JP7499857B2 - 電磁波検出器および電磁波検出器集合体 - Google Patents

電磁波検出器および電磁波検出器集合体 Download PDF

Info

Publication number
JP7499857B2
JP7499857B2 JP2022532298A JP2022532298A JP7499857B2 JP 7499857 B2 JP7499857 B2 JP 7499857B2 JP 2022532298 A JP2022532298 A JP 2022532298A JP 2022532298 A JP2022532298 A JP 2022532298A JP 7499857 B2 JP7499857 B2 JP 7499857B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
dimensional material
electromagnetic wave
material layer
wave detector
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2022532298A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2021256018A1 (ja
JPWO2021256018A5 (ja
Inventor
新平 小川
政彰 嶋谷
昌一郎 福島
聡志 奥田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Publication of JPWO2021256018A1 publication Critical patent/JPWO2021256018A1/ja
Publication of JPWO2021256018A5 publication Critical patent/JPWO2021256018A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7499857B2 publication Critical patent/JP7499857B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/0248Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/08Semiconductor 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
    • H01L31/10Semiconductor 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
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/108Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the Schottky type
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0224Electrodes
    • H01L31/022408Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/0248Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264Inorganic materials
    • H01L31/028Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/0248Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035209Semiconductor 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 characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor 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
    • H01L31/08Semiconductor 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
    • H01L31/10Semiconductor 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
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/112Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor
    • H01L31/113Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor being of the conductor-insulator-semiconductor type, e.g. metal-insulator-semiconductor field-effect transistor
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02Details
    • G01J1/0204Compact construction

