JP6721431B2 - 量子カスケード検出器 - Google Patents

Description

本発明は、量子井戸構造でのサブバンド間の光吸収を利用した量子カスケード検出器に関するものである。

中赤外領域（例えば波長４〜１０μｍの領域）には、多数のガス分子の基本振動に対応した吸収線が存在することから、中赤外光は、赤外吸収分光法において応用されている。特に、中赤外光源としてレーザ光源を用いた場合には、その狭帯域な発光線幅を利用して特定のガス種の吸収線のみを観測することで、他のガス種の成分に阻害されることなく、高感度な吸収分光を実現することができる。

中赤外の波長域における光検出器としては、ＭＣＴ（ＨｇＣｄＴｅ）検出器、ＩｎＳｂ検出器、量子井戸赤外光検出器（ＱＷＩＰ：Quantum Well Infrared Photodetector）等が知られており、また、微弱な中赤外光を計測する分光実験には、主に液体窒素冷却型のＭＣＴ検出器またはＩｎＳｂ検出器が用いられている。しかしながら、これらのＭＣＴ検出器、ＩｎＳｂ検出器は、その駆動に外部電圧の印加が必要であり、これが原因となってノイズ（暗電流）が発生する。したがって、これらの検出器では、Ｓ／Ｎ特性、及び分光計測の感度を向上するためには、ノイズの抑制が課題となっている。また、ＭＣＴ検出器は、毒性の物質を含んでいることなどの問題があり、一般的に用いることは難しい。

一方、近年、中赤外領域での光検出器として、カスケード構造を用いた量子カスケード検出器（ＱＣＤ：Quantum Cascade Detector）が提案されている。量子カスケード検出器は、活性層における量子井戸構造の設計で、サブバンド間遷移を制御することによって、外部電圧の印加無しで光電流を取り出すことができる。このため、量子カスケード検出器は、外部電圧に起因するノイズ成分が発生せず、極めて低ノイズな光検出器として期待される。また、一般的な半導体材料で構成することができるため、ＭＣＴ検出器のような毒性の物質の問題も生じない（例えば、非特許文献１〜３参照）。

F. R. Giorgetta et al.,"Quantum Cascade Detectors", IEEE Journal of Quantum ElectronicsVol.45 No.8 (2009) pp.1039-1052 A. Harrer et al.,"Plasmonic lens enhanced mid-infrared quantum cascade detector",Appl. Phys. Lett. Vol.105 (2014) pp.171112-1-171112-4 B. Schwarz et al., "Monolithicallyintegrated mid-infrared lab-on-a-chip using plasmonics and quantum cascadestructures", Nat. Commun. Vol.5 Art.4085 (2014) pp.1-7

上記した量子カスケード検出器は、サブバンド間における光学遷移の選択則によって、検出器に入射する被検出光に対する応答に偏光依存性を有し、このことが光検出における制約になっている。具体的には、量子カスケード検出器は、量子井戸構造を構成する半導体層の積層方向（成長方向）に沿って振動する偏光（ＴＭ偏光）にしか光感度を持たず、受光面積を広くとることができないため、検出器への効率的な光の入射、及び高感度での光検出が困難となっている。

このような問題について、非特許文献１に記載された構成では、基板端面を４５°に研磨して研磨面から光を入射させ、基板内部での多重反射を利用して、活性層において光を検出している。しかしながら、このような構成では、基板に入射した光のうちで検出感度に寄与しない成分が多く存在するため、効率的な光検出の実現は難しい。

また、非特許文献２に記載された構成では、量子カスケード検出器と同一の基板上に形成された金属の周期構造に光を入射させることでプラズモンを励起、伝搬させ、このプラズモンに起因する光を量子カスケード検出器で検出している。しかしながら、このような構成では、量子カスケード検出器及び金属の周期構造等を含む全体の素子構造が複雑となり、その作製が容易ではないなどの問題がある。

また、非特許文献３に記載された構成では、同一基板上に、量子カスケードレーザ及び量子カスケード検出器を対向させて配置している。しかしながら、このような構成では、レーザ及び検出器の両者の機能を実現するため、活性層の構造をレーザ、検出器のどちらにも最適化することができない。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、被検出光を高効率で検出することが可能な量子カスケード検出器を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による量子カスケード検出器は、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むｎ個（ただし、ｎは３以上の整数）の量子井戸層、及びｎ個の量子障壁層からなる単位積層体が多段に積層されることで、第１井戸層を含みサブバンド間吸収によって被検出光を検出する吸収領域と、サブバンド間吸収によって励起された電子を輸送する輸送領域とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層と、（３）活性層及び半導体基板の間に設けられ、活性層よりも低い屈折率を有する下部クラッド層と、（４）下部クラッド層及び半導体基板の間に設けられた下部金属層と、（５）活性層に対して半導体基板とは反対側に設けられ、活性層よりも低い屈折率を有する上部クラッド層と、（６）上部クラッド層に対して活性層とは反対側に設けられた上部金属層とを備え、（７）活性層、下部クラッド層、及び上部クラッド層による導波路構造における導波方向にある第１端面及び第２端面のうちの第１端面が、被検出光の入射面となっており、下部クラッド層及び上部クラッド層のそれぞれにおいて、不純物のドーピング密度が５×１０ ^１６ ｃｍ ^−３ 以上２×１０ ^１７ ｃｍ ^−３ 以下であることを特徴とする。

上記した量子カスケード検出器では、被検出光の検出に用いられる活性層に対し、活性層の下方で基板との間にある下部クラッド層と、活性層の上方の上部クラッド層とを設けるとともに、活性層及び下部、上部クラッド層による導波路構造での一方の第１端面を被検出光の入射面としている。このような構成によれば、第１端面から入射した被検出光を導波路構造で活性層に沿って導波させて、活性層において被検出光を効率的に吸収、検出することができる。

さらに、このような構成において、上記の導波路構造に対し、下部クラッド層の下方で基板との間にある下部金属層と、上部クラッド層の上方の上部金属層とを設けている。このように、活性層及び下部、上部クラッド層による導波路構造を、下部金属層及び上部金属層によって挟み込む構成とすることにより、検出器での受光面積を限定して、比検出能を向上することができる。以上より、上記構成の量子カスケード検出器によれば、被検出光を高効率で好適に検出することが可能となる。

ここで、量子カスケード検出器を構成する各半導体層の層厚については、下部クラッド層及び上部クラッド層のそれぞれは、２μｍ以上１０μｍ以下の層厚を有することが好ましい。また、活性層は、１μｍ以上の層厚を有することが好ましい。これらの構成によれば、活性層及びクラッド層による被検出光に対する導波路構造、及び導波路での光の閉じ込め構造等を好適に実現することができる。

また、下部クラッド層及び上部クラッド層のそれぞれにおいて、不純物のドーピング密度が５×１０^１６ｃｍ^−３以上２×１０^１７ｃｍ^−３以下であることが好ましい。このような構成によれば、クラッド層でのドーピング密度の設定により、検出器での直列抵抗を低減するとともに、クラッド層における光の損失を抑制することができる。

また、活性層において、不純物のドーピング密度が１×１０^１７ｃｍ^−３以上９×１０^１７ｃｍ^−３以下であることが好ましい。このような構成によれば、活性層及びクラッド層による導波路構造、光の閉じ込め構造、及び活性層における光の検出構造等を好適に実現することができる。

また、量子カスケード検出器は、半導体基板を含む基体部と、活性層を含んで基体部上に設けられ、導波路構造における導波方向にストライプ状に延びるメサ部とを有するメサ構造に構成されていることとしても良い。このような構成によれば、活性層及びクラッド層による導波路構造を、メサ部に沿って好適に構成することができる。

