JP2001044486A - Infrared detector - Google Patents
Infrared detectorInfo
- Publication number
- JP2001044486A JP2001044486A JP11217444A JP21744499A JP2001044486A JP 2001044486 A JP2001044486 A JP 2001044486A JP 11217444 A JP11217444 A JP 11217444A JP 21744499 A JP21744499 A JP 21744499A JP 2001044486 A JP2001044486 A JP 2001044486A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- well layer
- layer
- multiple quantum
- quantum well
- contact layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は赤外線検出器に関
し、特に、多重量子井戸層内での電子のサブバンド間遷
移を利用し、２波長域で赤外線を検出する赤外線検出器
に関する。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to an infrared detector, and more particularly, to an infrared detector that detects infrared rays in a two-wavelength region by utilizing intersubband transition of electrons in a multiple quantum well layer.
【０００２】[0002]
【従来の技術】井戸層と障壁層が交互に繰り返し積層さ
れた通常の多重量子井戸層を有する赤外線センサでは、
井戸層内の電子のエネルギー準位は局在化されてサブバ
ンド構造を成している。外部からの光入射がない場合に
は、井戸層内の電子は基底準位に留まっており、バイア
ス電圧が印加されても電流は流れない。しかし、外部か
ら赤外線が入射されると、基底準位に存在する電子は赤
外線を吸収してサブバンド間遷移を起こし障壁層より上
の励起準位まで励起され印加バイアス電圧によって外部
へ信号電流として取り出される。2. Description of the Related Art In an infrared sensor having a normal multiple quantum well layer in which well layers and barrier layers are alternately and repeatedly stacked,
The energy levels of the electrons in the well layer are localized to form a subband structure. When there is no light incident from the outside, the electrons in the well layer remain at the ground level, and no current flows even when a bias voltage is applied. However, when infrared light is incident from the outside, electrons existing in the ground level absorb the infrared light and cause an intersubband transition to be excited to an excitation level above the barrier layer. Taken out.
【０００３】従って、多重量子井戸層を有する赤外線セ
ンサでは、井戸層内の電子の基底準位と励起準位の間の
エネルギー差に対応した波長の赤外線に対して検出感度
を有することになる。このエネルギー差は多重量子井戸
層の構造に依存しているため、赤外線センサの設計に際
しては、所望の検出感度が得られるように多重量子井戸
層の構造が決められる。Therefore, an infrared sensor having a multiple quantum well layer has a detection sensitivity to infrared light having a wavelength corresponding to the energy difference between the ground level and the excitation level of electrons in the well layer. Since the energy difference depends on the structure of the multiple quantum well layer, the structure of the multiple quantum well layer is determined so as to obtain a desired detection sensitivity when designing the infrared sensor.
【０００４】多重量子井戸層を用いて異なる２つの波長
域の赤外線を検出するためには、従来、それぞれの波長
域で検出感度を持つ２種類の多重量子井戸層を積層した
ものが用いられていた。In order to detect infrared rays in two different wavelength ranges by using a multiple quantum well layer, conventionally, a stack of two types of multiple quantum well layers having detection sensitivity in each wavelength range has been used. Was.
【０００５】図６は２波長域で検出感度を有する従来の
赤外線センサの構成を模式的に示したものである。通常
の赤外線センサは基板上に画素となる検出素子を一次元
あるいは２次元状に多数配置したものから成っている
が、簡単のため、同図はそのうち１個の画素に相当する
部分のみを示している。以下に述べる赤外線センサにつ
いても同様である。FIG. 6 schematically shows the structure of a conventional infrared sensor having detection sensitivity in two wavelength ranges. A typical infrared sensor consists of a large number of one-dimensional or two-dimensional detection elements that are pixels arranged on a substrate, but for the sake of simplicity, the figure shows only a portion corresponding to one pixel. ing. The same applies to the infrared sensor described below.
【０００６】図６に見られるように、従来の２波長型赤
外線センサは、基板30上で検出波長域が互いに異なる下
部多重量子井戸層32と上部多重量子井戸層34が下部コン
タクト層31、中間コンタクト層33、上部コンタクト層35
を間に挟んで積層された構造を有しており、下部コンタ
クト層31、中間コンタクト層33及び上部コンタクト層35
には外部回路と接続するためのオーミック電極36、37、
38がぞれぞれ設けられている。この赤外線センサを動作
させるためには、上記３つのコンタクト層のいずれかを
基板上の全ての素子に対する共通のコンタクト層として
用い、この共通コンタクト層を接地する。そして、他の
２つのコンタクト層にバイアス電圧を印加する。As shown in FIG. 6, in the conventional two-wavelength infrared sensor, a lower multiple quantum well layer 32 and an upper multiple quantum well layer 34 having different detection wavelength ranges on a substrate 30 are composed of a lower contact layer 31 and an intermediate layer. Contact layer 33, upper contact layer 35
, A lower contact layer 31, an intermediate contact layer 33, and an upper contact layer 35.
Ohmic electrodes 36, 37 for connecting to external circuits
There are 38 each. In order to operate this infrared sensor, any one of the above three contact layers is used as a common contact layer for all elements on the substrate, and this common contact layer is grounded. Then, a bias voltage is applied to the other two contact layers.