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Description

本開示は、電磁波検出器および電磁波検出器集合体に関するものである。
次世代の電磁波検出器に用いられる電磁波検出層の材料として、二次元材料層の一例であるグラフェンが知られている。グラフェンは、極めて高い移動度を有している。グラフェンの吸収率は、2.3%と低い。このため、二次元材料層としてグラフェンが用いられた電磁波検出器における高感度化手法が提案されている。
例えば、米国特許出願公開2015/0243826号明細書では、下記のような構造を有する検出器が提案されている。すなわち、米国特許出願公開2015/0243826号明細書では、n型半導体層上に2つ以上の誘電体層が設けられている。2つの誘電体層上および当該2つの誘電体層の間に位置するn型半導体層の表面部分上にグラフェン層が形成されている。グラフェン層の両端に接続されたソース・ドレイン電極が誘電体層上に配置されている。ゲート電極がn型半導体層に接続されている。
上記検出器では、チャネルとしてのグラフェン層にソース・ドレイン電極を介して電圧が印加される。この結果、n型半導体層で発生した光キャリアが増幅されるため検出器の感度が向上する。また、ゲート電極とソース電極またはドレイン電極とに電圧が印加された場合は、グラフェンとn型半導体層とのショットキー接続によってOFF動作が可能となる。上記検出器は、グラフェン層のフェルミレベルとグラフェン層に接触するn型半導体層のフェルミレベルとの差以上の大きいエネルギーを有する電磁波を検出する。
米国特許出願公開2015/0243826号明細書
上記公報に記載された検出器(電磁波検出器)では、グラフェン層(二次元材料層)のフェルミレベルをグラフェン層が形成された時点におけるフェルミレベルから変化させることができない。このため、例えばグラフェン層の成膜状態によっては、適切なショットキー障壁が形成されない。よって、検出器は、検出器の検出対象となる電磁波を検出できないことがある。
本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、二次元材料層のフェルミレベルを変化させることができる電磁波検出器および電磁波検出器集合体を提供することである。
本開示の電磁波検出器は、半導体層と、第1絶縁膜と、二次元材料層と、第1電極と、第2電極と、第2絶縁膜と、制御電極とを備えている。第1絶縁膜は、半導体層上に配置されている。第1絶縁膜には、開口部が形成されている。二次元材料層は、開口部において半導体層に電気的に接続されている。二次元材料層は、開口部上から第1絶縁膜まで延在している。第1電極は、二次元材料層に電気的に接続されている。第2電極は、半導体層に電気的に接続されている。第2絶縁膜は、二次元材料層に接している。制御電極は、第2絶縁膜を介して二次元材料層に接続されている。
本開示の電磁波検出器によれば、二次元材料層のフェルミレベルを変化させることができる。
実施の形態1に係る電磁波検出器の第1の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態1に係る電磁波検出器の第1の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態1に係る電磁波検出器の第2の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態1に係る電磁波検出器の第3の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態1に係る電磁波検出器の第4の構成を概略的に示す断面図である。 ショットキー障壁が形成された状態における二次元材料層のフェルミレベルおよび半導体層のフェルミレベルを概略的に示すバンド図である。 ショットキー障壁が形成されていない状態における二次元材料層のフェルミレベルおよび半導体層のフェルミレベルを概略的に示すバンド図である。 実施の形態2に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態3に係る電磁波検出器の第1の構成を概略的に示し、図2のIX領域に対応する領域の拡大図である。 実施の形態3に係る電磁波検出器の第2の構成を概略的に示し、図9に対応する上面図である。 実施の形態3に係る電磁波検出器の第3の構成を概略的に示し、図9に対応する上面図である。 実施の形態3に係る電磁波検出器の第4の構成を概略的に示し、図9に対応する上面図である。 実施の形態4に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態5に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態6に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態7に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態8に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態9に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態9に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態9の第1の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態9の第2の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態9の第2の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態9の第3の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態9の第3の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態10に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態10に係る電磁波検出器の複数の開口部分の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態10に係る電磁波検出器の複数の開口部分の他の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態11に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態12に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態13に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態13の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態14に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態16に係る電磁波検出器集合体の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態16に係る電磁波検出器集合体に含まれる複数の電磁波検出器のうち1つの電磁波検出器、パッド、バンプおよび読み出し回路の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態16の変形例に係る電磁波検出器集合体の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態17に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態17の第1の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態17の第2の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。
以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下では、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。
以下に説明される実施の形態において、図は模式的なものであり、機能または構造を概念的に説明するものである。また、以下に説明される実施の形態により本開示が限定されるものではない。特記する場合を除いて、電磁波検出器の基本構成は全ての実施の形態において共通である。また、同一の符号を付したものは、上述のように同一またはこれに相当するものである。これは明細書の全文において共通する。
以下に説明される実施の形態では、可視光または赤外光を検出する場合の電磁波検出器の構成が説明されるが、本開示の電磁波検出器が検出する光は可視光および赤外光に限定されない。以下に説明する実施の形態は、可視光および赤外光に加えて、例えば、X線、紫外光、近赤外光、テラヘルツ(THz)波、マイクロ波などの電波を検出する検出器としても有効である。なお、本開示の実施の形態において、これらの光および電波を総称して電磁波と記載する。
また、本実施の形態では、グラフェンとしてp型グラフェンおよびn型グラフェンの用語が用いられる場合がある。以下の実施の形態では、真性状態のグラフェンよりも正孔が多いものがp型グラフェンと呼ばれ、真性状態のグラフェンよりも電子が多いものがn型グラフェンと呼ばれる。
また、分子全体において電荷に偏りが見られる場合に電子が支配的になるものがn型と呼ばれる場合もある。分子全体において電荷に偏りが見られる場合に正孔が支配的になるものがp型と呼ばれる場合もある。二次元材料層の一例であるグラフェンに接触する部材の材料には、有機物および無機物のいずれか一方または有機物および無機物の混合物が用いられてもよい。
また、金属表面と光との相互作用である表面プラズモン共鳴現象等のプラズモン共鳴現象、可視光域および近赤外光域以外での金属表面にかかる共鳴という意味での擬似表面プラズモン共鳴と呼ばれる現象、または、波長以下の寸法の構造により波長を操作するという意味でのメタマテリアルまたはプラズモニックメタマテリアルと呼ばれる現象については、特にこれらを名称により区別せず、現象が及ぼす効果の面からは同等の扱いとする。ここでは、これらの共鳴を、表面プラズモン共鳴、プラズモン共鳴、または、単に共鳴と呼ぶ。
また、以下に説明する実施の形態では、二次元材料層の材料として、グラフェンを例に説明が行われているが、二次元材料層の材料はグラフェンに限られない。例えば、二次元材料層の材料としては、遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD:Transition Metal Dichalcogenide)、黒リン(Black Phosphorus)、シリセン(シリコン原子による二次元ハニカム構造)、ゲルマネン(ゲルマニウム原子による二次元ハニカム構造)等の材料が適用され得る。遷移金属ダイカルコゲナイドとしては、例えば、二硫化モリブデン(MoS)、二硫化タングステン(WS)、二セレン化タングステン(WSe)等の遷移金属ダイカルコゲナイドが挙げられる。
これらの材料は、グラフェンと類似の構造を有している。これらの材料では、原子が二次元面内に単層で配列されている。したがって、これらの材料が二次元材料層に適用された場合においても、二次元材料層にグラフェンが適用された場合と同様の作用効果が得られる。
また、本実施の形態において、絶縁層と表記されるものは、トンネル電流が生じない厚さを有する絶縁物の層である。また、バリア層と表記されるものは、トンネル電流が生じる厚さを有する絶縁物の層である。
実施の形態1.
<電磁波検出器100の構成>
図1~図5を用いて、実施の形態1に係る電磁波検出器100の構成を説明する。
図1に示されるように、電磁波検出器100は、二次元材料層1と、第1電極2aと、第2電極2bと、制御電極2cと、第1絶縁膜3aと、第2絶縁膜3bと、半導体層4とを含んでいる。
第1絶縁膜3aは、半導体層4上に配置されている。第1絶縁膜3aには、開口部OPが形成されている。本実施の形態において、半導体層4は、開口部OPにおいて第1絶縁膜3aから露出している。このため、電磁波は、開口部OPを通って半導体層4に照射される。第1絶縁膜3aの形状は、開口部OPが設けられていれば、適宜に決められてもよい。開口部OPの形状は、半導体層4が第1絶縁膜3aから露出するのであれば、適宜に決められてもよい。二次元材料層1および半導体層4の少なくともいずれか一方が、開口部OPから露出していればよい。このため、電磁波は、開口部OPを通って二次元材料層1および半導体層4に照射されればよい。
図2に示されるように、第1絶縁膜3aの形状は、開口部OPに取り囲まれた形状であってもよい。また、図3に示されるように、第1絶縁膜3aの形状は、開口部OPを取り囲む形状であってもよい。図4に示されるように、第絶縁膜3は、二次元材料層1の全体を覆う形状であってもよい。
図1に示されるように、二次元材料層1は、開口部OPにおいて半導体層4に電気的に接続されている。二次元材料層1は、開口部OP上から第1絶縁膜3aまで延在している。二次元材料層1は、グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト(TMD:Transition Metal Dichalcogenide)、黒リン(Black Phosphorus)、シリセン(シリコン原子による二次元ハニカム構造)、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料を含んでいる。本実施の形態において、二次元材料層1の材料は、後述されるグラフェンを含んでいる。二次元材料層1の材料は、望ましくは、表面プラズモン共鳴を生じる材料である。
二次元材料層1は、第1部分1aと、第2部分1bと、第3部分1cとを含んでいる。本実施の形態において、第1部分1aは、半導体層4に直接接続されている。第1部分1aは、開口部OP内に配置されている。電磁波検出器100に照射された電磁波は、第1部分1aを通って半導体層4に入射する。本実施の形態において、第2部分1bは、第1絶縁膜3a上に配置されている。後述されるように、第2部分1bと第1絶縁膜3aとの間に空隙が設けられていてもよい。第3部分1cは、第1電極2aに電気的に接続されている。図1では、第3部分1cは、第1電極2a上に配置されているが、第1電極2aに電気的に接続されていれば、適宜に配置されてもよい。
第1電極2aは、第1絶縁膜3a上に配置されている。第1電極2aは、第1絶縁膜3aを介して半導体層4に接続されている。第1電極2aは、二次元材料層1に電気的に接続されている。第1電極2aは、二次元材料層1に直接接続されていてもよい。
第2電極2bは、半導体層4に電気的に接続されている。第2電極2bは、半導体層4に直接接続されていてもよい。電磁波検出器100は、第1電極2aと第2電極2bとの電圧差を変化させるように構成されている。このため、第1電極2aと第2電極2bとの間に配置された二次元材料層1、第1絶縁膜3aおよび半導体層4にバイアス電圧V1が印加されるように電磁波検出器100が構成されている。
第2絶縁膜3bは、二次元材料層1に接している。第2絶縁膜3bは、二次元材料層1に直接接続されていてもよい。本実施の形態において、第2絶縁膜3bは、半導体層4とで二次元材料層1を挟み込んでいる。第2絶縁膜3bは、二次元材料層1上に配置されている。
制御電極2cは、第2絶縁膜3bを介して二次元材料層1に接続されている。本実施の形態において、制御電極2cは、二次元材料層1とで第2絶縁膜3bを挟み込んでいる。制御電極2cは、第2絶縁膜3b上に配置されている。電磁波検出器100は、制御電極2cによって二次元材料層1に電圧を印加するように構成されている。具体的には、電磁波検出器100は、制御電極2cによって二次元材料層1に電圧を印加することで二次元材料層1のフェルミレベルを変化させるように構成されている。
本実施の形態において、制御電極2cは、複数の制御電極部2c0を含んでいる。複数の制御電極部2c0は、第1制御電極部2c1を含んでいる。第1制御電極部2c1は、第2絶縁膜3bを介して第1部分1aに接続されている。制御電極2cが複数の制御電極部2c0を含んでいる場合、第2絶縁膜3bは、複数の第2絶縁膜部3b0を含んでいてもよい。複数の制御電極部2c0の各々は、複数の第2絶縁膜部3b0の各々を介して半導体層4にそれぞれ接続されている。
制御電極2cが第2絶縁膜3bを介して二次元材料層1に接続されるのであれば、複数の制御電極部2c0の数および位置は適宜に決められてもよい。また、図5に示されるように、制御電極2cは、単一の電極であってもよい。制御電極2cが単一の電極である場合であっても、二次元材料層1のフェルミレベルは電圧によって制御される。
図1に示されるように、半導体層4は、第1面4aおよび第2面4bを含んでいる。第2面4bは、第1面4aに対向している。二次元材料層1および第1絶縁膜3aは、第1面4a上に配置されている。電磁波は、半導体層4の第1面4a側に照射される。第2電極2bは、第2面4b上に配置されていてもよい。
半導体層4は、検出波長に感度を有している。本実施の形態において、検出波長は、電磁波検出器100の検出対象となる電磁波が有する波長の範囲である。検出波長は、予め定められている。半導体層4は、検出波長を有している電磁波が半導体層4に照射されることで半導体層4に光キャリアが生じるように構成されている。本実施の形態において、電磁波が照射されることで光キャリアが生じる現象は、光電変換と呼ばれる。半導体層4を構成する半導体材料は、検出波長に応じて適宜に決められてもよい。
半導体層4のフェルミレベルは、二次元材料層1のフェルミレベルと異なっている。二次元材料層1のフェルミレベルは、半導体層4の間にショットキー障壁を形成することができるエネルギーである。このため、二次元材料層1と半導体層4との間にはショットキー障壁が形成されている。よって、二次元材料層1および半導体層4は、ショットキー障壁によって、ダイオードとして機能するように構成されている。
電磁波検出器100は、図示されない第1電源回路と、図示されない第2電源回路とをさらに含んでいる。電磁波検出器100は、図示されない電流計をさらに含んでいてもよい。第1電源回路は、第1電極2aおよび第2電極2bを介してバイアス電圧V1を第1絶縁膜3aおよび半導体層4に印加するように構成されている。電磁波検出器100は、第1電源回路によって第1電極2aと第2電極2bとの電圧差を変化させるように構成されている。
第2電源回路は、制御電極2cを介して制御電圧V2を二次元材料層1に印加するように構成されている。制御電圧V2は、二次元材料層1のフェルミレベルを制御するための電圧である。電磁波検出器100は、第2電源回路によって制御電極2cを介して二次元材料層1に電圧を印加することで二次元材料層1のフェルミレベルを変化させるように構成されている。
制御電極2cが複数の制御電極部2c0を含んでいる場合、電磁波検出器100は複数の第2電源回路を含んでいてもよい。複数の第2電源回路の各々は、複数の制御電極部2c0の各々にそれぞれ接続されていてもよい。例えば、3つの第2電源回路の各々が3つの制御電極部2c0の各々にそれぞれ異なる制御電圧V2、V3、V4を印加するように構成されていてもよい。
制御電圧V2が二次元材料層1に印加されることで、二次元材料層1のフェルミレベルが変化する。これにより、仮に変化前の二次元材料層1のフェルミレベルが半導体層4とでショットキー障壁を形成できないエネルギーである場合であっても、二次元材料層1のフェルミレベルは半導体層4とでショットキー障壁を形成できるエネルギーに変化する。
電流計は、第1電源回路に電気的に接続されている。電流計は、第1電極2aと第2電極2bとの間において二次元材料層1に流れる電流を検出するように構成されている。
<二次元材料層1と半導体層4との間に設けられたショットキー障壁について>
続いて、図6および図7を用いて二次元材料層1と半導体層4との間に形成されたショットキー障壁を説明する。
図6および図7は、二次元材料層1の材料がグラフェンであり、半導体層4がインジウムアンチモン(InSb)である場合のバンド図である。図6は、ショットキー障壁が形成された状態におけるバンド図である。図7は、ショットキー障壁が形成されていない状態におけるバンド図である。半導体層4の導電型はp型である。光キャリアは、電子である。φBは、ショットキー障壁である。EFGは、二次元材料層1のフェルミレベルである。EFSは、半導体層4のフェルミレベルである。ECは、半導体層4の伝導帯である。EVは、半導体層4の価電子帯である。
図6では、二次元材料層1のフェルミレベルが半導体層4の価電子帯の下限よりも大きい。これにより、二次元材料層1と半導体層4との間にショットキー障壁が形成されている。このため、二次元材料層1と半導体層4との間にダイオード特性が生じる。
さらに、電磁波検出器100が第1電極2aと第電極2bとの電圧差を変えるように構成されているため、光キャリアがショットキー障壁を越えるエネルギーを有するように二次元材料層1および半導体層4に電圧が印加される。これにより、光キャリアは、二次元材料層1からショットキー障壁を超えて半導体層4に到達する。
仮に、図7に示されるように二次元材料層1のフェルミレベルが半導体層4の価電子帯の下限よりも小さい場合、二次元材料層1と半導体層4との間にショットキー障壁が形成されない。このため、二次元材料層1と半導体層4との間にダイオード特性が生じない。二次元材料層1と半導体層4との間にダイオード特性が生じない場合、二次元材料層1に流れる暗電流が大きくなる。このため、後述される光ゲート効果によって大きな検出信号が得られたとしてもSN比が劣化する。
また、仮にショットキー障壁が小さい場合には、バイアス電圧V1の変化に対する暗電流の割合が大きくなるため、電磁波検出器100としての動作が不安定になる。すなわち、バイアス電圧V1がわずかに変化する場合であっても、暗電流が大きくなるため、SN比が悪化する。
なお、図6および図7には、光キャリアが電子でありかつ半導体層4の導電型がp型である場合のバンド図が図示されているが、光キャリアおよび導電型はこれらに限定されない。すなわち、二次元材料層1と半導体層4との間にショットキー障壁が形成されるのであれば、光キャリアは電子および正孔のいずれであってもよい。また、二次元材料層1と半導体層4との間にショットキー障壁が形成されるのであれば、半導体層4の導電型はn型およびp型のいずれであってもよい。
続いて、実施の形態1に係る電磁波検出器100の二次元材料層1、第1電極2a、第2電極2b、制御電極2c、第1絶縁膜3aおよび半導体層4の各々の構成をそれぞれ詳細に説明する。
<二次元材料層1の構成>
二次元材料層1は、例えば、単層のグラフェンである。単層のグラフェンは、二次元炭素結晶の単原子層である。単層のグラフェンの厚さは、例えば、炭素原子1個分に相当する0.34nmである。また、グラフェンは、六角形状に配置された複数の連鎖の各々にそれぞれ配置された複数の炭素原子を有している。グラフェンの吸収率は、2.3%と低い。具体的には、グラフェンの白色光の吸収率は、2.3%である。なお、本実施の形態において、白色光は、可視光線の波長を有する光が均等に混ざった光である。
