(57)【要約】  電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器が、基板と、基板の上に設けられた絶縁層と、絶縁層の上に設けられたグラフェン層と、絶縁層の上に設けられ、グラフェン層の両端にそれぞれ接続された一対の電極と、グラフェン層に接触するように設けられた接触層と、を含み、接触層は極性基を持つ材料からなり、接触層がグラフェン層に接触することにより、グラフェン層中に電荷が形成される。
2017145299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
基板と、
該基板の上に設けられた絶縁層と、
該絶縁層の上に設けられたグラフェン層と、
該絶縁層の上に設けられ、該グラフェン層にそれぞれ接続された一対の電極と、
該グラフェン層に接触するように設けられた接触層と、を含み、
該接触層は極性基を持つ材料からなり、該接触層が該グラフェン層に接触することにより、該グラフェン層中に電荷が形成されたことを特徴とする電磁波検出器。
【請求項２】
上記グラフェン層は、上記接触層が接触することにより電荷が形成された接触領域と、電荷が形成されない非接触領域と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
【請求項３】
上記接触層は、上記グラフェン層と上記電極との境界を覆うことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項４】
上記接触層は、化学的に極性変換する材料、または電磁波照射で極性変換する材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項５】
上記接触層は、極性を有するポリマー材料、ヒドロキシル基またはカルボキシル基を有する材料、電磁波照射によって酸化還元反応を生じる材料、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材料、および極性を有する無機物材料、からなるグループから選択される材料であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項６】
上記グラフェン層の上に、複数の上記接触層が設けられたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項７】
上記接触層がｐ型の上記グラフェン層の一部に接触して、該グラフェン層をｎ型領域に変えることにより、該グラフェン層がｎｐｎ構造またはｐｎｐ構造を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項８】
上記接触層が、互いに異なる材料からなる複数の接触層からなることを特徴とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項９】
互いに異なる材料からなる２つの上記接触層が、上記グラフェン層を挟んで対向することを特徴とする請求項８に記載の電磁波検出器。
【請求項１０】
上記接触層が、上記グラフェン層の上に設けられ、更に該接触層と該グラフェン層を覆うように他のグラフェン層が設けられたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１１】
上記接触層は、上記絶縁層と上記グラフェン層との間に設けられたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１２】
上記電極は、周期的な凹部または凸部からなる周期構造を有し、該周期構造に応じて特定波長の電磁波がプラズモン共鳴することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１３】
上記グラフェン膜は、周期的な凹部または凸部からなる周期構造を有し、該周期構造に応じて特定波長の電磁波がプラズモン共鳴することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１４】
電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
基板と、
該基板の上に設けられた絶縁層と、
該絶縁層の上に設けられた、遷移金属ダイカルコゲナイドまたは黒リンからなる２次元材料層と、
該絶縁層の上に設けられ、該２次元材料層にそれぞれ接続された一対の電極と、
該２次元材料層に接触するように設けられた接触層と、を含み、
該接触層は極性基を持つ材料からなり、該接触層が該２次元材料層に接触することにより、該２次元材料層中に電荷が形成されたことを特徴とする電磁波検出器。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の電磁波検出器が、アレイ状に配置されたことを特徴とするアレイセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電磁波検出器に関し、特に、グラフェンを光検出層に用いた電磁波検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電磁波検出器では、検出層として一般に半導体材料が用いられるが、半導体材料は所定のバンドギャップを有するため、バンドギャップよりも大きいエネルギーを有する電磁波しか検出できなかった。
これに対して、バンドギャップがゼロまたは極めて小さいグラフェンを検出層に用いた電磁波検出器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、ＳｉＣ基板上に、グラフェン層と、グラフェン層より大きな仕事関数を有する金属酸化物とを積層してグラフェン層中にｐｎ接合領域を設けることにより、光電流を増加させる構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１３−５０２７３５号公報
【特許文献２】特表２０１３−５３７７００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の発明の場合、検出層がグラフェン単体では、検出できる波長域は広がるが、電磁波の吸収率が数％と非常に低く検出感度が低くなる。【０００５】
また、特許文献２に記載の発明の場合、グラフェン層よりも大きな仕事関数を有する金属酸化物をグラフェン層の上に形成することにより、グラフェン層は正孔のドーピングは可能であるが、電子のドーピングは不可能である。特にＣＶＤ法により作製されたグラフェン層は通常ｐ型にドーピングされているため、現実的にｐｎ接合を形成することができない。【０００６】
また、ＳｉＣ基板の上に形成したグラフェン層を用いた場合、バックゲートから電圧を印加することができないため、グラフェン層の上にトップゲートを形成してゲート電圧を印加する必要があるが、トップゲートを形成すると、入射する電磁波に対するグラフェン層の開口面積が減るため、電磁波検出感度が低下する。【０００７】
また、ＳｉＣ基板の上に形成したグラフェン層は転写することが出来ないため、電極はグラフェン上に形成する必要があり、電極形成プロセス中にグラフェン層はプロセスダメージを受けて移動度が低下する。【０００８】
さらに、金属酸化物をグラフェン層の上に形成するプロセスでは、グラフェン層の上にマスクを形成しなければならず、プロセスダメージを受けてグラフェンの移動度が低下し、デバイス性能も劣化する。【０００９】
そこで、本発明は、極性基を持つ材料からなる接触層をグラフェン層に接触させてグラフェン層中に電荷を形成し、グラフェン層中に電子濃度勾配を設けることにより、光電流を増大させ、高感度で電磁波を検出できる電磁波検出器の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
基板と、
基板の上に設けられた絶縁層と、
絶縁層の上に設けられたグラフェン層と、
絶縁層の上に設けられ、グラフェン層にそれぞれ接続された一対の電極と、
グラフェン層に接触するように設けられた接触層と、を含み、
接触層は極性基を持つ材料からなり、接触層がグラフェン層に接触することにより、グラフェン層中に電荷が形成されたことを特徴とする電磁波検出器である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、グラフェン層上に極性基を有する接触層を設け、グラフェン層に接触層との接触領域と、接触層と接触しない非接触領域を形成することで、接触領域と非接触領域に電子密度勾配が形成される。このため、電磁波が入射した場合に、電子密度勾配が形成された領域において光電変換が起こり、光電流が増大し、検出感度が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の上面図である。
