知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-04-11
(45)【発行日】2023-04-19
(54)【発明の名称】光検出素子、光センサ、及び光検出素子の製造方法
(51)【国際特許分類】
H10K 39/32 20230101AFI20230412BHJP
H01L 27/144 20060101ALI20230412BHJP
H01L 27/146 20060101ALI20230412BHJP
B82Y 20/00 20110101ALI20230412BHJP
G01J 1/02 20060101ALI20230412BHJP
H10N 10/855 20230101ALI20230412BHJP
H10N 10/856 20230101ALI20230412BHJP
H10N 10/01 20230101ALI20230412BHJP
【ＦＩ】
H10K39/32
H01L27/144 K
H01L27/146 A
B82Y20/00
G01J1/02 C
H10N10/855
H10N10/856
H10N10/01
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2018210627
(22)【出願日】2018-11-08
(65)【公開番号】P2020077779
(43)【公開日】2020-05-21
【審査請求日】2021-08-10
(73)【特許権者】
【識別番号】000005223
【氏名又は名称】富士通株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100087480
【弁理士】
【氏名又は名称】片山 修平
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 信太郎
(72)【発明者】
【氏名】西野 弘師
(72)【発明者】
【氏名】近藤 大雄
(72)【発明者】
【氏名】林 賢二郎
【審査官】柴山 将隆
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１７／１８８４３８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１０－１５３７９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０１１２０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／１９９５８３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－０５７５２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－１０５９９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１４６０２３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０３７６１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０５０４２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０９１９０４４６（ＵＳ，Ｂ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｋ ３９／３２
Ｈ０１Ｌ ２７／１４４
Ｈ０１Ｌ ２７／１４６
Ｂ８２Ｙ ２０／００
Ｇ０１Ｊ １／０２
Ｈ１０Ｎ １０／８５５
Ｈ１０Ｎ １０／０１
Ｈ１０Ｎ １０／８５６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、前記基板の上に形成され、各々の格子が平面視で相互にランダムにずれるように積層された複数のグラフェンを備え、第１の領域に形成された複数の第１のホールと第２の領域に形成された複数の第２のホール、または、複数の第１の溝と複数の第２の溝、を有する受光層と、
前記受光層に接して前記複数の第１のホール内または前記複数の第１の溝内に形成された第１の電極と、
前記受光層に接して前記複数の第２のホール内または前記複数の第２の溝内に形成され、前記第１の電極とは材料が異なる第２の電極と、
を有することを特徴とする光検出素子。
【請求項2】
前記受光層のバンド曲線は、逆格子空間のK点において線型であることを特徴とする請求項１に記載の光検出素子。
【請求項3】
前記基板の上に、六方晶窒化ホウ素又はダイヤモンドライクカーボンを含む下地層が形成され、前記下地層の上に前記受光層が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光検出素子。
【請求項4】
前記受光層の下の前記基板の表面に凹部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光検出素子。
【請求項5】
前記受光層は、前記基板の法線方向に対して傾斜した第１の側面と、前記法線方向に対して傾斜した第２の側面とを有し、前記第１の側面に前記第１の電極が形成され、かつ前記第２の側面に前記第２の電極が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光検出素子。
【請求項6】
基板の上に、各々の格子が平面視で相互にランダムにずれるように積層された複数のグラフェンを備え、第１の領域に形成された複数の第１のホールと第２の領域に形成された複数の第２のホール、または、複数の第１の溝と複数の第２の溝、を有する受光層を形成する工程と、前記受光層に接して前記複数の第１のホール内または前記複数の第１の溝内に第１の電極を形成する工程と、
前記第１の電極とは材料が異なる第２の電極を前記受光層に接するように前記複数の第２のホール内または前記複数の第２の溝内に形成する工程と、
を有することを特徴とする光検出素子の製造方法。
【請求項7】
平面内に間隔をおいて複数形成され、入射光の強度に応じた出力電圧を出力する画素と、前記出力電圧を増幅する増幅回路とを備え、
前記画素は、
基板と、
前記基板の上に形成され、各々の格子が平面視で相互にランダムにずれるように積層された複数のグラフェンを備え、第１の領域に形成された複数の第１のホールと第２の領域に形成された複数の第２のホール、または、複数の第１の溝と複数の第２の溝、を有する受光層と、
前記受光層に接して前記複数の第１のホール内または前記複数の第１の溝内に形成された第１の電極と、
前記受光層に接して前記複数の第２のホール内または前記複数の第２の溝内に形成され、前記第１の電極とは材料が異なる第２の電極とを有することを特徴とする光センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光検出素子、光センサ、及び光検出素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
光検出素子は、その原理により二種類に大別される。一つ目の光検出素子は、半導体層を受光層に使用した素子である。特に、バンドギャップが小さな半導体層を利用した光検出素子は赤外領域に感度を有し、高感度で高速応答が可能であるという特徴を有する。但し、このタイプの光検出素子は、ノイズを低減する等の目的で半導体層を冷却する必要がある。
【0003】
もう一つの光検出素子は、光が照射された薄膜の温度変化を検知する素子であって、ボロメータや熱型素子とも呼ばれる。このタイプの光検出素子は、薄膜の温度変化に基づいて光を検知するため、薄膜を冷却する必要がなく、室温で動作可能であるという特徴を有する。但し、このタイプの光検出素子は、感度や応答速度に関しては上記の半導体層を利用した光検出素子よりも劣る。
【0004】
これに対し、グラフェンの光熱電効果を利用して光を検出する光検出素子も報告されている。この光検出素子によれば、室温下において、近赤外やテラヘルツ領域の光を１ナノ秒以下の応答速度で検出することができる。
しかしながら、グラフェンを利用した光検出素子は、感度が最も高いテラヘルツ領域でも１０V/W程度の感度しかない。
しかしながら、グラフェンを利用した光検出素子は、感度が最も高いテラヘルツ領域でも１０V/W程度の感度しかない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】国際公開第２０１６／１２１４０８号
【文献】特表２０１３－５０２７３５号公報