【０００７】下部コンタクト層31を共通のコンタクト層
とする場合には、電極36を介して下部コンタクト層31を
接地し、中間コンタクト層33と上部コンタクト層35にそ
れぞれオーミック電極37、38を介してバイアス電圧を印
加する。この方式では中間コンタクト層33に印加された
バイアス電圧は下部多重量子井戸層32にのみ印加され、
前述した動作原理に従って下部多重量子井戸層32のサブ
バンド間遷移に対応した波長の赤外線を検出することが
できる。When the lower contact layer 31 is used as a common contact layer, the lower contact layer 31 is grounded via an electrode 36, and is connected to the intermediate contact layer 33 and the upper contact layer 35 via ohmic electrodes 37 and 38, respectively. Apply a bias voltage. In this method, the bias voltage applied to the intermediate contact layer 33 is applied only to the lower multiple quantum well layer 32,
According to the operation principle described above, infrared light having a wavelength corresponding to the transition between subbands of the lower multiple quantum well layer 32 can be detected.
【０００８】しかし、上部コンタクト層35に印加された
バイアス電圧は下部多重量子井戸層32と上部多重量子井
戸層34に同時に印加され、それぞれに対応した２つの波
長域の赤外線による信号電流の和が取り出されることに
なる。従って、上部多重量子井戸層34に対応した信号電
流を得るためには、上部コンタクト層35から取り出され
た信号電流を外部回路で処理して分離する必要があり信
号処理が複雑になるという問題がある。However, the bias voltage applied to the upper contact layer 35 is simultaneously applied to the lower multiple quantum well layer 32 and the upper multiple quantum well layer 34, and the sum of the signal currents due to the infrared rays in the two wavelength ranges corresponding to the respective bias voltage is applied. Will be taken out. Therefore, in order to obtain a signal current corresponding to the upper multiple quantum well layer 34, the signal current extracted from the upper contact layer 35 needs to be processed and separated by an external circuit, and the signal processing becomes complicated. is there.
【０００９】さらに、上述の方式では、各画素の中間コ
ンタクト層と上部コンタクト層を外部回路へ接続する必
要があり、各画素ごとに外部取り出し電極を２個設けな
ければならない。図７は下部コンタクト層を共通のコン
タクト層とした場合における赤外線センサの集積化構造
を示しており、図６と同一の機能を有するものには同一
番号を付してある。Further, in the above-described method, it is necessary to connect the intermediate contact layer and the upper contact layer of each pixel to an external circuit, and two external extraction electrodes must be provided for each pixel. FIG. 7 shows an integrated structure of the infrared sensor when the lower contact layer is a common contact layer. Components having the same functions as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals.
【００１０】図７に示した集積化構造を得るためには以
下述べる製造プロセスが用いられる。即ち、基板30上で
上部コンタクト層35、上部多重量子井戸層34、中間コン
タクト層33及び下部多重量子井戸層32を選択エッチング
して画素分離を行い、さらに、各画素ごとに上部コンタ
クト層35と上部多重量子井戸層34を選択エッチングして
中間コンタクト層33の表面を露出させる。ついで、全面
に絶縁膜39を形成し所定部位に穴開けした後下部コンタ
クト層31、上部コンタクト層35及び中間コンタクト層33
に対してそれぞれオーミック電極36、37、38を形成す
る。そして、中間コンタクト層33上のオーミック電極38
から画素表面まで引き出し配線40を形成した後、Inバン
プからなる外部取り出し電極41、42、43を設ける。下部
コンタクト層31に接続された外部取り出し電極41は基板
10上の全ての画素に共通に設けられるものであるが、上
部コンタクト層35と中間コンタクト層33に接続された外
部取り出し電極42、43は各画素ごとに設けられる。In order to obtain the integrated structure shown in FIG. 7, a manufacturing process described below is used. That is, the upper contact layer 35, the upper multiple quantum well layer 34, the intermediate contact layer 33, and the lower multiple quantum well layer 32 are selectively etched on the substrate 30 to perform pixel separation. The upper multiple quantum well layer 34 is selectively etched to expose the surface of the intermediate contact layer 33. Next, an insulating film 39 is formed on the entire surface, and holes are formed in predetermined portions, and then the lower contact layer 31, the upper contact layer 35, and the intermediate contact layer 33 are formed.
To form ohmic electrodes 36, 37 and 38, respectively. Then, the ohmic electrode 38 on the intermediate contact layer 33
After the extraction wiring 40 is formed from to the pixel surface, external extraction electrodes 41, 42, and 43 made of In bumps are provided. The external extraction electrode 41 connected to the lower contact layer 31 is a substrate
The external extraction electrodes 42 and 43 connected to the upper contact layer 35 and the intermediate contact layer 33 are provided for each pixel.
