JP6918591B2 - Electromagnetic wave detector and its manufacturing method - Google Patents

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Description

本発明は、電磁波を検出する電磁波検出器、およびその製造方法に関するものであり、特に電磁波を吸収し電流の変化として検出するものである。 The present invention relates to an electromagnetic wave detector that detects an electromagnetic wave and a method for manufacturing the same, and particularly absorbs an electromagnetic wave and detects it as a change in an electric current.

炭素の同素体の1つとして、グラフェンがある。グラフェンは、炭素原子が蜂の巣格子状に並んで結合したシート状の単層の構造であり、バンドギャップのない半導体である。グラフェンは、物理的な強度、電子移動度、および熱伝導性が高いなど、特異な性質を有しており、各種応用研究が進められている。また、グラフェンは広い吸収スペクトルを有し、電磁波検出器として用いることが検討されている。 Graphene is one of the allotropes of carbon. Graphene is a semiconductor with no bandgap, which is a sheet-like single-layer structure in which carbon atoms are arranged and bonded in a honeycomb lattice pattern. Graphene has unique properties such as high physical strength, electron mobility, and thermal conductivity, and various applied researches are underway. In addition, graphene has a wide absorption spectrum and is being studied for use as an electromagnetic wave detector.

特許文献1には、Siからなる基板上に、ゲート絶縁膜、グラフェンを順に積層し、グラフェン上にソース電極とドレイン電極を形成したFET型の光検出器が記載されている。特許文献1では、グラフェンの電磁波吸収による電気抵抗の変化により光を検出し、ゲート電圧を印加して光電流の変化率の大きな動作点を利用する。 Patent Document 1 describes an FET-type photodetector in which a gate insulating film and graphene are laminated in this order on a substrate made of Si, and a source electrode and a drain electrode are formed on the graphene. In Patent Document 1, light is detected by a change in electrical resistance due to absorption of electromagnetic waves of graphene, and a gate voltage is applied to utilize an operating point having a large rate of change in light current.

特許文献2には、基板上に金属層、絶縁層、グラフェン層、孤立金属を順に形成し、グラフェン層上に孤立金属を挟んで対向して2つの電極を設けた電磁波検出器が記載されている。孤立金属は、表面プラズモン共鳴を生じやすい金属からなり、複数の正方形が間隔を空けて正方格子状に配列されたパターンである。この電磁波検出器では、金属層と孤立金属とにより挟まれた絶縁層内で表面プラズモン共鳴が生じ、所定波長の電磁波が局在する。そして、共振器内にグラフェン層が配置されていることにより、所定波長の電磁波がグラフェン層に入射を繰り返す。このように、特許文献2では、表面プラズモン共鳴と共振器構造を利用して電磁波の吸収率を高め、電磁波の検出感度の向上を図っている。 Patent Document 2 describes an electromagnetic wave detector in which a metal layer, an insulating layer, a graphene layer, and an isolated metal are formed in this order on a substrate, and two electrodes are provided on the graphene layer so as to face each other with the isolated metal interposed therebetween. There is. The isolated metal is composed of a metal that easily causes surface plasmon resonance, and is a pattern in which a plurality of squares are arranged in a square lattice at intervals. In this electromagnetic wave detector, surface plasmon resonance occurs in an insulating layer sandwiched between a metal layer and an isolated metal, and an electromagnetic wave having a predetermined wavelength is localized. Then, since the graphene layer is arranged in the resonator, electromagnetic waves having a predetermined wavelength repeatedly enter the graphene layer. As described above, in Patent Document 2, the surface plasmon resonance and the resonator structure are used to increase the absorption rate of electromagnetic waves and improve the detection sensitivity of electromagnetic waves.

特許文献3には、下層金属層、絶縁層、グラフェンからなる上層金属パターンを順に形成した構造体を有し、その構造体の温度変化を電気信号に変換して電磁波を検出する電磁波検出器が記載されている。特許文献3では、上層金属パターンによる表面プラズモン共鳴を利用してグラフェンの光吸収率を高めている。 Patent Document 3 includes an electromagnetic wave detector that has a structure in which an upper metal pattern composed of a lower metal layer, an insulating layer, and graphene is formed in this order, and converts a temperature change of the structure into an electric signal to detect an electromagnetic wave. Has been described. In Patent Document 3, the light absorption rate of graphene is increased by utilizing surface plasmon resonance due to the upper metal pattern.

特表2013−502735号公報Special Table 2013-502735 特開2015−45629号公報JP-A-2015-45629 特開2015−121417号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-12417

しかし、特許文献1の光検出器では、グラフェンの光吸収率が低いため高感度の検出は難しかった。 However, with the photodetector of Patent Document 1, it is difficult to detect with high sensitivity because the light absorption rate of graphene is low.

また、特許文献1〜3の構造では、ノイズや暗電流を低減させることはできないため、D*値などのデバイス性能が低いという問題があった。 Further, in the structures of Patent Documents 1 to 3, noise and dark current cannot be reduced, so that there is a problem that device performance such as D * value is low.

また、特許文献1〜3では、全面にグラフェンが形成されているため、プラズモンで誘起された電荷に偏りが生じたとしても、偏りが打ち消され、検出感度を向上させることができなかった。 Further, in Patent Documents 1 to 3, since graphene is formed on the entire surface, even if the charge induced by plasmon is biased, the bias is canceled and the detection sensitivity cannot be improved.

そこで本発明の目的は、高感度に電磁波を検出することができる電磁波検出器を実現することである。 Therefore, an object of the present invention is to realize an electromagnetic wave detector capable of detecting electromagnetic waves with high sensitivity.

電磁波を検出する電磁波検出器において、導体層、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を備えたトランジスタ構造と、半導体層から離間して設けられ、電磁波を吸収して電界を生じさせる吸収層と、半導体層と吸収層との間に設けられ、吸収層から半導体層へとトンネル電流が生じない厚さに設定された絶縁膜と、を有し、半導体層は、強い結合によって二次元的に結合したシート状の構造を単位として、そのシート状構造が弱い接合によって積層した層状構造を有した物質であり、半導体層の平面パターンは、吸収層の平面パターンと重ならず、かつ吸収層の周の少なくとも一部の近傍に位置するパターンに設定されていトランジスタ構造のゲート電圧−ドレイン電流特性は、吸収層の電磁波の吸収によって生じた電界に半導体層が晒されることにより変化する、ことを特徴とする電磁波検出器である。 In the electromagnetic wave detector for detecting an electromagnetic wave, the semi-conductor layer, a gate electrode, a transistor structure having a source electrode and a drain electrode, provided apart from the semiconductor layer, and the absorbent layer to cause an electric field to absorb electromagnetic waves, It has an insulating film provided between the semiconductor layer and the absorption layer and set to a thickness that does not generate a tunnel current from the absorption layer to the semiconductor layer, and the semiconductor layer is two-dimensionally bonded by a strong bond. It is a substance having a layered structure in which the sheet-like structure is laminated by weak bonding, and the plane pattern of the semiconductor layer does not overlap with the plane pattern of the absorption layer and is the circumference of the absorption layer. is set to a pattern located in the vicinity of at least partially of the gate voltage of the transistor structure - drain current characteristic is changed by the semiconductor layer is exposed to an electric field generated by the absorption of the electromagnetic wave absorbing layer, that It is a characteristic electromagnetic wave detector.

本発明において、半導体層の平面パターンと吸収層の平面パターンが重ならないとは、完全に重ならないことを意味するのではなく、多少の重なりは許容される。 In the present invention, the fact that the plane pattern of the semiconductor layer and the plane pattern of the absorption layer do not overlap does not mean that they do not completely overlap, but some overlap is allowed.

本発明において、層状物質とは、層状構造を有する物質であって、単層から数層の積層構造であるものを示すとする。 In the present invention, the layered substance refers to a substance having a layered structure and having a laminated structure of one layer to several layers.

半導体層は、層状物質であれば任意でよいが、グラフェンや遷移金属ダイカルコゲナイドが好ましい。 The semiconductor layer may be any layered material, but graphene or a transition metal dichalcogenide is preferable.

吸収層は、電磁波を吸収して電界を生じさせるものであれば任意でよく、表面プラズモン共鳴により電磁波を吸収する材料や、電磁波の吸収により電子−正孔対が生成される材料を用いることができる。 The absorption layer may be any material as long as it absorbs electromagnetic waves to generate an electric field, and a material that absorbs electromagnetic waves by surface plasmon resonance or a material that generates electron-hole pairs by absorbing electromagnetic waves may be used. can.

吸収層の平面パターンは、2回対称以上の対称性を有したパターンとするのが望ましい。効率的に電磁波を吸収させることができ、より高感度に電磁波を検出することができる。 The planar pattern of the absorption layer is preferably a pattern having symmetry of 2 times or more. Electromagnetic waves can be absorbed efficiently, and electromagnetic waves can be detected with higher sensitivity.

半導体層の平面パターンは、吸収層の平面パターンと重ならず、かつ吸収層の周の少なくとも一部の近傍に位置するパターンであれば任意のパターンでよい。ただし、吸収層の平面パターンを、2つの二等辺三角形を頂角で重ねたボウタイ型の単位構造が正方格子状に配列された周期的パターンとする場合には、半導体層の平面パターンは、ボウタイ型の二等辺三角形の底辺に沿ったストライプ状とするのがよい。より高感度に電磁波を検出することができる。また、吸収層の平面パターンを、正方形の単位構造が正方格子状に配列された周期的パターンとする場合には、吸収層の正方形の一辺に沿ったストライプ状のパターンとするのがよい。より高感度に電磁波を検出することができる。あるいは、吸収層の各辺に沿った格子状のパターンとするのがより望ましい。さらに高感度に電磁波を検出することができる。 The planar pattern of the semiconductor layer may be any pattern as long as it does not overlap with the planar pattern of the absorption layer and is located in the vicinity of at least a part of the circumference of the absorption layer. However, if the plane pattern of the absorption layer is a periodic pattern in which two isosceles triangles are stacked at the apex angle and the bowtie-type unit structure is arranged in a square lattice, the plane pattern of the semiconductor layer is the bowtie. It should be striped along the base of the isosceles triangle of the mold. Electromagnetic waves can be detected with higher sensitivity. Further, when the plane pattern of the absorption layer is a periodic pattern in which square unit structures are arranged in a square grid pattern, it is preferable to use a striped pattern along one side of the square of the absorption layer. Electromagnetic waves can be detected with higher sensitivity. Alternatively, it is more desirable to have a grid pattern along each side of the absorption layer. Electromagnetic waves can be detected with even higher sensitivity.

