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(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】2024-09-05
(45)【発行日】2024-09-13
(54)【発明の名称】電磁波検出器および電磁波検出器アレイ
(51)【国際特許分類】
H01L 31/108 20060101AFI20240906BHJP
H01L 27/144 20060101ALI20240906BHJP
H01L 27/146 20060101ALI20240906BHJP
G01J 1/02 20060101ALI20240906BHJP
【ＦＩ】
H01L31/10 C
H01L27/144 K
H01L27/146 A
G01J1/02 B
G01J1/02 Q
【請求項の数】
29
(21)【出願番号】P 2022532297
(86)(22)【出願日】2021-03-10
(86)【国際出願番号】 JP2021009541
(87)【国際公開番号】W WO2021256016
(87)【国際公開日】2021-12-23
【審査請求日】2022-10-05
(31)【優先権主張番号】P 2020102988
(32)【優先日】2020-06-15
(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、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】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】嶋谷 政彰
(72)【発明者】
【氏名】小川 新平
(72)【発明者】
【氏名】福島 昌一郎
(72)【発明者】
【氏名】奥田 聡志
【審査官】原 俊文
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３３３１９６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０６７８４１２２（ＣＮ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／０１２０７６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－０２５３５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１７５２１７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０２０／０１２７１５５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】中国特許出願公開第１０７３４２３４５（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ３１／００－３１／０３９２
Ｈ０１Ｌ ３１／０８－３１／１１９
Ｈ０１Ｌ ２７／１４４－２７／１４８
Ｇ０１Ｊ １／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体層と、前記半導体層と電気的に接続されている二次元材料層と、
前記半導体層を介さずに前記二次元材料層と電気的に接続されている第１電極部と、
前記半導体層を介して前記二次元材料層と電気的に接続されている第２電極部と、
強誘電体層とを備え、
前記二次元材料層は、前記半導体層と電気的に接続される第１部分と、前記第１電極部と接触している第２部分と、前記第１部分と第２部分との間を電気的に接続する第３部分とを含み、
前記第１部分は、トンネル絶縁層もしくは導電部材と接触しており前記トンネル絶縁層又は前記導電部材を介して前記半導体層と電気的に接続されており、または前記半導体層と接触しており、
前記第１部分は、前記第１電極部から隔てて配置されており、
前記第３部分は、前記半導体層及び前記第１電極部の各々から隔てて配置されており、かつ前記二次元材料層の延在方向において前記第１部分と前記第２部分との間に配置されており、
前記強誘電体層は、前記二次元材料層の前記第１部分および前記第３部分の少なくともいずれかと接触している、または、前記二次元材料層と間隔を隔てて配置されておりかつ前記二次元材料層の少なくとも一部と重なるように配置されている、電磁波検出器。
【請求項2】
前記半導体層の一部と接しておりかつ前記半導体層の他の一部を開口する開口部が形成されている絶縁膜をさらに備え、前記二次元材料層は、前記開口部において前記半導体層の他の一部と電気的に接続され、かつ前記開口部上から前記絶縁膜上にまで延在している、請求項１に記載の電磁波検出器。
【請求項3】
前記二次元材料層は、前記強誘電体層と接触している領域および前記半導体層と接触している領域を含み、
前記強誘電体層は、前記二次元材料層の前記強誘電体層と接触している領域および前記半導体層と接触している領域の少なくとも一方において前記二次元材料層の延在方向に対して垂直な方向の電界が生じるように設けられている、請求項１又は２に記載の電磁波検出器。
【請求項4】
前記強誘電体層は、前記強誘電体層内の分極が変化したときに前記二次元材料層の抵抗値が変化するように、前記二次元材料層と間隔を隔てて配置されている、請求項１に記載の電磁波検出器。
【請求項5】
前記二次元材料層の少なくとも一部と前記強誘電体層との間を隔てる絶縁膜をさらに備える、請求項４に記載の電磁波検出器。
【請求項6】
前記二次元材料層と前記強誘電体層との間を電気的に接続する接続導電体部をさらに備え、前記強誘電体層は、前記接続導電体部を介して前記二次元材料層と電気的に接続されている、請求項４に記載の電磁波検出器。
【請求項7】
前記強誘電体層は、前記二次元材料層の少なくとも前記第１部分と接触している、または前記二次元材料層と間隔を空けて配置されておりかつ前記二次元材料層の少なくとも前記第１部分と重なるように配置されている、請求項１，２，４～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項8】
前記強誘電体層は、前記二次元材料層の少なくとも前記第３部分と接触している、または前記二次元材料層と間隔を空けて配置されておりかつ前記二次元材料層の少なくとも前記第３部分と重なるように配置されている、請求項１，２，４～７のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項9】
前記強誘電体層は、前記二次元材料層のうち前記第１部分のみと接触している、請求項７に記載の電磁波検出器。
【請求項10】
前記第１部分または前記導電部材は、前記半導体層とショットキー接合している、請求項７～９のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項11】
平面視において、前記第１電極部は環状に形成されており、かつ前記第１部分は、前記第１電極部よりも内側に配置されている、請求項７～１０のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項12】
前記第１部分は、平面視における前記二次元材料層の端部を有する、請求項７～１１のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項13】
前記強誘電体層は、前記二次元材料層に対して前記半導体層とは反対側に配置されている、請求項１～１２のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項14】
前記強誘電体層は、前記二次元材料層に対して前記半導体層側に配置されている、請求項１～１２のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項15】
前記強誘電体層と接触している第３電極部をさらに備える、請求項１～１４のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項16】
前記半導体層、前記二次元材料層、前記第１電極部、および前記第２電極部は、前記強誘電体層上に配置されている、請求項１～１５のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項17】
前記トンネル絶縁層の厚みは、検出対象とする電磁波が前記二次元材料層および前記強誘電体層に入射したときに、前記二次元材料層と前記半導体層との間にトンネル電流が生じるように設定されている、請求項１～１６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項18】
前記強誘電体層の分極方向は、前記二次元材料層の延在方向に対して垂直な方向である、請求項１～１７のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項19】
前記二次元材料層と前記第１電極部との接続部分、および前記二次元材料層と前記半導体層との接続部分の少なくとも一方が、複数設けられている、請求項１～１８のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項20】
前記強誘電体層は、第１強誘電体部分と第２強誘電体部分とを含み、前記第１強誘電体部分を構成する材料の電磁波吸収波長は、前記第２強誘電体部分を構成する材料の電磁波吸収波長と異なる、請求項１～１９のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項21】
前記強誘電体層は、第１強誘電体部分と第２強誘電体部分とを含み、前記第１強誘電体部分および前記第２強誘電体部分の各々が前記二次元材料層の少なくとも一部と重なるように配置されており、
前記第１強誘電体部分を構成する材料の分極率は、前記第２強誘電体部分を構成する材料の分極率と異なる、請求項１～２０のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項22】
前記半導体層は、第１導電型の第１半導体部分と、第２導電型の第２半導体部分とを含み、前記二次元材料層は、前記第１半導体部分と電気的に接続されており、
前記第２電極部は、前記第２半導体部分を介して前記二次元材料層と電気的に接続されている、請求項１～２１のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項23】
前記二次元材料層は、前記第１半導体部分および前記第２半導体部分と電気的に接続されており、前記第１半導体部分と電気的に接続されている第４電極部をさらに備える、請求項２２に記載の電磁波検出器。
【請求項24】
前記二次元材料層は、乱層構造部分を含む、請求項１～２３のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項25】
前記二次元材料層に接触するように配置された、１つ以上の導電体または接触層をさらに備える、請求項１～２４のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項26】
前記二次元材料層の周囲には、空隙が形成されており、前記二次元材料層は、前記空隙に面した表面を有している、請求項１～２５のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項27】
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およびボロフェンからなるグループから選択されるいずれかの材料を含む、請求項１～２６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項28】
前記第１電極部、前記二次元材料層、前記半導体層、および前記第２電極部が、前記第１電極部、前記二次元材料層、前記半導体層、および前記第２電極部の順に電気的に接続されており、検出対象とする電磁波は、前記第１電極部と前記第２電極部との間を流れる電流値の変化として検出される、請求項１～２７のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
【請求項29】
請求項１～２８のいずれか１項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が、第１方向および第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、電磁波検出器および電磁波検出器アレイに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、次世代の電磁波検出器に用いられる電磁波検出層の材料として、二次元材料層の一例である移動度が極めて高いグラフェンが知られている。グラフェンの吸収率は２．３％と低い。そのため、グラフェンを用いた電磁波検出器における高感度化手法が提案されている。たとえば、米国特許出願公開第２０１５／０２４３８２６号明細書（特許文献１）では、下記のような構造の検出器が提案されている。すなわち、上記特許文献１の検出器では、ｎ型半導体層上に２つ以上の誘電体層が設けられている。２つの誘電体層上および当該２つの誘電体層の間に位置するｎ型半導体層の表面部分上にグラフェン層が形成されている。グラフェン層とｎ型半導体層とはショットキー接合している。グラフェン層の両端に接続されたソース・ドレイン電極が誘電体層上に配置されている。ゲート電極はｎ型半導体層と接続されている。ゲート電極とソース電極またはドレイン電極との間に電圧を印加した場合には、上記ショットキー接合により、ＯＦＦ動作が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２４３８２６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、ゲート電極とソース電極またはドレイン電極との間に電圧を印加した状態は、検出器の感度は半導体層の量子効率に依存する。そのため、十分な光キャリアの増幅が出来ず、検出器の高感度化が困難である。
【0005】
本開示の主たる目的は、上記検出器と比べて検出感度が高い電磁波検出器および電磁波検出器アレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本開示に係る電磁波検出器は、半導体層と、半導体層と電気的に接続されている二次元材料層と、半導体層を介さずに二次元材料層と電気的に接続されている第１電極部と、半導体層を介して二次元材料層と電気的に接続されている第２電極部と、二次元材料層の少なくとも一部と接触している強誘電体層とを備える。
【発明の効果】
【0007】
本開示によれば、上記検出器と比べて検出感度が高い電磁波検出器および電磁波検出器アレイを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施の形態１に係る電磁波検出器の平面模式図である。
【図3】実施の形態１に係る電磁波検出器の製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図4】実施の形態２に係る電磁波検出器の平面模式図である。
【図6】実施の形態２に係る電磁波検出器の第１変形例を示す断面模式図である。
【図7】実施の形態２に係る電磁波検出器の第２変形例を示す断面模式図である。
【図8】実施の形態３に係る電磁波検出器の平面模式図である。
【図10】実施の形態４に係る電磁波検出器の平面模式図である。
【図12】実施の形態４に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。
【図14】実施の形態４に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。
【図16】実施の形態５に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図17】実施の形態５に係る電磁波検出器の変形例を示す平面模式図である
【図19】実施の形態７に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図20】実施の形態８に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図21】実施の形態９に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図22】実施の形態１０に係る電磁波検出器の平面模式図である。
【図25】実施の形態１０に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。
【図27】実施の形態１０に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。
【図29】実施の形態１１に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図30】実施の形態１１に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。
