JP2642114B2 - 赤外線検出器デバイスおよび赤外線を検出するための方法 - Google Patents
赤外線検出器デバイスおよび赤外線を検出するための方法Info
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- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- 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
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- H01L31/035236—Superlattices; Multiple quantum well structures
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は放射線検出デバイス、より具体的には、赤外
線に応答する放射線検出デバイスに関する。
線に応答する放射線検出デバイスに関する。
発明の背景 高速放射線検出デバイスはさまざまな分野、例えば、
光通信、イメージ センシング、及び測定及び計器など
において使用される。これらデバイスは粒子放射、ある
いは以下のように電磁放射に対して応答する。特に高速
で変動する信号、例えば、パルスの継続期間が数10ピコ
秒の桁であるパルス トレインを追跡できる波長選択デ
バイスは重要である。
光通信、イメージ センシング、及び測定及び計器など
において使用される。これらデバイスは粒子放射、ある
いは以下のように電磁放射に対して応答する。特に高速
で変動する信号、例えば、パルスの継続期間が数10ピコ
秒の桁であるパルス トレインを追跡できる波長選択デ
バイスは重要である。
赤外線の場合は、高速検出器デバイスが特に、例え
ば、衛星通信、地形マッピング、及び赤外視野(infrar
ed viewing)等に有効である。これら分野において現在
使用されているデバイスは殆んどが液体窒素にて冷却さ
れた水銀カドニウム テルル化物(mercury cadmium te
lluride)に基づく。しかし、この物質は製造が困難
で、また長期安定性の点で問題がある。ドープされたシ
リコンも赤外線応答デバイスとしての可能性をもつが、
さらに低温に冷却することが必要となる。また、シリコ
ンをベースとするデバイスの応答は高速用途に対しては
不十分である。
ば、衛星通信、地形マッピング、及び赤外視野(infrar
ed viewing)等に有効である。これら分野において現在
使用されているデバイスは殆んどが液体窒素にて冷却さ
れた水銀カドニウム テルル化物(mercury cadmium te
lluride)に基づく。しかし、この物質は製造が困難
で、また長期安定性の点で問題がある。ドープされたシ
リコンも赤外線応答デバイスとしての可能性をもつが、
さらに低温に冷却することが必要となる。また、シリコ
ンをベースとするデバイスの応答は高速用途に対しては
不十分である。
化合物半導体材料内での光電子効果から予期できる実
験的デバイスが提案されている。この目的にはII−VI族
及びIII−V族材料特に適する。例えばアプライド フ
ィジクス レターズ(Applied Physics Letters)、Vo
l.45(1984)、ページ649−651に掲載のD.D.クーン(D.
D.Coon)らによる論文[量子井戸を使用するIR検出の新
モード(New Mode of IR Detection Using Quantum Wel
ls)]は電界を掛けられた半導体内の局所化不純物レベ
ル内の電荷ディプリーション(charge−depletion)に
基づく赤外線検出を開示する。電荷ディプリーションは
単一AlxGa1-xAs/GaAs/AlyGa1-yAs非対称量子井戸からの
光放電の形式をとる。
験的デバイスが提案されている。この目的にはII−VI族
及びIII−V族材料特に適する。例えばアプライド フ
ィジクス レターズ(Applied Physics Letters)、Vo
l.45(1984)、ページ649−651に掲載のD.D.クーン(D.
D.Coon)らによる論文[量子井戸を使用するIR検出の新
モード(New Mode of IR Detection Using Quantum Wel
ls)]は電界を掛けられた半導体内の局所化不純物レベ
ル内の電荷ディプリーション(charge−depletion)に
基づく赤外線検出を開示する。電荷ディプリーションは
単一AlxGa1-xAs/GaAs/AlyGa1-yAs非対称量子井戸からの
光放電の形式をとる。
複数のGaAs/GaAlAs量子井戸の使用がジャーナル オ
ブ バキューム サイエンス アンド テクノロジー
(Journal of Vacuum Science and Technology)、Vol.
B1(1983)、ページ376−387に掲載のJ.S.スミス(J.S.
Smith)らの論文[多重量子井戸からの電子放出を使用
する新赤外検出器(A New Infrared Detector Using El
ectron Emission from Multiple Quantum Wells)]に
おいて開示される。ここでは、電子が自由キャリヤの吸
収による励起時に量子井戸から排出され、これにより電
流の流れが発生する。
ブ バキューム サイエンス アンド テクノロジー
(Journal of Vacuum Science and Technology)、Vol.
B1(1983)、ページ376−387に掲載のJ.S.スミス(J.S.
Smith)らの論文[多重量子井戸からの電子放出を使用
する新赤外検出器(A New Infrared Detector Using El
ectron Emission from Multiple Quantum Wells)]に
おいて開示される。ここでは、電子が自由キャリヤの吸
収による励起時に量子井戸から排出され、これにより電
流の流れが発生する。
複数のGaAs/GaxAl1-xAs量子井戸から成る超格子また
はL.エサキ(L.Esaki)らによる論文[新光検出器(New
Photoconductor)]、IBMテクニカル ディスクロージ
ャ ブリテン(IBM Technical Discloslre Bulleti
n)、Vol.20(1977)、ページ2456−2457においても開
示されている。ここに開示の構造においては、量子井戸
の最も低いサブバンド内の電子は本質的に不動であり、
一方、第2のサブバンド内の電子は大きな易動度をも
つ。
はL.エサキ(L.Esaki)らによる論文[新光検出器(New
Photoconductor)]、IBMテクニカル ディスクロージ
ャ ブリテン(IBM Technical Discloslre Bulleti
n)、Vol.20(1977)、ページ2456−2457においても開
示されている。ここに開示の構造においては、量子井戸
の最も低いサブバンド内の電子は本質的に不動であり、
一方、第2のサブバンド内の電子は大きな易動度をも
つ。
発明の概要 本発明においては、少なくとも2つのバンド状態をも
つドープされた量子井戸を含む半導体ヘテロ構造超格子
によって赤外線検出デバイスが形成される。超格子上に
