JPH0243777A - 量子井戸放射線検出素子 - Google Patents

量子井戸放射線検出素子

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JPH0243777A
JPH0243777A JP1145036A JP14503689A JPH0243777A JP H0243777 A JPH0243777 A JP H0243777A JP 1145036 A JP1145036 A JP 1145036A JP 14503689 A JP14503689 A JP 14503689A JP H0243777 A JPH0243777 A JP H0243777A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の属する技術分野］ 本発明は電磁放射線によるｍ子片戸内でのキャリア励起
に基づく検出素子に関する。
［従来技術の説明］ 陸上の光通信では１マイクロメータ附近の波長は最近よ
く使われるため、可視及び近可視電磁放射線の検出及び
変調は急速に発展したのに対して、赤外線素子の分野は
余り発展していないままである。実際の長波長赤外線検
出素子はテルル水銀カドミウムあるいはドープシリコン
のような材料の光電活動に基づくが、化合物半導体材料
を用いる量子井戸検出器はほとんど理論的な注目しか受
けていない。後者に関連する代表的な報告は次に挙げら
れる。
デイ−・デイ−・コーン（Ｄ、Ｄ、Ｃｏｏ口）らは、１
９８４年のアプライド・フィジクス・レターズ（Ａｐｐ
ｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　［、ｅＬｔｅｒｓ）第４５
巻第６４９−６５１頁の論文“量子井戸を用いる新モー
ドＩＲ検出の新しいモード“で、半導体の局在不純物レ
ベルでの電荷消耗に基づく赤外放射線検出を発表し、そ
こに電界が与えられ、電荷消耗は単一ＡｌｘＧａ１−ｘ
Ａｓ／ＧａＡｓ／Ａ　Ｉ、Ｇａ１−、Ａｓ対称量子井戸
からの光電子放射の形をとると、記載している；ジェー
・ニス・スミス（Ｊ、Ｓ、Ｓｍ１ｔｈ）らは、１９８３
年のジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス８アン
ド０テクノロジ（Ｊｏｕｒ口ａｌ　ｏｒＶａｃｕｕｍ　
５ｃｉｃｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）第８
１巻第３７［１−３７８頁の論文“マルチ量子井戸から
の電子放射を用いる新しい赤外検出器“で、複数のＧ　
ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　ＩＡ　Ｓ　Ｗ子井戸の利
用を発表し、そこから電子は自由キャリア吸収によって
励起されると記載している。また１９８６年１０月２８
日にニス・マーガリスト（Ｓ、Ｍａｒｇａｌ　１ｓｔ）
らに付与されたアメリカ特許第４６２０．２１４号をも
り照のこと。
エル・エサキ（Ｌ、Ｅｓａｋｉ）らは、１９７７年の１
８Ｍテクニカル・ディスクローチャ・ビュレッチン（Ｉ
ＢＭ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ　Ｂ
ｕｌｌｅｔｉｎ）第２０巻第２４５６−２４５７頁の文
献“新しいフォトコンダクタ“で、超格子構造を発表し
、そこでは量子井戸の最低サブハンドの電子は基本的に
は静止で、第２サブバンドの電子はかなりの可動性を有
すると記載している。
また典型的には千計１されたような価電子帯から伝導帯
への電子のフォトニック励起の提案も行なわれている。
これについての代表例は次のようなものである １９８５年６月２５日にティー・アイ・チャペル（Ｔ。
１、Ｃｈａｐｐｅｌ　ｌ）らに付与されたアメリカ特許
第４．５２５．７３１号、１９８４年３月２７日にエフ
・ホロニヤツク（Ｎ、ｌ１ｏｌｏｎｙａｋ）に付与され
たアメリカ特許第４，４３９．７８２号１９８６年８月
１９０にジー・シー・オスポーン（Ｇ、Ｃ，０’５ｂｏ