【図31】実施の形態１２に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図32】実施の形態１２に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。
【図33】実施の形態１４に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図34】実施の形態１５に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図35】実施の形態１６に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図36】実施の形態１６に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。
【図37】実施の形態１７に係る電磁波検出器の断面模式図である。
【図38】実施の形態１８に係る電磁波検出器の平面模式図である。
【図39】実施の形態１８に係る電磁波検出器の変形例を示す平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本開示の実施の形態を説明する。なお、同一の構成には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【0010】
以下に説明する実施の形態において、図は模式的なものであり、機能又は構造を概念的に説明するものである。また、以下に説明する実施の形態により本開示が限定されるものではない。特記する場合を除いて、電磁波検出器の基本構成は全ての実施の形態において共通である。また、同一の符号を付したものは、上述のように同一又はこれに相当するものである。これは明細書の全文において共通する。
【0011】
以下に説明する実施の形態では、電磁波検出器について、可視光又は赤外光を検出する場合の構成を用いて説明するが、本開示はこれらに限定されない。以下に説明する実施の形態は、可視光または赤外光に加えて、例えば、Ｘ線、紫外光、近赤外光、テラヘルツ（ＴＨｚ）波、又は、マイクロ波などの電波を検出する検出器としても有効である。なお、本開示の実施の形態において、これらの光及び電波を総称して電磁波と記載する。
【0012】
また、本開示の実施の形態では、グラフェンとしてｐ型グラフェン又はｎ型グラフェンの用語が用いられる場合がある。以下の実施の形態では、真性状態のグラフェンよりも正孔が多いものをｐ型グラフェン、電子が多いものをｎ型グラフェンと呼ぶ。
【0013】
また、本開示の実施の形態では、二次元材料層の一例であるグラフェンに接触する部材の材料について、ｎ型又はｐ型の用語が用いられる場合がある。ここでは、例えば、ｎ型材料とは電子供与性を有する材料、ｐ型材料とは電子求引性を有する材料を示す。また、分子全体において電荷に偏りが見られ、電子が支配的となるものをｎ型、正孔が支配的となるものをｐ型と呼ぶ場合もある。これらの材料としては、有機物及び無機物のいずれか一方又はそれらの混合物を用いることができる。
【0014】
また、金属表面と光との相互作用である表面プラズモン共鳴現象等のプラズモン共鳴現象、可視光域・近赤外光域以外での金属表面にかかる共鳴という意味での擬似表面プラズモン共鳴と呼ばれる現象、又は、波長以下の寸法の構造により特定の波長を操作するという意味でのメタマテリアル又はプラズモニックメタマテリアルと呼ばれる現象については、特にこれらを名称により区別せず、現象が及ぼす効果の面からは同等の扱いとする。ここでは、これらの共鳴を、表面プラズモン共鳴、プラズモン共鳴、又は、単に共鳴と呼ぶ。
【0015】
また、以下に説明する実施の形態では、二次元材料層の材料として、グラフェンを例に説明を行っているが、二次元材料層を構成する材料はグラフェンに限られない。たとえば、二次元材料層の材料としては、遷移金属ダイカルコゲナイド（ＴＭＤ：Transition Metal Dichalcogenide）、黒リン（Black Phosphorus）、シリセン（シリコン原子による二次元ハニカム構造）、ゲルマネン（ゲルマニウム原子による二次元ハニカム構造）等の材料を適用することができる。遷移金属ダイカルコゲナイドとしては、たとえば、ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２等の遷移金属ダイカルコゲナイドが挙げられる。
【0016】
これらの材料は、グラフェンと類似の構造を有しており、原子を二次元面内に単層で配列することが可能な材料である。したがって、これらの材料を二次元材料層に適用した場合においても、二次元材料層にグラフェンを適用した場合と同様の作用効果を得ることができる。
【0017】
実施の形態１．
＜電磁波検出器の構成＞
図１は、実施の形態１に係る電磁波検出器の平面模式図である。図２は、図１の線分ＩＩ－ＩＩにおける断面模式図である。図１および図２に示した電磁波検出器は、二次元材料層１と、第１電極部２ａと、第２電極部２ｂと、絶縁膜３と、半導体層４と、強誘電体層５とを主に備える。強誘電体層５は電磁波検出器の検出対象とする電磁波の波長に感度を有している。強誘電体層５に検出対象とする波長を有する電磁波が照射されると、強誘電体層５において分極が変化する。図１および図２に示した電磁波検出器において、二次元材料層１および強誘電体層５は、強誘電体層５において分極が変化したときに、二次元材料層１の抵抗値が変化するように設けられている。
＜電磁波検出器の構成＞
図１は、実施の形態１に係る電磁波検出器の平面模式図である。図２は、図１の線分ＩＩ－ＩＩにおける断面模式図である。図１および図２に示した電磁波検出器は、二次元材料層１と、第１電極部２ａと、第２電極部２ｂと、絶縁膜３と、半導体層４と、強誘電体層５とを主に備える。強誘電体層５は電磁波検出器の検出対象とする電磁波の波長に感度を有している。強誘電体層５に検出対象とする波長を有する電磁波が照射されると、強誘電体層５において分極が変化する。図１および図２に示した電磁波検出器において、二次元材料層１および強誘電体層５は、強誘電体層５において分極が変化したときに、二次元材料層１の抵抗値が変化するように設けられている。
【0018】
半導体層４は、第１面および第１面とは反対側に位置する第２面を有している。図１および図２に示されるように、二次元材料層１、第１電極部２ａ、絶縁膜３、および強誘電体層５は、半導体層４の第１面上に配置されている。第２電極部２ｂは、半導体層４の第２面上に配置されている。以下では、第１面上において、二次元材料層１、第１電極部２ａ、絶縁膜３、および強誘電体層５の各々に対して半導体層４とは反対側に位置する部分を各々の上部とよび、二次元材料層１、第１電極部２ａ、絶縁膜３、および強誘電体層５の各々に対して半導体層４側に位置する部分を各々の下部とよぶ。
【0019】
半導体層４は、例えば、シリコン（Ｓｉ）等の半導体材料からなる。具体的には、半導体層４としては、不純物がドープされたシリコン基板などが用いられる。
【0020】
ここで、半導体層４は、多層構造であってもよく、ｐｎ接合フォトダイオードや、ｐｉｎフォトダイオード、ショットキーフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードを用いてもよい。また、半導体層４としてフォトトランジスタを用いてもよい。
【0021】
半導体層４を構成する半導体材料として、上述のようにシリコン基板を例として説明したが、当該半導体層４を構成する材料として他の材料を用いてもよい。たとえば、半導体層４を構成する材料として、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＩＩＩ－Ｖ族又はＩＩ－Ｖ族半導体などの化合物半導体、水銀カドミウムテルル（ＨｇＣｄＴｅ）、インジウムアンチモン（ＩｎＳｂ）、鉛セレン（ＰｂＳｅ）、鉛硫黄（ＰｂＳ）、カドミウム硫黄（ＣｄＳ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）、又は、量子井戸又は量子ドットを含む基板、ＴｙｐｅＩＩ超格子などの材料の単体又はそれらを組み合わせた材料を用いてもよい。
【0022】
本実施の形態に係る電磁波検出器においては、半導体層４および半導体層４の電気抵抗率が１００Ω・ｃｍ以下になるように、半導体層４および半導体層４に不純物がドーピングされていることが好ましい。半導体層４および半導体層４が高濃度にドーピングされることで、キャリアの半導体層４および半導体層４中での移動速度（読み出し速度）が速くなる。この結果、電磁波検出器の応答速度が向上する。
【0023】
また、半導体層４の厚さＴ１は１０μｍ以下とすることが好ましい。半導体層４の厚さＴ１を薄くすることで、キャリアの失活が少なくなる。
【0024】
図２に示されるように、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間には、バイアス電圧Ｖを印加するための電源回路が電気的に接続される。上記電源回路は、二次元材料層１に電圧Ｖを印加するための回路である。上記電源回路には、二次元材料層１での電流Ｉを検出するための図示しない電流計が接続される。
【0025】
絶縁膜３は、半導体層４の第１面上に配置されている。絶縁膜３は、半導体層４の第１面に接触している下部表面と、下部表面とは反対側に位置する上部表面とを有している。絶縁膜３には、半導体層４の第１面の一部を露出する開口部が形成されている。開口部は、上部表面から下部表面に達している。絶縁膜３の上部表面の少なくとも一部は、二次元材料層１の下部表面に接触している。言い換えると、絶縁膜３は、二次元材料層１の下部に配置されている。
【0026】
絶縁膜３としては、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜を用いることができる。なお、絶縁膜３を構成する材料は上述した酸化シリコンに限定されず、他の絶縁材料を用いてもよい。たとえば、絶縁膜３を構成する材料として、オルトケイ酸テトラエチル、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化ニッケル、ボロンナイトライド、又は、シロキサン系のポリマー材料等を用いてもよい。例えば、ボロンナイトライドは原子配列がグラフェンと似ているため、グラフェンからなる二次元材料層１と接触しても電荷の移動度に悪影響を与えない。そのため、絶縁膜３が電子移動度などの二次元材料層１の性能を阻害することを抑制する観点から、ボロンナイトライドは絶縁膜３を構成する材料として好適である。
【0027】
また、絶縁膜３の厚さＴ２、すなわち絶縁膜３の下部表面と上部表面との間の距離は、第１電極部２ａが半導体層４と絶縁されており、トンネル電流が生じなければ特に限定されない。また、絶縁膜３は二次元材料層１の下部に配置されていなくても良い。
【0028】
第１電極部２ａは、絶縁膜３の上部表面上に配置されている。第１電極部２ａは、絶縁膜３の開口部から離れた位置に配置されている。第１電極部２ａは、絶縁膜３の上部表面と接触している下部表面と、該下部表面とは反対側に位置する上部表面と、上部表面と交差する方向に延びる側面とを有している。第２電極部２ｂは、半導体層４の第２面上に配置されている。第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂを構成する材料としては、導電体であれば任意の材料を用いることができる。たとえば、当該材料として、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、又はパラジウム（Ｐｄ）等の金属材料を用いることができる。また、第１電極部２ａと絶縁膜３との間、又は、第２電極部２ｂと半導体層４との間に、図示しない密着層を形成してもよい。密着層は、第１電極部２ａと絶縁膜３との密着性、または第２電極部２ｂと半導体層４との密着性を高めるものである。密着層を構成する材料としては、任意の材料を用いることができるが、たとえばクロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）などの金属材料を用いてもよい。
【0029】
また、図２では第１電極部２ａが二次元材料層１の下部に形成されているが、第１電極部２ａは二次元材料層１の上部に形成されていてもよい。また、図２では第２電極部２ｂが半導体層４の第２面の全面上に設けられているが、第２電極部２ｂは少なくとも半導体層４の一部と接触していれば良い。例えば、第２電極部２ｂは、半導体層４の第１面、第２面、および第１面と交差する方向に延びる側面のうちの一部と接触するように設けられていてもよい。このような電磁波検出器は、第２面側から入射した電磁波を検知可能となる。なお、図２に示すように第２電極部２ｂが第２面の全面上に設けられている電磁波検出器は、検出対象とされる電磁波が第１面側からのみ入射する場合に、好適である。図２に示される電磁波検出器では、第１面側から入射して強誘電体層５および半導体層４を透過した電磁波が第２電極部２ｂにより反射して再び強誘電体層５に到達するため、強誘電体層５における電磁波の吸収率が高められる。
【0030】
二次元材料層１は、第１電極部２ａ、絶縁膜３、および半導体層４上に配置されている。二次元材料層１は、絶縁膜３の開口部の内部から第１電極部２ａにまで延在する。二次元材料層１の一部は、第１電極部２ａ上に配置されており、第１電極部２ａと接触している。二次元材料層１の他の一部は、絶縁膜３の開口部の内部に配置されており、半導体層４と接触している。二次元材料層１は、強誘電体層５の下部に配置されており、強誘電体層５と接触している。二次元材料層１は、第１電極部２ａ、絶縁膜３、および半導体層４と、強誘電体層５との間に配置されている。
【0031】
具体的には、二次元材料層１は、半導体層４と電気的に接続されている第１部分と、第１電極部２ａと電気的に接続されている第２部分と、第１部分と第２部分との間を電気的に接続する第３部分とを含む。
【0032】
第１部分は、絶縁膜３の開口部内において、半導体層４の第１面上に配置されている。第１部分は、強誘電体層５の下部に配置されている。第１部分は、半導体層４と強誘電体層５との間に配置されており、かつ半導体層４および強誘電体層５の各々と接触している。好ましくは、第１部分は、半導体層４とショットキー接合している。
【0033】
第２部分は、絶縁膜３の上部表面上に配置されている。第２部分の一部は、第１電極部２ａの上部表面上に配置されている。第２部分の少なくとも一部は、強誘電体層５の下部に配置されている。第２部分は、第１電極部２ａと強誘電体層５との間に配置されており、かつ第１電極部２ａおよび強誘電体層５の各々と接触している。
【0034】
第３部分は、絶縁膜３の上部表面上および絶縁膜３の開口部の内周面上に配置されている。第３部分は、絶縁膜３と強誘電体層５との間に配置されており、かつ絶縁膜３および強誘電体層５の各々と接触している。言い換えると、絶縁膜３は、二次元材料層１の第３部分と半導体層４とを隔てている。
【0035】
二次元材料層１の上記第１部分、上記第２部分、および上記第３部分の各々の厚みは、例えば互いに等しい。二次元材料層１の上部表面には、上記第１部分、上記第２部分、および上記第３部分に起因した凹凸が形成されている。上記第１部分の上部表面と半導体層４の第１面との間の距離は、上記第２部分の上部表面と半導体層４の第１面との間の距離未満である。
【0036】
二次元材料層１は、強誘電体層５と接触している領域、および半導体層４と接触している領域とを含む。強誘電体層５は、二次元材料層１の強誘電体層５と接触している領域および半導体層４と接触している領域の少なくとも一方において二次元材料層１の延在方向に対して垂直な方向の電界が生じるように、設けられている。
【0037】
なお、図２における二次元材料層１は、絶縁膜３の開口部の中央に対して第１電極部２ａ側（図２の左側）からその反対側（図２の右側）まで延在しているが、これに限られるものではない。図２において二次元材料層１の第１電極部２ａとは反対側に位置する端部（右端）は、絶縁膜３の開口部の中央に対して左側に配置されていてもよい。また、図２における二次元材料層１は、絶縁膜３の開口部において半導体層４の第１面の一部を露出するように配置されているが、これに限られるものではない。二次元材料層１は、絶縁膜３の開口部において半導体層４の第１面の全体を覆うように配置されていてもよい。二次元材料層１の第１電極部２ａとは反対側に位置する端部（右端）は、開口部に対して第１電極部２ａとは反対側に位置する絶縁膜３上に配置されていてもよい。
【0038】
二次元材料層１は、例えば、単層のグラフェンを用いることができる。単層のグラフェンは二次元炭素結晶の単原子層である。また、単層のグラフェンは六角形状に配置された各連鎖に炭素原子を有している。また、二次元材料層１は、単層グラフェンが２層以上積層した多層グラフェンとして構成されていてもよい。また、二次元材料層１として、ノンドープのグラフェン、またはｐ型又はｎ型の不純物がドープされたグラフェンが用いられてもよい。
【0039】
