(57)【要約】メゾスコピック古典的閉じ込めを使用して、自由キャリアの定常状態不平衡分布を形成するようになされた方法及び特殊媒体。特殊媒体はシリコンをベースとしたもの（例えば、結晶シリコン、アモルファスシリコン、二酸化ケイ素）であり、二酸化ケイ素などの広バンドギャップ材料のマトリックスで埋め込まれたメゾスコピックサイズの粒子から形成される。ＩＲから可視光へのイメージングシステムが上記の周囲に実施される。
2007502031.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由キャリアの定常状態不平衡分布を形成する方法であって、
広バンドギャップ材料内に埋め込まれたメゾスコピックサイズの領域から形成される複合構造を提供するステップと、
自由キャリアを前記複合構造に導入するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記メゾスコピックサイズの領域が結晶シリコン粒子であり、前記広バンドギャップ材料が二酸化ケイ素である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
自由キャリアの前記導入が、光ポンピングエネルギーで前記複合構造を照射することによって達成される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記光ポンピングエネルギーが波長の範囲にわたって同調可能である、請求項４に記載の方法。
【請求項５】
前記複合構造を照射することが、前記光ポンピングエネルギーが前記複合構造の表面に直接加えられるように、前記光ポンピングエネルギーの発生源を提供することを更に備える、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記複合構造を照射することが、前記光ポンピングエネルギーが透明支持層を経て前記複合構造の表面に加えられるように、前記光ポンピングエネルギーの発生源を提供することをさらに備える、請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記複合構造を照射することが、
前記複合構造を経て前記光ポンピングエネルギーを反射するようになされた導波路構造を形成するステップと、
前記光ポンピングエネルギーの発生源を前記導波路構造に光学的に結合するステップと、
を更に備える、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記導波路構造が、可視光スペクトル、ＩＲスペクトル及び近ＩＲスペクトルに対応する電磁スペクトルの光波長を通過させる、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
導波路構造を形成する前記ステップが、
前記複合構造の下に第１反射層を形成するステップと、
前記複合構造の上に第２反射層を形成するステップと、
を更に備える、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
複合構造を形成する方法であって、
広バンドギャップ材料の第１層を形成するステップと、
粒子材料の第２層を前記第１層の上に形成するステップと、
前記第２層からメゾスコピック粒子を形成するステップと、
広バンドギャップ材料の第３層を、前記メゾスコピック粒子が該広バンドギャップ材料内に埋め込まれるように形成するステップと、
を含む方法。
【請求項１１】
前記広バンドギャップ材料が二酸化ケイ素であり、前記粒子材料がアモルファスシリコンであり、
メゾスコピック粒子を形成する前記ステップが、前記アモルファスシリコンから結晶シリコン粒子を形成することを更に備える、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
複合構造を形成する方法であって、
広バンドギャップ材料のマトリックスを少なくとも部分的に形成するステップと、
広バンドギャップ材料の前記マトリックス内においてメゾスコピック粒子を形成するステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
メゾスコピック粒子を形成する前記ステップがフォトリソグラフィプロセスを更に備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
メゾスコピック粒子を形成する前記ステップがレーザ再結晶化プロセスを更に備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
メゾスコピック粒子を形成する前記ステップがマグネトロンスパッタリングプロセスを更に備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
メゾスコピック粒子を形成する前記ステップが改善された化学蒸着プロセスを更に備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記広バンドギャップ材料が二酸化ケイ素であり、
メゾスコピック粒子を形成する前記ステップが、
シリコンベース層を前記広バンドギャップ材料の上に形成するステップと、
メゾスコピックサイズの領域を形成するために前記シリコンベース層をエッチングするステップと、
前記メゾスコピックシリコン粒子を形成するために、結果的な構造をアニーリングするステップと、
を更に備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
シリコンベース粒子層をエッチングする前記ステップが、前記シリコンベース層をエッチングする前に、金属粒子が含浸されたフォトレジストで前記シリコンベース層をコーティングすることを更に備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記シリコンベース層と前記広バンドギャップ材料とのうちの少なくとも一方が、アモルファスシリコン、結晶シリコン、シリコン酸化物、シリコン窒化物及びシリコンセラミックからなるグループから選択されたものである、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
複合構造を形成する方法であって、
シリコンベース層を形成するステップと、
犠牲層を前記シリコンベース層の上に形成するステップと、
金属粒子が含浸された液体フォトレジストで前記犠牲層をコーティングするステップと、
前記金属粒子の下に前記犠牲層の保護アイランドを形成するために、前記犠牲層をエッチングするステップと、
メゾスコピック粒子を形成するために、前記シリコンベース層を現像するステップと、を含む方法。
【請求項２１】
赤外線放射を可視光にアップコンバートする方法であって、
広バンドギャップ材料のマトリックス内に埋め込まれたメゾスコピック粒子から形成された複合構造の第１表面上に、選択されたバンドの赤外線放射を収束させるステップと、
前記複合構造を光ポンピングエネルギーで照射するステップと、
を含む方法。
【請求項２２】
前記選択されたバンドの赤外線放射を形成するために、周囲赤外線放射をフィルタリングすることを更に備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１表面に対向する、前記複合構造の第２表面から可視光イメージング回路へ可視光を通過させることを更に備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記光ポンプエネルギーから前記可視光イメージング回路を光学的に隔離することを更に備える、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記複合構造を光ポンプエネルギーで照射する前記ステップが、光ポンピングエネルギーを前記複合構造の前記表面に直接加えることを更に備える、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記複合構造を光ポンプエネルギーで照射する前記ステップが、
