JP2013058580A - Quantum infrared detector - Google Patents

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Masanori Tanaka
才工 田中
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a quantum infrared detector that can exert a sufficient characteristic when the detector is operated near room temperature by reducing a dark current due to thermal excitation without requiring any cooling devices.SOLUTION: The quantum infrared detector (10) comprises: a multiple quantum well layer (16) comprising a well layer (13), a first barrier layer (14), and a second barrier layer (15) adjacent to the well layer (13) disposed between the well layer (13) and the first barrier layer (14); and a pair of contact layers disposed with the multiple quantum well layer (16) in between. The first and second barrier layers (14, 15) comprise AlGaAs and AlGaAs having different Al composition ratios, respectively, and the Al composition ratio y of the second barrier layer (15) is higher than the Al composition ratio x of the first barrier layer (14).

Description

本発明は、赤外線検出器に関し、特に、化合物半導体層で構成される多重量子井戸層内に発生するサブバンド間遷移を利用し、赤外線を吸収して電気信号に変換する量子型赤外線検出器に関する。   The present invention relates to an infrared detector, and more particularly, to a quantum infrared detector that absorbs infrared rays and converts them into electrical signals by utilizing intersubband transitions generated in a multiple quantum well layer formed of a compound semiconductor layer. .

近年、化合物半導体をナノメートルスケールで積層し、量子化された準位のエネルギー差を用いて赤外線を検出する量子井戸型赤外線検出器（ＱＷＩＰ；Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）が注目されている。このような量子井戸型赤外線検出器２０は、図６に示すように、基板２１上に形成された下部コンタクト層２２と、井戸層２３とこの井戸層２３に対するポテンシャル障壁を有する障壁層２４とによって構成される多重量子井戸層２５（ＭＱＷ；Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）と、上部コンタクト層２６と、を順に積層した素子構造を有する。すなわち、量子井戸型赤外線検出器２０は、一対のコンタクト層（下部コンタクト層２２および上部コンタクト層２６）で多重量子井戸層２５を挟み込んだ素子構造である。   2. Description of the Related Art In recent years, quantum well infrared detectors (QWIPs) that have stacked compound semiconductors on a nanometer scale and detect infrared rays using an energy difference between quantized levels have attracted attention. As shown in FIG. 6, the quantum well infrared detector 20 includes a lower contact layer 22 formed on a substrate 21, a well layer 23, and a barrier layer 24 having a potential barrier with respect to the well layer 23. It has a device structure in which a multiple quantum well layer 25 (MQW; Multi Quantum Well) and an upper contact layer 26 are sequentially stacked. That is, the quantum well infrared detector 20 has an element structure in which the multiple quantum well layer 25 is sandwiched between a pair of contact layers (the lower contact layer 22 and the upper contact layer 26).

量子井戸型赤外線検出器２０は、図６に示すように、下部コンタクト層２２および上部コンタクト層２６間に、所定のバイアス電圧を印加した状態で用いられる。   As shown in FIG. 6, the quantum well infrared detector 20 is used in a state where a predetermined bias voltage is applied between the lower contact layer 22 and the upper contact layer 26.

量子井戸型赤外線検出器２０では、井戸層２３において、少なくとも１つのサブバンドエネルギー準位を有し、井戸層２３内の基底準位に位置する電子（キャリア）が、外部から照射された赤外線によって励起準位あるいは連続準位に励起される。一対のコンタクト層間には所定のバイアス電圧が印加されているため、励起された電子（キャリア）は、一対のコンタクト層間を移動し、電流（光電流）を生じる。   In the quantum well-type infrared detector 20, electrons (carriers) having at least one subband energy level in the well layer 23 and positioned at the ground level in the well layer 23 are irradiated by infrared rays irradiated from the outside. Excited to excited level or continuous level. Since a predetermined bias voltage is applied between the pair of contact layers, the excited electrons (carriers) move between the pair of contact layers to generate a current (photocurrent).

このように、量子井戸型赤外線検出器２０は、一対のコンタクト層（下部コンタクト層２２および上部コンタクト層２６）間に所定のバイアス電圧を印加した状態で、外部から照射された赤外線により励起された電子（キャリア）を電流として検知することで、赤外線を検出する。このような量子井戸型赤外線検出器に関する基礎的な検討としては、例えば非特許文献１などがある。   As described above, the quantum well infrared detector 20 is excited by infrared rays irradiated from the outside with a predetermined bias voltage applied between the pair of contact layers (the lower contact layer 22 and the upper contact layer 26). Infrared rays are detected by detecting electrons (carriers) as current. As a basic study on such a quantum well infrared detector, there is, for example, Non-Patent Document 1.

ところで、量子井戸型赤外線検出器の特性向上のためには、赤外線が照射されていないにもかかわらず流れてしまう暗電流を低減し、光電流を増加することが重要である。暗電流を低減するために、例えば、２種類の障壁層を用いる素子構造が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。特許文献１では、多重量子井戸層の一部に膜厚もしくはポテンシャル高さの異なる障壁層を部分的に配置して暗電流を低減する技術が提案されている。特許文献２では、電子の有効質量が異なる材料で構成された２つの障壁層を隣接して配置して、暗電流を低減する技術が提案されている。   By the way, in order to improve the characteristics of the quantum well infrared detector, it is important to reduce the dark current that flows even though infrared rays are not irradiated and to increase the photocurrent. In order to reduce the dark current, for example, an element structure using two types of barrier layers has been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Patent Document 1 proposes a technique for reducing dark current by partially disposing barrier layers having different film thicknesses or potential heights in part of a multiple quantum well layer. Patent Document 2 proposes a technique for reducing dark current by arranging two barrier layers made of materials having different effective masses of electrons adjacent to each other.

