(57)【要約】【課題】より簡便に２波長検知または１波長検知を切り替えることが可能な赤外線検出器を提供する。【解決手段】  半導体基板１と、半導体基板１上に形成される下部コンタクト層３と、下部コンタクト層３上に形成される光吸収層４と、光吸収層４上に形成される上部コンタクト層５と、下部コンタクト層３と上部コンタクト層５との間に電圧を印加する電圧源８と、を備え、光吸収層４は、量子井戸層４２、結合層４３、量子ドット層４４の順に積層された部分を、少なくとも１つ備え、電圧源８が印加する電圧の大きさによって、量子井戸層４２と量子ドット層４４とが結合モードを形成するか否かが決まる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成される第１のコンタクト層と、前記第１のコンタクト層上に形成される光吸収層と、前記光吸収層上に形成される第２のコンタクト層と、前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に電圧を印加する電圧源と、を備える赤外線検出器であって、
前記光吸収層は、量子井戸層、結合層、量子ドット層の順、又は、前記量子ドット層、前記結合層、前記量子井戸層の順に積層された部分を、少なくとも１つ備え、
前記電圧源が前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に印加する電圧の大きさによって、前記量子井戸層と前記量子ドット層とが結合モードを形成するか否かが決まる赤外線検出器。
【請求項２】
前記電圧源が、前記量子井戸層と前記量子ドット層との間で基底準位又は励起準位が一致するように、前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に電圧を印加することにより、前記赤外線検出器は、２つの波長帯域に対して感度を有し、
前記電圧源が、前記量子井戸層と前記量子ドット層との間で前記基底準位及び前記励起準位が一致しないように、前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に電圧を印加することにより、前記赤外線検出器は、１つの波長帯域に対して感度を有する請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項３】
前記光吸収層は、前記量子井戸層、前記結合層、前記量子ドット層の順、又は、前記量子ドット層、前記結合層、前記量子井戸層の順に積層された部分を、１０以上３０以下備える請求項１又は２に記載の赤外線検出器。
【請求項４】
前記結合層の厚さは、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下である請求項１乃至３の何れか一項に記載の赤外線検出器。
【請求項５】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成される第１のコンタクト層と、前記第１のコンタクト層上に形成される光吸収層と、前記光吸収層上に形成される第２のコンタクト層と、前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に電圧を印加する電圧源と、を備える赤外線検出器であって、
前記光吸収層は、第１の量子井戸層、第１の結合層、量子ドット層、第２の結合層、第２の量子井戸層の順に積層された部分を、少なくとも１つ備え、
前記電圧源が前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に印加する電圧の大きさによって、前記第１の量子井戸層又は前記第２の量子井戸層と前記量子ドット層とが結合モードを形成するか否かが決まる赤外線検出器。
【請求項６】
前記電圧源が、前記第１の量子井戸層と前記量子ドット層との間で基底準位若しくは励起準位が一致するように、又は、前記第２の量子井戸層と前記量子ドット層との間で基底準位若しくは励起準位が一致するように、前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に電圧を印加することにより、前記赤外線検出器は、２つの波長帯域に対して感度を有し、
前記電圧源が、前記第１の量子井戸層と前記量子ドット層との間で基底準位及び励起準位が一致しないように、又は、前記第２の量子井戸層と前記量子ドット層との間で基底準位及び励起準位が一致しないように、前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に電圧を印加することにより、前記赤外線検出器は、１つの波長帯域に対して感度を有する請求項５に記載の赤外線検出器。
【請求項７】
前記光吸収層は、前記第１の量子井戸層、前記第１の結合層、前記量子ドット層、前記第２の結合層、前記第２の量子井戸層の順に積層された部分を、１０以上３０以下備える請求項５又は６に記載の赤外線検出器。
【請求項８】
前記第１の結合層及び前記第２の結合層の厚さは、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下である請求項５乃至７の何れか一項に記載の赤外線検出器。
【請求項９】
前記光吸収層の光入射面側に、前記量子ドット層の前記基底準位と前記励起準位とのエネルギー差に相当するエネルギーを有する赤外線の波長付近の波長を有する赤外線を透過しない波長フィルタを出し入れ可能に備える請求項１乃至８の何れか一項に記載の赤外線検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は赤外線検出器に関し、特に、半導体量子構造のサブバンド間における電子遷移を利用する赤外線検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、熱検知や、温室効果ガスの１つである二酸化炭素の濃度測定が盛んに行われている。そのため、赤外線領域の光検出技術に対する需要が高まっている。光を検出するセンサは、単一素子である場合もあるし、単一素子を１次元又は２次元状に配列してなるアレイセンサである場合もある。
たとえば、熱検知をする場合、熱源の温度によって、熱源から放射されるスペクトルも異なる。具体的には、２０℃前後の室温において計測されるスペクトルのピーク波長は１０μｍであるが、４００℃前後の熱源から放射されるスペクトルのピーク波長は４．３μｍである。したがって、観測対象の温度を正しく検知するためには、複数の波長帯域に感度をもつセンサを用意する必要がある。
【０００３】
複数の波長帯域に感度をもつ赤外線検出器として、光吸収層に半導体量子ドットを含む量子ドット型赤外線検出素子（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ、以下、「ＱＤＩＰ」と称する。）を利用するものが注目を集めている。
ＱＤＩＰは、量子ドットの周囲が、量子ドットを構成する材料よりも大きなバンドギャップをもつ半導体で３次元的に囲まれた構造を有する。また、量子ドットの領域に電子および正孔が強く閉じ込められている。その結果、量子ドット中に離散的なエネルギー準位が形成される。それらの準位のうち、伝導帯の複数の電子サブバンド準位を利用し、サブバンド間エネルギー差に相当するエネルギーをもつ赤外線を検知することができる。
【０００４】
このようなＱＤＩＰを用いて複数の波長帯域に感度をもつ赤外線検出器が、例えば非特許文献１、特許文献１に記載されている。
【０００５】
