JPWO2006006469A1 - 赤外光検出器 - Google Patents

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Abstract

波長数μｍから数百μｍまでの広い波長範囲で、単一光子の検出を高効率で行うことができ、且つ、アレー化に適した赤外光検出器であって、マイクロストリップアンテナのパッチ部（３６）の面に平行な振動電界を有する赤外光フォトン（３７）が入射して共振し、その振動電界がｚ方向の振動電界（３８ｚ）に変換され、量子ドット（２４ａ）中の基底状態サブバンド（３０）の電子（３９）はｚ方向の振動電界（３８ｚ）を吸収して第１励起状態サブバンド（３１）に励起され、ポテンシャル障壁（３２）をトンネリングして−ｚ方向の量子井戸（２６）に脱出し吸収される。電子（３９）の脱出による量子ドット（２４ａ）のイオン化電界はポイントコンタクト（２６ｅ）の電導度を変化させ、イオン化状態は長く続くのでソース（２６ａ）からドレイン（２６ｂ）に流れる電流（４２）の変化の積分値は検出可能な大きさとなり、赤外光フォトン１個の検出が可能な感度を達成できる。

Description

本発明は赤外光計測技術に係り、特にビデオ信号を検出するのに好適な赤外光検出器に関するものである。
従来のこの種の赤外光検出器として、以下に示す３種類がある。
第１に、半導体２次元量子井戸のサブバンド間励起にともなう光伝導現象を用いる２次元量子井戸赤外光検出器（ＱＷＩＰ：Quantum Well Infrared Photodetector ）であり、波長３ミクロンから２０ミクロン程度の中赤外光領域の検出器として広く知られている（B. F. Levine, J. Appl. Phys. 74, R1-R81 (1993)参照）。しかし、この検出器は、上記文献１の図８に示されているように、赤外光の吸収によって２次元サブバンド間励起された自由電子を、半導体２次元量子井戸を挟む電極間の電流として検出するものであり、自由電子一個による微少電流を検出することは不可能であることから、単一光子を検出できるレベルには遠く及ばず、感度Ｄ* は、Ｄ* ＝１０10ｃｍＨｚ0.5 ／Ｗのオーダーである。
第２に、波長１００μｍ（ミクロン）から６００μｍ程度の遠赤外光領域では半導体量子ドットおよび単電子トランジスタ（Single electron transistor）を用いた単一光子検出器が提案され、実現されている（特開２００１−１１９０４１号公報、U.S. Patent No. 6,627,914 、S. Komiyama et al., Nature 403, p.405(2000) 、O. Astafiev et al., Appl. Phys. Lett. 80, 4250(2002)参照）。この検出器は、半導体量子ドットの電子が遠赤外フォトンを吸収して励起されることにより、この半導体量子ドットが長時間分極又はイオン化するように構成されており、分極又はイオン化によるポテンシャルの変化によって単一電子トランジスタを駆動するものである。この検出器によれば、半導体量子ドットが長時間分極又はイオン化しているので、遠赤外フォトン一個の吸収であっても単電子トランジスタ電流値の変化の積分値が検出可能な大きさとなり、遠赤外フォトン一個の吸収をも検出できる。しかしながら、この検出器はミリ波・遠赤外領域を対象とした測定器であり、数十ミクロンより短波長の中赤外領域では動作しない。すなわち、この検出器は面内サイズ効果による量子準位、面内プラズマ振動、面内軌道運動のランダウ準位等の準位間遷移を利用したものであり、これらの準位間隔はミリ波・遠赤外領域のエネルギーに対応しており、このため、数十ミクロンより短波長領域の赤外光は検出できない。上記短波長領域でも動作させるためには、２次元サブバンド間遷移を利用し、且つ、２次元サブバンド間遷移を選択的に引き起こす必要があるが、そのためには集光メカニズムと検出メカニズム双方に新たな物理的メカニズムとそれを機能させる素子構造が必要となる。
第３に、半導体２次元量子井戸の２次元サブバンド間遷移によって単一の光子を検出する量子井戸型検出器が提案されている（特開２００４−２１４３８３参照）。この検出器は、図３２（ａ）に示すように、半導体メサ構造１９１と半導体メサ構造１９１上に単電子トランジスタ１９２を有し、メサ構造１９１の電子エネルギー障壁は同図（ｂ）に示すような構造に設計されている。赤外光１９０の吸収によって、半導体メサ構造１９１の量子ドット１９３中の電子１９４がサブバンド間遷移を引き起こして垂直方向に脱出し電極１９５に吸収される。電子１９４の脱出による量子ドット１９３のイオン化状態は長時間継続し、イオン化電荷１９６による単電子トランジスタ電流の変化を検出して赤外光１９０を検知する。この検出器は、２次元サブバンド間遷移によって半導体量子ドットが長時間イオン化する構成と、このイオン化ポテンシャルで単電子トランジスタを駆動する構成とを有し、また、単電子トランジスタの電極がアンテナ効果を有し、遠赤外光を量子井戸部分に効率よく集光すると記載されているが、２次元サブバンド間遷移を選択的に引き起こすための電磁波と量子ドットとの結合手段がないため、感度が悪い。また、励起電子１９４の脱出のための量子井戸構造の設計が難しい。さらに、ＧａＡｓ系等のヘテロエピタキシャル半導体基板から形成した量子井戸上に、ＡｌやＡｌ2 Ｏ3 等の金属や金属酸化物からなる単電子トランジスタを作製する構造であるため、作製中に、半導体量子井戸表面が酸化されて劣化が生じやすく、極めて高い歩止まりが要求されるアレー型の赤外検出器には向かない構造である。
上記したように、波長数μｍから数百μｍまでの広い波長範囲で、単一光子の検出を高効率で行え、且つ、作製方法において、アレー化に適した構造を有する赤外光検出器は従来存在しなかった。
本発明は上記課題に鑑み、波長数μｍから数百μｍまでの広い波長範囲で、単一光子の検出を高効率で行うことができ、且つ、作製方法において、アレー化に適した構造を有する赤外光検出器を提供することを目的とする。
本発明の赤外光検出器は、入射赤外光子を吸収し励起電子を生成する、周囲から電気的に孤立した孤立２次元電子層と、入射赤外光子を孤立２次元電子層に集中する手段と、入射赤外光子の吸収により励起された電子を孤立２次元電子層から脱出させて孤立２次元電子層を帯電させる手段と、孤立２次元電子層の帯電によって電流が変化し、且つ、帯電状態が持続する間この電流変化が維持される電荷敏感トランジスタとを有し、孤立２次元電子層内の電子を選択的に２次元サブバンド間励起させる手段を付加することを特徴としている。
初めに、本発明の赤外光検出器の検出メカニズムを説明する。なお、孤立２次元電子層の面内方向のサイズを小さくすれば、サイズ効果によって面内の運動自由度も量子化し、面内の運動エネルギーも離散値となるが、本発明は、サイズ量子化が有っても無くても同様に作用するので、以下では簡単のためにサイズ量子化を無視して説明する。本発明に於ける量子ドットとは、赤外波長の１／２より小さい、または、１μｍより小さいことのどちらか小さい方のサイズを有する周囲から電気的に孤立した２次元電子層として定義する。量子プレートとは、赤外波長の１／２より大きい、数μｍから数１００μｍ角の周囲から電気的に孤立した２次元電子層として定義する。下記の説明においては、量子ドットと量子プレートの両方に成り立つメカニズムは、量子ドットを例に取り説明する。
まず、選択的にサブバンド間励起を生起するメカニズムについて説明する。量子井戸のような２次元電子系の場所ｒにおけるエネルギーＥ（ｉ）（ｉ＝０，１，２・・・）は、２次元面に垂直方向（ｚ方向）の運動エネルギーＥｚが量子化されてサブバンドエネルギーが離散値Ｅｉ（ｉ＝０，１，２・・・）を取るために次式（１）のように表される。
Figure 2006006469
 ただし、Ｅｘ、Ｅｙは２次元面内運動エネルギーであり連続値を取る。またＵ（ｒ）は場所ｒにおける静電ポテンシャルエネルギーである。基底サブバンドエネルギーＥ0 をサブバンドエネルギーの基準点にとってＥ0 ＝０とし、かつΔＥ01＝Ｅ1 −Ｅ0 と記せば、基底状態（ｉ＝０）と、第一励起状態（ｉ＝１）のエネルギーはそれぞれ下記（２）（３）式のように表せる。
Figure 2006006469
Figure 2006006469
ここで、サブバンド間エネルギーΔＥ01は、ｚ方向の電子閉じ込め効果によるため、２次元電子系を形成する量子井戸のｚ方向の厚みによって定まる。ｘｙ面内の運動が同一でサブバンドだけが異なる（２）式と（３）式の状態はｚ方向の運動状態の違いだけから生ずる。従って、次式（４）で表される電磁波吸収によるサブバンド間励起を選択的に引き起こすためには、（５）式で表されるエネルギー保存則、（但し、ｈはプランクの定数、νは電磁波の周波数）を満たすだけでなく、電磁波がｚ方向、つまり２次元面に垂直方向の振動電場成分のみを有することが必要である。
Figure 2006006469
Figure 2006006469
 ところが、量子ドットに垂直に入射する赤外光は、光が横波であることから２次元面に平行方向の振動成分しか有しない。そこで本発明では、量子ドットに垂直に入射する赤外光を孤立２次元電子層に集中すると共に、赤外光の量子ドットの面に垂直な振動電場成分を生成して量子ドット内の電子を選択的にサブバンド間遷移させる手段として、量子ドットを挟んで構成した、マイクロストリップアンテナを用いることを特徴とする。
マイクロストリップアンテナ（Microstrip Antenna）は、広い面積の平板状導体と誘電体を挟んで搭載したパッチ状の導体とからなり、パッチ導体面に平行な振動電界を有する電磁波を入射させた場合、その振動電界がパッチ導体面に垂直な振動電界となって共振する（C. A. Balanis, "Antenna Theory", Wiley, (1997), Ch. 14参照）ので、量子ドットを挟んで構成した、検出する赤外光の電波インピーダンスと整合するインピーダンスを有するマイクロストリップアンテナにより、量子ドット面に垂直に入射する赤外光を量子ドットに集中すると共に量子ドットの面に垂直な振動電場成分を生成して、量子ドット内の電子を選択的にサブバンド間遷移させることができる。量子ドット内の電子を選択的にサブバンド間遷移させることができるので波長数μｍから数百μｍまでの広い波長範囲の赤外光が検出できる。
