JP4829809B2

JP4829809B2 - 量子井戸型赤外線検出器

Info

Publication number: JP4829809B2
Application number: JP2007033670A
Authority: JP
Inventors: 一男尾▲崎▼; 弘師西野
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2027-02-14
Also published as: JP2008198849A

Description

本発明は、例えば多重量子井戸（ＭＱＷ；Multi Quantum Well）層を備える量子井戸型赤外線検出器（ＱＷＩＰ；Quantum Well Infrared Photo detector）に関する。

従来、量子井戸型赤外線検出器（ＱＷＩＰ）の素子構造は、図５に示すように、基板１００上に、下部コンタクト層１０５，井戸層１０１と障壁層１０２とからなる量子井戸を多重に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）層１０３（ここでは障壁層及び井戸層が５０回繰り返されている），上部コンタクト層１０４を順に積層した構造になっており、多重量子井戸層１０３を上部コンタクト層１０４及び下部コンタクト層１０５で挟み込んだ構造になっている。

このような量子井戸型赤外線検出器は、図５に示すように、上下のコンタクト層１０４，１０５間にバイアス電圧をかけた状態で用いられる。
ここで、図６は、このような構造の量子井戸型赤外線検出器において、上下のコンタクト層１０４，１０５間にバイアス電圧をかけた場合の伝導帯端側のエネルギバンドダイヤグラムを示している。

このような量子井戸型赤外線検出器では、図６に示すように、井戸層１０１内の基底準位に位置する電子（キャリア）が、外部から入射してきた赤外線によって、励起準位へ励起される。上下のコンタクト層１０４，１０５間にバイアス電圧がかけられているため、励起された電子はコンタクト層１０４，１０５間を流れ、電流（以下、光電流）となる。つまり、外部から赤外線が入射すると、光励起されたキャリアが井戸層１０１と障壁層１０２とからなる量子井戸から取り出され、光電流が得られる。この光電流を検出することで赤外線を検出するようになっている。

なお、このような量子井戸型赤外線検出器に関する先行技術文献としては、例えば非特許文献１がある。
B. F. Levine, "Quantum-well infrared photodetectors", J. Appl. Phys. 74 (8), 15 October 1993

しかしながら、上述のような量子井戸型赤外線検出器では、図６に示すように、熱励起されたキャリア（電子）も量子井戸から取り出され、暗電流となる。理想的には、暗電流を少なくし、光電流を多くすることが望ましい。
例えば、光電流を多く取り出すには、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように、低バイアス状態から高バイアス状態にバイアス電圧を高くして、障壁層１０２の伝導帯端に形成される三角ポテンシャルバリアを薄くすることが考えられる。

しかしながら、この場合、熱励起されたキャリアも障壁層１０２を透過してしまう確率が高くなり、暗電流も増加してしまう。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、暗電流の増加を抑えながら、光電流を増加させることができるようにした、量子井戸型赤外線検出器を提供することを目的とする。

このため、本発明の量子井戸型赤外線検出器は、量子井戸層と、量子井戸層を挟み込むように設けられ、動作バイアスをかけるためのコンタクト層とを備え、量子井戸層が、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層と、井戸層に接する第１障壁層と、第１障壁層に接する第２障壁層とを備え、動作バイアスをかけた場合に井戸層に対して正バイアス側に位置するように第１障壁層及び第２障壁層が設けられており、第１障壁層は、第２障壁層を構成するＩｎＧａＡｌＡｓと比べて電子の有効質量が小さいＡｌＧａＳｂで構成されていることを特徴としている。
また、本発明の量子井戸型赤外線検出器は、量子井戸層と、量子井戸層を挟み込むように設けられ、動作バイアスをかけるためのコンタクト層とを備え、量子井戸層が、ＧａＡｓからなる井戸層と、井戸層に接する第１障壁層と、第１障壁層に接する第２障壁層とを備え、動作バイアスをかけた場合に井戸層に対して正バイアス側に位置するように第１障壁層及び第２障壁層が設けられており、第１障壁層は、第２障壁層を構成するＡｌＧａＡｓと比べて電子の有効質量が小さいＩｎＡｌＡｓで構成されていることを特徴としている。

