(57)【要約】  電磁波検出器１００は、表面と裏面とを有する基板５と、基板５の表面上に設けられた、希土類酸化物で構成された絶縁層４と、絶縁層４の上に設けられ、間隔を空けて対向配置された一対の電極２と、絶縁層４の上に、一対の電極２と電気的に接続するように設けられた二次元材料層１と、を含む。希土類酸化物は、第１希土類元素の酸化物からなる母材と、母材に賦活された、第１希土類元素と異なる第２希土類元素と、を含む。
2020003613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面と裏面とを有する基板と、
前記基板の表面上に設けられた、希土類酸化物で構成された絶縁層と、
前記絶縁層の上に設けられ、間隔を空けて対向配置された一対の電極と、
前記絶縁層の上に、前記一対の電極と電気的に接続するように設けられた二次元材料層と、を含み、
前記希土類酸化物は、第１希土類元素の酸化物からなる母材と、前記母材に賦活された、前記第１希土類元素と異なる第２希土類元素と、を含むことを特徴とする電磁波検出器。
【請求項２】
前記絶縁層は、前記基板の表面を露出するように形成された貫通孔を有し、
前記二次元材料層は、前記貫通孔の中で前記基板に接して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３】
前記絶縁層は、電磁波の入射によって、前記母材に賦活された前記第２希土類元素のイオン内殻電子遷移により電界を生じ、前記二次元材料層は、前記電界により電気量の変化を発生することを特徴とする請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項４】
前記希土類酸化物は、前記母材に賦活された、発光中心として機能する第３希土類元素を更に含み、
前記第２希土類元素は、光増感原子として機能することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項５】
前記第３希土類元素は、
前記第２希土類元素から電子のエネルギーを受け取ることによって生じる、基底準位から前記基底準位より高い第１エネルギー準位へのイオン内殻電子遷移と、
エネルギーを放出することによって生じる、前記第１エネルギー準位から前記第１エネルギー準位より低い第２エネルギー準位へのイオン内殻電子遷移と、
を経ることによって発光することを特徴とする請求項４に記載の電磁波検出器。
【請求項６】
前記第１エネルギー準位と前記基底準位との差は、前記第１エネルギー準位と第２エネルギー準位との差より小さいことを特徴とする請求項５に記載の電磁波検出器。
【請求項７】
前記希土類酸化物は、前記母材に賦活された、蓄光作用を有する第４希土類元素を更に含み、
前記第２希土類元素は、発光中心として機能することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項８】
前記第１希土類元素は、イットリウム、ランタン、セリウム、ガドリニウム、およびルテチウムからなるグループから選択された１つ以上の元素からなり、
前記第２希土類元素は、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、およびイッテルビウムからなるグループから選択された１つ以上の元素からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項９】
前記第１希土類元素は、イットリウム、ランタン、ガドリニウム、およびルテチウムからなるグループから選択された１つ以上の元素からなり、
前記第２希土類元素は、セリウム、ネオジム、およびイッテルビウムからなるグループから選択された１つ以上の元素からなり、
前記第３希土類元素は、プラセオジム、サマリウム、ユウロピウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、およびツリウム、からなるグループから選択された１つ以上の元素からなることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１０】
前記第１希土類元素は、イットリウム、ランタン、ガドリニウム、およびルテチウムからなるグループから選択された１つ以上の元素からなり、
前記第２希土類元素は、ユウロピウム、ツリウム、およびイッテルビウムからなるグループから選択された１つ以上の元素からなり、
前記第４希土類元素は、セリウム、ジスプロシウム、およびテルビウムからなるグループから選択された１つ以上の元素からな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１１】
前記二次元材料層の上に設けられた、絶縁体からなる保護膜を更に含む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】
前記電極のそれぞれは、互いに異なる金属からなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１３】
前記二次元材料層は、グラフェン、遷移金属ダイカルコゲナイド、グラフェン、黒リン、シリセン、およびゲルマネンからなるグループから選択された二次元材料からなり、単層または多層構造であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１４】
前記二次元材料層は、乱層構造を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の複数の電磁波検出器が、１次元方向または２次元方向にアレイ状に配置されたことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波検出器および電磁波検出器アレイに関し、特に、二次元材料を光検出層に使用し、希土類を絶縁層に使用した電磁波検出器および電磁波検出器アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代の電磁波検出器に用いる電磁波検出層の材料として、二次元材料が注目されている。例えば、グラフェンは、バンドギャップがゼロでありまたは極めて小さいことから、従来の電磁波検出器に比べて検出できる電磁波の波長域を広げることができる。例えば、基板上にゲート酸化膜を設け、その上にグラフェンのチャネル層を堆積し、チャネル層の両端にソースおよびドレインを形成した電磁波検出器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１３−５０２７３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、電磁波検出器の電磁波検出層をグラフェン単体から形成した場合、グラフェンでは電磁波の吸収率が数％と非常に低いため、検出できる電磁波の波長域は広がっても、検出感度が低くなるという問題があった。【０００５】
そこで、本発明は、電磁波を高感度で検出できる電磁波検出器を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、表面と裏面とを有する基板と、基板の表面上に設けられた、希土類酸化物で構成された絶縁層と、絶縁層の上に設けられ、間隔を空けて対向配置された一対の電極と、絶縁層の上に、一対の電極と電気的に接続するように設けられた二次元材料層と、を含み、希土類酸化物は、第１希土類元素の酸化物からなる母材と、母材に賦活された、第１希土類元素と異なる第２希土類元素と、を含むことを特徴とする電磁波検出器を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明では、絶縁層の希土類酸化物に希土類元素を賦活することで、電磁波の入射によって絶縁層内に内部電界が生じ、二次元材料層に電圧が印加される。二次元材料層内では、電子の移動度が大きく、僅かな電圧変化に対しても大きな電流変化を生じるため、電磁波を感度良く検出できる。【０００８】
また、本発明により、絶縁層の希土類酸化物に賦活される希土類元素を変更することによって、選択波長および感度を調整することができ、電磁波を高感度で検出できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の上面図である。
