JP7341373B1 - 電磁波検出器、電磁波検出器アレイ及び画像センサ - Google Patents

Abstract

電磁波検出器（１００）は、第１強誘電体層（５）と、二次元材料層（１）と、第１の電極対（２ａ）と、第２の電極対（２ｂ）とを備える。第１の電極対（２ａ）は、第１電極（２１）と第２電極（２２）とを含む。第２の電極対（２ｂ）は、第３電極（２５）と第４電極（２６）とを含む。第１の電極対（２ａ）及び第２の電極対（２ｂ）は、二次元材料層（１）に電気的に接続されている。第３電極（２５）と第４電極（２６）とは、第１強誘電体層（５）の自発分極の分極方向に対して垂直な第１方向に互いに対向して配置されている。第１電極（２１）と第２電極（２２）とは、第１方向とは異なる第２方向に互いに対向して配置されている。

Description

本開示は、電磁波検出器、電磁波検出器アレイ及び画像センサに関する。

次世代の電磁波検出器に用いられる電磁波検出層の材料として、二次元材料層の一例であるグラフェンが知られている。グラフェンは、極めて高い移動度を有している。グラフェンの吸収率は、２．３％と低い。このため、二次元材料層としてグラフェンが用いられた電磁波検出器における高感度化手法が提案されている。

例えば、国際公開第２０１８／０１２０７６号（特許文献１）は、ソース電極と、ドレイン電極と、グラフェン層と、強誘電体層とを備える電磁波検出器を開示している。特許文献１の電磁波検出器では、ソース電極及び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強誘電体層が配置されている。上記電磁波検出器では、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、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

しかしながら、特許文献１の電磁波検出器では、電磁波検出器のオフ動作が困難である。本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、より高い検出感度を有しかつオフ動作が改善された電磁波検出器、電磁波検出器アレイ及び画像センサを提供することを目的とする。

本開示に係る電磁波検出器は、第１強誘電体層と、二次元材料層と、第１の電極対と、第２の電極対とを備える。第１強誘電体層は、第１主面を含み、かつ、自発分極を有する。二次元材料層は、第１強誘電体層の第１主面上に配置されている。第１の電極対は、第１電極と、第２電極とを含む。第２の電極対は、第３電極と、第４電極とを含む。第１の電極対は、二次元材料層に電気的に接続されている。第２の電極対は、二次元材料層に電気的に接続されている。第１主面の平面視において、第３電極と第４電極とは、第１強誘電体層の自発分極の第１分極方向に対して垂直な第１方向に互いに対向して配置されている。第１主面の平面視において、第１電極と第２電極とは、第１方向とは異なる第２方向に互いに対向して配置されている。

本開示に係る電磁波検出器アレイは、本開示の電磁波検出器を複数備える。複数の電磁波検出器が、第３方向および第３方向とは異なる第４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。

本開示に係る画像センサは、本開示の電磁波検出器アレイと、本開示の電磁波検出器アレイに接続されている読出回路とを備える。

本開示の電磁波検出器によれば、より高い検出感度を有しかつオフ動作が改善された電磁波検出器、電磁波検出器アレイ及び画像センサを提供することができる。

実施の形態１に係る電磁波検出器の概略平面図である。 実施の形態１に係る電磁波検出器の、図１に示される断面線ＩＩ－ＩＩにおける概略断面図である。 実施の形態１に係る電磁波検出器の、図１に示される断面線ＩＩＩ－ＩＩＩにおける概略断面図である。 実施の形態１の第１変形例に係る電磁波検出器を示す概略断面図である。 実施の形態１の第２変形例に係る電磁波検出器を示す概略断面図である。 実施の形態１の第３変形例に係る電磁波検出器を示す概略断面図である。 実施の形態１の第４変形例に係る電磁波検出器を示す概略平面図である。 実施の形態２に係る電磁波検出器の概略平面図である。 実施の形態３に係る電磁波検出器の概略断面図である。 実施の形態３に係る電磁波検出器の概略断面図である。 実施の形態４に係る電磁波検出器の概略断面図である。 実施の形態４の変形例に係る電磁波検出器の概略断面図である。 実施の形態５に係る電磁波検出器の概略断面図である。 実施の形態５の変形例に係る電磁波検出器の概略断面図である。 実施の形態６に係る電磁波検出器の概略断面図である。 実施の形態７に係る電磁波検出器の概略断面図である。 実施の形態８に係る電磁波検出器の概略平面図である。 実施の形態８に係る電磁波検出器の、図１６に示される断面線ＸＶＩＩ－ＸＶＩＩにおける概略断面図である。 実施の形態８に係る電磁波検出器の、図１６に示される断面線ＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩにおける概略断面図である。 実施の形態９に係る電磁波検出器の概略平面図である。 実施の形態９に係る電磁波検出器の、図１９に示される断面線ＸＸ－ＸＸにおける概略断面図である。 実施の形態９に係る電磁波検出器の、図１９に示される断面線ＸＸＩ－ＸＸＩにおける概略断面図である。 実施の形態１０に係る電磁波検出器の概略平面図である。 実施の形態１０に係る電磁波検出器の、図２１Ｂに示される断面線ＸＸＩＣ－ＸＸＩＣにおける概略断面図である。 実施の形態１１に係る電磁波検出器の概略平面図である。 実施の形態１１に係る電磁波検出器の、図２２に示される断面線ＸＸＩＩＩ－ＸＸＩＩＩにおける概略断面図である。 実施の形態１２に係る電磁波検出器の概略平面図である。 実施の形態１２に係る電磁波検出器の、図２４に示される断面線ＸＸＶ－ＸＸＶにおける概略断面図である。 実施の形態１３に係る電磁波検出器の概略平面図である。 実施の形態１３に係る電磁波検出器の、図２６に示される断面線ＸＸＶＩＩ－ＸＸＶＩＩにおける概略断面図である。 実施の形態１４に係る電磁波検出器の概略平面図である。 実施の形態１４に係る電磁波検出器の、図２８に示される断面線ＸＸＩＸ－ＸＸＩＸにおける概略断面図である。 実施の形態１５に係る電磁波検出器の回路図である。 実施の形態１６に係る電磁波検出器を示す回路図である。 実施の形態１７に係る電磁波検出器アレイの平面模式図である。 実施の形態１７の変形例に係る電磁波検出器アレイを示す平面模式図である。 実施の形態１７に係る画像センサの概略部分拡大図である。 実施の形態１７に係る画像センサの概略部分拡大図である。

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、主に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、多層グラフェン、乱層積層グラフェン、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（ＭｏＳ_２）、二硫化タングステン（ＷＳ_２）、二セレン化タングステン（ＷＳｅ_２）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、多層グラフェン、乱層積層グラフェン、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。

これらの材料は、グラフェンと類似の構造を有している。これらの材料では、原子が二次元面内に単層で配列されている。したがって、これらの材料が二次元材料層に適用された場合においても、二次元材料層にグラフェンが適用された場合と同様の作用効果が得られる。

また、本実施の形態において、絶縁層と表記されるものは、トンネル電流が生じない厚さを有する絶縁物の層である。

実施の形態１．
＜電磁波検出器１００の構成＞
図１から図３を参照して、実施の形態１に係る電磁波検出器１００を説明する。電磁波検出器１００は、第１強誘電体層５と、二次元材料層１と、第１の電極対２ａと、第２の電極対２ｂと、第１絶縁膜３と、裏面電極４と、第１動作回路３０と、第２動作回路３３と、信号検出回路４０とを備える。

第１強誘電体層５は、第１主面５ａと、第１主面５ａとは反対側の第２主面５ｂとを含む。第１主面５ａ及び第２主面５ｂは、各々、ｘ方向と、ｘ方向に垂直なｙ方向とに延在している。第１主面５ａの法線方向及び第２主面５ｂの法線方向は、ｘ方向及びｙ方向に垂直なｚ方向である。第１強誘電体層５は、自発分極を有する。第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向は、例えば、＋ｘ方向である。

第１強誘電体層５は、電磁波検出器１００に照射される電磁波の波長（以下、「検出波長」ということがある。）に感度を有している。第１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、第１強誘電体層５は、電磁波を吸収して、発熱する。そのため、第１強誘電体層５の自発分極は、変化する。すなわち、第１強誘電体層５に焦電効果が生じる。本実施の形態では、電磁波は、図２及び図３の上方から電磁波検出器１００に照射されている。電磁波検出器１００を用いて電磁波を検出するためには、第１強誘電体層５に電磁波が照射されればよく、電磁波検出器１００に対する電磁波の照射方向は特に限定されない。

本実施の形態では、第１強誘電体層５は、二次元材料層１の下に配置される。具体的には、第１強誘電体層５は、第１の電極対２ａ、第２の電極対２ｂ及び二次元材料層１の下に配置されている。第１強誘電体層５は、二次元材料層１の上に配置されてもよいし、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂの上に配置されてもよい。第１強誘電体層５の第１主面５ａは、第１絶縁膜３によって覆われている。

二次元材料層１は、第１強誘電体層５の第１主面５ａ上に配置されている。図２及び図３に示されるように、本実施の形態では、二次元材料層１は、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂ上に配置されている。二次元材料層１は、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂの下に配置されてもよい。第１強誘電体層５の第１主面５ａの平面視において、二次元材料層１は、好ましくは、第１強誘電体層５に重なるように配置されている。そのため、二次元材料層１に対する第１強誘電体層５の自発分極の変化の影響を大きくすることができる。

二次元材料層１は、第１細長部分１１と、第２細長部分１２とを含む。第１細長部分１１の第１長手方向は、第２細長部分１２の第２長手方向と異なっている。第１細長部分１１の第１長手方向は、例えば、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（＋ｘ方向）に平行な方向（ｘ方向）である。第２細長部分１２の第２長手方向は、例えば、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（＋ｘ方向）に対して垂直な第１方向（ｙ方向）である。

図２及び図３に示されるように、本実施の形態では、第１細長部分１１は、第２細長部分１２と同一層である。第１細長部分１１と第２細長部分１２とは、共通部分１３を共有している。共通部分１３は、第１細長部分１１の中央部であり、かつ、第２細長部分１２の中央部である。図１に示されるように、第１主面５ａの平面視において、第１細長部分１１の一部は第２細長部分１２の一部と重なっている。本実施の形態では、第１主面５ａの平面視において、第１細長部分１１の中央部が第２細長部分１２の中央部に重なっている。第１主面５ａの平面視において、第１細長部分１１は第２細長部分１２に交差しており、二次元材料層１の形状は、十字である。第１主面５ａの平面視における二次元材料層１の形状は、特に限定されず、電磁波検出器１００への電磁波の照射時（以下、「明状態」ということがある。）において、第１の電極対２ａから発生する第１電気信号と第２の電極対２ｂから発生する第２電気信号との間に差分が発生する形状であればよい。

本実施の形態では、第１主面５ａの平面視において、二次元材料層１の端部の形状は、矩形である。二次元材料層１の端部の形状は、特に限定されず、三角形または櫛形などであってもよい。

第１主面５ａの平面視において、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１の形状は、第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２の形状と同一であることが好ましい。第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１の形状が、第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２の形状と同一である場合、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１の電気抵抗は、第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２の電気抵抗と同一になる。そのため、電磁波検出器１００への電磁波の非照射時（以下、「暗状態」ということがある。）において、信号検出回路４０からの出力をゼロにすることができる。第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１の形状が、第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２の形状と異なる場合であっても、信号検出回路４０を調整することによって、暗状態において信号検出回路４０からの出力をゼロにすることができる。

二次元材料層１は、例えば、グラフェン、多層グラフェン、乱層積層グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト、黒リン、シリセン、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料で形成されている。二次元材料層１は、単一の単層二次元材料層で形成されてもよい。

第１の電極対２ａは、二次元材料層１に電気的に接続されている。具体的には、第１の電極対２ａは、第１細長部分１１に電気的に接続されている。第１の電極対２ａは、第１電極２１と、第２電極２２とを含む。第１主面５ａの平面視において、第１電極２１と第２電極２２とは、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（＋ｘ方向）に対して垂直な第１方向（ｙ方向）とは異なる第２方向に互いに対向して配置されている。そのため、電磁波検出器１００への電磁波の照射時に、第１強誘電体層５の自発分極の変化に起因して、第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１の電気抵抗は変化する。

第２方向は、好ましくは、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（＋ｘ方向）に平行であり、第１電極２１と第２電極２２とは、好ましくは、第１主面５ａの平面視において、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（＋ｘ方向）に互いに対向して配置されている。そのため、第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１の電気抵抗の変化は最大化される。

第２の電極対２ｂは、二次元材料層１に電気的に接続されている。具体的には、第２の電極対２ｂは、第２細長部分１２に電気的に接続されている。第２の電極対２ｂは、第３電極２５と、第４電極２６とを含む。第１主面５ａの平面視において、第３電極２５と第４電極２６とは、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向に対して垂直な第１方向（ｙ方向）に互いに対向して配置されている。そのため、第２の電極対２ｂから出力される第２電気信号は、明状態において生じる第１強誘電体層５の自発分極の変化の影響を受けない。明状態における第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１の電気抵抗は、暗状態における第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１の電気抵抗から変化しない。暗状態と明状態との間で、第２の電極対２ｂから出力される第２電気信号は、変化しない。

これに対し、上記のとおり、第１電極２１と第２電極２２とは、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（＋ｘ方向）に対して垂直な第１方向（ｙ方向）とは異なる第２方向に互いに対向して配置されている。そのため、第１の電極対２ａから出力される第１電気信号は、明状態において生じる第１強誘電体層５の自発分極の変化の影響を受ける。明状態における第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１の電気抵抗は、暗状態における第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１の電気抵抗から変化する。暗状態と明状態との間で、第１の電極対２ａから出力される第１電気信号は、変化する。

暗状態における第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１の電気抵抗を、暗状態における第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１の電気抵抗に等しくする。信号検出回路４０は、第１の電極対２ａから出力される第１電気信号と第２の電極対２ｂから出力される第２電気信号との間の差分信号を出力する。こうして、暗状態において信号検出回路４０から出力される信号は、ゼロになる。

これに対し、明状態では、第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１の電気抵抗は変化するが、暗状態における第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１の電気抵抗は変化しない。信号検出回路４０は、第１の電極対２ａから出力される第１電気信号と第２の電極対２ｂから出力される第２電気信号との間の差分信号を出力する。そのため、明状態において信号検出回路４０から出力される信号から、暗電流の影響を取り除くことができる。電磁波検出器１００のオフ動作が改善される。

第１絶縁膜３は、第１強誘電体層５の第１主面５ａ上に形成されている。第１絶縁膜３は、第１強誘電体層５と二次元材料層１との間に配置されている。第１絶縁膜３は、電磁波検出器１００に入射する電磁波を吸収して、発熱する。そのため、第１絶縁膜３は、明状態における第１強誘電体層５の自発分極の変化を増強することができる。

裏面電極４は、第１強誘電体層５の第２主面５ｂ上に形成されている。裏面電極４を通して二次元材料層１にバックゲート電圧Ｖ_ｂｇを印加することによって、バックゲート電圧Ｖ_ｂｇが二次元材料層１に効率的に印加され得る。電磁波検出器１００が裏面電極４を含む場合には、電磁波は、図２及び図３の上方から電磁波検出器１００に照射されることが好ましい。