【図２】図１の電磁波検出器をＡ−Ａ方向に見た場合の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。
【図６】本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。
【図８】本発明の実施の形態１にかかる他の電磁波検出器の断面図である。
【図９】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の電気特性である。
【図１０】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の光応答特性である。
【図１１】本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器の断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態３にかかる他の電磁波検出器の断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３にかかる他の電磁波検出器の断面図である。
【図１４】本発明の実施の形態４にかかる電磁波検出器の上面図である。
【図１５】図１４の電磁波検出器をＢ−Ｂ方向に見た場合の断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態４にかかる他の電磁波検出器の上面図である。
【図１７】図１６の電磁波検出器をＣ−Ｃ方向に見た場合の断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態５にかかる電磁波検出器の断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態５にかかる他の電磁波検出器の断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態６にかかる電磁波検出器の断面図である。
【図２１】本発明の実施の形態６にかかる他の電磁波検出器の断面図である。
【図２２】本発明の実施の形態７にかかる電磁波検出器の断面図である。
【図２３】本発明の実施の形態８にかかる電磁波検出器の断面図である。
【図２４】本発明の実施の形態８にかかる他の電磁波検出器の断面図である。
【図２５】本発明の実施の形態９にかかる電磁波検出器の断面図である。
【図２６】本発明の実施の形態９にかかる電磁波検出器の電極の上面図である。
【図２７】本発明の実施の形態９にかかる電磁波検出器の他の電極の上面図である。
【図２８】本発明の実施の形態１０にかかる電磁波検出器のグラフェン層の上面図である。
【図２９】本発明の実施の形態１０にかかる電磁波検出器の他のグラフェン層の上面図である。
【図３０】本発明の実施の形態１２にかかるアレイセンサの上面図である。
【図３１】本発明の実施の形態１２にかかる他のアレイセンサの上面図である。
【図３２】本発明の実施の形態１３にかかるカメラシステムのダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施の形態では、電磁波検出器について、可視光または赤外光を用いて説明するが、本発明はこれらに加えて、例えば紫外光、近赤外光、テラヘルツ（ＴＨｚ）波、マイクロ波などの電波領域の検出器としても有効である。なお、本発明の実施に形態において、これらの光や電波を総称して電磁波とも記載する。
【００１４】
本発明の実施の形態では、電磁波検出器としてソースとドレインの２つの電極とバックゲート電極を有する構造を用いて説明するが、本発明は、４端子電極構造や、トップゲート構造などの他の電極構造を備えた電磁波検出器にも適用できる。
【００１５】
接触層の材料については、ｎ型、ｐ型等の用語を用いて説明するが、これらは例えばｎ型であれば電子供与基を有する材料、ｐ型であれば電子求引基を有する材料を示す。また、極性基の有無に限らず、分子全体において電荷に偏りが見られ、電子が支配的となる材料をｎ型、正孔が支配的となる材料をｐ型と呼ぶ。これらは有機物だけでなく、無機物も含む。
【００１６】
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やプラズモン共鳴現象、可視光域・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、あるいは、波長以下の寸法の構造で、特定の波長を操作するという意味での、メタマテリアルや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、特にこれらを名称で区別せず、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、あるいは単に共鳴と呼ぶ。
【００１７】
なお、以下の実施の形態では、同一符合は、同一または類似の構成を表し、重複箇所について詳細な説明は省略する。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の上面図であり、図２は、図１をＡ−Ａ方向に見た場合の断面図である。
【００１９】
本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００は、電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器１００であって、
基板４と、
基板４の上に設けられた絶縁層３と、
絶縁層３の上に設けられたグラフェン層１と、
絶縁層３の上に設けられ、グラフェン層１にそれぞれ接続された一対の電極２と、
グラフェン層１に接触するように設けられた接触層５と、を含み、
接触層５は極性基を持つ材料からなり、接触層５がグラフェン層１に接触することにより、グラフェン層１中に電荷が形成されたことを特徴とする電磁波検出器である。
【００２０】
即ち、電磁波検出器１００は、例えばＳｉからなる基板４を含む。基板４は、電磁波検出器１００全体を保持するもので、例えば、高抵抗シリコン基板や熱酸化膜を形成して絶縁性を高めた基板からなる。後述するようにバックゲートを形成するためにドープされたシリコン基板を用いても良い。熱酸化膜を有する基板の場合は、熱酸化膜が絶縁層３を兼ねても良い。
【００２１】
基板４の上には、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム、酸化ニッケル、ボロンナイトライド（ＢＮ）等からなる絶縁層３が設けられる。ボロンナイトライドは原子配列がグラフェンと似ているため、グラフェンとの接触でグラフェン中の電荷移動を妨げることなく、電子移動度などグラフェンの性能を阻害しないため、グラフェン層の下地膜として好ましい。
【００２２】
絶縁層３の上には、一対の電極２が設けられている。一対の電極２は、電極２の上に形成されるグラフェン層１の両端に、それぞれが接続するように設けられる。電極２は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｄ等の金属から形成される。電極２とその下の絶縁層３との間には、ＣｒやＴｉからなる密着膜（図示せず）を形成しても良い。電極２は、電気信号を出力できる大きさ、厚さであれば、特に形状に制限はない。
【００２３】
絶縁層３の上には、グラフェン層１が設けられる。グラフェン層１は単層または２層以上のグラフェンからなる。グラフェン層の積層数を増やすと光吸収率が増加し、電磁波検出器１００の感度が高くなる。グラフェンは２次元炭素結晶の単原子層であり、単層グラフェンの厚さは炭素原子１個分の０．３４ｎｍと非常に薄い。グラフェンは６角形状に配置された各連鎖に炭素原子を有する。
【００２４】
グラフェン層１が２層以上のグラフェンの積層構造からなる場合、積層構造に含まれる任意の２層のグラフェンは、六方格子の格子ベクトルの向きが一致しなくても良く、つまり向きにずれがあっても良い。また、完全に格子ベクトルの向きが一致した積層構造でもよい。特に、２層以上のグラフェンが積層されるとバンドギャップが形成されるため、波長選択効果を持たせることができる。
【００２５】
また、ナノリボン状のグラフェンを用いる場合、グラフェンナノリボン単体、あるいはグラフェンナノリボンを複数配列した構造としても良い。グラフェン層１はノンドープでも良いが、ｐ型またはｎ型にドープされてもよい。
【００２６】
グラフェン層１の上には接触層５が設けられる。接触層５は、極性基を含有する材料からなる。極性基は電子求引基と電子供与基に分類され、電子求引基は電子密度を減弱させる効果を持ち、電子供与基は逆に電子密度を増加させる効果を持つ。電子求引基は例えば、ハロゲン、ニトリル、カルボキシル基、カルボニル基などがあり、電子供与基は例えば、アルキル基、アルコール、アミノ基、ヒドロキシル基などがある。また、これらの材料以外にも、極性基によって分子全体において電荷の偏りが生じる、極性を有するポリマー材料等も、接触層５に適用できる。有機物、金属、半導体、絶縁体、２次元材料、またはこれらのいずれかの混合物において、分子内で電荷の偏りが生じて極性を有するも材料も、接触層５に適用が可能である。
