电磁波检测器的制作方法

本发明涉及电磁波检测器，特别涉及将石墨烯用于光检测层的电磁波检测器。

背景技术：

在以往的电磁波检测器中，一般使用半导体材料作为检测层，但由于半导体材料具有预定的带隙，所以仅能够检测具有比带隙大的能量的电磁波。

相对于此，提出了将带隙为零或者极其小的石墨烯用于检测层的电磁波检测器(例如参照专利文献1)。

另外，提出了通过在SiC基板上层叠石墨烯层和具有比石墨烯层大的功函数的金属氧化物、在石墨烯层中设置pn结区域从而使光电流增加的构造(例如参照专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2013-502735号公报

专利文献2：日本特表2013-537700号公报

技术实现要素：

然而，在专利文献1记载的发明的情况下，在检测层是石墨烯单体时，可检测的波长区域宽，但电磁波的吸收率非常低，低至几％，检测灵敏度变低。

另外，在专利文献2记载的发明的情况下，通过在石墨烯层之上形成具有比石墨烯层大的功函数的金属氧化物，石墨烯层能够进行空穴的掺杂，但不能进行电子的掺杂。特别，通过CVD法制作出的石墨烯层通常被掺杂成p型，所以无法实际地形成pn结。

另外，在使用形成于SiC基板之上的石墨烯层的情况下，无法从背栅施加电压，所以需要在石墨烯层之上形成顶栅而施加栅极电压，但在形成顶栅时，相对于入射的电磁波的石墨烯层的开口面积减少，所以电磁波检测灵敏度降低。

另外，形成于SiC基板之上的石墨烯层无法转印，所以电极需要形成在石墨烯上，在电极形成工艺中，石墨烯层受到工艺损伤而迁移率降低。

进而，在石墨烯层之上形成金属氧化物的工艺中，必须在石墨烯层之上形成掩模，受到工艺损伤而石墨烯的迁移率降低，设备性能也发生劣化。

因此，本发明的目的在于提供一种电磁波检测器，该电磁波检测器通过使由具有极性基团的材料构成的接触层接触到石墨烯层而在石墨烯层中形成电荷，并在石墨烯层中设置电子浓度梯度，从而能够使光电流增大，以高灵敏度检测电磁波。

本发明提供一种电磁波检测器，对电磁波进行光电变换而检测，其特征在于，包括：

基板；

绝缘层，被设置于基板之上；

石墨烯层，被设置于绝缘层之上；

一对电极，被设置于绝缘层之上，分别与石墨烯层连接；以及

接触层，被设置成与石墨烯层接触，

接触层由具有极性基团的材料构成，接触层与石墨烯层接触，从而在石墨烯层中形成有电荷。

在本发明中，通过在石墨烯层上设置具有极性基团的接触层，并在石墨烯层形成与接触层接触的接触区域、和不与接触层接触的非接触区域，从而在接触区域和非接触区域形成电子密度梯度。因此，在电磁波入射的情况下，在形成有电子密度梯度的区域引起光电变换，光电流增大，检测灵敏度变高。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的电磁波检测器的俯视图。

图2是在A-A方向上观察图1的电磁波检测器的情况下的剖面图。

图3是本发明的实施方式1的电磁波检测器的剖面图。

图4是本发明的实施方式1的其它电磁波检测器的剖面图。

图5是本发明的实施方式1的其它电磁波检测器的剖面图。

图6是本发明的实施方式1的其它电磁波检测器的剖面图。

图7是本发明的实施方式1的其它电磁波检测器的剖面图。

图8是本发明的实施方式1的其它电磁波检测器的剖面图。

图9是本发明的实施方式1的电磁波检测器的电气特性。

图10是本发明的实施方式1的电磁波检测器的光响应特性。

图11是本发明的实施方式3的电磁波检测器的剖面图。

图12是本发明的实施方式3的其它电磁波检测器的剖面图。

图13是本发明的实施方式3的其它电磁波检测器的剖面图。

图14是本发明的实施方式4的电磁波检测器的俯视图。

图15是在B-B方向上观察图14的电磁波检测器的情况下的剖面图。

图16是本发明的实施方式4的其它电磁波检测器的俯视图。

图17是在C-C方向上观察图16的电磁波检测器的情况下的剖面图。

图18是本发明的实施方式5的电磁波检测器的剖面图。

图19是本发明的实施方式5的其它电磁波检测器的剖面图。

图20是本发明的实施方式6的电磁波检测器的剖面图。

图21是本发明的实施方式6的其它电磁波检测器的剖面图。

图22是本发明的实施方式7的电磁波检测器的剖面图。

图23是本发明的实施方式8的电磁波检测器的剖面图。

图24是本发明的实施方式8的其它电磁波检测器的剖面图。

图25是本发明的实施方式9的电磁波检测器的剖面图。

图26是本发明的实施方式9的电磁波检测器的电极的俯视图。

图27是本发明的实施方式9的电磁波检测器的其它电极的俯视图。

图28是本发明的实施方式10的电磁波检测器的石墨烯层的俯视图。

图29是本发明的实施方式10的电磁波检测器的其它石墨烯层的俯视图。

图30是本发明的实施方式12的阵列传感器的俯视图。

图31是本发明的实施方式12的其它阵列传感器的俯视图。

图32是本发明的实施方式13的照相机系统的示意图。

(符号说明)

1：石墨烯层；2：电极；3：绝缘层；4：基板；5、6：接触层；7：保护膜；8、9：电极；10、11、12、13：凹部；100：电磁波检测器；1000、2000：阵列传感器；10000：照相机系统。

具体实施方式

在本发明的实施方式中，关于电磁波检测器，使用可见光或者红外光进行说明，但除此以外，本发明作为例如紫外光、近红外光、太赫兹(THz)波、微波等电波区域的检测器也是有效的。此外，在本发明的实施方式中，将这些光、电波还总称地记载为电磁波。

