WO2006006469A1 - 赤外光検出器 - Google Patents

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WO2006006469A1
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infrared
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Susumu Komiyama
Zhenghua An
Jeng-Chung Cheng
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Japan Science And Technology Agency
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    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/112—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor

Definitions

  • the present invention relates to an infrared light measurement technique, and more particularly to an infrared light detector suitable for detecting a video signal.
  • QWIP quantum well infrared photodetector
  • this detector since the semiconductor quantum dots are polarized or ionized for a long time, the integrated value of the change in the single-electron transistor current value can be detected even with absorption of one far-infrared photon. Thus, the absorption of a single far-infrared photon can also be detected.
  • this detector can measure millimeter waves in the far-infrared region. It is a fixed device and does not operate in the mid-infrared region with a wavelength shorter than several tens of microns. In other words, this detector uses interlevel transitions such as quantum levels due to the in-plane size effect, in-plane plasma oscillation, and Landau levels of in-plane orbital motion.
  • This detector has a semiconductor mesa structure 191 and a single-electron transistor 192 on the semiconductor mesa structure 191 as shown in FIG. 32 (a), and the electron energy barrier of the mesa structure 191 is shown in FIG. 32 (b). It is designed in such a structure.
  • electrons 194 in the quantum dots 193 of the semiconductor mesa structure 191 cause an intersubband transition and are escaped in the vertical direction and absorbed by the electrode 195.
  • the ionic state of the quantum dot 193 due to the escape of the electron 194 continues for a long time, and the change of the single-electron transistor current due to the ionized charge 196 is detected to detect the infrared light 190.
  • This detector has a configuration in which a semiconductor quantum dot is ionized for a long time by a two-dimensional intersubband transition, and a configuration in which a single electron transistor is driven by this ion potential, and the electrode of the single electron transistor has an antenna effect.
  • the present invention can detect single photons with high efficiency in a wide wavelength range from several ⁇ m to several hundred ⁇ m, and in the manufacturing method, an array is formed.
  • An object of the present invention is to provide an infrared photodetector having a structure suitable for.
  • An infrared photodetector includes an isolated two-dimensional electron layer that absorbs incident infrared photons and generates excited electrons, and is electrically isolated from the surroundings, and an isolated infrared photon that is isolated from the two-dimensional electron layer.
  • the current changes due to the means of concentrating the light, the means of charging the isolated two-dimensional electron layer by extracting the electrons excited by the absorption of incident infrared photons from the isolated two-dimensional electron layer, and the charging of the isolated two-dimensional electron layer And a charge sensitive transistor in which this current change is maintained while the charged state is maintained, and a means for selectively exciting the electrons in the isolated two-dimensional electron layer between the two-dimensional subbands is added. It is characterized by
  • the quantum dot in the present invention is a force vj that is smaller than 1Z2 of infrared wavelength or smaller than 1 ⁇ m, and is a two-dimensional electron layer in which the ambient force having a smaller size is electrically isolated. Define.
  • a quantum plate is defined as an electrically isolated two-dimensional electron layer with an ambient force of several zm to several hundred m square, which is larger than 1Z2 of infrared wavelength.
  • E (l) E x + E y + AE 0l + U (r) (3) where the intersubband energy ⁇ is due to the electron confinement effect in the z direction.
  • infrared light incident perpendicularly to a quantum dot is a two-dimensional surface because the light is a transverse wave. It has only vibration components in the parallel direction. Therefore, in the present invention, infrared light incident perpendicularly to the quantum dot is concentrated on the isolated two-dimensional electron layer, and an oscillating electric field component perpendicular to the surface of the quantum dot of infrared light is generated to convert the electrons in the quantum dot.
  • a microstrip antenna configured with a quantum dot interposed therebetween is used.
  • a microstrip antenna is composed of a flat, wide-area flat conductor and a patch-like conductor mounted with a dielectric sandwiched between them.
  • the microstrip antenna receives an electromagnetic wave having an oscillating electric field parallel to the patch conductor surface.
  • the oscillating electric field resonates as an oscillating electric field perpendicular to the patch conductor surface (see CA Balanis, "Antenna Theory", Wiley, (1997), Ch. 14).
  • a microstrip antenna with an impedance matching the radio wave impedance of the infrared light to be detected concentrates the infrared light incident perpendicular to the quantum dot surface on the quantum dot and the oscillating electric field component perpendicular to the quantum dot surface Can be generated, and the electrons in the quantum dot can be selectively transitioned between subbands. Electrons in the quantum dot can be selectively transferred between subbands, so that infrared light in a wide wavelength range up to the number of wavelengths; z m force several hundred IX m can be detected.
  • Fig. 1 is a conceptual diagram that explains the mechanism by which electrons excited between subbands escape in the direction perpendicular to the quantum dot surface, and the mechanism by which the generated quantum dots are detected by charge-sensitive transistors. is there.
  • the electron 2 excited between the subbands in the quantum dot 1 according to the above equations (4) and (5) escapes in the vertical direction (one z direction) through the tunnel barrier arranged on the lower surface of the quantum dot 1.
  • the quantum dot 1 ionizes and the ionization of the quantum dot 1 is detected by the charge sensitive transistor.
  • a charge-sensitive transistor As a charge-sensitive transistor, a conductive portion confined immediately below quantum dot 1, that is, source electrode 4, drain electrode 5, and point contact 3 connected via point contact 3 and point contact 3 are sandwiched.
  • a transistor is used that has a structure that also has a force with the gate electrodes 6 and 6 that control the size of the point contact 3. This transistor is named the point contact 'transistor.
  • Point contact is quantum In the case of a two-dimensional electron gas realized in a well or the like, it means a junction through a point where the existence region of the two-dimensional electron is narrowed to a submicron size.
  • a point contact transistor consists of a point contact, a source electrode connected via the point contact, a drain electrode, and a pair of gate electrodes that control the size of the point contact. It is known that the conductivity of a point contact changes very sensitively with electrostatic potential, and the conductivity of a point contact changes extremely sensitively to unit charges placed near the point contact. To do.
  • This infrared light detector has a structure in which both electron escape and detection structures can be fabricated as a single body from the epitaxial growth substrate into the same semiconductor multilayer, so that a single electron by a metal is used for detection.
  • a transistor see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-214383
  • it does not cause problems such as the deterioration of characteristics due to oxidation of the surface of the semiconductor quantum well during single-electron transistor fabrication, and is easy to fabricate. .
  • Fig. 2 is a conceptual diagram illustrating a mechanism for horizontally ejecting electrons excited between subbands from a quantum dot, and a mechanism for detecting an ion ⁇ ⁇ ⁇ of the generated quantum dot with a charge sensitive transistor. is there.
  • the electron 2 excited between subbands in accordance with Eqs. (4) and (5) in quantum dot 1 is lateral (in the xy plane) as shown by the dotted arrow in the figure.
  • the escape electrode 7 provided on the lateral side of the quantum dot 1 is allowed to escape.
  • the ion dot of the quantum dot 1 due to this escape is detected by a charge sensitive transistor.
  • a point contact transistor in which a point contact is arranged immediately below quantum dot 1 is illustrated.
  • a point contact 'transistor may be used, and the charge sensitive transistor may be a single electron transistor.
  • FIG. 3 (a) shows the excitation process oc and scattering process ⁇ due to the absorption of infrared light by the electron, and the density of states of the two-dimensional quantum dot 1 ( Density of State (DOS) diagram.
  • the horizontal axis represents the density of states
  • the vertical axis represents the electron energy
  • E is the ground subband
  • E is the first excitation subband.
  • Figure 3 (b) shows the excitation process oc and scattering process ⁇ due to the absorption of infrared light by the electron, and the density of states of the two-dimensional quantum dot 1 ( Density of State (DOS) diagram.
  • the horizontal axis represents the density of states
  • the vertical axis represents the electron energy
  • E is the ground subband
  • E is the first excitation subband.
  • Figure 3 (b) shows the excitation process oc and scattering process ⁇ due to the absorption of infrared light by the electron, and the density of states of the two-dimensional quantum
  • Fig. 3 (c) shows the electron excitation process ⁇ and the scattering process.
  • ⁇ , transfer process%, and relaxation process ⁇ are the positions of electrons.
  • Reference numeral 8 denotes a potential barrier U provided between the quantum dot 1 and the escape electrode 7, and the sanging part 9 is an electron.
  • the in-plane kinetic energy is calculated from the above formulas (6) and (7).
  • the charge sensitive transistor is a single-electron transistor fabricated on top of the quantum dot, or a point contact transistor installed on the side or bottom of the quantum dot as described below.
  • the infrared photodetector of the present invention causes the inter-subband excited electrons to escape from the quantum dots, or escapes in the vertical direction of the quantum dots or in the lateral direction of the quantum dots.
