JPH09508720A

JPH09508720A - 赤外線画像変換器

Info

Publication number: JPH09508720A
Application number: JP7521302A
Authority: JP
Inventors: エイハーン、ジョン・エス; リトル、ジョン・ダブリュー・ジェイアール
Original assignee: ロッキード・マーチン・コーポレーション
Priority date: 1994-02-09
Filing date: 1995-02-07
Publication date: 1997-09-02
Also published as: KR970701375A; WO1995022080A1; KR100396628B1; US5519529A; CN1140492A; EP0744043A1; CA2180960A1

Abstract

(57)【要約】中間波赤外線または長波赤外線熱画像をコヒーレントな近赤外線画像に変換する。この変換装置は、量子井戸を用いた光変調器の二次元アレー(500)と赤外線光変調器(100)とを備える。各変調器は個別の光変調器により集積化またはハイブリッド化され、その組立体は電子回路に接続されている。中間ＩＲまたは長ＩＲの光強度の変化は各光検出器によってその個別の変調器に印加されたバイアスの変化に変換される。そのバイアスの変化は、変調器を照射する近赤外線光の強度および／または位相を変調する。

Description

【発明の詳細な説明】赤外線画像変換器従来技術本願発明は、あるスペクトル領域からの画像を他のスペクトル領域の画像に変換する半導体量子井戸デバイスに関する。最近、半導体量子井戸（ＱＷ）における強吸収共鳴の電界依存性に基づく電気 −光装置の広いレンジに関する多くの研究が行われている。ＱＷにおいては半導体材料の薄い層が異なる材料のクラッド層の間に挟まれており、その材料の電子的特性は、電気的ポテンシャル井戸（中央層におけるもの）が２つの電位障壁（クラッド層内におけるもの）の間に形成されるようなものである。そのＱＷの厚さは１００オングストローム程度に小さいので、その厚さ方向への電荷−キャリア移動の量子化が行われる。また、ＱＷは量子−制限シュタルク効果(quantum-confined Stark effect)を示し、それによると、光および重いホール励起子に関連するＱＷのピークの光吸収の波長は印加電界に応答してより長い波長へシフトする。それらのピークエキシトン吸収は材料的不純物およびフォノンを伴う電子／ホールの相互作用による有限のスペクトル幅を持つので、ピーク近くの波長でのＱＷの透過率は印加電界の変化にしたがって変化する。ＱＷデバイスのそれらのおよび他の観点はリトル・ジュニア(Little，Jr.)他への共有の米国特許第５，０４７，８２２号に説明されており、それは参考としてここに組み込む。単一のＱＷは非常に薄いので、通常、デバイスは多数のＱＷ、例えば５０積み重ねることによって作られ、これにより十分な光効果を得る。多数の量子井戸（ＭＱＷ）デバイスの多くの観点が、シー・ワイズバック(C.Weisbuch)他の「量子半導体構造」(Quantum Semiconductor Structures)、Academic Press，Inc.，Sa n Diego,カリフォルニア(1991)を含む論文に記載されている。単純なＭＱＷデバイスは吸収変調器であり、それによると、量子井戸のエキシトン吸収端が、印加電界を変えることによって、レーザのようなスペクトル的に狭い光源の波長と一致するようにおよびそれを外れるように移動する。したがって、変調器によって伝達されたまたは反射された光の強度は上述のように印加電界またはバイアス電圧にしたがって変化する。そのような吸収変調器は、量子−制限シュタルク効果(quantum-confined Star k effect)ではなくてワニアーシュタルク局所化(Wannier-Stark localization) に基づくが、それは、Ｋ．-Ｋ．Ｌａｗ他の「Normally-Off High- Contrast Asy mmetric Fabry-Perot Reflection Modulator Using Wannier-Stark Localizatio n in a superlattice」Applied Physics Letters 第５６巻、１８８６−１８８８頁（１９９０年５月７日）およびＫ．-Ｋ．Ｌａｗ他の「Self-Electro-Optic Device Based on a Superlattice Asymmetric Fabry-Perot Modulator withan O n/Off Ratio＞100:1」Applied Physics Letters 第５７巻、１３４５−１３４７頁（１９９０年９月２４日）に記載されている。量子−制限シュタルク効果(qua ntum-confined Stark effect)によるエキシトン吸収ピークのより長い波長へのＱＷのシフトに対し、ワニアーシュタルク局所化(Wannier-Stark localization) によると、超格子構造内の高まった電界のためにより短い波長へのシフトが生じる。