JPH0550872B2 - - Google Patents
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- JPH0550872B2 JPH0550872B2 JP60003140A JP314085A JPH0550872B2 JP H0550872 B2 JPH0550872 B2 JP H0550872B2 JP 60003140 A JP60003140 A JP 60003140A JP 314085 A JP314085 A JP 314085A JP H0550872 B2 JPH0550872 B2 JP H0550872B2
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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-
- H—ELECTRICITY
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-
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Description
【発明の詳細な説明】
＜産業上の利用分野＞
本発明は、−族化合物半導体材料を使用す
る赤外線検出装置に関する。
る赤外線検出装置に関する。
＜従来技術及びその問題点＞
特に夜間光景を可視映像化する為に、赤外放射
の検出可能なシステムに関する需要は、現在、大
きい。赤外放射検出システムは、従来技術として
よく知られており、種々の異なる形式の検出シス
テムが存する。近年、かなり注目されてきた赤外
放射検出システムには、赤外線の周波数に合わせ
て水銀とカドミウムの化学量数の比が調整され得
るような水銀、カドミウム及びテルルの合金を用
いるものがある。このような材料は、当業者間で
は、広汎なスペクトルを包括するHgCdTe（水銀
カドミウムテルル）として知られている。このよ
うなHgCdTe材料のような三元合金は、現在で
は、二次発生赤外検出システムにより適する材料
として注目されている。
の検出可能なシステムに関する需要は、現在、大
きい。赤外放射検出システムは、従来技術として
よく知られており、種々の異なる形式の検出シス
テムが存する。近年、かなり注目されてきた赤外
放射検出システムには、赤外線の周波数に合わせ
て水銀とカドミウムの化学量数の比が調整され得
るような水銀、カドミウム及びテルルの合金を用
いるものがある。このような材料は、当業者間で
は、広汎なスペクトルを包括するHgCdTe（水銀
カドミウムテルル）として知られている。このよ
うなHgCdTe材料のような三元合金は、現在で
は、二次発生赤外検出システムにより適する材料
として注目されている。
従来技術の水銀カドミウムテルルの化合物材料
の使用が広く受けいれられているにもかかわら
ず、これらの材料は種々の問題をかかえている。
この問題とは、結晶のサイズ及び純度、集積回路
技術への仕上げ、光起電流100℃の環境条件にも
抗することができなうような界面を生じさせてし
まう陽極酸化に起因する材料表面の相対的不安定
さ、等である。従つて、従来技術であるHgCdTe
材料を使用する技術を改良させるばかりでなく、
既存のシステムの持つ長所よりも秀れた長所も持
つ赤外放射検出装置の使用に適した材料を発見す
ることが望まれている。
の使用が広く受けいれられているにもかかわら
ず、これらの材料は種々の問題をかかえている。
この問題とは、結晶のサイズ及び純度、集積回路
技術への仕上げ、光起電流100℃の環境条件にも
抗することができなうような界面を生じさせてし
まう陽極酸化に起因する材料表面の相対的不安定
さ、等である。従つて、従来技術であるHgCdTe
材料を使用する技術を改良させるばかりでなく、
既存のシステムの持つ長所よりも秀れた長所も持
つ赤外放射検出装置の使用に適した材料を発見す
ることが望まれている。
＜問題点を解決するための手段＞
本発明に従うと、特にガリウムヒ素とアルミニ
ウムガリウムヒ素を使う好ましくは−族の材
料の半導体ヘテロ接合（又はヘテロバリア）構造
を基本的に用いる赤外放射検出装置が提供され
る。２つのヘテロ接合を作るために、成分比が異
なる二種類の（AlGa）Asが使用される。基板に
近い方のヘテロ接合は、赤外光子の持つエネルギ
ー量より小さい伝電帯エネルギーバリヤを持つよ
うに設計される。電子は光励起されこの合バリヤ
をのりこえ、第２のヘテロ接合で集められる。第
２のヘテロ接合は、前に示した基板に近い方のヘ
テロ接合よりずつと大きな伝電帯エネルギーバリ
ヤを持つように設計される。第２のヘテロ接合で
集められた電荷は画像信号として読み出される。
第２のヘテロ接合の界面に広がる負電圧のために
伝電帯においてエネルギー変化は、不連続にな
る。この電荷は、過剰な電子が第２のヘテロ接合
でトラツプされる為に自然に発生する。
ウムガリウムヒ素を使う好ましくは−族の材
料の半導体ヘテロ接合（又はヘテロバリア）構造
を基本的に用いる赤外放射検出装置が提供され
る。２つのヘテロ接合を作るために、成分比が異
なる二種類の（AlGa）Asが使用される。基板に
近い方のヘテロ接合は、赤外光子の持つエネルギ
ー量より小さい伝電帯エネルギーバリヤを持つよ
うに設計される。電子は光励起されこの合バリヤ
をのりこえ、第２のヘテロ接合で集められる。第
２のヘテロ接合は、前に示した基板に近い方のヘ
テロ接合よりずつと大きな伝電帯エネルギーバリ
ヤを持つように設計される。第２のヘテロ接合で
集められた電荷は画像信号として読み出される。
第２のヘテロ接合の界面に広がる負電圧のために
伝電帯においてエネルギー変化は、不連続にな
