(57)【要約】  電磁波検出器は、絶縁層の上に並置された受光グラフェンおよび参照グラフェンと、これを挟んで対向配置された第１電極および第２電極と、受光グラフェンおよび参照グラフェンにゲート電圧を印加するゲート電極と、第２電極の間に接続された平衡回路と検出回路とを含み、受光グラフェンは、電磁波が入射した場合にバンド内遷移により光キャリアが発生し、参照グラフェンは、電磁波が入射した場合にパウリブロッキング効果により光キャリアが発生せず、受光グラフェンおよび参照グラフェンに電磁波が入射しない状態で、平衡回路は、第１電極と第２電極を同一電位にし、受光グラフェンおよび参照グラフェンに電磁波が入射した状態で、第２電極の間の電気信号を検出する。
2018173347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の検出波長の電磁波を電気信号に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、を含み、
さらに、以下の（ａ）または（ｂ）の構成：
（ａ）該絶縁層の上に並置された受光グラフェンおよび参照グラフェンと、
該受光グラフェンおよび該参照グラフェンを挟んで対向配置された第１電極および第２電極であって、
該第１電極は、該受光グラフェンおよび該参照グラフェンの一端で双方に電気的に接続された１つの電極であり、
該第２電極は、該受光グラフェンおよび該参照グラフェンの他端にそれぞれ電気的に接続された２つの電極である、該第１電極および該第２電極と、
該受光グラフェンおよび該参照グラフェンにゲート電圧を印加するゲート電極と、
２つの該第２電極の間に接続された平衡回路と、
２つの該第２電極の間の電気信号を検出する検出回路と、
を含み、
該受光グラフェンは、キャリアがドーピングされて、該検出波長を有する電磁波が入射した場合にバンド内遷移により光キャリアが発生し、
該参照グラフェンは、キャリアがドーピングされて、該検出波長を有する電磁波が入射した場合にパウリブロッキング効果により光キャリアが発生せず、
該受光グラフェンおよび該参照グラフェンに、該検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、該平衡回路は、該第１電極と該第２電極とを同一電位にし、
該受光グラフェンおよび該参照グラフェンに、該検出波長の電磁波が入射した状態で、該検出回路が、該第２電極の間の電気信号を検出し、
該検出波長を有する電磁波が入射した状態の電気信号を出力すること、
（ｂ）該絶縁層の上に設けられたグラフェンと、
該グラフェンを挟んで対向配置された第１電極および第２電極であって、該グラフェンの一端に電気的に接続された該第１電極と、該グラフェンの他端に電気的に接続された第２電極と、
該グラフェンにゲート電圧を印加するゲート電極と、
該第１電極と該第２電極の間の電気信号を検出する検出回路と、
を含み、
該ゲート電圧は、
該検出波長を有する電磁波が入射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するように、該グラフェンにキャリアをドーピングする第１ゲート電圧と、
該検出波長を有する電磁波が入射した場合に、パウリブロッキング効果により光キャリアが発生しないように、該グラフェンにキャリアをドーピングする第２ゲート電圧と、を含み、さらに、該検出波長を有する電磁波が入射しない場合に、該第１ゲート電圧を印加した状態と、該第２ゲート電圧を印加した状態において、該第１電極と該第２電極との間の電流または電圧が同一になるようなゲート電圧であり、
該検出波長を有する電磁波が入射した場合の、該第１ゲート電圧を印加した状態と、該第２ゲート電圧を印加した状態との、該電気信号の差分を出力すること、
を有することを特徴とする電磁波検出器。
【請求項２】
上記受光グラフェンおよび上記参照グラフェンは、上記ゲート電圧の印加によりキャリアがドーピングされる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】
上記平衡回路は、上記受光グラフェンと上記参照グラフェンと２個以上の抵抗素子とが組み合わされたブリッジ回路、または該受光グラフェンと３個以上の抵抗素子とが組み合わされたブリッジ回路である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】
上記抵抗素子は、半導体薄膜トランジスタ素子、薄膜抵抗素子、２次元材料トランジスタ素子、および上記参照グラフェンを用いたトランジスタ素子からなるグループから選択された１または複数の素子により構成されたことを特徴とする請求項３に記載の電磁波検出器。
【請求項５】
上記検出回路として差動増幅回路を用い、上記受光グラフェンおよび上記参照グラフェンを電気的に直列接続する上記第１電極から出力された電磁波照射時の差分電流を、差動増幅回路の入力として用いる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６】
上記ゲート電極は、上記受光グラフェンおよび上記参照グラフェンの少なくともいずれか一方または双方、もしくは上記グラフェンの上または下の少なくとも一方に設けられた絶縁層上または下の少なくとも一方に設けられ、該受光グラフェンおよび該参照グラフェン、または該グラフェンに、該ゲート電極から電圧を印加する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】
さらに、上記受光グラフェンおよび上記参照グラフェンの一方または双方、もしくは上記グラフェンの上部または下部に、該受光グラフェンおよび該参照グラフェン、または上記グラフェンに接触して設けられた接触層であって、該受光グラフェンおよび該参照グラフェン、または上記グラフェンに正孔または電子を供給する該接触層を含む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】
上記接触層は、量子ドット、強誘電体材料、フラーレン、液晶材料、およびプラズモンアンテナからなるグループから選択されることを特徴とする請求項７に記載の電磁波検出器。
【請求項９】
上記参照グラフェンに入射する上記電磁波の光路中に、遮光部が設けられている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】
上記受光グラフェンと、上記第１電極または上記第２電極との、いずれか一方の界面に入射する上記電磁波の光路中に、遮光部が設けられている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】
上記受光グラフェン、上記参照グラフェン、および上記グラフェンは、グラフェン材料、グラフェンナノリボン材料、およびカーボンナノ材料からなるグループから選択された材料の１層構造または２層以上の積層構造を有す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】
さらに、上記検出波長を有する電磁波が入射しない場合の上記受光グラフェンおよび上記参照グラフェンの電流値または電圧値を検出して、上記受光グラフェンおよび上記参照グラフェンが同一抵抗値を有するように随時補正する補正回路を有する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１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の電磁波検出器を１つの画素として、該画素をアレイ状に配置したことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
【請求項１４】
上記受光グラフェンおよび上記参照グラフェン、または上記グラフェンの長手方向が、それぞれ４５°ずつ異なる４つの電磁波検出器を画素としてアレイ状に配置したことを特徴とする請求項１３に記載の電磁波検出器アレイ。
【請求項１５】
所定の検出波長を有する電磁波を照射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するようにキャリアがドーピングされた受光グラフェンのチャネルを有する第１トランジスタと、
該検出波長を有する電磁波を照射した場合に、パウリブロッキングにより光キャリアが発生しないようにキャリアがドーピングされた参照グラフェンのチャネルを有する第２トランジスタと、を直列に接続して、その両端の電気信号を検出する電磁波検出方法であって、
該受光グラフェンおよび該参照グラフェンに、該検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、該第１トランジスタと該第２トランジスタにゲート電圧を印加し、該受光グラフェンのチャネルの抵抗値と該参照グラフェンのチャネルの抵抗値が同一になるように制御する工程と、
該受光グラフェンおよび該参照グラフェンに、該検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、該電気信号を検出する工程と、
該受光グラフェンおよび該参照グラフェンに、該検出波長を有する電磁波が入射した状態で、該電気信号を検出する工程と、
該検出波長を有する電磁波が入射した状態と、入射しない状態との、該電気信号の差分を求めて出力する工程と、を含むことを特徴とする電磁波検出方法。
【請求項１６】
グラフェンのチャネルのドーピングレベルがゲート電圧により制御されるトランジスタの、両端の電気信号を検出する電磁波検出方法であって、
該ゲート電圧を、
検出波長を有する電磁波が入射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するように、該グラフェンにキャリアをドーピングする第１ゲート電圧と、
該検出波長を有する電磁波が入射した場合に、パウリブロッキング効果により光キャリアが発生しないように、該グラフェンにキャリアをドーピングする第２ゲート電圧と、に制御する工程であって、さらに、該検出波長を有する電磁波が入射しない場合に、該第１ゲート電圧を印加した状態と、該第２ゲート電圧を印加した状態において、第１電極と第２電極との間の電流または電圧を同一にする工程と、
該検出波長を有する電磁波が入射した状態と、入射しない状態の、該第１ゲート電圧の場合の電気信号の差分と、該第２ゲート電圧の場合の電気信号の差分とをそれぞれ求めて、これら２つの差分の合計を求めて出力する工程と、を含むことを特徴とする電磁波検出方法。
【請求項１７】
上記電気信号は、電流または電圧であることを特徴とする請求項１５または１６に記載の電磁波検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波検出器、電磁波検出器アレイおよび電磁波検出方法に関し、特にグラフェンを検出層として用いた電磁波検出器、電磁波検出器アレイおよび電磁波検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電磁波検出器では、一般には、電磁波検出層として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。これに対して、次世代の電磁波検出器の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、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−３１６６６号公報
【特許文献２】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、電磁波検出層をグラフェン単体から形成した場合、電磁波の吸収率が数％程度と非常に低くなり、検出できる波長帯域は広がっても、検出感度が低下するという問題があった。また、グラフェンはアンバイポーラ特性を有するため、一般的な半導体材料と異なり、ＯＦＦ動作が困難であり、電磁波検出器として使用する際に、暗電流をゼロに出来ないという問題もあった。【０００５】
そこで、本発明は、検出可能な電磁波の波長帯域が広く、検出感度が高く、かつＯＦＦ動作が可能な、グラフェンを電磁波検出層の材料に用いた電磁波検出器、電磁波検出器アレイおよび電磁波検出方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様は、
所定の検出波長の電磁波を電気信号に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、
絶縁層の上に並置された受光グラフェンおよび参照グラフェンと、
受光グラフェンおよび参照グラフェンを挟んで対向配置された第１電極および第２電極であって、
第１電極は、受光グラフェンおよび参照グラフェンの一端で双方に電気的に接続された１つの電極であり、
第２電極は、受光グラフェンおよび参照グラフェンの他端にそれぞれ電気的に接続
された２つの電極である、
第１電極および第２電極と、
受光グラフェンおよび参照グラフェンにゲート電圧を印加するゲート電極と、
２つの第２電極の間に接続された平衡回路と、
２つの第２電極の間の電気信号を検出する検出回路と、
を含み、
受光グラフェンは、キャリアがドーピングされて、検出波長を有する電磁波が入射した場合にバンド内遷移により光キャリアが発生し、
参照グラフェンは、キャリアがドーピングされて、検出波長を有する電磁波が入射した場合にパウリブロッキング効果により光キャリアが発生せず、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、平衡回路は、第１電極と第２電極とを同一電位にし、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長の電磁波が入射した状態で、検出回路が、第２電極の間の電気信号を検出し、
検出波長を有する電磁波が入射した状態の電気信号を出力することを特徴とする電磁波検出器である。【０００７】
本発明の第２の態様は、
所定の検出波長の電磁波を電気信号に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と、
グラフェンを挟んで対向配置された第１電極および第２電極であって、グラフェンの一端に電気的に接続された第１電極と、グラフェンの他端に電気的に接続された第２電極と、
グラフェンにゲート電圧を印加するゲート電極と、
第１電極と第２電極の間の電気信号を検出する検出回路と、
を含み、
ゲート電圧は、
検出波長を有する電磁波が入射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するように、グラフェンにキャリアをドーピングする第１ゲート電圧と、
検出波長を有する電磁波が入射した場合に、パウリブロッキング効果により光キャリアが発生しないように、グラフェンにキャリアをドーピングする第２ゲート電圧と、を含み、さらに、検出波長を有する電磁波が入射しない場合に、第１ゲート電圧を印加した状態と、第２ゲート電圧を印加した状態において、第１電極と第２電極との間の電流または電圧が同一になるようなゲート電圧であり、
検出波長を有する電磁波が入射した場合の、第１ゲート電圧を印加した状態と、第２ゲート電圧を印加した状態との、電気信号の差分を出力することを特徴とする電磁波検出器である。【０００８】
本発明の第３の態様は、
所定の検出波長を有する電磁波を照射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するようにキャリアがドーピングされた受光グラフェンのチャネルを有する第１トランジスタと、
検出波長を有する電磁波を照射した場合に、パウリブロッキングにより光キャリアが発生しないようにキャリアがドーピングされた参照グラフェンのチャネルを有する第２トランジスタと、を直列に接続して、その両端の電気信号を検出する電磁波検出方法であって、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、第１トランジスタと第２トランジスタにゲート電圧を印加し、受光グラフェンのチャネルの抵抗値と参照グラフェンのチャネルの抵抗値が同一になるように制御する工程と、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、電気信号を検出する工程と、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長を有する電磁波が入射した状態で、電気信号を検出する工程と、
検出波長を有する電磁波が入射した状態と、入射しない状態との、電気信号の差分を求めて出力する工程と、を含むことを特徴とする電磁波検出方法である。【０００９】
本発明の第４の態様は、
グラフェンのチャネルのドーピングレベルがゲート電圧により制御されるトランジスタの、両端の電気信号を検出する電磁波検出方法であって、
ゲート電圧を、
検出波長を有する電磁波が入射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するように、グラフェンにキャリアをドーピングする第１ゲート電圧と、
検出波長を有する電磁波が入射した場合に、パウリブロッキング効果により光キャリアが発生しないように、グラフェンにキャリアをドーピングする第２ゲート電圧と、に制御する工程であって、さらに、検出波長を有する電磁波が入射しない場合に、第１ゲート電圧を印加した状態と、第２ゲート電圧を印加した状態において、第１電極と第２電極との間の電流または電圧を同一にする工程と、
検出波長を有する電磁波が入射した状態と、入射しない状態の、第１ゲート電圧の場合の電気信号の差分と、第２ゲート電圧の場合の電気信号の差分とをそれぞれ求めて、これら２つの差分の合計を求めて出力する工程と、を含むことを特徴とする電磁波検出方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、グラフェンを電磁波検出層に用いた電磁波検出器において、検出可能な電磁波の波長帯域が広く、検出感度を高く、かつＯＦＦ動作を可能にでき、高感度な電磁波検出器の提供、およびそのような電磁波検出器を用いた検出方法の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】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１Ｂ】図１Ａの電磁波検出器をＩＢ−ＩＢ方向に見た場合の断面図である。
【図１Ｃ】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の回路図である。
【図１Ｄ】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の回路図である。
【図２Ａ】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の動作のフローチャートである。
【図２Ｂ】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器のパウリブロッキング効果の原理を示す図である。
【図２Ｃ】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の動作原理を示す図である。
【図３Ａ】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３Ｂ】図３Ａの電磁波検出器をＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ方向に見た場合の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器の動作のフローチャートである。
【図５】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２にかかる他の電磁波検出器の上面図である。
【図７Ａ】本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器の回路図である。
【図７Ｂ】本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器の差動増幅回路図である。
【図８Ａ】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８Ｂ】図８Ａの電磁波検出器をＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ方向に見た場合の断面図である。
