WO2023112770A1 - 電磁波検出器及び電磁波検出器アレイ - Google Patents

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WO2023112770A1
WO2023112770A1 PCT/JP2022/044887 JP2022044887W WO2023112770A1 WO 2023112770 A1 WO2023112770 A1 WO 2023112770A1 JP 2022044887 W JP2022044887 W JP 2022044887W WO 2023112770 A1 WO2023112770 A1 WO 2023112770A1
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electromagnetic wave
layer
dimensional material
material layer
wave detector
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昌一郎 福島
政彰 嶋谷
新平 小川
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三菱電機株式会社
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/108—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the Schottky type

Definitions

  • the present disclosure relates to electromagnetic wave detectors and electromagnetic wave detector arrays.
  • an electromagnetic wave detector equipped with a two-dimensional material layer such as graphene as an electromagnetic wave detection layer is known.
  • Two-dimensional material layers have very high mobilities, but relatively low double-digit efficiencies. 2. Description of the Related Art In recent years, efforts have been made to improve the sensitivity of electromagnetic wave detectors having two-dimensional material layers.
  • Patent Document 1 proposes an electromagnetic wave detector comprising a ferroelectric layer disposed below or above a graphene layer connected between source and drain electrodes. ing.
  • the ferroelectric layer generates a pyroelectric effect when an incident electromagnetic wave, especially an electromagnetic wave in the infrared wavelength region is incident.
  • This pyroelectric effect causes a change in dielectric polarization in the ferroelectric layer, which in turn modulates the gate voltage of the graphene layer. Due to the thickness of the atomic layer and the high charge mobility of the graphene layer, a small change in the gate voltage can produce a huge change in the current response. Such an effect is called an optical gate effect. High sensitivity can be realized by this optical gate effect.
  • a main object of the present disclosure is to provide an electromagnetic wave detector using a two-dimensional material layer that has high detection sensitivity and response speed, and is capable of OFF operation.
  • An electromagnetic wave detector includes a first portion, a second portion spaced apart from the first portion in the first direction, and between the first portion and the second portion in the first direction. a two-dimensional material layer having a third portion that is bridged; a first electrode portion electrically connected to the first portion; and the first, third, and second portions of the two-dimensional material layer. and a ferroelectric layer at least partially disposed on the third portion.
  • an electromagnetic wave detector using a two-dimensional material layer that has high detection sensitivity and response speed and is capable of OFF operation.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of an electromagnetic wave detector according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG. 1;
  • 4 is a flow chart for explaining a manufacturing method of the electromagnetic wave detector according to Embodiment 1;
  • 4A and 4B are diagrams for specifically explaining the principle of operation associated with the pyroelectric effect of the ferroelectric layer in the electromagnetic wave detector according to Embodiment 1;
  • FIG. 4A and 4B are diagrams for specifically explaining the principle of operation associated with the pyroelectric effect and the inverse piezoelectric effect of a ferroelectric layer in the electromagnetic wave detector according to Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a schematic plan view showing a first modification of the electromagnetic wave detector according to Embodiment 1;
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG. 6;
  • FIG. 8 is a schematic plan view of an electromagnetic wave detector according to Embodiment 2;
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view along line segment IX-IX in FIG. 8;
  • FIG. 10 is a diagram for explaining changes in wavelength of absorbed electromagnetic waves in a two-dimensional material layer when a voltage is applied at a resonance frequency in the electromagnetic wave detector according to Embodiment 2;
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of an electromagnetic wave detector according to Embodiment 3;
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view along the line segment XII-XII in FIG. 11;
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of an electromagnetic wave detector according to Embodiment 4;
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of an electromagnetic wave detector according to Embodiment 5;
  • FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of an electromagnetic wave detector according to Embodiment 6;
  • FIG. 12 is a schematic plan view of an electromagnetic wave detector according to Embodiment 7;
  • FIG. 20 is a schematic plan view showing a first modified example of the electromagnetic wave detector according to Embodiment 7;
  • FIG. 12 is a schematic plan view of an electromagnetic wave detector according to Embodiment 8;
  • FIG. 19 is a schematic cross-sectional view along the line segment XIX-XIX in FIG. 18;
  • FIG. 20 is a top view of an electromagnetic wave detector array according to Embodiment 9;
  • FIG. 21 is a schematic diagram showing an example of a readout circuit for reading out electric signals obtained from the electromagnetic wave detector array according to the ninth embodiment;
  • FIG. 22 is a top view showing a first modified example of the electromagnetic wave detector array according to Embodiment 9;
  • the configuration of the electromagnetic wave detector when detecting visible light or infrared light will be described. Not limited.
  • a detector that detects radio waves such as X-rays, ultraviolet light, near-infrared light, terahertz (THz) waves, and microwaves is also valid.
  • radio waves such as X-rays, ultraviolet light, near-infrared light, terahertz (THz) waves, and microwaves is also valid.
  • 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 with more holes than the intrinsic graphene is referred to as p-type graphene
  • graphene with more electrons than the intrinsic graphene is referred to as n-type graphene. That is, an n-type material is an electron-donating material.
  • a p-type material is a material having an electron-withdrawing property.
  • n-type when there is a bias in charge in the entire molecule, electrons are sometimes called n-type.
  • a molecule in which holes are dominant when the charge is unevenly distributed over the entire molecule is sometimes called a p-type.
  • Either one of an organic substance and an inorganic substance or a mixture of an organic substance and an inorganic substance may be used as the material of the member that contacts graphene, which is an example of the two-dimensional material layer.
  • a plasmon resonance phenomenon such as surface plasmon resonance, which is an interaction between a metal surface and light, and a phenomenon called quasi-surface plasmon resonance in the sense of resonance on a metal surface outside the visible light range and near-infrared light range.
  • a plasmon resonance phenomenon such as surface plasmon resonance, which is an interaction between a metal surface and light
  • quasi-surface plasmon resonance in the sense of resonance on a metal surface outside the visible light range and near-infrared light range.
  • metamaterials or metasurfaces or metasurfaces or plasmonic metamaterials in the sense of manipulating wavelengths by means of structures of subwavelength dimensions, without specifically distinguishing between them by name, and the effects of the phenomena are treated equally in terms of
  • These resonances are referred to herein as surface plasmon resonances, plasmon resonances, or simply resonances.
  • graphene is used as an example of the material of the two-dimensional material layer, but the material of the two-dimensional material layer is not limited to graphene.
  • materials for the two-dimensional material layer include transition metal dichalcogenide (TMD), black phosphorous, silicene (two-dimensional honeycomb structure with silicon atoms), and germanene (two-dimensional honeycomb structure with germanium atoms).
  • TMD transition metal dichalcogenide
  • Transition metal dichalcogenides include, for example, molybdenum disulfide (MoS 2 ), tungsten disulfide (WS 2 ), and tungsten diselenide (WSe 2 ).
  • the two-dimensional material layer consists of graphene, transition metal dichalcogenide (TMD), black phosphorus, silicene (two-dimensional honeycomb structure with silicon atoms), graphene nanoribbons and borophene. Any material selected from the group may be included, or a plurality of these materials may be laminated.
  • These materials have structures similar to graphene.
  • atoms are arranged in a monolayer in a two-dimensional plane. Therefore, even when these materials are applied to the two-dimensional material layer, the same effects can be obtained as when graphene is applied to the two-dimensional material layer.
  • the two-dimensional material layer may be configured as multilayer graphene in which two or more single-layer graphene layers are laminated.
  • non-doped graphene or graphene doped with p-type or n-type impurities may be used as the two-dimensional material layer.
  • the photoelectric conversion efficiency of the two-dimensional material layer increases, and the sensitivity of the electromagnetic wave detector increases.
  • the lattice vectors of the hexagonal lattices of arbitrary two layers of graphene may or may not match.
  • a bandgap is formed in the two-dimensional material layer.
  • the two-dimensional material layer is less susceptible to carrier scattering from the underlying structure such as the substrate, resulting in a lower noise level. Therefore, an electromagnetic wave detector using multi-layer graphene as a two-dimensional material layer has increased electromagnetic wave absorption, and can improve the detection sensitivity of electromagnetic waves.
  • the two-dimensional material layer when the two-dimensional material layer is in contact with the electrode, carriers are doped from the electrode to the two-dimensional material layer.
  • carriers are doped from the electrode to the two-dimensional material layer.
  • Au gold
  • holes are doped into the two-dimensional material layer near the electrode due to the difference in work function between the two-dimensional material layer and Au.
  • the electromagnetic wave detector is driven in the electron conduction state in this state, the mobility of electrons flowing in the channel region of the two-dimensional material layer decreases due to the influence of holes doped from the electrode to the two-dimensional material layer.
  • the contact resistance between the dimensional material layer and the electrode increases. This increase in contact resistance may reduce the mobility of electrons (carriers) due to the electric field effect in the electromagnetic wave detector, resulting in deterioration of the performance of the electromagnetic wave detector.
  • the doping amount of carriers injected from the electrode is large. Therefore, the decrease in electron mobility in the electromagnetic wave detector is particularly remarkable when single-layer graphene is used as the two-dimensional material layer. Therefore, when all the two-dimensional material layers are formed of monolayer graphene, the performance of the electromagnetic wave detector may be degraded.
  • the contact area with the electrode may be composed of multilayer graphene.
  • Multilayer graphene has less carrier doping from the electrode than single-layer graphene. Therefore, an increase in contact resistance between the two-dimensional material layer and the electrode can be suppressed. As a result, it is possible to suppress the above-described decrease in electron mobility in the electromagnetic wave detector and improve the performance of the electromagnetic wave detector.
  • nanoribbon graphene (hereinafter also referred to as graphene nanoribbon) can also be used as the two-dimensional material layer.
  • the two-dimensional material layer for example, either a single graphene nanoribbon, a composite in which a plurality of graphene nanoribbons are laminated, or a structure in which graphene nanoribbons are periodically arranged on a plane is used.
  • plasmon resonance can be generated in the graphene nanoribbons.
  • the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be improved.
  • a structure in which graphene nanoribbons are periodically arranged is sometimes called a graphene metamaterial. Therefore, the electromagnetic wave detector using the graphene metamaterial as the two-dimensional material layer can also obtain the above-described effects.
  • turbostratic lamination which is not AB lamination seen in graphite in the natural state
  • Turbostratic lamination is also called random lamination, turbostratic graphene.
  • the method for producing the turbostratic structure portion may be determined as appropriate.
  • the turbostratic structure portion 1T may be formed by transferring single-layer graphene produced by a CVD method a plurality of times and laminating multilayer graphene.
  • ethanol, methane, or the like may be placed on graphene as a carbon source, and graphene may be grown by a CVD method to form a turbostratic structure portion.
  • an insulating layer is a layer of an insulating film having a thickness that does not cause a tunnel current.
  • the material of the insulating layer is, for example, silicon oxide (SiO 2 ).
  • the material of the insulating layer is not limited to silicon oxide, and includes, for example, tetraethyl orthosilicate (Si( OC2H5 ) 4 ), silicon nitride ( Si3N4 ), hafnium oxide ( HfO2 ), aluminum oxide ( Al2O ) . 3 ), nickel oxide (NiO), boron nitride (BN), and siloxane-based polymer materials.
  • the atomic arrangement of boron nitride (BN) is similar to that of graphene.
  • boron nitride (BN) when boron nitride (BN) is in contact with a two-dimensional material layer made of graphene, a decrease in electron mobility of the two-dimensional material layer is suppressed. Therefore, boron nitride (BN) is suitable for an insulating layer as a base film arranged under a two-dimensional material layer.
  • the material of the ferroelectric layer may be appropriately selected as long as the material causes polarization when an electromagnetic wave having a detection wavelength is incident on the ferroelectric layer.
  • Materials for the ferroelectric layer 5 include, for example, barium titanate (BaTiO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), strontium titanate (SrTiO 3 ), lead zirconate titanate (PZT ), strontium bismuthate tantalate (SBT), bismuth ferrite (BFO), zinc oxide (ZnO), hafnium oxide (HfO 2 ) and polyvinylidene fluoride ferroelectrics (PVDF, P(VDF-TrFE) which are organic polymers , P(VDF-TrFE-CTFE), etc.).
  • the ferroelectric layer 5 may be configured by stacking or mixing different ferroelectric materials.
  • the material of the ferroelectric layer is not limited to the above materials as long as it is a pyroelectric substance that produces a pyroelectric effect.
  • the material of the ferroelectric layer may be any ferroelectric that causes a change in polarization in response to a change in thermal energy inside the ferroelectric layer.
  • the electromagnetic wave simply acts as a heat source. Therefore, the pyroelectric effect basically has no wavelength dependence. Therefore, the ferroelectric layer 5 basically has no wavelength dependence. Therefore, the ferroelectric layer is sensitive to broadband electromagnetic waves.
  • Materials constituting the semiconductor layer include, for example, silicon (Si), germanium (Ge), compound semiconductors such as III-V group semiconductors or II-V group semiconductors, cadmium mercury telluride (HgCdTe), iridium antimonide (InSb) , lead selenium (PbSe), lead sulfur (PbS), cadmium sulfur (CdS), gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC), gallium phosphide (GaP), indium gallium arsenide (InGaAs), indium arsenide ( InAs).
  • the semiconductor layer may be a substrate containing quantum wells or quantum dots.
  • the material of the semiconductor layer may be a Type II superlattice.
  • a type II superlattice may have a film configuration called a barrier type.
  • the semiconductor layer may have a multilayer structure, and a pn junction photodiode, pin photodiode, Schottky photodiode, or avalanche photodiode may be used. Alternatively, a phototransistor may be used as the semiconductor layer.
  • the material of the semiconductor layer may be one of the above materials, or may be a combination of the above materials. If the materials constituting the semiconductor layer are a combination of the above-described semiconductor materials, the electromagnetic wave detector provided with the semiconductor layer can detect multiple wavelengths.
  • the semiconductor layer is preferably doped with an impurity so that the semiconductor layer has an electric resistivity of 100 ⁇ cm or less. By doping the semiconductor layer at a high concentration, the moving speed (reading speed) of carriers in the semiconductor layer increases. As a result, the response speed of the electromagnetic wave detector is improved.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of an electromagnetic wave detector according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line II-II in FIG. Also shown in FIG. 2 are typical electrical connections for the electromagnetic wave detector 100 .
  • the electromagnetic wave detector shown in FIGS. 1 and 2 includes a two-dimensional material layer 1, a first electrode portion 2a, a second electrode portion 2b, an insulating layer 3, a semiconductor layer 4, and a ferroelectric layer 5. Mainly provide
  • the semiconductor layer 4 has a first surface 41 and a second surface 42 opposite to the first surface 41 .
  • Each of the first surface 41 and the second surface 42 extends along the first direction X and the second direction Y orthogonal to the first direction X. As shown in FIG.
  • the first surface 41 includes a first region 41a, a second region 41b spaced apart from the first region 41a in the first direction X, and a first region 41a and a second region 41b in the first direction X. and a third region 41c arranged between.
  • Each of the first region 41a and the second region 41b is, for example, a plane.
  • the second region 41b is provided so as to be flush with the first region 41a, for example.
  • the semiconductor layer 4 has a recess 43 recessed from each of the first region 41a and the second region 41b.
  • the recess 43 extends along the second direction Y, for example.
  • the third region 41c is the bottom surface of the recess 43, for example.
  • the third region 41c may be provided so as to form the same plane as each of the first region 41a and the second region 41b.
  • the insulating layer 3 is arranged on the first region 41 a of the first surface 41 .
  • the insulating layer 3 is not arranged on the second region 41b and the third region 41c of the first surface 41, and exposes the second region 41b and the third region 41c.
  • the first electrode portion 2a is arranged on part of the upper surface of the insulating layer 3.
  • the first electrode portion 2 a is electrically connected to the first portion 1 a of the two-dimensional material layer 1 .
  • the second electrode portion 2b is arranged on the second surface 42 of the semiconductor layer 4 .
  • the second electrode portion 2 b is electrically connected to the semiconductor layer 4 .
  • the second electrode portion 2 b is electrically connected to the first electrode portion 2 a via the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 .
  • the two-dimensional material layer 1 is provided on the first electrode portion 2a, the insulating layer 3, and the semiconductor layer 4.
  • the two-dimensional material layer 1 is electrically connected to the first electrode portion 2a.
  • the two-dimensional material layer 1 extends from the upper surface of the first electrode portion 2 a to the upper surface of the insulating layer 3 .
  • the two-dimensional material layer 1 is electrically connected to the semiconductor layer 4 .
  • the two-dimensional material layer 1 mainly includes a first portion 1a, a second portion 1b, a third portion 1c, and a fourth portion 1d.
  • the first portion 1a, the fourth portion 1d, the third portion 1c, and the second portion 1b are continuous in the first direction X in this order.
  • the two-dimensional material layer 1 has a longitudinal direction along the first direction X and a lateral direction along the second direction Y in plan view.
  • the first portion 1 a and the fourth portion 1 d are arranged on the first region 41 a of the first surface 41 of the semiconductor layer 4 .
  • the first portion 1 a is electrically connected to the first electrode portion 2 a on the insulating layer 3 .
  • the first portion 1a is in contact with, for example, the upper surface of the first electrode portion 2a. Note that the first portion 1a may be in contact with the lower surface of the first electrode portion 2a.
  • the fourth portion 1d connects between the first portion 1a and the third portion 1c.
  • the fourth portion 1 d is in contact with the upper surface of the insulating layer 3 .
  • the second portion 1b is spaced apart from the first portion 1a in the first direction X.
  • the second portion 1 b is in contact with the second region 41 b of the first surface 41 of the semiconductor layer 4 .
  • Second portion 1 b is electrically connected to semiconductor layer 4 .
  • second portion 1b is in Schottky junction with semiconductor layer 4 .
  • the third portion 1c is bridged between the first region 41a and the second region 41b of the semiconductor layer 4 in the first direction X.
  • the third portion 1c is arranged on the third region 41c of the first surface 41 of the semiconductor layer 4 . Unlike the first portion 1a and the second portion 1b, the third portion 1c does not contact the first electrode portion 2a, the insulating layer 3, and the semiconductor layer 4 respectively.
  • the third portion 1c is provided, for example, so as to deform when the temperature of the third portion 1c changes.
  • the thicknesses of the first portion 1a, the second portion 1b, the third portion 1c, and the fourth portion 1d of the two-dimensional material layer 1 may be equal to each other.
  • the upper surface of the two-dimensional material layer 1 may be provided with unevenness resulting from the first portion 1a, the second portion 1b, the third portion 1c, and the fourth portion 1d.
  • the ferroelectric layer 5 is arranged on the third portion 1 c of the two-dimensional material layer 1 .
  • the lower surface of ferroelectric layer 5 is in contact with the upper surface of third portion 1c.
  • the ferroelectric layer 5 is electrically connected with the third portion 1 c of the two-dimensional material layer 1 .
  • the upper surface of the ferroelectric layer 5 may be in contact with the lower surface of the third portion 1c.
  • the ferroelectric layer 5 is not in contact with each of the first electrode portion 2a, the insulating layer 3, and the semiconductor layer 4. As shown in FIG. Note that the ferroelectric layer 5 may be in contact with the insulating layer 3 .
  • the ferroelectric layer 5 is sensitive to the wavelength of the electromagnetic wave to be detected by the electromagnetic wave detector 100 (hereinafter also referred to as detection wavelength).
  • detection wavelength the wavelength of the electromagnetic wave to be detected by the electromagnetic wave detector 100
  • the ferroelectric layer 5 is provided so as to deform together with the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 by the inverse piezoelectric effect when the dielectric polarization in the ferroelectric layer 5 changes.
  • the ferroelectric layer 5 deforms the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 to increase the resistance value of the third portion 1c. designed to change.
  • the ferroelectric layer 5 is configured such that the rate of change of dielectric polarization within the ferroelectric layer 5 is as fast as possible.
  • the thickness (film thickness) of the ferroelectric layer 5 is as thin as possible within a range in which a voltage can be applied between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 .
  • FIG. 3 is a flowchart for explaining the manufacturing method of the electromagnetic wave detector according to Embodiment 1.
  • FIG. A method of manufacturing the electromagnetic wave detector shown in FIGS. 1 and 2 will be described with reference to FIG.
  • the preparation step (S1) shown in FIG. 3 is performed.
  • a semiconductor layer 4 which is a flat substrate made of silicon or the like, is prepared.
  • the electrode forming step (S2) is performed.
  • the second electrode portion 2 b is formed on the back surface of the semiconductor layer 4 .
  • a protective film is formed on the surface of the semiconductor layer 4 .
  • a resist is used as the protective film.
  • the second electrode portion 2b is formed on the back surface of the semiconductor layer 4.
  • Metals such as gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), and chromium (Cr) are used as materials for the second electrode portion 2b.
  • an adhesion layer may be formed on the back surface of the semiconductor layer 4 before the second electrode portion 2b is formed.
  • Copper (Cr) or titanium (Ti), for example, is used as the material of the adhesion layer.
  • the step (S2) may be performed after the steps (S3 to S7) as long as the surface of the semiconductor layer 4 is protected.
  • an insulating layer forming step (S3) is performed.
  • the insulating layer 3 is formed on the surface of the semiconductor layer 4 .
  • the insulating layer 3 may be silicon oxide (SiO 2 ) formed by partially thermally oxidizing the surface of the semiconductor layer 4 .
  • an insulating layer may be formed on the surface of the semiconductor layer 4 by CVD (Chemical Vapor Deposition) or sputtering.
  • the electrode forming step (S4) is performed.
  • the first electrode portion 2 a is formed on the insulating layer 3 .
  • Metals such as gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), and the like are used as materials for forming the first electrode portion 2a.
  • an adhesion layer may be formed between the insulating layer 3 and the first electrode portion 2a in order to improve the adhesion between the first electrode portion 2a and the insulating layer 3.
  • the following process is used.
  • a resist mask is formed on the surface of the insulating layer 3 using photolithography, EB drawing, or the like.
  • the resist mask has openings in regions where the first electrode portions 2a are to be formed.
  • a film of metal or the like to be the first electrode portion 2a is formed on the resist mask.
  • a vapor deposition method, a sputtering method, or the like is used to form the film.
  • the film is formed so as to extend from inside the opening of the resist mask to the upper surface of the resist mask.
