(57)【要約】【課題】対象物の温度を算出する際の誤差を低減可能なバンドパスフィルタ不要の赤外線検出装置を提供する。【解決手段】検出器１は、量子ドット積層構造を有する。操作部３は、検出器１の量子ドット積層構造において赤外線を検出するときの受光感度ピーク波長を第１の受光感度ピーク波長に設定するための第１の電圧と、受光感度ピーク波長を第１の受光感度ピーク波長と異なる第２の受光感度ピーク波長に設定するための第２の電圧とを検出器１の量子ドット積層構造に印加する。検出部２は、第１の電圧が量子ドット積層構造に印加されたとき検出器１から出力される第１の光電流を検出し、第２の電圧が量子ドット積層構造に印加されたとき検出器１から出力される第２の光電流を検出する。算出部５は、検出部２によって検出された第１および第２の光電流に基づいて対象物の温度を算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドットと、前記量子ドットの周囲を覆う第１の量子井戸層と、前記量子ドットおよび前記第１の量子井戸層を両側から挟む第１の障壁層とを含む量子ドット積層構造によって構成される光電変換層を有する検出器と、
前記光電変換層において前記赤外線を検出するときの受光感度ピーク波長を第１の受光感度ピーク波長に設定するための第１の電圧と前記受光感度ピーク波長を前記第１の受光感度ピーク波長と異なる第２の受光感度ピーク波長に設定するための第２の電圧とを前記光電変換層に印加する操作部と、
前記第１の電圧が前記光電変換層に印加されたとき前記検出器から出力される第１の光電流を検出し、前記第２の電圧が前記光電変換層に印加されたとき前記検出器から出力される第２の光電流を検出する検出部と、
前記検出部によって検出された前記第１および第２の光電流に基づいて対象物の温度を算出する算出部とを備える赤外線検出装置。
【請求項２】
前記光電変換層は、積層された複数の前記量子ドット積層構造によって構成される、請求項１に記載の赤外線検出装置。
【請求項３】
前記算出部は、２色法によって前記第１および第２の光電流に基づいて対象物の温度を算出する、請求項１または請求項２に記載の赤外線検出装置。
【請求項４】
前記検出器は、前記第１の受光感度ピーク波長における放射率と、前記第２の受光感度ピーク波長における放射率とが等しい対象物から放射された赤外線を検出する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【請求項５】
前記第１および第２の受光感度ピーク波長は、前記光電変換層におけるキャリアの同じ遷移に起因する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【請求項６】
前記第１および第２の受光感度ピーク波長は、同じ大気の窓の波長範囲内に設定される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【請求項７】
前記第１および第２の受光感度ピーク波長以外の受光感度ピーク波長は、前記大気の窓の波長範囲以外の波長範囲に設定される、請求項６に記載の赤外線検出装置。
【請求項８】
前記第１の受光感度ピーク波長は、前記光電変換層におけるキャリアの第１の遷移に起因し、
前記第２の受光感度ピーク波長は、前記第１の遷移と異なり、かつ、前記光電変換層におけるキャリアの第２の遷移に起因する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【請求項９】
前記第１の電圧が前記光電変換層に印加されたとき、前記第１の受光感度ピーク波長における受光感度である第１の受光感度を前記第２の受光感度ピーク波長における受光感度である第２の受光感度で除算した第１の受光感度／第２の受光感度は、２以上であり、
前記第２の電圧が前記光電変換層に印加されたとき、前記第２の受光感度ピーク波長における受光感度である第３の受光感度を前記第１の受光感度ピーク波長における受光感度である第４の受光感度で除算した第３の受光感度／第４の受光感度は、２以上である、請求項８に記載の赤外線検出装置。
【請求項１０】
前記第１の受光感度ピーク波長は、第１の波長範囲を有する第１の大気の窓の領域内に設定され、
前記第２の受光感度ピーク波長は、前記第１の波長範囲よりも長い第２の波長範囲を有する第２の大気の窓の領域内に設定される、請求項８に記載の赤外線検出装置。
【請求項１１】
前記量子ドットは、ＩｎＡｓからなり、
前記第１の量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓからなり、
前記第１の障壁層は、ＡｌＧａＡｓからなる、請求項１０に記載の赤外線検出装置。
【請求項１２】
前記光電変換層は、前記第１の量子井戸層と前記第１の障壁層との間に第２の量子井戸層を更に含む、請求項１０に記載の赤外線検出装置。
【請求項１３】
前記量子ドットは、ＩｎＡｓからなり、
前記第１の量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓからなり、
前記第２の量子井戸層は、ＧａＡｓからなり、
前記第１の障壁層は、ＡｌＧａＡｓからなる、請求項１２に記載の赤外線検出装置。
【請求項１４】
前記検出器は、
コンタクト層と、
前記光電変換層と前記コンタクト層との間に配置され、前記第１の障壁層よりもバンドギャップが大きい第２の障壁層とを更に備える、請求項８から請求項１０のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【請求項１５】
前記量子ドットは、ＩｎＡｓからなり、
前記第１の量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓからなり、
前記第１の障壁層は、第１のバンドギャップを有するＡｌＧａＡｓからなり、
前記第２の障壁層は、前記第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャッを有するＡｌＧａＡｓからなる、請求項１４に記載の赤外線検出装置。
【請求項１６】
前記第１および第２の電圧は、正側の電圧または負側の電圧である、請求項８から請求項１５のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、赤外線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、放射率の調整機能を有する赤外線センサが知られている。また、近赤外線センサと、二種類のバンドパスフィルタを含む構成で、放射率補正が不要である近赤外温度計測装置がある。
【０００３】
また、非特許文献１は、ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓの構造を有する量子ドット構造を開示する。ＩｎＡｓは、量子ドットであり、ＩｎＧａＡｓは、量子井戸層であり、ＧａＡｓは、障壁層である。
【０００４】
そして、非特許文献１は、量子ドット構造にバイアスを印加することによって、異なる受光感度ピークを実現することを開示する。特に、正バイアスおよび負バイアスを利用することで、約８．４μｍのピークと約９μｍのピークとの間で大きなピークシフトを実現している。
【０００５】
更に、非特許文献２は、量子ドットを量子井戸層（量子ドットの下地層となる第１の量子井戸層および量子ドットのキャップ層となる第２の量子井戸層）および障壁層で挟んだ量子ドット構造を開示する。この量子ドット構造は、量子ドットの閉じ込め準位から量子井戸層の準位へのキャリアの遷移と、量子ドットの閉じ込め準位から障壁層の連続準位へのキャリアの遷移とを有する。そして、低バイアスを量子ドット構造に印加した場合は、主に、量子ドットの閉じ込め準位から障壁層の連続準位へ遷移したキャリアによる光電流が得られ、高バイアスを量子ドット構造に印加した場合は、主に、量子ドットの閉じ込め準位から量子井戸層の準位へ遷移したキャリアによる光電流が得られる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】J. C. Campbell, and A. Madhukar, “Quantum-Dot Infrared Photodetectors,” Proceedings of the IEEE 95, 1815 (2007).