二次元材料層1は、複数のグラフェン層が積層された多層グラフェンであってもよい。多層グラフェン中のグラフェンのそれぞれの六方格子の格子ベクトルの向きは、一致していてもよいし、異なっていてもよい。また、多層グラフェン中のグラフェンのそれぞれの六方格子の格子ベクトルの向きは、完全に一致していてもよい。
例えば、2層以上のグラフェン層が積層されることによって、二次元材料層1にバンドギャップが形成される。すなわち、積層されたグラフェン層の数を変更することによって、バンドギャップの大きさを調整することができる。これにより、二次元材料層1は、光電変換の対象となる電磁波(検出波長)を選択する波長選択効果を有することができる。また、例えば、多層グラフェンのグラフェン層の数が増加すると、チャネル領域での移動度が低下する。一方で、多層グラフェンのグラフェン層の数が増加すると、基板からのキャリア散乱の影響が抑制されるため、電磁波検出器100のノイズが低下する。このため、多層グラフェンが用いられた二次元材料層1を有する電磁波検出器100では、光吸収が増加されるため、電磁波の検出感度が向上する。
二次元材料層1は、チャネル領域として機能する領域と、ソース・ドレイン層として機能する領域とを含んでいる。本実施の形態において、第1部分1aおよび第3部分1cは、ソース・ドレイン領域として機能する領域である。また、第2部分1bは、チャネル領域として機能する領域である。
二次元材料層1の材料は、チャネル領域として機能する領域と、ソース・ドレイン層として機能する領域とにおいて一様であってもよいし、異なっていてもよい。
二次元材料層1の第3部分1cが第1電極2aに接触することによって、第1電極2aから二次元材料層1に光キャリアがドープされる。例えば、二次元材料層1がグラフェンであり第1電極2aが金(Au)である場合、光キャリアは正孔である。グラフェンの仕事関数と金(Au)の仕事関数との差によって、第1電極2aに接している第3部分1cに正孔がドープされる。第3部分1cに正孔がドープされた状態において、電磁波検出器100が電子伝導状態で駆動すると、正孔の影響によって、チャネル内に流れる電子の移動度が低下する。このため、二次元材料層1と第1電極2aとのコンタクト抵抗が増加する。特に、二次元材料層1の全ての領域が単層グラフェンによって形成されている場合、第1電極2aから二次元材料層1に注入されるキャリアの量(ドープ量)が大きい。このため、電磁波検出器100の電界効果の移動度の低下は、顕著である。したがって、二次元材料層1の全ての領域が単層グラフェンによって形成されている場合、電磁波検出器100の性能は低下する。
多層グラフェンに第1電極2aからドープされるキャリアの量は、単層グラフェンに第1電極2aからドープされるキャリアの量よりも小さい。このため、キャリアがドープされやすいソース・ドレイン領域(第1部分1aおよび第3部分1c)が多層グラフェンから形成されることによって、二次元材料層1と第1電極2aとの間のコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。これにより、電磁波検出器100の電界効果の移動度の低下を抑制することができるため、電磁波検出器100の性能を向上させることができる。
以上より、好ましくは、ソース・ドレイン領域(第1部分1aおよび第3部分1c)の材料として多層グラフェンが用いられる。また、チャネル領域(第2部分1b)に単層グラフェンが用いられる。
また、二次元材料層1は、ノンドープのグラフェンであってもよい。二次元材料層1は、p型またはn型の不純物がドープされたグラフェンであってもよい。
また、二次元材料層1としてナノリボン状のグラフェン(グラフェンナノリボン)が用いられてもよい。二次元材料層1は、グラフェンナノリボン単体であってもよい。二次元材料層1の構造は、複数のグラフェンナノリボンが積層された構造であってもよい。二次元材料層1の構造は、グラフェンナノリボンが平面上に周期的に配列された構造であってもよい。二次元材料層1の構造がグラフェンナノリボンが周期的に配列された構造である場合、グラフェンナノリボンにおいてプラズモン共鳴を発生するため、電磁波検出器100の感度が向上する。グラフェンナノリボンが周期的に配列された構造は、グラフェンメタマテリアルと呼ばれることもある。
二次元材料層1上に図示されない保護膜が設けられてもよい。図示されない保護膜は、二次元材料層1、第1電極2a、第1絶縁膜3aおよび半導体層4を覆うように設けられている。保護膜は、例えば、酸化ケイ素(SiO)からなる絶縁膜である。
保護膜は、酸化物または窒化物等の絶縁膜であってもよい。保護膜は、例えば、酸化アルミニウム(アルミナ:Al)、酸化ハフニウム(HfO)であってもよい。保護膜は、窒化ホウ素(ボロンナイトライド:BN)であってもよい。
<第1電極2a、第2電極2bおよび制御電極2cの構成>
第1電極2a、第2電極2bおよび制御電極2cの材料は、導電体であれば任意の材料であってよい。第1電極2a、第2電極2bおよび制御電極2cの材料は、例えば、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)およびパラジウム(Pd)の少なくともいずれかを含んでいてもよい。第1電極2aと第1絶縁膜3aとの間、第2電極2bと半導体層4との間および制御電極2cと第2絶縁膜3bとの間に、図示されない密着層が設けられていてもよい。密着層は、密着性を高めるように構成されている。密着層の材料は、例えば、クロム(Cr)またはチタン(Ti)等の金属材料を含んでいる。
<第1絶縁膜3aおよび第2絶縁膜3bの構成>
第1絶縁膜3aおよび第2絶縁膜3bは、例えば、酸化ケイ素(SiN)の絶縁膜である。第1絶縁膜3aおよび第2絶縁膜3bの材料は、例えば、オルトケイ酸テトラエチル(Si(OC254)、窒化ケイ素(Si34)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化アルミニウム(Al23)、酸化ニッケル(NiO)、窒化ボロン(BN)、シロキサン系のポリマー材料であってもよい。例えば、窒化ボロン(BN)の原子配列は、グラフェンの原子配列と似ている。このため、窒化ボロン(BN)がグラフェンからなる二次元材料層1に接触する場合、二次元材料層1の電子移動度の低下が抑制される。よって、窒化ボロン(BN)は、二次元材料層1の下に配置される下地膜としての絶縁膜に好適である。
第1絶縁膜3aおよび第2絶縁膜3bの厚さは、二次元材料層1、第1電極2aおよび第2電極2bが半導体層4に対して電気的に絶縁され、かつトンネル電流が二次元材料層1、第1電極2aおよび第2電極2bと半導体層4との間に生じない限りにおいて、特に制限されない。
なお、第1絶縁膜3aの厚さが薄いほど、第1絶縁膜3aと半導体層4との界面に生じた光キャリアによる二次元材料層1の電界変化の程度が大きくなる。また、第2絶縁膜3bの厚さが薄いほど、第2絶縁膜3bと半導体層4との界面に生じた光キャリアによる二次元材料層1の電界変化の程度が大きくなる。このため、第1絶縁膜3aおよび第2絶縁膜3bの厚さは可能な限り薄いことが望ましい。なお、本実施の形態において、絶縁膜(第1絶縁膜3aおよび第2絶縁膜3b)と半導体層4との界面に生じた光キャリアによって引き起こされる二次元材料層1の電界変化は、光ゲート効果と呼ばれる。光ゲート効果の詳細な発生プロセスは、後述される。
<半導体層4>
半導体層4の材料は、例えば、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、III-V族半導体またはII-V族半導体などの化合物半導体、テルル化カドミウム水銀(HgCdTe)、アンチモン化イリジウム(InSb)、鉛セレン(PbSe)、鉛硫黄(PbS)、カドミウム硫黄(CdS)、窒化ガリウム(GaN)、シリコンカーバイド(SiC)、リン化ガリウム(GaP)、ヒ化インジウムガリウム(InGaAs)、ヒ化インジウム(InAs)である。半導体層4は、量子井戸または量子ドットを含む基板であってもよい。半導体層4の材料は、TypeII超格子であってもよい。半導体層4の材料は、上記の材料の単体であってもよいし、上記の材料を組み合わせた材料であってもよい。半導体層4の上記の材料は、互いに異なる検出波長を有している。このため、半導体層4の材料が上述した半導体材料の組み合わせであれば、半導体層4を備える電磁波検出器100では多波長の検出が可能となる。
半導体層4は、抵抗率が100Ω・cm以下になるように不純物がドーピングされていることが望ましい。後述されるように半導体層4の内部にpn接合が設けられていてもよい。pn接合が設けられている場合、半導体層4が高濃度にドーピングされることでpn接合界面において発生した光キャリアの読み出し速度が向上するため、電磁波検出器100の応答速度が向上する。
<電磁波検出器100の製造方法>
次に、図1を用いて、実施の形態1に係る電磁波検出器100の製造方法を説明する。
電磁波検出器100の製造方法は、準備工程、第1絶縁膜形成工程、レジスト除去工程、第1電極形成工程、開口部形成工程、二次元材料層形成工程、第2絶縁膜形成工程および制御電極形成工程を含んでいる。準備工程、第1絶縁膜形成工程、レジスト除去工程、第1電極形成工程、開口部形成工程、二次元材料層形成工程、第2絶縁膜形成工程および制御電極形成工程は、順次に実施される。
まず、準備工程が実施される。準備工程では、図1に示されるように、ケイ素(Si)等を含む平坦な半導体基板が半導体層4として準備される。半導体基板の材料は、予め定められた検出波長に感度を有している材料である。
続いて、第2電極形成工程が実施される。第2電極形成工程では、半導体層4の第1面4aにレジストが保護膜として形成される。半導体層4の第2面4bに第2電極2bが成膜される。第2電極2bが成膜される前に、第2電極2bが成膜される半導体層4の第2面4bの領域に図示されない密着層が形成されてもよい。
続いて、レジスト除去工程が実施される。レジスト除去工程では、半導体層4の第1面4aからレジストが除去される。
続いて、第1絶縁膜形成工程が実施される。第1絶縁膜形成工程では半導体層4の第1面4aに第1絶縁膜3aが形成される。例えば、半導体層4の材料がケイ素(Si)である場合、第1絶縁膜3aは熱酸化した酸化ケイ素(SiO)であってもよい。また、第1絶縁膜3aの成膜方法は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法またはスパッタリング法であってもよい。
続いて、第1電極形成工程が実施される。第1電極形成工程では、第1絶縁膜3a上に第1電極2aが形成される。第1電極が形成される前に、第1電極2aが形成される第1絶縁膜3aの領域に密着層が形成されてもよい。
第1電極2aの形成方法として、例えば、以下のプロセスが用いられる。まず、第1絶縁膜3aの上面に写真製版または電子線(EB:Electron Beam)描画などによってレジストマスクが形成される。第1電極2aが形成されるレジストマスクの領域には、開口領域が形成される。その後、レジストマスク上に、第1電極2aとなる金属などの膜を形成する。当該膜の形成には、蒸着法またはスパッタリング法などを用いられる。このとき、当該膜はレジストマスクの開口領域の内部から当該レジストマスクの上部表面にまで延在するように形成される。その後、レジストマスクが当該膜の一部と共に除去される。レジストマスクの開口領域に配置されていた膜の他の一部が第1絶縁膜3aの表面上に残存し、第1電極2aとなる。上述した方法は、一般的にはリフトオフと呼ばれる方法である。
第1電極2aの形成方法として、他の方法が用いられてもよい。例えば、第1絶縁膜3aの表面上に第1電極2aとなる金属膜などの膜が先に成膜される。その後、フォトリソグラフィ法によって当該膜上にレジストマスクが形成される。レジストマスクは、第1電極2aが形成される領域を覆うように形成される一方、第1電極2aが形成される領域以外の領域には形成されない。その後、ウェットエッチングまたはドライエッチングにより、レジストマスクをマスクとして当該膜が部分的に除去される。この結果、レジストマスク下に膜の一部が残存する。この膜の一部が第1電極2aとなる。その後、レジストマスクが除去される。このようにして、第1電極2aが形成されてもよい。
続いて、開口部形成工程が実施される。なお、開口部形成工程は、第1電極形成工程よりも前に実施されてもよい。開口部形成工程では、第1絶縁膜に開口部OPが形成される。具体的には、第1絶縁膜3a上に写真製版または電子線描画などによって図示されないレジストマスクが形成される。第1絶縁膜3aの開口部OPが形成されるレジストマスクの領域に開口領域が形成されている。その後、レジストマスクをエッチングマスクとして第1絶縁膜3aがエッチングされる。エッチングの手法は、上記ウェットエッチングおよび上記ドライエッチングのいずれかから任意に選択され得る。エッチング後に、レジストマスクが除去される。このようにして、第1絶縁膜3aに開口部OPが形成される。
続いて、二次元材料層形成工程が実施される。二次元材料層形成工程では、第1電極2a、第1絶縁膜3aおよび開口部OPの内部において露出する半導体層4が二次元材料層1によって覆われるように二次元材料層1が形成される。二次元材料層1の形成方法は、特に制限されない。二次元材料層1は、例えばエピタキシャル成長によって形成されてもよいし、スクリーン印刷法によって形成されてもよい。また、二次元材料層1は、予めCVD法により成膜された二次元材料膜が転写されて貼り付けられることによって形成されてもよい。二次元材料層1は、機械剥離等により剥離されたフィルム状の二次元材料膜が転写されて貼り付けられることによって形成されてもよい。
二次元材料層1が形成された後、写真製版などによって二次元材料層1の上にレジストマスクが形成される。レジストマスクは、二次元材料層1が形成される領域を覆うとともに、それ以外の領域を露出するように形成される。その後、レジストマスクをエッチングマスクとして二次元材料層1がエッチングされる。エッチングの手法は、例えば酸素プラズマによるドライエッチングである。その後、レジストマスクが除去される。これにより、図1に示される二次元材料層1が形成される。
続いて、第2絶縁膜形成工程が実施される。第2絶縁膜形成工程では、二次元材料層1上に絶縁膜が形成される。第2絶縁膜3bの形成方法は、例えば、電子線蒸着、CVD法、スパッタリング法等である。第2絶縁膜3bの形成方法は、望ましくは、二次元材料層1を損傷しない形成方法である。第2絶縁膜3bの形状は、フォトリソグラフィなどによって加工される。なお、第2絶縁膜3bの形状は、第2絶縁膜形成工程の時点において、図1に示されるように制御電極2cが第2絶縁膜3bと接する制御電極2cの領域の形状と同じであってもよい。また、第2絶縁膜3bの形状は、第2絶縁膜形成工程の時点において、制御電極2cが二次元材料層1に直接接触しない程度に大きい形状に加工されてもよい。また、第2絶縁膜3bの形状は、制御電極形成工程において制御電極2cが形成された後に加工されてもよい。上述された開口部OP形成工程と同様に、フォトリソグラフィまたはEB描画によってレジストマスクが形成された後、ドライエッチング等によって第2絶縁膜3bが加工される。
続いて、制御電極形成工程が実施される。制御電極形成工程では、第2絶縁膜3b上に制御電極2cが形成される。制御電極2cが形成される方法は、第1電極形成工程において第1電極2aが形成される方法と同様である。
以上より、本実施の形態に係る電磁波検出器100が製造される。
なお、上述された製造方法では第1電極2aの上に二次元材料層1が形成されたが、第1絶縁膜3a上に二次元材料層1が形成された後に当該二次元材料層1の一部上に重なるように第1電極2aが形成されてもよい。ただし、第1電極2aの形成時に、二次元材料層1が第1電極2aの形成プロセスによって損傷しないように注意する必要がある。
<電磁波検出器100の動作原理>
次に、図1を用いて、実施の形態1に係る電磁波検出器100の動作原理を説明する。
図1に示されるように、第1電極2aと第2電極2bとの間に図示されない第1電源回路が電気的に接続される。第1電極2aと第2電極2bとの間にバイアス電圧V1が印加される。これにより、電磁波検出器100の内部には、第1電極2a、二次元材料層1、半導体層4、第2電極2bが順に直列に接続された電流回路が形成される。二次元材料層1には、電流Iが流れる。第1電源回路に接続された図示されない電流計によって、二次元材料層1に流れる電流Iが計測される。これにより、電磁波検出器100は、電磁波を検出することができる状態になる。なお、電圧の正負は、半導体層4の導電型(ドーピング型)に応じて選択される。半導体層4の導電型がp型であれば、第1電極2aに正電圧が印加される。半導体層4の導電型がn型であれば、第1電極2aに負電圧が印加される。
半導体層4が感度を有する波長の電磁波(検出波長を有する電磁波)が半導体層4に照射されると、半導体層4の内部において光キャリアが発生する。二次元材料層1および半導体層4は、ダイオードとして機能する。このため、半導体層4の開口部OPに面した領域に生じた光キャリアは、二次元材料層1の第1部分1aに注入される。光キャリアが第1部分1aを通ることで電流Iの大きさが変化する。本実施の形態において、電磁波が照射されることによって電流の大きさに変化を引き起こす電流成分は、光電流と呼ばれる。
また、上述された光ゲート効果は、次のプロセスによって引き起こされる。半導体層4および第1絶縁膜3aがダイオードとして機能するため、半導体層4に対して電圧が印加されることで、半導体層4と第1絶縁膜3aとの界面に空乏層が形成される。検出波長を有する電磁波が半導体層4に照射されることで、空乏層内にも光キャリアが生じる。空乏層において生じた光キャリアは、第1絶縁膜3aを介して二次元材料層1の第部分1に電界効果を与える。これにより、二次元材料層1の抵抗値が変化するため、二次元材料層1に流れる電流Iが変化する。すなわち、電磁波が半導体層4に照射されることで電界効果が生じる。電界効果によって、二次元材料層1の電気特性が変化する。
電流Iの変化は、二次元材料層1に電気的に接続された第1電極2aを介して検出される。さらに具体的には、電流Iの変化は、第1電源に電気的に接続された図示されない第1電源回路に接続された図示されない電流計によって検出される。これにより、電磁波検出器100は、電磁波検出器100に照射した電磁波を検出する。
ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器100は、図示されない電流計によって二次元材料層1での電流の変化を検出する上述された構成に限定されるわけではない。例えば、第1電極2aと第2電極2bとの間に一定電流が流され、第1電極2aと第2電極2bとの間の電圧Vの変化(つまり二次元材料層1での電圧値の変化)が図示されない電圧計によって検出されてもよい。
また、上述された電磁波検出器100が第1の電磁波検出器として配置され、第1の電磁波検出器と同じ構成を有する第2の電磁波検出器がさらに配置されてもよい。第1の電磁波検出器は、電磁波が照射される空間に配置される。第2の電磁波検出器は、電磁波が遮蔽された空間に配置される。第1の電磁波検出器の電流と第2の電磁波検出器の電流との差分が検出されることで検出されてもよい。第1の電磁波検出器の電圧と第2の電磁波検出器電圧との差分が検出されることで検出されてもよい。
<作用効果>
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態1に係る電磁波検出器100によれば、図1に示されるように、電磁波検出器100は、制御電極2cを含んでいる。このため、制御電極2cに電圧(制御電圧V2)を印加することによって二次元材料層1のフェルミレベルを変化させることができる。
より詳細には、二次元材料層1のフェルミレベルは、不安定である。このため、二次元材料層1のフェルミレベルは、電磁波検出器100の作製環境および動作環境によって変化する。動作環境による変化は、例えば、絶縁膜および電極からのドーピングおよび経年変化である。よって、二次元材料層1のフェルミレベルは、二次元材料層1と半導体層4との間にショットキー障壁が形成されないエネルギーに変化し得る。この場合、電磁波検出器100は、適切に動作しない。また、二次元材料層1のフェルミレベルは、電磁波検出器100が製造された時点ではショットキー障壁を形成できるエネルギーだったとしても、ショットキー障壁を形成できないエネルギーに変化し得る。また、半導体層上に二次元材料層が形成されたショットキー型の電磁波検出器では、二次元材料層のフェルミレベルは、二次元材料層が形成された後には、変化しない。このため、二次元材料層1のフェルミレベルがショットキー障壁を形成できるエネルギーでない場合、ショットキー障壁を形成することができない。以上より、電磁波検出器100が製造された後に、二次元材料層1のフェルミレベルを変化させる必要がある。
本実施の形態に係る電磁波検出器100は、制御電極2cを含んでいる。このため、電磁波検出器100が製造された後でも、二次元材料層1のフェルミレベルを変化させることができる。
図1に示されるように、電磁波検出器100は、制御電極2cを含んでいる。このため、二次元材料層1のフェルミレベルを二次元材料層1と半導体層4との間にショットキー障壁が形成されるエネルギーに変化させることができる。よって、二次元材料層1と半導体層4との間にショットキー障壁を形成することができる。
これにより、ショットキー障壁を変化させることができる。よって、カットオフ波長を変化させることができる。カットオフ波長は、電磁波検出器100が応答可能な波長範囲である。したがって、制御電圧V2を二次元材料層1に印加することでカットオフ波長を制御することができる。
図1に示されるように、制御電極2cは、二次元材料層1とで第2絶縁膜3bを挟み込んでいる。このため、二次元材料層1を形成した後に制御電極2cを形成することができる。よって、制御電極2cが形成された後に制御電極2c上に二次元材料層1が形成される場合よりも、二次元材料層1の凹凸を減らすことができる。すなわち、二次元材料層1を平坦にすることができる。したがって、二次元材料層1の性能が向上する。また、二次元材料層1を形成した後に第1電極2a、第2電極2bおよび制御電極2cを同時に形成することができる。このため、電磁波検出器100の製造工程を減らすことができる。
図1に示されるように、電磁波検出器100は、第1電極2aと第2電極2bとの電圧差を変化させるように構成されている。このため、光キャリアがショットキー障壁を越えるようにバイアス電圧V1を二次元材料層1および半導体層4に印加することができる。よって、光キャリアを半導体層4から二次元材料層1に注入することができる。したがって、電磁波検出器100の検出感度を向上させることができる。
図1に示されるように、電磁波検出器100は、制御電極2cに電圧を印加することで二次元材料層1のフェルミレベルを変化させるように構成されている。このため、電磁波検出器100が製造された後でも、二次元材料層1のフェルミレベルを変化させることができる。
