JPH0766980B2 - 量子井戸放射線検出素子 - Google Patents
量子井戸放射線検出素子Info
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- JPH0766980B2 JPH0766980B2 JP1145036A JP14503689A JPH0766980B2 JP H0766980 B2 JPH0766980 B2 JP H0766980B2 JP 1145036 A JP1145036 A JP 1145036A JP 14503689 A JP14503689 A JP 14503689A JP H0766980 B2 JPH0766980 B2 JP H0766980B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の属する技術分野］ 本発明は電磁放射線による量子井戸内でのキャリア励起
に基づく検出素子に関する。
に基づく検出素子に関する。
［従来技術の説明］ 陸上の光通信では１マイクロメータ附近の波長は最近よ
く使われるため、可視及び近可視電磁放射線の検出及び
変調は急速に発展したのに対して、赤外線素子の分野は
余り発展していないままである。実際の長波長赤外線検
出素子はテルル水銀カドミウムあるいはドープシリコン
のような材料の光電活動に基づくが、化合物半導体材料
を用いる量子井戸検出器はほとんど理論的な注目しか受
けていない。後者に関連する代表的な報告は次に挙げら
れる。
く使われるため、可視及び近可視電磁放射線の検出及び
変調は急速に発展したのに対して、赤外線素子の分野は
余り発展していないままである。実際の長波長赤外線検
出素子はテルル水銀カドミウムあるいはドープシリコン
のような材料の光電活動に基づくが、化合物半導体材料
を用いる量子井戸検出器はほとんど理論的な注目しか受
けていない。後者に関連する代表的な報告は次に挙げら
れる。
ディー・ディー・コーン（D.D.Coon）らは、1984年のア
プライト・フィジクス・レターズ（Applied Physics Le
tters）第45巻第649−651頁の論文“量子井戸を用いる
新モードIR検出の新しいモード”で、半導体の局在不純
物レベルでの電荷消耗に基づく赤外放射線検出を発表
し、そこに電界が与えられ、電荷消耗は単一AlxGa1-xAs
/GaAs/AlyGa1-yAs対称量子井戸からの光電子放射の形を
とると、記載している； ジェー・エス・スミス（J.S.Smith）らは、1983年のジ
ャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テ
クノロジ（Journal of Vacuum Science and Technolog
y）第B1巻第376−378頁の論文“マルチ量子井戸からの
電子放射を用いる新しい赤外検出器”で、複数のGaAs/G
aAlAs量子井戸の利用を発表し、そこから電子は自由キ
ャリア吸収によって励起されると記載している。また19
86年10月28日にエス・マーガリスト（S.Margalist）ら
に付与されたアメリカ特許第4,620,214号をも参照のこ
と。
プライト・フィジクス・レターズ（Applied Physics Le
tters）第45巻第649−651頁の論文“量子井戸を用いる
新モードIR検出の新しいモード”で、半導体の局在不純
物レベルでの電荷消耗に基づく赤外放射線検出を発表
し、そこに電界が与えられ、電荷消耗は単一AlxGa1-xAs
/GaAs/AlyGa1-yAs対称量子井戸からの光電子放射の形を
とると、記載している； ジェー・エス・スミス（J.S.Smith）らは、1983年のジ
ャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テ
クノロジ（Journal of Vacuum Science and Technolog
y）第B1巻第376−378頁の論文“マルチ量子井戸からの
電子放射を用いる新しい赤外検出器”で、複数のGaAs/G
aAlAs量子井戸の利用を発表し、そこから電子は自由キ
ャリア吸収によって励起されると記載している。また19
86年10月28日にエス・マーガリスト（S.Margalist）ら
に付与されたアメリカ特許第4,620,214号をも参照のこ
と。
エル・エサキ（L.Esaki）らは、1977年のIBMテクニカル
・ディスクローチャ・ビュレッチン（IBM Technical Di
sclosure Bulletin）第20巻第2456−2457頁の文献“新
しいフォトコンダクタ”で、超格子構造を発表し、そこ