  • the other part of the film arranged in the opening of the resist mask remains on the surface of the insulating layer 3 and becomes the first electrode portion 2a.
  • the method described above is generally called lift-off.
  • a film such as a metal film to be the first electrode portion 2a is first formed on the surface of the insulating layer 3 .
  • a resist mask is formed over the film by photolithography.
  • the resist mask is formed so as to cover the region where the first electrode portion 2a is to be formed, but is not formed in regions other than the region where the first electrode portion 2a is to be formed.
  • the film is partially removed by wet etching or dry etching using the resist mask as a mask. As a result, part of the film remains under the resist mask. A part of this film becomes the first electrode portion 2a. After that, the resist mask is removed.
  • the first electrode portion 2a may be formed.
  • the opening forming step (S5) is performed.
  • this step ( S ⁇ b>5 ) openings are formed in the insulating layer 3 and the semiconductor layer 4 .
  • a resist mask is formed on the insulating layer 3 using photolithography, EB drawing, or the like.
  • the resist mask has openings formed in regions where the openings of the insulating layer 3 are to be formed.
  • the insulating layer 3 is partially removed by wet etching or dry etching using the resist mask as a mask to form an opening.
  • the resist mask is removed.
  • a resist mask is formed on the insulating layer 3 and the semiconductor layer 4 using photolithography, EB drawing, or the like.
  • the resist mask has openings formed in regions where the openings of the semiconductor layer 4 are to be formed. Thereafter, by wet etching or dry etching, the resist mask is used as a mask to partially remove the semiconductor layer 4 to form an opening. Next, the resist mask is removed. Note that the step (S5) may be performed prior to the step (S4).
  • the two-dimensional material layer forming step (S6) is performed.
  • the two-dimensional material layer 1 is formed so as to entirely cover the first electrode portion 2 a , the insulating layer 3 , and the part of the semiconductor layer 4 exposed in the opening of the insulating layer 3 .
  • the material forming the two-dimensional material layer for example, an atomic layer material or a molecular layer material such as graphene may be used.
  • the two-dimensional material layer 1 may be formed by any method.
  • the two-dimensional material layer 1 may be formed by epitaxial growth, or the two-dimensional material layer 1 formed in advance using the CVD method is transferred onto a portion of the first electrode portion 2a, the insulating layer 3 and the semiconductor layer 4.
  • the two-dimensional material layer 1 may be formed using screen printing or the like.
  • the two-dimensional material layer 1 peeled off by mechanical peeling or the like may be transferred onto the above-described first electrode portion 2a and the like.
  • a resist mask is formed on the two-dimensional material layer 1 using photolithography or the like.
  • the resist mask is formed to cover regions where the two-dimensional material layer 1 is to remain, but is not formed in regions where the two-dimensional material layer 1 is not to remain.
  • the two-dimensional material layer 1 is partially removed by etching with oxygen plasma. This removes unnecessary portions of the two-dimensional material layer to form the two-dimensional material layer 1 as shown in FIGS.
  • the resist mask is removed.
  • the area of the fourth portion 1d of the two-dimensional material layer 1 provided as a region in contact with the insulating layer 3 is equal to or larger than the area of the third portion 1c provided as a bridging region.
  • Thermal contraction and expansion occur in the electromagnetic wave detector as the temperature changes during the electromagnetic wave irradiation and voltage application operations.
  • the insulating layer 3 is less deformed due to temperature change and has low thermal conductivity. It is difficult to cause heat conduction, and as a result, it strongly adheres to the two-dimensional material layer 1 .
  • the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 provided in the electromagnetic wave detector according to the present embodiment has a crosslinked structure, and is more likely to be peeled off or broken than other portions supported by the base.
  • the fourth portion 1d as an adhesion layer with the insulating layer 3, it is possible to prevent the two-dimensional material layer 1 from being peeled off or broken, thereby improving the structural strength.
  • a ferroelectric layer forming step (S7) is performed.
  • a ferroelectric layer 5 is formed on the two-dimensional material layer 1 .
  • materials for forming the ferroelectric layer 5 include BaTiO 3 (barium titanate), LiNbO 3 (lithium niobate), LiTaO 3 (lithium tantalate), SrTiO 3 (strontium titanate), PZT (zirconate titanate).
  • the ferroelectric layer 5 may be formed by any method.
  • a polymer film is formed by spin coating or the like, and then processed by photolithography.
  • a film is formed by sputtering, vapor deposition, MOD (Metal Organic Composition) coating, or the like, and then patterned by photolithography.
  • the ferroelectric layer 5 may be formed using an atomic layer deposition method.
  • the number of molecular layers of the ferroelectric layer formed using the atomic layer deposition method is preferably within 1000 layers.
  • the capacitance is improved, the pyroelectric effect is improved, and the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector is improved.
  • the ferroelectric layer 5 is formed along with the adsorption of the precursor material to the two-dimensional material layer 1. , the molecular structure of the two-dimensional material layer 1 is not destroyed or distorted. Therefore, it is possible to improve the performance of the electromagnetic wave detector without causing a decrease in detection sensitivity and an increase in noise resulting from a decrease in the electrical properties of the two-dimensional material layer 1 .
  • the step (S7) may be performed prior to the step (S6), and the ferroelectric layer 5 and the two-dimensional material layer 1 may be formed simultaneously in the step (S6).
  • the electromagnetic wave detector shown in FIGS. 1 and 2 is obtained.
  • the two-dimensional material layer 1 is formed on the first electrode portion 2a. You may form the 1st electrode part 2a so that it may overlap.
  • the first electrode portion 2a is formed in a state in which the two-dimensional material layer 1 is previously covered with a protective film or the like other than the region where the first electrode portion 2a is formed. Conceivable.
  • the ferroelectric layer 5 is formed on the two-dimensional material layer 1, but the two-dimensional material layer 1 is formed on the ferroelectric layer 5 previously formed on the insulating layer 3. Also good.
  • the two-dimensional material layer 1 is formed, it is fired to remove residues such as moisture between the ferroelectric layer 5 and the two-dimensional material layer 1, thereby enhancing adhesion. Conceivable.
  • the baking atmosphere, temperature, and other conditions are set so that the moisture and resist are removed while process damage is not given to the first electrode portion 2a, the second electrode portion 2b, the insulating layer 3, and the semiconductor layer 4. It is desirable to For example, firing is performed at 150° C. in an air atmosphere.
  • the area of the fourth portion 1d of the two-dimensional material layer 1 is equal to or larger than the area of the third portion 1c in plan view. A countermeasure such as suppressing peeling of the layer 1 can be considered.
  • the electromagnetic wave detector 100 uses the fourth portion 1d and the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 as a transistor channel, the ferroelectric layer 5 as a gate, and the first electrode portion 2a and the first portion 1a of the two-dimensional material layer 1 as It functions as a field effect transistor using the source, the second electrode portion 2b, and the second portion 1b of the two-dimensional material layer 1 as the drain.
  • a power supply circuit for applying a voltage V is electrically connected between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b.
  • the layer 4 and the second electrode portion 2b are electrically connected in this order.
  • a voltage V is applied between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b.
  • the voltage V is set to reverse bias the Schottky junction between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 .
  • a current I flows through the two-dimensional material layer 1, which is part of the current path between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b.
  • An ammeter (not shown) is installed in the power supply circuit, and the current I flowing through the two-dimensional material layer 1 is monitored by the ammeter.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the change in electrical properties of the two-dimensional material layer 1 caused by the pyroelectric effect of the ferroelectric layer 5.
  • 3 is a schematic diagram for explaining changes in gate voltage and source/drain current values in the third portion 1c.
  • FIG. FIG. 5 is a schematic diagram for explaining changes in electrical properties that occur in the two-dimensional material layer 1 due to the pyroelectric effect and the inverse piezoelectric effect of the ferroelectric layer 5.
  • FIG. FIG. 5 shows changes in the source/drain current value and gate voltage dependence accompanying resistance changes in the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 with and without electromagnetic wave irradiation.
  • a polarization change that occurs in the ferroelectric layer 5 due to the pyroelectric effect gives an electric field change to the third portion 1 c of the two-dimensional material layer 1 .
  • the gate voltage Vph is applied to the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1, and the source/drain current value in the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 changes.
  • the electromagnetic wave irradiated to the electromagnetic wave detector 100 can be detected.
  • a change in the electrical properties of the material in contact with the two-dimensional material layer 1 gives the two-dimensional material layer 1 an electric field effect, and the effect of changing the electrical properties of the two-dimensional material layer 1 is referred to as an optical gate effect. do.
  • photocarriers generated in the depletion layer formed between the semiconductor layer 4 and the insulating layer 3 due to the irradiation of the electromagnetic wave produce a photogate effect.
  • the semiconductor layer 4 when the semiconductor layer 4 is irradiated with electromagnetic waves to which the semiconductor layer 4 is sensitive, the source-drain current value in the fourth portion 1d of the two-dimensional material layer 1 changes. By detecting this current change amount Iph2, the electromagnetic wave irradiated to the electromagnetic wave detector can be detected.
  • the current change amount Iph1 and the current change amount Iph2 are shown to be equal to each other, but the respective current change amounts may differ from each other.
  • the optical gate effect associated with the pyroelectric effect occurring in the ferroelectric layer 5 occurs regardless of the direction of dielectric polarization in the ferroelectric layer 5 .
  • the extent of the optical gate effect two-dimensional The amount of change in the electrical properties of the material layer 1 changes within the two-dimensional plane of the third portion 1 c of the two-dimensional material layer 1 .
  • the voltage change in the two-dimensional surface of the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 caused by the photogate effect associated with the pyroelectric effect of the ferroelectric layer 5 contributes to the change of the source-drain voltage, and the current value changes. .
  • this current change amount Iph3 the electromagnetic wave irradiated to the electromagnetic wave detector can be detected.
  • the ferroelectric layer 5 when the ferroelectric layer 5 is irradiated with an electromagnetic wave and a change in dielectric polarization occurs inside the ferroelectric layer 5, the inverse piezoelectric effect occurs in the ferroelectric layer 5.
  • power is added by
  • the ferroelectric layer 5 is deformed by the inverse piezoelectric effect
  • the two-dimensional material layer 1 connected with the ferroelectric layer 5 is also deformed.
  • the amount of deformation of the two-dimensional material layer 1 is equivalent to the amount of deformation of the ferroelectric layer 5 .
  • the electrical resistance value of the two-dimensional material layer 1 changes, and the source-drain current value in the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 changes.
  • a pseudo source-drain voltage is applied to the two-dimensional material layer 1 due to the inverse piezoelectric effect generated in the ferroelectric layer 5, and the current value changes.
  • the electromagnetic wave irradiated to the electromagnetic wave detector 100 can be detected.
  • FIG. 5 as a schematic diagram, the current change amount Iph3 and the current change amount Iph4 are shown to be equal to each other, but the respective current change amounts may differ from each other.
  • the semiconductor layer 4 constituting the semiconductor layer 4 is made of p-type material silicon and the two-dimensional material layer 1 is made of n-type material graphene
  • the fourth portion 1d of the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 are Schottky junction.
  • the current I can be made zero by adjusting the voltage V and applying a reverse bias to the Schottky junction.
  • an electromagnetic wave is applied to the ferroelectric layer 5
  • the dielectric polarization of the ferroelectric layer 5 changes due to the pyroelectric effect, and the Fermi level of the two-dimensional material layer 1 is modulated.
  • the energy barrier of the semiconductor layer 4 is lowered.
  • a current flows through the semiconductor layer 4 and a current I is detected only when electromagnetic waves are applied. That is, the electromagnetic wave detector according to this embodiment can be turned off.
  • the electromagnetic wave detector 100 is not limited to the configuration for detecting changes in current in the two-dimensional material layer 1 as described above.
  • a constant current is passed between the two electrode portions 2b, and a change in the voltage V between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b (that is, a change in voltage value in the two-dimensional material layer 1) is detected.
  • a change in the voltage V between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b that is, a change in voltage value in the two-dimensional material layer 1 is detected.
  • the electromagnetic wave detector 100 may be provided so as to detect the frequency change in the value of the current flowing through the third portion 1c between when the electromagnetic wave is not applied and when the electromagnetic wave is applied.
  • the electrical resonance frequency of the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 depends on the light intensity of the irradiated electromagnetic wave, and the inverse piezoelectric effect of the ferroelectric layer 5 and the amount of deformation of the two-dimensional material layer 1 due to temperature changes. depends on Therefore, in a state in which a DC voltage is applied between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b, the electromagnetic wave can be detected by converting the amount of change in the resonance frequency at the third portion 1c into the amount of light of the electromagnetic wave.
  • two or more electromagnetic wave detectors 100 may be used to detect electromagnetic waves. For example, two or more of the same electromagnetic wave detectors 100 are prepared. One electromagnetic wave detector 100 is arranged in a shielded space where electromagnetic waves are not irradiated. Another electromagnetic wave detector 100 is arranged in a space irradiated with the electromagnetic wave to be measured. Then, the difference between the current I or voltage V of another electromagnetic wave detector 100 irradiated with electromagnetic waves and the current I or voltage V of the electromagnetic wave detector 100 arranged in the shielded space is detected. Electromagnetic waves may be detected in this manner.
  • a reverse bias is applied to the Schottky junction of single-layer graphene and p-type silicon.
  • a voltage is applied, a depletion layer is formed near the junction interface between single-layer graphene and p-type silicon.
  • the detection wavelength range of the electromagnetic wave detector is determined according to the absorption wavelengths of lithium niobate and p-type silicon.
  • lithium niobate When an electromagnetic wave with a detection wavelength is incident on lithium niobate, a change in dielectric polarization occurs in lithium niobate due to the pyroelectric effect. Polarization changes in lithium niobate cause electric field changes in the two-dimensional material layer 1 . This is the optical gate effect described above. As described above, graphene constituting the two-dimensional material layer 1 has high mobility, and a large displacement current can be obtained with a slight change in electric field. Therefore, the pyroelectric effect of lithium niobate greatly changes the Fermi level of the two-dimensional material layer 1, lowering the energy barrier with p-type silicon.
  • the photo-injected current charge extracted from the p-type silicon is due to the photogating effect caused by the pyroelectric effect of lithium niobate in the single-layer graphene and the distribution of the photogating effect occurring in the plane of the single-layer graphene. It is greatly amplified by the resulting source-drain voltage. Therefore, in the electromagnetic wave detector 100 according to the present embodiment, it is possible to achieve a high sensitivity with a quantum efficiency exceeding 100%.
  • the dielectric polarization change rate of lithium niobate is designed to be as short as possible, the time from when the electromagnetic wave enters the electromagnetic wave detector to when the resistance value changes in the single-layer graphene will be shortened. According to such an electromagnetic wave detector, the delay in amplification due to the optical gate effect is eliminated, and the response is speeded up.
  • the electromagnetic wave detector 100 includes a first portion 1a, a second portion 1b spaced from the first portion 1a in the first direction X, and a first portion 1b in the first direction X.
  • a two-dimensional material layer 1 having a third portion 1c bridging between 1a and a second portion 1b, a first electrode portion 2a electrically connected to the first portion 1a, and a two-dimensional material.
  • a second electrode portion 2b electrically connected to the first electrode portion 2a through the first portion 1a, the third portion 1c, and the second portion 1b of the layer 1, and at least a portion thereof on the third portion 1c. and a ferroelectric layer 5 disposed on the .
  • the resistance value of the two-dimensional material layer 1 can change when the dielectric polarization in the ferroelectric layer 5 changes due to the pyroelectric effect. As a result, the conductivity of the two-dimensional material layer 1 is modulated, and as a result the photocurrent can be amplified in the two-dimensional material layer 1 .
  • the amount of change in current in the two-dimensional material layer 1 due to the change in polarization in the ferroelectric layer 5 is larger than the amount of change in current in a normal semiconductor.
  • a large current change occurs with a slight potential change, compared to a normal semiconductor.
  • the thickness of the two-dimensional material layer 1 is one atomic layer, which is extremely thin.
  • the electron mobility in single-layer graphene is large.
  • the amount of current change in the two-dimensional material layer 1, which is calculated from the electron mobility and thickness of the two-dimensional material layer 1, is about several hundred to several thousand times the amount of current change in a normal semiconductor. becomes.
  • the detection current extraction efficiency in the two-dimensional material layer 1 is greatly improved.
  • Such a photogate effect does not directly enhance the quantum efficiency of photoelectric conversion materials such as ordinary semiconductors, but increases current changes due to incident electromagnetic waves. Therefore, the quantum efficiency of the electromagnetic wave detector equivalently calculated from the differential current due to incident electromagnetic waves exceeds 100%. Therefore, the electromagnetic wave detection sensitivity of the electromagnetic wave detector 100 according to the present embodiment is higher than that of conventional semiconductor electromagnetic wave detectors or graphene electromagnetic wave detectors to which the optical gate effect is not applied.
  • the heat capacity of the electromagnetic wave detecting portion is smaller than that of a conventional semiconductor electromagnetic wave detector, the time to reach thermal equilibrium is short, and the response speed is high.
  • this electromagnetic wave detector 100 in addition to the quantum operation of detecting photoelectron-hole pairs in the semiconductor layer 4 and the Schottky junction formed between the semiconductor layer 4 and the two-dimensional material layer 1, temperature change due to electromagnetic wave irradiation is detected. Detecting thermal motion is used as the response principle. It is the carrier mobility of the detector material that predominantly determines the response speed in the quantum operation. Compared to conventional bulk semiconductor materials, the two-dimensional material layer 1 has a high carrier mobility derived from its atomic layer structure, and therefore has a high response speed in quantum-type operation.
  • a third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 provided as an electromagnetic wave detection region has a crosslinked structure, and is thermally independent and insulated from the semiconductor layer 4 and the like.
  • the two-dimensional material layer 1 has a monolayer structure and ultimately has a lower heat capacity than conventional bulk semiconductor materials. Therefore, the electromagnetic wave detection speed of the electromagnetic wave detector 100 according to the present embodiment is higher than that of the conventional electromagnetic wave detector using thermal operation.
  • the electromagnetic wave detector 100 further includes an insulating layer 3 that is arranged on the first region 41a of the semiconductor layer 4 and exposes the second region 41b and the third region 41c.
  • the second portion 1b of the two-dimensional material layer 1 is in contact with the second region 41b of the semiconductor layer 4, preferably in Schottky junction.
  • the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 is spaced apart from the third region 41c in the direction orthogonal to the first surface 41 .
  • the electromagnetic wave detector 100 can be turned off.
  • the dielectric polarization direction in the ferroelectric layer 5 is completely orthogonal to the two-dimensional surface of the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1
  • the photogate effect accompanying the pyroelectric effect does not occur in the two-dimensional material layer. It changes in the two-dimensional plane of the third portion 1c of 1, and the source-drain voltage changes.
  • the electromagnetic wave detector 100 can be turned off by adjusting the voltage V so that the current does not flow when the electromagnetic wave is not irradiated and the source-drain voltage is not changed.
  • the two-dimensional material layer 1 has the fourth portion 1d arranged on the insulating layer 3, so that the two-dimensional material layer 1 is the fourth portion Compared to the case without 1d, the conductivity of the two-dimensional material layer 1 due to the optical gate effect is more likely to be modulated.
  • the amount of change in the current value I when the electromagnetic wave detector 100 according to the present embodiment is irradiated with an electromagnetic wave is the change in the resistance value of the two-dimensional material layer 1 caused by the pyroelectric effect in the ferroelectric layer 5.
  • the change in current caused by the change in the energy barrier between the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 , and the photocurrent caused by photoelectric conversion in the two-dimensional material layer 1 are the change in the electromagnetic wave detector according to the present embodiment.
  • the current caused by the above-described optical gate effect, the current caused by the energy barrier change, and the light generated by the photoelectric conversion efficiency inherent in the two-dimensional material layer 1 Each change in current can be detected.
  • the electromagnetic wave detector 100 can realize favorable sensitivity with a quantum efficiency of 100% or higher, high-speed operation, and OFF operation.
  • the electromagnetic wave detector 100 it is possible to form a readout circuit in the semiconductor layer 4 when the material forming the semiconductor layer 4 contains silicon. This makes it possible to read out the signal without forming a circuit outside the device.
  • FIG. 6 is a top view showing a first modification of electromagnetic wave detector 100 according to Embodiment 1.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a first modification of the electromagnetic wave detector according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a top view showing a first modification of electromagnetic wave detector 100 according to Embodiment 1.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a first modification of the electromagnetic wave detector according to Embodiment 1.
  • each of the two-dimensional material layer 1, the first electrode portion 2a, the insulating layer 3, the semiconductor layer 4, and the ferroelectric layer 5 is You may have symmetry centering on the 2nd part 1b. In other words, the electromagnetic wave detector 100 may have multiple element structures that are symmetrical with each other.
  • the second portion 1b of the two-dimensional material layer 1 and the second region 41b of the semiconductor layer 4 in contact therewith can be integrated between a plurality of device structures having symmetry with each other, so that the plurality of device structures are independent of each other.
  • the stress applied to the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 can be evenly distributed among the plurality of element structures having symmetry with each other. Peeling and breakage of the dimensional material layer 1 can be suppressed. As a result, the yield and reliability of the electromagnetic wave detector 100 can be improved.
  • each of the two-dimensional material layer 1, the first electrode portion 2a, the insulating layer 3, the semiconductor layer 4, and the ferroelectric layer 5 rotates four times in the circumferential direction around the second portion 1b in plan view. It may have symmetry.
  • FIG. 8 is a schematic plan view of an electromagnetic wave detector according to Embodiment 2.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view along line segment IX-IX in FIG.
  • the electromagnetic wave detector shown in FIG. 8 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector shown in FIGS. It differs from the electromagnetic wave detector 100 shown in FIGS. 1 and 2 in that it further includes a three-electrode portion 2c (see FIG. 8). Differences of the electromagnetic wave detector 101 from the electromagnetic wave detector 100 will be mainly described below.
  • the third electrode portion 2c is spaced apart from the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 in the second direction Y in plan view.
  • the third electrode portion 2 c is arranged on the insulating layer 3 .
  • a portion of the second two-dimensional material layer 6 is arranged on the ferroelectric layer 5 .
  • a portion of the second two-dimensional material layer 6 and the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 are arranged so as to sandwich the ferroelectric layer 5 therebetween.
