JP7345593B2 - 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ - Google Patents

Description

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ものである。

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グラフェンが知られている。グラフェンは、極めて高い移動度を有している。グラフェンの吸収率は、２．３％と低い。このため、二次元材料層としてグラフェンが用いられ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。

例えば、米国特許出願公開２０１５／０２４３８２６号明細書（特許文献１）では、下記のような構造を有する検出器が提案されている。すなわち、米国特許出願公開２０１５／０２４３８２６号明細書では、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。ゲート電極がｎ型半導体層に接続されている。

上記検出器では、チャネルとしてのグラフェン層にソース・ドレイン電極を介して電圧が印加される。この結果、ｎ型半導体層で発生した光キャリアが増幅されるため検出器の感度が向上する。また、ゲート電極とソース電極またはドレイン電極とに電圧が印加された場合は、グラフェンとｎ型半導体層とのショットキー接続によってＯＦＦ動作が可能となる。

米国特許出願公開２０１５／０２４３８２６号明細書

上記公報に記載された検出器（電磁波検出器）では、半導体層に電磁波が照射されることによって生じた光キャリアによって電磁波が検出される。このため、検出器の感度は半導体層の量子効率に依存する。半導体層の量子効率は、電磁波の波長によっては十分に高くない。したがって、電磁波検出器の検出感度は、不十分である。

本開示は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、感度を向上させることができる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である。

本開示の電磁波検出器は、半導体層と、二次元材料層と、第１電極部と、第２電極部と、強誘電体層とを備えている。二次元材料層は、半導体層に電気的に接続されている。第１電極部は、二次元材料層に電気的に接続されている。第２電極部は、半導体層を介して二次元材料層に電気的に接続されている。強誘電体層は、第１電極部、第２電極部および半導体層の少なくともいずれかと電気的に接続されている。電磁波検出器は、二次元材料層に対して強誘電体層から生じる電界が遮蔽されるように構成されている。または、強誘電体層は、二次元材料層と平面視で重ならないように配置されている。

本開示の電磁波検出器によれば、強誘電体層は、第１電極部、第２電極部および半導体層の少なくともいずれかと電気的に接続されている。強誘電体層の焦電効果は、電磁波の波長に依存しない。このため、電磁波検出器の感度は、半導体層の量子効率に依存しない。よって、半導体層の量子効率が低下する波長であっても、電磁波検出器の感度が低下することが抑制される。したがって、電磁波検出器の感度が向上する。

実施の形態１に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１の第１の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１の第２の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１の第３の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１の第４の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態２に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態２の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態２に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態２の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態３に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態３の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態４に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態５に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態６に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 図１５のＸＶＩ－ＸＶＩ線における断面図である。 図１５のＸＶＩＩ－ＸＶＩＩ線における断面図である。 実施の形態６の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態６の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態７に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態７に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態８に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態９に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態９の第１の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態９の第２の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１０に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１１に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１１に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１１の第１の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１１の第２の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１２に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１３に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１４に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１５に係る電磁波検出器アレイの構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１５の変形例に係る電磁波検出器アレイの構成を概略的に示す上面図である。 実施の形態１６に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１７に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１８に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。 実施の形態１８の第１の変形例に係る電磁波検出器の構成を概略的に示す断面図である。

以下、実施の形態について図に基づいて説明する。なお、以下では、同一または相当する部分に同一の符号を付すものとし、重複する説明は繰り返さない。

以下に説明される実施の形態において、図は模式的なものであり、機能または構造を概念的に説明するものである。また、以下に説明される実施の形態により本開示が限定されるものではない。特記される場合を除いて、電磁波検出器の基本構成は全ての実施の形態において共通である。また、同一の符号が付されたものは、上述のように同一またはこれに相当するものである。これは明細書の全文において共通する。

以下に説明される実施の形態では、可視光または赤外光を検出する場合の電磁波検出器の構成が説明されるが、本開示の電磁波検出器が検出する光は可視光および赤外光に限定されない。以下に説明される実施の形態は、可視光および赤外光に加えて、例えば、Ｘ線、紫外光、近赤外光、テラヘルツ（ＴＨｚ）波、マイクロ波などの電波を検出する検出器としても有効である。なお、本開示の実施の形態において、これらの光および電波を総称して電磁波と記載する。

また、本実施の形態では、グラフェンとしてｐ型グラフェンおよびｎ型グラフェンの用語が用いられる場合がある。以下の実施の形態では、真性状態のグラフェンよりも正孔が多いものがｐ型グラフェンと呼ばれ、真性状態のグラフェンよりも電子が多いものがｎ型グラフェンと呼ばれる。つまり、ｎ型の材料は、電子供与性を有する材料である。また、ｐ型の材料は、電子求引性を有する材料である。

また、分子全体において電荷に偏りが見られる場合に電子が支配的になるものがｎ型と呼ばれる場合もある。分子全体において電荷に偏りが見られる場合に正孔が支配的になるものがｐ型と呼ばれる場合もある。二次元材料層の一例であるグラフェンに接触する部材の材料には、有機物および無機物のいずれか一方または有機物および無機物の混合物が用いられてもよい。

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、可視光域および近赤外光域以外での金属表面にかかる共鳴という意味での擬似表面プラズモン共鳴と呼ばれる現象、または、波長以下の寸法の構造により波長を操作するという意味でのメタマテリアルまたはプラズモニックメタマテリアルと呼ばれる現象については、特にこれらを名称により区別せず、現象が及ぼす効果の面からは同等の扱いとする。ここでは、これらの共鳴を、表面プラズモン共鳴、プラズモン共鳴、または、単に共鳴と呼ぶ。

また、以下に説明する実施の形態では、二次元材料層の材料として、グラフェンを例に説明が行われているが、二次元材料層の材料はグラフェンに限られない。例えば、二次元材料層の材料としては、遷移金属ダイカルコゲナイド（ＴＭＤ：Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｍｅｔａｌ Ｄｉｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ）、黒リン（Ｂｌａｃｋ Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ）、シリセン（シリコン原子による二次元ハニカム構造）、ゲルマネン（ゲルマニウム原子による二次元ハニカム構造）等の材料が適用され得る。遷移金属ダイカルコゲナイドとしては、例えば、二硫化モリブデン（ＭｏＳ_２）、二硫化タングステン（ＷＳ_２）、二セレン化タングステン（ＷＳｅ_２）等の遷移金属ダイカルコゲナイドが挙げられる。

より好ましくは、二次元材料層は、グラフェン、遷移金属ダイカルコゲナイド（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）、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料を含んでいる。

これらの材料は、グラフェンと類似の構造を有している。これらの材料では、原子が二次元面内に単層で配列されている。したがって、これらの材料が二次元材料層に適用された場合においても、二次元材料層にグラフェンが適用された場合と同様の作用効果が得られる。

また、本実施の形態において、絶縁層と表記されるものは、トンネル電流が生じない厚さを有する絶縁物の層である。

実施の形態１．
＜電磁波検出器１００の構成＞
図１～図６を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。図１は、図２のＩ－Ｉ線における断面図である。

図１に示されるように、電磁波検出器１００は、半導体層４と、二次元材料層１と、第１電極部２ａと、第２電極部２ｂと、強誘電体層５とを含んでいる。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は、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の順に電気的に接続されている。本実施の形態において、電磁波検出器１００は、絶縁膜３をさらに含んでいる。また、電磁波検出器１００は、電圧計ＶＭおよび後述される電流計ＩＭ（図５参照）の少なくともいずれかをさらに含んでいる。図１に示される電磁波検出器１００は、電圧計ＶＭをさらに含んでいる。

図１に示されるように、半導体層４は、第１面４ａおよび第２面４ｂを有している。第２面４ｂは、第１面４ａに対向している。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、第１面４ａ側に配置されている。第２電極部２ｂは、第２面４ｂ側に配置されている。第１面４ａ側は、天面側と呼ばれる。第２面４ｂ側は、底面側と呼ばれる。

二次元材料層１は、半導体層４に電気的に接続されている。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上に配置されている。すなわち、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に接触している。二次元材料層１は、第１部分１ａと、第２部分１ｂと、第３部分１ｃとを含んでいる。第１部分１ａは、半導体層４上に配置されている。第１部分１ａは、半導体層４に電気的に接続されている。第２部分１ｂは、第１電極部２ａ上に配置されている。第２部分１ｂは、第１電極部２ａに電気的に接続されている。第３部分１ｃは、第１部分１ａおよび第２部分１ｂを電気的に接続している。第１部分１ａおよび第２部分１ｂは、第３部分１ｃによって繋がっている。本実施の形態において、第３部分１ｃは、絶縁膜３上に配置されている。

第１部分１ａ、第２部分１ｂおよび第３部分１ｃの厚みは、互いに等しくてもよい。二次元材料層１が半導体層４に重ねられた方向に沿って、第１部分１ａの天面側の表面と半導体層４の第１面４ａとの距離は、第２部分１ｂの天面側の表面と半導体層４の第１面４ａとの距離より近い。図示されないが、二次元材料層１の表面には、第１部分１ａ、第２部分１ｂおよび第３部分１ｃに起因した凹凸が形成されている。

第１電極部２ａは、二次元材料層１に電気的に接続されている。第１電極部２ａは、半導体層４を介さずに二次元材料層１に電気的に接続されている。本実施の形態において、第１電極部２ａは、二次元材料層１に直接接続されている。第１電極部２ａは、二次元材料層１の底面側に配置されている。また、図示されないが、第１電極部２ａは、二次元材料層１の天面側に配置されていてもよい。

第２電極部２ｂは、半導体層４を介して二次元材料層１に電気的に接続されている。第２電極部２ｂは、半導体層４に接触している。図１に示された電磁波検出器１００では、第２電極部２ｂは、半導体層４の第２面４ｂの全面を覆っている。第２電極部２ｂが第２面４ｂの全面を覆っている電磁波検出器１００は、検出対象である電磁波が第１面４ａ側（天面側）のみから電磁波検出器１００に入射する場合に好適である。また、第１面４ａ側（天面側）から電磁波検出器１００に入射した電磁波は、強誘電体層５および半導体層４を透過した後、第２電極部２ｂによって反射する。第２電極部２ｂによって反射した電磁波は、第２面４ｂ側（底面側）から再び強誘電体層５に入射する。このため、強誘電体層５には、第１面４ａ側および第２面４ｂ側の各々から電磁波が入射する。これにより、強誘電体層５の電磁波の吸収率が向上する。

また、図示されないが、第２電極部２ｂは、半導体層４の全面を覆ってなくてもよい。すなわち、第２電極部２ｂは、半導体層４の一部に接触していればよい。例えば、第２電極部２ｂは、第１面４ａ、第２面４ｂおよび第１面４ａと第２面４ｂとに交差する方向に延びる側面のうちいずれかの一部と接触していればよい。半導体層４の第２面４ｂが第２電極部２ｂから露出している場合、電磁波検出器１００は、第２面４ｂ側から入射した電磁波を検出可能である。

絶縁膜３は、半導体層４上に配置されている。絶縁膜３は、半導体層４の天面側に配置されている。絶縁膜３には、開口部ＯＰが形成されている。開口部ＯＰは、絶縁膜３を貫通している。半導体層４は、開口部ＯＰにおいて絶縁膜３から露出している。すなわち、半導体層４は、開口部ＯＰにおいて絶縁膜３に覆われていない。半導体層４の第１面４ａは、開口部ＯＰにおいて絶縁膜３に覆われていない。

二次元材料層１は、開口部ＯＰにおいて半導体層４に電気的に接続されている。二次元材料層１は、開口部ＯＰ上から絶縁膜３まで延在している。本実施の形態において、二次元材料層１は、開口部ＯＰ上から絶縁膜３上まで延在している。二次元材料層１の第１部分１ａは、開口部ＯＰ内において、半導体層４の第１面４ａ上に配置されている。好ましくは、二次元材料層１は、開口部ＯＰにおいてショットキー接合によって半導体層４に接合されている。二次元材料層１の第１部分１ａは、開口部ＯＰにおいて半導体層４に接合されている。絶縁膜３は、二次元材料層１の第２部分１ｂおよび第３部分１ｃと半導体層４とを半導体層４とを隔てている。

二次元材料層１の第１端は、開口部ＯＰ内に配置されている。二次元材料層１の第２端は、第２電極部２ｂ上に配置されている。なお、二次元材料層１の第１端および第２端は、二次元材料層１の長手方向における端部である。図１において、二次元材料層１の第１端は、半導体層４の面内方向における開口部ＯＰの中央に対して第１電極部２ａとは反対側に配置されており、かつ二次元材料層１の第２端は、開口部ＯＰの中央に対して第１電極部２ａ側に配置されている。図示されないが、二次元材料層１の第１端および第２端の各々が開口部ＯＰの中央に対して第１電極部２ａ側に配置されてもよい。

また、図１において二次元材料層１は、開口部ＯＰにおいて半導体層４の第１面４ａの一部を露出するように配置されている。図示されないが、二次元材料層１は、半導体層４の第１面４ａの全面を覆うように配置されていてもよい。

絶縁膜３は、第３面３ａおよび第４面３ｂを有している。第３面３ａは、半導体層４の第１面４ａに接触している。第４面３ｂは、第３面３ａに対向している。第４面３ｂの少なくとも一部は、二次元材料層１に接触している。すなわち、絶縁膜３は、二次元材料層１に対して底面側に配置されている。第１電極部２ａは、絶縁膜３の第４面３ｂ上に配置されている。第１電極部２ａは、開口部ＯＰから離れた位置に配置されている。

強誘電体層５は、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂおよび半導体層４の少なくともいずれかと電気的に接続されている。本実施の形態において、強誘電体層５は、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂおよび半導体層４に電気的に接続されている。図１では、強誘電体層５上には、絶縁膜３が配置されている。すなわち、強誘電体層５は、絶縁膜３によって覆われている。強誘電体層５は、半導体層４上に配置されている。強誘電体層５は、半導体層４に接触している。強誘電体層５は、第１電極部２ａと半導体層４との間に配置されている。