在本发明的实施方式中，使用具有源极和漏极这2个电极和背栅电极的构造作为电磁波检测器来进行说明，但本发明还能够应用于具备4端子电极构造、顶栅构造等其它电极构造的电磁波检测器。

关于接触层的材料，使用n型、p型等用语来说明，例如如果它们是n型则表示具有给电子基团的材料，如果它们是p型则表示具有吸电子基团的材料。另外，无论有无极性基团，能够观察到分子在整体上具有电荷的偏重，将电子占主导的材料称为n型，将空穴占主导的材料称为p型。它们不仅包含有机物，而且还包含无机物。

另外，关于金属表面和光相互作用的表面等离子共振现象或等离子共振现象、在可见光区域·近红外光区域以外的区域产生于金属表面的共振的意义下的被称为伪表面等离子共振的现象、或者在以波长以下的尺寸的构造操作特定的波长的意义下的被称为超材料或电浆超材料的现象，不特别通过名称区分它们，而是根据现象带来的效果方面来同等地对待。在此，将这些共振称为表面等离子共振、等离子共振或者简称为共振。

此外，在以下的实施方式中，同一符号表示同一或者类似的结构，对重复部分省略详细的说明。

实施方式1.

图1是整体用100表示的本发明的实施方式1的电磁波检测器的俯视图，图2是在A-A方向上观察图1的情况下的剖面图。

本发明的实施方式1的电磁波检测器100对电磁波进行光电变换而检测，其特征在于，该电磁波检测器100包括：

基板4；

绝缘层3，被设置于基板4之上；

石墨烯层1，被设置于绝缘层3之上；

一对电极2，被设置于绝缘层3之上，与石墨烯层1分别连接；以及

接触层5，被设置成与石墨烯层1接触，

接触层5由具有极性基团的材料构成，接触层5与石墨烯层1接触，从而在石墨烯层1中形成有电荷。

即，电磁波检测器100包括例如由Si构成的基板4。基板4保持整个电磁波检测器100，包括例如高电阻硅基板或形成热氧化膜而提高绝缘性的基板。也可以如后所述，使用为了形成背栅而掺杂的硅基板。在具有热氧化膜的基板的情况下，热氧化膜也可以兼作绝缘层3。

在基板4之上设置绝缘层3，该绝缘层3例如由氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氧化铝、氧化镍、氮化硼(BN)等构成。氮化硼的原子排列与石墨烯相似，所以不会因与石墨烯的接触而妨碍石墨烯中的电荷迁移，不阻碍电子迁移率等石墨烯的性能，所以优选作为石墨烯层的基底膜。

在绝缘层3之上设置有一对电极2。一对电极2被设置成分别与形成于电极2之上的石墨烯层1的两端连接。电极2由例如Au、Ag、Cu、Al、Ni、Cr、Pd等金属形成。也可以在电极2与其下的绝缘层3之间，形成由Cr、Ti构成的附着膜(未图示)。电极2只要是能够输出电信号的大小、厚度，则形状没有特别限制。

在绝缘层3之上设置石墨烯层1。石墨烯层1由单层或者2层以上的石墨烯构成。在增加石墨烯层的层叠数时，光吸收率增加，电磁波检测器100的灵敏度变高。石墨烯是二维碳结晶的单原子层，单层石墨烯的厚度非常薄，薄到与1个碳原子相当的0.34nm。石墨烯被配制成6边形形状的各链具有碳原子。

在石墨烯层1包括2层以上的石墨烯的层叠构造的情况下，层叠构造所包含的任意2层的石墨烯的六方晶格的晶格矢量的朝向也可以不一致、即朝向也可以有偏差。另外，也可以是晶格矢量的朝向完全一致的层叠构造。特别，在层叠2层以上的石墨烯时，形成带隙，所以能够具有波长选择效果。

另外，在使用纳米带状的石墨烯的情况下，也可以形成排列多个石墨烯纳米带单体、或者石墨烯纳米带的构造。石墨烯层1可以是无掺杂的，但也可以掺杂为p型或者n型。

在石墨烯层1之上设置接触层5。接触层5由含有极性基团的材料构成。极性基团被分类为吸电子基团和给电子基团，吸电子基团具有使电子密度减弱的效果，与之相反，给电子基团具有使电子密度增加的效果。吸电子基团例如有卤素、腈、羧基、羰基等，给电子基团例如有烷基、醇、氨基、羟基等。另外，除了这些材料以外，由于极性基团而在分子整体中产生电荷的偏重的具有极性的聚合物材料等也能够应用于接触层5。在有机物、金属、半导体、绝缘体、二维材料、或者它们任意混合物中在分子内产生电荷的偏重而具有极性的材料也能够应用于接触层5。

例如，在接触层5具有OH基的情况下，由于OH基的共振效果而产生给电子性，能够进行n型掺杂。另外，在接触层5具有羧基的情况下，由于羧基而产生吸电子性，能够进行p型掺杂。通过将由于这样的氧化还原反应发生的载流子供给到石墨烯，加速掺杂。

这样，在石墨烯层1之上设置接触层5，石墨烯层1和接触层5接触，从而石墨烯层1包括形成有电荷的接触区域1a、和未形成有电荷的非接触区域1b。

一般，已知在使无机物和石墨烯接触而对石墨烯进行掺杂的情况下，在无机物的功函数大于石墨烯的功函数的情况下，被掺杂为p型，在无机物的功函数小于石墨烯的功函数的情况下，被掺杂为n型。相对于此，有机物不具有明确的功函数，所以在使有机物和石墨烯接触的情况下，石墨烯层成为n型掺杂还是成为p型掺杂取决于用于接触层5的材料的分子的极性，所以需要根据极性基团来判断。