一般に、超格子は挿入された薄いバリア層と適当に結合されたＱＷとの積層体であり、これにより、ＱＷの不連続な電荷−キャリアエネルギー準位をミニバンドに広げる。電界の印加により共鳴は崩壊し、隣り合うＱＷ内のエネルギー準位が不整合となり、さらに、２、３のＱＷにわたってそれらを局所化する。それは光吸収スペクトルを滑らかなミニバンドプロフィールからピークのＱＷ励起子プロフィールに変え、そしてその吸収端を青方シフトする。以下に詳説するように、本願発明はＭＱＷまたは超格子構造のいずれかを用いて具体化することができる。また、本願明細書で説明した構造は、半導体処理方法の多くの例、例えば、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）、分子ビームエピタキシャル法および電気化学堆積法によって製造することができる。例えば、ジェイ・スイッツアー(J.Switzer)他の「Electrodeposited Ceramic Superlattices 」Sci.２４７巻４４４−４４５頁（１９９０年１月２６日）および上掲のワイズバック(Weisbuch)他の本を参照されたい。室温で作動する簡単なＭＱＷ吸収変調器は、変調深さ、つまり、約１０：１から３０：１までの最大の吸収に対する最小の吸収の比率を表すことができる。これらの低い変調深さは、ＭＱＷ構造を、非対称のファブリ・ペロ・エタロン(Fab ry-Perot etalon)（ＡＳＦＰＥ）のような適当な共振光空洞と組み合わせることによって、改善することができる。ＡＳＦＰＥは異なる反射率を持つ２つの平坦なミラーによって形成された共振光空洞である。そのような装置はテレンス・エル・ウォークスキー(Terrance L．Worchesky)およびケネス・ジェイ・リッター( Keneth J．Ritter)により１９９３年８月２０日に出願された共有の米国特許出願第０８／１０９，５５０号で説明されており、それは参考としてここに組み込む。ＱＷの他の応用としては量子井戸赤外線光検出器（ＱＷＩＰ）がある。そのようなＱＷＩＰは、Semiconductor Quantum Wells and Superlattices for Long-W avelength Infrared Detectors M.O．Manasreh,編集５５−１０８頁、Artech H ouse，Boston，Mass.(1993)を含む文献に記載されており、そのＱＷＩＰにおいては、ＧaＡsのＱＷ内の境界状態からＱＷＩＰクラッド層内の高速移動度チャネルへの電子の内部光放出が、熱光の存在でのＱＷＩＰの伝導率を高める。つまり、約８０００nmから約１２０００nmまでの長い波長の赤外線（ＬＷＩＲ）波長または約３０００nmから約５０００nmまでの中間波長の赤外線（ＭＷＩＲ）波長である。光は一定バイアス電圧で作動したときにＱＷＩＰを通過して流れる電流の増加として検出される。ＱＷＩＰの特性（例えば、ピーク応答波長、光帯域幅および電気特性）は、ＱＷの幅（通常４−乃至８−nm幅の範囲内にあるもの）およびクラッド層の構造（Ａl(x)Ｇa(1-x)Ａsの名目的な厚さの層で、ｘが０．２乃至０．６の範囲にある）によって決定される。電荷結合デバイス（ＣＣＤ）画像生成装置のように、ＱＷＩＰのアレーは熱画像を形成するように設けることができる。従来の熱画像形成装置においては、検出器素子のアレーはシリコン・マルチプレクサに接続されており、そのマルチプレクサは連続的に各素子から電流を「バケツリレー」のように読み出す（つまり、電荷は各素子からキャパシタに集められ、次に、キャパシタの並びに沿って列読出しキャパシタ群に送られ、そのキャパシタ群はそれをマルチプレクサの単一の電荷測定素子にまで送る。）。各電荷パケットの最初の位置は追跡され、画像は、通常はモニター上のビデオ画像として電気的に再構成される。ＱＷＩＰの電気的特性が最適化されたマルチプレクサは一般的に入手することができない。利用されているマルチプレクサは、液体窒素の近くの温度で作動するＱＷＩＰにはよくある比較的高い暗電流に対しては十分には適さず、画像装置のコストが非常に増加する。さらに、そのマルチプレクサはＧaＡsではなくてシリコンから作られているので、熱膨脹係数の不一致がそのアレーの物理的寸法を、ＧaＡs結晶成長および処理技術によって生じる制限をかなり下回るところまで制限する。加えて、そのマルチプレクサは、できる限り検出器に近付けて配置しなければならないので、冷却しなければならないが、そのマルチプレクサの熱量および熱消費は従来の冷却装置をひずませる。出願人は、ＱＷＩＰを通過して流れる電流を用いてＭＱＷ変調器に必要なバイアスを提供することができることを認識した。そのようなデバイスにおいては、ＱＷＩＰを照射するＭＷＩＲまたはＬＷＩＲ光の量の変化によるＱＷＩＰ電流の変化が、ＭＱＷ変調器から反射されたまたは伝達された近赤外線（ＮＩＲ）光、つまり、約８００nmから約２０００nm間での波長の光の量または位相を変える。