JPH03505390A - 光放射の検出及び処理装置 - 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】 光放射の検出及び処理装置 本発明は光放射の検出用デバイスに関する。

長波長光検出器（５マイクロメートル以上）は２つのデバイスのグループに大別 される：（１）　　光電効果半導体検出器 （２）　　ホトサーミック（ｐｈｏｔｏｔｈｅｒｍｉｃ）検出器１番目の場合、 これらの検出器は低温でのみ動作する。実際、これらのデバイスの動作原理は、 ２つのエネルギーレベルＥ１とＥ２の間の光遷移による自由キャリアの発生に基 づいている。応用の種類によりニ ア　外来光伝導体の場合、エネルギーレベルＥ、はトラップレベルであり、Ｅ２ は伝導帯である。

イ　真性光伝導体、光起電力等の場合、エネルギーレベルＥ、は価電子帯であり 、Ｅ２は伝導帯である。

ウ　ショットキー検出器において（Ｅ２−Ｅｌ）は障壁の高さである。

もし電磁波によりエネルギーの低い（例えば１１０ｍｅＶ）遷移が生ずるならば 、周囲温度でのフォノン（Ｐｈｏｎｏｎｓ）はエネルギーが十分高＜　（２５ｍ ｅＶ）、この遷移の発生が非常に多い。言い換えれば、暗電流はデバイス内では 周囲温度において非常に大きく、光検出器の検出率（インピーダンスに類似）は 極端に低い（Ｄ　”−１０’ｃｍ−Ｆ■／Ｗ）。

２番目の場合、すなわちホトサーミック検出器の場合、電磁波の吸収による温度 の増加により、焦電材料の誘電率が変化する。１番目のグループのデバイス（光 電効果半導体検出器）に比較しこれらの検出器は周囲温度で動作する。関連した レベルの間に光遷移が含まれているので、これらの材料の導電率は変らないが、 容量性構造のインピーダンスは非常に大きな値のままで、高い増幅度を示す。

本発明の主題は不斉量子井戸内にある関連したレベルの間の遷移を利用した容量 性検出構造についてである。これらの検出器の利点を示すと次の通りである： （１）　　周囲温度においても非常に高いインピーダンスが得られることで、こ れにより増幅度が高（周囲温度において検出器として利用できる。

（２）　　半導体技術により製造できることと、半導体システム内に集積の実現 性があること。

従って、本発明の主題は光放射の検出用デバイスであり、前記デバイスが不斉合 成体の量子井戸を少な（とも１つ有する非直線結晶体からなることを特徴として おり、前記井戸は材料に異なるギャップを有した層スタック（ｓｔａｃｋ）から なる。

本発明の主題は更に、前述のような検出デバイスを製造する過程であり、不斉量 子井戸のスタックを構成している材料の種々の層がエピタキシーで組み立てられ ていることを特徴としている。

第１図は本発明による構造の例を示し、第２図は本発明によるエネルギー図を示 し、第３図は本発明による量子井戸スタック図を示し、 第４図は入射波長の関数である光整流の係数の変化を示す曲線を示し、 第５図は第１図のデバイスに電界効果トランジスタを有する集積構造を示し、 第６図は構造が分極することを示す量子井戸スタック図を示し、 第７図は周波数ダブリング（ｄｏｕｂｌｉｎｇ）係数の変化曲線を示し、 第８図はヘテロゲインによる光検出装置を示している。

以下図面に基づき本発明を更に詳しく説明する。

第１図は本発明による検出器の単純化した構造を示しており、第２図はこの検出 器のエネルギー図を示している。この検出器には基板１の上に、ある半導体材料 とそれと同じ半導体材料の２つの層２．５の間にクランプされた異なる半導体材 料３．４の２つの層がある。これらの種々の層の材料は、層３．４が第２図に示 す不斉量子井戸を構成するように選択されている。このため、層３．４の材料に は異なる伝導ポテンシャルがある。

例として、次のような材料が選択される二基板１として：不純物および、半絶縁 とｎ゛でドーピングされたＧａＡｓの緩衝層 １′であるａ（原文のまま）で ドーピングされたＧａＡｓ　； 層２として：Ｘが０と１の間のＡＡ　ｘＧａ＋−ｘＡｓ；Ｈ３として：ＧａＡｓ ； 層４として：ｙがＯとＸの間のＡｌ２ｙＧａ＋−ｙＡｓ　；層５として：Ｘが０ と１の間のＡ２１Ｇａｌ−ＪＳ（Ｘは層２と同じ）； 層６として：００タイプ不純物でドーピングされたＧａＡｓ。

電荷ポテンシャル測定装置■を接続するように層ｌと６の上に接触がある。

Ｓｉ／５ｉＧｅまたはＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｎ　Ａｓ等によるヘテロ構造のよう なその他のへテロ構造が想像されることに注意すべきである。

