(57)【要約】  グラフェン層に入射した電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器が、表面と裏面とを有する基板と、基板の表面上に設けられた下部絶縁層と、下部絶縁層の上に設けられた、強誘電体層、および強誘電体層を挟んで対向配置された一対の電極と、強誘電体層の上に設けられた上部絶縁層と、下部絶縁層および上部絶縁層の上に、２つの電極を接続するように設けられたグラフェン層とを含み、または下部絶縁層の上に設けられたグラフェン層と、グラフェン層の上に、上部絶縁層を介して設けられた強誘電体層、および該強誘電体層を挟んで対向配置された一対の電極とを含み、下部絶縁層と反対側のグラフェン層の表面が電磁波入射面であり、電磁波により強誘電体層の分極値が変化し、グラフェン層に電圧が印加される。
2018012076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面と裏面とを有する基板と、
該基板の表面上に設けられた下部絶縁層と、
該下部絶縁層の上に設けられた、強誘電体層、および該強誘電体層を挟んで対向配置された一対の電極と、
該強誘電体層の上に設けられた上部絶縁層と、
該下部絶縁層および該上部絶縁層の上に、該２つの電極を接続するように設けられたグラフェン層と、を含み、
該下部絶縁層と反対側の該グラフェン層の表面が電磁波入射面であり、
該グラフェン層に入射した電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
該電磁波により該強誘電体層の分極値が変化し、該グラフェン層に電圧が印加されることを特徴とする電磁波検出器。
【請求項２】
表面と裏面とを有する基板と、
該基板の表面上に設けられた下部絶縁層と、
該下部絶縁層の上に設けられたグラフェン層と、
該グラフェン層の上に、上部絶縁層を介して設けられた強誘電体層、および該強誘電体層を挟んで対向配置された一対の電極と、を含み、
該下部絶縁層と反対側の該グラフェン層の表面が電磁波入射面であり、
該グラフェン層に入射した電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
該電磁波により該強誘電体層の分極値が変化し、該グラフェン層に電圧が印加されることを特徴とする電磁波検出器。
【請求項３】
上記強誘電体層は、上記グラフェン層と上記電極とが接触する界面の下方に配置された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４】
上記強誘電体層は、上記グラフェン層と上記電極とが接触する界面の下方に配置されない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５】
上記強誘電体層は、上記グラフェン層と上記電極とが接触する界面の上方に、該界面を覆うように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
【請求項６】
上記強誘電体層は、上記グラフェン層と上記電極とが接触する界面の上方に、該界面を覆わないように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
【請求項７】
上記２つの電極の間に上記強誘電体層が１つ設けられ、該強誘電体層から２つの該電極までの距離が等しいことを特徴とする請求項１、２、４、６のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項８】
上記２つの電極の間に上記強誘電体層が１つ設けられ、該強誘電体層から２つの該電極までの距離が互いに異な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９】
上記２つの電極の間に、複数の強誘電体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１０】
上記２つの電極の間に、複数の強誘電体層が１次元方向または２次元方向に配置されたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１１】
上記強誘電体層は、異なる強誘電体材料を積層または混合した材料からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１２】
上記グラフェン層は、２層以上の多層構造であ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】
上記グラフェン層は、ナノリボンであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１４】
上記グラフェン層の代わりに、遷移金属ダイカルゴゲナイド、黒リン、シリセン、およびゲルマネンからなるグループから選択される２次元材料層、あるいは上記材料のうち少なくとも二つを積層させた構造が用いられることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１５】
上記２つの電極は、互いに異なる金属からなることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１６】
上記基板の裏面上または上記下部絶縁層の裏面上に、裏面電極が設けられたことを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載の複数の電磁波検出器が、１次元方向または２次元方向にアレイ状に配置されたことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
【請求項１８】
上記複数の電磁波検出器が互いに異なることを特徴とする請求項１７に記載の電磁波検出器アレイ。
【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、電磁波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いという問題があった。
そこで、次世代の電磁波検出器に用いる電磁波検出層の材料として、バンドギャップがゼロまたは極めて小さいグラフェンが注目され、例えば、基板上にゲート酸化膜を設け、その上にグラフェンのチャネル層を堆積し、チャネル層の両端にソースおよびドレインを形成し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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１３−５０２７３５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、電磁波検出器の電磁波検出層をグラフェン単体から形成した場合、グラフェンでは電磁波の吸収率が数％と非常に低いため、検出できる電磁波の波長域は広がっても、検出感度が低くなるという問題があった。【０００５】
そこで、本発明は、広い波長域の電磁波を、高感度で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】
【０００６】
本発明は、
表面と裏面とを有する基板と、
基板の表面上に設けられた下部絶縁層と、
下部絶縁層の上に設けられた、強誘電体層、および強誘電体層を挟んで対向配置された一対の電極と、
強誘電体層の上に設けられた上部絶縁層と、
下部絶縁層および上部絶縁層の上に、２つの電極を接続するように設けられたグラフェン層と、を含み、
下部絶縁層と反対側のグラフェン層の表面が電磁波入射面であり、
グラフェン層に入射した電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
電磁波により強誘電体層の分極値が変化し、その変化によりグラフェン層に電圧が印加されることを特徴とする電磁波検出器である。【０００７】
また、本発明は、
表面と裏面とを有する基板と、