二次元材料層１に多層グラフェンを用いた場合、二次元材料層１の光電変換効率が増加し、電磁波検出器の感度は高くなる。二次元材料層１として用いられる多層グラフェンは、任意の２層のグラフェンにおける六方格子の格子ベクトルの向きが一致しなくてもよく、一致してもよい。例えば、２層以上のグラフェンを積層することで、二次元材料層１においてバンドギャップが形成される。この結果、光電変換される電磁波の波長選択効果を持たせることが可能である。なお、二次元材料層１を構成する多層グラフェンにおける層数が増加すると、チャネル領域でのキャリアの移動度は低下する。一方、この場合には二次元材料層１が基板などの下地構造からのキャリア散乱の影響を受けにくくなり、結果的にノイズレベルが低下する。そのため、二次元材料層１として多層グラフェンを用いた電磁波検出器は、光吸収が増加し、電磁波の検出感度を高めることができる。
【0040】
また、二次元材料層１が第１電極部２ａと接触している場合、第１電極部２ａから二次元材料層１へキャリアがドープされる。例えば、第１電極部２ａの材料として金（Ａｕ）を用いた場合、二次元材料層１とＡｕとの仕事関数の差から、第１電極部２ａ近傍の二次元材料層１に正孔がドープされる。この状態で電磁波検出器を電子伝導状態で駆動させると、第１電極部２ａから二次元材料層１にドープされた正孔の影響により、二次元材料層１のチャネル領域内に流れる電子の移動度が低下し、二次元材料層１と第１電極部２ａとのコンタクト抵抗が増加する。このコンタクト抵抗の増加により、電磁波検出器における電界効果による電子（キャリア）の移動度が低下し、電磁波検出器の性能低下が生じ得る。特に、二次元材料層１として単層グラフェンを用いた場合、第１電極部２ａから注入されるキャリアのドープ量が大きい。そのため、電磁波検出器における上記電子の移動度の低下は、二次元材料層１として単層グラフェンを用いた場合に特に顕著である。したがって、二次元材料層１をすべて単層グラフェンにより形成した場合、電磁波検出器の性能が低下する恐れがあった。
【0041】
そこで、第１電極部２ａからのキャリアがドープされやすい二次元材料層１の上記第１部分は、多層グラフェンにより構成されていてもよい。多層グラフェンは単層グラフェンに比べ、第１電極部２ａからのキャリアドーピングが小さい。そのため、二次元材料層１と第１電極部２ａとの間のコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。この結果、電磁波検出器における上述した電子の移動度の低下を抑制することができ、電磁波検出器の性能を向上させることができる。
【0042】
また、二次元材料層１としてはナノリボン状のグラフェン（以下、グラフェンナノリボンとも呼ぶ）を用いることもできる。その場合、二次元材料層１としては、たとえばグラフェンナノリボン単体、複数のグラフェンナノリボンを積層した複合体、又は、グラフェンナノリボンが平面上に周期的に配列された構造体のいずれかを用いることができる。例えば、二次元材料層１として、グラフェンナノリボンが周期的に配置された構造体を用いる場合、グラフェンナノリボンにおいて、プラズモン共鳴を発生させることができる。この結果、電磁波検出器の感度を向上させることができる。ここで、グラフェンナノリボンが周期的に配列された構造は、グラフェンメタマテリアルと呼ばれることもある。したがって、二次元材料層１としてグラフェンメタマテリアルを用いた電磁波検出器においても、上述した効果を得ることができる。
【0043】
強誘電体層５は二次元材料層１上に配置されている。つまり、強誘電体層５は、二次元材料層１に対して、半導体層４とは反対側に配置されている。強誘電体層５は、二次元材料層１と接触している。強誘電体層５は、二次元材料層１の上記第１部分、上記第２部分、および上記第３部分の各々の上部に配置されており、二次元材料層１の上記第１部分、上記第２部分、および上記第３部分の各々と接触している。
【0044】
具体的には、強誘電体層５は、二次元材料層１の上記第１部分の上部に配置されており、上記第１部分と接触している第４部分と、二次元材料層１の上記第２部分の上部に配置されており、上記第２部分と接触している第５部分と、二次元材料層１の上記第３部分の上部に配置されており、上記第３部分と接触している第６部分とを有している。
【0045】
強誘電体層５の上記第４部分、上記第５部分、および上記第６部分の各々の厚みは、例えば互いに等しい。二次元材料層１の上部表面には、上記第１部分、上記第２部分、および上記第３部分に起因した凹凸が形成されている。上記第１部分の上部表面と半導体層４の第１面との間の距離は、上記第２部分の上部表面と半導体層４の第１面との間の距離未満である。
【0046】
強誘電体層５を構成する材料としては、検出波長に対して分極を生じる材料であれば任意の材料を用いることができる。強誘電体層５を構成する材料は、例えば、ＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＳＢＴ（タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム）、ＢＦＯ（ビスマスフェライト）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＨｆＯ２（酸化ハフニウム）、およ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）等）の少なくともいずれかを含む。また、強誘電体層５は、更に異なる強誘電体材料を積層、混合したものでもよい。
【0047】
なお、強誘電体層５を構成する材料は、上記強誘電体材料に限られるものではなく、焦電効果を奏する任意の焦電体であればよい。具体的には、強誘電体層５を構成する材料は、熱エネルギーの変化に対して分極変化が生じる任意の強誘電体であればよい。焦電効果において電磁波は単に熱源として作用するため、焦電効果には基本的に波長依存性はない。そのため、強誘電体層５は、広帯域の電磁波に感度を有する。
【0048】
好ましくは、強誘電体層５は、強誘電体層５における誘電分極の変化速度が可能な限り短くなるように設計されている。具体的には、強誘電体層５の厚さは二次元材料層１に分極変化を与えうることが可能である範囲で薄いことが好ましい。
【0049】
なお、上記電磁波検出器は、強誘電体層５と接触しており、かつ光照射により光誘起相転移が生じて物性（例えば温度）が変化するモット絶縁体をさらに備えていてもよい。
【0050】
また、強誘電体層５は、二次元材料層１の上記第１部分、上記第２部分、および上記第３部分のうちの少なくともいずれかと重なるように配置されており、強誘電体層５内の分極が変化したときに、二次元材料層１の抵抗値が変化するように設けられていればよい。
【0051】
また、強誘電体層５の膜厚は、電磁波がグラフェン層１に照射された場合に、グラフェン層１になるべく大きな電界が印加される厚さが好ましい。また、強誘電体層５の分極方向は、特に制限されないが、好ましくは二次元材料層の平面方向に対して垂直方向である。
【0052】
また、二次元材料層１上には、図示しない保護膜が形成されていてもよい。保護膜は、二次元材料層１、半導体層４、第１電極部２ａ、強誘電体層５の周りを覆うように設けられてもよい。保護膜を構成する材料としては任意の材料を用いることができるが、例えば、保護膜として酸化シリコンからなる絶縁膜を用いることができる。保護膜を構成する材料としては、酸化物又は窒化物等の絶縁体、たとえば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、ボロンナイトライドなどを用いてもよい。
【0053】
本実施の形態に係る電磁波検出器は、上記のような構成を備えている。
＜電磁波検出器の製造方法＞
図３は、実施の形態１に係る電磁波検出器の製造方法を説明するためのフローチャートである。図３を参照しながら、図１および図２に示した電磁波検出器の製造方法を説明する。
＜電磁波検出器の製造方法＞
図３は、実施の形態１に係る電磁波検出器の製造方法を説明するためのフローチャートである。図３を参照しながら、図１および図２に示した電磁波検出器の製造方法を説明する。
【0054】
まず、図３に示す準備工程（Ｓ１）を実施する。この工程（Ｓ１）では、たとえばシリコン等からなる平坦な基板である半導体層４を準備する。
【0055】
次に、電極形成工程（Ｓ２）を実施する。この工程（Ｓ２）では、半導体層４の裏面に第２電極部２ｂを形成する。具体的には、まず半導体層４の表面に保護膜を形成する。保護膜としてはたとえばレジストを用いる。この状態で、半導体層４の裏面に第２電極部２ｂを成膜する。第２電極部２ｂを構成する材料としては、たとえば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）等の金属を用いることができる。この時、半導体層４と第２電極部２ｂとの密着性を向上させるために、半導体層４の裏面に、第２電極部２ｂより先に密着層を形成してもよい。密着層の材料としては、たとえば銅（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）を用いることができる。なお、上記工程（Ｓ２）は半導体層４の表面が保護されている限り、工程（Ｓ３～７）より後に実施してもよい。
【0056】
次に、絶縁膜形成工程（Ｓ３）を実施する。この工程（Ｓ３）では、半導体層４の表面上に、絶縁膜３を形成する。絶縁膜３は、例えば半導体層４がシリコンの場合は、半導体層４において表面を部分的に熱酸化して形成される酸化シリコン（ＳｉＯ２）でもよい。あるいは、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法やスパッタ法により、半導体層４の表面上に絶縁層を形成してもよい。
【0057】
次に、電極形成工程（Ｓ４）を実施する。この工程（Ｓ４）では、絶縁膜３上に第１電極部２ａを形成する。第１電極部２ａを構成する材料は、たとえば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）等の金属を用いる。この時、第１電極部２ａと絶縁膜３との密着性を向上させるために、絶縁膜３と第１電極部２ａとの間に密着層を形成してもよい。密着層を構成する材料としては、たとえばクロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等を用いることができる。
【0058】
第１電極部２ａの形成方法としては、たとえば以下のようなプロセスを用いることができる。まず、絶縁膜３の表面上に写真製版またはＥＢ描画などを用いてレジストマスクを形成する。レジストマスクには、第１電極部２ａが形成されるべき領域に開口部が形成されている。その後、レジストマスク上に、第１電極部２ａとなるべき金属などの膜を形成する。当該膜の形成には、蒸着法やスパッタリング法などを用いることができる。このとき、当該膜はレジストマスクの開口部の内部から当該レジストマスクの上部表面にまで延在するように形成される。その後、レジストマスクを当該膜の一部と共に除去することで、レジストマスクの開口部に配置されていた膜の他の一部が絶縁膜３の表面上に残存し、第１電極部２ａとなる。上述した方法は、一般的にはリフトオフと呼ばれる方法である。
【0059】
第１電極部２ａの形成方法として、他の方法を用いてもよい。たとえば、絶縁膜３の表面上に第１電極部２ａとなるべき金属膜などの膜を先に成膜する。その後、フォトリソグラフィ法によって当該膜上にレジストマスクを形成する。レジストマスクは、第１電極部２ａが形成されるべき領域を覆うように形成される一方、第１電極部２ａが形成されるべき領域以外の領域には形成されない。その後、ウェットエッチングやドライエッチングにより、レジストマスクをマスクとして当該膜を部分的に除去する。この結果、レジストマスク下に膜の一部が残存する。この膜の一部が第１電極部２ａとなる。その後、レジストマスクを除去する。このようにして、第１電極部２ａを形成してもよい。
【0060】
次に、開口部形成工程（Ｓ５）を実施する。この工程（Ｓ５）では、絶縁膜３に開口部を形成する。具体的には、絶縁膜３上に写真製版またはＥＢ描画などを用いてレジストマスクを形成する。レジストマスクには、絶縁膜３の開口部が形成されるべき領域に開口部が形成されている。その後、ウェットエッチングやドライエッチングにより、レジストマスクをマスクとして絶縁膜３を部分的に除去し、開口部を形成する。次にレジストマスクを除去する。なお、上記工程（Ｓ５）は工程（Ｓ４）より先に実施してもよい。
【0061】
次に、二次元材料層形成工程（Ｓ６）を実施する。この工程（Ｓ６）では、第１電極部２ａ、絶縁膜３および絶縁膜３の開口部内において露出する半導体層４の一部の全体を覆うように二次元材料層１を形成する。二次元材料層１を構成する材料は、例えばグラフェンなどの原子層材料や分子層材料を用いれば良い。二次元材料層１は、任意の方法により形成してもよい。たとえば、二次元材料層１をエピタキシャル成長によって形成しても良いし、予めＣＶＤ法を用いて形成した二次元材料層１を第１電極部２ａ、絶縁膜３および半導体層４の一部上に転写して貼り付けてもよい。あるいは、スクリーン印刷などを用いて二次元材料層１を形成してもよい。また、機械剥離などで剥離した二次元材料層１を上述した第１電極部２ａ等の上に転写してもよい。次に、写真製版などを用いて二次元材料層１の上にレジストマスクを形成する。レジストマスクは、二次元材料層１を残存させる領域を覆うように形成される一方、二次元材料層１を残存させない領域には形成されない。その後、レジストマスクをマスクとして用いて、酸素プラズマにより二次元材料層１をエッチングにより部分的に除去する。これにより、不要な二次元材料層の部分を除去し、図１および図２に示すような二次元材料層１を形成する。その後、レジストマスクを除去する。
【0062】
次に、強誘電体層形成工程（Ｓ７）を実施する。この工程（Ｓ７）では、二次元材料層１上に強誘電体層５を形成する。強誘電体層５を形成する材料として、例えばＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）、ＬｉＴａＯ３（タンタル酸リチウム）、ＳｒＴｉＯ３（チタン酸ストロンチウム）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＳＢＴ（タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム）、ＢＦＯ（ビスマスフェライト）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＨｆＯ２（酸化ハフニウム）、有機ポリマーであるポリフッ化ビニリデン系強誘電体などを用いれば良い。また、強誘電体層５は、任意の方法により形成してもよい。たとえば、強誘電体層５がポリマー系材料からなる場合、スピンコート法などによりポリマー膜を形成した後に、フォトリソグラフィ法を用いて加工する。他の材料の場合は、スパッタや蒸着、ＭＯＤコート法などで成膜した後に、フォトリソグラフィ法を用いてパターニングする。また、レジストマスクをマスクとして用いて強誘電体材料を成膜した後に、レジストマスクを除去するリフトオフと呼ばれる方法を用いても良い。
【0063】
以上の工程（Ｓ１～Ｓ７）により、図１および図２に示した電磁波検出器が得られる。なお、上述した製造方法では第１電極部２ａの上に二次元材料層１を形成したが、絶縁膜３上に予め二次元材料層１を形成し、当該二次元材料層１の一部上に重なるように第１電極部２ａを形成してもよい。ただし、この構造を用いる場合は、第１電極部２ａの形成時に、二次元材料層１に対してプロセスダメージを与えないように注意が必要である。たとえば、二次元材料層１において第１電極部２ａが重ねて形成される領域以外を保護膜などで予め覆った状態で、第１電極部２ａを形成する、といった対応が考えられる。
【0064】
＜電磁波検出器の動作原理＞
次に、本実施の形態に係る電磁波検出器の動作原理について説明する。
次に、本実施の形態に係る電磁波検出器の動作原理について説明する。
【0065】
まず、図２に示すように、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に、電圧Ｖを印加する電源回路が電気的に接続され、第１電極部２ａ、二次元材料層１、半導体層４、および第２電極部２ｂが、この記載順に電気的に接続される。次に、第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂの間に電圧Ｖが印加される。好ましくは、電圧Ｖは、二次元材料層１と半導体層４とのショットキー接合に対して逆バイアスとなるように設定される。電圧Ｖが印加されることにより、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の電流経路の一部となる二次元材料層１には電流Ｉが流れる。電源回路には図示しない電流計が設置されており、当該電流計により二次元材料層１に流れる電流Ｉをモニターする。
【0066】
次に、強誘電体層５に電磁波が照射される。この場合、強誘電体層５の焦電効果により強誘電体層５の内部に誘電分極の変化が生じる。これにより、強誘電体層５における分極の変化は二次元材料層１に電界変化を与える。この結果、二次元材料層１に対して擬似的にゲート電圧が印加された状態となり、二次元材料層１内の抵抗値が変化する。これを光ゲート効果と呼ぶ。二次元材料層１における抵抗値の変化により、二次元材料層１に流れる光電流である電流Ｉが変化する。この電流Ｉの変化を検出することによって、電磁波検出器に照射された電磁波を検出することができる。
