JP3542965B2 - デュアルバンド量子井戸赤外線センシングアレイ - Google Patents

Description

発明の発端
本書に記される発明は、ＮＡＳＡの契約に基づく業務遂行時になされたもので、契約者が既に権原を持つことを選択している状況について規定する公法９６−５１７（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．２０２）の条項の対象となっている。
【０００１】
発明の技術分野
本発明は放射線の検出とその装置に関するものであり、具体的には量子井戸放射線センシングアレイに関するものである。
【０００２】
発明の背景
量子井戸半導体装置には、他の多数の種類の放射線検出装置よりも高い放射線検出性能を持たせることができる。量子井戸構造の独特な特性によって、高い量子効率、低い暗電流、小形化などの利点が可能になる。
【０００３】
特に、格子と整合した半導体材料の組成を人工的に変えることで、様々な量子井戸構造体を形成し、赤外線（以下「ＩＲ」）検出とセンシングの際に広範な波長をカバーするようにすることができる。バンド内遷移、すなわち同一バンド（すなわち伝導帯または価電子帯）内でのキャリヤ（すなわち電子または正孔）の基底状態と励起状態との間における光励起を利用して、適正電圧でバイアスされた適正な量子井戸構造体を使用することによって、選択された波長でＩＲ値域内で高い応答度を持つ放射線を検出することができる点が有益である。例えば、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／ＧａＡｓから成る量子井戸構造体の場合、アルミニウムのモル比ｘ（０≦ｘ≦１）やＧａＡｓ層の厚さを変えることで、該構造体の波長の吸収を変えることができる。上記以外の赤外線検出用の素材としては、Ｈｇ_１−ｘＣｄ_ｘＴｅとＰｂ_１−ｘＳｎ_ｘＴｅが挙げられる。例えば、１９９５年にＡｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓから出版されたＰｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ， Ｖｏｌ．２１の１１３〜２３７ページに記載されたＧｕｎａｐａｌａおよびＢａｎｄａｒａ著「Ｒｅｃｅｎｔ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」（量子井戸赤外線光検出器の最近の発展）と１９９７年１月１７日に出願され、共同譲渡された係属中の出願番号０８／７８５，３５０を参照のこと。これらの文献は、本明細書に組み入れられる。
【０００４】
量子井戸構造体から成る赤外線センシングアレイは、夜間視力、航法、飛行制御、環境監視（例えば大気中の汚染物質など）およびその他の技術分野に応用される点が好ましい。従来式の赤外線アレイは、約１μｍから約３μｍまでの短波長赤外線値域（以下「ＳＷＩＲ」）、約３μｍから約５μｍまでの中波長赤外線値域（以下「ＭＷＩＲ」）、約８μｍから約１２μｍまでの長波長赤外線値域（以下「ＬＷＩＲ」）、または約１２μｍ以上の超長波長赤外線値域（以下「ＶＬＷＩＲ」）といった明記された波長値域でしか放射線に応答しないものが多い。明記された放射線波長で動作する量子井戸センシングアレイのセンシングピクセルは、所定の電圧でバイアスされている。通常、この共通バイアス電圧を供給するとともに、センシングピクセルから信号を読み出すため、センシングピクセルに対応する読出しピクセルのアレイを具備した読出しマルチプレクサが使われる。
【０００５】
センシングアレイには、それぞれがＭＷＩＲ検出器とＬＷＩＲ検出器とを含むセンシングピクセルを設けて、デュアルバンド（ｄｕａｌ−ｂａｎｄ）アレイを形成するように構成してもよい。このようにすることで、同一のアレイ内の２つの異なるＩＲ値域で放射線信号の同時検出が達成できる。
【０００６】
これまでにいくつかのデュアルカラーシングルエレメント（ｄｕａｌ−ｃｏｌｏｒ ｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｍｅｎｔ）量子井戸検出器が提案されている。２つの異なる波長用の２つの量子井戸検出器を積み重ねて単一の検出器を形成し、２つの異なる波長で２つの放射線を検出できるようにする。例えば、１９９７年に出版されたＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．７０の８５９〜８６１ページに記載されるＴｉｄｏｗ等の著「Ａ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒａｉｎ Ｔｗｏ Ｓｔａｃｋ Ｔｗｏ−Ｃｏｌｏｒ Ｑｕａｎｔａｍ Ｗｅｌｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」（高ひずみ２スタック２色量子井戸赤外線光検出器）と１９９７年９月１２日に出願され、共同譲渡された係属中の出願番号０８／９２８，２９２を参照のこと。これらの文献は、本明細書に組み入れられる。該検出器には２つの異なる電圧を供給して、異なる量子井戸検出器に適正なバイアスを与え、応答度がほぼ最適化されるようにする。Ｓｔｏｋｅｓに発行された米国特許番号５，５５２，６０３では、それぞれのセンシングピクセルに２つのバイアス電圧を必要とする３色量子井戸センシングアレイが開示されている。
【０００７】