では量子井戸の最低サブバンドの電子は基本的には静止
で、第２サブバンドの電子はかなりの移動度を有すると
記載している。
・ディスクローチャ・ビュレッチン（IBM Technical Di
sclosure Bulletin）第20巻第2456−2457頁の文献“新
しいフォトコンダクタ”で、超格子構造を発表し、そこ
では量子井戸の最低サブバンドの電子は基本的には静止
で、第２サブバンドの電子はかなりの移動度を有すると
記載している。
また典型的には予測されたような価電子帯から伝導帯へ
の電子のフォトニック励起の提案も行なわれている。こ
れについての代表例は次のようなものである： 1985年６月25日にティー・アイ・チャペル（T.I.Chappe
ll）らに付与されたアメリカ特許第4,525,731号、1984
年３月27日にエヌ・ホロニャック（N.Holonyak）に付与
されたアメリカ特許第4,439,782号1986年８月19日にジ
ー・シー・オスボーン（G.C.Osbourn）らに付与された
アメリカ特許第4,607,272号、1984年５月22日にアール
・チン（R.Chin）に付与されたアメリカ特許第4,450,46
3号及び1986年のアプライト・フィジクス・レターズ第4
8巻第1294−1296頁のエフ・カパッソ（F.Capasso）らの
文献“量子井戸超格子内の新しいなだれ倍増現象：バン
ドエッジ不連続におけるイオン化効果”である。
の電子のフォトニック励起の提案も行なわれている。こ
れについての代表例は次のようなものである： 1985年６月25日にティー・アイ・チャペル（T.I.Chappe
ll）らに付与されたアメリカ特許第4,525,731号、1984
年３月27日にエヌ・ホロニャック（N.Holonyak）に付与
されたアメリカ特許第4,439,782号1986年８月19日にジ
ー・シー・オスボーン（G.C.Osbourn）らに付与された
アメリカ特許第4,607,272号、1984年５月22日にアール
・チン（R.Chin）に付与されたアメリカ特許第4,450,46
3号及び1986年のアプライト・フィジクス・レターズ第4
8巻第1294−1296頁のエフ・カパッソ（F.Capasso）らの
文献“量子井戸超格子内の新しいなだれ倍増現象：バン
ドエッジ不連続におけるイオン化効果”である。
共鳴サブバンド間吸収及びトンネリングによる光電子発
生に基づく検出器は、ビー・エフ・レビネ（B.F.Levin
e）らによって1987年のアブライト・フィジクス・レタ
ーズ第51巻第934−936頁の文献“10μｍサブバンド間吸
収及びフォト励起トンネリングによる量子井戸なだれ倍
増”で発表された。次に述べられる本発明は、フォトキ
ャリアの収集効率を増加させると同時に暗電流を低いレ
ベルに保つ要望から来る。
生に基づく検出器は、ビー・エフ・レビネ（B.F.Levin
e）らによって1987年のアブライト・フィジクス・レタ
ーズ第51巻第934−936頁の文献“10μｍサブバンド間吸
収及びフォト励起トンネリングによる量子井戸なだれ倍
増”で発表された。次に述べられる本発明は、フォトキ
ャリアの収集効率を増加させると同時に暗電流を低いレ
ベルに保つ要望から来る。
（発明の概要） 本発明は、単一束縛エネルギー状態を有する量子井戸内
でのキャリアのフォトニック励起に関する。キャリア電
子の場合、励起は伝導帯束縛エネルギー状態から伝導帯
連続状態へ起こり、キャリアホールの場合、励起は価電
子帯束縛エネルギー状態から価電子帯連続状態へ起こ
る。バイアス電圧が存在するときのキャリアの収集は、
例えば、電圧、電流あるいは抵抗の変化のような電気的
な効果をもたらす。単一束縛エネルギー状態を提供する
ために、量子井戸は比較的狭い帯域を有し、暗電流を制
限するために、障壁は比較的に広い。望ましい素子の障
壁幅は量子井戸幅よりかなり大きく、障壁幅は少なくと
も量子井戸幅の３倍であるのが望ましい。
でのキャリアのフォトニック励起に関する。キャリア電
子の場合、励起は伝導帯束縛エネルギー状態から伝導帯
連続状態へ起こり、キャリアホールの場合、励起は価電
子帯束縛エネルギー状態から価電子帯連続状態へ起こ
る。バイアス電圧が存在するときのキャリアの収集は、
例えば、電圧、電流あるいは抵抗の変化のような電気的
な効果をもたらす。単一束縛エネルギー状態を提供する
ために、量子井戸は比較的狭い帯域を有し、暗電流を制
限するために、障壁は比較的に広い。望ましい素子の障
壁幅は量子井戸幅よりかなり大きく、障壁幅は少なくと
も量子井戸幅の３倍であるのが望ましい。
望ましい放射線検出器は、半導体格子の手段によって実
現される複数の量子井戸、つまり層構造を含み、そこで
