(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】2023-12-07
(45)【発行日】2023-12-15
(54)【発明の名称】電磁波検出器及び電磁波検出器アレイ
(51)【国際特許分類】
H01L 31/10 20060101AFI20231208BHJP
H01L 31/108 20060101ALI20231208BHJP
G01J 1/02 20060101ALI20231208BHJP
H10N 15/10 20230101ALI20231208BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 E
H01L31/10 C
H01L31/10 D
G01J1/02 Y
H10N15/10
【請求項の数】
18
(21)【出願番号】P 2023540159
(86)(22)【出願日】2022-12-05
(86)【国際出願番号】 JP2022044762
(87)【国際公開番号】W WO2023112751
(87)【国際公開日】2023-06-22
【審査請求日】2023-06-29
(31)【優先権主張番号】P 2021201601
(32)【優先日】2021-12-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度安全保障技術研究推進制度委託事業／防衛装備庁、安全保障技術研究推進制度、グラフェン等２次元機能性原子薄膜を用いた光検知素子の基礎研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小川 新平
(72)【発明者】
【氏名】嶋谷 政彰
(72)【発明者】
【氏名】福島 昌一郎
【審査官】原 俊文
(56)【参考文献】
【文献】中国特許出願公開第１１１３７０５２３（ＣＮ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／０１２０７６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１４４８４９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０８１９８８７６（ＣＮ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１１２０７１９３９（ＣＮ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０８５６５３１２（ＣＮ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１２７１５５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２１／００２０７０（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３１／００－３１／０３９２
Ｈ０１Ｌ ３１／０８－３１／１１９
Ｈ０１Ｌ ２７／１４－２７／１４８
Ｇ０１Ｊ １／０２
Ｈ１０Ｎ １５／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１方向に並んで配置されている第１領域及び第２領域を有する二次元材料層と、前記第１方向に互いに間隔を空けて配置されており、かつ前記二次元材料層の前記第１領域及び前記第２領域を介して互いに電気的に接続されている第１電極部及び第２電極部と、
平面視において前記二次元材料層の前記第１領域と重なる部分を有する第１強誘電体層と、
前記平面視において前記二次元材料層の前記第２領域と重なる部分を有する第２強誘電体層とを備え、
前記第１強誘電体層と前記第２強誘電体層との境界は、前記第１方向と交差する方向に延びており、
前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層の各々を構成する材料は、焦電体であり、
前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層の分極は、前記第１方向に沿っており、
前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層は、電磁波が照射されたときに前記第１領域に生じる電圧変化が前記第２領域に生じる電圧変化と異なるように設けられている、電磁波検出器。
【請求項2】
第１方向に並んで配置されている第１領域及び第２領域を有する二次元材料層と、前記第１方向に互いに間隔を空けて配置されており、かつ前記二次元材料層の前記第１領域及び前記第２領域を介して互いに電気的に接続されている第１電極部及び第２電極部と、
平面視において前記二次元材料層の前記第１領域と重なる部分を有する第１強誘電体層と、
前記平面視において前記二次元材料層の前記第２領域と重なる部分を有する第２強誘電体層とを備え、
前記第１強誘電体層と前記第２強誘電体層との境界は、前記第１方向と交差する方向に延びており、
前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層の各々を構成する材料は、焦電体であり、
前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層は、電磁波が照射されたときに前記第１領域に生じる電圧変化が前記第２領域に生じる電圧変化と異なるように設けられており、
前記第２強誘電体層の上部に配置されており、前記二次元材料層の前記第２領域とショットキー接合している半導体層をさらに備え、
前記第２電極部は、前記二次元材料層の前記第１領域、前記第２領域、及び前記半導体層を介して前記第１電極部と電気的に接続されている、電磁波検出器。
【請求項3】
前記第１強誘電体層を構成する材料の分極率は、前記第２強誘電体層を構成する材料の分極率と異なる、請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項4】
前記第１強誘電体層の厚みは、前記第２強誘電体層の厚みと異なる、請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項5】
前記第１強誘電体層を構成する材料は、前記第２強誘電体層を構成する材料と同じである、請求項４に記載の電磁波検出器。
【請求項6】
前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層の少なくともいずれかには、１つ以上の凹凸が形成されており、前記二次元材料層の前記第１領域および前記第２領域の少なくともいずれかは、前記凹凸上に配置されている、請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項7】
前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層の各々には、複数の凹凸が周期的に形成されており、前記二次元材料層の前記第１領域および前記第２領域の各々は、前記複数の凹凸のうちの少なくとも１つの凹凸上に配置されている、請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項8】
前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層の各々の上面と接している第１絶縁層、及び前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層の各々の下面と接している第２絶縁層の少なくともいずれかをさらに備える、請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項9】
前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層の各々の下部に配置されており、前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層の各々と電気的に接続されている導電層をさらに備える、請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項10】
前記電磁波に対する前記導電層の反射率が、前記電磁波に対する前記第１強誘電体層の反射率よりも高い、請求項９に記載の電磁波検出器。
【請求項11】
前記二次元材料層が前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層の各々の下部に設けられた基板と接触している接触領域をさらに備え、前記境界は、前記二次元材料層のうち前記接触領域にて前記基板と接触している部分と、前記部分を介して互いに対向する前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層の各端面とにより構成されている、請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項12】
前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層の各々の上部又は下部に、中空部分が形成されている、請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項13】
電圧計及び電流計の少なくともいずれかをさらに備え、前記二次元材料層、前記第１電極部、前記第２電極部は、前記第１電極部、前記二次元材料層の前記第１領域、前記二次元材料層の前記第２領域、前記第２電極部の順に電気的に接続されており、
前記第１強誘電体層は、前記第１強誘電体層内の分極が変化したときに前記第１電極部と前記第２電極部との間の抵抗が変化するように配置され、
前記第２強誘電体層は、前記第２強誘電体層内の分極が変化したときに前記第１電極部
と前記第２電極部との間の抵抗が変化するように配置され、
前記電圧計及び前記電流計の少なくともいずれかが前記第１電極部と前記第２電極部との間に流れる電流の電圧及び電流の少なくともいずれかの変化を検出することで前記電磁波を検出するように構成されている、請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項14】
前記二次元材料層は、前記平面視において周期的又は非周期的なパターン形状を有している、請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項15】
前記第１強誘電体層及び前記第２強誘電体層の少なくともいずれかの分極方向は、前記第１方向に沿っている、請求項２に記載の電磁波検出器。
【請求項16】
前記二次元材料層の前記第１領域及び前記第２領域の各々は、乱層構造部分を含む、請求項１または２に記載の電磁波検出器。
【請求項17】
前記二次元材料層は、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、ゲルマネン、グラフェンナノリボン及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または２に記載の電磁波検出器。
【請求項18】
請求項１または２に記載の電磁波検出器を複数備え、前記複数の電磁波検出器は、前記第１方向及び前記第１方向に交差する第２方向の少なくともいずれかに沿って並んで配置されている、電磁波検出器アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、電磁波検出器及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として、例えばグラフェン等の二次元材料層を電磁波検出層として備える電磁波検出器が知られている。二次元材料層は、極めて高い移動度を有しているが、両氏効率が比較的低い。近年、二次元材料層を備える電磁波検出器において、高感度化が進められている。
【0003】
例えば、国際公開第２０１８／０１２０７６号明細書（特許文献１）には、ソース・ドレイン電極間に接続されたグラフェン層の下部または上部に配置された強誘電体層を備える電磁波検出器が提案されている。
【0004】
上記検出器では、入射電磁波、特に赤外線波長域の電磁波が入射することにより強誘電体層が焦電効果を発生する。この焦電効果により、強誘電体層において誘電分極の変化が発生し、その結果、グラフェン層のゲート電圧が変調される。グラフェン層は原子層の厚さかつ電荷移動度が高いことから、わずかなゲート電圧変化によって巨大な電流応答変化が得らえる。このような効果を光ゲート効果と呼ぶ。この光ゲート効果により高感度化が実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】国際公開第２０１８／０１２０７６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記特許文献１に記載された電磁波検出器の感度は、焦電効果により強誘電体層に発生する分極電圧の大きさに依存する。他方、強誘電体層の応答速度は、一般的に低い。そのため、上記電磁波検出器において、強誘電体層に発生する分極電圧を大きくするために強誘電体層の厚みを厚くすると、応答速度が低下する。その結果、上記電磁波検出器では、センサとしての応用を考慮した場合に、感度の向上に限界があった。
【0007】
本開示の主たる目的は、上記電磁波検出器と比べて感度を向上し得る電磁波検出器及び電磁波検出器アレイを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示に係る電磁波検出器は、第１方向に並んで配置されている第１領域及び第２領域を有する二次元材料層と、第１方向に互いに間隔を空けて配置されており、かつ二次元材料層の第１領域及び第２領域を介して互いに電気的に接続されている第１電極部及び第２電極部と、平面視において二次元材料層の第１領域と重なる部分を有する第１強誘電体層と、平面視において二次元材料層の第２領域と重なる部分を有する第２強誘電体層とを備える。第１強誘電体層と第２強誘電体層との境界は、第１方向と交差している。第１強誘電体層及び第２強誘電体層の各々を構成する材料は、焦電体である。第１強誘電体層及び第２強誘電体層は、電磁波が照射されたときに第１領域に生じる電圧変化が第２領域に生じる電圧変化と異なるように設けられている。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、上記電磁波検出器と比べて感度を向上し得る電磁波検出器及び電磁波検出器アレイを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】実施の形態１に係る電磁波検出器を説明するための断面図である。
【図3】実施の形態１に係る電磁波検出器の変形例を説明するための断面図である。
【図4】実施の形態２に係る電磁波検出器を説明するための断面図である。
【図5】実施の形態２に係る電磁波検出器の第１変形例を説明するための断面図である。
【図6】実施の形態２に係る電磁波検出器の第２変形例を説明するための断面図である。
【図7】実施の形態３に係る電磁波検出器を説明するための断面図である。
【図8】実施の形態３に係る電磁波検出器を平面視したときに、第１強誘電体層及び第２強誘電体層の各々に形成されている複数の凹凸の周期的なパターン形状を説明するための平面図である。
【図9】実施の形態３に係る電磁波検出器の変形例を説明するための断面図である。
【図10】実施の形態３に係る電磁波検出器を平面視したときに、第１強誘電体層及び第２強誘電体層の各々に形成されている複数の凹凸の周期的なパターン形状の第２例を説明するための平面図である。
【図11】実施の形態４に係る電磁波検出器を説明するための断面図である。
【図12】実施の形態４に係る電磁波検出器の第１変形例を説明するための断面図である。
【図13】実施の形態４に係る電磁波検出器の第２変形例を説明するための断面図である。
【図14】実施の形態５に係る電磁波検出器を説明するための断面図である。
【図15】実施の形態６に係る電磁波検出器を説明するための断面図である。
【図16】実施の形態６に係る電磁波検出器の第１変形例を説明するための断面図である。
【図17】実施の形態６に係る電磁波検出器の第２変形例を説明するための断面図である。
【図18】実施の形態６に係る電磁波検出器の第３変形例を説明するための断面図である。
【図19】実施の形態７に係る電磁波検出器を説明するための断面図である。
【図21】実施の形態７に係る電磁波検出器の第１変形例を説明するための断面図である。
【図22】実施の形態８に係る電磁波検出器を平面視したときに、二次元材料層の周期的なパターン形状の第１例を説明するための平面図である。二次元材料層の周期的なパターン形状の第１例を説明するための平面図である。
【図23】実施の形態８に係る電磁波検出器を平面視したときに、二次元材料層の周期的なパターン形状の第２例を説明するための平面図である。
【図24】実施の形態８に係る電磁波検出器を平面視したときに、二次元材料層の周期的なパターン形状の第３例を説明するための平面図である。
【図25】実施の形態８に係る電磁波検出器を平面視したときに、二次元材料層の周期的なパターン形状の第４例を説明するための平面図である。
【図26】実施の形態１１に係る電磁波検出器を説明するための断面図である。
【図27】実施の形態１１に係る電磁波検出器の第１変形例を説明するための断面図である。
【図28】実施の形態１１に係る電磁波検出器の第２変形例を説明するための断面図である。
【図29】実施の形態１１に係る電磁波検出器の第３変形例を説明するための断面図である。
【図30】実施の形態１１に係る電磁波検出器の第４変形例を説明するための断面図である。
【図31】実施の形態１２に係る電磁波検出器アレイを説明するための平面図である。
【図32】実施の形態１２に係る電磁波検出器アレイのうちの１つの電磁波検出器と読み出し回路との接続構造を説明するための断面図である。
【図33】実施の形態１２に係る電磁波検出器アレイの変形例を説明するための平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下では、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。
【0012】