非特許文献１には、量子ドットが量子井戸内に存在するＤｏｔ−ｉｎ−Ｗｅｌｌ構造を有するＱＤＩＰを利用する赤外線検出器が記載されている。そして、非特許文献１に記載の赤外線検出器は、２３．２μｍ、８．５μｍ、３．８μｍをそれぞれ中心波長とする３つの波長帯域に感度を有する。これら３つの波長帯域はそれぞれＩｎＡｓ量子ドットの束縛準位間、ＩｎＡｓ量子ドットとＩｎＧａＡｓ量子井戸の束縛準位間、ＩｎＡｓ量子ドットの束縛準位とＧａＡｓ中間層の連続準位間の遷移エネルギーに相当する波長に一致している。
【０００６】
また、特許文献１には、平面形状が楕円形である量子ドットを含む２つの光吸収層を有するＱＤＩＰを利用する赤外線検出器が記載されている。また、特許文献１に記載のＱＤＩＰでは、第１の光吸収層に含まれる量子ドットの長軸方向と第２の光吸収層に含まれる量子ドットの長軸方向とが互いに直交している。そして、さらに偏光依存性を利用することにより、２波長あるいは３波長以上の帯域に感度をもつ赤外線検出器を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許４８４２２９１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ｓ．Ｋｒｉｓｈｎａほか、ＡＰＰＬＩＥＤ  ＰＨＹＳＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ  ８３巻、１４号、２７４５〜２７４７ページ（２００３年発行）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１に開示されているＱＤＩＰでは、３つの波長帯域における検知信号の和としてしか結果を取り出すことができない。つまり、各波長帯域における検知信号を独立に取り出すことが出来ない。
【００１０】
また、特許文献１に開示されているＱＤＩＰでは、第１の光吸収層および第２の光吸収層の量子ドットの長軸方向を互いに直交させるため、副格子交換と呼ばれる手法を採用している。具体的には、第１および第２の光吸収層を構成するＧａＡｓの間に数原子層のＳｉ層を形成することにより副格子交換を実現している。そのため、特許文献１に記載のＱＤＩＰの製造には、１原子層レベルでの精密な厚さ制御技術を必要とする。
さらに、特許文献１では、平面形状が楕円形である量子ドットを用いることにより２つの波長帯域における検知を可能としている。しかし、例えば、１０μｍ、５μｍをそれぞれ中心波長とする２つの波長帯域における検知を行う場合、直交する２つの偏光方向の間のエネルギー差がおよそ６０ｍｅＶである必要がある。これだけのエネルギー差を生じさせるためには、量子ドットの形状は、非対称性の程度がかなり高い楕円形状である必要がある。しかしながら、このような楕円形状の量子ドットを作製するのに必要な材料や作製条件は、かなり限られる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の態様に係る赤外線検出器は、半導体基板と、第１のコンタクト層と、光吸収層と、第２のコンタクト層と、電圧源と、を備える。前記第１のコンタクト層は、前記半導体基板上に形成される。前記光吸収層は、前記第１のコンタクト層上に形成される。前記第２のコンタクト層は、前記光吸収層上に形成される。前記電圧源は、前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に電圧を印加する。また、前記光吸収層は、量子井戸層、結合層、量子ドット層の順、又は、前記量子ドット層、前記結合層、前記量子井戸層の順に積層された部分を、少なくとも１つ備える。また、前記電圧源が前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に印加する電圧の大きさによって、前記量子井戸層と前記量子ドット層とが結合モードを形成するか否かが決まる。
【００１２】
本発明の第２の態様に係る赤外線検出器は、半導体基板と、第１のコンタクト層と、光吸収層と、第２のコンタクト層と、電圧源と、を備える。前記第１のコンタクト層は、前記半導体基板上に形成される。前記光吸収層は、前記第１のコンタクト層上に形成される。前記第２のコンタクト層は、前記光吸収層上に形成される。前記電圧源は、前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に電圧を印加する。また、前記光吸収層は、第１の量子井戸層、第１の結合層、量子ドット層、第２の結合層、第２の量子井戸層の順に積層された部分を、少なくとも１つ備える。また、前記電圧源が前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に印加する電圧の大きさによって、前記第１の量子井戸層又は前記第２の量子井戸層と前記量子ドット層とが結合モードを形成するか否かが決まる。
【発明の効果】
【００１３】
より簡便に２波長検知または１波長検知を切り替えることが可能な赤外線検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる赤外線検出器の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる赤外線検出器の動作を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる赤外線検出器の感度スペクトルを示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態２にかかる赤外線検出器の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態２にかかる赤外線検出器の動作を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態２にかかる赤外線検出器の感度スペクトルを示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態３にかかる赤外線検出器の構造を示す断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３にかかる赤外線検出器の感度スペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１にかかる赤外線検出器１００の構造を説明する断面図である。
図１に示すように、赤外線検出器１００は、半導体基板１、緩衝層２、下部コンタクト層３（第１のコンタクト層）、光吸収層４、上部コンタクト層５（第２のコンタクト層）、下部電極６、上部電極７、電圧源８、電流計９等を備えている。
【００１６】
具体的には、半導体基板１の上に緩衝層２が形成されている。緩衝層２は、半導体基板１と同じ半導体材料から構成されている。また、緩衝層２の上に下部コンタクト層３が形成されている。下部コンタクト層３は、ｎ型半導体を主材料として構成されている。また、下部コンタクト層の上に光吸収層４及び下部電極６が形成されている。また、光吸収層４の上に上部コンタクト層５が形成されている。上部コンタクト層５は、ｎ型半導体を主材料として構成されている。また、上部コンタクト層５の上に上部電極７が形成されている。なお、下部コンタクト層３は、半導体基板１上に、緩衝層２を介さずに、直接、形成されていてもよい。
また、下部電極６と上部電極７とは、電圧源８を介して接続されている。また、電流計９は、下部電極６と上部電極７との間に接続されている。
