JPH04320068A - Infrared ray image sensor - Google Patents

Infrared ray image sensor

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JPH04320068A
JPH04320068A JP3086572A JP8657291A JPH04320068A JP H04320068 A JPH04320068 A JP H04320068A JP 3086572 A JP3086572 A JP 3086572A JP 8657291 A JP8657291 A JP 8657291A JP H04320068 A JPH04320068 A JP H04320068A
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JP
Japan
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layer
type
infrared
semiconductor layer
resistance semiconductor
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Application number
JP3086572A
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Japanese (ja)
Inventor
Hirotaka Kinetsuki
弘隆 杵築
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Filing date
Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide a planar type infrared ray image sensor in which an optical transition is allowed even if an infrared ray is incident perpendicularly to a main surface or a rear surface of a semiconductor device. CONSTITUTION:A high resistance semiconductor layer 2, a spacer layer 3 of a high resistance semiconductor layer having smaller electron affinity than that of the layer 2, and a carrier supply layer 4 are sequentially laminated on a semi-insulating GaAs substrate 1, and an electron storage layer is formed in one dimensional manner only near the bottom of a recess of the layer 3 near a boundary between the layers 2 and 3. Thus, an optical transition occurs even by an infrared ray incident perpendicularly to detect the ray.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明は、エレクトロニクスの分
野において、赤外線、特に波長8〜12μm帯の赤外線
に応答する赤外線撮像装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention, in the field of electronics, relates to an infrared imaging device that responds to infrared rays, particularly in the wavelength band of 8 to 12 μm.

【0002】0002

【従来の技術】赤外線撮像装置、特に大気の窓となって
いる波長8〜12μm帯の赤外線に応答する赤外線撮像
装置は、衛星通信,リモートセンシング技術,さらには
防災管理システムなどへの適用が検討させるなど、近年
、広く注目を集めるようになってきた。これらの用途に
供される赤外線撮像装置に共通する課題として、多画素
化,高密度化および実装技術を含む製造技術の確立があ
げられ、多くの研究機関において精力的な研究開発がな
されている。これまで赤外線撮像装置の材料として主流
となっていた水銀カドミウム  テルル化物(HgCd
Te)は揮発性の高い材料であるため、取り扱いが困難
であり、多画素化には不向きであるなど、依然として製
造上の問題は解消されていない。これに対して、最近半
導体薄膜積層構造により形成される多重量子井戸(Mu
lti Quantam Well;以下、MQWとい
う)のサブバンド間遷移を応用したMQW型赤外線検出
装置が提案され、新しい可能性を開くものとして注目を
集めている。
[Prior Art] Infrared imaging devices, especially infrared imaging devices that respond to infrared rays in the wavelength range of 8 to 12 μm, which is the window into the atmosphere, are being considered for application in satellite communications, remote sensing technology, and even disaster prevention management systems. In recent years, it has been attracting widespread attention. Common challenges for infrared imaging devices used in these applications include increasing the number of pixels, increasing density, and establishing manufacturing technology including mounting technology, and many research institutes are actively researching and developing these issues. . Until now, mercury cadmium telluride (HgCd) has been the main material for infrared imaging devices.
Since Te) is a highly volatile material, it is difficult to handle and unsuitable for increasing the number of pixels, and problems in manufacturing still remain. In contrast, recently, multiple quantum wells (Mu
An MQW-type infrared detection device that applies the inter-subband transition of a quantum well (hereinafter referred to as MQW) has been proposed, and is attracting attention as a device that opens up new possibilities.

【0003】図5は、例えばアプライド  フィジック
ス  レターズ  1988年,53巻,296〜29
8頁(Applied Physics Letter
s,Vol.53 (1988) pp.296 〜2
98)に示されたMQW型赤外線検出装置の構造を示す
断面構造図である。図において、1は半絶縁性GaAs
基板、5,52はn+ −GaAs層、7,8はバイア
ス電極、13は赤外線、51は厚み1.73μmのAl
GaAs−GaAsMQW層(以下、端にMQW層とい
う)、53は赤外線入射窓である。ここで、MQW層5
1は、例えば厚み30nmのAlx Ga1−x As
(x=0.31)障壁層と、厚み4nmのGaAs井戸
層とを交互に積層して構成した多重量子井戸構造であり
、MQW層51に50ケの量子井戸が形成されている。 また、赤外線入射窓53は、半絶縁性GaAs基板1を
主面と45°の角度で斜め研磨して形成されている。
[0003] Figure 5 shows, for example, Applied Physics Letters 1988, vol. 53, 296-29.
Page 8 (Applied Physics Letter
s, Vol. 53 (1988) pp. 296 ~2
98) is a cross-sectional structural diagram showing the structure of the MQW type infrared detection device shown in FIG. In the figure, 1 is semi-insulating GaAs
Substrate, 5 and 52 are n+ -GaAs layers, 7 and 8 are bias electrodes, 13 is an infrared ray, and 51 is an Al layer with a thickness of 1.73 μm.
A GaAs-GaAs MQW layer (hereinafter referred to as an MQW layer at the end), 53 is an infrared incident window. Here, MQW layer 5
1 is, for example, Alx Ga1-x As with a thickness of 30 nm
(x=0.31) It has a multiple quantum well structure constructed by alternately stacking barrier layers and GaAs well layers with a thickness of 4 nm, and 50 quantum wells are formed in the MQW layer 51. Further, the infrared incident window 53 is formed by obliquely polishing the semi-insulating GaAs substrate 1 at an angle of 45° with respect to the main surface.