透過層を経て前記複合構造の前記第２表面に光ポンピングエネルギーを加えることを更に備える、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記複合構造を光ポンプエネルギーで照射する前記ステップが、
前記複合構造を経て前記光ポンピングエネルギーを反射するようになされた導波路構造を形成するステップと、
前記光ポンピングエネルギーの発生源を前記導波路構造に光学的に結合するステップと、
を更に備える、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記導波路構造が前記可視光スペクトルの少なくとも一部分を通過させる、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記導波路構造が赤外線光スペクトルの少なくとも一部分を通過させる、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記複合構造を光ポンピングエネルギーで照射する前記ステップが、
波長可変光ポンピングエネルギーで前記複合構造を同調可能に照射するようになされた光エネルギー源を提供するステップと、
２つ以上の光ポンピングエネルギー波長間において前記光エネルギー源を同調させるステップと、
を更に備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項３１】
赤外線放射を可視光にアップコンバートする方法であって、
広バンドギャップ材料のマトリックス内に埋め込まれたメゾスコピック粒子から形成された複合構造の第１表面上において赤外線放射を受け取るステップと、
前記複合構造に加えられた光ポンピングエネルギーの波長を変化させることによって、前記可視光の出力波長を選択的に同調するステップと、
を含む方法。
【請求項３２】
前記複合構造の第１表面において前記赤外線放射を受け取る前に、前記赤外線放射と前記可視光スペクトルとのうちの少なくとも一方を選択的にフィルタリングすることを更に
備える、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記可視光の前記出力波長を選択的に同調する前記ステップが、同調可能レーザを変化させることを備える、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記可視光の前記出力波長を選択的に同調する前記ステップが、前記光ポンピングエネルギーを前記複合構造に加える前に、広バンドポンピングレーザの出力を選択的にフィルタリングすることを備える、請求項３１に記載の方法。
【請求項３５】
内部に埋め込まれたメゾスコピックサイズ粒子を有する広バンドギャップ材料の層を備える複合構造。
【請求項３６】
前記メゾスコピックサイズ粒子が結晶シリコン粒子であり、前記広バンドギャップ材料が二酸化ケイ素層である、請求項３５に記載の複合構造。
【請求項３７】
複合構造の下に形成された第１反射層と、複合構造の上に形成された第２反射層とを更に備え、前記第１反射層及び前記第２反射層が前記複合構造の回りに導波路構造を形成するために共働する、請求項３５に記載の複合構造。
【請求項３８】
前記導波路構造が前記可視光スペクトルの少なくとも一部分を通過させる、請求項３７に記載の複合構造。
【請求項３９】
前記導波路構造が前記赤外線スペクトルの少なくとも一部分を通過させる、請求項３７に記載の複合構造。
【請求項４０】
前記導波路構造により光エネルギーと結合するようになされた、請求項３７に記載の複合構造。
【請求項４１】
前記メゾスコピックサイズ粒子と前記広バンドギャップ材料との間の界面状態が清浄に、且つ介在する未冷却界面状態がほぼ存在しないように形成される、請求項３５に記載の複合構造。
【請求項４２】
前記結晶シリコン・メゾスコピックサイズ粒子と前記二酸化ケイ素層との間の界面状態が清浄に、且つ介在する遷移酸化ケイ素材料がほぼ存在しないように形成される、請求項３６に記載の複合構造。
【請求項４３】
前記メゾスコピック粒子がシリコンベース材料層から形成される、請求項３５に記載の複合構造。
【請求項４４】
前記シリコンベース材料層に等電位元素がドープされる、請求項４３に記載の複合構造。
【請求項４５】
前記シリコンベース材料層に希土類元素がドープされる、請求項４３に記載の複合構造。
【請求項４６】
自由キャリアの定常状態不平衡分布を形成する方法であって、
広バンドギャップ材料のマトリックス内に埋め込まれたシリコンベース・メゾスコピック粒子から形成される複合構造を提供するステップと、
前記複合構造を光ポンピングエネルギーで照明するステップと、
を備え、前記シリコンベース・メゾスコピック粒子に少なくとも１つの等電位元素と希土
類元素がドープされる方法。
【請求項４７】
内部に埋め込まれたメゾスコピックサイズ粒子を有する広バンドギャップ材料の層から形成される複合構造の第１表面上にＩＲ放射を収束させる光学機器サブシステムと、
光ポンピングエネルギーを前記複合構造に加える光ポンピング源と、
前記複合構造の第２表面から可視光を受け取る可視光イメージング回路と、
を備える赤外線（ＩＲ）イメージングシステム。
【請求項４８】
前記メゾスコピックサイズ粒子が結晶シリコン粒子であり、前記広バンドギャップ材料がＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４又はアモルファスシリコンからなるグループから選択された１つである、請求項４７に記載の赤外線（ＩＲ）イメージングシステム。
【請求項４９】
前記赤外線スペクトルの一部を前記複合構造の前記第１表面に選択的に通過させる第１光フィルタを更に備える、請求項４７に記載の赤外線（ＩＲ）イメージングシステム。
【請求項５０】
前記可視光撮像回路を前記光ポンプエネルギーから隔離する第２光フィルタを更に備える、請求項４９に記載の赤外線（ＩＲ）イメージングシステム。
【請求項５１】
前記光ポンピング源が光ポンプエネルギーで前記複合構造の前記第１表面を直接照明する、請求項５０に記載の赤外線（ＩＲ）イメージングシステム。
【請求項５２】
前記光ポンピング源が前記複合構造の前記第２表面を照明する、請求項５０に記載の赤外線（ＩＲ）イメージングシステム。
【請求項５３】
前記複合構造の回りに形成された導波路構造を更に備え、前記光ポンピング源が前記導波路構造を経て前記複合構造に光学的に結合される、請求項５０に記載の赤外線（ＩＲ）イメージングシステム。
【請求項５４】
前記導波路構造が前記可視光スペクトルの少なくとも一部分を通過させる、請求項５３に記載の赤外線（ＩＲ）イメージングシステム。
【請求項５５】
前記導波路構造が前記赤外線光スペクトルの少なくとも一部分を通過させる、請求項５３に記載の赤外線（ＩＲ）イメージングシステム。
【請求項５６】
前記光ポンピング源が、前記複合構造を波長可変光ポンピングエネルギーで照射するようになされた調節可能光エネルギー源である、請求項４７に記載の赤外線（ＩＲ）イメージングシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００３年６月１２日に出願された米国仮出願６０／４７７７５２の利益を主張する。
発明の背景
本発明は、特殊な媒体と、自由キャリアの光誘導定常状態不平衡電子分布（「ＳＮＥＤ」）がメゾスコピック古典的閉込め（「ＭＣＣ」）を使用して展開される関係する方法とを提供する。ＭＣＣを使用する自由キャリアの光誘導ＳＮＥＤは、例えば、赤外線（ＩＲ）放射検出及び関係するイメージングシステム、光変調、光学的切替え、波分割多重化、光増幅器、レーザ、データメモリ及びカラーディスプレイを含む、広範な技術分野にわたって応用される。
【０００２】
関連技術の説明