  • the remainder of the second two-dimensional material layer 6 extends along the second direction Y from the part of the second two-dimensional material layer 6 disposed on the ferroelectric layer 5 .
  • the remainder of the second two-dimensional material layer 6 is arranged on the insulating layer 3 .
  • a portion of the remainder of the second two-dimensional material layer 6 is electrically connected to the third electrode portion 2c.
  • a portion of the remainder of the second two-dimensional material layer 6 is arranged on the third electrode portion 2c.
  • the material that constitutes the second two-dimensional material layer 6 can be selected in the same manner as the material that constitutes the two-dimensional material layer 1 .
  • the material forming the second two-dimensional material layer 6 includes, for example, at least one selected from the group consisting of graphene, transition metal dichalcogenide, black phosphorus, silicene, and germanene.
  • the material forming the second two-dimensional material layer 6 is, for example, the same as the material forming the two-dimensional material layer 1, such as graphene.
  • the third electrode portion 2c is provided to apply a voltage Vtg to the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 via the second two-dimensional material layer 6 to modulate the Fermi level of the third portion 1c. ing. ⁇ Operating principle of electromagnetic wave detector> Next, the principle of operation of electromagnetic wave detector 101 according to this embodiment will be described.
  • the electromagnetic wave detector 101 basically has electrical connections similar to those of the electromagnetic wave detector 100 shown in FIG.
  • the second two-dimensional material layer 6 and the ferroelectric layer 5 are electrically connected in this order.
  • a voltage V is applied between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b, and a voltage Vtg is applied to the ferroelectric layer 5 from the third electrode portion 2c.
  • the electromagnetic wave detector 101 has the fourth portion 1d and the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 as the transistor channel, the second two-dimensional material layer 6 as the second gate, and the ferroelectric layer 5 as the second gate. Functions as a field effect transistor having the first gate, the first electrode portion 2a and the first portion 1a of the two-dimensional material layer 1 as the source, and the second electrode portion 2b and the second portion 1b of the two-dimensional material layer 1 as the drain. .
  • a voltage Vtg is applied to the ferroelectric layer 5 from the third electrode portion 2c via the second two-dimensional material layer 6, causing the ferroelectric layer 5 to generate a piezoelectric effect.
  • the voltage Vtg functions as a gate voltage for modulating the surface charge density using the ferroelectric layer 5 and the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 as channels.
  • the electromagnetic wave absorption rate and detection sensitivity of the two-dimensional material layer 1 can be adjusted.
  • a voltage Vtg from the third electrode portion 2c to the ferroelectric layer 5 By applying a voltage Vtg from the third electrode portion 2c to the ferroelectric layer 5, a field effect is generated and the Fermi level of the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 is modulated.
  • FIG. 10 shows a schematic diagram of the band structure and the Fermi level change in the third portion 1 c when graphene is used for the two-dimensional material layer 1 .
  • Graphene has a zero bandgap structure in which the conductor and the valence band are combined, and the excitation process of photocarriers in response to electromagnetic wave irradiation is different from that of conventional semiconductor materials.
  • the Fermi level of graphene must reach an energy level corresponding to the wavelength of the electromagnetic wave in order for photocarriers to be excited in graphene due to the interband transition between the conduction band and the valence band of graphene.
  • the Fermi level of graphene When the Fermi level of graphene is insufficient with respect to the energy level corresponding to the detection wavelength, even if the electromagnetic wave is incident on the electromagnetic wave detector 101, photocarriers are not excited in the graphene.
  • an electromagnetic wave with a wavelength ⁇ 2, which is longer (lower in energy) than the wavelength ⁇ 1 of the electromagnetic wave having the energy necessary to excite photocarriers in graphene is incident on the electromagnetic wave detector 101. also shows that photocarriers are not excited in graphene.
  • the Fermi level of graphene can be modulated by applying the top gate voltage Vtg.
  • the energy required to excite photocarriers in graphene to which voltage Vtg is applied is smaller than the energy required to excite photocarriers in graphene to which voltage Vtg is not applied. obtain.
  • the energy required to excite photocarriers in graphene to which voltage Vtg is not applied is smaller than the energy required to excite photocarriers in graphene to which voltage Vtg is not applied.
  • the electrical resonance frequency of the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 depends on the light intensity of the irradiated electromagnetic wave.
  • a signal having the same frequency as the resonance frequency of the third portion 1c when the electromagnetic wave of the light quantity to be detected is incident on the electromagnetic wave detector 101 is applied to the third portion 1c as a voltage Vtg, so that only the electromagnetic wave absorption of a specific light quantity is resonated. detectable. That is, by changing the frequency of the voltage Vtg, the amount of light detectable by the electromagnetic wave detector 101 can be adjusted. That is, by changing the frequency of the voltage Vtg, the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector 101 can be adjusted and the dynamic range of the electromagnetic wave detector 101 can be improved.
  • FIG. 11 is a schematic plan view of the electromagnetic wave detector 102 according to the third embodiment.
  • 12 is a schematic cross-sectional view taken along line XII-XII in FIG. 11.
  • the electromagnetic wave detector 102 shown in FIGS. 11 and 12 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector 100 shown in FIGS. is not electrically connected to the semiconductor layer 4, unlike the electromagnetic wave detector 100 shown in FIGS. Differences of the electromagnetic wave detector 102 from the electromagnetic wave detector 100 will be mainly described below.
  • the electromagnetic wave detector 102 further comprises a second insulating layer 7 arranged on the second region 41 b of the first surface 41 of the semiconductor layer 4 .
  • the second insulating layer 7 is arranged in the first direction X with the insulating layer 3 separated from the third region 41c.
  • the second electrode portion 2b is arranged on the second insulating layer 7 .
  • the second electrode portion 2 b is not electrically connected to the semiconductor layer 4 .
  • the thickness of the second insulating layer 7 is equal to the thickness of the insulating layer 3, for example.
  • the second insulating layer 7 is manufactured, for example, by the same manufacturing process as the insulating layer 3 .
  • the second portion 1 b of the two-dimensional material layer 1 is arranged on the second insulating layer 7 .
  • the second portion 1 b is electrically connected to the second electrode portion 2 b on the second insulating layer 7 .
  • the second portion 1b is in contact with the second electrode portion 2b.
  • the two-dimensional material layer 1 further includes a fifth portion 1 e arranged on the second insulating layer 7 .
  • the fifth portion 1e connects between the third portion 1c and the second portion 1b.
  • the first portion 1a, the fourth portion 1d, the third portion 1c, the fifth portion 1e, and the second portion 1b are continuous in the first direction X in this order.
  • the fifth portion 1 e is in contact with the upper surface of the second insulating layer 7 .
  • the electromagnetic wave detector 102 may further include a fourth electrode portion 2 d arranged on the second surface 42 of the semiconductor layer 4 .
  • the first electrode portion 2a, the first portion 1a of the two-dimensional material layer 1, the fourth portion 1d, the third portion 1c, the fifth portion 1e, the second portion 1b, and the second electrode portion 2b are electrically connected in this order.
  • a voltage V is applied between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b.
  • a current I flows through the two-dimensional material layer 1 that forms part of the current path between the first electrode portion 2a and the second electrode portion 2b.
  • An ammeter (not shown) is installed in the power supply circuit, and the current I flowing through the two-dimensional material layer 1 is monitored by the ammeter.
  • the electromagnetic wave detector 102 has the same effects as the electromagnetic wave detector 100 .
  • the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4 are not in Schottky junction.
  • the optical gate due to the pyroelectric effect The effect changes in the two-dimensional plane of the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1, and the source-drain voltage changes.
  • the electromagnetic wave detector 102 can also be turned off by adjusting the voltage V so that current does not flow in the state where the electromagnetic wave is not irradiated and the source-drain voltage is not changed.
  • FIG. 13 is a cross-sectional schematic diagram of the electromagnetic wave detector 103 according to the fourth embodiment.
  • the schematic plan view is the same as FIG.
  • the electromagnetic wave detector 103 shown in FIG. 13 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector 100 shown in FIGS. 1 and the electromagnetic wave detector 100 shown in FIG. Differences of the electromagnetic wave detector 103 from the electromagnetic wave detector 100 will be mainly described below.
  • the reflective film 8 is arranged on the semiconductor layer 4 located below the third portion 1 c of the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5 .
  • Any material can be used for the reflective film 8 as long as it has a reflective characteristic in the wavelength region of the electromagnetic waves absorbed by the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5 .
  • the material forming the reflective film 8 is selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), and palladium (Pd). At least one selected.
  • the reflective film 8 is arranged on the third region 41 c of the first surface 41 of the semiconductor layer 4 .
  • the reflective film 8 is spaced apart from each of the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5 in the direction orthogonal to the third region 41c of the first surface 41 .
  • the reflective film 8 is provided so as not to hinder deformation of the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 .
  • the reflective film 8 is in contact with the third region 41c, which is the bottom surface of the recess 43, for example.
  • the planar shape of the reflective film 8 may be any shape, such as circular, triangular, quadrangular, polygonal, or elliptical.
  • any method may be used to form the reflective film 8.
  • the method may be the same as the method for forming the first electrode portion 2a in the method for manufacturing the electromagnetic wave detector 100 according to the first embodiment. .
  • the distance between the reflective film 8 and the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 in the direction perpendicular to the third region 41c is set to 1/4 of the detection wavelength.
  • the interval of the reflective film 8 is set to 1/4 of the detection wavelength, interference resonance occurs between the electromagnetic wave incident on the reflective film 8 and the electromagnetic wave reflected from the reflective film 8, and the interval is 1/4 of the detection wavelength.
  • the absorption coefficient increases compared to when it is not set to .
  • the electromagnetic wave detector 103 further includes the reflective film 8 , the electromagnetic wave transmitted through the ferroelectric layer 5 and the third portion 1 c of the two-dimensional material layer 1 among the electromagnetic waves irradiated to the electromagnetic wave detector 103 is reflected by the reflective film 8 . It can be reflected and re-enter each of the third portion 1 c of the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5 . As a result, each of the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5 easily absorbs electromagnetic waves, so the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector 103 is high.
  • the incident light and the reflected light interfere with each other as described above. Because of resonance, the absorption coefficient is high and the detection sensitivity is high compared to the electromagnetic wave detector 103 in which the spacing is not set to 1/4 of the detection wavelength.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector 104 according to the fifth embodiment.
  • the schematic plan view is the same as FIG.
  • the electromagnetic wave detector 104 according to Embodiment 5 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector 100 shown in FIGS. It differs from the electromagnetic wave detector 100 shown in FIGS. Differences of the electromagnetic wave detector 104 from the electromagnetic wave detector 100 will be mainly described below.
  • multiple conductors 9 are in contact with the ferroelectric layer 5 .
  • a plurality of conductors 9 are arranged on the third portion 1c in the first direction X at intervals from each other.
  • the plurality of conductors 9 have, for example, a one-dimensional periodic structure.
  • the arrangement of the plurality of conductors 9 in plan view has, for example, periodic symmetry.
  • the plurality of conductors 9 are arranged periodically in one dimension in the first direction X, for example.
  • the plurality of conductors 9 may be arranged one-dimensionally and periodically in the second direction Y (the depth direction of the paper surface of FIG. 14).
  • the plurality of conductors 9 may have a two-dimensional periodic structure.
  • each of the plurality of conductors 9 may be arranged at positions corresponding to grid points such as a square grid or a triangular grid.
  • each of the plurality of conductors 9 may be arranged aperiodically.
  • the arrangement of the plurality of conductors 9 in plan view may be asymmetric.
  • each of the plurality of conductors 9 are, for example, equivalent to each other.
  • the shape and size of each of the plurality of conductors 9 may be different from each other.
  • Each of the plurality of conductors 9 is a floating electrode. Each of the plurality of conductors 9 is not connected to a power supply circuit or the like and is floating.
  • any conductive material may be used as the material for the conductor 9 .
  • the material constituting the conductor 9 is, for example, selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), aluminum (Al), nickel (Ni), chromium (Cr), and palladium (Pd). At least one selected.
  • the material forming the conductor 9 is a material that causes surface plasmon resonance in the conductor 9 .
  • each of the plurality of conductors 9 may be any shape, such as circular, triangular, square, polygonal, or elliptical.
  • each of the plurality of conductors 9 may be any method, but for example, it is equivalent to the method of forming the first electrode portion 2a in the method of manufacturing the electromagnetic wave detector 100 according to the first embodiment. There may be.
  • the electromagnetic wave detector 104 further includes the conductor 9 as a floating electrode on the two-dimensional material layer 1 , the surface carriers generated by the irradiation of the electromagnetic wave in the ferroelectric layer 5 interact with each of the plurality of conductors 9 . can go back and forth. As a result, in the electromagnetic wave detector 104, the lifetime of photocarriers is lengthened and the detection sensitivity is enhanced.
  • the conductors 9 when the plurality of conductors 9 has a one-dimensional periodic structure and the material constituting the conductors 9 is a material that causes surface plasmon resonance, the conductors 9 are polarized with respect to the irradiated electromagnetic waves. Dependencies arise. As a result, the semiconductor layer 4 of the electromagnetic wave detector 104 is irradiated only with electromagnetic waves of specific polarization, so that the electromagnetic wave detector 104 can detect only the specific polarized light with high sensitivity.
  • the plurality of conductors 9 when the plurality of conductors 9 have a two-dimensional periodic structure and the material forming the conductors 9 is a material that causes surface plasmon resonance, the plurality of conductors 9 emit electromagnetic waves of a specific wavelength. Resonate. As a result, the semiconductor layer 4 of the electromagnetic wave detector 104 is irradiated only with electromagnetic waves having a specific wavelength, so that the electromagnetic wave detector 104 can detect only electromagnetic waves with a specific wavelength with high sensitivity.
  • the conductors are responsive to the irradiated electromagnetic waves, as in the case where the plurality of conductors 9 have a one-dimensional periodic structure. 9 gives rise to polarization dependence.
  • the semiconductor layer 4 of the electromagnetic wave detector 104 is irradiated only with electromagnetic waves of specific polarization, so that the electromagnetic wave detector 104 can detect only the specific polarized light with high sensitivity.
  • the plurality of conductors 9 may also be in contact with the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1. Also, the plurality of conductors 9 may not be in contact with the ferroelectric layer 5 but may be in contact with the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 . Even with such a configuration, the same effect as that of the electromagnetic wave detector 104 shown in FIG. 14 can be obtained.
  • the plurality of conductors 9 may be arranged under the two-dimensional material layer 1, for example. In this case, since the two-dimensional material layer 1 is not damaged when the conductor 9 is formed, a decrease in carrier mobility in the two-dimensional material layer 1 can be suppressed.
  • the two-dimensional material layer 1 may have an uneven portion.
  • the uneven portions of the two-dimensional material layer 1 may have a periodic structure or an aperiodic structure, like the plurality of conductors 9 described above. Such irregularities act in the same manner as the plurality of conductors 9 .
  • the electromagnetic wave detector 104 may be provided with the two-dimensional material layer 1 in which the uneven portions are formed instead of the plurality of conductors 9 .
  • the concave and convex portions act in the same manner as the plurality of conductors 9, so that the same effects as those of the electromagnetic wave detector 104 can be obtained.
  • Electromagnetic wave detector 104 further comprises one or more electrical conductors 9 .
  • One or more electrical conductors 9 are arranged in contact with the two-dimensional material layer 1 and/or the ferroelectric layer 5 . In this case, the lifetime of photocarriers in the two-dimensional material layer 1 is lengthened. As a result, the detection sensitivity of the electromagnetic wave detector 104 is enhanced.
  • FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of the electromagnetic wave detector 105 according to the sixth embodiment.
  • the electromagnetic wave detector 105 shown in FIG. 15 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector 100 shown in FIGS. It differs from the electromagnetic wave detector 100 shown in FIGS. 1 and 2 in that at least one or more contact layers 10 are further provided. Differences of the electromagnetic wave detector 105 from the electromagnetic wave detector 100 will be mainly described below.
  • the contact layer 10 is in contact with the lower surface of the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1, for example.
  • the contact layer 10 and the ferroelectric layer 5 are arranged so as to sandwich the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 therebetween.
  • the contact layer 10 may be in contact with the upper surface of the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1.
  • the contact layer 10 is arranged, for example, side by side with the ferroelectric layer 5 in the second direction Y (the depth direction of the paper surface of FIG. 15).
  • the contact layer 10 may be in contact with at least one of the second portion 1b, the third portion 1c, and the fourth portion 1d.
  • the contact layer 10 may be in contact with the second portion 1b or the fourth portion 1d.
  • a contact layer 10 is provided to dope the two-dimensional material layer 1 with electrons or holes.
  • the material constituting the contact layer 10 includes, for example, a composition containing a photosensitizer having a quinonediazite group and a novolac resin, which is called a positive photoresist.
  • the material forming the contact layer 10 may be, for example, a material having a polar group.
  • the material forming the contact layer 10 may be, for example, a material having an electron-withdrawing group.
  • Such a contact layer 10 has the effect of reducing the electron density of the two-dimensional material layer 1 .
  • the material forming the contact layer 10 may be, for example, a material having an electron-donating group.
  • Such a contact layer 10 has the effect of increasing the electron density of the two-dimensional material layer 1 .
  • Materials having electron-withdrawing groups include, for example, materials having halogen, nitrile, carboxyl groups, or carbonyl groups.
  • Materials having an electron-donating group include, for example, materials having an alkyl group, an alcohol, an amino group, or a hydroxyl group.
  • the material forming the contact layer 10 may be any material in which a polar group causes an electric charge bias in the entire molecule.
  • the material constituting the contact layer 10 is an organic substance, a metal, a semiconductor, an insulator, a two-dimensional material, or a mixture of any of these materials, and a material that generates polarity due to an uneven charge in the molecule.
  • the conductivity type with which the two-dimensional material layer 1 is doped by the contact layer 10 is the work function of the contact layer 10 and the work function of the two-dimensional material layer 1. Varies depending on size. When the work function of the contact layer 10 is larger than that of the two-dimensional material layer 1, it is p-type, and when it is smaller, it is n-type.
  • the contact layer 10 will dope the two-dimensional material layer 1 because the organic material forming the contact layer 10 does not have a distinct work function.
  • the type is determined by the polarity of the organic molecules that make up the contact layer 10 .
  • the contact layer 10 when a composition containing a photosensitizer having a quinonediazite group and a novolac resin, called a positive photoresist, is used as the contact layer 10, the region of the two-dimensional material layer 1 where the resist is formed by a photolithography process is p becomes a mold two-dimensional material layer region. This eliminates the need for a mask forming process that contacts the surface of the two-dimensional material layer 1 . As a result, it is possible to reduce process damage to the two-dimensional material layer 1 and to simplify the process.
  • a composition containing a photosensitizer having a quinonediazite group and a novolac resin called a positive photoresist
  • the thickness of the contact layer 10 is sufficiently thin so that photoelectric conversion can be performed when the two-dimensional material layer 1 is irradiated with electromagnetic waves.
  • the thickness of the contact layer 10 is such that the two-dimensional material layer 1 is doped with carriers from the contact layer 10 .
  • the electromagnetic wave detector 105 comprises a contact layer 10 in contact with the two-dimensional material layer 1 .
  • the state (conductivity type) of the two-dimensional material layer 1 is intentionally changed to n It can be of type or p-type.
  • the carrier doping of the two-dimensional material layer 1 can be controlled without considering the effect of carrier doping from the polarization of the first electrode portion 2a, the semiconductor layer 4, and the ferroelectric layer 5. FIG. As a result, the performance of the electromagnetic wave detector can be improved.
  • the contact layer 10 by forming the contact layer 10 only on either the first electrode portion 2a side or the semiconductor layer 4 side of the upper surface of the two-dimensional material layer 1, the charge density gradient in the two-dimensional material layer 1 is formed. It is formed. As a result, the mobility of carriers in the two-dimensional material layer 1 is improved, and the sensitivity of the electromagnetic wave detector can be increased.
  • the composition of the contact layer 10 may be determined accordingly, provided that photocarriers 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 photocarriers are supplied to the two-dimensional material layer 1 at the molecular level, without forming a solid contact layer 10 on the two-dimensional material layer 1.
  • the two-dimensional material layer 1 may be doped with photocarriers.
  • a material that causes polarity conversion may be used in addition to the materials described above.
  • the contact layer 10 undergoes polarity conversion, the electrons or holes generated during the conversion are supplied to the two-dimensional material layer 1 . Therefore, doping of electrons or holes occurs in the part of the two-dimensional material layer 1 that is in contact with the contact layer 10 . Therefore, even if the contact layer 10 is removed, the part of the two-dimensional material layer 1 that was in contact with the contact layer 10 remains doped with electrons or holes. Therefore, when a material that causes polarity conversion is used as the contact layer 10, the contact layer 10 may be removed from the two-dimensional material layer 1 after a certain period of time has passed.
  • the polar conversion is a phenomenon in which a polar group is chemically converted.
  • an electron-withdrawing group changes to an electron-donating group
  • an electron-donating group changes to an is changed to a non-polar group
  • a non-polar group is changed to a polar group.
  • the contact layer 10 may be formed of a material that undergoes polarity conversion by electromagnetic wave irradiation.
  • the contact layer 10 by selecting a material that causes polarity conversion at a specific wavelength of the electromagnetic wave as the material of the contact layer 10, the contact layer 10 causes polarity conversion only when the electromagnetic wave of the specific wavelength is irradiated, thereby forming a two-dimensional material layer. Doping to 1 can be done. As a result, the photocurrent flowing into the two-dimensional material layer 1 can be increased.
  • the two-dimensional material layer 1 can be doped with electrons or holes generated during the redox reaction.
  • a plurality of contact layers 10 may be formed on the two-dimensional material layer 1 .
  • the number of contact layers 10 may be three or more and can be any number.
  • a plurality of contact layers 10 may be formed on the two-dimensional material layer 1 located between the first electrode part 2 a and the semiconductor layer 4 . In that case, the materials of the multiple contact layers 10 may be the same material or different materials.
  • FIG. 16 is a schematic plan view of the electromagnetic wave detector 106 according to the seventh embodiment.
  • FIG. 17 is a schematic plan view showing a first modification of the electromagnetic wave detector according to Embodiment 7.
  • FIG. 16 and 17 are the same as FIG. 2.
  • FIG. 16 and 17 are the same as FIG. 2.
