JP7477766B2

JP7477766B2 - 光検出装置

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Publication number: JP7477766B2
Application number: JP2020161229A
Authority: JP
Inventors: 裕泰山下
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2024-05-02
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: JP2022054180A

Description

本発明は、光検出装置に関する。

光照射によってグラフェンに発生する電圧等を検出する光検出器（以下、グラフェン光検出器と呼ぶ）が注目されている。グラフェンは、炭素原子が２次元ハニカム状に配列された材料であり、特徴的な物性を有する。

例えばグラフェンは、小さな熱容量と大きな熱電効果とを有する。従って、赤外線やテラヘルツ光がグラフェンに照射されると、グラフェンの温度は大きく上昇しその結果、大きな熱起電力が発生する。グラフェン光検出器は、これらの特徴を利用した光検出器である（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。

グラフェンとグラフェンに対向する２つのバックゲートとを有するグラフェン光検出器（以下、２バックゲート光検出器と呼ぶ）により、グラフェンによる光検出が実証されている（例えば、非特許文献１参照）。２つのバックゲートに別々の電圧が印加されると、グラフェンに非対称なキャリア分布が形成される。ゼーベック係数はキャリア密度に依存するので、非対称なキャリア分布が形成されたグラフェンに赤外光等が照射されて温度が上昇すると、熱起電力が発生する。２バックゲート光検出器は、この熱起電力を検出する。なお非対称なキャリア分布とは、多数キャリアのタイプおよび／または密度が均一でないことを意味する。

非対称なキャリア分布は、グラフェンの隣接する領域に互いに異なる異種物質を付着させることでも実現できる（例えば、特許文献１参照）。しかし、互いに異なる異種物質がグラフェンに付着されたグラフェン光検出器を製造することは容易ではない。２バックゲート光検出器には、この様な問題はない。

グラフェンの物性に関しては、グラフェンに孔を設けることで、ゼロギャップ半導体であるグラフェンにバンドギャップを設ける技術が報告されている（例えば、特許文献１参照）。テラヘルツ光を検出する検出器に関しては、３次元多孔質グラフェンを受光層として用いることで感度が向上したデバイスが報告されている（例えば、特許文献２参照）。

再表２０１３／０１８１５３号公報特開２０１８－３７６１７号公報

Kei Kinoshita et al., Applied Physics Letters 113, 103102 (2018)

２バックゲート光検出器は、互いに異なる異種物質のグラフェンへの付着という複雑な工程を経ずに製造できるデバイスである。しかし２バックゲート光検出器には、構造が複雑であるという問題がある。

２バックゲート光検出器には更に、２つのバックゲートに互いに異なる電圧が印加されるので、周辺回路も複雑であるという問題がある。これらの問題は、２つのバックゲートに別々の電圧を印加するという２バックゲート光検出器の基本動作に関わっている。

そこで本発明は、このような問題を解決することを課題とする。

一つの実施の形態では、光検出装置は、孔が設けられた第１領域が一端側に配置され前記第１領域とは異なる第２領域が他端側に配置された受光領域を含むグラフェンと前記受光領域に対向するゲート電極とを有し、前記受光領域に照射される光に応答して電気信号を出力する光センサと、前記受光領域と前記ゲート電極との間に、ゲート電圧を印加するゲート電圧印加回路とを有し、前記第１領域のうち孔以外の領域の面積と前記第１領域の面積の比は、前記第２領域のうち孔以外の領域の面積と前記第２領域の面積の比より小さく、前記ゲート電圧は前記電気信号の強度と前記光の強度の比が、特定の値になるように設定されている。

一つの側面では、本発明によれば、一つのバックゲートに一つの電圧を印加するだけで、光の検出が可能なグラフェン光検出装置（すなわち、光をグラフェンで光電変換する光検出装置）を提供できる。

図１は、実施の形態１の光検出装置２の一例を示す図である。図２は、光センサ４の一例を示す斜視図である。図３は、受光領域１０の一例を示す平面図である。図４は、不純物のドーピングや異種物質の付着がされていないグラフェンのエネルギーバンド構造を示す図である。図５は、実施の形態１における受光領域１０の導電型を説明する図である。図６は、特定の波長（例えば、８μｍ）の光を受光領域１０に照射した時の光検出装置２の感度Ｒ１とゲート電圧Ｖｇとの関係の一例を示す図である。図７は、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂに誘起される電子３４の密度を説明する図である。図８は、実施の形態１の光センサ４の製造方法の一例を示す図である。図９は、実施の形態１の光センサ４の製造方法の一例を示す図である。図１０は、ゲート電極を２つ備えた光センサ１０４を有する光検出装置１０２の構造の一例を示す図である。図１１は、第１領域１６ａの変形例２１６ａを説明する図である。図１２は、実施の形態２の光検出装置２０２の一例を示す図である。図１３は、実施の形態２における受光領域１０の導電型を説明する図である。図１４は、特定の波長の光を受光領域１０に照射した時の光検出装置２０２の感度Ｒ２とゲート電圧Ｖｇとの関係の一例を示す図である。

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。図面が異なっても同じ構造を有する部分等には同一の符号を付し、その説明を省略する。

（実施の形態１）
（１）構造
図１は、実施の形態１の光検出装置２の一例を示す図である。図１に示すように、実施の形態１の光検出装置２は、光センサ４と、ゲート電圧印加回路６と、電気信号検出回路８とを有する。

―光センサ４―
図２は、光センサ４の一例を示す斜視図である。図２には、光センサ４のうちグラフェン１２（図１参照）の近傍が示されている。

光センサ４は、光が照射される領域１０（以下、受光領域と呼ぶ）と、受光領域１０の一端Ｅ１（図１参照）に接する第１接続領域１５ａと、受光領域１０の他端Ｅ２に接する第２接続領域１５ｂとを含むグラフェン１２を有する。光センサ４は、受光領域１０に照射される光に応答して電気信号を出力するデバイスである。

光センサ４は更に、第１接続領域１５ａに接続された第１電極１１ａと、第２接続領域１５ｂに接続された第２電極１１ｂとを有する。光センサ４は更に、受光領域１０に対向するゲート電極５を有する。ゲート電極５は例えば、導電性のシリコン基板７（すなわち、ｎ⁺シリコン基板またはｐ⁺シリコン基板）である。