材料科学の進歩により、半導体及び誘電体などの有用な材料の異なる構造複合物を創出することによって、特定の物理的特性を有する人工材料に携わる能力が、近年大きく向上した。広範なクラスの半導体材料のうち、シリコンはほぼ全ての現在のマイクロエレクトロニクスを支えており、予見可能な将来についても支え続けるであろう。しかし、シリコンの間接バンドギャップの性質は、光電子デバイス及びフォトニックデバイスなどの応用分野における有用性を大きく制限する。そのような応用分野は、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）などの直接バンドギャップ材料が依然として優勢である。その結果、シリコンをベースとするエレクトロニクスとシリコンをベースとしないフォトニクスとの融合は、しばしば生産が高価且つ複雑であるハイブリッド技法の発展を大いに必要とした。
【０００３】
多数の商業的応用が、「シリコンをベースとする」光電子デバイスを追求するよう材料科学者を駆り立て続けている。望ましい全シリコン構成要素には、例として、レーザ及び他の光エミッタ、変調器、並びに光検出器がある。これらの構成要素は、赤外線イメージングを含む多くの応用分野において応用される。
【０００４】
赤外線イメージングは、電磁スペクトルの特定部分に存在するエネルギーの遠隔感知及びその後の表示である。表示像強度の変化が、像場にわたる見かけの温度変化を表す。検出された放射は対象物の表面から放出されるように見えるが、実際には、自己放出、反射放射及び大気経路放射からなる。対象物を背景から区別するために、検出放射は背景放射から区別されなければならない。
【０００５】
実際の単一要素赤外線検出器が、鉛塩化合物（ＰｂＳ）を使用して第２次大戦中に開発された。この基本的な技術の手法は大きく改良されたが、依然として今日でも使用されている。
【０００６】
少なくとも１９７０年代以来、ＩＲイメージングへの期待は、ＩＲ検出能力を向上させる（すなわち、改善された検出及び応答時間を有するＩＲ光検出器を創る）ために大量のリソースを消費させた。ＩＲイメージングシステムの応用分野には軍事及び商用がある。軍事応用分野には、とりわけ、対象確保、射撃統制、査察及びナビゲーションがある。商用応用分野は、民間、環境、産業及び医療を含む広範な分野に及ぶ。
【０００７】
従来の赤外線イメージングシステムは通常は複数のサブシステムからなる。図１は、幾つかのこれらのサブシステムを示す。対象物の表面から放出されるＩＲは光学機器サブシステムの１つ又は複数のレンズによって収集される。機械的スキャナ組み立て体が、検出
器の瞬間視野を撮像視野にわたって移動させるために、光学サブシステムに組み込まれることがある。走査システムにおいて、単一の検出器からの出力は、商用テレビジョンとほとんど同じ方式でラスタ走査線を使用して、画像化されるシーンの強度を展開させるために使用され得る。ステアリング（staring）フォーカルプレーン・アレイ（ＦＰＡ）を用いるのでスキャナは存在せず、アレイにおける個々の検出器の出力はシーンの変化を提供する。光学機器サブシステムに関連付けられた光フィルタは、或る波長の光を選択的に通過させる又は遮断するために使用されることが多い。
【０００８】
光検出器は各赤外線イメージングシステムの中心であり、それは光検出器がシーンの放射を測定可能な（又は表示可能な）出力信号に変換するからである。従来は、増幅及び信号処理によって電子像が作り出される。この場合、電圧差が、視野における物体から得られるＩＲ放射強度差を表す。
【０００９】
ステアリング・アレイ又は走査検出器に基づくシステムの各検出器は、通常、それ自体の増幅器を有する。増幅器の出力は共に多重化され、次いでデジタル化される。共に多重化されるチャネルの数は特定のシステム設計に依存する。しかし、従来のシステムは、典型的には、並行して動作する幾つかのマルチプレクサ及びアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器を有する。
【００１０】
信号は典型的にはデジタル化されるが、これはデジタルデータを加工及び記憶することが比較的容易だからである。従来の赤外線イメージングシステムは、利得／レベルの正規化、像の改善及び走査線の内挿について、ソフトウエアに大きく依存する。これらの検出後の電子回路の全てが図１において一般化されている。増幅、デジタル化、像再構築及び再構築後の処理に続いて、検出されたＩＲ像に対応する出力信号が制御、監視、測定、及び／又は表示の装置に伝達される。
【００１１】
赤外線（並びに、その短縮形である「ＩＲ」）という用語は、幾つかの従来の応用分野に従って、異なる意味を与えられてきた。例えば、いわゆる赤外線フィルムは一般に約０．８５μｍの波長に対して鋭敏である。０．７μｍを超える波長に対するスペクトル応答は「赤外線」と一般に呼ばれるシステムを生じることが多い。実際、赤外線という用語は、０．７μｍから１．０ｍｍにわたる電磁スペクトルの１つ又は複数の部分を記述するために使用されてきた。
【００１２】
本発明の文脈において、赤外線及びＩＲという用語は、システム応答、放射信号及び／又は０．７μｍにおいて始まる近赤外線範囲から約１００μｍにおいて終了する極赤外線範囲にわたる電磁スペクトルの部分を広範に記述するために、交換可能に使用される。具体的には、赤外線及びＩＲという用語は、２．０〜７．０μｍの中間波長赤外線（ＭＷＩＲ）バンド、及び７．０〜１５．０μｍの長波長赤外線（ＬＷＩＲ）を少なくとも含む。ＭＷＩＲバンドは、３．０〜５．５μｍの波長を含む第１の熱的イメージングバンドを含み、ＬＷＩＲバンドは、８．０μｍと１４．０μｍとの間の波長を含む第２の熱的イメージングバンドを含むことに特に留意されたい。これらの２つの熱的イメージングバンドは、ＩＲ放射の効率的な伝播を可能にすることが有利である周知の大気透過ウィンドウと１対１に関係する。ほとんどの従来のＩＲ応用分野は、これらの２つのイメージングバンドの１つ又は両方の内部におけるＩＲ波長の検出に依存する。
【００１３】
実際、ほとんどの従来のイメージングシステムは、検出される１つ又は複数のＩＲ波長の事前決定によって、第１の又は第２の熱的イメージングバンドに限定される。例えば、Ｈｇ１−ｘＣｄｘＴｅ（ｘ＝０．２）量子検出器、ナトリウム金属蒸気デバイス及びＺｎＧｅＰ２又はＡＧ３ＡｓＳ３非線形結晶ベースのシステムは、第２の熱的イメージングバンドにおいてＩＲ波長を検出する。対照的に、ＩｎＳｂ光検出器、量子カウンタ（ＣＷ及
びパルス状）、セシウム金属蒸気検出器及びＬｉＮｂＯ３非線形結晶ベースのシステムは、第１の熱的イメージングバンドにおいてＩＲ波長を検出する。第１の熱的イメージングバンド又は第２の熱的イメージングバンドに制限されることは、実際の技術がＩＲ検出を可能にすることとは無関係に、従来のＩＲイメージングシステムに起因する重要な性能限定である。マルチカラー能力が先進ＩＲシステムでは高度に望ましい。別々のＩＲスペクトルバンドにおいてデータを収集するシステムは、シーンの物体の絶対温度及び固有の特徴を識別することができる。複数バンド検出も、先進カラー処理アルゴリズムが単一カラーデバイスの感度を超えて感度を更に向上させることを可能にする。
【００１４】
現在、マルチスペクトル・システムは、光信号を複数のＩＲ  ＦＰＡにわたって分散させるか又はフィルタ輪を使用して、単一ＦＰＡの上に集束された像をスペクトルで識別する厄介なイメージング技法に依存している。その結果、これらの手法はサイズ、複雑さ及び冷却要件について高価である。
【００１５】
赤外線イメージングシステムは、サーモメータとは異なり、暖冷を実際には感知しない。むしろ、そのようなシステムは、対象となる事前に確定されたバンドにおける電磁放射を感知する。この検出バンドの相対的な広さ又は狭さは重要なイメージングシステム特性である。
【００１６】