また、量子カスケード検出器は、導波路構造における被検出光の入射面である第１端面に、被検出光に対する反射率を低減する反射防止膜が形成されている構成としても良い。このような構成によれば、入射面から検出器の内部への被検出光の入射効率を向上することで、検出器における光の検出効率を向上することができる。

また、量子カスケード検出器は、導波路構造における第２端面に、被検出光に対する反射率を増大する反射膜が形成されており、第２端面が、被検出光の反射面となっている構成としても良い。このような構成によれば、入射面から導波路構造を導波して反射面に到達した被検出光を再び検出器の内部に戻すことで、検出器における光の検出効率を向上することができる。

本発明の量子カスケード検出器によれば、被検出光の検出に用いられる活性層に対し、活性層と基板との間の下部クラッド層と、活性層の上方の上部クラッド層とを設け、活性層及び下部、上部クラッド層による導波路構造での第１端面を被検出光の入射面とするとともに、下部クラッド層と基板との間の下部金属層と、上部クラッド層の上方の上部金属層とを設けることにより、被検出光を高効率で好適に検出することが可能となる。

量子カスケード検出器の一実施形態の構成を示す正面断面図である。 図１に示した量子カスケード検出器の構成を示す側面図である。 量子カスケード検出器における半導体積層構造の一例を示す図表である。 量子カスケード検出器における活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。 量子カスケード検出器の他の実施形態の構成を示す正面断面図である。 活性層、及びクラッド層の屈折率のドーピング密度への依存性を示すグラフである。 クラッド層への光の閉じ込め係数のクラッド層の厚さへの依存性を示すグラフである。 クラッド層の全厚さを４μｍとしたときの光の導波モードについて示すグラフである。 クラッド層の全厚さを２０μｍとしたときの光の導波モードについて示すグラフである。 活性層及びクラッド層による導波路構造における光の導波モードについて示すグラフである。 量子カスケード検出器での感度スペクトル、及び量子カスケードレーザでの発振スペクトルを示すグラフである。 量子カスケードレーザ及び量子カスケード検出器を含む光学系の構成の一例を示す図である。 量子カスケードレーザから出射された光のレンズによる集光状態について示すグラフである。 量子カスケードレーザ及び量子カスケード検出器を含む光学系の構成の他の例を示す図である。 一酸化炭素（ＣＯ）の吸収線について示すグラフである。 量子カスケードレーザの温度、及び注入電流に対する光の波数の変化について示すグラフである。 図１４に示した光学系を用いた分光測定法について示すグラフである。 図１４に示した光学系を用いた分光測定の結果を示すグラフである。 量子カスケード検出器を用いた検出器アレイの構成の一例を示す正面断面図である。

以下、図面とともに本発明による量子カスケード検出器の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、量子カスケード検出器の一実施形態の構成を示す正面断面図である。また、図２は、図１に示した量子カスケード検出器の構成を示す側面図である。本実施形態による量子カスケード検出器１Ａは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子励起による光吸収を利用して光を検出する光検出器である。この量子カスケード検出器１Ａは、半導体基板１０と、基板１０上に形成された活性層１５とを備えて構成されている。

活性層１５は、光の吸収、検出に用いられる吸収領域（光吸収層）と、キャリアである電子の輸送に用いられる輸送領域（電子輸送層）とが交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、活性層１５では、ｎを３以上の整数として、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むｎ個の量子井戸層、及びｎ個の量子障壁層からなる半導体積層構造を１周期分の単位積層体１６（図１参照）とし、この単位積層体１６が多段に積層されることで、第１井戸層を含みサブバンド間吸収によって被検出光を検出する吸収領域と、サブバンド間吸収によって励起された電子を輸送する輸送領域とが交互に積層されたカスケード構造が形成されている。なお、活性層１５に含まれる単位積層体１６の構成については、具体的には後述する。

活性層１５に対し、活性層１５の下方で活性層１５と半導体基板１０との間には、活性層１５よりも低い屈折率を有して活性層１５に隣接して形成された下部クラッド層２１が設けられている。また、下部クラッド層２１の下方には、下部コンタクト層２２が設けられている。また、下部クラッド層２１及び下部コンタクト層２２と半導体基板１０との間には、下部金属層２３が設けられている。

また、活性層１５に対し、活性層１５の上方で半導体基板１０とは反対側には、活性層１５よりも低い屈折率を有して活性層１５に隣接して形成された上部クラッド層２６が設けられている。また、上部クラッド層２６の上方には、上部コンタクト層２７が設けられている。また、上部クラッド層２６及び上部コンタクト層２７に対して活性層１５とは反対側には、上部金属層２８が設けられている。

以上により、半導体基板１０上には、下部金属層２３、下部コンタクト層２２、下部クラッド層２１、活性層１５、上部クラッド層２６、上部コンタクト層２７、及び上部金属層２８による積層構造が形成されている。また、活性層１５、下部クラッド層２１、及び上部クラッド層２６による光の導波路構造における導波方向にある第１端面２０ａ、及び第２端面２０ｂ（図２参照）のうちで、第１端面２０ａが、本検出器１Ａでの検出対象となる被検出光が入射する入射面となっている。これらの第１端面２０ａ、第２端面２０ｂとしては、好ましくはへき開面が用いられる。また、半導体基板１０の活性層１５とは反対側の裏面上には、金属層からなる下部電極層１２が形成されている。

本実施形態では、量子カスケード検出器１Ａは、半導体基板１０を含む基体部３０と、活性層１５を含んで基体部３０上に設けられ、上記の導波路構造における導波方向にストライプ状に延びるメサ部２０とを有するメサ構造に構成されている。図１に示した構成例では、半導体基板１０、及び下部金属層２３が基体部３０を構成し、下部コンタクト層２２、下部クラッド層２１、活性層１５、上部クラッド層２６、及び上部コンタクト層２７がメサ部２０を構成している。

また、この基体部３０及びメサ部２０上には、メサ部２０の両側面、上面、及び基板１０上で露出した下部金属層２３の上面を覆うように、絶縁層１１が形成されている。上部金属層２８は、この絶縁層１１上に形成されている。また、絶縁層１１には、メサ部２０の上面上において、開口（コンタクトホール）１１ａが形成されており、上部金属層２８は、この開口１１ａを介して上部コンタクト層２７と接触している。このような構成において、上部金属層２８は、上部電極層として機能している。

また、図２に示した構成例では、活性層１５及び下部、上部クラッド層２１、２６による導波路構造に対し、導波路構造での入射面となる第１端面２０ａに、被検出光の波長の光に対する反射率を低減するように構成された反射防止膜（低反射膜）３１が形成されている。また、導波路構造での第１端面２０ａとは反対側の第２端面２０ｂに、被検出光の波長の光に対する反射率を増大するように構成された反射膜（高反射膜）３２が形成されており、この第２端面２０ｂは、被検出光を反射する反射面となっている。

本実施形態による量子カスケード検出器１Ａの効果について説明する。

図１、図２に示した量子カスケード検出器１Ａでは、被検出光の検出に用いられる活性層１５に対し、活性層１５の下方で基板１０との間にある下部クラッド層２１と、活性層１５の上方の上部クラッド層２６とを設けるとともに、活性層１５及び下部、上部クラッド層２１、２６による導波路構造での一方の第１端面２０ａを、被検出光の入射面としている。このような構成によれば、第１端面２０ａから入射した被検出光を、クラッド層２１、２６を用いた導波路構造で活性層１５に沿って導波させて、活性層１５において被検出光を効率的に吸収、検出することができる。