当る赤外線はバンド間吸収を引き起し、これは電子を基
底状態から励起状態に励起する。光にて励起された電子
が井戸から抜け出て(tunnel out)結果として電流を生
成することから光信号が得られる。
つドープされた量子井戸を含む半導体ヘテロ構造超格子
によって赤外線検出デバイスが形成される。超格子上に
当る赤外線はバンド間吸収を引き起し、これは電子を基
底状態から励起状態に励起する。光にて励起された電子
が井戸から抜け出て(tunnel out)結果として電流を生
成することから光信号が得られる。
好ましい実施態様においては及びデバイスの感度を上
げるために、量子井戸の電位バリアーの組成プロフィル
が闇電流を構成する電子の抜け出し(tunneling)が光
電流と比較して抑止されるように選択される。さらに、
高デバイス応答性を達成するために、好ましいデバイス
動作において、高いバイアス電圧が使用され、結果とし
て量子井戸アバランシェ効果によって説明されるような
光電流の急激な増加が達成される。
げるために、量子井戸の電位バリアーの組成プロフィル
が闇電流を構成する電子の抜け出し(tunneling)が光
電流と比較して抑止されるように選択される。さらに、
高デバイス応答性を達成するために、好ましいデバイス
動作において、高いバイアス電圧が使用され、結果とし
て量子井戸アバランシェ効果によって説明されるような
光電流の急激な増加が達成される。
実施例の説明 1.基本的特徴 第1図及び第2図は半絶縁基板1、コンタクト層2、
半導体超格子3、コンタクト層4、電圧源5、及び電圧
源5と直列にコンタクト層2と4に接続された電流測定
計器6を示す。
半導体超格子3、コンタクト層4、電圧源5、及び電圧
源5と直列にコンタクト層2と4に接続された電流測定
計器6を示す。
第1図において、超格子の照射は、実験装置を評価す
るうえで便利なことが知られていた研磨された基板面に
対する角度で示されている。より一般的には、照射は、
例えば、第2図に示されるように超格子平面に垂直な光
−電気場成分をもつ任意の方向に選択でき、この目的に
は回折格子が使用される。また、第1図及び第2図のデ
バイスのメサ構造から明白なように、本発明のデバイス
はイメージ処理用途に適するようにアレイを形成するよ
うに製造することもできる。
るうえで便利なことが知られていた研磨された基板面に
対する角度で示されている。より一般的には、照射は、
例えば、第2図に示されるように超格子平面に垂直な光
−電気場成分をもつ任意の方向に選択でき、この目的に
は回折格子が使用される。また、第1図及び第2図のデ
バイスのメサ構造から明白なように、本発明のデバイス
はイメージ処理用途に適するようにアレイを形成するよ
うに製造することもできる。
本発明による光検出器のある好ましい特定の実施態様
の機能は第3図及び第4図に示されるエネルギー バン
ド図からより平易に説明できる。ここで、量子井戸は2
つの閉じ込め状態(confinedstate)をもつように示さ
れる。基底状態バンド幅を超えるバイアス電圧の存在下
においては、この基底状態を通じての抜け出し(tunnel
ing)は低減され、この構造は低場(low−field)領域
(第3図の左側)及び高場(high−field)領域(第3
図の右側)に分割される。ここで、電子は順次共振トン
ネリング(sequential resonant tunneling)を介して
一方の井戸の局所基底状態E1から隣の井戸の局所励起状
態E2に流れる。共鳴トンネリング及び関連する効果に関
する調査に関しては、IEEEジャーナル オブ クウォン
タム エレクトロニクス(IEEE Jounal of Quantum Ele
ctronics)、Vol.QE−22(1986)、ページ1853−1969に
記載のF.キャパソ(F.Capasso)らの論文[二重障壁を
通じての共鳴トンネリング、超格子内における垂直量子
輸送現象、及びこれらのデバイス アプリケーション
(Resonant Tunneling Through Double Barriers、Perp
endicular Quantum Transport Phenomena in Superlatt
ices、and Their Device Applications)]を参照する
こと。
の機能は第3図及び第4図に示されるエネルギー バン
ド図からより平易に説明できる。ここで、量子井戸は2
つの閉じ込め状態(confinedstate)をもつように示さ
れる。基底状態バンド幅を超えるバイアス電圧の存在下
においては、この基底状態を通じての抜け出し(tunnel
ing)は低減され、この構造は低場(low−field)領域
(第3図の左側)及び高場(high−field)領域(第3
図の右側)に分割される。ここで、電子は順次共振トン
ネリング(sequential resonant tunneling)を介して
一方の井戸の局所基底状態E1から隣の井戸の局所励起状
態E2に流れる。共鳴トンネリング及び関連する効果に関
する調査に関しては、IEEEジャーナル オブ クウォン
タム エレクトロニクス(IEEE Jounal of Quantum Ele
ctronics)、Vol.QE−22(1986)、ページ1853−1969に
記載のF.キャパソ(F.Capasso)らの論文[二重障壁を
通じての共鳴トンネリング、超格子内における垂直量子
輸送現象、及びこれらのデバイス アプリケーション
(Resonant Tunneling Through Double Barriers、Perp
endicular Quantum Transport Phenomena in Superlatt
ices、and Their Device Applications)]を参照する
こと。
電子はE1の緩和状態に戻り、第3図の矢印によって示
されるように、次の井戸にトンネリングを介して抜け
る。バイアス電圧がさらに増加すると、高フィールド領
域が1度に1井戸ずつ広がり、これによってΔE=(E1
−E2−Δν1−Δν2)の周期をもつ周期的な負のコン
ダクタンス ピークが形成される。ここで、Δν1及び
Δν2はそれぞれE1及びE2の幅である。
されるように、次の井戸にトンネリングを介して抜け
る。バイアス電圧がさらに増加すると、高フィールド領
域が1度に1井戸ずつ広がり、これによってΔE=(E1
−E2−Δν1−Δν2)の周期をもつ周期的な負のコン
ダクタンス ピークが形成される。ここで、Δν1及び
Δν2はそれぞれE1及びE2の幅である。
照射下でのデバイス動作を図解する第4図に示される
ように、サブバンド間遷移(E1−E2)と共振にある赤外
線が電子をドープ基底状態E1から励起状態E2に励起す
る。電子はこの状態から障壁の薄い上部を通ってこの井
戸の外に抜け出る。この光によって生成された熱い電子
は次に平均自由行程だけ進み、光電流を生成した後に、
井戸の1つによって再び捕えられる。
ように、サブバンド間遷移(E1−E2)と共振にある赤外
線が電子をドープ基底状態E1から励起状態E2に励起す
る。電子はこの状態から障壁の薄い上部を通ってこの井
戸の外に抜け出る。この光によって生成された熱い電子
は次に平均自由行程だけ進み、光電流を生成した後に、
井戸の1つによって再び捕えられる。