特開平１０−３４１０２８号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-341028 特開２００８−１９８８４９号公報JP 2008-198849 A

B.F.Levine, ”Quantum-well infraredphotodetector”, J.Appl.Phys.74(8), 15 October 1993B.F.Levine, “Quantum-well infraredphotodetector”, J.Appl.Phys.74 (8), 15 October 1993

しかしながら、従来の量子井戸型赤外線検出器によれば、トンネル電流が支配的な低温状態での暗電流を低減することはできるが、熱励起電流が支配的な室温近傍での暗電流を低減することはできない。一般に、熱励起電流による暗電流を低減するためには、検出器の温度を低下させる対応がとられるが、従来の量子井戸型赤外線検出器の構造では、十分な特性を得るために、例えば、液体窒素により７７Ｋ程度まで検出器を冷却する必要がある。冷却のためには、大がかりな装置、例えば、クライオスタットやスターリングクーラーなどが必要となり、検出器のコスト、小型化などの点で問題がある。さらには、冷却剤の補充など定期的なメンテナンスが必要なことから、連続運転可能時間が短くなるといった問題がある。   However, according to the conventional quantum well infrared detector, the dark current in the low temperature state where the tunnel current is dominant can be reduced, but the dark current near the room temperature where the thermal excitation current is dominant is reduced. It is not possible. In general, in order to reduce the dark current due to the thermal excitation current, a measure to lower the temperature of the detector is taken, but in the structure of the conventional quantum well infrared detector, in order to obtain sufficient characteristics, for example, It is necessary to cool the detector to about 77K with liquid nitrogen. For cooling, a large-scale device, for example, a cryostat or a Stirling cooler is required, which is problematic in terms of the cost and miniaturization of the detector. Furthermore, since regular maintenance such as replenishment of coolant is necessary, there is a problem that the continuous operation time is shortened.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、冷却装置を要することなく熱励起に起因する暗電流を低減し、室温近傍で検出器を動作させた場合に十分な特性を発揮し得る量子型赤外線検出器を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such points, and can reduce dark current due to thermal excitation without requiring a cooling device, and can exhibit sufficient characteristics when the detector is operated near room temperature. An object is to provide a quantum infrared detector.

本発明の量子型赤外線検出器は、井戸層、前記井戸層の両主面側に設けられた一対の第１の障壁層、ならびに前記井戸層および前記第１の障壁層の間にそれぞれ設けられ、前記井戸層に隣接する第２の障壁層から構成される多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層を挟み込むように設けられた一対のコンタクト層と、を備え、前記第２の障壁層の障壁高さが前記第１の障壁層の障壁高さよりも高いことを特徴とする。   The quantum infrared detector of the present invention is provided between a well layer, a pair of first barrier layers provided on both main surface sides of the well layer, and the well layer and the first barrier layer, respectively. A multiple quantum well layer composed of a second barrier layer adjacent to the well layer, and a pair of contact layers provided so as to sandwich the multiple quantum well layer, The barrier height is higher than the barrier height of the first barrier layer.

この構成によれば、井戸層を挟み込むように障壁高さの高いポテンシャル障壁が形成されるので、井戸層での電子（キャリア）の閉じ込め状態が改善され、熱励起により井戸層から抜け出す電子（キャリア）を低減することができる。これにより、例えば室温近傍の高温状態で量子型赤外線検出器を動作させた場合における、暗電流の主要な構成要素である熱励起電流を低減することができ、十分な特性を発揮し得る量子型赤外線検出器を実現することが可能となる。   According to this configuration, since the potential barrier having a high barrier height is formed so as to sandwich the well layer, the confinement state of electrons (carriers) in the well layer is improved, and electrons (carriers) that escape from the well layer by thermal excitation are improved. ) Can be reduced. As a result, for example, when the quantum infrared detector is operated at a high temperature near room temperature, the thermal excitation current, which is the main component of the dark current, can be reduced, and the quantum type that can exhibit sufficient characteristics An infrared detector can be realized.

上記量子型赤外線検出器においては、前記第２の障壁層の障壁高さは、前記井戸層において少なくとも１つのサブバンドエネルギー準位を有し、前記井戸層内の基底準位に位置するキャリアの励起準位よりも高いことが好ましい。この場合には、井戸層内の電子（キャリア）が、熱励起によって第２の障壁層のポテンシャルを超え、井戸層から抜け出すことによって生じる熱励起電流を抑制することができる。   In the quantum infrared detector, the barrier height of the second barrier layer has at least one subband energy level in the well layer, and carriers located at a ground level in the well layer. It is preferably higher than the excited level. In this case, it is possible to suppress the thermal excitation current generated when electrons (carriers) in the well layer exceed the potential of the second barrier layer by thermal excitation and escape from the well layer.

上記量子型赤外線検出器においては、前記第１および第２の障壁層は、それぞれＡｌ組成比の異なるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓと、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓとで構成され、前記第２の障壁層のＡｌ組成比ｙは、前記第１の障壁層のＡｌ組成比ｘより高いことが好ましい。この場合には、井戸層を挟み込むように形成された障壁層の障壁高さを大きくすることができ、井戸層での電子（キャリア）の閉じ込めを改善することが可能となる。 In the quantum infrared detector, each of the first and second barrier layers includes Al x Ga 1-x As and Al y Ga 1-y As having different Al composition ratios, and the second The Al composition ratio y of the barrier layer is preferably higher than the Al composition ratio x of the first barrier layer. In this case, the barrier height of the barrier layer formed so as to sandwich the well layer can be increased, and the confinement of electrons (carriers) in the well layer can be improved.