【００１１】以上のように、単一の多重量子井戸層から
なる通常の赤外線センサの構造に比べて中間コンタクト
層が加わった分だけ素子構造が複雑となり、それに伴っ
て製造プロセスや実装プロセスも困難になり素子の信頼
性が低下するという問題がある。As described above, the element structure becomes complicated by the addition of the intermediate contact layer as compared with the structure of a normal infrared sensor comprising a single multiple quantum well layer, and accordingly, the manufacturing process and the mounting process are also difficult. And the reliability of the element is reduced.
【００１２】また、図６において、中間コンタクト層33
を共通のコンタクト層として用いこれを接地する方式で
は、下部コンタクト層31と上部コンタクト層35にそれぞ
れオーミック電極36、38を介してバイアス電圧を印加す
ることにより下部多重量子井戸層32と上部多重量子井戸
層34に対し独立にバイアス電圧を印加することができ
る。この場合、それぞれの多重量子井戸層から異なる２
波長域の赤外線に対応した信号電流を独立に取り出すこ
とができるので信号処理は容易となるが、以下のような
問題が生じる。In FIG. 6, an intermediate contact layer 33 is formed.
Is used as a common contact layer and is grounded, a bias voltage is applied to the lower contact layer 31 and the upper contact layer 35 via ohmic electrodes 36 and 38, respectively, to thereby form the lower multiple quantum well layer 32 and the upper multiple quantum well. A bias voltage can be independently applied to the well layer. In this case, two different quantum well layers are used.
Since the signal current corresponding to the infrared light in the wavelength range can be taken out independently, the signal processing becomes easy, but the following problems occur.
【００１３】図８は中間コンタクト層を共通のコンタク
ト層とした場合における赤外線センサの集積化構造を示
したものであり、図６と同一機能を有するものには同一
番号を付してある。FIG. 8 shows an integrated structure of an infrared sensor when the intermediate contact layer is a common contact layer. Elements having the same functions as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals.
【００１４】図８に示した集積化構造では、図７で説明
した製造プロセスに各画素を分離するための分離溝44を
形成する工程が加わり製造プロセスはより複雑になる。
また、外部回路と接続するために各画素ごとに３個のIn
バンプからなる外部取り出し電極41、42、43を設ける必
要があり、図７に示した構成に比べてさらに外部取り出
し電極数が多くなり実装プロセスがより困難になる。In the integrated structure shown in FIG. 8, the manufacturing process described in FIG. 7 further includes a step of forming a separation groove 44 for separating each pixel, and the manufacturing process becomes more complicated.
In addition, three Ins are provided for each pixel to connect to an external circuit.
It is necessary to provide the external extraction electrodes 41, 42, and 43 composed of bumps, and the number of external extraction electrodes is further increased as compared with the configuration shown in FIG. 7, making the mounting process more difficult.
【００１５】[0015]
【発明が解決しようとする課題】以上のように、２波長
域で検出感度を有する従来の赤外線検出器では、素子構
造の複雑化により製造プロセスや実装プロセスが困難と
なり信頼性が低下するという問題があった。As described above, in the conventional infrared detector having detection sensitivity in two wavelength ranges, the manufacturing process and the mounting process become difficult due to the complicated structure of the element, and the reliability is reduced. was there.
【００１６】そこで、本発明は２波長域で検出感度を有
する簡単な素子構造の赤外線検出器を提供することを目
的とする。Accordingly, an object of the present invention is to provide an infrared detector having a simple element structure having detection sensitivity in two wavelength ranges.
【００１７】[0017]
【課題を解決するための手段】上記課題の解決は、多重
量子井戸層内での電子のサブバンド間遷移を利用し、２
波長域で赤外線を検出する赤外線検出器であって、該多
重量子井戸層は、第１の障壁層、第１の井戸層、第２の
障壁層、第２の井戸層、第３の障壁層及び第３の井戸層
を順に積層したものを単位構造層として該単位構造層を
繰り返し積層したものから成り、該第２の井戸層には不
純物がドープされ、該第１の井戸層及び該第３の井戸層
は該第２の井戸層より狭く且つ互いに異なる幅を有し、
該第２の障壁層及び該第３の障壁層は電子の共鳴トンネ
ル現象が起こる程度の幅を有していることを特徴とする
赤外線検出器によって達成される。In order to solve the above-mentioned problem, the inter-subband transition of electrons in the multiple quantum well layer is used to solve the problem.
An infrared detector for detecting infrared light in a wavelength range, wherein the multiple quantum well layer includes a first barrier layer, a first well layer, a second barrier layer, a second well layer, and a third barrier layer. And a third well layer sequentially stacked as a unit structure layer, and the unit structure layer is repeatedly stacked. The second well layer is doped with impurities, and the first well layer and the third well layer are stacked. The third well layer is narrower than the second well layer and has different widths from each other;
The second barrier layer and the third barrier layer have a width enough to cause a resonant tunneling phenomenon of electrons, which is achieved by an infrared detector.