このように２つの異なるバイアス電圧が必要とされると、デュアルバンドセンシングアレイを形成する際に困難が生じる。センシングアレイには読出し用マルチプレクサが必要であるが、市販の読出しマルチプレクサにはセンシングピクセルに１つのバイアス電圧しか供給できないものが多い。２種の電圧供給が可能な特注の読出しマルチプレクサを設計することはできるが、当該装置のコストは高くなる。さらに、２種の電圧が必要なことから回路も複雑になる。
【０００８】
発明の要約
本発明は、２つ以上の異なる波長を持つ放射線を同時に検出できる量子井戸センシングアレイを提供するものである。それぞれのピクセルで２つ以上の量子井戸センシングスタックが実現され、共通の電圧差でバイアスされる。該センシングアレイに電力を供給するとともに、該センシングアレイから信号を読み取るために、単一の基準電圧の読出しマルチプレクサアレイを該センシングアレイに連結することができる。
【０００９】
そのようなデュアルバンド量子井戸センシングアレイの１つの実施形態には、複数のセンシングピクセルが含まれている。各センシングピクセルは、所定の導電型を有するようにドープされた第１の半導体コンタクト層と、該第１の半導体コンタクト層の上方に形成されるとともに、第１の井戸幅を持った第１の数の量子井戸を形成している複数の交番する半導体層を持つように構成された第１の量子井戸センシングスタックと、所定の導電型を持つようにドープされるとともに、第１の量子井戸センシングスタック上に設けられた少なくとも１つの第２の半導体コンタクト層と、該第２の半導体コンタクト層の上方に形成されるとともに、第２の井戸幅を持った第２の数の量子井戸を形成している複数の交番する半導体層を持つように構成された第２の量子井戸センシングスタックと、所定の導電型を持つようにドープされるとともに、第２の量子井戸センシングスタック上に設けられた第３の半導体コンタクト層とを擁している。
【００１０】
第１と第２の量子井戸センシングスタックは、それぞれ第１と第２の作動波長（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）で放射線に応答して、帯電キャリヤ（ｃｈａｒｇｅｄ ｃａｒｒｉｅｒ）を生成するように構成されている。第１と第３の半導体コンタクト層は、第２の半導体コンタクト層に対して共通のバイアス電気ポテンシャルに維持され、第１と第２の量子井戸センシングスタックが共通の電圧差でバイアスされるようになっている。
【００１１】
それぞれの量子井戸センシングスタックのドーピングレベル、井戸幅、および量子井戸の数は、共通バイアス電圧差がかかった状態でそれぞれの作動波長で受け取られた１つ１つの放射線光子に応答して生成される帯電キャリヤをほぼ最大化するように構成することができる。特に、所定の共通バイアス電圧差については、２つの異なる波長で受け取られた放射線エネルギーの強さに２桁以上の開きがある場合には、その２つのセンシングスタックで放射線によって誘導された帯電キャリヤが同じ階位（ｏｒｄｅｒ）の大きさとなるよう、その２つの量子井戸センシングスタックのドーピングレベル、井戸幅、および量子井戸の数を互いに関連させて選択することができる。
【００１２】
作動波長の種類に属するような特徴を備えた反射格子層または反射層を第２と第３のコンタクト層上に設けて、第１のコンタクト層から受け取られた垂直の入射放射線を第１と第２のセンシングスタックの方へ斜めに向け戻し、放射線の吸収を誘導することもできる。
【００１３】
以下の詳細な説明と、添付の図面と、請求項を考慮すれば、以上で述べた本発明やそれ以外の態様およびそれに付随する利点がさらに明白になるであろう。
【００１４】
好ましい実施形態の詳細な説明
図１には、デュアルバンドアレイのセンシングピクセル１００の実施形態が示されている。このような複数のピクセルが１次元アレイか２次元アレイのいずれかを形成している。該ピクセル１００には、２つの量子井戸構造体１１０および１２０が含まれ、その２つの構造体が半導体基板１０１の上方に互いに積層され、波長の異なる２つの放射線をそれぞれ検出するように構成されている。第１の量子井戸スタック１１０には第１の数Ｎ_１の量子井戸がある。スタック１１０は第１の波長λ_１で放射線を吸収し、それ以外の波長の放射線を透過させる。
【００１５】
第２の量子井戸スタック１２０には第２の数Ｎ_２の量子井戸がある。スタック１２０は第２の波長λ_２で放射線を吸収し、それ以外の波長の放射線を透過させる。したがって、各量子井戸スタックは、吸収されない放射線を阻止することなく透過させる。１つのスタックによって透過された放射線は、別のスタックによって検出することができる。
【００１６】
２つの量子井戸スタック１１０および１２０は、特定の元素のモル比が異なる同じ半導体化合物で形成することができる。例えば、ＡｌＧａＡｓ（バリヤー層）／ＧａＡｓ（活性層）を使って両方のスタック１１０および１２０を形成することができるが、吸収波長が同じにならないよう、アルミニウムのモル比は変えてある。さらに、特に第１と第２の波長が互いに大幅に異なる場合には、量子井戸スタック１１０および１２０を異なる半導体化合物で形成してもよい。例えば、第１のスタック１１０にはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／ＧａＡｓを使い、第２のスタック１２０にはＡｌ_１−ｘ Ｇａ_１−ｘＡｓ／Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ／ＧａＡｓあるいはＧａ_ｘＩｎ_１−ｘＰ／ＩｎＰのような上記以外の素材の組み合わせを使用してもかまわない。上記以外の素材の組み合わせとしては、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＰ／ＩｎＰ、およびＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＡｓ／ＡｌＡｓが挙げられる。