  • the electromagnetic wave detector 106 shown in FIG. 16 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector 100 shown in FIGS.
  • the planar shape of portion 1b is different from that of electromagnetic wave detector 100 shown in FIGS.
  • the first portion 1a of the two-dimensional material layer 1 has a first end surface 1as extending in a direction intersecting with the first surface 41 of the semiconductor layer 4 .
  • the first end surface 1as is orthogonal to the first surface 41, for example.
  • the first end surface 1as has a portion facing the first direction X and a portion facing the second direction Y, for example.
  • the second portion 1b of the two-dimensional material layer 1 has a second end surface 1bs extending in a direction crossing the first surface 41 of the semiconductor layer 4.
  • the second end surface 1bs is orthogonal to the first surface 41, for example.
  • the second end surface 1bs has a portion facing the first direction X and a portion facing the second direction Y, for example.
  • the planar shape of the second portion 1b is a comb shape (ladder shape).
  • at least one slit 11 is formed in the second portion 1b.
  • a plurality of slits 11 are formed in the second portion 1b.
  • Each of the plurality of slits 11 extends along the first direction X, for example.
  • Each of the plurality of slits 11 extends, for example, to the boundary between the second portion 1b and the third portion 1c.
  • the second portion 1b is configured as an aggregate of a plurality of minute portions spaced apart from each other in the second direction Y. As shown in FIG.
  • the first direction end of each of the plurality of minute portions is connected to the third portion 1c.
  • the planar shape of each of the plurality of minute portions may be any shape, such as a rectangular shape.
  • Each planar shape of the second portion 1b shown in FIG. 16 is symmetrical with respect to the center line extending along the second direction Y through the center of the semiconductor layer 4 in the first direction X.
  • the planar shape of the second portion 1b shown in FIG. 16 is symmetrical with respect to a stop line extending along the first direction X through the center of the two-dimensional material layer 1 in the second direction Y. As shown in FIG.
  • the second end surface 1bs has a pair of facing surface portions facing each other in the second direction Y, for example.
  • the total area of the second end surfaces 1bs of the second portions 1b is larger than the total area of the first end surfaces 1as of the first portions 1a. From a different point of view, the sum of the widths in the second direction Y of the second portions 1b is smaller than the sum of the widths in the second direction Y of the first portions 1a in plan view.
  • the area occupied by second portion 1b when electromagnetic wave detector 106 is viewed in plan is smaller than the area occupied by second portion 1b when electromagnetic wave detector 100 is viewed in plan.
  • the area of the contact surface between second portion 1 b and semiconductor layer 4 in electromagnetic wave detector 106 is smaller than the area of the contact surface between second portion 1 b and semiconductor layer 4 in electromagnetic wave detector 100 .
  • the minimum sum of the widths of the second portions 1b in the second direction Y is narrower than the minimum widths of the first portion 1a, the fourth portion 1d, and the third portion 1c in the second direction Y.
  • the planar shape of the second portion 1b may be a lattice shape.
  • a plurality of openings 12 are formed to expose the semiconductor layer 4, and the plurality of openings 12 are aligned in the longitudinal direction and the lateral direction of the semiconductor layer 4. are placed.
  • the minimum sum of the widths of the second portions 1b in the second direction Y is narrower than the minimum width of each of 1c.
  • planar shape of the second portion 1b may be an E shape.
  • Each of the plurality of slits 11 does not have to extend, for example, to the boundary between the second portion 1b and the third portion 1c.
  • the electromagnetic wave detector 106 shown in FIGS. 16 and 17 the area of the contact surface between the second portion 1b and the semiconductor layer 4 can be adjusted according to the planar shape of the second portion 1b. Therefore, in the electromagnetic wave detector 106, the contact resistance between the second portion 1b of the two-dimensional material layer 1 and the semiconductor layer 4, and thus the resistance of the electromagnetic wave detector 106 can be adjusted. As a result, the electromagnetic wave detector 106 may have reduced variations in characteristics of the electromagnetic wave detector 106 and a reduced dark current as compared to the electromagnetic wave detector 100 shown in FIGS.
  • the total area of the second end surfaces 1bs of the second portions 1b is larger than the total area of the first end surfaces 1as of the first portions 1a.
  • the second end surface 1bs extends along the thickness direction of the two-dimensional material layer 1, in other words, along the direction orthogonal to the two-dimensional plane in which the atoms are two-dimensionally arranged in the two-dimensional material layer 1. Therefore, the end surface area of the two-dimensional crystal structure in the second portion 1 b of the electromagnetic wave detector 106 is larger than the end surface area of the two-dimensional crystal structure in the second portion 1 b of the electromagnetic wave detector 100 .
  • the electromagnetic wave detector 106 the proportion of dangling bonds in the two-dimensional crystal structure is increased in the second end face 1bs of the second portion 1b compared to the electromagnetic wave detector 100.
  • FIG. 1 when carriers generated in the semiconductor layer 4 by electromagnetic wave irradiation are transported to the first electrode portion 2a through the two-dimensional material layer 1, the two-dimensional material layer 1 of the electromagnetic wave detector 106 does not Compared to the two-dimensional material layer 1, the rate of change in carrier density is increased, the mobility of carriers is increased, and the amount of change in current I is increased. As a result, the sensitivity of electromagnetic wave detector 106 is higher than that of electromagnetic wave detector 100 .
  • the second portion 1b of the two-dimensional material layer 1 may be composed of graphene nanoribbons.
  • Graphene nanoribbons have a bandgap that varies with their width. Therefore, the wavelength range of electromagnetic waves that can be photoelectrically converted in the second portion 1b can be adjusted according to the width in the first direction X of the second portion 1b made of graphene nanoribbons.
  • the wavelength range of electromagnetic waves that can be photoelectrically converted in the second portion 1b can be narrower than the wavelength range of electromagnetic waves that can be photoelectrically converted in each of the first portion 1a, the third portion 1c, and the fourth portion 1d.
  • optical carriers generated by photoelectric conversion in the second portion 1b can be detected separately from optical carriers generated by photoelectric conversion in each of the first portion 1a, the third portion 1c, and the fourth portion 1d. Further, the sensitivity of the electromagnetic wave detector 106 is improved by detecting optical carriers generated by photoelectric conversion in the second portion 1b. In addition, in such an electromagnetic wave detector 106, since the second portion 1b made of graphene nanoribbons and the semiconductor layer 4 form a Schottky junction, the dark current is reduced, and the electromagnetic waves absorbed at the Schottky junction Sensitivity is improved by detecting the generated photocarriers.
  • FIG. 18 is a schematic plan view of electromagnetic wave detector 107 according to the eighth embodiment.
  • 19 is a schematic cross-sectional view along the line segment XIX-XIX in FIG. 18.
  • the electromagnetic wave detector 107 shown in FIGS. 18 and 19 basically has the same configuration as the electromagnetic wave detector 100 shown in FIGS.
  • the electromagnetic wave detector 100 shown in FIGS. 1 and 2 is different from the electromagnetic wave detector 100 shown in FIGS. Differences of the electromagnetic wave detector 107 from the electromagnetic wave detector 100 will be mainly described below.
  • the adhesion layer 13 is arranged so as to be sandwiched between the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5 in a cross-sectional view.
  • the adhesion layer 13 is arranged so as to contact the entirety of each of the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5 .
  • the adhesion layer 13 may be arranged so as to be in contact with a portion of each of the third portion 1 c of the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5 .
  • the material forming the adhesion layer 13 includes at least one selected from insulating materials formed by an ALD (Atomic Layer Deposition) method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and a sputtering method.
  • a material forming the adhesion layer 13 is, for example, alumina formed by the ALD method.
  • the adhesion layer 13 is formed on the two-dimensional material layer third portion 1c before forming the ferroelectric layer 5, for example.
  • the ferroelectric layer 5 is formed on the adhesion layer 13 after the adhesion layer 13 is formed, for example. Note that the adhesion layer 13 and the ferroelectric layer 5 may be formed continuously and then patterned continuously using the same mask pattern.
  • the electromagnetic wave detector 107 is basically electrically connected to the power supply circuit similarly to the electromagnetic wave detector 100 and can operate similarly to the electromagnetic wave detector 100 .
  • the adhesion layer 13 arranged between the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5 allows electromagnetic wave detection without the adhesion layer 13. Adhesion between the third portion 1c and the ferroelectric layer 5 is improved as compared with the container 100. FIG. As a result, variations in characteristics among the electromagnetic wave detectors 107 as detection elements are reduced, and the production yield is improved.
  • the thermal stress corresponding to the difference between the film forming temperature and the driving temperature is It occurs in the body layer 5 and causes deformation and resistance change of the two-dimensional material layer third portion 1c.
  • the electromagnetic wave detector 107 includes the adhesion layer 13, the deformation is suppressed and the change in resistance is reduced, so that the variation in characteristics can be reduced.
  • the production yield in the electromagnetic wave detector 100 without the adhesion layer 13, the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric Peeling may occur between the layers 5 .
  • the adhesion layer 13 formed between the third portion 1c of the two-dimensional material layer 1 and the ferroelectric layer 5 controls the charge distribution on the surface of the ferroelectric layer 5. Neutralize. Thereby, in the electromagnetic wave detector 107, separation between the two-dimensional material layer third portion 1c and the ferroelectric layer 5 is suppressed, and the production yield of the electromagnetic wave detector 107 can be improved.
  • Embodiment 9 ⁇ Configuration of electromagnetic wave detector array> 20 is a top view of an electromagnetic wave detector array according to Embodiment 9.
  • FIG. 21 is a schematic diagram showing an example of a readout circuit for reading out electrical signals obtained from the electromagnetic wave detector array according to the ninth embodiment.
  • 22 is a top view showing a first modification of the electromagnetic wave detector array according to Embodiment 9.
  • an electromagnetic wave detector array 1000 according to Embodiment 9 is an assembly of a plurality of electromagnetic wave detectors 100.
  • Electromagnetic wave detector array 1000 has a plurality of electromagnetic wave detectors 100 according to any one of Embodiments 1 to 8 as detection elements.
  • Electromagnetic wave detector array 1000 includes, for example, the electromagnetic wave detector according to Embodiment 1 as electromagnetic wave detector 100 .
  • each detection wavelength of the plurality of electromagnetic wave detectors 100 is the same.
  • a plurality of electromagnetic wave detectors 100 are arranged in an array in two-dimensional directions. In other words, the plurality of electromagnetic wave detectors 100 are arranged side by side in a first direction and a second direction crossing the first direction.
  • four electromagnetic wave detectors 100 are arranged in a 2 ⁇ 2 array.
  • the number of electromagnetic wave detectors 100 arranged is not limited to this.
  • a plurality of electromagnetic wave detectors 100 may be arranged in an array of 3 or more ⁇ 3 or more.
  • the plurality of electromagnetic wave detectors 100 are arranged periodically two-dimensionally, but the plurality of electromagnetic wave detectors 100 are arranged periodically along one direction. may have been Also, the intervals between the plurality of electromagnetic wave detectors 100 may be equal intervals or may be different intervals.
  • the second electrode portion 2b may be a common electrode as long as each electromagnetic wave detector 100 can be separated.
  • the second electrode portion 2b as a common electrode, it is possible to reduce the number of wirings of pixels compared to the configuration in which the second electrode portion 2b is independent in each electromagnetic wave detector 100. FIG. As a result, it is possible to increase the resolution of the electromagnetic wave detector array.
  • the opening structure of the semiconductor layer 4 described in the first embodiment may be provided on the outer periphery of the electromagnetic wave detectors 100 .
  • the electromagnetic wave detector array 1000 including a plurality of electromagnetic wave detectors 100 in this manner can also be used as an image sensor by arranging the plurality of electromagnetic wave detectors 100 in an array.
  • Electromagnetic wave detector array 1000 may include any one of the electromagnetic wave detectors according to Embodiments 2 to 7 as electromagnetic wave detector 100 . Electromagnetic wave detector array 1000 may include any one of the electromagnetic wave detectors according to Embodiments 2 to 8 as electromagnetic wave detector 100 .
  • the electromagnetic wave detector array 1000 may include a plurality of electromagnetic wave detectors according to any one of Embodiments 1 to 8, or two or more of Embodiments 1 to 8. A plurality of electromagnetic wave detectors may be provided.
  • a detection circuit such as a readout circuit or a matrix selection circuit for reading the electric signal obtained from each electromagnetic wave detector 100.
  • a detection circuit such as a readout circuit or a matrix selection circuit may be provided on another semiconductor chip and electrically connected to the electromagnetic wave detector array 1000 by bumps or the like.
  • FIG. 21 is a schematic diagram showing an example of such a detection circuit, indicated generally at 300.
  • the electromagnetic wave detectors 100 forming the electromagnetic wave detector array 1000 are also called pixels.
  • the detection circuit 300 includes a vertical scanning circuit 20 that vertically scans the pixels 100 of the electromagnetic wave detector array 1000, a horizontal scanning circuit 21 that horizontally scans the pixels 100, and a power supply circuit 22 that supplies a bias voltage to each circuit. and an output circuit 23 for outputting the signal from the horizontal scanning circuit 21 to the outside of the electromagnetic wave detector array 1000 .
  • the detection circuit 300 detects the response of the electromagnetic wave detector 100 for each pixel. Specifically, a voltage is applied to the vertical scanning circuit 20 to select one row, and a voltage is applied to the horizontal scanning circuit 21 to select one column, thereby reading the response of one pixel. By fixing a row selected by the vertical scanning circuit 20 and sequentially applying voltages to the horizontal scanning circuit 21, all pixel responses of the row are read out. After that, similarly, by applying a voltage to the vertical scanning circuit 20 to select another row and sequentially applying a voltage to the horizontal scanning circuit 21, all the pixel responses of the other row are read out. By repeating this, the responses of all pixels can be read out.
  • the method of reading the response for each pixel using the vertical scanning circuit 20 and the horizontal scanning circuit 21 has been described, but the method is not limited to this, and the response may be read for each row or column. However, other methods may be used.
  • the electromagnetic wave detector array 2000 shown in FIG. 22 has basically the same configuration as the electromagnetic wave detector array 1000 shown in FIG. 20, and can obtain similar effects. It differs from the electromagnetic wave detector array shown in FIG. 20 in that different electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 are provided.
  • Each of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 is an electromagnetic wave detector according to any one of the first to seventh embodiments described above.
  • the electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 include, for example, two groups of electromagnetic wave detectors with mutually different detection wavelengths.
  • the electromagnetic wave detector array 2000 can detect electromagnetic waves of at least two or more different wavelengths.
  • electromagnetic wave detector array 2000 different types of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 are arranged in an array (matrix).
  • the electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 are arranged in a 2 ⁇ 2 matrix, but the number of arranged electromagnetic wave detectors is not limited to this.
  • the plurality of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, 203 are arranged periodically in two dimensions. 203 may be arranged periodically along one direction. Also, the intervals between the plurality of electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 may be equal intervals or may be different intervals.
  • the electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 of different types are arranged in an array, so that it can function as an image sensor.
  • the electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 having different detection wavelengths in an array in this way, similar to an image sensor used in the visible light range, for example, ultraviolet light, infrared light, terahertz waves, and radio waves can be detected.
  • the wavelength of electromagnetic waves can be identified in any wavelength range such as the wavelength range of .
  • a colorized image can be obtained, for example, in which wavelength differences are indicated as color differences.
  • semiconductor materials with different detection wavelengths may be used as the constituent material of the semiconductor layer 4 that constitutes the electromagnetic wave detector.
  • a semiconductor material whose detection wavelength is a visible light wavelength and a semiconductor material whose detection wavelength is an infrared wavelength may be used as the constituent materials.
  • the electromagnetic wave detector when the electromagnetic wave detector is applied to an in-vehicle sensor, the electromagnetic wave detector can be used as a visible light image camera during the daytime. Furthermore, the electromagnetic wave detector can also be used as an infrared camera at night. In this way, there is no need to use different cameras having image sensors depending on the detection wavelength of electromagnetic waves.
  • the electromagnetic wave detector can be used as a position detection sensor capable of detecting the position of an object even with a small number of pixels, for example.
  • the electromagnetic wave detectors 200, 201, 202, and 203 having different detection wavelengths according to the structure of the electromagnetic wave detector array, an image sensor that detects the intensity of electromagnetic waves of multiple wavelengths can be obtained.
  • a color filter which is conventionally required in a CMOS image sensor or the like.
  • a polarization identification image sensor can be formed.
  • polarization imaging can be performed by arranging a plurality of electromagnetic wave detectors of one unit, with four pixels having detection polarization angles of 0°, 90°, 45°, and 135° as one unit.
  • Polarization-sensitive image sensors allow, for example, man-made and natural object identification, material identification, same-temperature object identification in the infrared wavelength range, boundary identification between objects, or equivalent resolution enhancement.
  • the electromagnetic wave detector array 2000 can detect electromagnetic waves in a wide wavelength range. Also, the electromagnetic wave detector array 2000 can detect electromagnetic waves of different wavelengths.
  • the insulating layer 3, the semiconductor layer 4, the ferroelectric layer 5, the conductor 9, and the contact layer 10 are made from It is preferable to use a material that provides a change in potential.
  • examples of materials whose characteristics are changed by irradiation with electromagnetic waves and which give a change in potential to the two-dimensional material layer 1 include quantum dots, ferroelectric materials, liquid crystal materials, fullerenes, rare earth oxides, semiconductor materials, pn A bonding material, a metal-semiconductor bonding material, or a metal-insulator-semiconductor bonding material can be used.
  • a ferroelectric material having a polarization effect (pyroelectric effect) due to electromagnetic waves is used as the ferroelectric material, the polarization of the ferroelectric material changes due to the irradiation of the electromagnetic waves. As a result, a change in potential can be applied to the two-dimensional material layer 1 .
  • the materials constituting the insulating layer 3, the semiconductor layer 4, the ferroelectric layer 5, the conductor 9, and the contact layer 10 are materials whose characteristics change when irradiated with electromagnetic waves, the insulating layer 3, The semiconductor layer 4 , the ferroelectric layer 5 , the conductor 9 , and the contact layer 10 change their characteristics when irradiated with an electromagnetic wave, and the two-dimensional material layer 1 can be given a change in potential.
  • the contact layer 10 may be made of a material whose characteristics change when irradiated with an electromagnetic wave and which gives the two-dimensional material layer 1 a change in potential.
  • the contact layer 10 when a material whose properties change when irradiated with an electromagnetic wave and which changes the potential of the two-dimensional material layer 1 is applied to the contact layer 10, the contact layer 10 must be in direct contact with the two-dimensional material layer 1. no.
  • the contact layer 10 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 as long as a change in potential can be applied to the two-dimensional material layer 1 .

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Abstract

検出感度及び応答速度が高く、かつＯＦＦ動作が可能な、二次元材料層を用いた電磁波検出器を提供する。電磁波検出器（１００）は、第１部分（１ａ）と、第１方向（Ｘ）において第１部分（１ａ）と間隔を空けて配置されている第２部分（１ｂ）と、第１方向（Ｘ）において第１部分（１ａ）と第２部分（１ｂ）との間に架橋されている第３部分（１ｃ）とを有する二次元材料層（１）と、第１部分（１ａ）と電気的に接続されている第１電極部（２ａ）と、二次元材料層（１）の第１部分（１ａ）、第３部分（１ｃ）、及び第２部分（１ｂ）を介して第１電極部（２ａ）と電気的に接続されている第２電極部（２ｂ）と、少なくとも一部が第３部分（１ｃ）上に配置されている強誘電体層（５）とを備える。

Description

電磁波検出器及び電磁波検出器アレイ
　本開示は、電磁波検出器及び電磁波検出器アレイに関する。
　次世代の電磁波検出器として、例えばグラフェン等の二次元材料層を電磁波検出層として備える電磁波検出器が知られている。二次元材料層は、極めて高い移動度を有しているが、両氏効率が比較的低い。近年、二次元材料層を備える電磁波検出器において、高感度化が進められている。
　例えば、国際公開第２０１８／０１２０７６号明細書（特許文献１）には、ソース・ドレイン電極間に接続されたグラフェン層の下部または上部に配置された強誘電体層を備える電磁波検出器が提案されている。
上記検出器では、入射電磁波、特に赤外線波長域の電磁波が入射することにより強誘電体層が焦電効果を発生する。この焦電効果により、強誘電体層において誘電分極の変化が発生し、その結果、グラフェン層のゲート電圧が変調される。グラフェン層は原子層の厚さかつ電荷移動度が高いことから、わずかなゲート電圧変化によって巨大な電流応答変化が得らえる。このような効果を光ゲート効果と呼ぶ。この光ゲート効果により高感度化が実現できる。
国際公開第２０１８／０１２０７６号明細書
　しかしながら、上述した検出器において、グラフェンにソース・ドレイン電圧を印加した高感度化動作時にはトランジスタ動作をするため、検出器のＯＦＦ動作が困難である。また、従来強誘電体層において生じる焦電効果を用いることから、応答速度が低い。
　本開示の主たる目的は、検出感度及び応答速度が高く、かつＯＦＦ動作が可能な、二次元材料層を用いた電磁波検出器を提供することにある。
　本開示に係る電磁波検出器は、第１部分と、第１方向において第１部分と間隔を空けて配置されている第２部分と、第１方向において第１部分と第２部分との間に架橋されている第３部分とを有する二次元材料層と、第１部分と電気的に接続されている第１電極部と、二次元材料層の第１部分、第３部分、及び第２部分を介して第１電極部と電気的に接続されている第２電極部と、少なくとも一部が第３部分上に配置されている強誘電体層とを備える。
　本開示によれば、検出感度及び応答速度が高く、かつＯＦＦ動作が可能な、二次元材料層を用いた電磁波検出器を提供できる。
実施の形態１に係る電磁波検出器の平面模式図である。 図１中の線分ＩＩ－ＩＩにおける断面模式図である。 実施の形態１に係る電磁波検出器の製造方法を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１に係る電磁波検出器における、強誘電体層の焦電効果に伴う動作原理を具体的に説明するための図である。 実施の形態１に係る電磁波検出器における、強誘電体層の焦電効果と逆圧電効果に伴う動作原理を具体的に説明するための図である。 実施の形態１に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。 図６中の線分ＶＩＩ－ＶＩＩにおける断面模式図である。 実施の形態２に係る電磁波検出器の平面模式図である。 図８中の線分ＩＸ－ＩＸにおける断面模式図である。 実施の形態２に係る電磁波検出器における共振周波数での電圧印加時における二次元材料層の吸収電磁波波長変化を説明するための図である。 実施の形態３に係る電磁波検出器の断面模式図である。 図１１の線分ＸＩＩ－ＸＩＩにおける断面模式図である。 実施の形態４に係る電磁波検出器の断面模式図である。 実施の形態５に係る電磁波検出器の断面模式図である。 実施の形態６に係る電磁波検出器の断面模式図である。 実施の形態７に係る電磁波検出器の平面模式図である。 実施の形態７に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。 実施の形態８に係る電磁波検出器の平面模式図である。 図１８中の線分ＸＩＸ－ＸＩＸにおける断面模式図である。 実施の形態９に係る電磁波検出器アレイの上面図である。 実施の形態９に係る電磁波検出器アレイから得られた電気信号を読み出す読出し回路の一例を示す模式図である。 実施の形態９に係る電磁波検出器アレイの第１変形例を示す上面図である。
　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。特記される場合を除いて、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、同一の符号が付されたものは、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。以下に説明される実施の形態は、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。つまり、ｎ型の材料は、電子供与性を有する材料である。また、ｐ型の材料は、電子求引性を有する材料である。
　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メタサーフェスまたはメタ表面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。
　より好ましくは、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（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か、これらの材料を複数積層したものであってもよい。
　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、二次元材料層は、単層グラフェンが２層以上積層した多層グラフェンとして構成されていてもよい。また、二次元材料層として、ノンドープのグラフェン、またはｐ型又はｎ型の不純物がドープされたグラフェンが用いられてもよい。二次元材料層に多層グラフェンを用いた場合、二次元材料層の光電変換効率が増加し、電磁波検出器の感度は高くなる。二次元材料層１として用いられる多層グラフェンは、任意の２層のグラフェンにおける六方格子の格子ベクトルの向きが一致しなくてもよく、一致してもよい。例えば、２層以上のグラフェンを積層することで、二次元材料層においてバンドギャップが形成される。この結果、光電変換される電磁波の波長選択効果を持たせることが可能である。なお、二次元材料層を構成する多層グラフェンにおける層数が増加すると、チャネル領域でのキャリアの移動度は低下する。一方、この場合には二次元材料層が基板などの下地構造からのキャリア散乱の影響を受けにくくなり、結果的にノイズレベルが低下する。そのため、二次元材料層として多層グラフェンを用いた電磁波検出器は、電磁波吸収が増加し、電磁波の検出感度を高められる。
　また、二次元材料層が電極と接触している場合、電極から二次元材料層へキャリアがドープされる。例えば、電極の材料として金（Ａｕ）を用いた場合、二次元材料層とＡｕとの仕事関数の差から、電極近傍の二次元材料層に正孔がドープされる。この状態で電磁波検出器を電子伝導状態で駆動させると、電極から二次元材料層にドープされた正孔の影響により、二次元材料層のチャネル領域内に流れる電子の移動度が低下し、二次元材料層と電極とのコンタクト抵抗が増加する。このコンタクト抵抗の増加により、電磁波検出器における電界効果による電子（キャリア）の移動度が低下し、電磁波検出器の性能低下が生じ得る。特に、二次元材料層として単層グラフェンを用いた場合、電極から注入されるキャリアのドープ量が大きい。そのため、電磁波検出器における上記電子の移動度の低下は、二次元材料層として単層グラフェンを用いた場合に特に顕著である。したがって、二次元材料層をすべて単層グラフェンにより形成した場合、電磁波検出器の性能が低下する恐れがあった。
　そこで、電極との接触領域は多層グラフェンにより構成されていてもよい。多層グラフェンは単層グラフェンに比べ、電極からのキャリアドーピングが小さい。そのため、二次元材料層と電極との間のコンタクト抵抗の増加を抑制できる。この結果、電磁波検出器における上述した電子の移動度の低下を抑制することができ、電磁波検出器の性能を向上できる。
　また、二次元材料層としてはナノリボン状のグラフェン（以下、グラフェンナノリボンとも呼ぶ）を用いることもできる。その場合、二次元材料層としては、たとえばグラフェンナノリボン単体、複数のグラフェンナノリボンを積層した複合体、又は、グラフェンナノリボンが平面上に周期的に配列された構造体のいずれかを用いられる。例えば、二次元材料層として、グラフェンナノリボンが周期的に配置された構造体を用いる場合、グラフェンナノリボンにおいて、プラズモン共鳴を発生できる。この結果、電磁波検出器の感度を向上できる。ここで、グラフェンナノリボンが周期的に配列された構造は、グラフェンメタマテリアルと呼ばれることもある。したがって、二次元材料層としてグラフェンメタマテリアルを用いた電磁波検出器においても、上述した効果を得られる。
　多層グラフェンの場合は、積層方位角度が自然状態のグラファイトに見られるＡＢ積層ではない、乱層積層でもよい。乱層積層はランダム積層、ｔｕｒｂｏｓｔｒａｔｉｃ　ｇｒａｐｈｅｎｅとも呼ばれる。乱層構造部分の作製方法は、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が形成されてもよい。
　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膜の層である。
　絶縁層の材料は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）である。絶縁層の材料は、酸化ケイ素に限られず、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）（ボロンナイトライド）、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に接触する場合、二次元材料層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、二次元材料層の下に配置される下地膜としての絶縁層に好適である。
　強誘電体層の材料は、検出波長を有する電磁波が強誘電体層に入射した際に分極が生じる材料であれば適宜に決められてもよい。強誘電体層５の材料は、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム（ＳＢＴ）、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）および有機ポリマーであるポリフッ化ビニリデン系強誘電体（ＰＶＤＦ、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ－ＣＴＦＥ）等）の少なくともいずれかを含む。また、強誘電体層５は、異なる複数の強誘電体材料が積層または混合されることで構成されていてもよい。
　強誘電体層の材料は、焦電効果を奏する焦電体であれば、上記の材料に限られない。具体的には、強誘電体層の材料は、強誘電体層の内部の熱エネルギーの変化に対して分極変化が生じる強誘電体であればよい。なお、焦電効果において電磁波は単に熱源として作用する。このため、焦電効果には、基本的に波長依存性はない。よって、強誘電体層５には、基本的に波長依存性はない。したがって、強誘電体層は、広帯域の電磁波に感度を有する。
　半導体層を構成する材料は、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。半導体層の材料は、ＴｙｐｅＩＩ超格子であってもよい。ＴｙｐｅＩＩ超格子にはバリア型と呼ばれる膜構成でもよい。半導体層は多層構造であってもよく、ｐｎ接合フォトダイオードや、ｐｉｎフォトダイオード、ショットキーフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードを用いてもよい。また、半導体層としてフォトトランジスタを用いてもよい。半導体層の材料は、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。半導体層を構成する材料が上述した半導体材料の組み合わせであれば、該半導体層を備える電磁波検出器では多波長の検出が可能となる。半導体層の電気抵抗率が１００Ω・ｃｍ以下になるように、半導体層に不純物がドーピングされていることが好ましい。半導体層が高濃度にドーピングされることで、キャリアの半導体層中での移動速度（読み出し速度）が速くなる。この結果、電磁波検出器の応答速度が向上する。
　実施の形態１．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図１は、実施の形態１に係る電磁波検出器の平面模式図である。図２は、図１の線分ＩＩ－ＩＩにおける断面模式図である。図２には、電磁波検出器１００の典型的な電気的接続も示されている。図１および図２に示した電磁波検出器は、二次元材料層１と、第１電極部２ａと、第２電極部２ｂと、絶縁層３と、半導体層４と、強誘電体層５とを主に備える。
　半導体層４は、第１面４１、及び第１面４１とは反対側に位置する第２面４２を有している。第１面４１及び第２面４２の各々は、第１方向Ｘ及び第１方向Ｘと直交する第２方向Ｙに沿って延びている。
　第１面４１は、第１領域４１ａと、第１方向Ｘにおいて第１領域４１ａと間隔を空けて配置されている第２領域４１ｂと、第１方向Ｘにおいて第１領域４１ａと第２領域４１ｂとの間に配置されている第３領域４１ｃとを有している。第１領域４１ａ及び第２領域４１ｂの各々は、例えば平面である。第２領域４１ｂは、例えば第１領域４１ａと同一平面を成すように設けられている。半導体層４には、第１領域４１ａ及び第２領域４１ｂの各々から凹んでいる凹部４３が形成されている。凹部４３は、例えば第２方向Ｙに沿って延びている。第３領域４１ｃは、例えば凹部４３の底面である。なお、第３領域４１ｃは、第１領域４１ａ及び第２領域４１ｂの各々と同一平面を成すように設けられていてもよい。
　絶縁層３は、第１面４１の第１領域４１ａ上に配置されている。絶縁層３は、第１面４１の第２領域４１ｂ及び第３領域４１ｃ上に配置されておらず、第２領域４１ｂ及び第３領域４１ｃを露出している。
　第１電極部２ａは、絶縁層３の上面の一部上に配置されている。第１電極部２ａは、二次元材料層１の第１部分１ａと電気的に接続されている。第２電極部２ｂは、半導体層４の第２面４２上に配置されている。第２電極部２ｂは、半導体層４と電気的に接続されている。第２電極部２ｂは、二次元材料層１及び半導体層４を介して第１電極部２ａと電気的に接続されている。
　二次元材料層１は、第１電極部２ａ、絶縁層３、および半導体層４上に設けられている。二次元材料層１は、第１電極部２ａに電気的に接続されている。二次元材料層１は、第１電極部２ａの上面から絶縁層３の上面に延在している。二次元材料層１は、半導体層４に電気的に接続されている。
　より詳細には、二次元材料層１は、第１部分１ａ、第２部分１ｂ、第３部分１ｃ、及び第４部分１ｄを主に含む。第１部分１ａ、第４部分１ｄ、第３部分１ｃ、及び第２部分１ｂは、この記載順に第１方向Ｘに連なっている。例えば、二次元材料層１は、平面視において、第１方向Ｘに沿っている長手方向と第２方向Ｙに沿っている短手方向とを有している。
　第１部分１ａ及び第４部分１ｄは、半導体層４の第１面４１の第１領域４１ａ上に配置されている。第１部分１ａは、絶縁層３上において第１電極部２ａと電気的に接続されている。第１部分１ａは、例えば第１電極部２ａの上面に接触している。なお、第１部分１ａは、第１電極部２ａの下面に接触していてもよい。第４部分１ｄは、第１部分１ａと第３部分１ｃとの間を接続している。第４部分１ｄは、絶縁層３の上面に接触している。
　第２部分１ｂは、第１方向Ｘにおいて第１部分１ａと間隔を空けて配置されている。第２部分１ｂは、半導体層４の第１面４１の第２領域４１ｂと接している。第２部分１ｂは、半導体層４と電気的に接続されている。好ましくは、第２部分１ｂは、半導体層４とショットキー接合している。
　第３部分１ｃは、第１方向Ｘにおいて半導体層４の第１領域４１ａと第２領域４１ｂとの間に架橋されている。第３部分１ｃは、半導体層４の第１面４１の第３領域４１ｃ上に配置されている。第３部分１ｃは、第１部分１ａ及び第２部分１ｂとは異なり、第１電極部２ａ、絶縁層３、及び半導体層４の各々と接触していない。第３部分１ｃは、例えば、第３部分１ｃの温度が変化したときに変形するように設けられている。
　二次元材料層１の第１部分１ａ、第２部分１ｂ、第３部分１ｃ、および第４部分１ｄの各々の厚みは、互いに等しくてもよい。二次元材料層１の上面には第１部分１ａ、第２部分１ｂ、第３部分１ｃ、および第４部分１ｄに起因した凹凸が設けられていてもよい。
　強誘電体層５は、二次元材料層１の第３部分１ｃ上に配置されている。強誘電体層５の下面が、第３部分１ｃの上面と接している。強誘電体層５は、二次元材料層１の第３部分１ｃと電気的に接続されている。
　なお、強誘電体層５の上面が、第３部分１ｃの下面と接していてもよい。強誘電体層５は、第１電極部２ａ、絶縁層３、及び半導体層４の各々と接触していない。なお、強誘電体層５は、絶縁層３と接触してもよい。
　強誘電体層５は、電磁波検出器１００が検出対象とする電磁波の波長（以下、検出波長ともよぶ）に感度を有している。強誘電体層５に検出波長を有する電磁波が照射されると、強誘電体層５において誘電分極が変化する。強誘電体層５は、強誘電体層５において誘電分極が変化したときに、逆圧電効果によって二次元材料層１の第３部分１ｃとともに変形するように設けられている。言い換えると、強誘電体層５は、強誘電体層５に検出波長を有する電磁波が照射されると、二次元材料層１の第３部分１ｃを変形させて、第３部分１ｃの抵抗値を変化させるように設けられている。
　好ましくは、強誘電体層５は、強誘電体層５内における誘電分極の変化速度が可能な限り速くなるように構成されている。例えば、強誘電体層５の厚さ（膜厚）は、二次元材料層１と半導体層４との間に電圧を印加可能な範囲で、可能な限り薄い。
　＜電磁波検出器の製造方法＞
　図３は、実施の形態１に係る電磁波検出器の製造方法を説明するためのフローチャートである。図３を参照しながら、図１および図２に示した電磁波検出器の製造方法を説明する。
　まず、図３に示す準備工程（Ｓ１）を実施する。この工程（Ｓ１）では、たとえばシリコン等からなる平坦な基板である半導体層４を準備する。
　次に、電極形成工程（Ｓ２）を実施する。この工程（Ｓ２）では、半導体層４の裏面に第２電極部２ｂを形成する。具体的には、まず半導体層４の表面に保護膜を形成する。保護膜としてはたとえばレジストを用いる。この状態で、半導体層４の裏面に第２電極部２ｂを成膜する。第２電極部２ｂを構成する材料としては、たとえば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）等の金属を用いられる。この時、半導体層４と第２電極部２ｂとの密着性を向上させるために、半導体層４の裏面に、第２電極部２ｂより先に密着層を形成してもよい。密着層の材料としては、たとえば銅（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）を用いられる。なお、上記工程（Ｓ２）は半導体層４の表面が保護されている限り、工程（Ｓ３～７）より後に実施してもよい。
　次に、絶縁層形成工程（Ｓ３）を実施する。この工程（Ｓ３）では、半導体層４の表面上に、絶縁層３を形成する。絶縁層３は、例えば半導体層４がシリコンの場合は、半導体層４において表面を部分的に熱酸化して形成される酸化シリコン（ＳｉＯ２）でもよい。あるいは、ＣＶＤ（Chemical　Vapor　Deposition）法やスパッタ法により、半導体層４の表面上に絶縁層を形成してもよい。
　次に、電極形成工程（Ｓ４）を実施する。この工程（Ｓ４）では、絶縁層３上に第１電極部２ａを形成する。第１電極部２ａを構成する材料は、たとえば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）等の金属を用いる。この時、第１電極部２ａと絶縁層３との密着性を向上させるために、絶縁層３と第１電極部２ａとの間に密着層を形成してもよい。密着層を構成する材料としては、たとえばクロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等を用いられる。
　第１電極部２ａの形成方法としては、たとえば以下のようなプロセスを用いられる。まず、絶縁層３の表面上に写真製版またはＥＢ描画などを用いてレジストマスクを形成する。レジストマスクには、第１電極部２ａが形成されるべき領域に開口部が形成されている。その後、レジストマスク上に、第１電極部２ａとなるべき金属などの膜を形成する。当該膜の形成には、蒸着法やスパッタリング法などを用いられる。このとき、当該膜はレジストマスクの開口部の内部から当該レジストマスクの上部表面にまで延在するように形成される。その後、レジストマスクを当該膜の一部と共に除去することで、レジストマスクの開口部に配置されていた膜の他の一部が絶縁層３の表面上に残存し、第１電極部２ａとなる。上述した方法は、一般的にはリフトオフと呼ばれる方法である。
　第１電極部２ａの形成方法として、他の方法を用いてもよい。たとえば、絶縁層３の表面上に第１電極部２ａとなるべき金属膜などの膜を先に成膜する。その後、フォトリソグラフィ法によって当該膜上にレジストマスクを形成する。レジストマスクは、第１電極部２ａが形成されるべき領域を覆うように形成される一方、第１電極部２ａが形成されるべき領域以外の領域には形成されない。その後、ウェットエッチングやドライエッチングにより、レジストマスクをマスクとして当該膜を部分的に除去する。この結果、レジストマスク下に膜の一部が残存する。この膜の一部が第１電極部２ａとなる。その後、レジストマスクを除去する。このようにして、第１電極部２ａを形成してもよい。
　次に、開口部形成工程（Ｓ５）を実施する。この工程（Ｓ５）では、絶縁層３と半導体層４に開口部を形成する。具体的には、絶縁層３上に写真製版またはＥＢ描画などを用いてレジストマスクを形成する。レジストマスクには、絶縁層３の開口部が形成されるべき領域に開口部が形成されている。その後、ウェットエッチングやドライエッチングにより、レジストマスクをマスクとして絶縁層３を部分的に除去し、開口部を形成する。次にレジストマスクを除去する。次に、絶縁層３上及び半導体層４上に写真製版またはＥＢ描画などを用いてレジストマスクを形成する。レジストマスクには、半導体層４の開口部が形成されるべき領域に開口部が形成されている。その後、ウェットエッチングやドライエッチングにより、レジストマスクをマスクとして半導体層４を部分的に除去し、開口部を形成する。次にレジストマスクを除去する。なお、上記工程（Ｓ５）は工程（Ｓ４）より先に実施してもよい。
　次に、二次元材料層形成工程（Ｓ６）を実施する。この工程（Ｓ６）では、第１電極部２ａ、絶縁層３および絶縁層３の開口部内において露出する半導体層４の一部の全体を覆うように二次元材料層１を形成する。二次元材料層１を構成する材料は、例えばグラフェンなどの原子層材料や分子層材料を用いれば良い。二次元材料層１は、任意の方法により形成してもよい。たとえば、二次元材料層１をエピタキシャル成長によって形成しても良いし、予めＣＶＤ法を用いて形成した二次元材料層１を第１電極部２ａ、絶縁層３および半導体層４の一部上に転写して貼り付けてもよい。あるいは、スクリーン印刷などを用いて二次元材料層１を形成してもよい。また、機械剥離などで剥離した二次元材料層１を上述した第１電極部２ａ等の上に転写してもよい。次に、写真製版などを用いて二次元材料層１の上にレジストマスクを形成する。レジストマスクは、二次元材料層１を残存させる領域を覆うように形成される一方、二次元材料層１を残存させない領域には形成されない。その後、レジストマスクをマスクとして用いて、酸素プラズマにより二次元材料層１をエッチングにより部分的に除去する。これにより、不要な二次元材料層の部分を除去し、図１および図２に示すような二次元材料層１を形成する。その後、レジストマスクを除去する。好ましくは、平面視において、絶縁層３と接触する領域として設けられる二次元材料層１の第４部分１ｄの面積は、架橋領域として設けられる第３部分１ｃの面積と同等以上である。電磁波照射及び電圧印加動作中の温度変化に伴い、電磁波検出器では熱収縮と膨張が生じる。絶縁層３は電極２、半導体層４と比較して温度変化に伴う変形量が小さく、また、熱伝導性も低いことから、二次元材料層１と接触した際に温度変化に伴う位置ずれや熱伝導を引き起こしづらく、結果として二次元材料層１と強く密着する。本実施の形態に係る電磁波検出器で設けた二次元材料層１の第３部分１ｃは架橋構造となっており、下地に支えられている他の部分と比較して剥離・破断しやすいが、絶縁層３との密着層として第４部分１ｄを設けることで、二次元材料層１の剥離・破断を抑止し構造強度を向上できる。
　次に、強誘電体層形成工程（Ｓ７）を実施する。この工程（Ｓ７）では、二次元材料層１上に強誘電体層５を形成する。強誘電体層５を形成する材料として、例えばＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＳＢＴ（タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム）、ＢＦＯ（ビスマスフェライト）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＨｆＯ２（酸化ハフニウム）、有機ポリマーであるポリフッ化ビニリデン系強誘電体などを用いれば良い。また、強誘電体層５は、任意の方法により形成してもよい。たとえば、強誘電体層５がポリマー系材料からなる場合、スピンコート法などによりポリマー膜を形成した後に、フォトリソグラフィ法を用いて加工する。他の材料の場合は、スパッタや蒸着、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）コート法などで成膜した後に、フォトリソグラフィ法を用いてパターニングする。また、レジストマスクをマスクとして用いて強誘電体材料を成膜した後に、レジストマスクを除去するリフトオフと呼ばれる方法を用いても良い。また、強誘電体層５は原子層堆積法を用いて形成しても良い。ここで、原子層堆積法を用いて形成する強誘電体層の分子層数は１０００層以内が望ましい。分子層数をバルク材料と比較して低減することで、バルク材を使用する場合と比べて熱容量が低減し、電磁波照射時の焦電効果の時定数が向上し、電磁波照射に対する応答速度が向上する。また、バルク材を使用する場合と比べて静電容量が向上し、焦電効果の向上、ひいては電磁波検出器の検出感度が向上する。また、原子層堆積法では前駆体材料の二次元材料層１への吸着に伴い強誘電体層５が成膜されることから、スパッタや蒸着で強誘電体層５を形成する場合と比べて、二次元材料層１の分子構造を破壊、歪曲しない。したがって、二次元材料層１の電気特性低減に由来する検出感度の低減およびノイズ増加を引き起こさず、電磁波検出器の性能を向上できる。なお、上記工程（Ｓ７）は工程（Ｓ６）より先に実施し、工程（Ｓ６）において強誘電体層５と二次元材料層１を同時に形成しても良い。
　以上の工程（Ｓ１～Ｓ７）により、図１および図２に示した電磁波検出器が得られる。なお、上述した製造方法では第１電極部２ａの上に二次元材料層１を形成したが、絶縁層３上に予め二次元材料層１を形成し、当該二次元材料層１の一部上に重なるように第１電極部２ａを形成してもよい。ただし、この構造を用いる場合は、第１電極部２ａの形成時に、二次元材料層１に対してプロセスダメージを与えないための工夫が求められる。このような工夫として、たとえば、二次元材料層１において第１電極部２ａが重ねて形成される領域以外を保護膜などで予め覆った状態で、第１電極部２ａを形成する、といった対応が考えられる。
　また、上述した製造方法では二次元材料層１の上に強誘電体層５を形成したが、絶縁層３上に予め強誘電体層５を形成した上に二次元材料層１を形成しても良い。ただし、この構造を用いる場合は、半導体層４の開口部形成時に、強誘電体層５及び二次元材料層１に対してプロセスダメージを与えないための工夫が求められる。このような工夫として、たとえば、二次元材料層１を形成したのちに焼成し、強誘電体層５と二次元材料層１間の水分など残渣を除去することで、密着を高める、といった対応が考えられる。焼成の雰囲気及び温度等の条件は、水分及びレジストが除去される一方で、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、絶縁層３、半導体層４にプロセスダメージを与えないように、設定されるのが望ましい。たとえば、焼成は、大気雰囲気下において１５０℃で実施される。また、焼成以外の工夫として、平面視において二次元材料層１の第４部分１ｄの面積を第３部分１ｃの面積と同等以上とするなどして、半導体層４の開口部形成時に二次元材料層１の剥離を抑制する、といった対応が考えられる。
　＜電磁波検出器の動作原理＞
　次に、本実施の形態に係る電磁波検出器の動作原理について説明する。
　電磁波検出器１００は、二次元材料層１の第４部分１ｄおよび第３部分１ｃをトランジスタチャネル、強誘電体層５をゲート、第１電極部２ａおよび二次元材料層１の第１部分１ａをソース、第２電極部２ｂおよび二次元材料層１の第２部分１ｂをドレイン、とした電界効果トランジスタとして機能する。
　図２に示すように、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に、電圧Ｖを印加する電源回路が電気的に接続され、第１電極部２ａ、二次元材料層１、半導体層４、および第２電極部２ｂが、この記載順に電気的に接続される。次に、第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂの間に電圧Ｖが印加される。好ましくは、電圧Ｖは、二次元材料層１と半導体層４とのショットキー接合に対して逆バイアスとなるように設定される。電圧Ｖが印加されることにより、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の電流経路の一部となる二次元材料層１には電流Ｉが流れる。電源回路には図示しない電流計が設置されており、当該電流計により二次元材料層１に流れる電流Ｉをモニターする。
　電磁波検出器１００では、電磁波照射時に生じる二次元材料層１の電磁波吸収に伴う電気特性変化、二次元材料層１と半導体層４との接合部でのエネルギー障壁の変化に伴う電気特性変化、及び強誘電体層５の焦電効果及び逆圧電効果によって二次元材料層１に生じる電気特性変化が電磁波検出信号として測定され得る。
　図４は、強誘電体層５の焦電効果によって二次元材料層１に生じる電気特性変化を説明するための模式図であり、具体的には、電磁波照射有無における二次元材料層１の第３部分１ｃにおけるゲート電圧及びソース・ドレイン電流値の変化を説明するための模式図である。図５は、強誘電体層５の焦電効果と逆圧電効果とによって二次元材料層１に生じる電気特性変化を説明するための模式図である。図５に、電磁波照射有無における二次元材料層１の第３部分１ｃの抵抗変化に伴うソース・ドレイン電流値の変化と、ゲート電圧依存性を示す。
　図４に示される強誘電体層５の焦電効果に伴う応答について、強誘電体層５に電磁波が照射されると、強誘電体層５の焦電効果により強誘電体層５の内部に誘電分極の変化が生じる。
　焦電効果により強誘電体層５において生じる分極の変化は、二次元材料層１の第３部分１ｃに電界変化を与える。この結果、二次元材料層１の第３部分１ｃに対してゲート電圧Ｖｐｈが印加された状態となり、二次元材料層１の第３部分１ｃ内のソース・ドレイン電流値が変化する。この電流変化量Ｉｐｈ１を検出することによって、電磁波検出器１００に照射された電磁波を検出できる。以下では、上述の通り、二次元材料層１に接する材料の電気特性変化によって二次元材料層１に電界効果が与えられ、二次元材料層１の電気特性が変化する効果を光ゲート効果と呼称する。二次元材料層１の第４部分１ｄでは、電磁波照射に伴い半導体層４と絶縁層３との間に形成される空乏層において生じた光キャリアにより、光ゲート効果が生じる。
　また、半導体層４が感度を有する電磁波が半導体層４に照射されると、二次元材料層１の第４部分１ｄ内のソース・ドレイン電流値が変化する。この電流変化量Ｉｐｈ２を検出することによって、電磁波検出器に照射された電磁波を検出できる。なお、図４では模式図として電流変化量Ｉｐｈ１及び電流変化量Ｉｐｈ２が互いに等しく図示されているが、各電流変化量は互いに異なる場合もある。
　ここで、強誘電体層５に生じる焦電効果に伴う光ゲート効果は、強誘電体層５内の誘電分極方向によらず生じる。一方で、強誘電体層５内の誘電分極方向が二次元材料層１の第３部分１ｃの二次元面と完全に直交する場合を除き、焦電効果に伴う光ゲート効果の程度（二次元材料層１の電気特性が変化量）は、二次元材料層１の第３部分１ｃの二次元面内において変化する。
　強誘電体層５の焦電効果に伴う光ゲート効果によって生じる二次元材料層１の第３部分１ｃの二次元面内の電圧変化はソース・ドレイン電圧の変化として寄与し、電流値が変化する。この電流変化量Ｉｐｈ３を検出することによって、電磁波検出器に照射された電磁波を検出できる。
　強誘電体層５の逆圧電効果に伴う応答について、強誘電体層５に電磁波が照射され、強誘電体層５の内部に誘電分極の変化が生じると、強誘電体層５に逆圧電効果によって力が加わる。逆圧電効果によって強誘電体層５が変形すると、強誘電体層５と接続されている二次元材料層１も変形する。二次元材料層１の変形量は、強誘電体層５の変形量と同等となる。その結果、二次元材料層１の電気抵抗値が変化し、二次元材料層１の第３部分１ｃ内のソース・ドレイン電流値が変化する。いいかえれば、強誘電体層５に生じた逆圧電効果に伴い、二次元材料層１において疑似的にソース・ドレイン電圧が印加され、電流値が変化する。この電流変化量Ｉｐｈ４が検出されることによって、電磁波検出器１００に照射された電磁波を検出できる。なお、図５では模式図として電流変化量Ｉｐｈ３及び電流変化量Ｉｐｈ４が互いに等しく図示されているが、各電流変化量は互いに異なる場合もある。
　以上の通り、電磁波照射に伴う半導体層４と強誘電体層５の電気特性の変化に伴い二次元材料層１において生じる光ゲート効果及びソース・ドレイン電圧変調によって生じた電流変化量Ｉｐｈ１、Ｉｐｈ２、Ｉｐｈ３、およびＩｐｈ４を、検出信号として測定する。
　また、たとえば半導体層４を構成する半導体層４がｐ型材料シリコンからなり、二次元材料層１がｎ型材料グラフェンからなる場合、二次元材料層１の第４部分１ｄと半導体層４とはショットキー接合する。このとき、電圧Ｖを調整し、上記ショットキー接合に対して逆バイアスを印加することで、電流Ｉをゼロにできる。また、電磁波が強誘電体層５に照射されると、焦電効果により強誘電体層５の誘電分極が変化し、二次元材料層１のフェルミレベルが変調されて、二次元材料層１と半導体層４のエネルギー障壁が低下する。その結果、電磁波が照射された時にのみ、電流が半導体層４を流れ、電流Ｉが検出される。すなわち、本実施の形態に係る電磁波検出器ではＯＦＦ動作が可能になる。
　ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、上述のような二次元材料層１での電流の変化を検出する構成に限定されるわけではなく、例えば、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に一定電流を流し、第１電極部２ａと第２電極部２ｂ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）を検出するように設けられていてもよい。
　また、電磁波検出器１００は、電磁波が照射されていないときと電磁波が照射されたときとの間での第３部分１ｃを流れる電流値の周波数変化を検出するように設けられていてもよい。二次元材料層１の第３部分１ｃの電気的な共振周波数は、照射された電磁波の光量に依存し、強誘電体層５の逆圧電効果および二次元材料層１の温度変化に伴う変形量に依存する。したがって、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に直流電圧を印加した状態において、第３部分１ｃでの共振周波数の変化量を電磁波の光量に換算することで、電磁波を検出してもよい。
　また、電磁波検出器１００を２つ以上用いて電磁波を検出してもよい。たとえば、同じ電磁波検出器１００を２つ以上準備する。１つの電磁波検出器１００を、電磁波が照射されない遮蔽された空間に配置する。他の電磁波検出器１００を、測定対象である電磁波が照射される空間に配置する。そして、電磁波が照射される他の電磁波検出器１００の電流Ｉ又は電圧Ｖと、遮蔽された空間に配置された電磁波検出器１００の電流Ｉ又は電圧Ｖとの差分を検出する。このようにして、電磁波を検出してもよい。
　＜電磁波検出器の動作＞
　次に、図１および図２に示した電磁波検出器１００の具体的な動作について説明する。ここでは、二次元材料層１として単層グラフェン、第１電極部２ａと第２電極部２ｂにスパッタ成膜により形成したクロム／金、絶縁層３に酸化シリコン、半導体層４としてｐ型シリコン、強誘電体層５として原子層堆積法を用いて結晶方位が二次元材料層１の面方向と平行になるよう成膜したニオブ酸リチウムを用いた場合について説明する。
　図２に示すように、第１電極部２ａのクロム／金と第２電極部２ｂのクロム／金の間に、単層グラフェンとｐ型シリコンのショットキー接合に対して逆バイアスとなるように電圧を印加すると、単層グラフェンとｐ型シリコンとの接合界面の近傍には空乏層が形成される。電磁波検出器の検出波長の範囲は、ニオブ酸リチウムとｐ型シリコンの吸収波長に応じて決定される。
　検出波長の電磁波がニオブ酸リチウムに入射すると、焦電効果によりニオブ酸リチウムにおいて誘電分極の変化が発生する。ニオブ酸リチウムにおける分極変化により、二次元材料層１において電界変化が生じる。これは前述した光ゲート効果である。上述のように、二次元材料層１を構成するグラフェンは移動度が高く、わずかな電界変化に対して大きな変位電流を得ることが出来る。そのため、ニオブ酸リチウムの焦電効果により二次元材料層１のフェルミレベルは大きく変化し、ｐ型シリコンとのエネルギー障壁が低下する。これにより、第１電極部２ａのクロム／金から単層グラフェンに電荷が注入される。さらに、ｐ型シリコンから取り出した光注入された電流電荷は、単層グラフェンにおいてニオブ酸リチウムの焦電効果に伴い生じた光ゲート効果と、単層グラフェン面内に生じた光ゲート効果の分布によって生じたソース・ドレイン電圧により大きく増幅される。このため、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、量子効率１００％を超える高感度化が可能となる。
　さらに、ニオブ酸リチウムの誘電分極の変化速度が可能な限り短く設計されていれば、電磁波が電磁波検出器に入射してから単層グラフェンにおいて抵抗値の変化が生じるまでの時間が短くなる。このような電磁波検出器によれば、光ゲート効果による増幅の遅延が解消され、応答が高速化する。
　＜作用効果＞
　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は、第１部分１ａと、第１方向Ｘにおいて第１部分１ａと間隔を空けて配置されている第２部分１ｂと、第１方向Ｘにおいて第１部分１ａと第２部分１ｂとの間に架橋されている第３部分１ｃとを有する二次元材料層１と、第１部分１ａと電気的に接続されている第１電極部２ａと、二次元材料層１の第１部分１ａ、第３部分１ｃ、及び第２部分１ｂを介して第１電極部２ａと電気的に接続されている第２電極部２ｂと、少なくとも一部が第３部分１ｃ上に配置されている強誘電体層５とを備える。
　上記電磁波検出器１００では、焦電効果によって強誘電体層５内の誘電分極が変化したときに、二次元材料層１の抵抗値が変化し得る。その結果、二次元材料層１の導電率が変調され、結果的に二次元材料層１において光電流を増幅できる。
　強誘電体層５における分極の変化に起因した二次元材料層１における電流変化量は、通常の半導体における電流変化量より大きくなる。特に、二次元材料層１では、通常の半導体と比較して、わずかな電位変化に対して大きな電流変化が生じる。例えば、二次元材料層１として単層のグラフェンを用いた場合、二次元材料層１の厚さは原子層１層分であって極めて薄い。また、単層のグラフェンにおける電子の移動度は大きい。この場合、二次元材料層１における電子の移動度及び厚さなどから算出される二次元材料層１での上記電流変化量は、通常の半導体における電流変化量の数百倍～数千倍程度となる。
　したがって、光ゲート効果を利用することで、二次元材料層１における検出電流の取り出し効率は大幅に向上する。このような光ゲート効果は、通常の半導体のような光電変換材料の量子効率を直接的に増強するのではなく、電磁波入射による電流変化を大きくする。そのため、等価的に電磁波入射による差分電流から算出した上記電磁波検出器の量子効率は１００％を超えられる。よって、本実施の形態に係る電磁波検出器１００による電磁波の検出感度は、従来の半導体電磁波検出器あるいは光ゲート効果を適用していないグラフェン電磁波検出器と比較して、高い。
　また、上記電磁波検出器１００では、従来の半導体電磁波検出器と比較して電磁波検出部の熱容量が小さく、熱平衡に達する時間が短く、応答速度が高い。本電磁波検出器１００では、半導体層４、および半導体層４と二次元材料層１間に形成されたショットキー接合における光電子正孔対を検出する量子的動作に加えて、電磁波照射に対する温度変化を検出する熱的動作を応答原理に用いる。量子的動作において応答速度を支配的に決定するのは検出部材料のキャリア移動度である。従来バルク半導体材料に比べて、二次元材料層１はその原子層構造に由来する高いキャリア移動度を有することから、量子型動作において応答速度が高い。くわえて、熱的動作の応答速度は電磁波検出部の熱容量とトレードオフの関係にあり、熱容量を低減することで応答速度を向上できる。電磁波の検出領域として設けた二次元材料層１の第３部分１ｃは架橋構造を有しており、半導体層４等から熱的に独立し断熱されている。二次元材料層１は単原子層構造を有し、究極的に従来バルク半導体材料よりも熱容量が小さい。したがって、本実施の形態にかかる電磁波検出器１００による電磁波の検出速度は、従来の熱型動作による電磁波検出器と比較して、高い。
　また、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、半導体層４の第１領域４１ａ上に配置されており、かつ第２領域４１ｂ及び第３領域４１ｃを露出させる絶縁層３をさらに備える。二次元材料層１の第２部分１ｂは、半導体層４の第２領域４１ｂに接しており、好ましくはショットキー接合している。二次元材料層１の第３部分１ｃは、第１面４１と直交する方向において第３領域４１ｃと間隔を空けて配置されている。
　二次元材料層１と半導体層４とがショットキー接合している場合、当該ショットキー接合に対して逆バイアスが印加されているときには、電流が流れず、電磁波検出器１００はＯＦＦ動作可能となる。くわえて、強誘電体層５内の誘電分極方向が二次元材料層１の第３部分１ｃの二次元面と完全に直交する場合を除き、焦電効果に伴う光ゲート効果が二次元材料層１の第３部分１ｃの二次元面内において変化し、ソース・ドレイン電圧が変化する。電磁波が照射されておらず、このソース・ドレイン電圧の変化がしていない状態では電流が流れないように電圧Ｖを調整することで、電磁波検出器１００はＯＦＦ動作可能となる。
　また、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、上記二次元材料層１が絶縁層３上に配置されている第４部分１ｄを有しているため、二次元材料層１が第４部分１ｄを有していない場合と比べて、上記光ゲート効果による二次元材料層１の導電率がより大きく変調しやすい。
　また、本実施の形態に係る電磁波検出器１００に電磁波が照射されたときの電流値Ｉの変化量は、強誘電体層５における焦電効果に起因した二次元材料層１の抵抗値の変化により発生する電流の変化量、二次元材料層１と半導体層４のエネルギー障壁変化により発生する電流の変化量、及び、二次元材料層１での光電変換により生じる光電流量を含む。つまり、本実施の形態に係る電磁波検出器では、電磁波の入射により、上述した光ゲート効果で生じた電流、エネルギー障壁変化に伴う電流、及び二次元材料層１本来の光電変換効率に起因する光電流の各々の変化を検出できる。
　以上のように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、量子効率が１００％以上となる好感度化、高速動作、およびＯＦＦ動作を実現できる。
　また、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、半導体層４を構成する材料がシリコンを含む場合に、半導体層４中に読出回路を形成することが可能となる。これにより、素子の外部に回路を形成する必要なく信号の読出しが可能となる。
　＜変形例＞
　図６は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の第１変形例を示す上面図である。図７は、実施の形態１に係る電磁波検出器の第１変形例を示す断面模式図である。
　図６および図７に示されるように、電磁波検出器１００では、二次元材料層１、第１電極部２ａ、絶縁層３、半導体層４、及び強誘電体層５の各々が、平面視において第２部分１ｂを中心とする対称性を有していてもよい。言い換えると、電磁波検出器１００は、互いに対称性を有する複数の素子構造を備えていてもよい。
　この場合、二次元材料層１の第２部分１ｂ及びこれと接触する半導体層４の第２領域４１ｂが互いに対称性を有する複数の素子構造間で統合され得るため、複数の素子構造が互いに独立に形成されている場合と比べて簡略化され得る。その結果、電磁波検出器１００の製造プロセスの工数を削減でき、また歩留まりを向上できる。
　またこの場合、互いに対称性を有する複数の素子構造間で二次元材料層１の第３部分１ｃに加わる応力が均等に分散され得るため、第３部分１ｃにおける応力の集中又は不均等に伴う二次元材料層１の剥離及び破損が抑制され得る。その結果、電磁波検出器１００の歩留まり及び信頼性を向上できる。
　例えば、二次元材料層１、第１電極部２ａ、絶縁層３、半導体層４、及び強誘電体層５の各々は、平面視において第２部分１ｂを中心とする周方向において４回の回転対称性を有していてもよい。
　実施の形態２．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図８は、実施の形態２に係る電磁波検出器の平面模式図である。図９は、図８の線分ＩＸ－ＩＸにおける断面模式図である。
　図８に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得られるが、第２の二次元材料層６と第３電極部２ｃ（図８参照）をさらに備える点で、図１および図２に示した電磁波検出器１００とは異なっている。以下では、電磁波検出器１０１が電磁波検出器１００とは異なっている点を主に説明する。
　図８に示されるように、第３電極部２ｃは、平面視において二次元材料層１の第３部分１ｃと第２方向Ｙに間隔を空けて配置されている。第３電極部２ｃは、絶縁層３上に配置されている。
　第２の二次元材料層６の一部は、強誘電体層５上に配置されている。第２の二次元材料層６の一部と二次元材料層１の第３部分１ｃとは、強誘電体層５を挟むように配置されている。
　第２の二次元材料層６の残部は、強誘電体層５上に配置されている第２の二次元材料層６の上記一部から第２方向Ｙに沿って延びている。第２の二次元材料層６の残部は、絶縁層３上に配置されている。第２の二次元材料層６の残部のうちの一部は、第３電極部２ｃと電気的に接続されている。第２の二次元材料層６の残部のうちの一部は、第３電極部２ｃ上に配置されている。
　第２の二次元材料層６を構成する材料は、二次元材料層１を構成する材料と同じように選択され得る。第２の二次元材料層６を構成する材料は、例えば、グラフェン、遷移金属ダイカルコゲナイド、黒リン、シリセン、及びゲルマネンからなる群から選択される少なくとも１つを含む。第２の二次元材料層６を構成する材料は、例えば二次元材料層１を構成する材料と同じであり、一例としてグラフェンである。
　第３電極部２ｃは、第２の二次元材料層６を介して二次元材料層１の第３部分１ｃに電圧Ｖｔｇを印加して、第３部分１ｃのフェルミレベルを変調するように設けられている。＜電磁波検出器の動作原理＞
　次に、本実施の形態に係る電磁波検出器１０１の動作原理について説明する。
　図８に示すように、本実施の形態に係る電磁波検出器１０１は、基本的には図２に示される電磁波検出器１００と同様の電気接続を有するが、くわえて、第３電極部２ｃ、第２の二次元材料層６、および強誘電体層５が、この記載順に電気的に接続される。次に、第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂの間に電圧Ｖが、第３電極部２ｃから強誘電体層５に電圧Ｖｔｇが印加される。
　本実施の形態に係る電磁波検出器１０１は、二次元材料層１の第４部分１ｄおよび第３部分１ｃをトランジスタチャネル、第２の二次元材料層６を第２ゲート、強誘電体層５を第１ゲート、第１電極部２ａおよび二次元材料層１の第１部分１ａをソース、第２電極部２ｂおよび二次元材料層１の第２部分１ｂをドレイン、とした電界効果トランジスタとして機能する。電圧Ｖｔｇは、第３電極部２ｃから第２の二次元材料層６を経由して強誘電体層５に印加され、強誘電体層５に圧電効果を生じさせる。さらに、電圧Ｖｔｇは、強誘電体層５および二次元材料層１の第３部分１ｃをチャネルとした、表面電荷密度を変調させるためのゲート電圧として機能する。
　＜作用効果＞
　本実施の形態にかかる電磁波検出器１０１では、二次元材料層１の電磁波吸収率と検出感度が調整され得る。第３電極部２ｃから強誘電体層５に電圧Ｖｔｇを印可することで電界効果が生じ、二次元材料層１の第３部分１ｃのフェルミレベルが変調される。