第１動作回路３０は、第１の電極対２ａに接続されている。第１動作回路３０は、例えば、第１電極２１と第２電極２２との間にバイアス電圧Ｖ_ｄ１を印加する第１電圧源３１を含む。第１電圧源３１は、二次元材料層１の第１細長部分１１にバイアス電圧Ｖ_ｄ１を印加する。

第２動作回路３３は、第２の電極対２ｂに接続されている。第２動作回路３３は、例えば、第３電極２５と第４電極２６との間にバイアス電圧Ｖ_ｄ２を印加する第２電圧源３４を含む。第２電圧源３４は、二次元材料層１の第２細長部分１２にバイアス電圧Ｖ_ｄ２を印加する。

信号検出回路４０は、第１信号検出器４１と、第２信号検出器４２と、差分器４４とを含む。

第１信号検出器４１は、第１の電極対２ａに接続されている。具体的には、第１信号検出器４１は、第１の電極対２ａに含まれる第１電極２１及び第２電極２２の一方（本実施の形態では、第１電極２１）に接続されている。第１電極２１及び第２電極２２の他方（本実施の形態では、第２電極２２）は、例えば、接地されている。第１信号検出器４１は、第１動作回路３０に接続されている。第１信号検出器４１は、第１の電極対２ａから出力される第１電気信号を検出する。第１信号検出器４１は、例えば、第１電流計を含む。第１電流計は、第１動作回路３０が第１電極２１と第２電極２２との間にバイアス電圧Ｖ_ｄ１を印加することによって、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１を流れる電流Ｉ_ｄ１を検出する。

第２信号検出器４２は、第２の電極対２ｂに接続されている。具体的には、第２信号検出器４２は、第２の電極対２ｂに含まれる第３電極２５及び第４電極２６の一方（本実施の形態では、第３電極２５）に接続されている。第３電極２５及び第４電極２６の他方（本実施の形態では、第４電極２６）は、例えば、接地されている。第２信号検出器４２は、第２動作回路３３に接続されている。第２信号検出器４２は、第２の電極対２ｂから出力される第２電気信号を検出する。第２信号検出器４２は、例えば、第２電流計を含む。第２電流計は、第２動作回路３３が第３電極２５と第４電極２６との間にバイアス電圧Ｖ_ｄ２を印加することによって、第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２を流れる電流Ｉ_ｄ２を検出する。

差分器４４は、第１信号検出器４１と第２信号検出器４２とに接続されている。差分器４４は、第１電気信号と第２電気信号との間の差分信号を出力する。例えば、第１電気信号は第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１を流れる電流Ｉ_ｄ１であり、第２電気信号は第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２を流れる電流Ｉ_ｄ２であり、差分器４４は電流Ｉ_ｄ１と電流Ｉ_ｄ２との間の差分信号を出力する。そのため、暗状態において、信号検出回路４０から出力される信号をゼロにすることができる。明状態において信号検出回路４０から出力される信号から、暗電流の影響を取り除くことができる。電磁波検出器１００のオフ動作が改善される。

次に、二次元材料層１、第１の電極対２ａ、第２の電極対２ｂ、第１絶縁膜３及び第１強誘電体層５の構成について詳細に説明する。

＜二次元材料層１の構成＞
二次元材料層１は、例えば、単層のグラフェンである。単層のグラフェンは、二次元炭素結晶の単原子層である。グラフェンは、六角形状に配置された複数の連鎖の各々にそれぞれ配置された複数の炭素原子を有している。グラフェンの吸収率は、２．３％と低い。具体的には、グラフェンの白色光の吸収率は、２．３％である。なお、本実施の形態において、白色光は、可視光線の波長を有する光が均等に混ざった光である。また、二次元材料層１は、複数のグラフェン層が積層された多層グラフェンであってもよい。多層グラフェン中のグラフェンのそれぞれの六方格子の格子ベクトルの向きは、一致していてもよいし、異なっていてもよい。また、多層グラフェン中のグラフェンのそれぞれの六方格子の格子ベクトルの向きは、完全に一致していてもよい。また、二次元材料層１は、ｐ型またはｎ型の不純物がドープされたグラフェンであってもよい。

例えば、２層以上のグラフェン層が積層されることによって、二次元材料層１にバンドギャップが形成される。すなわち、積層されたグラフェン層の数を変更することによって、バンドギャップの大きさを調整することができる。これにより、二次元材料層１は、光電変換の対象となる電磁波（検出波長）を選択する波長選択効果を有することができる。また、例えば、多層グラフェンのグラフェン層の数が増加すると、二次元材料層１の移動度が低下する。一方で、多層グラフェンのグラフェン層の数が増加すると、二次元材料層を支持する下地からのキャリア散乱の影響が抑制されるため、電磁波検出器１００のノイズが低下する。このため、二次元材料層１として多層グラフェンが用いられると、二次元材料層１における電磁波の吸収が増加して、電磁波に対する電磁波検出器１００の検出感度が向上する。

また、多層グラフェンは、乱層構造部分を含んでもよい。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。

より詳細には、乱層構造部分を含まない通常の積層グラフェンは、複数のグラフェン層の格子が互いに整合した状態で積層される。このような複数のグラフェン層の積層状態は、ＡＢ積層と呼ばれる。

これに対し、乱層構造部分を含む多層グラフェンは、次のように形成される。ＣＶＤ法によって作成されたグラフェンは、多結晶を有する。このため、下層のグラフェンの上にさらにグラフェンが複数回転写された場合、またはＣＶＤ法によって下層のグラフェンを核としてさらにグラフェンが積層された場合には、複数のグラフェンの格子が互いに不整合な状態で積層される。すなわち、多層グラフェンに、乱層構造部分が形成される。乱層構造部分では、互いに隣り合うグラフェン層間の相互作用が少なく、乱層構造部分の各グラフェン層は、単層グラフェンと同等の性質を有する。そして、二次元材料層１は下地からキャリア散乱の影響を受けると、二次元材料層１の移動度は低下する。しかし、乱層構造部分において、下地に接触するグラフェンはキャリア散乱の影響を受けるが、当該グラフェン上に乱層構造で積層された上層のグラフェンは、下地からキャリア散乱の影響を受けにくくなる。また、乱層構造のグラフェンでは、互いに隣り合うグラフェン層間の相互作用が少ないため、向上された導電率を有する。以上より、乱層構造のグラフェンではキャリアの移動度が向上し、乱層構造のグラフェンを含む電磁波検出器１００は、電磁波に対して向上された感度を有する。

また、二次元材料層１としてナノリボン状のグラフェン（グラフェンナノリボン）が用いられてもよい。二次元材料層１は、グラフェンナノリボン単体であってもよい。二次元材料層１は、複数のグラフェンナノリボンが積層された構造を有してもよい。二次元材料層１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を有してもよい。二次元材料層１がグラフェンナノリボンが周期的に配列された構造を有する場合、グラフェンナノリボンにおいてプラズモン共鳴を発生するため、電磁波検出器１００の感度が向上する。グラフェンナノリボンが周期的に配列された構造は、グラフェンメタマテリアルと呼ばれることもある。二次元材料層１としてグラフェンメタマテリアルが用いられた電磁波検出器１００では、プラズモン共鳴を発生するため、電磁波検出器１００の感度が向上する。

二次元材料層１の端部はグラフェンナノリボンであってもよい。この場合、グラフェンナノリボンはバンドギャップを有するため、グラフェンナノリボンと電極との接合領域においてショットキー接合が形成される。

二次元材料層１が第１の電極対２ａに接触することによって、第１の電極対２ａから二次元材料層１にキャリアがドープされる。例えば、二次元材料層１がグラフェンで形成されており、かつ、第１の電極対２ａが金（Ａｕ）で形成されている場合、キャリアは正孔である。グラフェンの仕事関数と金（Ａｕ）の仕事関数との差によって、二次元材料層１のうち第１の電極対２ａに接している部分に正孔がドープされる。二次元材料層１のの当該部分に正孔がドープされた状態において、電磁波検出器１００が電子伝導状態で駆動されると、正孔の影響によって、チャネル内に流れる電子の移動度が低下する。このため、二次元材料層１と第１の電極対２ａとの間のコンタクト抵抗が増加する。特に、二次元材料層１の全ての領域が単層グラフェンによって形成されている場合、第１の電極対２ａから二次元材料層１に注入されるキャリアの量（ドープ量）が大きい。このため、電磁波検出器１００の電子の移動度の低下は、顕著である。したがって、二次元材料層１の全ての領域が単層グラフェンによって形成されている場合、電磁波検出器１００の性能は低下する。

また、第１の電極対２ａから多層グラフェンにドープされるキャリアの量は、第１の電極対２ａから単層グラフェンにドープされるキャリアの量よりも小さい。このため、キャリアがドープされやすい第１の電極対２ａとの接合部が多層グラフェンで形成されることによって、二次元材料層１と第１の電極対２ａとの間のコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。これにより、電磁波検出器１００の電子の移動度の低下を抑制することができて、電磁波検出器１００の性能を向上させることができる。

＜第１の電極対２ａおよび第２の電極対２ｂの構成＞
第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂは、任意の導電材料で形成されている。第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂの材料は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）およびパラジウム（Ｐｄ）の少なくともいずれかを含んでいてもよい。第１の電極対２ａと第１絶縁膜３との間及び第２の電極対２ｂと第１絶縁膜３との間に、密着層（図示せず）が設けられてもよい。密着層は、第１の電極対２ａと第１絶縁膜３との間の密着性及び第２の電極対２ｂと第１絶縁膜３との間の密着性を高める。密着層の材料は、例えば、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等の金属材料を含んでいる。

＜第１絶縁膜３の構成＞
第１絶縁膜３の材料は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）である。第１絶縁膜３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（ＯＣ_２Ｈ_５）_４）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、窒化ボロン（ＢＮ）、または、シロキサン系のポリマー材料であってもよい。例えば、窒化ボロン（ＢＮ）の原子配列は、グラフェンの原子配列と似ている。このため、窒化ボロン（ＢＮ）がグラフェンからなる二次元材料層１に接触する場合、二次元材料層１の電子の移動度の低下が抑制される。よって、窒化ボロン（ＢＮ）は、二次元材料層１の下に配置される下地膜としての第１絶縁膜３に好適な材料である。

第１絶縁膜３の材料は、ＲｅＮｉＯ_３（Ｒｅは希土類元素を表す）またはＴａＳ_２などのようなモット絶縁体であってもよい。電磁波がモット絶縁体層に照射されることによって、モット絶縁体層に相転移が生じて、モット絶縁体層の物性（例えば、温度）が変化する。そのため、モット絶縁体層は、電磁波の照射時における第１強誘電体層５の自発分極の変化を増強することができる。

第１絶縁膜３の厚さは、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが第１強誘電体層５に対して電気的に絶縁され、かつトンネル電流が第１の電極対２ａと第１強誘電体層５との間及び第２の電極対２ｂと第１強誘電体層５との間に生じない限りにおいて、特に制限されない。絶縁層は、二次元材料層１の下方に配置されていなくてもよい。

＜第１強誘電体層５の構成＞
第１強誘電体層５の材料は、検出波長を有する電磁波が第１強誘電体層５に入射した際に第１強誘電体層５に自発分極の変化が生じる材料であればよい。第１強誘電体層５の材料は、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、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（ＨｆＯ_２）および有機ポリマーであるポリフッ化ビニリデン系の強誘電体（ＰＶＤＦ、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ－ＣＴＦＥ）等）の少なくともいずれかを含む。また、第１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によって形成されてもよい。

第１強誘電体層５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、第１強誘電体層５の材料は、第１強誘電体層５の内部の熱エネルギーの変化に対して自発分極の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く、第１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、第１強誘電体層５は、広帯域の電磁波に感度を有する。

第１強誘電体層５の材料は、自発分極を有する。電磁波の照射によって第１強誘電体層５の温度が上昇すると、第１強誘電体層５の自発分極は減少する。このため、第１強誘電体層５から二次元材料層１に印加される電界が減少する。第１強誘電体層５の自発分極の変化により、二次元材料層１に抵抗変化が生じる。そのため、二次元材料層１と第１強誘電体層５とを含む電磁波検出器１００は、電磁波を検出することができる。

第１強誘電体層５内における自発分極の変化の速度が可能な限り速くなるように第１強誘電体層５を構成することによって、電磁波検出器１００の応答速度を向上させることができる。具体的には、第１強誘電体層５の厚さは、電磁波の照射による第１強誘電体層５の自発分極の変化の影響を二次元材料層１に与えることができる範囲内でできるだけ薄いことが望ましい。具体的には、第１強誘電体層５は、１０μｍ以下の厚さを有する強誘電体薄膜であることが望ましい。

第１強誘電体層５の厚さは、電磁波が第１強誘電体層５に照射された際に、第１強誘電体層５の自発分極の変化に起因して、二次元材料層１にできる限り大きな電気抵抗の変化を与えることができる厚さであることが望ましい。

第１強誘電体層５上に、保護膜（図示せず）が設けられてもよい。保護膜は、二次元材料層１、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂを覆うように設けられてもよい。保護膜の材料は、例えば、酸化物または窒化物等の絶縁体である。保護膜の材料は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）または窒化ボロン（ＢＮ）等である。

＜電磁波検出器１００の製造方法＞
本実施の形態の電磁波検出器１００の製造方法の一例を説明する。

本実施の形態の電磁波検出器１００の製造方法の一例は、準備工程、裏面電極形成工程、絶縁膜形成工程、電極形成工程及び二次元材料層形成工程を主に含んでいる。

最初に、準備工程が実施される。準備工程では、第１強誘電体層５として、強誘電体基板が準備される。強誘電体基板の材料は、予め定められた検出波長に感度を有している材料である。

続いて、裏面電極形成工程が実施される。裏面電極形成工程では、第１強誘電体層５の表面（第２主面５ｂを除く）に保護膜が形成される。保護膜は、例えば、レジストである。第１強誘電体層５の表面が保護膜によって保護された状態で、第１強誘電体層５の第２主面５ｂに、裏面電極４が形成される。裏面電極４が形成される前に、第１強誘電体層５の第２主面５ｂに、密着層（図示せず）が形成されてもよい。なお、裏面電極形成工程は、第１強誘電体層５の表面が保護膜によって保護されている限り、絶縁膜形成工程から二次元材料層形成工程までのいずれの工程の後に実施されてもよい。裏面電極４が形成された後に、保護膜は、第１強誘電体層５の表面から除去される。

続いて、絶縁膜形成工程が実施される。絶縁膜形成工程では、第１強誘電体層５の第１主面５ａ上に第１絶縁膜３が形成される。第１絶縁膜３の成膜方法は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法またはスパッタリング法であってもよい。例えば、プラズマＣＶＤ法などで第１強誘電体層５の第１主面５ａ上にテトラエトキシシランなどを形成することによって、第１絶縁膜３が形成されてもよい。

続いて、電極形成工程が実施される。電極形成工程では、第１絶縁膜３上に第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが形成される。第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが形成される前に、第１絶縁膜３のうち第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが形成される領域に、密着層（図示せず）が形成されてもよい。密着層は、第１の電極対２ａと第１絶縁膜３との間の密着性及び第２の電極対２ｂと第１絶縁膜３との間の密着性を向上させる。

