【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は量子井戸型光検知装置に関するものであり、特に、測定中の経時温度変化に伴う暗電流に起因するＳＮ比の低下を抑制するための構成に特徴のある量子井戸型光検知装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より１０μｍ帯の赤外線を検知する赤外線検知器としては、ＨｇＣｄＴｅを用いたフォトダイオードアレイが用いられていたが、近年、応答が速く高感度という特徴をもつ量子準位を利用した量子井戸型赤外線検知器（ＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＱＷＩＰ）が注目を集めている。
【０００３】
その中でも８〜１２μｍ帯に感度を持つＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子を用いたＱＷ１Ｐは、成熟したＧａＡｓ系化合物半導体製造技術を用いることができるため、広く利用されているので、ここで、図５を参照して従来のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系ＱＷＩＰ素子を説明する。
【０００４】
図５（ａ）参照
図５（ａ）は、従来のＱＷＩＰ素子の概略的要部断面図であり、まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板７１上に、下部コンタクト層となるｎ型ＧａＡｓ層７２、ｉ型ＡｌＧａＡｓバリア層８４に交互に挟まれた複数のｎ型ＧａＡｓウエル層８５からなるＭＱＷ層７３、及び、上部コンタクト層となるｎ型ＧａＡｓ層７４を順次堆積させたのち、センサ素子形成領域に対応するｎ型ＧａＡｓ層７４の表面に垂直入射する赤外線８７をＭＱＷ層７３で吸収可能なように斜め方向に回折・偏向させる回折格子７５を設ける。
【０００５】
次いで、ｎ型ＧａＡｓ層７２に対する共通電極を形成するためのコンタクト用開口を設けたのち、ＳｉＯＮ膜（図示せず）を保護膜とし、ＳｉＯＮ膜に設けた開口部分にＡｕ・Ｇｅ／Ｎｉからなるオーミック電極７６，７７を設けると共に、オーミック電極７６及び回折格子７５を覆うようにＡｕ膜を設けて反射電極７８とする。
【０００６】
さらに、ＳｉＯＮ膜７９を設け、このＳｉＯＮ膜７９に設けた開口部を介してオーミック電極７６，７７上にＴｉ／Ａｕ膜からなるパッド電極８０，８１を設け、このパッド電極８０，８１上にＩｎバンプ８２，８３を設けることによってＱＷＩＰ素子の基本構成が得られる。
次いで、このＱＷＩＰ素子をＳｉ信号処理回路基板にＩｎバンプ８２，８３によって接続することによって、量子井戸型赤外線検知装置が得られる。
【０００７】
この様に、従来のＱＷＩＰ素子では、光吸収層となる多重量子井戸構造のＭＱＷ層７３の上下をコンタクト層、即ち、ｎ型ＧａＡｓ層７２及びｎ型ＧａＡｓ層７４で挟んだ素子構造となっており、各光センサ素子には半絶縁性ＧａＡｓ基板７１側からほぼ垂直入射した赤外線８７がＭＱＷ層７３において吸収されやすいように斜め方向に回折・偏向させる回折格子７５、及び、回折格子７５を透過する赤外線８７をＭＱＷ層７３側に反射する反射電極７８からなる光結合構造を有している。
【０００８】
図５（ｂ）参照
図５（ｂ）に示すように、ＭＱＷ層７３の伝導帯では、それぞれのバンドによりｎ型ＧａＡｓウエル層８５の特定の深さに基底準位８６が形成されるようにＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ層厚を決めることで、特定のエネルギーＥｐ をもつ赤外線８７の入射によって基底準位８６の電子８８が光励起され、量子井戸の外に放出される。
この時、ＭＱＷ層７３の両端、即ち、ｎ型ＧａＡｓ層７２とｎ型ＧａＡｓ層７４の間にバイアスを加えておくことにより、光励起された電子８８を光電流Ｉｐ として検知することが可能となる。
【０００９】
一方、ｎ型ＧａＡｓウエル層８５内の電子８８はおおむねフェルミ・ディラック統計に従って分布するため、赤外線８７が入射しない場合でも基底準位８６の電子８８が素子温度に起因する格子振動８９により熱励起され、バイアス印加により暗電流Ｉｄ が流れる。
【００１０】
実際に測定される電流はこれらの和となり、総電流Ｉｔ は、
Ｉｔ ＝１ｐ （Ｔ）＋Ｉｄ （Ｔ′）
と表される。
なお、ＴはＱＷＩＰ素子に照射される赤外線を発する面黒体の温度であり、ここでは輻射温度とし、また、Ｔ′はＱＷＩＰ素子の温度であり、ここでは素子温度とする。
この場合、光電流Ｉｐ は素子温度Ｔ′には依存しないので、輻射温度Ｔのみが変数となり、一方、暗電流Ｉｄ は輻射温度Ｔには依存しないので、素子温度Ｔ′のみが変数となる。
【００１１】
この様なＱＷＩＰ素子における正味の信号Ｓ０ は、単位輻射温度における光電流の出力差であるので、
Ｓ０ ＝〔Ｉｐ （ＴＨ ）−Ｉｐ （ＴＬ ）〕／（ＴＨ −ＴＬ ）・・・（１）
と表され、ここでは、ＴＨ およびＴＬ は異なる２つの輻射温度を表す。
【００１２】
しかし、光電流Ｉｐ だけを単独で測定することはできないため、異なる輻射温度ＴＨ 及びＴＬ における総電流を、
Ｉｔ （ＴＨ，Ｔ′２ ）＝Ｉｐ （ＴＨ ）＋Ｉｄ （Ｔ′２ ） ・・・（２）
Ｉｔ （ＴＬ，Ｔ′１ ）＝１ｐ （ＴＬ ）＋Ｉｄ （Ｔ′１ ） ・・・（３）
をそれぞれ測定し、それらより信号Ｓを
Ｓ＝〔Ｉｔ （ＴＨ，Ｔ′２ ）−Ｉｔ （ＴＬ，Ｔ′１ ）〕／（ＴＨ −ＴＬ ） （４）
と表す。
なお、Ｔ′２ およびＴ′１ は、それぞれ輻射温度ＴＨ およびＴＬ を用いた測定時の素子温度を表す。
【００１３】
上記の式（４）を変形すると、
となる。ここで、
Ｎ＝〔Ｉｄ （Ｔ′２ ）−Ｉｄ （Ｔ′１ ）〕／（ＴＨ −ＴＬ ） ・・・（６）
とする。
この場合、素子温度が一定であればＴ′２ ＝Ｔ′１ であり、Ｎ＝０となり第２項は消える。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、長時間にわたる測定中におけるＱＷＩＰ素子外部の温度変化などにより素子温度Ｔ′２ はＴ′１ から外れていき、素子温度が変化するとＴ′２ ≠Ｔ′１ となり、式（５）における第２項が有限な値となり、信号Ｓの値を不確定にする測定中の経時変化に伴う雑音Ｎとなる。
【００１５】
ところで、暗電流Ｉｄ に寄与する熱励起される電子の量ｎは、
ｎ∝１／｛１＋ｅｘｐ（Ｅａ ／ｋＢ Ｔ′）｝ ・・・（７）
で表される（必要ならば、特開２００１−０４４００８号公報参照）。
なお、Ｅａ は、熱励起に関わる実効的な障壁のポテンシャルであり、概ね、Ｅｐ に一致する量である。
【００１６】
一般的なＱＷＩＰ素子では、Ｅａ ≫ｋＢ Ｔ′であるので右辺は近似的にｅｘｐ（−Ｅａ ／ｋＢ Ｔ′）として良い。
暗電流はこの量に比例するため
Ｉｄ （Ｔ′）∝ｅｘｐ（−Ｅａ ／ｋＢ Ｔ′） （８）
と書くことができ、これから素子温度は暗電流に指数関数的に寄与することが分かる。
従って、素子温度の経時変化がわずかであっても、その変化量で表された経時変化に伴う雑音Ｎは大きい値をとり、結果としてＳＮ比の低下を招くという問題がある。