【図８Ｃ】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９Ａ】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９Ｂ】図９Ａの電磁波検出器をＩＸＢ−ＩＸＢ方向に見た場合の断面図である。
【図１０Ａ】本発明の実施の形態６にかかる電磁波検出器の上面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの電磁波検出器をＸＢ−ＸＢ方向に見た場合の断面図である。
【図１０Ｃ】本発明の実施の形態６にかかる他の電磁波検出器の上面図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｃの電磁波検出器をＸＤ−ＸＤ方向に見た場合の断面図である。
【図１１Ａ】本発明の実施の形態８にかかる電磁波検出器の回路図である。
【図１１Ｂ】本発明の実施の形態８にかかる電磁波検出器の補正回路図である。
【図１２Ａ】本発明の実施の形態９にかかる電磁波検出器アレイの回路図である。
【図１２Ｂ】本発明の実施の形態９にかかる電磁波検出器の回路図である。
【図１２Ｃ】本発明の実施の形態９にかかる他の電磁波検出器アレイの回路図である。
【図１３Ａ】本発明の実施の形態１０にかかる電磁波検出器の１画素の上面図である。
【図１３Ｂ】本発明の実施の形態１０にかかる電磁波検出器アレイの構成図である。
【図１３Ｃ】本発明の実施の形態１０にかかる他の電磁波検出器の１画素の上面図である。
【図１４】本発明の実施の形態１２にかかるカメラシステムの概念図である。
【図１５Ａ】本発明の実施の形態１３にかかる電磁波検出器の上面図である。
【図１５Ｂ】本発明の実施の形態１３にかかる電磁波検出器をＸＶＢ−ＸＶＢ方向に見た場合の断面図である。
【図１６Ａ】本発明の実施の形態１４にかかる電磁波検出器の上面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ａの電磁波検出器をＸＶＩＢ−ＸＶＩＢ方向に見た場合の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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、これらの光や電波を総称して電磁波とも記載する。
【００１３】
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、複数のトップゲートやバックゲートが設けられた他の電極構造などを備えた電磁波検出器にも適用できる。
【００１４】
本発明の実施の形態では、グラフェンについて、「受光グラフェン」と「参照グラフェン」と呼んでいる。即ち、動作時において、検出波長を入射したグラフェンがパウリブロッキング効果によりバンド間遷移もバンド内遷移も行わない状態にあるグラフェンを「参照グラフェン」と呼び、検出波長を入射したグラフェンがバンド内遷移によりキャリア励起を行う状態にあるグラフェンを「受光グラフェン」と呼ぶ。これらは動作時にこのような状態になっていればよく、動作前の状態は問わない。
【００１５】
本発明の実施の形態では、グラフェンの上に設ける接触層の材料について、ｎ型、ｐ型等の用語を用いて説明するが、これらの用語は、例えばｎ型であれば電子供与性を有するもの、ｐ型であれば電子求引性を有するものを示す。また、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ものをｎ型、正孔が支配的となるものをｐ型と呼ぶ。これらは有機物および無機物の双方を含む。
【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】
また、以下に示す各実施の形態において、同一符合は同一または相当箇所を示し、同一の符号を付することにより、その部分の細かい説明は省略する。
【００１８】
実施の形態１．
図１Ａ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１Ｂは、図１Ａの電磁波検出器１００を１Ｂ−１Ｂ方向に見た場合の断面図である。また、図１Ｃは、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００の回路図である。
【００１９】
図１Ａ、１Ｂに示すように、電磁波検出器１００は、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、シリコン等の半導体材料からなり、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などが用いられる。または、後述するように、基板６をバックゲートに用いる場合には、ドープされたシリコン基板を用いても良い。
【００２０】
基板６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５が設けられている。ボロンナイトライドは原子配列がグラフェンと構造が似ているため、グラフェンと接触してもグラフェン中の電荷移動を妨げないため、電子移動度などグラフェンの性能を阻害せず、グラフェンの下地膜として好ましい。なお、基板６が表面に熱酸化膜を有する基板の場合は、熱酸化膜が絶縁層５を兼ねても良い。
【００２１】
絶縁層５の上には、受光グラフェン１と参照グラフェン２が並置される。上述のように、受光グラフェン１は、検出波長の電磁波を入射した場合、バンド内遷移によりキャリア励起を行う状態にあるグラフェンをいい、参照グラフェン２は、検出波長の電磁波を入射した場合、パウリブロッキング効果によりバンド間遷移もバンド内遷移も行わない状態にあるグラフェンをいう。
【００２２】
受光グラフェン１は、所定の検出波長を有する電磁波を照射した際に、バンド内遷移により光キャリアが発生するようにドーピングされている。一方、参照グラフェンは、所定の検出波長を有する電磁波を照射した際に、パウリブロッキングにより、光キャリアがバンド内遷移もバンド間遷移も発生しないようにドーピングされている。ドーピングには、電圧を印加するような電気的な方法や、溶液に浸漬するような化学的な方法が用いられる。
【００２３】
受光グラフェン１と参照グラフェン２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。なお、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】
受光グラフェン１及び参照グラフェン２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、つまり格子ベクトルの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。受光グラフェン１と参照グラフェン２は動作前においてはノンドープでも良く、ｐ型またはｎ型にドープされていてもよい。
【００２６】
また、受光グラフェン１及び参照グラフェン２の表面には、一次元または二次元の周期的な凹部または凸部を設けても良い。周期的な凹部または凸部を設けた場合、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、原理としては金属と同様のプラズモン共鳴により吸収が起きる。凹部は、グラフェンを貫通する孔でも良い。グラフェンが単層の場合は、凹部は、グラフェンを貫通する孔となる。グラフェンが複数層の場合は、そのうちのいずれかの層のみを貫通する孔であれば、凹部はグラフェンを貫通しない。また、複数層全てを貫通する孔であれば、凹部はグラフェンを貫通する。
【００２７】
凹部を２次元に配置する場合、周期配置は、正方格子、三角格子等、いずれの周期配列でも良い。また、上から見た場合の凹部の形状は、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。ただし、三角柱、楕円、長方形のように、上面から見た凹部の形状が非対称性を有する場合、グラフェン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。一方、凹部を１次元に配置する場合、周期配置は、例えば並列配置された１次元の溝でも良い。
【００２８】
上述のように凹部の形状が楕円や長方形のような非対称性を有する場合や、凹部の配置が１次元の周期配置のように非対称性を持つ場合、光の検出において偏光依存性が発生するため、偏光イメージングにも適用が可能である。偏光イメージングでは、物体の境界や、人工物や自然物の判別などが可能になるが、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、検出装置の巨大化、システムの複雑化等の問題があった。しかし、グラフェンを用いた電磁波検出器では、グラフェンを非対称形状に加工するだけで特定の偏光を検出する検出器が実現できるため、偏光子や偏光フィルタなどを別途設ける必要がなく、システムの小型化、部品点数の削減、偏光子、フィルタを通過することによる光ロスが無くなる、など大きな利点を有する。
【００２９】
このような周期構造をグラフェン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の表面で吸収することができる。つまり、電磁波検出器１００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。パウリブロッキングを利用した本実施の形態１の電磁波検出器１００と組み合わせることでより高い波長感度を有することができるため、更に高感度化が可能となる。
【００３０】
ここでは、グラフェンの表面に周期的な凹部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。
【００３１】
絶縁層５の上には、受光グラフェン１と参照グラフェン２を直列に接続する電極３と、受光グラフェン１、参照グラフェン２をそれぞれ挟んで電極３と対向する２つの電極４が設けられている。電極３と電極４は受光グラフェン１、参照グラフェン２の両端に接続されている。電極３と電極４は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｄ等の金属から形成される。電極３及び電極４とその下の絶縁層５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３及び電極４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。また、電極３（例えばソース電極）と電極４（例えばドレイン電極）が異なる金属から形成されていてもよい。
【００３２】
グラフェンは接触する金属の種類によって、金属とグラフェンの仕事関数の差からドーピングが生じる。これにより、グラフェンの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３と電極４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ようになる。このため、光が照射された場合、発生したキャリアによって電極３、４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。本発明の実施の形態１では、簡略化のために、受光グラフェン１と参照グラフェン２にそれぞれ１対の電極３と電極４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。
【００３３】
また、電極３、電極４の表面に周期的な凹部または凸部を設けても良い。周期的な凹部または凸部を設けた場合、プラズモン共鳴が生じる。凹部は、例えば２次元に所定の間隔で配置された円柱状の凹部からなる。配置は、正方格子、三角格子等、いずれの周期配列でも良い。円柱の代わりに角柱、三角柱、四角柱、楕円柱等、他の形状の凹部でも良い。また、凹部は並列配置された１次元の溝でも良い。これらの凹部は、電極３、４を貫通しても、貫通しなくても、それぞれ適宜、目的とする波長検知するためのパターン設計をすれば良い。このような周期的な凹部を電極３、４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３、４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。ここでは、電極３、４の表面に周期的な凹部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同等の効果を得ることができる。
【００３４】
ここで、プラズモン共鳴の共鳴波長は、周期構造および凹凸の大きさに依存して決定される。このような周期構造を電極３、４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１００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。
【００３５】
図１Ｃに示すように、電磁波検出器１００は、周辺回路として、検出回路７、平衡回路８、および動作回路９を有する。動作回路９は、受光グラフェン１及び参照グラフェン２に、電極３と電極４を介して外部バイアスを印加する。また、検出回路７は、２つの電極４の間で、受光グラフェン１と参照グラフェン２の差分電位を検出する。平衡回路８は、受光グラフェン１と参照グラフェン２の平衡をとるために設けられている。
【００３６】
図２Ａは、電磁波検出器１００の動作のフローチャートであり、図２Ｂは電磁波検出器１００のパウリブロッキング効果の原理を示す図であり、図２Ｃは電磁波検出器１００の動作原理を示す図である。図２Ｂ、図２Ｃにおいて、横軸はエネルギー、縦軸はグラフェンの吸収率を示す。
【００３７】
ここで、パウリブロッキング効果とは、赤外波長域においてグラフェンで生じる物理現象である。例えばグラフェンのフェルミレベルが、ドーピングにより、ディラックポイント（バンド図（２）の交点：いわゆる価電子帯と伝導帯との交点）よりもμだけシフトしている場合を考える。図２Ｂの下方のバンド図に示すように、入射電磁波の波長エネルギーが２μより大きい場合、グラフェンは、（３）バンド間遷移が発生して電磁波を吸収する。しかし、例えば（２）のように、入射電磁波の波長が長くなり、波長エネルギーが２μよりも大きくなると、グラフェンは、パウリブロッキングによりバンド間遷移（（２）に破線で記載）が妨げられ、吸収率が減少する。これをパウリブロッキング効果と呼ぶ。更に、入射電磁波の波長が長くなると、（１）グラフェン内の電子はバンド内遷移（１）を行うようになり、吸収率は増加する。本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出方法では、バンド内遷移状態（１）とパウリブロッキング状態（２）の吸収量の差分を検出する。
【００３８】
なお、ここでは、図２Ｂに示すように、エネルギーが２μ以上でグラフェンの吸収率が一定値（２．３％）となる領域を「（３）バンド間遷移」領域、エネルギーが２μより小さくなり、吸収率が一定値（２．３％）より小さい領域を「（２）パウリブロッキング」領域、さらにエネルギーが小さくなって、吸収率が一定値（２．３％）以上になる領域を、「（１）バンド内遷移」領域、と呼ぶ。
【００３９】
具体的には、図２Ｃに示すように、電磁波検出器１００の参照グラフェン２に、電気的また波化学的にゲート電圧Ｖｔｇを印加して参照グラフェン２をドーピングして、（ｃ）に示すようにフェルミレベルをシフトさせる。この時、（ａ）に示すように、ゲート電圧を印加した参照グラフェン２のエネルギーと吸収率との関係を表すグラフも実線で示すようにシフトする。この結果、例えば、波長エネルギーＡの電磁波が電磁波検出器１００に入射した場合、受光グラフェン１では、（１）バンド内遷移で電磁波が吸収され、一方、参照グラフェン２では、（２）パウリブロッキングで電磁波は吸収されない。つまり、（ａ）に示すように、受光グラフェン１と参照グラフェン２との間で、吸収率の吸収差分が生じる。この吸収差分を検出することで、波長エネルギーＡの電磁波を高感度で検出できる。
【００４０】
本実施の形態１ではゲート電圧を印加することで参照グラフェン２をドーピングしてフェルミレベルをシフトさせたが、化学的にドーピングする方法を用いても良い。また、受光グラフェン１と参照グラフェン２のそれぞれのドーピングレベルを制御することで任意の波長エネルギーの電磁波に対して高感度の検出が可能である。
【００４１】
次に、電磁波検出器１００の動作のフローチャートを示す図２Ａを用いて、電磁波検出器１００の動作を説明する。
【００４２】
まず、図１Ｃに示す２つの動作回路９から２つの電極３、４の間に電圧Ｖｄを印加する（Ｓ１）。これにより、受光グラフェン１及び参照グラフェン２の内部の抵抗値が変化し、電極３と電極４の間を流れる電流量Ｉｄが変化する。この電流量Ｉｄの変化を調節し、暗状態において、受光グラフェン１と参照グラフェン２の抵抗値が同一となるように印加バイアスを調節する（Ｓ２）。印加するバイアスは電圧でも電流でも良く、受光グラフェン１と参照グラフェン２の抵抗値が同一となればよい。また、基板６の裏面をバックゲート端子として、ゲート電圧を印加して抵抗値の調節を行っても良い。この場合、基板６の裏面に電圧をかけることで、受光グラフェン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。ただし、ゲート電圧を印加して抵抗値を変化させる場合は、電界によるドーピングの影響でグラフェンの吸収率も変化する可能性があるので注意する必要がある。
【００４３】
次に、平衡回路８を用いて（Ｓ３）、２つの電極４の端子間において、電磁波が入射しない暗状態の電位差がゼロになるように回路の抵抗を調整する（Ｓ４）。平衡回路８は、例えば図１Ｄに示すように、受光グラフェン１と参照グラフェン２との平衡をとるために、２個の抵抗素子Ｒ１、Ｒ２を接続したブリッジ回路などで構成される。抵抗素子Ｒ１、Ｒ２はシリコンなどの半導体薄膜トランジスタ、薄膜抵抗素子、２次元材料トランジスタ素子、受光グラフェンを用いたトランジスタ素子、参照グラフェンを用いたトランジスタ素子などから形成される。抵抗素子Ｒ１、Ｒ２として受光グラフェン１と参照グラフェン２を用いたトランジスタを用いれば、平衡時に受光グラフェン１及び参照グラフェン２の時間変化、温度変化を打ち消すことができる。また、検出波長の影響を受けないように遮光部材を設置するなどしておけば、参照グラフェン２は単なるグラフェンでも良い。
【００４４】
平衡回路８は、２つの電極４の端子間において、暗状態の電位差がゼロになるように回路の抵抗を調整する（Ｓ４）。このとき、動作回路９を用いて受光グラフェン１または参照グラフェン２の抵抗を変化させて調節しても良いし、動作回路９は定電圧として、平衡回路８として接続した抵抗素子の抵抗値を変化させて調整しても良いし、または動作回路９と平衡回路８の両方を変化させて調節しても良い。動作回路９と平衡回路８での調整は前後を問わず、電磁波照射前の暗状態において、電極４端子間の電位差が動作ゲート電圧においてゼロになっていれば良い。また、検出する電気信号を電圧で出力する場合は、暗状態の電圧がゼロになるようにし、電流で出力する場合は暗状態の電流がゼロになるように設定すれば良い。
【００４５】
受光グラフェン１および参照グラフェン２のフェルミレベルは、ドーピングにより、予めディラックポイントよりもエネルギーμだけシフトしている。この状態では、電磁波検出器１００で検出しようとする波長の電磁波は、パウロブロッキングにより、吸収されないようになっている（例えば、図２Ｃに示すエネルギーＡの電磁波）。また、受光グラフェン１にゲート電圧Ｖｔｇを印加して、受光グラフェン１でバンド内遷移が起きるようにする。この状態で、受光グラフェン１および参照グラフェン２に電磁波を照射する（Ｓ５）。
【００４６】
所定の検出波長の電磁波を照射した状態で、検出回路を用いて、２つの電極４の間で電気信号を検出する（Ｓ６）。
【００４７】
検出回路７は、例えば電圧を検出する場合は電圧計、電流を検出する場合は電流計などを用いれば良い。また、オペアンプなどの差動増幅回路を用いることで、差分応答を更に増幅して得ることが出来る。また、増幅回路としてグラフェンを利用した出力増幅回路を用いてもよい。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。また、検出回路等の周辺回路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。更に、受光グラフェン１と参照グラフェン２において温度変化、時間変化が生じる場合、差分を出力する際にこれらも打ち消すことができるため、低ノイズ化できる。
【００４８】
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。