通过对接触层5使用含有一般被称为正型光致抗蚀剂的具有醌二叠氮基的感光剂和酚醛树脂的组合物，能够利用照相制版等形成接触层5的图案。以往，为了形成不与接触层5接触的区域，需要用由无极性层形成的保护层掩蔽石墨烯层1。但是，如果使用光致抗蚀剂，能够仅利用照相制版形成接触层5，所以能够实现工艺损伤的降低以及工艺的简化。

在此，接触层5的膜厚优选在对石墨烯层1照射电磁波的情况下在能够进行可用于光电变换的掺杂的范围内尽可能薄。另外，接触层5虽使用“层”这样的表现，但只要能够对石墨烯层1进行掺杂，则也可以是单分子膜等，也可以不严格地为层。另外，接触层5无需是固体，只要能够掺杂，则也可以是液体、气体的状态。

另外，如图2所示，接触层5优选形成为覆盖石墨烯层1和电极2的边界。在石墨烯层1和电极2相接的边界部分产生电子密度梯度，在从电极2取出电流时成为电阻。但是，在以覆盖电极2和石墨烯层1的边界的方式形成接触层5时，除了在电极2与石墨烯层1之间产生的电子密度梯度以外，还加上接触层5所形成的电子密度梯度，所以阶梯状地形成电子密度梯度，电流的取出效率提高。当然，还能够采用接触层5不覆盖石墨烯层1和电极2的边界的构造。

此外，也可以将使用石墨烯的输出放大电路(未图示)与电磁波检测器100一起设置于电磁波检测器100的邻接部或下层部。由此，相比于由硅系的半导体材料形成的输出放大电路，动作更快，能够实现高性能的电磁波检测器。

另外，通过对于读出电路等周边电路的材料使用石墨烯，能够实现高速读出和简化制造工艺。

在电磁波检测器100的动作状态下，也有时检测由于向石墨烯层1入射电磁波而发生的光电流。在该情况下，不论在处于石墨烯层1的光电流发生路径的两端的电极2之间施加还是不施加外部偏置，电磁波检测器100都进行动作。但是，通过施加偏置，发生的载流子的检测效率变高。

石墨烯层1经由电极2连接用于取出外部偏置等光电流的变化的电气电路。例如，作为电气性信号的读出方法，在对2个电极2之间施加电压Vd时，在电极2之间流动的电流量Id与石墨烯层1内的电阻值变化这样的电气性信号对应地变化。通过检测该电流量的变化，能够检测入射的电磁波的大小。也可以在2个电极2之间附加流动恒定电流的电路，检测电压值的变化量。

另外，也可以通过如图3所示将基板4的背面作为背栅端子，与2端子的电极2组合，从而形成晶体管构造，并取出电信号。在该情况下，通过对基板4的背面施加电压，能够使石墨烯层1产生更大的电场，能够高效地检测由于电磁波的入射而发生的载流子。

另外，也可以仅形成一对电极2中的某一方电极，使用该电极来检测电磁波的入射所引起的石墨烯层1的电位变化。

另外，也可以如图4、5所示，在接触层5或者石墨烯层1的上部形成栅电极22。在接触层5的材料使用绝缘体的情况下，能够将接触层5用作栅极绝缘层，所以通过如图4所示在接触层5之上直接形成栅电极22，能够容易地形成顶栅。

另一方面，在接触层5不是绝缘体的情况下，为了形成顶栅，如图5所示，需要在石墨烯层1上形成绝缘膜23之后形成栅电极22。另外，在如后所述在石墨烯层1之上形成了保护膜的情况下，也可以在保护膜上形成栅电极22。通过这样使用顶栅构造，在由多个电磁波检测器形成阵列传感器的情况下，能够进行针对每个像素的栅极电压控制。

另外，也可以如图6所示以覆盖石墨烯层1、接触层5、电极2的方式形成保护膜7。在接触层5由自然氧化物、有机物等的薄膜构成的情况下，通过设置保护膜7，能够防止由于周边气氛的影响而接触层5的性质发生变化。特别，当在高温、低温环境下使用电磁波检测器的情况下，保持石墨烯层1和接触层5的接触变得重要。即，通过设置保护膜7能保障稳定的动作。保护膜7由例如氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氮化硅(SiN)等绝缘膜构成。此时，保护膜7的材料最好选择使检测电磁波透射的材料。

另外，如图7所示，一对电极也可以如电极8(例如源电极)和电极9(例如漏电极)那样，由相互不同的金属形成。石墨烯根据接触的金属的种类的不同而费米能级发生迁移或者根据接触的金属的种类的不同而接触电阻不同。因此，在由不同的金属形成电极8和电极9的情况下，在源极与漏极之间，能隙不同。其结果，由于由光的照射发生的载流子而在电极8、9之间发生偏置，从而光电流增大，能够提高灵敏度。

此外，在本发明的实施方式1中，为了简化，以形成一对电极2并检测其之间的电阻的情况为例子进行了说明，但也可以应用晶体管构造等其它构造。

接下来，说明本发明的实施方式1的电磁波检测器100的动作原理。在电磁波检测器100中，在石墨烯层1的上部设置有接触层5。如上所述，接触层5由具有极性的材料形成，所以根据其极性，在石墨烯层1引起电荷迁移。由此，与接触层5相接的石墨烯层1遵循接触层5的极性而进行掺杂。通过分开使用给电子基团和吸电子基团作为极性基团，既能够将石墨烯层1掺杂为n型也能够将石墨烯层1掺杂为p型。

另外，在接触层5包含多个极性基团的情况下，影响最大的极性基团在分子内引起电荷的偏重。只要在分子整体中产生电荷的偏重，则即使包含相反的极性基团，也能够用作接触层5。