以下に説明される実施の形態において、図は模式的なものであり、機能または構造を概念的に説明するものである。また、上述のように、図２及び図２０は実施の形態における電磁波検出器を平面視した平面図であるが、説明の便宜上、図２及び図２０に示される各構成部材にハッチングを付している。また、以下に説明される実施の形態により本開示が限定されるものではない。特記される場合を除いて、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、同一の符号が付されたものは、上述のように同一また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。
【0013】
以下に説明される実施の形態では、可視光または赤外光を検出する場合の電磁波検出器の構成が説明されるが、本開示の電磁波検出器が検出する光は可視光及び赤外光に限定されない。以下に説明される実施の形態は、可視光及び赤外光に加えて、例えば、Ｘ線、紫外光、近赤外光、テラヘルツ（ＴＨｚ）波、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。
【0014】
また、本実施の形態では、グラフェンとしてｐ型グラフェン及び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がｐ型グラフェンと呼ばれ、真性状態のグラフェンよりも電子が多いものがｎ型グラフェンと呼ばれる。つまり、ｎ型の材料は、電子供与性を有する材料である。また、ｐ型の材料は、電子求引性を有する材料である。
【0015】
また、分子全体において電荷に偏りが見られる場合に電子が支配的になるものがｎ型と呼ばれる場合もある。分子全体において電荷に偏りが見られる場合に正孔が支配的になるものがｐ型と呼ばれる場合もある。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は、有機物及び無機物のいずれか一方または有機物及び無機物の混合物が用いられてもよい。
【0016】
また、金属表面と光との相互作用である表面プラズモン共鳴現象等のプラズモン共鳴現象、可視光域及び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、または、波長以下の寸法の構造により波長を操作するという意味でのメタマテリアルまたはメタサーフェスまたはメタ表面また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、または、単に共鳴と呼ぶ。
【0017】
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が行われているが、二次元材料層の材料はグラフェンに限られない。例えば、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）等の材料が適用され得る。遷移金属ダイカルコゲナイドとしては、例えば、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）、二硫化タングステン（ＷＳ２）、二セレン化タングステン（ＷＳｅ２）等の遷移金属ダイカルコゲナイドが挙げられる。
【0018】
より好ましくは、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（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）、グラフェンナノリボン及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んでいるか、これらの材料を複数積層したものであってもよい。
【0019】
遷移金属ダイカルゴゲナイト（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）、グラフェンナノリボン及びボロフェンなどの材料は、グラフェンと類似の構造を有している。これらの材料では、原子が二次元面内に単層で配列されている。したがって、これらの材料が二次元材料層に適用された場合においても、二次元材料層にグラフェンが適用された場合と同様の作用効果が得られる。
【0020】
以下に説明される実施の形態において、電磁波検出器は、第１強誘電体層及び第２強誘電体層を備えている。第１強誘電体層及び第２強誘電体層の各々を構成する材料は、焦電体である。第１強誘電体層及び第２強誘電体層の各々は、焦電効果により生じる電圧変化が異なる部材として定義される。例えば、以下の実施の形態に説明されるように、第１強誘電体層及び第２強誘電体層の各々は、それぞれを構成する材料が互いに異なるものとして定義され得る。あるいは、第１強誘電体層及び第２強誘電体層の各々は、それぞれの厚さが互いに異なるものとして定義され得る。
【0021】
【0022】
図１に示されるように、電磁波検出器１００は、二次元材料層１、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、基板３、第１強誘電体層４ａ、第２強誘電体層４ｂ、及び第３電極部５を備える。
【0023】
二次元材料層１は、第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの各々に電気的に接続されている。二次元材料層１は、第１方向Ｘに並んで配置されている第１領域１ａ及び第２領域１ｂを有する。第１領域１ａは、第１強誘電体層４ａにおいて焦電効果により発生する電圧変化の影響をより強く受ける二次元材料層１内の領域と定義される。第２領域１ｂは、第２強誘電体層４ｂにおいて焦電効果により発生する電圧変化の影響をより強く受ける二次元材料層１内の領域と定義される。
【0024】
第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂは、第１方向Ｘに互いに間隔を空けて配置されており、かつ二次元材料層１の第１領域１ａ及び第２領域１ｂを介して互いに電気的に接続されている。第１電極部２ａは、二次元材料層１の第１領域１ａと電気的に接続されている。第２電極部２ｂは、二次元材料層１の第２領域１ｂと電気的に接続されている。
【0025】
電磁波検出器１００は、二次元材料層１をチャネル、第１電極部２ａをドレイン電極、第２電極部２ｂをソース電極とするトランジスタと考えられる。以下、二次元材料層１をチャネルに用いた上記トランジスタ構造をトランジスタ型と呼ぶ。
【0026】
第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間（ソース・ドレイン電極間）には、バイアス電圧Ｖｄが印加される。第３電極部５にはバックゲート電圧Ｖｂｇが印加される。信号電流の変化は、電流計Ｉｄ等の信号読み出し回路にて検出される。
【0027】
図１に示されるように、第１強誘電体層４ａは、第１方向Ｘにおいて第２強誘電体層４ｂと並んで配置されている。第１方向Ｘにおいて第２領域１ｂ側に位置する第１強誘電体層４ａの第１端部は、例えば、第１方向Ｘにおいて第１領域１ａ側に位置する第２強誘電体層４ｂの第２端部と接している。
【0028】
図１及び図２に示されるように、第１強誘電体層４ａは、平面視において二次元材料層１の第１領域１ａと重なる部分を有する。第１強誘電体層４ａは、例えば平面視において第１電極部２ａと重なる部分を有する。二次元材料層１の第１領域１ａ及び第１電極部２ａは、第１強誘電体層４ａ上に配置されている。第１強誘電体層４ａは、例えば二次元材料層１の第１領域１ａの下面及び第１電極部２ａの下面と接触している上面を有している。
【0029】
第２強誘電体層４ｂは、平面視において二次元材料層１の第２領域１ｂと重なる部分を有する。第２強誘電体層４ｂは、例えば平面視において第２電極部２ｂと重なる部分を有する。二次元材料層１の第２領域１ｂ及び第２電極部２ｂは、第２強誘電体層４ｂ上に配置されている。第２強誘電体層４ｂは、例えば二次元材料層１の第２領域１ｂの下面と接触している上面を有している。
【0030】
第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々を構成する材料は、焦電効果を奏する焦電体である。第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々を構成する材料は、強誘電体層の内部の熱エネルギーの変化に対して分極変化が生じる強誘電体であればよい。なお、焦電効果において電磁波は単に熱源として作用する。このため、焦電効果には、基本的に波長依存性はない。よって、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々には、基本的に波長依存性はない。したがって、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々は、広帯域の電磁波に感度を有する。
【0031】
実施の形態１においては、第１強誘電体層４ａを構成する材料は、第２強誘電体層４ｂを構成する材料と異なっている。第１強誘電体層４ａを構成する材料の分極率は、第２強誘電体層４ｂを構成する材料の分極率と異なっている。例えば、第１強誘電体層４ａを構成する材料の分極率は、第２強誘電体層４ｂを構成する材料の分極率よりも高い。第１強誘電体層４ａの厚みは、例えば第２強誘電体層４ｂの厚みと等しい。
【0032】
図２に示されるように、第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂとの境界４０は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々において焦電効果により生じる電圧変化に起因して二次元材料層１の第１領域１ａと第２領域１ｂとの間に電位差（電圧勾配）が生じるように、設けられている。より具体的には、境界４０は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々において焦電効果により生じる電圧変化に起因して二次元材料層１の第１領域１ａと第２領域１ｂとの間に電圧勾配が生じるように、二次元材料層１に対して位置決めされている。電磁波検出器１００において、境界４０は、第１方向Ｘにおいて第２領域１ｂ側に位置する第１強誘電体層４ａの第１端部の端面と、第１方向Ｘにおいて第１領域１ａ側に位置する第２強誘電体層４ｂの第２端部の端面とにより構成されている。第１端部の端面は、第２端部の端面と接している。
【0033】
図２に示されるように、境界４０は、平面視において二次元材料層１がチャネルとして動作する領域内に形成される。境界４０は、第１方向Ｘと交差する方向に延びている。境界４０は、例えば第１方向Ｘと直交する第２方向Ｙに沿って延びている。境界４０は、例えば二次元材料層１の第１方向Ｘの中央に形成されている。
【0034】
なお、境界４０は、第１領域１ａと第２領域１ｂとの間に上記電圧勾配が形成され得る限りにおいて、任意に形成され得る。境界４０は、平面視において少なくともチャネル領域内に形成されていればよい。境界４０は、平面視において二次元材料層１の第１方向Ｘの中央よりも第１電極部２ａ側又は第２電極部２ｂ側に形成されていてもよい。境界４０は、電流が流れる第１方向Ｘに対して９０°未満の角度を成すように形成されていてもよい。このようにしても、光バイアス効果により電荷取り出し効率は向上するため電磁波検出器１００の感度は向上する。
【0035】
図２に示されるように、第１強誘電体層４ａは、例えば、平面視において二次元材料層１の第１領域１ａの全体と重なるように形成されている。第２強誘電体層４ｂは、例えば、平面視において二次元材料層１の第２領域１ｂの全体と重なるように形成されている。第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂは、例えば平面視において二次元材料層１と重ならない領域にも形成されている。
【0036】
なお、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々は、平面視において二次元材料層１と重ならない領域を含んでいなくてもよい。言い換えると、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの全体が、平面視において二次元材料層１と重なるように形成されていてもよい。また、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々は、平面視において二次元材料層１の一部のみと重なるように形成されていてもよい。第１強誘電体層４ａは、平面視において二次元材料層１の第１領域１ａの一部のみと重なるように形成されていてもよい。第２強誘電体層４ｂは、平面視において二次元材料層１の第２領域１ｂの一部のみと重なるように形成されていてもよい。
【0037】
つまり、二次元材料層１と第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂとの相対的な位置関係は、二次元材料層１に対する境界４０の相対的な位置が第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々において焦電効果により生じる電圧変化に起因して第１領域１ａと第２領域１ｂとの間に電圧勾配が生じるように設定されている限りにおいて、任意に選択され得る。
【0038】
第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂは、基板３上に配置されている。基板３は、第１面及び第１面とは反対側に位置する第２面を有している。基板３は、例えばケイ素（Ｓｉ）等を含む平坦な半導体基板である。基板３を構成する材料は、第１面上の構造が保持され得る限りにおいて、特に制限されない。二次元材料層１、第１電極部２ａ、第１強誘電体層４ａ、及び第２強誘電体層４ｂは、第１面上に配置されている。第３電極部５は、第２面上に配置されている。第３電極部５は、いわゆるバックゲート電極である。
【0039】
次に、二次元材料層１、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、第１強誘電体層４ａ、及び第２強誘電体層４ｂの構成について詳細に説明する。
【0040】
＜二次元材料層１の構成＞
二次元材料層１は、例えば、単層のグラフェンである。単層のグラフェンは、二次元炭素結晶の単原子層である。グラフェンは、六角形状に配置された複数の連鎖の各々にそれぞれ配置された複数の炭素原子を有している。グラフェンの白色光の吸収率は、２．３％と低い。なお、本実施の形態において、白色光は、可視光線の波長を有する光が均等に混ざった光である。
二次元材料層１は、例えば、単層のグラフェンである。単層のグラフェンは、二次元炭素結晶の単原子層である。グラフェンは、六角形状に配置された複数の連鎖の各々にそれぞれ配置された複数の炭素原子を有している。グラフェンの白色光の吸収率は、２．３％と低い。なお、本実施の形態において、白色光は、可視光線の波長を有する光が均等に混ざった光である。
【0041】
また、二次元材料層１は、複数のグラフェン層が積層された多層グラフェンであってもよい。多層グラフェン中のグラフェンのそれぞれの六方格子の格子ベクトルの向きは、一致していてもよいし、異なっていてもよい。また、多層グラフェン中のグラフェンのそれぞれの六方格子の格子ベクトルの向きは、完全に一致していてもよい。また、二次元材料層１は、ｐ型またはｎ型の不純物がドープされたグラフェンであってもよい。二次元材料層１が多層グラフェンである場合、多層グラフェンの積層構造はいわゆるＡＢ積層であってもよいし、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乱層積層であってもよい。乱層積層はランダム積層（turbostratic graphene）とも呼ばれる。
【0042】
二次元材料層１が多層グラフェンである場合、二次元材料層１にはバンドギャップが形成される。すなわち、積層されたグラフェン層の数を変更することによって、バンドギャップの大きさを調整することができる。これにより、二次元材料層１は、光電変換の対象となる電磁波（以下、単に検出波長ともよぶ）を選択する波長選択効果を有することができる。また、例えば、多層グラフェンのグラフェン層の数が増加すると、チャネル領域での移動度が低下する。一方で、多層グラフェンのグラフェン層の数が増加すると、基板からの光キャリア散乱の影響が抑制されるため、電磁波検出器１００のノイズが低下する。このため、多層グラフェンが用いられた二次元材料層１を有する電磁波検出器１００では、光吸収が増加されるため、電磁波の検出感度が向上する。
【0043】
上述のように、二次元材料層１としてナノリボン状のグラフェン（グラフェンナノリボン）が用いられてもよい。二次元材料層１は、グラフェンナノリボン単体であってもよい。二次元材料層１は、複数のグラフェンナノリボンの積層体であってもよい。二次元材料層１の構造は、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であってもよい。二次元材料層１が周期的に配列された複数のグラフェンナノリボンを含む場合、グラフェンナノリボンにおいてプラズモン共鳴を発生するため、電磁波検出器１００の感度が向上する。さらに、実効的に電流が流れる面積が減少するものの、プラズモン共鳴の効果により、照射光量は変わらないため、暗電流を低減することが可能である。
【0044】
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又はグラフェンメタサーフェスと呼ばれることもある。つまり、二次元材料層１としてグラフェンメタマテリアルが用いられた電磁波検出器１００では、上述の効果が得られる。
【0045】
二次元材料層１の第１領域１ａが第１電極部２ａに接触しているため、第１電極部２ａから二次元材料層１に光キャリアがドープされる。例えば、二次元材料層１がグラフェンであり第１電極部２ａが金（Ａｕ）である場合、光キャリアは正孔である。グラフェンの仕事関数と金（Ａｕ）の仕事関数との差によって、第１電極部２ａに接している第２領域１ｂに正孔がドープされる。第２領域１ｂに正孔がドープされた状態において、電磁波検出器１００が電子伝導状態で駆動すると、正孔の影響によって、チャネル内に流れる電子の移動度が低下する。このため、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。特に、二次元材料層１の全ての領域が単層グラフェンによって形成されている場合、第１電極部２ａから二次元材料層１に注入される光キャリアの量（ドープ量）が大きい。このため、電磁波検出器１００の電界効果の移動度の低下は、顕著である。したがって、二次元材料層１の全ての領域が単層グラフェンによって形成されている場合、電磁波検出器１００の性能は低下する。