【００１７】
それぞれの量子井戸スタックは、２つの密にドープされた導電性の（例えば、ｎ＝１０^１７ｃｍ^−３）半導体コンタクト層の間に挟持されている。該コンタクト層を介して適正なバイアス電圧が量子井戸スタックに印加される。両方のコンタクト層のドーパントの型は同じである。したがって、量子井戸スタックの一方の側のコンタクト層の導電性がｎ型となるようにドープされている場合、該量子井戸スタックのもう一方の側のコンタクト層の導電性もｎ型でなければならない。具体的には、第１の量子井戸スタック１１０はコンタクト層１１１および１１２の間に設けられており、第２の量子井戸スタック１２０は、コンタクト層１２１および１２２の間に設けられている。コンタクト層１２１および１１２は互いに接している。あるいはまた、図２に示されるピクセル２００の場合のように、隣接するコンタクト層１２１を除去して、単一のコンタクト層１１２を量子井戸スタック１１０と１２０とで共用するようにしてもよい。
【００１８】
コンタクト層の材料組成は、一般的に、適当な半導体材料であればどのようなものでもかまわない。格子の整合に備えて、また製造が容易になるよう、それぞれの量子井戸の材料組成に応じてコンタクト層を選定することが望ましい。例えば、ＡｌＧａＡｓを使って量子井戸スタックを形成した場合、それぞれのコンタクト層を密にドープしたＧａＡｓで形成し、ドープされていないＧａＡｓで基板を形成してもよい。因みにドープされていないＧａＡｓは半絶縁素材である。
【００１９】
センシングピクセル１００は、第１の量子井戸スタック１１０の側面から入射放射線を受け取る。所望の赤外線波長でサブバンド間遷移を誘導するためには、いずれか一方の量子井戸スタック（１１０または１２０）によって受け取られた入射放射線は、量子井戸層に垂直な量子井戸層の成長方向に沿った電界成分を有する必要がある。前出のＧｕｎａｐａｌａおよびＢａｎｄａｒａを参照のこと。単一のＩＲ検出器または線形アレイについては、基板１０１を斜めに（例えば、４５°に）ラップ仕上げして、放射線を斜めに曲げた面に垂直に向けることで適正な結合を行ってもかまわない。しかし、このような結合の構成は、２次元センシングアレイには使用できない。
【００２０】
放射線を量子井戸層に斜めに結合する１つの方法として、各ピクセル（例えば、１００または２００）で反射格子を使用して、垂直に入射する放射線をピクセル１００の内部で反射して、量子井戸層の成長方向に沿った電界成分を持った反射放射線を生成する方法がある。
【００２１】
図１を見ると、第２の量子井戸スタック１２０が第１の量子井戸スタック１１０より小さくなっていて、コンタクト層１１２の一部が露出されるとともに、電極１４０Ｂが収容されるようになっていることが望ましい。２つの反射格子層１１４および１２４がそれぞれ密にドープされたコンタクト層１１２および１２２の上方に設けられて、量子井戸センシングスタック１１０および１２０に適正な光学的結合を提供するようになっている。そういった格子層を設ける方法は、フォトリソグラフィ技術を用いて所望の格子機構（ｇｒａｔｉｎｇ ｆｅａｔｕｒｅｓ）を構成するというものであってもかまわない。第１の反射格子層１１４は、第１の波長λ_１の放射線を１つ以上の所望の角度で反射する格子機構を備えるように構成してもよい。第２の反射格子層１２４は、２組の反射格子機構を持たせ、１組は第１の波長λ_１の放射線を反射し、もう１組は第２の波長λ_２の放射線を反射するように構成してもよい。
【００２２】
作動中は、基板１０１を具備したセンシングアレイの側面から入射放射線が受け取られる。このアレイに実質的に垂直な入射放射線中の入射光線は、量子井戸スタック１１０と１２０のいずれによっても吸収されないが、格子１１４および１２４によって反射され、再び反対の側面から斜めにそれらの量子井戸スタックに入り、吸収される。
【００２３】
それぞれの量子井戸センシングスタックに向かう電気バイアスは、オーミックコンタクトを介して付与される。オーミックコンタクト１３０Ｂ（例えば、金属層）はコンタクト層１１２の露出部の上方の反射格子層１１４上に設けられている。コンタクト層１１２および１２１へ基準電圧Ｖ_ＲＥＦを供給するために、オーミックコンタクト１３０Ｂの上方に電極１４０Ｂ（例えば、インジウムの隆起部）が設けられている。電極１４０Ａおよび１４０Ｃは、それぞれコンタクト層１１２および１２２上のオーミックコンタクト１３０Ａおよび１３０Ｃに設けられており、量子井戸スタック１１０および１２０の両者へ共通バイアス電圧Ｖ_ＢＩＡＳを供給するようになっている。電極１４０Ａおよび１４０Ｃは短くしてあり、量子井戸スタック１１０および１２０のそれぞれにかかる電圧が（Ｖ_ＢＩＡＳ−Ｖ_ＲＥＦ）になるようになっている。
【００２４】
このデュアルバンドアレイには、放射線に誘導される電荷を感知するための読出しコンデンサを具備した読出しマルチプレクサが連結されており、それぞれのピクセル１００または２００内の両方の量子井戸スタック１１０および１２０へ単一のバイアス電圧（Ｖ_ＢＩＡＳ）を供給するとともに、この量子井戸スタックから信号を読み出すようになっている。このような読出しマルチプレクサとして、シングルバンド量子井戸ＩＲセンシングアレイに市販の読出しマルチプレクサを用いることができる。これは、先行技術で周知である。ある実施形態では、読出しマルチプレクサ内の１つの読出しピクセルを１つのセンシングピクセルに指定し、スタック１１０および１２０の両方から２つの信号を読み出すようになっている。各センシングピクセルからの２つの信号は、先ずスタック１１０を読み取り、次いでコンデンサがリセットされてからスタック１２０を読み取るという形で順次読み取ってもかまわない。このような動作によって、フレーム読出し時間が長くなる可能性がある。