光センサ４は更に、シリコン基板７上に配置されグラフェン１２を支持するＳｉＯ_２膜９を有する。光センサ４は更に、シリコン基板７に接続された基板電極１３（図１参照）を有する。

図３は、受光領域１０の一例を示す平面図である。受光領域１０の一端Ｅ１側には、孔１４が設けられた第１領域１６ａが配置される。受光領域１０の他端Ｅ２側には、第１領域１６ａとは異なる第２領域１６ｂが配置される。第１領域１６ａのフィルファクタは、第２領域１６ｂのフィルファクタより小さい。

ある領域Ａ（例えば、第１領域１６ａ）のフィルファクタとは、領域Ａのうち孔以外の領域の面積Ｓ１と領域Ａの面積Ｓ２の比（＝Ｓ１／Ｓ２）である。従って第１領域１６ａのフィルファクタは、第１領域１６ａのうち炭素原子で満たされた領域３（以下、充填領域と呼ぶ）の面積Ｓ１と第１領域１６ａの面積Ｓ２の比（＝Ｓ１／Ｓ２）である。第１領域１６ａの面積Ｓ２は、第１領域１６ａの外周の内側全体の面積である。図３に示す例では、第１領域１６ａのフィルファクタは略０．５である。

第２領域１６ｂのフィルファクタについても同様である。図３に示す例では、第２領域１６ｂに孔は設けられていないので、第２領域１６ｂのフィルファクタは１である。

―ゲート電圧印加回路６―
ゲート電圧印加回路６（図１参照）は、受光領域１０とゲート電極５との間に、ゲート電圧Ｖｇを印加する回路である。光検出装置２のゲート電圧Ｖｇは、一定の電圧Ｖ１（例えば、３Ｖ）である。電圧Ｖ１の詳細については、「（２）動作」で説明される。

図１に示す例ではゲート電圧印加回路６は、基板電極１３と第２電極１１ｂとに接続され電圧Ｖ１を出力する定電圧源１７を有する。ゲート電圧Ｖｇ（すなわち、電圧Ｖ１）は、基板電極１３と第２電極１１ｂとを介して受光領域１０とゲート電極５との間に印加される。

受光領域１０の導電型は、受光領域１０とゲート電極５との間にいかなる電圧も印加されない場合にはｐ型（またはｎ型）である。受光領域１０とゲート電極５との間への電圧Ｖ１の印加により、第１領域１６ａの導電型が反転し、第２領域１６ｂの導電型は維持される。

―電気信号検出回路８―
電気信号検出回路８（図１参照）は、受光領域１０に照射される光（例えば、可視光、赤外線またはテラヘルツ光）に応答して光センサ４が出力する電気信号を検出する回路である。

実施の形態１の電気信号検出回路８は、受光領域１０の両端Ｅ１，Ｅ２に電圧Ｖbiasを印加しながら、受光領域１０に流れる電流Ｉを検出する電流検出回路１９である。電流検出回路１９は例えば、受光領域１０に電圧Ｖbiasを印加する定電圧源１８と、定電圧源１８に接続された電流計２０とを有する。電流検出回路１９の一端は、第１電極１１ａに接続され他端は第２電極１１ｂに接続される。

電圧Ｖbiasは、第１～第２領域１６ａ，１６ｂの一方であって受光領域１０とゲート電極５との間に電圧Ｖ１が印加されている間の導電型がｎ型である領域の電位を、第１～第２領域１６ａ，１６ｂの他方の電位より高くする電圧である。第１～第２領域１６ａ，１６ｂの導電型については、「（２）動作」で説明される。電圧Ｖbiasは、受光領域１０に形成されるｐｎ接合（「（２）動作」参照）に印加される逆バイアス電圧である。

光センサ４が出力する電気信号は、受光領域１０とゲート電極５との間に電圧Ｖ１が印加されている間に電流検出回路１９が検出する電流Ｉ（すなわち、逆バイアスされた受光領域１０への光照射により受光領域１０に流れる電流）である。

（２）動作
図４は、不純物のドーピングや異種物質の付着がされていないグラフェンのエネルギーバンド構造を示す図である。ｋ_ｘ軸２２は、ｘ軸方向の波数ｋ_ｘを示している。ｋ_ｙ軸２４は、ｙ軸方向の波数ｋ_ｙを示している。エネルギー軸２６は、電子のエネルギーＥを示している。

図４に示すように、グラフェンの価電子帯２８と伝導帯３０とは、Ｋ点３２で接している。このため、グラフェンはゼロギャップ半導体と呼ばれることがある。グラフェンにおけるＫ点３２は、ディラック点（すなわち、バンドが縮退している点）である。

図５は、実施の形態１における受光領域１０の導電型を説明する図である。図５には、受光領域１０のエネルギーバンドの一例が示されている。図５に示された例では、受光領域１０の導電型は、受光領域１０とゲート電極５との間にいかなる電圧も印加されていない時はｐ型である。説明が煩雑にならないよう、図５の説明では電子の熱エネルギーは無視されている（後述する図１３についても同様）。

以後の説明では、「受光領域１０とゲート電極５との間に」は、「ゲート電極５に」と略される。従って例えば、「受光領域１０とゲート電極５との間にいかなる電圧も印加されていない時」は、「ゲート電極５にいかなる電圧も印加されていない時」と略される。同様に「受光領域１０とゲート電極５との間への」は、「ゲート電極５への」と略される。

図５（ａ）には、ゲート電極５にいかなる電圧も印加されていない時の受光領域１０のエネルギーバンドの一例が示されている。ゲート電極５にいかなる電圧も印加されていない時、受光領域１０の価電子帯２８（図５（ａ）参照）は、エネルギーＥ_０まで電子で満たされ、エネルギーＥ_０から価電子帯の頂上（すなわち、Ｋ点）までは正孔で満たされている。すなわち、ゲート電極５にいかなる電圧も印加されていない時、受光領域１０の導電型はｐ型である。