最も広範な文脈において、光検出器又は光センサは、検出バンドの入射放射を測定可能な又は表示可能な電気信号に「変換する」任意のデバイスである。光検出プロセスは、２つのステップ、すなわち、（１）或るデバイスパラメータ（例えば、導電性、電荷キャパシタンス、電圧、温度など）の対応する変化を生じさせる入射赤外光の吸収、及び（２）変化パラメータの或る測定可能値（例えば、電圧、電流など）への変換、を一般に備えるとして定義することができる。ＩＲ検出器技術の進歩は、光子検出器のクラスに含まれる半導体ＩＲ検出器に主に関連付けられる。検出器のこのクラスにおいて、放射は電子と相互作用することによって材料内に吸収される。観測された電気出力信号は、変化した電子エネルギー分布から得られる。光子検出器は、単位入射放射電力あたりの応答の選択的波長依存性を示す。光子検出器は、完全な信号対雑音性能及び極めて迅速な応答を呈するが、これを達成するためには光子検出器は極低温冷却を必要とする。冷却要件は、半導体光検出器に基づくＩＲシステムの一層普及した使用に対する主な障害であり、大型で重く、高価で使いにくい。相互作用の性質に応じて、光子検出器のクラスは異なるタイプに更に分割される。最も重要なのは、内因的検出器、外因的検出器、光放出（金属ケイ化物ショットキー障壁）検出器及び量子井戸検出器である。
【００１７】
ＩＲ検出器の第２クラスは熱検出器からなる。熱検出器において、入射放射は材料の温度を変化させるために吸収され、幾つかの物理特性の結果的な変化は電気出力を生成するために使用される。検出器要素はラグの上につるされ、ラグは熱シンクに接続される。熱効果は一般に波長に独立である。信号は放射電力（又はその変化率）に依存するが、スペクトル内容には依存しない。焦電気検出器では、内的瞬間偏極の変化が測定されるが、ボロメータの場合には電気抵抗の変化が測定される。光子検出器とは対照的に、熱検出器は典型的には室温において動作する。熱検出器は適度の感度及び遅い応答を通常は特徴とするが、安価で使用が容易である。ＩＲ技術の最も優れた有用性は、ボロメータ、焦電気検出器及びサーモパイルにおいて見られる。９０年代まで、熱検出器は、光子検出器と比較して、商用及び軍事のシステムにおいてあまり利用されてこなかった。この格差の理由は、熱検出器は光子検出器と比較してかなり緩慢で鋭敏ではないと一般的に考えられていたからである。その結果、熱検出器を開発する世界的な努力は光子検出器の場合と比較して極端に小さかった。しかし、この１０年間、ＴＶフレームレートで無冷却で動作する大きな熱検出器アレイから極度に良好な像を得ることができることが示された。熱検出器の速度は、２次元（２Ｄ）検出器を有する非走査型イメージャには極めて適切である。熱検出
器の適度の感度は、２Ｄ電子走査アレイにおける多数の要素によって補償することができる。
【００１８】
熱ＩＲ検出器を実施する特定の技術間には製造と動作とのトレードオフが存在するが、それらは共通の積極的な特性、即ち、
精巧な外部冷却システムを必要としないような室温における動作、
向上された検出感度を可能にする大きなフォーマット実行可能性、
比較的低電力の消費及び保全の容易さ、
軽量でコンパクトな性質、
従来のシリコン及び／又は集積回路材料を使用し、従来の処理技法を使用する高い製造可能性（すなわち、高い歩留まり）、
低コスト、
という特性を一般に共有する。
【００１９】
上記に列挙された最後の利点は最も顕著であろう。熱ＩＲ検出器が低コストであることはローエンド商用応用分野において普及していることを説明している。すなわち、従来の熱ＩＲ検出器は製造及び動作が比較的簡単であるため、コスト考慮事項が性能考慮事項より優先するローエンド及び中間領域の応用分野によく適している。
【００２０】
この現実は、
低検出性（すなわち、限定された識別範囲）、
低空間分解能、
緩慢な応答時間、
精巧な較正及びコストのかかる補正エレクトロニクスを必要とする低感度、
断熱のための真空パッケージの必要性、
温度を安定させるための或る形態の熱電気冷却を頻繁に必要とすること、
を含む、熱ＩＲ検出器に関連付けられる共通の欠点のリストを考慮すると、明らかに一目瞭然である。
【００２１】
熱ＩＲ検出器と光子（又は量子）ＩＲ検出器との対照性は顕著である。光子検出器の従来の実現態様には、例として、ケイ化物ショットキィ障壁デバイス（ケイ化白金）、ＩｎＳｂ（インジウム・アンチモン）、ＨｇＣｄＴｅ（水銀・カドミウム・テルル又はＭＣＴ）、バンドギャップ・エンジニアド・サブバンド間光検出器、ガリウム・ヒ素（ＧａＡｓ）量子井戸赤外線光検出器（ＱＷＩＰ）、ＩｎＳｂ／ＩｎＡｓタイプII超格子及び量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）がある。
【００２２】
これらの技法のそれぞれは、光子の実際のエネルギーとは対照的に、吸収される光子の数に関係する出力信号を示す光子ＩＲ検出器をもたらす。一般に、光子吸収プロセスによって生じるエネルギー状態間の電子／正孔遷移に関して、電流が生成される。以後、吸収された光子の数に関して変化する信号を出力する全てのＩＲ検出器は、「光子（又は量子）ＩＲ検出器」と呼ばれる。再び、製造と動作のトレードオフが光子ＩＲ検出器を実施する特定の技術間に存在するが、それらは以下の積極的な特性、すなわち、
高い空間分解能及び熱分解能、
長い識別距離を可能にする高検出性、
迅速な応答時間、
背景の自然物体と人工物体との識別を可能にする偏光の検出、
という特性の組を一般に共有する。
【００２３】
驚くべきことではないが、従来の光子ＩＲ検出器はハイエンドの商用及び軍事の応用分野において優位である。すなわち、従来の光子ＩＲ検出器は優れた性能を提供するので、
性能考慮事項がコスト考慮事項より優先するハイエンド応用分野において優位である。
【００２４】
光子ＩＲ検出器に一般的に関連付けられる欠点には、
異種材料の必要な組み合わせによって生じる均一性の問題、
多くのステップ及び低いデバイス歩留まりを含む困難な製造プロセス、
現在のシリコン処理技法との材料及び処理の非両立性、
通常は極低温までの冷却要件、
困難な補修問題及び高い電力消費、
高コスト、
が含まれる。
【００２５】
従来の光子ＩＲ検出器に関連する欠点の多くは注目に値する。実際、これらの欠点は、ハイエストエンドで最もコストのかかる応用分野を除くすべての応用分野において、光子ＩＲ検出器によって提供される注目すべき検出性能をはるかに上回っていた。
【００２６】
個々の光子検出器は歩留まりが低く、不均一なことが多いことを考えると、大きなフォーマットのアレイを得ることが最も困難である。異種組成材料は特注製造ラインと高度に特化された処理技術とを必要とする。シリコンをベースとする半導体製造という成熟した分野との両立性が欠けていることは、精巧な外部冷却システムを設けるという大きな負担（財政的、補修及び技術上）とともに、極めて高価でしばしば大型のＩＲ検出システムを実現することになる。
【００２７】
上記の実施可能な技術の例示的なリストから明らかなように、妥当な価格で実施され得る高性能ＩＲ検出器を特定するために、多大な努力が行われてきた。最近、マイクロボロメータの開発により、熱ＩＲ検出器に大きな進歩がなされた。例えば、ブラディ（Ｂｒａｄｙ）等、「アモルファスシリコン無冷却ＩＲシステムの進歩（Ａｄｖａｎｃｅｄ  ｉｎ
Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｕｎ−ｃｏｏｌｅｄ  ＩＲ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）」、ＳＰＩＥ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ＸＸＶ、フロリダ州オーランド、ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．３６９８、１９９９年４月を参照されたい。しかし、これらのデバイスは比較的大きな要素サイズと緩慢な応答速度の悪影響を依然として受ける。さらに、複雑なＭＥＭＳ（微小電気機械）プロセス技術が、これらのデバイスの製造に関係する。