【非特許文献２】A. V. Barve1, S. J. Lee, S. K. Noh, and S. Krishna, “Review of current progress in quantum dot infrared photodetectors”, Laser & Photonics Reviews_4,_738_(2010).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来の赤外センサにおいては、放射率を入力しなければならないので、対象物によって温度の測定誤差が大きくなる場合がある。また、放射率補正が不要である２色法を用いた近赤外温度計測装置では、対象物によって温度の測定誤差を小さくできるが、二種類のバンドパスフィルタが必要となる。更に、非特許文献１，２は、２つの受光感度ピークを用いて２色法によって対象物の温度を測定することを開示も示唆もしていない。
【０００８】
そこで、この発明の実施の形態によれば、対象物の温度を算出する際の誤差を低減可能なバンドパスフィルタ不要の赤外線検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（構成１）
この発明の実施の形態によれば、赤外線検出装置は、検出器と、操作部と、検出部と、算出部とを備える。検出器は、量子ドットと、量子ドットの周囲を覆う第１の量子井戸層と、量子ドットおよび第１の量子井戸層を両側から挟む第１の障壁層とを含む量子ドット積層構造によって構成される光電変換層を有する。操作部は、光電変換層において赤外線を検出するときの受光感度ピーク波長を第１の受光感度ピーク波長に設定するための第１の電圧と、受光感度ピーク波長を第１の受光感度ピーク波長と異なる第２の受光感度ピーク波長に設定するための第２の電圧とを光電変換層に印加する。検出部は、第１の電圧が光電変換層に印加されたとき検出器から出力される第１の光電流を検出し、第２の電圧が光電変換層に印加されたとき検出器から出力される第２の光電流を検出する。算出部は、検出部によって検出された第１および第２の光電流に基づいて対象物の温度を算出する。
【００１０】
（構成２）
構成１において、光電変換層は、積層された複数の量子ドット積層構造によって構成される。
【００１１】
（構成３）
構成１または構成２において、算出部は、２色法によって第１および第２の光電流に基づいて対象物の温度を算出する。
【００１２】
（構成４）
構成１から構成３のいずれかにおいて、検出器は、第１の受光感度ピーク波長における放射率と、第２の受光感度ピーク波長における放射率とが等しい対象物から放射された赤外線を検出する。
【００１３】
（構成５）
構成１から構成４のいずれかにおいて、第１および第２の受光感度ピーク波長は、光電変換層におけるキャリアの同じ遷移に起因する。
【００１４】
（構成６）
構成１から構成５のいずれかにおいて、第１および第２の受光感度ピーク波長は、同じ大気の窓の波長範囲内に設定される。
【００１５】
（構成７）
構成６において、第１および第２の受光感度ピーク波長以外の受光感度ピーク波長は、大気の窓の波長範囲以外の波長範囲に設定される。
【００１６】
（構成８）
構成１から構成３のいずれかにおいて、第１の受光感度ピーク波長は、光電変換層におけるキャリアの第１の遷移に起因し、第２の受光感度ピーク波長は、第１の遷移と異なり、かつ、光電変換層におけるキャリアの第２の遷移に起因する。
【００１７】
（構成９）
構成８において、第１の電圧が光電変換層に印加されたとき、第１の受光感度ピーク波長における受光感度である第１の受光感度を第２の受光感度ピーク波長における受光感度である第２の受光感度で除算した第１の受光感度／第２の受光感度は、２以上であり、第２の電圧が光電変換層に印加されたとき、第２の受光感度ピーク波長における受光感度である第３の受光感度を第１の受光感度ピーク波長における受光感度である第４の受光感度で除算した第３の受光感度／第４の受光感度は、２以上である。
【００１８】
（構成１０）
構成８において、第１の受光感度ピーク波長は、第１の波長範囲を有する第１の大気の窓の領域内に設定され、第２の受光感度ピーク波長は、第１の波長範囲よりも長い第２の波長範囲を有する第２の大気の窓の領域内に設定される。
【００１９】
（構成１１）
構成１０において、量子ドットは、ＩｎＡｓからなり、第１の量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓからなり、第１の障壁層は、ＡｌＧａＡｓからなる。
【００２０】
（構成１２）
構成１０において、光電変換層は、第１の量子井戸層と第１の障壁層との間に第２の量子井戸層を更に含む。
【００２１】
（構成１３）
構成１２において、量子ドットは、ＩｎＡｓからなり、第１の量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓからなり、第１の障壁層は、ＡｌＧａＡｓからなる。
【００２２】
（構成１４）
構成８から構成１０のいずれかにおいて、検出器は、コンタクト層と、第２の障壁層とを更に備える。第２の障壁層は、光電変換層とコンタクト層との間に配置され、第１の障壁層よりもバンドギャップが大きい。
【００２３】
（構成１５）
構成１４において、量子ドットは、ＩｎＡｓからなり、第１の量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓからなり、第１の障壁層は、第１のバンドギャップを有するＡｌＧａＡｓからなり、第２の障壁層は、第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャッを有するＡｌＧａＡｓからなる。
【００２４】
（構成１６）
構成８から構成１５のいずれかにおいて、第１および第２の電圧は、正側の電圧または負側の電圧である。
【発明の効果】
【００２５】
対象物の温度を算出する際の誤差を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の実施の形態１による赤外線検出装置の概略図である。
【図２】図１に示す検出器の概略図である。
【図３】図２に示す検出器の製造方法を示す第１の工程図である。
【図４】図２に示す検出器の製造方法を示す第２の工程図である。
【図５】図２に示す検出器の製造方法を示す第３の工程図である。
【図６】図２に示す検出器の量子ドット構造のエネルギーバンド図である。
【図７】実施の形態１における透過率と波長との関係を示す図である。
【図８】実施の形態１における透過率と波長との別の関係を示す図である。
【図９】対象物の温度を算出する動作を説明するための実施の形態１におけるフローチャートである。
【図１０】実施の形態２による赤外線検出装置の概略図である。
【図１１】図１０に示す検出器の概略図である。
【図１２】図１１に示す検出器の量子ドット構造のエネルギーバンド図である。
【図１３】実施の形態２における透過率と波長との関係を示す図である。
【図１４】実施の形態２における透過率と波長との別の関係を示す図である。
【図１５】対象物の温度を算出する動作を説明するための実施の形態２におけるフローチャートである。
【図１６】実施の形態２による別の検出器の概略図である。
【図１７】実施の形態３による赤外線検出装置の概略図である。
【図１８】図１７に示す検出器の概略図である。
【図１９】図１８に示す検出器の光電変換層、片側障壁層およびコンタクト層のエネルギーバンド図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２８】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による赤外線検出装置の概略図である。図１を参照して、この発明の実施の形態１による赤外線検出装置１０は、検出器１と、検出部２と、操作部３と、制御部４と、算出部５とを備える。
【００２９】
検出器１は、量子ドット型赤外線センサ（ＱＤＩＰ：Quantum Dots Infrared Photodetectors）によって構成される。量子ドット型赤外線センサは、単素子であってもよく、イメージャーであってもよい。そして、検出器１は、操作部３からの印加電圧が印加された状態で、２つの受光感度ピーク波長で対象物からの赤外線を検出し、その検出した赤外線の放射強度に応じた電流を出力する。
【００３０】
検出部２は、検出器１から出力された電流を測定し、その測定した電流を算出部５へ出力する。そして、検出器２は、電流計からなる。
【００３１】
操作部３は、制御部４からの制御に応じて、検出器１の受光感度ピーク波長を２つの受光感度ピーク波長に設定するための電圧Ｖ１，Ｖ２を検出器１に印加する。そして、操作部３は、可変電圧計からなる。
【００３２】