【００２５】
しかし、多数の応用法において２つの異なる波長λ_１およびλ_２で目標物体の画像を同時に測定することが望ましい場合が多い。これは、各ピクセルでスタック１１０および１２０から放射線によって誘導された帯電キャリヤを同時に読み出すという方法で行ってもよい。この問題を解消する１つの方法として、マルチプレクサアレイ内の２つの読出しピクセルを１つのセンシングピクセルに指定して、指定されたセンシングピクセル内で１つの読出しピクセルが１つのセンシングスタックに対応するようにさせる場合がある。したがって、Ｍ個のピクセルから成るセンシングアレイの場合には、それぞれの読出しマルチプレクサには２Ｍ個の読出しピクセルがなければならない。例えば、マルチプレクサ内の２列の読出しピクセルを、１列のセンシングピクセルの読み出し用に指定する。
【００２６】
量子井戸スタック１１０および１２０のそれぞれが、特殊な「拘束から準拘束への（ｂｏｕｎｄ−ｔｏ−ｑｕａｓｉ−ｂｏｕｎｄ）」バンド内遷移（すなわち、サブバンド間遷移）に基づいて作動して、応答度とＳＮ比を増大させるように構成されている。第１の励起状態がバリヤー層の最上部に近い区域と共振している場合に生じる吸収サブバンドについて説明する。このような遷移が存在するのは、量子井戸の熱電子放出エネルギーバリヤー（Ｅ_Ｔ）が光電離（ｐｈｏｔｏｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）に必要なエネルギー（Ｅ_Ｐ）と実質的に整合しているとき（すなわち、できれば精密な共振の２％以内が好ましい）である。
【００２７】
この拘束から準拘束への遷移をベースにした構成は、拘束から連続体への遷移と比べて大きな熱電子放出エネルギーバリヤーを擁している。量子井戸に閉じ込められている電子を遊離させるには、かなり高いエネルギーが必要である。したがって、作動中に量子井戸によって生成される暗電流は少なくなる。しかし、拘束から準拘束への遷移をベースにした構成での励起状態は、熱電子放出エネルギーバリヤーと共振しているため、電子が漏れる際にトンネリングがほとんどあるいは全く起こらない。したがって、こうした構成を擁する量子井戸では、高い量子効率が維持される。すなわち、入射赤外線光子によって大量の光電流が生成される。こうした暗電流が少なく、量子効率が高いという２つの要因によって、量子井戸によって生成される光電流のＳＮ比は大きくなる。
【００２８】
スタック１１０および１２０で拘束から準拘束へのエネルギーレベル構成の量子井戸を得るには、ＧａＡｓ素材とＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ素材の特性と量を制御して、必要な共振関係を達成するという方法がとられる。Ａｌのモル分率を引き上げれば、井戸幅を増大させることができる。ＧａＡｓ井戸層の厚さを小さくすれば、基底状態と励起状態との分離と井戸の深さを増大させることができる。光電離（Ｅ_Ｐ）が熱電子放出エネルギーバリヤーと実質的に等しくなったときに、好ましい拘束から準拘束へのエネルギーレベル構成が達成される。この状況では、励起状態は連続体状態より下にあって、かつ深い位置に閉じ込められた量子井戸状態より上にあり、準拘束状態を形成する。
【００２９】
励起状態はバリヤーポテンシャル付近にあるため、励起状態の電子を容易にこの準拘束状態から連続体状態へと押し出すことができる。重要な利点として、光励起された電子が量子井戸から漏れ出て連続体輸送状態に移行する際にトンネリングがほとんどあるいは全く起こらないことがある。これによって、光電子を効率よく捕集するために必要なバイアスを低減することができ、したがって暗電流が小さくなる。さらに、光電子が厚いバリヤーをトンネルする必要がないため、拘束状態から連続体状態への量子井戸装置のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓバリヤーの厚さを増大させても、それに対応して光電子捕集効率が低下することはない。バリヤー幅は５００〜６００Åが好ましく、量子井戸幅は４０〜７０Åが好ましいが、この実施形態では、このような好適な範囲に入るバリヤー幅と量子井戸幅が採用されている。この数値は、従来の多数の量子井戸ＩＲ検出器よりも５だけ大きくなっている。本明細書に組み入れられる出願番号０８／７８５，３５０を参照のこと。
【００３０】
ピクセル１００または２００において、第１の量子井戸スタック１１０がＭＷＩＲ検出器として、また第２の量子井戸スタック１２０がＬＷＩＲ検出器として構成されていることを前提とすると、外部バイヤスがかかっていない状態でのピクセルのエネルギーバンド図は、図３に示されるものとなる。各量子井戸スタックは、励起状態が最大量子井戸ポテンシャルにあるか、あるいはそれに近くなるように構成することができる。量子井戸スタックにバイアス電圧を印加する。その際、量子井戸層に実質的に垂直な方向に印加して、励起状態で放射線によって誘導された電荷を量子井戸から外へ移動させるようにすることが望ましい。
【００３１】