次に、サブバンド間励起された電子を量子ドットから脱出させるメカニズムと、生じた量子ドットのイオン化を電荷敏感トランジスタで検知するメカニズムを説明する。
図１は、サブバンド間励起された電子を量子ドット面に対して垂直方向に脱出させるメカニズムと、生じた量子ドットのイオン化を電荷敏感トランジスタで検知するメカニズムを説明する概念図である。量子ドット１内で上記（４）式、（５）式に従ってサブバンド間励起された電子２が量子ドット１の下面に配されたトンネル障壁を介して垂直方向（−ｚ方向）に脱出することにより量子ドット１がイオン化し、量子ドット１のイオン化を、電荷敏感トランジスタで検出する。本発明では、電荷敏感トランジスタとして、量子ドット１の直下に狭窄された導電部、すなわちポイントコンタクト３、ポイントコンタクト３を介して接続されるソース電極４、ドレイン電極５及びポイントコンタクト３を挟んで配置されポイントコンタクト３のサイズを制御するゲート電極６，６とからなる構成のトランジスタを使用する。このトランジスタをポイントコンタクト・トランジスタと名付ける。
次に、ポイントコンタクト・トランジスタを詳しく説明する。ポイントコンタクトとは、量子井戸等で実現される２次元電子ガスにおいて、その２次元電子の存在領域をサブミクロン・サイズまで狭窄したポイント（点）を介した接合を意味する。ポイントコンタクト・トランジスタは、ポイントコンタクトと、ポイントコンタクトを介して接続されるソース電極、ドレイン電極、及びポイントコンタクトのサイズを制御する一対のゲート電極とから成る。ポイントコンタクトの電導度（conductance ）は静電ポテンシャルによってきわめて敏感に変化することが知られており、ポイントコンタクトの近傍に置かれた単位電荷に対してポイントコンタクトの電導度がきわめて敏感に変化する。実際、サブミクロンの距離に隣接した量子ドット中で電子数が一つ変化することを、ポイントコンタクトの電導度変化によって検出できることが実験で示されている（M. Field et al., Phys. Rev. Lett. 70, 1311(1993) 参照）。本発明では、光励起によって生じる量子ドットのイオン化（電子１個の減少）をポイントコンタクトの電導度変化によって検出する。
この赤外光検出器は、電子の脱出と検出の双方の構造を同一の半導体多層ヘテロエピタキシャル成長基板から一体物として作製できる構造のため、検出のために金属による単電子トランジスタを用いる既提案の構造（特開２００４−２１４３８３号参照）に比べて、単電子トランジスタ作製中に半導体量子井戸表面が酸化されて特性が劣化する等の問題が生じず、作製が容易である。
図２は、サブバンド間励起された電子を量子ドットから水平方向に脱出させるメカニズムと、生じた量子ドットのイオン化を電荷敏感トランジスタで検知するメカニズムを説明する概念図である。この構成は図に示すように、量子ドット１内で（４）式、（５）式に従ってサブバンド間励起された電子２を、図の点線矢印で示すように、横（ｘｙ面内）方向、すなわち量子ドット１の面内方向横手に設けた脱出電極７に脱出させる構成である。この脱出による量子ドット１のイオン化を電荷敏感トランジスタで検出する。なお、この図においては、電荷敏感トランジスタとして、図１と同様に、量子ドット１の直下にポイントコンタクトを配置したポイントコンタクト・トランジスタを例示しているが、量子ドット１の面内方向横手に配置したポイントコンタクト・トランジスタでもよく、また、電荷敏感トランジスタは、単電子トランジスタでもよい。
横方向脱出メカニズムを図３を用いてさらに詳しく説明する。図３（ａ）は、電子の赤外光吸収による励起過程α及び散乱過程βを、２次元量子ドット１の電子状態密度（Density of State: ＤＯＳ）ダイアグラム中で示す図であり、横軸は状態密度、縦軸は電子エネルギーを示し、Ｅ0 は基底サブバンド、Ｅ1 は第一励起サブバンドである。図３（ｂ）は、電子の励起過程α、散乱過程β、移動過程χ及び緩和過程δを電子のｘ方向のエネルギーダイアグラム中で示した図であり、図３（ｃ）は、電子の励起過程α、散乱過程β、移動過程χ及び緩和過程δにおける電子の位置を示した図で、符号８は量子ドット１と脱出電極７の間に設ける電位障壁ＵB を示し、ハッチング部分９は電子の波動関数の広がりを模式的に示している。
まず、ｘｙ面内方向への脱出確率はｘｙ面内の運動エネルギー、Ｅｘ＋Ｅｙが大きければ大きいほど高い。ところが、サブバンド間励起（４）はＥｘ＋Ｅｙを変化させないので、それだけでは横方向脱出は不可能である。しかし本発明では図３の（ａ）〜（ｃ）に示すように、サブバンド間励起過程αの後に、サブピコ秒からピコ秒の短時間でさらに次式（６）で示す準弾性散乱過程（Filin Al, Borovitskaya ES, Larionov AV "Intersubband relaxation of two-dimensional electrons in a parallel magnetic field" SEMICOND SCI TECH 13(17): 705-708 JUL 1998参照）βに従って、基底サブバンドの面内運動エネルギーＥｘ＋Ｅｙの大きな状態Ｅ' （０）に遷移することを利用する。この散乱過程βは乱雑ポテンシャルまたは格子振動（scattering due to random potentials or phonon scattering）の影響で起こる。
Figure 2006006469
 ただし、
Figure 2006006469
 ここで、量子ドット１内の電子が感ずるポテンシャルＵQDは光子吸収の素過程ごとにその値は異なるが、量子ドット１内の最低エネルギーの電子が感ずる最小のポテンシャルエネルギーと、フェルミ準位の電子がもつポテンシャルエネルギーとの間の値、すなわち、ＵQD-bottom ＜ ＵQD ＜ ＵQD-Fermi、の範囲にある。散乱過程βによってｘｙ面内の運動エネルギーは、上記（６）及び（７）式より、
Figure 2006006469
 だけ増大する。そのために、量子ドットの横方向に設置したポテンシャル障壁の高さＵB をｈν（ｈ：プランク定数、ν：光子の振動数）より小さく制御すれば、励起電子は散乱過程βの後に、直ちに過程χで示すように、ポテンシャル障壁を乗り越えて脱出電極７に脱出する。脱出した電子は過程δで示すように、脱出電極中で速やかに余分の運動エネルギーを失うために、ポテンシャル障壁により阻まれて容易には量子ドット１に戻ることができない。このことによって量子ドット１が＋ｅ（ｅは単位電荷）に帯電し、そのイオン化状態は長時間（数ナノ秒から数十秒）持続する。そのイオン化を電荷敏感トランジスタの電流変化によって検出する。ただし、図３には電荷敏感トランジスタは描かれていない。この方法では、検出波長に応じてポテンシャル障壁の高さＵB を外部から電気的に簡単に制御可能なため広い波長範囲にわたって波長選択可能な検出器を容易に実現できる。電荷敏感トランジスタとしては、量子ドットの上部に作製する単電子トランジスタ、または以下に説明するように量子ドットの横手または下部に設置するポイントコンタクト・トランジスタを用いる。
このように本発明の赤外光検出器は、サブバンド間励起された電子を量子ドットから脱出させるメカニズムとして、量子ドットの垂直方向に脱出させるメカニズム又は量子ドットの横方向に脱出させる新規なメカニズムを用いる。これらのメカニズムを用いることにより、赤外光検出器の構成に新たな自由度が生れ、アレー化に適した構造の赤外光検出器が可能になる。
上記説明では、周囲から電気的に孤立した２次元電子層として量子ドットを用いた本発明の赤外光検出器を説明してきた。
次に、量子プレートを用いた本発明の赤外光検出器を説明する。量子プレートを用いた本発明の赤外光検出器は、量子プレートを挟んで構成したマイクロストリップアンテナにより、量子プレートに垂直に入射する赤外光を量子プレートに集中すると共に、赤外光の、量子プレート面に垂直な振動電場成分を生成して、量子プレート内の電子を選択的にサブバンド間遷移させる点は、上記の量子ドットを用いた赤外光検出器の場合と同様である。
図４は、サブバンド間励起された電子を量子プレートから脱出させるメカニズムと、生じた量子プレートのイオン化を、電荷敏感トランジスタで検知するメカニズムを説明する概念図である。量子プレート１０内で上記（４）式、（５）式に従ってサブバンド間励起された電子２が量子プレート１０の下面に配されたトンネル障壁を介して垂直方向（−ｚ方向）に脱出することにより量子プレート１０がイオン化し、量子プレート１０のイオン化を電荷敏感トランジスタ１１で検出する。この場合の電荷敏感トランジスタ１１は、量子プレート１０の直下に配置された２次元電子層１２と、２次元電子層１２の両端に設けたソース電極１３とドレイン電極１４と、量子プレート１０の下部に設けた裏面ゲート電極１５とからなり、この構成の電荷敏感トランジスタ１１をポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタと名付ける。ポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタ１１の裏面ゲート電極１５に印加する電圧を選択して、２次元電子層１２内の２次元電子を空乏化直前の状態に設定しておく。この状態では、２次元電子層１２内の２次元電子系濃度が低下して電子系が蜘蛛の巣状のネットワーク状に残存し、そのネットワークの多数箇所で、電子がトンネルによってしか移動できないコンダクタンスの特に小さな点、すなわち、ポイントコンタクトとなっている。つまり、この状態では多数のポイントコンタクトがネットワークを形成している。赤外光が入射すると、図示しないマイクロストリップアンテナにより量子プレート１０内の電子２が選択的にサブバンド間励起され、２次元電子層１２に脱出し、ドレイン電極１４に吸収され、量子プレート１０がイオン化される。量子ドットの場合と異なるのは、量子プレート１０は赤外光の波長よりもサイズが大きいため、赤外光が入射した場合に、同時に複数のイオン化が量子プレート内の異なった場所に生じることである。複数のイオン化電荷が形成されると、このイオン化電荷は、２次元電子層１２内のコンダクタンスが特に低くなっている多数のポイントコンタクトの電子濃度を増大させ、トンネルを容易にしてコンダクタンスを大きく増大させる。イオン化は長時間継続し、この時間内のコンダクタンスの変化に基づく電流変化を積分することによって、単一光子レベルの光強度であっても検出可能な量となり、高感度に赤外光を検出することができる。また、この赤外光検出器の電荷敏感トランジスタは、量子ドットを使用した場合の、図１及び図２に示した電荷敏感トランジスタと比べて、作製が容易である。