【0067】
また、たとえば半導体層４を構成する半導体層４がｐ型材料シリコンからなり、二次元材料層１がｎ型材料グラフェンからなる場合、二次元材料層１と半導体層４とはショットキー接合する。このとき、電圧Ｖを調整し、上記ショットキー接合に対して逆バイアスを印加することで、電流Ｉをゼロにすることができる。すなわち、本実施の形態に係る電磁波検出器ではＯＦＦ動作が可能となる。
【0068】
また、電磁波が強誘電体層５に照射されると、焦電効果により強誘電体層５の誘電分極が変化し、二次元材料層１のフェルミレベルが変調されて、二次元材料層１と半導体層４のエネルギー障壁が低下する。その結果、電磁波が照射された時にのみ、電流が半導体層４を流れ、電流Ｉが検出される。
【0069】
ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器は、上述のような二次元材料層１での電流の変化を検出する構成に限定されるわけではなく、例えば、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に一定電流を流し、第１電極部２ａと第２電極部２ｂ間の電圧Ｖの変化（つまり二次元材料層１での電圧値の変化）を検出してもよい。
【0070】
また、同じ電磁波検出器を２つ以上用いて電磁波を検出してもよい。たとえば、同じ電磁波検出器を２つ以上準備する。１つの電磁波検出器を、電磁波が照射されない遮蔽された空間に配置する。他の電磁波検出器を、測定対象である電磁波が照射される空間に配置する。そして、電磁波が照射される他の電磁波検出器の電流Ｉ又は電圧Ｖと、遮蔽された空間に配置された電磁波検出器の電流Ｉ又は電圧Ｖとの差分を検出する。このようにして、電磁波を検出してもよい。
【0071】
＜電磁波検出器の動作＞
次に、図１および図２に示した電磁波検出器の具体的な動作について説明する。ここでは、半導体層４としてｐ型シリコンを用い、二次元材料層１としてグラフェンを用い、強誘電体層５としてニオブ酸リチウムを用いた場合について説明する。
次に、図１および図２に示した電磁波検出器の具体的な動作について説明する。ここでは、半導体層４としてｐ型シリコンを用い、二次元材料層１としてグラフェンを用い、強誘電体層５としてニオブ酸リチウムを用いた場合について説明する。
【0072】
図２に示すように、二次元材料層１と半導体層４とのショットキー接合に対して逆バイアスとなるように電圧を印加すると、二次元材料層１と半導体層４との接合界面の近傍には空乏層が形成される。電磁波検出器の検出波長の範囲は、ニオブ酸リチウムの吸収波長に応じて決定される。
【0073】
検出波長の電磁波が強誘電体層５に入射すると、焦電効果により強誘電体層５において誘電分極の変化が発生する。強誘電体層５における分極変化により、二次元材料層１において電界変化が生じる。これは前述した光ゲート効果である。上述のように、二次元材料層１を構成するグラフェンは移動度が高く、わずかな電界変化に対して大きな変位電流を得ることが出来る。そのため、強誘電体層５の焦電効果により二次元材料層１のフェルミレベルは大きく変化し、半導体層４とのエネルギー障壁が低下する。これにより、第１電極部２ａから二次元材料層１に電荷が注入される。さらに、半導体層４から取り出した光注入された電流電荷は、二次元材料層１において光ゲート効果により大きく増幅される。このため、本実施の形態に係る電磁波検出器では、量子効率１００％を超える高感度化が可能となる。
【0074】
さらに、強誘電体層５の誘電分極の変化速度が可能な限り短く設計されていれば、電磁波が電磁波検出器に入射してから二次元材料層１において抵抗値の変化が生じるまでの時間が短くなる。このような電磁波検出器によれば、光ゲート効果による増幅の遅延が解消され、高速応答化が可能となる。
【0075】
＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器は、半導体層４と、半導体層４と電気的に接続されている二次元材料層１と、半導体層４を介さずに二次元材料層１と電気的に接続されている第１電極部２ａと、半導体層４を介して二次元材料層１と電気的に接続されている第２電極部２ｂと、二次元材料層１の少なくとも一部と接触している強誘電体層５とを備える。
本実施の形態に係る電磁波検出器は、半導体層４と、半導体層４と電気的に接続されている二次元材料層１と、半導体層４を介さずに二次元材料層１と電気的に接続されている第１電極部２ａと、半導体層４を介して二次元材料層１と電気的に接続されている第２電極部２ｂと、二次元材料層１の少なくとも一部と接触している強誘電体層５とを備える。
【0076】
上記電磁波検出器では、焦電効果によって強誘電体層５内の分極が変化したときに、二次元材料層１の抵抗値が変化し得る。その結果、上記光ゲート効果により、二次元材料層１の導電率が変調され、結果的に二次元材料層１において光電流を増幅できる。
【0077】
強誘電体層５における分極の変化に起因した二次元材料層１における電流変化量は、通常の半導体における電流変化量より大きくなる。特に、二次元材料層１では、通常の半導体と比較して、わずかな電位変化に対して大きな電流変化が生じる。例えば、二次元材料層１として単層のグラフェンを用いた場合、二次元材料層１の厚さは原子層１層分であって極めて薄い。また、単層のグラフェンにおける電子の移動度は大きい。この場合、二次元材料層１における電子の移動度及び厚さなどから算出される二次元材料層１での上記電流変化量は、通常の半導体における電流変化量の数百倍～数千倍程度となる。
【0078】
したがって、光ゲート効果を利用することで、二次元材料層１における検出電流の取り出し効率は大幅に向上する。このような光ゲート効果は、通常の半導体のような光電変換材料の量子効率を直接的に増強するのではなく、電磁波入射による電流変化を大きくする。そのため、等価的に電磁波入射による差分電流から算出した上記電磁波検出器の量子効率は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による電磁波の検出感度は、従来の半導体電磁波検出器あるいは光ゲート効果を適用していないグラフェン電磁波検出器と比較して、高い。
【0079】
また、本実施の形態に係る電磁波検出器は、半導体層４の一部と接しておりかつ半導体層４の他の一部を開口する開口部が形成されている絶縁膜３をさらに備える。二次元材料層１は、上記開口部において半導体層４の上記他の一部と電気的に接続され、具体的には半導体層４とショットキー接合している。二次元材料層１と半導体層４とがショットキー接合していることで、逆バイアス印加時には電流が流れず、電磁波検出器はＯＦＦ動作可能となる。
【0080】
また、本実施の形態に係る電磁波検出器では、上記二次元材料層１が絶縁膜３上に配置されている領域を有しているため、二次元材料層１が絶縁膜３上に配置されている領域を有していない場合と比べて、上記光ゲート効果による二次元材料層１の導電率がより大きく変調しやすい。
【0081】
また、本実施の形態に係る電磁波検出器に電磁波が照射されたときの電流値Ｉの変化量は、強誘電体層５において発生する誘電分極による二次元材料層１の抵抗変化により発生する電流の変化量と、二次元材料層１と半導体層４のエネルギー障壁変化により発生する電流の変化量に加えて、二次元材料層１での光電変換により生じる光電流量を含む。つまり、本実施の形態に係る電磁波検出器では、電磁波の入射により、上述した光ゲート効果で生じた電流と、エネルギー障壁変化に伴う電流とに加え、二次元材料層１本来の光電変換効率に起因する光電流も検出できる。
【0082】
以上のように、本実施の形態に係る電磁波検出器は、量子効率が１００％以上となる好感度化と、ＯＦＦ動作とを両立できる。
【0083】
また、本実施の形態に係る電磁波検出器では、半導体層４にシリコンを用いる場合は、半導体層４中に読出回路を形成することが可能となる。これにより、素子の外部に回路を形成する必要なく信号の読出しが可能となる。
【0084】
実施の形態２．
＜電磁波検出器の構成＞
図４は、実施の形態２に係る電磁波検出器の平面模式図である。図５は、図４の線分Ｖ－Ｖにおける断面模式図である。図６は、実施の形態２に係る電磁波検出器の第１変形例を示す断面模式図である。図７は、実施の形態２に係る電磁波検出器の第２変形例を示す断面模式図である。なお、図５から図７はいずれも図４に対応する。
＜電磁波検出器の構成＞
図４は、実施の形態２に係る電磁波検出器の平面模式図である。図５は、図４の線分Ｖ－Ｖにおける断面模式図である。図６は、実施の形態２に係る電磁波検出器の第１変形例を示す断面模式図である。図７は、実施の形態２に係る電磁波検出器の第２変形例を示す断面模式図である。なお、図５から図７はいずれも図４に対応する。
【0085】
図４に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、強誘電体層５の配置が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図４に示した電磁波検出器では、強誘電体層５が二次元材料層１または絶縁膜３の下部に配置されている。図５では、強誘電体層５は二次元材料層１の下部、半導体層４の上部に形成されている。
【0086】
図６に示した実施の形態２に係る電磁波検出器の第１変形例は、基本的には図５に示した電磁波検出器と同様の構成を備えるが、強誘電体層５の配置が図５に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図６に示した電磁波検出器では、強誘電体層５は、二次元材料層１の下部、絶縁膜３および半導体層４の上部に形成されている。
【0087】
図７に示した実施の形態２に係る電磁波検出器の第２変形例は、基本的には図５に示した電磁波検出器と同様の構成を備えるが、強誘電体層５の配置が図５に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図７に示した電磁波検出器では、強誘電体層５は、絶縁膜３の下部、半導体層４の上部に形成されている。絶縁膜３の下部において、強誘電体層５は二次元材料層１と接触している。ここで、強誘電体層５は二次元材料層１と半導体層４の接合界面に対して水平方向に分極変化が生じてもよい。その場合、電磁波照射により二次元材料層１と半導体層４のエネルギー障壁を変化させることができる。また、絶縁膜３と二次元材料層１の接合界面に対して垂直に分極変化が生じても良い。この場合、二次元材料層１の導電率が変化し、光ゲート効果を生じさせることができる。また、それぞれの方向に分極変化を生じさせても良い。このとき、強誘電体層５と二次元材料層１が接触していない場合は実施の形態５と同様の効果を得る。
【0088】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、強誘電体層５は二次元材料層１の下部または、絶縁膜３の下部に配置される。
上記電磁波検出器において、強誘電体層５は二次元材料層１の下部または、絶縁膜３の下部に配置される。
【0089】
この場合、強誘電体層５は二次元材料層１の下部または、絶縁膜３の下部に配置されることで、二次元材料層１は強誘電体層５の成膜におけるプロセスダメージを無くすことができ、二次元材料層１の性能低下を防ぐことができるため、電磁波検出器を高感度化することができる。
【0090】
ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0091】
【0092】
図８に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、および半導体層４が強誘電体層５上に配置されている点で、図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、強誘電体層５上の一部に半導体層４と第１電極部２ａが設けられ、半導体層４上に第２電極部２ｂが設けられ、二次元材料層１は第１電極部２ａ上から強誘電体層５上を経由し半導体層４上にまで延在することを特徴とする。
【0093】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器は強誘電体層５上に各層が形成されている。よって、強誘電体層５は、強誘電体結晶基板として構成され得る。このような強誘電体層５は、強誘電体結晶基板として構成されていない強誘電体層５と比べて、結晶性が高く、また厚くできる。このような強誘電体層５において電磁波照射により生じる分極の変化率は、強誘電体結晶基板として構成されていない強誘電体層５と比べて高いため、電磁波検出器の感度が向上する。また、実施の形態１に係る電磁波検出器では、二次元材料層１上に強誘電体層５を成膜する際に、二次元材料層１はプロセスダメージを受けるおそれがある。これに対し、実施の形態３に係る電磁波検出器では、二次元材料層１は上記プロセスダメージを受けないため、二次元材料層１の性能低下を防ぐことができるため、電磁波検出器を高感度化することができる。
上記電磁波検出器は強誘電体層５上に各層が形成されている。よって、強誘電体層５は、強誘電体結晶基板として構成され得る。このような強誘電体層５は、強誘電体結晶基板として構成されていない強誘電体層５と比べて、結晶性が高く、また厚くできる。このような強誘電体層５において電磁波照射により生じる分極の変化率は、強誘電体結晶基板として構成されていない強誘電体層５と比べて高いため、電磁波検出器の感度が向上する。また、実施の形態１に係る電磁波検出器では、二次元材料層１上に強誘電体層５を成膜する際に、二次元材料層１はプロセスダメージを受けるおそれがある。これに対し、実施の形態３に係る電磁波検出器では、二次元材料層１は上記プロセスダメージを受けないため、二次元材料層１の性能低下を防ぐことができるため、電磁波検出器を高感度化することができる。
【0094】
ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0095】
実施の形態４．
＜電磁波検出器の構成＞
図１０は、実施の形態４に係る電磁波検出器の平面模式図である。図１１は、図１０の線分ＸＩ－ＸＩにおける断面模式図である。図１２は、実施の形態４に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。図１３は、図１２の線分ＸＩＩＩ－ＸＩＩＩにおける断面模式図である。図１４は、実施の形態４に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。図１５は、図１４の線分ＸＶ－ＸＶにおける断面模式図である。
＜電磁波検出器の構成＞
図１０は、実施の形態４に係る電磁波検出器の平面模式図である。図１１は、図１０の線分ＸＩ－ＸＩにおける断面模式図である。図１２は、実施の形態４に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。図１３は、図１２の線分ＸＩＩＩ－ＸＩＩＩにおける断面模式図である。図１４は、実施の形態４に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。図１５は、図１４の線分ＸＶ－ＸＶにおける断面模式図である。
【0096】
図１０に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、強誘電体層５の配置が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図１０に示した電磁波検出器では、強誘電体層５は二次元材料層１と半導体層４の接合面の上部にのみ配置されている。言い換えると、強誘電体層５は、二次元材料層１の上記第１部分のみと重なるように配置されており、かつ上記第１部分のみと接触している。
【0097】
図１２に示した実施の形態４に係る電磁波検出器の第１変形例では、強誘電体層５は絶縁膜３上の二次元材料層１の上部にのみ配置されている。言い換えると、強誘電体層５は、二次元材料層１の上記第２部分および上記第３部分のみと重なるように配置されており、かつ上記第２部分および上記第３部分のみと接触している。
【0098】
図１４に示した実施の形態４に係る電磁波検出器の第２変形例では、強誘電体層５は二次元材料層１の一部に配置されている。言い換えると、強誘電体層５は、二次元材料層１の上記第３部分のみと重なるように配置されており、かつ上記第３部分のみと接触している。
【0099】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、強誘電体層５は二次元材料層１と半導体層４の接合面の上部に配置されている。この場合、強誘電体層５に電磁波が入射したとき、強誘電体層５の分極変化により二次元材料層１と半導体層４のエネルギー障壁を変化させることができ、電磁波検出器を高感度化することができる。
上記電磁波検出器において、強誘電体層５は二次元材料層１と半導体層４の接合面の上部に配置されている。この場合、強誘電体層５に電磁波が入射したとき、強誘電体層５の分極変化により二次元材料層１と半導体層４のエネルギー障壁を変化させることができ、電磁波検出器を高感度化することができる。
