JPH10190021A - 非冷却式量子井戸構造を有する赤外線検出器 - Google Patents
非冷却式量子井戸構造を有する赤外線検出器Info
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- 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
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 冷却手段の不要な高性能赤外線検出器を提供
する。 【解決手段】 本発明の量子構造を有する赤外線検出器
は、基板（Ｓ）上に半導体材料の積層体を含む、該積層
体は、検出ゾーンを構成するギャップエネルギーの低い
半導体材料（ＳＰＧ）の層を、ギャップエネルギーの高
い半導体材料（ＳＧＧ１）および（ＳＧＧ２）の二つの
層の間に含み、検出すべき光波と検出ゾーンの間の効率
的な結合を得るために積層体の上に結合格子を含む。
する。 【解決手段】 本発明の量子構造を有する赤外線検出器
は、基板（Ｓ）上に半導体材料の積層体を含む、該積層
体は、検出ゾーンを構成するギャップエネルギーの低い
半導体材料（ＳＰＧ）の層を、ギャップエネルギーの高
い半導体材料（ＳＧＧ１）および（ＳＧＧ２）の二つの
層の間に含み、検出すべき光波と検出ゾーンの間の効率
的な結合を得るために積層体の上に結合格子を含む。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明の分野は、バンドＩＩ
（３から５μｍ）およびバンドＩＩＩ（８から１２μ
ｍ）の両方の赤外線範囲で動作する、量子井戸構造を有
する検出器である。
（３から５μｍ）およびバンドＩＩＩ（８から１２μ
ｍ）の両方の赤外線範囲で動作する、量子井戸構造を有
する検出器である。
【０００２】
【従来の技術】現在、三つのタイプの検出器が赤外線領
域で使用されている。
域で使用されている。
【０００３】第一のタイプは、シリコンと白金シリコン
の間（Ｓｉ／ＰｔＳｉ）に形成されるショットキー接合
を有する検出器に関する。これらの検出器は良好に機能
する（一般にＮＥＴＤと呼ばれる検出可能な最低温度す
なわち検出可能な雑音等価温度として測定して、読取り
周波数５０Ｈｚ、表面積５０μｍ×５０μｍ、光アパー
チャｆ／２の場合にバンドＩＩで約８０ｍＫである）
が、非常に低い動作温度（約７７Ｋ）を有する。
の間（Ｓｉ／ＰｔＳｉ）に形成されるショットキー接合
を有する検出器に関する。これらの検出器は良好に機能
する（一般にＮＥＴＤと呼ばれる検出可能な最低温度す
なわち検出可能な雑音等価温度として測定して、読取り
周波数５０Ｈｚ、表面積５０μｍ×５０μｍ、光アパー
チャｆ／２の場合にバンドＩＩで約８０ｍＫである）
が、非常に低い動作温度（約７７Ｋ）を有する。
【０００４】第二のタイプは、放射線の吸収による加熱
の影響下での誘電率や抵抗率などの電気特性の変化に基
づく、ボロメータまたは高温計の熱検出器に関する。こ
れらの検出器は、中程度の性能となる（ＮＥＴＤ値は上
記の測定条件下でバンドＩＩＩに対して１２０ｍＫであ
る）。しかし、冷却する必要がなく周囲温度で動作する
利点を有する。
の影響下での誘電率や抵抗率などの電気特性の変化に基
づく、ボロメータまたは高温計の熱検出器に関する。こ
れらの検出器は、中程度の性能となる（ＮＥＴＤ値は上
記の測定条件下でバンドＩＩＩに対して１２０ｍＫであ
る）。しかし、冷却する必要がなく周囲温度で動作する
利点を有する。
【０００５】第三のタイプの検出器は、ＩｎＳｂ、Ｈｇ
ＣｄＴｅ、ＰｂＳｎＳｅなどの半導体に基づくｐ−ｎ接
合、またはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓなどの材料の量子井
戸のサブバンド間遷移を使用する量子構造検出器に関す
る。
ＣｄＴｅ、ＰｂＳｎＳｅなどの半導体に基づくｐ−ｎ接
合、またはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓなどの材料の量子井
戸のサブバンド間遷移を使用する量子構造検出器に関す
る。
【０００６】これらの検出器は、非常に高い性能（ＮＥ
ＴＤ値は２０ｍｋ前後である）を有するが、最良の場合
でも２００Ｋの範囲内の温度で動作する。
ＴＤ値は２０ｍｋ前後である）を有するが、最良の場合
でも２００Ｋの範囲内の温度で動作する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】したがって、非常に良
好に機能する最後に述べた検出器は、ｃｙｒｏｇｅｎｉ
ｃ冷却を必要とする。これは、機器に余分なコストがか
かることを意味する。
好に機能する最後に述べた検出器は、ｃｙｒｏｇｅｎｉ
ｃ冷却を必要とする。これは、機器に余分なコストがか
かることを意味する。
【０００８】Ｒ．Ｊ．Ｋｅｙｅｓ著「Ｏｐｔｉｃａｌ
ａｎｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」、Ｓ
ｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇに記載されているよう
に、このタイプの素子の検出特性は、検出器の暗電流を
Ｉdarkとして、Ｉ／（Ｉdark）1/2に比例する。半導体
をベースとする量子構造検出器では、電流Ｉdarkは熱的