  • Use a new mechanism By using these mechanisms, a new degree of freedom is created in the configuration of the infrared light detector, and an infrared light detector having a structure suitable for arraying becomes possible.
  • the infrared photodetector of the present invention using quantum dots as a two-dimensional electron layer that is electrically isolated from the ambient force has been described.
  • the infrared photodetector of the present invention using a quantum plate concentrates infrared light perpendicularly incident on the quantum plate on the quantum plate by a microstrip antenna configured with the quantum plate sandwiched therebetween.
  • Infrared light detectors using the above quantum dots are used to generate an oscillating electric field component perpendicular to the quantum plate surface of the infrared light and selectively cause inter-subband transition of electrons in the quantum plate. It is the same as the case of.
  • Figure 4 is a conceptual diagram that explains the mechanism by which electrons excited between subbands escape from the quantum plate and the mechanism by which the ionization of the generated quantum plate is detected by a charge-sensitive transistor. Electrons 2 excited between subbands according to the above equations (4) and (5) in the quantum plate 10 escape in the vertical direction (-z direction) through the tunnel barrier placed on the bottom surface of the quantum plate 10 As a result, the quantum plate 10 ionizes and the ionization of the quantum plate 10 is detected by the charge sensitive transistor 11.
  • the charge sensitive transistor 11 includes a two-dimensional electron layer 12 disposed immediately below the quantum plate 10, a source electrode 13 and a drain electrode 14 provided at both ends of the two-dimensional electron layer 12, and a lower part of the quantum plate 10.
  • Point contact network Select the voltage to be applied to the back gate electrode 15 of the transistor 11 and set the 2D electrons in the 2D electron layer 12 to the state just before depletion. In this state, the concentration of the two-dimensional electron system in the two-dimensional electron layer 12 decreases, the electron system remains in a spider web-like network, and a conductance that allows electrons to move only by tunnels at many points in the network. In particular, it is a small point, that is, a point contact. In other words, many point contacts form a network in this state.
  • quantum plate 10 When infrared light enters, electrons 2 in the quantum plate 10 are selectively excited between subbands by a microstrip antenna (not shown), escape to the two-dimensional electron layer 12, are absorbed by the drain electrode 14, and are absorbed by the quantum plate. 10 is ionized. Unlike quantum dots, quantum plate 10 is larger in size than the wavelength of infrared light, so when infrared light is incident, multiple ionizations occur simultaneously at different locations within the quantum plate. That is. When multiple ionized charges are formed, this ionized charge increases the electron concentration of a number of point contacts where the conductance in the two-dimensional electron layer 12 is particularly low, which facilitates tunneling and greatly increases conductance. .
  • the ionization continues for a long time, and by integrating the current change based on the change in conductance within this time, it becomes a detectable amount even at a single photon level light intensity, and high sensitivity Infrared light can be detected.
  • the charge sensitive transistor of this infrared photodetector is
  • the infrared photodetector of the present invention concentrates an isolated two-dimensional electron layer that is electrically isolated from the surroundings and an isolated two-dimensional electron layer that absorbs incident infrared photons and generates excited electrons.
  • a means for generating an oscillating electric field component of an incident infrared photon perpendicular to the surface of the isolated two-dimensional electron layer selectively exciting electrons in the isolated two-dimensional electron layer between two-dimensional subbands, and absorption of the incident infrared photon
  • It has a charge sensitive transistor capable of maintaining a current change, and has the following specific configuration.
  • the isolated two-dimensional electron layer is a quantum dot, and means for selectively exciting two-dimensional intersubbands is formed with the quantum dot interposed therebetween.
  • a tunnel barrier layer which is a microstrip antenna and is used to charge an isolated two-dimensional electron layer on the lower surface of a quantum dot, and the source and drain electrodes of a point contact transistor formed on the lower surface of the tunnel barrier layer
  • the charge sensitive transistor power is the above point contact transistor.
  • the microstrip antenna generates an oscillating electric field of incident infrared light that coincides with the subband excitation direction of the quantum dot, so that subband excitation occurs even when single infrared photons are incident.
  • the electrons excited by the subband pass through the tunnel barrier layer and are absorbed by the two-dimensional electron layer of the point contact transistor, and the quantum dots are ionized. Since the energy levels of the source electrode and the drain electrode are set sufficiently lower than the energy level of the tunnel barrier layer, the probability that the electrons return to the quantum dots is sufficiently low, and the ionization time of the quantum dots is sufficiently long.
  • the electrical conductivity of the point contact transistor changes due to the electric field of the ionic charge of the quantum dot.
  • the ionization duration is sufficiently long so that even single infrared photons can be detected.
  • the wavelength of the infrared light to be detected can be selected depending on the thickness of the quantum well forming the quantum dot in the z direction. Also, the energy height and thickness of the tunnel barrier layer are appropriately selected according to the wavelength of infrared light, and this is done according to a known theory.
  • the means for escaping the excited electrons from the quantum dots and charging the quantum dots has a lateral direction in the direction of the quantum dots.
  • the charge sensitive transistor is a single-electron transistor arranged directly above the quantum dot.
  • the gate electrode is arranged on the side of the quantum dot, and the escape electrode is arranged on the side of the gate electrode.
  • the energy level of the escape electrode is set sufficiently lower than the electrostatic barrier of the gate electrode, the probability that the escaped electron returns to the quantum dot is small and the ionization duration is sufficiently long.
  • the ionic charge changes the conductivity of the single-electron transistor, and single photons can be detected by integrating the change in the current value based on the change in conductivity over the ionization duration.
  • the infrared detector of the second configuration is configured to escape electrons in the lateral direction, for example, as a video signal detector, it is easy to manufacture when the infrared photodetector is arrayed.
  • the third configuration of the infrared photodetector of the present invention is different from the second configuration in that the charge sensitive transistor force is a point contact transistor disposed on the side of the gate electrode. According to this configuration, the fabrication is easier than in the case of using a single electron transistor.
  • the fourth configuration of the infrared photodetector of the present invention is different from the third configuration in that the charge sensitive transistor is a point contact transistor disposed immediately below the quantum dot. Become. According to this configuration, it is easier to manufacture than using a single-electron transistor.
  • the isolated two-dimensional electron layer is a quantum plate, and the charge sensitive transistor is a point contact “network” transistor as compared with the first configuration. Is different.
  • an isolated two-dimensional electron layer that is electrically isolated from the surroundings that absorbs incident infrared photons and generates excited electrons is compared to a quantum dot. Since the quantum plate has a wide product, multiple excited electrons can be formed simultaneously at different locations on the quantum plate.
  • the probability of these electrons returning to the quantum plate is small, so the ionization duration of the quantum plate Is long enough.
  • the ionization charge of the quantum plate increases the conductivity of the point contact 'network' transistor and integrates the current value based on this increase over the ionization duration, so even at single photon level incident infrared light intensity. It can be detected.
  • the wavelength of infrared light to be detected can be selected depending on the thickness of the quantum well of the two-dimensional electron system that forms the quantum plate. Further, the tunnel barrier is adjusted according to the wavelength of infrared light.
  • This configuration eliminates the need for a pair of gate electrodes with a highly precise narrowed tip to form a point contact, which was necessary for a point contact 'transistor. It will be suitable.
  • a means for selectively generating two-dimensional intersubband excitation For forming an isolated two-dimensional electron layer, a means for selectively generating two-dimensional intersubband excitation, a means for charging the isolated two-dimensional electron layer, and a charge-sensitive transistor of the infrared photodetector.
  • the two-dimensional electron layer, tunnel barrier layer, conductive layer, and insulating layer can also form the same semiconductor multilayer heteroepitaxial growth substrate force. For example, using the highly developed III-V semiconductor heteroepitaxial growth technology, the required two-dimensional electron layer, tunnel barrier layer, conductive layer and insulating layer were stacked in the required order.
  • a semiconductor multilayer heteroepitaxial growth substrate can be prepared in advance, and this substrate can be fabricated by mesa etching, the fabrication process is less than that of a general high-cost manufacturing method that requires many lithography processes. As a result, a high-quality and low-cost infrared light detector can be provided.
  • the point contact 'transistor includes a two-dimensional electron layer, a gate electrode that narrows the two-dimensional electron existence region of the two-dimensional electron layer to a submicron size, and a two-dimensional electron that is narrowed to a submicron size.
  • the source electrode and the drain electrode connected to the point which is the existence region of the electrode may be in force.
  • the conductivity of the point contact changes with the single-charge electrostatic potential of the isolated two-dimensional electron layer, and the source drain current changes due to the change in conductivity.
  • the above-mentioned point contact 'network' transistor forms a network consisting of a two-dimensional electron layer and a point contact, which is a region where two-dimensional electrons are depleted until just before depletion and narrowed down to a submicron size.
  • the backside gate electrode and the source and drain electrodes connected to both ends of the two-dimensional electron layer may be in force.