図1に示されるように、制御電極2cは、複数の制御電極部2c0を含んでいる。このため、複数の制御電極部2c0の各々にそれぞれ異なる制御電圧を印加することで、二次元材料層1内にポテンシャルの勾配を形成することができる。ポテンシャルの勾配によって、二次元材料層1に内部電界が形成される。よって、電磁波が照射された際の二次元材料層1における光電変換によって生じた光キャリアの取り出し効率を向上させることができる。本実施の形態において、取り出し効率は、光キャリアが半導体層4から二次元材料層1に移動する効率である。これにより、二次元材料層1に流れる光電流を大きくすることができる。よって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
二次元材料層1は、グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト、黒リン、シリセン、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料を含んでいる。このため、本実施の形態の作用効果を確実に得ることができる。
二次元材料層1の材料が単層のグラフェンである場合、二次元材料層1の厚さは原子層1層分であるため、薄い。また、単層のグラフェンにおけるキャリア移動度は従来半導体材料と比較して大きい。このため、二次元材料層1では、従来の半導体材料と比較して、わずかな電位変化に対して大きな電流変化を生じる。例えば、半導体層4における電界変化によって二次元材料層1へ印加される電位変化に起因する電流変化量は、通常の半導体における電流変化量より大きくなる。具体的には、二次元材料層1における電子の移動度および厚さなどから算出すると、二次元材料層1での上記電流変化量は、通常の半導体における電流変化量の数百倍から数千倍程度である。このため、本実施の形態に係る電磁波検出器100では、半導体層4で生じる光キャリアのみを検出する電磁波検出器と比べて、より高感度の電磁波検出が可能となる。
これにより、本実施の形態に係る電磁波検出器100では、光照射によって半導体層4で発生する光電流および光ゲート効果に伴う電流に加えて、二次元材料層1の光電変換効果に起因する光電流も生じる。電磁波検出器100は、電磁波の入射によって半導体層4で生じた電流および光ゲート効果に伴う電流に加えて、二次元材料層1本来の光電変換効果に起因する光電流も検出することができる。
図1に示されるように、二次元材料層1は、開口部OPにおいて半導体層4に電気的に接続されている。このため、二次元材料層1と半導体層4とはダイオードとして機能する。よって、逆バイアスを二次元材料層1および半導体層4に印加することで、光が照射されていない状態における電流Iをゼロにすることができる。すなわち、逆バイアスを印加させることで、電磁波検出器100にOFF動作させることが可能になる。これにより、二次元材料層1に暗電流が流れることを抑制することができるため、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。また、光が照射された状態では、二次元材料層1に注入された光キャリアに由来する電流のみが電磁波検出器100に流れる電流Iとして検出される。なお、二次元材料層1に注入された光キャリアに由来する電流は、上述された光ゲート効果によって電流の大きさが変化した後に検出される。
図1に示されるように、二次元材料層1は、開口部OP上から第1絶縁膜3aまで延在している。このため、二次元材料層1は、第1絶縁膜3aを介して半導体層4に接続されている。よって、二次元材料層1に光ゲート効果が生じるため、二次元材料層1の電圧が変化する。この二次元材料層1の電圧変化は、二次元材料層1にゲート電圧が印加されたものと擬似的に見なされる。これにより、二次元材料層1の導電率を変調させることができる。したがって、半導体層4から二次元材料層1に注入された光電流を増幅させることができる。
光ゲート効果は、光電変換材料の量子効率を直接的に増強するのではなく、電磁波入射による電流変化を大きくする。このため、等価的に電磁波入射による差分電流から算出された量子効率は100%を超え、最適化した場合、等価的な量子効率は1000%から10000%程度にも到達する。よって、本実施の形態に係る電磁波検出器100に電磁波が照射されたときの電流Iの変化量は、光ゲート効果が奏されない従来の電磁波検出器に上記電磁波が入射したときの電流の変化量よりも大きい。したがって、本実施の形態に係る電磁波検出器100は、従来の電磁波検出器と比較して、高感度である。
実施の形態2.
次に、図8を用いて、実施の形態2に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態2は、特に説明しない限り、上記の実施の形態1と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態1と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
本実施の形態において、制御電極2cは、第2電極2bとで半導体層4を挟み込んでいる。第2電極2bは、半導体層4に直接接続されている。第2絶縁膜3bは、制御電極2cを覆っている。二次元材料層1は、半導体層4、第1絶縁膜3aおよび第2絶縁膜3bを覆っている。制御電極2cは、二次元材料層1の下方に配置されている。また、制御電極2cは、紙面奥側または手前側に延びている部分において、図示されない第2電源回路に接続されている。本実施の形態に係る電磁波検出器100は、制御電極2cがグラフェン層の下方に配置されている点で実施の形態1に係る電磁波検出器100とは異なっている。
次に、実施の形態2に係る電磁波検出器100の製造方法を説明する。
本実施の形態に係る電磁波検出器100の製造方法において、上述された第1絶縁膜形成工程、開口部OP形成工程、第2絶縁膜形成工程および制御電極形成工程が順次実施された後に、二次元材料層形成工程が実施される。すなわち、第1絶縁膜3a、第2絶縁膜3bおよび制御電極2cが形成された後に、二次元材料層1が形成される。このため、二次元材料層1が最後に成膜される。
なお、実施の形態2に係る電磁波検出器100の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態2に係る電磁波検出器100によれば、図8に示されるように、二次元材料層1は、半導体層4、第1絶縁膜3aおよび第2絶縁膜3bを覆っている。このため、第1絶縁膜3a、第2絶縁膜3bおよび制御電極2cを形成した後に、二次元材料層1を形成することができる。よって、二次元材料層1が第2絶縁膜3bおよび制御電極2cの形成プロセスによって損傷することを抑制することができる。また、レジスト等の残渣を抑制することができる。したがって、電磁波検出器100の性能を向上させることができる。
実施の形態3.
次に、図9~図12を用いて、実施の形態3に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態3は、特に説明しない限り、上記の実施の形態1と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態1と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図9は、実施の形態3の第1の構成を概略的に示す上面図である。図9は、図2のIX領域に対応する領域の部分拡大図である。また、図10~図12は、図9に対応する領域の上面図である。
図9に示されるように、本実施の形態では、制御電極2cにおいて表面プラズモン共鳴が生じるように電磁波検出器100が構成されている。制御電極2cの材料は、表面プラズモン共鳴を生じる材料である。制御電極2cの材料は、検出波長を有する電磁波によって表面プラズモン共鳴を生じる材料である。電磁波検出器100の検出波長が可視光の波長から赤外線の波長までの領域である場合、制御電極2cの材料は、例えば、アルミニウム(Al)、金(Au)などである。また、制御電極2cの面のうち電磁波が制御電極2cに入射する面に、プラズモン共鳴が生じるコーティング材によってコーティングが行われてもよい。プラズモン共鳴が生じるコーティング材は、例えば、窒化チタン(TiN)、透明導電膜(ITO膜:Indium Tin Oxide膜)、グラフェン等である。コーティング材は、金属材料以外の材料であってもよい。また、例えば電極自体がグラフェンであってもよい。グラフェンは単層あるいは多層であり、多層の場合はグラファイトでもよい。
図9に示されるように、制御電極2cは、複数の制御電極部2c0を含んでいる。複数の制御電極部2c0のうち隣り合う制御電極部2c0同士は、複数の制御電極部2c0の各々に表面プラズモン共鳴が生じる間隔を空けて配置されている。複数の制御電極部2c0は、周期的に配置されている。本実施の形態において、複数の制御電極部2c0が周期的に配置されているとは、複数の制御電極部2c0のうち隣り合う制御電極部2c0同士の間隔が一定であるということである。
制御電極部2c0において表面プラズモン共鳴が生じる波長は、制御電極部2c0の幅w、隣り合う制御電極部2c0同士の間隔gおよび周期pによって、決定される。なお、幅wは、制御電極部2c0のX軸方向に沿った寸法である。また、間隔gは、隣り合う制御電極部2c0同士のX軸方向に沿った間隔である。また、周期pは、間隔gと幅wの和である。本実施の形態においてはX軸方向に沿った幅、間隔および周期について説明されるが、電磁波検出器100は、Y軸方向に沿った幅、間隔および周期についても同様の構成を有していてもよい。
例えば、赤外線波長域において、制御電極部2c0の入射側の材料が金(Au)の場合、幅wが2μm、間隔gが1μmであれば、プラズモン共鳴波長は、10μmである。幅w、間隔gおよび周期pが適宜に調整されることによって、上述の赤外線波長域以外の波長においてもプラズモン共鳴が生じる。図9および図10では3つの制御電極部2c0が配置されており、図11および図12では9つの制御電極部2c0が配置されているが、制御電極部2c0の数は制限されない。また、図9および図10では複数の制御電極部2c0が一次元的に周期的に配置されているが、図11および図12に示されるように二次元的に周期的に配置されてもよい。複数の制御電極部2c0が一次元的に配置される場合であっても二次元的に配置される場合であっても、制御電極部2c0の幅w、間隔gおよび周期pが適宜に調整されることで制御電極部2c0にプラズモン共鳴が生じる。これらのパラメータが異なれば、プラズモン共鳴波長も異なることになる。ただし、図9~図12の構造では幅wが最も支配的なパラメータとなるが、どのパラメータが支配的になるかは構造に依存する。
制御電極部2c0の形状および配置は、プラズモン共鳴が制御電極部2c0に生じるのであれば、適宜に決められてもよい。制御電極部2c0の形状が長方形、正方形および三角形などの多角形または円形のいずれであっても、制御電極部2c0にプラズモン共鳴が生じ得る。また、制御電極部2c0の形状はフラクタル形状であってもよい。複数の制御電極部2c0は、同心円状に配置されてもよい。
半導体層4の厚さが薄い場合には、第2電極2b、制御電極2c、第2絶縁膜3bおよび半導体層4によって、金属、誘電体および金属が順次積層されたメタマテリアル構造が形成される。メタマテリアル構造が形成される場合、プラズモン共鳴波長を決定する支配的なパラメータは、制御電極部2c0の幅wである。
図9および図10に示されるように、複数の制御電極部2c0の各々は、軸方向に沿って延在していてもよい。複数の制御電極部2c0の各々は、軸方向に沿って並べて配置されていてもよい。
図10に示されるように、複数の制御電極部2c0は、第3制御電極部2c3、第4制御電極部2c4および第5制御電極部2c5を含んでいてもよい。第3制御電極部2c3、第4制御電極部2c4および第5制御電極部2c5は、それぞれ互いに異なる幅w3、w4およびw5を有している。第3制御電極部2c3と第4制御電極部2c4との間隔gは、第4制御電極部2c4と第5制御電極部2c5との間隔gと同じである。また間隔gが異なっていてもよい。
図11に示されるように、隣り合う制御電極部2c0同士は、X軸方向およびY軸方向の各々において同じ間隔gを空けて配置されてもよい。
図12に示されるように、複数の制御電極部2c0は、複数の第6制御電極部2c6、複数の第7制御電極部2c7および複数の第8制御電極部2c8を含んでいてもよい。複数の第6制御電極部2c6の各々は、幅w6を有している。複数の第7制御電極部2c7の各々は、幅w7を有している。複数の第8制御電極部2c8の各々は、幅w8を有している。幅w6、幅w7および幅w8は、それぞれ異なっている。隣り合う第6制御電極部2c6と第7制御電極部2c7との間隔g1は、隣り合う第7制御電極部2c7と第8制御電極部2c8との間隔g2よりも小さい。また、隣り合う第6制御電極部2c6同士の間隔は、互いに同じである。隣り合う第7制御電極部2c7同士の間隔は、互いに同じである。隣り合う第8制御電極部2c8同士の間隔は、互いに同じである。
図10および12において、幅w、周期pおよび間隔gのうち、少なくとも一つ異なるものが含まれている場合は、構造が異なる領域におけるプラズモン共鳴波長が異なることになり、プラズモン共鳴波長は多波長化する。異なるプラズモン共鳴波長が近接した場合、共鳴波長は広帯域化する。
なお、実施の形態3に係る電磁波検出器100の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態3に係る電磁波検出器100によれば、制御電極2cの材料は、表面プラズモン共鳴を生じる材料である。このため、制御電極2cにおいて表面プラズモン共鳴を生じさせることができる。よって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。なお、表面プラズモン共鳴によって電磁波検出器100の感度が向上するメカニズムは、後述される。
図9に示されるように、複数の制御電極部2c0のうち隣り合う制御電極2c同士は、複数の制御電極部2c0の各々に表面プラズモン共鳴が生じる間隔を空けて配置されている。このため、複数の制御電極部2c0の各々において表面プラズモン共鳴を生じさせることができる。よって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
続いて、表面プラズモン共鳴によって電磁波検出器100の感度が向上するメカニズムを説明する。制御電極2cにおいてプラズモン共鳴が生じる場合、制御電極2cと制御電極2cの周辺において電磁界が増強される。この電磁界の増強は、局在表面プラズモン共鳴とも呼ばれる。電磁界は、制御電極2cが接続された二次元材料層1においても、同時に増強される。このため、二次元材料層1の光キャリアの吸収率が増加する。二次元材料層1の光キャリアの吸収率は、幅w、間隔gおよび周期pが適切に設計されることによって、100%近くまで向上される。また、電磁界は、半導体層4においても、同時に増強される。これにより、半導体層4の光電変換効率が増強されるため、半導体層4において生じる光キャリアが増加する。
以上より、二次元材料層1により多くの光キャリアが吸収されるため、二次元材料層1に流れる電流が大きくなる。また、半導体層4においてより多くの光キャリアが生じるため、二次元材料層1に流れる電流が大きくなる。二次元材料層1に流れる電流は、最終的には光検出信号として取り出されるため、光検出信号が大きくなる。さらに、二次元材料層1での光ゲート効果の大きさが二次元材料層1に流れる電流の大きさに比例するため、光ゲート効果の大きさが強くなる。よって、最終的な光検出信号がさらに増強される。したがって、電磁波検出器100の検出性能を向上させることができる。
また、プラズモン共鳴による電磁界の増強は、プラズモン共鳴波長を有する電磁波のみによって生じる。このため、電磁界は、プラズモン共鳴波長を有する電磁波によって選択的に増強される。よって、電磁波検出器100の感度は、プラズモン共鳴波長において選択的に増強される。したがって、検出波長をプラズモン共鳴波長に設定することで、電磁波検出器100は検出波長を有する電磁波を選択的に検出することができる。あるいは、プラズモン共鳴波長を多波長化した場合、多波長において検出感度が増強する。
図9に示されるように、複数の制御電極部2c0は、第1制御電極部2c1を含んでいる。第1制御電極部2c1は、第2絶縁膜3b(図1参照)を介して二次元材料層1の第2部分(図1参照)に接続されている。また、電極においてプラズモン共鳴が生じる場合、電磁界は、電極の下側の端部に強く局在する。このため、第1制御電極部2c1において生じるプラズモン共鳴は、後述される第2制御電極部2c2(図13)において生じるプラズモン共鳴よりも、電磁界を大きくする。よって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
図9に示されるように、複数の制御電極部2c0の各々は、Y軸方向に沿って延在している。複数の制御電極部2c0の各々は、X軸方向に沿って並べられて配置されている。このため、電磁波検出器100に入射する電磁波の電界がX軸方向に平行である場合のみ、電磁波が吸収されることによってプラズモン共鳴が生じる。また、電磁波の電界がY軸方向に平行である場合には、電磁波は吸収されない。すなわち、電磁波検出器100は、偏光選択性を有している。これにより、電磁波検出器100は、偏光を選択的に検出することができる。なお、複数の制御電極部2c0の各々の形状が図11に示されるように正方形である場合および円形である場合には、電磁波検出器100は、偏光選択性を有さない。
図10および図12に示されるように、複数の制御電極部2c0は、互いに異なる幅、間隔および周期を有している。このため、プラズモン共鳴波長は多波長化する。図9および図11に示されるように複数の制御電極部2c0同士が互いに同じ幅、間隔および周期を有している場合よりも、多波長において共鳴が生じる。それぞれの共鳴波長が近ければ等価的に共鳴波長は広帯域化する。よって、電磁波検出器100の検出波長を広くすることができる。すなわち、電磁波検出器100の検出波長を広帯域化することができる。
実施の形態4.
次に、図13を用いて、実施の形態4に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態4は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図13に示されるように、本実施の形態において、複数の制御電極部2c0は、第1制御電極部2c1および第2制御電極部2c2を含んでいる。第2制御電極部2c2は、第2絶縁膜3bを介して第2部分1bに接続されている。第2制御電極部2c2は、第1絶縁膜3aの上方に配置されている。このため、第2制御電極部2c2は、開口部OPの外に配置されている。第2制御電極部2c2は、開口部OP内に配置されていない。第2制御電極部2c2と半導体層4との間には、第2絶縁膜3b、二次元材料層1および第1絶縁膜3aが順次積層されている。第1制御電極部2c1と半導体層4との最短距離は、第2制御電極部2c2と半導体層4との最短距離よりも短い。
なお、実施の形態4に係る電磁波検出器100の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態4に係る電磁波検出器100によれば、図13に示されるように、第2制御電極部2c2は、第2絶縁膜3bを介して第2部分1bに接続されている。このため、複数の制御電極部2c0のうち少なくとも一つの制御電極部2c0は、開口部OP内に配置されていない。よって、複数の制御電極部2c0のうち全ての制御電極部2c0が開口部OP内に配置されている場合よりも、半導体層4の面内方向に沿った電磁波検出器100の寸法を小さくすることができる。
実施の形態5.
次に、図14を用いて、実施の形態5に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態5は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図14に示されるように、第1電極2aは、第1辺部2aaと、第2辺部2abとを含んでいる。第2辺部2abは、第1辺部2aaとで開口部OPを挟み込んでいる。第1電極2aには、貫通孔THが設けられている。貫通孔THは、開口部OPに連通している。貫通孔THは、第1電極2aの中央に設けられていてもよい。すなわち、第1電極2aの形状は、貫通孔THを中心とするリング状である。なお、図14では第1電極2aの形状はリング状であるが、第1電極2aはU字状であってもよい。
二次元材料層1は、第1端部11と、第2端部12とを含んでいる。第2端部12は、第1端部11に対向している。第1端部11は、第1辺部2aaに直接接続されている。第2端部12は、第2辺部2abに直接接続されている。二次元材料層1は、貫通孔THをまたがって第1辺部2aaから第2辺部2abに延びている。図14では二次元材料層1が第1電極2aに部分的に直接接続されているが、二次元材料層1は第1電極2aの全面に直接接続されていてもよい。
なお、実施の形態5に係る電磁波検出器100の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
本実施の形態に係る電磁波検出器100によれば、第1端部11は、第1辺部2aaに直接接続されている。第2端部12は、第2辺部2abに直接接続されている。このため、二次元材料層1の端部のいずれか一方が第1電極2aに直接接続されていない場合よりも、二次元材料層1から第1電極2aに伝わる電流が大きくなる。よって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。また、二次元材料層1が第1電極2aの全面に直接接続されている場合、電磁波検出器100の感度をさらに向上させることができる。
実施の形態6.
次に、図15を用いて、実施の形態6に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態6は、特に説明しない限り、上記の実施の形態5と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態5と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図15に示されるように、本実施の形態に係る二次元材料層1は、第1端部11と、第2端部12とを含んでいる。第1端部11は、第1電極2aに直接接続されている。第1端部11は、開口部OPの外に配置されている。第2端部12は、第1電極2aから離れて配置されている。第2端部12は、第1電極2aに直接接続されていない。第2端部12は、開口部OP内に配置されている。
なお、実施の形態5に係る電磁波検出器100の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態5に係る電磁波検出器100によれば、図15に示されるように、第1端部11は、第1電極2aに直接接続されている。第2端部12は、第1電極2aから離れて配置されている。このため、二次元材料層1と半導体層4との接触は、二次元材料層1の両端が第1電極2aに接続されている場合よりも良好になる。
仮に二次元材料層1の両端が第1電極2aに接続されている場合、二次元材料層1にたわみが生じることで二次元材料層1の中央部しか半導体層4に接触しない可能性がある。二次元材料層1の中央部しか半導体層4に接触しない場合、良好な特性を得られない可能性がある。
本実施の形態によれば、第2端部12は、第1電極2aから離れて配置されている。このため、二次元材料層1と半導体層4との接触が良好になる。
