JP2013041933A - 量子カスケード検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】 入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器を提供する。
【解決手段】 半導体基板と、吸収井戸層を含むｎ個の井戸層、及びｎ個の障壁層からなる単位積層体１６が多段に積層された活性層１５とを備えて量子カスケード検出器を構成する。単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、検出下準位Ｌ_１ａ、検出上準位Ｌ_１ｂと、第２準位Ｌ_２〜第ｎ準位Ｌ_ｎとを有し、検出下準位、上準位の間でのサブバンド間吸収によって光を検出するとともに、上準位に励起された電子は共鳴トンネル効果によって第２準位に移動し、第２〜第ｎ準位を含む抽出準位構造を介して後段の単位積層体へと抽出される。また、第２、第３準位のエネルギー間隔をＥ_ＬＯ≦ΔＥ_２３≦２×Ｅ_ＬＯに設定し、第３、第４準位のエネルギー間隔をΔＥ_３４＜Ｅ_ＬＯに設定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、量子井戸構造でのサブバンド間の光吸収を利用した量子カスケード検出器に関するものである。

中赤外の波長域における光検出器としては、通常、ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）検出器が用いられている。しかしながら、このＭＣＴ検出器は、毒性の環境汚染物質を含んでいることなどの問題があり、一般的に広く用いることは難しい。このため、このような波長域における新たな光検出器が求められている。

近年、そのような光検出器として、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子カスケード構造を用いた量子カスケード検出器（ＱＣＤ：Quantum Cascade Detector）が報告されている（特許文献１、非特許文献１）。量子カスケード検出器は、そのカスケード構造において光を吸収し、光吸収で生じたキャリアによって流れる電流量を計測することで、入射光を検出する光検出器であり、無バイアスで動作可能という特徴を有している。また、量子カスケード検出器では、量子カスケードレーザと同様に、光を吸収する吸収井戸層を含む半導体積層構造を多段にカスケード結合することによって、より効率的に光を吸収、検出することが可能である（特許文献１〜５、非特許文献１〜５参照）。

米国特許第５１６５０６５号公報 米国特許第６３２６６３９号公報 米国特許出願公開第２００７／０２２４７２１号公報 米国特許出願公開第２０１０／０１９５６８６号公報 国際公開第０３／０１０８２９号公報

L. Gendron et al.,"Quantum cascade photodetector", Appl. Phys. Lett. Vol.85 (2004)pp.2824-2826 M. Graf et al.,"InP-based quantum cascade detectors in the mid-infrared", Appl. Phys.Lett. Vol.88 (2006) pp.241118-1-241118-3 F. R. Giorgetta et al.,"InGaAs/AlAsSb quantum cascade detectors operating in the nearinfrared", Appl. Phys. Lett. Vol.91 (2007) pp.111115-1-111115-3 D. Hofstetter et al.,"Quantum-cascade-laser structures as photodetectors", Appl. Phys.Lett. Vol.81 (2002) pp.2683-2685 F. R. Giorgetta et al.,"Quantum Cascade Detectors", IEEE Journal of Quantum ElectronicsVol.45 (2009) pp.1039-1052

量子カスケード検出器では、上記したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子カスケード構造を用いたもの以外にも、他の材料系、例えばＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ（非特許文献２）、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂ（非特許文献３）を用いて、様々な波長帯での光検出動作が報告されている。しかしながら、その光検出感度は、従来の光検出器に比べて低いレベルに留まっている。

この低い感度の原因としては、現状の量子カスケード検出器では、キャリア輸送がまだ非効率的な状態になっていることが考えられる。実際、検出器の形態が提案されていない２００２年の段階で、量子カスケードレーザを検出器として用いた例が報告されているが（非特許文献４）、このときの感度はμＡ／Ｗレベルと非常に低い値であった。

その後、量子カスケード検出器の開発において、電子輸送が機能するように準位を設定することによって、その感度は大幅に向上している。しかしながら、これらの検出器においても、電流経路が確保されるように構成されてはいるものの、その定量的な設計は充分には行われていない。したがって、例えば、吸収井戸層の基底準位（検出下準位）から光吸収によって上位励起準位（検出上準位）に励起された電子が、電流として取り出されずに再び基底準位に緩和してしまうなど、充分な光検出感度は実現されていない。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明による量子カスケード検出器は、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むｎ個（ｎは４以上の整数）の量子井戸層、及びｎ個の量子障壁層からなる単位積層体が多段に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、（３）単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、吸収井戸層に起因する検出下準位、検出上準位と、吸収井戸層を除く第２井戸層〜第ｎ井戸層に起因する第２準位〜第ｎ準位とを有し、（４）吸収井戸層における検出下準位と検出上準位との間でのサブバンド間吸収によって光を検出するとともに、サブバンド間吸収によって検出上準位へと励起された電子は、共鳴トンネル効果によって第２準位へと移動し、第２準位〜第ｎ準位による抽出準位構造を介して、後段の単位積層体の吸収井戸層へと抽出され、（５）第２準位と第３準位とのエネルギー間隔ΔＥ_２３は、縦光学（ＬＯ：Longitudinal Optical）フォノンのエネルギーＥ_ＬＯに対して、条件Ｅ_ＬＯ≦ΔＥ_２３≦２×Ｅ_ＬＯを満たすように設定されるとともに、第３準位と第４準位とのエネルギー間隔ΔＥ_３４は、条件ΔＥ_３４＜Ｅ_ＬＯを満たすように設定されることを特徴とする。