  • the conductivity of the two-dimensional electron layer changes with the electrostatic potential of multiple charges in the isolated two-dimensional electron layer, and the source and drain currents change due to the change in conductivity.
  • the infrared photodetector of the present invention can be connected to the above-described infrared photodetector in a series array type or a two-dimensional matrix type, and can be used as, for example, an infrared video signal detector. Monkey.
  • the vibration electric field of infrared light incident on the isolated two-dimensional electron layer from above does not inherently have a component (xy direction component) parallel to the plane of the isolated two-dimensional electron layer. Does not cause band excitation.
  • the oscillating electric field component of the incident infrared light can be converted into the perpendicular direction (z direction) to the isolated two-dimensional electron layer to cause subband excitation, and the excited electrons can be generated.
  • the isolated two-dimensional electron layer can be converted to + e (e: unit charge) by allowing it to escape in the z-direction or xy-direction through the tunnel barrier or potential barrier.
  • This ionization takes advantage of the fact that the current flowing through a charge sensitive transistor (single electron transistor, point contact 'transistor or point contact' network 'transistor) placed in the vicinity of the isolated two-dimensional electronic layer changes.
  • the excited electrons escaped from the isolated two-dimensional electron layer lose energy in the escape electrode and it is difficult to return to the isolated two-dimensional electron layer again, so the ionization state of the isolated two-dimensional electron layer is 10 ⁇ ( It lasts for a long time, from nano) seconds to several tens of seconds.
  • the current change in the charge-sensitive transistor is maintained while the ionized state of the isolated two-dimensional electron layer continues. This realizes ultra-high sensitivity that can detect even single photons.
  • the infrared photodetector of the present invention is fabricated by mesa etching a semiconductor multilayer heteroepitaxial growth substrate fabricated in advance, a quantum well for forming an isolated two-dimensional electron layer can be obtained from a wavelength of several meters. It is easy to design to operate in a continuous wide wavelength range up to 10 / zm.
  • the array of detectors for the structure is simple [this; to 0 The invention's effect
  • the infrared detector of the present invention single-photon or single-photon intensity infrared light can be detected in a wide wavelength range up to the number of wavelengths / zm force of several hundreds / zm.
  • an infrared photodetector and an arrayed infrared photodetector can be provided at low cost and high quality.
  • FIG. 1 Concept explaining the mechanism for escaping electrons excited between subbands in the direction perpendicular to the quantum dot surface, and the mechanism for detecting the ionic properties of the generated quantum dots with a charge-sensitive transistor FIG.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining a mechanism for horizontally ejecting electrons excited between subbands from a quantum dot and a mechanism for detecting an ion of a generated quantum dot by a charge sensitive transistor.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the lateral escape mechanism in detail.
  • FIG. 4 A conceptual diagram illustrating a mechanism for allowing electrons excited between subbands to escape from the quantum plate, and a mechanism for detecting the ion ion of the generated quantum plate with a charge sensitive transistor.
  • FIG. 5 is a schematic view showing a semiconductor multilayer heteroepitaxial growth substrate used for manufacturing the infrared photodetector according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a process diagram for manufacturing the infrared photodetector according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows a step performed subsequent to the step of FIG.
  • FIG. 8 is a diagram showing the top surface shape and operation of a fabricated point contact transistor.
  • FIG. 9 shows a step performed subsequent to the step of FIG.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the operation of the infrared light detector according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing an operation after the operation of FIG.
  • FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a serial array type infrared photodetector formed using the infrared photodetector of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram showing the configuration of a two-dimensional array type infrared photodetector formed using the infrared photodetector of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing a substrate used for manufacturing the infrared photodetector according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram showing a manufacturing process of the infrared light detector of the present invention.
  • FIG. 17 is a diagram showing a configuration of an infrared light detector of the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram showing a configuration of an infrared light detector according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a diagram showing a manufacturing process of the infrared photodetector according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 is a diagram showing a process performed subsequent to the process of FIG. 19.
  • FIG. 21 is a diagram showing a process performed subsequent to the process of FIG. 20, and a diagram showing a configuration of the infrared light detector.
  • FIG. 22 is a diagram showing a configuration of an infrared light detector arrayed using the infrared light detector according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 is a diagram showing a semiconductor multilayer heteroepitaxial growth substrate used in the infrared photodetector of the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 24 is a diagram showing a configuration of an infrared photodetector according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 25 is a diagram showing a configuration of an infrared photodetector used in Example 1 of the present invention.
  • FIG. 26 is a graph showing the applied voltage dependence of the upper surface gate electrode of the infrared photodetector of the present invention and the upper surface gate electrode of the capacitance between the two-dimensional electronic layers.
  • FIG. 27 is a diagram showing an infrared light response of the infrared light detector according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 28 is a diagram showing an infrared light wavelength selection characteristic of the infrared light detector according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 29 is a diagram showing the relationship between the free electron concentration n and the resistance R of the two-dimensional electron layer.
  • FIG. 30 is a graph showing the dependence of the conductivity of the infrared photodetector on the back gate voltage Vbg.
  • FIG. 31 is a diagram schematically showing the current transport phenomenon in the two-dimensional electron layer at the electron concentration just before depletion.
  • FIG. 32 is a diagram for explaining the prior art.
  • FIG. 5 is a schematic view showing a semiconductor multilayer heteroepitaxial growth substrate 21 used for manufacturing the infrared photodetector 20 of the first embodiment.
  • FIG. 5 (a) is a schematic view in the cross-sectional direction of the substrate 21, showing each layer constituting the substrate 21.
  • FIG. Figure 5 (b) shows the electron energy diagram formed by joining the layers.
  • the vertical axis is a coordinate axis taken in the cross-sectional direction of the substrate 21, and the z direction indicates the depth direction of the substrate 21.
  • the horizontal axis represents the electron energy in the z direction of electrons, that is, in the direction perpendicular to the surface of the substrate 21. As shown in FIG.
  • the substrate 21 used in the present invention is formed of a heterojunction of GaAs, AlGaAs, and III-V compound semiconductor doped with impurities therein.
  • III-V compound semiconductors such as GaAs and InGaAsP can be used.
  • the GaAs layer 24 is a first two-dimensional electron layer 24 for forming quantum dots, and Si—A1
  • a heterojunction is formed with the Ga As layer 23 and the Al Ga As layer 25 to form a quantum well.
  • composition ratio x of As layer 25 is used to form the electron energy diagram of Fig. 5 (b).
  • the GaAs layer 26 is a second two-dimensional electron layer 26 for forming a point contact transistor.
  • A1 Ga As layer 25 and an Al Ga As layer 27 are respectively formed with a heterojunction to form a quantum well. 0.7
  • composition ratio x of As layer 25 is used to form the electron energy diagram of Fig. 5 (b).
  • the two-dimensional electron concentration of the first two-dimensional electron layer 24 is set so that the second two-dimensional electron concentration is not depleted by a voltage applied to an element formed from the second two-dimensional electron layer 26 described below.
  • the electron layer 26 is designed to have a concentration of 1.5 times or more of the two-dimensional electron concentration.
  • the electron energy diagram of the substrate 21 shows that the electrons in the ground subband 30 of the first two-dimensional electron layer 24 absorb infrared light and the first excitation subband 31 It is designed to tunnel through the barrier 32 and fall into the second two-dimensional electron layer 26 when excited by. Also, Si-GaAs layer 22, Si-Al Ga As layer 28 and Al Ga As layer 2
  • the substrate 21 shown in FIG. 5 (a) can be produced, for example, by a molecular beam epitaxy method.
  • the layer above the first two-dimensional electron layer 24 is referred to as the upper insulating layer 33
  • the layer below the second two-dimensional electron layer 26 is referred to as the lower insulating layer 34.
  • the components formed from the two-dimensional electronic layer 24 or the two-dimensional electronic layer 26 include 24a, 24b,..., 26a, 26b ′, etc. Later, quote this with a reference.
  • FIG. 6 shows a first process for manufacturing the infrared photodetector 20 of the first embodiment using the substrate 21 shown in FIG. 5, and FIG.
  • the top view and Fig. 6 (b) show the XX 'cross-sectional structure.
  • a two-dot chain line indicates a unit block of the infrared light detector 20.
  • the hatched portion 35 indicates the mesa-etched region
  • the white square portion 36 includes the quantum dots 24a formed from the two-dimensional electron layer 24 and the upper insulating layer 33, which are left by mesa etching. Me It is a structure.
  • Figure 6 (b) shows the mesa etching until the Al Ga As layer 25 is reached.
  • the shape of the quantum dots 24a may be formed by controlling the residual film thickness of the upper insulating layer 33 and performing mesa etching.
  • the quantum dots 24a are shown as rectangles that are uniformly painted in gray, but the two-dimensional electron density is not uniform in the rectangle from the side wall 24b toward the inside of the rectangle. It is depleted at a certain depth. This depletion is not shown for the sake of clarity.
