JP2797738B2 - 赤外線検知装置 - Google Patents

赤外線検知装置

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JP2797738B2 JP3050963A JP5096391A JP2797738B2 JP 2797738 B2 JP2797738 B2 JP 2797738B2 JP 3050963 A JP3050963 A JP 3050963A JP 5096391 A JP5096391 A JP 5096391A JP 2797738 B2 JP2797738 B2 JP 2797738B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体の多重量子井戸を
用いた赤外線検知装置に関する。近年、半導体の多重量
子井戸を用いた赤外線検知装置が、安定した電気的特
性、および該装置に用いる半導体基板として大面積のガ
リウム砒素基板が容易に得られる等の利点が有ることよ
り、大規模の赤外線検知素子アレイ用として開発されて
いる。
【0002】そしてこのような赤外線検知装置に於い
て、高感度、即ちS/N比の大きい検知装置を得るため
に、雑音の原因となる暗電流の低減を図ることが必要と
されている。
【0003】
【従来の技術】従来の多重量子井戸を用いた赤外線検知
装置として〔文献、Appl.Phys.Lett.53(4),25 July 198
8 〕の構造がある。
【0004】この構造は図5に示すように半絶縁性のガ
リウム砒素( GaAs) 基板1上に、厚さが1μm でn =2
×1018/cm3の電子濃度のGaAsのコンタクト層2-1 が形成
され、その上にノンドープで厚さが300 ÅのAl0.31Ga
0.69Asのアルミニウム・ガリウム・砒素層よりなる障壁
層3と、厚さが40Åでn =2 ×1018/cm3の電子濃度のGa
As層よりなる井戸層4とを組み合わせた量子井戸層5が
50周期にわたって形成され、その上に厚さが0.5 μm の
n =2 ×1018/cm3の電子濃度のGaAsのコンタクト層2-2
が形成されている。
【0005】そして上記上部のGaAsのコンタクト層2-2
と井戸層4と厚さが300 ÅのAl0.31Ga0.69Asのアルミニ
ウム・ガリウム・砒素層よりなる障壁層3とを組み合わ
せた50周期の多重量子井戸層31をメサエッチングした
後、金・ゲルマニウム(Au-Ge)の電極をコンタクト電極
6として、コンタクト層2-1,2-2 上に接触して形成して
いる。
【0006】このような多重量子井戸層で形成された従
来の赤外線検知装置の動作に付いて述べる。図6(a)は上
記したコンタクト電極間にバイアス電圧を印加しない場
合の伝導帯のエネルギーバンド図である。図示するよう
に、厚さが40Åでn =2 ×1018/cm3の電子濃度のGaAs層
よりなる井戸層4と厚さが300 ÅのAl0.31Ga0.69Asのア
ルミニウム・ガリウム・砒素層よりなる障壁層3とが組
となって50周期にわたって形成された多重量子井戸層31
に於いては、伝導帯の電子のエネルギーは離散的にな
り、例えば図示するように、E1 とE2 に示すように2
つのエネルギー凖位が形成される。そして励起光の無い
状態では電子7は、殆んどE1 の凖位の位置に存在す
る。
【0007】ところで図6(b)に示すように、上記装置に
バイアス電圧を印加した時の伝導帯のエネルギーバンド
図に示すように、フォトンエネルギーh ν=E2 −E1
の赤外線が入射すると、E1 に存在する電子7は赤外線
を吸収して、E2 の凖位に矢印Aに示すように励起され
る。
【0008】赤外線が入射されず、電子が励起されてい
ない場合は、AlGaAs層の障壁層3によって、矢印Bに示
すように電流はトンネル電流のみが流れる。そして赤外
線が入射すると該赤外線によって励起された電子は、光
電流となって矢印Cに示すようにAlGaAs層の障壁層3を
乗り越えて流れ易くなる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
赤外線検知装置に於いては、暗電流は障壁層3を通過す
るトンネル電流である。また雑音=(2qI)1/2 (但
しq =電子の電荷でI は暗電流)で示されるので、暗電
流が低減すると当然雑音も低下する。この暗電流はAlGa
As層の障壁層3を通過するトンネル電流であるので、Al
GaAs層の障壁層3の厚さを厚くすると、暗電流の低減は
可能である。
