JPH0332071A - 赤外線検出器 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野） この発明は、超格子構造を利用した赤外線検出器の構造
に関するものである。

（従来の技術） 近年、超格子構造を利用した赤外線検出器の開発が活発
に行なわれているが、これは、超格子構造の赤外線検出
器がｌｌｇｃｄＴｅを用いた赤外線検出器に比べて製造
し易く且つ長期間安定性がある等の利点があるためであ
る。

第３図は、例えばＡｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｆｔ、
　Ｖｏｌ、５０（１９８７）Ｐ、１０９２に示されてい
る従来の超格子構造を利用した赤外線検出器を示す断面
図であり１図中、（１）は半絶縁性ＧａＡｓ基板、（２
）はＮ　−ＧａＡｓコンタクト層、　（３１）は５０大
のＧａＡｓウェル層と９５入の入党。＊５Ｇａｏ、　、
７ＢＡｓＢＡｓバリア層周期から成る超格子層、（４）
はＮ　−ＧａＡｓコンタクト層、（５）は金ワイヤ、（
６）は赤外線、である。超格子層（３１）はバリア層と
ウェル層を交互に５０周期積層して構成されていて、最
下層はコンタクト層（２）に接したバリア層をなし、最
上層はコンタクト層（４）に按したバリア層をなす、こ
の超格子層（３１）のＡ文組成比を第４図に示す。

このように構成された赤外線検出器では、量子効果によ
りＧａＡｓウェル層内（局所基底状態Ｅ。□と局所励起
状態Ｅ　ｎｅｔの２つのサブバンド状態が形成される。

順パイアイスをかけていない状態での伝導帯のエネルギ
ーバンド及びＥ。Ｈ，Ｅｎｔｌを第５図に示す、また、
例えば、コンタクト層（２）に正電位を、コンタクト層
（４）に負電位をそれぞれ印加して超格子層（３１）に
順バイアスをかけると、エネルギーバンドは第６図に示
すようになる。この状態で赤外ｍ（６）が入射すると、
Ｅ　ｎＷＩの基底状態にある電子は赤外線を吸収してＥ
　ｎｆｉ２の励起状態に励起される。この励起された電
子（３２）はトンネル効果によってバリア層を通り抜け
て隣接したウェル層のＥｎｌの励起状態に移る。

この電子の移動が各ウェル層と各バリア層で生ずること
によって光電流が流れる。この光電流はコンタクト層（
２）　、　（４）　、金ワイヤ（５）を通って赤外線検
出器の外部で検知される。

（発明が解決しようとする課題） ＨｇＣｃｌＴｅのような伝導帯と価電子帯の間の遷移を
利用する赤外線検出器では、伝導帯と価電子帯の状態密
度はエネルギーの１／２乗となっているため、バンドギ
ャップよりかなり大きなエネルギーの赤外線でも容易に
吸収するので、赤外線吸収スペクトルの半値幅は比較的
広い。これに対して。

従来の超格子を利用した赤外線検出器は、上述のように
、サブハント間の遷移を利用するものであって、各サブ
バンドの状態密度は階段状になっており、電子は局所基
底状態のエネルギーの近傍にほとんど存在するので、赤
外線吸収スペクトルの半値４１１１１ｇＣｄＴｅの場合
に比べてかなり狭く、８〜１４μｍの波長を有する赤外
線のうちの一部を検知することができるだけである。

この発明は上記のような、従来の超格子を利用した赤外
線検出器が有する問題点を解消するためになされたもの
で、広いスペクトル範囲の赤外線を検知することができ
る赤外線検出器を得ることを目的とする。

（課題を解決するための手段） この発明に係る赤外線検出器は、：ａ数個のウェル層の
各層厚を変えて超格子層を構成したものである。

〔作用〕

この発明における赤外線検出器は、超格子層の′！４１
数個のウェル層の層厚がそれぞれ異なるため、局所励起
状態と局所基底状態のエネルギー差が各ウェル層によっ
て異なるので、赤外線吸収スペクトルも各ウェル層で異
なり、その結果、半値幅の広い赤外線吸収スペクトルが
得られる。

（実施例） 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の一実施例による赤外線検出器を示す断面
図であり、（３）は各バリア層の層厚を同じにし各ウェ
ル層の層厚を順次変化させて形成した超格子層である。

その他の構成は第３図に示す従来の赤外線検出器と同じ
である。

第２図は第１図示の赤外線検出器における超格子層にバ
イアスがかかつていない場合のエネルギーバンドを示す
０図中、Ｌ、はｍ番目のウェル層の層厚、Ｅ÷、、はｍ
番目のウェル層内の局所基底状態のエネルギー、ＥＬｔ
はｍ番目のウェル層内の局所励起状態のエネルギー、λ
、はｍ番目のウェル層内の赤外線吸収スペクトルのピー
ク波長。