【文献】特開２０１８－３７６１７号公報
【非特許文献】
【0006】
【文献】Cai, Xinghan et al. “Sensitive room-temperature terahertz detection via the photothermoelectric effect in graphene”, Nature Nanotechnology, 2014/09/07, vol. 9, p814
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、高感度化を実現することが可能な光検出素子、光センサ、及び光検出素子の製造方法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】
【0008】
以下の開示の一観点によれば、基板と、前記基板の上に形成され、各々の格子が平面視で相互にランダムにずれるように積層された複数のグラフェンを備え、第１の領域に形成された複数の第１のホールと第２の領域に形成された複数の第２のホール、または、複数の第１の溝と複数の第２の溝、を有する受光層と、前記受光層に接して前記複数の第１のホール内または前記複数の第１の溝内に形成された第１の電極と、前記受光層に接して前記複数の第２のホール内または前記複数の第２の溝内に形成され、前記第１の電極とは材料が異なる第２の電極とを有することを特徴とする光検出素子が提供される。
【発明の効果】
【0009】
以下の開示によれば、各々の格子が平面視で相互にランダムにずれるように複数のグラフェンを積層するため、各グラフェンがグラファイト化するのを抑制できる。これにより、高移動度や波長に依存しない光吸収率等のグラフェンの性質を維持しつつ、複数のグラフェンで光を検出して高感度化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【発明を実施するための形態】
【0011】
本実施形態の説明に先立ち、本願発明者が調査した事項について説明する。
図１は、光検出素子で使用するグラフェンの分子構造を模式的に示す斜視図である。
図１に示すように、グラフェンは、六角形のセルの各頂点に炭素原子が位置する単原子層の物質である。
図１は、光検出素子で使用するグラフェンの分子構造を模式的に示す斜視図である。
図１に示すように、グラフェンは、六角形のセルの各頂点に炭素原子が位置する単原子層の物質である。
【0012】
前述のように、このグラフェンの光熱電効果を利用して光を検出する光検出素子では感度が１０V/W程度と低い。これはグラフェンの光吸収率が低いことに原因があると考えられる。グラフェンの光吸収率は、波長によらず２．３％程度しかないため、残りの９７％以上の光は捨てられることになる。更に、この光検出素子では、一層のグラフェンのみで光を検出するため、感度の向上を図ることができない。
感度を向上させるには、グラフェンを複数積層し、各々のグラフェンの光熱電効果を利用すればよいとも考えられる。
しかしながら、このように単純にグラフェンを積層すると、グラフェンとはバンド構造が異なるグラファイトが得られてしまう。
グラファイトは、空間的な対称性を有するように複数のグラフェンを積層した結晶構造を有し、その結晶構造には様々なタイプがある。
図２Ａ～図２Ｃは、グラファイトの各結晶構造を示す図である。
感度を向上させるには、グラフェンを複数積層し、各々のグラフェンの光熱電効果を利用すればよいとも考えられる。
しかしながら、このように単純にグラフェンを積層すると、グラフェンとはバンド構造が異なるグラファイトが得られてしまう。
グラファイトは、空間的な対称性を有するように複数のグラフェンを積層した結晶構造を有し、その結晶構造には様々なタイプがある。
図２Ａ～図２Ｃは、グラファイトの各結晶構造を示す図である。
【0013】
このうち、図２ＡはAB型のグラファイトの結晶構造を示し、図２ＢはABA型のグラファイトの結晶構造を示す。また、図２ＣはABC型のグラファイトの結晶構造を示す。
なお、図２Ａ～図２Ｃにおける黒丸はAサイトにおける炭素原子を示し、白丸はBサイトにおける炭素原子を示す。
なお、図２Ａ～図２Ｃにおける黒丸はAサイトにおける炭素原子を示し、白丸はBサイトにおける炭素原子を示す。
【0014】
【0015】
図３Ａはグラフェンのバンド構造を示す図であり、図３Ｂはグラファイトのバンド構造を示す図である。なお、図３Ａ及び図３Ｂにおいて、横軸は、aをグラフェンの格子長（０．２４９nm）としたときの逆格子空間におけるK点からの距離を示す。また、縦軸は電子のエネルギ(eV)を示す。
【0016】
図３Ａに示すように、グラフェンのバンド曲線は、逆格子空間のK点付近において線型となる。これにより、光吸収率が波長に依存しないという性質や、K点付近で電子の移動度が高い等のグラフェンの特徴が導かれる。
【0017】
一方、図３Ｂに示すように、グラファイトにおいては、バンド曲線の傾きがK点付近において０となり、これによりK点付近で電子の移動度が低下する。また、バンド曲線が線型ではないため、グラファイトの光吸収率は光の波長によって変わることになる。
【0018】
よって、高移動度や波長に依存しない光吸収率等のグラフェンの特徴を活かしつつ、光検出素子の高感度化を実現するには、グラフェンがグラファイト化するのを抑制しながらグラフェンを積層するのが好ましい。
以下に、各実施形態について説明する。
（第１実施形態）
以下に、各実施形態について説明する。
（第１実施形態）
【0019】
本実施形態に係る光検出素子について、その製造工程を追いながら説明する。この光検出素子は、グラフェンの光熱電効果を利用して光を検出する素子であり、以下のようにして製造される。
図４Ａ～図１１Ｂは、本実施形態に係る光検出素子の製造途中の断面図である。
まず、図４Ａに示すように、表面に厚さが５０nm～１０００nm程度の酸化シリコン層１１が形成されたシリコン基板１０を用意する。
図４Ａ～図１１Ｂは、本実施形態に係る光検出素子の製造途中の断面図である。
まず、図４Ａに示すように、表面に厚さが５０nm～１０００nm程度の酸化シリコン層１１が形成されたシリコン基板１０を用意する。
【0020】
次いで、図４Ｂに示すように、酸化シリコン層１１の上に下地金属層１２と触媒金属層１３とをこの順にスパッタ法で形成する。これらの層の材料や膜厚は特に限定されない。この例では、下地金属層１２として窒化チタン層を０．１nm～５０nm程度、例えば５nm程度の厚さに形成する。そして、触媒金属層１３としてコバルト層を２nm～２００nm程度、例えば２０nm程度の厚さに形成する。
次に、図４Ｃに示す工程について説明する。
次に、図４Ｃに示す工程について説明する。
【0021】
まず、不図示の熱CVD(Chemical Vapor Deposition)炉にシリコン基板１０を入れ、基板温度を５１０℃程度とする。そして、この状態でアセチレンガスをアルゴンで希釈した反応ガスを２００sccmの流量で炉に供給しつつ、炉の内部の圧力を１kPaに維持する。反応ガスにおけるアセチレンガスの濃度は１０％とする。そして、この状態を５０分維持することにより、１００層程度のグラフェン１５を積層してなる受光層１４を得る。なお、グラフェン１５の積層数はこれに限定されず、反応時間やアセチレン濃度を変化させることにより５層～５００層程度にグラフェン１５を積層し得る。
図１２は、このようにして形成されたグラフェン１５の数層の平面図である。
図１２は、このようにして形成されたグラフェン１５の数層の平面図である。
【0022】
図１２に示すように、各グラフェン１５は、各々の格子が平面視で相互にランダムにずれるように形成される。これにより、各グラフェン１５がグラファイト化して図２Ａ～２Ｃの結晶構造になるのを抑制でき、受光層１４の電子状態をグラフェンのそれと同様の状態にすることができる。
【0023】
次に、図５Ａに示すように、受光層１４の上にPMMA(Polymethyl methacrylate)等のポリマをスピンコート法で０．１μm～１００μm程度の厚さに塗布し、そのポリマの塗膜を第１の支持層１６とする。なお、ポリマに代えてレジストの塗膜を第１の支持層１６として形成してもよい。
【0024】
その後、第１の支持層１６を加熱して膜中の溶媒成分を除去する。このときの加熱温度は、第１の支持層１６の材料にもよるが、例えば室温～２００℃程度とする。
そして、図５Ｂに示すように、例えば塩化鉄溶液で触媒金属層１３を横から溶解して除去し、第１の支持層１６の表面に受光層１４が形成された構造を得る。
次に、図６Ａに示す工程について説明する。
