JP2003502847A - 積み重ね型波長選択オプトエレクトロニクス装置 - Google Patents

積み重ね型波長選択オプトエレクトロニクス装置

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JP2003502847A JP2001504018A JP2001504018A JP2003502847A JP 2003502847 A JP2003502847 A JP 2003502847A JP 2001504018 A JP2001504018 A JP 2001504018A JP 2001504018 A JP2001504018 A JP 2001504018A JP 2003502847 A JP2003502847 A JP 2003502847A
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アウグスト，カルロス・ジョタ・エルリ・ペー
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Abstract

(57)【要約】 入射光がバンドギャプを単調減少させて層を通して進行させられるように、基板上に垂直積層で配置された多数の異なる波長選択的活性層１２からなる装置。異なるエネルギの光子は、活性層によって選択的に吸収または放出される。コンタクト手段１７、１８は、光子吸収層内で発生された電荷キャリアを放出および／または光子放出層への電荷キャリアを注入するための同一のパラメータを有するおのおのの層または層のセットの横側に分離して配置されている。前記装置は、ディスプレイ、太陽電池、イメージャー、光バルブなどの様々な応用のために用いられ得る。前記装置の構成は、コヒーレント光を作り出すのに適合し得る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 ［技術分野］ 本発明は、光吸収（または検出）および光子放出プロセスを含む光電装置の分
野に関する。
【０００２】 ［背景技術］ 多くの種類の光検出器が多くの種類の特定の用途に役立っている。大きく２つ
に分けることができる。すなわち、可視光領域だけでなく、電磁スペクトラムの
赤外および紫外線領においても結像する検出器と、一般に太陽電池と称されてい
る電力発生とに分けられる。
【０００３】 可視光域、赤外域、紫外域などの標準的な太陽電池および検出器のような光電
装置は、通常は、発生したキャリアを分離し、集めるために同じ組み込み型の電
子領域を使用している。組込型電子領域は一般にホモ接合により与えられ、より
進んだ装置ではヘテロ接合で与えられる。この構造は、発生キャリア（電流に変
換される）と読み出し速度とのトレードオフを意味している。というのは、両方
とも活性フィルムの厚さに依存しているからである。他のトレードオフが、分解
能と、信号振幅または強度、すなわち集められたキャリアの数とのあいだでなさ
れなければならない。
【０００４】 シリコンにおいて、２つの主要な結合構造がある。すなわち、電荷結合装置（
ＣＣＤｓ）、および相補形金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）技術である。
【０００５】 電荷結合装置（ＣＣＤｓ）は消費者の電子機器において使用されている標準的
なイメージャである。この技術が広く使用されている理由のいくつかは、ＣＭＯ
Ｓ回路との両立性および一体性、ならびに集積回路（ＩＣ）製造のプロセスおよ
び装備を共有できることである。ＩＣの製造技術のすべての進展を直接にＣＣＤ
ｓに適用することができる。しかし、ＣＣＤｓは、すでに述べたように、製品の
位置分解能×信号振幅×読取速度に関して本質的な制約事項を有している。
【０００６】 ＣＣＤｓはＭＯＳキャパシタの集合体であり、Ｓｉ／ＳｉＯ2界面における避
けることのできない欠陥に由来する、中間キャップのエネルギ状態の無視できな
い密度が電子孔結合の重要な源となり得る。
【０００７】 ＣＣＤｓイメージャは商業的に大いに成功しているが、制約がないわけではな
い。たとえば、単一の読出しが連続したプロセスであり、信号振幅、分離能およ
び速度が結合され、トレードオフにならざるを得ない。このトップでは、かなり
の高電圧を使用する必要がある。
【０００８】 ＣＭＯＳイメージャは、デジタルカメラのようないくつかの消費者用電子機器
において、ＣＣＤｓの大きな競争相手になりつつある。ＣＭＯＳイメージャがＣ
ＣＤｓよりも優れているのは簡単なプロセスと平面型ＣＭＯＳ技術との容易な一
体化、および低い作動電圧である。他方、ＣＣＤｓはＣＭＯＳセンサよりもよい
像をつくり出す。
【０００９】 信号の振幅（または強度）という観点では、電子−正孔のペアを発生する光子
の吸収が起こる活性媒体は、できるだけ多くの放射を吸収するためにできるだけ
厚くあるべきであり、このことは極端に長いキャリア捕集時間、および無視でき
ない再結合率を意味している。
【００１０】 もし、速度を望むのであれば、活性層の厚さは小さくすべきであり、収納され
る光子数も減少するであろう。そして、読取可能な信号を弱くし、ＳＮ比を小さ
くさせる。
【００１１】 ＣＭＯＳイメージャでは、ＭＯＳ電界効果トランジスタに占有される画素の無
視できない領域がある。当然ながら、この領域は、電子−正孔のペアの発生には
寄与せず、それ故、画素サイズが小さくなると、このことは重要なファクターに
なる。
【００１２】 ＣＣＤｓとＣＭＯＳイメージャに共通する技術的な課題はシリコンの赤い光の
検出／収納効率が小さいことである。この問題は、直接、シリコンのバンドギャ
ップおよび赤色の波長に関係している。その結果、赤い要素における有益なＳＮ
比のためには、かなり多くのシリコンの活性量（ここで吸収が起こる）が必要で
ある。いくつかの付随的効果としては、（他の色／画像用の隣接する活性領域と
の）クロストークが増大すること、および信号読出が遅いことである。同じ理由
で、ＣＣＤｓもＣＭＯＳイメージャも赤外線を検出するには適していない。
【００１３】 図１には“平面型ＣＭＯＳイメージャ”の概略断面図が示されている。そのよ
うな装置は標準的なＣＭＯＳ回路の作製にいくつかの特別な工程を追加すること
でつくられる。当然ながら、特別のデザインルールおよびレイアウトが必要であ
り、また活性領域上にカラーフィルタ（カラーダイ）を設ける特別の工程も必要
である。
【００１４】 この装置は基本的にｐｎ−接合であり、ろ過された光を吸収し、その結果、か
なり狭い波長域の光子だけが所望の色に対応する画素のｐｎ−接合に電子−正孔
のペアを発生させる。ｐｎ−接合は、通常、ＭＯＳＦＥＴのソース−井戸結合で
ある。ゲートがオフのとき、ソースの電荷はドレインから隔離される。ＭＯＳＦ
ＥＴのゲートをオンにすることで、読み出すために、電荷がドレインにて利用可
能になる。
【００１５】 フルカラー画素は色の３原色に対応する３つのカラーダイからなっている。カ
ラーダイを配置する技術は、固有の配列の問題を有しており、これは画素寸法を
さらに小さくすること、すなわち分離能を増加させることの障害となっている。
しかしながら、画素寸法の設定はＳＮ比がわるいのでより問題になる可能性があ
る。というのは、信号強度（発生した電子−正孔のペアの数）は面積に比例する
が、ノイズはそうでないからである。各原色画素のカラーダイフィルタは、それ
自身の色と対応していないすべての波長を吸収し、すべての光子を浪費してしま
う。
【００１６】 シリコンのバンドギャップは一定であり、異なるカラーは異なるエネルギを有
する光子にすぎないので、すべての色がシリコンのｐｎ−接続によって同じ効率
で吸収されるわけではない。たとえば、最も長い波長を有する赤色の光子はシリ
コンの活性領域に数百ナノメータも侵入するが、青色の光子は数十ナノメータし
か吸収されない。
【００１７】 他の市販されている高電装置は太陽電池である。シリコン太陽電池は、正孔か
ら電子を分離し、電極から離れたところで電子を集めるｐｎ−接合に組み込まれ
た領域の能力にも基づいている。
【００１８】 いったん光子が電子−正孔のペアを発生させると、再結合はこれらの装置にと
って致命的な要因となる。いくつかの再結合のメカニズムがあるが、これらが低
効率の原因となっている。無視できない再結合の理由は、発生から捕集までに、
両タイプのキャリア（反対方向に動く）の大部分が小数キャリアである拡大領域
を横切らなければならないということである。
【００１９】 キャリアが横切らなければならないバルクシリコン材料は非ゼロ欠陥密度を有
している。欠陥はバンドギャップにエネルギ状態を導入し、指数関数的に再結合
の可能性を増大させる。他のメカニズムはオウガ−再結合であり、これは欠陥に
起因せず、バルク半導体物理に固有である。
【００２０】 第１の再結合メカニズムに関する、標準的技術に対する改良は、“多層薄膜太
陽電池”である。しかしながら、そのようなデバイスも依然としてホモ接合（同
じバンドギャップに関する制約）でできており、横方向のオーミックコンタクト
は電子と正孔の良好な“選択性”を与えるのに重要である。
【００２１】 太陽電池には２つの基本的かつ矛盾する要求がある。 ・吸収媒体のバンドギャップは、できるだけ多くの光子を吸収して、できるだけ
多くの電子−正孔ペアを発生させるためにできるだけ小さくなければならない。
・できるだけ高い“開放電圧”のためには、吸収媒体のバンドギャップは広くな
ければならない。
【００２２】 活性媒体のバンドギャップよりも大きなエネルギの光子が吸収されると、過剰
のエネルギは、電子−正孔ペアにより運ばれる運動エネルギに変換される。シリ
コンのような間接的なバンドギャップ材料において、この過剰のエネルギはほぼ
完全に半導体内部にて熱に変換される。それ故、開放電圧の点からは、過剰エネ
ルギは浪費されている。
【００２３】 標準的なシリコン電池のような、単一バンドギャップのホモ接合の太陽電池は
２つの主要な欠点を有している。 ・ｐｎ−接合が組み込まれた領域は２つの目的のために用いられる。電子−正孔
の分離と、キャリア収集である。できるだけ多くの光子を吸収するためには、活
性媒体は充分に厚くなければならない。層が厚くなればなるほど、電子領域は弱
くなり、金属接合から遠く離れたところで発生した電子−正孔ペアにおけるキャ
リアのひとつ、電子または正孔は、それが集められるところまで非常に長い距離
を移動しなければならない。このキャリアは再結合する可能性が高い。というの
は、それが集められるまでのほぼ全行程においてそれは小数タイプのキャリアで
あるからである。 ・半導体のバンドギャップよりもかなり大きなエネルギを有する光子では、過剰
のエネルギは、高い“開放電圧”に変換されるよりはむしろ、浪費されて熱を発
生する。
【００２４】 “バルク”タイプのデバイスの他の克服できない要因はオウガ−再結合である
。この特別な再結合プロセスはタイプIIのバンド配列を備えたデバイスでは抑え
得ることが最近の研究で示されている。［ジョージ ジー ゼグラおよびアレキ
シ ディー アンドレフの“タイプIIヘテロ構造におけるオウガ−再結合プロセ
スの抑制メカニズム”App. Phys. Lett. 67(18)、1995年10月30日、2681-2683頁
；イー コルビン、ケイ ジー ワンおよびエム ヤロスの“１０μｍでの赤外
線検出のためのオラガ−フリーのＳｉ−ＳｉＧｅの量子井戸構造”Solid-state
Electronics, Vol.39, No.2, 237-241頁、1996年；イー コルビン、シー ジェ
イ ウィリアムス、ケイ ビー ワン、アール ジェイ タートンおよびエム
ヤロスの“１０μｍの波長領域でのＳｉＧｅ／Ｓｉヘテロ構造におけるオルガ−
再結合および光スペクトル”Superlattices and Microstructures, Vol.19, No.
1, 1996年、25-32頁］、そのようなバンド配列はＳｉl-xＨｅx、Ｓｉl-xＣyおよ
びＳｉj-y-xＧｅxＣy合金の多層の再結合が可能である。これらのタイプの層は
平面技術と充分に一体化しておらず、低温エピタキシャルデポジションによりつ
くられる垂直デバイスに含まれる。
【００２５】 光バルブは所定の波長または波長域に対して透明または不透明に制御されうる
デバイスである。透明／不透明状態の制御は他の光ビームまたは電界により行な
いうる。今までのところ、ＣＭＯＳロジック、ＤＲＡＭなど充分に電気的であり
純粋な光学的な対ではないものと容易に接触し得るので、電気的に制御された光
バルブが有利である。
【００２６】 最も一般的に使用されているタイプの光バルブは、液晶（ＬＣｓ）であり、フ
ラットパネルディスプレイ（ＦＰＤｓ）に主に応用されている。“サスペンディ
ッドパーティクル”（ＳＰａ）のような他のタイプの光バルブはＦＰＤｓの性能
およびコストを改善するためにＬＣｓと競合するチャンスがあると考えられてい
る。
【００２７】 マイクロ・オプト・エレクトロニック・メカニカル・システム（ＭＯＥＭＳ）
の技術分野も、代替の材料やデバイス、プロセスフロー構成を提供しており、あ
る適用分野においては、ＬＣやＳＰと競い合うことが期待され、その他の分野に
おいては、独自の解決策の提供が期待されている。
【００２８】 技術的および経済的にたいへん重要な分野であり、光バルブが土台としての役
割を果たしうる分野が、フラットパネルディスプレイのほかにもある。このよう
な分野のひとつが光ネットワークであり、とくに光ルーティングである。光ファ
イバが、超広帯域のための媒体として選択されることはよく知られている。しか
しながら、光ファイバが情報を運ぶ速度は、スイッチング／ルーティングにおけ
るレベルとマッチしていない。最近まで、光信号は電気信号へと変換され、処理
およびルーティングされ、最終目的地に到達するために再度光ビームへと変換さ
れる必要があった。最近になって、「すべて光のままでのルーティング」を可能
にすると目される技術的なブレークスルーが発表された。これら「すべてが光で
あるルータ」は、ＭＯＥＭＳの周辺分野で、ＬＣのような光バルブを用いて製造
されるであろうことが、公知のこととして知られている。
【００２９】 ＬＣは真にソリッドステートな材料ではなく、スイッチングの速度が遅いとい
う点で評判がわるく、動作電圧が高い（通常１５ボルト以上）、温度変化に敏感
である、偏光板を必要とする、「視野角」が狭いなど、多くの限界をかかえてい
る。ＬＣＤは透過型としても反射型としても機能しうるが、ＴＶやコンピュータ
のモニタに用いられるＣＲＴの技術と競争しうるに充分なサイズを、多くの画素
数をそなえてコストに優れた方法で製造するには、かなりの難しさがある。ＬＣ
Ｄの製造手順は複雑であり、画素のサイズをスケールダウンするには固有の解決
すべき課題があり、前面側のパネルと後面側のパネルとのあいだの位置決めとい
う重要な問題があるカラーディスプレイについてはとくにである。また、ガラス
上のアモルファスシリコンまたは多結晶シリコンによって作られている通常最も
よく使用される基板は、ＶＬＳＩタイプの電子回路を実現するのに必要な電気的
性能を有していない。これらの、および、そのほかの理由から、ＬＣＤは、高品
質なホログラフィーに必要な高解像度の回折パターンを表示するのに適した画素
のサイズおよび密度を達成することができない。高解像度の回折格子は、（対象
とする色の）サブ波長オーダの「画素」からなる二次元のアレイ（方陣）を必要
とする。
【００３０】 ＭＯＥＭＳ（またはＭＥＭＳ）はソリッドステートのデバイスではあるが、ど
の程度高速でまた信頼性高くできるかについてすぐに上限が置かれてしまう可動
のメカニカルパーツに頼っている。また、これらは通常１０ボルトよりも大きい
高い動作電圧を必要とし、標準的なＣＭＯＳのプロセスと完全に互換性があるわ
けではない。少なくとも今のところは。
【００３１】 ＬＥＤやＬＡＳＥＲは、多くのそしてさまざまな分野における多くの重要な応
用において、土台となっている。たとえば、これらは光ファイバ通信にとって基
礎的な構成部品である。これらのデバイスは化合物半導体からつくられ、直接バ
ンドギャップを有し、ヘテロ接合などバンドギャップ・エンジニアリングを可能
にしている。
【００３２】 現在では、デバイスレベルの品質のヘテロ接合構造が作れるようになってから
多くの年月が経っているけれども、直接でないというバンドギャップの性質から
、シリコン−ゲルマニウム系の材料によるＬＥＤやＬＡＳＥＲの製作は不可能で
ある。
【００３３】 ＬＥＤやＬＡＳＥＲの製造に用いられるIII−Ｖ族の材料と、高密度のマイク
ロエレクトロニクスにとって非常にすばらしい利点をもっているシリコン系の材
料との不適合性は、ＬＥＤ／ＬＡＳＥＲと高密度のロジック回路やメモリ回路の
両方を必要とするシステムの性能や機能を高めるにあたり障害となる。
【００３４】 ［発明の開示］ 本発明の目的は、既知のＣＣＤやＣＭＯＳのテクノロジを用いた光電子デバイ
スにおける限界のいくつかを、克服することのできる新規なデバイス構造を提供
することにある。
【００３５】 本発明のほかの目的は、ＬＥＤおよび／またはＬＡＳＥＲの使用を必要とする
高性能なシステムに用いることのできる光電子デバイスを提供することにある。
【００３６】 本発明によるデバイス構造は、基板上に配置された異なる活性（光子吸収およ
び／または光子放出）層による積層からなり、これら活性層は、入射光がバンド
ギャップが単調減少するように複数の層を伝わり、それによって、有するエネル
ギが異なっている光子達がそれぞれ、複数ある活性層に選択的に吸収あるいは放
射されるように配置されている。光子吸収層で生成された電荷担体を取り出し、
電荷担体を光子放出層に注入するために、別々のコンタクトが用いられている。
【００３７】 波長の選択性、すなわち光子のエネルギに応じた各層での光子の吸収や光子の
放出は、バンド間遷移（価電子帯から伝導帯への遷移）あるいはサブバンド間遷
移（ある量子化レベルからほかの量子化レベルへの同一バンド内における遷移）
を利用する異なるやり方によって実現が可能である。パラメータを選択および／
または調節して積層中の活性層の波長の選択性を制御することにより、幅広い範
囲のニーズおよび実用に適したデバイスの実現が可能である。
【００３８】 本発明のデバイス構造の考え方によれば、どのような系統の材料を選択するか
にかかわらず、高性能な光電および光電子デバイスを実現可能である。しかしな
がら、そしてシリコン・テクノロジーが明らかに実用に適していることから、本
発明を、各層がシリコンと互換性のある場合に関連して、さらに詳細に説明する
。
【００３９】 層形成のためのデポジット技術の進歩によって、エピタキシャル成長の方向に
、たいへん高度なドーピングおよびヘテロ接合の構造が製造できるようになって
いる。したがって、一方向についてのみ寸法を小さくすればよい量子井戸は、こ
のような技術によって容易に製作可能である。ほかの量子構造（たとえば量子ワ
イヤや量子ドット）の製造が容易になった場合には、本発明はさらに多次元の量
子化を利用し、その利点を活用することが可能である。
【００４０】 本発明は、波長の選択性および動作電圧（通常１ボルト）の点で従来技術のテ
クノロジーに対して多くの利点を有し、可動のメカニカルな部品のない真にソリ
ッドステートなデバイスを提供し、広い「視野角」を有するデバイスを提供する
。これらの特徴は、ＦＰＤや光ネットワークの構成部品にとって、多くの利点を
もたらす。
【００４１】 さらに、本発明によって革新的な光検知のコンセプトがもたらされ、それは多
くの異なった実用への応用に向けて、開発設計が可能である。このような応用の
うちのいくつかは、一般消費者向け電子製品の主流であるディジタルスチルカメ
ラやビデオカメラ、カムコーダや太陽電池などに組み込まれるイメージャとして
動作すべく設計されたデバイスにもとづくものである。多用なスペクトルへの能
力があるため、夜視装置や霧を通した可視化などへの適用において、可視でない
波長（たとえばＩＲやＵＶ）に対するイメージャとしても機能する。
【００４２】 同じデバイスが、波長選択性の光バルブなど、ほかの機能にも最適化できる。
目的とする仕事にあわせた最適化のため、設計上のトレードオフがいくつかなさ
れるかもしれないが、本構造はそのまま保たれる。この光バルブは、可視スペク
トルおよび／またはＩＲやＵＶ波長の双方において機能しうる。この光バルブの
応用先をいくつかあげると、ディスプレイや光スイッチ、光変調器や光ルータで
あり、後者は光通信においてとくに有用である。このような応用のいくつかにお
いては、光バルブと波長選択性の反射器との組み合わせが必要であるかもしれな
く、これは光バンドギャップ（Photonic Band-Gap、ＰＢＧ）の材料にて可能で
ある。
【００４３】 この発明の特別でかつユニークな利点は、本発明による同じデバイスあるいは
パネルがイメージャとして、太陽電池として、そして光バルブとして、選択的に
はたらくことができるという点である。本発明を適用した光バルブが、ディスプ
レイとしてのみならず、たとえば電子ミラーやデジタルミラーなど光電にも使用
できることは特筆にあたいする。
【００４４】 さらに、適切なフレームレートで動作させた場合、本発明を適用したデバイス
は、イメージャおよび光バルブの機能を交互に果たすことが可能であり、適切な
システムへとまとめあげることにより、同じ面がイメージのキャプチャと表示と
を交互に行なうことになる。もし、これらイメージが同じであるならば、デバイ
スはミラーとして機能することになる。実際のところは、同じイメージはたとえ
ば多少の信号処理によって得ることができる。本発明により、可視の範囲の波長
における同時のイメージングが可能になり、このような能力のもと、完全に新規
な機能を作り出すことが可能である。
【００４５】 もちろん、これらイメージが同じものでなくてもよい。たとえば、電話のセッ
ト（有線でも無線でもよい）の一部分とし、この能力によって、イメージキャプ
チャ（相手方に送るため）および相手方のイメージの表示を行なうビデオ会議が
可能になる。
【００４６】 イメージャおよび光バルブの層を、サブバンド間遷移すなわちたいへん狭いス
ペクトル範囲にて構成することにより、イメージャや光バルブに使用する基本的
な色の波長のあいだに少しの差しか存在しなくても、イメージャおよび光バルブ
の機能の同時かつ干渉のない動作が可能である。
【００４７】 おなじデバイスを、波長選択性の光バルブなどのほかの機能に最適化すること
もできる。目的とする仕事にあわせた最適化のため、設計上のトレードオフがい
くつかなされるかもしれないが、本構造はそのまま保たれる。この光バルブは、
可視スペクトルおよび／またはＩＲやＵＶ波長の双方において機能しうる。この
光バルブの応用先をいくつかあげると、ディスプレイや光スイッチ、光変調器や
光ルータであり、後者は光通信においてとくに有用である。このような応用のい
くつかにおいては、光バルブと波長選択性の反射器との組み合わせが必要である
かもしれないが、これは光バンドギャップ（Photonic Band-Gap、ＰＢＧ）の材
料にて可能である。
【００４８】 本発明を、光吸収器よりもむしろ光放出器として機能するように最適化するこ
とも可能である。いくつかの場合では、性能の向上およびコヒーレントな放射（
ＬＡＳＥＲ）の放出を可能とするため、マイクロ共振器（micro-cavities）を有
するＳＷＡＳＰ活性層とＰＢＧ材料の組み合わせが必要とされるかもしれない。
したがって、本発明によれば、すでに述べたＬＥＤ／ＬＡＳＥＲの製造において
直面する材料不適合の問題を解決できる可能性があり、すべての構成要素をシリ
コン基板上に製造することによって、ＬＥＤ／ＬＡＳＥＲとＵＬＳＩ回路とを備
えるシステムの性能、機能、サイズおよび価格において、本質的な飛躍を可能に
する。
【００４９】 本発明のこれらの特徴および利点、およびさらにほかの特徴および利点は、以
下の説明および添付の図面によってさらに明らかになるであろう。
【００５０】 ［本発明の詳細な説明］ 図２を参照して、本発明にかかわる装置の構成が模式的に示されている。この
構成は、同じ層構造を有する量子供給器または光検出器として動作することがで
きるけれども、ＳＷＡＳＰと呼ばれており、スタック波長長さ選択的光感度のた
めの頭文字である。本発明のＳＷＡＳＰ構造は、基板１２に対して垂直なスタッ
クに配列された１０セットの異なる層を含んでいる。異なるエネルギの光量子が
選択的に異なる層に吸収されたり、異なる層によって放出される。各層は入射光
がバンド幅を減少させながら進むように配列されている。
【００５１】 前記スタックは、バンド幅を変えるエピシタシーの半導体活性層１４と絶縁体
層１６を含んでいる。各活性層または同じパラメータをもつ一連の層は、所定の
波長長さまたは波長長さの範囲を吸収することができる。各活性層または同じパ
ラメータをもつ一連の層のために、定数１７、１８が与えられている。この定数
は、同じ活性層または一連の活性層の向き合う端面において光量子と正孔のため
に別々にされている。
【００５２】 絶縁体層１６は、異なる波長長さを吸収する領域を分けるように配置されてい
る。そのため、与えられた波長長さまたは一連の波長長さによって発生した充電