図５（ｂ）には、ゲート電極５に電圧Ｖ１（すなわち、実施の形態１のゲート電圧Ｖｇ）が印加された時の第１領域１６ａのエネルギーバンドが示されている。図５（ｃ）には、ゲート電極５に電圧Ｖ１が印加された時の第２領域１６ｂのエネルギーバンドが示されている。

図５（ｂ）～（ｃ）に示された例では、電圧Ｖ１は、受光領域１０の電位をゲート電極５の電位より低くする電圧である。このためゲート電極５に電圧Ｖ１が印加されると、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂには電子が誘起される。

この際、フィルファクタが低い第１領域１６ａの充填領域３（図３参照）には、第２領域１６ｂの電子密度より高密度の電子が誘起される（下記「―非対称なキャリア誘起―」参照）。その結果、第１領域１６ａの価電子帯２８は誘起された電子で満たされ、価電子帯２８に入れなった電子が第１領域１６ａの伝導帯３０の底を満たす（図５（ｂ）参照）。従って第１領域１６ａの導電型は、ゲート電極５への電圧Ｖ１の印加により反転してｎ型になる。

一方、ゲート電極５に電圧Ｖ１が印加されても、第２領域１６ｂには伝導帯３０を満たすのに十分な電子は誘起されず、第２領域１６ｂの導電型はｐ型に維持される（図５（ｃ）参照）。従って受光領域１０には、ゲート電極５への電圧Ｖ１の印加によりｐｎ接合が発生する。受光領域１０に発生したｐｎ接合は例えば、走査型プローブ顕微鏡により検出することができる。

付言するならば、第２領域１６ｂでは、ゲート電極５への電圧Ｖ１の印加により、価電子帯２８内の電子のエネルギーの最大値が、Ｅ_０からＥ_２（図５（ｃ）参照）に上昇する。従って第２領域１６ｂの正孔密度は、ゲート電極５への電圧Ｖ１の印加により低下する。

―光電流の発生―
受光領域１０に電圧Ｖbias（すなわち、逆バイアス電圧）が印加されると、受光領域１０に発生するｐｎ接合の空乏層は広がる。広がった空乏層に光が照射されると、電子-正孔対が発生する。発生した電子-正孔対は、空乏層内の電界により電子と正孔とに分離される。分離された電子と正孔は、空乏層内の電界により、電子の流れと正孔の流れとになる。この電子の流れと正孔の流れの束が、光照射によって受光領域１０に流れる電流（以下、光電流と呼ぶ）である。

受光領域１０に流れる光電流は、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとを介して受光領域１０から出力され、電流検出回路１９の電流計２０（図１参照）により検出される。光センサ４が出力する電気信号は、受光領域１０とゲート電極５との間に電圧Ｖ１が印加され受光領域１０に電圧Ｖbiasが印加されている間に、光照射により受光領域１０に流れる光電流である。

―感度―
図６は、特定の波長（例えば、８μｍ）の光を受光領域１０に照射した時の光検出装置２の感度Ｒ１とゲート電圧Ｖｇとの関係の一例を示す図である。横軸は、ゲート電圧Ｖｇである。縦軸は、光検出装置２の感度Ｒ１である。光検出装置２の感度とは、受光領域１０に照射される光に応答して光センサ４が出力する電気信号（実施の形態１では光電流）の強度Ａと受光領域１０に照射される光の強度（所謂、光パワー）Ｂの比（＝Ａ／Ｂ）である。図６に示すように、感度Ｒ１は正および負いずれの値にもなり得る。

光検出装置２の感度Ｒ１の正負は、電気信号検出回路８に流れる電流の正負によって決まる。例えば電流が負の場合、感度も負になる。電流の正負は（電流の）正方向の定義によって決まるので、光検出装置２の感度の正負は便宜的である。実施の形態２の光検出装置２０２の感度についても同様である。

ゲート電圧Ｖｇ（ここでは、受光領域１０に対するゲート電極５の電位）が小さい領域Iでは、受光領域１０の第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂの導電型は反転しないので、受光領域１０にはｐｎ接合は形成されない。このため、光検出装置２の感度は略ゼロである。一方、ゲート電圧Ｖｇが大き過ぎる領域IIIでは、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂ両方の導電型が反転するので、受光領域１０にはｐｎ接合は形成されない。従って領域IIIでも、光検出装置２の感度は略ゼロである。

ゲート電圧Ｖｇが小さ過ぎず且つ大き過ぎない領域IIでは、第１領域１６ａのみの導電型が反転するので、受光領域１０にｐｎ接合が形成される。すると、光検出装置２の感度は増大し、ゲート電圧Ｖｇと感度Ｒ１の関係を示す曲線３５に、大きなピーク３６が現れる。

感度Ｒ１のピーク値Ｐ１（すなわち、感度Ｒ１のうち絶対値が最大の感度）は、ゲート電圧Ｖｇだけでなく受光領域１０に印加される電圧Ｖbiasにも依存する。電圧Ｖbiasが１Ｖの場合、感度Ｒ１のピーク値Ｐ１は例えば、１ｍＡ／Ｗである。

実施の形態１のゲート電圧Ｖｇは、光検出装置２の感度Ｒ１（図６参照）が特定の値（以下、目標感度と呼ぶ）になるように設定された電圧Ｖ１である。電圧Ｖ１は、変更可能な電圧であっても良い。すなわち、ゲート電圧印加回路６の定電圧源１７は、可変電圧源であっても良い。

感度Ｒ１のピーク値Ｐ１が正の値の場合、目標感度は好ましくは、感度Ｒ１のピーク値Ｐ１の０．５倍以上である。更に好ましくは、目標感度は感度Ｒ１のピーク値Ｐ１の０．７倍以上である。最も好ましくは、目標感度は感度Ｒ１のピーク値Ｐ１の０．９倍以上（例えば、ピーク値Ｐ１）である。目標感度の上限は、感度Ｒ１のピーク値Ｐ１である。

一方、感度Ｒ１のピーク値Ｐ１が負の値の場合には、目標感度は好ましくは、感度Ｒ１のピーク値Ｐ１の０．５倍以下である。更に好ましくは、目標感度は感度Ｒ１のピーク値Ｐ１の０．７倍以下である。最も好ましくは、目標感度は感度Ｒ１のピーク値Ｐ１の０．９倍以下（例えば、ピーク値Ｐ１）である。目標感度の下限は、感度Ｒ１のピーク値Ｐ１である。