そして、図５Ｂに示すように、例えば塩化鉄溶液で触媒金属層１３を横から溶解して除去し、第１の支持層１６の表面に受光層１４が形成された構造を得る。
次に、図６Ａに示す工程について説明する。
【0025】
【0026】
次いで、図６Ｂに示すように、サファイア基板１７を不図示の熱CVD炉に入れ、基板温度を１０５０℃程度に維持しながら炉の中にアンモニア、ジボラン、水素、及びアルゴンの混合ガスを供給する。そして、この状態を３０分程度維持することにより、触媒金属層１８の触媒作用によってその上に六方晶窒化ホウ素（hBN）層１９を単原子層の厚さ（０．３４nm）～１００nm、例えば３nm程度の厚さに成長させる。
【0027】
続いて、図７Ａに示すように、六方晶窒化ホウ素層１９の上にPMMA等のポリマをスピンコート法で０．１μm～１００μm程度の厚さに塗布し、そのポリマの塗膜を第２の支持層２０とする。なお、第１の支持層１６と同様に、第２の支持層２０としてレジストの塗膜を形成してもよい。その後に、第２の支持層２０を室温～２００℃程度の温度に加熱して膜中の溶媒成分を除去する。
【0028】
そして、図７Ｂに示すように、サファイア基板１７をエッチング液に浸漬することにより触媒金属層１８を横からエッチングして除去し、第２の支持層２０の表面に六方晶窒化ホウ素層１９が形成された構造を得る。このときのエッチング液は特に限定されないが、エッチング時に気泡が発生しない塩化鉄(III)(FeCl3)水溶液をそのエッチング液として使用するのが好ましい。
【0029】
なお、この例では触媒金属層１８に六方晶窒化ホウ素層１９を形成したが、触媒金属箔の表面に六方晶窒化ホウ素層１９を形成してもよい。この場合、触媒金属箔の両面に六方晶窒化ホウ素層１９が形成されるため、触媒金属箔をウエットエッチングするのが六方晶窒化ホウ素層１９によって阻害されるおそれがある。よって、この場合は、触媒金属箔の一方の表面の六方晶窒化ホウ素層１９をヤスリ等で機械的に削り取るのが好ましい。なお、酸素プラズマやアルゴンプラズマでその六方晶窒化ホウ素層１９を除去してもよい。そして、触媒金属箔の他方の表面に残る六方晶窒化ホウ素層１９の上に第２の支持層２０を形成した後、第２の支持層２０を上にして触媒金属箔をエッチング液に浮かばせ、触媒金属箔を下からエッチングすることで図７Ｂと同じ構造が得られる。
【0030】
ここまでの工程により、図５Ｂのように第１の支持層１６の表面に受光層１４が形成された構造と、図７Ｂのように第２の支持層２０の表面に六方晶窒化ホウ素層１９が形成された構造とが得られたことになる。
この後は、以下のようにして受光層１４と六方晶窒化ホウ素層１９の各々を素子用の基板に転写する。
まず、図８Ａに示すように、シリコンウエハ２１の上に酸化シリコン層２２を形成してなる素子用の基板２３を用意する。酸化シリコン層２２は、その上に後で形成される電極や受光層１４等の各要素を電気的に絶縁する絶縁層として機能し、５０nm～１０００nm程度の厚さ、例えば１００nm程度の厚さに形成される。
次いで、図８Ｂに示すように、六方晶窒化ホウ素層１９を下にして第２の支持層２０を基板２３側に密着させる。
この後は、以下のようにして受光層１４と六方晶窒化ホウ素層１９の各々を素子用の基板に転写する。
まず、図８Ａに示すように、シリコンウエハ２１の上に酸化シリコン層２２を形成してなる素子用の基板２３を用意する。酸化シリコン層２２は、その上に後で形成される電極や受光層１４等の各要素を電気的に絶縁する絶縁層として機能し、５０nm～１０００nm程度の厚さ、例えば１００nm程度の厚さに形成される。
次いで、図８Ｂに示すように、六方晶窒化ホウ素層１９を下にして第２の支持層２０を基板２３側に密着させる。
【0031】
これにより、第２の支持層２０に形成されていた六方晶窒化ホウ素層１９がファンデルワールス力によって酸化シリコン層２２に吸着し、酸化シリコン層２２に六方晶窒化ホウ素層１９が転写される。
【0032】
なお、基板２３に第２の支持層２０を密着させるときに、基板２３を室温～３００℃程度の温度に加熱してもよい。これにより、六方晶窒化ホウ素層１９と酸化シリコン層２２との界面から水分が除去され、両者の密着力が高められる。
その後に、アセトン等の有機溶剤で第２の支持層２０を溶解して除去する。
その後に、アセトン等の有機溶剤で第２の支持層２０を溶解して除去する。
【0033】
次に、図９Ａに示すように、受光層１４を下にして第１の支持層１６を基板２３側に密着させることにより、第１の支持層１６に形成されていた各グラフェン１５の各々を六方晶窒化ホウ素層１９に一度に転写する。なお、受光層１４におけるグラフェン１５と六方晶窒化ホウ素層１９とはファンデルワールス力によって互いに吸着した状態となる。
また、このように各グラフェン１５を基板２３側に一度に転写することにより、基板２３に受光層１４を形成する工程を簡略化することができる。
その後に、アセトン等の有機溶剤で第１の支持層１６を溶解して除去する。
また、このように各グラフェン１５を基板２３側に一度に転写することにより、基板２３に受光層１４を形成する工程を簡略化することができる。
その後に、アセトン等の有機溶剤で第１の支持層１６を溶解して除去する。
【0034】
以上により、基板２３の上に六方晶窒化ホウ素層１９と受光層１４とがこの順に積層された構造が得られる。なお、その六方晶窒化ホウ素層１９は下地層の一例である。
次に、図９Ｂに示すように、六方晶窒化ホウ素層１９の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより島状のマスク層２４を形成する。
次に、図９Ｂに示すように、六方晶窒化ホウ素層１９の上にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより島状のマスク層２４を形成する。
【0035】
続いて、図１０Ａに示すように、マスク層２４で覆われていない部分の受光層１４を酸素プラズマで等方的にエッチングして、光を受光する受光領域Rのみに受光層１４を残す。
このような等方的なエッチングにより、基板２３の法線方向nに対して傾斜した第１の側面１４ａと第２の側面１４ｂとが受光層１４に形成されることになる。
その後に、図１０Ｂに示すように、アセトン等の有機溶剤によりマスク層２４を除去する。
このような等方的なエッチングにより、基板２３の法線方向nに対して傾斜した第１の側面１４ａと第２の側面１４ｂとが受光層１４に形成されることになる。
その後に、図１０Ｂに示すように、アセトン等の有機溶剤によりマスク層２４を除去する。
【0036】
次に、図１１Ａに示すように、第１の側面１４ａが露出する開口を備えたレジスト層（不図示）を形成し、更に基板２３の上側全面に蒸着法によりチタン層を０．０２μm～１μm程度の厚さに形成する。その後に、レジスト層を除去することにより、第１の側面１４ａとその周囲のみにチタン層を第１の電極２５として残し、それ以外の不要なチタン層を除去する。
【0037】
続いて、図１１Ｂに示すように、第２の側面１４ｂが露出する開口を備えたレジスト層（不図示）を形成した後、第１の電極２５とは材料が異なる金属層を基板２３の上側全面に蒸着法で形成する。上記のように第１の電極２５としてチタン層を形成する場合には、その金属層として白金層を０．０２μm～１μm程度の厚さに形成する。そして、レジスト層を除去することにより、第２の側面１４ｂとその周囲のみに白金層を第２の電極２６として残し、それ以外の不要な白金層を除去する。
【0038】
なお、第１の電極２５と第２の電極２６の材料の組み合わせは、それぞれのゼーベック係数が異なれば上記に限定されない。例えば、第１の電極２５の材料としては、上記のチタンの他にハフニウム、ジルコニウム、及びクロムもある。また、第２の電極２６の材料としては、上記の白金の他に、ニッケル、パラジウム、及び金もある。これらの材料のうち、特にハフニウム、ジルコニウム、チタン、及びニッケルは、グラフェン１５の端部１５ａにおいてグラファイト化し易いため、グラフェン１５と各電極２５、２６との間のコンタクト抵抗を低減することができる。
【0039】
また、ゼーベック係数が異なる材料の組み合わせとして、熱電対で使用される金属の組み合わせを採用してもよい。そのような組み合わせとしては、例えば、アルメル－クロメル、鉄－コンスタンタン、銅－コンスタンタン、クロメル－コンスタンタン、ナイクロシル－ナイシル、及び白金ロジウム－白金がある。
以上により、本実施形態に係る光検出素子３０の基本構造が完成する。
以上により、本実施形態に係る光検出素子３０の基本構造が完成する。