【0046】
また、二次元材料層１において第１電極部２ａと接している領域が多層グラフェンによって形成されている場合、第１電極部２ａから当該多層グラフェンにドープされる光キャリアの量は、二次元材料層１において第１電極部２ａと接している領域が単層グラフェンによって形成されている場合において第１電極部２ａから当該単層グラフェンにドープされる光キャリアの量よりも少ない。このため、二次元材料層１において第１電極部２ａから光キャリアがドープされる領域が多層グラフェンから形成されている場合には、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。これにより、電磁波検出器１００の電界効果の移動度の低下を抑制することができるため、電磁波検出器１００の性能を向上させることができる。
【0047】
また、二次元材料層１の端部はグラフェンナノリボンであってもよい。この場合、グラフェンナノリボンはバンドギャップを有するため、グラフェンナノリボンと半導体部分との接合領域においてショットキー接合が形成される。
【0048】
＜第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの構成＞
第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの材料は、導電体であれば任意の材料であってよい。第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの材料は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）及びパラジウム（Ｐｄ）の少なくともいずれかを含んでいてもよい。
第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの材料は、導電体であれば任意の材料であってよい。第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの材料は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）及びパラジウム（Ｐｄ）の少なくともいずれかを含んでいてもよい。
【0049】
二次元材料層１の第１領域１ａの厚みは、例えば二次元材料層１の第２領域１ｂの厚みと等しい。
【0050】
＜第１強誘電体層４ａ、第２強誘電体層４ｂの構成＞
第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々を構成する材料は、検出波長を有する電磁波が第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々に入射した際に、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々に分極が生じる材料であれば、任意に選択され得る。第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂを構成する材料は、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム（ＳＢＴ）、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）及び有機ポリマーであるポリフッ化ビニリデン系強誘電体（ＰＶＤＦ、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ－ＣＴＦＥ）からなる群から選択される少なくとも１つを含む。また、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々は、異なる複数の強誘電体材料が積層または混合されることで構成されていてもよい。第１強誘電体層４ａを構成する材料は、例えばＬｉＮｂＯ３である。第２強誘電体層４ｂを構成する材料は、例えばＬｉＴａＯ３である。
第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々を構成する材料は、検出波長を有する電磁波が第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々に入射した際に、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々に分極が生じる材料であれば、任意に選択され得る。第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂを構成する材料は、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム（ＳＢＴ）、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）及び有機ポリマーであるポリフッ化ビニリデン系強誘電体（ＰＶＤＦ、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ－ＣＴＦＥ）からなる群から選択される少なくとも１つを含む。また、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々は、異なる複数の強誘電体材料が積層または混合されることで構成されていてもよい。第１強誘電体層４ａを構成する材料は、例えばＬｉＮｂＯ３である。第２強誘電体層４ｂを構成する材料は、例えばＬｉＴａＯ３である。
【0051】
第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々を構成する材料は、自発分極を有する材料であってもよい。この場合には、電磁波の照射によって第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各温度が上昇することで、自発分極が減少する。
【0052】
好ましくは、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂは、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々における誘電分極の変化速度が可能な限り速くなるように、構成されている。好ましくは、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の厚さ（膜厚）は、二次元材料層１に電圧を印加可能な範囲内において、可能な限り薄い。
【0053】
好ましくは、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の厚さは、電磁波が二次元材料層１に照射された際に、二次元材料層１に可能な限り大きい電圧が印加されるように、設定されている。また、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の分極方向は、特に制限されないが、二次元材料層１において、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に電圧が印加される方向、つまりバイアス電圧が印加される方向であることが望ましい。
【0054】
＜電磁波検出器１００の製造方法＞
次に、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の製造方法を説明する。図１に示される電磁波検出器１００の製造方法は、準備工程、強誘電体層形成工程、電極部形成工程、二次元材料層形成工程を含んでいる。
次に、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の製造方法を説明する。図１に示される電磁波検出器１００の製造方法は、準備工程、強誘電体層形成工程、電極部形成工程、二次元材料層形成工程を含んでいる。
【0055】
まず、準備工程が実施される。準備工程では、図１に示される基板３が準備される。基板３は、例えばケイ素（Ｓｉ）等を含む平坦な半導体基板である。
【0056】
次に、強誘電体層形成工程が実施される。強誘電体層形成工程では、まず第１強誘電体層４ａが基板３の第１面上に形成され、その後、第２強誘電体層４ｂが第１面上に形成される。
【0057】
第１強誘電体層及び第２強誘電体層を形成する方法は、特に制限されない。例えば、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々を構成する材料がポリマー系材料である場合、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々は、スピンコート法等によって成膜された後にフォトリソグラフィ法によってパターニングされることにより、順に形成され得る。
【0058】
また、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂを構成する材料がポリマー系材料とは異なる材料である場合には、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々は、スパッタ、蒸着、金属有機物分解法（ＭＯＤコート法、ＭＯＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）、又はＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によって成膜された後、フォトリソグラフィ法によってパターニングされることにより、順に形成され得る。また、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々は、リフトオフ法によりパターニングされてもよい。
【0059】
以上の方法は第１強誘電体層４ａを成膜及びパターニングした後、第２強誘電体層４ｂを成膜及びパターニングする方法であるが、第１強誘電体層４ａを平面で形成後、第２強誘電体層４ｂを形成し、第２強誘電体層４ｂのみをパターニングしてもよい。
【0060】
次に、電極部形成工程が実施される。本工程では、第１電極部２ａが第１強誘電体層４ａ上に形成され、さらに第２電極部２ｂが第２強誘電体層４ｂ上に形成される。
【0061】
第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの形成方法として、例えば、以下のプロセスが用いられる。まず、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂ上に写真製版または電子線（ＥＢ：Electron Beam）描画などによってレジストマスクが形成される。第１、２電極部２ａ、２ｂが形成されるレジストマスクの領域には、開口した部分が形成される。その後、レジストマスク上に、第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂとなる金属などの膜が形成される。当該膜の形成には、蒸着法またはスパッタリング法などが用いられる。このとき、当該膜はレジストマスクの開口領域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、レジストマスクが当該膜の一部と共に除去される。レジストマスクの開口領域に配置されていた膜の他の一部が第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の上に残存し、第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂ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。
【0062】
第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの形成方法として、他の方法が用いられてもよい。例えば、まず、第１電極部２ａとなる導電性膜、及び第２電極部２ｂとなる導電性膜が成膜される。その後、フォトリソグラフィ法によって各導電性膜上にレジストマスクが形成される。レジストマスクは、第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの各々が形成されるべき領域を覆うとともに、その他の領域を露出させるように形成される。その後、ウエットエッチングまたは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導電性膜が部分的に除去される。この結果、レジストマスク下に導電性膜の一部が残存する。この導電性膜の一部が第１電極部２ａ又は第２電極部２ｂとなる。その後、レジストマスクが除去される。このようにして、第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂが形成されてもよい。
【0063】
次に、二次元材料層形成工程が実施される。本工程では、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、第１強誘電体層４ａ、及び第２強誘電体層４ｂの少なくとも一部上に、二次元材料層１が形成される。二次元材料層１は、例えば第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、第１強誘電体層４ａ、及び第２強誘電体層４ｂの少なくとも一部を覆うように形成される。二次元材料層１の形成方法は、特に制限されない。二次元材料層１は、例えばエピタキシャル成長によって形成されてもよいし、スクリーン印刷法によって形成されてもよい。また、二次元材料層１は、予めＣＶＤ法により成膜された二次元材料膜が転写されて貼り付けられることによって形成されてもよい。二次元材料層１は、機械剥離等により剥離されたフィルム状の二次元材料膜が転写されて貼り付けられることによって形成されてもよい。
【0064】
二次元材料層１が形成された後、フォトリソグラフィ法によって二次元材料層１の上にレジストマスクが形成される。レジストマスクは、二次元材料層１が形成されるべき領域を覆うとともに、その他の領域を露出するように形成される。その後、レジストマスクをエッチングマスクとして二次元材料層１がエッチングされる。エッチングの手法は、例えば酸素プラズマによるドライエッチングである。その後、レジストマスクが除去される。これにより、図１に示される二次元材料層１が形成される。
【0065】
以上の工程によって、電磁波検出器１００が製造される。
なお、上述された製造方法では第１電極部２ａ、第２電極部２ｂの上に二次元材料層１が形成されたが、第１強誘電体層４ａ、第２強誘電体層４ｂ上に二次元材料層１が形成された後に当該二次元材料層１の一部上に重なるように第１電極部２ａ、第２電極部２ｂが形成されてもよい。ただし、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂの形成時に、二次元材料層１が第１電極部２ａ、第２電極部２ｂの形成プロセスによって損傷しないように注意する必要がある。例えば、二次元材料層１において第１電極部２ａが重ねられる領域の他の領域が保護膜等によって予め覆われた状態で第１電極部２ａ、第２電極部２ｂが形成されることで、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂの形成プロセスによって損傷することが抑制される。なお、第１強誘電体層４ａ、第２強誘電体層４ｂに段差がある場合でも、二次元材料層１の形成は可能であり、本質的な製造工程の変更は不要である。
なお、上述された製造方法では第１電極部２ａ、第２電極部２ｂの上に二次元材料層１が形成されたが、第１強誘電体層４ａ、第２強誘電体層４ｂ上に二次元材料層１が形成された後に当該二次元材料層１の一部上に重なるように第１電極部２ａ、第２電極部２ｂが形成されてもよい。ただし、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂの形成時に、二次元材料層１が第１電極部２ａ、第２電極部２ｂの形成プロセスによって損傷しないように注意する必要がある。例えば、二次元材料層１において第１電極部２ａが重ねられる領域の他の領域が保護膜等によって予め覆われた状態で第１電極部２ａ、第２電極部２ｂが形成されることで、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂの形成プロセスによって損傷することが抑制される。なお、第１強誘電体層４ａ、第２強誘電体層４ｂに段差がある場合でも、二次元材料層１の形成は可能であり、本質的な製造工程の変更は不要である。
【0066】
＜電磁波検出器１００の動作原理＞
次に、図１を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の動作原理を説明する。
次に、図１を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の動作原理を説明する。
【0067】
図１に示されるように、まず、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に信号読み出し回路が電気的に接続される。図１では、読み出し回路として電流計Ｉｄのみが図示されている。第１電極部２ａ、二次元材料層１、及び第２電極部２ｂが順に電気的に接続される。
【0068】
なお、バイアス電圧（Ｖｂｇ）は二次元材料層１に必ずしも印加されなくてもよい。バイアス電圧が二次元材料層１に印加されない場合、電圧が印加されていないため暗電流がゼロになる。すなわち、電磁波検出器１００は、ＯＦＦ動作を行う。
【0069】
次に、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々に電磁波が照射される。第１強誘電体層４ａ、第２強誘電体層４ｂの焦電効果によって、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の内部に誘電分極の変化が生じる。
【0070】
このとき、第１強誘電体層４ａに生じる電圧変化は第２強誘電体層４ｂに生じる電圧変化とは異なるため、二次元材料層１の第１領域１ａ及び第２領域１ｂの各々に印加される電圧が異なることになる。つまり、電磁波検出器１００中の二次元材料層１中には擬似的にＰＮ接合と同様のバイアス電圧が印加される。これにより、電荷の取り出し効率が向上し、感度が増強される。この現象を光バイアス効果と呼ぶ。その結果、電磁波が照射された時に二次元材料層１に流れる電流の電圧または電流が電流計にて計測される。このようにして、電磁波検出器１００を用いて電磁波が検出される。