第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂの形成方法として、例えば、以下のプロセスが用いられる。まず、第１絶縁膜３上に、レジストマスクが形成される。レジストマスクは、フォトリソグラフィ法または電子線（ＥＢ）描画法などによってパターニングされて、レジストマスクのうち第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが形成される領域に、開口部が形成される。それから、蒸着法またはスパッタリング法などが用いて、レジストマスク上に、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂとなる金属膜などの導電膜が形成される。導電膜は、レジストマスクの開口部内及びレジストマスクの上部表面上に形成される。その後、レジストマスクが導電膜の一部と共に除去される。レジストマスクの開口部内にある導電膜が第１絶縁膜３上に残存して、第１絶縁膜３上に第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂとなる。上述した第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂの形成方法は、一般的に、リフトオフ法と呼ばれている。

第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂの形成方法として、他の方法が用いられてもよい。例えば、第１絶縁膜３上に第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂとなる金属膜などの導電膜が形成される。それから、導電膜上にレジストマスクが形成される。レジストマスクは、フォトリソグラフィ法または電子線（ＥＢ）描画法などによってパターニングされて、レジストマスクに開口部が形成される。レジストマスクは第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが形成される領域を覆い、開口部は第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが形成されない領域に形成される。それから、レジストマスクをエッチングマスクとして用いて、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより、導電膜が部分的に除去される。レジストマスクから露出している導電膜は、除去される。レジストマスクによって覆われている導電膜は第１絶縁膜３上に残存して、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂがとなる。最後に、レジストマスクが除去される。こうして、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが形成されてもよい。

続いて、二次元材料層形成工程が実施される。本実施の形態の二次元材料層形成工程では、第１の電極対２ａ、第２の電極対２ｂ、第１絶縁膜３が二次元材料層１によって覆われるように、二次元材料膜が形成される。二次元材料膜の形成方法は、特に制限されない。二次元材料膜は、例えば、エピタキシャル成長によって形成されてもよいし、スクリーン印刷法によって形成されてもよい。また、二次元材料膜は、予めＣＶＤ法により形成された二次元材料膜を第１絶縁膜３に転写して貼り付けることによって、二次元材料膜が形成されてもよい。機械剥離等により剥離されたフィルム状の二次元材料膜を第１絶縁膜３に転写して貼り付けることによって、二次元材料膜が形成されてもよい。

それから、二次元材料膜上にレジストマスクが形成される。レジストマスクは、フォトリソグラフィ法または電子線（ＥＢ）描画法などによってパターニングされる。レジストマスクは、二次元材料膜のうち第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが形成される領域を覆う。二次元材料膜のうち第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが形成されない領域は、レジストマスクから露出している。レジストマスクをエッチングマスクとして用いて、二次元材料膜がエッチングされる。二次元材料膜のエッチング方法は、例えば、酸素プラズマによるドライエッチングである。最後に、レジストマスクが除去される。こうして、二次元材料層１が形成される。

以上の工程によって、本実施の形態の電磁波検出器１００が製造される。
なお、上述した製造方法の一例では、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂの上に二次元材料層１が形成されたが、第１絶縁膜３または第１強誘電体層５上に二次元材料層１が形成され、それから二次元材料層１上に第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが形成されてもよい。ただし、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂの形成時に、二次元材料層１が第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂの形成プロセスによって損傷しないように注意する必要がある。例えば、二次元材料層１のうち第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが形成されない領域を保護膜によって覆った後に、保護膜から露出した二次元材料層１上に第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂを形成する。こうして、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂの形成プロセスによって二次元材料層１が損傷することが抑制される。

＜電磁波検出器１００の動作原理＞
図１から図３を参照して、本実施の形態の電磁波検出器１００の動作原理を説明する。

暗状態において、第１動作回路３０に含まれる第１電圧源３１は、第１電極２１と第２電極２２との間にバイアス電圧Ｖ_ｄ１を印加する。第２動作回路３３に含まれる第２電圧源３４は、第３電極２５と第４電極２６との間にバイアス電圧Ｖ_ｄ２を印加する。第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１（第１細長部分１１）に、電流Ｉ_ｄ１が流れる。第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１（第２細長部分１２）に、電流Ｉ_ｄ２が流れる。第１信号検出器４１に含まれる第１電流計は、第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１（第１細長部分１１）に流れる電流Ｉ_ｄ１を検出する。第２信号検出器４２に含まれる第２電流計は、第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１（第２細長部分１２）に流れる電流Ｉ_ｄ２を検出する。暗状態において電流Ｉ_ｄ１と電流Ｉ_ｄ２とが互いに等しくなるように、バイアス電圧Ｖ_ｄ１及びバイアス電圧Ｖ_ｄ２は調整される。

それから、第１強誘電体層５に電磁波が照射される。第１強誘電体層５の焦電効果により、第１強誘電体層５の自発分極の変化が生じる。第１電極２１と第２電極２２とが互いに対向している第２方向は、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（＋ｘ方向）に対して垂直な第１方向（ｙ方向）と異なっている。そのため、第１強誘電体層５における自発分極の変化は、第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１に電荷密度の勾配を生じさせて、第１電極２１及び第２電極２２間の二次元材料層１に電界変化を与える。具体的には、ｘ方向に第１強誘電体層５の自発分極の変化が発生して、第１電極２１と第２電極２２との間に電位差が生じる。この結果、二次元材料層１は、擬似的にｐｎ接合が形成された状態となり、第１電極２１及び第２電極２２間の二次元材料層１の電気抵抗が変化する。これを光ゲート効果とも呼ぶ。第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１における電気抵抗の変化により、第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１に流れる電流Ｉ_ｄ１が変化する。第１強誘電体層５への電磁波の照射時に二次元材料層１に流れる電流を、光電流ということがある。

これに対し、第３電極２５と第４電極２６とが互いに対向している第１方向は、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（ｘ方向）に対して垂直である。そのため、第１方向において、第１強誘電体層５の分極変化は発生しない。第３電極２５と第４電極２６との間に電位差は生じず、第３電極２５及び第４電極２６間の二次元材料層１に、電界変化は生じない。第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１に流れる電流Ｉ_ｄ２は、暗状態と明状態との間で変化しない。つまり、電磁波照射時に、電流Ｉ_ｄ１のみが変化する。よって、信号検出回路４０により電流Ｉ_ｄ１と電流Ｉ_ｄ２との差分信号を検出することで、暗電流をゼロにすることができ、電磁波照射時のみ光電流を取り出すことができる。つまり、電流Ｉ_ｄ１と電流Ｉ_ｄ２のとの差分信号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することができる。

＜電磁波検出器１００の動作＞
図１から図３を参照して、本実施の形態の電磁波検出器１００の具体的な動作を説明する。例えば、二次元材料層１としてグラフェンが用いられるとともに、第１強誘電体層５としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）が用いられる電磁波検出器１００の動作を説明する。

図１に示すように、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂに電圧を印加すると、二次元材料層１に電流が流れる。

検出波長の電磁波が第１強誘電体層５に入射すると、焦電効果により第１強誘電体層５において自発分極の変化が発生する。具体的には、第１強誘電体層５の自発分極の向き（＋ｘ方向）に、自発分極の変化が生じる。第１強誘電体層５における自発分極の変化により、第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１に電荷密度の勾配が生じて、二次元材料層１において電界変化が生じる。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できる。そのため、第１強誘電体層５の焦電効果により二次元材料層１のフェルミレベルは大きく変化し、二次元材料層１の面内で擬似的にｐｎ接合が形成される。これにより、第１電極２１と第２電極２２との間に電位差が発生し、二次元材料層１に電流が流れる。このように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、発生する電流が吸収する材料の量子効率に依存しない。そのため、電磁波検出器１００の量子効率は１００％を超えて、電磁波検出器１００の高感度化が可能となる。

さらに、第１強誘電体層５の自発分極の変化の速度が可能な限り速くなるように設計されていれば、電磁波が電磁波検出器１００に入射してから二次元材料層１において電気抵抗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１００によれば、光ゲート効果による増幅の遅延が解消され、電磁波検出器１００の高速応答化が可能となる。

（変形例）
図４に示されるように、本実施の形態の第１変形例に係る電磁波検出器１０１では、第１絶縁膜３が省略されており、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂは第１強誘電体層５上に形成されている。

本実施の形態の第１変形例の電磁波検出器１０１の製造方法における電極形成工程では、第１強誘電体層５上に第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが形成される。第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが形成される前に、第１強誘電体層５の第１主面５ａのうち第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが形成される領域に、密着層（図示せず）が形成されてもよい。密着層は、第１の電極対２ａと第１強誘電体層５との間の密着性及び第２の電極対２ｂと第１強誘電体層５との間の密着性を向上させる。

図５に示されるように、本実施の形態の第２変形例に係る電磁波検出器１０２は、本実施の形態の第１変形例に係る電磁波検出器１０１と同様に構成されているが、基板６をさらに備える。基板６は、第１強誘電体層５と裏面電極４との間に配置されている。基板６は、主面６ａと、主面６ａとは反対側の主面６ｂとを含む。第１強誘電体層５は、基板６の主面６ａ上に形成されている。第１強誘電体層５の第２主面５ｂは、基板６の主面６ａに対向している。裏面電極４は、主面６ｂ上に形成されている。基板６が例えばシリコンのような半導体材料で形成されている場合には、第１動作回路３０、第２動作回路３３及び信号検出回路４０が基板６に形成されてもよい。

本実施の形態の第２変形例の電磁波検出器１０２の製造方法における準備工程では、基板６が準備される。本実施の形態の第２変形例の電磁波検出器１０２の製造方法では、準備工程に続いて、強誘電体層形成工程が実施される。強誘電体層形成工程では、基板６上に第１強誘電体層５が形成される。第１強誘電体層５を形成する方法は、特に限定されない。

例えば、第１強誘電体層５が強誘電ポリマー系材料によって形成される場合には、スピンコート法等によって、基板６の主面６ａ上に強誘電ポリマー膜が形成される。それから、フォトリソグラフィ法によって、強誘電ポリマー膜がパターニングされる。こうして、第１強誘電体層５が形成される。

第１強誘電体層５の材料が強誘電ポリマー系材料とは異なる材料である場合には、スパッタ、蒸着、金属有機物分解法（ＭＯＤコート法、ＭＯＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）またはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によって第１強誘電体層５が形成される。それから、フォトリソグラフィ法によって、第１強誘電体層５がパターニングされる。こうして、第１強誘電体層５が形成される。第１強誘電体層５のパターニングには、リフトオフ法が用いられてもよい。リフトオフ法では、パターニングされたレジストマスクを基板６の主面６ａ上に形成する。それから、レジストマスク上とレジストマスクから露出する基板６の主面６ａ上とに、第１強誘電体層５を形成する。レジストマスクを除去する。こうして、第１強誘電体層５がパターニングされる。

また、第１強誘電体層５は、強誘電体基板を基板６に接合することによって形成されてもよい。例えば、基板６上と強誘電体基板上とに、ＳｉＯ_２などの酸化膜を形成する。基板６上に形成された酸化膜と強誘電体基板上に形成された酸化膜とを対向させて、酸化膜が形成された基板６と酸化膜が形成された強誘電体基板とを、熱圧着などにより互いにボンディングする。基板６と、基板６に接合された強誘電体基板とを含む第１強誘電体層５が得られる。なお、強誘電体基板を基板６に接合した後に、強誘電体基板を研削して強誘電体基板を薄くすることによって、第１強誘電体層５を得てもよい。

図６Ａに示されるように、本実施の形態の第３変形例に係る電磁波検出器１０３ａでは、第１主面５ａの平面視において、第１細長部分１１は、共通部分１３に向かって先細の形状を有している。第１主面５ａの平面視において、第２細長部分１２は、共通部分１３に向かって先細の形状を有している。そのため、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１に流れる電流Ｉ_ｄ１が、共通部分１３において、第３電極２５及び第４電極２６に流れ込みにくくなる。第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２に流れる電流Ｉ_ｄ２が、共通部分１３において、第１電極２１及び第２電極２２に流れ込みにくくなる。信号検出回路４０において、電流Ｉ_ｄ１と電流Ｉ_ｄ２との間の差分信号が、より正確かつより容易に検出され得る。こうして、電磁波検出器１０３ａの感度が向上する。電磁波検出器１０３ａのオフ動作が、より一層改善される。

図６Ｂに示されるように、本実施の形態の第４変形例に係る電磁波検出器１０３ｂでは、第１主面５ａの平面視において、第１細長部分１１は、第１電極２１から第２電極２２に向かうにつれて先細となる先細形状を有している。そのため、第１電極２１と第１細長部分１１との間の接触面積は、第２電極２２と第１細長部分１１との間の接触面積と異なる。第１電極２１と第１細長部分１１との間の接触抵抗は、第２電極２２と第１細長部分１１との間の接触抵抗と異なる。第１電極２１と第２電極２２とが互いに対向する第２方向において、二次元材料層１に温度勾配が生じる。これにより、第２方向において、第１強誘電体層５に温度勾配が生じる。電磁波の照射時に光電流が発生すると、第２方向における第１強誘電体層５の分極変化が増強される。

これに対し、第３電極２５と第４電極２６とが互いに対向している第１方向は、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（＋ｘ方向）に対して垂直である。電磁波の照射時に、第１方向において、第１強誘電体層５の分極変化は発生しない。第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１に流れる電流Ｉ_ｄ２は、電磁波の照射時（明状態）と電磁波の非照射時（暗状態）との間で変化しない。そのため、電流Ｉ_ｄ１と電流Ｉ_ｄ２のとの差分信号が増加する。信号検出回路４０において、電流Ｉ_ｄ１と電流Ｉ_ｄ２との間の差分信号が、より正確かつより容易に検出され得る。こうして、電磁波検出器１０３ｂの感度は向上する。電磁波検出器１０３ｂのオフ動作は、より一層改善される。

第２細長部分１２は、第１細長部分１１と同じ形状を有していることが好ましい。例えば、第１主面５ａの平面視において、第２細長部分１２は、第３電極２５から第４電極２６に向かうにつれて先細となる先細形状を有している。そのため、電磁波の非照射時における電流Ｉ_ｄ２は、電磁波の非照射時における電流Ｉ_ｄ１に等しくなる。電磁波の非照射時（暗状態）において、信号検出回路４０から出力される信号をゼロにすることができる。明状態において信号検出回路４０から出力される信号から、暗電流の影響を取り除くことができる。電磁波検出器１００のオフ動作は改善される。

第１細長部分１１は、第１電極２１と第２電極２２とが互いに対向する第２方向において二次元材料層１に温度勾配を生じさせればよく、第１細長部分１１の形状は三角形に限られない。例えば、第１細長部分１１に孔を設けることによって、第２方向において二次元材料層１に温度勾配を生じさせてもよい。