  • the GaAs layer is mechanically separated, that is, the GaAs layer is scraped to form a quantum dot shape is illustrated. It is of course possible to deplete by controlling the residual film thickness of the upper insulating layer. Mesa etching is possible with standard photolithographic techniques.
  • the detection infrared wavelength is continuously designed from about 10 m to about 80 m. be able to.
  • the quantum dot 24a is preferably a square with a side of 0.3 ⁇ m force to 2 ⁇ m so that the electrostatic potential change on the point contact when ionized is sufficiently large.
  • FIG. 7 shows a process performed subsequent to FIG. 6, in which FIG. 7 (a) is a top view and FIG. 7 (b) is an X—X of (a).
  • Fig. 7 (c) is a cross-sectional view of Y'-Y in (a).
  • the hatched portion 37 indicates the mesa-etched portion
  • 33 (24a) indicates the upper insulating layer 33 on the quantum dot 24a
  • 25 (26b) indicates the AlGaAs layer 25 on the drain electrode 26b.
  • 25 (26c) is the side gate electrode 26c
  • FIGS. 7 (b) and 7 (c) Show. As shown in FIGS. 7 (b) and 7 (c), the mesa etching is performed until the lower insulating layer 34 is reached, and then the second two-dimensional electron layer 26 is connected to the point contact 'transistor source electrode 26a, drain electrode 26b, A pair of side gate electrodes 26c and a connection portion 26d between the source electrode 26a and the drain electrode 26b to be a point contact are formed.
  • FIG. 8 shows the shape and operation of the top surface of the point contact transistor manufactured by the process shown in FIG. 7.
  • FIG. 8 (a) shows the shape viewed from above, and FIG. 8 (b) Shows the formation of point contacts when the side gate electrodes 26c, 26c are negatively biased! As shown in FIG.
  • connection portion 26d between the source electrode 26a and the drain electrode 26b is depleted, and a point contact 26e is formed.
  • the center of quantum dot 24a exists within 1 m directly above point contact 26e.
  • the source electrode 26a, the drain electrode 26b, and the side gate electrodes 26c and 26c are connected to the power source by forming ohmic contacts outside the two-dot chain line frame shown in FIG. Therefore, illustration and description are omitted.
  • FIG. 9 shows a process performed subsequent to the process of FIG. 8, and also shows the configuration of the infrared photodetector 20 of the first embodiment.
  • patch portions 36 corresponding to the patch electrodes of the microstrip antenna are arranged on the intermediate layer 25 (26a) on the source electrode and on the upper insulating layer 33 (24a) on the quantum dots. It is formed by the strength of the part.
  • Fig. 9 (b) is a Y'-Y sectional view of Fig. 9 (a). By this process, the infrared light detector 20 is completed.
  • the patch part 36 has a substantially square shape, and one of the vertices of the square extends in a substantially rectangular shape and covers a substantially half of the upper insulating layer 33 on the quantum dot 24a.
  • the notch portion 36 and the two-dimensional electron layer 26 constitute a microstrip antenna.
  • the patch portion 36 is formed by lift-off or the like which is good with a metal such as A1.
  • FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the operation of the infrared light detector 20.
  • Fig. 10 (a) shows an infrared optical photon 38-single force microstrip antenna having an oscillating electric field parallel to the surface of the patch part 36 and resonating, and the oscillating electric field becomes an oscillating electric field 38z in the z direction. It shows how it was converted.
  • FIG. 10 (b) shows the movement of the electrons 39 in the quantum dot 24a, which occurs with the state of FIG. 10 (a).
  • the electrons 39 existing in the ground subband 30 absorb the vibration electric field 38z in the z direction and are excited in the first excited state subband 31 to cause the potential barrier 32 to pass. Tunnels in the z direction, falls into the source electrode 26a or the drain electrode 26b, loses energy, moves to the drain electrode 26b, and is absorbed by a power source (not shown). Be collected.
  • FIG. 11 shows an operation after the operation of FIG. Fig. 11 (a) shows a state in which electrons 39 are removed from the quantum dots 24a and the quantum dots 24a are ionized, resulting in + charge 40 (size + e) and an electric field 41 due to + charges 40. Yes.
  • a point contact 26e is formed immediately below the electric field 41 by the negative voltage of the side gate electrodes 26c and 26c, and the conductivity of the point contact 26e varies depending on the electric field 41. . This change appears as a change in the current 42 flowing from the source electrode 26a to the drain electrode 26b.
  • the ionic energy of the quantum dot 24a continues until the electron of external force overcomes the energy barrier 32 shown in the figure and recombines with the + charge 40. For several tens of seconds. If the change of the current 42 during this time is integrated, this change becomes a detectable magnitude, and the detection sensitivity of one infrared phototon is obtained.
  • FIG. 12 shows the configuration of a series array type infrared photodetector 44 formed by using the infrared photodetector 20 of the first embodiment.
  • a series array is formed by connecting the source electrodes 26a, the notch portions 36, and the drain electrodes 26b of adjacent blocks surrounded by a two-dot chain line shown in FIG. Since it can be fabricated in the same process as described in FIGS. 6 to 9, a serial array infrared detector can be manufactured very easily.
  • FIG. 13 shows the configuration of a two-dimensional array type infrared photodetector 46 formed by using the infrared photodetector 20 of the first embodiment, (a) is a top view, and (b), (c ) Are the X—x ′ and Y—Y ′ cross sections of FIG. 13 (a), respectively.
  • FIG. 13 (a) shows a point contact transistor formed from the two-dimensional electronic layer 26 in gray.
  • a substrate 49 having the configuration shown in FIG. 14 is used. The substrate 49 is different from the substrate 21 shown in FIG. 5 in that a conductive layer 48 made of Si—GaAs is provided below the second two-dimensional electron layer 26.
  • the two-dimensional array-type infrared photodetector 46 To fabricate the two-dimensional array-type infrared photodetector 46, first, leave the region to be the quantum dot, and mesa-etch the outer region until it reaches the AlGaAs layer 25.
  • Each of the infrared photodetectors constituting the array has a transistor structure in which the drain electrode 26b and the source electrode 26a are connected via a narrow connection portion 26d below the quantum dot 24a. In parallel, they are connected in series in the column direction.
  • the patch portion 36 of the microstrip antenna is formed by lift-off as in FIG.
  • the microstrip antenna is composed of a patch portion 36 and a conductive layer 48.
  • the principle of operation is the same as that shown in Figs. 10 and 11, and the method of forming the point contact 26e below the force quantum dot 24a is different. That is, by biasing the conductive layer 48 to a negative voltage of about IV to ⁇ 5V, the narrowed region 26d below each quantum dot 24a is narrowed and pointed as shown in FIG. 13 (c). Contact 26e is formed.
  • the array in Figure 13 is a 3 x 3 matrix, but it is easy to increase the matrix. Alternatively, it is easy to increase the spatial resolution by making individual infrared photodetector arrays into independent pixels.
  • the infrared photodetector of the second embodiment is different from the infrared photodetector of the first embodiment in that the direction in which electrons escape is the in-plane direction of the quantum dots.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing a substrate 51 used for manufacturing the infrared photodetector 50 of the second embodiment.
  • FIG. 15 (a) is a schematic diagram in the cross-sectional direction of the substrate 51, showing each layer constituting the substrate 51, and (b) showing an electron energy diagram formed by heterojunction of each layer.
  • the difference between the substrate 51 and the substrate 21 shown in FIG. 5 is that the electrons excited in the z-direction excitation subband 31 do not escape from the first two-dimensional electron layer 24, as shown in FIG. 15 (b).
  • the intermediate layer 25 between the first two-dimensional electron layer 24 and the second two-dimensional electron layer 26 is made of Al Ga As
  • FIG. 16 shows a manufacturing process of the infrared light detector 50.
  • Fig. 16 (a) is a top view
  • (b) is a cross-sectional view along XX 'in (a).
  • the hatched portion 52 is mesa-etched until it reaches the intermediate layer 25 as shown in FIG. 16 (b).
  • a region 53 for forming a square quantum dot and an escape electrode is formed.
  • the single-electron transistor, the patch section, and the quantum dots have potential escape barriers in the transverse direction.
  • a forming gate electrode is formed, and the fabrication of the infrared photodetector 50 is completed by these steps.
  • FIG. 17 shows the configuration of the infrared light detector 50
  • FIG. 17 (a) is a top view
  • (b) is an x—x ′ sectional view of (a)
  • (c) is a voltage applied to the gate electrode.
  • 55 is a quantum dot of a single-electron transistor
  • 56 is a source electrode of a single-electron transistor that also serves as a patch for a microstrip antenna
  • 57 is a drain electrode of a single-electron transistor
  • 58 is a region 53 with quantum dots 24a and escape electrodes 24c. This is an electrically isolated gate electrode.
