(57)【要約】 本発明の赤外光検出器１００によれば、励起機構１１０が、相互に離れている複数の窓が形成されている金属薄膜または金属薄板により構成されている。窓のそれぞれは内角の一部が鈍角である多角形状に形成されている。複数の窓は少なくとも２つの方向について並進対称性を有するような姿勢で周期的に配列されている。第１電子層１１０を含む基板における赤外光の波長λ’に応じて、第１電子領域１０における垂直電場成分がピーク値を示す値を基準とする範囲に収まるように複数の窓の配列周期ｐが設定されている。
2010137423.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元電子層である第１電子層において電気的に孤立した状態が維持されうる第１電子領域と、
入射赤外光に応じて前記第１電子領域に垂直な振動電場成分を生成することにより電子を励起し、前記第１電子領域に形成されている量子井戸のサブバンドの間で遷移させる光結合機構と、
前記第１電子層に対して中間絶縁層を介して平行に配置されている２次元電子層である第２電子層において、前記光結合機構により励起された電子が前記第１電子領域から流出した結果として電気伝導度が変化する伝導チャネルと、
前記第１電子領域が外部電子系から電気的に遮断されている遮断状態と、前記外部電子系と電気的に接続されている接続状態とを切り替える状態制御機構とを備え、
前記伝導チャネルの指定方向についての電気伝導度の変化を検出することにより前記入射赤外光を検出する赤外光検出器であって、
前記励起機構が、相互に離れている複数の窓が形成されている金属薄膜または金属薄板により構成され、前記複数の窓は少なくとも２つの方向について並進対称性を有するような姿勢で周期的に配列され、
前記複数の窓の配列周期ｐが、前記第１電子層を含む基板における前記入射赤外光の波長λ’に応じて、前記第１電子領域における前記垂直な振動電場成分がピークを示す値を基準とする第１指定範囲に収まるように設定されていることを特徴とする赤外光検出器。
【請求項２】
請求項１記載の赤外光検出器において、
前記第１指定範囲が０．６８〜１．２５λ’であることを特徴とする赤外光検出器。
【請求項３】
請求項２記載の赤外光検出器において、
前記第１指定範囲が０．８０〜１．０２λ’であることを特徴とする赤外光検出器。
【請求項４】
請求項１記載の赤外光検出器において、
前記複数の窓の配列方向について、各窓のサイズｌが、前記複数の窓の配列周期ｐに応じて、前記第１電子領域における前記垂直な振動電場成分がピークを示す値を基準とする第２指定範囲に収まるように設定されていることを特徴とする赤外光検出器。
【請求項５】
請求項４記載の赤外光検出器において、
前記第２指定範囲が０．５０〜０．８０ｐであることを特徴とする赤外光検出器。
【請求項６】
請求項１記載の赤外光検出器において、
前記窓のそれぞれは内角の一部が鈍角である多角形状に形成されていることを特徴とする赤外光検出器。
【請求項７】
請求項６記載の赤外光検出器において、
前記複数の窓のそれぞれが四隅に角を有する複数の線分が交差しているような形状に形成されていることを特徴とする赤外光検出器。
【請求項８】
請求項７記載の赤外光検出器において、
前記複数の窓のそれぞれが四隅に角を有する２つの複数の線分が直交している十字形状に形成されていることを特徴とする赤外光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願発明者によりＣＳＩＰ（Charge Sensitive Infrared Phototransistor：電荷敏感型赤外光トランジスタ）を構成要素とする高感度の赤外光検出器が提案されている（たとえば、国際公開公報 ＷＯ２００６／００６４６９Ａ１（特許文献１）、”Infrared phototransistor using capacitively coupled two-dimensional electron gas layers (An et al.)” Appl. Phys. Lett. 86, 172106(2005)、”A sensitive double quantum well infrared photoresistor (An et al.)”J. Appl. Phys. 100, 044509(2006)（非特許文献１）参照）。【０００３】
この赤外光検出器によれば、赤外光がマイクロストリップ・アンテナまたは金属パッチ・アレイ等によって量子井戸等、周囲から電気的に孤立した２次元電子層（浮遊ゲート）に集中される。これにより孤立２次元電子層に垂直な振動電場が生成される。そして、孤立２次元電子層における電子がこの振動電場により励起されて基底サブバンドから励起サブバンドに遷移し、さらに孤立２次元電子層からその直下に配置された電荷敏感トランジスタの伝導チャネル等に脱出する。これにより孤立２次元電子層が正に帯電する。その結果、ＣＳＩＰのソース-ドレイン間の電気伝導度が増加する。【０００４】
詳細には、赤外光検出器に赤外光が入射すると、光結合機構により第１電子領域に垂直な方向（ｚ方向）に振動電場が形成される。この振動電場により第１電子領域において、図５（ａ）に上向き矢印で示されているように量子井戸の基底サブバンド（電子エネルギーレベルε0）から励起サブバンドに電子が遷移する。励起サブバンドに遷移した電子は図５（ａ）に破線矢印で示されているように量子井戸の電位障壁をトンネル過程で脱出する。そのトンネル脱出過程を可能にするために、中間層の量子井戸側のポテンシャルＵ1は励起サブバンドの電子エネルギーレベルε1より低いが、中間層のエネルギー勾配を確保するために伝導チャネルの対向領域におけるフェルミエネルギー（電気化学ポテンシャル）εFより高く設定されている。そのため、励起サブバンドからトンネル過程で脱出した電子は中間層のエネルギー勾配にしたがって伝導チャネル、特に第１電子領域に対向する領域（本発明における「第２電子領域」に相当する。）に流入する。これにより第１電子領域が正に帯電またはイオン化する。すなわち、遮断状態において第１電子領域および第２電子領域が中間層を挟んだコンデンサとして機能し、第１電子領域に正電荷が蓄えられる。【０００５】
