JPS63314422A

JPS63314422A - 赤外線検出素子

Info

Publication number: JPS63314422A
Application number: JP62149119A
Authority: JP
Inventors: Kenji Udagawa; 賢司宇田川
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1987-06-17
Filing date: 1987-06-17
Publication date: 1988-12-22
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: JPH0831619B2

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】［産業上の利用分野］この発明は、赤外線検出素子にかかるものであり、特に
長波長の赤外線検出に好適なショットキー型の赤外線検
出素子の改良に関するものである。

［従来の技術］近年は、赤外線を用いて光景を撮像するシステムの震要
が増大する傾向にある。

かかる要望に鑑み、大気の窓と一般的に称されている３
〜５μｍ、８〜１４μｍの波長帯用の赤外線検出素子の
開発が進められており、特に、常温物体の観測ないし撮
像に適した８〜１４μｍ帯を含む長波長領域の赤外線検
出素子の必要性が高い。

このような赤外線検出素子としては、種々の構造のもの
が考えられるが、ショットキー型の素子は、構造が単純
で製造方法が簡単−であり、更に検出特性の均一性にも
優れているため、赤外線検出素子として広く用いられて
いる。

従来のショットキー型の赤外線検出素子としては、例え
ば、第２図（Ａ）〜（Ｃ）に示すものがある。

この赤外線検出素子は、同図（Ａ）に示すように、その
導電型がＰ型の半導体１０と所定の導電体１２とを接合
させて、接合部１４を形成した構成となっている。

そして、赤外線が矢印ＦＡで示すように接合部１４に入
射する裏面型の場合は、導電体１２を厚くしてもよいが
、赤外線が矢印ＦＢで示すように接合部１４に入射する
表面型の場合は、導電体１２を薄くする必要がある。

矢印ＦＡ、ＦＢの如く赤外線が接合部１４付近に入射す
ると、同図（Ｂ）に示すように、電子・ホール対が形成
され、これらが接合部１４で分離されることとなる。す
なわち、半導体ｌｏ側に矢印ＦＣの如くホールＨが移動
して電子Ｅと分離され、素子の両端に電圧が生ずること
となる。そして、この電圧により、矢印ＦＥで示すよう
に抵抗１６に電流が流れることとなる。

以上の作用をエネルギーバンドモデルを用いて説明する
と、以下の通りである。

まず、同図（Ｃ）に示すように、半導体１ｏと導電体１
２の接合により、ショットキー障壁と呼ばれる接触電位
差φ□の接合界面ないし接合部１４が生ずる。図中、Ｅ
ｃ　、Ｅｒ　、Ｅｖは、伝導帯端レベル、フェルミレベ
ル、充満帯ないし価電子帯端レベルを各々表わす。

接合部１４の近傍の導電体１２に入射した赤外線の振動
数をνとすると、ｈν〉９φ□であるような場合に、シ
ョットキー障壁を越える運動エネルギーをもった励起ホ
ールの生成が可能となる。

ここで、ｈはブランク定数、ｑは単位電荷を表わす。

生成された励起ホールＨは、矢印ＦＦで示すように、シ
ョットキー障壁を越えて半導体１０内に入り、電子Ｅは
導電体１２内に残される。これ−らの蓄積された電荷を
検出することによって、入射赤外線の検出が行われる。

以上の説明は、Ｐ型半導体と導電体によって素子を構成
した場合であるが、ｎ型半導体と導電体によっても同様
に構成できる。この場合にはキャリアが逆になり、半導
体内に電子が注入され導電体内にホールが残される。

［発明が解決しようとする問題点］ところで、以上のようなショットキー型の赤外線検出素
子の検出可能な最高波長λ。は、え。＝　ｈ　ｃ　／　
ｑφ□ （Ｃは光速度）で示され、より長波長の赤外線を検出し
ようとすると、φ□の小さなショットキー接合が必要に
なる。

また、波長λ。よりも短かい波長の赤外線を検出する場
合であっても、量子効率ηは、（Ｃは量子効率係数）で
示されるため、φ□が小さい程ηが高くなるという関係
があ−る。（例えば、Ｈ，Ｅｌａｂｄ　ａｎｄ　Ｗ、Ｆ
、Ｋｏｓｏｎｃｋｙ、　ＲＣＡ　　Ｒｅｖｉｅｗｖｏｌ
、４３　ｎｏ、４　Ｄｅｃｅｍｂｅｒ　１９８２　Ｐ５
６９−Ｐ５８９参照）。

すなわち、ショットキー型受光素子においてその接合部
１４の接触電位差φ３．を小さくすることは、長波長赤
外線の検出を可能とするだけでなく、量子効率の改善に
もつながる。