【００１７】
この問題を解決するためには、Ｉｄ （Ｔ′２ ）およびＩｄ （Ｔ′１ ）の値が測定できることが必要であるが、単体のＱＷＩＰ素子では、暗電流Ｉｄ を単独で、また、時間を追って赤外線測定する間に暗電流測定することは困難である。
【００１８】
即ち、時間を追って赤外線測定する間に暗電流Ｉｄ 測定するためには、機械的なシャッターを設けて、その開閉によって赤外線測定と暗電流測定を切りわければ良いが、そうすると、装置構成が大型化・複雑化するという問題がある。
【００１９】
なお、暗電流Ｉｄ を相殺するために、赤外線検知用ＱＷＩＰ素子に対して暗電流検知用のダミーＱＷＩＰ素子をモノリシックに一体に設けることも提案（必要ならば、特開２０００−１８３３１９号公報参照）されているが、この場合には、赤外線の照射により熱の影響を受けやすい赤外線検知用ＱＷＩＰ素子ではなく、隣接するダミーＱＷＩＰ素子の暗電流を検知するものであり、赤外線検知用ＱＷＩＰ素子の温度変化に起因する暗電流の変化を必ずしも正確に反映したものとはならない。
【００２０】
また、ダミーＱＷＩＰ素子を赤外線検知用ＱＷＩＰ素子に隣接して配置する必要があるため、素子面積が大きくなるという問題がある。
【００２１】
したがって、本発明は、素子面積を大きくすることなく、簡単な構成で外部温度の変化に伴う素子温度の経時変化に起因するＳＮ比の低下を抑制することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記目的を達成するため、本発明は、量子井戸型光検知装置において、指向性の高い光６を照射することによって被検知光５の透過を操作できるダミー量子井戸層４を備えたダミー量子井戸素子３を光検知用量子井戸素子１の前段に設けたことを特徴とする。
【００２３】
この様に、指向性の高い光６、特に、レーザ光を照射することによって被検知光５の透過を操作できるダミー量子井戸層４を備えたダミー量子井戸素子３を前段に設けることによって、レーザ光のオン／オフによりダミー量子井戸素子３をフィルタとして動作させることができるので、暗電流を単独に、且つ、赤外線の測定中に測定することが可能になる。
【００２４】
また、ダミー量子井戸素子３は、被検知光の入射経路上に重ねて設けるので、光検知用量子井戸素子１が大面積化することがない。
この量子井戸型光検知装置で、ある温度Ｔをもつ物体から発せられる赤外線を時間を追って検知する場合、上述の式（２）は時間を追って測定される総電流となり、式（３）は補正データとして予め測定しておくことになる。
【００２５】
この場合、量子井戸層においては、被検知光５の電場が、量子井戸層の積層方向の成分を有していないと吸収されないという選択則を有しているので、ダミー量子井戸層４を、被検知光５を測定する光検知用量子井戸素子１を構成する光検知用量子井戸層２に対して傾斜する必要がある。
【００２６】
また、光検知用量子素子は薄く形成する必要があるので、ダミー量子井戸層４を構成する井戸層の層数を光検知用量子井戸層２を構成する層数より多くすることが望ましく、それによって、ダミー量子井戸層４で被検知光５を吸収する際に吸収効率を高めることができるとともに、機械的強度を高めることができる。
【００２７】
また、指向性の高い光６をダミー量子井戸層４の積層方向に平行に入射させることにより、ダミー量子井戸層４の伝導帯に形成された基底準位にある電子をほぼ光励起して基底準位を空にすることができ、それによって、被検知光５の測定中におけるダミー量子井戸層４による不所望な吸収を抑制することができる。
【００２８】
また、伝導帯に形成された基底準位にある電子の光吸収を利用した量子井戸型光検知素子の典型的検知対象は赤外線であり、また、ダミー量子井戸層４及び光検知用量子井戸層２がＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系量子井戸で構成することによって、成熟したＧａＡｓ系化合物半導体製造技術を用いることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図４を参照して、本発明の実施の形態の量子井戸型赤外線検知装置を説明する。
図２参照
図２は、本発明の実施の形態の量子井戸型赤外線検知装置の概略的構成図であり、被検出赤外線５６を検出するＱＷＩＰ素子１０と、その前段にＱＷＩＰ素子１０に対して例えば、４５゜傾けて設けられたダミー量子井戸素子４０、ダミー量子井戸素子４０に吸収波長帯のレーザ光５２を照射する半導体レーザ５１によって構成される。
【００３０】
このＱＷＩＰ素子１０は、Ｉｎバンプを介してＳｉ信号処理回路基板３０に接続され、ＱＷＩＰ素子１０で検知された被検出赤外線５６はＳｉ信号処理回路基板３０で処理されて画像化される。
【００３１】
また、半導体レーザ５１からのレーザ光５２は、ミラー５３で反射させてダミー量子井戸素子４０に設けたダミー量子井戸層の積層方向に平行に入射させ、吸収されずに他端から出射したレーザ光５２はミラー５４で反射させたのち光吸収体５５で吸収して、迷光がＱＷＩＰ素子１０に入射しないように構成する。
ここでは、半導体レーザ５１の中心波長は、９．５μｍとし、電源のオン／オフに対する時間応答性の速い素子が望ましい。
【００３２】
図３（ａ）参照
図３（ａ）は、本発明の実施の形態の量子井戸型赤外線検知装置を構成するＱＷＩＰ素子１０の概略的要部断面図であり、まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上に、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）等を用いて下部コンタクト層となる厚さが、例えば、１μｍで、Ｓｉドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ層１２、ＭＱＷ層１３、及び、上部コンタクト層となる厚さが、例えば、１μｍで、Ｓｉドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＧａＡｓ層１４を順次堆積させる。
【００３３】
この場合、ＭＱＷ層１３は、厚さが、例えば、５ｎｍでＳｉドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３の２０層のｎ型ＧａＡｓウエル層を、厚さが、例えば、５０ｎｍで、Ａｌ組成比が０．２５の２１層のｉ型ＡｌＧａＡｓバリア層により交互に挟み込んで構成する。
【００３４】
次いで、ドライエッチングを施すことによって、センサ素子形成領域に対応するｎ型ＧａＡｓ層１４の表面に深さが、例えば、７００ｎｍの回折格子７５を設ける。
【００３５】
次いで、ｎ型ＧａＡｓ層１２に対する共通電極を形成するためのコンタクト用開口を設けたのち、ＳｉＯＮ膜（図示せず）を保護膜とし、ＳｉＯＮ膜に設けた開口部分にＡｕ・Ｇｅ／Ｎｉからなるオーミック電極１６，１７を設けると共に、オーミック電極１６及び回折格子１５を覆うようにＡｕ膜を設けて反射電極１８とする。
【００３６】
さらに、ＳｉＯＮ膜１９を設け、このＳｉＯＮ膜１９に設けた開口部を介してオーミック電極１７及び反射電極１８上にＴｉ／Ａｕ膜からなるパッド電極２０，２１を設け、このパッド電極２０，２１上にＩｎバンプ２２，２３を設けることによってＱＷＩＰ素子１０の基本構成が得られる。