【0004】次に、このMQW型赤外線検出装置の動作
原理について説明する。図6はMQW層51のバンドギ
ャップダイヤグラムを表す図で、ここでは電界のかかっ
た状態を示している。図において、61は伝導帯、62
は価電子帯、63はGaAs量子井戸層、64はAlG
aAs障壁層である。電子は主としてGaAsとAlG
aAsとの電子親和力の差によってGaAs量子井戸層
63内に閉じ込められ、量子力学的効果によって離散的
なエネルギー準位を形成する。このとき、基底準位との
エネルギー差は主としてGaAs量子井戸層63の厚み
,AlGaAs障壁層64の厚み,AlGaAs障壁層
64におけるAlの組成比およびバンド形状により決定
されるある特定の値を取るが、図5に示した構造におい
ては、約0.15eVとなる。このエネルギーは光の波
長に換算して、約8.3μmであり、この波長の赤外線
が入射した場合、入射赤外線は吸収され、規定準位から
第1励起準位への光学遷移が生じる。さらに、図6に示
すように、上記第1励起準位はAlGaAsの伝導帯6
1と重なるように設計されており、赤外線入射によって
励起された電子は、MQW層51を伝導できるようにな
る。図5に示したMQW型赤外線検出装置は赤外線吸収
によるこの伝導度の変化を利用して、赤外線を検出する
ものである。
Next, the principle of operation of this MQW type infrared detection device will be explained. FIG. 6 is a diagram showing a bandgap diagram of the MQW layer 51, and here shows a state in which an electric field is applied. In the figure, 61 is a conduction band, 62
is a valence band, 63 is a GaAs quantum well layer, 64 is an AlG
This is an aAs barrier layer. Electrons mainly exist in GaAs and AlG
It is confined within the GaAs quantum well layer 63 due to the difference in electron affinity with aAs, and forms discrete energy levels due to quantum mechanical effects. At this time, the energy difference from the ground level takes a certain value mainly determined by the thickness of the GaAs quantum well layer 63, the thickness of the AlGaAs barrier layer 64, the composition ratio of Al in the AlGaAs barrier layer 64, and the band shape. , in the structure shown in FIG. 5, is approximately 0.15 eV. This energy is approximately 8.3 μm in terms of the wavelength of light, and when infrared rays of this wavelength are incident, the incident infrared rays are absorbed and an optical transition from the normal level to the first excited level occurs. Furthermore, as shown in FIG. 6, the first excited level is the conduction band 6 of AlGaAs.
1, and electrons excited by the incidence of infrared rays can be conducted through the MQW layer 51. The MQW type infrared detection device shown in FIG. 5 detects infrared rays by utilizing this change in conductivity due to infrared absorption.

【0005】ところで、量子井戸内に閉じ込められた電
子は、離散的なエネルギー準位を形成しているが、その
各々の準位の閉じ込め状態は、MQW層51に垂直な方
向に立つ定在波的な閉じ込め状態となっている。したが
って、量子井戸内の電子と相互作用し、光学遷移を起こ
させるのは、入射赤外線のうち定在波の立つ方向、すな
わちMQW層51と垂直な方向の電界成分のみである。 赤外線13の電界ベクトルの方向は赤外線の進行方向に
対して垂直な面内方向であるため、量子井戸内の電子と
相互作用させるためには、MQW層51に対して赤外線
13を斜めから入射させる必要がある。このため、図5
に示したMQW型赤外線検出装置においては、赤外線入
射窓53は半絶縁性GaAs基板1を主面と45°の角
度で斜め研磨して形成され、MQW層51に対して赤外
線13を斜めから入射させるように構成されている。
By the way, the electrons confined within the quantum well form discrete energy levels, and the confined state of each level is a standing wave standing in the direction perpendicular to the MQW layer 51. It is in a state of confinement. Therefore, only the electric field component of the incident infrared rays in the direction in which the standing wave stands, that is, in the direction perpendicular to the MQW layer 51, interacts with the electrons in the quantum well and causes an optical transition. Since the direction of the electric field vector of the infrared rays 13 is in the in-plane direction perpendicular to the traveling direction of the infrared rays, in order to interact with the electrons in the quantum well, the infrared rays 13 are incident on the MQW layer 51 obliquely. There is a need. For this reason, Figure 5
In the MQW type infrared detection device shown in FIG. It is configured to allow

