JP4935148B2 - 多波長量子井戸型赤外線検知器 - Google Patents

Description

本発明は多波長量子井戸型赤外線検知器に関するものであり、特に、赤外線入射面とは反対側の素子表面に段差パターンと反射材を組み合わせた光散乱を目的としたいわゆる光結合器構造を有する多波長量子井戸型赤外検知器の光結合器構造の反射特性を検出対象となる複数の波長に対して高反射率にするための構成に特徴のある多波長量子井戸型赤外線検知器に関するものである。

近年、多重量子井戸におけるサブバンド間の遷移による光吸収を利用することにより１０μｍ帯近傍の赤外線の検知を可能にした量子井戸型赤外線検知素子（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＱＷＩＰ）が利用されるようになった。

特に、ＧａＡｓ系化合物半導体を用いたＱＷＩＰでは、材料加工技術が成熟していることや大面積化が可能なことから撮像デバイスとして用いられており、近年、撮像画像の高機能化のために２つの波長に感度を有する二波長量子井戸型赤外線検知素子（二波長ＱＷＩＰ）が使われるようになってきた（例えば、特許文献１参照）。

ここで、図６を参照して、従来の二波長ＱＷＩＰについて基本的構成および原理を説明する。
図６参照
図６は、従来の二波長ＱＷＩＰの概略的要部断面図であり、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７２、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７４、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５、及び、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７６を順次積層させたのち、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７６の表面に反射型回折格子７７を形成する。

次いで、半絶縁性ＧａＡｓ基板に達する画素分離溝７８を形成して各画素に分離したのち、図示は省略するものの、ＳｉＯＮ膜等の保護膜を形成し、次いで、Ａｕ膜を形成して反射膜とする。

次いで、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７２、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７４、及び、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層７６にそれぞれ達する３つのコンタクトホールを形成し、コンタクトホールの側面を絶縁膜で被覆したのち、コンタクトホールの内部をＡｕ・Ｇｅ／Ｎｉからなる導電性部材で埋め込むことによってｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５に対するコンタクト電極を形成し、最後に半絶縁性ＧａＡｓ基板の裏面をウェットエッチングして薄層化することによってｉ型ＧａＡｓベース層７１とする。

この様な撮像デバイスにおいて、赤外線７９の電磁界ベクトルはｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層の積層方向に対して平行なため、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層は入射光に対して感度を持たない。
そこで反射型回折格子７７を利用した光結合器で入射光を散乱させてＭＱＷ構造に垂直な電磁界成分を持たせることによって感度を得るものである。

入射した赤外線７９は、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５で吸収されずにｎ型ＧａＡｓコンタクト層７６の表面まで到達し、反射型回折格子７７により反射および回折され、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３及びｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５を斜めに横切るときに吸収される。
この時、回折格子７７の段差は入射光の波長の１／４となるようにすると最も効率が良いことが知られている。

ＭＱＷ光吸収層を１回横切るときの赤外線吸収率は数％程度であるため、赤外線７９は画素中で何度か反射された後、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３或いはｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５に吸収されることとなる。

この場合、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３を構成するバリア層のバンド・ギャップをｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５を構成するバリア層のバンド・ギャップより小さくすることによって、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層７５の吸収波長λ₂ をｎ型ＭＱＷ第１光吸収層７３の吸収波長λ₁ より短波長とし、互いに異なった吸収波長λ₁ ，λ₂ を持つようにしている。

この様に、赤外線の吸収に伴ない励起されたキャリア、即ち、電子は、各ＭＱＷ光吸収層の両端にｎ型ＧａＡｓコンタクト層を介して独立にバイアスを加えることにより井戸の外へ放出され、電流として外部に取り出すことができ、それによって、ＭＱＷ光吸収層により特定の二波長の吸収波長をもつ赤外線を独立に検知することが可能となる。

なお、この場合、二つのＭＱＷ光吸収層はそれぞれ感度波長が異なるものであるので、当然それぞれに最適な光結合器構造が存在することになる。
特開２００３−１７９２４９号公報

しかし、上述のように、光結合器の段差は波長の１／４が最適であるため、検知対象となる二つの波長に大きな違いがあると、両波長に対して共に最適な光結合器を形成することができないという問題がある。

