JP5123889B2 - 赤外光検出器 - Google Patents

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Description

本発明は、赤外光検出器に関する。
本願発明者によりＣＳＩＰ（Charge Sensitive Infrared Phototransistor：電荷敏感型赤外光トランジスタ）を構成要素とする高感度の赤外光検出器が提案されている（たとえば、特許文献１ならびに非特許文献１および２参照）。
この赤外光検出器によれば、赤外光がマイクロストリップ・アンテナまたは金属パッチ・アレイ等によって量子井戸等、周囲から電気的に孤立した２次元電子層（浮遊ゲート）に集中される。これにより孤立２次元電子層に垂直な振動電場が生成される。そして、孤立２次元電子層における電子がこの振動電場により励起されて基底サブバンドから励起サブバンドに遷移し、さらに孤立２次元電子層からその直下に配置された電荷敏感トランジスタの伝導チャネル等に脱出する。これにより孤立２次元電子層が正に帯電する。その結果、ＣＳＩＰのソース-ドレイン間の電気伝導度が増加する。
詳細には、赤外光検出器に赤外光が入射すると、光結合機構により第１電子領域に垂直な方向（ｚ方向）に振動電場が形成される。この振動電場により第１電子領域において、図４（ａ）に上向き矢印で示されているように量子井戸の基底サブバンド（電子エネルギーレベルε0）から励起サブバンドに電子が遷移する。励起サブバンドに遷移した電子は図４（ａ）に破線矢印で示されているように量子井戸の電位障壁をトンネル過程で脱出する。そのトンネル脱出過程を可能にするために、中間層の量子井戸側のポテンシャルＵ1は励起サブバンドの電子エネルギーレベルε1より低いが、中間層のエネルギー勾配を確保するために伝導チャネルの対向領域におけるフェルミエネルギー（電気化学ポテンシャル）εFより高く設定されている。そのため、励起サブバンドからトンネル過程で脱出した電子は中間層のエネルギー勾配にしたがって伝導チャネル、特に第１電子領域に対向する領域（本発明における「第２電子領域」に相当する。）に流入する。これにより第１電子領域が正に帯電またはイオン化する。すなわち、遮断状態において第１電子領域および第２電子領域が中間層を挟んだコンデンサとして機能し、第１電子領域に正電荷が蓄えられる。
そして、赤外光検出器への赤外光の入射が継続する結果として、前記のように第１電子領域から伝導チャネルに脱出する電子数が継続的に増加することにより、第１電子領域の帯電量が対応して継続的に増加する。また、第１電子領域の帯電量の増加にともなって、伝導チャネルの電気伝導度が高くなる。このため、伝導チャネルの電気伝導度の変化を検出することにより入射した赤外光の積分値が高感度で検出されうる。
しかるに、赤外光検出が開始されてから比較的短時間でＣＳＩＰのソース−ドレイン間の電気伝導度の変化が飽和してしまうので、赤外光感度には限界が生じる。
詳細には、第１電子領域の正の帯電量ΔＱが増加することにより、第１電子領域における励起サブバンドの電子エネルギーレベルε1が低下し、電子の主な脱出先である伝導チャネルにおける第２電子領域のフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εFとの差が小さくなる。たとえば、第１電子領域の正の帯電量ΔＱがΔＱsat＝（ε１−Ｕ1）Ｃ／ｅに達すると、図４（ａ）に示されているように中間層におけるエネルギー高低差が大きい状態から、図４（ｂ）に示されているように中間層におけるエネルギー高低差が消失した状態になる。ここで、Ｃ＝ε／ｄは第１電子領域と伝導チャネルにおける第２電子領域が形成する単位面積当たりの電気容量を表わす。ｄは第１電子層と第２電子層との間の距離を表わす。εは中間領域の誘電率を表わす。すると、第１電子領域から伝導チャネルへ励起電子が脱出するだけでなく、伝導チャネルで熱励起された電子の第１電子領域への逆流が可能になり正味の脱出が起こらなくなる。その結果、第１電子領域の帯電量増加が停止して飽和する。そして、赤外光がさらに入射してもそれ以上は伝導チャネルの電気伝導度が変化せず、当該電気伝導度の変化率に基づく赤外光検出を続行できなくなる。
そこで、本願発明者により、この問題を解決するための改良が加えられたさらに高感度の赤外光検出器が提案されている（特許文献２および非特許文献３参照）。