吸収層と半導体層が同一面上に形成された構造や、吸収層とゲート電極が同一面上に形成された構造としてもよい。製造工程を削減することができ、低コスト化を図ることができる。 The structure may be such that the absorption layer and the semiconductor layer are formed on the same surface, or the absorption layer and the gate electrode are formed on the same surface. The manufacturing process can be reduced and the cost can be reduced.

また、ゲート電極を2以上設けてもよい。トランジスタの電気的特性をより細かに制御することができ、より高感度に電磁波を検出することができる。 Further, two or more gate electrodes may be provided. The electrical characteristics of the transistor can be controlled more finely, and electromagnetic waves can be detected with higher sensitivity.

本発明の電磁波検出器は、吸収層による電磁波の吸収によって吸収層の周囲に電界を生じさせ、その生じた電界の強度の強い領域に半導体層を晒すことで半導体層の電気的特性に変化を生じさせ、その変化によって電磁波の検出をするものである。 The electromagnetic wave detector of the present invention generates an electric field around the absorption layer by absorbing the electromagnetic wave by the absorption layer, and exposes the semiconductor layer to a region where the generated electric field is strong to change the electrical characteristics of the semiconductor layer. It is generated and the electromagnetic wave is detected by the change.

このように、本発明の電磁波検出器では、電磁波の吸収を担う構造と、電磁波の吸収に伴う電流変化を検出するための構造とを分離しているため、ノイズや暗電流の影響を回避することができ、電磁波を高感度に検出することができる。 As described above, in the electromagnetic wave detector of the present invention, the structure responsible for absorbing the electromagnetic wave and the structure for detecting the current change accompanying the absorption of the electromagnetic wave are separated, so that the influence of noise and dark current is avoided. It is possible to detect electromagnetic waves with high sensitivity.

実施例1の電磁波検出器の構成を示した図。The figure which showed the structure of the electromagnetic wave detector of Example 1. FIG. 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。The figure which showed the structure of the electromagnetic wave detector of the modification. 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。The figure which showed the structure of the electromagnetic wave detector of the modification. 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。The figure which showed the structure of the electromagnetic wave detector of the modification. 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。The figure which showed the structure of the electromagnetic wave detector of the modification. 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。The figure which showed the structure of the electromagnetic wave detector of the modification. 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。The figure which showed the structure of the electromagnetic wave detector of the modification. 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。The figure which showed the structure of the electromagnetic wave detector of the modification. 変形例の電磁波検出器の構成を示した図。The figure which showed the structure of the electromagnetic wave detector of the modification. 実施例1の電磁波検出器の製造工程を示した図。The figure which showed the manufacturing process of the electromagnetic wave detector of Example 1. FIG. グラフェンをチャネルとするトランジスタのゲート電圧−ドレイン電流特性を示したグラフ。The graph which showed the gate voltage-drain current characteristic of the transistor which uses graphene as a channel. グラフェンをチャネルとするトランジスタのゲート電圧−ドレイン電流特性の変化を示した図。The figure which showed the change of the gate voltage-drain current characteristic of the transistor which uses graphene as a channel. 半導体層12および吸収層14の平面パターンを示した図。The figure which showed the plane pattern of the semiconductor layer 12 and the absorption layer 14. 吸収層14の透過スペクトルを示したグラフ。The graph which showed the transmission spectrum of the absorption layer 14. 半導体層12および吸収層14の平面パターンを示した図。The figure which showed the plane pattern of the semiconductor layer 12 and the absorption layer 14. 吸収層14の透過スペクトルを示したグラフ。The graph which showed the transmission spectrum of the absorption layer 14. 吸収層14がボウタイ型形状の場合の電界強度分布について示した図。The figure which showed the electric field strength distribution when the absorption layer 14 has a bowtie shape. 吸収層14が正方形の場合の電界強度分布について示した図。The figure which showed the electric field strength distribution when the absorption layer 14 is a square. 吸収層14の透過スペクトルを示したグラフ。The graph which showed the transmission spectrum of the absorption layer 14. 吸収層14がボウタイ型形状の場合の電界強度分布について示した図。The figure which showed the electric field strength distribution when the absorption layer 14 has a bowtie shape. 吸収層14が正方形の場合の電界強度分布について示した図。The figure which showed the electric field strength distribution when the absorption layer 14 is a square. 半導体層12および吸収層14の平面パターンを示した図。The figure which showed the plane pattern of the semiconductor layer 12 and the absorption layer 14.

以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Specific examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the examples.

図1は、実施例1の電磁波検出器の構成を示した図である。図1のように、実施例1の電磁波検出器は、基板10と、基板10上に設けられた第1絶縁膜11と、第1絶縁膜11上に設けられた半導体層12と、半導体層12上に設けられた第2絶縁膜13と、第2絶縁膜13上に設けられた吸収層14と、吸収層14を覆う第3絶縁膜18と、ゲート電極15、ソース電極16、ドレイン電極17と、を有している。基板10、第1絶縁膜11、半導体層12、ゲート電極15、ソース電極16、ドレイン電極17は、本発明のトランジスタ構造(MOSFET)に相当する。実施例1の電磁波検出器は、半導体層12をチャネルとして、ドレイン電流の変化により遠赤外線を検出するFET型の電磁波検出器である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an electromagnetic wave detector according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the electromagnetic wave detector of the first embodiment includes a substrate 10, a first insulating film 11 provided on the substrate 10, a semiconductor layer 12 provided on the first insulating film 11, and a semiconductor layer. The second insulating film 13 provided on the 12 and the absorbing layer 14 provided on the second insulating film 13, the third insulating film 18 covering the absorbing layer 14, the gate electrode 15, the source electrode 16, and the drain electrode. 17 and. The substrate 10, the first insulating film 11, the semiconductor layer 12, the gate electrode 15, the source electrode 16, and the drain electrode 17 correspond to the transistor structure (MOSFET) of the present invention. The electromagnetic wave detector of the first embodiment is a FET type electromagnetic wave detector that detects far infrared rays by a change in drain current using the semiconductor layer 12 as a channel.

(基板10について)
基板10は、表面に第1絶縁膜11が形成されたn−Siからなる。第1絶縁膜11はSiの熱酸化膜(SiO2 )であり、厚さは500nmである。第1絶縁膜11は、FETのゲート絶縁膜として機能する。
(About substrate 10)
The substrate 10 is made of n—Si having a first insulating film 11 formed on its surface. The first insulating film 11 is a Si thermal oxide film (SiO 2 ) and has a thickness of 500 nm. The first insulating film 11 functions as a gate insulating film of the FET.

なお、基板10はSiに限らず、任意の材料を用いることができる。ただし、基板10裏面側からの遠赤外線を検出する場合には、基板10は遠赤外線を透過する材料とする必要がある。基板10を遠赤外線透過材料とする場合、基板10の表面側と裏面側の両方からの両方の遠赤外線を検出するようにしてもよい。 The substrate 10 is not limited to Si, and any material can be used. However, when detecting far infrared rays from the back surface side of the substrate 10, the substrate 10 needs to be made of a material that transmits far infrared rays. When the substrate 10 is made of a far-infrared ray transmitting material, both far-infrared rays from both the front surface side and the back surface side of the substrate 10 may be detected.

また、第1絶縁膜11はSiの熱酸化膜としているが、他の方法により形成したSiO2 でもよいし、SiO2 以外の絶縁体を用いてもよい。たとえば、Al2 3 、SiN、SiON、TiO2 、HfO2 ZrO2 、Ta2 5 などを用いることができる。また、異なる材料の積層であってもよい。 Further, although the first insulating film 11 is a thermal oxide film of Si, SiO 2 formed by another method may be used, or an insulator other than SiO 2 may be used. For example, Al 2 O 3 , SiN, SiON, TiO 2 , HfO 2 ZrO 2 , Ta 2 O 5, and the like can be used. Further, different materials may be laminated.

また、実施例1の電磁波検出器では、ボトムゲート型であるため基板10を導電性材料としているが、トップゲート型とする場合には絶縁性材料を用いてもよい。 Further, in the electromagnetic wave detector of the first embodiment, since the substrate 10 is a bottom gate type, the substrate 10 is used as a conductive material, but when the top gate type is used, an insulating material may be used.

(半導体層12について)
半導体層12は、グラフェンからなり、第1絶縁膜11上に接して位置している。ここでグラフェンは、単層のものだけでなく数層のものも含み、たとえば1〜9層のものである。半導体層12は、トランジスタのチャネルとして動作する層である。半導体層12は、吸収層14の平面パターンと重ならず、かつ吸収層14の周の少なくとも一部の近傍に位置するパターンに形成されている。そのパターンの詳細については後述する。
(About semiconductor layer 12)
The semiconductor layer 12 is made of graphene and is located in contact with the first insulating film 11. Here, graphene includes not only a single layer but also several layers, for example, 1 to 9 layers. The semiconductor layer 12 is a layer that operates as a channel of a transistor. The semiconductor layer 12 is formed in a pattern that does not overlap with the planar pattern of the absorption layer 14 and is located in the vicinity of at least a part of the circumference of the absorption layer 14. The details of the pattern will be described later.

半導体層12には、グラフェン層以外の層状物質の半導体を用いることもできる。ここで層状物質は、強い結合によって二次元的に結合したシート状の構造を単位として、そのシート状構造が弱い接合によって積層した層状構造を有し、積層数が単層から数層程度(たとえば1〜9層)の積層のものを示すとする。 As the semiconductor layer 12, a semiconductor of a layered substance other than the graphene layer can also be used. Here, the layered substance has a layered structure in which a sheet-like structure two-dimensionally bonded by a strong bond is used as a unit, and the sheet-like structure is laminated by a weak bond, and the number of layers is about one layer to several layers (for example). It is assumed that a laminated product of 1 to 9 layers) is shown.