図４には、量子井戸にバイアス電圧をかけた状態での量子井戸スタックのエネルギーバンド図が示されている。２つの隣り合う量子井戸の間のエネルギーバリヤーは傾けられており、１つの量子井戸内の励起状態で放射線によって誘導された電荷が、バイアス電界によって生じた力をかけられて、エネルギーバリヤーの上方を、より低い電位を持つ隣り合う量子井戸へと輸送されるようになっている。したがって、基底状態と励起状態ではキャリヤの移動度に大きな差があるために、このような垂直なバイアス電圧によって、バイアス電界に平行な大きい光電流が誘導される。一般に、バイアス電界を大きくすれば、放射線によって誘導される電荷の輸送工程を増進させることで、出力光電流を増大させることができる。
【００３２】
しかし、バイアス電界が大きくなるにつれて暗電流も増大するため、バイアス電界は大きすぎてはならない。暗電流は、量子井戸ＩＲ検出器における１次ノイズ源の１つである。バイアス電界が所定値より大きくなると、放射線によって誘導される光電流に比べて暗電流の寄与度が大きくなり、出力光電流のＳＮ比が所定の許容水準以下に低下する可能性がある。したがって、バイアス電界は、ＳＮ比を許容水準より上に維持しながら応答度をほぼ最適化するように適正に選定しなければならない。
【００３３】
２つの量子井戸スタック１１０および１２０は２つの異なる波長で放射線に応答するようにつくられているため、その２つのスタックにおける基底状態と励起状態との間のエネルギーギャップが異なっている。ＭＷＩＲ値域のある波長で放射線を検出するための量子井戸スタック１１０は、同一バンドにおけるそれぞれの基底状態と励起状態との間のエネルギー分離が、ＬＷＩＲ値域用の量子井戸スタック１２０よりも大きい。したがって、両方のスタックで放射線によって誘導されるキャリヤの著しい輸送を生じさせるとともに、それぞれに応答度を最適化するために、量子井戸スタック１１０においては量子井戸スタック１２０より大きいバイアス電界が所望される。
【００３４】
ピクセル１００または２００の１つの特徴として、量子井戸スタック１１０の量子井戸の数、各井戸の幅、またはその両方を、スタック１２０のそういったパラメータと異なるように構成して、両方のスタックに同じバイアス電圧を印加して、それらのスタック内部に異なるバイアス電界を達成してそれらの応答度をほぼ最適化することができることがある。
【００３５】
量子井戸スタックの応答度Ｒは、当該スタックの正味量子効率ηと光導電ゲインｇの項で近似することができる。
【００３６】
【数１】

【００３７】
ここで、ｅは電荷であり、ｈνは光励起エネルギーである。各井戸の量子効率η_Ｗが低いとき（η_Ｗ≪１）には、正味量子効率ηと光導電ゲインｇは下記の式によって近似される。
【００３８】
【数２】

【００３９】
【数３】

【００４０】
ここで、Ｎは当該スタックにおける量子井戸の数であり、Ｐ_ｃは各井戸の捕獲確率である。
【００４１】
【数４】

【００４２】
よって、スタックの応答度Ｒは、井戸の数Ｎとはほぼ無関係である。応答度Ｒの各井戸のバイアス電解への依存は、主としてＰ_ｃがバイアス電界に伴なって変動することによって生じる。捕獲確率Ｐ_ｃはバイアス電界が増加するにつれて減少し、その逆も同様である。
【００４３】
スタック１１０および１２０に対して所望されるバイアス電界がそれぞれＥ_Ｂ１およびＥ_Ｂ２であることを前提とすると、共通バイアス電圧差（Ｖ_Ｂ−Ｖ_０）と最適化された電界Ｅ_Ｂ１およびＥ_Ｂ２との関係は、次のとおりである。
【００４４】
【数５】

【００４５】
ここで、Ｎ_１およびＮ_２、Ｌ_Ｐ１およびＬ_Ｐ２は、それぞれスタック１１０および１２０の量子井戸の数と井戸幅である。したがって、量子井戸の井戸の数Ｎと井戸幅Ｌ_ＰがパラメータＥＮＬ_Ｐを定数（すなわち、各スタックの間の共通電圧差）として維持するように構成されているかぎり、その２つのスタックのバイアス電界は、したがって応答度は所望値に設定されている。２つの量子井戸スタック１１０および１２０の井戸幅が同じであるときには、該スタック１１０および１２０の井戸の数の比率は、下記を満たすように選定される。
【００４６】
【数６】

【００４７】
Ｅ_Ｂ１＞Ｅ_Ｂ２であるため、スタック１１０の井戸の数Ｎ_１は、スタック１２０の井戸の数Ｎ_２より少なくなる。
【００４８】
量子井戸スタックの暗電流Ｉ_Ｄに付随する暗電流ノイズは、下記のように近似することができる。
【００４９】
【数７】

【００５０】
ここで、Δｆは周波数帯域幅である。井戸の数が共通の場合には、ＬＷＩＲ検出器用のＩ_Ｄ／Ｐ_ｃの値はＳＷＩＲ検出器用やＭＷＩＲ検出器用の値より、通常は数桁大きいため、デュアルバンドピクセル１００または２００の暗電流ノイズはＬＷＩＲ検出器によって支配される。ＬＷＩＲ検出器にある井戸の数が増加するとともに、ＳＷＩＲ検出器やＭＷＩＲ検出器にある井戸の数が減少すると、ＬＷＩＲ検出器の暗電流ノイズが低減する一方で、ＳＷＩＲ検出器やＭＷＩＲ検出器の暗電流ノイズは増大する。しかし、多くの実用的装置の場合、量子井戸スタック１１０および１２０が数式５または数式６に従った構成になっていても、やはりＬＷＩＲ検出器の暗電流ノイズが優勢である。したがって、単一のバイアス電圧がかかった状態でＮ_１＜Ｎ_２であるデュアルバンドピクセル１００または２００の暗電流ノイズは、２つのバイアス電圧がかかった状態でＮ_１＝Ｎ_２であるデュアルバンドピクセルの暗電流ノイズよりも小さくなると考えられる。
【００５１】
各量子井戸スタック（１１０または１２０）の量子井戸のドーピング密度ｎ_Ｄは、センシングアレイの性能を最適化する目的で変化させることができる、もう１つの設計パラメータである。ドーピング密度ｎ_Ｄは、単一量子井戸効率η_Ｗと直接に関係づけられている。したがって、数式４の応答度Ｒは、ｎ_Ｄに正比例する。２つの量子井戸スタック１１０および１２０のドーピング密度を異なる値に設定して、それらのそれぞれの応答度が互いに異なるようにすることができる。
