JP3942296B2 - Multiple quantum well infrared sensor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線を受光して各種情報を取得する多重量子井戸型赤外光センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
目標物から放射される赤外線を受光して赤外映像を生成し、その目標物に関する各種の情報を取得するシステムが広く利用されている。例えば、地球の地下資源の探査では、人口衛星に搭載した赤外線センサで地球から放射される赤外線の分布を観測し、石油や鉱脈などの探査が行われる。
【0003】
赤外線センサのなかでも、多重量子井戸型赤外光センサ(QWIP:Quantum Well Infrared Photodetectors)は、量子井戸の幅を変えて電子の励起レベルを変えることができるので、検出波長域を制御することができる。従って、検出波長域を複数設けた多重量子井戸型赤外光センサで複数の検出波長域の情報を取得すれば、より高次の情報を得ることができると共に、武器誘導用赤外センサや防衛システムなど更に詳細な情報を必要とする分野への応用が期待できる。
【0004】
図1は、従来の2つの検出波長域を有する多重量子井戸型赤外光センサの概略の構成図である。この多重量子井戸型赤外光センサは、GaAs等の基板11の上に共通電極14を設け、その上に波長が8〜10μm程度の長波長赤外線(LWIR:Long Wavelength Infrared)を検出する第1の多重量子井戸層MQW(Multi Quantum Well)1を設ける。次に、第1の多重量子井戸層MQW1の上に、コンタクト層15を介して波長が3〜5μm程度の中波長赤外線(MWIR:Mid Wavelength Infrared)を検出する第2の多重量子井戸層MQW2を設ける。そして、コンタクト層15に信号読み出し用のトランジスタT1を接続し、第2の多重量子井戸層MQW2の上の電極16に信号読み出し用のトランジスタT2を接続する。
【0005】
多重量子井戸型赤外光センサは、検出波長域の赤外線を受光すると基底レベルにあった電子が励起レベルに励起され、励起レベルから導電帯に遷移する電子が増加するので、その時にバイアス電圧が印加されていると電流が流れる。
【0006】
即ち、多重量子井戸型赤外光センサは、バイアス電圧が印加されていると受光する赤外線の量により電流が増減するので、その電流の値を測定することにより受光する赤外線の量を測定することができる。この場合、多重量子井戸型赤外光センサは、受光する赤外線の量により値が変化するインピーダンス素子とみなすことができる。
【0007】
なお、多重量子井戸層のインピーダンスの値は、基底レベルと励起レベルのエネルギー差に対応しており、このエネルギー差が小さい場合はインピーダンスも小さく、このエネルギー差が大きい場合はインピーダンスも大きくなる。一方、長波長赤外線はエネルギーが小さく、それに対応して長波長赤外線を吸収する多重量子井戸層の基底レベルと励起レベルのエネルギー差は小さい。また、中波長赤外線はエネルギーが大きく、それに対応して中波長赤外線を吸収する多重量子井戸層の基底レベルと励起レベルのエネルギー差は大きい。このため、長波長赤外線(LWIR)を検出する第1の多重量子井戸層MQW1のインピーダンスR1は小さく、中波長赤外線(MWIR)を検出する第2の多重量子井戸層MQW2のインピーダンスR2は大きくなり、しかもその差が極めて大きくなるので、
R1≪R2
が成立する。
【0008】
従って、図1(1)に示すように共通電極14からバイアス電圧V0を印加し、トランジスタT1を導通しトランジスタT2を非導通にすると、バイアス電圧V0は第1の多重量子井戸層MQW1だけに印加され、長波長赤外線(LWIR)が検出される(図1(2)参照)。
【0009】
一方、トランジスタT1を非導通にしトランジスタT2を導通すると、バイアス電圧は、インピーダンスR2が大きい第2の多重量子井戸層MQW2に大部分が印加され、インピーダンスR1が小さい第1の多重量子井戸層MQW1にはほとんど印加されない。また、赤外線を受光したことによるインピーダンスの変化は、インピーダンスR2が大きい第2の多重量子井戸層MQW2の影響が支配的になり、中波長赤外線(MWIR)の受光だけを検出することができる。
【0010】
このように、従来の多重量子井戸型赤外光センサは、2つの多重量子井戸層MQW1、MQW1のインピーダンスR1、R2の違いを利用し、2つの検出波長に対応した信号を時系列的に読み出していた。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
従来の多重量子井戸型赤外光センサは、波長8〜10μm程度の長波長赤外線(LWIR)と波長3〜5μm程度の中波長赤外線(MWIR)とで多重量子井戸層のインピーダンスが2桁程度異なる点を利用して、それぞれの信号を読み出していた。
【0012】
しかしながら、検出波長が8〜9μmの多重量子井戸層と検出波長が9〜10μmの多重量子井戸層を積層した場合は、検出波長域が近接し、多重量子井戸層のインピーダンスの違いも減少する。このため、2つの多重量子井戸層の信号はお互いに変調を受け、2つの信号間のクロストークが増大し、異なる波長毎の情報の取得が困難になる。
【0013】
そこで、本発明は、複数の検出波長域が近接している場合でも、それぞれの検出波長域からの信号を、クロストークを生じることなく独立して取得することができると共に、各信号の和信号及び差信号を直接取得することができる多重量子井戸型赤外光センサを提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、赤外線の異なる波長領域にそれぞれ感度を有する複数の多重量子井戸層を共通コンタクト層を介して積層した多重量子井戸型赤外光センサにおいて、前記共通コンタクト層に一端が接続されたスイッチ手段と、前記スイッチ手段の他端に接続された電流積分手段とを有し、前記共通コンタクト層の上下にそれぞれ形成された第1、第2の多重量子井戸層の反対側の第1、第2のコンタクト層に第1、第2の電圧を印加し、前記共通コンタクト層と第1のコンタクト層間の電圧と前記共通コンタクト層と第2のコンタクト層間の電圧のいずれか一方を他方より大きくなる様に前記スイッチ手段を所定時間導通させ、前記多重量子井戸層に流れる電流により前記電流積分手段を充電又は放電することを特徴とする多重量子井戸型赤外光センサを提供することにより達成される。
【0015】
本発明によれば、電極とスイッチ手段により、検出波長域の異なる多重量子井戸層に個別にバイアス電圧を印加することができるので、バイアス電圧が印加された多重量子井戸層の信号だけを、クロストークなく検出することができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例について図面に従って説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【0017】
図2は、本実施の形態の2つの検出波長域を有する多重量子井戸型赤外光センサの原理構成図と等価回路である。本実施の形態の多重量子井戸型赤外光センサは、GaAs等の基板11の上に第1の電極(第1のコンタクト層)17を設け、その上に波長が8〜10μm程度の長波長赤外線(LWIR)を検出する第1の多重量子井戸層MQW1を設ける。次に、第1の多重量子井戸層MQW1の上に、共通コンタクト層18を介して波長が3〜5μm程度の中波長赤外線(MWIR)を検出する第2の多重量子井戸層MQW2を設ける。そして、共通コンタクト層18にスイッチ手段として信号読み出し用のトランジスタT3を接続し、第2の多重量子井戸層MQW2の上に第2の電極(第2のコンタクト層)19を設ける。そして、スイッチ手段T3の他端には、多重量子井戸層MQW1、MQW2に流れる電流を積分するコンデンサCintが接続される。
【0018】
前述のように、多重量子井戸層MQW1、MQW2は、赤外線入力で変調される抵抗体R1、R2と見なすことができ、図2(1)の多重量子井戸型赤外光センサは、図2(2)の等価回路で表すことができる。
【0019】
次に、図2(2)により本実施の形態の多重量子井戸型赤外光センサの動作について説明する。本実施の形態の多重量子井戸型赤外光センサは、予めコンデンサCintを所定電圧で充電しておき、第1の電極17又は第2の電極19のどちらか一方にバイアス電圧V1又はV2を印加する。その状態でトランジスタT3のゲート電極に制御電圧Vgを印加し、所定時間ΔTだけトランジスタT3を導通させる。
【0020】