【００１８】図１は上記多重量子井戸層における繰り返
しの基本周期となる単位構造層のエネルギーバンド図を
示したものであり、図１（Ａ）はバイアス電圧を印加し
ない場合、図１（Ｂ）はバイアス電圧Ｖ1 を印加した場
合、図１（Ｃ）は大きさ及び極性の異なるバイアス電圧
Ｖ2 を印加した場合を示している。同図において、１は
第１の障壁層、２は第１の井戸層、３は第２の障壁層、
４は第２の井戸層、５は第３の障壁層、６は第３の井戸
層である。FIG. 1 shows an energy band diagram of a unit structure layer which is a basic period of repetition in the multiple quantum well layer. FIG. 1A shows a case where no bias voltage is applied, and FIG. FIG. 1C shows a case where a bias voltage V1 is applied, and FIG. 1C shows a case where a bias voltage V2 having a different magnitude and polarity is applied. In the figure, 1 is a first barrier layer, 2 is a first well layer, 3 is a second barrier layer,
4 is a second well layer, 5 is a third barrier layer, and 6 is a third well layer.
【００１９】本発明では、第２の井戸層４にのみ不純物
がドープされているため、同図（Ａ）に示したように、
バイアス電圧が印加されていない場合には、第２の井戸
層４の基底準位にのみ○印で示した電子が存在し、第１
の井戸層２および第３の井戸層６には電子は存在しな
い。In the present invention, since only the second well layer 4 is doped with an impurity, as shown in FIG.
When the bias voltage is not applied, the electron indicated by the mark “存在” exists only in the ground level of the second well layer 4 and the first
No electrons exist in the well layer 2 and the third well layer 6.
【００２０】一般に、井戸層における電子の基底準位の
位置は井戸層の幅に依存しており、図１（Ａ）に見られ
るように、井戸層の幅が狭くなるとともに基底準位は上
方に移動して基底準位と障壁層上端の励起準位の間のエ
ネルギー差は小さくなる。本発明では、第１の井戸層２
と第３の井戸層６の幅は該第２の井戸層４の幅より狭い
ので第２の井戸層４の基底準位が最も下方に位置し、第
１の井戸層２と第３の井戸層６の基底準位は第２の井戸
層４の基底準位より上方に位置することになる。また、
第１の井戸層２と第３の井戸層６の幅は互いに異なって
いるのでそれらの基底準位の位置も異なることになる。
図１は、第１の井戸層２の幅を第３の井戸層６より狭く
した場合を示しており、第１の井戸層２の基底準位が第
３の井戸層６の基底準位より上方に位置している。Generally, the position of the ground level of electrons in the well layer depends on the width of the well layer. As shown in FIG. 1A, the width of the well layer becomes narrower and the ground level becomes higher. And the energy difference between the ground level and the excited level at the upper end of the barrier layer becomes smaller. In the present invention, the first well layer 2
And the width of the third well layer 6 is smaller than the width of the second well layer 4, so that the ground level of the second well layer 4 is located at the lowest position. The ground level of the layer 6 is located above the ground level of the second well layer 4. Also,
Since the widths of the first well layer 2 and the third well layer 6 are different from each other, the positions of their ground levels are also different.
FIG. 1 shows a case where the width of the first well layer 2 is smaller than that of the third well layer 6, and the ground level of the first well layer 2 is higher than that of the third well layer 6. It is located above.
【００２１】そこで、第１の井戸層２と第２の井戸層４
の基底準位間のエネルギー差に対応したバイアス電圧Ｖ
1 を印加すると、図１（Ｂ）に示したように、第２の障
壁層３の幅は電子の共鳴トンネル現象が起こる程度に十
分狭く設定しているので第２の井戸層４の基底準位に存
在する電子は第２の障壁層３をトンネリングして第１の
井戸層２の基底準位に移動する。この状態で第１の井戸
層２の基底準位と励起準位間のエネルギー差に対応した
波長の赤外線を入射させると、第１の井戸層２に移動し
た電子はサブバンド間遷移を起こして第１の障壁層１の
上端まで励起されバイアス電圧によって外部へ信号電流
として取り出される。Therefore, the first well layer 2 and the second well layer 4
Voltage V corresponding to the energy difference between the ground levels of
When 1 is applied, as shown in FIG. 1B, the width of the second barrier layer 3 is set to be sufficiently small to cause the resonance tunneling phenomenon of electrons, so that the ground level of the second well layer 4 is set. Electrons existing at the lower level move to the ground level of the first well layer 2 by tunneling through the second barrier layer 3. In this state, when an infrared ray having a wavelength corresponding to the energy difference between the ground level and the excitation level of the first well layer 2 is incident, the electrons transferred to the first well layer 2 cause an intersubband transition. It is excited to the upper end of the first barrier layer 1 and is taken out as a signal current by a bias voltage.