そして、赤外光検出器への赤外光の入射が継続する結果として、前記のように第１電子領域から伝導チャネルに脱出する電子数が継続的に増加することにより、第１電子領域の帯電量が対応して継続的に増加する。また、第１電子領域の帯電量の増加にともなって、伝導チャネルの電気伝導度が高くなる。このため、伝導チャネルの電気伝導度の変化を検出することにより入射した赤外光の積分値が高感度で検出されうる。【０００６】
しかるに、赤外光検出が開始されてから比較的短時間でＣＳＩＰのソース−ドレイン間の電気伝導度の変化が飽和してしまうので、赤外光感度には限界が生じる。【０００７】
詳細には、第１電子領域の正の帯電量ΔＱが増加することにより、第１電子領域における励起サブバンドの電子エネルギーレベルε1が低下し、電子の主な脱出先である伝導チャネルにおける第２電子領域のフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εFとの差が小さくなる。たとえば、第１電子領域の正の帯電量ΔＱがΔＱsat＝（ε１−Ｕ1）Ｃ／ｅに達すると、図５（ａ）に示されているように中間層におけるエネルギー高低差が大きい状態から、図５（ｂ）に示されているように中間層におけるエネルギー高低差が消失した状態になる。ここで、Ｃ＝ε／ｄは第１電子領域と伝導チャネルにおける第２電子領域が形成する単位面積当たりの電気容量を表わす。ｄは第１電子層と第２電子層との間の距離を表わす。εは中間領域の誘電率を表わす。すると、第１電子領域から伝導チャネルへ励起電子が脱出するだけでなく、伝導チャネルで熱励起された電子の第１電子領域への逆流が可能になり正味の脱出が起こらなくなる。その結果、第１電子領域の帯電量増加が停止して飽和する。そして、赤外光がさらに入射してもそれ以上は伝導チャネルの電気伝導度が変化せず、当該電気伝導度の変化率に基づく赤外光検出を続行できなくなる。【０００８】
そこで、本願発明者により、この問題を解決するための改良が加えられたさらに高感度の赤外光検出器が提案されている（日本国  特開２００８−２０５１０６号公報（特許文献２）および”Reset Operation of Quantum-Well Infrared phototransistor (Zhenghua An, Takeji Ueda, Kazuhiko Hirakawa and Susumu Komiyama), IEEE Transactions on Electron Devices, Vol.54, 1776-1780(2007)（非特許文献２）参照）。【０００９】
この赤外光検出器によれば、ソース−ドレイン間の電気伝導度の変化が飽和する前に、孤立２次元電子領域がリセットゲートを介してソース、ドレインまたはソース−ドレイン間の伝導チャネルに電子的に接続される。これにより、外部電子系から第１電子領域に電子が流入し、この電子が正電荷と結合することによって第１電子領域の帯電量が０に速やかにリセットされ、電気伝導度の値が変化前の初期値に戻り、エネルギーダイヤグラムが図５（ｂ）に示されている状態から図５（ａ）に示されている状態に復帰する。すなわち、第１電子領域１０における励起サブバンドのエネルギーレベルε1が、励起サブバンドに遷移した電子が第１電子領域１０から第２電子層１０４に容易にまたは高確率で流出しうる程度に十分に高い状態に復帰する。【００１０】
その後、第１電子領域が接続状態から遮断状態に切り替えられることにより、このため、前記のような励起サブバンドに励起された電子の孤立２次元電子領域からの脱出による第１電子領域１０の帯電が進行する状況が復活する。このため、反復的または累積的な赤外光の検知が可能となり、赤外光感度の向上が図られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、従来のパッチアンテナ等によれば、光子入射率に対する孤立２次元電子層からの電子流出率の比として定義される量子効率は１〜２％程度と低く、改善の余地がある。【００１２】
そこで、本発明は、前記問題を解消して、赤外光感度のさらなる向上を図りうる赤外光検出器を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、２次元電子層である第１電子層において電気的に孤立した状態が維持されうる第１電子領域と、入射赤外光に応じて前記第１電子領域に垂直な振動電場成分を生成することにより電子を励起し、前記第１電子領域に形成されている量子井戸のサブバンドの間で遷移させる光結合機構と、前記第１電子層に対して中間絶縁層を介して平行に配置されている２次元電子層である第２電子層において、前記光結合機構により励起された電子が前記第１電子領域から流出した結果として電気伝導度が変化する伝導チャネルと、前記第１電子領域が外部電子系から電気的に遮断されている遮断状態と、前記外部電子系と電気的に接続されている接続状態とを切り替える状態制御機構とを備え、前記伝導チャネルの指定方向についての電気伝導度の変化を検出することにより前記入射赤外光を検出する赤外光検出器に関する。【００１４】
