WO2013024624A1 - 量子カスケード検出器 - Google Patents

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WO2013024624A1
WO2013024624A1 PCT/JP2012/065908 JP2012065908W WO2013024624A1 WO 2013024624 A1 WO2013024624 A1 WO 2013024624A1 JP 2012065908 W JP2012065908 W JP 2012065908W WO 2013024624 A1 WO2013024624 A1 WO 2013024624A1
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WO
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level
quantum cascade
absorption
well layer
cascade detector
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/065908
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English (en)
French (fr)
Inventor
和上 藤田
忠孝 枝村
Original Assignee
浜松ホトニクス株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035236—Superlattices; Multiple quantum well structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

Definitions

  • the present invention relates to a quantum cascade detector using light absorption between subbands in a quantum well structure.
  • an HgCdTe (MCT) detector As a photodetector in the mid-infrared wavelength region, an HgCdTe (MCT) detector is usually used.
  • MCT HgCdTe
  • this MCT detector has problems such as containing toxic environmental pollutants and is generally difficult to use widely. For this reason, a new photodetector in such a wavelength region is required.
  • Quantum cascade detector Quantum
  • Cascade Detector is photodetectors that detect incident light by absorbing light in the cascade structure and measuring the amount of current flowing through the carriers generated by the light absorption, and can operate without bias. Have.
  • quantum cascade detectors can absorb and detect light more efficiently by cascading semiconductor stacked structures that include absorption well layers that absorb light in multiple stages. (See Patent Documents 1 to 5 and Non-Patent Documents 1 to 5).
  • Non-patent Document 2 InGaAs / InAlAs
  • Non-patent Document 3 InGaAs / AlAsSb
  • the cause of this low sensitivity may be that carrier transport is still inefficient in the current quantum cascade detector.
  • an example using a quantum cascade laser as a detector has been reported at the stage of 2002 in which a detector form has not been proposed (Non-Patent Document 4), but the sensitivity at this time is the ⁇ A / W level. Very low value.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a quantum cascade detector with improved photodetection sensitivity to incident light.
  • a quantum cascade detector includes (1) a semiconductor substrate, and (2) n pieces including a first well layer provided on the semiconductor substrate and functioning as an absorption well layer. (N is an integer of 4 or more) quantum well layers, and an active layer formed with a cascade structure in which unit stacks of n quantum barrier layers are stacked in multiple stages, (3) In the subband level structure, the lower detection level due to the absorption well layer, the upper detection level, and the second to nth well layers except the absorption well layer to the second to nth well layers (4) Light is detected by intersubband absorption between the lower detection level and the upper detection level in the absorption well layer, and the upper detection level is detected by intersubband absorption.
  • the energy gap ⁇ E between the second level and third level 23 is set so as to satisfy the condition E LO ⁇ ⁇ E 23 ⁇ 2 ⁇ E LO with respect to the energy E LO of Longitudinal Optical (LO) phonon, and the third level and the fourth level
  • the energy interval ⁇ E 34 is set so as to satisfy the condition ⁇ E 34 ⁇ E LO .
  • a cascade structure including a unit laminate structure in which the first well layer to the nth well layer and the first barrier layer to the nth barrier layer are alternately stacked in the active layer is used. Yes. And about the subband level structure in a unit laminated body, in the 1st well layer (absorption well layer), the detection lower level related to the electronic excitation between the subbands by light absorption, the detection upper level are provided, In the extraction structure portion including the second well layer to the nth well layer, an extraction level structure with the second level to the nth level related to electron transport and extraction is provided. According to such a level structure, light detection operation by taking out light absorption between subbands and a current generated by light absorption can be suitably realized.
  • the electrons excited to the detection upper level by light absorption are moved and relaxed to the second level by the resonant tunneling effect, and the extracted levels from the second level to the nth level are also reduced.
  • the energy interval between the second level and the third level is defined by the condition E LO ⁇ ⁇ E 23 ⁇ 2 ⁇ E LO It is set to satisfy.
  • electrons that have moved from the detection upper level to the second level due to the resonant tunneling effect are extracted at a high speed from the second level via LO phonon scattering. Thereby, it can suppress that the electron excited to the detection upper level by light absorption relaxes to a detection lower level again.
  • the energy interval between the third level and the fourth level is set as the condition ⁇ E 34 ⁇ E LO It is set to satisfy.
  • the plurality of levels including the third and fourth levels are changed to the second level due to LO phonon scattering. It can function as a level to which electrons are extracted from the level, and the electron transport can be stabilized and speeded up.
  • the design of the electron extraction structure is facilitated, and the characteristics during the manufacture of the detector are stabilized and the yield is improved. It becomes possible.
  • a quantum cascade detector with improved light detection sensitivity to incident light can be suitably realized. Note that the subband level structure in the unit stack as described above can be designed and controlled by designing the quantum well structure in the unit stack.
  • the detection lower level and the upper level are provided in the absorption well layer, and the second to nth wells are provided.
  • an extraction level structure with the second to nth levels is provided, and electrons excited to the detection upper level are moved to the second level by the resonance tunnel effect, and
  • the energy interval between the second level and the third level is set as E LO ⁇ ⁇ E 23 ⁇ 2 ⁇ E LO
  • the energy interval between the third level and the fourth level is set as ⁇ E 34 ⁇ E LO
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a basic configuration of a quantum cascade detector.
  • FIG. 2 is a diagram showing a subband level structure in the active layer of the quantum cascade detector.
  • FIG. 3 is a graph showing an anti-crossing gap between the detection upper level and the second level.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of the unit laminate structure constituting the active layer.
  • FIG. 5 is a chart showing an example of the structure of a unit laminate for one cycle in the active layer.
  • FIG. 6 is a graph showing the anticrossing gap dependence of the tunneling time of electrons from the detection upper level to the second level.
  • FIG. 7 is a graph showing a light absorption spectrum obtained by the quantum cascade detector.
  • FIG. 8 is a graph showing the energy interval dependence of the scattering time due to LO phonon scattering from the second level to the third level.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of the basic configuration of a quantum cascade detector according to the present invention.
  • the quantum cascade detector 1A of the present embodiment is a photodetector that detects light by utilizing light absorption by electronic excitation between subbands in a semiconductor quantum well structure.
  • the quantum cascade detector 1 ⁇ / b> A includes a semiconductor substrate 10 and an active layer 15 formed on the semiconductor substrate 10.
  • the active layer 15 has a cascade structure in which semiconductor stacked bodies including absorption well layers used for absorbing incident light are stacked in multiple stages. Specifically, a semiconductor multilayer structure composed of n quantum well layers including a first well layer functioning as an absorption well layer and n quantum barrier layers, where n is an integer of 4 or more, is a unit for one period. An active layer 15 having a cascade structure is configured by stacking the unit stacks 16 in multiple stages.
  • the number of unit laminates 16 in the active layer 15 is appropriately set according to the light detection characteristics required in the detector 1A.
  • the active layer 15 is formed directly on the semiconductor substrate 10 or via another semiconductor layer. In the configuration example shown in FIG. 1, a lower contact layer 11, an active layer 15 in which unit stacked bodies 16 are stacked in multiple stages, and an upper contact layer 12 are sequentially stacked on a semiconductor substrate 10 in order from the substrate side. Thus, the element structure of the quantum cascade detector 1A is formed.
  • FIG. 2 is a diagram showing a subband level structure in the active layer of the quantum cascade detector 1A shown in FIG.
  • each of the plurality of unit laminated bodies 16 included in the active layer 15 includes a first barrier layer 171 and an absorption well layer 161 that is a first well layer in order from the unit laminated body 16 a in the previous stage.
  • the extraction structure unit 18 is configured by alternately stacking second to n-th barrier layers and second to n-th well layers. With such a configuration, a subband level structure, which is an energy level structure with a quantum well structure, is formed in the unit laminate structure 16.
  • the unit stacked body 16 in the present embodiment has a sub-band level structure in which the detection lower level L 1a and the detection upper level L 1b due to the absorption well layer 161 and the extraction structure portion 18 excluding the absorption well layer are included. It has the second level L 2 , the third level L 3 , the fourth level L 4 ,..., The nth level L n caused by each well layer.
  • the second level L 2 to the n-th level L n are levels generated as a result of quantum mechanical coupling caused by the second to n-th well layers, for example.
  • the detection lower level L 1a and the upper level L 1b are levels related to light absorption by electronic excitation between subbands.
  • the second level L 2 to the nth level L n constitute an extraction level structure (relaxation level structure) related to relaxation, transport, and extraction of electrons excited by light absorption.
  • the lower detection level L 1a is, for example, a level corresponding to the ground level in the absorption well layer 161.