例えば、従来の光結合器構造では、長短どちらかの波長に対して最適な結合器構造とするか、それらの中間の値を採用するしかなく、長短両波長に対して最適な構造の光結合器とすることは不可能であった。

本発明は、長短両波長に対して最適な構造の光結合器を構成して長短両波長に対する検出感度を向上することを目的とする。

図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、感度波長が異なる複数の多重量子井戸構造光吸収層１，２を積層して１画素で複数の波長帯に対して感度を有するとともに、赤外光入射面の反対側の素子表面に設けた段差パターン５からなる光結合器構造４を備えた多波長量子井戸型赤外線検出装置であって、段差パターン５の段差の高い部分の素子表面上にのみ相対的に長波長光だけを透過し相対的に短波長光を反射する性質を持つフィルタ材６を設けるとともに、フィルタ材６を含む段差パターン５全面に入射光を全て反射する膜を設け、段差パターン５の底面から反射が起こるフィルタ材６あるいは反射膜１０までの材料中の光路長が反射を起こす光の波長のおおよそ１／４であることを特徴とする。

このように構成した光結合器では、段差パターン５とフィルタ材６との組合せによって二通りの回折格子を構成することになり、入射光の短波長成分は素子表面側の半導体３とフィルタ材６との界面で反射されて、短波長用回折格子で散乱を受け、一方、長波長成分はフィルタ材６を透過して反射膜１０で反射するので、長波長用回折格子によって散乱される。

したがって、長短の二つの波長に対して共に最適なグレーティングサイズとすることが可能になり、一方もしくは両方の波長帯に対する性能を犠牲にすることなく、多波長ＱＷＩＰを構成することが可能になる。
なお、「おおよそ１／４」とは数学的に厳密に１／４である必要がないことを意味し、例えば、１／４の場合の反射率の８０％の反射率が得られる範囲であれば良い。

この場合、フィルタ材６を反射・透過特性が互いに異なる複数のフィルタ要素７の積層構造とし、各フィルタ要素７の透過光の波長域が入射面から遠い側ほど長波長とすることによって、三波長以上の多波長に対応することができる。

或いは、段差パターン５の段差の低い部分の素子表面上にのみ相対的に短波長光だけを透過し相対的に長波長光を反射する性質を持つフィルタ材６を設けるとともに、フィルタ材６を含む段差パターン５全面に入射光を全て反射する膜を設け、段差パターン５の底面から反射が起こるフィルタ材６あるいは反射膜１０までの材料中の光路長が反射を起こす光の波長のおおよそ１／４とすようにしても良い。

このように構成した光結合器でも、段差パターン５とフィルタ材６との組合せによって二通りの回折格子を構成することになり、入射光の長波長成分は素子表面側の半導体３とフィルタ材６との界面で反射されて、長波長用回折格子で散乱を受け、一方、短波長成分はフィルタ材６を透過して反射膜１０で反射するので、短波長用回折格子によって散乱される。

この場合にはフィルタ材６を反射・透過特性が互いに異なる複数のフィルタ要素７の積層構造とし、各フィルタ要素７の透過光の波長域が入射面から遠い側ほど短波長とすることによって、三波長以上の多波長に対応することができる。

また、波長領域に対するフィルタ材６は、入射面に近い側の第１光透過膜８と入射面に遠い側の第２光透過膜９から構成するとともに、第１光透過膜８の屈折率ｎ₂ と第２光透過膜９の屈折率ｎ₃ を、第１光透過膜８に接する光透過膜の屈折率をｎ₁ とした場合、
ｎ₁ ＞ｎ₂ ＜ｎ₃
とすることが望ましく、それによって、反射率を高めることができる。
なお、第１光透過膜８に接する光透過膜は、二波長ＱＷＩＰの場合には素子表面側の半導体３となる。

なお、第１光透過膜８としては低屈折率のＬｉＦ（ｎ_liF ＝１．３９）が特に望ましく、また、第２光透過膜９としては高屈折率のＧｅ（ｎ_Ge＝４．０１）が特に望ましい。