这样，在本发明的实施方式1的电磁波检测器100中，在石墨烯层1形成有与接触层5接触的接触区域1a、和未与接触层5接触的非接触区域1b。在石墨烯层1中，由于来自接触层5的掺杂，电子密度在接触区域1a和非接触区域1b不同。由此，在石墨烯层1内部产生电子密度的梯度。在产生电子密度的梯度时，与一般的半导体中的pn结同样地，通过光照射，生成光载流子。如以上所述，在本发明的实施方式1的电磁波检测器100中，通过在石墨烯层1之上设置接触层5，光照射时的光电流增大，检测灵敏度提高。

此外，形成于石墨烯层1的电子密度梯度无需完全成为pn结，只要稍微形成电子密度梯度，检测灵敏度就提高。

另外，通过接触层5使用具有极性基团的材料，能够不另外对石墨烯层1掺杂而仅对与接触层5接触的部分的石墨烯层1掺杂，所以制造工艺变得容易。

另外，如果使用具有吸电子基团的材料作为接触层5的材料，则能够将石墨烯层1掺杂为p型，如果使用具有给电子基团的材料作为接触层5的材料，则能够将石墨烯层1掺杂为n型。

特别，如果使用具有给电子基团的材料，则能够将石墨烯层1掺杂为n型，所以还能够应用于具有p型的导电性的CVD石墨烯，通过将CVD石墨烯转印到电极上，能够降低电极形成时的工艺损伤。

另外，通过使用掺杂Si基板，能够施加背栅电压，消除顶栅形成所致的沟道开口部的减少。

通过使用具有极性基团的光致抗蚀剂作为接触层5的材料，能够利用照相制版、EB曝光处理等选择性地产生极性变换。因此，在形成接触层时，无需形成保护非接触区域的层，不仅石墨烯层的开口面积增加，而且工艺损伤也能够降低。

接下来，简单地说明电磁波检测器100的制造方法。电磁波检测器100的制造方法包括以下的工序1～5。

工序1：准备硅等的平坦的基板4。

工序2：在基板4之上形成绝缘层3。关于绝缘层3，在例如基板4是硅的情况下，也可以对基板4进行热氧化，来形成氧化硅(SiO2)。另外，也可以通过CVD法、溅射法，形成其它绝缘膜。

工序3：形成由Au、Ag、Cu、Al、Ni、Cr等构成的电极2。此时，为了提高与下部的绝缘层3的附着性，可以在绝缘膜3与电极2之间形成由Cr、Ti构成的附着膜(未图示)。例如，在使用照相制版、EB描绘等形成抗蚀剂掩模之后，在其之上用蒸镀、溅射等堆积金属层，最后通过剥离去除抗蚀剂掩模上的金属层，而形成电极2。

工序4：在电极2以及绝缘层3之上形成石墨烯。石墨烯既可以通过外延生长形成，也可以预先使用CVD法对形成的石墨烯层进行转印来粘贴。另外，也可以转印通过机械剥离等剥离的石墨烯。接下来，在照相制版等中用抗蚀剂掩模覆盖石墨烯，用氧等离子体进行蚀刻而构图。由此，去除沟道部分、与电极2相接的区域以外的不需要的部分的石墨烯，形成石墨烯层1。

工序5：在电极2以及石墨烯层1上形成光致抗蚀剂层。光致抗蚀剂层由例如含有具有醌二叠氮基的感光剂和酚醛树脂的组合物构成。接下来，通过对光致抗蚀剂层进行曝光并浸渍在碱性显影液来构图，在石墨烯层1上选择性地留下光致抗蚀剂层而作为接触层5。由于该光致抗蚀剂的极性基团，处于接触层5的下部的石墨烯层1被掺杂为p型，在石墨烯层1中不存在接触层5的部分通过曝光、显影处理被掺杂为n型。

通过以上的工序1～5，本发明的实施方式1的电磁波检测器100完成。

此外，在此，在电极2上形成石墨烯层1，但也可以如图8所示，使用在绝缘膜3上预先形成石墨烯层1而之后形成电极2的构造。

另外，通过对于接触层5的材料使用具有极性的聚合物来代替光致抗蚀剂，能够利用涂敷法在石墨烯层1上形成接触层5，能够用简便的工艺制作接触层5。

实施方式2.

在实施方式2的电磁波检测器中，接触层5由化学地进行极性变换的材料、或者利用电磁波照射进行极性变换的材料构成。电磁波检测器的构造与例如图2所示的电磁波检测器100相同。

极性变换是极性基团被化学地变换的现象，例如是指吸电子基团变化为给电子基团，给电子基团变化为吸电子基团，极性基团变化为非极性基团，或者非极性基团变化为极性基团。在接触层5发生极性变换时，在变换时产生的电子或者空穴被供给到石墨烯。由此，接触层5接触的石墨烯层1被掺杂而成为接触区域。在该情况下，即使去除接触层5，由于与接触层5接触的石墨烯层1的接触区域是保持为掺杂的状态，所以能够无接触层5地形成电子密度梯度。由此，相对入射光，石墨烯层1开口的面积增加，检测灵敏度提高。

另外，在接触层5由通过电磁波照射产生极性变换的材料形成的情况下，能够通过曝光处理等，在接触层5中选择性地产生极性变换，能够使掺杂区域具有选择性。由此，无需形成掩模，而能够在石墨烯层1之中形成各种图案的掺杂区域(接触区域)。另外，通过使用根据检测电磁波的波长产生极性变换的材料，能够仅在光照射时产生极性变换，形成电子密度梯度而增大光电流。由此，电磁波检测器的检测灵敏度提高。