ｕｒｎ）らに付与されたアメリカ特許第４、Ｇ０７．２
７２号、１９８４年５月２２０にアール・チン（１？、
Ｃｈｉｎ）に付与されたアメリカ特許第４，４５０．４
８３号及び１９８６年のアプライド・フィジクス・レタ
ーズ第４８巻第１２９４−１２９６頁のエフ・カバッソ
（Ｆ。
Ｃａｐａｓｓｏ）らの文献“量子井戸超格子内の新しい
なたれ倍増現象：バンドエツジ不連続におけるイオン化
効果”である。
共鳴サブバンド間吸収及びトンネリングによる光電子発
生に基づく検出器は、ビー・エフ・レビネ（Ｂ、Ｆ、Ｌ
ｅｖｉｎｅ）らによって１９８７年のアプライド・フィ
ジクス・レターズ第５１巻第９３４−９３６頁の文献“
１０μｍサブバンド間吸収及びフォト励起トンネリング
による童子井戸なだれ倍増゛で発表された。次に述べら
れる本発明は、フォトキャリアの収集効率を増加させる
と同時に暗電流を低いレベルに保つ要望から来る。
（発明の概要） 本発明は、単一束縛エネルギー状態を釘する量子片戸内
でのキャリアのフォトニック励起に関する。キャリア電
子の場合、励起は伝導帯束縛エネルギー状態から伝導帯
連続状聾へ起こり、キャリアホールの場合、励起は価電
子帯束縛エネルギー状態から価電子帯連続状態へ起こる
。バイアス電圧が存在するときのキャリアの収集は、例
えば、電圧、電流あるいは抵抗の変化のような電気的な
効果をもたらす。単一束縛エネルギー状態を提供するた
めに、量子井戸は比較的狭い帯域を有し、暗電流を制限
するために、障壁は比較的に広い。
望ましい素子の障壁幅は量子井戸幅よりかなり大きく、
障壁幅は少なくとも量子井戸幅の３倍であるのが望まし
い。
望ましい放射線検出器は、半導体格子の手段によって実
現される１夏数の量子井戸、つまり層構造を含み、そこ
でインタリーブされた層か量子井戸及び障壁層として働
く。例えば、超格子はへテロ構造として製作されること
ができ、そこで量子井戸及び障壁層は異なる材料から構
成され、また超格子構造は、ドーピングレベルを周期的
に変化させることによって同種材料にも製作できる。ピ
ーク吸収波長は材料の選択に依存し、本発明の素子は３
μｍから１５μｍの所定の波長の赤外線吸収に設計でき
るが、それ以上及びそれ以下の波長でもよい。
本発明の素子は高速能力を有し、ヘテロダイン受信器の
利用に適している。この様な素子は光通信、特に外空間
、例えば衛生通信に利用することができる。また、本発
明の実施例による赤外線検出器は地形図製作及び赤外探
索にも利用できる。
（実施例の説明） 第１図は入射放射線ｈν用の角度付面を何する基板１１
を示す。基板１１は第１コンタクト層１２、超格子１３
を形成するインタリーブされた第１及び第２半導体層、
及び第２コンタクト層１４を支持する。
コンタクト層１２と１４にバイアス電圧が与えられると
、これらのコンタクト間の電流は放射線ｈνの強度に直
接関連する。
第２図は、第１図の超格子１３を形成する第１と第２の
半導体層による障壁２２の間の量子井戸２１を示す。量
子井戸２１内のキャリア（電子、ホール）には単一束縛
エネルギー状態２４か存在し、障壁の高さは、入射放射
線ｈνが束縛キャリアを連続エネルギーバンド２３へ励
起するように選択される。
暗電流を制限するために、障壁は量子井戸よりかなり広
い。
第３図は、他の基本的に同種の半導体材料で局所ヘビー
ドーパント濃縮（“スパイク”）によって生成された障
壁３２間のＶ型量子井戸３１を示す。
量子井戸３１のキャリアには単一束縛エネルギー状態３
４が存在し、障壁の高さは、ある入射放射線ｈνが束縛
されているキャリアを連続エネルギーバンド３３へ励起
するように選択される。また障壁は比較的広＜、量子井
戸及び障壁の幅は便利のため、束縛エネルギー状態のレ
ベルで測定されたものと定義される。例えば方形及び台
形のような他の井戸形状も除外されるものではない。
第４図の横軸は、ｃＩｌ−１を単位とするフォトンエネ
ルギーｈν（あるいはμｍを単位とする波長λ）を、縦
軸は応答特性（Ｖ／Ｗをｔｐ位とするＲｖ）を示す。こ
の図は、実施例で述べるようなガリウム砒素とアルミガ