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従来のMQW型赤外線
検出装置は以上のように構成されているので、赤外線1
3を斜めに研磨面から入射させなければならず、このた
め、複数の素子を集積して赤外線撮像装置を構成するの
は困難であった。さらに、MQW構造の厚みが2μm程
度となる縦型デバイスであるため、プレーナ型の素子、
例えばGaAsFETとの製造プロセスの整合性が悪く
、同一基板上に赤外線検出装置と、バイアス回路等の外
部回路とをモノリシックに形成し、赤外線撮像装置を構
成するのは困難であるなどの問題点があった。
[Problems to be Solved by the Invention] Since the conventional MQW type infrared detection device is constructed as described above, it is possible to
3 had to be incident obliquely from the polished surface, which made it difficult to integrate a plurality of elements to construct an infrared imaging device. Furthermore, since the MQW structure is a vertical device with a thickness of about 2 μm, it is a planar type element.
For example, there are problems such as poor compatibility with the manufacturing process with GaAsFETs, and the difficulty of constructing an infrared imaging device by monolithically forming an infrared detection device and external circuits such as a bias circuit on the same substrate. there were.

【0007】本発明は、上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、第1の発明においては、赤外線
が半導体装置の主面、または裏面に垂直に入射した場合
においても、光学遷移が許容される新しいプレーナ型の
赤外線撮像装置を得ることを目的とする。さらに、第2
の発明は、第1の発明にかかる赤外線撮像装置において
、光学遷移によって励起された電子が効率良く電気伝導
に寄与するためのバンド構造を提供することを目的とす
る。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and in the first invention, even when infrared rays are perpendicularly incident on the main surface or the back surface of a semiconductor device, the optical The purpose of this invention is to obtain a new planar type infrared imaging device that allows transitions. Furthermore, the second
An object of the invention is to provide a band structure in which electrons excited by optical transition efficiently contribute to electrical conduction in the infrared imaging device according to the first invention.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の発明に係
る赤外線撮像装置は、半導体基板上に第1種の高抵抗半
導体層と、この第1種の高抵抗半導体層より電子親和力
の小さい第2種の高抵抗半導体層と、n型のドープされ
た第2種の半導体層とを順次積層した層構造を有する赤
外線撮像装置において、上記第1種の高抵抗半導体層と
、上記第2種の高抵抗半導体層とのヘテロ接合界面に複
数の1次元電子蓄積層を形成する手段を含み、上記1次
元電子蓄積層を有する領域を挟んで互いに対向する領域
に設けられた一対の出力電極を含んで構成したものであ
る。
[Means for Solving the Problems] An infrared imaging device according to a first aspect of the present invention includes a first type of high-resistance semiconductor layer on a semiconductor substrate, and an electron affinity higher than that of the first type of high-resistance semiconductor layer. In an infrared imaging device having a layered structure in which a small second type high resistance semiconductor layer and an n-type doped second type semiconductor layer are sequentially laminated, the first type high resistance semiconductor layer and the second type doped semiconductor layer are stacked in sequence. A pair of outputs including means for forming a plurality of one-dimensional electron storage layers at the heterojunction interface with two types of high-resistance semiconductor layers, and provided in regions facing each other with the region having the one-dimensional electron storage layer interposed therebetween. It is configured to include electrodes.

【0009】さらに、第2の発明に係る赤外線撮像装置
は、第1の発明に係る赤外線撮像装置において、1次元
電子蓄積層が、上記第1種の高抵抗半導体層の面内方向
に少なくとも2つの閉じ込め状態を有し、上記2つの閉
じ込め状態のうち第2の閉じ込め状態のエネルギーレベ
ルが障壁のエネルギーレベルと重なるように形成したも
のである。
Furthermore, in the infrared imaging device according to the second invention, in the infrared imaging device according to the first invention, the one-dimensional electron storage layer has at least two layers in the in-plane direction of the first type high-resistance semiconductor layer. The energy level of the second of the two confinement states overlaps the energy level of the barrier.