る。この電荷は、過剰な電子が第２のヘテロ接合
でトラツプされる為に自然に発生する。
上記の構造によつて所望の結果を得ることがで
きるが、上記のような赤外線撮像装置は、量子効
率が悪いという問題点を持つ。その理由は、ほぼ
自由なキヤリア（電子）を励起させようとする方
法がとられ、この方法では、エネルギー及び運動
量の保存則を満すことができない為である。質量
ゼロの粒子である光子は、その光子の持つエネル
ギーに比較し、非常にわずかな運動量しか持たな
い。光子が完全に吸収されて、光子のエネルギー
が全て、電子の運動量に変換されると、電子は非
常に大きな運動量を持つようになる。結晶内で
は、このことは一般に光吸収過程においてフオノ
ン（音響子）が関与することが必要になる。この
ことは、故に光子を吸収する断面積は、非常に小
さくなることを意味する。
きるが、上記のような赤外線撮像装置は、量子効
率が悪いという問題点を持つ。その理由は、ほぼ
自由なキヤリア（電子）を励起させようとする方
法がとられ、この方法では、エネルギー及び運動
量の保存則を満すことができない為である。質量
ゼロの粒子である光子は、その光子の持つエネル
ギーに比較し、非常にわずかな運動量しか持たな
い。光子が完全に吸収されて、光子のエネルギー
が全て、電子の運動量に変換されると、電子は非
常に大きな運動量を持つようになる。結晶内で
は、このことは一般に光吸収過程においてフオノ
ン（音響子）が関与することが必要になる。この
ことは、故に光子を吸収する断面積は、非常に小
さくなることを意味する。
光子を直接吸収する過程で量子効率を高めるた
め、赤外放射吸収層にガリウムヒ素の代わりに人
工の超格子構造材料が使用される。この超格子構
造では、一定の規則正しい（格子）構造であるた
め、連続するエネルギーバンド中の伝導帯は、非
常に小さなバンドギヤツプによつて分断されてい
る。この格子構造は、好ましくは、Ｎ型にドーピ
ングが行われたガリウムヒ素を含んでいる。この
ガリウムヒ素は、一定の間隔でガリウムのある位
置に、代わりにアルミニウムが含まれている。ア
ルミニウムが配置される間隔は、検出される赤外
放射の周波数によつて決められる。
め、赤外放射吸収層にガリウムヒ素の代わりに人
工の超格子構造材料が使用される。この超格子構
造では、一定の規則正しい（格子）構造であるた
め、連続するエネルギーバンド中の伝導帯は、非
常に小さなバンドギヤツプによつて分断されてい
る。この格子構造は、好ましくは、Ｎ型にドーピ
ングが行われたガリウムヒ素を含んでいる。この
ガリウムヒ素は、一定の間隔でガリウムのある位
置に、代わりにアルミニウムが含まれている。ア
ルミニウムが配置される間隔は、検出される赤外
放射の周波数によつて決められる。
故に、本発明は、接合を持たない赤外放射検出
装置を開示する。この検出装置では、光子は、吸
収層内の伝導帯の遷移を用いて吸収される。伝導
帯遷移によつて励起されるキヤリアは、注入バリ
ヤをのりこえて注入される。この注入バリヤはヘ
テロ接合で構成される。このキヤリアは第２のヘ
テロ接合キヤリア集収バリヤにはばまれ集められ
る。上記キヤリア集収バリヤで集められたキヤリ
アはさらに周期的に感知される。好ましくは、吸
収層は、超格子構造であり、このとき赤外光子
は、通常の半導体のように間接伝導帯遷移により
吸収される必要がなく、本質的に直接伝導帯遷移
により吸収可能になる。
装置を開示する。この検出装置では、光子は、吸
収層内の伝導帯の遷移を用いて吸収される。伝導
帯遷移によつて励起されるキヤリアは、注入バリ
ヤをのりこえて注入される。この注入バリヤはヘ
テロ接合で構成される。このキヤリアは第２のヘ
テロ接合キヤリア集収バリヤにはばまれ集められ
る。上記キヤリア集収バリヤで集められたキヤリ
アはさらに周期的に感知される。好ましくは、吸
収層は、超格子構造であり、このとき赤外光子
は、通常の半導体のように間接伝導帯遷移により
吸収される必要がなく、本質的に直接伝導帯遷移
により吸収可能になる。
本発明に従う赤外放射検出装置は−族材
料、好ましくはガリウムヒ素の伝電材料基板を持
つ。この基板の上には、エネルギーギヤツプが大
きい半導体材料及びエネルギーギヤツプが小さい
半導体材料の薄い層が相互に積層する上述の超格
子構造が形成される。この半導体材料は、アルミ
ニウムガリウムヒ素及びガリウムヒ素が好ましい
材料である。この格子構造の上には、わずかなバ
ンドギヤツプを持つ半導体材料合金層が形成され
る。この半導体材料はアルミニウムガリウムヒ素
が好ましい材料であり、この半導体材料層内に光
子によつて励起されたキヤリアが注入される。こ
の半導体層の上には、上記半導体合金層より大き
いバンドギヤツプを持つ第２の半導体材料合金層
が形成される。この第２の半導体材料合金層は、
上記半導体材料合金層と異なるガリウム／ヒ素の
成分比を持つアルミニウムガリウムヒ素で好まし
くは構成される。
料、好ましくはガリウムヒ素の伝電材料基板を持
つ。この基板の上には、エネルギーギヤツプが大
きい半導体材料及びエネルギーギヤツプが小さい
半導体材料の薄い層が相互に積層する上述の超格
子構造が形成される。この半導体材料は、アルミ
ニウムガリウムヒ素及びガリウムヒ素が好ましい
材料である。この格子構造の上には、わずかなバ
ンドギヤツプを持つ半導体材料合金層が形成され
る。この半導体材料はアルミニウムガリウムヒ素
が好ましい材料であり、この半導体材料層内に光
子によつて励起されたキヤリアが注入される。こ
の半導体層の上には、上記半導体合金層より大き
いバンドギヤツプを持つ第２の半導体材料合金層
が形成される。この第２の半導体材料合金層は、
上記半導体材料合金層と異なるガリウム／ヒ素の
成分比を持つアルミニウムガリウムヒ素で好まし
