JP2873851B2 - 光検出器 - Google Patents
光検出器Info
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- JP2873851B2 JP2873851B2 JP2045086A JP4508690A JP2873851B2 JP 2873851 B2 JP2873851 B2 JP 2873851B2 JP 2045086 A JP2045086 A JP 2045086A JP 4508690 A JP4508690 A JP 4508690A JP 2873851 B2 JP2873851 B2 JP 2873851B2
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- qws
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光の強度を電流の大小として検出する光検
出器、特に光吸収のない光検出器に関する。
出器、特に光吸収のない光検出器に関する。
［従来の技術］ 従来、光強度を検出して電気信号に変換する素子とし
ては、フォトダイオード（PINフォトダイオードやアバ
ランシェフォトダイオード）などが知られている。
ては、フォトダイオード（PINフォトダイオードやアバ
ランシェフォトダイオード）などが知られている。
［発明が解決しようとする課題］ しかし乍ら、光通信の様に光の強度に信号をのせて、
それを何人もの受信者がシリアルに受信する場合を考え
ると、最初の受信者がフォトダイオード等で受信する
と、信号がのった光は各フォトダイオードなどで完全に
吸収されてしまう。従って、各受信者自信が次の受信者
に向けて、受け取ったのと同じ信号光を半導体レーザ等
を用いて新たに生成して送信しなければならなかった。
それを何人もの受信者がシリアルに受信する場合を考え
ると、最初の受信者がフォトダイオード等で受信する
と、信号がのった光は各フォトダイオードなどで完全に
吸収されてしまう。従って、各受信者自信が次の受信者
に向けて、受け取ったのと同じ信号光を半導体レーザ等
を用いて新たに生成して送信しなければならなかった。
よって、本発明の目的は、上記課題に鑑み、信号光が
シリアルに複数の受信者に受信されても、光を殆ど吸収
せずに光の強度を検出出来るので各受信者において新た
に信号光を生成して送信する必要をなくした光検出器を
提供することにある。
シリアルに複数の受信者に受信されても、光を殆ど吸収
せずに光の強度を検出出来るので各受信者において新た
に信号光を生成して送信する必要をなくした光検出器を
提供することにある。
［発明の概要］ 上記目的を達成する本発明による光検出器において
は、量子構造の複数の電子準位がサブバンド間仮想遷移
による光シュタルク効果によってシフトする事を利用し
て、該電子準位のシフトの結果生じるトンネル電流の大
小を検出して光の強度の検出を行う。量子構造として
は、量子井戸構造（GWS）や量子細線構造（QLS）があ
る。
は、量子構造の複数の電子準位がサブバンド間仮想遷移
による光シュタルク効果によってシフトする事を利用し
て、該電子準位のシフトの結果生じるトンネル電流の大
小を検出して光の強度の検出を行う。量子構造として
は、量子井戸構造（GWS）や量子細線構造（QLS）があ
る。
こうしたデバイスで検出される光がこのデバイスに殆
ど吸収されないようにするためには、被検出光の偏光の
向きを適当にしたり、光子エネルギーやサブバンド間隔
をLOフォノンエネルギーよりも十分大きくしたり、サブ
バンド間隔を光子エネルギーと等しくないようにすれば
よい。特に、サブバンド間隔と光子エネルギーの差の絶
対値がサブバンドの電子準位のエネルギー幅の和に概略
等しいかそれより大きくなる如くすればよい。
ど吸収されないようにするためには、被検出光の偏光の
向きを適当にしたり、光子エネルギーやサブバンド間隔
をLOフォノンエネルギーよりも十分大きくしたり、サブ
バンド間隔を光子エネルギーと等しくないようにすれば
よい。特に、サブバンド間隔と光子エネルギーの差の絶
対値がサブバンドの電子準位のエネルギー幅の和に概略
等しいかそれより大きくなる如くすればよい。
また、複数の量子構造において、光シュタルク効果に
よるシフトの方向を逆にするとトンネル確率を効果的に
変化させる事ができるので、トンネル電流が通過する隣
りう合う量子構造においてサブバンド間隔を異ならせ、
この間のエネルギーを入射光の光子エネルギーが有する
ようにするとよい。
よるシフトの方向を逆にするとトンネル確率を効果的に
変化させる事ができるので、トンネル電流が通過する隣