に活動状態である、すなわちＩdarkαｅ-Eg/jkTの形の
温度の関数として変化する。
ａｎｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ」、Ｓ
ｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇに記載されているよう
に、このタイプの素子の検出特性は、検出器の暗電流を
Ｉdarkとして、Ｉ／（Ｉdark）1/2に比例する。半導体
をベースとする量子構造検出器では、電流Ｉdarkは熱的
に活動状態である、すなわちＩdarkαｅ-Eg/jkTの形の
温度の関数として変化する。
【０００９】ここで、Ｅｇは半導体のギャップの幅であ
り、検出すべき光子のエネルギーに近い。
り、検出すべき光子のエネルギーに近い。
【００１０】具体的には、光起電力検出器の暗電流は、
以下の式により与えられる。
以下の式により与えられる。
【００１１】Ｉdark＝Ｉdiff＋ＩZCE Ｉdiff＝ｑＬdiff・ｎi 2／τ min・Ｎdop ＩZCE＝ｑｎiｄ／τ min Ｉdiffは拡散電流、ＩZCEは空間電荷ゾーン電流、Ｌ
diffは拡散距離（通常は数十から数百ミクロン）、τｍ
ｉｎは少数キャリアの寿命、ｎiは真性キャリア密度、
ｄは空間電荷ゾーンの厚さである。
diffは拡散距離（通常は数十から数百ミクロン）、τｍ
ｉｎは少数キャリアの寿命、ｎiは真性キャリア密度、
ｄは空間電荷ゾーンの厚さである。
【００１２】図１は、ｐ−ｎ接合を有する標準的な光起
電力検出器を例示し、距離Ｌdiffおよびｄを示す図であ
る。
電力検出器を例示し、距離Ｌdiffおよびｄを示す図であ
る。
【００１３】これらの検出器では、熱的に活動化される
項を与えるのは特にｎi 2である。従来通り、これらの赤
外線検出器を冷却することにより、暗電流と、それに関
連する雑音は減少する。さらに、暗電流は検出ゾーンの
厚さｄに比例するので、非常に薄い検出ゾーンを有する
ことが分かる。より具体的には、暗電流により制限され
る検出特性は、以下の式により与えられる。
項を与えるのは特にｎi 2である。従来通り、これらの赤
外線検出器を冷却することにより、暗電流と、それに関
連する雑音は減少する。さらに、暗電流は検出ゾーンの
厚さｄに比例するので、非常に薄い検出ゾーンを有する
ことが分かる。より具体的には、暗電流により制限され
る検出特性は、以下の式により与えられる。
【００１４】 Ｄ*＝ηλ／［ｕ1/2ｈｃ．（Ｉdark／ｑＧ2Ａ）1/2］ ここで、ｑは電子の電荷、ｈはプランク定数、ｃは光
速、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｇは光伝導の利得
（この素子が光起電力性である場合にはＧ＝１）、この
素子が光起電力性である場合にはｕ＝２、この素子が光
伝導性である場合にはｕ＝４、ηは厚さｄを有する層に
光が吸収されることにより与えられる量子収量であり、
この厚さｄは、その材料の吸収係数をαとすると、以下
の関係を与える。
速、ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｇは光伝導の利得
（この素子が光起電力性である場合にはＧ＝１）、この
素子が光起電力性である場合にはｕ＝２、この素子が光
伝導性である場合にはｕ＝４、ηは厚さｄを有する層に
光が吸収されることにより与えられる量子収量であり、
この厚さｄは、その材料の吸収係数をαとすると、以下
の関係を与える。
【００１５】α＝１−ｅ-αd したがって、検出性Ｄ*は以下に比例し、標準的な場合
ではη（ｄ）＝１−ｅ-αdである。
ではη（ｄ）＝１−ｅ-αdである。
【００１６】Ｄ*α η（ｄ）／ｄ1/2 図２は検出特性Ｄ*の推移を厚さｄの関数として図示す
るグラフである。曲線２ａはη（ｄ）＝１−ｅ-αdとな
る標準的な量子検出器に関し、これらの検出器では通常
は１ミクロンの範囲内の厚さを使用する。曲線２ｂはη
（ｄ）が定数となる量子検出器に関する。このタイプの
検出器に関しては、０．１μｍ程度の非常に薄い厚さｄ
および一定の量子収量ηで使用すれば、厚さｄが非常に
薄くなると暗電流が小さくなり、検出器を冷却するため
の装置も不要となるので特に有効である。
るグラフである。曲線２ａはη（ｄ）＝１−ｅ-αdとな
る標準的な量子検出器に関し、これらの検出器では通常
は１ミクロンの範囲内の厚さを使用する。曲線２ｂはη
（ｄ）が定数となる量子検出器に関する。このタイプの
検出器に関しては、０．１μｍ程度の非常に薄い厚さｄ
および一定の量子収量ηで使用すれば、厚さｄが非常に
薄くなると暗電流が小さくなり、検出器を冷却するため
の装置も不要となるので特に有効である。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記の動作条件を達成す
るために、本発明の目的である量子井戸構造を有する検
出器は、電磁波検出ゾーンを有する半導体材料の積層体
を基板上に含み、この積層体は検出ゾーンとなるギャッ
プエネルギーの低い半導体材料の層を、ギャップエネル
ギーの高い半導体材料の二つの層の間に含み、またこの
検出器は、検出すべき光波と検出ゾーンの間の効果的な
結合を達成するために積層体の上に結合格子を含む。
るために、本発明の目的である量子井戸構造を有する検
出器は、電磁波検出ゾーンを有する半導体材料の積層体
を基板上に含み、この積層体は検出ゾーンとなるギャッ