基板の表面上に設けられた下部絶縁層と、
下部絶縁層の上に設けられたグラフェン層と、
グラフェン層の上に、上部絶縁層を介して設けられた強誘電体層、および強誘電体層を挟んで対向配置された一対の電極と、を含み、
下部絶縁層と反対側のグラフェン層の表面が電磁波入射面であり、
グラフェン層に入射した電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
電磁波により強誘電体層の分極値が変化し、その変化によりグラフェン層に電圧が印加されることを特徴とする電磁波検出器でもある。
【発明の効果】
【０００８】
本発明では、入射電磁波の焦電効果により、強誘電体層の表面の分極値が変化し、その変化によって電圧が印加される（以下、「これを分極電圧」とよぶ）。この結果、電磁波の入射によりグラフェン層で発生した光電流に加えて、グラフェン層に分極電圧が印加されることによってもグラフェン層に電流が流れ、高感度で電磁波の検出が可能となる。【０００９】
また、本発明では、強誘電体層を設けることにより、グラフェン層には擬似的なＰＮＰ接合が形成され、この電位勾配（電子密度勾配）により、さらに光電流の取り出し効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【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２Ａ】図１の電磁波検出器の断面図である。
【図２Ｂ】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３】本発明にかかる電磁波検出器の検出感度の増強を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器の上面図である。
【図５Ａ】図４の電磁波検出器の断面図である。
【図５Ｂ】本発明の実施の形態２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３にかかる電磁波検出器の断面図である。
【図７】本発明の実施の形態４にかかる電磁波検出器の断面図である。
【図８】本発明の実施の形態４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５にかかる電磁波検出器の上面図である。
【図１０】本発明の実施の形態５にかかる他の電磁波検出器の上面図である。
【図１１】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１２】本発明の実施の形態６にかかる電磁波検出器の動作原理を説明する図である。
【図１３】本発明の実施の形態６にかかる電磁波検出器の動作原理を説明する図である。
【図１４】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１５】本発明の実施の形態９にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。
【図１６】本発明の実施の形態１０にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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、これらの光や電波を総称して電磁波とも記載する。
【００１２】
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つの電極を有する構造、バックゲートとなる裏面電極を更に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。
【００１３】
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により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、あるいは単に共鳴と呼ぶ。
【００１４】
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２Ａは、図１の電磁波検出器１００をＩＩＡ−ＩＩＡ方向に見た場合の断面図である。
【００１５】
電磁波検出器１００は、略平行な表面と裏面とを有する基板６を含む。基板６は、電磁波検出器１００全体を保持するもので、例えばＳｉ等の半導体材料からなり、具体的には、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などが用いられる。また、後述するように裏面電極３を形成するために不純物が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４を兼ねても良い。
【００１６】
基板６の表面上には、絶縁層（下部絶縁層）４が設けられている。絶縁層４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。特に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。このため、グラフェンと接触しても電荷の移動を妨げず、電子移動度などグラフェンの性能を阻害しないため、グラフェンの下地膜として好ましい。
【００１７】
絶縁層４の上には、一対の電極２が設けられている。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４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。
【００１８】
２つの電極２に挟まれるように、絶縁層４の上に強誘電体層５が設けられる。強誘電体層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、グラフェン層１になるべく大きな電界が印加される厚さが好ましい。ここで「２つの電極２に挟まれる」とは、例えば図２の上面図に示すように、基板６の表面の法線方向から見た場合に、２つの電極２の間に強誘電体層５が存在することをいい、図４のような場合も含む。
【００１９】
また、強誘電体層５の材料は、電磁波による分極効果（焦電効果）を有する材料であれば良い。強誘電体層５の材料の代表的な例として、ＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＳＢＴ（タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム）、ＢＦＯ（ビスマスフェライト）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＨｆＯ２（酸化ハフニウム）。有機ポリマーであるポリフッ化ビニリデン系強誘電体（ＰＶＤＦ、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）等）が挙げられるが、強誘電体材料はこれらに限定されるものではない。
【００２０】
更に異なる強誘電体材料を積層、混合したものでも良い。上記以外の強誘電体材料であっても電磁波により強誘電体に分極の変化が生じれば、本発明の効果は得られる。また、強誘電体材料以外でも、光照射により光誘起相転移が生じて物性が変化するモット絶縁体などを用いても本発明の効果を得ることができる。
【００２１】
図２Ｂは、全体が２１０で表される、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２Ｂ中、図２Ａと同一符号は、同一または相当箇所を示す。図２Ｂに示すように、強誘電体層５は、電磁波検出器１００のようにグラフェン層１の下方（基板の表面方向）のみではなく、電極２とグラフェン層１とが接触する界面の下方に配置されてもよい。また、強誘電体層５は、図２Ｂのように片方の電極２とグラフェン層１との界面の下方だけでなく、双方の電極２とグラフェン層１との界面の下方（基板の表面方向）に配置されても良い。また、強誘電体層５は、グラフェン層１の下方全体に配置しても良いし、グラフェン層１と電極２との界面の下方に部分的に配置しても良い。