必要不可欠な事は、第２図に示すように不斉量子井戸を取り入れたデバイスを形 成することである。

第２図には接地状態Ｅ０と励起状態Ｅ１の位置を示しており、それは各状態の電 子の存在確率と同じである。合成体と量子井戸の幅は、ＥｌＥｏが検出しようと する波長に対応するように最適化されている。各状態の電荷のパリセンタ（ｂａ ｒｙ　ｃｅｎｔｒｅ）も示されている。照射のもとでは、２つの状態の遷移によ り、一番深い井戸の固定された電荷と状態Ｅ１の電界の間に、電子的に検出可能 なダイポール（ｄｉｐｏｌｅ）が生ずる。更に、この不斉により光整流や光ヘテ ロゲインのような光の非直線現象が生ずる。

第３図には、第１図と第２図の不斉合成体の量子井戸スタックのような量子井戸 スタックからなる構造を示している。

前述のようなＧａＡｓやＡρＧａＡｓによる構造を周囲温度に置くと、Ｅ、−Ｅ ｏの値が１２０ｍｅＶならば２つの状態のポピユレーションレシオ（ｐｏｐｕｌ ａｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏ）はｎ＋／ｎｏ　＝　１％である。状態Ｅ。は第３図の 全ての状態に対し絶縁されるように十分深く取られている。

ダイポールの検出は、本発明に基づき第１図の装置■を用いて表面電荷ポテンシ ャルを検出することにより行われる。

表面ポテンシャルは２つの効果に起因している： （１）　　検出されるべき放射によって生ずる熱から発生する焦電効果； （２）＠出されるべき放射の光整流効果。

無電効果に関し、井戸のドーピングのオーダーが１０”ｃｍ−”、寿命が０．１ ４ｐｓならば、厚さが１μｍの容量性ダイオードの感度は周囲温度で１０μＶ／ Ｌｃｍ−”であり、この検出は早い（原文のまま）ということが計算により示さ れている。

光整流効果に関し、第４図は入射波長の関数である検出媒質（量子井戸の窓）の 光整流係数Ｄ０″ｗ−ｗの変化を示している（アムノン　ヤリブサン　インコー ポレーション（Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ　ａｎｄＳｏｎｓ　Ｉｎｃ、）出版、ニュ ーヨーク、の文献で“クオンタム　エレクトロニクス（Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅ ｃｔｒｏｎｉｃｓ）　”１６章−イントロダクション　ツー　ノンリニヤ−オブ テイクス（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｎｏｎ１ｉｎｅａｒＯｐｔｉｃｓ ）−セカンド　ハーモニック　ゼネレーション（Ｓｅｃｏｎｄ　Ｈａｒｍｏｎｉ ｃ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）、４０７頁から４０９頁を参照）。例として、波長 が１０．６マイクロメータの場合、コンデンサの端子で、１ワツト、１平方セン チメートル当たり、はぼ１．６マイクロボルトのポテンシャルが検出される。ｈ 　＝　Ｅ＋　−Ｅ。

に対し感度があることがよく判る。

検出信号が焦電、光整流および光容量効果による検出からなることを再び述べる 。

更に、第１図または第３図のデバイスで受信される放射には、媒質の実効指数の 変化も示す。実際、ダイポールが発生することにより、第６図に示すように媒質 の静分極が変化する。この図において、矢印はダイポールの容量を測定するため 、交番電界の影響のもとてのダイポールの動きを示している。この分極はホイー ストン（原文のまま）ブリッジ、または誘導器、抵抗器、コンデンサを組合せた 同調回路によりすばやく検出できる。

感度を上げるために、メカニカル（ｍｅｃｈａｎ’１ｃ−ａｌ）変調器または電 気光学変調器により光を変調することができる。

デバイスの表面でポテンシャルを検出することにより得られる検出デバイスの動 作は、本発明に基づき、不斉量子井戸からなる検出構造により行われているが、 その検出デバイスは電界効果トランジスタのソースまたはゲートの所にまとめら れている。

第５図には集積デバイスのように示してあり、その中で検出デバイスＤＥＴは不 斉量子井戸スタックを構成しており、電界効果トランジスタのソースにまとめら れている。

第５図によると、本発明に基づく構造は例としてヒ化ガリウムで構成され、次の ものから成っている： （１）　　半絶縁ＧａＡｓ基板上には、ｎドーピングされており、ソースとドレ インから構成されたｎ＋トド−ングの２つの領域からなるＧａＡｓ０層； （２）トランジスタのゲートを構成し、２つの０９ドーピング領域の間にある金 属層；（３）　　不斉量子井戸スタックから構成され、トランジスタのソースの ０３ドーピング領域の上にある検出デバイスＤＥＴ　。