りう合う量子構造においてサブバンド間隔を異ならせ、
この間のエネルギーを入射光の光子エネルギーが有する
ようにするとよい。
［実施例］ 第１図は本発明の実施例の模式図である。同図におい
て、３つのQWSまたはQLSが積層されており、両端のQWS
またはQLS（W1、W2）には外部電極から電子が供給でき
る様にしておく（以下では、説明の便宜上、QWSかQLSの
いずれか一方を引き合いに出して説明するが、他方につ
いても同様である）。
て、３つのQWSまたはQLSが積層されており、両端のQWS
またはQLS（W1、W2）には外部電極から電子が供給でき
る様にしておく（以下では、説明の便宜上、QWSかQLSの
いずれか一方を引き合いに出して説明するが、他方につ
いても同様である）。
中央のQWS（Ｎ）と両端のQWS（W1、W2）とは、サブバ
ンドの電子準位ないし量子準位が次の様な関係を満たす
様に、厚さ等を調整しておく。
ンドの電子準位ないし量子準位が次の様な関係を満たす
様に、厚さ等を調整しておく。
ここで、 は外部からQWS（W1、Ｎ、W2）に入射する被検出光の光
子エネルギー、EWaとEWbは両端のQWS（W1、W2）の基底
準位と２番目の準位のサブバンドエネルギー、ENaとENb
は中央のQWS（Ｎ）の基底準位の２番目の準位のサブバ
ンドエネルギー、ΓWaとΓNaはQWS（W1、Ｎ、W2）の基
底準位のエネルギーの幅である。
子エネルギー、EWaとEWbは両端のQWS（W1、W2）の基底
準位と２番目の準位のサブバンドエネルギー、ENaとENb
は中央のQWS（Ｎ）の基底準位の２番目の準位のサブバ
ンドエネルギー、ΓWaとΓNaはQWS（W1、Ｎ、W2）の基
底準位のエネルギーの幅である。
光の吸収をなくす様にする為には、サブバンド構造と
光子エネルギー とが次の如き関係を満たす必要がある。
光子エネルギー とが次の如き関係を満たす必要がある。
QWSに当てられる光のエネルギーを QWSのサブバンドの固有エネルギーを小さい方から順にE
a、Eb、・・・、そしてその幅をΓa,Γｂ、・・・とす
る。また、QWSのドープ量を調整して電子が基底サブバ
ンドのみを占有する様にする。大きな光シュタルク効果
を得るには、QWSに当てられる光の偏光の向きは、その
電界ベクトルがQWSの層に垂直（第１図紙面内左右方
向）になる様にして、且つ、 の様に光子エネルギー をサブバンド間隔（Eb−Ea）に近付けるのが有効であ
る。
a、Eb、・・・、そしてその幅をΓa,Γｂ、・・・とす
る。また、QWSのドープ量を調整して電子が基底サブバ
ンドのみを占有する様にする。大きな光シュタルク効果
を得るには、QWSに当てられる光の偏光の向きは、その
電界ベクトルがQWSの層に垂直（第１図紙面内左右方
向）になる様にして、且つ、 の様に光子エネルギー をサブバンド間隔（Eb−Ea）に近付けるのが有効であ
る。
このとき、次の不等式を満たす様にすれば光の吸収を
無視できる程小さくすることが出来る。
無視できる程小さくすることが出来る。
ここで、 はLOフォノンの振動エネルギーである。LOフォノンは音
響モードの横波、縦波のフォノンなどの多種フォノンの
うち振動エネルギーが最も大きいので、このエネルギー
より大きければフォノンによる光の吸収は無視出来る程
になる。この条件は、例えば数10Å程度の比較的薄い井
戸層を持つGaAs/AlAsのGWSで十分満たされる。伝導キャ
リアのあるQWSの光吸収スペクトルを示す第３図におい
て、ハッチングのあるマークと白抜きのマークで示され
る部分に光子エネルギー が来る様に、設定されればよいことになる。
響モードの横波、縦波のフォノンなどの多種フォノンの
うち振動エネルギーが最も大きいので、このエネルギー
より大きければフォノンによる光の吸収は無視出来る程
になる。この条件は、例えば数10Å程度の比較的薄い井
戸層を持つGaAs/AlAsのGWSで十分満たされる。伝導キャ
リアのあるQWSの光吸収スペクトルを示す第３図におい
て、ハッチングのあるマークと白抜きのマークで示され
る部分に光子エネルギー が来る様に、設定されればよいことになる。
次に、光シュタルク効果について説明しておく。原子
などにおいて、一般に電子が離散化されたエネルギー準
位を持っているときに、その準位間隔に一致はしないが
それに近い光子エネルギーを持つ光をそこに当てると、
電子のエネルギー準位がシフトする。それを光シュタル
ク効果という。本発明の場合、離散化された準位という
のは、QWSのサブバンドのエネルギー準位Ea、Ebであ
り、ここで言う光シュタルク効果はサブバンド間仮想遷
移による光シュタルク効果と呼ぶべきものである。
などにおいて、一般に電子が離散化されたエネルギー準