そして、電圧源８は、下部電極６と上部電極７との間に適切な電圧を印加する。また、電流計９は、光吸収層４が入射赤外線Ｘを吸収することにより、下部電極６と上部電極７との間に流れる光電流を測定する。
【００１７】
光吸収層４は、中間層４１、量子井戸層４２、結合層４３、量子ドット層４４等を備えている。
具体的には、下部コンタクト層３の上に、中間層４１、量子井戸層４２、結合層４３、量子ドット層４４の順に、各層が繰り返し形成されている。また、量子井戸層４２及び量子ドット層４４は、それぞれ、１０層以上３０層以下程、積層されている。これにより、光吸収層４における赤外線の吸収効率を十分にすることができる。
【００１８】
中間層４１は、ｉ型半導体を主材料として構成されている。また、中間層４１の厚さは、中間層４１を挟んで対向する量子ドット層４４と量子井戸層４２とが結合モードを形成しない程度の厚さに設定されている。典型的には、中間層４１の厚さは、５０ｎｍ程度である。
結合層４３は、ｉ型半導体を主材料として構成されている。また、結合層４３の厚さは、結合層４３を挟んで対向する量子井戸層４２と量子ドット層４４とが結合モードを形成する程度の厚さに設定されている。典型的には、結合層４３の厚さは、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下程度である。
ここで結合モードとは、一の量子ドットに閉じ込められた電子または正孔の波動関数と他の量子ドットに閉じ込められた電子または正孔の波動関数とが重なり合うほど近接し、量子ドット間で相互作用が生じることによって、単独の量子ドットにおけるエネルギー準位とは異なるエネルギー準位が形成された状態のことを言う。量子ドット同士があまりにも近接しすぎると、それぞれの量子ドットを形成することが難しくなる。一方で、量子ドット同士が離れすぎると、波動関数の重なりがなくなってしまう。そのため、結合層４３の厚さが所定の厚さの範囲内である場合にのみ、量子井戸層４２と量子ドット層４４とが結合モードを形成することができる。本実施の形態では、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下程度である。
【００１９】
次に、赤外線検出器１００の動作について説明する。図２は、本実施の形態１にかかる赤外線検出器１００の動作を説明する図である。図２は、中間層４１、量子井戸層４２、結合層４３、量子ドット層４４から構成される部分の電子バンド構造（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｂａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を模式的に示している。図２において、左右いる。また、図２において、上下方向が、各層において電子（伝導電子）の取りうるエネルギー状態（ｅｎｅｒｇｙ  ｓｔａｔｅ）を示す。また、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、それぞれ、電圧源８が下部電極６と上部電極７との間に印加する電圧の大きさが異なっている。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）から、電圧源８が印加する電圧の大きさによって、中間層４１、量子井戸層４２、結合層４３、量子ドット層４４の電子がとりうるエネルギー状態が異なることがわかる。換言すれば、電圧源８が印加する電圧の大きさによって、電子バンド構造の形状が異なる。
【００２０】
また、図３は、図２に記載の電子バンド構造に対応する赤外線検出器１００の感度スペクトルを示すグラフである。具体的には、図３のグラフ（ａ）は、中間層４１、量子井戸層４２、結合層４３、量子ドット層４４から構成される部分の電子バンド構造が図２（ａ）である場合の赤外線検出器１００の感度スペクトル、図３のグラフ（ｂ）は、中間層４１、量子井戸層４２、結合層４３、量子ドット層４４から構成される部分の電子バンド構造が図２（ｂ）である場合の赤外線検出器１００の感度スペクトル、図３のグラフ（ｃ）は、中間層４１、量子井戸層４２、結合層４３、量子ドット層４４から構成される部分の電子バンド構造が図２（ｃ）である場合の赤外線検出器１００の感度スペクトルである。
また、図３において、縦軸は赤外線検出器１００の感度（電流計９で測定される電流量に応じた値）を示し、横軸は赤外線の有するエネルギー（波長の逆数に相当）を示す。
【００２１】
図２に示すように、量子力学に基づけば、量子井戸層４２及び量子ドット層４４に束縛された電子は、離散的なエネルギー準位（ｅｎｅｒｇｙ  ｌｅｖｅｌ）しかとることができない。図２において、量子井戸層４２に束縛された電子がとりうるエネルギー準位を、基底準位ＥＬ１、励起準位ＥＬ２と称する。また、同様に、図２において、量子ドット層４４に束縛された電子がとりうるエネルギー準位を、基底準位ＥＬ３、励起準位ＥＬ４と称する。
【００２２】
以下、電圧源８が印加する電圧条件に分けて、赤外線検出器１００の動作を説明する。
まず、電圧条件（ａ）について説明する。
電圧条件（ａ）では、電圧源８は、量子井戸層４２の基底準位ＥＬ１のエネルギーと量子ドット層４４の基底準位ＥＬ３のエネルギーとがほぼ一致するように、電圧を印加する。これにより、量子井戸層４２の基底準位ＥＬ１と量子ドット層４４の基底準位ＥＬ３とは結合モードを形成する。
量子井戸層４２の基底準位ＥＬ１と量子ドット層４４の基底準位ＥＬ３とが結合モードを形成すると、量子井戸層４２の基底準位ＥＬ１と量子ドット層４４の基底準位ＥＬ３とは個々の独立したエネルギー準位ではなく、量子井戸層４２と量子ドット層４４の両方の特性を兼ね備えた新たなエネルギー準位となる。
【００２３】
ここで、量子ドット層４４の基底準位ＥＬ３と励起準位ＥＬ４とのエネルギー差Ｅ１に相当するエネルギーを有する赤外線、又は、量子井戸層４２の基底準位ＥＬ１と励起準位ＥＬ２とのエネルギー差Ｅ２に相当するエネルギーを有する赤外線が光吸収層４に入射すると、量子ドット層４４又は量子井戸層４２はこれらのエネルギーを吸収する。これにより、量子ドット層４４又は量子井戸層４２に束縛されている電子は、量子ドット層４４の励起準位ＥＬ４又は量子井戸層４２の励起準位ＥＬ２へ遷移する。図２では、この電子の遷移を上向き矢印で模式的に示している。そして、電流計９が、励起準位ＥＬ４又は励起準位ＥＬ２に遷移した電子を電流として検出する。これにより、赤外線検出器１００は、赤外線を電流として検出することができる。なお、図２において、電子を模式的に黒丸で示す。
【００２４】
電圧条件（ａ）において、光吸収層４が赤外線のエネルギーを吸収した場合に赤外線検出器１００が検出するスペクトルは、図３のグラフ（ａ）のスペクトルとなる。図３のグラフ（ａ）に示すように、電圧条件（ａ）においては、エネルギー差Ｅ１に相当するエネルギーを有する赤外線及びエネルギー差Ｅ２に相当するエネルギーを有する赤外線の波長をピーク波長（中心波長）とする波長帯域に対して、赤外線検出器１００は感度を有することがわかる。一方、電圧条件（ａ）においては、エネルギー差Ｅ１又はエネルギー差Ｅ２に相当するエネルギーを有する赤外線以外の赤外線の波長をピーク波長とする波長帯域に対して、赤外線検出器１００は、感度を有さないことがわかる。
【００２５】