本実施の形態の第５変形例では、第１動作回路３０は、例えば、第１電極２１と第２電極２２との間にバイアス電流を印加する第１電流源（図示せず）を含んでもよい。第１電流源は、二次元材料層１の第１細長部分１１にバイアス電流を印加する。第２動作回路３３は、例えば、第３電極２５と第４電極２６との間にバイアス電流を印加する第２電流源（図示せず）を含んでもよい。第２電流源は、二次元材料層１の第２細長部分１２にバイアス電流を印加する。第１電流源及び第２電流源は、例えば、定電流源である。第１信号検出器４１は、例えば、第１電圧計を含む。第１電圧計は、第１動作回路３０が第１電極２１と第２電極２２との間にバイアス電流を印加することによって、第１の電極対２ａに発生する電圧を検出する。第２信号検出器４２は、例えば、第２電圧計を含む。第２電圧計は、第２動作回路３３が第３電極２５と第４電極２６との間にバイアス電流を印加することによって、第２の電極対２ｂに発生する電圧を検出する。差分器４４は第１の電極対２ａに発生する電圧と第２の電極対２ｂに発生する電圧との間の差分信号を出力する。

本実施の形態の第６変形例では、本実施の形態の電磁波検出器１００と同様に構成されているが、第１動作回路３０及び第２動作回路３３が省略されてよい。そのため、電磁波検出器１００は、電磁波照射時にのみ、第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１を流れる電流の変化が発生する。そのため、暗電流をゼロすることができる。電磁波検出器１００のノイズを抑制することができる。ただし、本実施の形態の第６変形例において第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１に流れる電流は、第１動作回路３０及び第２動作回路３３を含む本実施の形態の電磁波検出器１００において第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１に流れる電流よりも小さくなる。本実施の形態の第６変形例では、本実施の形態の電磁波検出器１００よりも、信号検出回路４０から出力される信号が小さくなる。

本実施の形態の第７変形例では、本実施の形態の第５変形例と同様に構成されているが、第１動作回路３０及び第２動作回路３３が省略されてよい。そのため、電磁波検出器１００は、電磁波照射時にのみ、第１の電極対２ａに発生する電圧の変化が発生する。そのため、暗電流をゼロすることができる。電磁波検出器１００のノイズを抑制することができる。ただし、本実施の形態の第７変形例において第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１に発生する電圧は、第１動作回路３０及び第２動作回路３３を含む本実施の形態の第７変形例において第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１に発生する電圧よりも小さくなる。本実施の形態の第７変形例では、本実施の形態の第５変形例よりも、信号検出回路４０から出力される信号が小さくなる。

＜作用効果＞
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１００，１０１，１０２，１０３ａ，１０３ｂでは、図１から図３に示されるように、第１強誘電体層５上で、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂが、二次元材料層１に電気的に接続されている。そのため、焦電効果によって第１強誘電体層５の自発分極が変化したときに、第１電極２１と第２電極２２と間の二次元材料層１の電気抵抗が変化し得る。その結果、上記光ゲート効果により、二次元材料層１の導電率が変調されて、二次元材料層１において光電流を増幅できる。

第１強誘電体層５の自発分極の変化に起因する二次元材料層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の厚さは原子層一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キャリア（例えば、電子または正孔）の移動度は大きい。この場合、二次元材料層１におけるキャリアの移動度及び二次元材料層１の厚さなどから算出される二次元材料層１での電流変化量は、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からの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に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、電磁波照射による二次元材料層１における電流変化を大きくする。そのため、電磁波照射による差分電流から算出された電磁波検出器１００，１０１，１０２，１０３ａ，１０３ｂの等価的な量子効率は、１００％を超えることができる。よって、本実施の形態に係る電磁波検出器１００，１０１，１０２，１０３ａ，１０３ｂによる電磁波の検出感度は、従来の半導体電磁波検出器による電磁波の検出感度及び光ゲート効果が適用されていないグラフェン電磁波検出器による電磁波の検出感度よりも高い。

また、本実施の形態に係る電磁波検出器１００，１０１，１０２，１０３ａ，１０３ｂでは、暗状態において電流Ｉ_ｄ１と電流Ｉ_ｄ２とを互いに等しくするとともに、電流Ｉ_ｄ１と電流Ｉ_ｄ２との間の差分を信号検出回路４０にて検出する。そのため、電磁波検出器１００，１０１，１０２，１０３ａ，１０３ｂでは暗電流をゼロにでき、かつ、電磁波照射時のみ電気信号を検出することができる。グラフェンを含む電磁波検出器では、オフ動作が困難であることから、暗電流が大きくなり、ノイズの原因となる。本実施の形態では、暗電流をゼロにすることができるため、電磁波検出器１００，１０１，１０２，１０３ａ，１０３ｂがグラフェンを含んでいても、信号検出回路４０から出力される検出信号からノイズを低減することができる。

また、第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１（第１細長部分１１）及び第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１（第２細長部分１２）として、同一のグラフェン層を用いることで、グラフェンの品質に依存する二次元材料層１の電気抵抗のばらつきを低減することができる。また、第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１（第１細長部分１１）及び第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１（第２細長部分１２）の間で異なるグラフェン層を用いた場合でも、製造プロセスによるグラフェン層へのダメージを、第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１（第１細長部分１１）及び第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１（第２細長部分１２）の間で同一にすることができる。そのため、暗状態において信号検出回路４０から出力される信号を減少させることができる。

以上のように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００，１０１，１０２，１０３ａ，１０３ｂの量子効率は１００％を超えて、電磁波に対する電磁波検出器１００，１０１，１０２，１０３ａ，１０３ｂの感度を向上させることができる。さらに、電磁波検出器１００，１０１，１０２，１０３ａ，１０３ｂのオフ動作が改善される。

実施の形態２．
図７を参照して実施の形態２に係る電磁波検出器１０４を説明する。本実施の形態の電磁波検出器１０４は、実施の形態１の電磁波検出器１００と同様の構成を備えるとともに、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１の電磁波検出器１００と異なっている。

電磁波検出器１０４では、第２の電極対２ｂに含まれる第４電極２６は、第１の電極対２ａに含まれる第２電極２２である。第１の電極対２ａと第２の電極対２ｂとは、一つの共通電極（第２電極２２、第４電極２６）を共有している。

本実施の形態では、第１細長部分１１と第２細長部分１２との共通部分１３は、第２電極２２に近い第１細長部分１１の一方の端部であり、かつ、第４電極２６に近い第２細長部分１２の一方の端部である。第１主面５ａの平面視において、第１細長部分１１の一方の端部が第２細長部分１２の一方の端部に重なっている。第１主面５ａの平面視において、二次元材料層１の形状は、Ｌ字である。

第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１（第１細長部分１１）は、第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１（第２細長部分１２）と異なる材料で形成されてもよい。また、第１の電極対２ａと第２の電極対２ｂとが共有する一つの共通電極（第２電極２２、第４電極２６）が、第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１（第１細長部分１１）と第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１（第２細長部分１２）とに電気的に接続されている限り、第１電極２１と第２電極２２との間の二次元材料層１（第１細長部分１１）は、第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１（第２細長部分１２）から分離されてもよい。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器１０４は、実施の形態１の電磁波検出器１００よりも電極の数を減少させることができる。そのため、電磁波検出器１０４は、より簡素な構成を実現することができる。

実施の形態３．
図８及び図９を参照して、実施の形態３に係る電磁波検出器１０５を説明する。本実施の形態の電磁波検出器１０５は、実施の形態１の電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１の電磁波検出器１００と異なっている。

本実施の形態の電磁波検出器１０５は、第１半導体層７ａと、第２半導体層７ｂとをさらに備えている。第１半導体層７ａは、二次元材料層１（第１細長部分１１）と第２電極２２との間に配置されている。第２半導体層７ｂは、二次元材料層１（第２細長部分１２）と第４電極２６との間に配置されている。第１半導体層７ａは、第２半導体層７ｂと同一構造を有していることが好ましい。電磁波検出器１０５は、第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂの一方のみを備えてもよい。

＜第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂの構成＞
第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂの材料は、例えば、珪素（Ｓｉ）等の半導体材料である。具体的には、第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂは、不純物がドープされたシリコン等である。第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂの材料は、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、または、化合物半導体であってもよい。化合物半導体は、例えば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ＩＩＩ－Ｖ族半導体（窒化ガリウム（ＧａＮ）、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）もしくはアンチモン化イリジウム（ＩｎＳｂ）など）、または、ＩＩ－Ｖ族半導体（テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、鉛セレン（ＰｂＳｅ）、鉛硫黄（ＰｂＳ）もしくはカドミウム硫黄（ＣｄＳ））などである。半導体層７は、これら半導体材料のうちの少なくとも二つが組み合わされた材料で形成されてもよい。

第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂは、多層構造を有してもよい。半導体層７は、量子井戸または量子ドットを含んでもよい。半導体層７の材料は、ＴｙｐｅＩＩ超格子を含んでもよい。第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂは、ｐｎ接合フォトダイオード、ｐｉｎフォトダイオード、ショットキーフォトダイオードまたはアバランシェフォトダイオードであってもよい。第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂは、フォトトランジスタであってもよい。

第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂの電気抵抗率が１００Ω・ｃｍ以下になるように、第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂに不純物がドーピングされていることが望ましい。このように不純物が第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂに高濃度にドーピングされることによって、第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂ内におけるキャリア（正孔または電子）の移動度が向上する。そのため、電磁波検出器１０５の応答速度が向上する。

第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂの厚さは、１０μｍ以下であることが望ましい。第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂの厚さが小さくなるため、第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂにおけるキャリア（正孔または電子）の失活が低減される。

第２電極２２と第１半導体層７ａとの間の密着性を向上させるために、第２電極２２と第１半導体層７ａとの間に密着層（図示せず）が設けられてもよい。第４電極２６と第２半導体層７ｂとの間の密着性を向上させるために、第４電極２６と第２半導体層７ｂとの間に密着層（図示せず）が設けられてもよい。密着層の材料は、例えば、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等の金属材料を含んでいる。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器１０５では、第１半導体層７ａと二次元材料層１（第１細長部分１１）との間にショットキー接合が形成される。第２半導体層７ｂと二次元材料層１（第２細長部分１２）との間にショットキー接合が形成される。第１電圧源３１のバイアス電圧Ｖ_ｄ１及び第２電圧源３４のバイアス電圧Ｖ_ｄ２を調整して、ショットキー接合に対して逆バイアス電圧を印加する。こうして、暗状態において二次元材料層１に流れる電流をゼロにすることができる。つまり、暗電流を低減することができて、電磁波検出器１０５のオフ動作が改善される。

電磁波が第１強誘電体層５に照射されると、焦電効果により第１強誘電体層５の自発分極が変化し、二次元材料層１のフェルミレベルが変調される。そのため、二次元材料層１と第１半導体層７ａとの間のエネルギー障壁が低下する。その結果、電磁波検出器１０５に電磁波が照射された時にのみ、電流が第１半導体層７ａを流れて、第１電流計で電流Ｉ_ｄ１が検出される。

また、電磁波検出器１０５に電磁波が照射されたときの電流Ｉ_ｄ１の変化量は、第１強誘電体層５の自発分極の変化に起因する二次元材料層１の電気抵抗の変化によって発生する電流の変化量と、二次元材料層１と第１半導体層７ａとの間のエネルギー障壁の変化によって発生する電流の変化量とを含む。つまり、本実施の形態に係る電磁波検出器１０５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に加えて、二次元材料層１と第１半導体層７ａとの間のエネルギー障壁の変化に起因する光電流も検出することができる。信号検出回路４０からより大きな信号を取り出すことができる。

実施の形態４．
図１０を参照して、実施の形態４に係る電磁波検出器１０６を説明する。本実施の形態の電磁波検出器１０６は、実施の形態１の電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１の電磁波検出器１００と異なっている。

本実施の形態に係る電磁波検出器１０６では、第１絶縁膜３と二次元材料層１との間に空隙８が設けられている。二次元材料層１は、第１絶縁膜３から離れて配置された部分を有している。二次元材料層１は、空隙８に面した表面を有している。空隙８は、第１電極２１と第２電極２２との間に設けられているとともに、第３電極２５と第４電極２６との間に設けられている。二次元材料層１と第１絶縁膜３との間に、二次元材料層１を支える支柱（図示せず）が設けられてもよい。そのため、二次元材料層１と第１絶縁膜３との間に空隙８がより確実に形成され得る。

図１１を参照して、本実施の形態の第１変形例に係る電磁波検出器１０７では、実施の形態１の第１変形例の電磁波検出器１０１と同様に、第１絶縁膜３が省略されている。空隙８は、第１強誘電体層５と二次元材料層１との間に設けられている。二次元材料層１と第１強誘電体層５との間に、二次元材料層１を支える支柱（図示せず）が設けられてもよい。そのため、二次元材料層１と第１絶縁膜３との間に空隙８がより確実に形成され得る。

二次元材料層１は、可能な限り空隙８に面していることが好ましい。空隙８によって第１強誘電体層５の表面のキャリアの散乱の影響または第１絶縁膜３の表面のキャリアの散乱の影響を抑制することができる限り、空隙８の厚さは特に限定されない。ただし、二次元材料層１が第１強誘電体層５からの電界の影響を最大限に受けるためには、空隙８の厚さは可能な限り薄い方が好ましい。空隙８の厚さが薄いほど、第１強誘電体層５からの電界の影響が大きくなり、二次元材料層１の電気抵抗の変化が大きくなる。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器１０６，１０７では、第１絶縁膜３と二次元材料層１との間（図１０を参照）または第１強誘電体層５と二次元材料層１との間（図１１を参照）に、空隙８が設けられている。このため、二次元材料層１が第１絶縁膜３または第１強誘電体層５に接触することによって発生するキャリアの散乱の影響を減少させることができる。この結果、二次元材料層１におけるキャリアの移動度の低下を抑制することができる。したがって、電磁波検出器１０６，１０７の感度を向上させることができる。

実施の形態５．
図１２を参照して、実施の形態５に係る電磁波検出器１０８を説明する。本実施の形態の電磁波検出器１０８は、実施の形態１の第２変形例の電磁波検出器１０２と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１の第２変形例の電磁波検出器１０２と異なっている。

本実施の形態に係る電磁波検出器１０８では、基板６に孔８ｂが設けられている。孔８ｂは、主面６ａから主面６ｂまで延在しており、基板６の厚さ方向（ｚ方向）において基板６を貫通している。第１強誘電体層５の第２主面５ｂの少なくとも一部は、孔８ｂにおいて、基板６から露出しており、電磁波検出器１０８の周囲雰囲気に露出されている。第１主面５ａの平面視において、孔８ｂは、二次元材料層１に重なっている。孔８ｂは、二次元材料層１の下方に設けられている。

図１３を参照して、本実施の形態の変形例に係る電磁波検出器１０８ｂでは、実施の形態１の第１変形例の電磁波検出器１０１と同様に、基板６が省略されている。第１強誘電体層５の第２主面５ｂに凹部８ｃが設けられている。第１強誘電体層５の第２主面５ｂの少なくとも一部は、凹部８ｃにおいて、裏面電極４から露出しており、電磁波検出器１０８ｂの周囲雰囲気に露出されている。第１主面５ａの平面視において、凹部８ｃは、二次元材料層１に重なっている。凹部８ｃは、二次元材料層１の下方に設けられている。

＜作用効果＞
電磁波検出器１０８では、基板６に孔８ｂが設けられているため、第１強誘電体層５と基板６との間の接触面積が減少する。そのため、第１強誘電体層５から基板６に熱が散逸しにくい。電磁波検出器１０８ｂでは、第１強誘電体層５の第２主面５ｂに凹部８ｃが設けられているため、第１強誘電体層５と裏面電極４との間の接触面積が減少する。そのため、第１強誘電体層５から裏面電極４に熱が散逸しにくい。本実施の形態に係る電磁波検出器１０８，１０８ｂによれば、第１強誘電体層５の断熱性能が向上し、電磁波照射後の放熱を抑制することができる。この結果、第１強誘電体層５の自発分極の変化を大きくすることができる。したがって、電磁波検出器１０８，１０８ｂの感度を向上させることができる。