【図２】図１の電磁波検出器をＩＩ−ＩＩ方向に見た断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の絶縁層を構成する希土類酸化物の結晶構造を示す模式図である。
【図４】プラセオジム賦活酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３：Ｐｒ）の電子についてのエネルギー準位を示す模式図である。
【図５】光ゲート効果を具体的に説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の変形例を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の他の変形例を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態２にかかる電磁波検出器の断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器の断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器の絶縁層を構成する希土類酸化物の結晶構造を示す模式図である。
【図１１】イッテルビウム、ツリウム賦活酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３：Ｔｍ、Ｙｂ）の電子についてのエネルギー準位を示す模式図である。
【図１２】本発明の実施の形態４にかかる電磁波検出器の断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態４にかかる電磁波検出器の絶縁層を構成する希土類酸化物の結晶構造を示す模式図である。
【図１４】ユウロピウム、ジスプロシウム賦活酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３：Ｄｙ、Ｅｕ）に関して、電磁波を入射した場合の発光原理について説明する模式図である。
【図１５】本発明の実施の形態５にかかる電磁波検出器の断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態６にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。
【図１７】電磁波検出器から得られた電気信号を読み出す読出回路の一例を示す模式図である。
【図１８】本発明の実施の形態７にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態では、可視光または赤外光を検出する電磁波検出器について説明する。しかしながら、本発明の実施の形態は、Ｘ線、紫外光、近赤外光、いわゆる電波領域のテラヘルツ（ＴＨｚ）波およびマイクロ波などの電磁波の検出にも適用することができる。
【００１１】
また、電磁波検出器として、ソース電極とドレイン電極の２つの電極を有する構造、バックゲートとなる裏面電極を更に有する構造を用いて説明するが、本発明は、４端子電極構造や、トップゲート構造などの他の電極構造を備えた電磁波検出器にも適用できる。
【００１２】
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、プラズモン共鳴現象、可視光域もしくは近赤外光域以外での金属表面における共鳴という意味での擬似表面プラズモン共鳴と呼ばれる現象、または、波長以下の寸法の構造で、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、または単に共鳴と呼ぶ。
【００１３】
以下、本発明の実施の形態による電磁波検出器について、図面を参照して説明する。各実施の形態において、同一の構成には同一の符号を付して、説明を省略する。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の上面図である。図２は、図１の電磁波検出器１００をＩＩ−ＩＩ方向に見た場合の断面図である。図２には、電磁波検出器１００の典型的な電気的接続も示されている。
【００１５】
電磁波検出器１００は、表面と裏面とを有する基板５を含む。基板５は、例えば、基板５は、後述するようにバックゲートを形成するために不純物がドープされたシリコン基板である。
【００１６】
ここで、基板５は、シリコン基板を例に説明したが、ゲルマニウム、ＩＩＩ−Ｖ族もしくは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、インジウムアンチモン、鉛セレン、鉛硫黄、カドミウム硫黄、ガリウム窒素、シリコンカーバイド、量子井戸もしくは量子ドットを含む材料、またはＴｙｐｅＩＩ超格子などの材料の単体またはそれらを組み合わせた材料を含む基板であってもよい。
【００１７】
基板５の上には、絶縁層４が設けられている。絶縁層４は、希土類酸化物の母材の中に、光感度を有する希土類元素を添加またはドープ（以下、「賦活」という。）した、希土類酸化物からなる。希土類酸化物の母材の中に光感度を有する希土類元素を賦活した希土類酸化物の詳細については、後述する。
【００１８】
母材は、例えば、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化セリウム（Ｃｅ２Ｏ３）、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）、または酸化ルテチウム（Ｌｕ２Ｏ３）である。母材に賦活される希土類元素は、例えば、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウムおよびイッテルビウムのうちの１つ以上の元素である。絶縁層４は、熱酸化または自然酸化により基板５の上に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ２）（図示せず）の上に重ねて形成される。あるいは、絶縁層４は、例えばＣＶＤ法もしくはスパッタ法を用いて形成された他の絶縁層の上に、重ねて形成される。ここで、絶縁層４は、希土類酸化物の母材の中に光感度を有する希土類元素を賦活した希土類酸化物からなる絶縁層を単層で形成したものであっても構わない。
【００１９】
絶縁層４の上には、間隔を空けて対向配置された一対の電極２が設けられている。電極２は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｐｄなどの金属から形成される。電極２とその下の絶縁層４との密着性を上げるために、電極２と絶縁層４との間に、ＣｒやＴｉからなる密着膜（図示せず）を形成してもよい。密着膜は、電極２と同一の平面形状を有する。電極２は、電気信号を出力できる大きさ、厚さであれば、特に形状に制限はない。
【００２０】
絶縁層４および電極２の上には、電極２の両方に接続されるようにグラフェン層１が設けられる。グラフェン層１は、単層または２層以上のグラフェンからなる。グラフェン層１のグラフェンの積層数を増やすと光吸収率が増加し、電磁波検出器１００の感度が高くなる。グラフェンは２次元炭素結晶の単原子層であり、単層グラフェンの厚さは、炭素原子１個分に相当する０．３４ｎｍと非常に薄い。グラフェンは六角形状に配置された各連鎖に炭素原子を有する。
【００２１】
グラフェン層１が２層以上のグラフェンの積層構造からなる場合、積層構造に含まれる各々の層のグラフェンは、六方格子の格子ベクトルの向きが一致しなくてもよく、つまり、向きにずれがあってもよい。また、完全に格子ベクトルが一致した積層構造でもよい。特に、２層以上のグラフェンを積層する場合は、バンドギャップの大きさを調整することが可能となり、吸収される電磁波の波長を選択する作用を持たせることができる。従来の半導体検出器のように、半導体材料の組成によってバンドギャップを調整する必要がなく、グラフェン層１の層数を調整することで足りるため、電磁波検出器１００は、製造工程が容易である。
【００２２】
また、グラフェン層１の層数を調整することによりバンドギャップの大きさを調整することができるため、典型的な波長選択法である光学フィルタを用いる必要がなく、光学部品の点数を低減することができる。これにより、光学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。
