(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線エネルギーを感知する量子井戸半導体装置であって；
前記放射線エネルギーを受けるための実質的に透明な半導体材料製の基板；
それぞれがカラム形状で配置されるとともに、前記基板上にそれぞれ形成され、電気的に絶縁性のギャップによって互いに空間で分離されて前記放射線のエネルギーを回折する光格子を形成する複数の量子井戸構造体；および
前記量子井戸構造体の上にそれぞれ形成され、前記光格子の回折効率を高める複数の分離した金属製要素と；
を備えてなり；
各量子井戸構造体が、前記基板上に形成された第一導電性密着層、前記第一導電性密着層の上に平行に形成されかつ前記量子井戸層に垂直に偏光された放射線を吸収する作動を行う複数の交互量子井戸層を有する量子井戸スタック、および前記量子井戸スタックの上に形成された第二導電性密着層を備え；
二つの隣接する量子井戸構造体間の前記ギャップが、一つの量子井戸構造体の層のそれぞれを他の量子井戸構造体の層のそれぞれから空間で分離し且つ電気的に絶縁するように構成されてなる量子井戸半導体装置。
【請求項２】
各前記金属製要素が前記第二導電性密着層の上に形成された金属製部材を含む請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記複数の量子井戸構造体及び前記ギャップの寸法及び屈折率は、各量子井戸構造体を、共振条件にある光共振器にするように配置構成され、その結果、前記量子井戸層に垂直な偏光を有する受け取られる放射線の大きさが、同共振条件が満たされないときに前記量子井戸層に垂直な偏光を有する受け取られる放射線の大きさよりも大きくなるように構成された請求項１に記載の装置。
【請求項４】
隣接する量子井戸構造体間の前記ギャップの屈折率が、各量子井戸構造体の屈折率より小さい請求項１に記載の装置。
【請求項５】
各量子井戸構造体が、量子井戸層の少なくとも二つの異なるスタックを備え、各スタックが異なるバンド内遷移を行うように配置構成されている請求項１に記載の装置。
【請求項６】
放射線エネルギーを感知する量子井戸半導体装置であって；
実質的に透明な半導体材料製の基板；および
電気的に絶縁性のギャップによって互いに空間で分離されていて、そして前記基板上に形成されて前記放射線エネルギーを回折する周期的なアレイを形成する複数の量子井戸カラム；
を含んでなり；
各量子井戸カラムが、前記基板の上に形成された第一導電性密着層、前記第一導電性密着層の上に平行に形成されかつ少なくとも一つのバンド内遷移によって放射線を吸収する作動を行う複数の交互量子井戸層を有する量子井戸スタック、および前記量子井戸スタックの上に形成された第二導電性密着層を備え、二つの隣接する量子井戸カラム間の前記ギャップは一つの量子井戸カラムの層のそれぞれを他の量子井戸カラムの層のそれぞれから空間で分離し且つ電気的に絶縁するように構成され、；
前記複数の量子井戸カラムおよび前記ギャップの寸法と屈折率が、各量子井戸カラムを、共振条件にある光共振器にするように配置構成され、その結果、前記量子井戸層に垂直な偏光を有する受け取られる放射線の大きさが、共振条件が満たされないときに前記量子井戸層に垂直な偏光を有する受け取られる放射線の大きさより大きい；
量子井戸半導体装置。
【請求項７】
前記複数の量子井戸カラム内の前記第二密着層の各々の上にそれぞれ形成された複数の同一の格子歯を有する格子をさらに備えている請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記第一密着層と第二密着層が各々、ドープされた半導体で形成されている請求項６に記載の装置。
【請求項９】
隣接する量子井戸カラム間の前記ギャップの屈折率が、各量子井戸カラムの屈折率より小さい請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
各量子井戸カラムが、量子井戸層の少なくとも二つの異なるスタックを備え、各スタックが異なるバンド内遷移を行うよう配置構成されている請求項６に記載の装置。
【請求項１１】
バンド内遷移によって放射線を吸収する量子井戸構造を使用することによって放射線を検出する方法であって；
電気的に絶縁性のギャップによって互いに空間で分離され、かつ透明な基板の上に形成されて周期的なアレイを形成する複数の量子井戸カラムであって、二つの対向する導電性密着層の間に形成された複数の交互量子井戸カラムを提供し、；
二つの隣接する量子井戸カラム間に前記ギャップを配置構成し、一つの量子井戸カラムの層のそれぞれを他の量子井戸カラムの層のそれぞれから空間で分離し且つ電気的に絶縁し、；
前記量子井戸カラム及び前記ギャップの寸法を光格子を形成するとともに前記放射線エネルギーを回折するように形成し、
前記光格子の回折効率を高めるために、互いに同一であって分離された複数の格子歯をそれぞれ前記量子井戸カラム上に配置し、；そして、
入射放射線ビームを前記基板を通じて前記各量子井戸層カラム中に向け、前記量子井戸層に垂直な偏光を有する放射線を生成させる；
ことを含んでなる方法。
【請求項１２】