さらに、このような構成において、上記の導波路構造に対し、下部クラッド層２１の下方で基板１０との間にある下部金属層２３と、上部クラッド層２６の上方の上部金属層２８とを設けている。このように、活性層１５及び下部、上部クラッド層２１、２６による導波路構造を、下部金属層２３及び上部金属層２８によって挟み込む構成とすることにより、入射面２０ａにおける検出器１Ａの受光部の面積を金属層２３、２８によって限定して、比検出能を向上することができる。以上より、上記構成の量子カスケード検出器１Ａによれば、被検出光を高効率で好適に検出することが可能となる。なお、このような構成の量子カスケード検出器１Ａは、例えば波長４〜１０μｍの中赤外領域の光の検出に好適に適用することができる。

また、上記実施形態では、量子カスケード検出器１Ａは、半導体基板１０を含む基体部３０と、活性層１５を含んで基体部３０上に設けられ、導波路構造における導波方向にストライプ状に延びるメサ部２０とを有するメサ構造に構成されている。このような構成によれば、活性層１５及びクラッド層２１、２６による導波路構造を、メサ部２０が延びる方向に沿って好適に構成することができる。

また、上記実施形態では、導波路構造における被検出光の入射面である第１端面２０ａにおいて、被検出光に対する反射率（例えば、検出器１Ａの検出感度が最大となる波長の光に対する反射率）を低減する反射防止膜３１が形成されている。このような構成によれば、入射面２０ａから量子カスケード検出器１Ａの内部への被検出光の入射効率を向上することで、検出器１Ａにおける光の検出効率を向上することができる。また、反射防止膜３１については、被検出光の波長の光に対する反射率が２８％以下となるように構成することが好ましい。

また、上記実施形態では、導波路構造における被検出光の反射面である第２端面２０ｂにおいて、被検出光に対する反射率を増大する反射膜３２が形成されている。このような構成によれば、入射面から導波路構造を導波して反射面２０ｂに到達した被検出光を再び量子カスケード検出器１Ａの内部に戻すことで、検出器１Ａにおける光の検出効率を向上することができる。また、反射膜３２については、被検出光の波長の光に対する反射率が９５％以上となるように構成することが好ましい。

ここで、量子カスケード検出器１Ａを構成する各半導体層の層厚については、下部クラッド層２１及び上部クラッド層２６のそれぞれは、２μｍ以上１０μｍ以下の層厚を有することが好ましい。また、活性層１５は、１μｍ以上の層厚を有することが好ましい。これらの構成によれば、活性層１５及びクラッド層２１、２６による被検出光に対する導波路構造、及び導波路での光の閉じ込め構造等を好適に実現することができる。

また、下部クラッド層２１及び上部クラッド層２６のそれぞれにおいて、不純物（ｎ型不純物）のドーピング密度が５×１０^１６ｃｍ^−３以上２×１０^１７ｃｍ^−３以下であることが好ましい。このような構成によれば、クラッド層２１、２６でのドーピング密度の設定により、検出器１Ａでの直列抵抗を低減するとともに、クラッド層２１、２６における光の損失を抑制することができる。

また、活性層１５において、不純物（ｎ型不純物）のドーピング密度が１×１０^１７ｃｍ^−３以上９×１０^１７ｃｍ^−３以下であることが好ましい。このような構成によれば、活性層１５及びクラッド層２１、２６による導波路構造、導波路での光の閉じ込め構造、及び活性層１５における光の検出構造を好適に実現することができる。なお、これらの各半導体層の層厚、不純物のドーピング密度等の量子カスケード検出器１Ａの構成条件については、具体的には後述する。

上記実施形態による量子カスケード検出器１Ａの構成について、活性層１５での量子井戸構造を含む素子構造の具体例とともに説明する。図３は、量子カスケード検出器１Ａにおける半導体積層構造の一例を示す図表である。また、図４は、量子カスケード検出器１Ａにおける活性層１５を構成する単位積層体１６の構成の一例を示す図である。

本構成例における活性層１５の量子井戸構造では、光検出の感度スペクトルのピークを与える検出下準位と検出上準位とのエネルギー間隔を２９０ｍｅＶとし、中赤外領域に含まれる波長λ＝４．５μｍの光に検出感度を有するように設計された例を示している。ただし、上記実施形態の量子カスケード検出器１Ａにおける検出波長については、４．５μｍに限られるものではなく、必要に応じて任意に設定して良い。例えば、検出波長は、中赤外領域での４〜１０μｍの波長域において設定することができる。

図４においては、活性層１５での吸収領域１７及び輸送領域１８を含む単位積層体１６の多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造及びサブバンド準位構造を示している。量子カスケード検出器１Ａにおける半導体積層構造による素子構造は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法、または有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：MetalOrganic Chemical Vapor Deposition）法などによる結晶成長で形成することができる。

本構成例による量子カスケード検出器１Ａの半導体積層構造では、図１、図２に示した構成において、半導体基板１０として、ｎ型ＩｎＰ基板を用いている。そして、このＩｎＰ基板１０上に、図１及び図３に示すように、厚さ２５０ｎｍのＩｎＧａＡｓ層及び厚さ０．２ｎｍのＩｎＡｌＡｓ層から構成される下部コンタクト層２２、厚さ３０００ｎｍのＩｎＰ下部クラッド層２１、吸収領域１７及び輸送領域１８を含む単位積層体１６が４５周期で積層された活性層１５、厚さ３０００ｎｍのＩｎＰ上部クラッド層２６、及び厚さ２５０ｎｍのＩｎＧａＡｓ上部コンタクト層２７が順次積層されることで、量子カスケード検出器１Ａの素子構造が形成されている。

本構成例における活性層１５は、吸収領域１７及び輸送領域１８を含む単位積層体１６が複数周期で繰り返し積層されて構成されている。活性層１５における単位積層体１６の積層周期数は、例えば、１０〜５０周期に設定することができ、本構成例では、上記したように４５周期に設定されている。また、１周期分の単位積層体１６は、図３、図４に示すように、７個の量子井戸層１６１〜１６７、及び７個の量子障壁層１７１〜１７７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。

これらの単位積層体１６の各半導体層のうち、量子井戸層１６１〜１６７は、それぞれＩｎＧａＡｓ層によって構成されている。また、量子障壁層１７１〜１７７は、それぞれＩｎＡｌＡｓ層によって構成されている。これにより、本構成例における活性層１５は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造によって構成されている。なお、活性層１５を構成する各井戸層、障壁層の層厚等については、図３に示す通りである。

このような単位積層体１６において、第１障壁層１７１、及び第１井戸層１６１は、サブバンド間吸収によって光を検出する吸収領域１７を構成している。また、第２〜第７障壁層１７２〜１７７、及び第２〜第７井戸層１６２〜１６７は、サブバンド間吸収によって励起された電子を次周期の吸収領域１７ｂへと輸送する輸送領域１８を構成している。また、被検出光を吸収する吸収井戸層として機能する第１井戸層１６１には、キャリアである電子を供給するために、ｎ型不純物であるＳｉがドーピング密度５×１０^１７ｃｍ^−３でドープされている。

また、本構成例では、図３に示すように、下部クラッド層２１、及び上部クラッド層２６には、同じくｎ型不純物であるＳｉがドーピング密度１×１０^１７ｃｍ^−３でそれぞれドープされている。また、下部コンタクト層２２のＩｎＧａＡｓ層、及び上部コンタクト層２７には、ｎ型不純物であるＳｉがドーピング密度３×１０^１８ｃｍ^−３でそれぞれドープされている。

このような構成において、単位積層体１６は、その図４に示すサブバンド準位構造において、光検出に用いられる伝導帯サブバンド準位として、吸収領域１７での光吸収に寄与する検出下準位（detection lower level）Ｌ１、検出上準位（detectionupper level）Ｌ２、及び輸送領域１８での電子輸送に寄与する複数の輸送準位（transportlevels）Ｌ３〜Ｌ７を有している。