制御部４は、検出器１の受光感度ピーク波長を２つの受光感度ピーク波長に設定するための電圧Ｖ１，Ｖ２を検出器１に印加するように操作部３を制御する。
【００３３】
算出部５は、電圧Ｖ１が印加されたときに検出器１から出力された電流Ｉ１と、電圧Ｖ２が印加されたときに検出器１から出力された電流Ｉ２とを検出部２から受け、その受けた電流Ｉ１，Ｉ２に基づいて、後述する方法によって、対象物の温度を算出する。
【００３４】
図２は、図１に示す検出器１の概略図である。図２を参照して、検出器１は、基板１１と、バッファ層１２と、コンタクト層１３，１５と、光電変換層１４と、電極１６，１７とを含む。
【００３５】
バッファ層１２は、基板１１に接して基板１１上に配置される。コンタクト層１３は、バッファ層１２に接してバッファ層１２上に配置される。光電変換層１４は、コンタクト層１３に接してコンタクト層１３上に配置される。そして、光電変換層１４は、障壁層１４１と、量子ドット１４２と、量子井戸層１４３とを含む。
【００３６】
量子井戸層１４３は、量子ドット１４２の周囲を覆う。障壁層１４１（＝障壁層１４１ａ，１４１ｂ）は、膜厚方向の両側において量子井戸層１４３を挟む。そして、量子ドット１４２、量子井戸層１４３および２つの障壁層１４１（＝障壁層１４１ａ，１４１ｂ）は、量子ドット積層構造ＱＤ１を構成する。従って、光電変換層１４は、量子ドット積層構造ＱＤ１を複数積層した構造からなる。この発明の実施の形態においては、例えば、１０個の量子ドット積層構造ＱＤ１が積層される。量子ドット積層構造ＱＤ１を複数積層することによって、受光感度を高めることができるため、大きな光電流を得ることができる。
【００３７】
最下層の量子ドット積層構造ＱＤ１においては、２つの障壁層１４１のうち、一方の障壁層１４１（１４１ａ）は、コンタクト層１３に接してコンタクト層１３上に配置され、量子ドット１４２の周囲を覆う量子井戸層１４３が一方の障壁層１４１（１４１ａ）に接して一方の障壁層１４１（１４１ａ）上に配置され、他方の障壁層１４１（１４１ｂ）が量子井戸層１４３に接して量子井戸層１４３上に配置される。以降、量子ドット１４２の周囲を覆う量子井戸層１４３が障壁層１４１によって隔てられるように、障壁層１４１／量子井戸層１４３／量子ドット１４２／量子井戸層１４３／障壁層１４１が積層され、複数の量子ドット積層構造ＱＤ１が積層される。
【００３８】
コンタクト層１５は、光電変換層１４に接して光電変換層１４上に配置される。電極１６は、コンタクト層１５に接してコンタクト層１５上に配置される。電極１７は、コンタクト層１３に接してコンタクト層１３上に配置される。
【００３９】
基板１１は、例えば、ＧａＡｓからなる。バッファ層１２は、例えば、ＧａＡｓからなる。コンタクト層１３は、例えば、ｎ型ＧａＡｓからなる。障壁層１４１は、例えば、ＧａＡｓからなり、障壁層１４１ａと障壁層１４１ｂとを合わせて４０ｎｍの膜厚を有する。そして、障壁層１４１ａおよび障壁層１４１ｂの各々は、例えば、２０ｎｍの膜厚を有する。
【００４０】
量子ドット１４２は、例えば、ＩｎＡｓからなり、ピラミッド形状を有する。量子ドット１４２は、例えば、５ｎｍの高さおよび２５ｎｍの底辺の長さを有する。量子井戸層１４３は、例えば、ＩｎＧａＡｓからなり、１０ｎｍの膜厚を有する。ＩｎＧａＡｓにおける組成は、例えば、Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓである。そして、量子井戸層１４３の下側面と量子ドット１４２の底辺との距離は、例えば、５ｎｍである。
【００４１】
コンタクト層１５は、例えば、ｎ型ＧａＡｓからなる。電極１６，１７は、例えば、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる。
【００４２】
なお、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＰおよびＩｎＡｌＧａＡｓ等の他の半導体を適宜組み合わせて量子ドット積層構造ＱＤ１および検出器１を構成してもよい。
【００４３】
図３から図５は、それぞれ、図２に示す検出器１の製造方法を示す第１から第３の工程図である。なお、図３から図５に示す工程（ａ）〜工程（ｊ）は、１つの工程図を構成する。
【００４４】
図３を参照して、検出器１の製造が開始されると、半絶縁性のＧａＡｓからなる基板１１を分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）装置内に支持する（図３の工程（ａ））。
【００４５】
そして、ＭＢＥ法によってバッファ層１２を基板１１上に形成する（図３の工程（ｂ））。この場合、例えば、バッファ層１２として２００ｎｍの厚さのＧａＡｓ層を形成する。バッファ層１２の形成によって、バッファ層１２上に形成される光電変換層１４の結晶性を向上させることができる。その結果、光電変換層１４での受光効率が確保された赤外線検出器を提供することができる。
【００４６】
工程（ｂ）の後、ＭＢＥ法によってバッファ層１２上にコンタクト層１３を形成する（図３の工程（ｃ））。この場合、例えば、コンタクト層１３として５００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層を形成する。
【００４７】
引き続いて、ＭＢＥ法によって、ＧａＡｓからなる障壁層１４１（障壁層１４１ａ）をコンタクト層１３上に形成する（図３の工程（ｄ））。
【００４８】
そして、ＭＢＥ法によって、５ｎｍの厚さを有するＩｎＧａＡｓを量子井戸層１４３として形成し、その形成した量子井戸層１４３上にＩｎＡｓからなる量子ドット１４２を形成する（図３の工程（ｅ））。
【００４９】
この場合、量子ドット１４２は、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）成長と呼ばれる方法によって形成される。
【００５０】
より具体的には、量子井戸層１４３としてＩｎＧａＡｓを結晶成長させ、自己組織化機構によって、ＩｎＡｓからなる量子ドット１４２を形成する。
【００５１】
その後、ＭＢＥ法によって、ＩｎＧａＡｓを量子井戸層１４３として形成し、量子ドット１４２の周囲を覆う１０ｎｍの厚さを有する量子井戸層１４３を形成する（図４の（工程（ｆ））。
【００５２】
そして、ＭＢＥ法によって、ＧａＡｓからなる障壁層１４１を量子井戸層１４３上に形成する（図４の工程（ｇ））。
【００５３】
その後、ＭＢＥ法によって、量子井戸層１４３、量子ドット１４２、量子井戸層１４３および障壁層１４１の形成を繰り返し行い、光電変換層１４を形成する（図４の工程（ｈ））。
【００５４】
引き続いて、ＭＢＥ法によって、コンタクト層１５として２００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層を形成する（図５の工程（ｉ））。
【００５５】
そして、積層体をＭＢＥ装置から取り出し、フォトリソグラフィおよびウェットエッチングを用いて、光電変換層１４およびコンタクト層１５の一部を除去し、コンタクト層１５上に電極１６を形成し、コンタクト層１３上に電極１７を形成する。これによって、検出器１が完成する（図５の工程（ｊ））。
【００５６】
図６は、図２に示す検出器１の量子ドット積層構造ＱＤ１のエネルギーバンド図である。なお、図６は、電圧が印加されたときの量子ドット積層構造ＱＤ１のエネルギーバンド図を示す。
【００５７】
図６を参照して、量子ドット１４２においては、閉じ込め準位ｅＱＤが存在し、量子井戸層１４３においては、準位ｅＷＥＬＬが存在する。そこで、光電変換層１４に電圧を印加して、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから量子井戸層１４３の準位ｅＷＥＬＬへのキャリアの遷移によって赤外線を検出する。そして、光電変換層１４に印加する電圧を変えることによって、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから量子井戸層１４３の準位ｅＷＥＬＬへのキャリアの遷移に起因する受光感度ピーク波長を大気の窓の波長範囲において２種類に変えて赤外線を検出する。上記の受光感度ピーク波長の変更では、量子閉じ込めシュタルク効果を利用する。
【００５８】
なお、大気の窓とは、大気における透過率の高い波長範囲を指し、一般に３〜５．５μｍおよび８〜１４μｍの２つの波長範囲が知られている。本願では、例えば、前者を第１の波長範囲、後者を第２の波長範囲としたとき、これら両方を大気の窓と称する。また、例えば、複数の波長がいずれも上記のどちらか一方の領域内に含まれる場合には、「同じ大気の窓の波長範囲内」または「同じ大気の窓の領域内」などと表現することとする。
【００５９】
更に、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから障壁層１４１の伝導帯の連続準位ｅＣＢへのキャリアの遷移による吸収も検出される場合があるが、この吸収については、次のように対処する。
