JP2014190975A - 光電変換器及び光検出方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の光電変換器100は、半導体基板101と、光吸収層102と、光共振器106と、光共振器106の共振波長帯域を変調する変調手段を備える。光吸収層102は、量子ドット、量子細線、及び量子井戸からなる群から選ばれる一以上の量子閉じ込め構造を有する。変調手段は電圧源から印加電圧を受ける入力部214及び215を備える。
【選択図】図1
Description
QDIPは、それらの準位のうち、伝導帯の複数の電子のサブバンド準位を利用することで、サブバンド間のエネルギー差に相当するエネルギーを持つ赤外線を検知することができる。
1.構成
図1中、光電変換器100は、半導体基板101、光吸収層102、光変調層103、共振器106、下部電極214、及び上部電極215を備える。光吸収層102は光電変換機能を備える。光吸収層102は半導体基板101に対して図中の上方に位置する。光変調層103は共振器106の共振波長帯域を変調する変調手段である。光変調層103は光吸収層102に対して図中の上方に位置する。
光電変換層220は、中間層203、量子ドット層204、歪み緩和層217を備える。中間層203はi型半導体からなり、下部コンタクト層202に対して図中の上方に位置する。i型半導体としては、量子ドット層204の半導体とは格子定数の異なる半導体が好ましい。具体的にはGaAs、InGaAs、又はAlGaAsが好ましい。
屈折率変調層230は、中間層211、量子井戸層212を備える。中間層211はi型半導体からなり、下部コンタクト層210に対して図中の上方に位置する。量子井戸層212は図中で、最下層の中間層211に対して上方に位置する。次の中間層211は量子井戸層212の上方に位置する。
上記のように、光変調層103が複数の量子井戸層212を有することで、所望の波長の光を選択するのに必要な波長帯域の変調を効率よくできる。
本実施形態中、第2反射膜105は上部コンタクト層213に対して図中の上方に位置する。
光変調層103の屈折率は、電圧印加によって変化する。このため、共振器106の内側にある層全体にかかる屈折率が変化するので、共振器106の共振波長帯域が変化する。
赤外線107中の光の特定の波長で、共振器106の共振波長帯域と光吸収層102の吸収波長帯域とが重複又は一致する。または、共振波長帯域と吸収波長帯域の極大波長とが重複する。または、共振波長帯域の極大波長と吸収波長帯域とが重複する。または、共振波長帯域の極大波長と吸収波長帯域の極大波長が一致する。
上記の通り、共振波長帯域と吸収波長帯域とが一致又は重複するとき、赤外線検出器200は、特定の波長の赤外線のみ選択的に検出する。
図3A〜図5を参照して、赤外線検出器200の動作を説明する。図3A及びBは第1の実施形態にかかる光吸収層102の光吸収又は光電変換の原理を説明するための模式図である。かかる模式図は、ある中間層203から隣の中間層203に至る領域の電子エネルギーバンド構造を示す。
赤外光304は基底状態3011と励起状態3021のエネルギー差(第1エネルギー差)に等しい光子エネルギーを持つ。赤外光304を基底状態3011の電子300が吸収すると電子300は励起状態3021へと遷移する。
第1吸収波長帯域400は上述の第1エネルギー差に対応する。第2吸収波長帯域401は上述の第2エネルギー差に対応する。
電圧源216は光変調層103にバイアス電圧を印加している。かかる印加電圧の大きさに応じて、共振器106の内部で存在する定在波の波長が変化し、共振波長特性が変化する。
共振器内部で定在波として存在する光のうち、吸収が起こるのは赤外光304のみであるため、光電変換器100は前記条件下において波長λ1のみに感度をもつ。
図2〜5を参照しつつ、本実施形態の光検出方法を説明する。本実施形態の光検出方法は、赤外線検出器200を用い、以下の工程で赤外線107中の光を検出する方法である。
光共振工程では、光を共振器106内で共振させる。具体的には光変調層103により屈折率の変調した、第1反射膜104及び第2反射膜105の間の光路内で、光が反射を繰り返す。これにより、共振波長帯域の光だけが共振する。
次に、図2を参照して、本実施形態にかかる光電変換器100及び赤外線検出器200の製造方法を説明する。
半導体基板101として、面方位が(001)面のGaAs基板を用意する。基板研磨等により、所望の厚さの半導体基板101を得ることができる。半導体基板101の厚さを適宜選択することで、所望の共振波長を得ることができる。