【0040】
この光検出素子３０においては、上記のように互いに材料が異なる第１の電極２５と第２の電極２６とが受光層１４のグラフェン１５に接するように間隔をおいて形成される。
【0041】
このような構造によれば、受光層１４の表面１４ｚに光Cが入射したときにグラフェン１５中の電子が励起し、光Cの強度に応じた電子温度の電子がグラフェン１５から各電極２５、２６に供給される。そして、各電極２５、２６のゼーベック係数の相違に起因して光Cの強度に応じた電位差がこれらの電極２５、２６の間に生じ、その電位差が出力電圧として外部に出力される。
なお、このようにグラフェン１５の光熱電効果を利用するため、この光検出素子３０では冷却が不要となり、そのアプリケーションを広げることができる。
図１３は光検出素子３０の平面図であって、先の図１１Ｂは図１３のI－I線に沿う断面図に相当する。
図１３に示すように、受光層１４は一辺の長さが１μm～１００μm程度の矩形状であって、その相対する側面１４ａ、１４ｂの各々に電極２５、２６が形成される。
なお、このようにグラフェン１５の光熱電効果を利用するため、この光検出素子３０では冷却が不要となり、そのアプリケーションを広げることができる。
図１３は光検出素子３０の平面図であって、先の図１１Ｂは図１３のI－I線に沿う断面図に相当する。
図１３に示すように、受光層１４は一辺の長さが１μm～１００μm程度の矩形状であって、その相対する側面１４ａ、１４ｂの各々に電極２５、２６が形成される。
【0042】
以上説明した本実施形態によれば、図１２に示したように、各々の格子が平面視で相互にランダムにずれた複数のグラフェン１５で受光層１４を形成する。このように格子がずれることで各グラフェン１５がグラファイト化するのを抑制でき、グラフェンと同様の電子状態の受光層１４を得ることができる。
図１４は、受光層１４のバンド構造を示す図である。
図１４は、受光層１４のバンド構造を示す図である。
【0043】
【0044】
図１４に示すように、上記のように本実施形態では受光層１４がグラファイト化するのを抑制できるため、受光層１４のバンド曲線は、グラフェンと同様に逆格子空間のK点において線型となる。なお、このようなバンド曲線は、例えば角度分解光電子分解法等で得ることができる。
【0045】
その結果、高移動度や波長に依存しない光吸収率等のグラフェンの特徴を活かしつつ、受光層１４の複数のグラフェン１５の各々で光熱電効果が発揮され、光検出素子３０の高感度化を実現することが可能となる。
【0046】
本願発明者の試算によれば、受光層１４におけるグラフェン１５の層数を１００層とすると、受光層１４の光吸収率が９５％以上となり、単原子層のグラフェン１５のみを形成する場合と比較して感度が約５０倍となる。
【0047】
しかも、本実施形態では受光層１４の第１の側面１４ａを基板２３の法線方向nから傾斜させたため、グラフェン１５の端部１５ａに第１の電極２５の材料が上から付着し易くなる。その結果、端部１５ａが第１の電極２５に確実に接触し易くなり、受光層１４と第１の電極２５との間のコンタクト抵抗を低減することができる。また、このように各グラフェン１５が第１の電極２５に接触し易くなるため、グラフェン１５の層数の増加と共に受光層１４と第１の電極２５との間のコンタクト抵抗が低減するようになる。
同様の理由により、第２の側面１４ｂを法線方向nから傾斜させたことで、第２の電極２６と受光層１４との間のコンタクト抵抗も低減できる。
同様の理由により、第２の側面１４ｂを法線方向nから傾斜させたことで、第２の電極２６と受光層１４との間のコンタクト抵抗も低減できる。
【0048】
なお、基板２３の上にグラフェン１５を直接形成すると、そのグラフェン１５を走行する電子が酸化シリコン層２２の表面極性フォノンによって散乱されてしまい、電子の移動度が低下するおそれがある。そのため、本実施形態のように受光層１４の下に下地層として六方晶窒化ホウ素層１９を形成し、酸化シリコン層２２の表面極性フォノンの影響がグラフェン１５に及ぶのを六方晶窒化ホウ素層１９で抑制するのが好ましい。
【0049】
特に、六方晶窒化ホウ素層１９は、グラフェン１５における電子の移動度を高い値に維持する機能に優れているため、受光層１４の下に形成する下地層として好適である。
なお、このように表面極性フォノンの影響を低減する機能を有する下地層としては、六方晶窒化ホウ素層の他に、ダイヤモンドライクカーボン層もある。
また、受光層１４を大気から保護するために、受光層１４の上面に保護層として六方晶窒化ホウ素層１９を形成してもよい。
図１５は、このように受光層１４の上面に六方晶窒化ホウ素層１９を形成した場合の光検出素子３０の断面図である。
なお、このように表面極性フォノンの影響を低減する機能を有する下地層としては、六方晶窒化ホウ素層の他に、ダイヤモンドライクカーボン層もある。
また、受光層１４を大気から保護するために、受光層１４の上面に保護層として六方晶窒化ホウ素層１９を形成してもよい。
図１５は、このように受光層１４の上面に六方晶窒化ホウ素層１９を形成した場合の光検出素子３０の断面図である。
【0050】
六方晶窒化ホウ素層１９は、赤外光に対して透明な絶縁層である。したがって、光検出素子３０を赤外線検出素子として使用する場合、赤外光が六方晶窒化ホウ素層１９によって遮られるのを防止できると共に、各電極２５、２６同士が六方晶窒化ホウ素層１９によって電気的に短絡することもない。
【0051】
なお、この六方晶窒化ホウ素層１９は、図９Ａの工程で基板２３側に受光層１４を転写した後、図８Ｂの工程と同様に単原子層の厚さ（０．３４nm）～１００nm程度の厚さの六方晶窒化ホウ素層１９を受光層１４に転写することで形成され得る。
（第２実施形態）
（第２実施形態）
【0052】
第１実施形態では、図４Ｃを参照して説明したように、複数のグラフェン１５が積層された受光層１４を一回の成膜プロセスで形成した。本実施形態では、これとは別の方法で受光層１４を形成する。
【0053】
図１６Ａ～図１９は、本実施形態に係る光検出素子の製造途中の断面図である。なお、図１６Ａ～図１９において、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【0054】
まず、図１６Ａに示すように、触媒金属層３１として銅箔を用意し、不図示の熱CVD炉に触媒金属層３１を入れる。そして、触媒金属層３１を１０００℃程度に加熱しながら炉の中にメタン、水素、及びアルゴンの混合ガスを供給する。この状態を３０分程度維持することにより、触媒金属層３１の触媒作用によってその上に単原子層のグラフェン１５が成長する。
【0055】
なお、触媒金属層３１に代えて、表面に酸化シリコン層が形成されたシリコン基板を用意してもよい。そして、その酸化シリコン層の表面に銅層等の触媒金属層を形成してその上に単原子層のグラフェン１５を形成してもよい。
【0056】
次に、図１６Ｂに示すように、グラフェン１５の上にPMMA等のポリマをスピンコート法で０．１μm～１００μm程度の厚さに塗布し、そのポリマの塗膜を第３の支持層３２とする。なお、ポリマに代えてレジストの塗膜を第３の支持層３２として形成してもよい。
その後、第３の支持層３２を室温～２００℃程度の温度に加熱して膜中の溶媒成分を除去する。
その後、第３の支持層３２を室温～２００℃程度の温度に加熱して膜中の溶媒成分を除去する。
【0057】
そして、図１６Ｃに示すように、例えば塩化鉄溶液で触媒金属層３１を溶解して除去し、第３の支持層３２の表面に単原子層のグラフェン１５が形成された構造を得る。
次に、図１７Ａに示すように、上記の触媒金属層３１とは別に、シリコンウエハ２１の上に酸化シリコン層２２が形成された素子用の基板２３を用意する。
次に、図１７Ａに示すように、上記の触媒金属層３１とは別に、シリコンウエハ２１の上に酸化シリコン層２２が形成された素子用の基板２３を用意する。
【0058】
続いて、図１７Ｂに示すように、第１実施形態の図６Ａ～図７Ｂの工程に従って六方晶窒化ホウ素層１９の上に第２の支持層２０を形成する。そして、六方晶窒化ホウ素層１９を下にして第２の支持層２０を基板２３側に密着させることにより、基板２３に六方晶窒化ホウ素層１９を転写する。
その後に、アセトン等の有機溶剤で第２の支持層２０を溶解して除去する。
その後に、アセトン等の有機溶剤で第２の支持層２０を溶解して除去する。
【0059】
次に、図１８Ａに示すように、図１６Ｃのように表面に単原子層のグラフェン１５が形成された第３の支持層３２を用意する。そして、グラフェン１５を下にして第３の支持層３２を基板２３側に密着させることにより、六方晶窒化ホウ素層１９の上に単原子層のグラフェン１５を転写する。その後、アセトン等の有機溶剤で第３の支持層３２を溶解して除去する。