ＬＷＩＲまたはＭＷＩＲ光の強度の変化はその結果ＮＩＲ光の強度または位相の変化に変換される。ブイ・ゴルフィンクル(V．Gorfinkle)他の「Rapid Modulation of Interband Optical Properities of Quantum Wells by Intersubband Absorption」Applied Physics Letters ６０巻、３１４１−３１４３頁（１９９２年６月２２日）の刊行物は、ドーピングされたＭＱＷ吸収変調器の理論を記載しており、それによると、ＮＩＲホトンに対するバンド間吸収強度がＬＷＩＲホトンのサブバンド間吸収によって変調される。ＬＷＩＲ吸収は基底状態のキャリアの数を部分的に消費し、それにより、ＮＩＲ吸収に対する最終的な状態の密度を変える。ＬＷＩＲ情報のＮＩＲ情報への変換のような目的のための装置の十分なドローバック(drawback)は、同一のＭＱＷ構造で生じる吸収による作動ＬＷＩＲおよびＮＩＲ波長の相互依存である。さらに、導波管幾何構造における非常に大きなＬＷＩＲフラックスおよび構造が十分なＮＩＲ吸収変調のために必要である。発明の概要本願発明は中間波赤外線（ＭＷＩＲ）または長波赤外線（ＬＷＩＲ）熱画像をコヒーレントな近赤外線（ＮＩＲ）画像に変換する装置および方法を提供する。その装置は量子井戸赤外線光検出器（ＱＷＩＰ）の２次元（２Ｄ）アレーと、量子井戸の光変調器の２Ｄアレーと、電子回路とを備える。ＱＷＩＰのアレーへの入射するＬＷＩＲまたはＭＷＩＲの強度の変化が、光変調器のバイアスの変化に変換される。バイアスが変化すると、変調器アレーから反射した（またはそれを通過して伝達された）ＮＩＲ光の強度および／または位相が変化し、これにより、ＬＷＩＲまたはＭＷＩＲ画像をＮＩＲ画像に変換する。本願発明の１つの観点では、ハイブリッド画像変換器は第１基板に配置された赤外線検出器アレー部と、第２基板に配置された電子回路部と、第３の基板に配置された光変調器アレーとを備える。電子回路部は、赤外線検出器部と光変調器部との間に挟まれていて、赤外線検出器アレーのピクセル内に発生した光電流を光変調器アレーに個々のピクセルに供給された電圧に変換するように機能する。本願発明の他の観点では、集積画像変換器が、第１基板上に配置された赤外線検出器アレー部および光変調器アレー部（基板上に一方の部を配置し、その部の上に他方の部を配置することによって）と、第２基板上に配置された電子回路部とを備える。電子回路部の素子が、例えば、インジウムバンプボンディング技術を用いて、ピクセルごとのバイアス上で集積検出器／変調器アレーの素子に電気的に接続される。本願発明の画像変換器は、独立選択可能な作動波長、低い光強度への感度および（導波管というより）平坦な幾何構造という利点を持ち、それにより、理論的には２次元ステアリングアレーに適している。ＮＩＲ光源はレーザであってもよいので、合成コヒーレントＮＩＲ画像は、パターン認識またはバックグラウンド・クラッター・排除のような複雑な画像分析を実行することができる光信号処理装置への入力として用いることができる。図面の簡単な説明本願発明の特徴および利点は図面に関連して以下の詳細な説明を読むことによってより良く理解できるであろう。図１は、本願発明に係る、赤外線検出アレー、電子回路部および光変調器アレーを備えるハイブリッド画像変換器の概略断面図である。図２は、本願発明に係るハイブリッド画像変換器の赤外線検出部、電子回路部および光変換器部の電子回路概略図である。図３は、本願発明に係る、集積された赤外線検出器／光変調器アレーおよび電子回路部を含む集積画像変換器の概略断面図である。図４は、本願発明に係る、赤外線検出器／光変調器部および電子回路部を含む集積画像変換器の電子回路の概略図である。図５は、本願発明に係る、第１の方法で電子回路部に接続された集積画像変換器の単一ピクセルの概略断面図である。図６は、本願発明に係る、第２の方法で電子回路部に接続された集積画像変換器の単一ピクセルの概略断面図である。図７は、本願発明に係る、第２の方法で電子回路部に接続された集積画像変換器の電子回路の概略図である。図８ａおよび図８ｂは、本願発明に係る第１実施例を用いた、ＭＷＩＲ光の強度の変化のＮＩＲ光の強度の変化への変換を示す。図９ａおよび図９ｂは、本願発明に係る第２実施例を用いた、ＭＷＩＲ光の強度の変化のＮＩＲ吸収特性の変化への変換を示す。詳細な説明図１はハイブリッド画像変換器１０の概略断面図を示しており、ハイブリッド画像変換器１０は、基板２００上に配置されたＱＷＩＲピクセルアレー１００と、基板４００上に配置された電子回路ピクセル３００と、基板６００上に配置されたＱＷ光変換器ピクセルアレー５００とを備える。ハイブリッド画像変換器１０は基板２０上の近くに配置されており、基板２０はＮＩＲ光を透過し、良好な熱伝導体（例えば、サファイア）である。その透過基板２０は低温冷却ヘッド３０上に配置され、低温冷却ヘッド３０は基板２０およびハイブリッド画像変換器１０を低温（例えば−１９６．１６℃（７７ケルビン））まで冷却する。