前記課題を解決するための本発明の赤外光検出器は、前記励起機構が、相互に離れている複数の窓が形成されている金属薄膜または金属薄板により構成され、前記複数の窓は少なくとも２つの方向について並進対称性を有するような姿勢で周期的に配列され、前記複数の窓の配列周期ｐが、前記第１電子層を含む基板における前記入射赤外光の波長λ’に応じて、前記第１電子領域における前記垂直な振動電場成分がピークを示す値を基準とする第１指定範囲に収まるように設定されていることを特徴とする。【００１５】
本発明の赤外光検出器によれば、励起機構を構成する複数の窓が形成された金属薄膜により、入射赤外光に応じて第１電子層に垂直な電場成分が効率的に生成されうる。これにより、量子効率の著しい向上が図られ、結果として赤外光の検知精度を著しく向上させることができる。【００１６】
前記第１指定範囲が０．６８〜１．２５λ’であることが好ましい。さらに、前記第１指定範囲が０．８０〜１．０２λ’であることが好ましい。【００１７】
前記複数の窓の配列方向について、各窓のサイズｌが、前記複数の窓の配列周期ｐに応じて、前記第１電子領域における前記垂直な振動電場成分がピークを示す値を基準とする第２指定範囲に収まるように設定されていてもよい。前記第２指定範囲が０．５０〜０．８０ｐであることが好ましい。【００１８】
前記窓のそれぞれは内角の一部が鈍角である多角形状に形成されていてもよい。前記複数の窓のそれぞれが四隅に角を有する複数の線分が交差しているような形状に形成されていてもよい。前記複数の窓のそれぞれが四隅に角を有する２つの複数の線分が直交している十字形状に形成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の赤外光検出器の主要部の構成説明図。
【図２】（ａ）図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図。（ｂ）図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図。
【図３】本発明の赤外光検出器の光結合機構の構成説明図。
【図４】赤外光検出器の模式的説明図。
【図５】赤外光検出器の局所的なエネルギーダイヤグラム。
【図６】赤外光検出器のリセットに関する説明図。
【図７】本発明の赤外光検出器の全体的なエネルギーダイヤグラム。
【図８】従来型の赤外光検出器の全体的なエネルギーダイヤグラム。
【図９】本発明の赤外光検出器の赤外光検知感度に関する実験結果の説明図。
【図１０】本発明の赤外光検出器の赤外光検知感度の実験結果に関する説明図。
【図１１】本発明の赤外光検出器の量子効率の実験結果に関する説明図。
【図１２】本発明の赤外光検出器の量子効率の実験結果に関する説明図。
【図１３】赤外光検出器の第１電子領域における電場ｚ成分のシミュレーション計算結果に関する説明図。
【図１４】赤外光検出器の第１電子領域における電場ｚ成分のシミュレーション計算結果に関する説明図。
【図１５】本発明の他の実施形態としての赤外光検出器の光結合機構の構成説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の赤外光検出器の実施形態について図面を用いて説明する。
【００２１】
まず、赤外光検出器の構成について説明する。図１に示されている赤外光検出器１００は、第１電子層１０２と、第２電子層１０４と、光結合機構１１０と、第１ゲート電極１１１と、第２ゲート電極１１２と、第１電圧制御装置（またはパルスジェネレータ）１１３と、第２電圧制御装置１１４とを備えている。説明の便宜のために図１に示されているようにｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を定義する。
【００２２】
赤外光検出器１００は、たとえば前記特許文献１に開示されている構成の半導体多層ヘテロエピタキシャル成長基板から作成されているので、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されているような層構造を有している。
【００２３】
当該基板は、上部絶縁層（ＧａＡｓ層＋Ｓｉ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層）１０１、一の２次元電子層としての第１電子層（ＧａＡｓ層）１０２、中間層（ＡｌxＧａ1-xＡｓ層）１０３、一の２次元電子層に対して平行に配置されている他の２次元電子層としての第２電子層（ＧａＡｓ層）１０４、下部絶縁層（Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層＋Ｓｉ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層＋Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層）１０５およびｎ型ＧａＡｓ基板１０６が上から順にヘテロ接合された構造となっている。中間層１０３の組成比ｘは、遮断状態の初期において基板の深さ方向（−ｚ方向）について図５（ａ）に示されているようなエネルギーダイヤグラムが形成されるように調節されている。
【００２４】
第１電子層１０２は図１に示されているようにｘ方向に伸びる帯状領域の中腹部から４本の線状領域が延設されている形状に形成されている。第１電子層１０２は厚さ約１０［ｎｍ］であり、基板表面から約１００［ｎｍ］の深さ位置に形成される。第１電子層１０２には、図６（ａ）に模式的に示されているように電気的に遮断されている複数の第１電子領域（孤立２次元電子領域）１０がｘ方向に配列して形成される。複数の第１電子領域１０のそれぞれにおいて、遮断状態の初期段階では図５（ａ）に示されているように−ｚ方向に量子井戸が形成され、基底サブバンド（エネルギー順位ε0）および励起サブバンド（エネルギー準位ε1（＞ε0））が形成されている。