リウム砒素のインタリーブされた層の５０周期の超格子
に４ｖのバイアス電圧を与え、７７にの温度で行われた
測定に基づく。
第５図は、入射放射線ｈνを検出器５２に結合するため
に（透明な）基板１１に取り付けられたプリズム５１を
示し、それぞれの検出器は第１図に示されたものである
。望ましい放射線カプラは、超格子上に入射する電磁放
射の電界ベクトルが超格子に垂直な成分を有するように
放射線を結合する。
このような結合機能はまたグレーティングによっても行
なうことができる。
第６図は（透明な）基板１１上の検出器５２を示し、入
射放射線ｈνは反射グレーティング６１の手段によって
検出器５２に結合される。図示されている（二次元と理
解される）検出器アレーは例えば、カメラの焦平面媒質
として使用できる。グレーティングの代わりに、拡散散
乱（荒らされた）表面も結合に利用できる。
第７図は、コンタクト層１２を有する基板１１にょって
支持されるコンタクト層１４．７３に関する２つの超格
子７１と７２を示す。超格子７１と７２は、ある異なる
波長で吸収をもたらすように選択された異なる材料より
生成される。　　ある入射放射線成分ｈν　とｈν２は
それぞれ超格子７１と７２によって吸収され、電圧Ｖ１
とｖ２を生成するように示されている。簡単のために第
７図では放射線は超格子に垂直入射のように示されてい
るが、光学結合は第１図、第５図及び第６図に示される
形のいずれでもよい。第７図に示されるスタック配置は
コンタクト７３を省略することによってスペクトロメー
タとして使用でき、コンタクト１２と１４との間には、
広いスペクトル応答が得られる。広いあるいは所定のス
ペクトル応答を実現するには、適当な数の量子井戸がコ
ンタクト１２と１４の間に存在する限り、擬量子井戸の
組合が必要とされない。逆に高い波長選択性を必要とす
る応用では量子井戸の高均一性が望ましい。
第７図のスタック配置を第６図のアレーと結合すること
によってカラーカメラが実現できる。カラーカメラはス
タック状センサがなくても実現でき、そのとき異なる波
長でピーク感度を有する検出器は焦平面アレーに、例え
ば周期的に交換する形で配置される。
検出器アレーは、第８図に示されるよう付属の電子部品
とモノリシック的に共通基板上に集積されるのか望まし
い。第８図は基板ｌｌ上の検出器アレー８１を示し、ア
レー８１は例えば第６図のように検出器の二次元配置か
らなる。検出器は電気的には、行処理電子部品８２及び
列処理電子部品８３に接続され、それらはイメージ処理
装置８４と一緒に基板１１上に配置される。
超格子検出器構造は、適当な■属、■−Ｖ属あるいは■
−■属材料のインタリーブされた第１及び第２層によっ
ても実現できる。１つの実施例では■原材料が用いられ
、量子井戸はｐ−ドープされ、素子動作は価電子帯キャ
リアの励起に関係する。伝導帯電子の励起に関係する他
の実施例は、ｎ−ドープ量子井戸を有する■−Ｖ属ある
いは■■属材料の利用に基づく。他のドーピングでもよ
い。
８から１４μｍの“大気の窓“の波長の検出に非常に適
するのは、ガリウム砒素量子井戸及びアルミニウムガリ
ウム砒素障壁層を有するヘテロ構造素子である。１０μ
ｍの放射線の検出に適する量子井戸幅は６．５ｎｉ以下
で、適する障壁幅は少なくとも２ＯｎＩＩである。他の
典型的な■−ｖ属材料系は、アルミニウムインジウム砒
素とインジウムガリウム砒素の組合わせ、及びインジウ
ム燐、インジウムガリウム砒素量の組合わせである。
さらに、許容できる低暗電流を保つには、ｎ−タイプ素
子のドーピングは５Ｘ１０１８Ｃ１１−３以下が望まし
く、　同様にｐ−タイプ素子のドーピングは５　Ｘ　１
１０１９ｃＩ’以下が望ましい。さらに暗電流は障壁の
形に依存し、それは方形、ステップ状あるいはグレード
状（例えば線状にあるいは放射線状）であることができ
、また障壁の形状は、励起されたキャリアが輸送され、
収集される容易さにも影響する。
素子の製造は典型的には、例えば分子ビームエピタキシ
（ＭＢＥ）あるいは金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）で