【００２２】また、第３の井戸層６と第２の井戸層４の
基底準位間のエネルギー差に対応した大きさを有しバイ
アス電圧Ｖ1 とは逆極性のバイアス電圧Ｖ2 を印加する
と、同図（Ｃ）に示したように、第３の障壁層５の幅は
第２の障壁層３と同様に電子の共鳴トンネル現象が起こ
る程度に十分狭く設定しているので第２の井戸層４の基
底準位に存在する電子は第３の障壁層５をトンネリング
して第３の井戸層６の基底準位に移動する。この状態で
第３の井戸層６の基底準位と励起準位のエネルギー差に
対応した波長の赤外線を入射させると、第３の井戸層６
に移動した電子はサブバンド間遷移を起こして第１の障
壁層１の上端まで励起されバイアス電圧によって外部へ
信号電流として取り出される。When a bias voltage V2 having a magnitude corresponding to the energy difference between the ground levels of the third well layer 6 and the second well layer 4 and having a polarity opposite to the bias voltage V1 is applied, the same applies. As shown in FIG. 3C, the width of the third barrier layer 5 is set to be sufficiently narrow like the second barrier layer 3 to cause the resonance tunneling of electrons, so that the second well layer 4 is formed. The electrons existing in the ground level of the third tunneling tunneling of the third barrier layer 5 move to the ground level of the third well layer 6. In this state, when an infrared ray having a wavelength corresponding to the energy difference between the ground level and the excitation level of the third well layer 6 is incident, the third well layer 6
The electrons that have moved to the sub-band cause an inter-subband transition, are excited to the upper end of the first barrier layer 1, and are taken out as a signal current to the outside by the bias voltage.
【００２３】図２は上記多重量子井戸層を利用した赤外
線検出器の構成を模式的に示した断面図であり、基板10
上に下部コンタクト層11、多重量子井戸層12、上部コン
タクト層13を積層し、下部コンタクト層11と上部コンタ
クト層13にそれぞれオーミック電極14、15を形成してい
る。図６に示した従来の構成に比べて単一の多重量子井
戸層を用いているため製造プロセスは容易となる。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of an infrared detector using the above-described multiple quantum well layer.
A lower contact layer 11, a multiple quantum well layer 12, and an upper contact layer 13 are stacked thereon, and ohmic electrodes 14, 15 are formed on the lower contact layer 11 and the upper contact layer 13, respectively. As compared with the conventional configuration shown in FIG. 6, the manufacturing process is simplified because a single multiple quantum well layer is used.
【００２４】上記赤外線センサを動作させるためには下
部コンタクト層11を基板10上の全ての画素に対する共通
のコンタクト層としてこれを接地する。そして、前述し
たように上部コンタクト層13を介して多重量子井戸層12
に印加されるバイアス電圧の極性とその大きさを切り換
えることにより赤外線の検出波長域を選択することがで
きる。また、電極数は各画素ごとに上部コンタクト層13
に接続された外部取り出し電極18の１個で済むため実装
プロセスも容易となる。In order to operate the infrared sensor, the lower contact layer 11 is grounded as a common contact layer for all pixels on the substrate 10. Then, as described above, the multiple quantum well layer 12 is
The detection wavelength range of infrared light can be selected by switching the polarity and magnitude of the bias voltage applied to. The number of electrodes is determined by the upper contact layer 13 for each pixel.
Since only one external extraction electrode 18 is required, the mounting process is also facilitated.
【００２５】[0025]
【発明の実施の形態】図３（Ａ）、（Ｂ）は本発明に係
る赤外線センサの製作に用いるエピタキシャルウェーハ
の断面図を示したものである。図３（Ａ）はエピタキシ
ャルウェーハの全体構成を示しており、20は半絶縁性Ga
As基板、21は膜厚1,000nm で不純物濃度１×1018cm-3の
ｎ型GaAsからなる下部コンタクト層、22は後述する多重
量子井戸層、23は膜厚500nm で不純物濃度1 ×1018cm-3
のｎ型GaAsからなる上部コンタクト層である。3A and 3B are cross-sectional views of an epitaxial wafer used for manufacturing an infrared sensor according to the present invention. FIG. 3A shows the entire structure of the epitaxial wafer, and 20 is a semi-insulating Ga.
As substrate, 21 is a lower contact layer made of n-type GaAs having a thickness of 1,000 nm and an impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 , 22 is a multiple quantum well layer described later, 23 is a 500 nm-thick impurity concentration of 1 × 10 18. cm -3
Is an upper contact layer made of n-type GaAs.
【００２６】図３（Ｂ）は上記多重量子井戸層22の構成
を示しており、24は膜厚25nmのアンドープAl0.25Ga0.75
Asから成る第１の障壁層、25は膜厚4nm のアンドープGa
Asからなる第１の井戸層、26は膜厚3nm のアンドープAl
0.25Ga0.75Asからなる第２の障壁層、27は膜厚10nmで不
純物濃度１×1018cm-3のｎ型GaAsからなる第２の井戸
層、28は膜厚3nm のアンドープAl0.25Ga0.75Asからなる
第３の障壁層、29は膜厚6nm のアンドープGaAsからなる
第３の井戸層である。FIG. 3B shows the structure of the multiple quantum well layer 22. Reference numeral 24 denotes a 25 nm-thick undoped Al 0.25 Ga 0.75 layer.
A first barrier layer 25 made of As is 25 nm thick undoped Ga.
As a first well layer made of As, 26 is an undoped Al film having a thickness of 3 nm.
A second barrier layer made of 0.25 Ga 0.75 As, a second well layer 27 made of n-type GaAs having a thickness of 10 nm and an impurity concentration of 1 × 10 18 cm -3 , and an undoped Al 0.25 Ga 0.75 film having a thickness of 3 nm A third barrier layer made of As, 29 is a third well layer made of undoped GaAs having a thickness of 6 nm.