【0100】
また、上記電磁波検出器の第１変形例において、強誘電体層５は絶縁膜３上の二次元材料層１の上部に配置されている。この場合、強誘電体層５に電磁波が入射したとき、強誘電体層５の分極変化により二次元材料層１の導電率が変調され、電磁波検出器を高感度化することができる。
【0101】
また、上記電磁波検出器の第２変形例において、強誘電体層５は二次元材料層１の一部に配置されている。この場合、強誘電体層５に電磁波が入射したとき、強誘電体層５が接触している領域の近傍において導電率の変調が生じる。これにより、二次元材料層１の任意の領域において導電率の変調が可能となる。
【0102】
ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0103】
実施の形態５．
＜電磁波検出器の構成＞
図１６は、実施の形態５に係る電磁波検出器の断面模式図である。図１６は図１に対応する。図１７は、実施の形態５に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。図１８は、図１７の線分ＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩにおける断面模式図である。
＜電磁波検出器の構成＞
図１６は、実施の形態５に係る電磁波検出器の断面模式図である。図１６は図１に対応する。図１７は、実施の形態５に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。図１８は、図１７の線分ＸＶＩＩＩ－ＸＶＩＩＩにおける断面模式図である。
【0104】
図１６に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、強誘電体層５と二次元材料層１の間を隔てる絶縁膜３ｂを備えている点で、図１および図２に示した電磁波検出器とは異なる。強誘電体層５は、二次元材料層１と直接接触しないようになっている。
【0105】
図１７および図１８に示した電磁波検出器は、基本的には図８および図９に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、強誘電体層５と二次元材料層１の間を隔てる絶縁膜３ｂを備えている点で、図８および図９に示した電磁波検出器とは異なる。言い換えると、図１７および図１８に示した電磁波検出器は、基本的には図１６に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、半導体層４、および絶縁膜３ｂが強誘電体層５上に配置されている点で、図１６に示した電磁波検出器とは異なる。
【0106】
絶縁膜３ｂの厚さは、強誘電体層５の焦電効果による電界変化を遮蔽せずに二次元材料層１に与えることができる厚さであることが好ましい。
【0107】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、強誘電体層５と二次元材料層１の間に絶縁膜３ｂが配置されている。
上記電磁波検出器において、強誘電体層５と二次元材料層１の間に絶縁膜３ｂが配置されている。
【0108】
強誘電体層５と二次元材料層１の間に絶縁膜３ｂを挿入することで、強誘電体層５が二次元材料層１と直接接触しないようになっている。強誘電体層５は二次元材料層１と直接接触した場合、強誘電体層５の自発分極と二次元材料層１との間で電荷のやり取りが行われるため、光応答が小さくなる。また、強誘電体層５と二次元材料層１が接触した場合は、ヒステリシスが生じ、電磁波検出器の応答速度が低下する可能性がある。絶縁膜３ｂを挿入することで、これらの効果を抑制することができる。また絶縁膜３ｂを挿入した場合においても、強誘電体層５の焦電効果による電界変化を二次元材料層１に与えることができる。
【0109】
また、絶縁膜３ｂが検出波長の電磁波を吸収して発熱する場合、絶縁膜３ｂの発熱により強誘電体層５に熱エネルギーを与えることで分極変化を増加させることができ、電磁波検出器を高感度化することができる。
【0110】
ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0111】
実施の形態６．
＜電磁波検出器の構成＞
実施の形態１に係る電磁波検出器においては、平面視における二次元材料層１の端部の位置は特に限定されるものではないが、本実施の形態である電磁波検出器においては、二次元材料層１の上記第１部分が平面視における二次元材料層１の端部を有している。本実施の形態に係る電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１の端部は半導体層４上に配置されている。
＜電磁波検出器の構成＞
実施の形態１に係る電磁波検出器においては、平面視における二次元材料層１の端部の位置は特に限定されるものではないが、本実施の形態である電磁波検出器においては、二次元材料層１の上記第１部分が平面視における二次元材料層１の端部を有している。本実施の形態に係る電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１の端部は半導体層４上に配置されている。
【0112】
言い換えると、平面視における二次元材料層１の端部は、絶縁膜３の開口部内に配置されている。二次元材料層１の上記端部は、例えば二次元材料層１の長手方向における端部である。
【0113】
平面視における二次元材料層１の端部の形状は、例えば矩形状であるが、三角形状、または櫛形形状などであってもよい。また、二次元材料層１の上記第１部分は半導体層４と電気的に接続されている複数の端部を有していてもよい。また、二次元材料層１の上記第１部分は、平面視における二次元材料層１の端部の一部のみを有していてもよい。例えば、平面視における二次元材料層１の端部は、絶縁膜３の開口部内に配置されている部分と、絶縁膜３上に配置されている部分とを有していてもよい。
【0114】
また、二次元材料層１の上記端部はグラフェンナノリボンであっても良い。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ため、暗電流を低減し、電磁波検出器の感度を向上させることができる。
【0115】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、二次元材料層１の端部は、半導体層４上に存在する。この場合、二次元材料層１と半導体部分の接合領域がショットキー接合となる。この結果、二次元材料層１と半導体部分を逆バイアスで動作させることで、電磁波検出器の暗電流を低減し、感度を向上させることができる。また、二次元材料層１と半導体部分を順バイアスで動作させることで、取り出す光電流を増幅して感度を向上することができる。
上記電磁波検出器において、二次元材料層１の端部は、半導体層４上に存在する。この場合、二次元材料層１と半導体部分の接合領域がショットキー接合となる。この結果、二次元材料層１と半導体部分を逆バイアスで動作させることで、電磁波検出器の暗電流を低減し、感度を向上させることができる。また、二次元材料層１と半導体部分を順バイアスで動作させることで、取り出す光電流を増幅して感度を向上することができる。
【0116】
ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0117】
【0118】
図１９に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、半導体層４と二次元材料層１との接続部の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図１９に示した電磁波検出器は、二次元材料層１と半導体層４との間に配置されたトンネル絶縁層６をさらに備える。
【0119】
トンネル絶縁層６は、絶縁膜３の開口部の内部に配置されている。トンネル絶縁層６の厚みは、検出対象とする電磁波が二次元材料層１および強誘電体層５に入射したときに、二次元材料層１と半導体層４との間にトンネル電流が生じるように設定されている。トンネル絶縁層６の厚みは、例えば１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。トンネル絶縁層６を構成する材料は、電気的絶縁性を有する任意の材料であればよいが、たとえば、アルミナおよび酸化ハフニウムなどの金属酸化物、または酸化シリコンおよび窒化シリコンなどの半導体を含む酸化物、ならびにボロンナイトライドなどの窒化物からなる群から選択される少なくとも１つを含む。トンネル絶縁層６の作製方法としては任意の方法を用いることができる。たとえば、トンネル絶縁層６は、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法、スパッタ法などを用いて作製しても良い。あるいは、トンネル絶縁層６を、半導体層４の表面を酸化または窒化することにより形成しても良い。あるいは、トンネル絶縁層６として半導体層４の表面に形成される自然酸化膜を用いても良い。
【0120】
ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0121】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器はトンネル絶縁層６を備える。トンネル絶縁層６は、二次元材料層１と半導体層４との間に配置される。トンネル絶縁層６は、二次元材料層１と半導体層４との間にトンネル電流を形成することが可能な厚さを有する。この場合、トンネル絶縁層６の膜厚を半導体層４から二次元材料層１へトンネル注入が生じる程度の厚さとすることで、注入効率が改善させることにより二次元材料層１に大きな光電流が注入され、電磁波検出器の感度を向上させることができる。また、トンネル絶縁層６により半導体層４と二次元材料層１との接合界面での漏れ電流を抑制することで、暗電流を低減することができる。
上記電磁波検出器はトンネル絶縁層６を備える。トンネル絶縁層６は、二次元材料層１と半導体層４との間に配置される。トンネル絶縁層６は、二次元材料層１と半導体層４との間にトンネル電流を形成することが可能な厚さを有する。この場合、トンネル絶縁層６の膜厚を半導体層４から二次元材料層１へトンネル注入が生じる程度の厚さとすることで、注入効率が改善させることにより二次元材料層１に大きな光電流が注入され、電磁波検出器の感度を向上させることができる。また、トンネル絶縁層６により半導体層４と二次元材料層１との接合界面での漏れ電流を抑制することで、暗電流を低減することができる。
【0122】
【0123】
図２０に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、強誘電体層５の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２０に示した電磁波検出器は、強誘電体層５と接触しており、かつ強誘電体層５に対して二次元材料層１とは反対側に配置されている第３電極部２ｃをさらに備える。第３電極部２ｃは、強誘電体層５の上部に配置されている。第３電極部２ｃは強誘電体層５の表面と電気的に接続され、第３電極部２ｃと第１電極部２ａまたは第２電極部２ｂの間には電圧Ｖが印加される。
【0124】
電磁波が強誘電体層５に対して第３電極部２ｃ側から入射する場合には、第３電極部２ｃは、電磁波検出器が検出する電磁波の波長において高い透過率を示すことが好ましい。
【0125】
ここで、第３電極部２ｃは二次元材料層１とは反対側に配置されているが、強誘電体層５に接触していればよく、他の構成においても適用可能である。なお、第３電極部２ｃから電圧を印加する方向は二次元材料層１の延在方向に対して垂直方向となることが好ましい。本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0126】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器は、第３電極部２ｃを備える。第３電極部２ｃは、強誘電体層５と電気的に接続する。この場合、第３電極部２ｃに電圧を印加することが可能となり、強誘電体層５の分極を制御することが可能となる。図２０では第１電極部２ａと同一の電圧を印加しているが、別の電圧を印加してもよい。強誘電体層５の分極を制御することで、電磁波照射による分極変化を制御可能となり、電磁波照射により二次元材料層１と半導体層４のエネルギー障壁を効率的に低下させることができるため、電磁波検出器の感度が向上する。
上記電磁波検出器は、第３電極部２ｃを備える。第３電極部２ｃは、強誘電体層５と電気的に接続する。この場合、第３電極部２ｃに電圧を印加することが可能となり、強誘電体層５の分極を制御することが可能となる。図２０では第１電極部２ａと同一の電圧を印加しているが、別の電圧を印加してもよい。強誘電体層５の分極を制御することで、電磁波照射による分極変化を制御可能となり、電磁波照射により二次元材料層１と半導体層４のエネルギー障壁を効率的に低下させることができるため、電磁波検出器の感度が向上する。
【0127】
【0128】
図２１に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１と半導体層４との接続部の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２１に示した電磁波検出器は、二次元材料層１と半導体層４との間を電気的に接続する接続導電体部２ｄをさらに備える。
【0129】
接続導電体部２ｄは、絶縁膜３の開口部の内部に配置されている。平面視において、接続導電体部２ｄは、二次元材料層１および半導体層４の各々と重なるように配置されており、かつ二次元材料層１および半導体層４の各々と接触している。接続導電体部２ｄの下面は半導体層４の上面と接触している。接続導電体部２ｄの上面は、二次元材料層１の下面と接触している。好ましくは、接続導電体部２ｄの上面の位置は絶縁膜３の上面の位置と実質的に同じである。言い換えると、好ましくは、接続導電体部２ｄの厚みは、絶縁膜３の厚みと等しい。この場合、二次元材料層１は、絶縁膜３の上面から接続導電体部２ｄの上面上にまで、屈曲することなく平面状に延びている。
【0130】
電磁波が強誘電体層５に対して接続導電体部２ｄ側から入射する場合には、接続導電体部２ｄは、電磁波検出器が検出する電磁波の波長において高い透過率を示すことが好ましい。
【0131】
ここで、本実施の形態に係る電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0132】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器は、接続導電体部２ｄを備える。接続導電体部２ｄは、半導体層４と二次元材料層１とを電気的に接続する。この場合、二次元材料層１と半導体層４との間に接続導電体部２ｄが設けられることにより、二次元材料層１と半導体層４との間のコンタクト抵抗を低減することが出来る。また、接続導電体部２ｄと半導体層４とがショットキー接合となり、暗電流を低減することが出来る。
上記電磁波検出器は、接続導電体部２ｄを備える。接続導電体部２ｄは、半導体層４と二次元材料層１とを電気的に接続する。この場合、二次元材料層１と半導体層４との間に接続導電体部２ｄが設けられることにより、二次元材料層１と半導体層４との間のコンタクト抵抗を低減することが出来る。また、接続導電体部２ｄと半導体層４とがショットキー接合となり、暗電流を低減することが出来る。
【0133】
また、接続導電体部２ｄの厚みと絶縁膜３の厚みとを実質的に同じにする、つまり接続導電体部２ｄの上面の位置を絶縁膜３の上面の位置と実質的に同じにすることが好ましい。この場合、二次元材料層１が折れ曲がることなく水平に形成されるため、二次元材料層１でのキャリアの移動度が向上する。光ゲート効果は移動度に比例するため、電磁波検出器の感度が向上する。
【0134】
実施の形態１０．
＜電磁波検出器の構成＞
図２２は、実施の形態１０に係る電磁波検出器の平面模式図である。図２３は、図２２の線分ＸＸＩＩＩ－ＸＸＩＩＩにおける断面模式図である。図２４は、図２２の線分ＸＸＩＶ－ＸＸＩＶにおける断面模式図である。図２５は、実施の形態１０に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。図２６は図２５の線分ＸＸＶＩ－ＸＸＶＩにおける断面模式図である。図２７は、実施の形態１０に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。図２８は、図２７の線分ＸＸＶＩＩＩ－ＸＸＶＩＩＩにおける断面模式図である。
＜電磁波検出器の構成＞
図２２は、実施の形態１０に係る電磁波検出器の平面模式図である。図２３は、図２２の線分ＸＸＩＩＩ－ＸＸＩＩＩにおける断面模式図である。図２４は、図２２の線分ＸＸＩＶ－ＸＸＩＶにおける断面模式図である。図２５は、実施の形態１０に係る電磁波検出器の第１変形例を示す平面模式図である。図２６は図２５の線分ＸＸＶＩ－ＸＸＶＩにおける断面模式図である。図２７は、実施の形態１０に係る電磁波検出器の第２変形例を示す平面模式図である。図２８は、図２７の線分ＸＸＶＩＩＩ－ＸＸＶＩＩＩにおける断面模式図である。