多重量子井戸層MQW1、MQW2は、バイアス電圧が印加されている場合だけ検出波長域の赤外線の強度に応じた電流が流れ、コンデンサCintに充電されていた容量を放電又は充電するので、所定時間ΔTの間のコンデンサCintの電圧の低下又は上昇を測定すれば、多重量子井戸層で受光した赤外線の強度が検出できる。
【0021】
この場合、トランジスタT3のゲート電極には、トランジスタT3のゲート・ソース間の閾値電圧Vtに近い制御電圧Vgが印加される。そしてトランジスタT3のコンダクタンスは十分大きく(インピーダンスは十分小さく)制御される。従って、多重量子井戸層MQW1とMQW2の接続点N1の電圧は、制御電圧Vg(≒Vt)からゲート・ソースの閾値電圧Vtだけ下がった電圧、即ち略0〔V〕になる。
【0022】
従って、図2(3)aに示すように、第1の電極17にV1=−2〔V〕、第2の電極19にV2=0〔V〕を印加すると、多重量子井戸層MQW1には2〔V〕のバイアス電圧が印加されて放電電流I1が流れるが、多重量子井戸層MQW2にはバイアス電圧がほとんど印加されないので電流はほとんど流れない。逆に、図2(3)bに示すように、第2の電極19にV2=−2〔V〕、第1の電極17にV1=0〔V〕を印加すると、多重量子井戸層MQW2には2〔V〕のバイアス電圧が印加されて放電電流が流れるが、多重量子井戸層MQW1にはバイアス電圧がほとんど印加されないので電流はほとんど流れない。
【0023】
このように多重量子井戸層MQW1とMQW2の接続点N1の電圧が0〔V〕の近傍に固定されることを特性図により説明する。図3は、多重量子井戸層MQW1(R1)にバイアス電圧V1を印加した場合の動作点の説明図である。トランジスタT3のソース電圧Vsを横軸にとり、トランジスタT3に流れる電流Itを縦軸にとると、電流Itは、ソース電圧Vsが(Vg−Vt)以下の領域で特性曲線20のように急峻に立ち上がる。即ち、トランジスタT3のインピーダンスは十分小さくなる。ここに、Vg、Vtは、トランジスタT3のゲート電圧及び閾値電圧である。
【0024】
また、多重量子井戸層MQW1に流れる電流I1は、抵抗値R1に対応する直線21により表されるため、特性曲線20と直線21の交点(It=I1の点)が動作点22となる。従って、トランジスタT3のインピーダンスがR1より十分小さい範囲で、バイアス電圧V1がV1’に変動したり、R1がR1’、R1’’と変動しても、動作点22の電圧Vsは0〔V〕近傍に固定される。
【0025】
図4は、多重量子井戸層MQW1(R1)にバイアス電圧V1を印加し、多重量子井戸層MQW2(R2)にV1と逆極性のバイアス電圧V2を印加した場合の動作点の説明図である。電流I1は抵抗値R1に対応する直線25により表され、電流I2は抵抗値R2に対応する直線26により表される。トランジスタT3には電流I1から電流I2を引いた電流Itが流れるため、この場合の動作点22は、特性曲線20と直線27の交点となる。従って、この場合は、I1>I2となる条件で、動作点22の電圧Vsは0〔V〕近傍に固定される。
【0026】
このように、本実施の形態の多重量子井戸型赤外光センサは、動作点22の電圧Vsが0〔V〕近傍に固定され、多重量子井戸層の第1、第2の電極の電圧V1、V2を図2(3)の様に制御することにより、検出波長域の異なる多重量子井戸層に個別にバイアス電圧を印加することができる。従って、バイアス電圧が印加された多重量子井戸層の信号だけを、クロストークなく検出することができる。
【0027】
図5は、多重量子井戸層を4層で構成した多重量子井戸型赤外光センサの概略図である。この場合は、異なる検出波長域を有する第1〜第4の多重量子井戸層MQW1、MQW2、MQW3、MQW4を積層し、第1の多重量子井戸層MQW1の上端に電圧V3を印加する電極30を設け、第2、第3の多重量子井戸層MQW2とMQW3の接続点に電圧V4を印加する電極31を設け、第4の多重量子井戸層MQW4の下端に電圧V5を印加する電極32を設ける。そして、第1、第2の多重量子井戸層MQW1とMQW2の共通コンタクト層に対応する接続点N2にトランジスタT4を接続し、第3、第4の多重量子井戸層MQW3とMQW4の共通コンタクト層に対応する接続点N3にトランジスタT5を接続する。
【0028】
本構成の多重量子井戸型赤外光センサによれば、4つの異なる波長域の赤外線を、個別にクロストークなく検出することができる。即ち、第1の多重量子井戸層MQW1の検出波長域の赤外線IR1を検出する場合は、図5(2)aに示すように、V3=−2〔V〕、V4=V5=0〔V〕、トランジスタT4をON、トランジスタT5をOFFとする。この場合、前述のようにトランジスタT4のゲート電圧VgをトランジスタT4の閾値電圧Vtに略等しくすれば、接続点N2の電圧は略0〔V〕になり、多重量子井戸層MQW1の信号だけを検出することができる。
【0029】
なお、第2の多重量子井戸層MQW2の検出波長域の赤外線IR2を検出する場合は、図5(2)bに示すようにV4=−2〔V〕、V3=V5=0〔V〕、トランジスタT4をON、トランジスタT5をOFFとし、第3の多重量子井戸層MQW3の検出波長域の赤外線IR3を検出する場合は、図5(2)cに示すようにV4=−2〔V〕、V3=V5=0〔V〕、トランジスタT4をOFF、トランジスタT5をONとし、第4の多重量子井戸層MQW4の検出波長域の赤外線IR4を検出する場合は、図5(2)dに示すようにV5=−2〔V〕、V3=V4=0〔V〕、トランジスタT4をOFF、トランジスタT5をONとする。
【0030】
図6は、本発明の第1の実施の形態の多重量子井戸型赤外センサの単位セル35の構成図である。本実施の形態の多重量子井戸型赤外センサは、図2(2)と同様に、赤外線IR1を検出する第1の多重量子井戸層MQW1と、赤外線IR2を検出する第2の多重量子井戸層MQW2と、信号読み出し用のトランジスタT3と、コンデンサCintとを有し、更に、コンデンサCintを予め充電するリセットトランジスタT6と、コンデンサCintの充電電圧を低インピーダンスで取り出すソースフォロワトランジスタT7とを有する。
【0031】
赤外線を検出する場合は、まずトランジスタT6のゲートにリセット信号ΦRを入力してトランジスタT6を導通させ、コンデンサCintを例えば5〔V〕の電源Vddで予め充電する。そして、前述のように、電圧V1、V2を制御して検出する波長域の多重量子井戸層MQW1又はMQW2にバイアス電圧を印加する。
【0032】
次に、トランジスタT3のゲートに制御電圧Vgを入力してトランジスタT3を所定時間だけ導通させる。制御電圧Vgは、前述のようにトランジスタT3のゲート・ソース間の閾値電圧Vtにほぼ等しくする。従って、MQW1とMQW2の接続点N1はほぼ0〔V〕に固定され、バイアス電圧を印加した多重量子井戸層の赤外線の受光量に応じた電流量だけを検出することができる。コンデンサCintの充電電荷は、バイアス電圧を印加した多重量子井戸層に流れる電流I1またはI2により放電されるので、コンデンサCintの電圧Vcは、所定時間後、受光した赤外線の強度に対応した電圧になる。その電圧VcがソースフォロワトランジスタT7のソース端子から低インピーダンスで取り出される。
【0033】
なお、図6では、ソースフォロワトランジスタT7の出力は、水平走査線W1、垂直走査線W2で選択されたトランジスタT10、T11を介して出力されるが、この点については後述する。
【0034】
図7は、本発明の第2の実施の形態の多重量子井戸型赤外センサの単位セル35構成図である。本実施の形態の多重量子井戸型赤外センサは、赤外線IR1を検出する第1の多重量子井戸層MQW1と、赤外線IR2を検出する第2の多重量子井戸層MQW2と、スイッチ手段として動作するトランジスタT13とを有し、更に、検出電流を積分するコンデンサCintと、演算増幅器OP1と、リセットトランジスタT14とを有する。
【0035】
本実施の形態の多重量子井戸型赤外センサは、まず、トランジスタT14のゲートにリセット信号ΦRを入力して導通させ、コンデンサCintの充電電荷を放電する。そして、前述のように電圧V1、V2を制御して検出する波長域の多重量子井戸層だけにバイアス電圧を印加する。なお、演算増幅器OP1の非反転入力端子(+)には仮想接地となる基準電圧Vref≒0〔V〕を印加する。
【0036】
次に、トランジスタT13のゲートに入力信号Vinを入力し、トランジスタT13を所定時間だけ導通させる。この場合、トランジスタT13はスイッチとして動作し、その電圧降下はほぼゼロになる。従って、MQW1とMQW2の接続点N1は基準電圧Vrefの0〔V〕と等しくなり、その状態を維持する様にコンデンサCintへの充電又は放電が行われる。即ち、コンデンサCintは、バイアス電圧が印加された多重量子井戸層に流れる電流に応じて、演算増幅器OP1の出力端子から矢印36の方向に充電されるので、コンデンサCintの電圧は、所定時間後、受光した赤外線の強度に対応した電圧になる。従って、バイアス電圧を印加した多重量子井戸層の赤外線の受光だけを検出することができる。