【００６０】
（１）量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから障壁層１４１の連続準位ｅＣＢへのキャリアの遷移による吸収を補正により排除する。
【００６１】
（２）量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから障壁層１４１の連続準位ｅＣＢへのキャリアの遷移による吸収が大気の窓の領域以外において生じるように、量子ドット積層構造ＱＤ１の各パラメータ（例えば、量子ドット１４２のサイズ等）を調整する。
【００６２】
（３）光電変換層１４に印加する電圧を調整することにより、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから量子井戸層１４３の準位ｅＷＥＬＬへのキャリアの遷移による光電流を主に検出する。
【００６３】
上記（２）においては、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから量子井戸層１４３の準位ｅＷＥＬＬへのキャリアの遷移による吸収を大気の窓の領域に設定し、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから障壁層１４１の連続準位ｅＣＢへのキャリアの遷移による吸収を大気の窓の領域以外に設定することによって、閉じ込め準位ｅＱＤから連続準位ｅＣＢへのキャリアの遷移による吸収を検出することを防止する。
【００６４】
また、上記（３）においては、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから障壁層１４１の連続準位ｅＣＢへのキャリアの遷移による吸収を検出するために光電変換層１４に印加する電圧よりも高い電圧を光電変換層１４に印加することによって、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから量子井戸層１４３の準位ｅＷＥＬＬへのキャリアの遷移による光電流を主に検出する。
【００６５】
なお、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから障壁層１４１の連続準位ｅＣＢへのキャリアの遷移は、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから量子ドット積層構造ＱＤ１の母体半導体材料の連続準位ｅＣＢへのキャリアの遷移を構成する。そして、上記（２）に示すように、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから障壁層１４１の連続準位ｅＣＢへのキャリアの遷移による吸収が大気の窓の領域以外において生じるようにするのは、２つの受光感度ピーク波長を１つの大気の窓の領域内に設定して赤外線を検出し、後述する２色法によって対象物の温度を算出する場合、閉じ込め準位ｅＱＤから連続準位ｅＣＢへのキャリアの遷移による吸収が２つの受光感度ピーク波長における赤外線の検出に邪魔となることに因る。
【００６６】
図７は、実施の形態１における透過率と波長との関係を示す図である。図７において、縦軸は、透過率を表し、横軸は、波長を表す。また、受光感度スペクトルＳＰ１は、−０．５Ｖの電圧を光電変換層１４に印加したときの受光感度スペクトルを示し、受光感度スペクトルＳＰ２は、０．５Ｖの電圧を光電変換層１４に印加したときの受光感度スペクトルを示す。
【００６７】
図７を参照して、大気中に存在する吸収分子として、水（Ｈ２Ｏ）、酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）および二酸化炭素（ＣＯ２）が吸収波長に対応付けて示されている。
【００６８】
−０．５Ｖの電圧を光電変換層１４に印加すると、検出器１は、受光感度スペクトルＳＰ１と、対象物の放射（放射率を含む）と、透過率とに応じて、光電流Ｉ１を得る。また、０．５Ｖの電圧を光電変換層１４に印加すると、検出器１は、受光感度スペクトルＳＰ２と、対象物の放射（放射率を含む）と、透過率とに応じて、光電流Ｉ２を得る。
【００６９】
受光感度スペクトルＳＰ１は、９μｍの受光感度ピーク波長を有し、受光感度スペクトルＳＰ２は、１０μｍの受光感度ピーク波長を有する。９μｍの受光感度ピーク波長および１０μｍの受光感度ピーク波長は、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから量子井戸層１４３の準位ｅＷＥＬＬへのキャリアの遷移に起因する受光感度ピーク波長である。つまり、９μｍの受光感度ピーク波長および１０μｍの受光感度ピーク波長は、同じ遷移に起因する受光感度ピーク波長である。そして、９μｍの受光感度ピーク波長および１０μｍの受光感度ピーク波長は、８〜１４μｍの大気の窓の波長範囲に存在する。つまり、９μｍの受光感度ピーク波長および１０μｍの受光感度ピーク波長は、同じ大気の窓の波長範囲に存在する。また、受光感度スペクトルＳＰ１，ＳＰ２の受光感度ピークの半値幅は、３０ｍｅＶである。
【００７０】
図８は、実施の形態１における透過率と波長との別の関係を示す図である。図８において、縦軸は、透過率を表し、横軸は、波長を表す。また、受光感度スペクトルＳＰ３は、−０．５Ｖの電圧を光電変換層１４に印加したときの受光感度スペクトルを示し、受光感度スペクトルＳＰ４は、０．５Ｖの電圧を光電変換層１４に印加したときの受光感度スペクトルを示す。そして、図８に示す受光感度スペクトルＳＰ３，ＳＰ４は、量子ドット１４２のサイズのばらつきを増大させたときの受光感度スペクトル、またはキャリアの遷移先準位の制御を行ったときの受光感度スペクトルである。
【００７１】
図８を参照して、−０．５Ｖの電圧を光電変換層１４に印加すると、検出器１は、受光感度スペクトルＳＰ３と、対象物の放射（放射率を含む）と、透過率とに応じて、光電流Ｉ３を得る。また、０．５Ｖの電圧を光電変換層１４に印加すると、検出器１は、受光感度スペクトルＳＰ４と、対象物の放射（放射率を含む）と、透過率とに応じて、光電流Ｉ４を得る。
【００７２】
受光感度スペクトルＳＰ３，ＳＰ４は、受光感度ピークの半値幅が４５ｍｅＶであり、それぞれ、受光感度スペクトルＳＰ１，ＳＰ２と同じ受光感度ピーク波長を有する。その結果、受光感度スペクトルＳＰ３，ＳＰ４は、受光感度スペクトルＳＰ１，ＳＰ２よりも広い吸収帯域を有する。
【００７３】
このように、量子ドット１４２のサイズのばらつきを増大させることによって、またはキャリアの遷移先準位を制御することによって、赤外線の吸収帯域を拡大でき、信号強度を高くできる。
【００７４】
算出部５は、検出部２から光電流Ｉ１，Ｉ２を受ける。そして、算出部５は、２色法によって光電流Ｉ１，Ｉ２に基づいて対象物の温度Ｔを算出する。
【００７５】
電圧Ｖ１の印加時に検出器１が検出する光電流Ｉ１は、電圧Ｖ１の印加時の検出器１における受光感度スペクトル１と、透過率と、黒体照度スペクトルと、放射率との波長積分によって決まる。また、電圧Ｖ２の印加時に検出器１が検出する光電流Ｉ２は、同様に、電圧Ｖ２の印加時の検出器１における受光感度スペクトル２と、透過率と、黒体照度スペクトルと、放射率との波長積分によって決まる。
【００７６】
下記に、２種類の光電流を用いて対象物の温度Ｔを算出する原理を説明する。まず、検出器１における２種類の既知の受光感度スペクトル（異なる受光感度ピーク波長）を考える。２種類の受光感度スペクトルは、この発明の実施の形態においては、検出器１に印加する電圧Ｖ１および電圧Ｖ２で得られる。また、黒体照度スペクトルは、温度に依存するため、２種類の受光感度スペクトルそれぞれと、黒体照度スペクトルと、透過率とにおける波長積分の比（光電流の比）Ｉ０１／Ｉ０２は、透過率が既知であるため、黒体の温度によって予め決定される。つまり、Ｉ０１／Ｉ０２は、温度によって決まる値である。
【００７７】
次に、検出器１が検出する光電流の比Ｉ１／Ｉ２を考えた場合、この発明の実施の形態においては、透過率が既知であり、対象物の放射率が等しいとみなせるものであるため、受光感度スペクトルと、透過率と、黒体照度スペクトルと、放射率とにより決まる。Ｉ１／Ｉ２は、受光感度スペクトルと、透過率と、黒体照度スペクトルとにより求まるＩ０１／Ｉ０２と同一となる。従って、Ｉ１／Ｉ２＝Ｉ０１／Ｉ０２に基づいて対象物の温度Ｔを算出することができる。ここで、一般に２色法では、放射率が等しくなるような異なる２つの受光感度ピーク波長において測定するが、この時の放射率が完全に一致する場合は、対象物の温度Ｔの測定精度が高い。しかしながら、温度誤差をどのように規定するかは、その使用用途によって異なるため、放射率が「等しい」とは、完全に一致する場合に限られるものではなく、ある程度の許容範囲を持つものである。例えば、放射率の差が±１０％以内（好ましくは、±１％以内）に収まっていればよく、本願においては、上記の放射率を「等しい」または「一定」とみなすものとする。そして、この発明の実施の形態においては、赤外線検出装置は、２つの受光感度ピーク波長において放射率が等しいまたは一定とみなせる対象物の温度を算出する。なお、２つの受光感度ピーク波長において放射率が等しいまたは一定とみなせる対象物は、例えば、紙、木、コンクリート、金属酸化面等である。