複数の量子井戸カラムおよび電気絶縁性ギャップの寸法と屈折率が、各量子井戸カラムを、共振条件で光共振器にするように選択され、その結果、前記量子井戸層に垂直な偏光を有する受け取られた放射線の大きさが、共振条件が合致しないときの前記量子井戸層に垂直な偏光を有する受け取られた放射線の大きさより大きいことをさらに含んでいる請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記電気絶縁性のギャップが、各量子井戸カラムの屈折率よりも小さい屈折率を有する絶縁材料を含む請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本願は、１９９８年１１月２０日付けで出願された米国仮特許願第６０／１０９，３２９号の利益を主張するものである。
【０００２】
起源
本願に記載の装置と方法はＮＡＳＡとの契約に基づいた研究で得られたものであり、公法９６−５１７（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§２０２）の規定にしたがって、契約者は権利を保持することを選択した。
【０００３】
背景
本明細書は、ノイズを減らした量子井戸放射線センサおよびその製造方法に関する。
【０００４】
赤外量子井戸半導体センサは、交互の活性（active）半導体層とバリヤー半導体層で形成された量子井戸構造体を備えている。このような量子井戸構造体は、各々、多重量子状態（multiple quantum state）を有することができる異なるエネルギーバンドを備えることができる。同じバンド（すなわち伝導帯または価電子帯）内の基底状態と励起状態の間のバンド内遷移（intraband transition）を利用し、選択された共振赤外（「ＩＲ」）波長のまたはその近傍の赤外線（ＩＲ放射線）を吸収することによって赤外線を検出することができる。量子井戸層に垂直な偏光を有する入射放射線しか吸収することができない。というのは、この偏光はバンド内遷移を誘発できるからである。上記放射線を吸収すると、受け取った放射線の量を示す電荷が生成する。次に、この放射線誘発電荷を、電気信号（例えば電圧または電流）に変換して、信号処理系で処理することができる。
【０００５】
ＩＲ量子井戸センサが生成する全電荷は、一般に、二つの主たる貢献によっている。一方の貢献は、量子井戸層が吸収する放射線の量を示す放射線誘発電荷である。もう一つの貢献は、放射線の吸収によって生成されない電荷である。むしろ、このような非放射線誘発電荷は、熱作用、量子トンネル作用、ショットノイズ（shot noise）および他の揺らぎプロセスによって生じる。バイアス電界下での特定の非放射線誘発電荷の動作によって、暗電流と呼称される電流が生成する。この暗電流は、検出すべき放射線の量を反映しないので望ましくない。その上、その暗電流は、検出回路系を飽和することがあるので、前記放射線誘発信号の検出に悪影響を与える。
【０００６】
要約
本発明の装置と方法は、基板の上に形成された一次元または二次元の量子井戸カラム（column）のアレイを使用し、量子井戸層に垂直な偏光を生成して入射放射線を結合し、バンド内吸収を行いかつ暗電流を減らす。
【０００７】
一実施態様の量子井戸半導体装置は、電気的に絶縁しているギャップによって互いに空間で分離されそして基板上に形成されて周期的なアレイ（periodic array）を形成する複数の量子井戸カラムを備えている。各量子井戸カラムは、基板の上に形成された第一導電性密着層、前記第一導電性密着層の上に平行に形成されそして量子井戸層に垂直に偏光された放射線を吸収する作動を行う複数の交互量子井戸層を有する量子井戸スタック、および前記量子井戸スタックの上に形成された第二導電性密着層を備えている。
【０００８】
本発明の装置と方法のこれらのおよび他の特徴と付随する利点を以下に詳細に説明する。
【０００９】
詳細な説明
帯域内量子井戸センサは、基板上のカラム形量子井戸のアレイで形成することができる。これらのカラムは、一次元のアレイまたは二次元のアレイに配置することができる。それらのカラム素子は、断面が、正方形、長方形、円形、楕円形または不規則な形態でもよく、そして各々、類似の形態でもまたは異なる形態でもよい。図１は、基板１０２上に、量子井戸カラム１１０の二次元アレイを有する「スロット付き」センサ（“slotted” sensor）１００の一実施態様を示す。二つの隣接する量子井戸カラム１１０はギャップ１２０によって完全に分離されている。各量子井戸カラム１１０は、基板１０２の上に直接形成されている第一導電性密着層１１２、一つ以上の波長の放射線を吸収する多重交互半導体層（multiple alternating semiconductor layer）（活性層およびバリヤー層）の量子井戸スタック１１４を備えている。前記量子井戸層は、基板１０２の表面に対し平行であり、そして異なる波長でバンド内遷移を行い、各カラム１１０が各色の放射線を検出できるようにする異なる量子井戸構造のスタックを二つ以上備えている。一つ以上のカラム１１０がまとまって、センサアレイの単一の感知画素を形成することができる。
【００１０】
第二導電性密着層１１６が量子井戸スタック１１４の上に直接形成されて、量子井戸スタック１１４が密着層１１２と１１６の間にサンドイッチされている。異なる電位が層１１２と１１６に印加されて、量子井戸スタック１１４を適正にバイアスする。多量にドープされた半導体材料（例えばＧａＡｓ）を密着層１１２と１１４として使用することができる。