位を持っているときに、その準位間隔に一致はしないが
それに近い光子エネルギーを持つ光をそこに当てると、
電子のエネルギー準位がシフトする。それを光シュタル
ク効果という。本発明の場合、離散化された準位という
のは、QWSのサブバンドのエネルギー準位Ea、Ebであ
り、ここで言う光シュタルク効果はサブバンド間仮想遷
移による光シュタルク効果と呼ぶべきものである。
今、電界ベクトルの強度εの光を当てると、夫々のサ
ブバンドの準位は Ea−Ea→（ｅμε）2/δ Eb＋Eb→（ｅμε）2/δ の様にシフトする。ここでｅは単位電荷、μはエネルギ
ー準位Eaの状態からエネルギー準位Ebの状態への遷移の
双極子モーメントの長さで、原子などではμは精々数Å
程度であるが、QWSでは井戸層の数分の１の大きさを持
つので、10Å以上の大きな値になる。つまり、QWSのサ
ブバンド間仮想遷移による光シュタルク効果は通常より
大きく、それが、前述した様に光の電界ベクトルをQWS
の層に垂直にすること｜δ｜を十分小さくすることと相
い俟って本発明の素子の感度を大きくするのに寄与して
いる。
ブバンドの準位は Ea−Ea→（ｅμε）2/δ Eb＋Eb→（ｅμε）2/δ の様にシフトする。ここでｅは単位電荷、μはエネルギ
ー準位Eaの状態からエネルギー準位Ebの状態への遷移の
双極子モーメントの長さで、原子などではμは精々数Å
程度であるが、QWSでは井戸層の数分の１の大きさを持
つので、10Å以上の大きな値になる。つまり、QWSのサ
ブバンド間仮想遷移による光シュタルク効果は通常より
大きく、それが、前述した様に光の電界ベクトルをQWS
の層に垂直にすること｜δ｜を十分小さくすることと相
い俟って本発明の素子の感度を大きくするのに寄与して
いる。
さて、先ず第１図のQWS（W1、Ｎ、W2）に光が当たっ
ていないときを考える。左側のQWS（W1）に外部電極か
ら供給された電子は、サブバンドの基底準位EWaの状態
に落ち込む。右側のQWS（W2）との間には電圧Ｖがかか
っているので電子は左側のQWS（W1）から右側のQWS
（W2）へトンネルして行こうとする。
ていないときを考える。左側のQWS（W1）に外部電極か
ら供給された電子は、サブバンドの基底準位EWaの状態
に落ち込む。右側のQWS（W2）との間には電圧Ｖがかか
っているので電子は左側のQWS（W1）から右側のQWS
（W2）へトンネルして行こうとする。
ところが、本実施例では、その途中にあるQWS（Ｎ）
のサブバンドエネルギーの基底準位ENaが両端のそれEWa
より充分高くなっているので（すなわち式（１）の関係
にある）、トンネル確率は小さい。つまり、QWS（W1、
Ｎ、W2）に光が当たっていないときには電流は殆ど流れ
ず、検出計Ａは電流を殆ど検出しない。
のサブバンドエネルギーの基底準位ENaが両端のそれEWa
より充分高くなっているので（すなわち式（１）の関係
にある）、トンネル確率は小さい。つまり、QWS（W1、
Ｎ、W2）に光が当たっていないときには電流は殆ど流れ
ず、検出計Ａは電流を殆ど検出しない。
次に、QWS（W1、Ｎ、W2）に光が当たった場合を述べ
る。光は、マルチフォノン吸収や自由キャリア吸収を避
ける為に、その電界ベクトルがｚ方向を向く様な偏光状
態にある様にしておく（同時にQWSにサブバンド間隔をL
Oフォノンエネルギーの数倍以上にしておく）。このと
き、前述の光シュタルク効果で電子準位が次の様にシフ
トする。
る。光は、マルチフォノン吸収や自由キャリア吸収を避
ける為に、その電界ベクトルがｚ方向を向く様な偏光状
態にある様にしておく（同時にQWSにサブバンド間隔をL
Oフォノンエネルギーの数倍以上にしておく）。このと
き、前述の光シュタルク効果で電子準位が次の様にシフ
トする。
ENa→ENa−（ｅμN ε）2/δＮ ・・・（３） EWa→EWa−（ｅμW ε）2/δＷ ・・・（４） ここで、 であり、εは光の電界強度、μＮ、μＷは夫々QWS
（Ｎ）とQWS（W1、W2）の一番目から二番目のサブバン
ドへの遷移双極子の長さである。
（Ｎ）とQWS（W1、W2）の一番目から二番目のサブバン
ドへの遷移双極子の長さである。
このとき、式（２）よりδＮ＞０、δＷ＜０になるの
で、式（３）、（４）より、中央のQWS（Ｎ）の基底準
位ENaは低い方へ、両側のQWS（W1、W2）のそれEWaは高
い方にシフトする（第１図のハッチングの矢印参照）。
その結果、|ENa−EWa|が小さくなるので（すなわち|ENa
−EWa|＜ΓWa＋ΓNaとなる）、右側のQWS（W1）から中
央のQWS（Ｎ）を通って左側のQWS（W2）へトンネルする
確率を増し、流れる電流量が増す。
で、式（３）、（４）より、中央のQWS（Ｎ）の基底準