【００７８】
従って、算出部５は、上述した方法によって、放射率を補正せずに、２種類の光電流を用いて対象物の温度Ｔを算出する。また、検出器１は、量子ドットを用いた検出器であるため、バンドパスフィルタが不要であり、検出強度の増大、コストの低減および検出器１の小型化に繋がる。
【００７９】
算出部５は、検出器１から光電流Ｉ３，Ｉ４を受けたときも、光電流Ｉ３，Ｉ４に基づいて、同様の方法によって対象物の温度Ｔを算出する。図８に示す受光感度スペクトルＳＰ３，ＳＰ４を用いて対象物の温度Ｔを算出した場合、図７に示す受光感度スペクトルＳＰ１，ＳＰ２を用いる場合よりも信号強度を強くできるので、信号強度を高めた２色法によって対象物の温度Ｔを算出できる。
【００８０】
図９は、対象物の温度を算出する動作を説明するための実施の形態１におけるフローチャートである。図９を参照して、対象物の温度Ｔを算出する動作が開始されると、量子ドットの閉じ込め準位から量子井戸層の準位へのキャリアの遷移に起因する受光感度ピーク波長λ１を１つの大気の窓の領域に設定するための電圧Ｖ１を光電変換層１４に印加して光電流Ｉ１を検出する（ステップＳ１）。
【００８１】
そして、受光感度ピーク波長λ１と同じ遷移に起因する受光感度ピーク波長λ２を受光感度ピーク波長λ１と同じ大気の窓の領域に設定するための電圧Ｖ２を光電変換層１４に印加して光電流Ｉ２を検出する（ステップＳ２）。
【００８２】
その後、算出部５は、光電流Ｉ１，Ｉ２を検出部２から受け、その受けた光電流Ｉ１，Ｉ２と、予め用意された各温度の黒体照度スペクトルと２種類の受光感度スペクトルと、透過率における波長積分の比とにより、対象物の温度Ｔを算出する（ステップＳ３）。これによって、対象物の温度Ｔを算出する動作が終了する。
【００８３】
このように、光電変換層１４に印加する電圧を掃引して受光感度ピーク波長を２つの波長λ１，λ２に設定して検出された検出値に基づいて２色法によって対象物の温度Ｔを算出する。
【００８４】
上述した実施の形態１によれば、放射率ε（λ１），ε（λ２）が等しいと見なせる２つの受光感度ピーク波長λ１，λ２をそれぞれ有する光電流を検出器１によって検出し、その検出した２つの光電流に基づいて２色法によって対象物の温度Ｔを算出するので、放射率を排除して対象物の温度Ｔを算出できる。従って、２つの波長における放射率の違いに起因する算出温度の誤差が生じず、誤差を低減して対象物の温度Ｔを算出できる。
【００８５】
なお、上記においては、２つの受光感度ピーク波長λ１，λ２は、８〜１４μｍの大気の窓の領域内に設定されると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、２つの受光感度ピーク波長λ１，λ２は、３〜５．５μｍの大気の窓の領域内に設定されてもよい。即ち、この発明の実施の形態においては、２つの受光感度ピーク波長λ１，λ２は、３〜５．５μｍの大気の窓の領域および８〜１４μｍの大気の窓の領域のいずれか一方の領域内に設定されていればよい。
【００８６】
［実施の形態２］
図１０は、実施の形態２による赤外線検出装置の概略図である。図１０を参照して、実施の形態２による赤外線検出装置１０Ａは、図１に示す赤外線検出装置１０の検出器１を検出器１Ａに変えたものであり、その他は、赤外線検出装置１０と同じである。
【００８７】
図１１は、図１０に示す検出器１Ａの概略図である。図１１を参照して、検出器１Ａは、図２に示す検出器１の光電変換層１４を光電変換層１４Ａに変えたものであり、その他は、検出器１と同じである。
【００８８】
光電変換層１４Ａは、図２に示す光電変換層１４の障壁層１４１を障壁層１４４に変えたものであり、その他は、光電変換層１４と同じである。
【００８９】
光電変換層１４Ａにおいては、２つの障壁層１４４のうち、一方の障壁層１４４（１４４ａ）は、量子井戸層１４３の一方の面に接して配置され、他方の障壁層１４４（１４４ｂ）が量子井戸層１４３の他方の面に接して配置される。その結果、障壁層１４４（１４４ａ）／量子井戸層１４３／量子ドット１４２／量子井戸層１４３／障壁層１４４（１４４ｂ）が量子ドット積層構造ＱＤ２を構成する。そして、光電変換層１４Ａは、複数の量子ドット積層構造ＱＤ２を積層した構造からなる。
【００９０】
障壁層１４４は、例えば、ＡｌＧａＡｓからなる。そして、ＡｌＧａＡｓの具体的な組成は、例えば、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓである。また、障壁層１４４ａと障壁層１４４ｂとを合わせた膜厚は、例えば、４０ｎｍである。そして、障壁層１４４ａおよび障壁層１４４ｂの各々は、例えば、２０ｎｍの膜厚を有する。
【００９１】
なお、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＰおよびＩｎＡｌＧａＡｓ等の他の半導体を適宜組み合わせて量子ドット積層構造ＱＤ２および検出器１Ａを構成してもよい。例えば、ＩｎＡｓからなる量子ドット１４２の周囲をＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層１４３で覆い、各ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓをＩｎＧａＰによって隔てて光電変換層１４Ａを構成してもよい。この場合、ＩｎＧａＰにおける組成は、例えば、Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐである。
【００９２】
検出器１Ａは、図３から図５に示す工程（ａ）〜工程（ｊ）に従って製造される。この場合、工程（ｄ）、工程（ｇ）および工程（ｈ）において、障壁層１４１に代えてＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる障壁層１４４が形成される。
【００９３】
図１２は、図１１に示す検出器１Ａの量子ドット積層構造ＱＤ２のエネルギーバンド図である。なお、図１２の（ａ）は、高バイアスの電圧が印加されたときの量子ドット積層構造ＱＤ２のエネルギーバンド図を示し、図１２の（ｂ）は、低バイアスの電圧が印加されたときの量子ドット積層構造ＱＤ２のエネルギーバンド図を示す。
【００９４】
図１２を参照して、量子ドット１４２においては、閉じ込め準位ｅＱＤが存在し、量子井戸層１４３においては、準位ｅＷＥＬＬが存在し、障壁層１４４において、準位ｅＣＢが存在する。そこで、光電変換層１４Ａに高バイアスの電圧を印加して、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから量子井戸層１４３の準位ｅＷＥＬＬへのキャリアの遷移による赤外線の吸収に由来する光電流を主に検出する（図１２の（ａ）参照）。
【００９５】
また、光電変換層１４Ａに低バイアスの電圧を印加して、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから障壁層１４４の準位ｅＣＢへのキャリアの遷移による赤外線の吸収に由来する光電流を主に検出する（図１２の（ｂ）参照）。
【００９６】
上記は、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから量子井戸層１４３の準位ｅＷＥＬＬへのキャリア遷移による吸収係数の方が、一般的に、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから障壁層１４４の準位ｅＣＢへのキャリア遷移による吸収係数に比べて大きいことを利用する。
【００９７】
そして、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから量子井戸層１４３の準位ｅＷＥＬＬへのキャリアの遷移に起因する受光感度ピーク波長を８〜１４μｍの大気の窓の波長範囲に設定して赤外線を検出し、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから障壁層１４４の準位ｅＣＢへのキャリアの遷移に起因する受光感度ピーク波長を３〜５．５μｍの大気の窓の波長範囲に設定して赤外線を検出する。これは、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから量子井戸層１４３の準位ｅＷＥＬＬへのキャリア遷移による受光感度ピーク波長が、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから障壁層１４４の準位ｅＣＢへのキャリア遷移による受光感度ピーク波長よりも長波長側となるためである。