次いで、このＱＷＩＰ素子１０を、上述の図２に示すようにＳｉ信号処理回路基板３０にＩｎバンプ２２，２３によって接続することによって、量子井戸型赤外線検知装置が得られる。
【００３７】
図３（ｂ）参照
このＱＷＩＰ素子１０のＭＱＷ層１３の積層方向、即ち、ｚ方向から被検出赤外線５６が入射されると、ＭＱＷ層１３ではそのままでは選択則により吸収されないが、回折格子１５で回折させ、回折させた回折光５７は電場がｚ成分を有するのでＭＱＷ層１３で吸収されることになる。
【００３８】
図４（ａ）参照
図４（ａ）は、本発明の実施の形態の量子井戸型赤外線検知装置を構成するダミー量子井戸素子４０の概略的要部断面図であり、まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板４１上に、ＭＯＣＶＤ法等を用いて厚さが、ダミーＭＱＷ層４２、及び、厚さが、例えば、１μｍのｉ型ＧａＡｓ層４３を順次堆積させ、チップ状態に加工した後、レーザ光５２の入射面となるその側面を機械研磨により鏡面に仕上げる。
【００３９】
この場合、ダミーＭＱＷ層４２は、厚さが、例えば、５ｎｍでＳｉドーピング濃度が１×１０１８ｃｍ−３の４００層のｎ型ＧａＡｓウエル層４５を、厚さが、例えば、５０ｎｍで、Ａｌ組成比が０．２５の４０１層のｉ型ＡｌＧａＡｓバリア層４４により交互に挟み込んで構成する。
このダミーＭＱＷ層４２は、層数が異なるだけで、量子井戸構造としてはＱＷＩＰ素子１０のＭＱＷ層１３と全く同様であるので、全く同様の光吸収特性を示す。
【００４０】
図４（ｂ）参照
図４（ｂ）に示すように、ｚ方向から被検出赤外線５６が入射した場合、屈折率差によって屈折されるが、屈折された屈折光５８の光軸に垂直な電場５９はダミーＭＱＷ層４２の積層方向ｚ′の成分、即ち、電場のｚ′成分６０を有しているので、選択則によってダミーＭＱＷ層４２で吸収されることになる。
【００４１】
図４（ｃ）参照
図４（ｃ）に示すように、レーザ光５２をダミーＭＱＷ層４２の積層方向に平行に入射させると、レーザ光５２の電場６１はｚ′と平行になるので電場のｚ′成分６２を有することになり、選択則によってダミーＭＱＷ層４２で吸収されることになる。
【００４２】
図４（ｄ）参照
図４（ｄ）は、レーザ光５２及び被検出赤外線５６が照射されない状態の伝導帯のバンドダイヤグラムであり、ｎ型ＧａＡｓウエル層４５にはｉ型ＡｌＧａＡｓバリア層４４の伝導帯の底からの値がＥｐ である基底準位４６が形成され、この基底準位４６は電子４７によって占有されている。
【００４３】
図４（ｅ）参照
図４（ｅ）は、エネルギーＥｐ に相当する波長のレーザ光５２が照射された状態の伝導帯のバンドダイヤグラムであり、ｎ型ＧａＡｓウエル層４５に形成された基底準位４６を占有していた電子４７は、レーザ光５２により光励起されてｎ型ＧａＡｓウエル層４５の外へ放出される。
この場合、レーザ光５２のエネルギー密度は非常に高いため、それにより光励起される電子４７の数は多くなり、結果として基底準位４６を占める電子４７の数を０に近づけることができる。
【００４４】
この状態で、エネルギーＥｐ に相当する波長の被検出赤外線５６が入射しても基底準位４６には被検出赤外線５６を吸収できる電子４７はほとんど存在していないので被検出赤外線５６に対して透明になり、被検出赤外線５６は吸収されることなくＱＷＩＰ素子１０に入射することになる。
【００４５】
一方、レーザ光５２を照射しない状態のダミーＭＱＷ層４２に被検出赤外線５６が入射した場合、ｎ型ＧａＡｓウエル層４５に形成された基底準位３６を占有していた電子４７により吸収され、ダミーＭＱＷ層４２におけるｎ型ＧａＡｓウエル層４５の層数は４００層と十分厚いので、ＱＷＩＰ素子１０に被検出赤外線５６が入射することがない。
即ち、通常、量子井戸１層の吸収効率は数％程度であるが、ダミー量子井戸素子４０ではｎ型ＧａＡｓウエル層４５の層数が十分多くなるよう設計されているので、ほとんどすべての被検出赤外線５６が吸収される。
【００４６】
したがって、レーザ光５２の照射／非照射によって、ダミー量子井戸素子４０に入射した被検知赤外線５６を透過／非透過させることが可能となる。
【００４７】
図２に示した量子井戸型赤外線検出装置を用いて被検出赤外線５６を測定する場合、測定初期における暗電流Ｉｄ （Ｔ′１ ）をダミー量子井戸素子４０にレーザ光５２を照射しない状態で予め測定するとともに、レーザ光５２を照射した状態で総電流Ｉｔ （ＴＬ，Ｔ′１ ）を測定する。
【００４８】
引き続いて、レーザ光５２を照射した状態で総電流Ｉｔ （ＴＨ，Ｔ′２ ）を測定し、その間に定期的にレーザ光５２の照射を中断してダミー量子井戸素子４０を非透過状態にして暗電流Ｉｄ （Ｔ′２ ）を測定する。
【００４９】
この測定結果を基に、ＱＷＩＰ素子１０の経時的温度変化に起因する暗電流Ｉｄ （Ｔ′２ ）の影響を取り除くことで、常に精度の高い光信号Ｓを高いＳＮ比で得ることが可能になる。
【００５０】
この様に、本発明の実施の形態においては、暗電流を直接リアルタイムに測定することができるので、測定された総電流における暗電流成分の影響を排除することができ、それによって、ＳＮ比の高い検出を行うことが可能になる。
【００５１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は実施の形態に記載した構成及び条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、ＭＱＷ層１３及びダミーＭＱＷ層４２を構成するウエル層の厚さ及び不純物濃度、或いは、バリア層の厚さ及びＡｌ組成比は検出対象の波長に応じて決定すれば良いものであり、実施の形態に記載した数値に限られるものではない。
【００５２】
また、上記の実施の形態においては、ウエル層に形成される量子準位を基底準位のみとし、基底準位と伝導帯の底との間の遷移として説明しているが、ウエル層に第２量子準位、即ち、第１励起準位が形成されるようにＭＱＷ層を形成して、基底準位と第１励起準位との間の遷移、即ち、サブバンド間遷移を利用しても良いものである。
【００５３】
また、上記の実施の形態においては、ダミー量子井戸素子をＱＷＩＰ素子に対して４５°傾けているが、４５°に限られるものではなく、全反射が生じない範囲で傾斜させても良いものである。
【００５４】
また、上記の実施の形態においては、ダミー量子井戸素子を励起するためにレーザ光を用いているが、必ずしもレーザ光に限られるものではなく、スーパールミネッセントダイオード等の指向性が高く、且つ、光強度の大きな光源を用いても良いものである。
【００５５】
また、上記の実施の形態においては、ＱＷＩＰ素子をＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系によって構成しているが、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系に限られるものではなく、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系等の他の組合せでも良い。