たとえば、遷移金属ダイカルコゲナイドを用いることができる。遷移金属ダイカルコゲナイドは、化学式MX2 で表される層状物質である。ここでMは、遷移金属であり、たとえば、Mo、W、Ta、Hf、Sn、Ti、Re、Sn、などである。また、Xは、S、Se、またはTeである。具体的には、MoS2 、WS2 、WSe2 、MoSe2 、HfS2 、SnS2 などを用いることができる。 For example, transition metal dichalcogenides can be used. The transition metal dichalcogenide is a layered material represented by the chemical formula MX 2. Here, M is a transition metal, for example, Mo, W, Ta, Hf, Sn, Ti, Re, Sn, and the like. Further, X is S, Se, or Te. Specifically, MoS 2 , WS 2 , WSe 2 , MoSe 2 , HfS 2 , SnS 2 and the like can be used.

また、たとえば、13族カルコゲナイドや14族カルコゲナイドを用いることができる。13族カルコゲナイドは、13族元素と16族元素の化合物であり、14族カルコゲナイドは、14族元素と16族元素の化合物である。具体的には、GaS、GaSe、InSe、GeSe、SnSe2 などを用いることができる。 Further, for example, a group 13 chalcogenide or a group 14 chalcogenide can be used. Group 13 chalcogenides are compounds of Group 13 and Group 16 elements, and Group 14 chalcogenides are compounds of Group 14 and Group 16 elements. Specifically, GaS, GaSe, InSe, GeSe, SnSe 2 and the like can be used.

また、たとえば、フォスフォレン、シリセン、ゲルマネンなどの単一元素からなる層状物質を用いることができる。 Further, for example, a layered substance composed of a single element such as phosphorene, silicene, and germanene can be used.

(第2絶縁膜13について)
第2絶縁膜13は、半導体層12上に接して設けられている。第2絶縁膜13は、SiO2 からなる。第2絶縁膜13は、半導体層12と吸収層14とを離間させ、吸収層14から半導体層12へ電流がリークしないようにするために設けるものである。
(About the second insulating film 13)
The second insulating film 13 is provided in contact with the semiconductor layer 12. The second insulating film 13 is made of SiO 2 . The second insulating film 13 is provided to separate the semiconductor layer 12 and the absorption layer 14 so that a current does not leak from the absorption layer 14 to the semiconductor layer 12.

第2絶縁膜13の厚さは、吸収層14から半導体層12へトンネル効果により電流がリークしない厚さに設定されていればよい。電流リークがあると、検出精度に影響を及ぼしてしまうからである。なお、完全に電流リークが生じない厚さである必要はなく、遠赤外線の検出精度に影響のない範囲で多少の電流リークが生じることは許容される。 The thickness of the second insulating film 13 may be set so that current does not leak from the absorption layer 14 to the semiconductor layer 12 due to the tunnel effect. This is because if there is a current leak, the detection accuracy will be affected. It is not necessary for the thickness to completely prevent current leakage, and it is permissible for some current leakage to occur within a range that does not affect the detection accuracy of far infrared rays.

たとえば、第2絶縁膜13の厚さは、2nm以上とすることが望ましい。2nm未満の厚さでは電流リークを十分に抑制できない。また、第2絶縁膜13の厚さは、100nm以下とすることが望ましい。吸収層14と半導体層12の距離が離れると、吸収層14で発生した電界の半導体層12での電界強度が弱くなり、遠赤外線の検出精度が十分に向上しないためである。また、第2絶縁膜13が厚くなると製造に時間やコストがかかり、電磁波検出器も大型となってしまうためである。より望ましい第2絶縁膜13の厚さは、2〜50nm、さらに望ましくは5〜20nmである。 For example, the thickness of the second insulating film 13 is preferably 2 nm or more. If the thickness is less than 2 nm, the current leakage cannot be sufficiently suppressed. The thickness of the second insulating film 13 is preferably 100 nm or less. This is because when the distance between the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 is increased, the electric field strength of the electric field generated in the absorption layer 14 in the semiconductor layer 12 becomes weak, and the detection accuracy of far infrared rays is not sufficiently improved. Further, if the second insulating film 13 becomes thick, it takes time and cost to manufacture, and the electromagnetic wave detector also becomes large. The more desirable thickness of the second insulating film 13 is 2 to 50 nm, and more preferably 5 to 20 nm.

また、第2絶縁膜13の材料はSiO2 に限らず、第1絶縁膜11とは異なる材料であってもよい。たとえば、Al2 3 、SiN、SiON、TiO2 、HfO2 ZrO2 、Ta2 5 などを用いることができる。第2絶縁膜13は複数の材料の積層であってもよい。装置の小型化を図りつつ電流リークを効果的に防止するために、第2絶縁膜13は高誘電率材料が望ましい。たとえば、比誘電率が4以上の材料が望ましい。 Further, the material of the second insulating film 13 is not limited to SiO 2 , and may be a material different from that of the first insulating film 11. For example, Al 2 O 3 , SiN, SiON, TiO 2 , HfO 2 ZrO 2 , Ta 2 O 5, and the like can be used. The second insulating film 13 may be a laminate of a plurality of materials. A high dielectric constant material is desirable for the second insulating film 13 in order to effectively prevent current leakage while reducing the size of the device. For example, a material having a relative permittivity of 4 or more is desirable.

(吸収層14について)
吸収層14は、第2絶縁膜13上の一部領域に設けられている。吸収層14は、厚さ5nmのCr、厚さ30nmのAuを順に積層した構造である。Au層は、表面プラズモン共鳴により所望の波長の遠赤外線を吸収し、吸収層14の周囲に電界を発生させるための層である。Cr層は、第2絶縁膜13とAu層との密着性を高めるための層である。吸収層14の平面パターンは、所望の波長を効率的に吸収可能なパターンに形成されている。そのパターンの詳細については後述する。
(About absorption layer 14)
The absorption layer 14 is provided in a partial region on the second insulating film 13. The absorption layer 14 has a structure in which Cr having a thickness of 5 nm and Au having a thickness of 30 nm are laminated in this order. The Au layer is a layer for absorbing far infrared rays having a desired wavelength by surface plasmon resonance and generating an electric field around the absorption layer 14. The Cr layer is a layer for enhancing the adhesion between the second insulating film 13 and the Au layer. The planar pattern of the absorption layer 14 is formed into a pattern capable of efficiently absorbing a desired wavelength. The details of the pattern will be described later.

吸収層14の厚さは、30nmに限らず、所望の波長の遠赤外線を十分に吸収できる厚さであれば任意である。たとえば10〜1000nmの範囲とすれば十分である。 The thickness of the absorption layer 14 is not limited to 30 nm, and is arbitrary as long as it can sufficiently absorb far infrared rays having a desired wavelength. For example, the range of 10 to 1000 nm is sufficient.

吸収層14の材料はAuに限らず、遠赤外線を吸収して電界を生じさせるような材料であれば任意の材料を用いることができ、絶縁体、金属、半導体のいずれでもよいし、無機材料であっても有機材料であってもよい。複数材料の積層であってもよい。また、遠赤外線の吸収は、材料の格子欠陥や不純物による吸収でもよい。また、電界の発生要因は、表面プラズモン共鳴によるもの、電子と正孔対の生成による電荷の局在に起因するもの、分極によるもの、など任意の要因であってよい。 The material of the absorption layer 14 is not limited to Au, and any material can be used as long as it absorbs far infrared rays to generate an electric field, and it may be an insulator, a metal, a semiconductor, or an inorganic material. It may be an organic material. It may be a laminate of a plurality of materials. Further, the absorption of far infrared rays may be due to lattice defects or impurities in the material. Further, the electric field generation factor may be any factor such as one due to surface plasmon resonance, one due to the localization of electric charge due to the generation of electron-hole pairs, and one due to polarization.

たとえば、表面プラズモン共鳴を生ずる材料である。そのような材料であれば、金属、半導体、絶縁体のいずれであってもよい。そのような材料の一例は、実施例1のAuの他、Ag、Cuなどの金属、PbTiO3 、BaTiO3 などの強誘電体、遷移金属ダイカルコゲナイド、である。遷移金属ダイカルコゲナイドについては、半導体層12の説明で挙げた材料を用いることができる。 For example, a material that produces surface plasmon resonance. Any such material may be a metal, a semiconductor, or an insulator. Examples of such materials are, in addition to Au of Example 1, metals such as Ag and Cu , ferroelectrics such as PbTiO 3 and BaTiO 3 , and transition metal dichalcogenides. For the transition metal dichalcogenide, the materials mentioned in the description of the semiconductor layer 12 can be used.

また、たとえば、電磁波の吸収によって電子−正孔対を生成し、その電子と正孔の局在によって電界が発生する材料である。たとえば、Ge、Si、GaAs、GaN、AlGaAsなどの半導体、有機色素、フタロシアニン系材料などの有機半導体、BaTiO3 などの強誘電体、PbTiO3 などの焦電体である。また、pn接合構造やpin接合構造としてもよい。電子と正孔の局在がより顕著となり、より強い電界が発生することで電磁波検出器の遠赤外線検出精度の向上を図ることができる。 Further, for example, it is a material in which electron-hole pairs are generated by absorption of electromagnetic waves, and an electric field is generated by the localization of the electrons and holes. For example, a pyroelectric body Ge, Si, GaAs, GaN, a semiconductor such as AlGaAs, an organic dye, an organic semiconductor such as phthalocyanine-based material, a ferroelectric material such as BaTiO 3, etc. PbTiO 3. Further, it may be a pn junction structure or a pin junction structure. The localization of electrons and holes becomes more prominent, and a stronger electric field is generated, so that the far-infrared detection accuracy of the electromagnetic wave detector can be improved.