より一般的には、デバイス動作が共鳴トンネリングを
伴うか否かに関係なく、本発明によるデバイスは少なく
とも2つの閉じ込め状態をもつ少なくとも1つのドープ
された量子井戸から成るヘテロ構造半導体超格子を含む
ことを特徴とする。ここで、この2つの状態のうちのエ
ネルギーが高い方の状態は超格子にバイアス電場が加え
られたとき電子を量子井戸からトンネリングにて抜け出
させるのに十分高く上げられる。超格子の構造、特に井
戸及び障壁の厚さに依存して、このバイアス場は第3図
及び第4図に示されるように量子井戸間に本質的に等し
い段を形成し、これにより本質的に線形の量子井戸プロ
ファイルを形成する。ただし、これ以外のプロファイ
ル、例えば、放物線プロファイルあるいは放物線状プロ
ファイルと線形プロファイルの重複を使用することもで
きる。(これらの非線形プロファイルは、例えば、超格
子内の障壁層を暗電流を最小化するために十分に厚く選
択したとき得られる。) 本発明によるデバイスの周波数選択性はサブバンド間
遷移エネルギーE2−E1に依存する。ここで、このエネル
ギーは超格子材料及び井戸の厚さの選択に大きく依存す
る。周知の化合物半導体材料からの選択から約2マイク
ロメートルから最高100マイクロメートルあるいはそれ
以上の波長に対する周波数に応答する検出器が得られ
る。例えば、ガリウム ヒ化物(galliuma arsenide)
とガリウム アルミニウム ヒ化物(gallium aluminum
arsenide)の交互の層から成る超格子の場合は、選択
された周波数は組成式当たりに含まれるアルミニウムの
量に正比例する。他の適当な材料の組成としては、イン
ジウム リン化物(indium phosphide)とインジウム
ガリウム ヒ化リン化物(indium gallium arsenide ph
osphide)、及びガリウム アンチモン化物(galliuma
antimonide)とアルミニウム ガリウム アンチモン化
物(aluminum gallium antimonide)が含まれる。II−V
I族化合物半導体材料の使用を排除するものではない
が、デバイスの製造の点からみた場合、III−V族材料
の方が好ましい。
伴うか否かに関係なく、本発明によるデバイスは少なく
とも2つの閉じ込め状態をもつ少なくとも1つのドープ
された量子井戸から成るヘテロ構造半導体超格子を含む
ことを特徴とする。ここで、この2つの状態のうちのエ
ネルギーが高い方の状態は超格子にバイアス電場が加え
られたとき電子を量子井戸からトンネリングにて抜け出
させるのに十分高く上げられる。超格子の構造、特に井
戸及び障壁の厚さに依存して、このバイアス場は第3図
及び第4図に示されるように量子井戸間に本質的に等し
い段を形成し、これにより本質的に線形の量子井戸プロ
ファイルを形成する。ただし、これ以外のプロファイ
ル、例えば、放物線プロファイルあるいは放物線状プロ
ファイルと線形プロファイルの重複を使用することもで
きる。(これらの非線形プロファイルは、例えば、超格
子内の障壁層を暗電流を最小化するために十分に厚く選
択したとき得られる。) 本発明によるデバイスの周波数選択性はサブバンド間
遷移エネルギーE2−E1に依存する。ここで、このエネル
ギーは超格子材料及び井戸の厚さの選択に大きく依存す
る。周知の化合物半導体材料からの選択から約2マイク
ロメートルから最高100マイクロメートルあるいはそれ
以上の波長に対する周波数に応答する検出器が得られ
る。例えば、ガリウム ヒ化物(galliuma arsenide)
とガリウム アルミニウム ヒ化物(gallium aluminum
arsenide)の交互の層から成る超格子の場合は、選択
された周波数は組成式当たりに含まれるアルミニウムの
量に正比例する。他の適当な材料の組成としては、イン
ジウム リン化物(indium phosphide)とインジウム
ガリウム ヒ化リン化物(indium gallium arsenide ph
osphide)、及びガリウム アンチモン化物(galliuma
antimonide)とアルミニウム ガリウム アンチモン化
物(aluminum gallium antimonide)が含まれる。II−V
I族化合物半導体材料の使用を排除するものではない
が、デバイスの製造の点からみた場合、III−V族材料
の方が好ましい。
化合物半導体材料において、高い電子易動度を利用で
きることから量子井戸のN−タイプ ドーピングが好ま
しい。ドーピングはケイ素あるいはスズを使用し、1018
から1019cm-3の濃度にて行う。高い吸収のためにはこの
レベルの高いドーパント濃度が要求される。別の方法と
して障壁を変調ドーピングとしてドープすることもでき
る。
きることから量子井戸のN−タイプ ドーピングが好ま
しい。ドーピングはケイ素あるいはスズを使用し、1018
から1019cm-3の濃度にて行う。高い吸収のためにはこの
レベルの高いドーパント濃度が要求される。別の方法と
して障壁を変調ドーピングとしてドープすることもでき
る。
さらに、高吸収のために、超格子内の量子井戸の数は
好ましくは対象となる放射の全て(あるいは少なくとも
大部分)の吸収を保証するために十分に大きく選択され
る。
好ましくは対象となる放射の全て(あるいは少なくとも
大部分)の吸収を保証するために十分に大きく選択され
る。
デバイスの製造は典型的には、例えば、分子線エピタ
キシー(MBE)あるいは気相成長法(MOCVD)にて実現さ
れるような高度に制御された基板上への超格子の製造を
含む。J.D.カディ(J.D.Chadi)ら編集の第17回半導体
物理に関する国際会議の議事録(proceedings of the 1
7th International Conference on the Physics of Sem
iconductors)、スプリンガー バーラッグ(Springer
−Verlag)、1985年、ページング1515−1524に掲載のA.
チョー(A.Cho)による論文[III−V族化合物半導体材
料及びデバイスにおける最近の進展(Recent Developme
nts in III−V Compound Semiconductor Materials and
Devices)]に示されるように、MBE及びMOCVD製造技術
は、化合物半導体デバイス製造の分野を含むさまざまな
分野において周知である。これに関してはさらに、サイ
エンス(Science)、Vol.226、ページ623−629に掲載の
R.D.ジューピアス(R.D.Dupuis)の論文[III−V族半
導体の気相成長(Metalorganic Chemical Vapor Deposi
tion of III−V Semiconductors)]を参照すること。
キシー(MBE)あるいは気相成長法(MOCVD)にて実現さ
れるような高度に制御された基板上への超格子の製造を
含む。J.D.カディ(J.D.Chadi)ら編集の第17回半導体
物理に関する国際会議の議事録(proceedings of the 1
7th International Conference on the Physics of Sem
iconductors)、スプリンガー バーラッグ(Springer
−Verlag)、1985年、ページング1515−1524に掲載のA.