本発明によれば、光結合器を段差パターンとフィルタ材との組合せによって二通り或いはそれ以上の回折格子を構成するようにしているので、長短の二つ或いはそれ以上の波長に対して共に最適なグレーティングサイズとすることが可能になり、一方もしくは複数の波長帯に対する性能を犠牲にすることなく、多波長ＱＷＩＰを構成することが可能になる。

本発明は、感度波長が異なる複数の多重量子井戸構造光吸収層を積層して１画素で複数の波長帯に対して感度を有するとともに、赤外光入射面の反対側の素子表面に設けた段差パターンからなる光結合器構造を構成する際に、段差パターンの段差の高い部分の素子表面上にのみ相対的に長波長光だけを透過し相対的に短波長光を反射する性質を持つフィルタ材、典型的には反射・透過特性が互いに異なる複数のフィルタ要素７の積層構造からなり、各フィルタ要素の透過光の波長域が入射面から遠い側ほど長波長としたフィルタ材を設けるとともに、フィルタ材を含む段差パターン全面に入射光を全て反射する膜を設け、段差パターンの底面から反射が起こるフィルタ材あるいは反射膜までの材料中の光路長が反射を起こす光の波長のおおよそ１／４とするものである。

ここで、光結合器構造の反射特性を説明するが、例えば、短波長側のピーク感度波長３μｍ、長波長側ピーク感度波長８．５μｍとし、フィルタ材をＬｉＦとＧｅとの積層構造とし、ＱＷＩＰの表面をＧａＡｓとして説明する。

図２参照 図２は、Ｇｅ／ＬｉＦ／ＧａＡｓ構造の場合のＧａＡｓ／ＬｉＦ界面での反射率特性図であり、ここではＬｉＦの厚さｄ_LiF 、Ｇｅの厚さｄ_Geをそれぞれ０．５５μｍ、０．１５μｍとした場合の反射率Ｒ₀ の波長依存性を示している。
図から明らかなように、３μｍ近傍の波長において８０％以上の反射率が得られる。

図３参照 図３は、Ｇｅ／ＬｉＦ／ＧａＡｓ構造の場合の光結合器構造の説明図であり、フィルタ材１２が、ＬｉＦ１３とＧｅ１４とからなり、ＧａＡｓ／ＬｉＦ界面で形成される短波長用回折格子１７と段差パターン１５の表面に設けた反射膜１６によって形成される長波長用回折格子１８とからなる。

ここで、ＧａＡｓ１１の凸部の厚さをｄ_GaAs、フィルタ材１２の厚さをｄ_f （＝ｄ_LiF ＋ｄ_Ge）とすると、短波長用回折格子１７の段差はｄ_GaAsとなり、一方、長波長用回折格子１８の段差はｄ_GaAs＋ｄ_f （＝ｄ_GaAs＋ｄ_LiF ＋ｄ_Ge）となる。

また、短・長波長側のピーク感度波長をそれぞれλ_S 、λ_L とし、ＧａＡｓ、ＬｉＦ、Ｇｅの屈折率をそれぞれｎ_GaAs、ｎ_LiF 、ｎ_Geとすると、短波長側の回折格子の最適条件は、
ｎ_GaAs×ｄ_GaAs＝λ_S ／４ ・・・（１）

一方の長波長側の回折格子の最適条件は、
ｎ_GaAs×ｄ_GaAs＋ｎ_LiF ×ｄ_LiF ＋ｎ_Ge×ｄ_Ge＝λ_L ／４ ・・・（２）
となる。
上記の式（２）に式（１）を代入することによって、 ｎ_LiF ×ｄ_LiF ＋ｎ_Ge×ｄ_Ge＝（λ_L −λ_S ）／４ ・・・（３）
が得られる。

ここで、ｎ_LiF 、ｎ_Geをそれぞれ、１．３９，４．０１として、ｄ_LiF ，ｄ_Geを上述のように０．５５μｍ，０．１５μｍとし、λ_S ，λ_L を上述のように３μｍ，８．５μｍとすると、
ｎ_LiF ×ｄ_LiF ＋ｎ_Ge×ｄ_Ge＝１３６７．２〔ｎｍ〕
≒（λ_L −λ_S ）／４＝１３７５〔ｎｍ〕・・・（４）
となり、上記の式（３）がほぼ満たされることになり、長短の両方の波長に対して良好な回折格子が形成されていることが分かる。