このような単位積層体１６を有する活性層１５に波長λの光が入射すると、検出下準位Ｌ１に存在する電子は、サブバンド間吸収によって検出上準位Ｌ２へと励起される。上準位Ｌ２に励起された電子は、輸送領域１８での複数の輸送準位からなる輸送準位構造を介して、後段の吸収領域１７ｂの検出下準位Ｌ１へと輸送、抽出される。このような光吸収による電子励起、励起された電子の緩和、輸送、及び次周期の単位積層体への電子の抽出を、活性層１５を構成する複数の単位積層体１６で繰り返すことにより、活性層１５においてカスケード的な光吸収が起こる。そして、これによって発生する電流を信号として取り出し、その電流量を計測することで、入射光が検出される。

上記実施形態による量子カスケード検出器１Ａの製造方法の一例について説明する。上記したように、活性層１５に対してクラッド層２１、２６、及び金属層２３、２８が設けられた積層構造を有する量子カスケード検出器１Ａは、例えば、基板貼り合わせによって作製することが可能である。

量子カスケード検出器１Ａにおける積層構造及び活性層構造は、ＭＢＥ法、またはＭＯＣＶＤ法などを用いて各層を順次、エピタキシャル成長することによって形成される。まず、ＩｎＰ基板（第１基板）上に、ＳｉドープＩｎＧａＡｓコンタクト層、ＳｉドープＩｎＰクラッド層、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造を有する活性層、ＳｉドープＩｎＰクラッド層、ＳｉドープＩｎＧａＡｓコンタクト層を成長し、さらにその上に、厚さ０．５μｍ〜１．０μｍのＡｕ（金）からなる第１金属層を蒸着する。

次に、半導体支持基板１０となるｎ型ＩｎＰ基板（第２基板）上に、厚さ０．５μｍ〜１．０μｍのＡｕからなる第２金属層を蒸着するとともに、第１基板上の第１金属層と、第２基板上の第２金属層とを接触させ、適度な荷重をかけて加熱処理することにより、２つの基板を貼り合わせる。接合された第１、第２金属層は、基板１０上の下部金属層２３となる。ここで、下部、上部金属層に用いられる金属材料は、上記したＡｕに限られるものではなく、例えば蒸着可能なＣｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）など、他の金属材料を用いても良い。

その後、半導体積層構造の成長に用いた第１基板を選択的化学エッチングによって除去し、さらに、ウェットエッチングまたはドライエッチングによって、例えば幅５０μｍのストライプ状のメサ構造（図１参照）を形成する。このエッチングは、基板貼り合わせの接合部となる下部金属層２３に到達するまでか、もしくは下部コンタクト層２２内で止まるような条件で行う。さらに、ＳｉＮなどの絶縁材料からなる絶縁層１１を形成するとともに開口１１ａを形成し、Ａｕなどからなり上部電極層となる上部金属層２８を蒸着及びメッキ法によって形成する。

続いて、ＩｎＰ基板１０の裏面を、基板１０の厚さが例えば１５０μｍとなるように研磨し、基板裏面上に、電流の取り出しのための下部電極層１２を形成する。この下部電極層１２は、例えば、Ｔｉ、及びＡｕ／Ｇｅ／Ａｕを蒸着、合金を行うことによって形成する。最後に、素子長が例えば５００μｍとなるようにへき開を行うことで、量子カスケード検出器１Ａを作製する。このときのへき開面が、活性層１５及びクラッド層２１、２６による導波路構造における導波方向にある第１端面（入射面）２０ａ、及び第２端面（反射面）２０ｂとなる（図２参照）。

導波路構造の第２端面２０ｂ上には、被検出光の波長の光に対する反射率が９５％以上となる反射膜（高反射コート）３２を形成する。これにより、第１端面２０ａから活性層１５へと入射されて内部を伝搬した被検出光が反射膜３２で反射されることとなり、検出器１Ａの内部での光の伝搬距離を素子長の２倍とすることができる。

一方、第１端面２０ａ上には、へき開面での反射を抑制するように、被検出光の波長の光に対する反射率が２８％以下となる反射防止膜（反射防止コート）３１を形成する。ここで、半導体材料の屈折率をｎ_１、空気の屈折率をｎ_０とすると、へき開面における光の反射率は（ｎ_１−ｎ_０）^２／（ｎ_１＋ｎ_０）^２によって求めることができる。上記した構成例では、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓの屈折率をｎ_１＝３．３、空気の屈折率をｎ_０＝１とすると、へき開面での反射率は２８．６％となる。したがって、上記した反射率が２８％以下となる反射防止膜３１を形成することにより、このようなへき開面での光の反射を抑制することができる。

第２端面２０ｂ上の反射膜３２については、例えば、絶縁のＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、またはＣｅＯ_２等の材料と、Ａｕとを端面２０ｂ上に蒸着する構成を用いることができる。また、反射膜３２として、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＣｅＯ_２、ＺｎＳなどの低屈折率材料と、Ｇｅなどの高屈折率材料とを交互に積層した誘電体多層膜を用いることができる。第１端面２０ａ上の反射防止膜３１については、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３を厚さ０．７８μｍとなるように蒸着する構成を用いることができる。上記の厚さは、波長４．５μｍの１／４を、さらにＡｌ_２Ｏ_３の屈折率１．４４で割った値である。また、反射防止膜３１として、他の誘電体材料による単層膜、あるいは反射膜３２と同様の材料による誘電体多層膜を用いることができる。

量子カスケード検出器の構成について、さらに説明する。図５は、量子カスケード検出器の他の実施形態の構成を示す正面断面図である。本実施形態による量子カスケード検出器１Ｂは、図１、図２に示した量子カスケード検出器１Ａと同様の構成を有しているが、絶縁層１１において開口１１ａに加えて、下部金属層２３上に開口１１ｂが設けられている点、及び基板１０の裏面上の下部電極層１２に代えて、絶縁層１１上に下部電極層１３が設けられている点で相違している。

図５に示した構成例では、絶縁層１１には、下部金属層２３の上面上において開口（コンタクトホール）１１ｂが形成されている。また、絶縁層１１上に形成された上部金属層２８の一部が、金属材料を部分的に除去することで金属層２８と電気的に絶縁され、この絶縁された金属層部分が、開口１１ｂを介して下部金属層２３と接触して、下部電極層１３となっている。なお、このような構成におけるコンタクトホールの形成、Ａｕ等からなる金属層の一部除去等については、例えば、フォトリソグラフィによってレジストのパターニングを行い、ＳｉＮ、Ａｕ等の蒸着を行った後にレジストの剥離を行う方法を用いることができる。

上記実施形態による量子カスケード検出器の具体的な構成条件等について、さらに説明する。まず、活性層１５における単位積層体１６の積層周期数、検出器１Ａでのノイズ、及び活性層１５への光の閉じ込め等の関係について説明する。量子カスケード検出器１Ａでのノイズ電流ｉ_Ｎでは、下記の式（１）に示すような、素子抵抗のみに依存する熱雑音が支配的である。

ここで、上記式において、ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは素子温度、Δｆは帯域幅（ここではΔｆ＝１としてよい）、Ｒは素子抵抗である。この式（１）より、ノイズ電流を抑えてＳ／Ｎ特性を向上するためには、素子抵抗を高める必要があることがわかる。

検出器１Ａにおける素子抵抗は、活性層１５におけるカスケード構造の積層周期数とほぼ比例関係にある。このため、活性層１５での単位積層体１６の周期数を増やすことで、素子を高抵抗化することが可能である。また、このように活性層１５での積層周期数を増加させることは、活性層１５を含む導波路構造での第１端面２０ａにおける受光面積の増加、検出器１Ａ内部で被検出光を導波させる際の光の閉じ込め特性の向上、光の損失の低減等にも寄与する。