ここで、量子井戸層４２における赤外線の吸収について説明する。図１に示すように、赤外線Ｘが量子井戸層４２に垂直に入射する場合、量子井戸層４２が量子ドット層４４と結合モードを形成していないと、量子井戸層４２に束縛された電子は、基底準位ＥＬ１から励起準位ＥＬ２へ遷移することができない。つまり、赤外線Ｘが量子井戸層４２に垂直に入射する場合、量子井戸層４２が量子ドット層４４と結合モードを形成していないと、赤外線Ｘがエネルギー差Ｅ２に相当するエネルギーを有していても、赤外線検出器１００は、当該赤外線Ｘを検出することができない。これは、光の入射方向あるいは偏光方向によって電子遷移が起こるか否かが決まることを示している。このことは、一般的に、光学選択則と呼ばれる。
【００２６】
そこで、光吸収層に量子井戸層のみを有する赤外線検出器では、基底準位から励起準位へ電子が遷移するように、光結合領域等を導入して入射光の偏光方向を工夫している。
一方、本実施の形態１にかかる赤外線検出器１００では、電圧条件（ａ）において、量子井戸層４２と量子ドット層４４とが結合層４３を介して結合モードを形成している。そのため、赤外線Ｘの入射方向によらずに、量子ドット層４４において電子が基底準位ＥＬ３から励起準位ＥＬ４へ遷移するとともに、量子井戸層４２においても電子が基底準位ＥＬ１から励起準位ＥＬ２へ遷移する。これにより、赤外線検出器１００では、赤外線Ｘの入射方向又は偏光方向を工夫しなくても、２つの波長帯域において赤外線を検出することができる。
【００２７】
次に、電圧条件（ｂ）について説明する。
電圧条件（ｂ）では、電圧源８は、量子井戸層４２の励起準位ＥＬ２のエネルギーと量子ドット層４４の励起準位ＥＬ４のエネルギーとがほぼ一致するように、電圧を印加する。これにより、量子井戸層４２の励起準位ＥＬ２と量子ドット層４４の励起準位ＥＬ４とは結合モードを形成する。
量子井戸層４２の励起準位ＥＬ２と量子ドット層４４の励起準位ＥＬ４とが結合モードを形成すると、量子井戸層４２の励起準位ＥＬ２と量子ドット層４４の励起準位ＥＬ４とは個々の独立したエネルギー準位ではなく、量子井戸層４２と量子ドット層４４の両方の特性を兼ね備えた新たなエネルギー準位となる。
【００２８】
ここで、量子ドット層４４の励起準位ＥＬ４と基底準位ＥＬ３とのエネルギー差Ｅ１に相当するエネルギーを有する赤外線、又は、量子井戸層４２の励起準位ＥＬ２と基底準位ＥＬ１とのエネルギー差Ｅ２に相当するエネルギーを有する赤外線が光吸収層４に入射すると、量子ドット層４４又は量子井戸層４２はこれらのエネルギーを吸収する。これにより、量子ドット層４４又は量子井戸層４２に束縛されている電子は、量子ドット層４４の励起準位ＥＬ４又は量子井戸層４２の励起準位ＥＬ２へ遷移する。そして、電流計９が、励起準位ＥＬ４又は励起準位ＥＬ２に遷移した電子を電流として検出する。これにより、赤外線検出器１００は、赤外線を電流として検出することができる。
【００２９】
電圧条件（ｂ）において、光吸収層４が赤外線のエネルギーを吸収した場合に赤外線検出器１００が検出するスペクトルは、図３のグラフ（ｂ）のスペクトルとなる。図３のグラフ（ｂ）に示すように、電圧条件（ｂ）においては、エネルギー差Ｅ１に相当するエネルギーを有する赤外線及びエネルギー差Ｅ２に相当するエネルギーを有する赤外線の波長をピーク波長とする波長帯域に対して、赤外線検出器１００は感度を有することがわかる。一方、電圧条件（ｂ）においては、エネルギー差Ｅ１又はエネルギー差Ｅ２に相当するエネルギーを有する赤外線以外の赤外線の波長をピーク波長とする波長帯域に対して、赤外線検出器１００は、感度を有さないことがわかる。
【００３０】
つまり、電圧条件（ｂ）においても、電圧条件（ａ）と同様に、赤外線検出器１００は、２つの波長帯域において赤外線を検出することができる。
また、電圧条件（ａ）では、量子井戸層４２の基底準位ＥＬ１と量子ドット層４４の基底準位ＥＬ２とが結合モードを形成し、電圧条件（ｂ）とでは、量子井戸層４２の励起準位ＥＬ２と量子ドット層４４の励起準位ＥＬ４とが結合モードを形成する。すなわち、電圧条件（ａ）と電圧条件（ｂ）とでは、結合モードを形成するエネルギー準位が異なる。しかし、電圧条件（ａ）において赤外線検出器１００が検出するスペクトルと、電圧条件（ｂ）において赤外線検出器１００が検出するスペクトルはほぼ同じとなる。
なお、電圧条件（ａ）と電圧条件（ｂ）とでは、電圧源８の印加電圧は異なるため、エネルギー差Ｅ１及びＥ２は多少異なる。そのため、電圧条件（ａ）において赤外線検出器１００が検出するスペクトルと、電圧条件（ｂ）において赤外線検出器１００が検出するスペクトルは多少異なる。
【００３１】
次に、電圧条件（ｃ）について説明する。
電圧条件（ｃ）は、電圧条件（ａ）及び電圧条件（ｂ）の何れにも当てはまらない電圧条件である。この場合、図２（ｃ）に示すように、量子井戸層４２の基底準位ＥＬ１のエネルギーと量子ドット層４４の基底準位ＥＬ３のエネルギーとは大きく異なっており、結合モードを形成しない。同様に、量子井戸層４２の励起準位ＥＬ２のエネルギーと量子ドット層４４の励起準位ＥＬ４のエネルギーとは大きく異なっており、結合モードを形成しない。そのため、上述の光学選択則により、量子井戸層４２に束縛された電子は、基底状態ＥＬ１から励起状態ＥＬ２へ遷移できない。よって、赤外線検出器１００は、エネルギー差Ｅ２に相当するエネルギーを有する赤外線を検出することができない。
【００３２】
ここで、量子ドット層４４の励起準位ＥＬ４と基底準位ＥＬ３とのエネルギー差Ｅ１に相当するエネルギーを有する赤外線が光吸収層４に入射すると、量子ドット層４４はこれらのエネルギーを吸収する。これにより、量子ドット層４４に束縛されている電子は、量子ドット層４４の励起準位ＥＬ４へ遷移する。そして、電流計９が、励起準位ＥＬ４に遷移した電子を電流として検出する。これにより、赤外線検出器１００は、赤外線を電流として検出することができる。
【００３３】
電圧条件（ｃ）において、光吸収層４が赤外線のエネルギーを吸収した場合に赤外線検出器１００が検出するスペクトルは、図３のグラフ（ｃ）のスペクトルとなる。図３のグラフ（ｃ）に示すように、電圧条件（ｃ）においては、エネルギー差Ｅ１に相当するエネルギーを有する赤外線の波長をピーク波長とする波長帯域に対して、赤外線検出器１００は感度を有することがわかる。一方、電圧条件（ｃ）においては、エネルギー差Ｅ１に相当するエネルギーを有する赤外線以外の赤外線の波長をピーク波長とする波長帯域に対して、赤外線検出器１００は、感度を有さないことがわかる。
つまり、電圧条件（ｃ）においては、赤外線検出器１００は、１つの波長帯域において赤外線を検出することができる。
【００３４】
以上に説明したように、電圧源８の印加電圧を制御することにより、量子井戸層４２と量子ドット層４４との結合モードの形成を制御することができる。これにより、より簡便に２波長検知または１波長検知を切り替えることが可能な赤外線検出器１００を提供できる。
【００３５】
次に、本発明の実施の形態１にかかる赤外線検出器１００の製造方法について説明する。
（１）量子ドットを含む結晶成長
半導体基板１として、面方位が（００１）面のＧａＡｓ基板（ヒ化ガリウム基板）を用意する。このＧａＡｓ基板を分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置内へ導入し、加熱することにより、固体Ａｓを昇華させる。そして、固体Ａｓを昇華させることにより得られるＡｓ分子線を照射しながら、基板温度を６００℃まで上昇させる。これにより、半導体基板１表面にある自然酸化膜を除去する。