【００２２】
強誘電体層５の上には、絶縁層（上部絶縁層）１４が設けられ、強誘電体層５がグラフェン層１と直接接触しないようになっている。強誘電体層５がグラフェン層１と直接接触した場合、強誘電体層５の自発分極とグラフェン層１との間で電荷のやり取りが行われるため、光応答が小さくなる。また、強誘電体層５とグラフェン層１が接触した場合は、強いヒステリシスが生じ、電磁波検出器としては好ましくない。絶縁層１４の厚さは、これらの効果が生じず、かつ強誘電体層５の焦電効果によって生じる電界がグラフェン層１に出来るだけ大きく印加されるような厚さであること好ましい。
【００２３】
絶縁層４、１４、および電極２の上には、２つの電極２に接続されるようにグラフェン層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個分に相当する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を積層することでバンドギャップを形成することが可能となり、吸収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、グラフェン層１は、グラフェンナノリボン単体、あるいは複数のグラフェンナノリボンを積層した構造または、周期的にグラフェンナノリボンが平面上に並んだ構造としても良い。グラフェンナノリボンを周期的に配置した場合、グラフェンにおいてプラズモン共鳴が発生し、光検出器感度を向上させる効果がある。また、グラフェンナノリボンを周期的に配列した構造は、グラフェンメタマテリアルと呼ばれることもあるが、現象としては同じである。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】
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を電磁波検出器１００の隣や下部に設けてもよい。グラフェンを用いた出力増幅回路では、シリコン系の半導体材料を用いた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。また、読み出し回路等の周辺回路にグラフェンを用いることにより、高速読み出しや、製造プロセスの簡素化が可能となる。
【００２７】
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を印加しておくと、グラフェン層１に電磁波が入射することにより生じるグラフェン層１の抵抗値の変化により、電極２の間を流れる電流量Ｉｄが変化する。この電流量Ｉｄの変化を検出することで、グラフェン層１に入射する電磁波の大きさを検出できる。また、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。なお、電極２を１つだけ形成し、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。
【００２８】
なお、電磁波検出器１００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は、電磁波検出器１００の２つの電極２の間に外部バイアスを印加しても、電磁波検出器１００は動作する。ただし、外部バイアスを印加することにより、発生したキャリアの検出効率は高くなる。
【００２９】
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、強誘電体層５に電磁波が入射すると、焦電効果により、強誘電体層５の表面の分極値が変化する。この変化によって、絶縁層１４を介して、グラフェン層１に分極電圧が印加される。この場合、分極電圧がゲート電圧となり、等価的にゲート電圧が印加された状態になる。上述のように、グラフェン層１は、厚さが原子層１層という究極的な薄膜であり、かつ電子の移動度が大きい。このため、通常の半導体と比較して、僅かな電界変化に対しても大きな電流変化を生じる。この結果、電磁波の入射に対して大きな差分電流を取り出すことが可能となり、電磁波を高感度で検出できる。このような効果を光ゲート効果、あるいは光スイッチと呼ぶ。
【００３０】
図３は、光ゲート効果を具体的に説明するための図である。ここでは、説明を分かりやすくするために、裏面電極３を備えた構造（実施の形態６の構造、図１１）を参照しながら説明する。図３では、縦軸がソース・ドレイン間の電流を表し、横軸が裏面電極３に印加されるバックゲート電圧Ｖｂｇを表す。図３中、破線は光の照射が無い場合（光照射無：ｄａｒｋ）であり、実線は光を照射した場合（光照射有：ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ）である。
【００３１】
バックゲート電圧Ｖｂｇを変化させた場合、光照射の無い場合は、通常のグラフェンにおける両極性のトランジスタ動作となる。この時、ディラックポイントを与えるバックゲート電圧ＶｂｇをＶＤＰとする。一方、光を照射した場合、強誘電体層５は焦電効果によって、誘電分極の変化が発生する。この誘電分極の変化が形成する分極電圧が強誘電体層５の上部のグラフェン層１に印加される。この場合、グラフェン層１には、本来裏面電極３から印加されているバックゲート電圧Ｖｂｇと、強誘電体層５の誘電分極の変化に起因する分極電圧との双方が印加される。この変化分の電圧を図３ではＶｐｈと表わしている。よって、光照射の有る場合は、図３中の点線で示す電流−電圧特性となり、ディラックポイント電圧（ＶＤＰ）がＶＤＰ＋Ｖｐｈにシフトする。したがって、このシフトにより、光照射が無い場合と有る場合において電流の差、つまり差分電流（ΔＩｐｈ）が生じる。このΔＩｐｈによって入射電磁波を検出できる。
【００３２】
また、図２Ｂに示すように、強誘電体層５は、グラフェン層１の下方のみではなく、電極２とグラフェン層１とが接触する界面の下方に配置された場合、電極２とグラフェン層１の界面に分極電圧が印加される。一般にグラフェン層１は電極２に用いた金属中の自由電子によりドーピングを受ける。よって、グラフェン層１と電極２の界面にはエネルギーポテンシャルに勾配が生じるため、光電変換した電子を取り出す効率が高くなる。この界面領域を覆うように強誘電体層５を配置することで、強誘電体層５の分極電圧が界面に印加される。これにより、より光電変換した電子を取り出す効率が向上し、結果的に感度が向上する。
【００３３】
既に述べたように、グラフェン層１は、厚さが原子層１層という究極的な薄膜であり、かつ電子の移動度が大きい。このため、通常の半導体と比較して、僅かな電界変化（Ｖｐｈによってグラフェンに印加される電界）に対して大きな電流変化を生じる。例えば、外部電圧の変化（Ｖｐｈ）によって印加されるグラフェンへの電界に対する、電流変化量（Ｉｐｈ）は通常の半導体と比較して、移動度と膜厚から算出すると、最低数１００〜数１０００倍程度大きくなる。
【００３４】
以上のように、光照射によって生じた誘電分極の変化を分極電圧とすることで、グラフェンの低い効率の光電変換（２．３％）と比較して、変換効率を劇的に大きくすることができる。このような光ゲート効果は、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、光入射による電流変化を大きくするため、等価的に光入射による差分電流から算出した量子効率は１００％を超えることができる。よって、従来の高感度化手法と比較して非常に大きな効果（数１００〜数１０００倍程）を得ることができる。また、本効果に加えて、グラフェン本来の２．３％の吸収効率に起因する光電流も生じる。
【００３５】
また、図１に示すように、２つの電極（ソース電極とドレイン電極）２の間に強誘電体層５を設けた場合、下部に強誘電体層５の無いグラフェン層１の領域と、下部に強誘電体層５が存在するグラフェン層１の領域とでは、印加される分極電圧が異なるため、それぞれの領域でフェルミレベルに差が生じる。つまり、電位勾配が生じ、疑似的なＰＮＰ接合（あるいはＮＰＮ接合）が形成される。この現象について説明する。なお、Ｎ、Ｐは半導体導電型であるＮ型、Ｐ型を意味する。