（４）トランジスタの接続の他に検出デバイスの側面も絶縁させる絶縁層ＩＳＯ 。

（５）　　デバイスＤＥＴの上面をトランジスタのゲートに接続する金属接続部 ＣＸＩ　　。

（６）トランジスタのドレインに接続し出力信号を供給する金属接続部ＣＸＯ。

デバイスＤＥＴの上面には窓ＦＥがあり、前記窓には絶縁体と金属接続部がない が、デバイスＤＥＴ上で放射を行う。放射は、第５図に示すようにメカニカルま たは電気光学変調器によりデバイスＴ）ＥＴに伝送される。

このように、デバイスＤＥ丁によりソースとゲートの間にポテンシャルが生ずる 。ドレイン接続部ＣＸ０Ｏ上で、デバイスＤＥＴに供給される放射密度に比例し た出力信号が検出される。

本発明の装置は、さらにヘテロゲインによる光検出装置に適用される。

すでに示した様に、状態Ｅ。と状態Ｅ、の中の波動関数の不斉により非直線光係 数ｄ　２ＷｌｌＷＯＷが非常に大きくなる（前述のアノンヤリプの文献とジャー ニック（ＧＵＲＮＩＣＫ）他著、ＩＥＥＥ　　ジャーナル　オブ　ダインタム　 エレクトロニクス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＱｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉ ｃｓ）ＮＯ５，１９８３年５月発刊の“シンセティック　ノンリニア　セミコン ダクタ（Ｓｙｎｔｂｅｔｉｃ　Ｎｏｎ１ｉｎｅａｒ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏ ｒｓ）、およびり、サンプ（ＴＳＡＮＧ）著、アプライドフィシツク（Ａｐｐｌ ｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃ）　　（原文のまま）レター５２（９）、１９８８年２月 ２９日発刊の“エレクトリック　フィールド　コントロール　オブ　オプティカ ル　セカンド　ハーモニック　ジェネレーション　インア　ダインタム　ウェル （Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｃｏｎｔｒｏｌｏｆ　ｏｐｔｉｃａｌ　５ｅ ｃｏｎｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｑｕａｎｔｕｍ 　ｗｅｌｌ）”の文献を参照）。第７図には、第１図で取扱った例に対する構造 の光ダブリング係数ｄ２ｗ″１゛１の計算値を示している。波長が１０００μｍ の場合には、純粋なＧａＡｓ　（同じユニット）の場合の非直線係数が７２であ るのに比較して、非直線光係数が１７．０００（１／　９１０−２２Ｍ　Ｋ　Ｓ Ａ）である。これにより、検出される信号とポンプビーム（ｐｕｍｐｂｅａｍ） の間のへテロダイン検出器に対し非斉量子多重井戸を利用できる。

第８図には、その様な検出器の装置を示している。この装置は、再伝送する半反 射板の方向にレーザービームな放射するレーザー源と、一方では検出される物体 に向かう検出ビームＦｄと、他方では量子井戸スタックからなる検出デバイスＤ ＥＴに向かうポンプビームＦｐから構成されている。

デバイスＤＥＴは、Ｆｄが検出される物体から反射されることにより発生するビ ームＦ１を受ける。

ビームＦ１はポンプビームＦｐによりデバイスＤＥＴ内で増幅される。増幅され たビームはこのようにデバイスＤＥＴによって与えられ容易に検出される。

前述の記述が例から得られることは明らかである。本発明の範囲を越えることな （他の変形が予測される。特に数値例は記述を説明する目的のみのため与えられ ている。

ｄ　（Ａｎｇｓｔｒｏｍｌ Ｆ旧−９ 国際調査報告 ”ＰＣＴ／ＦＲ１１９１００２５３ Ｓ＾　　　２９１２４

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．不斉合成体の量子井戸を少なくとも１つ有する非直線結晶体からなり、前記 井戸が材料に異なるギャップを有する層スタックから成ることを特徴とする光放 射の検出用デバイス。
2. ２．検出装置が不斉合成体を有する多数の量子井戸のスタックから成ることを特 徴とする請求項１記載の検出装置。
3. ３．種々の量子井戸が実質的に等しい特性であることを特徴とする請求項１記載 の検出装置。
4. ４．検出装置が量子井戸のスタックの端に接続されているポテンシャル測定装置 から成ることを特徴とする請求項２または３のいずれか１つに記載の検出装置。
5. ５．検出装置が電界効果トランジスタからなり、量子井戸のスタックの一番端の ２つの層の間に生ずる電圧により電界効果トランジスタが制御されるように、多 数の量子井戸のスタックが電界効果トランジスタのドレインまたはゲートの所に 集められていることを特徴とする請求項４記載の検出装置。
6. ６．予め決められた波長を検出するようにされた１番目の光ビームを受け、検出 装置が更に１番目のビームと同じ波長の２番目の光ビームの補助ソースからなり 非直線結晶体内の前記１番目のビームで妨害されることを特徴とする請求項２ま たは３のいずれか１つに記載の検出装置。
7. ７．不斉量子井戸のスタックを構成する材料の種々の層がエピタキシーから組み 立てられることを特徴とする前述の請求項のいずれか１つに記載の検出装置を構 成する方法。