実現されるような高制御条件での基板上の超格子製造に
関係する。そのような製造技術は例えば、ニー・ワイ・
チョウ（Ａ、Ｙ、Ｃｈｏ）によって文献“■−ｖ属化金
化合物半導体材料素子の最近の発展”の中で、スプリン
ガーハーラグ（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ）出版
の１９８５年第１７回半導体物理国際会議論文集（Ｐｒ
ｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　１７ｔｈ　ＩｎＬ
ｅｒｎａｔｉＯｎａｌ　　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　　ｏ
ｎ　　ｔｌ＋ｅ　　Ｐｈｙｓｉｃｓ　　ｏｒ　　Ｓｅｍ
＋ｃｏｎａｕｃｔｏｒｓ）第１５１５−１５２４頁のジ
エー・デー・チャデイ　（Ｊ、Ｄ、Ｃｈａｄｉ）らの文
献、及びアール・デー・デュプイス（Ｒ，Ｄ、Ｄｕｐｕ
ｊｓ）によって、１９８４年のサイエンス第２２６巻筒
０２３−８２９頁の文献“■Ｖ属半導体の金属有機化学
蒸着（ＭＯＣＶＤ）”の中で述べられている。
本発明の検出器の利点（例えば水銀カドミウムテルル検
出器と比べて）は次のものである。
（１）適当な大きなサイズ、高品質、安価な基板が簡単
にてきる。
（２）良い■−ｖ属と■属成長、処理、及びバッシベー
ション技術、特に高均一性、再現性、及び直径３インチ
（約７．６ｃｍ）あるいはそれ以上の基板上における位
置制御ををする分子ビームエピタキシャル（ＭＢＥ）成
長を含む技術が利用できる。
（３）例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、電荷結
合素子（ＣＣＤ）、及び高速信号処理電子部品のような
シリコンやガリウム砒素デバイスとのモノリシック集積
が可能である。
（４）吸収特性の設計（例えば大気の窓でのピーク吸収
波長を変える）が組成の選択によって簡単にてきる。
（５）優れた熱安定性を有する。
次の実施例は、インタリーブされたガリウム砒素／アル
ミニウムガリウム砒素層の超格子で実現されている素子
の構造及び特性を示す。全ての数値は公称値あるいは近
似である。
実施例： ガリウム砒素半絶縁基板上に１μｍのガリウム砒素コン
タクト層が堆積され（ドープされたロー−２刈０１８Ｃ
，−３）％次に５０周期の４０ｍガリウム砒素量子井戸
層（ドープされたｎ　＝　２　Ｘ　１０１ｇｃｍ−３）
及び３０ΩｍのＡｌＯ°３１ＧａＯ゛６９Ａｓ非ドープ
障壁層、（約２５０ｍＶの障壁高さをもたらす）からな
る超格子検出器構造が生成される。０，５μｍのガリウ
ム砒素トップコンタクト層が堆積され、ドープされたｎ
　＝　２　Ｘ　１０１８ａ１１−”）　テ、２００μｍ
ノ直径を有するメサは標準のフォトリソグラフィ処理に
よって生成され、コンタクトのメタライゼーションは蒸
着によって提供される。
応答特性Ｒのスペクトル依存性を／ｉｐ＋定するた■ めに、白熱赤外光源が用いられ、検出器の温度は７７に
１バイアス電圧は、４Ｖ、負荷抵抗は１００にΩである
。第４図から分かるように、応答はｈν＝　ｌ１９２ｃ
ｒａ−’でピークを有し、Δｈ　！／　−１５５ｃｍ　
−１（つまりΔシ／シー１３％）の狭いスペクトル幅を
白゛する。暗電流は４．５μＡである。
検出効率を決めるために、検出器の雑音は同じ条件でス
ペクトルアナライザによって１ｌＰｌ定され、単位バン
ド幅当りの雑音電圧は、４　ｋｌｌｚの光チヨツピング
周波数では５０ｎｖｌｌｚ−１／２で、１．７ｐＷＩＩ
ｚ　−１／２の雑音等価パワーに対応する。素子面積で
規格化された検出効率はＤ　　−１，ＯＸ１０ニ０＊ である。
検出器の速度は、パルスレーザ−からの放射及び５０Ω
の負荷抵抗で測定されている。得られた５ＩＩｓの応答
時間は回路によって制限されたもので、数ギガヘルツの
素子能力を保証する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の第１の実施例による放射線検出器の