【００２７】
例えば、接触層５がＯＨ基を有する場合は、ＯＨ基の共鳴効果によって電子供与性が生じ、ｎ型ドープが可能となる。また、接触層５がカルボキシル基を有する場合は、カルボキシル基によって電子吸引性が生じ、ｐ型ドープが可能となる。このような酸化還元反応によって発生したキャリアがグラフェンに供給されることでドーピングが加速される。
【００２８】
このように、グラフェン層１の上に接触層５が設けられて、グラフェン層１と接触層５とが接触することにより、グラフェン層１は、電荷が形成された接触領域１ａと、電荷が形成されない非接触領域１ｂと、を含むこととなる。
【００２９】
一般に、無機物とグラフェンとを接触させてグラフェンをドーピングする場合、グラフェンの仕事関数よりも無機物の仕事関数の方が大きい場合はｐ型、小さい場合はｎ型にドーピングされることが知られている。これに対して、有機物は明確な仕事関数を有していないため、有機物とグラフェンとを接触させた場合にグラフェン層がｎ型ドープになるのか、ｐ型ドープになるのかは、接触層５に用いる材料の分子の極性によるため、極性基から判断する必要がある。
【００３０】
接触層５に一般的にポジ型フォトレジストと呼ばれるキノンジアジト基を有する感光剤とノボラック樹脂を含有した組成物を使用することで、写真製版などで接触層５のパターンを形成することが可能となる。従来は接触層５と接触しない領域を形成するために、無極性層による保護層でグラフェン層１をマスキングする必要があった。しかし、フォトレジストを使用すると写真製版だけで接触層５を形成することができるため、プロセスダメージの低減及びプロセスの簡素化が可能となる。
【００３１】
ここで、接触層５の膜厚は、電磁波がグラフェン層１に照射された場合に、光電変換を行うことが出来るためのドーピングが可能となる範囲で、可能な限り薄い方が良い。また、接触層５は層という表現を用いているが、グラフェン層１をドーピングすることができれば単分子膜などでも良く、厳密に層になっていなくても良い。そして、接触層５は固体である必要はなく、ドーピングが可能であれば液体、気体の状態でも良い。
【００３２】
また、図２に示すように、接触層５はグラフェン層１と電極２の境界を覆うように形成されることが好ましい。グラフェン層１と電極２が接している境界部分では電子密度勾配が生じており、電極２から電流を取り出す際に抵抗となる。しかし、接触層５を電極２とグラフェン層１の境界を覆うように形成すると、電極２とグラフェン層１の間に生じた電子密度勾配に加えて接触層５による電子密度勾配が加わるため、電子密度勾配が階段状に形成され、電流の取り出し効率が向上する。もちろん、接触層５がグラフェン層１と電極２の境界を覆わない構造を採用することもできる。
【００３３】
なお、電磁波検出器１００と共に、グラフェンを用いた出力増幅回路（図示せず）を電磁波検出器１００の隣接部や下層部に設けてもよい。これにより、シリコン系の半導体材料から形成される出力増幅回路に比較して動作が速くなり、高性能な電磁波検出器が実現できる。
【００３４】
また、読み出し回路等の周辺回路の材料にグラフェンを用いることで、高速読み出しや、製造プロセスの簡素化が可能となる。
【００３５】
電磁波検出器１００の動作状態では、グラフェン層１への電磁波の入射によって発生する光電流を検出する場合もある。その場合、グラフェン層１の光電流発生経路の両端にある電極２の間には、外部バイアスを印加しても、印加しなくても電磁波検出器１００は動作する。ただし、バイアスを印加することで、発生したキャリアの検出効率は高くなる。
【００３６】
グラフェン層１には、電極２を介して外部バイアスなどの光電流の変化を取り出すための電気回路が接続されている。例えば電気信号の読み出し方法として、２つの電極２の間に電圧Ｖｄを印加すると、グラフェン層１内の抵抗値変化という電気的な信号に対応して、電極２の間を流れる電流量Ｉｄが変化する。この電流量の変化を検出することで、入射した電磁波の大きさを検出することができる。２つの電極２の間に、一定電流を流す回路を付加し、電圧値の変化量を検出してもよい。
【００３７】
また、図３に示すように基板４の裏面をバックゲート端子として、２端子の電極２と組み合わせることでトランジスタ構造として、電気信号を取り出してもよい。この場合、基板４の裏面に電圧をかけることで、グラフェン層１に更に大きな電界を生じさせることができ、電磁波の入射によって発生したキャリアを高効率に検出できる。
【００３８】
また、一対の電極２のうち、いずれか一方だけを形成し、これを用いて電磁波の入射によるグラフェン層１の電位変化を検出してもよい。
【００３９】
また、図４、５に示すように、接触層５またはグラフェン層１の上部にゲート電極２２を形成してもよい。接触層５の材料に絶縁体を使用する場合、接触層５をゲート絶縁層として使用できるため、図４に示すように接触層５の上にゲート電極２２を直接形成することで、トップゲートを容易に形成できる。
【００４０】
一方、接触層５が絶縁体ではない場合、トップゲート形成には、図５に示すように、グラフェン層１上に絶縁膜２３を形成した上にゲート電極２２を形成する必要がある。また、後述するようにグラフェン層１の上に保護膜を形成した場合は、保護膜上にゲート電極２２を形成してもよい。このようにトップゲート構造を用いることにより、複数の電磁波検出器からアレイセンサを形成した場合に、画素ごとのゲート電圧制御が可能となる。
【００４１】
また、図６に示すように、グラフェン層１、接触層５、電極２を覆うように保護膜７を形成してもよい。接触層５が自然酸化物や有機物などの薄膜からなる場合、保護膜７を設けることで、周辺雰囲気の影響で接触層５の性質が変化することを防止できる。特に、高温、低温環境で電磁波検出器を使用する場合、グラフェン層１と接触層５との接触を保持することが重要となる。つまり、保護膜７を設けることで、安定した動作が保障される。保護膜７は、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化シリコン（ＳｉＮ）などの絶縁膜からなる。このとき、保護膜７の材料には検出電磁波を透過する材料を選択することが望ましい。
【００４２】
また、図７に示すように、一対の電極は、電極８（例えばソース電極）と電極９（例えばドレイン電極）のように、互いに異なる金属から形成されてもよい。グラフェンは接触する金属の種類によってフェルミレベルが移動し、あるいは接触抵抗が異なる。よって、電極８と電極９を異なる金属から形成した場合、ソースとドレインの間でエネルギーギャップが異なる。この結果、光の照射により発生したキャリアによって電極８、９間でバイアスが発生して光電流が増大し、感度を向上させることができる。
【００４３】
なお、本発明の実施の形態１では、簡略化のために、一対の電極２を形成し、その間の電気抵抗を検出する場合を例に説明したが、トランジスタ構造等の他の構造を適用しても構わない。
【００４４】
次に、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００の動作原理について説明する。電磁波検出器１００では、グラフェン層１の上部に接触層５が設けられている。上述のように接触層５は極性を有する材料から形成されるため、その極性に応じてグラフェン層１に電荷移動が起こる。これにより、接触層５と接するグラフェン層１は接触層５の極性に則りドーピングが行われる。極性基として電子供与基と電子求引基を使い分けることで、グラフェン層１をｎ型にもｐ型にもドーピングすることが可能である。
【００４５】
また、接触層５が複数の極性基を含む場合、最も影響の大きい極性基が分子内で電荷の偏りを生じさせる。分子全体に電荷の偏りが生じていれば、相反する極性基を含んでいても接触層５として使用することができる。
【００４６】
このように、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００では、グラフェン層１において、接触層５と接触している接触領域１ａと、接触層５と接触していない非接触領域１ｂが形成されている。グラフェン層１では、接触層５からのドーピングによって接触領域１ａと非接触領域１ｂでは電子密度が異なる。これにより、グラフェン層１内部に電子密度の勾配が生じる。電子密度の勾配が生じると、一般的な半導体におけるｐｎ接合と同様に光照射によって光キャリアが生成される。以上のように、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００では、グラフェン層１の上に接触層５を設けることにより光照射時の光電流が増大し、検出感度が向上する。
【００４７】
なお、グラフェン層１に形成される電子密度勾配は完全にｐｎ接合になっている必要はなく、少しでも電子密度勾配が形成されていれば検出感度が向上する。
【００４８】
また、接触層５に極性基を有する材料を使用することで、別途グラフェン層１にドーピングすることなく、接触層５と接触する部分のグラフェン層１のみにドーピングすることができるため、製造プロセスが容易となる。
【００４９】
また、接触層５の材料として、電子求引基を有する材料を用いればｐ型に、電子供与基を有する材料を用いればｎ型に、それぞれグラフェン層１をドーピングできる。
【００５０】
特に、電子供与基を有する材料を用いればグラフェン層１をｎ型にドーピングできるため、ｐ型の導電性を有するＣＶＤグラフェンにも適用でき、ＣＶＤグラフェンを電極上に転写することで電極形成時のプロセスダメージを低減できる。
【００５１】
また、ドープＳｉ基板を用いることでバックゲート電圧の印加が可能となり、トップゲート形成によるチャネル開口部の減少が無くなる。
【００５２】
接触層５の材料として、極性基を有するフォトレジストを用いることで、写真製版やＥＢ露光処理等によって選択的に極性変換を生じさせることができる。このため接触層の形成時に非接触領域を保護する層の形成が不要となり、グラフェン層の開口面積が増えるだけでなく、プロセスダメージも低減することができる。
【００５３】
次に、電磁波検出器１００の製造方法について簡単に説明する。電磁波検出器１００の製造方法は、以下の工程１〜５を含む。
【００５４】
工程１：シリコン等の平坦な基板４を準備する。
【００５５】
工程２：基板４の上に、絶縁層３を形成する。絶縁層３は、例えば基板４がシリコンの場合は、基板４を熱酸化して、酸化シリコン（ＳｉＯ２）を形成してもよい。また、ＣＶＤ法やスパッタ法によって他の絶縁膜を形成してもよい。
【００５６】
工程３：Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等からなる電極２を形成する。この時、下部の絶縁層３との密着性を向上させるために、絶縁膜３と電極２との間に、ＣｒやＴｉからなる密着膜（図示せず）を形成しても良い。電極２の形成は、例えば、写真製版やＥＢ描画などを用いてレジストマスクを形成した後に、その上に金属層を蒸着やスパッタリングなどで堆積し、最後にレジストマスク上の金属層をリフトオフで除去して行う。
【００５７】
工程４：電極２および絶縁層３の上にグラフェンを形成する。グラフェンは、エピタキシャル成長によって形成しても良いし、予めＣＶＤ法を用いて形成グラフェン層を転写して貼り付けてもよい。また、機械剥離などで剥離したグラフェンを転写してもよい。続いて、写真製版などでグラフェンをレジストマスクで被覆し、酸素プラズマでエッチングしてパターニングする。これにより、チャネル部分や電極２と接している領域以外の不要な部分のグラフェンを除去し、グラフェン層１を形成する。
【００５８】
工程５：電極２およびグラフェン層１上にフォトレジスト層を形成する。フォトレジスト層は、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を含有した組成物からなる。次にフォトレジスト層を露光し、アルカリ性現像液に浸漬することでパターニングして、グラフェン層１上に選択的にフォトレジス層を残して接触層５とする。このフォトレジストの極性基によって接触層５の下部にあるグラフェン層１がｐ型にドーピングされ、グラフェン層１で接触層５が存在しない部分は露光・現像処理によりｎ型にドーピングされる。
【００５９】
以上の工程１〜５で、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００が完成する。
【００６０】
なお、ここでは、電極２上にグラフェン層１を形成したが、図８のように、絶縁膜３上に予めグラフェン層１を形成し、その後に電極２を形成した構造を用いても良い。
【００６１】
また、接触層５の材料に、フォトレジストに代えて、極性を有するポリマーを使用することで、塗布法によってグラフェン層１上に接触層５を形成することが可能となり、簡便なプロセスで接触層５の作製が可能となる。
【００６２】
実施の形態２．
実施の形態２にかかる電磁波検出器では、接触層５は、化学的に極性変換する材料、または電磁波照射で極性変換する材料からなる。電磁波検出器の構造は、例えば図２に示す電磁波検出器１００と同じである。
【００６３】
極性変換は極性基が化学的に変換される現象であり、例えば、電子求引基が電子供与基に変化し、電子供与基が電子求引基に変化し、極性基が非極性基に変化し、または非極性基が極性基に変化することをいう。接触層５が極性変換すると、変換の際に生じた電子または正孔がグラフェンへ供給される。これにより接触層５が接触しているグラフェン層１がドーピングされて、接触領域となる。この場合、接触層５を取り除いても、接触層５と接触していたグラフェン層１の接触領域はドーピングされたままの状態であるため、接触層５無しで電子密度勾配を形成することも可能である。これにより、入射光に対してグラフェン層１が開口する面積が増加し、検出感度が向上する。
【００６４】
また、接触層５が電磁波照射によって極性変換を生じる材料から形成されている場合は、露光処理等で、接触層５の中で選択的に極性変換を生じさせることが可能となり、ドーピング領域に選択性を持たせることが出来る。これにより、マスクの形成なしで、グラフェン層１の中に、様々なパターンのドーピング領域（接触領域）を形成することが出来る。また、検出電磁波の波長に応じて極性変換を生じる材料を使用することで、光照射時のみ極性変換を生じさせ、電子密度勾配を形成して光電流を増大させることができる。これらにより、電磁波検出器の検出感度が向上する。
【００６５】
なお、電磁波照射によって接触層５で酸化還元反応が生じ、酸化還元反応時に電子または正孔が生じる場合も同様に、グラフェン層１にドーピングを行うことが出来る。
【００６６】
図９は、本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器の電気特性を示す。図９において、横軸はバックゲート電圧であり、縦軸は２つの電極２の間を流れる電流である。
【００６７】
測定に用いた電磁波検出器では、グラフェン層１は単層のグラフェンからなり、２つの電極２の間隔は５０μｍ、電極２の長さ（図１の上下方向）は５０μｍである。電極２は、最表面が金からなる金属の多層構造からなり、厚さは３０ｎｍである。電極２と絶縁層３との間には、密着性を向上させるために厚さ１０ｎｍのＣｒ膜が形成されている。基板４はｐ型にドープしたシリコンからなる。基板４は裏面から電圧を印加するバックゲート型として動作する。ここでは、２つの電極２の内、一方をソース、他方をドレインとし、基板４の裏面から電圧を印加することでバックゲートとして動作させた。絶縁層３はシリコンの熱酸化膜（ＳｉＯ２）からなり、厚さは２９０ｎｍである。接触層５は、ポジ型フォトレジスト（例えば東京応化製ＯＦＰＲ-８００ＬＢ）であり、露光、現像処理によってグラフェン層１上に形成している。
【００６８】
なお、上述の寸法は、図９の測定に用いた試料の寸法であり、本発明の実施の形態にかかる電磁波検出器は、これらの寸法に限定されるものではなく、電磁波検出器の感度等に応じて適宜設計される。
【００６９】
図９は、バックゲート電圧を変化させた場合の、２つの電極２の間を流れる電流であるが、ｎ型ドープによるディラックポイントとｐ型ドープによるディラックポイントの２種類のディラックポイントが現れている。ＣＶＤ法で作製したグラフェン層は、通常、ｐ型にドープされている。しかし、グラフェン層１にポジ型レジストを塗布して露光処理を行うことにより、レジスト中の感光剤であるキノンジアジト基がカルボキシル基に極性変換する過程で、グラフェン層１はｎ型にドープされる。更に、ＯＨ基を有する水酸化テトラメチルアンモニウム(Ｎ（ＣＨ３）４ＯＨ)を含有するアルカリ性現像液(例えば東京応化製ＮＭＤ−３)に浸漬することで、グラフェン層１の表面にＯＨ基が付着し、ｎ型ドープが加速される。よって、レジスト剥離部分はｎ型にドーピングされる。一方、レジスト残留部分はレジスト残留によるｐ型ドープに加え、ＣＶＤグラフェン本来のｐ型ドープと相まって、ｐ型のままとなる。これにより、グラフェン層１でｐｎ接合が形成され、図９に示すｎ型、ｐ型それぞれのディラックポイントを有する特性が得られる。
【００７０】
図１０は、本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器について、接触層５を形成する前後の光応答特性を比較したグラフであり、具体的には、電磁波検出器のバックゲート電圧を−１０Ｖ、ソース・ドレイン電圧を０．１Ｖとした状態で、白色ＬＥＤを一定周期で照射した場合の、ソース・ドレイン電流の変化を示す。図１０において、横軸は白色ＬＥＤを照射時間、縦軸はソース・ドレイン電流である。また、実線は、接触層５を形成してグラフェン層１の一部をｎ型にドーピングした場合、点線は、接触層５を形成する前で、グラフェン層１にドーピングを行わない場合（グラフェン層１全体がｐ型の場合）を表す。
【００７１】
図１０から分かるように、グラフェン層１にドーピングした場合（接触層５形成後）の電流値は、グラフェン層１にドーピングしない場合（接触層５形成前）の電流値の、約３倍となっている。
【００７２】
この結果から、接触層５を形成して、グラフェン層１中にｐｎ接合を形成することにより電子密度勾配が形成され、このような電子密度勾配を有するグラフェン層１に電磁波が照射することで、光電流が増加することがわかる。
【００７３】
実施の形態３．
図１１、１２は、全体が３００、３５０で表される、本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器の、図１のＡ−Ａ方向と同じ方向に見た場合の断面図である。図１１、１２中、図２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００７４】
図１１に示すように、実施の形態５にかかる電磁波検出器３００では、グラフェン層１の中央部を除き、両端部が接触層５により覆われている。接触層５が設けられた位置を除いて、他の構造は実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と同じである。例えば、ＣＶＤ法で形成したグラフェン層１では、グラフェン層１は通常はｐ型にドーピングされている。このため、接触層５がｐ型のグラフェン層１の一部に接触して、グラフェン層１をｎ型領域に変えることにより、グラフェン層１がｎｐｎ構造またはｐｎｐ構造を有することができる。電磁波検出器３００では、接触層５により覆われた両端部のグラフェン層１はｎ型となり、接触層５により覆われていない中央部のグラフェン層１はｐ型のままである。すなわち、グラフェン層１に、ｎｐｎ接合が形成される。
【００７５】
図１２に示す電磁波検出器３５０では、グラフェン層１の中央部が接触層５により覆われている。電磁波検出器３５０では、接触層５により覆われた中央部のグラフェン層１はｎ型となり、接触層５により覆われていない両端部のグラフェン層１はｐ型のままである。すなわち、グラフェン層１に、ｐｎｐ接合が形成される。
【００７６】
このような、電磁波検出器３００、３５０では、電磁波を照射した場合、光スイッチング効果により光電流が増大し、検出感度が向上する。また、電磁波非照射時の暗電流が抑えられるのでノイズの低減が可能となる。
【００７７】
なお、グラフェン層１はバンドギャップを有する２層以上のグラフェンや２次元材料を使用することで、暗電流をより抑制できる。また、ｎ型にドーピングされた例えばＳｉＣ上に形成されたグラフェン層１を使用する場合は、ｎ型とは対極となるｐ型の接触層５を使用することが望ましい。
【００７８】
図１３は、全体が３８０で表される、本発明の実施の形態３にかかる他の電磁波検出器の、図１のＡ−Ａ方向と同じ方向に見た場合の断面図である。図１３中、図２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００７９】
図１３から分かるように、電磁波検出器３８０では、グラフェン層１の上に形成された接触層５により形成される、グラフェン層１中の接触領域と非接触領域が、交互に複数存在する。これにより、グラフェン層１における接触層５の下の接触領域と、接触層５が接触していない非接触領域との界面には電子密度勾配が形成されるため、グラフェン層１中に複数の電子密度勾配が形成される。これにより、電磁波照射により発生する光電流が、接触領域と非接触領域の界面の数だけ増大し、検出感度が上昇する。このように、接触領域と非接触領域の界面を多数形成することで光電流を増大することが可能である。この場合、形成する接触層５は周期的に配列しても良いしランダムに配列しても良い。
【００８０】
実施の形態４．
図１４は、全体が４００で表される、本発明の実施の形態４にかかる電磁波検出器の上面図であり、図１５は、図１４の電磁波検出器をＢ−Ｂ方向に見た場合の断面図である。図１４、１５中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００８１】
電磁波検出器４００では、グラフェン層１の上に、一方の電極２から他方の電極２に向かって、複数の接触層５が一定の周期で設けられている。つまり、図１４に示すように、一対の電極２の間で接触層５が等間隔に配置されている。接触層５が電磁波照射により表面プラズモン共鳴を生じる材料である場合、接触層５を１次元周期的な構造とすることで偏光依存性が発生する。この結果、特定の偏光のみを検出する電磁波検出器を形成することができる。図１４では電極２に対して水平方向に接触層５が配置されているが、垂直方向に配置してもよいし、角度を付けても良い。
【００８２】
図１６は、全体が４５０で表される、本発明の実施の形態４にかかる他の電磁波検出器の上面図であり、図１７は、図１６の電磁波検出器をＣ−Ｃ方向に見た場合の断面図である。図１６、１７中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００８３】
電磁波検出器４５０では、図１６に示すように、接触層５が２次元周期的な構造となっている。接触層５が電磁波照射により表面プラズモン共鳴を生じる材料である場合、かかる周期構造を用いることにより、特定の共鳴波長を有する電磁波のみを強く検出することができ、特定波長の検出感度を高くできる。また、接触層５の周期、形状、大きさは共鳴波長に応じて任意に変更しても良く、全てランダムに形成してもよい。ランダムに形成した場合、多波長においてプラズモン共鳴を生じさせ、多波長の電磁波において検出感度を高くすることができる。
【００８４】
実施の形態５．
図１８は、全体が５００で表される、本発明の実施の形態５にかかる電磁波検出器の断面図である。また、図１９は、全体が５５０で表される、本発明の実施の形態５にかかる他の電磁波検出器の断面図である。いずれも、図１のＡ−Ａ方向と同じ方向に見た場合の断面図であり、図１８、１９中、図２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００８５】
図１８に示す電磁波検出器５００では、接触層５、６が、異なる材料から形成されている以外は、実施の形態３にかかる電磁波検出器３００と同じ構造である。例えば、接触層５はｐ型、接触層６はｎ型とすることで、対になる電極２の間にも電子密度勾配を形成することができ、光電流の取り出し効率が向上し、検出感度が向上する。
【００８６】
また、図１９に示す電磁波検出器５５０のように、グラフェン層１上にｐ型の接触層５とｎ型の接触層６を配置することで、グラフェン層１のドーピング濃度や導電型によらずｐｎｐ構造を形成することができる。
【００８７】
ここでは、接触層５をｐ型、接触層６をｎ型としたが、これに限定されるものではない。接触層５の形成により、グラフェン層１の中に少しでも電子密度勾配が形成されれば効果はあり、例えば接触層５、６は、ｎ型とｐ型、ｎ型とｎ＋型、ｐ型とｐ＋型等の組み合わせでも良い。
【００８８】
実施の形態６．
図２０は、全体が６００で表される、本発明の実施の形態６にかかる電磁波検出器の断面図である。また、図２１は、全体が６５０で表される、本発明の実施の形態６にかかる他の電磁波検出器の断面図である。いずれも、図１のＡ−Ａ方向と同じ方向に見た場合の断面図であり、図２０、２１中、図２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００８９】
図２０に示す電磁波検出器６００では、接触層５上に、更にグラフェン層３１が設けられ、接触層５を上下のグラフェン層１、３１が挟み込んだ構造となっている。かかる構造では、上部のグラフェン層３１と下部のグラフェン層１の中に、接触層５によりそれぞれ接触領域と非接触領域が形成され、電子密度勾配が形成される。この結果、上下のグラフェン層１、３１の双方で光電変換を行うと共に、電子密度勾配により光電流が増加し、検出感度が向上する。
【００９０】
なお、図２０に示す電磁波検出器６００では、接触層５の端部は上部のグラフェン層３１に覆われていないが、図２１に示す電磁波検出器６５０のように、接触層５が、グラフェン層１の上に設けられ、更に接触層５とグラフェン層１を覆うように他のグラフェン層３１が設けられても良い。
【００９１】
実施の形態７．
図２２は、全体が７００で表される、本発明の実施の形態７にかかる電磁波検出器の断面図である。図２２は、図１のＡ−Ａ方向と同じ方向に見た場合の断面図であり、図２２中、図２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００９２】
図２２に示す電磁波検出器７００では、接触層５は、絶縁層３とグラフェン層１との間に設けられている。すなわち、接触層５が、グラフェン層１と絶縁層３の層間に設けられた構造となっている。かかる構造では、入力光が接触層５で遮られることなくグラフェン層１へ到達するため、接触層５の材料として、電磁波を透過しない材料も使用可能となる。例えば可視光を入力光とする場合は可視光を透過しない材料を接触層５として使用しても、入力光を減衰させることなくグラフェン層１へ到達させることが可能となる。
【００９３】
また、接触層５を形成した後にグラフェン層１を転写することで、グラフェン層１へのプロセスダメージを防止ができる。特に、グラフェンはウェットプロセスでダメージを受け、移動度が低下し易いため、接触層５を形成した後にグラフェン層１を転写することで、プロセスダメージを有効に防止できる。
【００９４】
実施の形態８．
図２３は、全体が８００で表される、本発明の実施の形態８にかかる電磁波検出器の断面図である。また、図２４は、全体が８５０で表される、本発明の実施の形態８にかかる他の電磁波検出器の断面図である。図２３、２４は、図１のＡ−Ａ方向と同じ方向に見た場合の断面図であり、図２３、２４中、図２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００９５】
図２３に示す電磁波検出器８００では、絶縁層３の上に直接接触層５が設けられ、その上にグラフェン層１が形成され、さらにその上に接触層６が設けられている。すなわち、接触層５、６は、互いに異なる材料からなると共に、互いに異なる材料からなる２つの接触層５、６が、グラフェン層１を挟んで配置されている。つまり、接触層５、６が２異なる材料から形成されており、グラフェン層１が接触層５、６により上下から挟まれている。例えば、接触層５にｐ型、接触層６にｎ型の材料を使用することで、グラフェン層１に電子密度勾配を形成することができ、光電流の取り出し効率が向上し、検出感度が向上する。
【００９６】
加えて、接触層５と接触層６がグラフェン層１を挟んで対向する領域（上面から見た場合に重なる領域）を形成することで、ｐｉｎ接合を形成することができる。この結果、効率的に光電変換を行うことができ、光電流が増大し、検出感度が向上する。例えば接触層５にｐ型、接触層６にｎ型の材料を使用することで、接触層５と接触層６がグラフェン層１を挟んで対向する領域は上下からｐ型とｎ型の接触層にドーピングされているため、電気的に中性なｉ層が形成される。
【００９７】
図２４に示す電磁波検出器８５０では、接触層５、６が２異なる材料から形成されており、絶縁層３の上に、接触層５、グラフェン層１、３１、接触層６が順に積層されている。一対の電極２は、絶縁層３の上と、接触層６の上にそれぞれ設けられている。例えば、接触層５にｐ型、接触層６にｎ型の材料を使用することで、グラフェン層１がｐ型、グラフェン層３１がｎ型にドーピングされる。一対の電極２のうち片方を接触層６の上に形成することで、グラフェン層１とグラフェン層３１との界面に対して垂直方向に電界を印加することが可能となる。これにより、垂直方向でｐｎヘテロ接合が形成できるため、ＯＦＦ動作が可能となる。かかる構造は、バンドギャップを有する２層グラフェンや２次元材料等で適用するとより効果的である。図２４ではグラフェン層１と電極２が直接接触していないが、これらが直接接触する構造を用いてもよい。その場合、グラフェン層１にかかる電界は減るが、流れる電流量が増加する。
【００９８】
実施の形態９．
図２５は、全体が９００で表される、本発明の実施の形態９にかかる電磁波検出器を、図１のＡ−Ａ方向と同じ方向に見た場合の断面図であり、図２５中、図２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。また、図２６は、電磁波検出器９００の電極２の上面図である。
【００９９】
電磁波検出器９００では、電極２は、周期的な凹部１０からなる周期構造を有し、周期構造に応じて特定波長の電磁波がプラズモン共鳴する。他の構造は、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と同じである。図２６では、直交する２方向に、円柱状の凹部１０を配置したが、凹部１０の配置は、正方格子、三角格子等、周期配置であればいずれの配列でも良い。また、凹部１０の形状は、円柱の他に、角柱、三角柱、四角柱、楕円柱等、他の形状でも良い。また、図２７に示すように、凹部１１は、並列配置された１次元の溝でも良い。溝の断面形状は、矩形に限定されるものではなく、三角形等でも良い。また、これらの凹部１０、１１は、電極２を貫通しても、貫通しなくても、それぞれプラズモン共鳴が生じる。適宜、検出する波長の電磁波がプラズモン共鳴するように設計すれば良い。
【０１００】
このような周期的な凹部１０、１１を電極２の表面に設けることにより、特定の波長において金属表面に強く局在するプラズモン共鳴が発生する。電極２の材料は、表面プラズモン共鳴が生じる金属であれば、いずれの金属でも良く、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等が用いられる。
【０１０１】
ここでは電極２の表面に周期的な凹部１０、１１を形成する場合について説明したが、周期的な凸部を形成しても良い。同等の効果を有するプラズモン共鳴が生じる。
【０１０２】
ここで、プラズモン共鳴の共鳴波長は、凹部１０等の周期構造に依存して決定される。このような周期構造を電極２の上に形成することにより、特定の共鳴波長を有する電磁波のみを電極表面で吸収することができる。つまり、電磁波検出器９００において、特定の共鳴波長を有する電磁波のみを強く検出することができ、特定波長の検出感度を高くできる。
【０１０３】
実施の形態１０．
図２８、２９は、本発明の実施の形態１０にかかる電磁波検出器に用いられるグラフェン層１の上面図である。本実施の形態１０にかかる電磁波検出器では、グラフェン層１は、周期的な凹部１０からなる周期構造を有し、周期構造に応じて特定波長の電磁波がプラズモン共鳴する。凹部１２は、直交する２方向に周期配置された円柱の孔であり、凹部１３は、並列配置された１次元の溝である。他の構造は、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と同じである。
【０１０４】
凹部１２、１３は、グラフェン層１を貫通する孔でも良い。つまりグラフェン層１が単層の場合は、凹部１２、１３は、グラフェン層１を貫通する孔となり、グラフェン層１が複数層の場合は、それらの一部の層のみを貫通する孔でも、全ての層を貫通する孔でも良い。
【０１０５】
このように、グラフェン層１に周期的な構造を形成した場合も、電極２に周期的構造を形成した場合と同様に、周期構造に応じた特定波長の電磁波を吸収できる。グラフェンは半金属であるため、その原理は、金属と同様のプラズモン共鳴による。
【０１０６】
なお、凹部１２の２次元の周期配置は、正方格子、三角格子等、いずれの周期配置でも良い。また、凹部１２の形状は、円柱、角柱、三角柱、四角柱、楕円柱等、いずれの形状の凹部でも良い。但し、三角柱等、上面から見た形状が非対称性を有する場合、グラフェン層１が吸収する光には偏光依存性が発生するため、特定の偏光のみを検出する電磁波検出器を形成することができる。１次元の周期配置は、例えば図２９に示すような、並列配置された１次元の溝となる。溝の断面形状は、矩形に限定されるものではなく、三角形等でも良い。
【０１０７】
ここで、例えば楕円や長方形の凹部１２や、１次元の溝のような凹部１３のように、非対称性をもつ凹部形状の場合、光の検出において偏光依存性が発生する。よって、このような非対称な構造を有する電磁波検出器は、偏光イメージングにも適用が可能となる。
【０１０８】
偏光イメージングは、物体の境界や、人工物や自然物の判別などを可能にするが、従来は偏光子や偏光フィルタなど電磁波検出器に別の部品を装着する必要があり、装置の大型化、システムの複雑化等の欠点があった。しかし、本発明の実施の形態にかかる電磁波検出器では、グラフェン層１に非対称な凹部を形成することによって、特定の偏光を検知する電磁波検出器が実現できるため、システムの小型化、部品点数の削減、偏光子やフィルタによる光損失が無くなる等の効果を有する。
【０１０９】
このような周期構造をグラフェン層１の上に形成することにより、特定の共鳴波長を有する電磁波のみをグラフェン層１の表面で吸収することができる。つまり、電磁波検出器において、特定の共鳴波長を有する電磁波のみを強く検出することができ、特定波長の検出感度を高くできる。
【０１１０】
ここでは、グラフェン層１の表面に周期的な凹部１２、１３を形成する場合について説明したが、周期的な凸部を形成するようなパターンでも良い。
【０１１１】
実施の形態１１．
実施の形態１〜１０にかかる電磁波検出器は、電磁波がグラフェン層１に入射し、これにより発生する光電流を検出しているが、本発明の実施の形態にかかる電磁波検出器では、グラフェン層１に代えて、遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リン（Ｂｌａｃｋ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ）などからなる２次元材料の層を用いる。
【０１１２】
即ち、本発明の実施の形態にかかる電磁波検出器は、電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
基板４と、
基板４の上に設けられた絶縁層３と、
絶縁層３の上に設けられた、遷移金属ダイカルコゲナイドまたは黒リンからなる２次元材料層１と、
絶縁層３の上に設けられ、２次元材料層１にそれぞれ接続された一対の電極２と、
２次元材料層１に接触するように設けられた接触層５と、を含み、
接触層５は極性基を持つ材料からなり、接触層５が２次元材料層１に接触することにより、２次元材料層１中に電荷が形成される。グラフェン層が２次元材料層に置き換えられている以外は、電磁波検出器１００と同じ構造である
【０１１３】
遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リン等は、グラフェンと同様の原子層状構造を有するため２次元材料と呼ばれ、例えばＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２等の遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンからなる。２次元材料層は、これらの材料のうち同種の材料、または異なる材料の層を積層した構造でも良い。あるいはプロベスカイトとグラフェン、または異種の２次元材料の積層構造でもよい。
【０１１４】
これらの遷移金属ダイカルコゲナイド材料や黒リンなどの２次元材料は、所定のバンドギャップを有する。このため、オフ電流がほぼゼロとなるため、電磁波検出器のノイズが小さくなり、電磁波検出器の高性能化が可能となる。
【０１１５】
また、遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料を積層した構造では、層数に応じてバンドギャップの大きさが調整できる。このため、検出する電磁波の波長を層数によって選択できる。これにより、特定の波長の電磁波のみを検知する波長選択型電磁波検出器を得ることができる。
【０１１６】
本発明の実施の形態にかかる電磁波検出器は、積層された２次元材料層の層数によりバンドギャップの大きさがコントロールでき、従来の半導体を用いた検出器のように、半導体材料の組成によってバンドギャップの大きさをコントロールする必要がないため、バンドギャップの大きさの制御が容易となる。また、典型的な波長選択法である光学フィルタを用いる必要も無いため、光学部品の点数が低減でき、更にフィルタを通過することによる入射光の損失も低減できる。
【０１１７】
また、遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料を用いた場合、複数の層からなる積層構造とすることで、偏光依存性を得ることができる。このため、特定の偏光のみを選択的に検出する電磁波検出器を実現できる。
【０１１８】
更に、これらの遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料のうち、異なる２種以上の材料を組み合わせ、または遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料とグラフェンとを組み合わせて、ヘテロ接合とすることにより、異種材料間で、従来の半導体材料における量子井戸構造やトンネル電流と同じ効果が実現できる。これにより、ノイズが低減できるとともに、再結合が低減できるため、電磁波検出器の高感度化が可能となる。
【０１１９】
実施の形態１２．
図３０は、全体が１０００で表される、本発明の実施の形態１２にかかるアレイセンサの上面図であり、電磁波検出器がアレイ状に配置されたアレイセンサである。図３０に示すアレイセンサ１０００では、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００が２×２に配置されているが、配置する個数はこれに限定されるものではない。
【０１２０】
グラフェン層１を用いた電磁波検出器１００からなるアレイセンサ１０００では、紫外光からマイクロ波まで非常に広い波長範囲の電磁波を検出できる。このため、例えばアレイセンサ１０００を車載センサに適用した場合、日中は可視光画像用カメラとして使用できる、一方、夜間は赤外線カメラとしても使用でき、検出波長によってカメラを使い分ける必要が無くなる。
【０１２１】
なお、アレイセンサ１０００の外に、それぞれの電磁波検出器１００から得られた電気信号を読み出す回路や行列選択回路などを設置しておくことが好ましい。
【０１２２】
図３１は、全体が２０００で表される、本発明の実施の形態１２にかかる他のアレイセンサの上面図である。図３１では、互いに種類の異なる電磁波検出器１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄが２×２に配置されているが、配置する個数はこれに限定されるものではない。
【０１２３】
本実施の形態１２にかかるアレイセンサ２０００では、実施の形態１〜１１で述べた様々な電磁波検出器を１次元または２次元のアレイ状に配置することで、画像センサとしての機能を持たせることができる。
【０１２４】
例えば、図３１に示すアレイセンサ２０００において、電磁波検出器１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄを、それぞれ検出波長の異なる電磁波検出器から形成する。具体的には、実施の形態９〜１１に記載した検出波長選択性を有する電磁波検出器をアレイ状に並べる。これにより、アレイセンサ２０００は、少なくとも２つ以上異なる波長の電磁波を検出することができるようになる。
【０１２５】
このように異なる検出波長を有する電磁波検出器１００ａ〜１００ｄをアレイ状に配置することにより、可視光域で用いるイメージセンサと同様に、紫外光、赤外光、テラヘルツ波、電波の波長域においてもカラー化した画像を得ることができる。
【０１２６】
また、イメージセンサ以外の用途としては、少ない画素数でも、物体の位置検知用センサとして用いることができる。アレイセンサ２０００の構造により、複数波長の電磁波の光強度を検出する画像センサが製造可能となる。これにより、従来、ＣＭＯＳセンサなどで必要であったカラーフィルタを用いることなく、複数の波長の電磁波を検出し、カラー画像を得ることができる。
【０１２７】
更に、検知する偏光が異なる電磁波検出器をアレイ化することにより、偏光識別画像センサを形成することもでき、例えば人工物と自然物の識別が可能となる。
【０１２８】
実施の形態１３．
図３２は、全体が１００００で表される、本発明の実施の形態１２にかかるカメラシステムのダイアグラムであり、具体的には、アレイセンサ１０００またはアレイセンサ２０００を搭載したカメラシステムのブラックダイアグラムである。本発明の実施の形態１３にかかるカメラシステム１００００は、レンズ、光学系（シャッター、アパーチャ、フィルタ等）、アレイセンサ（１０００または２０００）、信号処理システム、画像出力システム、で構成される。入射電磁波をレンズで集光し、アレイセンサに入力する。さらにアレイセンサから得られた出力を信号処理し、画像として出力する。レンズは、可視レンズ、近赤外レンズ、赤外レンズ、テラヘルツレンズ、などを必要に応じて選択する。レンズを切り替えることで、フィルタ無しで様々な波長の光をアレイセンサに入力することができる。このとき、光学系としてシャッター、アパーチャ、フィルタ等は必要に応じて選択しても良いし、無くても良い。また、レンズを使用しない場合や、超広帯域レンズを使用する場合は全ての波長をアレイセンサにて検出することが可能となる。
【０１２９】
また、レンズにメタマテリアルレンズを使用してもよい。メタマテリアルレンズは透過する波長が材料に依存せず、構造を制御することで透過する波長を選択的に制御することができる。また、全ての波長の光を同一焦点距離に集光できる超広帯域レンズを実現可能である。
【符号の説明】
【０１３０】
１  グラフェン層
２  電極
３  絶縁層
４  基板
５、６  接触層
７  保護膜
８、９  電極
１０、１１、１２、１３  凹部
１００  電磁波検出器
１０００、２０００  アレイセンサ
１００００  カメラシステム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
2017145299.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】平成28年8月30日(2016.8.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