この赤外光検出器によれば、ソース−ドレイン間の電気伝導度の変化が飽和する前に、孤立２次元電子領域がリセットゲートを介してソース、ドレインまたはソース−ドレイン間の伝導チャネルに電子的に接続される。これにより、外部電子系から第１電子領域に電子が流入し、この電子が正電荷と結合することによって第１電子領域の帯電量が０に速やかにリセットされ、電気伝導度の値が変化前の初期値に戻り、エネルギーダイヤグラムが図４（ｂ）に示されている状態から図４（ａ）に示されている状態に復帰する。すなわち、第１電子領域１０における励起サブバンドのエネルギーレベルε1が、励起サブバンドに遷移した電子が第１電子領域１０から第２電子層１０４に容易にまたは高確率で流出しうる程度に十分に高い状態に復帰する。
その後、第１電子領域が接続状態から遮断状態に切り替えられることにより、このため、前記のような励起サブバンドに励起された電子の孤立２次元電子領域からの脱出による第１電子領域１０の帯電が進行する状況が復活する。このため、反復的または累積的な赤外光の検知が可能となり、赤外光感度の向上が図られている。
国際公開公報 ＷＯ２００６／００６４６９Ａ１ 特開２００８−２０５１０６号公報
"Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｕｓｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｇａｓ ｌａｙｅｒｓ（Ａｎ ｅｔ ａｌ．）" Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６，１７２１０６（２００５） "Ａ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｄｏｕｂｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（Ａｎ ｅｔ ａｌ．）" Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１００，０４４５０９（２００６） "Ｒｅｓｅｔ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ（Ｚｈｅｎｇｈｕａ Ａｎ， ＴａｋｅｊｉＵｅｄａ，ＫａｚｕｈｉｋｏＨｉｒａｋａｗａ，ａｎｄＳｕｓｕｍｕＫｏｍｉｙａｍａ）"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｖｏｌ．５４，１７７６−１７８０（２００７）
しかし、ソース−ドレイン間の前記のような電気伝導度の変化の観測を行うために印加する当該ソース−ドレイン間の電圧ＶDSが０．２２ｈν／ｅ（ｅは電荷素量を表わす。ｈはプランク定数を表わす。νは量子井戸の幅に応じた励起光の振動数を表わす。）程度以上の電圧になると、かえって赤外光の検知感度が低下してしまう。
そこで、本発明は、前記問題を解消して、赤外光感度のさらなる向上を図りうる赤外光検出器を提供することを解決課題とする。
本発明は、２次元電子層である第１電子層において電気的に孤立した状態が維持されうる第１電子領域と、入射赤外光に応じて前記第１電子領域に垂直な振動電場成分を生成することにより電子を励起し、前記第１電子領域に形成されている量子井戸のサブバンドの間で遷移させる光結合機構と、前記第１電子層に対して中間絶縁層を介して平行に配置されている２次元電子層である第２電子層において、前記光結合機構により励起された電子が前記第１電子領域から流出した結果として電気伝導度が変化する伝導チャネルと、前記第１電子領域が外部電子系から電気的に遮断されている遮断状態と、前記外部電子系と電気的に接続されている接続状態とを切り替える状態制御機構とを備え、前記伝導チャネルの指定方向についての電気伝導度の変化を検出することにより前記入射赤外光を検出する赤外光検出器に関する。
本願発明者は次に説明するような原因により前記のように赤外光の検知感度が制限されることを知見した。すなわち、実際の測定では、有限のソース−ドレイン電圧ＶSDを印加するためドレイン側のフェルミエネルギー（電気化学ポテンシャル）がｅＶSDだけ増大する。その結果、第１電子領域が単一領域から形成されている場合、図７に示されているように、帯電量の飽和（図３（ｂ）参照）が△Ｑsat＝（ε１−Ｕ1）Ｃ／ｅより小さな△Ｑsat＝（ε１−Ｕ1−ｅＶSD）Ｃ／ｅの値で起こってしまう。そのために印加可能なソース−ドレイン電圧ＶSDはｅＶSD≪ε１−Ｕ1＜ｈνの制限を受け、実際の上限は０．２２×ｈν／ｅ程度となる。
当該知見に鑑みて前記課題を解決するための本発明の赤外光検出器は、単一の前記第１電子領域が、相互に電気的に独立しているとともに、前記伝導チャネルに対向して前記指定方向に並んでいる複数の前記第１電子領域に分割され、前記複数の第１電子領域のそれぞれについて所定条件が満たされるように前記外部電子系が構成され、前記所定条件は、前記接続状態における前記第１電子領域のそれぞれの前記励起サブバンドの電子エネルギーレベルが、前記伝導チャネルにおいて前記第１電子領域のそれぞれに対向する第２電子領域のそれぞれにおけるフェルミ準位に対して、前記遮断状態における前記第１電子領域のそれぞれの励起サブバンドに遷移した電子が、前記第２電子領域のそれぞれに流出しうる程度に高くなるという条件であることを特徴とする。
本発明の赤外光検出器によれば、単一の第１電子領域が分割されることにより形成されている複数の第１電子領域のそれぞれが遮断状態から接続状態に切り替えられる。これにより、第１電子領域のそれぞれのフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）と、外部電子系のそれぞれのフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）とが等しくなる。
ここで、第１電子領域のそれぞれについて外部電子系が前記所定条件を満たすように構成されている。このため、遮断状態における第１電子領域のそれぞれにおける励起サブバンドの電子エネルギーレベルと、伝導チャネルにおいて第１電子領域のそれぞれに対向する第２電子領域のそれぞれにおけるフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）との十分な高低差が確保される。「十分な高低差」とは、当該励起サブバンドに遷移した電子が遮断状態の第１電子領域のそれぞれから伝導チャネルにおける第２電子領域のそれぞれに容易にまたは高確率で脱出しうる程度の高低差を意味する。したがって、指定方向について伝導チャネルの電位差を大きくしながらも、第１電子領域のそれぞれから伝導チャネルにおける第２電子領域のそれぞれに電子を容易に脱出させることができる。
よって、本発明の赤外光検出装置によれば、一の外部電子系のフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）と等しくなるようにしかフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）が調節されえない分割前の単一の第１電子領域により赤外光が検知される場合と比較して、赤外光の検知精度を著しく（たとえば、第１電子領域の個数倍程度にまで）向上させることができる。
前記第２電子領域のそれぞれが、前記第１電子領域のそれぞれの前記外部電子系として構成されていてもよい。
前記中間絶縁層とともに前記一の２次元電子層を挟む上部絶縁層の上面において前記単一の第１電子領域を横断するように複数のゲート電極が形成され、それぞれの前記ゲート電極にバイアス電圧が印加されて前記一の２次元電子層に電位障壁が形成されることにより、前記単一の第１電子領域が前記複数の第１電子領域に分割されてもよい。
本発明の赤外光検出器の主要部の構成説明図。 （ａ）図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図。（ｂ）図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図。 本発明の赤外光検出器の光結合機構の構成説明図。 赤外光検出器の局所的なエネルギーダイヤグラム。 赤外光検出器のリセットに関する説明図。 本発明の赤外光検出器の全体的なエネルギーダイヤグラム。 従来型の赤外光検出器の全体的なエネルギーダイヤグラム。 本発明の赤外光検出器の赤外光検知感度に関する説明図。 本発明の赤外光検出器の量子効率に関する説明図。 本発明の他の実施形態としての赤外光検出器の光結合機構の構成説明図。
本発明の赤外光検出器の実施形態について図面を用いて説明する。
まず、赤外光検出器の構成について説明する。図１に示されている赤外光検出器１００は、第１電子層１０２と、第２電子層１０４と、光結合機構１１０と、第１ゲート電極１１１と、第２ゲート電極１１２と、第１電圧制御装置（またはパルスジェネレータ）１１３と、第２電圧制御装置１１４とを備えている。説明の便宜のために図１に示されているようにｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を定義する。
赤外光検出器１００は、たとえば前記特許文献１に開示されている構成の半導体多層ヘテロエピタキシャル成長基板から作成されているので、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されているような層構造を有している。当該基板は、上部絶縁層（ＧａＡｓ層＋Ｓｉ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層）１０１、一の２次元電子層としての第１電子層（ＧａＡｓ層）１０２、中間層（ＡｌxＧａ1-xＡｓ層）１０３、一の２次元電子層に対して平行に配置されている他の２次元電子層としての第２電子層（ＧａＡｓ層）１０４、下部絶縁層（Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層＋Ｓｉ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層＋Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層）１０５およびｎ型ＧａＡｓ基板１０６が上から順にヘテロ接合された構造となっている。中間層１０３の組成比ｘは、遮断状態の初期において基板の深さ方向（−ｚ方向）について図４（ａ）に示されているようなエネルギーダイヤグラムが形成されるように調節されている。
第１電子層１０２は図１に示されているようにｘ方向に伸びる帯状領域の中腹部から４本の線状領域が延設されている形状に形成されている。第１電子層１０２には、図５（ａ）に概念的に示されているように電気的に遮断されている複数の第１電子領域（孤立２次元電子領域）１０がｘ方向に配列して形成される。複数の第１電子領域１０のそれぞれにおいて、遮断状態の初期段階では図４（ａ）に示されているように−ｚ方向に量子井戸が形成され、基底サブバンド（エネルギー順位ε0）および励起サブバンド（エネルギー準位ε1（＞ε0））が形成されている。
第２電子層１０４は第１電子層１０２とほぼ同じ形状に形成され、第１電子層１０２の下方に同じ姿勢で配置されている。すなわち、第２電子層１０４は第１電子層１０２がそのまま下方（−ｚ方向）に投影されたような形状に形成されている。第２電子層１０４には、図５（ａ）に概念的に示されているようにｚ方向について複数の第１電子領域１０に対向するとともにｘ方向に延びる伝導チャネル１２０が形成されている。伝導チャネル１２０（正確には第１電子領域１０のそれぞれに対向する第２電子領域２０のそれぞれ）は、図４（ａ）に示されているように−ｚ方向について遮断状態の初期段階における第１電子領域１０に形成されている量子井戸の励起サブバンドよりも低いエネルギーレベルを有する。なお、この際、第２電子領域２０のそれぞれのフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）は、対応する第１電子領域１０のそれぞれのフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）に等しい。
第１電子層１０２および第２電子層１０４は、ｘ方向の一方の端部において第１オーミックコンタクト（ドレイン電極）１２２に接続され、ｘ方向の他方の端部において第２オーミックコンタクト（ソース電極）１２４に接続されている。第１オーミックコンタクト１２２および第２オーミックコンタクト１２４に接続された電流計１２８によって伝導チャネル１２０のｘ方向（指定方向）の電流または電気伝導度が測定される。また、第１電子層１０２および第２電子層１０４は、複数の線状領域のそれぞれの先端部において第３オーミックコンタクト１２６に接続されている。これにより、ｘ方向（指定方向）に配列されている第１電子領域１０のそれぞれが、伝導チャネル１２０において第１電子領域１０に対向する第２電子領域２０に第３オーミックコンタクト１２６を通じて電気的に接続されうる。
光結合機構１１０は図２（ａ）（ｂ）に示されているように上部絶縁層１０１の上側に設けられている金属薄膜により構成されている。金属薄膜の厚さは約０．１［μｍ］である。
金属薄膜には図３（ａ）に示されているように相互に離れている複数の窓が形成されている。複数の窓は少なくともｘ方向およびｙ方向のそれぞれについて並進対称性を有するような姿勢で周期的に配列されている。入射赤外光の波長λと、第１電子層１０２を含む基板（上部絶縁層１０１など）の屈折率ｎとに基づき、複数の窓の配列周期ｐが０．７０〜０．９０（λ／ｎ）の範囲に収まるように設定されている。たとえば、窓の配列周期ｐは基板（屈折率ｎ≒３．５７）における赤外線の波長λ／ｎ≒４．１［μｍ］に基づいて約３．５［μｍ］に設定されている。なお、窓の配列周期ｐはｘ方向およびｙ方向のそれぞれについて同一であっても異なっていてもよい。