此外，当由于电磁波照射在接触层5产生氧化还原反应并在氧化还原反应时产生电子或者空穴的情况下，也能够同样地对石墨烯层1进行掺杂。

图9示出本发明的实施方式2的电磁波检测器的电气特性。在图9中，横轴是背栅电压，纵轴是在2个电极2之间流动的电流。

在用于测定的电磁波检测器中，石墨烯层1包含单层的石墨烯，2个电极2的间隔是50μm，电极2的长度(图1的上下方向)是50μm。电极2包含最表面由金构成的金属的多层构造，厚度是30nm。在电极2与绝缘层3之间，为了提高附着性，形成有厚度10nm的Cr膜。基板4由掺杂为p型的硅构成。基板4作为从背面施加电压的背栅型进行动作。在此，在2个电极2内，将一方作为源极，将另一方作为漏极，通过从基板4的背面施加电压而作为背栅进行动作。绝缘层3由硅的热氧化膜(SiO2)构成，厚度是290nm。接触层5是正型光致抗蚀剂(例如东京应化制OFPR-800LB)，通过曝光、显影处理形成于石墨烯层1上。

此外，上述尺寸是在图9的测定中使用的试样的尺寸，本发明的实施方式的电磁波检测器不限定于这些尺寸，可根据电磁波检测器的灵敏度等适宜地设计。

图9是使背栅电压变化的情况下的在2个电极2之间流动的电流，出现n型掺杂所形成的狄拉克点和p型掺杂所形成的狄拉克点这2种狄拉克点。用CVD法制出的石墨烯层通常被掺杂为p型。但是，通过对石墨烯层1涂敷正型抗蚀剂并进行曝光处理，在作为抗蚀剂中的感光剂的醌二叠氮基向羧基进行极性变换的过程中，石墨烯层1被掺杂为n型。进而，通过浸渍在含有具有OH基的氢氧化四甲铵(N(CH3)4OH)的碱性显影液(例如东京应化制NMD-3)，OH基附着到石墨烯层1的表面，n型掺杂被加速。因此，抗蚀剂剥离部分被掺杂为n型。另一方面，关于抗蚀剂残留部分，除了抗蚀剂残留所致的p型掺杂以外，与CVD石墨烯本来的p型掺杂相符而保持p型。由此，用石墨烯层1形成pn结，得到图9所示的具有n型、p型各自的狄拉克点的特性。

图10是关于本发明的实施方式2的电磁波检测器，比较形成接触层5的前后的光响应特性而得到的曲线，具体而言，示出在使电磁波检测器的背栅电压为-10V、使源极、漏极电压为0.1V的状态下，以固定周期照射白色LED的情况下的、源极、漏极电流的变化。在图10中，横轴是白色LED的照射时间，纵轴是源极、漏极电流。另外，实线表示形成接触层5而将石墨烯层1的一部分掺杂为n型的情况，虚线表示在形成接触层5之前不对石墨烯层1进行掺杂的情况(石墨烯层1整体是p型的情况)。

如从图10可知，对石墨烯层1掺杂的情况(接触层5形成后)下的电流值约为不对石墨烯层1掺杂的情况(接触层5形成前)下的电流值的3倍。

根据其结果可知，形成接触层5，通过在石墨烯层1中形成pn结而形成电子密度梯度，通过对具有这样的电子密度梯度的石墨烯层1照射电磁波而光电流增加。

实施方式3.

图11、12是整体用300、350表示的、本发明的实施方式3的电磁波检测器的、在与图1的A-A方向相同的方向上观察的情况下的剖面图。在图11、12中，与图2相同的符号表示同一或者相当部位。

如图11所示，在实施方式5的电磁波检测器300中，除了石墨烯层1的中央部以外，两端部被接触层5覆盖。除了设置有接触层5的位置以外，其它构造与实施方式1的电磁波检测器100相同。例如，在用CVD法形成的石墨烯层1中，石墨烯层1通常被掺杂为p型。因此，通过接触层5与p型的石墨烯层1的一部分接触而将石墨烯层1改变为n型区域，能够使石墨烯层1具有npn构造或者pnp构造。在电磁波检测器300中，被接触层5覆盖的两端部的石墨烯层1为n型，未被接触层5覆盖的中央部的石墨烯层1仍为p型。即，在石墨烯层1形成npn结。

在图12所示的电磁波检测器350中，石墨烯层1的中央部被接触层5覆盖。在电磁波检测器350中，被接触层5覆盖的中央部的石墨烯层1为n型，未被接触层5覆盖的两端部的石墨烯层1仍为p型。即，在石墨烯层1形成pnp结。

当这样的在电磁波检测器300、350中照射电磁波的情况下，由于光开关效应，光电流增大，检测灵敏度提高。另外，电磁波非照射时的暗电流被抑制，所以能够降低噪声。

此外，石墨烯层1通过使用具有带隙的2层以上的石墨烯、二维材料，能够进一步抑制暗电流。另外，在使用被掺杂为n型的例如形成于SiC上的石墨烯层1的情况下，最好使用与n型成为对电极的p型的接触层5。

图13是整体用380表示的本发明的实施方式3的其它电磁波检测器的在与图1的A-A方向相同的方向上观察的情况下的剖面图。在图13中，与图2相同的符号表示同一或者相当部位。

如从图13可知，在电磁波检测器380中，由形成于石墨烯层1之上的接触层5形成的、石墨烯层1中的接触区域和非接触区域交替存在多个。由此，在石墨烯层1的接触层5之下的接触区域、和不与接触层5接触的非接触区域的界面形成电子密度梯度，所以在石墨烯层1中形成多个电子密度梯度。由此，通过电磁波照射发生的光电流与接触区域和非接触区域的界面的数量相应地增大，检测灵敏度上升。这样，通过形成多个接触区域和非接触区域的界面，能够增大光电流。在该情况下，形成的接触层5既可以周期性地排列也可以随机地排列。

实施方式4.