【００３６】
グラフェンの場合は、両極性であるため、半導体におけるＮ、Ｐ型とは異なるが、分極電圧によってフェルミエネルギーを調整することができるため、多数キャリアが電子または正孔のいずれであるかを選択可能で、等価的にＮ型、Ｐ型にすることができる。つまり、グラフェン本体に印加される電圧が異なる領域間では、キャリア密度が異なるためこれらの領域間では電位勾配が形成される。この電位勾配をここでは、ＰＮＰ型と例として説明する。このＰＮＰ接合（あるいはＮＰＮ接合）の有する電位勾配により、さらに光電流の取り出し効率が向上する。このように、２つの電極（ソース電極とドレイン電極）２の間に挟まれるように強誘電体層５を設けることで、電位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する。
【００３７】
なお、強誘電体層５が、２つの電極２の間の一部ではなく、全面に形成されても、光ゲート効果を得ることができる。
【００３８】
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。
【００３９】
工程１：互いに略平行で平坦な表面と裏面とを有する基板６を準備する。基板６は、例えばシリコンからなる。
【００４０】
工程２：基板６の上に、絶縁層４を形成する。絶縁層４は、例えば基板６がシリコンの場合は、熱酸化により形成された酸化シリコン（ＳｉＯ２）でもよい。また、ＣＶＤ法やスパッタ法を用いて他の絶縁層４を形成してもよい。
【００４１】
工程３：絶縁層４上に強誘電体層５を形成する。強誘電体層５がポリマー系材料からなる場合、スピンコート法などによりポリマー膜を形成した後に、フォトリソグラフィー法を用いてゲートとして動作する形状に加工する。他の材料の場合は、スパッタや蒸着、ＭＯＤコート法などで成膜した後に、フォトリソグラフィー法を用いてパターニングする。強誘電体層５を形成した後に、強誘電体層５を覆うように絶縁層１４を形成する。
【００４２】
工程４：絶縁層４の上に、強誘電体層５を挟むように電極２を形成する。電極２は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等からなる。電極２を形成する場合、下部の絶縁層４との密着性を上げるために、電極２の下にＣｒやＴｉの密着膜（図示せず）を形成しても良い。電極２は、写真製版やＥＢ描画などを用いて、所定の部分が開口したレジストマスクを絶縁層４の上に形成した後、Ａｕ等の金属層を蒸着やスパッタリングなどで堆積して形成する。
【００４３】
工程５：電極２および絶縁層４、１４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り形成する。または、予めＣＶＤ法を用いて形成したグラフェンを転写して貼り付けても良いし、機械剥離などで剥離したグラフェンを転写して貼り付けても良い。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、電極２の上や電極２の間のチャネル部分以外の不用なグラフェンを選択的に除去し、グラフェン層１を形成する。
【００４４】
例えば、具体的な電磁波検出器１００の構造としては、図２の断面で見た場合に、２つの電極２の間隔は５０μｍ、電極２の長さは５０μｍである。電極２は、金属の多層構造からなり、最表面が金であり、厚さは３０ｎｍである。電極２と絶縁層４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（図示せず）。絶縁層４はシリコンの熱酸化膜（ＳｉＯ２）からなり、厚さは２９０ｎｍである。基板６はＰ型にドープされたシリコンからなる。
【００４５】
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。ここでは、電極２の上にグラフェン層１を形成したが、後述するように、予めグラフェン層１を形成し、その上に電極２を形成した構造を用いても良い。なお、このような構造を用いる場合は、電極２を形成する際にグラフェン層１がプロセスダメージを受けるのを防止するために、グラフェン層１の上に保護膜を形成することが好ましい。このような保護膜により、外部からの汚染やノイズなどからグラフェン層１を保護することも可能となり、より性能の高い電磁波検出器が得られる。
【００４６】
実施の形態２．
図４は、全体が２００で表される本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器の上面図であり、図５Ａは、図４の電磁波検出器２００をＶＡ−ＶＡ方向に見た場合の断面図である。図４、５Ａ中、図１、２と同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００４７】
実施の形態２にかかる電磁波検出器２００が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、強誘電体層５が、絶縁層（下部絶縁層）４の上ではなく、絶縁層（上部絶縁層）７を介して、グラフェン層１の上に形成されている点である。強誘電体層５による光ゲート効果のメカニズムや光電流増強効果等は、実施の形態１の電磁波検出器１００と同様である。
【００４８】
実施の形態２にかかる電磁波検出器２００では、強誘電体層５がグラフェン層１の上に形成されるため、強誘電体層５に入射する電磁波の強度が大きくなり、光ゲート効果は大きくなる。これにより、電磁波の検出感度の高い電磁波検出器２００が得られる。
【００４９】
図５Ｂは、全体が２１０で表される、本発明の実施の形態２にかかる他の電磁波検出器の断面図である。図５Ｂ中、図５Ａと同一符号は、同一または相当箇所を示す。図５Ｂに示すように、強誘電体層５は、電極２とグラフェン層１とが接触する界面の上方（基板と反対側）に、界面を覆うような位置に配置されてもよい。実施の形態１で述べたものと同様の原理により、グラフェン層１と電極２との界面の上方に強誘電体層５を配置することにより、強誘電体層５に入射する電磁波の強度が大きくなり、光ゲート効果はより大きくなり、電磁波の検出感度の高い電磁波検出器２１０が得られる。
【００５０】
強誘電体層５は、図５Ｂのように、片方の電極２とグラフェン層１との界面の上方だけでなく、双方の電極２とグラフェン層１との界面の上方に、配置しても良い。また、強誘電体層５はグラフェン層１の上方全体に設置しても良いし、グラフェン層１と電極２の界面の上方に部分的に配置しても良い。
【００５１】
製造方法についても、上述の電磁波検出器１００の製造方法と略同じであり、電極２を形成した後に、強誘電体層５を形成せずに、グラフェン層１を形成する。続いて、グラフェン層１の上に保護膜として絶縁層７を蒸着などで形成する。絶縁層７の厚さは、強誘電体層５の分極電圧が、グラフェン層１によく印加されるように、できるだけ薄い方が望ましい。続いて、絶縁層７の上に強誘電体層５を形成する。これにより、電磁波検出器２００が完成する。
【００５２】
実施の形態３．
図６は、全体が３００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断面図である。図６は、図１のＩＩＡ−ＩＩＡ方向と同じ方向に見た場合の断面図であり、図６中、図２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
【００５３】
実施の形態３にかかる電磁波検出器３００が、実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、絶縁層４の上に形成された強誘電体層５と、強誘電体層５を挟むように設けられた２つの電極（ソース電極およびドレイン電極）２において、強誘電体層５からそれぞれの電極２までの距離が違いに異なる点である。他の構造は同一である。
【００５４】