【００４９】
工程１：シリコン等の平坦な基板６を準備する。
【００５０】
工程２：基板６の上に、絶縁層５を形成する。絶縁層５は、例えば基板６がシリコンの場合は、熱酸化した酸化シリコン（ＳｉＯ２）でもよい。また、ＣＶＤやスパッタにより他の絶縁膜を形成してもよい。
【００５１】
工程３：Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等の金属からなる電極３、電極４を形成する。この時、下部の絶縁層５との密着性を向上させるために、絶縁層５と電極３、４との間にＣｒやＴｉ等の密着膜を形成しても良い。電極３、４の形成は、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、その上にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等からなる金属層を蒸着やスパッタリングなどで堆積して行う。その後、レジストマスクを除去することで電極３、４を形成する。一般的にはリフトオフと呼ばれる方法である。あるいは、絶縁層５の上に金属膜を先に成膜し、フォトリソグラフィによってレジストマスクを形成し、ウエットエッチングやドライエッチングで電極３、４を形成してもよい。
【００５２】
工程４：電極３、電極４および絶縁層５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法を用いて形成した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３、４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、受光グラフェン１及び参照グラフェン２を形成する。
【００５３】
工程５：参照グラフェン２上に写真製版などでレジストマスクを被膜する。その際、現像液として使用する水酸化テトラメチルアンモニウム溶液によりレジストマスクで被膜されていない受光グラフェン１はｎ型にドープされる。その後、参照グラフェン２上のレジストマスクは剥離しても良いし、剥離しなくても良い。レジストマスクを剥離しなければ、参照グラフェン２はレジストマスクによりｐ型にドープされる。
【００５４】
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。
【００５５】
なお、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液に浸漬する時間を変化させることで、受光グラフェン１のドーピングレベルを制御することが可能である。ドーピングレベルを制御することにより、検出波長において、受光グラフェン１がバンド内遷移を生じ、参照グラフェン２がパウリブロッキングを生じるようにゲート電圧を制御することで、本実施の形態１にかかる電磁波検出を実現する。また、参照グラフェン２上にトップゲートを設けることで、受光グラフェン１はバックゲートにより制御し、一方、参照グラフェン２はトップゲートにより制御することで、両者を任意のドーピングレベルに設定し、任意波長における吸収差分を増大することも可能である。両者のゲート電圧を変化させれば吸収率が増第する波長も選択的に設定することが出来る。
【００５６】
ここでは、電極３、４の上にグラフェンを形成したが、絶縁層５の上に予めグラフェンを形成し、その後、電極３、４を形成した構造を用いても良い。ただし、この構造を用いる場合は、電極３、４の形成時に、グラフェンにプロセスダメージを与えないように、注意が必要である。
【００５７】
また、検出回路７、平衡回路８、および動作回路９は、基板６の上に形成するのが好ましいが、外付け回路としても良い。
【００５８】
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、グラフェンがバンド内遷移により光キャリアが発生するときの電磁波応答と、パウリブロッキングにより光キャリアがバンド内遷移もバンド間遷移も発生しないときの電磁波応答の差分応答を検出することで、電磁波を照射していない場合の応答をゼロにすることができ、検出信号を低ノイズ化でき、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００５９】
また、グラフェン同士の差分応答を検出信号として出力しているため、応答の時間変化、温度変化を打ち消し、検出信号の低ノイズ化が可能となる。
【００６０】
また、バンド内遷移により光キャリアが発生しているため、グラフェンの吸収率は、バンド間遷移を利用する場合に比べて大幅に上昇し、高感度な検出が可能となる。
【００６１】
さらに、パウリブロッキングが生じない波長領域では、グラフェンの吸収率に変化は無いため、波長選択性も得られる。
【００６２】
実施の形態２．
図３Ａ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３Ｂは、図３Ａの電磁波検出器２００をＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ方向に見た場合の断面図である。図３Ａ、３Ｂ中、図１Ａ、１Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００６３】
電磁波検出器２００では、基板６の上に絶縁層５が形成され、絶縁層５の上に、一対の電極３、４が設けられている。絶縁層５の上には、両端が電極３、４にそれぞれ接続されるように、グラフェン１１が設けられている。また、ゲート電圧を時間的に変化するための変調回路１５が、ゲート電極を兼ねる基板６に接続されている。また、電極３、４の間には、差分光電流を検出するための検出回路１６が接続されている。検出回路１６は電圧を印加するための動作回路として用いても良い。
【００６４】
本実施の形態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、電磁波検出器１００が２種類のグラフェン１、２を有して、その差分信号を検出するのに対して、電磁波検出器２００では、１種類のグラフェン１１を備えるグラフェントランジスタで遮光状態、受光状態のそれぞれの光応答の差分を検出する点である。
【００６５】
なお、本明細書では、検出波長の電磁波が入射したグラフェンがパウリブロッキング効果によりバンド間遷移もバンド内遷移も行わない状態のことを「遮光状態」と呼ぶ。一方、検出波長の電磁波が入射したグラフェンがバンド内遷移によりキャリア励起を行う状態のことを「受光状態」と呼ぶ。
【００６６】
図４Ａは、本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器２００の動作フローチャートであり、図４Ｂは、電磁波検出器２００の動作原理を示す図である。
【００６７】
電磁波検出器２００の動作方法では、まず、暗状態において、動作回路を兼ねる検出回路１６）から、電極３、４の間にソース・ドレイン電圧Ｖｄを印加し、一方、変調回路１５から、基板６に、ゲート電圧Ｖｂｇを印加する（Ｓ１１）。検出波長の電磁波に対して、グラフェンが受光状態及び遮光状態となるＶｂｇをそれぞれ設定し、次に、受光状態と遮光状態におけるソース・ドレイン電流Ｉｄが同一値となるようＶｄを設定する。このときのＶｂｇ、Ｖｄを記憶する（Ｓ１２）。
【００６８】
次に、検出波長の電磁波を照射し（Ｓ１３）、工程Ｓ１２で記憶したゲート電圧Ｖｂｇ、ソース・ドレイン電圧Ｖｄを印加して、遮光状態と受光状態とそれぞれのソース・ドレイン電流Ｉｄを検出する（Ｓ１４、Ｓ１５）。
【００６９】
最後に、遮光状態と受光状態とそれぞれのソース・ドレイン電流Ｉｄの差分を出力する（Ｓ１６）。
【００７０】
このように、本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器２００では、グラフェンがバンド内遷移により光キャリアが発生する受光状態の電気信号と、パウリブロッキングにより光キャリアがバンド内遷移もバンド間遷移も発生しない遮光状態の電気信号の差分応答を検出することで、電磁波を照射していない場合の応答をゼロにすることができ、検出信号を低ノイズ化でき、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００７１】
本実施の形態２では、ゲート電圧は、バックゲートから基板６に印加したが、トップゲートを形成してグラフェン１１の上部から印加しても良い。また、本実施の形態２では、電磁波応答を電流として検出する方法について説明しているが、電圧として検出しても良い。
【００７２】
図５、図６は、本発明の実施の形態２にかかる他の電磁波検出器２１０、２２０の断面図および上面図を示す。暗状態と明状態の切り替えには、図５に示すようなシャッタ機構１８を用いても良い。シャッタ機構１８により、任意に明暗の切り替えが可能となる。シャッタ機構１８を導入した場合、グラフェンのドーピングレベルをコントロールする必要は無いため、動作を単純化できる。
【００７３】
また、図６に示すように、電極３、４の端子間にメモリー回路１７を設けて、それぞれの状態における出力を記憶しても良い。
【００７４】
以上のように、本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器２００では、単一のグラフェンを用いて、受光状態と遮光状態の出力を測定して、その差分を求めることで電磁波を照射していない場合の応答をゼロにすることができ、高感度で電磁波を検出できる。
【００７５】
実施の形態３．
図７Ａ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回路図であり、図７Ｂは、本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器３００の回路図である。図７Ａ、７Ｂ中、図１Ｃ、１Ｄと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００７６】
実施の形態３にかかる電磁波検出器３００が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、図７Ａに示すように、電極３に検出回路として差動増幅回路１０が接続されている点である。電磁波検出器１００では平衡回路８を用いて回路の平衡化を行う必要があったが、電磁波検出器３００では、明状態における受光グラフェン１と参照グラフェン２に流れる差分電流を差動増幅回路１０の入力として用いるため、平衡回路は不要となり、単一画素が簡素になり微細化が可能となる。また、差動増幅回路１０は受光グラフェン１と参照グラフェン２に流れる差分電流を検出出来れば構成は限定されない。例えば図７Ｂに示すように、差動増幅回路１０としてオペアンプを利用した積分回路などを用いても良い。オペアンプを利用することにより、出力の平均値を得ることができ、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００７７】
実施の形態４．
図８Ａ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８Ｂは、図８Ａの電磁波検出器４００をＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ方向に見た場合の断面図である。また図８Ｃ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る。図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ中、図１Ａ、１Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００７８】
本発明の実施の形態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、図８Ａ、８Ｂに示すように、参照グラフェン２の上に、絶縁層２０を介してトップゲート電極２１が形成されている点である。絶縁層２０およびトップゲート電極２１は、代わりに受光グラフェン１の上、または、図８Ｃに示すように、受光グラフェン１と参照グラフェン２の双方の上に形成されても良い。
【００７９】
このようなトップゲート電極２１を設けることにより、バックゲートとトップゲートの両方からグラフェンをドーピングすることができる。このため、例えば受光グラフェン１と参照グラフェン２のディラックポイント電圧が同一である場合でも、どちらか一方をバックゲートで制御し、他方をバックゲートとトップゲートで制御することで、任意のディラックポイント電圧を得ることが可能となる。これにより、受光グラフェン１および参照グラフェン２の化学ドープを行うことなく、選択的にグラフェンをドーピングでき、電磁波検出器の駆動範囲が広がる。また、化学ドープの場合は、電磁波検出器の形態によっては経時変化を起こす場合があるが、電磁波検出器４００では、経時変化によるドーピングレベル変化をなくすことが出来る。
【００８０】
また、受光グラフェン１と参照グラフェン２を覆うように絶縁層２０を形成することにより、保護膜の機能を兼ねることもできる。保護膜を設けることで、周辺雰囲気の影響でグラフェンの性質が変化することを防止できる。特に、大気中ではグラフェンは空気分子や水分の影響を受けてディラックポイントが変化するため、保護膜を設けることでグラフェンの安定した動作が保障される。また、高温、低温環境で電磁波検出器を使用する場合も同様に、グラフェンの動作を安定して保持することが重要となる。保護膜を兼ねる絶縁層２０としては、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）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、ボロンナイトライドなどを用いることができる。保護膜を兼ねる絶縁層２０の材料としては、検出する電磁波が透過する材料を選択することが好ましい。
【００８１】
実施の形態５．
図９Ａ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９Ｂは、図９Ａの電磁波検出器５００をＩＸＢ−ＩＸＢ方向に見た場合の断面図である。図９Ａ、９Ｂ中、図１Ａ、１Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００８２】
本発明の実施の形態５にかかる電磁波検出器５００が、実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、図９Ａ、９Ｂに示すように、電磁波検出器５００では、絶縁層５と、受光グラフェン１および参照グラフェン２との間に、絶縁層２２とバックゲート電極２３が形成されている点である。これにより基板６から電圧を印加するバックゲートと、バックゲート電極２３の２つのバックゲートからグラフェンをドーピングすることができる。このため、例えば受光グラフェン１と参照グラフェン２のディラックポイント電圧が同一である場合でも、どちらか一方を基板６から印加するバックゲートで制御し、もう一方を表面側のバックゲート電極２３から印加するバックゲートで制御することで、任意のディラックポイント電圧を得ることが可能となる。これにより化学ドープを行うことなく、選択的にグラフェンをドーピングできるので、電磁波検出器の駆動範囲が広がる。また、化学ドープの場合は、電磁波検出器の形態によっては経時変化を起こす場合があるが、電磁波検出器５００では、経時変化によるドーピングレベル変化をなくすことが出来る。
【００８３】
特に、本実施の形態５にかかる電磁波検出器５００では、バックゲート電極２３は受光グラフェン１および参照グラフェン２の下部にあるため、受光グラフェン１および参照グラフェン２に入射する電磁波を減衰させずに、グラフェンのドーピングレベルをコントロールできる。
【００８４】
なお、図９Ａでは、絶縁層５と、受光グラフェン１および参照グラフェン２の双方との間に、絶縁層２２とバックゲート電極２３が形成された場合について述べたが、絶縁層５と、受光グラフェン１または参照グラフェン２の一方との間に、絶縁層２２とバックゲート電極２３を設けても良い。
【００８５】
実施の形態６．
図１０Ａ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上面図であり、図１０Ｂは、図１０Ａの電磁波検出器６００をＸＢ−ＸＢ方向に見た場合の断面図である。また、図１０Ｃ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上面図であり、図１０Ｄは、図１０Ｃの電磁波検出器６５０をＸＤ−ＸＤ方向に見た場合の断面図である。図１０Ａ〜１０Ｄ中、図１Ａ、１Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００８６】
本発明の実施の形態６にかかる電磁波検出器６００が、実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、図１０Ａ、１０Ｂに示すように、電磁波検出器６００では、受光グラフェン１および参照グラフェン２の双方の上部に接触層２４、２５が設けられている点である。接触層２４、２５は、グラフェンと接触することで正孔または電子を供給することができる。このため、接触層２４、２５によりグラフェンを任意にドーピングすることが可能となる。図１０Ａ、１０Ｂの電磁波検出器６００では、受光グラフェン１および参照グラフェン２の双方の上部に接触層２４、２５が設けられているが、図１０Ｃ、１０Ｄの電磁波検出器６５０のように、グラフェンの上部ではなく、グラフェンの下部で、グラフェンと絶縁層５との間に設けても良い。また、受光グラフェン１または参照グラフェン２の一方の上または下だけに設けられても良い。
【００８７】
接触層２４、２５は、例えば極性基を有する材料からなり、電子求引基は電子密度を減少させる効果を持ち、電子供与基は逆に電子密度を増加させる効果を持つ。電子求引基としては、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る。また、電子供与基としては、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材料も、接触層２４、２５の材料として適用できる。また、有機物、金属、半導体、絶縁体、２次元材料、あるい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生じる材料も、接触層２４、２５の材料として適用が可能である。
【００８８】
一般に、無機物の接触層とグラフェンとを接触させた場合の、グラフェンのドーピングについては、グラフェンの仕事関数よりも接触層の仕事関数が大きい場合は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。しかし、接触層が有機物の場合、明確な仕事関数を有しておらず、グラフェンに対してｎ型ドープになるのか、ｐ型ドープになるのかは、接触層に用いる分子の極性による。このため、接触層の材料の極性基から判断する必要がある。
【００８９】
ここで、接触層２４、２５の膜厚は、電磁波がグラフェンに照射された場合に、光電変換を行うことが出来るように、グラフェンに対してドーピングが可能である限界まで薄い方が良い。また、接触層２４、２５は、層という表現で記載しているが厳密に層になっている必要はなく、分子や電子などのキャリアがグラフェンに導入されていれば良い。例えばグラフェンを溶液に浸漬させて分子レベルでグラフェンにキャリアを供給することで、実質的に層状の接触層を形成せずにドーピングすることも可能である。これにより、検出する電磁波が、接触層によって吸収されることなく、グラフェンをドーピングすることができる。
【００９０】
接触層２４、２５を受光グラフェン１または参照グラフェン２の下部に形成することで、入力電磁波が接触層２４、２５で遮られることなくグラフェンに到達するため、電磁波を透過しない材料も、接触層２４、２５の材料として使用できる。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２４、２５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へ到達させることが可能となる。
【００９１】
また、接触層２４、２５の形成後に、グラフェンを形成（転写）することで、グラフェンに与えるプロセスダメージを抑えることが出来る。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、プロセスダメージの低減は非常に有効である。
【００９２】