【0135】
図２２に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１および絶縁膜３の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２２に示した電磁波検出器は、二次元材料層１と半導体層４との接続部分が複数設けられている点で、図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
【0136】
図２２に示した電磁波検出器では、絶縁膜３において開口部として複数の開口部が形成されている。二次元材料層１が複数の開口部の各々の内部にまで延在しかつ当該複数の開口部の各々の内部において半導体層４と電気的に接続されている。絶縁膜３には、複数の開口部として、第１開口、第２開口および第３開口が形成されている。第１開口、第２開口および第３開口は互いに間隔を隔てて配置されている。第１開口、第２開口および第３開口はそれぞれ絶縁膜３を貫通し、底部において半導体層４の表面が露出している。二次元材料層１は絶縁膜３の上部表面上から第１開口、第２開口および第３開口の内部にまで延在している。二次元材料層１は第１開口、第２開口および第３開口の底部において半導体層４と接触している。
【0137】
上記のように、絶縁膜３に複数の開口部を設け、二次元材料層１と半導体層４との接触領域を増加させることで、半導体層４から二次元材料層１に流れる電流を分散させることができる。そのため、二次元材料層１が強誘電体層５を介して電界変化の影響を受ける領域を広げることができる。
【0138】
例えば、本実施の形態を用いた電磁波検出器を一つの画素とする場合を考える。たとえば、図２２に示した電磁波検出器を平面形状が四角形状である１つの画素とする。図２２～図２４において電磁波が強誘電体層５に対して第１電極部２ａ側から入射する場合、強誘電体層５に入射する電磁波の減衰を少なくするためには、第１電極部２ａの面積を可能な限り小さくすることが好ましい。そのため、図２２および図２３に示すように第１電極部２ａは画素の四隅のうちの１つの隅に配置される。そして、図２２～図２４に示すように他の３つの隅には絶縁膜３の第１開口、第２開口および第３開口が配置される。このようにすれば、第１電極部２ａによる電磁波の減衰を最小限に抑えつつ、二次元材料層１と強誘電体層５との接触面積を増加させることができる。この結果、二次元材料層１において強誘電体層５からの電界変化の影響を受ける領域を広げ、電磁波検出器を高感度化することができる。なお、第１電極部２ａおよび絶縁膜３の開口部の面積は可能な限り小さい方が好ましい。
【0139】
図２２～図２４では半導体層４との接続部分が複数設けられているが、図２７および図２８に示すように二次元材料層１と第１電極部２ａとの接続部分が複数設けられてもよい。複数の第１電極部２ａの各々は、例えば上記画素の四隅のうちの２以上の隅に配置される。なお、複数の第１電極部２ａの各々は、絶縁膜３上であれば他の位置に配置されてもよい。
【0140】
また、二次元材料層１と半導体層４との接続部分および二次元材料層１と第１電極部２ａとの接続部分のそれぞれが、複数設けられてもよい。例えば、二次元材料層１と半導体層４との接続部分および二次元材料層１と第１電極部２ａとの接続部分のそれぞれが、上記画素の四隅のうちの２の隅に配置されてもよい。
【0141】
図２５および図２６に示した電磁波検出器は、基本的には図２２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、第１電極部２ａおよび絶縁膜３の構成が図２２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２５に示した電磁波検出器では、第１電極部２ａが環状に形成されており、二次元材料層１の上記第１部分が第１電極部２ａよりも内側に配置されている。第１電極部２ａは、例えば上記画素の外周部に配置されている。絶縁膜３の開口部は、第１電極部２ａよりも内側に配置されており、例えば上記画素の中央に配置されている。第１電極部２ａは、絶縁膜３の開口部の外周を囲むように、絶縁膜３の上部表面上に配置されている。図２５に示した電磁波検出器では、図２２に示す電磁波検出器と比べて、二次元材料層１を介して半導体層４から取り出される光電流が増加するため、検出感度は高い。なお、第１電極部２ａの幅は、電磁波の減衰を抑制するため、可能な限り細くすることが好ましい。二次元材料層１は、絶縁膜３の開口部および第１電極部２ａと部分的に重なると共に、半導体層４の平面形状とほぼ重なる領域に配置されてもよい。
【0142】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0143】
【0144】
二次元の材料層１と半導体層４との接続部分および二次元材料層１と第１電極部２ａとの接続部分の少なくともいずれかが複数設けられていることにより、二次元材料層１を経て半導体層４と第１電極部２ａとの間を流れる電流は、二次元材料層１において局所的に流れず、分散して流れる。その結果、図２２～図２４、図２７に示される電磁波検出器では、各接続部分が１つのみ設けられている場合と比べて、強誘電体層５における分極の変化に起因して二次元材料層１において電流が変化し得る領域が広くなるため、検出感度が高い。
【0145】
図２５および図２６に示される電磁波検出器では、第１電極部２ａが環状に形成されており、二次元材料層１の上記第１部分が第１電極部２ａよりも内側に配置されている。この場合、第１電極部２ａによる電磁波の減衰を最小限に抑えつつ、二次元材料層１において半導体層４からの電界変化の影響を受ける領域を広げることができる。この結果、電磁波検出器を高感度化することが出来る。
【0146】
【0147】
図２９に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、半導体層４の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図２９に示した電磁波検出器は、半導体層４が半導体層４ａ（第１半導体部分）および半導体層４ｂ（第２半導体部分）を含む点で、図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
【0148】
図２９に示すように、半導体層４は、例えば半導体層４ａおよび４ｂにて構成されている。なお、半導体層４は、３以上の半導体層を含んでいてもよい。半導体層４ａは、絶縁膜３の上記開口部において露出しており、二次元材料層１を介して第１電極部２ａと電気的に接続されている。半導体層４ａは、例えば二次元材料層１および絶縁膜３と接触している。半導体層４ｂは、例えば半導体層４ａに対して二次元材料層１とは反対側に配置されており、第２電極部２ｂと電気的に接続されている。なお、半導体層４ａおよび半導体層４ｂは、図２９においては積層しているが、これに限られるものではない。
【0149】
半導体層４ａの導電型は、半導体層４ｂの導電型とは異なる。例えば半導体層４ａの導電型がｎ型、半導体層４ｂの導電型がｐ型である。これにより、半導体層４はダイオードを構成する。半導体層４は、例えば強誘電体層５とは異なる波長に感度を有するフォトダイオードを構成する。
【0150】
また、図３０に示した電磁波検出器は、基本的には図２９に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、半導体層４ｂ（第２半導体部分）と電気的に接続されている第２電極部２ｂａに加え、半導体層４ａ（第１半導体部分）と電気的に接続されている第４電極部をさらに備える点で、図２９に示した電磁波検出器と異なっている。
【0151】
二次元材料層１は、半導体層４ａおよび半導体層４ｂと電気的に接続されている。半導体層４ａと半導体層４ｂとの界面は、絶縁膜３の上記開口部内に配置されている。半導体層４ａは、例えば二次元材料層１および第４電極部２ｂｂと接触している。半導体層４ｂは、例えば、第２電極部２ｂに加え、二次元材料層１および絶縁膜３と接触している。
【0152】
図３０に示すように、第２電極部２ｂａと第４電極部２ｂｂの間には電圧Ｖ２が印加される。このとき、電圧Ｖ２を逆バイアスで印加することで、半導体層４ａと半導体層４ｂの界面には空乏層が形成されるため、二次元材料層１と半導体層４ａおよび半導体層４ｂの界面には空乏層が形成される。
【0153】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0154】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、半導体層４は半導体層４ａおよび半導体層４ｂにより構成されている。半導体層４ａおよび半導体層４ｂがｐｎ接合を形成することで、暗電流を低減できる。また、半導体層４ａおよびは半導体層４ｂが強誘電体層５とは異なる波長に感度を有するフォトダイオードを構成することにより、強誘電体層５と上記フォトダイオードとにより広帯域の波長の検出が可能となる。
上記電磁波検出器において、半導体層４は半導体層４ａおよび半導体層４ｂにより構成されている。半導体層４ａおよび半導体層４ｂがｐｎ接合を形成することで、暗電流を低減できる。また、半導体層４ａおよびは半導体層４ｂが強誘電体層５とは異なる波長に感度を有するフォトダイオードを構成することにより、強誘電体層５と上記フォトダイオードとにより広帯域の波長の検出が可能となる。
【0155】
【0156】
図３１に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、強誘電体層５の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３１に示した電磁波検出器は、強誘電体層５が強誘電体層５ａ（第１強誘電体部分）および強誘電体層５ｂ（第２強誘電体部分）を含む点で、図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
【0157】
上述のように、強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂの各々を構成する材料は、熱エネルギーの変化に対して分極変化が生じる任意の強誘電体であればよいが、好ましくは電磁波の吸収波長が互いに異なる。
【0158】
図３１に示すように、強誘電体層５は、例えば強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂにて構成されている。なお、強誘電体層５は、３以上の強誘電体層を含んでいてもよい。強誘電体層５ａは、強誘電体層５ｂに対して二次元材料層１側に配置されており、二次元材料層１と接触している。強誘電体層５ｂは、強誘電体層５ａと接触しているが、二次元材料層１とは接触していない。なお、強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂは、図３１においては積層しているが、これに限られるものではない。
【0159】
図３２に示した電磁波検出器は、基本的には図３１に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、強誘電体層５の構成が図３１に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３２に示した電磁波検出器は、強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂが二次元材料層１と接触している点で、図３１に示した電磁波検出器と異なっている。
【0160】
強誘電体層５ａは、二次元材料層１の上記第１部分と重なるように配置されている。強誘電体層５ｂは、二次元材料層１の上記第２部分および上記第３部分と重なるように配置されている。強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂの各々を構成する材料の分極率は、互いに異なる。好ましくは、強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂの各々を構成する材料の分極率は、二次元材料層１の各領域におけるフェルミレベルが最適となるように、設計される。例えば、強誘電体層５ａを構成する材料の分極率は、強誘電体層５ｂを構成する材料の分極率と比べて、高く設定される。
【0161】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、強誘電体層５は強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂを含む。図３１に示した電磁波検出器では、強誘電体層５ａおよびは強誘電体層５ｂの電磁波の吸収波長が互いに異なることにより、強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂの各々を構成する材料の電磁波の吸収波長が互いに等しい場合と比べて、広帯域の波長の検出が可能となる。図３２に示した電磁波検出器では、強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂの各々を構成する材料の分極率が互いに異なるため、二次元材料層１の各領域におけるフェルミレベルが最適となるように、設計され得る。二次元材料層１の各領域におけるフェルミレベルが最適に設計されることで、電磁波検出器の高性能化が図られる。
上記電磁波検出器において、強誘電体層５は強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂを含む。図３１に示した電磁波検出器では、強誘電体層５ａおよびは強誘電体層５ｂの電磁波の吸収波長が互いに異なることにより、強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂの各々を構成する材料の電磁波の吸収波長が互いに等しい場合と比べて、広帯域の波長の検出が可能となる。図３２に示した電磁波検出器では、強誘電体層５ａおよび強誘電体層５ｂの各々を構成する材料の分極率が互いに異なるため、二次元材料層１の各領域におけるフェルミレベルが最適となるように、設計され得る。二次元材料層１の各領域におけるフェルミレベルが最適に設計されることで、電磁波検出器の高性能化が図られる。
【0162】
【0163】
上記電磁波検出器では、二次元材料層１においてチャネル領域に対応する領域が乱層構造部分となっている。ここで、乱層構造とは、グラフェンが複数積層された領域であって、積層されたグラフェン同士の格子が不整合な状態で積層された構造を意味する。なお、二次元材料層１の全体が乱層構造であってもよいし、一部のみが乱層構造となっていてもよい。
【0164】
乱層構造部分の作製方法としては任意の方法を用いることができる。たとえば、ＣＶＤ法で作製した単層のグラフェンを複数回転写し、多層グラフェンを積層することで乱層構造部分を形成してもよい。また、グラフェン上に、エタノールまたはメタンなどを炭素源としてＣＶＤ法によりグラフェンを成長して乱層構造部分を形成しても良い。二次元材料層１において絶縁膜３との接触領域を乱層構造とすることで、二次元材料層１におけるキャリアの移動度が向上する。ここで、通常の積層グラフェンは、Ａ－Ｂ積層と呼ばれ、積層したグラフェン同士の格子が整合した状態で積層される。しかし、ＣＶＤ法により作製したグラフェンは多結晶であり、グラフェン上に更にグラフェンを複数回転写した場合、またはＣＶＤ法を用いて下地のグラフェン上にグラフェンを積層した場合は、積層されたグラフェン同士の格子が不整合な状態である乱層構造となる。
【0165】
乱層構造のグラフェンは、層間の相互作用の影響が少なく、単層グラフェンと同等の性質を持つ。さらに、二次元材料層１は下地となる絶縁膜３でのキャリア散乱の影響を受けて移動度が低下する。しかし、乱層構造のグラフェンは絶縁膜３と接触するグラフェンはキャリア散乱の影響を受けるが、当該グラフェン上に乱層構造で積層された上層のグラフェンは、下地の絶縁膜３のキャリア散乱の影響を受けにくくなる。また、乱層構造のグラフェンでは、層間の相互作用の影響が少ないため、導電率も向上する。以上より、乱層構造のグラフェンではキャリアの移動度を向上させることができる。この結果、電磁波検出器の感度を向上させることができる。
【0166】
また、乱層構造のグラフェンは絶縁膜３上に存在する二次元材料層１の部分のみに適用しても良い。たとえば、二次元材料層１において半導体層４との接触領域や第１電極部２ａとの接触領域については乱層構造ではないグラフェン、たとえば単層のグラフェンを用いてもよい。この場合、第１電極部２ａおよび半導体層４と二次元材料層１とのコンタクト抵抗を増大させることなく、二次元材料層１に対する絶縁膜３のキャリア散乱の影響を抑制することが出来る。
【0167】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0168】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、二次元材料層１は、乱層構造を含む。この場合、二次元材料層１におけるキャリアの移動度を向上させることができる。この結果、電磁波検出器の感度を向上させることができる。