上述のように、下部に強誘電体層５の無いグラフェン層１の領域と、下部に強誘電体層５が存在するグラフェン層１の領域とでは、グラフェン層１に印加される分極電圧が異なるため、疑似的なＰＮＰ接合が形成され、電位勾配が形成される。この電位勾配は、例えば、図２においては強誘電体層５の両側の構造は対称であるため、２つの電極２の間のバイアスはゼロである。この場合、電磁波が入射することによってグラフェン層１で生じた光電流は、強誘電体層５の左と右の領域で、互いに逆方向に同じだけ流れる。よって、２つの電極（ソース電極およびドレイン電極）の間の電流は相殺されてゼロになる。
【００５５】
これに対して、本実施の形態３にかかる電磁波検出器３００では、強誘電体層５を挟む２つの電極２の位置が非対称（距離が異なる）となり、強誘電体層５の両側のグラフェン層１中のポテンシャルには差異が生じる。つまり、強誘電体層５の左右にあるグラフェン層１の電位勾配を非対称にすることが可能となる。電位勾配が非対称になるのは、グラフェン層１に印加されるバイアス電圧が強誘電体層５の左右で異なることによる。つまり、２つの電極２の間でグラフェン層１に流れる電流の総和は相殺されてゼロにはならず、２つの電極の間に光電流が流れ、この結果、２つの電極２の間にバイアス電圧を印加する必要が無くなる。バイアス電圧の印加が不要となるため、ＯＦＦ動作が困難であるというグラフェンの物性に起因する根本的な欠点を克服できる。この結果、良好なＳ／Ｎ比を備えた電磁波検出器３００を得ることができる。
【００５６】
実施の形態４．
図７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断面図である。図７は、図１のＩＩＡ−ＩＩＡ方向と同じ方向に見た場合の断面図であり、図８中、図２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
【００５７】
実施の形態４にかかる電磁波検出器４００が、実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、電磁波検出器１００では、２つの電極２の中央に設けられていた強誘電体層５が、２つの電極２に挟まれるように、（図７の左右方向に）並列に３つ設けられている点である。他の構造は同一である。
【００５８】
上述のように、２つの電極２の間に挟まれるように強誘電体層５を設けることで、グラフェン層１の中に電子密度勾配を形成することができる。電磁波検出器４００では、２つの電極２の間に、３つの強誘電体層５を設けることで、３つの電子密度勾配が直列に形成され、階段状の電子密度勾配が形成される。つまり、２つの電極２の間に印加されるバイアス電圧が増加するのと同じ効果があり、光電流の取り出し効率が向上する。強誘電体層５の間隔や数を適宜調整することによって、電子密度勾配を調整することが可能であるため、これにより、グラフェン層１の中に最適なバイアス電圧を形成することが可能となる。
【００５９】
図８は、全体が４１０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断面図である。図８は、図４のＶＡ−ＶＡ方向と同じ方向に見た場合の断面図であり、図８中、図４と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
【００６０】
実施の形態４にかかる電磁波検出器４１０が、実施の形態２の電磁波検出器２００と異なる点は、電磁波検出器２００では、２つの電極２の中央に設けられていた強誘電体層５が、（図８の左右方向に）並列に３つ設けられている点である。他の構造は同一である。
【００６１】
電磁波検出器４１０では、２つの電極２の間に、３つの強誘電体層５を設けることで、２つの電極２に挟まれたグラフェン層１の中に、３つの電子密度勾配が直列に形成され、階段状の電子密度勾配が形成される。これにより、２つの電極２の間に印加されるバイアス電圧が増加し、光電流の取り出し効率が向上する。電磁波検出器４１０でも、強誘電体層５の間隔や数を適宜調整することによって、電子密度勾配を調整することが可能であるため、これにより、グラフェン層１の中に最適なバイアス電圧を形成することが可能となる。
【００６２】
なお、電磁波検出器４００、４１０では、強誘電体層５の数を３つとしたが、これに限定されるものではなく、強誘電体層５が２つ以上あれば同様の効果が得られる。
【００６３】
実施の形態５．
図９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上面図であり、図１０は、全体が５１０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上面図である。図９、１０中、図４と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
【００６４】
実施の形態５にかかる電磁波検出器５００、５１０が、図４に示される実施の形態２の電磁波検出器２００と異なる点は、電磁波検出器５００、５１０では、強誘電体層５が、絶縁層７の上に、１次元あるいは２次元方向に周期的に配置されている点である。強誘電体層５が光ゲートとして作用する点は、電磁波検出器２００と同じであるが、更に所定の周期で強誘電体層５を配置することで、入射する電磁波を回折することが可能となる。また、同時に表面プラズモン共鳴によって表面波を形成することも可能となる。
【００６５】
グラフェンは表面プラズモン共鳴を伝搬する場合に、損失が少ない材料として知られている。このため、強誘電体層５で回折した電磁波、または表面に結合した電磁波は、グラフェン層の表面上を伝搬することが可能となる。これにより、回折または結合された特定波長のみをグラフェン層１によって検出することが可能になる。
【００６６】
図９に示すように、強誘電体層５が、絶縁層７の上に、一方の電極から他方の電極に向かう方向（図９では横方向）に、１次元方向に周期的に配置されている場合は、電磁波照射面が非対称構造になる。例えば、図９では横方向と縦方向に対して、入射電磁波の偏光に依存して回折が異なることになる。この結果、強誘電体層５によって、特定の偏光を回折あるいは、グラフェン表面に結合することが可能となる。入射電磁波の特定の偏光のみが、グラフェン層１および強誘電体層５に結合するため、特定の偏光のみを検出する波長選択的な検出が可能となる。このように、本構造により、所定の偏光を検出する電磁波検出器５１０が実現し、偏光イメージングへの応用が可能になる。
【００６７】
図１０に示すように、強誘電体層５が、絶縁層７の上に、マトリックス状に、２次元方向に周期的に配置されており、強誘電体層５が正方形や丸型など対称性の高い形状の場合は、入射電磁波の偏光に依存せず、特定の波長のみがグラフェン層１および強誘電体層５に結合し、特定の波長のみを検出する波長選択的な検出が可能となる。特定の波長のみを検出することができれば、例えば、赤外線やテラヘルツ波長域において、ガス分析や有害物質の識別などに用いることができる。
また、強誘電体層５が長方形や楕円型など非対称性の高い形状の場合は、前述のように入射電磁波の偏光に依存した光学応答となるため、所定の偏光を検出する電磁波検出器５１０が実現し、偏光イメージングへの応用が可能になる。
【００６８】
なお、強誘電体層５の周期や大きさを変えることにより、検出できる偏光を選択することが可能となる。
【００６９】
実施の形態６．
図１１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。電磁波検出器６００では、基板６の裏面に裏面電極３が設けられている以外は、電磁波検出器１００と同一構造である。裏面電極３は、例えば基板６の裏面上に形成した金属電極からなり、例えば電極２と同じ材料が用いられる。また、裏面電極３は、基板６の裏面側に不純物を注入して形成しても良い。また、基板６の代わりに絶縁層４の裏面上に裏面電極を設けても良い。裏面電極３はバックゲート電極とも呼ばれる。
【００７０】