【００２５】
第２電子層１０４は第１電子層１０２とほぼ同じ形状に形成され、第１電子層１０２の下方に同じ姿勢で配置されている。すなわち、第２電子層１０４は第１電子層１０２がそのまま下方（−ｚ方向）に投影されたような形状に形成されている。第２電子層１０４には、図６（ａ）に模式的に示されているようにｚ方向について複数の第１電子領域１０に対向するとともにｘ方向に延びる伝導チャネル１２０が形成されている。伝導チャネル１２０（正確には第１電子領域１０のそれぞれに対向する第２電子領域２０のそれぞれ）は、図５（ａ）に示されているように−ｚ方向について遮断状態の初期段階における第１電子領域１０に形成されている量子井戸の励起サブバンドよりも低いエネルギーレベルを有する。なお、この際、第２電子領域２０のそれぞれのフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）は、対応する第１電子領域１０のそれぞれのフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）に等しい。
【００２６】
第１電子層１０２および第２電子層１０４は、ｘ方向の一方の端部において第１オーミックコンタクト（ドレイン電極）１２２に接続され、ｘ方向の他方の端部において第２オーミックコンタクト（ソース電極）１２４に接続されている。第１オーミックコンタクト１２２および第２オーミックコンタクト１２４に接続された電流計１２８によって伝導チャネル１２０のｘ方向（指定方向）の電流または電気伝導度が測定される。また、第１電子層１０２および第２電子層１０４は、複数の線状領域のそれぞれの先端部において第３オーミックコンタクト１２６に接続されている。
【００２７】
これにより、ｘ方向（指定方向）に配列されている第１電子領域１０のそれぞれが、伝導チャネル１２０において第１電子領域１０に対向する第２電子領域２０に第３オーミックコンタクト１２６を通じて電気的に接続されうる。
【００２８】
光結合機構１１０は図２（ａ）（ｂ）に示されているように上部絶縁層１０１の上側に設けられている金属薄膜により構成されている。金属薄膜の厚さは約０．１［μｍ］である。
【００２９】
金属薄膜には図３（ａ）に示されているように相互に離れている複数の窓が形成されている。複数の窓は少なくともｘ方向およびｙ方向のそれぞれについて並進対称性を有するような姿勢で周期的に配列されている。入射赤外光の波長λと、第１電子層１０２を含む基板（上部絶縁層１０１など）の屈折率ｎとに基づき、複数の窓の配列周期ｐが０．７０〜０．９０（λ／ｎ）の範囲に収まるように設定されている。
【００３０】
たとえば、窓の配列周期ｐは基板（屈折率ｎ≒３．３４）における赤外線の波長λ’＝（λ／ｎ）≒４．４［μｍ］に基づいて約３．５［μｍ］（＝０．８０λ’）に設定されている。なお、窓の配列周期ｐは０．６８〜１．２５（λ／ｎ）の範囲であれば、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれについて同一であっても異なっていてもよい。
【００３１】
窓のそれぞれは内角の一部が鈍角である多角形状に形成されている。たとえば、図３（ｂ）に示されているように窓（黒部分）は四隅に角（好ましくは直角）を有する２本の直線（線分）が相互に直交しているような形状、すなわち、十字形状に形成されている。複数の窓の配列方向について、各窓のサイズｌが０．６０〜０．８０ｐの範囲に収まるように設定されている。たとえば、当該十字を構成するｘ方向に延びる線分およびｙ方向に延びる線分のそれぞれの長さｌは約２．３［μｍ］（＝０．６６ｐ）に設定されている。当該線分の幅ｗは約０．５［μｍ］に設定されている。
【００３２】
光結合機構１１０は、図４にエネルギー状態図とともに模式的に示されているように第１電子領域１０に赤外光子を集中させて第１電子層１０２に垂直な振動電場成分Ｅｚを生成することにより第１電子領域１０の電子を励起して基底サブバンドから励起サブバンドに遷移させる。
【００３３】
第１ゲート電極１１１は第１電子層１０２の上方（上部絶縁層１０１の上面）において、第１電子層１０２において帯状領域から延びている複数の線分領域のそれぞれを横断するように形成されている。なお、複数の線状領域のそれぞれに独立の第１ゲート電極１１１が設けられてもよく、これに加えて複数の第１電子領域１０のそれぞれについて遮断状態および接続状態が別個に切り替えられてもよい。
【００３４】
第１電圧制御装置１１３は第１ゲート電極１１１にバイアス電圧を調節しながら印加する。第１ゲート電極１１１にバイアス電圧が印加されることにより、第１ゲート電極１１１の下方において第１電子層１０２の帯状領域と、第３オーミックコンタクト１２６とを電気的に遮断する電位障壁が形成される。
【００３５】
第１ゲート電極１１１および第１電圧制御装置１１３は「状態制御機構」として、第１電子領域１０の遮断状態および接続状態を切り替える。「遮断状態」は第１電子領域１０が外部電子系から電気的に遮断され、外部電子系から第１電子領域１０への電子の流入が禁止または制限されている状態を意味する。「接続状態」は第１電子領域１０が外部電子系に電気的に接続され、外部電子系から第１電子領域１０への電子の流入が自由であって、禁止または制限されていない状態を意味する。
【００３６】
第１電子領域１０のそれぞれについて、伝導チャネル１２０において第１電子領域１０のそれぞれに対向する第２電子領域２０のそれぞれが外部電子系として構成されている。外部電子系は、所定条件を満たすように構成されている。「所定条件」は、接続状態における第１電子領域１０のそれぞれの励起サブバンドの電子エネルギーレベルε1が、伝導チャネル１２０における第２電子領域２０のそれぞれにおけるフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εFに対して、遮断状態における第１電子領域１０のそれぞれの励起サブバンドに遷移した電子が、対応する第２電子領域２０のそれぞれに（容易または高確率で）流出しうる程度に高くなるという条件である。