【0010】0010

【作用】本発明における赤外線撮像装置は、半導体のヘ
テロ接合界面に1次元電子蓄積層を形成したことにより
、上記ヘテロ接合界面に対して垂直入射した赤外線によ
っても、光学遷移が生じ、赤外線を検出することができ
る。また、ヘテロ接合を利用したプレーナ型の赤外線撮
像装置であるので、例えば電界効果型トランジスタなど
の多の半導体装置との製造プロセスの整合性が良いので
、上記赤外線検出装置と、光電流増幅回路とを同一基板
上に集積化し、これらを複数個並べて容易に赤外線撮像
装置を構成することができる。
[Operation] In the infrared imaging device of the present invention, by forming a one-dimensional electron storage layer at the heterojunction interface of a semiconductor, an optical transition occurs even with infrared rays incident perpendicularly to the heterojunction interface, and the infrared rays are detected. can do. In addition, since it is a planar infrared imaging device that uses a heterojunction, the manufacturing process is compatible with many semiconductor devices such as field effect transistors, so the infrared detection device and photocurrent amplification circuit described above have good compatibility. An infrared imaging device can be easily configured by integrating a plurality of infrared rays on the same substrate and arranging a plurality of them.

【0011】[0011]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図について説明す
る。図1は本発明の赤外線撮像装置の一実施例の構造を
示す斜視図である。図において、1は半絶縁性GaAs
基板、2は高抵抗GaAs層(以下、i−GaAs層と
いう)、3は高抵抗Alx Ga1−x As(x=0
.3)スペーサ層(以下、スペーサ層という)、4はn
−Alx Ga1−x As(x=0.3)キャリア供
給層(以下、キャリア供給層という)、5はn+ −G
aAs層、6はショットキーメタル、7,8はバイアス
電極、9,10はn+ 領域、11は1次元電子蓄積層
、12は反射防止膜、13は赤外線である。図に示すよ
うに、半絶縁性GaAs基板1上にi−GaAs層2と
スペーサ層3と、キャリア供給層4とを順次積層した半
導体積層構造において、前記スペーサ層3が凹部の形状
が逆三角形断面である凹凸周期構造を有し、その上部に
形成されたキャリア供給層4の上端面が前記絶縁性Ga
As基板1の上端面と平行な平面となるように形成され
ている。ここでスペーサ層3の厚みは凹部で15nm、
凸部で50nmであり、その上部にはスペーサ層3とキ
ャリア供給層4の厚みの合計が90nmとなるようにキ
ャリア供給層4が形成されている。このような構造にお
いては、i−GaAs層2とスペーサ層3の界面近傍領
域のうち、スペーサ層3の凹部の底付近、すなわち逆三
角形の頂点付近のごく近い領域にのみ、1次元的に電子
蓄積層が形成される。この1次元電子蓄積層11の幅を
実験的に調べたところ、概略8nmの幅の電子蓄積層が
形成されていることが確認された。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing the structure of an embodiment of the infrared imaging device of the present invention. In the figure, 1 is semi-insulating GaAs
The substrate, 2 is a high resistance GaAs layer (hereinafter referred to as i-GaAs layer), 3 is a high resistance Alx Ga1-x As (x=0
.. 3) Spacer layer (hereinafter referred to as spacer layer), 4 is n
-Alx Ga1-x As (x=0.3) carrier supply layer (hereinafter referred to as carrier supply layer), 5 is n+ -G
6 is a Schottky metal, 7 and 8 are bias electrodes, 9 and 10 are n+ regions, 11 is a one-dimensional electron storage layer, 12 is an antireflection film, and 13 is an infrared ray. As shown in the figure, in a semiconductor stacked structure in which an i-GaAs layer 2, a spacer layer 3, and a carrier supply layer 4 are sequentially stacked on a semi-insulating GaAs substrate 1, the spacer layer 3 has a concave portion whose shape is an inverted triangle. The upper end surface of the carrier supply layer 4 formed on the insulating Ga layer has an uneven periodic structure in its cross section.
It is formed to be a plane parallel to the upper end surface of the As substrate 1. Here, the thickness of the spacer layer 3 is 15 nm at the concave portion,
The thickness of the convex portion is 50 nm, and the carrier supply layer 4 is formed above the convex portion so that the total thickness of the spacer layer 3 and the carrier supply layer 4 is 90 nm. In such a structure, electrons are one-dimensionally distributed only in the region near the interface between the i-GaAs layer 2 and the spacer layer 3, near the bottom of the recess in the spacer layer 3, that is, in the very close region near the apex of the inverted triangle. An accumulation layer is formed. When the width of this one-dimensional electron storage layer 11 was experimentally investigated, it was confirmed that an electron storage layer having a width of approximately 8 nm was formed.