上記量子型赤外線検出器においては、前記井戸層はＧａＡｓ層であり、前記第１の障壁層はＡｌ組成比ｘが０．４５以下であるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓで構成され、前記第２の障壁層はＡｌＡｓ層であることが好ましい。この場合には、井戸層を挟み込むように形成された障壁層の障壁高さを非常に大きくすることができ、井戸層での電子（キャリア）の閉じ込めをさらに改善することが可能となる。 In the quantum infrared detector, the well layer is a GaAs layer, the first barrier layer is made of Al x Ga 1-x As having an Al composition ratio x of 0.45 or less, and the second The barrier layer is preferably an AlAs layer. In this case, the barrier height of the barrier layer formed so as to sandwich the well layer can be greatly increased, and the confinement of electrons (carriers) in the well layer can be further improved.

上記量子型赤外線検出器においては、前記第１の障壁層の障壁高さは、前記井戸層内の基底準位に位置するキャリアの励起準位よりも低いことが好ましい。この場合には、光電流を低減させることなく、トンネル電流の発生を抑制することができる。   In the quantum infrared detector, the barrier height of the first barrier layer is preferably lower than the excitation level of carriers located at the ground level in the well layer. In this case, generation of tunnel current can be suppressed without reducing photocurrent.

本発明によれば、冷却装置を要することなく熱励起に起因する暗電流を低減し、室温近傍で検出器を動作させた場合に十分な特性を発揮し得る量子型赤外線検出器を提供することができる。   According to the present invention, there is provided a quantum infrared detector capable of reducing dark current due to thermal excitation without requiring a cooling device and exhibiting sufficient characteristics when the detector is operated near room temperature. Can do.

本実施の形態に係る量子井戸型赤外線検出器の構造を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the quantum well type | mold infrared detector which concerns on this Embodiment. 上記量子井戸型赤外線検出器の多重量子井戸層を構成する量子井戸を示す模式的なエネルギーバンド図である。It is a typical energy band figure which shows the quantum well which comprises the multiple quantum well layer of the said quantum well type | mold infrared detector. 上記量子井戸型赤外線検出器のデバイス特性計算のシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the simulation result of the device characteristic calculation of the said quantum well type | mold infrared detector. 上記量子井戸型赤外線検出器のデバイス特性計算のシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the simulation result of the device characteristic calculation of the said quantum well type | mold infrared detector. 上記量子井戸型赤外線検出器のデバイス特性計算のシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the simulation result of the device characteristic calculation of the said quantum well type | mold infrared detector. 従来の量子井戸型赤外線検出器の構造を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the structure of the conventional quantum well type | mold infrared detector.

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る量子井戸型赤外線検出器の構造を示す断面模式図である。この量子井戸型赤外線検出器１０は、基板１１上に形成された下部コンタクト層１２と、多重量子井戸層１６と、上部コンタクト層１７と、を順に積層した素子構造を有する。すなわち、量子井戸型赤外線検出器１０は、一対のコンタクト層（下部コンタクト層１２および上部コンタクト層１７）で多重量子井戸層１６を挟み込んだ素子構造である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a quantum well infrared detector according to an embodiment of the present invention. The quantum well infrared detector 10 has an element structure in which a lower contact layer 12 formed on a substrate 11, a multiple quantum well layer 16, and an upper contact layer 17 are sequentially stacked. That is, the quantum well infrared detector 10 has an element structure in which the multiple quantum well layer 16 is sandwiched between a pair of contact layers (the lower contact layer 12 and the upper contact layer 17).

多重量子井戸層１６は、井戸層１３と、井戸層１３に対するポテンシャル障壁をもつ第１の障壁層１４と、第１の障壁層１４に対するポテンシャル障壁をもつ第２の障壁層１５と、から構成される二重障壁量子井戸層を複数周期（例えば、１０周期）繰り返し積層して構成される。第１の障壁層１４は井戸層１３に隣接せず、第２の障壁層１５のみが井戸層１３に隣接する。すなわち、第２の障壁層１５は、井戸層１３の上側および下側に、井戸層１３を挟み込むように設けられている。また、第２の障壁層１５は、井戸層１３と第１の障壁層１４との間に設けられている。したがって、図１に示す多重量子井戸層１６は、第１の障壁層１４／第２の障壁層１５／井戸層１３／第２の障壁層１５／第１の障壁層１４の順で積層される。なお、図１においては、下部コンタクト層１２および上部コンタクト層１７に第１の障壁層１４が接しているが、この構成に限られず、多重量子井戸層１６を形成するいずれの層が下部コンタクト層１２および上部コンタクト層１７に接していてもよい。   The multiple quantum well layer 16 includes a well layer 13, a first barrier layer 14 having a potential barrier with respect to the well layer 13, and a second barrier layer 15 having a potential barrier with respect to the first barrier layer 14. The double barrier quantum well layer is repeatedly stacked for a plurality of periods (for example, 10 periods). The first barrier layer 14 is not adjacent to the well layer 13, and only the second barrier layer 15 is adjacent to the well layer 13. That is, the second barrier layer 15 is provided above and below the well layer 13 so as to sandwich the well layer 13. The second barrier layer 15 is provided between the well layer 13 and the first barrier layer 14. Therefore, the multiple quantum well layer 16 shown in FIG. 1 is laminated in the order of the first barrier layer 14 / second barrier layer 15 / well layer 13 / second barrier layer 15 / first barrier layer 14. . In FIG. 1, the first barrier layer 14 is in contact with the lower contact layer 12 and the upper contact layer 17. However, the present invention is not limited to this configuration, and any layer forming the multiple quantum well layer 16 is the lower contact layer. 12 and the upper contact layer 17 may be in contact with each other.