例えば、受光グラフェン１上に接触層２４として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する組成物を形成する場合、写真製版の過程において、現像液として使用する水酸化テトラメチルアンモニウム溶液により、レジストマスクが形成されていない参照グラフェン２がｎ型にドープされる。このため、レジストマスクの現像処理のみで、受光グラフェン１及び参照グラフェン２を得ることが出来る。このとき接触層２５は水酸化テトラメチルアンモニウムとなる。これにより、マスク形成処理が不要となり、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。
【００９３】
接触層２４、２５が極性変換を生じる材料で形成されている場合、接触層２４、２５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に供給される。これにより、接触層２４、２５が接触している受光グラフェン１、参照グラフェン２にはドーピングが生じる。この場合、接触層２４、２５を取り除いても、接触層２４、２５と接触していたグラフェンはドーピングされたままの状態であるため、接触層２４、２５を取り除いた状態で、電磁波検出器６００を形成することも可能である。これにより、グラフェンの開口部面積が増加し、検出感度が向上する。ここで、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。
【００９４】
接触層２４、２５が電磁波照射によって極性変換を生じる材料で形成されている場合、検出電磁波長において極性変換を生じる材料を選択することで、光照射時のみ極性変換を生じさせ、光電流を増大させることができる。この結果、電磁波の検出感度が向上する。また、電磁波照射によって酸化還元反応が生じ、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にドーピングを行うことが出来る。
【００９５】
接触層２４、２５が量子ドット、強誘電体、液晶、フラーレンなどの電磁波照射によって電界変化が生じる材料から形成されている場合、検出電磁波長で電界変化を生じさせることで、グラフェンに生じる電界が変化する。これにより光ゲート効果が生じ、擬似的にゲート電圧を印加した状態になり、光電流が増加して検出感度が高くなる。
【００９６】
接触層２４、２５として１次元周期的な構造を用いることで、接触層が電磁波照射により表面プラズモン共鳴を生じる材料とした場合、偏光依存性が発生する。このため、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。
【００９７】
接触層２４、２５として２次元周期的な構造を用いることで、接触層が電磁波照射により表面プラズモン共鳴を生じる材料とした場合、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。
【００９８】
実施の形態７．
本発明の実施の形態７にかかる電磁波検出器（図示せず）では、電磁波検出器１００において、受光グラフェン１、参照グラフェン２として２層以上のグラフェン、遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リン（Ｂｌａｃｋ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ）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。
【００９９】
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ため、２次元材料と呼ばれ、例えばＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２等遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リン等からなる。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でも良い。またはプロベスカイトとグラフェンまたは２次元材料の異種材料接合でもよい。
【０１００】
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。
【０１０１】
また、２層以上のグラフェンや、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場合、層の数によっ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積層する層の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出する波長選択型電磁波検出器を得ることができる。特に、従来の半導体材料を用いた電磁波検出器のように、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、製造工程が容易となる。また、典型的な波長選択手段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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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、電磁波検出器の検出感度を高くできる。
【０１０４】
また、グラフェンナノリボンを用いた場合は、グラフェンの電子密度が変調できる。この場合、入射電磁波に対して、グラエフェン中の電子が結合し、表面プラズモンが励起される。グラフェンの場合、表面プラズモンの波長は１０μｍとなり、赤外波長帯域となる。よって、グラフェンをナノリボン状に加工することで、表面プラズモン共鳴を利用することができる。この結果、通常のグラフェンの光電変換だけでなく、表面プラズモンの効果による検出感度の増強効果が現れる。
【０１０５】
さらに、グラフェンナノリボンは、入射する電磁波に対して、面内上において非対称性を有するため、光応答に偏光依存性を有する。グラフェンナノリボンの場合、９０°偏光（電磁波の電界がＹ軸に平行）を有する電磁波を選択的に吸収し、０°偏光には応答しない。つまり、偏光の選択的な検出が可能となる。
【０１０６】
実施の形態８．
図１１Ａは、全体が７００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回路図であり、図１１Ａ中、図１Ｃ、１Ｄと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【０１０７】
実施の形態８にかかる電磁波検出器７００が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、図１１Ａに示すように、電磁波検出器７００では、受光グラフェン１、参照グラフェン２に生じる電流または電圧の値を検出して、受光グラフェン１と参照グラフェン２が、常に同一抵抗値となるように補正する補正回路２６を有する点である。補正回路２６は、動作回路９により動作させた受光グラフェン１と参照グラフェン２の電流または電圧の経時変化に対応して、受光グラフェン１及び参照グラフェン２に生じる電流または電圧の値を検出して随時補正する。グラフェンに流れる電流または電圧の値は、時間変動が生じると差分に誤差が生じるため、補正回路２６を用いることでその変動を防止することができる。
【０１０８】
補正回路２６は、例えば図１１Ｂに示すような回路を用いても良い。図１１Ｂの補正回路２６では、オペアンプの帰還動作を利用することで、受光グラフェン１に流れるソース・ドレイン電流Ｉｄは、抵抗素子Ｒを調整することで決定でき、Ｉｄ＝（Ｖｂ−Ｖｃ）／Ｒで与えられる。このとき、図１１Ａに示すように、参照グラフェン２にも同様の補正回路２６が適用され、Ｖａは受光グラフェン１と参照グラフェン２で共通とする。Ｉｄが一定となるようゲート電圧Ｖａを発生させることで電流値の経時変化に対応してＶａを変化させることができる。このようにオペアンプなどを用いて一定にしたい出力をフィードバックして補正する機構を利用することにより、受光グラフェン１と参照グラフェン２の電流の経時変化を防止できる。電圧を一定にしたい場合は同様に電圧をフィードバックして電流値を制御すればよい。なお、補正回路２６は、図１１Ｂに示す回路には限定されず、電流または電圧を検出して随時補正する回路であれば、どのような回路でも構わない。
【０１０９】
実施の形態９．
図１２Ａは、全体が１００００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を示す。電磁波検出器アレイ１００００は、１つの画素１０００を２×２に配置しているが、配置する画素の個数はこれに限定されるものではない。
【０１１０】
図１２Ａに示すように、電磁波検出器アレイ１００００は、垂直走査回路１２０と水平走査回路１３０を用いて、各画素１０００から信号を検出すれば良い。このとき、図１２Ｂに示すように、電極４の端子間を出力として、検出回路７をオペアンプから形成して、各列毎に配置している。これにより、画素１０００中に検出回路７を設けることが不要となり、それぞれの画素１０００のサイズを小さく出来る。また、平衡回路や動作回路など他の回路を画素１０００の外に配置することによっても、それぞれの画素１０００のサイズをより縮小でき、センサの微細化が可能となる。また、図１２Ｃに示す電磁波検出器アレイ２００００のように、バイアス電圧Ｖｄを印加する回路１２１を垂直走査回路１２０に組み込んでも良い。
【０１１１】
電磁波検出器アレイ１００００の動作は、まずそれぞれの単画素の平衡をとることで暗状態の差分をゼロにする。
【０１１２】
次に、垂直走査回路１２０に電圧を印加して１つの行を選択する。
【０１１３】
さらに、水平走査回路１３０に電圧を印加して１つの列を選択する。これにより、１つの画素１０００の信号を読み出す。
【０１１４】
垂直走査回路１２０の電圧を固定し、水平走査回路１３０に順次電圧を印加することで、１行の画素１０００からの信号を全て読み出す。
【０１１５】
次に、垂直走査回路１２０を切り替えて、他の行を選択する。
【０１１６】
この状態で同様に水平走査回路１３０を動作させて、順次、１画素毎の信号を読み出す。これを繰り返すことで全画素の応答を読み出すことができる。
【０１１７】
本発明の実施の形態９では、垂直走査回路１２０と水平走査回路１３０を用いて１画素毎に信号を読み取る方法について述べたが、まず水平走査回路１３０で列を選択して、それぞれの列に対して垂直走査回路１２０を用いて各画素の信号を読み出しても良い。また、各画素の信号の読み出しには、他の方法を用いても構わない。
【０１１８】
また、画素１０００の平衡をとるタイミングは、走査前でも良いし、走査中の動作に含めても良い。走査前に画素１０００の平衡をとれば、走査時間が短くなり応答速度が向上する。一方、走査中に平衡をとれば、時間変化で平衡が崩れる恐れが無くなる。
【０１１９】
グラフェンを用いた電磁波検出器アレイ１００００では、紫外光からマイクロ波まで非常に広い波長帯域の電磁波を検出できる。このため、例えば電磁波検出器アレイ１００００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。また、ゲート電圧や化学ドーピングなどで受光グラフェン１および参照グラフェン２の検出波長を調整して異なる検出波長を有する画素を組み合わせて使用することで、波長選択性を有する電磁波検出器アレイを実現できる。
【０１２０】
実施の形態１０．
図１３Ａは、全体が９００で表される、本発明の実施の形態１０にかかる電磁波検出器の上面図であり、図１３Ａ中、図１Ａ、１Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【０１２１】
図１３Ａに示すように、電磁波検出器９００では、受光グラフェン１と参照グラフェン２がナノリボン状に加工されており、他の構造は電磁波検出器１００と同様である。なお、説明を簡単にするために、電磁波検出器９００に含まれる、画素以外の回路、例えば動作回路や検出回路は省略して説明する。
【０１２２】
図１３Ｂは、全体が２０００で表される、ナノリボン状の受光グラフェン１および参照グラフェン２を備えた画素９００Ａ〜９００Ｄを、２×２に配置した電磁波検出器アレイの１つのユニットの概略図である。図１３Ｂの下方に示す座標が、ナノリボン状のグラフェンが配置された方向を規定するための座標である。ナノリボンの長手方向（図１３Ａでは左右方向）がＸ軸方向の場合を０°とし、反時計回りの角度θでナノリボンの方向を示す。例えば、Ｙ軸に平行な方向はθが９０°となる。
【０１２３】
図１３Ａに示すように、画素９００Ａ、９００Ｂ、９００Ｃ、９００Ｄのナノリボン状グラフェンの長手方向は、それぞれ０°、４５°、９０°、１３５°の方向となっている。ここで、θが０°の画素９００Ａでは、ナノリボンのＹ方向の寸法（幅）は、高々１００μｍ程度となる。このように、グラフェンをナノボン状とすることで、グラフェンの電子密度が変調され、偏光の選択的な検出が可能となる。
【０１２４】
次に、本実施の形態１０にかかる電磁波検出器アレイの１つのユニット２０００を用いた偏光イメージングについて説明する。ここで、偏光イメージングとは、図１３Ｂに示すように、θが０°、４５°、９０°、１３５°と互いに異なる４つの画素９００Ａ、９００Ｂ、９００Ｃ、９００Ｄを備えたユニット２０００で、４つのそれぞれの偏光角度について画像を撮像し、差分を求めることで、相対的な偏光分布を画像に反映させる技術をいう。
【０１２５】
偏光イメージング画像を得るためには、まず、各画素９００Ａ、９００Ｂ、９００Ｃ、９００Ｄの間における、センサ出力の差分を求める。差分は、基本ベクトル間で行う。例えば、θが０°の画素９００Ａの場合は、θが９０°の画素９００Ｃとの間で差分を求め、一方、θが４５°の画素９００Ｂの場合は、θが１３５°の画素９００Ｄとの間で差分を求める。これらの差分は、ストークスパラメータと呼ばれる。また、差分の代わりに、各ストークスパラメータからＤｏＬＰ（Ｄｅｇｒｅｅ  ｏｆ  Ｌｉｎｅａｒ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を算出してもよい。
【０１２６】
偏光イメージングを実現するためには、θが０°、４５°、９０°、１３５°の４つの画素９００Ａ、９００Ｂ、９００Ｃ、９００Ｄを用いて、これらの４つの画素を１つのユニット２０００として、ユニット２０００をアレイ化することで、画像センサを形成する。また、４画素ではなく、θが０°と９０°の組（９００Ａ、９００Ｃ）の２画素、またはθが４５°と１３５°の組（９００Ｂ、９００Ｄ）の２画素を１ユニットとしても、偏光イメージングは実現できる。
【０１２７】
このように、グラフェンナノリボンで偏光イメージングを実現するためには、図１３Ｂに示すように、θが０°、４５°、９０°、１３５°となるように、それぞれナノリボンを配置し、画素のユニット２０００を形成すれば良い。かかる画素のユニット２０００を用いた電磁波検出器アレイでは、グラフェンによって、紫外領域〜電波領域といった広帯域において偏光イメージングを行うことができる。特に、実施の形態１の電磁波検出器１００と同様に、受光グラフェン１と参照グラフェン２を用いたｐｎ差分構造を用いることで暗電流がゼロにできるため、高精度な偏光イメージングの実現が可能となる。
【０１２８】
実施の形態１１．
図１３Ｃは、全体が９５０で表される、本発明の実施の形態１１にかかる電磁波検出器の上面図であり、図１３Ｃ中、図１Ａ、１Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【０１２９】
なお、本実施の形態１１では、説明を簡単にするため、受光グラフェン１と参照グラフェン２の組で１画素を代表させて説明し、１画素中に動作回路等の他の回路が組み込まれているものとする。
【０１３０】
グラフェンを光検出器に用いる場合、光電変換に寄与する領域は、図１３Ｃ中に３５で示す、グラフェンと電極との界面が支配的であることが知られている。また、図１３Ｃにおいて、界面の向き、即ち、電極３、４が、受光グラフェン１および参照グラフェン２と交差する部分の、電極３、４の端部の向きを、図１３Ｂの座標の９０°方向（上下方向）とする。
【０１３１】
グラフェントランジスタのような電磁波検出器において、受光グラフェン１、参照グラフェン２の下部の絶縁層５には、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミ（Ａｌ２Ｏ３）、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、ボロンナイトライド（ＢＮ）が用いられる。これらの絶縁材料は、赤外線波長帯域である１０μｍ付近の電磁波を吸収し、この吸収によって発熱する。この発熱によって、チャネル中のグラフェンには電極からの距離によって熱勾配が形成される。グラフェンにおいて、熱分布が生じた場合、熱電対と同様に、熱電力効果が生じ、電磁波応答が得られる。
【０１３２】
さらに、電磁波の吸収は、界面３５の向きと垂直な電界（図１３Ｃでは０°方向に電界を有する偏光をもつ電磁波）を選択的に吸収する。つまり、実施の形態１０で述べたように赤外波長帯域においては、グラフェントランジスタは偏光依存性を有する。よって、界面３５の向きを０°、４５°、９０°、１３５°とした４つの画素を１ユニットとして配置することで、実施の形態１０と同様の偏光イメージングが実現できる。
【０１３３】
グラフェンの熱起電力効果と、界面３５における絶縁層５の吸収の偏光依存性を用いることで、赤外波長帯域において選択的に偏光検出が可能となる。グラフェンは応答速度が速いため、高性能な偏光イメージングが実現できる。また、本効果は１０μｍ近傍の波長帯域を中心とすることから、熱赤外波長のみの偏光を、特別な波長選択フィルタや偏光子を用いることなく、選択的に検出できる。
【０１３４】
なお、絶縁層５に凹凸を設ける、グラフェンを多層膜にする等により、吸収波長を材料そのものの吸収波長と異なる波長に変えることができる。これにより、偏光イメージングが有効な波長帯域を、赤外波長以外の波長帯域に変えることができる。凹凸構造は、フォトニック結晶のような、１次元または２次元の周期的な凹部または凸部を含む。凹部や凸部の形状は、円形、正方形、長方形、そのほかの多角形、あるいはあらゆるフラクタル構造を含む。また、絶縁層５の材料として、ＴｉＮのようなプラズモン共鳴が生じる窒化物を用いることで、可視光や近赤外光における吸収作用を生じることも可能である。
【０１３５】
実施の形態１２．
図１４は、全体が１０００００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概略図である。カメラシステム１０００００は、電磁波検出器アレイ１００００または電磁波検出器アレイ２００００を含む。電磁波検出器アレイ１００００または２００００には、信号処理システム３００００、画像出力デバイス４００００が接続されている。また、カメラシステム１０００００は、レンズシステム６００００、およびシャッタ、アパーチャ、フィルタ等の光学系５００００を含む。
【０１３６】
カメラシステム１０００００では、入力電磁波をレンズシステム６００００で集光し、光学系５００００を介して、電磁波検出器アレイ１００００に入力する。電磁波検出器アレイ１００００から得られた出力信号を、信号処理システム３００００で処理し、画像として画像出力デバイス４００００から出力する。レンズシステム６００００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切り換えても良い。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電磁波検出器アレイ１００００に入力することが可能となる。このとき、光学系５００００としてシャッタ、アパーチャ、フィルタ等は必要に応じて用いても良いし、用いなくても良い。また、レンズシステム６００００を使用しない場合や、レンズシステム６００００として超広帯域レンズを使用する場合は、全ての波長帯域の電磁波検出器アレイにて検出することが可能となる。
【０１３７】
また、レンズシステム６００００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、表面に周期構造（配置される構造が異なるような擬似的な周期構造を含む）などを設けることにより、構造体で光の透過ならびに焦点距離が調整できるようにしたレンズである。透過する波長が材料に依存せずに、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。