【0012】次に、この赤外線蓄積装置の動作原理につ
いて説明する。図2(a)は本発明の一実施例に係る赤
外線蓄積装置の構造を示す断面構造図であり、図2(b
)はi−GaAs層2とスペーサ層3の界面近傍、すな
わち1次元電子蓄積層11が形成されている領域におけ
るバンドダイヤグラムを示した図であり、ここでは電界
のかかった状態を示している。図において、21は伝導
帯、22は価電子帯、23は電子ポケット、24はポテ
ンシャル障壁、25はフェルミレベルである。図2(b
)に示すように、伝導帯21は、1次元電子蓄積層11
が形成された領域のみフェルミレベル25の下にもぐり
こみ、伝導帯21に周期的な電子ポケット23を形成す
る。この電子ポケット23内の電子は、半導体主面に水
平な方向(x方向)と垂直な方向(z方向)の2つの方
向に閉じ込め状態を有している。このうち半導体主面に
水平な方向(x方向)の閉じ込め状態のエネルギーは、
量子力学的な効果によって離散的なエネルギー準位を形
成する。この時、基底準位と第1励起準位のエネルギー
差は種としてスペーサ層3,キャリア供給層4の結晶学
的な厚み,および凹凸周期構造の形状,周期,さらにバ
ンド構造によって決定され、ある特定の値となる。 上記第1の実施例において、この基底準位と第1励起準
位のエネルギー差を実験的に調べたところ、概略0.1
eVであることが確認できた。このエネルギーは12μ
m帯の赤外線13の持つエネルギーに対応しており、こ
の波長の赤外線13が入射した時に入射赤外線は吸収さ
れ、基底準位から第1励起準位への光学遷移が生じる。 さらに、第2励起準位はポテンシャル障壁24の伝導帯
21と重なるように設計されており、励起された電子は
電界によってバイアス電極8方向に伝導することができ
る。ここで、半導体主面に水平な方向(x方向)の閉じ
込めによる電子の閉じ込め状態は、x方向に立つ定在波
的な閉じ込め状態となっているため、半主面に垂直な方
向から入射した赤外線13によっても光学遷移は許容さ
れ、赤外線検出装置として動作する。以上のようにして
、垂直入射赤外線に対しても十分な感度を持つ赤外線撮
像装置が実現できた。
Next, the principle of operation of this infrared storage device will be explained. FIG. 2(a) is a cross-sectional structural diagram showing the structure of an infrared storage device according to an embodiment of the present invention, and FIG.
) is a diagram showing a band diagram in the vicinity of the interface between the i-GaAs layer 2 and the spacer layer 3, that is, in the region where the one-dimensional electron storage layer 11 is formed, and here shows a state where an electric field is applied. In the figure, 21 is a conduction band, 22 is a valence band, 23 is an electron pocket, 24 is a potential barrier, and 25 is a Fermi level. Figure 2(b)
), the conduction band 21 is formed by the one-dimensional electron storage layer 11.
Only the region in which electrons are formed penetrates below the Fermi level 25, forming periodic electron pockets 23 in the conduction band 21. The electrons in this electron pocket 23 are confined in two directions: a direction parallel to the main surface of the semiconductor (x direction) and a direction perpendicular to the main surface of the semiconductor (z direction). Of these, the energy of the confined state in the direction horizontal to the semiconductor main surface (x direction) is:
Forms discrete energy levels through quantum mechanical effects. At this time, the energy difference between the ground level and the first excited level is determined by the crystallographic thickness of the spacer layer 3 and carrier supply layer 4, the shape and period of the periodic structure, and the band structure. A specific value. In the first embodiment, the energy difference between the ground level and the first excited level was experimentally investigated and found to be approximately 0.1
It was confirmed that it was eV. This energy is 12μ
This corresponds to the energy of the m-band infrared ray 13, and when the infrared ray 13 of this wavelength is incident, the incident infrared ray is absorbed, and an optical transition from the ground level to the first excited level occurs. Further, the second excited level is designed to overlap with the conduction band 21 of the potential barrier 24, and the excited electrons can be conducted in the direction of the bias electrode 8 by the electric field. Here, the confinement state of electrons due to confinement in the direction horizontal to the main surface of the semiconductor (x direction) is a confinement state like a standing wave standing in the x direction. Optical transitions are also allowed by infrared rays 13, and the device operates as an infrared detection device. In the manner described above, an infrared imaging device with sufficient sensitivity even to vertically incident infrared rays was realized.