【００５２】
例えば、いくつかの応用法では、第１のスタック１１０の第１の作動波長λ_１におけるＩＲ放射線の量が、受信した画像における第２のスタック１２０の第２の作動波長λ_２におけるＩＲ放射線の量と異なっている。したがって、ドーピング密度を高めることで、弱い方の放射線を受け取るスタックの応答度をもう一方のスタックよりも高くし、弱い方の放射線によって表される受信画像の増強が必要な場合もある。
【００５３】
具体的には、その２つの異なるセンシングスタックで受け取られた異なる波長における２つの異なる流速がｆ_１とｆ_２であると仮定すると、スタック１１０および１２０によってそれぞれ生成される光電流ｉ_１およびｉ_２は、下記のように表すことができる。
【００５４】
ｉ_１ ＝ ｆ_１ × Ｒ_１
ｉ_２ ＝ ｆ_２ × Ｒ_２
ここで、Ｒ_１とＲ_２はそれぞれスタック１１０と１２０の応答度であり、数式４に定義されるとおりである。ｆ_１とｆ_２に差があるために、電流ｉ_１およびｉ_２が互いに著しく異なっている場合、例えばその差が２桁以上である場合には、読出しマルチプレクサアレイは電流信号ｉ_１およびｉ_２を適正に検出しないかもしれない。一部の読出しマルチプレクサについては、ｉ_１とｉ_２の値を同じ階位に属する大きさにするのが望ましい場合もある。これは、各井戸の量子効率η_Ｗを調整するという方法によって達成することができる。因みに、この量子効率は当該井戸中のキャリヤの数、すなわち井戸のドーピング密度と直接的に関連づけられている。よって、こういった井戸のドーピング密度をもう１つの設計パラメータとして利用して、各井戸の量子効率を調整するとともに、応用法の具体的要件に従ってセンシングアレイを最適化することができる。それ以外のパラメータとしては井戸の数と量子井戸の周期が挙げられるが、それらのパラメータを調整して各井戸内の電界を変化させてもかまわない。各井戸内の電界は捕獲効率Ｐ_ｃを変化させる。したがって、量子井戸センシングスタック１１０および１２０のドーピング密度、井戸の数、および量子井戸周期は全て、２つのセンシングスタックが２つの異なる波長で異なる流束の放射線に応答して同じ階位に属する大きさの光電流を生成するように、互いに関連させて調整することができる。
【００５５】
一般に、量子井戸の数Ｎ、量子井戸の幅Ｌ_ｐ、およびドーピング密度ｎ_Ｄは、設計上の柔軟性が得られるとともに、様々な応用法の性能面の要件を満たすように、単独でも組み合わせでもいずれの形態でも調整が可能である。
【００５６】
図５には、図１あるいは図２のいずれかに示されているピクセルを具備したデュアルバンド量子井戸センシングアレイ５１０が読出しマルチプレクサアレイ５２０に取り付けられている様子が示されている。各ピクセル内のインジウムポンプ（例えば、図１の１４０Ａから１４０Ｃまで）は、読出しマルチプレクサアレイ５２０内のそれぞれのピクセルに接続されている。
【００５７】
図１および図２に示される基板１０１は、いくつかの性能面の利点を達成するために、例えばエッチングなどによって除去してもかまわない。図６には、基板のないデュアルバンド量子井戸センシングピクセルの１つの実施形態が示されている。該センシングピクセルの支持は、読出しマルチプレクサアレイ５２０によって与えられる。マルチプレクサアレイ５２０は一般的に、基板１０１（例えば、ＧａＡｓ）とは異なるシリコン基板でつくられているため、マルチプレクサアレイ５２０と基板１０１を具備したセンシングアレイ５１０の熱膨張率は異なっている。該装置が低温まで冷やされると、異なる熱収縮が発生し、ひび割れが生じる場合もある。
【００５８】
以上ではデュアルバンド量子井戸ＩＲセンシングアレイについて説明したが、ピクセルごとに異なる波長で３つ以上の量子井戸ＩＲ検出器を実現して、マルチバンド量子井戸ＩＲセンシングアレイを形成してもよい。またさらに変形例として、各反射格子層（１１４および１２４）の代わりに、当該波長の等級で表面粗さや小さな特徴（ランダムあるいは周期的なもののいずれでも）を持つ特殊反射層を用いてもよい。通常は、入射放射線は、このような反射層によって反射されると、ある範囲の方向に（例えば、円すいを形成するなど）散乱されてセンシングスタック１１０および１２０に戻され、もはや量子井戸層について垂直ではなくなる。その他にも様々な修正と改良を加えることができるが、それは請求項に記載のものによって包含されると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１には、デュアルバンド量子井戸ＩＲセンシングアレイ用のピクセルの実施形態が示されており、各ピクセルが井戸数の異なる２つの量子井戸ＩＲ検出器を具備しているとともに、単一の外部バイアス電圧がかかった状態で作動している様子が示されている。
【図２】図２には、デュアルバンド量子井戸ＩＲセンシングアレイ用ピクセルの別の実施形態が示されており、各ピクセルが井戸の数の異なる２つの量子井戸ＩＲ検出器を具備しているとともに、単一の外部バイアス電圧がかかった状態で作動している様子が示されている。
【図３】図３は、バイアス電圧がかかっていない状態での図１と図２に示されるピクセルのエネルギーバンド図である。
【図４】図４は、バイアス電圧がかかった状態での量子井戸ＩＲ検出器のエネルギーバンド図である。
【図５】図５には、デュアルバンドアレイと単一のバイアス電圧を供給する読取りマルチプレクサとで構成されるデュアルバンドセンシング装置が示されている。
【図６】図６には、基板のない状態のデュアルバンドピクセルが示されている。

Claims (20)