窓のそれぞれは内角の一部が鈍角である多角形状に形成されている。たとえば、図３（ｂ）に示されているように窓（黒部分）は四隅に角（好ましくは直角）を有する２本の直線分が相互に中央で直交しているような形状、すなわち、十字形状に形成されている。複数の窓の配列方向について、各窓のサイズｌが０．６０〜０．８０ｐの範囲に収まるように設定されている。たとえば、ｘ方向に延びる線分およびｙ方向に延びる線分のそれぞれの長さｌは約２．３［μｍ］に設定されている。当該線分の幅ｗは約０．５［μｍ］に設定されている。
なお、窓が図３（ｂ）に示されているような十字形状のほか、図１０（ａ）〜（ｈ）のそれぞれに示されているように、一部の内角が鈍角となるようなさまざまな多角形状に形成されてもよい。
光結合機構１１０は第１電子領域１０に赤外光子を集中させて第１電子層１０２に垂直な振動電場成分を生成することにより第１電子領域１０の電子を励起して基底サブバンドから励起サブバンドに遷移させる。なお、光結合機構１１０としては、マイクロストリップアンテナ（パッチアンテナ）、グレーティングまたは基板（たとえば上部絶縁層１０１）に形成された傾斜角度４５°の傾斜面等、入射赤外光から第１電子層１０２に垂直な電場成分を生成するためのさまざまな機構が採用されてもよい。
第１ゲート電極１１１は第１電子層１０２の上方（上部絶縁層１０１の上面）において、第１電子層１０２において帯状領域から延びている複数の線分領域のそれぞれを横断するように形成されている。なお、複数の線状領域のそれぞれに独立の第１ゲート電極１１１が設けられてもよく、これに加えて複数の第１電子領域１０のそれぞれについて遮断状態および接続状態が別個に切り替えられてもよい。
第１電圧制御装置１１３は第１ゲート電極１１１にバイアス電圧を調節しながら印加する。第１ゲート電極１１１にバイアス電圧が印加されることにより、第１ゲート電極１１１の下方において第１電子層１０２の帯状領域と、第３オーミックコンタクト１２６とを電気的に遮断する電位障壁が形成される。
第１ゲート電極１１１および第１電圧制御装置１１３は「状態制御機構」として、第１電子領域１０の遮断状態および接続状態を切り替える。「遮断状態」は第１電子領域１０が外部電子系から電気的に遮断され、外部電子系から第１電子領域１０への電子の流入が禁止または制限されている状態を意味する。「接続状態」は第１電子領域１０が外部電子系に電気的に接続され、外部電子系から第１電子領域１０への電子の流入が自由であって、禁止または制限されていない状態を意味する。
第１電子領域１０のそれぞれについて、伝導チャネル１２０において第１電子領域１０のそれぞれに対向する第２電子領域２０のそれぞれが外部電子系として構成されている。外部電子系は、所定条件を満たすように構成されている。「所定条件」は、接続状態における第１電子領域１０のそれぞれの励起サブバンドの電子エネルギーレベルε1が、伝導チャネル１２０における第２電子領域２０のそれぞれにおけるフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εFに対して、遮断状態における第１電子領域１０のそれぞれの励起サブバンドに遷移した電子が、対応する第２電子領域２０のそれぞれに（容易または高確率で）流出しうる程度に高くなるという条件である。
第１電子領域１０のサイズが任意に選択されても性能向上にはあまり変化がないという性質、および、実際の作成条件等にかんがみて、第１電子領域１０のそれぞれは、その横幅（ｘ方向のサイズ）が０．１〜３．０λであり、縦幅（ｙ方向のサイズ）が０．５〜１０λ（λは赤外光の真空波長を表わす。）の範囲に収まるように構成されている。たとえば、λ＝１４．７［μｍ］として、第１電子領域１０のそれぞれは、その横幅が３０［μｍ］となり、その縦幅が１３０［μｍ］となるように構成されている。
複数の第２ゲート電極１１２のそれぞれは第１電子層１０２の上方（上部絶縁層１０１の上面）において、第１電子層１０２においてｘ方向に延びる帯状領域をｙ方向に横断するように形成されている。なお、第２ゲート電極１１２のそれぞれは、ｘ−ｙ平面においてｙ方向に対して傾斜した方向に帯状領域を横断するように形成されてもよい。第２電圧制御装置１１４は第２ゲート電極１１２のそれぞれにバイアス電圧を調節しながら印加する。第２ゲート電極１１２にバイアス電圧が印加されることにより、第２ゲート電極１１２の真下部分において、第１電子層１０２をｘ方向について電気的に遮断する電位障壁が形成される。
続いて、前記構成の赤外光検出器の機能について説明する。