次に、本発明の赤外光検出器の具体的構成を説明する。なお、下記に説明する本発明の赤外光検出器は、上記した新規の種々のメカニズムに基づいて動作するものである。
本発明の赤外光検出器は、入射赤外光子を吸収し励起電子を生成する、周囲から電気的に孤立した孤立２次元電子層と、入射赤外光子を孤立２次元電子層に集中すると共に、孤立２次元電子層面に垂直な入射赤外光子の振動電場成分を生成し、孤立２次元電子層内の電子を選択的に２次元サブバンド間励起させる手段と、入射赤外光子の吸収により励起された電子を孤立２次元電子層から脱出させて孤立２次元電子層を帯電させる手段と、孤立２次元電子層の帯電によって電流が変化し、且つ、帯電状態が持続する間この電流変化が維持される電荷敏感トランジスタとを有することを特徴としており、下記の具体的構成を有する。
本発明の赤外光検出器の第１の構成は、孤立２次元電子層が量子ドットであり、選択的に２次元サブバンド間励起させる手段が、量子ドットを挟んで形成したマイクロストリップアンテナであり、孤立２次元電子層を帯電させる手段が量子ドットの下面に形成するトンネル障壁層と、このトンネル障壁層の下面に形成したポイントコンタクト・トランジスタのソース電極及びドレイン電極とから成り、電荷敏感トランジスタが、上記ポイントコンタクト・トランジスタであることを特徴とする。
この構成によれば、マイクロストリップアンテナによって、量子ドットのサブバンド励起方向と一致する入射赤外光の振動電場が生成されるので、単一赤外光子の入射であってもサブバンド励起が生じる。サブバンド励起した電子は、トンネル障壁層を透過してポイントコンタクト・トランジスタの２次元電子層に吸収されるので量子ドットがイオン化する。ソース電極及びドレイン電極のエネルギー準位はトンネル障壁層のエネルギー高さと比べて十分低く設定するので、電子が量子ドットに戻る確率は十分低く、量子ドットのイオン化継続時間は十分長い。量子ドットのイオン化電荷の電界で、ポイントコンタクト・トランジスタの電導度（コンダクタンス）が変化し、電導度の変化に基づく電流値をイオン化継続時間に亘って積分すれば、イオン化継続時間が十分長いので、単一赤外光子の入射であっても検出できる。なお、検出する赤外光の波長は量子ドットを形成する量子井戸のｚ方向の厚みにより選択することができる。また、赤外光の波長に応じてトンネル障壁層のエネルギー高さや厚みを適宜に選択するが、それは既知の理論に従って行う。
本発明の赤外光検出器の第２の構成は、上記第１の構成と比べて、量子ドットから励起電子を脱出させ、量子ドットを帯電させる手段が量子ドットの面内方向横手に配するゲート電極と、このゲート電極の横手に配する脱出電極とからなり、電荷敏感トランジスタが、量子ドット直上に配した単電子トランジスタであることが異なる。
この構成によれば、脱出電極のエネルギー準位をゲート電極の静電障壁に比べて十分低く設定するので、脱出した電子が量子ドットに戻る確率は小さく、イオン化継続時間が十分長い。イオン化電荷により、単電子トランジスタの電導度が変化し、電導度の変化に基づく電流値の変化をイオン化継続時間にわたって積分することにより、単一光子の検出が可能になる。第２の構成の赤外光検出器では横方向に電子を脱出させる構成であるので、例えばビデオ信号検出器として、この赤外光検出器をアレイ化する場合に作製が容易になる。
本発明の赤外光検出器の第３の構成は、上記第２の構成と比べて、前記電荷敏感トランジスタが、上記ゲート電極の横手に配するポイントコンタクト・トランジスタであることが異なる。この構成によれば、単電子トランジスタを用いる場合と比べて、作製が容易である。
本発明の赤外光検出器の第４の構成は、上記第３の構成と比べて、電荷敏感トランジスタが、上記量子ドットの直下に配するポイントコンタクト・トランジスタである点が異なる。この構成によれば、単電子トランジスタを用いる場合と比べて作製が容易である。
本発明の赤外光検出器の第５の構成は、上記第１の構成と比べて、孤立２次元電子層が量子プレートであり、電荷敏感トランジスタがポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタであることが異なる。この構成によれば、入射赤外光子を吸収し励起電子を生成する、周囲から電気的に孤立した孤立２次元電子層が、量子ドットと比べて面積の広い量子プレートであるため、量子プレートの異なった箇所に同時に複数の励起電子を形成できる。これらの励起電子は、ポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタの２次元電子層に落ち込み、ドレインに吸収されるので、これらの電子が量子プレートに戻る確率は小さく、従って、量子プレートのイオン化継続時間は十分長い。量子プレートのイオン化電荷により、ポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタの電導度が増大し、この増大に基づく電流値をイオン化継続時間にわたって積分するので、単一光子レベルの入射赤外光強度であっても検出できる。また、量子プレートを形成する２次元電子系の量子井戸の厚みにより、検出する赤外光の波長を選択できる。さらに、赤外光の波長に応じてトンネル障壁を調整する。
この構成では、ポイントコンタクト・トランジスタで必要であった、ポイントコンタクトを形成するための先端が高精度に狭窄化された一対のゲート電極を必要としないので、製作工程が簡便になり、アレイ化に適したものとなる。
上記赤外光検出器の、孤立２次元電子層、２次元サブバンド間励起を選択的に生じさせる手段、孤立２次元電子層を帯電させる手段及び電荷敏感トランジスタを構成するための、２次元電子層、トンネル障壁層、導電層及び絶縁層は、同一の半導体多層ヘテロエピタキシャル成長基板から形成することができる。例えば、高度に発達した III−Ｖ族半導体ヘテロエピタキシャル成長技術を用いて、必要とされる、２次元電子層、トンネル障壁層、導電層及び絶縁層を、必要とされる順番で積層した、半導体多層ヘテロエピタキシャル成長基板を予め作製しておき、この基板をメサエッチングすることにより作製できるので、多数のリソグラフィー工程が必要な一般的な高コストの製造方法に比べて作製工程が簡便であり、その結果、高品質且つ低コストな赤外光検出器を提供できる。
上記ポイントコンタクト・トランジスタは、２次元電子層と、２次元電子層の２次元電子の存在領域をサブミクロン・サイズまで狭窄するゲート電極と、サブミクロン・サイズまで狭窄した２次元電子の存在領域であるポイントと接続するソース電極及びドレイン電極とからなっていてよい。この場合は、ポイントコンタクトの電導度が孤立２次元電子層の単一電荷の静電ポテンシャルで変化し、電導度の変化によってソース・ドレイン電流が変化する。
上記ポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタは、２次元電子層と、この２次元電子層を空乏化直前まで空乏化しサブミクロン・サイズまで狭窄した２次元電子の存在領域であるポイントコンタクトからなるネットワークを形成する裏面ゲート電極と、２次元電子層の両端に接続するソース電極及びドレイン電極とからなっていてもよい。この場合、２次元電子層の電導度が、孤立２次元電子層の複数の電荷の静電ポテンシャルで変化し、電導度の変化によってソース・ドレイン電流が変化する。
また、本発明の赤外光検出器は、上述した赤外光検出器を、直列アレー型又は２次元マトリクス型に接続することができ、例えば赤外ビデオ信号検出器として使用することができる。
一般に光は横波であるので、孤立２次元電子層に上方から入射する赤外光の振動電場は本来、孤立２次元電子層の面に平行な成分（ｘｙ方向成分）だけしか持たず、サブバンド励起を起こさない。しかし、本発明によれば、入射する赤外光の振動電場成分を、孤立２次元電子層に垂直方向（ｚ方向）に変換してサブバンド励起を生じさせることができ、且つ、励起電子をトンネル障壁またはポテンシャル障壁を介してｚ方向またはｘｙ方向に脱出させることにより孤立２次元電子層を＋ｅ（ｅ：単位電荷）にイオン化することができる。このイオン化によって、孤立２次元電子層の近傍に配した電荷敏感トランジスタ（単電子トランジスタ、ポイントコンタクト・トランジスタ又はポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタ）を流れる電流が変化することを利用する。その際、孤立２次元電子層から脱出した励起電子は脱出電極の中でエネルギーを失って再度孤立２次元電子層に戻ることが困難となるため、孤立２次元電子層のイオン化状態は１０ｎ（ナノ）秒から数１０秒程度の長時間持続する。その結果、電荷敏感トランジスタの電流変化が、孤立２次元電子層のイオン化状態が継続する間保持する。そのために単一光子ですら検出できる超高感度が実現する。
また、本発明の赤外光検出器は、あらかじめ作製した半導体多層ヘテロエピタキシャル成長基板をメサエッチングすることによって作製するので、孤立２次元電子層を形成する量子井戸を、波長数μｍから数十μｍまでの連続した広い波長範囲で動作するように設計することが容易である。また構造が単純なために検出器のアレー化に適している。
本発明の赤外検出器によれば、波長数μｍから数百μｍまでの広い波長範囲で、単一光子又は単一光子レベルの強度の赤外光の検出を行うことができ、且つ、赤外光検出器、また、アレー化した赤外光検出器を低コスト高品質で提供することができる。