くは構成される。
超格子構造の規則性によつて生まれる第１の２
つの「小さな帯域」間のエネルギーギヤツプが赤
外光子エネルギーと等しいか又はそれ以下になる
ように上記超格子構造は設計されている。上記第
１の「小さな帯域」を自由キヤリアでほぼ満たす
ようにドーピングが行われる。故に、赤外放射
は、効率的に吸収され、第２の「小さな帯域」等
に自由キヤリアを発生する。光励起されたこのよ
うなキヤリアが基板に近い方のヘテロ接合をのり
こえて半導体材料層内に達するが上記小さな帯域
のエネルギーの小さい方の帯域内のキヤリアはブ
ロツクされるように上記第２の半導体材料層のバ
ンドギヤツプが選択される。これらのキヤリア
は、電界が与えられると、層内を横切つて移動す
ることができるようになり、バンドギヤツプが大
きい第２の半導体材料層のヘテロ接合又は界面で
集められる。選択的に装置の頂面に絶縁物層を設
け、それをおおつて金属ゲート電極層が形成され
る。
つの「小さな帯域」間のエネルギーギヤツプが赤
外光子エネルギーと等しいか又はそれ以下になる
ように上記超格子構造は設計されている。上記第
１の「小さな帯域」を自由キヤリアでほぼ満たす
ようにドーピングが行われる。故に、赤外放射
は、効率的に吸収され、第２の「小さな帯域」等
に自由キヤリアを発生する。光励起されたこのよ
うなキヤリアが基板に近い方のヘテロ接合をのり
こえて半導体材料層内に達するが上記小さな帯域
のエネルギーの小さい方の帯域内のキヤリアはブ
ロツクされるように上記第２の半導体材料層のバ
ンドギヤツプが選択される。これらのキヤリア
は、電界が与えられると、層内を横切つて移動す
ることができるようになり、バンドギヤツプが大
きい第２の半導体材料層のヘテロ接合又は界面で
集められる。選択的に装置の頂面に絶縁物層を設
け、それをおおつて金属ゲート電極層が形成され
る。
このように、この発明によるときは、HgCdTe
三元合金で得られていた効果を、より扱い易い
GaAs、GaAlAs等で実現することができる。つ
まりGaAs、GaAlAsはプロセス知識も進んでお
り、そのもの自体安価でかつ安定であり、IC化
にも適しているから、効果的な赤外線検出装置が
得られる。
三元合金で得られていた効果を、より扱い易い
GaAs、GaAlAs等で実現することができる。つ
まりGaAs、GaAlAsはプロセス知識も進んでお
り、そのもの自体安価でかつ安定であり、IC化
にも適しているから、効果的な赤外線検出装置が
得られる。
（実施例）
第１図を参照すると、ガリウムヒ素の基板１１
上に形成された複数の赤外放射検出セル１を持つ
典型的な赤外光撮像装置が図示されている。この
基板１１は第２図に断面図が示される通り、ドー
ピングが全く行われていないか又は、わずかにド
ーピングが行われている。各々のセル１は、行列
マトリクスに配線されていて、FET装置３を介
して列線５及び行線７に接続されている。このよ
うな配線によつて周知の方法でいずれのセル１を
呼びだすことも可能な構成になつている。
上に形成された複数の赤外放射検出セル１を持つ
典型的な赤外光撮像装置が図示されている。この
基板１１は第２図に断面図が示される通り、ドー
ピングが全く行われていないか又は、わずかにド
ーピングが行われている。各々のセル１は、行列
マトリクスに配線されていて、FET装置３を介
して列線５及び行線７に接続されている。このよ
うな配線によつて周知の方法でいずれのセル１を
呼びだすことも可能な構成になつている。
第２図に示す通り、各々のセル１は、好ましく
は、伝電性のガリウムヒ素基板１１（例えば1017
の不純物濃度でＮ型にドーピングされている。）
を有している。この基板１１をおおつて、超格子
構造のＮ型ガリウムヒ素層１３が形成される。基
板１１と半導体材料層１５の間では一部のガリウ
ムの代わりにアルミニウムが種々のレベルで含ま
れている。光子吸収層１３と光子集収層１５との
界面はアルミニウムの不連続により提供されてい
る。この界面では、他の部分より多い所定量のア
ルミニウムが、一部のガリウムに代わつてガリウ
ムのあつた位置に含まれていて、ガリウムヒ素と
アルミニウムガリウムヒ素とのヘテロ接合１７を
形成している。ヘテロ接合１７は、格子構造の吸
収層１３内に電子が残存することを制限する。バ
リヤ層１９は好ましくは、層１５より多い成分比
でアルミニウムを含む（より大きなバンドギヤツ
プを持つ）第２のアルミニウムガリウムヒ素層１
９として構成され、層１５と層１９との間の第２
のヘテロ接合２１はアルミニウムの量が急激に多
くなるように構成されている。層１９内のアルミ
ニウムの量を界面で急に多くすることによつて、
界面は大きなバンドギヤツプを持つようになるた
め光励起され、ヘテロ接合１７をのりこえ層１５
内に入りこんできた電子は、ヘテロ接合２１で形
成したバリヤによつてはばまれこの電子を集める
ための電子収集点が提供される。選択的に層１９
を形成するかわりに又は層１９の上をおおつて絶
縁物層２３を形成することができる。この絶縁物
層２３の絶縁物材料としては、二酸化シリコンが
好ましい。好ましくは、この絶縁物層２３をおお
うて透明導電材料層２５が形成される。この透明
導電材料としては、酸化スズ及び酸化インジウム
スズ（ITO）がこの使用目的にふさわしい。
は、伝電性のガリウムヒ素基板１１（例えば1017
の不純物濃度でＮ型にドーピングされている。）
を有している。この基板１１をおおつて、超格子
構造のＮ型ガリウムヒ素層１３が形成される。基
板１１と半導体材料層１５の間では一部のガリウ
ムの代わりにアルミニウムが種々のレベルで含ま
れている。光子吸収層１３と光子集収層１５との
界面はアルミニウムの不連続により提供されてい
る。この界面では、他の部分より多い所定量のア