なお、実施例1では、半導体層12と吸収層14の位置関係は、遠赤外線の入射側(基板10表面側)から順に、吸収層14、半導体層12の順であるが、逆に半導体層12、吸収層14の順の構造であってもよい。一例として、図2に、実施例1において第2絶縁膜13上の吸収層14を第1絶縁膜11中に埋め込む構成(吸収層14Aとする)に替え、第2絶縁膜13は省略した構成を示す。図2のような構成であっても、半導体層12を透過した遠赤外線を吸収層14Aによって吸収させることができるため、実施例1の電磁波検出器と同様に動作させることができる。 In the first embodiment, the positional relationship between the semiconductor layer 12 and the absorption layer 14 is in the order of the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 in order from the far-infrared ray incident side (the surface side of the substrate 10), but conversely, the semiconductor layer. The structure may be in the order of 12 and the absorption layer 14. As an example, FIG. 2 shows a configuration in which the absorption layer 14 on the second insulating film 13 is embedded in the first insulating film 11 (referred to as an absorption layer 14A) in the first embodiment, and the second insulating film 13 is omitted. Is shown. Even with the configuration as shown in FIG. 2, since the far infrared rays transmitted through the semiconductor layer 12 can be absorbed by the absorption layer 14A, it can be operated in the same manner as the electromagnetic wave detector of the first embodiment.

また、実施例1では、吸収層14は1層のみであるが、2層以上設けてもよい。これにより、複数の波長を検出可能としたりすることができる。一例として、図3に、実施例1において第1絶縁膜11中に吸収層14Aをさらに加えた構成を示す。図3の電磁波検出器において、吸収層14の材料、平面パターンと、吸収層14Aの材料、平面パターンとを変えることで、吸収層14の吸収波長と、吸収層14Aの吸収波長を変えてもよい。たとえば、波長5μmの遠赤外線と波長10μmの遠赤外線の両方を検出可能な電磁波検出器を実現することができる。 Further, in the first embodiment, the absorption layer 14 is only one layer, but two or more layers may be provided. This makes it possible to detect a plurality of wavelengths. As an example, FIG. 3 shows a configuration in which an absorption layer 14A is further added to the first insulating film 11 in the first embodiment. In the electromagnetic wave detector of FIG. 3, the absorption wavelength of the absorption layer 14 and the absorption wavelength of the absorption layer 14A can be changed by changing the material and plane pattern of the absorption layer 14 and the material and plane pattern of the absorption layer 14A. good. For example, it is possible to realize an electromagnetic wave detector capable of detecting both far infrared rays having a wavelength of 5 μm and far infrared rays having a wavelength of 10 μm.

(第3絶縁膜18について)
第3絶縁膜18は、吸収層14を覆うようにして形成されている。第3絶縁膜18の厚さは、たとえば5〜20nmである。吸収層14は第2絶縁膜13と第3絶縁膜18によって内部に封止された状態となっている。このように絶縁膜で吸収層14を封止することで、吸収層14を物理的、化学的に保護している。第3絶縁膜18はSiO2 からなる。SiO2 以外にも、吸収層14を物理的、化学的に保護可能な任意の材料を用いることができる。
(About the third insulating film 18)
The third insulating film 18 is formed so as to cover the absorption layer 14. The thickness of the third insulating film 18 is, for example, 5 to 20 nm. The absorbing layer 14 is in a state of being internally sealed by the second insulating film 13 and the third insulating film 18. By sealing the absorption layer 14 with the insulating film in this way, the absorption layer 14 is physically and chemically protected. The third insulating film 18 is made of SiO 2 . In addition to SiO 2 , any material that can physically and chemically protect the absorption layer 14 can be used.

(電極構造について)
第2絶縁膜13および第3絶縁膜18の一部領域にコンタクトホールが設けられ、その底面に半導体層12が露出している。その露出する半導体層12上に接してソース電極16およびドレイン電極17が設けられている。ソース電極16とドレイン電極17は所定距離離間して設けられている。ゲート電極15は、基板10の裏面に接して設けられている。ソース電極16、ドレイン電極17、およびゲート電極15は、Ti/Auからなる。
(About electrode structure)
A contact hole is provided in a part of the second insulating film 13 and the third insulating film 18, and the semiconductor layer 12 is exposed on the bottom surface thereof. A source electrode 16 and a drain electrode 17 are provided in contact with the exposed semiconductor layer 12. The source electrode 16 and the drain electrode 17 are provided at a predetermined distance from each other. The gate electrode 15 is provided in contact with the back surface of the substrate 10. The source electrode 16, the drain electrode 17, and the gate electrode 15 are made of Ti / Au.

なお、実施例1では、ゲート電極15が第1絶縁膜11を介して半導体層12に接続する絶縁ゲート構造のFET(MOSFET)を構成しているが、ゲート電極15の材料としてグラフェンにショットキー接続する材料を用い、ゲート電極15と半導体層12とを直接接続してショットキーゲート構造のFET(MESFET)としてもよい。たとえば、基板10をグラフェンにショットキー接続する材料とし、ゲート電極15を兼ねる構造としてもよい。 In the first embodiment, the gate electrode 15 constitutes an FET (MOSFET) having an insulated gate structure connected to the semiconductor layer 12 via the first insulating film 11, but a Schottky on graphene is used as the material of the gate electrode 15. Using a material to be connected, the gate electrode 15 and the semiconductor layer 12 may be directly connected to form a Schottky gate structure FET (MESFET). For example, the substrate 10 may be used as a material for Schottky connection to graphene, and may also have a structure that also serves as a gate electrode 15.

また、実施例1では、ゲート電極15を1つ設けているが、複数設けてもよい。複数のゲート電極15を設けることで、半導体層12に対する電圧の印加位置を制御することができ、FETの動作を両極性から半極性としたり、半導体層12のディラックポイントのシフト量制御をより容易とすることができ、電磁波の検出精度の向上を図ることができる。また、実施例1では、基板10裏面側にゲート電極15を設けたバックゲート型の構造としているが、基板10表面側にゲート電極15を設けたトップゲート型の構造としてもよいし、表面側と裏面側の両方に設けたデュアルゲート型の構造としてもよい。 Further, in the first embodiment, one gate electrode 15 is provided, but a plurality of gate electrodes 15 may be provided. By providing the plurality of gate electrodes 15, the position where the voltage is applied to the semiconductor layer 12 can be controlled, the operation of the FET can be changed from bipolar to semipolar, and the shift amount of the Dirac point of the semiconductor layer 12 can be controlled more easily. It is possible to improve the detection accuracy of electromagnetic waves. Further, in the first embodiment, the back gate type structure in which the gate electrode 15 is provided on the back surface side of the substrate 10 is used, but a top gate type structure in which the gate electrode 15 is provided on the front surface side of the substrate 10 may be used, or the front surface side may be used. A dual gate type structure may be provided on both the back side and the back side.

ゲート電極15を複数設ける場合の具体例を以下にいくつか例示する。図4の電磁波検出器は、実施例1において、第3絶縁膜18上にグラフェンからなるゲート電極15Aをさらに加えた構成である。この場合、第3絶縁膜18はゲート絶縁膜としての機能を兼ねる。 Some specific examples of the case where a plurality of gate electrodes 15 are provided will be illustrated below. The electromagnetic wave detector of FIG. 4 has a configuration in which a gate electrode 15A made of graphene is further added on the third insulating film 18 in the first embodiment. In this case, the third insulating film 18 also functions as a gate insulating film.

また、図5の電磁波検出器は、ゲート電極15に替えて、ゲート電極25、26を加えた構成であり、実施例1において基板10に替えて、遠赤外線を透過する高抵抗のn−Siからなる基板20を用いている。基板20上には、グラフェンからなるゲート電極25、第1絶縁膜11、半導体層12が順に積層され、半導体層12上には、実施例1と同様に第2絶縁膜13、吸収層14、ソース電極16、ドレイン電極17、第3絶縁膜18が設けられている。また、第3絶縁膜18上にTi/Auからなるゲート電極26が設けられている。基板20裏面には、ゲート電極25を底面に露出させるコンタクトホールが設けられ、コンタクトホールを埋めてゲート電極25と接続するコンタクト電極27が設けられている。この図5の電磁波検出器では、基板20裏面側から基板20を透過して入射する遠赤外線を検出する。 Further, the electromagnetic wave detector of FIG. 5 has a configuration in which gate electrodes 25 and 26 are added instead of the gate electrode 15, and in the first embodiment, the substrate 10 is replaced with a high-resistance n—Si that transmits far infrared rays. A substrate 20 made of the material is used. A gate electrode 25 made of graphene, a first insulating film 11, and a semiconductor layer 12 are laminated in this order on the substrate 20, and on the semiconductor layer 12, the second insulating film 13, the absorbing layer 14, and the like are the same as in the first embodiment. A source electrode 16, a drain electrode 17, and a third insulating film 18 are provided. Further, a gate electrode 26 made of Ti / Au is provided on the third insulating film 18. On the back surface of the substrate 20, a contact hole for exposing the gate electrode 25 to the bottom surface is provided, and a contact electrode 27 for filling the contact hole and connecting to the gate electrode 25 is provided. In the electromagnetic wave detector of FIG. 5, far infrared rays transmitted through the substrate 20 and incident from the back surface side of the substrate 20 are detected.

また、ゲート電極15を吸収層14と同一面上に設けてもよい。一例を図6に示す。図6の電磁波検出器は、高抵抗の基板20上に半導体層12、第2絶縁膜13を順に形成し、第2絶縁膜13上に吸収層14とゲート電極15を離間して形成し、さらに第2絶縁膜13にコンタクトホールを設けて半導体層12と接続するソース電極16、ドレイン電極17を形成した構成である。このように吸収層14とゲート電極15を同一面上に設けると、素子構造を簡略化して絶縁膜の形成回数を削減でき、製造コストの低減を図ることができる。また、吸収層14と半導体層12とを隔てて電流リークを抑制するための第2絶縁膜13が、ゲート絶縁膜としての機能を兼ねるようにすることができる。 Further, the gate electrode 15 may be provided on the same surface as the absorption layer 14. An example is shown in FIG. In the electromagnetic wave detector of FIG. 6, the semiconductor layer 12 and the second insulating film 13 are formed in this order on the high-resistance substrate 20, and the absorption layer 14 and the gate electrode 15 are formed on the second insulating film 13 at a distance from each other. Further, a contact hole is provided in the second insulating film 13 to form a source electrode 16 and a drain electrode 17 to be connected to the semiconductor layer 12. When the absorption layer 14 and the gate electrode 15 are provided on the same surface in this way, the element structure can be simplified, the number of times the insulating film is formed can be reduced, and the manufacturing cost can be reduced. Further, the second insulating film 13 for suppressing the current leakage by separating the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 can also function as a gate insulating film.