  • the detection upper level L 1b is an energy level higher than the detection lower level L 1a , and is a level corresponding to, for example, the excitation level in the absorption well layer 161.
  • the second level L 2 to the n-th level L n are levels caused by the ground level in the second to n-th well layers, for example.
  • the second level L 2 to the n-th level L n constituting the extraction level structure are usually the second level L 2 on the absorption well layer 161 side and the second level L 2 on the unit stack 16b side on the subsequent stage.
  • the energy is set so as to decrease sequentially toward the n level L n . However, the energy order of these levels may be partially changed as long as electrons can be transported.
  • the energy interval ⁇ E 12 between the detection upper level L 1b and the second level L 2 for extracting electrons is considered in consideration of the movement of electrons due to the resonant tunneling effect.
  • the coupling between the levels is set to be sufficiently large.
  • the magnitude of the coupling between the levels can be evaluated by an energy gap of anti-crossing (anti-crossing) between the levels, as will be described later.
  • the LO phonon energy E LO is 36 meV when the quantum well layer is made of GaAs, and 32 meV when InAs is used, which is substantially the same as the above 34 meV.
  • the detection level L 1a of the absorption well layer of the subsequent unit stacked body 16 b is reached. And transported and extracted at high speed.
  • a plurality of unit laminates 16 constituting the active layer 15 can be used. Cascade light absorption occurs in layer 15. Then, the forward current generated thereby is taken out and the amount of the current is measured to detect the incident light h ⁇ .
  • the first well layer to the nth well layer and the first barrier layer to the nth barrier layer are alternately stacked.
  • a cascade structure using the stacked body 16 is used.
  • an extraction level structure is provided by the second level L 2 to the nth level L n related to the transport and extraction of electrons to the unit laminate 16b of the next period. According to such a level structure, it is possible to suitably realize light detection operation by light absorption between subbands and extraction of a current generated by light absorption.
  • the electrons excited to the detection upper level L 1b by the light absorption in the well layer 161 are moved and relaxed to the second level L 2 by the resonant tunneling effect, so that the electrons are moved at high speed.
  • the energy interval between the second level L 2 and the third level L 3 in the extracted level structure of the second level L 2 to the nth level L n is determined by the condition E LO ⁇ ⁇ E 23 ⁇ 2 x E LO It is set to satisfy.
  • electrons that have moved from the detection upper level L 1b to the second level L 2 due to the resonant tunneling effect move from the second level L 2 to the third and subsequent levels via LO phonon scattering. It will be pulled out at high speed. This suppresses the electrons excited to the upper level L 1b from being relaxed again to the lower level L 1a without being transported to the subsequent unit stacked body 16b, thereby improving the efficiency of the light detection operation. Can be improved.
  • the energy interval between the third level L 3 and the fourth level L 4 is set as the condition ⁇ E 34 ⁇ E LO It is set to satisfy.
  • the third, fourth, A plurality of levels including the levels L 3 and L 4 can function as a level to which electrons are extracted from the second level L 2 due to LO phonon scattering. Thereby, the transport of electrons in the extraction level structure can be stabilized and speeded up.
  • the design of the electron extraction structure is facilitated, the characteristics are stabilized during the manufacture of the detector, and the degree of freedom in fluctuations in crystal growth is achieved. It is possible to realize improvement and improvement in yield. As described above, it is possible to suitably realize a quantum cascade detector with improved photodetection sensitivity with respect to incident light by efficiently causing carrier electrons excited by light absorption in the absorption well layer 161 to function as a forward current. Can do. Note that the subband level structure in the unit stacked body 16 as described above can be designed and controlled by designing the quantum well structure in the unit stacked body 16.
  • the energy interval ⁇ E 24 between the second level L 2 and the fourth level L 4 is set to satisfy the condition ⁇ E 23 ⁇ E 24 ⁇ 2 ⁇ E. LO It is preferable to set so as to satisfy.
  • the second level L 2 is changed to the third level, the fourth level L 3 , and the second level L 4 . It is possible to suitably realize extraction of electrons at high speed due to LO phonon scattering. Thereby, it is possible to further stabilize and speed up the transport of electrons to the subsequent unit stacked body 16b in the extraction level structure of the second level L 2 to the n-th level L n .
  • the energy interval ⁇ E 34 between the third level L 3 and the fourth level L 4 that are set close to each other so as to function as a level at which electrons are extracted from the second level L 2 is further increased.
  • Condition ⁇ E 34 ⁇ 25 meV It is preferable to set so as to satisfy.
  • the absorption well layer 161 is preferably formed of a semiconductor layer doped with an n-type impurity that supplies electrons. Thereby, the light detection by the intersubband absorption between the detection lower level L 1a and the upper level L 1b in the absorption well layer 161 can be suitably realized.
  • the second to n-th well layers in the unit stacked body 16 are each composed of an undoped semiconductor layer. It is preferable. Thereby, in the extraction structure part 18 in which the extraction level structure is formed, electrons can be transported suitably.
  • the detection upper level L 1b caused by the absorption well layer 161 and the first level caused by the second well layer The two-level L 2 means that the energy gap (anti-crossing gap) ⁇ E AC between the levels is 5 meV ⁇ ⁇ E AC ⁇ 30 meV It is preferable to set so as to satisfy. Thereby, electrons excited by light absorption can be relaxed and moved at high speed and with high efficiency by the resonant tunneling effect from the detection upper level L 1b to the second level L 2 .
  • the anti-crossing gap represents the magnitude of the coupling between two target levels. Specifically, the anti-crossing gap is formed when the two levels are located at the same energy by applying an electric field or the like. Defined by the level interval.
  • FIG. 3 is a graph showing an anti-crossing gap ⁇ E AC between the detection upper level L 1b and the second level L 2 in an example of the quantum cascade detector described later.
  • the graph (a) in FIG. 3 shows the energy difference E 1b-1a between the lower level L 1a and the upper level L 1b and the energy difference E 2-1a between the lower level L 1a and the second level L 2. Is shown.
  • the horizontal axis represents electric field strength (kV / cm), and the vertical axis represents energy (eV).
  • the graph (b) in FIG. 3 shows the dipole moment Z 1b-1a between the lower level L 1a and the upper level L 1b , and the lower level L 1a and the second level L 2 . Shows the dipole moment Z2-1a between the levels.
  • the horizontal axis represents the electric field strength (kV / cm), and the vertical axis represents the dipole moment (nm). Note that the electric field strength on the horizontal axis is common in the graphs (a) and (b) of FIG. Further, in these graphs of FIG. 3, a specific configuration example shown in FIG. 4 to be described later is assumed.
  • the energy dispersion curves intersect as shown by the broken line in the energy dispersion diagram of FIG.
  • the energy gap called anticrossing gap Delta] E AC.
  • the anti-crossing gap may be expressed by a half value of the energy interval, but here, as described above, the energy width itself is defined as the anti-crossing gap.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the configuration of the unit laminate structure constituting the active layer in the quantum cascade detector shown in FIG.
  • FIG. 4 shows the quantum well structure and the subband level structure of a part of the multistage repeating structure of the unit stacked body 16 including the absorption well layer 161 in the active layer 15.
  • the element structures shown in FIGS. 1 and 4 can be formed by crystal growth by, for example, molecular beam epitaxy (MBE) or metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE).
  • an n-type InP single crystal substrate is used as the semiconductor substrate 10 in the configuration shown in FIG. Then, on this InP substrate 10, an InGaAs lower contact layer 11 having a thickness of 600 nm, an active layer 15 in which unit laminated bodies 16 are stacked in multiple stages, and an InGaAs upper contact layer 12 having a thickness of 200 nm are sequentially formed from the substrate 10 side. By sequentially laminating, an element structure of the quantum cascade detector 1A is formed.
  • the active layer 15 in this configuration example is configured by stacking unit stacks 16 including absorption well layers 161 in 30 cycles. Further, as shown in FIG. 4, the unit stacked body 16 for one cycle is configured as a quantum well structure in which eight quantum well layers 161 to 168 and eight quantum barrier layers 171 to 178 are alternately stacked. Has been.
  • the quantum well layers are each composed of an InGaAs layer.
  • Each quantum barrier layer is composed of an InAlAs layer.
  • the active layer 15 is comprised by the InGaAs / InAlAs quantum well structure.
  • the first barrier layer 171 on the most previous unit laminated body side, the second to eighth barrier layers 172 to 178 excluding the absorption well layer 161 which is the first well layer, and the first The second to eighth well layers 162 to 168 constitute an extraction structure 18 used for electron transport and extraction.
  • the absorption well layer 161 used for light absorption is doped with Si as an n-type impurity in order to supply electrons as carriers.