ルミニウムが、一部のガリウムに代わつてガリウ
ムのあつた位置に含まれていて、ガリウムヒ素と
アルミニウムガリウムヒ素とのヘテロ接合１７を
形成している。ヘテロ接合１７は、格子構造の吸
収層１３内に電子が残存することを制限する。バ
リヤ層１９は好ましくは、層１５より多い成分比
でアルミニウムを含む（より大きなバンドギヤツ
プを持つ）第２のアルミニウムガリウムヒ素層１
９として構成され、層１５と層１９との間の第２
のヘテロ接合２１はアルミニウムの量が急激に多
くなるように構成されている。層１９内のアルミ
ニウムの量を界面で急に多くすることによつて、
界面は大きなバンドギヤツプを持つようになるた
め光励起され、ヘテロ接合１７をのりこえ層１５
内に入りこんできた電子は、ヘテロ接合２１で形
成したバリヤによつてはばまれこの電子を集める
ための電子収集点が提供される。選択的に層１９
を形成するかわりに又は層１９の上をおおつて絶
縁物層２３を形成することができる。この絶縁物
層２３の絶縁物材料としては、二酸化シリコンが
好ましい。好ましくは、この絶縁物層２３をおお
うて透明導電材料層２５が形成される。この透明
導電材料としては、酸化スズ及び酸化インジウム
スズ（ITO）がこの使用目的にふさわしい。
第３図を参照すると、層１３およびこの層１３
の超格子構造が拡大されて図示されている。図か
ら明らかなように、Ｎ型にドーピングされたガリ
ウムヒ素３１は、分子ビームエピタキシー
（MBE）によつて、所定の層の厚さで、基板１１
上に形成される。このガリウムヒ素層３１の一部
には、アルミニウムが加えられ、薄いアルミニウ
ムガリウムヒ素層３３が形成される。この工程
は、層１３が所定の高さに達するまで全体にわた
つて交互にくり返される。アルミニウムを含む領
域３３は、お互いに等間隔で積層され、これらの
層間の間隔は、受けとる赤外放射の波長によつて
決まる。従つて層１３の構成は、検出される赤外
放射の周波数にあわせて調整されることがわか
る。第３図の構造によつて赤外放射検出素子の量
子効率は、非常に向上される。
の超格子構造が拡大されて図示されている。図か
ら明らかなように、Ｎ型にドーピングされたガリ
ウムヒ素３１は、分子ビームエピタキシー
（MBE）によつて、所定の層の厚さで、基板１１
上に形成される。このガリウムヒ素層３１の一部
には、アルミニウムが加えられ、薄いアルミニウ
ムガリウムヒ素層３３が形成される。この工程
は、層１３が所定の高さに達するまで全体にわた
つて交互にくり返される。アルミニウムを含む領
域３３は、お互いに等間隔で積層され、これらの
層間の間隔は、受けとる赤外放射の波長によつて
決まる。従つて層１３の構成は、検出される赤外
放射の周波数にあわせて調整されることがわか
る。第３図の構造によつて赤外放射検出素子の量
子効率は、非常に向上される。
実際の動作では、赤外放射の光子が層１３に衝
突し、電子のエネルギーに変換されることによつ
て層１３内の電子が励起される。光子から充分な
エネルギーを受けとつたこれらの層１３内の電子
は、第４図で示すように層１３と層１５の間に存
在するバリヤ即ちヘテロ接合１７をよじ登ること
ができるようになる。従つてこれらの電子はバリ
ヤ１７をのりこえて層１５内へと移動する。層１
５内に移動してきた電子は、層１５と層１９（あ
るいは、層１９を使わない場合は層１５と層２
３）の間のバリヤ即ちヘテロ接合２１をのりこえ
られずに、ここで収集される。バリヤ２１にて電
子が収集されているので、第１図に示すような行
線５及び列線７を用いてセルを適当に感知する
と、アドレスした行により電荷をセンス線に装填
しなくとも、感知されるべき形成されたキヤパシ
タの各々の電荷が検出できるということが理解で
きる。
突し、電子のエネルギーに変換されることによつ
て層１３内の電子が励起される。光子から充分な
エネルギーを受けとつたこれらの層１３内の電子
は、第４図で示すように層１３と層１５の間に存
在するバリヤ即ちヘテロ接合１７をよじ登ること
ができるようになる。従つてこれらの電子はバリ
ヤ１７をのりこえて層１５内へと移動する。層１
５内に移動してきた電子は、層１５と層１９（あ
るいは、層１９を使わない場合は層１５と層２
３）の間のバリヤ即ちヘテロ接合２１をのりこえ
られずに、ここで収集される。バリヤ２１にて電
子が収集されているので、第１図に示すような行
線５及び列線７を用いてセルを適当に感知する
と、アドレスした行により電荷をセンス線に装填
しなくとも、感知されるべき形成されたキヤパシ
タの各々の電荷が検出できるということが理解で
きる。
本発明の装置の種々の実施例の動作は、これか
ら、更に詳細に示す。
ら、更に詳細に示す。
第５図は、超格子材料層１３の伝導帯の電子的
構造をより詳しく示している。超格子構造の規則
性は、人工的にブリユアン帯域境界１０１を作り
だしている。この境界１０１は、通常の放物線状
のポテンシヤルカーブ１０３を変形させ、このよ
うな通常の放物線状ポテンシヤルカーブ１０３の
代わりに人工的なブリユアン帯域境界１０１付近
でわずかに変形させ、第１の小さな帯域１０５を
作りだす。さらに、放物線状のポテンシヤルカー
ブ１０３その上方部分でも、変形され、超構子構
造の原子の空間配置の周期性によつて移動され、
第２の小さな帯域１０７が提供される。このよう
な構造の持つ利点としては、伝導帯内で直接遷移
を得ることができることがあげられる。即ち、第
１の小さな帯域から第２の小さな帯域への遷移
を、一定の値を持つ波長Ｋで得ることができる。
このことは光子の吸収が、音響子（フオノン）の
助けを必要としないうということである。このこ
とは、上記で説明した通り、光子が非常に効率よ
く吸収されることを意味する。注入バリヤの高さ
