極２ｃは、複数の制御電極部２ｃ０を含んでいる。複数の制御電極部２ｃ０は、第１制御電極部２ｃ１を含んでいる。第１制御電極部２ｃ１は、第２絶縁膜３ｂを介して第１部分１ａに接続されている。制御電極２ｃが複数の制御電極部２ｃ０を含んでいる場合、第２絶縁膜３ｂは、複数の第２絶縁膜部３ｂ０を含んでいてもよい。複数の制御電極部２ｃ０の各々は、複数の第２絶縁膜部３ｂ０の各々を介して半導体層４にそれぞれ接続されている。
　制御電極２ｃが第２絶縁膜３ｂを介して二次元材料層１に接続されるのであれば、複数の制御電極部２ｃ０の数および位置は適宜に決められてもよい。また、図５に示されるように、制御電極２ｃは、単一の電極であってもよい。制御電極２ｃが単一の電極である場合であっても、二次元材料層１のフェルミレベルは電圧によって制御される。
　図１に示されるように、半導体層４は、第１面４ａおよび第２面４ｂを含んでいる。第２面４ｂは、第１面４ａに対向している。二次元材料層１および第１絶縁膜３ａは、第１面４ａ上に配置されている。電磁波は、半導体層４の第１面４ａ側に照射される。第２電極２ｂは、第２面４ｂ上に配置されていてもよい。
　半導体層４は、検出波長に感度を有している。本実施の形態において、検出波長は、電磁波検出器１００の検出対象となる電磁波が有する波長の範囲である。検出波長は、予め定められている。半導体層４は、検出波長を有している電磁波が半導体層４に照射されることで半導体層４に光キャリアが生じるように構成されている。本実施の形態において、電磁波が照射されることで光キャリアが生じる現象は、光電変換と呼ばれる。半導体層４を構成する半導体材料は、検出波長に応じて適宜に決められてもよい。
　半導体層４のフェルミレベルは、二次元材料層１のフェルミレベルと異なっている。二次元材料層１のフェルミレベルは、半導体層４の間にショットキー障壁を形成することができるエネルギーである。このため、二次元材料層１と半導体層４との間にはショットキー障壁が形成されている。よって、二次元材料層１および半導体層４は、ショットキー障壁によって、ダイオードとして機能するように構成されている。
　電磁波検出器１００は、図示されない第１電源回路と、図示されない第２電源回路とをさらに含んでいる。電磁波検出器１００は、図示されない電流計をさらに含んでいてもよい。第１電源回路は、第１電極２ａおよび第２電極２ｂを介してバイアス電圧Ｖ１を第１絶縁膜３ａおよび半導体層４に印加するように構成されている。電磁波検出器１００は、第１電源回路によって第１電極２ａと第２電極２ｂとの電圧差を変化させるように構成されている。
　第２電源回路は、制御電極２ｃを介して制御電圧Ｖ２を二次元材料層１に印加するように構成されている。制御電圧Ｖ２は、二次元材料層１のフェルミレベルを制御するための電圧である。電磁波検出器１００は、第２電源回路によって制御電極２ｃを介して二次元材料層１に電圧を印加することで二次元材料層１のフェルミレベルを変化させるように構成されている。
　制御電極２ｃが複数の制御電極部２ｃ０を含んでいる場合、電磁波検出器１００は複数の第２電源回路を含んでいてもよい。複数の第２電源回路の各々は、複数の制御電極部２ｃ０の各々にそれぞれ接続されていてもよい。例えば、３つの第２電源回路の各々が３つの制御電極部２ｃ０の各々にそれぞれ異なる制御電圧Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４を印加するように構成されていてもよい。
　制御電圧Ｖ２が二次元材料層１に印加されることで、二次元材料層１のフェルミレベルが変化する。これにより、仮に変化前の二次元材料層１のフェルミレベルが半導体層４とでショットキー障壁を形成できないエネルギーである場合であっても、二次元材料層１のフェルミレベルは半導体層４とでショットキー障壁を形成できるエネルギーに変化する。
　電流計は、第１電源回路に電気的に接続されている。電流計は、第１電極２ａと第２電極２ｂとの間において二次元材料層１に流れる電流を検出するように構成されている。
＜二次元材料層１と半導体層４との間に設けられたショットキー障壁について＞
　続いて、図６および図７を用いて二次元材料層１と半導体層４との間に形成されたショットキー障壁を説明する。
　図６および図７は、二次元材料層１の材料がグラフェンであり、半導体層４がインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）である場合のバンド図である。図６は、ショットキー障壁が形成された状態におけるバンド図である。図７は、ショットキー障壁が形成されていない状態におけるバンド図である。半導体層４の導電型はｐ型である。光キャリアは、電子である。φBは、ショットキー障壁である。ＥFGは、二次元材料層１のフェルミレベルである。ＥFSは、半導体層４のフェルミレベルである。ＥCは、半導体層４の伝導帯である。ＥVは、半導体層４の価電子帯である。
　図６では、二次元材料層１のフェルミレベルが半導体層４の価電子帯の下限よりも大きい。これにより、二次元材料層１と半導体層４との間にショットキー障壁が形成されている。このため、二次元材料層１と半導体層４との間にダイオード特性が生じる。
　さらに、電磁波検出器１００が第１電極２ａと第３電極との電圧差を変えるように構成されているため、光キャリアがショットキー障壁を越えるエネルギーを有するように二次元材料層１および半導体層４に電圧が印加される。これにより、光キャリアは、二次元材料層１からショットキー障壁を超えて半導体層４に到達する。
　仮に、図７に示されるように二次元材料層１のフェルミレベルが半導体層４の価電子帯の下限よりも小さい場合、二次元材料層１と半導体層４との間にショットキー障壁が形成されない。このため、二次元材料層１と半導体層４との間にダイオード特性が生じない。二次元材料層１と半導体層４との間にダイオード特性が生じない場合、二次元材料層１に流れる暗電流が大きくなる。このため、後述される光ゲート効果によって大きな検出信号が得られたとしてもＳＮ比が劣化する。
　また、仮にショットキー障壁が小さい場合には、バイアス電圧Ｖ１の変化に対する暗電流の割合が大きくなるため、電磁波検出器１００としての動作が不安定になる。すなわち、バイアス電圧Ｖ１がわずかに変化する場合であっても、暗電流が大きくなるため、ＳＮ比が悪化する。
　なお、図６および図７には、光キャリアが電子でありかつ半導体層４の導電型がｐ型である場合のバンド図が図示されているが、光キャリアおよび導電型はこれらに限定されない。すなわち、二次元材料層１と半導体層４との間にショットキー障壁が形成されるのであれば、光キャリアは電子および正孔のいずれであってもよい。また、二次元材料層１と半導体層４との間にショットキー障壁が形成されるのであれば、半導体層４の導電型はｎ型およびｐ型のいずれであってもよい。
　続いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の二次元材料層１、第１電極２ａ、第２電極２ｂ、制御電極２ｃ、第１絶縁膜３ａ、第１絶縁膜３ａおよび半導体層４の各々の構成をそれぞれ詳細に説明する。
　＜二次元材料層１の構成＞
　二次元材料層１は、例えば、単層のグラフェンである。単層のグラフェンは、二次元炭素結晶の単原子層である。単層のグラフェンの厚さは、例えば、炭素原子１個分に相当する０．３４ｎｍである。また、グラフェンは、六角形状に配置された複数の連鎖の各々にそれぞれ配置された複数の炭素原子を有している。グラフェンの吸収率は、２．３％と低い。具体的には、グラフェンの白色光の吸収率は、２．３％である。なお、本実施の形態において、白色光は、可視光線の波長を有する光が均等に混ざった光である。
　二次元材料層１は、複数のグラフェン層が積層された多層グラフェンであってもよい。多層グラフェン中のグラフェンのそれぞれの六方格子の格子ベクトルの向きは、一致していてもよいし、異なっていてもよい。また、多層グラフェン中のグラフェンのそれぞれの六方格子の格子ベクトルの向きは、完全に一致していてもよい。
　例えば、２層以上のグラフェン層が積層されることによって、二次元材料層１にバンドギャップが形成される。すなわち、積層されたグラフェン層の数を変更することによって、バンドギャップの大きさを調整することができる。これにより、二次元材料層１は、光電変換の対象となる電磁波（検出波長）を選択する波長選択効果を有することができる。また、例えば、多層グラフェンのグラフェン層の数が増加すると、チャネル領域での移動度が低下する。一方で、多層グラフェンのグラフェン層の数が増加すると、基板からのキャリア散乱の影響が抑制されるため、電磁波検出器１００のノイズが低下する。このため、多層グラフェンが用いられた二次元材料層１を有する電磁波検出器１００では、光吸収が増加されるため、電磁波の検出感度が向上する。
　二次元材料層１は、チャネル領域として機能する領域と、ソース・ドレイン層として機能する領域とを含んでいる。本実施の形態において、第１部分１ａおよび第３部分１ｃは、ソース・ドレイン領域として機能する領域である。また、第２部分１ｂは、チャネル領域として機能する領域である。
　二次元材料層１の材料は、チャネル領域として機能する領域と、ソース・ドレイン層として機能する領域とにおいて一様であってもよいし、異なっていてもよい。
　二次元材料層１の第３部分１ｃが第１電極２ａに接触することによって、第１電極２ａから二次元材料層１に光キャリアがドープされる。例えば、二次元材料層１がグラフェンであり第１電極２ａが金（Ａｕ）である場合、光キャリアは正孔である。グラフェンの仕事関数と金（Ａｕ）の仕事関数との差によって、第１電極２ａに接している第３部分１ｃに正孔がドープされる。第３部分１ｃに正孔がドープされた状態において、電磁波検出器１００が電子伝導状態で駆動すると、正孔の影響によって、チャネル内に流れる電子の移動度が低下する。このため、二次元材料層１と第１電極２ａとのコンタクト抵抗が増加する。特に、二次元材料層１の全ての領域が単層グラフェンによって形成されている場合、第１電極２ａから二次元材料層１に注入されるキャリアの量（ドープ量）が大きい。このため、電磁波検出器１００の電界効果の移動度の低下は、顕著である。したがって、二次元材料層１の全ての領域が単層グラフェンによって形成されている場合、電磁波検出器１００の性能は低下する。
　多層グラフェンに第１電極２ａからドープされるキャリアの量は、単層グラフェンに第１電極２ａからドープされるキャリアの量よりも小さい。このため、キャリアがドープされやすいソース・ドレイン領域（第１部分１ａおよび第３部分１ｃ）が多層グラフェンから形成されることによって、二次元材料層１と第１電極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。これにより、電磁波検出器１００の電界効果の移動度の低下を抑制することができるため、電磁波検出器１００の性能を向上させることができる。
　以上より、好ましくは、ソース・ドレイン領域（第１部分１ａおよび第３部分１ｃ）の材料として多層グラフェンが用いられる。また、チャネル領域（第２部分１ｂ）に単層グラフェンが用いられる。
　また、二次元材料層１は、ノンドープのグラフェンであってもよい。二次元材料層１は、ｐ型またはｎ型の不純物がドープされたグラフェンであってもよい。
　また、二次元材料層１としてナノリボン状のグラフェン（グラフェンナノリボン）が用いられてもよい。二次元材料層１は、グラフェンナノリボン単体であってもよい。二次元材料層１の構造は、複数のグラフェンナノリボンが積層された構造であってもよい。二次元材料層１の構造は、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であってもよい。二次元材料層１の構造がグラフェンナノリボンが周期的に配列された構造である場合、グラフェンナノリボンにおいてプラズモン共鳴を発生するため、電磁波検出器１００の感度が向上する。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。
　二次元材料層１上に図示されない保護膜が設けられてもよい。図示されない保護膜は、二次元材料層１、第１電極２ａ、第１絶縁膜３ａおよび半導体層４を覆うように設けられている。保護膜は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ）からなる絶縁膜である。
　保護膜は、酸化物または窒化物等の絶縁膜であってもよい。保護膜は、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）であってもよい。保護膜は、窒化ホウ素（ボロンナイトライド：ＢＮ）であってもよい。
　＜第１電極２ａ、第２電極２ｂおよび制御電極２ｃの構成＞
　第１電極２ａ、第２電極２ｂおよび制御電極２ｃの材料は、導電体であれば任意の材料であってよい。第１電極２ａ、第２電極２ｂおよび制御電極２ｃの材料は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）およびパラジウム（Ｐｄ）の少なくともいずれかを含んでいてもよい。第１電極２ａと第１絶縁膜３ａとの間、第２電極２ｂと半導体層４との間および制御電極２ｃと第２絶縁膜３ｂとの間に、図示されない密着層が設けられていてもよい。密着層は、密着性を高めるように構成されている。密着層の材料は、例えば、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等の金属材料を含んでいる。
　＜第１絶縁膜３ａおよび第２絶縁膜３ｂの構成＞