通常は、光変調器は室温で作動することができるが、ＱＷＩＰは電子回路が十分なコントラストを発生するような、つまり、ＱＷＩＰ暗電流が、ＱＷＩＰ光電流が少なくとも例えばそのＱＷＩＰ暗電流の少なくとも１％のような妥当なわずかな部分となるような適温まで冷却されなければならない。その程度の冷却の結果、光変調器の性能が実際に改善される。アレー１００内の各ＱＷＩＰピクセルは、以下により詳しく説明する２つのｎ型接触層の間に配置された複数のｎ型ＱＷを備える。ＱＷＩＰ基板２００は、各ピクセル内でＬＷＩＲまたはＭＷＩＲを捕捉するために（例えば、化学機械的ポリッシュを用いて）を取り除くことができ、これにより、大規模アレー内でのピクセル間の光クロストーク(cross talk)を排除することができる。その基板２００の除去は、ＱＷＩＰ（Ｇa Ａs のようなIII-Ｖ族半導体）と電子ピクセル３００および基板４００（通常シリコンからなるもの）との間の熱膨脹係数の不一致による変形を最小化する。これは、画像変換器１０は室温と低温（極低温）との間でデバイスの寿命を通じて多くの回数繰り返し作動しなければならないので重要なことである。電子回路ピクセル３００はＱＷＩＰピクセル１００で発生した光電流を電圧に変換し、その電圧はアレー５００内の個々のＱＷ変調器ピクセルに供給される。経由孔（図示せず）を用いて、基板４００の一方の面にあるピクセルを基板４００の他方の面にある個々のピクセルに電気的に接続する。電気回路ピクセルは、シリコン基板上に配置された従来のシリコントランスインピーダンス(silicon t ransimpedance)増幅器（つまり、電流−電圧変換器）でよいが、それに限定はされない。本願発明に係るそれらの回路および変形例を以下により詳細に説明する。アレー５００内の各ＱＷ光変調器ピクセルは、不純物が添加されていない複数のＱＷを、備え、それはｎ型接触とｐ型接触との間に配置されていてｐ−ｉ−ｎダイオードを形成するか、または、２つのｎ型接触の間に配置されていてｎ−ｉ −ｎ変調器を形成する。変調器基板６００は、この基板６００がＱＷ変調器の作動周波数で光に対し透明ではない場合に、化学機械的ポリッシュを用いて取り除くことができる。基板６００の除去もＱＷＩＰに関して上述したように、変調器アレーと電子回路部との間の熱膨脹係数の不一致によるＱＷ光変調器アレーにおける変形を最小化する。ＱＷＩＰピクセル１００およびＱＷ変調器ピクセル５００は、例えば、上掲の米国特許第０８／１０９，５５０号に説明されているような技術を用いたインジウムバンプボンド(indium-bump bonds)７００によって電子回路３００に電気的に接続されている。図１に示されているように、ハイブリッド変換器１０の作動の間には、ＬＷＩＲまたはＭＷＩＲ光が基板２００（それが除去されていない場合）を通過してＱＷＩＰ１００に入射する。（ＬＷＩＲまたはＭＷＩＲ光の強度の違いは図１において矢印の太さの違いによって表されている。）均一の強度のＮＩＲ光のビームは透明基板２０および基板６００（これが除去されていない場合）を通過してＱＷ変調器ピクセル５００に向けられる。ＬＷＩＲまたはＭＷＩＲ光の強度の変化への電子回路３００の応答の結果生じた変調器ピクセル５００のバイアスのピクセル間の変化によって、ＱＷ変調器ピクセル５００から反射されたＮＩＲ光の強度または位相を、元のＬＷＩＲまたはＭＷＩＲ光の変化に比例して変えることができる。（ＮＩＲ光の強度または位相の変化も図１において矢印の太さの違いとして表されている。）従って、ＬＷＩＲまたはＭＷＩＲ画像はＮＩＲ画像に変換される。画像変換器のその実施例は、ＱＷＩＰアレー１００、電子回路３００およびＱＷ光変調器５００の特性を独立して最適化することができる。例えば、ＱＷＩＰ１００およびＱＷ光変調器５００は異なる基板上に配置されているので、２つの領域の成長条件（例えば、成長の間の基板温度）および材料構造（例えば、Ａl ＧaＡs層内のアルミ濃度）は最高の性能を得るために互いに異なっている。図２はハイブリッド画像変換器１０の１ピクセルの電子回路の概略を示しており、それはＱＷＩＰ１００（抵抗で示されている）、電子回路３００およびＱＷ光変調器５００（ダイオードによって示されている）を備える。電子回路３００は電圧バイアスＶdetをＱＷＩＰに供給する。トランスインピーダンス(transimp edance)増幅器３１０がＱＷＩＰの光電流をバイアスＶmodに変換し、それをＱＷ変調器５００に供給する。図２に示された電子回路３００は、電流を電圧に変換する機能を実行することができる回路のいろいろな応用の内の概略を単に示すものであることを認識すべきである。現在の半導体電子技術を用いて、例えば、トランスインピーダンス増幅器および倍数ゲイン段の出力のゲインおよびオフセット修正を用いてＱＷ変調器５００を作動するのに必要な電圧（典型的な例としては１乃至１０ボルトの範囲内）を得るような、より精巧な回路を実現することができる。図３は集積画像変換器１０′の概略断面図を示しており、その変換器は基板２００′に配置された集積ＱＷＩＰ／ＱＷ光変調器ピクセルアレー８００および基板４００′に配置された電子回路ピクセル３００′を備える。ＱＷＩＰ／ＱＷ光変調器ピクセル８００は、上述したようなインジウム突起７００′を用いて電子回路ピクセル３００′に電気的に接続される。