量子井戸型赤外線検出器１０は、図１に示すように、下部コンタクト層１２および上部コンタクト層１７間に、所定のバイアス電圧を印加した状態で用いられる。量子井戸型赤外線検出器１０では、井戸層１３において、少なくとも１つのサブバンドエネルギー準位を有し、井戸層１３内の基底準位に位置する電子（キャリア）が、外部から照射された赤外線によって励起準位あるいは連続準位に励起される。一対のコンタクト層間には所定のバイアス電圧が印加されているため、励起された電子（キャリア）は、一対のコンタクト層間を移動し、電流（光電流）を生じる。量子井戸型赤外線検出器１０においては、この電流（光電流）を検知することで、赤外線を検出することができる。   As shown in FIG. 1, the quantum well infrared detector 10 is used in a state where a predetermined bias voltage is applied between the lower contact layer 12 and the upper contact layer 17. In the quantum well infrared detector 10, electrons (carriers) that have at least one subband energy level in the well layer 13 and are located at the ground level in the well layer 13 are irradiated by infrared rays irradiated from the outside. Excited to excited level or continuous level. Since a predetermined bias voltage is applied between the pair of contact layers, the excited electrons (carriers) move between the pair of contact layers to generate a current (photocurrent). In the quantum well infrared detector 10, infrared light can be detected by detecting this current (photocurrent).

図２は、量子井戸型赤外線検出器１０の多重量子井戸層１６を構成する量子井戸を示す模式的なエネルギーバンド図である。なお、図２における図示左右方向は、図１における多重量子井戸層１６の積層方向（図１における図示上下方向）に一致する。図２に示すように、第１の障壁層１４と第２の障壁層１５とは、障壁高さが異なるように構成されており、第２の障壁層１５の障壁高さが第１の障壁層１４の障壁高さよりも高くなるよう構成されている。すなわち、第１の障壁層１４と第２の障壁層１５とは、第２の障壁層１５の伝導帯のエネルギーレベルと第１の障壁層１４の伝導帯のエネルギーレベルとが不連続となるように（図２に示すように、第１の障壁層１４の伝導帯のエネルギーレベルよりも第２の障壁層１５の伝導帯のエネルギーレベルが高くなるように）構成されている。   FIG. 2 is a schematic energy band diagram showing quantum wells constituting the multiple quantum well layer 16 of the quantum well infrared detector 10. 2 corresponds to the stacking direction of the multiple quantum well layers 16 in FIG. 1 (vertical direction in FIG. 1). As shown in FIG. 2, the first barrier layer 14 and the second barrier layer 15 are configured to have different barrier heights, and the barrier height of the second barrier layer 15 is the first barrier. It is configured to be higher than the barrier height of the layer 14. That is, in the first barrier layer 14 and the second barrier layer 15, the energy level of the conduction band of the second barrier layer 15 and the energy level of the conduction band of the first barrier layer 14 are discontinuous. (As shown in FIG. 2, the energy level of the conduction band of the second barrier layer 15 is higher than the energy level of the conduction band of the first barrier layer 14).

第２の障壁層１５の障壁高さは、井戸層１３において少なくとも１つのサブバンドエネルギー準位を有し、井戸層１３内の基底準位に位置する電子（キャリア）の励起準位よりも高くなるように設定されている。これにより、井戸層１３内の電子（キャリア）が、熱励起によって第２の障壁層１５のポテンシャルを超え、井戸層１３から抜け出すことによって生じる熱励起電流を抑制することができる。   The barrier height of the second barrier layer 15 has at least one subband energy level in the well layer 13 and is higher than the excitation level of electrons (carriers) located at the ground level in the well layer 13. It is set to be. Thereby, electrons (carriers) in the well layer 13 can exceed the potential of the second barrier layer 15 due to thermal excitation and can be suppressed from the thermal excitation current that is generated when the electrons escape from the well layer 13.

第１の障壁層１４の障壁高さは、井戸層１３内の基底準位に位置する電子（キャリア）の励起準位よりも低くなるように設定されている。これにより、光電流を低減させることなく、トンネル電流の発生を抑制することができる。   The barrier height of the first barrier layer 14 is set to be lower than the excitation level of electrons (carriers) located at the ground level in the well layer 13. Thereby, generation | occurrence | production of a tunnel current can be suppressed, without reducing a photocurrent.

第２の障壁層１５の厚さは、十分に薄膜化されていることが好ましい。例えば、第２の障壁層１５の厚さは、３ｎｍ以下であることが望ましい。これにより、第２の障壁層１５の厚みによって電子（キャリア）の透過確率が低下してしまい、熱励起電流に起因する暗電流だけでなく、光電流まで低下してしまう事態を防ぐことができる。   The thickness of the second barrier layer 15 is preferably sufficiently thin. For example, the thickness of the second barrier layer 15 is desirably 3 nm or less. Thereby, the transmission probability of electrons (carriers) is reduced by the thickness of the second barrier layer 15, and it is possible to prevent not only the dark current caused by the thermal excitation current but also the photocurrent. .

第１の障壁層１４の厚さは、井戸層１３内に閉じ込められた電子（キャリア）が障壁層をトンネルして外部に流れ出すことを防ぐために、トンネル電流を抑制するために十分な厚さを有することが好ましい。例えば、第１の障壁層１４の厚さは、２０〜８０ｎｍであることが望ましい。   The thickness of the first barrier layer 14 is set to a sufficient thickness to suppress tunnel current in order to prevent electrons (carriers) confined in the well layer 13 from tunneling through the barrier layer and flowing outside. It is preferable to have. For example, the thickness of the first barrier layer 14 is desirably 20 to 80 nm.