  • the well layers 162 to 168 other than the absorption well layer 161 are all undoped layers.
  • FIG. 5 shows an example of a specific structure of the unit laminate body 16 for one period in the active layer 15.
  • the unit stacked body 16 has a detection lower level L 1a and a detection upper level (detection level) due to the absorption well layer 161 in the subband level structure shown in FIG. upper level) L 1b , and second level L 2 to eighth level L 8 caused by the second well layer 162 to the eighth well layer 168 of the extraction structure 18, respectively.
  • the second to eighth levels L 2 to L 8 constitute an extraction level structure that transports the electrons excited to the upper level L 1b to the subsequent unit stack 16b. ing.
  • the anti-crossing gap indicates the degree of coupling between the two quantum well layers (two quantum levels) as described above, and the thickness of the barrier layer 172 between the two well layers 161 and 162. Becomes 0 when infinity is infinite, and becomes larger (coupling becomes stronger) as the barrier layer 172 becomes thinner.
  • the electron tunneling time ⁇ tunn due to the resonant tunneling effect from the detection upper level L 1b to the second level L 2 is Can be represented by here, It is.
  • FIG. 6 is a graph showing the anticrossing gap dependence of the tunneling time of electrons from the detection upper level to the second level.
  • the horizontal axis indicates the anti-crossing gap ⁇ E AC (meV) between the detection upper level L 1b and the second level L 2
  • the vertical axis indicates the tunnel time ⁇ tunn (sec). .
  • This can be said to be faster than the relaxation time (for example, about 1.4 ps) for relaxing from the upper level L 1b to the lower level L 1a , but is combined with the process of extracting electrons from the second level L 2 .
  • the tunnel time needs to be as fast as possible. Therefore, it is possible to secure a large current suitable for the photodetection operation by further increasing the anticrossing gap and setting a fast tunnel time.
  • the second level L 2 for extracting electrons from the detection upper level L 1b functions as another upper level, and the two levels L 1b , L from the detection lower level L 1a
  • the electronic transition to 2 occurs in a state that can be distinguished as an absorption spectrum.
  • the peak intensity of light absorption is lower than that of an anti-crossing appropriately set.
  • FIG. 7 is a graph showing a light absorption spectrum obtained by the quantum cascade detector.
  • the horizontal axis indicates the absorbed energy (meV)
  • the vertical axis indicates the absorption intensity (au).
  • a graph A1 indicates the absorption spectrum between the lower level L 1a and the upper level L 1b
  • graph A2 is between the lower level L 1a and the second level L 2
  • the graph A0 shows the combined absorption spectrum.
  • the anti-crossing gap between the detection upper level L 1b and the second level L 2 is in the appropriate range of 5 meV to 30 meV as described above.
  • the energy interval between the second and third levels L 2 and L 3 is set to satisfy E LO ⁇ ⁇ E 23 ⁇ 2 ⁇ E LO, and preferably the energy interval ⁇ E 23 is set to the energy of the LO phonon. to match the E LO, it is necessary to relax quickly to the second level L 2 electrons subsequent level that moved to.
  • FIG. 8 is a graph showing the dependence of the scattering time due to LO phonon scattering from the second level to the third level on the energy interval between the second and third levels.
  • the horizontal axis represents the energy interval ⁇ E 23 (meV) between the second level L 2 and the third level L 3
  • the vertical axis represents the transition from the second level L 2 to the third level L 3 .
  • the LO phonon scattering time (sec) is shown.
  • the energy interval ⁇ E 23 between the second and third levels L 2 and L 3 is preferably set to be equal to or greater than E LO as described above.
  • E LO electrons extracted from the upper level L 1b and present at the second level L 2
  • the energy interval is preferably close to E LO , but 2 ⁇ E LO
  • the scattering time (relaxation time) ⁇ 23 is, for example, about 1 ps, and sufficient characteristics can be obtained.
  • electrons are relaxed to the third level L 3 at high speed.
  • the energy interval between the third and fourth levels L 3 and L 4 is as described above. It is preferable to set ⁇ E 34 to be smaller than E LO and bring these levels close to each other. In particular, the energy interval ⁇ E 34 is more preferably set to 25 meV or less. Accordingly, in the extraction level structure for transporting electrons, the fourth level L 4 can be suitably functioned as the level at which electrons are extracted from the second level L 2 together with the third level L 3 . it can.
  • the energy interval ⁇ E 24 ( ⁇ E 23 ⁇ E 24 ) between the second and fourth levels L 2 and L 4 , as in the case of the second and third levels L 2 and L 3 , FIG.
  • the two levels of the third and fourth levels L 3 and L 4 are extracted from the electron extraction destination due to LO phonon scattering or the like from the second level L 2. It can function suitably as a level.
  • the wave function of the fourth level L 4 and the wave function of the second level L 2 overlap.
  • the scattering time of electrons from the second level L 2 to the fourth level L 4 is increased.
  • the electrons from the second level L 2 are relaxed to the third level L 3 at a high speed, and the electrons can also be efficiently relaxed to the fourth level L 4 .
  • the design is such that as a result, relaxation from the third level L 3 to the level in the right direction of FIG. 4 can be achieved with a relaxation time of 0.34 ps. is doing.
  • the subband level structure in the quantum cascade detector described above cannot operate as a laser because it is not a level structure aimed at laser operation. This is apparent when considering the following points. First, since the quantum cascade detector is configured such that all levels function as an efficient current path when there is no voltage, almost no current flows when a voltage is applied. Further, the above detector is not provided with a mechanism for forming an inversion distribution for operating as a laser.
  • the absorption well layer 161 that absorbs incident light is doped with n-type impurities.
  • This absorption well layer corresponds to a light emission well layer in a light emitting device including a laser.
  • a quantum cascade laser an impurity is doped not in a light emission well layer but in an injection layer for transporting electrons.
  • a laser when an impurity is doped in the light emitting well layer, light is absorbed, and thus laser operation cannot be performed.
  • the quantum cascade detector according to the present invention is not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible.
  • an example in which an InP substrate is used as a semiconductor substrate and an active layer is configured by InGaAs / InAlAs is shown.
  • light absorption and detection by intersubband transition in a quantum well structure is possible.
  • various configurations may be used as long as the above-described subband level structure can be realized.
  • various material systems such as GaAs / AlGaAs, InAs / AlSb, GaN / AlGaN, and SiGe / Si can be used in addition to the above InGaAs / InAlAs.
  • Various methods may be used for the semiconductor crystal growth method.
  • the quantum cascade detector may be configured to include a semiconductor substrate and an active layer having the above-described configuration provided on the semiconductor substrate.
  • the configuration in which lattice matching is performed with respect to the InP substrate has been described.
  • a configuration in which lattice mismatch is introduced into the InP substrate may be used. In this case, the degree of freedom in element design can be increased.
  • n (n is an integer of 4 or more) including (1) a semiconductor substrate and (2) a first well layer provided on the semiconductor substrate and functioning as an absorption well layer. And an active layer formed with a cascade structure in which unit stacks of n quantum barrier layers are stacked in multiple stages, and (3) the unit stack has a subband level structure, A detection lower level caused by an absorption well layer, a detection upper level, and a second level to an nth level caused by a second well layer to an nth well layer excluding the absorption well layer, and (4 ) In the absorption well layer, light is detected by intersubband absorption between the lower detection level and the upper detection level, and the electrons excited to the upper detection level by intersubband absorption cause resonance tunneling.
  • the energy interval ⁇ E 24 between the second level and the fourth level is determined by the condition ⁇ E 23 ⁇ E 24 ⁇ 2 ⁇ E LO It is preferable to set so as to satisfy. As a result, it is possible to suitably realize extraction of electrons from the second level to the second level of the third and fourth levels by LO phonon scattering, and the like, and the electrons to the subsequent unit stack in the extraction level structure can be realized. Transport can be stabilized and speeded up.
  • the energy interval ⁇ E 34 between the third level and the fourth level which functions as the level to which electrons are extracted from the second level, further satisfies the condition ⁇ E 34 ⁇ 25 meV. It is preferable to set so as to satisfy. Thereby, the extraction of electrons from the second level can be further speeded up and stabilized, and the transport of electrons to the subsequent unit laminated body in the extraction level structure can be suitably realized.
  • the detection upper level caused by the absorption well layer and the second level caused by the second well layer have an energy gap (anti-crossing gap) ⁇ E AC of anti-crossing between the levels of 5 meV ⁇ ⁇ E AC ⁇ 30 meV It is preferable to set so as to satisfy. Thereby, electrons can be moved from the detection upper level to the second level at high speed and high efficiency by the resonant tunneling effect.
