(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１伝導型からなる第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、
前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層上に形成される光増感層と、
前記光増感層上に形成され、第２伝導型からなる第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、
前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層上に形成される偏向部と、を備える光電変換装置であって、
前記ｘの範囲は０＜ｘ＜１であり、前記ｙの範囲は０＜ｙ＜１であり、
前記光増感層は、層厚が２分子層以下のＩｎＮを含み、
前記光増感層におけるキャリアが、前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層および前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層の少なくともいずれかに、バンド内遷移過程によって移動自在である光電変換装置。
【請求項２】
前記偏向部は、表面に凹凸形状を有する請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項３】
前記偏向部は、微粒子によって構成される請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項４】
前記偏向部は、前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、前記光増感層と、前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、を囲むように構成される請求項１に記載の光電変換装置。
【請求項５】
前記光増感層は、前記光増感層の実効バンドギャップエネルギーよりも高エネルギーの光吸収によって生成されたキャリアに対して、前記バンド内遷移過程による前記光電変換を行う請求項１に記載の光電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外光の検出およびスイッチングに好適な光電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、赤外線検出素子は、テルル化水銀カドミニウム（ＨｇＣｄＴｅ）系光伝導材料によって構成されている。しかし、ＨｇＣｄＴｅは、結晶成長などの形成プロセスが非常に困難である。さらに、ＨｇＣｄＴｅは毒性が強いため、環境負荷という観点からも、その使用については問題がある。【０００３】
一方で、半導体量子井戸構造で構成される赤外線検出素子が知られている。例えば、特許文献１に記載の赤外線検出器では、光吸収は、量子井戸中のバンド内遷移過程、すなわち、サブバンド間遷移を利用している。【０００４】
次に、半導体量子井戸構造を備える赤外線検出素子の構成について、図１０および図１１を参照して説明する。図１０は一例として、バンド内遷移過程を利用する光電変換装置１００の構成を示すブロック図であり、障壁層１０２と、前記障壁層１０２上に形成される量子井戸層１０３と、前記量子井戸層１０３上に形成される障壁層１０４と、を備える構成からなり、これらが周知の半導体製造技術などによって、赤外線検出装置の基本構造として形成されている。この基本構造を、複数積層されなる多重量井戸構造によって、赤外線検出器を構成することもある。赤外線の入射面は、第２の障壁層１０４上面であり、言い換えれば、赤外線は、図１０のｚ方向から光電変換装置１００へ向けて入射される。【０００５】
図１１は、障壁層１０２，１０４と量子井戸層１０３の、バンドラインナップを示した概念図である。図１１において、図１０と同様に、量子井戸層１０３が、障壁層１０２，１０４によって挟まれており、ＣＢＭは、伝導帯底部を示し、図中下から上に向かってエネルギーが高くなる配置となっている。井戸層１０３における電子の基底準位Ｅｃは、図中点線のエネルギー位置に形成される。
バンド内遷移過程とは、量子井戸層１０３の電子が、基底準位Ｅｃから励起準位へ遷移するサブバンド間遷移を含む。この励起準位が、障壁層１０３，１０４の伝導帯底部ＣＢＭよりも高いエネルギーであれば、フォノン散乱、外部より印加された電界、または内在する電界のいずれかによって、電子を障壁層１０３，１０４へと取り出せる。このような過程によって光電変換を行い、赤外線の検出が可能になる。【０００６】
バンド内遷移過程には、次に述べる偏光選択則を満足することが要求される。図１０に示すように、量子井戸層１０３の閉じ込め構造がｚ方向である場合、ｚ方向の偏光成分に対してのみ、バンド内遷移過程が許容される。これが、偏光選択則である。