  • the single-electron transistor can be manufactured by lift-off using an aluminum thin film, for example, in the same manner as the manufacturing process of the patch part 56 and the gate electrode 58 that are made of an aluminum single-electron transistor. Note that since a method for manufacturing a single-electron transistor is well known, description thereof is omitted. In addition, a tunnel barrier layer made of aluminum oxide exists between the quantum dot 55 of the single electron transistor and the source electrode 56 (patch 56) and between the quantum dot 55 and the drain electrode 57 of the single electron transistor. Omitted for clarity.
  • the microstrip antenna is composed of a patch portion 56 and a two-dimensional electronic layer 26.
  • one infrared light photon having an oscillating electric field parallel to the surface of the notch portion 56 is incident on the microstrip antenna and resonates, and the oscillating electric field becomes an oscillating electric field in the z direction. is converted, electrons in the quantum dots 24a is excited by the first excitation state subbands absorb vibration field in the z-direction, messy potential or the influence of lattice vibration, the X y plane that excitation energy It is converted into energy in the inward direction, which energy is the gate electrode
  • the escape electrode 24c If it is higher than the potential barrier U formed in 58, it escapes to the escape electrode 24c and 24a is ionized.
  • the ionization charge of the quantum dot 24a changes the conductivity of the quantum dot 55 of the single-electron transistor and changes the current of the single-electron transistor. Since the ionization state continues for a long time, the integrated value of the current change becomes a detectable level, and sensitivity that can detect one infrared photon can be achieved.
  • the substrate 51 shown in FIG. 15 is used as the substrate.
  • FIG. 18 shows the configuration of the infrared photodetector 70 of the third embodiment, where (a) is a top view, and (b) and (c) are XX ′ cross-sectional views of FIG. 18 (a), respectively. , Y—Y ′ sectional view. Since the configuration of the infrared light detector 70 has many parts in common with the configuration of the infrared light detector 50 shown in FIG. 17, the difference from the configuration of the infrared light detector 50 will be mainly described. In the infrared photodetector 50 shown in FIG. 16, first, mesa etching is performed until the intermediate layer 25 is reached, thereby forming a square quantum dot and a region 53 where the escape electrode is formed.
  • the infrared photodetector 50 uses a lift-off method using a metal thin film
  • the infrared detector 70 that forms a patch portion, a gate electrode, and a single electron transistor uses a lift-off method using a metal thin film.
  • the gate portion 74, the first gate electrode 75, and the region 73 are electrically divided to form the second gate electrode 78 that forms the source electrode 24d and the drain electrode 24e of the point contact transistor 72. .
  • the microstrip antenna has a common feature that it is composed of the patch portion 74 and the two-dimensional electronic layer 26.
  • a potential barrier U separating the quantum dot 24a and the escape electrode 24c is obtained.
  • the shape of the quantum dot 24a is square
  • the second gate electrode 78 is biased to a negative voltage, and the two-dimensional electron layer 24 immediately below the second gate electrode 78 is depleted.
  • the source electrode 24d and the drain electrode 24e of the point contact 'transistor 72 are electrically separated and formed, and as shown in FIG. 18 (b), the source electrode 24d and the drain electrode 24e are formed. It differs from the infrared light detector 50 in that the point contact 24f is formed by constricting the connection portion with the electrode 24e.
  • the escape electrode of the infrared light detector 70 is a constricted portion 24g, 24i of the source electrode 24d and the drain electrode 24e connected to the point contact 24e.
  • one infrared light photon having an oscillating electric field parallel to the surface of the notch portion 74 enters the microstrip antenna and resonates, and the oscillating electric field is converted into an oscillating electric field in the z direction.
  • Electrons in quantum dot 24a absorb the z-direction oscillating electric field and are excited in the first excited state subband, but the excitation energy is in the xy in-plane direction due to random potential or lattice vibration. If the energy is higher than the potential barrier U formed by the first gate electrode 75, it escapes to the constricted parts 24g and 24i.
  • the quantum dot 24a is ionized by being absorbed by the drain electrode 24e.
  • the conductivity of the point contact 24f changes due to the ionization of the quantum dot 24a, and the current flowing from the source electrode 24d to the drain electrode 24e changes. Since the ionization state continues for a long time, the integrated value of the current change becomes a detectable magnitude, and sensitivity that can detect one infrared phototon can be achieved.
  • the infrared detector of the fourth embodiment has the same force point contact as that the electrons escape laterally (in the xy plane). The difference is that the transistor is located below the quantum dot.
  • the substrate As the substrate, the substrate 49 having the structure shown in FIG. 14 is used.
  • FIG. 19 shows a manufacturing process of the infrared light detector 80 of the fourth embodiment, (a) is a top view, and (b) is a Y′-Y sectional view of (a).
  • the hatched portion 81 of the substrate is mesa-etched until it reaches the intermediate layer 25 to form a region 82 for forming quantum dots and escape electrodes from the two-dimensional electron layer 24.
  • FIG. 20 shows a process performed subsequent to the process shown in FIG. 19, where (a) is a top view, (b) and (c) are cross-sectional views taken along line XX ′ in FIG. -Y is a sectional view.
  • the shaded area shown in FIG. 20 (a) is a mesa etching region 83.
  • the mesa etching region 83 is formed by mesa etching from the surface of the intermediate layer 25 to the lower insulating layer 34, and is a two-dimensional electron. From the layer 26, a pair of side gate electrodes 26c, a source electrode 26a, a drain electrode 26b, and a connection portion 26d between the source electrode 26a and the drain electrode 26b are formed.
  • FIG. 21 shows steps performed subsequent to FIG. 20, and also shows a configuration of the infrared light detector 20. is doing.
  • (A) is a top view
  • (b) and (c) are XX ′ and ⁇ ′-Y sectional views, respectively, of (a).
  • a notch portion 88 and a gate electrode 89 are formed by a lift-off method using a metal thin film.
  • the infrared light detector 80 is completed.
  • the shape and arrangement position of the patch unit 88 are the same as those of the infrared light detector 20 shown in FIG.
  • FIG. 21 (c) by applying a negative bias to the gate electrode 89, the quantum dots 24a are formed in a square shape, and the potential barrier U is formed with the escape electrode 24c.
  • FIG. 21 (b) shows a state where the side contact electrode 26c is negatively biased and the connecting portion 26d is narrowed to form a point contact 26e
  • FIG. 21 (c) shows the state of the point contact.
  • a state is shown in which the source electrode 26a and the drain electrode 26b are connected via 26e.
  • the point contact transistor of the infrared light detector 80 is different from the configuration of the infrared light detector 70 of the third embodiment in the lower portion of the quantum dot 24a.
  • the microstrip antenna is composed of a patch portion 88 and a conductive layer 48.
  • one infrared light photon having an oscillating electric field parallel to the surface of the notch portion 88 enters the microstrip antenna and resonates, and the oscillating electric field is converted into an oscillating electric field in the z direction.
  • the electrons in the quantum dot 24a absorb the oscillating electric field in the z direction and are excited to the first excited state subband, but the excitation energy is in the xy in-plane direction due to the influence of random potential or lattice vibration. If it is converted into energy and the energy is higher than the potential barrier U formed by the gate electrode 89, it escapes to the escape electrode 24c, and the quantum dot
  • the ionization of the quantum dot 24a changes the conductivity of the point contact 26e, and the current flowing from the source electrode 26a to the drain electrode 26b changes. Since the ionized state lasts for a long time, the integrated value of the current change becomes a detectable magnitude, and sensitivity capable of detecting one infrared light photon can be achieved.
  • the substrate 51 shown in FIG. 15 is used as the substrate.
  • FIG. 22 shows the configuration of the infrared light detector 90 arrayed using the infrared light detector 70, where (a) is a top view and (b) is a cross-sectional view taken along line XX in (a).
  • 91 is a patch portion of the microstrip antenna, and 92 is the same as shown in FIG. 18 when the source electrode and the drain electrode are separated.
  • 93 is a gate electrode that forms a quantum dot and forms an escape potential barrier similar to that shown in FIG. 18, and 24d and 24e are shown in FIG. It is the same source electrode and drain electrode.
  • 24f is a point contact similar to that shown in FIG. 18, and 24a is a quantum dot similar to that shown in FIG.
  • the microstrip antenna is composed of a notch portion 91 and a two-dimensional electron layer 26.
  • the manufacturing method is the same as the manufacturing method of the infrared light detector 80, and can be easily arrayed.
  • FIG. 23 shows a semiconductor multilayer heteroepitaxial growth substrate 100 used in the infrared photodetector of the fifth embodiment.
  • the two-dimensional electron layer 24 is used to form a quantum plate.
  • the 2D electronic layer 26 is used as the 2D electronic layer of the point contact 'network' transistor.