チョー(A.Cho)による論文[III−V族化合物半導体材
料及びデバイスにおける最近の進展(Recent Developme
nts in III−V Compound Semiconductor Materials and
Devices)]に示されるように、MBE及びMOCVD製造技術
は、化合物半導体デバイス製造の分野を含むさまざまな
分野において周知である。これに関してはさらに、サイ
エンス(Science)、Vol.226、ページ623−629に掲載の
R.D.ジューピアス(R.D.Dupuis)の論文[III−V族半
導体の気相成長(Metalorganic Chemical Vapor Deposi
tion of III−V Semiconductors)]を参照すること。
本発明によるデバイスの長所には、狭い共振、低い背
景ノイズ、高い量子効率、及び強い光電流が含まれる。
以下の例は本発明によるある特定のデバイスを製造する
のに使用できる諸元及び材料組成を示す。また、デバイ
スの長所を示す目的としての性能特性も与えられる。全
ての測定値は公称あるいは概算値である。
景ノイズ、高い量子効率、及び強い光電流が含まれる。
以下の例は本発明によるある特定のデバイスを製造する
のに使用できる諸元及び材料組成を示す。また、デバイ
スの長所を示す目的としての性能特性も与えられる。全
ての測定値は公称あるいは概算値である。
例 ガリウム ヒ化物基板上にn+=4×1018/cm3にドー
プされたGaAsの1−マイクロメートル層がコンタクト層
として堆積された。このコンタクト層の上に6.5ナノメ
ートルGaAs(n=1.4×1018/cm3にドープ)と9.8ナノメ
ートルのAl0.24Ga0.76Asの交互する層から成る50−周期
超格子が堆積された。この超格子上に0.5マイクロメー
トルGaAs層が堆積され、n+=4×1018/cm3にドープさ
れた。(これら厚さ及び組成は井戸内に10マイクロメー
トルに近いエネルギー空間をもつちょうど2つの状態を
生成するように選択された。) フーリエ変換干渉計吸収測定が共鳴エネルギー及び発
振器強度を決定する目的で超格子がブルースター角(こ
の場合73度)を取る位置にて遂行された。吸収ピークは
920cm-1であり、発振器強度は約f=0.6であることが確
認された(fは遷移強度を表わす無次元単位の測度であ
り、ここではE1状態からE2状態へと光励起状態が遷移す
るときのE1に対するE2の相対的強度を表わす)。
プされたGaAsの1−マイクロメートル層がコンタクト層
として堆積された。このコンタクト層の上に6.5ナノメ
ートルGaAs(n=1.4×1018/cm3にドープ)と9.8ナノメ
ートルのAl0.24Ga0.76Asの交互する層から成る50−周期
超格子が堆積された。この超格子上に0.5マイクロメー
トルGaAs層が堆積され、n+=4×1018/cm3にドープさ
れた。(これら厚さ及び組成は井戸内に10マイクロメー
トルに近いエネルギー空間をもつちょうど2つの状態を
生成するように選択された。) フーリエ変換干渉計吸収測定が共鳴エネルギー及び発
振器強度を決定する目的で超格子がブルースター角(こ
の場合73度)を取る位置にて遂行された。吸収ピークは
920cm-1であり、発振器強度は約f=0.6であることが確
認された(fは遷移強度を表わす無次元単位の測度であ
り、ここではE1状態からE2状態へと光励起状態が遷移す
るときのE1に対するE2の相対的強度を表わす)。
赤外線光電導率を測定する目的で、50マイクロメート
ル直径のメサをエッチングし、そして上側及び下側n+
GaAs層にオーミック コンタクトを作ることによって検
出器が形成された。低温闇電流は2.5mA(T=15度Kか
ら80度K)であり、2.6Vの動作バイアス電圧の所での微
分抵抗(differential resistance)は175オームであっ
た。
ル直径のメサをエッチングし、そして上側及び下側n+
GaAs層にオーミック コンタクトを作ることによって検
出器が形成された。低温闇電流は2.5mA(T=15度Kか
ら80度K)であり、2.6Vの動作バイアス電圧の所での微
分抵抗(differential resistance)は175オームであっ
た。
赤外光を45度の角度にて検出器に背面照射し、結果と
して超格子に対して垂直の大きな光場が得られるよう
に、基板に45度のポリッシュされた角度が与えられた。
929cm-1(10.8マイクロメートル)から1088cm-1(9.2マ
イクロメートル)の囲で調節が可能なCO2レーザーを使
用して10マイクロメートル放射が得られた。このCO2レ
ーザは、基準検出器に対して正規化されるとともに、活
性デバイス領域上に10マイクロワット以下のパワーレベ
ルが入射されるよう十分に減衰された。光電流信号を10
オームの負荷抵抗体を用いて測定したところ、T=15度
Kないし80度Kの範囲において温度依存性がないことが
わかった。光電流の強い共振特性は測定された吸収スペ
クトルと良く一致した。さらに、予測されたごとく、こ
の光信号は光遷移双極モーメントが超格子と垂直に整合
し高度に偏波されていることが確認された。検出器の応
答速度がチェックされ、CO2レーザーのチョッパー ホ
イールの最大速度に制約される10マイクロ秒以下である
ことが発見された。
して超格子に対して垂直の大きな光場が得られるよう
に、基板に45度のポリッシュされた角度が与えられた。
929cm-1(10.8マイクロメートル)から1088cm-1(9.2マ
イクロメートル)の囲で調節が可能なCO2レーザーを使
用して10マイクロメートル放射が得られた。このCO2レ
ーザは、基準検出器に対して正規化されるとともに、活
性デバイス領域上に10マイクロワット以下のパワーレベ
ルが入射されるよう十分に減衰された。光電流信号を10
オームの負荷抵抗体を用いて測定したところ、T=15度
Kないし80度Kの範囲において温度依存性がないことが
わかった。光電流の強い共振特性は測定された吸収スペ
クトルと良く一致した。さらに、予測されたごとく、こ
の光信号は光遷移双極モーメントが超格子と垂直に整合
し高度に偏波されていることが確認された。検出器の応
答速度がチェックされ、CO2レーザーのチョッパー ホ
イールの最大速度に制約される10マイクロ秒以下である
ことが発見された。
10.8マイクロメートル放射を使用して実験的に得られ
たデバイス応答性が第5図にバイアス電圧の関数として
示される。デバイス温度は80度Kとされた。2.6Vの動作
バイアス電圧において、デバイス応答性は0.52A/Wであ
り、バンド幅応答Δλ/λは約10パーセントであり、Δ
λ=97cm-1、推定速度焼45ピコ秒、そして超格子を通じ
て熱い電子の平均自由行程は約L=250.0であった。
たデバイス応答性が第5図にバイアス電圧の関数として
示される。デバイス温度は80度Kとされた。2.6Vの動作
バイアス電圧において、デバイス応答性は0.52A/Wであ
り、バンド幅応答Δλ/λは約10パーセントであり、Δ
λ=97cm-1、推定速度焼45ピコ秒、そして超格子を通じ
て熱い電子の平均自由行程は約L=250.0であった。
正味光吸収を増加し、また平均自由行程を延すること
によって総量子効率が大きく向上されることが予期でき
る。暗電流はガリウム アルミニウム ヒ化物障壁の厚
さに反比例し、またこの障壁の形状によっても影響され
る。
によって総量子効率が大きく向上されることが予期でき
る。暗電流はガリウム アルミニウム ヒ化物障壁の厚
さに反比例し、またこの障壁の形状によっても影響され
る。
2.付加的特徴 高いバイアス電圧の所の闇電流の抑止を実現するため
に、上の例に説明されるのと類似するデバイスがより厚
く高い障壁をもつように製造された。このデバイスは7.
0ナノメートルGaAs井戸(n=1.4×1018/cm3にドープ)
と14.0ナノメートルAl0.36Ga0.64Asアンドープ障壁の50
周期から構成された。それぞれ0.5マイクロメートル及
び1マイクロメートル、並びにn+=3×1018/cm3のド
ーパント濃度をもつ上側及び下側ガリウム ヒ化物コン
タクト層が使用された。
に、上の例に説明されるのと類似するデバイスがより厚
く高い障壁をもつように製造された。このデバイスは7.