プエネルギーの低い半導体材料の層を、ギャップエネル
ギーの高い半導体材料の二つの層の間に含み、またこの
検出器は、検出すべき光波と検出ゾーンの間の効果的な
結合を達成するために積層体の上に結合格子を含む。
【００１８】ギャップの小さい半導体材料の層は、検出
器内の小さい暗電流を維持するために通常は約１０００
Åの薄い厚さｄを有する。
器内の小さい暗電流を維持するために通常は約１０００
Åの薄い厚さｄを有する。
【００１９】結合格子自体は、検出ゾーンと電磁波の間
の結合を増大し、高い量子収量ηを維持するようにする
ことができる。
の結合を増大し、高い量子収量ηを維持するようにする
ことができる。
【００２０】本発明の第一の変形によれば、量子検出器
は、ギャップの小さい材料の伝導帯への電子の入力によ
る抵抗率の変動を光波の検出中に測定する電気手段を含
む光伝導体検出器である。薄い厚さｄを有するギャップ
の小さい半導体材料が構成する領域は、この場合には、
ドープされずしたがって周囲温度で理想的な絶縁性を有
する、ギャップの大きい半導体材料ＳＧＣ１およびＳＧ
Ｃ２が構成する二つの層の間に挿入される。有利には、
上側の層の半導体材料ＳＧＣ２上に回折格子がエッチン
グされる。格子のピッチΛは、材料中で検出すべき波の
波長λ（材料の光学屈折率をｎ、検出すべき電磁波の波
長をλｏとすると、真空中でλ＝λｏ／ｎ）と格子の間
で共鳴が生じるようなもの、すなわちΛ＝λｏ／ｎであ
る。
は、ギャップの小さい材料の伝導帯への電子の入力によ
る抵抗率の変動を光波の検出中に測定する電気手段を含
む光伝導体検出器である。薄い厚さｄを有するギャップ
の小さい半導体材料が構成する領域は、この場合には、
ドープされずしたがって周囲温度で理想的な絶縁性を有
する、ギャップの大きい半導体材料ＳＧＣ１およびＳＧ
Ｃ２が構成する二つの層の間に挿入される。有利には、
上側の層の半導体材料ＳＧＣ２上に回折格子がエッチン
グされる。格子のピッチΛは、材料中で検出すべき波の
波長λ（材料の光学屈折率をｎ、検出すべき電磁波の波
長をλｏとすると、真空中でλ＝λｏ／ｎ）と格子の間
で共鳴が生じるようなもの、すなわちΛ＝λｏ／ｎであ
る。
【００２１】本発明の第二の変形によれば、本発明の検
出器は光起電力検出器であり、ギャップの小さい半導体
材料が構成する検出ゾーンは、ｐ型ドーピングおよびｎ
型ドーピングされたギャップの大きい半導体材料の二つ
の層の間に挿入される。この場合には、電磁波からエネ
ルギー光子を吸収したことにより生成された電子／正孔
の対は、ｐ−ｎ接合中の強い電界により分離される。正
孔および／または電子は端部に向かって排出され、検出
すべき光子のフラックスに比例した電位差を発生させる
ことができ、この電位差は積層体両側に位置する電気手
段により測定される。
出器は光起電力検出器であり、ギャップの小さい半導体
材料が構成する検出ゾーンは、ｐ型ドーピングおよびｎ
型ドーピングされたギャップの大きい半導体材料の二つ
の層の間に挿入される。この場合には、電磁波からエネ
ルギー光子を吸収したことにより生成された電子／正孔
の対は、ｐ−ｎ接合中の強い電界により分離される。正
孔および／または電子は端部に向かって排出され、検出
すべき光子のフラックスに比例した電位差を発生させる
ことができ、この電位差は積層体両側に位置する電気手
段により測定される。
【００２２】本発明の検出器は、有利には、材料ＳＧＧ
１／ＳＴＧおよびＳＧＧ２／ＳＰＧの各層の界面に位置
する、非常にギャップの大きい半導体材料ＳＴＧ1およ
びＳＴＧ2の二つのバリヤ層を含み、前記の界面がオー
ミックコンタクトと同様に挙動することを防止する。
１／ＳＴＧおよびＳＧＧ２／ＳＰＧの各層の界面に位置
する、非常にギャップの大きい半導体材料ＳＴＧ1およ
びＳＴＧ2の二つのバリヤ層を含み、前記の界面がオー
ミックコンタクトと同様に挙動することを防止する。
【００２３】有利には、半導体材料ＳＧＧ２の層に結合
ネットワークがエッチングされる。
ネットワークがエッチングされる。
【００２４】本発明による検出器は、有利には基板と半
導体材料ＳＧＧ１／ＳＰＧ／ＳＧＧ２の積層体との間に
挟まれる半導体材料ＳＧの層を含んでもよく、波を積層
体の中に閉じこめるためにこの材料ＳＧは基板Ｓより小
さい屈折率を有する。
導体材料ＳＧＧ１／ＳＰＧ／ＳＧＧ２の積層体との間に
挟まれる半導体材料ＳＧの層を含んでもよく、波を積層
体の中に閉じこめるためにこの材料ＳＧは基板Ｓより小
さい屈折率を有する。
【００２５】添付の図面に関連して以下の説明を読め
ば、本発明がさらに明確に理解され、その他の利点も明
らかになるであろう。
ば、本発明がさらに明確に理解され、その他の利点も明
らかになるであろう。
【００２６】
【発明の実施の形態】本発明の一つの変形によれば、赤
外線範囲で動作する量子構造検出器は、図３に示す光伝
導モードで機能する。基板Ｓは、検出器を構成する層の
積層体を支持する。具体的に言えば、この積層体は以下
を含む。
外線範囲で動作する量子構造検出器は、図３に示す光伝
導モードで機能する。基板Ｓは、検出器を構成する層の
積層体を支持する。具体的に言えば、この積層体は以下
を含む。
【００２７】ギャップの大きい、ドープされていない半
導体材料ＳＧＧ1の層、ギャップの小さい、ドープされ
ていない半導体材料ＳＰＧの層、検出すべき電磁波と材
料ＳＰＧの層からなる検出ゾーンとの間の効果的な結合
を実現するために盛り上がったレリーフの格子Ｒ1を備