【００２３】
さらに、グラフェンは、従来の半導体材料と比較して高いキャリア移動度を有することから、電磁波検出器１００により、高速動作を実現することができる。
【００２４】
ナノリボン状のグラフェンを用いる場合、グラフェン層１は、グラフェンナノリボン単体、もしくは複数のグラフェンナノリボンを積層した構造または、周期的にグラフェンナノリボンが平面上に並んだ構造としてもよい。グラフェンナノリボンを周期的に配置した場合、グラフェンにおいてプラズモン共鳴が発生し、電磁波検出感度を向上させる効果がある。また、グラフェンナノリボンを周期的に配列した構造は、グラフェンメタマテリアルと呼ばれることもあるが、現象としては同じである。グラフェン層１はノンドープでもよいが、Ｐ型またはＮ型にドープされてもよい。
【００２５】
図２では、基板５の裏面には、バックゲート電圧を印加しやすくするために、例えば金属で形成される裏面電極３が設けられている。もっとも、裏面電極３が無くても電磁波検出器１００は動作する。
【００２６】
なお、電磁波検出器１００とともに、グラフェンを用いた出力増幅回路（図示せず）を電磁波検出器１００と同一基板上に設けてもよい。グラフェンを用いた出力増幅回路では、シリコン系の半導体材料を用いた出力増幅回路に比較して動作が速くなり、高性能な電磁波検出器が実現できる。また、読み出し回路などの周辺回路にグラフェンを用いることにより、高速読み出しや、製造プロセスの簡素化が可能となる。
【００２７】
次に、電磁波検出器１００の電気的な接続の具体例について説明する。グラフェン層１には、電極２を介して外部バイアスなどの光電流の変化を取り出すための電気回路（図示せず）が接続されている。一方の電極２は電源および電流検出器に接続され、他方の電極２は接地されている。
【００２８】
電源および電流検出器に接続された電極２に電圧Ｖｄを印加すると、グラフェン層１に電磁波が入射することにより生じるグラフェン層１の抵抗値の変化により、電極２の間を流れる電流量Ｉｄが変化する。この電流量Ｉｄの変化を検出することで、グラフェン層１に入射する電磁波の大きさを検出できる。また、電流量の変化に限らず、電気量の変化を検出すればよく、例えば、２つの電極２の間に、一定電流を流す回路を接続し、電圧値の変化量を検出してもよい。この際、電磁波検出器１００と同様の構造を有し検出対象となる電磁波から遮蔽された電磁波検出器（図示せず）を用い、電磁波検出器１００との電流または電圧変化の差分を検出してもよい。このように差分を検出することにより、環境温度に依存した特性の変化などの影響を抑制できるため、高精度な検出が可能となる。
【００２９】
図３は、絶縁層４を構成する希土類酸化物の結晶構造を示す模式図である。絶縁層４を構成する希土類酸化物は、母材である希土類酸化物中に、光の入射によって後述のイオン内殻電子遷移を生じる希土類元素を賦活したものである。賦活により、母材である酸化物中の希土類原子（母材原子）の一部は、賦活原子で置換される。母材原子は、イットリウム、ランタン、セリウム、ガドリニウム、またはルテチウムである。賦活原子は、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウムおよびイッテルビウムのうちの１つ以上の原子である。
【００３０】
母材原子は、賦活原子によって原子単位で置換される。本実施の形態では、母材原子と賦活原子のイオン半径は同程度であるため、他の光感度を有する物質を絶縁層４中に埋め込む場合に比べて、絶縁層４内に結晶欠陥や格子ひずみが生じにくい。したがって、絶縁層４は、結晶欠陥や格子ひずみが生じにくく、良好な絶縁層として機能する。
【００３１】
次に、電磁波検出器１００の動作原理について説明する。図４は、絶縁層４を構成するプラセオジム賦活酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３：Ｐｒ）の電子についてのエネルギー準位を示す模式図である。プラセオジム賦活酸化イットリウム内のプラセオジムイオン（Ｐｒ３＋）の４ｆ内殻の電子配置は、プラセオジム賦活酸化イットリウムに波長３．６μｍの赤外線を入射した場合、３Ｆ４→１Ｇ４に変化し、波長５．２μｍの赤外線を入射した場合、３Ｈ６→３Ｆ３に変化する。本明細書において、上記のような賦活元素イオンの４ｆ電子殻における電子配置の変化を、「イオン内殻電子遷移」と呼ぶ。このように、プラセオジムは、波長３．６μｍの赤外線および波長５．２μｍの赤外線の入射によって、イオン内殻電子遷移を生じる。
【００３２】
図４に示すように、イオン内殻電子遷移は、母材である酸化イットリウムのバンドギャップ間で生じるため、母材の価電子帯と伝導帯との間、および、母材と賦活元素との間では、電子は遷移しない。したがって、イオン内殻電子遷移の前後で、絶縁層４（図２参照）の絶縁性は保持される。このように、電磁波検出器１００においては、特定の波長の電磁波を入射することにより、絶縁層４の絶縁層を保ちつつ、絶縁層４の内部にイオン内殻電子遷移に起因する電界（以下、「内部電界」という。）が生じる。この内部電界によって、グラフェン層１に電圧が印加される。この電圧は、グラフェン層１に対するゲート電圧として作用する。
【００３３】
以上では、絶縁層４の材質がプラセオジム賦活酸化イットリウムである場合のイオン内殻電子遷移について説明したが、他の希土類酸化物で絶縁層４を構成した場合も、同様に、特定の波長の電磁波を入射することにより、絶縁層４中に賦活された希土類元素イオンのイオン内殻電子遷移が生じて内部電界が発生し、グラフェン層１に電圧が印加される。
【００３４】
上述のように、グラフェン層１は、理想的には厚さが原子層１層という究極的な薄膜であり、かつ電子の移動度が大きい。このため、通常の半導体と比較して、僅かな電圧変化に対しても大きな電流変化を生じる。この結果、電磁波の入射に対して大きな電流変化が生じるため、電磁波を高感度で検出できる。このような効果を光ゲート効果または光スイッチと呼ぶ。
【００３５】
図５は、光ゲート効果を具体的に説明するための図である。図５では、縦軸が電極２間を流れるソース・ドレイン間の電流Ｉｄを表し、横軸が裏面電極３に印加されるバックゲート電圧Ｖｂｇを表す。図５中、破線は光の照射が無い場合（光照射無）の電流Ｉｄを示し、実線は光を照射した場合（光照射有）の電流Ｉｄを示している。
【００３６】
バックゲート電圧Ｖｂｇを変化させた場合、光照射の無い場合は、通常のグラフェンにおける両極性のトランジスタ動作となる。この場合、ドレイン電流Ｉｄが最小となるディラックポイントを与えるバックゲート電圧ＶｂｇをＶＤＰとする。
【００３７】
一方、光を照射した場合は、絶縁層４の内部において、賦活希土類元素のイオン内殻電子遷移によって内部電界が発生する。この場合、グラフェン層１には、裏面電極３から印加されるバックゲート電圧Ｖｂｇに加えて、絶縁層４の内部電界に起因するバックゲート電圧の変化Ｖｐｈが印加される。したがって、光を照射した場合は、図５中の実線で示す電流−電圧特性となり、点線で示すように、ディラックポイント電圧（ＶＤＰ）が実効的にＶＤＰ＋Ｖｐｈにシフトする。このシフトにより、一定のバックゲート電圧Ｖｂｇの値について、光照射の無い場合のドレイン電流Ｉｄと光を照射した場合のドレイン電流Ｉｄとの間には、差（差分電流）ΔＩｐｈが生じる。電磁波検出器１００は、この差分電流ΔＩｐｈを検出することによって、入射電磁波を検出できる。
【００３８】
図５に示す電流−電圧特性において、ドレイン電流Ｉｄの傾きが急峻となるバックゲート電圧を印加することにより、より大きな差分電流ΔＩｐｈの値を得ることができる。このようにして、小さな電圧変化Ｖｐｈで大きな差分電流ΔＩｐｈが得られることから、高感度な検出が可能となる。
【００３９】
次に、図２を参照しながら、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１〜４を含む。
【００４０】
［工程１］
互いに略平行で平坦な表面と裏面とを有する基板５を準備する。基板５は、例えばシリコンからなる。基板５には、予め、検出器の駆動回路、読出し回路などが形成されていてもよい。
【００４１】
［工程２］
