特許 7501312 光センサ及びその製造方法

(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】2024-06-10

(45)【発行日】2024-06-18

(54)【発明の名称】光センサ及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20240611BHJP

   H01L 31/08 20060101ALI20240611BHJP

【ＦＩ】

G01J1/02 B

G01J1/02 R

H01L31/08 Z

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020184853

(22)【出願日】2020-11-05

(65)【公開番号】P2022074642

(43)【公開日】2022-05-18

【審査請求日】2023-06-08

【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、防衛装備庁、安全保障技術研究推進制度、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(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】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】林 賢二郎

【審査官】井上 徹

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／０１２０７６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－２８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１９２９０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】Shutaro Ishida，グラフェンナノドットアレイ構造を用いた可視光増強場デバイスの開発，Annual Report ，2015年，No.29，PP.66－68

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｊ １／００－Ｇ０１Ｊ １／６０

Ｇ０１Ｊ １１／００

Ｈ０１Ｌ ３１／００－Ｈ０１Ｌ ３１／０２４

Ｈ０１Ｌ ３１／０８－Ｈ０１Ｌ ３１／１１９

Ｈ０１Ｌ ３１／１８－Ｈ０１Ｌ ３１／２０

Ｇ０２Ｆ １／００－Ｇ０２Ｆ １／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１－Ｇ０２Ｆ ７／００

Ｈ０１Ｌ ２９／００－Ｈ０１Ｌ ２９／９６

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

グラフェン層と、
前記グラフェン層に接続された第１電極及び第２電極と、
前記グラフェン層の下方に設けられ、表面プラズモン共鳴により光電場の強度を増強する増強層と、
を有し、
前記第１電極と前記第２電極とは第１方向に並び、
前記増強層により増強される光電場の強度は、前記グラフェン層の前記第１方向における中心線を基準として、前記第１電極側で前記第２電極側よりも大きいことを特徴とする光センサ。

【請求項2】

前記増強層は、前記中心線よりも前記第１電極側に前記第２電極側よりも高い密度で配置された複数のグラフェンドット層を有することを特徴とする請求項１に記載の光センサ。

【請求項3】

前記増強層は、前記中心線よりも前記第１電極側にのみ前記複数のグラフェンドット層を有することを特徴とする請求項２に記載の光センサ。

【請求項4】

前記グラフェン層と前記増強層との間に設けられた絶縁層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光センサ。

【請求項5】

前記グラフェン層の上方に設けられたパッシベーション層を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光センサ。

【請求項6】

基材の上に表面プラズモン共鳴により光電場の強度を増強する増強層を形成する工程と、
前記増強層の上方にグラフェン層を形成する工程と、
前記グラフェン層に接続される第１電極及び第２電極を第１方向に並べて形成する工程と、
を有し、
前記増強層により増強される光電場強度は、前記グラフェン層の前記第１方向における中心線を基準として、前記第１電極側で前記第２電極側よりも大きいことを特徴とする光センサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光センサ及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

グラファイトに代表される層状結晶は、基本の構成単位となる原子層が当該原子層の法線方向に規則的に積層した構造を有する。グラファイトは、高い光吸収率、電気伝導性及び柔軟性を有することから、透明導電膜やフレキシブルデバイスへの応用が試みられている。近年、グラファイトのバルク結晶から剥離により取り出した単層の原子膜（グラフェン）において、高いキャリア移動度を有する等、バルク中とは異なる新規な物性が発現することが見いだされた。これを契機に、グラフェンを用いたデバイス開発が盛んに研究されてきている。なかでも、グラフェンの高いキャリア移動度と可視光から赤外光までの広い波長帯を吸収する特性（単層あたり、２．３％）を活かして、室温で動作する高速高感度赤外線センサの開発が進められている。

【0003】

グラフェンを用いた光センサの作製において、グラフェンの優れた電気特性（高いキャリア移動度）を活かすには単層グラフェンを用いることが好ましいが、単層では光吸収量が少ないため十分な感度が得られない。これに対して、受光部であるグラフェンにアンチドット加工を施す（微細な穴を多数形成する）ことでセンサの光吸収量を増加させる手法が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特表２０１９－５２２３４８号公報