具体的には、目標感度の絶対値は好ましくは、０．５ｍＡ／Ｗ以上である。更に好ましくは目標感度の絶対値は、０．７ｍＡ／Ｗ以上である。最も好ましくは目標感度の絶対値は、０．９ｍＡ／Ｗ以上である。

なお、実施の形態２で説明するように、ゲート電極５にゲート電圧Ｖｇが印加されると、受光領域１０の第１領域１６ａのゼーベック係数と第２領域１６ｂのゼーベック係数は互いに乖離する。従って、光センサ４から出力される電気信号は、光熱電効果（すなわち、光吸収で発生する熱による熱電効果）により生じる電流を含んでいる。

しかし実施の形態１の光検出装置２では、受光領域１０に逆バイアス電圧Ｖbiasが印加され空乏層が広がるので、光起電力効果による光電流（すなわち、ｐｎ接合の内部電界により発生する光電流）が、多くの場合、光熱電効果による電流より支配的である。

光熱電効果については、実施の形態２で説明される。

―非対称なキャリア誘起―
図７は、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂに誘起される電子３４の密度を説明する図である。ここでも受光領域１０の導電型は、受光領域１０とゲート電極５との間にいかなる電圧も印加されない時にはｐ型とする。

静電場に関するガウスの法則から明らかなように、あるゲート電圧Ｖｇにより第１領域１６ａに誘起される電子の数Ｎ_１は、式（１）で表される。

ここで、εはＳｉＯ_２膜９の誘電率である。eは素電荷である。Ｅ_ｎは、第１領域１６ａからゲート電極５に向かう電界ベクトルの成分のうち第１領域１６ａに垂直な成分である。第１領域１６ａとゲート電極５の間隔ｄ（すなわち、ＳｉＯ_２膜９の厚さ）に比べ孔１４の幅が十分に小さい場合、Ｅ_ｎは充填領域３（すなわち、炭素原子で満たされた領域：図２参照）および孔１４両方の直下で略Ｖｇ／ｄである。

従って、ゲート電圧Ｖｇの印加により第１領域１６ａに誘起される巨視的な電子密度ＥＤ_ｍａｃは、式（２）で表される。

巨視的な電子密度とは、巨視的領域（すなわち、ある領域の外周の内側全体）の面積で、巨視的領域に誘起される電子の総数を割った値である。従って、ゲート電圧Ｖｇの印加により第１領域１６ａに誘起される巨視的電子密度ＥＤ_ｍａｃは、第１領域１６ａの外周の内側全体の面積Ｓ_ｍａｃでゲート電圧Ｖｇの印加により第１領域１６ａに誘起される電子の総数Ｎ_１を割った値（＝Ｎ_１／Ｓ_ｍａｃ）である。

一方、炭素原子で満たされた充填領域３（図２参照）に誘起される電子の密度ＥＤ_ｍｉｃ（以下、微視的な電子密度と呼ぶ）は、Ｎ_１／Ｓ_ｍｉｃである。ここで、Ｓ_ｍｉｃは充填領域の面積である。Ｓ_ｍｉｃは、ある領域（ここでは、第１領域１６ａ）のうち孔１４以外の部分の面積である。

従って、第１領域１６ａの微視的な電子密度ＥＤ_ｍｉｃは式（３）で表される。

ここで、Ｆは巨視的領域（ここでは、第１領域１６ａ）のフィルファクタ（＝Ｓ_ｍｉｃ／Ｓ_ｍａｃ）である。第１領域１６ａ内のグラフェン１２に誘起される電子の密度は、巨視的な電子密度ＥＤ_ｍａｃではなく微視的な電子密度ＥＤ_ｍｉｃである。

同様に、第２領域１６ｂ内のグラフェン１２に誘起される電子の密度も、巨視的な電子密度ではなく微視的な電子密度である。式（１）～（３）は、第２領域１６ｂの電子密度等についても成立する。

第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂには同じゲート電圧Ｖｇが印加されるので、式（２）から明らかなように、第１領域１６ａの巨視的な電子密度ＥＤ_ｍａｃと第２領域１６ｂの巨視的な電子密度ＥＤ_ｍａｃは等しい。一方、図３に示されているように、第１領域１６ａのフィルファクタＦは、第２領域１６ｂのフィルファクタＦより小さい。

従って第１領域１６ａの微視的な電子密度ＥＤ_ｍｉｃは、第２領域１６ｂの微視的な電子密度ＥＤ_ｍｉｃより大きい。故に、第１領域１６ａのグラフェン１２に誘起される電子の密度は、第２領域１６ｂのグラフェン１２に誘起される電子の密度より高い。すなわち、一つのゲート電極５への一つのゲート電圧Ｖｇの印加により、受光領域１０に非対称なキャリア分布（図５参照）が誘起される。

以上の説明では、孔１４の幅はＳｉＯ_２膜９の厚さに比べ十分に小さい。しかし、この様な理想的な条件が満たされなくても、第１領域１６ａに誘起される電子（または正孔）の密度は、第２領域１６ｂに誘起される電子（または正孔）の密度より高くなる。

（３）製造方法
図８～９は、実施の形態１の光センサ４の製造方法の一例を示す図である。

先ず、導電性のシリコン基板７上にＳｉＯ_２膜９を形成する（図８（ａ）参照）。ＳｉＯ_２膜９の厚さは例えば、５０ｎｍ～２００ｎｍ（好ましくは、９０ｎｍ）である。

このＳｉＯ_２膜９の上に、炭素原子の一部がヘテロ原子（例えば、窒素やホウ素）で置換された帯状のグラフェン１２を配置する（図８（ｂ）参照）。炭素原子の一部がヘテロ原子で置換されると、グラフェン１２の導電型はｎ型またはｐ型になる。例えば、炭素原子の一部が窒素原子で置換されたグラフェン１２の導電型はｎ型である。炭素原子の一部がホウ素原子で置換されたグラフェン１２の導電型はｐ型である。