【0037】
図8は、本発明の第3の実施の形態の多重量子井戸型赤外センサの構成図であり、図8(1)は多重量子井戸型赤外センサの単位セル35を一次元アレイに構成した例を示し、図8(2)は単位セル35を二次元アレイに構成した例を示す。
【0038】
図8(1)の一次元アレイは、単位セル35として、例えば図7に示した第2の実施の形態の多重量子井戸型赤外センサを使用する。そして、単位セル35から出力される信号電圧を、シフトレジスタ40で順次駆動されるスイッチングトランジスタT20を介して共通バス配線45に出力する。
【0039】
図8(2)の二次元アレイは、例えば、4行と4列に配置された単位セル35として図6に示した第1の実施の形態の多重量子井戸型赤外センサを使用する。そして、単位セル35から出力される信号電圧を、垂直シフトレジスタ43で駆動されるスイッチングトランジスタT10を介して垂直バス配線46に出力し、垂直バス配線46の信号を水平スフトレジスタ44で駆動されるスイッチングトランジスタT11を介して出力バス配線47に出力することによって、信号多重化を行う。なお、バイアス電圧V1、V2は電源41、42から供給され、トランジスタT12は負荷となる電流源である。
【0040】
図9は、本発明の実施の形態の多重量子井戸型赤外センサに付加される電流減算回路の説明図である。多重量子井戸層MQW1、MQW2は、赤外線を受光した場合に検出電流I1、I2が流れるが、赤外線を受光していない場合にも熱励起による暗電流が流れる。そこで本実施の形態の多重量子井戸型赤外センサは、電流減算回路を付加して暗電流によるオフセット分をキャンセルし、検出のダイナミックレンジを大きくするものである。
【0041】
図9(1)は、本実施の形態の電流減算回路の原理構成図で、電流源50から多重量子井戸層MQW1、MQW2の接続点N1に暗電流に等しい電流Isを供給する。従って、トランジスタT3を流れる信号電流Iinは、電流I1とI2の和から電流Isを引いた値になり、信号電流Iinから暗電流によるオフセット分をキャンセルすることができる。
【0042】
図9(2)は、抵抗により構成した電流減算回路を示し、ノードN1に電源Vsに接続された抵抗Rを接続し、暗電流に等しい電流Is=Vs/Rを供給するものである。また、図9(3)は、MOSトランジスタにより構成した電流減算回路を示し、ノードN1に電源Vddに接続されたp型のMOSトランジスタT21を接続し、その飽和電流Isにより暗電流を供給するものである。
【0043】
また、図9(3)は、スイッチと容量により構成した電流減算回路を示し、ノードN1にスイッチトランジスタT22、T23とキャパシタCsによるスイッチドキャパシタ回路を接続し、暗電流に等しい電流Isを供給するものである。即ち、スイッチトランジスタT22は、タイミング信号Φsにより導通し電源Vsからの電流でキャパシタCsを充電する。スイッチトランジスタT23は、反転タイミング信号Φs/により導通しキャパシタCsからの放電電流をノードN1に供給する。この放電電流Isを暗電流と等しくする。なお、タイミング信号Φsの周波数をfとすると、キャパシタCsに充電される電荷はQs=Cs・Vsになるので、放電電流Is=Cs・Vs・fになる。
【0044】
図10は、本実施の形態の多重量子井戸型赤外センサにおける信号読み出しモードの説明図である。本実施の形態では、各多重量子井戸層のバイアス電圧を制御することにより、各多重量子井戸層の検出電流を個別にクロストークなく読み出すことができると共に、各検出電流の和及び差も直接読み出すことができ、多重量子井戸型赤外センサの構成を簡素化することができる。
【0045】
図10(1)は、多重量子井戸層MQW1の電流I1を読み出す場合で、電極17に電圧V1=−2〔V〕、電極19に0〔V〕を印加する。この場合、前述のようにノードN1はほぼ0〔V〕に固定され、多重量子井戸層MQW1だけにバイアス電圧が印加されるので、トランジスタT3には電流Iin=I1が流れ、多重量子井戸層MQW1だけを読み出すことができる。
【0046】
図10(2)は、多重量子井戸層MQW2の電流I2を読み出す場合で、電極17に0〔V〕、電極19に電圧V2=−2〔V〕を印加する。この場合、トランジスタT3には電流Iin=I2が流れ、多重量子井戸層MQW2だけを読み出すことができる。
【0047】
図10(3)は、多重量子井戸層MQW1の電流I1と多重量子井戸層MQW2の電流I2の和の電流を読み出す場合で、電極17に電圧V1=−2〔V〕、電極19に電圧V2=−2〔V〕を印加する。この場合もノードN1の電圧はほぼ0〔V〕に固定されるので、多重量子井戸層MQW1及び多重量子井戸層MQW2の両方にバイアス電圧が印加され、トランジスタT3には電流Iin=I1+I2が流れ、多重量子井戸層MQW1と多重量子井戸層MQW2の和信号を読み出すことができる。
【0048】
図10(4)は、多重量子井戸層MQW1の電流I1と多重量子井戸層MQW2の電流I2の差の電流を読み出す場合で、電極17に電圧V1=−2〔V〕、電極19に電圧V2=+2〔V〕を印加する。この場合もノードN1の電圧はほぼ0〔V〕に固定されるので、多重量子井戸層MQW1と多重量子井戸層MQW2に逆極性のバイアス電圧が印加され、トランジスタT3には電流Iin=I1−I2が流れ、多重量子井戸層MQW1と多重量子井戸層MQW2の差信号を読み出すことができる。
【0049】
図11は、本発明の実施の形態の多重量子井戸型赤外センサの実施形態の一例を示す説明図である。図11(1)に示すような遠方の目標51を探知するためには、和信号モードで探索を行う。和信号モードでは2波長域の信号が加算されるため、高いS/N比を実現でき、遠方の目標51の追尾が可能になる。
【0050】
図11(1)に示すように、目標51が接近して信号強度が強くなれば、それぞれの波長域の信号を個別に取得し、それぞれの信号を比べてその特徴から目標51を識別・類別することが可能になる。目標51がさらに接近した場合は、差信号モードによりそれぞれの波長域の信号の差を検出し、目標51の詳細構造を認識することができる。
【0051】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、複数の検出波長域が近接している場合でも、それぞれの検出波長域からの信号を、クロストークを生じることなく独立して読み出すことができると共に、各信号の和信号及び差信号を直接読み出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の多重量子井戸型赤外光センサの概略構成図である。
【図2】本発明の多重量子井戸型赤外光センサの原理構成図と等価回路である。
【図3】本発明の多重量子井戸型赤外光センサの動作点の説明図(I)である。
【図4】本発明の多重量子井戸型赤外光センサの動作点の説明図(II)である。
【図5】本発明の多層構成の多重量子井戸型赤外光センサの概略図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態の多重量子井戸型赤外光センサの構成図である。
【図7】本発明の第2の実施の形態の多重量子井戸型赤外光センサの構成図である。
【図8】本発明の第3の実施の形態の多重量子井戸型赤外光センサの構成図である。
【図9】本発明の実施の形態における電流減算回路の説明図である。
【図10】本発明の実施の形態における信号読出モードの説明図である。
【図11】本発明の実施の形態の多重量子井戸型赤外光センサの実施形態の説明図である。
【符号の説明】
MQW 多重量子井戸層
LWIR 長波長赤外線
MWIR 中波長赤外線
17、19 電極
18 コンタクト層
T3、T6、T7 トランジスタ
Cint 積分コンデンサ
35 単位セル
OP1 演算増幅器
43 垂直シフトレジスタ
44 水平シフトレジスタ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a multiple quantum well infrared sensor that receives infrared rays to acquire various information.
[0002]
[Prior art]
Systems that receive infrared rays emitted from a target, generate an infrared image, and acquire various types of information about the target are widely used. For example, in exploration of the earth's underground resources, the distribution of infrared rays radiated from the earth is observed by an infrared sensor mounted on an artificial satellite, and exploration of oil and mineral veins is performed.