或いは、光結合器構造を構成する際に、段差パターンの段差の低い部分の素子表面上にのみ相対的に短波長光だけを透過し相対的に長波長光を反射する性質を持つフィルタ材、典型的には反射・透過特性が互いに異なる複数のフィルタ要素７の積層構造からなり、各フィルタ要素の透過光の波長域が入射面から遠い側ほど短波長としたフィルタ材を設けるとともに、フィルタ材を含む段差パターン全面に入射光を全て反射する膜を設け、段差パターンの底面から反射が起こるフィルタ材あるいは反射膜までの材料中の光路長が反射を起こす光の波長のおおよそ１／４とするものである。

図４参照 図４は、短波長透過フィルタ材を用いた光結合器構造の説明図であり、フィルタ材２２が、低屈折率部材２３と高屈折率部材２４とからなり、半導体２１／低屈折率部材２３の界面で形成される短波長用回折格子２７と段差パターン２５の表面に設けた反射膜２６によって形成される長波長用回折格子２８とからなる。

この場合も、短波長透過フィルタ材料の材料と厚さを適宜組み合わせることによって、長波長光を半導体／低屈折率部材界面で反射するように構成すれば良い。
即ち、低屈折率部材２３の屈折率をｎ_L ，厚さをｄ_L 、高屈折率部材２４の屈折率をｎ_H ，厚さをｄ_H 、半導体２１の突出部の厚さをｄ_S ，屈折率をｎ_S とすると、上記の式（１）及び式（２）と同様に、
ｎ_S ×ｄ_S ＝λ_L ／４
ｎ_S ×ｄ_S −ｎ_L ×ｄ_L −ｎ_H ×ｄ_H ＝λ_S ／４
となる。

したがって、式（３）と同様に、
（λ_L −λ_S ）／４＝ｎ_L ×ｄ_L ＋ｎ_H ×ｄ_H
の関係をほぼ満たすように、波長λ_L ，λ_S に応じて低屈折率部材２３の（ｎ_L ，ｄ_L ）と高屈折率部材２４の（ｎ_H ，ｄ_H ）の組合せを選択すれば良い。

ここで、図５を参照して、本発明の実施例１の二波長ＱＷＩＰの製造工程を説明する。 図５参照
図５は、本発明の実施例１の二波長ＱＷＩＰの概略的要部断面図であり、まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板（図示を省略）上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）によって、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍのｉ型ＧａＡｓベース層３１、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、例えば、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層３２、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層３３、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、例えば、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層３４、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層３５、厚さが、０．５〜２．０μｍ、例えば、１．０μｍで、キャリア濃度が１×１０¹⁷〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3、例えば、１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＧａＡｓコンタクト層３６を順次エピタキシャル成長させる。

なお、ここでは、ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層３３は、ピーク感度が８．５μｍになるように、障壁層と井戸層の禁制帯幅及び膜厚を調整し、一方、ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層３５は、ピーク感度が３μｍになるように、障壁層と井戸層の禁制帯幅及び膜厚を調整する。

次いで、スパッタリング法を用いて厚さが、例えば、０．５５μｍのＬｉＦ膜３７及び厚さが、例えば、０．１５μｍのＧｅ膜３８を順次堆積させる。

次いで、全面にフォトレジストを塗布したのち、干渉露光法を用いて回折格子パターン（図示を省略）を形成し、この回折格子パターンをマスクとして、Ｇｅ膜３８乃至ｎ型ＧａＡｓコンタクト層３６の表面に一次の回折格子３９を形成する。

この時、回折格子３９の凸部に残存するＧｅ膜３８／ＬｉＦ膜３７の積層構造が３μｍ近傍の短波長に対しては反射材となり、且つ、８μｍ近傍の長波長に対しては長波長透過フィルタ材４０として作用する。
また、回折格子３９の凹凸の深さは、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層３６に形成される段差ｄ_GaAsが、上述のｄ_GaAs×ｎ_GaAs＝λ_S ／４の関係をほぼ満たすように形成する。

