JP4935148B2 - 多波長量子井戸型赤外線検知器 - Google Patents
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図6参照
図6は、従来の二波長QWIPの概略的要部断面図であり、半絶縁性GaAs基板上に、n型GaAsコンタクト層72、n型MQW第1光吸収層73、n型GaAsコンタクト層74、n型MQW第2光吸収層75、及び、n型GaAsコンタクト層76を順次積層させたのち、n型GaAsコンタクト層76の表面に反射型回折格子77を形成する。
そこで反射型回折格子77を利用した光結合器で入射光を散乱させてMQW構造に垂直な電磁界成分を持たせることによって感度を得るものである。
この時、回折格子77の段差は入射光の波長の1/4となるようにすると最も効率が良いことが知られている。
図1参照
上記課題を解決するために、本発明は、感度波長が異なる複数の多重量子井戸構造光吸収層1,2を積層して1画素で複数の波長帯に対して感度を有するとともに、赤外光入射面の反対側の素子表面に設けた段差パターン5からなる光結合器構造4を備えた多波長量子井戸型赤外線検出装置であって、段差パターン5の段差の高い部分の素子表面上にのみ相対的に長波長光だけを透過し相対的に短波長光を反射する性質を持つフィルタ材6を設けるとともに、フィルタ材6を含む段差パターン5全面に入射光を全て反射する膜を設け、段差パターン5の底面から反射が起こるフィルタ材6あるいは反射膜10までの材料中の光路長が反射を起こす光の波長のおおよそ1/4であることを特徴とする。
なお、「おおよそ1/4」とは数学的に厳密に1/4である必要がないことを意味し、例えば、1/4の場合の反射率の80%の反射率が得られる範囲であれば良い。
n1 >n2 <n3
とすることが望ましく、それによって、反射率を高めることができる。
なお、第1光透過膜8に接する光透過膜は、二波長QWIPの場合には素子表面側の半導体3となる。
図から明らかなように、3μm近傍の波長において80%以上の反射率が得られる。
nGaAs×dGaAs=λS /4 ・・・(1)
nGaAs×dGaAs+nLiF ×dLiF +nGe×dGe=λL /4 ・・・(2)
となる。
上記の式(2)に式(1)を代入することによって、 nLiF ×dLiF +nGe×dGe=(λL −λS )/4 ・・・(3)
が得られる。
nLiF ×dLiF +nGe×dGe=1367.2〔nm〕
≒(λL −λS )/4=1375〔nm〕・・・(4)
となり、上記の式(3)がほぼ満たされることになり、長短の両方の波長に対して良好な回折格子が形成されていることが分かる。
即ち、低屈折率部材23の屈折率をnL ,厚さをdL 、高屈折率部材24の屈折率をnH ,厚さをdH 、半導体21の突出部の厚さをdS ,屈折率をnS とすると、上記の式(1)及び式(2)と同様に、
nS ×dS =λL /4
nS ×dS −nL ×dL −nH ×dH =λS /4
となる。
(λL −λS )/4=nL ×dL +nH ×dH
の関係をほぼ満たすように、波長λL ,λS に応じて低屈折率部材23の(nL ,dL )と高屈折率部材24の(nH ,dH )の組合せを選択すれば良い。
図5は、本発明の実施例1の二波長QWIPの概略的要部断面図であり、まず、半絶縁性GaAs基板(図示を省略)上に、MOVPE法(有機金属気相成長法)によって、厚さが、0.5〜2.0μm、例えば、1.0μmのi型GaAsベース層31、厚さが、0.5〜2.0μm、例えば、1.0μmで、キャリア濃度が1×1017〜5×1018cm-3、例えば、1×1018cm-3のn型GaAsコンタクト層32、n型MQW第1光吸収層33、厚さが、0.5〜2.0μm、例えば、1.0μmで、キャリア濃度が1×1017〜5×1018cm-3、例えば、1×1018cm-3のn型GaAsコンタクト層34、n型MQW第2光吸収層35、厚さが、0.5〜2.0μm、例えば、1.0μmで、キャリア濃度が1×1017〜5×1018cm-3、例えば、1×1018cm-3のn型GaAsコンタクト層36を順次エピタキシャル成長させる。
また、回折格子39の凹凸の深さは、n型GaAsコンタクト層36に形成される段差dGaAsが、上述のdGaAs×nGaAs=λS /4の関係をほぼ満たすように形成する。
なお、回折格子39の表面には、例えば、Auからなる反射膜42を設けておく。
但し、この場合には、回折格子の反射特性は回折格子の段差によって規定されるので、図4に示したように、n型GaAsコンタクト層等の最表面の半導体層に長波長用回折格子を形成したのち、凹凸パターンの凹部に短波長透過フィルタ材を所定の厚さに堆積させれば良い。
なお、1.5μmの赤外線をサブバンド間遷移で検出するためには短波長用QWIPをGaN系半導体等で構成すれば良い。
再び、図1参照
(付記1) 感度波長が異なる複数の多重量子井戸構造光吸収層1,2を積層して1画素で複数の波長帯に対して感度を有するとともに、赤外光入射面の反対側の素子表面に設けた段差パターン5からなる光結合器構造4を備えた多波長量子井戸型赤外線検出装置であって、前記段差パターン5の段差の高い部分の素子表面上にのみ相対的に長波長光だけを透過し相対的に短波長光を反射する性質を持つフィルタ材6を設けるとともに、前記フィルタ材6を含む段差パターン5全面に入射光を全て反射する膜を設け、前記段差パターン5の底面から反射が起こるフィルタ材6あるいは反射膜10までの材料中の光路長が反射を起こす光の波長のおおよそ1/4であることを特徴とする多波長量子井戸型赤外線検出装置。