グラフェン１２の長さは例えば、５μｍ～２０μｍ（例えば、９μｍ）である。グラフェン１２の幅は例えば、２μｍ～１０μｍ（例えば、５μｍ）である。

ＳｉＯ_２膜９およびグラフェン１２の上に、グラフェン１２の一端側に複数の開口３７が設けられたフォトレジスト膜３８を形成する（図８（ｃ）参照）。このフォトレジスト膜３８を介して、グラフェン１２をエッチングする。グラフェン１２のエッチングは例えば、酸素を反応ガスとするドライエッチングにより行われる。

このエッチングにより、グラフェン１２の一端側に複数の孔１４が形成される（図９（ａ）参照）。複数の孔１４が形成された領域は、受光領域１０の第１領域１６ａになる。第１領域１６ａに接する領域は、受光領域１０の第２領域１６ｂになる。図９（ａ）では第１領域１６ａは第２領域１６ｂより長くなっているが、第１領域１６ａと第２領域１６ｂの長さは略同じであっても良い。或いは、第１領域１６ａは第２領域１６ｂより短くても良い。

孔１４の幅は例えば、１０ｎｍ～１０００ｎｍである。第１領域１６ａのフィルファクタは例えば、０．７～０．９５（好ましくは、０．９）である。第２領域１６ｂのフィルファクタは例えば、１．０である。

複数の孔１４の形成後、ＳｉＯ_２膜９を貫通するコンタクトホール４０を形成する（図９（ｂ）参照）。

その後、グラフェン１２の一端に第１電極１１ａを形成し、他端に第２電極１１ｂを形成する。更に、コンタクトホール４０内に露出されたシリコン基板７に接しＳｉＯ_２膜９上に延在する基板電極１３を形成する（図９（ｃ）参照）。

（４）２バックゲート光検出器
図１０は、ゲート電極を２つ備えた光センサ１０４（すなわち、２バックゲート光検出器）を有する光検出装置１０２の構造の一例を示す図である。光検出装置１０２は、図１等を参照して説明した実施の形態１の光検出装置２に類似している。従って光検出装置２と共通する部分については、説明を省略する。

光検出装置１０２は、光センサ１０４と、第１バイアス回路１０６ａと、第２バイアス回路１０６ｂと、電気信号検出回路８とを有する。電気信号検出回路８は、図１等を参照して説明した回路である。

―光センサ１０４―
光センサ１０４のグラフェン１１２には、孔が設けられない。従って、受光領域１１０の第１領域１１６ａのフィルファクタは１である。受光領域１１０の第２領域１１６ｂのフィルファクタも１である。

光センサ１０４は、第１領域１１６ａに対向する第１ゲート電極１０５ａと、第２領域１１６ｂに対向する第２ゲート電極１０５ｂとを有する。光センサ１０４は更に、第１ゲート電極１０５ａおよび第２ゲート電極１０５ｂとグラフェン１１２の間に配置された絶縁膜１０９（例えば、ＳｉＯ_２膜）とを有する。第１ゲート電極１０５ａおよび第２ゲート電極１０５ｂは、シリコン基板７を覆うＳｉＯ_２膜９の上に配置される。

―第１バイアス回路１０６ａおよび第２バイアス回路１０６ｂ―
第１バイアス回路１０６ａは、受光領域１１０の第１領域１１６ａと第１ゲート電極１０５ａとの間に、第１ゲート電圧Ｖｇ１を印加する。第２バイアス回路１０６ｂは、受光領域１１０の第２領域１１６ｂと第２ゲート電極１０５ｂとの間に、第１ゲート電圧Ｖｇ１とは異なる第２ゲート電圧Ｖｇ２を印加する。

第１領域１１６aと第１ゲート電極１０５ａとの間および第２領域１１６ｂと第２ゲート電極１０５ｂとの間にいかなる電圧も印加されない場合、受光領域１１０の導電型はｐ型（またはｎ型）である。

第１ゲート電圧Ｖｇ１と第２ゲート電圧Ｖｇ２とは互いに異なる電圧である。従って、第１ゲート電圧Ｖｇ１により第１領域１１６aに誘起される微視的なキャリア密度（例えば、電子密度）および第２ゲート電圧Ｖｇ２により第２領域１１６ｂに誘起される微視的なキャリア密度は互いに異なる。従って受光領域１１０に、ｐｎ接合を形成することは容易である。

故に、図１０の光検出装置１０２によっても、グラフェン１１２に照射される光の検出は可能である。しかし光センサ１０４は２つのゲート電極（すなわち、第１ゲート電極１０５ａおよび第２ゲート電極１０５ｂ）を含むので、光センサ１０４の構造は複雑である。更に、２つのゲート電極１０５ａ，１０５ｂには別々の電圧Ｖｇ１，Ｖｇ２が印加されるので、周辺回路４２も複雑になる。

図１を参照して説明した光検出装置２には、これらの問題はない。

（５）変形例
図１１は、第１領域１６ａの変形例２１６ａを説明する図である。図３に示された第１領域１６ａの孔１４は、両端が丸められた帯状の孔である。一方、図１１に示された第１領域２１６ａの孔１１４は、円形の孔である。変型例によれば、第１領域１６ａのバリエーションが増加する。

以上の例では、第２領域１６ｂに孔１４は設けられない。しかし、孔１４は第１領域１６ａだけでなく、第２領域１６ｂにも設けられて良い。

また以上の例では、受光領域１０の導電型は、受光領域１０とゲート電極５の間にいかなる電圧も印加されない場合にはｐ型である。しかし受光領域１０の導電型は、受光領域１０とゲート電極５の間にいかなる電圧も印加されない場合にｎ型であっても良い。この場合、ゲート電圧Ｖ１は、受光領域１０の電位をゲート電極５の電位より高くする電圧である。

以上の例では、受光領域１０はフィルファクタが互いに異なる２つの領域（すなわち、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂ）を有する。しかし受光領域１０は、フィルファクタが互いに異なる３つ以上の領域を有しても良い。例えば受光領域１０は、第１領域１６ａと第２領域１６ｂの間に、フィルファクタが第１領域１６ａより大きく第２領域１６ｂよりは小さい領域を有しても良い。この構造によれば、受光領域１０にｐｉｎ接合を形成できる。

