JP7499857B2 - 電磁波検出器および電磁波検出器集合体 - Google Patents
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Description
<電磁波検出器100の構成>
図1~図5を用いて、実施の形態1に係る電磁波検出器100の構成を説明する。
<二次元材料層1と半導体層4との間に設けられたショットキー障壁について>
続いて、図6および図7を用いて二次元材料層1と半導体層4との間に形成されたショットキー障壁を説明する。
二次元材料層1は、例えば、単層のグラフェンである。単層のグラフェンは、二次元炭素結晶の単原子層である。単層のグラフェンの厚さは、例えば、炭素原子1個分に相当する0.34nmである。また、グラフェンは、六角形状に配置された複数の連鎖の各々にそれぞれ配置された複数の炭素原子を有している。グラフェンの吸収率は、2.3%と低い。具体的には、グラフェンの白色光の吸収率は、2.3%である。なお、本実施の形態において、白色光は、可視光線の波長を有する光が均等に混ざった光である。
第1電極2a、第2電極2bおよび制御電極2cの材料は、導電体であれば任意の材料であってよい。第1電極2a、第2電極2bおよび制御電極2cの材料は、例えば、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)およびパラジウム(Pd)の少なくともいずれかを含んでいてもよい。第1電極2aと第1絶縁膜3aとの間、第2電極2bと半導体層4との間および制御電極2cと第2絶縁膜3bとの間に、図示されない密着層が設けられていてもよい。密着層は、密着性を高めるように構成されている。密着層の材料は、例えば、クロム(Cr)またはチタン(Ti)等の金属材料を含んでいる。
第1絶縁膜3aおよび第2絶縁膜3bは、例えば、酸化ケイ素(SiN)の絶縁膜である。第1絶縁膜3aおよび第2絶縁膜3bの材料は、例えば、オルトケイ酸テトラエチル(Si(OC2H5)4)、窒化ケイ素(Si3N4)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化ニッケル(NiO)、窒化ボロン(BN)、シロキサン系のポリマー材料であってもよい。例えば、窒化ボロン(BN)の原子配列は、グラフェンの原子配列と似ている。このため、窒化ボロン(BN)がグラフェンからなる二次元材料層1に接触する場合、二次元材料層1の電子移動度の低下が抑制される。よって、窒化ボロン(BN)は、二次元材料層1の下に配置される下地膜としての絶縁膜に好適である。
半導体層4の材料は、例えば、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、III-V族半導体またはII-V族半導体などの化合物半導体、テルル化カドミウム水銀(HgCdTe)、アンチモン化イリジウム(InSb)、鉛セレン(PbSe)、鉛硫黄(PbS)、カドミウム硫黄(CdS)、窒化ガリウム(GaN)、シリコンカーバイド(SiC)、リン化ガリウム(GaP)、ヒ化インジウムガリウム(InGaAs)、ヒ化インジウム(InAs)である。半導体層4は、量子井戸または量子ドットを含む基板であってもよい。半導体層4の材料は、TypeII超格子であってもよい。半導体層4の材料は、上記の材料の単体であってもよいし、上記の材料を組み合わせた材料であってもよい。半導体層4の上記の材料は、互いに異なる検出波長を有している。このため、半導体層4の材料が上述した半導体材料の組み合わせであれば、半導体層4を備える電磁波検出器100では多波長の検出が可能となる。
次に、図1を用いて、実施の形態1に係る電磁波検出器100の製造方法を説明する。
なお、上述された製造方法では第1電極2aの上に二次元材料層1が形成されたが、第1絶縁膜3a上に二次元材料層1が形成された後に当該二次元材料層1の一部上に重なるように第1電極2aが形成されてもよい。ただし、第1電極2aの形成時に、二次元材料層1が第1電極2aの形成プロセスによって損傷しないように注意する必要がある。
次に、図1を用いて、実施の形態1に係る電磁波検出器100の動作原理を説明する。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
次に、図8を用いて、実施の形態2に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態2は、特に説明しない限り、上記の実施の形態1と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態1と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
本実施の形態に係る電磁波検出器100の製造方法において、上述された第1絶縁膜形成工程、開口部OP形成工程、第2絶縁膜形成工程および制御電極形成工程が順次実施された後に、二次元材料層形成工程が実施される。すなわち、第1絶縁膜3a、第2絶縁膜3bおよび制御電極2cが形成された後に、二次元材料層1が形成される。このため、二次元材料層1が最後に成膜される。
実施の形態2に係る電磁波検出器100によれば、図8に示されるように、二次元材料層1は、半導体層4、第1絶縁膜3aおよび第2絶縁膜3bを覆っている。このため、第1絶縁膜3a、第2絶縁膜3bおよび制御電極2cを形成した後に、二次元材料層1を形成することができる。よって、二次元材料層1が第2絶縁膜3bおよび制御電極2cの形成プロセスによって損傷することを抑制することができる。また、レジスト等の残渣を抑制することができる。したがって、電磁波検出器100の性能を向上させることができる。