また、実施例1では吸収層14と半導体層12は異なる面上に位置しているが、吸収層14から半導体層12に電流リークが生じないように絶縁膜によって離間して設けられていれば、吸収層14と半導体層12との位置関係は任意でよい。吸収層14と半導体層12を同一面上に設けてもよい。絶縁膜を形成する領域を削減でき、製造工程の簡略化、コスト低減を図ることができる。なお、吸収層14と半導体層12を同一面上に形成する場合、必然的に吸収層14の平面パターンと半導体層12の平面パターンは重ならない。 Further, in the first embodiment, the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 are located on different surfaces, but if they are provided apart from the absorption layer 14 by an insulating film so as not to cause a current leak to the semiconductor layer 12. , The positional relationship between the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 may be arbitrary. The absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 may be provided on the same surface. The area where the insulating film is formed can be reduced, the manufacturing process can be simplified, and the cost can be reduced. When the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 are formed on the same plane, the plane pattern of the absorption layer 14 and the plane pattern of the semiconductor layer 12 do not necessarily overlap.

吸収層14と半導体層12を同一面上に形成する場合の具体例を以下にいくつか例示する。図7は、変形例の電磁波検出器の構成を示し、図7(a)は断面図、図7(b)は平面図である。図7のように、基板10上に第1絶縁膜11が設けられ、第1絶縁膜11上に正方形のパターンの吸収層14を設けられ、同じく第1絶縁膜11上に半導体層12が設けられている。半導体層12は正方形の窓が空けられ、その窓内に半導体層12から一定距離離間して吸収層14が位置している。そして吸収層14と半導体層12を覆うようにして第3絶縁膜18が設けられ、吸収層14と半導体層12との隙間にも第3絶縁膜18が位置する。ゲート電極15、ソース電極16、ドレイン電極17については実施例1と同様にして設けられている。 Some specific examples of the case where the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 are formed on the same surface will be illustrated below. 7A and 7B show a configuration of an electromagnetic wave detector of a modified example, FIG. 7A is a cross-sectional view, and FIG. 7B is a plan view. As shown in FIG. 7, the first insulating film 11 is provided on the substrate 10, the absorption layer 14 having a square pattern is provided on the first insulating film 11, and the semiconductor layer 12 is also provided on the first insulating film 11. Has been done. A square window is opened in the semiconductor layer 12, and the absorption layer 14 is located in the window at a certain distance from the semiconductor layer 12. A third insulating film 18 is provided so as to cover the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12, and the third insulating film 18 is also located in the gap between the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12. The gate electrode 15, the source electrode 16, and the drain electrode 17 are provided in the same manner as in the first embodiment.

図8は、図7の電磁波検出器において、図4と同様にして第3絶縁膜18上にもゲート電極15Aを設けてゲート電極を2つ有した構成としたものである。 FIG. 8 shows a configuration in which the electromagnetic wave detector of FIG. 7 is provided with a gate electrode 15A on the third insulating film 18 in the same manner as in FIG. 4, and has two gate electrodes.

図9は、図7の電磁波検出器において、図5と同様にして2つのゲート電極25、26を設けた構成としたものである。 FIG. 9 shows the electromagnetic wave detector of FIG. 7 in which two gate electrodes 25 and 26 are provided in the same manner as in FIG.

これら図7〜9の電磁波検出器では、実施例1の電磁波検出器に比べて第2絶縁膜13を設ける必要がないため、製造工程をより削減でき、低コスト化を図ることができる。 Since it is not necessary to provide the second insulating film 13 in these electromagnetic wave detectors of FIGS. 7 to 9 as compared with the electromagnetic wave detector of the first embodiment, the manufacturing process can be further reduced and the cost can be reduced.

(実施例1の電磁波検出器の製造方法)
次に、実施例1の電磁波検出器の製造方法について、図10を参照に説明する。
(Manufacturing method of electromagnetic wave detector of Example 1)
Next, the method of manufacturing the electromagnetic wave detector of the first embodiment will be described with reference to FIG.

まず、銅箔上に、CVD法を用いて半導体層12を形成する。炭素源にはメタン、エタンなどの炭素含有ガスを用いる。温度はたとえば1000℃以上とし、圧力はたとえば500Pa以下とする。 First, the semiconductor layer 12 is formed on the copper foil by using the CVD method. A carbon-containing gas such as methane or ethane is used as the carbon source. The temperature is, for example, 1000 ° C. or higher, and the pressure is, for example, 500 Pa or lower.

次に、表面、裏面に500nmの熱酸化膜(第1絶縁膜11)が形成されたn−Siからなる低抵抗な基板10を用意する。この基板10表面に、銅箔上の半導体層12を張り合わせる。そして、銅箔をウェットエッチングによって除去する。このようにして、半導体層12を基板10表面の第1絶縁膜11上に転写する(図10(a)参照)。 Next, a low-resistance substrate 10 made of n—Si having a 500 nm thermal oxide film (first insulating film 11) formed on the front surface and the back surface is prepared. A semiconductor layer 12 on a copper foil is attached to the surface of the substrate 10. Then, the copper foil is removed by wet etching. In this way, the semiconductor layer 12 is transferred onto the first insulating film 11 on the surface of the substrate 10 (see FIG. 10A).

なお、半導体層12の形成方法はCVD法に限らず、テープ剥離法などの任意の方法を用いてもよい。 The method of forming the semiconductor layer 12 is not limited to the CVD method, and any method such as a tape peeling method may be used.

次に、フォトリソグラフィ、ドライエッチングにより、第1絶縁膜11上に所定のパターンの半導体層12を形成する(図10(b)参照)。 Next, a semiconductor layer 12 having a predetermined pattern is formed on the first insulating film 11 by photolithography and dry etching (see FIG. 10B).

次に、半導体層12上に、CVD法によって厚さ20nmの第2絶縁膜13を形成し、第2絶縁膜13上に所定のパターンの吸収層14を形成する(図10(c)参照)。吸収層14は、Cr/Auであり、Cr層は5nm、Au層は30nmとする。吸収層14は、スパッタ法や蒸着法などによって形成する。吸収層14のパターニングは、フォトリソグラフィとドライエッチングを用いる。あるいはリフトオフ法によってパターニングしてもよい。 Next, a second insulating film 13 having a thickness of 20 nm is formed on the semiconductor layer 12 by a CVD method, and an absorption layer 14 having a predetermined pattern is formed on the second insulating film 13 (see FIG. 10C). .. The absorption layer 14 is Cr / Au, the Cr layer is 5 nm, and the Au layer is 30 nm. The absorption layer 14 is formed by a sputtering method, a vapor deposition method, or the like. Photolithography and dry etching are used for patterning the absorption layer 14. Alternatively, patterning may be performed by a lift-off method.

次に、吸収層14を覆うようにしてCVD法により第3絶縁膜18を形成する。そして、第2絶縁膜13、第3絶縁膜18の一部領域をドライエッチングしてコンタクトホールを形成し、コンタクトホール底面に半導体層12を露出させる。そして、露出させた半導体層12上に、フォトリソグラフィ、蒸着、リフトオフにより、ソース電極16、ドレイン電極17を形成する(図10(d)参照)。次に、基板10裏面の熱酸化膜を除去し、ゲート電極15を形成する。以上によって図1に示す実施例1の電磁波検出器を作製する。 Next, the third insulating film 18 is formed by the CVD method so as to cover the absorption layer 14. Then, a part of the second insulating film 13 and the third insulating film 18 is dry-etched to form a contact hole, and the semiconductor layer 12 is exposed on the bottom surface of the contact hole. Then, the source electrode 16 and the drain electrode 17 are formed on the exposed semiconductor layer 12 by photolithography, thin film deposition, and lift-off (see FIG. 10D). Next, the thermal oxide film on the back surface of the substrate 10 is removed to form the gate electrode 15. As described above, the electromagnetic wave detector of Example 1 shown in FIG. 1 is manufactured.

(電磁波検出器の動作について)
次に、実施例1の電磁波検出器の動作について説明する。
(About the operation of the electromagnetic wave detector)
Next, the operation of the electromagnetic wave detector of the first embodiment will be described.

まず、ゲート電極15に所定の電圧を印加し、ドレイン電圧の変化に対してドレイン電流が大きく変化する領域となるように設定しておく。グラフェンからなる半導体層12をチャネルとするトランジスタは、両極性を示し、図11のように、ゲート電圧−ドレイン電流特性の曲線は線対称に現れる。そこで、曲線の傾きの大きな領域Aや領域Bとなるようにゲート電圧を印加する。 First, a predetermined voltage is applied to the gate electrode 15 and set so as to be a region in which the drain current changes significantly with respect to a change in the drain voltage. The transistor having the semiconductor layer 12 made of graphene as a channel shows both polarities, and as shown in FIG. 11, the curve of the gate voltage-drain current characteristic appears line-symmetrically. Therefore, the gate voltage is applied so as to be in the region A or the region B where the slope of the curve is large.

このようにゲート電圧を印加した状態で、実施例1の電磁波検出器の基板10表面側から遠赤外線が入射すると、遠赤外線は吸収層14に吸収される。すると、吸収層14中の電子の分布に偏りが生じ、吸収層14の周囲に電界が生じる。 When far-infrared rays are incident from the surface side of the substrate 10 of the electromagnetic wave detector of the first embodiment while the gate voltage is applied in this way, the far-infrared rays are absorbed by the absorption layer 14. Then, the distribution of electrons in the absorption layer 14 is biased, and an electric field is generated around the absorption layer 14.