【文献】特開２０１３－４６０２８号公報

【文献】特開２０１４－２０３９２９号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】Dirac plasmon-assisted asymmetric hot carrier generation for room-temperature infrared detection, Nature Communications, 10, 3498 (2019)

【文献】Wide Angle Dynamically Tunable Enhanced Infrared Absorption on Large-Area Nanopatterned Graphene, ACS Nano, 13, 421 (2019)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、グラフェンにアンチドット加工を施すと、開口が形成された分だけキャリア移動度が低下してしまう。

【0007】

本開示の目的は、キャリア移動度の低下を抑制しながら感度を向上することができる光センサ及びその製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一形態によれば、グラフェン層と、前記グラフェン層に接続された第１電極及び第２電極と、前記グラフェン層の下方に設けられ、表面プラズモン共鳴により光電場の強度を増強する増強層と、を有し、前記第１電極と前記第２電極とは第１方向に並び、前記増強層により増強される光電場の強度は、前記グラフェン層の前記第１方向における中心線を基準として、前記第１電極側で前記第２電極側よりも大きい光センサが提供される。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、キャリア移動度の低下を抑制しながら感度を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態に係る光センサを示す平面図である。

【図2】第１実施形態に係る光センサを示す断面図である。

【図3】第１実施形態に係る光センサの製造方法を示す断面図（その１）である。

【図4】第１実施形態に係る光センサの製造方法を示す断面図（その２）である。

【図5】第１実施形態に係る光センサの製造方法を示す断面図（その３）である。

【図6】第１実施形態に係る光センサの製造方法を示す断面図（その４）である。

【図7】第１実施形態に係る光センサの製造方法を示す断面図（その５）である。

【図8】第１実施形態に係る光センサの製造方法を示す断面図（その６）である。

【図9】第１実施形態に係る光センサの製造方法を示す平面図である。

【図10】第２実施形態に係る光センサを示す平面図である。

【図11】第２実施形態に係る光センサを示す断面図である。

【図12】第２実施形態に係る光センサの製造方法を示す断面図（その１）である。

【図13】第２実施形態に係る光センサの製造方法を示す断面図（その２）である。

【図14】第２実施形態に係る光センサの製造方法を示す断面図（その３）である。

【図15】第３実施形態に係る光センサを示す平面図である。

【図16】第３実施形態に係る光センサを透視して示す平面図である。

【図17】第４実施形態に係る光センサを示す平面図である。

【図18】第４実施形態に係る光センサを透視して示す平面図である。

【図19】第５実施形態に係る光センサを示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。

【0012】

（第１実施形態）
まず、第１実施形態について説明する。第１実施形態は光センサに関する。図１は、第１実施形態に係る光センサを示す平面図である。図２は、第１実施形態に係る光センサを示す断面図である。図２は、図１中のI-I線に沿った断面図に相当する。

【0013】

第１実施形態に係る光センサ１００は、図１及び図２に示すように、シリコン（Ｓｉ）基板１０１と、基板１０１の表面に形成された酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜１０２とを含む基材１０３を有する。基材１０３は、例えば熱酸化膜付きＳｉ基板である。酸化シリコン膜１０２の上に第１電極１３１と、第２電極１３２とが設けられている。第１電極１３１と第２電極１３２とは、互いに第１方向に並んで配置されている。第１電極１３１及び第２電極１３２の材料は特に限定されず、例えば、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｒ又はＴｉが用いられてもよい。第１電極１３１及び第２電極１３２が、これら金属の積層体を含んでいてもよい。例えば、第１電極１３１及び第２電極１３２が、Ｔｉ膜と、Ｔｉ膜上に形成されたＡｕ膜との積層体を含んでいてもよく、Ｃｒ膜と、Ｃｒ膜上に形成されたＡｕ膜との積層体を含んでいてもよい。第１電極１３１と第２電極１３２との間で材料が共通していてもよく、相違していてもよい。