0ナノメートルGaAs井戸(n=1.4×1018/cm3にドープ)
と14.0ナノメートルAl0.36Ga0.64Asアンドープ障壁の50
周期から構成された。それぞれ0.5マイクロメートル及
び1マイクロメートル、並びにn+=3×1018/cm3のド
ーパント濃度をもつ上側及び下側ガリウム ヒ化物コン
タクト層が使用された。
15度Kの温度及び10.3マイクロメートルの波長に対し
て測定された光検出器の応答性が第6図にグラフ的に示
される。
て測定された光検出器の応答性が第6図にグラフ的に示
される。
上の例のデバイスと対比して、ここではバイアス電圧
をさらに増加させ、これによって光励起トンネリングの
確率をさらに増加させることができる。より具体的には
9Vのバイアス電圧においては、応答性は約1.9A/Wであ
り、熱い電子の平均自由行程は1マイクロメートル以上
であった。
をさらに増加させ、これによって光励起トンネリングの
確率をさらに増加させることができる。より具体的には
9Vのバイアス電圧においては、応答性は約1.9A/Wであ
り、熱い電子の平均自由行程は1マイクロメートル以上
であった。
最適化された高さ及び幅の結果としてこの向上された
応答性は概むね期待通りとみなすことができるが、7.0
ナノメートルGaAs量子井戸、n=1.4×1018/cm3にドー
プ、と14.0ナノメートルAl0.36Ga0.64Asアンドープ障壁
の50周期から成るこの同じデバイスにさらに高いバイア
ス電圧が加えられたとき、全く期待されなかった応答性
の増加が観察されてた。10.3マイクロメートルの波長に
て行なわれた測定値が第7図に示されるが、これは9Vを
超えたバイアス電圧での応答性の劇的な増加をくっきり
と示す。
応答性は概むね期待通りとみなすことができるが、7.0
ナノメートルGaAs量子井戸、n=1.4×1018/cm3にドー
プ、と14.0ナノメートルAl0.36Ga0.64Asアンドープ障壁
の50周期から成るこの同じデバイスにさらに高いバイア
ス電圧が加えられたとき、全く期待されなかった応答性
の増加が観察されてた。10.3マイクロメートルの波長に
て行なわれた測定値が第7図に示されるが、これは9Vを
超えたバイアス電圧での応答性の劇的な増加をくっきり
と示す。
この高いバイアス電圧の所でのこの期待以上の高い応
答性を説明するために、量子井戸から出た電子の光電子
誘導アバランシェ イオン化(Photoelectron−initiat
ed avalanche ionization)としての利得機構が提案さ
れる。このプロセスが第8図にグラフ的に示される。こ
こで、波ベクトルk(超格子成長方向)及びエネルギー
Ek(障壁の伝導帯端から測定)をもつ光生成電子が基底
状態E1にバウンド電子(bound electron)を含む隣の量
子井戸に当る。クローン電位を介して相互作用にした後
に、入射電子はエネルギーと運動を失い、新たな値k′
及びE′kとなりバウンド電子は、例えば、第1の励起
状態E2に上げられる。この励起された電子は、抜け出る
(tunne out)ことが可能であり、従って、利得を生成
する。超格子量子井戸内でこのプロセスの順次反復が第
9図によって示される(βはイオン化速度を示す)。
答性を説明するために、量子井戸から出た電子の光電子
誘導アバランシェ イオン化(Photoelectron−initiat
ed avalanche ionization)としての利得機構が提案さ
れる。このプロセスが第8図にグラフ的に示される。こ
こで、波ベクトルk(超格子成長方向)及びエネルギー
Ek(障壁の伝導帯端から測定)をもつ光生成電子が基底
状態E1にバウンド電子(bound electron)を含む隣の量
子井戸に当る。クローン電位を介して相互作用にした後
に、入射電子はエネルギーと運動を失い、新たな値k′
及びE′kとなりバウンド電子は、例えば、第1の励起
状態E2に上げられる。この励起された電子は、抜け出る
(tunne out)ことが可能であり、従って、利得を生成
する。超格子量子井戸内でこのプロセスの順次反復が第
9図によって示される(βはイオン化速度を示す)。
本発明のこの好ましい実施態様におけるアバランシェ
利得は加えられたバイアス場が超格子の周期当たりE2−
E1より大きな電圧降下を生成するように十分強くされた
とき実現される。アバランシェ プロセスの数学的モデ
ルから決定されるごとく、イオン化係数βは第10図に示
されるように入射された電子のエネルギーに依存する。
この曲線のピークは(E2−E1)の1.25倍の所あるいはこ
の付近にある。従って、βを最大化するためには、バイ
アス場が超格子の周期当たりこのおおよその好まし電圧
降下を生成するように選択される。
利得は加えられたバイアス場が超格子の周期当たりE2−
E1より大きな電圧降下を生成するように十分強くされた
とき実現される。アバランシェ プロセスの数学的モデ
ルから決定されるごとく、イオン化係数βは第10図に示
されるように入射された電子のエネルギーに依存する。
この曲線のピークは(E2−E1)の1.25倍の所あるいはこ
の付近にある。従って、βを最大化するためには、バイ
アス場が超格子の周期当たりこのおおよその好まし電圧
降下を生成するように選択される。
超格子のアバランシェ効果との関連において、このタ
イプの効果がF.キャパソ(F.Cappaso)らによるアプラ
イド フィジクス レターズ(Applied Physics Letter
s)、Vol.48(1986)、ページ1294−1296に発表の論文
[量子井戸超格子内での新アバランシェ増幅現象:バン
ドエッジ不連続を横断してのインパクト イオン化の証
拠(New Avalanche Multiplication Phenomenon in Qua
ntum Well Superlattices:Evidence of Impact Ionizat
ion Across the Band−edge Discontinuity)]におい
て説明されている。この論文において説明のバンドギャ
ップを横断してのイオン化に対して、本発明による方法
は赤外エネルギーの所での別のサブバンド間効果を提案
する。
イプの効果がF.キャパソ(F.Cappaso)らによるアプラ
イド フィジクス レターズ(Applied Physics Letter
s)、Vol.48(1986)、ページ1294−1296に発表の論文
[量子井戸超格子内での新アバランシェ増幅現象:バン
ドエッジ不連続を横断してのインパクト イオン化の証
拠(New Avalanche Multiplication Phenomenon in Qua
ntum Well Superlattices:Evidence of Impact Ionizat
ion Across the Band−edge Discontinuity)]におい
て説明されている。この論文において説明のバンドギャ
ップを横断してのイオン化に対して、本発明による方法
は赤外エネルギーの所での別のサブバンド間効果を提案
する。
さらに本発明の光検出器の闇電流を最小にするため
に、n+=3×1018/cm3のドープされたガリウム ヒ化
物コンタクト層間に挟まれた7.5ナノメートルGaAs(n
=1018/cm3にドープ)と3.9ナノメートルAl0.33Ga0.67A
s、1.8ナノメートル アンドープGaAs、及び15.4ナノメ
ートル アンドープAl0.33Ga0.67Asの50周期から成る超
格子構造が分子線エプタキシーによって製造された。こ
の構造のバンド図が11図及び第12図に示される。この構
造においては、個々の周期は厚い井戸(W1),薄い井戸
(W2)、厚い障壁(B1)、及び薄い障壁(B2)から成
る。結合されていない井戸(uncoupled well)に対して
は、W1内に2つの状態E=44meV、E2=170meV)が存在
し、そしてW2内には1つの状態E1′=174meV)のみが存
在する。これらエネルギーは超格子が電気的にバイアス
されたとき、レベルE2の所の光電子の共鳴トンネリング
がW2内のこの状態にエネルギーを与え、結果としてE2と
等しくなるように選択される。この結果としての光電流
電子の導伝の容易さは、井戸W2がE1と等しくされないと
きの闇電流電子の抑止と対比をなすものである。
に、n+=3×1018/cm3のドープされたガリウム ヒ化
物コンタクト層間に挟まれた7.5ナノメートルGaAs(n
=1018/cm3にドープ)と3.9ナノメートルAl0.33Ga0.67A
s、1.8ナノメートル アンドープGaAs、及び15.4ナノメ
ートル アンドープAl0.33Ga0.67Asの50周期から成る超
格子構造が分子線エプタキシーによって製造された。こ
の構造のバンド図が11図及び第12図に示される。この構
造においては、個々の周期は厚い井戸(W1),薄い井戸
(W2)、厚い障壁(B1)、及び薄い障壁(B2)から成
る。結合されていない井戸(uncoupled well)に対して
は、W1内に2つの状態E=44meV、E2=170meV)が存在
し、そしてW2内には1つの状態E1′=174meV)のみが存
在する。これらエネルギーは超格子が電気的にバイアス
されたとき、レベルE2の所の光電子の共鳴トンネリング
がW2内のこの状態にエネルギーを与え、結果としてE2と
等しくなるように選択される。この結果としての光電流
電子の導伝の容易さは、井戸W2がE1と等しくされないと
きの闇電流電子の抑止と対比をなすものである。
上に説明の本発明による二重障壁超格子光検出器の場
合は、暗電流は通常の方形トンネリング障壁(square t
unneling barriers)を使用して達成される闇電流の1
%以下であり、応答性は本質的に同一であった。従っ
て、この新たな構造は特に高感度検出器に適する。
合は、暗電流は通常の方形トンネリング障壁(square t
unneling barriers)を使用して達成される闇電流の1
%以下であり、応答性は本質的に同一であった。従っ
て、この新たな構造は特に高感度検出器に適する。
暗電流を抑止するためには、例えば、第13図ないし第
16図に示される傾斜障壁プロファイル(形状)を用いる
と効果的である。この傾斜障壁では、その頂部が薄くな
っておりそのため光励起キャリヤがトンネリングにより
容易に抜け出ることが可能であり、またその底部が厚く
なっているためトンネリングによる暗電流が抑止され
る。
16図に示される傾斜障壁プロファイル(形状)を用いる
と効果的である。この傾斜障壁では、その頂部が薄くな
っておりそのため光励起キャリヤがトンネリングにより
容易に抜け出ることが可能であり、またその底部が厚く