以上の例では、グラフェン１２に含まれる炭素原子の一部がヘテロ原子により置換される（「（３）製造方法」参照）。しかし炭素原子の置換によらなくても、受光領域１０の導電型をｎ型またはｐ型にすることは可能である。例えば、F4-TCNQ（tetrafluoro-tetracyanoquin-odimethane）等の有機物、Ａｕ等の金属粒子およびＡｌ_２Ｏ_３膜のいずれか一つを受光領域１０に付着させることでも、グラフェン１２の導電型の制御は可能である。或いは、グラフェン１２に欠陥を導入することでも、グラフェン１２の導電型の制御は可能である。炭素原子の置換や有機物等の付着は、意図的でなくても良い。

また以上の例では、ゲート電極５は導電性のシリコン基板７である。しかしゲート電極５は、金属膜であっても良い。

またグラフェン１２とゲート電極５の間に配置される絶縁膜は、ＳｉＯ_２膜以外の絶縁膜（例えば、ＳｉＮ膜）であっても良い。

実施の形態１では、フィルファクタが互いに異なる領域を含む受光領域１０とゲート電極５の間に一つの電圧Ｖ１を印加する事で、非対称なキャリア分布を受光領域１０に誘起してｐｎ接合を形成する。従って実施の形態１によれば、一つのゲート電極５に一つの電圧Ｖ１を印加するだけで光検出が可能なグラフェン光検出装置を実現できる。

（実施の形態２）
実施の形態２は、実施の形態１に類似している。従って、実施の形態１と同じ構成等については、説明を省略または簡単にする。

（１）構造
図１２は、実施の形態２の光検出装置２０２の一例を示す図である。図１２に示すように、光検出装置２０２は、光センサ４と、ゲート電圧印加回路６と、電気信号検出回路２０８とを有する。

光センサ４は、実施の形態１で説明したセンサである（図１参照）。同様にゲート電圧印加回路６は、実施の形態１で説明した回路である。一方、電気信号検出回路２０８は、実施の形態１の電気信号検出回路８とは異なる回路である。

電気信号検出回路２０８は、受光領域１０の第１領域１６ａに接する第１接続領域１５ａと受光領域１０の第２領域１６ｂに接する第２接続領域１５ｂとの間に発生する電位差Ｖ_ＰＴＥを検出する電圧検出回路２１９である。

図１２に示す例では、電圧検出回路２１９は、第１接続領域１５ａと第２接続領域１５ｂとに接続された電圧計２２０を有する回路である。実施の形態２の光センサ４が出力する電気信号は、光センサ４のゲート電極５に電圧Ｖ２が印加されている間に電圧検出回路２１９が検出する電位差Ｖ_ＰＴＥ（すなわち、光照射された受光領域１０の両端に発生する電位差）である。電圧Ｖ２は、ゲート電圧印加回路６が出力するゲート電圧Ｖｇである。電圧Ｖ２の詳細については、「（２）動作」で説明される。

（２）動作
図１３は、実施の形態２における受光領域１０の導電型を説明する図である。図１３には、受光領域１０のエネルギーバンドの一例が示されている。図１３に示された例では、受光領域１０の導電型は、ゲート電極５にいかなる電圧も印加されていない時はｐ型である。

図１３（ａ）には、ゲート電極５に電圧が印加されていない時の受光領域１０のエネルギーバンドが示されている。図１３（ａ）に示すように、ゲート電極５にいかなる電圧も印加されていない時、受光領域１０の価電子帯は、エネルギーＥ_０まで電子で満たされ、エネルギーＥ_０から価電子帯の頂上（すなわち、Ｋ点）までは正孔で満たされている。

図１３（ｂ）は、ゲート電極５に電圧Ｖ２（すなわち、実施の形態２のゲート電圧Ｖｇ）が印加された時の第１領域１６ａにおけるグラフェン１２のエネルギーバンドを示している。図１３（ｃ）は、ゲート電極５に電圧Ｖ２が印加された時の第２領域１６ｂにおけるグラフェン１２のエネルギーバンドを示している。

ゲート電極５に電圧Ｖ２が印加されると、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂには電子が誘起される。この際、フィルファクタが小さい第１領域１６ａのグラフェン１２に誘起される電子の密度は、第２領域１６ｂのグラフェンに誘起される電子の密度より高い（実施の形態１参照）。従って、第１領域１６ａにおける価電子帯内の電子のエネルギーの最大値Ｅ１’は、第２領域１６ｂにおける価電子帯内の電子エネルギーの最大値Ｅ２’より高くなる。すなわち第１領域１６ａの正孔密度は、第２領域１６ｂの正孔密度より低くなる。

故に、ゲート電極５に電圧Ｖ２が印加されている間、第１領域１６ａにおける多数キャリア（ここでは、正孔）の密度は、第２領域１６ｂにおける多数キャリアの密度より低くなる。

熱電効果の大きさを示すゼーベック係数は、多数キャリアの密度に依存する。従って、ゲート電極５にゲート電圧Ｖ２が印加されると、第１領域１６ａのゼーベック係数と第２領域１６ｂのゼーベック係数は互いに乖離する。このため、光照射により受光領域１０の温度が上昇すると、第１接続領域１５ａと第２接続領域１５ｂの間に電位差Ｖ_ＰＴＥが発生する（「―熱電効果による電位差Ｖ_ＰＴＥの発生―」参照）。電位差Ｖ_ＰＴＥは、電気信号検出回路２０８の電圧計２２０により検出される。

―熱電効果による電位差Ｖ_ＰＴＥの発生―
受光領域１０に照射される光は受光領域１０のグラフェン１２に吸収され、受光領域１０の温度を上昇させる。

一方、光センサ４の上方から第１接続領域１５ａに向かって照射される光は、第１電極１１ａによって遮られ、第１接続領域１５ａには届かない。同様に、光センサ４の上方から第２接続領域１５ｂに向かって照射される光も、第２接続領域１５ｂには届かない。従って、第１～第２接続領域１５ａ，１５ｂへの光照射は、第１～第２接続領域１５ａ，１５ｂの温度を上昇させない。