第１ゲート電極１１１にバイアス電圧Ｖ1Gが印加されることにより、第１ゲート電極１１１の下方に電位障壁が形成される。また、第２ゲート電極１１２のそれぞれにバイアス電圧Ｖ2Gが印加されることにより、第２ゲート電極１１２のそれぞれの下方に電位障壁が形成される。５つの第２ゲート電極１１２のうち両端にある一対の第２ゲート電極１１２により形成された電位障壁によって、単一の第１電子領域（孤立２次元電子領域）が形成される。内側にある３つの第２ゲート電極１１２による電位障壁によって、当該単一の第１電子領域が、相互に電気的に独立した４つの第１電子領域１０に分割される（図５（ａ）参照）。
赤外光検出器１００に赤外光が入射すると、光結合機構１１０により複数の第１電子領域１０のそれぞれに垂直な方向（ｚ方向）に振動電場が形成される。その結果、第１電子領域１０のそれぞれにおいて、前記のように電子が励起された上で量子井戸から脱出するとともに、伝導チャネル１２０に流入する（図４（ａ）参照）。そして、遮断状態における第１電子領域１０のそれぞれと、伝導チャネル１２０における第２電子領域２０のそれぞれとが中間層１０３を挟んだコンデンサとして機能し、第１電子領域１０のそれぞれに正電荷が蓄えられる。図５（ａ）には電子（黒丸）が矢印で示されているように第１電子領域１０から伝導チャネル１２０に流出し、第１電子領域１０に正電荷（白丸）が蓄えられる様子が模式的に示されている。
第１電子領域１０の正の帯電量ΔＱが増加することにより、中間層１０３におけるエネルギー高低差が消失した状態になると、第１電子領域１０の帯電量増加が停止して飽和する（図４（ｂ）参照）。図５（ｂ）には第１電子領域１０に多数の正電荷（白丸）がたまってその帯電量が増加した状態が模式的に示されている。
ここで、伝導チャネル１２０の電気伝導度の変化が飽和する前に、第１電圧制御装置１１３により第１ゲート電極１１１への印加電圧が下げられる。これにより、第１電子領域１０と第３オーミックコンタクト１２６との間に存在した電位障壁が解消され、第１電子領域１０が遮断状態から接続状態に切り替えられる。そして、外部電子系としての第２電子領域２０から第１電子領域１０に電子が流入し、この電子が正電荷と結合することによって第１電子領域１０の帯電量が０に速やかにリセットされる。図５（ｃ）には第２電子領域２０が第３オーミックコンタクト１２６を介して第１電子領域１０と電気的に接続され、電子（黒丸）が矢印で示すように第１電子領域１０に流れ込み、正電荷（白丸）と結合する様子が模式的に示されている。
その後、第１電子領域１０のそれぞれが接続状態から遮断状態に切り替えられた上で、前記のように伝導チャネル１２０の電気伝導度の変化が繰り返し検出される。これにより、電流計１２８の測定値に基づいて伝導チャネル１２０の電気伝導度の変化を検出することにより入射した赤外光の積分値が高感度で検出されうる。
本発明の特徴は、伝導チャネル１２０において第１電子領域１０のそれぞれに対向する領域である第２電子領域２０のそれぞれを外部電子系として、第１電子領域１０のそれぞれの遮断状態と接続状態とが切り替えられる点にある。このため、遮断状態から接続状態に切り替えられるたびに第１電子領域１０のそれぞれのフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εF（＝基底サブバンドのレベルε0）と、第２電子領域２０のフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εFとが等しくなる。その結果、第１電子領域１０のそれぞれおよび第２電子領域２０のそれぞれについて、エネルギーダイヤグラムが図４（ｂ）に示されている状態から図４（ａ）に示されている状態に復帰する。すなわち、第１電子領域１０のそれぞれにおける励起サブバンドのエネルギーレベルε1が、励起サブバンドに遷移した電子が第１電子領域１０から第２電子層１０４に容易にまたは高確率で流出しうる程度に十分に高い状態に復帰する。
たとえば、遮断状態から接続状態に切り替えられるたびに図６に示されているように４つの電気的に独立している第１電子領域１０のそれぞれのフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εF（＝量子井戸ＱＷ１１〜ＱＷ１４のそれぞれにおける基底サブバンドのレベルε0）と、第２電子領域２０のそれぞれにおけるフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εFとが等しくなる。なお、第１電子領域１０のそれぞれの電子エネルギーレベルは独立に制御されうるのに対して、第２電子領域２０のそれぞれの電子エネルギーレベルは伝導チャネル１２０における電位勾配に応じて一律に制御される。