【００９８】
このように、検出器１Ａにおいては、２つの受光感度ピーク波長λ１，λ３のうち、受光感度ピーク波長λ１を８〜１４μｍの大気の窓の波長範囲に設定して赤外線を検出し、受光感度ピーク波長λ３を３〜５．５μｍの大気の窓の波長範囲に設定して赤外線を検出する。即ち、検出器１Ａにおいては、２つの受光感度ピーク波長λ１，λ３は、異なる遷移に起因する受光感度ピーク波長であり、２つの受光感度ピーク波長λ１，λ３を異なる大気の窓の波長範囲に設定して赤外線を検出する。
【００９９】
そして、電圧Ｖ１が光電変換層１４Ａに印加されたとき、受光感度ピーク波長λ１における受光感度を受光感度ピーク波長λ３における受光感度で除算した［受光感度ピーク波長λ１における受光感度］／［受光感度ピーク波長λ３における受光感度］は、２以上であり、電圧Ｖ２が光電変換層１４Ａに印加されたとき、受光感度ピーク波長λ３における受光感度を受光感度ピーク波長λ１における受光感度で除算した［受光感度ピーク波長λ３における受光感度］／［受光感度ピーク波長λ１における受光感度］は、２以上である。
【０１００】
そして、［受光感度ピーク波長λ１における受光感度］／［受光感度ピーク波長λ３における受光感度］が２以上であり、［受光感度ピーク波長λ３における受光感度］／［受光感度ピーク波長λ１における受光感度］が２以上であれば、受光感度ピーク波長を定義でき、２色法を用いた測定が可能となる。また、［受光感度ピーク波長λ１における受光感度］／［受光感度ピーク波長λ３における受光感度］および［受光感度ピーク波長λ３における受光感度］／［受光感度ピーク波長λ１における受光感度］が５以上、１０以上であれば、更に、受光感度ピーク波長以外での検出が低くなるので、ノイズを低減でき、測定精度を高くできる。
【０１０１】
なお、実施の形態２においては、第１の量子井戸層を挟む構成で第２の量子井戸層を挿入してもよい。この場合、上記の２つの受光感度ピークとは別に、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから第２の量子井戸層の準位ｅＱＷ２への遷移に起因する受光感度ピーク波長が生じる。一方で、例えば、第２の量子井戸層を薄く形成することで量子閉じ込め効果を強め、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから第２の量子井戸層の準位ｅＱＷ２への遷移に起因する受光感度ピーク波長を、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから障壁層１４１の伝導帯の連続準位ｅＣＢへの遷移に起因する受光感度ピーク波長と一致させるように設計することで、受光感度ピーク波長を２つのみとすることができ、２色法での測定に影響を与えないようにすることができる。
【０１０２】
図１３は、実施の形態２における透過率と波長との関係を示す図である。図１３において、縦軸は、透過率を表し、横軸は、波長を表す。また、受光感度スペクトルＳＰ５は、１Ｖの電圧を光電変換層１４Ａに印加したときの受光感度スペクトルを示し、受光感度スペクトルＳＰ６は、５Ｖの電圧を光電変換層１４Ａに印加したときの受光感度スペクトルを示す。
【０１０３】
図１３を参照して、１Ｖの電圧を光電変換層１４Ａに印加すると、検出器１Ａは、受光感度スペクトルＳＰ５と、対象物の放射（放射率を含む）と、透過率とに応じて、光電流Ｉ５を得る。また、５Ｖの電圧を光電変換層１４Ａに印加すると、検出器１Ａは、受光感度スペクトルＳＰ６と、対象物の放射（放射率を含む）と、透過率とに応じて、光電流Ｉ６を得る。
【０１０４】
受光感度スペクトルＳＰ５は、４μｍの受光感度ピーク波長を有し、受光感度スペクトルＳＰ６は、１０μｍの受光感度ピーク波長を有する。４μｍの受光感度ピーク波長は、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから障壁層１４４の準位ｅＣＢへのキャリアの遷移に起因する受光感度ピーク波長であり、１０μｍの受光感度ピーク波長は、量子ドット１４２の閉じ込め準位ｅＱＤから量子井戸層１４３の準位ｅＷＥＬＬへのキャリアの遷移に起因する受光感度ピーク波長である。つまり、４μｍの受光感度ピーク波長および１０μｍの受光感度ピーク波長は、異なる遷移に起因する受光感度ピーク波長である。そして、４μｍの受光感度ピーク波長は、３〜５．５μｍの大気の窓の波長範囲に存在し、１０μｍの受光感度ピーク波長は、８〜１４μｍの大気の窓の波長範囲に存在する。つまり、４μｍの受光感度ピーク波長および１０μｍの受光感度ピーク波長は、異なる大気の窓の波長範囲に存在する。また、受光感度スペクトルＳＰ５，ＳＰ６の受光感度ピークの半値幅は、３０ｍｅＶである。
【０１０５】
図１３に示す結果によって、異なる受光感度ピークが得られるので、上述した２色法による対象物の温度算出が可能となる。また、実施の形態１に比べて、２つの受光感度スペクトルＳＰ５，ＳＰ６が重ならないので、２つの波長による赤外線の検出を分離でき、４μｍの短波長領域を利用するため、高Ｓ／Ｎを得ることができる。従って、高Ｓ／Ｎと波長分離とを両立した２色法による対象物の温度算出を行う赤外線検出装置を提供できる。更に、実施の形態１に比べて２つの波長差を大きく設計できるので、対象物の算出温度の精度に対して、上述した各波長における対象物の放射率の差の許容範囲が、実施の形態１に比べて広くなる。更に、実施の形態２による赤外線検出装置１０Ａは、異なる遷移を利用した２色法による対象物の温度算出を行う赤外線検出装置であるため、片側バイアスのみ（例えば、正側のバイアスのみ、または負側のバイアスのみ）で２色法による対象物の温度算出を行う赤外線検出装置を実現できる。更に、２つのピークとも、大気の窓の領域に存在するため、遠く離れた物体の撮影等、幅広い応用に赤外線検出装置１０Ａを利用できる。
【０１０６】
図１４は、実施の形態２における透過率と波長との別の関係を示す図である。図１４において、縦軸は、透過率を表し、横軸は、波長を表す。また、受光感度スペクトルＳＰ７は、１Ｖの電圧を光電変換層１４Ａに印加したときの受光感度スペクトルを示し、受光感度スペクトルＳＰ８は、５Ｖの電圧を光電変換層１４Ａに印加したときの受光感度スペクトルを示す。そして、図１４に示す受光感度スペクトルＳＰ７，ＳＰ８は、量子ドット１４２のサイズのばらつきを増大させたときの受光感度スペクトル、またはキャリアの遷移先準位の制御を行ったときの受光感度スペクトルである。
【０１０７】
図１４を参照して、１Ｖの電圧を光電変換層１４Ａに印加すると、検出器１Ａは、受光感度スペクトルＳＰ７と、対象物の放射（放射率を含む）と、透過率とに応じて、光電流Ｉ７を得る。また、５Ｖの電圧を光電変換層１４Ａに印加すると、検出器１Ａは、受光感度スペクトルＳＰ８と、対象物の放射（放射率を含む）と、透過率とに応じて、光電流Ｉ８を得る。
【０１０８】
受光感度スペクトルＳＰ７，ＳＰ８は、受光感度ピークの半値幅が４５ｍｅＶであり、それぞれ、受光感度スペクトルＳＰ５，ＳＰ６と同じ受光感度ピーク波長を有する。その結果、受光感度スペクトルＳＰ７，ＳＰ８は、受光感度スペクトルＳＰ５，ＳＰ６よりも広い吸収帯域を有する。
【０１０９】
このように、量子ドット１４２のサイズのばらつきを増大させることによって、またはキャリアの遷移先準位を制御することによって、赤外線の吸収帯域を拡大でき、信号強度を高くできる。
【０１１０】
検出器１Ａは、異なる遷移を利用するため、２つの波長による赤外線の検出の分離を実現したまま、吸収帯域を拡大することができる。また、検出器１Ａは、異なる大気の窓の領域を利用するため、十分に吸収領域を拡大することができる。従って、２色法における信号強度を高めること（高Ｓ／Ｎおよび吸収帯域拡大）と、２波長による赤外線の検出の分離とを両立できる２色法による赤外線検出装置１０Ａを実現できる。更に、量子ドット１４２のサイズのばらつきが大きくてもよいので、検出器１Ａ（ＱＤＩＰ）を容易に作製できる。
【０１１１】
図１５は、対象物の温度を算出する動作を説明するための実施の形態２におけるフローチャートである。図１５に示すフローチャートは、図９に示すフローチャートのステップＳ１，Ｓ２をそれぞれステップＳ１Ａ，Ｓ２Ａに変えたものであり、その他は、図９に示すフローチャートと同じである。
【０１１２】
図１５を参照して、対象物の温度を算出する動作が開始されると、第１の遷移に起因する受光感度ピーク波長λ１を第１の大気の窓の領域に設定するための電圧Ｖ３を光電変換層１４Ａに印加して光電流Ｉ５を検出する（ステップＳ１Ａ）。
【０１１３】