キャリアが、ほかの波長長さによって発生された充電キャリアから電気的に絶縁
されている。他の理由としては、あとで判るように、絶縁層がまた与えられた波
長長さまたは波長長さの範囲の活性領域内に置くこともできる。
【００５３】 光量子エネルギにしたがって光量子吸収または光量子放出の選択は、種々の異
なる波と内部バンド伝達（ＩＢＴ）での動作によって認識され、実行される。こ
れは導体バンドまたは内部サブバンド伝達（ＩＳＴ）に近い伝達形式での動作で
あり、同じバンド内における量子化レベルから他のレベルへの伝達での動作であ
る。
【００５４】 構成の概念は、材質的なシステムとは独立している。しなしながら、明らかに
シリコン技術の技術的および経済的な関連のため、比較例および実施例はシリコ
ンと矛盾しない層に関連している。
【００５５】 成長した層の露光技術は、エピシタシーの成長の方向にすべてのドーピングと
そこの結合形態の組み付けできる。一方向に減少させた次元を必要とする量子井
戸は、このような技術を用いて容易に作ることができる。また、量子ワイヤーお
よび量子ドットはそれぞれ一方または横切る二方向に減少させた次元を必要とし
ている。
【００５６】 そのため、量子化構造の例としては、量子井戸を意味するであろう。しかしな
がら、これは考えらる限界として考えるべきではない。もし、および量子ワイヤ
ーと量子ドットを等しく組み付けるならば、同じ考え方がこれらの新しい概念を
閃くのに、適切な適応で用いることができる。
【００５７】 本発明は、活性層が量子吸収層になるような場合に記述される。しかしながら
、同様に考慮すると、活性層が量子放出層になるような場合に適用される。
【００５８】内部バンド伝達（ＩＢＴ）を有する波長長さの選択 バルクのような特性を有する薄いフィルムのバンドギャップ技術を光量子吸収
体のためにローパスフィルタに与えることができる。吸収体のバンドギャップの
大きさと性質に関係しているある程度のエネルギ以上のすべての光量子を吸収す
る。その材料は、エネルギのしきい値以下の光量子のために透明である。
【００５９】 積層内の各フィルムまたは同じ特性を有する一連のフィルムは、そのバンドギ
ャップ以上のエネルギを有するすべての光量子を吸収するために、異なる吸収エ
ッジと適切な厚さを有している。狭い範囲の波長長さのためのフィルタを作るた
めに、２つの異なる吸収媒体が必要である。そのフィルタのスペクタル線は２つ
の異なる媒体間のバンドギャップの差に比例している。
【００６０】 バンドギャップ光吸収しながら、電子は原子価バンド（ＶＢ）から導電バンド
（ＣＢ）に進展し、そこで吸収媒体の原子価バンドの正孔を作り出す。バルク半
導体のために、充電キャリアに導かれるエネルギが前記ＣＢとＶＢの最小エネル
ギポイントを出発してエネルギ連続体になる。
【００６１】 短期間規則格子（ＳＬｓ）を用いて作られた光検出器は、切断された波長長さ
が導電と原子価のミニバンド間の隙間によって決定されるローパスフィルタのよ
うに振舞う。
【００６２】 ＳＬｓを用いると、導電と原子価のミニバンド間のミニギャップを、規則格子
を支配する構造パラメータを制御することによって、規則格子を製造するために
使用される基本材料のバンドギャップのあいだでほとんど連続した波に変化させ
ることができる。
【００６３】 バンドギャップ吸収体（バルクとＳＬｓ）のローパスフィルタの性質により、
正確に連続した吸収媒体が規則にしたがうようになる。吸収エッジは積層の低部
から頂部まで徐々に増加しなければならない。可視、紫外線（ＵＶ）および赤外
線（ＩＲ）のすべての波長長さを含む入ってくる電磁の放射（白色光と呼ばれる
）は、吸収エッジが広い頂部から積層に侵入しなければならない。
【００６４】 積層の各層において、吸収層の積層を介して電磁の照射が進展するので、短い
波長長さ（高いエネルギ光量子）が剥ぎ取れる。そのため、１つ以上の吸収層か
らなる各波長長さのフィルタに発生された充電キャリアを横方向から集める。電
子がその装置の一端で集められるとともに、正孔が他端で集められる。電子と正
孔は、組み立てられ、または外部に適用し、または両方ができるように、横方向
の電磁場によって分離され、対抗する接触部に向かって移動される。
【００６５】 活性媒体の減少された次元に基づく量子化の効果を用いると、固有値はもはや
導電と原子価バンドのエッジにおいて連続になるのではなく、離散され、そして
幾何学的な工程でこれらのバンドエッジから離れる。
【００６６】 量子井戸（ＱＷｓ）の組み立ては、２つの大きな電子ポテンシャルバリア間で
挟まれる半導体材料で得られる。そのバリアは、たとえばもう１つの半導体によ
って得られるか、または絶縁体で得られる。その結果、固有値のシフトは、半導
体が吸収できる光量子の最小限のエネルギの、ＱＷの厚さを減少するような高い
エネルギになる。そこでは吸収材料（ブルーシフト）のバンドギャップに明らか
な増加が生じる。
【００６７】 バルク材に関してもう一つの違いがある。バンドギャップが広くなるのではな
く、ＱＷの光検出器が、前記ＣＢとＶＢの最小エネルギサブバンド間の差より大
きなエネルギを有するすべての光量子が吸収されるわけではないので、ローパス
フィルタにならない。
【００６８】 この理由は、バンドギャップの適切な広がりを生じる量子化が導電バンドの内
側のサブバンドと原子価の内側のサブバンドとのあいだのギャップを広げるから
である。さらにつぎに述べるように、ある程度遷移させたり、遷移を禁止する量
子メカニカル規則がある。遷移内には、他のものよりさらに好ましい（励磁力が
大きい）ものがある。
【００６９】 光吸収材料の全バンド構造のように多くの詳細および前記ＱＷの特性に依存し
て、波長長さの広い範囲内に、１つの特別な波長長さだけを吸収することができ
る。真の物理的な絵は非常に複雑な絵であり、そしてここでは、粗く、かつ単純
化された近似だけが用いられる。
【００７０】 量子井戸（ＱＷｓ）には、膜厚が減少するので、固有値がバンドエッジを参照
すると増加する。そのため、前記ＱＷｓのバンドギャップが増加する。単一ＱＷ
はバンドギャップ以上のエネルギを有するすべての光量子を吸収することができ
ない。また、充分な活性な体積を有しない。むしろただ１つだけ、すなわち同一
の仕様を有するマルチ量子井戸（ＭＱＷｓ）を製造するのが好ましい。要求され
るＱＷｓの正確な数は、フィルタとすべき波長長さの範囲で異なり、どのくらい
の光量子（与えられた波長長さの光量子）が吸収されるべきかによって決定され
る。
【００７１】 非常に長い波長長さにとって、光検出器の他のタイプ、たとえばショットキー
-バリア（Schottky‐barrier）検出器が使用される。この検出器は、金属と半導
体間、または発せられたドープと低いドープの半導体間のいずれかの接合バリア
を用いている。前記半導体だけを用いたショットキー−バリア検出器は、エピタ
クシー層の積層の低部におけるまっすぐな同一層を有しており、その層の正常な
部分になる。
【００７２】インターサブバンド遷移を有する波長選択性（ＩＳＴ） インターサブバンド遷移は、「低減寸法」構造を有してのみ実行され得る。こ
の種の検知器は、単一極である。なぜならば、電荷キャリアが水晶の１つのバン
ドから他のバンドへ移動せず、むしろ同じバンド（誘起または価電子）の内側の
スイッチエネルギティックレベルへ移動するからである。異なるサブバンドは、
量子化効果によって発信され；そして、量子化構造を作るために用いられる物質
のバンドギャップの（分析の第１オーダーに）独立である。これは、光電子のた
めにバンドギャップ構造が適当でない物質のための大変興味深い機会を示し、そ
れゆえ、「従来の」光電子デバイスを除外する。
【００７３】 この種の物理を利用する光検出器は、赤外線（ＩＲ）または遠赤外線（ＦＩＲ
）の検出のためにすでに利用されている。また、「量子カスケードレーザ」は光
子発射のためのような機構（インターサブバンド遷移）を利用する。
【００７４】 完全な物理的描写はまた大変複雑なものであるが、本開示の目的のためである
。また、サブバンド間の遷移を支配する特定のルールがあることを述べるには充
分である。これらの遷移のいくつかは禁じられるが、他のものは許され、そして
これらのいくつかが（期待されているような）他のものより高い「振動強度」を
有する。
【００７５】 最も好ましい遷移が、（充分なキャリアを有して分布されることで与えられる
）最低レベルとその上の（エネルギティックタームにおける）瞬間的なレベルと
のあいだのこれらのものであることを述べることができ、サブバンド１と２との
あいだ、またはサブバンド２と４とのあいだの遷移は禁止される。たとえば、最
低のサブバンド（ｎ＝１）とそのつぎのサブバンド（ｎ＝２）とのあいだの遷移
は、発生の９６％のチャンスであり、その他の起こりえる遷移のためのわずか４
％が放っておかれる。
【００７６】 したがって、量子井戸シンメトリ、形状（正方形状、放物線状、三角形状など
）、膜厚（井戸幅）、深さ、ドーピングなどに関する、適当なセッティングを用
いて量子井戸を設計することによって、インターサブバンド遷移を設計すること
が可能である。
【００７７】 インターサブバンド遷移（ＩＳＴ）デバイスは、固有状態間の差より高いエネ
ルギロアＯＲを有するすべての光子が吸収されない。これらの吸収エッジばかり
でなく、「ローパスフィルタ」がないことも設計され得る。単なる１つの特低の
波長は、デルタ状設計において吸収される。量子井戸の低減した活性容量によれ
ば、信号強度を増大させるために同一の複量子井戸を組成するのに必要かもしれ
ない。
【００７８】 この特性は、与えられた波長の大スペクトル純度の光検出器を設計するのに非
常に有用である。実際には、それらは、他のすべての波長に対して透明であるあ
いだ、そうする。可視波長へのこの特徴の応用は、新規なデバイスおよびデバイ
ス構成を可能ならしめる。
【００７９】 非常に重要な１つの特記されるものがある。原則では、インターサブバンド遷
移は、電磁気スペクトルのＩＲから可視を通してＵＶ部分においてさえ、あらゆ
るエネルギの光子のために生じ得る。しかし、可視、約１．８ｅＶ（赤色）から
約３．１ｅＶ（紫色）までの範囲における光子のエネルギである。したがって、
電磁スペクトルの可視範囲のためのＩＳＴデバイスは、３．１ｅＶより深いポテ
ンシャル井戸が必要である。量ができるだけ多く超える事実では、できるだけよ
く理論「無限深」量子井戸に近づけられる井戸のためである。したがって、非常
に広いバンドギャップ材料が、非常に大きい静電ポテンシャルバリアを作るため
に必要とされる。
【００８０】 量子井戸を、たとえば４ｅＶより深くするために、ウルトラワイドバンドギャ
ップ半導体またはウルトラワイドバンドギャップ絶縁体は、絶対に必要である。
この要求は、早急に、これらのデバイスを実行するために用いられ得る材料にお
けるいくつかの制限を決める。当然なことに、量子井戸（ＱＷ）を形成するため
の絶縁体の使用は、従来設計のＱＷ検出器におけるコンタクトのために、インサ
マウンタブルバリアをとどめる。
【００８１】 この特記は、本開示のつぎの章への良好な紹介および動機付けである。
【００８２】仕事関数設計による選択横方向コンタクト 本発明の積層構造は、異なる位置における異なる役割を果たすエピタキシャル
絶縁体と合体する。いくつかのケースでは、異なる波長を吸収する電気的絶縁フ
ィルムにちょうどであるため、それらは電気的短絡にならない。そして、他のい
くつかのケースでは、絶縁体は、（とくに非常に深いポテンシャル井戸が必要と
される場合に）ＱＷ自体を作るために必要とされる。
【００８３】 したがって、従来のコンタクトの仕組み、一種のキャリアが一番上に排出して
、エピタキシャル層の積層の一番下における他の型は、ここで働かない。解決策
は、互いに電気的に絶縁された異なる層への横方向コンタクトの組成を用いてあ
る。また、これらの層からの電子と正孔の排出は、別個にされ得る。しかも、電
子および正孔の排出ポイントへのコンタクトは、一般的に、異なる仕事関数を有
して（２、３の例外はあるが）、異なる導電材料を用いてなされる。
【００８４】 エピタキシャル積層の異なる面またはレベルにある異なる材料への異なるコン
タクトを理解して視覚化するのは容易である。しかし、同一の層（たとえば、Ｑ
Ｗ）または層のセット（たとえば、ＭＱＷ）へのコンタクトは、選択的にに可能
性を有し、異なるポイントにおいて、排出（または噴射）電子ＡＮＤ正孔よりむ
しろ電子ＯＲ正孔は、自明でなく、と区別である。なぜならば、いくつかの活性
層がドーピングされていないからである。
【００８５】 「仕事関数設計」によって、ＭＱＷ層において、正孔から電子を分離し、それ
らをこれらの層の反対側に集めることが可能である。仕事関数における差によっ
て発信されるビルトインフィールドは、エピタキシャル成長の方向に垂直な面に
おいて吸収層のバンドをスキューし、それにより、強制的に電子をＭＱＷ層の一
方の側へ行かせ、正孔を他方の側へ行かせる。このようにして、電荷キャリアは
、ＭＱＷ平面と（垂直というより）平行な集合ポイントへ移動する。したがって
、ＭＱＷバリアを横断することがない。このことは、ウルトラワイドバンドギャ
ップ半導体および絶縁体を用いたＭＱＷを可能ならしめるものである。
【００８６】 前記仕事関数方法を実行するためにいくつかの方法がある。金属によって提供
される仕事関数の範囲は、２ｅＶよりわずかに少ないところから６ｅＶより多い
ところまでである。このことは、ＣＢの上でかつＶＢシリコンの下に仕事関数を
明確に与える。
【００８７】 仕事関数設計を実行するための他の可能性は、ハンドギャップの変化をともな
う、異なる半導体の重度のドーピングされた層を用いることである。ここでは、
ドーピング縮重の異なるレベルが、コンタクト材料の堆積工程のあいだ本当に容
易に制御され得るため、異なる仕事関数を提供することにいくらか自由がある。
【００８８】 しかし、「仕事関数設計」のような範囲を提供し得る金属および半導体の多く
は、シリコンおよび／または他の吸収層に直接コンタクトするときに、重大なイ
ンターフェース問題を発信するかもしれない。多くのケースでは、元々の仕事関
数を、基本的にはシリコンのバンドギャップ内に落ちるものへ変化させるシリサ
イドを形成し、それにより、これらの材料を使用する目的を断念させるだろう。
【００８９】 構造の層を用いてさらに「仕事関数」を与え、潜在的なインターフェース問題
を避けるという代わりの方法がある。単に、「コンタクト誘電体」（もっとも好
ましくは金属）と吸収層のサイドウォールとのあいだにＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、Ｓ
ｉＯＮ、Ａｌ2Ｏ3などの絶縁体のきわめて薄い層を設けることからなる。
【００９０】 金属半導体接合によってコンタクトするよりもむしろ、コンタクトは、非常に
洩れやすい金属―絶縁体―半導体（ＭＩＳ）を通る「ダイレクトトンネリング」
によってされる。絶縁体層がきわめて薄いという事実が、非常に大きな「ダイレ
クトトンネリング」電流密度を可能にし、それゆえ、吸収層からコンタクト材料
への効率のよい電子および正孔の排出を可能にする。
【００９１】 最近では、極めて薄い絶縁体層を用いたＭＩＳ（またはＭＯＳ）システムが、
固体状態の電子部品、たとえば０．１μｍ世代およびそれ以下の発展型ＣＭＯＳ
における研究のたいへん重要なトピックである。その理由は、標準ＣＭＯＳの縮
小は、技術のそれぞれの新しい世代のためにゲート絶縁体（ＳｉＯ2）の薄型化
を暗示する。およそ０．１μｍのゲート長またはおよそ１Ｖおよびそれ以下の動
作電圧は、ＳｉＯ2の厚さを２．５μｍ未満に要求する。この点では、フォウラ
ーノルドハイムよりむしろダイレクトまたはバリスティクトンネリングは、絶縁
体を横切って搬送するのに反応しやすい機構である。非常に大きな電流密度はそ
のとき避けられない。なぜならばこの厚さの体制では、電流密度が絶縁体の厚さ
に依存して指数的である。
【００９２】 その研究のための駆動力は、ＭＩＳシステムのキャパシタンスが増加するあい
だ、絶縁体を通る電流密度の最小化の方法を見つけることができる。その解決策
は、ＳｉＯ2を誘電許容度の値がより大きい他の絶縁体に置き換えることである
。そのため、同一のキャパシタンスのために、層が厚くなり、トンネル電流が顕
著に低減する。
【００９３】 この研究の副産物は、ＳｉＯ2およびＳｉＮ4の究極的に薄い層が、より厚い層
の「バルク状」値よりもはるかに高いブレークダウンフィールドを有することで
あり、かつ実際には、ブレークダウンポイントを定義するのが困難でさえあるこ
との実験的認証である。これらの極めて薄い層は、究極的に大きいトンネル電流
密度に耐えることが可能であり、明らかな検出可能な損傷がなく、精密である。
なぜならば、バリスティックトンネリングは絶縁体層の範囲内でスキャッタリン
グの不在を実行してそのために損傷を引き起こす可能性が少ないからである。
【００９４】 本発明は、この研究によって得られた知見、すなわち、ひじょうに薄い絶縁層
を用いて高いトンネル効果を実現することを利用しているが、第１の場所におい
て動機づけられていることについての逆の目的に対しては利用していない。それ
らは、内側の位置の層を提供し、シリコンと直接界面を共有されるべきではない
シリコンと金属とのあいだの物理化学バリアとして作用する。
【００９５】 電子および正孔量と導電性とバレンスバンドオフセット（valence band offse
t）における大きな相違による不均一なトンネル電流の問題は、絶縁膜の組成お
よび厚さの適切な独立した選択（たとえば、電子対正孔）を通じて解決または補
償され得る。たとえば、二酸化ケイ素は、９エレクトロンボルトのバンドギャッ
プを有している。電子のためのケイ素と二酸化ケイ素のあいだのバリアの高さは
３．２エレクトロンボルトであり、正孔のためのバリアの高さは４．７エレクト
ロンボルトである。一方、Ｓｉ3Ｎ4は５エレクトロンボルトのバンドギャップを
有している。電子のためのケイ素とＳｉ3Ｎ4とのあいだのバリアの高さは２．２
エレクトロンボルトであるが、正孔のためのバリアの高さは、１．７エレクトロ
ンしかないのである。Ｓｉ3Ｎ4に対しては、正孔のためのバリアの高さはせいぜ
い電子のための高さである。
【００９６】 この「作用関数工学」は、電子および正孔が異なるコンタクトを有し得るがゆ
えに実施されることは銘記されるべきである。実際、コンタクトの最適化（絶縁
膜の組成、厚さ、および電極の作用関数）は、電子および正孔に対し、異なるバ
ンドギャップと固有値とを有するそれぞれの波長フィルタに対して独立して実行
される。
【００９７】 この最適化は、電子コンタクトにより電子のフラックスを最大にし、正孔フラ
ックスを抑制し、かつ正孔コンタクトにおいて対称的に正孔フラックスを最小に
、電子のフラックスを抑制することが予想される。これは、一方で、吸収媒体と
異なる絶縁材料とのあいだのバリアの高さにおけるワイドレンジのゆえに可能で
あり、他方で、コンタクト材料のために利用できる作用関数のワイドレンジによ
り可能である。
【００９８】 「電子コンタクト」のための最適なパラメータは、 １）電子のための低いバリアの高さ ２）正孔のために高いバリアの高さ ３）小さい作用関数電極。吸収媒体のＣＢにおける関連する固有値の同一または
高いレベルにおけるコンタクト電極の作用関数。
【００９９】 「正孔コンタクト」のための最適なパラメータは、 １）電子のための高いバリアの高さ ２）正孔のための低いバリアの高さ ３）大きい作用関数電極。吸収媒体のＶＢにおける関連する固有値の同一または
低いレベル（大きいＷＦ）におけるコンタクト電極の作用関数。
【０１００】 ひじょうに狭いバンドギャップの材料がひじょうに長い波長の検知のために選
択される場合、そのような層から電子および正孔の抽出には問題があるかもしれ
ない。かかるギャップ材料のギャップにおいてなにがしかの作用関数を有する材
料が用いられる場合は、作用関数におけるきわめて小さい差異、または電子およ
び正孔電極に対しては同一の作用関数を意味する。したがって、吸収層から効率
よくキャリアを抽出するためには、外部バイアスを印加することが必要であるか
もしれない。
【０１０１】 しかし、このシナリオは避けられなくはない。叙上のように、電子および正孔
コンタクトのために最適なパラメータにより、電子および正孔電極がかなりのマ
ージンだけシリコンのバンドギャップの外側にある、シリコンの狭いバンドギャ
ップにラテラル型のＭＯＳ構造を構成することは可能である。
【０１０２】 「インターサブバンドトランジション（Inter-Subband Transition）」による
ＱＷsまたはＭＱＷsからの荷電キャリア抽出の場合は、いくぶん複雑であるが、
より興味深い機会を与えさえする。「インターサブバンドトランジション」の装
置がユニポーラであるので、電子あるいは正孔が抽出されるが、両方抽出されな
い。そのうえ、可視および紫外範囲におけるようなエネルギ光子のための光吸収
機構を用いることは、「バンドギャップトランジション」の装置のために記載さ
れたものに類似した「作用関数工学」のスキームを適用することをきわめて困難
にする。しかし、何かひじょうに特異なものが得られる。
【０１０３】 光吸収膜とコンタクト金属とのあいだで水平方向に位置づけられるべき絶縁バ
リア膜が、いずれの場合も吸収媒体のものより著しくワイドなバンドギャップを
有することが想像される。
【０１０４】 図３は、量子井戸層に対して平行（エピタキシャル成長の方向に垂直）なカッ
トを示す、バンドダイアグラムの２次元の概略を示している。左側の水平な「コ
ンタクト絶縁体」は二酸化ケイ素であり、右側の「コンタクト絶縁体」はＳｉ3
Ｎ4である。両側とも、シリコンのバンドギャップの中央において作用関数との
同一の金属コンタクトを有している。
【０１０５】 きわめて深いＱＷs（ＭＱＷs）に対しては、固有値（Ｅv1、Ｅv2）は、活性領
域（半導体材料）の（バレンス）バンドエッジからかなり離れている。このため
、「コンタクトバリア高さ」の定義はなんらかの特別な注意が必要である。一例
として、光励起荷電キャリヤ（Ｅv2）を受け取るＱＷのサブバンドが、バレンス
バンドのエッジを参照したときに、Δ2＋Δ3＋Δ4の和によって与えられると仮
定しよう。（右側で）ラテラルインタフェースに接近するときに、これらの光励
起キャリアによって見られる「バリアの高さ」は「コンタクト絶縁体」のバンド
エッジと促進されるＱＷサブバンドの固有値とのあいだの差である。この差はΔ 1 −（Δ2＋Δ3＋Δ4）によって与えられ、図３の右側に示される場合に、この差
（バリア高さ）は負である。
【０１０６】 結論的には、「コンタクト絶縁体」の適切な選択により、キャリアはまったく
バリアを見ることはなく（負のバリアの高さ）、したがって、水平方向に移動す
ることは自由であり、「コンタクト金属」に「落下」する。これは、バレンスバ
ンドにおけるインターサブバンドによるＭＱＷsの場合であり、Ｓｉ3Ｎ4がコン
タクト絶縁体である。この場合、荷電キャリアの抽出は、「コンタクト絶縁体」
を介してなされないが、とネルを引き起こさない（コンタクト絶縁体が厚い）、
なぜなら光励起キャリア（これだけである）がエネルギ的に「コンタクト絶縁体
のバンドエッジを上回るからである。
【０１０７】 これらの高エネルギの固有値（Ｅv2）におけるキャリアに対して、「コンタク
ト絶縁体」が物理化学的バリアをあたえるが、静電気ポテンシャルのバリアでは
ない。しかしながら、この「コンタクト絶縁体」は、最低のサブバンド（Ｅv1）
のキャリアに対する静電気ポテンシャルであり、光子を吸収する前に残存する。
【０１０８】 この「コンタクト絶縁体」は、最低のサブバンドにおけるこれらのキャリアに
対してひじょうに重要な役割を果たしている。すなわち、ＱＷs（ＭＱＷs）の内
側に維持している。これは、金属−半導体の直接のコンタクトが起こる場合では
ない。すなわち、「コンタクト絶縁体」の介在がない場合である。
【０１０９】 たとえ「コンタクト絶縁体」の介在が金属間でポテンシャルの界面の作用を妨
げるために動機づけられても、これによって「作用関数工学」においてより自由
度を与え、コンタクトＩＳＴデバイスにおけるデバイス物理学に主要なインパク
トを与えることがわかる。
【０１１０】 ＱＷsが浮遊体のような問題と見られるべきではないことは指摘されなければ
ならない。その理由は、「コンタクト絶縁体」のうちの少なくとも１つが、大き
なトンネル電流を実現するために充分薄いことである。この厚さの範囲に対して
は、該コンタクト絶縁体は「漏れる絶縁体（leaky insulator）」であり、これ
はＱＷsまたは「コンタクト金属」における荷電キャリアの波動関数が絶縁体を
貫通し、したがって、厚いラテラル型の絶縁体の場合のように浮遊することを意
味する。
【０１１１】ＳＷＡＳＰ太陽電池 叙上のような多数のバンドギャップ光検知器は、単一のバンドギャップデバイ
スが、狭いバンドギャップのゆえに可能である同一の光子を吸収できる。しかし
、（標準的な太陽電池のような）単一のバンドギャップデバイスは、光子がその
バンドギャップに関して有しているエネルギ以上を消耗し、それゆえ、過度のエ