【0060】
そして、図１８Ｂに示すように、上記したグラフェン１５の転写を一層ずつ行う。このとき、各グラフェン１５の格子が平面視で相互にランダムにずれるように、グラフェン１５を転写する度に基板２３と第３の支持層３２の相互の位置を基板面内でランダムにずらす。ずらす方向は特に限定されず、基板面内で基板２３と第３の支持層３２を相互に回転させてもよいし、これらを相互に平行移動させてもよい。
【0061】
これにより、第１実施形態の図１２と同様に、各々の格子が平面視で相互にランダムにずれたグラフェン１５を積層してなる受光層１４を形成することができる。受光層１４におけるグラフェン１５の積層数は、５層～５００層、例えば１００層程度とする。
この後は、第１実施形態の図９Ｂ～図１１Ｂの工程を行うことにより、図１９に示す本実施形態に係る光検出素子３０の基本構造を得る。
この後は、第１実施形態の図９Ｂ～図１１Ｂの工程を行うことにより、図１９に示す本実施形態に係る光検出素子３０の基本構造を得る。
【0062】
以上説明した本実施形態においても、受光層１４における各グラフェン１５の格子が相互にランダムにずれている。そのため、第１実施形態と同様に受光層１４がグラファイト化するのが抑制され、光検出素子３０の高感度化を実現することが可能となる。
【0063】
しかも、本実施形態では、図１８Ａ～図１８Ｂに示したように、基板２３と第３の支持層３２との相互の位置をランダムにずらしながら基板２３側にグラフェン１５を一層ずつ転写する。これにより、複数のグラフェン１５の各々の格子を相互に確実にずらすことができる。
（第３実施形態）
本実施形態では、以下のようにして基板２３の表面極性フォノンの影響がグラフェン１５に及ぶのを抑制する。
（第３実施形態）
本実施形態では、以下のようにして基板２３の表面極性フォノンの影響がグラフェン１５に及ぶのを抑制する。
【0064】
図２０Ａ～図２１Ｂは、本実施形態に係る光検出素子の製造途中の断面図である。なお、図２０Ａ～図２１Ｂにおいて、第１実施形態で説明したのと同じ要素には第１実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【0065】
まず、第１実施形態の図４Ａ～図１１Ｂの工程を行うことにより、図２０Ａに示すように、基板２３の上に受光層１４と各電極２５、２６とが形成された構造を得る。但し、本実施形態では酸化シリコン層２２の上に六方晶窒化ホウ素層１９（図１１Ｂ参照）を形成せずに、厚さが１０００nm程度の酸化シリコン層２２の上に受光層１４を直接形成する。
【0066】
次いで、図２０Ｂに示すように、基板２３の上側全面にフォトレジストを塗布し、それを露光、現像することにより、受光層１４の上に開口３３ａを備えたマスク層３３を形成する。
図２２は、本工程を終了した後の平面図であり、先の図２０Ｂは図２２のII－II線に沿う断面図に相当する。
図２２に示すように、開口３３ａと受光層１４との間には隙間が形成されており、その隙間から酸化シリコン層２２が露出する。
図２２は、本工程を終了した後の平面図であり、先の図２０Ｂは図２２のII－II線に沿う断面図に相当する。
図２２に示すように、開口３３ａと受光層１４との間には隙間が形成されており、その隙間から酸化シリコン層２２が露出する。
【0067】
続いて、図２１Ａに示すように、開口３３ａから露出している部分の酸化シリコン層２２を緩衝フッ酸でエッチングし、受光層１４の下の基板２３の表面２３ｘに凹部２３ａを形成する。
その後に、図２１Ｂに示すようにマスク層３３を除去し、本実施形態に係る光検出素子３５の基本構造を完成させる。
図２３は、本工程を終了した後の平面図であり、先の図２１Ｂは図２３のIII－III線に沿う断面図に相当する。
図２３に示すように、凹部２３ａと受光層１４との間の隙間にはシリコンウエハ２１が露出する。
その後に、図２１Ｂに示すようにマスク層３３を除去し、本実施形態に係る光検出素子３５の基本構造を完成させる。
図２３は、本工程を終了した後の平面図であり、先の図２１Ｂは図２３のIII－III線に沿う断面図に相当する。
図２３に示すように、凹部２３ａと受光層１４との間の隙間にはシリコンウエハ２１が露出する。
【0068】
以上説明した本実施形態によれば、図２１Ｂに示したように、受光層１４の下の基板２３に凹部２３ａを形成し、凹部２３ａの下面２３ｂから受光層１４を上方に離間させる。これにより、下面２３ｂの表面極性フォノンの影響がグラフェン１５に及ぶのを抑制でき、グラフェン１５における電子の移動度を高い状態に維持することが可能となる。
【0069】
特に、酸化シリコン層２２は、その表面極性フォノンによってグラフェン１５の移動度を大きく低下させてしまうため、このように凹部２３ａを形成して移動度の低下を抑えるのが好ましい。
（第４実施形態）
本実施形態では、以下のようにしてグラフェン１５と各電極２５、２６との間のコンタクト抵抗を低減する。
（第４実施形態）
本実施形態では、以下のようにしてグラフェン１５と各電極２５、２６との間のコンタクト抵抗を低減する。
【0070】
図２４Ａ～図２６は、本実施形態に係る光検出素子の製造途中の断面図である。なお、図２４Ａ～図２６において、第１～第３実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
まず、第１実施形態で説明した図４Ａ～図９Ｂの工程を行うことにより、図２４Ａに示すように、受光層１４の上にマスク層２４が形成された構造を得る。
まず、第１実施形態で説明した図４Ａ～図９Ｂの工程を行うことにより、図２４Ａに示すように、受光層１４の上にマスク層２４が形成された構造を得る。
【0071】
但し、本実施形態では、後で電極を形成する第１の領域R1と第２の領域R2におけるマスク層２４に、それぞれ第１の開口２４ａと第２の開口２４ｂを複数形成する。
【0072】
次に、図２４Ｂに示すように、各開口２４ａ、２４ｂを通じて受光層１４を酸素プラズマで等方的にエッチングする。これにより、第１の領域R1においては、複数のテーパ状の第１のホール１４ｘと第１の側面１４ａとが受光層１４に形成される。また、第２の領域R2においては、複数のテーパ状の第２のホール１４ｙと第２の側面１４ｂとが受光層１４に形成される。これらのホール１４ｘ、１４ｙの直径は、例えば０．０２μm～２μm程度である。
その後に、図２５Ａに示すように、マスク層２４を除去する。
その後に、図２５Ａに示すように、マスク層２４を除去する。
【0073】
次いで、図２５Ｂに示すように、第１の側面１４ａと第１のホール１４ｘが露出する開口を備えたレジスト層（不図示）を形成し、更に基板２３の上側全面に蒸着法によりチタン層を形成する。その後に、レジスト層を除去することにより、第１のホール１４ｘ内と第１の側面１４ａとにチタン層を第１の電極２５として残し、それ以外の不要なチタン層を除去する。
【0074】
続いて、図２６に示すように、第２の側面１４ｂと第２のホール１４ｙとが露出する開口を備えたレジスト層（不図示）を形成する。その後、白金層を基板２３の上側全面に蒸着法で形成し、更にレジスト層を除去することにより、第２のホール１４ｙ内と第２の側面１４ｂに白金層を第２の電極２６として残し、それ以外の不要な白金層を除去する。
以上により、本実施形態に係る光検出素子４０の基本構造が完成する。
図２７は、光検出素子４０の平面図であって、先の図２６は図２７のIV－IV線に沿う断面図に相当する。
図２７に示すように、第１のホール１４ｘと第２のホール１４ｙの各々は、平面視でグリッド状に配される。
以上により、本実施形態に係る光検出素子４０の基本構造が完成する。
図２７は、光検出素子４０の平面図であって、先の図２６は図２７のIV－IV線に沿う断面図に相当する。
図２７に示すように、第１のホール１４ｘと第２のホール１４ｙの各々は、平面視でグリッド状に配される。
【0075】
上記した本実施形態によれば、受光層１４に第１のホール１４ｘを形成してその内部にも第１の電極２５を形成する。そのため、第１の側面１４ａだけでなく第１のホール１４ｘにおいても第１の電極２５がグラフェン１５の端部１５ａに接するようになり、第１の電極２５とグラフェン１５との間のコンタクト抵抗を低減できる。
【0076】
しかも、第１のホール１４ｘをテーパ状としたことで、グラフェン１５の端部１５ａに第１の電極２５の材料が上から付着し易くなるため、第１の電極２５とグラフェン１５との間のコンタクト抵抗を更に低減できる。同様に、第２のホール１４ｙにおいても第２の電極２６とグラフェン１５と間のコンタクト抵抗を低減することが可能となる。