【0013】図3は本発明に係る第2の実施例における
赤外線撮像装置の1画素ユニットの構成の一例を示す回
路図である。図において、31は第1の実施例で示した
赤外線検出装置、32はGaAs電界効果トランジスタ
(以下、GaAsFETという)、33,34,35は
抵抗、36はオペアンプの透過回路である。第1の実施
例で示した赤外線検出装置31は赤外線入射による光電
流が微弱であるために、電流増幅回路を組み合わせて構
成することが望ましい。図3(a)は赤外線検出装置3
1と1個のGaAsFET32とを組み合わせて構成し
た最も簡単な光電流増幅回路である。第1の実施例に係
る赤外線検出装置31はプレーナ型の構造であるため、
他の半導体装置、例えばGaAsFET32とのプロセ
ス整合性がよく、同一基板上に集積価することが容易で
あり、上記図3(a)に示した回路を線状,あるいはア
レイ状に並べてモノリシックな赤外線撮像装置を簡単に
構成することができる。さらに、GaAsFET32で
構成されたシフトレジスタも含めてモノリシックに構成
することも可能である。図3(b)は、図3(a)に示
した光電流増幅回路の一変形例であって、電流増幅部に
オペアンプの等価回路を用いて構成し、バイアス電圧を
一定に保ったままで、光電流変化分のみを線形性よく増
幅できるようにしたものである。この回路によっても図
3(a)の場合と同様に、モノリシックな赤外線撮像装
置を比較的簡単に構成することができる。
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of the configuration of one pixel unit of an infrared imaging device according to a second embodiment of the present invention. In the figure, 31 is the infrared detection device shown in the first embodiment, 32 is a GaAs field effect transistor (hereinafter referred to as GaAsFET), 33, 34, and 35 are resistors, and 36 is an operational amplifier transmission circuit. Since the infrared detecting device 31 shown in the first embodiment generates a weak photocurrent due to the incidence of infrared rays, it is preferable to configure the infrared detecting device 31 by combining a current amplifying circuit. Figure 3(a) shows the infrared detection device 3.
This is the simplest photocurrent amplification circuit constructed by combining 1 and 1 GaAsFET 32. Since the infrared detection device 31 according to the first embodiment has a planar structure,
It has good process compatibility with other semiconductor devices, such as GaAsFET32, and is easy to integrate on the same substrate.The circuit shown in FIG. The imaging device can be easily configured. Furthermore, it is also possible to monolithically configure the shift register including the GaAsFET 32. FIG. 3B shows a modified example of the photocurrent amplification circuit shown in FIG. This makes it possible to amplify only the photocurrent change with good linearity. With this circuit as well, a monolithic infrared imaging device can be constructed relatively easily, as in the case of FIG. 3(a).