上記した量子カスケード検出器では、活性層において、第１井戸層〜第ｎ井戸層、及び第１障壁層〜第ｎ障壁層が交互に積層されて構成される単位積層体によるカスケード構造を用いている。そして、単位積層体でのサブバンド準位構造について、第１井戸層（吸収井戸層）において、光吸収によるサブバンド間の電子励起に関わる検出下準位、検出上準位を設け、また、第２井戸層〜第ｎ井戸層を含む抽出構造部において、電子の輸送、抽出に関わる第２準位〜第ｎ準位による抽出準位構造を設けている。このような準位構造によれば、サブバンド間の光吸収、及び光吸収で生じた電流を取り出すことによる光検出動作を好適に実現することができる。

また、上記構成では、光吸収によって検出上準位へと励起された電子を、共鳴トンネル効果によって第２準位へと移動、緩和させるとともに、第２準位〜第ｎ準位による抽出準位構造において、第２準位と第３準位とのエネルギー間隔を、条件
Ｅ_ＬＯ≦ΔＥ_２３≦２×Ｅ_ＬＯ
を満たすように設定している。このような構成では、共鳴トンネル効果によって検出上準位から第２準位へと移動した電子は、ＬＯフォノン散乱を介して第２準位から高速で引き抜かれることとなる。これにより、光吸収によって検出上準位に励起された電子が、再び検出下準位へと緩和してしまうことを抑制することができる。

さらに、上記構成では、第３準位と第４準位とのエネルギー間隔を、条件
ΔＥ_３４＜Ｅ_ＬＯ
を満たすように設定している。このように、第３、第４準位のエネルギー間隔をＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定する構成によれば、第３、第４準位を含む複数の準位を、ＬＯフォノン散乱による第２準位からの電子の引き抜き先の準位として機能させることができ、電子の輸送を安定化、高速化することができる。

また、このように電子の引き抜き先を複数の準位とする構成では、電子の引き抜き構造の設計が容易化されるとともに、検出器の製造時における特性の安定化、及び歩留まりの向上を実現することが可能となる。以上により、入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器を好適に実現することができる。なお、上記のような単位積層体でのサブバンド準位構造は、単位積層体での量子井戸構造の設計によって、設計、制御することが可能である。

ここで、上記した量子カスケード検出器でのサブバンド準位構造において、第２準位と第４準位とのエネルギー間隔ΔＥ_２４は、条件
ΔＥ_２３＜ΔＥ_２４≦２×Ｅ_ＬＯ
を満たすように設定されることが好ましい。これにより、第２準位から第３、第４準位の２準位へのＬＯフォノン散乱等による電子の引き抜きを好適に実現して、抽出準位構造における後段の単位積層体への電子の輸送を安定化、高速化することができる。

また、第２準位からの電子の引き抜き先の準位として機能する第３準位と第４準位とのエネルギー間隔ΔＥ_３４は、さらに、条件
ΔＥ_３４≦２５ｍｅＶ
を満たすように設定されることが好ましい。これにより、第２準位からの電子の引き抜きをさらに高速化、安定化して、抽出準位構造における後段の単位積層体への電子の輸送を好適に実現することができる。

また、吸収井戸層に起因する検出上準位と、第２井戸層に起因する第２準位とは、準位間の反交差のエネルギーギャップ（アンチクロッシングギャップ）ΔＥ_ＡＣが、条件
５ｍｅＶ≦ΔＥ_ＡＣ≦３０ｍｅＶ
を満たすように設定されることが好ましい。これにより、検出上準位から第２準位へと、共鳴トンネル効果によって高速、高効率で電子を移動させることができる。

また、単位積層体において、吸収井戸層は、ｎ型不純物がドープされた半導体層からなることが好ましい。これにより、吸収井戸層における検出下準位、上準位間でのサブバンド間吸収による光検出を好適に実現することができる。また、電子の抽出構造を構成する他の井戸層については、単位積層体において、第２井戸層〜第ｎ井戸層は、それぞれアンドープの半導体層からなることが好ましい。

本発明の量子カスケード検出器によれば、活性層を構成する単位積層体でのサブバンド準位構造について、吸収井戸層において、検出下準位、上準位を設け、第２〜第ｎ井戸層を含む抽出構造部において、第２〜第ｎ準位による抽出準位構造を設けるとともに、検出上準位へと励起された電子を、共鳴トンネル効果によって第２準位へと移動させ、また、第２準位と第３準位とのエネルギー間隔をＥ_ＬＯ≦ΔＥ_２３≦２×Ｅ_ＬＯとして設定し、第３準位と第４準位とのエネルギー間隔をΔＥ_３４＜Ｅ_ＬＯとして設定することにより、入射光に対する光検出感度を向上することが可能となる。

量子カスケード検出器の基本構成の一例を示す図である。 量子カスケード検出器の活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。 検出上準位と第２準位との準位間でのアンチクロッシングギャップについて示すグラフである。 活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。 活性層における１周期分の単位積層体の構造の一例を示す図表である。 検出上準位から第２準位への電子のトンネル時間のアンチクロッシングギャップ依存性を示すグラフである。 量子カスケード検出器で得られる光吸収スペクトルを示すグラフである。 第２準位から第３準位へのＬＯフォノン散乱による散乱時間のエネルギー間隔依存性を示すグラフである。