次に、図9~図12を用いて、実施の形態3に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態3は、特に説明しない限り、上記の実施の形態1と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態1と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
実施の形態3に係る電磁波検出器100によれば、制御電極2cの材料は、表面プラズモン共鳴を生じる材料である。このため、制御電極2cにおいて表面プラズモン共鳴を生じさせることができる。よって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。なお、表面プラズモン共鳴によって電磁波検出器100の感度が向上するメカニズムは、後述される。
次に、図13を用いて、実施の形態4に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態4は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
実施の形態4に係る電磁波検出器100によれば、図13に示されるように、第2制御電極部2c2は、第2絶縁膜3bを介して第2部分1bに接続されている。このため、複数の制御電極部2c0のうち少なくとも一つの制御電極部2c0は、開口部OP内に配置されていない。よって、複数の制御電極部2c0のうち全ての制御電極部2c0が開口部OP内に配置されている場合よりも、半導体層4の面内方向に沿った電磁波検出器100の寸法を小さくすることができる。
次に、図14を用いて、実施の形態5に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態5は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
本実施の形態に係る電磁波検出器100によれば、第1端部11は、第1辺部2aaに直接接続されている。第2端部12は、第2辺部2abに直接接続されている。このため、二次元材料層1の端部のいずれか一方が第1電極2aに直接接続されていない場合よりも、二次元材料層1から第1電極2aに伝わる電流が大きくなる。よって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。また、二次元材料層1が第1電極2aの全面に直接接続されている場合、電磁波検出器100の感度をさらに向上させることができる。
次に、図15を用いて、実施の形態6に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態6は、特に説明しない限り、上記の実施の形態5と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態5と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
実施の形態5に係る電磁波検出器100によれば、図15に示されるように、第1端部11は、第1電極2aに直接接続されている。第2端部12は、第1電極2aから離れて配置されている。このため、二次元材料層1と半導体層4との接触は、二次元材料層1の両端が第1電極2aに接続されている場合よりも良好になる。
次に、図16を用いて、実施の形態7に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態7は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
実施の形態7に係る電磁波検出器100によれば、図16に示されるように、電磁波検出器100は、バッファ層5をさらに含んでいる。このため、第1絶縁膜3aに接触する領域の二次元材料層1(第2部分1b)とバッファ層5に接触する領域の二次元材料層1(第1部分1a)との間にキャリア密度の勾配が生じる。これにより、二次元材料層1の移動度が高くなるため、二次元材料層1から取り出される光電流が大きくなる。よって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
次に、図17を用いて、実施の形態8に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態8は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
実施の形態8に係る電磁波検出器100によれば、図17に示されるように、二次元材料層1は、接続導電体6を介して半導体層4に電気的に接続されている。接続導電体6と二次元材料層1とのコンタクト抵抗および接続導電体6と半導体層4とのコンタクト抵抗の和は、二次元材料層1と半導体層4とのコンタクト抵抗よりも小さい。このため、二次元材料層1と半導体層4とが直接接合される場合よりも、コンタクト抵抗を低減することができる。また、二次元材料層1と半導体層4とがショットキー接合によって接合されるため、光電流の減衰を抑制することができる。