（第５実施形態）
本実施形態では、第４実施形態とは別の構造を採用することにより、グラフェン１５と各電極２５、２６との間のコンタクト抵抗を低減する。
（第５実施形態）
本実施形態では、第４実施形態とは別の構造を採用することにより、グラフェン１５と各電極２５、２６との間のコンタクト抵抗を低減する。
【0077】
【0078】
図２８に示すように、本実施形態における第１の電極２５は、平面視で櫛歯状であって、第１の方向Xに沿って延びる複数の第１の歯２５ａを有する。同様に、第２の電極２６も平面視で櫛歯状であって、第１の方向Xに沿って延びる複数の第２の歯２６ａを有する。
これらの歯２５ａ、２６ａの長さと幅は特に限定されないが、例えば各歯２５ａ、２６ａを第１の方向Xに沿って１μm～１００μm程度の長さに形成し、各歯２５ａ、２６ａの幅を０．０２μm～５μm程度とする。また、各歯２５ａ、２６ａは、第１の方向Xに交差する第２の方向Yに沿って間隔をおいて設けられる。第２の方向Yに沿って隣接する第１の歯２５ａ同士の間隔は例えば１μm～２０μm程度である。これについては第２の歯２６ａでも同様である。
なお、図２８の例では各歯２５ａ、２６ａの間隔を不均一としているが、各歯２５ａ、２６ａを等間隔に配置してもよい。
図２９Ａは図２８のV－V線に沿う断面図であり、図２９Ｂは図２８のVI－VI線に沿う断面図である。
図２９Ａに示すように、第１の電極２５は、第１実施形態と同様に受光層１４の第１の側面１４ａとその周囲に形成される。
これらの歯２５ａ、２６ａの長さと幅は特に限定されないが、例えば各歯２５ａ、２６ａを第１の方向Xに沿って１μm～１００μm程度の長さに形成し、各歯２５ａ、２６ａの幅を０．０２μm～５μm程度とする。また、各歯２５ａ、２６ａは、第１の方向Xに交差する第２の方向Yに沿って間隔をおいて設けられる。第２の方向Yに沿って隣接する第１の歯２５ａ同士の間隔は例えば１μm～２０μm程度である。これについては第２の歯２６ａでも同様である。
なお、図２８の例では各歯２５ａ、２６ａの間隔を不均一としているが、各歯２５ａ、２６ａを等間隔に配置してもよい。
図２９Ａは図２８のV－V線に沿う断面図であり、図２９Ｂは図２８のVI－VI線に沿う断面図である。
図２９Ａに示すように、第１の電極２５は、第１実施形態と同様に受光層１４の第１の側面１４ａとその周囲に形成される。
【0079】
また、図２９Ｂに示すように、受光層１４には第１の溝１４ｃと第２の溝１４ｄがそれぞれ複数形成される。これらの溝１４ｃ、１４ｄは、第４実施形態の図２４Ｂの工程と同様に、マスク層２４で覆われていない部分の受光層１４を等方的にエッチングすることで形成され得る。そして、これらの溝１４ｃ、１４ｄに、第１の歯２５ａと第２の歯２６ａの各々が埋め込まれる。
【0080】
これにより、第１の溝１４ｃにおいて第１の歯２５ａがグラフェン１５の端部１５ａに接するようになり、第１の溝１４ｃがない場合と比較して第１の電極２５とグラフェン１５との間のコンタクト抵抗を低減できる。同様に、第２の溝１４ｄに第２の歯２６ａを形成することにより、第２の電極２６とグラフェン１５との間のコンタクト抵抗も低減できる。なお、第４実施形態のように各電極２５、２６の下にホール１４ｘ、１４ｙを設け、各電極２５、２６とグラフェン１５との間のコンタクト抵抗を更に低減してもよい。
【0081】
しかも、図２８のように各電極２５、２６を櫛歯状としたことにより、受光層１４が光を受光するスペースSを各歯２５ａ、２６ａの間に確保でき、受光層１４の受光面積が低減するのを抑制できる。
（第６実施形態）
本実施形態では、以下のようにして光検出素子から出力される出力電圧を高める。
（第６実施形態）
本実施形態では、以下のようにして光検出素子から出力される出力電圧を高める。
【0082】
【0083】
図３０に示すように、本実施形態では、第１の方向Xに沿って延びる素子分離溝１４ｅを受光層１４に形成し、その素子分離溝１４ｅで受光層１４を第１～第４の受光部D1～D4に分離する。これらの受光部D1～D4は、平面視で矩形状であって、第１の方向Xと交差する第２の方向Yに沿って間隔をおいて配される。なお、素子分離溝１４ｅの幅は０．０２μm～５μm程度である。
【0084】
そして、第１の電極２５と第２の電極２６とを受光部D1～D4ごとに設け、隣接する受光部の各電極２５、２６同士を電気的に接続する。なお、両端の第１の電極２５と第２の電極２６の各々には、受光層１４の出力電圧を取り出すための出力パッド２５ｐ、２６ｐが設けられる。
このような構造によれば、各受光部D1～D4が直列に接続されるため、光検出素子５０から出力される出力電圧を高めることが可能となる。
図３１Ａは図３０のVII－VII線に沿う断面図であり、図３１Ｂは図３０のVIII－VIII線に沿う断面図である。
図３１Ａに示すように、VII－VII線に沿う断面には２１の電極２６が現れず、第１の電極２５が現れる。
このような構造によれば、各受光部D1～D4が直列に接続されるため、光検出素子５０から出力される出力電圧を高めることが可能となる。
図３１Ａは図３０のVII－VII線に沿う断面図であり、図３１Ｂは図３０のVIII－VIII線に沿う断面図である。
図３１Ａに示すように、VII－VII線に沿う断面には２１の電極２６が現れず、第１の電極２５が現れる。
【0085】
また、図３１Ｂに示すように、各電極２５、２６は、素子分離溝１４ｅの側面に形成される。素子分離溝１４ｅは、第４実施形態の図２４Ｂの工程と同様に、マスク層２４で覆われていない部分の受光層１４を等方的にエッチングすることで形成され得る。
このような構造によれば、素子分離溝１４ｅにおいて各電極２５、２６とグラフェン１５の端部１５ａとを接続することができる。
（第７実施形態）
本実施形態では、第１～第６実施形態で説明した光検出素子を備えた光センサについて説明する。
このような構造によれば、素子分離溝１４ｅにおいて各電極２５、２６とグラフェン１５の端部１５ａとを接続することができる。
（第７実施形態）
本実施形態では、第１～第６実施形態で説明した光検出素子を備えた光センサについて説明する。
【0086】
図３２は、本実施形態に係る光センサの斜視図である。なお、図３２において、第１～第６実施形態で説明したのと同じ要素にはこれらの実施形態におけるのと同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。
この光センサ７０は、画像を取得するためのイメージセンサであって、撮像素子７１とそれを駆動する駆動素子７２とを有する。
このうち、撮像素子７１は、平面内に間隔をおいて複数形成された画素７３を備える。
この光センサ７０は、画像を取得するためのイメージセンサであって、撮像素子７１とそれを駆動する駆動素子７２とを有する。
このうち、撮像素子７１は、平面内に間隔をおいて複数形成された画素７３を備える。
【0087】
一方、駆動素子７２は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)構造の複数のトランジスタが形成されたシリコン基板を備える。これらのトランジスタには、光検出素子３０を含む各画素７３を選択する選択トランジスタや、画素７３の出力電圧を増幅するアンプ等の増幅回路用のトランジスタ等が含まれる。また、駆動素子７２には入出力用のパッド７４が設けられる。撮像素子７１を駆動するための駆動電圧はそのパッド７４から入力される。そして、増幅回路で増幅された出力電圧はパッド７４から出力される。
なお、撮像素子７１と駆動素子７２の各々は、バンプ７５によって機械的かつ電気的に接続される。
図３３は、この光センサ７０の等価回路図である。
なお、撮像素子７１と駆動素子７２の各々は、バンプ７５によって機械的かつ電気的に接続される。
図３３は、この光センサ７０の等価回路図である。
【0088】
図３３に示すように、光センサ７０は、水平走査シフトレジスタ８１、垂直走査シフトレジスタ８２、列選択トランジスタ８３、ソースフォロア電流設定トランジスタ８６、及び出力アンプ８９を備える。
【0089】
このうち、水平走査シフトレジスタ８１は、複数の列選択トランジスタ８３のうちの一つのゲートに列選択電圧Vcol_selを印加し、その列選択トランジスタ８３をオン状態にする。
【0090】
また、垂直走査シフトレジスタ８２は、複数のアドレス線９１のうちの一つに行選択電圧Vrow_selを印加する。これにより、そのアドレス線９１に繋がる画素７３の行選択トランジスタ８４がオン状態になる。