そして、第１の遷移と異なる第２の遷移に起因する受光感度ピーク波長λ３を第１の大気の窓の領域と異なる第２の大気の窓の領域に設定するための電圧Ｖ４を光電変換層１４Ａに印加して光電流Ｉ６を検出する（ステップＳ２Ａ）。
【０１１４】
その後、上述したステップＳ３を実行して対象物の温度Ｔを算出する。
【０１１５】
図１６は、実施の形態２による別の検出器の概略図である。実施の形態２においては、赤外線検出装置１０Ａは、検出器１Ａに代えて図１６に示す検出器１Ｂを備えていてもよい。
【０１１６】
図１６を参照して、検出器１Ｂは、図１１に示す検出器１Ａの光電変換層１４Ａを光電変換層１４Ｂに変えたものであり、その他は、検出器１Ａと同じである。
【０１１７】
光電変換層１４Ｂは、図１１に示す光電変換層１４Ａに量子井戸層１４５を追加したものであり、その他は、光電変換層１４Ａと同じである。
【０１１８】
量子井戸層１４５は、量子井戸層１４３および障壁層１４４に接して量子井戸層１４３と障壁層１４４との間に配置される。量子井戸層１４５は、例えば、ＧａＡｓからなり、膜厚は、例えば、１ｎｍ以下である。
【０１１９】
なお、障壁層１４４（１４４ａ）／量子井戸層１４５／量子井戸層１４３／量子ドット１４２／量子井戸層１４３／量子井戸層１４５／障壁層１４４（１４４ｂ）は、量子ドット積層構造ＱＤ３を構成する。
【０１２０】
赤外線の受光感度ピークを２つとする場合、量子井戸層１４５の準位が障壁層１４４の準位付近になる必要があるため、量子井戸層１４５の膜厚は、１ｎｍ以下に設定された。
【０１２１】
そして、量子井戸層１４５を設けることによって、高品質な量子ドット１４２および量子井戸層１４３を結晶成長させることができる。
【０１２２】
検出器１Ｂは、図３から図５に示す工程（ａ）〜工程（ｊ）において、工程（ｄ）と工程（ｅ）との間、および工程（ｆ）と工程（ｇ）との間に量子井戸層１４５を形成する工程を追加し、工程（ｈ）において、障壁層１４１を形成する工程と量子井戸層１４３を形成する工程との間に量子井戸層１４５を形成する工程を追加した工程に従って製造される。
【０１２３】
検出器１Ｂを用いた場合にも、対象物の温度を算出する動作は、図１５に示すフローチャートに従って実行される。
【０１２４】
実施の形態２におけるその他の説明は、実施の形態１における説明と同じである。
【０１２５】
［実施の形態３］
図１７は、実施の形態３による赤外線検出装置の概略図である。図１７を参照して、実施の形態３による赤外線検出装置１０Ｂは、図１０に示す赤外線検出装置１０Ａの検出器１Ａを検出器１Ｃに変えたものであり、その他は、赤外線検出装置１０Ａと同じである。
【０１２６】
図１８は、図１７に示す検出器１Ｃの概略図である。図１８を参照して、検出器１Ｃは、図１１に示す検出器１Ａに片側障壁層１４６を追加したものであり、その他は、検出器１Ａと同じである。
【０１２７】
片側障壁層１４６は、光電変換層１４Ａおよびコンタクト層１５に接して光電変換層１４Ａとコンタクト層１５との間に配置される。片側障壁層１４６は、例えば、ＡｌＧａＡｓからなる。そして、ＡｌＧａＡｓの組成は、例えば、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓである。即ち、片側障壁層１４６は、障壁層１４４よりもバンドギャップが大きい半導体材料からなる。また、片側障壁層１４６の膜厚は、例えば、４０ｎｍである。
【０１２８】
なお、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＩｎＰおよびＩｎＡｌＧａＡｓ等の他の半導体を適宜組み合わせて量子ドット積層構造ＱＤ２および検出器１Ｃを構成してもよい。例えば、ＩｎＡｓからなる量子ドット１４２の周囲をＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層１４３で覆い、各ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓをＩｎＧａＰによって隔てて光電変換層１４Ｃを構成してもよい。この場合、ＩｎＧａＰにおける組成は、例えば、Ｉｎ０．４８Ｇａ０．５２Ｐである。
【０１２９】
検出器１Ｃは、図３から図５に示す工程（ａ）〜工程（ｊ）において、工程（ｈ）と工程（ｉ）との間に片側障壁層１４６を形成する工程を追加した工程に従って製造される。
【０１３０】
図１９は、図１８に示す検出器１Ｃの光電変換層１４Ａ、片側障壁層１４６およびコンタクト層１５のエネルギーバンド図である。なお、図１９は、片側バイアスを印加したときの光電変換層１４Ａ、片側障壁層１４６およびコンタクト層１５のエネルギーバンド図を示す。
【０１３１】
図１９を参照して、片側障壁層１４６の伝導帯下端は、コンタクト層１５の伝導帯下端および光電変換層１４Ａの障壁層１４４の伝導帯下端よりも高エネルギー側に位置する。その結果、コンタクト層１５からの暗電流を抑制することができる。従って、Ｓ／Ｎが改善され、高感度を実現できる。
【０１３２】
また、高温になると、熱励起されたキャリアの増加によって暗電流が多くなるが、検出器１Ｃにおいては、片側障壁層１４６によって暗電流を低減できるので、高温においても、光電流と暗電流との差を大きくでき、高温動作を実現できる。
【０１３３】
検出器１Ｃにおいては、片側障壁層１４６は、コンタクト層１３と光電変換層１４Ａとの間に配置されていてもよく、一般的には、光電変換層１４Ａとコンタクト層１５との間、およびコンタクト層１３と光電変換層１４Ａとの間のいずれかに配置されていればよい。
【０１３４】
なお、赤外線検出装置１０Ｂは、検出器１Ｃに代えて、図１６に示す検出器１Ｂに片側障壁層１４６を追加した検出器を備えていてもよい。この場合、片側障壁層１４６は、光電変換層１４Ｂとコンタクト層１５との間、およびコンタクト層１３と光電変換層１４Ｂとの間のいずれかに配置される。
【０１３５】
実施の形態３において、対象物の温度を算出する動作は、図１５に示すフローチャートに従って実行される。
【０１３６】
実施の形態３による赤外線検出装置１０Ｂにおいては、実施の形態２における効果と同じ効果を得ることができ、更に、高感度および高温動作の２色法によるＱＤＩＰを得ることができる。
【０１３７】
なお、実施の形態３における検出器１Ｃは、片側障壁層１４６の効果が発揮される片側バイアス時のみ（正側バイアス時のみ、または負側バイアス時のみ）、効果を発揮する。
【０１３８】
実施の形態３におけるその他の説明は、実施の形態１，２における説明と同じである。
【０１３９】
上述した実施の形態１から実施の形態３によれば、この発明の実施の形態による赤外線検出装置は、
量子ドットと、量子ドットの周囲を覆う第１の量子井戸層と、量子ドットおよび第１の量子井戸層を両側から挟む第１の障壁層とを含む量子ドット積層構造によって構成される光電変換層を有する検出器と、
光電変換層において赤外線を検出するときの受光感度ピーク波長を第１の受光感度ピーク波長に設定するための第１の電圧と、受光感度ピーク波長を第１の受光感度ピーク波長と異なる第２の受光感度ピーク波長に設定するための第２の電圧とを光電変換層に印加する操作部と、
第１の電圧が光電変換層に印加されたとき検出器から出力される第１の光電流を検出し、第２の電圧が光電変換層に印加されたとき検出器から出力される第２の光電流を検出する検出部と、
検出部によって検出された第１および第２の光電流に基づいて対象物の温度を算出する算出部とを備えていればよい。
【０１４０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
この発明は、赤外線検出装置、赤外線検出方法、コンピュータに実行させるためのプログラムおよびプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体に適用される。
【符号の説明】
【０１４２】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ  検出器、２  検出部、３  操作部、４  制御部、５  算出部、１０，１０Ａ，１０Ｂ  赤外線検出装置、１１  基板、１２  バッファ層、１４，１４Ａ，１４Ｂ  光電変換層、１３，１５  コンタクト層、１６，１７  電極、１４１，１４４  障壁層、１４２  量子ドット、１４３，１４５  量子井戸層、１４６  片側障壁層。
【図１】
2020197450.tif 000003
【図２】
2020197450.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020197450.tif 000009
【図８】
2020197450.tif 000010
【図９】