インタリーブされた層が量子井戸及び障壁層として働
く。例えば、超格子はヘテロ構造として製作されること
ができ、そこで量子井戸及び障壁層は異なる材料から構
成され、また超格子構造は、ドーピングレベルを周期的
に変化させることによって同種材料にも製作できる。ピ
ーク吸収波長は材料の選択に依存し、本発明の素子は３
μｍから15μｍの所定の波長の赤外線吸収に設計できる
が、それ以上及びそれ以下の波長でもよい。
現される複数の量子井戸、つまり層構造を含み、そこで
インタリーブされた層が量子井戸及び障壁層として働
く。例えば、超格子はヘテロ構造として製作されること
ができ、そこで量子井戸及び障壁層は異なる材料から構
成され、また超格子構造は、ドーピングレベルを周期的
に変化させることによって同種材料にも製作できる。ピ
ーク吸収波長は材料の選択に依存し、本発明の素子は３
μｍから15μｍの所定の波長の赤外線吸収に設計できる
が、それ以上及びそれ以下の波長でもよい。
本発明の素子は高速能力を有し、ヘテロダイン受信器の
利用に適している。この様な素子は光通信、特に外空
間、例えば衛星通信に利用することができる。また、本
発明の実施例による赤外線検出器は地形図製作及び赤外
探索にも利用できる。
利用に適している。この様な素子は光通信、特に外空
間、例えば衛星通信に利用することができる。また、本
発明の実施例による赤外線検出器は地形図製作及び赤外
探索にも利用できる。
（実施例の説明） 第１図は入射放射線ｈν用の角度付面を有する基板11を
示す。基板11は第１コンタクト層12、超格子13を形成す
るインタリーブされた第１及び第２半導体層、及び第２
コンタクト層14を支持する。コンタクト層12と14にバイ
アス電圧が与えられると、これらのコンタクト間の電流
は放射線ｈνの強度に直接関連する。
示す。基板11は第１コンタクト層12、超格子13を形成す
るインタリーブされた第１及び第２半導体層、及び第２
コンタクト層14を支持する。コンタクト層12と14にバイ
アス電圧が与えられると、これらのコンタクト間の電流
は放射線ｈνの強度に直接関連する。
第２図は、第１図の超格子13を形成する第１と第２の半
導体層による障壁22の間の量子井戸21を示す。量子井戸
21内のキャリア（電子、ホール）には単一束縛エネルギ
ー状態24が存在し、障壁の高さは、入射放射線ｈνが束
縛キャリアを連続エネルギーバンド23へ励起するように
選択される。暗電流を制限するために、障壁は量子井戸
よりかなり広い。
導体層による障壁22の間の量子井戸21を示す。量子井戸
21内のキャリア（電子、ホール）には単一束縛エネルギ
ー状態24が存在し、障壁の高さは、入射放射線ｈνが束
縛キャリアを連続エネルギーバンド23へ励起するように
選択される。暗電流を制限するために、障壁は量子井戸
よりかなり広い。
第３図は、他の基本的に同種の半導体材料で局所へビー
ドーパント濃縮（“スパイク”）によって生成された障
壁32間のＶ型量子井戸31を示す。量子井戸31のキャリア
には単一束縛エネルギー状態34が存在し、障壁の高さ
は、ある入射放射線ｈνが束縛されているキャリアを連
続エネルギーバンド33へ励起するように選択される。ま
た障壁は比較的広く、量子井戸及び障壁の幅は便利のた
め、束縛エネルギー状態のレベルで測定されたものと定
義される。例えば方形及び台形のような他の井戸形状も
除外されるものではない。
ドーパント濃縮（“スパイク”）によって生成された障
壁32間のＶ型量子井戸31を示す。量子井戸31のキャリア
には単一束縛エネルギー状態34が存在し、障壁の高さ
は、ある入射放射線ｈνが束縛されているキャリアを連
続エネルギーバンド33へ励起するように選択される。ま
た障壁は比較的広く、量子井戸及び障壁の幅は便利のた
め、束縛エネルギー状態のレベルで測定されたものと定
義される。例えば方形及び台形のような他の井戸形状も
除外されるものではない。
第４図の横軸は、cm-1を単位とするフォトンエネルギー
ｈν（あるいはμｍを単位とする波長λ）を、縦軸は応
答特性（V/Wを単位とするRv）を示す。この図は、実施
例で述べるようなガリウム砒素とアルミガリウム砒素の
インタリーブされた層の50周期の超格子に4Vのバイアス
電圧を与え、77Kの温度で行われた測定に基づく。
ｈν（あるいはμｍを単位とする波長λ）を、縦軸は応
答特性（V/Wを単位とするRv）を示す。この図は、実施
例で述べるようなガリウム砒素とアルミガリウム砒素の
インタリーブされた層の50周期の超格子に4Vのバイアス
電圧を与え、77Kの温度で行われた測定に基づく。
第５図は、入射放射線ｈνを検出器52に結合するために
（透明な）基板11に取り付けられたプリズム51を示し、