以下、図面とともに本発明による量子カスケード検出器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明による量子カスケード検出器の基本構成について、その一例を模式的に示す図である。本実施形態の量子カスケード検出器１Ａは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子励起による光吸収を利用して光を検出する光検出器である。この量子カスケード検出器１Ａは、半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成された活性層１５とを備えて構成されている。

活性層１５は、入射光の吸収に用いられる吸収井戸層を含む半導体積層体が多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、ｎを４以上の整数として、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むｎ個の量子井戸層、及びｎ個の量子障壁層からなる半導体積層構造を１周期分の単位積層体１６とし、この単位積層体１６を多段に積層することで、カスケード構造を有する活性層１５が構成されている。

活性層１５における単位積層体１６の積層数は、検出器１Ａにおいて必要とされる光検出特性などに応じて適宜設定される。また、活性層１５は、半導体基板１０上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。図１に示した構成例では、半導体基板１０上に、基板側から順に、下部コンタクト層１１、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、及び上部コンタクト層１２が順次積層されることで、量子カスケード検出器１Ａの素子構造が形成されている。

図２は、図１に示した量子カスケード検出器１Ａの活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。図２に示すように、活性層１５に含まれる複数の単位積層体１６のそれぞれは、前段の単位積層体１６ａ側から順に、第１障壁層１７１と、第１井戸層である吸収井戸層１６１と、抽出構造部１８とによって構成されている。また、抽出構造部１８は、第２障壁層〜第ｎ障壁層及び第２井戸層〜第ｎ井戸層が交互に積層されることで構成されている。このような構成により、単位積層体１６中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。

本実施形態における単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、吸収井戸層１６１に起因する検出下準位Ｌ_１ａ、検出上準位Ｌ_１ｂと、吸収井戸層を除く抽出構造部１８の各井戸層に起因する第２準位Ｌ_２、第３準位Ｌ_３、第４準位Ｌ_４、…、第ｎ準位Ｌ_ｎとを有している。第２準位Ｌ_２〜第ｎ準位Ｌ_ｎは、例えば、第２井戸層〜第ｎ井戸層に起因し、量子力学的に結合した結果生成される準位である。これらのエネルギー準位のうち、検出下準位Ｌ_１ａ、上準位Ｌ_１ｂは、サブバンド間の電子励起による光吸収に関わる準位である。また、第２準位Ｌ_２〜第ｎ準位Ｌ_ｎは、光吸収で励起された電子の緩和、輸送、抽出に関わる抽出準位構造（緩和準位構造）を構成している。

ここで、検出下準位Ｌ_１ａは、例えば、吸収井戸層１６１における基底準位に対応する準位である。また、検出上準位Ｌ_１ｂは、検出下準位Ｌ_１ａよりも高いエネルギー準位であって、例えば、吸収井戸層１６１における励起準位に対応する準位である。また、第２準位Ｌ_２〜第ｎ準位Ｌ_ｎは、例えば、それぞれ第２井戸層〜第ｎ井戸層における基底準位に起因する準位である。なお、抽出準位構造を構成する第２準位Ｌ_２〜第ｎ準位Ｌ_ｎについては、通常は、吸収井戸層１６１側の第２準位Ｌ_２から後段の単位積層体１６ｂ側の第ｎ準位Ｌ_ｎに向けて順次エネルギーが低くなるように設定される。ただし、これらの準位のエネルギー順序は、電子の輸送が可能であれば一部で入れ替わっても良い。

また、各サブバンド準位のエネルギー間隔については、検出上準位Ｌ_１ｂと電子引き抜き用の第２準位Ｌ_２とのエネルギー間隔ΔＥ_１２は、共鳴トンネル効果による電子の移動を考慮して、準位間の結合が充分に大きくなるように設定される。この準位間の結合の大きさは、後述するように、準位間の反交差（アンチクロッシング）のエネルギーギャップによって評価することができる。

第２準位Ｌ_２と第３準位Ｌ_３とのエネルギー間隔ΔＥ_２３は、縦光学フォノン（ＬＯフォノン）のエネルギーＥ_ＬＯに対して、Ｅ_ＬＯ以上、２×Ｅ_ＬＯ以下となる下記の条件
Ｅ_ＬＯ≦ΔＥ_２３≦２×Ｅ_ＬＯ
を満たすように設定されている。また、第３準位Ｌ_３と第４準位Ｌ_４とのエネルギー間隔ΔＥ_３４は、Ｅ_ＬＯよりも小さい下記の条件
ΔＥ_３４＜Ｅ_ＬＯ
を満たすように設定されている。

ここで、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯは、例えば、量子井戸層の半導体材料としてＩｎＧａＡｓを想定した場合、Ｅ_ＬＯ＝３４ｍｅＶである。また、ＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯは、量子井戸層をＧａＡｓとした場合に３６ｍｅＶ、ＩｎＡｓとした場合に３２ｍｅＶであり、上記した３４ｍｅＶとほぼ同程度である。また、上記した準位間のエネルギー間隔ΔＥ_２３、ΔＥ_３４のＥ_ＬＯに関する設定条件は、抽出準位構造における電子の輸送の高速化、高効率化を考慮したものである。