【0010】然し、AlGaAs層の障壁層3の厚さを厚くす
ると、赤外線検知装置自体の厚さも増大し、光で励起さ
れたE2 の凖位に存在する電子が、光電流となってこれ
らAlGaAs層の障壁層3を越えて流れ難くなり、障壁層3
とGaAs層よりなる井戸層4の多重量子井戸層31の両端の
コンタクト層2-1 、2-2 に到達する確率は減少し、光電
変換効率は低下し、S/N 比は必ずしも改善されない。
【0011】本発明は上記した欠点を除去し、暗電流の
低減を図り、かつ信号量の低下を見ない、低雑音でかつ
高感度の多重量子井戸構造の赤外線検知装置の提供を目
的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の赤外線検知装置
は、半導体基板上に設けたコンタクト層間にエネルギー
バンドギャップの大きい障壁層とエネルギーバンドギャ
ップの小さい井戸層とを組み合わせて周期的に多層構造
に積層した多重量子井戸層を設け、該コンタクト層間に
電圧を印加する装置に於いて、前記コンタクト層に隣接
する多重量子井戸層の少なくとも片方の障壁層の厚さ
を、前記多重量子井戸層を構成する障壁層の厚さより部
分的に厚くしてブロック層として設けたことを特徴とす
る。
【0013】
【作用】本発明の装置では、コンタクト層に接触する障
壁層の内の少なくとも片側の障壁層の厚さを、多重量子
井戸層を構成する障壁層の厚さより部分的に厚くしたブ
ロック層を設けることにより、暗電流はコンタクト層に
隣接して設けた厚いAlGaAs層の障壁層よりなるブロック
層にてブロックされ低減するが、赤外線検知装置の全体
の厚さは殆ど増加せず、また光励起された光電流は障壁
層の有するエネルギーレベルよりもエネルギーが大であ
るため、障壁層上を飛び越えてコンタクト層に流れるの
で、光電流は殆ど減少せず、従って信号量は減少しな
い。このようにして本発明の装置によれば、S/N 比の良
い高感度な赤外線検知装置が得られる。
【0014】
【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例につき詳
細に説明する。図1に示すように、半絶縁性のガリウム
砒素( GaAs) 基板1上に、厚さが1μm でn =2 ×1018
/cm3の電子濃度のGaAsのコンタクト層2-1が分子線エピ
タキシャル成長方法(Moleculor Beam Epitaxy ; MBE 方
法)、或いは有機金属気相成長方法(Metal Chemical Or
ganic Vapor Deposition;MOCVD方法) により形成され、
その上に本発明の厚さが600 ÅのノンドープのAl0.31Ga
0.69Asのアルミニウム・ガリウム・砒素層より成る障壁
層と同一組成のブロック層11が前記したMBE 方法、或い
はMOCVD 方法により、従来の障壁層の2倍の厚さで形成
されている。
【0015】そしてその上に厚さが40Åでn =2 ×1018
/cm3の電子濃度のGaAs層よりなる井戸層4と厚さが300
ÅのAl0.31Ga0.69Asのアルミニウム・ガリウム・砒素層
よりなる障壁層3とよりなる量子井戸層5が、前記厚さ
を厚く形成したブロック層11も含めた状態で50周期にわ
たって前記MBE 方法、或いはMOCVD 方法により形成さ
れ、その上に厚さが1μm のn =2 ×1018/cm3の電子濃
度のGaAsのコンタクト層2-2がMBE 方法、或いはMOCVD
方法により形成されている。
【0016】そして上記上部のGaAsのコンタクト層2-2
とGaAs層よりなる井戸層4と厚さが300 ÅのAl0.31Ga
0.69Asのアルミニウム・ガリウム・砒素層よりなる障壁
層3、および厚さが600 ÅのAl0.31Ga0.69Asのアルミニ
ウム・ガリウム・砒素層よりなる本発明のブロック層11
とをメサエッチングした後、蒸着およびリフトオフ法を
用い、金・ゲルマニウム(Au-Ge) 合金の電極をコンタク
ト電極6として、コンタクト層2-1 上とコンタクト層2-
2 上に形成している。
【0017】このような本発明の装置の動作に付いて述
べると、図2に示すように、本発明の厚さが600 ÅのAl
0.31Ga0.69Asのアルミニウム・ガリウム・砒素層よりな
るブロック層11に隣接するコンタクト層2-1 に接続する
コンタクト電極に正の電圧を、他のコンタクト層2-2 に
接続するコンタクト電極に負の電圧を印加する。すると
赤外線を照射しないで光励起されない基底状態のE1
エネルギーレベルの井戸層4に存在する電子は矢印Bに