故に、シリコン基板７の裏面側からではなく表面側からグラフェン１２全体に向かって光が照射される場合、受光領域１０の中央では温度が上昇し、受光領域１０の両端では第１～第２接続領域１５ａ，１５ｂにより温度上昇が抑制される。その結果、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂに温度勾配が生じる。受光領域１０の中央部だけに光が照射された場合にも当然、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂに温度勾配ＴＧが生じる。

第１領域１６ａのゼーベック係数と第２領域１６ｂのゼーベック係数とが電圧Ｖ２の印加により乖離した受光領域１０に光が照射され温度勾配ＴＧが生じると、熱電効果により第１接続領域１５ａと第２接続領域１５ｂの間に電位差Ｖ_ＰＴＥが発生する。換言するならば、ゲート電極５への電圧Ｖ２の印加によりゼーベック係数が互いに異なる領域が発生した受光領域１０に光が照射されると、光熱電効果により電位差Ｖ_ＰＴＥが発生する。

―感度―
以上の説明から明らかなように、光検出装置２０２の感度はゲート電圧Ｖｇにより制御できる。実施の形態２のゲート電圧Ｖｇも、実施の形態１のゲート電圧Ｖｇと同様に、光検出装置２０２の感度が特定の値（すなわち、目標感度）になるように設定される。

目標感度が正の値の場合、実施の形態２の目標感度は好ましくは、０．５Ｖ／Ｗ以上である。更に好ましくは、目標感度は０．７Ｖ／Ｗ以上である。最も好ましくは、目標感度は０．９Ｖ／Ｗ以上である。目標感度の上限は、光検出装置２０２の感度の最大値（例えば、後述する図１４のピーク値Ｐ２）である。

目標感度が負の値の場合には、実施の形態２の目標感度は好ましくは、－０．５Ｖ／Ｗ以下である。更に好ましくは、目標感度は－０．７Ｖ／Ｗ以下である。最も好ましくは、目標感度は－０．９Ｖ／Ｗ以下である。目標感度の下限は、光検出装置２０２の感度の最小値である。

（３）変形例
（３－１）変形例１
図１３を参照して説明した例では、ゲート電極５にいかなる電圧も印加されない場合、受光領域１０の導電型はｐ型である。しかし受光領域１０の導電型は、ゲート電極５にいかなる電圧も印加されない場合、ｎ型であっても良い。この場合、ゲート電極５への電圧Ｖ２の印加により受光領域１０に誘起されるキャリアは正孔である。

或いは受光領域１０の導電型は、ゲート電極５にいかなる電圧も印加されない場合、ｉ型であっても良い。この場合、ゲート電極５への電圧Ｖ２の印加により受光領域１０に誘起されるキャリアは、電子および正孔のいずれであっても良い。変型例１によれば、光検出装置２０２のバリエーションが増加する。

（３－２）変形例２
以上の例では、ゲート電極５に電圧Ｖ２が印加されている間、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂの導電型は共にｎ型またはｐ型である。しかし、ゲート電極５に電圧Ｖ２が印加されている間、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂの導電型の一方がｎ型で他方がｐ型であっても良い。

ゼーベック係数は熱電交換材料のキャリア密度だけでなく導電型にも依存するので、変形例２によっても、受光領域１０に照射される光の検出は可能である。

良く知られているように、ｎ型の熱電交換材料とｐ型の熱電交換材料とが接続された温度センサの感度は、導電型が同じ熱電交換材料が接続された温度センサの感度より高い。従って変形例２によれば、光検出装置２０２の感度を向上させることができる。

変形例２の受光領域１０にはｐｎ接合が形成されるので、光センサ４から出力される電気信号には、光起電力効果により生じる電圧が含まれている。しかし変形例２では、受光領域１０に逆バイアス電圧が印加されないので、多くの場合、光熱電効果による電圧が光起電力効果による電圧より支配的である。

図１４は、特定の波長の光（以下、照射光と呼ぶ）を受光領域１０に照射した時の光検出装置２０２の感度Ｒ２とゲート電圧Ｖｇとの関係の一例を示す図である。照射光の波長は、例えば８μｍである。照射光の強度は、例えば１Ｗ／ｃｍ^２である。

横軸は、ゲート電圧Ｖｇである。図１４におけるゲート電圧Ｖｇは、ゲート電極５の電位Φ１とグラフェン１２の電位Φ２の差（＝Φ１－Φ２）である。縦軸は、光検出装置２０２の感度Ｒ２である。光検出装置２０２の感度とは、受光領域１０に照射される光に応答して光センサ４が出力する電気信号（実施の形態２では電圧）の強度ａと受光領域１０に照射される光の強度ｂの比（＝ａ／ｂ）である。

ゲート電圧Ｖｇが小さい領域２４０では、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂの導電型は反転しない（図１３参照）。従ってゲート電圧Ｖｇが小さい領域２４０では、受光領域１０にｐｎ接合は形成されない。このため、領域２４０では、光検出装置２０２の感度Ｒ２の絶対値はあまり大きくない。

ゲート電圧Ｖｇが大き過ぎる領域（図示せず）では、第１領域１６ａおよび第２領域１６ｂ双方の導電型が反転するので、受光領域１０にｐｎ接合は形成されない。この領域でも、光検出装置２０２の感度Ｒ２の絶対値はあまり大きくない。

ゲート電圧Ｖｇが小さ過ぎず且つ大き過ぎない領域２４２では、第１領域１６ａの導電型だけが反転してｐｎ接合が形成される。ｐｎ接合が形成されると、感度Ｒ２の絶対値は著しく増大する。従って、ゲート電圧Ｖｇと感度Ｒ２の関係を示す曲線２３５に、大きなピーク２３６が現れる。感度Ｒ２のピーク値Ｐ２（すなわち、感度Ｒ２のうち絶対値が最大の感度）は例えば、１Ｖ／Ｗである。