【0014】なお、上記実施例では、スペーサ層3に凹
凸の周期構造を持たせることで、1次元電子蓄積層11
を形成したが、この凹凸の周期構造の形状は、逆三角形
断面形状に限るものではなく、例えば図4(a)に示す
ように、矩形断面形状を持つ凹凸の周期構造を採用して
もよい。さらに、図4(b)に示すようにキャリア供給
層4上にストライプ状にn+ −GaAsキャップ層4
1を設けることによっても、または第4図(c)に示す
ようにキャリア供給層4に凹凸の周期構造を設けること
によっても同様に、1次元電子蓄積層11を形成するこ
とができる。すなわち、半導体ヘテロ界面に1次元電子
蓄積層11を形成できるような構造であるかぎり、どの
ような構造を用いてもよく、上記実施例に示した構造に
限定するものではない。また、上記実施例においては、
ショットキーメタル6には電界を印加していないが、電
界の印加によって1次元電子蓄積層11の幅は有効的に
変化するために応答波長を変化させることが可能である
。 この目的のために、ショットキーメタル6に電界を印加
する構成にしてもよい。また、上記実施例では、チャン
ネル層にGaAs,スペーサ層3,およびキャリア供給
層4にAlGaAsを用いた例について説明したが、ス
ペーサ層3およびキャリア供給層4に用いる半導体材料
がチャンネル層に用いる半導体材料より電子親和力が小
さく、エネルギーギャップが大きいという条件を満たす
限り、どのような材料の組合せによっても同様の目的を
達成しうる。しかし、実用的には、両者の格子定数が近
似しており、良質なヘテロ接合が得られるような組合せ
にすることが望ましい。
In the above embodiment, the one-dimensional electron storage layer 11 is formed by providing the spacer layer 3 with an uneven periodic structure.
However, the shape of this periodic structure of unevenness is not limited to an inverted triangular cross-sectional shape. For example, as shown in FIG. 4(a), a periodic structure of unevenness having a rectangular cross-sectional shape may be adopted. . Further, as shown in FIG. 4(b), an n+ -GaAs cap layer 4 is formed in stripes on the carrier supply layer 4.
1, or by providing the carrier supply layer 4 with a periodic structure of recesses and recesses as shown in FIG. 4(c). That is, any structure may be used as long as it allows the formation of the one-dimensional electron storage layer 11 at the semiconductor hetero interface, and the structure is not limited to the structure shown in the above embodiment. Furthermore, in the above embodiment,
Although no electric field is applied to the Schottky metal 6, the width of the one-dimensional electron storage layer 11 is effectively changed by applying an electric field, so that the response wavelength can be changed. For this purpose, an electric field may be applied to the Schottky metal 6. Further, in the above embodiment, an example was explained in which GaAs was used for the channel layer and AlGaAs was used for the spacer layer 3 and the carrier supply layer 4, but the semiconductor material used for the spacer layer 3 and the carrier supply layer 4 was the semiconductor material used for the channel layer. The same objective can be achieved with any combination of materials, as long as the conditions that the material has a smaller electron affinity and a larger energy gap than the other materials are met. However, in practical terms, it is desirable that the lattice constants of both are similar and that a combination is used that will yield a high-quality heterojunction.

【0015】[0015]

【発明の効果】以上説明したように、第1の発明によれ
ば、半導体基板上に第1種の高抵抗半導体層と、この第
1種の高抵抗半導体層より電子親和力の小さい第2種の
高抵抗半導体層と、n型にドープされた第2種の半導体
層とを順次積層した層構造を有する赤外線検出装置にお
いて、前記第1種の高抵抗半導体層と、前記第2種の高
抵抗半導体層とのヘテロ接合界面に複数の1次元電子蓄
積層を形成する手段を含み、この1次元電子蓄積層を有
する領域を挟んで互いに対向する領域に設けられた一対
の出力電極を含んで構成したので、ヘテロ接合界面と垂
直な方向から入社した赤外線によっても光学遷移が許容
され、垂直入射で動作する赤外線撮像装置が得られると
いう効果がある。
As explained above, according to the first invention, a first type of high resistance semiconductor layer is provided on a semiconductor substrate, and a second type of high resistance semiconductor layer having a lower electron affinity than the first type of high resistance semiconductor layer is formed on a semiconductor substrate. In the infrared detection device, the infrared detection device has a layer structure in which a high-resistance semiconductor layer of 1 and a second type of n-type doped semiconductor layer are sequentially laminated. It includes means for forming a plurality of one-dimensional electron storage layers at the heterojunction interface with the resistive semiconductor layer, and includes a pair of output electrodes provided in regions facing each other across the region having the one-dimensional electron storage layers. With this configuration, optical transition is allowed even by infrared rays incident from a direction perpendicular to the heterojunction interface, and an infrared imaging device that operates under normal incidence can be obtained.

【0016】さらに、第2の発明によれば、第1の発明
に係る赤外線撮像装置において、1次元電子蓄積層が第
1種の高抵抗半導体層の面内方向に少なくとも2つの閉
じ込め状態を有し、この2つの閉じ込め状態のうち第2
の閉じ込め状態のエネルギーレベルが障壁のエネルギー
レベルと重なるように形成したので、光学遷移によって
励起された電子が効率良く電気伝導に寄与し、感度が高
く、しかも垂直入射で動作する赤外線撮像装置が得られ
るという効果がある。
Furthermore, according to the second invention, in the infrared imaging device according to the first invention, the one-dimensional electron storage layer has at least two confinement states in the in-plane direction of the first type high-resistance semiconductor layer. The second of these two confinement states is
Since the energy level of the confined state of the barrier overlaps with the energy level of the barrier, the electrons excited by the optical transition efficiently contribute to electrical conduction, resulting in an infrared imaging device with high sensitivity and operating at normal incidence. It has the effect of being