活性層１５への光の閉じ込めについて、さらに詳述する。上記構成の量子カスケード検出器１Ａにおける活性層１５への光の閉じ込めは、活性層１５及びクラッド層２１、２６のそれぞれの屈折率、クラッド層２１、２６の層厚、活性層１５の層厚などの構成条件に依存する。これらの条件のうち、活性層１５の屈折率については、クラッド層２１、２６の屈折率よりも高い値であることが、導波路構造の形成において不可欠である。各半導体層の屈折率は、それぞれにおける不純物のドーピング量に依存し、ドルーデモデルに基づいて算出される複素誘電率から求めることができる。

図６は、活性層（ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ層）、及びクラッド層（ＩｎＰ層）の屈折率のドーピング密度への依存性を示すグラフである。図６のグラフにおいて、横軸は各層における不純物のドーピング密度（ｃｍ^−３）を示し、縦軸は屈折率を示している。また、図６において、プロット点Ａ１は、活性層１５の屈折率のドーピング密度との関係を示し、プロット点Ａ２は、クラッド層２１、２６の屈折率のドーピング密度との関係を示している。

活性層１５、及びクラッド層２１、２６による導波路構造では、導波路での光の損失を低減するため、クラッド層２１、２６における不純物のドーピング密度は、２×１０^１７ｃｍ^−３以下とすることが好ましい。一方、外部電圧を印加しない量子カスケード検出器１Ａでは、起電力が小さいため、電極から光電流を取り出すためには、光電変換部である活性層１５以外での直列抵抗は低く抑える必要がある。このような直列抵抗条件を考慮すると、クラッド層２１、２６における不純物のドーピング密度を５×１０^１６ｃｍ^−３以上とすることが好ましい。以上より、クラッド層２１、２６のそれぞれにおける不純物のドーピング密度については、上述したように５×１０^１６ｃｍ^−３以上２×１０^１７ｃｍ^−３以下とすることが好ましい。

図６のグラフより、上記のドーピング密度の条件でクラッド層２１、２６の屈折率が最も高い値となるのは、図６中に直線によって示す、ドーピング密度が５×１０^１６ｃｍ^−３の場合の屈折率値３．０９１である。したがって、活性層１５における不純物のドーピング密度の上限については、活性層１５の屈折率が上記のクラッド層の屈折率を上回る条件によって決まる。図６に示すプロット点Ａ１より、活性層１５でのドーピング密度の上限は、９×１０^１７ｃｍ^−３とすることが好ましい。このドーピング密度での活性層１５の屈折率値は、３．０９５である。

一方、活性層１５でのドーピング密度の下限については、導波路形成の観点からは制限はないが、光電流に寄与する自由電子が少なくなることは、光検出によって生成、出力される検出信号強度の低下の原因となる。このような信号強度条件を考慮すると、活性層１５でのドーピング密度の下限を１×１０^１７ｃｍ^−３とすることが好ましい。この下限値よりも低いドーピング密度では、屈折率の変化も小さく、光の閉じ込め特性の大幅な向上も見込めないため、上記した下限値の設定は妥当である。以上より、活性層１５における不純物のドーピング密度については、１×１０^１７ｃｍ^−３以上９×１０^１７ｃｍ^−３以下とすることが好ましい。

次に、クラッド層２１、２６の層厚について説明する。上記構成におけるクラッド層２１、２６の機能は、第１端面２０ａから入射される被検出光を活性層１５及びクラッド層２１、２６による導波路構造の内部に閉じ込め、金属層２３、２８、及びキャリア密度が高いコンタクト層２２、２７での光の吸収損失を低減させることである。

上記したように、クラッド層２１、２６でのドーピング密度を５×１０^１６ｃｍ^−３、活性層１５でのドーピング密度を９×１０^１７ｃｍ^−３としたときに、活性層１５とクラッド層２１、２６との屈折率差が最小となる。また、このとき、導波路構造において、活性層１５への光の閉じ込めが最も困難な構成条件となって、クラッド層２１、２６への光の染み出しが最大となる。したがって、クラッド層２１、２６の層厚については、このような構成条件において、コンタクト層２２、２７及び金属層２３、２８への光の到達を防ぎ、導波路構造の内部に光を閉じ込めることが可能な条件を求めれば良い。また、層厚の設定において、被検出光の波長については、中赤外領域での４〜１０μｍの波長域を想定した場合、光の閉じ込めが最も困難な波長１０μｍの場合を考えれば良い。

図７は、コンタクト層（ＩｎＧａＡｓ層）に対するクラッド層（ＩｎＰ層）への光の閉じ込め係数のクラッド層の厚さへの依存性を示すグラフである。図７のグラフにおいて、横軸はクラッド層の厚さ（μｍ）を示し、縦軸は光の閉じ込め係数を示している。また、図７において、光の閉じ込め係数とは、導波路構造における１次元の導波モードを求めた場合における、全電場強度の積分値に対するＩｎＰクラッド層内の電場強度の積分値の割合によって定義される。

図８は、光の閉じ込めの例として、ＩｎＧａＡｓコンタクト層２２、２７に対し、ＩｎＰクラッド層２１、２６の全厚さを４μｍとしたときの光の導波モードのシミュレーション結果について示すグラフである。また、図９は、同様に、クラッド層２１、２６の全厚さを２０μｍとしたときの光の導波モードのシミュレーション結果について示すグラフである。図８、図９のグラフにおいて、横軸は位置（μｍ）を示し、縦軸は導波される光の規格化強度、または各層の屈折率を示している。また、ここでは、計算のため、ＩｎＧａＡｓコンタクト層の厚さは３μｍとし、コンタクト層でのドーピング密度は３×１０^１８ｃｍ^−３とし、また、屈折率は２．５とした。また、クラッド層２１、２６の間にある活性層１５については、ここでは考慮していない。

図７のグラフによれば、ＩｎＰクラッド層２１、２６の全厚さが４μｍ以上であれば、クラッド層への光の閉じ込め係数は９０％以上となる。したがって、クラッド層２１、２６のそれぞれの層厚については、２μｍ以上とすることが好ましい。実際には、クラッド層２１、２６の間に、クラッド層よりも屈折率が高い活性層１５があるため、導波路構造への光の閉じ込めはさらに強くなり、コンタクト層２２、２７及び金属層２３、２８での光の吸収損失を充分に抑制することができる。

クラッド層２１、２６の厚さの上限については、特に制限はないが、図７のグラフにおいてクラッド層の厚さが１１μｍ以上では、閉じ込め係数が９９％に到達してあまり変化しなくなっている。このような点を考慮すると、クラッド層２１、２６のそれぞれの層厚については、１０μｍ以下とすることが好ましい。以上より、クラッド層２１、２６のそれぞれの層厚については、２μｍ以上１０μｍ以下とすることが好ましい。

次に、活性層１５の層厚について説明する。上記した構成条件において、クラッド層２１、２６の層厚を最も薄くした構成では、下部クラッド層２１及び上部クラッド層２６を合わせた層厚は４μｍである。一方、回折限界によって、光のスポットサイズは、半波長程度までしか絞ることができない。したがって、被検出光の波長が１０μｍの場合、第１端面２０ａでの受光面となる活性層１５及びクラッド層２１、２６の層厚の合計が５μｍ以上となっていることが好ましい。このような光の入射条件を考慮すると、活性層１５の層厚については、１μｍ以上とすることが好ましい。なお、被検出光の波長が１０μｍよりも短い場合については、光の入射条件、及び導波路構造での光の閉じ込め条件のいずれも緩和されるため、波長１０μｍの光に対する上記の条件を適用すれば良い。

活性層１５の層厚は、活性層１５における単位積層体１６の積層周期数に依存しているため、活性層１５の層厚が１μｍ以上となるように単位積層体１６の周期数を設定すれば良い。検出対象となる光の波長や具体的な設計等によって異なるが、量子カスケード検出器１Ａの活性層１５における１周期分の単位積層体１６の平均的な厚さは５０ｎｍ程度であり、この場合、活性層１５の層厚を１μｍ以上とするための周期数は、２０周期以上となる。このような構成条件は、式（１）に関して上述したように、活性層１５での抵抗を高くして、熱雑音を抑制する上でも好適である。