【００１１】
隣接するカラム１１０の間のギャップ１２０は、基板１０２上の量子井戸層および他の層を、例えば、エッチングなどによって除くことによって形成される。前記ギャップ１２０は、基板１０２中のわずかなところまでエッチングされ、二つの隣接するカラム１１０間の完全な分離を保証している。ギャップ１２０は電気絶縁性であり、真空であるか、または空気もしくは絶縁材料が充填されている。ギャップ１２０の屈折率は、各量子井戸カラム１１０の屈折率より小さい。したがって、各カラム１１０は、他のカラムから電気的に絶縁された独立のセンサである。
【００１２】
しかし、異なるカラム１１０は、それらの光学的特性が完全に分離されているわけではない。カラム１１０のアレイは周期的構造であるので、集合的に使用して、二次元光格子（two-dimensional optical grating）を構築することができる。この格子を利用して、量子井戸層に垂直な偏光を有し、各量子井戸カラム１１０に入る入射放射線の一部を結合することができる。この格子の結合効率は、各量子井戸カラム１１０の頂部に金属製の格子歯（metallic grating tooth）１１８を形成することによって高めることができることが発見された。この格子歯１１８は例えば金で製造された四角形の層でもよい。
【００１３】
さらに、カラム１１０のこのアレイは、従来の回折格子とは光学的に異なっている。その帯域幅が広くて、その帯域幅内の異なる波長を検出することができる。図２は、スロットなしの格子結合量子井戸センサ（grating-coupled quantum well sensor）およびスロット付き量子井戸センサの吸収帯域幅を比較している。
【００１４】
また、各量子井戸カラム１１０は、その反射面を形成するその側壁で、光共振器（cavity）として機能する。量子井戸カラム１１０の屈折率はギャップ１２０の屈折率より大きく選択されるので、基板１０２からカラム１１０に入る特定の光線は一つ以上の全内面反射（total internal reflection）を受ける。この意味で、各量子井戸カラム１１０は導波路でもある。したがって、実際の相互作用長（interaction length）が増大する。量子井戸層による吸収は対応して増大する。このことによって、装置１００の結合効率がさらに増大する。カラムの幅、ギャップの幅およびギャップの屈折率（gap index）を含む各カラム１１０の特定のパラメータを調節して光共振器の共振状態（共振条件）を達成して、量子井戸層に垂直の電界の大きさを増大ししたがって結合効率が増大する。また測定値は、これらの量子井戸カラム１１０が、ある程度、弱い光結合を示すことを示している。
【００１５】
スロット付き量子井戸センサ１００の他の特徴は、暗電流を減らす特性である。暗電流は、量子井戸センサの量子井戸領域の断面の寸法（すなわちその面積の平方根）にほぼ比例する。隣接する量子井戸カラム１１０間にギャップ１２０が存在すると、量子井戸層の断面積が減少して、暗電流は、ギャップ１２０がないセンサに比較して減少する。
【００１６】
図３は量子井戸カラムの一次元アレイの構造を示す。図４は、図２に示したのと同様にして構築されているがスロットなしの格子結合量子井戸センサに対する量子井戸層に垂直な電界（ＥＺ）を有する結合放射線の大きさの計算値を示す。比較例として、図５と図６はそれぞれ、格子歯ありおよびなしのセンサに対する量子井戸層の計算された電界（ＥＺ）を示す。これらの計算は、ヘルムホルツの差分方程式を解くことによってなされる。その計算結果は、図５に示すスロット付きセンサの結合効率が、量子井戸材料の約３０％を除いた後でさえ、図４に示すスロットなしセンサの結合効率の３倍であることを示唆している。その上に、スロット付きセンサ中の格子歯の存在は、優れた結合効率を達成するのに有意な役割を演じている。
【００１７】
ごく少数の実施態様を開示したが、他の実施態様、変化および変形は本願の特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  低屈折率の絶縁ギャップ（low-index insulating gap）で分離された量子井戸カラムを有する二次元スロット付き量子井戸センサの一実施態様を示す。
【図２】  スロット付き量子井戸センサ、およびスロットなしの従来の格子結合量子井戸センサの計算された吸収スペクトルを示す。その計算は、同レベルの異方性吸収を利用することによる結合波分析（coupled wave analysis）に基づいている：ｎｘ＝３．１、ｎＺ＝３．１−ｊ（αＺλ／４π）、αＺ＝８４ｃｍ−１。
【図３】格子歯を有する量子井戸カラムの一次元アレイの構造を示す。
【図４】図２に示したのと同様に製造されたがスロットがない格子結合量子井戸センサに対する、量子井戸層に垂直な電界（ＥＺ）を有する結合された放射線の大きさの計算値を示す。
【図５】格子歯ありのセンサに対する量子井戸層の電界（ＥＺ）の計算値を示す。
【図６】格子歯なしのセンサに対する量子井戸層の電界（ＥＺ）の計算値を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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