【0017】なお、第1の発明における赤外線検出装置
と、光電流増幅回路とを同一基板上に集積価したものを
1つの画素ユニットとし、上記画素ユニットを線状、あ
るいはアレイ状に並べて構成すれば、モノリシックに集
積価した赤外線撮像装置を簡単に構成できる。
[0017] The infrared detection device and the photocurrent amplification circuit according to the first invention are integrated on the same substrate as one pixel unit, and the pixel units may be arranged in a line or in an array. For example, a monolithically integrated infrared imaging device can be easily constructed.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

【図1】本発明の一実施例にかかる赤外線撮像装置の構
造を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of an infrared imaging device according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例にかかる赤外線撮像装置の構
造を示す断面構造図,および1次元電子蓄積層が形成さ
れている領域におけるバンドダイヤグラムを表した図で
ある。
FIG. 2 is a cross-sectional structural diagram showing the structure of an infrared imaging device according to an embodiment of the present invention, and a diagram showing a band diagram in a region where a one-dimensional electron storage layer is formed.

【図3】本発明にかかる第2の実施例における赤外線撮
像装置の1画素ユニットの構成の一実施例を示す回路図
である。
FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of the configuration of one pixel unit of an infrared imaging device according to a second example of the present invention.

【図4】本発明の一実施例にかかる赤外線撮像装置の変
形例を示す断面構造図である。
FIG. 4 is a cross-sectional structural diagram showing a modification of the infrared imaging device according to an embodiment of the present invention.

【図5】従来のMQW型赤外線撮像装置の構造を示す断
面構造図である。
FIG. 5 is a cross-sectional structural diagram showing the structure of a conventional MQW type infrared imaging device.

【図6】従来のMQW型赤外線撮像装置の動作原理を説
明するためのバンドダイヤグラムである。
FIG. 6 is a band diagram for explaining the operating principle of a conventional MQW type infrared imaging device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1    半絶縁性GaAs基板 2    i−GaAs層 3    スペーサ層 4    キャリア供給層 5    n+ −GaAs層 6    ショットキーメタル 7    バイアス電極 8    バイアス電極 9    n+ 領域 10  n+ 領域 11  1次元電子蓄積層 12  反射防止膜 13  赤外線 21  伝導帯 22  価電子帯 23  電子ポケット 24  ポテンシャル障壁 25  フェルミレベル 1 Semi-insulating GaAs substrate 2 i-GaAs layer 3 Spacer layer 4 Carrier supply layer 5 n+ -GaAs layer 6 Schottky metal 7 Bias electrode 8 Bias electrode 9 n+ area 10 n+ area 11 One-dimensional electron storage layer 12 Anti-reflection film 13 Infrared rays 21 Conduction band 22 Valence band 23 Electronic pocket 24 Potential barrier 25 Fermi level

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板上に第1種の高抵抗半導体層と
、この第1種の高抵抗半導体層より電子親和力の小さい
第2種の高抵抗半導体層と、n型にドープされた第2種
の半導体層とを順次積層した層構造を有し、前記第1種
の高抵抗半導体層と、前記第2種の高抵抗半導体層との
ヘテロ接合界面に平行に並んだ複数の1次元電子蓄積層
を備えるとともに、この1次元電子蓄積層を有する領域
を挟んで互いに対向する領域に一対の出力電極を備えた
ことを特徴とする赤外線撮像装置。
1. A first type of high-resistance semiconductor layer on a semiconductor substrate, a second type of high-resistance semiconductor layer having a lower electron affinity than the first type of high-resistance semiconductor layer, and an n-type doped second type of high-resistance semiconductor layer. A plurality of one-dimensional semiconductor layers having a layer structure in which two types of semiconductor layers are sequentially laminated, and arranged in parallel to the heterojunction interface between the first type of high-resistance semiconductor layer and the second type of high-resistance semiconductor layer. An infrared imaging device comprising an electron storage layer and a pair of output electrodes in regions facing each other with a region having the one-dimensional electron storage layer in between.
【請求項2】1次元電子蓄積層が第1種の高抵抗半導体
層の面内方向に少なくとも2つの閉じ込め状態を有し、
この2つの閉じ込め状態のうち第2の閉じ込め状態のエ
ネルギーレベルが障壁のエネルギーレベルと重なるよう
に形成したことを特徴とする請求項1記載の赤外線撮像
装置。
2. The one-dimensional electron storage layer has at least two confinement states in the in-plane direction of the first type of high-resistance semiconductor layer,
2. The infrared imaging device according to claim 1, wherein the energy level of the second confinement state of the two confinement states overlaps with the energy level of the barrier.
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