  • the absorption well layer is preferably composed of a semiconductor layer doped with n-type impurities. Thereby, it is possible to suitably realize light detection by absorption between subbands between the lower detection level and the upper level in the absorption well layer.
  • the second to n-th well layers in the unit stacked body are each made of an undoped semiconductor layer.
  • the present invention can be used as a quantum cascade detector with improved photodetection sensitivity to incident light.
  • SYMBOLS 1A Quantum cascade detector, 10 ... Semiconductor substrate, 11 ... Lower contact layer, 12 ... Upper contact layer, 15 ... Active layer, 16 ... Unit laminated body, 18 ... Extraction structure part, 161 ... Absorption well layer (1st well) Layers), 162 to 168... 2nd to 8th well layers, 171 to 178... 1 to 8 barrier layers, L 1a ... lower detection level, L 1b ... upper detection level, L 2 ... 2nd level , L 3, the third level, L 4, the fourth level, L 5 to L 8, the fifth to eighth levels.

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Abstract

　半導体基板と、ｎ個の井戸層、障壁層からなる単位積層体１６が多段に積層された活性層１５とを備えて量子カスケード検出器を構成する。単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、検出下準位Ｌ１ａ、検出上準位Ｌ１ｂと、第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎとを有し、検出下準位、上準位の間でのサブバンド間吸収によって光を検出するとともに、上準位に励起された電子は共鳴トンネル効果によって第２準位に移動し、第２～第ｎ準位を介して後段の単位積層体へと抽出される。また、第２、第３準位のエネルギー間隔をＥＬＯ≦ΔＥ２３≦２×ＥＬＯに設定し、第３、第４準位のエネルギー間隔をΔＥ３４＜ＥＬＯに設定する。これにより、光検出感度が向上された量子カスケード検出器が実現される。

Description

量子カスケード検出器
　本発明は、量子井戸構造でのサブバンド間の光吸収を利用した量子カスケード検出器に関するものである。
　中赤外の波長域における光検出器としては、通常、ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）検出器が用いられている。しかしながら、このＭＣＴ検出器は、毒性の環境汚染物質を含んでいることなどの問題があり、一般的に広く用いることは難しい。このため、このような波長域における新たな光検出器が求められている。
　近年、そのような光検出器として、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子カスケード構造を用いた量子カスケード検出器（ＱＣＤ：Quantum
Cascade Detector）が報告されている（特許文献１、非特許文献１）。量子カスケード検出器は、そのカスケード構造において光を吸収し、光吸収で生じたキャリアによって流れる電流量を計測することで、入射光を検出する光検出器であり、無バイアスで動作可能という特徴を有している。また、量子カスケード検出器では、量子カスケードレーザと同様に、光を吸収する吸収井戸層を含む半導体積層構造を多段にカスケード結合することによって、より効率的に光を吸収、検出することが可能である（特許文献１～５、非特許文献１～５参照）。
米国特許第５１６５０６５号公報 米国特許第６３２６６３９号公報 米国特許出願公開第２００７／０２２４７２１号公報 米国特許出願公開第２０１０／０１９５６８６号公報 国際公開第０３／０１０８２９号公報
L. Gendron et al.,"Quantum cascade photodetector", Appl. Phys. Lett. Vol.85 (2004)pp.2824-2826 M. Graf et al.,"InP-based quantum cascade detectors in the mid-infrared", Appl.Phys. Lett. Vol.88 (2006) pp.241118-1-241118-3 F. R. Giorgetta et al.,"InGaAs/AlAsSb quantum cascade detectors operating in the nearinfrared", Appl. Phys. Lett. Vol.91 (2007) pp.111115-1-111115-3 D. Hofstetter et al.,"Quantum-cascade-laser structures as photodetectors", Appl. Phys.Lett. Vol.81 (2002) pp.2683-2685 F. R. Giorgetta et al.,"Quantum Cascade Detectors", IEEE Journal of Quantum ElectronicsVol.45 (2009) pp.1039-1052
　量子カスケード検出器では、上記したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子カスケード構造を用いたもの以外にも、他の材料系、例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ（非特許文献２）、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ（非特許文献３）を用いて、様々な波長帯での光検出動作が報告されている。しかしながら、その光検出感度は、従来の光検出器に比べて低いレベルに留まっている。
　この低い感度の原因としては、現状の量子カスケード検出器では、キャリア輸送がまだ非効率的な状態になっていることが考えられる。実際、検出器の形態が提案されていない２００２年の段階で、量子カスケードレーザを検出器として用いた例が報告されているが（非特許文献４）、このときの感度はμＡ／Ｗレベルと非常に低い値であった。
　その後、量子カスケード検出器の開発において、電子輸送が機能するように準位を設定することによって、その感度は大幅に向上している。しかしながら、これらの検出器においても、電流経路が確保されるように構成されてはいるものの、その定量的な設計は充分には行われていない。したがって、例えば、吸収井戸層の基底準位（検出下準位）から光吸収によって上位励起準位（検出上準位）に励起された電子が、電流として取り出されずに再び基底準位に緩和してしまうなど、充分な光検出感度は実現されていない。
　本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器を提供することを目的とする。
　このような目的を達成するために、本発明による量子カスケード検出器は、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むｎ個（ｎは４以上の整数）の量子井戸層、及びｎ個の量子障壁層からなる単位積層体が多段に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、（３）単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、吸収井戸層に起因する検出下準位、検出上準位と、吸収井戸層を除く第２井戸層～第ｎ井戸層に起因する第２準位～第ｎ準位とを有し、（４）吸収井戸層における検出下準位と検出上準位との間でのサブバンド間吸収によって光を検出するとともに、サブバンド間吸収によって検出上準位へと励起された電子は、共鳴トンネル効果によって第２準位へと移動し、第２準位～第ｎ準位による抽出準位構造を介して、後段の単位積層体の吸収井戸層へと抽出され、（５）第２準位と第３準位とのエネルギー間隔ΔＥ２３は、縦光学（ＬＯ：Longitudinal Optical）フォノンのエネルギーＥＬＯに対して、条件ＥＬＯ≦ΔＥ２３≦２×ＥＬＯを満たすように設定されるとともに、第３準位と第４準位とのエネルギー間隔ΔＥ３４は、条件ΔＥ３４＜ＥＬＯを満たすように設定されることを特徴とする。
　上記した量子カスケード検出器では、活性層において、第１井戸層～第ｎ井戸層、及び第１障壁層～第ｎ障壁層が交互に積層されて構成される単位積層体によるカスケード構造を用いている。そして、単位積層体でのサブバンド準位構造について、第１井戸層（吸収井戸層）において、光吸収によるサブバンド間の電子励起に関わる検出下準位、検出上準位を設け、また、第２井戸層～第ｎ井戸層を含む抽出構造部において、電子の輸送、抽出に関わる第２準位～第ｎ準位による抽出準位構造を設けている。このような準位構造によれば、サブバンド間の光吸収、及び光吸収で生じた電流を取り出すことによる光検出動作を好適に実現することができる。