[0003]
Among infrared sensors, a multiple quantum well infrared photosensor (QWIP) can change the excitation level of electrons by changing the width of the quantum well, so that the detection wavelength range can be controlled. it can. Therefore, if information of a plurality of detection wavelength regions is acquired by a multiple quantum well infrared light sensor having a plurality of detection wavelength regions, higher-order information can be obtained, and an infrared sensor for weapon guidance or defense can be obtained. Applications to fields that require more detailed information such as systems can be expected.
[0004]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a conventional multiple quantum well infrared light sensor having two detection wavelength ranges. In this multiple quantum well infrared light sensor, a common electrode 14 is provided on a substrate 11 made of GaAs or the like, and a long wavelength infrared (LWIR) having a wavelength of about 8 to 10 μm is detected on the common electrode 14. The multiple quantum well layer MQW (Multi Quantum Well) 1 is provided. Next, on the first multiple quantum well layer MQW1, a second multiple quantum well layer MQW2 for detecting mid-wavelength infrared (MWIR) having a wavelength of about 3 to 5 μm via the contact layer 15 is provided. Provide. Then, the signal readout transistor T1 is connected to the contact layer 15, and the signal readout transistor T2 is connected to the electrode 16 on the second multiple quantum well layer MQW2.
[0005]
In the multi-quantum well infrared light sensor, when the infrared light in the detection wavelength region is received, electrons at the ground level are excited to the excitation level, and electrons that transition from the excitation level to the conduction band increase. When applied, current flows.
[0006]
In other words, when a bias voltage is applied to a multi-quantum well infrared light sensor, the current increases or decreases depending on the amount of infrared light received, so the amount of infrared light received can be measured by measuring the current value. Can do. In this case, the multiple quantum well infrared light sensor can be regarded as an impedance element whose value changes depending on the amount of received infrared light.
[0007]
Note that the impedance value of the multiple quantum well layer corresponds to the energy difference between the ground level and the excitation level. When this energy difference is small, the impedance is small, and when this energy difference is large, the impedance is also large. On the other hand, long-wavelength infrared has low energy, and the energy difference between the ground level and the excitation level of the multiple quantum well layer that absorbs long-wavelength infrared is small. In addition, medium wavelength infrared has a large energy, and the energy difference between the ground level and the excitation level of the multiple quantum well layer that absorbs the medium wavelength infrared is correspondingly large. For this reason, the impedance R1 of the first multiple quantum well layer MQW1 for detecting long-wavelength infrared (LWIR) is small, and the impedance R2 of the second multiple quantum well layer MQW2 for detecting medium-wavelength infrared (MWIR) is large, And the difference is very large,
R1 << R2
Is established.
[0008]
Accordingly, as shown in FIG. 1A, when the bias voltage V0 is applied from the common electrode 14, the transistor T1 is turned on and the transistor T2 is turned off, the bias voltage V0 is applied only to the first multiple quantum well layer MQW1. Then, long-wavelength infrared (LWIR) is detected (see FIG. 1 (2)).