【０１３８】
実施の形態１３．
図１５Ａは、全体が８００で表される、本発明の実施の形態１３にかかる電磁波検出器の上面図であり、図１５Ｂは、図１５Ａの電磁波検出器８００をＸＶＢ−ＸＶＢ方向に見た場合の断面図である。図１５Ａ、１５Ｂ中、図１Ａ、１Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【０１３９】
本発明の実施の形態１３にかかる電磁波検出器８００が、実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、図１５Ａに示すように、電磁波検出器８００では、参照グラフェン２の上に、検出波長の電磁波を遮光できる材料からなる遮光部２７が設けられる。遮光部２７は、参照グラフェン２に入射する電磁波の光路中に、電磁波を遮断するように配置される。これにより、検出波長の電磁波を遮光部２７で遮光できる。この結果、電磁波の検出時には、受光グラフェン１と参照グラフェン２の抵抗率が同一になるように設定するのみで良く、電磁波をパウリブロッキングするためのゲート電圧の調整は不要となり、受光グラフェン１と参照グラフェン２との間の平衡化作業が簡単になる。
【０１４０】
また、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００では、吸収率に差分の生じない可視光などの応答は打ち消されるため検出できないが、本実施の形態１３にかかる電磁波検出器８００では、電磁波照射時に遮光部２７で覆われた参照グラフェン２は応答を示さず、受光グラフェン１はパウリブロッキング波長以外の全ての波長において感度を有しているため、可視光を含む広帯域の電磁波の検出が可能となる。
【０１４１】
実施の形態１４．
図１６Ａは全体が９８０で表される、本発明の実施の形態１４にかかる電磁波検出器の上面図であり、図１６Ｂは、図１６Ａの電磁波検出器９８０をＸＶＩＢ−ＸＶＩＢ方向に見た場合の断面図である。本発明の実施の形態１４にかかる電磁波検出器９８０が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、図１６Ａ、１６Ｂに示すように、受光グラフェン１と、電極３または電極４との、いずれか一つの界面に入射する電磁波の光路中に、遮光部２７が設けられている点である。
【０１４２】
一般に、グラフェントランジスタでは、グラフェンの光電変換は、電極とグラフェンとの界面領域が最も寄与が大きく、グラフェンと電極との界面に電磁波が照射されることで、電子正孔対が効率的に形成される。一般的なグラフェントランジスタは、左右対称構造であるため、ソース電極およびドレイン電極と、グラフェンとの界面に発生する電子正孔対による光電流は、ソース−ドレイン間で相殺されて減衰する。このため、ソース電極またはドレイン電極のいずれか一方と、グラフェンとの界面を遮光することで、左右非対称構造となり光電流を増加させることができる。
【０１４３】
そこで、本発明の実施の形態１４にかかる電磁波検出器９８０では、図１６Ａに示すように、受光グラフェン１が左右非対称となるように遮光部２７を設けることで、受光グラフェン１に流れる光電流を増幅できる。図１６Ａ、図１６Ｂでは、電極３と受光グラフェン１との界面に遮光部２７を設けたが、電極４と受光グラフェン１との界面に遮光部２７を設けても良い。また、図１６Ａ、図１６Ｂは一例であり、遮光部２７を設ける位置は、グラフェンのドーピングレベルや入射する電磁波波長によりシフトするディラックポイントの正負によって異なるため、適宜光電流が増加するように遮光部を設ければ良い。
【０１４４】
それぞれのグラフェントランジスタにおけるソース・ドレイン電流に対して、電磁波照射により正に光電流が増加する場合は正に光電流が増加するように遮光部を設け、負に光電流が増加する場合は負に光電流が増加するように遮光部を設ければ良い。使用するグラフェンが１つだけの場合は、単純に遮光部は光電流が増加するよう設ければ良い。また、遮光部の遮光範囲はグラフェンチャネルのサイズや形状により異なるため、グラフェントランジスタに非対称性が生じることで発生する光電流が最も増加するように設ければ良く、例えば片側の電極とグラフェン界面以外を遮光するような形状を用いても良い。
【符号の説明】
【０１４５】
１  受光グラフェン、２  参照グラフェン、３、４  電極、５  絶縁層、６  基板、７  検出回路、８  平衡回路、９  動作回路、１０  差動増幅回路、１００  電磁波検出器。
【図１Ａ】
2018173347.tif 000003
【図１Ｂ】
2018173347.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
2018173347.tif 000009
【図３Ａ】
2018173347.tif 000010
【図３Ｂ】
2018173347.tif 000011
【図４】
2018173347.tif 000012
【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
2018173347.tif 000017
【図８Ｂ】
2018173347.tif 000018
【図８Ｃ】
2018173347.tif 000019
【図９Ａ】
2018173347.tif 000020
【図９Ｂ】
2018173347.tif 000021
【図１０Ａ】
2018173347.tif 000022
【図１０Ｂ】
2018173347.tif 000023
【図１０Ｃ】
2018173347.tif 000024
【図１０Ｄ】
2018173347.tif 000025
【図１１Ａ】
2018173347.tif 000026
【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
2018173347.tif 000032
【図１３Ｃ】
2018173347.tif 000033
【図１４】
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【図１５Ａ】
2018173347.tif 000035
【図１５Ｂ】
2018173347.tif 000036
【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年6月6日(2019.6.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波検出器、電磁波検出器アレイおよび電磁波検出方法に関し、特にグラフェンを検出層として用いた電磁波検出器、電磁波検出器アレイおよび電磁波検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電磁波検出器では、一般には、電磁波検出層として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。これに対して、次世代の電磁波検出器の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、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−３１６６６号公報
【特許文献２】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、電磁波検出層をグラフェン単体から形成した場合、電磁波の吸収率が数％程度と非常に低くなり、検出できる波長帯域は広がっても、検出感度が低下するという問題があった。また、グラフェンはアンバイポーラ特性を有するため、一般的な半導体材料と異なり、ＯＦＦ動作が困難であり、電磁波検出器として使用する際に、暗電流をゼロに出来ないという問題もあった。
【０００５】
そこで、本発明は、検出可能な電磁波の波長帯域が広く、検出感度が高く、かつＯＦＦ動作が可能な、グラフェンを電磁波検出層の材料に用いた電磁波検出器、電磁波検出器アレイおよび電磁波検出方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様は、
所定の検出波長の電磁波を電気信号に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、
絶縁層の上に並置された受光グラフェンおよび参照グラフェンと、
受光グラフェンおよび参照グラフェンを挟んで対向配置された第１電極および第２電極であって、
第１電極は、受光グラフェンおよび参照グラフェンの一端で双方に電気的に接続された１つの電極であり、
第２電極は、受光グラフェンおよび参照グラフェンの他端にそれぞれ電気的に接続
された２つの電極である、
第１電極および第２電極と、
受光グラフェンおよび参照グラフェンにゲート電圧を印加するゲート電極と、
２つの第２電極の間に接続された平衡回路と、
２つの第２電極の間の電気信号を検出する検出回路と、
を含み、
受光グラフェンは、キャリアがドーピングされて、検出波長を有する電磁波が入射した場合にバンド内遷移により光キャリアが発生し、
参照グラフェンは、キャリアがドーピングされて、検出波長を有する電磁波が入射した場合にパウリブロッキング効果により光キャリアが発生せず、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、平衡回路は、第１電極と第２電極とを同一電位にし、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長の電磁波が入射した状態で、検出回路が、第２電極の間の電気信号を検出し、
検出波長を有する電磁波が入射した状態の電気信号を出力することを特徴とする電磁波検出器である。
【０００７】
本発明の第２の態様は、
所定の検出波長の電磁波を電気信号に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と、
グラフェンを挟んで対向配置された第１電極および第２電極であって、グラフェンの一端に電気的に接続された第１電極と、グラフェンの他端に電気的に接続された第２電極と、
グラフェンにゲート電圧を印加するゲート電極と、
第１電極と第２電極の間の電気信号を検出する検出回路と、
を含み、
ゲート電圧は、
検出波長を有する電磁波が入射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するように、グラフェンにキャリアをドーピングする第１ゲート電圧と、
検出波長を有する電磁波が入射した場合に、パウリブロッキング効果により光キャリアが発生しないように、グラフェンにキャリアをドーピングする第２ゲート電圧と、を含み、さらに、検出波長を有する電磁波が入射しない場合に、第１ゲート電圧を印加した状態と、第２ゲート電圧を印加した状態において、第１電極と第２電極との間の電流または電圧が同一になるようなゲート電圧であり、
検出波長を有する電磁波が入射した場合の、第１ゲート電圧を印加した状態と、第２ゲート電圧を印加した状態との、電気信号の差分を出力することを特徴とする電磁波検出器である。
【０００８】
本発明の第３の態様は、
所定の検出波長を有する電磁波を照射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するようにキャリアがドーピングされた受光グラフェンのチャネルを有する第１トランジスタと、
検出波長を有する電磁波を照射した場合に、パウリブロッキングにより光キャリアが発生しないようにキャリアがドーピングされた参照グラフェンのチャネルを有する第２トランジスタと、を直列に接続して、その両端の電気信号を検出する電磁波検出方法であって、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、第１トランジスタと第２トランジスタにゲート電圧を印加し、受光グラフェンのチャネルの抵抗値と参照グラフェンのチャネルの抵抗値が同一になるように制御する工程と、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長を有する電磁波が入射しない状態で、電気信号を検出する工程と、
受光グラフェンおよび参照グラフェンに、検出波長を有する電磁波が入射した状態で、電気信号を検出する工程と、
検出波長を有する電磁波が入射した状態と、入射しない状態との、電気信号の差分を求めて出力する工程と、を含むことを特徴とする電磁波検出方法である。
【０００９】
本発明の第４の態様は、
グラフェンのチャネルのドーピングレベルがゲート電圧により制御されるトランジスタの、両端の電気信号を検出する電磁波検出方法であって、
ゲート電圧を、
検出波長を有する電磁波が入射した場合に、バンド内遷移により光キャリアが発生するように、グラフェンにキャリアをドーピングする第１ゲート電圧と、
検出波長を有する電磁波が入射した場合に、パウリブロッキング効果により光キャリアが発生しないように、グラフェンにキャリアをドーピングする第２ゲート電圧と、に制御する工程であって、さらに、検出波長を有する電磁波が入射しない場合に、第１ゲート電圧を印加した状態と、第２ゲート電圧を印加した状態において、第１電極と第２電極との間の電流または電圧を同一にする工程と、
検出波長を有する電磁波が入射した状態と、入射しない状態の、第１ゲート電圧の場合の電気信号の差分と、第２ゲート電圧の場合の電気信号の差分とをそれぞれ求めて、これら２つの差分の合計を求めて出力する工程と、を含むことを特徴とする電磁波検出方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、グラフェンを電磁波検出層に用いた電磁波検出器において、検出可能な電磁波の波長帯域が広く、検出感度を高く、かつＯＦＦ動作を可能にでき、高感度な電磁波検出器の提供、およびそのような電磁波検出器を用いた検出方法の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】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１Ｂ】図１Ａの電磁波検出器をＩＢ−ＩＢ方向に見た場合の断面図である。
【図１Ｃ】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の回路図である。
【図１Ｄ】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の回路図である。
【図２Ａ】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の動作のフローチャートである。
【図２Ｂ】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器のパウリブロッキング効果の原理を示す図である。
【図２Ｃ】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の動作原理を示す図である。
【図３Ａ】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３Ｂ】図３Ａの電磁波検出器をＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ方向に見た場合の断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器の動作のフローチャートである。
【図５】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２にかかる他の電磁波検出器の上面図である。
【図７Ａ】本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器の回路図である。
【図７Ｂ】本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器の差動増幅回路図である。
【図８Ａ】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８Ｂ】図８Ａの電磁波検出器をＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ方向に見た場合の断面図である。
【図８Ｃ】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９Ａ】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９Ｂ】図９Ａの電磁波検出器をＩＸＢ−ＩＸＢ方向に見た場合の断面図である。
【図１０Ａ】本発明の実施の形態６にかかる電磁波検出器の上面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの電磁波検出器をＸＢ−ＸＢ方向に見た場合の断面図である。
【図１０Ｃ】本発明の実施の形態６にかかる他の電磁波検出器の上面図である。
【図１０Ｄ】図１０Ｃの電磁波検出器をＸＤ−ＸＤ方向に見た場合の断面図である。
【図１１Ａ】本発明の実施の形態８にかかる電磁波検出器の回路図である。
【図１１Ｂ】本発明の実施の形態８にかかる電磁波検出器の補正回路図である。
【図１２Ａ】本発明の実施の形態９にかかる電磁波検出器アレイの回路図である。
【図１２Ｂ】本発明の実施の形態９にかかる電磁波検出器の回路図である。
【図１２Ｃ】本発明の実施の形態９にかかる他の電磁波検出器アレイの回路図である。
【図１３Ａ】本発明の実施の形態１０にかかる電磁波検出器の１画素の上面図である。
【図１３Ｂ】本発明の実施の形態１０にかかる電磁波検出器アレイの構成図である。
【図１３Ｃ】本発明の実施の形態１１にかかる他の電磁波検出器の１画素の上面図である。
【図１４】本発明の実施の形態１２にかかるカメラシステムの概念図である。
【図１５Ａ】本発明の実施の形態１３にかかる電磁波検出器の上面図である。
【図１５Ｂ】本発明の実施の形態１３にかかる電磁波検出器をＸＶＢ−ＸＶＢ方向に見た場合の断面図である。
【図１６Ａ】本発明の実施の形態１４にかかる電磁波検出器の上面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ａの電磁波検出器をＸＶＩＢ−ＸＶＩＢ方向に見た場合の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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、本発明の実施の形態において、これらの光や電波を総称して電磁波とも記載する。
【００１３】
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、複数のトップゲートやバックゲートが設けられた他の電極構造などを備えた電磁波検出器にも適用できる。
【００１４】
本発明の実施の形態では、グラフェンについて、「受光グラフェン」と「参照グラフェン」と呼んでいる。即ち、動作時において、検出波長の電磁波を入射したグラフェンがパウリブロッキング効果によりバンド間遷移もバンド内遷移も行わない状態にあるグラフェンを「参照グラフェン」と呼び、検出波長の電磁波を入射したグラフェンがバンド内遷移によりキャリア励起を行う状態にあるグラフェンを「受光グラフェン」と呼ぶ。これらは動作時にこのような状態になっていればよく、動作前の状態は問わない。
【００１５】
本発明の実施の形態では、グラフェンの上に設ける接触層の材料について、ｎ型、ｐ型等の用語を用いて説明するが、これらの用語は、例えばｎ型であれば電子供与性を有するもの、ｐ型であれば電子求引性を有するものを示す。また、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ものをｎ型、正孔が支配的となるものをｐ型と呼ぶ。これらは有機物および無機物の双方を含む。
【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】
また、以下に示す各実施の形態において、同一符合は同一または相当箇所を示し、同一の符号を付することにより、その部分の細かい説明は省略する。
【００１８】
実施の形態１．
図１Ａ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１Ｂは、図１Ａの電磁波検出器１００をＩＢ−ＩＢ方向に見た場合の断面図である。また、図１Ｃは、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００の回路図である。
【００１９】