位ENaは低い方へ、両側のQWS（W1、W2）のそれEWaは高
い方にシフトする（第１図のハッチングの矢印参照）。
その結果、|ENa−EWa|が小さくなるので（すなわち|ENa
−EWa|＜ΓWa＋ΓNaとなる）、右側のQWS（W1）から中
央のQWS（Ｎ）を通って左側のQWS（W2）へトンネルする
確率を増し、流れる電流量が増す。
上述の電子準位の光シュタルクシフトの量は光強度
（ε２）に比例するので、この電流量変化は光強度を反
映したものになり、電流量から光強度を逆算出来ること
になる。
（ε２）に比例するので、この電流量変化は光強度を反
映したものになり、電流量から光強度を逆算出来ること
になる。
第２図に光入力−電流特性を模式的に示す。
上記の場合、式（１）においてENa＞EWaであったが、
EWa＞ENa（つまり両側のQWS（W1、W2）の基底準位EWaが
中央のQWS（Ｎ）の基底準位ENaより充分高い）であるこ
ともできる。この場合、式（２）の不等号は逆になっ
て、光が当たって光シュタルクシフトが起きる方向は第
１図のハッチングの矢印の逆方向になって、両側のQWS
（W1、W2）の基底サブバンドEWaが下がり、中央のQWS
（Ｎ）の基底サブバンドENaが上がってトンネル確率が
増す様になる。
EWa＞ENa（つまり両側のQWS（W1、W2）の基底準位EWaが
中央のQWS（Ｎ）の基底準位ENaより充分高い）であるこ
ともできる。この場合、式（２）の不等号は逆になっ
て、光が当たって光シュタルクシフトが起きる方向は第
１図のハッチングの矢印の逆方向になって、両側のQWS
（W1、W2）の基底サブバンドEWaが下がり、中央のQWS
（Ｎ）の基底サブバンドENaが上がってトンネル確率が
増す様になる。
ところで、QWS（W1、Ｎ、W2）に光が当たっていない
時に、式（１）とは反対に、 となって、トンネル確率が高く流れる電流量が大きい様
に設定しても良い。この場合、光が当たって光シュタル
クシフトが起きる方向は、第１図と同じ方向であって、
中央のQWS（Ｎ）の基底電子準位ENaが相対的に低くなっ
て電流量が減少する様にしても良いし、第１図と逆の方
向であって中央のQWS（Ｎ）の基底電子準位ENaが相対的
に高くなっても良い。このときの特性は第４図の様にな
る。
時に、式（１）とは反対に、 となって、トンネル確率が高く流れる電流量が大きい様
に設定しても良い。この場合、光が当たって光シュタル
クシフトが起きる方向は、第１図と同じ方向であって、
中央のQWS（Ｎ）の基底電子準位ENaが相対的に低くなっ
て電流量が減少する様にしても良いし、第１図と逆の方
向であって中央のQWS（Ｎ）の基底電子準位ENaが相対的
に高くなっても良い。このときの特性は第４図の様にな
る。
また、QWSまたはQLSは３つに限らず、もっと多数でも
良いし２つでも良い。隣り合うQWSまたはQLS間の量子準
位が、上述した場合のいずれかの場合の関係になってい
れば良い。
良いし２つでも良い。隣り合うQWSまたはQLS間の量子準
位が、上述した場合のいずれかの場合の関係になってい
れば良い。
QWSまたはQLSの材料についても、半導体はAlGaAsに限
定されず、例えば、InGaAsPとか、ZnS、ZnTeとか、Cd
S、CuCl等でも良い。
定されず、例えば、InGaAsPとか、ZnS、ZnTeとか、Cd
S、CuCl等でも良い。
［発明の効果］ 以上説明した様に、本発明の光検出器によれば、被検
出光を殆ど吸収せずに光強度が測れるので、１つの光信
号を幾度でもシリアルに読み出すことが可能になる。
出光を殆ど吸収せずに光強度が測れるので、１つの光信
号を幾度でもシリアルに読み出すことが可能になる。
第１図は本発明の光検出器の基本構造を示す模式図、第
２図は第１図の例の光入力−電流特性の模式図、第３図
は伝導キャリアのあるQWSまたはQLSの光吸収スペクトル
を示す図、第４図は他の実施例の光入力−電流特性の模
式図である。 W1、W2、Ｎ……QWSまたはQLS
２図は第１図の例の光入力−電流特性の模式図、第３図
は伝導キャリアのあるQWSまたはQLSの光吸収スペクトル
を示す図、第４図は他の実施例の光入力−電流特性の模
式図である。 W1、W2、Ｎ……QWSまたはQLS
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 31/10 H01L 31/08
Claims (5)
- 【請求項１】互いに異なる複数のサブバンドの電子準位
を有する量子構造と、該量子構造におけるトンネル電流
を検出する検出手段とを有しており、該量子構造に検出
する光を入射させてサブバンド間仮想遷移による光シュ