　第１絶縁膜３ａおよび第２絶縁膜３ｂは、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＮ）の絶縁膜である。第１絶縁膜３ａおよび第２絶縁膜３ｂの材料は、例えば、オルトケイ酸テトラエチル（Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、窒化ボロン（ＢＮ）、シロキサン系のポリマー材料であってもよい。例えば、窒化ボロン（ＢＮ）の原子配列は、グラフェンの原子配列と似ている。このため、窒化ボロン（ＢＮ）がグラフェンからなる二次元材料層１に接触する場合、二次元材料層１の電子移動度の低下が抑制される。よって、窒化ボロン（ＢＮ）は、二次元材料層１の下に配置される下地膜としての絶縁膜に好適である。
　第１絶縁膜３ａおよび第２絶縁膜３ｂの厚さは、二次元材料層１、第１電極２ａおよび第２電極２ｂが半導体層４に対して電気的に絶縁され、かつトンネル電流が二次元材料層１、第１電極２ａおよび第２電極２ｂと半導体層４との間に生じない限りにおいて、特に制限されない。
　なお、第１絶縁膜３ａの厚さが薄いほど、第１絶縁膜３ａと半導体層４との界面に生じた光キャリアによる二次元材料層１の電界変化の程度が大きくなる。また、第２絶縁膜３ｂの厚さが薄いほど、第２絶縁膜３ｂと半導体層４との界面に生じた光キャリアによる二次元材料層１の電界変化の程度が大きくなる。このため、第１絶縁膜３ａおよび第２絶縁膜３ｂの厚さは可能な限り薄いことが望ましい。なお、本実施の形態において、絶縁膜（第１絶縁膜３ａおよび第２絶縁膜３ｂ）と半導体層４との界面に生じた光キャリアによって引き起こされる二次元材料層１の電界変化は、光ゲート効果と呼ばれる。光ゲート効果の詳細な発生プロセスは、後述される。
　＜半導体層４＞
　半導体層４の材料は、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＩＩＩ－Ｖ族半導体またはＩＩ－Ｖ族半導体などの化合物半導体、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、アンチモン化イリジウム（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）である。半導体層４は、量子井戸または量子ドットを含む基板であってもよい。半導体層４の材料は、ＴｙｐｅＩＩ超格子であってもよい。半導体層４の材料は、上記の材料の単体であってもよいし、上記の材料を組み合わせた材料であってもよい。半導体層４の上記の材料は、互いに異なる検出波長を有している。このため、半導体層４の材料が上述した半導体材料の組み合わせであれば、半導体層４を備える電磁波検出器１００では多波長の検出が可能となる。
　半導体層４は、抵抗率が１００Ω・ｃｍ以下になるように不純物がドーピングされていることが望ましい。後述されるように半導体層４の内部にｐｎ接合が設けられていてもよい。ｐｎ接合が設けられている場合、半導体層４が高濃度にドーピングされることでｐｎ接合界面において発生した光キャリアの読み出し速度が向上するため、電磁波検出器１００の応答速度が向上する。
　＜電磁波検出器１００の製造方法＞
　次に、図１を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の製造方法を説明する。
　電磁波検出器１００の製造方法は、準備工程、第１絶縁膜形成工程、レジスト除去工程、第１電極形成工程、開口部形成工程、二次元材料層形成工程、第２絶縁膜形成工程および制御電極形成工程を含んでいる。準備工程、第１絶縁膜形成工程、レジスト除去工程、第１電極形成工程、開口部形成工程、二次元材料層形成工程、第２絶縁膜形成工程および制御電極形成工程は、順次に実施される。
　まず、準備工程が実施される。準備工程では、図１に示されるように、ケイ素（Ｓｉ）等を含む平坦な半導体基板が半導体層４として準備される。半導体基板の材料は、予め定められた検出波長に感度を有している材料である。
　続いて、第２電極形成工程が実施される。第２電極形成工程では、半導体層４の第１面４ａにレジストが保護膜として形成される。半導体層４の第２面４ｂに第２電極２ｂが成膜される。第２電極２ｂが成膜される前に、第２電極２ｂが成膜される半導体層４の第２面４ｂの領域に図示されない密着層が形成されてもよい。
　続いて、レジスト除去工程が実施される。レジスト除去工程では、半導体層４の第１面４ａからレジストが除去される。
　続いて、第１絶縁膜形成工程が実施される。第１絶縁膜形成工程では半導体層４の第１面４ａに第１絶縁膜３ａが形成される。例えば、半導体層４の材料がケイ素（Ｓｉ）である場合、第１絶縁膜３ａは熱酸化した酸化ケイ素（ＳｉＯ２）であってもよい。また、第１絶縁膜３ａの成膜方法は、ＣＶＤ（Chemical　Vapor　Deposition）法またはスパッタリング法であってもよい。
　続いて、第１電極形成工程が実施される。第１電極形成工程では、第１絶縁膜３ａ上に第１電極２ａが形成される。第１電極が形成される前に、第１電極２ａが形成される第１絶縁膜３ａの領域に密着層が形成されてもよい。
　第１電極２ａの形成方法として、例えば、以下のプロセスが用いられる。まず、第１絶縁膜３ａの上面に写真製版または電子線（ＥＢ：Electron　Beam）描画などによってレジストマスクが形成される。第１電極２ａが形成されるレジストマスクの領域には、開口領域が形成される。その後、レジストマスク上に、第１電極２ａとなる金属などの膜を形成する。当該膜の形成には、蒸着法またはスパッタリング法などを用いられる。このとき、当該膜はレジストマスクの開口領域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、レジストマスクが当該膜の一部と共に除去される。レジストマスクの開口領域に配置されていた膜の他の一部が第１絶縁膜３ａの表面上に残存し、第１電極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２ａの形成方法として、他の方法が用いられてもよい。例えば、第１絶縁膜３ａの表面上に第１電極２ａとなる金属膜などの膜が先に成膜される。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が形成される。レジストマスクは、第１電極２ａが形成される領域を覆うように形成される一方、第１電極２ａが形成される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または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が部分的に除去される。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２ａとなる。その後、レジストマスクが除去される。このようにして、第１電極２ａが形成されてもよい。
　続いて、開口部形成工程が実施される。なお、開口部形成工程は、第１電極形成工程よりも前に実施されてもよい。開口部形成工程では、第１絶縁膜に開口部ＯＰが形成される。具体的には、第１絶縁膜３ａ上に写真製版または電子線描画などによって図示されないレジストマスクが形成される。第１絶縁膜３ａの開口部ＯＰが形成されるレジストマスクの領域に開口領域が形成されている。その後、レジストマスクをエッチングマスクとして第１絶縁膜３ａがエッチングされる。エッチングの手法は、上記ウェットエッチングおよび上記ドライエッチングのいずれかから任意に選択され得る。エッチング後に、レジストマスクが除去される。このようにして、第１絶縁膜３ａに開口部ＯＰが形成される。
　続いて、二次元材料層形成工程が実施される。二次元材料層形成工程では、第１電極２ａ、第１絶縁膜３ａおよび開口部ＯＰの内部において露出する半導体層４が二次元材料層１によって覆われるように二次元材料層１が形成される。二次元材料層１の形成方法は、特に制限されない。二次元材料層１は、例えばエピタキシャル成長によって形成されてもよいし、スクリーン印刷法によって形成されてもよい。また、二次元材料層１は、予めＣＶＤ法により成膜された二次元材料膜が転写されて貼り付けられることによって形成されてもよい。二次元材料層１は、機械剥離等により剥離されたフィルム状の二次元材料膜が転写されて貼り付けられることによって形成されてもよい。
　二次元材料層１が形成された後、写真製版などによって二次元材料層１の上にレジストマスクが形成される。レジストマスクは、二次元材料層１が形成される領域を覆うとともに、それ以外の領域を露出するように形成される。その後、レジストマスクをエッチングマスクとして二次元材料層１がエッチングされる。エッチングの手法は、例えば酸素プラズマによるドライエッチングである。その後、レジストマスクが除去される。これにより、図１に示される二次元材料層１が形成される。
　続いて、第２絶縁膜形成工程が実施される。第２絶縁膜形成工程では、二次元材料層１上に絶縁膜が形成される。第２絶縁膜３ｂの形成方法は、例えば、電子線蒸着、ＣＶＤ法、スパッタリング法等である。第２絶縁膜３ｂの形成方法は、望ましくは、二次元材料層１を損傷しない形成方法である。第２絶縁膜３ｂの形状は、フォトリソグラフィなどによって加工される。なお、第２絶縁膜３ｂの形状は、第２絶縁膜形成工程の時点において、図１に示されるように制御電極２ｃが第２絶縁膜３ｂと接する制御電極２ｃの領域の形状と同じであってもよい。また、第２絶縁膜３ｂの形状は、第２絶縁膜形成工程の時点において、制御電極２ｃが二次元材料層１に直接接触しない程度に大きい形状に加工されてもよい。また、第２絶縁膜３ｂの形状は、制御電極形成工程において制御電極２ｃが形成された後に加工されてもよい。上述された開口部ＯＰ形成工程と同様に、フォトリソグラフィまたはＥＢ描画によってレジストマスクが形成された後、ドライエッチング等によって第２絶縁膜３ｂが加工される。
　続いて、制御電極形成工程が実施される。制御電極形成工程では、第２絶縁膜３ｂ上に制御電極２ｃが形成される。制御電極２ｃが形成される方法は、第１電極形成工程において第１電極２ａが形成される方法と同様である。
　以上より、本実施の形態に係る電磁波検出器１００が製造される。
　なお、上述された製造方法では第１電極２ａの上に二次元材料層１が形成されたが、第１絶縁膜３ａ上に二次元材料層１が形成された後に当該二次元材料層１の一部上に重なるように第１電極２ａが形成されてもよい。ただし、第１電極２ａの形成時に、二次元材料層１が第１電極２ａの形成プロセスによって損傷しないように注意する必要がある。
　＜電磁波検出器１００の動作原理＞
　次に、図１を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の動作原理を説明する。
　図１に示されるように、第１電極２ａと第２電極２ｂとの間に図示されない第１電源回路が電気的に接続される。第１電極２ａと第２電極２ｂとの間にバイアス電圧Ｖ１が印加される。これにより、電磁波検出器１００の内部には、第１電極２ａ、二次元材料層１、半導体層４、第２電極２ｂが順に直列に接続された電流回路が形成される。二次元材料層１には、電流Ｉが流れる。第１電源回路に接続された図示されない電流計によって、二次元材料層１に流れる電流Ｉが計測される。これにより、電磁波検出器１００は、電磁波を検出することができる状態になる。なお、電圧の正負は、半導体層４の導電型（ドーピング型）に応じて選択される。半導体層４の導電型がｐ型であれば、第１電極２ａに正電圧が印加される。半導体層４の導電型がｎ型であれば、第１電極２ａに負電圧が印加される。
　半導体層４が感度を有する波長の電磁波（検出波長を有する電磁波）が半導体層４に照射されると、半導体層４の内部において光キャリアが発生する。二次元材料層１および半導体層４は、ダイオードとして機能する。このため、半導体層４の開口部ＯＰに面した領域に生じた光キャリアは、二次元材料層１の第１部分１ａに注入される。光キャリアが第１部分１ａを通ることで電流Ｉの大きさが変化する。本実施の形態において、電磁波が照射されることによって電流の大きさに変化を引き起こす電流成分は、光電流と呼ばれる。
　また、上述された光ゲート効果は、次のプロセスによって引き起こされる。半導体層４および第１絶縁膜３ａがダイオードとして機能するため、半導体層４に対して電圧が印加されることで、半導体層４と第１絶縁膜３ａとの界面に空乏層が形成される。検出波長を有する電磁波が半導体層４に照射されることで、空乏層内にも光キャリアが生じる。空乏層において生じた光キャリアは、第１絶縁膜３ａを介して二次元材料層１の第３部分１ｃに電界効果を与える。これにより、二次元材料層１の抵抗値が変化するため、二次元材料層１に流れる電流Ｉが変化する。すなわち、電磁波が半導体層４に照射されることで電界効果が生じる。電界効果によって、二次元材料層１の電気特性が変化する。
　電流Ｉの変化は、二次元材料層１に電気的に接続された第１電極２ａを介して検出される。さらに具体的には、電流Ｉの変化は、第１電源に電気的に接続された図示されない第１電源回路に接続された図示されない電流計によって検出される。これにより、電磁波検出器１００は、電磁波検出器１００に照射した電磁波を検出する。
　ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、図示されない電流計によって二次元材料層１での電流の変化を検出する上述された構成に限定されるわけではない。例えば、第１電極２ａと第２電極２ｂとの間に一定電流が流され、第１電極２ａと第２電極２ｂとの間の電圧Ｖの変化（つまり二次元材料層１での電圧値の変化）が図示されない電圧計によって検出されてもよい。
　また、上述された電磁波検出器１００が第１の電磁波検出器として配置され、第１の電磁波検出器と同じ構成を有する第２の電磁波検出器がさらに配置されてもよい。第１の電磁波検出器は、電磁波が照射される空間に配置される。第２の電磁波検出器は、電磁波が遮蔽された空間に配置される。第１の電磁波検出器の電流と第２の電磁波検出器の電流との差分が検出されることで検出されてもよい。第１の電磁波検出器の電圧と第２の電磁波検出器電圧との差分が検出されることで検出されてもよい。
　＜作用効果＞