は、第２の小さな帯域のエネルギーギヤツプの高
さより低くなるように選択しなくてはならない。
これによつて、光子の吸収によつて第２の小さな
帯域内に注入されたキヤリアは、上記で説明した
通り、注入バリヤをのりこえて、注入される。
構造をより詳しく示している。超格子構造の規則
性は、人工的にブリユアン帯域境界１０１を作り
だしている。この境界１０１は、通常の放物線状
のポテンシヤルカーブ１０３を変形させ、このよ
うな通常の放物線状ポテンシヤルカーブ１０３の
代わりに人工的なブリユアン帯域境界１０１付近
でわずかに変形させ、第１の小さな帯域１０５を
作りだす。さらに、放物線状のポテンシヤルカー
ブ１０３その上方部分でも、変形され、超構子構
造の原子の空間配置の周期性によつて移動され、
第２の小さな帯域１０７が提供される。このよう
な構造の持つ利点としては、伝導帯内で直接遷移
を得ることができることがあげられる。即ち、第
１の小さな帯域から第２の小さな帯域への遷移
を、一定の値を持つ波長Ｋで得ることができる。
このことは光子の吸収が、音響子（フオノン）の
助けを必要としないうということである。このこ
とは、上記で説明した通り、光子が非常に効率よ
く吸収されることを意味する。注入バリヤの高さ
は、第２の小さな帯域のエネルギーギヤツプの高
さより低くなるように選択しなくてはならない。
これによつて、光子の吸収によつて第２の小さな
帯域内に注入されたキヤリアは、上記で説明した
通り、注入バリヤをのりこえて、注入される。
この構造は、長い波長を非常に鋭利にカツトオ
フすることができる。この構造の吸収帯域が広す
ぎる場合には、当然ながら、簡単に、短い波長を
吸収する材料で構造の表面をおおうことができ
る。
フすることができる。この構造の吸収帯域が広す
ぎる場合には、当然ながら、簡単に、短い波長を
吸収する材料で構造の表面をおおうことができ
る。
好ましくは、超格子構造は電子の質量がより小
さい点を利用するため、Ｎ型の素材料
（backgroundmaterial）を用いる。超格子構造の
素材料は、異なる材料から成る非常に薄い層で周
期的に交互に積みあげられた構成になつていて、
周期的に障壁を持つように構成される。この異な
る材料からなる層は、好ましくは、キヤリアがト
ンネル効果を起こし各材料層間を移動可能な程度
に薄い層（本実施例では約単分子膜）で構成す
る。このことは、超格子構造１３のいかなる部分
で発生したキヤリアも、超格子構造１３の中を通
過可能でバリヤをのりこえ、収集層１５内へと注
入されることを意味する。交互に積層される薄い
層は、異なるバンドギヤツプを持つ半導体層で構
成することができる。しかし、結晶の格子構造が
完全に保持されながら、格子構造の特徴に周期的
に妨害（障へき）を加えた構造を持つものであれ
ば、ほとんどどのような材料によつて構成するこ
とも可能である。
さい点を利用するため、Ｎ型の素材料
（backgroundmaterial）を用いる。超格子構造の
素材料は、異なる材料から成る非常に薄い層で周
期的に交互に積みあげられた構成になつていて、
周期的に障壁を持つように構成される。この異な
る材料からなる層は、好ましくは、キヤリアがト
ンネル効果を起こし各材料層間を移動可能な程度
に薄い層（本実施例では約単分子膜）で構成す
る。このことは、超格子構造１３のいかなる部分
で発生したキヤリアも、超格子構造１３の中を通
過可能でバリヤをのりこえ、収集層１５内へと注
入されることを意味する。交互に積層される薄い
層は、異なるバンドギヤツプを持つ半導体層で構
成することができる。しかし、結晶の格子構造が
完全に保持されながら、格子構造の特徴に周期的
に妨害（障へき）を加えた構造を持つものであれ
ば、ほとんどどのような材料によつて構成するこ
とも可能である。
従つて当分野で既知の通り、超格子構造は、半
導体材料層が間に介在される薄い金属又は絶縁物
層を含む構成で形成することができる。
導体材料層が間に介在される薄い金属又は絶縁物
層を含む構成で形成することができる。
本発明の好ましい実施例は、収集層１５内に注
入されたキヤリアを、収集層１５とバリヤ層１９
の間のヘテロ接合２１即ち電荷収集用のバリヤで
集める光容量素子の構造を使用しているが、この
ことは、必ずしも必要とされない。本発明の第２
実施例では、収集層１５内に注入されたキヤリア
が収集用のバリヤによつて素子内に単に蓄積され
るのみならず出力電流として利用される光導電体
として構成される。さらにこの他の実施例も考え
られる。例えば収集層１５内に注入されたキヤリ
アは、MIM（金属−絶縁物−金属）容量素子によ
つて集める構成にすることもまたその他の方法で
集める構成にすることもできる。いかなる場合で
も欠くことのできない本発明の重要な構成は、超
格子構造が所定の高さのバリヤを持つヘテロ接合
と隣接するように構成され、このヘテロ接合のバ
リヤの高さが超格子構造の持つ第１及び第２の小
さな帯域のエネルギーの中間のエネルギーに等し
くなるように設計し、超格子構造の第２の小さな
帯域への遷移をおこすキヤリアが注入ヘテロ接合
バリヤをのりこえて注入されるようにし、これに
よつて赤外放射の光子に相当する出力信号を発生
するようにするということである。
入されたキヤリアを、収集層１５とバリヤ層１９
の間のヘテロ接合２１即ち電荷収集用のバリヤで
集める光容量素子の構造を使用しているが、この
ことは、必ずしも必要とされない。本発明の第２
実施例では、収集層１５内に注入されたキヤリア
が収集用のバリヤによつて素子内に単に蓄積され
るのみならず出力電流として利用される光導電体
として構成される。さらにこの他の実施例も考え
られる。例えば収集層１５内に注入されたキヤリ
アは、MIM（金属−絶縁物−金属）容量素子によ