その後、５８０℃程度の温度に設定し、厚さ５００ｎｍで、緩衝層２を積層する。緩衝層２は、半導体基板１と同じＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）から構成される。
次に、厚さ５００ｎｍで、ｎ型の下部コンタクト層３を積層する。下部コンタクト層３は、Ｓｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングしたＧａＡｓで構成される。
【００３６】
次に、厚さ５０ｎｍで、ｉ型の中間層４１を積層する。ｉ型の中間層４１は、ＡｌＧａＡｓ（ヒ化アルミニウムガリウム）から構成される。
次に、厚さ５ｎｍ程度で、量子井戸層４２を積層する。量子井戸層４２は、Ｓｉ原子を濃度１０１７ｃｍ−３程度ドーピングしたＧａＡｓから構成される。
次に、厚さ５ｎｍ以上１５ｎｍ以下程度で、ｉ型の結合層４３を積層する。ｉ型の結合層４３は、ＡｌＧａＡｓで構成される。
【００３７】
その後、基板温度を４９０℃程度まで低下させ、厚さが２〜３原子層程度となるように、ＩｎＡｓ（ヒ化インジウム）を供給する。
この時、ＩｎＡｓとＡｌＧａＡｓとの格子定数の違いから発生する歪みによって、ＩｎＡｓが島状に３次元的に成長する。これにより、ＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ)モードと呼ばれる量子ドットが形成される。その結果、量子ドットが平面的上に並んだ量子ドット層４４が形成される。量子ドットの典型的な直径は３０ｎｍ、高さ５ｎｍであり、１平方センチメートルあたりの数密度は５×１０１０程度である。
続いて、ｎ型ドーパントであるＳｉ原子を量子ドット層４４の直上に供給する。この時、Ｓｉ原子の濃度は量子ドットの面密度と同程度にする。
【００３８】
さらに、ＩｎＡｓの供給を停止して再び温度を５８０℃程度まで上昇させ、ＡｌＧａＡｓを供給する。これにより、厚さ５０ｎｍで中間層４１を積層する。
上記の手順に従って、量子井戸層４２、結合層４３、量子ドット層４４、中間層４１の積層を１０回以上３０回以下程度繰り返す。これにより、量子井戸−量子ドット結合層が複数層形成された光吸収層４を形成することができる。
【００３９】
最後に、厚さが２００ｎｍでｎ型の上部コンタクト層５を積層する。ｎ型の上部コンタクト層５は、Ｓｉ原子を濃度２×１０１８ｃｍ−３程度ドーピングしたＧａＡｓで構成される。
【００４０】
なお、図１において、半導体基板１側から量子井戸層４２、量子ドット層４４の順に積層されているが、これらの順序が逆であっても構わない。つまり、量子ドット層４４、量子井戸層４２の順に積層しても構わない。後者の場合、前者と同様の動作をするために上部電極７および下部電極６間に印加する電圧の符号を逆にすればよい。
【００４１】
また、ＩｎＡｓから構成される量子ドット層４４は、ＩｎＧａＡｓ（ヒ化インジウムガリウム）であってもよい。また、量子ドット層４４を挟んでいる結合層４３と中間層４１をＡｌＧａＡｓとしたが、全てがＡｌＧａＡｓでなくてもよい。たとえば、結合層４３と中間層４１の量子ドット層４４に接触する部分の一部をＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ等に置き換えても構わない。
【００４２】
上記製造方法において、量子ドット層４４や量子井戸層４２及びそれらの周辺構造をＭＢＥ法によって形成しているが、この方法に限定されるものではない。たとえば、これらの構造を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の他の結晶成長法を用いても良い。
【００４３】
（２）検出器構造加工および電極プロセス
続いて、紫外線リソグラフィー、ドライエッチングまたはウエットエッチング技術を利用して上部コンタクト層５、光吸収層４および下部コンタクト層３の一部を選択的にエッチングする。これにより下部コンタクト層３の表面の一部が露出する。
この選択エッチングにより、分離された構造が赤外線検出器１００の１素子になる。赤外線検出器１００の受光面の大きさは、用途によって異なるが、典型的には２０μｍから５００μｍ程度である。赤外線検出器１００はこの１素子のみで構成されてもよいし、このような素子を一列に、あるいは２次元的に配列させたアレイであってもよい。
【００４４】
次いで、上部コンタクト層５及び下部コンタクト層３に、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるアロイオーミック電極を形成し、上部電極７及び下部電極６とする。上部電極７及び下部電極６は、それぞれリフトオフ法によって形成する。リフトオフ法は、リソグラフィー、金属蒸着、レジスト剥離などの工程を含んでいる。
以上の工程により、実施の形態１に係る赤外線検出器１００の基本構成が完成する。
【００４５】
以上に説明した実施の形態１にかかる赤外線検出器１００においては、電圧源８が下部コンタクト層３と上部コンタクト層５との間に印加する電圧の大きさによって、量子井戸層４２と量子ドット層４４とが結合モードを形成するか否かが決まる。これにより、赤外線検出器１００は、２つの波長帯域か１つの波長帯域かのどちらかに感度を有する。
具体的には、電圧源８が、量子井戸層４２と量子ドット層４４との間で基底準位ＥＬ１、ＥＬ３又は励起準位ＥＬ２、ＥＬ４が一致するように、下部コンタクト層３と上部コンタクト層５との間に電圧を印加する。これにより、量子井戸層４２と量子ドット層４４とが結合モードを形成し、赤外線検出器１００は、２つの波長帯域に対して感度を有する。
また、電圧源８が、量子井戸層４２と量子ドット層４４との間で基底準位ＥＬ１、ＥＬ３及び励起準位ＥＬ２、ＥＬ４が一致しないように、下部コンタクト層３と上部コンタクト層５との間に電圧を印加する。これにより、量子井戸層４２と量子ドット層４４とが結合モードを形成せず、赤外線検出器１００は、１つの波長帯域に対して感度を有する。
よって、電圧源８の印加電圧を制御することにより、量子井戸層４２と量子ドット層４４との結合モードの形成を制御することができる。これにより、より簡便に２波長検知または１波長検知を切り替えることが可能な赤外線検出器１００を提供できる。
【００４６】
また、光吸収層４は、量子井戸層４２、結合層４３、量子ドット層４４の順に積層された部分を、１０以上３０以下備える。
これにより、光吸収層４における赤外線の吸収効率を十分にすることができる。
【００４７】
また、結合層４３の厚さは、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下である。
これにより、結合層４３を挟んで対向する量子井戸層４２と量子ドット層４４とが、より確実に結合モードを形成することができる。
【００４８】
実施の形態２
図４は、本発明の実施の形態２にかかる赤外線検出器２００の構造を説明する断面図である。
図４に示すように、実施の形態２にかかる赤外線検出器２００は、光吸収層４Ａのみが、実施の形態１にかかる赤外線検出器１００と異なる。そのため、同一の構成については同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。
【００４９】
光吸収層４Ａは、中間層４１Ａ、第１の量子井戸層４２Ａ、第１の結合層４３Ａ、量子ドット層４４Ａ、第２の結合層４５Ａ、第２の量子井戸層４６Ａ等を備えている。