1. 半導体基板上に形成された複数のセンシングピクセルで構成される半導体放射線センシングアレイであって、各センシングピクセルは、
   所定の導電型を有するようにドープされた第１の半導体コンタクト層と、
   前記第１の半導体コンタクト層の上方に設けられるとともに、第１の井戸幅を持つ第１の数の量子井戸を形成しかつ第１のドーピングレベルでドープされている複数の交番する半導体層を持つように構成された第１の量子井戸センシングスタックであって、前記第１のセンシングスタックが第１の作動波長で放射線に応答して第１の量の帯電キャリヤを生成するようになっているセンシングスタックと、
   前記所定の導電型を有するようにドープされるとともに、前記第１のセンシングスタック上に形成された少なくとも１つの第２の半導体コンタクト層と、
   前記第２の半導体コンタクト層の上方に設けられるとともに、第２の井戸幅を持つ第２の数の量子井戸を形成しかつ第２のドーピングレベルでドープされている複数の交番する半導体層を持つように構成された第２の量子井戸センシングスタックであって、前記第２のセンシングスタックが第１の作動波長と異なる第２の作動波長で放射線に応答して第２の量の帯電キャリヤを生成するようになっているセンシングスタックと、
   前記所定の導電型を有するようにドープされるとともに、前記第２の量子井戸センシングスタック上に形成された第３の半導体コンタクト層とを含んでおり、 前記第１と第３の半導体コンタクト層が前記第２の半導体コンタクト層に関して共通バイアス電気ポテンシャルに維持されており、前記第１と第２の量子井戸センシングスタックが共通電圧差でバイアスされることを特徴とするアレイ。
2. 請求項１に記載のアレイであって、前記第１と第２の量子井戸センシングスタックがバンド内遷移に基づいて作動することを特徴とするアレイ。
3. 請求項２に記載のアレイであって、前記第１の作動波長が前記第２の作動波長より長く、前記第１の井戸幅が前記第２の井戸幅に実質的に等しく、前記第１の量子井戸センシングスタックが前記第２の量子井戸センシングスタックよりも少ない量子井戸を具備していることを特徴とするアレイ。
4. 請求項１に記載のアレイであって、前記第１と第２の量子井戸センシングスタックの少なくとも１つがＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／ＧａＡｓ、Ａｌ_１−ｘＧａ_１−ｘＡｓ／Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ／ＧａＡｓ、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘ Ｐ／ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＰ／ＩｎＰ、またはＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＡｓ／ＡｌＡｓを含んでおり、ここでｘとｙは相対モル比を表していることを特徴とするアレイ。
5. 請求項１に記載のアレイであって、さらに読出しコンデンサを具備した読出しマルチプレクサアレイを含んで構成され、前記読出しマルチプレクサアレイが、各センシングピクセルから来る前記第１の量子井戸センシングスタック内の前記第１の量の帯電キャリヤを示している第１の出力信号と、各センシングピクセルから来る前記第２の量子井戸センシングスタック内の前記第２の量の帯電キャリヤを示している第２の出力信号とを同時に生成するように電気的に連結されていることを特徴とするアレイ。
6. 請求項１に記載のアレイであって、前記第１と第２の量子井戸センシングアレイが、前記第１の作動波長でのエネルギーと前記第２の作動波長でのエネルギーとの強さの差に従ってそれぞれの井戸の数、井戸の幅、および井戸のドーピングレベルを調整することで、前記第１の量の帯電キャリヤと第２の量の帯電キャリヤが互いに同じ大きさの階位に入るように構成されていることを特徴とするアレイ。
7. 請求項１に記載のアレイであって、前記第３の半導体コンタクト層の上方に形成されるとともに、前記第３の半導体コンタクト層に実質的に垂直な放射線を反射するように構成された放射線反射層をさらに含んで構成され、前記第３の半導体コンタクト層に平行な偏光成分を持った反射放射線を生成するようになっていることを特徴とするアレイ。
8. 請求項７に記載のアレイであって、前記放射線反射層が前記第１の作動波長で放射線を反射するための第１の組の格子機構と前記第２の作動波長で放射線を反射するための第２の組の格子機構とを含んでいることを特徴とするアレイ。
9. 請求項２に記載のアレイであって、各量子井戸センシングスタックが励起状態を各量子井戸のバリヤーポテンシャルの近くに配置するように構成されており、当該量子井戸の熱電子放出エネルギーバリヤーが、バンド内遷移の基底状態と励起状態とのポテンシャル差によって画定される光電離エネルギーと実質的に整合するようになっていることを特徴とするアレイ。
10. 請求項９に記載のアレイであって、当該量子井戸のそれぞれの熱電子放出エネルギーバリヤーが光電離エネルギーの２％以内に入るように各量子井戸センシングスタックがつくられていることを特徴とするアレイ。
11. 半導体基板上に形成された複数のセンシングピクセルで構成される半導体放射線センシングアレイであって、各センシングピクセルが、
    所定の導電型を有するようにドープされた第１の半導体コンタクト層と、
    前記第１の半導体コンタクト層の上方に設けられるとともに、交番する半導体層でつくられた複数の量子井戸を持つように構成された第１の量子井戸センシングスタックであって、第１の作動波長で放射線に応答して第１の量の帯電キャリヤを生成するようになっているセンシングスタックと、