ネルギが「開放電圧」において反射されない。
【０１１２】 すでに、「理想最大効率」が直列に接続されたバンドギャップの数が増加する
につれて増加することを示した。それは高々７２％であり、単一バンドギャップ
の単一結晶シリコンのｐｎ接合太陽電池の「理想最大効率の２倍である。いずれ
の場合もこの「理想最大効率」を達成しないが、効率が多数のバンドギャップ太
陽電池の２倍からはあまりにもかけ離れている。
【０１１３】 電池の直列構造は、異なるバンドギャップをもついくつかの層のヘテロエピタ
キシャル成膜のあいだ本来のドーピングによって達成されるのがベストである。
なんらかの理由で、全エピタキシャル積層体の開放電圧が（たとえば電池を充電
するために）大きすぎると、この積層体の層のいくつかとラテラルな接触をさせ
ることがかなり容易になる。これは、積層体からの（等しい開放電圧をもつ）層
の群のあいだでの並列接続を可能にし、これによって短絡電流を増加させる。
【０１１４】 図４は特定の材料を特定せずに太陽電池を構造の概略を示している。シリコン
と適合し得る材料の供給はかなり容易であり、シリコンよりも狭いバンドギャッ
プを得ることが簡単であるが、シリコンよりも広いバンドギャップを得ることは
困難である。
【０１１５】 シリコンよりも狭いバンドギャップはＳｉ1-xＧｅx、Ｓｉ1-yＣy、Ｓｉ1-zＳ
ｎzまたはＳｉ1-x-y-zＧｅxＣyＳｎzのようなそれらの組合せのランダム合金お
よび／または超格子のエピタキシャル成長によって得られる。
【０１１６】 シリコンよりも広いバンドギャップは、多くの方法で得られる。しかし、これ
らの多くは異なるバンドギャップの積層間のオーミックコンタクトの特異な要求
により適切ではない。明らかに、ウルトラワイドのバンドギャップの半導体また
は絶縁体による量子井戸の製造は積層における層を横切るオーミックコンタクト
の必要性を可能にしない。しかし、もし超格子が形成されるように量子井戸のバ
リアが充分薄ければ（数アトミック層）、荷電キャリアの波長関数はいくつかの
井戸で重なり、これによってミニバンドを発生する。
【０１１７】 短期超格子によって出現するミニバンドを通じてバンドギャップの増加が実現
できる。もし、既知の超格子（ミニバンド）の上部および下部で高度にドープさ
れた領域を製造できるならば、多数バンドギャップの太陽電池の理想化された記
載に対応する構造を製造できる。シリコンによるそのような超格子の可能な材料
は、シリコン上のヘテロエピタキシーの超格子は多く存在するが、たとえばＡｌ 2 Ｏ3（サファイア）、ＣａＦ2（カルシウムフルオライド)、ＣｄＦ2（カドミウ
ムフルオライド)、ＣｅＯ2（セリウムダイオキシド）であり得る。
【０１１８】ＳＷＡＳＰ画像装置（imager） 画像装置は、バンド間遷移（ＩＢＴ）またはサブバンド間遷移（ＩＳＴ）のど
ちらかを使用するように設計され得る。バルクまたは超格子におけるＩＢＴ用に
設計された画像装置は、３ｅＶより大きいものからたった数ＫBＴ（０．１ｅＶ
未満）にわたるギャップで「画素化された（pixelized）」多重−バンド−ギャ
ップ太陽電池（素子）のように見られる。異なる吸収層の数が大きくなると、す
なわち、層状スタックに存在する異なるバンド−ギャップの番号が高くなると、
全電磁気スペクトルが吸収されるインターバルは小さくなる。これは各層が波長
の狭い範囲のみを吸収するであろうことを意味している。異なる吸収層が「ロー
パス」バンド−ギャップ「カラー」フィルタのように見られるならば、それらは
高い「スペクトル純度」を有すると言えるであろう。
【０１１９】 ３原色に対応する波長（中間色または減法混色のどちらか）を吸収する層が、
充分高度なスペクトル純度を有する場合、およびそれらに個別に接触することが
可能な場合、その結果、「画像装置」および「太陽電池（素子）」の機能は、同
時に抵触せずに作用し得るだろう。
【０１２０】 多数の中間バンド−ギャップを有する多重−バンド−ギャップ太陽電池（素子
）に関して、たった３つの波長の寄与の欠損は、全体の効率における減退をほと
んど引き起こさないであろう。一方、「画像装置」の機能は、光検出器に入る光
の総量のおかげで自家動力され得、原色に対応するそれら３つの波長だけは「太
陽電池（素子）」機能には使用されない。当然、可視領域における３原色につい
て言われることはＵＶおよびＩＲスペクトルにおける波長にも適用される。
【０１２１】 画素の（活性領域の）範囲は基本的に変化せず、したがって、イメージング過
程の間にフィルタを通る波長の数とは無関係と言える。したがって、それらは「
太陽電池（素子）機能」に寄与するものから差し引かれる。この理由は、適当な
数の「波長」フィルタに独立して接触させるために必要な領域が画素の全領域の
非常に小さな部分であるからである。
【０１２２】 与えられた波長（または色）フィルタのスペクトル純度は、そのすぐ上の層の
バンド−ギャップに対するエネルギ差によって測定される。たとえば、緑色に対
するフィルタのスペクトル純度は、緑のフィルタそれ自身と緑と青との間の色全
てを吸収するためのフィルタとの間のバンド−ギャップにおける差によって得ら
れる。光子吸収における適当な非線形性のため、フィルム厚および光子エネルギ
の機能として、この物理的画像はいくぶん単純化され過ぎるかもしれない。しか
しながら、「ローパスフィルタ」の性質のため、バンド−ギャップフィルタリン
グは、イメージングに使用されるもののように、高いスペクトル純度を要求する
カラーフィルタ間の中間波長に対する吸収層を必要とする。
【０１２３】 以下の方法で（上端から下端へ）実施され得る３原中間色、赤、緑および青（
Ｒ、Ｇ、Ｂ）に対するフィルタの製造に明らかな関心がある（図５Ａ）。 ・検出器の上端（ここで光が装置につながれる） ＵＶの波長に対する太陽電池（素子） ＵＶの特定波長に対するフィルタ 青とＵＶとの間の波長に対する太陽電池（素子） 青色に対するフィルタ 緑と青との間の波長に対する太陽電池（素子） 緑色に対するフィルタ 赤と緑との間の波長に対する太陽電池（素子） 赤色に対するフィルタ ＩＲと赤との間の波長に対する太陽電池 ＩＲ／ＦＩＲの特定波長に対するフィルタ
【０１２４】 ・検出器の下端 見られるように、イメージング過程でＲＧＢフィルタレーションを行なうため
に必要とされるエピタキシャルスタックの層のリストは３つのＲＧＢ層だけを含
むのではなく、「中間−原色」フィルタリングのためのほかの３つも含む。これ
らの層において、ＲＧＢイメージングに使用されないそれらの光子によって生成
されたキャリヤーは、各ＲＧＢ層で生成されたものと別々に集められなければな
らない。ただ消費されるよりむしろ、それらは無料で生じるので、うまく電気の
生成に使用され得る。実際のところ、それらは自家動力のカメラに使用され得る
。
【０１２５】 さらに、全波長フィルタに対して、電子および空孔がラテラルに、また別々に
集められた。あるカラーフィルタに対して、電子と空孔は、異なる物質（絶縁体
）で隔てられた接点を有する。すでにリストアップされた層およびバンド−ギャ
ップの系列は、以下のようにシリコン適合性物質および技術で実行される（図５
Ｂ）。
【０１２６】 ・シリコンより狭いバンド−ギャップを有する「波長フィルタ」は、ＩＶ群の合
金、および／または以下の要素、Ｓｉl-x-y-zＧｅxＣyＳｎz（変化する化学量論
で）のすべてもしくはいくつかを含有する超格子で得られる。
【０１２７】 ・シリコーンより広いバンド−ギャップを有する「波長フィルタ」は、Ｓｉまも
しくはＳｉl-x-y-zＧｅxＣyＳｎz（変化する化学量論で）の超格子、Ａｌ2Ｏ3、
またはＣａＦ2またはＣｄＦ2などで得られる。超格子は極端に薄いフィルムを必
要とするので、緊張、緩和は問題にならない。
【０１２８】 ・異なる層を電気的に絶縁するための絶縁体はいくつかあり、最も良い候補であ
ると思われる以下、
【０１２９】
【外１】
【０１３０】 はすべて、シリコンに対する大きい伝導帯および価電子帯バンドオフセットを有
する絶縁体である。
【０１３１】
【外２】
【０１３２】 はシリコンの電子に対する消極的な高いバリアを有する。
【０１３３】 実際は、シリコン上に成長するＡｌ2Ｏ3の適合性が与えられると、それを緩衝
層として使用でき、それによってほかの材料（薄いまたは厚いフィルム）の成長
を可能にする。通常はシリコン上への直接蒸着に対して相性が悪い。Ａｌ2Ｏ3（
サファイア）は、電磁スペクトルの青および紫の領域で作動するＨＥＭＴｓ、Ｌ
ＥＤｓ、ＬＡＳＥＲｓを作製するための
【０１３４】
【外３】
【０１３５】 を成長させるための選択の基板である。
【０１３６】 これらの直接バンド−ギャップ半導体を使用する可能性は、完全に２００ｍｍ
（および３００ｍｍ）ウェーハ上でＣＭＯＳと一体化され、光検出器または光放
出器（ＬＥＤまたはＬＡＳＥＲ）のどちらかとして、非常に大きく新しい技術お
よび経済的将来性を切り開く。
【０１３７】 量子化された構造におけるＩＳＴおよび／またはＩＢＴに取り組む画像装置は
先の例に対していくつかの利点を有している。その１つは、量子力学選択法則が
特異的波長のみが吸収される（当然小さな広がりは常に存在する）ということを
強制するため、潜在的に非常に高い「スペクトル純度」である。これは、２つの
材料のバンド−ギャップの差を通して波長を選択するよりより適確で正確である
。もう１つの利点は、この種類の光吸収は「ローパスフィルタ」ではなく、むし
ろ吸収におけるデルタのようである。すなわち、ＱＷｓはほかのすべての光子を
吸収されるべきものよりも高いまたは低いエネルギで通す。
【０１３８】 これは、「画像装置」層が「太陽電池（素子）」層の上端にある図６Ａに描か
れた構造が実行されることを可能にする。この配置は確実に、可視およびＵＶ領
域の光子のように大きなエネルギを有する光子の対して有用で適用可能である。
しかしながら、ＩＲおよびＦＩＲ領域のスペクトルにおける光子によるイメージ
ングにとって、それらの層を太陽電池（素子）機能を果たす層の下に位置付ける
ことが好ましいかもしれない。当然、太陽電池層（素子）のバンド−ギャップ工
学技術はＩＲ／ＦＩＲイメージングに使用される波長が吸収されないようなもの
であるであろう。
【０１３９】 これは、イメージング機能のための「原色」を提供するための特別な接触スキ
ームを必要とするスタックの真中にはフィルムがないので、スタックのデザイン
を単純化し、それによりその組み立ても単純化する。しかしながら、材料の観点
から、光子エネルギはより高くなり、要求されるポテンシャルはより深くなるこ
とを必要とする、すなわち、ＱＷｓはより狭くなることを必要とするので、実行
することはより難しくなる。
【０１４０】 ・検出器の上端（ここで光が装置につながれる） ＵＶの特定波長に対するフィルタ 青色に対するフィルタ 緑色に対するフィルタ 赤色に対するフィルタ 多重−バンド−ギャップ（ＩＲからＵＶへの）太陽電池（素子）に対する層 ＩＲ／ＦＩＲの特定波長に対するフィルタ
【０１４１】 ・検出器の下端 この層のリストはかなり簡潔だが、実際は太陽電池（素子）層からのイメージ
ング（可視およびＵＶ）の分離があるので高度なモジュラーである。このコンセ
プトの好ましい態様を図６Ｂに示した。ＱＷｓ／ＭＱＷｓは、シリコンにエピタ
キシャリーな適合性を有する超広域バンド−ギャップ材料によって形成されてい
る。そのような長いリストのうちの、最も良い例であると予想されるものは
【０１４２】
【外４】
【０１４３】 であり、すべて、大きい伝導性とシリコンに対する価電子帯バンドオフセットを
有する絶縁体である。
【０１４４】
【外５】
【０１４５】 はシリコンの電子に対する消極的な高いバリヤーを有する。
【０１４６】 単純化された計算が現在、これらの材料に可能なナンバー（量子化効果として
）の種類を提供した。固有値はＱＷフィルム厚およびキャリヤー質量に、言いか
えると占有された谷の機能に、したがってその量子化効果がどのくらい強いのか
に依存する。Ａｌ2Ｏ3の非常に大きなバンド−ギャップ、ならびにシリコンとＡ
ｌ2Ｏ3とのあいだの非常に大きな伝導帯および価電子帯バンドの不連続性のため
に、この構造は、量子力学のあらゆる基礎教本で取り扱われる「無限井戸型」近
似によってモデル化され得る。
【０１４７】 関数は無限に深い静電ポテンシャルの井戸の荷電キャリヤーの波動関数として
用いられるために適当である。
【０１４８】
【数１】
【０１４９】 式中、Ｚ（ｚ）は、ｚ−方向（限定方向）におけるエンベロープ関数、Ｌzは静
電バリヤー間のＱＷフィルムの幅、ｎz＝１、２、３…はサブバンド指数である
。井戸内の許容エネルギ量（固有値）は、以下の式で与えられる。
【０１５０】
【数２】
【０１５１】 式中、ｍｚはバリアに対して垂直方向、すなわちエピタキシャル蒸着の方向にお
けるキャリヤー質量である。
【０１５２】 異なるサブバンドに存在する荷電キャリアは異なる質量を有してもよいので、
計算はずっと複雑になり得る。これは、より高いサブバンドの占有のため、また
は同じサブバンド指数がＱＷ幅が減少することにより、より大きい固有値を有す
るためキャリヤーエネルギが増加され得る（より大きい固有値）からである。 固有値間の差は（ＥC0＋ＥC1）−（ＥV0＋ＥV1）で与えられる。 式中、ＥC0は「バルク」伝導帯バンド端、ＥV0は「バルク」価電子帯バンド端、
ＥC1は伝導帯バンドにおける最低エネルギ固有値、ＥV1は価電子帯バンドにおけ
る最低エネルギ固有値である。
【０１５３】 先の表示から、つづいて、大きいサブバンド固有ベクトル（large subband ei
genvalues）は、荷電キャリア量（charge carrier mass）を減らすことにより、
またはＱＷ膜の厚さを減らすことにより、得ることができる。物質のパラメータ
である最初のものは、ＱＷ膜のポテンシャルの候補の選択に基準を提供するはず
である。
【０１５４】 インターバンド変換（Inter-Band Transitions）にとって、物質のパラメータ
はこれらの変換に相当関連するため、これは困難である。ＶＢおよびＣＢのキャ
リアの量はかなり異なっており、ＣＢおよびＶＢの縮退およびバレーオキュペー
ション（valley occupation）はさらにまた、物事をかなり困難にする。
【０１５５】 一方、インターサブバンド変換（Inter-Subband Transitions）にとって、物
質パラメータ（materials parameters）は無効にされ、変換はＣＢまたはＶＢに
依存するだけである。
【０１５６】 不純物のないゲルマニウムは非常に小さい「軽い正孔（light hole）」量を有
し、（シリコン格子（silicon lattice）への）耐張（strain）は、２つの「重
い正孔（heavy hole）」バンドにより縮退をさらに引き上げる。したがって、孔
に対して非常に大きな障壁高（barrier height）の間のシリコンに耐張性のある
非常に薄いＳｉＧｅ（原則的には、不純物のないＧｅ）の膜は、可視的な範囲の
光量子のような、高いエネルギの光量子で作動する装置の製造に対して有望なシ
ステムを提供するはずである。該ＧｅのＭＱＷｓはＡｌ2Ｏ3障壁の間に挟まれ得
る。
【０１５７】 したがって、耐張性のＧｅの「軽い正孔」のための、ＱＷ幅の関数としての固
有ベクトルの単純計算は、より複雑な計算に対してそれほど悪い近似値ではない
ことが分かる。インフラレッド（Infra-Red）（ＩＲ）の範囲に対するデルタ様
の吸収装置（インターサブバンド変換を有する）を製造するために、小さなバン
ドオフセット（band-offsets）が要求されるので、多くの半導体ヘテロ構造物（
semiconductor heterostructure）を使用し得る。通常は、広いバンドギャップ
半導体（Band-gap semiconductors）は、ＱＷｓを構成するために使用されるだ
ろう。そのいくつかの可能性において、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびそれ
らの合金のいくつかが使用され、通常では最良の候補である。
【０１５８】 しかしながら、可視的な範囲において、光量子エネルギは、
【０１５９】
【外６】
【０１６０】 に対して約１．８ｅＶから、
【０１６１】
【外７】
【０１６２】 に対して約３．１ｅＶの範囲にわたる。これは、おそらくＡｌＮを除き、明らか
にそれらすべてに届かない。
【０１６３】 一方、すでに記載したいくつかのもののようなエピタキシャル的に適合した絶
縁体を有するシリコンベースのＱＷｓの製造により、それらの光量子エネルギに
とって必要な非常に低い井戸ポテンシャル（potential wells）を提供し得る。
実際に、試験的な測定により、ＣａＦ2／Ｓｉ／ＣａＦ2を交互に重ねることで製
造されるＱＷｓは、ＣＢの井戸を２．３ｅＶ深くし、ＶＢの井戸を８．７ｅＶ深
くすることが示される。したがって、ＶＢにおけるインターサブバンド変換は、
電磁スペクトルのＵＶおよびＤＵＶ領域でみられる非常に強力な光量子に対して
可能であるようだ。
【０１６４】 光量子エネルギ（ｈν）は、正確にｈν＝Ｅ2−Ｅ1であることが必要である。
第２および第１の固有ベクトル間の差は、
【０１６５】
【数３】
【０１６６】 によって単純に与えられる。
【０１６７】 次に記載するのは、可視的な範囲の光量子に対するＧｅのＱＷパラメータを示
すためのいくつかの計算である。極度に薄いＭＱＷｓにとって、シリコン格子に
耐張性の不純物のない（仮像の）Ｇｅ膜を積み重ねることは好ましい。 ｈ2＝（１．０５４５７×１０-34）2Ｊｓ ｍ0＝９．１０９３９×１０-31Ｋｇ サブバンド指標、キャリア量およびＱＷ幅の関数としての固有ベクトルは、
【０１６８】
【数４】
【０１６９】 によって与えられる。
【０１７０】 したがって、第１および第２のサブバンド間のエネルギ差の関数としてのＱＷ
幅は、
【０１７１】
【数５】
【０１７２】 により与えられる。
【０１７３】 Ｇｅにおいて、「軽い正孔」の量は、ｍz（ｌｈ）＝０．０４４×ｍ0、および
「重い正孔」の量は、ｍz（ｈｈ）＝０．２８×ｍ0である。
【０１７４】 ・青色の光量子
【０１７５】
【外８】
【０１７６】 「軽い正孔」量を用いて Ｌ2＝２．９ｎｍ、 ＥV1（ｌｈ）＝１．００ｅＶ、 ＥV2（ｌｈ）＝４．００ｅＶ、 同じＱＷ幅に対し、「重い正孔」サブバンドは、 ＥV1（ｈｈ）＝０．１６ｅＶ、 ＥV2（ｈｈ）＝０．６３ｅＶ、 ＥV3（ｈｈ）＝１．４１ｅＶ、 ＥV4（ｈｈ）＝２．５１ｅＶ、 ＥV5（ｈｈ）＝３．９３ｅＶ、 ＥV6（ｈｈ）＝５．６５ｅＶ、 もたらす。
【０１７７】 ・緑色の光量子
【０１７８】
【外９】
【０１７９】 「軽い正孔」量を用いて Ｌ2＝３．３ｎｍ、 ＥV1（ｌｈ）＝０．７９ｅＶ、 ＥV2（ｌｈ）＝３．１４ｅＶ、 同じＱＷ幅に対し、「重い正孔」サブバンドは、 ＥV1（ｈｈ）＝０．１２ｅＶ、 ＥV2（ｈｈ）＝０．４９ｅＶ、 ＥV3（ｈｈ）＝１．１１ｅＶ、 ＥV4（ｈｈ）＝１．９８ｅＶ、 ＥV5（ｈｈ）＝３．０９ｅＶ、 ＥV6（ｈｈ）＝４．４５ｅＶ、 もたらす。
【０１８０】 ・赤色の光量子
【０１８１】
【外１０】
【０１８２】 「軽い正孔」量を用いて Ｌ2＝３．８ｎｍ、 ＥV1（ｌｈ）＝０．５９ｅＶ、 ＥV2（ｌｈ）＝２．３７ｅＶ、 同じＱＷ幅に対し、「重い正孔」サブバンドは、 ＥV1（ｈｈ）＝０．０９ｅＶ、 ＥV2（ｈｈ）＝０．３７ｅＶ、 ＥV3（ｈｈ）＝０．８４ｅＶ、 ＥV4（ｈｈ）＝１．４９ｅＶ、 ＥV5（ｈｈ）＝２．３３ｅＶ、 ＥV6（ｈｈ）＝３．３５ｅＶ、 もたらす。
【０１８３】 （それぞれの色に対して）最も大きな指標を有する「重い正孔」は、物質世界
における光量子の吸収にとって必要なエネルギ差を提供し得る。しかしながら、
既に記載した選択規則のために、第１および第２の「軽い正孔」サブバンド間に
比べて、そのような変換を有することは、ほとんどないように思われる。
【０１８４】 ＭＱＷｓの正確なパラメータが見出されているので、装置（インターサブバン
ド変換によるイメージャ）のほかの面を特徴づける必要がある。
【０１８５】 側方接触子（lateral contacts）の問題は、ここで非常に興味深い状況にある
。
【０１８６】
【外１１】
【０１８７】 実証され得るように、３つの原色に対するすべての第１サブバンドは、ＶＢ端
（ＶＢ edge）から１．０ｅＶ未満にある。同じ３つの原色に対するすべての第
２サブバンドは、ＶＢ端から３．１ｅＶより大きい。前に示したように、Ｓｉ3
Ｎ4のＶＢ端からＳｉまでの距離は、１．７ｅＶのみである。この１．７ｅＶに
、耐張性Ｇｅのさらなる不連続を加える。しかし、不純物のないＧｅに対してさ
え、ＶＢ端は１．０ｅＶより小さい上昇であるので、第２サブバンドの固有ベク
トルは、常に、Ｓｉ3Ｎ4層が静電気ポテンシャルの障壁をまったく与えないよう
な位置にある。一方、（３つの原色に対する）第１サブバンドに相当するすべて
の固有ベクトルは、Ｓｉ3Ｎ4膜により与えられるポテンシャルの障壁を認知する
。
【０１８８】 図７は、ＱＷの３Ｄの模式的なバンドダイアグラムであり、図において、側方
の「接触絶縁体」が、より高いサブバンドに備わっているキャリアに対してポテ
ンシャルの障壁を示していないことは明らかである。
【０１８９】 第１のサブバンドは、できる限り多くの正孔を有していることが必要である。
これは２つのことを達成する。第１に、（ＶＢにおいて、ＣＢから促進されるの
に充分な充分な電子がないため、）インターバンド変換を妨げ、「正しい波長」
から入ってくる光量子に、インターバンド変換（ＩＳＴ）を介して吸収される可
能性を供給し、そして正孔を第２サブバンドに促す。このすべてのために、ＭＱ
Ｗに高いｐ型ドープ処理を施すこと、すなわち、正孔の内部供給を有することが
より適当である。当然、光量子吸収が起こるので、空間電荷層をつくる最も低い
サブバンドの正孔が減少する。第１サブバンド（ＶＢ端に最も近いもの）への正
孔の供給は、極度に薄い絶縁体を介する高い直流電力（high direct tunneling
currents）により達成されるであろう。
【０１９０】 たとえば、「半導体装置の物理学（Physics of Semiconductor Devices）」、
第２版１９８１年、ウィリーおよびサンズ（Wiley & Sons）、５４０頁、図１９
ｂにおいて、Ｓ．Ｍ．スゼ（S. M. Sze）は、正孔をＶＢに導入／抽出すること
に相当する、ＶＢから光量子を抽出／導入する方法の例を示す。このことを考え
ると、ＶＢにおける第１サブバンドに正孔を導入する給与電圧の大きさを最小に
するために、左側の側面および右側の側面の接触子に対する仕事関数を選択する
ことは可能である。これは、それぞれの原色に対して処理され、最適化され得る
。
【０１９１】 ＩＳＴデバイスは、単流であり、本実施の形態では、単に、正孔が、デバイス
の運転に関連する。正孔は、ＭＱＷレーヤースタックの一側面の最低サブバンド
に導入される必要がある。第二のサブバンドへの遷移に耐えるこれらの正孔は（
ＭＱＷパラメータで波長を測定した光子の吸収を通じて）ＭＱＷレーヤースタッ
クの反対側の側面に抽出される。第一のサブバンドに残存したこれらの正孔は、
ＭＱＷを通過しないであろう。
【０１９２】 これらの条件は、正孔Ｓｉ3Ｎ4に対する低いバリア高さを有する「コンタクト
インシュレータ」を必要とし、たぶん、最高の候補である。正孔インジェクショ
ンは、トンネリングおよび正孔エクストラクション、すなわち「ドリフト拡散」
により、達成されるので、そののち、インジェクションポイントのＳｉ3Ｎ4フィ
ルムは（厚さが関係しない）エクストラクションポイントのＳｉ3Ｎ4フィルムよ
りも極めて薄い。
【０１９３】 第二のサブバンドの正孔をエクストラクションターミナルに誘導する作りつけ
電界を有することができる。インジェクションターミナルのために、（ｎ＋ポリ
Ｓｉのような）小さいワークファンクションを有することが便利であり、エクス
トラクションターミナルのためには、（ｐ＋ポリＳｉのような）広いワークファ
ンクションを有することが便利である。
【０１９４】 外的に適用されたバイアスは（必要であれば）、単に、作りつけ電界を補強、
すなわち、正の極性が小さいワークファンクションを有するターミナルに付与さ
れ、負の極性が大きいワークファンクションを有するターミナルに付与される。
【０１９５】 第一の結合状態は、常時、完全に占有され、順次、第二の結合状態が完全にデ
ィプリートされるだろう。これらの電極（左および右手側）のあいだを流れる電
流は、吸収された光子の数、したがって、その特定の色の光の強度の直接的な尺
度を与える。
【０１９６】 ＱＷのパラメータは、固有状態および固有値を設定、すなわち、検出するため
の波長を選択する。
【０１９７】ＳＷＡＳＰ光バルブ 光子を吸収することができる半導体材料は、そのバンドギャップよりも大きい
エネルギを有すること、光子を吸収するために充分なキャリヤーがあること、お
よび、吸収後に占有されると考えられているエネルギレベルは完全ではない。し
たがって、光子吸収は、（バンド−ギャップおよび吸収端のような）材料パラメ
ータによってだけではなく、負荷したバイアスで制御することができる電荷キャ