具体的には、下部コンタクト層３の上に、中間層４１Ａ、第１の量子井戸層４２Ａ、第１の結合層４３Ａ、量子ドット層４４Ａ、第２の結合層４５Ａ、第２の量子井戸層４６Ａの順に、各層が繰り返し形成されている。また、第１の量子井戸層４２Ａ、量子ドット層４４Ａ、第２の量子井戸層４６Ａは、それぞれ、１０層以上３０層以下程、積層されている。これにより、光吸収層４Ａにおける赤外線の吸収効率を十分にすることができる。
【００５０】
中間層４１Ａは、中間層４１と同様の材料及び同様の製法で形成される。また、第１の量子井戸層４２Ａ及び第２の量子井戸層４６Ａは、量子井戸層４２と中間層４１と同様の材料及び同様の製法で形成される。また、第１の結合層４３Ａ及び第２の結合層４５Ａは、結合層４３と同様の材料及び同様の製法で形成される。また、量子ドット層４４Ａは、量子ドット層４４と同様の材料及び同様の製法で形成される。
【００５１】
次に、赤外線検出器２００の動作について説明する。図５は、本実施の形態２にかかる赤外線検出器２００の動作を説明する図である。図５は、中間層４１Ａ、第１の量子井戸層４２Ａ、第１の結合層４３Ａ、量子ドット層４４Ａ、第２の結合層４５Ａ、第２の量子井戸層４６Ａから構成される部分の電子バンド構造（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｂａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を模式的に示している。図５において、左右方向が図４における上下方向に対応しており、図５左側が半導体基板１に近い側となっている。また、図５において、上下方向が、各層において電子（伝導電子）の取りうるエネルギー状態（ｅｎｅｒｇｙ  ｓｔａｔｅ）を示す。また、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、それぞれ、電圧源８が下部電極６と上部電極７との間に印加する電圧の大きさが異なっている。図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）から、電圧源８が印加する電圧の大きさによって、中間層４１Ａ、第１の量子井戸層４２Ａ、第１の結合層４３Ａ、量子ドット層４４Ａ、第２の結合層４５Ａ、第２の量子井戸層４６Ａの電子がとりうるエネルギー状態が異なることがわかる。換言すれば、電圧源８が印加する電圧の大きさによって、電子バンド構造の形状が異なる。
【００５２】
また、図６は、図５に記載の電子バンド構造に対応する赤外線検出器２００の感度スペクトルを示すグラフである。具体的には、図６のグラフ（ａ）は、中間層４１Ａ、第１の量子井戸層４２Ａ、第１の結合層４３Ａ、量子ドット層４４Ａ、第２の結合層４５Ａ、第２の量子井戸層４６Ａから構成される部分の電子バンド構造が図５（ａ）である場合の赤外線検出器２００の感度スペクトル、図６のグラフ（ｂ）は、中間層４１Ａ、第１の量子井戸層４２Ａ、第１の結合層４３Ａ、量子ドット層４４Ａ、第２の結合層４５Ａ、第２の量子井戸層４６Ａから構成される部分の電子バンド構造が図５（ｂ）である場合の赤外線検出器２００の感度スペクトル、図６のグラフ（ｃ）は、中間層４１Ａ、第１の量子井戸層４２Ａ、第１の結合層４３Ａ、量子ドット層４４Ａ、第２の結合層４５Ａ、第２の量子井戸層４６Ａから構成される部分の電子バンド構造が図５（ｃ）である場合の赤外線検出器２００の感度スペクトルである。
また、図６において、縦軸は赤外線検出器２００の感度（電流計９で測定される電流量に応じた値）を示し、横軸は赤外線の有するエネルギー（波長の逆数に相当）を示す。
【００５３】
図５に示すように、量子力学に基づけば、第１の量子井戸層４２Ａ、量子ドット層４４Ａ及び第２の量子井戸層４６Ａに束縛された電子は、離散的なエネルギー準位（ｅｎｅｒｇｙ  ｌｅｖｅｌ）しかとることができない。図５において、第１の量子井戸層４２Ａに束縛された電子がとりうるエネルギー準位を、基底準位ＥＬ５、励起準位ＥＬ６と称する。また、同様に、図５において、量子ドット層４４Ａに束縛された電子がとりうるエネルギー準位を、基底準位ＥＬ７、励起準位ＥＬ８と称する。また、同様に、第２の量子井戸層４６Ａに束縛された電子がとりうるエネルギー準位を、基底準位ＥＬ９、励起準位ＥＬ１０と称する。
【００５４】
以下、電圧源８が印加する電圧条件に分けて、赤外線検出器２００の動作を説明する。
まず、電圧条件（ａ）について説明する。
電圧条件（ａ）では、電圧源８は、第１の量子井戸層４２Ａの基底準位ＥＬ５のエネルギーと量子ドット層４４Ａの基底準位ＥＬ７のエネルギーとがほぼ一致するように、電圧を印加する。これにより、第１の量子井戸層４２Ａの基底準位ＥＬ５と量子ドット層４４Ａの基底準位ＥＬ７とは結合モードを形成する。
第１の量子井戸層４２Ａの基底準位ＥＬ５と量子ドット層４４Ａの基底準位ＥＬ７とが結合モードを形成すると、第１の量子井戸層４２Ａの基底準位ＥＬ５と量子ドット層４４Ａの基底準位ＥＬ７とは個々の独立したエネルギー準位ではなく、第１の量子井戸層４２Ａと量子ドット層４４Ａの両方の特性を兼ね備えた新たなエネルギー準位となる。
【００５５】
ここで、量子ドット層４４Ａの基底準位ＥＬ７と励起準位ＥＬ８とのエネルギー差Ｅ３に相当するエネルギーを有する赤外線、又は、第１の量子井戸層４２Ａの基底準位ＥＬ５と励起準位ＥＬ６とのエネルギー差Ｅ４に相当するエネルギーを有する赤外線が光吸収層４Ａに入射すると、量子ドット層４４Ａ又は第１の量子井戸層４２Ａはこれらのエネルギーを吸収する。これにより、量子ドット層４４Ａ又は第１の量子井戸層４２Ａに束縛されている電子は、量子ドット層４４Ａの励起準位ＥＬ８又は第１の量子井戸層４２Ａの励起準位ＥＬ６へ遷移する。図５では、この電子の遷移を上向き矢印で模式的に示している。そして、電流計９が、励起準位ＥＬ８又は励起準位ＥＬ６に遷移した電子を電流として検出する。これにより、赤外線検出器２００は、赤外線を電流として検出することができる。
【００５６】
電圧条件（ａ）において、光吸収層４Ａが赤外線のエネルギーを吸収した場合に赤外線検出器２００が検出するスペクトルは、図６のグラフ（ａ）のスペクトルとなる。図６のグラフ（ａ）に示すように、電圧条件（ａ）においては、エネルギー差Ｅ３に相当するエネルギーを有する赤外線及びエネルギー差Ｅ４に相当するエネルギーを有する赤外線の波長をピーク波長とする波長帯域に対して、赤外線検出器２００は感度を有することがわかる。一方、電圧条件（ａ）においては、エネルギー差Ｅ３又はエネルギー差Ｅ４に相当するエネルギーを有する赤外線以外の赤外線の波長をピーク波長とする波長帯域に対して、赤外線検出器２００は、感度を有さないことがわかる。
【００５７】
電圧条件（ａ）においては、前述の光学選択則により、第２の量子井戸層４６Ａと量子ドット層４４Ａとは結合モードを形成していないため、第２の量子井戸層４６Ａに束縛された電子は、基底準位ＥＬ９から励起準位ＥＬ１０へ遷移することができない。
【００５８】
次に、電圧条件（ｂ）について説明する。
電圧条件（ｂ）では、電圧源８は、第２の量子井戸層４６Ａの基底準位ＥＬ９のエネルギーと量子ドット層４４Ａの基底準位ＥＬ７のエネルギーとがほぼ一致するように、電圧を印加する。これにより、第２の量子井戸層４６Ａの基底準位ＥＬ９と量子ドット層４４Ａの基底準位ＥＬ７とは結合モードを形成する。
第２の量子井戸層４６Ａの基底準位ＥＬ９と量子ドット層４４Ａの基底準位ＥＬ７とが結合モードを形成すると、第２の量子井戸層４６Ａの基底準位ＥＬ９と量子ドット層４４Ａの励起準位ＥＬ７とは個々の独立したエネルギー準位ではなく、第２の量子井戸層４６Ａと量子ドット層４４Ａの両方の特性を兼ね備えた新たなエネルギー準位となる。