集積画像変換器１０′はデバイスを低温（例えば、−１９６．１６℃（７７ケルビン））まで冷却する極低温の冷却ヘッド３０′上に配置されている。ＱＷＩＰ／ＱＷ光変調器ピクセル８００および電子回路ピクセル３００′を以下により詳細に説明する。図３に表されているようにピクセルごとの１つのインジウム突起７００′のような電気的接続は、実際には以下に説明するように、２以上のピクセルごとの接続とすることができる。ハイブリッド画像変換器１０について上述したように、基板２００′は化学機械的ポリッシュを用いて除去することができ、これにより、光クロストークを減少するとともに、集積画像変換器１０′の電子回路部と検出器／変調器部との間の熱膨脹係数の不一致による歪みを最小化することができる。図３に示す集積画像変換器１０′の作動の間、ＬＷＩＲまたはＭＷＩＲ光が、基板２００′を通過して（それが除去されていない場合）、ＱＷＩＰ／ＱＷ変調器ピクセル８００に入射する。（ＬＷＩＲまたはＭＷＩＲ光の強度の違いは図３において矢印の太さの違いによって表している。）均一な強度のＮＩＲ光も基板２００′を通過して（それが除去されていない場合）ピクセル８００に入射する。ＬＷＩＲまたはＭＷＩＲ光の強度の変化に電子回路３００′が応答することによって、ピクセル８００の変調器部のピクセル間のバイアスの変化が生じると、ピクセル８００から反射したＮＩＲ光の強度または位相が、元のＬＷＩＲまたはＭＷＩＲ画像の変化に比例して変調される。（ＮＩＲ光の強度または位相の違いも図３において矢印の太さの違いによって表している。）従って、ＬＷＩＲまたはＭＷＩＲ画像はＮＩＲ画像に変換される。図４は集積画像変換器１０′の１つのピクセルの概略の電子回路図を示しており、その変換器は、ＱＷＩＰ１００′（抵抗によって表されている）と、ＱＷ光変調器５００′（ダイオードによって表されている）とを備える。ここで、ＱＷＩＰ１００′およびＱＷ光変調器５００′は電気的に直列に接続されているように示されているが、それは、以下に詳説するように、その２つの部分は共通基板上で一方に続いて他方が成長するからである。電子回路３００′は検出器バイアスＶdetをＱＷＩＰ１００′に供給する。トランスインンピーダンス増幅器３１０′はＱＷＩＰの光電流を検出器バイアスＶdetとは反対の符号の電圧に変換するが、それは、そのようなトランスインピーダンス増幅器が出力を反転するからである。その電圧は、電圧加算素子３２０を用いて検出器バイアスＶdetに加えられる。その合計バイアスは電圧反転素子３３０によって反転されて、ＱＷ光変調器５００′にＶmodとして供給される。素子３１０′、３２０および３３０により、確実にＱＷ光変調器５００′が作動に必要とするように逆バイアスされる。図２に示す電子回路３００′は、電流を電圧に変換する機能を実行することができる回路の多くの態様の内の単なる概略を示すものであることを認識すべきである。現在の半導体電子技術を用いて、例えば、トランスインピーダンス増幅器および倍数ゲイン段の出力のゲインおよびオフセット修正を用いてＱＷ変調器５００′を作動するのに必要な電圧（典型的な例としては１−１０ボルトの範囲内）を得るような、より精巧な回路を実現することができる。図５は集積画像変換器の１つのピクセル８００のエピタキシャル層構造の概略断面を示しており、それは、集積ＱＷＩＰ部１００′と基板２００′に配置されたＱＷ光変調器部５００′とを備える。以下に詳細に説明するように、ＱＷＩＰ部１００′に用いられている材料はＱＷ変調器部５００′に用いられているものと同様なものである。その結果、連続成長（例えば、分子線エピタキシーを用いて）には問題がない。ピクセル８００は図５においてはインジウム突起７００′ を用いて電子回路ピクセル３００′に電気的に結合されているように示されている。ＱＷＩＰ部１００′は２つのｎ型接触層１２０′と１３０′との間に複数のｎ型ＱＷ１１０′を備える。加えて、ＱＷＩＰ部１００′は、格子１４０′または他の手段を備えていて、適当な偏光（つまり、サブバンド間光吸収に関する偏光部のルールによって必要とされるように量子井戸層１１０′に対し直行する方向）のＬＷＩＲまたはＭＷＩＲ光をＱＷＩＰ部１００′に結合する。ＱＷ変調器部５００′は、ｎ型接触層５２０′とｐ型接触層５３０′との間に複数の不純物を添加していないＱＷ５１０′を備え、その結果、ｐ−ｉ−ｎダイオードの真性(i)領域を形成する。接触層５３０′をｎ型にドーピングして、本願発明の他の実施例のために以下に説明するように、変調器部の抵抗を変える必要がある場合にｎ−ｉ−ｎ光変調器を形成することができることを認識するであろう。接触層５２０′は、ＱＷＩＰ接触層１３０′ と同じレベルにドーピングをし、さらに同じ材料で構成することができる。その場合には、２つの接触層１３０ ′および５２０′は、ＱＷＩＰ部１００′をＱＷ変調器部５００′に電気的に結合する単一の連続層を構成する。他の例では、その接触層５２０′は、ＱＷ変調器５００′のＮＩＲ作動周波数の高反射率（＞９９％）を持つ絶縁ミラーを備えることができる（上掲のＫ．Ｋ．Ｌａｗ他の論文に説明されているように）。