それぞれの検出器は第１図に示されたものである。望ま
しい放射線カプラは、超格子上に入射する電磁放射の電
界ベクトルが超格子に垂直な成分を有するように放射線
を結合する。このような結合機能はまたグレーティング
によっても行なうことができる。
（透明な）基板11に取り付けられたプリズム51を示し、
それぞれの検出器は第１図に示されたものである。望ま
しい放射線カプラは、超格子上に入射する電磁放射の電
界ベクトルが超格子に垂直な成分を有するように放射線
を結合する。このような結合機能はまたグレーティング
によっても行なうことができる。
第６図は（透明な）基板11上の検出器52を示し、入射放
射線ｈνは反射グレーティング61の手段によつて検出器
52に結合される。図示されている（二次元と理解され
る）検出器アレーは例えば、カメラの焦平面媒質として
使用できる。グレーティングの代わりに、拡散散乱（荒
らされた）表面も結合に利用できる。
射線ｈνは反射グレーティング61の手段によつて検出器
52に結合される。図示されている（二次元と理解され
る）検出器アレーは例えば、カメラの焦平面媒質として
使用できる。グレーティングの代わりに、拡散散乱（荒
らされた）表面も結合に利用できる。
第７図は、コンタクト層12を有する基板11によって支持
されるコンタクト層14、73に関する２つの超格子71と72
を示す。超格子71と72は、ある異なる波長で吸収をもた
らすように選択された異なる材料より生成される。ある
入射放射線成分ｈν１とｈν２はそれぞれ超格子71と72
によって吸収され、電圧V1とV2を生成するように示され
ている。簡単のために第７図では放射線は超格子に垂直
入射のように示されているが、光学結合は第１図、第５
図及び第６図に示される形のいずれでもよい。第７図に
示されるスタック配置はコンタクト73を省略することに
よってスペクトロメータとして使用でき、コンタクト12
と14との間には、広いスペクトル応答が得られる。広い
あるいは所定のスペクトル応答を実現するには、適当な
数の量子井戸がコンタクト12と14の間に存在する限り、
擬量子井戸の組合が必要とされない。逆に高い波長選択
性を必要とする応用では量子井戸の高均一性が望まし
い。
されるコンタクト層14、73に関する２つの超格子71と72
を示す。超格子71と72は、ある異なる波長で吸収をもた
らすように選択された異なる材料より生成される。ある
入射放射線成分ｈν１とｈν２はそれぞれ超格子71と72
によって吸収され、電圧V1とV2を生成するように示され
ている。簡単のために第７図では放射線は超格子に垂直
入射のように示されているが、光学結合は第１図、第５
図及び第６図に示される形のいずれでもよい。第７図に
示されるスタック配置はコンタクト73を省略することに
よってスペクトロメータとして使用でき、コンタクト12
と14との間には、広いスペクトル応答が得られる。広い
あるいは所定のスペクトル応答を実現するには、適当な
数の量子井戸がコンタクト12と14の間に存在する限り、
擬量子井戸の組合が必要とされない。逆に高い波長選択
性を必要とする応用では量子井戸の高均一性が望まし
い。
第７図のスタック配置を第６図のアレーと結合すること
によってカラーカメラが実現できる。カラーカメラはス
タック状センサがなくても実現でき、そのとき異なる波
長でピーク感度を有する検出器は焦平面アレーに、例え
ば周期的に交換する形で配置される。
によってカラーカメラが実現できる。カラーカメラはス
タック状センサがなくても実現でき、そのとき異なる波
長でピーク感度を有する検出器は焦平面アレーに、例え
ば周期的に交換する形で配置される。
検出器アレーは、第８図に示されるよう付属の電子部品
とモノリシック的に共通基板上に集積されるのが望まし
い。第８図は基板11上の検出器アレー81を示し、アレー
81は例えば第６図のように検出器の二次元配置からな
る。検出器は電気的には、行処理電子部品82及び列処理
電子部品83に接続され、それらはイメージ処理装置84と
一緒に基板11上に配置される。
とモノリシック的に共通基板上に集積されるのが望まし
い。第８図は基板11上の検出器アレー81を示し、アレー
81は例えば第６図のように検出器の二次元配置からな
る。検出器は電気的には、行処理電子部品82及び列処理
電子部品83に接続され、それらはイメージ処理装置84と
一緒に基板11上に配置される。
超格子検出器構造は、適当なIV族、III−Ｖ族あるいはI
I−VI族材料のインタリーブされた第１及び第２層によ
っても実現できる。１つの実施例ではIV族材料が用いら
れ、量子井戸はｐ−ドープされ、素子動作は価電子帯キ