【００２７】上記各層はいずれにも分子線エピタキシャ
ル法あるいはＭＯＣＶＤ法を用いて半絶縁性GaAs20上に
順にエピタキシャル成長させることによって得られる。Each of the above layers can be obtained by epitaxial growth on the semi-insulating GaAs 20 by molecular beam epitaxy or MOCVD.
【００２８】図４は上記エピタキシャルウェーハを用い
て製作した赤外線センサの集積化構造を示す断面図であ
り、図２と同一のものには同一番号を付してある。製作
に際しては、まず、基板10、即ち、半絶縁性GaAs基板上
で上部コンタクト層13と多重量子井戸層12を選択エッチ
ングして画素分離を行った後、全面に絶縁膜16を形成す
る。ついで、絶縁膜16を選択エッチングして下部コンタ
クト層11と上部コンタクト層13にオーミック電極14、15
を形成し、最後に、オーミック電極14、15にInバンプに
よる外部取り出し電極17、18を形成する。FIG. 4 is a cross-sectional view showing an integrated structure of an infrared sensor manufactured using the above-mentioned epitaxial wafer. The same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. In manufacturing, first, the upper contact layer 13 and the multiple quantum well layer 12 are selectively etched on the substrate 10, that is, the semi-insulating GaAs substrate to perform pixel separation, and then the insulating film 16 is formed on the entire surface. Next, the insulating film 16 is selectively etched to form ohmic electrodes 14 and 15 on the lower contact layer 11 and the upper contact layer 13.
Finally, external extraction electrodes 17 and 18 are formed on the ohmic electrodes 14 and 15 by In bumps.
【００２９】以上のように、本発明では、単一の多重量
子井戸層を用いているため、従来の素子構造に比べて中
間コンタクト層の選択エッチング工程は必要なく、ま
た、下部コンタクト層を全ての画素の共通コンタクト層
とすることにより各画素ごとに外部取り出し電極は1 個
で済むため製造プロセスが簡単となり且つ実装も容易と
なる。As described above, in the present invention, since a single multiple quantum well layer is used, a selective etching step of the intermediate contact layer is not required as compared with the conventional device structure, and all the lower contact layers are formed. By using a common contact layer for each pixel, only one external lead-out electrode is required for each pixel, which simplifies the manufacturing process and facilitates mounting.
【００３０】図５は図３（Ｂ）に示した多重量子井戸層
22のエネルギーバンド図を示したものであり、図３
（Ｂ）と同一のものには同一番号を付してある。図５
（Ａ）に見られるように、バイアス電圧が印加されてい
ない場合には、第２の井戸層27の基底準位にのみ電子が
存在し、第１の井戸層25と第３の井戸層29には電子は存
在せず、また、第２の井戸層27と第１の井戸層25の基底
準位の間には60mV、第２の井戸層27と第３の井戸層29の
基底準位の間には20mVのエネルギー差が生じている。FIG. 5 shows the multiple quantum well layer shown in FIG.
FIG. 3 shows an energy band diagram of FIG.
The same parts as those in (B) are given the same numbers. FIG.
As can be seen from (A), when no bias voltage is applied, electrons exist only in the ground level of the second well layer 27, and the first well layer 25 and the third well layer 29 do not exist. Has no electron, the ground level between the second well layer 27 and the first well layer 25 is 60 mV, and the ground level between the second well layer 27 and the third well layer 29. There is a 20mV energy difference between the two.
【００３１】そこで、図４に示した外部取り出し電極17
を接地し外部取り出し電極18に対して、図５（Ｂ）に示
したように、 多重量子井戸層22の基本周期当たり−60mV
に相当するバイアス電圧Ｖ1 を印加すると、第２の井戸
層27の基底順位に存在する電子は第１の井戸層25の基底
準位へ共鳴トンネリングにより移動する。この状態で外
部から赤外線を入射させると、第１の井戸層25の基底準
位に存在する電子はサブバンド間のエネルギー差に等し
い波長11.3μm の赤外線を吸収して励起準位に遷移し外
部取り出し電極18を経て外部へ信号電流として取り出さ
れる。Therefore, the external extraction electrode 17 shown in FIG.
To the external extraction electrode 18 as shown in FIG. 5B, −60 mV per basic period of the multiple quantum well layer 22.
Is applied, electrons existing in the ground order of the second well layer 27 move to the ground level of the first well layer 25 by resonance tunneling. When infrared light is incident from the outside in this state, electrons existing at the ground level of the first well layer 25 absorb infrared light having a wavelength of 11.3 μm, which is equal to the energy difference between the subbands, and transition to the excitation level, whereupon the external level is changed. The signal current is extracted to the outside via the extraction electrode 18.