量子井戸型赤外線検出器１０の多重量子井戸層１６を構成する量子井戸を、このような構成にすることにより、井戸層１３を挟み込むように障壁高さの高いポテンシャル障壁が形成されるため、井戸層１３での電子（キャリア）の閉じ込め状態が改善される。したがって、熱励起によって井戸層１３から抜け出す電子（キャリア）を低減することができる。また、第２の障壁層１５は薄膜化されているため、第２の障壁層１５があることによる光電流の低下（コンタクト層間を移動するキャリア量の減少）を抑制することができる。これにより、例えば、室温近傍で量子井戸型赤外線検出器１０を駆動させた場合の、暗電流の主要な構成要素である熱励起電流を低減することができ、検出感度が良好な量子井戸型赤外線検出器１０を実現できる。   Since the quantum well constituting the multiple quantum well layer 16 of the quantum well infrared detector 10 has such a configuration, a potential barrier having a high barrier height is formed so as to sandwich the well layer 13. The confinement state of electrons (carriers) in the layer 13 is improved. Therefore, electrons (carriers) that escape from the well layer 13 due to thermal excitation can be reduced. In addition, since the second barrier layer 15 is thinned, a decrease in photocurrent (a decrease in the amount of carriers moving between contact layers) due to the presence of the second barrier layer 15 can be suppressed. Thereby, for example, when the quantum well infrared detector 10 is driven near room temperature, the thermal excitation current, which is the main component of the dark current, can be reduced, and the quantum well infrared with good detection sensitivity. The detector 10 can be realized.

図２に示すようなエネルギーバンド図をもつ第１の障壁層１４および第２の障壁層１５の材料について説明する。第１の障壁層１４と第２の障壁層１５とは、異なる材料によって構成され、これらの材料は、第２の障壁層１５の伝導帯のエネルギーレベルと第１の障壁層１４の伝導帯のエネルギーレベルとが不連続となるように（図２に示すように、第１の障壁層１４の伝導帯のエネルギーレベルよりも第２の障壁層１５の伝導帯のエネルギーレベルが高くなるように）選択される。例えば、第１の障壁層１４と第２の障壁層１５とは、第２の障壁層１５の障壁高さを第１の障壁層１４の障壁高さよりも高くするために、それぞれＡｌ組成比の異なるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓと、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓとで構成することができる。ここで、井戸層１３に隣接する第２の障壁層１５のＡｌ組成比ｙは、井戸層１３に隣接しない井戸層１４のＡｌ組成比ｘよりも高く設定する。この組成により、第１の障壁層１４は、井戸層１３に対するポテンシャル障壁をもち、第２の障壁層１５は、第１の障壁層１４に対するポテンシャル障壁をもつように構成される。 The materials of the first barrier layer 14 and the second barrier layer 15 having the energy band diagram as shown in FIG. 2 will be described. The first barrier layer 14 and the second barrier layer 15 are made of different materials, and these materials have energy levels of the conduction band of the second barrier layer 15 and the conduction band of the first barrier layer 14. So that the energy level is discontinuous (as shown in FIG. 2, the energy level of the conduction band of the second barrier layer 15 is higher than the energy level of the conduction band of the first barrier layer 14). Selected. For example, each of the first barrier layer 14 and the second barrier layer 15 has an Al composition ratio in order to make the barrier height of the second barrier layer 15 higher than the barrier height of the first barrier layer 14. It can be composed of different Al x Ga 1-x As and Al y Ga 1-y As. Here, the Al composition ratio y of the second barrier layer 15 adjacent to the well layer 13 is set to be higher than the Al composition ratio x of the well layer 14 not adjacent to the well layer 13. With this composition, the first barrier layer 14 has a potential barrier with respect to the well layer 13, and the second barrier layer 15 has a potential barrier with respect to the first barrier layer 14.

続いて、量子井戸型赤外線検出器１０の製造方法の一例について説明する。量子井戸型赤外線検出器１０における各層の成膜は、膜厚や材料組成比などを高度に制御可能な化学気相成長（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法あるいは分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などの成膜法により行うことができる。   Then, an example of the manufacturing method of the quantum well type | mold infrared detector 10 is demonstrated. Each layer in the quantum well infrared detector 10 is formed by a chemical vapor deposition (CVD) method or a molecular beam epitaxy (MBE) method that can highly control the film thickness, the material composition ratio, and the like. It can be performed by a film forming method such as a method.

量子井戸型赤外線検出器１０の基板１１としては、例えば、半絶縁性ＧａＡｓ基板を用いることができる。この基板１１上に、例えば、シリコン（Ｓｉ）を７×１０１７ｃｍ−３の濃度となるようにドーピングした、ｎ−ＧａＡｓで構成される下部コンタクト層１２を、膜厚１００ｎｍに成膜する。続いて、下部コンタクト層１２上に、多重量子井戸層１６を成膜する。最後に、多重量子井戸層１６上に、下部コンタクト層１２と同じ条件の上部コンタクト層１７を成膜することで、図１に示す量子井戸型赤外線検出器１０が完成する。 For example, a semi-insulating GaAs substrate can be used as the substrate 11 of the quantum well infrared detector 10. On the substrate 11, for example, a lower contact layer 12 made of n-GaAs doped with silicon (Si) so as to have a concentration of 7 × 10 17 cm −3 is formed to a thickness of 100 nm. Subsequently, a multiple quantum well layer 16 is formed on the lower contact layer 12. Finally, an upper contact layer 17 having the same conditions as the lower contact layer 12 is formed on the multiple quantum well layer 16 to complete the quantum well infrared detector 10 shown in FIG.