ャリアの励起に関係する。伝導帯電子の励起に関係する
他の実施例は、ｎ−ドープ量子井戸を有するIII−Ｖ族
あるいはII−VI族材料の利用に基づく。他のドーピング
でもよい。
I−VI族材料のインタリーブされた第１及び第２層によ
っても実現できる。１つの実施例ではIV族材料が用いら
れ、量子井戸はｐ−ドープされ、素子動作は価電子帯キ
ャリアの励起に関係する。伝導帯電子の励起に関係する
他の実施例は、ｎ−ドープ量子井戸を有するIII−Ｖ族
あるいはII−VI族材料の利用に基づく。他のドーピング
でもよい。
８から14μｍの“大気の窓”の波長の検出に非常に適す
るのは、ガリウム砒素量子井戸及びアルミニウムガリウ
ム砒素障壁層を有するヘテロ構造素子である。10μｍの
放射線の検出に適する量子井戸幅は6.5nm以下で、適す
る障壁幅は少なくとも20nmである。他の典型的なIII−
Ｖ族材料系は、アルミニウムインジウム砒素とインジウ
ムガリウム砒素の組合わせ、及びインジウム燐、インジ
ウムガリウム砒素燐の組合わせである。
るのは、ガリウム砒素量子井戸及びアルミニウムガリウ
ム砒素障壁層を有するヘテロ構造素子である。10μｍの
放射線の検出に適する量子井戸幅は6.5nm以下で、適す
る障壁幅は少なくとも20nmである。他の典型的なIII−
Ｖ族材料系は、アルミニウムインジウム砒素とインジウ
ムガリウム砒素の組合わせ、及びインジウム燐、インジ
ウムガリウム砒素燐の組合わせである。
さらに、許容できる低暗電流を保つには、ｎ−タイプ素
子のドーピングは５×1018cm-3以下が望ましく、同様に
ｐ−タイプ素子のドーピングは５×1019cm-3以下が望ま
しい。さらに暗電流は障壁の形に依存し、それは方形、
ステップ状あるいはグレード状（例えば線状にあるいは
放射線状）であることができ、また障壁の形状は、励起
されたキャリアが輸送され、収集される容易さにも影響
する。
子のドーピングは５×1018cm-3以下が望ましく、同様に
ｐ−タイプ素子のドーピングは５×1019cm-3以下が望ま
しい。さらに暗電流は障壁の形に依存し、それは方形、
ステップ状あるいはグレード状（例えば線状にあるいは
放射線状）であることができ、また障壁の形状は、励起
されたキャリアが輸送され、収集される容易さにも影響
する。
素子の製造は典型的には、例えば分子ビームエピタキシ
（MBE）あるいは金属有機化学蒸着（MOCVD）で実現され
るような高制御条件での基板上の超格子製造に関係す
る。そのような製造技術は例えば、エー・ワイ・チョウ
（A.Y.Cho）によって文献“III−Ｖ族化合物半導体材料
及び素子の最近の発展”の中で、スプリンガーバーラグ
（Springer-Verlag）出版の1985年第17回半導体物理国
際会議論文集（Proceedings of the 17th Internationa
l Conference on the Physics of Semiconductors）第1
515−1524頁のジェー・デー・チャディ（J.D.Chadi）ら
の文献、及びアール・デー・デュプィス（R.D.Dupuis）
によって、1984年のサイエンス第226巻第623−629頁の
文献“III−Ｖ族半導体の金属有機化学蒸着（MOCVD）”
の中で述べられている。
（MBE）あるいは金属有機化学蒸着（MOCVD）で実現され
るような高制御条件での基板上の超格子製造に関係す
る。そのような製造技術は例えば、エー・ワイ・チョウ
（A.Y.Cho）によって文献“III−Ｖ族化合物半導体材料
及び素子の最近の発展”の中で、スプリンガーバーラグ
（Springer-Verlag）出版の1985年第17回半導体物理国
際会議論文集（Proceedings of the 17th Internationa
l Conference on the Physics of Semiconductors）第1
515−1524頁のジェー・デー・チャディ（J.D.Chadi）ら
の文献、及びアール・デー・デュプィス（R.D.Dupuis）
によって、1984年のサイエンス第226巻第623−629頁の
文献“III−Ｖ族半導体の金属有機化学蒸着（MOCVD）”
の中で述べられている。
本発明の検出器の利点（例えば水銀カドミウムテルル検
出器と比べて）は次のものである。
出器と比べて）は次のものである。
（１）適当な大きなサイズ、高品質、安価な基板が簡単
にできる。
にできる。
（２）良いIII−Ｖ族とIV族成長、処理、及びバッシベ
ーション技術、特に高均一性、再現性、及び直径３イン
チ（約7.6cm）あるいはそれ以上の基板上における位置
制御を有する分子ビームエピタキシャル（MBE）成長を
含む技術が利用できる。