【0071】
また、上記光バイアス効果は、以下のようにも解釈され得る。電磁波が第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々に照射されることで、焦電効果によって第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の誘電分極が変化するため、二次元材料層１の第１領域１ａ及び第２領域１ｂの各々において、二次元材料層１のフェルミレベルが変調され、異なることになる。第１領域１ａと第２領域１ｂとの間でフェルミレベルが異なることになるため、電磁波検出器１００に電磁波が照射された時にのみ電流が流れる。よって、電磁波検出器１００に電磁波が照射された時にのみ電流を検出することができる。
【0072】
また、電磁波検出器１００は、上記のような電流の変化が検出される構成に限定されない。例えば、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に一定の電流が流された状態で、電磁波検出器１００に電磁波が照射されたときの第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の電圧の変化が検出されてもよい。なお、電磁波検出器１００に電磁波が照射されたときの第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の電圧の変化は、二次元材料層１での電圧の変化である。
【0073】
また、上述された電磁波検出器１００が第１の電磁波検出器として配置され、第１の電磁波検出器と同じ構成を有する第２の電磁波検出器がさらに配置されてもよい。第１の電磁波検出器は、電磁波が照射される空間に配置される。第２の電磁波検出器は、電磁波が遮蔽された空間に配置される。第１の電磁波検出器の電流と第２の電磁波検出器の電流との差分が検出されることで検出されてもよい。第１の電磁波検出器の電圧と第２の電磁波検出器の電圧との差分が検出されることで検出されてもよい。
【0074】
＜電磁波検出器１００の動作＞
次に、図１を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の具体的な動作について説明する。二次元材料層１を構成する材料としてグラフェン、第１強誘電体層４ａを構成する材料としてそれぞれニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、第２強誘電体層４ｂを構成する材料としてタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）が用いられた場合について説明される。
次に、図１を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の具体的な動作について説明する。二次元材料層１を構成する材料としてグラフェン、第１強誘電体層４ａを構成する材料としてそれぞれニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、第２強誘電体層４ｂを構成する材料としてタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）が用いられた場合について説明される。
【0075】
電磁波検出器１００の検出波長は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）の吸収波長に応じて定まる。
【0076】
検出波長を有する電磁波が第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々に入射することで、焦電効果によって第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々において誘電分極の変化が生じる。第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々における分極変化によって、電磁波検出器１００内において電圧変化が生じる。
【0077】
二次元材料層１を構成するグラフェンにおける光キャリアの移動度が大きいため、わずかな電圧変化に対して大きな変位電流が得られる。このため、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の焦電効果によって二次元材料層１のフェルミレベルは大きく変化する。第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間には、大きな電圧変化または電流変化が生じる。
【0078】
また、第１強誘電体層４ａを構成する材料がＬｉＮｂＯ３、第２強誘電体層４ｂを構成する材料がＬｉＴａＯ３であるため、それぞれ生じる誘電分極の変化は異なる。そのため、第１領域１ａに生じる電圧変化量は、第２領域１ｂに生じる電圧変化量とは異なる。よって、二次元材料層１を構成するグラフェンには、疑似的にＰＮ接合と同様のバイアスが生じる。その結果、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々が形成されておらず、平面視において１つの強誘電体層のみが二次元材料層１と重なるように形成されている場合と比べて、電磁波検出器１００の二次元材料層１を流れる電流及び二次元材料層１に加わる電圧は大きくなる。
【0079】
以上より、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の焦電効果によって、電磁波検出器１００において、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間には電圧変化又は電流変化が生じる。
【0080】
さらに、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の誘電分極の変化速度が可能な限り短く設定されている場合には、電磁波が電磁波検出器１００に入射してから二次元材料層１において抵抗の変化が生じるまでの時間が短くなる。これにより、光バイアス効果を利用した電磁波検出器１００の応答速度が大きくなる。
【0081】
なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0082】
＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
【0083】
焦電効果による第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々における分極に起因した二次元材料層１における電流の変化量は、通常の半導体における電流の変化量よりも大きい。特に、二次元材料層１では、通常の半導体と比較して、小さな電圧変化に対して大きな電流変化が生じる。
【0084】
例えば、二次元材料層１として単層のグラフェンが用いられた場合、二次元材料層１の厚みは原子層１層分であるため極めて薄い。つまり、二次元材料層１は、通常のバルク物質からなるチャネルと比較して、その周囲における電圧変化の影響を強く受ける。また、単層のグラフェンにおける電子の移動度は、通常のバルク物質における電子の移動度と比べて、高い。この場合、二次元材料層１における電子の移動度及び厚み等から算出される二次元材料層１での電流の変化量は、通常の半導体における電流の変化量の数百倍から数千倍程度である。この効果は、光ゲート効果と呼ばれる。
【0085】
光ゲート効果によって、二次元材料層１における検出電流の変化量は大幅に向上する。光ゲート効果は、通常の半導体のように光電変換材料の量子効率を直接的に増強するものではなく、電磁波の入射による電流の変化量を大きくするものである。このため、電磁波の入射による差分電流から算出された電磁波検出器１００の量子効率は、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１００による電磁波の検出感度は、半導体電磁波検出器または光ゲート効果が適用されていないグラフェン電磁波検出器と比較して、高い。
【0086】
また、第１強誘電体層４ａを構成する材料がＬｉＮｂＯ３でありかつ第２強誘電体層４ｂを構成する材料がＬｉＴａＯ３である場合には、第１強誘電体層４ａに生じる誘電分極の変化が第２強誘電体層４ｂに生じる誘電分極の変化とは異なるため、第１領域１ａに生じる電圧変化は第２領域１ｂに生じる電圧変化とは異なる。よって、二次元材料層１を構成するグラフェンには疑似的にＰＮ接合と同様のバイアスが生じる。そのため、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々が形成されておらず、平面視において１つの強誘電体層のみが二次元材料層１と重なるように形成されている場合と比べて、電磁波検出器１００の二次元材料層１を流れる電流及び二次元材料層１に加わる電圧は大きくなる。
【0087】
また、電磁波検出器１００に電磁波が照射された際の電流の変化量は、二次元材料層１における光電変換によって生じた光電電流による変化を含んでいる。このため、電磁波検出器１００に電磁波が照射されることで、上記の光バイアス効果、光ゲート効果及び光電変換が生じる。よって、電磁波検出器１００は、光バイアス効果、光ゲート効果及び光電変換による電流の変化を検出することができる。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。
【0088】
二次元材料層１を構成する材料は、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及びボロフェンからなる群から選択されるいずれかを含んでいる。このため、本実施の形態の作用効果を確実に得ることができる。
【0089】
＜変形例１＞
電磁波検出器１００は、以下のように変形され得る。
電磁波検出器１００は、以下のように変形され得る。
【0090】
電磁波検出器１００は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂに加えて、１以上の強誘電体層をさらに備えていてもよい。
【0091】
図３に示されるように、電磁波検出器１００は、第３強誘電体層４ｃをさらに備えていてもよい。第３強誘電体層４ｃは、第１方向Ｘにおいて第２強誘電体層４ｂに対して第１強誘電体層４ａとは反対側に配置されている。第１強誘電体層４ａ、第２強誘電体層４ｂ、及び第３強誘電体層４ｃは、この順に第１方向Ｘに並んで配置されている。
【0092】
図３に示される二次元材料層１は、第１方向Ｘに並んで配置されている第１領域１ａ、第２領域１ｂ、及び第３領域１ｃを有する。第３領域１ｃは、第３強誘電体層４ｃにおいて焦電効果により発生する電圧変化の影響をより強く受ける二次元材料層１内の領域と定義される。第２電極部２ｂは、第３強誘電体層４ｃ上に配置されており、第３領域１ｃと接している。これにより、第１電極部２ａ、二次元材料層１の第１領域１ａ、第２領域１ｂ、第３領域１ｃ、及び第２電極部２ｂが、上記記載順に電気的に接続されている。
【0093】
第３強誘電体層４ｃを構成する材料は、第１強誘電体層４ａを構成する材料及び第２強誘電体層４ｂを構成する材料と異なっている。第３強誘電体層４ｃを構成する材料の分極率は、第１強誘電体層４ａを構成する材料及び第２強誘電体層４ｂを構成する材料の分極率と異なっている。第３強誘電体層４ｃを構成する材料の分極率は、例えば第２強誘電体層４ｂを構成する材料の分極率よりも低い。言い換えると、第１強誘電体層４ａ、第２強誘電体層４ｂ、及び第３強誘電体層４ｃの各々を構成する材料の分極率は、上記記載順に低くなっている。
【0094】
第２強誘電体層４ｂと第３強誘電体層４ｃとの境界４１は、第２強誘電体層４ｂ及び第３強誘電体層４ｃの各々において焦電効果により生じる電圧変化に起因して二次元材料層１の第２領域１ｂと第３領域１ｃとの間に電位差（電圧勾配）が生じるように、設けられている。より具体的には、境界４１は、第２強誘電体層４ｂ及び第３強誘電体層４ｃの各々において焦電効果により生じる電圧変化に起因して二次元材料層１の第２領域１ｂと第３領域１ｃとの間に電圧勾配が生じるように、二次元材料層１に対して位置決めされている。
【0095】
境界４１は、平面視において二次元材料層１がチャネルとして動作する領域内に形成される。境界４１は、第１方向Ｘと交差する方向に延びている。境界４１は、例えば第１方向Ｘと直交する第２方向Ｙに沿って延びている。境界４１は、例えば境界４０と平行に延びている。
【0096】
なお、境界４１は、第２領域１ｂと第３領域１ｃとの間に上記電圧勾配が形成され得る限りにおいて、任意に形成され得る。境界４１は、平面視において少なくともチャネル領域内に形成されていればよい。境界４１は、電流が流れる第１方向Ｘに対して９０°未満角度を成すように形成されていてもよい。
【0097】
また、電磁波検出器１００は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂに加えて、複数の強誘電体層をさらに備えていてもよい。第１強誘電体層４ａ、第２強誘電体層４ｂ及びその他の複数の強誘電体層は、例えば、第１方向Ｘにおいて第１電極部２ａ側から第２電極部２ｂ側に向かうにつれて各分極率が低くなるように、第１方向Ｘに並んで配置されている。
【0098】
第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂは、二次元材料層１の上部に形成されていてもよい。二次元材料層１と第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂとの相対的な位置関係は、二次元材料層１が第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの各々と電気的に接続されている限りにおいて、任意に選択され得る。例えば、二次元材料層１と第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの各々とは、いわゆるエッジコンタクトにより接続されていてもよい。二次元材料層１の端面が第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの各々の端面と接触していてもよい。この場合、二次元材料層１と第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの各々との接触抵抗が低くなるため、電磁波検出器１００の特性が向上する。
【0099】
さらに、二次元材料層１と第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの各々との接触面において、二次元材料層１に少なくとも１つの細孔又は周期的に配列された複数の細孔が形成されていてもよい。上記細孔は、例えば孔径がナノオーダーであるナノ細孔である。このように二次元材料層１に細孔を形成することで、接触抵抗が低くなるため、電磁波検出器１００の特性が向上する。
【0100】
なお、電磁波検出器１００は基板３を備えていなくてもよい。第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂが、二次元材料層１、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、第１強誘電体層４ａ、第２強誘電体層４ｂ、及び第３電極部５を備える構造体を保持し得る場合、基板３は必須ではない。
【0101】
また、電磁波検出器１００は第３電極部５を備えていなくてもよい。言い換えると、基板３がバックゲート電極として作用してもよい。
【0102】
第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂ上には、図示されない保護膜が設けられていてもよい。図示されない保護膜は、二次元材料層１、第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂを覆うように設けられていてもよい。保護膜の材料は、例えば、酸化物または窒化物等の絶縁体である。保護膜の材料は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、窒化ボロン（ＢＮ：ボロンナイトライド）等である。
【0103】
電磁波検出器１００は、図示されないモット絶縁体をさらに含んでいてもよい。図示されないモット絶縁体は、光が照射されることによって光誘起相転移が生じることで温度等の物性が変化するように構成されている。図示されないモット絶縁体は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々と接触している。
【0104】
実施の形態２．
図４に示されるように、実施の形態２に係る電磁波検出器１０１は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、第１強誘電体層４ａの厚みが第２強誘電体層４ｂの厚みと異なっている点で、電磁波検出器１００とは異なる。以下、電磁波検出器１０１が電磁波検出器１００とは異なる点を主に説明する。
図４に示されるように、実施の形態２に係る電磁波検出器１０１は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、第１強誘電体層４ａの厚みが第２強誘電体層４ｂの厚みと異なっている点で、電磁波検出器１００とは異なる。以下、電磁波検出器１０１が電磁波検出器１００とは異なる点を主に説明する。
【0105】
第１強誘電体層４ａの厚みは、例えば第２強誘電体層４ｂの厚みよりも薄い。第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂとの境界４０上には、段差部４２が形成されている。二次元材料層１は、段差部４２を覆うように配置されている。電磁波検出器１０１においても、第１強誘電体層４ａにおいて焦電効果により生じる電圧変化量は、第２強誘電体層４ｂにおいて焦電効果により生じる電圧変化量とは異なる。そのため、電磁波検出器１０１においても、電磁波検出器１００と同様に、光ゲート効果が生じ、高感度化が実現される。
【0106】