したがって、本発明の量子井戸型赤外線検出器によれば、暗電流の増加を抑えながら、光電流を増加させることができるという利点がある。

以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる量子井戸型赤外線検出器について、図１，図２を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる量子井戸型赤外線検出器（ＱＷＩＰ；Quantum Well Infrared Photo detector）は、例えば図１に示すように、基板１上に、下部コンタクト層７、障壁層８、複数の井戸層２，第１障壁層３及び第２障壁層４、上部コンタクト層６を順に積層した構造になっており、井戸層２，井戸層２に接する第１障壁層３，第１障壁層３に接する第２障壁層４からなる量子井戸を多重に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）層５（ここでは井戸層２，第１障壁層３，第２障壁層４が５０回繰り返されている）を下部コンタクト層７及び上部コンタクト層６で挟み込んだ構造になっている。

このような量子井戸型赤外線検出器は、図１に示すように、上下のコンタクト層６，７間にバイアス電圧（動作バイアス）をかけた状態で用いられる。
ここでは、図１に示すように、動作バイアスをかけた場合に井戸層２に対して正バイアス側に位置するように、第１障壁層３及び第２障壁層４が設けられている。
特に、第１障壁層３と第２障壁層４とが異なる材料によって構成されている。つまり、第１障壁層３は、図２に示すように、第２障壁層４の材料と比べて電子の有効質量が小さい材料によって構成されている。

特に、第１障壁層３の厚さは、暗電流の増加を抑えるために、できるだけ薄くするのが好ましい。ここでは、図２のエネルギバンドダイヤグラムに示すように、動作バイアスがかけられた状態で、第１障壁層３の伝導帯端のエネルギレベルが井戸層２内の励起準位よりも高くなり、かつ、第２障壁層４の伝導帯端のエネルギレベルが井戸層２内の励起準位よりも低くなるように、第１障壁層３の厚さが設定されている。

また、第１障壁層３は、第２障壁層４の材料と障壁エネルギ高さが同等となる材料によって構成されている。つまり、図２に示すように、第１障壁層３の伝導帯端のエネルギレベルと第２障壁層４の伝導帯端のエネルギレベルとが不連続にならない（伝導帯不連続がない）ように、第１障壁層３の材料を選択している。
具体的には、井戸層２の材料はＩｎＧａＡｓとし、第１障壁層３の材料はＡｌＧａＳｂとし、第２障壁層４の材料はＩｎＧａＡｌＡｓとするのが好ましい。このような材料を採用した場合の具体例については後述の実施例１で詳述する。

また、井戸層２の材料をＧａＡｓとし、第１障壁層３の材料をＩｎＡｌＡｓとし、第２障壁層４の材料をＡｌＧａＡｓとするのも好ましい。このような材料を採用した場合の具体例については後述の実施例２で詳述する。
ここで、障壁層の伝導帯端に形成される三角ポテンシャルバリアを電子が透過する確率（三角ポテンシャルの透過確率）は、下記式（１）によって表される（Ｓ．Ｍ．Ｓｚｅ原著，「半導体デバイスの物理（１）」，コロナ社，１５２頁参照）。

本実施形態では、上述のように構成されているため、図２に示すように、光によって励起されたキャリア（電子）は、有効質量が小さい第１障壁層３を透過するため、透過確率が高くなり、増加するのに対し、熱励起されたキャリア（電子）は、第１障壁層３及び第２障壁層４を透過することになるため、あまり増加しない。
したがって、本実施形態にかかる量子井戸型赤外線検出器によれば、暗電流がほとんど増加しないようにしながら、光電流を増加させることができるという利点がある。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。

以下、実施例によって本発明を更に詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。
［実施例１］
本実施例１では、量子井戸型赤外線検出器（ＱＷＩＰ）として、ピーク感度波長が大気の透過特性に優れた８．５μｍ程度になるようにし、例えば井戸層２の材料としてＩｎＧａＡｓ（Ｉｎ組成〜０．５）を用い、第１障壁層３の材料としてＡｌＧａＳｂを用い、第２障壁層４の材料としてＩｎＧａＡｌＡｓを用いている。