    前記所定の導電型を有するようにドープされるとともに、前記第１のセンシングスタック上に形成された少なくとも１つの第２の半導体コンタクト層であって、第１の部分と第２の部分を擁している半導体コンタクト層と、
    前記第２の半導体コンタクト層の前記第１の部分の上方に設けられるとともに、交番する半導体層でつくられた複数の量子井戸を持つように構成された第２の量子井戸センシングスタックであって、前記第１の作動波長と異なる第２の作動波長で放射線に応答して第２の量の帯電キャリヤを生成するようになっているセンシングスタックと、
    前記第２の半導体コンタクト層の前記第２の部分の上方に形成された第１の放射線反射層と、
    前記所定の導電型を有するようにドープされるとともに、前記第２の量子井戸センシングスタック上に形成された第３の半導体コンタクト層と、
    前記第３の半導体コンタクト層の上方に形成された第２の放射線反射層とを含んでおり、
    前記第１と第３の半導体コンタクト層が前記第２の半導体コンタクト層に関して共通バイアス電気ポテンシャルに維持されており、前記第１と第２の量子井戸センシングスタックが共通電圧差でバイアスされることを特徴とするアレイ。
12. 請求項１１に記載のアレイであって、前記第１と第２の量子井戸センシングスタックがバンド内遷移に基づいて作動することを特徴とするアレイ。
13. 請求項１１に記載のアレイであって、前記第１と第２の量子井戸センシングスタックの少なくとも１つがＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ／ＧａＡｓ、Ａｌ_１−ｘＧａ_１−ｘＡｓ／Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ／ＧａＡｓ、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘ Ｐ／ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、Ａｌ_ｘＩｎ_１−ｘＰ／ＩｎＰ、またはＩｎ_ｘＡｌ_１−ｘＡｓ／ＡｌＡｓを含んでおり、ここでｘとｙは相対モル比を表していることを特徴とするアレイ。
14. 請求項１１に記載のアレイであって、さらに読出しコンデンサを具備した読出しマルチプレクサアレイを含んで構成され、前記読出しマルチプレクサアレイの各ピクセルが、対応するセンシングピクセルと電気的に連結されているとともに、前記第１の量子井戸センシングスタック内の前記第１の量の帯電キャリヤを示している第１の出力信号と、前記第２の量子井戸センシングスタック内の前記第２の量の帯電キャリヤを示している第２の出力信号とをそれぞれ生成することを特徴とするアレイ。
15. 請求項１１に記載のアレイであって、前記第１と第２の量子井戸センシングアレイが、前記第１の作動波長でのエネルギーと前記第２の作動波長でのエネルギーとの強さの差に従ってそれぞれの井戸の数、井戸の幅、および井戸のドーピングレベルを調整することで、前記第１の量の帯電キャリヤと第２の量の帯電キャリヤが互いに同じ大きさの階位に入るように構成されていることを特徴とするアレイ。
16. 請求項１１に記載のアレイであって、前記第１の放射線反射層が第１の作動波長で垂直に入射する放射線を１つ以上の所望の方向に反射するように作動できる第１の反射格子を含んでおり、前記第２の放射線反射層が前記第１の作動波長で放射線を反射するための第１の組の格子機構と前記第２の作動波長で放射線を反射ための第２の組の格子機構とを具備している第２の反射格子を含んでいることを特徴とするアレイ。
17. 請求項１１に記載のアレイであって、前記第１の放射線反射層が前記第１の作動波長についての反射表面機構を含んでおり、前記第２の放射線反射層が前記第１と第２の作動波長についての反射表面機構を含んでいることを特徴とするアレイ。
18. 少なくとも二つの波長を持った放射線を検出するための半導体放射線センシングアレイを構築し、使用する方法であって、
    第１の作動波長と第２の作動波長で放射線をそれぞれに検出するためにセンシングピクセル内に第１の量子井戸センシングスタックと第２の量子井戸センシングスタックとを形成する段階であって、前記第１と第２の量子井戸センシングスタックが異なる数の井戸を持っている段階と、
    前記第１と第２の両方の量子井戸センシングスタックに共通バイアス電圧を印加して、受け取られた放射線の第１と第２の作動波長での強さをそれぞれ表す第１と第２の光電流を生成する段階とから構成されることを特徴とする方法。
19. 請求項１８に記載の方法であって、前記第１の作動波長でのエネルギーと前記第２の作動波長でのエネルギーとの強さの差に従って前記第１と第２の量子井戸センシングスタックのそれぞれの井戸の数、井戸の幅、および井戸のドーピングレベルを選択する段階をさらに含んで構成され、前記第１と第２の光電流が互いに同じ大きさの階位に入るようになっていることを特徴とする方法。
20. 請求項１８に記載の方法であって、各量子井戸センシングスタックが励起状態を各量子井戸のバリヤーポテンシャルの近くに配置するように構成する段階をさらに含んで構成され、当該量子井戸の熱電子放出エネルギーバリヤーが、バンド内遷移の基底状態と励起状態とのポテンシャル差によって画定される光電離エネルギーと実質的に整合するようになっていることを特徴とする方法。

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