(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の第１半導体部分と、前記第１半導体部分に接合される第２導電型の第２半導体部分とを含む受光素子と、
前記受光素子上に配置され、開口部が形成された絶縁膜と、
前記開口部において前記第１半導体部分と電気的に接続され、前記開口部上から前記絶縁膜上にまで延在する二次元材料層と、
前記絶縁膜上に配置され、前記二次元材料層と電気的に接続された第１電極部と、
前記第２半導体部分と電気的に接続された第２電極部とを備え、
前記二次元材料層は、前記開口部において前記受光素子と直接接続される領域と、前記第１電極部と前記開口部との間において前記絶縁膜を介して前記受光素子と接続され光ゲート効果を発生させる領域とを含む、電磁波検出器。
【請求項２】
第１導電型の第１半導体部分と、前記第１半導体部分に接合される第２導電型の第２半導体部分とを含む受光素子と、
前記受光素子上に配置され、開口部が形成された絶縁膜と、
前記開口部において前記第１半導体部分と電気的に接続され、前記開口部上から前記絶縁膜上にまで延在する二次元材料層と、
前記開口部の内部において、前記二次元材料層と前記受光素子との間に配置されたバッファ層と、
前記絶縁膜上に配置され、前記二次元材料層と電気的に接続された第１電極部と、
前記第２半導体部分と電気的に接続された第２電極部とを備え、
前記二次元材料層は、前記開口部において前記バッファ層を介して前記受光素子と電気的に接続される領域と、前記第１電極部と前記開口部との間において前記絶縁膜を介して前記受光素子と接続され光ゲート効果を発生させる領域とを含む、電磁波検出器。
【請求項３】
第１導電型の第１半導体部分と、前記第１半導体部分に接合される第２導電型の第２半導体部分とを含む受光素子と、
前記受光素子上に配置され、開口部が形成された絶縁膜と、
前記開口部において前記第１半導体部分と電気的に接続され、前記開口部上から前記絶縁膜上にまで延在する二次元材料層と、
前記開口部の内部において、前記受光素子と前記二次元材料層とを電気的に接続する接続導電体と、
前記絶縁膜上に配置され、前記二次元材料層と電気的に接続された第１電極部と、
前記第２半導体部分と電気的に接続された第２電極部とを備え、
前記二次元材料層は、前記開口部において前記接続導電体を介して前記受光素子と電気的に接続される領域と、前記第１電極部と前記開口部との間において前記絶縁膜を介して前記受光素子と接続され光ゲート効果を発生させる領域とを含む、電磁波検出器。
【請求項４】
前記絶縁膜は、前記第１半導体部分上に配置され、
前記第１半導体部分は、前記開口部において前記二次元材料層と電気的に接続される、請求項１に記載の電磁波検出器。
【請求項５】
前記第１半導体部分は前記第２半導体部分上に配置され、
前記第２電極部は前記第２半導体部分において前記第１半導体部分が配置される側と反対側に設けられ、前記第２半導体部分と電気的に接続される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項６】
前記受光素子は、前記絶縁膜と対向する領域に位置し、前記開口部の外周を囲むように配置された電流遮断構造を含む、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項７】
前記バッファ層は、前記二次元材料層と前記受光素子との間にトンネル電流を形成することが可能な厚さを有する、請求項２に記載の電磁波検出器。
【請求項８】
前記受光素子は、
前記第１導電型を有する前記第１半導体部分としての第３半導体部分と、
前記第３半導体部分と接合され、前記第２導電型を有する前記第２半導体部分の一部としての第４半導体部分とを含み、
前記開口部の底部において、前記第３半導体部分と前記第４半導体部分との接合部の一部と、前記接合部に連なる前記第３半導体部分の一部および前記第４半導体部分の一部とが前記二次元材料層に面するように配置されている、請求項１に記載の電磁波検出器。
【請求項９】
前記受光素子はフォトダイオードである、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項１０】
前記絶縁膜は、前記第１半導体部分において前記第２半導体部分と接合された接合部と反対側に位置する表面上に形成され、
前記受光素子は、前記開口部の底部において、前記第１半導体部分の前記表面から前記第２半導体部分側の表面まで貫通するように配置され、前記第２導電型を有する第５半導体部分をさらに含む、請求項１に記載の電磁波検出器。
【請求項１１】
前記開口部は、前記絶縁膜に形成された第１開口と、前記第１開口と異なる位置に形成された第２開口とを含む、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項１２】
前記第１電極部は、前記絶縁膜上に配置された第１電極と、前記第１電極と異なる位置に配置された第２電極とを含む、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項１３】
前記受光素子の平面形状は四角形状であり、
前記受光素子の平面視において、前記開口部および前記第１電極部は前記受光素子の前記平面形状における角部に配置されている、請求項１１または請求項１２に記載の電磁波検出器。
【請求項１４】
前記第１半導体部分と前記第２半導体部分とは、それぞれ吸収波長が異なる、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項１５】
前記絶縁膜は、前記開口部から前記第１電極部に近づくにつれて厚さが変化するテーパ部を含む、請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項１６】
前記二次元材料層は、乱層構造部分を含む、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項１７】
前記二次元材料層に接触するように配置された、１つ以上の導電体または接触層をさらに備える、請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項１８】
前記絶縁膜と前記二次元材料層との間に空隙が形成されている、請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項１９】
前記二次元材料層の少なくとも１つの端部は、前記絶縁膜の前記開口部の内部に配置され、前記第１半導体部分と電気的に接続される、請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項２０】
前記二次元材料層の前記少なくとも１つの端部は櫛形形状を有している、請求項１９に記載の電磁波検出器。
【請求項２１】
前記絶縁膜は、前記開口部と前記第１電極部との間の第１領域における厚さが、上記第１領域以外の第２領域における厚さよりも薄い、請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項２２】
前記二次元材料層は、グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト、黒リン、シリセン、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料を含む、請求項１から請求項２１のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は、電磁波検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、次世代の電磁波検出器に用いられる電磁波検出層の材料として、二次元材料層の一例である移動度が極めて高いグラフェンが知られている。グラフェンの吸収率は２．３％と低い。そのため、グラフェンを用いた電磁波検出器における高感度化手法が提案されている。たとえば、米国特許出願公開２０１５／０２４３８２６Ａ１では、下記のような構造の検出器が提案されている。すなわち、米国特許出願公開２０１５／０２４３８２６Ａ１では、ｎ型半導体層上に２つ以上の誘電体層を設けている。２つの誘電体層上および当該２つの誘電体層の間に位置するｎ型半導体層の表面部分上にグラフェン層を形成している。グラフェン層の両端に接続されたソース・ドレイン電極が誘電体層上に配置されている。ゲート電極はｎ型半導体層と接続されている。【０００３】
上記検出器では、チャネルとしてのグラフェン層にソース・ドレイン電極を介して電圧を印加する。この結果、ｎ型半導体層で発生した光キャリアを増幅することで検出器の高感度化を行っている。また、ゲート電極とソース電極またはドレイン電極とに電圧を印加した場合は、グラフェンとｎ型半導体層とのショットキー接続によりＯＦＦ動作を可能としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開２０１５／０２４３８２６Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した検出器において、グラフェンにソース・ドレイン電圧を印加した高感度化動作時にはトランジスタ動作をするため、検出器のＯＦＦ動作が困難である。また、ゲート電極とソース電極またはドレイン電極とに電圧を印加したショットキー動作時には、検出器の感度は半導体層の量子効率に依存する。そのため、十分な光キャリアの増幅が出来ず、検出器の高感度化が困難である。このように、従来のグラフェンなどの二次元材料層を用いた検出器では高感度化とＯＦＦ動作とは両立できていなかった。【０００６】
本開示は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、本開示は、検出感度が高く、かつＯＦＦ動作が可能な、二次元材料層を用いた電磁波検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示に従った電磁波検出器は、受光素子と、絶縁膜と、二次元材料層と、第１電極部と、第２電極部とを備える。受光素子は、第１導電型の第１半導体部分と、第２半導体部分とを含む。第２半導体部分は、第１半導体部分に接合される。第２半導体部分は第２導電型である。絶縁膜は、受光素子上に配置される。絶縁膜には開口部が形成されている。二次元材料層は、開口部において第１半導体部分と電気的に接続される。二次元材料層は、開口部上から絶縁膜上にまで延在する。第１電極部は、絶縁膜上に配置される。第１電極部は二次元材料層と電気的に接続される。第２電極部は、第２半導体部分と電気的に接続される。二次元材料層は、開口部において受光素子と直接接続される領域と、第１電極部と開口部との間において絶縁膜を介して受光素子と接続され光ゲート効果を発生させる領域とを含む。
【発明の効果】
【０００８】
上記によれば、受光素子上に位置し開口部が形成された絶縁膜上から当該開口部内まで二次元材料層が延在しているので、検出感度が高く、かつＯＦＦ動作が可能な電磁波検出器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る電磁波検出器の平面模式図である。
【図２】図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。
【図３】実施の形態１に係る電磁波検出器の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】実施の形態２に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図５】実施の形態２に係る電磁波検出器の第１変形例を示す断面模式図である。
【図６】実施の形態２に係る電磁波検出器の第２変形例を示す断面模式図である。
【図７】実施の形態３に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図８】実施の形態３に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。
【図９】実施の形態４に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図１０】実施の形態５に係る電磁波検出器の平面模式図である。
【図１１】図１０の線分ＸＩ−ＸＩにおける断面模式図である。
【図１２】実施の形態５に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。
【図１３】実施の形態６に係る電磁波検出器の平面模式図である。
【図１４】図１３の線分ＸＩＶ−ＸＩＶにおける断面模式図である。
【図１５】実施の形態６に係る電磁波検出器の第１変形例を示す断面模式図である。
【図１６】実施の形態６に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。
【図１７】図１６の線分ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩにおける断面模式図である。
【図１８】実施の形態７に係る電磁波検出器の平面模式図である。
【図１９】図１８の線分ＸＩＸ−ＸＩＸにおける断面模式図である。
【図２０】図１８の線分ＸＸ−ＸＸにおける断面模式図である。
【図２１】実施の形態７に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。
【図２２】実施の形態７に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。
【図２３】図２２の線分ＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩにおける断面模式図である。
【図２４】実施の形態７に係る電磁波検出器の第３変形例を示す平面模式図である。
【図２５】図２４の線分ＸＸＶ−ＸＸＶにおける断面模式図である。
【図２６】実施の形態８に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図２７】実施の形態９に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図２８】実施の形態１０に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図２９】実施の形態１０に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。
【図３０】実施の形態１１に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図３１】実施の形態１１に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。
【図３２】実施の形態１２に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図３３】実施の形態１３に係る電磁波検出器の平面模式図である。
【図３４】図３３の線分ＸＸＸＩＶ−ＸＸＸＩＶにおける断面模式図である。
【図３５】実施の形態１３に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。
【図３６】実施の形態１３に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。
【図３７】実施の形態１３に係る電磁波検出器の第３変形例を示す平面模式図である。
【図３８】図３７の線分ＸＸＸＶＩＩＩ−ＸＸＸＶＩＩＩにおける断面模式図である。
【図３９】実施の形態１３に係る電磁波検出器の第４変形例を示す平面模式図である。
【図４０】図３９の線分ＸＬ−ＸＬにおける断面模式図である。
【図４１】実施の形態１３に係る電磁波検出器の第５変形例を示す平面模式図である。
【図４２】図４１の線分ＸＬＩＩ−ＸＬＩＩにおける断面模式図である。
【図４３】実施の形態１４に係る電磁波検出器を示す断面模式図である。
【図４４】実施の形態１５に係る電磁波検出器の平面模式図である。
【図４５】実施の形態１５に係る電磁波検出器の変形例を示す平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００１１】
以下に説明する実施の形態において、図は模式的なものであり、機能又は構造を概念的に説明するものである。また、以下に説明する実施の形態により本開示が限定されるものではない。特記する場合を除いて、電磁波検出器の基本構成は全ての実施の形態において共通である。また、同一の符号を付したものは、上述のように同一又はこれに相当するものである。これは明細書の全文において共通する。
【００１２】