つて集める構成にすることもまたその他の方法で
集める構成にすることもできる。いかなる場合で
も欠くことのできない本発明の重要な構成は、超
格子構造が所定の高さのバリヤを持つヘテロ接合
と隣接するように構成され、このヘテロ接合のバ
リヤの高さが超格子構造の持つ第１及び第２の小
さな帯域のエネルギーの中間のエネルギーに等し
くなるように設計し、超格子構造の第２の小さな
帯域への遷移をおこすキヤリアが注入ヘテロ接合
バリヤをのりこえて注入されるようにし、これに
よつて赤外放射の光子に相当する出力信号を発生
するようにするということである。
−族の化合物半導体材料の技術は非常に進
んでいてよく理解されているのでここでは、これ
らの材料に関し主として本発明の実施例を説明し
てきたことに注意してほしい。即ち、ガリウムヒ
素及びアルミニウムガリウムヒ素のエピタキシヤ
ル層を分子ビームエピタキシー（MBE）によつ
て形成することは、容易である。このような材料
から構成するシステムが特に有利である点は、ガ
リウムヒ素層とアルミニウムガリウムヒ素層の格
子が非常によく一致し、これらの層間の界面の安
定性が高いことがあげられる。異なるバンドギヤ
ツプを持つ−族の材料間にできるエピタキシ
ヤルヘテロ接合も、当分野でよく知られる他の材
料とともに使用することができる。このような材
料に関しては、例えば1971年発行のパンコブ
（Pankove）著「半導体の光学プロセス」を参照
してほしい。この著書は、本明細書の参考として
引用する。
んでいてよく理解されているのでここでは、これ
らの材料に関し主として本発明の実施例を説明し
てきたことに注意してほしい。即ち、ガリウムヒ
素及びアルミニウムガリウムヒ素のエピタキシヤ
ル層を分子ビームエピタキシー（MBE）によつ
て形成することは、容易である。このような材料
から構成するシステムが特に有利である点は、ガ
リウムヒ素層とアルミニウムガリウムヒ素層の格
子が非常によく一致し、これらの層間の界面の安
定性が高いことがあげられる。異なるバンドギヤ
ツプを持つ−族の材料間にできるエピタキシ
ヤルヘテロ接合も、当分野でよく知られる他の材
料とともに使用することができる。このような材
料に関しては、例えば1971年発行のパンコブ
（Pankove）著「半導体の光学プロセス」を参照
してほしい。この著書は、本明細書の参考として
引用する。
さらに、当然ながら分子ビームエピタキシー法
は、この構造を形成するうえで好ましい方法では
あるがこの方法が唯一の方法というわけではな
い。有機金属の化学的気相成長法等の化学的気相
成長法の分野で働く研究者からは、階段ヘテロエ
ピタキシー法及びこの技術で薄い層を作ることに
関して良い結果を得たことが報告されているが分
子ビームエピタキシー法が現在において確実で適
当な製造技術である。特に、分子ビームエピタキ
シー法を用いて、ほぼ単分子層に相当する薄さの
層を持つ超格子材料層を、非常に容易に作りだす
ことができる。
は、この構造を形成するうえで好ましい方法では
あるがこの方法が唯一の方法というわけではな
い。有機金属の化学的気相成長法等の化学的気相
成長法の分野で働く研究者からは、階段ヘテロエ
ピタキシー法及びこの技術で薄い層を作ることに
関して良い結果を得たことが報告されているが分
子ビームエピタキシー法が現在において確実で適
当な製造技術である。特に、分子ビームエピタキ
シー法を用いて、ほぼ単分子層に相当する薄さの
層を持つ超格子材料層を、非常に容易に作りだす
ことができる。
前に示した好ましい実施例では、好ましくは、
超格子構造に含まれる厚い層には、Ｎ型ガリウム
ヒ素が用いられる。超格子構造の規則性は、検出
したい光子の最も波長の長い光子のエネルギーに
従つて計算される。この式は以下で示す。即ち、
超格子構造の間隔Ｌは、h2×K2／2m*＝光子のエネル ギー、ここでＫ＝2π／Ｌとなるように選択される。
超格子構造に含まれる厚い層には、Ｎ型ガリウム
ヒ素が用いられる。超格子構造の規則性は、検出
したい光子の最も波長の長い光子のエネルギーに
従つて計算される。この式は以下で示す。即ち、
超格子構造の間隔Ｌは、h2×K2／2m*＝光子のエネル ギー、ここでＫ＝2π／Ｌとなるように選択される。
故に、波長の長い光子の検出には、より長い周期
の超格子構造が必要となる。５ミクロンの波長の
放射では、光子のエネルギー（ｈ×ν）は、約
0.25エレクトロンボルト又は４×10-20ジユール
である。ガリウムヒ素では、電子の有効質量m*
は、孤立質量m0の約７％に等しくｈは、プラン
ク定数を示すのでこの公式から、超格子の間隔が
93Åであることが示される。
の超格子構造が必要となる。５ミクロンの波長の
放射では、光子のエネルギー（ｈ×ν）は、約
0.25エレクトロンボルト又は４×10-20ジユール
である。ガリウムヒ素では、電子の有効質量m*
は、孤立質量m0の約７％に等しくｈは、プラン
ク定数を示すのでこの公式から、超格子の間隔が
93Åであることが示される。
ガリウムヒ素をＮ型にする為のドーピングは、
好ましくは、やや高不純物濃度で行われ、多数の
キヤリアを発生させ、故に光子の吸収に適した断
面が提供される。好ましい実施例では、吸収層１
３のドーピングレベルは高く、好ましくは、２×
1018又はそれ以上の不純物濃度で行われ、光子の
吸収の為の大きな断面を提供することができる。
好ましくは、収集層１５はほぼ真性の半導体材料
即ち、意図的には、ドーピングが行われていない
材料で構成される。
好ましくは、やや高不純物濃度で行われ、多数の
キヤリアを発生させ、故に光子の吸収に適した断
面が提供される。好ましい実施例では、吸収層１
３のドーピングレベルは高く、好ましくは、２×
1018又はそれ以上の不純物濃度で行われ、光子の