活性層１５の層厚の上限については特に制限はないため、層厚については、１μｍ以上で適宜に設定すれば良い。上記の構成例では、例えば、活性層１５での単位積層体１６の周期数を４５周期とすることで、層厚を１．６５μｍに設定している。また、クラッド層２１、２６の層厚については、図３に示したように、それぞれ３μｍとしている。また、クラッド層２１、２６での不純物のドーピング密度を１×１０^１７ｃｍ^−３、活性層１５でのドーピング密度を５×１０^１７ｃｍ^−３に設定している。

図１０は、上記の構成例での、活性層１５及びクラッド層２１、２６による導波路構造における光の導波モードについて示すグラフである。この構成例では、全電場強度の積分値に対する活性層内の電場強度の積分値の割合に相当する、活性層１５への光の閉じ込め係数は、０．７５となっている。

ここで、図１、図２に示した構成の量子カスケード検出器１Ａでは、検出器１Ａの内部の導波路構造への被検出光の入射は、例えば、反射防止膜３１が形成されたへき開面である第１端面２０ａにレンズで光を集光して行うことができる。活性層１５、クラッド層２１、２６、及び金属層２３、２８を含む上記の素子構造を用いることで、第１端面２０ａから入射した光を効率良く電流に変換することができる。

すなわち、活性層１５を上下から挟むクラッド層２１、２６によって、光電変換部である活性層１５と、不純物が高密度でドープされたコンタクト層２２、２７との間の空間的な距離を大きくすることができる。これにより、導波路構造の内部に入射された光がコンタクト層２２、２７の自由キャリアによって吸収されることを防ぎ、また、クラッド層２１、２６に挟まれた活性層１５内部で被検出光を導波させることで、光電変換に寄与する光量を増加させることができる。

また、活性層１５内部を導波して第２端面２０ｂに到達した光は、反射膜３２によって反射され、さらに活性層１５内部を導波しながら光電流を生成する。このことは、検出信号強度を維持したまま、検出器１Ａの素子長を１／２に短縮できることを意味している。また、このような素子長の短縮は、素子サイズの縮小による素子抵抗の増加にも寄与するため、式（１）で示したノイズ電流の低減においても効果的である。

また、上記した構成例では、活性層１５での単位積層体１６の周期数を４５周期に設定することで、活性層１５の層厚が１．６５μｍとなっている。これにより、活性層１５に入射した光に対する閉じ込め係数を高めるとともに、検出器１Ａでの素子抵抗の増加によって、熱雑音を抑制することができる。

また、基板貼り合わせ等によって形成することが可能な、金属層２３、２８を有する上記構成によれば、第１端面２０ａにおける受光部が、活性層１５、及びそれを挟むクラッド層２１、２６のみに限定される。これにより、検出器１Ａでの受光面積を充分に小さくして、比検出能Ｄ^＊を高めることができる。

量子カスケード検出器１Ａにおける受光面積と、比検出能Ｄ^＊との関係について説明する。検出器１Ａの比検出能Ｄ^＊は、以下の式（２）で表すことができる。

ここで、上記式において、ｖ_ｓは出力信号電圧、ｖ_ｎはノイズ電圧（量子カスケード検出器においては、式（１）で示したノイズ電流と素子抵抗との積）、Ｐは単位面積当たりの入射光のエネルギー、Ａは受光面積、Δｆはノイズの帯域幅（ここではΔｆ＝１としてよい）である。

上記の式（２）より、電圧ｖ_ｓ、ｖ_ｎ、及び入射光のエネルギーＰを一定とすると、比検出能Ｄ^＊は受光面積Ａに依存し、受光面積Ａが小さいほど比検出能Ｄ^＊が高くなることがわかる。

上記した量子カスケード検出器１Ａの素子構造では、光電変換部は活性層１５であり、光の入射部は、そもそも第１端面２０ａにおける活性層１５の断面、及びその周辺に限られている。したがって、活性層１５及びクラッド層２１、２６を金属層２３、２８によって挟み込んで受光面積を限定すること自体は、式（２）における出力信号電圧ｖ_ｓの著しい低下にはつながらない。

そのため、金属層２３、２８によって基板１０等からの影響を排除し、受光面積を第１端面２０ａにおける活性層１５及びクラッド層２１、２６の断面のみに限定することは、比検出能Ｄ^＊の向上に寄与する。また、このように、被検出光に対する受光面積を例えば数１０μｍ^２の大きさに限定しても充分な信号強度が得られるのは、上述したように、クラッド層２１、２６を用いた導波路構造によって、被検出光を活性層１５内部を伝搬させながら高効率に光検出に利用することができるためである。

図１１は、量子カスケード検出器１Ａでの感度スペクトル、及び量子カスケードレーザでの発振スペクトルを示すグラフである。図１１のグラフにおいて、横軸は波長（μｍ）を示し、縦軸は規格化強度を示している。また、図１１において、グラフＢ１は、量子カスケード検出器（ＱＣＤ）での感度スペクトルを示し、グラフＢ２は、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）での発振スペクトルを示している。

図１１に示すように、量子カスケード検出器の感度スペクトルでは、感度のピークとなる波長４．５μｍを中心として、感度波長範囲は±０．５μｍ程度となっている。また、図１１では、発振波長４．６μｍの分布帰還型量子カスケードレーザ（ＤＦＢ−ＱＣＬ）の発振スペクトルを合わせて示している。

上記構成の量子カスケード検出器を用いた光学系の構成等について説明する。量子カスケード検出器は、量子カスケードレーザと組み合わせて用いることが特に好ましい。この場合、検出器の感度波長については、対象となるレーザの発振波長に合わせて設計すれば良い。また、量子カスケード検出器は、サブバンド間遷移のエネルギー揺らぎによって決まる波長範囲にしか検出感度を有しないため、フィルタ等を用いることなく、不要な背景光の影響をカットすることができる。

また、量子カスケードレーザ等のレーザ光源から供給されるレーザ光は、レンズによって容易に、数１０μｍ程度のスポットサイズに集光することができる。したがって、上記のように活性層１５及びクラッド層２１、２６に限定された受光部に対しても、レンズを用いた集光によって、被検出光のうちの大部分の光を検出器１Ａの内部に導入することができる。

図１２は、量子カスケードレーザ及び量子カスケード検出器を含む光学系の構成の一例を示す図である。図１２に示す構成例では、量子カスケードレーザ２Ａから出射された光をレンズ３６によってコリメートし、そのコリメートされた光をレンズ３７によって量子カスケード検出器１Ａの受光面へと集光している。この場合、レンズ３６、３７の焦点距離は、互いに同じでも良く、異なっていても良い。

また、上記の構成例において、レンズ３６、３７には、それぞれ、波長４〜１０μｍの光に対して反射率が５％以下となるような反射防止膜が形成されていることが好ましい。また、レンズの材料については、例えばＺｎＳｅ、ＣａＦ_２、Ｇｅなど、中赤外光に対して透過性を有する任意の材料を用いて良い。また、レンズの径や焦点距離等には特に制限はないが、量子カスケードレーザ２Ａからの放射光の片側広がりが５０°程度あるため、レンズの開口数は、０．５以上であることが好ましい。

図１３は、量子カスケードレーザから出射された光のレンズによる集光状態について示すグラフである。図１３のグラフにおいて、横軸は位置（μｍ）を示し、縦軸は集光強度（ａ．ｕ．）を示している。また、図１３において、プロット点は計測値、実線はガウス関数によるフィッティング曲線を示している。