以下に説明する実施の形態では、電磁波検出器について、可視光又は赤外光を検出する場合の構成を用いて説明するが、本開示はこれらに限定されない。以下に説明する実施の形態は、可視光または赤外光に加えて、例えば、Ｘ線、紫外光、近赤外光、テラヘルツ（ＴＨｚ）波、又は、マイクロ波などの電波を検出する検出器としても有効である。なお、本開示の実施の形態において、これらの光及び電波を総称して電磁波と記載する。
【００１３】
また、本開示の実施の形態では、グラフェンとしてｐ型グラフェン又はｎ型グラフェンの用語が用いられる場合がある。以下の実施の形態では、真性状態のグラフェンよりも正孔が多いものをｐ型グラフェン、電子が多いものをｎ型グラフェンと呼ぶ。
【００１４】
また、本開示の実施の形態では、二次元材料層の一例であるグラフェンに接触する部材の材料について、ｎ型又はｐ型の用語が用いられる場合がある。ここでは、例えば、ｎ型材料とは電子供与性を有する材料、ｐ型材料とは電子求引性を有する材料を示す。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型と呼ぶ場合もある。これらの材料としては、有機物及び無機物のいずれか一方又はそれらの混合物を用いることができる。
【００１５】
また、金属表面と光との相互作用である表面プラズモン共鳴現象等のプラズモン共鳴現象、可視光域・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、又は、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又はプラズモニックメタマテリアルと呼ばれる現象については、特にこれらを名称により区別せず、現象が及ぼす効果の面からは同等の扱いとする。ここでは、これらの共鳴を、表面プラズモン共鳴、プラズモン共鳴、又は、単に共鳴と呼ぶ。
【００１６】
また、以下に説明する実施の形態では、二次元材料層の材料として、グラフェンを例に説明を行っているが、二次元材料層を構成する材料はグラフェンに限られない。たとえば、二次元材料層の材料としては、遷移金属ダイカルコゲナイド（ＴＭＤ：Transition  Metal  Dichalcogenide）、黒リン（Black  Phosphorus）、シリセン（シリコン原子による二次元ハニカム構造）、ゲルマネン（ゲルマニウム原子による二次元ハニカム構造）等の材料を適用することができる。遷移金属ダイカルコゲナイドとしては、たとえば、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２等の遷移金属ダイカルコゲナイドが挙げられる。
【００１７】
これらの材料は、グラフェンと類似の構造を有しており、原子を二次元面内に単層で配列することが可能な材料である。したがって、これらの材料を二次元材料層に適用した場合においても、二次元材料層にグラフェンを適用した場合と同様の作用効果を得ることができる。
【００１８】
実施の形態１．
＜電磁波検出器の構成＞
図１は、実施の形態１に係る電磁波検出器の平面模式図である。図２は、図１の線分ＩＩ−ＩＩにおける断面模式図である。図１および図２に示した電磁波検出器は、受光素子４と、絶縁膜３と、二次元材料層１と、第１電極部２ａと、第２電極部２ｂとを主に備える。受光素子４は、第１半導体部分４ａと第２半導体部分４ｂとを含む。受光素子４は電磁波検出器の検出対象とする電磁波の波長に感度を有し、検出対象とする波長を有する電磁波が照射されると、第１半導体部分４ａと第２半導体部分４ｂとの接合内で光電変換する素子である。第１半導体部分４ａは第１導電型を有する。第２半導体部分４ｂは、第１半導体部分４ａと接合部４ａａにおいて接合される。第２半導体部分４ｂは、第１導電型と異なる第２導電型を有する。第１半導体部分４ａはたとえば第１導電型のキャリアをドーピングされている。第２半導体部分４ｂは、たとえば第２導電型のキャリアをドーピングされている。第２半導体部分４ｂにおいて接合部４ａａと反対側に位置する裏面には第２電極部２ｂが接続されている。
【００１９】
図２に示すように、第２半導体部分４ｂの裏面に形成された第２電極部２ｂと、絶縁膜３上に形成された第１電極部２ａとには、バイアス電圧Ｖを印加するための電源回路が電気的に接続されている。具体的には電極となる第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂに接続された電源回路は、二次元材料層１に電圧Ｖを印加するための回路である。また、電極に接続される電源回路には、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の二次元材料層１での電流Ｉを検出するための図示しない電流計が接続される。
【００２０】
絶縁膜３は、受光素子４上に配置される。具体的には、第１半導体部分４ａにおいて接合部４ａａと反対側に位置する表面４ａｂ上に絶縁膜３が形成されている。絶縁膜３には開口部３ａが形成されている。二次元材料層１は、開口部３ａの内部から絶縁膜３上にまで延在する。第１電極部２ａは、絶縁膜３上に配置される。第１電極部２ａは開口部３ａから離れた位置に配置されている。第１電極部２ａの表面の一部上に二次元材料層１の端部の領域１ａが接続されている。また、開口部３ａの内部において、二次元材料層１の端部の領域１ａが受光素子４の第１半導体部分４ａの表面４ａｂに直接接続されている。絶縁膜３の表面上に配置され、二次元材料層１の両端部の領域１ａの間に位置する領域１ｂは、絶縁膜３を介して受光素子４と対向する部分である。
【００２１】
第２半導体部分４ｂは、例えば、シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料からなる。具体的には、第２半導体部分４ｂとしては、不純物がドープされたシリコン基板などが用いられる。第１半導体部分４ａは、第２半導体部分４ｂと逆のキャリアをドープされたシリコン等の半導体材料からなる。具体的には、第１半導体部分４ａは、シリコン基板などに不純物を注入して作製できる。あるいは、第１半導体部分４ａは、第２半導体部分４ｂの表面上に半導体材料を成膜することにより形成してもよい。
【００２２】
このとき、第１半導体部分４ａと第２半導体部分４ｂとの界面である接合部４ａａはｐｎ接合を有する。当該接合部４ａａを有する第１半導体部分４ａと第２半導体部分４ｂとは、光などの電磁波が照射されることにより光電流が生じる受光素子４となっている。また、第１半導体部分４ａは第２半導体部分４ｂの上部全面に設けられている必要はない。たとえば、二次元材料層１と第２半導体部分４ｂとが接触しないように形成され、かつ絶縁膜３を介して二次元材料層１に電界変化を生じさせることが出来ればよい。
【００２３】
ここで、第１半導体部分４ａと第２半導体部分４ｂとにより形成される受光素子４は、一般的なｐｎ接合フォトダイオードを例に説明するが、当該受光素子４としてｐｉｎフォトダイオード、ショットキーフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードを用いてもよい。また、受光素子４としてフォトトランジスタを用いてもよい。
【００２４】
受光素子４を構成する半導体材料として、上述のようにシリコン基板を例として説明したが、当該受光素子４を構成する材料として他の材料を用いてもよい。たとえば、受光素子４を構成する材料として、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＩＩＩ−Ｖ族又はＩＩ−Ｖ族半導体などの化合物半導体、水銀カドミウムテルル（ＨｇＣｄＴｅ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、鉛セレン（ＰｂＳｅ）、鉛硫黄（ＰｂＳ）、カドミウム硫黄（ＣｄＳ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、又は、量子井戸又は量子ドットを含む基板、ＴｙｐｅＩＩ超格子などの材料の単体又はそれらを組み合わせた材料を用いてもよい。
【００２５】
また、本実施の形態における電磁波検出器の検出波長は受光素子４を構成する材料により決定される。例えば、当該材料としてリン化ガリウムを用いた場合の検出波長の範囲は０．１μｍ以上０．６μｍ以下である。当該材料としてシリコンを用いた場合の検出波長の範囲は０．２μｍ以上１．１μｍ以下である。当該材料としてゲルマニウムを用いた場合の検出波長の範囲は０．８μｍ以上１．８μｍ以下である。当該材料としてヒ化インジウムガリウムを用いた場合の検出波長の範囲は０．７μｍ以上２．５５μｍ以下である。当該材料としてヒ化インジウムを用いた場合の検出波長の範囲は１μｍ以上３．１μｍ以下である。当該材料としてインジウムアンチモンを用いた場合の検出波長の範囲は１μｍ以上５．５μｍ以下である。当該材料として水銀カドミウムテルルを用いた場合の検出波長の範囲は２μｍ以上１６μｍ以下である。また、受光素子４を構成する材料としてこれらの材料を組み合わせて用いてもよい。たとえば、受光素子４を構成する第１半導体部分４ａと第２半導体部分４ｂとにそれぞれ異なる検出波長を有する材料を用いても良い。この場合、電磁波検出器において多波長の検知が可能となる。
【００２６】
本実施の形態に係る電磁波検出器においては、第１半導体部分４ａおよび第２半導体部分４ｂの電気抵抗率が１００Ω・ｃｍ以下になるように、第１半導体部分４ａおよび第２半導体部分４ｂに不純物がドーピングされていることが望ましい。第１半導体部分４ａおよび第２半導体部分４ｂが高濃度にドーピングされることで、ｐｎ接合界面で発生した光キャリアの第１半導体部分４ａおよび第２半導体部分４ｂ中での移動速度（読み出し速度）が速くなる。この結果、電磁波検出器の応答速度が向上する。
【００２７】
また、第１半導体部分４ａの厚さＴ１は１０μｍ以下とすることが望ましい。第１半導体部分４ａの厚さＴ１を薄くすることで、ｐｎ接合界面である接合部４ａａが二次元材料層１に近付き、ｐｎ接合界面で発生した光キャリアの失活が少なくなる。また、絶縁膜３の近傍にｐｎ接合界面である接合部４ａａが存在するので、二次元材料層１に与える光ゲート効果の影響が大きくなる。この結果、電磁波検出器を高感度化できる。なお、光ゲート効果に関しては後述する。
【００２８】
絶縁膜３は、第１半導体部分４ａの表面４ａｂ上に設けられる。絶縁膜３としては、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜を用いることができる。なお、絶縁膜３を構成する材料は上述した酸化シリコンに限定されず、他の絶縁材料を用いてもよい。たとえば、絶縁膜３を構成する材料として、オルトケイ酸テトラエチル、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ニッケル、ボロンナイトライド、又は、シロキサン系のポリマー材料等を用いてもよい。例えば、ボロンナイトライドは原子配列がグラフェンと似ているため、グラフェンからなる二次元材料層１と接触しても電荷の移動度に悪影響を与えない。そのため、電子移動度などの二次元材料層１の性能を阻害せず、二次元材料層１の下に配置される下地膜である絶縁膜３として好ましい。
【００２９】
また、絶縁膜３の厚さＴ２は、二次元材料層１の絶縁膜３上に位置する領域および第１電極部２ａが第１半導体部分４ａと絶縁されており、トンネル電流が生じなければ特に限定されない。なお、絶縁膜３の厚さＴ２が薄いほど、光ゲート効果により二次元材料層１に生じる電界変化の程度が大きくなる。そのため、絶縁膜３の厚さＴ２は可能な限り薄いことが望ましい。
【００３０】
二次元材料層１は、図２に示すように、絶縁膜３の上部表面上から第１半導体部分４ａの表面４ａｂの一部上にまで延在するように設けられる。つまり、二次元材料層１は絶縁膜３の開口部３ａの内部において第１半導体部分４ａの表面４ａｂと接触する。二次元材料層１は、開口部３ａの内部から開口部３ａの内周面を介して絶縁膜３の上部表面上にまで延在している。ここで、図２では二次元材料層１の右端は開口部３ａの右端まで延在しているが、第１半導体部分４ａの表面４ａｂの一部に接触していれば良く、また開口部３ａから他端の絶縁膜３に延在していてもよい。二次元材料層１は、例えば、単層のグラフェンを用いることができる。単層のグラフェンは二次元炭素結晶の単原子層である。また、単層のグラフェンは六角形状に配置された各連鎖に炭素原子を有している。
【００３１】
二次元材料層１は、チャネル領域及びソース・ドレイン層として機能する領域に分けられる。二次元材料層１においてソース・ドレイン領域として機能する領域１ａは、第１電極部２ａおよび第１半導体部分４ａとそれぞれ電気的に接続されている。また、二次元材料層１においてチャネル領域として機能する領域１ｂは、受光素子４上に形成された絶縁膜３上に形成されている。
【００３２】
ここで、二次元材料層１としては、単層グラフェンを２層以上積層した多層グラフェンを用いてもよい。また、二次元材料層１は、ノンドープのグラフェンを用いても、ｐ型又はｎ型の不純物がドープされたグラフェンを用いても構わない。
【００３３】
二次元材料層１に多層グラフェンを用いた場合、二次元材料層１の光電変換効率が増加し、電磁波検出器の感度は高くなる。二次元材料層１として用いられる多層グラフェンは、任意の２層のグラフェンにおける六方格子の格子ベクトルの向きが一致しなくてもよく、一致してもよい。例えば、２層以上のグラフェンを積層することで、二次元材料層１においてバンドギャップが形成される。この結果、光電変換される電磁波の波長選択効果を持たせることが可能である。なお、二次元材料層１を構成する多層グラフェンにおける層数が増加すると、チャネル領域でのキャリアの移動度は低下する。一方、この場合には二次元材料層１が基板などの下地構造からのキャリア散乱の影響を受けにくくなり、結果的にノイズレベルが低下する。そのため、二次元材料層１として多層グラフェンを用いた電磁波検出器は、光吸収が増加し、電磁波の検出感度を高めることができる。
【００３４】
また、二次元材料層１が第１電極部２ａと接触した場合、第１電極部２ａから二次元材料層１へキャリアがドープされる。例えば、第１電極部２ａの材料として金（Ａｕ）を用いた場合、二次元材料層１とＡｕとの仕事関数の差から、第１電極部２ａ近傍の二次元材料層１に正孔がドープされる。この状態で電磁波検出器を電子伝導状態で駆動させると、第１電極部２ａから二次元材料層１にドープされた正孔の影響により、二次元材料層１のチャネル領域内に流れる電子の移動度が低下し、二次元材料層１と第１電極部２ａとのコンタクト抵抗が増加する。このコンタクト抵抗の増加により、電磁波検出器における電界効果による電子（キャリア）の移動度が低下し、電磁波検出器の性能低下が生じ得る。特に、二次元材料層１として単層グラフェンを用いた場合、第１電極部２ａから注入されるキャリアのドープ量が大きい。そのため、電磁波検出器における上記電子の移動度の低下は、二次元材料層１として単層グラフェンを用いた場合に特に顕著である。したがって、二次元材料層１をすべて単層グラフェンにより形成した場合、電磁波検出器の性能が低下する恐れがあった。
【００３５】
そこで、第１電極部２ａからのキャリアがドープされやすい二次元材料層１の第１電極部２ａに電気的に接続される領域１ａにおいて、多層グラフェンを形成してもよい。多層グラフェンは単層グラフェンに比べ、第１電極部２ａからのキャリアドーピングが小さい。そのため、二次元材料層１と第１電極部２ａとの間のコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。この結果、電磁波検出器における上述した電子の移動度の低下を抑制することができ、電磁波検出器の性能を向上させることができる。
【００３６】
また、ソース・ドレイン領域として機能する領域１ａに多層グラフェン、チャネル領域として機能する領域１ｂに単層グラフェンを用いてもよい。このような構成とすることで、チャネル領域における電子の高い移動度が得られる。この結果、上述したコンタクト抵抗の増加を抑制するとともに、電子の高い移動度を維持することができ、電磁波検出器の性能を向上させることができる。
【００３７】
また、二次元材料層１としてはナノリボン状のグラフェン（以下、グラフェンナノリボンとも呼ぶ）を用いることもできる。その場合、二次元材料層１としては、たとえばグラフェンナノリボン単体、複数のグラフェンナノリボンを積層した複合体、又は、グラフェンナノリボンが平面上に周期的に配列された構造体のいずれかを用いることができる。例えば、二次元材料層１として、グラフェンナノリボンが周期的に配置された構造体を用いる場合、グラフェンナノリボンにおいて、プラズモン共鳴を発生させることができる。この結果、電磁波検出器の感度を向上させることができる。ここで、グラフェンナノリボンが周期的に配列された構造は、グラフェンメタマテリアルと呼ばれることもある。したがって、二次元材料層１としてグラフェンメタマテリアルを用いた電磁波検出器においても、上述した効果を得ることができる。