これにより、ＮＩＲ光がＱＷＩＰ部１００′に入ることが阻止される（いくつかのＱＷＩＰ設計では、それは吸収され、それにより、変調器の性能が低下し、さらに、ＱＷＩＰ部１００′では不要な光電流、つまりクロストークが作られる。）それはまた、ＮＩＲ光が格子１４０′から回折（または散乱）することを阻止する。格子１４０′でのＮＩＲ光の回折（または散乱）はＮＩＲ画像の質を低下することがある。ピクセル８００のアレーは標準的な半導体リソグラフィーおよびエッチング技術を用いて形成することができる。典型的なピクセルは、基板２００の近くの接触層５３０′を露出するようにピクセルの周囲をエッチングで取り除くことによって画定された約５０マイクロメータ(μm)×５０μmの寸法を持つ正方形である。多くの応用では、接触層５３０′はアレーのピクセルのすべてに共通するので、ピクセルごとの電気的接触の代わりに１つだけの電気的接触で足りる。第２のエッチング工程を用いて中間接触層１３０′および５２０′の小さな領域を露出させる。格子１４０′は通常は接触層１２０′にエッチングで形成されて、薄い金属フィルムで覆われる。図５に示すように、インジウム突起７００′を用いて、ＱＷＩＰ接触１２０′ 、共通中間接触（１３０′および５２０′）およびＱＷ変調器接触５３０′を電子回路３００′に結合する。この実施例では、図４に示すような電子回路３００ ′を用いて集積画像変換器ピクセル８００を制御する。光変調器５００′の典型的なＱＷ部５１０′は、複数の（例えば、８０の）ドーピングを行っていないＧaＡs量子井戸を備えており、それらの各々は例えば約１０nmの厚さを持ち、例えば、各々は約５nmの厚さを持つＡl(0.3)Ｇa(0.7)Ａs 層からなる層をクラッドすることによって分離されている。ミラー接触層５２０ ′は、例えば、複数のＡl(0.3)Ｇa(0.7)ＡsおよびＡlＡsの交互の層からなる。接触層５３０′は典型的な例としてはＧaＡsからなる。ＱＷＩＰ１００′のＱＷ部１１０′の最適な構造が、ジョン・ダブリュ・リトル・ジュニア(JhonW．Little，Jr.)により１９９２年６月３０日に出願された共有の共同米国特許出願第０７／９０６，４１７号に説明されており、それは参考としてここに組み込む。それはミニバンド移動（ＭＢＴ）量子井戸赤外線検出器と呼ばれている。例えば、ＬＷＩＲバンドでの作動のためのＭＢＴ構造は、複数の（例えば４０の）ｎ型ＧaＡsのＱＷからなり、その各々は約８nmの厚さを持ち、超格子バリア層によって分離されている。その超格子バリアは、例えば、複数の（例えば、１０の）ＧaＡsおよびＡl(0.3)Ｇa(0.7)Ａsの交互の層からなり、その厚さ（例えば、それぞれ１．５nmおよび４nm）は、エネルギー状態のミニバンドが障壁層に形成され、ＱＷを通って光励起されたキャリアの高い移動度として作用するように選択される。そのＭＢＴ構造は、材料合成の選択により自由度があるので、他のＱＷＩＰ構造と比べると集積画像変換器への利用は有利である。例えば、同一のアルミニウム濃度をＱＷ変調器部５００′およびＱＷＩＰ部１００′の両方のＡlＧaＡs層のすべてに用いることができ、それは共通の基板上の両方の部分の連続的成長によって行うが、アルミニウム濃度が異なるときよりも複雑ではない。集積画像変換器の特に簡単な実施例を図６に示す。それは図５に示したものと概略同一の構成を持つ１つのピクセルのエピタキシャル層構造の概略断面図を示す。ここでは、電子回路３００′は単純な電圧源であり、それは２つだけの位置、つまり、接触１２０′および接触５３０′でピクセル８００に結合されている（つまり、中間接触１３０′および５２０′は電子回路に結合されていない）。集積画像変換器のこの実施例の概略の電気回路を図７に示す。ＱＷＩＰ部１００ ′およびＱＷ変調器部５００′は直列に接続され、バイアスＶbiasがその直列回路の両端に引加される。Ｖbiasの一部はＱＷＩＰ部１００′の両端に現れ（図７ではＶｄｅｔと表示されている）、また、Ｖbiasの一部はＱＷ変調器部５００′ の両端に現れる（図７ではＶmodと表示されている）。ＱＷＩＰ部１００′の抵抗の光誘導による変化によって、その直列回路のバイアスの分布が変化し、それにより、変調器部５００′のバイアスが変わる。そのような電圧分割構造は、ＱＷＩＰを通過して流れる全電流の実効部分が、熱により発生した（暗）電流ではなくて光電流であるとき（つまり、ＱＷＩＰがバックグラウンド制限されている）だけに有効である。それにより、低い作動温度または短波長（ＭＷＩＲ）ＱＷＩＰ応答が必要となる。電子回路は単純なので、そのモードはＭＷＩＲ場面を見るための画像増強装置の前端のような低コストの画像形成装置にとって有益である。図７に示す電気的等価回路の分析によると、変調器のバイアスΔＶmodの変化は以下に示すようにＱＷＩＰの抵抗ΔＲdet/Ｒdetのわずかな変化に関連する。ここで、Ｖbiasはピクセルの全バイアス電圧で、Ｒmod／Ｒdetはそれぞれ変調器５００′およびＱＷＩＰ１００′の実効抵抗である。固定ΔＲdet／Ｒdetに対し、ΔＶmodは、ＲdetがＲmodに等しいときに最大化される。