実施の形態６．
図１４を参照して、実施の形態６に係る電磁波検出器１０９を説明する。本実施の形態の電磁波検出器１０９は、実施の形態１の第２変形例の電磁波検出器１０２と同様の効果を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１の第２変形例の電磁波検出器１０２と異なっている。

第１電極２１と第２電極２２との間において、第１強誘電体層５の厚さが変化している。第１電極２１と第２電極２２との間において、第１主面５ａの高さが変化している。具体的には、第１強誘電体層５は、第１強誘電体層部分５１と、第２強誘電体層部分５２とを含む。第１主面５ａの平面視において、第１強誘電体層部分５１は第１電極２１の側に配置されており、第２強誘電体層部分５２は第２電極２２の側に配置されている。第１強誘電体層部分５１と第２強誘電体層部分５２とは、第１電極２１と第２電極２２とが互いに対向している第２方向（例えば、ｘ方向）に配列されている。第２強誘電体層部分５２の厚さは、第１強誘電体層部分５１の厚さと異なっている。例えば、第２強誘電体層部分５２は、第１強誘電体層部分５１より薄い。第１強誘電体層部分５１と第２強誘電体層部分５２との境界に、段差５５が形成されている。第１強誘電体層５の第２主面５ｂは、第１強誘電体層部分５１及び第２強誘電体層部分５２にわたって面一である。

二次元材料層１の第１細長部分１１は、第１強誘電体層部分５１及び第２強誘電体層部分５２上に配置されている。二次元材料層１は、段差５５を覆っている。

第１強誘電体層５は、第３電極２５と第４電極２６との間で自発分極の変化が生じないように構成されていることが好ましい。そのため、例えば、第１主面５ａの平面視において第３電極２５と第４電極２６との間にある第１強誘電体層５は、第３電極２５と第４電極２６とが互い離間されている方向では一定の構造を有し、かつ、第１強誘電体層の自発分極の分極方向では対称な構造を有してもよい。また、第３電極２５と第４電極２６との間で自発分極の変化が生じないように第１強誘電体層５が構成されている限り、第１強誘電体層部分５１および第２強誘電体層部分５２の分極方向は、ｘ方向でなくてもよく、例えばｚ方向であってもよい。さらに、第１電極２１と第２電極２２との間において、第１強誘電体層５は、互いに異なる厚さを有する三つ以上の強誘電体層部分を含んでもよい。第１電極２１と第２電極２２との間において、第１強誘電体層５の厚さは連続的に変化してもよく、第１強誘電体層５の第１主面５ａは第１強誘電体層５の第２主面５ｂに対して傾斜してもよい。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器１０９では、第１電極２１と第２電極２２との間において、第１強誘電体層５の厚さが変化している。第１強誘電体層５の厚さが変化すると、第１強誘電体層５の焦電効果によって二次元材料層１に生じる電圧変化量も変わる。すなわち、より大きな厚さを有する第１強誘電体層５の部分（第１強誘電体層部分５１）上にある二次元材料層１に生じる電圧変化量は、より小さな厚さを有する第１強誘電体層５の部分（第２強誘電体層部分５２）上にある二次元材料層１に生じる電圧変化量と異なる。そのため、より大きな厚さを有する第１強誘電体層５の部分（第１強誘電体層部分５１）上にある二次元材料層１に印加される電圧は、より小さな厚さを有する第１強誘電体層５の部分（第２強誘電体層部分５２）上にある二次元材料層１に印加される電圧と異なる。二次元材料層１に擬似的にｐｎ接合が形成されることになり、二次元材料層１からの電流の取り出し効率が向上する。また、電磁波照射時において二次元材料層１に対する第１強誘電体層５の自発分極の変化の影響が大きくなる。したがって、電磁波検出器１０９の検出感度が向上する。

実施の形態７．
図１５を参照して、実施の形態７に係る電磁波検出器１１０を説明する。本実施の形態の電磁波検出器１１０は、実施の形態１の電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１の電磁波検出器１００と異なっている。

第１電極２１と第２電極２２との間において、第１強誘電体層５の誘電率が変化している。具体的には、第１強誘電体層５は、第１強誘電体層部分５１と、第２強誘電体層部分５２とを含む。第１主面５ａの平面視において、第１強誘電体層部分５１は第１電極２１の側に配置されており、第２強誘電体層部分５２は第２電極２２の側に配置されている。第１強誘電体層部分５１と第２強誘電体層部分５２とは、第１電極２１と第２電極２２とが互いに対向している第２方向（例えば、ｘ方向）に配列されている。第１強誘電体層部分５１の誘電率は、第２強誘電体層部分５２の誘電率と異なっている。例えば、第１強誘電体層部分５１を形成する強誘電体材料は、第２強誘電体層部分５２を形成する強誘電体材料と異なっている。第１強誘電体層部分５１の吸収波長域は、第２強誘電体層部分５２の吸収波長域と異なってもよい。

二次元材料層１の第１細長部分１１は、第１強誘電体層部分５１及び第２強誘電体層部分５２上に配置されている。

第１強誘電体層５は、第３電極２５と第４電極２６との間で自発分極の変化が生じないように構成されていることが好ましい。第１強誘電体層５は、互いに異なる分極率を有する三つ以上の強誘電体層部分を含んでもよい。また、第３電極２５と第４電極２６との間で自発分極の変化が生じないように第１強誘電体層５が構成されている限り、第１強誘電体層部分５１および第２強誘電体層部分５２の分極方向は、ｘ方向でなくてもよく、例えばｚ方向であってもよい。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器１１０では、第１強誘電体層部分５１の誘電率は、第２強誘電体層部分５２の誘電率と異なっている。強誘電体の誘電率が異なると、強誘電体の焦電効果によって二次元材料層１に生じる電圧変化量も異なる。すなわち、第１強誘電体層部分５１上にある二次元材料層１に生じる電圧変化量は、第２強誘電体層部分５２上にある二次元材料層１に生じる電圧変化量と異なる。そのため、第１強誘電体層部分５１上にある二次元材料層１に印加される電圧は、第２強誘電体層部分５２上にある二次元材料層１に印加される電圧と異なり、二次元材料層１に擬似的にｐｎ接合が形成されることになる。二次元材料層１からの電流の取り出し効率が向上する。また、電磁波照射時において二次元材料層１に対する第１強誘電体層５の自発分極の変化の影響が大きくなる。したがって、電磁波検出器１１０の検出感度が向上する。

第１強誘電体層部分５１の吸収波長域を第２強誘電体層部分５２の吸収波長域と異ならせることによって、電磁波検出器１１０は、複数の波長域において感度を有する。電磁波検出器１１０による電磁波の検出帯域を広げることができる。

実施の形態８．
図１６から図１８を参照して、実施の形態８に係る電磁波検出器１１１を説明する。本実施の形態の電磁波検出器１１１は、実施の形態１の電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１の電磁波検出器１００と異なっている。

本実施の形態に係る電磁波検出器１１１では、第１電極２１は、第２電極２２と異なる金属材料で形成されている。第３電極２５は、第４電極２６と異なる金属材料で形成されている。第１電極２１は、第３電極２５と同じ材料で形成されてもよい。第２電極２２は、第４電極２６と同じ材料で形成されてもよい。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器１１１では、第１電極２１は、第２電極２２と異なる金属材料で形成されている。第３電極２５は、第４電極２６と異なる金属材料で形成されている。

二次元材料層１と金属とが互いに接触すると、金属の仕事関数と二次元材料層１を形成する材料（例えば、グラフェン）の仕事関数との間の差に起因して、金属から二次元材料層１にキャリア（正孔または電子）がドーピングされる。二次元材料層１のフェルミレベルが変化する、あるいは、二次元材料層１と金属との間の接触抵抗が変化する。

そのため、第１電極２１を第２電極２２とは異なる金属材料で形成すると、二次元材料層１のうち第１電極２１に接触する第１部分のエネルギーギャップは、二次元材料層１のうち第２電極２２に接触する第２部分のエネルギーギャップと異なるようになる。第３電極２５を第４電極２６とは異なる金属材料で形成すると、二次元材料層１のうち第３電極２５に接触する第３部分のエネルギーギャップは、二次元材料層１のうち第４電極２６に接触する第４部分のエネルギーギャップと異なるようになる。二次元材料層１は、擬似的にｐｎ接合が形成された状態となる。したがって、第１の電極対２ａからの電気信号（例えば、電流）の取り出し効率と、第２の電極対２ｂからの電気信号（例えば、電流）の取り出し効率とが向上する。電磁波検出器１１１の感度を向上させることができる。

実施の形態９．
図１９から図２１Ａを参照して、実施の形態９に係る電磁波検出器１１２ａを説明する。本実施の形態の電磁波検出器１１２ａは、実施の形態１の電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１の電磁波検出器１００と異なっている。

本実施の形態に係る電磁波検出器１１２ａは、第１接触層９ａと、第２接触層９ｂとをさらに備える。第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂは、二次元材料層１に接触している。

具体的には、第１接触層９ａは、二次元材料層１の第１細長部分１１に接触している。第１接触層９ａは、第１細長部分１１のうち第２電極２２に近位する部分に配置されている。第１接触層９ａは、第１細長部分１１のうち、第１細長部分１１と第２細長部分１２との共通部分１３よりも第２電極２２の近くに配置されている。第２接触層９ｂは、二次元材料層１の第２細長部分１２に接触している。第２接触層９ｂは、第２細長部分１２のうち第４電極２６に近位する部分に配置されている。第２接触層９ｂは、第２細長部分１２のうち、第１細長部分１１と第２細長部分１２との共通部分１３よりも第４電極２６の近くに配置されている。第１細長部分１１に対する第１接触層９ａの相対的な位置が、第２細長部分１２に対する第２接触層９ｂの相対的な位置と同一であることが好ましい。

第１接触層９ａは、二次元材料層１の第１細長部分１１に接触して、第１細長部分１１にキャリア（正孔または電子）を供給する。第１細長部分１１は、第１接触層９ａによって、ドーピングされる。第２接触層９ｂは、二次元材料層１の第２細長部分１２に接触して、第２細長部分１２にキャリア（正孔または電子）を供給する。第２細長部分１２は、第２接触層９ｂによって、ドーピングされる。

そのため、二次元材料層１ののうち第１電極２１に接触する第１部分のエネルギーギャップは、二次元材料層１のうち第２電極２２に接触する第２部分のエネルギーギャップと異なるようになる。二次元材料層１のうち第３電極２５に接触する第３部分のエネルギーギャップは、二次元材料層１のうち第４電極２６に接触する第４部分のエネルギーギャップと異なるようになる。二次元材料層１は、擬似的にｐｎ接合が形成された状態となる。このため、第１の電極対２ａからの電気信号（例えば、電流）の取り出し効率と、第２の電極対２ｂからの電気信号（例えば、電流）の取り出し効率とが向上する。電磁波検出器１１２ａの感度を向上させることができる。

第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂは、二次元材料層１にキャリア（正孔または電子）をドーピングすることができる程度の厚さを有する必要がある。しかし、電磁波が二次元材料層１に照射された場合に、電磁波が第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂに吸収されて、過度に減衰した電磁波が二次元材料層１、第１絶縁膜３及び第１強誘電体層５に到達することを防止するために、第１接触層９ａの厚さ及び第２接触層９ｂの厚さは薄い方が好ましい。

第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂは、二次元材料層１中に電荷密度の勾配を形成するように構成されていればよい。第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの各々は、複数の接触部分を含んでもよい。複数の接触部分は、二次元材料層１上に互いに積層されてもよいし、二次元材料層１上に並列に配置されてもよい。複数の接触部分は、互いに同じ材料で形成されてもよい、互いに異なる材料で形成されてもよい。

以下、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂを詳細に説明する。
第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料は、電荷の偏りが生じて分極を生じる材料である限りいかなる材料であってもよく、例えば、有機物、金属、半導体、絶縁体もしくは二次元材料、または、これら材料のいずれかの混合物であってもよい。

第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料が無機物である場合、二次元材料層１は、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂによって、以下のようにドーピングされる。第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの仕事関数が二次元材料層１の仕事関数よりも大きければ、二次元材料層１は第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂによってｐ型にドーピングされる。第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの仕事関数が二次元材料層１の仕事関数よりも小さければ、二次元材料層１はｎ型にドーピングされる。

これに対し、有機物は、明確な仕事関数を有していない。そこで、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料が有機物である場合には、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂによる二次元材料層１のドーピングの態様は、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料の極性基に基づいて判断される。第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料の極性基は、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料を構成する有機物の分子の極性によって判断される。

第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料は、例えば、ポジ型フォトレジストである。ポジ型フォトレジストは、例えば、キノンジアジト基を有する感光剤とノボラック樹脂とを含有する組成物である。第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料がポジ型フォトレジストである場合、二次元材料層１のうちポジ型フォトレジストが形成された領域がｐ型領域となる。ポジ型フォトレジストは、例えば、フォトリソグラフィ工程により、二次元材料層１上に形成される。これにより、二次元材料層１に接触するマスクの形成プロセスが不要となる。二次元材料層１がマスクの形成プロセスによって損傷することを抑制することができるとともに、プロセスが簡素化され得る。

第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料は、例えば、極性基を有する材料であってもよい。より具体的には、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料は、例えば、電子求引基を有する材料であってもよい。電子求引基を有する材料は、二次元材料層１の電子密度を減少させる。電子吸引基を有する材料は、例えば、ハロゲン、ニトリル基、カルボキシル基またはカルボニル基等を有する材料である。第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料は、例えば、電子供与基を有する材料であってもよい。電子供与基を有する材料は、二次元材料層１の電子密度を増加させる。電子供与基を有する材料は、例えば、アルキル基、ヒドロキシ基またはアミノ基等を有する材料である。

第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料は、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂに電磁波が照射されることによって極性変換が生じる材料であってもよい。本明細書において、極性変換は、極性基が化学的に変化する現象を意味する。極性変換は、例えば、電子求引基が電子供与基に変化する現象、電子供与基が電子求引基に変化する現象、極性基が非極性基に変化する現象、または、非極性基が極性基に変化する現象を意味する。極性変換を生じさせる電磁波は、検出波長を有してもよいし、検出波長を有していなくてもよい。極性変換が生じる材料は、特に限定されないが、例えば、フォトレジストなどである。第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂにおいて極性変換が生じることで、極性変換の際に生じたキャリア（正孔または電子）が二次元材料層１に供給される。二次元材料層１のうち、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂが接触している部分に、キャリア（正孔または電子）がドーピングされる。

第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料として、検出波長を有する電磁波が照射されることによって極性変換が生じる材料が選択されてもよい。そのため、検出波長を有する電磁波が照射された時のみ、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂにおいて極性変換が生じる。検出波長を有する電磁波が照射された時のみ、二次元材料層１にキャリアがドーピングされて、二次元材料層１を流れる光電流を増大させることができる。