なっているためトンネリングによる暗電流が抑止され
る。
第1図は本発明による赤外線検出器の構造をさらに電圧
源及び電流測定デバイスを含む最も単純な構成で略拡大
図にて示し; 第2図は第1図の構造にかわるものとして回析格子を含
む構造を示し; 第3図は本発明によるデバイスに対応するバイアスの存
在下でのエネルギー バンド図であり; 第4図は本発明によるデバイスに対応するバイアス場の
存在下及び赤外線照射下でのエネルギー バンド図であ
り; 第5図は本発明のデバイスに対して実験的に決定された
バイアス電圧と光検出器応答性との間の関数関係をグラ
フ的に表わし; 第6図は第5図のデバイスと対比して量子井戸障壁の幅
及び高さが最適化された本発明の第2のデバイスに対し
て実験的に決定されたバイアス電圧と光検出器応答性、
及びバイアス電圧と暗電流の間の関数関係をグラフ的に
示し; 第7図は第6図のデバイスに非常に類似する本発明の第
3のデバイスに対して実験的に決定されたバイアス電圧
と光検出器応答性との間の関数関係を示すが、ここでは
測定が第6図のバイアス電圧をかなり超える範囲まで行
なわれており; 第8図及び第9図は光電流の促進が高いバイアス電圧で
のアバランシェ効果に起因するとの解釈を図解するエネ
ルギー バンド図であり; 第10図は量子井戸に当る電子のエネルギーとイオン化係
数との間の関数関係をグラフ的に示し; 第11図は本発明によるデバイスのバイアス場が存在せ
ず、暗電流が減少するようにエネルギー プロファイル
が選択された場合に対応するエネルギー バンド図を示
し; 第12図は第11図の図に対応するがバイアス場が存在する
場合のエネルギー バンド図を示し; そして 第13図から第16図はバイアス場不在で暗電流を低減させ
るための別の方法を代表する量子井戸エネルギー プロ
ファイルの図である。
源及び電流測定デバイスを含む最も単純な構成で略拡大
図にて示し; 第2図は第1図の構造にかわるものとして回析格子を含
む構造を示し; 第3図は本発明によるデバイスに対応するバイアスの存
在下でのエネルギー バンド図であり; 第4図は本発明によるデバイスに対応するバイアス場の
存在下及び赤外線照射下でのエネルギー バンド図であ
り; 第5図は本発明のデバイスに対して実験的に決定された
バイアス電圧と光検出器応答性との間の関数関係をグラ
フ的に表わし; 第6図は第5図のデバイスと対比して量子井戸障壁の幅
及び高さが最適化された本発明の第2のデバイスに対し
て実験的に決定されたバイアス電圧と光検出器応答性、
及びバイアス電圧と暗電流の間の関数関係をグラフ的に
示し; 第7図は第6図のデバイスに非常に類似する本発明の第
3のデバイスに対して実験的に決定されたバイアス電圧
と光検出器応答性との間の関数関係を示すが、ここでは
測定が第6図のバイアス電圧をかなり超える範囲まで行
なわれており; 第8図及び第9図は光電流の促進が高いバイアス電圧で
のアバランシェ効果に起因するとの解釈を図解するエネ
ルギー バンド図であり; 第10図は量子井戸に当る電子のエネルギーとイオン化係
数との間の関数関係をグラフ的に示し; 第11図は本発明によるデバイスのバイアス場が存在せ
ず、暗電流が減少するようにエネルギー プロファイル
が選択された場合に対応するエネルギー バンド図を示
し; 第12図は第11図の図に対応するがバイアス場が存在する
場合のエネルギー バンド図を示し; そして 第13図から第16図はバイアス場不在で暗電流を低減させ
るための別の方法を代表する量子井戸エネルギー プロ
ファイルの図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クウォン キット チョイ アメリカ合衆国 07063 ニュージャー シイ,ノース プレインフィールド,ウ エストロックヴュー アヴェニュー 708 (72)発明者 バリー フランクリン レヴィン アメリカ合衆国 07930 ニュージャー シイ,リヴィングストン,ベア ブルッ ク レーン 22 (72)発明者 ロジャー ジョン マリック アメリカ合衆国 07901 ニュージャー シイ,サミット,リッジデール アヴェ ニュー 23 (72)発明者 ジョン フレミング ウォーカー アメリカ合衆国 07090 ニュージャー シイ,ウエストフィールド,フォレスト アヴェニュー 800,アパートメント 7エッチ (56)参考文献 Applied Physics L etters,48(12)(1986)P. 806−808
Claims (11)
- 【請求項1】赤外線検出器を含むデバイスであって、該
検出器が 1つの同じ伝導形にドープされた複数の量子井戸を形成
する半導体層を含み、基板に支持されたヘテロ構造超格
子であって、該量子井戸の少なくとも1つが少なくとも
2つの閉じ込め状態を有し、かつ光で励起されたキャリ
ヤの該量子井戸からのトンネリングを許容する隣接する
第1の障壁を有し、該キャリヤのその後の転送が第2の
障壁の障壁頂部エネルギーを上まわるエネルギーにてな
されるものであるヘテロ構造超格子と、 該超格子を電気的にバイアスし、および該超格子上に入
射する放射線に応答して電気信号を検出するためのコン
タクト手段とを含むことを特徴とするデバイス。 - 【請求項2】請求項1に記載のデバイスにおいて、該量
子井戸が2つの閉じ込め状態をもつことを特徴とするデ
バイス。 - 【請求項3】請求項1に記載のデバイスにおいて、バイ
アス場の存在において、該量子井戸の少なくとも1部分
が本質的に線形のエネルギー系列を形成することを特徴
とするデバイス。 - 【請求項4】請求項1に記載のデバイスにおいて、バイ
アス場の存在において、該量子井戸の少なくとも1部が
放物線状成分をもつエネルギー系列を形成することを特
徴とするデバイス。 - 【請求項5】請求項1に記載のデバイスにおいて、バイ
アス場の存在において、第1の量子井戸における2つの
閉じ込め状態のうちの第1の状態エネルギー レベルが
該第1の量子井戸に隣接する第2の量子井戸における2
つの閉じ込め状態のうちの第2の状態のエネルギー レ
ベルに実質的に等しいことを特徴とするデバイス。 - 【請求項6】請求項1に記載のデバイスにおいて、該半
導体層が化合物半導体層であることを特徴とするデバイ
ス。 - 【請求項7】請求項1に記載のデバイスにおいて、該量
子井戸が暗電流に比して光電流の共鳴トンネリングを優
位とするように選択された組成プロファイルの電位障壁
をもつことを特徴とするデバイス。 - 【請求項8】請求項7に記載のデバイスにおいて、該障
壁が傾斜した組成プロファイルをもつことを特徴とする
デバイス。 - 【請求項9】請求項7に記載のデバイスにおいて、ペア
の量子井戸がエネルギー レベルが一致すると光電流電
子に対して共鳴トンネリングが許され、エネルギー レ
ベルが一致しないときには暗電流電子に対して共振トン
ネリングが抑止されるようなペアであることを特徴とす
るデバイス。 - 【請求項10】赤外線を検出するための方法において、
該方法が 該放射線を複数の量子井戸を形成する半導体層を含む基
板に支持された超格子上に当てるステップ、及び 該超格子に流れる電流を検出するステップを含み、 該方法が 該量子井戸の少なくとも1つが少なくとも2つの閉じ込
め状態をもち、該超格子が該少なくとも1つの量子井戸
をよぎる電圧が一の量子井戸における2つの閉じ込め状
態間のエネルギー差より大きくなるように電気的にバイ
アスされることを特徴とする方法。 - 【請求項11】請求項10に記載の方法において、該電圧
が該エネルギー差の1.25倍であるか概ねこれに等しいこ
とを特徴とする方法。
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US97,567 | 1987-09-15 |
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---|---|
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Families Citing this family (67)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6201242B1 (en) | 1987-08-05 | 2001-03-13 | Lockheed Martin Corporation | Bandgap radiation detector |
US5023685A (en) * | 1988-06-06 | 1991-06-11 | Bethea Clyde G | Quantum-well radiation-interactive device, and methods of radiation detection and modulation |
JPH02116175A (ja) * | 1988-10-26 | 1990-04-27 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 半導体受光素子 |
JPH02121370A (ja) * | 1988-10-29 | 1990-05-09 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 光検出器 |
US5185647A (en) * | 1988-12-12 | 1993-02-09 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Long wavelength infrared detector |
JPH081949B2 (ja) * | 1989-05-30 | 1996-01-10 | 三菱電機株式会社 | 赤外線撮像装置及びその製造方法 |
US5036371A (en) * | 1989-09-27 | 1991-07-30 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Multiple quantum well device |
US5079601A (en) * | 1989-12-20 | 1992-01-07 | International Business Machines Corporation | Optoelectronic devices based on intraband transitions in combinations of type i and type ii tunnel junctions |