上記光吸収層102の上部コンタクト層205の直上に緩衝層218を積層する。光吸収層のときと同様の条件で下部コンタクト層210、その次に中間層211を積層する。さらに、例えばInGaAsから構成される量子井戸層212を積層する。上記と同様の手順で中間層211、量子井戸層212の積層を繰り返し、屈折率変調層230を形成する。その後、最上層の中間層211の上に、n型の上部コンタクト層213を積層する。
半導体基板101の図中の下部表面に金属薄膜や誘電体の多層膜を積層して第1反射膜104を形成する。また、上部コンタクト層213の図中の上部表面に金属薄膜や誘電体の多層膜を積層して第2反射膜105を形成する。
続いて、紫外線リソグラフィ及びドライエッチングにより第2反射膜105、光変調層103、光吸収層102の一部を選択的にエッチングする。これにより上部コンタクト層205及び上部コンタクト層213、並びに下部コンタクト層202及び下部コンタクト層210の図中の上部表面の一部が露出する。このように、選択エッチングにより、周囲から独立した構造体が赤外線検出器200の一素子である光電変換器100に相当する。
続いて、各上部コンタクト層及び各下部コンタクト層に、AuGe/Ni/Auからなる上部電極215及び上部電極207、並びに下部電極214及び下部電極206を形成する。各電極は、リソグラフィ、金属蒸着、レジスト剥離などの工程を含むリフトオフ法で形成することが好ましい。
以下の第2〜4の実施形態の説明では、第1の実施形態中の構成要素と同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図7は本実施形態の光電変換器600を表す。光電変換器600は半導体基板601、光吸収層602、光変調層603、第1共振器606(第1の光共振器)、第2共振器607(第2の光共振器)、光透過層613を備える。
また、第1共振器606の変調により、複合共振波長帯域は前記第2複合共振波長帯域から前記第1複合共振波長帯域に、さらに変調してもよい。かかる構成とすることで適時に適切な検出波長を選択できる。
図9A〜図9Eに示すように、本実施形態の光電変換器600は、微小な屈折率の変調で検出波長を大きく変化させることができる。
図10に示す第3の実施形態にかかる光電変換器800は、第1の実施形態にかかる光電変換器100の備える光変調層103及び共振器106を、共振器型フィルタ806に置き換えたものである。
電圧源816は上部電極815及び下部電極814と接続可能である。電圧源816が各電極と接続することで、第1反射膜804及び第2反射膜805の間に所望の電圧を印可する。
本実施形態では、光吸収層と、光共振器とは別個の部品として組み合わせることができる。このため、光電変換器800を備える赤外線検出器は多様な検出波長に対応する。
図11に示す第4の実施形態にかかる光電変換器900は、第1の実施形態の光電変換器100における共振器106を共振器906に置き換えたものである。光電変換器900は、半導体基板101、光吸収層102、駆動部903、共振器906、電極914、及び電極915を備える。
第2反射鏡905を移動する駆動部903に対する電圧印加によって第1反射鏡904及び第2反射鏡905の間の距離が変化する。このため、共振器906の共振波長特性が変化する。
光電変換器900は、光吸収層と、光共振器とは別個の部品として組み合わせることができる。このため、光電変換器900を備える赤外線検出器は、多様な検出波長に対応できる。
非特許文献1に開示されているQDIPでは、3つの波長に対し感度を有するが、波長ごとの信号を区別できず3つの波長帯域の信号の和としてしか取り出すことができない。各波長の信号を独立に取り出すためには素子ごとに独立した狭帯域波長フィルタが必要であり、装置の構造を複雑にする原因となる。
なお、本発明は上記各実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。本実施形態では、赤外線の検出技術を中心に説明したが、赤外線に限らず、可視光線、紫外線といった光全般に適用可能である。
前記共振波長帯域中の光は、前記共振波長帯域の極大波長の光である、請求項2に記載の光電変換器。
前記光吸収層は、第1量子ドット、及び第1量子ドットを取り囲む第1歪み緩和層、並びに第2量子ドット、及び第2量子ドットを取り囲み、前記第1歪み緩和層と厚さ又は材料が異なる第2歪み緩和層を有する、請求項1〜3のいずれかに記載の光電変換器
前記第1共振波長帯域の極大波長は前記第1吸収波長帯域と重複し、かつ前記第2吸収波長帯域とは重複せず、