第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料として、検出波長を有しない電磁波が照射されることによって極性変換が生じる材料が選択されてもよい。この場合、検出波長を有しない電磁波が第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂに照射された後に、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂは取り除かれてもよい。第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂが取り除かれた後も、二次元材料層１のうち第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂに接触していた部分は、キャリア（正孔または電子）がドープされたままである。また、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂが取り除かれることによって、検出波長を有する電磁波が照射される二次元材料層１の領域、第１絶縁膜３の領域及び第１強誘電体層５の領域が増加する。このため、電磁波検出器１１２ａの検出感度を向上させることができる。

第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂの材料は、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂに電磁波が照射されることによって酸化還元反応が生じる材料であってもよい。これにより、酸化還元反応によって生じるキャリア（正孔または電子）が、二次元材料層１にドーピングされる。酸化還元反応を生じさせる電磁波は、検出波長を有してもよいし、検出波長を有していなくてもよい。

第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂに酸化還元反応を生じさせる電磁波は、検出波長を有する電磁波であってもよい。検出波長を有する電磁波が照射された時のみ、二次元材料層１にキャリアがドーピングされて、二次元材料層１を流れる光電流を増大させることができる。第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂに酸化還元反応を生じさせる電磁波は、検出波長を有しない電磁波であってもよい。第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂに酸化還元反応を生じさせる電磁波が検出波長を有しない電磁波である場合、検出波長を有しない電磁波が第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂに照射された後に、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂは取り除かれてもよい。

第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂは、分子などを二次元材料層１に供給する材料で形成されてもよい。例えば、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂは、分子を含む液体層または気体層であり、二次元材料層１は、当該液体層に浸漬されてもよい、または、当該気体層に曝されてもよい。分子レベルで、液体層または気体層から二次元材料層１にキャリアが供給され得る。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器１１２ａでは、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂは、二次元材料層１に接触して、二次元材料層１にキャリア（正孔または電子）を供給する。二次元材料層１のうち第１接触層９ａに接触する部分と、二次元材料層１のうち第２接触層９ｂに接触する部分は、ｎ型またはｐ型にドーピングされる。そのため、二次元材料層１のうち第１電極２１に接触する第１部分のエネルギーギャップは、二次元材料層１のうち第２電極２２に接触する第２部分のエネルギーギャップと異なるようになる。二次元材料層１のうち第３電極２５に接触する第３部分のエネルギーギャップは、二次元材料層１のうち第４電極２６に接触する第４部分のエネルギーギャップと異なるようになる。第１の電極対２ａからの電気信号（例えば、電流）の取り出し効率と、第２の電極対２ｂからの電気信号（例えば、電流）の取り出し効率とが向上する。電磁波検出器１１２ａの感度を向上させることができる。

実施の形態１０．
図２１Ｂ及び図２１Ｃを参照して、実施の形態１０に係る電磁波検出器１１２ｂの構成を説明する。本実施の形態の電磁波検出器１１２ｂは、実施の形態１の電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１の電磁波検出器１００と異なっている。

電磁波検出器１１２ｂは、電磁波遮蔽部材６０をさらに備えている。電磁波遮蔽部材６０は、電磁波を遮って、電磁波が第１強誘電体層５の一部に入射することを防止する。そのため、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（＋ｘ方向）において、第１強誘電体層５に分極率の勾配が生じる。電磁波遮蔽部材６０は、第１強誘電体層５の吸収波長を有する電磁波を遮る材料で形成されている。電磁波遮蔽部材６０は、例えば、黒体、アルミニウム（Ａｌ）もしくは金（Ａｕ）のような金属、または、アルマイト加工された材料で形成されている。

本実施の形態では、電磁波は、第１強誘電体層５に対して第１の電極対２ａの側から電磁波検出器１１２ｂに入射するため、電磁波遮蔽部材６０は、第１電極２１に対して第１強誘電体層５の側とは反対側に（第１電極２１の上方に）配置される。電磁波遮蔽部材６０は、二次元材料層１から離れて配置されている。そのため、電磁波遮蔽部材６０は、二次元材料層１の移動度を劣化させない。

電磁波遮蔽部材６０は、第１主面５ａの平面視において、第１強誘電体層５のうち、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（＋ｘ方向）における第１強誘電体層５の中心に対して、一方の側だけを覆っている。そのため、電磁波遮蔽部材６０は、第１強誘電体層５の一方の側だけを、電磁波から遮る。一方の側は、図２１Ｂ及び図２１Ｃに示されるように第１電極２１の側であってもよいし、第２電極２２の側であってもよい。

電磁波が、第１強誘電体層５に対して裏面電極４の側から電磁波検出器１１２ｂに入射する場合には、電磁波遮蔽部材６０は、裏面電極４に対して第１強誘電体層５の側とは反対側に（裏面電極４の下方に）配置される。電磁波遮蔽部材６０は、二次元材料層１の移動度を劣化させない限り、二次元材料層１に接触してもよい。

電磁波が第１強誘電体層５に対して第１の電極対２ａの側から電磁波検出器１１２ｂに入射し、かつ、第１の電極対２ａが電磁波に対して不透明である場合には、電磁波遮蔽部材６０を設けることに代えて、第１電極２１及び第２電極２２のうちの一方を拡大して、第１電極２１及び第２電極２２のうちの一方のうちの拡大部分を、電磁波に対する電磁波遮蔽部材として機能させてもよい。電磁波が第１強誘電体層５に対して裏面電極４の側から電磁波検出器１１２ｂに入射し、かつ、裏面電極４が電磁波に対して不透明である場合には、電磁波遮蔽部材６０を設けることに代えて、裏面電極４を、電磁波に対する電磁波遮蔽部材として機能させてもよい。

電磁波遮蔽部材６０は、例えば、二次元材料層１が電磁波から遮られないように配置される。電磁波遮蔽部材６０は、二次元材料層１が電磁波から完全に遮られるように配置されてもよい。

＜作用効果＞
電磁波遮蔽部材６０は、第１主面５ａの平面視において、第１強誘電体層５のうち、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（＋ｘ方向）における第１強誘電体層５の中心に対して、一方の側だけを覆っている。そのため、電磁波は、電磁波遮蔽部材６０によって第１強誘電体層５の一方の側に照射されず、第１強誘電体層５の他方の側に照射される。第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（＋ｘ方向）において、第１強誘電体層５の分極率に変化が生じる。具体的には、第１強誘電体層５の一方の側では、第１強誘電体層５の分極率が変化しないのに対し、第１強誘電体層５の他方の側では、第１強誘電体層５の分極率が変化する。これにより、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（＋ｘ方向）において、第１強誘電体層５に分極変化が生じる。その結果、二次元材料層１に電荷密度勾配が形成されて、第１電極２１と第２電極２２との間において二次元材料層１の電気抵抗が変化する。これにより、第１の電極対２ａから取り出される光電流が向上する。よって、電磁波検出器１１２ｂの感度を向上させることができる。

実施の形態１１．
図２２及び図２３を参照して、実施の形態１１に係る電磁波検出器１１３の構成を説明する。本実施の形態の電磁波検出器１１３は、実施の形態１の電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１の電磁波検出器１００と異なっている。

本実施の形態に係る電磁波検出器１１３では、第１細長部分１１と第２細長部分１２とは、互いに別々の層であり、互いに積層されている。第２細長部分１２は、第１細長部分１１上に積層されている。第２細長部分１２は、第１細長部分１１に関して、第１強誘電体層５とは反対側に配置されている。第１細長部分１１は、第２細長部分１２と第１強誘電体層５との間に配置されている。

二次元材料層１は、例えば、以下の方法によって形成される。二次元材料膜を、第１絶縁膜３、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂ上に転写する。フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により二次元材料膜をパターニングして、第１細長部分１１を形成する。それから、第２細長部分１２も、第１細長部分１１と同様の工程で、形成される。第２細長部分１２をパターニングする際に第１細長部分１１がダメージを受けることを防止するために、第１細長部分１１の形成後かつ第２細長部分１２の形成前に、第１細長部分１１上に保護膜（図示せず）が形成されてもよい。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器１１３では、第１細長部分１１と第２細長部分１２とは、互いに積層されている。第２細長部分１２は、第１細長部分１１に関して、第１強誘電体層５とは反対側に配置されている。

互いに隣り合う二次元材料層間の電気抵抗は、二次元材料層１の面内の電気抵抗よりもはるかに大きい。そのため、本実施の形態に係る電磁波検出器１１３では、実施の形態１に係る電磁波検出器１００よりも、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１に流れる電流Ｉ_ｄ１の経路が、第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２に流れる電流Ｉ_ｄ２の経路から分離される。第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１に流れる電流Ｉ_ｄ１が、より一層、第３電極２５及び第４電極２６に流れ込みにくくなる。第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２に流れる電流Ｉ_ｄ２が、より一層、第１電極２１及び第２電極２２に流れ込みにくくなる。また、第２細長部分１２が、電磁波の照射時の第１強誘電体層５の自発分極の変化の影響をより一層受けにくくなる。電磁波の照射時と非照射時との間の電流Ｉ_ｄ１の変化が増加するとともに、電磁波の照射時と非照射時との間の電流Ｉ_ｄ２の変化は減少する。

そのため、信号検出回路４０において、電流Ｉ_ｄ１と電流Ｉ_ｄ２との間の差分信号が、より正確かつより容易に検出され得る。電磁波検出器１１３の感度が向上する。電磁波検出器１１３のオフ動作が、より一層改善される。

第１細長部分１１及び第２細長部分１２は、各々、複数のグラフェン層の積層体であり、複数のグラフェン層の各々における格子の回転角を調整することによって、モアレ超格子、魔法角（Magic angle）またはランダム積層が形成されてもよい。

第１細長部分１１及び第２細長部分１２にモアレ超格子を用いることによって、複数のグラフェン層の積層角に応じたバンドギャップが形成され得る。そのため、任意の波長に対する電磁波検出器１１３の感度を増強することができる。

複数のグラフェン層のうち互いに隣り合うグラフェン層を魔法角（約１．１度の格子の回転角）だけずれるように積層することによって、第１細長部分１１及び第２細長部分１２に発現する超伝導を、小さな電圧変化で制御することができる。そのため、電磁波検出器１１３の暗電流を減少させることができる。

複数のグラフェン層が格子不整合かつランダムに積層されると、複数のグラフェン層の間の相互作用が減少して、複数のグラフェン層の各々は、単層グラフェンと同等に振る舞う。そのため、複数のグラフェン層を積層することによって生じる移動度の低下などが抑制され得る。電磁波検出器１１３の感度が向上する。

実施の形態１２．
図２４及び図２５を参照して、実施の形態１２に係る電磁波検出器１１４を説明する。本実施の形態の電磁波検出器１１４は、実施の形態１１の電磁波検出器１１３と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１１の電磁波検出器１１３と異なっている。

本実施の形態に係る電磁波検出器１１４は、第２絶縁膜３ｂをさらに備える。第２絶縁膜３ｂは、第１細長部分１１と第２細長部分１２との間に配置されている。第２絶縁膜３ｂは、第２細長部分１２を第１細長部分１１から電気的に絶縁している。第２絶縁膜３ｂは、第１細長部分１１の形成後かつ第２細長部分１２の形成前に、形成される。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器１１４は、第２絶縁膜３ｂをさらに備える。第２絶縁膜３ｂは、第１細長部分１１と第２細長部分１２との間に配置されている。

そのため、本実施の形態に係る電磁波検出器１１４では、実施の形態１１に係る電磁波検出器１１３よりも一層、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１に流れる電流Ｉ_ｄ１の経路が、第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２に流れる電流Ｉ_ｄ２の経路から分離される。第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１に流れる電流Ｉ_ｄ１が第３電極２５及び第４電極２６に流れ込むことが防止される。第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２に流れる電流Ｉ_ｄ２が第１電極２１及び第２電極２２に流れ込むことが防止される。また、第２細長部分１２が、電磁波の照射時の第１強誘電体層５の自発分極の変化の影響をより一層受けにくくなる。電磁波の照射時と非照射時との間の電流Ｉ_ｄ１の変化が増加するとともに、電磁波の照射時と非照射時との間の電流Ｉ_ｄ２の変化は減少する。

そのため、信号検出回路４０において、電流Ｉ_ｄ１と電流Ｉ_ｄ２との間の差分信号が、より正確かつより容易に検出され得る。電磁波検出器１１４の感度が向上する。電磁波検出器１１４のオフ動作が、より一層改善される。

実施の形態１３．
図２６及び図２７を参照して、実施の形態１３に係る電磁波検出器１１５を説明する。本実施の形態の電磁波検出器１１５は、実施の形態１２の電磁波検出器１１４と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１２の電磁波検出器１１４と異なっている。

本実施の形態に係る電磁波検出器１１５は、ゲート絶縁膜３ｃ，３ｄと、ゲート電極２８，２９とをさらに備える。

ゲート絶縁膜３ｃは、第１細長部分１１上に配置されている。ゲート絶縁膜３ｃは、第１細長部分１１に接触している。ゲート絶縁膜３ｃは、第１細長部分１１と第２細長部分１２との間に配置されてもよく、第１細長部分１１を第２細長部分１２から電気的に絶縁してもよい。第１主面５ａの平面視において、ゲート絶縁膜３ｃは、第２細長部分１２から露出している部分を含む。

ゲート電極２８は、ゲート絶縁膜３ｃ上に配置されている。具体的には、ゲート電極２８は、ゲート絶縁膜３ｃのうち、第２細長部分１２から露出している部分上に配置されている。第１主面５ａの平面視において、ゲート電極２８の少なくとも一部は、二次元材料層１のうち第１電極２１と第２電極２２との間にある部分と重なっている。第１電極２１は、例えば、ドレイン電極であおり、第２電極２２は、例えば、ソース電極である。

ゲート絶縁膜３ｄは、第２細長部分１２上に配置されている。具体的には、ゲート絶縁膜３ｄは、第１強誘電体層５に対向する表面とは反対側の表面上に配置されている。ゲート絶縁膜３ｄは、第２細長部分１２に接触している。

ゲート電極２９は、ゲート絶縁膜３ｄ上に配置されている。第１主面５ａの平面視において、ゲート電極２９の少なくとも一部は、二次元材料層１のうち第３電極２５と第４電極２６との間にある部分と重なっている。第３電極２５は、例えば、ドレイン電極であり、第４電極２６は、例えば、ソース電極である。

（変形例）
ゲート絶縁膜３ｃ及びゲート電極２８の形状及び数は、特に限定されない。ゲート絶縁膜３ｄ及びゲート電極２９の形状及び数は、特に限定されない。ゲート絶縁膜３ｃ，３ｄ及びゲート電極２８，２９は、実施の形態１の二次元材料層１上に設けられてもよい。

電磁波検出器１１５は、ゲート絶縁膜３ｃ，３ｄの一方とゲート電極２８，２９の一方とを備え、ゲート絶縁膜３ｃ，３ｄの他方とゲート電極２８，２９の他方とは省略されてもよい。すなわち、電磁波検出器１１５は、二次元材料層１上に設けられているゲート絶縁膜３ｃとゲート電極２８とを備えるが、ゲート絶縁膜３ｄとゲート電極２９とを備えていなくてもよい。電磁波検出器１１５は、二次元材料層１上に設けられているゲート絶縁膜３ｄとゲート電極２９とを備えるが、ゲート絶縁膜３ｃとゲート電極２８とを備えていなくてもよい。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器１１５によれば、ゲート電極２８，２９から二次元材料層１にゲート電圧を印加することができる。そのため、二次元材料層１の電気抵抗および移動度を制御することができる。暗状態における電流Ｉ_ｄ１または電流Ｉ_ｄ２の少なくとも一つの調整が容易となる。そのため、信号検出回路４０において、電流Ｉ_ｄ１と電流Ｉ_ｄ２との間の差分信号が容易に検出され得る。電磁波検出器１１５の性能を向上させることができる。