吸収の為の大きな断面を提供することができる。
好ましくは、収集層１５はほぼ真性の半導体材料
即ち、意図的には、ドーピングが行われていない
材料で構成される。
２つの光容量素子の実施例に関し説明してき
た。第１の実施例では、収集層は、例えば真性ア
ルミニウムヒ素等のより大きなバンドギヤツプを
持つエピタキシヤルバリヤ層との界面にヘテロ接
合を形成し、このバリヤ層の上には、ゲート２５
が形成される。第２実施例では、信号電荷は、
MISダイオード内で集められる。このダイオード
は例えば収集層１５の上に絶縁物層２３及び導電
材料層２３を有している。
た。第１の実施例では、収集層は、例えば真性ア
ルミニウムヒ素等のより大きなバンドギヤツプを
持つエピタキシヤルバリヤ層との界面にヘテロ接
合を形成し、このバリヤ層の上には、ゲート２５
が形成される。第２実施例では、信号電荷は、
MISダイオード内で集められる。このダイオード
は例えば収集層１５の上に絶縁物層２３及び導電
材料層２３を有している。
吸収層１３に実際に注入可能な最大不純物濃度
は、暗電流によつて決まる。即ち、第１の小さな
帯域内のキヤリアの数は、キヤリアが第２の小さ
なバンド内に入りこんでしまうことがないように
多すぎてはならない。
は、暗電流によつて決まる。即ち、第１の小さな
帯域内のキヤリアの数は、キヤリアが第２の小さ
なバンド内に入りこんでしまうことがないように
多すぎてはならない。
第２の小さな帯域にキヤリアが入りこむと暗電
流が収集層内を流れてしまう。又、動作温度で注
入バリヤ高さ（頂上）から数KTの幅の中に多数
のキヤリアを提供することのないよう、すなわち
過剰な暗電流の発生を防止するためにも、第１の
小さなバンド内のキヤリアの数は多すぎてはなら
ない。
流が収集層内を流れてしまう。又、動作温度で注
入バリヤ高さ（頂上）から数KTの幅の中に多数
のキヤリアを提供することのないよう、すなわち
過剰な暗電流の発生を防止するためにも、第１の
小さなバンド内のキヤリアの数は多すぎてはなら
ない。
一般に、分極感度を低くし、これによつて、暗
電流に体する信号電流の比率を向上させるため
に、吸収層１３は、さらに改変することができ
る。この層の構造は、上記で説明したように垂直
方向に関して規則性を有するばかりでなく、垂直
方向の規則性に相当する寸法で水平方向にも規則
性を有するように改変される。このように水平方
向にも規則性を持つ構造では、装置の量子効率は
向上するが必然的に生産コストも非常に上がる。
従つて現在においては、あまり好ましくない。
電流に体する信号電流の比率を向上させるため
に、吸収層１３は、さらに改変することができ
る。この層の構造は、上記で説明したように垂直
方向に関して規則性を有するばかりでなく、垂直
方向の規則性に相当する寸法で水平方向にも規則
性を有するように改変される。このように水平方
向にも規則性を持つ構造では、装置の量子効率は
向上するが必然的に生産コストも非常に上がる。
従つて現在においては、あまり好ましくない。
本発明は、長い波長の光線吸収に適した−
族の材料を主として使用することを示唆してきた
ことに注意してほしい。−族の超格子構造に
ついても前に述べたが、一般に−族の材料及
びこれらの材料の特性の処理工程の方が−族
の材料の場合よりずつとよく知られているし扱い
やすい。
族の材料を主として使用することを示唆してきた
ことに注意してほしい。−族の超格子構造に
ついても前に述べたが、一般に−族の材料及
びこれらの材料の特性の処理工程の方が−族
の材料の場合よりずつとよく知られているし扱い
やすい。
＜効果＞
上述の本発明の装置は、明らかに、基板の有効
領域が広がり、より進歩した集積回路装置技術が
構成可能となりうかつ電荷を蓄積する為に適した
安定性の向上した界面を持つ点で、従来技術の水
銀カドニウムテルル赤外放射検出装置より秀れて
いることがわかる。さらに、本発明の装置では、
光電流に比べ極めてわずかな暗電流しか発生しな
い。
領域が広がり、より進歩した集積回路装置技術が
構成可能となりうかつ電荷を蓄積する為に適した
安定性の向上した界面を持つ点で、従来技術の水
銀カドニウムテルル赤外放射検出装置より秀れて
いることがわかる。さらに、本発明の装置では、
光電流に比べ極めてわずかな暗電流しか発生しな
い。
本発明は特定の実施例に関し特に説明してきた
が当業者には、種々の改変変更も明らかである。
従つて本発明は従来技術との関連で最も広く特許
請求の範囲の記載に基づき解釈され、このような
改変変更を全て含むものである。
が当業者には、種々の改変変更も明らかである。
従つて本発明は従来技術との関連で最も広く特許
請求の範囲の記載に基づき解釈され、このような
改変変更を全て含むものである。
第１図は、本発明に従う光容量検出器を用いる
撮像装置の回路図で、第２図は、本発明に従う光
容量検出器の概略図、第３図は第２図の超構子構
造材料層１３の拡大図、第４図は、第２図および
第３図の伝導帯分布を示す図、第５図は伝導帯内
にできる第１及び第２の小さな帯域を示すために
上記超格子構造の帯域構造をさらに詳しく示す図
である。 １……赤外放射検出セル、３……FET装置、
５……列線、７……行線、１１……ガリウムヒ素
基板、１３……吸収層、１５……収集層、１７…
…第１のヘテロ接合、１９……バリヤ層、２１…
…第２のヘテロ接合、２３……絶縁物層、２５…
…透明電極層、３１……Ｎ型ドーピングガリウム
ヒ素層、３３……アルミニウムガリウムヒ素層、
１０１……ブリユアン帯域の境界、１０３……ポ
テンシヤルカーブ、１０５……第１の小さな帯
域、１０７……第２の小さな帯域。
撮像装置の回路図で、第２図は、本発明に従う光
容量検出器の概略図、第３図は第２図の超構子構
造材料層１３の拡大図、第４図は、第２図および