　また、上記構成では、光吸収によって検出上準位へと励起された電子を、共鳴トンネル効果によって第２準位へと移動、緩和させるとともに、第２準位～第ｎ準位による抽出準位構造において、第２準位と第３準位とのエネルギー間隔を、条件
　　ＥＬＯ≦ΔＥ２３≦２×ＥＬＯ
を満たすように設定している。このような構成では、共鳴トンネル効果によって検出上準位から第２準位へと移動した電子は、ＬＯフォノン散乱を介して第２準位から高速で引き抜かれることとなる。これにより、光吸収によって検出上準位に励起された電子が、再び検出下準位へと緩和してしまうことを抑制することができる。
　さらに、上記構成では、第３準位と第４準位とのエネルギー間隔を、条件
　　ΔＥ３４＜ＥＬＯ
を満たすように設定している。このように、第３、第４準位のエネルギー間隔をＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定する構成によれば、第３、第４準位を含む複数の準位を、ＬＯフォノン散乱による第２準位からの電子の引き抜き先の準位として機能させることができ、電子の輸送を安定化、高速化することができる。
　また、このように電子の引き抜き先を複数の準位とする構成では、電子の引き抜き構造の設計が容易化されるとともに、検出器の製造時における特性の安定化、及び歩留まりの向上を実現することが可能となる。以上により、入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器を好適に実現することができる。なお、上記のような単位積層体でのサブバンド準位構造は、単位積層体での量子井戸構造の設計によって、設計、制御することが可能である。
　本発明の量子カスケード検出器によれば、活性層を構成する単位積層体でのサブバンド準位構造について、吸収井戸層において、検出下準位、上準位を設け、第２～第ｎ井戸層を含む抽出構造部において、第２～第ｎ準位による抽出準位構造を設けるとともに、検出上準位へと励起された電子を、共鳴トンネル効果によって第２準位へと移動させ、また、第２準位と第３準位とのエネルギー間隔をＥＬＯ≦ΔＥ２３≦２×ＥＬＯとして設定し、第３準位と第４準位とのエネルギー間隔をΔＥ３４＜ＥＬＯとして設定することにより、入射光に対する光検出感度を向上することが可能となる。
図１は、量子カスケード検出器の基本構成の一例を示す図である。 図２は、量子カスケード検出器の活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。 図３は、検出上準位と第２準位との準位間でのアンチクロッシングギャップについて示すグラフである。 図４は、活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。 図５は、活性層における１周期分の単位積層体の構造の一例を示す図表である。 図６は、検出上準位から第２準位への電子のトンネル時間のアンチクロッシングギャップ依存性を示すグラフである。 図７は、量子カスケード検出器で得られる光吸収スペクトルを示すグラフである。 図８は、第２準位から第３準位へのＬＯフォノン散乱による散乱時間のエネルギー間隔依存性を示すグラフである。
　以下、図面とともに本発明による量子カスケード検出器の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
　図１は、本発明による量子カスケード検出器の基本構成について、その一例を模式的に示す図である。本実施形態の量子カスケード検出器１Ａは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子励起による光吸収を利用して光を検出する光検出器である。この量子カスケード検出器１Ａは、半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成された活性層１５とを備えて構成されている。
　活性層１５は、入射光の吸収に用いられる吸収井戸層を含む半導体積層体が多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、ｎを４以上の整数として、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むｎ個の量子井戸層、及びｎ個の量子障壁層からなる半導体積層構造を１周期分の単位積層体１６とし、この単位積層体１６を多段に積層することで、カスケード構造を有する活性層１５が構成されている。
　活性層１５における単位積層体１６の積層数は、検出器１Ａにおいて必要とされる光検出特性などに応じて適宜設定される。また、活性層１５は、半導体基板１０上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。図１に示した構成例では、半導体基板１０上に、基板側から順に、下部コンタクト層１１、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、及び上部コンタクト層１２が順次積層されることで、量子カスケード検出器１Ａの素子構造が形成されている。
　図２は、図１に示した量子カスケード検出器１Ａの活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。図２に示すように、活性層１５に含まれる複数の単位積層体１６のそれぞれは、前段の単位積層体１６ａ側から順に、第１障壁層１７１と、第１井戸層である吸収井戸層１６１と、抽出構造部１８とによって構成されている。また、抽出構造部１８は、第２障壁層～第ｎ障壁層及び第２井戸層～第ｎ井戸層が交互に積層されることで構成されている。このような構成により、単位積層体１６中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。
　本実施形態における単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、吸収井戸層１６１に起因する検出下準位Ｌ１ａ、検出上準位Ｌ１ｂと、吸収井戸層を除く抽出構造部１８の各井戸層に起因する第２準位Ｌ２、第３準位Ｌ３、第４準位Ｌ４、…、第ｎ準位Ｌｎとを有している。第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎは、例えば、第２井戸層～第ｎ井戸層に起因し、量子力学的に結合した結果生成される準位である。これらのエネルギー準位のうち、検出下準位Ｌ１ａ、上準位Ｌ１ｂは、サブバンド間の電子励起による光吸収に関わる準位である。また、第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎは、光吸収で励起された電子の緩和、輸送、抽出に関わる抽出準位構造（緩和準位構造）を構成している。
　ここで、検出下準位Ｌ１ａは、例えば、吸収井戸層１６１における基底準位に対応する準位である。また、検出上準位Ｌ１ｂは、検出下準位Ｌ１ａよりも高いエネルギー準位であって、例えば、吸収井戸層１６１における励起準位に対応する準位である。また、第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎは、例えば、それぞれ第２井戸層～第ｎ井戸層における基底準位に起因する準位である。なお、抽出準位構造を構成する第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎについては、通常は、吸収井戸層１６１側の第２準位Ｌ２から後段の単位積層体１６ｂ側の第ｎ準位Ｌｎに向けて順次エネルギーが低くなるように設定される。ただし、これらの準位のエネルギー順序は、電子の輸送が可能であれば一部で入れ替わっても良い。
　また、各サブバンド準位のエネルギー間隔については、検出上準位Ｌ１ｂと電子引き抜き用の第２準位Ｌ２とのエネルギー間隔ΔＥ１２は、共鳴トンネル効果による電子の移動を考慮して、準位間の結合が充分に大きくなるように設定される。この準位間の結合の大きさは、後述するように、準位間の反交差（アンチクロッシング）のエネルギーギャップによって評価することができる。
　第２準位Ｌ２と第３準位Ｌ３とのエネルギー間隔ΔＥ２３は、縦光学フォノン（ＬＯフォノン）のエネルギーＥＬＯに対して、ＥＬＯ以上、２×ＥＬＯ以下となる下記の条件
　　ＥＬＯ≦ΔＥ２３≦２×ＥＬＯ
を満たすように設定されている。また、第３準位Ｌ３と第４準位Ｌ４とのエネルギー間隔ΔＥ３４は、ＥＬＯよりも小さい下記の条件
　　ΔＥ３４＜ＥＬＯ
を満たすように設定されている。
　ここで、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯは、例えば、量子井戸層の半導体材料としてＩｎＧａＡｓを想定した場合、ＥＬＯ＝３４ｍｅＶである。また、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯは、量子井戸層をＧａＡｓとした場合に３６ｍｅＶ、ＩｎＡｓとした場合に３２ｍｅＶであり、上記した３４ｍｅＶとほぼ同程度である。また、上記した準位間のエネルギー間隔ΔＥ２３、ΔＥ３４のＥＬＯに関する設定条件は、抽出準位構造における電子の輸送の高速化、高効率化を考慮したものである。
　このようなサブバンド準位構造において、光が入射される以前には、ドーピングされた半導体層を用いることにより、吸収井戸層１６１の検出下準位Ｌ１ａに電子が蓄積されている。検出対象の光ｈνが活性層１５に入射すると、下準位Ｌ１ａに存在する電子は、サブバンド間での光の吸収によって検出上準位Ｌ１ｂへと励起される。上準位１ｂに励起された電子は、共鳴トンネル効果によって第２準位Ｌ２へと高速で引き抜かれ、さらに、第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎによる抽出準位構造を介し、第２準位Ｌ２から第３、第４準位Ｌ３、Ｌ４へのＬＯフォノン散乱などの緩和過程を経て、後段の単位積層体１６ｂの吸収井戸層の検出下準位Ｌ１ａへと高速で輸送、抽出される。
　このような光吸収による電子励起、励起された電子の緩和、輸送、及び次周期の単位積層体への電子の抽出を、活性層１５を構成する複数の単位積層体１６で繰り返すことにより、活性層１５においてカスケード的な光吸収が起こる。そして、これによって発生する順方向の電流を取り出し、その電流量を計測することで、入射光ｈνが検出される。
　本実施形態による量子カスケード検出器１Ａの効果について説明する。
　図１及び図２に示した量子カスケード検出器１Ａでは、活性層１５において、第１井戸層～第ｎ井戸層、及び第１障壁層～第ｎ障壁層が交互に積層されて構成される単位積層体１６によるカスケード構造を用いている。そして、単位積層体１６でのサブバンド準位構造について、吸収井戸層１６１において、光吸収によるサブバンド間の電子励起に関わる検出下準位Ｌ１ａ、検出上準位Ｌ１ｂを設け、抽出構造部１８において、次周期の単位積層体１６ｂへの電子の輸送、抽出に関わる第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎによる抽出準位構造を設けている。このような準位構造によれば、サブバンド間の光吸収、及び光吸収で生じた電流の取り出しによる光検出動作を好適に実現することができる。
　また、上記構成では、井戸層１６１での光吸収によって検出上準位Ｌ１ｂへと励起された電子を、共鳴トンネル効果によって第２準位Ｌ２へと移動、緩和させることで、電子を高速で引き抜くとともに、第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎによる抽出準位構造において、第２準位Ｌ２と第３準位Ｌ３とのエネルギー間隔を、条件
　　ＥＬＯ≦ΔＥ２３≦２×ＥＬＯ
を満たすように設定している。このような構成では、共鳴トンネル効果によって検出上準位Ｌ１ｂから第２準位Ｌ２へと移動した電子は、ＬＯフォノン散乱を介して第２準位Ｌ２から第３以降の準位へと高速で引き抜かれることとなる。これにより、上準位Ｌ１ｂに励起された電子が、後段の単位積層体１６ｂへと輸送されずに再び下準位Ｌ１ａに緩和してしまうことを抑制して、光検出動作の効率を向上することができる。
　さらに、上記構成では、第３準位Ｌ３と第４準位Ｌ４とのエネルギー間隔を、条件
　　ΔＥ３４＜ＥＬＯ
を満たすように設定している。このように、第３準位Ｌ３と第４準位Ｌ４とのエネルギー間隔をＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定して、それらの準位を近接させる構成によれば、第３、第４準位Ｌ３、Ｌ４を含む複数の準位を、ＬＯフォノン散乱による第２準位Ｌ２からの電子の引き抜き先の準位として機能させることができる。これにより、抽出準位構造における電子の輸送を安定化、高速化することができる。
　また、このように電子の引き抜き先を複数の準位とする構成では、電子の引き抜き構造の設計が容易化されるとともに、検出器の製造時における特性の安定化、結晶成長揺らぎへの自由度向上、及び歩留まりの向上等を実現することが可能となる。以上により、吸収井戸層１６１において光吸収によって励起されたキャリア電子を、効率的に順方向電流として機能させることで、入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器を好適に実現することができる。なお、上記したような単位積層体１６におけるサブバンド準位構造は、単位積層体１６での量子井戸構造の設計によって、設計、制御することが可能である。
　ここで、上記した量子カスケード検出器１Ａでのサブバンド準位構造において、第２準位Ｌ２と第４準位Ｌ４とのエネルギー間隔ΔＥ２４は、条件
　　ΔＥ２３＜ΔＥ２４≦２×ＥＬＯ
を満たすように設定されることが好ましい。このように、エネルギー間隔ΔＥ２４の上限を、ΔＥ２３と同様に２×ＥＬＯとすることにより、第２準位Ｌ２から第３、第４準位Ｌ３、Ｌ４の２準位へのＬＯフォノン散乱等による電子の高速での引き抜きを好適に実現することができる。これにより、第２準位Ｌ２～第ｎ準位Ｌｎの抽出準位構造における後段の単位積層体１６ｂへの電子の輸送をさらに安定化、高速化することができる。
　また、第２準位Ｌ２からの電子の引き抜き先の準位として機能するように近接して設定される第３準位Ｌ３と第４準位Ｌ４とのエネルギー間隔ΔＥ３４は、さらに、条件
　　ΔＥ３４≦２５ｍｅＶ
を満たすように設定されることが好ましい。これにより、第２準位Ｌ２からの電子の引き抜きをさらに高速化、安定化して、抽出準位構造における後段の単位積層体１６ｂへの電子の輸送を好適に実現することができる。
　また、単位積層体１６において、吸収井戸層１６１は、電子を供給するｎ型の不純物がドープされた半導体層からなることが好ましい。これにより、吸収井戸層１６１における検出下準位Ｌ１ａ、上準位Ｌ１ｂ間でのサブバンド間吸収による光検出を好適に実現することができる。また、検出上準位Ｌ１ｂに励起された電子の抽出構造を構成する他の井戸層については、単位積層体１６において、第２井戸層～第ｎ井戸層は、それぞれアンドープの半導体層からなることが好ましい。これにより、抽出準位構造が形成された抽出構造部１８において、電子を好適に輸送することができる。
　また、検出上準位Ｌ１ｂから第２準位Ｌ２への共鳴トンネル効果による電子の引き抜きについては、吸収井戸層１６１に起因する検出上準位Ｌ１ｂと、第２井戸層に起因する第２準位Ｌ２とは、準位間での反交差のエネルギーギャップ（アンチクロッシングギャップ）ΔＥＡＣが、条件
　　５ｍｅＶ≦ΔＥＡＣ≦３０ｍｅＶ
を満たすように設定されることが好ましい。これにより、検出上準位Ｌ１ｂから第２準位Ｌ２へと、共鳴トンネル効果によって、光吸収で励起された電子を高速、高効率で緩和、移動させることができる。
　ここで、アンチクロッシングギャップは、対象とする２つの準位の結合の大きさを表すものであり、具体的には、２つの準位が電界の印加等により同じエネルギーに位置したときに形成される準位間隔によって定義される。図３は、後述する量子カスケード検出器の実施例における検出上準位Ｌ１ｂと第２準位Ｌ２との準位間でのアンチクロッシングギャップΔＥＡＣについて示すグラフである。
　図３のグラフ（ａ）は、下準位Ｌ１ａと上準位Ｌ１ｂとのエネルギー差Ｅ１ｂ－１ａ、及び下準位Ｌ１ａと第２準位Ｌ２とのエネルギー差Ｅ２－１ａを示している。このグラフ（ａ）において、横軸は電界強度（ｋＶ／ｃｍ）を示し、縦軸はエネルギー（ｅＶ）を示している。また、図３のグラフ（ｂ）は、下準位Ｌ１ａと上準位Ｌ１ｂとの準位間の双極子モーメントＺ１ｂ－１ａ、及び下準位Ｌ１ａと第２準位Ｌ２との準位間の双極子モーメントＺ２－１ａを示している。このグラフ（ｂ）において、横軸は電界強度（ｋＶ／ｃｍ）を示し、縦軸は双極子モーメント（ｎｍ）を示している。なお、図３のグラフ（ａ）、グラフ（ｂ）で、横軸の電界強度は共通である。また、これらの図３のグラフでは、後述する図４に示す具体的な構成例を想定している。
　仮に、２つの準位間に相互作用がないときには、図３（ａ）のエネルギー分散図において破線によって示すように、エネルギーの分散曲線が交差する。一方、準位間に相互作用がある場合には、図３（ａ）に示すようにギャップが生じ、このエネルギーギャップが、アンチクロッシングギャップΔＥＡＣと呼ばれる。なお、アンチクロッシングギャップについては、エネルギー間隔の半値で表す場合等もあるが、ここでは、上記したようにエネルギー幅そのものをアンチクロッシングギャップとして定義している。
　本発明による量子カスケード検出器の構成について、活性層での量子井戸構造を含む素子構造の具体例とともに説明する。ここでは、量子カスケード検出器における全体の層構造については、図１に示した構成を用いている。また、図４は、図１に示した量子カスケード検出器における活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。
　本構成例における活性層１５の量子井戸構造では、吸収波長を５．４３μｍ（吸収エネルギー：２２８ｍｅＶ）として設計された例を示している。図４においては、活性層１５での吸収井戸層１６１を含む単位積層体１６の多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造及びサブバンド準位構造を示している。また、図１、図４に示した素子構造は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、または、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法による結晶成長で形成することができる。
　本構成例による量子カスケード検出器１Ａの半導体積層構造では、図１に示した構成において、半導体基板１０として、ｎ型ＩｎＰ単結晶基板を用いている。そして、このＩｎＰ基板１０上に、基板１０側から順に、厚さ６００ｎｍのＩｎＧａＡｓ下部コンタクト層１１、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、及び厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＡｓ上部コンタクト層１２が順次積層されることで、量子カスケード検出器１Ａの素子構造が形成されている。
　本構成例における活性層１５は、吸収井戸層１６１を含む単位積層体１６が３０周期で積層されて構成されている。また、１周期分の単位積層体１６は、図４に示すように、８個の量子井戸層１６１～１６８、及び８個の量子障壁層１７１～１７８が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。
　これらの単位積層体１６の各半導体層のうち、量子井戸層は、それぞれＩｎＧａＡｓ層によって構成されている。また、量子障壁層は、それぞれＩｎＡｌＡｓ層によって構成されている。これにより、活性層１５は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造によって構成されている。
　また、このような単位積層体１６において、最も前段の単位積層体側の第１障壁層１７１、及び第１井戸層である吸収井戸層１６１を除く第２～第８障壁層１７２～１７８、及び第２～第８井戸層１６２～１６８は、電子の輸送、抽出に用いられる抽出構造部１８を構成している。また、光吸収に用いられる吸収井戸層１６１には、キャリアである電子を供給するために、ｎ型不純物であるＳｉがドープされている。吸収井戸層１６１以外の井戸層１６２～１６８は、いずれもアンドープ層である。図５に、活性層１５における１周期分の単位積層体１６の具体的な構造の一例を示す。
　このような構成において、単位積層体１６は、その図４に示すサブバンド準位構造において、吸収井戸層１６１に起因する検出下準位（detection lower level）Ｌ１ａ、検出上準位（detection
upper level）Ｌ１ｂ、及び抽出構造部１８の第２井戸層１６２～第８井戸層１６８にそれぞれ起因する第２準位Ｌ２～第８準位Ｌ８を有している。また、第２～第８準位Ｌ２～Ｌ８は、上準位Ｌ１ｂへと励起された電子を後段の単位積層体１６ｂへと輸送する抽出準位構造（extraction level structure）を構成している。
　このような構成において、光吸収によって励起されたキャリア電子が順方向に輸送されて電流として取り出されずに、検出上準位Ｌ１ｂ及び第２準位Ｌ２から下準位Ｌ１ａへと電子が再び緩和される緩和時間は、１．４ｐｓ程度である。これに対して、本構成例では、抽出準位構造に含まれる各準位Ｌ２～Ｌ８に関して上述したエネルギー間隔等の設定により、高速、高効率で順方向に電流を流して、高感度に検出器として動作させることが可能となっている。なお、単位積層体１６を構成する量子井戸層、量子障壁層のそれぞれの層厚は、量子力学に基づいて設計されている。
　図２及び図４に示した単位積層体１６における量子井戸構造、及びそれによるサブバンド準位構造の具体的な構成条件について、具体的な数値、データを参照して説明する。まず、検出上準位Ｌ１ｂと、第２準位Ｌ２との準位間での反交差（アンチクロッシング）ギャップΔＥＡＣについて説明する。
　アンチクロッシングギャップは、上述したように２つの量子井戸層（２つの量子準位）間のカップリングの度合いを示すものであり、２つの井戸層１６１、１６２の間にある障壁層１７２の厚さを無限大としたときに０となり、障壁層１７２が薄くなると大きく（カップリングが強く）なる。
　また、このアンチクロッシングギャップΔＥＡＣに対して、検出上準位Ｌ１ｂから第２準位Ｌ２への共鳴トンネル効果による電子のトンネル時間τｔｕｎｎは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 によって表すことができる。ここで、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 である。
　図６は、検出上準位から第２準位への電子のトンネル時間のアンチクロッシングギャップ依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は検出上準位Ｌ１ｂ及び第２準位Ｌ２の準位間のアンチクロッシングギャップΔＥＡＣ（ｍｅＶ）を示し、縦軸はトンネル時間τｔｕｎｎ（ｓｅｃ）を示している。
　これまでに報告されている量子カスケード検出器でのアンチクロッシングギャップは、例えば６ｍｅＶ程度であり、この場合のトンネル時間はτｔｕｎｎ＝０．２４ｐｓ程度と計算される。これは、上準位Ｌ１ｂから下準位Ｌ１ａに緩和する緩和時間（例えば１．４ｐｓ程度）よりは速いと言えるが、第２準位Ｌ２からの電子の引き抜きのプロセス等と合わせた形で電流となるため、トンネル時間は可能な限り速くする必要がある。したがって、さらにアンチクロッシングギャップを大きくし、速いトンネル時間とすることで、光検出動作のために適した大きな電流を確保することが可能となる。
　一方、アンチクロッシングギャップを必要以上に大きくした場合には、別の問題が発生する。すなわち、検出上準位Ｌ１ｂから電子を引き抜くための第２準位Ｌ２が、もう１つの上準位として機能するようになり、検出下準位Ｌ１ａから２つの準位Ｌ１ｂ、Ｌ２への電子遷移が、吸収スペクトルとして区別できるような状態で起こる。この場合には、広帯域の光検出器としては動作するが、光吸収のピーク強度は、アンチクロッシングを適切に設定したものに比べて落ちることになる。
　図７は、量子カスケード検出器で得られる光吸収スペクトルを示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は吸収エネルギー（ｍｅＶ）を示し、縦軸は吸収強度（ａ．ｕ．）を示している。また、図７において、グラフＡ１は、下準位Ｌ１ａと上準位Ｌ１ｂとの間での吸収スペクトルを示し、グラフＡ２は、下準位Ｌ１ａと第２準位Ｌ２との間での吸収スペクトルを示し、グラフＡ０は、それらを合わせた吸収スペクトルを示している。また、この図７では、検出上準位Ｌ１ｂと、第２準位Ｌ２とのエネルギー間隔をΔＥ１２＝３０ｍｅＶとし、室温動作を仮定した場合の光吸収スペクトルを示している。
　室温での光吸収スペクトルの半値幅が２０ｍｅＶ程度であることを考慮すると、エネルギー間隔ΔＥ１２が３０ｍｅＶ程度以上になると、図７のようにスペクトルが割れる可能性がある。したがって、検出上準位Ｌ１ｂと、第２準位Ｌ２との準位間のアンチクロッシングギャップについては、上述したように５ｍｅＶ～３０ｍｅＶが適切な範囲である。図４に示した構成例では、高速なトンネル時間とピーク感度との兼ね合いから、図３（ａ）に示したように、アンチクロッシングをΔＥＡＣ＝１７ｍｅＶに設定し、対応するトンネル時間を０．０３ｐｓとしている。
　次に、抽出準位構造における第２準位Ｌ２、第３準位Ｌ３、及び第４準位Ｌ４のそれぞれの準位エネルギー、及びエネルギー間隔の設定について説明する。
　上記したアンチクロッシングの条件を用いて、吸収井戸層１６１の検出上準位Ｌ１ｂから第２井戸層１６２の第２準位Ｌ２へと電子を高速で移動させた場合も、即座に隣の井戸層の準位へと緩和させなければ、準位Ｌ２、Ｌ１ｂからＬＯフォノン散乱等によって電子が下準位Ｌ１ａへと戻ってしまい、結果として、順方向の電流に寄与しなくなる可能性がある。したがって、上述したように第２、第３準位Ｌ２、Ｌ３のエネルギー間隔をＥＬＯ≦ΔＥ２３≦２×ＥＬＯとなるように設定し、好ましくはエネルギー間隔ΔＥ２３をＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯに一致させて、第２準位Ｌ２に移った電子を後続の準位へと速やかに緩和させる必要がある。
　図８は、第２準位から第３準位へのＬＯフォノン散乱による散乱時間の、第２、第３準位のエネルギー間隔への依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は第２準位Ｌ２と第３準位Ｌ３とのエネルギー間隔ΔＥ２３（ｍｅＶ）を示し、縦軸は第２準位Ｌ２から第３準位Ｌ３へのＬＯフォノン散乱時間（ｓｅｃ）を示している。
　図８のグラフに示すように、第２、第３準位Ｌ２、Ｌ３のエネルギー間隔ΔＥ２３については、上記したようにＥＬＯ以上に設定することが好ましい。この場合、上準位Ｌ１ｂから引き抜かれて第２準位Ｌ２に存在する電子は、ＬＯフォノン散乱によって共鳴的に第３準位Ｌ３に緩和することが可能となる。また、エネルギー間隔が広がっていくと、第２準位Ｌ２から第３準位Ｌ３への電子の緩和速度が遅くなるため、エネルギー間隔はＥＬＯに近いことが望ましいが、２×ＥＬＯ以下であれば、散乱時間（緩和時間）τ２３は例えば１ｐｓ程度になり、充分な特性を得ることができる。図４に示した構成例では、エネルギー間隔をΔＥ２３＝３７ｍｅＶに設定し、散乱時間をτ２３＝０．５５ｐｓとして、電子を高速で第３準位Ｌ３に緩和させている。
　また、抽出準位構造での第３準位Ｌ３の次の準位である第４準位Ｌ４については、上述したように、第３、第４準位Ｌ３、Ｌ４のエネルギー間隔ΔＥ３４をＥＬＯよりも小さく設定してそれらの準位を近接させることが好ましい。特に、エネルギー間隔ΔＥ３４を２５ｍｅＶ以下に設定することがさらに好ましい。これにより、電子を輸送する抽出準位構造において、第４準位Ｌ４を、第３準位Ｌ３とともに第２準位Ｌ２からの電子の引き抜き先の準位として好適に機能させることができる。
　また、第２、第４準位Ｌ２、Ｌ４のエネルギー間隔ΔＥ２４（ΔＥ２３＜ΔＥ２４）については、第２、第３準位Ｌ２、Ｌ３の場合と同様に、図８に示した散乱時間のエネルギー間隔依存性等を考慮して、エネルギー間隔ΔＥ２４を２×ＥＬＯ以下とすることが好ましい。これにより、上記したエネルギー間隔ΔＥ２３に対する条件と合わせて、第３、第４準位Ｌ３、Ｌ４の２準位を、第２準位Ｌ２からのＬＯフォノン散乱等による電子の引き抜き先の準位として好適に機能させることができる。
　また、第３、第４準位Ｌ３、Ｌ４のエネルギー間隔ΔＥ３４の下限については、第３、第４準位Ｌ３、Ｌ４の結合（アンチクロッシング）が最低限確保されるように、１０ｍｅＶ以上に設定することが好ましい。これによって、第３、第４準位Ｌ３、Ｌ４の準位間でのトンネル時間が、例えば０．１ｐｓ以下と高速になるため（図６参照）、第３準位Ｌ３から、より低エネルギー側の準位への電子の緩和が高効率化される。