【００５６】
また、上記の実施の形態においては、検出対象を１０μｍ帯近傍の赤外線としているが、必ずしも１０μｍ帯近傍の赤外線に限られるものではなく、より短波長の光を検出するようしても良いものであり、その場合には、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系等のナイトライド系化合物半導体を用いれば良い。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、光検知用ＱＷＩＰ素子の前段に、レーザ光のオン／オフにより透過／非透過を制御できるダミー量子井戸素子を設けているので、ＱＷＩＰの暗電流を直接リアルタイムで測定することが可能になり、それによって、外部温度の変化などによるＱＷＩＰ素子温度の経時変化に伴い生ずるＳＮ比の低下を防ぐことが可能となり、ひいては、赤外線検出装置の高性能化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の量子井戸型赤外線検知装置の概略的構成図である。
【図３】本発明の実施の形態の量子井戸型赤外線検知装置を構成するＱＷＩＰ素子の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態の量子井戸型赤外線検知装置を構成するダミー量子井戸素子の説明図である。
【図５】従来のＱＷＩＰ素子の説明図である。
【符号の説明】
１ 光検知用量子井戸素子
２ 光検知用量子井戸層
３ ダミー量子井戸素子
４ ダミー量子井戸層
５ 被検知光
６ 指向性の高い光
１０ ＱＷＩＰ素子
１１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型ＧａＡｓ層
１３ ＭＱＷ層
１４ ｎ型ＧａＡｓ層
１５ 回折格子
１６ オーミック電極
１７ オーミック電極
１８ 反射電極
１９ ＳｉＯＮ膜
２０ パッド電極
２１ パッド電極
２２ Ｉｎバンプ
２３ Ｉｎバンプ
３０ Ｓｉ信号処理回路基板
４０ ダミー量子井戸素子
４１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
４２ ダミーＭＱＷ層
４３ ｉ型ＧａＡｓ層
４４ ｉ型ＡｌＧａＡｓバリア層
４５ ｎ型ＧａＡｓウエル層
４６ 基底準位
４７ 電子
５１ 半導体レーザ
５２ レーザ光
５３ ミラー
５４ ミラー
５５ 光吸収体
５６ 被検出赤外線
５７ 回折光
５８ 屈折光
５９ 電場
６０ 電場のｚ′成分
６１ 電場
６２ 電場のｚ′成分
７１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
７２ ｎ型ＧａＡｓ層
７３ ＭＱＷ層
７４ ｎ型ＧａＡｓ層
７５ 回折格子
７６ オーミック電極
７７ オーミック電極
７８ 反射電極
７９ ＳｉＯＮ膜
８０ パッド電極
８１ パッド電極
８２ Ｉｎバンプ
８３ Ｉｎバンプ
８４ ｉ型ＡｌＧａＡｓバリア層
８５ ｎ型ＧａＡｓウエル層
８６ 基底準位
８７ 赤外線
８８ 電子
８９ 格子振動[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a quantum well type photodetector, and more particularly to a quantum well type photodetector characterized by a configuration for suppressing a decrease in SN ratio caused by dark current due to a temporal change in temperature during measurement. Things.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a photodiode array using HgCdTe has been used as an infrared detector for detecting infrared rays in the 10 μm band. In recent years, however, a quantum well type infrared ray using a quantum level, which has a characteristic of quick response and high sensitivity, has been used. Detectors (QuantumWell Infrared Photodetector; QWIP) are attracting attention.
[0003]
Among them, QW1P using a GaAs / AlGaAs superlattice having a sensitivity in the 8 to 12 μm band is widely used because a mature GaAs-based compound semiconductor manufacturing technology can be used. Next, a conventional GaAs / AlGaAs QWIP device will be described.
[0004]
FIG. 5A is a schematic cross-sectional view of a main part of a conventional QWIP element. First, an n-type GaAs layer 72, i serving as a lower contact layer is formed on a semi-insulating GaAs substrate 71. After sequentially depositing an MQW layer 73 composed of a plurality of n-type GaAs well layers 85 alternately sandwiched between the n-type AlGaAs barrier layers 84 and an n-type GaAs layer 74 serving as an upper contact layer, it corresponds to a sensor element formation region. There is provided a diffraction grating 75 that obliquely diffracts and deflects an infrared ray 87 perpendicularly incident on the surface of the n-type GaAs layer 74 so as to be absorbed by the MQW layer 73.
[0005]