一方、画素７３は、光検出素子３０、行選択トランジスタ８４、増幅トランジスタ８５、入力アンプ８７、及び電源８８を有する。なお、第１実施形態に係る光検出素子３０に代えて、第２～第５実施形態に係る光検出素子を使用してもよい。
一方、画素７３は、光検出素子３０、行選択トランジスタ８４、増幅トランジスタ８５、入力アンプ８７、及び電源８８を有する。なお、第１実施形態に係る光検出素子３０に代えて、第２～第５実施形態に係る光検出素子を使用してもよい。
【0091】
光検出素子３０に光が入射すると、その光の強度に応じた出力電圧Voutが光検出素子３０から入力アンプ８７に出力される。その入力アンプ８７には、電源８８の電圧が基準電圧Vrefとして入力されており、基準電圧Vrefと出力電圧Voutとの電圧差を増幅した増幅電圧Vampが入力アンプ８７から出力される。
【0092】
基準電圧Vrefの値は特に限定されない。例えば、光検出素子３０の平均的な出力電圧に応じて基準電圧Vrefの値を適宜調節することにより、増幅電圧Vampが後段の各回路に適合するようにすればよい。
【0093】
増幅電圧Vampは、増幅トランジスタ８５のゲートに印加される。増幅トランジスタ８５はソースフォロワ型のアンプとして機能し、増幅電圧Vampに対応した電圧が増幅トランジスタ８５のソースに出力される。
【0094】
増幅トランジスタ８５のソースには行選択トランジスタ８４が接続されており、行選択トランジスタ８４がオン状態のときに、増幅電圧Vampに応じた大きさの画素電圧Vpixelが垂直バス線９２に出力される。
【0095】
このように、この光センサ７０においては、水平走査シフトレジスタ８１と垂直走査シフトレジスタ８２によって選択した一つの画素７３から画素電圧Vpixelを取り出すことができる。
【0096】
そして、選択する画素７３を時間と共に切り替えていくことにより、水平バス線９３に画素電圧Vpixelが順次出力される。なお、水平バス線９３の電流量はソースフォロア電流設定トランジスタ８６によって設定される。これらの画素電圧Vpixelは、水平バス線９３を介して出力アンプ８９に入力される。出力アンプ８９は、各々の画素電圧Vpixelを増幅してアナログ値の画像信号Soutを外部に出力する。
【0097】
このような光センサ７０によれば、第１実施形態で説明したように、格子が相互にランダムにずれた各グラフェン１５によって光検出素子３０の感度が高められるため、微弱な光であっても画像を取得することができる。
次に、この光センサ７０を備えた撮像装置について説明する。
図３４は、本実施形態に係る撮像装置１００の構成図である。
次に、この光センサ７０を備えた撮像装置について説明する。
図３４は、本実施形態に係る撮像装置１００の構成図である。
【0098】
図３４に示すように、この撮像装置１００は、光センサ７０を収容した筐体１０１を備える。その筐体１０１には、撮像レンズ１０２、フィルタ１０３、A/D変換部１０４、感度補正部１０５、表示調整部１０６、補正係数メモリ１０７、及び光センサ・ドライバ部１０８が設けられる。
この例では、撮像レンズ１０２の焦点に光センサ７０の各光検出素子３０を配置し、光センサ・ドライバ部１０８で光センサ７０を制御しながら、前述の駆動素子７２で撮像素子７１からの出力を取り出す。
この例では、撮像レンズ１０２の焦点に光センサ７０の各光検出素子３０を配置し、光センサ・ドライバ部１０８で光センサ７０を制御しながら、前述の駆動素子７２で撮像素子７１からの出力を取り出す。
【0099】
また、フィルタ１０３は、波長が例えば１０００nm以上の赤外光を透過する赤外線透過フィルタであって、撮像レンズ１０２と光センサ７０との間に設けられる。そのフィルタ１０３により、光センサ７０において赤外線画像が取得されることになる。
また、A/D変換部１０４は、光センサ７０から出力された画像信号Soutをデジタル信号に変換し、それを後段の感度補正部１０５に出力する。
また、A/D変換部１０４は、光センサ７０から出力された画像信号Soutをデジタル信号に変換し、それを後段の感度補正部１０５に出力する。
【0100】
感度補正部１０５は、複数の画素７３の感度のばらつきを加味して画像信号Soutを補正する回路である。この例では、各画素７３の感度を補正するための補正係数を補正係数メモリ１０７に予め記憶させておく。そして、その補正係数メモリ１０７を感度補正部１０５が参照することにより、感度補正部１０５が画像信号Soutを補正する。
【0101】
補正後の画像信号Soutは、表示調整部１０６に入力される。表示調整部１０６は、画像信号Soutのゲインやオフセットを調整して画像のコントラストを最適化する回路であり、調整後の最終的な画像信号Soutを外部に出力する。
【0102】
このような撮像装置によれば、前述のように光センサ７０における光検出素子３０の感度が高められているため、撮像対象から出る赤外光が微弱な場合であっても明瞭な赤外像を取得することができる。
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１） 基板と、
前記基板の上に形成され、各々の格子が平面視で相互にランダムにずれるように積層された複数のグラフェンを備えた受光層と、
前記受光層に接する第１の電極と、
前記受光層に接し、前記第１の電極とは材料が異なる第２の電極と、
を有することを特徴とする光検出素子。
（付記２） 前記受光層のバンド曲線は、逆格子空間のK点において線型であることを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記３） 前記基板の上に、六方晶窒化ホウ素又はダイヤモンドライクカーボンを含む下地層が形成され、
前記下地層の上に前記受光層が形成されたことを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記４） 前記受光層の下の前記基板の表面に凹部が形成されたことを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記５） 前記受光層の上面に、六方晶窒化ホウ素層が形成されたことを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記６） 前記受光層は、前記基板の法線方向に対して傾斜した第１の側面と、前記法線方向に対して傾斜した第２の側面とを有し、
前記第１の側面に前記第１の電極が形成され、かつ前記第２の側面に前記第２の電極が形成されたことを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記７） 前記受光層は、第１の領域と第２の領域とを有し、
前記第１の領域における前記受光層に複数の第１のホールが形成され、
前記第２の領域における前記受光層に複数の第２のホールが形成され、
前記第１の電極が複数の前記第１のホール内に形成され、
前記第２の電極が複数の前記第２のホール内に形成されたことを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記８） 前記第１のホールと前記第２のホールの各々は、断面視でテーパ状であることを特徴とする付記７に記載の光検出素子。
（付記９） 前記受光層に、複数の第１の溝と複数の第２の溝とが形成され、
前記第１の電極は、複数の前記第１の溝の各々に埋め込まれた複数の第１の歯を備えた櫛歯状であり、
前記第２の電極は、複数の前記第２の溝の各々に埋め込まれた複数の第２の歯を備えた櫛歯状であることを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記１０） 前記受光層は、素子分離溝によって第１の受光部と第２の受光部とに分離され、
前記第１の受光部と前記第２の受光部ごとに、前記第１の電極と前記第２の電極とが設けられ、
前記第１の受光部の前記第１の電極と、前記第２の受光部の前記第２の電極とが電気的に接続されたことを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記１１） 基板の上に、各々の格子が平面視で相互にランダムにずれるように積層された複数のグラフェンを備えた受光層を形成する工程と、
前記受光層に接する第１の電極を形成する工程と、
前記第１の電極とは材料が異なる第２の電極を前記受光層に接するように形成する工程と、
を有することを特徴とする光検出素子の製造方法。
（付記１２） 前記受光層のバンド曲線は、逆格子空間のK点において線型であることを特徴とする付記１１に記載の光検出素子の製造方法。