図１Ａ、１Ｂに示すように、電磁波検出器１００は、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、シリコン等の半導体材料からなり、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などが用いられる。または、後述するように、基板６をバックゲートに用いる場合には、ドープされたシリコン基板を用いても良い。
【００２０】
基板６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５が設けられている。ボロンナイトライドは原子配列がグラフェンと構造が似ているため、グラフェンと接触してもグラフェン中の電荷移動を妨げないため、電子移動度などグラフェンの性能を阻害せず、グラフェンの下地膜として好ましい。なお、基板６が表面に熱酸化膜を有する基板の場合は、熱酸化膜が絶縁層５を兼ねても良い。
【００２１】
絶縁層５の上には、受光グラフェン１と参照グラフェン２が並置される。上述のように、受光グラフェン１は、検出波長の電磁波を入射した場合、バンド内遷移によりキャリア励起を行う状態にあるグラフェンをいい、参照グラフェン２は、検出波長の電磁波を入射した場合、パウリブロッキング効果によりバンド間遷移もバンド内遷移も行わない状態にあるグラフェンをいう。
【００２２】
受光グラフェン１は、所定の検出波長を有する電磁波を照射した際に、バンド内遷移により光キャリアが発生するようにドーピングされている。一方、参照グラフェンは、所定の検出波長を有する電磁波を照射した際に、パウリブロッキングにより、光キャリアがバンド内遷移もバンド間遷移も発生しないようにドーピングされている。ドーピングには、電圧を印加するような電気的な方法や、溶液に浸漬するような化学的な方法が用いられる。
【００２３】
受光グラフェン１と参照グラフェン２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。なお、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】
受光グラフェン１及び参照グラフェン２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、つまり格子ベクトルの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。受光グラフェン１と参照グラフェン２は動作前においてはノンドープでも良く、ｐ型またはｎ型にドープされていてもよい。
【００２６】
また、受光グラフェン１及び参照グラフェン２の表面には、一次元または二次元の周期的な凹部または凸部を設けても良い。周期的な凹部または凸部を設けた場合、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、原理としては金属と同様のプラズモン共鳴により吸収が起きる。凹部は、グラフェンを貫通する孔でも良い。グラフェンが単層の場合は、凹部は、グラフェンを貫通する孔となる。グラフェンが複数層の場合は、そのうちのいずれかの層のみを貫通する孔であれば、凹部はグラフェンを貫通しない。また、複数層全てを貫通する孔であれば、凹部はグラフェンを貫通する。
【００２７】
凹部を２次元に配置する場合、周期配置は、正方格子、三角格子等、いずれの周期配列でも良い。また、上から見た場合の凹部の形状は、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。ただし、三角形、楕円、長方形のように、上面から見た凹部の形状が非対称性を有する場合、グラフェン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。一方、凹部を１次元に配置する場合、周期配置は、例えば並列配置された１次元の溝でも良い。
【００２８】
上述のように凹部の形状が楕円や長方形のような非対称性を有する場合や、凹部の配置が１次元の周期配置のように非対称性を持つ場合、光の検出において偏光依存性が発生するため、偏光イメージングにも適用が可能である。偏光イメージングでは、物体の境界や、人工物や自然物の判別などが可能になるが、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、検出装置の巨大化、システムの複雑化等の問題があった。しかし、グラフェンを用いた電磁波検出器では、グラフェンを非対称形状に加工するだけで特定の偏光を検出する検出器が実現できるため、偏光子や偏光フィルタなどを別途設ける必要がなく、システムの小型化、部品点数の削減、偏光子、フィルタを通過することによる光ロスが無くなる、など大きな利点を有する。
【００２９】
このような周期構造をグラフェン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の表面で吸収することができる。つまり、電磁波検出器１００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。パウリブロッキングを利用した本実施の形態１の電磁波検出器１００と組み合わせることでより高い波長感度を有することができるため、更に高感度化が可能となる。
【００３０】
ここでは、グラフェンの表面に周期的な凹部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。
【００３１】
絶縁層５の上には、受光グラフェン１と参照グラフェン２を直列に接続する電極３と、受光グラフェン１、参照グラフェン２をそれぞれ挟んで電極３と対向する２つの電極４が設けられている。電極３と電極４は受光グラフェン１、参照グラフェン２の両端に接続されている。電極３と電極４は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｄ等の金属から形成される。電極３及び電極４とその下の絶縁層５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３及び電極４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。また、電極３（例えばソース電極）と電極４（例えばドレイン電極）が異なる金属から形成されていてもよい。
【００３２】
グラフェンは接触する金属の種類によって、金属とグラフェンの仕事関数の差からドーピングが生じる。これにより、グラフェンの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３と電極４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ようになる。このため、光が照射された場合、発生したキャリアによって電極３、４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。本発明の実施の形態１では、簡略化のために、受光グラフェン１と参照グラフェン２にそれぞれ１対の電極３と電極４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。
【００３３】
また、電極３、電極４の表面に周期的な凹部または凸部を設けても良い。周期的な凹部または凸部を設けた場合、プラズモン共鳴が生じる。凹部は、例えば２次元に所定の間隔で配置された円柱状の凹部からなる。配置は、正方格子、三角格子等、いずれの周期配列でも良い。円柱の代わりに角柱、三角柱、四角柱、楕円柱等、他の形状の凹部でも良い。また、凹部は並列配置された１次元の溝でも良い。これらの凹部は、電極３、４を貫通しても、貫通しなくても、それぞれ適宜、目的とする波長検知するためのパターン設計をすれば良い。このような周期的な凹部を電極３、４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３、４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。ここでは、電極３、４の表面に周期的な凹部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同等の効果を得ることができる。
【００３４】
ここで、プラズモン共鳴の共鳴波長は、周期構造および凹凸の大きさに依存して決定される。このような周期構造を電極３、４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１００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。
【００３５】
図１Ｃに示すように、電磁波検出器１００は、周辺回路として、検出回路７、平衡回路８、および動作回路９を有する。動作回路９は、受光グラフェン１及び参照グラフェン２に、電極３と電極４を介して外部バイアスを印加する。また、検出回路７は、２つの電極４の間で、受光グラフェン１と参照グラフェン２の電位差を検出する。平衡回路８は、受光グラフェン１と参照グラフェン２の平衡をとるために設けられている。
【００３６】
図２Ａは、電磁波検出器１００の動作のフローチャートであり、図２Ｂは電磁波検出器１００のパウリブロッキング効果の原理を示す図であり、図２Ｃは電磁波検出器１００の動作原理を示す図である。図２Ｂ、図２Ｃにおいて、横軸はエネルギー、縦軸はグラフェンの吸収率を示す。
【００３７】
ここで、パウリブロッキング効果とは、赤外波長域においてグラフェンで生じる物理現象である。例えばグラフェンのフェルミレベルが、ドーピングにより、ディラックポイント（バンド図（２）の交点：いわゆる価電子帯と伝導帯との交点）よりもμだけシフトしている場合を考える。図２Ｂの下方のバンド図に示すように、入射電磁波の波長エネルギーが２μより大きい場合、グラフェンは、（３）バンド間遷移が発生して電磁波を吸収する。しかし、例えば（２）のように、入射電磁波の波長が長くなり、波長エネルギーが２μよりも小さくなると、グラフェンは、パウリブロッキングによりバンド間遷移（（２）に破線で記載）が妨げられ、吸収率が減少する。これをパウリブロッキング効果と呼ぶ。更に、入射電磁波の波長が長くなると、グラフェン内の電子はバンド内遷移（１）を行うようになり、吸収率は増加する。本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出方法では、バンド内遷移状態（１）とパウリブロッキング状態（２）の吸収量の差分を検出する。
【００３８】
なお、ここでは、図２Ｂに示すように、エネルギーが２μ以上でグラフェンの吸収率が一定値（２．３％）となる領域を「（３）バンド間遷移」領域、エネルギーが２μより小さくなり、吸収率が一定値（２．３％）より小さい領域を「（２）パウリブロッキング」領域、さらにエネルギーが小さくなって、吸収率が一定値（２．３％）以上になる領域を、「（１）バンド内遷移」領域、と呼ぶ。
【００３９】
具体的には、図２Ｃに示すように、電磁波検出器１００の参照グラフェン２に、電気的また波化学的にゲート電圧Ｖｔｇを印加して参照グラフェン２をドーピングして、（ｃ）に示すようにフェルミレベルをシフトさせる。この時、（ａ）に示すように、ゲート電圧を印加した参照グラフェン２のエネルギーと吸収率との関係を表すグラフも実線で示すようにシフトする。この結果、例えば、波長エネルギーＡの電磁波が電磁波検出器１００に入射した場合、受光グラフェン１では、（１）バンド内遷移で電磁波が吸収され、一方、参照グラフェン２では、（２）パウリブロッキングで電磁波は吸収されない。つまり、（ａ）に示すように、受光グラフェン１と参照グラフェン２との間で、吸収率の吸収差分が生じる。この吸収差分を検出することで、波長エネルギーＡの電磁波を高感度で検出できる。
【００４０】
本実施の形態１ではゲート電圧を印加することで参照グラフェン２をドーピングしてフェルミレベルをシフトさせたが、化学的にドーピングする方法を用いても良い。また、受光グラフェン１と参照グラフェン２のそれぞれのドーピングレベルを制御することで任意の波長エネルギーの電磁波に対して高感度の検出が可能である。
【００４１】
次に、電磁波検出器１００の動作のフローチャートを示す図２Ａを用いて、電磁波検出器１００の動作を説明する。
【００４２】
まず、図１Ｃに示す２つの動作回路９から２つの電極３、４の間に電圧Ｖｄを印加する（Ｓ１）。これにより、受光グラフェン１及び参照グラフェン２の内部の抵抗値が変化し、電極３と電極４の間を流れる電流量Ｉｄが変化する。この電流量Ｉｄの変化を調節し、暗状態において、受光グラフェン１と参照グラフェン２の抵抗値が同一となるように印加バイアスを調節する（Ｓ２）。印加するバイアスは電圧でも電流でも良く、受光グラフェン１と参照グラフェン２の抵抗値が同一となればよい。また、基板６の裏面をバックゲート端子として、ゲート電圧を印加して抵抗値の調節を行っても良い。この場合、基板６の裏面に電圧をかけることで、受光グラフェン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。ただし、ゲート電圧を印加して抵抗値を変化させる場合は、電界によるドーピングの影響でグラフェンの吸収率も変化する可能性があるので注意する必要がある。
【００４３】
次に、平衡回路８を用いて（Ｓ３）、２つの電極４の端子間において、電磁波が入射しない暗状態の電位差がゼロになるように回路の抵抗を調整する（Ｓ４）。平衡回路８は、例えば図１Ｄに示すように、受光グラフェン１と参照グラフェン２との平衡をとるために、２個の抵抗素子Ｒ１、Ｒ２を接続したブリッジ回路などで構成される。抵抗素子Ｒ１、Ｒ２はシリコンなどの半導体薄膜トランジスタ、薄膜抵抗素子、２次元材料トランジスタ素子、受光グラフェンを用いたトランジスタ素子、参照グラフェンを用いたトランジスタ素子などから形成される。抵抗素子Ｒ１、Ｒ２として受光グラフェン１と参照グラフェン２を用いたトランジスタを用いれば、平衡時に受光グラフェン１及び参照グラフェン２の時間変化、温度変化を打ち消すことができる。また、検出波長の影響を受けないように遮光部材を設置するなどしておけば、参照グラフェン２は単なるグラフェンでも良い。
【００４４】
平衡回路８は、２つの電極４の端子間において、暗状態の電位差がゼロになるように回路の抵抗を調整する（Ｓ４）。このとき、動作回路９を用いて受光グラフェン１または参照グラフェン２の抵抗を変化させて調節しても良いし、動作回路９は定電圧として、平衡回路８として接続した抵抗素子の抵抗値を変化させて調整しても良いし、または動作回路９と平衡回路８の両方を変化させて調節しても良い。動作回路９と平衡回路８での調整は前後を問わず、電磁波照射前の暗状態において、電極４端子間の電位差が動作ゲート電圧においてゼロになっていれば良い。また、検出する電気信号を電圧で出力する場合は、暗状態の電圧がゼロになるようにし、電流で出力する場合は暗状態の電流がゼロになるように設定すれば良い。
【００４５】
受光グラフェン１および参照グラフェン２のフェルミレベルは、ドーピングにより、予めディラックポイントよりもエネルギーμだけシフトしている。この状態では、電磁波検出器１００で検出しようとする波長の電磁波は、パウリブロッキングにより、吸収されないようになっている（例えば、図２Ｃに示すエネルギーＡの電磁波）。また、受光グラフェン１にゲート電圧Ｖｔｇを印加して、受光グラフェン１でバンド内遷移が起きるようにする。この状態で、受光グラフェン１および参照グラフェン２に電磁波を照射する（Ｓ５）。
【００４６】
所定の検出波長の電磁波を照射した状態で、検出回路を用いて、２つの電極４の間で電気信号を検出する（Ｓ６）。
【００４７】
検出回路７は、例えば電圧を検出する場合は電圧計、電流を検出する場合は電流計などを用いれば良い。また、オペアンプなどの差動増幅回路を用いることで、差分応答を更に増幅して得ることが出来る。また、増幅回路としてグラフェンを利用した出力増幅回路を用いてもよい。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。また、検出回路等の周辺回路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。更に、受光グラフェン１と参照グラフェン２において温度変化、時間変化が生じる場合、差分を出力する際にこれらも打ち消すことができるため、低ノイズ化できる。
【００４８】
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。
【００４９】
工程１：シリコン等の平坦な基板６を準備する。
【００５０】
工程２：基板６の上に、絶縁層５を形成する。絶縁層５は、例えば基板６がシリコンの場合は、熱酸化した酸化シリコン（ＳｉＯ２）でもよい。また、ＣＶＤやスパッタにより他の絶縁膜を形成してもよい。
【００５１】
工程３：Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等の金属からなる電極３、電極４を形成する。この時、下部の絶縁層５との密着性を向上させるために、絶縁層５と電極３、４との間にＣｒやＴｉ等の密着膜を形成しても良い。電極３、４の形成は、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、その上にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ等からなる金属層を蒸着やスパッタリングなどで堆積して行う。その後、レジストマスクを除去することで電極３、４を形成する。一般的にはリフトオフと呼ばれる方法である。あるいは、絶縁層５の上に金属膜を先に成膜し、フォトリソグラフィによってレジストマスクを形成し、ウエットエッチングやドライエッチングで電極３、４を形成してもよい。
【００５２】
工程４：電極３、電極４および絶縁層５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法を用いて形成した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３、４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、受光グラフェン１及び参照グラフェン２を形成する。
【００５３】
工程５：参照グラフェン２上に写真製版などでレジストマスクを被膜する。その際、現像液として使用する水酸化テトラメチルアンモニウム溶液によりレジストマスクで被膜されていない受光グラフェン１はｎ型にドープされる。その後、参照グラフェン２上のレジストマスクは剥離しても良いし、剥離しなくても良い。レジストマスクを剥離しなければ、参照グラフェン２はレジストマスクによりｐ型にドープされる。
【００５４】
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。
【００５５】
なお、水酸化テトラメチルアンモニウム溶液に浸漬する時間を変化させることで、受光グラフェン１のドーピングレベルを制御することが可能である。ドーピングレベルを制御することにより、検出波長において、受光グラフェン１がバンド内遷移を生じ、参照グラフェン２がパウリブロッキングを生じるようにゲート電圧を制御することで、本実施の形態１にかかる電磁波検出を実現する。また、参照グラフェン２上にトップゲートを設けることで、受光グラフェン１はバックゲートにより制御し、一方、参照グラフェン２はトップゲートにより制御することで、両者を任意のドーピングレベルに設定し、任意波長における吸収差分を増大することも可能である。両者のゲート電圧を変化させれば吸収率が増大する波長も選択的に設定することが出来る。
【００５６】
ここでは、電極３、４の上にグラフェンを形成したが、絶縁層５の上に予めグラフェンを形成し、その後、電極３、４を形成した構造を用いても良い。ただし、この構造を用いる場合は、電極３、４の形成時に、グラフェンにプロセスダメージを与えないように、注意が必要である。
【００５７】
また、検出回路７、平衡回路８、および動作回路９は、基板６の上に形成するのが好ましいが、外付け回路としても良い。
【００５８】
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、グラフェンがバンド内遷移により光キャリアが発生するときの電磁波応答と、パウリブロッキングにより光キャリアがバンド内遷移もバンド間遷移も発生しないときの電磁波応答の差分応答を検出することで、電磁波を照射していない場合の応答をゼロにすることができ、検出信号を低ノイズ化でき、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００５９】
また、グラフェン同士の差分応答を検出信号として出力しているため、応答の時間変化、温度変化を打ち消し、検出信号の低ノイズ化が可能となる。