第１強誘電体層４ａを構成する材料は、例えば第２強誘電体層４ｂを構成する材料と異なっている。第１強誘電体層４ａを構成する材料の分極率は、例えば第２強誘電体層４ｂを構成する材料の分極率と異なっている。例えば、第１強誘電体層４ａを構成する材料の分極率は、第２強誘電体層４ｂを構成する材料の分極率よりも高い。
【0107】
二次元材料層１の第１領域１ａの厚みは、二次元材料層１の第２領域１ｂの厚みと等しい。なお、各図では、図示の便宜上、二次元材料層１の上面は平坦に図示されているが、二次元材料層１の上面は、例えば二次元材料層１の下面と同様に、ステップ状に設けられている。第２領域１ｂの上面は、例えば第１領域１ａの上面よりも上方に配置されている。ただし、二次元材料層１の第１領域１ａの厚みは、二次元材料層１の第２領域１ｂの厚みと異なっていてもよい。第２領域１ｂの上面は、例えば第１領域１ａの上面と同一平面を成すように設けられていてもよい。
【0108】
電磁波検出器１０１は、電磁波検出器１００の製造方法と基本的に同様の製造方法によって製造され得る。
【0109】
＜変形例２＞
電磁波検出器１０１は、以下のように変形され得る。
電磁波検出器１０１は、以下のように変形され得る。
【0110】
図５に示されるように、第１強誘電体層４ａを構成する材料は、第２強誘電体層４ｂを構成する材料と同じであってもよい。第１強誘電体層４ａを構成する材料の分極率は、第２強誘電体層４ｂを構成する材料の分極率と等しくてもよい。つまり、電磁波検出器１０１では、第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂとの相違点が、それぞれの厚みのみであってもよい。この場合にも、上述した光ゲート効果が生じるため、高感度化が実現される。さらに、図５に示される電磁波検出器１０１では、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂが、基板３上に成膜された１つの強誘電体層の表面に段差部を形成することにより、同時に形成され得る。当該段差部は、強誘電体層上にフォトリソグラフィ法によりマスクパターンを形成した後、当該強誘電体層に任意のエッチング処理を施すことにより、比較的容易に形成され得る。そのため、図５に示される電磁波検出器１０１の製造方法は、電磁波検出器１００の製造方法、及び図４に示される電磁波検出器１０１の製造方法と比べて、簡略化され得る。
【0111】
なお、電磁波検出器１０１においても、上記変形例１に列記した各変形例が、電磁波検出器１００と同様に許容される。
【0112】
例えば、図６に示されるように、電磁波検出器１０１は、第３強誘電体層４ｃをさらに備えていてもよい。第３強誘電体層４ｃの厚みは、例えば、第２強誘電体層４ｂの厚みよりも厚い。第１強誘電体層４ａ、第２強誘電体層４ｂ、及び第３強誘電体層４ｃの各々の厚みは、上記記載順に厚くなっている。第１強誘電体層４ａ、第２強誘電体層４ｂ、及び第３強誘電体層４ｃの各々を構成する材料は、互いに異なっていてもよいし、互いに同じであってもよい。この場合、第２強誘電体層４ｂと第３強誘電体層４ｃとの境界上にも、段差部が形成されている。二次元材料層１は、第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂとの境界上の段差部、及び第２強誘電体層４ｂと第３強誘電体層４ｃとの境界上の段差部を覆うように配置されている。
【0113】
実施の形態３．
図７に示されるように、実施の形態３に係る電磁波検出器１０２は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの少なくともいずれかが凹凸形状を有している点で、電磁波検出器１００とは異なる。以下、電磁波検出器１０２が電磁波検出器１００とは異なる点を主に説明する。
図７に示されるように、実施の形態３に係る電磁波検出器１０２は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの少なくともいずれかが凹凸形状を有している点で、電磁波検出器１００とは異なる。以下、電磁波検出器１０２が電磁波検出器１００とは異なる点を主に説明する。
【0114】
図７に示される電磁波検出器１０２では、複数の第１凹部４３ａが第１強誘電体層４ａに形成されており、複数の第２凹部４３ｂが第２強誘電体層４ｂに形成されており、さらに１つの第３凹部４３ｃが第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂとの間に形成されている。
【0115】
図８に示されるように、複数の第１凹部４３ａの各々は、第１方向Ｘに周期的に並んで配置されており、かつ第１方向Ｘと交差する方向に沿って延びている。複数の第２凹部４３ｂの各々は、第１方向Ｘに周期的に並んで配置されており、かつ第１方向Ｘと交差する方向に沿って延びている。１つの第３凹部４３ｃは、第１方向Ｘと交差する方向に沿って延びている。例えば、複数の第１凹部４３ａ、複数の第２凹部４３ｂ、および第３凹部４３ｃの各々は、第１方向Ｘと直交する第２方向Ｙに沿って延びている。
【0116】
第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂとの境界は、第２方向Ｙに隣り合う２つの第３凹部４３ｃ間において、第１方向Ｘと交差する方向に延びている。
【0117】
各第１凹部４３ａは、第１強誘電体層４ａにおいて二次元材料層１側を向いている上面から凹んでいる。各第２凹部４３ｂは、第２強誘電体層４ｂにおいて二次元材料層１側を向いている上面から凹んでいる。１つの第３凹部４３ｃは、第１強誘電体層４ａにおいて二次元材料層１側を向いている上面及び第２強誘電体層４ｂにおいて二次元材料層１側を向いている上面から凹んでいる。各第１凹部４３ａ、各第２凹部４３ｂ、及び第３凹部４３ｃは、例えば貫通孔として形成されている。なお、電磁波検出器１０２では、第３凹部４３ｃが形成されていなくてもよい。
【0118】
複数の第１凹部４３ａの各々の開口幅及び深さ（以下、単に寸法ともよぶ）並びに間隔と、複数の第２凹部４３ｂの各々の寸法及び間隔は、検出波長よりも小さい。第１凹部４３ａの数は、例えば第２凹部４３ｂの数よりも多い。なお、第１凹部４３ａの数は、第２凹部４３ｂの数と等しくてもよいし、第２凹部４３ｂの数よりも少なくてもよい。
【0119】
二次元材料層１の第１領域１ａは、複数の第１凹部４３ａ及び１つの凹部４３ｃ上に配置されている。二次元材料層１の第２領域１ｂは、複数の第２凹部４３ｂ及び１つの凹部４３ｃ上に配置されている。
【0120】
図７及び図８に示される電磁波検出器１０２では、複数の第１凹部４３ａ及び複数の第２凹部４３ｂの各々が周期的に配置されているため、主に周期によって決定される波長の光と結合効率が高い。その結果、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々は、当該波長を選択的に吸収することになり、光バイアス効果及び光ゲート効果がともに増大し、波長選択的な高感度化が可能である。
【0121】
電磁波検出器１０２は、電磁波検出器１００の製造方法と基本的に同様の製造方法によって製造され得る。電磁波検出器１０２の製造方法は、複数の第１凹部４３ａ、複数の第２凹部４３ｂ、及び第３凹部４３ｃの各々を形成する工程をさらに備えている点で、電磁波検出器１００の製造方法と異なる。複数の第１凹部４３ａ、複数の第２凹部４３ｂ、及び第３凹部４３ｃの各々は、各強誘電体層上にフォトリソグラフィ法によりマスクパターンを形成した後、各強誘電体層に任意のエッチング処理を施すことにより、比較的容易に形成され得る。
【0122】
＜変形例３＞
電磁波検出器１０２は、以下のように変形され得る。
電磁波検出器１０２は、以下のように変形され得る。
【0123】
図９に示されるように、電磁波検出器１０２において、第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂには、複数の第１凹部４３ａ、複数の第２凹部４３ｂ、および第３凹部４３ｃに代えて、複数の第１凸部４４ａ及び複数の第２凸部４４ｂが形成されていてもよい。複数の第１凸部４４ａは、例えば第１強誘電体層４ａの表面に周期的に形成されている。複数の第２凸部４４ｂは、例えば第２強誘電体層４ｂの表面に周期的に形成されている。二次元材料層１の第１領域１ａは、複数の第１凸部４４ａ上に配置されている。二次元材料層１の第２領域１ｂは、複数の第２凸部４４ｂ上に配置されている。
【0124】
第１凸部４４ａ及び第２凸部４４ｂの各々は、例えば第１方向Ｘにおいて境界４０から間隔を空けて配置されている。なお、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂは、第３凸部を共有していてもよい。この場合、境界４０の一部は、第３凸部内に形成されている。
【0125】
図１０に示されるように、電磁波検出器１０２における複数の凹凸の周期性は、２次元的であってもよい。例えば、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂには、第１方向Ｘに沿って延びている少なくとも１つの第４凹部４３ｄが形成されていてもよい。第４凹部４３ｄは、複数の第１凹部４３ａ、複数の第２凹部４３ｂ、及び第３凹部４３ｃの各々と交差しており、例えば直交している。
【0126】
電磁波検出器１０２では、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの少なくともいずれかに、１つ以上の凹凸が形成されていればよい。第１強誘電体層４ａにのみ、１つ以上の凹凸が形成されていてもよい。あるいは、第２強誘電体層４ｂにのみ、１つ以上の凹凸が形成されていてもよい。
【0127】
電磁波検出器１０２では、少なくとも１つの凹凸が非周期的に配置されていてもよい。この場合にも、凹凸の寸法及び間隔の少なくともいずれかが検出波長より十分小さければ、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの少なくともいずれかによる電磁波の反射が抑制される。その結果、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の少なくともいずれかは、検出波長を選択的に吸収することになり、光バイアス効果及び光ゲート効果がともに増大し、波長選択的な高感度化が可能である。
【0128】
電磁波検出器１０２は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの少なくともいずれかが凹凸形状を有している点を除き、電磁波検出器１０１と同様の構成を備えていてもよい。また、電磁波検出器１０２においても、上記変形例１及び上記変形例２に列記した各変形例が許容される。
【0129】
第１強誘電体層４ａを構成する材料は、第２強誘電体層４ｂを構成する材料と同じであってもよい。この場合、第１強誘電体層４ａに形成されている複数の凹凸の各々の寸法及び間隔の少なくともいずれかは、第２強誘電体層４ｂに形成されている複数の凹凸の各々の寸法及び間隔の少なくともいずれかと異なっている。このような第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂも、焦電効果により生じる電圧変化が異なる部材として定義され得る。その結果、電磁波検出器１０２は、電磁波検出器１００と同様の効果を奏することができる。
【0130】
実施の形態４．
図１１に示されるように、実施の形態４に係る電磁波検出器１０３は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、絶縁層８をさらに備えている点で、電磁波検出器１００とは異なる。以下、電磁波検出器１０３が電磁波検出器１００とは異なる点を主に説明する。
図１１に示されるように、実施の形態４に係る電磁波検出器１０３は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、絶縁層８をさらに備えている点で、電磁波検出器１００とは異なる。以下、電磁波検出器１０３が電磁波検出器１００とは異なる点を主に説明する。
【0131】
図１１に示されるように、絶縁層８は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の上部に配置されている。二次元材料層１、第１電極部２ａ、及び第２電極部２ｂは、絶縁層８の上部に配置されている。絶縁層８は、平面視において、第１領域１ａと重なる領域と、第２領域１ｂと重なる領域とを有している。
【0132】
絶縁層８の材料は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）である。絶縁層８の材料は、酸化ケイ素に限られず、例えば、オルトケイ酸テトラエチル（Ｓｉ（ＯＣ2Ｈ5）4）、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、窒化ボロン（ＢＮ）（ボロンナイトライド）、シロキサン系のポリマー材料であってもよい。例えば、窒化ボロン（ＢＮ）の原子配列は、グラフェンの原子配列と似ている。このため、窒化ボロン（ＢＮ）がグラフェンからなる二次元材料層１に接触する場合、二次元材料層１の電子移動度の低下が抑制される。よって、窒化ボロン（ＢＮ）は、二次元材料層１の下に配置される下地膜としての絶縁層８に好適である。
【0133】
絶縁層８の厚さは、特に制限されない。トンネル電流を生じる厚さであってもよい。
電磁波検出器１０３において、絶縁層８は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々において生じる焦電分極と二次元材料層１中の電荷との相互作用をブロックする効果がある。この効果により、二次元材料層１中を流れる電荷が散乱されにくくなり、ノイズが減少し、電磁波検出器１０３の性能が向上する。
電磁波検出器１０３において、絶縁層８は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々において生じる焦電分極と二次元材料層１中の電荷との相互作用をブロックする効果がある。この効果により、二次元材料層１中を流れる電荷が散乱されにくくなり、ノイズが減少し、電磁波検出器１０３の性能が向上する。
【0134】
また、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、及び酸化アルミナなどの電気的絶縁性を有する材料は、波長１０μｍ付近の赤外線を吸収し、発熱する。この発熱により、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々において、焦電効果が大きくなり、電圧変化が大きくなる。その結果、電磁波検出器１０３では、光バイアス効果及び光ゲート効果がともに増大し、高感度化が可能である。
【0135】
電磁波検出器１０３は、電磁波検出器１００の製造方法と基本的に同様の製造方法によって製造され得る。電磁波検出器１０３の製造方法は、絶縁層８を形成する工程をさらに備えている点で、電磁波検出器１００の製造方法と異なる。絶縁層８は、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッタリング法、ＡＬＤ （Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜される。
【0136】
＜変形例４＞
電磁波検出器１０３は、以下のように変形され得る。
電磁波検出器１０３は、以下のように変形され得る。
【0137】
図１２に示されるように、絶縁層８は、基板３の上部であって、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の下部に配置されていてもよい。図１２に示される絶縁層８は、基板３を構成する材料がＳｉを含む場合には、基板３を熱酸化させることにより形成されてもよい。
【0138】
図１３に示されるように、電磁波検出器１０２は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々を挟むように配置された１対の絶縁層８を備えていてもよい。１対の絶縁層８は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の上部に配置されている上部絶縁層８と、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の下部に配置されている下部絶縁層８とを含む。
【0139】
図１２に示される絶縁層８、及び図１３に示される１対の絶縁層８は、図１１に示される絶縁層８と同様に、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々において生じる焦電分極と二次元材料層１中の電荷との相互作用をブロックし得る。
【0140】
電磁波検出器１０３は、絶縁層８をさらに備えている点を除き、電磁波検出器１０１又は電磁波検出器１０２と同様の構成を備えていてもよい。また、電磁波検出器１０３においても、上記変形例１、変形例２、及び変形例３に列記した各変形例が許容される。例えば、絶縁層８は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの少なくともいずれかに形成されている凹凸形状を覆うように配置されていてもよい。
【0141】
電磁波検出器１０３は、第１電極部２ａ又は第２電極部２ｂと絶縁層８との間に、両者の密着性を高めるための密着層をさらに備えていてもよい。密着層を構成する材料は、例えばクロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等の金属材料を含む。
【0142】
実施の形態５．
図１４に示されるように、実施の形態５に係る電磁波検出器１０４は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、導電層９をさらに備えている点で、電磁波検出器１００とは異なる。以下、電磁波検出器１０４が電磁波検出器１００とは異なる点を主に説明する。
図１４に示されるように、実施の形態５に係る電磁波検出器１０４は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、導電層９をさらに備えている点で、電磁波検出器１００とは異なる。以下、電磁波検出器１０４が電磁波検出器１００とは異なる点を主に説明する。
【0143】