图14是整体用400表示的本发明的实施方式4的电磁波检测器的俯视图，图15是在B-B方向上观察图14的电磁波检测器的情况下的剖面图。在图14、15中，与图1、2相同的符号表示同一或者相当部位。

在电磁波检测器400中，在石墨烯层1之上，从一个电极2向另一个电极2以固定的周期设置有多个接触层5。即，如图14所示，在一对电极2之间等间隔地配置有接触层5。在接触层5是通过电磁波照射产生表面等离子共振的材料的情况下，通过使接触层5成为一维周期性的构造而发生偏振依赖性。其结果，能够形成仅检测特定的偏振光的电磁波检测器。在图14中，针对电极2，在水平方向上配置有接触层5，但也可以在垂直方向上配置，还可以附加角度地配置。

图16是整体用450表示的本发明的实施方式4的其它电磁波检测器的俯视图，图17是在C-C方向上观察图16的电磁波检测器的情况下的剖面图。在图16、17中，与图1、2相同的符号表示同一或者相当部位。

在电磁波检测器450中，如图16所示，接触层5成为二维周期性的构造。在接触层5是通过电磁波照射产生表面等离子共振的材料的情况下，通过使用上述周期构造，能够较强地仅检测具有特定的共振波长的电磁波，能够提高特定波长的检测灵敏度。另外，接触层5的周期、形状、大小既可以根据共振波长任意地变更，也可以全部随机地形成。在随机地形成的情况下，能够在多个波长中产生等离子共振，在多个波长的电磁波中提高检测灵敏度。

实施方式5.

图18是整体用500表示的本发明的实施方式5的电磁波检测器的剖面图。另外，图19是整体用550表示的本发明的实施方式5的其它电磁波检测器的剖面图。都是在与图1的A-A方向相同的方向上观察的情况下的剖面图，在图18、19中，与图2相同的符号表示同一或者相当部位。

在图18所示的电磁波检测器500中，除了接触层5、6由不同的材料形成以外，其它构造与实施方式3的电磁波检测器300相同。例如，通过使接触层5为p型、使接触层6为n型，从而在成对的电极2之间也能够形成电子密度梯度，光电流的取出效率提高，检测灵敏度提高。

另外，通过如图19所示的电磁波检测器550，在石墨烯层1上配置p型的接触层5和n型的接触层6，能够不依赖于石墨烯层1的掺杂浓度、导电类型而形成pnp构造。

在此，使接触层5为p型、使接触层6为n型，但不限定于此。通过形成接触层5，只要在石墨烯层1中稍微形成电子密度梯度就有效果，例如接触层5、6也可以是n型和p型、n型和n⁺型、p型和p⁺型等的组合。

实施方式6.

图20是整体用600表示的本发明的实施方式6的电磁波检测器的剖面图。另外，图21是整体用650表示的本发明的实施方式6的其它电磁波检测器的剖面图。都是在与图1的A-A方向相同的方向上观察的情况下的剖面图，在图20、21中，与图2相同的符号表示同一或者相当部位。

在图20所示的电磁波检测器600中，成为在接触层5上还设置石墨烯层31而上下的石墨烯层1、31夹入接触层5的构造。在上述构造中在上部的石墨烯层31和下部的石墨烯层1之中，通过接触层5分别形成接触区域和非接触区域，形成电子密度梯度。其结果，在上下的石墨烯层1、31这双方进行光电变换，并且由于电子密度梯度，光电流增加，检测灵敏度提高。

此外，在图20所示的电磁波检测器600中，接触层5的端部未被上部的石墨烯层31覆盖，但也可以如图21所示的电磁波检测器650，在石墨烯层1之上设置接触层5，进而以覆盖接触层5和石墨烯层1的方式设置其它石墨烯层31。

实施方式7.

图22是整体用700表示的本发明的实施方式7的电磁波检测器的剖面图。图22是在与图1的A-A方向相同的方向上观察的情况下的剖面图，在图22中，与图2相同的符号表示同一或者相当部位。

在图22所示的电磁波检测器700中，接触层5设置于绝缘层3与石墨烯层1之间。即，成为接触层5设置于石墨烯层1和绝缘层3的层之间的构造。在上述构造中，输入光不被接触层5遮挡而到达石墨烯层1，所以作为接触层5的材料，还能够使用不使电磁波透射的材料。例如，在将可见光作为输入光的情况下，即使将不使可见光透射的材料用作接触层5，也不会使输入光衰减而使其能够到达石墨烯层1。

另外，通过在形成接触层5之后转印石墨烯层1，能够防止对石墨烯层1造成的工艺损伤。特别，石墨烯易于在湿式工艺中受到损伤，迁移率降低，所以通过在形成接触层5之后转印石墨烯层1，能够有效地防止工艺损伤。

实施方式8.

图23是整体用800表示的本发明的实施方式8的电磁波检测器的剖面图。另外，图24是整体用850表示的本发明的实施方式8的其它电磁波检测器的剖面图。图23、24是在与图1的A-A方向相同的方向上观察的情况下的剖面图，在图23、24中，与图2相同的符号表示同一或者相当部位。

在图23所示的电磁波检测器800中，在绝缘层3之上直接设置相接触层5，在其上形成石墨烯层1，进而在其上设置接触层6。即，接触层5、6由相互不同的材料构成，并且由相互不同的材料构成的2个接触层5、6是隔着石墨烯层1配置的。即，接触层5、6由2种不同的材料形成，由接触层5、6从上下夹住石墨烯层1。例如，通过对接触层5使用p型的材料、对接触层6使用n型的材料，能够在石墨烯层1形成电子密度梯度，光电流的取出效率提高，检测灵敏度提高。

另外，通过形成接触层5和接触层6隔着石墨烯层1而相向的区域(在从上面观察的情况下重叠的区域)，能够形成pin结。其结果，能够高效地进行光电变换，光电流增大，检测灵敏度提高。例如，通过对接触层5使用p型的材料、对接触层6使用n型的材料，接触层5和接触层6隔着石墨烯层1而相向的区域由于从上下掺杂为p型和n型的接触层，所以形成在电气上中性的i层。