タルク効果により前記電子準位をシフトさせ、電子準位
がシフトした事によって生じる前記トンネル電流の大小
により光の強度を検出する事を特徴とする光検出器。 - 【請求項２】前記サブバンドの電子準位間隔は、前記検
出する光のエネルギーと等しくない請求項１に記載の光
検出器。 - 【請求項３】前記サブバンドの電子準位間隔は、該電子
準位間隔と前記検出する光のエネルギーとの差の絶対値
が前記サブバンドの電子準位のエネルギー幅の和に概略
等しいかそれより大きくなる如く設定されている請求項
２に記載の光検出器。 - 【請求項４】前記検出する光のエネルギーはLOフォノン
エネルギーよりも大きい請求項項１乃至３のいずれかに
記載の光検出器。 - 【請求項５】前記量子構造は層状に設けられており、前
記検出する光は該検出する光の電界ベクトルが前記層に
垂直になるように入射される請求項１乃至４のいずれか
に記載の光検出器。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2045086A JP2873851B2 (ja) | 1990-02-26 | 1990-02-26 | 光検出器 |
| EP91102768A EP0444581B1 (en) | 1990-02-26 | 1991-02-25 | Photodetector |
| DE69129311T DE69129311T2 (de) | 1990-02-26 | 1991-02-25 | Photodetektor |
| US08/001,228 US5321275A (en) | 1990-02-26 | 1993-01-06 | Photodetector and photodetection method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2045086A JP2873851B2 (ja) | 1990-02-26 | 1990-02-26 | 光検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03248479A JPH03248479A (ja) | 1991-11-06 |
| JP2873851B2 true JP2873851B2 (ja) | 1999-03-24 |
Family
ID=12709513
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2045086A Expired - Fee Related JP2873851B2 (ja) | 1990-02-26 | 1990-02-26 | 光検出器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2873851B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8373153B2 (en) * | 2009-05-26 | 2013-02-12 | University Of Seoul Industry Cooperation Foundation | Photodetectors |
| US8809834B2 (en) | 2009-07-06 | 2014-08-19 | University Of Seoul Industry Cooperation Foundation | Photodetector capable of detecting long wavelength radiation |
| JP6102142B2 (ja) * | 2012-09-21 | 2017-03-29 | 日本電気株式会社 | 赤外線検出器 |
-
1990
- 1990-02-26 JP JP2045086A patent/JP2873851B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03248479A (ja) | 1991-11-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090114 Year of fee payment: 10 |
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| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
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|
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