また、ＩｎＧａＡｓ井戸層２の厚さは５０Åとし、ＡｌＧａＳｂ第１障壁層３の厚さは１３８Åとし、ＡｌＧａＳｂ第１障壁層３及びＩｎＧａＡｌＡｓ第２障壁層４の全体の厚さは５００Åとしている。さらに、多重量子井戸層５の繰り返し積層数は２５層とし、バイアス電圧は２Ｖにしている。
ここで、図３は、上下のコンタクト層６，７間にバイアス電圧をかけた場合の伝導帯端側のエネルギバンドダイヤグラムを示している。なお、図３中、Ｅ₁は励起準位（ここでは２４０ｍｅＶ）、Ｅ_fはフェルミ準位、Ｅ₀は基底準位（ここでは８０ｍｅＶ）をそれぞれ示している。

ＩｎＰ基板１に格子整合するエピタキシャル結晶を想定した場合、ＩｎＧａＡｓ（Ｉｎ組成〜０．５）の井戸層２でピーク感度波長が８．５μｍ程度になるようにするには、Ｉｎ_1-xyＧａ_xＡｌ_yＡｓの組成は、ｘ＝０．２３５、ｙ＝０．２４０程度が適当である。
ここで、Ｉｎ_1-xyＧａ_xＡｌ_yＡｓのバンドギャップ及び電子の有効質量比は、下記式（２）、（３）で表される［D. Olego et al. "Compositional dependence of band-gap energy and conduction-band effective mass of In_1-x-yGa_xAl_yAs lattice matched to InP", Appl. Phys. Lett., 41(5), p.477 (1982)参照］。

したがって、本実施例１における上記組成の場合、バンドギャップは１．１２４６（ｅＶ）、電子の有効質量比は０．０６３３９になる。
ところで、本実施例１では、第１障壁層３の材料としてＡｌ_xＧａ_1-xＳｂを用いるため、Ａｌ_xＧａ_1-xＳｂのバンドギャップは、下記式（４）で表される［A.Bignazzi et al. "Direct- and indirect-energy-gap dependence on Al concentration in Al_xGa_1-xSb (x≦0.41)", Phys. Rev. B, 57(4), p.2295 (1998)参照］。

したがって、ｘ＝０．２４９で、バンドギャップがＩｎ_1-xyＧａ_xＡｌ_yＡｓ（ｘ＝０．２３５、ｙ＝０．２４０）と同程度になり、伝導帯の不連続が小さくなる。
また、電子の有効質量比は、下記式（５）で表される［H. Mathieu et al. "Electronic energy levels in Ga_1-xAl_xSb alloys", Phys. Rev. B, 12(12), p.5846 (1975)参照］。

したがって、電子の有効質量比は０．０５２９４となる。
つまり、電子の有効質量比は、第２障壁層４としてのＩｎＧａＡｌＡｓ中では０．０６３３９、第１障壁層３としてのＡｌＧａＳｂ中では０．０５２９４となる。
そして、典型的な素子構造や素子バイアスから、内部電界Ｆ＝１．４５×１０⁶（Ｖ／ｍ）＝０．１４５（ｍＶ／Å）なる値を採用し、三角ポテンシャル高さをおよそ２０（ｍｅＶ）と想定して、上記式（１）の左辺を計算すると、三角ポテンシャルバリアがＩｎＧａＡｌＡｓからなる障壁層によって形成される場合、三角ポテンシャルの透過確率は０．０３５３４１となるのに対し、本実施例１のように、三角ポテンシャルバリアがＡｌＧａＳｂからなる障壁層３によって形成される場合、三角ポテンシャルの透過確率は０．０４７１３０となり、およそ３３％改善されることになる。この改善分が光電流の増分になると考えられる。

次に、暗電流の変化について見積もる。暗電流Ｉ_dはおおよそ下記式（６）で表される。

バンド構造が図３のようになっているため、上記式（６）の右辺を計算すると、ＡｌＧａＳｂからなる第１障壁層３がない場合、暗電流Ｉ_dは４．５７×１０^-20となるのに対し、ＡｌＧａＳｂからなる第１障壁層３がある場合、暗電流Ｉ_dは４．９０×１０^-20となり、およそ１．０７倍の増加である。ここで、ノイズは、暗電流の平方根に比例するため、１．０３倍の増加にとどまる。

このように光電流及び暗電流の変化を見積もることができるため、ＡｌＧａＳｂからなる第１障壁層３を挿入することによって、Ｓ／Ｎは、１．２９倍になり、２９％改善されることになる。
［実施例２］
本実施例２では、量子井戸型赤外線検出器（ＱＷＩＰ）として、例えば井戸層２の材料としてＧａＡｓを用い、第１障壁層３の材料としてＩｎＡｌＡｓを用い、第２障壁層４の材料としてＡｌＧａＡｓを用いる。

このような構成によれば、ピーク感度波長が５．６μｍ程度の場合に効果が期待できる。ピーク感度波長が５．６μｍ程度の場合、大気の透過特性は良くないが、大気圏外で使用する場合等に効果が期待できる。
本実施例２では、ＧａＡｓ井戸層２の厚さは４８Åとし、ＩｎＡｌＡｓ第１障壁層３の厚さは１１６Åとし、ＩｎＡｌＡｓ第１障壁層３及びＡｌＧａＡｓ第２障壁層４の全体の厚さは４００Åとしている。さらに、多重量子井戸層５の繰り返し積層数は２５層とし、バイアス電圧は２Ｖにしている。

ここで、図４は、上下のコンタクト層６，７間にバイアス電圧をかけた場合の伝導帯端側のエネルギバンドダイヤグラムを示している。なお、図４中、Ｅ₁は励起準位（ここでは３３２ｍｅＶ）、Ｅ_fはフェルミ準位、Ｅ₀は基底準位（ここでは１１０．６ｍｅＶ）をそれぞれ示している。
ＧａＡｓからなる井戸層２の幅が５０Å程度のＱＷＩＰで、ピーク感度波長を５．６μｍ程度とすると、第２障壁層４としてのＡｌ_xＧａ_1-xＡｓの組成は、ｘ＝０．３８程度となる。

ここで、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓのバンドギャップ及び電子の有効質量比は、下記式（７）［Sadao Adachi, "GaAs, AlAs, and Al_xGa_1-xAs: Material parameters for use in research and device applications", J. Appl. Phys., 58(3), R1 (1985)参照］及び下記式（８）［M. Zachau et al. "Electronic transport in molecular-beam-epitaxy-grown Al_xGa_1-xAs", Phys. Rev. B, 33(12), p.8564 (1986)参照］で表される。

したがって、本実施例２における上記組成の場合、バンドギャップは１．８９７９（ｅＶ）、電子の有効質量比は０．０９８８４になる。
ところで、本実施例２では、第１障壁層３の材料としてＩｎ_yＡｌ_1-yＡｓを用いるため、Ｉｎ_yＡｌ_1-yＡｓのバンドギャップは、下記式（９）で表される［I. Nurgaftman et al. "Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys" J. Appl. Phys., 89(11), p.5815 (2001)参照］。

したがって、ｙ＝０．３８６で、バンドギャップがＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．３８）と同程度になり、伝導帯の不連続が小さくなる。
また、電子の有効質量比は、下記式（１０）で表される［I. Nurgaftman et al. "Band parameters for III-V compound semiconductors and their alloys" J. Appl. Phys., 89(11), p.5815 (2001)参照］。

したがって、電子の有効質量比は０．０９０５２となる。
つまり、電子の有効質量比は、第２障壁層４としてのＡｌＧａＡｓ中では０．０９８８４、第１障壁層３としてのＩｎＡｌＡｓ中では０．０９０５２となる。
そして、典型的な素子構造や素子バイアスから、内部電界Ｆ＝１．７２×１０⁶（Ｖ／ｍ）＝０．１７２（ｍＶ／Å）なる値を採用し、三角ポテンシャル高さをおよそ２０（ｍｅＶ）と想定して、上記式（１）の左辺を計算すると、三角ポテンシャルバリアがＡｌＧａＡｓからなる障壁層によって形成される場合、三角ポテンシャルの透過確率は０．０２９５５９となるのに対し、本実施例２のように、三角ポテンシャルバリアがＩｎＡｌＡｓからなる第１障壁層３によって形成される場合、三角ポテンシャルの透過確率は０．０３４３９４となり、およそ１６％改善されることになる。この改善分が光電流の増分になると考えられる。

次に、暗電流の変化について見積もる。
暗電流Ｉ_dは上記式（６）で表されるため、バンド構造が図４のようになっているため、上記式（６）の右辺を計算すると、ＩｎＡｌＡｓからなる第１障壁層３がない場合、暗電流Ｉ_dは９．２８×１０^-27となるのに対し、ＩｎＡｌＡｓからなる第１障壁層３がある場合、暗電流Ｉ_dは９．８８×１０^-27となり、およそ１．０６倍の増加である。ここで、ノイズは、暗電流の平方根に比例するため、１．０３倍の増加にとどまる。

このように光電流及び暗電流の変化を見積もることができるため、ＩｎＡｌＡｓからなる第１障壁層を挿入することによって、Ｓ／Ｎは、１．１３倍になり、１３％改善されることになる。

本発明の一実施形態にかかる量子井戸型赤外線検出器の構成（素子構造）を示す模式的断面図である。本発明の一実施形態にかかる量子井戸型赤外線検出器の動作原理を説明するためのエネルギバンドダイヤグラムである。本発明の実施例１にかかる量子井戸型赤外線検出器のエネルギバンドダイヤグラムである。本発明の実施例２にかかる量子井戸型赤外線検出器のエネルギバンドダイヤグラムである。従来の量子井戸型赤外線検出器の構成（素子構造）を示す模式的断面図である。従来の量子井戸型赤外線検出器の動作原理を説明するためのエネルギバンドダイヤグラムである。（Ａ），（Ｂ）は、従来の量子井戸型赤外線検出器の課題を説明するためのエネルギバンドダイヤグラムである。

符号の説明

１基板
２井戸層
３第１障壁層
４第２障壁層
５多重量子井戸（ＭＱＷ）層
６上部コンタクト層
７下部コンタクト層
８障壁層

Claims

量子井戸層と、
前記量子井戸層を挟み込むように設けられ、動作バイアスをかけるためのコンタクト層とを備え、
前記量子井戸層が、ＩｎＧａＡｓからなる井戸層と、前記井戸層に接する第１障壁層と、前記第１障壁層に接する第２障壁層とを備え、前記動作バイアスをかけた場合に前記井戸層に対して正バイアス側に位置するように前記第１障壁層及び前記第２障壁層が設けられており、前記第１障壁層は、前記第２障壁層を構成するＩｎＧａＡｌＡｓと比べて電子の有効質量が小さいＡｌＧａＳｂで構成されていることを特徴とする量子井戸型赤外線検出器。
量子井戸層と、
前記量子井戸層を挟み込むように設けられ、動作バイアスをかけるためのコンタクト層とを備え、
前記量子井戸層が、ＧａＡｓからなる井戸層と、前記井戸層に接する第１障壁層と、前記第１障壁層に接する第２障壁層とを備え、前記動作バイアスをかけた場合に前記井戸層に対して正バイアス側に位置するように前記第１障壁層及び前記第２障壁層が設けられており、前記第１障壁層は、前記第２障壁層を構成するＡｌＧａＡｓと比べて電子の有効質量が小さいＩｎＡｌＡｓで構成されていることを特徴とする量子井戸型赤外線検出器。
前記第１障壁層は、前記第２障壁層の材料と障壁エネルギ高さが同等となる材料によって構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の量子井戸型赤外線検出器。
動作バイアスがかけられた状態で、前記第１障壁層の伝導帯端のエネルギレベルが前記井戸層内の励起準位よりも高くなり、かつ、前記第２障壁層の伝導帯端のエネルギレベルが前記井戸層内の励起準位よりも低くなるように、前記第１障壁層の厚さが設定されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の量子井戸型赤外線検出器。