リヤー密度およびレベル占有（集団の静力学的特性）に関係するパラメータによ
っても、制御することができる。
【０１９８】 エネルギレベル（集団の動力学的特性）の占有の制御は、異なる方法で達成す
ることができる。単位体積当たりおよび単位エネルギ当たりの（重なり因子に加
えた）状態の数である「状態の密度」という一つの非常に重要な物理量がある。
【０１９９】 量子化した構造の「状態の密度」（ＤＯＳ）は、「集団のコントロール」を簡
単にするので、低減した次元の数（量子井戸、ワイヤ、ドット）の構造を有する
ことは有利である。たとえば、量子井戸のＤＯＳは、「バルク」のＤＯＳよりも
、固有バルブに関する化学ポテンシャルの相対的なポジションを急激に変化させ
るために、非常に少ない電荷のキャリヤーが必要であることを決定する。
【０２００】 ３つのファクターの組合せが、量子井戸に基づくフォト検出器を有する「光バ
ルブ」の形成を可能にする： ・光子吸収は、どの特定のエネルギレベル（固有値）が占有されること（されな
いこと）に依存して起こらない（起こる）； ・吸収媒体が低下した「状態密度」を有する場合には、それらの固有状態におけ
る集団の簡単な変調； ・極端に負荷されたバイアスによるエクストラクション／インジェクションを有
する集団の変調は、［ワークファンクションの工学的」側溝により提供される作
りつけ電界によって補助されて、ＭＱＷのスタックに接触する。
【０２０１】 したがって、不透明性（光子吸収）の条件は、（光子が吸収されたときにキャ
リヤーが励起される）固有状態が、できるだけ消耗されるべきであることを必要
とする。透明性（非吸収）の条件は、それらの固有状態が、できるだけ多数のキ
ャリヤーを有することを必要とする。「光バルブ」の最大「ダイナミックレンジ
」または「コントラスト比」は、固有状態のゼロ占有を有する不透明性、および
、同じ固有状態の完全占有を有する透明性に、得られる。
【０２０２】 波長範囲に与えられた層の不透明性／透明性の変調キャパシティーは「波長選
択性光バルブ」の機能性を付与する。この「光バルブ」機能性は、偏光子を必要
とすることなく、したがって、透明性状態のときに、さらなる光がデバイスを通
過する。
【０２０３】「サブバンド間遷移」による「光バルブ」 画像の類似性は、最深のレベルに達する。吸収（不透明性）の物理的特性は、
まさに、ＳＷＡＳＰ画像の同じものである。これらの理由で、ＱＷ組成および深
さに関する同じ計算は、省略する。
【０２０４】 ３原色の波長の用語（加算または減算）についての定義は、普遍的ではないこ
とに注意する必要がある。したがって、ＳＷＡＳＰ画像、および、ＲＧＢ吸収の
ために設計されたが波長において若干異なる各ＭＱＷを有するＳＷＡＳＰ光バル
ブを有することができる。
【０２０５】 ＳＷＡＳＰ画像の類似性によって、光バルブの機能性のために被覆される必要
のあるポイントだけが、電圧で、不透明性／透明性を制御するための要素である
。
【０２０６】 光子の吸収／非吸収を変調するために３つのメカニズムが可能である： Ａ）正孔の供給を受動的に減少させて、光活性化する。（右波長の）光子が正
孔を高いエネルギサブバンドに励起しつづけるので、これは、ちょうど、いずれ
の正孔も低いエネルギサブバンドに注入しない量になる。結局、低いエネルギサ
ブバンドは、からになり、したがって、さらなる光子は吸収されることができな
い。
【０２０７】 Ｂ）低いエネルギサブバンドの正孔の供給を能動的に減少させることは、低い
エネルギサブバンドの抽出正孔に負荷されたバイアスで、左側超薄膜インシュレ
ーターを横切るＭＱＷの外にそれらを直接トンネリングさせることにより、実行
することができる。これは、最低のサブバンドからの正孔の能動的な低減の補強
のようになる。「再実施メカニズム」により、とくに低強度イルミネーション条
件のもとで、非常に速いスイッチング時間となる。
【０２０８】 Ｃ）光子吸収を防止する第３のメカニズムは、フォト励起キャリヤーがジャン
プさせられるすべての状態を充填する。これは、フォト励起正孔が、高いエネル
ギサブバンドから電極の右側に抽出されることを、能動的に、妨害することによ
り実施することができる。この動作により、フォト励起正孔により高いエネルギ
サブバンドが飽和することになる。この場合、低いエネルギサブバンドへの正孔
の充分な供給があるときは、高いエネルギサブバンドにはさらなる空きがまった
くなく、したがって、光子を吸収することができない。正孔は、右側へのドリフ
ト拡散を妨害することおよびその電極上にスライドさせることにより、高いエネ
ルギサブバンドから抽出されなくなる。それらのフォト励起された正孔を、絶縁
体／電極の左側に移行させる外的に負荷されたバイアスは、それらを右側での抽
出から防御する。このメカニズムは、キャリヤーが電極の左側にドリフト拡散す
ることができないように、左側のインシュレーターがバランスバンド、すなわち
、ＱＷの高いエネルギサブバンドの固有値よりも深いバランスバンド端を有する
。たとえば、ＳＯ2が、この条件を満足する。
【０２０９】 したがって、不透明性（光子吸収）の条件は、（光子が吸収されるとにきキャ
リヤーが励起される）高いエネルギサブバンドはからであるか、または、できる
だけ減少させられるべきである。透明性（非吸収）の条件は、低いエネルギサブ
バンドが、正孔のからであること、および／または、高いエネルギサブバンドが
、（正孔で高度に集団化された）できるだけ多くのキャリヤーを有することの両
方を必要とする。波長範囲のために与えられた層の不透明性／透明性の変調キャ
パシティーが、「波長選択性光バルブ」の機能性を提供する。
【０２１０】 負荷されたバイアスが対照であると、そののち、両側溝コンタクト、同じワー
クファンクションについて、最良の選択がされたことになる。この場合、ＭＱＷ
の最低のエネルギサブバンドに傾斜するワークファンクションを有することが有
用となるだろう（バンドダイアグラム参照）。各色は、異なる固有値を有するの
で、原色のそれぞれのために同調させた（異なるワークファンクションを有する
）異なる金属を選択する。
【０２１１】 図８Ａ、８Ｂ、８Ｃは、量的なバンドダイアグラムが、異なるバイアス条件で
、前記「メカニズム＃２」のために、ＱＷに並行にそって切断することを示す。
【０２１２】 図９Ａ、９Ｂ、９Ｃは、量的なバンドダイアグラムが、異なるバイアス条件で
、前記「メカニズム＃２」のために、ＱＷに並行にそって切断することを示す。
【０２１３】ディスプレイ用ＳＷＡＳＰ光バルブ 波長選択性光バルブは、このデバイスで採用した物理特性の特異な結果である
。フラットパネルディスプレイの製造において今日採用されているほかの光バル
ブ技術は、このような特性を有しない。「波長特異性」または「波長選択性」反
射板により、固体状態反射フラットパネルディスプレイ技術のまったく新しい種
類が可能になった。
【０２１４】 包含される物理的効果の特性および電荷抽出／注入構造により、これが、不透
明性および透明性状態の非常に速いスイッチとなること、および、それがメモリ
効果を有することを推測することができる。フラットパネルディスプレイの状況
において、これは、「光バルブ」としての本発明の構造が「能動的マトリックス
」を必要とするよりも、むしろ「受動的マトリックス」によって作動することを
示す。
【０２１５】 実際に、ここで、このような波長選択性光バルブは、前記画像と極めて類似す
る。負荷する電圧により光子吸収を制御する必要な能力に相違がある。
【０２１６】光相互接続およびネットワーク用ＳＷＡＳＰ光バルブ 図１０は、「スイッチング」および／または「増幅変調」および／または多重
化／非多重化および／またはＳＷＡＳＰ光バルブの数の作業工程のための例示的
な配置の概要を示す。この配置は、単に、低損失プレーナーウエーブガイド上の
２Ｄアレイに配置したＳＷＡＳＰ光バルブの数の透明性および非透明性を制御す
ることにより、作動する。この配置は、プレーナーウエーブガイドの一方側のみ
または両側上の光バルブの２Ｄアレイにより作動することができる。
【０２１７】 光バルブが、与えられた波長の透明性モードにあるとき、その特定の波長の光
子が、ほとんどまたはまったく吸収されることなくそれを通過することができる
。光バルブが特定の不透明性モードにあるとき、その特定の波長の光子は、吸収
され、したがって、シグナル増幅が強く低下する。シグナルの受信および送信は
、光ファイバーまたはほかのいくつかの種類のウエーブガイドのいずれかによっ
て、「変調器」に到達することができる。したがって、各波長のための光子のソ
ース（ＬＡＳＥＲ）は、連続モードで操作することができ、それ自身が変調する
ことは必要としない。
【０２１８】 一度、平面導波管に組み合わされ、閉じ込められると、入射光ビームは、導波
管の内壁から多くの反射を招き、各ポート、すなわち２Ｄアレーの各要素が、も
との光ビームの強度（すなわち、多くの光子）の一部を受けることになる。光バ
ルブの制御は、該光バルブを通って（異なる波長の）光子の伝達を許容または禁
止する。
【０２１９】 このスキームは、単光路への入射光ビームの全ての光子を通すわけではなく、
むしろ、あらゆる可能な光路を通じて入射光ビームを分散させる。したがって、
光バルブの透明／不透明状態の命令によって、光路が光ビームの伝達を許容する
、しないの制御がなされる。放出光ビームは、まさに入射光ビームの強度の一部
であるので、各部光子のあとの光シグナルの再生は、必要であろう。
【０２２０】 光バルブは波長選択性であるので、前記性能は、同時に作用する多くの波長に
適用されるということを強調すべきである。ＳＷＡＳＰ光バルブのこの波長選択
性のために、単一部は、ある波長において“透明”状態にあり、他に対しては“
不透明”状態でありうる。したがって、“入射する”および“放出する”波長の
選択と対立しないならば、完全な２軸性を有することすら可能である。したがっ
て、これによって、波長分配多重および解重（demultiplexing）を達成すること
も可能である。
【０２２１】 選択されなかった光路に導かれた光子は光吸収される、すなわち、電気に変換
されたとしても、選択された光路を通って移動する光ビームは、どの点において
も電気シグナルに変換されることなくそうなるので、これは「全光」（all-opti
cal）経路指示形式である。
【０２２２】 この構造によって、もし、たった１つの光バルブが透過モードにあるならば、
経路指示が“点から点へ”、多くの光バルブが同時に“透明”であるならば、“
点から複数の点へ”起こり得る。また、波長選択性のため、ある“色”は点から
点の経路指示を、他の色は点から複数の点への経路指示を有することが可能であ
る。
【０２２３】 この機構の固有の構造、すなわち、スイッチ、振幅変調、多重通信／単重（de
multiplexing）、および経路指示などの多重機能は、単独の非常にコンパクトな
構造によって果たされている。
【０２２４】 回折パターンを用いるとき、反射器（波長選択性または単純なミラー）は、多
重波長用光バルブの連続の背後に設置する。光バルブは、画素は制御された光の
波長よりも小さい横方向の次元を有する２Ｄアレーにパターン化される。
【０２２５】 ２Ｄアレー素子（または画素）は、あらゆる波長の全ての光バルブのオン／オ
フ状態を独自に切り替えるであろう電気素子の能動回路網（たとえば、ＭＯＳＦ
ＥＴｓ）によって支配される。この「アクティブマトリックス」は、非常に密集
して非常に高速のトランジスタで製造されることが必要であり、そのシステムの
速度の制限は、トランジスタではなく光バルブの切り替え速度によって決定され
る。
【０２２６】 様々な波長のコヒーレント光は、光ファイバーや他のタイプの導波路がそうで
あるように、外部から供給される。
【０２２７】 様々な波長の光ビームの経路は、入射光ビームの全ての光子を、点から点の連
結のための単一光路に、または、点から複数の点の連結のための多くの様々な光
路に導くことによって達成される。
【０２２８】 「ビームの操作」および「ビームの形成」は、サブ波長特性をもつ回折格子に
よってのみ達成される。操作された／形成されたビームの方向と特徴は、ＳＷＡ
ＳＰ光バルブをオンオフ状態にセットすることによって生成するパターンのアク
ティブマトリックス制御を通して、動的に変化させることができる。
【０２２９】 たとえば、ファイバー光通信で使われる最も一般的な波長は、１３１０ｎｍと
１５５０ｎｍである。マイクロエレクロトニクス産業は、すでにこれらの次元よ
りずっと小さい特性を発現することが可能である。臨界次元の１８０ｎｍ（０．
１８μｍ）が、今（２０００年半ば）、ＣＭＯＳ製品の製造に日常的に使われて
いるが、０．１５μｍおよび０．１３μｍが非常に近い将来入手できることが約
束されている。これらの臨界次元は、ファイバー光通信に使われる波長の約１０
倍小さく、それゆえ、ＳＷＡＳＰ光バルブの経路構成を充分に小さくして、前記
波長の回折格子とすることを可能にするはずである。
【０２３０】 回折パターンの動的制御は、サブ波長サイズの２Ｄ列素子（または画素）の透
明、不透明の状態を変化させる。不透明状態にある光バルブでは、光子は吸収さ
れ、したがって黒いスポットが生成する。透明状態にある光バルブでは、光子は
吸収されない。
【０２３１】 散乱システムのために、光ビームが光バルブに吸収されないときは、光バルブ
の背後に配置されたミラーは、所望の方向と形でそれらを反射する。光バルブの
背後のミラーは、好ましくは波長選択性であるべきであり、それは光子バンドギ
ャップ（ＰＢＧ）層または材料で作製することができる。そのとき、光バルブと
ＰＢＧ反射器は、正確に同じ波長の組に「合わせる」ことができる。
【０２３２】 光バルブと反射器の両方の波長選択性のために、異なる波長について異なる回
折パターンを同時に得ることが可能となり、異なる波長の「ビームの形成」およ
び「ビームの操作」を独立して同時にすることが可能となる。
【０２３３】 液晶などの他の光バルブ技術は、ＳＷＡＰ光バルブのいつくかの機能を実行す
ることができる。しかしながら、ＳＷＡＰ光バルブは、「全て固体状態」の溶液
であることに起因して、多くの利益を提供する。
【０２３４】 ＳＷＡＰに基づくシステムは、２つの光電子面の間に透明材料を有している。
ＬＣＤで作られた光バルブは、全システムの厚さに関していくつかの制限がある
。ＬＣＤは、液晶で満たされた数ミリメートルの間隔をもつ２枚のパネルを必要
とする。
【０２３５】 経路指示は、回折格子を形成するスイッチング素子で行われるので、その同じ
経路指示素子が、スイッチングや振幅変調も実行することができる。１つの装置
にこれらの機能を複合化することは、そのＳＷＡＳＰ光バルブの高い固有スイッ
チング速度のために、使いやすくそして便利なものである。この複合化は、たと
えば液晶光バルブ、レーザーの電気変調、ＭＯＥＭＳ（Micro-opto-Electronic-
Mechanical Systems）で形成された光バルブのような従来の解決法以上に、小型
化やコストに関して大きな利点をもたらすであろう。
【０２３６】 吸収についての物理的メカニズムは、サブバンド間遷移（ＩＳＴ）である。そ
れによって、光励起キャリヤー(電子または正孔)は、同じバンド内で、より高い
ポテンシャルエネルギのレベルに増幅される（それぞれ伝導帯または価電子帯）
。このメカニズムはバンド内遷移（ＩＢＴ）よりも本質的により速く、これによ
って、光子を吸収したときに、電子は価電子帯から伝導帯に、禁制バンドギャッ
プを越えることができる。これらの両方のメカニズムは、ミリ秒の典型的なスイ
ッチング時間を有する液晶光バルブ、またはＭＯＥＭＳのような機械的な動作を
利用する他のいかなる技術よりも、きわめて速いオーダーである（典型的な時間
はナノ秒よりも短い）。
【０２３７】 これは、出力信号の信号再生に必要とされるパッシブ（passive）装置である
。これまでの装置のように、光バルブと反射器の波長選択性によって、性能を向
上させることができる。
【０２３８】ＳＷＡＳＰ ＬＥＤとＬＡＳＥＲ 本発明の開示の装置に求められ、予想されていた本来の機能は、光検出、すな
わち光の吸収を包含していた。しかしながら、パラメータについての特殊な選択
から、同じ装置の概念が、光子エミッタ、すなわち発光素子（ＬＥＤ）となる。
微小な孔に正確に位置するとき、発光した光がコヒーレントとならず、よって、
この装置がＬＡＳＥＲとして機能する明らかな理由はない。
【０２３９】 もう一つのさらにとても重要なサブバンド間転移の利点は、供与性遷移が起こ
る可能性を決定する物質固有のいくつかのパラメータを相殺することである。そ
れは、バンドギャップの規模や種類、すなわち、直接か間接かの場合である。実
際、サブバンド間転移のこの特性は、シリコンやゲルマニウムなどの物質系で作
製された装置を製造するために非常に好ましい。
【０２４０】 量子直列ＬＡＳＥＲは、そのような物理的メカニズムの実現可能性を立証して
きた。しかしながら、ＳＷＡＳＰと量子直列メカニズムにはいくつかの基本的な
相違点がある。それらは、ともに単一極性であって、サブバンド間転移に依存し
ている。
【０２４１】 量子直列ＬＡＳＥＲにおいて、量子化効果（サブバンド）を発揮するポテンシ
ャルバリアーの連続を通って、キャリアが形成される。キャリアは、ＱＷにおけ
るサブバンドから生成し、ポテンシャルバリアを通り、つぎのＱＷサブバンドに
落ち込み、そしてその過程で、光子を放出し、ポテンシャルエネルギのロスを補
償する。キャリアは、異種接合エピタキシャル成長の方向に垂直な外部適用場に
よって異種接合層を通って形成される。
【０２４２】 ＳＷＡＳＰ装置において、キャリアは広すぎて通過することができず、また、
それらを横切った電場は存在しないので、キャリアはＱＷバリアを通らないであ
ろう。これによって、異種接合エピタキシャル成長によって決定されるように、
ポテンシャル井戸の「理想的な」形状が保持される。本発明の構造によれば、組
み込まれたまたは外部に適用された電場は、横方向の接点間に存在し、よって、
つねにＱＷ面に対して平行である。
【０２４３】 ＳＷＡＳＰ構造では、同じＱＷの２つの異なった固有ベクトル間で、同じ量子
禁制バリア内で、遷移が生じる。前記電場の作用によって一方の平行固有ベクト
ルが他方よりも低いエネルギレベルになるという、連続したＱＷの２つの基底状
態間の遷移と対照的である。
【０２４４】 光検出のための最適なデザインを導く考察は、光放出と同じである。すなわち
、量子力学の選択規則、高いスペクトル純度、非常に軽い電荷キャリアを有する
エネルギバンドなどによって許容された遷移の選択である。
【０２４５】 マイクロキャビティーにＳＷＡＳＰ量子井戸を導入することによって、コヒー
レント光の放出が可能になる。すなわち、ＳＷＡＳＰ装置はＬＡＳＥＲになる。
ＳＷＡＳＰをもとにしたＬＡＳＥＲによって、フォトルミネッセンスまたはエレ
クトロルミネッセンスによる操作が可能となる。
【０２４６】 理想的には、金属注入キャリアから高いエネルギの固有状態への仕事関数は、
その固有状態そのものよりも高いポテンシャルエネルギを有するべきである。し
たがって、非常に小さい電位がその装置を操作するために必要とされる。理想的
には、また「接点絶縁体」のバンドエッジはその仕事関数よりも低いポテンシャ
ルエネルギレベルにあることが起こる。
【０２４７】 キャリア接合にとって、高および低固有状態は、両側の「接点絶縁体」のバン
ドエッジよりも小さい。これらは同じ材料でなされている。
【０２４８】 問題は、金属に代表される最も大きな仕事関数が可視領域において、Ｓｉまた
はＧｅの原子価バンドとともに、光子と作動するこのスキームにとって充分に大
きくないことである。可視領域における光子にとって、横方向の接点の一方で、
一方の接点絶縁体から放出されたトンネル電流を可能とするためには、かなり高
い電位が印加される必要があることは避けられないであろう。もし、キャリアが
注入される固有ベクトルが金属接点の金属仕事関数よりも小さいならば、これは
もはや必要ないであろう。
【０２４９】「異種接合集積熱イオンクーラー」（ＨＩＴ）によるＳＷＡＳＰ ＳＷＡＳＰ装置層の構造は、「垂直装置」のプロセスフローとともに製作され
る。ここで、基底活性領域および臨界ディメンジョンは、低い温度での異種エピ
タキシャル堆積のあいだ、原子レベルで制御される。この特徴において、「標準
技術」である「平面装置」との基本的な相違と利点が存在する。
【０２５０】 ここで開示した装置構造を支持する無理な議論もいまだに存在する。これは、
深刻な欠点または制限、加工または機能を与えることなく、優れた特徴と利点を
加える、効果のない正直なフィルムの異種エピタキシャル堆積に関する。
【０２５１】 最近、印加されたバイアスを有するヘテロ構造は、隣接材料の温度を低減させ
る可能性がある。これらの装置と構造は「異種接合集積熱イオンクーラー」と称
され、シリコン親和材料における加工、とくにＳＷＡＳＰ装置の１以上の位置へ
の挿入に問題は生じないであろう。熱ノイズ（ｋBＴ）値に関して包含されるエ
ネルギの近接性のために、ＩＲおよびＦＩＲ方向に指向したＳＷＡＳＰの部分を
クーリングダウン（室温）するという可能性は、とくに魅力的である。したがっ
て、温度（Ｔ）を局所的に低減することによって、ＩＲとＦＩＲ信号検出のより
改善された信号−ノイズ比を可能とすることができる。
【０２５２】 この種の機能を達成するために要求されるバンド−ギャップ技術は、「標準技
術」にとって明らかに問題外であり、ＳＷＡＳＰ装置および加工構造と完全に自
然に適合する。
【０２５３】非晶またはポリ活性層を有するＳＷＡＳＰ装置 ここですでに言及したように、本発明のＳＷＡＰ概念はいずれの材料系にも適
用することができる。与えられた具体例は、この系における装置への提供に明ら
かな経済的関心があるので、シリコン親和材料を用いた。
【０２５４】 与えられた具体例は、通常、エピタキシャル非正規形成長と呼ばれ、装置にお
けるすべての活性層の高い結晶品質を保証する。このような種類の層は、密度、
再結合率、電荷キャリア移動度などの観点から、もっとも高いパフォーマンスを
自然に提供することができる。
【０２５５】 しかしながら、このような異種接合の非正規形成長は、加工条件の厳しい制御
を要求し、単結晶シリコンウエハーである高品質の基板を自然に必要とする。
【０２５６】 安価で、「大面積の」基板と加工は、非晶またはポリ結晶フィルムにおいての
み可能となる。そして、装置の単結晶型を決定する構造には、ある程度の変形が
必要とされる。シリコン合金でのバンド−ギャップ技術は、実際に歪んだ層を要
求するので、層の連続を単純に模倣すること、および同じフィルムの非晶／ポリ
型を有する同じバンド整列を達成することは不可能になる。
【０２５７】 バンド整列のタイプおよび／またはバンドオフセットの範囲は、たとえシリコ
ンをもとにした合金の同じ種類のもので可能であったとしても、容易ではない。
そのほかの材料、または設計上の小さな程度の自由度における構造は、許容され
るであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術の平面型ＣＭＯＳイメージャの断面を示している。
【図２】 本発明によるデバイス構造の断面を示している。
【図３】 量子井戸層に平行な切断面について二次元の概略のバンド図を示している。
【図４】 本発明の太陽電池としての使用への適用例を示しており、材料については特定
していない。
【図５Ａ】 本発明の太陽電池と一体化したイメージャとしての使用への適用例を示してお
り、イメージャはバルクまたは超格子の活性層におけるバンド間遷移によって動
作する。
【図５Ｂ】 図５Ａの層の積み重ねを、それぞれのバンドギャップの順序および波長選択性
とともに示している。
【図６Ａ】 太陽電池を統合した画像機として使用するための発明のアプリケーションを示
す。画像機は多量子井戸の活性層のような量子構造の内部サブバンド伝達として
作動する。
【図６Ｂ】 バンドギャップの連続と波長長さの選択に関係している図６Ａの層の積層を示
す。
【図７】 電気ポテンシャル井戸、活性層のバンドとサブバンドおよび横方向に接触する
絶縁体のバンドの構造に責任のあるエピタクシーの絶縁体のバンドを示す量子井
戸の三次元構造のバンド図である。
【図８Ａ】 正孔の供給を光敏感に使い果たすために、異なる偏り条件のための、ＱＷ層に
平行な構造の断面に沿うバンド部を示す。
【図８Ｂ】 正孔の供給を光敏感に使い果たすために、異なる偏り条件のための、ＱＷ層に
平行な構造の断面に沿うバンド部を示す。
【図８Ｃ】 正孔の供給を光敏感に使い果たすために、異なる偏り条件のための、ＱＷ層に
平行な構造の断面に沿うバンド部を示す。
【図９Ａ】 正孔の供給を低エネルギサブバンドに使い果たすために、異なる偏り条件のた
めの、ＱＷ層に平行な構造の断面に沿うバンド部を示す。
【図９Ｂ】 正孔の供給を低エネルギサブバンドに使い果たすために、異なる偏り条件のた
めの、ＱＷ層に平行な構造の断面に沿うバンド部を示す。
【図９Ｃ】 正孔の供給を低エネルギサブバンドに使い果たすために、異なる偏り条件のた
めの、ＱＷ層に平行な構造の断面に沿うバンド部を示す。
【図１０】 光バルブのための発明にかかわる一例の構造の模式図である。
【手続補正書】