サブバンド間励起された電子を量子ドット面に対して垂直方向に脱出させるメカニズムと、生じた量子ドットのイオン化を電荷敏感トランジスタで検知するメカニズムを説明する概念図である。 サブバンド間励起された電子を量子ドットから水平方向に脱出させるメカニズムと、生じた量子ドットのイオン化を電荷敏感トランジスタで検知するメカニズムを説明する概念図である。 横方向脱出メカニズムを詳しく説明する図である。 サブバンド間励起された電子を量子プレートから脱出させるメカニズムと、生じた量子プレートのイオン化を、電荷敏感トランジスタで検知するメカニズムを説明する概念図である。 本発明の第１の実施の形態の赤外光検出器の作製に用いる半導体多層ヘテロエピタキシャル成長基板を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態の赤外光検出器を作製する工程図である。 図６の工程に引き続いて行う工程を示す。 作製したポイントコンタクト・トランジスタの上面形状及び動作を示す図である。 図８の工程に引き続いて行う工程を示す。 本発明の第１の実施の形態の赤外光検出器の動作を説明する模式図である。 図１０の動作の後の動作を示す図である。 本発明の第１の実施の形態の赤外光検出器を用いて形成した直列アレー型赤外光検出器の構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態の赤外光検出器を用いて形成した二次元アレー型赤外光検出器の構成を示す図である。 本発明の二次元アレー型赤外光検出器に用いる基板を示す。 本発明の第２の実施の形態の赤外光検出器の作製に用いる基板を示す模式図である。 本発明の赤外光検出器の作製工程を示す図である。 本発明の赤外光検出器の構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態の赤外光検出器の構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態の赤外光検出器の作製工程を示す図である。 図１９の工程に引き続いて行う工程を示す図である。 図２０の工程に引き続いて行う工程を示す図であり、また、赤外光検出器の構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態の赤外光検出器を用いてアレー化した赤外光検出器の構成を示す図である。 本発明の第５の実施の形態の赤外光検出器に用いる、半導体多層ヘテロエピタキシャル成長基板を示す図である。 本発明の第５の実施の形態の赤外光検出器の構成を示す図である。 本発明の実施例１に用いた赤外光検出器の構成を示す図である。 本発明の赤外光検出器の上面ゲート電極と２次元電子層間の電気容量の上面ゲート電極の印加電圧依存性を示す図である。 本発明の実施例１の赤外光検出器の赤外光応答を示す図である。 本発明の実施例１の赤外光検出器の赤外光波長選択特性を示す図である。 自由電子濃度ｎと２次元電子層の抵抗Ｒとの関係を示す図である。 赤外光検出器の電導度のバックゲート電圧Ｖｂｇ依存性を示す図である。 空乏化直前の電子濃度に於ける２次元電子層の電流輸送現象を模式的に示す図である。 従来技術を説明する図である。
符号の説明
１ 量子ドット
２ 電子
３ ポイントコンタクト
４ ソース電極
５ ドレイン電極
６ サイドゲート電極
７ 脱出電極
８ 障壁層
９ 波動関数の広がり
１０ 量子プレート
１１ ポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタ
１２ ２次元電子層
１３ ソース電極
１４ ドレイン電極
１５ バックゲート電極
２０ 第１の実施の形態の赤外光検出器
２１ 基板
２２ Ｓｉ−ＧａＡｓ層
２３ Ｓｉ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層
２４ ２次元電子層（ＧａＡｓ層、量子井戸層）
２４ａ 量子ドット
２４ｂ 量子ドットの側壁
２４ｃ 脱出電極
２４ｄ ソース電極
２４ｅ ドレイン電極
２４ｆ ポイントコンタクト
２４ｇ 狭窄領域
２４ｉ 狭窄領域
２４ｈ 量子プレート
２５ 中間層（Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ層）
２６ ２次元電子層（ＧａＡｓ層、量子井戸層）
２６ａ ソース電極
２６ｂ ドレイン電極
２６ｃ サイドゲート
２６ｄ 接続部
２６ｅ ポイントコンタクト
２６ｆ ポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタの２次元電子層
２７ Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ
２８ Ｓｉ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層
２９ Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ
３０ 基底サブバンド準位
３１ 励起サブバンド準位
３２ 障壁
３３ 上部絶縁層
３４ 下部絶縁層
３５ メサエッチング領域
３６ パッチ部
３8 赤外光フォトン
３８ｚ ｚ方向の振動電界
３９ 電子
４０ イオン化電荷（＋ｅ）
４１ イオン化電荷の電界
４２ 電流
４４ 直列アレー型赤外光検出器
４６ 二次元アレー型赤外光検出器
４８ 導電層（Ｓｉ−ＧａＡｓ層）
４９ 基板
５０ 赤外光検出器
５１ 基板
５２ メサエッチング領域
５３ 量子ドットと脱出電極を形成する領域
５５ 単電子トランジスタの量子ドット
５６ パッチ部（ソース電極）
５７ ドレイン電極
５８ ゲート電極
７０ 赤外光検出器
７２ ポイントコンタクト・トランジスタ
７３ 量子ドットとポイントコンタクト・トランジスタを形成する領域
７４ パッチ部
７５ 第１のゲート電極
７８ 第２のゲート電極
８０ 赤外光検出器
８１ メサエッチング領域
８２ 量子ドットと脱出電極を形成する領域
８３ メサエッチング領域
８８ パッチ部
８９ ゲート電極
９０ 赤外光検出器
９１ パッチ部
９２ 第２のゲート電極
９３ 第１のゲート電極
１００ 基板
１１０ 赤外光検出器
１０１ バックゲート電極層（ｎ−ＧａＡｓ層）
１１１ 金属格子
１１２ オーミックコンタクト
１１３ オーミックコンタクト
１１４ ソース電極
１１５ ドレイン電極
１２０ 赤外光検出器
１２１ 上面ゲート電極
１２１ａ 空乏層
１９０ 赤外光
１９１ メサ構造
１９２ 単電子トランジスタ
１９３ 量子ドット
１９４ 電子
１９５ 電極
１９６ イオン化電荷
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実質的に同一の部材には同一の符号を用いて説明する。
初めに、第１の実施の形態の赤外光検出器について説明する。
図５は、第１の実施の形態の赤外光検出器２０の作製に用いる半導体多層ヘテロエピタキシャル成長基板２１を示す模式図である。図５（ａ）は基板２１の断面方向の模式図であり、基板２１を構成する各層を示す。図５（ｂ）は、各層の接合によって形成される電子エネルギーダイヤグラムを示す。縦軸は基板２１の断面方向にとった座標軸であり、−ｚ方向は基板２１の深さ方向を示す。横軸は電子のｚ方向、すなわち基板２１の面に垂直方向の電子エネルギーを示す。図５（ａ）に示すように、本発明に使用する基板２１は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、及びこれらに不純物をドープした III−Ｖ族化合物半導体のヘテロ接合で構成される。これらの III−Ｖ族化合物半導体の組み合わせ以外にも、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等の III−Ｖ族化合物半導体が使用可能である。
ＧａＡｓ層２４は、量子ドットを形成するための第１の２次元電子層２４であり、Ｓｉ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層２３とＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層２５とそれぞれヘテロ接合を形成し量子井戸を形成している。ＧａＡｓ層２４、Ｓｉ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層２３、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ層２５の厚さ、及びＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層２５の組成比ｘは、図５（ｂ）の電子エネルギーダイヤグラムを形成するために適宜選択する。その選択方法は、周知技術であるので説明を省略する。ＧａＡｓ層２６は、ポイントコンタクト・トランジスタを形成するための第２の２次元電子層２６であり、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ層２５とＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層２７とそれぞれヘテロ接合を形成し、量子井戸を形成している。ＧａＡｓ層２６、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ層２５、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層２７の厚さ、及びＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層２５の組成比ｘは、図５（ｂ）の電子エネルギーダイヤグラムを形成するために適宜選択する。その選択方法は周知技術であるので説明を省略する。なお、第１の２次元電子層２４の２次元電子濃度は、下記に説明する第２の２次元電子層２６から形成する要素に印加する電圧によって空乏化しないように、第２の２次元電子層２６の２次元電子濃度の１．５倍以上の濃度に設計する。
図５（ｂ）に示すように、基板２１の電子エネルギーダイヤグラムは、第１の２次元電子層２４の基底サブバンド３０の電子が赤外光を吸収して第１励起サブバンド３１に励起された場合に、障壁３２をトンネリングして第２の２次元電子層２６に落ち込むように設計されている。また、Ｓｉ−ＧａＡｓ層２２、Ｓｉ−Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層２８及びＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層２９は、赤外光の反射率軽減、素子動作安定化のために使用するものであり、周知技術であるので説明を省略する。図５（ａ）に示した基板２１は、例えば分子線エピタキシー法によって作製することができる。