導電層９は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の電位を等しくするように設けられている。導電層９は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の下部に配置されている。導電層９は、平面視において、第１領域１ａと重なる部分と、第２領域１ｂと重なる部分とを有している。導電層９は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々と電気的に接続されている。好ましくは、検出波長に対する導電層９の反射率は、検出波長に対する第１強誘電体層４ａの反射率よりも高い。
【0144】
導電層９を構成する材料は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）およびパラジウム（Ｐｄ）の少なくともいずれかを含んでいる。導電層９を構成する材料は、グラフェン等の二次元材料又は高分子材料であってもよい。
【0145】
電磁波検出器１０４は、電磁波検出器１００の製造方法と基本的に同様の製造方法によって製造され得る。電磁波検出器１０４の製造方法は、導電層９を形成する工程をさらに備えている点で、電磁波検出器１００の製造方法と異なる。導電層９は、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、スパッタリング法、ＡＬＤ （Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により成膜される。
【0146】
電磁波検出器１００の製造方法では、二次元材料層１を第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの上部に成膜する際に、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々にて分極により生じた電荷が二次元材料層１と第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々との密着を阻害し、二次元材料層１が剥離するおそれがある。
【0147】
これに対し、電磁波検出器１０４の製造方法では、二次元材料層１を第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの上部に成膜する際に、導電層９が第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々と電気的に接続されているため、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々にて分極により生じた電荷が導電層９に逃げることにより、二次元材料層１の剥離が抑制され得る。
【0148】
さらに、検出波長に対する導電層９の反射率が検出波長に対する第１強誘電体層４ａの反射率よりも高い場合には、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々を透過した電磁波が、導電層９によって反射して、再び第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々に入射する。その結果、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の吸収効率が高まり、光バイアス効果及び光ゲート効果がともに増大し、高感度化が可能である。
【0149】
＜変形例５＞
電磁波検出器１０４は、基板３と導電層９との間に、両者の密着性を高めるための密着層をさらに備えていてもよい。密着層を構成する材料は、例えばクロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等の金属材料を含む。
電磁波検出器１０４は、基板３と導電層９との間に、両者の密着性を高めるための密着層をさらに備えていてもよい。密着層を構成する材料は、例えばクロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等の金属材料を含む。
【0150】
電磁波検出器１０４は、導電層９をさらに備えている点を除き、電磁波検出器１０１、電磁波検出器１０２、又は電磁波検出器１０３と同様の構成を備えていてもよい。また、電磁波検出器１０４においても、上記変形例１～変形例４に列記した各変形例が許容される。
【0151】
実施の形態６．
図１５に示されるように、実施の形態６に係る電磁波検出器１０５は、実施の形態４に係る電磁波検出器１０３と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂの各々の上部又は下部に中空部分２０が形成されている点で、電磁波検出器１０３とは異なる。以下、電磁波検出器１０５が電磁波検出器１０３とは異なる点を主に説明する。
図１５に示されるように、実施の形態６に係る電磁波検出器１０５は、実施の形態４に係る電磁波検出器１０３と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂの各々の上部又は下部に中空部分２０が形成されている点で、電磁波検出器１０３とは異なる。以下、電磁波検出器１０５が電磁波検出器１０３とは異なる点を主に説明する。
【0152】
絶縁層８は、第１強誘電体層４ａ上に配置されている第１絶縁層８ａと、第２強誘電体層４ｂ上に配置されている第２絶縁層８ｂとを有している。第１絶縁層８ａは、第１方向Ｘにおいて第２絶縁層８ｂと間隔を空けて配置されている。二次元材料層１は、第１絶縁層８ａと第２絶縁層８ｂとの間に渡されている。
【0153】
中空部分２０は、第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂの各々の上部に形成されている。中空部分２０は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々と二次元材料層１との間であってかつ第１絶縁層８ａと第２絶縁層８ｂとの間に形成されている。二次元材料層１、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂ、並びに第１絶縁層８ａ及び第２絶縁層８ｂが、中空部分２０に面している。中空部分２０は、平面視において、第１領域１ａと重なる領域と、第２領域１ｂと重なる領域とを有している。
【0154】
中空部分２０は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂとの対比において、断熱性を有している。中空部分２０の内部を構成する材料は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂを構成する材料よりも熱伝導率が低い任意の材料であればよいが、例えば空気である。
【0155】
電磁波検出器１０５は、二次元材料層１を抵抗とするボロメータと解釈され得る。一般に、ボロメータの感度は、ボロメータ抵抗の温度変化率：ＴＣＲ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）に比例し、熱コンダクタンスに反比例する。上述のように、電磁波検出器１０５の熱コンダクタンスは、中空部分２０により断熱性を向上させることで、小さくなる。その結果、電磁波検出器１０５では、中空部分２０が形成されていることにより、感度が向上する。
【0156】
好ましくは、中空部分２０を挟むように配置されている二次元材料層１と第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂとの間隔は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの電圧変化が二次元材料層１に及ぶように設けられている。中空部分２０は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの電圧変化が二次元材料層１に及ぶように設けられている。上記間隔は、一般のボロメータと同様に、数ミクロン程度以下であることが望ましい。このようにすれば、電磁波検出器１０５は、前述した電磁波検出器１００と同様の効果を奏する。
【0157】
また、一般的にグラフェン等の二次元材料のＴＣＲの絶対値は数％／Ｋと比較的低いが、電磁波検出器１０５では、上記光ゲート効果により、二次元材料層１に生じる微小電圧の変化に対する電流変化量の比率は１０００倍程度となる。そのため、二次元材料層１のＴＣＲの絶対値は、数１００％／Ｋとなり、比較的高い。
【0158】
これに対し、一般なボロメータに用いられている酸化バナジウム及びアモルファスシリコンのＴＣＲの絶対値は数％／Ｋ程度である。つまり、電磁波検出器１０５の感度は、一般のボロメータの感度に対して、１０倍以上高められ得る。
＜変形例６＞
電磁波検出器１０５は、以下のように変形され得る。
＜変形例６＞
電磁波検出器１０５は、以下のように変形され得る。
【0159】
図１６に示されるように、中空部分２０は、第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂの各々の下部に形成されていてもよい。中空部分２０は、基板３と第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々との間であってかつ第１絶縁層８ａと第２絶縁層８ｂとの間に形成されている。基板３、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂ、並びに第１絶縁層８ａ及び第２絶縁層８ｂが、中空部分２０に面している。
【0160】
図１７に示されるように、電磁波検出器１０５は、第１絶縁層８ａ及び第２絶縁層８ｂに代えて、第１導電層９ａ及び第２導電層９ｂを備えていてもよい。中空部分２０は、第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂの各々の下部に形成されている。中空部分２０は、基板３と第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々との間であってかつ第１導電層９ａと第２導電層９ｂとの間に形成されている。基板３、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂ、並びに第１導電層９ａ及び第２導電層９ｂが、中空部分２０に面している。
【0161】
図１８に示されるように、電磁波検出器１０５は、二次元材料層１の上面又は下面に接するように配置されている絶縁層８をさらに備えていてもよい。電磁波検出器１０５は、二次元材料層１を挟むように配置された第３絶縁層８ｃ及び第４絶縁層８ｄをさらに有していてもよい。第３絶縁層８ｃは、二次元材料層１の下部において、二次元材料層１において第１電極部２ａ及び第２電極部２ｂの各々と接続されるべき領域を露出するように形成されている。第４絶縁層８ｄは、二次元材料層１の上部に形成されている。なお、電磁波検出器１０５は、第３絶縁層８ｃ及び第４絶縁層８ｄの少なくともいずれかを備えていればよい。
【0162】
電磁波検出器１０５では、光ゲート効果を発生し得る材料により構成されており、かつ中空部分２０に接するように配置されている部材を、さらに備えていてもよい。当該部材を構成する材料の一例は、ＩｎＳｂである。このような電磁波検出器１０５は、中赤外線を検出する電磁波検出器に好適である。このような電磁波検出器１０５では、室温においても、ＩｎＳｂからなる部材にわずかな電圧変化が生じれば、電磁波検出器１００と同様の効果が奏される。
【0163】
電磁波検出器１０５は、中空部分２０が形成されている点を除き、電磁波検出器１０１，電磁波検出器１０２、電磁波検出器１０３、又は電磁波検出器１０４と同様の構成を備えていてもよい。また、電磁波検出器１０５においても、上記変形例１～変形例５に列記した各変形例が許容される。
【0164】
実施の形態７．
図１９及び図２０に示されるように、実施の形態７に係る電磁波検出器１０６は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、第２強誘電体層４ｂの上部に配置されており、二次元材料層１の第２領域１ｂとショットキー接合している半導体層１０をさらに備える点で、電磁波検出器１００とは異なる。以下、電磁波検出器１０６が電磁波検出器１００とは異なる点を主に説明する。
図１９及び図２０に示されるように、実施の形態７に係る電磁波検出器１０６は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、第２強誘電体層４ｂの上部に配置されており、二次元材料層１の第２領域１ｂとショットキー接合している半導体層１０をさらに備える点で、電磁波検出器１００とは異なる。以下、電磁波検出器１０６が電磁波検出器１００とは異なる点を主に説明する。
【0165】
半導体層１０は、第２強誘電体層４ｂ上に配置されている。半導体層１０は、第１方向Ｘにおいて第１電極部２ａと間隔を空けて配置されている。二次元材料層１と第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂとの間であって第１電極部２ａと半導体層１０との間には、中空部分２０が形成されている。中空部分２０は、実施の形態６における中空部分２０と同様の構成を有している。半導体層１０は、平面視において、第２領域１ｂと重なる部分とを有している。
【0166】
第２電極部２ｂは、二次元材料層１の第１領域１ａ、第２領域１ｂ、及び半導体層１０を介して第１電極部２ａと電気的に接続されている。
【0167】
二次元材料層１と半導体層１０とは、ショットキー接合を形成している。第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間にさらに電圧が印加されてもよい。好ましくは、電圧は、二次元材料層１と半導体層１０とのショットキー接合に対して順バイアスになるように設定される。電圧が印加されることによって、第１電極部２ａとの第２電極部２ｂとの間に配置された二次元材料層１には電流が流れる。なお、第１電極部２ａから第２電極部２ｂまでは電流が流れる経路となるため、二次元材料層１も電流が流れる経路となる。
【0168】
例えば、半導体層１０を構成する材料がｐ型の珪素（Ｓｉ）であり、二次元材料層１を構成する材料がｎ型のグラフェンである場合、二次元材料層１と半導体層１０とはショットキー接合する。これにより、ショットキー接合に対して順バイアスが印加されるように電圧が調整されることで、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の誘電分極が微小である場合であっても、二次元材料層１を流れる電流の変化量を増幅できる。
【0169】
電磁波検出器１０６では、二次元材料層１と半導体層１０とがショットキーダイオードを成している。以下、このような構造をダイオード型と呼ぶ。
【0170】
半導体層１０の材料は、検出対象となる波長によって、光電変換可能な材料を選択する。例えば、可視波長域では珪素（Ｓｉ）等の半導体材料である。また、半導体層１０は、不純物がドープされたシリコン基板等であってもよい。
【0171】
半導体層１０は、多層構造であってもよい。また、半導体層１０は、ｐｎ接合フォトダイオード、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であってもよい。また、半導体層１０は、フォトトランジスタであってもよい。
【0172】
本実施の形態においては半導体層１０を構成する材料がシリコン基板である場合が説明されたが、半導体層１０の材料は他の材料であってもよい。半導体層１０の材料は、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＩＩＩ－Ｖ族半導体またはＩＩ－Ｖ族半導体などの化合物半導体、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、アンチモン化イリジウム（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）である。半導体層１０は、量子井戸または量子ドットを含む基板であってもよい。半導体層１０の材料は、ＴｙｐｅＩＩ超格子であってもよい。半導体層１０の材料は、上記の材料の単体であってもよいし、上記の材料を組み合わせた材料であってもよい。
【0173】
半導体層１０は、抵抗率が１００Ω・ｃｍ以下になるように不純物がドーピングされていることが望ましい。半導体層１０が高濃度にドーピングされることで半導体層１０内における光キャリアの読み出し速度（移動速度）が向上するため、電磁波検出器１００の応答速度が向上する。
【0174】
半導体層１０の厚みは、１０μｍ以下であることが望ましい。半導体層１０の厚みが小さくなることで、光キャリアの失活が小さくなる。第２電極部２ｂと半導体層１０との間に、図示されない密着層が設けられていてもよい。密着層は、密着性を高めるように構成されている。密着層の材料は、例えば、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等の金属材料を含んでいる。
【0175】
電磁波検出器１０６の製造方法は、半導体層１０を形成する工程を備えている点で、電磁波検出器１００の製造方法とは異なる。
【0176】
半導体層１０は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂが形成された後に、形成される。半導体層１０は、例えばスパッタ、蒸着、ＣＶＤ等の任意の成膜法により成膜された半導体膜を、フォトリソグラフィ法によりパターニングすることにより、形成され得る。あるいは、半導体層１０は、ウエハ状又はチップ状に成形された半導体層を第２強誘電体層４ｂに接合し、その後、半導体層を研磨して薄膜化することによっても、形成され得る。さらに、半導体層１０は、上記のように薄膜化された半導体層を、フォトリソグラフィ法によりさらにパターニングすることによっても、形成され得る。接合には、加熱を行うウエハ融着法や表面の酸化膜を除去後に、直接接合する室温接合方法などがある。
【0177】
＜電磁波検出器１００の動作および原理＞
電磁波検出器１０６では、二次元材料層１は半導体層１０とショットキー接合する。検出対象である電磁波が電磁波検出器１０６に入射すると、電磁波のエネルギーによって、半導体層１０において電子正孔対が生成する。この際に、バイアス電圧によって、電子正孔対の一方が、二次元材料層１に流れ込むことで電流が生じる。