次に、図18~図24を用いて、実施の形態9に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態9は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図20に示されるように、第1電極2aは、第1半導体部41および第2半導体部42の各々に接続されている。一対の第1電極部2a1は、第1半導体部41および第2半導体部42にそれぞれ接続されている。このため、第1半導体部41および第2半導体部42の各々は、第1電極2aを介してバイアス電圧V1が印加される。
実施の形態9に係る電磁波検出器100によれば、図18に示されるように、第1半導体部41は、第2半導体部42に接合されている。このため、半導体層4にはpn接合が形成されている。よって、半導体層4のpn接合から光キャリアを生じさせることができる。pn接合において生じた光キャリアを二次元材料層1から取り出すことができる。また、半導体層4のうち接合界面の直上に配置された領域は、第1半導体部41と第2半導体部42との接合界面での局所電界変化の影響を受ける。これにより、二次元材料層1の導電率が変化するため、光ゲート効果が増強される。したがって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
次に、図25~図27を用いて、実施の形態10に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態10は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
実施の形態10に係る電磁波検出器100によれば、図25に示されるように、二次元材料層1は、複数の開口部分OP1の各々において半導体層4に接続されている。このため、開口部OPが単一である場合よりも多くの位置において二次元材料層1が半導体層4に接触する。よって、製造工程において、二次元材料層1と半導体層4との接触のばらつきを低減することができる。したがって、電磁波検出器100を高性能化することができる。
次に、図28を用いて、実施の形態11に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態11は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
実施の形態11に係る電磁波検出器100によれば、図28に示されるように、テーパ部3a1は、第1電極2aから開口部OPに近付くにつれて厚さが変化するように構成されている。このため、半導体層4に電磁波が照射された際に、二次元材料層1中における電界変化の程度に局所的な変化が生じる。つまり、半導体層4に電磁波が照射され、二次元材料層1に電界変化が与えられる際に、第1絶縁膜3aの厚さの変化に応じて当該電界変化の程度が局所的に変わる。これにより、二次元材料層1中のキャリアの移動度が向上し、電磁波検出器100の検出感度が向上する。
次に、図29を用いて、実施の形態12に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態12は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
実施の形態12に係る電磁波検出器100によれば、図29に示されるように、第1絶縁膜3aと二次元材料層1との間に空隙GAPが設けられている。このため、第1絶縁膜3aと二次元材料層1との接触に伴うキャリアの散乱の影響を無くすことができる。この結果、二次元材料層1におけるキャリアの移動度の低下を抑制することができる。したがって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。なお、光ゲート効果は、二次元材料層1の下方に空隙GAPが設けられていても作用することが可能である。
次に、図30および図31を用いて、実施の形態13に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態13は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
実施の形態13に係る電磁波検出器100によれば、図30に示されるように、接触層8は、二次元材料層1および第1電極2aの少なくともいずれかに接触するように配置されている。接触層8は、二次元材料層1および第1電極2aの少なくともいずれかに接触することで二次元材料層1に正孔または電子を供給するように構成されている。このため、二次元材料層1の導電型をn型またはp型にすることができる。これにより、第1電極2aおよび半導体層4から二次元材料層1に光キャリアがドーピングされる場合であっても、二次元材料層1の導電型を制御することができる。よって、電磁波検出器100の性能を向上させることができる。
次に、図32を用いて、実施の形態14に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態14は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
実施の形態14に係る電磁波検出器100によれば、図32に示されるように、二次元材料層1は、乱層構造部分1Tを含んでいる。このため、二次元材料層1におけるキャリアの移動度を向上させることができる。よって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
次に、実施の形態15に係る電磁波検出器100の構成を説明する。本実施の形態に係る電磁波検出器100は、第1絶縁膜3a、第2絶縁膜3b、半導体層4および接触層8の材料の他は、図30に示される実施の形態13に係る電磁波検出器100と同様の構造を有している。実施の形態15は、特に説明しない限り、上記の実施の形態13と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態13と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
実施の形態15に係る電磁波検出器100によれば、図30に示されるように、第1絶縁膜3a、第2絶縁膜3b、半導体層4および接触層8の少なくともいずれかの材料は、電磁波が照射されることによって特性が変化することで、二次元材料層1に電位の変化を与える材料である。このため、第1絶縁膜3a、第2絶縁膜3b、接触層8および半導体層4の少なくともいずれかに電磁波を照射することで、二次元材料層1の電位を変化させることができる。
次に、図33および図34を用いて、実施の形態16に係る電磁波検出器集合体200の構成を説明する。
実施の形態16に係る電磁波検出器集合体200によれば、図33に示されるように、電磁波検出器集合体200は、実施の形態1~14に係る電磁波検出器100を複数有している。このため、複数の電磁波検出器100の各々を検出素子とすることによって、電磁波検出器集合体200に画像センサとしての機能を持たせることができる。
次に、図36~図38を用いて、実施の形態17に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態17は、特に説明しない限り、上記の実施の形態1と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態1と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
実施の形態17に係る電磁波検出器100によれば、図36に示されるように、二次元材料層は、プラズモン共鳴を生じさせるパターンを含んでいる。プラズモン共鳴波長は、複数の帯状部15の各々の幅d、複数の帯状部15の周期pおよび二次元材料層1のフェルミレベルに応じて定まる。このため、電磁波検出器100は、電磁波検出器100に照射された光をプラズモン共鳴波長に応じて共鳴吸収によって選択的に吸収することができる。また、電磁波検出器100は、電磁波検出器100に照射された光をプラズモン共鳴波長に応じて共鳴吸収によって増強して吸収することができる。よって、プラズモン共鳴波長を有する光が電磁波検出器100に照射された場合、二次元材料層1上において電界が増強される。これにより、二次元材料層1に接触している半導体層4における光電変換効率が増強される。したがって、共鳴波長において電磁波検出器100の感度を選択的に増強することができる。
Claims (24)
- 半導体層と、
前記半導体層上に配置され、かつ開口部が形成された第1絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上に設けられた第1電極と、
前記開口部において前記半導体層に電気的に接続される領域と、
前記第1電極と前記開口部との間において前記第1絶縁膜を介して前記半導体層と接続され、前記開口部上から前記第1絶縁膜まで延在し、前記第1電極と電気的に接続された二次元材料層と、
前記半導体層に電気的に接続された第2電極と、
前記二次元材料層に接している第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜を介して前記二次元材料層に接続された制御電極とを備え、
前記二次元材料層は、前記第1電極と前記開口部までの間に、チャネル領域として機能する領域を有し、
前記第1電極と前記第2電極との間にバイアス電圧が印加され、前記半導体層と前記第1絶縁膜との界面に空乏層が形成され、
電磁波が前記半導体層に入射されると、前記空乏層内に光キャリアを生じ、
前記光キャリアは、前記チャネル領域において光ゲート効果を発生させ、前記二次元材料層の抵抗値を変化させる、電磁波検出器。 - 前記第2絶縁膜は、前記半導体層とで前記二次元材料層を挟み込んでおり、
前記制御電極は、前記二次元材料層とで前記第2絶縁膜を挟み込んでいる、請求項1に記載の電磁波検出器。 - 半導体層と、
前記半導体層上に配置され、かつ開口部が形成された第1絶縁膜と、
前記開口部において前記半導体層に電気的に接続され、かつ前記開口部上から前記第1絶縁膜まで延在する二次元材料層と、
前記二次元材料層に電気的に接続された第1電極と、
前記半導体層に電気的に接続された第2電極と、
前記二次元材料層に接している第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜を介して前記二次元材料層に接続された制御電極とを備え、
前記制御電極は、前記第2電極とで前記半導体層を挟み込んでおり、
前記第2絶縁膜は、前記制御電極を覆っており、
前記二次元材料層は、前記半導体層、前記第1絶縁膜および前記第2絶縁膜を覆っている、電磁波検出器。 - 前記第1電極と前記第2電極との電圧差を変化させるように構成されている、請求項1~3のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記制御電極によって前記二次元材料層に電圧を印加することで前記二次元材料層のフェルミレベルを変化させるように構成されている、請求項1~4のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記制御電極の材料は、表面プラズモン共鳴を生じる材料である、請求項1~5のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記制御電極は、複数の制御電極部を含み、