【提出日】平成１４年１月７日（２００２．１．７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】 積み重ね型波長選択オプトエレクトロニクス装置
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】 ［技術分野］ 本発明は、光子吸収（または検出）および光子放出のプロセスを含むオプトエ
レクトロニクス装置の分野に関するものである。
【０００２】 ［背景技術］ 多数の種類の光検出器は多数の種類の用途に役立つ。これらは、大きく２つに
分けることができる。すなわち、可視範囲の波長だけでなく、赤外線領域および
紫外線領域の電磁波スペクトルにおける画像の検出器および、発電を行なういわ
ゆる太陽電池である。
【０００３】 標準太陽電池および可視範囲の波長、赤外線、紫外線等のための検出器のよう
な光電装置は、一般的に発生されたキャリヤを分離したり集めるために同じ組み
込み（ビルトイン）電界を使用する。組み込み電界は、一般にホモ（同種）接合
によってもたらされ、もっと最近の装置ではヘテロ（異種）接合によってもたら
される。この構成（アーキテクチャ）は、発生キャリヤの数（電流に変換される
）と読み出し速度とのトレードオフを意味する。すなわち両方とも活性膜の厚さ
によって決まるからである。他のトレードオフは、分解能と信号振幅または強度
、すなわち集められたキャリヤの数との間でも行なわれなければならない。
【０００４】 シリコンでは、２つの主要なイメージングアーキテクチャ、すなわち電荷転送
素子（ＣＣＤ）または相補（コンプリメンタリー）金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ
）技術がある。
【０００５】 電荷転送素子（ＣＣＤ）は、消費者エレクトロニクスで使用される標準イメー
ジャである。ビデオカメラおよびカムコーダはＣＣＤを使用する。この技術が広
範囲に使用される理由のいくつかは、その汎用性およびＣＭＯＳ回路との集積な
らびに、集積回路（ＩＣ）の製造におけるプロセスおよびプロセス装置の共用で
ある。ＩＣ製造で行なわれた製造技術の全ての進歩はＣＣＤに直接応用できる。
しかし、ＣＣＤは、前述されたように空間分解能×信号振幅×読み出し速度の積
という形での固有の制約を有する。
【０００６】 ＣＣＤは、ＭＯＳキャパシタの集合体であり、Ｓｉ／ＳｉＯ2界面で避けられ
ない欠陥に生じる中間ギャップの無視できない密度のエネルギー状態は電子−正
孔再結合の重要な発生源であり得る。
【０００７】 ＣＣＤイメージャは大きな商業的成功を享受したけれども、制約がないわけで
はない。たとえば、信号読み出しは直列処理であり、信号振幅、分解能および速
度は互いに関連し、トレードオフされなければならない。これに加えて、かなり
高電圧が使用される必要がある。
【０００８】 ＣＭＯＳイメージャは、いまや“ディジタルスチルカメラ”のようないくつか
の消費者エレクトロニクス製品のＣＣＤに対する重要な競争者になっている。Ｃ
ＣＤにくらべてより優れているＣＭＯＳイメージャの長所は、より簡単な製造プ
ロセスの流れ、プレーナＣＭＯＳ技術の容易な適用およびより低い動作電圧であ
る。しかし一方では、ＣＣＤは依然としてＣＭＯＳより優れた画像を生成する。
【０００９】 信号振幅（または強度）の見地からは、電子−正孔対発生を生じる光子吸収が
生じる活性媒体は、できるだけ多くの放射（光）を吸収するためにできるだけ厚
くあるべきである。キャリヤ集収の方向が入射する放射線と同じである検出器で
は、極端に長いキャリヤ集収時間および無視できない再結合割合をもたらす。
【００１０】 一方、速度が求められる場合、活性層の厚さは減少されねばならないので、そ
の結果吸収される光子の数も減少され、それによって読み出し可能な信号を弱め
、信号対雑音比を減少させる。
【００１１】 ＣＭＯＳイメージャの場合、ＭＯＳ電界効果トランジスタによって占有された
無視できないピクセルの領域がある。当然、この領域は電子−正孔対発生に寄与
しないので、ピクセルサイズは減少されることになり、これは重要な問題になり
得る。
【００１２】 ＣＣＤおよびＣＭＯＳイメージャに共通な１つの技術的な問題は、シリコンに
おける赤色光の検出効率、すなわち検出／吸収比が低いことである。この問題は
、シリコンの禁制帯幅および赤色光の波長に直接関連している。結果として、赤
色光成分の有用な信号対雑音比を得るためには、吸収が生じるシリコン活性層の
体積をかなり大きくする必要がある。このことによるいくつかの付随する影響は
、クロストーク（他のカラー／ピクセルに対する隣接活性領域による）が増加す
ることおよびより遅い信号読み出しである。同じ理由のために、ＣＣＤもＣＭＯ
Ｓイメージャもどちらも赤外線検出には適さない。
【００１３】 図１に示されたのは、“プレーナＣＭＯＳイメージャ”の概略断面である。こ
のような装置は、標準的なＣＭＯＳ回路の製造工程にいくつかの工程が追加され
て製造される。通常、特別の設計ルール（最小パターンゲージ）およびレイアウ
ト構造が、それぞれの色に割り当てられた活性領域の上にカラーフィルタ（カラ
ー色素）を配置する追加工程と同様に必要である。
【００１４】 この装置は、基本的にはｐｎ接合であり、フィルタリングされた光を吸収する
ので、かなり狭い範囲内の波長の光子だけが所望の色に対応するピクセルのｐｎ
接合の電子−正孔対を発生する。このｐｎ接合は通常ＭＯＳＦＥＴのソース−井
戸接合である。ゲートが“オフ”である場合、ソースの電荷はドレインから隔離
される。ＭＯＳＦＥＴ“オン”のゲートを“オン”にすることによって、電荷は
読み出し目的のためにドレインで利用可能になる。
【００１５】 全色ピクセルは、３原付加色に対応する３つのカラー色素で構成されている。
カラー色素を配置するために使用される技術は、ピクセルサイズをさらに縮小さ
せるときに障害物となり得る潜在的な位置合わせの問題に対処するための分解能
の改善である。しかしながら、信号強度（発生された電子−正孔対数）は面積と
ともに増減するが、雑音は増減しないので、ピクセルサイズの増減（減少）は、
不充分な信号対雑音比という点で問題となる。各原色ピクセルのカラー色素フィ
ルタは、それ自体の色に対応しない全波長を吸収するので、全てのこれらの光子
を“消費”する。
【００１６】 シリコンの禁制帯幅は一定であり、異なる色は異なるエネルギーを有するまさ
しく光子であるので、全ての色がシリコン接合によって同じ効率で吸収されるわ
けではない。たとえば、最長波長を有する赤色の光子は、シリコン活性領域の中
へ数百ナノメートル貫通するのに対して、青色の光子は数十ナノメートルの範囲
内で吸収されることは周知である。
【００１７】 他の大量市場の光電装置は太陽電池である。シリコン太陽電池は、（光検出器
と）同様に、電子を正孔から分離し、電子を離隔された電極に集めるｐｎ接合の
組込み電界の機能に基づいている。
【００１８】 一旦、光子が電子−正孔対を発生すると、再結合はこれらの装置の効率を減殺
する要因となる。不充分な効率の原因となるいくつかの再結合機構がある。無視
できない再結合の１つの理由は、キャリアの発生の点から集収の点まで、大部分
の両方の型のキャリヤ（反対方向に移動する）は、そのキャリアが少数キャリヤ
である広い領域を通過しなければならないということである。
【００１９】 キャリヤが通過しなければならないバルクシリコン材料は、欠陥密度がゼロで
はない。欠陥は、禁制帯幅のエネルギー状態を導入し、再結合の確率を指数関数
的に増加させる。他の機構は、欠陥に起因しないオージェ再結合であるが、これ
はバルク半導体物理学的に不可避なものである。
【００２０】 第１の再結合機構に関する標準的な技術による１つの可能な改良は、“多層薄
膜太陽電池”である。しかしながら、このような装置は、ホモ接合（同じ禁制帯
幅による制約）で作られ、横方向オーミックコンタクトは、電子と正孔との適切
な“選択性”を与えることが容易ではない。
【００２１】 太陽電池には、２つの基本的であって互いに相反する要求がある。 ・吸収媒体の禁制帯幅は、できるだけ多数の光子を吸収するためにはできるだけ
小さくあるべきであり、それによってできるだけ多数の電子−正孔対を発生する
。 ・できるだけ大きな“開回路電圧”のためには、吸収媒体の禁制帯幅はできるだ
け広くあるべきである。
【００２２】 活性媒体の禁制帯幅よりも大きいエネルギーを有する光子が吸収された場合、
過剰のエネルギーは、電子−正孔対によって伝達される運動エネルギーに変換さ
れる。シリコンのような間接禁制帯型半導体では、この過剰のエネルギーは半導
体内で殆ど全部が熱に変換される。したがって、開回路電圧の見地からは、過剰
のエネルギーは浪費される。
【００２３】 標準的なシリコン太陽電池のような単一禁制帯幅のホモ接合太陽電池は、２つ
の主要な欠点がある。 ・ｐｎ接合組み込み電界は、２つの目的、すなわち電子−正孔の分離およびキャ
リヤ集収のために使用される。活性媒体は、できるだけ多数の光子を吸収するた
めに充分厚くなければならない。層が厚くなればなるだけ、ますます電界は弱く
なる。電子−正孔対が金属接合（電極）から遠く離れたところで発生される場合
、キャリヤ、すなわち電子または正孔の中の１つは、集収されるまでに非常に長
い距離進行しなければならない。キャリヤは、集収されるまでの距離の大部分に
わたって少数型のキャリヤであるために、このキャリヤを再結合する確率は大き
い。 ・半導体の禁制帯幅よりも非常に大きいエネルギーを有する光子の場合、過剰の
エネルギーは、大きな“開回路電圧”に変換されるよりもむしろ熱発生に消費さ
れる。
【００２４】 “バルク”形式の装置にとって克服しがたいもうひとつの要因はオージェ再結
合である。最近の研究は、この特定の再結合プロセスは、タイプ−IIエネルギー
帯構造を有する装置で抑制できることを示している［Geogy G.ZegryaおよびAlek
sey D.Andreev著の論文“タイプII−ヘテロ構造のオージェ再結合プロセスの抑
制の機構”（App.Phys.Lett.67(18),30 October 1995,2681-2683)；E.Corbin, K
.B.WongおよびM.Jaros著の論文“１０μｍの赤外線検出のための無オージェＳｉ
−ＳｉＧｅ量子井戸構造”（Solid-State Electronics,Vol.39,No.2,pp237-241,
1996）；E.Corbin, C.J.Williams, K.B.Wong, R.J.Turton,M.Jaros著の論文“
１０μｍ範囲の波長のＳｉＧｅ／Ｓｉヘテロ構造の光スペクトルおよびオージェ
再結合”（Superlattices and Microstructures,Vol.19,No.1,1996,pp25-32）］
。このようなエネルギー帯構造は、Ｓｉ1-xＧｅx、Ｓｉ1-yＣyおよびＳｉ1-y-x
ＧｅxＣyの合金の多層の組み合わせに対して可能である。これらのタイプの層は
プレーナ技術では充分集積しないが、低温エピタキシャル成長で作られる垂直装
置では簡単である。
【００２５】 光弁（バルブ）は、所与の波長またはある範囲の波長に対して透明であるかま
たは不透明であるかのいずれかに制御できるようなものであると仮定される装置
である。不透明／透明状態の制御は、他の光ビームまたは電界のいずれかによる
。いまにいたるまで、完全に電気的であってまだ純粋に光学的代替物を有しない
ＣＭＯＳロジック、ＤＲＡＭ等とインタフェースをとることの容易な電気的に制
御された光弁を有することは有利なことである。
【００２６】 最も一般的に使用される形式の光弁は、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ
）にその主要な用途がある液晶（ＬＣ）である。“懸濁粒子”（ＳＰ）のような
他の形式の光弁は、ＦＰＤの性能およびコストを改良するためにＬＣと競合する
可能性を有するともみなされる。
【００２７】 マイクロ・オプトエレクトロニクス・メカニカルシステム（ＭＯＥＭＳ）の分
野は、代替材料、装置およびプロセスフローアーキテクチャももたらし、いくつ
かの用途に対するＬＣおよびＳＰと競合し、所定の他のものに対して固有の解決
策をもたらす見込みがある。
【００２８】 フラットパネルディスプレイに加えて、光弁が基本的な役割を演じる技術的お
よび経済的に重要な分野がある。これらの他の分野の中の１つが光ネットワーク
、特に光ルーティングである。光ファイバはきわめて大きい周波数帯域幅に対し
て選択できる媒体であることは周知である。しかしながら、光ファイバが情報を
伝えることができる速度はスイッチング／ルーティングレベルに達しなかった。
最近まで、光信号は、電気信号に変換され、処理され、経路選択され、再び光ビ
ームに変換され、最終行先に到着しなければならなかった。最近、“全光ルーテ
ィング”を使用可能にすると考えられる大きな技術的進歩の公表があった。これ
らの将来の“全光ルータ”はＭＯＥＭＳを中心にしてＬＣと同様な光弁によって
形成されつつあるということがパブリックドメインで公知である。
【００２９】 ＬＣは、正確には固体でなく、ＬＣの遅いスイッチング速度、大きな作動電圧
（一般的には１５ボルト以上）、温度に対する感度、偏光子の必要性、不充分な
“視角”等の点で不評である。透過または反射のいずれかで作動し得るＬＣＤは
、高ピクセル総数で、テレビおよびコンピュータモニタのためのＣＲＴ技術と競
合するのに充分大きいサイズで費用効果的方法で製造することが困難で難点があ
った。ＬＣＤには、前側パネルと裏側パネルとの間に重要な位置合わせの問題が
あるので、特にカラーディスプレイの場合、複雑な製造シーケンスおよびピクセ
ルサイズを縮小するうえで避けられない問題がある。さらに、ガラス上にアモル
ファスシリコンまたはポリシリコンを伴なって製造された最も一般的に使用され
る基板は、ＶＬＳＩ形式の電子回路を可能にするのに必要とされる電気的特性を
有していない。これらの理由および他の理由のために、ＬＣＤは、高品質ホログ
ラフィに対して必要とされる高分解能回折パターンを表示するのに適しているピ
クセルサイズおよび密度を得ることができない。高分解能回折格子は、サブ波長
（色として作用する）の２次元アレイ（マトリックス）を必要とする。
【００３０】 ＭＯＥＭＳ（またはＭＥＭＳ）は、しかしながら固体装置であり、直ちにいか
に高速であり、信頼性があり得るかに上限を有する可動機械部品に頼っている。
ＭＯＥＭＳ（あるはＭＥＭＳ）は、大きな作動電圧、一般的には１０ボルト以上
を必要とし、標準的ＣＭＯＳプロセスと完全には両立しないし、または少なくと
もまだこのプロセスと両立できていない。
【００３１】 発光ダイオードおよびレーザは、多数の分野およびいろいろの分野の多数の用
途に欠かせない。これらはたとえば光ファイバ通信にとって重要な部品である。
これらの装置は、直接禁制帯幅を有し、ヘテロ接合または禁制帯幅工学を可能に
する複合半導体材料で製造される。
【００３２】 たとえ装置を高品質のヘテロ接合構造にできることにいままで数年を要したと
しても、間接禁制帯幅の特性は、発光ダイオードおよびレーザをシリコン−ゲル
マニウム材料系で製造することを不可能にした。
【００３３】 発光ダイオードおよびレーザを製造するために使用されるIII−Ｖ属材料と、
高密度マイクロエレクトロニクスに著しい長所を享受しているシリコン材料系と
の非共存性は、発光ダイオード／レーザの両方および高密度ロジックおよびメモ
リ回路を必要とするシステムの性能および機能性を発展させるための障害物であ
った。
【００３４】 ［発明の開示］ 本発明の目的は、公知のＣＣＤおよびＣＭＯＳ技術を使用する光電装置の制約
のいくつかを解決する新規の装置構成（アーキテクチャ）を提供することにある
。
【００３５】 本発明の他の目的は、発光ダイオードおよびレーザの使用を必要とする高性能
システムで使用可能であるオプトエレクトロニクス装置を提供することにある。
【００３６】 本発明による装置アーキテクチャは、単調に増加する禁制帯幅を有する層を入
射光が進行するように基板上に配置された多数の異なる活性（光子吸収および／
または光子放射）層を含み、それによって異なるエネルギーの光子は、活性層に
選択的に吸収または活性層で放射される。分離されたコンタクト（電気接点）は
、光子吸収層で発生された電荷キャリヤを取り出し、電荷キャリヤを光子放射層
に注入するように構成される。
【００３７】 波長選択性、すなわち、各層での光子吸収または光子放射の光子エネルギーに
もとづく選択性は、バンド間遷移（価電子帯から伝導帯への遷移）またはサブバ
ンド間遷移（量子化レベルから同じバンド内の他のレベルへの遷移）を使用して
異なる方法で実現できる。スタックの活性層の波長選択性を制御するパラメータ
を選択することおよび／または調整するよって、広範囲の必要性または用途に適
する装置を実現できる。
【００３８】 本発明の装置アーキテクチャ概念は、いかなる材料系の選択とも無関係に高性
能光電装置およびオプトエレクトロニクス装置を実現できる。しかしながら、シ
リコン技術の明らかで、経済的な関連性のために、本発明は、シリコンと互換性
のある層を参照してより詳細に述べられる。
【００３９】 最新の層堆積技術は、エピタキシャル成長の方向に非常に精巧なドーピングお
よびヘテロ接合プロフィールを製造することができる。したがって、一方の方向
への寸法の縮小を必要とするだけである量子井戸を、このような技術で製造する
ことは容易である。もし、他の量子化構造（たとえば、量子ワイヤ、量子ドット
）の製造が容易になったり、実際に実現されたときには、本発明は、より多くの
次元で量子化を使用でき、利用できるであろう。
【００４０】 本発明は、波長選択性および作動電圧（一般的には１ボルト）の点で従来の技
術よりも優れた多数の長所をもたらし、本発明は、可動機械部品のない真正の固
体装置および広い“視角”を有する装置を提供する。これらの機能は、ＦＰＤお
よび光ネットワーク構成要素に対して多数の長所をもたらす。
【００４１】 さらに、本発明は、多数の異なる用途に向けて工業化できる革新的な光検出器
概念を導入する。これらの用途のいくつかは、ディジタルスチールカメラ、ビデ
オカメラ、カムコーダ、太陽電池等のような主流の消費者エレクトロニクス製品
に組み込まれるイメージャとして作動するように設計された装置に基づいている
。多スペクトル機能のために、本発明は、暗視装置、貫通濃霧ビジョンのような
非可視波長（たとえば、赤外線および紫外線）に対するイメージャとしての機能
も果たすことができる。
【００４２】 同じ装置は、波長選択光弁のような他の機能に対しても最適化できる。このア
ーキテクチャは、同じままであるが、目標とされるタスクに対してこのアーキテ
クチャを最適化するいくつかの工学的トレードオフがあり得る。光弁は、可視ス
ペクトルおよび／または赤外線波長および紫外線波長でも作動できる。光弁のい
くつかの用途は、ディスプレイ、光スイッチ、光変調器、光ルータのためのもの
であり、後者は光通信に特に有用である。これらの用途のいくつかに対して、装
備は、フォトニック禁制帯幅（ＰＢＧ）材料で実現された波長選択反射器を有す
る光弁の組み合わせを必要としてもよい。
【００４３】 本発明の特定で、固有の長所は、本発明を実現する同じ装置またはパネルが、
選択的にイメージャ、太陽電池および光弁として役立つことができるということ
である。本発明を組み込んだ光弁は、ディスプレイでばりでなく、オプトエレク
トロニクス、たとえば電子ミラーまたはディジタルミラーでもまた使用可能であ
ることは注目に値する。
【００４４】 さらに、適当なフレーム速度で作動される場合、本発明を組み込んだ装置は、
イメージャおよび光弁の機能を交互にすることができ、適切なシステム統合によ
り、同じ表面が交互に画像を得るかまたは表示することができる。画像が同じで
ある場合、装置はミラーの機能を果たす。実際に、同じ画像が、たとえば、ある
種の信号処理の後に得ることができる。本発明は、非可視範囲の波長の同時イメ
ージングを可能にし、したがって全く新しい機能がこのような機能に基づいて形
成できることに注目すべきである。
【００４５】 もちろん、画像は同じである必要はない。たとえば、電話機（有線または無線
のいずれか）の一部として、この機能は、画像獲得（他の相手に送られるべき）
および他の相手の画像表示によってテレビ会議を可能にする。
【００４６】 サブバンド間遷移を使用することによって、すなわち非常に狭いスペクトル範
囲で、イメージャおよび光弁を（同時に）実現することによって、少なくともわ
ずかな差がイメージャおよび光弁のために使用される原色の波長に存在する場合
、イメージャおよび光弁機能の同時の非干渉動作を可能にする。
【００４７】 同じ装置は、波長選択光弁のような他の機能に対しても最適化できる。このア
ーキテクチャは、同じままであるが、目標とされるタスクに対してこのアーキテ
クチャを最適化するいくつかの工学的トレードオフがあり得る。光弁は、可視ス
ペクトルおよび／または赤外線波長および紫外線波長でも作動できる。光弁のい
くつかの用途は、ディスプレイ、光スイッチ、光変調器、光ルータのためのもの
であり、後者は光通信に特に有用である。これらの用途のいくつかに対して、装
備は、フォトニック禁制帯幅（ＰＢＧ）材料で実現された波長選択反射器を有す
る光弁の組み合わせを必要としてもよい。
【００４８】 本発明は、光吸収器よりもむしろ光放射器としての機能を果たすように最適化
することもできる。ある特殊なケースでは、微小空洞およびＰＢＧ材料とＳＷＡ
ＳＰ活性層との組み合わせを必要としてもよく、それによって性能を高め、コヒ
ーレント放射線（レーザ）の放射を可能にする。したがって、本発明は、ここで
前述されるように発光ダイオード／レーザの製造で直面される共存性の問題を解
決する可能性があり、シリコン基板上に全てのこれらの部品を製造することによ
って発光ダイオード／レーザおよびＵＬＳＩ回路でシステムの性能、機能性、コ
ンパクトさおよび価格において質的な飛躍を可能にする。
【００４９】 本発明のこれらおよび他の機能および長所は、下記の説明および添付図面から
より明らかになる。
【００５０】 ［発明の実施の形態］ 図２を参照すると、本発明による装置アーキテクチャが示されている。この装
置は、同一層構造を有する光子吸収器または光検出器として作動できるけれども
、このアーキテクチャは、Stacked Wavelength Selective Photo-detector（積
み重ね波長選択光検出器）に対する頭字語であるＳＷＡＳＰと呼ばれる。本発明
のＳＷＡＳＰ構造は、基板１２上の垂直スタックに配置された１０枚の異なる層
のセットにあり、それによって異なるエネルギーの光子は、選択的に異なる層に
吸収されるかまたは異なる層によって放射される。この層は、入射光は単調に減
少する禁制帯幅を有する層に進行するように配置されている。
【００５１】 このスタックは、エピタキシャル（転写）半導体活性層（いろいろの禁制帯幅
を有する）１４および絶縁体層１６を有する。各活性層（または同じ符号を有す
る層のセット）は、特定の波長またはある範囲の波長を吸収できる。各層または
同じ符号を有する層のセットに対して、コンタクト（電気接点）１７、１８は横
方向に設けられている。このコンタクトは、同じ活性層または活性層のセットの
対向端の電子および正孔のためにも別々に作られている。
【００５２】 絶縁体層１６は、異なる波長を吸収する領域を分離するために配置され、した
がって所与の波長または波長のセットによって発生された電荷キャリヤは、他の
波長によって発生された電荷キャリヤから電気的に絶縁されたままである。他の
理由のために、後で分かるように、絶縁層は所与の波長またはある範囲の波長の
活性領域内にも置かれることが生じ得る。
【００５３】 光子エネルギーによる光子吸収または光子放射の選択性は、いくつかの方法で
、バンド間遷移（ＩＢＴ）、すなわち、価電子帯から伝導帯への遷移、またはサ
ブバンド間遷移（ＩＳＴ）すなわち量子化レベルから同じバンド内の他のレベル
への遷移での動作によって実現または実行できる。
【００５４】 アーキテクチャ概念はいかなる材料系とも無関係である。しかしながら、シリ
コン技術の明らかな技術的および経済的な関連のために、例および実施例は、シ
リコンと互換性がある層を示す。
【００５５】 最新の層堆積技術は、エピタキシャル成長の方向に非常に精巧なドーピングプ
ロファイルおよびヘテロ接合プロファイルを製造できる。したがって、一方の方
向に“減少された寸法”を必要とするだけである量子井戸は、このような技術で
製造するのが容易である。量子ワイヤおよび量子ドットは、１つまたは２つの横
方向への“減少された寸法”をそれぞれ必要とする。
【００５６】 したがって、量子化構造の例は、量子井戸のすべてを示してはいない。しかし
ながら、これは概念的制約として見るべきでない。量子ワイヤおよび量子化ドッ
トを製造することが同様に容易になったり、実際に実現されたときには、同じ概
念は（適当な改造適用によって）これらの新しい装置概念を実現するためにも使
用できる。
【００５７】 下記において、本発明は、活性層が光子放射層であるとして説明される。しか