  • the intermediate layer 25 between the two-dimensional electron layers 24 and 26 is composed of the composition ratio of the Al Ga As layer x
  • the lower insulating layer 34 located under the two-dimensional electron layer 26 includes a buffer layer made of GaAs (buffer layer). Below the lower insulating layer 34 is an n-GaAs layer 101 which is a conductive GaAs layer. have. The n—GaAs layer 101 is used as a back gate electrode for controlling the two-dimensional electron concentration of the two-dimensional electron layer of the point contact “network” transistor.
  • FIG. 24 shows the configuration of the infrared light detector 110 according to the fifth embodiment of the present invention, in which (a) is a top view and (b) is a YY ′ cross-sectional view of (a).
  • Infrared photodetector 110 consists of a metal grating 111 with metal patches lined up individually as microstrip antennas, an upper insulating phase 33, a quantum plate 24h, an intermediate layer 25, and a point contact 'network' transistor. It has a mesa structure consisting of a two-dimensional electron layer 26f.
  • the quantum plate 24h has a square shape larger than 1Z2 of the wavelength of infrared light to be detected, and the outer shape of the metal grating 111 is the same as the outer shape of the quantum plate 24h, and the length of one side of each patch.
  • a source electrode 114 and a drain electrode 115 are connected to two opposite sides of the two-dimensional electron layer 26f via ohmic contacts 112 and 113, respectively.
  • Ohmic contacts 112, 113, source electrode 114 and drain electrode 115 are gold such as A1.
  • a metal thin film may be used.
  • a back gate electrode 101 made of an n-GaAs layer 101 is connected to the lower part of the two-dimensional electron layer 26f through a lower insulating layer 34.
  • the two-dimensional electron layer 26f, the source electrode 114, the drain electrode 115, and the back gate electrode 101 form a point contact network transistor.
  • the infrared light detector 110 can be formed by mesa etching, metal thin film deposition, and metal thin film patterning by lift-off.
  • the metal grid 111 and the two-dimensional electron layer 26f constitute an array of microstrip antennas, and an oscillating electric field component perpendicular to the plane of the quantum plate 24h for incident infrared light is formed. Electrons in the quantum plate 24h are subband excited by the oscillating electric field component. The subband excited electrons are injected into the two-dimensional electron layer 26f of the point contact “network” transistor and absorbed by the drain electrode 115. The two-dimensional electron layer 26f is maintained in the state immediately before the two-dimensional electrons are depleted by the voltage applied to the back gate electrode 101. This state is the existence region of the two-dimensional electrons in the two-dimensional electron layer 26f.
  • Two-dimensional electrons are generated in the two-dimensional electron layer 26f by the electric field of the ionic charge on the quantum plate 24h, and these two-dimensional electrons increase the electron concentration in each point contact region, and the conductivity of the two-dimensional electron layer 26f increases. Increases rapidly. Since the ionization of the quantum plate 24h continues for a long time, the integrated value of the current change based on the change in conductance within this time becomes a detectable magnitude, and even with a single photon level intensity, it is highly sensitive to red. External light can be detected.
  • the point detector network transistor of this infrared photodetector is easier to manufacture than the point contact transistor.
  • Example 1 is a specific example according to the fifth embodiment.
  • FIG. 25 shows the configuration of the infrared light detector 120 used in Example 1, (a) is a top view, and (b) is a cross-sectional view taken along line XX ′ of (a).
  • the infrared light detector 120 is different from the infrared light detector 110 in FIG. 24 in that an upper surface gate electrode 121 is used.
  • the quantum pre- The meso-etching is used for the formation of the first 24h, but the mecha-etching is used to separate them.
  • the infrared detector 120 forms a depletion layer 121a by applying a negative voltage to the upper gate electrode 121.
  • the difference is that the quantum plate 24h is electrically isolated from the two-dimensional electron layer 24.
  • the quantum plate 24h has a thickness of 10 nm, a length and a width of 10 O ⁇ m and 40 m, respectively.
  • the distance between the quantum plate 24h and the two-dimensional electron layer 26f is lOOnm.
  • FIG. 26 is a graph showing the dependence of the capacitance between the upper surface gate electrode 121 of the infrared light detector 120 and the ohmic contact 112 on the applied voltage (Vgate) of the upper surface gate electrode 121. is there.
  • the vertical axis shows the capacity
  • the horizontal axis shows the Vgate voltage. From Fig. 26, it can be seen that when the Vgate voltage is about 0.6 volt or higher, the largest constant capacitance is shown, as shown in A of the figure. This indicates that the quantum plate 24h is not isolated from the two-dimensional electron layer 24 because the depletion layer 121a is not formed.
  • Vgate voltage is about 0.6volt to about
  • Irradiate infrared light with wavelength 14.5 m to infrared light detector 120 and measure the resistance between ohmic contacts 112 and 113 while changing the applied voltage (Vgate) of top gate electrode 121. 7
  • Fig. 27 is a graph showing the infrared light response of the infrared light detector 120.
  • the vertical axis represents the change in resistance value between the ohmic contacts 112 and 113 with reference to the case where no infrared light is incident.
  • AR represents the horizontal axis, and the horizontal axis represents the applied voltage Vgate of the top gate electrode 121. From the figure, Vgate is about It can be seen that AR is zero ⁇ above -0.6 volt, and that AR varies from about -0.6 volt to about -0.15 ⁇ in the range of about -0.6 volt to -0.8 volt.
  • the result of Fig. 27 shows that if a negative voltage in the range shown in Fig.
  • the quantum plate and point contact 'network' transistor that are electrically isolated from the surroundings are formed, and infrared light is used.
  • the electrons in the quantum plate 24h are sub-band excited, and the electrons are absorbed by the drain electrode 115 through the two-dimensional electron layer 26f, and the quantum plate 24h is ionized.
  • the conductivity of the two-dimensional electron layer 26f is increased by this ionization charge. Indicates that it has risen. That is, the infrared light detector of the fifth embodiment is formed, and as a result, infrared light is detected. Note that the AR fluctuation in the range of approximately -0.6 volt force-0.8 volt is based on the black body radiation of the infrared light source vessel force as described below.
  • FIG. 28 is a graph of the infrared light wavelength selection characteristics of the infrared light detector 120, where the vertical axis represents AR and the horizontal axis represents the infrared light wavelength. ⁇ R was measured by changing the wavelength of incident infrared light from 8 ⁇ m to 18 ⁇ m. From FIG. 28, it can be seen that the infrared light detector 120 selectively detects infrared light of about 14.5 m. The energy of infrared light with a wavelength of 14.6 ⁇ m corresponds to the intersubband excitation energy of a 10 nm thick GaAs layer, and the quantum plate 24h of this infrared photodetector is a 10 nm thick GaAs layer. It corresponds to that.
  • the infrared light from the infrared light source held at room temperature (300K) was guided to the infrared light detector 120 cooled to a low temperature (4.2K). Therefore, the black body radiation from the infrared light source container held at room temperature is incident on the infrared light detector 120, and the intensity of this black body radiation is about 16 times the intensity of the infrared light source. large. Therefore, in the measurement of the above example, a large amount of photons due to black body radiation are incident, and a large amount of free electrons based on the absorption of black body radiation are present in the two-dimensional electron layer 26f. This is a measurement in the state where the photon detection sensitivity is near saturation.
  • the current I and resistance R of the two-dimensional electron layer 26f are the free electron concentration n, electron charge e, electron mobility,
  • the channel width W, channel length L, and source-drain applied voltage V are expressed as follows:
  • FIG. 29 is a diagram showing the relationship between the free electron concentration ⁇ and the resistance R of the two-dimensional electron layer 26f.
  • Figure A the change of R with respect to the number of escaped electrons ⁇ is small in the region where n is large, while the region where the free electron concentration ⁇ is small ( ⁇ At 15 Zm 2 ), the electron mobility is also a function of n, so the change in resistance R with respect to ⁇ increases rapidly.
  • the above measurement without applying the back gate voltage corresponds to the measurement in (1) in the figure. Therefore, if the size of the quantum plate is reduced to about 10 m X m, the back gate voltage is applied, and measurement is performed in the state B in the figure, the detection limit number ⁇ ⁇ can be set to 1. it can.
  • the detection limit number ⁇ N 1 can be realized.
  • FIG. 30 is a diagram showing the dependence of the conductivity (conductance) of the infrared photodetector on the back gate voltage Vbg.
  • the infrared light source container was cooled to 4.2K and measured.
  • the free electron concentrations of A and B in the figure correspond to the free electron concentrations of A and B in Figure 29, and C corresponds to the electron concentration just before depletion (n ⁇ O. 5 X 10 14 Zm 2 ). Therefore, it is obvious that the electron concentration just before depletion can be realized by applying a back gate voltage of about 0.7 volts.
  • FIG. 31 is a diagram schematically showing the current transport phenomenon of the two-dimensional electron layer at the electron concentration immediately before depletion.
  • the random potential of the doped impurities left a small amount of electrons, as shown in (a).