前記複数の制御電極部のうち隣り合う制御電極部同士は、前記複数の制御電極部の各々に表面プラズモン共鳴が生じる間隔を空けて配置されている、請求項1~6のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記二次元材料層は、前記半導体層に直接接続された第1部分を含み、
前記複数の制御電極部は、第1制御電極部を含み、
前記第1制御電極部は、前記第2絶縁膜を介して前記第1部分に接続されている、請求項7に記載の電磁波検出器。 - 前記二次元材料層は、前記第1絶縁膜上に配置された第2部分を含み、
前記複数の制御電極部は、第2制御電極部を含み、
前記第2制御電極部は、前記第2絶縁膜を介して前記第2部分に接続されている、請求項7または8に記載の電磁波検出器。 - 前記二次元材料層は、第1端部と、前記第1端部に対向する第2端部とを含み、
前記第1電極は、第1辺部と、前記第1辺部とで前記開口部を挟み込む第2辺部とを含み、
前記第1端部は、前記第1辺部に直接接続されており、
前記第2端部は、前記第2辺部に直接接続されている、請求項1~9のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記二次元材料層は、第1端部と、前記第1端部に対向する第2端部とを含み、
前記第1端部は、前記第1電極に直接接続されており、
前記第2端部は、前記第1電極から離れて配置されている、請求項1~9のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - バッファ層をさらに備え、
前記バッファ層は、前記半導体層と前記二次元材料層とに挟み込まれている、請求項1~11のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記バッファ層は、前記半導体層と前記二次元材料層との間にトンネル電流を形成することが可能な厚みを有している、請求項12に記載の電磁波検出器。
- 接続導電体をさらに備え、
前記二次元材料層は、前記接続導電体を介して前記半導体層に電気的に接続されている、請求項1~13のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記半導体層は、第1半導体部と、前記第1半導体部とは異なる導電型を有する第2半導体部とを含み、
前記第1半導体部は、前記第2半導体部に接合されている、請求項1~14のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記第2半導体部は、前記第1半導体部とは異なる吸収波長を有する、請求項15に記載の電磁波検出器。
- 前記開口部は、互いに間を空けて設けられた複数の開口部分を含み、
前記二次元材料層は、前記複数の開口部分の各々において前記半導体層に接続されている、請求項1~16のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記第1絶縁膜は、テーパ部を含み、
前記テーパ部は、前記第1電極から前記開口部に近付くにつれて厚さが変化するように構成されている、請求項1~17のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 半導体層と、
前記半導体層上に配置され、かつ開口部が形成された第1絶縁膜と、
前記開口部において前記半導体層に電気的に接続され、かつ前記開口部上から前記第1絶縁膜まで延在する二次元材料層と、
前記二次元材料層に電気的に接続された第1電極と、
前記半導体層に電気的に接続された第2電極と、
前記二次元材料層に接している第2絶縁膜と、
前記第2絶縁膜を介して前記二次元材料層に接続された制御電極とを備え、
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、電磁波検出器。 - 接触層をさらに備え、
前記接触層は、前記二次元材料層および前記第1電極のいずれかに接触するように配置されている、請求項1~19のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 - 前記二次元材料層は、グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト、黒リン、シリセン、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料を含む、請求項1~20のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記二次元材料層は、乱層構造部分を含む、請求項1~21のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 前記二次元材料層は、プラズモン共鳴を生じさせるパターンを含んでいる、請求項1~21のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
- 請求項1~23のいずれか1項に記載の電磁波検出器を複数備え、
前記複数の電磁波検出器が、第1方向および前記第1方向に交差する第2方向の少なくともいずれかに沿って並んで配置されている、電磁波検出器集合体。
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