えた表面を有する、ギャップの大きい、ドープされてい
ない半導体材料ＳＧＧ2の層。
導体材料ＳＧＧ1の層、ギャップの小さい、ドープされ
ていない半導体材料ＳＰＧの層、検出すべき電磁波と材
料ＳＰＧの層からなる検出ゾーンとの間の効果的な結合
を実現するために盛り上がったレリーフの格子Ｒ1を備
えた表面を有する、ギャップの大きい、ドープされてい
ない半導体材料ＳＧＧ2の層。
【００２８】半導体材料ＳＧＧ１、ＳＰＧ、およびＳＧ
Ｇ２のエネルギーレベルのダイアグラムの例を表す図６
に示すように、これらの電子／正孔の対は検出ゾーンに
閉じこめられたまま留まる。エネルギーレベルＥVPはエ
ネルギーレベルＥVG1およびＥVG2より高いが、エネルギ
ーレベルＥGPはエネルギーレベルＥCG1およびＥCG2より
低い。
Ｇ２のエネルギーレベルのダイアグラムの例を表す図６
に示すように、これらの電子／正孔の対は検出ゾーンに
閉じこめられたまま留まる。エネルギーレベルＥVPはエ
ネルギーレベルＥVG1およびＥVG2より高いが、エネルギ
ーレベルＥGPはエネルギーレベルＥCG1およびＥCG2より
低い。
【００２９】入射光子により電子／正孔の対が出現する
際の前記検出ゾーンの抵抗率の変動を測定するために、
検出ゾーンにオーミックコンタクトＣ1およびＣ2を形成
する。
際の前記検出ゾーンの抵抗率の変動を測定するために、
検出ゾーンにオーミックコンタクトＣ1およびＣ2を形成
する。
【００３０】図３は、入射光に対して格子が透明になる
検出器を示す図である。図４は、格子が金属層Ｍｅを支
持し光が基板を横切る、本発明のもう一つの変形を説明
する図である。
検出器を示す図である。図４は、格子が金属層Ｍｅを支
持し光が基板を横切る、本発明のもう一つの変形を説明
する図である。
【００３１】有利には、このタイプの検出器は、波とＳ
ＧＰ部分との相互作用を増大するためにＳＧＧ１部分に
含まれる案内層を含む。
ＧＰ部分との相互作用を増大するためにＳＧＧ１部分に
含まれる案内層を含む。
【００３２】本発明のもう一つの変形によれば、検出器
は光起電力検出器として動作する。図５に示すように、
該検出器は有利には以下を含む。
は光起電力検出器として動作する。図５に示すように、
該検出器は有利には以下を含む。
【００３３】ｎドープされた半導体材料Ｓｎから構成さ
れる基板、ギャップの大きい、ｎ型ドーピングされた半
導体材料ＳＧＧ１の層、ギャップの小さい、ドープされ
ていない半導体材料ＳＧＰの層、検出すべき波と材料Ｓ
ＰＧの層からなる検出ゾーンとの間の効果的な結合を実
現するように***したレリーフの格子を備えた表面を有
する、ギャップの大きい、ｐドープされた半導体材料Ｓ
ＧＧ１の層。
れる基板、ギャップの大きい、ｎ型ドーピングされた半
導体材料ＳＧＧ１の層、ギャップの小さい、ドープされ
ていない半導体材料ＳＧＰの層、検出すべき波と材料Ｓ
ＰＧの層からなる検出ゾーンとの間の効果的な結合を実
現するように***したレリーフの格子を備えた表面を有
する、ギャップの大きい、ｐドープされた半導体材料Ｓ
ＧＧ１の層。
【００３４】上記構成では、自由キャリアの移動は層平
面と垂直に生じ、オーミックコンタクトＣ3およびＣ4が
積層体の両側に設けられる。オーミックコンタクトＣ3
は、通常は結合格子を金属化し、金属化時にコンタクト
を設ける（Ｍｅ＋ＣＥ）ことにより得ることができる。
面と垂直に生じ、オーミックコンタクトＣ3およびＣ4が
積層体の両側に設けられる。オーミックコンタクトＣ3
は、通常は結合格子を金属化し、金属化時にコンタクト
を設ける（Ｍｅ＋ＣＥ）ことにより得ることができる。
【００３５】上記の積層体の中で生成された自由キャリ
アの搬送を実現するために、いくつかの代替の形態を考
えることができる。
アの搬送を実現するために、いくつかの代替の形態を考
えることができる。
【００３６】光伝導性検出器の第一の変形では、技術文
献ではタイプＩＩＩへテロ構造として知られているヘテ
ロ構造を使用する（Ｃ．ＷｅｉｓｂｕｃｈおよびＢ．Ｖ
ｉｎｔｅｒ著「Ｑｕａｎｔｕｍ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、Ａｃａｄｅｍｉｃ
Ｐｒｅｓｓ）。この構造では、ギャップの小さい半導体
の伝導帯の底部は、ギャップの大きい半導体の荷電子帯
の頂部に位置する。図７は、このタイプのヘテロ構造で
使用する様々な半導体材料のギャップを示す概略図であ
る。入射光子は、ギャップの小さい材料ＳＰＧのギャッ
プの両側に電子／正孔の対を生成するが、このギャップ
は荷電子帯の最大エネルギーＥVPおよび伝導帯の最小エ
ネルギーＥCPにより規定される。ギャップの非常に大き
い材料から構成される二つのバリヤ層を、材料ＳＧＧ1n
／ＳＰＧおよびＳＰＧ／ＳＧＧ2Pの層の間に挿入しなけ
ればならない。ギャップの非常に大きい材料は、一方で
エネルギーレベルＥVT1およびＥCT1により、もう一方で
ＥVT2およびＥCT2により規定されるギャップを有する。
ＥVT1およびＥVT2はＥCPより低く、ＥCT1およびＥCT2は
ＥCG1およびＥCG2より高くても良い。この構成では、材
料ＳＧＧ1がｎドープされ、材料ＳＧＧ2がｐドープされ
るので、ギャップの大きい材料のエネルギーレベルは、
レベルＥVG1がレベルＥVG2より低くなり、レベルＥCG1
もまたレベルＥCG2より低くなる。
献ではタイプＩＩＩへテロ構造として知られているヘテ