実施の形態１４．
図２８及び図２９を参照して、実施の形態１４に係る電磁波検出器１１６を説明する。本実施の形態の電磁波検出器１１６は、実施の形態１１の電磁波検出器１１３と同様の効果を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１１の電磁波検出器１１３と異なっている。

本実施の形態に係る電磁波検出器１１６は、自発分極を有する第２強誘電体層５ｃをさらに備える。第２強誘電体層５ｃは、第２細長部分１２上に形成されている。第２強誘電体層５ｃは、第２細長部分１２に関して、第１強誘電体層５とは反対側に配置されている。第２強誘電体層５ｃは、第１細長部分１１に関して、第１強誘電体層５とは反対側に配置されている。第２強誘電体層５ｃの自発分極の第２分極方向は、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向（＋ｘ方向）に対して垂直な第１方向（ｙ方向）に平行である。第２強誘電体層５ｃの自発分極の第２分極方向は、第３電極２５と第４電極２６とが互いに対向している第１方向（ｙ方向）または第２細長部分１２の長手方向（ｙ方向）に平行である。第１主面５ａの平面視において、第２強誘電体層５ｃは、好ましくは、第３電極２５と第４電極２６との間の二次元材料層１を覆っている。

（変形例）
第２強誘電体層５ｃは、実施の形態１の二次元材料層１の第２細長部分１２上に設けられてもよい。第２細長部分１２が第２の電極対２ｂに電気的に接続されている限り、第２強誘電体層５ｃは、第２細長部分１２の下に（例えば、第１細長部分１１と第２細長部分１２の間に）設けられてもよい。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器１１６に電磁波が照射されると、第１強誘電体層５の自発分極と第２強誘電体層５ｃの自発分極とが変化する。第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向は第１電極２１と第２電極２２とが互いに対向している第２方向（ｘ方向）に平行であるため、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１は、第１強誘電体層５の自発分極の変化の影響を受ける。第２強誘電体層５ｃの自発分極の第２分極方向は第３電極２５と第４電極２６とが互いに対向している第１方向（ｙ方向）に平行であるため、第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２は、第２強誘電体層５ｃの自発分極の変化の影響を受ける。

そのため、電磁波検出器１１６に電磁波が照射されると、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１に流れる電流Ｉ_ｄ１だけでなく、第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２を流れる電流Ｉ_ｄ２も変化する。電流Ｉ_ｄ１の変化と電流Ｉ_ｄ２の変化とが逆になるように電流Ｉ_ｄ１及び電流Ｉ_ｄ２を検出することによって、信号検出回路４０において検出される電流Ｉ_ｄ１と電流Ｉ_ｄ２との間の差分信号が増加する。電流Ｉ_ｄ１の変化と電流Ｉ_ｄ２の変化とが逆になるように電流Ｉ_ｄ１及び電流Ｉ_ｄ２を検出することは、例えば、第１強誘電体層５の自発分極の第１分極方向、第２強誘電体層５ｃの自発分極の第２分極方向、バイアス電圧Ｖ_ｄ１またはバイアス電圧Ｖ_ｄ２の少なくとも一つを調整することによって実現され得る。したがって、電磁波検出器１１６の感度が向上する。電磁波検出器１１６のオフ動作が、より一層改善される。

実施の形態１５．
図３０を参照して、実施の形態１５に係る電磁波検出器１１７を説明する。本実施の形態の電磁波検出器１１７は、実施の形態１の電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１の電磁波検出器１００と異なっている。

本実施の形態に係る電磁波検出器１１７は、動作回路３５と、平衡回路３６とを備えている。

動作回路３５は、第１の電極対２ａまたは第２の電極対２ｂの少なくとも一つに接続されている。本実施の形態では、動作回路３５は、第１の電極対２ａ及び第２の電極対２ｂの両方に接続されている。具体的には、動作回路３５は、第１の電極対２ａに接続されている第１動作回路３０と、第２の電極対２ｂに接続されている第２動作回路３３とを含む。本実施の形態の第１動作回路３０は、実施の形態１の第１動作回路３０と同様に構成されている。本実施の形態の第２動作回路３３は、実施の形態１の第２動作回路３３と同様に構成されている。

平衡回路３６は、第１の電極対２ａと第２の電極対２ｂとに接続されている。具体的には、平衡回路３６は、第１電極２１及び第２電極２２の一方と第３電極２５及び第４電極２６の一方とに接続されている。本実施の形態では、平衡回路３６は、第２電極２２と第４電極２６とに接続されている。こうして、平衡回路３６は、二次元材料層１に電気的に接続されている。具体的には、平衡回路３６は、第１細長部分１１と第２細長部分１２とに電気的に接続されている。平衡回路３６は、複数の電気抵抗素子を含む。複数の電気抵抗素子は、固定抵抗器であってもよいし、可変抵抗器であってもよい。平衡回路３６と、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１と、第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２とは、ブリッジ回路を形成している。

本実施の形態では、信号検出回路４０は、第２電極２２と第４電極２６とに接続されている。本実施の形態の信号検出回路４０は、実施の形態１の信号検出回路４０と同様に構成されている。例えば、信号検出回路４０は、第１信号検出器４１（図１を参照）と、第２信号検出器４２（図１を参照）とを含む。第１信号検出器４１及び第２信号検出器４２は、電流計であってもよいし、電圧計であってもよい。

動作回路３５及び平衡回路３６は、第１の電極対２ａから出力される第１電気信号と第２の電極対２ｂから出力される第２電気信号とを調整することができる。

例えば、第１動作回路３０及び第２動作回路３３が電圧源である場合については、以下のとおりである。第１動作回路３０から第１細長部分１１に印加するバイアス電圧Ｖ_ｄ１（図１及び図２を参照）を調整することによって、第１信号検出器４１（図１を参照）によって検出される第１電気信号としての電流Ｉ_ｄ１（図１及び図２を参照）を調整することができる。第２動作回路３３から第２細長部分１２に印加するバイアス電圧Ｖ_ｄ２（図１及び図３を参照）を調整することによって、第２信号検出器４２（図１を参照）によって検出される第２電気信号としての電流Ｉ_ｄ２（図１及び図３を参照）を調整することができる。平衡回路３６は、第１細長部分１１と第２細長部分１２とに電気的に接続されているため、第１電気信号としての電流Ｉ_ｄ１及び第２電気信号としての電流Ｉ_ｄ２を調整することができる。

また、第１動作回路３０及び第２動作回路３３が電流源である場合については、以下のとおりである。第１動作回路３０から第１細長部分１１に流すバイアス電流を調整することによって、第１信号検出器４１（図１を参照）によって検出される第１電気信号としての第１電極２１と第２電極２２との間の電圧を調整することができる。第２動作回路３３から第２細長部分１２に流すバイアス電流を調整することによって、第２信号検出器４２（図１を参照）によって検出される第２電気信号としての第３電極２５と第４電極２６との間の電圧を調整することができる。平衡回路３６は、第１細長部分１１と第２細長部分１２とに電気的に接続されているため、第１電気信号としての第１電極２１と第２電極２２との間の電圧及び第２電気信号としての第３電極２５と第４電極２６との間の電圧を調整することができる。

電磁波検出器１１７に電磁波が非照射である場合（暗状態）において、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１の電気抵抗と第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２の電気抵抗とが互いに等しくなるように、動作回路３５及び平衡回路３６は調整されている。そのため、第１信号検出器４１及び第２信号検出器４２が電流計である場合、暗状態において、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１に流れる電流Ｉ_ｄ１は、第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２に流れる電流Ｉ_ｄ２に等しくなる。第１信号検出器４１及び第２信号検出器４２が電圧計である場合、暗状態において、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１の電圧は、第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２の電圧に等しくなる。したがって、信号検出回路４０から出力される電気信号は、ゼロになる。

（変形例）
第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１の電気抵抗と第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２の電気抵抗とが互いに等しくなるのであれば、電磁波検出器１１７は、動作回路３５及び平衡回路３６の一方のみを備え、動作回路３５及び平衡回路３６の他方は備えていなくてもよい。すなわち、暗状態において、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１の電気抵抗と第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２の電気抵抗とが互いに等しくなるように、動作回路３５または平衡回路３６の少なくとも一つが調整されていればよい。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器１１７では、動作回路３５及び平衡回路３６の少なくとも一つにより、第１の電極対２ａから出力される第１電気信号と第２の電極対２ｂから出力される第２電気信号とを調整することができる。そのため、動作回路３５または平衡回路３６の少なくとも一つによって、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１の電気抵抗と第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２の電気抵抗とを互いに等しくすることができる。暗電流を低減することができる。また、信号検出回路４０により、明状態における、第１の電極対２ａから出力される第１電気信号（例えば、第１電極２１と第２電極２２との間の第１細長部分１１に流れる電流Ｉ_ｄ１）と第２の電極対２ｂから出力される第２電気信号（例えば、第３電極２５と第４電極２６との間の第２細長部分１２に流れる電流Ｉ_ｄ２）との間の差分信号の検出が可能となる。電磁波検出器１１７のオフ動作が改善される。

実施の形態１６．
図３１を参照して、実施の形態１６に係る電磁波検出器１１８を説明する。実施の形態１６の電磁波検出器１１８は、実施の形態１の電磁波検出器１００と同様の構成を備え、同様の効果を奏するが、主に以下の点で実施の形態１の電磁波検出器１００と異なっている。

本実施の形態に係る電磁波検出器１１８では、信号検出回路４０は、差動増幅回路４５を含む。差動増幅回路４５は、第１の電極対２ａに含まれる第１電極２１及び第２電極２２の一方（本実施の形態では、第１電極２１）に接続されている。信号検出回路４０は、第２の電極対２ｂに含まれる第３電極２５及び第４電極２６の一方（本実施の形態では、第３電極２５）に接続されている。

差動増幅回路４５は、オペアンプ４６を含んでもよい。具体的には、差動増幅回路４５は、オペアンプ４６と、電源４７と、コンデンサ４８とを含む積分回路であってもよい。オペアンプ４６のマイナス端子は、第１電極２１及び第２電極２２の一方（本実施の形態では、第１電極２１）と、第３電極２５及び第４電極２６の一方（本実施の形態では、第３電極２５）とに接続されている。電源４７は、オペアンプ４６のプラス端子と接地電位とに接続されている。コンデンサ４８は、オペアンプ４６に並列に接続されている。具体的には、コンデンサ４８は、オペアンプ４６のマイナス端子とオペアンプ４６の出力端子とに接続されている。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器１１８は差動増幅回路４５を備えているため、平衡回路（図３０を参照）が不要となる。そのため、電磁波検出器１１８は、小型化され得る。また、差動増幅回路４５がオペアンプ４６を含むため、第１電気信号と第２電気信号との間の差分信号の平均値を得ることができる。そのため、信号検出回路４０から出力される差分信号のＳ／Ｎ比が向上する。電磁波検出器１１８の性能が向上する。

実施の形態１７．
図３２を参照して、実施の形態１７に係る電磁波検出器アレイ１２０を説明する。

電磁波検出器アレイ１２０は、電磁波検出器１２１を複数備える。複数の電磁波検出器１２１は、実施の形態１から実施の形態１６及びこれらの変形例の電磁波検出器１００－１１８のいずれかである。複数の電磁波検出器１２１は、互いに同じ構成を有している。そのため、電磁波検出器アレイ１２０は、電磁波に対して向上された検出感度を有する。

複数の電磁波検出器１２１は、第３方向１２６及び第３方向１２６とは異なる第４方向１２７の少なくともいずれかに沿って配列されている。第４方向１２７は、例えば、第３方向１２６に垂直である。本実施の形態では、複数の電磁波検出器１２１は、第３方向１２６及び第４方向１２７に沿って配列されており、２×２のアレイ状に配置されている。電磁波検出器アレイ１２０が備える電磁波検出器１２１の数は、四つに限られない。例えば、電磁波検出器アレイ１２０が備える電磁波検出器１２１の数は九つであり、複数の電磁波検出器１２１は、３×３のアレイ状に配置されてもよい。複数の電磁波検出器１２１は、周期的に配列されてもよいし、非周期的に配列されてもよい。複数の電磁波検出器１２１は、基板６上に配置されてもよい。

図３３を参照して、本実施の形態の変形例に係る電磁波検出器アレイ１２０は、複数の電磁波検出器１２１，１２２，１２３，１２４を備える。複数の電磁波検出器１２１，１２２，１２３，１２４は、実施の形態１から実施の形態１６の電磁波検出器１００－１１８のいずれかである。複数の電磁波検出器１２１，１２２，１２３，１２４は、互いに異なる構成を有している。

複数の電磁波検出器１２１，１２２，１２３，１２４は、例えば、互いに異なる検出波長を有してもよい。例えば、第１強誘電体層５（図２及び図３などを参照）または第１半導体層７ａ（図８を参照）及び第２半導体層７ｂ（図９を参照）が電磁波に対して感度を有する（すなわち、電磁波を吸収する）場合には、複数の電磁波検出器１２１，１２２，１２３，１２４の間で、第１強誘電体層５の材料または第１半導体層７ａ及び第２半導体層７ｂの材料を異ならせることによって、複数の電磁波検出器１２１，１２２，１２３，１２４に互いに異なる検出波長を持たせることができる。

そのため、電磁波検出器アレイ１２０は、互いに異なる波長を有する複数の電磁波を検出することができる。電磁波検出器アレイ１２０は、より広い波長域の電磁波を検出することができる。電磁波検出器アレイ１２０は、例えば、紫外光、赤外光、テラヘルツ波または電波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。例えば、複数の電磁波検出器１２１，１２２，１２３，１２４の一部の検出波長は可視光であり、複数の電磁波検出器１２１，１２２，１２３，１２４の残部の検出波長は赤外線である場合、電磁波検出器１００は、昼間には可視光画像カメラとして使用され得るとともに、夜間には赤外線画像として使用され得る。

複数の電磁波検出器１２１，１２２，１２３，１２４は、例えば、互いに異なる偏光感度を有してもよい。例えば、電磁波検出器１２１は０°の偏光角度を有する電磁波に感度を有しており、電磁波検出器１２２は４５°の偏光角度を有する電磁波に感度を有しており、電磁波検出器１２３は９０°の偏光角度を有する電磁波に感度を有しており、電磁波検出器１２４は１３５°の偏光角度を有する電磁波に感度を有してもよい。例えば、複数の電磁波検出器１２１，１２２，１２３，１２４の二次元材料層１がグラフェンナノリボンが周期的に配列された構造を有する場合、複数の電磁波検出器１２１，１２２，１２３，１２４間でグラフェンナノリボンの周期配列の向きを変えることによって、複数の電磁波検出器１２１，１２２，１２３，１２４に互いに異なる偏光感度を持たせてもよい。