【0014】

第１電極１３１と第２電極１３２との間において、酸化シリコン膜１０２の上に、表面プラズモン共鳴により光電場強度を増強する増強層１２０が設けられている。増強層１２０については後述する。

【0015】

第１電極１３１及び第２電極１３２に接続されたグラフェン層１１１が増強層１２０の上方に設けられている。グラフェン層１１１は、１又は互いに積層された複数のグラフェンを含む。グラフェン層１１１が複数のグラフェンを含む場合、複数のグラフェンがランダム（回転）積層されていることが好ましい。これは、ランダム（回転）積層により、比較的高いキャリア移動度が得られるからである。また、グラフェン層１１１と増強層１２０との間に絶縁層１１２が設けられている。絶縁層１１２は、例えば２次元材料である六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）からなる。絶縁層１１２は、１又は互いに積層された複数のｈＢＮを含む。グラフェン層１１１及び絶縁層１１２の長さ（第１方向の寸法）及び幅（第１方向に直交する第２方向の寸法）は特に限定されないが、例えば１μｍ～１０００μｍ程度である。

【0016】

ここで、増強層１２０について説明する。本実施形態では、増強層１２０は、複数のグラフェンドット層１２１を有する。これらグラフェンドット層１２１は、グラフェン層１１１の第１方向における中心線Ｃよりも第１電極１３１側のみに設けられており、中心線Ｃよりも第２電極１３２側にはグラフェンドット層１２１が設けられていない。すなわち、グラフェンドット層１２１の密度は、中心線Ｃよりも第１電極１３１側で第２電極１３２側よりも高くなっている。従って、増強層１２０により増強される光電場の強度は、中心線Ｃを基準として、第１電極１３１側で第２電極１３２側よりも大きい。

【0017】

グラフェンドット層１２１は、１又は互いに積層された複数のグラフェンを含む。グラフェンドット層１２１は、例えば、平面視で正三角形格子を構成するように配置される。グラフェンドット層１２１が、平面視で正方形格子を構成するように配置されていてもよい。グラフェンドット層１２１の平面形状は特に限定されず、例えば略円形又は略矩形である。グラフェンドット層１２１のサイズも特に限定されず、増強しようとする光電場の波長に応じて適宜選択することができる。例えば、中赤外領域の光電場を増強させる場合、グラフェンドット層１２１は、直径が１００ｎｍ～２００ｎｍの略円形の平面形状を有し、２００ｎｍ～４００ｎｍの周期で規則的に配列されている。本開示におけるグラフェンドット層１２１の周期とは、最も近接するグラフェンドット層１２１の中心同士を結ぶ線分の長さをいう。

【0018】

このように構成された第１実施形態に係る光センサ１００では、グラフェン層１１１に光が入射すると、その一部がグラフェン層１１１及び絶縁層１１２を透過して増強層１２０に到達する。上記のように、グラフェンドット層１２１は、中心線Ｃよりも第１電極１３１側のみに設けられ、中心線Ｃよりも第２電極１３２側にはグラフェンドット層１２１が設けられていない。このため、中心線Ｃよりも第１電極１３１側では、グラフェンドット層１２１の近傍で光電場の強度が増強されるが、第２電極１３２側では光電場の強度は増強されない。すなわち、増強層１２０により増強される光電場の強度は、中心線Ｃを基準として、第１電極１３１側で第２電極１３２側よりも大きい。従って、グラフェン層１１１での光吸収量は、中心線Ｃを基準として、第１電極１３１側で第２電極１３２側よりも大きくなる。この結果、中心線Ｃを基準として、グラフェン層１１１の第１電極１３１側と第２電極１３２との間で光励起されるキャリアの密度に差が生じ、第１電極１３１と第２電極１３２との間に電位差（電圧）が発生する。そして、この電位差（電圧）を測定することで、入射した光を検出できる。

【0019】

また、グラフェン層１１１にアンチドット加工等のキャリア移動度を低下させる加工は必要とされない。このため、キャリア移動度の低下を抑制しながら感度を向上することができる。