赤外線が、ｚ方向に沿って伝搬するとき、赤外線の偏光はｘｙ面内を向いている。すなわち、検出される赤外線が、光電変換装置１００に対して垂直に入射する場合、量子井戸層１０３に対しても、入射赤外線の偏光はｘｙ方向である。そのため、前記偏光選択則より、上述したバンド内遷移過程は禁制である。このため、バンド内遷移遷移では、光電変換装置１００は、垂直入射する赤外線を検出できない。【０００７】
そこで、バンド内遷移過程を利用するためには、光電変換装置１００に対して、赤外線を斜め上方、すなわち、ｘｚ面内、から入射させる必要がある。この入射配置では、ｓ偏光成分では、量子井戸層１０３に対して、ｚ方向の偏光成分が含まれないが、ｐ偏光成分では、ｚ方向の偏光成分は含まれるため、バンド内遷移過程は許容される。
しかし、このような赤外線の斜め入射は、赤外線の光電変換装置１００への照射量を低下させるため、検出感度を低減させるという問題がある。【０００８】
【特許文献１】特開２００１−４４４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
半導体量子井戸構造で構成される赤外線検出素子において、高い光電変換効率を実現するためには、赤外線の垂直入射と、垂直方向の偏光成分を有するという、一見すると相反する２つの条件を同時に満足することが要求される。【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、バンド内遷移過程を利用する赤外線検出において、高い変換効率を有する光電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１態様である光電変換装置は、第１伝導型からなる第１伝導層と、  前記第１伝導層上に形成される光増感層と、前記光増感層上に形成され、第２伝導型からなる第２伝導層と、前記第２伝導層上に形成される偏向部と、を備える光電変換装置であって、前記光増感層は、バンド内遷移過程による光電変換を行う。【００１２】
本発明の第１態様である光電変換装置では、前記第１伝導層は第１バンドギャップエネルギーを有し、前記第２伝導層は第２バンドギャップエネルギーを有し、前記光増感層は第３バンドギャップエネルギーを有し、前記第３バンドギャップエネルギーは前記第１および前記第２バンドギャップエネルギーよりも小さくてもよい。【００１３】
本発明の第１態様である光電変換装置では、前記偏向部は、表面に凹凸形状を有してもよい。【００１４】
本発明の第１態様である光電変換装置では、前記偏向部は、微粒子によって構成されてもよい。【００１５】
本発明の第１態様である光電変換装置では、前記偏向部は、前記第１伝導層と、前記光増感層と、前記第２伝導層と、を囲むように構成されてもよい。【００１６】
本発明の第１態様である光電変換装置では、前記光増感層は、前記第３バンドギャップエネルギーよりも高エネルギーの光吸収によって生成されたキャリアに対して、前記バンド内遷移過程による前記光電変換を行ってもよい。【００１７】
本発明の第２態様である光電変換装置は、第１伝導型からなる第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層上に形成される光増感層と、前記光増感層上に形成され、第２伝導型からなる第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層上に形成される偏向部と、を備える光電変換装置であって、前記ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ，ｙ≦１であり、前記光増感層は、層厚が２分子層以下のＩｎＮを含み、前記光増感層におけるキャリアが、前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層および前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層の少なくともいずれかに、バンド内遷移過程によって移動自在である。【００１８】
本発明の第２態様である光電変換装置では、前記偏向部は、表面に凹凸形状を有してもよい。【００１９】
本発明の第２態様である光電変換装置では、前記偏向部は、微粒子によって構成されてもよい。【００２０】
本発明の第２態様である光電変換装置では、前記偏向部は、前記第１ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、前記光増感層と、前記第２ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層と、を囲むように構成されてもよい。【００２１】