ロ構造を使用する（Ｃ．ＷｅｉｓｂｕｃｈおよびＢ．Ｖ
ｉｎｔｅｒ著「Ｑｕａｎｔｕｍ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」、Ａｃａｄｅｍｉｃ
Ｐｒｅｓｓ）。この構造では、ギャップの小さい半導体
の伝導帯の底部は、ギャップの大きい半導体の荷電子帯
の頂部に位置する。図７は、このタイプのヘテロ構造で
使用する様々な半導体材料のギャップを示す概略図であ
る。入射光子は、ギャップの小さい材料ＳＰＧのギャッ
プの両側に電子／正孔の対を生成するが、このギャップ
は荷電子帯の最大エネルギーＥVPおよび伝導帯の最小エ
ネルギーＥCPにより規定される。ギャップの非常に大き
い材料から構成される二つのバリヤ層を、材料ＳＧＧ1n
／ＳＰＧおよびＳＰＧ／ＳＧＧ2Pの層の間に挿入しなけ
ればならない。ギャップの非常に大きい材料は、一方で
エネルギーレベルＥVT1およびＥCT1により、もう一方で
ＥVT2およびＥCT2により規定されるギャップを有する。
ＥVT1およびＥVT2はＥCPより低く、ＥCT1およびＥCT2は
ＥCG1およびＥCG2より高くても良い。この構成では、材
料ＳＧＧ1がｎドープされ、材料ＳＧＧ2がｐドープされ
るので、ギャップの大きい材料のエネルギーレベルは、
レベルＥVG1がレベルＥVG2より低くなり、レベルＥCG1
もまたレベルＥCG2より低くなる。
【００３７】光検出器のもう一つの変形では、図８に図
示するエネルギーレベルのダイアグラムを有するタイプ
ＩＩのヘテロ構造を使用する。このタイプのヘテロ構造
では、一タイプのキャリア（図８の例では電子）はギャ
ップの小さい材料ＳＧＰ内に阻止されたまま留まり、内
部の光起電力効果を生じさせることができる。
示するエネルギーレベルのダイアグラムを有するタイプ
ＩＩのヘテロ構造を使用する。このタイプのヘテロ構造
では、一タイプのキャリア（図８の例では電子）はギャ
ップの小さい材料ＳＧＰ内に阻止されたまま留まり、内
部の光起電力効果を生じさせることができる。
【００３８】図８のヘテロ構造では、エネルギーレベル
ＥCPは二つのエネルギーレベルＥVG1およびＥVG2より高
く、電子はギャップの小さい材料ＳＧＰの伝導帯内に閉
じこめられたまま留まる。
ＥCPは二つのエネルギーレベルＥVG1およびＥVG2より高
く、電子はギャップの小さい材料ＳＧＰの伝導帯内に閉
じこめられたまま留まる。
【００３９】正孔は、ｐドープされた半導体材料、材料
ＳＧＧ2に向かって循環し、その結果内部の光起電力効
果を発生させることができる。
ＳＧＧ2に向かって循環し、その結果内部の光起電力効
果を発生させることができる。
【００４０】光伝導検出器の第三の変形によれば、図９
に示すエネルギーレベルのダイアグラムを有するタイプ
Ｉのへテロ構造を使用することができる。ギャップの大
きい半導体材料は非常に高濃度にドープされ、荷電子帯
の最大エネルギーレベルはＥVG1＜ＥVG＜ＥVG2となる。
に示すエネルギーレベルのダイアグラムを有するタイプ
Ｉのへテロ構造を使用することができる。ギャップの大
きい半導体材料は非常に高濃度にドープされ、荷電子帯
の最大エネルギーレベルはＥVG1＜ＥVG＜ＥVG2となる。
【００４１】伝導帯の最小エネルギーレベルは以下のよ
うになる。
うになる。
【００４２】ＥCG1＜ＥCG＜ＥCG2 生成された電子／正孔の対は、したがってトンネル効果
によりドープされたゾーンを通過して放出される得る。
によりドープされたゾーンを通過して放出される得る。
【００４３】一般に、本発明による検出器を構成する全
ての層は、当業者に知られている任意の技術によって得
ることができる。しかし、雑音源となる電気的効果を除
去するためには、ＳＧＧ１／ＳＰＧ／ＳＧＧ２構造を結
晶化して得る、したがって分子ビームエピタキシまたは
気相蒸着によってこれを得なければならない。可能な半
導体系としては、例えばＧａＡｌＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ／
ＧａＳｌＳｂ、ＣｄＴｅ／ＨｇＣｄＴｅ／ＣｄＴｅ、Ｐ
ｂＳ／ＰｂＳｎＳｅ／ＰｂＳなどがある。
ての層は、当業者に知られている任意の技術によって得
ることができる。しかし、雑音源となる電気的効果を除
去するためには、ＳＧＧ１／ＳＰＧ／ＳＧＧ２構造を結
晶化して得る、したがって分子ビームエピタキシまたは
気相蒸着によってこれを得なければならない。可能な半
導体系としては、例えばＧａＡｌＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ／
ＧａＳｌＳｂ、ＣｄＴｅ／ＨｇＣｄＴｅ／ＣｄＴｅ、Ｐ
ｂＳ／ＰｂＳｎＳｅ／ＰｂＳなどがある。
【００４４】光伝導性検出器の実施形態の例 半導体材料は以下のものである。
【００４５】ＳＧＧ１： ＧａＳｂ ＳＰＧ：ＩｎＡｓＳｂ ＳＧＧ２：ＡｌＳｂ 積層体には格子整合を施す。すなわち全ての材料におい
て原子間距離はほぼ等しい状態にある。以下のエピタキ
シが得られる。
て原子間距離はほぼ等しい状態にある。以下のエピタキ
シが得られる。
【００４６】ＧａＳｂ基板から始まり、０．２μｍ程度
のＧａＳｂ層はエピタキシャル成長する。
のＧａＳｂ層はエピタキシャル成長する。
【００４７】この材料ＳＧＧ1の層上で、ＡｌＡｓ0.08
Ｓｂ0.92の１００Åの層はＧａＳｂ層と格子整合され、
ＩｎＡｓＳｂ内で生成された電子に対するバリヤを形成
する。その後、ＩｎＡｓ0.85Ｓｂ0.15の検出層が０．１