これにより、伝導チャネル１２０にｘ方向（指定方向）について電位勾配（一点鎖線参照）が存在しても、第１電子領域１０のそれぞれにおける励起サブバンドのレベルε1と、第２電子領域２０のそれぞれにおけるフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εFとの高低差が、当該励起サブバンドに遷移した電子が遮断状態の第１電子領域１０から容易にまたは高確率で脱出しうる程度に確保される（図６矢印参照）。したがって、指定方向について伝導チャネル１２０の電位差（＝ソース−ドレイン電圧）を大きくしながらも（たとえば、第１電子領域１０が４つの場合には４０〜５０［ｍＶ］）、第１電子領域１０のそれぞれから伝導チャネル１２０、特に第２電子領域２０に電子を容易に脱出させることができる。
換言すると、単一の第１電子領域（＝孤立２次元電子領域）がｎ個（本実施形態ではｎ＝４）の第１電子領域１０に分割されているので、図６に示されているよう第１電子領域１０ごとのフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εFの増大が１／ｎ程度に抑制される。このため、第１電子領域１０のそれぞれの飽和帯電量が△Ｑsat＝（ε１−Ｕ1−ｅＶSD／ｎ）Ｃ／ｅとなり、ｅＶSD／ｎ≪ε１−Ｕ1＜ｈνの条件から、０．２２×ｎｈν／ｅ程度のソース−ドレイン電圧ＶSD、すなわち、分割前の単一の第１電子領域と比較して、ｎ倍程度の電圧を伝導チャネル１２０に印加可能となり、信号電流および感度もそれに比例して増大する。
図８には、単一領域がｎ個（ｎ＝４）の第１電子領域１０に分割されている本発明の一実施例としての赤外光検出器１００（図１参照）と、当該単一領域が単一の第１電子領域として採用されている従来型の赤外光検出器とのそれぞれの赤外光検知感度に関する実験結果が示されている。
図８（ａ）には赤外光検出器１００（実施例）におけるソース−ドレイン電流Ｉsdのソース−ドレイン電圧Ｖsdに対する依存性の測定結果が示されている。図８（ｂ）には赤外光検出器（比較例）におけるソース−ドレイン電流Ｉsdのソース−ドレイン電圧Ｖsdに対する依存性の測定結果が示されている。図８（ａ）および（ｂ）に示されている複数の曲線のそれぞれは、下から順に、リセット（図５（ｃ）参照）からの経過時間が０．２５［ｍｓ］〜１０［ｍｓ］まで０．２５［ｍｓ］刻みで異なる複数の時点のそれぞれにおける測定結果を表わしている。
図８（ｂ）から明らかなように、赤外光検出器（比較例）によれば、すべての条件下で電流信号ＩsdがＶsd＝２０［ｍＶ］程度で飽和する。したがって、２０［ｍＶ］程度までしかソース−ドレイン電圧Ｖsdを印加することができない。なお、Ｖsd＝５０［ｍＶ］以上の領域における電流信号Ｉsdの増大は光応答信号とは異なる機構が原因である。単一の第１電子領域１０のサイズが大きくされても同様の測定結果が得られる。
一方、図８（ａ）から明らかなように、赤外光検出器１００（実施例）によれば、すべての条件下で電流信号ＩsdがＶsd＝８０［ｍＶ］程度にまで線形に増大している。したがって、８０［ｍＶ］程度のソース−ドレイン電圧Ｖsdを印加することができる。すなわち、赤外光検出器１００（実施例）によれば、従来の赤外光検出器（比較例）と比較して赤外光検知感度がｎ倍（ｎ＝４）程度高くなっている。
図９には、窓の形状等が異なる複数種類の光結合機構１１０のそれぞれが採用された場合における赤外光検出の量子効率ηの測定結果が示されている。横軸が第１電子領域１０への光子入射レートΦ［ｓ-1］を表わし、縦軸が伝導チャネル１２０への電子流出レートΞ［ｓ-1］を表わす平面に測定結果がプロットされている。量子効率ηは第１電子領域１０への光子入射レートΦ［ｓ-1］に対する、伝導チャネル１２０への電子流出レートΞ［ｓ-1］の比Ξ／Φとして定義される。すなわち、測定結果を表わすプロットの近似曲線の傾きが量子効率ηを表わしている。
（実施例１）
図９（ａ）は、図３（ａ）（ｂ）に示されている光結合機構１１０が形成されている場合の実験結果を表わしている。この場合、量子効率ηは７．８％であった。
（比較例１）
図９（ｂ）は、長さｌ＝２．８［μｍ］、かつ、幅ｗ＝０．５［μｍ］の相互に中央部分で直交する線分により構成される十字形状の窓が、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに周期ｐ＝２．８［μｍ］で相互に連続して配列されている金属薄膜により光結合機構１１０が形成されている場合の実験結果を表わしている。この場合、量子効率ηは１．６％であった。
（比較例２）
図９（ｃ）は、各辺の長さｗ＝３．３［μｍ］の正方形状の窓が、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに周期ｐ＝４．０［μｍ］で相互に離れて配列されている金属薄膜により光結合機構１１０が形成されている場合の実験結果を表わしている。この場合、量子効率ηは１．５％であった。