多重量子井戸層１６を構成する井戸層１３は、例えば、シリコン（Ｓｉ）を３×１０１７ｃｍ−３の濃度となるようにドーピングしたｎ−ＧａＡｓを、膜厚４．８ｎｍに成膜して形成する。多重量子井戸層１６を構成する第１の障壁層１４は、例えば、シリコン（Ｓｉ）を４×１０１６ｃｍ−３の濃度となるようにドーピングしたｎ−ＡｌＧａＡｓを成膜して形成する。多重量子井戸層１６を構成する第２の障壁層１５は、例えば、シリコン（Ｓｉ）を４×１０１６ｃｍ−３の濃度となるようにドーピングしたｎ−ＡｌＧａＡｓを成膜して形成する。なお、第１の障壁層１４と第２の障壁層１５とは、アルミニウム（Ａｌ）の組成比が異なる値のｎ−ＡｌＧａＡｓを用いて成膜する。これにより、２つの障壁層間にポテンシャル障壁が形成される。また、第２の障壁層１５の膜厚は、１０ｎｍ以下、特に３ｎｍ以下となるように成膜することが好ましい。第２の障壁層１５の膜厚が１０ｎｍを超えると、キャリアの透過確率の低下に起因して光電流が低下し、結果として量子井戸型赤外線検出器１０の検出感度が低下する。一方、第２の障壁層１５を薄膜化することにより量子井戸型赤外線検出器１０の感度特性は改善される傾向にあるが、第２の障壁層１５の膜厚が３ｎｍ程度となると、それ以上薄膜化してもこの特性にほとんど差異が認められない。そのため、第２の障壁層１５は、膜厚３ｎｍ以下に成膜することが好ましい。 The well layer 13 constituting the multiple quantum well layer 16 is formed, for example, by depositing n-GaAs doped with silicon (Si) to a concentration of 3 × 10 17 cm −3 to a thickness of 4.8 nm. Form. The first barrier layer 14 constituting the multiple quantum well layer 16 is formed, for example, by depositing n-AlGaAs doped with silicon (Si) so as to have a concentration of 4 × 10 16 cm −3 . The second barrier layer 15 constituting the multiple quantum well layer 16 is formed, for example, by depositing n-AlGaAs doped with silicon (Si) so as to have a concentration of 4 × 10 16 cm −3 . Note that the first barrier layer 14 and the second barrier layer 15 are formed using n-AlGaAs having a different composition ratio of aluminum (Al). Thereby, a potential barrier is formed between the two barrier layers. The film thickness of the second barrier layer 15 is preferably 10 nm or less, particularly 3 nm or less. When the film thickness of the second barrier layer 15 exceeds 10 nm, the photocurrent decreases due to the decrease in the probability of carrier transmission, and as a result, the detection sensitivity of the quantum well infrared detector 10 decreases. On the other hand, the sensitivity characteristics of the quantum well infrared detector 10 tend to be improved by reducing the thickness of the second barrier layer 15, but when the thickness of the second barrier layer 15 is about 3 nm, the sensitivity characteristics of the quantum well infrared detector 10 are more than that. There is almost no difference in this characteristic even when the film thickness is reduced. Therefore, it is preferable to form the second barrier layer 15 with a thickness of 3 nm or less.

続いて、このように作製された量子井戸型赤外線検出器１０のデバイス特性計算のシミュレーション結果について説明する。図３〜図５は、量子井戸型赤外線検出器１０のデバイス特性計算のシミュレーション結果を示すグラフである。各グラフにおける◇マーカーのグラフは、従来の単純な単一障壁層（ＳＢＱＷ；Ｓｉｎｇｌｅ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）を備えた量子井戸型赤外線検出器を示す比較例である。   Subsequently, a simulation result of device characteristic calculation of the quantum well infrared detector 10 manufactured in this way will be described. 3 to 5 are graphs showing simulation results of device characteristic calculation of the quantum well infrared detector 10. The ◇ marker graph in each graph is a comparative example showing a quantum well infrared detector having a conventional simple single barrier layer (SBQW; Single Barrier Quantum Well).

なお、このシミュレーションでは、多重量子井戸層１６を備えた量子井戸型赤外線検出器１０であって、この多重量子井戸層１６を構成する井戸層１３がＧａＡｓ層で構成され、かつ、第１の障壁層１４を構成するＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層のＡｌ組成比ｘが０．２７に固定されたモデルにおいて、第２の障壁層１５を構成するＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ層のＡｌ組成比ｙを０．３から１．０の範囲で変化させた場合の計算を実施している。井戸層１３に隣接しない第１の障壁層１４が形成するコンダクションバンドの下端は、Ａｌ組成比ｘを０．４５以下とすることでΓ谷となり、Ａｌ組成比ｘを０．４５より大きくすることでＸ谷となる。Ｘ谷は、Γ谷に比べて非常に電子移動度が低いため、第１の障壁層１４が形成するコンダクションバンドの下端がＸ谷である場合には、十分な電気伝導性を確保できなくなり、素子特性の低下を引き起こすおそれがある。また、電子移動度が低いために、応答速度の低下も懸念される。したがって、第１の障壁層１４のＡｌ組成比ｘは、０．４５以下とすることが好ましい。 In this simulation, the quantum well infrared detector 10 having the multiple quantum well layer 16, the well layer 13 constituting the multiple quantum well layer 16 is composed of a GaAs layer, and the first barrier In the model in which the Al composition ratio x of the Al x Ga 1-x As layer constituting the layer 14 is fixed to 0.27, the Al composition ratio of the Al y Ga 1-y As layer constituting the second barrier layer 15 Calculation is performed when y is changed in the range of 0.3 to 1.0. The lower end of the conduction band formed by the first barrier layer 14 not adjacent to the well layer 13 becomes a Γ valley by setting the Al composition ratio x to 0.45 or less, and makes the Al composition ratio x larger than 0.45. It becomes X valley. The X valley has a much lower electron mobility than the Γ valley. Therefore, when the lower end of the conduction band formed by the first barrier layer 14 is the X valley, sufficient electrical conductivity cannot be secured. There is a risk of deteriorating device characteristics. In addition, since the electron mobility is low, there is a concern that the response speed may decrease. Therefore, the Al composition ratio x of the first barrier layer 14 is preferably 0.45 or less.