在图24所示的电磁波检测器850中，接触层5、6由2个不同的材料形成，在绝缘层3之上，依次层叠有接触层5、石墨烯层1、31、接触层6。一对电极2分别设置于绝缘层3之上和接触层6之上。例如，通过对接触层5使用p型的材料、对接触层6使用n型的材料，石墨烯层1被掺杂为p型、石墨烯层31被掺杂为n型。通过在接触层6之上形成一对电极2中的单个电极，能够对石墨烯层1和石墨烯层31的界面在垂直方向上施加电场。由此，能够在垂直方向上形成pn异质结，所以能够进行OFF动作。上述构造在以具有带隙的2层石墨烯、二维材料等应用时更有效。在图24中，石墨烯层1和电极2未直接接触，但也可以使用它们直接接触的构造。在该情况下，虽然施加到石墨烯层1的电场减少，但流动的电流量增加。

实施方式9.

图25是在与图1的A-A方向相同的方向上观察整体用900表示的本发明的实施方式9的电磁波检测器的情况下的剖面图，在图25中，与图2相同的符号表示同一或者相当部位。另外，图26是电磁波检测器900的电极2的俯视图。

在电磁波检测器900中，电极2具有包含周期性的凹部10的周期构造，根据周期构造，特定波长的电磁波发生等离子共振。其它构造与实施方式1的电磁波检测器100相同。在图26中，在正交的2个方向上配置有圆柱状的凹部10，但凹部10的配置只要是周期配置，则可以是任意的排列，例如其可以是正方格子、三角格子等的排列。另外，凹部10的形状除了圆柱以外，也可以是棱柱、三棱柱、四棱柱、椭圆柱等其它形状。另外，如图27所示，凹部11也可以是并列配置的一维的槽。槽的剖面形状不限定于矩形，也可以是三角形等。另外，这些凹部10、11无论贯通还是不贯通电极2，都分别产生等离子共振。以使检测的波长的电磁波发生等离子共振的方式适宜地设计即可。

通过在电极2的表面设置这样的周期性的凹部10、11，发生在特定的波长下在金属表面较强地局部存在的等离子共振。电极2的材料只要是产生表面等离子共振的金属，则可以是任意的金属，例如使用Au、Ag、Al等。

在此，说明了在电极2的表面形成周期性的凹部10、11的情况，但也可以形成周期性的凸部。产生具有同等效果的等离子共振。

在此，依赖于凹部10等的周期构造地决定等离子共振的共振波长。通过在电极2之上形成这样的周期构造，能够在电极表面仅吸收具有特定的共振波长的电磁波。即，能够在电磁波检测器900中，仅较强地检测具有特定的共振波长的电磁波，能够提高特定波长的检测灵敏度。

实施方式10.

图28、29是在本发明的实施方式10的电磁波检测器中使用的石墨烯层1的俯视图。在本实施方式10的电磁波检测器中，石墨烯层1具有包含周期性的凹部10的周期构造，特定波长的电磁波根据周期构造进行等离子共振。凹部12是在正交的2个方向上周期配置的圆柱孔，凹部13是并列配置的一维的槽。其它构造与实施方式1的电磁波检测器100相同。

凹部12、13也可以是贯通石墨烯层1的孔。即，在石墨烯层1是单层的情况下，凹部12、13为贯通石墨烯层1的孔，在石墨烯层1是多层的情况下，既可以是仅贯通它们的一部分层的孔，也可以是贯通所有层的孔。

这样，在石墨烯层1形成周期性的构造的情况下，也能够与在电极2形成周期性构造的情况同样地，吸收与周期构造对应的特定波长的电磁波。石墨烯是半金属，所以其原理为基于与金属同样的等离子共振。

此外，凹部12的二维的周期配置可以是正方格子、三角格子等任意的周期配置。另外，凹部12的形状可以是圆柱、棱柱、三棱柱、四棱柱、椭圆柱等任意的形状的凹部。但是，在三棱柱等从上面观察到的形状具有非对称性的情况下，石墨烯层1吸收的光发生偏振依赖性，所以能够形成仅检测特定的偏振光的电磁波检测器。一维的周期配置为例如如图29所示的并列配置的一维的槽。槽的剖面形状不限定于矩形，也可以是三角形等。

在此，如例如椭圆、长方形的凹部12、一维的槽这样的凹部13，在具有非对称性的凹部形状的情况下，在光的检测中发生偏振依赖性。因此，具有这样的非对称构造的电磁波检测器还能够应用于偏振成像。

偏振成像能够进行物体的边界、人造物、自然物的判别等，但以往，需要对电磁波检测器安装偏振片、偏振滤光片等其它零件，存在装置大型化、系统复杂化等缺点。但是，在本发明的实施方式的电磁波检测器中，通过在石墨烯层1形成非对称的凹部，能够实现探测特定的偏振光的电磁波检测器，所以具有使系统小型化、削减零件个数、无偏振片、滤光片所致的光损失等效果。

通过在石墨烯层1之上形成这样的周期构造，能够在石墨烯层1的表面仅吸收具有特定的共振波长的电磁波。即，在电磁波检测器中，能够仅较强地检测具有特定的共振波长的电磁波，能够提高特定波长的检测灵敏度。

在此，说明了在石墨烯层1的表面形成周期性的凹部12、13的情况，但也可以是形成周期性的凸部的图案。

实施方式11.