【００５９】
ここで、量子ドット層４４Ａの励起準位ＥＬ８と基底準位ＥＬ７とのエネルギー差Ｅ３に相当するエネルギーを有する赤外線、又は、第２の量子井戸層４６Ａの励起準位ＥＬ１０と基底準位ＥＬ９とのエネルギー差Ｅ５に相当するエネルギーを有する赤外線が光吸収層４Ａに入射すると、量子ドット層４４Ａ又は第２の量子井戸層４６Ａはこれらのエネルギーを吸収する。これにより、量子ドット層４４Ａ又は第２の量子井戸層４６Ａに束縛されている電子は、量子ドット層４４Ａの励起準位ＥＬ８又は第２の量子井戸層４６Ａの励起準位ＥＬ１０へ遷移する。そして、電流計９が、励起準位ＥＬ８又は励起準位ＥＬ１０に遷移した電子を電流として検出する。これにより、赤外線検出器２００は、赤外線を電流として検出することができる。
【００６０】
電圧条件（ｂ）において、光吸収層４Ａが赤外線のエネルギーを吸収した場合に赤外線検出器２００が検出するスペクトルは、図６のグラフ（ｂ）のスペクトルとなる。図６のグラフ（ｂ）に示すように、電圧条件（ｂ）においては、エネルギー差Ｅ３に相当するエネルギーを有する赤外線及びエネルギー差Ｅ５に相当するエネルギーを有する赤外線の波長をピーク波長とする波長帯域に対して、赤外線検出器２００は感度を有することがわかる。一方、電圧条件（ｂ）においては、エネルギー差Ｅ３又はエネルギー差Ｅ５に相当するエネルギーを有する赤外線以外の赤外線の波長をピーク波長とする波長帯域に対して、赤外線検出器２００は、感度を有さないことがわかる。
【００６１】
電圧条件（ｂ）においては、前述の光学選択則により、第１の量子井戸層４２Ａと量子ドット層４４Ａとは結合モードを形成していないため、第１の量子井戸層４２Ａに束縛された電子は、基底準位ＥＬ５から励起準位ＥＬ６へ遷移することができない。
【００６２】
なお、実施の形態１で説明したのと同様に、第１の量子井戸層４２Ａの励起準位ＥＬ６と量子ドット層４４Ａの励起準位ＥＬ８とが結合モードを形成する場合に、赤外線検出器２００が検出するスペクトルは、図６（ａ）のグラフに示すスペクトルとほぼ同じとなる。同様に、第２の量子井戸層４６Ａの励起準位ＥＬ１０と量子ドット層４４Ａの励起準位ＥＬ８とが結合モードを形成する場合に、赤外線検出器２００が検出するスペクトルは、図６（ｂ）のグラフに示すスペクトルとほぼ同じとなる。
【００６３】
また、電圧条件（ａ）と電圧条件（ｂ）とでは、電圧源８が印加する電圧の符号が異符号である場合を示したが、電圧条件（ａ）と電圧条件（ｂ）とで、電圧源８が印加する電圧の符号が同符号であってもよい。
【００６４】
次に、電圧条件（ｃ）について説明する。
電圧条件（ｃ）は、電圧条件（ａ）及び電圧条件（ｂ）の何れにも当てはまらない電圧条件である。この場合、図５（ｃ）に示すように、第１の量子井戸層４２Ａの基底準位ＥＬ５のエネルギーと量子ドット層４４Ａの基底準位ＥＬ７のエネルギーとは大きく異なっており、結合モードを形成しない。同様に、第１の量子井戸層４２Ａの励起準位ＥＬ６のエネルギーと量子ドット層４４Ａの励起準位ＥＬ８のエネルギーとは大きく異なっており、結合モードを形成しない。
同様に、第２の量子井戸層４６Ａの基底準位ＥＬ９のエネルギーと量子ドット層４４Ａの基底準位ＥＬ７のエネルギーとは大きく異なっており、結合モードを形成しない。同様に、第２の量子井戸層４６Ａの励起準位ＥＬ１０のエネルギーと量子ドット層４４Ａの励起準位ＥＬ８のエネルギーとは大きく異なっており、結合モードを形成しない。
そのため、上述の光学選択則により、第１の量子井戸層４２Ａに束縛された電子は、基底状態ＥＬ５から励起状態ＥＬ６へ遷移できない。よって、赤外線検出器２００は、エネルギー差Ｅ４に相当するエネルギーを有する赤外線を検出することができない。
同様に、第２の量子井戸層４６Ａに束縛された電子は、基底状態ＥＬ９から励起状態ＥＬ１０へ遷移できない。よって、赤外線検出器２００は、エネルギー差Ｅ５に相当するエネルギーを有する赤外線を検出することができない。
【００６５】
ここで、量子ドット層４４Ａの励起準位ＥＬ８と基底準位ＥＬ７とのエネルギー差Ｅ３に相当するエネルギーを有する赤外線が光吸収層４Ａに入射すると、量子ドット層４４Ａはこれらのエネルギーを吸収する。これにより、量子ドット層４４Ａに束縛されている電子は、量子ドット層４４Ａの励起準位ＥＬ８へ遷移する。そして、電流計９が、励起準位ＥＬ８に遷移した電子を電流として検出する。これにより、赤外線検出器２００は、赤外線を電流として検出することができる。
【００６６】
電圧条件（ｃ）において、光吸収層４Ａが赤外線のエネルギーを吸収した場合に赤外線検出器２００が検出するスペクトルは、図６のグラフ（ｃ）のスペクトルとなる。図６のグラフ（ｃ）に示すように、電圧条件（ｃ）においては、エネルギー差Ｅ３に相当するエネルギーを有する赤外線の波長をピーク波長とする波長帯域に対して、赤外線検出器２００は感度を有することがわかる。一方、電圧条件（ｃ）においては、エネルギー差Ｅ３に相当するエネルギーを有する赤外線以外の赤外線の波長をピーク波長とする波長帯域に対して、赤外線検出器２００は、感度を有さないことがわかる。
つまり、電圧条件（ｃ）においては、赤外線検出器２００は、１つの波長帯域において赤外線を検出することができる。
【００６７】
以上に説明したように、電圧源８の印加電圧を制御することにより、第１の量子井戸層４２Ａと量子ドット層４４Ａとの結合モードの形成、又は、第２の量子井戸層４６Ａと量子ドット層４４Ａとの結合モードの形成を制御することができる。これにより、より簡便に２波長検知または１波長検知を切り替えることが可能な赤外線検出器２００を提供できる。
【００６８】
また、実施の形態２にかかる赤外線検出器２００によれば、実施の形態１にかかる赤外線検出器１００にかかる赤外線検出器１００と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、エネルギー差Ｅ３に相当するエネルギーを有する赤外線、エネルギー差Ｅ４に相当するエネルギーを有する赤外線の波長をピーク波長とする波長帯域、及びエネルギー差Ｅ５に相当するエネルギーを有する赤外線の波長をピーク波長とする波長帯域の３種類の波長帯域に対して感度を有する赤外線検出器２００を提供できる。
また、実施の形態２では、光吸収層が、第１の量子井戸層、第１の結合層、量子ドット層、第２の結合層、第２の量子井戸層の順に積層された部分を備えている構成を示したが、量子井戸層と量子ドット層が入れ替わった構造でも構わない。すなわち、光吸収層が、第１の量子ドット層、第１の結合層、量子井戸層、第２の結合層、第２の量子ドット層の順に積層された部分を、少なくとも１つ備えた構成であってもよい。この場合であっても、電圧源８により適切な電圧を設定することで、第１の量子ドット層と量子井戸層、第２の量子ドット層と量子井戸層の結合モード形成を制御することができる。これにより、本発明で示す検知波長を切り替え可能な赤外線検出器を提供できる。その動作原理は、これまでに述べたものとほとんど同じであるため、説明を省略する。
【００６９】
実施の形態３
図７は、本発明の実施の形態３にかかる赤外線検出器３００の構造を説明する断面図である。
図７に示すように、実施の形態３にかかる赤外線検出器３００は、波長フィルタ１０を備える点のみが、実施の形態２にかかる赤外線検出器２００と異なる。そのため、同一の構成については同一の符号を付すとともに、その説明を省略する。
【００７０】