  • Regions of small diameter, such as shallow puddles, are present one after another, and current is formed by electrons moving through these regions by tunnel transitions.
  • the quantum plate on the two-dimensional electron layer is ionized by irradiation with infrared light, the size of each region changes based on this ionic charge, so the tunnel probability between individual regions changes significantly. (This effect is called a point contact 'network' transistor).
  • the infrared photodetector of the present invention compared to the conventional infrared photodetector. Even a single infrared phototon with high sensitivity can be detected.
  • the configuration and manufacturing method are simple, a detector suitable for arraying can be realized. Therefore, it is extremely useful when used in measurement technology fields that require highly sensitive detection of infrared light or industrial fields that require video signals using infrared light.

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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

赤外光検出器
技術分野
[0001] 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。
背景技術
[0002] 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）。し力し、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* = 101QcmHz° 5 /Wの オーダーである。
[0003] 第 2に、波長 100 m (ミクロン)力も 600 m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)、 0. 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ィ匕 するように構成されており、分極又はイオンィ匕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ィ匕しているので、遠赤外フオ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、遠赤外フオトン一個の 吸収をも検出できる。し力しながら、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 ゥ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 、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 1 95に吸収される。電子 194の脱出による量子ドット 193のイオンィ匕状態は長時間継 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、このイオンィ匕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 等のへテロェピタキシャル半導体基板力 形成した量子井戸上に、 A1や Al O等の
2 3 金属や金属酸ィ匕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ぐ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。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題 [0005] 上記したように、波長数 μ mから数百 μ mまでの広 、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力つた。
[0006] 本発明は上記課題に鑑み、波長数 μ mから数百 μ mまでの広 、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。
課題を解決するための手段
[0007] 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 、る。
[0008] 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 つ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 1Z2より小さい、または、 1 μ mより小さいことのどちら力 vj、さい方のサイズを有する周囲力も電気的に孤立した 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 1Z2より大きい、数/ z mか ら数 100 m角の周囲力も電気的に孤立した 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。
[0009] 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 、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。 [数 1]
E(i) = Ex+Ey +Ei +U(r) (1) 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 Eをサ
0 ブバンドエネルギーの基準点にとって E =0とし、かつ ΔΕ =E -E と記せば、基
0 01 1 0
底状態 (i = 0)と、第一励起状態 (i=l)のエネルギーはそれぞれ下記（2) (3)式のよ うに表せる。
[数 2]
E(Q) = EX + Ey+U(r) (2)
[数 3]
E(l) = Ex + Ey+AE0l+U(r) (3) ここで、サブバンド間エネルギー ΔΕ は、 z方向の電子閉じ込め効果によるため、 2
01
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!、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、 Vは電磁波の周波数)を満たすだけでなぐ電磁波が 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。
画
E{ )→E{\) (4)
[数 5] E0l=hv (5) 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。
[0011] マイクロストリップアンテナ（Microstrip Antenna)は、広!、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ィ 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； z m力 数百 IX mまでの広い波長範囲の赤外光が検出できる。
[0012] 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ィ匕を電荷敏感トランジスタで検知するメカ- 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（一 z方向）に脱出することにより量子ドット 1がイオンィ匕し、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と力も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。
[0013] 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次元電子ガスにぉ ヽて、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力 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. Le tt. 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。
[0014] 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へテ ロェ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。
[0015] 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- ズムと、生じた量子ドットのイオンィ匕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のイオンィ匕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力 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ぐまた、電荷 敏感トランジスタは、単電子トランジスタでもよい。
[0016] 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 oc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、 E は基底サブバンド、 E は第一励起サブバンドである。図 3 (b
0 1
)は、電子の励起過程 α、散乱過程 β、移動過程 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％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 U を示し、ノ、ツチング部分 9は電子
Β
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 aの後に、サブピコ秒力 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 "Intersubban d relaxation of two-dimensional electrons in a parallel magnetic field" SEMICOND S CI 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は舌し雑ホアンンャノレま 7こは格十 (scattering due to random potentials or phon on scattering)の景響で起こる。
[数 6]
E(\)→E'(0) ^ E(0) + AE0l (6) ただし、
[数 7]
E( )= Ex + Ey +UQD
( γ ここで、量子ドット 1内の電子が感ずるポテンシャル u は光子吸収の素過程ごとに
QD
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、 U < U < U 、の範囲にある。散乱過程 j8によって xy
QD-bottom QD QD-Fermi
面内の運動エネルギーは、上記（6)及び（7)式より、
[数 8]
( ' + ノ) - {Ex + Ey) = E Q) ~ E(0) ^ AE0l = h v (8) 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 U を h v (h:プランク定数、 V：光子の振動数)より小さく制御すれば、励起電子は散
B
乱過程 j8の後に、直ちに過程％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、そのイオンィ匕状態は長時間 (数ナノ秒力も数十秒)持続する。そのイオンィ匕を電 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 U を外部力 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
B
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 V、る。
[0018] 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。
[0019] 上記説明では、周囲力 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がイオンィ匕し、量子プレート 10のィォ 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と力らなり、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 'ネットヮ 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ァ 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がイオンィ匕される。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つ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。ィォ 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。
[0021] 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。
[0022] 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力 上記ポィ 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ィ 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 ルギ一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 «続時間は十分長い。量子ドットのイオンィ匕電荷の電界で、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つて積分すれば、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。
[0023] 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ぐイオン化継 続時間が十分長い。イオンィ匕電荷により、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ァ レイ化する場合に作製が容易になる。
[0024] 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 トランジスタ力 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。
[0025] 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
[0026] 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ぐ従って、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。
[0027] 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 多層へテロェピタキシャル成長基板力も形成することができる。例えば、高度に発達 した III— V族半導体へテロェ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 体多層へテロェピタキシャル成長基板を予め作製しておき、この基板をメサエツチン 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。
[0028] 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 電極と力 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力 なって 、てもよ 、。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 ることがでさる。
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)だけし力持たず、 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）〖こィォ ン化することができる。このイオンィ匕によって、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 10η (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へテロェピタキシ 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 mから数十/ z m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 【こ； して 0 発明の効果
[0030] 本発明の赤外検出器によれば、波長数/ z m力 数百/ z m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。
図面の簡単な説明
[0031] [図 1]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 -ズムと、生じた量子ドットのイオンィ匕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。
[図 2]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ィ匕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。
[図 3]横方向脱出メカニズムを詳しく説明する図である。
[図 4]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ィ匕を、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。
[図 5]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へテロ ェピタキシャル成長基板を示す模式図である。
[図 6]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 7]図 6の工程に引き続いて行う工程を示す。
[図 8]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 9]図 8の工程に引き続いて行う工程を示す。
[図 10]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 11]図 10の動作の後の動作を示す図である。
[図 12]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。
[図 13]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。 圆 14]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。
圆 15]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。
圆 16]本発明の赤外光検出器の作製工程を示す図である。
圆 17]本発明の赤外光検出器の構成を示す図である。
圆 18]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。
圆 19]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 20]図 19の工程に引き続 、て行う工程を示す図である。
圆 21]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。
圆 22]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。
圆 23]本発明の第 5の実施の形態の赤外光検出器に用いる、半導体多層へテロェピ タキシャル成長基板を示す図である。
圆 24]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。
圆 25]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。
[図 26]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。
[図 27]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。
[図 28]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。
[図 29]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。
[図 30]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。
[図 31]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。
圆 32]従来技術を説明する図である。
符号の説明
1 量子ド、ッ卜
2 電子 ポイントコンタクト
ソース電極
ドレイン電極
サイドゲート電極
脱出電極
障壁層
波動関数の広がり
量子プレート
ポイントコンタクト 'ネットワーク 'トランジスタ 2次元電子層
ソース電極
ドレイン電極
バックゲート電極
第 1の実施の形態の赤外光検出器 基板
Si— GaAs層
Si-Al Ga As層
0.3 0.7
2次元電子層（GaAs層、量子井戸層）a 量子ド、ッ卜
b 量子ドットの側壁
c 脱出電極
d ソース電極
e ドレイン電極
f ポイントコンタクト
g 狭窄領域
1 狭窄領域
h 量子プレート
中間層（Al Ga As層）
1 2次元電子層（GaAs層、量子井戸層）
a ソース電極
b ドレイン電極
c サイドゲート
d 接続部
e ポイントコンタクト
f 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 Al Ga As
0.3 0.7
Si— Al Ga As層
0.3 0.7
Al Ga As
0.3 0.7
基底サブバンド準位
励起サブバンド準位
障壁
上部絶縁層
下部絶縁層
メサエッチング領域
パッチ部
赤外光フオトン
z z方向の振動電界
電子
イオン化電荷（ + e)
イオン化電荷の電界
電流
直列アレー型赤外光検出器
二次元アレー型赤外光検出器
導電層（Si— GaAs層）
基板
赤外光検出器 基板
メサエッチング領域
量子ドットと脱出電極を形成する領域
単電子トランジスタの量子ドット
パッチ部（ソース電極）
ドレイン電極
ゲート電極
赤外光検出器
ポイントコンタクト 'トランジスタ
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 パッチ部
第 1のゲート電極
第 2のゲート電極
赤外光検出器
メサエッチング領域
量子ドットと脱出電極を形成する領域
メサエッチング領域
パッチ部
ゲート電極
赤外光検出器
パッチ部
第 2のゲート電極
第 1のゲート電極
基板
赤外光検出器
バックゲート電極層（n— GaAs層）
金属格子
才ーミックコンタクト 113 才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
発明を実施するための最良の形態
[0033] 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 、る半導体多層ヘテロェ 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 導体のへ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。
[0034] 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— A1
0.