【0020】

また、グラフェンドットによる光電場の増強量はアンチドット加工が施されたグラフェンよりも大きい。例えば、光吸収量に換算すると、加工が施されていないグラフェンの光吸収量が２．３％程度、アンチドット加工が施されたグラフェンの光吸収量が６０％程度であるのに対し、グラフェンドットの光吸収量は９０％程度である。なお、後述のように、増強層１２０に、アンチドット加工が施されたグラフェンが用いられてもよい。

【0021】

また、グラフェンドット層１２１とグラフェン層１１１との間に絶縁層１１２が設けられているため、グラフェンドット層１２１によるグラフェン層１１１へのキャリア散乱の影響を抑制できる。増強される光電場の強度は、グラフェンドット層１２１とグラフェン層１１１との間の距離に対して指数関数的に減衰する。このため、絶縁層１１２は薄い方が望ましい。例えば、絶縁層１１２は１層のｈＢＮから構成されることが望ましい。絶縁層１１２の材料はｈＢＮに限定されない。絶縁層１１２の材料として、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）又は酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）が用いられてもよい。

【0022】

なお、増強される光電場の波長は、増強層１２０に含まれるグラフェンドット層１２１のサイズ及び周期に依存する。従って、グラフェンドット層１２１のサイズ及び周期を調整することで、増強される光電場の波長を変調できる。例えば、１００ｎｍ～２００ｎｍの直径、２００ｎｍ～４００ｎｍの周期の範囲内で直径及び周期を選択することで、増強される光電場の波長を８μｍ～１０μｍ程度の範囲内で変調できる。

【0023】

次に、第１実施形態に係る光センサ１００の製造方法について説明する。図３～図８は、第１実施形態に係る光センサ１００の製造方法を示す断面図である。図９は、第１実施形態に係る光センサ１００の製造方法を示す平面図である。図４は、図９中のIV-IV線に沿った断面図に相当する。

【0024】

まず、図３に示すように、基材１０３を準備する。基材１０３は、例えば熱酸化膜付きＳｉ基板である。次いで、酸化シリコン膜１０２の上にグラフェン層１２１Ａを設ける。グラフェン層１２１Ａは、少なくとも、複数のグラフェンドット層１２１を形成する領域を含むように設ける。酸化シリコン膜１０２の上にグラフェン層１２１Ａを直接合成してよく、別途合成したグラフェン層１２１Ａを酸化シリコン膜１０２の上に転写してもよい。

【0025】

その後、図４及び図９に示すように、グラフェン層１２１Ａを加工して複数のグラフェンドット層１２１を含む増強層１２０を形成する。グラフェン層１２１Ａの加工では、例えば、リソグラフィーにより複数のグラフェンドット層１２１を形成する予定の部分を覆うマスクを形成し、酸素プラズマ装置等を用いてグラフェン層１２１Ａのマスクから露出した部分をアッシングする。

【0026】

続いて、図５に示すように、増強層１２０の上に絶縁層１１２Ａを設ける。絶縁層１１２Ａは、例えば２次元材料である六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）からなる。絶縁層１１２Ａは、少なくとも、絶縁層１１２を形成する領域を含むように設ける。別途合成した絶縁層１１２Ａを増強層１２０の上に転写してもよく、増強層１２０の上に絶縁層１１２Ａを直接合成してよい。絶縁層１１２Ａの材料として酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムを用いてもよい。絶縁層１１２Ａの材料として酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムを用いる場合、絶縁層１１２Ａは、原子層堆積（atomic layer deposition：ＡＬＤ）法又は蒸着法等により形成してもよい。

【0027】

次いで、図６に示すように、絶縁層１１２Ａの上にグラフェン層１１１Ａを設ける。グラフェン層１１１Ａは、少なくともグラフェン層１１１を形成する領域を含むように設ける。絶縁層１１２Ａの上にグラフェン層１２１Ａを直接合成してよく、別途合成したグラフェン層１２１Ａを絶縁層１１２Ａの上に転写してもよい。