このようなサブバンド準位構造において、光が入射される以前には、ドーピングされた半導体層を用いることにより、吸収井戸層１６１の検出下準位Ｌ_１ａに電子が蓄積されている。検出対象の光ｈνが活性層１５に入射すると、下準位Ｌ_１ａに存在する電子は、サブバンド間での光の吸収によって検出上準位Ｌ_１ｂへと励起される。上準位_１ｂに励起された電子は、共鳴トンネル効果によって第２準位Ｌ_２へと高速で引き抜かれ、さらに、第２準位Ｌ_２〜第ｎ準位Ｌ_ｎによる抽出準位構造を介し、第２準位Ｌ_２から第３、第４準位Ｌ_３、Ｌ_４へのＬＯフォノン散乱などの緩和過程を経て、後段の単位積層体１６ｂの吸収井戸層の検出下準位Ｌ_１ａへと高速で輸送、抽出される。

このような光吸収による電子励起、励起された電子の緩和、輸送、及び次周期の単位積層体への電子の抽出を、活性層１５を構成する複数の単位積層体１６で繰り返すことにより、活性層１５においてカスケード的な光吸収が起こる。そして、これによって発生する順方向の電流を取り出し、その電流量を計測することで、入射光ｈνが検出される。

本実施形態による量子カスケード検出器１Ａの効果について説明する。

図１及び図２に示した量子カスケード検出器１Ａでは、活性層１５において、第１井戸層〜第ｎ井戸層、及び第１障壁層〜第ｎ障壁層が交互に積層されて構成される単位積層体１６によるカスケード構造を用いている。そして、単位積層体１６でのサブバンド準位構造について、吸収井戸層１６１において、光吸収によるサブバンド間の電子励起に関わる検出下準位Ｌ_１ａ、検出上準位Ｌ_１ｂを設け、抽出構造部１８において、次周期の単位積層体１６ｂへの電子の輸送、抽出に関わる第２準位Ｌ_２〜第ｎ準位Ｌ_ｎによる抽出準位構造を設けている。このような準位構造によれば、サブバンド間の光吸収、及び光吸収で生じた電流の取り出しによる光検出動作を好適に実現することができる。

また、上記構成では、井戸層１６１での光吸収によって検出上準位Ｌ_１ｂへと励起された電子を、共鳴トンネル効果によって第２準位Ｌ_２へと移動、緩和させることで、電子を高速で引き抜くとともに、第２準位Ｌ_２〜第ｎ準位Ｌ_ｎによる抽出準位構造において、第２準位Ｌ_２と第３準位Ｌ_３とのエネルギー間隔を、条件
Ｅ_ＬＯ≦ΔＥ_２３≦２×Ｅ_ＬＯ
を満たすように設定している。このような構成では、共鳴トンネル効果によって検出上準位Ｌ_１ｂから第２準位Ｌ_２へと移動した電子は、ＬＯフォノン散乱を介して第２準位Ｌ_２から第３以降の準位へと高速で引き抜かれることとなる。これにより、上準位Ｌ_１ｂに励起された電子が、後段の単位積層体１６ｂへと輸送されずに再び下準位Ｌ_１ａに緩和してしまうことを抑制して、光検出動作の効率を向上することができる。

さらに、上記構成では、第３準位Ｌ_３と第４準位Ｌ_４とのエネルギー間隔を、条件
ΔＥ_３４＜Ｅ_ＬＯ
を満たすように設定している。このように、第３準位Ｌ_３と第４準位Ｌ_４とのエネルギー間隔をＬＯフォノンのエネルギーよりも小さく設定して、それらの準位を近接させる構成によれば、第３、第４準位Ｌ_３、Ｌ_４を含む複数の準位を、ＬＯフォノン散乱による第２準位Ｌ_２からの電子の引き抜き先の準位として機能させることができる。これにより、抽出準位構造における電子の輸送を安定化、高速化することができる。

また、このように電子の引き抜き先を複数の準位とする構成では、電子の引き抜き構造の設計が容易化されるとともに、検出器の製造時における特性の安定化、結晶成長揺らぎへの自由度向上、及び歩留まりの向上等を実現することが可能となる。以上により、吸収井戸層１６１において光吸収によって励起されたキャリア電子を、効率的に順方向電流として機能させることで、入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器を好適に実現することができる。なお、上記したような単位積層体１６におけるサブバンド準位構造は、単位積層体１６での量子井戸構造の設計によって、設計、制御することが可能である。

ここで、上記した量子カスケード検出器１Ａでのサブバンド準位構造において、第２準位Ｌ_２と第４準位Ｌ_４とのエネルギー間隔ΔＥ_２４は、条件
ΔＥ_２３＜ΔＥ_２４≦２×Ｅ_ＬＯ
を満たすように設定されることが好ましい。このように、エネルギー間隔ΔＥ_２４の上限を、ΔＥ_２３と同様に２×Ｅ_ＬＯとすることにより、第２準位Ｌ_２から第３、第４準位Ｌ_３、Ｌ_４の２準位へのＬＯフォノン散乱等による電子の高速での引き抜きを好適に実現することができる。これにより、第２準位Ｌ_２〜第ｎ準位Ｌ_ｎの抽出準位構造における後段の単位積層体１６ｂへの電子の輸送をさらに安定化、高速化することができる。

また、第２準位Ｌ_２からの電子の引き抜き先の準位として機能するように近接して設定される第３準位Ｌ_３と第４準位Ｌ_４とのエネルギー間隔ΔＥ_３４は、さらに、条件
ΔＥ_３４≦２５ｍｅＶ
を満たすように設定されることが好ましい。これにより、第２準位Ｌ_２からの電子の引き抜きをさらに高速化、安定化して、抽出準位構造における後段の単位積層体１６ｂへの電子の輸送を好適に実現することができる。

また、単位積層体１６において、吸収井戸層１６１は、電子を供給するｎ型の不純物がドープされた半導体層からなることが好ましい。これにより、吸収井戸層１６１における検出下準位Ｌ_１ａ、上準位Ｌ_１ｂ間でのサブバンド間吸収による光検出を好適に実現することができる。また、検出上準位Ｌ_１ｂに励起された電子の抽出構造を構成する他の井戸層については、単位積層体１６において、第２井戸層〜第ｎ井戸層は、それぞれアンドープの半導体層からなることが好ましい。これにより、抽出準位構造が形成された抽出構造部１８において、電子を好適に輸送することができる。

また、検出上準位Ｌ_１ｂから第２準位Ｌ_２への共鳴トンネル効果による電子の引き抜きについては、吸収井戸層１６１に起因する検出上準位Ｌ_１ｂと、第２井戸層に起因する第２準位Ｌ_２とは、準位間での反交差のエネルギーギャップ（アンチクロッシングギャップ）ΔＥ_ＡＣが、条件
５ｍｅＶ≦ΔＥ_ＡＣ≦３０ｍｅＶ
を満たすように設定されることが好ましい。これにより、検出上準位Ｌ_１ｂから第２準位Ｌ_２へと、共鳴トンネル効果によって、光吸収で励起された電子を高速、高効率で緩和、移動させることができる。

ここで、アンチクロッシングギャップは、対象とする２つの準位の結合の大きさを表すものであり、具体的には、２つの準位が電界の印加等により同じエネルギーに位置したときに形成される準位間隔によって定義される。図３は、後述する量子カスケード検出器の実施例における検出上準位Ｌ_１ｂと第２準位Ｌ_２との準位間でのアンチクロッシングギャップΔＥ_ＡＣについて示すグラフである。

図３のグラフ（ａ）は、下準位Ｌ_１ａと上準位Ｌ_１ｂとのエネルギー差Ｅ_{１ｂ−１ａ}、及び下準位Ｌ_１ａと第２準位Ｌ_２とのエネルギー差Ｅ_２−１ａを示している。このグラフ（ａ）において、横軸は電界強度（ｋＶ／ｃｍ）を示し、縦軸はエネルギー（ｅＶ）を示している。また、図３のグラフ（ｂ）は、下準位Ｌ_１ａと上準位Ｌ_１ｂとの準位間の双極子モーメントＺ_{１ｂ−１ａ}、及び下準位Ｌ_１ａと第２準位Ｌ_２との準位間の双極子モーメントＺ_２−１ａを示している。このグラフ（ｂ）において、横軸は電界強度（ｋＶ／ｃｍ）を示し、縦軸は双極子モーメント（ｎｍ）を示している。なお、図３のグラフ（ａ）、グラフ（ｂ）で、横軸の電界強度は共通である。また、これらの図３のグラフでは、後述する図４に示す具体的な構成例を想定している。

仮に、２つの準位間に相互作用がないときには、図３（ａ）のエネルギー分散図において破線によって示すように、エネルギーの分散曲線が交差する。一方、準位間に相互作用がある場合には、図３（ａ）に示すようにギャップが生じ、このエネルギーギャップが、アンチクロッシングギャップΔＥ_ＡＣと呼ばれる。なお、アンチクロッシングギャップについては、エネルギー間隔の半値で表す場合等もあるが、ここでは、上記したようにエネルギー幅そのものをアンチクロッシングギャップとして定義している。

本発明による量子カスケード検出器の構成について、活性層での量子井戸構造を含む素子構造の具体例とともに説明する。ここでは、量子カスケード検出器における全体の層構造については、図１に示した構成を用いている。また、図４は、図１に示した量子カスケード検出器における活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。

本構成例における活性層１５の量子井戸構造では、吸収波長を５．４３μｍ（吸収エネルギー：２２８ｍｅＶ）として設計された例を示している。図４においては、活性層１５での吸収井戸層１６１を含む単位積層体１６の多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造及びサブバンド準位構造を示している。また、図１、図４に示した素子構造は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、または、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法による結晶成長で形成することができる。

本構成例による量子カスケード検出器１Ａの半導体積層構造では、図１に示した構成において、半導体基板１０として、ｎ型ＩｎＰ単結晶基板を用いている。そして、このＩｎＰ基板１０上に、基板１０側から順に、厚さ６００ｎｍのＩｎＧａＡｓ下部コンタクト層１１、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、及び厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＡｓ上部コンタクト層１２が順次積層されることで、量子カスケード検出器１Ａの素子構造が形成されている。

本構成例における活性層１５は、吸収井戸層１６１を含む単位積層体１６が３０周期で積層されて構成されている。また、１周期分の単位積層体１６は、図４に示すように、８個の量子井戸層１６１〜１６８、及び８個の量子障壁層１７１〜１７８が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。

これらの単位積層体１６の各半導体層のうち、量子井戸層は、それぞれＩｎＧａＡｓ層によって構成されている。また、量子障壁層は、それぞれＩｎＡｌＡｓ層によって構成されている。これにより、活性層１５は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造によって構成されている。

また、このような単位積層体１６において、最も前段の単位積層体側の第１障壁層１７１、及び第１井戸層である吸収井戸層１６１を除く第２〜第８障壁層１７２〜１７８、及び第２〜第８井戸層１６２〜１６８は、電子の輸送、抽出に用いられる抽出構造部１８を構成している。また、光吸収に用いられる吸収井戸層１６１には、キャリアである電子を供給するために、ｎ型不純物であるＳｉがドープされている。吸収井戸層１６１以外の井戸層１６２〜１６８は、いずれもアンドープ層である。図５に、活性層１５における１周期分の単位積層体１６の具体的な構造の一例を示す。

このような構成において、単位積層体１６は、その図４に示すサブバンド準位構造において、吸収井戸層１６１に起因する検出下準位（detection lower level）Ｌ_１ａ、検出上準位（detectionupper level）Ｌ_１ｂ、及び抽出構造部１８の第２井戸層１６２〜第８井戸層１６８にそれぞれ起因する第２準位Ｌ_２〜第８準位Ｌ_８を有している。また、第２〜第８準位Ｌ_２〜Ｌ_８は、上準位Ｌ_１ｂへと励起された電子を後段の単位積層体１６ｂへと輸送する抽出準位構造（extraction level structure）を構成している。

このような構成において、光吸収によって励起されたキャリア電子が順方向に輸送されて電流として取り出されずに、検出上準位Ｌ_１ｂ及び第２準位Ｌ_２から下準位Ｌ_１ａへと電子が再び緩和される緩和時間は、１．４ｐｓ程度である。これに対して、本構成例では、抽出準位構造に含まれる各準位Ｌ_２〜Ｌ_８に関して上述したエネルギー間隔等の設定により、高速、高効率で順方向に電流を流して、高感度に検出器として動作させることが可能となっている。なお、単位積層体１６を構成する量子井戸層、量子障壁層のそれぞれの層厚は、量子力学に基づいて設計されている。

図２及び図４に示した単位積層体１６における量子井戸構造、及びそれによるサブバンド準位構造の具体的な構成条件について、具体的な数値、データを参照して説明する。まず、検出上準位Ｌ_１ｂと、第２準位Ｌ_２との準位間での反交差（アンチクロッシング）ギャップΔＥ_ＡＣについて説明する。

アンチクロッシングギャップは、上述したように２つの量子井戸層（２つの量子準位）間のカップリングの度合いを示すものであり、２つの井戸層１６１、１６２の間にある障壁層１７２の厚さを無限大としたときに０となり、障壁層１７２が薄くなると大きく（カップリングが強く）なる。

また、このアンチクロッシングギャップΔＥ_ＡＣに対して、検出上準位Ｌ_１ｂから第２準位Ｌ_２への共鳴トンネル効果による電子のトンネル時間τ_ｔｕｎｎは、

によって表すことができる。ここで、

である。

図６は、検出上準位から第２準位への電子のトンネル時間のアンチクロッシングギャップ依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は検出上準位Ｌ_１ｂ及び第２準位Ｌ_２の準位間のアンチクロッシングギャップΔＥ_ＡＣ（ｍｅＶ）を示し、縦軸はトンネル時間τ_ｔｕｎｎ（ｓｅｃ）を示している。

これまでに報告されている量子カスケード検出器でのアンチクロッシングギャップは、例えば６ｍｅＶ程度であり、この場合のトンネル時間はτ_ｔｕｎｎ＝０．２４ｐｓ程度と計算される。これは、上準位Ｌ_１ｂから下準位Ｌ_１ａに緩和する緩和時間（例えば１．４ｐｓ程度）よりは速いと言えるが、第２準位Ｌ_２からの電子の引き抜きのプロセス等と合わせた形で電流となるため、トンネル時間は可能な限り速くする必要がある。したがって、さらにアンチクロッシングギャップを大きくし、速いトンネル時間とすることで、光検出動作のために適した大きな電流を確保することが可能となる。

一方、アンチクロッシングギャップを必要以上に大きくした場合には、別の問題が発生する。すなわち、検出上準位Ｌ_１ｂから電子を引き抜くための第２準位Ｌ_２が、もう１つの上準位として機能するようになり、検出下準位Ｌ_１ａから２つの準位Ｌ_１ｂ、Ｌ_２への電子遷移が、吸収スペクトルとして区別できるような状態で起こる。この場合には、広帯域の光検出器としては動作するが、光吸収のピーク強度は、アンチクロッシングを適切に設定したものに比べて落ちることになる。

図７は、量子カスケード検出器で得られる光吸収スペクトルを示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は吸収エネルギー（ｍｅＶ）を示し、縦軸は吸収強度（ａ．ｕ．）を示している。また、図７において、グラフＡ１は、下準位Ｌ_１ａと上準位Ｌ_１ｂとの間での吸収スペクトルを示し、グラフＡ２は、下準位Ｌ_１ａと第２準位Ｌ_２との間での吸収スペクトルを示し、グラフＡ０は、それらを合わせた吸収スペクトルを示している。また、この図７では、検出上準位Ｌ_１ｂと、第２準位Ｌ_２とのエネルギー間隔をΔＥ_１２＝３０ｍｅＶとし、室温動作を仮定した場合の光吸収スペクトルを示している。

室温での光吸収スペクトルの半値幅が２０ｍｅＶ程度であることを考慮すると、エネルギー間隔ΔＥ_１２が３０ｍｅＶ程度以上になると、図７のようにスペクトルが割れる可能性がある。したがって、検出上準位Ｌ_１ｂと、第２準位Ｌ_２との準位間のアンチクロッシングギャップについては、上述したように５ｍｅＶ〜３０ｍｅＶが適切な範囲である。図４に示した構成例では、高速なトンネル時間とピーク感度との兼ね合いから、図３（ａ）に示したように、アンチクロッシングをΔＥ_ＡＣ＝１７ｍｅＶに設定し、対応するトンネル時間を０．０３ｐｓとしている。

次に、抽出準位構造における第２準位Ｌ_２、第３準位Ｌ_３、及び第４準位Ｌ_４のそれぞれの準位エネルギー、及びエネルギー間隔の設定について説明する。

上記したアンチクロッシングの条件を用いて、吸収井戸層１６１の検出上準位Ｌ_１ｂから第２井戸層１６２の第２準位Ｌ_２へと電子を高速で移動させた場合も、即座に隣の井戸層の準位へと緩和させなければ、準位Ｌ_２、Ｌ_１ｂからＬＯフォノン散乱等によって電子が下準位Ｌ_１ａへと戻ってしまい、結果として、順方向の電流に寄与しなくなる可能性がある。したがって、上述したように第２、第３準位Ｌ_２、Ｌ_３のエネルギー間隔をＥ_ＬＯ≦ΔＥ_２３≦２×Ｅ_ＬＯとなるように設定し、好ましくはエネルギー間隔ΔＥ_２３をＬＯフォノンのエネルギーＥ_ＬＯに一致させて、第２準位Ｌ_２に移った電子を後続の準位へと速やかに緩和させる必要がある。

図８は、第２準位から第３準位へのＬＯフォノン散乱による散乱時間の、第２、第３準位のエネルギー間隔への依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は第２準位Ｌ_２と第３準位Ｌ_３とのエネルギー間隔ΔＥ_２３（ｍｅＶ）を示し、縦軸は第２準位Ｌ_２から第３準位Ｌ_３へのＬＯフォノン散乱時間（ｓｅｃ）を示している。

図８のグラフに示すように、第２、第３準位Ｌ_２、Ｌ_３のエネルギー間隔ΔＥ_２３については、上記したようにＥ_ＬＯ以上に設定することが好ましい。この場合、上準位Ｌ_１ｂから引き抜かれて第２準位Ｌ_２に存在する電子は、ＬＯフォノン散乱によって共鳴的に第３準位Ｌ_３に緩和することが可能となる。また、エネルギー間隔が広がっていくと、第２準位Ｌ_２から第３準位Ｌ_３への電子の緩和速度が遅くなるため、エネルギー間隔はＥ_ＬＯに近いことが望ましいが、２×Ｅ_ＬＯ以下であれば、散乱時間（緩和時間）τ_２３は例えば１ｐｓ程度になり、充分な特性を得ることができる。図４に示した構成例では、エネルギー間隔をΔＥ_２３＝３７ｍｅＶに設定し、散乱時間をτ_２３＝０．５５ｐｓとして、電子を高速で第３準位Ｌ_３に緩和させている。

また、抽出準位構造での第３準位Ｌ_３の次の準位である第４準位Ｌ_４については、上述したように、第３、第４準位Ｌ_３、Ｌ_４のエネルギー間隔ΔＥ_３４をＥ_ＬＯよりも小さく設定してそれらの準位を近接させることが好ましい。特に、エネルギー間隔ΔＥ_３４を２５ｍｅＶ以下に設定することがさらに好ましい。これにより、電子を輸送する抽出準位構造において、第４準位Ｌ_４を、第３準位Ｌ_３とともに第２準位Ｌ_２からの電子の引き抜き先の準位として好適に機能させることができる。

また、第２、第４準位Ｌ_２、Ｌ_４のエネルギー間隔ΔＥ_２４（ΔＥ_２３＜ΔＥ_２４）については、第２、第３準位Ｌ_２、Ｌ_３の場合と同様に、図８に示した散乱時間のエネルギー間隔依存性等を考慮して、エネルギー間隔ΔＥ_２４を２×Ｅ_ＬＯ以下とすることが好ましい。これにより、上記したエネルギー間隔ΔＥ_２３に対する条件と合わせて、第３、第４準位Ｌ_３、Ｌ_４の２準位を、第２準位Ｌ_２からのＬＯフォノン散乱等による電子の引き抜き先の準位として好適に機能させることができる。

また、第３、第４準位Ｌ_３、Ｌ_４のエネルギー間隔ΔＥ_３４の下限については、第３、第４準位Ｌ_３、Ｌ_４の結合（アンチクロッシング）が最低限確保されるように、１０ｍｅＶ以上に設定することが好ましい。これによって、第３、第４準位Ｌ_３、Ｌ_４の準位間でのトンネル時間が、例えば０．１ｐｓ以下と高速になるため（図６参照）、第３準位Ｌ_３から、より低エネルギー側の準位への電子の緩和が高効率化される。

また、このとき、第３、第４準位Ｌ_３、Ｌ_４の波動関数は同一空間に広がるため、第４準位Ｌ_４の波動関数と、第２準位Ｌ_２の波動関数との重なりを大きくすることができ、第２準位Ｌ_２から第４準位Ｌ_４への電子の散乱時間が高速化される。図４に示した構成例では、これらの各条件を考慮して、第２、第４準位Ｌ_２、Ｌ_４のエネルギー間隔をΔＥ_２４＝５６ｍｅＶに設定し、第３、第４準位Ｌ_３、Ｌ_４のエネルギー間隔をΔＥ_３４＝１９ｍｅＶに設定している。また、この構成例では、第２準位Ｌ_２からの電子を高速で第３準位Ｌ_３に緩和させるとともに、第４準位Ｌ_４にも効率的に電子が緩和できるように第２、第４準位Ｌ_２、Ｌ_４の波動関数の重なりを大きくすることにより、結果的に第３準位Ｌ_３から図４の右方向の準位へ緩和時間０．３４ｐｓで緩和できるように設計している。

なお、上記した量子カスケード検出器でのサブバンド準位構造は、レーザ動作を目指した準位構造ではないため、レーザとしては動作し得ない。これは、以下の点を考慮すると明らかである。まず、量子カスケード検出器では、無電圧時に全ての準位が効率的な電流経路として機能するように構成しているため、仮に電圧を印加した場合にはほとんど電流は流れない。また、上記の検出器では、レーザとして動作するための反転分布を形成する機構が設けられていない。

また、上記の検出器では、入射光を吸収する吸収井戸層１６１において、ｎ型不純物のドーピングが施されている。この吸収井戸層は、レーザを含めた発光素子では発光井戸層に相当するが、例えば量子カスケードレーザでは、発光井戸層ではなく、電子を輸送する注入層に不純物をドープする。また、レーザにおいて、発光井戸層に不純物をドープした場合、光が吸収されてしまうため、レーザ動作をすることができない。

本発明による量子カスケード検出器は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、活性層をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによって構成した例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間遷移による光吸収、検出が可能であって上記したサブバンド準位構造を実現可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。

このような半導体材料系については、上記したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ以外にも、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。

また、量子カスケード検出器の活性層における積層構造、及び検出器素子全体としての半導体積層構造については、図１、図４、図５に示した構造以外にも様々な構造を用いて良い。一般には、量子カスケード検出器は、半導体基板と、半導体基板上に設けられた上記構成の活性層とを備えて構成されていれば良い。また、上記構成例では、ＩｎＰ基板に対して格子整合する構成について説明したが、例えばＩｎＰ基板に対して格子不整合を導入した構成を用いることも可能である。この場合、素子設計の自由度の増大、効率的なキャリア閉じ込め、及び発振波長の短波長化が可能となる。

本発明は、入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器として利用可能である。

１Ａ…量子カスケード検出器、１０…半導体基板、１１…下部コンタクト層、１２…上部コンタクト層、１５…活性層、１６…単位積層体、１８…抽出構造部、１６１…吸収井戸層（第１井戸層）、１６２〜１６８…第２〜第８井戸層、１７１〜１７８…第１〜第８障壁層、Ｌ_１ａ…検出下準位、Ｌ_１ｂ…検出上準位、Ｌ_２…第２準位、Ｌ_３…第３準位、Ｌ_４…第４準位、Ｌ_５〜Ｌ_８…第５〜第８準位。

Claims (6)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に設けられ、吸収井戸層として機能する第１井戸層を含むｎ個（ｎは４以上の整数）の量子井戸層、及びｎ個の量子障壁層からなる単位積層体が多段に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、
   前記単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、前記吸収井戸層に起因する検出下準位、検出上準位と、前記吸収井戸層を除く第２井戸層〜第ｎ井戸層に起因する第２準位〜第ｎ準位とを有し、
   前記吸収井戸層における前記検出下準位と前記検出上準位との間でのサブバンド間吸収によって光を検出するとともに、前記サブバンド間吸収によって前記検出上準位へと励起された電子は、共鳴トンネル効果によって前記第２準位へと移動し、第２準位〜第ｎ準位による抽出準位構造を介して後段の単位積層体の吸収井戸層へと抽出され、
   前記第２準位と第３準位とのエネルギー間隔ΔＥ_２３は、縦光学フォノンのエネルギーＥ_ＬＯに対して、条件Ｅ_ＬＯ≦ΔＥ_２３≦２×Ｅ_ＬＯを満たすように設定されるとともに、前記第３準位と第４準位とのエネルギー間隔ΔＥ_３４は、条件ΔＥ_３４＜Ｅ_ＬＯを満たすように設定されることを特徴とする量子カスケード検出器。
2. 前記第２準位と前記第４準位とのエネルギー間隔ΔＥ_２４は、条件
   ΔＥ_２３＜ΔＥ_２４≦２×Ｅ_ＬＯ
   を満たすように設定されることを特徴とする請求項１記載の量子カスケード検出器。
3. 前記第３準位と前記第４準位とのエネルギー間隔ΔＥ_３４は、条件
   ΔＥ_３４≦２５ｍｅＶ
   を満たすように設定されることを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケード検出器。
4. 前記検出上準位と、前記第２準位とは、準位間の反交差ギャップΔＥ_ＡＣが、条件
   ５ｍｅＶ≦ΔＥ_ＡＣ≦３０ｍｅＶ
   を満たすように設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。
5. 前記単位積層体において、前記吸収井戸層は、ｎ型不純物がドープされた半導体層からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。
6. 前記単位積層体において、前記第２井戸層〜前記第ｎ井戸層は、それぞれアンドープの半導体層からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。

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