ーション技術、特に高均一性、再現性、及び直径３イン
チ（約7.6cm）あるいはそれ以上の基板上における位置
制御を有する分子ビームエピタキシャル（MBE）成長を
含む技術が利用できる。
（３）例えば電界効果トランジスタ（FET）、電荷結合
素子（CCD）、及び高速信号処理電子部品のようなシリ
コンやガリウム砒素デバイスとのモノリシック集積が可
能である。
素子（CCD）、及び高速信号処理電子部品のようなシリ
コンやガリウム砒素デバイスとのモノリシック集積が可
能である。
（４）吸収特性の設計（例えば大気の窓でのピーク吸収
波長を変える）が組成の選択によって簡単にできる。
波長を変える）が組成の選択によって簡単にできる。
（５）優れた熱安定性を有する。
次の実施例は、インタリーブされたガリウム砒素／アル
ミニウムガリウム砒素層の超格子で実現されている素子
の構造及び特性を示す。全ての数値は公称値あるいは近
似である。
ミニウムガリウム砒素層の超格子で実現されている素子
の構造及び特性を示す。全ての数値は公称値あるいは近
似である。
実施例： ガリウム砒素半絶縁基板上に１μｍのガリウム砒素コン
タクト層が堆積され（ドープされたｎ＝２×1018c
m-3）、次に50周期の4nmガリウム砒素量子井戸層（ドー
プされたｎ＝２×1018cm-3）及び30nmのAl0.31Ga0.69As
非ドープ障壁層（約250mVの障壁高さをもたらす）から
なる超格子検出器構造が生成される。0.5μｍのガリウ
ム砒素トップコンタクト層が堆積され、ドープされたｎ
＝２×1018cm-3）で、200μｍの直径を有するメサは標
準のフォトリソグラフィ処理によって生成され、コンタ
クトのメタライゼーションは蒸着によって提供される。
タクト層が堆積され（ドープされたｎ＝２×1018c
m-3）、次に50周期の4nmガリウム砒素量子井戸層（ドー
プされたｎ＝２×1018cm-3）及び30nmのAl0.31Ga0.69As
非ドープ障壁層（約250mVの障壁高さをもたらす）から
なる超格子検出器構造が生成される。0.5μｍのガリウ
ム砒素トップコンタクト層が堆積され、ドープされたｎ
＝２×1018cm-3）で、200μｍの直径を有するメサは標
準のフォトリソグラフィ処理によって生成され、コンタ
クトのメタライゼーションは蒸着によって提供される。
応答特性RVのスペクトル依存性を測定するために、白熱
赤外光源が用いられ、検出器の温度は77K、バイアス電
圧は、4V、負荷抵抗は100KΩである。第４図から分かる
ように、応答はｈν＝1192cm-1でピークを有し、Δｈν
＝155cm-1（つまりΔν／ν＝13％）の狭いスペクトル
幅を有する。暗電流は4.5μＡである。
赤外光源が用いられ、検出器の温度は77K、バイアス電
圧は、4V、負荷抵抗は100KΩである。第４図から分かる
ように、応答はｈν＝1192cm-1でピークを有し、Δｈν
＝155cm-1（つまりΔν／ν＝13％）の狭いスペクトル
幅を有する。暗電流は4.5μＡである。
検出効率を決めるために、検出器の雑音は同じ条件でス
ペクトルアナライザによって測定され、単位バンド幅当
りの雑音電圧は、4kHzの光チョッピング周波数では50nV
Hz-1/2で、1.7pWHz-1/2の雑音等価パワーに対応する。
素子面積で規格化された検出効率はD*＝1.0×1010cmHz
1/2/Wである。
ペクトルアナライザによって測定され、単位バンド幅当
りの雑音電圧は、4kHzの光チョッピング周波数では50nV
Hz-1/2で、1.7pWHz-1/2の雑音等価パワーに対応する。
素子面積で規格化された検出効率はD*＝1.0×1010cmHz
1/2/Wである。
検出器の速度は、パルスレーザーからの放射及び50Ωの
負荷抵抗で測定されている。得られた5nsの応答時間は
回路によって制限されたもので、数ギガヘルツの素子能
力を保証する。
負荷抵抗で測定されている。得られた5nsの応答時間は
回路によって制限されたもので、数ギガヘルツの素子能
力を保証する。
第１図は、本発明の第１の実施例による放射線検出器の
概略側面図； 第２図は、電気的にバイアスされ、半導体ヘテロ構造を
用いて構成される第１図の放射線検出器に対応するエネ
ルギーバンドの概略図； 第３図は、電気的にバイアスされ、量子井戸がドープさ
れた領域によって形成される半導体ホモ構造を用いて構
成される第１図の放射線検出器に対応するエネルギーバ
ンドの概略図； 第４図は、第１図の素子上に入射されるフォトンエネル
ギーを関数とする応答特性を表わす図； 第５図は、本発明の第２の実施例による放射線検出器ア
レーの概略側面図； 第６図は、反射放射線結合手段を含む本発明の第３の実