[0009]
On the other hand, when the transistor T1 is turned off and the transistor T2 is turned on, most of the bias voltage is applied to the second multiple quantum well layer MQW2 having a large impedance R2 and applied to the first multiple quantum well layer MQW1 having a small impedance R1. Is hardly applied. In addition, the change in impedance due to the reception of infrared rays is dominated by the influence of the second multiple quantum well layer MQW2 having a large impedance R2, and only the reception of medium wavelength infrared rays (MWIR) can be detected.
[0010]
As described above, the conventional multiple quantum well infrared light sensor reads out signals corresponding to the two detection wavelengths in time series using the difference between the impedances R1 and R2 of the two multiple quantum well layers MQW1 and MQW1. It was.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional multiple quantum well infrared light sensor, the impedance of the multiple quantum well layer is different by about two digits between the long wavelength infrared (LWIR) having a wavelength of about 8 to 10 μm and the medium wavelength infrared (MWIR) having a wavelength of about 3 to 5 μm. Each signal was read using the points.
[0012]
However, when a multiple quantum well layer having a detection wavelength of 8 to 9 μm and a multiple quantum well layer having a detection wavelength of 9 to 10 μm are stacked, the detection wavelength region is close and the difference in impedance between the multiple quantum well layers is reduced. For this reason, the signals of the two multiple quantum well layers are modulated with each other, the crosstalk between the two signals increases, and it becomes difficult to acquire information for each different wavelength.
[0013]
Therefore, the present invention can acquire signals from the respective detection wavelength ranges independently without causing crosstalk even when a plurality of detection wavelength ranges are close to each other, and the sum signal of each signal. It is another object of the present invention to provide a multiple quantum well infrared light sensor that can directly acquire a difference signal.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The above object is to provide a multiple quantum well infrared sensor in which a plurality of multiple quantum well layers each having sensitivity in different wavelength regions of infrared rays are stacked via a common contact layer, one end of which is connected to the common contact layer. Switch means and current integrating means connected to the other end of the switch means, and the first and second multiple quantum well layers on the opposite sides of the first and second multiple quantum well layers respectively formed above and below the common contact layer, First and second voltages are applied to the second contact layer, and one of the voltage between the common contact layer and the first contact layer and the voltage between the common contact layer and the second contact layer is made larger than the other. The switch means is turned on for a predetermined time, and the current integrating means is charged or discharged by a current flowing through the multiple quantum well layer. It is achieved by providing an optical sensor.
[0015]
According to the present invention, since the bias voltage can be individually applied to the multiple quantum well layers having different detection wavelength ranges by the electrode and the switch means, only the signal of the multiple quantum well layer to which the bias voltage is applied is crossed. It can be detected without talk.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. However, such an embodiment does not limit the technical scope of the present invention.
[0017]
FIG. 2 is a principle configuration diagram and an equivalent circuit of a multiple quantum well infrared light sensor having two detection wavelength bands according to the present embodiment. The multiple quantum well infrared sensor of the present embodiment is provided with a first electrode (first contact layer) 17 on a substrate 11 such as GaAs, and a long wavelength having a wavelength of about 8 to 10 μm. A first multiple quantum well layer MQW1 for detecting infrared rays (LWIR) is provided. Next, on the first multiple quantum well layer MQW1, a second multiple quantum well layer MQW2 that detects medium-wavelength infrared (MWIR) having a wavelength of about 3 to 5 μm is provided via the common contact layer 18. Then, a signal reading transistor T3 is connected to the common contact layer 18 as a switching means, and a second electrode (second contact layer) 19 is provided on the second multiple quantum well layer MQW2. The other end of the switch means T3 is connected to a capacitor Cint that integrates the current flowing through the multiple quantum well layers MQW1 and MQW2.
[0018]
As described above, the multiple quantum well layers MQW1 and MQW2 can be regarded as the resistors R1 and R2 that are modulated by the infrared input, and the multiple quantum well infrared sensor of FIG. It can be expressed by the equivalent circuit of 2).
[0019]
Next, the operation of the multiple quantum well infrared light sensor of the present embodiment will be described with reference to FIG. In the multi-quantum well infrared sensor of this embodiment, the capacitor Cint is charged in advance with a predetermined voltage, and the bias voltage V1 or V2 is applied to either the first electrode 17 or the second electrode 19. To do. In this state, a control voltage Vg is applied to the gate electrode of the transistor T3, and the transistor T3 is turned on for a predetermined time ΔT.
[0020]
The multiple quantum well layers MQW1 and MQW2 flow a current corresponding to the intensity of infrared rays in the detection wavelength range only when a bias voltage is applied, and discharge or charge the capacity charged in the capacitor Cint. When the voltage drop or rise of the capacitor Cint is measured, the intensity of infrared rays received by the multiple quantum well layer can be detected.
[0021]
In this case, a control voltage Vg close to the gate-source threshold voltage Vt of the transistor T3 is applied to the gate electrode of the transistor T3. The conductance of the transistor T3 is controlled to be sufficiently large (impedance is sufficiently small). Therefore, the voltage at the connection point N1 between the multiple quantum well layers MQW1 and MQW2 is a voltage that is lowered by the gate-source threshold voltage Vt from the control voltage Vg (≈Vt), that is, approximately 0 [V].
[0022]
Therefore, as shown in FIG. 2 (3) a, when V1 = −2 [V] is applied to the first electrode 17 and V2 = 0 [V] is applied to the second electrode 19, the multiple quantum well layer MQW1 is A discharge voltage I1 flows when a bias voltage of 2 [V] is applied, but almost no current flows because no bias voltage is applied to the multiple quantum well layer MQW2. On the other hand, when V2 = −2 [V] is applied to the second electrode 19 and V1 = 0 [V] is applied to the first electrode 17, as shown in FIG. 2 (3) b, the multiple quantum well layer MQW2 is applied. In FIG. 2, a bias voltage of 2 [V] is applied and a discharge current flows. However, almost no current flows because no bias voltage is applied to the multiple quantum well layer MQW1.
[0023]
The fact that the voltage at the connection point N1 between the multiple quantum well layers MQW1 and MQW2 is fixed in the vicinity of 0 [V] will be described with reference to the characteristic diagram. FIG. 3 is an explanatory diagram of operating points when a bias voltage V1 is applied to the multiple quantum well layer MQW1 (R1). When the source voltage Vs of the transistor T3 is taken on the horizontal axis and the current It flowing through the transistor T3 is taken on the vertical axis, the current It rises steeply like a characteristic curve 20 in a region where the source voltage Vs is (Vg−Vt) or less. . That is, the impedance of the transistor T3 is sufficiently small. Here, Vg and Vt are the gate voltage and threshold voltage of the transistor T3.
[0024]
Further, since the current I1 flowing through the multiple quantum well layer MQW1 is represented by the straight line 21 corresponding to the resistance value R1, the intersection point of the characteristic curve 20 and the straight line 21 (point of It = I1) becomes the operating point 22. Therefore, even if the bias voltage V1 changes to V1 ′ or R1 changes to R1 ′ and R1 ″ within a range where the impedance of the transistor T3 is sufficiently smaller than R1, the voltage Vs at the operating point 22 is 0 [V]. Fixed in the vicinity.