図１３では、焦点距離５０．８ｍｍ、開口数０．５のＺｎＳｅ製非球面レンズを、２つのレンズ３６、３７として用い、波長４．６μｍのＤＦＢ−ＱＣＬからの放射光を集光した際の集光径を示している。測定にはナイフエッジ法を用い、量子カスケード検出器での受光面の位置で測定を行っている。ガウス関数によるフィッティング結果によれば、半値全幅は１０μｍ程度となっている。

上記した構成例の量子カスケード検出器１Ａでは、金属層２３、２８によって挟まれた活性層１５及びクラッド層２１、２６の層厚の合計が７．６５μｍである。したがって、活性層１５の厚さ方向については、集光された被検出光の半値全幅に対して受光可能な範囲は７割以上となっている。また、厚さ方向と垂直な方向については、メサ部２０のリッジ幅を５０μｍとしているため、この方向については、集光された被検出光を全て検出器１Ａの内部へと導入することが可能である。

また、量子カスケードレーザ２Ａからの放射光は、結晶成長面に垂直な方向に電場が振動する直線偏光を有する。このため、量子カスケード検出器１Ａへの被検出光の入射の際に、同様に検出器１Ａの結晶成長面に垂直な電場振動となるように、偏光方向を合わせることにより、量子カスケード検出器１Ａでの偏光依存性が問題とならず、量子カスケードレーザ２Ａからの光を効率良く検出することができる。

ただし、上記構成の量子カスケード検出器１Ａと組み合わせて用いられる光源については、量子カスケードレーザに限られるものではなく、例えば、炭酸ガスレーザなどのガスレーザ、自由電子レーザ、赤外用半導体ＬＥＤ光源、黒体光源など、中赤外光を放射し、かつ量子カスケード検出器１Ａが応答する偏光成分を有する放射光を生成するものであれば、任意の光源を用いて良い。

上記構成の量子カスケード検出器１Ａを用いた測定の一例として、一酸化炭素（ＣＯ）の分光測定について説明する。図１４は、量子カスケードレーザ及び量子カスケード検出器を含む光学系の構成の他の例を示す図であり、ＣＯの分光測定を行うための測定系の構成例を示している。

図１４に示す分光測定系は、量子カスケードレーザ２Ａ、レーザの電源５２、及びレンズ５１を含む光源部５０と、マルチパスセル５６を含む吸収部５５と、量子カスケード検出器１Ａ、レンズ６１、及び電流アンプ６２を含む検出部６０と、計測器６６、及び制御装置（ＰＣ）６７を含む信号処理部６５とを備えている。また、マルチパスセル５６と、レンズ６１との間には、ミラー５７、５８が設けられている。

本構成例では、分布帰還型の量子カスケードレーザ２Ａから出射された波長４．６μｍの光をコリメートレンズ５１によって平行光として、ガスセルであるマルチパスセル５６に入射させる。そして、ガスセルを通過してミラー５７、５８で反射された光をレンズ６１によって集光して、被検出光として量子カスケード検出器１Ａに入射させ、検出器１Ａから出力される検出信号を取得する。

検出器１Ａにおいて取得される検出信号は、電流アンプ６２を介して、オシロスコープなどの計測器６６によって測定され、検出信号強度の減衰によって、測定対象のＣＯでの光の吸収の有無が観測される。なお、本構成例では、測定用のガスセルとして、光路長が例えば１００ｍとなるマルチパスセル５６を用いているが、このような構成に限られるものではなく、測定対象となるガス種またはその濃度等の条件に応じて、シングルパスのガスセル、あるいは高反射ミラーを対向配置した共振器型の構成（例えばＣＲＤＳ：Cavity Ring Down Spectroscopy、ＩＣＯＳ：IntegratedCavity Output Spectroscopy）等を用いても良い。

図１５は、一酸化炭素（ＣＯ）の吸収線について示すグラフである。図１５のグラフにおいて、横軸は波数（ｃｍ^−１）を示し、縦軸は吸収線強度を示している。また、ここでは、ＨＩＴＲＡＮデータベースで与えられている吸収線を示している。図１５に示すデータより、波数２１８６．６３９ｃｍ^−１（波長４．５７３μｍ）に吸収を有する^１２Ｃ^１６Ｏを、光吸収の観測対象とした。また、本実施例では、体積０．３５ｍ^３のガスセルを真空引きし、圧力が０．３Ｔｏｒｒとなるように、ＣＯをガスセル内部に封入した。ここで、量子カスケードレーザ２Ａについては、温度制御機能によって温度が一定に保たれていることが好ましい。また、量子カスケードレーザ２Ａは、単一モード発振のＤＦＢ−ＱＣＬとし、本実施例では発振波長４．６μｍのものを用いた。

図１６は、量子カスケードレーザの温度、及び注入電流に対する光の波数の変化について示すグラフである。図１６のグラフにおいて、横軸は電流（ｍＡ）を示し、縦軸は光の波数（ｃｍ^−１）を示している。また、図１６において、プロット点Ｃ１は、温度２０℃での波数の電流依存性を示し、プロット点Ｃ２は、温度２５℃での波数の電流依存性を示し、プロット点Ｃ３は、温度３０℃での波数の電流依存性を示している。

また、図１６中の直線は、上記した観測対象のＣＯの吸収線を示している。図１６のグラフより、例えば、量子カスケードレーザの駆動温度を２０℃とし、注入電流を８３０〜８４０ｍＡの範囲で変化させて波長を連続的にスキャンすることで、上記したＣＯの吸収を観測することができる。

図１７は、図１４に示した光学系を用いた分光測定法について示すグラフである。この図１７に示すように、量子カスケードレーザに対し、閾値Ｉｔよりもわずかに低い値で直流電流Ｉ０を注入しておき、さらに、外部からファンクションジェネレータを用いて例えば時間幅ΔＴ＝５ｍｓで変調を行うことで、上記した波長スキャンを行うことができる。図１７において、電流の変化範囲ΔＩを、量子カスケードレーザでの発振波長が観測対象となっているＣＯの吸収線を通過するように設定する。そして、レーザの発振と、オシロスコープとを同期させることにより、オシロスコープで測定されるパルス信号において、ＣＯの吸収による減衰の谷を観測することができる。

図１８は、図１４に示した光学系を用いたＣＯの分光測定の結果を示すグラフである。図１８のグラフにおいて、横軸は時間（ｍｓ）を示し、縦軸は規格化信号強度を示している。また、ここでは、室温の量子カスケード検出器を測定に用いるとともに、上記のオシロスコープを用いた分光測定において、１００回の測定結果の積算を行ったものを示している。この図１８に示すように、上記構成を有する量子カスケード検出器１Ａを用いることにより、室温駆動であっても、ＣＯの吸収線を観測することが可能な充分な信号強度が得られていることがわかる。

上記構成を有する量子カスケード検出器は、例えば、複数の量子カスケード検出器を所定の配列方向に沿って１次元アレイ状に配列することで、検出器アレイを構成することも可能である。

図１９は、量子カスケード検出器を用いた検出器アレイの構成の一例を示す正面断面図である。図１９に示す構成例では、量子カスケード検出器として、図５に示した構成の量子カスケード検出器１Ｂを用いている。そして、検出器１Ｂでの導波路構造における導波方向に直交する方向を配列方向とし、半導体基板１０上において複数（図中では３個）の量子カスケード検出器１Ｂを配列方向に沿って１次元アレイ状に配列して、検出器アレイ１Ｃを構成している。このような検出器アレイ１Ｃは、例えばラインセンサとして用いることができる。