【００３７】
第１電子領域１０のサイズが任意に選択されても性能向上にはあまり変化がないという性質、および、実際の作成条件等にかんがみて、第１電子領域１０のそれぞれは、その横幅（ｘ方向のサイズ）が０．１〜３．０λであり、縦幅（ｙ方向のサイズ）が０．５〜１０λ（λは赤外光の真空波長を表わす。）の範囲に収まるように構成されている。たとえば、λ＝１４．７［μｍ］として、第１電子領域１０のそれぞれは、その横幅が３０［μｍ］となり、その縦幅が１３０［μｍ］となるように構成されている。
【００３８】
複数の第２ゲート電極１１２のそれぞれは第１電子層１０２の上方（上部絶縁層１０１の上面）において、第１電子層１０２においてｘ方向に延びる帯状領域をｙ方向に横断するように形成されている。なお、第２ゲート電極１１２のそれぞれは、ｘ−ｙ平面においてｙ方向に対して傾斜した方向に帯状領域を横断するように形成されてもよい。第２電圧制御装置１１４は第２ゲート電極１１２のそれぞれにバイアス電圧を調節しながら印加する。第２ゲート電極１１２にバイアス電圧が印加されることにより、第２ゲート電極１１２の真下部分において、第１電子層１０２をｘ方向について電気的に遮断する電位障壁が形成される。
【００３９】
続いて、前記構成の赤外光検出器の機能について説明する。
【００４０】
第１ゲート電極１１１にバイアス電圧Ｖ1Gが印加されることにより、第１ゲート電極１１１の下方に電位障壁が形成される。また、第２ゲート電極１１２のそれぞれにバイアス電圧Ｖ2Gが印加されることにより、第２ゲート電極１１２のそれぞれの下方に電位障壁が形成される。５つの第２ゲート電極１１２のうち両端にある一対の第２ゲート電極１１２により形成された電位障壁によって、単一の第１電子領域（孤立２次元電子領域）が形成される。内側にある３つの第２ゲート電極１１２による電位障壁によって、当該単一の第１電子領域が、相互に電気的に独立した４つの第１電子領域１０に分割される（図６（ａ）参照）。
【００４１】
赤外光検出器１００に赤外光が入射すると、光結合機構１１０により複数の第１電子領域１０のそれぞれに垂直な方向（ｚ方向）に振動電場Ｅｚが形成される（図４参照）。その結果、第１電子領域１０のそれぞれにおいて、前記のように電子が励起された上で量子井戸から脱出するとともに、伝導チャネル１２０に流入する（図５（ａ）参照）。そして、遮断状態における第１電子領域１０のそれぞれと、伝導チャネル１２０における第２電子領域２０のそれぞれとが中間層１０３を挟んだコンデンサとして機能し、第１電子領域１０のそれぞれに正電荷が蓄えられる。図６（ａ）には電子（黒丸）が矢印で示されているように第１電子領域１０から伝導チャネル１２０に流出し、第１電子領域１０に正電荷（白丸）が蓄えられる様子が模式的に示されている。
【００４２】
第１電子領域１０の正の帯電量ΔＱが増加することにより、中間層１０３におけるエネルギー高低差が消失した状態になると、第１電子領域１０の帯電量増加が停止して飽和する（図５（ｂ）参照）。図６（ｂ）には第１電子領域１０に多数の正電荷（白丸）がたまってその帯電量が増加した状態が模式的に示されている。
【００４３】
ここで、伝導チャネル１２０の電気伝導度の変化が飽和する前に、第１電圧制御装置１１３により第１ゲート電極１１１への印加電圧が下げられる。これにより、第１電子領域１０と第３オーミックコンタクト１２６との間に存在した電位障壁が解消され、第１電子領域１０が遮断状態から接続状態に切り替えられる。
【００４４】
そして、外部電子系としての第２電子領域２０から第１電子領域１０に電子が流入し、この電子が正電荷と結合することによって第１電子領域１０の帯電量が０に速やかにリセットされる。図６（ｃ）には第２電子領域２０が第３オーミックコンタクト１２６を介して第１電子領域１０と電気的に接続され、電子（黒丸）が矢印で示すように第１電子領域１０に流れ込み、正電荷（白丸）と結合する様子が模式的に示されている。
【００４５】
その後、第１電子領域１０のそれぞれが接続状態から遮断状態に切り替えられた上で、前記のように伝導チャネル１２０の電気伝導度の変化が繰り返し検出される。これにより、電流計１２８の測定値に基づいて伝導チャネル１２０の電気伝導度の変化を検出することにより入射した赤外光の積分値が高感度で検出されうる。
【００４６】
本発明の特徴は、伝導チャネル１２０において第１電子領域１０のそれぞれに対向する領域である第２電子領域２０のそれぞれを外部電子系として、第１電子領域１０のそれぞれの遮断状態と接続状態とが切り替えられる点にある。このため、遮断状態から接続状態に切り替えられるたびに第１電子領域１０のそれぞれのフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εF（＝基底サブバンドのレベルε0）と、第２電子領域２０のフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εFとが等しくなる。
【００４７】
その結果、第１電子領域１０のそれぞれおよび第２電子領域２０のそれぞれについて、エネルギーダイヤグラムが図５（ｂ）に示されている状態から図５（ａ）に示されている状態に復帰する。すなわち、第１電子領域１０のそれぞれにおける励起サブバンドのエネルギーレベルε1が、励起サブバンドに遷移した電子が第１電子領域１０から第２電子層１０４に容易にまたは高確率で流出しうる程度に十分に高い状態に復帰する。