【００２８】
ＩＲ感度があって比較的低コストで製造可能な改良されたＱＷＩＰデバイスの開発により、光子ＩＲ検出器においても最近の進歩がなされている。ＱＷＩＰデバイスは遠赤外線まで及ぶ波長を検出し、ＩＲ検出範囲を大きく拡大する。更に、ＱＷＩＰデバイスは偏光感度検出等の新しい機能特徴を提供する。しかし、これらのデバイスは、最適な性能を達成するために、暗電流を低減するように８０°Ｋより著しく低い温度において動作しなければならない。低い動作温度は、タイプIII-V半導体材料に基づくＱＷＩＰに対する根本的な制限である。これは、これらの材料内において縦方向光学フォノンの強度が高いためであり、その結果、電子の極めて強い熱励起が生じる。したがって、そのような構造は大きな暗電流及び雑音を特徴とする。ＱＷＩＰの更なる欠点は垂直入射光を検出できないことであるが、それは、量子井戸構造の層平面に垂直な電場成分を必要とする「量子力学的偏極規則」のためである。この偏極規則は４５°のファセットを介して構造を照射することによって満たすことができるが、これは単一要素検出器又は線形アレイのみに対する実現可能な解決法である。偏極規則を満たす他の方法は、２次元検出器アレイの場合に実際に重要である回折格子を使用することである。その結果、ＱＷＩＰは低い量子効率を有しており、適切な検出性を達成するためには信号について長い積分時間を必要とする。
【００２９】
最近開発されたＱＤＩＰは、小さい暗電流及び法線入射光に対する固有感度を含む多く
の利点を提供する。また、ＱＤＩＰは高い温度においても動作する。しかし、量子ドット構造の成長技法が依然として早期研究／開発段階にあり、量子ドット技術は成熟にはほぼ遠い。ドットの密度、サイズ及び形状一様性の制御、並びに処理の安定性及び反復性に関する問題は、依然として深刻な課題を提起する。全ての相対的な期待にもかかわらず、ＱＷＩＰと同様に、ＱＤＩＰは単一放射波長又は狭スペクトルバンドに対して応答するのみである。
【００３０】
したがって、従来の光子ＩＲイメージングシステムは基本的な選択対象を提示し続けている。光子ＩＲ検出器に基づくずっと高額なイメージングシステムを正当化するほど性能要件が十分高くないならば、比較的低い性能能力を有する低コスト熱ＩＲイメージングシステムが選択される。すなわち、性能及びコストは、予測される応用分野又は予算に関係して取引される。従来のシステムは単一の熱的イメージングバンドに限定され、そのバンド内の単一の検出周波数に限定されることが極めて多い。
【００３１】
ＩＲイメージングシステムの分野における性能とコストとの間のこのホブソンの選択肢は、適切なシリコン型光電子デバイスが一般的には欠けることの単なる１つの結果にすぎない。全シリコン無冷却光子ＩＲ検出器が存在し、既存の半導体電子機器に容易に統合されることが理想的である。そのような無冷却光子ＩＲ検出器はＩＲ周波数の或る範囲又は少なくとも複数の範囲を検出することができる。しかし、シリコンをベースとする技法は、光学応用においては、性能が不十分であるとして認識されている。
【００３２】
従来のＩＲイメージングシステムについての以上の詳細な議論は、低性能、シリコン技術、高コスト専門材料、又はこれらの２つの一般的な技術の混合に依存する従来の光学構成要素及び電気光学システムに固有の多くの不利なトレードオフ、欠点及び制限の例である。
【００３３】
明らかに、新規で根本的に異なる手法が必要である。
発明の概要
本発明は、例えば光学エネルギー・アップコンバートを含む、光信号の検出及び処理に対する従来の手法を特徴付ける欠点を克服する。
【００３４】
一つの態様において、本発明は、半導体、誘電体、ポリマーなど、広バンドギャップ材料又は組成に埋め込まれたメゾスコピックサイズの領域を備える「複合構造」において、自由キャリア（すなわち、電子及び／又は正孔）のいわゆる定常状態不平衡分布（ＳＮＥＤ）を創ることによって、以前に留意された同様の欠点を克服する。非有機材料及び有機材料が、可能な広バンドギャップ材料として考慮される。
【００３５】
本発明の一態様によれば、自由キャリアのＳＮＥＤが、複合構造を備えるエネルギー障壁に関連して開発される。このエネルギー障壁の高さは、複合構造の構成成分の電子親和力と、これらの構成成分間の境界上における表面状態の数との差に依存する。
【００３６】
自由キャリアのＳＮＥＤの有効な構成は、光信号検出及び処理の従来の技術に対して劇的な性能改善を提供し、半導体デバイス及び光電子機器を含む広範な分野において応用される。光子エネルギー変換器（光波長変換器）、光変調器、光学スイッチ、波長分割器マルチプレクサ、光増幅器、レーザ、電子及び光学をベースとするデータメモリ、並びにカラーディスプレイは、この現象に基づいて改良され得るデバイス及びシステムの容易な例である。
【００３７】
したがって、より具体的な態様においては、本発明は光子エネルギー・アップコンバートに対する新しい手法を提供する。この文脈において、本発明は、自由キャリアの光誘導
型定常状態不平衡分布（「ＰＩＳＮＥＤ」）がメゾスコピック古典的閉込め（「ＭＣＣ」）を使用して達成される方法を提供する。赤外線（「ＩＲ」）から短波長ＩＲ（「ＳＷＩＲ」）又は可視光のエネルギー・アップコンバートが、自由キャリアのＰＩＳＮＥＤを組み込む特定の応用分野の唯一の例である。
【００３８】
光学エネルギー・アップコンバート（又は同時に実施される光波長ダウンコンバート）に対するこの手法内において、典型的には、外部エネルギー源又はポンピング光源がアップコンバートを達成するのに必要なエネルギーを提供する。本発明によるアップコンバートを達成する電気光学デバイス又は「光変換器」は、入りＩＲ放射に対する同調可能なスペクトル応答を提供することが好ましく、該スペクトル応答は、複合構造内のメゾスコピックサイズの領域と周囲の広バンドギャップ材料との間のエネルギー障壁の所与の高さ及びポンピング光源の光子エネルギーに関して調節可能である。
【００３９】
他の関係する態様においては、本発明により形成される光変換器をＣＭＯＳ又はＣＣＤデバイスなどの従来のシリコンベースの光検出器又は従来のシリコンイメージング回路と統合することにより、完全にシリコンベースの材料から形成される光学的調整可能なスペクトル範囲を有する高性能な光子（量子）無冷却ＩＲ検出器が提供される。
【００４０】
上記と合致して、本発明は、改良された光学信号検出及び処理を実施するように適合された特殊な媒体をも提供する。一般に、この媒体は、半導体又は金属から形成されたメゾスコピックサイズの粒子から形成され、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４又はアモルファスシリコンなどの広バンドギャップ半導体又は誘電体材料から形成されるマトリックス内に設けられる。光入力信号及び光ポンピング信号を受信するために動作するように組み立てられると、特殊な媒体は高効率な２重光子誘導型フォトルミネセンスを生成する。
【００４１】
本発明は、以下に与えられる詳細な記述及び本発明の選択された実施の形態の添付の図面から一層完全に理解されるであろう。
好ましい実施の形態の詳細な記述
本発明の１つの例示的な実施の形態において、定常状態不平衡分布（「ＳＮＥＤ」）が、以後は「複合構造」と一般的に呼ばれる特殊な媒体において作り出される。更に又は代替として、複合構造内に誘起される自由キャリアが、エネルギー障壁によって周囲の広バンドギャップ材料から分離されるメゾスコピックサイズの領域において閉じ込められる。エネルギー障壁のいわゆる「高さ」は、自由キャリアが障壁を克服してメゾスコピックサイズの領域から周囲の広バンドギャップ材料へ貫通するために必要なエネルギーの尺度である。高さは、複合構造を形成する構成成分とこれらの構成成分間の境界上における表面状態の数との間の電子親和力の差によって決定される。
【００４２】