次いで、全面にＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程によって、画素分離溝４１を形成するための開口部を有するＳｉＯＮマスク（図示せず）を形成し、このＳｉＯＮマスクをマスクとしてウェット・エッチングを施すことによってｉ型ＧａＡｓベース層３１に達する画素分離溝４１を形成する。

次いで、ＳｉＯＮマスクを除去したのち、全面に新たにＳｉＯＮ膜（図示せず）を設け、通常のフォトリソグラフィー工程を用いて各画素のｎ型ＧａＡｓコンタクト層３２、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層３４、及び、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層３６に対するコンタクトホールを形成し、次いで、コンタクトホールの側壁をＳｉＯＮ膜で被覆したのち、Ａｕ・Ｇｅ／Ｎｉからなるオーミック電極（図示は省略）を設ける。
なお、回折格子３９の表面には、例えば、Ａｕからなる反射膜４２を設けておく。

最後に、半絶縁性ＧａＡｓ基板をウェットエッチングして除去することによって、本発明の実施例１の二波長ＱＷＩＰの基本構成が完成する。

この実施例１においては、３μｍ近傍の短波長はｎ型ＧａＡｓコンタクト層３６／長波長フィルタ材４０の界面で反射されるので、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層３６自体に設けた段差ｄ_GaAsの凹凸構造が３μｍ帯の赤外線に対する短波長用回折格子として作用する。

一方、８μｍ近傍の長波長は長波長フィルタ材を透過するので、反射膜４２で形成される段差（ｄ_GaAs＋０．５５μｍ＋０．１５μｍ）の凹凸構造が８μｍ帯近傍の赤外線に対する長波長用回折格子として作用する。

したがって、回折格子３９、反射膜４２、及び、長波長透過フィルタ材４０で構成される光結合器構造は、３μｍ帯の短波長赤外線に対しても８μｍ帯の長波長赤外線に対しても良好な１次の回折格子として作用するので、入射してきた長短両方の波長の赤外線を高効率で反射・拡散することができる。

以上、本発明の実施例を説明してきたが、本発明は実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、実施例においては、説明を簡単にするために、ＬｉＦ（０．５５μｍ）／Ｇｅ（０．１５μｍ）の反射特性に合わせるために、短波長を３μｍ、長波長を８．５μｍとしているが、これは単なる一例であり、ＬｉＦ／Ｇｅの各膜厚を変えることによって他の波長の組合せに適用できることは言うまでもない。

また、上記の実施例の説明においては、低屈折率透明膜をＬｉＦで構成し、高屈折率透明膜をＧｅで構成しているが、これらの材料に限られるものではなく、例えば、低屈折率透明膜としてはＹＦ₃ 、Ｙ₂ Ｏ₃ を、また、高屈折率透明膜としてはＳｉ、ＺｎＳを用いても良いものである。

また、上記の実施例の説明においては、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系のＱＷＩＰとして説明しているが、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系に限られるものではなく、ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ系等の他の材料系にも適用されるものである。

また、上記の説明においては、フィルタ材を長波長透過フィルタとしているが、フィルタ材は短波長透過フィルタで構成しても良いものである。
但し、この場合には、回折格子の反射特性は回折格子の段差によって規定されるので、図４に示したように、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層等の最表面の半導体層に長波長用回折格子を形成したのち、凹凸パターンの凹部に短波長透過フィルタ材を所定の厚さに堆積させれば良い。

或いは、最表面の半導体層に短波長透過フィルタ材からなる周期的パターンを形成したのち、露出している半導体層上に長波長用回折格子を形成する高さの半導体層を選択成長させて凹凸パターンを形成しても良いものである。

例えば、短波長透過フィルタ材を上述のＬｉＦ（０．５５μｍ）／Ｇｅ（０．１５μｍ）で構成した場合、長波長を３μｍとし、短波長を１．５μｍとすれば、長短両方の波長に対して良好な反射特性を有する回折格子を形成することができる。
なお、１．５μｍの赤外線をサブバンド間遷移で検出するためには短波長用ＱＷＩＰをＧａＮ系半導体等で構成すれば良い。

また、上記の実施例においては、光結合器構造に近い側を短波長用ＱＷＩＰとしているが、積層順序は任意であり、光結合器構造に近い側を長波長用ＱＷＩＰとしても良いものである。