施例による放射線検出器アレーの概略側面図； 第７図は、本発明の第４の実施例による２波長検出器の
概略側面図； 第８図は、本発明の第５の実施例によるモノリシック集
積素子の概略透視図である。 11…基板 12、14、73…コンタクト層 13、71、72…超格子 21、31…量子井戸 22、32…障壁 23、33…連続エネルギーバンド 24、34…単一束縛エネルギー状態 51…プリズム 52…検出器 61…反射グレーティング 81…検出器アレー 82、83…電子部品 84…イメージ処理装置
概略側面図； 第２図は、電気的にバイアスされ、半導体ヘテロ構造を
用いて構成される第１図の放射線検出器に対応するエネ
ルギーバンドの概略図； 第３図は、電気的にバイアスされ、量子井戸がドープさ
れた領域によって形成される半導体ホモ構造を用いて構
成される第１図の放射線検出器に対応するエネルギーバ
ンドの概略図； 第４図は、第１図の素子上に入射されるフォトンエネル
ギーを関数とする応答特性を表わす図； 第５図は、本発明の第２の実施例による放射線検出器ア
レーの概略側面図； 第６図は、反射放射線結合手段を含む本発明の第３の実
施例による放射線検出器アレーの概略側面図； 第７図は、本発明の第４の実施例による２波長検出器の
概略側面図； 第８図は、本発明の第５の実施例によるモノリシック集
積素子の概略透視図である。 11…基板 12、14、73…コンタクト層 13、71、72…超格子 21、31…量子井戸 22、32…障壁 23、33…連続エネルギーバンド 24、34…単一束縛エネルギー状態 51…プリズム 52…検出器 61…反射グレーティング 81…検出器アレー 82、83…電子部品 84…イメージ処理装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロジャー ジョン メリック アメリカ合衆国，07901 ニュージャージ ィ，サミット，リッジデイル アベニュー 23, (56)参考文献 特開 昭62−115786（ＪＰ，Ａ)
Claims (9)
- 【請求項１】基板に支持されたコンタクト層（12,14）
の間に量子井戸層（21）および障壁層（22）を交互に配
置してなる半導体超格子（13）からなる量子井戸放射線
検出素子において、 各量子井戸層は、約65オングストローム以下の厚さを有
することにより、価電子帯束縛エネルギー状態または伝
導帯束縛エネルギー状態のいずれかの束縛エネルギー状
態を有する層からなり、 この量子井戸層は放射線によるキャリア励起のために導
入されており、 この励起は価電子帯束縛エネルギー状態から価電子帯連
続エネルギー状態へ、または、伝導帯束縛エネルギー状
態から伝導帯連続エネルギー状態へ行われ、 障壁層の厚さは量子井戸層の厚さの３倍以上であり、 ある波長で入射電磁放射線に応答して、電気的な効果を
生成することを特徴とする量子井戸放射線検出素子。 - 【請求項２】前記波長は３μｍ以上であることを特徴と
する請求項１の量子井戸放射線検出素子。 - 【請求項３】前記波長は３μｍから15μｍの範囲内であ
ることを特徴とする請求項２の量子井戸放射線検出素
子。 - 【請求項４】前記超格子は異なる材料の交互層からなる
ことを特徴とする請求項１の量子井戸放射線検出素子。 - 【請求項５】前記超格子はIV族半導体材料からなり、量
子井戸層をｐ−ドープしたことを特徴とする請求項４の
量子井戸放射線検出素子。 - 【請求項６】シリコン半導体素子にモノリシックに集積
化したことを特徴とする請求項５の量子井戸放射線検出
素子。 - 【請求項７】前記超格子はIII−Ｖ族半導体材料からな
り、量子井戸層をｎ−ドープしたことを特徴とする請求
項４の量子井戸放射線検出素子。 - 【請求項８】ガリウム砒素半導体素子にモノリシックに
集積化したことを特徴とする請求項７の量子井戸放射線
検出素子。 - 【請求項９】相異なる波長に応答する複数の請求項１の
量子井戸放射線検出素子からなるスタックを形成するこ
とを特徴とする量子井戸放射線検出素子。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US20286088A | 1988-06-06 | 1988-06-06 | |
| US202860 | 1988-06-06 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0243777A JPH0243777A (ja) | 1990-02-14 |
| JPH0766980B2 true JPH0766980B2 (ja) | 1995-07-19 |
Family
ID=22751541
