JPH06502743A - ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器 - 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】 ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器発明の背景 本発明は、半導体赤外線検知器及び熱放射を検出する一方法に関し、特に、エネ ルギー状態のミニバンドを形成する短い周期の超格子層によって分離された複数 のドーピングされた量子ウェルを有する半導体赤外線検知器に関する。

熱放射を検知する高性能検知器及び検知器アレイは、夜間視界、軍事監視及び航 法、ミサイルと航空機の追尾並びに民間航空機用の航法援助などのような広範囲 の軍事及び民間電気光学システムに使用されている。

（３〜５ミクロンの波長を持つ）中波長赤外線（ＭＷ　Ｉ　Ｒ）の検知器は、使 用可能な多数の検知器材料を備えている。しかし、長波長赤外線（ＬＷ　Ｉ　Ｒ ）波長帯（８〜１２ミクロンの波長）の検知器は、テルル化カドミウム水銀（Ｍ ＣＴ）の狭帯域ギャップ半導体によって組み立てることができるに過ぎない。光 学及び電気特性並びに機械的安定度の一貫性に関して多（の問題点がＭＣＴに関 連する。その結果、ＬＷＩＲ検知器アレイを機械的に組立てることが妨げられて いる。

従来の量子ウェル赤外線光検知器（ＱＷＩＰ）は、このＱＷＩＰ検知器用材料の 導電率を変化させる量子ウェルに拘束された状態からの帯電キャリヤの内部光放 射によって熱放射の存在を検知する。従来のＱＷＩＰ検知器に使用される材料は 、ガリウムひ素及びアルミニウムガリウムひ素のような■−■化合物半導体であ る。処理技術は、ｍ−ｖ化合物半導体が非常に一貫した検知性能を持つ検知器の 組み立てに使用できることを示唆するが、そのような検知器の性能はＬＷＩＲ波 長帯におけるＭＣＴ検知器の性能よりも劣る。

従来のＱＷＩＲ検知器の１つの例が図１に示されている。図１のＱＷＩＲ検知器 は、図１ａに示されたような２つの閉じ込められた状態、つまり接地状態及び励 起状態を構成するように選ばれた幅と深さを持つ量子ウェルの積み重ねを含む。

接地状態と励起状態との間のエネルギー境界は、検知すべき光子のエネルギーに 等しい。

量子ウェルは、最も低いエネルギー状態を電子で部分的に満たす電子ドナー不純 物によってドーピングされる。厚さ約１００オングストローム（１００＾）の障 壁によて各量子壁が分離される。図１ｂに示されるようにＱＷＩＰ検知器にバイ アスが印加されると、電子は量子ウェルを分離する障壁を通り抜けて励起状態及 びトンネルに光励起されて光電流として収集される。しかし、上述のＱＷＩＰ検 知器に熱放射がないときに流れる暗電流は、接地状態から量子ウェル間の薄い障 壁への電子のトンネル効果により受け入れられないほど大きい。

従来のＱＷＩＰ検知器のもう一つの例が図２に示されている。このＱＷＩＰ検知 器では、量子ウェルの幅は、一つの状態のみが量子ウェル内に生じ、実質的な励 起状態がわずかに障壁をこえて連続体の中に軽く押されるよいうに選択されてお り、この状態は図２ａに示されている。これらのＱＷＩＰ検知器では、量子ウェ ル間の障壁が比較的大きい約５００Ｘとなるように作られ、これによってキャリ ヤを依然として収集しながら暗電流が減少されるのは、光励起がキャリアを障壁 の上に押し出し、そのキャリアが印加電界によって掃引されるからである。

しかし、上記に説明したＱＷＩＰ検知器では、量子ウェルに一つだけの拘束状態 があり、また、検知性能を減少させる障壁をこえて励起状態が高く移動すると吸 収強度が急激に小さくなるので第１励起状態が障壁の頂部にエネルギーを閉じ込 めなければならない。これらの条件が要求される結果、ウェルの幅及び障壁の高 さは唯一の値に制限され、したがって検知器性能を最適化するように変えること は困難である。さらに、キャリヤの有効質量は、量子ウェルの１つの拘束状態を 構成するために低（なければならない。その結果ＱＷＩＰ検知器のドープ材料は ｎ型（電子ドナー）でなければならず、これはさらに設計パラメータを限定する 。ざらにＱＷＩＰ検知器が検出可能な波長範囲は、主として材料パラメータであ り、これは不連続状態から連続した状態までの吸収過程に依存する波長によって 定められる。またその波長範囲は吸収強度を大幅に減少させる障壁上の励起状態 のエネルギーを変えることによって変更することができるだけである。

発明の概要 本発明の１つの目的は、熱放射を検知する改良型半導体デバイスを提供すること である。

本発明のもう１つの目的は、検知器の半導体層の厚さ及び組成によって定められ 、検出可能な波長の範囲に対応する所定のバンド幅を持つミニバンド移送量子ウ ェル赤外線半導体検知器を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、検知器に印加される電界に応じて電気的に同調可能 なピーク吸収及びバンド幅を得ることである。

本発明の諸口的は、基板と、基板上に置かれた多層構造物と、多層構造物の頂部 及び底部表面上に置かれた第１並びに第２接触層とを含む半導体ミニバンド移送 量子ウェル赤外線検知器を提供することによって満足される。

多層構造物には、複数のドーピングされた量子ウェル及び量子ウェルの両側に置 かれた超格子障壁層が含まれている。超格子障壁層は、複数の交互する第１及び 第２層を有し、この場合第１層は比較的低温域ギャップを有し、また第２層は比 較的高付域ギャップを有する。超格子障壁層は、光電流として収集するために量 子ウェルから光励起されたキャリヤを移送するエネルギー状態のミニバンドを形 成する。

本発明の半導体検知器は、２つ以上の拘束状態を有する量子ウェルを含むので、 広範囲の材料及びキャリヤ型が半導体層に使用される。本発明の１つの実施例で は、半導体検知器はＧａＡｓ／ＡＡ’ＧａＡｓ量子ウェル構造を含む。別の実施 例では、Ｉ　ｎＧａＡｓ／Ｉ　ｎＡＩＡｓ（Ｉ　ｎＰ基板に格子整合されたもの ）のような検知器用の広範な半導体材料が使用される。

本発明はさらに、複数のドーピングされた量子ウェル層を提供し、各量子ウェル 層の上に置かれた複数の強力に結合された超格子障壁層からミニバンドを形成し 、量子ウェルからミニバンドにキャリヤを光励起し、また超格子障壁層及び量子 ウェル層に電界を印加して、熱放射に対応する光電流として収集するためにミニ バンドを経てキャリヤを送る諸手段を含む半導体デバイスによって熱放射を検知 する方法を提供する。

本発明により、半導体検知器及びその検知方法が提案され、それによって１つ以 上の拘束状態及びいろいろな種類のウェル幅と障壁の高さによって量子ウェルが 形成される。超格子障壁層は、より広い量子ウェルを用いて処理変化の感度と暗 電流とを減少させる。量子ウェルに２つ以上の拘束状態を含ませることによって 、一段と大きな範囲の材料及びキャリヤ型式を用いた検知器が使用可能となる。

さらに、検知器のバンド幅は超格子障壁にある層の結合を変えることにより広範 囲にわたり選択され、吸収強度を維持しながら吸収範囲をそれぞれ広げたり狭め たりして所望の広いまたは狭いミニバンドを提供する。

本発明の利用性の範囲はさらに、以下に記載される詳細な説明から明白になると 思う。しかし、言うまでもなく、詳細な説明及び特定の諸例は、本発明の好適な 実施例を示しながら、説明としてのみ与えられるのであり、本発明の範囲がこの 詳細な説明から当業者にとって明白になると思われる。

図面の簡単な説明 本発明は、以下に示される詳細な説明及び添付図面からさらに完全に理解される ものであり、それらは説明のためにのみ示され、本発明を限定するものではない 。

図１ａ及び図１ｂは、従来の量子ウェル赤外線検知器のエネルギー状態を示して おり、この場合、バイアスは、図１ａの検知器に印加されず、図１ｂの検知器に 印加されている。

図２ａ及び図２ｂは、別の従来型量子ウェル赤外線検知器のエネルギー状態を示 しており、この場合、バイアスは、図２ａの検知器には印加されず、図２ｂの検 知器に印加されている。

図３は、本発明の実施例のミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器用の構造を示 す。

図４は、図３の半導体構造を利用する本発明の実施例のミニバンド移送量子ウェ ル赤外線検知器を示す。

図５ａ及び図５ｂは、本発明のミニバンド移送検知器のエネルギー状態を示すが 、この場合、バイアスは、図５ａの印加されず、図５ｂに印加されている。

図６は、本発明のミニバンド移送検知器から得た光電流の波長依存度を示す。

図７は、本発明のミニバンド移送検知器の検知器のバイアス依存度を示す。

好ましい実施例の詳細な説明 図３は、ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器（以下、ＭＢＴ検知器と言う） の構造の１つの実施例を示す。ＭＢＴ検知器は、一つおきにある量子ウェル１０ 、。

１０□、・・・１０．、及び超格子障壁層２０．．２０□、・・・２Ｏｎを有す る多層構造からなる。キャップ層６０及び埋込み接点７０は、それぞれ多層構造 物４０の各端部に置かれている。上記構造物は基板３０の上に形成されている。

図４は検知器素子のアレイ（ピクセル）を含む本発明の１つの実施例を示す。各 ピクセルが描かれ、ビクセルを囲む材料がエツチングして取り除かれて埋込み接 点が露出されている。各ビクセルには、キャップ層６０にエツチングされた光回 折格子及び光回折格子の表面上に付着された金属接点を有する層８０が含まれて いる。放射線は基板３０を経て入射し、光回折格子を介して検知器の層に結合さ れる。

ＭＢＴ検知器の量子ウェルには、少なくとも接地状態と励起状態を含む２つ又は それ以上の拘束状態がある。

エネルギー状態のミニバンドは、構造物の超格子層を強く結合することによって 形成される。超格子障壁層には、薄い障壁層によって分離された複数の薄い量子 ウェルが含まれている。これらの複数の層は、交互にある低バンドギャップ層及 び高バンドキャップ層に対応し、それらは最も低いエネルギーミニバンドが量子 ウェルの励起状態に共鳴するように選ばれる。

この構造の１つの例が図５ａに示されており、この場合、量子ウェルが接地状態 と、ミニバンド１００のエネルギーレベル間にある励起状態とを含む。図５ｂは その構造への電界の印加状態を示すが、この場合ミニバンドは傾斜して、超格子 層の数周期にわたる一連の疑似分離状態（図面せず）に分解されている。量子ウ ェルは、接地状態がキャリヤによって一部満されるようにドーピングされる。こ れにより、量子ウェルの接地状態におけるキャリヤは、赤外線光子によって次の より大きなエネルギー状態（または光透過用の選択規則によって指示される任意 な奇数位のエネルギー状態）に励起される。その結果、キャリヤはミニバンド内 に置かれて、比較的容易に障壁層を経て移動して接触層において光電流として収 集される。

超格子障壁層は、接地状態から次の量子ウェル又は連続体へ直接トンネルするキ ャリヤの可能性が、極めて強いバイヤスが構造物に加えられる場合を除いて、実 質的にゼロであるような厚さを持つ。換言すれば、暗電流のトンネル成分はほぼ ゼロである。また、超格子障壁層のエネルギーは、連続体へのキャリヤの熱放射 を７７°にの所望の作動温度に制限するために十分に大きくなるように選ばれる 。精密な量子ウェル及び超格子障壁層の形状は、所望の波長ピーク及び検知器の レスポンス度の範囲を得るようにシステムのシュレージンガー（Ｓｃｈｒｏｅｄ ｉｎｇｅｒ）の方程式を解くことによってめられる。超格子障壁層にある層の数 は、結晶成長時間または他の同様な要件に基づいて選ばれる。量子ウェル層は、 接地状態がキャリヤで一部満されるようにドーピングされ、この場合層は通常電 子ドナーでドーピングされる。

ミニバンドにおける疑似分離状態のエネルギー及び空間範囲は、印加された電界 の有力な関数である。その結果、ピーク吸収及びレスポン度のバンド幅などのよ うなＭＢＴ検知器の特性は電気的に同調される。

分子ビームエピタキシによって形成されたＭＢＴ検知器の１つの例には、４０の ＧａＡＳ量子ウェルが含まれており、そのウェルは約７８Ｘの厚さを有し、４× １０１７／Ｃｍ３のレベルまでシリコンでドーピングされており、厚さ約２０人 の９個のＧａＡｓウェルを有する超格子障壁層と、厚さ約４０＾の１０個のＡＡ ’ＧａＡｓ障壁とによって分離されている。厚さ１μｍのドーピングされた接触 層は、活性量子ウェルの範囲の上下に形成されている。いろいろな面積を持つ検 知器素子は、その後、オームメタライズ領域を形成するように化学的エツチング 作用によって形成された。従来の４μｍピッチの三角形格子は量子ウェル層に垂 直な偏光成分によって集光するように、ウェー７１の後部にエツチングされる。

ＭＢＴ検知器は、この特定のＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ量子ウェル構造に限定され ない。広範囲の層の種類、層の厚さ及び材料は、ＭＢＴ検知器に使用することが できる。例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡＡ＋Ａｓ　（Ｉｎｐ基板に整合された格 子）またはＩ　ｎＧａＡｓ／Ｉ　ｎＡＪ　ＧａＡｓ引張り層構造が使用される。

量子ウェルの幅及び超格子障壁層の厚さは、１つの単一層から数百スまでの範囲 にわたる。波長感度は、実効質量、バンドオフセット及びウェルの深さなどのよ うな材料パラメータによって定められる。本発明の構造によると、量子ウェルに Ｐ型アクセプタドーピングを使用することができるようになる。その結果、Ｐ型 キャリヤの一段と大きな実効質量は、フェルミレベル及び対応する熱放出を減少 させてデバイスの暗電流を減少させる。

図６及び図７は、本発明のＭＢＴ検知器の改良型特性を詳細に示す。図６は、約 １０．５μｍのピーク・レスポンスと１１．１μｍの長い波長カットオフ（半型 力点）とを有する光電流の波長依存度を詳細に示す。図７は、ｌＸｌ０”ｃ＋ｎ ｖ”πｚ／ｗの値を得る７７°にの温度でのピーク検知器のバイアス依存度を示 す。

本発明の実施例は、広範な深さ及び幅を有する量子ウェルによって光電流を収集 する赤外線検知器を提供する。このＭＢＴ検知器によると量子ウェルの１つ以上 の拘束状態を持つ材料を使用できるので、材料及びキャリヤ型式の範囲は一段と 広くなる。さらに、Ｍ　Ｂ　Ｔ検知器のバンド幅は、準拘束状態での吸収の強度 を維持しながら吸収範囲を増加する一段と広いミニバンドを提供するように、超 格子障壁層を強（結合させることによって広い範囲にわたって選択することがで きる。したがって、強化された半導体デバイス及び熱放射を検知する方法が本発 明において提供される。

本発明はこのように説明されているので、多くの方法に変えられることが明白で あると思う。そのような変形は本発明の主旨及び範囲から逸脱したものとは見な されず、当業者にとって明白と思われるすべてのそのような変形は、下記請求の 範囲内に含まれるようにされている。