【００３８】
第１電極部２ａは絶縁膜３上に形成される。第２電極部２ｂは第２半導体部分４ｂの裏面上に形成される。第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂを構成する材料としては、導電体であれば任意の材料を用いることができる。たとえば、当該材料として、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、又はパラジウム（Ｐｄ）等の金属材料を用いることができる。また、第１電極部２ａと絶縁膜３との間、又は、第２電極部２ｂと第２半導体部分４ｂとの間に、図示しない密着層を形成してもよい。密着層は、第１電極部２ａと絶縁膜３との密着性、または第２電極部２ｂと第２半導体部分４ｂとの密着性を高めるものである。密着層を構成する材料としては、任意の材料を用いることができるが、たとえばクロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）などの金属材料を用いてもよい。また、図２では第１電極部２ａが二次元材料層１の下部に形成されているが、二次元材料層１の上部に第１電極部２ａを形成してもよい。また、図２では第２電極部２ｂが第２半導体部分４ｂの下層全面に設けられているが、第２電極部２ｂは第２半導体部分４ｂの一部と接触していれば良い。例えば、第２半導体部分４ｂの側面、底面の一部分、絶縁膜３に別の開口部を設けて当該開口部内において第２半導体部分４ｂを露出させた面などに第２電極部２ｂを設けても良い。このようにすれば、電磁波検出器の裏面から電磁波を入射して検知することが可能となる。また、電磁波検出器の表面側から電磁波を照射する場合は、図２に示すように裏面全面に第２電極部２ｂが設けられていることで、受光素子４に吸収されずに透過された電磁波を第２電極部２ｂにより反射することで、受光素子４における電磁波の吸収率を高めることができる。
【００３９】
また、二次元材料層１上に図示しない保護膜を形成してもよい。保護膜は、絶縁膜３上において二次元材料層１、第１半導体部分４ａ、第１電極部２ａの周りを覆うように設けられてもよい。保護膜を構成する材料としては任意の材料を用いることができるが、例えば、保護膜として酸化シリコンからなる絶縁膜を用いることができる。保護膜を構成する材料としては、酸化物又は窒化物等の絶縁体、たとえば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、ボロンナイトライドなどを用いてもよい。
【００４０】
以上より、本実施の形態に係る電磁波検出器が構成される。
＜電磁波検出器の製造方法＞
図３は、実施の形態１に係る電磁波検出器の製造方法を説明するためのフローチャートである。図３を参照しながら、図１および図２に示した電磁波検出器の製造方法を説明する。
【００４１】
まず、図３に示す準備工程（Ｓ１）を実施する。この工程（Ｓ１）では、たとえばシリコン等からなる平坦な基板である第２半導体部分４ｂを準備する。
【００４２】
次に、電極形成工程（Ｓ２）を実施する。この工程（Ｓ２）では、第２半導体部分４ｂの裏面に第２電極部２ｂを形成する。具体的には、まず第２半導体部分４ｂの表面に保護膜を形成する。保護膜としてはたとえばレジストを用いる。この状態で、第２半導体部分４ｂの裏面に第２電極部２ｂを成膜する。第２電極部２ｂを構成する材料としては、たとえば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）等の金属を用いることができる。この時、第２半導体部分４ｂと第２電極部２ｂとの密着性を向上させるために、第２半導体部分４ｂの裏面に、第２電極部２ｂより先に密着層を形成してもよい。密着層の材料としては、たとえば銅（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）を用いることができる。
【００４３】
次に、半導体層形成工程（Ｓ３）を実施する。この工程（Ｓ３）では、まず第２半導体部分４ｂの表面に保護膜として形成したレジストを除去する。その後、第２半導体部分４ｂの表面上に、第１半導体部分４ａを成膜する。なお、第１半導体部分４ａを、第２半導体部分４ｂに対してイオン注入などにより不純物をドーピングして形成してもよい。
【００４４】
次に、絶縁膜形成工程（Ｓ４）を実施する。この工程（Ｓ４）では、第１半導体部分４ａの表面４ａｂ上に、絶縁膜３を形成する。絶縁膜３は、例えば第１半導体部分４ａがシリコンの場合は、第１半導体部分４ａにおいて第２半導体部分４ｂに面する表面と反対側の表面を部分的に熱酸化して形成される酸化シリコン（ＳｉＯ２）でもよい。あるいは、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）法やスパッタ法により、第１半導体部分４ａの表面上に絶縁層を形成してもよい。
【００４５】
次に、電極形成工程（Ｓ５）を実施する。この工程（Ｓ５）では、絶縁膜３上に第１電極部２ａを形成する。第１電極部２ａを構成する材料は、たとえば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）等の金属を用いる。この時、第１電極部２ａと絶縁膜３との密着性を向上させるために、絶縁膜３と第１電極部２ａとの間に密着層を形成してもよい。密着層を構成する材料としては、たとえばクロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等を用いることができる。
【００４６】
第１電極部２ａの形成方法としては、たとえば以下のようなプロセスを用いることができる。まず、絶縁膜３の表面上に写真製版またはＥＢ描画などを用いてレジストマスクを形成する。レジストマスクには、第１電極部２ａが形成されるべき領域に開口部が形成されている。その後、レジストマスク上に、第１電極部２ａとなるべき金属などの膜を形成する。当該膜の形成には、蒸着法やスパッタリング法などを用いることができる。このとき、当該膜はレジストマスクの開口部の内部から当該レジストマスクの上部表面にまで延在するように形成される。その後、レジストマスクを当該膜の一部と共に除去することで、レジストマスクの開口部に配置されていた膜の他の一部が絶縁膜３の表面上に残存し、第１電極部２ａとなる。上述した方法は、一般的にはリフトオフと呼ばれる方法である。
【００４７】
第１電極部２ａの形成方法として、他の方法を用いてもよい。たとえば、絶縁膜３の表面上に第１電極部２ａとなるべき金属膜などの膜を先に成膜する。その後、フォトリソグラフィ法によって当該膜上にレジストマスクを形成する。レジストマスクは、第１電極部２ａが形成されるべき領域を覆うように形成される一方、第１電極部２ａが形成されるべき領域以外の領域には形成されない。その後、ウェットエッチングやドライエッチングにより、レジストマスクをマスクとして当該膜を部分的に除去する。この結果、レジストマスク下に膜の一部が残存する。この膜の一部が第１電極部２ａとなる。その後、レジストマスクを除去する。このようにして、第１電極部２ａを形成してもよい。
【００４８】
次に、開口部形成工程（Ｓ６）を実施する。この工程（Ｓ６）では、絶縁膜３に開口部３ａを形成する。具体的には、絶縁膜３上に写真製版またはＥＢ描画などを用いてレジストマスクを形成する。レジストマスクには、絶縁膜３の開口部３ａが形成されるべき領域に開口部が形成されている。その後、ウェットエッチングやドライエッチングにより、レジストマスクをマスクとして絶縁膜３を部分的に除去し、開口部３ａを形成する。次にレジストマスクを除去する。なお、上記工程（Ｓ６）は工程（Ｓ５）より先に実施してもよい。
【００４９】
次に、二次元材料層形成工程（Ｓ７）を実施する。この工程（Ｓ７）では、第１電極部２ａ、絶縁膜３および絶縁膜３の開口部３ａ内において露出する第１半導体部分４ａの一部の全体を覆うように二次元材料層１を形成する。二次元材料層１は、任意の方法により形成してもよい。たとえば、二次元材料層１を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二次元材料層１を第１電極部２ａ、絶縁膜３および第１半導体部分４ａの一部上に転写して貼り付けてもよい。あるいは、スクリーン印刷などを用いて二次元材料層１を形成してもよい。また、機械剥離などで剥離した二次元材料層１を上述した第１電極部２ａ等の上に転写してもよい。次に、写真製版などを用いて二次元材料層１の上にレジストマスクを形成する。レジストマスクは、二次元材料層１を残存させる領域を覆うように形成される一方、二次元材料層１を残存させない領域には形成されない。その後、レジストマスクをマスクとして用いて、酸素プラズマにより二次元材料層１をエッチングにより部分的に除去する。これにより、不要な二次元材料層の部分を除去し、図１および図２に示すような二次元材料層１を形成する。その後、レジストマスクを除去する。
【００５０】
以上の工程（Ｓ１〜Ｓ７）により、図１および図２に示した電磁波検出器が得られる。なお、上述した製造方法では第１電極部２ａの上に二次元材料層１を形成したが、絶縁膜３上に予め二次元材料層１を形成し、当該二次元材料層１の一部上に重なるように第１電極部２ａを形成してもよい。ただし、この構造を用いる場合は、第１電極部２ａの形成時に、二次元材料層１に対してプロセスダメージを与えないように注意が必要である。たとえば、二次元材料層１において第１電極部２ａが重ねて形成される領域以外を保護膜などで予め覆った状態で、第１電極部２ａを形成する、といった対応が考えられる。
【００５１】
＜電磁波検出器の動作原理＞
次に、本実施の形態に係る電磁波検出器の動作原理について説明する。
【００５２】
まず、図２に示すように、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に、電圧Ｖを印加する電源回路が電気的に接続されている。この場合、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の電流経路の一部となる二次元材料層１には電流Ｉが流れる。電源回路には図示しない電流計が設置されており、当該電流計により二次元材料層１に流れる電流Ｉをモニターする。
【００５３】
次に、第１半導体部分４ａおよび第２半導体部分４ｂからなる受光素子４に電磁波が照射される。この場合、受光素子４のｐｎ接合内において光電変換が発生し、二次元材料層１に光電流が流れる。
【００５４】
また、受光素子４が絶縁膜３を介して二次元材料層１に電界変化を与える。この結果、二次元材料層１に対して擬似的にゲート電圧が印加された状態となり、二次元材料層１内の抵抗値が変化する。これを光ゲート効果と呼ぶ。二次元材料層１における抵抗値の変化により、二次元材料層１に流れる光電流である電流Ｉが変化する。この電流Ｉの変化を検出することによって、電磁波検出器に照射された電磁波を検出することができる。
【００５５】
また、たとえば受光素子４を構成する第１半導体部分４ａがｎ型材料からなり、第２半導体部分４ｂがｐ型材料からなる場合、電圧Ｖを調整し、受光素子４を逆バイアス動作させることで、電流Ｉをゼロにすることができる。すなわち、本実施の形態に係る電磁波検出器ではＯＦＦ動作が可能となる。このとき、光照射時にのみ受光素子４に電流が流れるため、光照射時にのみ電流Ｉを検出することが出来る。
【００５６】
ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器は、上述のような二次元材料層１での電流の変化を検出する構成に限定されるわけではなく、例えば、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に一定電流を流し、第１電極部２ａと第２電極部２ｂ間の電圧Ｖの変化（つまり二次元材料層１での電圧値の変化）を検出してもよい。
【００５７】
また、同じ電磁波検出器を２つ以上用いて電磁波を検出してもよい。たとえば、同じ電磁波検出器を２つ以上準備する。１つの電磁波検出器を、電磁波が照射されない遮蔽された空間に配置する。他の電磁波検出器を、測定対象である電磁波が照射される空間に配置する。そして、電磁波が照射される他の電磁波検出器の電流Ｉ又は電圧Ｖと、遮蔽された空間に配置された電磁波検出器の電流Ｉ又は電圧Ｖとの差分を検出する。このようにして、電磁波を検出してもよい。
【００５８】
＜電磁波検出器の動作＞
次に、図１および図２に示した電磁波検出器の具体的な動作について説明する。ここでは、第２半導体部分４ｂとしてｐ型シリコンを用い、第１半導体部分４ａとしてｎ型シリコンを用いた場合について説明する。
【００５９】
図２に示すように、受光素子４に対して逆バイアスとなるように電圧を印加すると、第１半導体部分４ａと第２半導体部分４ｂとの界面である接合部４ａａ近傍には空乏層が形成される。電磁波検出器の検出波長の範囲は、受光素子４の構成材料に応じて決定される。上述した構成の受光素子４を有する電磁波検出器の検出波長は０．２μｍ以上１．１μｍ以下である。
【００６０】
上記検出波長の電磁波が受光素子４に入射すると、空乏層において電子正孔対が発生する。発生した電子正孔対（光キャリア）は第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂから光電流として取り出される。このとき、絶縁膜３の直下領域で発生した光キャリアにより、絶縁膜３を介して二次元材料層１に電界変化が生じる。これは前述した光ゲート効果である。上述のように、二次元材料層１を構成するグラフェンは移動度が高く、わずかな電界変化に対して大きな変位電流を得ることが出来る。そのため、受光素子４の光電変換により二次元材料層１を経由して第１電極部２ａから取り出した光電流は、光ゲート効果により大きく増幅される。このため、本実施の形態に係る電磁波検出器では、シリコンの量子効率を超える高感度化が可能となる。このとき、受光素子４はキャリア拡散長が短くなるように設計することが好ましい。キャリア拡散長が短くなることで、受光素子４における光キャリアのキャリア寿命が短くなる。この結果、光ゲート効果による増幅の遅延が解消され、受光素子４の光電変換により発生する光キャリアと光ゲート効果による増幅を分離でき、電磁波検出器の高速応答化が可能となる。
【００６１】
＜作用効果＞
本開示に従った電磁波検出器は、受光素子４と、絶縁膜３と、二次元材料層１と、第１電極部２ａと、第２電極部２ｂとを備える。受光素子４は、第１導電型の第１半導体部分４ａと、第２半導体部分４ｂとを含む。第２半導体部分４ｂは、第１半導体部分４ａに接合される。第２半導体部分４ｂは第１導電型とは異なる第２導電型である。絶縁膜３は、受光素子４上に配置される。より具体的には、絶縁膜３は第１半導体部分４ａ上に配置される。絶縁膜３には開口部３ａが形成されている。二次元材料層１は、開口部３ａにおいて第１半導体部分４ａと電気的に接続される。より具体的には、第１半導体部分４ａは、開口部３ａで二次元材料層１と電気的に接続される。二次元材料層１は、開口部３ａ上から絶縁膜３上にまで延在する。第１電極部２ａは、絶縁膜３上に配置される。第１電極部２ａは二次元材料層１と電気的に接続される。第２電極部２ｂは、第２半導体部分４ｂと電気的に接続される。
【００６２】
第１半導体部分４ａは第２半導体部分４ｂ上に配置される。第２電極部２ｂは、第２半導体部分４ｂにおいて第１半導体部分４ａが配置される側と反対側に設けられる。第２電極部２ｂは第２半導体部分４ｂと電気的に接続される。また、二次元材料層１は、グラフェン、遷移金属ダイカルゴゲナイト、黒リン、シリセン、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料を含む。
【００６３】
二次元材料層１において開口部３ａ上に配置された部分は、受光素子４から光電流が入力可能に構成されている。具体的には、たとえば開口部３ａにおいて二次元材料層１は受光素子４と直接接触していてもよい。あるいは、開口部３ａにおいて二次元材料層１と受光素子４との間にトンネル絶縁膜が配置され、受光素子４から光電流がトンネル絶縁膜を介して注入されてもよい。また、二次元材料層１において絶縁膜３上に位置する領域は、受光素子４と絶縁膜３を介して対向している。受光素子４に電磁波が照射されると、受光素子４が絶縁膜３を介して二次元材料層１の当該領域に電界変化を与える。この結果、二次元材料層１に擬似的にゲート電圧が印加され、二次元材料層１の抵抗値が変化する、いわゆる光ゲート効果が得られる。この光ゲート効果により、二次元材料層１の導電率が変調され、結果的に二次元材料層１において光電流を増幅できる。