US5191784A (en) * | 1989-12-28 | 1993-03-09 | Siemens Corporate Research, Inc. | Opto-electronic gas sensor |
US5012301A (en) * | 1990-02-22 | 1991-04-30 | Northern Telecom Limited | Three terminal semiconductor device |
US5013918A (en) * | 1990-04-02 | 1991-05-07 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Multicolor infrared photodetector |
JP2941349B2 (ja) * | 1990-04-06 | 1999-08-25 | 株式会社日立製作所 | 超格子apd |
JP2825930B2 (ja) * | 1990-05-14 | 1998-11-18 | ユピテル工業株式会社 | 半導体受光素子 |
JP2825929B2 (ja) * | 1990-05-14 | 1998-11-18 | ユピテル工業株式会社 | 半導体受光素子 |
US5031013A (en) * | 1990-08-13 | 1991-07-09 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Infrared hot-electron transistor |
JP2825957B2 (ja) * | 1990-09-18 | 1998-11-18 | ユピテル工業株式会社 | 半導体受光素子 |
JPH06502743A (ja) * | 1990-10-31 | 1994-03-24 | マーチン・マリエッタ・コーポレーション | ミニバンド移送量子ウェル赤外線検知器 |
US5965899A (en) * | 1990-10-31 | 1999-10-12 | Lockheed Martin Corp. | Miniband transport quantum well detector |
US5563423A (en) * | 1991-08-15 | 1996-10-08 | Hughes Aircraft Company | Dark current-free multiquantum well superlattice infrared detector |
US5239186A (en) * | 1991-08-26 | 1993-08-24 | Trw Inc. | Composite quantum well infrared detector |
US5300789A (en) * | 1991-12-24 | 1994-04-05 | At&T Bell Laboratories | Article comprising means for modulating the optical transparency of a semiconductor body, and method of operating the article |
US5198659A (en) * | 1992-03-23 | 1993-03-30 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Wide-range multicolor IR detector |
US5223704A (en) * | 1992-03-31 | 1993-06-29 | At&T Bell Laboratories | Planar buried quantum well photodetector |
US6320200B1 (en) | 1992-06-01 | 2001-11-20 | Yale University | Sub-nanoscale electronic devices and processes |
US5475341A (en) * | 1992-06-01 | 1995-12-12 | Yale University | Sub-nanoscale electronic systems and devices |
JPH06214169A (ja) * | 1992-06-08 | 1994-08-05 | Texas Instr Inc <Ti> | 制御可能な光学的周期的表面フィルタ |
US5311009A (en) * | 1992-07-31 | 1994-05-10 | At&T Bell Laboratories | Quantum well device for producing localized electron states for detectors and modulators |
US5313073A (en) * | 1992-08-06 | 1994-05-17 | University Of Southern California | Light detector using intersub-valence band transitions with strained barriers |
US5627672A (en) * | 1993-02-26 | 1997-05-06 | Texas Instruments Incorporated | Controllable optical periodic surface filters as a Q-switch in a resonant cavity |
GB9304211D0 (en) * | 1993-03-02 | 1993-04-21 | Univ Manchester | A quantom well device |
KR960004594B1 (ko) * | 1993-03-17 | 1996-04-09 | 엘지전자주식회사 | 적외선 광 검출기 |
US5304805A (en) * | 1993-03-26 | 1994-04-19 | Massachusetts Institute Of Technology | Optical-heterodyne receiver for environmental monitoring |
US5347142A (en) * | 1993-06-25 | 1994-09-13 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Modes of infrared hot electron transistor operation in infrared detection |
US5554882A (en) * | 1993-11-05 | 1996-09-10 | The Boeing Company | Integrated trigger injector for avalanche semiconductor switch devices |
US5539206A (en) * | 1995-04-20 | 1996-07-23 | Loral Vought Systems Corporation | Enhanced quantum well infrared photodetector |
US5567955A (en) * | 1995-05-04 | 1996-10-22 | National Research Council Of Canada | Method for infrared thermal imaging using integrated gasa quantum well mid-infrared detector and near-infrared light emitter and SI charge coupled device |
US6211529B1 (en) | 1996-08-27 | 2001-04-03 | California Institute Of Technology | Infrared radiation-detecting device |
US6054718A (en) * | 1998-03-31 | 2000-04-25 | Lockheed Martin Corporation | Quantum well infrared photocathode having negative electron affinity surface |
JP4330210B2 (ja) | 1999-07-30 | 2009-09-16 | 富士通株式会社 | 光半導体装置及びその製造方法 |
JP2001044453A (ja) | 1999-07-30 | 2001-02-16 | Fujitsu Ltd | 光検出素子 |
WO2001047031A2 (en) * | 1999-12-13 | 2001-06-28 | Swales Aerospace | Graded band gap multiple quantum well solar cell |
US6576490B2 (en) | 2001-05-09 | 2003-06-10 | National Research Council Of Canada | Method for micro-fabricating a pixelless infrared imaging device |
US7057256B2 (en) | 2001-05-25 | 2006-06-06 | President & Fellows Of Harvard College | Silicon-based visible and near-infrared optoelectric devices |
US7442629B2 (en) | 2004-09-24 | 2008-10-28 | President & Fellows Of Harvard College | Femtosecond laser-induced formation of submicrometer spikes on a semiconductor substrate |
CA2447828C (en) * | 2003-10-15 | 2012-07-03 | National Research Council Of Canada | Wavelength conversion device with avalanche multiplier |
US7180066B2 (en) * | 2004-11-24 | 2007-02-20 | Chang-Hua Qiu | Infrared detector composed of group III-V nitrides |