図３のグラフは、横軸が温度［Ｋ］、縦軸が比検出能力［ｃｍ・Ｈｚ１／２／Ｗ］の値を示している。図３に示すように、第２の障壁層１５のＡｌ組成比ｙを第１の障壁層１４のＡｌ組成比ｘより高めた多重量子井戸層１６を備えたモデルを示すグラフは、いずれも単純な単一障壁層を備えたモデルを示すグラフより縦軸の値が大きく、比検出能力の値が高いことがわかる。すなわち、このシミュレーション結果より、第２の障壁層１５のＡｌ組成比ｙを、第１の障壁層１４のＡｌ組成比ｘより高めることで、熱励起により井戸層１３から抜け出すキャリア（電子）による熱雑音を低減し、量子井戸型赤外線検出器１０の感度特性を高めることが可能となることがわかる。なお、図３より、第２の障壁層１５は、Ａｌ組成比ｙ＝１．０であるＡｌＡｓ層で構成される場合に最も比検出能力の値が高くなるため、この場合に井戸層１３を挟み込むように形成された障壁層の障壁高さが最大となることがわかる。 In the graph of FIG. 3, the horizontal axis indicates the temperature [K], and the vertical axis indicates the value of the ratio detection capability [cm · Hz 1/2 / W]. As shown in FIG. 3, the graphs showing the model including the multiple quantum well layer 16 in which the Al composition ratio y of the second barrier layer 15 is higher than the Al composition ratio x of the first barrier layer 14 are all simple. From the graph showing a model having a single barrier layer, it can be seen that the value on the vertical axis is large and the ratio detection capability is high. That is, from this simulation result, the Al composition ratio y of the second barrier layer 15 is made higher than the Al composition ratio x of the first barrier layer 14, whereby heat due to carriers (electrons) that escape from the well layer 13 due to thermal excitation. It can be seen that noise can be reduced and the sensitivity characteristics of the quantum well infrared detector 10 can be enhanced. In FIG. 3, the second barrier layer 15 has the highest ratio detection capability when it is composed of an AlAs layer having an Al composition ratio y = 1.0. It can be seen that the barrier height of the barrier layer formed so as to be sandwiched is maximized.

また、このモデルの構造においては、中赤外線、すなわち４．６〜７．９μｍの範囲で感度波長ピークを有する。これは、量子井戸型赤外線検出器１０が、光電流を減らすことなく、暗電流を効果的に抑制できることに起因する効果である。   Further, the structure of this model has a sensitivity wavelength peak in the middle infrared range, that is, in the range of 4.6 to 7.9 μm. This is due to the fact that the quantum well infrared detector 10 can effectively suppress the dark current without reducing the photocurrent.

図４のグラフは、横軸が温度［Ｋ］、縦軸が暗電流［ａ．ｕ．］を示している。図４に示すように、第２の障壁層１５のＡｌ組成比ｙを第１の障壁層１４のＡｌ組成比ｘより高めた多重量子井戸層１６を備えたモデルを示すグラフは、いずれも単純な単一障壁層を備えたモデルを示すグラフより縦軸の値が小さく、３００Ｋ（室温）における暗電流を２桁以上少なくできることがわかる。なお、図４より、第２の障壁層１５は、Ａｌ組成比ｙ＝１．０であるＡｌＡｓ層で構成される場合に最も暗電流が小さくなるため、この場合に井戸層１３を挟み込むように形成された障壁層の障壁高さが非常に大きくなることがわかる。   In the graph of FIG. 4, the horizontal axis represents temperature [K], and the vertical axis represents dark current [a. u. ] Is shown. As shown in FIG. 4, the graphs showing the model including the multiple quantum well layer 16 in which the Al composition ratio y of the second barrier layer 15 is higher than the Al composition ratio x of the first barrier layer 14 are all simple. From the graph showing a model having a single barrier layer, it can be seen that the value on the vertical axis is small, and the dark current at 300 K (room temperature) can be reduced by two orders of magnitude or more. As shown in FIG. 4, the second barrier layer 15 has the smallest dark current when it is composed of an AlAs layer having an Al composition ratio y = 1.0. In this case, the well layer 13 is sandwiched. It can be seen that the barrier height of the formed barrier layer becomes very large.

図５のグラフは、横軸が温度［Ｋ］、縦軸が光電流［ａ．ｕ．］を示している。図５に示すように、第２の障壁層１５のＡｌ組成比ｙを第１の障壁層１４のＡｌ組成比ｘより高めた多重量子井戸層１６を備えたモデルを示すグラフは、いずれも単純な単一障壁層を備えたモデルを示すグラフと比較して、光電流がほとんど低下することがないことがわかる。なお、図５より、第２の障壁層１５は、Ａｌ組成比ｙ＝１．０であるＡｌＡｓ層で構成される場合に最も光電流が大きくなるため、この場合に井戸層１３を挟み込むように形成された障壁層の障壁高さが非常に大きくなることがわかる。   In the graph of FIG. 5, the horizontal axis represents temperature [K], and the vertical axis represents photocurrent [a. u. ] Is shown. As shown in FIG. 5, the graphs showing the models including the multiple quantum well layers 16 in which the Al composition ratio y of the second barrier layer 15 is higher than the Al composition ratio x of the first barrier layer 14 are all simple. It can be seen that the photocurrent hardly decreases compared to the graph showing the model with a simple single barrier layer. As shown in FIG. 5, the second barrier layer 15 has the largest photocurrent when it is composed of an AlAs layer having an Al composition ratio y = 1.0. In this case, the well layer 13 is sandwiched. It can be seen that the barrier height of the formed barrier layer becomes very large.