【0028】

その後、図７に示すように、グラフェン層１１１Ａ及び絶縁層１１２Ａを加工してグラフェン層１１１及び絶縁層１１２を形成する。グラフェン層１１１Ａ及び絶縁層１１２Ａの加工では、例えば、リソグラフィーによりグラフェン層１１１及び絶縁層１１２を形成する予定の部分を覆うマスクを形成し、酸素プラズマ装置等を用いてグラフェン層１２１Ａのマスクから露出した部分をアッシングする。酸素プラズマ装置等を用いたアッシングに代えて、反応性イオンエッチング（reactive ion etching：ＲＩＥ）を行ってもよい。

【0029】

続いて、図８に示すように、グラフェン層１１１に接続される第１電極１３１及び第２電極１３２を形成する。第１電極１３１及び第２電極１３２は、互いに第１方向に並ぶように形成する。

【0030】

このようにして第１実施形態に係る光センサ１００を製造することができる。

【0031】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、グラフェン層１１１の上にパッシベーション層が設けられている点で第１実施形態と相違する。図１０は、第２実施形態に係る光センサを示す平面図である。図１１は、第２実施形態に係る光センサを示す断面図である。図１１は、図１０中のXI-XI線に沿った断面図に相当する。

【0032】

第２実施形態に係る光センサ２００は、図１０及び図１１に示すように、グラフェン層１１１の上に設けられたパッシベーション層２１２を有する。パッシベーション層２１２は、例えば２次元材料である六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）からなる。パッシベーション層２１２は、１又は互いに積層された複数のｈＢＮを含む。

【0033】

他の構成は第１実施形態と同様である。

【0034】

第２実施形態によっても、キャリア移動度の低下を抑制しながら感度を向上することができる。また、第２実施形態では、パッシベーション層２１２が設けられているため、グラフェン層１１１による大気中の水分の吸着が抑制される。グラフェン層１１１が水分を吸着すると、水分のドーピングによりグラフェン層１１１の特性が変化する。従って、不活性なパッシベーション層２１２によりグラフェン層１１１を覆うことにより、グラフェン層１１１の特性の安定性を向上できる。

【0035】

パッシベーション層２１２の材料はｈＢＮに限定されない。パッシベーション層２１２の材料として、例えば酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムが用いられてもよい。

【0036】

次に、第２実施形態に係る光センサ２００の製造方法について説明する。図１２～図１４は、第２実施形態に係る光センサ２００の製造方法を示す断面図である。

【0037】

まず、第１実施形態と同様にして、グラフェン層１１１Ａの配置までの処理を行う（図６参照）。次いで、図１２に示すように、グラフェン層１１１Ａの上にパッシベーション層２１２Ａを設ける。パッシベーション層２１２Ａは、例えば２次元材料である六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）からなる。パッシベーション層２１２Ａは、少なくとも、パッシベーション層２１２を形成する領域を含むように設ける。別途合成したパッシベーション層２１２Ａをグラフェン層１１１Ａの上に転写してもよく、グラフェン層１１１Ａの上にパッシベーション層２１２Ａを直接合成してよい。パッシベーション層２１２Ａの材料として酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムを用いてもよい。パッシベーション層２１２Ａの材料として酸化アルミニウム又は酸化ハフニウムを用いる場合、パッシベーション層２１２Ａは、ＡＬＤ法又は蒸着法等により形成してもよい。

【0038】

その後、図１３に示すように、パッシベーション層２１２Ａ、グラフェン層１１１Ａ及び絶縁層１１２Ａを加工してパッシベーション層２１２、グラフェン層１１１及び絶縁層１１２を形成する。パッシベーション層２１２、グラフェン層１１１Ａ及び絶縁層１１２Ａの加工では、例えば、リソグラフィーによりパッシベーション層２１２、グラフェン層１１１及び絶縁層１１２を形成する予定の部分を覆うマスクを形成し、酸素プラズマ装置等を用いてパッシベーション層２１２、グラフェン層１２１Ａのマスクから露出した部分をアッシングする。酸素プラズマ装置等を用いたアッシングに代えて、ＲＩＥを行ってもよい。