上記構成例による量子カスケード検出器１Ｂを用いた検出器アレイ１Ｃの製造方法の一例について簡単に説明する。まず、上述した量子カスケード検出器１Ａの製造方法と同様に、ＩｎＰ基板（第１基板）上に、コンタクト層、クラッド層、活性層、クラッド層、コンタクト層を成長し、さらにその上に、Ａｕからなる第１金属層を蒸着する。次に、半導体基板１０となる半絶縁ＩｎＰ基板（第２基板）上に、Ａｕからなる第２金属層を蒸着するとともに、第１基板上の第１金属層と、第２基板上の第２金属層とを接触させ、適度な荷重をかけて加熱処理することによって、２つの基板を貼り合わせる。接合された第１、第２金属層は、基板１０上の下部金属層２３となる。

その後、半導体積層構造の成長に用いた第１基板を選択的化学エッチングによって除去し、さらに、ウェットエッチングまたはドライエッチングによって、ストライプ状のメサ構造を形成する。また、ＳｉＮなどの絶縁材料からなる絶縁層１１を形成するとともに、開口１１ａ、１１ｂ（図５参照）を形成し、Ａｕなどからなり上部電極層となる上部金属層２８、及びＡｕなどからなる下部電極層１３を形成する。

続いて、図１９に示すように、半導体基板１０上に配列される複数の量子カスケード検出器１Ｂのそれぞれを電気的に分離させるように、隣接する検出器１Ｂの間の所定位置において基板１０まで、金属層等をエッチングによって除去する。最後に、所定の素子長となるようにへき開を行い、複数の検出器１Ｂがアレイ状に配列された状態のままで素子を切り分けることで、ラインセンサとして機能する検出器アレイ１Ｃを作製する。

また、検出器アレイ１Ｃを構成する各量子カスケード検出器１Ｂでの導波路構造の第２端面（反射面）上には、例えば、被検出光の波長の光に対する反射率が９５％以上となる反射膜（高反射コート）を形成する。一方、第１端面（入射面）上には、へき開面での反射を抑制するように、例えば、被検出光の波長の光に対する反射率が２８％以下となる反射防止膜（反射防止コート）を形成する。

なお、検出器アレイ１Ｃにおける各検出器１Ｂのストライプ幅、ストライプ間隔等は、フォトリソグラフィでのマスクパターンに依存している。これらの検出器アレイ１Ｃの構成条件は、例えば、ラインセンサとして必要な空間分解能に応じて適宜設定すれば良い。半導体基板１０上に配列された量子カスケード検出器１Ｂのそれぞれに対して必要な配線を行い、読み出し回路と接続することで、検出器アレイ１Ｃをラインセンサとして機能させることができる。

上記構成例によるラインセンサは、例えば、分光器用の光検出器として用いることができる。この場合、回折格子やプリズムなどの分光素子によってスペクトル分解された光に対して、上記構成のラインセンサを用いて波長毎に光成分を検出することで、簡易に分光スペクトルを得ることが可能となる。

ラインセンサの分光器への応用において、連続的なスペクトル情報を得るためには、光検出器であるラインセンサに高い空間分解能が求められる。上記構成の検出器アレイ１Ｃでは、各検出器１Ｂのストライプ幅、ストライプ間隔等を、上記したようにフォトリソグラフィでのマスクパターンによって制御可能であり、したがって、ストライプ幅及び間隔を縮小することで、光検出の空間分解能を容易に高めることができる。

また、量子カスケード検出器１Ｂにおいて、ストライプ幅を狭めて空間分解能を高めることは受光面積の縮小に対応しており、分離された各検出器１Ｂにおける信号強度の低下につながる。これに対して、被検出光を検出器１Ｂ内の導波路構造で導波させて、活性層１５に吸収させる上記構成によれば、微弱な入射光量の被検出光に対しても、効率良く光電流を得ることが可能である。

本発明による量子カスケード検出器は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、活性層をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによって構成した例を示したが、活性層の構造については、具体的には様々な構成を用いて良い。このような半導体材料系については、上記したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ以外にも、例えば、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、クラッド層を構成する半導体材料についても、活性層の半導体材料系等に合わせて、適切な材料を用いれば良い。

また、上記した構成例では、量子カスケード検出器を、半導体基板を含む基体部と、活性層を含むメサ部とを有するメサ構造に構成しているが、このような構成に限らず、メサ構造以外の構造としても良い。また、導波路構造における第１端面上の反射防止膜、及び第２端面上の反射膜については、不要であれば設けない構成としても良く、あるいは一方のみを設ける構成としても良い。

また、上記構成の量子カスケード検出器では、活性層に対して、下部クラッド層、及び上部クラッド層を設けるとともに、活性層及び下部、上部クラッド層による導波路構造における被検出光の入射面となる第１端面とは反対側にある第２端面に、被検出光に対する反射率を増大する反射膜を形成している。このような構成は、下部、上部金属層を設けない構成においても有効である。また、この場合、第１端面に、被検出光に対する反射率を低減する反射防止膜を形成することが、さらに好ましい。

本発明は、被検出光を高効率で検出することが可能な量子カスケード検出器として利用可能である。

１Ａ、１Ｂ…量子カスケード検出器（ＱＣＤ）、１０…半導体基板、１１…絶縁層、１１ａ、１１ｂ…開口、１２、１３…下部電極層、１５…活性層、１６…単位積層体、１７…吸収領域、１８…輸送領域、２１…下部クラッド層、２２…下部コンタクト層、２３…下部金属層、２６…上部クラッド層、２７…上部コンタクト層、２８…上部金属層、２０…メサ部、３０…基体部、２０ａ…第１端面（入射面）、２０ｂ…第２端面（反射面）、３１…反射防止膜、３２…反射膜、１Ｃ…検出器アレイ、
２Ａ…量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）、３６、３７…レンズ、５０…光源部、５１…レンズ、５２…電源、５５…吸収部、５６…マルチパスセル、５７、５８…ミラー、６０…検出部、６１…レンズ、６２…電流アンプ、６５…信号処理部、６６…計測器、６７…制御装置。

Claims (7)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に設けられ、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むｎ個（ただし、ｎは３以上の整数）の量子井戸層、及びｎ個の量子障壁層からなる単位積層体が多段に積層されることで、前記第１井戸層を含みサブバンド間吸収によって被検出光を検出する吸収領域と、前記サブバンド間吸収によって励起された電子を輸送する輸送領域とが交互に積層されたカスケード構造が形成された活性層と、
   前記活性層及び前記半導体基板の間に設けられ、前記活性層よりも低い屈折率を有する下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層及び前記半導体基板の間に設けられた下部金属層と、
   前記活性層に対して前記半導体基板とは反対側に設けられ、前記活性層よりも低い屈折率を有する上部クラッド層と、
   前記上部クラッド層に対して前記活性層とは反対側に設けられた上部金属層とを備え、
   前記活性層、前記下部クラッド層、及び前記上部クラッド層による導波路構造における導波方向にある第１端面及び第２端面のうちの前記第１端面が、前記被検出光の入射面となっており、
   前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層のそれぞれにおいて、不純物のドーピング密度が５×１０ ^１６ ｃｍ ^−３ 以上２×１０ ^１７ ｃｍ ^−３ 以下であることを特徴とする量子カスケード検出器。
2. 前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層のそれぞれは、２μｍ以上１０μｍ以下の層厚を有することを特徴とする請求項１記載の量子カスケード検出器。
3. 前記活性層は、１μｍ以上の層厚を有することを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケード検出器。
4. 前記活性層において、不純物のドーピング密度が１×１０^１７ｃｍ^−３以上９×１０^１７ｃｍ^−３以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。
5. 前記半導体基板を含む基体部と、前記活性層を含んで前記基体部上に設けられ、前記導波路構造における前記導波方向にストライプ状に延びるメサ部とを有するメサ構造に構成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。
6. 前記導波路構造における前記第１端面に、前記被検出光に対する反射率を低減する反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。
7. 前記導波路構造における前記第２端面に、前記被検出光に対する反射率を増大する反射膜が形成されており、前記第２端面が、前記被検出光の反射面となっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。

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