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態１に係る電磁波検出器１００によれば、図１に示されるように、電磁波検出器１００は、制御電極２ｃを含んでいる。このため、制御電極２ｃに電圧（制御電圧Ｖ２）を印加することによって二次元材料層１のフェルミレベルを変化させることができる。
　より詳細には、二次元材料層１のフェルミレベルは、不安定である。このため、二次元材料層１のフェルミレベルは、電磁波検出器１００の作製環境および動作環境によって変化する。動作環境による変化は、例えば、絶縁膜および電極からのドーピングおよび経年変化である。よって、二次元材料層１のフェルミレベルは、二次元材料層１と半導体層４との間にショットキー障壁が形成されないエネルギーに変化し得る。この場合、電磁波検出器１００は、適切に動作しない。また、二次元材料層１のフェルミレベルは、電磁波検出器１００が製造された時点ではショットキー障壁を形成できるエネルギーだったとしても、ショットキー障壁を形成できないエネルギーに変化し得る。また、半導体層上に二次元材料層が形成されたショットキー型の電磁波検出器では、二次元材料層のフェルミレベルは、二次元材料層が形成された後には、変化しない。このため、二次元材料層１のフェルミレベルがショットキー障壁を形成できるエネルギーでない場合、ショットキー障壁を形成することができない。以上より、電磁波検出器１００が製造された後に、二次元材料層１のフェルミレベルを変化させる必要がある。
　本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、制御電極２ｃを含んでいる。このため、電磁波検出器１００が製造された後でも、二次元材料層１のフェルミレベルを変化させることができる。
　図１に示されるように、電磁波検出器１００は、制御電極２ｃを含んでいる。このため、二次元材料層１のフェルミレベルを二次元材料層１と半導体層４との間にショットキー障壁が形成されるエネルギーに変化させることができる。よって、二次元材料層１と半導体層４との間にショットキー障壁を形成することができる。
　これにより、ショットキー障壁を変化させることができる。よって、カットオフ波長を変化させることができる。カットオフ波長は、電磁波検出器１００が応答可能な波長範囲である。したがって、制御電圧Ｖ２を二次元材料層１に印加することでカットオフ波長を制御することができる。
　図１に示されるように、制御電極２ｃは、二次元材料層１とで第２絶縁膜３ｂを挟み込んでいる。このため、二次元材料層１を形成した後に制御電極２ｃを形成することができる。よって、制御電極２ｃが形成された後に制御電極２ｃ上に二次元材料層１が形成される場合よりも、二次元材料層１の凹凸を減らすことができる。すなわち、二次元材料層１を平坦にすることができる。したがって、二次元材料層１の性能が向上する。また、二次元材料層１を形成した後に第１電極２ａ、第２電極２ｂおよび制御電極２ｃを同時に形成することができる。このため、電磁波検出器１００の製造工程を減らすことができる。
　図１に示されるように、電磁波検出器１００は、第１電極２ａと第２電極２ｂとの電圧差を変化させるように構成されている。このため、光キャリアがショットキー障壁を越えるようにバイアス電圧Ｖ１を二次元材料層１および半導体層４に印加することができる。よって、光キャリアを半導体層４から二次元材料層１に注入することができる。したがって、電磁波検出器１００の検出感度を向上させることができる。
　図１に示されるように、電磁波検出器１００は、制御電極２ｃに電圧を印加することで二次元材料層１のフェルミレベルを変化させるように構成されている。このため、電磁波検出器１００が製造された後でも、二次元材料層１のフェルミレベルを変化させることができる。
　図１に示されるように、制御電極２ｃは、複数の制御電極部２ｃ０を含んでいる。このため、複数の制御電極部２ｃ０の各々にそれぞれ異なる制御電圧を印加することで、二次元材料層１内にポテンシャルの勾配を形成することができる。ポテンシャルの勾配によって、二次元材料層１に内部電界が形成される。よって、電磁波が照射された際の二次元材料層１における光電変換によって生じた光キャリアの取り出し効率を向上させることができる。本実施の形態において、取り出し効率は、光キャリアが半導体層４から二次元材料層１に移動する効率である。これにより、二次元材料層１に流れる光電流を大きくすることができる。よって、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
　二次元材料層１は、グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト、黒リン、シリセン、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料を含んでいる。このため、本実施の形態の作用効果を確実に得ることができる。
　二次元材料層１の材料が単層のグラフェンである場合、二次元材料層１の厚さは原子層１層分であるため、薄い。また、単層のグラフェンにおけるキャリア移動度は従来半導体材料と比較して大きい。このため、二次元材料層１では、従来の半導体材料と比較して、わずかな電位変化に対して大きな電流変化を生じる。例えば、半導体層４における電界変化によって二次元材料層１へ印加される電位変化に起因する電流変化量は、通常の半導体における電流変化量より大きくなる。具体的には、二次元材料層１における電子の移動度および厚さなどから算出すると、二次元材料層１での上記電流変化量は、通常の半導体における電流変化量の数百倍から数千倍程度である。このため、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、半導体層４で生じる光キャリアのみを検出する電磁波検出器と比べて、より高感度の電磁波検出が可能となる。
　これにより、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、光照射によって半導体層４で発生する光電流および光ゲート効果に伴う電流に加えて、二次元材料層１の光電変換効果に起因する光電流も生じる。電磁波検出器１００は、電磁波の入射によって半導体層４で生じた電流および光ゲート効果に伴う電流に加えて、二次元材料層１本来の光電変換効果に起因する光電流も検出することができる。
　図１に示されるように、二次元材料層１は、開口部ＯＰにおいて半導体層４に電気的に接続されている。このため、二次元材料層１と半導体層４とはダイオードとして機能する。よって、逆バイアスを二次元材料層１および半導体層４に印加することで、光が照射されていない状態における電流Ｉをゼロにすることができる。すなわち、逆バイアスを印加させることで、電磁波検出器１００にＯＦＦ動作させることが可能になる。これにより、二次元材料層１に暗電流が流れることを抑制することができるため、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。また、光が照射された状態では、二次元材料層１に注入された光キャリアに由来する電流のみが電磁波検出器１００に流れる電流Ｉとして検出される。なお、二次元材料層１に注入された光キャリアに由来する電流は、上述された光ゲート効果によって電流の大きさが変化した後に検出される。
　図１に示されるように、二次元材料層１は、開口部ＯＰ上から第１絶縁膜３ａまで延在している。このため、二次元材料層１は、第１絶縁膜３ａを介して半導体層４に接続されている。よって、二次元材料層１に光ゲート効果が生じるため、二次元材料層１の電圧が変化する。この二次元材料層１の電圧変化は、二次元材料層１にゲート電圧が印加されたものと擬似的に見なされる。これにより、二次元材料層１の導電率を変調させることができる。したがって、半導体層４から二次元材料層１に注入された光電流を増幅させることができる。
　光ゲート効果は、光電変換材料の量子効率を直接的に増強するのではなく、電磁波入射による電流変化を大きくする。このため、等価的に電磁波入射による差分電流から算出された量子効率は１００％を超え、最適化した場合、等価的な量子効率は１０００％から１００００％程度にも到達する。よって、本実施の形態に係る電磁波検出器１００に電磁波が照射されたときの電流Ｉの変化量は、光ゲート効果が奏されない従来の電磁波検出器に上記電磁波が入射したときの電流の変化量よりも大きい。したがって、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、従来の電磁波検出器と比較して、高感度である。
　実施の形態２．
　次に、図８を用いて、実施の形態２に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　本実施の形態において、制御電極２ｃは、第２電極２ｂとで半導体層４を挟み込んでいる。第２電極２ｂは、半導体層４に直接接続されている。第２絶縁膜３ｂは、制御電極２ｃを覆っている。二次元材料層１は、半導体層４、第１絶縁膜３ａおよび第２絶縁膜３ｂを覆っている。制御電極２ｃは、二次元材料層１の下方に配置されている。また、制御電極２ｃは、紙面奥側または手前側に延びている部分において、図示されない第２電源回路に接続されている。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、制御電極２ｃがグラフェン層の下方に配置されている点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。
　次に、実施の形態２に係る電磁波検出器１００の製造方法を説明する。
　本実施の形態に係る電磁波検出器１００の製造方法において、上述された第１絶縁膜形成工程、開口部ＯＰ形成工程、第２絶縁膜形成工程および制御電極形成工程が順次実施された後に、二次元材料層形成工程が実施される。すなわち、第１絶縁膜３ａ、第２絶縁膜３ｂおよび制御電極２ｃが形成された後に、二次元材料層１が形成される。このため、二次元材料層１が最後に成膜される。
　なお、実施の形態２に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態２に係る電磁波検出器１００によれば、図８に示されるように、二次元材料層１は、半導体層４、第１絶縁膜３ａおよび第２絶縁膜３ｂを覆っている。このため、第１絶縁膜３ａ、第２絶縁膜３ｂおよび制御電極２ｃを形成した後に、二次元材料層１を形成することができる。よって、二次元材料層１が第２絶縁膜３ｂおよび制御電極２ｃの形成プロセスによって損傷することを抑制することができる。また、レジスト等の残渣を抑制することができる。したがって、電磁波検出器１００の性能を向上させることができる。
　実施の形態３．
　次に、図９～図１２を用いて、実施の形態３に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態３は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図９は、実施の形態３の第１の構成を概略的に示す上面図である。図９は、図２のＩＸ領域に対応する領域の部分拡大図である。また、図１０～図１２は、図９に対応する領域の上面図である。
　図９に示されるように、本実施の形態では、制御電極２ｃにおいて表面プラズモン共鳴が生じるように電磁波検出器１００が構成されている。制御電極２ｃの材料は、表面プラズモン共鳴を生じる材料である。制御電極２ｃの材料は、検出波長を有する電磁波によって表面プラズモン共鳴を生じる材料である。電磁波検出器１００の検出波長が可視光の波長から赤外線の波長までの領域である場合、制御電極２ｃの材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）などである。また、制御電極２ｃの面のうち電磁波が制御電極２ｃに入射する面に、プラズモン共鳴が生じるコーティング材によってコーティングが行われてもよい。プラズモン共鳴が生じるコーティング材は、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）、透明導電膜（ＩＴＯ膜：Indium　Tin　Oxide膜）、グラフェン等である。コーティング材は、金属材料以外の材料であってもよい。また、例えば電極自体がグラフェンであってもよい。グラフェンは単層あるいは多層であり、多層の場合はグラファイトでもよい。
　図９に示されるように、制御電極２ｃは、複数の制御電極部２ｃ０を含んでいる。複数の制御電極部２ｃ０のうち隣り合う制御電極部２ｃ０同士は、複数の制御電極部２ｃ０の各々に表面プラズモン共鳴が生じる間隔を空けて配置されている。複数の制御電極部２ｃ０は、周期的に配置されている。本実施の形態において、複数の制御電極部２ｃ０が周期的に配置されているとは、複数の制御電極部２ｃ０のうち隣り合う制御電極部２ｃ０同士の間隔が一定であるということである。
　制御電極部２ｃ０において表面プラズモン共鳴が生じる波長は、制御電極部２ｃ０の幅ｗ、隣り合う制御電極部２ｃ０同士の間隔ｇおよび周期ｐによって、決定される。なお、幅ｗは、制御電極部２ｃ０のＸ軸方向に沿った寸法である。また、間隔ｇは、隣り合う制御電極部２ｃ０同士のＸ軸方向に沿った間隔である。また、周期ｐは、間隔ｇと幅ｗの和である。本実施の形態においてはＸ軸方向に沿った幅、間隔および周期について説明されるが、電磁波検出器１００は、Ｙ軸方向に沿った幅、間隔および周期についても同様の構成を有していてもよい。