[0025]
FIG. 4 is an explanatory diagram of operating points when a bias voltage V1 is applied to the multiple quantum well layer MQW1 (R1) and a bias voltage V2 having a polarity opposite to V1 is applied to the multiple quantum well layer MQW2 (R2). The current I1 is represented by a straight line 25 corresponding to the resistance value R1, and the current I2 is represented by a straight line 26 corresponding to the resistance value R2. Since the current It obtained by subtracting the current I2 from the current I1 flows through the transistor T3, the operating point 22 in this case is an intersection of the characteristic curve 20 and the straight line 27. Therefore, in this case, the voltage Vs at the operating point 22 is fixed near 0 [V] under the condition of I1> I2.
[0026]
Thus, in the multiple quantum well infrared light sensor of the present embodiment, the voltage Vs at the operating point 22 is fixed in the vicinity of 0 [V], and the voltage V1 of the first and second electrodes of the multiple quantum well layer. By controlling V2 as shown in FIG. 2 (3), it is possible to individually apply a bias voltage to multiple quantum well layers having different detection wavelength ranges. Therefore, only the signal of the multiple quantum well layer to which the bias voltage is applied can be detected without crosstalk.
[0027]
FIG. 5 is a schematic diagram of a multi-quantum well infrared light sensor having four multi-quantum well layers. In this case, the first to fourth multiple quantum well layers MQW1, MQW2, MQW3, MQW4 having different detection wavelength ranges are stacked, and the electrode 30 that applies the voltage V3 to the upper end of the first multiple quantum well layer MQW1 is provided. The electrode 31 for applying the voltage V4 is provided at the connection point between the second and third multiple quantum well layers MQW2 and MQW3, and the electrode 32 for applying the voltage V5 is provided at the lower end of the fourth multiple quantum well layer MQW4. The transistor T4 is connected to the connection point N2 corresponding to the common contact layer of the first and second multiple quantum well layers MQW1 and MQW2, and the common contact layer of the third and fourth multiple quantum well layers MQW3 and MQW4 is connected. The transistor T5 is connected to the corresponding connection point N3.
[0028]
According to the multiple quantum well type infrared light sensor of this configuration, infrared rays in four different wavelength ranges can be individually detected without crosstalk. That is, when detecting the infrared ray IR1 in the detection wavelength region of the first multiple quantum well layer MQW1, as shown in FIG. 5 (2) a, V3 = −2 [V], V4 = V5 = 0 [V]. The transistor T4 is turned on and the transistor T5 is turned off. In this case, as described above, if the gate voltage Vg of the transistor T4 is made substantially equal to the threshold voltage Vt of the transistor T4, the voltage at the node N2 becomes substantially 0 [V], and only the signal of the multiple quantum well layer MQW1 is detected. can do.
[0029]
When detecting the infrared IR2 in the detection wavelength region of the second multiple quantum well layer MQW2, as shown in FIG. 5 (2) b, V4 = −2 [V], V3 = V5 = 0 [V], When the transistor T4 is turned on, the transistor T5 is turned off, and the infrared IR3 in the detection wavelength region of the third multiple quantum well layer MQW3 is detected, V4 = −2 [V], as shown in FIG. When V3 = V5 = 0 [V], the transistor T4 is OFF, the transistor T5 is ON, and the infrared IR4 in the detection wavelength region of the fourth multiple quantum well layer MQW4 is detected, as shown in FIG. V5 = −2 [V], V3 = V4 = 0 [V], the transistor T4 is turned off, and the transistor T5 is turned on.
[0030]
FIG. 6 is a configuration diagram of the unit cell 35 of the multiple quantum well infrared sensor according to the first embodiment of this invention. As in FIG. 2B, the multiple quantum well infrared sensor of the present embodiment is a first multiple quantum well layer MQW1 that detects infrared IR1, and a second multiple quantum well layer that detects infrared IR2. It has an MQW2, a signal reading transistor T3, and a capacitor Cint, and further includes a reset transistor T6 that precharges the capacitor Cint, and a source follower transistor T7 that extracts the charging voltage of the capacitor Cint with low impedance.
[0031]
When detecting infrared rays, first, a reset signal ΦR is input to the gate of the transistor T6 to turn on the transistor T6, and the capacitor Cint is precharged with a power source Vdd of, for example, 5 [V]. Then, as described above, a bias voltage is applied to the multiple quantum well layer MQW1 or MQW2 in the wavelength region that is detected by controlling the voltages V1 and V2.
[0032]
Next, the control voltage Vg is input to the gate of the transistor T3 to make the transistor T3 conductive for a predetermined time. As described above, the control voltage Vg is made substantially equal to the threshold voltage Vt between the gate and source of the transistor T3. Therefore, the connection point N1 between MQW1 and MQW2 is fixed at approximately 0 [V], and only the amount of current corresponding to the amount of infrared light received by the multiple quantum well layer to which the bias voltage is applied can be detected. Since the charge of the capacitor Cint is discharged by the current I1 or I2 flowing through the multiple quantum well layer to which a bias voltage is applied, the voltage Vc of the capacitor Cint becomes a voltage corresponding to the intensity of received infrared light after a predetermined time. . The voltage Vc is taken out from the source terminal of the source follower transistor T7 with low impedance.
[0033]
In FIG. 6, the output of the source follower transistor T7 is output via the transistors T10 and T11 selected by the horizontal scanning line W1 and the vertical scanning line W2, which will be described later.
[0034]
FIG. 7 is a configuration diagram of the unit cell 35 of the multiple quantum well infrared sensor according to the second embodiment of the present invention. The multiple quantum well infrared sensor of the present embodiment includes a first multiple quantum well layer MQW1 that detects infrared IR1, a second multiple quantum well layer MQW2 that detects infrared IR2, and a transistor that operates as a switch means. T13, and further includes a capacitor Cint for integrating the detected current, an operational amplifier OP1, and a reset transistor T14.
[0035]
In the multiple quantum well infrared sensor of the present embodiment, first, a reset signal ΦR is input to the gate of the transistor T14 to conduct it, and the charge of the capacitor Cint is discharged. Then, as described above, a bias voltage is applied only to the multiple quantum well layer in the wavelength region that is detected by controlling the voltages V1 and V2. Note that a reference voltage Vref≈0 [V] serving as a virtual ground is applied to the non-inverting input terminal (+) of the operational amplifier OP1.
[0036]
Next, the input signal Vin is input to the gate of the transistor T13, and the transistor T13 is turned on for a predetermined time. In this case, the transistor T13 operates as a switch, and the voltage drop is almost zero. Accordingly, the connection point N1 between MQW1 and MQW2 becomes equal to 0 [V] of the reference voltage Vref, and the capacitor Cint is charged or discharged so as to maintain the state. That is, the capacitor Cint is charged in the direction of the arrow 36 from the output terminal of the operational amplifier OP1 in accordance with the current flowing through the multiple quantum well layer to which the bias voltage is applied, so that the voltage of the capacitor Cint is The voltage corresponds to the intensity of the received infrared light. Therefore, it is possible to detect only the infrared light reception of the multiple quantum well layer to which the bias voltage is applied.