【００３２】同様にして、図５（Ｃ）に示したように、
多重量子井戸層22の基本周期当たり20mVに相当するバイ
アス電圧Ｖ2 を印加すると、第２の井戸層27の基底準位
に存在する電子は第３の井戸層29の基底準位へ共鳴トン
ネリングにより移動し、この状態で外部から赤外線を入
射させると、第３の井戸層29の基底準位に存在する電子
はサブバンド間のエネルギー差に等しい波長8.3 μm の
赤外線を吸収して励起準位に遷移し外部へ信号電流が取
り出される。Similarly, as shown in FIG.
When a bias voltage V2 corresponding to 20 mV per basic period of the multiple quantum well layer 22 is applied, electrons existing at the ground level of the second well layer 27 move to the ground level of the third well layer 29 by resonance tunneling. Then, when infrared rays are incident from the outside in this state, the electrons existing in the ground level of the third well layer 29 absorb infrared rays having a wavelength of 8.3 μm, which is equal to the energy difference between the subbands, and transition to the excitation level. Then, a signal current is taken out to the outside.
【００３３】[0033]
【発明の効果】以上のように、本発明によれば単一の波
長域で検出感度を有する従来の赤外線検出器と同程度の
製造プロセス及び実装プロセスにより２波長域で検出感
度を有する赤外線検出器を得ることができる。As described above, according to the present invention, an infrared detector having a detection sensitivity in two wavelength ranges by the same manufacturing process and mounting process as a conventional infrared detector having a detection sensitivity in a single wavelength range. You can get a bowl.
【図１】 本発明の原理を示すエネルギーバンド図であ
り、（Ａ）はバイアス電圧を印加しない場合、（Ｂ）は
バイアス電圧Ｖ1 を印加した場合、（Ｃ）はバイアス電
圧Ｖ2 を印加した場合を示している。FIGS. 1A and 1B are energy band diagrams illustrating the principle of the present invention. FIG. 1A shows a case where a bias voltage is not applied, FIG. 1B shows a case where a bias voltage V1 is applied, and FIG. 1C shows a case where a bias voltage V2 is applied. Is shown.
【図２】 本発明の実施例に係る赤外線センサの構成を
示す断面図。FIG. 2 is a sectional view showing a configuration of an infrared sensor according to an embodiment of the present invention.
【図３】 本発明の実施例に係るエピタキシャルウェー
ハの断面図であり、（Ａ）はエピタキシャルウェーハの
全体構成、（Ｂ）は多重量子井戸層を示している。FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views of an epitaxial wafer according to an example of the present invention, wherein FIG. 3A shows the entire configuration of the epitaxial wafer, and FIG. 3B shows a multiple quantum well layer.
【図４】 本発明の実施例に係る赤外線センサの集積化
構造を示す断面図。FIG. 4 is a sectional view showing an integrated structure of the infrared sensor according to the embodiment of the present invention.
【図５】 本発明の実施例を示すエネルギーバンド図で
あり、（Ａ）はバイアス電圧を印加しない場合、（Ｂ）
はバイアス電圧Ｖ1 を印加した場合、（Ｃ）はバイアス
電圧Ｖ2 を印加した場合を示している。5A and 5B are energy band diagrams showing an embodiment of the present invention, wherein FIG. 5A shows a case where no bias voltage is applied, and FIG.
(C) shows the case where the bias voltage V1 is applied, and (C) shows the case where the bias voltage V2 is applied.
【図６】 従来の赤外線センサの構成を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a conventional infrared sensor.
【図７】 従来の赤外線センサの集積化構造を示す断面
図（その１）。FIG. 7 is a sectional view (part 1) showing an integrated structure of a conventional infrared sensor.
【図８】 従来の赤外線センサの集積化構造を示す断面
図（その２）。FIG. 8 is a sectional view (part 2) showing an integrated structure of a conventional infrared sensor.