をそれぞれ示す。

超格子層のウェル層内の各サブバンドのエネルギーは、
量子効果のない場合、つまりバルクの場合の伝導帯の基
底状態をＯとすると。

なる式で表わされる。ここで、Ｅ、：ｎ番目のサブバン
ドのエネルギー、ｈニブランク定数。

ｍｌ　：電子の右動質量、π：円周率、ｎ：量子数、Ｌ
：ウェル層厚、である。

（１）式を用いて２局所励起状通、つまりｎ＝２の場合
のエネルギーＥ　ｎＷＩと、局所基底状態、つまりｎ＝
１の場合のエネルギーＥ　ｎｚｌの差は、となる、また
、赤外線吸収スペクトルのピーク波長λは、 で表わされる。但し、Ｅ　ｎｇ２　　Ｅ　ｎｉｌはエレ
クトロン・ボルト（ｅＶ）単位である。

（２）式から、Ｅ　ｎｔｌ　−Ｅ　ｒｉｍｌはり、つま
りウェル層厚に依存していて、Ｌが大きくなる程小さく
なり、また、（３）式から赤外線吸収スペクトルのピー
ク波長λはＥｎ５□−Ｅ、、□が小さくなる程長くなる
ことかわかる。そこで、第２図に示すようにウェル層厚
をり、、Ｌ２．・・・・Ｌ、−、、Ｌ、と順次変えてゆ
くと、局所励起状態のエネルギーはＥ　ｎｓｌ　、Ｅｎ
＊ｌ　＋　・・・・ＥＬ；Ｉ　、　Ｅπ□、局所励起状
態のエネルギーはＥＬ、□＋　Ｅｎ＊２　ｔ　・・・・
Ｅ　：；４゜Ｅ：１１２１赤外線吸収スペクトルのピー
ク波長はλ３、λ２、・・・・λ１１、λ１とそれぞれ
変化する。これらの大小関係は、Ｌ　ｌ＜　Ｌ　２　（
・・・・くり、、＜Ｌ、とすれば、上述の（１）　、　
（２）、　（３）の各式から ＥＡヨ＋　　＞ＥＬ＋　　＞・・・・＞Ｅ：；ｌ　　＞
Ｅ雲、菫　、ＥＡ＝＋ａ　＞ＥＬ　＞・・・・＞Ｅ：；
！　＞Ｅ＊＝ｚ、Ｅ具！２−ＥＬ＋　＞Ｅ、−ｔ　−Ｅ
：ｔｌ　＞・・・・〉ＥＬ；具−Ｅ＊；Ｉ　＞ＥＬ８□
−ＥＬ１、λ１〈λ２〈・・・・〈λ、−１〈λ１、と
なる。

このように、各ウェル層て赤外線吸収スペクトルのピー
ク波長が少しずつ異なるため、ウェル層全体では赤外線
吸収スペクトルの半値幅が広がる。また、第２図におい
て、局所励起状態のエネルギーバンドｘが最大で層厚り
が最小のウェル層（図の左端）に負電位を印加し、局所
励起状態のエネルギーＥ　ｎ＋ｗＲが最小で層厚しが最
大のウェル層（図の右端）に正電位を印加する方が、電
子がバリア層を抜けて常により低い局所励起状態の側に
流れることになるので、電流が流れ易い。

なお、上記実施例ではＧａＡｓ系材料の赤外線検出器の
みについて述べたが、他の材料、例えば、ＩｎＧａＡｓ
、　ＩｎＰ　、　ＩｎＧａＰ等のｍ−ｖ族生導体で構成
された赤外線検出器においても同様の効果がある。

（発明の効果） 以上のように、この発明によれば、複数個のウェル層の
層厚がそれぞれ異なる超格子構造を有しているので、赤
外線吸収スペクトルの半値幅が広くなるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による赤外線検出器の構造
を示す断面図、第２図は第１図示の赤外線検出器の超格
子層のエネルギーバンドを示す図、第３図は従来の赤外
線検出器の構造を示す断面図、第４図は第３図示の赤外
線検出器の超格子層のＡ文含有率を示す図、第５図は第
３図示の赤外線検出器の超格子層のエネルギーバンドを
示す図、第６図は第３図示の赤外線検出器の超格子層に
バイアスを印加した場合のエネルギーバンド及び電子の
流れを示す図、である。 図において、（２）、（４）はコンタクト手段、（３）
は超格子層、（６）は赤外線、である。 なお、各図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ウェル層とバリア層が交互に積層されて形成され
   た超格子層と；該超格子層を電気的にバイアスし、該超
   格子層に入射した赤外線に応答して電気信号を検出する
   コンタクト手段と；を備え、上記ウェル層内に局所基底
   状態と局所励起状態からなる少なくとも２つのサブバン
   ド状態を有し；上記超格子層の複数個のウェル層の層厚
   がそれぞれ異なるように構成された赤外線検出器。