しかし、接触電位差φ□をあまり小さくすると、熱的な
雑音が発生し、このため、より低温の冷却が必要となる
。

すなわち、検出すべき所望の波長λ。に対しては、以上
の条件を満たすような適切な接触電位差φ□の値が決定
されることとなる。

しかしながら、かかる接触電位差φ□の値は、半導体と
導電体の組み合せによって決定されてしまうため、その
値を任意に可変することは不可能である。

以上の理由により、半導体によっては長波長の赤外線を
良好に検出することができないという不都合があフだ。

この発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、長
波長の赤外線を検出できない半導体と導電体の組み合せ
においてもショットキー障壁を小さくし、かつその大き
さを可変できて長波長の赤外線検出を良好に行うことが
できるショットキー型受光素子を提供することをその目
的とするものである。

［問題点を解決するための手段］この発明は、導電体と接触して赤外線検出のためのエネ
ルギー障壁を形成する半導体が、第一の半導体層と、こ
れよりも小さなバンド・ギャップを有する第二の半導体
層とを、規則正しく周期的に配列した超格子構造を有す
ることを特徴とするものである。

［作用］この発明によれば、半導体側が、超格子構造となってい
るため、サブバンドが形成される。このため、ショット
キー接合の接触電位差が、第一の半導体層のみと導電体
によるショットキー接合の場合よりも小さくなり、長波
長の赤外線の検出が可能となる。

［実施例］以下、この発明の実施例を、第１図を参照しながら詳細
に説明する。なお、上述した従来技術と同様の構成部分
には、同一の符号を用いることとする。

第１図（＾）には、この発明の一実施例にかかる赤外線
検出素子の構成が示されている。この図において、導電
体２０と接合部２２を構成する半導体２４は、第一の半
導体層２６と、第二の半導体層２８とによって構成され
ている。

すなわち、接触電位差φ□を小さくしたい半導体２６と
、この半導体層２６よりも小さいパン）・ギャップを有
する半導体層２８とが規則正しく周期的に配列されてお
り、全体として超格子構造体か構成されている。この超
格子構造の半導体２４と導電体２０とを接合させること
により、ショットキー型の赤外線検出素子が構成されて
いる。

次に、以上のような超格子構造の作用について、同図（
８）のエネルギーバンド図を参照しながら説明する。

まず、半導体２４を超格子構造とすることによって、半
導体層２６に挟まれた半導体層２８の領域がド・ブロイ
波長以下の厚さの場合、あるいはキャリアの平均自由工
程以下の厚さの場合には量子井戸層となり、量子効果に
よるエネルギー準位が生ずることとなる。

更に、半導体層２６がド・ブロイ波長以下の厚さである
場合には、トンネル効果によってキャリアが量子井戸間
を自由に移動することができるため、サブバントが生ず
ることとなる。

このサブバンドは、伝導帯においては伝導帯サブバンド
、価電子帯においては価電子帯サブバンドとなる。これ
らのうち、価電子帯サブバンドＥＭＳは、半導体層２６
の価電子帯端と半導体層２８の価電子帯端の間のエネル
ギー帯に形成される。

ところで、以上のような価電子帯サブバンドＥｖｓは、
量子井戸層である半導体層２８の厚さを変化させること
によって半導体層２６の価電子帯端に近づけたり、半導
体層２８の価電子帯端に近づけたりすることが可能であ
る。また伝導帯サブバンドについても同様である。

従って、第２図に示した半導体１０と導電体１２とによ
って形成された従来のショットキー接合の接触電位差φ
１．よりも、第１図に示した半導体層２６と半導体層２
８による超格子構造の半導体２４と導電体２０とによっ
て形成された木実施例のショットキー接合の接触電位差
φ１３の方が小さくなる。

なお、半導体層２８の厚さによって接触電位差φｍｓを
変化させることも可能である。

以上のように、超格子構造を構成する半導体層の厚さを
変化させることによって、接触電位差φ□を従来のもの
より小さくすることができ、また、一定の範囲でその大
ぎさを可変することかできる。

従って、長波長の赤外線を良好に検出することができる
とともに、熱的雑音の大きな影響を受けることなく量子
効率の改善を図ることができる。

次に、上記実施例の具体的な適用例について説明する。

半導体２４は、例えば、Ｐ型Ｓｔの半導体層２６と、Ｐ
型ＧｅｘＳ１＋−ｘ　　の半導体層２８（ｘは組成比で
あり、Ｏ＜ｘ＜１である）を組み合せた超格子構造とし
て構成される。半導体層２６の厚さは、ドブロイ波長以
下の厚さ、例えば１００Å以下である。そして、導電体
２０としては、例えばＰｔ　Ｓｔが使用される。