　例えば、赤外線波長域において、制御電極部２ｃ０の入射側の材料が金（Ａｕ）の場合、幅ｗが２μｍ、間隔ｇが１μｍであれば、プラズモン共鳴波長は、１０μｍである。幅ｗ、間隔ｇおよび周期ｐが適宜に調整されることによって、上述の赤外線波長域以外の波長においてもプラズモン共鳴が生じる。図９および図１０では３つの制御電極部２ｃ０が配置されており、図１１および図１２では９つの制御電極部２ｃ０が配置されているが、制御電極部２ｃ０の数は制限されない。また、図９および図１０では複数の制御電極部２ｃ０が一次元的に周期的に配置されているが、図１１および図１２に示されるように二次元的に周期的に配置されてもよい。複数の制御電極部２ｃ０が一次元的に配置される場合であっても二次元的に配置される場合であっても、制御電極部２ｃ０の幅ｗ、間隔ｇおよび周期ｐが適宜に調整されることで制御電極部２ｃ０にプラズモン共鳴が生じる。これらのパラメータが異なれば、プラズモン共鳴波長も異なることになる。ただし、図９～図１２の構造では幅ｗが最も支配的なパラメータとなるが、どのパラメータが支配的になるかは構造に依存する。
　制御電極部２ｃ０の形状および配置は、プラズモン共鳴が制御電極部２ｃ０に生じるのであれば、適宜に決められてもよい。制御電極部２ｃ０の形状が長方形、正方形および三角形などの多角形または円形のいずれであっても、制御電極部２ｃ０にプラズモン共鳴が生じ得る。また、制御電極部２ｃ０の形状はフラクタル形状であってもよい。複数の制御電極部２ｃ０は、同心円状に配置されてもよい。
　半導体層４の厚さが薄い場合には、第２電極２ｂ、制御電極２ｃ、第２絶縁膜３ｂおよび半導体層４によって、金属、誘電体および金属が順次積層されたメタマテリアル構造が形成される。メタマテリアル構造が形成される場合、プラズモン共鳴波長を決定する支配的なパラメータは、制御電極部２ｃ０の幅ｗである。
　図９および図１０に示されるように、複数の制御電極部２ｃ０の各々は、Ｘ軸方向に沿って延在していてもよい。複数の制御電極部２ｃ０の各々は、Ｙ軸方向に沿って並べて配置されていてもよい。
　図１０に示されるように、複数の制御電極部２ｃ０は、第３制御電極部２ｃ３、第４制御電極部２ｃ４および第５制御電極部２ｃ５を含んでいてもよい。第３制御電極部２ｃ３、第４制御電極部２ｃ４および第５制御電極部２ｃ５は、それぞれ互いに異なる幅ｗ３、ｗ４およびｗ５を有している。第３制御電極部２ｃ３と第４制御電極部２ｃ４との間隔ｇは、第４制御電極部２ｃ４と第５制御電極部２ｃ５との間隔ｇと同じである。また間隔ｇが異なっていてもよい。
　図１１に示されるように、隣り合う制御電極部２ｃ０同士は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の各々において同じ間隔ｇを空けて配置されてもよい。
　図１２に示されるように、複数の制御電極部２ｃ０は、複数の第６制御電極部２ｃ６、複数の第７制御電極部２ｃ７および複数の第８制御電極部２ｃ８を含んでいてもよい。複数の第６制御電極部２ｃ６の各々は、幅ｗ６を有している。複数の第７制御電極部２ｃ７の各々は、幅ｗ７を有している。複数の第８制御電極部２ｃ８の各々は、幅ｗ８を有している。幅ｗ６、幅ｗ７および幅ｗ８は、それぞれ異なっている。隣り合う第６制御電極部２ｃ６と第７制御電極部２ｃ７との間隔ｇ１は、隣り合う第７制御電極部２ｃ７と第８制御電極部２ｃ８との間隔ｇ２よりも小さい。また、隣り合う第６制御電極部２ｃ６同士の間隔は、互いに同じである。隣り合う第７制御電極部２ｃ７同士の間隔は、互いに同じである。隣り合う第８制御電極部２ｃ８同士の間隔は、互いに同じである。
　図１０および１２において、幅ｗ、周期ｐおよび間隔ｇのうち、少なくとも一つ異なるものが含まれている場合は、構造が異なる領域におけるプラズモン共鳴波長が異なることになり、プラズモン共鳴波長は多波長化する。異なるプラズモン共鳴波長が近接した場合、共鳴波長は広帯域化する。
　なお、実施の形態３に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態３に係る電磁波検出器１００によれば、制御電極２ｃの材料は、表面プラズモン共鳴を生じる材料である。このため、制御電極２ｃにおいて表面プラズモン共鳴を生じさせることができる。よって、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。なお、表面プラズモン共鳴によって電磁波検出器１００の感度が向上するメカニズムは、後述される。
　図９に示されるように、複数の制御電極部２ｃ０のうち隣り合う制御電極２ｃ同士は、複数の制御電極部２ｃ０の各々に表面プラズモン共鳴が生じる間隔を空けて配置されている。このため、複数の制御電極部２ｃ０の各々において表面プラズモン共鳴を生じさせることができる。よって、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
　続いて、表面プラズモン共鳴によって電磁波検出器１００の感度が向上するメカニズムを説明する。制御電極２ｃにおいてプラズモン共鳴が生じる場合、制御電極２ｃと制御電極２ｃの周辺において電磁界が増強される。この電磁界の増強は、局在表面プラズモン共鳴とも呼ばれる。電磁界は、制御電極２ｃが接続された二次元材料層１においても、同時に増強される。このため、二次元材料層１の光キャリアの吸収率が増加する。二次元材料層１の光キャリアの吸収率は、幅ｗ、間隔ｇおよび周期ｐが適切に設計されることによって、１００％近くまで向上される。また、電磁界は、半導体層４においても、同時に増強される。これにより、半導体層４の光電変換効率が増強されるため、半導体層４において生じる光キャリアが増加する。
　以上より、二次元材料層１により多くの光キャリアが吸収されるため、二次元材料層１に流れる電流が大きくなる。また、半導体層４においてより多くの光キャリアが生じるため、二次元材料層１に流れる電流が大きくなる。二次元材料層１に流れる電流は、最終的には光検出信号として取り出されるため、光検出信号が大きくなる。さらに、二次元材料層１での光ゲート効果の大きさが二次元材料層１に流れる電流の大きさに比例するため、光ゲート効果の大きさが強くなる。よって、最終的な光検出信号がさらに増強される。したがって、電磁波検出器１００の検出性能を向上させることができる。
　また、プラズモン共鳴による電磁界の増強は、プラズモン共鳴波長を有する電磁波のみによって生じる。このため、電磁界は、プラズモン共鳴波長を有する電磁波によって選択的に増強される。よって、電磁波検出器１００の感度は、プラズモン共鳴波長において選択的に増強される。したがって、検出波長をプラズモン共鳴波長に設定することで、電磁波検出器１００は検出波長を有する電磁波を選択的に検出することができる。あるいは、プラズモン共鳴波長を多波長化した場合、多波長において検出感度が増強する。
　図９に示されるように、複数の制御電極部２ｃ０は、第１制御電極部２ｃ１を含んでいる。第１制御電極部２ｃ１は、第２絶縁膜３ｂ（図１参照）を介して二次元材料層１の第２部分（図１参照）に接続されている。また、電極においてプラズモン共鳴が生じる場合、電磁界は、電極の下側の端部に強く局在する。このため、第１制御電極部２ｃ１において生じるプラズモン共鳴は、後述される第２制御電極部２ｃ２（図１３）において生じるプラズモン共鳴よりも、電磁界を大きくする。よって、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
　図９に示されるように、複数の制御電極部２ｃ０の各々は、Ｙ軸方向に沿って延在している。複数の制御電極部２ｃ０の各々は、Ｘ軸方向に沿って並べられて配置されている。このため、電磁波検出器１００に入射する電磁波の電界がＸ軸方向に平行である場合のみ、電磁波が吸収されることによってプラズモン共鳴が生じる。また、電磁波の電界がＹ軸方向に平行である場合には、電磁波は吸収されない。すなわち、電磁波検出器１００は、偏光選択性を有している。これにより、電磁波検出器１００は、偏光を選択的に検出することができる。なお、複数の制御電極部２ｃ０の各々の形状が図１１に示されるように正方形である場合および円形である場合には、電磁波検出器１００は、偏光選択性を有さない。
　図１０および図１２に示されるように、複数の制御電極部２ｃ０は、互いに異なる幅、間隔および周期を有している。このため、プラズモン共鳴波長は多波長化する。図９および図１１に示されるように複数の制御電極部２ｃ０同士が互いに同じ幅、間隔および周期を有している場合よりも、多波長において共鳴が生じる。それぞれの共鳴波長が近ければ等価的に共鳴波長は広帯域化する。よって、電磁波検出器１００の検出波長を広くすることができる。すなわち、電磁波検出器１００の検出波長を広帯域化することができる。
　実施の形態４．
　次に、図１３を用いて、実施の形態４に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態４は、特に説明しない限り、上記の実施の形態３と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図１３に示されるように、本実施の形態において、複数の制御電極部２ｃ０は、第１制御電極部２ｃ１および第２制御電極部２ｃ２を含んでいる。第２制御電極部２ｃ２は、第２絶縁膜３ｂを介して第２部分１ｂに接続されている。第２制御電極部２ｃ２は、第１絶縁膜３ａの上方に配置されている。このため、第２制御電極部２ｃ２は、開口部ＯＰの外に配置されている。第２制御電極部２ｃ２は、開口部ＯＰ内に配置されていない。第２制御電極部２ｃ２と半導体層４との間には、第２絶縁膜３ｂ、二次元材料層１および第１絶縁膜３ａが順次積層されている。第１制御電極部２ｃ１と半導体層４との最短距離は、第２制御電極部２ｃ２と半導体層４との最短距離よりも短い。
　なお、実施の形態４に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態４に係る電磁波検出器１００によれば、図１３に示されるように、第２制御電極部２ｃ２は、第２絶縁膜３ｂを介して第２部分１ｂに接続されている。このため、複数の制御電極部２ｃ０のうち少なくとも一つの制御電極部２ｃ０は、開口部ＯＰ内に配置されていない。よって、複数の制御電極部２ｃ０のうち全ての制御電極部２ｃ０が開口部ＯＰ内に配置されている場合よりも、半導体層４の面内方向に沿った電磁波検出器１００の寸法を小さくすることができる。
　実施の形態５．
　次に、図１４を用いて、実施の形態５に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態５は、特に説明しない限り、上記の実施の形態３と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図１４に示されるように、第１電極２ａは、第１辺部２ａａと、第２辺部２ａｂとを含んでいる。第２辺部２ａｂは、第１辺部２ａａとで開口部ＯＰを挟み込んでいる。第１電極２ａには、貫通孔ＴＨが設けられている。貫通孔ＴＨは、開口部ＯＰに連通している。貫通孔ＴＨは、第１電極２ａの中央に設けられていてもよい。すなわち、第１電極２ａの形状は、貫通孔ＴＨを中心とするリング状である。なお、図１４では第１電極２ａの形状はリング状であるが、第１電極２ａはＵ字状であってもよい。
　二次元材料層１は、第１端部１１と、第２端部１２とを含んでいる。第２端部１２は、第１端部１１に対向している。第１端部１１は、第１辺部２ａａに直接接続されている。第２端部１２は、第２辺部２ａｂに直接接続されている。二次元材料層１は、貫通孔ＴＨをまたがって第１辺部２ａａから第２辺部２ａｂに延びている。図１４では二次元材料層１が第１電極２ａに部分的に直接接続されているが、二次元材料層１は第１電極２ａの全面に直接接続されていてもよい。
　なお、実施の形態５に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、第１端部１１は、第１辺部２ａａに直接接続されている。第２端部１２は、第２辺部２ａｂに直接接続されている。このため、二次元材料層１の端部のいずれか一方が第１電極２ａに直接接続されていない場合よりも、二次元材料層１から第１電極２ａに伝わる電流が大きくなる。よって、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。また、二次元材料層１が第１電極２ａの全面に直接接続されている場合、電磁波検出器１００の感度をさらに向上させることができる。
　実施の形態６．
　次に、図１５を用いて、実施の形態６に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態６は、特に説明しない限り、上記の実施の形態５と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態５と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図１５に示されるように、本実施の形態に係る二次元材料層１は、第１端部１１と、第２端部１２とを含んでいる。第１端部１１は、第１電極２ａに直接接続されている。第１端部１１は、開口部ＯＰの外に配置されている。第２端部１２は、第１電極２ａから離れて配置されている。第２端部１２は、第１電極２ａに直接接続されていない。第２端部１２は、開口部ＯＰ内に配置されている。
　なお、実施の形態５に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態５に係る電磁波検出器１００によれば、図１５に示されるように、第１端部１１は、第１電極２ａに直接接続されている。第２端部１２は、第１電極２ａから離れて配置されている。このため、二次元材料層１と半導体層４との接触は、二次元材料層１の両端が第１電極２ａに接続されている場合よりも良好になる。
　仮に二次元材料層１の両端が第１電極２ａに接続されている場合、二次元材料層１にたわみが生じることで二次元材料層１の中央部しか半導体層４に接触しない可能性がある。二次元材料層１の中央部しか半導体層４に接触しない場合、良好な特性を得られない可能性がある。
　本実施の形態によれば、第２端部１２は、第１電極２ａから離れて配置されている。このため、二次元材料層１と半導体層４との接触が良好になる。