[0037]
FIG. 8 is a configuration diagram of a multiple quantum well infrared sensor according to a third embodiment of the present invention. FIG. 8A illustrates a unit cell 35 of the multiple quantum well infrared sensor configured in a one-dimensional array. FIG. 8B shows an example in which the unit cells 35 are configured in a two-dimensional array.
[0038]
The one-dimensional array in FIG. 8A uses, for example, the multi-quantum well infrared sensor of the second embodiment shown in FIG. Then, the signal voltage output from the unit cell 35 is output to the common bus line 45 via the switching transistor T20 sequentially driven by the shift register 40.
[0039]
The two-dimensional array in FIG. 8B uses, for example, the multiple quantum well infrared sensor of the first embodiment shown in FIG. 6 as the unit cells 35 arranged in four rows and four columns. Then, the signal voltage output from the unit cell 35 is output to the vertical bus line 46 via the switching transistor T 10 driven by the vertical shift register 43, and the signal of the vertical bus line 46 is driven by the horizontal shift register 44. Signal multiplexing is performed by outputting to the output bus line 47 via the switching transistor T11. The bias voltages V1 and V2 are supplied from the power sources 41 and 42, and the transistor T12 is a current source serving as a load.
[0040]
FIG. 9 is an explanatory diagram of a current subtraction circuit added to the multiple quantum well infrared sensor according to the embodiment of the present invention. In the multiple quantum well layers MQW1 and MQW2, detection currents I1 and I2 flow when infrared rays are received, but dark currents due to thermal excitation flow even when infrared rays are not received. Therefore, the multiple quantum well infrared sensor of the present embodiment adds a current subtraction circuit to cancel the offset due to dark current and increase the dynamic range of detection.
[0041]
FIG. 9 (1) is a principle configuration diagram of the current subtraction circuit of the present embodiment, and a current Is equal to the dark current is supplied from the current source 50 to the connection point N1 of the multiple quantum well layers MQW1 and MQW2. Accordingly, the signal current Iin flowing through the transistor T3 has a value obtained by subtracting the current Is from the sum of the currents I1 and I2, and the offset due to the dark current can be canceled from the signal current Iin.
[0042]
FIG. 9 (2) shows a current subtracting circuit constituted by a resistor, in which a resistor R connected to the power source Vs is connected to the node N1, and a current Is = Vs / R equal to the dark current is supplied. FIG. 9 (3) shows a current subtracting circuit constituted by MOS transistors, in which a p-type MOS transistor T21 connected to the power supply Vdd is connected to the node N1, and a dark current is supplied by the saturation current Is. It is.
[0043]
FIG. 9 (3) shows a current subtraction circuit composed of a switch and a capacitor. A switched capacitor circuit including switch transistors T22 and T23 and a capacitor Cs is connected to the node N1, and a current Is equal to the dark current is supplied. Is. That is, the switch transistor T22 is turned on by the timing signal Φs and charges the capacitor Cs with the current from the power source Vs. The switch transistor T23 is turned on by the inversion timing signal Φs / and supplies the discharge current from the capacitor Cs to the node N1. This discharge current Is is made equal to the dark current. When the frequency of the timing signal Φs is f, the charge charged in the capacitor Cs is Qs = Cs · Vs, and thus the discharge current Is = Cs · Vs · f.
[0044]
FIG. 10 is an explanatory diagram of a signal readout mode in the multiple quantum well infrared sensor of the present embodiment. In the present embodiment, by controlling the bias voltage of each multiple quantum well layer, the detection current of each multiple quantum well layer can be read individually without crosstalk, and the sum and difference of each detection current are also read directly. Therefore, the configuration of the multiple quantum well infrared sensor can be simplified.
[0045]
FIG. 10A shows a case where the current I1 of the multiple quantum well layer MQW1 is read, and the voltage V1 = −2 [V] is applied to the electrode 17 and 0 [V] is applied to the electrode 19. In this case, as described above, the node N1 is fixed to approximately 0 [V], and a bias voltage is applied only to the multiple quantum well layer MQW1, so that the current Iin = I1 flows through the transistor T3, and the multiple quantum well layer MQW1. Can only read out.
[0046]
FIG. 10B shows a case where the current I2 of the multiple quantum well layer MQW2 is read, and 0 [V] is applied to the electrode 17 and a voltage V2 = −2 [V] is applied to the electrode 19. In this case, the current Iin = I2 flows through the transistor T3, and only the multiple quantum well layer MQW2 can be read.
[0047]
FIG. 10 (3) shows a case where the sum of the current I1 of the multiple quantum well layer MQW1 and the current I2 of the multiple quantum well layer MQW2 is read. The voltage V1 = −2 [V] is applied to the electrode 17 and the voltage V2 is applied to the electrode 19. = -2 [V] is applied. Also in this case, since the voltage of the node N1 is fixed to approximately 0 [V], a bias voltage is applied to both the multiple quantum well layer MQW1 and the multiple quantum well layer MQW2, and a current Iin = I1 + I2 flows through the transistor T3. The sum signal of the multiple quantum well layer MQW1 and the multiple quantum well layer MQW2 can be read out.
[0048]
FIG. 10 (4) shows a case where the current difference between the current I1 of the multiple quantum well layer MQW1 and the current I2 of the multiple quantum well layer MQW2 is read, and the voltage V1 = −2 [V] at the electrode 17 and the voltage V2 at the electrode 19. = + 2 [V] is applied. Also in this case, since the voltage of the node N1 is fixed to approximately 0 [V], a bias voltage having a reverse polarity is applied to the multiple quantum well layer MQW1 and the multiple quantum well layer MQW2, and the current Iin = I1-I2 is applied to the transistor T3. The difference signal between the multiple quantum well layer MQW1 and the multiple quantum well layer MQW2 can be read out.
[0049]
FIG. 11 is an explanatory diagram showing an example of an embodiment of a multiple quantum well infrared sensor according to an embodiment of the present invention. In order to detect a distant target 51 as shown in FIG. 11 (1), the search is performed in the sum signal mode. In the sum signal mode, signals in two wavelength regions are added, so that a high S / N ratio can be realized, and the target 51 in the distance can be tracked.
[0050]
As shown in FIG. 11 (1), when the target 51 approaches and the signal intensity increases, the signals in the respective wavelength ranges are individually acquired, and the respective signals are compared to identify and classify the target 51 from the characteristics. It becomes possible to do. When the target 51 is further approached, the difference between the signals in the respective wavelength ranges can be detected by the difference signal mode, and the detailed structure of the target 51 can be recognized.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even when a plurality of detection wavelength regions are close to each other, signals from each detection wavelength region can be read independently without causing crosstalk, and each The sum signal and difference signal of the signals can be read directly.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a conventional multiple quantum well infrared light sensor.