これらのシミュレーション結果より、量子井戸型赤外線検出器１０は、井戸層１３がＧａＡｓ層であり、井戸層１３に隣接しない第１の障壁層１４がＡｌ組成比ｘ＝０．４５以下のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓで構成され、さらに、第２の障壁層１５がＡｌＡｓ層である場合に、第２の障壁層１５の障壁高さが第１の障壁層１４の障壁高さよりも高く、井戸層１３を挟み込むように形成された障壁層の障壁高さが非常に大きくなり、井戸層１３での電子（キャリア）の閉じ込めを大きく改善することが可能となることがわかる。 From these simulation results, quantum well infrared detector 10, the well layer 13 is GaAs layer, a first barrier layer 14 which is not adjacent to the well layer 13 is less than the Al composition ratio x = 0.45 Al x Ga When the second barrier layer 15 is an AlAs layer, the barrier height of the second barrier layer 15 is higher than the barrier height of the first barrier layer 14 and the well layer is formed of 1-x As. It can be seen that the barrier height of the barrier layer formed so as to sandwich 13 is very large, and the confinement of electrons (carriers) in the well layer 13 can be greatly improved.

なお、上記多重量子井戸層１６を備えたモデルにおいては、井戸層１３の膜厚を調整することにより、量子井戸型赤外線検出器１０に感度波長を、３〜１５μｍの範囲内で制御することが可能となる。   In the model including the multiple quantum well layer 16, the sensitivity wavelength of the quantum well infrared detector 10 can be controlled within a range of 3 to 15 μm by adjusting the film thickness of the well layer 13. It becomes possible.

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can implement variously. In the above-described embodiment, the size, shape, and the like illustrated in the accompanying drawings are not limited thereto, and can be appropriately changed within a range in which the effect of the present invention is exhibited. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the object of the present invention.

１０ 量子井戸型赤外線検出器
１１ 基板
１２ 下部コンタクト層
１３ 井戸層
１４ 第１の障壁層
１５ 第２の障壁層
１６ 多重量子井戸層
１７ 上部コンタクト層
２０ 量子井戸型赤外線検出器
２１ 基板
２２ 下部コンタクト層
２３ 井戸層
２４ 障壁層
２５ 多重量子井戸層
２６ 上部コンタクト層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Quantum well type | mold infrared detector 11 Board | substrate 12 Lower contact layer 13 Well layer 14 1st barrier layer 15 2nd barrier layer 16 Multiple quantum well layer 17 Upper contact layer 20 Quantum well type | mold infrared detector 21 Substrate 22 Lower contact layer 23 Well layer 24 Barrier layer 25 Multiple quantum well layer 26 Upper contact layer

Claims (5)

井戸層、前記井戸層の両主面側に設けられた一対の第１の障壁層、ならびに前記井戸層および前記第１の障壁層の間にそれぞれ設けられ、前記井戸層に隣接する第２の障壁層から構成される多重量子井戸層と、前記多重量子井戸層を挟み込むように設けられた一対のコンタクト層と、を備え、
前記第２の障壁層の障壁高さが前記第１の障壁層の障壁高さよりも高いことを特徴とする量子型赤外線検出器。 A well layer, a pair of first barrier layers provided on both main surface sides of the well layer, and a second layer provided between the well layer and the first barrier layer and adjacent to the well layer. A multiple quantum well layer composed of a barrier layer, and a pair of contact layers provided so as to sandwich the multiple quantum well layer,
The quantum infrared detector, wherein a barrier height of the second barrier layer is higher than a barrier height of the first barrier layer. 前記第２の障壁層の障壁高さは、前記井戸層において少なくとも１つのサブバンドエネルギー準位を有し、前記井戸層内の基底準位に位置するキャリアの励起準位よりも高いことを特徴とする請求項１記載の量子型赤外線検出器。   The barrier height of the second barrier layer has at least one subband energy level in the well layer, and is higher than an excitation level of carriers located at a ground level in the well layer. The quantum infrared detector according to claim 1. 前記第１および第２の障壁層は、それぞれＡｌ組成比の異なるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓと、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓとで構成され、前記第２の障壁層のＡｌ組成比ｙは、前記第１の障壁層のＡｌ組成比ｘより高いことを特徴とする請求項１または請求項２記載の量子型赤外線検出器。 The first and second barrier layers are composed of Al x Ga 1-x As and Al y Ga 1-y As having different Al composition ratios, respectively, and the Al composition ratio y of the second barrier layer is 3. The quantum infrared detector according to claim 1, wherein the quantum composition infrared detector is higher than an Al composition ratio x of the first barrier layer. 前記井戸層はＧａＡｓ層であり、前記第１の障壁層はＡｌ組成比ｘが０．４５以下であるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓで構成され、前記第２の障壁層はＡｌＡｓ層であることを特徴とする請求項３記載の量子型赤外線検出器。 The well layer is a GaAs layer, the first barrier layer is made of Al x Ga 1-x As having an Al composition ratio x of 0.45 or less, and the second barrier layer is an AlAs layer The quantum infrared detector according to claim 3. 前記第１の障壁層の障壁高さは、前記井戸層内の基底準位に位置するキャリアの励起準位よりも低いことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の量子型赤外線検出器。   5. The quantum according to claim 1, wherein a barrier height of the first barrier layer is lower than an excitation level of a carrier located at a ground level in the well layer. Type infrared detector.
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