【００６０】
また、バンド内遷移により光キャリアが発生しているため、グラフェンの吸収率は、バンド間遷移を利用する場合に比べて大幅に上昇し、高感度な検出が可能となる。
【００６１】
さらに、パウリブロッキングが生じない波長領域では、グラフェンの吸収率に変化は無いため、波長選択性も得られる。
【００６２】
実施の形態２．
図３Ａ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３Ｂは、図３Ａの電磁波検出器２００をＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ方向に見た場合の断面図である。図３Ａ、３Ｂ中、図１Ａ、１Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００６３】
電磁波検出器２００では、基板６の上に絶縁層５が形成され、絶縁層５の上に、一対の電極３、４が設けられている。絶縁層５の上には、両端が電極３、４にそれぞれ接続されるように、グラフェン１１が設けられている。また、ゲート電圧を時間的に変化するための変調回路１５が、ゲート電極を兼ねる基板６に接続されている。また、電極３、４の間には、差分光電流を検出するための検出回路１６が接続されている。検出回路１６は電圧を印加するための動作回路として用いても良い。
【００６４】
本実施の形態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、電磁波検出器１００が２種類のグラフェン１、２を有して、その差分信号を検出するのに対して、電磁波検出器２００では、１種類のグラフェン１１を備えるグラフェントランジスタで遮光状態、受光状態のそれぞれの光応答の差分を検出する点である。
【００６５】
なお、本明細書では、検出波長の電磁波が入射したグラフェンがパウリブロッキング効果によりバンド間遷移もバンド内遷移も行わない状態のことを「遮光状態」と呼ぶ。一方、検出波長の電磁波が入射したグラフェンがバンド内遷移によりキャリア励起を行う状態のことを「受光状態」と呼ぶ。
【００６６】
図４Ａは、本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器２００の動作フローチャートであり、図４Ｂは、電磁波検出器２００の動作原理を示す図である。
【００６７】
電磁波検出器２００の動作方法では、まず、暗状態において、動作回路を兼ねる検出回路１６から、電極３、４の間にソース・ドレイン電圧Ｖｄを印加し、一方、変調回路１５から、基板６に、ゲート電圧Ｖｂｇを印加する（Ｓ１１）。検出波長の電磁波に対して、グラフェンが受光状態及び遮光状態となるＶｂｇをそれぞれ設定し、次に、受光状態と遮光状態におけるソース・ドレイン電流Ｉｄが同一値となるようＶｄを設定する。このときのＶｂｇ、Ｖｄを記憶する（Ｓ１２）。
【００６８】
次に、検出波長の電磁波を照射し（Ｓ１３）、工程Ｓ１２で記憶したゲート電圧Ｖｂｇ、ソース・ドレイン電圧Ｖｄを印加して、遮光状態と受光状態とそれぞれのソース・ドレイン電流Ｉｄを検出する（Ｓ１４、Ｓ１５）。
【００６９】
最後に、遮光状態と受光状態とそれぞれのソース・ドレイン電流Ｉｄの差分を出力する（Ｓ１６）。
【００７０】
このように、本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器２００では、グラフェンがバンド内遷移により光キャリアが発生する受光状態の電気信号と、パウリブロッキングにより光キャリアがバンド内遷移もバンド間遷移も発生しない遮光状態の電気信号の差分応答を検出することで、電磁波を照射していない場合の応答をゼロにすることができ、検出信号を低ノイズ化でき、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００７１】
本実施の形態２では、ゲート電圧は、バックゲートから基板６に印加したが、トップゲートを形成してグラフェン１１の上部から印加しても良い。また、本実施の形態２では、電磁波応答を電流として検出する方法について説明しているが、電圧として検出しても良い。
【００７２】
図５、図６は、本発明の実施の形態２にかかる他の電磁波検出器２１０、２２０の断面図および上面図を示す。暗状態と明状態の切り替えには、図５に示すようなシャッタ機構１８を用いても良い。シャッタ機構１８により、任意に明暗の切り替えが可能となる。シャッタ機構１８を導入した場合、グラフェンのドーピングレベルをコントロールする必要は無いため、動作を単純化できる。
【００７３】
また、図６に示すように、電極３、４の端子間にメモリー回路１７を設けて、それぞれの状態における出力を記憶しても良い。
【００７４】
以上のように、本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器２００では、単一のグラフェンを用いて、受光状態と遮光状態の出力を測定して、その差分を求めることで電磁波を照射していない場合の応答をゼロにすることができ、高感度で電磁波を検出できる。
【００７５】
実施の形態３．
図７Ａ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回路図であり、図７Ｂは、本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器３００の回路図である。図７Ａ、７Ｂ中、図１Ｃ、１Ｄと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００７６】
実施の形態３にかかる電磁波検出器３００が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、図７Ａに示すように、電極３に検出回路として差動増幅回路１０が接続されている点である。電磁波検出器１００では平衡回路８を用いて回路の平衡化を行う必要があったが、電磁波検出器３００では、明状態における受光グラフェン１と参照グラフェン２に流れる差分電流を差動増幅回路１０の入力として用いるため、平衡回路は不要となり、単一画素が簡素になり微細化が可能となる。また、差動増幅回路１０は受光グラフェン１と参照グラフェン２に流れる差分電流を検出出来れば構成は限定されない。例えば図７Ｂに示すように、差動増幅回路１０としてオペアンプを利用した積分回路などを用いても良い。オペアンプを利用することにより、出力の平均値を得ることができ、Ｓ／Ｎ比が向上する。
【００７７】
実施の形態４．
図８Ａ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８Ｂは、図８Ａの電磁波検出器４００をＶＩＩＩＢ−ＶＩＩＩＢ方向に見た場合の断面図である。また図８Ｃ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る。図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ中、図１Ａ、１Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００７８】
本発明の実施の形態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、図８Ａ、８Ｂに示すように、参照グラフェン２の上に、絶縁層２０を介してトップゲート電極２１が形成されている点である。絶縁層２０およびトップゲート電極２１は、代わりに受光グラフェン１の上、または、図８Ｃに示すように、受光グラフェン１と参照グラフェン２の双方の上に形成されても良い。
【００７９】
このようなトップゲート電極２１を設けることにより、バックゲートとトップゲートの両方からグラフェンをドーピングすることができる。このため、例えば受光グラフェン１と参照グラフェン２のディラックポイント電圧が同一である場合でも、どちらか一方をバックゲートで制御し、他方をバックゲートとトップゲートで制御することで、任意のディラックポイント電圧を得ることが可能となる。これにより、受光グラフェン１および参照グラフェン２の化学ドープを行うことなく、選択的にグラフェンをドーピングでき、電磁波検出器の駆動範囲が広がる。また、化学ドープの場合は、電磁波検出器の形態によっては経時変化を起こす場合があるが、電磁波検出器４００では、経時変化によるドーピングレベル変化をなくすことが出来る。
【００８０】
また、受光グラフェン１と参照グラフェン２を覆うように絶縁層２０を形成することにより、保護膜の機能を兼ねることもできる。保護膜を設けることで、周辺雰囲気の影響でグラフェンの性質が変化することを防止できる。特に、大気中ではグラフェンは空気分子や水分の影響を受けてディラックポイントが変化するため、保護膜を設けることでグラフェンの安定した動作が保障される。また、高温、低温環境で電磁波検出器を使用する場合も同様に、グラフェンの動作を安定して保持することが重要となる。保護膜を兼ねる絶縁層２０としては、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）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、ボロンナイトライドなどを用いることができる。保護膜を兼ねる絶縁層２０の材料としては、検出する電磁波が透過する材料を選択することが好ましい。
【００８１】
実施の形態５．
図９Ａ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９Ｂは、図９Ａの電磁波検出器５００をＩＸＢ−ＩＸＢ方向に見た場合の断面図である。図９Ａ、９Ｂ中、図１Ａ、１Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００８２】
本発明の実施の形態５にかかる電磁波検出器５００が、実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、図９Ａ、９Ｂに示すように、電磁波検出器５００では、絶縁層５と、受光グラフェン１および参照グラフェン２との間に、絶縁層２２とバックゲート電極２３が形成されている点である。これにより基板６から電圧を印加するバックゲートと、バックゲート電極２３の２つのバックゲートからグラフェンをドーピングすることができる。このため、例えば受光グラフェン１と参照グラフェン２のディラックポイント電圧が同一である場合でも、どちらか一方を基板６から印加するバックゲートで制御し、もう一方を表面側のバックゲート電極２３から印加するバックゲートで制御することで、任意のディラックポイント電圧を得ることが可能となる。これにより化学ドープを行うことなく、選択的にグラフェンをドーピングできるので、電磁波検出器の駆動範囲が広がる。また、化学ドープの場合は、電磁波検出器の形態によっては経時変化を起こす場合があるが、電磁波検出器５００では、経時変化によるドーピングレベル変化をなくすことが出来る。
【００８３】
特に、本実施の形態５にかかる電磁波検出器５００では、バックゲート電極２３は受光グラフェン１および参照グラフェン２の下部にあるため、受光グラフェン１および参照グラフェン２に入射する電磁波を減衰させずに、グラフェンのドーピングレベルをコントロールできる。
【００８４】
なお、図９Ａでは、絶縁層５と、受光グラフェン１および参照グラフェン２の双方との間に、絶縁層２２とバックゲート電極２３が形成された場合について述べたが、絶縁層５と、受光グラフェン１または参照グラフェン２の一方との間に、絶縁層２２とバックゲート電極２３を設けても良い。
【００８５】
実施の形態６．
図１０Ａ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上面図であり、図１０Ｂは、図１０Ａの電磁波検出器６００をＸＢ−ＸＢ方向に見た場合の断面図である。また、図１０Ｃ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上面図であり、図１０Ｄは、図１０Ｃの電磁波検出器６５０をＸＤ−ＸＤ方向に見た場合の断面図である。図１０Ａ〜１０Ｄ中、図１Ａ、１Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【００８６】
本発明の実施の形態６にかかる電磁波検出器６００が、実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、図１０Ａ、１０Ｂに示すように、電磁波検出器６００では、受光グラフェン１および参照グラフェン２の双方の上部に接触層２４、２５が設けられている点である。接触層２４、２５は、グラフェンと接触することで正孔または電子を供給することができる。このため、接触層２４、２５によりグラフェンを任意にドーピングすることが可能となる。図１０Ａ、１０Ｂの電磁波検出器６００では、受光グラフェン１および参照グラフェン２の双方の上部に接触層２４、２５が設けられているが、図１０Ｃ、１０Ｄの電磁波検出器６５０のように、グラフェンの上部ではなく、グラフェンの下部で、グラフェンと絶縁層５との間に設けても良い。また、受光グラフェン１または参照グラフェン２の一方の上または下だけに設けられても良い。
【００８７】
接触層２４、２５は、例えば極性基を有する材料からなり、電子求引基は電子密度を減少させる効果を持ち、電子供与基は逆に電子密度を増加させる効果を持つ。電子求引基としては、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る。また、電子供与基としては、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材料も、接触層２４、２５の材料として適用できる。また、有機物、金属、半導体、絶縁体、２次元材料、あるい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生じる材料も、接触層２４、２５の材料として適用が可能である。
【００８８】
一般に、無機物の接触層とグラフェンとを接触させた場合の、グラフェンのドーピングについては、グラフェンの仕事関数よりも接触層の仕事関数が大きい場合は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。しかし、接触層が有機物の場合、明確な仕事関数を有しておらず、グラフェンに対してｎ型ドープになるのか、ｐ型ドープになるのかは、接触層に用いる分子の極性による。このため、接触層の材料の極性基から判断する必要がある。
【００８９】
ここで、接触層２４、２５の膜厚は、電磁波がグラフェンに照射された場合に、光電変換を行うことが出来るように、グラフェンに対してドーピングが可能である限界まで薄い方が良い。また、接触層２４、２５は、層という表現で記載しているが厳密に層になっている必要はなく、分子や電子などのキャリアがグラフェンに導入されていれば良い。例えばグラフェンを溶液に浸漬させて分子レベルでグラフェンにキャリアを供給することで、実質的に層状の接触層を形成せずにドーピングすることも可能である。これにより、検出する電磁波が、接触層によって吸収されることなく、グラフェンをドーピングすることができる。
【００９０】
接触層２４、２５を受光グラフェン１または参照グラフェン２の下部に形成することで、入力電磁波が接触層２４、２５で遮られることなくグラフェンに到達するため、電磁波を透過しない材料も、接触層２４、２５の材料として使用できる。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２４、２５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へ到達させることが可能となる。
【００９１】
また、接触層２４、２５の形成後に、グラフェンを形成（転写）することで、グラフェンに与えるプロセスダメージを抑えることが出来る。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、プロセスダメージの低減は非常に有効である。
【００９２】
例えば、受光グラフェン１上に接触層２４として一般的にポジ型フォトレジストと呼ばれる、キノンジアジド基を有する感光剤とノボラック樹脂を含有する組成物を形成する場合、写真製版の過程において、現像液として使用する水酸化テトラメチルアンモニウム溶液により、レジストマスクが形成されていない参照グラフェン２がｎ型にドープされる。このため、レジストマスクの現像処理のみで、受光グラフェン１及び参照グラフェン２を得ることが出来る。このとき接触層２５は水酸化テトラメチルアンモニウムとなる。これにより、マスク形成処理が不要となり、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。
【００９３】
接触層２４、２５が極性変換を生じる材料で形成されている場合、接触層２４、２５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に供給される。これにより、接触層２４、２５が接触している受光グラフェン１、参照グラフェン２にはドーピングが生じる。この場合、接触層２４、２５を取り除いても、接触層２４、２５と接触していたグラフェンはドーピングされたままの状態であるため、接触層２４、２５を取り除いた状態で、電磁波検出器６００を形成することも可能である。これにより、グラフェンの開口部面積が増加し、検出感度が向上する。ここで、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。
【００９４】
接触層２４、２５が電磁波照射によって極性変換を生じる材料で形成されている場合、検出電磁波長において極性変換を生じる材料を選択することで、光照射時のみ極性変換を生じさせ、光電流を増大させることができる。この結果、電磁波の検出感度が向上する。また、電磁波照射によって酸化還元反応が生じ、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にドーピングを行うことが出来る。
【００９５】
接触層２４、２５が量子ドット、強誘電体、液晶、フラーレンなどの電磁波照射によって電界変化が生じる材料から形成されている場合、検出電磁波長で電界変化を生じさせることで、グラフェンに生じる電界が変化する。これにより光ゲート効果が生じ、擬似的にゲート電圧を印加した状態になり、光電流が増加して検出感度が高くなる。
【００９６】
接触層２４、２５として１次元周期的な構造を用いることで、接触層が電磁波照射により表面プラズモン共鳴を生じる材料とした場合、偏光依存性が発生する。このため、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。
【００９７】
接触層２４、２５として２次元周期的な構造を用いることで、接触層が電磁波照射により表面プラズモン共鳴を生じる材料とした場合、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。
【００９８】
実施の形態７．
本発明の実施の形態７にかかる電磁波検出器（図示せず）では、電磁波検出器１００において、受光グラフェン１、参照グラフェン２として２層以上のグラフェン、遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リン（Ｂｌａｃｋ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ）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。
【００９９】
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ため、２次元材料と呼ばれ、例えばＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２等遷移金属ダイカルコゲナイドや黒リン等からなる。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でも良い。またはペロブスカイトとグラフェンまたは２次元材料の異種材料接合でもよい。
【０１００】
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。
【０１０１】