Next, after providing a contact opening for forming a common electrode for the n-type GaAs layer 72, an SiON film (not shown) is used as a protective film, and the opening provided in the SiON film is made of Au.Ge/Ni. Ohmic electrodes 76 and 77 are provided, and an Au film is provided so as to cover ohmic electrode 76 and diffraction grating 75, thereby forming reflective electrode 78.
[0006]
Further, a SiON film 79 is provided, and pad electrodes 80 and 81 made of a Ti / Au film are provided on the ohmic electrodes 76 and 77 through openings provided in the SiON film 79, and In is provided on the pad electrodes 80 and 81. By providing the bumps 82 and 83, the basic configuration of the QWIP element can be obtained.
Next, by connecting the QWIP element to the Si signal processing circuit board by In bumps 82 and 83, a quantum well type infrared detecting device is obtained.
[0007]
As described above, the conventional QWIP element has an element structure in which the MQW layer 73 having a multiple quantum well structure serving as a light absorption layer is sandwiched between contact layers, that is, the n-type GaAs layer 72 and the n-type GaAs layer 74. In each optical sensor element, a diffraction grating 75 that obliquely diffracts and deflects an infrared ray 87 that is incident almost perpendicularly from the semi-insulating GaAs substrate 71 side so as to be easily absorbed in the MQW layer 73, and transmits through the diffraction grating 75. The optical coupling structure includes a reflective electrode 78 that reflects infrared light 87 to the MQW layer 73 side.
[0008]
5B. As shown in FIG. 5B, in the conduction band of the MQW layer 73, a ground level 86 is formed at a specific depth of the n-type GaAs well layer 85 by each band. by determining the GaAs / AlGaAs layer thickness, electrons 88 of the ground level 86 is optically excited by the incidence of the infrared 87 with specific energy E p, it is discharged to the outside of the quantum well.
At this time, by applying a bias between both ends of the MQW layer 73, that is, between the n-type GaAs layer 72 and the n-type GaAs layer 74, the photo-excited electrons 88 can be detected as the photocurrent Ip. Become.
[0009]
On the other hand, since the electrons 88 in the n-type GaAs well layer 85 are distributed substantially according to the Fermi-Dirac statistics, even when the infrared light 87 is not incident, the electrons 88 of the ground level 86 are thermally excited by the lattice vibration 89 caused by the element temperature. , A dark current Id flows due to bias application.
[0010]
Current is actually measured is made and the sum of these, the total current I t is,
I t = 1 p (T) + I d (T ')
It is expressed as
Here, T is the temperature of the surface blackbody that emits infrared rays irradiated to the QWIP element, here, the radiation temperature, and T 'is the temperature of the QWIP element, here, the element temperature.
In this case, 'does not depend on only radiation temperature T is a variable, whereas the dark current I d is does not depend on the radiation temperature T, the element temperature T' photocurrent I p is the element temperature T and only the variable Become.