強誘電体層５は、電磁波検出器１００の検出対象となる電磁波の波長（検出波長）に感度を有している。このため、強誘電体層５に検出波長を有する電磁波が照射された場合には、強誘電体層５において分極が変化する。すなわち、強誘電体層５に検出波長を有する電磁波が照射された場合には、強誘電体層５に焦電効果が生じる。分極が変化する方向（分極方向）は、二次元材料層１に分極により生じた光キャリアが注入される方向であることが好ましい。本実施の形態において、電磁波検出器１００に電磁波が照射される方向は、第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂが重なる方向（紙面上下方向）である。

本実施の形態において、強誘電体層５は、強誘電体層５内の分極が変化したときに第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の抵抗が変化するように配置されている。これにより、電界は、第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂが重なる方向（紙面上下方向）に沿って生じる。

強誘電体層５は、強誘電体層５において生じた光キャリアを二次元材料層１に注入するように構成されている。なお、光キャリアが二次元材料層１に注入されるとは、光キャリアが絶縁膜３を介さずに二次元材料層１に注入されるということである。強誘電体層５から生じた光キャリアは、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂおよび半導体層４の少なくともいずれかを通って二次元材料層１に注入される。

好ましくは、強誘電体層５は、二次元材料層１と半導体層４とに対して順バイアス方向に電圧が印加されるように配置されている。例えば、半導体層４にｐ型材料が用いられかつ二次元材料層はｎ型材料が用いられた場合には、電磁波の照射によって強誘電体層５から第１電極部２ａには正孔が注入されかつ強誘電体層５から第２電極部２ｂには電子が注入されるように、強誘電体層５が配置されることが好ましい。また、半導体層４にｎ型材料が用いられかつ二次元材料層はｐ型材料が用いられた場合には、電磁波の照射によって強誘電体層５から第１電極部２ａには電子が注入されかつ強誘電体層５から第２電極部２ｂには正孔が注入されるように、強誘電体層５が配置されることが好ましい。

なお、強誘電体層５は、二次元材料層１と半導体層４とに対して逆バイアス方向に電圧が印加されるように配置されてもよい。この場合、逆バイアスが印加された際に電磁波の照射によって半導体層４の飽和領域と降伏領域とが切り替わるように動作することで、暗電流が低減される。

電磁波検出器１００は、二次元材料層１に対して強誘電体層５から生じる電界が遮蔽されるように構成されている。または、強誘電体層５は、二次元材料層１と平面視で重ならないように配置されている。

実施の形態１において、電磁波検出器１００は、二次元材料層１に対して強誘電体層５から生じる電界が遮蔽されるように構成されている。電界は、導体によって遮蔽される。このため、強誘電体層５によって生じた電界は、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂおよび半導体層４の少なくともいずれかによって遮蔽される。

強誘電体層５の二次元材料層１に向かい合う部分と二次元材料層１とは、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂおよび半導体層４の少なくともいずれかを挟み込んでいる。好ましくは、強誘電体層５の二次元材料層１に向かい合う部分の全面と二次元材料層１との間には、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂおよび半導体層４の少なくともいずれかが挟み込まれている。図１に示される電磁波検出器１００では、強誘電体層５の二次元材料層１に向かい合う部分と二次元材料層１とは、第１電極部２ａを挟み込んでいる。このため、強誘電体層５によって生じた電界は、第１電極部２ａによって遮蔽される。

強誘電体層５は、好ましくは、二次元材料層１に接触していない。二次元材料層１と強誘電体層５との接触抵抗は、大きい。このため、仮に二次元材料層１と強誘電体層５とが接触した場合、強誘電体層５の分極変化によって生じた電界が二次元材料層１のフェルミレベルを著しく変化させることで電磁波検出器１００の特性が変化する可能性がある。

なお、強誘電体層５が二次元材料層１と平面視で重ならないように配置されている場合については、実施の形態２において説明される。

電圧計ＶＭは、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に電気的に接続されている。電圧計ＶＭは、電磁波が電磁波検出器１００に照射されることによって生じた電圧変化を検出するための電圧計ＶＭである。電磁波検出器１００は、電圧計ＶＭが第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に流れる電流の電圧の変化を検出することで電磁波を検出するように構成されている。

図２に示されるように、平面視における二次元材料層１の端部の形状は、矩形状である。二次元材料層１の端部の形状は、矩形状に限られず、三角形状、櫛形形状等であってもよい。また、図示されないが、二次元材料層１の端部の形状が櫛形形状である場合には、第１部分１ａは、半導体に電気的に接続された複数の端部を有していてもよい。図２では、二次元材料層１の端部の全体が半導体層４に接触している。このため、二次元材料層１の端部の全体が第１部分１ａとして構成されている。図示されないが、二次元材料層１の端部の一部が半導体層４に接触し、二次元材料層１の端部の他の部分が絶縁膜３に接触していてもよい。すなわち、二次元材料層１の端部の一部が第１部分１ａとして構成され、二次元材料層１の端部の他の部分が第３部分１ｃとして構成されていてもよい。

図３に示されるように、強誘電体層５は、第２電極部２ｂ上に配置されていてもよい。強誘電体層５は、第２電極部２ｂおよび半導体層４に挟み込まれている。強誘電体層５の二次元材料層１に向かい合う部分と二次元材料層１とは、半導体層４を挟み込んでいる。このため、強誘電体層５によって生じた電界は、半導体層４によって遮蔽される。半導体層４によって電界が遮蔽される場合、半導体層４の濃度が高いことが望ましい。また、半導体層４によって電界が遮蔽される場合、半導体層４の導電率が高いことが望ましい。また、半導体層４によって電界が遮蔽される場合、半導体層４が厚いことが望ましい。

図４に示されるように、強誘電体層５は、第１電極部２ａに対して二次元材料層１とは反対側で二次元材料層１に直接接続されていてもよい。強誘電体層５の二次元材料層１に向かい合う部分と二次元材料層１とは、第１電極部２ａを挟み込んでいる。強誘電体層５によって生じた電界は、第１電極部２ａによって遮蔽される。

図５に示されるように、電磁波検出器１００は、電流計ＩＭをさらに含んでいてもよい。電流計ＩＭは、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に電気的に接続されている。電流計ＩＭは、電磁波が電磁波検出器１００に照射されることによって生じた電流変化を検出するための電流計ＩＭである。電磁波検出器１００は、電流計ＩＭが第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に流れる電流の変化を検出することで電磁波を検出するように構成されている。

図６に示されるように、電磁波検出器１００は、電源ＰＷをさらに含んでいてもよい。電源ＰＷは、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとに電気的に接続されている。電源ＰＷは、第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂに電圧Ｖ１を印加するように構成されている。これにより、第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂの間には、電流Ｉ１が流れる。

次に、二次元材料層１、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂ、絶縁膜３、半導体層４および強誘電体層５の構成について詳細に説明する。

＜二次元材料層１の構成＞
二次元材料層１は、例えば、単層のグラフェンである。単層のグラフェンは、二次元炭素結晶の単原子層である。グラフェンは、六角形状に配置された複数の連鎖の各々にそれぞれ配置された複数の炭素原子を有している。グラフェンの吸収率は、２．３％と低い。具体的には、グラフェンの白色光の吸収率は、２．３％である。なお、本実施の形態において、白色光は、可視光線の波長を有する光が均等に混ざった光である。また、二次元材料層１は、複数のグラフェン層が積層された多層グラフェンであってもよい。多層グラフェン中のグラフェンのそれぞれの六方格子の格子ベクトルの向きは、一致していてもよいし、異なっていてもよい。また、多層グラフェン中のグラフェンのそれぞれの六方格子の格子ベクトルの向きは、完全に一致していてもよい。また、二次元材料層１は、ｐ型またはｎ型の不純物がドープされたグラフェンであってもよい。

例えば、２層以上のグラフェン層が積層されることによって、二次元材料層１にバンドギャップが形成される。すなわち、積層されたグラフェン層の数を変更することによって、バンドギャップの大きさを調整することができる。これにより、二次元材料層１は、光電変換の対象となる電磁波（検出波長）を選択する波長選択効果を有することができる。また、例えば、多層グラフェンのグラフェン層の数が増加すると、チャネル領域での移動度が低下する。一方で、多層グラフェンのグラフェン層の数が増加すると、基板からのキャリア散乱の影響が抑制されるため、電磁波検出器１００のノイズが低下する。このため、多層グラフェンが用いられた二次元材料層１を有する電磁波検出器１００では、光吸収が増加されるため、電磁波の検出感度が向上する。

また、二次元材料層１としてナノリボン状のグラフェン（グラフェンナノリボン）が用いられてもよい。二次元材料層１は、グラフェンナノリボン単体であってもよい。二次元材料層１の構造は、複数のグラフェンナノリボンが積層された構造であってもよい。二次元材料層１の構造は、グラフェンナノリボンが平面上に周期的に配列された構造であってもよい。二次元材料層１の構造がグラフェンナノリボンが周期的に配列された構造である場合、グラフェンナノリボンにおいてプラズモン共鳴を発生するため、電磁波検出器１００の感度が向上する。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。つまり、二次元材料層１としてグラフェンメタマテリアルが用いられた電磁波検出器１００では、上述の効果が得られる。

二次元材料層１の端部はグラフェンナノリボンであってもよい。この場合、グラフェンナノリボンはバンドギャップを有するため、グラフェンナノリボンと半導体部分との接合領域においてショットキー接合が形成される。

二次元材料層１の第２部分１ｂが第１電極部２ａに接触することによって、第１電極部２ａから二次元材料層１にキャリアがドープされる。例えば、二次元材料層１がグラフェンであり第１電極部２ａが金（Ａｕ）である場合、キャリアは正孔である。グラフェンの仕事関数と金（Ａｕ）の仕事関数との差によって、第１電極部２ａに接している第２部分１ｂに正孔がドープされる。第２部分１ｂに正孔がドープされた状態において、電磁波検出器１００が電子伝導状態で駆動すると、正孔の影響によって、チャネル内に流れる電子の移動度が低下する。このため、二次元材料層１と第１電極部２ａとのコンタクト抵抗が増加する。特に、二次元材料層１の全ての領域が単層グラフェンによって形成されている場合、第１電極部２ａから二次元材料層１に注入されるキャリアの量（ドープ量）が大きい。このため、電磁波検出器１００の電界効果の移動度の低下は、顕著である。したがって、二次元材料層１の全ての領域が単層グラフェンによって形成されている場合、電磁波検出器１００の性能は低下する。

また、多層グラフェンに第１電極部２ａからドープされるキャリアの量は、単層グラフェンに第１電極部２ａからドープされるキャリアの量よりも小さい。このため、キャリアがドープされやすい第１部分１ａおよび第２部分１ｂが多層グラフェンから形成されることによって、二次元材料層１と第１電極部２ａとの間のコンタクト抵抗の増加を抑制することができる。これにより、電磁波検出器１００の電界効果の移動度の低下を抑制することができるため、電磁波検出器１００の性能を向上させることができる。

＜第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂの構成＞
第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂの材料は、導電体であれば任意の材料であってよい。第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂの材料は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）およびパラジウム（Ｐｄ）の少なくともいずれかを含んでいてもよい。第１電極部２ａと絶縁膜３との間または第２電極部２ｂと半導体層４との間に、図示されない密着層が設けられていてもよい。密着層は、密着性を高めるように構成されている。密着層の材料は、例えば、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）等の金属材料を含んでいる。

＜絶縁膜３の構成＞
絶縁膜３の材料は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）である。絶縁膜３の材料は、酸化ケイ素に限られず、例えば、オルトケイ酸テトラエチル（Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、窒化ボロン（ＢＮ）（ボロンナイトライド）、シロキサン系のポリマー材料であってもよい。例えば、窒化ボロン（ＢＮ）の原子配列は、グラフェンの原子配列と似ている。このため、窒化ボロン（ＢＮ）がグラフェンからなる二次元材料層１に接触する場合、二次元材料層１の電子移動度の低下が抑制される。よって、窒化ボロン（ＢＮ）は、二次元材料層１の下に配置される下地膜としての絶縁膜３に好適である。

絶縁膜３の厚さは、第１電極部２ａが半導体層４に対して電気的に絶縁され、かつトンネル電流が第１電極部２ａと半導体層４との間に生じない限りにおいて、特に制限されない。また、絶縁層は、二次元材料層１の下方に配置されていなくてもよい。

＜半導体層４の構成＞
半導体層４の材料は、例えば、珪素（Ｓｉ）等の半導体材料である。具体的には、半導体層４は、不純物がドープされたシリコン基板等である。

半導体層４は、多層構造であってもよい。また、半導体層４は、ｐｎ接合フォトダイオード、ｐｉｎフォトダイオード、ショットキーフォトダイオード、アバランシェフォトダイオードであってもよい。また、半導体層４は、フォトトランジスタであってもよい。

本実施の形態においては半導体層４を構成する材料がシリコン基板である場合が説明されたが、半導体層４の材料は他の材料であってもよい。半導体層４の材料は、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ＩＩＩ－Ｖ族半導体またはＩＩ－Ｖ族半導体などの化合物半導体、テルル化カドミウム水銀（ＨｇＣｄＴｅ）、アンチモン化イリジウム（ＩｎＳｂ）、鉛セレン（ＰｂＳｅ）、鉛硫黄（ＰｂＳ）、カドミウム硫黄（ＣｄＳ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化インジウムガリウム（ＩｎＧａＡｓ）、ヒ化インジウム（ＩｎＡｓ）である。半導体層４は、量子井戸または量子ドットを含む基板であってもよい。半導体層４の材料は、ＴｙｐｅＩＩ超格子であってもよい。半導体層４の材料は、上記の材料の単体であってもよいし、上記の材料を組み合わせた材料であってもよい。

半導体層４は、抵抗率が１００Ω・ｃｍ以下になるように不純物がドーピングされていることが望ましい。半導体層４が高濃度にドーピングされることで半導体層４内における光キャリアの読み出し速度（移動速度）が向上するため、電磁波検出器１００の応答速度が向上する。