電磁波検出器６００では、基板６の裏面電極３をゲート電極として、２つの電極（ソース電極およびドレイン電極）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す。この場合、基板６の裏面電極３に印加されるバックゲート電圧を制御することにより、ＯＦＦ電流をゼロにすることができる。
【００７１】
ＯＦＦ電流をゼロにする原理について説明する。グラフェン層１の電子状態密度は、裏面電極３に印加されるバックゲート電圧によって制御される。つまり、バックゲート電圧がマイナスおよびプラスの場合は、グラフェン層１は、Ｐ型およびＮ型となる。同様の原理により、強誘電体層５の分極の変化で生じる分極電圧よって、グラフェン層１もＰ型またはＮ型になる。よって、その左右のグラフェン層１との間に電位勾配が生じ、電界が印加されることから、強誘電体層５から両側の電極２に向かって、互いに逆向きに電流が流れる。強誘電体層５の両側の完全に対称の場合は、左右の電流は打ち消し合ってゼロとなる。この状態を図１２に示す。この時、光照射の無い場合の電流をゼロにすることができる。つまり、ＯＦＦ状態を実現することが可能であり、グラフェン光検出器の根本的な短所である暗電流をゼロにすることができ、高いＳＮ比を有する光検出器が実現できる。
【００７２】
図１２に示す状態では、強誘電体層５の上とその両側で、グラフェン層１に印加される電圧が異なるため、グラフェン層１に疑似的なＰＮＰ接合が形成される。図１２では、強誘電体層５の上の領域を仮にＮ型、その周囲をＰ形としている。強誘電体層５の表面分極の正負は材料や作製方法によって決まるため、適宜、設計に適した材料や方法を用いれば良い。
【００７３】
次に、裏面電極３のバックゲート電圧を調整することで、グラフェンのフェルミレベルを調整できることから、図１３に示すように、強誘電体層５の左右のグラフェン層１の中の電流量を非対称にできる。これにより、左右の電流は打ち消し合うことはなく、高効率で光電流を取り出すことが可能となる。
【００７４】
なお、グラフェン層１の中の電流量は、バックゲート電圧で調整しても良いし、既に述べたように、強誘電体層５を２つの電極２の中央では無く、非対称な位置に設定することで調整しても良い。また、バックゲート電圧と、強誘電体層５の位置の非対称性の、双方を組み合わせて調整しても良い。この場合、一方で調整するより、大きな電位勾配の形成が可能になり、光電流の取り出し効率が大きくなる。
【００７５】
このように、実施の形態６にかかる電磁波検出器６００では、裏面電極３にバックゲート電圧を印加することにより、光が入射しない場合にグラフェントランジスタに流れる電流をゼロに調整することができる。よって、通常のグラフェントランジスタでは困難なＯＦＦ状態が実現できる。
【００７６】
なお、他の実施の形態にかかる電磁波検出器においても、裏面電極３を設けることにより、光電流の取り出し効率が大きくすることができる。
【００７７】
実施の形態７．
図１４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１４は、図１のＩＩＡ−ＩＩＡ方向と同じ方向に見た場合の断面図であり、図１４中、図２と同一符号は、同一または相当箇所を示す。
【００７８】
実施の形態７にかかる電磁波検出器７００が、図２に示される実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、２つの電極が、互いに異なる金属からなる電極８（例えばソース電極）と電極９（例えばドレイン電極）から形成されている点である。
【００７９】
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、電極８と電極９（ソース電極とドレイン電極）との間で、グラフェン層１の有するエネルギーギャップが異なるようになる。この結果、電磁波が照射された場合、発生したキャリアにより、電極８と電極９との間の光電流が増大し、感度を向上させることができる。また、電極８、９の平面形状は、図１４に示すように長方形でもよいが、これに限定されるものではない。
【００８０】
なお、電極の形状をボウタイアンテナ状にしたり、あるいは電極間の距離を近づけて、アンテナ効果や電極間でのプラズモン共鳴を起こすことで、特定の波長のみの検出効率を大きくすることも可能である。
【００８１】
実施の形態８．
本発明の実施の形態８にかかる電磁波検出器（図示せず）では、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００のグラフェン層１の代わりに、遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リン（Ｂｌａｃｋ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ）、シリセン、ゲルマネンなどの２次元材料を用いる。他の構造は電磁波検出器１００と同様である。
【００８２】
また、グラフェン層１を１０ｎｍから１００ｎｍ程度の幅をもつ短冊状に加工した、グラフェンナノリボンを用いても良い。この場合、グラフェン自体のプラズモン共鳴が生じるため、波長１０μｍ程度で吸収が増加する。よって、感度を増強することができる。また、ナノリボンの長手方向に垂直な電界のみを選択的に吸収することができるため、偏光検知が可能である。よって、偏光を検出する偏光イメージセンサの実現が可能である。
【００８３】
これらの２次元材料は、グラフェンと類似の構造であり、原子が２次元面内に単層状態で配列可能な材料の総称である。なかでも、代表的な遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料は、グラフェンと同様の原子層状構造を有する。具体的には、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。また、これらの材料のうち同種の材料、あるいは異なる材料同士を積層した構造を用いても良い。あるいはプロベスカイトとグラフェンの接合、または異なる２次元材料の接合を用いても良い。
【００８４】
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、オフ電流はほぼゼロで、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。
【００８５】
また、遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リンなどの２次元材料を積層する層の数により、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の数によって選択できる。例えば、ＭｏＳ２、ＷＳ２などは、可視光波長に相当するバンドギャップを有する。また、黒リンは中赤外域に相当するバンドギャップを有する。これにより、特定の波長の電磁波のみを検出する波長選択型の電磁波検出器を得ることができる。
【００８６】
また、従来の半導体検出器のように、半導体材料の組成によってバンドギャップをコントロールする必要がないため、製造工程が容易である。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。
【００８７】
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、バンドギャップの調整が可能になる。さらに積層方向を制御することで、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。
【００８８】
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効果やトンネル電効果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。特に、熱雑音が支配的となる赤外波長域においてはトンネル効果を利用した熱雑音の低減は大きな効果がある。また、これにより常温動作も可能となる。