しながら、同じ考察は、活性層が光子放射層である場合にも用いられる。
【００５８】 （バンド間遷移（ＩＢＴ）による波長選択性） “厚膜”（“バルク（体積体）のような”特性を有する）の禁制帯幅工学は、
光子吸収における“ローパスフィルタ”を提供できる。吸収媒体の禁制帯幅の大
きさおよび特性に関連してより大きいエネルギーをもつ光子はすべて吸収される
。この材料は、この閾値以下のエネルギーの光子に対して透明である。
【００５９】 スタックの各膜（または同じ特性を有する膜のセット）は、その禁制帯幅以上
のエネルギーを有するほとんど全ての光子を吸収するために、異なる“吸収端”
および適切な厚さを有する。
【００６０】 狭い範囲の波長のためのフィルタを作るためには、２つの異なる吸収媒体が必
要とされる。フィルタの“スペクトル純度”は２つの異なる媒体間の禁制帯幅の
差に比例する。
【００６１】 禁制帯幅光吸収の場合、電子は、価電子帯（ＶＢ）から伝導帯（ＣＢ）へ付勢
され、それによって吸収媒体の価電子帯に正孔を生じる。バルク半導体の場合、
電荷キャリヤに対して許可されたエネルギー（固有値）は、ＣＢおよびＶＢの最
低エネルギー点で始まるエネルギー連続帯にある。
【００６２】 “短周期超格子”（ＳＬ）で作られた光検出器は、遮断波長が伝導ミニバンド
と価電子ミニバンドとの間のギャップによって決定される“ローパス”フィルタ
のようにも作動する。
【００６３】 ＳＬの場合、伝導ミニバンドと価電子バンドとの間のミニギャップは、超格子
を規定する構造上のパラメータを制御することによって、超格子を製造するため
に使用される基本的な材料の禁制帯幅間で殆ど連続的方法で変えることができる
。
【００６４】 禁制帯幅吸収の“ローパスフィルタ”の特性（“バルク”およびＳＬ）による
吸収媒体の正確な配列はある規則に従う必要がある。“吸収端（エネルギー）”
は、層スタックの底部から上部に向かって単調に増加しなければならない。可視
光線、紫外線（ＵＶ）および赤外線（ＩＲ）の全ての波長を含む入射する電磁放
射（“白色光”とも呼ばれる）は、吸収端がより広い（エネルギーが高い）上部
からスタックに貫通しなければならない。
【００６５】 電磁放射は、吸収層のスタックを通って進行するにつれて、スタックの各層で
、そのより短い波長（より高いエネルギーの光子）を取り除かれる。したがって
、最長波長（最低エネルギー光子）だけがスタックの底部に到達する。各“波長
フィルタ”（２つ以上の吸収層からなるものでもよい）で発生された電荷キャリ
ヤは横方向に集収される。電子は一方の端部で集収され、正孔は装置の他方の端
部で集収される。電子および正孔は、組み電界、外部から印加された電界、また
は両方であってもよい横方向電界によって分離され、反対側のコンタクトの方へ
駆動される。
【００６６】 活性媒体の減少された寸法によって発生される量子効果に対して、固有値は、
伝導帯および価電子帯のエッジでもはや連続していないが、離散化され、これら
のバンドエッジから離れた所へ（幾何級数で）シフトする。
【００６７】 量子井戸（ＱＷ）の形成は、２つの大きな静電ポテンシャルバリヤ間にサンド
ウィッチされた半導体材料で行なうことができる。このバリヤは、たとえば、他
の半導体によって、またはさらによいのは絶縁体によって設けられる。結果とし
て、半導体が吸収できる光子のエネルギーの最小値のより高いエネルギーへの固
有値の移動（ＱＷの厚さが減少されるにしたがって）があり、それによって吸収
材料の禁制帯幅の見かけ上の増加（青シフト）を生じる。
【００６８】 バルク材料にくらべると、他の重要な差異がある。すなわち、禁制帯幅はより
広くなるように見えるばかりでなく、ＣＢおよびＶＢの最低エネルギーサブバン
ド間の差以上のエネルギーを有する光子のすべてが吸収されるわけではないので
、量子井戸光検出器はもはや“ローパスフィルタ”でない。
【００６９】 このための理由は、禁制帯幅の見かけ上“拡張”を生じる量子化は、伝導帯内
のサブバンドおよび価電子帯内のサブバンドの内部の“ギャップ”をも開く。許
可状態（固有状態）の場合さえ、ある種の遷移を許可または禁止する量子力学法
則がある。許可された遷移のなかでは、あるものは（振動強度の大きい）他のも
のより望ましい。
【００７０】 光吸収材料の全バンド構造のような多数の詳細および量子井戸の特性に応じて
、広範囲の波長内で唯一の特定の波長がデルタ状（選択的）に吸収されることが
可能であり得る。正確な物理的機構は非常に複雑なものであり、ここでの説明に
は、おおまかで簡略された（または過度に簡略した）近似が使用される。
【００７１】 量子井戸（ＱＷ）では、膜厚が減少するにつれて、（それぞれのバンドエッジ
と関連された）固有値は増加するので、量子井戸の禁制帯幅は増加する。単一量
子井戸は、禁制帯幅以上のエネルギーの全光子を吸収できない（充分な“活性量
”を持つことができない）。したがって、ただ一つの量子井戸よりもむしろ、同
じ仕様で多数の重量子井戸（ＭＱＷ）で製造することが必要となる。必要とされ
るＱＷの正確な数は、フィルタリングされる各範囲の波長に対して異なり、（所
与の波長の）どれくらいの数の光子を吸収しなければならないかによって決定さ
れる。
【００７２】 非常に長い波長に対して、たとえばショットキーバリヤ検出器のような他の型
式の光検出器も使用できる。この検出器は、金属と半導体との間、または縮退す
るように不純物を添加された半導体と少なめに不純物を添加された半導体との間
のいずれかの間のヘテロ接合バリヤを利用する。“半導体だけ”のショットキー
検出器は、エピタキシャル層スタックの底部に直接堆積された層を有し、この検
出器の“本体”の部分になるべきである。
【００７３】 （サブバンド間遷移（ＩＳＴ）による波長選択性） サブバンド間遷移は、“減少された寸法性”構造でのみ実現できる。電荷キャ
リヤは、結晶の一方のバンドから他方のバンドへ移動されなくて、むしろ同じバ
ンド（伝導または価電子）内でエネルギーレベルを切り換える。異なるサブバン
ドは、量子化効果によって発生し、量子化構造を作るために使用された材料の禁
制帯幅（大きさおよび型式）とは無関係（第１近似では）である。これは、その
禁制帯幅構造がオプトエレクトロニクスに対して適切でなく、したがって、“従
来の”オプトエレクトロニクス装置のためには除外されていた材料に対して、非
常に興味がある条件を提示する。
【００７４】 この種の物理を利用する光検出器は、赤外線（ＩＲ）および遠赤外線（ＦＩＲ
）検出器のために既に利用されていた。さらに、“量子カスケードレーザ”は、
光子放射のためのこのような機構（サブバンド間遷移）を利用している。
【００７５】 完全な物理的機構の説明も非常に複雑なものであるが、本開示の目的のために
は、サブバンド間の遷移を制御する特定の規則があると述べることで充分である
。これらの遷移のいくつかは禁止されるが、他のものは許可され、これらのいく
つかの中のあるものは（予想されるように）、他のものよりも高い“発振強度”
を有する。
【００７６】 最も好ましい遷移は最低レベル（ただし、これは充分なキャリヤで占められる
）と、そのレベルのすぐ上のレベル（エネルギーとして）との間の遷移であり、
サブバンド１と３との間の遷移またはサブバンド２と４との間の遷移は禁止され
ていると言うことができる。たとえば、最低サブバンド（ｎ＝１）と次のサブバ
ンド（ｎ＝２）との間の遷移は９６％の機会を有し、他のすべての可能な遷移に
対して４％だけを残す。
【００７７】 したがって、量子井戸の対称性、形状（正方形、放物線、三角形等）、膜厚（
井戸の幅）、深さ、ドーピング等に関する適切な設定によって量子井戸のサブバ
ンド間遷移を設計できる。
【００７８】 固有状態間の差よりも高いエネルギーまたは低いエネルギーを有する全ての光
子を吸収することはできないので、サブバンド間遷移（ＩＳＴ）装置の吸収端を
設計できるだけでなく、この装置もまた“ローパスフィルタ”ではない。唯一の
特定の波長がデルタ状（選択的）に吸収される。量子井戸の減少された活性層の
体積のために、信号強度を増加させるためには多数の同じ量子井戸を製造する必
要があるだろう。
【００７９】 この特性は、所与の波長に対して大きなスペクトル純度の光検出器を設計する
のに非常に役に立つ。実際に、この検出器はそのように設計するが、全ての他の
波長に透明である。この機能を可視波長に用いることによって、新規の装置およ
び装置構成を可能にする。
【００８０】 ここで、１つの重要な事項に注目しなければならない。実際には、サブバンド
間遷移は、赤外線から可視光線を超えて紫外線部分までの電磁波スペクトルのい
かなるエネルギーの光子に対しても生じ得る。しかしながら、可視光線の光子の
エネルギーは、約１．８ｅＶ（赤色の場合）から約３．１ｅＶ（紫色の場合）ま
での範囲にある。したがって、可視光線範囲の電磁波スペクトルに対するＩＳＴ
装置は、３．１ｅＶよりも深いポテンシャル井戸を必要とする。実際、この値は
、理想的な“無限に深い”量子井戸に対してできるだけ充分な近似である井戸に
とってできるだけ大きく超えるべきである。したがって、非常に広い禁制帯幅材
料が、非常に大きい静電ポテンシャルバリヤを作るのに必要である。
【００８１】 たとえば４ｅＶよりも深い量子井戸を作るためには、極めて広い禁制帯幅半導
体、または極めて広い禁制帯幅絶縁体のいずれかが絶対に必要である。この要求
は、これらの装置を実現するために使用できる材料にいくつかの制約を直ちに生
じる。当然、ＱＷを形成するための絶縁体の使用は、従来設計のＱＷ検出器のコ
ンタクト（電気接点）のための克服しがたい障害を与える。
【００８２】 この指摘は、本開示の次の小章に対してよい序論および動機づけである。
【００８３】 （仕事関数工学による選択的横方向コンタクト） 本発明の層スタック構造は、異なる位置のエピタキシャル絶縁体を含み、異な
る役割を演じる。いくつかの場合、この構造は異なる波長を吸収する膜を単に電
気的に絶縁するためのものであって、電気的に短絡されないようにするものであ
るが、いくつかの他の場合（特に、非常に深いポテンシャル井戸が必要である場
合）、この絶縁体は、ＱＷそれ自体を作るのに必要である。
【００８４】 したがって、一方の形式のキャリヤがエピタキシャル層スタックの上部で取り
出され、他方の形式のキャリヤがエピタキシャル層スタックの底部で取り出され
る従来の接触方式はここでは機能しない。この解決策は、互いから電気的に絶縁
された異なる層の横方向コンタクトの製造にある。さらに、これらの層の各々の
中からの電子および正孔の抽出は層別に行なわれるべきである。さらに、電子抽
出点および正孔抽出点のコンタクトは、一般に異なる仕事関数を有する異なる導
電材料（若干の例外があるが）で行なうべきである。
【００８５】 エピタキシャルスタックの異なる平面／レベルにある異なる材料に対する異な
るコンタクトを理解し、可視化するのは容易である。しかし、異なる点で電子お
よび正孔ではなく電子または正孔を抽出（注入）する選択的な能力がある同じ膜
（たとえばＱＷ）または膜のセット（ＭＱＷ）のコンタクトは、特に活性層のい
くつかが不純物が添加されていない場合は明白ではない。
【００８６】 “仕事関数工学”によって、ＭＱＷ層内部で電子を正孔から分離し、これらの
層の反対側に集めることができる。仕事関数の差によって発生される組み込み電
界は、エピタキシャル成長の方向に垂直な平面の方向に吸収層のバンドをねじり
、それによって電子をＭＱＷ層の一方の側に押しやり、正孔をＭＱＷ層の他方の
側に押しやる。このように、電荷キャリヤは、ＭＱＷ平面に（垂直であるよりも
むしろ）平行にＭＱＷバリヤと交差しないで集合点に移動できる。これは、極め
て広い禁制帯幅半導体層および絶縁層を有するＭＱＷを可能にする。
【００８７】 前述された仕事関数工学を実施するにはいくつかの方法がある。金属によって
供給される仕事関数の範囲は、２ｅＶ未満から６ｅＶ以上までとなる。これは、
明らかにシリコンのＣＢ以上およびＶＢ以下の仕事関数を生じる。
【００８８】 仕事関数工学を実施する他の可能性は、いろいろの禁制帯幅を有する異なる半
導体の多量に不純物を添加された層を使用することにある。ここでは、異なるレ
ベルのドーピング縮退は、コンタクト材料の堆積処理中かなり容易に制御できる
ので、異なる仕事関数を与えるのに若干の多くの自由度がある。
【００８９】 しかしながら、このような程度の“仕事関数工学”を与えることができる金属
および半導体の多くは、シリコンおよび／または他の吸収層と直接接触する場合
、重大な界面問題を生じ得る。大部分の場合、これらはケイ素化合物を形成し、
最初の仕事関数を一般的にはシリコンの禁制帯幅内にある何かに変え、それによ
ってこれらの材料を使用する目的を無にする。
【００９０】 “仕事関数工学”をさらに提供し、構造の層に対するポテンシャル界面問題を
避ける代替の方法がある。これは、“接触導体（最も可能性があるのは金属）と
吸収層の側壁との間にＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｉＯＮ、Ａｌ2Ｏ3等のような絶縁
体の極めて薄い層を単に設けることである。
【００９１】 金属−半導体接合によって接触を行なうよりもむしろ、非常に漏れやすい金属
−絶縁体−半導体（ＭＩＳ）システムを通る“直接トンネリング”によって接触
が行なわれる。絶縁体層が極めて薄いという事実は、非常に大きい“直接トンネ
リング”電流密度、したがって吸収層から接触材料への電子および正孔の有効な
取り出しを可能にする。
【００９２】 最近、極めて薄い絶縁体層を有するＭＩＳ（またはＭＯＳ）システムは、固体
エレクトロニクス、すなわち０．１μｍスケーリングの世代およびそれ以下に対
する最新のＣＭＯＳの研究の非常に重要な話題となっている。この理由は、標準
ＣＭＯＳスケーリングが技術の各々の新しい世代に対するゲート絶縁体（ＳｉＯ 2 ）を薄くすることを意味するということである。およそ０．１μｍのゲート長
または約１ボルトおよびそれ以下の作動電圧は、２．５ｎｍ未満の厚さのＳｉＯ 2 を必要とする。この点で、ファウラー−ノルトハイムよりもむしろ直接トンネ
リングまたはバリスティックトンネリングは、絶縁体を横切って移送する有力な
機構である。この厚さ管理では、電流密度は指数関数的に絶縁体の厚さによって
決まるので、非常に大きい電流密度は不可避である。
【００９３】 この研究を駆り立てる力は、絶縁体に流れる電流密度を最少にする方法をみつ
けることにあるが、同時にＭＯＳシステムのキャパシタンスを増加させることに
ある。解決策はＳｉＯ2をより大きい誘電率を有する他の絶縁体におきかえるこ
とにあると思われるので、同じキャパシタンスに対して膜は厚くなり、トンネリ
ング電流は著しく減少される。
【００９４】 この研究の副産物は、極端に薄い膜のＳｉＯ2、ＳｉＮ4がより厚い膜の“バル
ク状”での値よりも非常に高い耐破壊電界を有し、実際、破壊点を規定すること
が困難であるという実験的検証である。バリスティックトンネリングは絶縁体膜
内に散乱がないという確実な理由により、膜の損傷を生じる確率もより少ないこ
とを意味し、これらの極めて薄い膜は明らかに検出可能な損傷なしに極めて大き
なトンネリング電流密度に耐えることができる。
【００９５】 本発明は、この研究によって生じた情報を利用するが、その気にさせることの
逆の目的のために、本発明は、まず第一に、高トンネリング電流を可能にするた
めに非常に薄い絶縁体層を使用する。この絶縁体層は、シリコンとシリコンと直
接つなぎ合わされるべきでない金属との間の物理化学的バリヤの役を務める介在
層を提供する。
【００９６】 電子および正孔の質量の大きな差および導電帯および価電子のオフセットによ
る一様でないトンネリング電流の問題は、絶縁体膜組成および厚さの適当な個別
の選択（電子対正孔の場合）によって解決または補償できる。たとえば、ＳｉＯ 2 は９ｅＶの禁制帯幅を有する。ＳｉとＳｉＯ2との間のバリヤの高さは、電子の
場合は、３．２ｅＶであり、正孔の場合、４．７ｅＶである。一方、Ｓｉ3Ｎ4は
５ｅＶの禁制帯幅を有する。ＳｉとＳｉ3Ｎ4との間のバリヤの高さは、電子の場
合は２．２ｅＶであるが、正孔の場合１．７ｅＶだけである。Ｓｉ3Ｎ4の場合、
正孔の場合のバリヤは電子の場合のバリヤよりも小さい。
【００９７】 電子および正孔が異なる接触を有することができるために、この“仕事関数工
学”が使用可能であることに気づくべきである。実際、コンタクト（絶縁体膜組
成、厚さ、および電極仕事関数）の最適化は、波長フィルタの各々に対して異な
る禁制帯幅および固有値を有する電子および正孔に対して別々に実行できる。
【００９８】 この最適化は、電子接触（コンタクト）において電子束を最大にし、正孔束を
抑制し、対称的に正孔接触で正孔束を最大にし、電子束を抑制するものと仮定さ
れる。これは、一方では、吸収媒体と異なる絶縁体材料との間のバリヤの高さが
広範囲であることによって可能であり、他方では、コンタクト材料に役立つ広範
囲の仕事関数によっても可能である。
【００９９】 “電子接触”の場合、最適パラメータは下記のようになる。 １）電子に対して小さいバリヤの高さ ２）正孔に対して大きなバリヤの高さ ３）小さい仕事関数の電極。吸収媒体のＣＢの関連固有値の同じレベルま
たはそれよりも高いレベルの接触電極の仕事関数。
【０１００】 “正孔接触”の場合、光学パラメータは下記のようになる。 １）電子に対して大きなバリヤの高さ ２）正孔に対して小さいバリヤの高さ ３）大きな仕事関数の電極。吸収媒体のＶＢの関連固有値の同じレベルま
たはより低い（より大きいＷＦ）レベルの接触電極の仕事関数。 非常に狭い禁制帯幅材料が非常に長い波長の検出に対して選択された場合、この
ような層からの電子および正孔の抽出に対する問題があり得る。このような狭い
ギャップ材料のギャップの中のどこかに仕事関数を有する金属が使用された場合
、この金属は、仕事関数において非常にわずかな差、または電子電極および正孔
電極に対して同じ仕事関数さえもたらす。したがって、吸収層の中からキャリヤ
を効率的に取り出すために外部バイアスを印加する必要さえあり得る。
【０１０１】 しかしながら、このシナリオは、やむを得ないことではない。前述されたもの
と同様に電子接触および正孔接触に対する最適化パラメータを備えれば、狭い禁
制帯幅材料に対して電子電極および正孔電極の仕事関数がかなりのマージンをも
ってシリコンの禁制帯幅の外側にある横型ＭＯＳ構造を設計できる。
【０１０２】 “サブバンド遷移”で電荷キャリヤをＱＷまたはＭＱＷから取り出す場合は、
幾分より複雑であるが、さらに興味ある機会も与える。“サブバンド間遷移”装
置はユニポールであるので、電子または正孔のいずれかを取り出すことはできる
が、この両方を取り出すことはできない。さらに、可視光線範囲および紫外線範
囲の光子のようなエネルギー光子のためのこの光吸収機構を使用することは、“
禁制帯幅遷移”装置に対していま述べた方式と同様な“仕事関数工学”の方式を
用いることを非常に困難にする。しかしながら、特別なケースがあり得る。
【０１０３】 これまでは、光子吸収膜と接触金属との間との間に横方向に置かれた絶縁バリ
ヤ膜が、どんな場合でも吸収媒体の禁制帯幅よりも著しく広いかなり広い禁制帯
幅を有することを仮定していた。
【０１０４】 図３は、量子井戸層に平行な（エピタキシャル成長の方向に垂直な）切り口を
示す禁制帯幅の２次元概略図を示す。左側の横方向の“接触絶縁体”はＳｉＯ2
、右側の“接触絶縁体”はＳｉ3Ｎ4である。両側は、シリコンの禁制帯幅の真中
の仕事関数を有する同じ金属コンタクトを有する。
【０１０５】 非常に深いＱＷ（ＭＱＷ）の場合、固有値（Ｅｖ１、Ｅｖ２）は、活性領域（
半導体材料）の価電子バンドエッジから非常に離れている。このため、“接触バ
リヤの高さ”の定義には、若干の特別の注意も必要である。例として、光励起電
荷キャリヤ（Ｅｖ２）を受け取るＱＷのサブバンドが、価電子帯のエッジを参照
する場合、和Δ２＋Δ３＋Δ４によって示される固有値を有すると仮定する。こ
れらの光励起キャリヤが横方向（右側）界面に近づく場合に、これらの光励起キ
ャリヤから見た“バリヤの高さ”は、“接触絶縁体”のバンドエッジとこのキャ
リヤが搬送されたＱＷサブバンドの固有値との間の差である。この差は、Δ１−
（Δ２＋Δ３＋Δ４）によって示され、図３の右側に示された場合に対して、差
（バリヤの高さ）は負である。
【０１０６】 結論において、“接触絶縁体”の適切な選択により、キャリヤは全く（負のバ
リヤの高さ）少しのバリヤに出会うことなく、自由に横方向に移動でき、接触金
属（電極）に到達する。これは、Ｓｉ3Ｎ4を“接触絶縁体”として、価電子帯の
サブバンド間遷移を有するＭＱＷに対する場合である。この場合、電荷キャリヤ
抽出は、介在する“接触絶縁体”を通して行なわれるけれども、光励起キャリヤ
（およびこれらのキャリヤだけ）は、“接触絶縁体”のバンドエッジを超えるエ
ネルギーをもっているために、トンネリングを必要としない（接触絶縁体は“厚
く”てもよい）。
【０１０７】 これらの高エネルギー固有状態（Ｅｖ２）のキャリヤの場合、“接触絶縁体”
は、物理化学的バリヤを生じるが、静電ポテンシャルバリヤを生じない。しかし
ながら、この“接触絶縁体”は、光子を吸収するキャリヤが存在する最低のサブ
バンド（Ｅｖ１）のキャリヤに対して、確かに静電ポテンシャルバリヤである。
【０１０８】 この“接触絶縁体”は、より低いサブバンドのこれらのキャリヤに対しても非
常に重要な役割を演じる。すなわちこの接触絶縁体は、ＱＷ（またはＭＱＷ）内
にキャリヤに保持する。すなわち、“接触絶縁体”の介在がない直接的な金属半
導体接触が考えられた場合とは異なる。
【０１０９】 たとえ“接触絶縁体”の介在は材料間の潜在的な界面反応を防止するように意
図され、それによって“仕事関数工学”により自由を与えるのであるが、この介
在は接触ＩＳＴ装置の装置物理学に重要な影響を及ぼすものと分かった。
【０１１０】 ここで、このＱＷは“浮動体”の一種とみなすべきでないことを指摘しなけれ
ばならない。この理由は、“接触絶縁体”の少なくとも１つが大きなトンネリン
グ電流を使用可能にするのに充分薄いということである。この範囲の厚さでは、
これらの絶縁体は“漏れやすい絶縁体”であり、すなわち、ＱＷの電荷キャリヤ
または“接触金属”の電荷キャリヤの波動関数のいずれもが、絶縁体を完全に貫
通し、バリヤの他の側に到達する。したがって、ＱＷは、まったく電気的に絶縁
されているわけではなく、“厚い”横方向絶縁体の場合のように浮動してはいな
い。
【０１１１】 （ＳＷＡＳＰ太陽電池） ここに前述されたような多重禁制帯幅光検出器は、単一禁制帯幅装置が吸収で
きるのと同じ光子を吸収でき、それだけでなく、狭い禁制帯幅の可能性のために
より多くの光子を吸収できる。しかし、単一禁制帯幅装置（標準太陽電池のよう
な）は、光子がその禁制帯幅に対して有する全過剰エネルギーを無駄にする。し
たがって過剰のエネルギーが“開回路電圧”に反映されない。
【０１１２】 既に長い間、“理想最大効率”は直列方式で接続された禁制帯幅の数の増加と
ともに増加することが予測された。この効率は、単一禁制帯幅の単結晶シリコン
ｐｎ接合太陽電池の“理想最大効率”の２倍である最高７２％であり得る。しか
しながら、これらの電池はともに、この多重禁制帯幅太陽電池に期待されるこの
２倍の効率比からあまり大きくはずれないと予想される“理想最大効率”を達成
することはできないであろう。
【０１１３】 “直列”配列の電池は、異なる禁制帯幅を有するいくつかの層のヘテロエピタ
キシャル堆積中に各層へのドーピングによって得ることが最もよい。いくつかの
理由のために、全エピタキシャルスタックの“開回路電圧”があまりにも大きい
（たとえば、電池を再充電するために）場合、スタックの層の多くに横方向の接
触を行なうことはかなり容易である。これは、スタックからの層のグループ間（
等しい“開回路電圧”を有する）の並列接続を可能にし、それによって“短絡回
路電流”を増加させる。
【０１１４】 図４は、材料を特定しない場合の太陽電池に対する構造の概略を示す。シリコ
ンと互換性がある材料による実現は、かなり簡単であり、シリコンよりも狭い禁
制帯幅を得ることは簡単であるが、シリコンよりも幅広い禁制帯幅を得ることは
より困難である。
【０１１５】 シリコンよりも狭い禁制帯幅は、Ｓｉi-xＧｅx、Ｓｉi-yＣy、Ｓｉi-zＳｎzま
たはＳｉi-x-y-zＧｅxＣyＳｎzとしてのこれらの組み合わせのランダム合金およ
び／または超格子のエピタキシャル堆積で容易に得ることができる。
【０１１６】 シリコンよりも幅広い禁制帯幅は多数の方法で得ることができる。しかしなが
ら、異なる禁制帯幅を有する全ての積み重ねられた層間のオーミックコンタクト
の特別の要求があるので、これらのすべての方法が適しているわけではない。明
らかに、極めて幅広い禁制帯幅半導体または絶縁体を有する量子井戸の製造は、
スタックの層を横切る必要なオーミックコンタクトを不可能にする。しかしなが
ら、量子井戸間の量子井戸バリヤが超格子が形成されるように充分に薄い場合、
電荷キャリヤの波動関数はいくつかの井戸にわたって重なり、それによって“ミ
ニバンド”を形成する。
【０１１７】 “短周期超格子”（ＳＬ）によって発生された“ミニバンド”中の禁制帯幅の