(付記2) 上記フィルタ材6が反射・透過特性が互いに異なる複数のフィルタ要素7の積層構造からなり、前記各フィルタ要素7の透過光の波長域が入射面から遠い側ほど長波長となっていることを特徴とする付記1記載の多波長量子井戸型赤外線検出装置。
(付記3) 感度波長が異なる複数の多重量子井戸構造光吸収層1,2を積層して1画素で複数の波長帯に対して感度を有するとともに、赤外光入射面の反対側の素子表面に設けた段差パターン5からなる光結合器構造4を備えた多波長量子井戸型赤外線検出装置であって、前記段差パターン5の段差の低い部分の素子表面上にのみ相対的に短波長光だけを透過し相対的に長波長光を反射する性質を持つフィルタ材6を設けるとともに、前記フィルタ材6を含む段差パターン5全面に入射光を全て反射する膜を設け、前記段差パターン5の底面から反射が起こるフィルタ材6あるいは反射膜10までの材料中の光路長が反射を起こす光の波長のおおよそ1/4であることを特徴とする多波長量子井戸型赤外線検出装置。
(付記4) 上記フィルタ材6が反射・透過特性が互いに異なる複数のフィルタ要素7の積層構造からなり、前記各フィルタ要素7の透過光の波長域が入射面から遠い側ほど短波長となっていることを特徴とする付記3記載の多波長量子井戸型赤外線検出装置。
(付記5) 各波長領域に対するフィルタ材6を、入射面に近い側の第1光透過膜8と入射面に遠い側の第2光透過膜9から構成するとともに、前記第1光透過膜8の屈折率n2 と前記第2光透過膜9の屈折率n3 を、前記第1光透過膜8に接する光透過膜の屈折率をn1 とした場合、
n1 >n2 <n3
とすることを特徴とする付記2または4に記載の多波長量子井戸型赤外線検出装置。
(付記6) 上記第1光透過膜8がLiFからなり、且つ、上記第2光透過膜9がGeからなることを特徴とする付記5記載の多波長量子井戸型赤外線検出装置。
2 多重量子井戸構造光吸収層
3 素子表面側の半導体
4 光結合器構造
5 段差パターン
6 フィルタ材
7 フィルタ要素
8 第1光透過膜
9 第2光透過膜
10 反射膜
11 GaAs
12 フィルタ材
13 LiF
14 Ge
15 段差パターン
16 反射膜
17 短波長用回折格子
18 長波長用回折格子
21 半導体
22 フィルタ材
23 低屈折率部材
24 高屈折率部材
25 段差パターン
26 反射膜
27 短波長用回折格子
28 長波長用回折格子
31 i型GaAsベース層
32 n型GaAsコンタクト層
33 n型MQW第1光吸収層
34 n型GaAsコンタクト層
35 n型MQW第2光吸収層
36 n型GaAsコンタクト層
37 LiF膜
38 Ge膜
39 回折格子
40 長波長透過フィルタ材
41 画素分離溝
42 反射膜
71 i型GaAsベース層
72 n型GaAsコンタクト層
73 n型MQW第1光吸収層
74 n型GaAsコンタクト層
75 n型MQW第2光吸収層
76 n型GaAsコンタクト層
77 反射型回折格子
78 画素分離溝
79 赤外線
Claims (5)
- 感度波長が異なる複数の多重量子井戸構造光吸収層を積層して1画素で複数の波長帯に対して感度を有するとともに、赤外光入射面の反対側の素子表面に設けた段差パターンからなる光結合器構造を備えた多波長量子井戸型赤外線検出装置であって、前記段差パターンの段差の高い部分の素子表面上にのみ相対的に長波長光だけを透過し相対的に短波長光を反射する性質を持つフィルタ材を設けるとともに、前記フィルタ材を含む段差パターン全面に入射光を全て反射する膜を設け、前記段差パターンの底面から反射が起こるフィルタ材あるいは反射膜までの材料中の光路長が反射を起こす光の波長のおおよそ1/4であることを特徴とする多波長量子井戸型赤外線検出装置。
- 上記フィルタ材が反射・透過特性が互いに異なる複数のフィルタ要素の積層構造からなり、前記各フィルタ要素の透過光の波長域が入射面から遠い側ほど長波長となっていることを特徴とする請求項1記載の多波長量子井戸型赤外線検出装置。
- 感度波長が異なる複数の多重量子井戸構造光吸収層を積層して1画素で複数の波長帯に対して感度を有するとともに、赤外光入射面の反対側の素子表面に設けた段差パターンからなる光結合器構造を備えた多波長量子井戸型赤外線検出装置であって、前記段差パターンの段差の低い部分の素子表面上にのみ相対的に短波長光だけを透過し相対的に長波長光を反射する性質を持つフィルタ材を設けるとともに、前記フィルタ材を含む段差パターン全面に入射光を全て反射する膜を設け、前記段差パターンの底面から反射が起こるフィルタ材あるいは反射膜までの材料中の光路長が反射を起こす光の波長のおおよそ1/4であることを特徴とする多波長量子井戸型赤外線検出装置。
- 上記フィルタ材が反射・透過特性が互いに異なる複数のフィルタ要素の積層構造からなり、前記各フィルタ要素の透過光の波長域が入射面から遠い側ほど短波長となっていることを特徴とする請求項3記載の多波長量子井戸型赤外線検出装置。
- 各波長領域に対するフィルタ材を、入射面に近い側の第1光透過膜と入射面に遠い側の第2光透過膜から構成するとともに、前記第1光透過膜の屈折率n2 と前記第2光透過膜の屈折率n3 を、前記第1光透過膜に接する光透過膜の屈折率をn1 とした場合、
n1 >n2 <n3
とすることを特徴とする請求項2または4に記載の多波長量子井戸型赤外線検出装置。
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