本発明の第２態様である光電変換装置では、前記光増感層は、前記光増感層の実効バンドギャップエネルギーよりも高エネルギーの光吸収によって生成されたキャリアに対して、前記バンド内遷移過程による前記光電変換を行ってもよい。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、赤外線を光電変換装置に垂直入射させた場合でも、両井戸構造に対して垂直方向の偏光成分によるバンド内遷移過程が許容される。さらに、入射する赤外線の表面反射が低減されるので、高い光電変換効率を有する光電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る光増感層の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に係る光増感層の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る光増感層の構成を示すブロック図である。
【図５】ＧａＮとＩｎＮのバンドラインナップを示した概念図である。
【図６】本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成例を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成例を示すブロック図である。
【図８】本発明の実施形態に係る光電変換装置の構成例を示すブロック図である。
【図９】ＧａＮとＩｎＮのバンドラインナップを示した概念図である。
【図１０】従来例におけるバンド内遷移過程による光電変換装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】従来例における光電変換装置のバンド内遷移過程を示す概念図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。但し、この実施例の記載は、本発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。【００２５】
［第１実施形態］
図１は、本願発明の第１実施形態に係る光電変換装置１０の構成例を示すブロック図である。図１において、光電変換装置１０は、ｎ型窒化ガリウム（以下、ｎ−ＧａＮ）層１２と、ｎ−ＧａＮ層１２上に形成される光増感層１３と、光増感層１３上に形成されるｐ型窒化ガリウム（以下、ｐ−ＧａＮ）層１４と、ｐ−ＧａＮ層１４上に形成される偏向部１５と、によって構成される。【００２６】
光増感層１３は、以下で説明される窒化インジウム（ＩｎＮ）量子井戸構造によって構成され、バンド内遷移過程による光電変換のために用いられる。ｎ−ＧａＮ層１２は、バンド内遷移過程によって励起された電子を輸送するために用いられる。ｐ−ＧａＮ層１４は、バンド内遷移過程によって励起された正孔を輸送するために用いられる。従って、ｎ−ＧａＮ層１２およびｐ−ＧａＮ層１４の抵抗率および層厚はキャリア輸送を効率よく行うために、それぞれが好適に調整される。偏向部１５は、入射する赤外線の伝搬方向を偏向させ、この結果、入射赤外線の偏光を制御する。【００２７】
次に、本願発明の第１の重要なポイントであるＩｎＮの物性について説明する。
一般にＩｎＮは、ＧａＮ上に周知の半導体製造技術などで形成される。例えば、ｃ面成長する場合では、ＩｎＮとＧａＮでは約１１％の格子不整合度を有しているため、結晶成長中に高密度の格子欠陥が導入されてしまう。この格子欠陥は、光電変換効率を著しく劣化させる。ＩｎＮが格子欠陥を導入せずに弾性変形を保持し、ＧａＮに対してコヒーレント成長可能な膜厚の上限、すなわち臨界膜厚、が２分子層（２ＭＬ）であることを発明者らは見出した。【００２８】
さらに、この２分子層以下の超薄膜ＩｎＮでは、ＧａＮとの非混和性によって極めて構造完全性に優れた結晶成長が実現される。この結果、自己秩序的かつ自己停止的な形成プロセスが可能となり、原子層オーダで急峻なＩｎＮ／ＧａＮ界面が形成される。
図２は、本実施形態に係る光増感層１３を示すブロック図である。図２に示されるように、前記超薄膜ＩｎＮによる量子井戸層と、ＧａＮ層による障壁層とで構成される量子井戸構造が、本実施形態に係る光増感層１３に対応する。【００２９】
また、ＩｎＮの成長温度は、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法では約６００℃以下に限られていたが、前記超薄膜ＩｎＮでは、６００℃以上の成長が可能となることも発明者らは見出した。この高温成長によって、超薄膜ＩｎＮの結晶性は飛躍的に向上する。この結果、光増感層１３は、高い光電変換効率（内部量子効率）を示す。このように、通常のバルクＩｎＮとは異なり、超薄膜ＩｎＮは特有の物性を示す。【００３０】
さらに、超薄膜ＩｎＮの成長温度とその層厚について、以下に説明する。