下記の説明においては簡潔にするため、第１の２次元電子層２４より上の層は上部絶縁層３３として、第２の２次元電子層２６より下の層は下部絶縁層３４として引用する。また、２次元電子層２４、または、２次元電子層２６から形成した構成要素には、２４ａ、２４ｂ、・・、２６ａ、２６ｂ・・の様に、２次元電子層の符号２４、２６の後にアルファベットを付加して引用する。
図６は、図５に示した基板２１を用いて第１の実施の形態の赤外光検出器２０を作製するための第１の工程を示すもので、図６（ａ）は上面図、図６（ｂ）はそのＸ−Ｘ’断面構造を示す。２点鎖線は赤外光検出器２０の単位ブロックを示す。図６（ａ）における斜線部分３５はメサエッチングした領域を示し、白い四角部分３６は、メサエッチングで残留させた、２次元電子層２４より形成した量子ドット２４ａと上部絶縁層３３とからなるメサ構造である。図６（ｂ）は、メサエッチングをＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層２５に到るまで行って、２次元電子層２４を量子ドット２４ａの形状に加工する場合を示しているが、ＧａＡｓ系半導体の場合にはＧａＡｓを覆う絶縁層の厚さが薄くなると、ＧａＡｓ表面の自由電子が空乏化するので、図６（ｃ）に示すように、上部絶縁層３３の残留膜厚を制御してメサエッチングし、量子ドット２４ａの形状を形成しても良い。また図６（ｂ）において、量子ドット２４ａは一様に灰色に塗られた矩形で示しているが、２次元電子密度は矩形内で一様ではなく、側壁２４ｂから矩形内部に向けての一定深さにおいては空乏化している。図を見やすくするため、この空乏化を図示しない。また、以後の説明においては分かりやすくするため、ＧａＡｓ層を機械的に分離して、すなわち、ＧａＡｓ層を削り取って量子ドット形状を形成する場合のみを図示するが、上記のように上部絶縁層の残留膜厚を制御して空乏化することも勿論可能である。また、メサエッチングは、標準的なフォトリソグラフィー技術で可能である。
量子ドット２４ａの厚さ、すなわち、ＧａＡｓからなる２次元電子層２４の厚さｄを適切に選択することによって、検出赤外波長を１０μｍから８０μｍ程度まで連続的に設計することができる。ｄと波長の関係は既知の計算式を用いることができ、例えば、λ＝９．６μｍの場合には、ｄ＝８ｎｍとすることにより、サブバンドエネルギー差、ΔＥ01＝１４０ｍｅＶ（＝ｈｃ／９．６μｍ、但しｃは光速）となる。量子ドット２４ａは、イオン化した際のポイントコンタクトに及ぼす静電ポテンシャル変化が十分大きくなるように、一辺が０．３μｍから２μｍの範囲の正方形とするのが好ましい。
図７は、図６に引き続いて行う工程を示し、図７（ａ）は上面図、図７（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’断面図、図７（ｃ）は（ａ）のＹ’−Ｙ断面図である。図７（ａ）において、斜線部分３７はメサエッチングした部分を示し、３３（２４ａ）は量子ドット２４ａ上の上部絶縁層３３を、２５（２６ｂ）はドレイン電極２６ｂ上のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層２５を、２５（２６ｃ）はサイドゲート電極２６ｃ上のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層２５を、また、２５（２６ａ）はソース電極２６ａ上のＡｌx Ｇａ1-x Ａｓ層２５を示している。図７（ｂ），（ｃ）に示すように、メサエッチングは下部絶縁層３４に達するまで行って第２の２次元電子層２６から、ポイントコンタクト・トランジスタのソース電極２６ａ、ドレイン電極２６ｂ、一対のサイドゲート電極２６ｃ及びポイントコンタクトとなるソース電極２６ａとドレイン電極２６ｂの接続部２６ｄを形成する。
図８は、図７に示した工程によって作製したポイントコンタクト・トランジスタの上面形状及び動作を示すもので、図８（ａ）は上方から見た形状を示し、図８（ｂ）は、サイドゲート電極２６ｃ，２６ｃを負にバイアスした場合のポイントコンタクトの形成を示している。図８（ｂ）に示すように、サイドゲート電極２６ｃ，２６ｃを負にバイアスすることによって、ソース電極２６ａとドレイン電極２６ｂの接続部分２６ｄが空乏化し、ポイントコンタクト２６ｅが形成される。ポイントコンタクト２６ｅの直上１μｍ以内の位置に量子ドット２４ａの中心が存在する。なお、ソース電極２６ａ、ドレイン電極２６ｂ及びサイドゲート電極２６ｃ，２６ｃの電源等への接続は、図６（ａ）に示した２点鎖線枠外でオーミックコンタクトを形成して行うが、周知の技術であるので、図示及び説明を省略する。
図９は、図８の工程に引き続いて行う工程を示すと共に、第１の実施の形態の赤外光検出器２０の構成を示している。図９（ａ）に示すように、マイクロストリップアンテナのパッチ電極に相当するパッチ部３６を、ソース電極上の中間層２５（２６ａ）上及び量子ドット上の上部絶縁層３３（２４ａ）上に一部架かって形成する。図９（ｂ）は図９（ａ）のＹ’−Ｙ断面図である。この工程によって赤外光検出器２０が完成する。
パッチ部３６は、略正方形で、正方形の頂点の一つが、略矩形状に伸びて、量子ドット２４ａ上の上部絶縁層３３上の略半分を覆う形状である。正方形の一辺の長さＬは、λを検出赤外波長、εを媒質の誘電率として、Ｌ＝λε／２であれば検出赤外波長の電波インピーダンスと整合したインピーダンスが得られる。ＧａＡｓの場合、λε＝λ／３．６である。パッチ部３６と２次元電子層２６とでマイクロストリップアンテナが構成される。パッチ部３６は、例えばＡｌ等の金属で良く、リフトオフ等によって形成する。
図１０は赤外光検出器２０の動作を説明する模式図である。図１０（ａ）は、パッチ部３６の面に平行な振動電界を有する赤外光フォトン３８一個が、マイクロストリップアンテナに入射して共振し、その振動電界がｚ方向の振動電界３８ｚに変換された様子を示している。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の状態に伴って生じる、量子ドット２４ａ中の電子３９の移動を示す。図１０（ｂ）に示すように、基底サブバンド３０に存在している電子３９は、ｚ方向の振動電界３８ｚを吸収して第１励起状態サブバンド３１に励起され、ポテンシャル障壁３２を−ｚ方向にトンネリングして、ソース電極２６ａまたはドレイン電極２６ｂに落ち込んでエネルギーを失うと共にドレイン電極２６ｂに移動し、図示しない電源に吸収される。
図１１は図１０の動作の後の動作を示す。図１１（ａ）は、量子ドット２４ａから電子３９が抜けて量子ドット２４ａがイオン化し、＋電荷４０（大きさ＋ｅ）が生じ、＋電荷４０による電界４１が生じている状態を示している。電界４１の直下には、図８（ｂ）で示したように、サイドゲート電極２６ｃ，２６ｃの負電圧によってポイントコンタクト２６ｅが形成されており、ポイントコンタクト２６ｅの電導度は電界４１によって変化する。この変化はソース電極２６ａからドレイン電極２６ｂに流れる電流４２の変化となって現れる。図１１（ｂ）に示すように、量子ドット２４ａのイオン化は、外部からの電子が図に示されるエネルギー障壁３２を乗り越えて、＋電荷４０と再結合するまで継続するので、数ｎ秒から数十秒の間継続する。この間の電流４２の変化を積分すれば、この変化は検出可能な大きさとなり、赤外光フォトン１個の検出感度が得られる。
次に、赤外光検出器２０を用いて形成した直列アレー型赤外光検出器を説明する。図１２は、第１の実施の形態の赤外光検出器２０を用いて形成した直列アレー型赤外光検出器４４の構成を示している。図９に示した２点鎖線で囲った隣り合うブロックの、ソース電極２６ａ同士、パッチ部３６同士及びドレイン電極２６ｂ同士を接続することにより直列アレーを形成する。図６から図９に説明した工程と同じ工程で作製できるので、極めて容易に直列アレー型赤外光検出器を製造できる。
次に、赤外光検出器２０を用いて形成した二次元アレー型赤外光検出器を説明する。図１３は、第１の実施の形態の赤外光検出器２０を用いて形成した二次元アレー型赤外光検出器４６の構成を示し、（ａ）は上面図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ図１３（ａ）のｘ−ｘ’断面図、Ｙ−Ｙ‘断面図である。図１３（ａ）は説明をわかりやすくするため、２次元電子層２６から形成されるポイントコンタクト・トランジスタ部分をグレー色で示している。二次元アレー型赤外光検出器４６の作製には、図１４に示す構成の基板４９を用いる。基板４９は、図５に示した基板２１と比べて、第２の２次元電子層２６の下部にＳｉ−ＧａＡｓからなる導電層４８を有している点が異なる。
二次元アレー型赤外光検出器４６を作製するには、初めに、量子ドットとする領域を残して、その外部領域を、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ層２５に到るまでメサエッチングして量子ドット２４ａを形成する。次に、ｘ方向に隣り合う量子ドット２４ａの間の領域（図１３（ａ）の白い領域）を、Ａｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層２７に到るまでさらにメサエッチングする。これらの工程により、アレーを構成する各赤外光検出器は、ドレイン電極２６ｂとソース電極２６ａが量子ドット２４ａ下部の狭隘な接続部２６ｄを介して接続されたトランジスタ構造が形成され、また、行方向には並列に、列方向には直列に接続される。マイクロストリップアンテナのパッチ部３６は、図９と同様にリフトオフによって形成する。マイクロストリップアンテナはパッチ部３６と導電層４８とで構成される。
動作原理は図１０、図１１に示したそれと同様であるが、量子ドット２４ａの下部のポイントコンタクト２６ｅを形成する方法が異なる。すなわち、導電層４８を−１Ｖから−５Ｖ程度の負電圧にバイアスすることによって、図１３（ｃ）に示すように、各量子ドット２４ａの下部の狭隘領域２６ｄを狭窄化してしてポイントコンタクト２６ｅを形成する。図１３のアレーは３×３のマトリックスであるが、マトリックスを大きくすることは容易である。または、個々の赤外光検出器アレーを独立のピクセルとし、空間分解能を高くすることも容易である。
次に、第２の実施の形態の赤外光検出器を説明する。
第２の実施の形態の赤外光検出器は、電子を脱出させる方向が量子ドット面内方向である点が、第１の実施の形態の赤外光検出器と異なる。