半導体層４の厚みは、１０μｍ以下であることが望ましい。半導体層４の厚みが小さくなることで、光キャリアの失活が小さくなる。

＜強誘電体層５の構成＞
強誘電体層５の材料は、検出波長を有する電磁波が強誘電体層５に入射した際に分極が生じる材料であれば適宜に決められてもよい。強誘電体層５の材料は、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム（ＳＢＴ）、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）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、異なる複数の強誘電体材料が積層または混合されることで構成されていてもよい。

強誘電体層５の材料は、焦電効果を奏する焦電体であれば、上記の材料に限られない。具体的には、強誘電体層５の材料は、強誘電体層５の内部の熱エネルギーの変化に対して分極変化が生じる強誘電体であればよい。なお、焦電効果において電磁波は単に熱源として作用する。このため、焦電効果には、基本的に波長依存性はない。よって、強誘電体層５には、基本的に波長依存性はない。したがって、強誘電体層５は、広帯域の電磁波に感度を有する。

強誘電体層５の材料は、自発分極を有する材料であってもよい。強誘電体層５の材料が自発分極を有する材料である場合には、電磁波の照射によって強誘電体層５の温度が上昇することで自発分極が減少する。このため、強誘電体層５から二次元材料層１および半導体層４に注入される光キャリアは減少する。

好ましくは、強誘電体層５は、強誘電体層５内における誘電分極の変化速度が可能な限り速くなるように構成されている。具体的には、強誘電体層５の厚さ（膜厚）は、二次元材料層１と半導体層４との間に電圧を印加可能な範囲で薄いことが望ましい。

強誘電体層５の厚さは、電磁波が二次元材料層１に照射された際に、二次元材料層１と半導体層４との間に可能な限り大きい電圧が印加される厚さであることが望ましい。また、強誘電体層５の分極方向は、特に制限されないが、二次元材料層１と半導体層４との間に電圧が印加される方向であることが望ましい。

強誘電体層５上には、図示されない保護膜が設けられていてもよい。図示されない保護膜は、二次元材料層１、第１電極部２ａおよび半導体層４を覆うように設けられていてもよい。保護膜の材料は、例えば、酸化物または窒化物等の絶縁体である。保護膜の材料は、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化ボロン（ＢＮ）（ボロンナイトライド）等である。

電磁波検出器１００は、図示されないモット絶縁体をさらに含んでいてもよい。図示されないモット絶縁体は、光が照射されることによって光誘起相転移が生じることで温度等の物性が変化するように構成されている。図示されないモット絶縁体は、強誘電体層５と接触している。

＜電磁波検出器１００の製造方法＞
次に、図１を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の製造方法を説明する。

電磁波検出器１００の製造方法は、準備工程、第２電極部形成工程、強誘電体層形成工程、絶縁膜形成工程、第１電極部形成工程、開口部形成工程、二次元材料層形成工程を含んでいる。

まず、準備工程が実施される。準備工程では、図１に示されるように、ケイ素（Ｓｉ）等を含む平坦な半導体基板が半導体層４として準備される。半導体基板の材料は、予め定められた検出波長に感度を有している材料である。

続いて、第２電極部形成工程が実施される。第２電極部形成工程では、半導体層４の第１面４ａに保護膜が形成される。保護膜は、例えば、レジストである。半導体層４の第１面４ａが保護膜によって保護された状態で、半導体層４の第２面４ｂに第２電極部２ｂが成膜される。第２電極部２ｂが成膜される前に、第２電極部２ｂが成膜される半導体層４の第２面４ｂの領域に図示されない密着層が形成されてもよい。なお、第２電極部形成工程は、半導体層４の第１面４ａが保護膜によって保護されている限り、強誘電体層形成工程から二次元材料層１形成工程までのいずれの工程の後に実施されてもよい。

続いて、強誘電体層形成工程が実施される。強誘電体層形成工程では、半導体層４上に強誘電体層５が形成される。強誘電体層を形成する方法は、適宜に決められてもよい。例えば、強誘電体層５がポリマー系材料によって形成される場合、スピンコート法等によってポリマー膜が形成された後にフォトリソグラフィ法によってポリマー膜が加工されることで、強誘電体層５が形成される。強誘電体層５の材料がポリマー系材料とは異なる材料である場合には、スパッタ、蒸着または金属有機物分解法（ＭＯＤコート法、ＭＯＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等によって強誘電体層５が形成された後に、フォトリソグラフィ法によって強誘電体層５がパターニングされる。また、リフトオフと呼ばれる方法が用いられてもよい。リフトオフと呼ばれる方法では、レジストマスクがマスクとして用いられることで強誘電体層５が成膜された後に、レジストマスクが除去される。

続いて、絶縁膜形成工程が実施される。絶縁膜形成工程では、半導体層４および強誘電体層５の表面上に絶縁膜３が形成される。例えば、半導体層４の材料がケイ素（Ｓｉ）である場合、絶縁膜３は熱酸化した酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）であってもよい。また、絶縁膜３の成膜方法は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法またはスパッタリング法であってもよい。

続いて、第１電極部形成工程が実施される。第１電極部形成工程では、絶縁膜３上に第１電極部２ａが形成される。第１電極部２ａが形成される前に、第１電極部２ａが形成される絶縁膜３の領域に密着層が形成されてもよい。

第１電極部２ａの形成方法として、例えば、以下のプロセスが用いられる。まず、絶縁膜３上に写真製版または電子線（ＥＢ：Electron Beam）描画などによってレジストマスクが形成される。第１電極部２ａが形成されるレジストマスクの領域には、開口した部分が形成される。その後、レジストマスク上に、第１電極部２ａとなる金属などの膜が形成される。当該膜の形成には、蒸着法またはスパッタリング法などが用いられる。このとき、当該膜はレジストマスクの開口領域の内部から当該レジストマスクの上部表面にまで延在するように形成される。その後、レジストマスクが当該膜の一部と共に除去される。レジストマスクの開口領域に配置されていた膜の他の一部が絶縁膜３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。

第１電極部２ａの形成方法として、他の方法が用いられてもよい。例えば、絶縁膜３上に第１電極部２ａとなる金属膜などの膜が先に成膜される。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が形成される。レジストマスクは、第１電極部２ａが形成される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またはドライエッチングにより、レジストマスクをマスクとして当該膜が部分的に除去される。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、レジストマスクが除去される。このようにして、第１電極部２ａが形成されてもよい。

続いて、開口部形成工程が実施される。開口部形成工程では、絶縁膜３に開口部ＯＰが形成される。具体的には、絶縁膜３上に写真製版または電子線描画などによって図示されないレジストマスクが形成される。絶縁膜３の開口部ＯＰが形成されるレジストマスクの領域に開口した部分が形成されている。その後、レジストマスクをエッチングマスクとして絶縁膜３がエッチングされる。エッチングの手法は、上記ウェットエッチングおよび上記ドライエッチングのいずれかから適宜に選択され得る。エッチング後に、レジストマスクが除去される。なお、開口部形成工程は、第１電極部形成工程よりも前に実施されてもよい。

続いて、二次元材料層形成工程が実施される。二次元材料層形成工程では、第１電極部２ａ、絶縁膜３および開口部ＯＰの内部において露出する半導体層４が二次元材料層１によって覆われるように二次元材料層１が形成される。二次元材料層１の形成方法は、特に制限されない。二次元材料層１は、例えばエピタキシャル成長によって形成されてもよいし、スクリーン印刷法によって形成されてもよい。また、二次元材料層１は、予めＣＶＤ法により成膜された二次元材料膜が転写されて貼り付けられることによって形成されてもよい。二次元材料層１は、機械剥離等により剥離されたフィルム状の二次元材料膜が転写されて貼り付けられることによって形成されてもよい。

二次元材料層１が形成された後、写真製版などによって二次元材料層１の上にレジストマスクが形成される。レジストマスクは、二次元材料層１が形成される領域を覆うとともに、それ以外の領域を露出するように形成される。その後、レジストマスクをエッチングマスクとして二次元材料層１がエッチングされる。エッチングの手法は、例えば酸素プラズマによるドライエッチングである。その後、レジストマスクが除去される。これにより、図１に示される二次元材料層１が形成される。

以上の工程によって、電磁波検出器１００が製造される。
なお、上述された製造方法では第１電極部２ａの上に二次元材料層１が形成されたが、絶縁膜３上に二次元材料層１が形成された後に当該二次元材料層１の一部上に重なるように第１電極部２ａが形成されてもよい。ただし、第１電極部２ａの形成時に、二次元材料層１が第１電極部２ａの形成プロセスによって損傷しないように注意する必要がある。例えば、二次元材料層１において第１電極部２ａが重ねられる領域の他の領域が保護膜等によって予め覆われた状態で第１電極部２ａが形成されることで、第１電極部２ａの形成プロセスによって損傷することが抑制される。

＜電磁波検出器１００の動作原理＞
次に、図１を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の動作原理を説明する。

図１に示されるように、まず、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に電圧計ＶＭまたは電流計ＩＭ（図５参照）が電気的に接続される。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が順に電気的に接続される。電圧計ＶＭまたは電流計ＩＭ（図５参照）によって二次元材料層１に流れる電流の電圧または電流が計測される。なお、バイアス電圧は二次元材料層１に印加されなくてもよい。バイアス電圧が二次元材料層１に印加されない場合、電圧が印加されていないため暗電流がゼロになる。すなわち、電磁波検出器１００は、ＯＦＦ動作を行う。

次に、強誘電体層５に電磁波が照射される。強誘電体層５の焦電効果によって、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、半導体層４に強誘電体層５から電荷が注入される。このため、電磁波検出器１００に対して擬似的にバイアス電圧が印加される。よって、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の抵抗が変化する。二次元材料層１内のフェルミレベルが変化することで電磁波検出器１００の抵抗が変化する現象は、光バイアス効果と呼ばれる。第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の抵抗の変化によって、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の電圧および電流が変化する。電圧および電流の変化のいずれかが検出されることによって、電磁波検出器１００に照射された電磁波を検出することができる。

第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間にさらに電圧が印加されてもよい。好ましくは、電圧は、二次元材料層１と半導体層４とのショットキー接合に対して順バイアスになるように設定される。電圧が印加されることによって、第１電極部２ａとの第２電極部２ｂとの間に配置された二次元材料層１には電流が流れる。なお、第１電極部２ａから第２電極部２ｂまでは電流が流れる経路となるため、二次元材料層１も電流が流れる経路となる。例えば、半導体層４を構成する半導体がｐ型材料の珪素（Ｓｉ）からなり、二次元材料層１がｎ型材料の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によって接合される。これにより、ショットキー接合に対して順バイアスが印加されるように電圧が調整されることで、強誘電体層５の誘電分極が微小である場合であっても、電流の変化量を増幅することができる。

また、電磁波が強誘電体層５に照射されることで、焦電効果によって強誘電体層５の誘電分極が変化するため、二次元材料層１または半導体層４のフェルミレベルが変調する。このため、二次元材料層１と半導体層４との間のエネルギー障壁が低下する。これにより、電磁波検出器１００に電磁波が照射された時にのみ電流が半導体層４を流れるため、電磁波検出器１００に電磁波が照射された時にのみ電流を検出することができる。

また、電磁波検出器１００は、上記のような電流の変化が検出される構成に限定されない。例えば、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に一定の電流が流された状態で、電磁波検出器１００に電磁波が照射されたときの第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の電圧の変化が検出されてもよい。なお、電磁波検出器１００に電磁波が照射されたときの第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間の電圧の変化は、二次元材料層１での電圧の変化である。

また、上述された電磁波検出器１００が第１の電磁波検出器として配置され、第１の電磁波検出器と同じ構成を有する第２の電磁波検出器がさらに配置されてもよい。第１の電磁波検出器は、電磁波が照射される空間に配置される。第２の電磁波検出器は、電磁波が遮蔽された空間に配置される。第１の電磁波検出器の電流と第２の電磁波検出器の電流との差分が検出されることで検出されてもよい。第１の電磁波検出器の電圧と第２の電磁波検出器の電圧との差分が検出されることで検出されてもよい。

＜電磁波検出器１００の動作＞
次に、図１を用いて、実施の形態１に係る電磁波検出器１００の具体的な動作について説明する。なお、半導体層４としてｐ型珪素（Ｓｉ）、二次元材料層１としてグラフェン、強誘電体層５としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）が用いられた場合について説明される。

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電圧計ＶＭが接続される。電磁波検出器１００の検出波長は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）の吸収波長に応じて定まる。

検出波長を有する電磁波が強誘電体層５に入射することで、焦電効果によって強誘電体層５において誘電分極の変化が生じる。強誘電体層５における分極変化によって、電磁波検出器１００内において電圧変化が生じる。これは、上述された光バイアス効果による現象である。二次元材料層１を構成するグラフェンにおけるキャリアの移動度が大きいため、わずかな電圧変化に対して大きな変位電流が得られる。このため、強誘電体層５の焦電効果によって二次元材料層１のフェルミレベルは大きく変化する。これにより、二次元材料層１と半導体層４とのエネルギー障壁が低下する。よって、第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間には、大きな電圧変化または電流変化が生じる。以上より、強誘電体層５の焦電効果によって、電磁波検出器１００における電圧変化および電流変化が生じる。

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定されている場合には、電磁波が電磁波検出器１００に入射してから二次元材料層１において抵抗の変化が生じるまでの時間が短くなる。これにより、光バイアス効果によるキャリアの増幅の遅延が抑制されるため、電磁波検出器１００の応答速度が大きくなる。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図１に示されるように、強誘電体層５は、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂおよび半導体層４の少なくともいずれかと電気的に接続されている。強誘電体層５の焦電効果によって、電磁波検出器１００における電圧変化および電流変化が生じる。強誘電体層５の焦電効果は、電磁波の波長に依存しない。このため、電磁波検出器１００の感度は、半導体層４の量子効率に依存しない。よって、半導体層４の量子効率が低下する波長であっても、電磁波検出器１００の感度が低下することが抑制される。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。具体的には、量子効率１００％を超える高感度化が可能となる。