【００６４】
また、異なる観点から言えば、上述した電磁波検出器は、二次元材料層１が受光素子４と直接接続されている領域１ｃ（開口部３ａの内部に位置する領域）と、受光素子４と絶縁膜３を介して接続されている領域１ｂとを有することを特徴とする。二次元材料層１が受光素子４と直接接続されていることで、受光素子４に対して逆バイアス印加時には電磁波検出器において電流が流れずＯＦＦ動作が可能となる。また、上述した電磁波検出器では、ノイズが低減され、電磁波照射により発生した光電流は二次元材料層１を介して取り出される。
【００６５】
また、二次元材料層１の領域１ｂは受光素子４と絶縁膜３を介して接続されている。そのため、受光素子４に電磁波が照射された場合に、上述のように光ゲート効果によって、二次元材料層１に擬似的にゲート電圧が印加された状態となる。この結果、二次元材料層１の導電率が変調され、受光素子４から二次元材料層１へ注入された光電流を増幅することができる。したがって、電磁波検出器において、量子効率が１００％以上、感度では通常の１００倍以上となる高感度化が可能となる。
【００６６】
以下に上述した効果についてより詳細に説明する。電磁波が電磁波検出器に入射した場合、受光素子４のｐｎ接合において、光電流が発生する。このとき、発生した光電流（光キャリア）は二次元材料層１および第２半導体部分４ｂを介して第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂから取り出される。
【００６７】
この際、受光素子４のｐｎ接合において生じた電界変化が、絶縁膜３を介して二次元材料層１の電界変化を生じさせる。この結果、二次元材料層１の抵抗が変化する。上述のようにこのような効果を光ゲート効果又は光スイッチと呼ぶ。受光素子４から取り出した光キャリアを二次元材料層１において光ゲート効果により増幅し、検出することで、電磁波検出器において電磁波の入射を検出することができる。
【００６８】
二次元材料層１として、たとえば単層のグラフェンを用いた場合、当該二次元材料層１の厚さは原子層１層分であって極めて薄い。また、単層のグラフェンにおける電子の移動度は大きい。そのため、二次元材料層１では、通常の半導体と比較して、わずかな電位変化に対して大きな電流変化を生じる。例えば、受光素子４における電界変化によって二次元材料層１へ印加される電位変化に起因する電流変化量は、通常の半導体における電流変化量より大きくなる。具体的には、二次元材料層１における電子の移動度及び厚さなどから算出すると、二次元材料層１での上記電流変化量は、通常の半導体における電流変化量の数百倍〜数千倍程度となる。
【００６９】
したがって、光ゲート効果を利用することで、二次元材料層１における検出電流の取り出し効率は大幅に向上する。このような光ゲート効果は、受光素子４における光電変換材料の量子効率を直接的に増強するのではなく、電磁波入射による電流変化を大きくする。そのため、等価的に電磁波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、本実施の形態に係る電磁波検出器は、従来の半導体電磁波検出器あるいは光ゲート効果を適用していないグラフェン電磁波検出器と比較して、高感度に電磁波の検出を行うことができる。
【００７０】
また、本実施の形態に係る電磁波検出器では、受光素子４において発生する上記電流に加えて、二次元材料層１本来の光電変換効率に起因する光電流も生じる。そのため、本実施の形態に係る電磁波検出器では、電磁波の入射により、上述した受光素子４で生じた電流と、光ゲート効果に伴う電流とに加え、二次元材料層１本来の光電変換効率に起因する光電流も検出できる。
【００７１】
以上のように、本実施の形態に係る電磁波検出器は、量子効率が１００％以上となる好感度化と、ＯＦＦ動作とを両立できる。
【００７２】
上記電磁波検出器において、受光素子４は、第１半導体部分４ａと第２半導体部分４ｂとを含む。第１半導体部分４ａは第１導電型を有する。第２半導体部分４ｂは、第１半導体部分４ａと接合される。第２半導体部分４ｂは、第１導電型と異なる第２導電型を有する。第１半導体部分４ａおよび第２半導体部分４ｂの少なくともいずれかの電気抵抗率は１００Ω・ｃｍ以下である。
【００７３】
この場合、受光素子４で発生した光キャリア（光電流）の、受光素子４中での移動速度を向上させることができる。この結果、電磁波検出器の応答速度を向上させることができる。
【００７４】
上記電磁波検出器において、絶縁膜３は、第１半導体部分４ａにおいて第２半導体部分と接合された接合部４ａａと反対側に位置する表面４ａｂ上に形成される。接合部４ａａと上記表面４ａｂとの間に位置する第１半導体部分４ａの厚さＴ１は１０μｍ以下である。
【００７５】
この場合、第１半導体部分４ａの厚さＴ１を１０μｍ以下と薄くすることで、ｐｎ接合界面である接合部４ａａが二次元材料層１に近付く。このため、ｐｎ接合界面で発生した光キャリアの失活が低減される。また、絶縁膜３の近傍にｐｎ接合界面である接合部４ａａが存在するため、ｐｎ接合界面で発生する電圧変化が二次元材料層１により伝わりやすく、二次元材料層１に対する光ゲート効果が大きくなる。この結果、電磁波検出器を高感度化できる。
【００７６】
上記電磁波検出器において、受光素子４は、第１半導体部分４ａと第２半導体部分４ｂとを含む。第１半導体部分４ａは第１導電型を有する。第２半導体部分４ｂは、第１半導体部分４ａと接合される。第２半導体部分４ｂは、第１導電型と異なる第２導電型を有する。第１半導体部分４ａと第２半導体部分４ｂとは、それぞれ吸収波長が異なる。この場合、電磁波検出器において多波長の検知が可能となる。
【００７７】
実施の形態２．
＜電磁波検出器の構成＞
図４は、実施の形態２に係る電磁波検出器の断面模式図である。図５は、実施の形態２に係る電磁波検出器の第１変形例を示す断面模式図である。図６は、実施の形態２に係る電磁波検出器の第２変形例を示す断面模式図である。なお、図４から図６はいずれも図２に対応する。
【００７８】
図４に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、受光素子４の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図４に示した電磁波検出器では、受光素子４が電流遮断機構５を含む。電流遮断機構５は、電流を遮断することが可能な部分である。電流遮断機構５は第１半導体部分４ａにおいて絶縁膜３と対向する領域に位置する。電流遮断機構５は、第１半導体部分４ａにおいて開口部３ａの外周を囲む位置に形成されている。
【００７９】
また、異なる観点から言えば、本実施の形態に係る電磁波検出器は、絶縁膜３の開口部３ａの外周領域に対向する第１半導体部分４ａにおいて、電流遮断機構５を備える。電流遮断機構５は、電流を遮断する構造であればどのような構造でも良い。例えば、電流遮断機構５として、受光素子４に形成されたトレンチを用いてもよい。当該トレンチの内部は空気でもよく、トレンチの内部に絶縁体を充填してもよい。また、電流遮断機構５として、第１半導体部分４ａおよび第２半導体部分４ｂよりも高濃度の不純物をドーピングして、第１半導体部分４ａおよび第２半導体部分４ｂより導電率を増加させた部分を用いてもよい。また、上述のように第１半導体部分４ａにトレンチを形成し、当該トレンチの内部に金属材料を埋め込むことで導電率を増加させた部分を電流遮断機構５として用いてもよい。
【００８０】
図５に示した電磁波検出器は、基本的には図４に示した電磁波検出器と同様の構成を備えるが、受光素子４の構成が図４に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図５に示した電磁波検出器では、電流遮断機構５が第１半導体部分４ａおよび第２半導体部分４ｂの両方に形成されている。具体的には、電流遮断機構５は、第１半導体部分４ａの表面４ａｂから第２半導体部分４ｂにおいて第２電極部２ｂが形成された裏面にまで延在している。
【００８１】
図６に示した電磁波検出器は、基本的には図４に示した電磁波検出器と同様の構成を備えるが、受光素子４の構成が図４に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図６に示した電磁波検出器では、電流遮断機構５が第１半導体部分４ａ、第２半導体部分４ｂおよび第２電極部２ｂに形成されている。具体的には、電流遮断機構５は、第１半導体部分４ａの表面４ａｂから第１半導体部分４ａ、第２半導体部分４ｂおよび第２電極部２ｂを貫通し、第２電極部２ｂの表面にまで延在している。
【００８２】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、受光素子４は、電流遮断機構５を含む。電流遮断機構５は、絶縁膜３と対向する領域に位置する。電流遮断機構５は、開口部３ａの外周を囲むように配置される。
【００８３】
この場合、電流遮断機構５を設けることで、ｐｎ接合界面で発生した光キャリアを、二次元材料層１へ注入されるキャリアと、絶縁膜３を介して二次元材料層１へ電界変化を与える光ゲート効果に寄与するキャリアとに分離することが出来る。たとえば、絶縁膜３における開口部３ａの幅が、第１半導体部分４ａを構成する材料（たとえば半導体材料）での光キャリアの拡散長よりも小さい場合、絶縁膜３下におけるｐｎ接合界面で発生した光キャリアは光ゲート効果に寄与するとともに、二次元材料層１へ注入される。これは電磁波検出器における応答速度が低下する原因になり得る。しかし、上述のように電流遮断機構５を設けることで、光ゲート効果に寄与するキャリアと二次元材料層１に注入されるキャリアとを分離出来る。この結果、電磁波検出器の応答速度を向上させることができる。また、アレイ化した際にそれぞれの画素を分離できる効果がある。
【００８４】
ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【００８５】
実施の形態３．
＜電磁波検出器の構成＞
図７は、実施の形態３に係る電磁波検出器の断面模式図である。図８は、実施の形態３に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。なお、図７は図２に対応する。
【００８６】
図７に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、受光素子４と二次元材料層１との接続部の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図７に示した電磁波検出器では、絶縁膜３の開口部３ａ内部において、二次元材料層１と受光素子４との間にバッファ層６が配置されている。
【００８７】
バッファ層６としては、例えば厚さが１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の絶縁膜を用いることができる。絶縁膜の材質は任意の材質を用いることができる。たとえば、絶縁膜の材質として、アルミナまたは酸化ハフニウムなどの金属酸化物、または酸化シリコンや窒化シリコンなどの半導体を含む酸化物または窒化物またはボロンナイトライドなどを用いても良い。バッファ層６の作製方法としては任意の方法を用いることができる。たとえば、バッファ層６は、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法、スパッタ法などを用いて作製しても良い。あるいは、バッファ層６を、第１半導体部分４ａの表面を酸化または窒化することにより形成しても良い。あるいは、バッファ層６として第１半導体部分４ａの表面に形成される自然酸化膜を用いても良い。
【００８８】
また、本実施の形態に係る電磁波検出器においては、図８に示すように、絶縁膜３の表面上に第１電極部２ａとは別の電極部２ｃを設けてもよい。なお、電極部２ｃは、開口部３ａから見て第１電極部２ａが位置する領域と反対側の領域に配置されることが好ましい。二次元材料層１は電極部２ｃとも接続されている。第１電極部２ａと電極部２ｃとの間にソース・ドレイン電圧Ｖｄを印加してもよい。このようにすれば、二次元材料層１から取り出す光電流を増大させることができる。
【００８９】
ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【００９０】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器はバッファ層６を備える。バッファ層６は、開口部３ａの内部において、二次元材料層１と受光素子４との間に配置される。バッファ層６は、二次元材料層１と受光素子４との間にトンネル電流を形成することが可能な厚さを有する。この場合、バッファ層６の膜厚を受光素子４から二次元材料層１へトンネル注入が生じる程度の厚さとすることで、注入効率が改善させることにより二次元材料層１に大きな光電流が注入され、電磁波検出器の感度を向上させることができる。また、バッファ層６により受光素子４と二次元材料層１との接合界面での漏れ電流を抑制することで、暗電流を低減することができる。
【００９１】
実施の形態４．
＜電磁波検出器の構成＞
図９は、実施の形態４に係る電磁波検出器の断面模式図である。なお図９は図２に対応する。
【００９２】
図９に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１と受光素子４との接続部の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、絶縁膜３の開口部３ａ内部には、接続導電体２ｄが形成されている。接続導電体２ｄの裏面は受光素子４の第１半導体部分４ａの表面と電気的に接続されている。接続導電体２ｄの上面上には二次元材料層１の一部が重なるように配置されている。二次元材料層１と接続導電体２ｄの上面とは電気的に接続されている。接続導電体２ｄの上面の位置は絶縁膜３の上面の位置と実質的に同じである。二次元材料層１は絶縁膜３の上面から接続導電体２ｄの上面上にまで、屈曲することなく平面状に延びている。
【００９３】
接続導電体２ｄは第１半導体部分４ａとオーミック接合していることが望ましい。また、接続導電体２ｄは電磁波検出器が検出する電磁波の波長において高い透過率を示すことが望ましい。
【００９４】
ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【００９５】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器は、接続導電体２ｄを備える。接続導電体２ｄは、開口部３ａの内部において、受光素子４と二次元材料層１とを電気的に接続する。この場合、二次元材料層１と第１半導体部分４ａとの間に接続導電体２ｄが設けられることにより、二次元材料層１と第１半導体部分４ａとの間のコンタクト抵抗を低減することが出来る。また、接続導電体２ｄと第１半導体部分４ａとがショットキー接合となり、暗電流を低減することが出来る。
【００９６】
また、接続導電体２ｄの厚さと絶縁膜３の厚さとを実質的に同じにする、つまり接続導電体２ｄの上面の位置を絶縁膜３の上面の位置と実質的に同じにすることが好ましい。この場合、二次元材料層１が折れ曲がることなく水平に形成されるため、二次元材料層１でのキャリアの移動度が向上する。光ゲート効果は移動度に比例するため、電磁波検出器の感度が向上する。
【００９７】
実施の形態５．
＜電磁波検出器の構成＞
図１０は、実施の形態５に係る電磁波検出器の平面模式図である。図１１は、図１０の線分ＸＩ−ＸＩにおける断面模式図である。図１２は、実施の形態５に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。なお、図１１および図１２は図２に対応する。
【００９８】
図１０および図１１に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、受光素子４および二次元材料層１の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図１０および図１１に示した電磁波検出器では、受光素子４が、第３半導体部分４ｃと第４半導体部分４ｄとを水平方向に接合することで構成されている。第４半導体部分４ｄは、第３半導体部分４ｃと逆のキャリアでドーピングされている。また、二次元材料層１は絶縁膜３の開口部３ａから見て第１電極部２ａが位置する側と反対側の絶縁膜３の部分上にまで開口部３ａ内部から延在している。開口部３ａから見て第１電極部２ａが位置する側と反対側の絶縁膜３の部分上には他の電極部２ｃが形成されている。二次元材料層１は電極部２ｃと電気的に接続されている。第１電極部２ａと電極部２ｃとの間には電圧Ｖが印加されている。