[0011]
Since the net signal S 0 in such a QWIP element is the output difference of the photocurrent at the unit radiation temperature,
S 0 = [I p (T H) -I p (T L) ] / (T H -T L) ··· (1)
Where TH and TL represent two different radiant temperatures.
[0012]
However, since the photocurrent I p alone cannot be measured alone, the total current at different radiation temperatures TH and TL is
I t (T H, T ' 2) = I p (T H) + I d (T' 2) ··· (2)
I t (T L, T ' 1) = 1 p (T L) + I d (T' 1) ··· (3)
It was measured, which from the signal S S = [I t (T H, T ' 2) -I t (T L, T' 1) ] / (T H -T L) ( 4)
It expresses.
Note that T ′ 2 and T ′ 1 represent element temperatures at the time of measurement using the radiation temperatures TH and TL , respectively.
[0013]
By transforming the above equation (4),
It becomes. here,
N = [I d (T '2) -I d (T' 1) ] / (T H -T L) ··· (6)
And
In this case, a T '2 = T' 1, if the element temperature is constant, N = 0 becomes the second term disappears.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, 'the 2 T' element temperature T due QWIP device external temperature change during the measurement over time will deviate from 1, when the element temperature changes T '2 ≠ T' 1, and the second in equation (5) The two terms have finite values, and become noise N due to a change over time during measurement that makes the value of the signal S uncertain.
[0015]
Incidentally, the amount n of electrons contributing heat pump to the dark current I d is
n∝1 / {1 + exp (E a / k B T ′)} (7)
(If necessary, refer to JP-A-2001-044008).
Incidentally, E a is the potential for an effective barrier involving thermal excitation, generally, is an amount that matches the E p.
[0016]
In a typical QWIP device, 'right side approximately exp (-E a / k B T are the' good as) E a »k B T.
Since the dark current is proportional to this amount, I d (T ′) ∝exp (−E a / k B T ′) (8)
From this, it can be seen that the element temperature contributes exponentially to the dark current.
Therefore, there is a problem that even if the change in the element temperature with time is slight, the noise N associated with the change with time represented by the amount of change takes a large value, and as a result, the SN ratio is lowered.
[0017]
In order to solve this problem, it is necessary that the values of I d (T ′ 2 ) and I d (T ′ 1 ) can be measured. However, in the case of a single QWIP element, the dark current I d can be measured independently. It is difficult to measure the dark current while measuring the infrared rays over time.
[0018]
That is, to the dark current I d measured during the infrared measurement over time, by providing a mechanical shutter, it may be Wakere off Infrared measuring dark current measured by its opening and closing, Consequently, the device structure There is a problem that it becomes large and complicated.
[0019]
In order to offset the dark current I d, if proposed (need be provided integrally dummy QWIP element for the dark current detection monolithically to infrared sensing QWIP device, see JP Patent 2000-183319 However, in this case, the dark current of the adjacent dummy QWIP element is detected instead of the infrared detection QWIP element which is easily affected by heat by infrared irradiation. It does not always accurately reflect the change in dark current caused by the temperature change.
[0020]
In addition, since the dummy QWIP element needs to be arranged adjacent to the infrared detection QWIP element, there is a problem that the element area becomes large.
[0021]
Therefore, an object of the present invention is to suppress a decrease in the SN ratio caused by a change in the element temperature with time due to a change in the external temperature with a simple configuration without increasing the element area.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is a diagram showing the basic configuration of the present invention, and means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
Referring to FIG. 1, in order to achieve the above object, the present invention provides a quantum well type photodetecting device including a dummy quantum well layer 4 capable of controlling the transmission of the detected light 5 by irradiating light 6 having high directivity. It is characterized in that the dummy quantum well element 3 is provided in front of the photodetection quantum well element 1.
[0023]
As described above, by providing the dummy quantum well element 3 having the dummy quantum well layer 4 which can control the transmission of the light 5 to be detected by irradiating the light 6 having high directivity, in particular, the laser light, the Since the dummy quantum well element 3 can be operated as a filter by turning on / off the light, it is possible to measure the dark current alone and during the measurement of infrared light.
[0024]
Further, since the dummy quantum well element 3 is provided so as to be superposed on the incident path of the light to be detected, the area of the quantum well element 1 for light detection does not increase.
When the quantum well type photodetector detects infrared rays emitted from an object having a certain temperature T over time, the above equation (2) becomes the total current measured over time, and equation (3) is corrected. It will be measured in advance as data.
[0025]
In this case, the quantum well layer has a selection rule that the electric field of the light 5 to be detected is not absorbed unless it has a component in the stacking direction of the quantum well layer. It is necessary to incline with respect to the photodetection quantum well layer 2 constituting the photodetection quantum well element 1 for measuring the light 5 to be detected.
[0026]
Further, since the photodetection quantum element needs to be formed thin, it is desirable that the number of well layers constituting the dummy quantum well layer 4 be larger than the number of layers constituting the photodetection quantum well layer 2. Accordingly, the absorption efficiency when the detection light 5 is absorbed by the dummy quantum well layer 4 can be increased, and the mechanical strength can be increased.
[0027]
In addition, by injecting light 6 having high directivity in parallel with the stacking direction of the dummy quantum well layer 4, electrons at the ground level formed in the conduction band of the dummy quantum well layer 4 are almost photoexcited to obtain the ground level. The position can be emptied, whereby unwanted absorption by the dummy quantum well layer 4 during measurement of the light 5 to be detected can be suppressed.
[0028]
A typical detection target of a quantum well type photodetection element utilizing light absorption of electrons at the ground level formed in the conduction band is infrared light, and a dummy quantum well layer 4 and a photodetection quantum well layer 2 is composed of a GaAs / AlGaAs quantum well, so that a mature GaAs compound semiconductor manufacturing technology can be used.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Here, with reference to FIGS. 2 to 4, a quantum well type infrared detecting device according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a quantum well type infrared detecting device according to an embodiment of the present invention. The QWIP device 10 detects an infrared ray to be detected 56, and a QWIP device 10 is provided in front of the device. , 45 °, and a semiconductor laser 51 that irradiates the dummy quantum well element 40 with laser light 52 in the absorption wavelength band.