（比較例３）
図９（ｄ）は、各辺の長さｗ＝１．９［μｍ］の正方形状の窓が、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに周期ｐ＝４．０［μｍ］で相互に離れて配列されている金属薄膜により光結合機構１１０が形成されている場合の実験結果を表わしている。この場合、量子効率ηは２．５％であった。
以上の実験結果から、実施例１としての光結合機構１１０が、比較例１〜３と比較して量子効率を著しく向上させうることがわかる。
なお、第１電子領域１０のそれぞれの外部電子系として、前記実施形態では伝導チャネル１２０における第２電子領域２０のそれぞれが採用されたが、他の実施形態として前記所定条件が満たされるようなあらゆる外部電子系が採用されてもよい。たとえば、第１電子領域１０のそれぞれについて、伝導チャネル１２０において第２電子領域２０のそれぞれよりも高電位の領域、または、第１オーミックコンタクト１２２が外部電子系として採用されてもよい。また、第１電子領域１０のそれぞれについて、伝導チャネル１２０において第２電子領域２０のそれぞれよりも低電位の領域が外部電子系として採用されてもよい。
前記実施形態では第１電子領域１０のそれぞれについてフェルミ準位が相違する外部電子系が採用されたが、他の実施形態として２以上の第１電子領域１０についてフェルミ準位が共通する外部電子系が採用されてもよい。たとえば、第１電子領域１０のそれぞれの外部電子系として、伝導チャネル１２０においてもっとも高電位側にある一の第２電子領域２０が採用されてもよい。
１００‥赤外光検出器、１０‥第１電子領域、２０‥第２電子領域（伝導チャネル）、１０２‥第１電子層、１０４‥第２電子層、１１０‥光結合機構、１１２‥第２ゲート電極、１１１‥第１ゲート電極（状態制御機構）、１１６‥電圧制御装置（同）、１２２‥第１オーミックコンタクト（ドレイン電極）、１２４‥第２オーミックコンタクト（ソース電極）、１２６‥第３オーミックコンタクト

Claims (3)

  1. ２次元電子層である第１電子層において電気的に孤立した状態が維持されうる第１電子領域と、
    入射赤外光に応じて前記第１電子領域に垂直な振動電場成分を生成することにより電子を励起し、前記第１電子領域に形成されている量子井戸のサブバンドの間で遷移させる光結合機構と、
    前記第１電子層に対して中間絶縁層を介して平行に配置されている２次元電子層である第２電子層において、前記光結合機構により励起された電子が前記第１電子領域から流出した結果として電気伝導度が変化する伝導チャネルと、
    前記第１電子領域が外部電子系から電気的に遮断されている遮断状態と、前記外部電子系と電気的に接続されている接続状態とを切り替える状態制御機構とを備え、
    前記伝導チャネルの指定方向についての電気伝導度の変化を検出することにより前記入射赤外光を検出する赤外光検出器であって、
    単一の前記第１電子領域が、相互に電気的に独立しているとともに、前記伝導チャネルに対向して前記指定方向に並んでいる複数の前記第１電子領域に分割され、
    前記複数の第１電子領域のそれぞれについて所定条件が満たされるように前記外部電子系が構成され、
    前記所定条件は、前記接続状態における前記第１電子領域のそれぞれの前記励起サブバンドの電子エネルギーレベルが、前記伝導チャネルにおいて前記第１電子領域のそれぞれに対向する第２電子領域のそれぞれにおけるフェルミ準位に対して、前記遮断状態における前記第１電子領域のそれぞれの励起サブバンドに遷移した電子が、前記第２電子領域のそれぞれに流出しうる程度に高くなるという条件であることを特徴とする赤外光検出器。
  2. 請求項１記載の赤外光検出器において、
    前記第２電子領域のそれぞれが、前記第１電子領域のそれぞれの前記外部電子系として構成されていることを特徴とする赤外光検出器。
  3. 請求項１記載の赤外光検出器において、
    前記中間絶縁層とともに前記一の２次元電子層を挟む上部絶縁層の上面において前記単一の第１電子領域を横断するように複数のゲート電極が形成され、
    それぞれの前記ゲート電極にバイアス電圧が印加されて前記一の２次元電子層に電位障壁が形成されることにより、前記単一の第１電子領域が前記複数の第１電子領域に分割されることを特徴とする赤外光検出器。
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