【００４８】
たとえば、遮断状態から接続状態に切り替えられるたびに図７に示されているように４つの電気的に独立している第１電子領域１０のそれぞれのフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εF（＝量子井戸ＱＷ１１〜ＱＷ１４のそれぞれにおける基底サブバンドのレベルε0）と、第２電子領域２０のそれぞれにおけるフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εFとが等しくなる。
【００４９】
なお、第１電子領域１０のそれぞれの電子エネルギーレベルは独立に制御されうるのに対して、第２電子領域２０のそれぞれの電子エネルギーレベルは伝導チャネル１２０における電位勾配に応じて一律に制御される。
【００５０】
これにより、伝導チャネル１２０にｘ方向（指定方向）について電位勾配（一点鎖線参照）が存在しても、第１電子領域１０のそれぞれにおける励起サブバンドのレベルε1と、第２電子領域２０のそれぞれにおけるフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εFとの高低差が、当該励起サブバンドに遷移した電子が遮断状態の第１電子領域１０から容易にまたは高確率で脱出しうる程度に確保される（図７矢印参照）。
【００５１】
したがって、指定方向について伝導チャネル１２０の電位差（＝ソース−ドレイン電圧）を大きくしながらも（たとえば、第１電子領域１０が４つの場合には４０〜５０［ｍＶ］）、第１電子領域１０のそれぞれから伝導チャネル１２０、特に第２電子領域２０に電子を容易に脱出させることができる。
【００５２】
換言すると、単一の第１電子領域（＝孤立２次元電子領域）がｎ個（本実施形態ではｎ＝４）の第１電子領域１０に分割されているので、図７に示されているよう第１電子領域１０ごとのフェルミ準位（電気化学ポテンシャル）εFの増大が１／ｎ程度に抑制される。このため、第１電子領域１０のそれぞれの飽和帯電量が△Ｑsat＝（ε１−Ｕ1−ｅＶSD／ｎ）Ｃ／ｅとなり、ｅＶSD／ｎ≪ε１−Ｕ1＜ｈνの条件から、０．２２×ｎｈν／ｅ程度のソース−ドレイン電圧ＶSD、すなわち、分割前の単一の第１電子領域と比較して、ｎ倍程度の電圧を伝導チャネル１２０に印加可能となり、信号電流および感度もそれに比例して増大する。
【００５３】
図９には、単一領域がｎ個（ｎ＝４）の第１電子領域１０に分割されている本発明の一実施例としての赤外光検出器１００（図１参照）と、当該単一領域が単一の第１電子領域として採用されている従来型の赤外光検出器とのそれぞれの赤外光検知感度に関する実験結果が示されている。
【００５４】
図９（ａ）には赤外光検出器１００（実施例）におけるソース−ドレイン電流Ｉsdのソース−ドレイン電圧Ｖsdに対する依存性の測定結果が示されている。図９（ｂ）には赤外光検出器（比較例）におけるソース−ドレイン電流Ｉsdのソース−ドレイン電圧Ｖsdに対する依存性の測定結果が示されている。図９（ａ）および図９（ｂ）に示されている複数の曲線のそれぞれは、下から順に、リセット（図６（ｃ）参照）からの経過時間が０．２５［ｍｓ］〜１０［ｍｓ］まで０．２５［ｍｓ］刻みで異なる複数の時点のそれぞれにおける測定結果を表わしている。
【００５５】
図９（ｂ）から明らかなように、赤外光検出器（比較例）によれば、すべての条件下で電流信号ＩsdがＶsd＝２０［ｍＶ］程度で飽和する。したがって、２０［ｍＶ］程度までしかソース−ドレイン電圧Ｖsdを印加することができない。なお、Ｖsd＝５０［ｍＶ］以上の領域における電流信号Ｉsdの増大は光応答信号とは異なる機構が原因である。単一の第１電子領域１０のサイズが大きくされても同様の測定結果が得られる。
【００５６】
一方、図９（ａ）から明らかなように、赤外光検出器１００（実施例）によれば、すべての条件下で電流信号ＩsdがＶsd＝８０［ｍＶ］程度にまで線形に増大している。したがって、８０［ｍＶ］程度のソース−ドレイン電圧Ｖsdを印加することができる。すなわち、赤外光検出器１００（実施例）によれば、従来の赤外光検出器（比較例）と比較して赤外光検知感度がｘ倍（ｘ＝４）程度高くなっている。
【００５７】
（光結合機構の機能に関する実験結果その１）
光結合機構１１０の機能を確認するために赤外光検出器１００の量子効率ηが測定された。実験は４．２［Ｋ］で行われたが、本発明の赤外光検出器１００は２３［Ｋ］以下の任意の温度において光検出機能を十分発揮できることが確認されている。第１電子層１０２の電子密度ｎ1＝３．２×１０15［ｍ-2］かつ移動度μ1＝１．４［ｍ2／Ｖｓ］であり、第２電子層１０４の電子密度ｎ2＝３．９×１０15［ｍ-2］かつ移動度μ2＝４．４［ｍ2／Ｖｓ］である基板が実験に用いられた。
【００５８】
赤外検出器１００の量子効率ηは、ソース−ドレイン間の電流Ｉsd、１つの光子の吸収に応じたソース−ドレイン間の電流変化量ΔＩeおよび光量子束密度Φを用いて、関係式（０２）により表わされる。
【００５９】
η＝（∂Isd／∂t）／（ΦΔIe） ..(02)。
【００６０】
光量子束密度Φは、放射器の放射率ε、ＧａＡｓ窓を通じた減衰率ｆ、放射立体角Ω＝Ａdet／ｄ2（Ａdet：検出器面積。ｄ：放射器および検出器の間隔。）、放射面積Ａemおよび検出器１００のバンド幅Δλを用いて、絶対温度Ｔの関数として関係式（０４）により表わされる。
【００６１】
Φ(T)＝εfΩΔλB(λ, T)Aem／(hc／λ) ..(04)。
【００６２】
ここで、Ｂ（λ，Ｔ）はPlanckの黒体放射の関係式（０６）を表わしている。
【００６３】
B(λ, T)＝(2hc2／λ5)(exp{hc／λkBT}−1)-1..(06)。