図１５は、第２の実施の形態の赤外光検出器５０の作製に用いる基板５１を示す模式図である。図１５（ａ）は、基板５１の断面方向の模式図で、基板５１を構成する各層を示し、（ｂ）は各層のヘテロ接合によって形成される電子エネルギーダイヤグラムを示す。基板５１が図５に示した基板２１と異なる点は、図１５（ｂ）に示すように、ｚ方向の励起サブバンド３１に励起された電子が第１の２次元電子層２４から抜け出ないように、第１の２次元電子層２４と第２の２次元電子層２６との間の中間層２５をＡｌ0.3 Ｇａ0.7 Ａｓ層とした点である。
図１６は赤外光検出器５０の作製工程を示している。図１６（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’断面図である。初めに、図１６（ａ）に示すように、斜線部分５２を図１６（ｂ）に示すように、中間層２５に到るまでメサエッチングして、一辺０．３μｍから１μｍの正方形の量子ドットと脱出電極を形成する領域５３を形成する。次に、図１７に示すように、単電子トランジスタ、パッチ部及び量子ドットの横手方向脱出ポテンシャル障壁形成用ゲート電極を形成し、これらの工程によって赤外光検出器５０の作製は完了する。
図１７は赤外光検出器５０の構成を示し、図１７（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ’断面図、（ｃ）はゲート電極に電圧を印加した場合の動作を示す断面図である。５５は単電子トランジスタの量子ドット、５６はマイクロストリップアンテナのパッチ部を兼ねる単電子トランジスタのソース電極、５７は単電子トランジスタのドレイン電極、５８は領域５３を量子ドット２４ａと脱出電極２４ｃとに電気的に分離するゲート電極である。単電子トランジスタは、例えば、アルミニウム単電子トランジスタでよく、パッチ部５６及びゲート電極５８の作製工程と同様にアルミニウム薄膜によるリフトオフで作製できる。なお、単電子トランジスタの作製方法は良く知られているので説明を省略する。また、単電子トランジスタの量子ドット５５とソース電極５６（パッチ５６）との間及び単電子トランジスタの量子ドット５５とドレイン電極５７との間には酸化アルミニウムからなるトンネル障壁層が存在するが図を見やすくするため省略する。
マイクロストリップアンテナのパッチ部５６の一辺の長さＬはほぼ、Ｌ＝λε／２に選び、量子ドット２４ａの約１／３を覆うように配置する。ゲート電極５８を約−０．４Ｖから−２Ｖの負電圧にバイアスすることにより、ゲート電極５８の直下の２次元電子層２４を空乏層化するすることによって、量子ドット２４ａと脱出電極２４ｃを隔てるポテンシャル障壁ＵB を形成すると共に、量子ドット２４ａの形状を正方形に形成する。この様子を図１７（ｃ）に示している。この検出器の検出赤外光波長λは、２次元電子層２４の厚さｄを適切に選択することにより、λ＝１０μｍ（Ｄ＝８ｎｍ）からλ＝２００μｍ（ｄ＝３０ｎｍ）まで連続的に設計することができる。マイクロストリップアンテナは、パッチ部５６と２次元電子層２６とで構成する。
この構成によれば、パッチ部５６の面に平行な振動電界を有する赤外光フォトン一個が、マイクロストリップアンテナに入射して共振し、その振動電界がｚ方向の振動電界に変換され、量子ドット２４ａ中の電子は、ｚ方向の振動電界を吸収して第１励起状態サブバンドに励起されるが、乱雑ポテンシャルまたは格子振動の影響で、その励起エネルギーがｘｙ面内方向のエネルギーに変換され、そのエネルギーがゲート電極５８で形成するポテンシャル障壁ＵB よりも高ければ、脱出電極２４ｃに脱出し、量子ドット２４ａはイオン化される。量子ドット２４ａのイオン化電荷によって、単電子トランジスタの量子ドット５５の電導度は変化し、単電子トランジスタの電流が変化する。イオン化状態は長く続くので、電流変化の積分値は検出可能な大きさとなり、赤外光フォトン１個の検出が可能な感度を達成できる。
次に、第３の実施の形態の赤外光検出器を説明する。基板は、図１５に示した基板５１を用いる。
図１８は、第３の実施の形態の赤外光検出器７０の構成を示し、（ａ）は上面図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ図１８（ａ）のＸ−Ｘ’断面図、Ｙ−Ｙ’断面図である。赤外光検出器７０の構成は、図１７に示した赤外光検出器５０の構成と共通する部分が多いので、赤外光検出器５０の構成との違いを中心に説明する。図１６に示した赤外光検出器５０では、最初に中間層２５に到るまでメサエッチングして正方形の量子ドットと脱出電極を形成する領域５３を形成するが、赤外光検出器７０では、中間層２５に到るまでメサエッチングして、図１８に示すように正方形の量子ドット２４ａとポイントコンタク・トランジスタ７２を形成する領域７３を形成する。また、赤外光検出器５０では、金属薄膜を用いたリフトオフ法により、パッチ部、ゲート電極及び単電子トランジスタを形成するが、赤外光検出器７０では、金属薄膜を用いたリフトオフ法によって、パッチ部７４、第１のゲート電極７５及び領域７３を電気的に分割して、ポイントコンタク・トランジスタ７２のソース電極２４ｄとドレイン電極２４ｅを形成する第２のゲート電極７８を形成する。
マイクロストリップアンテナのパッチ部７４の一辺の長さＬはほぼ、Ｌ＝λε／２に選び量子ドット２４ａの約１／３を覆うように配置する点は、赤外光検出器５０と共通し、マイクロストリップアンテナは、パッチ部７４と２次元電子層２６とで構成する点も共通する。また、ゲート電極７５を負電圧にバイアスして、第１のゲート電極７５直下の２次元電子層２４を空乏層化するすることによって、量子ドット２４ａと脱出電極２４ｃとを隔てるポテンシャル障壁ＵB を形成すると共に、量子ドット２４ａの形状を正方形に形成する点は、赤外光検出器５０と共通するが、赤外光検出器７０では、第２のゲート電極７８を負電圧にバイアスして、第２のゲート電極７８直下の２次元電子層２４を空乏層化することによって、ポイントコンタク・トランジスタ７２のソース電極２４ｄとドレイン電極２４ｅを電気的に分離して形成すると共に、図１８（ｂ）に示すように、ソース電極２４ｄとドレイン電極２４ｅとの接続部分を狭窄化してポイントコンタクト２４ｆを形成する点が赤外光検出器５０と異なる。また、赤外光検出器７０の脱出電極は、ポイントコンタクト２４ｅに接続するソース電極２４ｄとドレイン電極２４ｅの狭窄部分２４ｇ，２４ｉである。
この構成によれば、パッチ部７４の面に平行な振動電界を有する赤外光フォトン一個がマイクロストリップアンテナに入射して共振し、その振動電界がｚ方向の振動電界に変換され、量子ドット２４ａ中の電子は、ｚ方向の振動電界を吸収して第１励起状態サブバンドに励起されるが、乱雑ポテンシャルまたは格子振動の影響でその励起エネルギーがｘｙ面内方向のエネルギーに変換され、そのエネルギーが第１のゲート電極７５で形成するポテンシャル障壁ＵB よりも高ければ、狭窄部分２４ｇ，２４ｉに脱出してドレイン電極２４ｅに吸収され、量子ドット２４ａはイオン化される。量子ドット２４ａのイオン化によってポイントコンタクト２４ｆの電導度が変化し、ソース電極２４ｄからドレイン電極２４ｅに流れる電流が変化する。イオン化状態は長く続くので、電流変化の積分値は検出可能な大きさとなり、赤外光フォトン１個の検出が可能な感度を達成できる。
次に、第４の実施の形態の赤外光検出器を説明する。第４の実施形態の赤外光検出器は、第３の実施の形態の赤外光検出器と比べて、電子が横（ｘｙ面内）に脱出する点は共通するが、ポイントコンタクト・トランジスタが量子ドットの下部に存在する点が異なる。基板は、図１４に示した構成の基板４９を用いる。
図１９は、第４の実施の形態の赤外光検出器８０の作製工程を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＹ’−Ｙ断面図である。初めに、基板の斜線部分８１を、中間層２５に到るまでメサエッチングし、２次元電子層２４から、量子ドットと脱出電極を形成する領域８２を形成する。
図２０は図１９に示した工程に引き続いて行う工程を示し、（ａ）は上面図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、（ａ）のＸ−Ｘ’断面図、Ｙ’−Ｙ断面図である。図２０（ａ）に示した斜線部分はメサエッチング領域８３であり、メサエッチング領域８３は、中間層２５の表面から下部絶縁層３４に到るまでメサエッチングすることによって形成し、２次元電子層２６から、ポイントコンタクト・トランジスタの一対のサイドゲート電極２６ｃ、ソース電極２６ａ、ドレイン電極２６ｂ、ソース電極２６ａとドレイン電極２６ｂとの接続部２６ｄを形成する。
図２１は、図２０に引き続いて行う工程を示すと共に、赤外光検出器２０の構成を示している。（ａ）は上面図、（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、（ａ）のＸ−Ｘ’断面図、Ｙ’−Ｙ断面図である。図２１（ａ）に示すように、金属薄膜を用いたリフトオフ法により、パッチ部８８及びゲート電極８９を形成する。この工程により、赤外光検出器８０は完成する。パッチ部８８の形状及び配置位置は、図９に示した赤外光検出器２０の場合と同様である。図２１（ｃ）に示すように、ゲート電極８９に負バイアスを印加することにより、量子ドット２４ａを正方形に形成し、脱出電極２４ｃとの間にポテンシャル障壁ＵB を形成する点は、図１７に示した赤外光検出器５０の場合と同様である。図２１（ｂ）は、サイドゲート電極２６ｃを負にバイアスし、接続部２６ｄを狭窄化してポイントコンタクト２６ｅを形成している状態を表しており、図２１（ｃ）は、ポイントコンタクト２６ｅを介してソース電極２６ａとドレイン電極２６ｂが接続している状態を示している。このように、赤外光検出器８０のポイントコンタクト・トランジスタは、量子ドット２４ａの下部にある点が、第３の実施の形態の赤外光検出器７０の構成と異なる点である。また、マイクロストリップアンテナは、パッチ部８８と導電層４８とで構成する。