ｓｉのバンドギャップは１．１２ｅＶ、　Ｇ　ｅのバン
ドギヤ・ンプは０．６６ｅＶである。これに対し、Ｇｅ
ｘＳｉｌ−ｘ　　は、バンドギャップが組成比Ｘによっ
て０．６６〜１．１２ｅＶの範囲で変化する。

これらのＳｉおよびＧｅＸＳｉ＋−ｘ　　で構成される
超格子構造の半導体２４では、バンドギャップの小さい
ＧｅｘＳｌ＋−ｘ　　層が量子井戸層となる。

例えば、Ｘ値が０．３であるとき、ＳｔとＧ　ｅｏ３Ｓ
　ｉｏ７の価電子帯端の差は約０．２２ｅＶである（例
えば、Ｒ，Ｐｅｏｐｌｅ、　ＩＥＥＥ　Ｊ、Ｑｕａｎｔ
、ＥＩｅｃｔｒｏｎ、。

Ｖｏｌ、ＱＥ−２２，ｎａ　９　Ｓｏｐｔｅｍｂｅｒ　
１９８８　Ｐ１６９６−Ｐ１７１０参照）。

従って、以上のような超格子構造の半導体２４では、両
生導体層の膜厚比を変化させることによって、Ｓｔの価
電子帯端よりもＯ〜０．２２ｅＶ高いエネルギー準位に
価電子帯サブバンドＥｖｓを形成することが可能となる
。

よって、ＳｔとＧ　ｅ６．　ｓ　Ｓ　ｉｏ、　ｔによる
超格子構造とＰｔ　Ｓｉで形成されるショットキー接合
によれば、接合電位差φ□を、０，０３〜０．２５ｅＶ
の範囲内で自由に変更設定できることとなる。

これに対し、従来のＰ型Ｓｉ　とＰｔ　Ｓｔで形成され
るショットキー接合の接触電位差φ□は、約０．’２５
ｅＶであり、検出赤外線の波長に換算すると、λｃ＝５
μｍに相当する。

従って、この例によれば、従来のショットキー接合では
検出し得なかった８〜１４μｍ帯（φ□＝　０．０９ｅ
Ｖに相当）、あるいはさらに長い波長帯の赤外線も検出
することが可能となる。

また、３〜５μｍの波長帯の赤外線を検出する場合であ
っても、量子効率を高くできるという利点がある。

以上のように、この実施例によれば、従来半導体と導電
体の組み合わせで決定していたショットキー接合の接触
電位差φ□を、超格子構造の半導体を用いることによっ
て小さくすることができるため、ショットキー型受光素
子による長波長の赤外線検出が可能となるとともに、量
子効率の向上を図ることもできる。

また、接触電位差φ□の値を単に小さくできるのみなら
ず、所定の範囲内で自在に変化させることができるため
、任意の検出波長を有するショットキー型の赤外線検出
素子を得ることが可能となる。

なお、本発明は何ら上記実施例に限定されるものではな
く、例えば上記実施例では、ＳｉとＧｅｘＳｉ、−ウ　
による超格子構造およびＰｔ　Ｓｔによる導電体により
素子を構成したが、単結晶、多結晶、非晶質等の各種の
半導体による超格子構造に、金属、金属シリサイド、金
属性非晶質等の各種の導電体を組み合わせるようにして
もよい。

また、上記実施例は、Ｐ型の半導体を使用しているが、
ｎ型のものを使用しても同様の効果が得られることは明
らかである。

更に、この発明にかかる赤外線検出素子を、−次元ない
し二次元状に多数配列して撮像装置としてもよい。

［発明の効果］以上説明したように、この発明によれば、ショットキー
障壁を小さくし、かつその大きさを可変して長波長の赤
外線検出を良好に行うことかできるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による実施例を示す説明図、第２図は従
来の装置例を示す説明図である。［主要部分の符号の説明］２０・・・導電体、２２・・・接合部、２４・・・半導
体（超格子構造体）、２６・・・第一の半導体層、２８
・・・第二の半導体層、ＥｖＳ・・・価電子帯サブバン
ド、Ｓ・・・Ｐ＋シリコン基板。

Claims

【特許請求の範囲】半導体と導電体とを接触させることによって接合部に形
成されるエネルギー障壁を利用して、赤外線の検出を行
う赤外線検出素子において、前記半導体は、第一の半導
体層と、これよりも小さなバンド・ギャップを有する第
二の半導体層とを有しており、該第一および第二の半導体層が規則正しく周期的に配列
されて超格子構造体が形成されたことを特徴とする赤外
線検出素子。