第３図の伝導帯分布を示す図、第５図は伝導帯内
にできる第１及び第２の小さな帯域を示すために
上記超格子構造の帯域構造をさらに詳しく示す図
である。 １……赤外放射検出セル、３……FET装置、
５……列線、７……行線、１１……ガリウムヒ素
基板、１３……吸収層、１５……収集層、１７…
…第１のヘテロ接合、１９……バリヤ層、２１…
…第２のヘテロ接合、２３……絶縁物層、２５…
…透明電極層、３１……Ｎ型ドーピングガリウム
ヒ素層、３３……アルミニウムガリウムヒ素層、
１０１……ブリユアン帯域の境界、１０３……ポ
テンシヤルカーブ、１０５……第１の小さな帯
域、１０７……第２の小さな帯域。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ (a) 少くとも２つの交互に繰り返す第１と第
２の型のバンドの吸収超格子を有し、この第２
の型は第１の型より広いバンドギヤツプを持
ち、更に (b) 上記超格子に隣接する光子集収層を有し、こ
の光子集収層は上記第２の型よりは小さく、上
記第１の型よりは大きなバンドギヤツプポテン
シヤルを持ち、更に (c) 上記吸収超格子をたたく光子エネルギーによ
つて上記超格子から上記光子集収層にとびこむ
電子を検出するためのセンサを有する、ことを
特徴とする赤外線半導体検出装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US57046384A | 1984-01-13 | 1984-01-13 | |
| US570463 | 1984-01-13 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60161679A JPS60161679A (ja) | 1985-08-23 |
| JPH0550872B2 true JPH0550872B2 (ja) | 1993-07-30 |
Family
ID=24279746
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60003140A Granted JPS60161679A (ja) | 1984-01-13 | 1985-01-11 | 赤外線検出装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0149178B1 (ja) |
| JP (1) | JPS60161679A (ja) |
| DE (1) | DE3484197D1 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4903101A (en) * | 1988-03-28 | 1990-02-20 | California Institute Of Technology | Tunable quantum well infrared detector |
| US5077593A (en) * | 1989-12-27 | 1991-12-31 | Hughes Aircraft Company | Dark current-free multiquantum well superlattice infrared detector |
| JP2797738B2 (ja) * | 1991-03-15 | 1998-09-17 | 富士通株式会社 | 赤外線検知装置 |
| RU2676185C1 (ru) * | 2018-02-21 | 2018-12-26 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Способ изготовления свч фотодетектора |
| CN114582996B (zh) * | 2020-12-02 | 2023-03-24 | 中国科学院半导体研究所 | 周期渐变超晶格宽光谱红外探测器及其制备方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4450463A (en) * | 1981-06-29 | 1984-05-22 | Rockwell International Corporation | Multiple-quantum-layer photodetector |
| JPS5861679A (ja) * | 1981-10-07 | 1983-04-12 | Kokusai Denshin Denwa Co Ltd <Kdd> | 量子井戸層付アバランシ・ホトダイオ−ド |
-
1984
- 1984-12-19 EP EP84115765A patent/EP0149178B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1984-12-19 DE DE8484115765T patent/DE3484197D1/de not_active Expired - Lifetime
-
1985
- 1985-01-11 JP JP60003140A patent/JPS60161679A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3484197D1 (de) | 1991-04-04 |
| JPS60161679A (ja) | 1985-08-23 |
| EP0149178A3 (en) | 1986-08-13 |
| EP0149178A2 (en) | 1985-07-24 |
| EP0149178B1 (en) | 1991-02-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |