JPH0744290B2 - 光検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、一般に長波長光検出器に関し、さらに詳しく
は、非ドープ超格子フィルタ構造を採用した赤外検出器
に関する。

B.従来の技術 短波長デバイス（例えば、1.5ミクロン以下の近赤外
域、可視域または紫外域にある波長に感応するデバイ
ス）は比較的一般的である。これらのデバイスは狭いバ
ンドギョップの材料を必要としないので、周知の容易に
集積可能な材料を使用することができる。赤外線などの
波長が７ミクロン以上の比較的長い波長（低いエネルギ
ー）を検出するには、狭いバンドギャップの材料、材料
にひずみを与えてバンドギャップを狭くした比較的広い
バンドギャップの材料、または狭いバンドギャップの材
料の吸収特性を模倣した特殊構造のいずれかを使用する
必要がある。検出周波数または検出波長は、検出器がそ
れを検出するように設計またはチューニングされる放射
線の周波数または波長（すなわち、デバイス内に所望の
光電流を発生させる周波数または波長）である。

広バンドギャップ材料内でのバンド間吸収の原理に基づ
いて動作する電子なだれ検出器の例は、1.0〜1.5ミクロ
ンのスペクトルの波長を検出するように適合されたマル
チｐ−ｎ接合デバイスを記載した、米国特許第4203124
号を参照されたい。検出はバンド間（interband）吸収
によって行なわれる。米国特許第4722907号は、1.0〜1.
5ミクロンの近赤外スペクトルの波長を検出するように
適合された電子なだれ検出器（APD）デバイスを記載し
ている。このデバイスも、広くバンドギャップ材料内の
バンド間吸収によって働き、超格子電子なだれ増幅制御
を含んでいる。可視スペクトルの波長を検出するように
適合されたｐ−ｉ−ｎひずみ層超格子フォトダイオード
の例は、米国特許第4616241号を参照されたい。このデ
バイスは、広バンドギャップ材料内でのバンド間吸収の
原理に基づき、ひずみ層超格子によって動作する。

従来技術では、長波長光検出器、すなわち赤外（７ミク
ロン以上）スペクトルの波長を検出するように適合され
た検出器は、主として、狭バンドギャップ材料における
バンド間吸収、ひずみ層超格子によるバンド間吸収、も
しくはドープされた超格子または主検出機構としてのマ
ルチ量子ウェル検出器におけるサブバンド間吸収を利用
していた。

ドープされた超格子または多数量子ウェル検出器でのバ
ンド内（intraband）吸収の原理に基づいて動作する長
波長光検出器の例は、米国特許第4711857号を参照され
たい。このデバイスは、サブバンド間吸収を利用するの
ではなく、多数キャリアの光励起によって入射放射線を
検出する。入射放射線が、量子バリヤを越すのに十分な
エネルギーでキャリアを励起するのに十分な時、電流が
流れる。

長波長放射線を検出するための他のデバイスは、内部光
子放出の原理に基づいて動作する、金属半導体インタフ
ェース・デバイスである。これは多数キャリア・デバイ
スである。例えば、Ｈ・ポーラック（H.Pohlack）の論
文「随意に強化されたIRイメージ・センサ用のショット
キー・バリヤ光検出器（Optionally Enhanced Schottky
Barrier Photodetectors for IR Image Sensor Applic
ation）」、Phys.Stat.Sol.、（ａ）97（1986年）、pp.
K211−K215を参照されたい。

バンド間吸収デバイスは、HgCdTeなどの狭バンドギャッ
プ材料を利用するものである。バンド間吸収の使用は古
い着想で、かなり完成されている。その主な欠点は、Hg
CdTe族などの狭バンドギャップ材料の劣った材料特性、
及びこれらの材料を他の電子デバイスと集積可能なアレ
イの作成に使用することが極めて困難なことである。こ
れらの電子デバイスは、小数キャリア・デバイスであ
る。例えば、E.R.ガートナー（Gertner）、S.H.シン（S
hin）、D.D.エドウォール（Edwall）、L.O.ブブラック
（Bubulac）、D.S、ロー（Lo）及びW.E.テナント（Tenn
ant）の論文「GaAs上Hg_1-xCd_xTeの高性能光起電力赤外
線デバイス（High−Performance Photovoltaic Infrare
d Device in Hg_1-xCd_xTe on GaAs）」、Appl.Phys.Let
t.、Volume 46、No.9（1985年５月１日）、pp.851−85
3を参照されたい。

サブバンド間吸収（後で詳しく述べる）デバイスは比較
的新しく、例えば、GaAs−AlGaAsマルチ量子ウェル構造
を用いて作ることができる。これらのデバイスは、光学
的に活性な超格子構造を利用して、適当な波長の入射放
射線を検出する。これらは多数キャリア・デバイスであ
る。

長波長（例えば７ミクロン以上）検出器では、ドープさ
れた超格子構造が検出器として有効に機能し、デバイス
の集積が重要であるバンド間吸収デバイスに勝る利点を
有する。従来技術の他のタイプのデバイスに対しては、
材料処理の問題にぶつかるので、集積は困難である。材
料の問題の他に、ドープされた超格子構造を含めて、従
来技術によるほとんどのデバイスを使用する際の欠点と
しては、大きな暗電流及び電圧チューニング可能性の欠
如がある。ドープされた超格子構造に伴う別の問題は、
検出の立体角が非常に小さいことである。サブバンド間
吸収を利用したデバイスは、感度を向上させるため、入
射放射線（radiation）に対して特定の角度に向けなけ
ればならない。さらに、少数キャリア伝導を利用したデ
バイスは、多数キャリア伝導を利用したデバイスより速
度が遅くなる傾向がある。

前記のすべての問題のうちで、暗電流の問題が最もやっ
かいである。従来技術による検出器の大暗電流特性は、
主として、デバイス中の熱エネルギーの結果である。こ
うした従来技術によるほとんどのデバイスでは、暗電流
が大きいため、暗電流を所望の光電流から区別すること
が難しい。すなわち、暗電流はこれらのデバイスの感度
を大幅に制限する。この問題は、電子なだれ効果によっ
てさらに悪化することがある。暗電流の主要成分は電子
の伝導状態への熱励起であり、かつ暗電流成分を濾過す
る効果的な手段は見つかっていないので、暗電流を制御
する主な方法は、熱エネルギーを下げるものである。熱
エネルギーを低下させて暗電流を制限する周知の一方法
は、デバイスを極低温に冷却するものである。冷却によ
り、キャリアの熱励起とそれによって発生する電流が減
少する。しかしながら、極低温冷却はコストが高く、複
雑な熱伝達装置を必要とする。

従来技術によるほとんどのデバイズに伴うもう１つの問
題は、検出周波数がデバイス構造及び材料特性によって
異なることである。したがって、検出時の製造後は検出
周波数が固定され、例えば、バイアス電圧を調節するこ
とによって変更することはできない。ほとんどの長波長
光検出器は、その構造と検出機構上から固定検出周波数
で動作するように制約され、したがってチューニング不
可能である。一つの例外は、電圧チューニングが可能な
ｎ−ｉ−ｐ−ｉ構造（現在、1.0ミクロン以下の応用分
野で使用されている）である。例えば、G.H.ドーラー
（Dohler）、H.クンゼル（Kunzel）、K.プルーグ（Ploo
g）の論文「GaAsドーピング超格子におけるチューニン
グ可能吸収係数（Tunable Absorption Coefficient in
GaAs Doping Superlattices）」、Physical Review
Ｂ、Vol.25、No.4（1982年２月15日）、pp.2616−2626
を参照されたい。ｎ−ｉ−ｐ−ｉ構造における検出機構
は、伝導帯と価電子帯の間の間接実空間遷移なので、そ
のバイアス電圧を変更することによってチューニングが
できる。デバイスの両端間のバイアス電圧を変更する
と、隣接するドープされた領域の伝導帯と価電子帯の間
のエネルギー・ギャップが変化する。しかしながら、こ
のタイプのデバイスが長波長の応用例に適合可能なこと
は知られていない。

このため、高速、集積可能、高感度で、所望の光電流を
実質上減衰させずに、望ましくない暗電流の大部分を濾
過除去する長波長光検出器を提供できれば好都合であ
る。さらに、検出周波数の全域にわたって電気的にチュ
ーニング可能な長波長光検出器を提供できれば好都合で
ある。また、直交放射線を含めて大きな立体角の入射放
射線で機能する長波長検出器を提供できれば好都合であ
る。最後に、多数キャリア伝導によって動作する集積可
能かつ高感度の長波長光検出を提供できれば好都合であ
る。

サブバンド間吸収の原理に基づいて動作する、GaAs−SA
lGaAsでドープされ超格子構造は、B.F.リーバイン（Lev
ine）他の論文「共振トンネリングGaAlAs超格子におけ
るサブバンド間吸収を用いた新しい10ミクロン赤外検出
器（New 10μm Infrared Detector using Intersubband
Absorption in Resonant Tunneling GaAlAs Superlatt
ices）」、Appl.Phys.Left.、50（16）（1987年４月20
日）に記載されている。この検出器は、サブバンド間吸
収を利用して検出を行なうためにドープされたAl_xGa_1-x
As超格子を使用して、長波長光検出器を電子回路に集積
することに伴う問題を克服することを意図したものであ
る。上記論文によれば、この検出器は、技術的に遅れて
いるHg_xCd_1-xTe合金ではなく、第III−Ｖ族半導体を使
用して、長波長（10ミクロン）赤外線に対する感受性を
実現することを意図したものである。このデバイスで
は、光の吸収と大きな暗電流を防止するため、陰極と陽
極のドーピングを制限する必要がある。それだけのドー
ピングが、デバイスとの間での電流の移動を容易にす
る。したがって、このデバイスの光学的に活性な構成部
分は、ドープされた超格子部分であり、自由キャリアの
サブバンド間励起から光電流が生じる。

しかし、サブバンド間吸収は、上記のデバイスが最適結
果を達成するのを妨げるという固有の欠点を持つ。ま
ず、このデバイスの動作原理のゆえに、デバイスにバイ
アスをかけて、効率的な光検出が起こる前に、電子なだ
れ降伏を起こす電圧に近い電圧に、つまり電界が熱的に
発生した暗電流キャリアを増倍させる条件にしなければ
ならない。したがって、このデバイスは、その最適動作
条件でバイアスをかけた時、比較的大きな「暗電流」す
なわちノイズを有する。第２に、光が量子ウェルを形成
する層に垂直に入射する場合、サブバンド間吸収は削減
するので、感度を最大にするため、検出器をブルースタ
ー角に配向しなければならない。したがって、この検出
方式は非常に限られた立体角でしか感受性がない。

第７図は、陽極10、陰極12、量子ウェル14、及び便宜上
後で説明するバリア領域16を含む、バイアスをかけてい
ない２ウェル量子格子デバイスを示す。Efは陽極12のフ
ェルミ・エネルギー準位である。Ecは伝導帯エネルギー
準位である。従来技術のサブバンド間吸収デバイス（例
えば、リーバイン他のデバイス）の量子ウェル14は、本
発明の本質的に同じ材料で作ることができるが、（少な
くとも）最低エネルギー量子ウェル・サブバンド18（以
後低サブバンドと呼ぶ）の電子を生成するようにドープ
されている。自由キャリアが空乏の高エネルギー・サブ
バンド20も含まれる。さらに、バリヤ領域16は、すべて
の電子トンネリングを実質上防止するのに十分な厚さで
ある。

ドープされた超格子デバイスに第８図のようにバイアス
をかけると、量子ウェルの低サブバンド18から高エネル
ギー・サブバンド20に励起された電子は、バリヤ16の幅
がバイアス・スロープ24によって減少し、かつ上部サブ
バンドがバリヤ上端に近くなるので、トンネリングによ
ってデバイス中をより容易に通過する。バイアス・スロ
ープ24は、デバイスの両端間に直流電流をかけることに
よって誘起される。したがって、（例えば、デバイスを
照射することによって）電子を低サブバンド18から高サ
ブバンド20に励起する時、電子は容易に量子ウェルから
陽極に移動する。電子がある量子ウェルから次の量子ウ
ェルに移動する時、（特に、デバイスにバイアスをかけ
て電子なだれを強化する場合）電子なだれ効果を起こし
てデバイス中の電流を指数関数的に増加させる可能性が
ある。

第９図は、サブバンド間吸収を示す図であり、エネルギ
ー（例えば、入射放射線の形の光子エネルギー）を加え
ると、電子が低ネレルギー・サブバンド18から光エネル
ギー・サブバンド20へジャンプして、電子を量子ウェル
14から逃がし、電流が流れる状態を示す。

したがって、電流の流れを誘起するには、例えばデバイ
スを照射することによってデバイスに加えるエネルギー
が、電子を低エネルギー・サブバンド18から高エネルギ
ー・サブバンド20へジャンプさせるのに十分でなければ
ならない。すなわち、入射放射線の光子エネルギーは、
電子をあるサブバンドから次のバンドへ上げるのに要す
るエネルギーと同じでなければならない。放射エネルギ
ーがデバイス中を通過する時、光子は各量子ウェルで吸
収されて、各量子ウェルがデバイス電流に寄与するよう
になる。さらに具体的には、適切な波長の光がデバイス
中を通過する時、各量子ウェル中の電子にはエネルギー
を渡す。したがって、各量子ウェルはそれ自体の電流を
生成し、それが電子なだれ効果によって増幅できる。こ
れは、ドープされた複数量子ウェル検出器におけるサブ
バンド間吸収の一例である。こうしたデバイスでは、量
子ウェル構造は感光性であり、入射放射線を検出する。

サブバンド間検出器及び他のほとんどの長波長光検出器
のレスポンスは、検出周波数の周りで対称でないことに
注目されたい。すなわち、そのレスポンスは問題の周波
数より上の周波数を持つ入射放射線に対しては非常に高
く、問題の周波数より下の周波数では急速に低下する。
したがって、広バンドすなわち短波長の入射放射線は、
低サブバンドの電子をバリヤ層を越えて逃がし、かつ望
ましくない光電流を流させるのに十分な光子エネルギー
を持つ、検出周波数より下の波長を含む。この高周波
（高エネルギー）放射線を、検出器に当る前に（例え
ば、検出器の前に、ほぼ検出周波数に等しいカットオフ
周波数を有するフィルタを置くことによって）濾過する
ことができる。検出周波数より下の周波数を持つ放射線
は、電子にドープさせたサブバンドからバリヤを飛び越
させるにはその光子エネルギーが十分でなく、したがっ
て電流を誘起しないので、デバイスによって濾過され
る。検出周波数のすぐ上の周波数は、検出周波数での波
長に対する検出器の感度を低下させずに濾過することが
難しいことに注目されたい。さらに、検出器をチューニ
ングして検出周波数を調節しないで、より短かい波長を
効果的に濾過することは、極めて困難である。

入射放射線によって検出器中に誘導される所望の電流の
ほかに、望ましくない電流も各種機構によって誘導され
る。従来技術のすべてのデバイスでは、入射放射線が存
在しない場合でも、外部のエネルギー源（主として熱エ
ネルギー及び電界エネルギー源）によって、望ましくな
い電流が、いずれかの活性領域中に（例えばドープされ
た量子ウェル中に）発生することがある。この望ましく
ない電流を暗電流と呼ぶ。これらのデバイスの多くで
は、望ましくない電流が増幅されて、電流なだれを起こ
す。さらに、これらのデバイスは、暗電流を特定のエネ
ルギー準位（例えば、検出周波数の光子エネルギー）に
制限するように適合されていず、その結果、広バンド暗
電流が生じて、デバイスの感度を低下させる。したがっ
て、検出器が有用になるには、検出周波数の入射放射線
による追加エネルギーが、暗電流と区別して検出すなわ
ち抽出されるのに十分な大きさでなければならない。

共振トンネリングからも大きな暗電流が生ずることがあ
る。量子ウェルがドープされており、したがって自由キ
ャリア（例えば、電子またはホール）を含む、バイアス
をかけた、ドープされた超格子では、第10図に示すよう
な量子ウェル・サブバンドに整列によって、共振トンネ
ル電流が発生する。暗電流のレベルと検出器の量子効率
は、検出器の感度に比例する、量子ウェル中のドーピン
グ濃度の上昇につれて向上する。したがって、検出器の
感度が高いほど、暗電流の問題は大きくなる。

陰極がドープされ、バイアスのせいで、陰極のフェルミ
準位が整列したサブバンドに合致するか、またはそれを
超える場合にも、同様な現像が発生する。これによっ
て、陰極中の自由キャリアが電流として流れるようにな
る。したがって、ドープされた超格子検出器では、共振
トンネリングが暗電流を増加させる好ましくない影響を
もつ。第11図は、共振トンネリングを起こすためにバイ
アスをかけた、陰極のドーピング濃度が高い、サブバン
ド間吸収デバイスを示す。

ドープされた超格子構造の主な欠点は、検出の立体角が
限られていることがある。検出のためにサブバンド間吸
収を利用するドープされた超格子構造では、入射光線が
適切な角度（ブルースター角）でデバイスに当たること
が、最適動作のために必要である。そうでないと、入射
放射線が各量子ウェルに光子エネルギーを渡さない。放
射線が、ブルースター角またはそれより僅かに異なる角
度でデバイスに当たる場合（例えば、量子ウェルに垂直
に検出器に入る場合）、入射放射線の電界（Ｅ界）は、
マトリックス・エレメントに直交する。したがって、電
子を低サブバンド・エネルギーから高サブバンド・エネ
ルギーに高めるために要するエネルギー成分はゼロであ
る（すなわち、それらの量子ウェルではサブバンド間吸
収は起こらない）。

サブバンド間吸収を利用するドープされた超格子では、
陰極は通常、量子ウェルと同じ材料から構成されるの
で、陰極のドーピング濃度を制限しなければならない。
陰極をドーピングすると、そのフェルミ準位が、電流が
光励起なしに流れることができる所まで上がり、デバイ
スの感度が大幅に低下する。このことは、第10図を見る
とわかる。第10図では、フェルミ準位は、陰極の最低サ
ブバンドの僅か上にある。第11図のようにさらにドーピ
ングを行なうと、フェルミ準位が、共振電流が連続的に
流れる所にまで上昇してしまう。

C.発明が解決しようとする課題 本発明の目的は、暗電流成分が減少した、長波長光検出
器を提供することである。

本発明の他の目的は、ドープされていない量子ウェルま
たは超格子フィルタ・エレメントを有する、長波長光検
出器を提供することである。

本発明の他の目的は、強くドープされた半導体陰極を有
する、長波長光検出器を提供することである。

本発明の他の目的は、陰極での自由キャリアの吸収によ
って入射放射線を検出する、長波長光検出器を提供する
ことである。

本発明の他の目的は、電気的に活性で光学的に活性な半
導体構造に結合された、電気的に活性で光学的に不活性
なフィルタ構造を有する、長波長光検出器を提供するこ
とである。

本発明の他の目的は、検出周波数を実質的に減衰させず
に、検出周波数より上及び下の周波数を濾過して除去す
る、電気的に活性で光学的に不活性なフィルタ構造を有
する、長波長光検出器を提供することである。

本発明の他の目的は、陰極と陽極の間の電圧バイアスを
変化させることによって検出周波数を変更することので
きる、長波長光検出器を提供することである。

本発明の他の目的は、検出周波数の全域にわたって電気
的にチューニングすることのできる、長波長光検出器を
提供することである。

本発明の他の目的は、長波長多数キャリア検出器を提供
することである。

本発明の他の目的は、有効電子質量の低い陰極を有す
る、長波長光検出器を提供することである。

本発明の他の目的は、検出のためバイアスをかけた時に
検出器の電子なだれ電圧の近くにバイアスされない、長
波長光検出器を提供することである。

D.課題点を解決するための手段 本発明の一実施例では、高度にドープされた陰極を、ド
ープされていない量子ウェル即ち超格子フィルタ構造を
介して陽極に結合することによって、長波長光検出器を
形成する。本発明による検出器の吸収機構は、強くドー
プされた直接バンドギャップ半導体（陰極）内での自由
キャリア吸収である。陰極材料は、伝導帯エッジが共振
トンネリング・フィルタのウェルを形成する材料の伝導
帯エッジより低くなるように選定する。また陰極材料
は、電子質量が低い直接バンドギャップの比較的狭い半
導体材料でなければならない。これは２つの利点を有す
る。すなわち第１に、電子質量が低いことは、自由キャ
リア吸収がより強いことを意味する。第２に、伝導帯エ
ッジがより低いことは、大きな暗電流を助長せずに陰極
をドーピングできることを意味する。本発明による検出
器は、共振トンネリングによって電子がフィルタ構造を
通過するようにバイアスがかかる。伝導を励起するに
は、入射放射線は、陰極電子を陰極のフェルミ・エネル
ギー準位から量子ウェル・フィルタの共振エネルギー準
位へ高めるのに十分な周波数（すなわち光子エネルギ
ー）を持たなければならない。したがって、入射放射線
の光子は、光子吸収器とも呼べる陰極に吸収される。

本発明の第２の、電圧チューニング可能な好ましい実施
例では、ドープされていないサブバンドを有する単一の
量子ウェル・フィルラを、ドープされた陰極と陽極構造
との間に配置する。この単一の量子ウェル・フィルタ
は、２つのバリヤ領域で囲まれた１つまたは複数のサブ
バンドを有する。検出周波数は、伝導帯のバイアス勾配
を増減させて、量子サブバンド・エネルギー準位を陰極
フェルミ・エネルギー準位に向って動かすことによっ
て、変化する。

E.実施例 本発明は、第１図に示した２量子ウェル３バリヤ・デバ
イスを参照すれば理解できる。第１図は、陽極110、陰
極112、量子ウェル114及びバリヤ領域116を含む、バイ
アスをかけていない２ウェル量子格子デバイスを示す。
量子ウェル114ドープされておらず、最低エネルギーの
量子ウェル・サブバンド18と、より高いエネルギーの量
子サブバンド120の少なくとも２つのバンドを含む。こ
のデバイスをドープすると、バイアス・スロープ124が
形成されて、デバイスに共振バイアスをかけ、サブバン
ドを後続の量子ウェル中で整列させる。

本発明では、フィルタの量子ウェルはドープされていな
いが、陰極は強くドープされているので、フィルタ量子
ウェル中のどのサブバンドも自由電子を含まない。本発
明における電子電流の流れは、第１図に示すような本発
明によるデバイスにバイアスをかけて、第１量子ウェル
のサブバンドが次の量子ウェルのサブバンドと整列する
か、または次のバリヤのエネルギーを越えるようにする
ことによって生じる。したがって、フィルタがバイアス
されて、光励起された電子の共振トンネリングを起こ
す。強くドープされた陰極領域で電子を励起することに
よって、そのエネルギーは第１量子ウェル状態（すなわ
ちサブバンド）の準位に上がり、共振トンネリングによ
ってデバイスを通過することができる。共振トンネリン
グは、各後続量子ウェルのサブバンドが整列する所で起
こり、そのため共振フィルタがそこを通過する電子を透
過させるように見える。この現象は、量子ウェル中の電
子の位相がコヒーレントなことによって生ずる。量子ウ
ェルはドープされていないため、バリヤ経路の全有効長
が陰極から陽極への電流のトンネリングを防止するの
で、バリヤ層の厚さを、電子がトンネリングによって単
一バリヤを通過できるのに十分な薄さにすることができ
る。

本発明によるフィルタ構造は、検出器陰極中での自由キ
ャリア吸収によって発生するキャリアの共振トンネリン
グによって動作する。陰極中での光励起されたキャリア
の効率的な発生を促進するには、有効質量の低い電子を
もたらすバンドギャップの小さな材料を選定して、これ
を強くドーピングすることが重要である。したがって、
陰極の伝導帯エッジを量子ウェルの伝導帯エッジより低
くする。

第１図は、本発明によるバイアスされたデバイスの伝導
帯エッジの整列を示す。量子ウェルはドープされていな
いので、量子ウェルのサブバンドは自由キャリアを含ま
ない。したがって本発明では、量子ウェルは吸収器とし
てではなく、光学的に不活性に光励起された電子エネル
ギー・フィルタとして働く。さらに、本発明の超格子は
共振するので、小さな範囲のエネルギー準位のみで電子
を移動させる。共振エネルギー準位より上または下のエ
ネルギー準位を持つ量子は、バリヤ層を越すのに十分な
エネルギーを持たない限り、移動しない。したがって、
本発明のフィルタ構造は、２つのエネルギー準位に対し
てのみ応答する。そのフィルタ構造が応答する第１のエ
ネルギー準位は、陰極フェルミ準位と陰極伝導帯の下端
との間のエネルギーを持つ電子を、バイアスされたフィ
ルタの共振準位にジャンプさせるのに十分な小さな範囲
のエネルギー（例えば、光子エネルギー）である。１つ
または複数の検出波長の光子エネルギーはこの範囲にあ
る。フィルタ構造が応答する第２のエネルギー準位は、
陰極中の自由キャリアがバリヤ・エネルギーを越えるの
に十分な（光子またはその他の）エネルギーの範囲であ
る。本発明のこの特性が、従来技術に勝る２つの主な利
点をもたらす。

本発明のフィルタ構造の第１の利点は、暗電流の大幅な
減少である。電流を誘起するのに必要な熱エネルギー
は、フィルタの共振エネルギー準位に合致するか、また
はバリヤ層を越えなければならないため、暗電流はほと
んど流れない。熱エネルギーは広帯域エネルギーであ
り、いずれか１つの準位（例えば、共振電流を誘起する
に必要な準位）に集中しているエネルギーは極く僅かで
ある。さらに、フィルタ・バリヤは、熱エネルギーが電
子をバリヤ・エネルギー準位以上に励起する時に生ずる
電流を大幅に制限するように構成することができる。こ
れは、大きな伝導帯エネルギー準位を持つバリヤ層を使
用すると実現される。したがって、従来技術のデバイス
で必要であった冷却をほぼすべて省略できる。

本発明のフィルタ構造の第２の利点は、検出周波数の周
りのほぼすべての高・低周波数応答が除去されることで
ある。本発明のフィルタ構造は、検出周波数の光子エネ
ルギーを越えるエネルギー、及び検出周波数の周りの小
帯域光子エネルギーに応答するので、応答特性は、検出
周波数を中心とする通過域ノッチを有する高域光学フィ
ルタのように見える。検出器フィルタによって除去され
ないより高い周波数成分は、検出周波数より充分高いカ
ットオフ周波数のウェルを持つ簡単な外部低域光学フィ
ルタによって除去できる。これはまた、検出器をチュー
ニングする時、外部フィルタを変更する必要がないの
で、好都合である。検出器をチューニングすると、共振
フィルタ・サブバンドの準位が移動し、したがってノッ
チが移動する。

本発明による検出器では、光子の吸収は陰極で起こる。
陰極の伝導帯エッジは量子ウェルの最低量子エネルギー
準位より低いことがあるので、陰極を強くドープして自
由キャリア吸収を強化することができる。入射放射線が
なければ、キャリアが陰極から陽極に流れるのが量子ウ
ェル・フィルタによって妨げられ、また量子ウェル自体
はドープされていず、したがって暗電流に寄与しないの
で、ほとんど電流は流れない。しかしながら、陰極内の
キャリアに充分なエネルギー（例えば、放射エネルギ
ー）が利用可能であり、検出器が適切にバイアスされて
いる場合には、キャリアは、陰極から、共振トンネリン
グによって量子ウェル中を通過する準位にまで上げられ
て、デバイス中に電流が発生する。

電圧が制御可能なことは、検出可能な最低エネルギーの
光子を決定する際に重要である。これは、電圧を上げて
最低検出可能光子エネルギーを下げるか、または電圧を
下げて最低検出可能光子エネルギーを上げることができ
ることを意味する。電圧が高い場合は、デバイスの両端
間の電界が大きくなり、感度が高くなるので、電流が増
加する。本発明に従って作成したデバイスは、約100meV
の範囲にわたってチューニング可能である。本発明によ
る電圧制御可能検出器は、例えば、１つまたは複数のサ
ブバンドを有する単量子ウェル共振トンネリング・フィ
ルタを使用して作成できる。例えば、第１図及びそれに
関連する説明を参照されたい。

第１図は、伝導のため適切にバイアスをかけた時、すな
わち量子ウェルの量子準位を、検出周波数の光子エネル
ギーに等しい陰極フェルミ準位より上の準位に調整した
時の、本発明ので伝導帯図である。したがって、フェル
ミ・エネルギーは、陰極のフェルミ・エネルギーと共振
経路のサブバンド・エネルギーの差が検出周波数の光子
エネルギーに等しくなるような準位になければならな
い。ドープされた領域での自由キャリアの直接トンネリ
ングは、長い実効バリヤ経路によって防止されることに
注目されたい。ドープされた量子ウェル構造を使用する
検出器では、陽極に隣接するドープされた量子ウェルが
暗電流に寄与し、したがって実効バリヤ厚が本発明のデ
バイスよりも薄いので、その実効バリヤ経路はそれほど
長くはない。したがって、好ましくない電流がトンネリ
ングによってこの検出器を通り抜ける可能性がより高く
なる。

本発明によるデバイスは、基本的に全面的に透過性をも
ち、入射放射線が陽極に流入できることにも注目された
い。陽極に当たった入射放射線は、ほとんど損失なしに
デバイスを通過する。入射放射線の光子エネルギーは、
このエネルギーを吸収するのに十分な自由電子が存在す
る陰極に渡される。これは、放射エネルギーが通過する
時に放射エネルギーを吸収しない、光学的に不活性なフ
ィルタ構造の特徴である。

第２図は、単一量子ウェルを組み込んだ本発明の第１実
施例を示す。陰極210は、約10¹⁹不純物/cm³Si（シリコ
ン）でドープされたIn_xGa_1-xAsからなり、陽極はSiでド
ープされたIn_xGa_1-xAs（インジウム・ガリウム・ヒ素）
である。陽極中のInGaAsは、フィルタの方へ向って、約
200Åの間をGaAsからInGaAsへと傾斜している。同じ200
Å間で、Siドーピング濃度は、約３×10¹⁷不純物/cm³か
ら約４×10¹⁸不純物/cm³へと傾斜している。金属接点23
0が陰極210に取り付けられている。バリヤ領域216はAl_x
Ga_1-xAsであり、量子ウェル214はドープされていないGa
Asである。第７図に示したフィルタ構造を何回か繰り返
して、希望する数の量子ウェルを得ることができること
に注目されたい。

本発明によるデバイスの集積可能な実施例は、ある種の
精密エピタキシアル付着法を用いて、すべての半導体層
を付着することによって製造できる。例えば、半導体層
は、気相エピタキシアル付着（VPE）、金属有機物化学
蒸着（MOCVD）、分子線エピタキシ（MBE）または金属有
機分子線エピタキシ（MOMBE）のいずれか１つの方法ま
たはその組合せによって付着できる。その後、メタノー
ル臭素研磨法を含む多くの周知の方法のどれか１つを用
いて、ウェハの裏面（例えば、陽極）を研磨することが
できる。波長が長く、ウェハ表面の１ミクロン程度の小
さな凸凹は見過ごされるので、この研磨段階は重要でな
いことに注目されたい。次いで、研磨された表面上にオ
ーム性グリッドを付着するが、グリッドに周期は少なく
とも、検出しようとする最長波長より大きな値にする。
デバイス（例えば、陰極）の裏面に反射性のオーム性接
点を付着して、吸収を増加させ、誘導光流による漂遊放
射線を防止することができる。

複数のデバイスを製造しようとする場合、メサ構造を形
成することによって個々のデバイスを分離することがで
きる。メサ構造は、たとえばデバイスをマスクして、上
面から陽極までエッチングすることによって形成でき
る。

サブバンドまたは量子ウェル電子エネルギー準位は、量
子空間閉込めによって生成する。したがって、サブバン
ド・エネルギーは主として、電子がウェル内にある時
は、ウェルの幅と電子の有効質量の関数である。当業者
なら、量子ウェルの幅と組成を調整して、所望のエネル
ギー準位及び陰極のフェルミ・エネルギーとサブバンド
の所望のエネルギー差を得ることができるはずである。
したがって、光子吸収器（陰極）のフェルミ準位を変更
するか、または共振フィルタの量子電子エネルギー準位
を変更することによって、本発明によるデバイスを検出
周波数または検出周波数領域（例えば、チューニング可
能な検出器における）を同時に調節することができる。

さらに、共振フィルタ量子ウェル中に複数の電子量子準
位を生成することによって、このデバイスが多数の離散
光子エネルギー準位を検出するように適合させることが
できることは、当業者には明白である。したがって、デ
バイスを高域フィルタ特性中に、それぞれ離散量子準位
に対応する複数の帯域ノッチを含むレスポンスを生成す
ることが可能である。

さらに具体的には、本発明の好ましい実施例では、10ミ
クロン波長検出器が形成される。基板は、約２×10¹⁷Si
原子/cm³にドープされたｎ型GaAs層である。In_xGa_1-xAs
（ただし、ｘは０から0.2まで変化する）の第１の陽極
層を、分子線エピタキシ法（MBE）によって200Åの厚さ
に付着して、陽極を形成する。陽極のドーピングは、約
２×10¹⁷Si原子/cm³から約４×10¹⁸Si原子cm³へと傾斜
させ、その濃度はフィルタ側で最高とする。

Al_0.4Ga_0.6Asの第１のバリヤ層を、MBEによって陽極の
上に約90Åの厚さに付着する。ドープされていないGaAs
層の第１の量子ウェルを、MBEによって第１バリヤ層の
表面上に20Åの厚さに付着する。Al0.4Ga0.6Asの第２の
バリヤ層を、MBEによって量子ウェルの上に約90Åの厚
さに付着する。この実施例では、Si濃度の傾斜化は、MB
E付着中に不純物濃度を増減することによって実施でき
る。

次に、陰極を２層として付着する。第１の陰極層は、ド
ーパント濃度４×10¹⁸Si原子/cm³でｎ型にドープした、
厚さ約200ÅのIn_0.2Ga_0.8Asの層である。第２の陰極層
は、ドーパント濃度４×10¹⁸Si原子/cm³にドープし、厚
さ約100Åに分子線エピタクシで付着したｎ型In_xGa_1-xA
s（ただし、ｘは0.2から０まで変化する）の傾斜層であ
る。約10¹⁹不純物/cm³にドープしたｎ型GaAsのオーム性
接触層を、分子線エピタキシで第２陰極層の上に約1600
Åの厚さに付着する。GaAs層を用いて、陰極接触用の電
極を付着するための適当な表面（オーム性接触層）を設
ける。

この実施例の伝導帯図を第３図に示す。この実施例で
は、陰極212伝導帯とバリヤ216伝導帯の電位差は、約50
0ミリ電子ボルト（meV）である。陰極212のフェルミ準
位は陰極伝導帯より約200meV高く、すなわちバリヤ伝導
帯より300meV低い。量子ウェル214の伝導帯は、バイア
スされていない状態では陰極伝導帯より約200meV高い。
形成された格子ウェルは、格子ウェル伝導帯より約200m
eV高い少なくとも１つのサブバンドを有する。したがっ
て、バイアスされていない状態では、格子ウェルのサブ
バンドはフェルミ・エネルギーより約150meV高い。10ミ
クロン領域の放射線を検出するには、量子ウェル214の
サブバンド準位218が陰極212のフェルミ準位より約100m
eV高くなるように、デバイスにバイアスをかける必要が
ある。こればデバイス全体を両端間に、直流電圧を加え
て、格子ウェル・サブバンド準位と陰極のフェルミ準位
の差を約100meVに低下させることによって実現できる。
この好ましい実施例による多数量子ウェル・デバイスで
は、連続した量子ウェルのサブバンドは、陰極のフェル
ミ準位の約100meV上に整列して、第15図に示すように、
デバイス全体にわたって10ミクロン領域の放射線によっ
て励起された電子の共振トンネリングを起こさせる。こ
のデバイスは、帯域約10¹³Hzを中心とするノッチ（約10
0meVの光子エネルギー）を有し、高端カットオフ周波数
が約２倍の大きさの、高域周波数特性を有すると予想さ
れる。光励起された電子移動に対する共振フィルタのイ
ンピーダンスを、入射放射線周波数に対してプロットし
た予想グラフを第５図に示す。

本発明の別の好ましい実施例では、InAs−AlGa−Sb−In
AlSbまたはGaAlSbを使用する。この実施例では、InAsは
陽極と陰極の材料、InAlSbまたはGaAlSbはウェル材料、
AlGaSbまたはAlSbはバリヤ材料である。この構造は、Ga
Sb基板またはGaAs基板上に成長させることができる。こ
の実施例は、本明細書で記載するどのデバイスの陰極と
バリヤの間でも伝導帯の断続が最大になるので、伝導帯
の観点から有利である。

この実施例は、次のようにして、例えば10ミクロン波長
領域の検出器を形成するように構成することができる。
基板は、シリコンで約10¹⁷不純物/cm³にドープし、ｎ型
GaAs層である。InAsの第１層を、MBE法によって約1000
Åの厚さに付着し、陽極領域を形成する。陽極のドーピ
ングは、最初は約10¹⁷Si原子/cm³であり、200Åにわた
って、陽極領域と対向する所で約10¹⁸Si原子/cm³の最高
濃度になるように傾斜させる。AlSbの第１バリヤ層を、
MBE法によって陽極の上に約100Åの厚さに付着する。ド
ープされていないIn_0.5Ga_0.5Asの第１量子ウェルを、MB
Eによって第１バリヤ層の表面上に約50Åの厚さに付着
する。AlSbの第２バリヤ層を、MBE法によって量子ウェ
ルの上に約100Åの厚さに付着する。次に陰極を付着す
る。陰極層は、ｎ型不純物（例えばSi）で10¹⁹不純物/c
m³の不純物濃度にドープしたInAsから構成される。陰極
を、MBE法によって2000Åの厚さに付着する。

この実施例の伝導帯図を第４図に示す。この実施例で
は、陰極伝導帯とバリヤ伝導帯の電位差は、約1500ミリ
電子ボルト（meV）である。フェルミ準位は陰極電位帯
より約350meV高く、すなわちバリヤ伝導帯より1150meV
低い。量子ウェルの伝導帯は、バイアスをかけていない
状態で、陰極伝導帯より約500meV高い。構成された格子
ウェルは、格子ウェル伝導帯より約50meV高い、少なく
とも１つのサブバンドを有する。したがって、バイアス
をかけていない状態では、格子ウェルのサブバンドは、
フェルミ・エネルギーより約200meV高い。10ミクロン・
レンジの放射線を検出するには、量子ウェルのサブバン
ド準位が陰極のフェルミ準位より約100meV高くなるよう
に、デバイスにバイアスをかけることが必要である。こ
れは、デバイス全体の両端間に直流電圧を加えて、格子
ウェル・サブバンド準位と陰極のフェルミ準位の差を約
100meVに低下させることによって実現できる。この好ま
しい実施例による多数量子ウェル・デバイスでは、連続
した量子ウェルのサブバンドは、陰極のフェルミ準位よ
り約100meV上に整列して、デバイスを通過する10ミクロ
ン領域の放射線によって励起された電子の共振トンネリ
ングを起こさせる。このデバイスは、約10¹³Hz（約100m
eVの光子エネルギー）を中心とする帯域ノッチを有し、
高端カットオフ周波数がノッチ・フィルタ・カットオフ
周波数よりほぼ１桁大きいという、高域周波数特性を有
すると予想される。この実施例の光励起された電子移動
に対する共振フィルタのインピーダンスを、入射放射線
の周波数に対してプロットした予想グラフを第６図に示
す。

本発明の別の好ましい実施例は、InGaAs−InGaAs−AlIn
Asから構成される。この実施例では、陽極と陰極は約60
原子％のInを含むInGaAsであり、共振トンネリング・フ
ィルタ中の量子ウェルは、約53原子％のInを含むInGaAs
であり、バリヤはInGaAsウェルとInP基板に適合したAlI
nAs格子である。

本明細書で記載した材料だけが本発明を構成するのに適
用できる材料でないことは、当業者には明白である。こ
のデバイスのために特定の材料素を選定する際に、次の
基準を使用することができる。

第１に、陰極の帯域構造とフィルタ・ウェルの帯域構造
は、直接バンドギャップ・タイプであることが必要であ
る。この場合、本発明によるデバイスにおける共振電流
は運動量を保存し、非共振電流（暗電流の主成分）はそ
うではない。したがって、陰極中の電子の運動量が共振
トンネリング・フィルタのウェルにおける利用可能な状
態とほぼ同じになるように材料を選定すると、好都合で
ある。そうすると、光励起された電子は容易に共振トン
ネリングを起こして、このデバイスに最良の光レスポン
スを生成することができる。

第２に、陰極は強くドープできる材料であることが必要
である。自由キャリア吸収はドーピング濃度の増大につ
れて増加するので、ドーピング濃度が高いと量子効率が
向上する。ただし、フェルミ準位とフィルタ内の共振準
位の差を所望のエネルギー準位に保ちながら、吸収が最
適になるように、ドーピングを調節しなければならな
い。

第３に、陰極の有効質量については簡単な基準はない
が、自由キャリア吸収は有効質量に逆比例するため、有
効質量は光レスポンスを決定する重要なパラメータであ
る。すなわち有効質量が小さいほど吸収は高くなる。し
かし、有効質量がより小さいということは、同じドーピ
ング濃度の場合、フェルミ・エネルギーがより大きくな
ることを意味する。したがって、フェルミ・エネルギー
と量子ウェル中のエネルギー準位のエネルギー差が、吸
収のために望ましいエネルギー準位（10ミクロン波長領
域では約100meV）にある必要があるという条件と、高い
自由キャリア吸収が望ましいという希望の折合いをつけ
なければならない。

前記の基準を考慮すれば、多くの材料が本発明の構造に
適していることが、当業者には明白である。

さらに、本発明の好ましい実施例を量子ウェルに関して
説明してきたが、本発明では多数量子ウェルと超格子が
ほぼ同じ働きをすることは、当業者なら認識できるはず
である。当技術分野で多重量子ウェルと呼ばれる構造
と、超格子と呼ばれる構造の唯一の構造上の違いは、バ
リヤ層の幅である。量子ウェルは厚いバリヤ層を有し、
このためウェル中の電子またはホールの波動関数は、ほ
とんどオーバーラップせず、ウェル間の結合度を制限す
る。一方、超格子は非常に薄いバリヤを有し、隣り合っ
たウェルからの波動関数の大きな結合、すなわちオーバ
ーラップが存在する。本発明のフィルタ構造が、単量子
ウェル、多数量子ウェル構造、または超格子構造のいず
れを含んでもよいことは、当業者には明白である。この
フィルタ構造の基本的な特徴は、量子ウェル間にキャリ
アの共振トンネリングを起こさせるのに十分な結合があ
ること、及びフィルタ構造が実質的に光学的に不活性で
あり、エネルギー損失なしに光子を通過させることであ
る。

デバイスが本発明の範囲内に含まれるのに、すべてのド
ーピングをフィルタから排除する必要はないことに留意
されたい。フィルタを光学的に活性にするのに十分なド
ーピング濃度のみで十分である。

F.発明の効果 本発明の長波長光検出器によれば、暗電流が大幅に減少
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による２量子ウェル・デバイスの伝導
帯の説明図である。 第２図は、本発明による単量子ウェル共振フィルタの伝
導帯の説明図である。 第３図は、本発明による一実施例の伝導帯の説明図であ
る。 第４図は、本発明による一実施例の伝導帯の説明図であ
る。 第５図は、第３図に関連して説明した実施例について、
光励起された電子移動に対する共振フィルタのインピー
ダンスを入射放射線の周波数に対してプロットしたグラ
フである。 第６図は、第４図に関して説明した実施例について、光
励起された電子電送に対する共振フィルタの予想インピ
ーダンスを入射放射線の周波数に対してプロットしたグ
ラフである。 第７図は、ドープされた陰極を含む、バイアスをかけて
いない、ドープされた超格子構造の伝導帯の説明図であ
る。 第８図は、ドープされた陰極を含む、バイアスをかけ
た、ドープされた超格子構造の伝導帯の説明図である。 第９図は、ドープされた陰極を含む、バイアスをかけ
た、ドープされた超格子構造の伝導帯の説明図である。 第10図は、ドープされたコレクタを含む、共振バイアス
をかけた、ドープされた超格子構造の伝導帯の説明図で
ある。 第11図は、強くドープされたコレクタ領域を含む、共振
バイアスをかけた、ドープされた超格子構造の伝導帯の
説明図である。 10……陽極、12……陰極、14……量子ウェル、16……バ
リア領域、18、20……サブバンド、24……バイアス・ス
ロープ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−54974（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅ ｔｔｅｒｓ，48（12），Ｐ．806−808 （1986) Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅ ｔｔｅｒｓ，51（４），Ｐ．276−278 （1987)

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】陽極と、 第１伝導帯エッジ、第１バンド・ギャップ及びフェルミ
   ・エネルギー準位を有し、前記フェルミ・エネルギー準
   位が前記第１伝導帯エッジの上方に来るように充分にド
   ープされており、光子を吸収して電荷キャリアを発生す
   る陰極と、 前記陽極と前記陰極の間におかれ、少なくとも１つの実
   質的にドープされておらず実質的に光放射性でない量子
   ウェルを有し、前記電荷キャリアを前記陰極から前記陽
   極に伝える共振トンネリング・フィルタと、 よりなる光検出器であって、 前記量子ウェルはサブバンドを内部に有する複数の量子
   ウェルで構成され、且つ各量子ウェルは第２伝統帯エッ
   ジ及び前記第１バンド・ギャップより大きい第２バンド
   ・ギャップを有し、前記陰極の前記第１伝導帯エッジは
   前記第２の伝導帯エッジより低く選定され、前記光検出
   器は前記サブバンドと前記陰極のフェルミ準位のエネル
   ギー差が検出すべき光子エネルギーの範囲に一致するよ
   うに前記光検出器をバイアスする手段を更に含むことを
   特徴とする光検出器。
2. 【請求項２】前記エネルギー差を変えるために前記陽極
   と前記陰極の間に電位差を与える手段を更に有する、請
   求項１の光検出器。
3. 【請求項３】前記共振トンネリング・フィルタは第１及
   び第２の半導体物質の交互の層で構成され、前記第１及
   び第２の半導体物質は前記第２の半導体物質が前記量子
   ウェルを形成するように選ばれている、請求項１の光検
   出器。
4. 【請求項４】前記陰極はInGaAsで構成され、前記陽極は
   GaAsで構成される、請求項１の光検出器。
5. 【請求項５】前記第１半導体物質はAlGaAsであり、前記
   第２の半導体物質はGaAsである、請求項３の光検出器。