[0030]
The QWIP element 10 is connected to the Si signal processing circuit board 30 via the In bump, and the detected infrared light 56 detected by the QWIP element 10 is processed by the Si signal processing circuit board 30 to be imaged.
[0031]
The laser light 52 from the semiconductor laser 51 is reflected by a mirror 53 and made incident parallel to the stacking direction of the dummy quantum well layer provided in the dummy quantum well element 40, and is emitted from the other end without being absorbed. Reference numeral 52 denotes a structure in which stray light is reflected by a mirror 54 and then absorbed by a light absorber 55 so that stray light does not enter the QWIP element 10.
Here, the center wavelength of the semiconductor laser 51 is set to 9.5 μm, and an element having a fast time response to power on / off is desirable.
[0032]
FIG. 3A is a schematic cross-sectional view of a main part of a QWIP element 10 constituting a quantum well type infrared detecting device according to an embodiment of the present invention. First, a semi-insulating GaAs substrate 11 is shown. On the n-type GaAs layer 12 having a thickness of 1 μm and a Si doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 , for example, using a MOCVD method (metal organic chemical vapor deposition) or the like, A layer 13 and an n-type GaAs layer 14 having a thickness of, for example, 1 μm serving as an upper contact layer and having a Si doping concentration of 1 × 10 18 cm −3 are sequentially deposited.
[0033]
In this case, the MQW layer 13 is, for example, a 20-layer n-type GaAs well layer having a thickness of 5 nm and a Si doping concentration of 1 × 10 18 cm −3. Are alternately sandwiched between 21 i-type AlGaAs barrier layers of 0.25.
[0034]
Next, a diffraction grating 75 having a depth of, for example, 700 nm is provided on the surface of the n-type GaAs layer 14 corresponding to the sensor element formation region by performing dry etching.
[0035]
Next, after a contact opening for forming a common electrode for the n-type GaAs layer 12 is provided, a SiON film (not shown) is used as a protective film, and the opening provided in the SiON film is made of Au.Ge/Ni. In addition to providing the ohmic electrodes 16 and 17, an Au film is provided so as to cover the ohmic electrode 16 and the diffraction grating 15, thereby forming a reflective electrode 18.
[0036]
Further, a SiON film 19 is provided, and pad electrodes 20 and 21 made of a Ti / Au film are provided on the ohmic electrode 17 and the reflective electrode 18 through openings provided in the SiON film 19. By providing the In bumps 22 and 23 on the substrate, the basic configuration of the QWIP element 10 can be obtained.
Next, by connecting the QWIP element 10 to the Si signal processing circuit board 30 by the In bumps 22 and 23 as shown in FIG. 2 described above, a quantum well type infrared detector is obtained.
[0037]
Referring to FIG. 3B, when the detection infrared ray 56 is incident from the laminating direction of the MQW layer 13 of the QWIP element 10, that is, from the z direction, the infrared ray is not absorbed by the MQW layer 13 by the selection rule as it is, but is not absorbed by the diffraction grating 15. The diffracted light 57 diffracted is absorbed by the MQW layer 13 because the electric field has the z component.
[0038]
FIG. 4A is a schematic sectional view of a principal part of a dummy quantum well element 40 constituting a quantum well type infrared detecting device according to an embodiment of the present invention. After a dummy MQW layer 42 and an i-type GaAs layer 43 having a thickness of, for example, 1 μm are sequentially deposited on the substrate 41 by MOCVD or the like, and processed into a chip state, the laser light 52 is formed. The mirror surface is finished by mechanical polishing on the side surface which becomes the incident surface of the.
[0039]
In this case, the dummy MQW layer 42 has a thickness of, for example, 400 n-type GaAs well layers 45 having a thickness of 5 nm and a Si doping concentration of 1 × 10 18 cm −3. It is constituted by being alternately sandwiched between 401 i-type AlGaAs barrier layers 44 having a composition ratio of 0.25.
The dummy MQW layer 42 has exactly the same light absorption characteristics as the MQW layer 13 of the QWIP element 10 in terms of the quantum well structure, except for the number of layers.
[0040]
Referring to FIG. 4B, as shown in FIG. 4B, when the detected infrared ray 56 is incident from the z direction, it is refracted by a difference in refractive index, but the electric field perpendicular to the optical axis of the refracted light 58 is refracted. Since 59 has a component in the stacking direction z 'of the dummy MQW layer 42, that is, a z' component 60 of the electric field, it is absorbed by the dummy MQW layer 42 according to the selection rule.
[0041]
4 (c) As shown in FIG. 4 (c), when the laser beam 52 is made incident parallel to the laminating direction of the dummy MQW layer 42, the electric field 61 of the laser beam 52 becomes parallel to z '. It has the z 'component 62 and is absorbed by the dummy MQW layer 42 according to the selection rule.
[0042]
FIG. 4D is a band diagram of a conduction band in a state where the laser beam 52 and the infrared ray to be detected 56 are not irradiated. The n-type GaAs well layer 45 has a conduction band of the i-type AlGaAs barrier layer 44. value from the bottom of the band are formed ground level 46 is E p, the ground level 46 is occupied by an electron 47.
[0043]
Figure 4 (e) see Figure 4 (e), the laser beam 52 with a wavelength corresponding to the energy E p is a band diagram of the conduction band in a state of being irradiated, the ground state, which is formed on n-type GaAs well layers 45 The electrons 47 occupying the position 46 are optically excited by the laser light 52 and emitted out of the n-type GaAs well layer 45.
In this case, since the energy density of the laser beam 52 is very high, the number of electrons 47 that are photo-excited thereby increases, and as a result, the number of electrons 47 occupying the ground level 46 can be made close to zero.