この構成によれば、パッチ部８８の面に平行な振動電界を有する赤外光フォトン一個がマイクロストリップアンテナに入射して共振し、その振動電界がｚ方向の振動電界に変換され、量子ドット２４ａ中の電子は、ｚ方向の振動電界を吸収して第１励起状態サブバンドに励起されるが、乱雑ポテンシャルまたは格子振動の影響でその励起エネルギーがｘｙ面内方向のエネルギーに変換され、そのエネルギーがゲート電極８９で形成するポテンシャル障壁ＵB よりも高ければ、脱出電極２４ｃに脱出し、量子ドット２４ａはイオン化される。量子ドット２４ａのイオン化によってポイントコンタクト２６ｅの電導度が変化し、ソース電極２６ａからドレイン電極２６ｂに流れる電流が変化する。イオン化状態は長く続くので、電流変化の積分値は検出可能な大きさとなり、赤外光フォトン１個の検出が可能な感度を達成できる。
次に、赤外光検出器７０を用いたアレー化の例を示す。基板は図１５に示した基板５１を使用する。
図２２は赤外光検出器７０を用いてアレー化した赤外光検出器９０の構成を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。９１はマイクロストリップアンテナのパッチ部であり、９２は、図１８に示したと同様に、ソース電極とドレイン電極を分離すると共にポイントコンタクトを形成するゲート電極であり、９３は、図１８に示したと同様の、量子ドットを形成すると共に脱出ポテンシャル障壁を形成するゲート電極であり、２４ｄ，２４ｅは、図１８に示したと同様の、ソース電極，ドレイン電極である。２４ｆは、図１８に示したと同様の、ポイントコンタクトであり、２４ａは、図１８に示したと同様の量子ドットである。マイクロストリップアンテナは、パッチ部９１と２次元電子層２６とで構成する。作製方法は、赤外光検出器８０の作製方法と同様であり、容易にアレー化できる。
次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。
図２３は、第５の実施の形態の赤外光検出器に用いる半導体多層ヘテロエピタキシャル成長基板１００を示す。２次元電子層２４は、量子プレートを形成するために用いる。２次元電子層２６は、ポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタの２次元電子層として用いる。２次元電子層２４と２６との間の中間層２５は、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ層の組成比ｘが徐々に変化した勾配層であり、図２３（ｂ）に示すように、この組成勾配による内部電界により、中間層２５に注入された電子がより早く２次元電子層２６に落ち込むようにしている。２次元電子層２６の下部に位置する下部絶縁層３４は、ＧａＡｓからなるバッファー層（Buffer layer）を含み、下部絶縁層３４の下部には、導電性のＧａＡｓ層であるｎ−ＧａＡｓ層１０１を有している。ｎ−ＧａＡｓ層１０１は、ポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタの２次元電子層の２次元電子濃度を制御するバックゲート電極として用いる。
図２４は本発明の第５の実施形態の赤外光検出器１１０の構成を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ’断面図である。赤外光検出器１１０は、個々にマイクロストリップアンテナとして働く金属パッチが並んだ金属格子１１１と、上部絶縁相３３と、量子プレート２４ｈと、中間層２５と、ポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタの２次元電子層２６ｆとからなるメサ構造を有している。量子プレート２４ｈは、検出する赤外光の波長λの１／２より大きい角形の形状を有しており、金属格子１１１の外形は量子プレート２４ｈの外形と同一であり、各パッチの一辺の長さＬは、上部絶縁層３３と中間層２５の平均的誘電率をεとして、Ｌ＝λε／２である。２次元電子層２６ｆの対向する２辺にはオーミックコンタクト１１２，１１３を介してソース電極１１４、ドレイン電極１１５に接続している。オーミックコンタクト１１２，１１３、ソース電極１１４及びドレイン電極１１５はＡｌ等の金属薄膜を用いても良い。２次元電子層２６ｆの下部には、下部絶縁層３４を介して、ｎ−ＧａＡｓ層１０１からなるバックゲート電極１０１が接続している。２次元電子層２６ｆ、ソース電極１１４及びドレイン電極１１５及びバックゲート電極１０１とでポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタを形成する。赤外光検出器１１０は上記第１〜第４の実施の形態と同様に、メサエッチング、金属薄膜の蒸着及びリフトオフによる金属薄膜のパターンニングで形成することができる。
この構成によれば、金属格子１１１と２次元電子層２６ｆとでマイクロストリップアンテナのアレイが構成され、入射赤外光の量子プレート２４ｈの面に垂直な振動電界成分が形成され、この振動電界成分により量子プレート２４ｈ中の電子がサブバンド励起される。サブバンド励起された電子は、ポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタの２次元電子層２６ｆに注入され、ドレイン電極１１５に吸収される。２次元電子層２６ｆは、バックゲート電極１０１に印加する電圧によって、２次元電子が空乏化する直前の状態に保たれており、この状態は、２次元電子層２６ｆ内の２次元電子の存在領域がネットワーク状となり、多数のコンダクタンスの低いポイントコンタクトが２次元電子層２６ｆ内に分布した状態であり、電子はポイントコンタクトを電導する状態、すなわち、ポイントコンタクト・ネットワークを電導する状態である。量子プレート２４ｈのイオン化電荷の電界により２次元電子層２６ｆ内に２次元電子が生成され、これらの２次元電子は各ポイントコンタクト領域の電子濃度を増大させ、２次元電子層２６ｆの電導度が急激に増大する。量子プレート２４ｈのイオン化は長時間継続するので、この時間内のコンダクタンスの変化に基づく電流変化の積分値は、検出可能な大きさとなり、単一光子レベルの強度であっても、高感度に赤外光を検出できる。この赤外光検出器のポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタは、ポイントコンタクト・トランジスタと比べて、作製が容易である。
次に実施例を説明する。
実施例１は上記第５の実施の形態に係る具体例である。
図２５は、実施例１に用いた赤外光検出器１２０の構成を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’断面図である。赤外光検出器１２０は、図２４の赤外光検出器１１０と比べて、上面ゲート電極１２１を用いた点が異なる。赤外光検出器１１０では、量子プレート２４ｈの形成にメサエッチングを用いて機械構造的に分離して形成するが、赤外光検出器１２０は、上面ゲート電極１２１に負電圧を印加することにより空乏層１２１ａを形成して、２次元電子層２４から量子プレート２４ｈを電気的に孤立させることによって形成した点が異なる。量子プレート２４ｈの厚さは１０ｎｍ、長さ及び幅はそれぞれ、１００μｍ，４０μｍである。量子プレート２４ｈと２次元電子層２６ｆとの距離は１００ｎｍである。
図２６は、赤外光検出器１２０の上面ゲート電極１２１とオーミックコンタクト１１２との間の電気容量（capacitance ）の上面ゲート電極１２１の印加電圧（Ｖgate）依存性を示すグラフである。縦軸はその容量を示し、横軸はＶgate電圧を示す。図２６から、Ｖgate電圧が約−０．６volt以上では、図のＡに示すように、最も大きな一定の容量を示すことがわかる。これは、空乏層１２１ａが形成されないために、量子プレート２４ｈが２次元電子層２４から孤立していないことを示している。Ｖgate電圧が約−０．６voltから約−１．６voltにおいては、図のＢに示すように中間の大きさの一定容量値を示すことがわかる。これは、空乏層１２１ａが十分に形成され、この空乏層によって量子プレート２４ｈが２次元電子層２４から孤立したことを示している。Ｖgate電圧が約−１．６volt以下においては、図のＣに示すように最も小さな一定容量値を示すことがわかる。これは、空乏層１２１ａが極めて大きくなり、この空乏層により量子プレート２４ｈだけでなく２次元電子層２６ｆまでもが孤立したことを示している。この結果から、上面ゲート電極にＢで示した範囲の負電圧を印加すれば、量子プレートと、その直下にポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタを有する、第５の実施形態の赤外光検出器が形成できることがわかる。
次に、赤外光検出器１２０の赤外光に対する応答について説明する。
赤外光検出器１２０に波長λ＝１４．５μｍの赤外光を照射し、上面ゲート電極１２１の印加電圧（Ｖgate）を変化させながら、オーミックコンタクト１１２，１１３間の抵抗を測定した。
図２７は赤外光検出器１２０の赤外光応答を示すグラフであり、縦軸は、赤外光を入射させない場合を基準とした、オーミックコンタクト１１２，１１３間の抵抗値の変化ΔＲを示し、横軸は、上面ゲート電極１２１の印加電圧Ｖgateを示す。図から、Ｖgateが約−０．６volt以上ではΔＲがゼロΩであり、Ｖgateが約−０．６voltから−０．８voltの範囲ではΔＲが約−０．１５Ωに変化することがわかる。図２７の結果は、上面ゲート電極に図２６のＢで示した範囲の負電圧を印加すれば、電気的に周囲から孤立した量子プレートとポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタが形成され、赤外光によって量子プレート２４ｈの電子がサブバンド励起され、この電子が２次元電子層２６ｆを介してドレイン電極１１５に吸収されて量子プレート２４ｈがイオン化され、このイオン化電荷により２次元電子層２６ｆの電導度が上昇したことを示している。すなわち、第５の実施形態の赤外光検出器が形成され、その結果、赤外光を検出したことを示している。尚、約−０．６voltから−０．８voltの範囲のΔＲの揺らぎ（fluctuation ）は、下記に説明するように赤外光源容器からの黒体輻射に基づく。
図２８は赤外光検出器１２０の赤外光波長選択特性のグラフであり、縦軸はΔＲ、横軸は赤外光波長を示す。入射赤外光の波長を８μｍから１８μｍまで変化させて、ΔＲを測定した。図２８から、赤外光検出器１２０は約１４．５μｍの赤外光を選択的に検出することがわかる。波長１４．６μｍの赤外光のエネルギーは、厚さ１０ｎｍのＧａＡｓ層のサブバンド間励起エネルギーに相当し、この赤外光検出器の量子プレート２４ｈの厚さが１０ｎｍのＧａＡｓ層であることに対応している。