１、24 第１の障壁層 ２、25 第１の井戸層 ３、26 第２の障壁層 ４、27 第２の井戸層 ５、28 第３の障壁層 ６、29 第３の井戸層 10、30 基板 11、21、31 下部コンタクト層 12、22 多重量子井戸層 13、23、35 上部コンタクト層 14、15、36、37、38 オーミック電極 16、39 絶縁膜 17、18、41、42、43 外部取り出し電極 20 半絶縁性GaAs基板 32 下部多重量子井戸層 33 中間コンタクト層 34 上部多重量子井戸層 40 引き出し配線 44 分離溝 1, 24 first barrier layer 2, 25 first well layer 3, 26 second barrier layer 4, 27 second well layer 5, 28 third barrier layer 6, 29 third well layer 10, 30 Substrate 11, 21, 31 Lower contact layer 12, 22 Multiple quantum well layer 13, 23, 35 Upper contact layer 14, 15, 36, 37, 38 Ohmic electrode 16, 39 Insulating film 17, 18, 41, 42, 43 External extraction electrode 20 Semi-insulating GaAs substrate 32 Lower multiple quantum well layer 33 Intermediate contact layer 34 Upper multiple quantum well layer 40 Lead-out wiring 44 Separation groove
Claims (1)
間遷移を利用し、２波長域で赤外線を検出する赤外線検
出器であって、 該多重量子井戸層は、第１の障壁層、第１の井戸層、第
２の障壁層、第２の井戸層、第３の障壁層及び第３の井
戸層を順に積層したものを単位構造層として該単位構造
層を繰り返し積層したものから成り、 該第２の井戸層には不純物がドープされ、 該第１の井戸層及び該第３の井戸層は該第２の井戸層よ
り狭く且つ互いに異なる幅を有し、 該第２の障壁層及び該第３の障壁層は電子の共鳴トンネ
ル現象が起こる程度の幅を有していることを特徴とする
赤外線検出器。1. An infrared detector for detecting infrared rays in two wavelength regions by using transition between subbands of electrons in a multiple quantum well layer, wherein the multiple quantum well layer includes a first barrier layer, The first well layer, the second barrier layer, the second well layer, the third barrier layer, and the third well layer are sequentially stacked to form a unit structure layer, and the unit structure layer is repeatedly stacked. The second well layer is doped with impurities; the first well layer and the third well layer are narrower than the second well layer and have different widths from each other; And an infrared detector, wherein the third barrier layer has such a width as to cause resonance tunneling of electrons.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21744499A JP4182596B2 (en) | 1999-07-30 | 1999-07-30 | Infrared detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21744499A JP4182596B2 (en) | 1999-07-30 | 1999-07-30 | Infrared detector |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001044486A true JP2001044486A (en) | 2001-02-16 |
| JP4182596B2 JP4182596B2 (en) | 2008-11-19 |
Family
ID=16704342
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP21744499A Expired - Fee Related JP4182596B2 (en) | 1999-07-30 | 1999-07-30 | Infrared detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4182596B2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011077474A (en) * | 2009-10-02 | 2011-04-14 | Kyocera Corp | Photoelectric conversion element, and photoelectric conversion method |
| JP2014060321A (en) * | 2012-09-19 | 2014-04-03 | Nec Corp | Quantum dot type infrared detector, method of manufacturing the same, bias voltage determination method, bias voltage determination system, and control program therefor |
| JP2014063885A (en) * | 2012-09-21 | 2014-04-10 | Nec Corp | Infrared detector |
| JP2016143864A (en) * | 2015-02-05 | 2016-08-08 | 日本電気株式会社 | Infrared detecting element and method of manufacturing the same, and infrared detector |
| US10651228B2 (en) | 2018-01-18 | 2020-05-12 | Fujitsu Limited | Photodetector, method for manufacturing the same, and imaging apparatus |
-
1999
- 1999-07-30 JP JP21744499A patent/JP4182596B2/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011077474A (en) * | 2009-10-02 | 2011-04-14 | Kyocera Corp | Photoelectric conversion element, and photoelectric conversion method |
| JP2014060321A (en) * | 2012-09-19 | 2014-04-03 | Nec Corp | Quantum dot type infrared detector, method of manufacturing the same, bias voltage determination method, bias voltage determination system, and control program therefor |
| JP2014063885A (en) * | 2012-09-21 | 2014-04-10 | Nec Corp | Infrared detector |
| JP2016143864A (en) * | 2015-02-05 | 2016-08-08 | 日本電気株式会社 | Infrared detecting element and method of manufacturing the same, and infrared detector |
| US10651228B2 (en) | 2018-01-18 | 2020-05-12 | Fujitsu Limited | Photodetector, method for manufacturing the same, and imaging apparatus |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4182596B2 (en) | 2008-11-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6870207B2 (en) | III-V charge coupled device suitable for visible, near and far infra-red detection | |
| US8076740B2 (en) | Photo detector with a quantum dot layer | |
| JP2706030B2 (en) | Photodetector and method of manufacturing the same | |
| US5503017A (en) | Semiconductor acceleration sensor | |
| EP0199852B1 (en) | Monolithic integration of light-emitting elements and driver electronics | |
| US20020074555A1 (en) | Avalanche photodetector | |
| JPH0786615A (en) | Semiconductor quantum dot device | |
| US20140225216A1 (en) | Photodetector | |
| JP6880601B2 (en) | Photodetector and imaging device | |
| US6455872B1 (en) | Photo-detector | |
| JP2010192815A (en) | Image sensor | |
| JP2843271B2 (en) | Resonant tunneling photoelectric device | |
| US4553152A (en) | Monolithic infrared ray charge transfer element | |
| US9018672B2 (en) | Semiconductor device comprising a semiconductor element having two electrodes | |
| JP4182596B2 (en) | Infrared detector | |
| JP6299238B2 (en) | Image sensor | |
| JPH05322646A (en) | Photodetecting device having variable detecting threshold | |
| JP3778406B2 (en) | Photo sensor and image sensor | |
| JP3669204B2 (en) | Infrared image sensor | |
| EP0282653B1 (en) | Monolithic integration of an array of light-emitting elements and driver electronics | |
| JP5168868B2 (en) | Quantum well photodetector | |
| JP2000323742A (en) | Infrared ray detecting device | |
| EP2224500A2 (en) | Controlled electro-optical device | |
| JP2726204B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor waveguide device | |
| JP2005123217A (en) | Quantum well type infrared detector |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060627 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080804 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080812 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080825 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110912 Year of fee payment: 3 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120912 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120912 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130912 Year of fee payment: 5 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |