JP6342674B2 - 赤外光検出器、赤外顕微鏡、および、赤外分光器 - Google Patents

Description

本発明は赤外光計測技術に係り、特に、赤外領域の複数の波長の光を高感度で検知することを可能とする赤外光検出器、並びに、それを用いた赤外顕微鏡および赤外分光器に関する。

生体活動や分子運動などの観察等において非常に重要となるスペクトル領域を多く含む中赤外〜遠赤外波長帯(５μｍ〜１００μｍ)は、可視領域や近赤外領域と比べて光子エネルギーが極端に小さく、また、膨大な背景輻射に晒される領域でもあるため、微弱光を検出することが非常に困難である。

従来から赤外検出器として使われているものとしては、光伝導型または光起電力型のＭＣＴ(Mercury Cadmium Telluride)や量子井戸型のＱＷＩＰ(Quantum Well Infrared Photodetector)などがある。しかし、それらの検出器では、１光子（単一光子）により励起される電子が最大で１つであるために増幅効果がなく、その結果、検出感度には限界がある。

このような問題に鑑み、本発明者らは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ二重量子井戸構造による超高感度のテラヘルツ（ＴＨｚ）検出器(ＣＳＩＰ：Charge-Sensitive Infrared Phototransistor)の研究開発を行ってきている。

本願発明者により次に説明する現象を利用した赤外光検出器が提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。すなわち、赤外光がマイクロストリップ・アンテナ等によって量子ドット等、周囲から電気的に孤立した２次元電子層に集中される。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ソース電極等に脱出する。これにより孤立２次元電子層が正に帯電する。そして、孤立２次元電子層から脱出する電子数が徐々に増加することにより孤立２次元電子層の帯電量も徐々に増加し、さらには電荷敏感トランジスタの電気伝導度も増加する。

当該現象を利用した赤外光検出器によれば、単一の赤外光子がアンテナに入射されたことが電荷敏感トランジスタの電流変化に基づいて検知されうるので、赤外光が高感度で検出されうる。

つまり、本発明者らの開発によるＣＳＩＰは、ゲート電圧によって電気的に孤立した量子井戸(Isolated QW)である上部量子井戸(U-QW)と、伝導層としての下部量子井戸(L-QW)を備えている。

ゲート電圧によって電気的に孤立した上部量子井戸(U-QW)に光子が入射すると、サブバンド間遷移によって電子が励起される。この励起された電子は、上部量子井戸(U-QW)から下部量子井戸(L-QW)へと傾斜するエネルギーバンドに従って下部量子井戸(L-QW)へと移動する。

このとき、上部量子井戸(U-QW)は電子を失った状態にあるため、正に帯電する。換言すれば、上部量子井戸(U-QW)は正孔が蓄積された状態となる。下部量子井戸(L-QW)はその帯電状態を感じ取り、ゲート電圧によって電気的に孤立した上部量子井戸(U-QW)が正に帯電している間は、下部量子井戸(L-QW)へと電流が流れ続けることとなる。

上部量子井戸(U-QW)の正孔のライフタイムは１時間を超えるため、その間は下部量子井戸(L-QW)へと電流が流れ続けることとなり、ＣＳＩＰに入射した光子１個により、上部量子井戸(U-QW)から下部量子井戸(L-QW)へと流れる電子は１億個を超え、莫大な増幅率が得られる。

なお、光子が入射し続けると、通常、数１０ｍｓで上部量子井戸(U-QW)の正孔が飽和してしまうが、リセットゲートに周期的に正のパルス（０．１Ｈｚ〜１０ＫＨｚ）を加えて孤立量子井戸(Isolated QW)を中和させることとすれば、半永久的な検知が可能である。

このようなＣＳＩＰの検出感度を、雑音等価パワー(ＮＥＰ： Noise Equivalent Power)で評価すると、検出波長１４．５μｍ、動作温度４．２Ｋにおいて、７×１０^-20Ｗ／Ｈｚ^1/2であり、ＭＣＴやＱＷＩＰと比較して、２〜４桁も高い感度を示す。このような高感度性のため、本発明者らの実験によれば、ＣＳＩＰにより単一光子検出が可能であることが確認されている。