また、上記の実施例においては、二波長検出器として説明しているが、二波長以上の多波長検出器にも適用されるものであり、フィルタ材の構成を反射・透過特性が互いに異なる複数のフィルタ要素７の積層構造にすることによって、各フィルタ要素７の界面で反射される波長帯と透過する波長帯を調整し、各波長λに対してλ／４の関係をほぼ満たす複数の回折格子が形成されるようにすれば良い。

また、上記の実施例においては、一次元アレイ状或いは二次元アレイ状の赤外線撮像装置を構成する一画素として説明しているが、撮像装置に限られるものではなく、単独の赤外線検出器の構成にも適用されることは言うまでもない。

ここで再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照
（付記１） 感度波長が異なる複数の多重量子井戸構造光吸収層１，２を積層して１画素で複数の波長帯に対して感度を有するとともに、赤外光入射面の反対側の素子表面に設けた段差パターン５からなる光結合器構造４を備えた多波長量子井戸型赤外線検出装置であって、前記段差パターン５の段差の高い部分の素子表面上にのみ相対的に長波長光だけを透過し相対的に短波長光を反射する性質を持つフィルタ材６を設けるとともに、前記フィルタ材６を含む段差パターン５全面に入射光を全て反射する膜を設け、前記段差パターン５の底面から反射が起こるフィルタ材６あるいは反射膜１０までの材料中の光路長が反射を起こす光の波長のおおよそ１／４であることを特徴とする多波長量子井戸型赤外線検出装置。
（付記２） 上記フィルタ材６が反射・透過特性が互いに異なる複数のフィルタ要素７の積層構造からなり、前記各フィルタ要素７の透過光の波長域が入射面から遠い側ほど長波長となっていることを特徴とする付記１記載の多波長量子井戸型赤外線検出装置。
（付記３） 感度波長が異なる複数の多重量子井戸構造光吸収層１，２を積層して１画素で複数の波長帯に対して感度を有するとともに、赤外光入射面の反対側の素子表面に設けた段差パターン５からなる光結合器構造４を備えた多波長量子井戸型赤外線検出装置であって、前記段差パターン５の段差の低い部分の素子表面上にのみ相対的に短波長光だけを透過し相対的に長波長光を反射する性質を持つフィルタ材６を設けるとともに、前記フィルタ材６を含む段差パターン５全面に入射光を全て反射する膜を設け、前記段差パターン５の底面から反射が起こるフィルタ材６あるいは反射膜１０までの材料中の光路長が反射を起こす光の波長のおおよそ１／４であることを特徴とする多波長量子井戸型赤外線検出装置。
（付記４） 上記フィルタ材６が反射・透過特性が互いに異なる複数のフィルタ要素７の積層構造からなり、前記各フィルタ要素７の透過光の波長域が入射面から遠い側ほど短波長となっていることを特徴とする付記３記載の多波長量子井戸型赤外線検出装置。
（付記５） 各波長領域に対するフィルタ材６を、入射面に近い側の第１光透過膜８と入射面に遠い側の第２光透過膜９から構成するとともに、前記第１光透過膜８の屈折率ｎ₂ と前記第２光透過膜９の屈折率ｎ₃ を、前記第１光透過膜８に接する光透過膜の屈折率をｎ₁ とした場合、
ｎ₁ ＞ｎ₂ ＜ｎ₃
とすることを特徴とする付記２または４に記載の多波長量子井戸型赤外線検出装置。
（付記６） 上記第１光透過膜８がＬｉＦからなり、且つ、上記第２光透過膜９がＧｅからなることを特徴とする付記５記載の多波長量子井戸型赤外線検出装置。

本発明の活用例としては、３〜９μｍ帯の二波長ＱＷＩＰが典型的なものであるが、二波長以上の多波長ＱＷＩＰにも適用されるものであり、さらには、３μｍ以下の短波長、或いは、９μｍ以下の長波長の多波長ＱＷＩＰにも適用されるものである。

本発明の原理的構成の説明図である。 Ｇｅ／ＬｉＦ／ＧａＡｓ構造の場合のＧａＡｓ／ＬｉＦ界面での反射率特性図である。 Ｇｅ／ＬｉＦ／ＧａＡｓ構造の場合の光結合器構造の説明図である。 短波長透過フィルタ材を用いた光結合器構造の説明図である。 本発明の実施例１の二波長ＱＷＩＰの概略的要部断面図である。 従来の二波長ＱＷＩＰの概略的要部断面図である。