基板５の上に絶縁層４を形成する。絶縁層４を構成する希土類酸化物は、賦活元素を母材中に（イオンまたは化合物としてではなく）原子単位で分散させることが可能な作製法によって作製されることが望ましい。賦活元素を母材中に原子単位で分散させる手段は、例えば、以下の分散手段１〜分散手段５のいずれかである。
【００４２】
分散手段１：母材元素と賦活元素の硝酸塩、塩化塩などの塩の水溶液とを混合し、賦活原子を母材原子中にイオンとして分散させた後に酸化させる。
【００４３】
分散手段２：母材元素と賦活元素の塩の混合水溶液とを還元することにより、希土類元素の水酸化塩、炭酸化塩、または水酸化炭酸塩を前駆体として合成し、その後、前駆体を加熱して目標の希土類酸化物を得てもよい。前駆体の粒径や量を調節することによって、望ましい厚さの希土類酸化物を得ることができる。
【００４４】
分散手段３：母材元素と賦活元素の塩の混合水溶液に、グルタミン酸、金属アルコキシド等をゲル化材として加え、その後、加熱して目標の希土類酸化物を得てもよい。加熱の際の母材原子と賦活原子の移動をゲル化材が妨げることで、賦活元素の偏析を防ぎ、母材中に賦活元素が均一に分散した希土類酸化物を得ることができる。
【００４５】
分散手段４：母材元素と賦活元素の塩の混合水溶液に、融点が希土類元素よりも低いナトリウム、カリウムなどの金属を加え、その後、加熱して目標の希土類酸化物を得てもよい。加熱により上記金属元素が融解し、上記金属元素を含む溶液中で母材中に賦活元素が混合するため、母材中に賦活元素が均一に分散した希土類酸化物を得ることができる。
【００４６】
分散手段５：圧力容器内において、母材元素と賦活元素の塩の混合水溶液を、水とエタノールまたはグリコールとともに加熱し、水およびエタノールまたはグリコールの蒸発による圧力容器内の高圧化を利用して希土類酸化物を得てもよい。前述の方法はいずれも、良好な結晶性をもつ希土類酸化物を得るために低くとも５００℃以上の高温が必要となるのに比べて、高圧を利用するこの方法では、より低い１００〜３００℃程度の温度で、より高い結晶性を有する希土類酸化物を得ることができる。
【００４７】
基板５の上に絶縁層４を形成する方法には、例えば、
・基板５上で上記のいずれかの方法の化学反応を起こすことにより、基板５上に希土類酸化物を直接作製して成膜する方法、
・上記のいずれかの方法で作製した希土類酸化物をターゲット材料として、スパッタ法を用いて基板５上に希土類酸化物を形成する方法、
・ＣＶＤ法、
・熱酸化や自然酸化により形成された酸化シリコン（ＳｉＯ２）の上に、上記のいずれかの方法で作製した希土類酸化物を重ねる方法、または、
・ＣＶＤ法またはスパッタ法を用いて形成した他の絶縁層の上に、上記のいずれかの方法で作製した希土類酸化物を重ねる方法、
などがある。
【００４８】
ＣＶＤ法を用いた場合は、原料やガス流量を調整して組成を容易に調整することができることから、賦活元素の調整が容易である。
【００４９】
［工程３］
絶縁層４上に間隔を空けて対向配置されるように、一対の電極２を形成する。電極２は、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｄ等からなる。電極２とその下の絶縁層４との密着性を上げるために、電極２と絶縁層４との間に、Ｃｒおよび／またはＴｉからなる密着膜（図示せず）を形成してもよい。
【００５０】
電極２および密着膜は、均一な膜を形成し、次に写真製版または電子線描画などを用いてレジストマスクによりパターンを形成し、次に不要な部分をエッチングまたはミリングして除去することによって形成される。
【００５１】
あるいは、電極２および密着膜は、所定の部分が開口したレジストマスクを絶縁層４の上に形成し、次にＡｕなどの金属層を蒸着またはスパッタリングなどによって堆積させ、その後にレジストマスクを除去することによって形成されてもよい。
【００５２】
また、電極２の形状は、図１に示すように平面視において長方形でもよいが、これに限定されるものではない。例えば、電極２の形状は、ボウタイアンテナ状であってもよい。また例えば、電極２を互いに近付けることによって、アンテナ効果または電極２間のプラズモン共鳴を生じさせ、特定の波長のみの検出効率を大きくすることも可能である。
【００５３】
［工程４］
電極２および絶縁層４の上にグラフェン層１を形成する。グラフェン層１は、エピタキシャル成長により形成される。あるいは、予めＣＶＤ法を用いて別の基板に形成したグラフェンまたは機械剥離などで剥離したグラフェンを、電極２および絶縁層４の上に転写して貼り付けてもよい。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、例えば酸素プラズマなどの酸化雰囲気でエッチングしてパターニングする。これにより、電極２の上や電極２の間のチャネル部分以外の不用なグラフェンを選択的に除去する。
【００５４】
再び図１および図２を参照して例として説明すると、完成した電磁波検出器１００の２つの電極２の間隔は、５０μｍである。各電極２の図１のＩＩ−ＩＩ線方向の長さは５０μｍである。電極２は、最表面層がＡｕである金属の多層構造からなる。電極２の厚さは、３０ｎｍである。電極２と絶縁層４との間には、密着性を向上させるために、厚さ１０ｎｍのＣｒ膜（図示せず）が形成されてもよい。絶縁層４は、１ｍｏｌ％プラセオジム賦活酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３：Ｐｒ、１ｍｏｌ％）からなり、厚さは数１０ｎｍ〜３００ｎｍ、例えば２９０ｎｍである。基板５は、Ｐ型にドープされたシリコンからなる。
【００５５】
以上の工程１〜４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。
【００５６】
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においては、光の入射によりイオン内殻電子遷移を生じる希土類酸化物を絶縁層４として用いることによって、絶縁層４の上に形成されたグラフェン層１に光ゲートを発生させて、高感度な光検出を可能とする。
【００５７】
なお、グラフェンに光ゲートを発生させる技術として、グラフェン上に量子ドットを散布することが提案されている。しかしながら、量子ドットを用いる従来技術においては、電荷がグラフェンによってトラップされ、感度が悪化する問題があった。これに対し、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００においては、絶縁層４とグラフェン層１との間には直接的な電荷の移動およびトラップが生じない。したがって、量子ドットを光ゲート材料に用いた従来技術と比較して、感度を犠牲にすることなく高速な応答を実現できる。
【００５８】
また、量子ドットをグラフェン上に形成する手法は、量子ドットを含む溶液などを塗布する方式が一般的であるが、この手法では、量子ドットを均一にグラフェン上に配列することは極めて困難であり、検出感度にばらつきが大きくなる。他の方法を使用しても量子ドットを均一にグラフェン上に配列することは極めて困難である。したがって、例えば、量子ドットをイメージセンサに応用する場合、画素間にばらつきが生じるため性能が劣化する。これに対して、本発明のように希土類酸化物層をゲートとして用いる場合、製造工程内で賦活元素を母材中に均一に分散させることが容易であり、一様な感度をもつ膜を容易に形成することができる。
【００５９】
本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００は、絶縁層４に用いる賦活元素を変更することによって選択波長および感度を調整することができる利点を有する。例えば、ユウロピウムは、紫外波長域に対して感度を有し、イッテルビウムは、近赤外波長域に対して感度を有するため、例えば、紫外波長域に対して感度を有する電磁波検出器１００を用いたい場合は、絶縁層４にユウロピウムを賦活する。また、絶縁層４に用いる賦活元素の量を調整することにより、電磁波検出器１００の感度を調整することができる。さらに、電磁波検出器１００は、イオン内殻電子遷移を用いることにより、母材および周囲の結晶場に影響を受けない先鋭かつ不変の吸収波長スペクトルを有する。
【００６０】