基板と、
該基板の上に設けられた絶縁層と、
該絶縁層の上に設けられた光電変換層となるグラフェン層と、
該絶縁層の上に設けられ、該グラフェン層にそれぞれ接続された一対の電極と、
該グラフェン層に接触するように設けられた接触層と、を含み、
該接触層は極性基を持つ材料からなり、該接触層が該グラフェン層に接触することにより、該グラフェン層中に電荷密度勾配が形成されたことを特徴とする電磁波検出器。
【請求項２】
上記グラフェン層は、上記接触層が接触することにより電荷が形成された接触領域と、電荷が形成されない非接触領域と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
【請求項３】
上記接触層は、上記グラフェン層と上記電極との境界を覆うことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項４】
上記接触層は、化学的に極性変換する材料、または電磁波照射で極性変換する材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項５】
上記接触層は、極性を有するポリマー材料、ヒドロキシル基またはカルボキシル基を有する材料、電磁波照射によって酸化還元反応を生じる材料、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材料、および極性を有する無機物材料、からなるグループから選択される材料であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項６】
上記グラフェン層の上に、複数の上記接触層が設けられたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項７】
上記接触層がｐ型の上記グラフェン層の一部に接触して、該グラフェン層をｎ型領域に変えることにより、該グラフェン層がｎｐｎ構造またはｐｎｐ構造を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項８】
上記接触層が、互いに異なる材料からなる複数の接触層からなることを特徴とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項９】
互いに異なる材料からなる２つの上記接触層が、上記グラフェン層を挟んで対向することを特徴とする請求項８に記載の電磁波検出器。
【請求項１０】
上記接触層が、上記グラフェン層の上に設けられ、更に該接触層と該グラフェン層を覆うように他のグラフェン層が設けられたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１１】
上記接触層は、上記絶縁層と上記グラフェン層との間に設けられたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１２】
上記電極は、周期的な凹部または凸部からなる周期構造を有し、該周期構造に応じて特定波長の電磁波がプラズモン共鳴することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１３】
上記グラフェン膜は、周期的な凹部または凸部からなる周期構造を有し、該周期構造に応じて特定波長の電磁波がプラズモン共鳴することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１４】
電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
基板と、
該基板の上に設けられた絶縁層と、
該絶縁層の上に設けられた、遷移金属ダイカルコゲナイドまたは黒リンからなる２次元材料層と、
該絶縁層の上に設けられ、該２次元材料層にそれぞれ接続された一対の電極と、
該２次元材料層に接触するように設けられた接触層と、を含み、
該接触層は極性基を持つ材料からなり、該接触層が該２次元材料層に接触することにより、該２次元材料層中に電荷が形成されたことを特徴とする電磁波検出器。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の電磁波検出器が、アレイ状に配置されたことを特徴とするアレイセンサ。
【手続補正書】
【提出日】平成28年12月19日(2016.12.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
基板と、
該基板の上に設けられた絶縁層と、
該絶縁層の上に設けられた光電変換層となるグラフェン層と、
該絶縁層の上に設けられ、該グラフェン層にそれぞれ接続された一対の電極と、
該グラフェン層に接触するように設けられた接触層と、を含み、
該接触層は極性基を持つ材料からなり、該接触層が該グラフェン層に接触することにより、該グラフェン層の同一面内に電荷密度勾配が形成されたことを特徴とする電磁波検出器。
【請求項２】
上記グラフェン層は、上記接触層が接触することにより電荷が形成された接触領域と、電荷が形成されない非接触領域と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の電磁波検出器。
【請求項３】
上記接触層は、上記グラフェン層と上記電極との境界を覆うことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項４】
上記接触層は、化学的に極性変換する材料、または電磁波照射で極性変換する材料からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項５】
上記接触層は、極性を有するポリマー材料、ヒドロキシル基またはカルボキシル基を有する材料、電磁波照射によって酸化還元反応を生じる材料、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材料、および極性を有する無機物材料、からなるグループから選択される材料であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項６】
上記グラフェン層の上に、複数の上記接触層が設けられたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項７】
上記接触層がｐ型の上記グラフェン層の一部に接触して、該グラフェン層をｎ型領域に変えることにより、該グラフェン層がｎｐｎ構造またはｐｎｐ構造を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項８】
上記接触層が、互いに異なる材料からなる複数の接触層からなることを特徴とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項９】
互いに異なる材料からなる２つの上記接触層が、上記グラフェン層を挟んで対向することを特徴とする請求項８に記載の電磁波検出器。
【請求項１０】
上記接触層が、上記グラフェン層の上に設けられ、更に該接触層と該グラフェン層を覆うように他のグラフェン層が設けられたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１１】
上記接触層は、上記絶縁層と上記グラフェン層との間に設けられたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１２】
上記電極は、周期的な凹部または凸部からなる周期構造を有し、該周期構造に応じて特定波長の電磁波がプラズモン共鳴することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１３】
上記グラフェン膜は、周期的な凹部または凸部からなる周期構造を有し、該周期構造に応じて特定波長の電磁波がプラズモン共鳴することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１４】
電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
基板と、
該基板の上に設けられた絶縁層と、
該絶縁層の上に設けられた、遷移金属ダイカルコゲナイドまたは黒リンからなる２次元材料層と、
該絶縁層の上に設けられ、該２次元材料層にそれぞれ接続された一対の電極と、
該２次元材料層に接触するように設けられた接触層と、を含み、
該接触層は極性基を持つ材料からなり、該接触層が該２次元材料層に接触することにより、該２次元材料層中に電荷が形成されたことを特徴とする電磁波検出器。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の電磁波検出器が、アレイ状に配置されたことを特徴とするアレイセンサ。
【国際調査報告】
2017145299.tif 000035
2017145299.tif 000036
2017145299.tif 000037