概略側面図； 第２図は、電気的にバイアスされ、半導体ヘテロ構造を
用いて構成される第１図の放射線検出器に対応するエネ
ルギーバンドの概略図；第３図は、電気的にバイアスさ
れ、量子井戸がドープされた領域によって形成される半
導体ホモ構造を用いて構成される第１図の放射線検出器
に対応するエネルギーバンドの概略図； 第４図は、第１図の素子上に入射されるフォトンエネル
ギーを関数とする応答特性を表わす図；第５図は、本発
明の第２の実施例による放射線検出器アレーの概略側面
図； 第６図は、反射放射線結合手段を含む本発明の第３の実
施例による放射線検出器アレーの概略側面図； 第７図は、本発明の第４の実施例による２波長検出器の
概略側面図： 第８図は、本発明の第５の実施例によるモノリシック集
積素子の概略透視図である。 １１・・・基板 １２、１４、７３・・・コンタクト層 １３、７１、７２・・・超格子 ２１、　３１・・・量子井戸 ２２、３２・・・障壁 ２３、３３・・・連続エネルギーバンド２４、３４・・
・単一束縛エネルギー状態５１・・・プリズム ５２・・・検出器 ６１・・・反射グレーティング ８１・・・検出器アレー ８２． ８３・・・電子部品 ８４・・・イメージ処理装置 出 願 人：アメリカン テレフォン アンド ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、　４ 波長　入（μｍ） フォトンエネルギーｈν（ｃｍ’） ＦＩＧ、　１ ＦＩＧ、５ ＦＩＧ、　６

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）基板に支えられるコンタクト層（例えば１２、１
    ４）の間の半導体超格子（例えば１３）と、この超格子
    はインタリーブされた量子井戸（例えば２１）及び障壁
    （例えば２２）からなり、量子井戸は価電子帯束縛エネ
    ルギー状態あるいは伝導帯束縛エネルギー状態のいずれ
    かの束縛エネルギー状態を有する層からなり、 この量子井戸は放射線によるキャリア励起のために導入
    され、 この励起は価電子帯束縛エネルギー状態から価電子帯連
    続エネルギー状態へ、あるいは伝導帯束縛エネルギー状
    態から伝導帯連続エネルギー状態へ行なわれ、 障壁層（例えば２２）の厚さは量子井戸層（例えば２１
    ）の厚さより大きく、 ある波長で入射電磁放射線に応答して、電気的な効果を
    生成することを特徴とする量子井戸放射線検出素子。
  2. （２）障壁層の厚さは量子井戸層の厚さの３倍以上であ
    ることを特徴とする請求項１記載の量子井戸放射線検出
    素子。
  3. （３）波長は３μｍ以上であることを特徴とする請求項
    １記載の量子井戸放射線検出素子。
  4. （４）波長は３μｍから１５μｍの範囲内であることを
    特徴とする請求項３記載の量子井戸放射線検出素子。
  5. （５）超格子は異なる材料のインタリーブされた層から
    なることを特徴とする請求項１記載の量子井戸放射線検
    出素子。
  6. （６）超格子はIV属半導体材料からなり、量子井戸層は
    、ｐ−ドープされることを特徴とする請求項５記載の量
    子井戸放射線検出素子。
  7. （７）検出器はモノリシックにシリコン半導体素子集積
    されることを特徴とする請求項６記載の量子井戸放射線
    検出素子。
  8. （８）超格子はIII−Ｖ属半導体材料からなり、量子井
    戸層は、ｎ−ドープされることを特徴とする請求項５記
    載の量子井戸放射線検出素子。
  9. （９）検出器はモノリシックにガリウム砒素半導体素子
    集積されることを特徴とする請求項８記載の量子井戸放
    射線検出素子。
  10. （１０）ある異なる波長に応答する検出器からなるスタ
    ックを形成する複数の検出器からなることを特徴とする
    請求項１記載の量子井戸放射線検出素子。
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