上記電磁波検出器において、二次元材料層１は、乱層構造を含む。この場合、二次元材料層１におけるキャリアの移動度を向上させることができる。この結果、電磁波検出器の感度を向上させることができる。
【0169】
【0170】
図３３に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１上の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３３に示した電磁波検出器では、二次元材料層１の上部表面上に少なくとも１つ以上の導電体７が形成されている点が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。二次元材料層１の上部表面上には、複数の導電体７が配置されている。複数の導電体７は互いに間隔を隔てて配置されている。導電体７はフローティング電極である。以下、具体的に説明する。
【0171】
図３３に示すように、本実施の形態に係る電磁波検出器は、二次元材料層１上にフローティング電極としての導電体７を設けている。導電体７を構成する材料は導電体であれば任意の材料を用いることができる。たとえば、導電体７の材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、又は、パラジウム（Ｐｄ）等の金属材料を用いることができる。ここで、導電体７は、電源回路等に接続されておらず、フローティングとなっている。
【0172】
導電体７は、第１電極部２ａと半導体層４との間に位置する二次元材料層１上に設けられている。複数の導電体７は、一次元、又は、二次元の周期構造を有する。たとえば、一次元の周期構造の例として、図３３の紙面上の水平方向又は紙面の奥行き方向に複数の導電体７が互いに間隔を隔てて（周期的に）配列された構造を採用し得る。また、二次元の周期構造の例として、電磁波検出器の平面視において、正方格子又は三角格子等の格子点に対応する位置に導電体７が配列された構造を採用し得る。また、電磁波検出器の平面視において、各導電体７の平面形状は、円形状、三角形状、四角形状、多角形状、又は、楕円形状等の任意の形状であってもよい。また、導電体７の平面視における配置は、上述した周期的な対称性を有する配列だけに限られず、平面視において非対称性を有する配列であってもよい。ここで、導電体７を形成する具体的な方法は、任意の方法を採用し得るが、例えば、実施の形態１で説明した第１電極部２ａの製造方法と同様の方法を用いてもよい。
【0173】
本実施の形態に係る電磁波検出器では、二次元材料層１の上にフローティング電極である導電体７を設けている。そのため、強誘電体層５において電磁波の照射により発生した表面キャリアが、複数の導電体７の間を行き来できるようになり、その結果光キャリアの寿命が長くなる。これにより、電磁波検出器の感度を高めることができる。
【0174】
また、複数の導電体７を一次元の周期的な構造を構成する配置し、導電体７の材料を表面プラズモン共鳴が生じる材料とすることにより、照射される電磁波によって導電体７に偏光依存性が生じる。この結果、特定の偏光の電磁波だけを電磁波検出器の半導体層４に照射させることができる。この場合、本実施の形態に係る電磁波検出器は、特定の偏光のみを検出することができる。
【0175】
また、複数の導電体７を二次元の周期的な構造を構成するように配置し、導電体７の材料を表面プラズモン共鳴が生じる材料とすることにより、複数の導電体７によって特定の波長の電磁波を共鳴させることができる。この場合、特定の波長を有する電磁波だけを電磁波検出器で検出することができる。この場合、本実施の形態に係る電磁波検出器は、特定の波長の電磁波のみを高感度に検出することができる。
【0176】
また、複数の導電体７を平面視において非対称な配置となるように形成した場合、複数の導電体７を一次元の周期的な構造する場合と同様、照射される電磁波に対して導電体７に偏光依存性が生じる。この結果、特定の偏光の電磁波だけを半導体層４に照射させることができる。この場合、本実施の形態に係る電磁波検出器は、特定の偏光のみを検出することができる。
【0177】
また、上記電磁波検出器は、二次元材料層１の下に導電体７が配置されていてもよい。このような構成によっても、図３３に示した電磁波検出器と同様にの効果を得ることができる。さらに、この場合、導電体７の形成時に二次元材料層１にダメージを与えないため、二次元材料層１でのキャリアの移動度の低下を抑制できる。
【0178】
また、二次元材料層１に凹凸部を形成してもよい。この場合、二次元材料層１の凹凸部は、上述した複数の導電体７と同様、周期的な構造又は非対称な構造としてもよい。この場合、複数の導電体７を形成した場合と同様の効果を得ることができる。
【0179】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0180】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器は、１つ以上の導電体７をさらに備える。１つ以上の導電体７は、二次元材料層１に接触するように配置される。この場合、二次元材料層１における光キャリアの寿命が長くなる。この結果、電磁波検出器の感度を高めることができる。
上記電磁波検出器は、１つ以上の導電体７をさらに備える。１つ以上の導電体７は、二次元材料層１に接触するように配置される。この場合、二次元材料層１における光キャリアの寿命が長くなる。この結果、電磁波検出器の感度を高めることができる。
【0181】
【0182】
図３４に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１上の構成が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３４に示した電磁波検出器では、二次元材料層１の上部表面上に少なくとも１つ以上の接触層８が形成されている点が図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。以下、具体的に説明する。
【0183】
図３４に示す電磁波検出器では、二次元材料層１上に接触層８が設けられている。接触層８は、二次元材料層１と接触することで、二次元材料層１に正孔又は電子を供給することが可能な材料により構成されている。接触層８により二次元材料層１に任意に正孔又は電子をドーピングすることができる。
【0184】
接触層８としては、例えば、ポジ型フォトレジストと呼ばれる、キノンジアジト基を有する感光剤とノボラック樹脂とを含有する組成物を用いることができる。また、接触層８を構成する材料としては、例えば、極性基を有する材料を用いることができる。例えば、当該材料の一例である電子求引基を有する材料は、二次元材料層１の電子密度を減少させる効果を持つ。また、当該材料の一例である電子供与基を有する材料は、二次元材料層１の電子密度を増加させる効果を持つ。電子求引基を有する材料としては、例えば、ハロゲン、ニトリル、カルボキシル基、又は、カルボニル基等を有する材料が挙げられる。また、電子供与基を有する材料としては、例えば、アルキル基、アルコール、アミノ基、又は、ヒドロキシル基等を有する材料が挙げられる。また、上記以外にも極性基によって分子全体において電荷の偏りが生じる材料も、接触層８の材料として用いることができる。
【0185】
また、有機物、金属、半導体、絶縁体、２次元材料、又は、これら材料のいずれかの混合物においても、分子内で電荷の偏りが生じて極性を生じる材料であれば、接触層８の材料として用いることができる。ここで、無機物からなる接触層８と二次元材料層１とを接触させた場合、二次元材料層１がドーピングされる導電型は、二次元材料層１の仕事関数よりも接触層８の仕事関数が大きい場合はｐ型、小さい場合はｎ型である。それに対して、接触層８が有機物の場合、当該接触層８を構成する材料である有機物が明確な仕事関数を有していない。そのため、二次元材料層１に対してｎ型ドープになるのか、ｐ型ドープになるのかは、接触層８に用いる有機物の分子の極性によって、接触層８の材料の極性基を判断することが好ましい。
【0186】
例えば、接触層８として、ポジ型フォトレジストと呼ばれる、キノンジアジト基を有する感光剤とノボラック樹脂とを含有する組成物を用いる場合、二次元材料層１においてフォトリソグラフィ工程によりレジストを形成した領域がｐ型二次元材料層領域となる。これにより、二次元材料層１の表面上に接触するマスク形成処理が不要となる。この結果、二次元材料層１に対するプロセスダメージの低減及びプロセスの簡素化が可能となる。
【0187】
本実施の形態に係る電磁波検出器は、二次元材料層１の上に接触層８を形成している。上述した通り、接触層８の材料として、例えば、電子求引基を有する材料、又は、電子供与基を有する材料を用いることで、二次元材料層１の状態（導電型）を意図的にｎ型又はｐ型とすることができる。この場合、第１電極部２ａおよび半導体層４および強誘電体層５の分極からのキャリアドーピングの影響を考慮せず、二次元材料層１のキャリアドーピングを制御することができる。この結果、電磁波検出器の性能を向上させることができる。
【0188】
また、接触層８を、二次元材料層１の上部表面における第１電極部２ａ側または半導体層４側のどちらか一方にのみ形成することで、二次元材料層１中に電荷密度の勾配が形成される。この結果、二次元材料層１中のキャリアの移動度が向上し、電磁波検出器を高感度化することが出来る。
【0189】
また、二次元材料層１上に複数の接触層８を形成してもよい。接触層８の数は３以上であってもよく、任意の数とすることができる。複数の接触層８を第１電極部２ａと半導体層４との間に位置する二次元材料層１上に形成してもよい。その場合、複数の接触層８の材料は、同じ材料でも異なる材料でもよい。
【0190】
また、本実施の形態に係る電磁波検出器において、接触層８の膜厚は、電磁波が二次元材料層１に照射された場合に、光電変換を行うことができるよう十分薄い方が好ましい。一方、接触層８から二次元材料層１にキャリアがドーピングされる程度の厚さを有するように接触層８を形成することが好ましい。接触層８は、分子又は電子などのキャリアが二次元材料層１に導入されれば任意の構成としても良い。たとえば、二次元材料層１を溶液に浸漬させて、分子レベルで二次元材料層１にキャリアを供給することで、固体の接触層８を二次元材料層１上に形成しないで、二次元材料層１にキャリアをドーピングしてもよい。
【0191】
また、接触層８の材料として、上述した材料以外にも、極性変換を生じる材料を用いてもよい。その場合、接触層８が極性変換すると、変換の際に生じた電子又は正孔が、二次元材料層１に供給される。そのため、接触層８が接触している二次元材料層１の部分に電子又は正孔のドーピングが生じる。そのため、接触層８を取り除いても、接触層８と接触していた二次元材料層１の当該部分は、電子又は正孔がドーピングされたままの状態となる。したがって、接触層８として、極性変換を生じる材料を用いた場合、一定の時間が経過した後に接触層８を二次元材料層１上から取り除いてもよい。この場合、接触層８が存在している場合より二次元材料層１の開口部面積が増加する。このため、電磁波検出器の検出感度を向上させることができる。ここで、極性変換とは、極性基が化学的に変換する現象であり、例えば、電子求引基が電子供与基に変化する、または電子供与基が電子求引基に変化する、または極性基が非極性基に変化する、または非極性基が極性基に変化する、といった現象を意味する。
【0192】
また、接触層８が電磁波照射によって極性変換を生じる材料により形成されてもよい。この場合、特定の電磁波の波長において極性変換を生じる材料を接触層８の材料として選択することで、特定の電磁波の波長の電磁波照射時のみ接触層８で極性変換を生じさせ、二次元材料層１へのドーピングを行うことができる。この結果、二次元材料層１に流入する光電流を増大させることができる。
【0193】
また、電磁波照射によって酸化還元反応を生じる材料を接触層８の材料として用いてもよい。この場合、酸化還元反応時に生じる電子又は正孔を二次元材料層１にドーピングすることができる。
【0194】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0195】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器は、二次元材料層１に接触する接触層８を備える。接触層８は、二次元材料層１に正孔または電子を供給する。この場合、第１電極部２ａおよび半導体層４からのキャリアドーピングの影響を考慮せず、二次元材料層１のキャリアドーピングを制御することができる。この結果、電磁波検出器の性能を向上させることができる。
上記電磁波検出器は、二次元材料層１に接触する接触層８を備える。接触層８は、二次元材料層１に正孔または電子を供給する。この場合、第１電極部２ａおよび半導体層４からのキャリアドーピングの影響を考慮せず、二次元材料層１のキャリアドーピングを制御することができる。この結果、電磁波検出器の性能を向上させることができる。
【0196】
実施の形態１６．
＜電磁波検出器の構成＞
図３５は、実施の形態１６に係る電磁波検出器の断面模式図である。図３６は、実施の形態１６に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。図３５に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１の周囲に空隙９が形成されている点で、図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
＜電磁波検出器の構成＞
図３５は、実施の形態１６に係る電磁波検出器の断面模式図である。図３６は、実施の形態１６に係る電磁波検出器の変形例を示す断面模式図である。図３５に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１の周囲に空隙９が形成されている点で、図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
【0197】
図３５に示すように、二次元材料層１と絶縁膜３との間に空隙９が設けられている。二次元材料層１は、空隙９に面した表面を有している。つまり、二次元材料層１において、実施の形態１に係る電磁波検出器とは異なり、絶縁膜３と接触していない。このとき、開口部において半導体層４の上部表面は第１電極部２ａの上部表面と同一の高さであることが好ましい。二次元材料層１は、第１電極部２ａ上から半導体層４上にまで延在している。二次元材料層１の下に位置する空隙９は、第１電極部２ａと開口部との間に位置する。なお、絶縁膜３と二次元材料層１との間に空隙９が設けられていれば、他の構成を採用してもよい。
【0198】
図３６に示した電磁波検出器は、基本的には図３５に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１の構造が図３５に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３６に示した電磁波検出器では、二次元材料層１と強誘電体層５の間に空隙９が形成されている。
【0199】
図３６に示すように、二次元材料層１と強誘電体層５との間に空隙９が設けられている。つまり、二次元材料層１において、実施の形態１に係る電磁波検出器とは異なり、強誘電体層５と接触していない。電磁波照射により生じる強誘電体層５の分極変化は第１電極部２ａまたは半導体層４を介して二次元材料層１に電界変化を生じさせる。このとき、強誘電体層５の分極方向は二次元材料層１の面と平行方向であっても良い。また、空隙９を介して電界変化を生じさせても良い。このとき、強誘電体層５の分極方向は二次元材料層１の面と垂直方向であっても良い。また、半導体層４の上部表面は第１電極部２ａの上部表面と同一の高さであることが好ましい。二次元材料層１は、第１電極部２ａ上から半導体層４上にまで延在している。二次元材料層１の下に位置する空隙９は、第１電極部２ａと半導体層４との間に位置する。なお、二次元材料層１と強誘電体層５の間に空隙９が設けられていれば、他の構成を採用してもよい。
【0200】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0201】
＜作用効果＞
上記電磁波検出器において、二次元材料層１の上部または下部の少なくとも一方に空隙９が形成されている。この場合、絶縁膜３または強誘電体層５と二次元材料層１との接触に伴うキャリアの散乱の影響を無くすことができる。この結果、二次元材料層１におけるキャリアの移動度の低下を抑制することができる。したがって、電磁波検出器の感度を向上させることができる。なお、光ゲート効果は、二次元材料層１の下部に空隙９が生じていても作用することが可能である。
上記電磁波検出器において、二次元材料層１の上部または下部の少なくとも一方に空隙９が形成されている。この場合、絶縁膜３または強誘電体層５と二次元材料層１との接触に伴うキャリアの散乱の影響を無くすことができる。この結果、二次元材料層１におけるキャリアの移動度の低下を抑制することができる。したがって、電磁波検出器の感度を向上させることができる。なお、光ゲート効果は、二次元材料層１の下部に空隙９が生じていても作用することが可能である。