「自由キャリア」は帯電したキャリアであり、材料の原子構造内に制約される他のキャリアと比較して材料を自由に移動することができる。自由キャリアは電子及び正孔の形態を取ることができ、また、電子と正孔の形態を取ることが可能である。例えば、水素化アモルファスシリコンの周囲層が埋め込まれ、光エネルギー源によってポンピングされる結晶シリコンのメゾスコピックサイズの粒子から形成される複合構造の場合、自由正孔の光誘導ＳＮＥＤが形成される。それは、結果的な閉じ込めが電子ではなく正孔に影響を与えるからである。
【００４３】
自由キャリアは、幾つかの従来の技術の任意の１つを使用して、適格な構造のメゾスコピックサイズの領域へ「導入される」（すなわち、創り出される又は誘導される）ことが可能である。
【００４４】
例えば、自由キャリアはメゾスコピックサイズの領域の適切なドーピングによって導入
され得る。選択された不純物（すなわち、ドナー及び／又はアクセプタ）の従来理解されていたイオン注入又は拡散を、メゾスコピックサイズの領域のデポジション又は成長の期間に使用することができる。ドーピングの目的で、メゾスコピックサイズの領域を形成する材料のバンドギャップ内において浅いエネルギーレベルを創る不純物を使用することが好ましい。「浅い」という用語は、エネルギー空間における導電帯／価電子帯に比較的近いエネルギーレベルを記述するために使用される。複合構造の作業温度において、関連する熱エネルギーは不純物原子のイオン化を生じるほど十分大きい。その結果、導電帯又は価電子帯内においてメゾスコピックサイズの領域の材料光子を形成する原子と平衡状態にある自由キャリアが存在する。
【００４５】
代替として、メゾスコピックサイズの領域に近接して位置する材料領域内に、デルタ（δ）ドーピング不純物によって自由キャリアを導入することが可能である。デルタドーピングは、ＨＦＥＴトランジスタ、ＱＷＩＰ又はＱＤＩＰの形成において従来使用されていた技法である。近接材料領域をデルタドーピングすることによって、自由キャリアは、不純物原子からメゾスコピックサイズの領域内の一層エネルギーの少ない状態にトンネル（又は「フォールオフ」）することができる。以前の例と同様に、これらの自由キャリアは、導電帯又は価電子帯内においてメゾスコピックサイズの領域の材料格子を形成する原子と平衡状態にある。
【００４６】
他の代替形態において、自由キャリアがメゾスコピックサイズの領域内に電気的に注入される。この技法は、トランジスタ、発光ダイオード及び半導体レーザにおいて従来使用されている。電気的注入が使用されるとき、自由キャリアは、エネルギー状態が熱エネルギー状態より大きい場合、不平衡状態にあり得る。バルク材料では、そのような高エネルギー自由キャリアは、典型的には、エネルギーを極めて迅速に（例えば、１０−１２秒未満で）消散して平衡自由キャリアになる（消散は、いわゆるサーモライゼーションプロセスに、又は、自由キャリアと光学フォノンとの強い相互作用に起因する）。対照的に、メゾスコピック系では、以下で記述される特有の特徴のために、自由キャリアは極めて長期間にわたって高エネルギーのままである。
【００４７】
他の代替形態では、自由キャリアは、メゾスコピックサイズの領域内において光誘導され得る。すなわち、光ポンピング源によって、自由キャリアは光子吸収の結果として創り出される。光子エネルギーの方がバンドギャップエネルギーより若干大きい基本的な吸収の場合、自由電子は導電帯において創り出され、自由正孔はメゾスコピックサイズの領域の価電子帯において創り出される。外部吸収の場合、自由キャリアは深い不純物レベルから励起され得る。光子エネルギーがバンドギャップエネルギーに等しいとき（又は、外部吸収の場合、光子エネルギーが深いレベルとそれに対応する許容バンドとの間のエネルギーギャップに等しいとき）、自由キャリアは平衡キャリアであり、その定常状態分布は正規フェルミ分布又は正規ボルツマン分布である。光子エネルギーの方がメゾスコピックサイズの領域を形成する材料のバンドギャップエネルギーよりはるかに大きい場合、自由キャリアは「ホットに」又は強く不平衡状態にあり、それらの分布は平衡状態での分布とは著しく異なり得る。
【００４８】
注目すべきことであるが、従来から材料に適用されているような、自由キャリアを導入する上記の（及び単なる例示の）技法は、平衡状態の自由キャリアの広い分布を生じる。対照的に、本発明は、メゾスコピックサイズの領域において自由キャリアの強い不平衡分布を提供する。更に、本発明は、長時間にわたって（すなわち、定常状態内において）不平衡分布を維持する。
【００４９】
望ましい不平衡分布（例えば、形状が「シガレット状」であると呼ばれる極めて狭い分布）を形成するためには、システムの自由キャリアは同じ又は極めて類似したエネルギー
状態を有さなければならない。１つの具体的な実施の形態において、本発明は、「ｋＴ」間で光ポンピングエネルギーを調節することによって、望ましい分布を形成するように自由キャリアのエネルギーを同調させる。なお、「ｋ」はボルツマン定数（ジュール／Ｋ°）であり、「Ｔ」はメゾスコピックサイズの領域を周囲の広バンドギャップ材料から電気的に分離するエネルギー障壁の高さ以下の絶対温度（Ｋ°）である。この構成は、エネルギー障壁の高さが衝撃イオン化エネルギーより小さい場合にのみ機能する。シリコンの場合、このエネルギー値は約２．５ｅＶである。このようにして、本発明は、光学的調整可能特性を有する特殊媒体を意図する。
【００５０】
光誘導ＳＮＥＤの例について続けると、自由キャリアの望ましい不平衡分布の開発は、メゾスコピックサイズの領域内への自由キャリアの閉じ込め（又は局在化）を必要とする。すなわち、メゾスコピックサイズの領域を形成する材料内の自由粒子の泳動は、適切なエネルギー障壁によって制限される。
【００５１】
原理的には、複合構造の構成要素を分離する境界上に存在するエネルギー障壁が自由キャリア閉じ込めを提供する。先に注目したように、エネルギー障壁の高さは複合構造を形成する異なる材料に対する電子の相対親和力によって決定される。例えば、半導体材料が複合構造を形成するために使用される場合、エネルギー障壁は電子帯オフセット、価電子帯オフセット又は導電帯オフセットから生じる。従来から理解されていたように、「電子親和力」は、電子を導電帯の基底のエネルギー状態から真空エネルギー状態に励起して電子が材料から自由になる（「テイクオフ」する）ために必要なエネルギー尺度に等しい材料特性である。
【００５２】
しかし、電子親和力は、材料の表面（又は縁表面）に位置する電子に対比すると、バルク材料内に位置する電子に対して変化し得る。表面における電子親和力の実際の大きさは、境界における表面状態の量及び形態に依存する。したがって、望ましい自由キャリア分布を有効に開発する複合構造の設計は、複合構造の構成成分間に存在するエネルギー障壁の本質及び質を考慮しなければならない。このエネルギー障壁は、メゾスコピックサイズの領域及び周囲の広バンドギャップ材料を形成するために選択された特定の材料だけでなく、これらの２つの材料間の界面（境界）の質の産物である。
【００５３】
１つの現在の好ましい実施の形態においては、本発明は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、アモルファスシリコンなど、広バンドギャップ材料が埋め込まれた結晶シリコンのメゾスコピックサイズの領域を提供する。周囲のマトリックス材料として広バンドギャップ材料を選択することによって、自由キャリアがメゾスコピックサイズの領域から周囲の材料に貫通するのを防止する有効なエネルギー障壁が開発される。その結果、自由キャリアはエネルギー障壁を克服する場合にのみ周囲の材料へ貫通する。これは、赤外線検出器の文脈における自由キャリアのＩＲ光子誘導励起のような、複合構造の外部にある或るソースからのエネルギー印加なしには実施することはできない。
【００５４】