2020197450.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2020197450.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年5月29日(2020.5.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドットと、前記量子ドットの周囲を覆う第１の量子井戸層と、前記量子ドットおよび前記第１の量子井戸層を両側から挟む第１の障壁層とを含む量子ドット積層構造によって構成される光電変換層を有する検出器と、
前記光電変換層において赤外線を検出するときの受光感度ピーク波長を第１の受光感度ピーク波長に設定するための第１の電圧と前記受光感度ピーク波長を前記第１の受光感度ピーク波長と異なる第２の受光感度ピーク波長に設定するための第２の電圧とを前記光電変換層に印加する操作部と、
前記第１の電圧が前記光電変換層に印加されたとき前記検出器から出力される第１の光電流を検出し、前記第２の電圧が前記光電変換層に印加されたとき前記検出器から出力される第２の光電流を検出する検出部と、
前記検出部によって検出された前記第１および第２の光電流に基づいて対象物の温度を算出する算出部とを備える赤外線検出装置。
【請求項２】
前記光電変換層は、複数の前記量子ドット積層構造を含む、請求項１に記載の赤外線検出装置。
【請求項３】
前記算出部は、２色法によって前記第１および第２の光電流に基づいて対象物の温度を算出する、請求項１または請求項２に記載の赤外線検出装置。
【請求項４】
前記量子ドットは、ＩｎＡｓからなり、
前記第１の量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓからなり、
前記第１の障壁層は、ＡｌＧａＡｓからなる、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【請求項５】
前記検出器は、
コンタクト層と、
前記光電変換層と前記コンタクト層との間に配置され、前記第１の障壁層よりもバンドギャップが大きい第２の障壁層とを更に備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【請求項６】
前記量子ドットは、ＩｎＡｓからなり、
前記第１の量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓからなり、
前記第１の障壁層は、第１のバンドギャップを有するＡｌＧａＡｓからなり、
前記第２の障壁層は、前記第１のバンドギャップよりも大きい第２のバンドギャッを有するＡｌＧａＡｓからなる、請求項５に記載の赤外線検出装置。
【請求項７】
前記光電変換層は、前記第１の量子井戸層と前記第１の障壁層との間に第２の量子井戸層を更に含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【請求項８】
前記量子ドットは、ＩｎＡｓからなり、
前記第１の量子井戸層は、ＩｎＧａＡｓからなり、
前記第２の量子井戸層は、ＧａＡｓからなり、
前記第１の障壁層は、ＡｌＧａＡｓからなる、請求項７に記載の赤外線検出装置。
【請求項９】
前記検出器は、前記第１の受光感度ピーク波長における放射率と、前記第２の受光感度ピーク波長における放射率とが等しい前記対象物から放射された赤外線を検出する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【請求項１０】
前記第１および第２の受光感度ピーク波長は、前記光電変換層におけるキャリアの同じ遷移に起因する、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【請求項１１】
前記第１および第２の受光感度ピーク波長は、同じ大気の窓の波長範囲内に設定される、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【請求項１２】
前記第１および第２の受光感度ピーク波長以外の受光感度ピーク波長は、前記同じ大気の窓の波長範囲以外の波長範囲に設定される、請求項１１に記載の赤外線検出装置。
【請求項１３】
前記第１の受光感度ピーク波長は、前記光電変換層におけるキャリアの第１の遷移に起因し、
前記第２の受光感度ピーク波長は、前記第１の遷移と異なり、かつ、前記光電変換層におけるキャリアの第２の遷移に起因する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【請求項１４】
前記第１の電圧が前記光電変換層に印加されたとき、前記第１の受光感度ピーク波長における受光感度である第１の受光感度を前記第２の受光感度ピーク波長における受光感度である第２の受光感度で除算した第１の受光感度／第２の受光感度は、２以上であり、
前記第２の電圧が前記光電変換層に印加されたとき、前記第２の受光感度ピーク波長における受光感度である第３の受光感度を前記第１の受光感度ピーク波長における受光感度である第４の受光感度で除算した第３の受光感度／第４の受光感度は、２以上である、請求項１３に記載の赤外線検出装置。
【請求項１５】
前記第１の受光感度ピーク波長は、第１の波長範囲を有する第１の大気の窓の領域内に設定され、
前記第２の受光感度ピーク波長は、前記第１の波長範囲よりも長い第２の波長範囲を有する第２の大気の窓の領域内に設定される、請求項１３に記載の赤外線検出装置。
【請求項１６】
前記第１および第２の電圧は、正側の電圧または負側の電圧である、請求項１３から請求項１５のいずれか１項に記載の赤外線検出装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
そして、非特許文献１は、量子ドット構造にバイアスを印加することによって、異なる受光感度ピーク波長を実現することを開示する。特に、正バイアスおよび負バイアスを利用することで、約８．４μｍのピークと約９μｍのピークとの間で大きなピーク波長シフトを実現している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
【非特許文献１】J. C. Campbell, and A. Madhukar, “Quantum-Dot Infrared Photodetectors,” Proceedings of the IEEE 95, 1815 (2007).
【非特許文献２】A. V. Barve, S. J. Lee, S. K. Noh, and S. Krishna, “Review of current progress in quantum dot infrared photodetectors”, Laser & Photonics Reviews_4,_738 (2010).
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
【図１】この発明の実施の形態１による赤外線検出装置の概略図である。
【図２】図１に示す検出器の概略図である。
【図３】図２に示す検出器の製造方法を示す第１の工程図である。
【図４】図２に示す検出器の製造方法を示す第２の工程図である。
【図５】図２に示す検出器の製造方法を示す第３の工程図である。
【図６】図２に示す検出器の量子ドット積層構造のエネルギーバンド図である。
【図７】実施の形態１における透過率と波長との関係を示す図である。
【図８】実施の形態１における透過率と波長との別の関係を示す図である。
【図９】対象物の温度を算出する動作を説明するための実施の形態１におけるフローチャートである。
【図１０】実施の形態２による赤外線検出装置の概略図である。
【図１１】図１０に示す検出器の概略図である。
【図１２】図１１に示す検出器の量子ドット積層構造のエネルギーバンド図である。
【図１３】実施の形態２における透過率と波長との関係を示す図である。
【図１４】実施の形態２における透過率と波長との別の関係を示す図である。
【図１５】対象物の温度を算出する動作を説明するための実施の形態２におけるフローチャートである。
【図１６】実施の形態２による別の検出器の概略図である。
【図１７】実施の形態３による赤外線検出装置の概略図である。
【図１８】図１７に示す検出器の概略図である。
【図１９】図１８に示す検出器の光電変換層、片側障壁層およびコンタクト層のエネルギーバンド図である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
操作部３は、制御部４からの制御に応じて、検出器１の受光感度ピーク波長を２つの受光感度ピーク波長に設定するためそれぞれ電圧Ｖ１，Ｖ２を検出器１に印加する。そして、操作部３は、可変電圧計からなる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
そして、ＭＢＥ法によって、ＧａＡｓからなる障壁層１４１（障壁層１４１ｂ）を量子井戸層１４３上に形成する（図４の工程（ｇ））。