なお、ＣＳＩＰの構造の詳細については、本発明者らによる既に出願済みの特許明細書（特許文献２〜５）も参照されたい。

国際公開公報WO2006/006469A1 特許第4281094号明細書 特許第5123889号明細書 特許第5240748号明細書 国際公開公報WO2010/137423A1

このように、極めて高い感度を有する検出器であるＣＳＩＰであるが、従来の構成のものは、「単一波長のみ」の検出に留まっているという問題がある。上述したように、ＣＳＩＰは、半導体量子井戸中の２次元サブバンド間遷移を利用している。このため、検出波長は量子井戸幅に強く依存し、帯域幅も１０％程度と狭い。例えば、検出波長が１５μｍのＣＳＩＰであれば、その帯域幅は１．５μｍ程度である。

仮に多色型のＣＳＩＰ検出器が実現すれば、その高感度性と相俟って、バイオ、医療、化学、製薬などの様々な分野での強力な研究開発ツールとなることが期待される。加えて、ＣＳＩＰ検出器は波長３０μｍ以上の領域もカバーするため、宇宙分野において、例えば、天体観測衛星の宇宙線検出器としての利用も期待できる。

さらに、斯かる多色型のＣＳＩＰ検出器を近接場顕微鏡等に応用すれば、超高感度・超高分解能パッシブ型のＴＨｚ近接場顕微鏡も実現されることとなり、当該ＴＨｚ近接場顕微鏡は試料表面の電磁場や熱揺らぎをナノスケールで観察できる性質上、物性物理分野のみならず、バイオ、医療、化学、工学など様々な分野での応用が期待できる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、１つの検出器で複数の波長の光を高感度で検知可能なＣＳＩＰを実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る赤外光検出器は、２次元電子層としての第１電子層と、入射赤外光に応じて前記第１電子層に垂直な振動電場成分を生成することにより、前記第１電子層における電気的な孤立領域の電子を励起し、前記孤立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、前記光結合機構により励起された電子が前記孤立領域から流出した結果として前記孤立領域の帯電量が変化することによって電気伝導度が変化する、前記第１電子層の下方に中間絶縁層を介して配置された第２電子層と、前記孤立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、前記第１電子層には、少なくとも、前記入射赤外光の入射面側に設けられた第１の量子井戸と、前記第２電子層側に設けられた第２の量子井戸の２つの量子井戸が設けられており、前記第１の量子井戸の基底サブバンドと励起サブバンドのエネルギー準位の差Δε¹と、前記第２の量子井戸の基底サブバンドと励起サブバンドのエネルギー準位の差Δε²は、Δε¹＞Δε²となるように設計されており、前記第２電子層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ことを特徴とする。

好ましくは、前記第１の量子井戸と前記第２の量子井戸の間に設けられるポテンシャル障壁層の幅Ｗ_Bは、ｍ^*を電子の有効質量、Ｕ_Bを該ポテンシャル障壁層のポテンシャル・エネルギー、ε₀を前記第１の量子井戸の基底サブバンド、ｈをプランク定数としたときに、λ_p＝(ｈ／２π)／［２ｍ^*（Ｕ_B−ε₀）］^1/2で表される電子の侵入長λ_pの４乃至６倍（Ｗ_B＝ｋ・λ_p、ｋ＝４〜６）に設計される。

本発明に係る赤外光検出器は、前記状態制御機構が、前記第１電子層の上方において前記孤立領域と、前記第１電子層における前記外部電子系との接続領域とを区分するように形成された第１のゲート電極と、前記第１のゲート電極に印加されるバイアス電圧を制御することにより、前記第１電子層において前記孤立領域と前記接続領域との間に形成される電位障壁の高低を調節する第１の電圧制御装置とを備えている、態様としてもよい。

また、本発明に係る赤外光検出器は、前記状態制御機構が、前記中間絶縁層とともに前記第１電子層を挟む上部絶縁層の上面において、前記電気的な孤立領域を横断するように設けられた複数の第２のゲート電極と、前記第２のゲート電極に印加されるバイアス電圧を制御する第２の電圧制御装置を備え、それぞれの前記第２のゲート電極にバイアス電圧が印加されて前記第１電子層に電位障壁が形成されることにより、前記電気的な孤立領域が相互に電気的に独立している複数の孤立領域に分割される、態様としてもよい。

好ましくは、前記状態制御機構が、前記第２電子層または前記第２電子層に接続されているオーミックコンタクトを前記外部電子系として、前記遮断状態と前記接続状態とを赤外光検出時に切り替える態様とする。

また、好ましくは、前記状態制御機構が、前記遮断状態における前記第２電子層の電気伝導度の変化態様に基づいて前記遮断状態を前記接続状態に切り替える態様とする。

さらに、本発明に係る赤外光検出器は、前記状態制御機構が、前記孤立領域の真上に設けられた第３のゲート電極であって、前記孤立領域が上方に投影された形状の第３のゲート電極と、前記第３のゲート電極に印加されるバイアス電圧を制御することにより、前記第１電子層に設けられた前記第１の量子井戸を孤立化させる第３の電圧制御装置とを備えている、態様としてもよい。

好ましくは、前記第３のゲート電極は、１０ｎｍ以下の厚みのＮｉＣｒ膜からなる。

本発明に係る赤外顕微鏡および赤外分光器は何れも、上述の赤外光検出器を備えている。

本発明に係る赤外光検出器は、サブバンド間遷移を起こす上部量子井戸を複数層設けることとし、入射赤外光の入射面側に設けられた量子井戸の基底サブバンドと励起サブバンドのエネルギー準位の差Δεが、その下方に設けられた量子井戸のΔεよりも大きくなるように配置することとした。

これにより、上記それぞれの量子井戸のΔεに相当するエネルギー（波長）の光を、単一の検出器で、高感度で検知することが可能となる。

また、前記状態制御機構が、前記第１のゲート電極と前記第１の電圧制御装置とを備えている態様とすれば、外部電子系から孤立領域に電子が流出し当該電子が孤立領域にたまっていた正電荷と結合することにより孤立領域の帯電量が速やかに０にリセットされて信号の飽和を解消することができることに加え、特定の量子井戸のみをリセットすることにより、複数の波長の光のうちの特定波長の光に起因する信号を区別することができる。

さらに、前記状態制御機構が、前記第２のゲート電極と、前記第２の電圧制御装置とを備えている態様とすることによっても、特定の量子井戸のみを孤立化させることにより、複数の波長の光のうちの特定波長の光に起因する信号を区別することができる。

本発明に係る赤外光検出器の主要部の構成の一例を説明するための図である。 図２（ａ）は図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図であり、図２（ｂ）は図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図である。 図３（ａ）は遮断状態の初期における基板の深さ方向（−ｚ方向）のエネルギーダイヤグラムである。図３（ｂ）は第１電子領域の帯電量増加が停止して飽和した状態の基板の深さ方向（−ｚ方向）のエネルギーダイヤグラムである。 本発明の赤外光検出器の光結合機構の構成説明図である。 本件発明の赤外光検出器が備える第１電子層（多重量子井戸層）のエネルギーダイヤグラムの一例を示す図である。 第１電子層の第１の量子井戸を孤立化させるための第３のゲート電極を設ける態様の赤外光検出器の主要部の構成の一例を説明するための図である。 第３のゲート電極に負のバイアス電圧を印加した際に、第１の量子井戸（ＱＷ１）のみが空乏化して「孤立化」した結果、波長９μｍの光に起因する信号が消え、波長１５μｍの光に起因する信号のみが検出される様子を示した図である。 ９μｍの波長の光を検出するためのＱＷ１と１５μｍの波長の光を検出するためのＱＷ２を備えた、実施例に示した赤外光検出器の主要部の層構造を説明するための図である。 図８に示した層構造のバンドダイヤグラムである。 第１の量子井戸ＱＷ１により９μｍの波長の光が、第２の量子井戸ＱＷ２により１５μｍの波長の光が検出されていることを示す図である。

以下に、図面を参照して、本発明に係る赤外光検出器について具体的に説明する。

［赤外光検出器の主要部の構成例］
図１は、本発明に係る赤外光検出器の主要部の構成の一例を説明するための図である。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。