滑らかな増加を達成することは可能であるはずである。たとえ（所与のミニバン
ドに対して）所与の超格子の底部および上部に多めに不純物を添加された領域を
形成することが可能であるならば、多重禁制帯幅太陽電池の理想化された記述に
対応する構造を製造することは可能であるはずである。シリコンを用いたこのよ
うな超格子に対する使用可能な材料は、シリコン上の材料のヘテロエピタキシに
関する多数の科学的文献にあるようにＡｌ2Ｏ3（サファイア）、ＣａＦ2（弗化
カルシウム）、ＣｄＦ2（弗化カドミウム）、ＣｅＯ2（二酸化セリウム）であっ
てもよい。
【０１１８】 （ＳＷＡＳＰイメージャ） イメージャは、バンド間遷移（ＩＢＴ）またはサブバンド間遷移（ＩＳＴ）の
いずれをも利用して設計できる。バルクまたは超格子のＩＢＴのために設計され
たイメージャは、“ピクセル化された”多重禁制帯幅太陽電池と見ることができ
、このギャップは、３ｅＶ以上からわずかにＫBＴ程度（０．１ｅＶ未満）まで
の範囲にある。異なる吸収層の数が大きくなるほど、すなわち、層スタックにあ
る異なる禁制帯幅の数が大きくなるほど、吸収される全電磁波スペクトルが分割
される間隔はますます小さくなる。これは、各層が狭い範囲の波長だけを吸収す
ることを示している。異なる吸収層が“ローパス”禁制帯幅の“カラー”フィル
タのように見えた場合、この層は高い“スペクトル純度”を有していると言うこ
とができる。
【０１１９】 ３原色に対応する波長を吸収する層（加法混色または減法混色のいずれか）が
充分に高いスペクトル純度を有する場合、および個別に層に接触することが可能
であった場合、“イメージャ”と“太陽電池”の機能性は、矛盾することなしに
同時に機能できる。
【０１２０】 多数の中間の禁制帯幅を有する多重禁制帯幅太陽電池の場合、３つだけの波長
の寄与の消失が、全効率の著しい減少を生じることはない。一方、“イメージャ
”機能性は、光検出器に入る全光量のために自己出力能力があるので、原色に対
応するこれらの３つの波長だけが“太陽電池”の機能性のために使用されるわけ
ではない。当然、可視光線の範囲の３原色についていま述べられたことは、紫外
線スペクトルおよび赤外線スペクトルの波長にもあてはまる。
【０１２１】 ピクセルの領域（活性領域の）は、基本的に変化されないままであり、結像す
る目的のためにフィルタリングされる“太陽電池”としての機能に寄与する波長
から除外される波長の数とは無関係であると言うことができる。この理由は、妥
当な数の“波長”フィルタの個別のコンタクトを作るのに必要な領域がピクセル
の全領域の非常にわずかな部分であることである。
【０１２２】 ある波長（またはカラー）のフィルタのスペクトル純度は、このフィルタのす
ぐ上の禁制帯幅の層とのエネルギー差によって決定される。たとえば、緑色のた
めのフィルタのスペクトル純度は、緑色フィルタそのものと緑と青との間の全色
を吸収するフィルタとの間の禁制帯幅の差によって決められる。膜厚および光子
エネルギーの関数としての光子の吸収特性を考えると、この物理的説明は幾分簡
略化されすぎているかもしれない。しかしながら、この説明は、“ローパスフィ
ルタ”であるという特性のために、禁制帯幅フィルタリングはイメージング用に
使用されるカラーフィルタと同様に高スペクトル純度を要求されるカラーフィル
タ間の中間波長に対する吸収層を必要とすることを意味する。
【０１２３】 下記の方法で（上部から底部へ）実施できる３原色の加法混色、赤、緑、およ
び青（Ｒ、Ｇ、Ｂ）のためのフィルタを作ることに明らかな関心がある（図５Ａ
）。
【０１２４】 ・（光が装置の中で結合される）検出器の上部 紫外線の波長に対する太陽電池 紫外線の特定の波長に対するフィルタ 青と紫外線との間の波長に対する太陽電池 青色に対するフィルタ 緑と青との間の波長に対する太陽電池 緑色に対するフィルタ 赤と緑との間の波長に対する太陽電池 赤色に対するフィルタ 赤外線と赤との間の波長に対する太陽電池 赤外線／遠赤外線の特定の波長に対するフィルタ ・検出器の底部
【０１２５】 分かるように、イメージング目的のためにＲＧＢフィルタリングを実行するの
に必要とされるエピタキシャルスタックの層のリストは、３つのＲＧＢ層だけで
なく、“中間色”のフィルタリングに対する他の３つの層を含んでいる。これら
の層で発生され、ＲＧＢ結像のためには使用されない光子によって発生されたキ
ャリヤは、ＲＧＢ層の各々に発生されたキャリヤとは別々に集められねばならな
い。ここで無駄にされることなく、キャリヤは障害なく到達するので、このキャ
リヤもまた電気を発生するために使用できる。実際に、キャリヤはカメラに自動
的に電力を与えるために使用できる。
【０１２６】 さらに、全ての波長に対するフィルタの場合、電子および正孔は横方向におよ
び別々に集められる。ある色のカラーフィルタに対しては、電子および正孔は、
異なる材料（および絶縁体）を有する別々のコンタクトを有する。前述の順序に
よる層および禁制帯幅は、シリコンの互換材料および技術で下記の方法で実現で
きる（図５Ｂ）。
【０１２７】 ・シリコンよりも狭い禁制帯幅を有する“波長フィルタ”は、IV族の合金および
／または下記の元素（いろいろの化学量論に対して）Ｓｉi-x-y-zＧｅxＣyＳｎz の全てまたはこの元素の２、３だけを含む超格子で得ることができる。 ・シリコンよりも広い禁制帯幅を有する“波長フィルタ”は、たとえば、Ｓｉま
たは（いろいろの化学量論に対して）Ｓｉi-x-y-zＧｅxＣyＳｎz、Ａｌ2Ｏ3、ま
たはＣａＦ2、またはＣａＦ2の超格子で得ることができる。超格子は極めて薄い
膜を必要とするので、歪み緩和は問題となるはずがない。 ・異なる層を電気的に絶縁する絶縁体はいくつかあってもよく、そのいくつかの
うち次のものは最もよい候補であるように思える。すなわち、Ａｌ2Ｏ3（Ｅｇ≒
１２ｅＶ）、ＣａＦ2（Ｅｇ≒１２ｅＶ）およびＣｅＯ2は絶縁体であり、全て、
シリコンに対して大きな導電帯および価電子帯のオフセットを有する。ＣｄＦ2
（Ｅｇ≒８ｅＶ）は、シリコンの場合の電子に対する負のバリヤ高さを有する。
【０１２８】 実際に、シリコン上にＡｌ2Ｏ3を成長させる互換性があるので、このＡｌ2Ｏ3 は緩衝層として使用でき、それによって通常シリコン上に直接堆積することに互
換性がない他の材料（薄い膜または厚い膜）の成長を可能にする。Ａｌ2Ｏ3（サ
ファイア）は、電磁波スペクトルの青領域および紫領域で作動するＨＥＭＴ、Ｌ
ＥＤおよびＬＡＳＥＲを製造するためにＡｌＮ、ＡｌＧａＮおよびＧａＮ（Ｅｇ
≒３．５ｅＶ）を成長させる電子の基板である。
【０１２９】 ２００ｍｍ（およびそのうち３００ｍｍ）のウェハ上にＣＭＯＳと完全に一体
化され、光検出器または光放射器（ＬＥＤまたはＬＡＳＥＲ）のいずれかとして
これらの直接遷移型半導体を使用する可能性は、非常に新しい技術的可能性およ
び経済的可能性を切り開く。
【０１３０】 量子化構造のＩＳＴおよび／またはＩＢＴで作動するイメージャは前述の例よ
りも優れた若干の長所を有する。まず第一の長所は、量子力学の選択法則が特定
の波長だけが吸収される（当然、常にわずかな幅がある）ことを強制することに
よる、潜在的に非常に高い“スペクトル純度”である。これは、２つの物質のバ
ンドギャップの差による波長の選択にくらべて、より洗練されて正確なものであ
る。他の長所は、この種の光吸収が“ローパスフィルタ”でなく、むしろより吸
収におけるデルタ（個別選択）に似ていることである。すなわち、ＱＷは、吸収
される光子よりも高いかまたは低いエネルギーを有する全ての他の光子に透明で
ある。
【０１３１】 これによって、“イメージャ”層が“太陽電池”層の上部にある図６Ａに示さ
れた構成が実現される。この装置は、確かに利点があり、可視光線範囲および紫
外線範囲の光子のように大きなエネルギーを有する光子に応用できる。しかしな
がら、スペクトルの赤外線および遠赤外線の範囲の光子に対するイメージングの
場合、太陽電池機能性を実行する層の下にこれらのイメージャ層を配置すること
はいっそうよいことであり得る。当然、太陽電池層の禁制帯幅工学によっては、
赤外線／遠赤外線イメージングのために使用される波長は吸収されないというこ
とである。
【０１３２】 これは、“原色”を生じるためのイメージング機能に対して特別の接触方式を
必要とする膜がスタックの中にないので、スタックの設計、したがってこのスタ
ックの製造を簡単にする。しかしながら、材料の観点から、光子エネルギーがよ
り高くなり必要とされるポテンシャル井戸はより深いことが必要であり、すなわ
ちＱＷはより狭いことが必要であるので、実行することはより困難になる。 ・（光が装置の中で結合される）検出器の上部 紫外線の特定の波長に対するフィルタ 青色に対するフィルタ 緑色に対するフィルタ 赤色に対するフィルタ 多重禁制帯（赤外線から紫外線への）太陽電池のための層 赤外線／遠赤外線の特定の波長に対するフィルタ ・検出器の底部
【０１３３】 この層のリストは、かなりより簡単であり、実際、太陽電池層からのイメージ
ング（可視光線および紫外線）のデカップリング（分離）があるので、高度にモ
ジュール化されている。この概念の好ましい実施例は図６Ｂに示した。ＱＷ／Ｍ
ＱＷは、シリコンとエピタキシャル的に互換性があると公知であるきわめて広い
禁制帯幅材料によって形成される。このような長いリストの中で、最も優れた候
補であると分かった材料は、Ａｌ2Ｏ3（Ｅｇ≒１２ｅＶ）、ＣａＦ2（Ｅｇ≒１
２ｅＶ）およびＣｅＯ2は絶縁体であり、全て、シリコンに対して大きな導電帯
および価電子帯のオフセットを有する。ＣｄＦ2（Ｅｇ≒８ｅＶ）は、シリコン
との間で電子に対する負のバリヤ高さを有する。
【０１３４】 次に、簡略にした計算は、これらの材料に対する（量子化効果の場合の）可能
な種類の数を与える。固有値は、ＱＷ膜厚およびキャリヤ質量によって決まり、
次にこの質量は、占められる谷の深さ、したがって量子化効果がどれくらい強い
かの関数である。Ａｌ2Ｏ3（Ｅｇ≒１２ｅＶ）の非常に大きい禁制帯幅およびシ
リコンとＡｌ2Ｏ3との間の非常に大きい伝導帯および価電子帯の不連続性のため
に、この構造は、量子力学のいかなる基礎教科書にも取り扱われている“無限正
方形井戸”近似によってモデル化できる。
【０１３５】 正弦関数は、無限に深い静電ポテンシャル井戸の電荷キャリヤの波動関数とし
て使用されることが適切である。すなわち
【０１３６】
【数１】
【０１３７】 ここで、Ｚ（ｚ）は、ｚ方向（閉じ込めの方向）のエンベロープ関数であり、Ｌ
ｚは静電バリヤ間のＱＷ膜の幅であり、ｎz＝１、２、３、．．．は、サブバン
ドインディックスである。この井戸の許可されたエネルギー値（固有値）は下記
の式によって示される。
【０１３８】
【数２】
【０１３９】 ここで、ｍzは、バリヤに垂直な方向、すなわちエピタキシャル層の堆積方向の
キャリヤ質量である。
【０１４０】 異なるサブバンドにある電荷キャリヤは異なる質量を有してもよいために、こ
の計算は大いにより複雑であり得る。これは、より高いサブバンドの占有のため
にキャリヤ密度は増加され得る（より高い固有値）ためであるか、または同じサ
ブバンドインデックスに対して減少されたＱＷ幅によりより大きい固有値を有す
るためである。
【０１４１】 固有値間の差は、（ＥC0＋ＥC1）−（ＥV0＋ＥV1）によって示される。ここで
、ＥC0は、“バルク”伝導帯エッジであり、ＥV0は、“バルク”価電子帯エッジ
であり、ＥC1は伝導帯の最低エネルギー固有値であり、ＥV1は価電子帯の最低固
有値である。
【０１４２】 前述の式から、結果として、大きなサブバンド固有値は、電荷キャリヤ質量を
減少させることまたはＱＷ膜厚を減少させることのいずれかによって得ることが
できる。材料パラメータである第１は、ＱＷ膜に対する可能性のある候補の選択
に対する基準を与えるべきである。
【０１４３】 バンド間遷移の場合、材料パラメータがこれらの遷移にかなり関連しているの
で、これは複雑である。ＶＢおよびＣＢのキャリヤの質量は全く異なり、ＣＢお
よびＶＢの縮退および谷の占有も大いに問題をさらに複雑にする。
【０１４４】 一方、サブバンド間遷移の場合、材料パラメータは無効にされ、遷移はＣＢま
たはＶＢのいずれかによってのみ決まる。
【０１４５】 純粋なゲルマニウムは、非常に小さい“軽い正孔”質量を有し、（シリコン格
子に対する）歪みは２つの“重い正孔”バンドに対する縮退さえ持ち上げること
が生じる。したがって、正孔に対する非常に大きなバリヤの高さの間のＳｉに対
して歪められたＳｉＧｅ（理想的には純粋なＧｅ）の非常に薄い膜は、可視光線
の範囲の光子のような高エネルギー光子で作動する装置の製造に対する有望なシ
ステムを提供するはずである。ＧｅのＭＱＷは、Ａｌ2Ｏ3バリヤ間に挟むことが
できる。
【０１４６】 それで、歪められたＧｅの“軽い正孔”の場合、ＱＷ幅の関数としての固有値
に対する簡単な計算は、より精巧な計算に対してさほど不完全な近似ではないこ
とが分かる。
【０１４７】 赤外線（ＩＲ）のためのデルタ吸収器（サブバンド間遷移を有する）を作るた
めに、必要とされるバンドオフセットが小さいために多数の半導体ヘテロ構造が
使用できる。一般的には、広い禁制帯幅の半導体はＱＷを形成するために使用さ
れる。いくつかの可能性の中で、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＧａＮ、およびこれらの合
金のいくつかが使用され、通常最も優れた候補である。
【０１４８】 しかしながら、可視光線範囲では、光子のエネルギーは、赤色（λ≒７００ｎ
ｍ）の場合約１．８ｅＶから紫（λ≒４００ｎｍ）の場合３．１ｅＶまでの範囲
にある。これは、明らかにＡｌＮの場合を除いてこれらの中の全ての（禁制帯幅
の）範囲外である。
【０１４９】 一方、これらの光子エネルギーに対して必要とされる非常に深いポテンシャル
井戸は、既に述べたいくつかのようにエピタキシャルに互換性のある絶縁体を有
するシリコンに基づいたＱＷの製造によって提供できる。実際、実験の測定値は
、ＣａＦ2／Ｓｉ／ＣａＦ2のサンドウィッチで作られたＱＷは、２．３ｅＶの深
さのＣＢ井戸および８．７ｅＶの深さのＶＢを形成することを示している。した
がって、ＶＢのサブバンド間遷移は、電磁波スペクトルのＵＶおよびＤＵＶ領域
にある極めて高エネルギーの光子に対して可能である。
【０１５０】 光子エネルギー（ｈν）は、正確にｈν＝Ｅ2−Ｅ1である必要がある。第２の
固有値と第１の固有値との差は簡単に下記によって示される。
【０１５１】
【数３】
【０１５２】 下記は、可視光線範囲の光子に対するＧｅのＱＷパラメータを示すいくつかの
計算である。極めて薄いＭＱＷの場合、シリコン格子に対して歪められた（拘束
された）純粋Ｇｅ（擬似結晶）を堆積するのは可能である。 ｈ2＝（１．０５４５７×１０-34）2Ｊｓ ｍ0＝９．１０９３９×１０-31Ｋｇ
【０１５３】 サブバンドインディックス、キャリヤ質量およびＱＷ幅の関数としての固有値
は、下記によって示される。
【０１５４】
【数４】
【０１５５】 したがって、第１および第２のサブバンド間のエネルギー差の関数としてのＱ
Ｗ幅は下記によって示される。
【０１５６】
【数５】
【０１５７】 Ｇｅでは、“軽い正孔”の質量は、ｍz（ｌｈ）＝０．０４４×ｍyであり、“重
い正孔”は、ｍ(hh)＝０．２８×ｍ0である。
【０１５８】 ・青色の光子 ｈν≒３．０ｅＶ＝ＥV2−ＥV1 “軽い正孔”質量の場合 Ｌｚ＝２．９ｎｍ ＥV1（ｌｈ）＝１．００ｅＶ ＥV2（ｌｈ）＝４．００ｅＶ 同じＱＷ幅の場合、“重い正孔”サブバンドは下記を生じる。 ＥV1（ｈｈ）＝０．１６ｅＶ ＥV2（ｈｈ）＝０．６３ｅＶ ＥV3（ｈｈ）＝１．４１ｅＶ ＥV4（ｈｈ）＝２．５１ｅＶ ＥV5（ｈｈ）＝３．９３ｅＶ ＥV6（ｈｈ）＝５．６５ｅＶ
【０１５９】 ・緑色の光子 ｈν≒２．４ｅＶ＝ＥV2−ＥV1 “軽い正孔”質量の場合 Ｌｚ＝３．３ｎｍ ＥV1（ｌｈ）＝０．７９ｅＶ ＥV2（ｌｈ）＝３．１４ｅＶ 同じＱＷ幅の場合、“重い正孔”サブバンドは下記を生じる。 ＥV1（ｈｈ）＝０．１２ｅＶ ＥV2（ｈｈ）＝０．４９ｅＶ ＥV3（ｈｈ）＝１．１１ｅＶ ＥV4（ｈｈ）＝１．９８ｅＶ ＥV5（ｈｈ）＝３．０９ｅＶ ＥV6（ｈｈ）＝４．４５ｅＶ
【０１６０】 ・赤色の光子 ｈν≒１．８ｅＶ＝ＥV2−ＥV1 “軽い正孔”質量の場合 Ｌｚ＝３．８ｎｍ ＥV1（ｌｈ）＝０．５９ｅＶ ＥV2（ｌｈ）＝２．３７ｅＶ 同じＱＷ幅の場合、“重い正孔”サブバンドは下記を生じる。 ＥV1（ｈｈ）＝０．０９ｅＶ ＥV2（ｈｈ）＝０．３７ｅＶ ＥV3（ｈｈ）＝０．８４ｅＶ ＥV4（ｈｈ）＝１．４９ｅＶ ＥV5（ｈｈ）＝２．３３ｅＶ ＥV6（ｈｈ）＝３．３５ｅＶ
【０１６１】 （各色に対して）最大インデックスを有する“重い正孔”サブバンドは、可視
光線の光子の吸収に必要であるエネルギー差をもたらすことができる。しかしな
がら、既に述べられた選択法則のために、第１および第２の“軽い正孔”のサブ
バンド間よりもこのような遷移を有する可能性は非常に小さい。
【０１６２】 ＭＱＷの正確なパラメータが得られたから、この装置の他の態様（サブバンド
間遷移によるイメージャ）が指定される必要がある。
【０１６３】 横方向コンタクトの問題はここでは非常に興味がある状態を有する。 青色の光子（ｈν≒３．０ｅＶ）、Ｌz＝２．９ｎｍ、ＥV1（ｌｈ）＝１．００
ｅＶ、ＥＶ２（ｌｈ）＝４．００ｅＶ、 赤色の光子ｈν≒１．８ｅＶ、Ｌz＝３．８ｎｍ、ＥV1（ｌｈ）＝０．５９ｅＶ
、ＥV2（ｌｈ）＝２．３７ｅＶ、 緑色の光子ｈν≒２．４ｅＶ、Ｌz＝３．３ｎｍ、ＥV1（ｌｈ）＝０．７９ｅＶ
、ＥV2（ｌｈ）＝３．１４ｅＶ。
【０１６４】 検証できるように、３原色に対する全ての第１のサブバンドは、１．０ｅＶ以
下である。同じ３原色に対する全ての第２のサブバンドは、ＶＢエッジから３．
１ｅＶ以上である。以前理解できたように、Ｓｉ3Ｎ4のＶＢエッジからＳｉまで
距離はわずかに１．７ｅＶである。この１．７ｅＶに対して、歪められたＧｅの
更なる不連続性が加えられる。しかし、純粋なＧｅの場合さえ、ＶＢは、１．０
ｅＶ未満だけ上昇するので、第２のサブバンドの固有値は、Ｓｉ3Ｎ4層が全く少
しの静電ポテンシャルバリヤも示さないような位置に常にある。他方、（３原色
の場合）第１のサブバンドに対応する全ての固有値は、Ｓｉ3Ｎ4膜によって示さ
れたポテンシャルバリヤを受ける。
【０１６５】 図７は、ＱＷの３Ｄ概略バンド図であり、横方向“接触絶縁体”はより高いサ
ブバンドにあるキャリヤに対するポテンシャルバリヤを示さない。
【０１６６】 第１のサブバンドは、できるだけ多くの正孔で占められる必要がある。これは
２つのことを達成する。すなわち、まず第一は、第１のサブバンドは、（ＣＢが
活性化されるのに充分な電子がＶＢにないので）バンド間遷移を防止し、サブバ
ンド遷移（ＩＳＴ）によって吸収される機会を“妥当な波長”の入射光子に与え
、正孔を第２のサブバンドの中に活性化することである。全てこのために、ＭＱ
Ｗに強くｐ型不純物を添加させること、すなわち正孔を内部供給することはさら
によいことである。当然、光子吸収を生じた場合、最低サブバンドに正孔の空乏
があるので、空間電荷層を生じる。第１のサブバンド（ＶＢエッジに最も接近し
ているサブバンド）への正孔の供給は、極めて薄い絶縁体を通る大きな直接トン
ネリング電流によって行なわれる。
【０１６７】 たとえば、１９８１年にWiley ＆ Sons社から出版された“半導体装置の物理
学”（第２版）の第５４０ページの図１９ｂにおいて、Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅは、いか
にして電子をＶＢから取り出しおよび／またはＶＢに注入するか、同様に正孔を
ＶＢに注入しおよび／またはＶＢから取り出すかの例を示している。これを考え
ると、印加電圧の大きさを最少にして正孔をＶＢの第１のサブバンドに注入する
ために、左側および右側のコンタクトに対する仕事関数を選択することができる
。これは、原色の各々に対して製作し、最適化できる。
【０１６８】 ＩＳＴ装置はユニポーラであり、本実施例では、正孔のみが装置の動作に関連
している。正孔は、ＭＱＷ層スタックの片側で最低サブバンドに注入される必要
がある。（その波長がＭＱＷパラメータに左右される光子の吸収によって）遷移
を第２のサブバンドの中に行なうこれらの正孔は、ＭＱＷ層スタックの反対側で
取り出される。第１のサブバンドに残るこれらの正孔はＭＱＷを離れるべきでな
い。
【０１６９】 Ｓｉ3Ｎ4が多分最もよい候補であるこれらの条件は、正孔に対する低バリヤ高
さを有する“コンタクト絶縁体”を必要とする。正孔注入は、トンネリングによ
って行なわれ、正孔取り出しは単に“ドリフト拡散”によって行なわれるので、
このことは、注入点のＳｉ3Ｎ4膜が取り出し点のＳｉ3Ｎ4膜（厚さが関連してい
ない）よりも非常に薄いことを示している。
【０１７０】 第２のサブバンドの正孔を取り出し端子の中に駆動する組み込み電界を有する
ことが可能である。注入端子に対して、（ｎ＋ポリシリコンのような）小さい仕
事関数を有することは便利であり、取り出し端子に対して、（ｐ＋ポリシリコン
のような）大きな仕事関数を有することは便利である。外部印加バイアス（必要
ならば）は、組み込み電界をまさに強める、すなわち、正極性は、小さい仕事関
数を有する端子に印加され、負極性は大きな仕事関数を有する端子に印加される
。
【０１７１】 第１の束縛状態は常に完全に占有されるべきであり、同時に第２の束縛状態は
完全に空乏にされるべきである。これらの電極（左側および右側）間に流れる電
流は、吸収される光子数、したがって特定の色の光の強度の直接の目安を示す。
【０１７２】 ＱＷのパラメータは、固有状態および固有値を設定し、すなわち、検出される
波長を選択する。横方向コンタクトは、どのサブバンドが横方向ポテンシャルバ
リヤに遭遇するか、およびどのサブバンドが遭遇しないかを選択する。
【０１７３】 （ＳＷＡＳＰ光弁） 光子がその禁制帯幅よりも大きいエネルギーを有していれば、また光子を吸収
するのに充分なキャリヤがあれば、また（光子の吸収後）占有されると仮定され
るエネルギーレベルが充満していないならば、半導体材料は光子を吸収できる。
したがって、光子は、（禁制帯幅および吸収エッジのような）材料パラメータに
よってだけでなく、印加バイアスで制御される電荷キャリヤ密度およびレベル占
有度（占有確率）に関連するパラメータによってもまた制御できる。
【０１７４】 エネルギーレベルの占有度（ポピュレーション調整）の制御は、色々な方法で
行なわれる。（縮退係数とともに）単位体積および単位エネルギー当たりの状態
数である“状態密度”と呼ばれる１つの重要な物理量がある。量子化構造の“状
態の密度”（ＤＯＳ）は、“ポピュレーション制御”を容易にするために、減少
された寸法性（量子井戸、ワイヤ、ドット）を有する構造を有することは有利で
ある。たとえば、量子井戸のＤＯＳは、“バルク（体積体）”のＤＯＳの場合よ
りも非常に少ない電荷キャリヤが、固有値に対して化学ポテンシャルの相対位置
を大幅に変化させることが可能であることを決定する。
【０１７５】 ３つの係数の組み合わせは、量子井戸方式の光検出器を有する“光弁”を製造
することを可能にする。 ・光子吸収は、特定のエネルギーレベル（固有値）が占有されているか（否か）
に応じて生じない（生じる）； ・吸収媒体が減少された“状態の密度”を有する場合、これらの固有状態のポピ
ュレーションの容易な調整； ・ＭＱＷのスタックの“仕事関数エンジニアリングされた”横方向コンタクトに
よって提供された組み込み電界によって助けられた外部印加バイアスによる抽出
／注入によるポピュレーションの調整。
【０１７６】 したがって、不透明度（光子吸収）の条件は、（光子が吸収される場合、キャ
リヤが活性化される）固有状態ができるだけ空乏化されることを必要とする。透
明度の条件は、これらの固有状態ができるだけ多数のキャリヤを有することを必
要とする。“光弁”の最大“動的範囲”または“コントラスト比”は、固有状態
のゼロ占有を有する不透明度および同じ固有状態の全占有を有する透明度に対し
て得られる。
【０１７７】 ある範囲の波長に対して所与の層の不透明度／透明度を調整する機能は、“波
長選択光弁”の機能性を生じる。この“光弁”機能性は、偏光子を必要としなく
、したがって、透明状態にある場合、より多くの光が装置を通過することができ
る。
【０１７８】 （サブバンド間遷移による光弁） イメージャに関する類似性は最も深いレベルになる。吸収（不透明度）の物理
はＳＷＡＳＰイメージャの同じ物理である。これらのためのために、ＱＷ組成お
よび深さに関する同じ計算は省略される。
【０１７９】 ３原色（加法混色または減法混色）に対する波長による規定はひと通りではな
いことを覚えておくべきである。したがって、ＲＧＢ吸収のために設計されたそ
れぞれＭＱＷを有するＳＷＡＳＰイメージャおよびＳＷＡＳＰ光弁を有すること
ができるが、それらの波長はわずかに異なる。
【０１８０】 ＳＷＡＳＰイメージャとの類似性のために、光弁機能性に対してカバーされる
必要がある唯一の点は、電圧で不透明度／透明度を制御する問題である。