吸収層14の遠赤外線吸収によって生じた電界に半導体層12が晒され、電圧が印加されると、半導体層12を構成するグラフェンのディラックポイントがシフトする。半導体層12は、後述のような平面パターンであるため、吸収層14の遠赤外線吸収により発生する電界のうち、電界強度の強い領域に半導体層12を効率的に晒すことができる。その結果、半導体層12のディラックポイントを効率的にシフトさせることができる。ディラックポイントのシフトにより、半導体層12をチャネルとするトランジスタの電気的特性(ゲート電圧−ドレイン電流の特性)も変化し、図12のようにその曲線がシフトする。 When the semiconductor layer 12 is exposed to the electric field generated by the absorption of far infrared rays of the absorption layer 14 and a voltage is applied, the Dirac point of graphene constituting the semiconductor layer 12 shifts. Since the semiconductor layer 12 has a planar pattern as described later, the semiconductor layer 12 can be efficiently exposed to a region having a strong electric field strength in the electric field generated by the absorption of far infrared rays of the absorption layer 14. As a result, the Dirac point of the semiconductor layer 12 can be efficiently shifted. Due to the shift of the Dirac point, the electrical characteristics (characteristics of gate voltage-drain current) of the transistor having the semiconductor layer 12 as a channel also change, and the curve shifts as shown in FIG.

ここで、あらかじめゲート電圧の印加によって、ゲート電圧の変動によって大きくドレイン電流が変化する領域(図11中の領域Aや領域B)に設定されている。そのため、グラフェンをチャネルとするトランジスタの電気的特性の変化によって、ドレイン電流も大きく変化する(図12参照)。このドレイン電流の変化により、遠赤外線を検出することができる。また、ドレイン電流の変化量から遠赤外線の強度を測定することができる。 Here, it is set in advance in a region (region A or region B in FIG. 11) in which the drain current changes significantly due to fluctuations in the gate voltage due to the application of the gate voltage. Therefore, the drain current also changes significantly due to the change in the electrical characteristics of the transistor using graphene as a channel (see FIG. 12). Far infrared rays can be detected by this change in drain current. In addition, the intensity of far infrared rays can be measured from the amount of change in the drain current.

実施例1の電磁波検出器では、遠赤外線を吸収させる機能と、その吸収を電流の変化として検出するトランジスタの機能とを分離させている。また、半導体層12は、遠赤外線の吸収によって発生する電界の強い領域に配置され、弱い領域には配置されていない。そのため、実施例1の電磁波検出器はノイズや暗電流に強く、高感度に遠赤外線を検出することができ、たとえば比検出能(D*)を向上させることができる。 In the electromagnetic wave detector of the first embodiment, the function of absorbing far infrared rays and the function of a transistor that detects the absorption as a change in current are separated. Further, the semiconductor layer 12 is arranged in a region where the electric field generated by absorption of far infrared rays is strong, and is not arranged in a region where the electric field is weak. Therefore, the electromagnetic wave detector of the first embodiment is resistant to noise and dark current, can detect far infrared rays with high sensitivity, and can improve the specific detection ability (D *), for example.

(吸収層14および半導体層12のパターン)
上述のように、吸収層14、半導体層12の平面パターンは、効率的に遠赤外線を検出できるように設定されている。その平面パターンについて、図を参照に詳しく説明する。
(Pattern of absorption layer 14 and semiconductor layer 12)
As described above, the planar patterns of the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 are set so that far infrared rays can be detected efficiently. The plane pattern will be described in detail with reference to the figure.

まず、吸収層14の平面パターンについて説明する。吸収層14は、図13に示すように、ボウタイ型の形状を単位構造として、その単位構造が正方格子状に配列されたパターンである。ボウタイ型の形状は、2つの二等辺三角形の頂角が一部重なるように対向させた形状である。また、ボウタイ型の2つの底辺14aは、検出したい偏光方向に対して垂直となるように配置する。これにより、その偏光方向の遠赤外線を高効率に検出することができる。 First, the plane pattern of the absorption layer 14 will be described. As shown in FIG. 13, the absorption layer 14 is a pattern in which a bowtie-shaped shape is used as a unit structure and the unit structures are arranged in a square lattice pattern. The bowtie-shaped shape is a shape in which the apex angles of two isosceles triangles are opposed to each other so as to partially overlap. Further, the two bases 14a of the bowtie type are arranged so as to be perpendicular to the polarization direction to be detected. As a result, far infrared rays in the polarization direction can be detected with high efficiency.

図14は、吸収層14の透過スペクトルをシミュレーションにより算出した結果を示したグラフである。吸収層14のボウタイ型の形状は、2つの二等辺三角形の底辺14aの長さを2340nm、頂角の重なり幅を80nm、2つの底辺14aの間隔を2340nmとし、そのボウタイ型の形状を周期2590nmで正方格子状に無限に配列した平面パターンとした。また、遠赤外線は吸収層14の厚さ方向に入射し、偏光方向は、ボウタイ型の底辺14aに直交する方向とした。このような平面パターンの吸収層14は、図14のように、波長10μmの遠赤外線の透過率はおよそ0.02であり、波長10μmの遠赤外線を効率的に吸収できることがわかる。 FIG. 14 is a graph showing the results of calculating the transmission spectrum of the absorption layer 14 by simulation. The shape of the bow tie type of the absorption layer 14 is such that the length of the base 14a of the two isosceles triangles is 2340 nm, the overlapping width of the apex angles is 80 nm, the distance between the two bases 14a is 2340 nm, and the shape of the bow tie type has a period of 2590 nm. The plane pattern was infinitely arranged in a square grid pattern. Further, the far infrared rays were incident in the thickness direction of the absorption layer 14, and the polarization direction was set to be orthogonal to the bottom 14a of the bowtie type. As shown in FIG. 14, the absorption layer 14 having such a plane pattern has a transmittance of far infrared rays having a wavelength of 10 μm of about 0.02, and it can be seen that the absorption layer 14 having a wavelength of 10 μm can efficiently absorb far infrared rays.

なお、吸収層14の単位構造は、実施例1ではボウタイ型の構造としているが、任意のパターンでよい。ただし、効率的に遠赤外線を吸収するために、2回対称以上の対称性を有するパターンとするのがよい。たとえば、正三角形、正方形、長方形、正六角形、円、楕円、十字型などのパターンとしてもよい。特に、4回対称以上とすれば、無偏光であっても効率的に検出することができる。 The unit structure of the absorption layer 14 is a bowtie type structure in the first embodiment, but any pattern may be used. However, in order to efficiently absorb far infrared rays, it is preferable to use a pattern having symmetry of twice or more. For example, it may be a pattern such as an equilateral triangle, a square, a rectangle, a regular hexagon, a circle, an ellipse, or a cross. In particular, if the symmetry is 4 times or more, it can be efficiently detected even if it is unpolarized.

吸収層14の単位構造の他の例として、図15に、吸収層14の単位構造を正方形とした場合の平面パターンを示す。また、図16は、この平面パターンにおける吸収層14の透過スペクトルをシミュレーションにより算出した結果を示したグラフである。正方形の一辺の長さは2μmとし、その正方形を周期5μmで正方格子状に無限に配列した平面パターンとした。また、吸収層14の厚さは100nmとした。図16のように、波長5μmの遠赤外線の透過率はおよそ0.07であり、波長5μmの遠赤外線を効率的に吸収できることがわかる。 As another example of the unit structure of the absorption layer 14, FIG. 15 shows a plane pattern when the unit structure of the absorption layer 14 is a square. Further, FIG. 16 is a graph showing the result of calculating the transmission spectrum of the absorption layer 14 in this plane pattern by simulation. The length of one side of the square was 2 μm, and the squares were arranged infinitely in a square grid with a period of 5 μm to form a plane pattern. The thickness of the absorption layer 14 was 100 nm. As shown in FIG. 16, the transmittance of far infrared rays having a wavelength of 5 μm is about 0.07, and it can be seen that far infrared rays having a wavelength of 5 μm can be efficiently absorbed.

また、実施例1では、吸収層14を単位構造が正方格子状に配列されたパターンとしているが、所望の吸収波長、吸収帯域幅などに応じて配列パターンや配列数を設定してよく、正方格子以外にも、三角格子、蜂の巣格子などの周期的パターンであってもよい。ただし、吸収層14全体として2回対称以上の対称性となるように配置することが望ましい。吸収層14によって効率的に遠赤外線を吸収させることができる。また、複数の単位構造を配列したパターンではなく、単位構造を1つ有するのみであってもよい。 Further, in the first embodiment, the absorption layer 14 has a pattern in which the unit structures are arranged in a square grid pattern, but the arrangement pattern and the number of arrangements may be set according to a desired absorption wavelength, absorption bandwidth, and the like. In addition to the lattice, a periodic pattern such as a triangular lattice or a honeycomb lattice may be used. However, it is desirable that the absorption layer 14 as a whole is arranged so as to have a symmetry of 2 times or more. The absorption layer 14 can efficiently absorb far infrared rays. Further, it may have only one unit structure instead of a pattern in which a plurality of unit structures are arranged.

次に、吸収層14の単位構造がボウタイ型形状の場合における半導体層12の平面パターンについて説明する。半導体層12は、図13に示すように、ストライプ状に形成されている。吸収層14のボウタイ型形状における底辺14aに垂直な方向をx軸方向、底辺14aに沿う方向をy軸方向とすると、そのストライプの方向は、y軸方向である。また、隣接するボウタイ型形状の一方の底辺14aと他方の底辺14aとの隙間の位置に設けられており、吸収層14と半導体層12とは平面視で重ならないように設定されている。また、ストライプの幅は、隣接するボウタイ型形状の一方の底辺14aと他方の底辺14aとの間隔に等しい。 Next, the planar pattern of the semiconductor layer 12 when the unit structure of the absorption layer 14 has a bowtie shape will be described. As shown in FIG. 13, the semiconductor layer 12 is formed in a striped shape. Assuming that the direction perpendicular to the base 14a in the bowtie shape of the absorption layer 14 is the x-axis direction and the direction along the bottom 14a is the y-axis direction, the direction of the stripe is the y-axis direction. Further, it is provided at a position of a gap between one base 14a and the other bottom 14a of an adjacent bowtie-shaped shape, and the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 are set so as not to overlap in a plan view. Further, the width of the stripe is equal to the distance between one base 14a and the other base 14a of the adjacent bowtie shape.