　二次元材料層１と半導体層４との接触が良好である場合、電磁波検出器１００によって生じた光キャリアの移動が妨げられない。これにより、電磁波検出器１００の検出信号が大きくなる。また、ノイズが小さくなる。よって、電磁波検出器１００の性能を向上させることができる。
　また、光ゲート効果が支配的な場合、電磁波検出器１００の感度は、二次元材料層１と半導体層４との接触面積に大きく依存しない。このため、二次元材料層１と半導体層４との接触状態が向上した場合、光キャリアのパスが大きくなる。よって、電磁波検出器１００の画素面積（半導体層４の面積）を低減することができる。したがって、電磁波検出器１００を小型化することができる。
　実施の形態７．
　次に、図１６を用いて、実施の形態７に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態７は、特に説明しない限り、上記の実施の形態３と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図１６に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、バッファ層５をさらに含んでいる。バッファ層５は、二次元材料層１と半導体層４とに挟み込まれている。バッファ層５は、半導体層４と第１部分１ａとを電気的に接続している。このため、本実施の形態において、第１部分１ａは、バッファ層５を介して半導体層４に接続されている。バッファ層５の厚さは、第１絶縁膜３ａよりも薄い。複数の制御電極部２ｃ０は、第９制御電極部２ｃ９を含んでいる。第９制御電極部２ｃ９は、第２絶縁膜３ｂおよび二次元材料層１を介してバッファ層５に接続されている。
　バッファ層５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している。バッファ層５は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する絶縁膜である。バッファ層５は、第１絶縁膜３ａよりも薄い。絶縁膜の種類は、例えば、アルミナ（酸化アルミニウム）または酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）などの金属酸化物、酸化ケイ素などの半導体酸化物、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）などの半導体窒化物である。
　バッファ層５の作製方法は、適宜に決められてもよいが、例えばＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ　Ｌａｙｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法、およびスパッタ法などから選択され得る。また、バッファ層５は、半導体層４の表面を酸化または窒化させることにより形成されてもよい。また、バッファ層５は、半導体層４の表面に形成される自然酸化膜であってもよい。
　実施の形態７の変形例に係るバッファ層５の厚さは、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よりも厚く、第１絶縁膜３ａよりも薄い。よって、半導体層４において発生した光キャリアは、バッファ層５を通って二次元材料層１に注入されない。また、光ゲート効果は、生じる。バッファ層５の厚さは、第１絶縁膜３ａよりも薄いため、第１絶縁膜３ａに接触する領域の二次元材料層１とバッファ層５に接触する二次元材料層１との間にキャリア密度の勾配が生じる。
　なお、実施の形態７およびその変形例に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態７に係る電磁波検出器１００によれば、図１６に示されるように、電磁波検出器１００は、バッファ層５をさらに含んでいる。このため、第１絶縁膜３ａに接触する領域の二次元材料層１（第２部分１ｂ）とバッファ層５に接触する領域の二次元材料層１（第１部分１ａ）との間にキャリア密度の勾配が生じる。これにより、二次元材料層１の移動度が高くなるため、二次元材料層１から取り出される光電流が大きくなる。よって、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
　図１６に示されるように、バッファ層５は、半導体と二次元材料層１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している。このため、半導体層４において発生した光キャリアは、バッファ層５を通って二次元材料層１に注入される。これにより、グラフェンに大きな光電流が注入されるため、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
　図１６に示されるように、複数の制御電極部２ｃ０は、第９制御電極部２ｃ９を含んでいる。第９制御電極部２ｃ９は、第２絶縁膜３ｂおよび二次元材料層１を介してバッファ層５に接続されている。このため、第９制御電極部２ｃ９によって二次元材料層１のフェルミレベルに加えて、トンネル電流の大きさを制御することができる。また、バイアス電圧Ｖ１を印加することによって、トンネル電流の大きさを増強することができる。これにより、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
　実施の形態８．
　次に、図１７を用いて、実施の形態８に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態８は、特に説明しない限り、上記の実施の形態３と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図１７に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、接続導電体６をさらに含んでいる。二次元材料層１は、接続導電体６を介して半導体層４に電気的に接続されている。接続導電体６は、開口部ＯＰの内部に配置されている。接続導電体６は、第１絶縁膜３ａに接している。
　接続導電体６の上面には、二次元材料層１が重ねられている。接続導電体６の下面は、半導体層４の第１面４ａに電気的に接続されている。二次元材料層１は、接続導電体６の上面に電気的に接続されている。接続導電体６の上面の位置は、第１絶縁膜３ａの上面の位置と同じである。二次元材料層１は、第１絶縁膜３ａの上面から接続導電体６の上面上にまで、屈曲することなく平面状に延びている。
　接続導電体６は、半導体層４にオーミック接合によって接合されていることが望ましい。また、接続導電体６は、検出波長において高い透過率を有していることが望ましい。
　接続導電体６の材料は、第１電極２ａ、第２電極２ｂおよび制御電極２ｃと同様である。例えば、半導体層４の材料がインジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）である場合、二次元材料層１とのフェルミレベルの差を考慮すると、接続導電体６の材料がニッケル（Ｎｉ）であることが望ましい。
　接続導電体６と二次元材料層１とのコンタクト抵抗は、二次元材料層１と半導体層４とのコンタクト抵抗よりも小さい。接続導電体６と半導体層４とのコンタクト抵抗は、二次元材料層１と半導体層４とのコンタクト抵抗よりも小さい。接続導電体６と二次元材料層１とのコンタクト抵抗および接続導電体６と半導体層４とのコンタクト抵抗の和は、二次元材料層１と半導体層４とのコンタクト抵抗よりも小さい。
　なお、実施の形態８に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態８に係る電磁波検出器１００によれば、図１７に示されるように、二次元材料層１は、接続導電体６を介して半導体層４に電気的に接続されている。接続導電体６と二次元材料層１とのコンタクト抵抗および接続導電体６と半導体層４とのコンタクト抵抗の和は、二次元材料層１と半導体層４とのコンタクト抵抗よりも小さい。このため、二次元材料層１と半導体層４とが直接接合される場合よりも、コンタクト抵抗を低減することができる。また、二次元材料層１と半導体層４とがショットキー接合によって接合されるため、光電流の減衰を抑制することができる。
　図１７に示されるように、接続導電体６の上面の位置は、第１絶縁膜３ａの上面の位置と同じである。このため、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１００の検出感度を向上させることができる。
　実施の形態９．
　次に、図１８～図２４を用いて、実施の形態９に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態９は、特に説明しない限り、上記の実施の形態３と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図１８に示されるように、本実施の形態に係る半導体層４は、第１半導体部４１と、第２半導体部４２と含んでいる。第２半導体部４２は、第１半導体部４１とは異なる導電型を有している。すなわち、第１半導体部４１および第２半導体部４２は、互いに異なる導電型を有しているフォトダイオードである。第１半導体部４１は、第１導電型を有している。第２半導体部４２は、第２導電型を有している。第１導電型は、第２導電型とは逆の導電型である。このため、第１半導体部４１にドープされたキャリアは、第２半導体部４２にドープされたキャリアと別である。
　第１半導体部４１は、第２半導体部４２に接合されている。第１半導体部４１は、開口部ＯＰの直下において第２半導体部４２に接合されている。このため、半導体層４の内部には、ｐｎ接合が形成されている。
　第２半導体部４２は、第１半導体部４１とは異なる吸収波長を有している。第２半導体部４２の吸収波長は、第１半導体部４１の吸収波長よりも大きくてもよいし小さくてもよい。第２半導体部４２の吸収波長は、第１半導体部４１の吸収波長と完全に同じでない限り、第１半導体部４１の吸収波長と部分的に同じであってもよい。
　第１半導体部４１および第２半導体部４２を含む半導体層４としてトンネルダイオードが用いられてもよい。これにより、電磁波が半導体層４に照射された時にのみ大きな光電流が発生する。よって、二次元材料層１に光電流が注入されるとともに、二次元材料層１に電界変化が生じる。これにより、電磁波検出器１００の感度が向上する。
　半導体層４は、第３半導体部４３をさらに含んでいてもよい。第３半導体部４３は、第１半導体型および第２半導体型のいずれを有していてもよい。第３半導体部４３は、第１半導体部４１および第２半導体部４２の少なくともいずれかに接合されている。第３半導体部４３は、望ましくは、第１半導体部４１および第２半導体部４２の両方に接合されている。第３半導体部４３は、半導体層４の面内方向に沿って第１半導体部４１および第２半導体部４２を取り囲んでいてもよい。
　第１電極２ａは、開口部ＯＰを挟み込んで配置された一対の第１電極部２ａ１を含んでいてもよい。一対の第１電極部２ａ１の各々は、第１絶縁膜３ａに接続されている。
　図１９に示されるように、開口部ＯＰにおいて、第１半導体部４１および第２半導体部４２は、第１絶縁膜３ａ等から露出している。このため、電磁波は、第１半導体部４１、第２半導体部４２および第１半導体部４１と第２半導体部４２との接合界面に照射される。
　次に、図２０を用いて、実施の形態９に係る第１の変形例の構成を説明する。
　図２０に示されるように、第１電極２ａは、第１半導体部４１および第２半導体部４２の各々に接続されている。一対の第１電極部２ａ１は、第１半導体部４１および第２半導体部４２にそれぞれ接続されている。このため、第１半導体部４１および第２半導体部４２の各々は、第１電極２ａを介してバイアス電圧Ｖ１が印加される。
　次に、図２１および図２２を用いて、実施の形態９に係る第２の変形例の構成を説明する。
　図２１および図２２に示されるように、第２半導体部４２は、一対の第２半導体部分４２０を含んでいる。一対の第２半導体部分４２０は、第１半導体部４１を挟み込んでいる。このため、一対の第２半導体部分４２０の各々は、第１半導体部４１に接合されている。よって、第１半導体部４１には、２つの接合部が接合されている。したがって、第１半導体部４１には、２つのｐｎ接合が形成されている。これにより、半導体層４は、ｐｎｐフォトレジスタおよびｎｐｎフォトレジスタのいずれかとして構成されている。
　次に、図２３および図２４を用いて、実施の形態９に係る第３の変形例の構成を説明する。
　図２３に示されるように、第１半導体部４１は、半導体層４の面内方向に沿って第２半導体部４２に接合されている。このため、接合界面は、半導体層４の面内方向に沿って延在している。第２半導体部４２は、第１半導体部４１に埋め込まれている。二次元材料層１は、第１半導体部４１の薄い部分を介して第２半導体部４２に接合されている。接合界面は、半導体層４の直下で半導体層４の面内方向に沿って延在している。図２４に示されるように、第２半導体部４２は、第１絶縁膜３ａから露出していない。
　なお、実施の形態９に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態９に係る電磁波検出器１００によれば、図１８に示されるように、第１半導体部４１は、第２半導体部４２に接合されている。このため、半導体層４にはｐｎ接合が形成されている。よって、半導体層４のｐｎ接合から光キャリアを生じさせることができる。ｐｎ接合において生じた光キャリアを二次元材料層１から取り出すことができる。また、半導体層４のうち接合界面の直上に配置された領域は、第１半導体部４１と第２半導体部４２との接合界面での局所電界変化の影響を受ける。これにより、二次元材料層１の導電率が変化するため、光ゲート効果が増強される。したがって、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
　第２半導体部４２は、第１半導体部４１とは異なる吸収波長を有している。このため、半導体層４が１つの半導体部からなる場合よりも、半導体層４の吸収波長は広い。よって、電磁波検出器１００の検出波長の帯域を広くすることができる。
　実施の形態９の第１の変形例に係る電磁波検出器１００によれば、図２０に示されるように、第１電極２ａは、第１半導体部４１および第２半導体部４２の各々に接続されている。これにより、第１半導体部４１および第２半導体部４２の各々に電圧を印加しながら二次元材料層１にも電圧を印加することができる。よって、第１半導体部４１および第２半導体部４２において発生する空乏層を大きくすることができるため、光電流を大きくすることができる。したがって、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
　実施の形態９の第２の変形例に係る電磁波検出器１００によれば、図２１に示されるように、一対の第２半導体部分４２０は、第１半導体部４１を挟み込んでいる。このため、第１半導体部４１と第２半導体部４２との接合界面は、第２半導体部４２が単一の部材からなる場合よりも大きい。また、接合界面と二次元材料層１とが接触する面積は、第２半導体部４２が単一の部材からなる場合よりも大きい。よって、電磁波が半導体層４に照射されることで生じる局所電界変化が二次元材料層１に与える影響を大きくすることができる。したがって、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
　図２１に示されるように、一対の第２半導体部分４２０は、第１半導体部４１を挟み込んでいる。これにより、半導体層４をｎｐｎフォトレジスタおよびｐｎｐフォトレジスタのいずれかとして機能させることができる。このため、半導体層４に照射される光の強度が小さくなるにつれて、第１半導体部４１および第２半導体部４２の抵抗が大きくなる。よって、半導体層４に光が照射された時にのみ、第１半導体部４１および第２半導体部４２に光電流が流れる。したがって、半導体層４に光が照射されたときにのみ、電界変化が生じるため、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
　実施の形態９の第３の変形例に係る電磁波検出器１００によれば、図２３に示されるように、第１半導体部４１は、半導体層４の面内方向に沿って第２半導体部４２に接合されている。このため、第１半導体部４１と第２半導体部４２との接合界面は、半導体層４の面内方向に沿って延在している。電磁波が半導体層４の面内方向に交差する方向から半導体層４に照射される。よって、接合界面に照射される電磁波の強度は、接合界面が当該交差する方向に沿って延在している場合よりも大きい。したがって、光電流が大きくなるため、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
　実施の形態１０．
　次に、図２５～図２７を用いて、実施の形態１０に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１０は、特に説明しない限り、上記の実施の形態３と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図２５に示されるように、本実施の形態において、開口部ＯＰは、互いに間を空けて設けられた複数の開口部分ＯＰ１を含んでいる。なお、説明の便宜のため、図２５では、二次元材料層１および制御電極２ｃの屈曲を示す破線（図１参照）は図示されていない。二次元材料層１は、複数の開口部分ＯＰ１の各々において半導体層４に接続されている。図２５および図２６に示されるように、２つの開口部分ＯＰ１が設けられていてもよい。図２７に示されるように、４つの開口部分ＯＰ１が設けられていてもよい。なお、図２６および図２７では、二次元材料層１の外形および制御電極２ｃの外形が破線によって示されている。
　なお、実施の形態１０に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態１０に係る電磁波検出器１００によれば、図２５に示されるように、二次元材料層１は、複数の開口部分ＯＰ１の各々において半導体層４に接続されている。このため、開口部ＯＰが単一である場合よりも多くの位置において二次元材料層１が半導体層４に接触する。よって、製造工程において、二次元材料層１と半導体層４との接触のばらつきを低減することができる。したがって、電磁波検出器１００を高性能化することができる。
　実施の形態１１．
　次に、図２８を用いて、実施の形態１１に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１１は、特に説明しない限り、上記の実施の形態３と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図２８に示されるように、本実施の形態において、第１絶縁膜３ａは、テーパ部３ａ１を含んでいる。テーパ部３ａ１は、第１電極２ａから開口部ＯＰに近付くにつれて厚さが変化するように構成されている。すなわち、第１絶縁膜３ａには、勾配が設けられている。テーパ部３ａ１は、第１電極２ａから開口部ＯＰに近付くにつれて厚さが薄くなるように構成されている。テーパ部３ａ１には、二次元材料層１の第２部分１ｂが直接接続されている。
　テーパ部３ａ１は、半導体層４が傾けられた状態で第１絶縁膜３ａが成膜されることによって形成されてもよい。テーパ部３ａ１は、半導体層４が傾けられた状態で第１絶縁膜３ａがドライエッチングされることで形成されてもよい。テーパ部３ａ１が第１電極２ａから開口部ＯＰに近付くにつれて厚さが変形するように構成される限り、テーパ部３ａ１は適宜に形成される。
　なお、実施の形態１１に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態１１に係る電磁波検出器１００によれば、図２８に示されるように、テーパ部３ａ１は、第１電極２ａから開口部ＯＰに近付くにつれて厚さが変化するように構成されている。このため、半導体層４に電磁波が照射された際に、二次元材料層１中における電界変化の程度に局所的な変化が生じる。つまり、半導体層４に電磁波が照射され、二次元材料層１に電界変化が与えられる際に、第１絶縁膜３ａの厚さの変化に応じて当該電界変化の程度が局所的に変わる。これにより、二次元材料層１中のキャリアの移動度が向上し、電磁波検出器１００の検出感度が向上する。
　実施の形態１２．
　次に、図２９を用いて、実施の形態１２に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態３と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　本実施の形態において、第１絶縁膜３ａと二次元材料層１との間に空隙ＧＡＰが設けられている。つまり、二次元材料層１のチャネル領域に対応する領域は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なり、第１絶縁膜３ａに接触していない。空隙ＧＡＰの大きさは、二次元材料層１と半導体層４との間に光ゲート効果が生じる大きさである。
　電磁波検出器１００は、接続部７をさらに含んでいてもよい。接続部７は、開口部ＯＰに配置されている。二次元材料層１は、接続部７を介して半導体層４に電気的に接続されている。接続部７の材料は、半導体層４、第１電極２ａ、第２電極２ｂまたは制御電極２ｃの材料と同じでもよい。接続部７の上部表面の高さは、第１電極２ａの上部表面と同一の高さであることが望ましい。
　二次元材料層１は、第１電極２ａ上から接続部７上にまで延在している。なお、絶縁膜と二次元材料層１との間に空隙ＧＡＰが設けられていれば、他の構成を採用してもよい。
　本実施の形態に係る第２電極２ｂおよび第２絶縁膜３ｂは、図８に示される実施の形態２の第２電極２ｂおよび第２絶縁膜３ｂと同様の構成を有している。このため、第２電極２ｂは、半導体層４に直接接続されている。第２絶縁膜３ｂは、制御電極２ｃを覆っている。また、二次元材料層１は、半導体層４、第１絶縁膜３ａおよび第２絶縁膜３ｂを覆っている。
　なお、実施の形態１２に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態１２に係る電磁波検出器１００によれば、図２９に示されるように、第１絶縁膜３ａと二次元材料層１との間に空隙ＧＡＰが設けられている。このため、第１絶縁膜３ａ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１００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の下方に空隙ＧＡＰが設けられていても作用することが可能である。
　実施の形態１３．
　次に、図３０および図３１を用いて、実施の形態１３に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１３は、特に説明しない限り、上記の実施の形態３と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図３０に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、接触層８をさらに含んでいる。接触層８は、二次元材料層１および第１電極２ａの少なくともいずれかに接触するように配置されている。接触層８は、二次元材料層１および第１電極２ａのいずれかに接触することで二次元材料層１に正孔または電子（光キャリア）を供給するように構成されている。すなわち、接触層８は、二次元材料層１に正孔または電子をドーピングするように構成されている。
　図３０では接触層８は第１電極２ａに接触しているが、図３１に示されるように接触層８は第１電極２ａに接触していなくてもよい。また、接触層８は、二次元材料層１および第１電極２ａのいずれか一方に接触し、かつ他方に接触しないように配置されていてもよい。
　図示されないが、複数の接触層８が二次元材料層１上に積層されていてもよい。複数の接触層８が第１電極２ａと半導体層４との間の二次元材料層１に形成されていてもよい。複数の接触層８のそれぞれの材料は、同じであってもよいし、違ってもよい。
　接触層８の材料は、例えば、ポジ型フォトレジストである。ポジ型フォトレジストは、キノンジアジト基を有する感光剤とノボラック樹脂とを含有する組成物である。また、接触層８の材料は、例えば、極性基を有する材料であってもよい。接触層８の材料は、より具体的には、極性基を有する材料の一例である電子求引基を有する材料であってもよい。電子求引基を有する材料は、二次元材料層１の電子密度を減少させる効果を持つ。また、接触層８の材料は、例えば、極性基を有する材料の一例である電子供与基を有する材料であってもよい。電子供与基を有する材料は、二次元材料層１の電子密度を増加させる効果を持つ。
　また、接触層８の材料は、分子全体で電荷の偏りが生じて極性を生じる限りにおいて、有機物、金属、半導体、絶縁体、二次元材料またはこれら材料のいずれかの混合物であってもよい。
　接触層８の材料が無機物である場合、二次元材料層１の仕事関数よりも接触層８の仕事関数が大きければ、二次元材料層１はｐ型にドーピングされる。接触層８の材料が無機物である場合、二次元材料層１の仕事関数よりも接触層８の仕事関数が小さければ、二次元材料層１はｎ型にドーピングされる。接触層８の材料が有機物である場合には、有機物は明確な仕事関数を有していない。このため、接触層８の材料を構成す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で、二次元材料層１がｎ型およびｐ型のいずれにドーピングされるかを判断することが望ましい。
　また、例えば、接触層８としてポジ型フォトレジストが用いられる場合、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がマスクの形成プロセスによって損傷することを抑制することができる。また、製造方法の簡素化が可能となる。
　また、接触層８の材料は、接触層８に電磁波が照射されることで極性変換が生じる材料であってもよい。接触層８において極性変換が生じることで、極性変換の際に生じた電子または正孔が二次元材料層１に供給される。このため、接触層８が接触している二次元材料層１の部分に電子または正孔がドーピングされる。そのため、接触層８が取り除かれた後も、接触層８に接触していた二次元材料層１の部分は、電子または正孔がドープされたままの状態となる。したがって、接触層８の材料として極性変換が生じる材料が用いられた場合、極性変換が生じた後に接触層８が二次元材料層１上から取り除かれてもよい。接触層８が配置されている場合よりも二次元材料層１の開口した部分の面積が増加する。このため、電磁波検出器１００の検出感度を向上させることができる。なお、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。
　検出波長において極性変換が生じる材料が接触層８の材料として選択されることで、検出波長を有する電磁波が照射された時のみ接触層８で極性変換が生じる。これにより、検出波長を有する電磁波が照射された時のみ二次元材料層１へのドーピングが行われる。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、接触層８の材料は、接触層８に電磁波が照射されることによって酸化還元反応が生じる材料であってもよい。これにより、接触層８に酸化還元反応が生じた時に生じる電子また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。