二次元材料層1と半導体層4との接触が良好である場合、電磁波検出器100によって生じた光キャリアの移動が妨げられない。これにより、電磁波検出器100の検出信号が大きくなる。また、ノイズが小さくなる。よって、電磁波検出器100の性能を向上させることができる。
また、光ゲート効果が支配的な場合、電磁波検出器100の感度は、二次元材料層1と半導体層4との接触面積に大きく依存しない。このため、二次元材料層1と半導体層4との接触状態が向上した場合、光キャリアのパスが大きくなる。よって、電磁波検出器100の画素面積(半導体層4の面積)を低減することができる。したがって、電磁波検出器100を小型化することができる。
実施の形態7.
次に、図16を用いて、実施の形態7に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態7は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図16に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器100は、バッファ層5をさらに含んでいる。バッファ層5は、二次元材料層1と半導体層4とに挟み込まれている。バッファ層5は、半導体層4と第1部分1aとを電気的に接続している。このため、本実施の形態において、第1部分1aは、バッファ層5を介して半導体層4に接続されている。バッファ層5の厚さは、第1絶縁膜3aよりも薄い。複数の制御電極部2c0は、第9制御電極部2c9を含んでいる。第9制御電極部2c9は、第2絶縁膜3bおよび二次元材料層1を介してバッファ層5に接続されている。
バッファ層5は、二次元材料層1と半導体層4との間にトンネル電流を形成することが可能な厚さを有している。バッファ層5は、例えば、1nm以上10nm以下の厚さを有する絶縁膜である。バッファ層5は、第1絶縁膜3aよりも薄い。絶縁膜の種類は、例えば、アルミナ(酸化アルミニウム)または酸化ハフニウム(HfO2)などの金属酸化物、酸化ケイ素などの半導体酸化物、窒化ケイ素(Si34)などの半導体窒化物である。
バッファ層5の作製方法は、適宜に決められてもよいが、例えばALD(Atomic Layer Deposition)法、真空蒸着法、およびスパッタ法などから選択され得る。また、バッファ層5は、半導体層4の表面を酸化または窒化させることにより形成されてもよい。また、バッファ層5は、半導体層4の表面に形成される自然酸化膜であってもよい。
実施の形態7の変形例に係るバッファ層5の厚さは、二次元材料層1と半導体層4との間にトンネル電流を形成することが可能な厚さよりも厚く、第1絶縁膜3aよりも薄い。よって、半導体層4において発生した光キャリアは、バッファ層5を通って二次元材料層1に注入されない。また、光ゲート効果は、生じる。バッファ層5の厚さは、第1絶縁膜3aよりも薄いため、第1絶縁膜3aに接触する領域の二次元材料層1とバッファ層5に接触する二次元材料層1との間にキャリア密度の勾配が生じる。
なお、実施の形態7およびその変形例に係る電磁波検出器100の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態7に係る電磁波検出器100によれば、図16に示されるように、電磁波検出器100は、バッファ層5をさらに含んでいる。このため、第1絶縁膜3aに接触する領域の二次元材料層1(第2部分1b)とバッファ層5に接触する領域の二次元材料層1(第1部分1a)との間にキャリア密度の勾配が生じる。これにより、二次元材料層1の移動度が高くなるため、二次元材料層1から取り出される光電流が大きくなる。よって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
図16に示されるように、バッファ層5は、半導体4と二次元材料層1との間にトンネル電流を形成することが可能な厚さを有している。このため、半導体層4において発生した光キャリアは、バッファ層5を通って二次元材料層1に注入される。これにより、グラフェンに大きな光電流が注入されるため、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
図16に示されるように、複数の制御電極部2c0は、第9制御電極部2c9を含んでいる。第9制御電極部2c9は、第2絶縁膜3bおよび二次元材料層1を介してバッファ層5に接続されている。このため、第9制御電極部2c9によって二次元材料層1のフェルミレベルに加えて、トンネル電流の大きさを制御することができる。また、バイアス電圧V1を印加することによって、トンネル電流の大きさを増強することができる。これにより、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
実施の形態8.
次に、図17を用いて、実施の形態8に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態8は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図17に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器100は、接続導電体6をさらに含んでいる。二次元材料層1は、接続導電体6を介して半導体層4に電気的に接続されている。接続導電体6は、開口部OPの内部に配置されている。接続導電体6は、第1絶縁膜3aに接している。
接続導電体6の上面には、二次元材料層1が重ねられている。接続導電体6の下面は、半導体層4の第1面4aに電気的に接続されている。二次元材料層1は、接続導電体6の上面に電気的に接続されている。接続導電体6の上面の位置は、第1絶縁膜3aの上面の位置と同じである。二次元材料層1は、第1絶縁膜3aの上面から接続導電体6の上面上にまで、屈曲することなく平面状に延びている。
接続導電体6は、半導体層4にオーミック接合によって接合されていることが望ましい。また、接続導電体6は、検出波長において高い透過率を有していることが望ましい。
接続導電体6の材料は、第1電極2a、第2電極2bおよび制御電極2cと同様である。例えば、半導体層4の材料がインジウムアンチモン(InSb)である場合、二次元材料層1とのフェルミレベルの差を考慮すると、接続導電体6の材料がニッケル(Ni)であることが望ましい。
接続導電体6と二次元材料層1とのコンタクト抵抗は、二次元材料層1と半導体層4とのコンタクト抵抗よりも小さい。接続導電体6と半導体層4とのコンタクト抵抗は、二次元材料層1と半導体層4とのコンタクト抵抗よりも小さい。接続導電体6と二次元材料層1とのコンタクト抵抗および接続導電体6と半導体層4とのコンタクト抵抗の和は、二次元材料層1と半導体層4とのコンタクト抵抗よりも小さい。
なお、実施の形態8に係る電磁波検出器100の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態8に係る電磁波検出器100によれば、図17に示されるように、二次元材料層1は、接続導電体6を介して半導体層4に電気的に接続されている。接続導電体6と二次元材料層1とのコンタクト抵抗および接続導電体6と半導体層4とのコンタクト抵抗の和は、二次元材料層1と半導体層4とのコンタクト抵抗よりも小さい。このため、二次元材料層1と半導体層4とが直接接合される場合よりも、コンタクト抵抗を低減することができる。また、二次元材料層1と半導体層4とがショットキー接合によって接合されるため、光電流の減衰を抑制することができる。
図17に示されるように、接続導電体6の上面の位置は、第1絶縁膜3aの上面の位置と同じである。このため、二次元材料層1が折れ曲がることなく水平に形成されるため、二次元材料層1でのキャリアの移動度が向上する。光ゲート効果は移動度に比例するため、電磁波検出器100の検出感度を向上させることができる。
実施の形態9.
次に、図18~図24を用いて、実施の形態9に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態9は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図18に示されるように、本実施の形態に係る半導体層4は、第1半導体部41と、第2半導体部42と含んでいる。第2半導体部42は、第1半導体部41とは異なる導電型を有している。すなわち、第1半導体部41および第2半導体部42は、互いに異なる導電型を有しているフォトダイオードである。第1半導体部41は、第1導電型を有している。第2半導体部42は、第2導電型を有している。第1導電型は、第2導電型とは逆の導電型である。このため、第1半導体部41にドープされたキャリアは、第2半導体部42にドープされたキャリアと別である。
第1半導体部41は、第2半導体部42に接合されている。第1半導体部41は、開口部OPの直下において第2半導体部42に接合されている。このため、半導体層4の内部には、pn接合が形成されている。
第2半導体部42は、第1半導体部41とは異なる吸収波長を有している。第2半導体部42の吸収波長は、第1半導体部41の吸収波長よりも大きくてもよいし小さくてもよい。第2半導体部42の吸収波長は、第1半導体部41の吸収波長と完全に同じでない限り、第1半導体部41の吸収波長と部分的に同じであってもよい。
第1半導体部41および第2半導体部42を含む半導体層4としてトンネルダイオードが用いられてもよい。これにより、電磁波が半導体層4に照射された時にのみ大きな光電流が発生する。よって、二次元材料層1に光電流が注入されるとともに、二次元材料層1に電界変化が生じる。これにより、電磁波検出器100の感度が向上する。
半導体層4は、第3半導体部43をさらに含んでいてもよい。第3半導体部43は、第1導電型および第2導電型のいずれを有していてもよい。第3半導体部43は、第1半導体部41および第2半導体部42の少なくともいずれかに接合されている。第3半導体部43は、望ましくは、第1半導体部41および第2半導体部42の両方に接合されている。第3半導体部43は、半導体層4の面内方向に沿って第1半導体部41および第2半導体部42を取り囲んでいてもよい。
第1電極2aは、開口部OPを挟み込んで配置された一対の第1電極部2a1を含んでいてもよい。一対の第1電極部2a1の各々は、第1絶縁膜3aに接続されている。
図19に示されるように、開口部OPにおいて、第1半導体部41および第2半導体部42は、第1絶縁膜3a等から露出している。このため、電磁波は、第1半導体部41、第2半導体部42および第1半導体部41と第2半導体部42との接合界面に照射される。
次に、図20を用いて、実施の形態9に係る第1の変形例の構成を説明する。
図20に示されるように、第1電極2aは、第1半導体部41および第2半導体部42の各々に接続されている。一対の第1電極部2a1は、第1半導体部41および第2半導体部42にそれぞれ接続されている。このため、第1半導体部41および第2半導体部42の各々は、第1電極2aを介してバイアス電圧V1が印加される。
次に、図21および図22を用いて、実施の形態9に係る第2の変形例の構成を説明する。
図21および図22に示されるように、第2半導体部42は、一対の第2半導体部分420を含んでいる。一対の第2半導体部分420は、第1半導体部41を挟み込んでいる。このため、一対の第2半導体部分420の各々は、第1半導体部41に接合されている。よって、第1半導体部41には、2つの接合部が接合されている。したがって、第1半導体部41には、2つのpn接合が形成されている。これにより、半導体層4は、pnpフォトレジスタおよびnpnフォトレジスタのいずれかとして構成されている。
次に、図23および図24を用いて、実施の形態9に係る第3の変形例の構成を説明する。
図23に示されるように、第1半導体部41は、半導体層4の面内方向に沿って第2半導体部42に接合されている。このため、接合界面は、半導体層4の面内方向に沿って延在している。第2半導体部42は、第1半導体部41に埋め込まれている。二次元材料層1は、第1半導体部41の薄い部分を介して第2半導体部42に接合されている。接合界面は、半導体層4の直下で半導体層4の面内方向に沿って延在している。図24に示されるように、第2半導体部42は、第1絶縁膜3aから露出していない。
なお、実施の形態9に係る電磁波検出器100の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態9に係る電磁波検出器100によれば、図18に示されるように、第1半導体部41は、第2半導体部42に接合されている。このため、半導体層4にはpn接合が形成されている。よって、半導体層4のpn接合から光キャリアを生じさせることができる。pn接合において生じた光キャリアを二次元材料層1から取り出すことができる。また、半導体層4のうち接合界面の直上に配置された領域は、第1半導体部41と第2半導体部42との接合界面での局所電界変化の影響を受ける。これにより、二次元材料層1の導電率が変化するため、光ゲート効果が増強される。したがって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
第2半導体部42は、第1半導体部41とは異なる吸収波長を有している。このため、半導体層4が1つの半導体部からなる場合よりも、半導体層4の吸収波長は広い。よって、電磁波検出器100の検出波長の帯域を広くすることができる。
実施の形態9の第1の変形例に係る電磁波検出器100によれば、図20に示されるように、第1電極2aは、第1半導体部41および第2半導体部42の各々に接続されている。これにより、第1半導体部41および第2半導体部42の各々に電圧を印加しながら二次元材料層1にも電圧を印加することができる。よって、第1半導体部41および第2半導体部42において発生する空乏層を大きくすることができるため、光電流を大きくすることができる。したがって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
実施の形態9の第2の変形例に係る電磁波検出器100によれば、図21に示されるように、一対の第2半導体部分420は、第1半導体部41を挟み込んでいる。このため、第1半導体部41と第2半導体部42との接合界面は、第2半導体部42が単一の部材からなる場合よりも大きい。また、接合界面と二次元材料層1とが接触する面積は、第2半導体部42が単一の部材からなる場合よりも大きい。よって、電磁波が半導体層4に照射されることで生じる局所電界変化が二次元材料層1に与える影響を大きくすることができる。したがって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
図21に示されるように、一対の第2半導体部分420は、第1半導体部41を挟み込んでいる。これにより、半導体層4をnpnフォトレジスタおよびpnpフォトレジスタのいずれかとして機能させることができる。このため、半導体層4に照射される光の強度が小さくなるにつれて、第1半導体部41および第2半導体部42の抵抗が大きくなる。よって、半導体層4に光が照射された時にのみ、第1半導体部41および第2半導体部42に光電流が流れる。したがって、半導体層4に光が照射されたときにのみ、電界変化が生じるため、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
実施の形態9の第3の変形例に係る電磁波検出器100によれば、図23に示されるように、第1半導体部41は、半導体層4の面内方向に沿って第2半導体部42に接合されている。このため、第1半導体部41と第2半導体部42との接合界面は、半導体層4の面内方向に沿って延在している。電磁波が半導体層4の面内方向に交差する方向から半導体層4に照射される。よって、接合界面に照射される電磁波の強度は、接合界面が当該交差する方向に沿って延在している場合よりも大きい。したがって、光電流が大きくなるため、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
実施の形態10.
次に、図25~図27を用いて、実施の形態10に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態10は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図25に示されるように、本実施の形態において、開口部OPは、互いに間を空けて設けられた複数の開口部分OP1を含んでいる。なお、説明の便宜のため、図25では、二次元材料層1および制御電極2cの屈曲を示す破線(図1参照)は図示されていない。二次元材料層1は、複数の開口部分OP1の各々において半導体層4に接続されている。図25および図26に示されるように、2つの開口部分OP1が設けられていてもよい。図27に示されるように、4つの開口部分OP1が設けられていてもよい。なお、図26および図27では、二次元材料層1の外形および制御電極2cの外形が破線によって示されている。
なお、実施の形態10に係る電磁波検出器100の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態10に係る電磁波検出器100によれば、図25に示されるように、二次元材料層1は、複数の開口部分OP1の各々において半導体層4に接続されている。このため、開口部OPが単一である場合よりも多くの位置において二次元材料層1が半導体層4に接触する。よって、製造工程において、二次元材料層1と半導体層4との接触のばらつきを低減することができる。したがって、電磁波検出器100を高性能化することができる。
実施の形態11.
次に、図28を用いて、実施の形態11に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態11は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図28に示されるように、本実施の形態において、第1絶縁膜3aは、テーパ部3a1を含んでいる。テーパ部3a1は、第1電極2aから開口部OPに近付くにつれて厚さが変化するように構成されている。すなわち、第1絶縁膜3aには、勾配が設けられている。テーパ部3a1は、第1電極2aから開口部OPに近付くにつれて厚さが薄くなるように構成されている。テーパ部3a1には、二次元材料層1の第2部分1bが直接接続されている。
テーパ部3a1は、半導体層4が傾けられた状態で第1絶縁膜3aが成膜されることによって形成されてもよい。テーパ部3a1は、半導体層4が傾けられた状態で第1絶縁膜3aがドライエッチングされることで形成されてもよい。テーパ部3a1が第1電極2aから開口部OPに近付くにつれて厚さが変形するように構成される限り、テーパ部3a1は適宜に形成される。
なお、実施の形態11に係る電磁波検出器100の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態11に係る電磁波検出器100によれば、図28に示されるように、テーパ部3a1は、第1電極2aから開口部OPに近付くにつれて厚さが変化するように構成されている。このため、半導体層4に電磁波が照射された際に、二次元材料層1中における電界変化の程度に局所的な変化が生じる。つまり、半導体層4に電磁波が照射され、二次元材料層1に電界変化が与えられる際に、第1絶縁膜3aの厚さの変化に応じて当該電界変化の程度が局所的に変わる。これにより、二次元材料層1中のキャリアの移動度が向上し、電磁波検出器100の検出感度が向上する。
実施の形態12.
次に、図29を用いて、実施の形態12に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態12は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
本実施の形態において、第1絶縁膜3aと二次元材料層1との間に空隙GAPが設けられている。つまり、二次元材料層1のチャネル領域に対応する領域は、実施の形態1に係る電磁波検出器100とは異なり、第1絶縁膜3aに接触していない。空隙GAPの大きさは、二次元材料層1と半導体層4との間に光ゲート効果が生じる大きさである。
電磁波検出器100は、接続部7をさらに含んでいてもよい。接続部7は、開口部OPに配置されている。二次元材料層1は、接続部7を介して半導体層4に電気的に接続されている。接続部7の材料は、半導体層4、第1電極2a、第2電極2bまたは制御電極2cの材料と同じでもよい。接続部7の上部表面の高さは、第1電極2aの上部表面と同一の高さであることが望ましい。
二次元材料層1は、第1電極2a上から接続部7上にまで延在している。なお、絶縁膜と二次元材料層1との間に空隙GAPが設けられていれば、他の構成を採用してもよい。
本実施の形態に係る第2電極2bおよび第2絶縁膜3bは、図8に示される実施の形態2の第2電極2bおよび第2絶縁膜3bと同様の構成を有している。このため、第2電極2bは、半導体層4に直接接続されている。第2絶縁膜3bは、制御電極2cを覆っている。また、二次元材料層1は、半導体層4、第1絶縁膜3aおよび第2絶縁膜3bを覆っている。
なお、実施の形態12に係る電磁波検出器100の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態12に係る電磁波検出器100によれば、図29に示されるように、第1絶縁膜3aと二次元材料層1との間に空隙GAPが設けられている。このため、第1絶縁膜3aと二次元材料層1との接触に伴うキャリアの散乱の影響を無くすことができる。この結果、二次元材料層1におけるキャリアの移動度の低下を抑制することができる。したがって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。なお、光ゲート効果は、二次元材料層1の下方に空隙GAPが設けられていても作用することが可能である。
実施の形態13.
次に、図30および図31を用いて、実施の形態13に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態13は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図30に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器100は、接触層8をさらに含んでいる。接触層8は、二次元材料層1および第1電極2aの少なくともいずれかに接触するように配置されている。接触層8は、二次元材料層1および第1電極2aのいずれかに接触することで二次元材料層1に正孔または電子(光キャリア)を供給するように構成されている。すなわち、接触層8は、二次元材料層1に正孔または電子をドーピングするように構成されている。
図30では接触層8は第1電極2aに接触しているが、図31に示されるように接触層8は第1電極2aに接触していなくてもよい。また、接触層8は、二次元材料層1および第1電極2aのいずれか一方に接触し、かつ他方に接触しないように配置されていてもよい。
図示されないが、複数の接触層8が二次元材料層1上に積層されていてもよい。複数の接触層8が第1電極2aと半導体層4との間の二次元材料層1に形成されていてもよい。複数の接触層8のそれぞれの材料は、同じであってもよいし、違ってもよい。