図17は、x軸方向に偏光した波長10μmの遠赤外線の吸収層14による吸収で発生する電界の強度分布をシミュレーションにより求めた結果を示した図である。吸収層14直下のxy平面での電界強度分布である。吸収層14がボウタイ型形状である場合、図17のように、電界強度分布は、吸収層14と平面視が重なる領域では非常に弱くなる。一方、ボウタイ型形状の底辺14a近傍の領域では負の強い電界強度を示す。 FIG. 17 is a diagram showing the results of simulating the intensity distribution of the electric field generated by absorption by the absorption layer 14 of far infrared rays having a wavelength of 10 μm polarized in the x-axis direction. It is the electric field strength distribution in the xy plane just below the absorption layer 14. When the absorption layer 14 has a bowtie shape, the electric field strength distribution becomes very weak in the region where the absorption layer 14 and the absorption layer 14 overlap in a plan view, as shown in FIG. On the other hand, in the region near the bottom 14a of the bowtie shape, a strong negative electric field strength is exhibited.

そこで、半導体層12を図13に示すストライプ状とすることで、遠赤外線の吸収により発生する電界の強い領域(ボウタイ型形状の底辺14a近傍の領域)に半導体層12を配置し、電界の弱い領域(吸収層14と重なる領域)には半導体層12を配置しないようにしている。このように半導体層12を配置することで、半導体層12を構成するグラフェンのディラックポイントを効率的にシフトさせることができ、高感度に遠赤外線を検出することができる。 Therefore, by forming the semiconductor layer 12 into a stripe shape shown in FIG. 13, the semiconductor layer 12 is arranged in a region where the electric field generated by absorption of far infrared rays is strong (a region near the bottom 14a of the bowtie shape), and the electric field is weak. The semiconductor layer 12 is not arranged in the region (the region overlapping the absorption layer 14). By arranging the semiconductor layer 12 in this way, the Dirac points of graphene constituting the semiconductor layer 12 can be efficiently shifted, and far infrared rays can be detected with high sensitivity.

次に、吸収層14の単位構造が正方形の場合における半導体層12の平面パターンについて説明する。半導体層12は、図15のように、ストライプ状に形成されている。吸収層14の正方形の辺のうち、ある一辺に沿う方向をx軸方向、これに垂直な方向をy軸方向として、ストライプの方向はy軸方向である。また、正方形と正方形の間の領域に設けられており、吸収層14と半導体層12とは平面視が重ならないように設定されている。また、ストライプの幅は、正方形と正方形の間隔に等しい。 Next, the planar pattern of the semiconductor layer 12 when the unit structure of the absorption layer 14 is square will be described. The semiconductor layer 12 is formed in a striped shape as shown in FIG. Of the square sides of the absorption layer 14, the direction along one side is the x-axis direction, the direction perpendicular to this is the y-axis direction, and the stripe direction is the y-axis direction. Further, it is provided in a region between the squares, and the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 are set so as not to overlap in a plan view. Also, the width of the stripe is equal to the distance between the squares.

図18は、x軸方向に偏光した波長5μmの遠赤外線の吸収層14による吸収で発生する電界の強度分布をシミュレーションにより求めた結果を示した図である。吸収層14直下のxy平面における電界強度分布である。図18のように、電界強度分布は吸収層14と重なる領域で非常に弱くなる。一方、正方形の辺のうちx軸方向に直交する辺の近傍の領域では負の強い電界強度を示し、他の辺の近傍の領域では弱い電界強度を示す。 FIG. 18 is a diagram showing the results of simulating the intensity distribution of the electric field generated by absorption by the absorption layer 14 of far infrared rays having a wavelength of 5 μm polarized in the x-axis direction. It is an electric field strength distribution in the xy plane immediately below the absorption layer 14. As shown in FIG. 18, the electric field strength distribution becomes very weak in the region overlapping the absorption layer 14. On the other hand, among the sides of the square, the region near the side orthogonal to the x-axis direction shows a strong negative electric field strength, and the region near the other side shows a weak electric field strength.

そこで、半導体層12を図15に示すストライプ状とすることで、遠赤外線の吸収により発生する電界の強い領域(正方形の辺のうちx軸方向に直交する辺の近傍の領域)に半導体層12を配置し、電界の弱い領域(吸収層14と重なる領域)には半導体層12を配置しないようにしている。このように半導体層12を配置することで、半導体層12を構成するグラフェンのディラックポイントを効率的にシフトさせることができ、高感度に遠赤外線を検出することができる。 Therefore, by forming the semiconductor layer 12 into a stripe shape as shown in FIG. 15, the semiconductor layer 12 is formed in a region where the electric field generated by absorption of far infrared rays is strong (a region of the square side near the side orthogonal to the x-axis direction). Is arranged so that the semiconductor layer 12 is not arranged in the region where the electric field is weak (the region overlapping the absorption layer 14). By arranging the semiconductor layer 12 in this way, the Dirac points of graphene constituting the semiconductor layer 12 can be efficiently shifted, and far infrared rays can be detected with high sensitivity.

以上はx軸方向の偏光の遠赤外線を検出する場合の半導体層12の平面パターンについて述べたが、無偏光の遠赤外線を検出する場合の半導体層12の平面パターンについて説明する。 The plane pattern of the semiconductor layer 12 when detecting polarized far infrared rays in the x-axis direction has been described above, but the plane pattern of the semiconductor layer 12 when detecting unpolarized far infrared rays will be described.

まず、吸収層14の単位構造がボウタイ型形状の場合を考える。ボウタイ型形状を単位構造とする吸収層14に、無偏光の遠赤外線が入射した場合、y軸方向の偏光に対しては、図19のように、波長10μmの遠赤外線をあまり吸収することはできないが、x軸方向の偏光に対しては、図14のように波長10μmの遠赤外線を効率的に吸収できる。 First, consider the case where the unit structure of the absorption layer 14 has a bowtie shape. When unpolarized far-infrared rays are incident on the absorption layer 14 having a bowtie-shaped unit structure, far-infrared rays having a wavelength of 10 μm are not absorbed so much with respect to polarized light in the y-axis direction, as shown in FIG. Although it cannot be done, far infrared rays having a wavelength of 10 μm can be efficiently absorbed for polarized light in the x-axis direction as shown in FIG.

図20は、無偏光の遠赤外線を吸収した場合に発生する電界の強度分布を示したグラフである。この図20のように、無偏光の遠赤外線の場合でも、ボウタイ型形状の底辺14a近傍の領域では負の強い電界強度を示し、吸収層14と重なる領域では電界強度が非常に弱くなる。 FIG. 20 is a graph showing the intensity distribution of the electric field generated when unpolarized far infrared rays are absorbed. As shown in FIG. 20, even in the case of unpolarized far-infrared rays, the electric field strength is negative in the region near the bottom 14a of the bowtie shape, and the electric field strength is very weak in the region overlapping the absorption layer 14.

したがって、図13と同様に半導体層12の平面パターンをストライプ状のパターンとすれば、無偏光の場合においても高感度に遠赤外線を検出することができる。 Therefore, if the planar pattern of the semiconductor layer 12 is a striped pattern as in FIG. 13, far infrared rays can be detected with high sensitivity even in the case of non-polarized light.

次に、吸収層14の単位構造が正方形の場合を考える。正方形を単位構造とする吸収層14では、その形状の対称性から、x軸方向の偏光もy軸方向の偏光も同じ透過スペクトル(図16参照)となり、無偏光であっても効率的に波長5μmの遠赤外線を吸収できる。 Next, consider the case where the unit structure of the absorption layer 14 is square. Due to the symmetry of the shape of the absorption layer 14 having a square unit structure, the polarization in the x-axis direction and the polarization in the y-axis direction have the same transmission spectrum (see FIG. 16), and the wavelength is efficiently arranged even if it is unpolarized. It can absorb far infrared rays of 5 μm.

また、図21は、吸収層14の単位構造を正方形とした場合において、無偏光の遠赤外線が入射したときの電界強度分布を示した図である。図21のように、吸収層14と重なる領域は電界強度が弱く、一方で正方形の各辺の近傍の領域では負の強い電界強度を示す。x軸方向に偏光した遠赤外線が入射した場合には、x軸方向に直交する辺の近傍のみが負の強い電界強度を示したが、無偏光の場合には、全ての辺の近傍で負の強い電界強度を示している。 Further, FIG. 21 is a diagram showing an electric field strength distribution when unpolarized far infrared rays are incident when the unit structure of the absorption layer 14 is a square. As shown in FIG. 21, the electric field strength is weak in the region overlapping with the absorption layer 14, while the electric field strength is negative in the region near each side of the square. When far-infrared light polarized in the x-axis direction was incident, only the vicinity of the side orthogonal to the x-axis showed a strong negative electric field strength, but in the case of unpolarized light, it was negative in the vicinity of all sides. Shows the strong electric field strength of.

したがって、吸収層14の単位構造が正方形の場合には、図15と同様のストライプ状でも高感度に無偏光の遠赤外線を検出することはできるが、格子状とすることでさらに高感度に無偏光の遠赤外線を検出することができる。図22は、半導体層12を格子状とした場合の平面パターンを示す。図22のように、半導体層12の平面パターンは、吸収層14の正方形と正方形の間の領域にx軸方向に伸びるストライプと、同じく正方形と正方形の間の領域にy軸方向に伸びるストライプとが直交して交差する格子状のパターンである。このような格子状のパターンとすることで、遠赤外線の吸収により発生する電界の強い領域(正方形の各辺の近傍の領域)に半導体層12を配置し、電界の弱い領域(吸収層14と重なる領域)には半導体層12を配置しないようにしている。 Therefore, when the unit structure of the absorption layer 14 is square, unpolarized far-infrared rays can be detected with high sensitivity even in the same striped shape as in FIG. Polarized far infrared rays can be detected. FIG. 22 shows a plane pattern when the semiconductor layer 12 is formed into a grid pattern. As shown in FIG. 22, the planar pattern of the semiconductor layer 12 includes a stripe extending in the x-axis direction in the region between the squares of the absorption layer 14 and a stripe extending in the y-axis direction in the region between the squares. Is a grid-like pattern in which is orthogonally intersected. By forming such a grid pattern, the semiconductor layer 12 is arranged in a region where the electric field is strong (a region near each side of the square) generated by absorption of far infrared rays, and a region where the electric field is weak (absorption layer 14). The semiconductor layer 12 is not arranged in the overlapping region).