より詳細には、焦電効果による強誘電体層５における分極に起因した二次元材料層１における電流の変化量は、通常の半導体における電流の変化量よりも大きい。特に、二次元材料層１では、通常の半導体と比較して、小さな電圧変化に対して大きな電流変化が生じる。例えば、二次元材料層１として単層のグラフェンが用いられた場合、二次元材料層１の厚みは原子層１層分であるため極めて薄い。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および厚み等から算出される二次元材料層１での電流の変化量は、通常の半導体における電流の変化量の数百倍から数千倍程度である。なお、上記の強誘電体層５の焦電効果によって電磁波検出器１００に擬似的にバイアス電圧が印加されることで二次元材料層１のフェルミレベルが大きく変化し、二次元材料層１と半導体層４とのエネルギー障壁が変化する効果は、光バイアス効果と呼ばれる。

光バイアス効果によって、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。光バイアス効果は、通常の半導体のように光電変換材料の量子効率を直接的に増強するものではなく、電磁波の入射による電流の変化量を大きくするものである。このため、電磁波の入射による差分電流から算出された電磁波検出器１００の量子効率は、１００％を超えることができる。よって、本実施の形態に係る電磁波検出器１００による電磁波の検出感度は、半導体電磁波検出器または光バイアス効果が適用されていないグラフェン電磁波検出器と比較して、高い。

図１に示されるように、電磁波検出器１００では、二次元材料層１に対して強誘電体層５から生じる電界が遮蔽されている。より具体的には、強誘電体層５の二次元材料層１に向かい合う部分と二次元材料層１とは、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂおよび半導体層４の少なくともいずれかを挟み込んでいるため、二次元材料層１に対して強誘電体層５から生じる電界が遮蔽されている。すなわち、二次元材料層１に電界効果が及ぶことが抑制されている。仮に強誘電体層５から生じる電界が二次元材料層１に対して遮蔽されない場合、二次元材料層１のフェルミレベルは強誘電体層５から生じた電界の電界効果によって著しく変化する。このため、電磁波検出器１００の特性が変化することで電磁波検出器１００の検出感度が低下する可能性がある。本実施の形態では、二次元材料層１に対して強誘電体層５から生じる電界が遮蔽されているため、電磁波検出器１００の検出感度の低下を抑制することができる。

図１に示されるように、二次元材料層１は、開口部ＯＰにおいて半導体層４に電気的に接続されている。二次元材料層１は、開口部ＯＰにおいて半導体層４にショットキー接合によって接合されている。このため、二次元材料層１に逆バイアスが印加された際には二次元材料層１に電流が流れない。すなわち、二次元材料層１に暗電流が流れることを抑制することができる。よって、電磁波検出器１００は、ＯＦＦ動作が可能となる。また、二次元材料層１に順バイアスが印加された際には、小さな電圧変化で大きな電流変化を得ることができる。このため、電磁波検出器１００の感度が向上する。これにより、電磁波検出器１００の感度の向上と電磁波検出器１００のＯＦＦ動作とを両立することができる。

図１に示されるように、絶縁膜３には、開口部ＯＰが形成されている。このため、電磁波検出器１００は、開口部ＯＰを通って半導体層４に入射した電磁波も同時に検出することができる。半導体層４に電磁波が入射することで、半導体層４に光キャリアが生じる。光キャリアは、二次元材料層１を通って第１電極部２ａに出力される。二次元材料層１は、絶縁膜３に配置された部分（第３部分１ｃ）を有している。このため、半導体層４で生じた光キャリアによる電界変化が絶縁膜３を介して二次元材料層１に印加される。二次元材料層１が第３部分１ｃを有していない場合と比べて、光ゲート効果による二次元材料層１の導電率がさらに大きく変調されやすい。このため、電磁波検出器１００の感度が向上する。

また、電磁波検出器１００に電磁波が照射された際の電流の変化量は、二次元材料層１における光電変換によって生じた光電電流による変化を含んでいる。このため、電磁波検出器１００に電磁波が照射されることで、上記の光バイアス効果、光ゲート効果および光電変換が生じる。よって、電磁波検出器１００は、光バイアス効果、光ゲート効果および光電変換による電流の変化を検出することができる。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。

図１に示されるように、電磁波検出器１００は、電圧計ＶＭおよび電流計ＩＭの少なくともいずれかが第１電極部２ａと第２電極部２ｂとの間に流れる電流の電圧および電流の少なくともいずれかの変化を検出することで電磁波を検出するように構成されている。このため、電圧計ＶＭおよび電流計ＩＭの少なくともいずれかを用いて電磁波を検出することができる。

二次元材料層１は、グラフェン、遷移金属ダイカルコゲナイド、黒リン、シリセン、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料を含んでいる。このため、本実施の形態の作用効果を確実に得ることができる。

強誘電体層５は、二次元材料層１と半導体層４とに対して順バイアス方向に電圧が印加されるように配置されている。小さな電圧変化に対して大きな光電流を得ることができる。このため、電磁波検出器１００の感度が向上する。

半導体層４に珪素（Ｓｉ）が用いられてもよい。このため、半導体層４中に読出回路を形成することができる。これにより、電磁波検出器１００の外部に他の回路をさらに形成する必要をなくすことができる。

実施の形態２．
次に、図７～図１０を用いて、実施の形態２に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。図９は、図７のＩＸ－ＩＸ線における断面図である。図１０は、図８のＸ－Ｘ線における断面図である。

図７および図８に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、強誘電体層５は、二次元材料層１と平面視で重ならないように配置されている。すなわち、強誘電体層５は、平面視において二次元材料層１に対してずれて配置されている。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、強誘電体層５が二次元材料層１と平面視で重ならないように配置されている点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００十は異なっている。なお、本実施の形態において、平面視とは、第１電極部２ａから第２電極部２ｂ（図９および図１０参照）に向かう方向に沿って電磁波検出器１００を見ることである。

強誘電体層５に生じる電界は、第１電極部２ａから第２電極部２ｂに向かう方向に沿って生じる。すなわち、強誘電体層５に生じる電界は、平面視の方向に沿って生じる。

強誘電体層５が二次元材料層１と平面視で重ならないように配置されていれば、図９に示されるように、強誘電体層５は第１電極部２ａ上に配置されていてもよい。強誘電体層５が二次元材料層１と平面視で重ならないように配置されていれば、図１０に示されるように、強誘電体層５は半導体層４上に配置されていてもよい。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図７および図８に示されるように、強誘電体層５は、二次元材料層１と平面視で重ならないように配置されている。このため、強誘電体層５に生じた電界が二次元材料層１に及ぶことを抑制することができる。すなわち、二次元材料層１に電界効果が及ぶことが抑制されている。仮に強誘電体層５から生じる電界が二次元材料層１に対して遮蔽されない場合、二次元材料層１のフェルミレベルは強誘電体層５から生じた電界の電界効果によって著しく変化する。このため、電磁波検出器１００の特性が変化することで電磁波検出器１００の検出感度が低下する可能性がある。本実施の形態では、二次元材料層１と平面視で重ならないように配置されているため、電磁波検出器１００の検出感度の低下を抑制することができる。

実施の形態３．
次に、図１１および図１２を用いて、実施の形態３に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態３は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１１および図１２に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、第３電極部２ｃをさらに含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、電磁波検出器１００が第３電極部２ｃをさらに含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。第３電極部２ｃは、第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂのいずれかとで強誘電体層５を挟み込んでいる。第３電極部２ｃは、強誘電体層５に接触している。電磁波検出器１００は、第３電極部２ｃから出力された検出信号を検出するように構成されている。すなわち、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、第３電極部２ｃと第１電極部２ａまたは第２電極部２ｂ間から電気信号を取り出すことを特徴としている。強誘電体層５の分極方向は、電極が形成された面に対して直交していることが好ましい。電磁波検出器１００が電源ＰＷ（図６参照）を含んでいる場合には、電源ＰＷ（図６参照）によって第３電極部２ｃに電圧が印加されてもよい。

図１１では、強誘電体層５は、第１電極部２ａに対して半導体層４とは反対側に配置されている。第３電極部２ｃは、強誘電体層５に対して第１電極部２ａとは反対側に配置されている。このため、第３電極部２ｃは、第１電極部２ａとで強誘電体層５を挟み込んでいる。好ましくは、第３電極部２ｃは、第１電極部２ａとで強誘電体層５を直接挟み込んでいる。

図１２では、強誘電体層５は、第２電極部２ｂに対して半導体層４とは反対側に配置されていてもよい。第３電極部２ｃは、強誘電体層５に対して第２電極部２ｂとは反対側に配置されていてもよい。このため、第３電極部２ｃは、第２電極部２ｂとで強誘電体層５を挟み込んでいる。好ましくは、第３電極部２ｃは、第２電極部２ｂとで強誘電体層５を直接挟み込んでいる。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図１１および図１２に示されるように、第３電極部２ｃは、第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂのいずれかで半導体層４を挟み込んでいる。このため、電磁波検出器１００は、第３電極部２ｃと第１電極部２ａまたは第２電極部２ｂ間から電気信号を取り出すことを特徴としている。よって、強誘電体層５の分極変化によって生じた電荷を、第３電極部２ｃを介して効率的に取り出すことができる。よって、電磁波検出器１００の感度が向上する。また、検出信号は、強誘電体層５および第３電極部２ｃを通ってから出力される。強誘電体層５は高い絶縁性能を有しているため、電磁波検出器１００の暗電流を低減することができる。このため、電磁波検出器１００の感度が向上する。また、第３電極に電圧を印加することで強誘電体層５の分極を制御することができる。これにより、電磁波の照射による分極変化を大きくすることができる。このため、電磁波検出器１００の感度が向上する。

実施の形態４．
次に、図１３を用いて、実施の形態４に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態４は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１３に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、トンネル絶縁層６をさらに含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、電磁波検出器１００がトンネル絶縁層６をさらに含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。トンネル絶縁層６は、二次元材料層１と半導体層４とに挟み込まれている。トンネル絶縁層６は、半導体層４と第１部分１ａとを電気的に接続している。このため、本実施の形態において、第１部分１ａは、トンネル絶縁層６を介して半導体層４に接続されている。トンネル絶縁層６は、開口部ＯＰの内部に配置されている。

トンネル絶縁層６は、検出波長を有する電磁波が二次元材料層１および強誘電体層５に入射した際に二次元材料層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している。トンネル絶縁層６は、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下の厚さを有する絶縁層である。絶縁層は、例えば、アルミナ（酸化アルミニウム）または酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）などの金属酸化物、酸化ケイ素（ＳｉＯ）または窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）などの半導体を含む酸化物、窒化ホウ素（ＢＮ）等の窒化物の少なくともいずれか１つを含む。

トンネル絶縁層６の作製方法は、適宜に決められてもよいが、例えばＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、真空蒸着法、およびスパッタ法などから選択され得る。また、トンネル絶縁層６は、半導体層４の表面を酸化または窒化させることにより形成されてもよい。また、トンネル絶縁層６は、半導体層４の表面に形成される自然酸化膜であってもよい。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図１３に示されるように、トンネル絶縁層６は、二次元材料層１と半導体層４とに挟み込まれている。トンネル絶縁層６は、検出波長を有する電磁波が二次元材料層１および強誘電体層５に入射した際に二次元材料層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している。このため、電磁波の入射によってトンネル電流が生じる。よって、半導体層４およびトンネル絶縁層６を通って二次元材料層１に注入される光電流の注入効率が向上する。これにより、二次元材料層１に大きな光電流が注入される。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。また、トンネル絶縁層６によって、二次元材料層１と半導体層４との接合界面における漏れ電流を抑制することができる。これにより、暗電流を低減することができる。

実施の形態５．
次に、図１４を用いて、実施の形態５に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態５は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１４に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、接続導電体ＣＣをさらに含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、電磁波検出器１００が接続導電体ＣＣをさらに含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。二次元材料層１は、接続導電体ＣＣを介して半導体層４に電気的に接続されている。接続導電体ＣＣは、開口部ＯＰの内部に配置されている。

接続導電体ＣＣの上面には、二次元材料層１が重ねられている。接続導電体ＣＣの下面は、半導体層４の第１面４ａに電気的に接続されている。二次元材料層１は、接続導電体ＣＣの上面に電気的に接続されている。接続導電体ＣＣの上面の位置は、絶縁膜３の上面の位置と同じである。二次元材料層１は、絶縁膜３の上面から接続導電体ＣＣの上面上にまで、屈曲することなく平面状に延びている。

接続導電体ＣＣと二次元材料層１とのコンタクト抵抗は、二次元材料層１と半導体層４とのコンタクト抵抗よりも小さい。接続導電体ＣＣと半導体層４とのコンタクト抵抗は、二次元材料層１と半導体層４とのコンタクト抵抗よりも小さい。接続導電体ＣＣと二次元材料層１とのコンタクト抵抗および接続導電体ＣＣと半導体層４とのコンタクト抵抗の和は、二次元材料層１と半導体層４とのコンタクト抵抗よりも小さい。

電磁波が接続導電体ＣＣを通って強誘電体層５に入射する場合には、接続導電体ＣＣは、電磁波が検出する電磁波の波長（検出波長）において高い透過率を有していることが望ましい。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図１４に示されるように、二次元材料層１は、接続導電体ＣＣを介して半導体層４に電気的に接続されている。接続導電体ＣＣと二次元材料層１とのコンタクト抵抗および接続導電体ＣＣと半導体層４とのコンタクト抵抗の和は、二次元材料層１と半導体層４とのコンタクト抵抗よりも小さい。このため、二次元材料層１と半導体層４とが直接接合される場合よりも、コンタクト抵抗を低減することができる。よって、電磁波の検出信号の減衰を抑制することができる。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。また、接続導電体ＣＣと半導体層４とがショットキー接合によって接合されるため、暗電流を抑制することができる。