接触層8の材料は、例えば、ポジ型フォトレジストである。ポジ型フォトレジストは、キノンジアジト基を有する感光剤とノボラック樹脂とを含有する組成物である。また、接触層8の材料は、例えば、極性基を有する材料であってもよい。接触層8の材料は、より具体的には、極性基を有する材料の一例である電子求引基を有する材料であってもよい。電子求引基を有する材料は、二次元材料層1の電子密度を減少させる効果を持つ。また、接触層8の材料は、例えば、極性基を有する材料の一例である電子供与基を有する材料であってもよい。電子供与基を有する材料は、二次元材料層1の電子密度を増加させる効果を持つ。
また、接触層8の材料は、分子全体で電荷の偏りが生じて極性を生じる限りにおいて、無機物、有機物、金属、半導体、絶縁体、二次元材料またはこれら材料のいずれかの混合物であってもよい。
接触層8の材料が無機物である場合、二次元材料層1の仕事関数よりも接触層8の仕事関数が大きければ、二次元材料層1はp型にドーピングされる。接触層8の材料が無機物である場合、二次元材料層1の仕事関数よりも接触層8の仕事関数が小さければ、二次元材料層1はn型にドーピングされる。接触層8の材料が有機物である場合には、有機物は明確な仕事関数を有していない。このため、接触層8の材料を構成する有機物の分子の極性によって、接触層8の材料の極性基を判断することで、二次元材料層1がn型およびp型のいずれにドーピングされるかを判断することが望ましい。
また、例えば、接触層8としてポジ型フォトレジストが用いられる場合、二次元材料層1においてフォトリソグラフィ工程によりレジストを形成した領域がp型二次元材料層領域となる。これにより、二次元材料層1の表面上に接触するマスク形成処理が不要となる。この結果、二次元材料層1がマスクの形成プロセスによって損傷することを抑制することができる。また、製造方法の簡素化が可能となる。
また、接触層8の材料は、接触層8に電磁波が照射されることで極性変換が生じる材料であってもよい。接触層8において極性変換が生じることで、極性変換の際に生じた電子または正孔が二次元材料層1に供給される。このため、接触層8が接触している二次元材料層1の部分に電子または正孔がドーピングされる。そのため、接触層8が取り除かれた後も、接触層8に接触していた二次元材料層1の部分は、電子または正孔がドープされたままの状態となる。したがって、接触層8の材料として極性変換が生じる材料が用いられた場合、極性変換が生じた後に接触層8が二次元材料層1上から取り除かれてもよい。接触層8が配置されている場合よりも二次元材料層1の開口した部分の面積が増加する。このため、電磁波検出器100の検出感度を向上させることができる。なお、極性変換とは、極性基が化学的に変換する現象であり、例えば、電子求引基が電子供与基に変化する、または電子供与基が電子求引基に変化する、または極性基が非極性基に変化する、または非極性基が極性基に変化する、といった現象を意味する。
検出波長において極性変換が生じる材料が接触層8の材料として選択されることで、検出波長を有する電磁波が照射された時のみ接触層8で極性変換が生じる。これにより、検出波長を有する電磁波が照射された時のみ二次元材料層1へのドーピングが行われる。この結果、二次元材料層1に流入する光電流を増大させることができる。
また、接触層8の材料は、接触層8に電磁波が照射されることによって酸化還元反応が生じる材料であってもよい。これにより、接触層8に酸化還元反応が生じた時に生じる電子または正孔を二次元材料層1にドーピングすることができる。
接触層8の膜厚は、電磁波が二次元材料層1に照射された場合に、光電変換を行うことができるよう十分薄い方が好ましい。一方、接触層8から二次元材料層1にキャリアがドーピングされる程度の厚さを有するように接触層8が形成されることが好ましい。
接触層8の構成は、分子または電子などのキャリアが二次元材料層1に供給されれば適宜に決められてもよい。例えば、二次元材料層1が溶液に浸漬され、分子レベルで二次元材料層1にキャリアが供給されることで、固体の接触層8が二次元材料層1上に形成されることなく、二次元材料層1にキャリアがドーピングされてもよい。
なお、実施の形態13に係る電磁波検出器100の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態13に係る電磁波検出器100によれば、図30に示されるように、接触層8は、二次元材料層1および第1電極2aの少なくともいずれかに接触するように配置されている。接触層8は、二次元材料層1および第1電極2aの少なくともいずれかに接触することで二次元材料層1に正孔または電子を供給するように構成されている。このため、二次元材料層1の導電型をn型またはp型にすることができる。これにより、第1電極2aおよび半導体層4から二次元材料層1に光キャリアがドーピングされる場合であっても、二次元材料層1の導電型を制御することができる。よって、電磁波検出器100の性能を向上させることができる。
接触層8は、二次元材料層1および第1電極2aのいずれか一方に接触し、かつ他方に接触しないように配置されていてもよい。図31では、二次元材料層1に接触し、かつ第1電極2aに接触しないように配置されている。これにより、二次元材料層1に電荷密度の勾配が形成されるため、二次元材料層1の移動度が向上する。よって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
実施の形態14.
次に、図32を用いて、実施の形態14に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態14は、特に説明しない限り、上記の実施の形態3と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図32に示されるように、本実施の形態に係る二次元材料層1は、乱層構造部分1Tを含んでいる。乱層構造部分1Tは、複数のグラフェン層のそれぞれの格子が不整合な状態で複数のグラフェン層が積層された構造である。なお、二次元材料層1は、二次元材料層1の一部として乱層構造部分1Tを含んでいてもよいし、二次元材料層1の全体が乱層構造部分1Tからなっていてもよい。本実施の形態に係る二次元材料層1の材料は、積層グラフェンである。
乱層構造部分1Tの作製方法は、適宜に決められてもよい。例えば、CVD法で作製された単層のグラフェンが複数回転写され、多層グラフェンが積層されることで乱層構造部分1Tが形成されてもよい。また、グラフェン上にエタノールまたはメタンなどが炭素源として配置され、グラフェンがCVD法によって成長することで乱層構造部分1Tが形成されてもよい。
なお、実施の形態14に係る電磁波検出器100の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態14に係る電磁波検出器100によれば、図32に示されるように、二次元材料層1は、乱層構造部分1Tを含んでいる。このため、二次元材料層1におけるキャリアの移動度を向上させることができる。よって、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
より詳細には、乱層構造部分1Tを含まない通常の積層グラフェンは、複数のグラフェンの各々の格子がそれぞれ整合した状態で積層される。この状態は、A-B積層と呼ばれる。一方、乱層構造部分1Tを含む積層グラフェンは、次のように形成される。CVD法によって作成されたグラフェンは、多結晶を有する。このため、グラフェンの上にさらにグラフェンが複数回転写された場合、またはCVD法によって下地のグラフェンを核としてさらにグラフェンが積層された場合には、複数のグラフェンの各々の格子がそれぞれ不整合な状態で積層される。すなわち、グラフェンに乱層構造部分1Tが形成される。乱層構造部分1Tを構成する乱層構造のグラフェンは、層間の相互作用の影響が少なく、単層グラフェンと同等の性質を持つ。さらに、二次元材料層1は、下地となる絶縁膜でのキャリア散乱の影響を受けて移動度が低下する。しかし、乱層構造部分1Tにおいて、絶縁膜に接触するグラフェンはキャリア散乱の影響を受けるが、当該グラフェン上に乱層構造で積層された上層のグラフェンは、下地の絶縁膜のキャリア散乱の影響を受けにくくなる。また、乱層構造のグラフェンでは、層間の相互作用の影響が少ないため、導電率も向上する。以上より、乱層構造のグラフェンではキャリアの移動度が向上する。この結果、電磁波検出器100の感度を向上させることができる。
実施の形態15.
次に、実施の形態15に係る電磁波検出器100の構成を説明する。本実施の形態に係る電磁波検出器100は、第1絶縁膜3a、第2絶縁膜3b、半導体層4および接触層8の材料の他は、図30に示される実施の形態13に係る電磁波検出器100と同様の構造を有している。実施の形態15は、特に説明しない限り、上記の実施の形態13と同一の構成、製造方法および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態13と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
本実施の形態に係る電磁波検出器100は、接触層8を含んでいる。本実施の形態に係る第1絶縁膜3a、第2絶縁膜3b、半導体層4および接触層8の少なくともいずれかの材料は、電磁波が照射されることによって特性が変化することで、二次元材料層1に電位の変化を与える材料である。
電磁波が照射されることによって特性が変化することで二次元材料層1に電位の変化を与える材料は、第1絶縁膜3aおよび第2絶縁膜3bにおいては、例えば、強誘電体材料、希土類酸化物などである。電磁波が照射されることによって特性が変化することで二次元材料層1に電位の変化を与える材料は、半導体層4においては、例えば、上述された半導体材料、pn接合材料、金属および半導体が接合された構造体、金属、絶縁物および半導体接合材料が接合された構造体、ペブロスカイドなどである。電磁波が照射されることによって特性が変化することで二次元材料層1に電位の変化を与える材料は、接触層8においては、例えば、量子ドット、液晶材料、フラーレン、ペブロスカイドなどである。
例えば、強誘電体材料として、電磁波による分極効果(焦電効果)を有する強誘電体材料が用いられる場合、電磁波が強誘電体材料に照射されることで強誘電体材料に分極の変化が生じる。この結果、二次元材料層1に電位の変化が生じる。
なお、電磁波が照射されることによって特性が変化することで二次元材料層1に電位の変化を与える材料が、第1絶縁膜3a、第2絶縁膜3b、半導体層4および接触層8に適用される例が説明されたが、上述された各部材のうち少なくとも1つに適用されればよい。例えば、接触層8に電磁波が照射されることによって特性が変化することで二次元材料層1に電位の変化を与える材料が適用される場合、接触層8は、必ずしも二次元材料層1に直接接触している必要はない。例えば、電位の変化が二次元材料層1に与えられれば、二次元材料層1の上面または下面上に図示されない絶縁膜等を介して接触層8が設けられてもよい。
なお、実施の形態15に係る電磁波検出器100の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態15に係る電磁波検出器100によれば、図30に示されるように、第1絶縁膜3a、第2絶縁膜3b、半導体層4および接触層8の少なくともいずれかの材料は、電磁波が照射されることによって特性が変化することで、二次元材料層1に電位の変化を与える材料である。このため、第1絶縁膜3a、第2絶縁膜3b、接触層8および半導体層4の少なくともいずれかに電磁波を照射することで、二次元材料層1の電位を変化させることができる。
実施の形態16.
次に、図33および図34を用いて、実施の形態16に係る電磁波検出器集合体200の構成を説明する。
図33に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器集合体200は、実施の形態1~14および後述される実施の形態17に係る電磁波検出器100を複数有している。複数の電磁波検出器100は、第1方向DR1および前記第1方向DR1に交差する第2方向DR2の少なくともいずれかに沿って並んで配置されている。本実施の形態において、電磁波検出器集合体200に含まれる複数の電磁波検出器100は、互いに同じ電磁波検出器100である。
複数の電磁波検出器100の各々の半導体層4(図1参照)が互いに分離されていれば、複数の電磁波検出器100において1つの第2電極2b(図1参照)が共通電極として用いられてもよい。これにより、電磁波検出器集合体200の配線を少なくすることができるため、電磁波検出器集合体200の解像度を高めることができる。複数の電磁波検出器100の各々の半導体層4(図1参照)は、例えば、半導体層4(図1参照)の外周にトレンチ構造が設けられることによって互いに分離される。制御電極2cは、第1電極2aと共通化されてもよい。
図33に示される電磁波検出器集合体200では、4つの電磁波検出器100が2×2のマトリックス状に配置されているが、配置される電磁波検出器100の数はこれに限定されない。また、図33に示される電磁波検出器集合体200は、複数の電磁波検出器100が二次元に周期的に配列されているが、複数の電磁波検出器100は1つの方向に沿って周期的に配列されていてもよい。また、複数の電磁波検出器100のうち隣り合う電磁波検出器100同士の間隔は等間隔であってもよいし、異なる間隔であってもよい。
また、図34に示されるように、電磁波検出器集合体200は、電磁波検出器100からの信号を読み出すように構成された読み出し回路93を含んでいてもよい。電磁波検出器100は、読み出し回路93の上に配置されてもよい。読み出し回路93の読み出し形式は、例えば、CTIA(Capacitive Transimpedance Amplifier)型である。読み出し回路93は、他の読み出し形式であってもよい。
また、電磁波検出器集合体200は、電磁波検出器100と読み出し回路93とを電気的に接続するバンプ92を含んでいてもよい。電磁波検出器100と読み出し回路93がバンプ92によって接続される構造は、ハイブリッド接合と呼ばれる。ハイブリッド接合は、量子型赤外線センサにおいては一般的な構造である。バンプ92と電磁波検出器100とは、制御電極2c上に設けられたパッド91によって電気的に接続されている。バンプ92の材料は、例えば、インジウム(Ib)などの導電性材料である。パッド91の材料は、アルミニウムシリコン(Al-Si)系合金、ニッケル(Ni)、金(Au)などの導電性材料である。
次に、図35を用いて、実施の形態16に係る電磁波検出器集合体200の変形例の構成を説明する。
図35に示されるように、電磁波検出器集合体200に含まれる複数の電磁波検出器は、互いに異なる電磁波検出器101~104である。互いに異なる種類の電磁波検出器101~104がアレイ状(マトリックス状)に配置されている。複数の電磁波検出器101~104の各々は、互いに異なる検出波長をそれぞれ有していてもよい。具体的には、複数の電磁波検出器101~104の各々は、互いに異なる検出波長選択性を有していてもよい。また、複数の電磁波検出器101~104の各々は、互いに異なる偏光を有する電磁波を検出するように構成されていてもよい。
複数の電磁波検出器101~104の各々の半導体層4(図1参照)を構成する半導体材料は、それぞれ互いに異なる検出波長を有していてもよい。例えば、検出波長が可視光の波長である半導体材料と、検出波長が赤外線の波長である半導体材料とが用いられてもよい。例えば、当該電磁波検出器集合体200が車載センサに適用された場合、電磁波検出器集合体200は、昼間は可視光画像用カメラとして使用され得る。さらに、電磁波検出器集合体200は、夜間は赤外線カメラとしても使用され得る。このようにすれば、電磁波の検出波長に応じて複数のカメラを使い分ける必要がない。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態16に係る電磁波検出器集合体200によれば、図33に示されるように、電磁波検出器集合体200は、実施の形態1~14に係る電磁波検出器100を複数有している。このため、複数の電磁波検出器100の各々を検出素子とすることによって、電磁波検出器集合体200に画像センサとしての機能を持たせることができる。
実施の形態16に係る電磁波検出器集合体200の変形例によれば、図35に示されるように、複数の電磁波検出器101~104の各々は、互いに異なる検出波長をそれぞれ有している。このため、電磁波検出器集合体200は、少なくとも2つ以上の異なる波長の電磁波を検出することができる。
これにより、電磁波検出器集合体200は、可視光域で用いられるイメージセンサと同様に、例えば、紫外光、赤外光、テラヘルツ波、電波の波長域などの任意の波長域において、電磁波の波長を識別できる。この結果、例えば波長の相違を色の相違として示した、カラー化された画像を得ることができる。
また、電磁波検出器集合体200は、例えば、少ない画素数であっても物体の位置を検出できる位置検出用センサとして用いられ得る。また、例えば、電磁波検出器集合体200は、複数の波長において電磁波の強度を検出できる画像センサとして用いられ得る。これにより、従来、CMOS(Complementary MOS:相補型MOS)センサ等で必要とされていたカラーフィルタを用いることなく、複数の電磁波を検出し、カラー化された画像を得ることができる。
複数の電磁波検出器101~104の各々は、互いに異なる偏光を有する電磁波を検出するように構成されている。これにより、電磁波検出器集合体200に偏光識別イメージセンサとしての機能を持たせることができる。例えば、検知する偏光角度が0°、90°、45°、135°である4つの画素を一単位として、当該一単位の電磁波検出器100を複数配置することで偏光イメージングが可能になる。偏光識別イメージセンサによって、例えば、人工物と自然物の識別、材料の識別、赤外波長域においてそれぞれ同一温度を有する複数の物体の識別、複数の物体間の境界の識別、または、等価的な分解能の向上などが可能になる。
以上のように、電磁波検出器集合体200は、広い波長域の電磁波を検出することができる。また、電磁波検出器集合体200は、異なる波長の電磁波を検出することができる。
実施の形態17.
次に、図36~図38を用いて、実施の形態17に係る電磁波検出器100の構成を説明する。実施の形態17は、特に説明しない限り、上記の実施の形態1と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態1と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。
図36に示されるように、本実施の形態に係る二次元材料層1は、プラズモン共鳴を生じさせるパターンを含んでいる。本実施の形態において、プラズモン共鳴を生じさせるパターンは、周期的なストライプ状のパターンである。
具体的には、二次元材料層は、複数の帯状部15を含んでいる。複数の帯状部15の各々の幅dは、互いに等しい。複数の帯状部15の各々の幅dは、複数の帯状部15の各々の短手方向に沿った寸法である。
二次元材料層1の複数の帯状部15のうち隣り合う帯状部15同士は、隙間を空けて等間隔に配置されている。すなわち、二次元材料層1の複数の帯状部15は、周期的に配置されている。なお、複数の帯状部15の周期pは、複数の帯状部15の各々の幅dと隣り合う帯状部15同士の間隔との和である。
複数の帯状部15の各々の幅d、複数の帯状部15の周期pおよび二次元材料層1のフェルミレベルに応じて、プラズモン共鳴波長が定まる。なお、複数の帯状部15の各々の幅dと複数の帯状部15の周期pとは、相対的な関係を有する。例えば、複数の帯状部15の各々の幅dが40nmであり、複数の帯状部15の周期pが50nmであり、ケミカルポテンシャルが1.0eVである場合、プラズモン共鳴波長は4μmである。
図37に示されるように、二次元材料層1の第1電極2aに接続された部分は、ストライプ状でなくてもよい。
図38に示されるように、複数の帯状部15の各々は、複数の第1帯状部分151と、複数の第2帯状部分152とを有していてもよい。複数の第1帯状部分151の各々と複数の第2帯状部分152の各々とは、複数の帯状部15の長手方向に沿って交互に配置されている。複数の第2帯状部分152の各々の幅は、複数の第1帯状部分151の各々の幅よりも大きい。図38では、複数の第1帯状部分151および複数の第2帯状部分152の各々の上面視における形状は、四角形である。このため、二次元材料層1には、四角パターンが形成されている。二次元材料層1は、複数の帯状部15の長手方向および短手方向に対して非対称な形状を有している。言い換えると、二次元材料層1は、面内の独立な2方向において非対称性を有している。図示されないが、複数の第2帯状部分152の形状は、円、楕円、正方形、長方形等であってもよい。なお、説明の便宜のため、図38には、制御電極2c(図1参照)が図示されていない。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
実施の形態17に係る電磁波検出器100によれば、図36に示されるように、二次元材料層は、プラズモン共鳴を生じさせるパターンを含んでいる。プラズモン共鳴波長は、複数の帯状部15の各々の幅d、複数の帯状部15の周期pおよび二次元材料層1のフェルミレベルに応じて定まる。このため、電磁波検出器100は、電磁波検出器100に照射された光をプラズモン共鳴波長に応じて共鳴吸収によって選択的に吸収することができる。また、電磁波検出器100は、電磁波検出器100に照射された光をプラズモン共鳴波長に応じて共鳴吸収によって増強して吸収することができる。よって、プラズモン共鳴波長を有する光が電磁波検出器100に照射された場合、二次元材料層1上において電界が増強される。これにより、二次元材料層1に接触している半導体層4における光電変換効率が増強される。したがって、共鳴波長において電磁波検出器100の感度を選択的に増強することができる。
複数の帯状部15の幅dおよび周期pを調整することで、プラズモン共鳴波長を固定することができる。さらに、制御電極によって二次元材料層1のケミカルポテンシャルを調整することでプラズモン共鳴波長を電気的に変化させることができる。よって、上記の選択的な検出波長を電気的に制御することができる。
図38に示されるように、複数の帯状部15の各々は、複数の第1帯状部分151と、複数の第2帯状部分152とを有していてもよい。複数の第2帯状部分152の各々の幅は、複数の第1帯状部分151の各々の幅よりも大きい。この場合、二次元材料層1の形状は、複数の帯状部15の長手方向および短手方向に対して非対称な形状を有している。二次元材料層1の非対称性によって、プラズモン共鳴にも非対称性が生じる。したがって、偏光を選択的に検出することができる。偏光を選択的に検出することができる場合、電磁波検出器100を偏光イメージング等に応用することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 二次元材料層、1a 第1部分、1b 第2部分、2a 第1電極、2aa 第1辺部、2ab 第2辺部、2b 第2電極、2c 制御電極、2c0 制御電極部、2c1 第1制御電極部、2c2 第2制御電極部、3a 第1絶縁膜、3a1 テーパ部、3b 第2絶縁膜、4 半導体層、5 バッファ層、6 接続導体、8 接触層、11 第1端部、12 第2端部、41 第1半導体部、42 第2半導体部、100 電磁波検出器、200 電磁波検出器集合体、DR1 第1方向、DR2 第2方向、GAP 空隙、OP 開口部。