゛（ Δ へ 八 シ ！ 社 ぺ 八 シ 一： ＦＩＧ、３ 放射線 ＦＩＧ、　４ 波　長（ミクロン） ＦＩＧ、　６ ＦＩＧ、　７ ｌｅ１ｗｓｅ１１鉾ｅｌｌ１ｇ−ｋｓ＋１ｍ１１ｗ　ＰＣＴ／ＵＳ　９１１０８ ００４国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　基板と、 変化するレベルでの接地状態及び励起状態を含む複数のドーピングされた量子ウ ェルと、該各量子ウェルに配置された複数の超格子障壁層とを含み、基板上に置 かれた多層構造物であって、前記複数の超格子障壁層がミニバンドを形成し、該 ミニバンドが、検知器を通して形成される各ミニバンドについて連続しており、 さらに、前記複数のドーピングされた量子ウェルの変化するレベルで前記各励起 状態を拘束する平均エネルギーを持つ多層構造物と、 該多層構造物のそれぞれ上部及び下部にある第１及び第２接触層とを含む、こと を特徴とする半導体ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器。 ２　前記ミニバンドの幅が５０ｍｅＶと７０ｍｅＶとの間の範囲にあることを特 徴とする請求項１記載の半導体ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器。 ３　前記励起状態の変化しているレベルが所定のパターンを形成することを特徴 とする請求項１記載の半導体ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器。 ４　前記励起状態の変化するレベルの前記所定のパターンが、前記ミニバンドの 低レベルに対応する第１レベルと、前記ミニバンドの中レベルに対応する第２レ ベルと、前記ミニバンドの高レベルに対応する第３レベルとを含むことを特徴と する請求項３記載の半導体ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器。 ５　前記量子ウェルが複数の第１バンドキャップを含むことを特徴とする請求項 １記載の半導体ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器。 ６　前記超格子障壁層が複数の交互にある第１及び第２層を含み、該第１層が前 記複数の第１バンドキャップに対応し、かつ前記第２層が前記第１バンドキャッ プより大きな複数の第２バンドキャップに対応することを特徴とする請求項５記 載の半導体ミニバンド移送量子ウエル赤外線検知器。 ７　前記量子ウェルがＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項６記載の半導体ミ ニバンド移送量子ウェル赤外線検知器。 ８　前記超格子障壁層の前記第１層がＧａＡｓを含み、また前記超格子障壁層の 前記第２層がＡｌＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項７記載の半導体ミニバ ンド移送量子ウェル赤外線検知器。 ９　前記量子ウェルがＩｎＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項６記載の半導 体ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器。 １０　前記超格子障壁層の前記第１層がＩｎＧａＡｓを含み、また前記超格子障 壁層の前記第２層がＩｎＡｌＡｓを含むことを特徴とする請求項９記載の半導体 ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器。 １１　前記量子ウェルがＩｎＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項６記載の半 導体ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器。 １２　前記超格子障壁層の前記第１層がＩｎＧａＡｓを含み、また前記超格子障 壁層の前記第２層がＩｎＡｌＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項１１記載の 半導体ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器。 １３　前記第１接触層と第２接触層との間に電界を印加する装置をさらに含み、 これにより前記超格子層に一連の疑似分離状態を発生させることを特徴とする請 求項１記載の半導体ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器。 １４　ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器用の半導体構造であって、 基板と、 該基板に置かれた多層構造物とを含み、該多層構造物が、 変化するレベルで接地状態及び励起状態を含む複数の第１のドーピングされた量 子ウェルと、該各量子ウェルに置かれた複数の第１超格子障壁層とを含み、該複 数の超格子障壁層が、検知器を通して形成される各ミニバンドについて連続し、 かつ前記各励起状態を前記複数の前記ドーピングされた量子ウェル内において変 化するレベルで拘束する平均エネルギーを有するミニバンドを形成する半導体構 造物。 １５　前記量子ウェルが複数の第１バンドキャップを含むことを特徴とする請求 項１４記載の半導体構造物。 １６　前記超格子障壁層が複数の交互にある第１層及び第２層を含み、該第１層 が前記複数の第１バンドキャップに対応し、また前記第２層が前記第１パンドキ ャップより大きな複数の第２バンドキャップに対応することを特徴とする請求項 １５記載の半導体構造物。 １７　前記量子ウェルがＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項１６記載の半導 体構造物。 １８　前記超格子障壁層の前記第１層がＧａＡｓを含み、また前記超格子障壁層 の前記第２層がＡｌＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項１７記載の半導体構 造物。 １９　前記量子ウェルがＩｎＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項１６記載の 半導体構造物。 ２０　前記超格子障壁層の前記第１層がＩｎＧａＡｓを含み、また前記超格子障 壁層の前記第２層がＩｎＡｌＡｓを含むことを特徴とする請求項１９記載の半導 体構造物。 ２１　前記量子ウェルがＩｎＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項１６記載の 半導体構造物。 ２２　前記超格子障壁層の前記第１層がＩｎＧａＡｓを含み、また前記超格子障 壁層の前記第２層がＩｎＡｌＧａＡｓを含むことを特徴とする請求項２１記載の 半導体構造物。 ２３　前記ミニバンドの幅が５０ｍｅＶと７０ｍｅＶとの間の範囲にあることを 特徴とする請求項１４記載の半導体ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器。 ２４　前記励起状態の変化するレベルが所定のパターンを形成することを特徴と する請求項１４記載の半導体ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器。 ２５　前記励起状態の変化するレベルの前記所定パターンが前記ミニバンドの低 レベルに対応する第１レベルと、前記ミニバンドの中レベルに対応する第２レベ ルと、前記ミニバンドの高レベルに対応する第３レベルとを含むことを特徴とす る請求項２４記載の半導体ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器。 ２６　半導体デバイスによって熱放射を検知する方法であって、 接地状態及び変化するレベルでの励起状態を含む複数のドーピングされた量子ウ ェルを構成する段階と、デバイスを通して形成された各ミニバンド用に連続しか つ前記各量子ウェルに置かれた複数の強く結合された超格子障壁層から前記複数 のドーピングされた量子ウェルにおいて変化するレベルで前記各励起状態を拘束 する平均エネルギーを持つミニバンドを形成する段階と、 前記量子ウェルの前記接地状態から前記ミニバンド内の前記励起状態までキャリ ヤを光励起させる段階と、前記超格子障壁層及び前記量子ウェル両端に電界を印 加して、熱放射の検知に対応する光電流として収集されるようにキャリヤを前記 ミニバンドに移送する段階とを含むことを特徴とする方法。 ２７　前記接地状態と、熱放射を検知するための所望のピーク波長レスポンスに 対応する前記量子ウェルの１つの励起状態との間の所定のエネルギー差を選択す る段階をさらに含むことを特徴とする請求項２６記載の方法。 ２８　熱放射を検知する所望のバンド幅を得るように、前記超格子障壁層の厚さ 及び組成パラメータを選択する段階をさらに含むことを特徴とする請求項２６記 載の方法。 ２９　ピーク吸収と、変化する前記電界に応じて熱放射のバンド幅とを同期させ る段階をさらに含むことを特徴とする請求項２８記載の方法。 ３０　請求項２６記載による半導体デバイスによって熱放射を検知する方法であ って、前記ミニバンドが５０ｍｅＶと７０ｍｅＶとの間の範囲の幅に形成される ことを特徴とする方法。 ３１　請求項２６記載による半導体デバイスによって熱放射を検知する方法であ って、前記量子ウェルにおける前記励起状態の変化するレベルが所定のパターン を形成することを特徴とする方法。 ３２　請求項３１記載による半導体デバイスによって熱放射を検知する方法であ って、前記励起状態の変化するレベルから成る前記所定のパターンが、前記ミニ バンドの低レベルに対応する第１レベルと、前記ミニバンドの中レベルに対応す る第２レベルと、前記ミニバンドの高レベルに対応する第３レベルとを含むこと を特徴とする方法。