　図１０に、二次元材料層１にグラフェンを用いた場合の第３部分１ｃにおけるバンド構造とフェルミレベル変化の模式図を示す。グラフェンは伝導体と価電子帯が結合したゼロバンドギャップ構造を有しており、電磁波照射に対する光キャリアの励起過程が従来半導体材料と異なる。すなわち、グラフェンの伝導帯と価電子帯との間のバンド間遷移に伴いグラフェンにおいて光キャリアが励起されるには、グラフェンのフェルミレベルが電磁波の波長に応じたエネルギレベルに達する必要がある。グラフェンのフェルミレベルが検出波長に応じたエネルギレベルに対して不足している場合には、当該電磁波が電磁波検出器１０１に入射しても、グラフェンにおいて光キャリアは励起されない。図１０の左部では、グラフェンにおいて光キャリアを励起するために必要なエネルギーを有する電磁波の波長λ１と比較して長波長（低エネルギ）である波長λ２の電磁波が電磁波検出器１０１に入射しても、グラフェンにおいて光キャリアが励起されない様子が示されている。他方、電磁波検出器１０１では、トップゲート電圧Ｖｔｇを印可することで、グラフェンのフェルミレベルが変調され得る。具体的には、電圧Ｖｔｇが印加されているグラフェンにおいて光キャリアを励起するために必要なエネルギーは、電圧Ｖｔｇが印加されていないグラフェンにおいて光キャリアを励起するために必要なエネルギーと比べて小さくなり得る。その結果、図１０の右部に示されるように、電圧Ｖｔｇが印加された状態において波長λ２の電磁波が電磁波検出器１０１に入射すると、グラフェンにおいて光キャリアが励起され得る。つまり、トップゲート電圧Ｖｔｇを調節することで、グラフェンにおいて光キャリアを励起し得る電磁波の波長を変更できる。したがって、電磁波検出器１０１では、高感度化が実現され得るとともに、検出したくない波長域の電磁波に対しては吸収及び励起を妨げることができるため、分光性能が向上され得る。
　また、電磁波検出器１０１においても、二次元材料層１の第３部分１ｃの電気的な共振周波数は、照射された電磁波の光量に依存する。検出したい光量の電磁波が電磁波検出器１０１に入射したときの第３部分１ｃの共振周波数と同じ周波数の信号を電圧Ｖｔｇとして第３部分１ｃに印可することによって、特定の光量の電磁波吸収のみを共振検出できる。つまり、電圧Ｖｔｇの周波数を変更することにより、電磁波検出器１０１が検出可能な光量を調整できる。すなわち、電圧Ｖｔｇの周波数を変更することにより、電磁波検出器１０１の検出感度が調整され、電磁波検出器１０１のダイナミックレンジが向上され得る。
　ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用できる。
　実施の形態３．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図１１は、実施の形態３に係る電磁波検出器１０２の平面模式図である。図１２は、図１１の線分ＸＩＩ－ＸＩＩにおける断面模式図である。
　図１１および図１２に示した電磁波検出器１０２は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を得られるが、二次元材料層１が半導体層４と電気的に接続されていない点で、図１および図２に示した電磁波検出器１００とは異なっている。以下では、電磁波検出器１０２が電磁波検出器１００と異なる点を主に説明する。
　電磁波検出器１０２は、半導体層４の第１面４１の第２領域４１ｂ上に配置されている第２の絶縁層７をさらに備える。第２の絶縁層７は、第１方向Ｘにおいて絶縁層３と第３領域４１ｃを隔てて配置されている。第２電極部２ｂは、第２の絶縁層７上に配置されている。第２電極部２ｂは、半導体層４と電気的に接続されていない。第２の絶縁層７の厚みは、例えば絶縁層３の厚みと等しい。第２の絶縁層７は、例えば絶縁層３をと同じ製造プロセスにより製造される。
　二次元材料層１の第２部分１ｂは、第２の絶縁層７上に配置されている。第２部分１ｂは、第２の絶縁層７上において第２電極部２ｂと電気的に接続されている。第２部分１ｂは、第２電極部２ｂと接している。
　二次元材料層１は、第２の絶縁層７上に配置されている第５部分１ｅをさらに含む。第５部分１ｅは、第３部分１ｃと第２部分１ｂとの間を接続している。第１部分１ａ、第４部分１ｄ、第３部分１ｃ、第５部分１ｅ、及び第２部分１ｂは、この記載順に第１方向Ｘに連なっている。第５部分１ｅは、第２の絶縁層７の上面に接触している。
　電磁波検出器１０２は、半導体層４の第２面４２上に配置されている第４電極部２ｄをさらに備えていてもよい。
　＜電磁波検出器の動作原理＞
　次に、本実施の形態に係る電磁波検出器１０２の動作原理について説明する。
　図１２に示すように、電磁波検出器１０２では、第１電極部２ａ、二次元材料層１の第１部分１ａ、第４部分１ｄ、第３部分１ｃ、第５部分１ｅ、第２部分１ｂ、および第２電極部２ｂが、この記載順に電気的に接続される。次に、第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂの間に電圧Ｖが印加される。第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の電流経路の一部となる二次元材料層１には電流Ｉが流れる。電源回路には図示しない電流計が設置されており、当該電流計により二次元材料層１に流れる電流Ｉをモニターする。
　＜作用効果＞
　上述のように、本実施の形態に係る電磁波検出器１０２では、電磁波検出器１００と同様の効果が奏される。電磁波検出器１０２では、二次元材料層１が半導体層４とショットキー接合していない。しかし、電磁波検出器１０２においても、強誘電体層５内の誘電分極方向が二次元材料層１の第３部分１ｃの二次元面と完全に直交する場合を除き、焦電効果に伴う光ゲート効果が二次元材料層１の第３部分１ｃの二次元面内において変化し、ソース・ドレイン電圧が変化する。その結果、電磁波が照射されておらず、このソース・ドレイン電圧の変化がしていない状態では電流が流れないように電圧Ｖを調整することで、電磁波検出器１０２もＯＦＦ動作可能となる。
　ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用できる。
　実施の形態４．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図１３は、実施の形態４に係る電磁波検出器１０３の断面模式図である。平面模式図は図１と同一である。
　図１３に示した電磁波検出器１０３は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を得られるが、反射膜８を有する点が図１および図２に示した電磁波検出器１００と異なっている。以下では、電磁波検出器１０３が電磁波検出器１００とは異なる点を主に説明する。
　図１３に示されるように、電磁波検出器１０３では、二次元材料層１の第３部分１ｃ及び強誘電体層５の下部に位置する半導体層４上に反射膜８が配置されている。反射膜８を構成する材料は二次元材料層１及び強誘電体層５において吸収される電磁波の波長域において反射特性を有する材料であれば任意の材料を用いられる。たとえば、反射膜８を構成する材料は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、及びパラジウム（Ｐｄ）からなる群から選択される少なくとも１つを含む。
　反射膜８は、半導体層４の第１面４１の第３領域４１ｃ上に配置されている。反射膜８は、第１面４１の第３領域４１ｃに直交する方向において、二次元材料層１の第３部分１ｃ及び強誘電体層５の各々と間隔を空けて配置されている。反射膜８は、二次元材料層１の第３部分１ｃの変形を妨げないように設けられている。反射膜８は、例えば凹部４３の底面である第３領域４１ｃに接している。
　反射膜８の平面形状は、任意の形状であればよいが、例えば円形状、三角形状、四角形状、多角形状、又は、楕円形状である。
　反射膜８を形成する方法は、任意の方法であればよいが、例えば、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の製造方法における第１電極部２ａを形成する方法と同等であってもよい。
　好ましくは、第３領域４１ｃに直交する方向における反射膜８と二次元材料層１の第３部分１ｃとの間隔は、検出波長の４分の１に設定されている。反射膜８の間隔が検出波長の４分の１に設定することで、反射膜８に入射する電磁波と反射膜８から反射した電磁波とが干渉共鳴し、上記間隔が検出波長の４分の１に設定されていない場合に比べて、吸収係数が高まる。
　＜作用効果＞
　電磁波検出器１０３は反射膜８をさらに備えるため、電磁波検出器１０３に照射された電磁波のうち強誘電体層５及び二次元材料層１の第３部分１ｃを透過した電磁波は、反射膜８で反射し、二次元材料層１の第３部分１ｃ及び強誘電体層５の各々に再入射し得る。その結果、二次元材料層１の第３部分１ｃ及び強誘電体層５の各々が電磁波を吸収しやすいため、電磁波検出器１０３の検出感度は高い。また、反射膜８と二次元材料層１の第３部分１ｃとの間隔が検出波長の４分の１に設定されている電磁波検出器１０３では、上記のように入射光と反射光とが干渉共鳴するため、上記間隔が検出波長の４分の１に設定されていない電磁波検出器１０３と比べて、吸収係数が高く、検出感度が高い。
　ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用できる。
　実施の形態５．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図１４は、実施の形態５に係る電磁波検出器１０４の断面模式図である。平面模式図は図１と同一である。
　実施の形態５に係る電磁波検出器１０４は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を得られるが、二次元材料層１の第３部分１ｃ及び強誘電体層５の少なくともいずれかと接している少なくとも１つの導電体９をさらに備えている点で、図１および図２に示した電磁波検出器１００とは異なっている。以下では、電磁波検出器１０４が電磁波検出器１００とは異なる点を主に説明する。
　図１４に示される電磁波検出器１０４では、複数の導電体９が強誘電体層５に接している。複数の導電体９は、第１方向Ｘにおいて互いに間隔を空けて第３部分１ｃ上に配置されている。
　複数の導電体９は、例えば一次元の周期構造を有する。平面視における複数の導電体９の配列は、例えば周期的な対称性を有している。複数の導電体９は、例えば第１方向Ｘに一次元周期的に配置されている。なお、複数の導電体９は、第２方向Ｙ（図１４の紙面の奥行方向）に一次元周期的に配置されていてもよい。
　また、複数の導電体９は、二次元の周期構造を有していてもよい。例えば、電磁波検出器の平面視において、複数の導電体９の各々は、正方格子又は三角格子等の格子点に対応する位置に配列されていてもよい。
　また、複数の導電体９の各々は、非周期的に配列されていてもよい。平面視における複数の導電体９の配列は、非対称性を有していてもよい。
　複数の導電体９の各々の形状および寸法は、例えば互いに同等である。なお、複数の導電体９の各々の形状および寸法は、互いに異なっていてもよい。
　複数の導電体９の各々は、フローティング電極である。複数の導電体９の各々は、電源回路等に接続されておらず、フローティングとなっている。
　導電体９を構成する材料は、導電性を有する任意の材料であればよい。導電体９を構成する材料は、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）、及びパラジウム（Ｐｄ）からなる群から選択される少なくとも１つを含む。好ましくは、導電体９を構成する材料は、導電体９に表面プラズモン共鳴が生じる材料である。
　複数の導電体９の各々の平面形状は、任意の形状であればよいが、例えば円形状、三角形状、四角形状、多角形状、又は、楕円形状である。
　複数の導電体９の各々を形成する方法は、任意の方法であればよいが、例えば、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の製造方法における第１電極部２ａを形成する方法と同等であってもよい。
　＜作用効果＞
　電磁波検出器１０４は、二次元材料層１の上にフローティング電極である導電体９をさらに備えるため、強誘電体層５において電磁波の照射により発生した表面キャリアは複数の導電体９の各々との間を行き来できる。その結果、電磁波検出器１０４では、光キャリアの寿命が長くなり、検出感度が高められる。
　また、複数の導電体９が一次元の周期構造を有し、かつ導電体９を構成する材料が表面プラズモン共鳴が生じる材料である場合には、照射される電磁波に対して導電体９に偏光依存性が生じる。この結果、特定の偏光の電磁波だけが電磁波検出器１０４の半導体層４に照射されるため、電磁波検出器１０４は特定の偏光のみを高感度に検出できる。
　また、複数の導電体９が二次元の周期構造を有し、かつ導電体９を構成する材料が表面プラズモン共鳴が生じる材料である場合には、複数の導電体９によって特定の波長の電磁波が共鳴する。この結果、特定の波長を有する電磁波だけが電磁波検出器１０４の半導体層４に照射されるため、電磁波検出器１０４は特定の波長の電磁波のみを高感度に検出できる。
　また、複数の導電体９が平面視において非周期的に配置されている場合には、複数の導電体９が一次元の周期構造を有する場合と同様に、照射される電磁波に対して導電体９に偏光依存性が生じる。この結果、特定の偏光の電磁波だけが電磁波検出器１０４の半導体層４に照射されるため、電磁波検出器１０４は特定の偏光のみを高感度に検出できる。
　また、電磁波検出器１０４において、複数の導電体９は、二次元材料層１の第３部分１ｃとも接していてもよい。また、複数の導電体９は、強誘電体層５と接しておらず、二次元材料層１の第３部分１ｃと接していてもよい。このような構成によっても、図１４に示した電磁波検出器１０４と同様の効果を得られる。
　また、複数の導電体９は、例えば二次元材料層１の下部に配置されていてもよい。この場合、導電体９の形成時に二次元材料層１にダメージを与えないため、二次元材料層１でのキャリアの移動度の低下を抑制できる。
　また、二次元材料層１には、凹凸部が形成されていてもよい。この場合、二次元材料層１の凹凸部は、上述した複数の導電体９と同様に、周期的構造を有していてもよいし、非周期的構造を有していてもよい。このような凹凸部は、複数の導電体９と同様に作用する。
　また、電磁波検出器１０４では、複数の導電体９に代えて、上記凹凸部が形成されている二次元材料層１を備えていてもよい。このような電磁波検出器においても、上記凹凸部が複数の導電体９と同様に作用するため、電磁波検出器１０４と同様の効果を得られる。
　ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用できる。
　＜作用効果＞
　電磁波検出器１０４は、１つ以上の導電体９をさらに備える。１つ以上の導電体９は、二次元材料層１及び強誘電体層５の少なくともいずれかに接触するように配置される。この場合、二次元材料層１における光キャリアの寿命が長くなる。この結果、電磁波検出器１０４の検出感度は高められている。
　実施の形態６．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図１５は、実施の形態６に係る電磁波検出器１０５の断面模式図である。
　図１５に示した電磁波検出器１０５は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を得られるが、二次元材料層１に接している少なくとも１つ以上の接触層１０をさらに備えている点で、図１および図２に示した電磁波検出器１００とは異なっている。以下では、電磁波検出器１０５が電磁波検出器１００とは異なる点を主に説明する。
　図１５に示されるように、接触層１０は、例えば二次元材料層１の第３部分１ｃの下面に接している。接触層１０と強誘電体層５とは、二次元材料層１の第３部分１ｃを挟むように配置されている。
　なお、接触層１０は、二次元材料層１の第３部分１ｃの上面に接触していてもよい。この場合、接触層１０は、例えば強誘電体層５と第２方向Ｙ（図１５の紙面の奥行方向）に並んで配置されている。
　また、接触層１０は、第２部分１ｂ、第３部分１ｃ、及び第４部分１ｄの少なくともいずれかに接していればよい。接触層１０は、第２部分１ｂ又は第４部分１ｄと接していてもよい。接触層１０は、二次元材料層１に電子又は正孔をドーピングするように設けられている。
　接触層１０を構成する材料は、例えば、ポジ型フォトレジストと呼ばれるキノンジアジト基を有する感光剤とノボラック樹脂とを含有する組成物を含む。接触層１０を構成する材料は、例えば極性基を有する材料であってもよい。具体的には、接触層１０を構成する材料は、例えば電子求引基を有する材料であってもよい。このような接触層１０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１０を構成する材料は、例えば電子供与基を有する材料であってもよい。このような接触層１０は、二次元材料層１の電子密度を増加させる効果を持つ。
　電子求引基を有する材料としては、例えば、ハロゲン、ニトリル、カルボキシル基、又は、カルボニル基等を有する材料が挙げられる。また、電子供与基を有する材料としては、例えば、アルキル基、アルコール、アミノ基、又は、ヒドロキシル基等を有する材料が挙げられる。また、接触層１０を構成する材料は、上記以外にも、極性基によって分子全体において電荷の偏りが生じる任意の材料であってもよい。
　また、接触層１０を構成する材料は、有機物、金属、半導体、絶縁体、２次元材料、又は、これら材料のいずれかの混合物であって、分子内で電荷の偏りが生じて極性を生じる材料であってもよい。ここで、接触層１０を構成する材料が無機物である場合、接触層１０により二次元材料層１がドーピングされる導電型は、接触層１０の仕事関数と二次元材料層１の仕事関数との大小関係に応じて変わる。接触層１０の仕事関数が二次元材料層１の仕事関数よりも大きい場合はｐ型、小さい場合にはｎ型となる。接触層１０を構成する材料が有機物である場合、当該接触層１０を構成する材料である有機物が明確な仕事関数を有していないため、接触層１０により二次元材料層１がドーピングされる導電型は、接触層１０を構成する有機物の分子の極性によって判断される。
　例えば、接触層１０として、ポジ型フォトレジストと呼ばれる、キノンジアジト基を有する感光剤とノボラック樹脂とを含有する組成物を用いる場合、二次元材料層１においてフォトリソグラフィ工程によりレジストを形成した領域がｐ型二次元材料層領域となる。これにより、二次元材料層１の表面上に接触するマスク形成処理が不要となる。この結果、二次元材料層１に対するプロセスダメージの低減及びプロセスの簡素化が可能となる。
　好ましくは、接触層１０の厚さは、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。好ましくは、接触層１０の厚さは、接触層１０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である。
　＜作用効果＞
　電磁波検出器１０５は、二次元材料層１に接している接触層１０を備えている。上述した通り、接触層１０の材料として、例えば、電子求引基を有する材料、又は、電子供与基を有する材料を用いることで、二次元材料層１の状態（導電型）を意図的にｎ型又はｐ型とできる。この場合、第１電極部２ａおよび半導体層４および強誘電体層５の分極からのキャリアドーピングの影響を考慮せず、二次元材料層１のキャリアドーピングを制御できる。この結果、電磁波検出器の性能を向上できる。
　また、接触層１０を、二次元材料層１の上部表面における第１電極部２ａ側または半導体層４側のどちらか一方にのみ形成することで、二次元材料層１中に電荷密度の勾配が形成される。この結果、二次元材料層１中のキャリアの移動度が向上し、電磁波検出器を高感度化できる。
　＜変形例＞
　接触層１０の構成は、分子または電子などの光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に光キャリアが供給されることで、固体の接触層１０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に光キャリアがドーピングされてもよい。
　また、接触層１０の材料として、上述した材料以外にも、極性変換を生じる材料を用いてもよい。その場合、接触層１０が極性変換すると、変換の際に生じた電子又は正孔が、二次元材料層１に供給される。そのため、接触層１０が接触している二次元材料層１の部分に電子又は正孔のドーピングが生じる。そのため、接触層１０を取り除いても、接触層１０と接触していた二次元材料層１の当該部分は、電子又は正孔がドーピングされたままの状態となる。したがって、接触層１０として、極性変換を生じる材料を用いた場合、一定の時間が経過した後に接触層１０を二次元材料層１上から取り除いてもよい。この場合、接触層１０が存在している場合より二次元材料層１の開口部面積が増加する。このため、電磁波検出器の検出感度を向上できる。ここで、極性変換とは、極性基が化学的に変換する現象であり、例えば、電子求引基が電子供与基に変化する、または電子供与基が電子求引基に変化する、または極性基が非極性基に変化する、または非極性基が極性基に変化する、といった現象を意味する。
　また、接触層１０が電磁波照射によって極性変換を生じる材料により形成されてもよい。この場合、特定の電磁波の波長において極性変換を生じる材料を接触層１０の材料として選択することで、特定の電磁波の波長の電磁波照射時のみ接触層１０で極性変換を生じさせ、二次元材料層１へのドーピングを行うことができる。この結果、二次元材料層１に流入する光電流を増大できる。
　また、電磁波照射によって酸化還元反応を生じる材料を接触層１０の材料として用いてもよい。この場合、酸化還元反応時に生じる電子又は正孔を二次元材料層１にドーピングできる。
　また、二次元材料層１上に複数の接触層１０を形成してもよい。接触層１０の数は３以上であってもよく、任意の数とできる。複数の接触層１０を第１電極部２ａと半導体層４との間に位置する二次元材料層１上に形成してもよい。その場合、複数の接触層１０の材料は、同じ材料でも異なる材料でもよい。
　ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用できる。
　実施の形態７．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図１６は、実施の形態７に係る電磁波検出器１０６の平面模式図である。図１７は、実施の形態７に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。なお、図１６および図１７の断面模式図は図２と同等である。
　図１６に示した電磁波検出器１０６は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を得られるが、二次元材料層１の第２部分１ｂの平面形状が図１および図２に示した電磁波検出器１００のそれとは異なっている。
　二次元材料層１の第１部分１ａは、半導体層４の第１面４１と交差する方向に延びる第１端面１ａｓを有している。第１端面１ａｓは、例えば第１面４１と直交している。第１端面１ａｓは、例えば第１方向Ｘを向いている部分と、第２方向Ｙを向いている部分とを有している。
　二次元材料層１の第２部分１ｂは、半導体層４の第１面４１と交差する方向に延びる第２端面１ｂｓを有している。第２端面１ｂｓは、例えば第１面４１と直交している。第２端面１ｂｓは、例えば第１方向Ｘを向いている部分と、第２方向Ｙを向いている部分とを有している。
　第２部分１ｂの平面形状は、櫛型形状（梯子型形状）である。平面視において、第２部分１ｂには、少なくとも１つのスリット１１が形成されている。例えば、第２部分１ｂには、複数のスリット１１が形成されている。複数のスリット１１の各々は、例えば第１方向Ｘに沿って延びている。複数のスリット１１の各々は、例えば第２部分１ｂと第３部分１ｃとの境界にまで延びている。第２部分１ｂは、第２方向Ｙにおいて互いに間隔を空けて配置されている複数の微小部分の集合体として構成されている。複数の微小部分の各々の第１方向の端部は、第３部分１ｃに接続されている。複数の微小部分の各々の平面形状は、任意の形状であればよいが、例えば長方形状である。
　図１６に示される第２部分１ｂの各平面形状は、半導体層４の第１方向Ｘの中心を通って第２方向Ｙに沿って延びる中心線に対して対称である。図１６に示される第２部分１ｂの平面形状は、二次元材料層１の第２方向Ｙの中心を通って第１方向Ｘに沿って延びる中止線に対して対称である。
　第２端面１ｂｓは、例えば第２方向Ｙにおいて互いに対向する１組の対向面部分を有している。
　第２部分１ｂの第２端面１ｂｓの面積の総和は、第１部分１ａの第１端面１ａｓの面積の総和よりも大きい。異なる観点から言えば、平面視において、第２部分１ｂの第２方向Ｙの幅の総和は、第１部分１ａの第２方向Ｙの幅の総和よりも小さい。電磁波検出器１０６を平面視したときの第２部分１ｂの占有面積は、電磁波検出器１００を平面視したときの第２部分１ｂの占有面積よりも小さい。電磁波検出器１０６における第２部分１ｂと半導体層４との接触面の面積は、電磁波検出器１００における第２部分１ｂと半導体層４との接触面の面積よりも小さい。第２方向Ｙにおける第２部分１ｂの幅の総和の最小値は、第２方向Ｙにおける第１部分１ａ、第４部分１ｄ、及び第３部分１ｃの各々の最小幅よりも狭い。
　図１７に示されるように、第２部分１ｂの平面形状は、格子形状であってもよい。図１７に示される二次元材料層１では、半導体層４を露出させる複数の開口部１２が形成されており、複数の開口部１２は半導体層４の長手方向および短手方向の各々に並んで配置されている。図１７に示される二次元材料層１においても、第２方向Ｙにおける第２部分１ｂの幅の総和の最小値が、第２方向Ｙにおける第１部分１ａ、第４部分１ｄ、及び第３部分１ｃの各々の最小幅よりも狭い。