【００６４】
図１０（ａ）には、第１電子領域１０における光量子束密度Φが異なる場合のそれぞれにおけるソース−ドレイン電流Isdの測定結果が示されている。光量子束密度Φが高くなるほどソース−ドレイン電流の時間変化率（∂Isd／∂t）が高くなること、すなわち、ｔ−Isd平面において一連の測定点の近似曲線の傾きが大きくなることがわかる。
【００６５】
図１０（ｂ）には、第１電子領域１０における光量子束密度Φと、第１電子領域１０から電動チャネル１２０等への電子流出率Ξ＝（∂Isd／∂t）／ΔIeとの測定結果が示されている。関係式（０２）から明らかなようにΦ−（∂Isd／∂t）／ΔIe平面における一連の測定点を表わす曲線の傾きが量子効率ηを表わす。この結果、量子効率ηが７．０［％］であることがわかった。
【００６６】
図１１には、別の基板を用いた赤外光検出器１００に関して、第１電子領域１０における光量子束密度Φと、第１電子領域１０から電動チャネル１２０等への電子流出率Ξ＝（∂Isd／∂t）／ΔIeとの測定結果が示されている。
【００６７】
（実施例１）図１１（ａ）は、図３（ａ）（ｂ）に示されている光結合機構１１０が形成されている場合の実験結果を表わしている。この場合、量子効率ηは７．８％であった。
【００６８】
（比較例１）図１１（ｂ）は、長さｌ＝２．８［μｍ］（＝１．０ｐ）、かつ、幅ｗ＝０．５［μｍ］の相互に中央部分で直交する線分により構成される十字形状の窓が、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに周期ｐ＝２．８［μｍ］（＝０．５３λ’）で相互に連続して配列されている金属薄膜により光結合機構１１０が形成されている場合の実験結果を表わしている。この場合、量子効率ηは１．６％であった。
【００６９】
（比較例２）図１１（ｃ）は、各辺の長さｗ＝３．３［μｍ］（＝０．８３ｐ）の正方形状の窓が、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに周期ｐ＝４．０［μｍ］（＝０．９１λ’）で相互に離れて配列されている金属薄膜により光結合機構１１０が形成されている場合の実験結果を表わしている。この場合、量子効率ηは１．５％であった。
【００７０】
（比較例３）図１１（ｄ）は、各辺の長さｗ＝１．９［μｍ］（＝０．４８ｐ）の正方形状の窓が、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに周期ｐ＝４．０［μｍ］（＝０．９１λ’）で相互に離れて配列されている金属薄膜により光結合機構１１０が形成されている場合の実験結果を表わしている。この場合、量子効率ηは２．５％であった。
【００７１】
以上の実験結果から、実施例１としての光結合機構１１０が、比較例１〜３と比較して量子効率を著しく向上させうることがわかる。
【００７２】
（光結合機構の機能に関する実験結果その２）
赤外光検出器１００の量子効率ηは、赤外光検出器１００に照射された光子のうち第１電子層１０２における電子をサブバンド間で遷移させた光子の比率を表わす第１因子η1と、第１電子層１０２においてサブバンド間で遷移した電子のうち第２電子層１０４に至った電子の比率を表わす第２因子η2とを用いて、関係式（０８）により表わされる（図４参照）。
【００７３】
η＝η1・η2..(08)。
【００７４】
窓形状として十字形状が採用され、窓の配列周期ｐを基準として、当該十字を構成する線分の長さｌ＝０．６ｐ、かつ、当該線分の幅ｗ＝０．１２ｐという共通の条件下で、当該周期ｐが異なる赤外光検出器１００のそれぞれについて、当該量子効率ηが測定された。
【００７５】
窓の配列周期ｐとして、６つの異なる周期３．０、３．５、４．０、４．５，５．０および５．５［μｍ］（＝０．６８λ’、０．８０λ’、０．９１λ’、１．０２λ’、１．１３λ’および１．２５λ’）のそれぞれが採用された。また、真空中の波長λ＝１４．７［μｍ］であり、基板中の波長λ’＝（λ／ｎ）＝４．４［μｍ］の赤外線が用いられた。
【００７６】
赤外光検出器１００を構成する基板として物性が異なる２つの基板が用いられた。第１の基板として、第１電子層１０２の電子密度ｎ1＝３．２×１０15［ｍ-2］かつ移動度μ1＝１．４［ｍ2／Ｖｓ］であり、第２電子層１０４の電子密度ｎ2＝３．９×１０15［ｍ-2］かつ移動度μ2＝４．４［ｍ2／Ｖｓ］である基板が用いられた。第２の基板として、第１電子層１０２の電子密度ｎ1＝２．９×１０15［ｍ-2］かつ移動度μ1＝６．５［ｍ2／Ｖｓ］であり、第２電子層（ＧａＡｓ層）１０４の電子密度ｎ2＝４．１×１０15［ｍ-2］かつ移動度μ2＝７．７［ｍ2／Ｖｓ］の基板が用いられた。
【００７７】
図１２には、第１の基板および第２の基板のそれぞれが用いられた赤外光検出器１００の量子効率ηの測定結果が示されている。
【００７８】
第１の基板が用いられた赤外光検出器１００の量子効率ηは、前記６つの異なる窓配列周期ｐのそれぞれについて、３．１［％］、５．０［％］、７．０［％］、４．５［％］、４．０［％］および５．１［％］であった。
【００７９】
第２の基板が用いられた赤外光検出器１００の量子効率ηは、５つの異なる窓配列周期ｐ＝３．０、３．５、４．０、４．５および５．０［μｍ］のそれぞれについて、０．８［％］、１．１［％］、２．０［％］、１．８［％］および１．３［％］であった。
【００８０】
参考のため、第１の基板が用いられ、かつ、各辺の長さｗ＝２．０［μｍ］（＝０．５０ｐ）の正方形状の窓が、ｘ方向およびｙ方向のそれぞれに周期ｐ＝４．０［μｍ］（＝０．９１λ’）で相互に離れて配列されている金属薄膜により光結合機構１１０が形成されている場合、量子効率ηは１．５［％］であった。