接続導電体ＣＣの上面の位置は、絶縁膜３の上面の位置と同じであることが好ましい。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。このため、電磁波検出器１００の検出感度を向上させることができる。

実施の形態６．
次に、図１５～図１７を用いて、実施の形態６に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態６は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図１５に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、二次元材料層１は、複数の第１部分１ａを含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、二次元材料層１が複数の第１部分１ａを含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。複数の第１部分１ａは、半導体層４上に配置されている。複数の第１部分１ａは、互いに間隔を空けて配置されている。

本実施の形態において、開口部ＯＰは、第１開口領域ＯＰ１、第２開口領域ＯＰ２および第３開口領域ＯＰ３を含んでいる。第１開口領域ＯＰ１、第２開口領域ＯＰ２および第３開口領域ＯＰ３は、互いに間隔を空けて配置されている。第１開口領域ＯＰ１、第２開口領域ＯＰ２および第３開口領域ＯＰ３の各々は、絶縁膜３を貫通している。半導体層４は、第１開口領域ＯＰ１、第２開口領域ＯＰ２および第３開口領域ＯＰ３の各々において絶縁膜３から露出している。二次元材料層１は、絶縁膜３上から第１開口領域ＯＰ１、第２開口領域ＯＰ２および第３開口領域ＯＰ３の各々の内部まで延在している。二次元材料層１は、第１開口領域ＯＰ１、第２開口領域ＯＰ２および第３開口領域ＯＰ３において半導体層４に接触している。

電磁波検出器１００は、１つの画素として構成されている。例えば、電磁波検出器１００は四角形の平面形状を有する１つの画素として構成されている。電磁波が強誘電体層５に入射する際に、第１電極部２ａの面積が可能な限り小さいことが望ましい。このため、第１電極部２ａは、半導体層４の四隅のうち第１の角に配置されている。また、第１開口領域ＯＰ１は、半導体層４の四隅のうち第２の角に配置されている。第２開口領域ＯＰ２は、半導体層４の四隅のうち第３の角から第４の角にわたって配置されている。これにより、第１電極部２ａによる電磁波の減衰が抑制され、かつ二次元材料層１と強誘電体層５との接触面積が増加する。よって、二次元材料層１において強誘電体層５の分極変化（焦電効果）による影響を受ける領域が大きくなるため、電磁波検出器１００の感度が向上する。なお、第１電極部２ａの面積および開口部ＯＰの面積は、可能な限り小さいことが望ましい。

図１６に示されるように、複数の第１部分１ａの第１の第１部分１ａ１は、第１開口領域ＯＰ１において半導体層４に接触している。図１７に示されるように、複数の第１部分１ａの第２の第１部分１ａ２は、第２開口領域ＯＰ２において半導体層４に接触している。複数の第１部分１ａの第３の第１部分１ａ３は、第３開口領域ＯＰ３において半導体層４に接触している。

次に、図１８および図１９を用いて、実施の形態６の第１の変形例に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。図１９は、図１８のＸＩＸ－ＸＩＸ線における断面図である。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、図１８および図１９に示されるように、二次元材料層１は、複数の第２部分１ｂを含んでいる。複数の第２部分１ｂは、第１電極部２ａ上に配置されている。複数の第２部分１ｂは、互いに間隔を空けて配置されている。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、３つの第１電極部２ａを含んでいる。二次元材料層１は、３つの第２部分１ｂを含んでいる。３つの第１電極部２ａは、半導体層４の四隅のうち第１から第３の角に配置されている。また、複数の第２部分１ｂは、第１の第２部分１ｂ１、第２の第２部分１ｂ２および第３の第２部分１ｂ３を含んでいる。第１の第２部分１ｂ１、第２の第２部分１ｂ２および第３の第２部分１ｂ３の各々は、第１から第３の角にそれぞれ配置されている。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図１５に示されるように、複数の第１部分１ａは、互いに間隔を空けて配置されている。このため、第１部分１ａが単体である場合よりも、複数の第１部分１ａを通って第１電極部２ａと半導体層４との間を流れる光電流が二次元材料層１において局所的に流れることを抑制することができる。また、第１部分１ａが単体である場合よりも、二次元材料層１と半導体層４との接触面積を大きくすることが容易である。このため、二次元材料層１を流れる光電流が分散する。よって、強誘電体層５の焦電効果に起因して二次元材料層１において電流が流れる領域が大きくなる。したがって、電磁波検出器１００の検出感度が向上する。

本実施の形態の第１の変形例に係る電磁波検出器１００によれば、図１９に示されるように、複数の第２部分１ｂは互いに間隔を空けて配置されている。このため、第２部分１ｂが単体である場合よりも、複数の第２部分１ｂを通って第１電極部２ａと半導体層４との間を流れる光電流が二次元材料層１において局所的に流れることを抑制することができる。また、第２部分１ｂが単体である場合よりも、二次元材料層１と半導体層４との接触面積を大きくすることが容易である。このため、二次元材料層１を流れる光電流が分散する。よって、強誘電体層５の焦電効果に起因して二次元材料層１において電流が流れる領域が大きくなる。したがって、電磁波検出器１００の検出感度が向上する。

実施の形態７．
次に、図２０および図２１を用いて、実施の形態７に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態７は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図２０に示されるように、第１電極部２ａは、平面視において環状を有している。半導体層４は、第１電極部２ａよりも内側において絶縁膜３から露出している。二次元材料層１は、第１電極部２ａよりも内側において半導体層４に電気的に接続されている。第１電極部２ａは、半導体層４の外周に配置されている。

図２１に示されるように、開口部ＯＰは、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、開口部ＯＰを取り囲むように絶縁膜３上に配置されている。二次元材料層１の第１部分１ａは、第１電極部２ａよりも内側において半導体層４に電気的に接続されている。開口部ＯＰは、例えば、半導体層４の中央に配置されている。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。図２０に示されるように、第１電極部２ａは、平面視において環状を有している。このため、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。よって、電磁波検出器１００の感度が向上する。

実施の形態８．
次に、図２２を用いて、実施の形態８に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態８は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図２２に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、半導体層４は、第１半導体部４１と、第２半導体部４２と含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、半導体層４が第１半導体部４１および第２半導体部４２を含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。なお、半導体層４は、図示されない第３半導体部をさらに含んでいてもよい。第１半導体部４１は、第２半導体部４２に接合されている。第１半導体部４１は、第２半導体部４２にｐｎ接合によって接合されている。このため、半導体層４の内部には、ｐｎ接合が形成されている。

第１半導体部４１は、開口部ＯＰにおいて絶縁膜３から露出している。第１半導体部４１は、二次元材料層１を介して第１電極部２ａに電気的に接続されている。第１半導体部４１は、二次元材料層１および絶縁膜３に接触している。第２半導体部４２は、第１半導体部４１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２半導体部４２は、第２電極部２ｂに電気的に接続されている。なお、図２２では、第２半導体部４２は、第１半導体部４１に積層されているが、第１半導体部４１と第２半導体部４２との位置関係はこれに限られない。

第２半導体部４２は、第１半導体部４１とは異なる導電型を有している。第１半導体部４１は、第１導電型を有している。第２半導体部４２は、第２導電型を有している。第１導電型は、第２導電型とは逆の導電型である。例えば、第１半導体部４１の導電型がｎ型である場合、第２半導体の導電型はｐ型である。これにより、半導体層４は、ダイオードとして構成されている。

第２半導体部４２は、第１半導体部４１とは異なる吸収波長を有していてもよい。半導体層４は、強誘電体層５とは異なる波長に感度を有するダイオードとして構成されていてもよい。また、第１半導体部４１および第２半導体部４２は、強誘電体層５とは異なる波長に感度を有するダイオードとして構成されていてもよい。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図２２に示されるように、第１半導体部４１は、第２半導体部４２に接合されている。このため、半導体層４の内部にはｐｎ接合が形成されている。これにより、半導体層４がダイオードとして構成されている。よって、半導体層４に暗電流が流れることを抑制することができる。

第１半導体部４１および第２半導体部４２は、強誘電体層５とは異なる波長に感度を有するダイオードとして構成されている場合、電磁波検出器１００が検出可能な波長は、第１半導体部４１、第２半導体部４２および強誘電体層５の各々がそれぞれ検出可能な波長である。よって、電磁波検出器１００は広帯域の波長を検出することができる。

実施の形態９．
次に、図２３を用いて、実施の形態９に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態９は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図２３に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、強誘電体層５は、第１強誘電体部分５１および第２強誘電体部分５２を含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、強誘電体層５が第１強誘電体部分５１および第２強誘電体部分５２を含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。第１強誘電体部分５１および第２強誘電体部分５２の各々は、二次元材料層１および半導体層４に電気的に接続されている。

第１強誘電体部分５１は、半導体層４、第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂのいずれかに接触して配置されている。本実施の形態において、第１強誘電体部分５１は、第２電極部２ｂ上に配置されている。第２強誘電体部分５２は、第１強誘電体部分５１に対して第２電極部２ｂとは反対側で第１強誘電体部分５１上に配置されている。このため、第１強誘電体部分５１および第２強誘電体部分５２は、積層されている。なお、第１強誘電体部分５１および第２強誘電体部分５２の配置は、これに限られない。

第１強誘電体部分５１および第２強誘電体部分５２の材料は、熱エネルギーの変化に対して分極変化が生じる強誘電体であればよい。第１強誘電体部分５１が吸収可能な電磁波の波長は、第２強誘電体部分５２が吸収可能な電磁波の波長とは異なっている。

次に、図２４を用いて、実施の形態９に係る電磁波検出器１００の第１の変形例の構成を説明する。

図２４に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、第１強誘電体部分５１および第２強誘電体部分５２は、半導体層４の面内方向に沿って並べられている。第１強誘電体部分５１および第２強誘電体部分５２は、半導体層４、第１電極部２ａおよび第２電極部２ｂのいずれかの上において互いに異なる領域に配置されている。

本実施の形態の変形例は、第１強誘電体部分５１および第２強誘電体部分５２の各々が異なる領域に配置されている点で図２３に示された電磁波検出器１００と異なっている。

第１強誘電体部分５１は、平面視において二次元材料層１の第１部分１ａと重なるように配置されている。第２強誘電体部分５２は、平面視において二次元材料層１の第２部分１ｂおよび第３部分１ｃと重なるように配置されている。

第１強誘電体部分５１の分極率は、第２強誘電体部分５２の分極率とは異なっている。例えば、第１強誘電体部分５１の分極率は、第２強誘電体部分５２の分極率よりも高い。第１強誘電体部分５１および第２強誘電体部分５２の分極率は、二次元材料層１の第１部分１ａ、第２部分１ｂおよび第３部分１ｃの各々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。

次に、図２５を用いて、実施の形態９に係る電磁波検出器１００の第２の変形例の構成を説明する。

図２５に示されるように、強誘電体層５は、第１強誘電体部分５１、第２強誘電体部分５２、第３強誘電体部分５３、第４強誘電体部分５４および第５強誘電体部分５５を含んでいる。電磁波検出器１００は、第３電極部２ｃおよび第４電極部２ｄを含んでいる。第１強誘電体部分５１は、第１電極部２ａと第３電極部２ｃとに挟み込まれている。第２強誘電体部分５２は、第１電極部２ａと絶縁膜３とに挟み込まれている。第３強誘電体部分５３は、第２電極部２ｂと半導体層４とに挟み込まれている。第４強誘電体部分５４は、第２電極部２ｂと第４電極部２ｄとに挟み込まれている。第５強誘電体部分５５は、開口部ＯＰにおいて半導体層４上に配置されている。第１強誘電体部分５１、第２強誘電体部分５２、第３強誘電体部分５３、第４強誘電体部分５４および第５強誘電体部分５５の各々の分極方向は電磁波検出器１００にバイアス電圧が印加される方向に沿っていることが好ましい。

なお、第１強誘電体部分５１、第２強誘電体部分５２、第３強誘電体部分５３、第４強誘電体部分５４および第５強誘電体部分５５の配置は上記の配置に限られない。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図２３に示されるように、強誘電体層５は、第１強誘電体部分５１および第２強誘電体部分５２を含んでいる。このため、強誘電体層５が１つの強誘電体部分のみからなる場合よりも強誘電体層５の体積を容易に大きくすることができる。強誘電体層５の体積が大きいほど、強誘電体層５の分極変化が増加する。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。また、複数箇所に強誘電体部分が配置されているため、電磁波検出器１００の電流経路における検出信号の減衰が小さくなる。このため、電磁波検出器１００の感度が向上する。

第１強誘電体部分５１が吸収可能な電磁波の波長は、第２強誘電体部分５２が吸収可能な電磁波の波長とは異なっている。このため、電磁波検出器１００は、第１強誘電体部分５１および第２強誘電体部分５２が吸収可能な電磁波の波長が同じである場合よりも、広帯域の波長を検出することができる。

本実施の形態の第１の変形例に係る電磁波検出器１００によれば、図２４に示されるように、第１強誘電体部分５１の分極率は、第２強誘電体部分５２の分極率とは異なっている。第１強誘電体部分５１は、二次元材料層１の第１部分１ａに電気的に接続されている。第２強誘電体部分５２は、二次元材料層１の第２部分１ｂおよび第３部分１ｃに電気的に接続されている。このため、二次元材料層１の第１部分１ａ、第２部分１ｂおよび第３部分１ｃの各々におけるフェルミレベルが最適になるように第１強誘電体部分５１および第２強誘電体部分５２のフェルミレベルを設計することができる。よって、電磁波検出器１００の感度が向上する。

本実施の形態の第２の変形例に係る電磁波検出器１００によれば、図２５に示されるように、強誘電体層５は、第１強誘電体部分５１、第２強誘電体部分５２、第３強誘電体部分５３、第４強誘電体部分５４および第５強誘電体部分５５を含んでいる。このため、強誘電体層５が第１強誘電体部分５１および第２強誘電体部分５２のみからなる場合よりも、強誘電体層５の体積がさらに大きくなる。よって、強誘電体層５の分極変化がさらに大きくなる。したがって、電磁波検出器１００の感度がさらに向上する。