实施方式1～10的电磁波检测器对石墨烯层1入射电磁波，检测由此发生的光电流，但在本发明的实施方式的电磁波检测器中，代替石墨烯层1，而使用由过渡金属二硫属化物、黑磷(Black Phosphorus)等构成的二维材料的层。

即，本发明的实施方式的电磁波检测器对电磁波进行光电变换而检测，其中，所述电磁波检测器包括：

基板4；

绝缘层3，设置于基板4之上；

二维材料层1，设置于绝缘层3之上，由过渡金属二硫属化物或者黑磷构成；

一对电极2，设置于绝缘层3之上，分别与二维材料层1连接；以及

接触层5，被设置成与二维材料层1接触，

接触层5由具有极性基团的材料构成，接触层5与二维材料层1接触，从而在二维材料层1中形成电荷。除了将石墨烯层置换为二维材料层以外，其它构造与电磁波检测器100相同。

过渡金属二硫属化物、黑磷等由于具有与石墨烯同样的原子层状构造而被称为二维材料，例如由MoS2、WS2、WSe2等过渡金属二硫属化物、黑磷构成。二维材料层也可以是层叠这些材料中的同种的材料或者不同的材料的层的构造。或者，也可以是钙钛矿和石墨烯、或者异种的二维材料的层叠构造。

这些过渡金属二硫属化物材料、黑磷等二维材料具有预定的带隙。因此，截止电流大致为零，所以电磁波检测器的噪声变小，能够实现电磁波检测器的高性能化。

另外，在层叠过渡金属二硫属化物、黑磷等二维材料的构造中，能够根据层数，调整带隙的大小。因此，能够根据层数选择要检测的电磁波的波长。由此，能够得到仅探测特定的波长的电磁波的波长选择型电磁波检测器。

本发明的实施方式的电磁波检测器能够通过层叠的二维材料层的层数控制带隙的大小，无需如使用以往的半导体的检测器那样，通过半导体材料的组成控制带隙的大小，所以带隙的大小的控制变得容易。另外，也无需使用作为典型的波长选择法的光学滤光片，所以能够降低光学零件的个数，进而还能够降低通过滤光片所致的入射光的损失。

另外，在使用过渡金属二硫属化物、黑磷等二维材料的情况下，通过形成包含多层的层叠构造，能够得到偏振依赖性。因此，能够实现仅选择性地检测特定的偏振光的电磁波检测器。

进而，通过组合这些过渡金属二硫属化物、黑磷等二维材料中的不同的2种以上材料、或者组合过渡金属二硫属化物、黑磷等二维材料和石墨烯而形成为异质结，能够在异种材料之间实现与以往的半导体材料中的量子阱构造、隧道电流相同的效果。由此，能够降低噪声，并且能够降低再结合，所以能够实现电磁波检测器的高灵敏度化。

实施方式12.

图30是整体用1000表示的本发明的实施方式12的阵列传感器的俯视图，是阵列状地配置电磁波检测器的阵列传感器。在图30所示的阵列传感器1000中，2×2地配置有本发明的实施方式1的电磁波检测器100，但配置的个数不限于此。

在包含使用石墨烯层1的电磁波检测器100的阵列传感器1000中，能够检测从紫外光至微波的非常宽的波长范围的电磁波。因此，在例如将阵列传感器1000应用于车载传感器的情况下，在白天能够用作可见光图像用照相机，另一方面，在夜间还能够用作红外线照相机，无需根据检测波长分开使用照相机。

此外，优选在阵列传感器1000之外设置读出从各个电磁波检测器100得到的电信号的电路、矩阵选择电路等。

图31是整体用2000表示的本发明的实施方式12的其它阵列传感器的俯视图。在图31中，2×2地配置有种类相互不同的电磁波检测器100a、100b、100c、100d，但配置的个数不限于此。

在本实施方式12的阵列传感器2000中，通过一维或者二维阵列状地配置在实施方式1～11中叙述的各种电磁波检测器，能够使得具有作为图像传感器的功能。

例如，在图31所示的阵列传感器2000中，分别由检测波长不同的电磁波检测器形成电磁波检测器100a、100b、100c、100d。具体而言，阵列状地排列实施方式9～11记载的具有检测波长选择性的电磁波检测器。由此，阵列传感器2000能够检测至少2个以上不同的波长的电磁波。

通过这样阵列状地配置具有不同的检测波长的电磁波检测器100a～100d，与在可见光区域使用的影像传感器同样地，在紫外光、红外光、太赫兹波、电波的波长区域中，也能够得到彩色化的图像。

另外，作为影像传感器以外的用途，即便是少量的像素数也能够用作物体的位置探测用传感器。通过阵列传感器2000的构造，能够制造检测多个波长的电磁波的光强度的图像传感器。由此，无需使用以往在CMOS传感器等中需要的彩色滤光片就能够检测多个波长的电磁波来得到彩色图像。

进而，还能够通过对探测的偏振光不同的电磁波检测器进行阵列化，形成偏振光识别图像传感器，能够实现例如人造物和自然物的识别。

实施方式13.

图32是整体用10000表示的本发明的实施方式12的照相机系统的示意图，具体而言，是搭载有阵列传感器1000或者阵列传感器2000的照相机系统的框图。本发明的实施方式13的照相机系统10000包括透镜、光学系统(快门、孔径、滤光片等)、阵列传感器(1000或者2000)、信号处理系统、图像输出系统。用透镜对入射电磁波进行聚光，输入到阵列传感器。进而，对从阵列传感器得到的输出进行信号处理，作为图像输出。关于透镜，根据需要选择可视透镜、近红外透镜、红外透镜、太赫兹透镜等。通过切换透镜，无需滤光片而能够将各种波长的光输入到阵列传感器。此时，作为光学系统，既可以根据需要选择快门、孔径、滤光片等，也可以不这样做。另外，在不使用透镜的情况或使用超宽带透镜的情况下，能够用阵列传感器检测所有波长。

另外，也可以对透镜使用超材料透镜。关于超材料透镜，透射的波长不依赖于材料，通过控制构造，能够选择性地控制透射的波长。另外，能够实现能够使所有波长的光聚光到同一焦距的超宽带透镜。