Ga As層 23と Al Ga 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
3 0.7 1 ている。 GaAs層 24、 Si— Al Ga As層 23、 Al Ga As層 25の厚さ、及び Al Ga
0.3 0.7 x 1-x 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
1-x
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、 A1 Ga As層 25と Al Ga As層 27とそれぞれヘテロ接合を形成し、量子井戸を形 1 0.3 0.7
成している。 GaAs層 26、 Al Ga As層 25、 Al Ga As層 27の厚さ、及び Al Ga x 1-x 0.3 0.7 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
1-x
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。
[0035] 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— Al Ga As層 28及び Al Ga As層 2
0.3 0.7 0.3 0.7
9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、例えば分子線ェピタキシ 一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【こ、 2次元電子層の符号 24、 26の後【こ ノレファベットを 付加して引用する。
[0036] 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 Al Ga As層 25に到るまで行って、 2次
1
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力 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 24 a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 はなぐ側壁 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力りや 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。
[0037] 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 10 mから 80 m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. 6 m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、 Δ Ε = 140
01 meV ( =hc/9. 6 m、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. 3 μ m力ら 2 μ mの範囲の正方形とするのが好ましい。
[0038] 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 Al Ga As層 25を、 25 (26c)はサイドゲート電極 26c
1
上の Al Ga As層 25を、また、 25 (26a)はソース電極 26a上の Al Ga As層 25を
1 1
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。 [0039] 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)は上方力 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!/、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 1 m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, 26 cの電源等への接続は、図 6 (a)に示した 2点鎖線枠外でォ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。
[0040] 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)上に一部架力つて形成する。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= λ ε Ζ2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、 λ ε = λ /3. 6である。ノツチ部 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 A1等の金属で良ぐリフトオフ等によって形成する。
[0041] 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 3 6の面に平行な振動電界を有する赤外光フオトン 38—個力 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を一 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。
[0042] 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がイオンィ匕し、 +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。 011 (b)に示 すように、量子ドット 24aのイオンィ匕は、外部力も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、赤外光フオトン 1個の検出感度が得られる。
[0043] 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 、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、ノツチ部 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。
[0044] 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)は説明をわ力りやすくするため、 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、 Al Ga As層 25に到るまでメサエッチングして量子ドット
1
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、 Al Ga 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
0.3 0.7
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。
[0045] 動作原理は図 10、図 11に示したそれと同様である力 量子ドット 24aの下部のポィ 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— IV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を狭窄ィ匕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 X 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。
[0046] 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)は各層のへ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 Al Ga As
0.3 0.7 層とした点である。
[0047] 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. 3 111カら1 111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。
[0048] 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 5 3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ぐパッチ部 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= λ ε /2に選 び、量子ドット 24aの約 1Z3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 U 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 1
B
7 (c)に示している。この検出器の検出赤外光波長えは、 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 = 10 m (D = 8nm)からえ = 200 m (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。
[0049] この構成によれば、ノツチ部 56の面に平行な振動電界を有する赤外光フオトン一 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 U 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 、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に到るまでメサェ ツチングして、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力 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、ノ^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= λ ε /2に選 び量子ドット 24aの約 1Z3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 U 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
B
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ィ匕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。
[0051] この構成によれば、ノツチ部 74の面に平行な振動電界を有する赤外光フオトン一 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工 ネルギ一が 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 U よりも高ければ、狭窄部分 24g, 24iに脱出し
B
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のィ 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、赤外光フオトン 1個の検出が可能な感度を達成できる。
[0052] 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 る点は共通する力 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 8 2を形成する。
[0053] 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。
[0054] 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、 Υ'— 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、ノツチ部 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 2 4a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 U を形成する点は、
B
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を狭窄ィ匕してポイントコンタクト 26eを形成して 、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の下部にある点力 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。
[0055] この構成によれば、ノ ツチ部 88の面に平行な振動電界を有する赤外光フオトン一 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工 ネルギ一が 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 U よりも高ければ、脱出電極 24cに脱出し、量子ドット
B
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。ィォ 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。
[0056] 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 5 1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、ノツチ部 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。
[0057] 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へテロェピタキシ 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、 Al Ga As層の組成比 x
1
が徐々に変化した勾配層であり、図 23 (b)に示すように、この糸且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 ァ一層（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 ヽ る。
[0058] 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え の 1Z2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 24 h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= λ ε Ζ2である。 2次元電子層 26fの対向する 2辺にはォ 一ミックコンタクト 112, 113を介してソース電極 114、ドレイン電極 115【こ接続して!/、 る。ォ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 A1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バタ ーンユングで形成することができる。
[0059] 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ヮ 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のイオンィ匕電荷の電界 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 タト ·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。
[0060] 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 ベて、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 一ト 24hの形成にメサエッチングを用 ヽ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、 10 O ^ m, 40 mである。量子プレート 24hと 2次元電子層 26fとの距離は lOOnmであ る。
[0061] 図 26は、赤外光検出器 120の上面ゲート電極 121とォ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 力 S 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 がわカゝる。
[0062] 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に波長え = 14. 5 m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、ォーミックコンタクト 112, 113間の抵抗を測 し 7こ。
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、ォーミックコンタクト 112, 113間の抵抗値の変化 A R 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 ARがゼロ Ωであり、 Vgateが約— 0. 6voltから— 0. 8voltの範 囲では ARが約—0. 15 Ω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力らー 0. 8voltの範囲の ARの揺らぎ（fluctuation )は、下記に説明す るように赤外光源容器力 の黒体輻射に基づく。
[0063] 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 AR、横 軸は赤外光波長を示す。入射赤外光の波長を 8 μ mから 18 μ mまで変化させて、 Δ Rを測定した。図 28から、赤外光検出器 120は約 14. 5 mの赤外光を選択的に検 出することがわかる。波長 14. 6 μ m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。
[0064] 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 た赤外光源容器力ゝ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。
[0065] 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、黒体輻射によるノックグラウンド '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 、チヤ 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
[数 9]
Figure imgf000035_0001
[数 10]
R = (L/W)(l/ne ) (10)
Δ n個の赤外光励起によって量子プレート 24hから Δ n個の電子が脱出し、量子プ レート 24hが Q= Ane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 Δ I及び Δ Rは次式で表される。
[数 11]
AI ^Ane W(V/L) (11)
[数 12]
AR^(L/W)(i/Ane ) (12) 量子プレートのサイズが 50 mX 200 m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、ノ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 Κ(Κ= Δΐ/Ι= AR/R)は、 K=3X 10— 6であ つた。この測定条件においては自由電子濃度 ηが 2.1 X 1015/m2であったので、上 記検出限界値 K力 光子検出限界個数 AN(AN=nLWX ΔΐΖΐ)を求めると、 Δ Ν= 100個になる。
量子プレートのサイズを小さくすれば、同じイオンィ匕電荷 Q = e Δη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 10 mX 10 mに小さくすれば、 ΔΝ= 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 ΔΝを小さくする方法を説 明する。
図 29は、自由電子濃度 η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 Δ ηに対する Rの変化は小さぐ 一方、図の Βに示すように、自由電子濃度 ηが小さい領域 (ηく 0. 5 X 1015Zm2 )で は、電子移動度 も nの関数となるので、 Δ η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 Αにおける測定に対応する。従 つて、量子プレートのサイズを約 10 m X mに小さくし、バックゲート電圧を印 カロして、図の Bの状態で測定するようにすれば、検出限界個数 Δ Ν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 負電圧を印カロして、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 とすることによつても検出限界個数 Δ N = 1を実現できる。
[0067] 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^O. 5 X 1014 Zm2 )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 つて、空乏化直前の電子濃度を実現できることがわ力る。
[0068] 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 、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)〖こ示すように、僅かに電子が残 つた、 0. 力ら 0. 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、 このイオンィ匕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 Δ Ν= 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。
産業上の利用可能性
[0069] 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 て感度が高ぐ赤外光フオトン 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

請求の範囲
[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力 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力 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力 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力 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力 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 体多層へテロェピタキシャル成長基板カゝ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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