μｍの厚さで生成され、続いて再度１００ÅのＡｌＡｓ
0.08Ｓｂ0.92の層が生成され、最後に０．６μｍのＧａ
Ｓｂ層が生成される。
Ｓｂ0.92の１００Åの層はＧａＳｂ層と格子整合され、
ＩｎＡｓＳｂ内で生成された電子に対するバリヤを形成
する。その後、ＩｎＡｓ0.85Ｓｂ0.15の検出層が０．１
μｍの厚さで生成され、続いて再度１００ÅのＡｌＡｓ
0.08Ｓｂ0.92の層が生成され、最後に０．６μｍのＧａ
Ｓｂ層が生成される。
【００４８】ＩｎＡｓＳｂ層は５．１μｍの遮断波長が
得られる（すなわちＩｎＡｓ0.85Ｓｂ0.15）ように選択
される。
得られる（すなわちＩｎＡｓ0.85Ｓｂ0.15）ように選択
される。
【００４９】格子は約５μｍの共鳴が得られるように、
すなわち１．５２μｍの格子ピッチにエッチングされ
る。格子の深さは０．３μｍである。
すなわち１．５２μｍの格子ピッチにエッチングされ
る。格子の深さは０．３μｍである。
【００５０】この条件では、検出ゾーンの厚さが０．１
μｍと非常に薄いにも関わらず、最大量子収量は８０％
となる。
μｍと非常に薄いにも関わらず、最大量子収量は８０％
となる。
【００５１】結合格子がない場合には、等しい量子収量
を得、雑音等価温度ＮＥＴＤを１５０ｍＫにするために
は１μｍの層が必要となる。検出層の厚さを０．１μｍ
まで薄くすることにより、検出特性は三倍に増加し、Ｎ
ＥＴＤは５０ｍＫとなる。
を得、雑音等価温度ＮＥＴＤを１５０ｍＫにするために
は１μｍの層が必要となる。検出層の厚さを０．１μｍ
まで薄くすることにより、検出特性は三倍に増加し、Ｎ
ＥＴＤは５０ｍＫとなる。
【００５２】光起電力検出器の実施形態の例 光起電力検出器は、ｎ型ドーピングされたＧａＳｂの基
板上に規定される。
板上に規定される。
【００５３】ｎ型ドーピングされたＧａＳｂの１μｍの
層は、この基板上でエピタキシャル成長する。この場
合、約５０ÅのＡｌＡｓ0.08Ｓｂ0.92の層を使用して、
ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｎのへテロ構造がオーミックコン
タクトと同様に挙動することを防止する。厚さ０．１μ
ｍのＩｎＡｓ0.85Ｓｂ0.15の検出層をエピタキシャル成
長させ、その後５０ÅのＡｌＡｓ0.08Ｓｂ0.92の層、お
よび１μｍのｐ型ドーピングされたＧａＳｂの層を成長
させる。このヘテロ構造はタイプＩＩＩのヘテロ構造で
あり、電子および正孔を検出ゾーンの外に放出すること
ができる。上述の光伝導性検出器のものと同一の格子
が、ｐ型ドーピングされたＧａＳｂ層上にエッチングさ
れる。その後、金属層（例えば金）が電気コンタクトと
して格子上に蒸着される。従来技術の光起電力検出器に
対する、上記光起電力検出器の動作特性の改善点は、光
伝導性検出器の場合に述べた改善点と同様である。
層は、この基板上でエピタキシャル成長する。この場
合、約５０ÅのＡｌＡｓ0.08Ｓｂ0.92の層を使用して、
ＩｎＡｓＳｂ／ＧａＳｎのへテロ構造がオーミックコン
タクトと同様に挙動することを防止する。厚さ０．１μ
ｍのＩｎＡｓ0.85Ｓｂ0.15の検出層をエピタキシャル成
長させ、その後５０ÅのＡｌＡｓ0.08Ｓｂ0.92の層、お
よび１μｍのｐ型ドーピングされたＧａＳｂの層を成長
させる。このヘテロ構造はタイプＩＩＩのヘテロ構造で
あり、電子および正孔を検出ゾーンの外に放出すること
ができる。上述の光伝導性検出器のものと同一の格子
が、ｐ型ドーピングされたＧａＳｂ層上にエッチングさ
れる。その後、金属層（例えば金）が電気コンタクトと
して格子上に蒸着される。従来技術の光起電力検出器に
対する、上記光起電力検出器の動作特性の改善点は、光
伝導性検出器の場合に述べた改善点と同様である。
【図１】従来技術による検出器の検出および拡散の長さ
を示す概略図である。
を示す概略図である。
【図２】暗電流により制限される検出特性の変化を、半
導体をベースとする量子検出器の検出ゾーンの厚さの関
数として示すグラフである。曲線２ａは従来技術の量子
検出器に関する。曲線２ｂは本発明による検出器に関す
る。
導体をベースとする量子検出器の検出ゾーンの厚さの関
数として示すグラフである。曲線２ａは従来技術の量子
検出器に関する。曲線２ｂは本発明による検出器に関す
る。
【図３】本発明による、第一の光伝導性検出器を示す図
である。
である。
【図４】本発明による、第二の光伝導性検出器を示す図
である。
である。
【図５】本発明による、第一の光起電力検出器を示す図
である。
である。
【図６】本発明による光伝導検出器で使用する、半導体
材料の、荷電子帯および伝導帯を規定するエネルギーレ
ベルを示す概略図である。
材料の、荷電子帯および伝導帯を規定するエネルギーレ
ベルを示す概略図である。
【図７】タイプＩＩＩのヘテロ構造を有する、本発明に
よる光起電力検出器で使用する半導体材料の荷電子帯お
よび伝導帯を規定するエネルギーレベルを示す概略図で
ある。
よる光起電力検出器で使用する半導体材料の荷電子帯お
よび伝導帯を規定するエネルギーレベルを示す概略図で
ある。
【図８】タイプＩＩのヘテロ構造を有する、光起電力検
出器で使用する半導体材料の、荷電子帯および伝導帯を
規定するエネルギーレベルを示す概略図である。
出器で使用する半導体材料の、荷電子帯および伝導帯を
規定するエネルギーレベルを示す概略図である。
【図９】タイプＩの光起電力検出器で使用する、半導体
材料の、荷電子帯および伝導帯を規定するエネルギーレ
ベルを示す概略図である。
材料の、荷電子帯および伝導帯を規定するエネルギーレ
ベルを示す概略図である。
Ｓ 電磁波検出ゾーンを有する基板 ＳＧＧ１、ＳＧＧ２ ギャップエネルギーの高い半導体
材料 ＳＰＧ ギャップエネルギーの低い半導体材料
材料 ＳＰＧ ギャップエネルギーの低い半導体材料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 バンサン・ベルジエ フランス国、75013・パリ、リユ・ボビヨ、 87 (72)発明者 ダニエル・カプラン フランス国、75005・パリ、リユ・アミオ、 ６ (72)発明者 フランソワ・ミシユロン フランス国、91190・ジエ・イ・エフ・シ ユール・イベツト、アレ・ドウ・ラ・ガン ボドウリー、３
Claims (8)
- 【請求項１】 電磁波検出ゾーンを有する基板（Ｓ）上
の半導体材料の積層体を含む、量子構造を有する光波検
出器であって、該積層体が検出ゾーンを構成するギャッ
プエネルギーの低い半導体材料（ＳＰＧ）の層を、ギャ
ップエネルギーの高い半導体材料（ＳＧＧ１）および
（ＳＧＧ２）の二つの層の間に含み、検出すべき光波と
前記検出ゾーンの間の効率的な結合を得るために前記積
層体の上に結合格子を含む光波検出器。 - 【請求項２】 検出ゾーンの厚さがほぼ１０００Åであ
る、請求項１に記載の量子構造を有する検出器。 - 【請求項３】 二つの絶縁半導体材料（ＳＧＧ１）およ
び（ＳＧＧ２）と、前記半導体材料（ＳＰＧ）の層の抵
抗率の変動を測定する手段とを含む、請求項１に記載の
量子構造を有する検出器。 - 【請求項４】 ｎ型ドーピングされた半導体材料（ＳＧ
Ｇ１）と、ｐ型ドーピングされた半導体材料（ＳＧＧ
２）と、前記積層体の各側に位置する電圧測定手段とを
含む、請求項１に記載の量子構造を有する検出器。 - 【請求項５】 材料（ＳＧＧ１）／（ＳＴＧ）および
（ＳＧＧ２）／（ＳＰＧ）の層の界面に位置する、ギャ
ップの非常に大きい半導体材料（ＳＴＧ1）および（Ｓ
ＴＧ2）の二つのバリヤ層を含む、請求項１に記載の量
子構造を有する検出器。 - 【請求項６】 前記結合格子が半導体材料（ＳＧＧ２）
の層にエッチングされる、請求項１に記載の量子構造を
有する検出器。 - 【請求項７】 基板（Ｓ）と半導体材料（ＳＧＧ１）／
（ＳＰＧ）／（ＳＧＧ２）の積層体との間に挟まれる半
導体材料（ＳＧ）の層を含み、該材料（ＳＧ）が基板
（Ｓ）より小さい屈折率を有する、光波を前記積層体の
中に閉じこめるために、請求項１に記載の量子構造を有
する検出器。 - 【請求項８】 半導体材料（ＳＧＧ１）／（ＳＰＧ）／
（ＳＧＧ２）の積層体が、ＧａＡｌＳｂ／ＩｎＡｓＳｂ
／ＧａＳｌＳｂ型、ＣｄＴｅ／ＨｇＣｄＴｅ／ＣｄＴｅ
型、またはＰｂＳ／ＰｂＳｎＳｅ／ＰｂＳ型のいずれか
である、請求項１に記載の量子構造を有する検出器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9615738 | 1996-12-20 | ||
| FR9615738A FR2757684B1 (fr) | 1996-12-20 | 1996-12-20 | Detecteur infrarouge a structure quantique, non refroidie |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10190021A true JPH10190021A (ja) | 1998-07-21 |
Family
ID=9498916
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9351396A Pending JPH10190021A (ja) | 1996-12-20 | 1997-12-19 | 非冷却式量子井戸構造を有する赤外線検出器 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5969375A (ja) |
| EP (1) | EP0849809A1 (ja) |
| JP (1) | JPH10190021A (ja) |
| CA (1) | CA2222855A1 (ja) |
| FR (1) | FR2757684B1 (ja) |
| IL (1) | IL122539A (ja) |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2772919B1 (fr) * | 1997-12-23 | 2000-03-17 | Thomson Csf | Imageur infrarouge a structure quantique fonctionnant a temperature ambiante |
| FR2784514B1 (fr) | 1998-10-13 | 2001-04-27 | Thomson Csf | Procede de controle d'un laser semiconducteur unipolaire |
| US6243194B1 (en) * | 1998-12-18 | 2001-06-05 | Eastman Kodak Company | Electro-mechanical grating device |
| US6104046A (en) * | 1999-03-12 | 2000-08-15 | Sagi-Nahor Ltd. | Dual-band infrared sensing material array and focal plane array |
| FR2799314B1 (fr) | 1999-10-01 | 2002-10-25 | Thomson Csf | Laser a generations parametriques |
| FR2800201B1 (fr) * | 1999-10-26 | 2003-07-04 | Thomson Csf | Detecteur photovoltaique |
| US6580089B2 (en) * | 2000-12-01 | 2003-06-17 | California Institute Of Technology | Multi-quantum-well infrared sensor array in spatially-separated multi-band configuration |
| FR2863774B1 (fr) * | 2003-12-16 | 2006-03-03 | Thales Sa | Photodetecteur a concentration de champ proche |
| KR100937591B1 (ko) * | 2007-12-17 | 2010-01-20 | 한국전자통신연구원 | 반도체 광전 집적회로 및 그 형성 방법 |
| IL189254A0 (en) * | 2008-02-04 | 2008-08-07 | Garber Valery | Quantum uncooled infra-red photo-detector |
| FR2934712B1 (fr) * | 2008-08-01 | 2010-08-27 | Thales Sa | Procede de fabrication d'un dispositif optique d'analyse comportant un laser a cascades quantiques et un detecteur quantique. |
| JP2016178234A (ja) * | 2015-03-20 | 2016-10-06 | 株式会社東芝 | 半導体受光デバイス |
| US9645082B1 (en) * | 2016-05-20 | 2017-05-09 | Sharp Kabushiki Kaisha | Ballistic carrier spectral sensor |
| CN108630770A (zh) * | 2017-03-15 | 2018-10-09 | 神华集团有限责任公司 | 一种薄膜太阳能电池及其制备方法 |
| CN112382690A (zh) * | 2020-09-30 | 2021-02-19 | 昆明物理研究所 | 一种红外探测器材料的势垒层及其制备方法 |
| CN117747693B (zh) * | 2023-11-22 | 2024-06-28 | 广州市南沙区北科光子感知技术研究院 | 一种基于GaSb光子晶体板的多光谱短波红外探测器 |
Family Cites Families (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4903101A (en) * | 1988-03-28 | 1990-02-20 | California Institute Of Technology | Tunable quantum well infrared detector |
| FR2637092B1 (fr) * | 1988-05-11 | 1991-04-12 | Thomson Csf | Modulateur d'onde electromagnetique a puits quantiques couples, et application a un detecteur d'onde electromagnetique |
| FR2653229B1 (fr) * | 1989-10-12 | 1992-01-17 | Thomson Csf | Detecteur capacitif d'onde electromagnetique. |
| FR2655434B1 (fr) * | 1989-12-05 | 1992-02-28 | Thomson Csf | Dispositif optique a puits quantiques et procede de realisation. |
| US5352904A (en) * | 1989-12-27 | 1994-10-04 | Hughes Aircraft Company | Multiple quantum well superlattice infrared detector with low dark current and high quantum efficiency |
| EP0448869A1 (en) * | 1989-12-29 | 1991-10-02 | AT&T Corp. | Optical device including a grating structure |
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