成長温度が６００℃から６５０℃の範囲では、２分子層ＩｎＮが自己秩序的かつ自己停止的に形成される。成長温度を約６５０℃とすると、１分子層ＩｎＮが自己秩序的かつ自己停止的に形成され、さらに温度を上げ、約６５０℃から約７２０℃の範囲では１分子層以下の分数層ＩｎＮが形成される。図３は、分数層ＩｎＮで構成される光増感層１３を示すブロック図である。図３に示されるように、分数層ＩｎＮとは、表面被覆率が１以下であることを意味し、例えば、０．５分子層とは、１分層厚かつ表面被覆率が５０％であるアイランド構造、すなわち、量子ディスク構造であることに対応する。【００３１】
超薄膜ＩｎＮの成長は、下地ＧａＮの表面モフォロジーに影響を受ける。ＧａＮの成長表面は、実際には原子層ステップの集合体によるうねり構造を示す。図４は、ＧａＮの表面うねり構造上に形成された超薄膜ＩｎＮによって構成される光増感層１３を示すブロック図である。図４に示されるように、ＧａＮの表面うねり構造上に超薄膜ＩｎＮを形成すると、この表面うねり構造を反映して、超薄膜ＩｎＮも同様の表面うねり構造を示す。この場合も、超薄膜ＩｎＮは、各原子層ステップのテラスごとに、高い構造完全性を有し、かつ自己秩序的かつ自己停止的な形成プロセスによって形成される。【００３２】
さらに、光増感層１３は、単層のみならず多層の超薄膜ＩｎＮによる多重量子井戸構造となる構成でもよい。この構成によれば、ＩｎＮ超薄膜による量子井戸の層数が増加するに従って、吸収する光量は増加するので、光電変換効率をより増強することができる。【００３３】
図５は、ＧａＮとＩｎＮのバンドラインナップを示した概念図である。図５では、図２と同様に、超薄膜ＩｎＮによる量子井戸層が、ＧａＮ障壁層によって挟まれており、ＣＢＭとＶＢＭは、伝導帯底部と価電子帯頂部をそれぞれ示し、図中左から右に向かってエネルギーが高くなる配置となっている。
ＩｎＮとＧａＮのバンドギャップエネルギーはそれぞれ約０．６５ｅＶと３．４ｅＶであり、伝導帯バンドオフセットが約２ｅＶ、価電子帯バンドオフセットが約０．７５ｅＶである。これら大きなポテンシャル障壁は、ＩｎＮ層内のキャリアをほぼ完全に閉じ込めるため、このままでは室温での熱励起過程とあわせても、赤外線吸収によるバンド内遷移過程によってＩｎＮ層からキャリアをＧａＮ層へ、電流として取り出すことができない。すなわち、赤外線を検出することはできない。【００３４】
一方、ＩｎＮ層の層厚をナノメートルオーダまで薄くしていくと、電子および正孔の量子準位Ｅｃ、Ｅｖが、図中点線のエネルギー位置に形成される。この量子サイズ効果により、超薄膜ＩｎＮの実効バンドギャップエネルギー（ＥｃとＥｖとの差）は０．６５ｅＶからシフトする。例えば、２分子層ＩｎＮでは、前記実効バンドギャップエネルギーは、常にＧａＮのバンドギャップエネルギーより５００ｍｅＶ低くなり、１分子層ＩｎＮでは前記実効バンドギャップエネルギーは、常にＧａＮのバンドギャップエネルギーより２００ｍｅＶ低くなることを発明者らは見出した。【００３５】
超薄膜ＩｎＮが自己秩序的かつ自己停止的に得られるため、前記実効バンドギャップエネルギーとＧａＮのバンドギャップエネルギー差も、それぞれ２分子層では約５００ｍｅＶ、１分子層では約２００ｍｅＶと自動的に制御される。このように、超薄膜ＩｎＮの構造完全性によって、前記実効バンドギャップエネルギーは、容易かつ精密に決定される。これらの値は、上述した通常のＩｎＮとＧａＮの場合と比べて大幅に低減されている。つまり、光増感層１３を２分子層以下の構成とすることで、赤外線吸収によるバンド内遷移過程でも、十分に光増感層１３からｎ−ＧａＮ層１２およびｐ−ＧａＮ層１４へ、キャリアが移動自在となり、電流として取り出せる。すなわち、赤外線を検出することが可能となる。【００３６】
本願発明の第２の重要なポイントである偏向部１５の作用および効果について説明する。
光増感層１３において、バンド内遷移過程を許容にするためには、入射する赤外光の偏光が、光増感層１３の積層方向の成分を含んでいることが要求される。言い換えれば、図２におけるＩｎＮ量子井戸面に対して、垂直な偏光成分を含んでいることが要求される。すなわち、光電変換装置１０に垂直上方から入射する赤外線に対して、この偏光選択則を満足させるために、偏向部１５は、入射する赤外線の伝搬方向を偏向させ、入射赤外線がｐ偏光成分を有するよう好適に制御する。これによって、図１０で示される斜め入射の配置と同様に、光増感層１３に対するｐ偏光成分が発現することになるので、前記偏光選択則が満足されることを発明者らは見出した。【００３７】
入射赤外線の伝搬方向を偏向させるために、偏向部１５は、不均質な屈折率分布によって構成となる。例えば、この不均質な屈折率とは、平坦な膜構造の場合、屈折率が内部で変化していることに対応する一方、屈折率が均一な媒質の場合、平坦でない膜構造に対応する。【００３８】
以下では、本願発明に係る光電変換装置を構成する偏向部の構成について、図６〜図８を参照して説明する。ただし、これ以外については、図１に示される構成と同様であるので、その説明は割愛する。【００３９】