これらの条件下で、変調器のバイアスはＶbiasであり、それは以下にしたがって変調器バイアスにわずかな変化を与える。ＭＷＩＲＭＢＴは例えば複数（例えば４０）のｎ型Ｉn(0.1)Ｇa(0.9)Ａsの量子井戸からなり、それらは例えば超格子バリアによって分離された４nmの厚さを持ち、超格子バリアはＡl(0.3)Ｇa(0.7)ＡsおよびＡl(0.5)Ｇa(0.5)Ａsの複数（例えば１０）の交互の層からなり、それらはそれぞれ例えば２nmおよび３nmの厚さを持つ。上述の構造を持つＭＷＩＲＱＷＩＰに関し、１×１０¹⁰オームから１×１０¹¹ オームまでの範囲を持つ抵抗が−１９３.１６℃（８０Ｋ）で測定されており、それらは逆バイアスされたｐ−ｉ−ｎダイオードの実効抵抗、つまり、ＱＷ変調器部５００′の抵抗に匹敵する。入力画像を２６.８４℃（３００Ｋ）黒体から２２６．８４℃（５００Ｋ）黒体まで変化することによって測定されたＱＷＩＰ１００′の抵抗のわずかな変化は、１サンプルごとに４ボルトのＱＷＩＰバイアスで約０．３７であることがわかった。そのようなＱＷＩＰを変調器と直列に接続し、約１０ボルトのバイアスを引加するときには、そのバイアス電圧がＱＷＩＰ部１００′と変調器部５００′との間でほぼ等しく分割され、検出器抵抗の約０.４のわずかな変化に対する変調器のバイアスの変化が（式２から）約１ボルトになる。−１９３.１６℃（８０Ｋ）でＱＷ変調器で得られた比較的鮮明な吸収線幅に関しては、それは変調器部にＮＩＲ光の吸収の適当な大きさの変化を引き起こすのに十分であろう。図８ａおよび８ｂは、図６に示すように直列にバイアスされた集積画像変換器の１つの実施例を用いた、ＮＷＩＲ光の強度の変化のＮＩＲ光の強度の変化への変換の実験結果を、て示す。そのデバイスでは、変調器部のＱＷ５１０′は１０ nmの厚さを持つＩn(0.08)Ｇa(0.92)Ａsから構成されていた。図８ａは、ＭＷＩＲ光源からのピクセルへの入射光を伴うおよび伴わないスペクトルのＮＩＲ領域におけるデバイスの透過を示す。「ＭＷＩＲオフ」における８８０nm辺りの透過の下降はエキシトン吸収によるものであった。ＭＷＩＲ光源がオンになったときにはその急な下降は平坦化されてより長い波長にシフトした。それは、バイアスが増加したときにＮＩＲスペクトルにおいて観察されたものと同じものであった。これは、ＭＷＩＲ光がオンになったときには、それがオフになったときよりも、ＱＷ変調器部５００′により高いバイアスが現れたことを意味する。これは、ＭＷＩＲ光が存在している場合におけるＱＷＩＰの抵抗の増加による電圧の再配分の記述と一致する。図８ｂはＭＷＩＲ光が存在する場合と存在しない場合とにおける８７８nmの波長でのサンプルの透過を示す。（水平軸線は時間を示しており、その時にシャッタが開いてＭＷＩＲ光がピクセルを照射する。）ＭＷＩＲ光の強度の変化に応答するＮＩＲ光の強度の変化（透過の変化として示されている）は、集積画像変換器ピクセル８００による画像変換の直接の証拠である。エキシトン吸収はこの試験したサンプル内への電界の形成の下では鮮明には残らなかった。これは、格子不整合のＩnＧaＡs量子井戸内の歪みが原因で生じたサンプルの質の問題によるものであると考えられる。図９ａおよび９ｂは、図６に概略示された直列にバイアスされた（それぞれ− ４Ｖおよび−５Ｖにバイアスされている）集積画像変換器の第２の実施例における画像変換の実験結果を示す。このサンプルでは、ＱＷ５１０′は１０nmの厚さを持つ高品質のＧaＡsからなり、ＱＷＩＰ部はＭＷＩＲ作動に関して上述したものと同様なものである。光電流Ｉ_pc対波長（ＮＩＲスペクトル領域におけるもの）の関係が、透過の代わりに測定されたが、それはＧaＡs基板が変調器の作動周波数に対し不透明だったからである。この種の測定においては、光電流信号はサンプル内の吸収力に比例し、エキシトン吸収を表す光電流においてピークを示す。図９ａおよび９ｂにおける左側の垂直軸線は相対光電流Ｉ_pcを示し、右側の垂直軸線は、ＭＷＩＲ光がオフの場合の光電流に対する、サンプルへのＭＷＩＲ光がオンの場合の光電流の比率を示す。−４Ｖバイアスおよび−５Ｖバイアス（それぞれ図９ａおよび９ｂ）の両方の場合、ＭＷＩＲ光オフの場合に比べてＭＷＩＲ光がオンの場合にエキシトン吸収特徴が鮮明に残ってより長い波長にシフトしており、これは、上述のように、ＭＷＩＲ光の存在によるバイアスの再配分を示す。オン／オフ比率は４乃至５の範囲内にあり、これは、その大きさのＮＩＲ変調の強さが画像変換器としての作動の際に得られることを意味する。上記は本願発明を特定に実施例に関して説明した。しかし、本願発明はそれらの実施例に限定されず、実際、本願発明の原理は他の装置および方法において具体化できまた実施できることを当業者は容易に認識するであろう。したがって、本願発明はそれらの特定の実施例によっては限定されず、請求の範囲によって特定される考えるべきである。

Claims

【特許請求の範囲】１第１の所定の範囲内の波長を持つ光の変化を第２の所定の範囲内の波長を持つ光の変化に変換する装置であって、基板と、重いホール励起による吸収を持つ複数の量子井戸からなる吸収変調器であって、その励起は、既定のバイアスが当該変調器に印加されるときに前記第２の所定の範囲内の波長で最大となる吸収変調器と、複数の量子井戸を備え、前記吸収変調器に電気的に接続されている光検出器と、電気的に前記吸収変調器および前記光検出器に接続されていてバイアスを前記吸収変調器および前記光検出器に印加する手段とを備え、電気的に接続された光検出器および吸収変調器は前記基板に配置されていて、第１強度および前記第１の所定の範囲内の波長を持つ光が前記光検出器に入射し、さらに、第２強度、第２位相および前記第２の所定の範囲内の波長を持つ光が前記吸収変調器に入射すると、前記第１強度変化が前記吸収変調器へのバイアスの変化を発生させ、これにより、前記第２強度および前記第２位相の少なくとも一方が変化する装置。２請求項１の装置が、前記吸収変調器の２次元アレー、前記光検出器の２次元アレーおよび複数の前記印加手段を備えていて、各光検出器が電気的に個々の吸収変調器に接続され、さらに、電気的に接続された光検出器および吸収変調器の各々が、電気的に個々の印加手段に接続されるとともに前記基板上に配置される装置。３請求項１の装置において、前記光検出器が複数の量子井戸を含む多層構造からなり、各量子井戸が境界基底エネルギー状態および境界励起エネルギー状態を持ち、複数の超格子障壁層が前記量子井戸の間に挟まれており、各超格子障壁層が隣り合う量子井戸の励起エネルギー状態と共鳴するエネルギー状態のミニバンドを持ち、該ミニバンドおよび励起エネルギー状態が、前記基底エネルギー状態から、前記励起エネルギー状態および前記第１の所定の範囲内の波長を持つフォトンの吸収によるミニバンドまで励起されたキャリアのための前記井戸および層を横切る電気的連続チャネルを提供する装置。４請求項１の装置において、前記光検出器が前記吸収変調器と垂直方向に集積されている装置。５第１の所定の範囲内の波長を持つ第１画像を第２の所定の範囲内の波長を持つ第２の画像に変換する画像変換装置であって、ピクセル形式に配列され、第１基板上に配置された光検出器のアレーであって、各光検出器が複数の量子井戸を備え、第１画像が該変換装置に入射すると、前記第１画像の個々のピクセルの強度に比例する大きさを持つ光電流を発生する光検出器のアレーと、第２基板上に配置された電子回路部と、ピクセル形式に配列され、第３基板上に配置された光変調器のアレーであって、各光変調器が複数の量子井戸変調器層を備え、該層が、所定の厚さを持つとともに、該光変調器に印加された電圧にしたがって前記第２の所定の範囲内の波長で変化する重いホール励起子による吸収を持つ光変調器のアレーとを備え、前記電子回路部が、前記光検出器と前記光変調器との間に挟まれるとともにそれらに電気的に接続され、第１画像が該変換装置に入射すると、前記光検出器によって発生された光電流を前記光変調器のそれぞれに印加された電圧に変換して前記第１画像を前記第２画像に変換する装置。６請求項５の画像変換装置において、各光検出器が複数の量子井戸を含む多層構造からなり、各量子井戸が境界基底エネルギー状態と境界励起エネルギー状態とを持ち、複数の超格子障壁層が前記量子井戸の間に挿入され、各超格子障壁層が隣り合う量子井戸の励起エネルギー状態と共鳴するエネルギー状態のミニバンドを持ち、該ミニバンドおよび励起エネルギー状態が、前記基底エネルギー状態から、前記励起エネルギー状態および前記第１の所定の範囲内の波長を持つフォトンの吸収によるミニバンドまで励起されたキャリアのための前記井戸および層を横切る電気的連続チャネルを提供する装置。７第１の所定の範囲内の波長を持つ赤外線画像を第２の所定の範囲内の波長を持つ第２の画像に変換する装置であって、基板と、ピクセル形式に配列された複数の赤外線検出器を備える赤外線検出器アレー部であって、各赤外線検出器が、前記赤外線画像が該変換装置に入射すると、該入射赤外線画像の個々のピクセルの強度に比例する大きさを持つ光電流を発生する赤外線検出器アレー部と、ピクセル形式に配列された複数の光変調器を備える光変調器アレー部であって、各光変調器が、該光変調器に印加された電圧にしたがって前記第２の所定の範囲内の波長を持つ光を吸収する光変調器アレー部と、第２基板上に配置され、赤外線検出器によって発生された光電流を電圧に変換する複数の手段を備える電子回路部とを備え、前記赤外線検出器アレー部および前記光変調器アレー部が一方が他方の上になりさらに前記第１基板上にあるように配置され、前記複数の変換手段がピクセルごとのバイアスで電気的に前記赤外線検出器アレー部および前記光変調器アレー部の一方に接続されていて前記光電流から変換された前記電圧を前記光変調器のそれぞれに供給して前記赤外線画像を前記第２画像に変換する装置。８複数の量子井戸を備える半導体デバイスにおいて第１の所定の範囲内の波長を持つ光を第２の所定の範囲内の波長を持つ光に変換する方法であって、前記第１の所定の範囲内の波長を持つ光を電流に変換し、該電流が前記変換された光の強度によって決定される大きさを持ち、前記電流を該電流の大きさに比例する大きさを持つ電圧に変換し、前記第２の所定の範囲内の波長を持つ光の強度および位相の少なくとも一方を前記電圧に応じて制御する方法。