ゲート電極５に印加される電圧Ｖ２は、領域２４２内のゲート電圧Ｖｇから選択されるので、変形例２によれば、光検出装置２０２の感度を向上させることができる。

実施の形態２では、フィルファクタが互いに異なる領域を含む受光領域１０とゲート電極５の間に一つの電圧Ｖ２を印加する事で、非対称なキャリア分布を受光領域１０に誘起してゼーベック係数が異なる領域を受光領域１０に形成する。従って実施の形態２によれば、実施の形態１と同様、一つのゲート電極５に一つの電圧Ｖ２を印加するだけで光検出が可能なグラフェン光検出装置を実現できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、実施の形態１～２は、例示であって制限的なものではない。例えば以上の例では、第１領域１６ａのフィルファクタが、第２領域１６ｂのフィルファクタより小さい。しかし第１領域１６ａのフィルファクタは、第２領域１６ｂのフィルファクタより大きくても良い。

また以上の例では、グラフェン１２に設けられる電極（すなわち、第１電極１１ａおよび第２電極１１ｂ）は、帯状の電極である。しかし、グラフェン１２に設けられる電極の形状は、帯状には限られない。グラフェン１２に設けられる電極の形状は例えば、櫛型電極であっても良い。

以上の実施の形態１～２に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）
孔が設けられた第１領域が一端側に配置され前記第１領域とは異なる第２領域が他端側に配置された受光領域を含むグラフェンと、前記受光領域に対向するゲート電極とを有し、前記受光領域に照射される光に応答して電気信号を出力する光センサと、
前記受光領域と前記ゲート電極との間に、ゲート電圧を印加するゲート電圧印加回路とを有し、
前記第１領域のうち孔以外の領域の面積と前記第１領域の面積の比は、前記第２領域のうち孔以外の領域の面積と前記第２領域の面積の比より小さく、
前記ゲート電圧は、前記電気信号の強度と前記光の強度の比が、特定の値になるように設定されている
光検出装置。

（付記２）
前記受光領域の導電型は、前記受光領域と前記ゲート電極との間にいかなる電圧も印加されない場合には、ｎ型またはｐ型であり、
前記受光領域と前記ゲート電極との間への前記ゲート電圧の印加により、前記第１領域の導電型が反転し前記第２領域の導電型は維持されることを
特徴とする付記１に記載の光検出装置。

（付記３）
更に、前記第１領域および前記第２領域の一方であって前記受光領域と前記ゲート電極との間に前記ゲート電圧が印加されている間の導電型がｎ型である領域の電位を、前記第１領域および前記第２領域の他方の電位より高くする電圧を前記受光領域の両端に印加しながら、前記受光領域に流れる電流を検出する電流検出回路を有し、
前記電気信号は、前記受光領域と前記ゲート電極との間に前記ゲート電圧が印加されている間に前記電流検出回路が検出する前記電流であることを
特徴とする付記２に記載の光検出装置。

（付記４）
前記特定の値の絶対値は、０．５ｍＡ／Ｗ以上であることを
特徴とする付記３に記載の光検出装置。

（付記５）
更に、前記グラフェンに含まれ前記第１領域に接する第１接続領域と前記グラフェンに含まれ前記第２領域に接する第２接続領域との間に発生する電位差を検出する電圧検出回路を有し、
前記電気信号は、前記受光領域と前記ゲート電極との間に前記ゲート電圧が印加されている間に前記電圧検出回路が検出する前記電位差であることを
特徴とする付記１又は２に記載の光検出装置。

（付記６）
前記特定の値の絶対値は、０．５Ｖ／Ｗ以上であることを
特徴とする付記５に記載の光検出装置。

２，２０２：光検出装置
４：光センサ
５：ゲート電極
６：ゲート電圧印加回路
８，２０８：電気信号検出回路
１０：受光領域
１２：グラフェン
１４：孔
１５ａ：第１接続領域
１５ｂ：第２接続領域
１６ａ：第１領域
１６ｂ：第２領域

Claims

孔が設けられた第１領域が一端側に配置され前記第１領域とは異なる第２領域が他端側に配置された受光領域を含むグラフェンと、前記受光領域に対向するゲート電極とを有し、前記受光領域に照射される光に応答して電気信号を出力する光センサと、
前記受光領域と前記ゲート電極との間に、ゲート電圧を印加するゲート電圧印加回路とを有し、
前記第１領域のうち孔以外の領域の面積と前記第１領域の面積の比は、前記第２領域のうち孔以外の領域の面積と前記第２領域の面積の比より小さく、
前記ゲート電圧は、前記電気信号の強度と前記光の強度の比が、特定の値になるように設定されている
光検出装置。
前記受光領域の導電型は、前記受光領域と前記ゲート電極との間にいかなる電圧も印加されない場合には、ｎ型またはｐ型であり、
前記受光領域と前記ゲート電極との間への前記ゲート電圧の印加により、前記第１領域の導電型が反転し前記第２領域の導電型は維持されることを
特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
更に、前記第１領域および前記第２領域の一方であって前記受光領域と前記ゲート電極との間に前記ゲート電圧が印加されている間の導電型がｎ型である領域の電位を、前記第１領域および前記第２領域の他方の電位より高くする電圧を前記受光領域の両端に印加しながら、前記受光領域に流れる電流を検出する電流検出回路を有し、
前記電気信号は、前記受光領域と前記ゲート電極との間に前記ゲート電圧が印加されている間に前記電流検出回路が検出する前記電流であることを
特徴とする請求項２に記載の光検出装置。
更に、前記グラフェンに含まれ前記第１領域に接する第１接続領域と前記グラフェンに含まれ前記第２領域に接する第２接続領域との間に発生する電位差を検出する電圧検出回路を有し、
前記電気信号は、前記受光領域と前記ゲート電極との間に前記ゲート電圧が印加されている間に前記電圧検出回路が検出する前記電位差であることを
特徴とする請求項１又は２に記載の光検出装置。
孔が設けられた第１領域が一端側に配置され前記第１領域に接する第２領域が他端側に配置された受光領域を含むグラフェンと、前記受光領域に対向するゲート電極とを有し、前記受光領域に照射される光に応答して電気信号を出力する光センサと、
前記受光領域と前記ゲート電極との間に、ゲート電圧を印加するゲート電圧印加回路とを有し、
前記第１領域のうち孔以外の領域の面積と前記第１領域の面積の比は、前記第２領域のうち孔以外の領域の面積と前記第２領域の面積の比より小さく、
前記ゲート電圧は、前記電気信号の強度と前記光の強度の比が、特定の値になるように設定されている
光検出装置。