　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が形成されることが好ましい。
　接触層８の構成は、分子または電子などのキャリアが二次元材料層１に供給されれば適宜に決められてもよい。例えば、二次元材料層１が溶液に浸漬され、分子レベルで二次元材料層１にキャリアが供給されることで、固体の接触層８が二次元材料層１上に形成されることなく、二次元材料層１にキャリアがドーピングされてもよい。
　なお、実施の形態１３に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態１３に係る電磁波検出器１００によれば、図３０に示されるように、接触層８は、二次元材料層１および第１電極２ａの少なくともいずれかに接触するように配置されている。接触層８は、二次元材料層１および第１電極２ａの少なくともいずれかに接触することで二次元材料層１に正孔または電子を供給するように構成されている。このため、二次元材料層１の導電型をｎ型またはｐ型にすることができる。これにより、第１電極２ａおよび半導体層４から二次元材料層１に光キャリアがドーピングされる場合であっても、二次元材料層１の導電型を制御することができる。よって、電磁波検出器１００の性能を向上させることができる。
　接触層８は、二次元材料層１および第１電極２ａのいずれか一方に接触し、かつ他方に接触しないように配置されていてもよい。図３１では、二次元材料層１に接触し、かつ第１電極２ａに接触しないように配置されている。これにより、二次元材料層１に電荷密度の勾配が形成されるため、二次元材料層１の移動度が向上する。よって、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
　実施の形態１４．
　次に、図３２を用いて、実施の形態１４に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１４は、特に説明しない限り、上記の実施の形態３と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図３２に示されるように、本実施の形態に係る二次元材料層１は、乱層構造部分１Ｔを含んでいる。乱層構造部分１Ｔは、複数のグラフェン層のそれぞれの格子が不整合な状態で複数のグラフェン層が積層された構造である。なお、二次元材料層１は、二次元材料層１の一部として乱層構造部分１Ｔを含んでいてもよいし、二次元材料層１の全体が乱層構造部分１Ｔからなっていてもよい。本実施の形態に係る二次元材料層１の材料は、積層グラフェンである。
　乱層構造部分１Ｔの作製方法は、適宜に決められてもよい。例えば、ＣＶＤ法で作製された単層のグラフェンが複数回転写され、多層グラフェンが積層されることで乱層構造部分１Ｔが形成されてもよい。また、グラフェン上にエタノールまたはメタンなどが炭素源として配置され、グラフェンがＣＶＤ法によって成長することで乱層構造部分１Ｔが形成されてもよい。
　なお、実施の形態１４に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態１４に係る電磁波検出器１００によれば、図３２に示されるように、二次元材料層１は、乱層構造部分１Ｔを含んでいる。このため、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。よって、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
　より詳細には、乱層構造部分１Ｔを含まない通常の積層グラフェンは、複数のグラフェンの各々の格子がそれぞれ整合した状態で積層される。この状態は、Ａ－Ｂ積層と呼ばれる。一方、乱層構造部分１Ｔを含む積層グラフェンは、次のように形成される。ＣＶＤ法によって作成されたグラフェンは、多結晶を有する。このため、グラフェンの上にさらにグラフェンが複数回転写された場合、またはＣＶＤ法によって下地のグラフェンを核としてさらにグラフェンが積層された場合には、複数のグラフェンの各々の格子がそれぞれ不整合な状態で積層される。すなわち、グラフェンに乱層構造部分１Ｔが形成される。乱層構造部分１Ｔを構成する乱層構造のグラフェンは、層間の相互作用の影響が少なく、単層グラフェンと同等の性質を持つ。さらに、二次元材料層１は、下地となる絶縁膜でのキャリア散乱の影響を受けて移動度が低下する。しかし、乱層構造部分１Ｔにおいて、絶縁膜に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が向上する。この結果、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。
　実施の形態１５．
　次に、実施の形態１５に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、第１絶縁膜３ａ、第２絶縁膜３ｂ、半導体層４および接触層８の材料の他は、図３０に示される実施の形態１３に係る電磁波検出器１００と同様の構造を有している。実施の形態１５は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１３と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１３と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、接触層８を含んでいる。本実施の形態に係る第１絶縁膜３ａ、第２絶縁膜３ｂ、半導体層４および接触層８の少なくともいずれかの材料は、電磁波が照射されることによって特性が変化することで、二次元材料層１に電位の変化を与える材料である。
　電磁波が照射されることによって特性が変化することで二次元材料層１に電位の変化を与える材料は、第１絶縁膜３ａおよび第２絶縁膜３ｂにおいては、例えば、強誘電体材料、希土類酸化物などである。電磁波が照射されることによって特性が変化することで二次元材料層１に電位の変化を与える材料は、半導体層４においては、例えば、上述された半導体材料、ｐｎ接合材料、金属および半導体が接合された構造体、金属、絶縁物および半導体接合材料が接合された構造体、ペブロスカイドなどである。電磁波が照射されることによって特性が変化することで二次元材料層１に電位の変化を与える材料は、接触層８においては、例えば、量子ドット、液晶材料、フラーレン、ペブロスカイドなどである。
　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が用いられる場合、電磁波が強誘電体材料に照射されることで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に電位の変化が生じる。
　なお、電磁波が照射されることによって特性が変化することで二次元材料層１に電位の変化を与える材料が、第１絶縁膜３ａ、第２絶縁膜３ｂ、半導体層４および接触層８に適用される例が説明されたが、上述された各部材のうち少なくとも１つに適用されればよい。例えば、接触層８に電磁波が照射されることによって特性が変化することで二次元材料層１に電位の変化を与える材料が適用される場合、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。例えば、電位の変化が二次元材料層１に与えられれば、二次元材料層１の上面または下面上に図示されない絶縁膜等を介して接触層８が設けられてもよい。
　なお、実施の形態１５に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態１５に係る電磁波検出器１００によれば、図３０に示されるように、第１絶縁膜３ａ、第２絶縁膜３ｂ、半導体層４および接触層８の少なくともいずれかの材料は、電磁波が照射されることによって特性が変化することで、二次元材料層１に電位の変化を与える材料である。このため、第１絶縁膜３ａ、第２絶縁膜３ｂ、接触層８および半導体層４の少なくともいずれかに電磁波を照射することで、二次元材料層１の電位を変化させることができる。
　実施の形態１６．
　次に、図３３および図３４を用いて、実施の形態１６に係る電磁波検出器集合体２００の構成を説明する。
　図３３に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器集合体２００は、実施の形態１～１４および後述される実施の形態１７に係る電磁波検出器１００を複数有している。複数の電磁波検出器１００は、第１方向ＤＲ１および前記第１方向ＤＲ１に交差する第２方向ＤＲ２の少なくともいずれかに沿って並んで配置されている。本実施の形態において、電磁波検出器集合体２００に含まれる複数の電磁波検出器１００は、互いに同じ電磁波検出器１００である。
　複数の電磁波検出器１００の各々の半導体層４（図１参照）が互いに分離されていれば、複数の電磁波検出器１００において１つの第２電極２ｂ（図１参照）が共通電極として用いられてもよい。これにより、電磁波検出器集合体２００の配線を少なくすることができるため、電磁波検出器集合体２００の解像度を高めることができる。複数の電磁波検出器１００の各々の半導体層４（図１参照）は、例えば、半導体層４（図１参照）の外周にトレンチ構造が設けられることによって互いに分離される。制御電極２ｃは、第１電極２ａと共通化されてもよい。
　図３３に示される電磁波検出器集合体２００では、４つの電磁波検出器１００が２×２のマトリックス状に配置されているが、配置される電磁波検出器１００の数はこれに限定されない。また、図３３に示される電磁波検出器集合体２００は、複数の電磁波検出器１００が二次元に周期的に配列されているが、複数の電磁波検出器１００は１つの方向に沿って周期的に配列されていてもよい。また、複数の電磁波検出器１００のうち隣り合う電磁波検出器１００同士の間隔は等間隔であってもよいし、異なる間隔であってもよい。
　また、図３４に示されるように、電磁波検出器集合体２００は、電磁波検出器１００からの信号を読み出すように構成された読み出し回路９３を含んでいてもよい。電磁波検出器１００は、読み出し回路９３の上に配置されてもよい。読み出し回路９３の読み出し形式は、例えば、ＣＴＩＡ（Capacitive　Transimpedance　Amplifier）型である。読み出し回路９３は、他の読み出し形式であってもよい。
　また、電磁波検出器集合体２００は、電磁波検出器１００と読み出し回路９３とを電気的に接続するバンプ９２を含んでいてもよい。電磁波検出器１００と読み出し回路９３がバンプ９２によって接続される構造は、ハイブリッド接合と呼ばれる。ハイブリッド接合は、量子型赤外線センサにおいては一般的な構造である。バンプ９２と電磁波検出器１００とは、制御電極２ｃ上に設けられたパッド９１によって電気的に接続されている。バンプ９２の材料は、例えば、インジウム（Ｉｂ）などの導電性材料である。パッド９１の材料は、アルミニウムシリコン（Ａｌ－Ｓｉ）系合金、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）などの導電性材料である。
　次に、図３５を用いて、実施の形態１６に係る電磁波検出器集合体２００の変形例の構成を説明する。
　図３５に示されるように、電磁波検出器集合体２００に含まれる複数の電磁波検出器は、互いに異なる電磁波検出器１０１～１０４である。互いに異なる種類の電磁波検出器１０１～１０４がアレイ状（マトリックス状）に配置されている。複数の電磁波検出器１０１～１０４の各々は、互いに異なる検出波長をそれぞれ有していてもよい。具体的には、複数の電磁波検出器１０１～１０４の各々は、互いに異なる検出波長選択性を有していてもよい。また、複数の電磁波検出器１０１～１０４の各々は、互いに異なる偏光を有する電磁波を検出するように構成されていてもよい。
　複数の電磁波検出器１０１～１０４の各々の半導体層４（図１参照）を構成する半導体材料は、それぞれ互いに異なる検出波長を有していてもよい。例えば、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が用いられてもよい。例えば、当該電磁波検出器集合体２００が車載センサに適用された場合、電磁波検出器集合体２００は、昼間は可視光画像用カメラとして使用され得る。さらに、電磁波検出器集合体２００は、夜間は赤外線カメラとしても使用され得る。このようにすれば、電磁波の検出波長に応じて複数のカメラを使い分ける必要がない。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態１６に係る電磁波検出器集合体２００によれば、図３３に示されるように、電磁波検出器集合体２００は、実施の形態１～１４に係る電磁波検出器１００を複数有している。このため、複数の電磁波検出器１００の各々を検出素子とすることによって、電磁波検出器集合体２００に画像センサとしての機能を持たせることができる。
　実施の形態１６に係る電磁波検出器集合体２００の変形例によれば、図３５に示されるように、複数の電磁波検出器１０１～１０４の各々は、互いに異なる検出波長をそれぞれ有している。このため、電磁波検出器集合体２００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。
　これにより、電磁波検出器集合体２００は、可視光域で用いられるイメージセンサと同様に、例えば、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、例えば波長の相違を色の相違として示した、カラー化された画像を得ることができる。