Claims (24)

  1. 半導体層と、
    前記半導体層上に配置され、かつ開口部が形成された第1絶縁膜と、
    前記第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。
  2. 前記第2絶縁膜は、前記半導体層とで前記二次元材料層を挟み込んでおり、
    前記制御電極は、前記二次元材料層とで前記第2絶縁膜を挟み込んでいる、請求項1に記載の電磁波検出器。
  3. 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。
  4. 前記第1電極と前記第2電極との電圧差を変化させるように構成されている、請求項1~3のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  5. 前記制御電極によって前記二次元材料層に電圧を印加することで前記二次元材料層のフェルミレベルを変化させるように構成されている、請求項1~4のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  6. 前記制御電極の材料は、表面プラズモン共鳴を生じる材料である、請求項1~5のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  7. 前記制御電極は、複数の制御電極部を含み、
    前記複数の制御電極部のうち隣り合う制御電極部同士は、前記複数の制御電極部の各々に表面プラズモン共鳴が生じる間隔を空けて配置されている、請求項1~6のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  8. 前記二次元材料層は、前記半導体層に直接接続された第1部分を含み、
    前記複数の制御電極部は、第1制御電極部を含み、
    前記第1制御電極部は、前記第2絶縁膜を介して前記第1部分に接続されている、請求項7に記載の電磁波検出器。
  9. 前記二次元材料層は、前記第1絶縁膜上に配置された第2部分を含み、
    前記複数の制御電極部は、第2制御電極部を含み、
    前記第2制御電極部は、前記第2絶縁膜を介して前記第2部分に接続されている、請求項7または8に記載の電磁波検出器。
  10. 前記二次元材料層は、第1端部と、前記第1端部に対向する第2端部とを含み、
    前記第1電極は、第1辺部と、前記第1辺部とで前記開口部を挟み込む第2辺部とを含み、
    前記第1端部は、前記第1辺部に直接接続されており、
    前記第2端部は、前記第2辺部に直接接続されている、請求項1~9のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  11. 前記二次元材料層は、第1端部と、前記第1端部に対向する第2端部とを含み、
    前記第1端部は、前記第1電極に直接接続されており、
    前記第2端部は、前記第1電極から離れて配置されている、請求項1~9のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  12. バッファ層をさらに備え、
    前記バッファ層は、前記半導体層と前記二次元材料層とに挟み込まれている、請求項1~11のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  13. 前記バッファ層は、前記半導体層と前記二次元材料層との間にトンネル電流を形成することが可能な厚みを有している、請求項12に記載の電磁波検出器。
  14. 接続導電体をさらに備え、
    前記二次元材料層は、前記接続導電体を介して前記半導体層に電気的に接続されている、請求項1~13のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  15. 前記半導体層は、第1半導体部と、前記第1半導体部とは異なる導電型を有する第2半導体部とを含み、
    前記第1半導体部は、前記第2半導体部に接合されている、請求項1~14のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  16. 前記第2半導体部は、前記第1半導体部とは異なる吸収波長を有する、請求項15に記載の電磁波検出器。
  17. 前記開口部は、互いに間を空けて設けられた複数の開口部分を含み、
    前記二次元材料層は、前記複数の開口部分の各々において前記半導体層に接続されている、請求項1~16のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  18. 前記第1絶縁膜は、テーパ部を含み、
    前記テーパ部は、前記第1電極から前記開口部に近付くにつれて厚さが変化するように構成されている、請求項1~17のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  19. 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。
  20. 接触層をさらに備え、
    前記接触層は、前記二次元材料層および前記第1電極のいずれかに接触するように配置されている、請求項1~19のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  21. 前記二次元材料層は、グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト、黒リン、シリセン、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料を含む、請求項1~20のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  22. 前記二次元材料層は、乱層構造部分を含む、請求項1~21のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  23. 前記二次元材料層は、プラズモン共鳴を生じさせるパターンを含んでいる、請求項1~21のいずれか1項に記載の電磁波検出器。
  24. 請求項1~23のいずれか1項に記載の電磁波検出器を複数備え、
    前記複数の電磁波検出器が、第1方向および前記第1方向に交差する第2方向の少なくともいずれかに沿って並んで配置されている、電磁波検出器集合体。
JP2022532298A 2020-06-17 2021-03-10 電磁波検出器および電磁波検出器集合体 Active JP7499857B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020104531 2020-06-17
JP2020104531 2020-06-17
PCT/JP2021/009596 WO2021256018A1 (ja) 2020-06-17 2021-03-10 電磁波検出器および電磁波検出器集合体