後述するように、本発明に係る赤外光検出器は、２次元電子層としての第１電子層と、入射赤外光に応じて前記第１電子層に垂直な振動電場成分を生成することにより、前記第１電子層における電気的な孤立領域の電子を励起し、前記孤立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、前記光結合機構により励起された電子が前記孤立領域から流出した結果として前記孤立領域の帯電量が変化することによって電気伝導度が変化する、前記第１電子層の下方に中間絶縁層を介して配置された第２電子層と、前記孤立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、前記第１電子層には、少なくとも、前記入射赤外光の入射面側に設けられた第１の量子井戸と、前記第２電子層側に設けられた第２の量子井戸の２つの量子井戸が設けられており、前記第１の量子井戸の基底サブバンドと励起サブバンドのエネルギー準位の差Δε¹と、前記第２の量子井戸の基底サブバンドと励起サブバンドのエネルギー準位の差Δε²は、Δε¹＞Δε²となるように設計されており、前記第２電子層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。

図２（ａ）は図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図であり、図２（ｂ）は図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図である。赤外光検出器１００は、たとえば特許文献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−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層）１０１、２次元電子層としての第１電子層（ＧａＡｓ層）１０２、中間層（Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ層）１０３、第１電子層１０２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（Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層＋Ｓｉ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層＋Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ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。

図３（ａ）は遮断状態の初期における基板の深さ方向（−ｚ方向）のエネルギーダイヤグラムである。

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３（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２ゲート電極１１２は中間絶縁層１０３とともに第１電子層１０２を挟む上部絶縁層１０１の上面において、第１電子層１０２に形成される電気的な孤立領域を横断するように設けられており、第２電圧制御装置１１４により第２ゲート電極１１２に印加されるバイアス電圧が制御される。このバイアス電圧制御により、第１電子層１０２に電位障壁が形成され、電気的な孤立領域が相互に電気的に独立している複数の孤立領域に分割される。

つまり、図１に示した構成の赤外光検出器は、前記状態制御機構が、前記中間絶縁層とともに前記第１電子層を挟む上部絶縁層の上面において、前記電気的な孤立領域を横断するように設けられた複数の第２のゲート電極と、前記第２のゲート電極に印加されるバイアス電圧を制御する第２の電圧制御装置を備え、それぞれの前記第２のゲート電極にバイアス電圧が印加されて前記第１電子層に電位障壁が形成されることにより、前記電気的な孤立領域が相互に電気的に独立している複数の孤立領域に分割される。

その結果、第１電子層１０２には、電気的に遮断されている複数の孤立２次元電子領域（第１電子領域）がｘ方向に配列して形成される。複数の第１電子領域のそれぞれにおいて、遮断状態の初期段階では図３（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、ｚ方向について複数の第１電子領域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は、図３（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、伝導チャネル１２０において第１電子領域に対向する第２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）は、対応する第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）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）に配列されている複数の孤立２次元電子領域（第１電子領域）のそれぞれが、伝導チャネル１２０において第１電子領域に対向する第２電子領域に第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４（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４（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。

光結合機構１１０は第１電子領域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。

［上記構成の赤外光検出器の機能］
続いて、上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に負のバイアス電圧Ｖ_1G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のそれぞれに負のバイアス電圧Ｖ_2G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電子領域に分割される。

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３（ａ）参照）。そして、遮断状態における第１電子領域のそれぞれと、伝導チャネル１２０における第２電子領域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電子領域のそれぞれに正電荷が蓄えられる。

第１電子領域の正の帯電量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電子領域の帯電量増加が停止して飽和する（図３（ｂ）参照）。

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へ印加する負のバイアス電圧の絶対値が下げられる。例えば、第１ゲート電極１１１に「正」のパルスを入れて、一時的に第１ゲート電極１１１に印加するバイアス電圧を−０．６Ｖから−０．２Ｖとすることにより、第１電子領域と第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る。

その後、第１電子領域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。

つまり、上記態様においては、前記状態制御機構が、前記第２電子層または前記第２電子層に接続されているオーミックコンタクトを前記外部電子系として、前記遮断状態と前記接続状態とを赤外光検出時に切り替える。

斯かる構成とすることにより、遮断状態において第１電子層の孤立領域から第２電子層または第２電子層に接続されたオーミックコンタクトに電子を流出させることによって、前記のように孤立領域の帯電量および第２電子層の電気伝導度を変化させることができる。一方、接続状態において第２電子層または当前記オーミックコンタクトから第１電子層の孤立領域に電子を流入させることによって、前記のように孤立領域の帯電量を０にリセットすることができる。

また、上記態様においては、前記状態制御機構が、前記遮断状態における前記第２電子層の電気伝導度の変化態様に基づいて前記遮断状態を前記接続状態に切り替える。

斯かる構成とすることにより、遮断状態において第２電子層の電気伝導度の変化率が飽和する前に、遮断状態が接続状態に切り替えられるので、当前記飽和の影響を除去することによる赤外光の検出精度の向上が図られる。

［第１電子層（多重量子井戸層）］
次に、本件発明に係る赤外光検出器（ＣＳＩＰ）が備える第１電子層（多重量子井戸層）について説明する。

先ず、本件発明に係る赤外光検出器（ＣＳＩＰ）が備える第１電子層（多重量子井戸層）を設計するに際しての、基本的な考え方について説明する。

本発明では、単一の検知器でｎ色（ｎは２以上の整数）の光（波長：λ₁、λ₂、・・・λ_n）を検知するために、基底サブバンド（ε₀）と第１励起サブバンドのエネルギー準位（ε₁）の差Δεが異なる上部量子井戸(U-QW)をｎ層重ねる。つまり、第１電子層を多重量子井戸層とする。

上記波長がλ₁＜λ₂＜・・・＜λ_nで、各波長の光のエネルギーがｈν₁＞ｈν₂＞・・・＞ｈν_nだとすると、各波長のエネルギーに対応付けられるｎ個の量子井戸（Δε₁＞Δε₂＞・・・＞Δε_n）を、Δεが大きい順に、入射赤外光の入射面側から第２電子層（下部量子井戸）側へと重ねる。ここで、ｉ番目の量子井戸のΔε_iは、Δε_i＝ｈν_iの関係を満足するように設計される。

その様子を図５に概念的に示した。図中、Ｗⁱはｉ番目の量子井戸の幅であり、Ｗ_B ⁱはｉ番目の量子井戸と（ｉ＋１）番目の量子井戸との間隔（ポテンシャル障壁の幅）である。なお、上記ｉ番目の量子井戸の幅Ｗⁱは、公知の計算手法に基づき、ｈν_iの値から求めることができる。また、各量子井戸の基底サブバンド（ε₀）については、近似的に、何れの量子井戸のε₀も等しい（ε₀ ¹＝ε₀ ²＝・・・＝ε₀ ⁿ）としてバンド設計してよい。

上記ポテンシャル障壁の幅Ｗ_B ⁱは、ｉ番目の量子井戸の基底状態（ε₀ ⁱ）にある電子が、隣接する（ｉ＋１）番目の量子井戸の基底状態（ε₀ ⁱ⁺¹）にトンネル効果により移動することがないように、ｍ^*を電子の有効質量、Ｕ_B ⁱをｉ番目の量子井戸と（ｉ＋１）番目の量子井戸に挟まれたポテンシャル障壁層のポテンシャル・エネルギー、ｈをプランク定数としたときに、下式で表されるポテンシャル障壁への電子の侵入長（λ_p ⁱ）よりも充分に大きな値とすることが好ましい。例えば、侵入長λ_p ⁱの４乃至６倍程度の値とする（Ｗ_B ⁱ＝ｋ・λ_p ⁱ、ｋ＝４〜６）。

λ_p＝(ｈ／２π)／［２ｍ^*（Ｕ_B−ε₀）］^1/2

量子井戸の母体となる結晶としては、Ｇａ_1-xＡｌ_xＡｓやＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ_yＰ_1-yを例示することができる。Ｇａ_1-xＡｌ_xＡｓではＡｌの組成比ｘを適切に設定することにより所望のバンド構造を実現でき、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓ_yＰ_1-yではＩｎとＡｓの組成比ｘおよびｙを適切に設定することにより所望のバンド構造を実現できる。