【0039】

続いて、図１４に示すように、グラフェン層１１１に接続される第１電極１３１及び第２電極１３２を形成する。第１電極１３１及び第２電極１３２は、互いに第１方向に並ぶように形成する。

【0040】

このようにして第２実施形態に係る光センサ２００を製造することができる。

【0041】

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。第３実施形態は、増強層の構成の点で第１実施形態と相違する。図１５は、第３実施形態に係る光センサを示す平面図である。図１６は、第３実施形態に係る光センサを透視して示す平面図である。図１６では、グラフェン層１１１及び絶縁層１１２を透視している。

【0042】

第３実施形態に係る光センサ３００では、図１５及び図１６に示すように、増強層１２０に代えて増強層３２０が設けられている。増強層３２０は、複数の線状グラフェン層３２１を有する。これら線状グラフェン層３２１は、グラフェン層１１１の中心線Ｃよりも第１電極１３１側のみに設けられており、中心線Ｃよりも第２電極１３２側には線状グラフェン層３２１が設けられていない。従って、増強層３２０により増強される光電場の強度は、中心線Ｃを基準として、第１電極１３１側で第２電極１３２側よりも大きい。

【0043】

線状グラフェン層３２１は、１又は互いに積層された複数のグラフェンを含む。線状グラフェン層３２１は、第１方向に垂直な第２方向に延び、第１方向に並ぶ。線状グラフェン層３２１のサイズは特に限定されず、増強しようとする光電場の波長に応じて適宜選択することができる。

【0044】

他の構成は第１実施形態と同様である。

【0045】

第３実施形態によっても、キャリア移動度の低下を抑制しながら感度を向上することができる。第３実施形態では、増強層３２０を形成するためのマスクの設計及び形成がより容易である。

【0046】

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。第４実施形態は、増強層の構成の点で第１実施形態と相違する。図１７は、第４実施形態に係る光センサを示す平面図である。図１８は、第４実施形態に係る光センサを透視して示す平面図である。図１８では、グラフェン層１１１及び絶縁層１１２を透視している。

【0047】

第４実施形態に係る光センサ４００では、図１７及び図１８に示すように、増強層１２０に代えて増強層４２０が設けられている。増強層４２０は、アンチドット加工が施されたグラフェン層４２１を有する。グラフェン層４２１は、グラフェン層１１１の中心線Ｃよりも第１電極１３１側のみに設けられており、中心線Ｃよりも第２電極１３２側にはグラフェン層４２１が設けられていない。従って、増強層４２０により増強される光電場の強度は、中心線Ｃを基準として、第１電極１３１側で第２電極１３２側よりも大きい。

【0048】

グラフェン層４２１は、１又は互いに積層された複数のグラフェンを含む。グラフェン層４２１には、アンチドット加工により複数の開口４２２が形成されている。開口４２２の平面形状は特に限定されず、例えば略円形又は略矩形である。開口４２２のサイズも特に限定されず、増強しようとする光電場の波長に応じて適宜選択することができる。

【0049】

第４実施形態によっても、キャリア移動度の低下を抑制しながら感度を向上することができる。

【0050】

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。第５実施形態は、制御電極が設けられている点で第１実施形態と相違する。図１９は、第５実施形態に係る光センサを示す断面図である。

【0051】

第５実施形態に係る光センサ５００は、図１９に示すように、グラフェン層１１１のキャリア濃度を変調するゲート電極５３１が制御電極として設けられている。例えば、ゲート電極５３１はシリコン基板１０１の下方に設けられている。すなわち、光センサ５００はバックゲート構造を備える。ゲート電極５３１はグラフェン層１１１だけでなくグラフェンドット層１２１のキャリア濃度を変調することもできる。

【0052】

他の構成は第１実施形態と同様である。

【0053】

第５実施形態によっても、キャリア移動度の低下を抑制しながら感度を向上することができる。第５実施形態では、ゲート電極５３１によりグラフェン層１１１及びグラフェンドット層１２１のキャリア濃度を変調することで、光電場の強度が増強される波長を変調することもできる。