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JPWO2021256018A1 JPWO2021256018A1 (ja) 2021-12-23
JPWO2021256018A5 JPWO2021256018A5 (ja) 2022-12-28
JP7499857B2 true JP7499857B2 (ja) 2024-06-14

Family

ID=79267813

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022532298A Active JP7499857B2 (ja) 2020-06-17 2021-03-10 電磁波検出器および電磁波検出器集合体

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230282759A1 (ja)
JP (1) JP7499857B2 (ja)
CN (1) CN115803897A (ja)
WO (1) WO2021256018A1 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4167302A4 (en) * 2020-06-15 2023-12-13 Mitsubishi Electric Corporation ELECTROMAGNETIC WAVE DETECTOR AND ELECTROMAGNETIC WAVE DETECTOR ARRAY
WO2024100784A1 (ja) * 2022-11-09 2024-05-16 三菱電機株式会社 電磁波検出器および電磁波検出器集合体

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015045629A (ja) 2013-04-26 2015-03-12 三菱電機株式会社 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ
JP2016025356A (ja) 2014-07-18 2016-02-08 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. グラフェン素子、その製造及び動作方法、並びにグラフェン素子を含む電子装置
US20170256667A1 (en) 2016-03-02 2017-09-07 Gwangju Institute Of Science And Technology Graphene-semiconductor schottky junction photodetector of having tunable gain
WO2019171622A1 (ja) 2018-03-06 2019-09-12 三菱電機株式会社 電磁波検出器及びそれを備えた電磁波検出器アレイ
WO2020003613A1 (ja) 2018-06-26 2020-01-02 三菱電機株式会社 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015045629A (ja) 2013-04-26 2015-03-12 三菱電機株式会社 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ
JP2016025356A (ja) 2014-07-18 2016-02-08 三星電子株式会社Samsung Electronics Co.,Ltd. グラフェン素子、その製造及び動作方法、並びにグラフェン素子を含む電子装置
US20170256667A1 (en) 2016-03-02 2017-09-07 Gwangju Institute Of Science And Technology Graphene-semiconductor schottky junction photodetector of having tunable gain
WO2019171622A1 (ja) 2018-03-06 2019-09-12 三菱電機株式会社 電磁波検出器及びそれを備えた電磁波検出器アレイ
WO2020003613A1 (ja) 2018-06-26 2020-01-02 三菱電機株式会社 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2021256018A1 (ja) 2021-12-23
CN115803897A (zh) 2023-03-14
WO2021256018A1 (ja) 2021-12-23
US20230282759A1 (en) 2023-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10784394B2 (en) Electromagnetic wave detector and electromagnetic wave detector array
JP6884288B1 (ja) 電磁波検出器
WO2017145299A1 (ja) 電磁波検出器
JP6642769B1 (ja) グラフェンを用いた電子デバイスの製造方法
US20230147241A1 (en) Electromagnetic wave detector and electromagnetic wave detector array
JP7499857B2 (ja) 電磁波検出器および電磁波検出器集合体
JP7345593B2 (ja) 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ
JP7403670B2 (ja) 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ
JP2022173791A (ja) 電磁波検出器および電磁波検出器集合体
JP7341373B1 (ja) 電磁波検出器、電磁波検出器アレイ及び画像センサ
JP7431400B2 (ja) 電磁波検出器、電磁波検出器アレイ、および電磁波検出器の製造方法
JP7374222B2 (ja) 電磁波検出器および電磁波検出器集合体
WO2023181593A1 (ja) 電磁波検出器、電磁波検出器アレイ及び画像センサ
WO2024100784A1 (ja) 電磁波検出器および電磁波検出器集合体
JP7399361B2 (ja) 電磁波検出器及び電磁波検出器アレイ
JP7433533B1 (ja) 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ
JP7321403B1 (ja) 電磁波検出器及び電磁波検出器アレイ
JP7422963B1 (ja) 電磁波検出器

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20221004

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20221004

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20231205

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20240201

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20240226

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240507

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240604

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7499857

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150