また、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器１００では、異なるイオン内殻電子準位を有する希土類元素を絶縁層４に複数種賦活することで、波長感度の組み合わせを自由に選択できる。例えば、ユウロピウムとイッテルビウムの希土類元素を絶縁膜４に賦活することによって、紫外波長域と近赤外波長域の波長の電磁波を検出できる電磁波検出器１００を得ることができ、複数の希土類元素を複数賦活することにより、波長感度の組み合わせを自由に選択できる。したがって、バンドギャップよりも短波長の光に一様に感度を有する半導体基板を光ゲート材料に用いる従来技術に比べて、電磁波検出器１００では、対象波長外の電磁波が入射した際にノイズが発生しない。このように、電磁波検出器１００は、広い波長域の電磁波を、高感度で検出することができる。
【００６１】
ここで、絶縁層４として、単層の絶縁層の例を示したが、これに限定されず、例えば、賦活する希土類元素が異なる絶縁層を、複数積層させても構わないし、平面方向に複数並べて配置しても構わない。
【００６２】
変形例１．
次に、図６を参照して、全体が１５０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変形例１について説明する。変形例１では、電磁波検出器１５０の絶縁層４の上には、間隔を空けて対向配置された一対の電極２と電極２０とが設けられている。電極２と電極２０とは、互いに異なる金属からなる。
【００６３】
例えば、電極２はＴｉであり、電極２０はＰｄであってもよい。グラフェンは、接触する金属の種類によってフェルミレベルおよび接触抵抗が異なる。したがって、一方の電極２と他方の電極２０とが互いに異なる金属からなる場合、ソース電極とドレイン電極との間で、グラフェン層１の有するエネルギーギャップが異なるようになる。この結果、電磁波が照射された場合、発生したキャリアに起因する電極２と電極２０との間の光電流が増大することになる。したがって、電磁波検出器１５０の感度が向上する。
【００６４】
変形例２．
さらに、図７を参照して、全体が１６０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変形例２について説明する。変形例２では、電磁波検出器１６０の絶縁層４の上には、電極２ではなく、グラフェン層１が設けられている。グラフェン層１の上には、絶縁体からなる保護膜９が設けられ、保護膜９の上に間隔を空けて対向配置された一対の電極２が設けられている。保護膜９は、電極２を形成する際にグラフェン層１がプロセスダメージを受けるのを防止するとともに、外部からの不純物およびノイズなどからグラフェン層１を保護することができる。したがって、より性能の高い電磁波検出器が得られる。
【００６５】
変形例３．
次に、本発明の実施の形態１にかかる電磁波検出器の変形例３について説明する。変形例３では、グラフェン層１は、乱層構造を有する。
【００６６】
次に、乱層構造のグラフェン層１を有する電磁波検出器の製造方法について説明する。変形例３では、乱層構造のグラフェン層を形成する工程より前の工程は、実施の形態１の工程１〜４と同様であるため、説明を省略する。
【００６７】
工程４の後、表面に露出しているグラフェン層の上に、ＣＶＤで作製したグラフェン層を複数回転写し、グラフェン層を乱層構造とする。その後、チャネル領域以外のグラフェンを除去する。これにより、乱層構造のグラフェンチャネルを得ることができる。
【００６８】
あるいは、上記のようなグラフェン層の複数回の転写は、工程４の前に行われてもよい。
【００６９】
次に、変形例３の効果について説明する。通常の積層グラフェンにおける積層の態様は、Ａ−Ｂ積層と呼ばれ、グラフェンは、格子が整合した状態で積層される。一方、ＣＶＤ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や、ＣＶＤで下地のグラフェンを核としてグラフェンを積層した場合は、グラフェン層の構造は、格子が不整合な状態である乱層構造となる。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。
【００７０】
さらに、グラフェン層では、通常、下地となる絶縁層４のキャリア散乱の影響を受けてキャリア移動度が低下する。一方、乱層構造を有するグラフェン層では、絶縁層４のと接触するグラフェンはキャリア散乱の影響を受けるものの、グラフェン上に乱層構造で積層されたグラフェンはキャリア散乱の影響を受けにくくなる。このため、グラフェン層１におけるキャリア移動度が向上し、電磁波検出器の性能が向上する。
【００７１】
変形例３におけ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。
【００７２】
実施の形態２．
図８は、全体が１７０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断面図である。図８の断面において、絶縁層４は、基板５を完全には覆っていない。絶縁層４は、基板５の表面を露出するように形成された貫通孔を有する。グラフェン層１は、貫通孔の中で基板５に接している。言い換えれば、グラフェン層１は、基板５に接触する領域と、絶縁層４に接触する領域とを有する。
【００７３】
次に、電磁波検出器１７０の製造方法について説明する。まず、基板５を準備する（工程１Ａ）。次に、基板５の上に絶縁層４を形成する（工程２Ａ）。ここまでの工程は、実施の形態１の工程１および工程２と同様である。
【００７４】
次に、絶縁層４の一部をエッチング処理等の除去処理によって除去する（工程３Ａ）。その後、絶縁層４上に間隔を空けて対向配置されるように、一対の電極２を形成する（工程４Ａ）。工程４Ａは、実施の形態１の工程３と同様である。そして、電極２、絶縁層４および基板５の上にグラフェン層１を形成する（工程５Ａ）。
【００７５】
次に、実施の形態２にかかる電磁波検出器１７０の効果について説明する。実施の形態２では、グラフェン層１の一部が基板５と接している。この接触部分は、ショットキー構造となっている。これにより、基板５にバックゲート電圧が印加された場合、電磁波検出器１７０の性能を向上させることができる。
【００７６】
また、基板５に電磁波の検出波長を吸収する材料を用いた場合、グラフェン−基板ショットキーにより、基板５で生成されたキャリアをグラフェン層１に直接注入することができる。すなわち、絶縁層４を介して基板５で生じた電界変化により、グラフェン層１にゲート電圧の変化が生じる。これにより、基板５からグラフェン層１に注入されたキャリアに加えて、基板５で生じた電界変化によりグラフェン層１の導電率が変化するため、電磁波検出器１７０の検出感度は向上する。
【００７７】
ここでは、ソース・ドレイン電極を有する構造について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、電磁波検出器１７０は、ソースおよびドレインのいずれか一方のみを有する構造であってもよい。この場合、電磁波検出器１７０は、ソースまたはドレインと、ゲートとを有する２端子のダイオード構造となる。この構造を有する電磁波検出器１７０では、ショットキー接合により、ＯＦＦ動作が可能となる。
【００７８】
また、電磁波検出器１７０では、ＯＦＦ動作時は暗電流が低下するため、ノイズが低減される。したがって、より性能の高い電磁波検出器が得られる。
【００７９】
実施の形態２における電磁波検出器１７０の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【００８０】
実施の形態３．
図９は、全体が２００で表される、本発明の実施の形態３にかかる電磁波検出器の断面図である。実施の形態３では、基板５の上には、絶縁層６が設けられている。実施の形態３の絶縁層６と実施の形態１の絶縁層４（図２参照）とは、材質である希土類元素の組み合わせが異なる。
【００８１】
図１０は、絶縁層６を構成する希土類酸化物の結晶構造を示す模式図である。絶縁層６は、母材酸化物中の希土類原子（母材原子）であるイットリウム、ランタン、ガドリニウム、またはルテチウムの一部を、光を吸収する作用を有する光増感原子と、発光中心として作用する発光中心原子と、で置換した構造を有する。光増感原子は、セリウム、ネオジム、およびイッテルビウムのうちの１つ以上の原子を含む。発光中心原子は、プラセオジム、サマリウム、ユウロピウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、およびツリウムのうちの１つ以上の原子を含む。
【００８２】
次に、電磁波検出器２００の動作原理について説明する。図１１は、絶縁層６を構成するイッテルビウム、ツリウム賦活酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３：Ｔｍ、Ｙｂ）の電子についてのエネルギー準位を示す模式図である。イッテルビウム、ツリウム賦活酸化イットリウムに１．０μｍの波長の電磁波を入射した場合、イッテルビウムイオンの４ｆ電子殻の電子について、イオン内殻電子遷移（２Ｆ７／２→２Ｆ５／２）が生じる。
【００８３】
このイオン内殻電子遷移によってイッテルビウムイオンの電子が得たエネルギーは、ツリウムイオンのイオン内殻電子遷移に用いられる。ここで、このような賦活元素間における発光を伴わないエネルギー授受を、ＬＲＥＴ（Luminescence Resonance Energy Transfer、発光共鳴エネルギー移動）と呼ぶ。
【００８４】
このとき、電磁波検出器２００では、上述の通り、イッテルビウムイオンおよびツリウムイオンで生じたイオン内殻電子遷移により、絶縁層６の内部に、イオン内殻電子遷移に起因する内部電界が生じる。
【００８５】
一般的な蛍光物質の蛍光寿命がナノ秒オーダーであるのに比べて、ツリウムイオンの蛍光寿命は、より長く、ミリ秒オーダーである。なお、ツリウムイオンに限らず、他の希土類元素イオンの蛍光寿命も、ミリ秒オーダーである。電磁波の入射およびＬＲＥＴによって、ツリウムイオンの内殻電子準位内では、多段階のイオン内殻電子遷移が生じる。その後、入射した電磁波のエネルギーより高いエネルギーを有する電磁波（すなわち、０．４５〜０．５０μｍ、０．６４〜０．６８μｍ、および０．７８〜０．８４μｍの波長を有する電磁波）がツリウムイオンから放出される。
【００８６】
再び図９を参照して、入射した電磁波のエネルギーより高いエネルギーを有する電磁波がツリウムイオンから放出されることにより得られる効果について説明する。ツリウムイオンから放出された電磁波は、グラフェン層１に吸収される。ツリウムイオンから放出された電磁波は入射した電磁波のエネルギーより高いエネルギーを有するため、グラフェン層１の光応答性は、イッテルビウムおよびツリウムの賦活により向上する。
【００８７】
また、ツリウムイオンから放出された電磁波は、基板５にも吸収される。したがって、基板５内に光キャリア（光によって生じた電子および／または正孔）が生じ、光ゲート効果が発生する。
【００８８】
このように、母材酸化物に光増感原子と発光中心原子とを賦活することにより、グラフェン層１の光応答性の増加効果と、基板５内の光キャリア発生に伴う光ゲート効果と、光増感原子と発光中心原子との間のイオン内殻電子遷移に起因して発生した絶縁層６内の内部電界による光ゲート効果と、の３つの効果が得られ、電磁波を高感度に検出できる。
【００８９】
さらに、光増感原子および発光中心原子は、基板５が吸収することができない波長を有する電磁波が入射された場合であっても、その波長を、基板５が吸収することができる波長へと変換することができる。例えば、前述の例では、１．０μｍの波長を有する電磁波を入射した場合、ツリウムイオンから放出される電磁波の波長は、０．４５〜０．５０μｍ、０．６４〜０．６８μｍ、および０．７８〜０．８４μｍである。基板５が１．０μｍの波長の電磁波を吸収できない場合であっても、０．４５〜０．５０μｍ、０．６４〜０．６８μｍ、または０．７８〜０．８４μｍの波長の電磁波を吸収できる場合には、光増感原子および発光中心原子による波長変換により、基板５は光感度を有することができる。このように、光増感原子および発光中心原子は、基板５の光ゲート効果により高感度化される波長域を調節する作用を有する。
【００９０】
以上では、絶縁層６の材質がイッテルビウム、ツリウム賦活酸化イットリウムである例について説明したが、他の希土類酸化物で絶縁層６を構成した場合も、実施の形態３の効果を同様に発揮できる。上記の例では、光増感剤として機能するイッテルビウムは、近赤外域の波長の光に対して感度が高いため、近赤外域の波長の光を高感度に検出できるものであった。これに対して、セリウムは紫外域の波長の光に対して感度が高く、ネオジムは中赤外域の波長の光に対して感度が高い。したがって、光増感剤として機能する希土類元素を変更することにより、高感度に検出する光の波長を選択することができる。
【００９１】
実施の形態４．
図１２は、全体が３００で表される、本発明の実施の形態４にかかる電磁波検出器の断面図である。実施の形態４では、基板５の上には、絶縁層７が設けられている。実施の形態４の絶縁層７と実施の形態１、２の絶縁層４（図２および図８参照）および実施の形態３の絶縁層６（図９参照）とは、材質である希土類元素の組み合わせが異なる。
【００９２】
図１３は、絶縁層７を構成する希土類酸化物の結晶構造を示す模式図である。絶縁層７は、母材酸化物中の希土類原子（母材原子）であるイットリウム、ランタン、ガドリニウム、またはルテチウムの一部を、発光中心として作用する発光中心原子と、光キャリアを蓄える作用を有する蓄光原子と、で置換した構造を有する。発光中心原子は、ユウロピウム、ツリウム、およびイッテルビウムのうちの１つ以上の原子を含む。蓄光原子は、セリウム、ジスプロシウム、およびテルビウムのうちの１つ以上の原子を含む。
【００９３】
次に、電磁波検出器３００の動作原理について説明する。図１４は、絶縁層７を構成するユウロピウム、ジスプロシウム賦活酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３：Ｄｙ、Ｅｕ）に関して、電磁波を入射した場合の発光原理について説明する模式図である。ユウロピウム、ジスプロシウム賦活酸化イットリウムに、例えば０．２６μｍの波長の電磁波が入射すると、ユウロピウムイオンのイオン内殻電子遷移とこれに伴う発光が生じる。また、Ｅｕ２＋の基底状態である４ｆ準位と、励起状態である５ｄ準位との間の電子遷移（励起）と、再結合に伴う発光も生じる。
【００９４】
このとき、電磁波検出器３００では、上述の通り、ユウロピウムイオンで生じたイオン内殻電子遷移及び上述した電子遷移（励起）により、絶縁層６の内部に、イオン内殻電子遷移に起因する内部電界が生じる。
【００９５】
ここで、「励起」という用語は、一般的に、（ａ）光吸収などによる電子−正孔対の生成、すなわち、電子が基底準位からエネルギーの高い準位に遷移するとともに、基底準位に正孔が生じること、および、（ｂ）上記で定義したイオン内殻電子遷移のいずれの概念を含むものである。ただし、本明細書においては、混同を避ける目的のため、光吸収などによる電子−正孔対の生成を「励起」と呼び、イオン内殻電子遷移の場合には「励起」という用語を用いない。
【００９６】
電磁波の入射の直後から生じる上記のような発光に加えてまたは同時に、以下の原理により蓄光作用が生じる。電磁波の入射による励起によって、Ｅｕ２＋の４ｆ電子殻に正孔が生じる。ｆ軌道を空の状態にして安定した電子配置を得るために、Ｅｕ２＋の４ｆ電子殻の正孔が放出され、Ｅｕ２＋はＥｕ１＋になる。放出された正孔は、熱的に酸素原子によって構成される価電子帯に解放され、価電子帯を経由して、正孔トラップとして機能するジスプロシウムイオンのＤｙ３＋に捕獲される。これにより、Ｄｙ３＋はＤｙ４＋になる。つまり、電磁波の照射によってユウロピウムイオンが生じた光キャリアが、ジスプロシウムイオンに蓄えられる。
【００９７】
電磁波の入射が止まった後、Ｄｙ４＋に捕獲されている正孔は、徐々に熱的に放出され、価電子帯を経由して、Ｅｕ１＋と再結合し、ユウロピウムイオンの発光を生じる。このようにして、電磁波の入射が止まった後も、ユウロピウムイオンの発光が継続する。
【００９８】
再び図１２を参照して、電磁波検出器３００により得られる効果について説明する。ユウロピウムイオンから放出された電磁波は、グラフェン層１および基板５に吸収される。したがって、グラフェン層１の光応答が増加するとともに、基板５内に光キャリアが生じるため、光ゲート効果が発生する。
【００９９】
このように、電磁波検出器３００により、グラフェン層１の光応答の増加効果と、基板５内の光キャリア発生に伴う光ゲート効果と、発光中心原子から発光に伴う絶縁層７内の内部電界による光ゲート効果と、の３つの効果が得られ、電磁波を高感度に検出できる。
【０１００】
さらに、電磁波検出器３００では、電磁波の入射時から電磁波の入射停止後にかけて、ユウロピウムイオンの発光が継続するため、検出の応答が継続する。継続する検出の応答を積算することによって、電磁波検出器３００は、従来の電磁波検出器では検出できない微弱な光についても感度良く検出することができる。
【０１０１】
以上では、絶縁層７の材質がユウロピウム、ジスプロシウム賦活酸化イットリウムである例について説明したが、上述した他の希土類酸化物で絶縁層７を構成した場合も、実施の形態４の効果を同様に発揮できる。
【０１０２】
実施の形態５．
図１５は、全体が４００で表される、本発明の実施の形態５にかかる電磁波検出器の断面図である。実施の形態５では、絶縁層４および電極２の上には、電極２の両方に接続されるように二次元材料層８が設けられている。
【０１０３】
二次元材料層８は、遷移金属ダイカルコゲナイド、黒リン（Black Phosphorus）、シリセン、ゲルマネンなどの二次元材料からなる。遷移金属ダイカルコゲナイドは、例えばＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２である。これらの二次元材料は、グラフェンと同様に、原子が二次元面内に単層状態で配列可能な材料である。
【０１０４】
二次元材料層８は、単層または２層以上の二次元材料からなる。２層以上の構造を有する場合、二次元材料層８は、一種類の二次元材料を積層したもの、または、二種類以上の二次元材料を積層したものであってもよい。あるいは、二次元材料層８は、グラフェンと、一種類以上の他の二次元材料と、を積層したものであってもよい。あるいは、二次元材料層８は、プロベスカイトとグラフェンを接合したもの、または、異なる二次元材料を接合したものであってもよい。
【０１０５】
二次元材料層８の層数を調整することにより、バンドギャップの大きさを調整することができる。バンドギャップを有することにより、二次元材料層８のオフ電流をほぼゼロにすることができる。また、バンドギャップの大きさを調整することにより、吸収される電磁波の波長を選択する作用を持たせることができる。例えば、ＭｏＳ２、ＷＳ２は、可視光波長に相当するバンドギャップを有し、黒リンは、中赤外域の光の波長に相当するバンドギャップを有する。従来の半導体検出器のように、半導体材料の組成によってバンドギャップを調整する必要がなく、二次元材料層８の層数を調整することで足りるため、電磁波検出器４００は、製造工程が容易である。
【０１０６】
また、二次元材料層８の層数を調整することによりバンドギャップの大きさを調整することができるため、典型的な波長選択法である光学フィルタを用いる必要がなく、光学部品の点数を低減することができる。これにより、光学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。
【０１０７】
さらに、二次元材料層８の積層方向を制御することによって、特定の偏光を有する入射光のみを選択的に検出する電磁波検出器１００を実現できる。
【０１０８】
また、二次元材料層８を、異なる二次元材料をヘテロ接合したものとすることにより、量子井戸効果およびトンネル効果を実現できる。これにより、ノイズを低減できるとともに、光キャリアの再結合を低減できるため、検出感度を向上することができる。特に、熱雑音が支配的となる赤外波長域において、二次元材料層８が熱雑音を低減させるトンネル効果を有することは、大きな利点である。これにより、電磁波検出器１００は、高温で、例えば常温で、動作することができる。
【０１０９】
なお、実施の形態２〜４を実施の形態５に適用することもできる。
【０１１０】
実施の形態６．
図１６は、全体が１０００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アレイの上面図である。図１６の電磁波検出器アレイ１０００では、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００が、２×２のマトリックス状に配置されているが、配置する電磁波検出器１００の数はこれに限定されるものではない。また、図１６では、電磁波検出器１００は、２次元に所定の周期で配列されているが、１次元に所定の周期で配置されてもよい。また、周期的ではなく異なる間隔で配置してもよい。
【０１１１】
図１６では、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００が配置されているが、これに限定されず、実施の形態２にかかる電磁波検出器１７０、実施の形態３にかかる電磁波検出器２００、実施の形態４にかかる電磁波検出器３００、または実施の形態５にかかる電磁波検出器４００が配置されてもよい。
【０１１２】
このように、電磁波検出器１００を用いた電磁波検出器アレイ１０００では、紫外光からマイクロ波まで非常に広い波長範囲の電磁波から選択された任意の波長域の電磁波を検出できる。特にアレイ化することでイメージセンサとしても使用できる。例えば、電磁波検出器アレイ１０００を車載センサに適用した場合、光学系の切り替えにより、昼間は可視光画像用カメラとして使用でき、夜間は赤外線カメラとしても使用することも可能であり、検出波長によってカメラを使い分ける必要が無い。
【０１１３】
電磁波検出器アレイ１０００の外側に、それぞれの電磁波検出器１００から得られた電気信号を読み出す読出回路または行列選択回路などの検出回路を設置することが好ましい。また、読出回路または行列選択回路などの検出回路を別の半導体チップに設け、電磁波検出器アレイ１０００とバンプ等で電気的に接続しても構わない。図１７は、全体が１００００で表される、このような検出回路の一例を示す模式図である。以下、電磁波検出器アレイ１０００を構成する電磁波検出器１００を画素とも呼ぶ。検出回路１００００は、電磁波検出器アレイ１０００の画素１００を垂直方向に走査する垂直走査回路１０と、画素１００を水平方向に走査する水平走査回路１１と、各回路にバイアス電圧を供給するバイアス回路１２と、水平走査回路１１からの信号を電磁波検出器アレイ１０００の外部へ出力する出力回路１３とを備える。
【０１１４】
検出回路１００００は、１画素毎に電磁波検出器１００の応答を検出する。具体的には、垂直走査回路１０に電圧を印加して１つの行を選択し、水平走査回路１１に電圧を印加して１つの列を選択することで１画素の応答を読み出す。垂直走査回路１０により選択した行を固定し、水平走査回路１１に順次電圧を印加することによって、当該行の画素応答を全て読み出す。その後、同様に、垂直走査回路１０に電圧を印加して他の行を選択し、水平走査回路１１に順次電圧を印加することによって、当該他の行の画素応答を全て読み出す。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。
【０１１５】
本実施の形態では、垂直走査回路１０と水平走査回路１１を用いて１画素毎に応答を読み取る方法について説明したが、これに限定されず、行毎、列毎に応答を読みだしてもよいし、他の手法を用いてもよい。
【０１１６】
実施の形態７．
図１８は、全体が２０００で表される、本発明の実施の形態７にかかる電磁波検出器アレイの上面図である。図１８では、互いに種類の異なる電磁波検出器１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄが、２×２のマトリックス状に配置されている。配置する電磁波検出器の数はこれに限定されるものではない。図１８では、電磁波検出器１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄは、２次元に所定の周期で配列されているが、１次元に所定の周期で配置されてもよい。また、周期的ではなく異なる間隔で配置してもよい。
【０１１７】
電磁波検出器１００ａ、１００ｂ、１００ｃ、１００ｄは、それぞれ、実施の形態１にかかる電磁波検出器１００、実施の形態２にかかる電磁波検出器１７０、実施の形態３にかかる電磁波検出器２００、実施の形態４にかかる電磁波検出器３００、または実施の形態５にかかる電磁波検出器４００のいずれであってもよい。実施の形態１〜４に記載した検出波長選択性を有する電磁波検出器をアレイ状に並べることにより、電磁波検出器アレイ２０００は、少なくとも異なる２帯域の波長の電磁波を検出することができる。