【0054】

第２、第３又は第４実施形態にゲート電極５３１が設けられていてもよい。

【0055】

なお、増強層の構成は上記実施形態の構成に限定されない。例えば、増強層に含まれるグラフェン層が設けられた領域と設けられていない領域との境界が、平面視で中心線Ｃと一致している必要はない。増強層に含まれるグラフェン層が中心線Ｃよりも第２電極１３２側において皆無である必要はない。例えば、増強される光電場の強度が第１電極１３１側で第２電極１３２側よりも大きければ、増強層が中心線Ｃよりも第２電極１３２側にグラフェン層を有していてもよい。つまり、増強層に含まれるグラフェン層が設けられた領域と設けられていない領域との境界が、中心線Ｃよりも第２電極１３２側にあってもよい。逆に、増強層に含まれるグラフェン層が設けられた領域と設けられていない領域との境界が、中心線Ｃよりも第１電極１３１側にあってもよい。また、中心線Ｃよりも第２電極１３２側に、第１電極１３１側よりも低密度で複数のグラフェンドット層が設けられていてもよい。

【0056】

増強層を構成するグラフェンと酸化シリコン膜１０２との間にｈＢＮが設けられていてもよい。ｈＢＮが設けられていることで、酸化シリコン膜１０２から増強層を構成するグラフェンへのドーピングを抑制することができる。

【0057】

また、基材１０３は、シリコン基板１０１と酸化シリコン膜１０２との積層体に限定されない。

【0058】

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

【0059】

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。

【0060】

（付記１）
グラフェン層と、
前記グラフェン層に接続された第１電極及び第２電極と、
前記グラフェン層の下方に設けられ、表面プラズモン共鳴により光電場の強度を増強する増強層と、
を有し、
前記第１電極と前記第２電極とは第１方向に並び、
前記増強層により増強される光電場の強度は、前記グラフェン層の前記第１方向における中心線を基準として、前記第１電極側で前記第２電極側よりも大きいことを特徴とする光センサ。
（付記２）
前記増強層は、前記中心線よりも前記第１電極側に前記第２電極側よりも高い密度で配置された複数のグラフェンドット層を有することを特徴とする付記１に記載の光センサ。
（付記３）
前記増強層は、前記中心線よりも前記第１電極側にのみ前記複数のグラフェンドット層を有することを特徴とする付記２に記載の光センサ。
（付記４）
前記グラフェンドット層は、
直径が１００ｎｍ～２００ｎｍの円形の平面形状を有し、
２００ｎｍ～４００ｎｍの周期で規則的に配列されていることを特徴とする付記２又は３に記載の光センサ。
（付記５）
前記グラフェン層と前記増強層との間に設けられた絶縁層を有することを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の光センサ。
（付記６）
前記絶縁層は、六方晶窒化ホウ素を含むことを特徴とする付記５に記載の光センサ。
（付記７）
前記グラフェン層の上方に設けられたパッシベーション層を有することを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載の光センサ。
（付記８）
前記パッシベーション層は、六方晶窒化ホウ素を含むことを特徴とする付記７に記載の光センサ。
（付記９）
前記グラフェン層のキャリア濃度を変調する制御電極を有することを特徴とする付記１乃至８のいずれか１項に記載の光センサ。
（付記１０）
基材の上に表面プラズモン共鳴により光電場の強度を増強する増強層を形成する工程と、
前記増強層の上方にグラフェン層を形成する工程と、
前記グラフェン層に接続される第１電極及び第２電極を第１方向に並べて形成する工程と、
を有し、
前記増強層により増強される光電場強度は、前記グラフェン層の前記第１方向における中心線を基準として、前記第１電極側で前記第２電極側よりも大きいことを特徴とする光センサの製造方法。

【符号の説明】

【0061】

１００、２００、３００、４００、５００：光センサ
１１１、４２１：グラフェン層
１１２：絶縁層
１２０、３２０、４２０：増強層
１２１：グラフェンドット層
１３１：第１電極
１３２：第２電極
２１２：パッシベーション層
３２１：線状グラフェン層
４２２：開口
５３１：ゲート電極

【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】