KR100785738B1 (ko) | 2006-06-19 | 2007-12-18 | 한국과학기술원 | 볼로미터 |
US8653461B1 (en) | 2007-03-23 | 2014-02-18 | Flir Systems, Inc. | Thermography camera tuned to detect absorption of infrared radiation in a selected spectral bandwidth |
US8659664B2 (en) | 2007-03-23 | 2014-02-25 | Flir Systems, Inc. | Thermography camera configured for leak detection |
DE102008006987A1 (de) * | 2008-01-31 | 2009-08-06 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Strahlungsempfänger und Verfahren zur Herstellung eines Strahlungsempfängers |
FR2936602B1 (fr) * | 2008-09-30 | 2010-10-01 | Thales Sa | Detecteur terahertz a puits quantiques |
US8476598B1 (en) * | 2009-08-31 | 2013-07-02 | Sionyx, Inc. | Electromagnetic radiation imaging devices and associated methods |
US9911781B2 (en) | 2009-09-17 | 2018-03-06 | Sionyx, Llc | Photosensitive imaging devices and associated methods |
US9673243B2 (en) | 2009-09-17 | 2017-06-06 | Sionyx, Llc | Photosensitive imaging devices and associated methods |
JP5489626B2 (ja) * | 2009-10-02 | 2014-05-14 | 京セラ株式会社 | 光電変換素子および光電変換方法 |
US8692198B2 (en) | 2010-04-21 | 2014-04-08 | Sionyx, Inc. | Photosensitive imaging devices and associated methods |
EP2583312A2 (en) | 2010-06-18 | 2013-04-24 | Sionyx, Inc. | High speed photosensitive devices and associated methods |
US9496308B2 (en) | 2011-06-09 | 2016-11-15 | Sionyx, Llc | Process module for increasing the response of backside illuminated photosensitive imagers and associated methods |
US20130016203A1 (en) | 2011-07-13 | 2013-01-17 | Saylor Stephen D | Biometric imaging devices and associated methods |
KR101920712B1 (ko) * | 2011-08-26 | 2018-11-22 | 삼성전자주식회사 | 튜너블 배리어를 구비한 그래핀 스위칭 소자 |
US9064764B2 (en) | 2012-03-22 | 2015-06-23 | Sionyx, Inc. | Pixel isolation elements, devices, and associated methods |
WO2013172078A1 (ja) * | 2012-05-16 | 2013-11-21 | 浜松ホトニクス株式会社 | 光学素子及び光検出器 |
JP6466346B2 (ja) | 2013-02-15 | 2019-02-06 | サイオニクス、エルエルシー | アンチブルーミング特性を有するハイダイナミックレンジcmos画像センサおよび関連づけられた方法 |
US9939251B2 (en) | 2013-03-15 | 2018-04-10 | Sionyx, Llc | Three dimensional imaging utilizing stacked imager devices and associated methods |
US9209345B2 (en) | 2013-06-29 | 2015-12-08 | Sionyx, Inc. | Shallow trench textured regions and associated methods |
AU2014347256B2 (en) * | 2013-08-27 | 2018-08-09 | Georgia State University Research Foundation, Inc. | Tunable hot-carrier photodetector |
WO2020170703A1 (ja) * | 2019-02-20 | 2020-08-27 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 撮像装置およびその駆動方法 |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4348686A (en) * | 1980-07-28 | 1982-09-07 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Microwave-infrared detector with semiconductor superlattice region |
GB2106314A (en) * | 1981-09-18 | 1983-04-07 | Philips Electronic Associated | Infra-red radiation imaging devices |
US4525731A (en) * | 1982-12-30 | 1985-06-25 | International Business Machines Corporation | Semiconductor conversion of optical-to-electrical energy |
US4607272A (en) * | 1983-10-06 | 1986-08-19 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Electro-optical SLS devices for operating at new wavelength ranges |
US4620214A (en) * | 1983-12-02 | 1986-10-28 | California Institute Of Technology | Multiple quantum-well infrared detector |
US4581621A (en) * | 1984-07-02 | 1986-04-08 | Texas Instruments Incorporated | Quantum device output switch |
US4679061A (en) * | 1985-06-14 | 1987-07-07 | American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Laboratories | Superlattice photoconductor |
-
1987
- 1987-09-15 US US07/097,567 patent/US4894526A/en not_active Expired - Lifetime
-
1988
- 1988-01-07 DE DE3854333T patent/DE3854333T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1988-01-07 EP EP88300096A patent/EP0275150B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1988-01-07 ES ES88300096T patent/ES2076156T3/es not_active Expired - Lifetime
- 1988-01-14 JP JP63005006A patent/JP2642114B2/ja not_active Expired - Lifetime
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- 1988-01-15 KR KR1019880000235A patent/KR960008181B1/ko not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Applied Physics Letters,48(12)(1986)P.806−808 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CA1302546C (en) | 1992-06-02 |
US4894526A (en) | 1990-01-16 |
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ES2076156T3 (es) | 1995-11-01 |
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JPS63246626A (ja) | 1988-10-13 |
KR890012157A (ko) | 1989-08-24 |
EP0275150A3 (en) | 1989-09-13 |
KR960008181B1 (ko) | 1996-06-20 |
DE3854333D1 (de) | 1995-09-28 |
DE3854333T2 (de) | 1996-04-18 |
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