符号の説明

１ 多重量子井戸構造光吸収層
２ 多重量子井戸構造光吸収層
３ 素子表面側の半導体
４ 光結合器構造
５ 段差パターン
６ フィルタ材
７ フィルタ要素
８ 第１光透過膜
９ 第２光透過膜
１０ 反射膜
１１ ＧａＡｓ
１２ フィルタ材
１３ ＬｉＦ
１４ Ｇｅ
１５ 段差パターン
１６ 反射膜
１７ 短波長用回折格子
１８ 長波長用回折格子
２１ 半導体
２２ フィルタ材
２３ 低屈折率部材
２４ 高屈折率部材
２５ 段差パターン
２６ 反射膜
２７ 短波長用回折格子
２８ 長波長用回折格子
３１ ｉ型ＧａＡｓベース層
３２ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
３３ ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層
３４ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
３５ ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層
３６ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
３７ ＬｉＦ膜
３８ Ｇｅ膜
３９ 回折格子
４０ 長波長透過フィルタ材
４１ 画素分離溝
４２ 反射膜
７１ ｉ型ＧａＡｓベース層
７２ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
７３ ｎ型ＭＱＷ第１光吸収層
７４ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
７５ ｎ型ＭＱＷ第２光吸収層
７６ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
７７ 反射型回折格子
７８ 画素分離溝
７９ 赤外線

Claims (5)

1. 感度波長が異なる複数の多重量子井戸構造光吸収層を積層して１画素で複数の波長帯に対して感度を有するとともに、赤外光入射面の反対側の素子表面に設けた段差パターンからなる光結合器構造を備えた多波長量子井戸型赤外線検出装置であって、前記段差パターンの段差の高い部分の素子表面上にのみ相対的に長波長光だけを透過し相対的に短波長光を反射する性質を持つフィルタ材を設けるとともに、前記フィルタ材を含む段差パターン全面に入射光を全て反射する膜を設け、前記段差パターンの底面から反射が起こるフィルタ材あるいは反射膜までの材料中の光路長が反射を起こす光の波長のおおよそ１／４であることを特徴とする多波長量子井戸型赤外線検出装置。
2. 上記フィルタ材が反射・透過特性が互いに異なる複数のフィルタ要素の積層構造からなり、前記各フィルタ要素の透過光の波長域が入射面から遠い側ほど長波長となっていることを特徴とする請求項１記載の多波長量子井戸型赤外線検出装置。
3. 感度波長が異なる複数の多重量子井戸構造光吸収層を積層して１画素で複数の波長帯に対して感度を有するとともに、赤外光入射面の反対側の素子表面に設けた段差パターンからなる光結合器構造を備えた多波長量子井戸型赤外線検出装置であって、前記段差パターンの段差の低い部分の素子表面上にのみ相対的に短波長光だけを透過し相対的に長波長光を反射する性質を持つフィルタ材を設けるとともに、前記フィルタ材を含む段差パターン全面に入射光を全て反射する膜を設け、前記段差パターンの底面から反射が起こるフィルタ材あるいは反射膜までの材料中の光路長が反射を起こす光の波長のおおよそ１／４であることを特徴とする多波長量子井戸型赤外線検出装置。
4. 上記フィルタ材が反射・透過特性が互いに異なる複数のフィルタ要素の積層構造からなり、前記各フィルタ要素の透過光の波長域が入射面から遠い側ほど短波長となっていることを特徴とする請求項３記載の多波長量子井戸型赤外線検出装置。
5. 各波長領域に対するフィルタ材を、入射面に近い側の第１光透過膜と入射面に遠い側の第２光透過膜から構成するとともに、前記第１光透過膜の屈折率ｎ₂ と前記第２光透過膜の屈折率ｎ₃ を、前記第１光透過膜に接する光透過膜の屈折率をｎ₁ とした場合、
   ｎ₁ ＞ｎ₂ ＜ｎ₃
   とすることを特徴とする請求項２または４に記載の多波長量子井戸型赤外線検出装置。

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