複合構造内の各周囲領域あたり十分な量の自由キャリアを獲得し、エネルギー状態毎に自由キャリアの連続変化を実施するためには、周囲領域の物理的寸法が設計上の問題となる。本発明では、周囲領域の寸法は本質的に「量子」ではない。量子寸法は領域の直径が電子波長と同じオーダーであることによって特徴付けられる。すなわち、領域の寸法が量子である場合、電子のエネルギースペクトルは離散的である。そのようなエネルギースペクトルは、自由キャリアのエネルギー状態の必要な連続的変化を大体は排除する。これは、ごくわずかな（例えば、１から恐らくは４の）エネルギー状態が量子領域内に存在するだけだからである。エネルギー状態の実際の数はエネルギー障壁の高さに依存しており、高さが低くなればなるほど、量子領域（又は「井戸」）内に存在するエネルギー状態は少なくなる。
【００５５】
この関係する要件のセットは、異なるスピン配向を有するたかだか２個の電子又は正孔（すなわち、フェルミオン）が単一のエネルギー状態（又はレベル）を同時に占有することができると述べているパウリの排他律の文脈において更に考察されなければならない。したがって、複合構造内の囲まれたメゾスコピック領域の寸法「ｄ」は、（以後において規定されるように）関係λｆｃ＜ｄによって規定される。この規定は、連続エネルギースペクトルにわたって分散した自由キャリアに対して周囲領域が古典的な振舞いを示すことを保証する。この空間スケールにより、十分で多数の自由キャリアが個々のメゾスコピックサイズの領域内において利用可能である。
【００５６】
若干の追加の詳細において、メゾスコピック空間スケールｄは、λｆｃを自由キャリアの波長、ｌｅ，ｈを自由キャリアの散乱自由経路として、関係λｆｃ＜ｄ＜ｌｅ，ｈによって規定される。ほとんどの実際の場合、λｆｃは１０−７ｃｍより小さく、ｌｅ，ｈは１０−５ｃｍのオーダーである。λｆｃ＜ｄを必要とする、ｄに対して課される第１の条件は、マルチキャリアの古典的ドットとしてメゾスコピックサイズの領域を特徴付ける。ｄ＜ｌｅ，ｈを必要とする第２の条件は、自由キャリアとメゾスコピックサイズの領域を形成する原子との間のエネルギー転移の十分な低減を可能にする。換言すると、自由キャリアとメゾスコピックサイズの領域の原子構造とは熱力学的には不結合状態であり、すなわち断熱されているので、自由キャリアとメゾスコピックサイズの領域を形成する原子とは、かなり異なる熱エネルギー状態に維持され得る。したがって、「ホット」自由キャリアとフォノンとの間のエネルギー交換を低減し、それによりサーモライゼーション時間を有意に延長し、自由キャリアのＳＮＥＤを提供するために、メゾスコピック領域の直径は条件ｄ＜ｌｅ，ｈを満たすべきである。
【００５７】
これらの条件下においては、自由キャリアは光フォノンを放出することによってエネルギーを消散することができない。むしろ、エネルギー消散は自由キャリアがメゾスコピックサイズの領域の材料境界と相互作用するときにのみ生じることができるが、このプロセスは極めて非効率的である。したがって、光フォノンの散乱のための自由キャリアの自由経路キャリアの散乱自由経路より小さい直径を有するメゾスコピックサイズの領域に不平衡自由キャリアが閉じ込められるとき、自由キャリアは比較的長期間にわたってホットであり（エネルギーが保存され）、この「ホット継続時間」は赤外線光子の吸収に必要な期間と少なくとも同程度の長さである。
【００５８】
ここで、自由キャリアのドブロイ波長である項λｆｃに関して幾つかの追加のコメントが保証される。この波長は量子パラメータである。従来理解されている粒子と波の２重性すなわちドブロイの原理によれば、自由キャリアは粒子としてだけでなく一定の波長（又は周波数）を特徴とする波としても振舞うことができる。条件λｆｃ＜ｄが満たされる場合、自由キャリアの波としての特性は無視し得、自由キャリアは古典的粒子として記述され得る。したがって、そのような粒子の速度並びに複合構造の構成成分（及びこれらの材料間の境界）を形成する原子との相互作用は、適格な複合構造の設計内において適切に考慮されてよい。
【００５９】
更に、メゾスコピックサイズの領域の古典的性質は、自由キャリアのエネルギー状態の量子化が存在しないことを保証する。すなわち、様々なエネルギー状態間のエネルギーギャップは、この関係に関連付けられる熱エネルギー「ｋＴ」より著しく小さい。したがって、ごく少数の離散エネルギー状態ではなく、自由キャリアエネルギー状態の準連続スペクトルが存在する。したがって、メゾスコピックサイズの領域内のエネルギー状態の数は極めて多く、領域はマルチキャリア領域として作用する。
【００６０】
比較すると、従来の量子ドットは、自由キャリア（粒子）の波長と同じ大きさの寸法と
極めて少数のエネルギー状態を有する離散エネルギースペクトルとを有する（しかし、エネルギー状態の実際の数は、エネルギー障壁の高さ及び量子井戸の深さに依存する）。したがって、パウリの原理によれば、量子ドットの自由キャリアの数は制限され、ほとんどの実際の場合、ドット当たり極めて少数の自由キャリアしか含まない。
【００６１】
幾つかの追加の詳細において、エネルギー障壁の高さΔＥは、ΔＥ＝χｓｕｒｒｏｕｎｄ−χｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ±δＥｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｔａｔｅｓとして表され得、χｓｕｒｒｏｕｎｄは周囲の広バンドギャップ材料の電子親和力、χｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃはメゾスコピックサイズの領域を形成する材料の電子親和力、δＥｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｔａｔｅｓはこれらの２つの材料間の境界における様々な界面状態による障壁高さの変化である。この関係から、２つの構成材料間の界面の重要性が明らかである。定性的には、δＥｉｎｔｅｒｆａｃｅｓｔａｔｅｓ＝ｅ・Δφｓであり、ｅは電荷、Δφｓは界面状態の数（又は密度）に依存する複雑な関数であり、表面の電位と関連バルク材料の電位との差を表す（現在、境界界面状態の影響を精確に計算する許容可能な理論は存在しない。その結果、障壁の高さは、計算ではなく実験的に測定されなければならない）。しかし、ＱＷＩＰ及びＱＤＩＰのバンドギャップ・エンジニアリングから従来理解されていたように、複合構造を形成する材料の相対電子親和力は、材料の慎重な選択によって決定されてよい。
【００６２】
幾つかの追加のコメントが、「自由キャリア」の性質及びメゾスコピックサイズの領域の原子との相互作用に関して、この段階においてやはり保証される。古典的な自由キャリアは本発明の文脈内において考慮される。光ポンピング複合構造の例示的な文脈において、自由キャリアは、エネルギー
【００６３】
【数１】
2007502031.tif 000003
【００６４】
を有する、ポンピング源で生成された光子の影響下において加熱される（すなわち、ホットになる）。「ホット」自由キャリアは、熱エネルギー値ｋＴよりはるかに大きいエネルギーを有するキャリアである。ホット自由キャリアは、
【００６５】
【数２】
2007502031.tif 000004
【００６６】
によって規定される高い運動エネルギーを有する。この追加のエネルギーの影響下において、ホット自由キャリアは移動し始め、メゾスコピックサイズの領域を形成する材料の原子格子と衝突する（すなわち、原子格子によって散乱される）。衝突（すなわち、散乱行為）の間隔は、運動量緩和時間
【００６７】
【数３】
2007502031.tif 000005
【００６８】
によって特徴付けられる。各衝突行為期間に自由キャリアはエネルギーを失って冷却される。単一の衝突期間に自由キャリアから格子原子へ移されるエネルギー部分Δεは（量子工学の言語では「フォノン放出」と呼ばれ）極めて小さいが、それは自由キャリアの質量ｍｆｃが格子原子の質量ＭＡより著しく小さいからである。したがって、これは、
【００６９】
【数４】