電磁波検出器１０６では、二次元材料層１は半導体層１０とショットキー接合する。検出対象である電磁波が電磁波検出器１０６に入射すると、電磁波のエネルギーによって、半導体層１０において電子正孔対が生成する。この際に、バイアス電圧によって、電子正孔対の一方が、二次元材料層１に流れ込むことで電流が生じる。
【0178】
また、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々にも、二次元材料層１を通過した電磁波及び二次元材料層１よりも外側を通過した電磁波が、入射する。この場合、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々が焦電効果を生じることにより、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の表面の電圧が変化し、それぞれの直上にある二次元材料層１にはゲート電圧の変化が生じる。
＜作用効果＞
電磁波検出器１０６では、二次元材料層１が半導体層１０とショットキー接合されているため、ショットキー接合のない、実施の形態１に示されるグラフェントランジスタ型と比較して、電磁波が入射していない状態での暗電流が抑制される。
＜作用効果＞
電磁波検出器１０６では、二次元材料層１が半導体層１０とショットキー接合されているため、ショットキー接合のない、実施の形態１に示されるグラフェントランジスタ型と比較して、電磁波が入射していない状態での暗電流が抑制される。
【0179】
第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々による焦電効果により、二次元材料層１のゲート電圧が変化する。よって、二次元材料層１と半導体層１０の間に印加されるバイアス電圧が変化する。第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂを、このバイアス電圧の変化が順方向に増加するように配置すると、電流の取り出し効率が向上する。
【0180】
さらに、電磁波検出器１０６においても上記光ゲート効果が生じるため、電磁波検出器１０６にて得られる信号変化量は、極めて大きくなる。
【0181】
以上のように、電磁波検出器１０６では、二次元材料層１と半導体層１０とのショットキー接合により暗電流が抑制されながらも、光ゲート効果により信号電流の変化量が増大しているため、高いＳ／Ｎ比が実現され得る。
【0182】
また、電磁波検出器１０６では、中空部分２０が形成されているため、実施の形態６に係る電磁波検出器１０４と同様の効果も奏される。具体的には、中空部分２０が形成されていることにより、二次元材料層１は第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々と断熱されている。そのため、電磁波検出器１０６では、電磁波検出器１００と比較して、二次元材料層１が第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂからの電気的・物理的な応答による散乱を受けにくい。その結果、例えば二次元材料層１を構成する材料がグラフェンを含む場合、中空部分２０が形成されていない電磁波検出器１００と比較して、その電荷移動度が大きく向上することになる。
【0183】
電磁波検出器１０６においても、中空部分２０を挟むように配置されている二次元材料層１と第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂとの間隔は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの電圧変化が二次元材料層１に及ぶように設けられていることが望ましい。中空部分２０は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの電圧変化が二次元材料層１に及ぶように設けられている。上記間隔は、一般のボロメータと同様に、数ミクロン程度以下であることが望ましい。このようにすれば、電磁波検出器１０５は、前述した電磁波検出器１００と同様の効果を奏する。
【0184】
＜変形例７＞
電磁波検出器１０６は、半導体層１０を備える点を除き、電磁波検出器１０１，電磁波検出器１０２、電磁波検出器１０３、又は電磁波検出器１０４と同様の構成を備えていてもよい。また、電磁波検出器１０６においても、上記変形例１～変形例６に列記した各変形例が許容される。
電磁波検出器１０６は、半導体層１０を備える点を除き、電磁波検出器１０１，電磁波検出器１０２、電磁波検出器１０３、又は電磁波検出器１０４と同様の構成を備えていてもよい。また、電磁波検出器１０６においても、上記変形例１～変形例６に列記した各変形例が許容される。
【0185】
図２１に示されるように、電磁波検出器１０６は、実施の形態４に係る電磁波検出器１０３と同様に、絶縁層８をさらに備えていてもよい。絶縁層８は、例えば第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の上部に配置されている。第１電極部２ａ及び半導体層１０は、絶縁層８上において第１方向Ｘに互いに間隔を空けて配置されている。
【0186】
実施の形態８．
実施の形態８に係る電磁波検出器は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、図２２に示されるように二次元材料層１が平面視において周期的なパターン形状を有している点で、電磁波検出器１００とは異なる。以下、本実施形態に係る二次元材料層１が電磁波検出器１００の二次元材料層１とは異なる点を主に説明する。
実施の形態８に係る電磁波検出器は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、図２２に示されるように二次元材料層１が平面視において周期的なパターン形状を有している点で、電磁波検出器１００とは異なる。以下、本実施形態に係る二次元材料層１が電磁波検出器１００の二次元材料層１とは異なる点を主に説明する。
【0187】
図２２に示されるように、二次元材料層１には、複数の貫通孔１１が形成されている。複数の貫通孔１１は、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの各々において周期的に配置されている。複数の貫通孔１１の各々の平面形状（開口形状）は、例えば円形状である。なお、各貫通孔１１の平面形状は、任意の形状であればよい。図２３に示されるように、各貫通孔１１の平面形状は、四角形状であってもよく、具体的には正方形状又は長方形状であってもよい。また、各貫通孔１１の平面形状は、楕円形状であってもよい。各貫通孔１１の平面形状は、互いに異なっていてもよい。
【0188】
図２２及び図２３に示されるように、複数の貫通孔１１の各々の寸法は、例えば一定である。複数の貫通孔１１の各々の第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの間隔は、例えば一定である。複数の貫通孔１１の各々の寸法及び間隔の少なくともいずれかは、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの少なくともいずれかにおいて周期的に変化していてもよい。複数の貫通孔１１の各々の寸法及び間隔の少なくともいずれかは、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの少なくともいずれかにおいて非周期的に変化していてもよい。
【0189】
【0190】
図２４に示されるように、二次元材料層１は、第２方向Ｙに互いに間隔を空けて並んで配置されている複数の二次元材料層１２により構成されていてもよい。各二次元材料層１２は、第１方向Ｘに沿って延びている。各二次元材料層１２は、第１方向Ｘに並んで配置されている上記第１領域及び上記第２領域を有している。
【0191】
図２４に示されるように、各二次元材料層１２の寸法は、例えば一定である。各二次元材料層１２の第２方向Ｙの間隔は、例えば一定である。各二次元材料層１２の寸法及び間隔の少なくともいずれかは、第２方向Ｙにおいて周期的に変化していてもよい。各二次元材料層１２の寸法及び間隔の少なくともいずれかは、第２方向Ｙにおいて非周期的に変化していてもよい。
【0192】
図２５に示すように、二次元材料層１は、第２方向Ｙに１次元周期的に配置されている複数の二次元材料層１２Ａと、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの各々に２次元周期的に配置されている複数の二次元材料層１２Ｂとを含んでいてもよい。複数の二次元材料層１２Ｂの各々は、１つの二次元材料層１２Ａと接続されている。複数の二次元材料層１２Ｂの各々は、例えば複数の二次元材料層１２Ａの各々の上部又は下部に配置されている。複数の二次元材料層１２Ｂの各々は、複数の二次元材料層１２Ａの各々と同一の層として一体的に形成されていてもよい。二次元材料層１２Ａを構成する材料は、二次元材料層１２Ｂを構成する材料と同じであってもよい。
【0193】
図２５に示される二次元材料層１では、２次元周期的に配置されている複数の二次元材料層１２Ｂにおいて支配的にプラズモン共鳴が発生し、その共鳴によって増強された光電変換によって生じる電子正孔対が、１次元周期的に配置されている複数の二次元材料層１２Ａを通じて第１電極部２ａに到達することができる。この場合、偏光依存性のない光電変換が発生するため、電磁波検出器の感度が向上する。
【0194】
上記のように、二次元材料層１が周期的又は非周期的なパターン形状を有していることにより、パターンによって決定されるプラズモン共鳴を生じる。二次元材料層１が周期的なパターン形状を有している場合には、プラズモン共鳴波長は一定となる。他方、二次元材料層１が非周期的なパターン形状を有している場合には、共鳴が複数生じることで、プラズモン共鳴波長が多波長化する。プラズモン共鳴波長の間隔が狭ければ、二次元材料層１が吸収し得る電磁波の波長は広くなる。このように、二次元材料層１が周期的又は非周期的なパターン形状を有していることで、プラズモン共鳴が生じ、二次元材料層１への電磁波の吸収が増強される。例えば、上述のように、二次元材料層１を構成する材料がグラフェンを含む場合であって二次元材料層１が周期的又は非周期的なパターン形状を有していない場合の白色光の吸収率は２％程度であるが、図２２～図２５に示される二次元材料層１の白色光の吸収率は最大１００％まで向上する。その結果、本実施形態に係る電磁波検出器は、図２２～図２５に示される二次元材料層１を備えるため、高感度である。
【0195】
次に、二次元材料層１のパターン形状の対称性について説明する。例えば図２２に示されるように、複数の貫通孔１１は第１方向Ｘ及び第２方向Ｙのそれぞれにおいて周期的に配置されている。このような二次元材料層１を備える電磁波検出器が検出可能な電磁波の偏光方向は制限されない。他方、図２４に示されるように複数の二次元材料層１２Ａは第２方向Ｙにおいてのみ周期的に配置されている。この場合、二次元材料層１は、電界が第２方向Ｙに平行である電磁波のみを吸収する。その結果、このような二次元材料層１を備える電磁波検出器は特定の偏光のみを検出可能となり、該電磁波検出器を複数個配列することで、偏光イメージセンサが実現される。
【0196】
なお、プラズモン共鳴波長は二次元材料層１の下地（基板３、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂ等）の屈折率にも影響される。例えば、二次元材料層１の下部に配置された基板３を構成する材料がＳｉを含む場合、図２４に示される二次元材料層１を備える電磁波検出器が中赤外線波長域に検出波長を有するには、各二次元材料層１２Ａの幅が２００ｎｍ、第２方向Ｙの間隔（周期）が３００ｎｍであればよい。
【0197】
なお、本実施形態に係る電磁波検出器は、二次元材料層１が平面視において周期的なパターン形状を有している点を除き、電磁波検出器１０１，電磁波検出器１０２、電磁波検出器１０３、電磁波検出器１０４、又は電磁波検出器１０５と同様の構成を備えていてもよい。また、電磁波検出器１０７においても、上記変形例１～変形例７に列記した各変形例が許容される。
【0198】
実施の形態９．
実施の形態９に係る電磁波検出器は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の分極方向が具体的に特定される点で、電磁波検出器１００とは異なる。以下、本実施形態に係る第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂが電磁波検出器１００の第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂとは異なる点を主に説明する。
実施の形態９に係る電磁波検出器は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の分極方向が具体的に特定される点で、電磁波検出器１００とは異なる。以下、本実施形態に係る第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂが電磁波検出器１００の第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂとは異なる点を主に説明する。
【0199】
第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の分極方向は、それぞれの上面と下面との間（言い換えると、基板３の第１面に垂直な方向）に電位差が生じるｚカットと呼ばれる分極方向、又は、それぞれの面内方向（言い換えると、第１方向Ｘ）に電位差が生じるｘカットと呼ばれる分極方向である。
【0200】
ｚカット、ｘカットのいずれにおいても、これまで説明を行った光バイアス効果及び光ゲート効果が同時に実現される。ただし、ｘカットの場合、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の面内方向の電位差変化が顕著なことから、光バイアス効果のほうがより顕著に発生する。また、ｘカットの電荷の移動は比較的高速であることから、応答速度が速くなる。なお、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの一方がｚカットであり、他方がｘカットであってもよい。このようにしても、光バイアス効果及び光ゲート効果が同時に実現される。
【0201】
なお、本実施形態に係る電磁波検出器は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の分極方向が具体的に特定される点を除き、電磁波検出器１０１，電磁波検出器１０２、電磁波検出器１０３、電磁波検出器１０４、電磁波検出器１０５、又は実施の形態８に係る電磁波検出器と同様の構成を備えていてもよい。また、本実施形態に係る電磁波検出器においても、上記変形例１～変形例７に列記した各変形例が許容される。
【0202】
実施の形態１０．
本実施の形態に係る電磁波検出器は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備えるが、二次元材料層１が乱層構造部分を有している点で、電磁波検出器１００とは異なる。
本実施の形態に係る電磁波検出器は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備えるが、二次元材料層１が乱層構造部分を有している点で、電磁波検出器１００とは異なる。
【0203】
二次元材料層１においてチャネル領域に対応する部分が、乱層構造を有している。具体的には、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、原子が二次元面内に配列されて成る単層が互いに積層している積層構造を有している。上記単層は、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに沿って延びており、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの各々に直交する方向に積層している。乱層構造部分では、上記垂直方向に隣り合う２つの単層の格子が不整合な状態にある。
【0204】
二次元材料層１の第１領域１ａ及び第２領域１ｂの各々が乱層構造部分を有している。
乱層構造部分の作製方法は、適宜に決められてもよい。例えば、ＣＶＤ法で作製された単層のグラフェンが複数回転写され、多層グラフェンが積層されることで乱層構造部分が形成されてもよい。また、グラフェン上にエタノールまたはメタンなどが炭素源として配置され、グラフェンがＣＶＤ法によって成長することで乱層構造部分が形成されてもよい。
乱層構造部分の作製方法は、適宜に決められてもよい。例えば、ＣＶＤ法で作製された単層のグラフェンが複数回転写され、多層グラフェンが積層されることで乱層構造部分が形成されてもよい。また、グラフェン上にエタノールまたはメタンなどが炭素源として配置され、グラフェンがＣＶＤ法によって成長することで乱層構造部分が形成されてもよい。
【0205】
本実施の形態である電磁波検出器は、二次元材料層１においてチャネル領域に対応する部分が、乱層構造を有しているため、二次元材料層１中の電荷の移動度が向上する。通常の積層グラフェンは、Ａ－Ｂ積層と呼ばれ、互いの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、互いの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。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。
【0206】
さらに、二次元材料層１が絶縁層８と接触している場合には、グラフェンは下地となる絶縁層８のキャリア散乱の影響を受けて移動度が低下するが、グラフェン上に乱層構造で積層されたグラフェンは下地の絶縁層８のキャリア散乱の影響を受けにくくなるため、移動度を向上させることができ、本実施の形態に係る電磁波検出器の感度を向上させることができる。
【0207】
なお、本実施形態に係る電磁波検出器は、二次元材料層１が乱層構造部分を有している点を除き、電磁波検出器１０１，電磁波検出器１０２、電磁波検出器１０３、電磁波検出器１０４、電磁波検出器１０５、実施の形態７又は実施の形態８に係る電磁波検出器と同様の構成を備えていてもよい。また、本実施形態に係る電磁波検出器においても、上記変形例１～変形例７に列記した各変形例が許容される。