【0202】
実施の形態１７．
＜電磁波検出器の構成＞
図３７は、実施の形態１７に係る電磁波検出器の断面模式図である。図３７に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１と強誘電体層５との間を電気的に接続する接続導電体部２ｅをさらに備え、強誘電体層５が接続導電体部２ｅを介して二次元材料層１と接続されている点で、図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
＜電磁波検出器の構成＞
図３７は、実施の形態１７に係る電磁波検出器の断面模式図である。図３７に示した電磁波検出器は、基本的には図１および図２に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、二次元材料層１と強誘電体層５との間を電気的に接続する接続導電体部２ｅをさらに備え、強誘電体層５が接続導電体部２ｅを介して二次元材料層１と接続されている点で、図１および図２に示した電磁波検出器と異なっている。
【0203】
強誘電体層５は、電磁波照射により生じる強誘電体層５の分極変化が二次元材料層１と接続導電体部２ｅとの接合界面に対して垂直な方向に生じるように、設けられている。この場合、上記分極変化により強誘電体層５に生じた電荷は、接続導電体部２ｅを介して二次元材料層１に注入される。
【0204】
図３７に示される接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５は、二次元材料層１の上部に配置されている。なお、接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５は、二次元材料層１の下部に配置されていてもよい。この場合、接続導電体部２ｅは、例えば強誘電体層５の上部に配置されている。強誘電体層５は、電磁波照射により生じる強誘電体層５の分極変化が半導体層４の第１面に対して垂直な方向に生じるように、設けられている。
【0205】
接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５は、第１面に沿っておりかつ二次元材料層１の延在方向と直交する方向において、二次元材料層１と並んで配置されていてもよい。この場合、好ましくは、強誘電体層５は、電磁波照射により生じる強誘電体層５の分極変化が二次元材料層１の二次元面に沿った方向に生じるように、設けられている。言い換えると、強誘電体層５は、電磁波照射により生じる強誘電体層５の分極変化が半導体層４の第１面に沿った方向に生じるように、設けられている。
【0206】
＜作用効果＞
二次元材料層１および強誘電体層５の表面抵抗は高い。そのため、強誘電体層５が接続導電体部２ｅを介さずに二次元材料層１に接続されている場合には、強誘電体層５において分極変化によって生じた電荷は二次元材料層１に注入されない。これに対し、本実施の形態に係る電磁波検出器では、強誘電体層５が接続導電体部２ｅを介して二次元材料層１と接続されている。そのため、強誘電体層５において電磁波照射に伴う分極変化によって生じた電荷は、接続導電体部２ｅを介して二次元材料層１に注入され得る。その結果、本実施の形態に係る電磁波検出器では、強誘電体層５が接続導電体部２ｅを介さずに二次元材料層１に接続されている電磁波検出器と比べて、二次元材料層１の導電率が効率的に変調され得る。
二次元材料層１および強誘電体層５の表面抵抗は高い。そのため、強誘電体層５が接続導電体部２ｅを介さずに二次元材料層１に接続されている場合には、強誘電体層５において分極変化によって生じた電荷は二次元材料層１に注入されない。これに対し、本実施の形態に係る電磁波検出器では、強誘電体層５が接続導電体部２ｅを介して二次元材料層１と接続されている。そのため、強誘電体層５において電磁波照射に伴う分極変化によって生じた電荷は、接続導電体部２ｅを介して二次元材料層１に注入され得る。その結果、本実施の形態に係る電磁波検出器では、強誘電体層５が接続導電体部２ｅを介さずに二次元材料層１に接続されている電磁波検出器と比べて、二次元材料層１の導電率が効率的に変調され得る。
【0207】
なお、接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５が二次元材料層１の上部に配置されている場合、当該電磁波検出器の製造方法では、接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５を形成する工程は、二次元材料層１を形成する工程の後に行われる。そのため、二次元材料層１が、接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５を形成する工程によってプロセスダメージを受けるおそれがある。
【0208】
これに対し、接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５が二次元材料層１の下部に配置されている場合、当該電磁波検出器の製造方法では、接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５を形成する工程は、二次元材料層１を形成する工程の前に行われる。そのため、二次元材料層１が、接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５を形成する工程によってプロセスダメージを受けるおそれがない。その結果、上記プロセスダメージに伴う二次元材料層１の性能低下、さらには電磁波検出器の検出感度の低下が防止され得る。
【0209】
接続導電体部２ｅおよび強誘電体層５が、第１面に沿っておりかつ二次元材料層１の延在方向と直交する方向において、二次元材料層１と並んで配置されている場合、強誘電体層５は、電磁波照射により生じる強誘電体層５の分極変化が二次元材料層１の二次元面に沿った方向に生じるように、設けられているのが好ましい。二次元材料層１の二次元面に沿った方向の電気抵抗は、二次元材料層１の二次元面に垂直な方向の電気抵抗よりも低い。そのため、強誘電体層５の分極変化が二次元材料層１の二次元面に沿った方向に生じるように設けられている場合には、強誘電体層５の分極変化が二次元材料層１の二次元面に垂直な方向に生じるように設けられている場合と比べて、強誘電体層５において電磁波照射に伴う分極変化によって生じた電荷が、接続導電体部２ｅを介して二次元材料層１に効率的に注入され得る。
【0210】
ここで、本実施の形態である電磁波検出器の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。
【0211】
【0212】
図３８に示した電磁波検出器は、電磁波検出器集合体であって、検出素子として実施の形態１～実施の形態１２のいずれかに係る電磁波検出器１００を複数有している。たとえば、電磁波検出器１００として実施の形態１に係る電磁波検出器を用いてもよい。図３８では、電磁波検出器１００が二次元方向にアレイ状に配置されている。なお、複数の電磁波検出器１００は、一次元方向に並ぶように配置されていてもよい。以下、具体的に説明する。
【0213】
図３８に示すように、本実施の形態に係る電磁波検出器では、電磁波検出器１００が、２×２のアレイ状に配置されている。ただし、配置される電磁波検出器１００の数はこれに限定されない。たとえば、複数の電磁波検出器１００を３以上×３以上のアレイ状に配置してもよい。また、本実施の形態では、二次元に周期的に複数の電磁波検出器１００を配列したが、複数の電磁波検出器１００をある方向に沿って周期的に配列しても構わない。また、複数の電磁波検出器１００の配置は周期的ではなく、異なる間隔で配置してもよい。
【0214】
また、複数の電磁波検出器１００をアレイ状に配置する際は、それぞれの電磁波検出器１００が分離出来てさえいれば、第２電極部２ｂは共通電極としてもよい。第２電極部２ｂを共通電極とすることで、各電磁波検出器１００において第２電極部２ｂが独立している構成よりも、画素の配線を少なくすることが出来る。この結果、電磁波検出器集合体を高解像度化することが可能となる。
【0215】
このように複数の電磁波検出器１００を用いた電磁波検出器集合体は、アレイ状に複数の電磁波検出器１００を配列することで画像センサとしても使用できる。
【0216】
ここで、本実施の形態では、実施の形態１に係る電磁波検出器１００を複数有する電磁波検出器集合体を例に説明したが、実施の形態１に係る電磁波検出器の代わりに、他の実施の形態に係る電磁波検出器を用いてもよい。
【0217】
図３９に示した電磁波検出器は、電磁波検出器集合体であって、基本的には図３８に示した電磁波検出器と同様の構成を備え、同様の効果を得ることができるが、複数の電磁波検出器として種類の異なる電磁波検出器２００、２０１，２０２，２０３を用いている点が図３８に示した電磁波検出器と異なっている。すなわち、図３９に示した電磁波検出器では、互いに異なる種類の電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３がアレイ状（マトリックス状）に配置されている。
【0218】
図３９では、電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３が２×２のマトリックス状に配置されているが、配置される電磁波検出器の数はこれに限定されない。また、本実施の形態では、種類の異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３を二次元に周期的に配列したが、一次元に周期的に配列してもよい。また、種類の異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３を周期的ではなく異なる間隔で配置してもよい。
【0219】
図３９に示した電磁波検出器集合体では、実施の形態１～１６のいずれかに係る、種類の異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３を、一次元又は二次元のアレイ状に配置することで、画像センサとしての機能を持たせることができる。例えば、電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３として、それぞれ検出波長の異なる電磁波検出器を用いてもよい。具体的には、実施の形態１～１６のいずれかに係る電磁波検出器からそれぞれ異なる検出波長選択性を有する電磁波検出器を準備し、アレイ状に並べてもよい。この場合、電磁波検出器集合体は、少なくとも２つ以上の異なる波長の電磁波を検出することができる。
【0220】
このように異なる検出波長を有する電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３をアレイ状に配置することにより、可視光域で用いるイメージセンサと同様に、たとえば紫外光、赤外光、テラヘルツ波、電波の波長域などの任意の波長域において、電磁波の波長を識別できる。この結果、たとえば波長の相違を色の相違として示した、カラー化した画像を得ることができる。
【0221】
また、電磁波検出器を構成する半導体層４や強誘電体層５の構成材料として、検出波長の異なる材料を用いてもよい。たとえば、検出波長が可視光の波長である半導体材料と、検出波長が赤外線の波長である半導体材料とを上記構成材料として用いてもよい。この場合、例えば、当該電磁波検出器を車載センサに適用した時に、昼間は可視光画像用カメラとして電磁波検出器を使用できる。さらに、夜間は赤外線カメラとしても電磁波検出器を使用できる。このようにすれば、電磁波の検出波長によって、画像センサを有するカメラを使い分ける必要が無い。
【0222】
また、イメージセンサ以外の電磁波検出器の用途としては、たとえば少ない画素数でも、物体の位置検出を行うことが可能な位置検出用センサとして当該電磁波検出器を用いることができる。たとえば、電磁波検出器集合体の構造により、上記のように検出波長の異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３を用いれば、複数波長の電磁波の強度を検出する画像センサが得られる。これにより、従来、ＣＭＯＳイメージセンサなどで必要であったカラーフィルタを用いることなく、複数の波長の電磁波を検出し、カラー画像を得ることができる。
【0223】
さらに、検出する偏光が異なる電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３をアレイ化することにより、偏光識別イメージセンサを形成することもできる。例えば、検知する偏光角度が０°、９０°、４５°、１３５°である４つの画素を一単位として、当該一単位の電磁波検出器を複数配置することで偏光イメージングが可能になる。偏光識別イメージセンサによって、例えば、人工物と自然物の識別、材料識別、赤外波長域における同一温度物体の識別、物体間の境界の識別、又は、等価的な分解能の向上などが可能になる。
【0224】
以上より、上述のように構成された本実施の形態に係る電磁波検出器集合体は、広い波長域の電磁波を検出することができる。また、本実施の形態に係る電磁波検出器集合体は、異なる波長の電磁波を検出することができる。
【0225】
＜作用効果＞
上述した電磁検出器集合体は、複数の電磁波検出器を備える。複数の電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３は種類の異なる電磁波検出器であってもよい。たとえば、複数の電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３はそれぞれ検出波長が異なっていてもよい。この場合、異なる波長の電磁波を１つの電磁波検出器集合体により検出することができる。
上述した電磁検出器集合体は、複数の電磁波検出器を備える。複数の電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３は種類の異なる電磁波検出器であってもよい。たとえば、複数の電磁波検出器２００，２０１，２０２，２０３はそれぞれ検出波長が異なっていてもよい。この場合、異なる波長の電磁波を１つの電磁波検出器集合体により検出することができる。
【0226】
なお、上述した各実施の形態において、絶縁膜３、または接触層８、または半導体層４の材料として、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料を用いてもよい。
【0227】
ここで、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料としては、例えば、量子ドット、強誘電体材料、液晶材料、フラーレン、希土類酸化物、半導体材料、ｐｎ接合材料、金属－半導体接合材料、又は、金属－絶縁物－半導体接合材料等を用いることができる。例えば、強誘電体材料として、電磁波による分極効果（焦電効果）を有する強誘電体材料を用いる場合、電磁波の照射により、強誘電体材料に分極の変化が生じる。この結果、二次元材料層１に電位の変化を与えることができる。
【0228】
上述のように絶縁膜３などの材料として上記のような材料を用いる場合、絶縁膜３、または接触層８、または半導体層４は、電磁波の照射により特性が変化する。その結果、二次元材料層１に電位の変化を与えることができる。
【0229】
なお、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料を絶縁膜３、または接触層８、または半導体層４に適用する例を説明したが、上述した各部材のうちの少なくとも一つ以上に、電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料を適用すればよい。例えば、接触層８に電磁波の照射により特性が変化し、二次元材料層１に電位の変化を与える材料を適用する場合、接触層８は、必ずしも二次元材料層１に直接接触している必要はない。たとえば、電位の変化を二次元材料層１に与えることができれば、絶縁膜等を介して、二次元材料層１の上面又は下面上に接触層８を設けてもよい。
【0230】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。矛盾のない限り、今回開示された実施の形態の少なくとも２つを組み合わせてもよい。本開示の範囲は、上記した説明ではなく請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。
【符号の説明】
【0231】
１ 二次元材料層、２ａ 第１電極部、２ｂ，２ｂａ 第２電極部、２ｂｂ 第４電極部、２ｃ 第３電極部、２ｄ 接続導電体部、３，３ｂ 絶縁膜、４，４ａ，４ｂ 半導体層、５，５ａ，５ｂ 強誘電体層、６ トンネル絶縁層、７ 導電体、８ 接触層、９ 空隙、１００，２００，２０１，２０２，２０３ 電磁波検出器。
【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】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】