波長フィルタ１０は、エネルギー差Ｅ３に相当するエネルギーを有する赤外線の波長付近の波長を有する赤外線を透過しないバンドストップフィルタである。換言すれば、波長フィルタ１０は、エネルギー差Ｅ３に相当するエネルギーを有する赤外線の波長付近以外の波長を有する赤外線を選択的に透過する。
波長フィルタ１０は、図７に示すように、光吸収層４Ａの光入射面側に、出し入れ可能に設けられている。また、波長フィルタ１０の大きさは、光吸収層４Ａの光入射面を遮蔽可能な大きさとなっている。
【００７１】
次に、赤外線検出器３００の動作について説明する。なお、赤外線検出器３００における中間層４１Ａ、第１の量子井戸層４２Ａ、第１の結合層４３Ａ、量子ドット層４４Ａ、第２の結合層４５Ａ、第２の量子井戸層４６Ａから構成される部分の電子バンド構造（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｂａｎｄ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）は、図５に示す通りであるため、その説明を省略する。
【００７２】
図８は、図５に記載の電子バンド構造に対応する赤外線検出器３００の感度スペクトルを示すグラフである。具体的には、図８のグラフ（ａ−１）及びグラフ（ａ−２）は、中間層４１Ａ、第１の量子井戸層４２Ａ、第１の結合層４３Ａ、量子ドット層４４Ａ、第２の結合層４５Ａ、第２の量子井戸層４６Ａから構成される部分の電子バンド構造が図５（ａ）である場合の赤外線検出器３００の感度スペクトル、図８のグラフ（ｂ−１）及びグラフ（ｂ−２）は、中間層４１Ａ、第１の量子井戸層４２Ａ、第１の結合層４３Ａ、量子ドット層４４Ａ、第２の結合層４５Ａ、第２の量子井戸層４６Ａから構成される部分の電子バンド構造が図５（ｂ）である場合の赤外線検出器３００の感度スペクトル、図８のグラフ（ｃ−１）は、中間層４１Ａ、第１の量子井戸層４２Ａ、第１の結合層４３Ａ、量子ドット層４４Ａ、第２の結合層４５Ａ、第２の量子井戸層４６Ａから構成される部分の電子バンド構造が図５（ｃ）である場合の赤外線検出器２００の感度スペクトルである。
また、図８において、縦軸は赤外線検出器３００の感度（電流計９で測定される電流量に応じた値）を示し、横軸は赤外線の有するエネルギー（波長の逆数に相当）を示す。
【００７３】
より具体的には、図８のグラフ（ａ−１）は、図５（ａ）に示す電子バンド構造を発生させる電圧条件（ａ）において、波長フィルタ１０を光吸収層４Ａの光入射面側に挿入していない場合に、赤外線検出器３００が検出するスペクトルである。換言すれば、図８のグラフ（ａ−１）のスペクトルは、図６のグラフ（ａ）のスペクトルと同じである。
一方、図８のグラフ（ａ−２）は、図５（ａ）に示す電子バンド構造を発生させる電圧条件（ａ）において、波長フィルタ１０を光吸収層４Ａの光入射面側に挿入している場合に、赤外線検出器３００が検出するスペクトルである。波長フィルタ１０は、エネルギー差Ｅ３に相当するエネルギーを有する赤外線の波長付近の波長を有する赤外線を透過しない。そのため、波長フィルタ１０が光吸収層４Ａの光入射面側に挿入されている場合、エネルギー差Ｅ４に相当するエネルギーを有する赤外線の波長を中心波長とする波長帯域のみに対して、赤外線検出器３００は感度を有する。
【００７４】
また、図８のグラフ（ｂ−１）は、図５（ｂ）に示す電子バンド構造を発生させる電圧条件（ｂ）において、波長フィルタ１０を光吸収層４Ａの光入射面側に挿入していない場合に、赤外線検出器３００が検出するスペクトルである。換言すれば、図８のグラフ（ｂ−１）のスペクトルは、図６のグラフ（ｂ）のスペクトルと同じである。
一方、図８のグラフ（ｂ−２）は、図５（ｂ）に示す電子バンド構造を発生させる電圧条件（ｂ）において、波長フィルタ１０を光吸収層４Ａの光入射面側に挿入している場合に、赤外線検出器３００が検出するスペクトルである。波長フィルタ１０は、エネルギー差Ｅ３に相当するエネルギーを有する赤外線の波長付近の波長を有する赤外線を透過しない。そのため、波長フィルタ１０が光吸収層４Ａの光入射面側に挿入されている場合、エネルギー差Ｅ５に相当するエネルギーを有する赤外線の波長をピーク波長とする波長帯域のみに対して、赤外線検出器３００は感度を有する。
【００７５】
また、図８のグラフ（ｃ−１）は、図５（ｃ）に示す電子バンド構造を発生させる電圧条件（ｃ）において、波長フィルタ１０を光吸収層４Ａの光入射面側に挿入していない場合に、赤外線検出器３００が検出するスペクトルである。換言すれば、図８のグラフ（ｃ−１）のスペクトルは、図６のグラフ（ｃ）のスペクトルと同じである。つまり、この場合、エネルギー差Ｅ３に相当するエネルギーを有する赤外線の波長を中心波長とする波長帯域のみに対して、赤外線検出器３００は感度を有する。
なお、図５（ｃ）に示す電子バンド構造を発生させる電圧条件（ｃ）において、波長フィルタ１０を光吸収層４Ａの光入射面側に挿入している場合、赤外線検出器３００は、赤外線を検出することができない。波長フィルタ１０は、エネルギー差Ｅ３に相当するエネルギーを有する赤外線の波長付近の波長を有する赤外線を透過しないためである。
【００７６】
以上に説明したように、電圧源８の印加電圧を制御するとともに、波長フィルタ１０の挿入・非挿入を制御することにより、より簡便に２波長検知または１波長検知を切り替えることが可能な赤外線検出器３００を提供できる。
【００７７】
また、実施の形態３にかかる赤外線検出器３００によれば、実施の形態１にかかる赤外線検出器１００及び実施の形態２にかかる赤外線検出器２００と同様の効果を得ることができるのは勿論のこと、エネルギー差Ｅ３、Ｅ４若しくはＥ５に相当するエネルギーを有する赤外線の波長を中心波長とする１つの波長帯域の検知、又は、エネルギー差Ｅ３及びＥ４若しくはエネルギー差Ｅ３及びＥ５に相当するエネルギーを有する赤外線の波長を中心波長とする２つの波長帯域の検知をより簡便に切り替えることが可能な赤外線検出器３００を提供できる。
【００７８】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、波長フィルタ１０を、赤外線検出器１００の光吸収層４の光入射面側に出し入れ可能に備えてもよい。この場合、波長フィルタ１０は、エネルギー差Ｅ１に相当するエネルギーを有する赤外線の波長付近の波長を有する赤外線を透過しないバンドストップフィルタであればよい。
【符号の説明】
【００７９】
１  半導体基板
２  緩衝層
３  下部コンタクト層（第１のコンタクト層）
４、４Ａ  光吸収層
４１、４１Ａ  中間層
４２  量子井戸層
４２Ａ  第１の量子井戸層
４３  結合層
４３Ａ  第１の結合層
４４、４４Ａ  量子ドット層
４５Ａ  第２の結合層
４６Ａ  第２の量子井戸層
５  上部コンタクト層（第２のコンタクト層）
６  下部電極
７  上部電極
８  電圧源
９  電流計
１０  波長フィルタ
１００、２００、３００  赤外線検出器
【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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【図７】
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【図８】
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