図３４及び図３５を参照して、本実施の形態の電磁波検出器アレイ１２０は、画像センサ１３０として用いられ得る。

例えば、互いに異なる検出波長を有する複数の電磁波検出器１２１，１２２，１２３，１２４を備える電磁波検出器アレイ１２０は、互いに異なる波長を有する複数の電磁波を検出することができる画像センサとして用いられ得る。これにより、従来、ＣＭＯＳ（Complementary ＭＯＳ）センサ等で必要とされていたカラーフィルタを用いることなく、互いに異なる波長を有する複数の電磁波を検出することができる。また、電磁波の波長の違いを色の違いとして示した、カラー化された画像を得ることができる。

例えば、互いに異なる偏光感度を有する複数の電磁波検出器１２１，１２２，１２３，１２４を備える電磁波検出器アレイ１２０は、偏光識別イメージセンサとして用いられ得る。例えば、０°の偏光角度を有する電磁波に対して感度を有する電磁波検出器１２１と、９０°の偏光角度を有する電磁波に対して感度を有する電磁波検出器１２２と、４５°の偏光角度を有する電磁波に対して感度を有する電磁波検出器１２３と、１３５°の偏光角度を有する電磁波に対して感度を有する電磁波検出器１２４とを含む電磁波検出器アレイ１２０を複数配置することによって、偏光識別イメージングセンサが構成され得る。偏光識別イメージセンサは、例えば、人工物と自然物の識別、材料の識別、赤外波長域において同一温度を有する複数の物体の識別、複数の物体間の境界の識別、または、等価的な分解能の向上などを可能にする。

図３４及び図３５に示されるように、画像センサ１３０は、本開示の電磁波検出器アレイ１２０に加えて、読出回路１３１をさらに備えてもよい。読出回路１３１は、電磁波検出器アレイ１２０に電気的に接続されている。読出回路１３１はＣＴＩＡ （Capacitive Transimpedance Amplifier）型などが用いられるが、この方式には限定されず、他の読み出し方式でもよい。

画像センサ１３０に含まれる電磁波検出器（例えば、電磁波検出器１００）は、絶縁層１３３と、引出電極１３４，１３６と、パッド１３５，１３７とをさらに含む。絶縁層１３３は、二次元材料層１を覆っている。引出電極１３４は、第１電極２１に電気的に接続されており、絶縁層１３３上に引き出されている。パッド１３５は、引出電極１３４及び絶縁層１３３上に配置されている。引出電極１３６は、第３電極２５に電気的に接続されており、絶縁層１３３上に引き出されている。パッド１３７は、引出電極１３６及び絶縁層１３３上に配置されている。二次元材料層１は、引出電極１３４，１３６から電気的に絶縁されている。パッド１３５，１３７を構成する材料は、アルミニウムシリコン、ニッケルまたは金などの導電材料である。

パッド１３５は、バンプ１３８を介して読出回路１３１に電気的に接続されている。パッド１３７は、バンプ１３９を介して読出回路１３１に電気的に接続されている。言い換えると、読出回路１３１は、画像センサ１３０に含まれる電磁波検出器（例えば、電磁波検出器１００）に、いわゆるハイブリッド接合されている。バンプ１３８，１３９を構成する材料は、インジウムなどのような導電性材料である。

電磁波検出器アレイ１２０は、画像センサ１３０以外のセンサとして用いられてもよい。電磁波検出器アレイ１２０は、例えば、物体の位置を検出する位置検出センサとして用いられ得る。

なお、実施の形態１－１７及びそれらの変形例において、第１絶縁膜３（図１から図３などを参照）、第１半導体層７ａ（図８を参照）及び第２半導体層７ｂ（図９を参照）、並びに、第１接触層９ａ（図１９及び図２０を参照）及び第２接触層９ｂ（図１９及び図２１Ａを参照）のいずれかが、電磁波が照射されることによって特性が変化して、二次元材料層１に電位の変化を生じさせる材料で形成されていればよい。このような材料は、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－半導体接合材料または金属－絶縁物－半導体接合材料等である。例えば、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂが、電磁波が照射されることによって特性が変化して二次元材料層１に電位の変化を与える材料で形成されている場合、第１接触層９ａ及び第２接触層９ｂは、二次元材料層１に直接接触している必要はなく、例えば、第１絶縁膜３など介して二次元材料層１の上方または下方に配置されてもよい。

今回開示された実施の形態１－１７及びこれらの変形例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１－１７及びこれらの変形例の少なくとも二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て請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 二次元材料層、２ａ 第１の電極対、２ｂ 第２の電極対、３ 第１絶縁膜、３ｂ 第２絶縁膜、３ｃ，３ｄ ゲート絶縁膜、４ 裏面電極、５ 第１強誘電体層、５ａ 第１主面、５ｂ 第２主面、５ｃ 第２強誘電体層、６ 基板、６ａ，６ｂ 主面、７ 半導体層、７ａ 第１半導体層、７ｂ 第２半導体層、８ 空隙、８ｂ 孔、８ｃ 凹部、９ａ 第１接触層、９ｂ 第２接触層、１１ 第１細長部分、１２ 第２細長部分、１３ 共通部分、２１ 第１電極、２２ 第２電極、２５ 第３電極、２６ 第４電極、２８，２９ ゲート電極、３０ 第１動作回路、３１ 第１電圧源、３３ 第２動作回路、３４ 第２電圧源、３５ 動作回路、３６ 平衡回路、４０ 信号検出回路、４１ 第１信号検出器、４２ 第２信号検出器、４４ 差分器、４５ 差動増幅回路、４６ オペアンプ、４７ 電源、４８ コンデンサ、５１ 第１強誘電体層部分、５２ 第２強誘電体層部分、５５ 段差、６０ 電磁波遮蔽部材、１００，１０１，１０２，１０３ａ，１０３ｂ，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０８ｂ，１０９，１１０，１１１，１１２ａ，１１２ｂ，１１３，１１４，１１５，１１６，１１７，１１８，１２１，１２２，１２３，１２４ 電磁波検出器、１２０ 電磁波検出器アレイ、１２６ 第３方向、１２７ 第４方向、１３０ 画像センサ、１３１ 読出回路、１３３ 絶縁層、１３４，１３６ 引出電極、１３５，１３７ パッド、１３８，１３９ バンプ。

Claims (33)

1. 第１主面を含み、かつ、自発分極を有する第１強誘電体層と、
   前記第１強誘電体層の前記第１主面上に配置されている二次元材料層と、
   第１電極と、第２電極とを含む第１の電極対と、
   第３電極と、第４電極とを含む第２の電極対とを備え、
   前記第１の電極対は、前記二次元材料層に電気的に接続されており、
   前記第２の電極対は、前記二次元材料層に電気的に接続されており、
   前記第１主面の平面視において、前記第３電極と前記第４電極とは、前記第１強誘電体層の前記自発分極の第１分極方向に対して垂直な第１方向に互いに対向して配置されており、
   前記第１主面の前記平面視において、前記第１電極と前記第２電極とは、前記第１方向とは異なる第２方向に互いに対向して配置されている、電磁波検出器。
2. 前記第１主面の前記平面視において、前記第２方向は、前記第１分極方向に平行である、請求項１に記載の電磁波検出器。
3. 前記二次元材料層は、第１細長部分と、第２細長部分とを含み、
   前記第１細長部分の第１長手方向は、前記第２細長部分の第２長手方向と異なっており、
   前記第１主面の前記平面視において、前記第１細長部分の一部は前記第２細長部分の一部と重なっている、請求項１に記載の電磁波検出器。
4. 前記第１主面の前記平面視において、前記第１電極と前記第２電極との間の前記第１細長部分の形状は、前記第３電極と前記第４電極との間の前記第２細長部分の形状と同一である、請求項３に記載の電磁波検出器。
5. 前記二次元材料層は、単一の単層二次元材料層で形成されており、
   前記第１主面の前記平面視において、前記第１細長部分は、前記第１細長部分と前記第２細長部分との共通部分に向かって先細の形状を有しており、
   前記第１主面の前記平面視において、前記第２細長部分は、前記共通部分に向かって先細の形状を有している、請求項３に記載の電磁波検出器。
6. 前記第１細長部分と前記第２細長部分とは、互いに積層されており、
   前記第２細長部分は、前記第１細長部分に関して前記第１強誘電体層とは反対側に配置されている、請求項３に記載の電磁波検出器。
7. 前記第１細長部分と前記第２細長部分との間に配置されている第２絶縁膜をさらに備える、請求項６に記載の電磁波検出器。
8. 前記第１細長部分に接触する第１接触層と、
   前記第２細長部分に接触する第２接触層とをさらに備え、
   前記第１接触層は、前記第１細長部分のうち前記第２電極に近位する部分に配置されており、
   前記第２接触層は、前記第２細長部分のうち前記第４電極に近位する部分に配置されている、請求項３に記載の電磁波検出器。
9. 電磁波遮蔽部材をさらに備え、
   前記電磁波遮蔽部材は、前記第１主面の前記平面視において、前記第１強誘電体層のうち、前記第１強誘電体層の前記自発分極の前記第１分極方向における前記第１強誘電体層の中心に対して、一方の側だけを覆っている、請求項３に記載の電磁波検出器。
10. 自発分極を有する第２強誘電体層をさらに備え、
    前記第２強誘電体層は、前記第２細長部分上に形成されており、
    前記第２強誘電体層の前記自発分極の第２分極方向は、前記第１方向に平行である、請求項３に記載の電磁波検出器。
11. 前記二次元材料層は、単一の単層二次元材料層で形成されている、請求項１に記載の電磁波検出器。
12. 前記第１強誘電体層は、１０μｍ以下の厚さを有する強誘電体薄膜である、請求項１に記載の電磁波検出器。
13. 裏面電極をさらに備え、
    前記第１強誘電体層は、前記第１主面とは反対側の第２主面を含み、
    前記裏面電極は、前記第２主面上に形成されている、請求項１に記載の電磁波検出器。
14. 第１絶縁膜をさらに備え、
    前記第１絶縁膜は、前記第１強誘電体層の前記第１主面上に形成されており、かつ、前記第１強誘電体層と前記二次元材料層との間に配置されている、請求項１に記載の電磁波検出器。
15. 前記第１絶縁膜と前記二次元材料層との間に空隙が設けられている、請求項１４に記載の電磁波検出器。
16. 前記第１強誘電体層と前記二次元材料層との間に空隙が設けられている、請求項１に記載の電磁波検出器。
17. 前記第４電極と前記第２電極が一つの共通電極として構成されている、請求項１に記載の電磁波検出器。
18. 基板をさらに備え、
    前記第１強誘電体層は、前記第１主面とは反対側の第２主面を含み、
    前記第１強誘電体層は、前記基板上に形成されており、
    前記第１強誘電体層の前記第２主面は、前記基板に対向している、請求項１に記載の電磁波検出器。
19. 前記基板に孔が設けられており、
    前記第１強誘電体層の前記第２主面の少なくとも一部は、前記孔において、前記電磁波検出器の周囲雰囲気に露出されている、請求項１８に記載の電磁波検出器。
20. 第１半導体層または第２半導体層の少なくとも一つをさらに備え、
    前記第１半導体層は、前記二次元材料層と前記第２電極との間に配置されており、
    前記第２半導体層は、前記二次元材料層と前記第４電極との間に配置されている、請求項１に記載の電磁波検出器。
21. 前記第１強誘電体層は、前記第１主面とは反対側の第２主面を含み、
    前記第１強誘電体層の前記第２主面に凹部が設けられており、
    前記第１強誘電体層の前記第２主面の少なくとも一部は、前記凹部において、前記電磁波検出器の周囲雰囲気に露出されている、請求項１に記載の電磁波検出器。
22. 前記第１電極と前記第２電極との間において、前記第１強誘電体層の厚さは変化している、請求項１に記載の電磁波検出器。
23. 前記第１強誘電体層は、第１強誘電体層部分と、第２強誘電体層部分とを含み、
    前記第１強誘電体層部分と前記第２強誘電体層部分は、前記第１電極と前記第２電極とが互いに対向している前記第２方向に配列されており、
    前記第１強誘電体層部分の誘電率は、前記第２強誘電体層部分の誘電率と異なっている、請求項１に記載の電磁波検出器。
24. 前記第１強誘電体層は、第１強誘電体層部分と、第２強誘電体層部分とを含み、
    前記第１強誘電体層部分と前記第２強誘電体層部分は、前記第１電極と前記第２電極とが互いに対向している前記第２方向に配列されており、
    前記第１強誘電体層部分の吸収波長域は、前記第２強誘電体層部分の吸収波長域と異なっている、請求項１に記載の電磁波検出器。
25. 前記第１電極は、前記第２電極と異なる金属材料で形成されており、
    前記第３電極は、前記第４電極と異なる金属材料で形成されている、請求項１に記載の電磁波検出器。
26. 前記二次元材料層上に配置されているゲート絶縁膜と、
    前記ゲート絶縁膜上に形成されているゲート電極とをさらに備える、請求項１に記載の電磁波検出器。
27. 前記二次元材料層は、グラフェン、多層グラフェン、乱層積層グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト、黒リン、シリセン、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料で形成されている、請求項１に記載の電磁波検出器。
28. 第１信号検出器と、第２信号検出器と、差分器とを含む信号検出回路をさらに備え、
    前記第１信号検出器は、前記第１の電極対に接続されており、かつ、前記第１の電極対から出力される第１電気信号を検出し、
    前記第２信号検出器は、前記第２の電極対に接続されており、かつ、前記第２の電極対から出力される第２電気信号を検出し、
    前記差分器は、前記第１信号検出器と前記第２信号検出器とに接続されており、かつ、前記第１電気信号と前記第２電気信号との間の差分信号を出力する、請求項１に記載の電磁波検出器。
29. 動作回路または平衡回路の少なくとも一つをさらに備え、
    前記動作回路は、前記第１の電極対に接続されている第１動作回路と、前記第２の電極対に接続されている第２動作回路とを含み、
    前記平衡回路は、前記第１の電極対と前記第２の電極対とに接続されており、
    前記電磁波検出器に電磁波が非照射である場合において、前記第１電極と前記第２電極との間の前記二次元材料層の電気抵抗値と前記第３電極と前記第４電極との間の前記二次元材料層の電気抵抗値とが互いに等しくなるように、前記動作回路または前記平衡回路の前記少なくとも一つは調整されている、請求項２８に記載の電磁波検出器。
30. 前記平衡回路は、複数の電気抵抗素子を含み、
    前記平衡回路と、前記第１電極と前記第２電極との間の前記二次元材料層と、前記第３電極と前記第４電極との間の前記二次元材料層とは、ブリッジ回路を形成している、請求項２９に記載の電磁波検出器。
31. 信号検出回路をさらに備え、
    前記信号検出回路は、前記第１の電極対及び前記第２の電極対に接続されている差動増幅回路を含む、請求項１に記載の電磁波検出器。
32. 請求項１から請求項３１のいずれか一項に記載の電磁波検出器を複数備え、
    前記複数の電磁波検出器が、第３方向および前記第３方向とは異なる第４方向の少なくともいずれかに沿って配列されている、電磁波検出器アレイ。
33. 請求項３２に記載の前記電磁波検出器アレイと、
    前記電磁波検出器アレイにハイブリッド接合されている読出回路とを備える、画像センサ。

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