実施の形態１０．
次に、図２６を用いて、実施の形態１０に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１０は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図２６に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、二次元材料層１は、乱層構造部分１Ｔを含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、二次元材料層１が乱層構造部分１Ｔを含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。乱層構造部分１Ｔは、複数のグラフェン層のそれぞれの格子が不整合な状態で複数のグラフェン層が積層された構造である。なお、二次元材料層１は、二次元材料層１の一部として乱層構造部分１Ｔを含んでいてもよいし、二次元材料層１の全体が乱層構造部分１Ｔからなっていてもよい。本実施の形態に係る二次元材料層１の材料は、積層グラフェンである。

図２６では、二次元材料層１の第３部分１ｃは、乱層構造部分１Ｔからなっている。すなわち、二次元材料層１のうち絶縁膜３上に配置された部分にのみ乱層構造のグラフェンが適用されている。また、二次元材料層１の第１部分１ａおよび第２部分１ｂは、乱層構造部分１Ｔを含まなくてもよい。つまり、二次元材料層１のうち第１電極部２ａ上および半導体層４上に配置された部分は、乱層構造部分１Ｔを含まなくてもよい。第１部分１ａおよび第２部分１ｂは、例えば、単層のグラフェンからなってもよい。第１部分１ａおよび第２部分１ｂが単層のグラフェンからなりかつ第３部分１ｃが乱層構造部分１Ｔを含む場合、二次元材料層１と第１電極部２ａとのコンタクト抵抗および二次元材料層１と半導体層４とのコンタクト抵抗が増加することを抑制でき、かつ二次元材料層１に対する絶縁膜３によるキャリア散乱を抑制することができる。また、図示されないが、二次元材料層１の第１部分１ａおよび第２部分１ｂは、乱層構造部分１Ｔであってもよい。

乱層構造部分１Ｔの作製方法は、適宜に決められてもよい。例えば、ＣＶＤ法で作製された単層のグラフェンが複数回転写され、多層グラフェンが積層されることで乱層構造部分１Ｔが形成されてもよい。また、グラフェン上にエタノールまたはメタンなどが炭素源として配置され、グラフェンがＣＶＤ法によって成長することで乱層構造部分１Ｔが形成されてもよい。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図２６に示されるように、二次元材料層１は、乱層構造部分１Ｔを含んでいる。このため、二次元材料層１におけるキャリア移動度を向上させることができる。よって、電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。

より詳細には、乱層構造部分１Ｔを含まない通常の積層グラフェンは、複数のグラフェンの各々の格子がそれぞれ整合した状態で積層される。この状態は、Ａ－Ｂ積層と呼ばれる。一方、乱層構造部分１Ｔを含む積層グラフェンは、次のように形成される。ＣＶＤ法によって作成されたグラフェンは、多結晶を有する。このため、グラフェンの上にさらにグラフェンが複数回転写された場合、またはＣＶＤ法によって下地のグラフェンを核としてさらにグラフェンが積層された場合には、複数のグラフェンの各々の格子がそれぞれ不整合な状態で積層される。すなわち、グラフェンに乱層構造部分１Ｔが形成される。乱層構造部分１Ｔを構成する乱層構造のグラフェンは、層間の相互作用の影響が少なく、単層グラフェンと同等の性質を持つ。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、乱層構造部分１Ｔにおいて、絶縁膜３に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が向上する。この結果、電磁波検出器１００の感度が向上する。

実施の形態１１．
次に、図２７および図２８を用いて、実施の形態１１に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１１は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。図２７は、図２８のＸＸＶＩＩ－ＸＸＶＩＩ線における断面図である。

図２７に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、導電体７をさらに含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、電磁波検出器１００が導電体７をさらに含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。導電体７は、二次元材料層１に接触するように配置されている。導電体７は、電源回路等に接続されていない。すなわち、導電体７は、フローティング電極として構成されている。導電体７の材料は、電気が通る材料であれば適宜に決められてもよい。導電体７の材料は、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、パラジウム（Ｐｄ）等の金属材料である。導電体７の材料は、好ましくは、導電体７に表面プラズモン共鳴が生じる材料である。

導電体７の形成方法は、適宜に決められてもよい。導電体７の形成方法は、例えば、実施の形態１において説明された第１電極部２ａの製造方法と同じであってもよい。

本実施の形態において、導電体７は、複数の導電部分７０を含んでいる。複数の導電部分７０は、互いに間隔を空けて配置されている。導電部分７０の材料は、好ましくは、導電部分７０に表面プラズモン共鳴が生じる材料である。複数の導電部分７０の各々は、フローティング電極として構成されている。

本実施の形態において、複数の導電部分７０は、一次元（図２８参照）または二次元（図２９参照）の周期構造を有している。複数の導電部分７０のうち隣り合う導電部分７０同士は、好ましくは、複数の導電部分７０の各々に表面プラズモン共鳴が生じる間隔を空けて配置されている。

図２８に示されるように、複数の導電部分７０が一次元の周期構造を有していてもよい。複数の導電部分７０のうち隣り合う導電部分７０同士は、第１方向に沿って等間隔に配置されている。

図２９に示されるように、複数の導電部分７０が二次元の周期構造を有していてもよい。複数の導電部分７０のうち隣り合う導電部分７０同士は、第１方向および第２方向に沿って等間隔に配置されている。第２方向は、第１方向に交差している。図２９では、複数の導電部分７０は、正方格子の格子点に対応する位置に配置されている。複数の導電部分７０は、例えば、三角格子の格子点に対応する位置に配置されていてもよい。なお、図示されないが、複数の導電部分７０の配置は、周期的な対称性を有する配列に限られない。また、複数の導電部分７０の配置は、平面視において、非対称性を有する配列であってもよい。図２８および図２９では、複数の導電部分７０の平面形状は四角形状であるが、複数の導電部分７０の形状はこれに限られない。複数の導電部分７０の平面形状は、例えば、円形状、三角形状等の多角形状であってもよいし、楕円形状等であってもよい。

また、図３０に示されるように、複数の導電部分７０は、二次元材料層１と半導体層４との間に配置されていてもよい。また、図示されないが、二次元材料層１は、複数の凹部または複数の凸部を含んでいてもよい。複数の凹部は、周期的な構造または非対称な構造を有していてもよい。複数の凸部は、周期的な構造または非対称な構造を有していてもよい。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図２７に示されるように、導電体７は、二次元材料層１に接触するように配置されている。このため、強誘電体層５において電磁波の照射によって生じた光キャリアが導電体７を通って移動することができる。導電体７内における光キャリアの寿命は、二次元材料層１内における光キャリアの寿命よりも長い。このため、光キャリアが導電体７を通って移動することにより光キャリアの寿命が長くなる。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。

図２７に示されるように、導電体７は、複数の導電部分７０を含んでいる。複数の導電部分７０は、互いに間隔を空けて配置されている。さらに、図２８に示されるように、複数の導電部分７０のうち隣り合う導電部分７０同士は、第１方向に沿って等間隔に配置されている。また、導電部分７０の材料は、導電部分７０に表面プラズモン共鳴が生じる材料である。このため、電磁波検出器１００は、導電部分７０に表面プラズモン共鳴が生じる偏光を有する電磁波のみを検出することができる。すなわち、電磁波検出器１００に照射される電磁波に応じて複数の導電部分７０に偏光依存性が生じる。

図２９に示されるように、複数の導電部分７０のうち隣り合う導電部分７０同士は、第１方向および第２方向に沿って等間隔に配置されている。また、導電部分７０の材料は、導電部分７０に表面プラズモン共鳴が生じる材料である。このため、電磁波検出器１００は、導電部分７０に表面プラズモン共鳴が生じる波長を有する電磁波のみを高い感度で検出することができる。

図３０に示されるように、複数の導電部分７０は、二次元材料層１と半導体層４との間に配置されている。このため、二次元材料層１は、複数の導電部分７０を覆っている。これにより、複数の導電部分７０が二次元材料層１上に形成される必要がない。よって、複数の導電部分７０が形成される際に二次元材料層１に損傷が生じることを抑制することができる。したがって、二次元材料層１においてキャリアの移動度が低下することを抑制することができる。

図示されないが、複数の導電部分７０の配置は、平面視において非対性を有する配列であってもよい。この場合、電磁波検出器１００は、導電部分７０に表面プラズモン共鳴が生じる偏光を有する電磁波のみを検出することができる。

図示されないが、二次元材料層１は、複数の凹部または凸部を含んでいてもよい。複数の凹部または凸部は、表面プラズモン共鳴が生じる間隔を空けて配置されている。二次元材料層１は高い導電率を有しているため、二次元材料層１において表面プラズモン共鳴が生じる。このため、上述された複数の導電部分７０による表面プラズモン共鳴と同様に、複数の凹部または凸部によって二次元材料層１に表面プラズモン共鳴が生じる。これにより、電磁波検出器１００は、二次元材料層１に表面プラズモン共鳴が生じる偏光または周波数を有する電磁波のみを検出することができる。

実施の形態１２．
次に、図３１を用いて、実施の形態１２に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１２は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図３１に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、接触層８をさらに含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、電磁波検出器１００が接触層８をさらに含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。接触層８は、二次元材料層１に接触するように配置されている。接触層８は、二次元材料層１の第１部分１ａ、第２部分１ｂおよび第３部分１ｃの各々に接触している。接触層８は、二次元材料層１に接触することで二次元材料層１に正孔または電子（キャリア）を供給するように構成されている。すなわち、接触層８は、二次元材料層１に正孔または電子をドーピングするように構成されている。

図示されないが、接触層８は、第１部分１ａまたは第２部分１ｂのいずれかの表面上にのみ形成されてもよい。これにより、二次元材料層１中に電荷密度の勾配が形成される。よって、二次元材料層１中のキャリアの移動度が向上するため、電磁波検出器１００の感度が向上する。

図示されないが、接触層８は、複数の接触部分を含んでいてもよい。複数の接触部分は、二次元材料層１上に積層されていてもよい。複数の接触部分は、二次元材料層１と第１電極部２ａとの間において二次元材料層１上に積層されていてもよい。複数の接触部分のそれぞれの材料は、同じであってもよいし、違ってもよい。

接触層８の材料は、例えば、ポジ型フォトレジストである。ポジ型フォトレジストは、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である。また、接触層８の材料は、例えば、極性基を有する材料であってもよい。接触層８の材料は、より具体的には、極性基を有する材料の一例である電子求引基を有する材料であってもよい。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。電子吸引基を有する材料は、例えば、ハロゲン、ニトリル、カルボキシル基、カルボニル基等を有する材料である。また、接触層８の材料は、例えば、極性基を有する材料の一例である電子供与基を有する材料であってもよい。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。電子供与基を有する材料は、例えば、アルキル基、アルコール、アミノ酸、ヒドロキシル基等を有する材料である。また、接触層８の材料は、分子全体で電荷の偏りが生じて極性を生じる限りにおいて、有機物、金属、半導体、絶縁体、二次元材料またはこれら材料のいずれかの混合物であってもよい。

接触層８の材料が無機物である場合、二次元材料層１の仕事関数よりも接触層８の仕事関数が大きければ、二次元材料層１はｐ型にドーピングされる。接触層８の材料が無機物である場合、二次元材料層１の仕事関数よりも接触層８の仕事関数が小さければ、二次元材料層１はｎ型にドーピングされる。接触層８の材料が有機物である場合には、有機物は明確な仕事関数を有していない。このため、接触層８の材料を構成す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で、二次元材料層１がｎ型およびｐ型のいずれにドーピングされるかを判断することが望ましい。

また、例えば、接触層８としてポジ型フォトレジストが用いられる場合、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１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がマスクの形成プロセスによって損傷することを抑制することができる。また、プロセスの簡素化が可能となる。

また、接触層８の材料は、接触層８に電磁波が照射されることで極性変換が生じる材料であってもよい。接触層８において極性変換が生じることで、極性変換の際に生じた電子または正孔が二次元材料層１に供給される。このため、接触層８が接触している二次元材料層１の部分に電子または正孔がドーピングされる。そのため、接触層８が取り除かれた後も、接触層８に接触していた二次元材料層１の部分は、電子または正孔がドープされたままの状態となる。したがって、接触層８の材料として極性変換が生じる材料が用いられた場合、極性変換が生じた後に接触層８が二次元材料層１上から取り除かれてもよい。接触層８が配置されている場合よりも二次元材料層１の開口した部分の面積が増加する。このため、電磁波検出器１００の検出感度を向上させることができる。なお、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。

検出波長において極性変換が生じる材料が接触層８の材料として選択されることで、検出波長を有する電磁波が照射された時のみ接触層８で極性変換が生じる。これにより、検出波長を有する電磁波が照射された時のみ二次元材料層１へのドーピングが行われる。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。

また、接触層８の材料は、接触層８に電磁波が照射されることによって酸化還元反応が生じる材料であってもよい。これにより、接触層８に酸化還元反応が生じた時に生じる電子また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。

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が形成されることが好ましい。

接触層８の構成は、分子または電子などのキャリアが二次元材料層１に供給されれば適宜に決められてもよい。例えば、二次元材料層１が溶液に浸漬され、分子レベルで二次元材料層１にキャリアが供給されることで、固体の接触層８が二次元材料層１上に形成されることなく、二次元材料層１にキャリアがドーピングされてもよい。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図３１に示されるように、接触層８は、二次元材料層１に接触するように配置されている。接触層８は、二次元材料層１に接触することで二次元材料層１に正孔または電子を供給するように構成されている。このため、二次元材料層１の導電型をｎ型またはｐ型にすることができる。これにより、第１電極部２ａ、半導体層４および強誘電体層５から二次元材料層１にキャリアがドーピングされる場合であっても、接触層８によって二次元材料層１の導電型を制御することができる。よって、電磁波検出器１００の性能を向上させることができる。