次に光検出感度について説明する。
上記実施例の測定は、室温（３００Ｋ）に保持された赤外光源からの赤外光を低温（４．２Ｋ）に冷却した赤外光検出器１２０に導いて測定した。このため、室温に保持された赤外光源容器からの黒体輻射が赤外光検出器１２０に入射し、この黒体輻射の強度は、赤外光源の強度よりも約１６倍程度大きい。従って、上記実施例の測定は、黒体輻射による光子が大量に入射し、２次元電子層２６ｆに黒体輻射の吸収に基づく大量の自由電子が存在する、すなわち、赤外光検出器１２０の光子検出感度が飽和に近い状態での測定である。
次に、赤外光源容器からの黒体輻射を無くし、バックゲート電極層１０１にバックゲート電圧を印加すれば、単一光子の検出が可能であることを説明する。赤外光源容器を冷却し、黒体輻射によるバックグラウンド・ノイズが無い状態において、２次元電子層２６ｆの電流Ｉ及び抵抗Ｒは、自由電子濃度ｎ、電子電荷ｅ、電子移動度μ、チャネル幅Ｗ、チャネル長Ｌ及びソース・ドレイン間印加電圧をＶとして次式で表される。
Figure 2006006469
Figure 2006006469
 Δｎ個の赤外光励起によって量子プレート２４ｈからΔｎ個の電子が脱出し、量子プレート２４ｈがＱ＝Δｎｅで帯電したとすると、２次元電子層２６ｆの電流Ｉ及び抵抗Ｒの変化ΔＩ及びΔＲは次式で表される。
Figure 2006006469
Figure 2006006469
 量子プレートのサイズが５０μｍ×２００μｍの赤外光検出器を用い、赤外光源容器を４．２Ｋに冷却して黒体輻射を無くし、バックゲート電圧を印加しない状態で、時定数３００ｍｓｅｃで測定した検出限界値Ｋ（Ｋ＝ΔＩ／Ｉ＝ΔＲ／Ｒ）は、Ｋ＝３×１０-6であった。この測定条件においては自由電子濃度ｎが２．１×１０15／ｍ2 であったので、上記検出限界値Ｋから光子検出限界個数ΔＮ（ΔＮ＝ｎＬＷ×ΔＩ／Ｉ）を求めると、ΔＮ≒１００個になる。
量子プレートのサイズを小さくすれば、同じイオン化電荷Ｑ＝ｅΔｎに対する２次元電子層の静電ポテンシャルの変化が相対的に大きくなるので、量子プレートのサイズを約１０μｍ×１０μｍに小さくすれば、ΔＮ＝１０個程度にすることができる。
次に、バックゲート電圧を印加して、さらに検出限界個数ΔＮを小さくする方法を説明する。
図２９は、自由電子濃度ｎと２次元電子層２６ｆの抵抗Ｒとの関係を示す図である。図のＡに示すように、ｎが大きい領域では、脱出電子数Δｎに対するＲの変化は小さく、一方、図のＢに示すように、自由電子濃度ｎが小さい領域（ｎ＜０．５×１０15／ｍ2 ）では、電子移動度μもｎの関数となるので、Δｎに対する抵抗Ｒの変化は急激に大きくなる。上記バックゲート電圧を印加しない測定は図のＡにおける測定に対応する。従って、量子プレートのサイズを約１０μｍ×１０μｍに小さくし、バックゲート電圧を印加して、図のＢの状態で測定するようにすれば、検出限界個数ΔＮを１とすることができる。また、量子プレートのサイズを小さくしなくとも、バックゲート電極層１０１に大きな負電圧を印加して、図のＢ領域よりさらに電子濃度ｎを下げ、空乏化直前の電子濃度とすることによっても検出限界個数ΔＮ＝１を実現できる。
図３０は、赤外光検出器の電導度（コンダクタンス）のバックゲート電圧Ｖbg依存性を示す図である。赤外光検出器１２０と同等な構造を有する他の赤外光検出器を用い、赤外光源容器を４．２Ｋに冷却して測定した。図のＡ及びＢの自由電子濃度は図２９のＡ及びＢの自由電子濃度に対応し、Ｃは空乏化直前の電子濃度（ｎ≒０．５×１０14／ｍ2 ）に対応する。従って、約−０．７volt程度のバックゲート電圧を印加することによって、空乏化直前の電子濃度を実現できることがわかる。
図３１は、空乏化直前の電子濃度における２次元電子層の電流輸送現象を模式的に示す図である。空乏化直前の電子濃度の２次元電子層においてはドープした不純物の乱雑ポテンシャル（Random potential）により、（ａ）に示すように、僅かに電子が残った、０．１μｍから０．５μｍ程度の径の、浅い水溜まりのような領域が転々と存在するようになり、電流はこれらの領域をトンネル遷移によって移動する電子によって形成される。一方、赤外光が照射され、２次元電子層上の量子プレートがイオン化すると、このイオン化電荷に基づいて個々の領域のサイズが変化するため、個々の領域間のトンネル確率が極めて大きく変化し（この効果をポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタと呼んでいる）、その結果、ＡやＢの自由電子濃度領域に比し桁違いに大きな電流変化が得られるので、検出限界個数ΔＮ＝１、すなわち、単一光子検出感度を実現するのは容易である。
以上述べたように、本発明の赤外光検出器によれば、従来の赤外光検出器に比べて感度が高く、赤外光フォトン１個でも検出することができる。また、その構成、作製方法が単純であるため、アレー化に適した検出器を実現することができる。従って、赤外光の高感度な検知が必要な計測技術分野、あるいは、赤外光によるビデオ信号が必要な産業分野に使用すれば、極めて有用である。

Claims (11)

  1. 入射赤外光子を吸収し励起電子を生成する、周囲から電気的に孤立した孤立２次元電子層と、
    上記入射赤外光子を上記孤立２次元電子層に集中する手段と、
    上記入射赤外光子の吸収により励起された電子を上記孤立２次元電子層から脱出させて孤立２次元電子層を帯電させる手段と、
    上記孤立２次元電子層の帯電によって電流が変化し、且つ、帯電状態が持続する間この電流変化が維持される電荷敏感トランジスタとを有する赤外光検出器において、
    上記入射赤外光子を上記孤立２次元電子層に集中すると共に、孤立２次元電子層面に垂直な入射赤外光子の振動電場成分を生成し、上記孤立２次元電子層内の電子を選択的に２次元サブバンド間励起させる手段を付加したことを特徴とする、赤外光検出器。
  2. 前記孤立２次元電子層が量子ドットであり、
    前記選択的に２次元サブバンド間励起させる手段が、上記量子ドットを挟んで配するマイクロストリップアンテナであり、
    前記孤立２次元電子層を帯電させる手段が、上記量子ドットの下面に配するトンネル障壁層と、このトンネル障壁層の下面に配するポイントコンタクト・トランジスタのソース電極及びドレイン電極とからなり、
    前記電荷敏感トランジスタが、上記ポイントコンタクト・トランジスタであることを特徴とする、請求の範囲１に記載の赤外光検出器。
  3. 前記孤立２次元電子層が量子ドットであり、
    前記選択的に２次元サブバンド間励起させる手段が、上記量子ドットを挟んで配するマイクロストリップアンテナであり、
    前記孤立２次元電子層を帯電させる手段が、上記量子ドットの面内方向横手に配するゲート電極とこのゲート電極の横手に配する脱出電極とからなり、
    前記電荷敏感トランジスタが、上記量子ドット直上に配する単電子トランジスタであることを特徴とする、請求の範囲１に記載の赤外光検出器。
  4. 前記孤立２次元電子層が量子ドットであり、
    前記選択的に２次元サブバンド間励起させる手段が、上記量子ドットを挟んで配するマイクロストリップアンテナであり、
    前記孤立２次元電子層を帯電させる手段が上記量子ドットの面内方向横手に配するゲート電極とこのゲート電極の横手に配する脱出電極とからなり、
    前記電荷敏感トランジスタが、上記ゲート電極の横手に配するポイントコンタクト・トランジスタであることを特徴とする、請求の範囲１に記載の赤外光検出器。
  5. 前記孤立２次元電子層が量子ドットであり、
    前記選択的に２次元サブバンド間励起させる手段が、上記量子ドットを挟んで形成したマイクロストリップアンテナであり、
    前記孤立２次元電子層を帯電させる手段が、上記量子ドットの面内方向横手に配するゲート電極とこのゲート電極の横手に配する脱出電極とからなり、
    前記電荷敏感トランジスタが、上記量子ドットの直下に配するポイントコンタクト・トランジスタであることを特徴とする、請求の範囲１に記載の赤外光検出器。
  6. 前記孤立２次元電子層が量子プレートであり、
    前記選択的に２次元サブバンド間励起させる手段が、上記量子プレートを挟んで配するマイクロストリップアンテナであり、
    前記孤立２次元電子層を帯電させる手段が、上記量子プレートの下面に配するトンネル障壁層と、このトンネル障壁層を介して配するポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタの２次元電子層とからなり、
    前記電荷敏感トランジスタが、上記ポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタであることを特徴とする、請求の範囲１に記載の赤外光検出器。
  7. 前記孤立２次元電子層、前記選択的に２次元サブバンド間励起させる手段、前記孤立２次元電子層を帯電させる手段及び前記電荷敏感トランジスタが、同一の半導体多層ヘテロエピタキシャル成長基板から形成されることを特徴とする、請求の範囲１に記載の赤外光検出器。
  8. 前記ポイントコンタクト・トランジスタは、２次元電子層と、この２次元電子層の２次元電子の存在領域をサブミクロン・サイズまで狭窄するゲート電極と、サブミクロン・サイズまで狭窄した２次元電子の存在領域であるポイントと接続するソース電極及びドレイン電極とからなることを特徴とする、請求の範囲２、４又は５の何れかに記載の赤外光検出器。
  9. 前記ポイントコンタクト・ネットワーク・トランジスタは、２次元電子層と、この２次元電子層を空乏化直前まで空乏化し、サブミクロン・サイズまで狭窄した２次元電子の存在領域であるポイントコンタクトからなるネットワークを形成する裏面ゲート電極と、上記２次元電子層の両端に接続するソース電極及びドレイン電極とからなることを特徴とする、請求の範囲６に記載の赤外光検出器。
  10. 請求の範囲１〜９の何れかに記載の赤外光検出器を、直列アレー型に接続したことを特徴とる、赤外光検出器。
  11. 請求の範囲１〜９の何れかに記載の赤外光検出器を、２次元マトリクス型に接続したことを特徴とする、赤外光検出器。
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