［実施例１］
図６は、本願発明の第１の実施例である光電変換装置２０の構成を示すブロック図である。図６において、光電変換装置２０は、ｎ型窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）層２２と、ｎ−ＧａＮ層２２上に形成される光増感層２３と、光増感層２３上に形成されるｐ型窒化ガリウム（ｐ−ＧａＮ）層２４と、ｐ−ＧａＮ層２４上に形成される偏向部２５と、によって構成される。偏向部２５は、赤外線の入射面に凹凸構造を有する構成となっている。【００４０】
赤外線が偏向部２５に垂直入射する場合、偏向部２５の入射面に存在する凹凸構造は、反射や屈折によって、赤外線の伝搬方向を偏向させる。このため、この凹凸の段差や間隔などの寸法は、入射される赤外線の波長と同程度、もしくはそれよりも大きくなる。この結果、実効的な入射方向は、垂直方向から外れ、斜め入射と同様と見なせる。言い換えれば、光増感層２３に対するｐ偏光成分が発現することになるので、バンド内遷移過程を許容するための偏光選択則が満足される。この結果、赤外線を検出することが可能となる。
さらに、赤外線が偏向部２５に斜め入射する場合、偏向部２５の入射面に存在する凹凸構造によって、平坦な場合と比べて、表面反射率が抑制されているので、実効的な光取り込み効率が向上する。【００４１】
偏向部２５の凹凸構造は、周知の半導体製造技術などで形成される窒化物半導体のエッチング加工、または選択成長によるファセットによって形成される。またこれ以外にも、周知の製膜技術などで形成される材料のエッチング加工によって形成される。この誘電体とは、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、または二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などによって構成される。【００４２】
［実施例２］
図７は、本願発明の第２の実施例である光電変換装置３０の構成を示すブロック図である。図７において、光電変換装置３０は、ｎ型窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）層３２と、ｎ−ＧａＮ層３２上に形成される光増感層３３と、光増感層３３上に形成されるｐ型窒化ガリウム（ｐ−ＧａＮ）層３４と、ｐ−ＧａＮ層３４上に形成される偏向部３５と、によって構成される。偏向部３５は、微粒子状の構造によって構成される。【００４３】
赤外線が偏向部３５に垂直入射する場合、偏向部３５を構成する微粒子構造は、反射や屈折によって、赤外線の伝搬方向を偏向させる。このため、この微粒子の粒径は、入射される赤外線の波長と同程度、もしくはそれよりも大きくなる。この結果、実効的な入射方向は、垂直方向から外れ、斜め入射と同様と見なせる。言い換えれば、光増感層３３に対するｐ偏光成分が発現することになるので、バンド内遷移過程を許容するための偏光選択則が満足される。この結果、赤外線を検出することが可能となる。
さらに、赤外線が偏向部３５に斜め入射する場合、偏向部３５の入射面に存在する表面構造によって、平坦な場合と比べて、表面反射率が抑制されているので、実効的な光取り込み効率が向上する。【００４４】
偏向部３５の微粒子構造は、周知の半導体製造技術などで形成される窒化物半導体のエッチング加工、または選択成長によって形成される。またこれ以外にも、周知の製造技術などで形成される微小球をｐ−ＧａＮ層３４上へのコーティング加工によって形成される。この微小球は、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、または二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などによって構成される。【００４５】
［実施例３］
図８は、本願発明の第３の実施例である光電変換装置４０の構成を示すブロック図である。図８において、光電変換装置４０は、ｎ型窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）層４２と、ｎ−ＧａＮ層４２上に形成される光増感層４３と、光増感層４３上に形成されるｐ型窒化ガリウム（ｐ−ＧａＮ）層４４と、ｎ−ＧａＮ層４２とＩｎＮ光増感層４３とｐ−ＧａＮ層４４とを囲むように形成される偏向部４５と、によって構成される。偏向部４５は、例えば、表面に凹凸構造を有する、もしく微粒子状の構造によって構成されてもよい。【００４６】
赤外線が偏向部４５に入射する場合、偏向部４５は屈折によって、あらゆる方位から入射される赤外線の伝搬方向を偏向させる。この結果、光増感層４３に対するｐ偏光成分が発現することになるので、バンド内遷移過程を許容するための偏光選択則が満足される。この結果、赤外線を検出することが可能となる。