また、２層以上のグラフェンや、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場合、層の数によっ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積層する層の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出する波長選択型電磁波検出器を得ることができる。特に、従来の半導体材料を用いた電磁波検出器のように、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、製造工程が容易となる。また、典型的な波長選択手段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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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、電磁波検出器の検出感度を高くできる。
【０１０４】
また、グラフェンナノリボンを用いた場合は、グラフェンの電子密度が変調できる。この場合、入射電磁波に対して、グラフェン中の電子が結合し、表面プラズモンが励起される。グラフェンの場合、表面プラズモンの波長は１０μｍとなり、赤外波長帯域となる。よって、グラフェンをナノリボン状に加工することで、表面プラズモン共鳴を利用することができる。この結果、通常のグラフェンの光電変換だけでなく、表面プラズモンの効果による検出感度の増強効果が現れる。
【０１０５】
さらに、グラフェンナノリボンは、入射する電磁波に対して、面内上において非対称性を有するため、光応答に偏光依存性を有する。グラフェンナノリボンの場合、９０°偏光（電磁波の電界がＹ軸に平行）を有する電磁波を選択的に吸収し、０°偏光には応答しない。つまり、偏光の選択的な検出が可能となる。
【０１０６】
実施の形態８．
図１１Ａは、全体が７００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回路図であり、図１１Ａ中、図１Ｃ、１Ｄと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【０１０７】
実施の形態８にかかる電磁波検出器７００が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、図１１Ａに示すように、電磁波検出器７００では、受光グラフェン１、参照グラフェン２に生じる電流または電圧の値を検出して、受光グラフェン１と参照グラフェン２が、常に同一抵抗値となるように補正する補正回路２６を有する点である。補正回路２６は、動作回路９により動作させた受光グラフェン１と参照グラフェン２の電流または電圧の経時変化に対応して、受光グラフェン１及び参照グラフェン２に生じる電流または電圧の値を検出して随時補正する。グラフェンに流れる電流または電圧の値は、時間変動が生じると差分に誤差が生じるため、補正回路２６を用いることでその変動を防止することができる。
【０１０８】
補正回路２６は、例えば図１１Ｂに示すような回路を用いても良い。図１１Ｂの補正回路２６では、オペアンプの帰還動作を利用することで、受光グラフェン１に流れるソース・ドレイン電流Ｉｄは、抵抗素子Ｒを調整することで決定でき、Ｉｄ＝（Ｖｂ−Ｖｃ）／Ｒで与えられる。このとき、図１１Ａに示すように、参照グラフェン２にも同様の補正回路２６が適用され、Ｖａは受光グラフェン１と参照グラフェン２で共通とする。Ｉｄが一定となるようゲート電圧Ｖａを発生させることで電流値の経時変化に対応してＶａを変化させることができる。このようにオペアンプなどを用いて一定にしたい出力をフィードバックして補正する機構を利用することにより、受光グラフェン１と参照グラフェン２の電流の経時変化を防止できる。電圧を一定にしたい場合は同様に電圧をフィードバックして電流値を制御すればよい。なお、補正回路２６は、図１１Ｂに示す回路には限定されず、電流または電圧を検出して随時補正する回路であれば、どのような回路でも構わない。
【０１０９】
実施の形態９．
図１２Ａは、全体が１００００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を示す。電磁波検出器アレイ１００００は、１つの画素１０００を２×２に配置しているが、配置する画素の個数はこれに限定されるものではない。
【０１１０】
図１２Ａに示すように、電磁波検出器アレイ１００００は、垂直走査回路１２０と水平走査回路１３０を用いて、各画素１０００から信号を検出すれば良い。このとき、図１２Ｂに示すように、電極４の端子間を出力として、検出回路７をオペアンプから形成して、各列毎に配置している。これにより、画素１０００中に検出回路７を設けることが不要となり、それぞれの画素１０００のサイズを小さく出来る。また、平衡回路や動作回路など他の回路を画素１０００の外に配置することによっても、それぞれの画素１０００のサイズをより縮小でき、センサの微細化が可能となる。また、図１２Ｃに示す電磁波検出器アレイ２００００のように、バイアス電圧Ｖｄを印加する回路１２１を垂直走査回路１２０に組み込んでも良い。
【０１１１】
電磁波検出器アレイ１００００の動作は、まずそれぞれの単画素の平衡をとることで暗状態の差分をゼロにする。
【０１１２】
次に、垂直走査回路１２０に電圧を印加して１つの行を選択する。
【０１１３】
さらに、水平走査回路１３０に電圧を印加して１つの列を選択する。これにより、１つの画素１０００の信号を読み出す。
【０１１４】
垂直走査回路１２０の電圧を固定し、水平走査回路１３０に順次電圧を印加することで、１行の画素１０００からの信号を全て読み出す。
【０１１５】
次に、垂直走査回路１２０を切り替えて、他の行を選択する。
【０１１６】
この状態で同様に水平走査回路１３０を動作させて、順次、１画素毎の信号を読み出す。これを繰り返すことで全画素の応答を読み出すことができる。
【０１１７】
本発明の実施の形態９では、垂直走査回路１２０と水平走査回路１３０を用いて１画素毎に信号を読み取る方法について述べたが、まず水平走査回路１３０で列を選択して、それぞれの列に対して垂直走査回路１２０を用いて各画素の信号を読み出しても良い。また、各画素の信号の読み出しには、他の方法を用いても構わない。
【０１１８】
また、画素１０００の平衡をとるタイミングは、走査前でも良いし、走査中の動作に含めても良い。走査前に画素１０００の平衡をとれば、走査時間が短くなり応答速度が向上する。一方、走査中に平衡をとれば、時間変化で平衡が崩れる恐れが無くなる。
【０１１９】
グラフェンを用いた電磁波検出器アレイ１００００では、紫外光からマイクロ波まで非常に広い波長帯域の電磁波を検出できる。このため、例えば電磁波検出器アレイ１００００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。また、ゲート電圧や化学ドーピングなどで受光グラフェン１および参照グラフェン２の検出波長を調整して異なる検出波長を有する画素を組み合わせて使用することで、波長選択性を有する電磁波検出器アレイを実現できる。
【０１２０】
実施の形態１０．
図１３Ａは、全体が９００で表される、本発明の実施の形態１０にかかる電磁波検出器の上面図であり、図１３Ａ中、図１Ａ、１Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【０１２１】
図１３Ａに示すように、電磁波検出器９００では、受光グラフェン１と参照グラフェン２がナノリボン状に加工されており、他の構造は電磁波検出器１００と同様である。なお、説明を簡単にするために、電磁波検出器９００に含まれる、画素以外の回路、例えば動作回路や検出回路は省略して説明する。
【０１２２】
図１３Ｂは、全体が２０００で表される、ナノリボン状の受光グラフェン１および参照グラフェン２を備えた画素９００Ａ〜９００Ｄを、２×２に配置した電磁波検出器アレイの１つのユニットの概略図である。図１３Ｂの下方に示す座標が、ナノリボン状のグラフェンが配置された方向を規定するための座標である。ナノリボンの長手方向（図１３Ａでは左右方向）がＸ軸方向の場合を０°とし、反時計回りの角度θでナノリボンの方向を示す。例えば、Ｙ軸に平行な方向はθが９０°となる。
【０１２３】
図１３Ａに示すように、画素９００Ａ、９００Ｂ、９００Ｃ、９００Ｄのナノリボン状グラフェンの長手方向は、それぞれ０°、４５°、９０°、１３５°の方向となっている。ここで、θが０°の画素９００Ａでは、ナノリボンのＹ方向の寸法（幅）は、高々１００μｍ程度となる。このように、グラフェンをナノリボン状とすることで、グラフェンの電子密度が変調され、偏光の選択的な検出が可能となる。
【０１２４】
次に、本実施の形態１０にかかる電磁波検出器アレイの１つのユニット２０００を用いた偏光イメージングについて説明する。ここで、偏光イメージングとは、図１３Ｂに示すように、θが０°、４５°、９０°、１３５°と互いに異なる４つの画素９００Ａ、９００Ｂ、９００Ｃ、９００Ｄを備えたユニット２０００で、４つのそれぞれの偏光角度について画像を撮像し、差分を求めることで、相対的な偏光分布を画像に反映させる技術をいう。
【０１２５】
偏光イメージング画像を得るためには、まず、各画素９００Ａ、９００Ｂ、９００Ｃ、９００Ｄの間における、センサ出力の差分を求める。差分は、基本ベクトル間で行う。例えば、θが０°の画素９００Ａの場合は、θが９０°の画素９００Ｃとの間で差分を求め、一方、θが４５°の画素９００Ｂの場合は、θが１３５°の画素９００Ｄとの間で差分を求める。これらの差分は、ストークスパラメータと呼ばれる。また、差分の代わりに、各ストークスパラメータからＤｏＬＰ（Ｄｅｇｒｅｅ  ｏｆ  Ｌｉｎｅａｒ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を算出してもよい。
【０１２６】
偏光イメージングを実現するためには、θが０°、４５°、９０°、１３５°の４つの画素９００Ａ、９００Ｂ、９００Ｃ、９００Ｄを用いて、これらの４つの画素を１つのユニット２０００として、ユニット２０００をアレイ化することで、画像センサを形成する。また、４画素ではなく、θが０°と９０°の組（９００Ａ、９００Ｃ）の２画素、またはθが４５°と１３５°の組（９００Ｂ、９００Ｄ）の２画素を１ユニットとしても、偏光イメージングは実現できる。
【０１２７】
このように、グラフェンナノリボンで偏光イメージングを実現するためには、図１３Ｂに示すように、θが０°、４５°、９０°、１３５°となるように、それぞれナノリボンを配置し、画素のユニット２０００を形成すれば良い。かかる画素のユニット２０００を用いた電磁波検出器アレイでは、グラフェンによって、紫外領域〜電波領域といった広帯域において偏光イメージングを行うことができる。特に、実施の形態１の電磁波検出器１００と同様に、受光グラフェン１と参照グラフェン２を用いたｐｎ差分構造を用いることで暗電流がゼロにできるため、高精度な偏光イメージングの実現が可能となる。
【０１２８】
実施の形態１１．
図１３Ｃは、全体が９５０で表される、本発明の実施の形態１１にかかる電磁波検出器の上面図であり、図１３Ｃ中、図１Ａ、１Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【０１２９】
なお、本実施の形態１１では、説明を簡単にするため、受光グラフェン１と参照グラフェン２の組で１画素を代表させて説明し、１画素中に動作回路等の他の回路が組み込まれているものとする。
【０１３０】
グラフェンを光検出器に用いる場合、光電変換に寄与する領域は、図１３Ｃ中に３５で示す、グラフェンと電極との界面が支配的であることが知られている。また、図１３Ｃにおいて、界面の向き、即ち、電極３、４が、受光グラフェン１および参照グラフェン２と交差する部分の、電極３、４の端部の向きを、図１３Ｂの座標の９０°方向（上下方向）とする。
【０１３１】
グラフェントランジスタのような電磁波検出器において、受光グラフェン１、参照グラフェン２の下部の絶縁層５には、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミ（Ａｌ２Ｏ３）、シリコンナイトライド（ＳｉＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、ボロンナイトライド（ＢＮ）が用いられる。これらの絶縁材料は、赤外線波長帯域である１０μｍ付近の電磁波を吸収し、この吸収によって発熱する。この発熱によって、チャネル中のグラフェンには電極からの距離によって熱勾配が形成される。グラフェンにおいて、熱分布が生じた場合、熱電対と同様に、熱電力効果が生じ、電磁波応答が得られる。
【０１３２】
さらに、電磁波の吸収は、界面３５の向きと垂直な電界（図１３Ｃでは０°方向に電界を有する偏光をもつ電磁波）を選択的に吸収する。つまり、実施の形態１０で述べたように赤外波長帯域においては、グラフェントランジスタは偏光依存性を有する。よって、界面３５の向きを０°、４５°、９０°、１３５°とした４つの画素を１ユニットとして配置することで、実施の形態１０と同様の偏光イメージングが実現できる。
【０１３３】
グラフェンの熱起電力効果と、界面３５における絶縁層５の吸収の偏光依存性を用いることで、赤外波長帯域において選択的に偏光検出が可能となる。グラフェンは応答速度が速いため、高性能な偏光イメージングが実現できる。また、本効果は１０μｍ近傍の波長帯域を中心とすることから、熱赤外波長のみの偏光を、特別な波長選択フィルタや偏光子を用いることなく、選択的に検出できる。
【０１３４】
なお、絶縁層５に凹凸を設ける、グラフェンを多層膜にする等により、吸収波長を材料そのものの吸収波長と異なる波長に変えることができる。これにより、偏光イメージングが有効な波長帯域を、赤外波長以外の波長帯域に変えることができる。凹凸構造は、フォトニック結晶のような、１次元または２次元の周期的な凹部または凸部を含む。凹部や凸部の形状は、円形、正方形、長方形、そのほかの多角形、あるいはあらゆるフラクタル構造を含む。また、絶縁層５の材料として、ＴｉＮのようなプラズモン共鳴が生じる窒化物を用いることで、可視光や近赤外光における吸収作用を生じることも可能である。
【０１３５】
実施の形態１２．
図１４は、全体が１０００００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概略図である。カメラシステム１０００００は、電磁波検出器アレイ１００００または電磁波検出器アレイ２００００を含む。電磁波検出器アレイ１００００または２００００には、信号処理システム３００００、画像出力デバイス４００００が接続されている。また、カメラシステム１０００００は、レンズシステム６００００、およびシャッタ、アパーチャ、フィルタ等の光学系５００００を含む。
【０１３６】
カメラシステム１０００００では、入力電磁波をレンズシステム６００００で集光し、光学系５００００を介して、電磁波検出器アレイ１００００に入力する。電磁波検出器アレイ１００００から得られた出力信号を、信号処理システム３００００で処理し、画像として画像出力デバイス４００００から出力する。レンズシステム６００００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切り換えても良い。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電磁波検出器アレイ１００００に入力することが可能となる。このとき、光学系５００００としてシャッタ、アパーチャ、フィルタ等は必要に応じて用いても良いし、用いなくても良い。また、レンズシステム６００００を使用しない場合や、レンズシステム６００００として超広帯域レンズを使用する場合は、全ての波長帯域の電磁波検出器アレイにて検出することが可能となる。
【０１３７】
また、レンズシステム６００００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、表面に周期構造（配置される構造が異なるような擬似的な周期構造を含む）などを設けることにより、構造体で光の透過ならびに焦点距離が調整できるようにしたレンズである。透過する波長が材料に依存せずに、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。
【０１３８】
実施の形態１３．
図１５Ａは、全体が８００で表される、本発明の実施の形態１３にかかる電磁波検出器の上面図であり、図１５Ｂは、図１５Ａの電磁波検出器８００をＸＶＢ−ＸＶＢ方向に見た場合の断面図である。図１５Ａ、１５Ｂ中、図１Ａ、１Ｂと同一符合は、同一または相当箇所を示す。
【０１３９】
本発明の実施の形態１３にかかる電磁波検出器８００が、実施の形態１の電磁波検出器１００と異なる点は、図１５Ａに示すように、電磁波検出器８００では、参照グラフェン２の上に、検出波長の電磁波を遮光できる材料からなる遮光部２７が設けられる。遮光部２７は、参照グラフェン２に入射する電磁波の光路中に、電磁波を遮断するように配置される。これにより、検出波長の電磁波を遮光部２７で遮光できる。この結果、電磁波の検出時には、受光グラフェン１と参照グラフェン２の抵抗率が同一になるように設定するのみで良く、電磁波をパウリブロッキングするためのゲート電圧の調整は不要となり、受光グラフェン１と参照グラフェン２との間の平衡化作業が簡単になる。
【０１４０】
また、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００では、吸収率に差分の生じない可視光などの応答は打ち消されるため検出できないが、本実施の形態１３にかかる電磁波検出器８００では、電磁波照射時に遮光部２７で覆われた参照グラフェン２は応答を示さず、受光グラフェン１はパウリブロッキング波長以外の全ての波長において感度を有しているため、可視光を含む広帯域の電磁波の検出が可能となる。
【０１４１】
実施の形態１４．
図１６Ａは全体が９８０で表される、本発明の実施の形態１４にかかる電磁波検出器の上面図であり、図１６Ｂは、図１６Ａの電磁波検出器９８０をＸＶＩＢ−ＸＶＩＢ方向に見た場合の断面図である。本発明の実施の形態１４にかかる電磁波検出器９８０が、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００と異なる点は、図１６Ａ、１６Ｂに示すように、受光グラフェン１と、電極３または電極４との、いずれか一つの界面に入射する電磁波の光路中に、遮光部２７が設けられている点である。
【０１４２】
一般に、グラフェントランジスタでは、グラフェンの光電変換は、電極とグラフェンとの界面領域が最も寄与が大きく、グラフェンと電極との界面に電磁波が照射されることで、電子正孔対が効率的に形成される。一般的なグラフェントランジスタは、左右対称構造であるため、ソース電極およびドレイン電極と、グラフェンとの界面に発生する電子正孔対による光電流は、ソース−ドレイン間で相殺されて減衰する。このため、ソース電極またはドレイン電極のいずれか一方と、グラフェンとの界面を遮光することで、左右非対称構造となり光電流を増加させることができる。
【０１４３】
そこで、本発明の実施の形態１４にかかる電磁波検出器９８０では、図１６Ａに示すように、受光グラフェン１が左右非対称となるように遮光部２７を設けることで、受光グラフェン１に流れる光電流を増幅できる。図１６Ａ、図１６Ｂでは、電極３と受光グラフェン１との界面に遮光部２７を設けたが、電極４と受光グラフェン１との界面に遮光部２７を設けても良い。また、図１６Ａ、図１６Ｂは一例であり、遮光部２７を設ける位置は、グラフェンのドーピングレベルや入射する電磁波波長によりシフトするディラックポイントの正負によって異なるため、適宜光電流が増加するように遮光部を設ければ良い。
【０１４４】
それぞれのグラフェントランジスタにおけるソース・ドレイン電流に対して、電磁波照射により正に光電流が増加する場合は正に光電流が増加するように遮光部を設け、負に光電流が増加する場合は負に光電流が増加するように遮光部を設ければ良い。使用するグラフェンが１つだけの場合は、単純に遮光部は光電流が増加するよう設ければ良い。また、遮光部の遮光範囲はグラフェンチャネルのサイズや形状により異なるため、グラフェントランジスタに非対称性が生じることで発生する光電流が最も増加するように設ければ良く、例えば片側の電極とグラフェン界面以外を遮光するような形状を用いても良い。
【符号の説明】
【０１４５】
１  受光グラフェン、２  参照グラフェン、３、４  電極、５  絶縁層、６  基板、７  検出回路、８  平衡回路、９  動作回路、１０  差動増幅回路、１００  電磁波検出器。
【国際調査報告】
2018173347.tif 000039
2018173347.tif 000040
2018173347.tif 000041
2018173347.tif 000042