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1145036A Expired - Fee Related JPH0766980B2 (ja) | 1988-06-06 | 1989-06-06 | 量子井戸放射線検出素子 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0345972B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0766980B2 (ja) |
| KR (1) | KR920009918B1 (ja) |
| CA (1) | CA1314614C (ja) |
| DE (1) | DE68916867T2 (ja) |
| ES (1) | ES2056218T3 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| FR2671882B1 (fr) * | 1989-12-28 | 1993-05-28 | France Etat | Dispositif de conversion d'un rayonnement infrarouge en un autre rayonnement d'energie superieure a celle de ce rayonnement infrarouge. |
| EP0555402A1 (en) * | 1990-10-31 | 1993-08-18 | Martin Marietta Corporation | Miniband transport quantum well infrared detector |
| JP2797738B2 (ja) * | 1991-03-15 | 1998-09-17 | 富士通株式会社 | 赤外線検知装置 |
| US5272356A (en) * | 1991-11-12 | 1993-12-21 | Hughes Aircraft Company | Multiple quantum well photodetector for normal incident radiation |
| US5223704A (en) * | 1992-03-31 | 1993-06-29 | At&T Bell Laboratories | Planar buried quantum well photodetector |
| FR2724768B1 (fr) * | 1994-09-16 | 1997-01-24 | Sgs Thomson Microelectronics | Groupement en serie de thyristors photosensibles |
| US5539206A (en) * | 1995-04-20 | 1996-07-23 | Loral Vought Systems Corporation | Enhanced quantum well infrared photodetector |
| FR2756666B1 (fr) * | 1996-12-04 | 1999-02-19 | Thomson Csf | Detecteur d'ondes electromagnetiques |
| FR2756667B1 (fr) * | 1996-12-04 | 1999-02-19 | Thomson Csf | Detecteur d'ondes electromagnetiques bispectral |
| US6054718A (en) * | 1998-03-31 | 2000-04-25 | Lockheed Martin Corporation | Quantum well infrared photocathode having negative electron affinity surface |
| JP4029420B2 (ja) * | 1999-07-15 | 2008-01-09 | 独立行政法人科学技術振興機構 | ミリ波・遠赤外光検出器 |
| JP4330210B2 (ja) | 1999-07-30 | 2009-09-16 | 富士通株式会社 | 光半導体装置及びその製造方法 |
| JP2001044453A (ja) | 1999-07-30 | 2001-02-16 | Fujitsu Ltd | 光検出素子 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1989
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