次に、上記第１電子層（多重量子井戸層）により、複数の波長を選択する（波長を区別する）手法について説明する。

複数の波長の選択（区別）の手法として、以下のような３つの方法を例示することができる。

最も簡単な手法は、検出器の前にフィルタ等を設け、予め分波された光をＣＳＩＰに入射させる方法である。例えば、第１電子層に２つの量子井戸を設け、光入射面側に波長９μｍの光のエネルギーに対応する第１の量子井戸を設け、その下方に波長１５μｍの光のエネルギーに対応する第２の量子井戸を設けたＣＳＩＰを考えると、予め波長９μｍの光のみをＣＳＩＰに入射させれば上記第１の量子井戸において励起された電子のみが検出信号に寄与し、その結果、波長９μｍの光のみが検出される。同様に、予め波長１５μｍの光のみをＣＳＩＰに入射させれば上記第２の量子井戸において励起された電子のみが検出信号に寄与し、その結果、波長１５μｍの光のみが検出されることとなる。つまり、波長９μｍの光と波長１５μｍの光を選択（区別）して検出することができる。

しかし、赤外光検出器としての実用性の観点からは、予め分波された光を入射させることなく、ＣＳＩＰ自身で複数の波長の光を高感度で検知可能であることが望ましい。

そのための手法のひとつとして、上述した第１のゲート電極（リセットゲート）に印加するバイアス電圧の掛け方を工夫する方法が考えられる。リセットゲートは、波長９μｍの光のエネルギーに対応する第１の量子井戸（ＱＷ１）と波長１５μｍの光のエネルギーに対応する第２の量子井戸（ＱＷ２）の両方を電気的に孤立させることが可能である。

そこで、ＱＷ１とＱＷ２の両方を開放する相対的に「強いリセット」を行う第１のリセット条件と、ＱＷ２のみを開放する相対的に「弱いリセット」を行う第２のリセット条件の２つの条件下で検出を行うこととし、両条件を例えば１００ｍｓ毎に切り替えることとすると、第１のリセット条件下では波長９μｍの光と波長１５μｍの光の両方に起因する信号が検出され、第２のリセット条件下では波長１５μｍの光に起因する信号のみが検出される。

そこで、第１のリセット条件下で検出された信号から、第２のリセット条件下で検出された信号を減算すれば、波長９μｍの光に起因するはずの信号を得ることが可能である。

つまり、第１のゲート電極（リセットゲート）に印加するバイアス電圧の制御により、予め分波された光を入射させることなく、ＣＳＩＰ自身で複数の波長の光を高感度で検知可能となる。

もうひとつの手法として、上述のＱＷ１を孤立化させるためのゲート電極を新たに設ける方法を例示することができる。

図６は、そのようなゲート電極を設けた態様の赤外光検出器の主要部の構成の一例を説明するための図である。図中に符号１３０で示したものが上記ゲート電極（第３のゲート電極）である。なお、この第３のゲート電極には、第３の電圧制御装置（不図示）から、第１電子層に設けられた第１の量子井戸の孤立化が可能な、制御されたバイアス電圧が印加される。

この態様では、前記状態制御機構が、前記孤立領域の真上に設けられた第３のゲート電極であって、前記孤立領域が上方に投影された形状の第３のゲート電極と、前記第３のゲート電極に印加されるバイアス電圧を制御することにより、前記第１電子層に設けられた前記第１の量子井戸を孤立化させる第３の電圧制御装置とを備えている。

第３のゲート電極は、例えば、ＮｉＣｒを６ｎｍ程度の厚みで蒸着した薄い層であって、検出領域の真上に設けられている。ＮｉＣｒ膜は、ＴＨｚ波の透過率は高くないが、１０ｎｍ以下程度の厚みであれば実質的にＴＨｚ波に対して「透明」として取り扱うこととして差し支えない。一方、このような厚みのＮｉＣｒ膜であっても、電圧を印加するには十分である。

このような第３のゲート電極に所定の負のバイアス電圧を印加すると、上側に設けられた第１の量子井戸（ＱＷ１）のみを空乏化させて「孤立化」させることができるため、この状態で検知される信号は、波長１５μｍの光に起因する信号である。

そこで、第３のゲート電極にバイアス電圧を印加しない条件下で検出された信号、すなわち、波長９μｍの光と波長１５μｍの光の両方に起因する信号から、上述の負のバイアス電圧印加条件下で検出された信号、すなわち、波長１５μｍの光に起因する信号を減算すれば、波長９μｍの光に起因するはずの信号を得ることが可能である。

図７は、このような第３のゲート電極に負のバイアス電圧を印加した際に、第１の量子井戸（ＱＷ１）のみが空乏化して「孤立化」した結果、波長９μｍの光に起因する信号が消え、波長１５μｍの光に起因する信号のみが検出される様子を示した図である。

図７（ａ）に示したように、第３のゲート電極に印加するバイアス電圧を０Ｖから−０．６Ｖまで変化させると、印加した負電圧値が高くなるにつれて波長９μｍの光に起因する信号と波長１５μｍの光に起因する信号は何れも、減少する。これは、上側に設けられた第１の量子井戸（ＱＷ１）のみならず、その下方に設けられている第２の量子井戸（ＱＷ２）もまた、負のポテンシャルの影響を受けるためである。

しかし、上記の負のポテンシャルの影響は、第２の量子井戸（ＱＷ２）よりも第１の量子井戸（ＱＷ１）において大きい。このことは、図７（ｂ）に示したように、波長９μｍの光に起因する信号および波長１５μｍの光に起因する信号のそれぞれの減少率の、印加バイアス電圧依存性から確認できる。

そのため、所定の負のバイアス電圧（この例では−０．６Ｖ）を印加すると、上側に設けられた第１の量子井戸（ＱＷ１）のみが空乏化して「孤立化」するが、第２の量子井戸（ＱＷ２）においては斯かる空乏化には至らず「孤立化」することがなく、波長１５μｍの光に起因する信号のみが検出されることとなる。

本発明に係る赤外顕微鏡や赤外分光器では、上述したＣＳＩＰを、赤外顕微鏡や赤外分光器の検知部として用いる。その結果、本発明に係るＣＳＩＰ検出器の高感度性のゆえに、バイオ、医療、化学、製薬などの様々な分野での強力な研究開発ツールとなることが期待される。特に、このＣＳＩＰ検出器を近接場顕微鏡等に応用すれば、超高感度・超高分解能パッシブ型のＴＨｚ近接場顕微鏡が実現され、当該ＴＨｚ近接場顕微鏡は試料表面の電磁場や熱揺らぎをナノスケールで観察できる性質上、物性物理分野のみならず、バイオ、医療、化学、工学など様々な分野での応用が期待できる。

図８は、本実施例の赤外光検出器の主要部の層構造を説明するための図で、図９はそのバンドダイヤグラムである。この構造では、第１電子層には第１の量子井戸と第２の量子井戸が形成されている。第１の量子井戸は９μｍの波長の光を検出するためのＱＷ１であり、Ｓｉを５．０×１０¹⁷ｃｍ^-3ドープしたＧａＡｓからなり、その幅は７ｎｍとされ、基底サブバンドと励起サブバンドのエネルギー準位の差Δε¹は１２９．８ｍｅＶに設計されている。また、第２の量子井戸は１５μｍの波長の光を検出するためのＱＷ２であり、Ｓｉを３．２×１０¹⁷ｃｍ^-3ドープしたＧａＡｓからなり、その幅は９ｎｍとされ、基底サブバンドと励起サブバンドのエネルギー準位の差Δε²は７６．０ｍｅＶに設計されている。

図１０は、このような２つの量子井戸を設けたＣＳＩＰを用いて赤外光検出した際の、リセット電圧の印加（図１０（ａ））および検出信号のスペクトル（図１０（ｂ））であり、第１の量子井戸ＱＷ１により９μｍの波長の光が、第２の量子井戸ＱＷ２により１５μｍの波長の光が検出されていることが確認できる。

なお、以上の説明においては、上部量子井戸層（第１電子層）に、基底サブバンドと励起サブバンドのエネルギー準位の差Δεが異なる２つの量子井戸を設けた態様とし、２つの波長を区別して検出する例を示したが、第１電子層に形成される量子井戸の数は２に限られるものではなく、Δεが異なる３つ以上のｎ個の量子井戸を設けることとし、ｎ個の波長を区別して検出することが可能であることは言うまでもない。