【０１８１】 光子の吸収／非吸収を調整する３つの機構が可能である。
【０１８２】 Ａ）光励起される正孔の供給を受動的に空乏化させる。（適切な波長の）光子
が活性化正孔を高エネルギーサブレベルに保持するとき、これは、結局まさに少
しの正孔も低エネルギーサブバンドに注入しないことになる。低エネルギーサブ
バンドは結局空になり、したがってもはや光子は吸収できない。
【０１８３】 Ｂ）低エネルギーサブバンドの正孔の供給を能動的に空乏化させることは、Ｍ
ＱＷの中から正孔を左側の極めて薄い絶縁体を横切って直接トンネリングさせる
ことによって最低エネルギーサブバンドの中から正孔を取り出すように供給バイ
アスで行なわれる。これは、最低サブバンドから正孔の受動ディプレッションの
強制と似ている。“再実施機構”は、特に低輝度照明条件の下では非常に速いス
イッチング時間を生じる。
【０１８４】 Ｃ）光励起キャリヤが流入すると仮定される全ての状態を光子で満たすことに
よって、光子吸収を阻止する第３の機構。これは、光励起される正孔が高エネル
ギーサブバンドから右側の電極の中に取り出されることを積極的に阻止すること
によって行なうことができる。この動作は、光励起された正孔での高エネルギー
のサブバンドの飽和を生じる。この場合、低エネルギーサブバンドに正孔の充分
な供給がある場合さえ、丁度高エネルギーサブバンドにはそれ以上の正孔に対す
る空間は全然なく、したがって、光子は吸収できない。正孔の右側の方へのドリ
フト拡散を妨げ、この電極への流動を妨げることによって、ホールを高エネルギ
ーサブバンドから取り出されることを阻止できる。左側の絶縁体／電極の方へこ
れらの光励起された正孔を駆動する外部印加バイアスは、この正孔が右側に取り
出されることを阻止する。この機構は、キャリヤが左側の電極、すなわちＱＷの
高エネルギーサブバンドの固有値よりも深い価電子帯にドリフト拡散できないよ
うに価電子帯エッジを左側絶縁体が有することを必要とする。たとえばＳｉＯ2
はこの条件を満たす。
【０１８５】 したがって、不透明度（光子吸収）の条件は、高エネルギーサブバンド（１つ
の光子が吸収される場合、１つのキャリヤが活性化される）が空であるかまたは
できるだけ空乏化されることを必要とする。透明度（非吸収）の条件は、低エネ
ルギーサブバンドが正孔が空であること、および／または高エネルギーサブバン
ドができるだけ多数のキャリヤを有する（高度に正孔で占められる）ことを必要
とする。ある範囲の波長に対する所与の層の不透明度／透明度を調整する機能は
“波長選択光弁”をもたらす。
【０１８６】 印加バイアスに対称性が必要とされた場合、最適の方法は、横方向コンタクト
の両方に同じ仕事関数をもたせることである。この場合、ＭＱＷの最低エネルギ
ーサブバンドと整列される仕事関数を有することは有用である（バンド図を参照
）。各カラーは異なる固有値を有しているので、原色の各々に対して合致される
異なる金属（異なる仕事関数を有する）を選択することが考えられる。
【０１８７】 図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃは、前述の“機構＃２”の場合の異なるバイアス条件
に対するＱＷに平行な切り口に沿っての定性的バンド図を示す。
【０１８８】 図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃは、前述の“機構＃３”の場合の異なるバイアス条件
に対するＱＷに平行である切り口に沿っての定性的バンド図を示す。
【０１８９】 （ディスプレイ用ＳＷＡＳＰ光弁） 波長選択光弁は、この装置に使用される物理の固有の結果である。今日、フラ
ットパネルディスプレイの製造に使用された他の光弁技術は全然この特性を有し
ない。“波長限定”反射器または“波長選択”反射器とともに用いることによっ
て、完全に新しい種類の固体反射フラットパネルディスプレイ技術が可能になる
。
【０１９０】 必要とされる物理効果の特性および電荷抽出／注入アーキテクチャによって、
これは、不透明度状態と透明度状態との非常に高速なスイッチであり、メモリ効
果を有すると仮定することは妥当である。フラットパネルディスプレイに関して
、これは、“光弁”としての本発明の構造が“能動マトリックス”を必要とする
よりも“受動マトリックス”によって駆動できることを示している。
【０１９１】 実際に、このような波長選択光弁はここで前述されたイメージャと極めて似て
いる。この差は光吸収を印加電圧で制御するのに必要とされる機能にある。
【０１９２】 （光相互接続＆ネットワークのためのＳＷＡＳＰ光弁） 図１０は、多数のＳＷＡＳＰ光弁を有する“スイッチング”および／または“
振幅変調”および／またはマルチプレクシング／デマルチプレクシング、および
／またはルーティングのための典型的な装置の概略を示す。この装置は、低損失
平面導波管上に２次元配列として配置された多数のＳＷＡＳＰ光弁の透明度／不
透明度状態を単に制御することによって作動する。この装置は、平面導波管の丁
度片側または両側上の光弁の２次元配列で作動できる。
【０１９３】 光弁が所与の波長に対して透明モードにある場合、この特定の波長の光子は、
殆ど吸収されないかまたは全然吸収されないで光弁を通って進行できる。光弁が
不透明モードにある場合、この特定の波長の特定の光子は吸収されるので、信号
振幅は強く減少される。入ってくる信号および出て行く信号は、光ファイバまた
はある種の導波管のいずれかによって“変調器”に到達できる。したがって、各
々の波長の光子の発生源（ＬＡＳＥＲ）は、連続モードで作動でき、それ自体は
変調を行なう必要がない。
【０１９４】 一旦、平面導波管で結合され、閉じ込められると、入ってくる光ビームは、導
波管の内部壁からの多数の反射を受けるので、各点、すなわち２次元配列の各素
子は、最初の光ビームの強度（すなわち光子数）の一部分を受光する。光弁の制
御は、前記光弁を通る（異なる波長の）光子の伝搬を許可または禁止する。
【０１９５】 この方式は、入ってくる光ビームの光子の全てを単一の光路の中へ経路選択し
なくて、むしろ入ってくる光ビームを全ての可能な経路を通して分配する。した
がって、光弁の透明度／不透明度状態の指令によって、どの光路が光ビームの伝
搬を許可されているか、またはどの光路が許可されていないかの制御がある。出
て行く光ビームは入ってくる光ビームの強度の一部分を有しているために、各ポ
ート後の光信号の再生が必要である可能性がある。
【０１９６】 いま述べた機能は、光弁が波長選択性であるために、同時に作用する多数の波
長に利用できることが強調されるべきである。ＳＷＡＳＰ光弁のこの波長選択性
により、ひとつのポートが、ある波長に対して“透明”状態であり、他の波長に
対して“不透明”状態であり得る。したがって、たとえ“入ってくる”波長およ
び“出て行く”波長の選択に全然対立がないならば、完全双方向性を有すること
さえ可能である。したがって、これは波長分割マルチプレクシングおよびデマル
チプレクシングも行なうことができる。
【０１９７】 たとえ非選択光路に向けられた光子は、光吸収されるとしても、すなわち電気
に変換されるとしても、選択光路を通って進行する光ビームは、任意の点でその
ような電気信号への変換なしに行なうために、これは、“全光”ルーチング方式
である。
【０１９８】 この構造で、このルーチングは、たった１つの光弁が透明モードにある場合、
“ポイント・ツー・ポイント”であり得る、または多数の光弁が同時に“透明”
である場合、“ポイント・ツー・マルチポイント”であり得る。さらに、波長選
択性であるために、ひとつの“カラー”に対してポイント・ツー・ポイントルー
チングを有し、他方のカラーに対して（複数のカラーに対しても）ポイント・ツ
ー・マルチポイントルーチングを有することが可能である。
【０１９９】 スイッチング、振幅変調、マルチプレクシング／デマルチプレクシング、およ
びルーチングのようなこのセットアップの多重機能性の固有アーキテクチャは、
単一で非常にコンパクトなアーキテクチャによって実現される。
【０２００】 回折パターンを使用する場合、反射器（波長選択ミラーまたは単純なミラー）
は、多重波長のための“光弁”のスタックの後ろに配置されている。光弁は、ピ
クセルが制御される光の波長よりも小さい横方向寸法を有する２次元配列にパタ
ーン化される。
【０２０１】 ２次元配列素子（またはピクセル）は、全ての波長に対する全ての光弁のオン
／オフを個別にスイッチする電子素子（たとえば、ＭＯＳＦＥＴ）の能動マトリ
ックスによって命令される。システム速度制約が光弁のスイッチング速度で決定
され、トランジスタのスイッチング速度で決定されないように、“能動マトリッ
クス”は、非常に密で、非常に高速のトランジスタで作られる必要がある。
【０２０２】 光ファイバまたは他の種類の導波管から得られる光ビームの場合のように、異
なる波長のコヒーレント光が外部から供給される。
【０２０３】 異なる波長の光ビームのルーチングは、入ってくる光ビームの全光子をポイン
ト・ツー・ポイント接続のための単一光路またはポイント・ツー・マルチポイン
ト接続のための多数の異なる光路の中へ向けることによって行なわれる。
【０２０４】 “ビームステアリング”および“ビームシェーピング”は、サブ波長機能を有
する回折格子によってのみ可能にされる。ステアリングされたビーム／シェーピ
ングされたビームは、オンおよびオフ状態のＳＷＡＳＰ光弁のセットの能動マト
リックス制御によって動的に変更できる。
【０２０５】 たとえば、光ファイバ通信で使用される最も一般的な波長は１３１０ｎｍおよ
び１５５０ｎｍである。マイクロエレクトロニクス工業は既にこれらの寸法より
も非常に小さい構造を生じることができる。１８０ｎｍ（０．１８μｍ）の臨界
の寸法は、現在（２０００年の半ば）ＣＭＯＳ製品の製造で日常的に使用され、
０．１５μおよび０．１３μｍは、非常に近い将来に利用できるようになること
が見込まれる。これらの臨界寸法は、光ファイバ通信のために使用されるこれら
の波長よりも約１０倍小さいので、これらの波長のための回折格子になるのに充
分小さいＳＷＡＳＰ光弁の通常の製造が可能なはずである。
【０２０６】 回折パターンの動的制御は、サブ波長サイズの２次元配列素子（またはピクセ
ル）の透明状態および不透明状態を変える。不透明状態の光弁の場合、光子は、
吸収されるので、黒いスポットが形成される。透明状態の光弁の場合、光子は吸
収されない。
【０２０７】 反射システムの場合、光ビームが光弁に吸収されない場合、光弁の後ろに置か
れたミラーは、所望の方向および形状に対して光ビームを後方反射する。ホトニ
ック禁制帯幅（ＰＢＧ）層または材料で作ることができる光弁の後方のミラーは
、優先的に波長選択性であるべきである。したがって、光弁およびＰＢＧ反射器
は全く同じ波長のセットに“同調”できる。
【０２０８】 光弁および反射器の両方の波長選択性によって、異なる波長のための異なる回
折パターンを同時に持つことができ、異なる波長の同時および別個の“ビームシ
ェーピング”および“ビームステアリング”を可能にする。
【０２０９】 液晶のように他の光弁技術は、ＳＷＡＳＰ光弁の機能性のいくつかを実行する
ことができる。しかしながら、ＳＷＡＳＰ光弁は、“全固体”による解決手段か
ら得られる多数の長所を示す。
【０２１０】 ＳＷＡＳＰ方式システムは、２つのオプトエレクトロニクス平面間の透明材料
を有してもよい。ＬＣＤで作られた光弁は、全システムの厚さに関するいくつか
の制約を有する。ＬＣＤは、液晶で充填された２、３ミリメートルの間隔を２つ
のパネルのあいだに必要とする。
【０２１１】 ルーチングはスイッチング素子で行なわれ、回折格子を生じるために、同じル
ーチング素子は、スイッチングおよび振幅変調をも実行できる。これらの機能性
を組み合わせて、単一の装置にすることのみが、ＳＷＡＳＰ光弁の固有の高速ス
イッチング速度のために、有用であり、有利である。この組み合わせは、液晶光
弁、レーザの電気変調、ＭＯＥＭＳ−マイクロオプトエレクトロニクス・メカニ
カルシステムで作られた光弁のような従来の解決策よりも優れた、コンパクトさ
およびコストに関する莫大な長所をもたらすはずである。
【０２１２】 吸収のための物理的機構がサブバンド間遷移（ＩＳＴ）であるので、光子励起
キャリヤ（電子または正孔）は、同一帯（それぞれ、伝導帯または価電子帯）内
のより高いポテンシャルエネルギーレベルに活性化される。この機構は、光子を
吸収する場合、電子が価電子帯から伝導帯へ禁止された禁制帯幅を横切るバンド
間遷移（ＩＢＴ）よりも本質的に速い。これらの機構の両方とも、ミリ秒の典型
的なスイッチング時間を有する液晶光弁やＭＯＥＭＳの光弁のような機械運動を
利用するいかなる他の技術よりも何桁も速い（典型的な時間は１ナノ秒よりも小
さい）。
【０２１３】 これは、出て行く信号の信号再生を必要とし得る受動装置である。前述の装置
のように、光弁および反射器の波長選択性は増加された性能を可能にする。
【０２１４】 （ＳＷＡＳＰ ＬＥＤおよびＬＡＳＥＲ） 本開示の装置に対して求められ、もくろまれた最初の機能性は、光検出、すな
わち、光子の吸収を含んでいる。しかしながら、特定のパラメータの選択によっ
て、同じ装置概念は、光子放射器、発光装置（ＬＥＤ）にもなり得る。微小空洞
に適当に置かれた場合、放射光がコヒーレントでない理由はないので、この装置
はＬＡＳＥＲとしての役割を果たす。
【０２１５】 サブバンド間遷移の１つ以上または非常に重要な長所は、生じるいかなる遷移
の確率をも決定するいくつかの材料固有のパラメータのキャンセルである。この
ようなことは禁制帯幅の大きさおよびタイプを直接または間接に有する場合であ
る。実際に、このサブバンド間遷移の特性は、ＳｉおよびＧｅのような材料系で
作られた装置を強く求める。
【０２１６】 量子カスケードＬＡＳＥＲは、このような物理機構の実現可能性を示した。し
かしながら、ＳＷＡＳＰと量子カスケード機構との間にはいくつかの基本的な差
がある。これらは、両方ともユニポーラであり、サブバンド間遷移に依存する。
【０２１７】 量子カスケードＬＡＳＥＲでは、キャリヤは、量子化効果（サブバンド）を生
じる一連のポテンシャルバリヤを通って進められる。このキャリヤは、ＱＷのサ
ブバンドから進み、ポテンシャルバリヤを通ってトンネルし、次のＱＷの中に落
下し、このプロセスで、光子を放射し、ポテンシャルエネルギーの損失を補償す
る。キャリヤは、ヘテロ接合エピタキシャル成長の方向に垂直な外部印加電界に
よってヘテロ接合層を通って進められる。
【０２１８】 ＳＷＡＳＰ装置では、キャリヤは、ＱＷバリヤがあまりにも幅が広いのでトン
ネルできなく、バリヤの両端間には電界が全然ないために、ＱＷバリヤを通って
トンネルしない。これは、ヘテロ接合エピタキシャル成長によって規定されるよ
うにポテンシャル井戸の“理想的”形状を保持する。本発明の構造の場合、組み
込み電界または外部から印加された電界は、横方向コンタクト間にあるので、常
にＱＷの平面に平行である。
【０２１９】 ＳＷＡＳＰ構造の場合、遷移は、同じ量子閉じ込めバリヤ内の同じＱＷの２つ
の別個の固有値間で行なわれる。これは、一方の固有値が前述の電界の動作によ
って他方よりも低いエネルギーレベルになる連続ＱＷの２つの基底状態間の遷移
と対比される。
【０２２０】 光検出に対する最適設計をもたらす考察事項のいくつかは、光放出に対してと
同じである。すなわち、量子力学選択法則によって容易にされる遷移の選択、高
スペクトル純度、非常に軽い電荷キャリヤを有するエネルギーバンド等である。
【０２２１】 微小空洞へのＳＷＡＳＰ量子井戸の挿入は、コヒーレント光の放出を可能にす
るはずである、すなわち、ＳＷＡＳＰ装置はＬＡＳＥＲになる。ＳＷＡＳＰ方式
のＬＡＳＥＲの動作はフォトルミネセンスまたはエレクトロルミネセンスのどち
らかによってもよい。
【０２２２】 理想的には、高エネルギー固有状態にキャリヤを注入する金属の仕事関数は、
固有状態そのものよりも高いポテンシャルエネルギーを有するべきであるので、
非常に小さい電圧が装置を作動するのに必要である。理想的には、”コンタクト
絶縁体”のバンドエッジは、仕事関数よりも低いポテンシャルエネルギーレベル
にあることも生じるべきである。
【０２２３】 キャリヤ注入の場合、高低の固有状態の両方とも両側の“コンタクト絶縁体”
のバンドエッジの下にあるべきである。これらは同じ材料で作られる。
【０２２４】 この問題は、金属のために列挙されていた最大仕事関数がＳｉまたはＧｅの価
電子帯の場合にこの方式が可視光線範囲の光子で作動するのに充分大きくないと
いうことである。可視光線範囲の光子の場合、かなり高い電圧が横方向コンタク
トの１つにあるコンタクト絶縁体の中の１つを通してトンネル電流を注入できる
ために印加される必要があることは必然的であるように思える。キャリヤが注入
される必要がある固有値は金属コンタクトの金属仕事関数以下である場合、これ
はもはや必要ない。
【０２２５】 （“ヘテロ接合集積熱電子クーラー”（ＨＩＴ）を有するＳＷＡＳＰ） ＳＷＡＳＰ装置層のアーキテクチャは、基本活性領域および臨界寸法が低温ヘ
テロエピタキシャル堆積中に原子制御される“垂直装置”のためのプロセスフロ
ーで製造される。“標準技術”である“プレーナ装置”よりも優れた基本的な差
および長所はこの特徴にある。
【０２２６】 ここに開示され、任意の重大な欠点または制約なしに、より多くの機能および
長所を付加するだけである膜の楽で簡単なヘテロエピタキシャル堆積に関連する
装置アーキテクチャを容易にするもう一つのどうしても避けられない議論がある
。
【０２２７】 最近、それに印加されたバイアスを有する所定のヘテロ構造が隣接材料の温度
を低下させる機能を有することが示された。これらの装置および構造は、“ヘテ
ロ接合熱電子クーラー”と呼ばれ、シリコンの互換性がある材料で実現するのに
何ら問題を示さなく、特に、ＳＷＡＳＰ装置の１つまたはそれ以上の用途をつけ
加えるように見える。熱雑音の値（ＫBＴ）に対して必要とされるエネルギーの
密閉のためにＩＲおよびＦＩＲ検出に専用であるＳＷＡＳＰの一部を（室温に対
して）冷却する可能性は特に好ましい。したがって、温度（Ｔ）を局部的に低下
させることは、ＩＲおよびＦＩＲ信号検出の非常に改良された信号対雑音比を可
能にするはずである。
【０２２８】 この種の機能性を達成するのに必要される禁制帯幅工学は、確かに“標準技術
”の問題外であり、ＳＷＡＳＰ装置およびプロセスアーキテクチャと絶対的に自
然のままでフィットするように見える。
【０２２９】 （アモルファス層またはポリ活性層を有するＳＷＡＳＰ装置） ここで既に述べたように、本発明のＳＷＡＳＰ概念は、任意の材料系で実施さ
れる。示された例は、この系でこの装置を実行する際の明らかな経済的関心のた
めに、シリコン互換材料を使用した。
【０２３０】 示された例は、常にこの装置の全ての能動層の高結晶特性を保証するエピタキ
シャル擬似結晶成長を要求した。当然、この種の層は、欠陥密度、再結合速度、
電荷キャリヤ移動度等により最高性能を提供できる。
【０２３１】 しかしながら、このようなヘテロ接合の擬似結晶成長の極端な制御を要求し、
当然単結晶ウェハである高品質基板を必要とする。
【０２３２】 低コスト、“大面積”基板および処理は、アモルファスまたは多結晶膜にだけ
可能であり、したがって、いくつかの修正は、装置の構造規定の単結晶版に対し
て必要とされる。シリコン合金に対する禁制帯幅工学のいくつかは、歪められた
層を実際に必要とするので、層シーケンスを単にまねし、同じ膜のアモルファス
／多結晶形態との同じ帯整列を得ることを不可能にする。
【０２３３】 いくつかの種類の帯整列および／またはいくつかの範囲のバンドオフセットは
、いくつかの種類のシリコンを基にした合金に対して何とか可能であるとしても
、容易ではない。他の材料またはこの構造を設計する際のより少ない自由度を受
け入れなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のプレーナＣＭＯＳイメージャの断面図を示す。
【図２】 本発明による装置アーキテクチャの断面図を示す。
【図３】 量子井戸層に平行な切り口を示すバンド図の２次元図を示す。
【図４】 材料を示していない太陽電池として使用するための本発明の用途を示す。
【図５Ａ】 太陽電池と一体化されたイメージャとして使用するための本発明の用途を示し
、このイメージャはバルクまたは超格子活性層の帯間遷移で作動すべきである。
【図５Ｂ】 対応する禁制帯幅シーケンスおよびその波長選択性とともに図５Ａの層スタッ
クを示す。
【図６Ａ】 太陽電池と一体化されたイメージャとして使用するための本発明の用途を示し
、このイメージャは“多重量子井戸”活性層のような量子化構造の帯間遷移で作
動すべきである。
【図６Ｂ】 対応する禁制帯幅シーケンスおよびその波長選択性とともに図６Ａの層スタッ
クを示す。
【図７】 静電電位井戸の形成の原因であるエピタキシャル絶縁体のバンド、活性層のバ
ンドおよびサブバンド、および横方向コンタクト絶縁体のバンドを示す量子井戸
の３次元概略バンド図である。
【図８Ａ】 フォトエッチングされる正孔の供給を積極的に減らすための異なるバイアス条
件に対する量子井戸に平行な構造の切り口に沿うバンド図を示す。
【図８Ｂ】 フォトエッチングされる正孔の供給を積極的に減らすための異なるバイアス条
件に対する量子井戸に平行な構造の切り口に沿うバンド図を示す。
【図８Ｃ】 フォトエッチングされる正孔の供給を積極的に減らすための異なるバイアス条
件に対する量子井戸に平行な構造の切り口に沿うバンド図を示す。
【図９Ａ】 低エネルギーサブバンドの正孔の供給を活動的に減らすための異なるバイアス
条件に対する量子井戸に平行な構造の切り口に沿うバンド図を示す。
【図９Ｂ】 低エネルギーサブバンドの正孔の供給を活動的に減らすための異なるバイアス
条件に対する量子井戸に平行な構造の切り口に沿うバンド図を示す。
【図９Ｃ】 低エネルギーサブバンドの正孔の供給を活動的に減らすための異なるバイアス
条件に対する量子井戸に平行な構造の切り口に沿うバンド図を示す。
【図１０】 光弁に対する本発明による典型的な装置の概略図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図１０】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板（１０）、 入射光がバンドギャップを単調に減少させるように層を通って移動させるように
    垂直方向に配列した異なった多数の波長選択性活性層（１２）、前記活性層は波
    長選択性光子吸収層および／または光子放出層であって、それによって異なった
    エネルギの光子が前記活性層によって選択的に吸収または放出され、 および光子吸収層に生成した電荷キャリアを抽出および／または電荷キャリアを
    光子放出層に注入するように設置した接触手段（１７、１８）からなる光電装置
    。
  2. 【請求項２】 層の構造が、個々の活性層（１６）の下部または上層の上層
    部に位置する広いバンドギャップを有する絶縁層（１４）である請求項１記載の
    装置。
  3. 【請求項３】 活性層（１６）が量子井戸深度を調整するように配置され、
    それによってカラー波長とは独立の層に対する吸収／放出特性を発現する請求項
    １または２記載の装置。
  4. 【請求項４】 活性層が合金組成物を有し、その吸収／放出特性が波長とは
    独立であるように選択されている請求項１または２記載の装置。
  5. 【請求項５】 接触手段が、個々に前記活性層に設けられた横方向の接点、
    または同じパラメータを有する活性層の一組を通って加工されている請求項１、
    ２、３または４記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記接点が、電子と正孔が別々に光子吸収層から抽出される
    、または別々に光子放出層に注入されるように設置された請求項５記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記接点が、超薄絶縁体／酸化物フィルムを用いた金属−絶
    縁体−半導体（ＭＩＳ）または金属−酸化物−半導体（ＭＯＳ）で形成された請
    求項６記載の装置。
  8. 【請求項８】 すべての活性層が量子井戸になるように設置され、それによ
    って前記活性層が調整可能な吸収および／または放出エッジを有する請求項１、
    ２、３、４、５、６または７記載の装置。
  9. 【請求項９】 すべての活性層が可視光に透明となることができるように調
    整されている請求項８記載の装置。
  10. 【請求項１０】 太陽電池および／またはイメージャーおよび／または光バ
    ルブとして機能するように設定されている請求項１、２、３、４、５、６、７、
    ８または９記載の装置。
  11. 【請求項１１】 コヒーレント光を生成するように設定されている請求項１
    、２、３、４、５、６、７、８または９記載の装置。
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