【０１１８】
これにより、電磁波検出器アレイ２０００は、可視光域で用いるイメージセンサと同様に、紫外光、赤外光、テラヘルツ波、および電波の波長域においてもカラー化（波長を識別）した画像を得ることができる。
【０１１９】
また、電磁波検出器アレイ２０００は、少ない画素数であっても、物体の位置検出用センサとして用いることができる。電磁波検出器アレイ２０００の構造により、複数波長の電磁波の強度を検出するイメージセンサが得られる。これにより、従来、ＣＭＯＳセンサなどで必要であったカラーフィルタを用いることなく、複数の波長の電磁波を検出し、カラー画像を得ることができる。
【０１２０】
さらに、検出する偏光が異なる電磁波検出器をアレイ化することにより、偏光識別イメージセンサを形成することもできる。例えば、検知する偏光角度を０°、９０°、４５°、１３５°としが画素４つを一単位として、複数配置することで偏光イメージングが可能になる。偏光識別が可能なイメージセンサは、例えば人工物と自然物の識別や、材料識別、赤外波長域における同一温度物体の識別、物体間の境界の識別、等価的な分解能の向上などが可能になる。
【０１２１】
ここで、実施の形態１〜５にかか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。例えば、複数の実施の形態を組みわせて、それぞれの絶縁層を積層させたり、平面方向に並べて配置させたりすることも可能である。
【符号の説明】
【０１２２】
１  グラフェン層、２，２０  電極、３  裏面電極、４  絶縁層、５  基板、６，７  絶縁層、８  二次元材料層、９  保護膜、１０  垂直走査回路、１１  水平走査回路、１２  バイアス回路、１３  出力回路、１００  電磁波検出器、１０００  電磁波検出器アレイ、１００００  検出回路。
【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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【手続補正書】
【提出日】令和2年6月8日(2020.6.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類酸化物で構成された絶縁層と、
前記絶縁層の上に設けられ、間隔を空けて対向配置された一対の電極と、
前記絶縁層の上に、前記一対の電極と電気的に接続するように設けられた二次元材料層と、を含み、
前記希土類酸化物は、第１希土類元素の酸化物からなる母材と、前記母材に賦活された、前記第１希土類元素と異なる第２希土類元素と、を含むことを特徴とする電磁波検出器。
【請求項２】
基板を更に備え、
前記絶縁層は、基板に接して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３】
前記基板は、表面と裏面とを有し、
前記絶縁層は、前記基板の表面上に設けられたことを特徴とする請求項２に記載の電磁波検出器。
【請求項４】
前記絶縁層は、前記基板の表面を露出するように形成された貫通孔を有し、
前記二次元材料層は、前記貫通孔の中で前記基板に接している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】
前記絶縁層は、電磁波の入射によって、前記母材に賦活された前記第２希土類元素のイオン内殻電子遷移により電界を生じ、前記二次元材料層は、前記電界により電気量の変化を発生することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項６】
前記希土類酸化物は、前記母材に賦活された、発光中心として機能する第３希土類元素を更に含み、
前記第２希土類元素は、光増感原子として機能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】
前記第３希土類元素は、
前記第２希土類元素から電子のエネルギーを受け取ることによって生じる、基底準位から前記基底準位より高い第１エネルギー準位へのイオン内殻電子遷移と、
エネルギーを放出することによって生じる、前記第１エネルギー準位から前記第１エネルギー準位より低い第２エネルギー準位へのイオン内殻電子遷移と、
を経ることによって発光することを特徴とする請求項６に記載の電磁波検出器。
【請求項８】
前記第１エネルギー準位と前記基底準位との差は、前記第１エネルギー準位と第２エネルギー準位との差より小さい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】
前記希土類酸化物は、前記母材に賦活された、蓄光作用を有する第４希土類元素を更に含み、
前記第２希土類元素は、発光中心として機能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１０】
前記第１希土類元素は、イットリウム、ランタン、セリウム、ガドリニウム、およびルテチウムからなるグループから選択された１つ以上の元素からなり、
前記第２希土類元素は、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、およびイッテルビウムからなるグループから選択された１つ以上の元素からな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１１】
前記第１希土類元素は、イットリウム、ランタン、ガドリニウム、およびルテチウムからなるグループから選択された１つ以上の元素からなり、
前記第２希土類元素は、セリウム、ネオジム、およびイッテルビウムからなるグループから選択された１つ以上の元素からなり、
前記第３希土類元素は、プラセオジム、サマリウム、ユウロピウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、およびツリウム、からなるグループから選択された１つ以上の元素からなることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１２】
前記第１希土類元素は、イットリウム、ランタン、ガドリニウム、およびルテチウムからなるグループから選択された１つ以上の元素からなり、
前記第２希土類元素は、ユウロピウム、ツリウム、およびイッテルビウムからなるグループから選択された１つ以上の元素からなり、
前記第４希土類元素は、セリウム、ジスプロシウム、およびテルビウムからなるグループから選択された１つ以上の元素からなることを特徴とする請求項９に記載の電磁波検出器。
【請求項１３】
前記二次元材料層の上に設けられた、絶縁体からなる保護膜を更に含むことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１４】
前記電極のそれぞれは、互いに異なる金属からなることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１５】
前記二次元材料層は、グラフェン、遷移金属ダイカルコゲナイド、グラフェン、黒リン、シリセン、およびゲルマネンからなるグループから選択された二次元材料からなり、単層または多層構造であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１６】
前記二次元材料層は、乱層構造を有することを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の電磁波検出器。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載の複数の電磁波検出器が、１次元方向または２次元方向にアレイ状に配置されたことを特徴とする電磁波検出器アレイ。
【国際調査報告】
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2020003613.tif 000022
2020003613.tif 000023
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