【００９９】
図１１に示すように、受光素子４の接合界面である接合部４ｃａが絶縁膜３の開口部３ａ下に位置している。接合部４ｃａは二次元材料層１と接触するように配置されている。そのため、光照射により第３半導体部分４ｃと第４半導体部分４ｄとのｐｎ接合界面である接合部４ｃａで発生した光キャリアを二次元材料層１から容易に取り出すことができる。さらに、ｐｎ接合界面である接合部４ｃａ上の二次元材料層１では、光キャリアにより生じたｐｎ接合での局所電界変化の影響を受けて、二次元材料層１の導電率が変化する。この結果、電磁波検出器の高感度化を図ることができる。
【０１００】
また、図１１に示すように、第１電極部２ａに加えて他の電極部２ｃが形成されている。さらに、これらの複数の電極部である第１電極部２ａと電極部２ｃとの間をつなぐように二次元材料層１を配置している。二次元材料層１は第１電極部２ａと電極部２ｃとの間の領域で、受光素子４と接続されている。この結果、第１電極部２ａと電極部２ｃとの間に電圧を印加し、受光素子４で発生した光キャリアを二次元材料層１で読み出す事ができる。このとき、第３半導体部分４ｃおよび第４半導体部分４ｄと接触している二次元材料層１の領域は、それぞれの半導体材料によりドーピングされる。このため、二次元材料層１内に電荷密度の勾配が形成される。この結果、二次元材料層１におけるキャリアの移動度が向上し、電磁波検出器の高感度化を図ることができる。
【０１０１】
図１２に示した電磁波検出器は、基本的には図１０および図１１に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、受光素子４、絶縁膜３および第１電極部２ａおよび電極部２ｃの構成が図１０および図１１に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図１２に示した電磁波検出器では、第１電極部２ａと第３半導体部分４ｃとが接触している。さらに、電極部２ｃと第４半導体部分４ｄとが接触している。第３半導体部分４ｃは、開口部３ａ下から第１電極部２ａ下に位置する領域にまで延在している。第４半導体部分４ｄは、開口部３ａ下から電極部２ｃ下に位置する領域にまで延在している。絶縁膜３においては、開口部３ａを挟む位置であって第１電極部２ａと電極部２ｃとのそれぞれの下に位置する領域に追加の開口部が形成されている。当該追加の開口部の内部に第１電極部２ａと電極部２ｃとがそれぞれ延在する。当該追加の開口部の内部において、第１電極部２ａが第３半導体部分４ｃと接続され、電極部２ｃが第４半導体部分４ｄと接続されている。
【０１０２】
これにより、第３半導体部分４ｃと第４半導体部分４ｄとの間に電圧Ｖを印加しながら二次元材料層１にも電圧を印加することが出来る。このとき、第３半導体部分４ｃと第４半導体部分４ｄとからなるフォトダイオードである受光素子４が逆バイアスを印加した飽和状態であれば、二次元材料層１にのみ電流が流れる。これにより、第３半導体部分４ｃおよび第４半導体部分４ｄで空乏層が発生し、二次元材料層１に大きな電圧変化を与えることができるため、結果的に大きな光電流（光キャリア）を取り出すことが出来る。さらに、二次元材料層１では第３半導体部分４ｃと第４半導体部分４ｄとのｐｎ接合界面である接合部４ｃａで生じた局所電界変化の影響を受けて、二次元材料層１の導電率が変化する。この結果、電磁波検出器の高感度化を図ることが出来る。
【０１０３】
また、第３半導体部分４ｃと第４半導体部分４ｄとからなる受光素子４として、トンネルダイオードを用いる場合、光照射時にのみ大きな光電流が発生する。当該光電流が二次元材料層１へ注入される。さらに、光照射時のみに二次元材料層１において電界変化の影響による導電率の変化を発生させることができる。この結果、電磁波検出器の高感度化を図ることができる。なお、上述した構成において、第２半導体部分４ｂおよび第２電極部２ｂは形成されていてもよいが、形成されていなくてもよい。
【０１０４】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【０１０５】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、受光素子４は、第３半導体部分４ｃと第４半導体部分４ｄとを含む。第３半導体部分４ｃは第１導電型を有する。第４半導体部分４ｄは、第３半導体部分４ｃと接合される。第４半導体部分４ｄは、第１導電型と異なる第２導電型を有する。開口部３ｃの底部において、第３半導体部分４ｃと第４半導体部分４ｄとの接合部４ｃａの一部と、当該接合部４ｃａに連なる第３半導体部分４ｃの一部および第４半導体部分４ｄの一部とが二次元材料層１に面するように配置されている。
【０１０６】
この場合、光照射により第３半導体部分４ｃと第４半導体部分４ｄとのｐｎ接合界面である接合部４ｃａで発生した光キャリアを、開口部３ａの内部に位置する二次元材料層１から容易に取り出すことができる。さらに、ｐｎ接合界面である接合部４ｃａ上の二次元材料層１では、光キャリアにより生じたｐｎ接合での局所電界変化の影響を受けて、二次元材料層１の導電率が変化する。この結果、電磁波検出器の高感度化を図ることができる。
【０１０７】
上記電磁波検出器において、受光素子４はトンネルダイオードである。この場合、受光素子４において光照射時にのみ大きな光電流が発生する。当該光電流が二次元材料層１へ注入される。さらに、光照射時のみに二次元材料層１で導電率の変化を発生させることができる。この結果、電磁波検出器の高感度化を図ることができる。
【０１０８】
実施の形態６．
＜電磁波検出器の構成＞
図１３は、実施の形態６に係る電磁波検出器の平面模式図である。図１４は、図１３の線分ＸＩＶ−ＸＩＶにおける断面模式図である。図１５は、実施の形態６に係る電磁波検出器の第１変形例を示す断面模式図である。図１６は、実施の形態６に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。図１７は、図１６の線分ＸＶＩＩ−ＸＶＩＩにおける断面模式図である。
【０１０９】
図１３および図１４に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、受光素子４、二次元材料層１、第１電極部２ａおよび電極部２ｃの構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図１３および図１４に示した電磁波検出器では、受光素子４の第１半導体部分４ａにおいて開口部３ａ下に位置する領域に第５半導体部分４ｅが形成されている。第５半導体部分４ｅは第１半導体部分４ａの導電型と異なる導電型のキャリアがドープされている。つまり第１半導体部分４ａが第１導電型である場合、第５半導体部分４ｅは第２導電型である。二次元材料層１は開口部３ａの内部において、第５半導体部分４ｅおよび第１半導体部分４ａにおいて第５半導体部分４ｅに隣接する領域と接続されている。また、二次元材料層１は絶縁膜３の開口部３ａから見て第１電極部２ａが位置する側と反対側の絶縁膜３の部分上にまで開口部３ａ内部から延在している。開口部３ａから見て第１電極部２ａが位置する側と反対側の絶縁膜３の部分上には他の電極部２ｃが形成されている。二次元材料層１は電極部２ｃと電気的に接続されている。第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間には電圧Ｖが印加されている。
【０１１０】
ここで、第５半導体部分４ｅを複数設けてもよい。つまり開口部３ａの内部において、第１半導体部分４ａ中に互いに間隔を隔てて複数の第５半導体部分４ｅを配置してもよい。この結果、第１半導体部分４ａと第５半導体部分４ｅとのｐｎ接合界面を増やすことができる。さらに、上記ｐｎ接合界面と二次元材料層１との接触領域を増加させることで、光照射によりｐｎ接合界面で生じる局所電界変化が二次元材料層１に与える影響を増大させることができる。
【０１１１】
また、第１半導体部分４ａと第５半導体部分４ｅとはｐｎｐまたはｎｐｎフォトトランジスタとすることができる。例えば、図１５に示すように、実施の形態５と同様に第１電極部２ａを第１半導体部分４ａと接触させてもよい。図１５に示した電磁波検出器は、基本的には図１３および図１４に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、絶縁膜３、第１電極部２ａおよび電極部２ｃの構成が図１３および図１４に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図１５に示した電磁波検出器では、第１電極部２ａと第１半導体部分４ａとが接触している。さらに、電極部２ｃと第１半導体部分４ａとも接触している。絶縁膜３においては、開口部３ａを挟む位置であって第１電極部２ａと電極部２ｃとのそれぞれの下に位置する領域に追加の開口部が形成されている。当該追加の開口部の内部に第１電極部２ａと電極部２ｃとがそれぞれ延在する。当該追加の開口部の内部において、第１電極部２ａおよび電極部２ｃが第１半導体部分４ａと接続されている。
【０１１２】
このような構成とすることで、光照射時にのみ第１半導体部分４ａおよび第５半導体部分４ｅからなるトランジスタに電流が流れる。この結果、二次元材料層１に電界変化を生じさせることができ、また、第１半導体部分４ａと第２半導体部分４ｂとの接合界面で光キャリアにより生じる光ゲート効果も加わることで、電磁波検出器の高感度化を図ることができる。
【０１１３】
また、図１６および図１７に示す電磁波検出器は、基本的には図１３および図１４に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、受光素子４の構成が図１３および図１４に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図１６および図１７に示した電磁波検出器では、絶縁膜３の開口部３ａにおいて、第１半導体部分４ａと逆のキャリアでドーピングされた第５半導体部分４ｅが第１半導体部分４ａに埋め込まれている。具体的には、二次元材料層１と第５半導体部分４ｅとの間には薄い第１半導体部分４ａが配置されている。第５半導体部分４ｅにおいて二次元材料層１に面する側と反対側の面は第２半導体部分４ｂと接触している。第１半導体部分４ａと第５半導体部分４ｅとによりｐｎ接合が形成される。この結果、開口部３ａの内部に位置する二次元材料層１の直下に上記ｐｎ接合が形成されることになる。このため、受光素子４から二次元材料層１への光電流の取り出し効率が向上する。さらに、受光素子４が二次元材料層１に与える電界変化が大きくなるため、電磁波検出器を高感度化することが出来る。なお、上記図１３〜図１７に示した電磁波検出器においては、図１２に示した電磁波検出器と同様に第１電極部２ａと電極部２ｃとの間に電圧Ｖを印加するようにしてもよい。また、上述した構成において、第２半導体部分４ｂおよび第２電極部２ｂは形成されていてもよいが、形成されていなくてもよい。
【０１１４】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【０１１５】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、受光素子４は、第１半導体部分４ａと、第２半導体部分４ｂとを含む。第１半導体部分４ａは、第１導電型を有する。第２半導体部分４ｂは、第１半導体部分と接合される。第２半導体部分４ｂは、第１導電型と異なる第２導電型を有する。絶縁膜３は、第１半導体部分４ａにおいて第２半導体部分４ｂと接合された接合部４ａａと反対側に位置する表面４ａｂ上に形成される。受光素子４は、第５半導体部分４ｅをさらに含む。図１４および図１５に示すように、第５半導体部分４ｅは、開口部３ａの底部において、第１半導体部分４ａの表面４ａｂから第２半導体部分４ｂ側の表面まで貫通するように配置されてもよい。第５半導体部分４ｅは、第２導電型を有する。また、図１７に示すように、第５半導体部分４ｅは、開口部３ａの底部において、接合部４ａａ上に設けられていてもよい。第５半導体部分４ｅ上には第１半導体部分４ａが形成されていてもよい。
【０１１６】
このようにすれば、図１７に示すように、第１半導体部分４ａと第５半導体部分４ｅとの接合界面および第１半導体部分４ａと第２半導体部分４ｂとの接合界面にそれぞれｐｎ接合が形成され、ダイオードが構成される。当該ダイオードに電磁波（光）が照射されることにより、第１半導体部分４ａと第５半導体部分４ｅとの接合界面において発生した光キャリアの失活が小さくなり二次元材料層１へ注入される光電流が増加する。また、第１半導体部分４ａと第２半導体部分４ｂとの接合界面で発生した光キャリアにより光ゲート効果が生じて二次元材料層１において電界変化を生じさせることができる。この結果、感度の高い電磁波検出器を得ることができる。
【０１１７】
実施の形態７．
＜電磁波検出器の構成＞
図１８は、実施の形態７に係る電磁波検出器の平面模式図である。図１９は、図１８の線分ＸＩＸ−ＸＩＸにおける断面模式図である。図２０は、図１８の線分ＸＸ−ＸＸにおける断面模式図である。図２１は、実施の形態７に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。図２２は、実施の形態７に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。図２３は、図２２の線分ＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩにおける断面模式図である。図２４は、実施の形態７に係る電磁波検出器の第３変形例を示す平面模式図である。図２５は、図２４の線分ＸＸＶ−ＸＸＶにおける断面模式図である。
【０１１８】
図１８〜図２０に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１および絶縁膜３の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図１８〜図２０に示した電磁波検出器では、絶縁膜３において開口部３ａとして複数の開口部が形成されている点、および複数の開口部の内部にまで二次元材料層１が延在し、当該複数の開口部の内部において受光素子４と二次元材料層１とが接続されている点が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。具体的には、図１８〜図２０に示した電磁波検出器において、絶縁膜３には複数の開口部３ａとして第１開口３ａａ、第２開口３ａｂおよび第３開口３ａｃが形成されている。第１開口３ａａ、第２開口３ａｂおよび第３開口３ａｃは互いに間隔を隔てて配置されている。第１開口３ａａ、第２開口３ａｂおよび第３開口３ａｃはそれぞれ絶縁膜３を貫通し、底部において受光素子４の第１半導体部分４ａの表面が露出している。二次元材料層１は絶縁膜３の上部表面上から第１開口３ａａ、第２開口３ａｂおよび第３開口３ａｃの内部にまで延在している。二次元材料層１は第１開口３ａａ、第２開口３ａｂおよび第３開口３ａｃの底部において第１半導体部分４ａと接触している。
【０１１９】
上記のように、絶縁膜３に複数の開口部を設け、二次元材料層１と第１半導体部分４ａとの接触領域を増加させることで、受光素子４から二次元材料層１に流れる電流を分散させることができる。そのため、二次元材料層１が絶縁膜３を介して受光素子４からの電界変化の影響を受ける領域を広げることができる。
【０１２０】
例えば、本実施の形態を用いた電磁波検出器を一つの画素とする場合を考える。たとえば、図１８に示した電磁波検出器を平面形状が四角形状である１つの画素とする。第１半導体部分４ａおよび第２半導体部分４ｂからなる受光素子４に入射する電磁波の減衰を少なくするためには、第１電極部２ａの面積を可能な限り小さくすることが好ましい。そのため、図１８に示すように第１電極部２ａを画素の四隅のうちの１つに配置する。そして、他の隅には第１開口３ａａ、第２開口３ａｂおよび第３開口３ａｃを設ける。このようにすれば、第１電極部２ａによる電磁波の減衰を最小限に抑えつつ、二次元材料層１と絶縁膜３との接触面積を増加させることができる。この結果、二次元材料層１において受光素子４からの電界変化の影響を受ける領域を広げ、電磁波検出器を高感度化することが出来る。なお、第１電極部２ａおよび絶縁膜３の開口部３ａの面積は可能な限り小さい方が望ましい。
【０１２１】
図２１に示した電磁波検出器は、基本的には図１８〜図２０に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、電極部の構成が図１８〜図２０に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２１に示した電磁波検出器では、複数の第１電極部２ａとして第１電極２ａａと第２電極２ａｂとが絶縁膜３の上部表面上に形成されている。第１電極２ａａと第２電極２ａｂとは互いに間隔を隔てて配置されている。第１電極２ａａと第２電極２ａｂとには二次元材料層１が接続されている。第２電極２ａｂは、図２１に示すように平面視において第１電極２ａａと第３開口３ａｃとの間に配置されている。なお、第２電極２ａｂの配置は、図２１に示した位置に限られず、絶縁膜３の上であれば他の位置に配置してもよい。たとえば、第２電極２ａｂを第１電極２ａａと第１開口３ａａとの間に配置してもよく、第２開口３ａｂと第３開口３ａｃとの間に配置してもよく、第１開口３ａａと第２開口３ａｂとの間に配置してもよい。
【０１２２】
図２２および図２３に示した電磁波検出器は、基本的には図１８〜図２０に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、第１電極部２ａおよび絶縁膜３の構成が図１８〜図２０に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２２および図２３に示した電磁波検出器では、第１電極部２ａが画素の外周部を覆うように配置されている。また、絶縁膜３の開口部３ａが画素の中央に配置されている。第１電極部２ａは、絶縁膜３の開口部３ａの外周を囲むように、絶縁膜３の上部表面上に形成されている。この場合、二次元材料層１を介して受光素子４から取り出される光電流が増加するため、電磁波検出器を高感度化することができる。なお、第１電極部２ａの幅は、電磁波の減衰を抑制するため、可能な限り細くすることが好ましい。
【０１２３】
図２４および図２５に示した電磁波検出器は、基本的には図１８〜図２０に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、第１電極部２ａおよび絶縁膜３の構成が図１８〜図２０に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２４および図２５に示した電磁波検出器では、第１電極部２ａとして第１電極２ａａと第２電極２ａｂとが画素の外周に配置されている。第１電極２ａａは、画素の外周における１つの辺に沿った一方端部に配置されている。第２電極２ａｂは、画素の外周における上記１つの辺と対向する他の辺に沿った他方端部に配置されている。絶縁膜３の開口部３ａは、第１電極２ａａと第２電極２ａｂとの間の領域に形成されている。開口部３ａは、第１電極２ａａおよび第２電極２ａｂの延在方向に沿って伸びている。開口部３ａは、画素の外周において上記１つの辺と上記他の辺とを繋ぐ一対の辺に到達するように形成されている。なお、絶縁膜３が電磁波を遮蔽しない場合は開口部３ａの形状は問わない。この場合、第１電極部２ａによる電磁波の減衰を抑制しつつ受光素子４から取り出される光電流を増加させることができる。このため、電磁波検出器を高感度化することができる。
【０１２４】
なお、第１電極部２ａとしての複数の電極を、画素の絶縁膜３の表面における任意の場所に配置してもよい。たとえば、複数の電極のそれぞれを画素の四隅に配置してもよい。また、絶縁膜３の開口部３ａの数を２以上としてもよい。
【０１２５】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【０１２６】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、図１８および図２１に示すように、開口部３ａは、第１開口３ａａと第２開口３ａｂとを含む。第１開口３ａａは絶縁膜３に形成される。第２開口３ａｂは、第１開口３ａａと異なる位置に形成される。二次元材料層１は、絶縁膜３上から第１開口３ａａおよび第２開口３ａｂの内部にまで延在する。二次元材料層１は第１開口３ａａおよび第２開口３ａｂの内部において受光素子４から光電流を入力可能に構成されている。第１開口３ａａおよび第２開口３ａｂの内部において二次元材料層１は受光素子４と接触していてもよい。
【０１２７】
この場合、二次元材料層１と受光素子４との接触領域を増加させることで、受光素子４から二次元材料層１に流れる電流を分散させることができる。そのため、二次元材料層１が絶縁膜３を介して受光素子４からの電界変化の影響を受ける領域を広げることができる。この結果、電磁波検出器を高感度化することができる。
【０１２８】
上記電磁波検出器において、図２１および図２４に示すように、第１電極部２ａは、第１電極２ａａと第２電極２ａｂとを含む。第１電極２ａａは絶縁膜３上に配置される。第２電極２ａｂは、第１電極２ａａと異なる位置に配置される。この場合、二次元材料層１と第１電極部２ａとの接続部を複数箇所形成できる。
【０１２９】
上記電磁波検出器において、受光素子４の平面形状は四角形状である。受光素子４の平面視において、開口部３ａおよび第１電極部２ａは受光素子４の平面形状における角部に配置されている。二次元材料層１は、開口部３ａおよび第１電極部２ａと部分的に重なると共に、受光素子４の平面形状とほぼ重なる領域に配置されてもよい。この場合、第１電極部２ａによる電磁波の減衰を最小限に抑えつつ、二次元材料層１において受光素子４からの電界変化の影響を受ける領域を広げることができる。この結果、電磁波検出器を高感度化することが出来る。
【０１３０】
実施の形態８．
＜電磁波検出器の構成＞
図２６は、実施の形態８に係る電磁波検出器の断面模式図である。図２６に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１および絶縁膜３の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２６に示した電磁波検出器では、絶縁膜３において第１電極部２ａから開口部３ａに向けて絶縁膜３の厚さが徐々に薄くなるテーパ部３ｂが形成されている点が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
【０１３１】
図２６に示すように、第１電極部２ａと絶縁膜３の開口部３ａとの間において、絶縁膜３の表面が第１半導体部分４ａの表面４ａｂに対して傾斜したテーパ部３ｂが形成されている。テーパ部３ｂの表面と第１半導体部分４ａの表面４ａｂとのなす角度は鋭角であればよく、たとえば４５°以下でもよく、３０°以下でもよい。テーパ部３ｂの表面は平面状であってもよいが、曲面状であってもよい。テーパ部３ｂは、任意の方法により形成してもよい。たとえば、受光素子４が形成された半導体基板を傾けて絶縁膜を成膜することによりテーパ部３ｂを形成してもよい。あるいは、当該半導体基板に予め形成された絶縁膜３に対して、当該半導体基板を傾け他状態でドライエッチングを行うことにより、テーパ部３ｂを形成してもよい。
【０１３２】
テーパ部３ｂにおいて絶縁膜３に勾配が設けられていることで、受光素子４に電磁波が照射された場合に、二次元材料層１中における電界変化の程度に局所的な変化が生じる。つまり、第１半導体部分４ａおよび第２半導体部分４ｂからなる受光素子４においてｐｎ接合に電磁波が照射され、二次元材料層１に電界変化を与える際に、絶縁膜３の厚さの変化に応じて当該電界変化の程度が変わる。これにより、二次元材料層１中のキャリアの移動度が向上し、電磁波検出器の高感度化を図ることが出来る。
【０１３３】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【０１３４】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、絶縁膜３は、テーパ部３ｂを含む。テーパ部３ｂは、開口部３ａから第１電極部２ａに近づくにつれて厚さが変化する部分である。より具体的には、テーパ部３ｂの厚さは、開口部３ａから第１電極部２ａに近づくにつれて厚くなっている。この場合、受光素子４に電磁波が照射されたときに発生する二次元材料層１中の電界変化の程度を、テーパ部３ｂでの絶縁膜３の厚さの変化に応じて局所的に変更できる。その結果、二次元材料層１中のキャリアの移動度が向上し、電磁波検出器の高感度化を図ることが出来る。
【０１３５】
実施の形態９．
＜電磁波検出器の構成＞
図２７は、実施の形態９に係る電磁波検出器の断面模式図である。図２７に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２７に示した電磁波検出器では、二次元材料層１が乱層構造部分１ｄを含む点が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
【０１３６】
図２７に示した電磁波検出器では、二次元材料層１においてチャネル領域に対応する領域が乱層構造部分１ｄとなっている。ここで、乱層構造部分１ｄとは、グラフェンが複数積層された領域であって、積層されたグラフェン同士の格子が不整合な状態で積層された構造を意味する。なお、二次元材料層１の全体が乱層構造であってもよいし、乱層構造部分１ｄのみが乱層構造となっていてもよい。
【０１３７】
乱層構造部分１ｄの作製方法としては任意の方法を用いることができる。たとえば、ＣＶＤ法で作製した単層のグラフェンを複数回転写し、多層グラフェンを積層することで乱層構造部分１ｄを形成してもよい。また、グラフェン上に、エタノールまたはメタンなどを炭素源としてＣＶＤ法によりグラフェンを成長して乱層構造部分１ｄを形成しても良い。
【０１３８】
図２７に示した電磁波検出器は、二次元材料層１においてチャネル領域に相当する部分が乱層構造部分１ｄとなっているので、二次元材料層１におけるキャリアの移動度が向上する。ここで、通常の積層グラフェンは、Ａ−Ｂ積層と呼ばれ、積層したグラフェン同士の格子が整合した状態で積層される。しかし、ＣＶＤ法により作製したグラフェンは多結晶であり、グラフェン上に更にグラフェンを複数回転写した場合、またはＣＶＤ法を用いて下地のグラフェン上にグラフェンを積層した場合は、積層されたグラフェン同士の格子が不整合な状態である乱層構造となる。
【０１３９】
乱層構造部分１ｄを構成する乱層構造のグラフェンは、層間の相互作用の影響が少なく、単層グラフェンと同等の性質を持つ。さらに、二次元材料層１は下地となる絶縁膜３でのキャリア散乱の影響を受けて移動度が低下する。しかし、乱層構造部分１ｄにおいて、絶縁膜３と接触するグラフェンはキャリア散乱の影響を受けるが、当該グラフェン上に乱層構造で積層された上層のグラフェンは、下地の絶縁膜３のキャリア散乱の影響を受けにくくなる。また、乱層構造のグラフェンでは、層間の相互作用の影響が少ないため、導電率も向上する。以上より、乱層構造のグラフェンではキャリアの移動度を向上させることができる。この結果、電磁波検出器の感度を向上させることができる。
【０１４０】
また、乱層構造のグラフェンは絶縁膜３上に存在する二次元材料層１の部分のみに適用しても良い。たとえば、二次元材料層１において領域１ａについては乱層構造ではないグラフェン、たとえば単層のグラフェンを用いてもよい。この場合、第１電極部２ａおよび第１半導体部分４ａと二次元材料層１とのコンタクト抵抗を増大させることなく、二次元材料層１に対する絶縁膜３のキャリア散乱の影響を抑制することが出来る。
【０１４１】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【０１４２】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、二次元材料層１は、乱層構造部分１ｄを含む。この場合、二次元材料層１におけるキャリアの移動度を向上させることができる。この結果、電磁波検出器の感度を向上させることができる。
【０１４３】
実施の形態１０．
＜電磁波検出器の構成＞
図２８は、実施の形態１０に係る電磁波検出器の断面模式図である。図２９は、実施の形態１０に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。
【０１４４】
図２８に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１上の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２８に示した電磁波検出器では、二次元材料層１の上部表面上に少なくとも１つ以上の導電体７が形成されている点が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。二次元材料層１の上部表面上には、複数の導電体７が配置されている。複数の導電体７は互いに間隔を隔てて配置されている。導電体７はフローティング電極である。以下、具体的に説明する。
【０１４５】
図２８に示すように、本実施の形態に係る電磁波検出器は、二次元材料層１上にフローティング電極としての導電体７を設けている。導電体７を構成する材料は導電体であれば任意の材料を用いることができる。たとえば、導電体７の材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、又は、パラジウム（Ｐｄ）等の金属材料を用いることができる。ここで、導電体７は、電源回路等に接続されておらず、フローティングとなっている。
【０１４６】
導電体７は、第１電極部２ａと第１半導体部分４ａとの間に位置する二次元材料層１上に設けられている。複数の導電体７は、一次元、又は、二次元の周期構造を有する。たとえば、一次元の周期構造の例として、図２８の紙面上の水平方向又は紙面の奥行き方向に複数の導電体７が互いに間隔を隔てて（周期的に）配列された構造を採用し得る。また、二次元の周期構造の例として、電磁波検出器の平面視において、正方格子又は三角格子等の格子点に対応する位置に導電体７が配列された構造を採用し得る。また、電磁波検出器の平面視において、各導電体７の平面形状は、円形状、三角形状、四角形状、多角形状、又は、楕円形状等の任意の形状であってもよい。また、導電体７の平面視における配置は、上述した周期的な対称性を有する配列だけに限られず、平面視において非対称性を有する配列であってもよい。ここで、導電体７を形成する具体的な方法は、任意の方法を採用し得るが、例えば、実施の形態１で説明した第１電極部２ａの製造方法と同様の方法を用いてもよい。
【０１４７】
本実施の形態に係る電磁波検出器では、チャネル領域に対応する二次元材料層１の上にフローティング電極である導電体７を設けている。そのため、受光素子４において電磁波の照射により発生した光キャリアが、複数の導電体７の間を行き来できるようになり、その結果光キャリアの寿命が長くなる。これにより、電磁波検出器の感度を高めることができる。
【０１４８】
また、複数の導電体７を一次元の周期的な構造を構成する配置し、導電体７の材料を表面プラズモン共鳴が生じる材料とすることにより、照射される電磁波によって導電体７に偏光依存性が生じる。この結果、特定の偏光の電磁波だけを電磁波検出器の受光素子４に照射させることができる。この場合、本実施の形態に係る電磁波検出器は、特定の偏光のみを検出することができる。
【０１４９】
また、複数の導電体７を二次元の周期的な構造を構成するように配置し、導電体７の材料を表面プラズモン共鳴が生じる材料とすることにより、複数の導電体７によって特定の波長の電磁波を共鳴させることができる。この場合、特定の波長を有する電磁波だけを電磁波検出器で検出することができる。この場合、本実施の形態に係る電磁波検出器は、特定の波長の電磁波のみを高感度に検出することができる。
【０１５０】
また、複数の導電体７を平面視において非対称な配置となるように形成した場合、複数の導電体７を一次元の周期的な構造する場合と同様、照射される電磁波に対して導電体７に偏光依存性が生じる。この結果、特定の偏光の電磁波だけを受光素子４に照射させることができる。この場合、本実施の形態に係る電磁波検出器は、特定の偏光のみを検出することができる。
【０１５１】
図２９に示した電磁波検出器は、基本的には図２８に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１の下に導電体７が配置されている点が図２８に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２９に示した電磁波検出器では、二次元材料層１の下面と絶縁膜３の上部表面との間に複数の導電体７が配置されている。二次元材料層１は、複数の導電体７の表面に沿って複数の屈曲部（凹凸部）を有する。このような構成によっても、図２８に示した電磁波検出器と同様にの効果を得ることができる。さらに、この場合、導電体７の形成時に二次元材料層１にダメージを与えないため、二次元材料層１でのキャリアの移動度の低下を抑制できる。
【０１５２】
また、チャネル領域に対応する二次元材料層１の領域に凹凸部を形成してもよい。この場合、二次元材料層１の凹凸部は、上述した複数の導電体７と同様、周期的な構造又は非対称な構造としてもよい。この場合、複数の導電体７を形成した場合と同様の効果を得ることができる。
【０１５３】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【０１５４】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器は、１つ以上の導電体７をさらに備える。１つ以上の導電体７は、二次元材料層１に接触するように配置される。１つ以上の導電体７は、二次元材料層１において絶縁膜３上に位置する部分に接触する。この場合、二次元材料層１における光キャリアの寿命が長くなる。この結果、電磁波検出器の感度を高めることができる。
【０１５５】
実施の形態１１．
＜電磁波検出器の構成＞
図３０は、実施の形態１１に係る電磁波検出器の断面模式図である。図３１は、実施の形態１１に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。
【０１５６】
図３０に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１上の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３０に示した電磁波検出器では、二次元材料層１の上部表面上に少なくとも１つ以上の接触層８が形成されている点が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。以下、具体的に説明する。
【０１５７】
図３０に示す電磁波検出器では、二次元材料層１上に接触層８が設けられている。接触層８は、二次元材料層１と接触することで、二次元材料層１に正孔又は電子を供給することが可能な材料により構成されている。接触層８により二次元材料層１に任意に正孔又は電子をドーピングすることができる。
【０１５８】
接触層８としては、例えば、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とを含有する組成物を用いることができる。また、接触層８を構成する材料としては、例えば、極性基を有する材料を用いることができる。例えば、当該材料の一例である電子求引基を有する材料は、二次元材料層１の電子密度を減少させる効果を持つ。また、当該材料の一例である電子供与基を有する材料は、二次元材料層１の電子密度を増加させる効果を持つ。電子求引基を有する材料としては、例えば、ハロゲン、ニトリル、カルボキシル基、又は、カルボニル基等を有する材料が挙げられる。また、電子供与基を有する材料としては、例えば、アルキル基、アルコール、アミノ基、又は、ヒドロキシル基等を有する材料が挙げられる。また、上記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８の材料として用いることができる。
【０１５９】
また、有機物、金属、半導体、絶縁体、２次元材料、又は、これら材料のいずれかの混合物においても、分子内で電荷の偏りが生じて極性を生じる材料であれば、接触層８の材料として用いることができる。ここで、無機物からなる接触層８と二次元材料層１とを接触させた場合、二次元材料層１がドーピングされる導電型は、二次元材料層１の仕事関数よりも接触層８の仕事関数が大きい場合はｐ型、小さい場合はｎ型である。それに対して、接触層８が有機物の場合、当該接触層８を構成する材料である有機物が明確な仕事関数を有していない。そのため、二次元材料層１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８に用いる有機物の分子の極性によって、接触層８の材料の極性基を判断することが好ましい。
【０１６０】
例えば、接触層８として、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とを含有する組成物を用いる場合、二次元材料層１においてフォトリソグラフィ工程によりレジストを形成した領域がｐ型二次元材料層領域となる。これにより、二次元材料層１の表面上に接触するマスク形成処理が不要となる。この結果、二次元材料層１に対する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。
【０１６１】
本実施の形態に係る電磁波検出器は、二次元材料層１の上に接触層８を形成している。上述した通り、接触層８の材料として、例えば、電子求引基を有する材料、又は、電子供与基を有する材料を用いることで、二次元材料層１の状態（導電型）を意図的にｎ型又はｐ型とすることができる。この場合、第１電極部２ａおよび第１半導体部分４ａからのキャリアドーピングの影響を考慮せず、二次元材料層１のキャリアドーピングを制御することができる。この結果、電磁波検出器の性能を向上させることができる。
【０１６２】
また、接触層８を、二次元材料層１の上部表面における第１電極部２ａ側または第１半導体部分４ａ側のどちらか一方にのみ形成することで、二次元材料層１中に電荷密度の勾配が形成される。この結果、二次元材料層１中のキャリアの移動度が向上し、電磁波検出器を高感度化することが出来る。
【０１６３】
図３１に示した電磁波検出器は、基本的には図３０に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１上に複数の接触層８が形成されている点が図３０に示した電磁波検出器と異なっている。図３１に示した電磁波検出器では、２つの接触層８が二次元材料層１上に形成されている。接触層８の数は３以上であってもよく、任意の数とすることができる。複数の接触層８を第１電極部２ａと第１半導体部分４ａとの間に位置する二次元材料層１上に形成してもよい。その場合、複数の接触層８の材料は、同じ材料でも異なる材料でもよい。
【０１６４】
また、本実施の形態に係る電磁波検出器において、接触層８の膜厚は、電磁波が二次元材料層１に照射された場合に、光電変換を行うことができるよう十分薄い方が好ましい。一方、接触層８から二次元材料層１にキャリアがドーピングされる程度の厚さを有するように接触層８を形成することが好ましい。接触層８は、分子又は電子などのキャリアが二次元材料層１に導入されれば任意の構成としても良い。たとえば、二次元材料層１を溶液に浸漬させて、分子レベルで二次元材料層１にキャリアを供給することで、固体の接触層８を二次元材料層１上に形成しないで、二次元材料層１にキャリアをドーピングしてもよい。
【０１６５】
また、接触層８の材料として、上述した材料以外にも、極性変換を生じる材料を用いてもよい。その場合、接触層８が極性変換すると、変換の際に生じた電子又は正孔が、二次元材料層１に供給される。そのため、接触層８が接触している二次元材料層１の部分に電子又は正孔のドーピングが生じる。そのため、接触層８を取り除いても、接触層８と接触していた二次元材料層１の当該部分は、電子又は正孔がドーピングされたままの状態となる。したがって、接触層８として、極性変換を生じる材料を用いた場合、一定の時間が経過した後に接触層８を二次元材料層１上から取り除いてもよい。この場合、接触層８が存在している場合より二次元材料層１の開口部面積が増加する。このため、電磁波検出器の検出感度を向上させることができる。ここで、極性変換とは、極性基が化学的に変換する現象であり、例えば、電子求引基が電子供与基に変化する、または電子供与基が電子求引基に変化する、または極性基が非極性基に変化する、または非極性基が極性基に変化する、といった現象を意味する。
【０１６６】
また、接触層８が電磁波照射によって極性変換を生じる材料により形成されてもよい。この場合、特定の電磁波の波長において極性変換を生じる材料を接触層８の材料として選択することで、特定の電磁波の波長の電磁波照射時のみ接触層８で極性変換を生じさせ、二次元材料層１へのドーピングを行うことができる。この結果、二次元材料層１に流入する光電流を増大させることができる。
【０１６７】
また、電磁波照射によって酸化還元反応を生じる材料を接触層８の材料として用いてもよい。この場合、酸化還元反応時に生じる電子又は正孔を二次元材料層１にドーピングすることができる。
【０１６８】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【０１６９】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器は、二次元材料層１に接触する接触層８を備える。接触層８は、二次元材料層１に正孔または電子を供給する。この場合、第１電極部２ａおよび第１半導体部分４ａからのキャリアドーピングの影響を考慮せず、二次元材料層１のキャリアドーピングを制御することができる。この結果、電磁波検出器の性能を向上させることができる。
【０１７０】
実施の形態１２．
＜電磁波検出器の構成＞
図３２は、実施の形態１２に係る電磁波検出器の断面模式図である。図３２に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１の構造が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３２に示した電磁波検出器では、絶縁膜３と二次元材料層１との間に空隙９が形成されている。
【０１７１】
図３２に示すように、二次元材料層１と絶縁膜３との間に空隙９が設けられている。つまり、二次元材料層１においてチャネル領域に対応する部分は、実施の形態１に係る電磁波検出器とは異なり、絶縁膜３と接触していない。このとき、開口部３ａにおいて第１半導体部分４ａ上には半導体部分４ｆが形成されていてもよい。半導体部分４ｆを構成する材料は第１半導体部分４ａを構成する材料と同じでもよい。半導体部分４ｆの上部表面は第１電極部２ａの上部表面と同一の高さであることが望ましい。二次元材料層１は、第１電極部２ａ上から半導体部分４ｆ上にまで延在している。二次元材料層１の下に位置する空隙９は、第１電極部２ａと開口部３ａとの間に位置する。なお、絶縁膜３と二次元材料層１との間に空隙９が設けられていれば、他の構成を採用してもよい。
【０１７２】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【０１７３】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、絶縁膜３と二次元材料層１との間に空隙９が形成されている。この場合、絶縁膜３と二次元材料層１との接触に伴うキャリアの散乱の影響を無くすことができる。この結果、二次元材料層１におけるキャリアの移動度の低下を抑制することができる。したがって、磁波検出器の感度を向上させることができる。なお、光ゲート効果は、二次元材料層１の下部に空隙９が生じていても作用することが可能である。
【０１７４】
実施の形態１３．
＜電磁波検出器の構成＞
図３３は、実施の形態１３に係る電磁波検出器の平面模式図である。図３４は、図３３の線分ＸＸＸＩＶ−ＸＸＸＩＶにおける断面模式図である。図３５は、実施の形態１３に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。図３６は、実施の形態１３に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。図３７は、実施の形態１３に係る電磁波検出器の第３変形例を示す平面模式図である。図３８は、図３７の線分ＸＸＸＶＩＩＩ−ＸＸＸＶＩＩＩにおける断面模式図である。図３９は、実施の形態１３に係る電磁波検出器の第４変形例を示す平面模式図である。図４０は、図３９の線分ＸＬ−ＸＬにおける断面模式図である。図４１は、実施の形態１３に係る電磁波検出器の第５変形例を示す平面模式図である。図４２は、図４１の線分ＸＬＩＩ−ＸＬＩＩにおける断面模式図である。
【０１７５】
図３３〜図３４に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３３〜図３４に示した電磁波検出器では、絶縁膜３の開口部３ａの（縁部以外の）内部に、二次元材料層１の少なくとも１つの端部１ｅが配置され、端部１ｅが第１半導体部分４ａと接続される。この点において図３３〜図３４の電磁波検出器は、当該端部１ｅが開口部３ａの縁部に接触する図１および図２の電磁波検出器と異なっている。具体的には、二次元材料層１の端部の領域１ａと反対側の端部１ｅが、開口部３ａの縁部すなわち内壁部よりも内側の領域に配置されている。このため端部１ｅは開口部３ａ内にてその内壁部に接触しないように配置されている。
【０１７６】
図３５に示した電磁波検出器は、基本的には図３３〜図３４に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１の構成が図３３〜図３４に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３５に示した電磁波検出器では、二次元材料層１の端部の領域１ａと反対側の少なくとも１つの端部１ｅが三角形状を有している。二次元材料層１は、開口部３ａ内において三角形状を有している。
【０１７７】
図３６に示した電磁波検出器は、基本的には図３３〜図３４に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１の構成が図３３〜図３４に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３６に示した電磁波検出器では、二次元材料層１の端部の領域１ａと反対側の少なくとも１つの端部１ｅが櫛形形状を有している。二次元材料層１は、開口部３ａ内において、図の上下方向について端部１ｅが右方に延びる領域と延びない領域とが交互に複数ずつ現れる。この結果、二次元材料層１は、開口部３ａ内において、図の上下方向について互いに間隔をあけて枝分かれした細い櫛形形状部を有している。二次元材料層１はこのような形状であってもよい。また、櫛の長さおよび本数については特に限定されないが、端部１ｅの長さはより長いほうが好ましい。
【０１７８】
図３７および図３８に示した電磁波検出器は、基本的に図３３〜図３４に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１、第１電極部２ａ、絶縁膜３および受光素子４の構成が図３３〜図３４に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、第１電極部２ａ、絶縁膜３および受光素子４の構成については図１２と同様である。二次元材料層１は第３半導体部分４ｃ上および第４半導体部分４ｄ上において分断され、２つに分割されている。２つに分割された二次元材料層１のうち一方と他方の間には二次元材料層１が配置されず第３半導体部分４ｃおよび第４半導体部分４ｄが露出している。２つに分割された二次元材料層１のうち一方の少なくとも１つの端部１ｅは、開口部３ａ内の第３半導体部分４ｃ上に配置されている。２つに分割された二次元材料層１のうち他方の少なくとも１つの端部１ｅは、開口部３ａ内の第４半導体部分４ｄ上に配置されている。これら２つの端部１ｅは互いに対向している。
【０１７９】
図３９および図４０に示した電磁波検出器は、基本的に図３３〜図３４に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１、第１電極部２ａおよび絶縁膜３の構成が図３３〜図３４に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、第１電極部２ａ、絶縁膜３および受光素子４の構成は図２２〜図２３と同様である。二次元材料層１は開口部３ａの内部において矩形状に開口を有している。この開口は開口部３ａ内の第１半導体部分４ａが二次元材料層１に覆われず露出した領域として形成される。この開口を構成する４つの辺のうち、たとえば開口部３ａの中心から見て図４０の左側および右側にある２つの辺のそれぞれが、二次元材料層１の端部１ｅとして形成されている。
【０１８０】
図４１および図４２に示した電磁波検出器は、基本的に図３３〜図３４に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１、第１電極部２ａおよび絶縁膜３の構成が図３３〜図３４に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、第１電極部２ａ、絶縁膜３および受光素子４の構成は図２４〜図２５と同様である。二次元材料層１は第１半導体部分４ａ上において分断され、２つに分割されている。２つに分割された二次元材料層１のうち一方と他方の間には二次元材料層１が配置されず第１半導体部分４ａが露出している。２つに分割された二次元材料層１のうち一方の少なくとも１つの端部１ｅと、２つに分割された二次元材料層１のうち他方の少なくとも１つの端部１ｅとは互いに対向している。このように図４１および図４２においては、絶縁膜３の開口部３ａの内部に複数の二次元材料層１が配置されている。
【０１８１】
以上の本実施の形態の各例において、二次元材料層１の端部１ｅはグラフェンナノリボンであってもよい。グラフェンナノリボンはバンドギャップを有する。このためグラフェンナノリボンと第１半導体部分４ａとの接合領域においてショットキー接合が形成される。これにより電磁波検出器の暗電流を低減し、電磁波検出器の感度を向上できる。
【０１８２】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【０１８３】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、絶縁膜３の開口部３ａの縁部以外の内部に、二次元材料層１の少なくとも１つの端部１ｅが配置されてもよい。開口部３ａの内部においては受光素子４の半導体部分が露出する。このため端部１ｅに隣接する領域においては、二次元材料層１と受光素子４の半導体部分との接合領域においてショットキー結合が形成される。これにより、接合領域において二次元材料層１と半導体部分とを逆バイアスで動作させることで、電磁波検出器の暗電流を低減し、電磁波検出器の感度を向上できる。また接合領域において二次元材料層１と半導体部分とを順バイアスで動作させることで、取り出す光電流を増幅して、電磁波検出器の感度を向上できる。
【０１８４】
実施の形態１４．
図４３は、実施の形態１４に係る電磁波検出器を示す断面模式図である。図４３に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、絶縁膜３の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図４３に示した電磁波検出器では、絶縁膜３に段差が形成されている。具体的には、絶縁膜３は、開口部３ａと第１電極部２ａとの間の第１領域３Ｅにおける厚さが、上記第１領域３Ｅ以外の第２領域３Ｆにおける厚さよりも薄い点が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
【０１８５】
図４３に示すように、第１領域３Ｅと第２領域３Ｆとの境界は、第１電極部２ａの開口部３ａ側の端部に形成される。当該境界において絶縁膜３には段差が形成され、段差を介して互いに厚さの異なる態様となっている。第１領域３Ｅにおける絶縁膜３は、トンネル電流が生じない程度である限り、薄ければ薄いほど好ましい。絶縁膜３は任意の方法により形成することができる。たとえば絶縁膜３が形成された後、第１領域３Ｅの絶縁膜３のみが一般公知のエッチング工程などにより薄膜化されてもよい。あるいは第１領域３Ｅの絶縁膜３のみがいわゆるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法などにより絶縁膜３とは異なる別の絶縁膜３が形成されてもよい。別の絶縁膜３は、第２領域３Ｆの絶縁膜３と同一の材質であってもよいが、第２領域３Ｆの絶縁膜と異なる材質であってもよい。
【０１８６】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、図４３に示すように、絶縁膜３は、開口部３ａと第１電極部２ａとの間の第１領域３Ｅにおける厚さが、上記第１領域３Ｅ以外の第２領域３Ｆにおける厚さよりも薄くてもよい。第１領域３Ｅの絶縁膜３が第２領域３Ｆの絶縁膜３より薄く形成されることで、二次元材料層１中における電界変化の程度が増加する。つまり第１半導体部分４ａおよび第２半導体部分４ｂからなる受光素子４におけるｐｎ接合に電磁波が照射され、二次元材料層１に電界変化が与えられる。この際に第１領域３Ｅの絶縁膜３が第２領域３Ｆの絶縁膜３より薄ければ当該電界変化の程度が増加する。これにより、二次元材料層１に流れる光電流が増加し、電磁波検出器の高感度化が図れる。
【０１８７】
実施の形態１５．
＜電磁波検出器の構成＞
図４４は、実施の形態１５に係る電磁波検出器の平面模式図である。図４５は、実施の形態１５に係る電磁波検出器の変形例を示す平面模式図である。
【０１８８】
図４４に示した電磁波検出器は、電磁波検出器集合体であって、検出素子として実施の形態１〜実施の形態１４のいずれかに係る電磁波検出器１００を複数有している。たとえば、電磁波検出器１００として実施の形態１に係る電磁波検出器を用いてもよい。図４４では、電磁波検出器１００が二次元方向にアレイ状に配置されている。なお、複数の電磁波検出器１００は、一次元方向に並ぶように配置されていてもよい。以下、具体的に説明する。
【０１８９】
図４４に示すように、本実施の形態に係る電磁波検出器では、電磁波検出器１００が、２×２のアレイ状に配置されている。ただし、配置される電磁波検出器１００の数はこれに限定されない。たとえば、複数の電磁波検出器１００を３以上×３以上のアレイ状に配置してもよい。また、本実施の形態では、二次元に周期的に複数の電磁波検出器１００を配列したが、複数の電磁波検出器１００をある方向に沿って周期的に配列しても構わない。また、複数の電磁波検出器１００の配置は周期的ではなく、異なる間隔で配置してもよい。
【０１９０】
また、複数の電磁波検出器１００をアレイ状に配置する際は、それぞれの電磁波検出器１００が分離出来てさえいれば、第２電極部２ｂは共通電極としてもよい。第２電極部２ｂを共通電極とすることで、各電磁波検出器１００において第２電極部２ｂが独立している構成よりも、画素の配線を少なくすることが出来る。この結果、電磁波検出器集合体を高解像度化することが可能となる。
【０１９１】
また、それぞれの電磁波検出器１００同士を分離する方法としては、例えば実施の形態２で述べたトレンチ構造などの電流遮断機構５を電磁波検出器１００の外周に設ければよい。
【０１９２】
このように複数の電磁波検出器１００を用いた電磁波検出器集合体は、アレイ状に複数の電磁波検出器１００を配列することで画像センサとしても使用できる。
【０１９３】
ここで、本実施の形態では、実施の形態１に係る電磁波検出器１００を複数有する電磁波検出器集合体を例に説明したが、実施の形態１に係る電磁波検出器の代わりに、他の実施の形態に係る電磁波検出器を用いてもよい。
【０１９４】
図４５に示した電磁波検出器は、電磁波検出器集合体であって、基本的には図４４に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、複数の電磁波検出器として種類の異なる電磁波検出器２００、２０１，２０２，２０３を用いている点が図４４に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図４５に示した電磁波検出器では、互いに異なる種類の電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３がアレイ状（マトリックス状）に配置されている。
【０１９５】
図４５では、電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３が２×２のマトリックス状に配置されているが、配置される電磁波検出器の数はこれに限定されない。また、本実施の形態では、種類の異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３を二次元に周期的に配列したが、一次元に周期的に配列してもよい。また、種類の異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３を周期的ではなく異なる間隔で配置してもよい。
【０１９６】
図４５に示した電磁波検出器集合体では、実施の形態１〜１２のいずれかに係る、種類の異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３を、一次元又は二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。例えば、電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３として、それぞれ検出波長の異なる電磁波検出器を用いてもよい。具体的には、実施の形態１〜１２のいずれかに係る電磁波検出器からそれぞれ異なる検出波長選択性を有する電磁波検出器を準備し、アレイ状に並べてもよい。この場合、電磁波検出器集合体は、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。
【０１９７】
このように異なる検出波長を有する電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３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、たとえば紫外光、赤外光、テラヘルツ波、電波の波長域などの任意の波長域において、電磁波の波長を識別できる。この結果、たとえば波長の相違を色の相違として示した、カラー化した画像を得ることができる。
【０１９８】
また、電磁波検出器を構成する受光素子４の構成材料として、検出波長の異なる半導体材料を用いてもよい。たとえば、検出波長が可視光の波長である半導体材料と、検出波長が赤外線の波長である半導体材料とを上記構成材料として用いてもよい。この場合、例えば、当該電磁波検出器を車載センサに適用した時に、昼間は可視光画像用カメラとして電磁波検出器を使用できる。さらに、夜間は赤外線カメラとしても電磁波検出器を使用できる。このようにすれば、電磁波の検出波長によって、画像センサを有するカメラを使い分ける必要が無い。
【０１９９】
また、イメージセンサ以外の電磁波検出器の用途としては、たとえば少ない画素数でも、物体の位置検出を行うことが可能な位置検出用センサとして当該電磁波検出器を用いることができる。たとえば、電磁波検出器集合体の構造により、上記のように検出波長の異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３を用いれば、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イメージ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。
【０２００】
さらに、検出する偏光が異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３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、検知する偏光角度が０°、９０°、４５°、１３５°である４つの画素を一単位として、当該一単位の電磁波検出器を複数配置することで偏光イメージングが可能になる。偏光識別イメージセンサによって、例えば、人工物と自然物の識別、材料識別、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、又は、等価的な分解能の向上などが可能になる。
【０２０１】
以上より、上述のように構成された本実施の形態に係る電磁波検出器集合体は、広い波長域の電磁波を検出することができる。また、本実施の形態に係る電磁波検出器集合体は、異なる波長の電磁波を検出することができる。
【０２０２】
＜作用効果＞
上述した電磁検出器集合体は、複数の電磁波検出器を備える。複数の電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３は種類の異なる電磁波検出器であってもよい。たとえば、複数の電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３はそれぞれ検出波長が異なっていてもよい。この場合、異なる波長の電磁波を１つの電磁波検出器集合体により検出することができる。
【０２０３】
なお、上述した各実施の形態において、絶縁膜３、または図３０および図３１に示した接触層８、または第１〜第５半導体部分４ａ〜４ｅおよび半導体部分４ｆの材料として、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料を用いることが好ましい。
【０２０４】
ここで、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料としては、例えば、量子ドット、強誘電体材料、液晶材料、フラーレン、希土類酸化物、半導体材料、ｐｎ接合材料、金属−半導体接合材料、又は、金属−絶縁物−半導体接合材料等を用いることができる。例えば、強誘電体材料として、電磁波による分極効果（焦電効果）を有する強誘電体材料を用いる場合、電磁波の照射により、強誘電体材料に分極の変化が生じる。この結果、二次元材料層１に電位の変化を与えることができる。
【０２０５】
上述のように絶縁膜３などの材料として上記のような材料を用いる場合、絶縁膜３または接触層８または第１〜第５半導体部分４ａ〜４ｅおよび半導体部分４ｆでは、電磁波の照射により特性が変化する。その結果、二次元材料層１に電位の変化を与えることができる。
【０２０６】
なお、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料を絶縁膜３または接触層８または第１〜第５半導体部分４ａ〜４ｅおよび半導体部分４ｆに適用する例を説明したが、上述した各部材のうちの少なくとも一つ以上に、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料を適用すればよい。例えば、接触層８に電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料を適用する場合、接触層８は、必ずしも二次元材料層１に直接接触している必要はない。たとえば、電位の変化を二次元材料層１に与えることができれば、絶縁膜等を介して、二次元材料層１の上面又は下面上に接触層８を設けてもよい。
【０２０７】
上述した各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。さらに、上記実施の形態は実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施の形態には種々の段階の開示が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の開示が抽出されうる。
【０２０８】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本開示の範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
【符号の説明】
【０２０９】
１  二次元材料層、１ａ，１ｂ，１ｃ  領域、１ｄ  乱層構造部分、２ａ  第１電極部、２ａａ  第１電極、２ａｂ  第２電極、２ｂ  第２電極部、２ｃ  電極部、２ｄ  接続導電体、３  絶縁膜、３ａ，３ｃ  開口部、３ａａ  第１開口、３ａｂ  第２開口、３ｂ  テーパ部、３Ｅ  第１領域、３Ｆ  第２領域、４  受光素子、４ａ  第１半導体部分、４ａａ，４ｃａ  接合部、４ａｂ  表面、４ｂ  第２半導体部分、４ｃ  第３半導体部分、４ｄ  第４半導体部分、４ｅ  第５半導体部分、４ｆ  半導体部分、５  電流遮断機構、６  バッファ層、７  導電体、８  接触層、９  空隙、１００，２００，２０１，２０２，２０３  電磁波検出器。
【要約】
検出感度が高く、かつＯＦＦ動作が可能な、二次元材料層を用いた電磁波検出器は、受光素子（４）と、絶縁膜（３）と、二次元材料層（１）と、第１電極部（２ａ）と、第２電極部（２ｂ）とを備える。受光素子（４）は、第１導電型の第１半導体部分（４ａ）と、第２半導体部分（４ｂ）とを含む。第２半導体部分（４ｂ）は第１半導体部分（４ａ）に接合される。第２半導体部分（４ｂ）は第２導電型である。絶縁膜（３）は、受光素子（４）上に配置される。絶縁膜（３）には開口部（３ａ）が形成されている。二次元材料層（１）は、開口部（３ａ）において第１半導体部分（４ａ）と電気的に接続される。二次元材料層（１）は、開口部（３ａ）上から絶縁膜（３）上にまで延在する。第１電極部（２ａ）は、絶縁膜（３）上に配置される。第１電極部（２ａ）は二次元材料層（１）と電気的に接続される。第２電極部（２ｂ）は、第２半導体部分（４ｂ）と電気的に接続される。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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