さらに、偏向部４５には、あらゆる方位からの赤外線が入射可能であるので、実効的な受光面積が増大し、光取り込み効率が向上する。【００４７】
偏向部４５は、周知の半導体製造技術などで形成される窒化物半導体の製膜工程、またはエッチング加工によって形成される。またこれ以外にも、周知の製造技術などで形成される材料によって形成される。この誘電体とは、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、二酸化珪素（ＳｉＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、または二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などによって構成される。【００４８】
［第２実施形態］
第１実施形態では、本願発明に係る光電変換装置として、バンド内遷移過程を利用した赤外線検出について述べた。本実施形態では、バンド内遷移過程を外部光によって制御する、赤外線のスイッチング、すなわち、光−光変調、について述べる。
以下の説明では、本願発明に係る光電変換装置の構成は、第１実施形態と同様であるので、赤外線の光−光変調の動作原理について図１および図９を参照して述べる。【００４９】
図９は、ＧａＮとＩｎＮのバンドラインナップを示した概念図である。図９では、図２と同様に、超薄膜ＩｎＮによる量子井戸層が、ＧａＮ障壁層によって挟まれており、ＣＢＭとＶＢＭは、伝導帯底部と価電子帯頂部をそれぞれ示し、図中左から右に向かってエネルギーが高くなる配置となっている。量子井戸における電子および正孔の量子準位Ｅｃ、Ｅｖが、図中点線のエネルギー位置に形成され、超薄膜ＩｎＮの実効バンドギャップエネルギーは、ＥｃとＥｖとの差に対応する。【００５０】
前述した様に、超薄膜ＩｎＮの実効バンドギャップエネルギーは、通常のＩｎＮのバンドギャップエネルギーである約０．６５ｅＶとは大きく異なり、２分子層ＩｎＮでは、前記実効バンドギャップエネルギーは、常にＧａＮのバンドギャップエネルギーより５００ｍｅＶ低くなり、１分子層ＩｎＮでは前記実効バンドギャップエネルギーは、常にＧａＮのバンドギャップエネルギーより２００ｍｅＶ低くなる。そのため、前記実効バンドギャップエネルギーは、２．９ｅＶ以上に対応する。【００５１】
このため、光電変換装置１０に、２．９ｅＶ以上のエネルギーの光が入射すると、光増感層１３におけるＩｎＮ量子井戸層には、光励起キャリアが生成される。さらに、前述したように、赤外線が偏向部１５を介して光電変換装置１０に入射すると、ＩｎＮ量子井戸層に存在する前記光励起キャリアは、バンド内遷移過程を引き起こす。すなわち、光電変換装置１０に、２．９ｅＶより大きなエネルギーの光が入射したときのみ、赤外線の吸収が起こることになる。言い換えると、光電変換装置１０は、２．９ｅＶ以上のエネルギーの外部光によって、赤外光のスイッチング、すなわち、光−光変調を行うことが可能となる。【００５２】
なお、上述した実施形態では、ｐｎ接合および量子井戸の障壁層がＧａＮによって構成される例について述べたが、これだけに限定されず、例えば、窒化インジウムガリウムアルミニウム（以下、ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ、ｘおよびｙの範囲は０≦ｘ，ｙ≦１）による構成も可能である。【００５３】
また、本願発明は、上記実施形態によって限定されるものではなく、発明の意図から逸脱しない範囲での、変形、置換、省略がなされてもよいものとする。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明に係る光電変換装置は、中赤外光に対応する検出器および変調器、もしくは太陽電池における光増感機能に好適な光電変換装置に利用が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１０，２０，３０，４０，１００…光電変換装置  １２，２２，３２，４２…ｎ型ＧａＮ層  １３，２３，３３，４３…光増感層  １４，２４，３４，４４…ｐ型ＧａＮ層  １５，２５，３５，４５…偏向部  １０２，１０４…障壁層  １０３…量子井戸層 
【図１】
0005424503.tif 000002
【図２】
0005424503.tif 000003
【図３】
0005424503.tif 000004
【図４】
0005424503.tif 000005
【図５】
0005424503.tif 000006
【図６】
0005424503.tif 000007
【図７】
0005424503.tif 000008
【図８】
0005424503.tif 000009
【図９】
0005424503.tif 000010
【図１０】
0005424503.tif 000011
【図１１】
0005424503.tif 000012