【００８１】
第１の基板および第２の基板の別に応じた量子効率ηの相違は、第２因子η2の相違によっていると考えられる（関係式（０８）参照）。
【００８２】
図１２の実線は窓形状が十字形状である場合における量子効率ηのシミュレーション結果を示している。図１２の破線は窓形状が矩形状である場合における量子効率ηのシミュレーション結果を示している。図１２から、シミュレーションによれば、量子効率ηはｐ＝３．８［μｍ］においてピークを示す一方、実験によれば、量子効率ηはｐ＝４［μｍ］付近でピークを示していることがわかる。
【００８３】
このシミュレーションは、厚さ５［μｍ］で屈折率ｎ＝３．３４のＧａＡｓ基板の上面に厚さ１００［ｎｍ］の金層が上面に形成されているという条件下で行われた。第１電子層１０２および第２電子層１０４を構成するＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ層の存在は無視された。
【００８４】
入射光がｘ方向に振動する電場Ｅ（ｚ，ｔ）＝［Ｅ0ｅｘｐ（ｉ（−ｋｚ＋ωｔ）），０，０］により表わされる場合における、第１電子領域１０が存在するｚ＝−１００［ｎｍ］における電場のｚ成分Ｅz（ｘ，ｙ）ｅｘｐ（ｉωｔ）が計算された。窓の周期的な配列に鑑みた境界条件が適用された上で計算が行われた。その上で、＜Ｅz2＞／Ｅ02が計算された。＜Ｅz2＞は、ｚ＝−１００［ｎｍ］のｘ−ｙ平面における電場のｚ成分Ｅz（ｘ，ｙ）の二乗平均値を表わしている。
【００８５】
図１３（ａ）には、十字形窓についてｆ＝ｌ／ｐが相違する複数の場合における＜Ｅz2＞／Ｅ02の計算結果が示されている。図１３（ｂ）には、矩形窓についてｆ＝ｌ／ｐが相違する複数の場合における＜Ｅz2＞／Ｅ02の計算結果が示されている。特に、図１３（ａ）からわかるように、十字形窓については第１電子領域１０における電場ｚ成分の振幅｜Ｅz｜が、入射光の電場の振幅｜Ｅ0｜よりも大きくなる場合がある。
【００８６】
図１４（ａ）には、窓が十字形であり、当該窓の配列周期ｐ＝４．０［μｍ］であり、かつ、ｆ＝０．５である場合における、第１電子領域１０の複数の位置における電場ｚ成分Ｅz（ｘ，ｙ）の計算結果が示されている。図１４（ｂ）には、窓が正方形であり、当該窓の配列周期ｐ＝４．４［μｍ］であり、かつ、ｆ＝０．５である場合における、第１電子領域１０の複数の位置における電場ｚ成分Ｅz（ｘ，ｙ）の計算結果が示されている。図１４において濃度が高い箇所は電場ｚ成分の振幅｜Ｅz｜が大きい箇所を示している。図１４からわかるように、第１電子領域１０において電場ｚ成分Ｅzが大きい箇所は局所的に集中していることがわかる。
【００８７】
第１因子η1は、第１電子領域１０における電子のサブバンド間遷移の確率Ｗ10に比例し、当該確率Ｗ10は第１電子層１０２における電場ｚ成分の振幅｜Ｅz｜の二乗に比例する。このため、電場ｚ成分の振幅｜Ｅz｜が大きくなるほど、量子効率ηが高くなる。
【００８８】
第１因子η1は、第１電子領域１０の電子密度ｎ1、Dirac定数hbar、サブバンド間のエネルギー差ω10、電子の有効質量ｍ*および振動子強度ｆ10を用いて、関係式（１０）により表わされる。
【００８９】
η1＝[n1hbarω10／(2m*ω2cε0)]f10／{(hbarω10−hbarω)2＋Γ2}×[<Ez2>／E02] ..(10)。
【００９０】
（本発明の他の実施形態）
なお、第１電子領域１０のそれぞれの外部電子系として、前記実施形態では伝導チャネル１２０における第２電子領域２０のそれぞれが採用されたが、他の実施形態として前記所定条件が満たされるようなあらゆる外部電子系が採用されてもよい。たとえば、第１電子領域１０のそれぞれについて、伝導チャネル１２０において第２電子領域２０のそれぞれよりも高電位の領域、または、第１オーミックコンタクト１２２が外部電子系として採用されてもよい。また、第１電子領域１０のそれぞれについて、伝導チャネル１２０において第２電子領域２０のそれぞれよりも低電位の領域が外部電子系として採用されてもよい。
【００９１】
前記実施形態では第１電子領域１０のそれぞれについてフェルミ準位が相違する外部電子系が採用されたが、他の実施形態として２以上の第１電子領域１０についてフェルミ準位が共通する外部電子系が採用されてもよい。たとえば、第１電子領域１０のそれぞれの外部電子系として、伝導チャネル１２０においてもっとも高電位側にある一の第２電子領域２０が採用されてもよい。
【００９２】
本発明のアンテナ１１０が国際公開公報 ＷＯ２００６／００６４６９Ａ１（特許文献１）記載の赤外光検出器、または、特開２００８−２０５１０６号公報（特許文献２）記載の赤外光検出器等、ＣＳＩＰを構成要素とするさまざまな高感度の赤外光検出器に適用されてもよい。
【００９３】
窓が図３（ｂ）に示されているような十字形状のほか、図１５（ａ）〜図１５（ｈ）のそれぞれに示されているように、一部の内角が鈍角となるようなさまざまな多角形状に形成されてもよい。
【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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【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１５】
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【図９】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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