本発明により、１つの検出器で複数の波長の光を高感度で検知可能なＣＳＩＰが提供される。

１００ 赤外光検出器
１０１ 上部絶縁層
１０２ 第１電子層
１０３ 中間層
１０４ 第２電子層
１０５ 下部絶縁層
１０６ ｎ型ＧａＡｓ基板
１１０ 光結合機構
１１１ 第１ゲート電極
１１２ 第２ゲート電極
１１３ 第１電圧制御装置
１１４ 第２電圧制御装置
１２０ 伝導チャネル
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
１２８ 電流計
１３０ 第３ゲート電極

Claims (8)

1. ２次元電子層としての第１電子層と、
   入射赤外光に応じて前記第１電子層に垂直な振動電場成分を生成することにより、前記第１電子層における電気的な孤立領域の電子を励起し、前記孤立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、
   前記光結合機構により励起された電子が前記孤立領域から流出した結果として前記孤立領域の帯電量が変化することによって電気伝導度が変化する、前記第１電子層の下方に中間絶縁層を介して配置された第２電子層と、
   前記孤立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、
   該状態制御機構が、
   前記孤立領域の真上に設けられた第３のゲート電極であって、前記孤立領域が上方に投影された形状の第３のゲート電極と、
   前記第３のゲート電極に印加されるバイアス電圧を制御することにより、前記第１電子層に設けられた前記第１の量子井戸を孤立化させる第３の電圧制御装置とを備えており、
   前記第１電子層には、少なくとも、前記入射赤外光の入射面側に設けられた第１の量子井戸と、前記第２電子層側に設けられた第２の量子井戸の２つの量子井戸が設けられており、
   前記第１の量子井戸の基底サブバンドと励起サブバンドのエネルギー準位の差Δε¹と、前記第２の量子井戸の基底サブバンドと励起サブバンドのエネルギー準位の差Δε²は、Δε¹＞Δε²となるように設計されており、
   前記状態制御機構が、前記第２電子層または前記第２電子層に接続されているオーミックコンタクトを前記外部電子系として、前記遮断状態と前記接続状態とを赤外光検出時に切り替え、
   前記第２電子層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ことを特徴とする、赤外光検出器。
2. 前記第１の量子井戸と前記第２の量子井戸の間に設けられるポテンシャル障壁層の幅Ｗ_Bは、ｍ^*を電子の有効質量、Ｕ_Bを該ポテンシャル障壁層のポテンシャル・エネルギー、ε₀を前記第１の量子井戸の基底サブバンド、ｈをプランク定数としたときに、λ_p＝(ｈ／２π)／［２ｍ^*（Ｕ_B−ε₀）］^1/2で表される電子の侵入長λ_pの４乃至６倍（Ｗ_B＝ｋ・λ_p、ｋ＝４〜６）に設計されている、請求項１に記載の赤外光検出器。
3. 前記状態制御機構が、
   前記第１電子層の上方において前記孤立領域と、前記第１電子層における前記外部電子系との接続領域とを区分するように形成された第１のゲート電極と、
   前記第１のゲート電極に印加されるバイアス電圧を制御することにより、前記第１電子層において前記孤立領域と前記接続領域との間に形成される電位障壁の高低を調節する第１の電圧制御装置とを備えている、請求項１又は２に記載の赤外光検出器。
4. 前記状態制御機構が、
   前記中間絶縁層とともに前記第１電子層を挟む上部絶縁層の上面において、前記電気的な孤立領域を横断するように設けられた複数の第２のゲート電極と、
   前記第２のゲート電極に印加されるバイアス電圧を制御する第２の電圧制御装置を備え、
   それぞれの前記第２のゲート電極にバイアス電圧が印加されて前記第１電子層に電位障壁が形成されることにより、前記電気的な孤立領域が相互に電気的に独立している複数の孤立領域に分割される、請求項１〜３の何れか１項に記載の赤外光検出器。
5. 前記状態制御機構が、前記遮断状態における前記第２電子層の電気伝導度の変化態様に基づいて前記遮断状態を前記接続状態に切り替える、請求項１〜４の何れか１項に記載の赤外光検出器。
6. 前記第３のゲート電極は、１０ｎｍ以下の厚みのＮｉＣｒ膜からなる、請求項１に記載の赤外光検出器。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の赤外光検出器を備えている、赤外顕微鏡。
8. 請求項１〜６の何れか１項に記載の赤外光検出器を備えている、赤外分光器。