　また、電磁波検出器集合体２００は、例えば、少ない画素数であっても物体の位置を検出できる位置検出用センサとして用いられ得る。また、例えば、電磁波検出器集合体２００は、複数の波長において電磁波の強度を検出できる画像センサとして用いられ得る。これにより、従来、ＣＭＯＳ（Complementary　ＭＯＳ：相補型ＭＯＳ）センサ等で必要とされていたカラーフィルタを用いることなく、複数の電磁波を検出し、カラー化された画像を得ることができる。
　複数の電磁波検出器１０１～１０４の各々は、互いに異なる偏光を有する電磁波を検出するように構成されている。これにより、電磁波検出器集合体２００に偏光識別イメージセンサとしての機能を持たせることができる。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１００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、材料の識別、赤外波長域においてそれぞれ同一温度を有する複数の物体の識別、複数の物体間の境界の識別、または、等価的な分解能の向上などが可能になる。
　以上のように、電磁波検出器集合体２００は、広い波長域の電磁波を検出することができる。また、電磁波検出器集合体２００は、異なる波長の電磁波を検出することができる。
　実施の形態１７．
　次に、図３６～図３８を用いて、実施の形態１７に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１７は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
　図３６に示されるように、本実施の形態に係る二次元材料層１は、プラズモン共鳴を生じさせるパターンを含んでいる。本実施の形態において、プラズモン共鳴を生じさせるパターンは、周期的なストライプ状のパターンである。
　具体的には、二次元材料層は、複数の帯状部１５を含んでいる。複数の帯状部１５の各々の幅ｄは、互いに等しい。複数の帯状部１５の各々の幅ｄは、複数の帯状部１５の各々の短手方向に沿った寸法である。
　二次元材料層１の複数の帯状部１５のうち隣り合う帯状部１５同士は、隙間を空けて等間隔に配置されている。すなわち、二次元材料層１の複数の帯状部１５は、周期的に配置されている。なお、複数の帯状部１５の周期ｐは、複数の帯状部１５の各々の幅ｄと隣り合う帯状部１５同士の間隔との和である。
　複数の帯状部１５の各々の幅ｄ、複数の帯状部１５の周期ｐおよび二次元材料層１のフェルミレベルに応じて、プラズモン共鳴波長が定まる。なお、複数の帯状部１５の各々の幅ｄと複数の帯状部１５の周期ｐとは、相対的な関係を有する。例えば、複数の帯状部１５の各々の幅ｄが４０ｎｍであり、複数の帯状部１５の周期ｐが５０ｎｍであり、ケミカルポテンシャルが１．０ｅＶである場合、プラズモン共鳴波長は４μｍである。
　図３７に示されるように、二次元材料層１の第１電極２ａに接続された部分は、ストライプ状でなくてもよい。
　図３８に示されるように、複数の帯状部１５の各々は、複数の第１帯状部分１５１と、複数の第２帯状部分１５２とを有していてもよい。複数の第１帯状部分１５１の各々と複数の第２帯状部分１５２の各々とは、複数の帯状部１５の長手方向に沿って交互に配置されている。複数の第２帯状部分１５２の各々の幅は、複数の第１帯状部分１５１の各々の幅よりも大きい。図３８では、複数の第１帯状部分１５１および複数の第２帯状部分１５２の各々の上面視における形状は、四角形である。このため、二次元材料層１には、四角パターンが形成されている。二次元材料層１は、複数の帯状部１５の長手方向および短手方向に対して非対称な形状を有している。言い換えると、二次元材料層１は、面内の独立な２方向において非対称性を有している。図示されないが、複数の第２帯状部分１５２の形状は、円、楕円、正方形、長方形等であってもよい。なお、説明の便宜のため、図３８には、制御電極２ｃ（図１参照）が図示されていない。
　続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
　実施の形態１７に係る電磁波検出器１００によれば、図３６に示されるように、二次元材料層は、プラズモン共鳴を生じさせるパターンを含んでいる。プラズモン共鳴波長は、複数の帯状部１５の各々の幅ｄ、複数の帯状部１５の周期ｐおよび二次元材料層１のフェルミレベルに応じて定まる。このため、電磁波検出器１００は、電磁波検出器１００に照射された光をプラズモン共鳴波長に応じて共鳴吸収によって選択的に吸収することができる。また、電磁波検出器１００は、電磁波検出器１００に照射された光をプラズモン共鳴波長に応じて共鳴吸収によって増強して吸収することができる。よって、プラズモン共鳴波長を有する光が電磁波検出器１００に照射された場合、二次元材料層１上において電界が増強される。これにより、二次元材料層１に接触している半導体層４における光電変換効率が増強される。したがって、共鳴波長において電磁波検出器１００の感度を選択的に増強することができる。
　複数の帯状部１５の幅ｄおよび周期ｐを調整することで、プラズモン共鳴波長を固定することができる。さらに、制御電極によって二次元材料層１のケミカルポテンシャルを調整することでプラズモン共鳴波長を電気的に変化させることができる。よって、上記の選択的な検出波長を電気的に制御することができる。
　図３８に示されるように、複数の帯状部１５の各々は、複数の第１帯状部分１５１と、複数の第２帯状部分１５２とを有していてもよい。複数の第２帯状部分１５２の各々の幅は、複数の第１帯状部分１５１の各々の幅よりも大きい。この場合、二次元材料層１の形状は、複数の帯状部１５の長手方向および短手方向に対して非対称な形状を有している。二次元材料層１の非対称性によって、プラズモン共鳴にも非対称性が生じる。したがって、偏光を選択的に検出することができる。偏光を選択的に検出することができる場合、電磁波検出器１００を偏光イメージング等に応用することができる。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて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が意図される。
　１　二次元材料層、１ａ　第１部分、１ｂ　第２部分、２ａ　第１電極、２ａａ　第１辺部、２ａｂ　第２辺部、２ｂ　第２電極、２ｃ　制御電極、２ｃ０　制御電極部、２ｃ１　第１制御電極部、２ｃ２　第２制御電極部、３ａ　第１絶縁膜、３ａ１　テーパ部、３ｂ　第２絶縁膜、４　半導体層、５　バッファ層、６　接続導体、８　接触層、１１　第１端部、１２　第２端部、４１　第１半導体部、４２　第２半導体部、１００　電磁波検出器、２００　電磁波検出器集合体、ＤＲ１　第１方向、ＤＲ２　第２方向、ＧＡＰ　空隙、ＯＰ　開口部。

Claims (24)

  1. 　半導体層と、
    　前記半導体層上に配置され、かつ開口部が形成された第１絶縁膜と、
    　前記開口部において前記半導体層に電気的に接続され、かつ前記開口部上から前記第１絶縁膜まで延在する二次元材料層と、
    　前記二次元材料層に電気的に接続された第１電極と、
    　前記半導体層に電気的に接続された第２電極と、
    　前記二次元材料層に接している第２絶縁膜と、
    　前記第２絶縁膜を介して前記二次元材料層に接続された制御電極とを備えた、電磁波検出器。
  2. 　前記第２絶縁膜は、前記半導体層とで前記二次元材料層を挟み込んでおり、
    　前記制御電極は、前記二次元材料層とで前記第２絶縁膜を挟み込んでいる、請求項１に記載の電磁波検出器。
  3. 　前記制御電極は、前記第２電極とで前記半導体層を挟み込んでおり、
    　前記第２絶縁膜は、前記制御電極を覆っており、
    　前記二次元材料層は、前記半導体層、前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜を覆っている、請求項１または２に記載の電磁波検出器。
  4. 　前記第１電極と前記第２電極との電圧差を変化させるように構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  5. 　前記制御電極によって前記二次元材料層に電圧を印加することで前記二次元材料層のフェルミレベルを変化させるように構成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  6. 　前記制御電極の材料は、表面プラズモン共鳴を生じる材料である、請求項１～５のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  7. 　前記制御電極は、複数の制御電極部を含み、
    　前記複数の制御電極部のうち隣り合う制御電極部同士は、前記複数の制御電極部の各々に表面プラズモン共鳴が生じる間隔を空けて配置されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  8. 　前記二次元材料層は、前記半導体層に直接接続された第１部分を含み、
    　前記複数の制御電極部は、第１制御電極部を含み、
    　前記第１制御電極部は、前記第２絶縁膜を介して前記第１部分に接続されている、請求項７に記載の電磁波検出器。
  9. 　前記二次元材料層は、前記第１絶縁膜上に配置された第２部分を含み、
    　前記複数の制御電極部は、第２制御電極部を含み、
    　前記第２制御電極部は、前記第２絶縁膜を介して前記第２部分に接続されている、請求項７または８に記載の電磁波検出器。
  10. 　前記二次元材料層は、第１端部と、前記第１端部に対向する第２端部とを含み、
    　前記第１電極は、第１辺部と、前記第１辺部とで前記開口部を挟み込む第２辺部とを含み、
    　前記第１端部は、前記第１辺部に直接接続されており、
    　前記第２端部は、前記第２辺部に直接接続されている、請求項１～９のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  11. 　前記二次元材料層は、第１端部と、前記第１端部に対向する第２端部とを含み、
    　前記第１端部は、前記第１電極に直接接続されており、
    　前記第２端部は、前記第１電極から離れて配置されている、請求項１～９のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  12. 　バッファ層をさらに備え、
    　前記バッファ層は、前記半導体層と前記二次元材料層とに挟み込まれている、請求項１～１１のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  13. 　前記バッファ層は、前記半導体層と前記二次元材料層との間にトンネル電流を形成することが可能な厚みを有している、請求項１２に記載の電磁波検出器。
  14. 　接続導電体をさらに備え、
    　前記二次元材料層は、前記接続導電体を介して前記半導体層に電気的に接続されている、請求項１～１３のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  15. 　前記半導体層は、第１半導体部と、前記第１半導体部とは異なる導電型を有する第２半導体部とを含み、
    　前記第１半導体部は、前記第２半導体部に接合されている、請求項１～１４のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  16. 　前記第２半導体部は、前記第１半導体部とは異なる吸収波長を有する、請求項１５に記載の電磁波検出器。
  17. 　前記開口部は、互いに間を空けて設けられた複数の開口部分を含み、
    　前記二次元材料層は、前記複数の開口部分の各々において前記半導体層に接続されている、請求項１～１６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  18. 　前記第１絶縁膜は、テーパ部を含み、
    　前記テーパ部は、前記第１電極から前記開口部に近付くにつれて厚さが変化するように構成されている、請求項１～１７のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  19. 　前記第１絶縁膜と前記二次元材料層との間に空隙が設けられている、請求項１～１８のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  20. 　接触層をさらに備え、
    　前記接触層は、前記二次元材料層および前記第１電極のいずれかに接触するように配置されている、請求項１～１９のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  21. 　前記二次元材料層は、グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト、黒リン、シリセン、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料を含む、請求項１～２０のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  22. 　前記二次元材料層は、乱層構造部分を含む、請求項１～２１のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  23. 　前記二次元材料層は、プラズモン共鳴を生じさせるパターンを含んでいる、請求項１～２１のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  24. 　請求項１～２３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方向および前記第１方向に交差する第２方向の少なくともいずれかに沿って並んで配置されている、電磁波検出器集合体。
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