示すようにトンネル電流と成って障壁層3を通過しよう
とするが、厚さの厚い本発明のブロック層11に阻止され
てコンタクト層2-1 に到達しない。
【0018】一方、赤外線の照射に依って光励起を受け
た電子は、E2 のエネルギーレベルに到達し、障壁層3
よりエネルギーが大となって障壁層3を飛び越えて矢印
Cに示すように光電流となってコンタクト層2-1 に向か
って流れるために、障壁層を厚くしたブロック層11を形
成しても影響を受けない。
【0019】このような本発明の装置と従来の装置に於
いて、暗電流の値を比較した結果を図3に示す。図の曲
線21は従来の装置に於けるバイアス電圧と暗電流の関係
曲線で、図の曲線22は本発明の装置に於けるバイアス電
圧と、暗電流の関係曲線である。図示するようにゼロバ
イアス時点に於ける暗電流は従来の装置では3 ×10-7A
であるが、本発明の装置では1 ×10-9A と約1/300 に減
少していることが判る。
【0020】また同様に光電流を測定したところ、図4
に示す結果を得た。図の縦軸はレスポンシビティを、横
軸はバイアス電圧を示す。図中、白丸は本発明の装置で
の値で、黒丸は従来装置での値であり、レスポンシリテ
ィには大差は無く、結果的に本発明の装置は従来の装置
に比較してS/N比は飛躍的に向上したことになる。
【0021】なお、本実施例では600 ÅのAl0.31Ga0.69
Asのアルミニウム・ガリウム・砒素層よりなるブロック
層を、下部のコンタクト層2-1 上に積層して設けたが、
他の実施例として、上部のコンタクト層2-2 の下部に上
記本発明の600 ÅのAl0.31Ga 0.69Asのアルミニウム・ガ
リウム・砒素層よりなるブロック層11を追加して被着
し、このようなブロック層を両方のコンタクト層2-1,2-
2 に接続して設けても良い。
【0022】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の検知装置に
よれば、光電流の減少は見られず、暗電流が大幅に減っ
たS/N比の大きい低雑音、高感度な高品質な赤外線検
知装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の赤外線検知装置の構造を示す断面図
である。
【図2】 本発明の装置のエネルギーバンド図である。
【図3】 本発明の装置と従来の装置の特性曲線の比較
図である。
【図4】 本発明の装置と従来の装置のレスポンシビテ
ィとバイアス電圧の比較図である。
【図5】 従来の赤外線検知装置の構造を示す断面図で
ある。
【図6】 従来の装置に於けるエネルギーバンド図であ
る。
【符号の説明】
1 GaAs基板 2-1,2-2 コンタクト層 3 障壁層 4 井戸層 5 量子井戸層 6 コンタクト電極 7 電子 11 ブロック層 21 従来の装置のバイアス電圧と暗電流との関係曲線 22 本発明の装置のバイアス電圧と暗電流との関係曲線 31 多重量子井戸層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 31/08 H01L 31/10

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板(1) 上に設けたコンタクト層
    (2-1,2-2) 間にエネルギーバンドギャップの大きい障壁
    層(3) とエネルギーバンドギャップの小さい井戸層(4)
    とを組み合わせて周期的に多層構造に積層した多重量子
    井戸層(31)を設け、該コンタクト層(2-1,2-2) 間に電圧
    を印加する装置に於いて、前記コンタクト層(2-1,2-2)
    に隣接する多重量子井戸層(31)の少なくとも片方の障壁
    層(3) の厚さを、前記多重量子井戸層(31)を構成する障
    壁層(3) の厚さより厚くしてブロック層(11)として設け
    たことを特徴とする赤外線検知装置。
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EP19920104417 EP0509247B1 (en) 1991-03-15 1992-03-13 Infrared detector
DE1992614991 DE69214991T2 (de) 1991-03-15 1992-03-13 Infrarotdetektor

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