[0044]
In this state, with respect to the detected infrared radiation 56 the electrons 47 can absorb the detected infrared 56 to ground level 46 also be detected infrared 56 wavelengths is incident corresponding to the energy E p hardly existent It becomes transparent, and the detected infrared ray 56 enters the QWIP element 10 without being absorbed.
[0045]
On the other hand, when the detected infrared ray 56 is incident on the dummy MQW layer 42 in the state where the laser beam 52 is not irradiated, the dummy infrared ray 56 is absorbed by the electrons 47 occupying the ground level 36 formed in the n-type GaAs well layer 45, Since the number of n-type GaAs well layers 45 in the MQW layer 42 is sufficiently large as 400, the detected infrared ray 56 does not enter the QWIP element 10.
That is, although the absorption efficiency of one quantum well layer is usually about several percent, the dummy quantum well element 40 is designed so that the number of n-type GaAs well layers 45 is sufficiently large. Infrared rays 56 are absorbed.
[0046]
Therefore, by the irradiation / non-irradiation of the laser beam 52, the detected infrared ray 56 incident on the dummy quantum well element 40 can be transmitted / non-transmitted.
[0047]
When measuring the infrared ray to be detected 56 using the quantum well type infrared detector shown in FIG. 2, the dark current I d (T ′ 1 ) at the initial stage of the measurement is measured in a state where the dummy quantum well element 40 is not irradiated with the laser beam 52. as well as pre-measured, the total current I t (T L, T ' 1) while irradiating the laser beam 52 is measured.
[0048]
Subsequently, the total current I t (T H, T ' 2) in a state irradiated with the laser beam 52 was measured, the non-transmissive state of the dummy quantum well device 40 to interrupt the regular irradiation of the laser light 52 in the meantime Then, the dark current I d (T ′ 2 ) is measured.
[0049]
By removing the influence of the dark current I d (T ′ 2 ) due to the time-dependent temperature change of the QWIP element 10 based on this measurement result, it is possible to always obtain a highly accurate optical signal S with a high SN ratio. become.
[0050]
As described above, in the embodiment of the present invention, the dark current can be directly measured in real time, so that the influence of the dark current component on the measured total current can be eliminated, thereby reducing the S / N ratio. High detection can be performed.
[0051]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications are possible.
For example, in the above embodiment, the thickness and impurity concentration of the well layers constituting the MQW layer 13 and the dummy MQW layer 42, or the thickness and the Al composition ratio of the barrier layer are determined according to the wavelength to be detected. What is necessary is just to do, and it is not limited to the numerical values described in the embodiment.
[0052]
In the above embodiment, the quantum level formed in the well layer is only the ground level and the transition between the ground level and the bottom of the conduction band is described. An MQW layer is formed so that two quantum levels, ie, a first excitation level, are formed, and a transition between a ground level and a first excitation level, ie, a transition between subbands, is used. Is also good.
[0053]
Further, in the above embodiment, the dummy quantum well element is inclined by 45 ° with respect to the QWIP element, but is not limited to 45 ° and may be inclined within a range where total reflection does not occur. is there.
[0054]
Further, in the above embodiment, the laser light is used to excite the dummy quantum well element, but the laser light is not necessarily limited to the laser light, and the directivity of a super luminescent diode or the like is high, and Alternatively, a light source having high light intensity may be used.
[0055]
Further, in the above-described embodiment, the QWIP element is formed of the GaAs / AlGaAs system, but is not limited to the GaAs / AlGaAs system, and may be another combination such as an InGaAsP / InP system.
[0056]
In the above-described embodiment, the detection target is infrared light in the vicinity of the 10 μm band. However, the detection target is not necessarily limited to infrared light in the vicinity of the 10 μm band, and light of a shorter wavelength may be detected. In such a case, a nitride-based compound semiconductor such as a GaN / AlGaN-based semiconductor may be used.
[0057]
【The invention's effect】
According to the present invention, since a dummy quantum well element capable of controlling transmission / non-transmission by turning on / off a laser beam is provided at a stage preceding the photodetection QWIP element, the dark current of the QWIP can be directly measured in real time. This makes it possible to prevent a decrease in the SN ratio caused by a change in the temperature of the QWIP element over time due to a change in the external temperature or the like, which greatly contributes to the enhancement of the performance of the infrared detection device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a quantum well type infrared detecting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a QWIP element included in the quantum well type infrared detecting device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a dummy quantum well element included in the quantum well type infrared detecting device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of a conventional QWIP element.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Quantum well element for light detection 2 Quantum well layer for light detection 3 Dummy quantum well element 4 Dummy quantum well layer 5 Detected light 6 Light with high directivity 10 QWIP element 11 Semi-insulating GaAs substrate 12 n-type GaAs layer 13 MQW Layer 14 n-type GaAs layer 15 Diffraction grating 16 Ohmic electrode 17 Ohmic electrode 18 Reflective electrode 19 SiON film 20 Pad electrode 21 Pad electrode 22 In bump 23 In bump 30 Si signal processing circuit board 40 Dummy quantum well element 41 Semi-insulating GaAs substrate 42 Dummy MQW layer 43 i-type GaAs layer 44 i-type AlGaAs barrier layer 45 n-type GaAs well layer 46 ground level 47 electron 51 semiconductor laser 52 laser light 53 mirror 54 mirror 55 light absorber 56 detected infrared ray 57 diffracted light 58 refraction Light 59 electric field 60 z 'component of electric field 61 electric field 62 electric Component 71 semi-insulating GaAs substrate 72 n-type GaAs layer 73 MQW layer 74 n-type GaAs layer 75 diffraction grating 76 ohmic electrode 77 ohmic electrode 78 reflective electrode 79 SiON film 80 pad electrode 81 pad electrode 82 In bump 83 In bump 84 i-type AlGaAs barrier layer 85 n-type GaAs well layer 86 ground level 87 infrared ray 88 electron 89 lattice vibration