【００８９】
実施の形態９．
図１５は、全体が１０００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アレイの上面図である。図１５の電磁波検出器アレイ１０００では、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００が、２×２のマトリックス状に配置されているが、配置する電磁波検出器１００の数はこれに限定されるものではない。また、図１５では、２次元に所定の周期で配列したが、１次元に所定の周期で配置しても良い。また、周期的ではなく異なる間隔で配置しても良い。
【００９０】
このように、グラフェン層１を用いた電磁波検出器アレイ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。特にアレイ化することで画像センサとしても使用できる。例えば、電磁波検出器アレイ１０００を車載センサに適用した場合、昼間は可視光画像用カメラとして使用でき、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い。光学系は波長毎に切り替える必要があり、それぞれ適した組み合わせを用いる。
【００９１】
なお、電磁波検出器アレイ１０００の外側に、それぞれの電磁波検出器１００から得られた電気信号を読み出す読み出し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。
【００９２】
実施の形態１０．
図１６は、全体が２０００で表される、本発明の実施の形態１０かかる電磁波検出器アレイの上面図である。図１６では、互いに種類の異なる電磁波検出器１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄが、２×２のマトリックス状に配置されている。配置する電磁波検出器の数はこれに限定されるものではない。図１６では２次元に所定の周期で配列したが、１次元に所定の周期で配置しても良い。また、周期的ではなく異なる間隔で配置しても良い。
【００９３】
実施の形態１０にかかる電磁波検出器アレイ２０００では、実施の形態１〜８で述べた種類の異なる電磁波検出器を、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。
【００９４】
図１６に示す電磁波検出器アレイ２０００において、例えば、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しても良い。具体的には、実施の形態１〜８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、電磁波検出器アレイ２０００は、少なくとも２つ以上の異なる波長の電磁波を検出することができるようになる。
【００９５】
このように異なる検出波長を有する電磁波検出器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（波長を識別）した画像を得ることができる。
【００９６】
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、物体の位置検出用センサとして用いることができる。電磁波検出器アレイ２０００の構造により、複数波長の電磁波の強度を検出する画像センサが得られる。これにより、従来、ＣＭＯＳ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。
【００９７】
更に、検出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、偏光識別イメージセンサを形成することもできる。例えば、検知する偏光角度を０°、９０°、４５°、１３５°とした画素４つを一単位として、複数配置することで偏光イメージングが可能になる。偏光識別が可能なイメージセンサは、例えば人工物と自然物の識別や、材料識別、赤外波長域における同一温度物体の識別、物体間の境界の識別、等価的な分解能の向上などが可能になる。
【符号の説明】
【００９８】
１  グラフェン層、２  電極、３  裏面電極、４  絶縁層、５  強誘電体層、６  基板、７  絶縁層、８  電極、９  電極、１４  絶縁層、１００  電磁波検出器、１０００、２０００  電磁波検出器アレイ。
【図１】
2018012076.tif 000003
【図２Ａ】
2018012076.tif 000004
【図２Ｂ】
2018012076.tif 000005
【図３】
2018012076.tif 000006
【図４】
2018012076.tif 000007
【図５Ａ】
2018012076.tif 000008
【図５Ｂ】
2018012076.tif 000009
【図６】
2018012076.tif 000010
【図７】
2018012076.tif 000011
【図８】
2018012076.tif 000012
【図９】
2018012076.tif 000013
【図１０】
2018012076.tif 000014
【図１１】
2018012076.tif 000015
【図１２】
2018012076.tif 000016
【図１３】
2018012076.tif 000017
【図１４】
2018012076.tif 000018
【図１５】
2018012076.tif 000019
【図１６】
2018012076.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成29年9月15日(2017.9.15)
【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】
表面と裏面とを有する基板と、
該基板の表面上に設けられた下部絶縁層と、
該下部絶縁層の上に設けられた、強誘電体層、および該強誘電体層を挟んで対向配置された一対の電極と、
該強誘電体層の上に設けられた上部絶縁層と、
該下部絶縁層および該上部絶縁層の上に、該２つの電極を接続するように設けられたグラフェン層と、を含み、
該下部絶縁層と反対側の該グラフェン層の表面が電磁波入射面であり、
該グラフェン層に入射した電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
該電磁波により該強誘電体層の分極値が変化し、該分極値の変化に応じたゲート電圧が該グラフェン層に印加されることを特徴とする電磁波検出器。
【請求項２】
表面と裏面とを有する基板と、
該基板の表面上に設けられた下部絶縁層と、
該下部絶縁層の上に設けられたグラフェン層と、
該グラフェン層の上に、上部絶縁層を介して設けられた強誘電体層、および該強誘電体層を挟んで対向配置された一対の電極と、を含み、
該下部絶縁層と反対側の該グラフェン層の表面が電磁波入射面であり、
該グラフェン層に入射した電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
該電磁波により該強誘電体層の分極値が変化し、該分極値の変化に応じたゲート電圧が該グラフェン層に印加されることを特徴とする電磁波検出器。
【請求項３】
上記強誘電体層は、上記グラフェン層と上記電極とが接触する界面の下方に配置された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４】
上記強誘電体層は、上記グラフェン層と上記電極とが接触する界面の下方に配置されない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５】
上記強誘電体層は、上記グラフェン層と上記電極とが接触する界面の上方に、該界面を覆うように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
【請求項６】