実施の形態１３．
次に、図３２を用いて、実施の形態１３に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１３は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図３２に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００では、絶縁膜３と二次元材料層１との間に空隙ＧＡＰが設けられている。二次元材料層１は、空隙ＧＡＰに面した表面を有している。つまり、二次元材料層１は、実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なり、絶縁膜３から離れて配置された部分を有している。開口部ＯＰにおいて、半導体層４の表面の高さ位置は、第１電極部２ａの表面の高さ位置と同一であることが好ましい。空隙ＧＡＰは、第１電極部２ａと半導体層４との間に設けられている。二次元材料層１は、第１電極部２ａ上から空隙ＧＡＰを跨いで半導体層４上に延在している。なお、二次元材料層１と絶縁層との間に空隙ＧＡＰが設けられていれば、他の構成が採用されてもよい。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図３２に示されるように、絶縁膜３と二次元材料層１との間に空隙ＧＡＰが設けられている。このため、絶縁膜３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１００の感度を向上させることができる。

実施の形態１４．
次に、図３３を用いて、実施の形態１４に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１４は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、図３３に示されるように、電磁波検出器１００は、基板部ＳＵＢをさらに含んでいる。本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、電磁波検出器１００が基板部ＳＵＢをさらに含んでいる点で実施の形態１に係る電磁波検出器１００とは異なっている。二次元材料層１、第１電極部２ａ、第１電極部２ａおよび強誘電体層５は、基板部ＳＵＢ上に配置されている。基板部ＳＵＢは、適宜に決められてもよい。基板部ＳＵＢは、例えば、検出波長を有する電磁波を透過する材料によって構成されていてもよい。基板部ＳＵＢは、例えば、読み出し回路であってもよい。

なお、図３３では、電磁波検出器１００は絶縁膜３を含んでいるが、電磁波検出器１００は絶縁膜３を含んでいなくてもよい。また、二次元材料層１は、図示されない別の基板部にさらに接していてもよい。なお、二次元材料層１が図示されない別の基板部に接している場合には、別の基板部は、絶縁体であることが好ましい。二次元材料層１が図示されない別の基板部に接していない場合には、絶縁膜３の材料は適宜に決められてもよく、半導体等であってもよい。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図３３に示されるように、二次元材料層１、第１電極部２ａ、第２電極部２ｂおよび強誘電体層５は、基板部ＳＵＢ上に配置されている。基板部ＳＵＢは、検出波長を透過する材料によって構成されている。このため、電磁波が基板側から基板部ＳＵＢを通って強誘電体層５に入射することができる。これにより、電磁波検出器１００は、基板部ＳＵＢ側から基板部ＳＵＢを通って強誘電体層５に入射した電磁波を検出することができる。すなわち、電磁波検出器１００は、裏面照射によって動作することができる。

基板部ＳＵＢは、読み出し回路である場合、第１電極部２ａと基板部ＳＵＢとが電気的に接続されることで、電磁波検出器１００が検出信号を読み出すことができる。

実施の形態１５．
次に、図３４を用いて、実施の形態１５に係る電磁波検出器アレイ２００の構成を説明する。

図３４に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器アレイ２００は、実施の形態１～１４ならびに後述される実施の形態１６～１８に係る電磁波検出器１００を複数有している。複数の電磁波検出器１００は、第１方向ＤＲ１および第１方向ＤＲ１に交差する第２方向ＤＲ２の少なくともいずれかに沿って並んで配置されている。本実施の形態において、電磁波検出器アレイ２００に含まれる複数の電磁波検出器１００は、互いに同じ電磁波検出器１００である。

図３４に図示された電磁波検出器アレイ２００では、４つの電磁波検出器１００が２×２のアレイ状に配置されているが、配置される電磁波検出器１００の数はこれに限定されない。例えば、９つの電磁波検出器１００が３×３のアレイ状に配置されてもよい。また、図３４に示される電磁波検出器アレイ２００は、複数の電磁波検出器１００が二次元に周期的に配列されているが、複数の電磁波検出器１００は１つの方向に沿って周期的に配列されていてもよい。また、複数の電磁波検出器１００のうち隣り合う電磁波検出器１００同士の間隔は等間隔であってもよいし、異なる間隔であってもよい。

複数の電磁波検出器１００の各々の半導体層４（図１参照）が互いに分離されていれば、複数の電磁波検出器１００において１つの第２電極部２ｂ（図１参照）が共通電極として用いられてもよい。これにより、複数の第２電極部２ｂが独立している場合よりも電磁波検出器アレイ２００の配線を少なくすることができるため、電磁波検出器アレイ２００の解像度を高めることができる。

次に、図３５を用いて、実施の形態１５に係る電磁波検出器アレイ２００の変形例の構成を説明する。

図３５に示されるように、電磁波検出器アレイ２００に含まれる複数の電磁波検出器は、互いに異なる種類の電磁波検出器１０１～１０４である。互いに異なる種類の電磁波検出器１０１～１０４がアレイ状（マトリックス状）に配置されている。複数の電磁波検出器１０１～１０４の各々は、互いに異なる検出波長をそれぞれ有していてもよい。具体的には、複数の電磁波検出器１０１～１０４の各々は、互いに異なる検出波長選択性を有していてもよい。

複数の電磁波検出器１０１～１０４の各々の半導体層４または強誘電体層５（図１参照）を構成する材料がそれぞれ互いに異なる検出波長を有している場合、例えば、検出波長が可視光の波長である半導体材料または強誘電体材料と、検出波長が赤外線の波長である半導体材料または強誘電体材料とが用いられてもよい。例えば、当該電磁波検出器アレイ２００が車載センサに適用された場合、電磁波検出器アレイ２００は、昼間は可視光画像用カメラとして使用され得る。さらに、電磁波検出器アレイ２００は、夜間は赤外線カメラとしても使用され得る。このようにすれば、電磁波の検出波長に応じて複数のカメラを使い分ける必要がない。

続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。
本実施の形態に係る電磁波検出器アレイ２００によれば、図３４に示されるように、電磁波検出器アレイ２００は、実施の形態１～１４に係る電磁波検出器１００を複数有している。このため、複数の電磁波検出器１００の各々を検出素子とすることによって、電磁波検出器アレイ２００に画像センサとしての機能を持たせることができる。

本実施の形態に係る電磁波検出器アレイ２００の変形例によれば、図３５に示されるように、複数の電磁波検出器１０１～１０４の各々は、互いに異なる検出波長をそれぞれ有している。このため、電磁波検出器アレイ２００は、少なくとも２つ以上の異なる波長の電磁波を検出することができる。

これにより、電磁波検出器アレイ２００は、可視光域で用いられるイメージセンサと同様に、例えば、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、例えば波長の相違を色の相違として示した、カラー化された画像を得ることができる。

また、電磁波検出器アレイ２００は、画像センサ以外のセンサとして用いられてもよい。電磁波検出器アレイ２００は、例えば、少ない画素数であっても物体の位置を検出できる位置検出用センサとして用いられ得る。また、例えば、電磁波検出器アレイ２００は、複数の波長において電磁波の強度を検出できる画像センサとして用いられ得る。これにより、従来、ＣＭＯＳ（Complementary ＭＯＳ：相補型ＭＯＳ）センサ等で必要とされていたカラーフィルタを用いることなく、複数の電磁波を検出し、カラー化された画像を得ることができる。

複数の電磁波検出器１０１～１０４の各々は、互いに異なる偏光を有する電磁波を検出するように構成されている。これにより、電磁波検出器アレイ２００に偏光識別イメージセンサとしての機能を持たせることができる。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１００を複数配置することで偏光イメージングが可能になる。偏光識別イメージセンサによって、例えば、人工物と自然物の識別、材料の識別、赤外波長域においてそれぞれ同一温度を有する複数の物体の識別、複数の物体間の境界の識別、または、等価的な分解能の向上などが可能になる。

以上のように、電磁波検出器アレイ２００は、広い波長域の電磁波を検出することができる。また、電磁波検出器アレイ２００は、異なる波長の電磁波を検出することができる。

なお、各実施の形態において、絶縁膜３、半導体層４および接触層８の少なくともいずれか１つの材料として、電磁波が照射されることで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が用いられてもよい。例えば、接触層８の材料として電磁波が照射されることで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が用いられる場合、接触層８は二次元材料層１に直接接触している必要はない。例えば、接触層８が電位の変化を二次元材料層１に与えることが可能である場合には、接触層８は、絶縁膜３等を介して二次元材料層１の上面または下面上に配置されてもよい。

電磁波が照射されることで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、金属－絶縁物－半導体接合材料等である。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が用いられる場合には、電磁波の照射によって強誘電体材料に分極の変化が生じる。これにより、二次元材料層１に電位の変化が与えられる。

実施の形態１６．
次に、図３６を用いて、実施の形態１６に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１６は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図３６に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、薄膜誘電体層９１をさらに含んでいる。薄膜誘電体層９１は、二次元材料層１と半導体層４とに挟み込まれている。薄膜誘電体層９１は、二次元材料層１の第１部分１ａと半導体層４とを電気的に接続している。このため、二次元材料層１の第１部分１ａは、薄膜誘電体層９１を介して半導体層４に電気的に接続されている。薄膜誘電体層９１は、開口部ＯＰの内部に配置されている。薄膜誘電体層９１は、絶縁膜３および強誘電体層５よりも薄くてもよい。

薄膜誘電体層９１は、電磁波が照射された場合に電流が流れるように構成されている。薄膜誘電体層９１は、検出波長を有する電磁波が二次元材料層１および強誘電体層５に照射された場合に二次元材料層１と半導体層４との間に光電流を生じさせることが可能な厚さを有している。薄膜誘電体層９１は、検出波長を有する電磁波が二次元材料層１および強誘電体層５に照射された場合に光電流を生じさせるように構成されている。薄膜誘電体層９１の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。望ましくは、薄膜誘電体層９１は、暗状態において分極が生じるように構成されている。望ましくは、薄膜誘電体層９１の材料は、暗状態において分極が生じることで暗電流を低下させる分極率を有する材料である。

具体的には、薄膜誘電体層９１の材料は、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、タンタル酸ビスマス酸ストロンチウム（ＳＢＴ）、ビスマスフェライト（ＢＦＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）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）などの強誘電体材料であってもよい。薄膜誘電体層９１の材料は、アルミナ（酸化アルミニウム）または酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）などの金属酸化物、酸化ケイ素（ＳｉＯ）または窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの半導体を含む酸化物、窒化ホウ素（ＢＮ）等の窒化物であってもよい。また、フッ化炭素（ＣＦ）系ポリマー膜などの有機ポリマー膜であってもよい。

薄膜誘電体層９１の作製方法は、適宜に決められてもよいが、例えば、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法、真空蒸着法、およびスパッタ法などから選択され得る。また、薄膜誘電体層９１は、半導体層４の表面を酸化または窒化させることにより形成されてもよい。また、薄膜誘電体層９１は、半導体層４の表面に形成される自然酸化膜であってもよい。また、薄膜誘電体層９１は、四フッ化炭素（ＣＦ_４）などを用いた反応性イオンエッチングで生成される反応生成物で形成されてもよい。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図３６に示されるように、薄膜誘電体層９１は、二次元材料層１と半導体層４とに挟み込まれている。薄膜誘電体層９１は、電磁波が照射された場合に電流が流れるように構成されている。このため、電磁波の入射によって電磁波検出器１００に光電流が生じる。よって、半導体層４および薄膜誘電体層９１を通って二次元材料層１に注入される光電流の注入効率が向上する。これにより、薄膜誘電体層９１がない場合よりも、二次元材料層１に大きな光電流が注入される。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。

薄膜誘電体層９１は、暗状態において分極が生じるように構成されていてもよい。この場合、二次元材料層１と半導体層４との接合界面における漏れ電流を抑制することができる。これにより、暗電流を低減することができる。

実施の形態１７．
次に、図３７を用いて、実施の形態１７に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１７は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図３７に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、熱電材料層９２をさらに含んでいる。熱電材料層９２は、二次元材料層１と半導体層４とに挟み込まれている。二次元材料層１は、熱電材料層９２を介して半導体層４に電気的に接続されている。熱電材料層９２は、図示されない電極を介して二次元材料層１および半導体層４と接続されていてもよい。熱電材料層９２は、開口部ＯＰの内部に配置されている。熱電材料層９２は、絶縁膜３と同じ厚みを有していてもよい。

熱電材料層９２の上面には、二次元材料層１が重ねられている。望ましくは、熱電材料層９２の上面の高さ位置は、絶縁膜３の上面の高さ位置と同じである。熱電材料層９２の下面は、半導体層４の第１面４ａに電気的に接続されている。

熱電材料層９２は、電磁波が照射された場合に電流が流れるように構成されている。熱電材料層９２は、熱電材料層９２の温度が変化した場合に電圧（熱起電力）を生じさせるように構成されている。熱電材料層９２は、電磁波が照射されることで熱電材料層９２の温度が変化した場合に電圧を生じさせるように構成されている。熱電材料層９２は、ゼーベック効果を生じさせるように構成されている。ゼーベック効果とは、互いに接合された２種類の異なる金属または半導体の両端に生じた温度差によって起電力が生じる効果である。熱電材料層９２は、温度差によって生じた熱起電力を二次元材料層１および半導体層４から取り出すように構成されている。

図示されないが、例えば、熱電材料層９２は、ｐ型熱電層およびｎ型熱電層を含んでいる。ｐ型熱電層は、例えば、ｐ型ビスマステルライドである。ｎ型熱電層は、例えば、ｎ型ビスマステルライドである。ｐ型熱電層およびｎ型熱電層は、積層されている。ｐ型熱電層およびｎ型熱電層は、二次元材料層１と半導体層４とが積層される方向に沿って積層されている。熱電材料層９２の上面および下面のいずれか一方に向かって電磁波が照射されることで、熱電材料層９２の上面および下面のいずれか一方が相対的に高温になり、上面および下面のいずれか他方が相対的に低温になる。これにより、熱電材料層９２から熱電圧が生じる。このため、電磁波が電磁波検出器１００に照射された際の光電流が増加する。よって、電磁波検出器１００の感度が向上する。また、暗状態においては、ｐｎ接合障壁によって暗電流を低減することができる。