　また、このとき、第３、第４準位Ｌ３、Ｌ４の波動関数は同一空間に広がるため、第４準位Ｌ４の波動関数と、第２準位Ｌ２の波動関数との重なりを大きくすることができ、第２準位Ｌ２から第４準位Ｌ４への電子の散乱時間が高速化される。図４に示した構成例では、これらの各条件を考慮して、第２、第４準位Ｌ２、Ｌ４のエネルギー間隔をΔＥ２４＝５６ｍｅＶに設定し、第３、第４準位Ｌ３、Ｌ４のエネルギー間隔をΔＥ３４＝１９ｍｅＶに設定している。また、この構成例では、第２準位Ｌ２からの電子を高速で第３準位Ｌ３に緩和させるとともに、第４準位Ｌ４にも効率的に電子が緩和できるように第２、第４準位Ｌ２、Ｌ４の波動関数の重なりを大きくすることにより、結果的に第３準位Ｌ３から図４の右方向の準位へ緩和時間０．３４ｐｓで緩和できるように設計している。
　なお、上記した量子カスケード検出器でのサブバンド準位構造は、レーザ動作を目指した準位構造ではないため、レーザとしては動作し得ない。これは、以下の点を考慮すると明らかである。まず、量子カスケード検出器では、無電圧時に全ての準位が効率的な電流経路として機能するように構成しているため、仮に電圧を印加した場合にはほとんど電流は流れない。また、上記の検出器では、レーザとして動作するための反転分布を形成する機構が設けられていない。
　また、上記の検出器では、入射光を吸収する吸収井戸層１６１において、ｎ型不純物のドーピングが施されている。この吸収井戸層は、レーザを含めた発光素子では発光井戸層に相当するが、例えば量子カスケードレーザでは、発光井戸層ではなく、電子を輸送する注入層に不純物をドープする。また、レーザにおいて、発光井戸層に不純物をドープした場合、光が吸収されてしまうため、レーザ動作をすることができない。
　本発明による量子カスケード検出器は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、活性層をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによって構成した例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間遷移による光吸収、検出が可能であって上記したサブバンド準位構造を実現可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。
　このような半導体材料系については、上記したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ以外にも、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。
　また、量子カスケード検出器の活性層における積層構造、及び検出器素子全体としての半導体積層構造については、図１、図４、図５に示した構造以外にも様々な構造を用いて良い。一般には、量子カスケード検出器は、半導体基板と、半導体基板上に設けられた上記構成の活性層とを備えて構成されていれば良い。また、上記構成例では、ＩｎＰ基板に対して格子整合する構成について説明したが、例えばＩｎＰ基板に対して格子不整合を導入した構成を用いることも可能である。この場合、素子設計の自由度の増大等が可能となる。
　上記実施形態による量子カスケード検出器では、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むｎ個（ｎは４以上の整数）の量子井戸層、及びｎ個の量子障壁層からなる単位積層体が多段に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、（３）単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、吸収井戸層に起因する検出下準位、検出上準位と、吸収井戸層を除く第２井戸層～第ｎ井戸層に起因する第２準位～第ｎ準位とを有し、（４）吸収井戸層における検出下準位と検出上準位との間でのサブバンド間吸収によって光を検出するとともに、サブバンド間吸収によって検出上準位へと励起された電子は、共鳴トンネル効果によって第２準位へと移動し、第２準位～第ｎ準位による抽出準位構造を介して、後段の単位積層体の吸収井戸層へと抽出され、（５）第２準位と第３準位とのエネルギー間隔ΔＥ２３は、縦光学（ＬＯ：Longitudinal Optical）フォノンのエネルギーＥＬＯに対して、条件ＥＬＯ≦ΔＥ２３≦２×ＥＬＯを満たすように設定されるとともに、第３準位と第４準位とのエネルギー間隔ΔＥ３４は、条件ΔＥ３４＜ＥＬＯを満たすように設定される構成を用いている。
　ここで、上記した量子カスケード検出器でのサブバンド準位構造において、第２準位と第４準位とのエネルギー間隔ΔＥ２４は、条件
　　ΔＥ２３＜ΔＥ２４≦２×ＥＬＯ
を満たすように設定されることが好ましい。これにより、第２準位から第３、第４準位の２準位へのＬＯフォノン散乱等による電子の引き抜きを好適に実現して、抽出準位構造における後段の単位積層体への電子の輸送を安定化、高速化することができる。
　また、第２準位からの電子の引き抜き先の準位として機能する第３準位と第４準位とのエネルギー間隔ΔＥ３４は、さらに、条件
　　ΔＥ３４≦２５ｍｅＶ
を満たすように設定されることが好ましい。これにより、第２準位からの電子の引き抜きをさらに高速化、安定化して、抽出準位構造における後段の単位積層体への電子の輸送を好適に実現することができる。
　また、吸収井戸層に起因する検出上準位と、第２井戸層に起因する第２準位とは、準位間の反交差のエネルギーギャップ（アンチクロッシングギャップ）ΔＥＡＣが、条件
　　５ｍｅＶ≦ΔＥＡＣ≦３０ｍｅＶ
を満たすように設定されることが好ましい。これにより、検出上準位から第２準位へと、共鳴トンネル効果によって高速、高効率で電子を移動させることができる。
　また、単位積層体において、吸収井戸層は、ｎ型不純物がドープされた半導体層からなることが好ましい。これにより、吸収井戸層における検出下準位、上準位間でのサブバンド間吸収による光検出を好適に実現することができる。また、電子の抽出構造を構成する他の井戸層については、単位積層体において、第２井戸層～第ｎ井戸層は、それぞれアンドープの半導体層からなることが好ましい。
　本発明は、入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器として利用可能である。
　１Ａ…量子カスケード検出器、１０…半導体基板、１１…下部コンタクト層、１２…上部コンタクト層、１５…活性層、１６…単位積層体、１８…抽出構造部、１６１…吸収井戸層（第１井戸層）、１６２～１６８…第２～第８井戸層、１７１～１７８…第１～第８障壁層、Ｌ１ａ…検出下準位、Ｌ１ｂ…検出上準位、Ｌ２…第２準位、Ｌ３…第３準位、Ｌ４…第４準位、Ｌ５～Ｌ８…第５～第８準位。

Claims (6)

  1. 　半導体基板と、
    　前記半導体基板上に設けられ、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むｎ個（ｎは４以上の整数）の量子井戸層、及びｎ個の量子障壁層からなる単位積層体が多段に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、
    　前記単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、前記吸収井戸層に起因する検出下準位、検出上準位と、前記吸収井戸層を除く第２井戸層～第ｎ井戸層に起因する第２準位～第ｎ準位とを有し、
    　前記吸収井戸層における前記検出下準位と前記検出上準位との間でのサブバンド間吸収によって光を検出するとともに、前記サブバンド間吸収によって前記検出上準位へと励起された電子は、共鳴トンネル効果によって前記第２準位へと移動し、第２準位～第ｎ準位による抽出準位構造を介して後段の単位積層体の吸収井戸層へと抽出され、
    　前記第２準位と第３準位とのエネルギー間隔ΔＥ２３は、縦光学フォノンのエネルギーＥＬＯに対して、条件ＥＬＯ≦ΔＥ２３≦２×ＥＬＯを満たすように設定されるとともに、前記第３準位と第４準位とのエネルギー間隔ΔＥ３４は、条件ΔＥ３４＜ＥＬＯを満たすように設定されることを特徴とする量子カスケード検出器。
  2. 　前記第２準位と前記第４準位とのエネルギー間隔ΔＥ２４は、条件
    　　ΔＥ２３＜ΔＥ２４≦２×ＥＬＯ
    を満たすように設定されることを特徴とする請求項１記載の量子カスケード検出器。
  3. 　前記第３準位と前記第４準位とのエネルギー間隔ΔＥ３４は、条件
    　　ΔＥ３４≦２５ｍｅＶ
    を満たすように設定されることを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケード検出器。
  4. 　前記検出上準位と、前記第２準位とは、準位間の反交差ギャップΔＥＡＣが、条件
    　　５ｍｅＶ≦ΔＥＡＣ≦３０ｍｅＶ
    を満たすように設定されることを特徴とする請求項１～３のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。
  5. 　前記単位積層体において、前記吸収井戸層は、ｎ型不純物がドープされた半導体層からなることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。
  6. 　前記単位積層体において、前記第２井戸層～前記第ｎ井戸層は、それぞれアンドープの半導体層からなることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。
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