上記強誘電体層は、上記グラフェン層と上記電極とが接触する界面の上方に、該界面を覆わないように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
【請求項７】
上記２つの電極の間に上記強誘電体層が１つ設けられ、該強誘電体層から２つの該電極までの距離が等しいことを特徴とする請求項１、２、４、６のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項８】
上記２つの電極の間に上記強誘電体層が１つ設けられ、該強誘電体層から２つの該電極までの距離が互いに異な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９】
上記２つの電極の間に、複数の強誘電体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１０】
上記２つの電極の間に、複数の強誘電体層が１次元方向または２次元方向に配置されたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１１】
上記強誘電体層は、異なる強誘電体材料を積層または混合した材料からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１２】
上記グラフェン層は、２層以上の多層構造であ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】
上記グラフェン層は、ナノリボンであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１４】
上記グラフェン層の代わりに、遷移金属ダイカルゴゲナイド、黒リン、シリセン、およびゲルマネンからなるグループから選択される２次元材料層、あるいは上記材料のうち少なくとも二つを積層させた構造が用いられることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１５】
上記２つの電極は、互いに異なる金属からなることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１６】
上記基板の裏面上または上記下部絶縁層の裏面上に、裏面電極が設けられたことを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載の複数の電磁波検出器が、１次元方向または２次元方向にアレイ状に配置されたことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
【請求項１８】
上記複数の電磁波検出器が互いに異なることを特徴とする請求項１７に記載の電磁波検出器アレイ。
【手続補正書】
【提出日】平成30年1月4日(2018.1.4)
【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】
表面と裏面とを有する基板と、
該基板の表面上に設けられた下部絶縁層と、
該下部絶縁層の上に設けられた、強誘電体層、および該強誘電体層を挟んで対向配置された一対の電極と、
該強誘電体層の上に設けられた上部絶縁層と、
該下部絶縁層および該上部絶縁層の上に、該２つの電極を接続するように設けられたグラフェン層と、を含み、
該下部絶縁層と反対側の該グラフェン層の表面が電磁波入射面であり、
該グラフェン層に入射した電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
該電磁波により該強誘電体層の分極値が変化し、該分極値の変化に応じたゲート電圧が該グラフェン層に印加されることを特徴とする電磁波検出器。
【請求項２】
表面と裏面とを有する基板と、
該基板の表面上に設けられた下部絶縁層と、
該下部絶縁層の上に設けられたグラフェン層と、
該グラフェン層の上に、上部絶縁層を介して設けられた強誘電体層、および該強誘電体層を挟んで対向配置された一対の電極と、を含み、
該下部絶縁層と反対側の該グラフェン層の表面が電磁波入射面であり、
該グラフェン層に入射した電磁波を光電変換して検出する電磁波検出器であって、
該電磁波により該強誘電体層の分極値が変化し、該分極値の変化に応じたゲート電圧が該グラフェン層に印加されることを特徴とする電磁波検出器。
【請求項３】
上記強誘電体層は、上記グラフェン層と上記電極とが接触する界面の下方に配置された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４】
上記強誘電体層は、上記グラフェン層と上記電極とが接触する界面の下方に配置されない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５】
上記強誘電体層は、上記グラフェン層と上記電極とが接触する界面の上方に、該界面を覆うように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
【請求項６】
上記強誘電体層は、上記グラフェン層と上記電極とが接触する界面の上方に、該界面を覆わないように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
【請求項７】
上記２つの電極の間に上記強誘電体層が１つ設けられ、該強誘電体層から２つの該電極までの距離が等しいことを特徴とする請求項１、２、４、６のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項８】
上記２つの電極の間に上記強誘電体層が１つ設けられ、該強誘電体層から２つの該電極までの距離が互いに異な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９】
上記２つの電極の間に、複数の強誘電体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１０】
上記２つの電極の間に、複数の強誘電体層が１次元方向または２次元方向に配置されたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１１】
上記強誘電体層は、異なる強誘電体材料を積層または混合した材料からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１２】
上記グラフェン層は、２層以上の多層構造であ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】
上記グラフェン層は、ナノリボンであることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１４】
上記グラフェン層の代わりに、遷移金属ダイカルゴゲナイド、黒リン、シリセン、およびゲルマネンからなるグループから選択される２次元材料層、または、該２次元材料層のうち少なくとも二つを積層させた積層構造、あるいは、
該グラフェン層に加えて、該２次元材料層を積層した積層構造、が用いられることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１５】
上記２つの電極は、互いに異なる金属からなることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１６】
上記基板の裏面上または上記下部絶縁層の裏面上に、裏面電極が設けられたことを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載の複数の電磁波検出器が、１次元方向または２次元方向にアレイ状に配置されたことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
【請求項１８】
上記複数の電磁波検出器が互いに異なることを特徴とする請求項１７に記載の電磁波検出器アレイ。
【国際調査報告】
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