熱電材料層９２の材料は、温度差が付与されることにより生じる熱エネルギーを電気エネルギーに変換する材料であれば適宜に決められてもよい。熱電材料層９２の材料は、例えば、ｐ型ビスマステルライド、ｎ型ビスマステルライド、ビスマス－テルル系熱電半導体材料、テルライド系熱電半導体材料、アンチモン－テルル系熱電半導体材料、亜鉛－アンチモン系熱電半導体材料、シリコン－ゲルマニウム系熱電半導体材料、ビスマスセレナイド系熱電半導体材料、シリサイド系熱電半導体材料、酸化物系熱電半導体材料、ホイスラー材料である。ビスマス－テルル系熱電半導体材料は、例えば、テルル化ビスマス（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）等である。テルライド系熱電半導体材料は、例えば、テルル化ゲルマニウム（ＧｅＴｅ）およびテルル化鉛（ＰｂＴｅ）等である。亜鉛－アンチモン系熱電半導体材料は、例えば、アンチモン化亜鉛（ＺｎＳｂ、Ｚｎ_３Ｓｂ_２およびＺｎ_４Ｓｂ_３）等である。シリコン－ゲルマニウム系熱電半導体材料は、例えば、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）等である。ビスマスセレナイド系熱電半導体材料は、セレン化ビスマス（ＩＩＩ）（Ｂｉ_２Ｓｅ_３）等である。シリサイド系熱電半導体材料は、鉄シリサイド（β―ＦｅＳｉ_２）、ケイ化クロム（ＣｒＳｉ_２）、ケイ化マンガン（ＭｎＳｉ_１．７３）、ケイ化マグネシウム（Ｍｇ_２Ｓｉ）等である。ホイスラー材料は、例えば、ＦｅＶＡｌ、ＦｅＶＡｌＳｉおよびＦｅＶＴｉＡｌ等である。望ましくは、熱電材料層９２の材料は、ｐ型ビスマステルライド、ｎ型ビスマステルライド、ビスマス－テルル系熱電半導体材料ならびにシリサイド系熱電半導体材料のいずれかである。望ましくは、ｐ型ビスマステルライドのキャリアは正孔であり、ｐ型ビスマステルライドのゼーベック係数は正値であり、ｐ型ビスマステルライドの構成はＢｉ_ＸＴｅ_３Ｓｂ_２－Ｘ（０＜Ｘ≦０．６）で示される。望ましくは、ｎ型ビスマステルライドのキャリアは電子であり、ｎ型ビスマステルライドのゼーベック係数は負値であり、ｎ型ビスマステルライドの構成はＢｉ_２Ｔｅ_３－ＹＳｅ_Ｙ（０＜Ｙ≦３）で示される。上記のｐ型ビスマステルライドおよびｎ型ビスマステルライドは、一対で使用されることが望ましい。上記のｐ型ビスマステルライドおよびｎ型ビスマステルライドは、互いに直列接続によって接続された複数対で使用されてもよい。この場合、熱電変換によって発生する電圧を増加させることができるため、電磁波検出器１００の感度が向上する。

熱電材料層９２を成膜する方法は、適宜に決められてもよい。熱電材料層９２は、例えば、アークプラズマ蒸着法またはフラッシュ蒸着法等の公知の方法によって成膜されてもよい。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図３７に示されるように、熱電材料層９２は、二次元材料層１と半導体層４とに挟み込まれている。熱電材料層９２は、電磁波が照射された場合に電流が流れるように構成されている。このため、熱起電力によって電磁波検出器１００の感度を向上させることができる。

また、２種類以上（例えば、ｐ型ビスマステルライドおよびｎ型ビスマステルライド）の熱電材料が積層されているため、ｐｎ接合等の障壁によって暗電流を抑制することができる。

熱電材料層９２の上面の高さ位置は、絶縁膜３の上面の高さ位置と同じであってもよい。この場合、熱電材料層９２の上面および絶縁膜３の上面にまたがって二次元材料層１が折れ曲がることなく直線状に形成され得る。このため、二次元材料層１は、折れ曲がることなく水平に形成されてもよい。よって、二次元材料層１におけるキャリアの移動度が向上する。

また、実施の形態１６に示した薄膜誘電体層９１と熱電材料層９２を組み合わせて積層構造にすることで、より大きな電圧を発生することが出来る。

実施の形態１８．
次に、図３８および図３９を用いて、実施の形態１８に係る電磁波検出器１００の構成を説明する。実施の形態１８は、特に説明しない限り、上記の実施の形態１と同一の構成および作用効果を有している。したがって、上記の実施の形態１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を繰り返さない。

図３８および図３９に示されるように、本実施の形態に係る電磁波検出器１００は、発熱材料層９３をさらに含んでいる。発熱材料層９３は、強誘電体層５と接触するように配置されている。発熱材料層９３が強誘電体層５と接触する位置は、適宜に決められてもよい。このため、発熱材料層９３は、強誘電体層５に対して上下左右いずれに配置されていてもよい。発熱材料層９３は、強誘電体層５の電磁波が照射される面（入射面）に接触するように配置されていることが望ましい。

発熱材料層９３は、発熱材料層９３に電磁波が照射された場合に熱を生じるように構成されている。すなわち、発熱材料層９３は、発熱材料層９３に電磁波が照射された場合に発熱するように構成されている。発熱材料層９３は強誘電体層５に接触しているため、発熱材料層９３に電磁波が照射された場合に生じた熱は発熱材料層９３から強誘電体層５に伝達される。発熱材料層９３は、発熱材料層９３に電磁波が照射された場合に生じた熱を強誘電体層５に伝達するように構成されている。発熱材料層９３は、検出波長を有する電磁波が強誘電体層５に照射された場合に熱を生じさせることが可能な厚さを有している。望ましくは、発熱材料層９３は、検出波長を有する電磁波を吸収する材料である。

具体的には、発熱材料層９３の材料は、例えば、黒体塗料が塗布された金属表面を有する黒体材料、グラファイト、多層グラフェン、アルミナ（酸化アルミニウム）または酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）などの金属酸化物、酸化ケイ素（ＳｉＯ）または窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）などの半導体を含む酸化物、または窒化ホウ素（ＢＮ）等の窒化物である。また、発熱材料層９３の材料は、金属パターンが周期的に形成された表面プラズモン共鳴を利用するプラズモン吸収体であってもよい。また、発熱材料層９３の材料は、誘電体多層膜、ナノポーラス材料が用いられた無反射コート、または金黒などの赤外線吸収材料であってもよい。

発熱材料層９３の材料は、熱電材料層９２（図３７参照）に用いられる熱電材料であってもよい。発熱材料層９３は、強誘電体層５と接触する接触面を有している。発熱材料層９３の発熱は、接触面を介して強誘電体層５に伝達される。熱電材料によって構成された発熱材料層９３は、強誘電体層５において発生した電流によってペルチェ効果を生じさせるように構成されている。望ましくは、熱電材料によって構成された発熱材料層９３は、ペルチェ効果によって接触面の温度を上昇させるように構成されている。

発熱材料層９３の作製方法は、適宜に決められてもよいが、例えば、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法、真空蒸着法、スパッタ法、アークプラズマ蒸着法、およびフラッシュ蒸着法等の公知の成膜方法などから選択され得る。また、発熱材料層９３は、半導体層４の表面を酸化または窒化させることにより形成されてもよい。

なお、本実施の形態に係る電磁波検出器１００の構成は、他の実施の形態にも適用することができる。

＜作用効果＞
続いて、本実施の形態の作用効果を説明する。

本実施の形態に係る電磁波検出器１００によれば、図３８および図３９に示されるように、発熱材料層９３は、強誘電体層５と接触するように配置されている。このため、発熱材料層９３は、電磁波の照射によって生じた熱を強誘電体層５に伝達することができる。よって、電磁波の照射によって発生する強誘電体層５の分極電圧が増加する。これにより、電磁波検出器１００の光電流が増加する。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。

望ましくは、熱電材料によって構成された発熱材料層９３は、電磁波が照射された場合にペルチェ効果によって接触面の温度を上昇させるように構成されている。このため、電磁波の照射によって強誘電体層５の分極変化がさらに増加する。よって、電磁波検出器１００の光電流が増加する。したがって、電磁波検出器１００の感度が向上する。

また、実施の形態１６に示した薄膜誘電体層９１や実施の形態１７に示した熱電材料層９２を半導体層４と二次元材料層１の間に挿入した構造と組み合わせて使用することで、電磁波検出器１００の感度をさらに向上させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 二次元材料層、１ａ 第１部分、１ｂ 第２部分、２ａ 第１電極部、２ｂ 第２電極部、３ 絶縁膜、４ 半導体層、５ 強誘電体層、６ トンネル絶縁層、７ 導電体、８ 接触層、４１ 第１半導体部、４２ 第２半導体部、５１ 第１強誘電体部分、５２ 第２強誘電体部分、７０ 導電部分、９１ 薄膜誘電体層、９２ 熱電材料層、９３ 発熱材料層、１００ 電磁波検出器、２００ 電磁波検出器アレイ、ＣＣ 接続導電体、ＯＰ 開口部。

Claims (24)

1. 半導体層と、
   前記半導体層に電気的に接続された二次元材料層と、
   前記二次元材料層に電気的に接続された第１電極部と、
   前記半導体層を介して前記二次元材料層に電気的に接続された第２電極部と、
   前記第１電極部、前記第２電極部および前記半導体層の少なくともいずれかと電気的に接続され、かつトンネル電流が生じない厚さの絶縁層を介さないで接続された強誘電体層とを備え、
   前記強誘電体層は、前記二次元材料層と平面視で重ならないように配置されている、電磁波検出器。
2. 前記半導体層上に配置され、かつ開口部が形成された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に電気的に接続され、かつ前記開口部上から前記絶縁膜まで延在している、請求項１に記載の電磁波検出器。
3. 前記第１電極部は、平面視において環状を有しており、
   前記半導体層は、前記第１電極部よりも内側において前記絶縁膜から露出しており、
   前記二次元材料層は、前記第１電極部よりも内側において前記半導体層に電気的に接続されている、請求項２に記載の電磁波検出器。
4. 前記絶縁膜と前記二次元材料層との間に空隙が設けられている、請求項２または３に記載の電磁波検出器。
5. 電圧計および電流計の少なくともいずれかをさらに備え、
   前記二次元材料層、前記第１電極部、前記第２電極部および前記半導体層は、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、
   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第１電極部と前記第２電極部との間の抵抗が変化するように配置され、
   前記電圧計および前記電流計の少なくともいずれかが前記第１電極部と前記第２電極部との間に流れる電流の電圧および電流の少なくともいずれかの変化を検出することで電磁波を検出するように構成された、請求項１～４のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
6. トンネル絶縁層をさらに備え、
   前記トンネル絶縁層は、前記二次元材料層と前記半導体層とに挟み込まれている、請求項１～５のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
7. 接続導電体をさらに備え、
   前記二次元材料層は、前記接続導電体を介して前記半導体層に電気的に接続されている、請求項１～６のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
8. 前記二次元材料層は、前記半導体層上に配置された複数の第１部分を含み、
   前記複数の第１部分は、互いに間隔を空けて配置されている、請求項１～７のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
9. 前記二次元材料層は、前記第１電極部上に配置された複数の第２部分を含み、
   前記複数の第２部分は、互いに間隔を空けて配置されている、請求項１～８のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
10. 前記強誘電体層は、第１強誘電体部分および第２強誘電体部分を含み、
    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は、前記二次元材料層および 前記半導体層に電気的に接続されている、請求項１～９のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
11. 前記第１強誘電体部分が吸収可能な電磁波の波長は、前記第２強誘電体部分が吸収可能な電磁波の波長とは異なっている、請求項１０に記載の電磁波検出器。
12. 前記第１強誘電体部分の分極率は、前記第２強誘電体部分の分極率とは異なっている、請求項１０または１１に記載の電磁波検出器。
13. 前記半導体層は、第１半導体部と、前記第１半導体部とは異なる導電型を有する第２半導体部とを含み、
    前記第１半導体部は、前記第２半導体部に接合されている、請求項１～１２のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
14. 前記二次元材料層は、乱層構造部分を含む、請求項１～１３のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
15. 接触層をさらに備え、
    前記接触層は、前記二次元材料層に接触するように配置されている、請求項１～１４のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
16. 導電体をさらに備え、
    前記導電体は、前記二次元材料層に接触するように配置されている、請求項１～１５のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
17. 前記導電体は、複数の導電部分を含み、
    前記複数の導電部分は、互いに間隔を空けて配置されている、請求項１６に記載の電磁波検出器。
18. 基板部をさらに備え、
    前記二次元材料層、前記第１電極部および前記強誘電体層は、前記基板部上に配置されている、請求項１～１７のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
19. 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、
    前記第３電極部と前記第１電極部または前記第２電極部間から電気信号を取り出すことを特徴とする、請求項１～１８のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
20. 前記二次元材料層は、グラフェン、遷移金属ダイカルコゲナイド、黒リン、シリセン、グラフェンナノリボンおよびボロフェンからなる群から選択されるいずれかの材料を含む、請求項１～１９のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
21. 薄膜誘電体層をさらに備え、
    前記薄膜誘電体層は、前記二次元材料層と前記半導体層とに挟み込まれており、かつ電磁波が照射された場合に電流が流れるように構成されている、請求項１～２０のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
22. 熱電材料層をさらに備え、
    前記熱電材料層は、前記二次元材料層と前記半導体層とに挟み込まれており、かつ電磁波が照射された場合に電流が流れるように構成されている、請求項１～２１のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
23. 発熱材料層をさらに備え、
    前記発熱材料層は、前記強誘電体層と接触するように配置されている、請求項１～２２のいずれか１項に記載の電磁波検出器。
24. 請求項１～２３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は、第１方向および前記第１方向に交差する第２方向の少なくともいずれかに沿って並んで配置されている、電磁波検出器アレイ。

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