【0208】
実施の形態１１．
図２６に示されるように、実施の形態１１に係る電磁波検出器１０８は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、二次元材料層１と基板３が直接接する接触領域５０を備え、第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂとの境界が、二次元材料層１のうち接触領域５０にて基板３と接触している部分と、当該部分を介して互いに対向する第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂの各端面とにより構成されている点で、電磁波検出器１００、１０１、１０３、１０４とは異なる。
図２６に示されるように、実施の形態１１に係る電磁波検出器１０８は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００と基本的に同様の構成を備え同様の効果を有するが、二次元材料層１と基板３が直接接する接触領域５０を備え、第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂとの境界が、二次元材料層１のうち接触領域５０にて基板３と接触している部分と、当該部分を介して互いに対向する第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂの各端面とにより構成されている点で、電磁波検出器１００、１０１、１０３、１０４とは異なる。
【0209】
異なる観点から言えば、電磁波検出器１０８は、第１方向Ｘにおいて第２領域１ｂ側に位置する第１強誘電体層４ａの第１端部が第１方向Ｘにおいて第１領域１ａ側に位置する第２強誘電体層４ｂの第２端部と接しておらず、第１端部と第２端部とが二次元材料層１を介して接続されている点で、電磁波検出器１００、１０１、１０３、１０４とは異なる。以下、電磁波検出器１０８が電磁波検出器１００、１０１、１０３、１０４とは異なる点を主に説明する。
【0210】
図２６に示すように、電磁波検出器１０８は、二次元材料層１と基板３とが接触する接触領域５０を有する。接触領域５０は、第１強誘電体層４ａと第２強誘電体層４ｂとの間に形成される。二次元材料層１は、接触領域５０において、基板３とショットキー接合されている。
【0211】
電磁波検出器１０８において、第１強誘電体層４ａの第１端部の端面及び第２強誘電体層４ｂの第２端部の端面は、それぞれ二次元材料層１と接している。
【0212】
図２６に示される電磁波検出器１０８は、ドレイン電極として作用する第１電極部２ａと、ソース電極として作用する第２電極部２ｂとを備える。
【0213】
接触領域５０は、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの少なくともいずれかを部分的にエッチングして基板３を露出させた後、基板３、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂ上に二次元材料層１を転写することにより、形成され得る。二次元材料層１は伸縮性を有するため、上記方法により形成された二次元材料層１は、原子間力によりその下方に形成されている凹凸の表面に沿うように変形して基板３と接触し得る。接触領域５０において二次元材料層１と基板３との間で接触不良は生じにくい。
【0214】
図２６に示される電磁波検出器１０８においても、第１強誘電体層４ａに生じる電圧変化は第２強誘電体層４ｂに生じる電圧変化とは異なるため、二次元材料層１の第１領域１ａ及び第２領域１ｂの各々に印加される電圧が異なることになる。つまり、電磁波検出器１０８において、二次元材料層１中には擬似的にＰＮ接合と同様のバイアス電圧が印加される。他方、基板３から二次元材料層１へ電荷が注入されるため、二次元材料層１に注入された電荷は、上述した光バイアス効果によって、二次元材料層１をチャネルとしてソース電極及びドレイン電極から取り出される。二次元材料層１がグラフェンである場合、電荷移動度は例えばシリコンの１００倍程度であるため、二次元材料層１のグラフェンに注入された電荷の移動度は基板３中の電荷の移動度と大きく異なるため、ゲインが発生する。この場合、取り出される出力信号は、シリコンからなる一般的なチャネルを備える電磁波検出器において取り出される出力信号と比べて、１００倍程度大きくなる。この効果は量子ゲイン(Quantum gain)と呼ばれる。以上のように、電磁波検出器１０８では、二次元材料層１と基板３が接触する接触領域５０を備えるため、さらなる高性能化が可能である。
【0215】
なお、電磁波検出器１０８は、接触領域５０において二次元材料層１と基板３の間にバリア層をさらに備えていてもよい。このバリア層は光スイッチ効果を増強する効果があるため、光検出性能をより高性能化することが可能である。
【0216】
図２７に示される電磁波検出器１０９は、電磁波検出器１０８の第１変形例である。電磁波検出器１０９は、第２電極部２ｂを備えていない点で、電磁波検出器１０８とは異なる。電磁波検出器１０９は、二次元材料層１と半導体層１０とのショットキー接合を利用したショットキーダイオードとして動作する。電磁波検出器１０９は、電極としては、ドレイン電極としての第１電極部２ａ、及びバックゲート電極としての第３電極部５のみを備えていればよい。
【0217】
電磁波検出器１０９では、二次元材料層１は基板３とショットキー接合を形成し、二次元材料層１のフェルミレベルと基板３のフェルミレベルとの差で決定されるショットキーバリアをもつ。そのため、電磁波が入射していない状態での暗電流が抑制され、ノイズが低減され得る。
【0218】
他方、電磁波が照射された場合には、上述のように、第１強誘電体層４ａに生じる電圧変化は第２強誘電体層４ｂに生じる電圧変化とは異なるため、二次元材料層１の第１領域１ａ及び第２領域１ｂの各々に印加される電圧が異なることになる。つまり、電磁波検出器１０９中の二次元材料層１中には、擬似的にＰＮ接合と同様のバイアス電圧が印加され、二次元材料層１と基板３との間にバイアス電圧が印加されることになる。これにより、電荷の取り出し効率が向上し、感度が増強される。さらに二次元材料層１を構成する材料がグラフェンの場合、上述のように、第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂの各々の焦電効果によって二次元材料層１のフェルミレベルは大きく変化する。そのため電磁波検出器１０９では、金属―半導体間のショットキー接合を利用するが強誘電体層による焦電効果を利用していない電磁波検出器と比べて、電磁波が照射されたときにより巨大な出力電流をドレイン電極より取り出すことができる。この効果は、光ゲート効果あるいは、光スイッチ効果と呼ばれる。この効果により、電磁波検出器１０９の出力電流は、金属―半導体間のショットキー接合を利用するが強誘電体層による焦電効果を利用していない電磁波検出器と比べて、量子効率換算で約１００倍以上まで増強され得る。さらに電磁波検出器１０９の端子数は２つであるため、３端子の電磁波検出器と比べて、各端子と読み出し回路との電気的接続構造が簡便となる。その結果、電磁波検出器１０９によれば、アレイ化された際にも、小型化・小部品化され得る。
【0219】
図２８に示される電磁波検出器１１０は、電磁波検出器１０８の第２変形例である。電磁波検出器１１０は、第１強誘電体層４ａの厚みが第２強誘電体層４ｂの厚みと異なっている点で、電磁波検出器１０８とは異なる。言い換えると、電磁波検出器１１０は、接触領域５０を備えている点で、電磁波検出器１０１とは異なる。
【0220】
図２９に示される電磁波検出器１１１は、電磁波検出器１０８の第３変形例である。電磁波検出器１１１は、絶縁層８をさらに備えている点で、電磁波検出器１０８とは異なる。言い換えると、電磁波検出器１１１は、接触領域５０を備えている点で、電磁波検出器１０３とは異なる。電磁波検出器１１１において、絶縁層８は、第１強誘電体層４ａ上に形成されている第１絶縁層８ａと、第２強誘電体層４ｂ上に形成されている第２絶縁層８ｂとを含む。第１絶縁層８ａは、第２絶縁層８ｂと間隔を空けて配置されている。平面視において、第１絶縁層８ａ及び第２絶縁層８ｂは、接触領域５０を挟むように配置されている。
【0221】
図３０に示される電磁波検出器１１２は、電磁波検出器１０８の第４変形例である。電磁波検出器１１２は、導電層９をさらに備えている点で、電磁波検出器１０８とは異なる。言い換えると、電磁波検出器１１２は、接触領域５０を備えている点で、電磁波検出器１０４とは異なる。電磁波検出器１１２において、導電層９は、第１強誘電体層４ａ上に形成されている第１導電層９ａと、第２強誘電体層４ｂ上に形成されている第２導電層９ｂとを含む。第１導電層９ａは、第２導電層９ｂと間隔を空けて配置されている。平面視において、第１導電層９ａ及び第２導電層９ｂは、接触領域５０を挟むように配置されている。
【0222】
図２７～図３０に示される電磁波検出器１０９～１１２は、電磁波検出器１０８と同様に動作し得る。また、図２８～図３０に示される電磁波検出器１１０～１１２は、図２７に示される電磁波検出器１０９と同様に、第２電極部２ｂを備えず、第１電極部２ａと第３電極部５を備えていてもよい。
【0223】
実施の形態１２．
実施の形態１２に係る電磁波検出器アレイ２００は、検出素子として実施の形態１～１１のいずれかに係る電磁波検出器を複数備えている。図３１に示される電磁波検出器アレイ２００は、複数の電磁波検出器１００を備えている。複数の電磁波検出器１００は、例えば第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの各々において周期的に配置されている。複数の電磁波検出器１００は、例えば２×２のアレイ状に配置されている。
実施の形態１２に係る電磁波検出器アレイ２００は、検出素子として実施の形態１～１１のいずれかに係る電磁波検出器を複数備えている。図３１に示される電磁波検出器アレイ２００は、複数の電磁波検出器１００を備えている。複数の電磁波検出器１００は、例えば第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの各々において周期的に配置されている。複数の電磁波検出器１００は、例えば２×２のアレイ状に配置されている。
【0224】
電磁波検出器１００の個数及び配列は、これに制限されるものではない。複数の電磁波検出器１００は、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの少なくともいずれかに沿ってアレイ状に配置されていればよい。また、複数の電磁波検出器１００の各々は、非周期的に配列していてもよい。
【0225】
複数の電磁波検出器１００の各々が感度を有する検出波長は、例えば互いに同等である。複数の電磁波検出器１００の各々が感度を有する検出波長は、互いに異なっていてもよい。言い換えると、複数の電磁波検出器１００の各々は、互いに異なる検出波長選択性を有していてもよい。この場合、電磁波検出器アレイ２００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。
【0226】
また、電磁波検出器アレイ２００では、複数の電磁波検出器１００の第１強誘電体層４ａ及び第２強誘電体層４ｂが互いに分離されていれば、１つの第２電極部２ｂ（図１参照）が共通電極として用いられてもよい。これにより、複数の第２電極部２ｂが独立している場合よりも電磁波検出器アレイ２００の配線を少なくすることができるため、電磁波検出器アレイ２００の解像度を高めることができる。
【0227】
図３２は、電磁波検出器アレイ２００のうちの１つの電磁波検出器１００と読み出し回路３００との接続構造を説明するための断面図である。図３２に示されるように、電磁波検出器１００は、二次元材料層１を覆うように配置された絶縁層１３と、第１電極部２ａと電気的に接続されており絶縁層１３上に引き出された引き出し電極２ｃと、絶縁層１８及び引き出し電極２ｃ上に配置されたパッド１４とをさらに備えていてもよい。二次元材料層１は、引き出し電極２ｃと電気的に絶縁されている。パッド１４は、バンプ１５を介して読み出し回路３００と電気的に接続されている。言い換えると、電磁波検出器１００と読み出し回路とは、いわゆるハイブリッド接合されている。図３２に示される接続構造は、基板３を構成する材料がＳｉ以外の材料である場合に、好適である。
【0228】
この場合、バンプ１５を構成する材料は、導電性材料であればよい。導電性材料の一例としてインジウムが挙げられるが、これに制限されない。パッド１４を構成する材料は、アルミニウムシリコン、ニッケル、金などの導電性材料である。読み出し回路３００はＣＴＩＡ （Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）型などが用いられるが、この方式には限定されず、他の読み出し方式でもよい。
【0229】
電磁波検出器アレイ２００は、互いに異なる種類の電磁波検出器を備えていてもよい。図３３に示される電磁波検出器アレイ２００に含まれる複数の電磁波検出器は、互いに異なる種類の電磁波検出器１００～１０３である。互いに異なる種類の電磁波検出器１００～１０３は、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙの少なくともいずれかに沿ってアレイ状に配置されていればよい。複数の電磁波検出器１００～１０３の各々が感度を有する検出波長は、互いに異なっていてもよい。言い換えると、複数の電磁波検出器１００～１０３の各々は、互いに異なる検出波長選択性を有していてもよい。なお、電磁波検出器アレイ２００に含まれる複数種の電磁波検出器の組み合わせは、実施の形態１～１１に係る電磁波検出器から任意に選択され得る。
【0230】
電磁波検出器アレイ２００は、実施の形態１～１１に係る電磁波検出器のいずれかを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。
【0231】
このように異なる検出波長を有する電磁波検出器をアレイ状に配置することにより、可視光域で用いるイメージセンサと同様に、紫外光、赤外光、テラヘルツ波、電波の波長域においても波長を識別でき、カラー化した画像を得ることができる。
【0232】
また、電磁波検出器１００～１０３の各々の第１強誘電体層４ａの吸収波長が互いに異なっていてもよい。このような電磁波検出器１００～１０３を備える電磁波検出器アレイ２００が車載センサに適用された場合、電磁波検出器アレイ２００は、昼間は可視光画像用カメラとして使用され、夜間は赤外線カメラとしても使用され得る。そのため、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。
【0233】
また、電磁波検出器アレイ２００は、画像センサ以外の用途に用いられてもよい。電磁波検出器アレイ２００は、例えば少ない画素数でも物体の位置を検出できる位置検出用センサとして用いられ得る。また、例えば、電磁波検出器アレイ２００は、複数の波長において電磁波の強度を検出できる画像センサとして用いられ得る。これにより、従来、ＣＭＯＳ（Complementary ＭＯＳ：相補型ＭＯＳ）センサ等で必要とされていたカラーフィルタを用いることなく、複数の電磁波を検出し、カラー化された画像を得ることができる。
【0234】
複数の電磁波検出器１００～１０３の各々は、互いに異なる偏光を有する電磁波を検出するように構成されていてもよい。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、材料の識別、赤外波長域においてそれぞれ同一温度を有する複数の物体の識別、複数の物体間の境界の識別、または、等価的な分解能の向上などが可能になる。
【0235】
以上より、上述のように構成された本実施の形態である電磁波検出器を用いた電磁波検出器は、広い波長域の電磁波を検出することができる。また、本実施の形態である電磁波検出器を用いた電磁波検出器は、異なる波長の電磁波を検出することができる電磁波検出器を提供することができる。
【0236】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、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、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、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発明が含まれており、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発明が抽出され得る。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。本開示の範囲は上記した説明ではなくて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が意図される。
【符号の説明】
【0237】
１，１２Ａ，１２Ｂ 二次元材料層、１ａ 第１領域、１ｂ 第２領域、１ｃ 第３領域、２ａ 第１電極部、２ｂ 第２電極部、２ｃ 引き出し電極、３ 基板、４ａ 第１強誘電体層、４ｂ 第２強誘電体層、４ｃ 第３強誘電体層、５ 第３電極部、８，１３，１８ 絶縁層、８ａ 第１絶縁層、８ｂ 第２絶縁層、８ｃ 第３絶縁層、８ｄ 第４絶縁層、９ 導電層、９ａ 第１導電層、９ｂ 第２導電層、１０ 半導体層、１１ 貫通孔、１４ パッド、１５ バンプ、２０ 中空部分、４０，４１ 境界、４２ 段差部、４３ａ 第１凹部、４３ｂ 第２凹部、４３ｃ 第３凹部、４３ｄ 第４凹部、４４ａ 第１凸部、４４ｂ 第２凸部、５０ 接触領域、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７ 電磁波検出器、２００ 電磁波検出器アレイ、３００ 読み出し回路。
【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】
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【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】