前記第2共振波長帯域の極大波長は前記第1吸収波長帯域とは重複せず、かつ前記第2吸収波長帯域と重複する、請求項5に記載の光電変換器。
前記エネルギー差と、前記変調手段による変調前又は変調後の、前記複合共振波長帯域の光の光子エネルギーとが一致する、請求項7に記載の光電変換器。
前記複合共振波長帯域中の光は、前記複合共振波長帯域の極大波長の光である、付記14に記載の光電変換器。
前記光吸収層は第1量子ドット及び第2量子ドットを有し、前記第1量子ドットに束縛される電子のエネルギー準位間の第1エネルギー差と、前記複合共振器系の第1複合共振波長帯域中の光の光子エネルギーとが一致し、
前記第1の光共振器の共振波長帯域の変調により、前記複合共振波長帯域は前記第1複合共振波長帯域から前記第2複合共振波長帯域に変調する、請求項7、並びに付記14及び15に記載の光電変換器。
前記第1複合共振波長帯域の極大波長は前記第1エネルギー差に対応する第1吸収波長帯域と重複し、かつ前記第2エネルギー差に対応する第2吸収波長帯域とは重複せず、
前記第2複合共振波長帯域の極大波長は前記第1吸収波長帯域とは重複せず、かつ前記第2吸収波長帯域と重複する、付記16に記載の光電変換器。
前記光吸収層は、前記共振器型フィルタ側に反射防止膜を備える、請求項8に記載の光電変換器。
前記半導体基板及び前記光吸収層は、前記第1反射鏡又は第2反射鏡と、一の素子を構成する、請求項9に記載の光電変換器。
請求項1〜9及び付記11〜19のいずれかに記載の光電変換器を有する光検出部を備える、照度計、輝度計、光度計、又は測光装置
請求項1〜9及び付記11〜19のいずれかに記載の光電変換器を配列したアレイを有する撮像部を備える撮影装置
請求項1〜9及び付記11〜19のいずれかに記載の光電変換器を有する光検出部を備える撮影装置であって、第1の波長の光に基づく情報を受け取る、焦点調整部、方向制御部、自動追尾部、光軸調整部又は手振れ補正部である第1調整部と、第2の波長の光に基づく情報を受け取る焦点調整部、方向制御部、自動追尾部、光軸調整部又は手振れ補正部である第2調整部とを備え、第2調整部の調整機能は第1調整部とは異なり、前記光検出部は前記第1及び第2の波長の光を受光する、撮影装置
請求項1〜9及び付記11〜19のいずれかに記載の光電変換器を有する光検出部を備える、発光体、導光体、配光体、若しくは光学レンズ、又は目の検査装置
請求項1〜9及び付記11〜19のいずれかに記載の光電変換器を有する光検出部を備える、放射温度計又は温度測定装置
付記24に記載の温度測定装置、及び前記温度測定装置が測定した温度の情報を受け取る温度調整部を備える、送風機、空調機、暖房機、調理機、恒温槽、冷蔵庫、又は冷凍庫。
付記24に記載の温度測定装置、及び前記温度測定装置が測定した温度の情報を受け取る判定部を備える、火災警報装置又は漏洩検知装置。
請求項1〜9及び付記11〜19のいずれかに記載の光電変換器を有する光検出部を備えるガス検知装置を備え、前記ガス検知装置が検知したガスの情報を受け取る判定部をさらに備える、火災警報装置又は漏洩検知装置。
請求項1〜9及び付記11〜19のいずれかに記載の光電変換器を有し、温度測定装置及びガス検知装置が共有する光検出部を備え、前記温度測定装置は固体表面温度に由来する第1の波長の光に基づく情報を受け取り、前記ガス検知装置はガス分子の構造に由来する第2の波長の光に基づく情報を受け取り、前記光検出部は前記第1及び第2の波長の光を受光する、火災警報装置又は漏洩検知装置。
請求項1〜9及び付記11〜19のいずれかに記載の光電変換器を有する受光部を備える無線通信装置又は非接触型カードの光学読取装置。
請求項1〜9及び付記11〜19のいずれかに記載の光電変換器を有する、反射光の受光部を備える測距装置又は位置決定装置。
請求項1〜9及び付記11〜19のいずれかに記載の光電変換器を有する、透過光又は反射光の受光部を備える紙幣、又は有価証券の光学読取装置。
請求項1〜9及び付記11〜19のいずれかに記載の光電変換器を有する、透過光又は反射光の受光部と、第1の分子若しくは原子により発生した、又は減衰された光に基づく情報を受け取る第1検出部と、第2の分子若しくは原子により発生した、又は減衰された光に基づく情報を受け取る第2検出部とを備え、前記受光部は前記第1及び第2の分子若しくは原子により発生した、又は減衰された光を受光する、液体、気体、生体、青果、食品、又は医薬品の分析装置。
請求項1〜9及び付記11〜19のいずれかに記載の光電変換器を有する受光部を備える光電スイッチ。
請求項1〜9及び付記11〜19のいずれかに記載の光電変換器を有する受光部を備える、暗視装置、障害物検知装置、探査装置、又は標的表示装置。