（付記１３） 前記受光層を形成する工程は、各々の前記格子が平面視で相互にランダムにずれるように第１の支持層の上に形成された複数の前記グラフェンの各々を前記基板側に一度に転写することにより行われることを特徴とする付記１１に記載の光検出素子の製造方法。
（付記１４） 前記受光層を形成する工程は、第２の支持層の上に形成された単原子層の前記グラフェンを、前記基板と前記第２の支持層との相互の位置をランダムにずらしながら一層ずつ転写することにより行われることを特徴とする付記１１に記載の光検出素子の製造方法。
（付記１５） 前記受光層の下の前記基板の表面に凹部を形成する工程を更に有することを特徴とする付記１１に記載の光検出素子の製造方法。
（付記１６） 前記受光層を形成する工程の前に、前記基板の上に六方晶窒化ホウ素又はダイヤモンドライクカーボンを含む下地層を形成する工程を更に有することを特徴とする付記１１に記載の光検出素子の製造方法。
（付記１７） 前記下地層を形成する工程は、第３の支持層の上に形成された前記下地層を、前記基板を加熱しながら前記基板側に転写することにより行われることを特徴とする付記１６に記載の光検出素子の製造方法。
（付記１８） 平面内に間隔をおいて複数形成され、入射光の強度に応じた出力電圧を出力する画素と、
前記出力電圧を増幅する増幅回路とを備え、
前記画素は、
基板と、
前記基板の上に形成され、各々の格子が平面視で相互にランダムにずれるように積層された複数のグラフェンを備えた受光層と、
前記受光層に接する第１の電極と、
前記受光層に接し、前記第１の電極とは材料が異なる第２の電極とを有することを特徴とする光センサ。
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１） 基板と、
前記基板の上に形成され、各々の格子が平面視で相互にランダムにずれるように積層された複数のグラフェンを備えた受光層と、
前記受光層に接する第１の電極と、
前記受光層に接し、前記第１の電極とは材料が異なる第２の電極と、
を有することを特徴とする光検出素子。
（付記２） 前記受光層のバンド曲線は、逆格子空間のK点において線型であることを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記３） 前記基板の上に、六方晶窒化ホウ素又はダイヤモンドライクカーボンを含む下地層が形成され、
前記下地層の上に前記受光層が形成されたことを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記４） 前記受光層の下の前記基板の表面に凹部が形成されたことを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記５） 前記受光層の上面に、六方晶窒化ホウ素層が形成されたことを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記６） 前記受光層は、前記基板の法線方向に対して傾斜した第１の側面と、前記法線方向に対して傾斜した第２の側面とを有し、
前記第１の側面に前記第１の電極が形成され、かつ前記第２の側面に前記第２の電極が形成されたことを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記７） 前記受光層は、第１の領域と第２の領域とを有し、
前記第１の領域における前記受光層に複数の第１のホールが形成され、
前記第２の領域における前記受光層に複数の第２のホールが形成され、
前記第１の電極が複数の前記第１のホール内に形成され、
前記第２の電極が複数の前記第２のホール内に形成されたことを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記８） 前記第１のホールと前記第２のホールの各々は、断面視でテーパ状であることを特徴とする付記７に記載の光検出素子。
（付記９） 前記受光層に、複数の第１の溝と複数の第２の溝とが形成され、
前記第１の電極は、複数の前記第１の溝の各々に埋め込まれた複数の第１の歯を備えた櫛歯状であり、
前記第２の電極は、複数の前記第２の溝の各々に埋め込まれた複数の第２の歯を備えた櫛歯状であることを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記１０） 前記受光層は、素子分離溝によって第１の受光部と第２の受光部とに分離され、
前記第１の受光部と前記第２の受光部ごとに、前記第１の電極と前記第２の電極とが設けられ、
前記第１の受光部の前記第１の電極と、前記第２の受光部の前記第２の電極とが電気的に接続されたことを特徴とする付記１に記載の光検出素子。
（付記１１） 基板の上に、各々の格子が平面視で相互にランダムにずれるように積層された複数のグラフェンを備えた受光層を形成する工程と、
前記受光層に接する第１の電極を形成する工程と、
前記第１の電極とは材料が異なる第２の電極を前記受光層に接するように形成する工程と、
を有することを特徴とする光検出素子の製造方法。
（付記１２） 前記受光層のバンド曲線は、逆格子空間のK点において線型であることを特徴とする付記１１に記載の光検出素子の製造方法。
（付記１３） 前記受光層を形成する工程は、各々の前記格子が平面視で相互にランダムにずれるように第１の支持層の上に形成された複数の前記グラフェンの各々を前記基板側に一度に転写することにより行われることを特徴とする付記１１に記載の光検出素子の製造方法。
（付記１４） 前記受光層を形成する工程は、第２の支持層の上に形成された単原子層の前記グラフェンを、前記基板と前記第２の支持層との相互の位置をランダムにずらしながら一層ずつ転写することにより行われることを特徴とする付記１１に記載の光検出素子の製造方法。
（付記１５） 前記受光層の下の前記基板の表面に凹部を形成する工程を更に有することを特徴とする付記１１に記載の光検出素子の製造方法。
（付記１６） 前記受光層を形成する工程の前に、前記基板の上に六方晶窒化ホウ素又はダイヤモンドライクカーボンを含む下地層を形成する工程を更に有することを特徴とする付記１１に記載の光検出素子の製造方法。
（付記１７） 前記下地層を形成する工程は、第３の支持層の上に形成された前記下地層を、前記基板を加熱しながら前記基板側に転写することにより行われることを特徴とする付記１６に記載の光検出素子の製造方法。
（付記１８） 平面内に間隔をおいて複数形成され、入射光の強度に応じた出力電圧を出力する画素と、
前記出力電圧を増幅する増幅回路とを備え、
前記画素は、
基板と、
前記基板の上に形成され、各々の格子が平面視で相互にランダムにずれるように積層された複数のグラフェンを備えた受光層と、
前記受光層に接する第１の電極と、
前記受光層に接し、前記第１の電極とは材料が異なる第２の電極とを有することを特徴とする光センサ。
【符号の説明】
【0103】
１０…シリコン基板、１１…酸化シリコン層、１２…下地金属層、１３…触媒金属層、１４…受光層、１４ａ…第１の側面、１４ｂ…第２の側面、１４ｃ…第１の溝、１４ｄ…第２の溝、１４ｅ…素子分離溝、１４ｘ…第１のホール、１４ｙ…第２のホール、１４ｚ…表面、１５…グラフェン、１５ａ…端部、１６…第１の支持層、１７…サファイア基板、１８…触媒金属層、１９…六方晶窒化ホウ素層、２０…第２の支持層、２１…シリコンウエハ、２２…酸化シリコン層、２３…基板、２３ａ…凹部、２３ｂ…下面、２３ｘ…表面、２４…マスク層、２４ａ…第１の開口、２４ｂ…第２の開口、２５…第１の電極、２５ａ…第１の歯、２５ｐ…出力パッド、２６…第２の電極、２６ａ…第２の歯、２６ｐ…出力パッド、３０…光検出素子、３１…触媒金属層、３２…第３の支持層、３３…マスク層、３３ａ…開口、３５、４０、４５、５０…光検出素子、７０…光センサ、７１…撮像素子、７２…駆動素子、７３…画素、７４…パッド、７５…バンプ、８１…水平走査シフトレジスタ、８２…垂直走査シフトレジスタ、８３…列選択トランジスタ、８４…行選択トランジスタ、８５…増幅トランジスタ、８６…ソースフォロア電流設定トランジスタ、８７…入力アンプ、８８…電源、８９…出力アンプ、９１…アドレス線、９２…垂直バス線、９３…水平バス線、１００…撮像装置、１０１…筐体、１０２…撮像レンズ、１０３…フィルタ、１０４…変換部、１０５…感度補正部、１０６…表示調整部、１０７…補正係数メモリ、１０８・・・光センサ・ドライバ部。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】