FIG. 2 is a principle configuration diagram and equivalent circuit of a multiple quantum well infrared light sensor of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram (I) of an operating point of the multiple quantum well infrared light sensor of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram (II) of an operating point of the multiple quantum well infrared sensor of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view of a multi-quantum well infrared light sensor having a multilayer structure according to the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram of a multiple quantum well infrared sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a configuration diagram of a multiple quantum well infrared light sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of a multiple quantum well infrared light sensor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an explanatory diagram of a current subtraction circuit in the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an explanatory diagram of a signal read mode in the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is an explanatory diagram of an embodiment of a multiple quantum well infrared light sensor according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
MQW multiple quantum well layer
LWIR Long wavelength infrared
MWIR Mid-wavelength infrared
17, 19 electrodes
18 Contact layer
T3, T6, T7 transistors
Cint integration capacitor
35 unit cells
OP1 operational amplifier
43 Vertical shift register
44 Horizontal shift register

Claims (9)

赤外線の異なる波長領域にそれぞれ感度を有する複数の多重量子井戸層を共通コンタクト層を介して積層した多重量子井戸型赤外光センサにおいて、
前記共通コンタクト層に一端が接続されたスイッチ手段と、
前記スイッチ手段の他端に接続された電流積分手段とを有し、
前記共通コンタクト層の上下にそれぞれ形成された第1、第2の多重量子井戸層の反対側の第1、第2のコンタクト層に第1、第2の電圧を印加し、前記共通コンタクト層と第1のコンタクト層間の電圧と前記共通コンタクト層と第2のコンタクト層間の電圧のいずれか一方を他方より大きくなる様に前記スイッチ手段を所定時間導通させ、前記多重量子井戸層に流れる電流により前記電流積分手段を充電又は放電し、
更に、前記スイッチ手段が接続された前記共通コンタクト層に、前記多重量子井戸層の暗電流にほぼ等しい電流を供給する電流源を有することを特徴とする多重量子井戸型赤外光センサ
In a multiple quantum well type infrared light sensor in which a plurality of multiple quantum well layers each having sensitivity in different wavelength regions of infrared are stacked via a common contact layer,
Switch means having one end connected to the common contact layer;
Current integrating means connected to the other end of the switch means;
First and second voltages are applied to first and second contact layers opposite to the first and second multiple quantum well layers respectively formed above and below the common contact layer, and the common contact layer and The switch means is made conductive for a predetermined time so that one of the voltage between the first contact layers and the voltage between the common contact layer and the second contact layer is larger than the other, and the current flowing in the multiple quantum well layer Charging or discharging the current integrating means ;
The multi-quantum well infrared sensor further comprises a current source for supplying a current substantially equal to a dark current of the multi-quantum well layer to the common contact layer to which the switch means is connected .
赤外線の異なる波長領域にそれぞれ感度を有する複数の多重量子井戸層を共通コンタクト層を介して積層した多重量子井戸型赤外光センサにおいて、In a multiple quantum well type infrared light sensor in which a plurality of multiple quantum well layers each having sensitivity in different wavelength regions of infrared are stacked via a common contact layer,
前記共通コンタクト層に一端が接続されたスイッチ手段と、  Switch means having one end connected to the common contact layer;
前記スイッチ手段の他端に接続された電流積分手段とを有し、  Current integrating means connected to the other end of the switch means;
前記共通コンタクト層の上下にそれぞれ形成された第1、第2の多重量子井戸層の反対側の第1、第2のコンタクト層に第1、第2の電圧を印加し、前記共通コンタクト層と第1のコンタクト層間の電圧と前記共通コンタクト層と第2のコンタクト層間の電圧のいずれか一方を他方より大きくなる様に前記スイッチ手段を所定時間導通させ、前記多重量子井戸層に流れる電流により前記電流積分手段を充電又は放電し、  First and second voltages are applied to first and second contact layers opposite to the first and second multiple quantum well layers respectively formed above and below the common contact layer, and the common contact layer and The switch means is made to conduct for a predetermined time so that one of the voltage between the first contact layers and the voltage between the common contact layer and the second contact layer is larger than the other, and the current flowing in the multiple quantum well layer Charging or discharging the current integrating means;
前記第1、第2のコンタクト層に異なる極性の電圧を印加し、前記第1、第2の多重量子井戸層に流れる電流の差の電流で、前記電流積分手段を充電又は放電することを特徴とする多重量子井戸型赤外光センサ。Voltages having different polarities are applied to the first and second contact layers, and the current integrating means is charged or discharged with a current difference between currents flowing through the first and second multiple quantum well layers. A multiple quantum well infrared sensor.
請求項1又は2において、
前記第1、第2の電圧を第1、第2のコンタクト層に時系列的に交互に印加して、前記異なる波長領域の赤外線に応答して流れる電流量を前記電流積分手段を介して検出することを特徴とする多重量子井戸型赤外光センサ。
Oite to claim 1 or 2,
The first and second voltages are alternately applied in time series to the first and second contact layers, and the amount of current flowing in response to infrared rays in the different wavelength regions is detected via the current integrating means. A multi-quantum well infrared sensor characterized in that:
請求項1又は2において、
前記スイッチ手段は、前記多重量子井戸層より大きなコンダクタンスを持つことを特徴とする多重量子井戸型赤外光センサ。
In claim 1 or 2 ,
The multiple quantum well infrared light sensor, wherein the switch means has a larger conductance than the multiple quantum well layer.
請求項1又は2において、
前記スイッチ手段は、ソースが前記共通コンタクト層に接続され、ドレインが前記電流積分手段に接続され、ゲートに制御電圧が印加されるトランジスタであることを特徴とする多重量子井戸型赤外光センサ。
In claim 1 or 2 ,
The multi-quantum well infrared sensor, wherein the switch means is a transistor having a source connected to the common contact layer, a drain connected to the current integration means, and a control voltage applied to the gate.
請求項5において、
前記電流積分手段がコンデンサからなり、前記コンデンサが所定電圧にリセットされ、前記多重量子井戸層に流れる電流に応じて変化する前記コンデンサの電圧がソースフォロワトランジスタにより検出されることを特徴とする多重量子井戸型赤外光センサ。
Oite to claim 5,
The current integrating means comprises a capacitor, the capacitor is reset to a predetermined voltage, and the voltage of the capacitor that changes according to the current flowing in the multiple quantum well layer is detected by a source follower transistor. Well type infrared light sensor.
請求項5において、
前記電流積分手段が演算増幅器の帰還容量からなり、前記帰還容量が放電リセットされ、前記多重量子井戸層に流れる電流に応じて前記演算増幅器の出力電圧が変化することを特徴とする多重量子井戸型赤外光センサ。
Oite to claim 5,
The multi-quantum well type wherein the current integrating means comprises a feedback capacitor of an operational amplifier, the feedback capacitor is discharge-reset, and an output voltage of the operational amplifier changes according to a current flowing through the multiple quantum well layer Infrared light sensor.
請求項1において、
前記第1、第2のコンタクト層に同じ極性の電圧を印加し、前記第1、第2の多重量子井戸層に流れる電流の和の電流で、前記電流積分手段を充電又は放電することを特徴とする多重量子井戸型赤外光センサ。
In claim 1,
A voltage having the same polarity is applied to the first and second contact layers, and the current integrating means is charged or discharged with a sum of currents flowing through the first and second multiple quantum well layers. A multiple quantum well infrared sensor.
請求項1乃至8のいずれかに記載の多重量子井戸型赤外光センサを列状又は行列状に配置したことを特徴とする多重量子井戸型赤外光センサ。Multi-quantum well infrared light sensor, characterized in that a multi-quantum well infrared sensor according to rows or a matrix to claim 1乃optimum 8.
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