　また、第２部分１ｂの平面形状は、Ｅ字形状であってもよい。複数のスリット１１の各々は、例えば第２部分１ｂと第３部分１ｃとの境界にまで延びていなくてもよい。
　＜作用効果＞
　図１６及び図１７に示される電磁波検出器１０６では、第２部分１ｂと半導体層４との接触面の面積が、第２部分１ｂの平面形状に応じて調整され得る。そのため、電磁波検出器１０６では、二次元材料層１の第２部分１ｂと半導体層４との接触抵抗、ひいては電磁波検出器１０６の抵抗、が調整され得る。その結果、電磁波検出器１０６では、図１および２に示される電磁波検出器１００と比べて、電磁波検出器１０６の特性のばらつきが低減され、また暗電流が低減され得る。
　また、電磁波検出器１０６では、第２部分１ｂの第２端面１ｂｓの面積の総和が、第１部分１ａの第１端面１ａｓの面積の総和よりも大きい。第２端面１ｂｓは、二次元材料層１の厚さ方向、言い換えると二次元材料層１において原子が二次元的に配列されてなる二次元面と直交する方向、に沿って延びている。そのため、電磁波検出器１０６の第２部分１ｂにおける二次元結晶構造の端面領域は、電磁波検出器１００の第２部分１ｂにおける二次元結晶構造の端面領域よりも増えている。そのため、電磁波検出器１０６では、電磁波検出器１００と比べて、第２部分１ｂの第２端面１ｂｓにおいて二次元結晶構造の未接合手（ダングリングボンド）の割合が増加する。その結果、電磁波照射によって半導体層４に生じたキャリアが二次元材料層１を経て第１電極部２ａに輸送される際に、電磁波検出器１０６の二次元材料層１では、電磁波検出器１００の二次元材料層１と比べて、キャリア密度の変化の割合が大きくなり、キャリアの移動度が増加し、電流Ｉの変化量が多くなる。その結果、電磁波検出器１０６の感度は、電磁波検出器１００の感度と比べて、高い。
　また、上述した本実施の形態の各変形例において、二次元材料層１の第２部分１ｂはグラフェンナノリボンにより構成されていてもよい。グラフェンナノリボンは、その幅に応じて変化するバンドギャップを有する。そのため、第２部分１ｂにおいて光電変換され得る電磁波の波長域は、グラフェンナノリボンで構成された第２部分１ｂの第１方向Ｘの幅に応じて調整され得る。例えば、第２部分１ｂにおいて光電変換され得る電磁波の波長域は、第１部分１ａ、第３部分１ｃ、及び第４部分１ｄの各々において光電変換され得る電磁波の波長域よりも狭くなり得る。この場合、第２部分１ｂにおいて光電変換により生じた光キャリアは、第１部分１ａ、第３部分１ｃ、及び第４部分１ｄの各々において光電変換により生じた光キャリアとは切り分けて検出され得る。また、第２部分１ｂにおいて光電変換により生じた光キャリアを検出することで、電磁波検出器１０６の感度が向上する。また、このような電磁波検出器１０６では、グラフェンナノリボンで構成された第２部分１ｂと半導体層４とがショットキー接合するため、暗電流が低減され、かつショットキー接合部において吸収された電磁波により生成された光キャリアを検出することで感度が向上する。
　ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用できる。
　実施の形態８．
　＜電磁波検出器の構成＞
　図１８は、実施の形態８に係る電磁波検出器１０７の平面模式図である。図１９は、図１８の線分ＸＩＸ－ＸＩＸにおける断面模式図である。
　図１８及び図１９に示した電磁波検出器１０７は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を得られるが、二次元材料層１の第３部分１ｃと強誘電体層５との間に配置されている密着層１３をさらに備える点で、図１および図２に示した電磁波検出器１００とは異なっている。以下では、電磁波検出器１０７が電磁波検出器１００とは異なっている点を主に説明する。
　図１９に示されるように、断面視において、密着層１３は、二次元材料層１の第３部分１ｃと強誘電体層５に挟まれるように配置されている。密着層１３は、二次元材料層１の第３部分１ｃ及び強誘電体層５の各々の全部と接触するように配置されている。なお、密着層１３は、二次元材料層１の第３部分１ｃ及び強誘電体層５の各々の一部と接触するように配置されていてもよい。
　密着層１３を構成する材料は、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタ法により形成される絶縁材料から選択される少なくとも１つを含む。密着層１３を構成する材料は、例えばＡＬＤ法で形成されたアルミナである。電磁波検出器１０７の製造方法において、密着層１３は、例えば強誘電体層５を形成する前に二次元材料層第３部分１ｃ上に形成される。強誘電体層５は、例えば密着層１３が形成された後に密着層１３上に形成される。なお、密着層１３及び強誘電体層５は連続して成膜された後、同一マスクパターンを用いて連続してパターニングされてもよい。
　図１９に示すように、電磁波検出器１０７は、基本的には電磁波検出器１００と同様に電源回路と電気的に接続され、電磁波検出器１００と同様に動作し得る。
　＜作用効果＞
　本実施の形態にかかる電磁波検出器１０７では、二次元材料層１の第３部分１ｃと強誘電体層５との間に配置されている密着層１３により、密着層１３を備えていない電磁波検出器１００と比べて第３部分１ｃと強誘電体層５との間の密着性が向上する。その結果、検出素子としての電磁波検出器１０７間の特性ばらつきが低減し、また、生産歩留まりが向上する。具体的には、特性ばらつきについては、強誘電体層５の成膜温度と電磁波検出器１０７の動作時の駆動温度が異なる場合、成膜温度と駆動温度の差に応じた熱応力が強誘電体層５に生じ、二次元材料層第３部分１ｃの変形と抵抗変化とが引き起こされる。このような場合にも、電磁波検出器１０７では、密着層１３を備えるため、上記変形が抑制されて抵抗変化が低減させるため、特性ばらつきが低減され得る。さらに生産歩留まりについては、密着層１３を備えない電磁波検出器１００では、強誘電体層５の形成時に生じる静電誘導と電荷分布とによって、二次元材料層１の第３部分１ｃと強誘電体層５との間に剥離が生じるおそれがある。これに対し、電磁波検出器１０７では、二次元材料層１の第３部分１ｃと強誘電体層５との間に形成されている密着層１３が強誘電体層５の表面上の電荷分布を中和する。これにより、電磁波検出器１０７では、二次元材料層第３部分１ｃと強誘電体層５との間の剥離が抑制されて、電磁波検出器１０７の生産歩留まりが向上され得る。
　ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用できる。
　実施の形態９．
　＜電磁波検出器アレイの構成＞
　図２０は、実施の形態９に係る電磁波検出器アレイの上面図である。図２１は、実施の形態９に係る電磁波検出器アレイから得られた電気信号を読み出す読出し回路の一例を示す模式図である。図２２は、実施の形態９に係る電磁波検出器アレイの第１変形例を示す上面図である。
　図２０に示されるように、実施の形態９に係る電磁波検出器アレイ１０００は、複数の電磁波検出器１００の集合体である。電磁波検出器アレイ１０００は、検出素子として、実施の形態１～８のいずれかに係る電磁波検出器１００を複数有している。電磁波検出器アレイ１０００は、たとえば、電磁波検出器１００として実施の形態１に係る電磁波検出器を備えている。
　電磁波検出器アレイ１０００では、複数の電磁波検出器１００の各々の検出波長は等しい。図２０に示されるように、電磁波検出器アレイ１０００では、複数の電磁波検出器１００が二次元方向にアレイ状に配置されている。言い換えると、複数の電磁波検出器１００は、第１方向および第１方向と交差する第２方向に並んで配置されている。図２０に示される電磁波検出器アレイ１０００では、４つの電磁波検出器１００が、２×２のアレイ状に配置されている。ただし、配置される電磁波検出器１００の数はこれに限定されない。たとえば、複数の電磁波検出器１００を３以上×３以上のアレイ状に配置してもよい。
　なお、図２０に示される電磁波検出器アレイ１０００では、複数の電磁波検出器１００が二次元に周期的に配列されているが、複数の電磁波検出器１００は１つの方向に沿って周期的に配列されていてもよい。また、複数の電磁波検出器１００の各々の間隔は等間隔であってもよいし、異なる間隔であってもよい。
　また、複数の電磁波検出器１００をアレイ状に配置する際は、それぞれの電磁波検出器１００が分離出来てさえいれば、第２電極部２ｂは共通電極としてもよい。第２電極部２ｂを共通電極とすることで、各電磁波検出器１００において第２電極部２ｂが独立している構成よりも、画素の配線を少なくすることが出来る。この結果、電磁波検出器アレイを高解像度化することが可能となる。
　また、複数の電磁波検出器１００同士を分離する方法としては、例えば実施の形態１で述べた半導体層４の開口構造などを電磁波検出器１００の外周に設ければよい。
　このように複数の電磁波検出器１００を備える電磁波検出器アレイ１０００は、アレイ状に複数の電磁波検出器１００を配列することで画像センサとしても使用できる。
　電磁波検出器アレイ１０００は、電磁波検出器１００として実施の形態２～７に係る電磁波検出器のいずれかを備えていてもよい。電磁波検出器アレイ１０００は、電磁波検出器１００として実施の形態２～８に係る電磁波検出器のいずれかを備えていてもよい。
　電磁波検出器アレイ１０００は、実施の形態１～８のうちのいずれか一つの実施形態に係る電磁波検出器を複数備えていてもよいし、実施の形態１～８のうちの２以上の実施形態に係る電磁波検出器を複数備えていてもよい。
　電磁波検出器アレイ１０００の外側に、それぞれの電磁波検出器１００から得られた電気信号を読み出す読出回路または行列選択回路などの検出回路を設置することが好ましい。また、読出回路または行列選択回路などの検出回路を別の半導体チップに設け、電磁波検出器アレイ１０００とバンプ等で電気的に接続しても構わない。
　図２１は、全体が３００で表される、このような検出回路の一例を示す模式図である。以下、電磁波検出器アレイ１０００を構成する電磁波検出器１００を画素とも呼ぶ。検出回路３００は、電磁波検出器アレイ１０００の画素１００を垂直方向に走査する垂直走査回路２０と、画素１００を水平方向に走査する水平走査回路２１と、各回路にバイアス電圧を供給する電源回路２２と、水平走査回路２１からの信号を電磁波検出器アレイ１０００の外部へ出力する出力回路２３とを備える。
　検出回路３００は、１画素毎に電磁波検出器１００の応答を検出する。具体的には、垂直走査回路２０に電圧を印加して１つの行を選択し、水平走査回路２１に電圧を印加して１つの列を選択することで１画素の応答を読み出す。垂直走査回路２０により選択した行を固定し、水平走査回路２１に順次電圧を印加することによって、当該行の画素応答を全て読み出す。その後、同様に、垂直走査回路２０に電圧を印加して他の行を選択し、水平走査回路２１に順次電圧を印加することによって、当該他の行の画素応答を全て読み出す。これを繰り返すことで全画素の応答を読み出すことができる。
　本実施の形態では、垂直走査回路２０と水平走査回路２１を用いて１画素毎に応答を読み取る方法について説明したが、これに限定されず、行毎、列毎に応答を読みだしてもよいし、他の手法を用いてもよい。
　（変形例）
　図２２に示される電磁波検出器アレイ２０００は、図２０に示される電磁波検出器アレイ１０００と基本的に同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、複数の電磁波検出器として種類の異なる電磁波検出器２００、２０１，２０２，２０３を備えている点で、図２０に示される電磁波検出器アレイと異なる。
　電磁波検出器２００、２０１，２０２，２０３の各々は、上述の実施の形態１～７のいずれかに係る電磁波検出器である。電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３は、例えば検出波長が互いに異なる２つの群の電磁波検出器を含む。電磁波検出器アレイ２０００は、少なくとも２つ以上の異なる波長の電磁波を検出可能である。
　電磁波検出器アレイ２０００では、互いに異なる種類の電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３がアレイ状（マトリックス状）に配置されている。
　図２２に示される電磁波検出器アレイ２０００では、電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３が２×２のマトリックス状に配置されているが、配置される電磁波検出器の数はこれに限定されない。また、図２２に示される電磁波検出器アレイ２０００では、複数の電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３が二次元に周期的に配列されているが、複数の電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３は１つの方向に沿って周期的に配列されていてもよい。また、複数の電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３の各々の間隔は等間隔であってもよいし、異なる間隔であってもよい。
　このような電磁波検出器アレイ２０００は、種類の異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３の各々がアレイ状に配置されているため、画像センサとしての機能を持たせることができる。
　このように異なる検出波長を有する電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３をアレイ状に配置することにより、可視光域で用いるイメージセンサと同様に、たとえば紫外光、赤外光、テラヘルツ波、電波の波長域などの任意の波長域において、電磁波の波長を識別できる。この結果、たとえば波長の相違を色の相違として示した、カラー化した画像を得ることができる。
　また、電磁波検出器を構成する半導体層４の構成材料として、検出波長の異なる半導体材料を用いてもよい。たとえば、検出波長が可視光の波長である半導体材料と、検出波長が赤外線の波長である半導体材料とを上記構成材料として用いてもよい。この場合、例えば、当該電磁波検出器を車載センサに適用した時に、昼間は可視光画像用カメラとして電磁波検出器を使用できる。さらに、夜間は赤外線カメラとしても電磁波検出器を使用できる。このようにすれば、電磁波の検出波長によって、画像センサを有するカメラを使い分ける必要が無い。
　また、イメージセンサ以外の電磁波検出器の用途としては、たとえば少ない画素数でも、物体の位置検出を行うことが可能な位置検出用センサとして当該電磁波検出器を用いることができる。たとえば、電磁波検出器アレイの構造により、上記のように検出波長の異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３を用いれば、複数波長の電磁波の強度を検出する画像センサが得られる。これにより、従来、ＣＭＯＳイメージセンサなどで必要であったカラーフィルタを用いることなく、複数の波長の電磁波を検出し、カラー画像を得ることができる。
　さらに、検出する偏光が異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３をアレイ化することにより、偏光識別イメージセンサを形成することもできる。例えば、検知する偏光角度が０°、９０°、４５°、１３５°である４つの画素を一単位として、当該一単位の電磁波検出器を複数配置することで偏光イメージングが可能になる。偏光識別イメージセンサによって、例えば、人工物と自然物の識別、材料識別、赤外波長域における同一温度物体の識別、物体間の境界の識別、又は、等価的な分解能の向上などが可能になる。
　以上のように、電磁波検出器アレイ２０００は、広い波長域の電磁波を検出することができる。また、電磁波検出器アレイ２０００は、異なる波長の電磁波を検出することができる。
　（変形例）
　なお、上述した各実施の形態において、絶縁層３、半導体層４、強誘電体層５、導電体９、接触層１０の材料として、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料を用いることが好ましい。
　ここで、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料としては、例えば、量子ドット、強誘電体材料、液晶材料、フラーレン、希土類酸化物、半導体材料、ｐｎ接合材料、金属－半導体接合材料、又は、金属－絶縁物－半導体接合材料等を用いることができる。例えば、強誘電体材料として、電磁波による分極効果（焦電効果）を有する強誘電体材料を用いる場合、電磁波の照射により、強誘電体材料に分極の変化が生じる。この結果、二次元材料層１に電位の変化を与えることができる。
　上述のように絶縁層３、半導体層４、強誘電体層５、導電体９、及び接触層１０の各々を構成する材料が電磁波の照射により特性が変化する材料である場合、絶縁層３、半導体層４、強誘電体層５、導電体９、及び接触層１０では、電磁波の照射により特性が変化して、二次元材料層１に電位の変化を与えることができる。
　なお、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料を絶縁層３、半導体層４、強誘電体層５、導電体９、接触層１０に適用する例を説明したが、上述した各部材のうちの少なくとも一つ以上に、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料を適用すればよい。例えば、接触層１０に電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料を適用する場合、接触層１０は、必ずしも二次元材料層１に直接接触している必要はない。たとえば、電位の変化を二次元材料層１に与えることができれば、絶縁膜等を介して、二次元材料層１の上面又は下面上に接触層１０を設けてもよい。
　上述した各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。さらに、上記実施の形態は実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の開示が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の開示が抽出され得る。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本開示の範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
　１　二次元材料層、１ａ　第１部分、１ａｓ　第１端面、１ｂ　第２部分、１ｂｓ　第２端面、１ｃ　第３部分、１ｄ　第４部分、１ｅ　第５部分、２ａ　第１電極部、２ｂ　第２電極部、２ｃ　第３電極部、２ｄ　第４電極部、３　絶縁層、４　半導体層、５　強誘電体層、６　第２の二次元材料層、７　第２の絶縁層、８　反射膜、９　導電体、１０　接触層、１１　スリット、１２　開口部、１３　密着層、２０　垂直走査回路、２１　水平走査回路、２２　電源回路、２３　出力回路、４１　第１面、４１ａ　第１領域、４１ｂ　第２領域、４１ｃ　第３領域、４２　第２面、４３　凹部、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，２００，２０１，２０２，２０３　電磁波検出器、３００　検出回路、１０００，２０００　電磁波検出器アレイ。

Claims (14)

  1. 　第１部分と、第１方向において前記第１部分と間隔を空けて配置されている第２部分と、前記第１方向において前記第１部分と前記第２部分との間に架橋されている第３部分とを有する二次元材料層と、
    　前記第１部分と電気的に接続されている第１電極部と、
    　前記二次元材料層の前記第１部分、前記第３部分、及び前記第２部分を介して前記第１電極部と電気的に接続されている第２電極部と、
    　少なくとも一部が前記第３部分上に配置されている強誘電体層とを備える、電磁波検出器。
  2. 　前記強誘電体層は、前記強誘電体層内の分極が変化したときに前記二次元材料層の抵抗値が変化するように設けられている、請求項１に記載の電磁波検出器。
  3. 　前記第３部分と前記強誘電体層との間に配置されている密着層をさらに備える、請求項１又は２に記載の電磁波検出器。
  4. 　前記第３部分との間で前記強誘電体層を挟むように配置されている第２の二次元材料層と、
    　前記第２の二次元材料層と電気的に接続されている第３電極部とをさらに備える、請求項１～３のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  5. 　第１面及び前記第１面とは反対側に位置する第２面を有する半導体層をさらに備え、
    　前記第１面は、第１領域と、前記第１方向において前記第１領域と間隔を空けて配置されている第２領域と、前記第１方向において前記第１領域と前記第２領域との間に配置されている第３領域とを有し、
    　前記第１領域上に配置されており、前記第２領域及び前記第３領域を露出している絶縁層をさらに備え、
    　前記二次元材料層の前記第１部分及び前記第１電極部は、前記絶縁層上に配置されており、
    　前記二次元材料層の前記第２部分は、前記第２領域に接しており、
    　前記二次元材料層の前記第３部分は、前記第１面と直交する方向において前記第３領域と間隔を空けて配置されており、
    　前記第２電極部は、前記第２面に接しており、前記二次元材料層の前記第１部分、前記第３部分、及び前記第２部分、並びに前記半導体層を介して前記第１電極部と電気的に接続されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  6. 　前記第１部分は、前記第１面と交差する方向に延びる第１端面を有し、
    　前記第２部分は、前記第１面と交差する方向に延びる第２端面を有し、
    　前記第２端面の面積の総和は、前記第１端面の面積の総和よりも大きい、請求項５に記載の電磁波検出器。
  7. 　第１面を有する支持層をさらに備え、
    　前記第１面は、第１領域と、前記第１方向において前記第１領域と間隔を空けて配置されている第２領域と、前記第１方向において前記第１領域と前記第２領域との間に配置されている第３領域とを有し、
    　前記第１領域上に配置されている第１絶縁層と、
    　前記第２領域上に配置されている第２絶縁層とをさらに備え、
    　前記二次元材料層の前記第１部分及び前記第１電極部は、前記第１絶縁層上に配置されており、
    　前記二次元材料層の前記第２部分及び前記第２電極部は、前記第２絶縁層上に配置されており、
    　前記二次元材料層の前記第３部分は、前記第１面と直交する方向において前記第３領域と間隔を空けて配置されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  8. 　前記第３領域上に配置されている反射膜をさらに備える、請求項５～７のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  9. 　前記二次元材料層の前記第３部分及び前記強誘電体層の少なくともいずれかに接している導電体をさらに備える、請求項１～８のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  10. 　前記二次元材料層に接している接触層をさらに備え、
    　前記接触層は、前記二次元材料層に電子又は正孔をドーピングするように設けられている、請求項１～９のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  11. 　電圧計及び電流計の少なくともいずれかをさらに備え、
    　前記二次元材料層、前記第１電極部、前記第２電極部は、前記第１電極部、前記二次元材料層の前記第１部分、前記第３部分、前記第２部分、及び前記第２電極部の順に電気的に接続されており、
    　前記電圧計及び前記電流計の少なくともいずれかが前記第１電極部と前記第２電極部との間に流れる電流の電圧及び電流の少なくともいずれかの変化を検出することで電磁波を検出するように構成されている、請求項１～１０のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  12. 　前記二次元材料層は、乱層構造部分を含む、請求項１～１１のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  13. 　前記二次元材料層は、遷移金属ダイカルコゲナイド、グラフェン、黒リン、シリセン、ゲルマネン、グラフェンナノリボン及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１～１２のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
  14. 　請求項１～１３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は、前記第１方向及び前記第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、電磁波検出器アレイ。
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