以上の検討から、半導体層12の平面パターンは、吸収層14の平面パターンと重なる領域には設けないようにし、吸収層14の周の少なくとも一部の近傍に位置するようなパターンとすれば、遠赤外線の吸収により発生する電界のうち、電界強度の強い領域に半導体層12を晒すことができ、効率的に遠赤外線を検出できることがわかる。特に、吸収層14の単位構造の周の形状を、ある1組の平行な対辺とそれに直交する1組の対辺とを有した形状(たとえば正方形、長方形、八角形など)とし、半導体層12の平面パターンを、それらの辺に沿った格子状のパターンとすれば、無偏光の遠赤外線について高感度に検出することができる。 From the above examination, if the planar pattern of the semiconductor layer 12 is not provided in the region overlapping the planar pattern of the absorption layer 14, and the pattern is located in the vicinity of at least a part of the circumference of the absorption layer 14. It can be seen that the semiconductor layer 12 can be exposed to a region where the electric field strength is strong in the electric field generated by the absorption of far infrared rays, and far infrared rays can be detected efficiently. In particular, the shape of the circumference of the unit structure of the absorption layer 14 is a shape having a set of parallel opposite sides and a set of opposite sides orthogonal to it (for example, a square, a rectangle, an octagon, etc.), and the semiconductor layer 12 has a shape. If the plane pattern is a grid pattern along those sides, unpolarized far infrared rays can be detected with high sensitivity.

なお、吸収層14と半導体層12のパターンが完全に重ならないようにする必要はなく、多少の重なりはあってもよい。ただし、平面視において吸収層14と半導体層12との重なりの幅は200nm以下とすることが望ましい。より望ましくは100nm以下、さらに望ましくは20nm以下である。最も望ましいのは重ならないようにすることである。また、吸収層14と半導体層12とのパターンに間隔が開きすぎると、遠赤外線の吸収により吸収層14で電界が発生したときに半導体層12に係る電圧が弱くなり、遠赤外線の検出感度が悪くなる。そのため、平面視において吸収層14と半導体層12との間隔は100nm以下とすることが望ましい。より望ましくは50nm以下、さらに望ましくは20nm以下である。 It is not necessary to prevent the patterns of the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 from completely overlapping, and there may be some overlap. However, it is desirable that the width of the overlap between the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 is 200 nm or less in a plan view. It is more preferably 100 nm or less, and even more preferably 20 nm or less. The most desirable thing is to avoid overlapping. Further, if the pattern between the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 is too far apart, the voltage related to the semiconductor layer 12 becomes weak when an electric field is generated in the absorption layer 14 due to the absorption of far infrared rays, and the detection sensitivity of far infrared rays becomes low. become worse. Therefore, it is desirable that the distance between the absorption layer 14 and the semiconductor layer 12 is 100 nm or less in a plan view. It is more preferably 50 nm or less, and even more preferably 20 nm or less.

また、実施例1の電磁波検出器は、遠赤外線の検出に用いるものであったが、本発明の電磁波検出器は、任意の波長の電磁波の検出に用いることができる。たとえば、紫外線、可視光、赤外線、テラヘルツ波の検出に用いることができる。特に、赤外線(とりわけ中赤外線や遠赤外線)の検出に有効である。中赤外から遠赤外領域を高感度に検出できる検出器が従来存在していなかったためである。 Further, although the electromagnetic wave detector of Example 1 was used for detecting far infrared rays, the electromagnetic wave detector of the present invention can be used for detecting electromagnetic waves of any wavelength. For example, it can be used to detect ultraviolet rays, visible light, infrared rays, and terahertz waves. In particular, it is effective for detecting infrared rays (particularly mid-infrared rays and far-infrared rays). This is because there has not been a detector capable of detecting the mid-infrared to far-infrared region with high sensitivity.

本発明の電磁波検出器は、各種波長の電磁波の検出に用いることができる。 The electromagnetic wave detector of the present invention can be used for detecting electromagnetic waves of various wavelengths.

10:基板
11:第1絶縁膜
12:半導体層
13:第2絶縁膜
14:吸収層
15:ゲート電極
16:ソース電極
17:ドレイン電極
18:第3絶縁膜
10: Substrate 11: First insulating film 12: Semiconductor layer 13: Second insulating film 14: Absorption layer 15: Gate electrode 16: Source electrode 17: Drain electrode 18: Third insulating film

Claims (12)

電磁波を検出する電磁波検出器において、
導体層、ゲート電極、ソース電極およびドレイン電極を備えたトランジスタ構造と、
前記半導体層から離間して設けられ、電磁波を吸収して電界を生じさせる吸収層と、
前記半導体層と前記吸収層との間に設けられ、前記吸収層から前記半導体層へとトンネル電流が生じない厚さに設定された絶縁膜と、
を有し、
前記半導体層は、強い結合によって二次元的に結合したシート状の構造を単位として、そのシート状構造が弱い接合によって積層した層状構造を有した物質であり、
前記半導体層の平面パターンは、前記吸収層の平面パターンと重ならず、かつ前記吸収層の周の少なくとも一部の近傍に位置するパターンに設定されてい
前記トランジスタ構造のゲート電圧−ドレイン電流特性は、前記吸収層の電磁波の吸収によって生じた電界に前記半導体層が晒されることにより変化する、
ことを特徴とする電磁波検出器。
In an electromagnetic wave detector that detects electromagnetic waves,
Semi conductor layer, and a transistor structure having a gate electrode, a source electrode and a drain electrode,
An absorption layer that is provided apart from the semiconductor layer and absorbs electromagnetic waves to generate an electric field.
An insulating film provided between the semiconductor layer and the absorption layer and set to a thickness that does not generate a tunnel current from the absorption layer to the semiconductor layer.
Have,
The semiconductor layer is a substance having a layered structure in which a sheet-like structure two-dimensionally bonded by a strong bond is used as a unit and the sheet-like structure is laminated by a weak bond.
The plane pattern of the semiconductor layer, the not overlap the plane pattern of the absorbent layer, and it is set to pattern positioned on at least a portion near the peripheral of the absorbent layer,
The gate voltage-drain current characteristic of the transistor structure changes when the semiconductor layer is exposed to an electric field generated by absorption of electromagnetic waves in the absorption layer.
An electromagnetic wave detector characterized by this.
前記吸収層の平面パターンは、2回対称以上の対称性を有したパターンである、
ことを特徴とする請求項1に記載の電磁波検出器。
The plane pattern of the absorption layer is a pattern having symmetry of two times or more.
The electromagnetic wave detector according to claim 1.
前記吸収層の平面パターンは、2つの二等辺三角形を頂角で重ねたボウタイ型の単位構造が正方格子状に配列された周期的パターンであり、
前記半導体層の平面パターンは、ボウタイ型の二等辺三角形の底辺に沿ったストライプ状である、
であることを特徴とする請求項2に記載の電磁波検出器。
The plane pattern of the absorption layer is a periodic pattern in which two isosceles triangles are stacked at an apex angle and a bowtie-shaped unit structure is arranged in a square lattice pattern.
The planar pattern of the semiconductor layer is a stripe shape along the base of a bowtie-shaped isosceles triangle.
The electromagnetic wave detector according to claim 2, wherein the electromagnetic wave detector is characterized by the above.
前記吸収層の平面パターンは、正方形の単位構造が正方格子状に配列された周期的パターンであり、
前記半導体層の平面パターンは、前記吸収層の正方形の一辺に沿ったストライプ状のパターンである、
であることを特徴とする請求項2に記載の電磁波検出器。
The planar pattern of the absorption layer is a periodic pattern in which square unit structures are arranged in a square grid pattern.
The planar pattern of the semiconductor layer is a striped pattern along one side of the square of the absorption layer.
The electromagnetic wave detector according to claim 2, wherein the electromagnetic wave detector is characterized by the above.
前記吸収層の平面パターンは、正方形の単位構造が正方格子状に配列された周期的パターンであり、
前記半導体層の平面パターンは、前記吸収層の各辺に沿った格子状のパターンである、
であることを特徴とする請求項2に記載の電磁波検出器。
The planar pattern of the absorption layer is a periodic pattern in which square unit structures are arranged in a square grid pattern.
The planar pattern of the semiconductor layer is a grid-like pattern along each side of the absorption layer.
The electromagnetic wave detector according to claim 2, wherein the electromagnetic wave detector is characterized by the above.
前記吸収層と前記半導体層は、同一面上に形成されている、ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 The electromagnetic wave detector according to any one of claims 1 to 5, wherein the absorption layer and the semiconductor layer are formed on the same surface. 前記吸収層と前記ゲート電極は、同一面上に形成されている、ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 The electromagnetic wave detector according to any one of claims 1 to 5, wherein the absorption layer and the gate electrode are formed on the same surface. 前記トランジスタ構造は、2以上のゲート電極を備える、ことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 The electromagnetic wave detector according to any one of claims 1 to 7, wherein the transistor structure includes two or more gate electrodes. 前記半導体層は、グラフェンからなる、ことを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 The electromagnetic wave detector according to any one of claims 1 to 8, wherein the semiconductor layer is made of graphene. 前記半導体層は、遷移金属ダイカルコゲナイドからなる、ことを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 The electromagnetic wave detector according to any one of claims 1 to 8, wherein the semiconductor layer is made of a transition metal dichalcogenide. 前記吸収層は、表面プラズモン共鳴により電磁波を吸収する材料からなる、ことを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 The electromagnetic wave detector according to any one of claims 1 to 10, wherein the absorption layer is made of a material that absorbs electromagnetic waves by surface plasmon resonance. 前記吸収層は、電磁波の吸収により電子−正孔対が生成される材料からなる、ことを特徴とする請求項1ないし請求項10のいずれか1項に記載の電磁波検出器。 The electromagnetic wave detector according to any one of claims 1 to 10, wherein the absorption layer is made of a material in which electron-hole pairs are generated by absorption of electromagnetic waves.
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