請求項1〜9及び付記11〜19のいずれかに記載の光電変換器を有する検出部を備える、潜入者に対する警報装置、又は盗難防止装置。
102 光吸収層 103 光変調層
106 共振器(光共振器) 200 赤外線検出器(光検出器)
202 下部コンタクト層 205 上部コンタクト層
208 電圧源(検出用電圧源) 209 電流計
214 下部電極(入力部) 215 上部電極(入力部)
216 電圧源(変調用電圧源) 220 光電変換層
304 赤外光(光) 305 赤外光(光)
400 第1吸収波長帯域 401 第2吸収波長帯域
600 光電変換器 601 半導体基板
602 光吸収層 603 光変調層
606 第1共振器(第1の光共振器) 607 第2共振器(第2の光共振器)
700 第1吸収波長帯域 701 第2吸収波長帯域
800 光電変換器 806 共振器型フィルタ
814 下部電極(入力部) 815 上部電極(入力部)
816 電圧源(変調用電圧源) 900 光電変換器
903 駆動部 904 第1反射鏡
905 第2反射鏡 906 共振器(光共振器)
914 電極(入力部) 915 電極(入力部)
Claims (10)
- 半導体基板と、光吸収層と、光共振器と、前記光共振器の共振波長帯域を変調する変調手段を備え、
前記光吸収層は、量子ドット、量子細線、及び量子井戸からなる群から選ばれる一以上の量子閉じ込め構造を有し、
前記変調手段は電圧源から印加電圧を受ける入力部を備える、光電変換器。 - 前記量子閉じ込め構造に束縛される電子のエネルギー準位間のエネルギー差と、前記変調手段による変調前又は変調後の、前記共振波長帯域中の光の光子エネルギーとが一致する、請求項1に記載の光電変換器。
- 前記光吸収層は、第1量子ドット、及び第1量子ドットと大きさ、形状、又は材料が異なる第2量子ドットとを有する、請求項1又は2に記載の光電変換器。
- 前記光吸収層は、前記第1量子ドット及び第2量子ドットを有する光電変換層と、2層のコンタクト層を備え、
前記光電変換層は前記コンタクト層の間に位置し、
前記コンタクト層は前記光電変換層外に位置する、
請求項3に記載の光電変換器。 - 前記第1量子ドットに束縛される電子のエネルギー準位間の第1エネルギー差と、前記光共振器の第1共振波長帯域中の光の光子エネルギーとが一致し、
前記第2量子ドットに束縛される電子のエネルギー準位間の第2エネルギー差と、前記光共振器の第2共振波長帯域中の光の光子エネルギーとが一致し、
前記第1エネルギー差に対応する第1吸収波長帯域と、前記第2エネルギー差に対応する第2吸収波長帯域とは離散的であり、
前記変調手段により、前記共振波長帯域は前記第1共振波長帯域から前記第2共振波長帯域に変調する、請求項3又は4に記載の光電変換器。 - 前記変調手段は、量子ドット、量子細線、及び量子井戸からなる群から選ばれる一以上の量子閉じ込め構造を有する光変調層を備え、
前記半導体基板と、前記光吸収層と、前記光共振器と、前記光変調層とは一の素子を構成する、請求項1〜5のいずれかに記載の光電変換器。 - 第1の光共振器と、第1の光共振器と共に複合共振器系を構成する第2の光共振器と、をさらに備え、
前記複合共振器系は、第1の光共振器及び第2の光共振器の共振波長帯域に共通して存在する複合共振波長帯域を生じ、
前記変調手段は、第1の光共振器の共振波長帯域を変調する、請求項1〜5のいずれかに記載の光電変換器。 - 前記光共振器及び前記変調手段を有する共振器型フィルタを備え、
前記半導体基板及び前記光吸収層は、前記共振器型フィルタ外に位置する、請求項1〜5のいずれかに記載の光電変換器。 - 前記光共振器は互いに向き合う第1反射鏡及び第2反射鏡を備え、
前記変調手段は、前記第1反射鏡又は第2反射鏡を移動する駆動部を備える、請求項1〜5のいずれかに記載の光電変換器。 - 請求項1〜9のいずれかに記載の光電変換器と、前記入力部と接続する変調用電圧源と、前記光吸収層と接続する検出用電圧源と、前記光吸収層と接続する電流計と、を備える光検出器、を用いて光を検出する光検出方法であって、
前記変調用電圧源で、前記変調手段に対する印加電圧を発生又は変化させることで、前記共振波長帯域を変調する変調工程と、
前記光電変換器で光を受光する受光工程と、
前記光を前記光共振器内で共振させる光共振工程と、
前記量子閉じ込め構造で前記共振した光を吸収する光吸収工程と、
前記検出用電圧源で前記光吸収層に電圧を印加することで、前記吸収した光を光吸収層で光電変換し、電流を生ずる光電変換工程と、
前記電流計で電流を検出する、検出工程と、を備える光検出方法。
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