2007502031.tif 000006
【００７０】
と表され得、ε０は衝突前の自由キャリアのエネルギーである（第１の衝突の前は
【００７１】
【数５】
2007502031.tif 000007
【００７２】
である）。
そのような衝突は準弾性的である。すなわち、自由キャリアの速度ベクトルは変化するが、材料は絶対値に対して著しくは変化しない。したがって、ホット自由キャリアを格子温度まで完全に冷却することは、自由キャリアと格子との間の熱平衡を得るために、時間エネルギー緩和期間
【００７３】
【数６】
2007502031.tif 000008
【００７４】
にわたって、かなりの数の衝突を必要とする。したがって、エネルギー緩和平均自由経路
【００７５】
【数７】
2007502031.tif 000009
【００７６】
は、運動量緩和自由経路
【００７７】
【数８】
2007502031.tif 000010
【００７８】
よりかなり長く、
【００７９】
【数９】
2007502031.tif 000011
【００８０】
は、運動エネルギー
【００８１】
【数１０】
2007502031.tif 000012
【００８２】
を有する自由キャリアの平均速度である。
したがって、条件
【００８３】
【数１１】
2007502031.tif 000013
【００８４】
は、条件
【００８５】
【数１２】
2007502031.tif 000014
【００８６】
を必然的に必要とする。これらの関係式は、自由キャリアの数が極めて多くはない場合には精確である。例えば、金属又は縮退半導体では、主要なエネルギー緩和機構はホットキャリアとコールドキャリアとの衝突である。この場合、質量が相対的に等しいために、エネルギー伝達は極めて効果的であり、
【００８７】
【数１３】
2007502031.tif 000015
【００８８】
と
【００８９】
【数１４】
2007502031.tif 000016
【００９０】
とは同じオーダーである。したがって、条件
【００９１】
【数１５】
2007502031.tif 000017
【００９２】
は、自由キャリアが表面原子と衝突する前にエネルギーを消散することができないことを表す。しかし、表面付近では、エネルギー障壁が存在するために自由キャリアの波動関数は小さい。同時に、表面原子の数ＮｓはバルクＮｂでの原子の数より小さく、Ｎｓ／Ｎｂ＝１／ｄであり、したがって、エネルギー損失の効率及び結果的な表面フォノンの放出は小さい。したがって、条件
【００９３】
【数１６】
2007502031.tif 000018
【００９４】
を満たすことにより、例えば、広バンドギャップ・マトリックス材料によって囲まれたメゾスコピックサイズの半導体又は金属領域を備える複合構造における自由キャリアと格子原子との相互作用は著しく減少する。
【００９５】
上で留意したように、特定の条件下において、メゾスコピックサイズの領域を形成する原子構造及びメゾスコピックサイズの領域内の自由キャリアは、熱力学的には結合されていない状態のままである。すなわち、メゾスコピックサイズの領域を形成する原子は、自由キャリアがメゾスコピックサイズの領域内に存在しているのか、誘起されているのかに関係なく、自由キャリアから依然として断熱されている。したがって、自由キャリアは、メゾスコピックサイズの領域を形成する原子の熱エネルギー状態と比較して、極めて異なる熱エネルギー状態において存在し得る。
【００９６】
メゾスコピックサイズの領域を形成する原子構造から自由キャリアを結果的に遮断することにより、周囲材料内に埋め込まれたメゾスコピックサイズの領域内でホット自由キャリアの定常状態不平衡分布を作り出すことが可能になる。
【００９７】
この定常状態不平衡自由キャリア分布は、いったん作り出されると、１つ以上の光信号の検出及び／又は処理を含む幾つかの技術上の問題に適用され得る。本明細書において使用される「光」という用語は、電磁スペクトル内のあらゆる場所において生じる放射、反射、放出及び屈折されたエネルギーを意味し、特に、紫外線（１０−８ｃｍ）からレーダー（１ｃｍ）にわたる１つ以上の波長を有するエネルギーを含む。
【００９８】
ＩＲ放射のアップコンバートは本発明の広範な応用分野の１つの具体的な例である。ＩＲに関係する例が、本発明の構成及び使用をより具体的に示すために、この開示にわたって使用される。しかし、これは単なる１つの例示的な応用分野である。この例示的な応用分野をより詳細に記述する前に、幾つかの概念上の議論が有益である。
【００９９】
シリコン（「Ｓｉ」）は、可視スペクトル範囲イメージセンサの材料の選択肢として証明されている。従来のＣＣＤ及びＣＭＯＳイメージャは、ビデオカメラ及びデジタルカメラにおいて広く使用されており、それらの可能な製造／処理技術は極めて成熟していて、費用効果が高い。しかし、バルクＳｉの固有バンドギャップ（約１．１ｅＶ）は、１．１ミクロンより長い波長のＩＲ放射について透過性を示す。したがって、ＳｉはＭＷＩＲ及びＬＷＩＲのスペクトル範囲の放射に対しては鋭敏でない。
【０１００】
基本的な限定を考慮すると、幾つかの特殊な媒体が必要である。特殊な媒体は従来のシリコンベースの集積回路製造技術と両立可能であることが理想的である。これは室温においてＩＲ光子フラックスを可視光子フラックスに有効に変換することができ、また、従来のＣＣＤ又はＣＭＯＳイメージャとの光学結合も可能にする。これらの属性により、特殊な媒体により、膨大な数の商用及び軍事の応用分野について短期間の内にＩＲイメージセンサ又はシステムの選択肢になり得る全シリコンＩＲイメージャを構築することが可能になる。
【０１０１】
従来のＳｉベース量子撮像回路によって、その後の処理のために入射ＩＲ放射を可視光に変換することによりＩＲイメージセンサを創り出す第１の試みは、ほぼ３０年前に始まった。１９７６年のＵＳ政府の研究において留意されているように、「現象学における基本的な関心とは別に、パラメータアップコンバートは幾つかの可能な応用分野を有する。ＩＲ波長から可視範囲へのシフトにより、冷却又は遮断を必要としない、低雑音増幅能力を有する好都合な検出器を使用することが可能になる。」（クリシュナン（Ｋｒｉｓｈｎａｎ）等、「赤外線撮像技術の評価」、Ａｉｒ  Ｆｏｒｃｅ  Ａｖｉｏｎｉｃｓ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ  ＡＦＡＬ−ＴＲ−７６−８２、Ｓｔａｎｆｏｒｄ  Ｒｅａｓｅｒｃｈ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ、カルフォルニア州メンローパーク、１９７６年５月を参照。これは「非線形光アップコンバージョンを用いた赤外線イメージング」ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．１２２、Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  Ｌａｓｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅａｒｉｎｇ、１９９７に抜粋されている）。
【０１０２】
このとき以来、複数の技術の系列が、実際のアップコンバート媒体を識別するために、多くは不成功の試行において十分に留意されてきている。従来の技術は、非半導体技術と半導体技術という２つのカテゴリに任意に分類することができる。以下、これらの技法を簡単に概述する。
【０１０３】
ａ．非線形結晶
非線形結晶での赤外線アップコンバートは、ＬｉＮｂＯ３等の結晶の屈折率によって操
作される異なる電場の相互作用に依存するコヒーレントな現象である。本質的には、特定の周波数を有するポンプ光を選択して赤外線と混合し、周波数の和を創り出すとともに所望の出力信号を生成する。非線形結晶でのアップコンバートは既知であり、１９６０年代から研究されているが、依然として注目される分野である。例えば、クラインマン（Ｋｌｅｉｎｍａｎ）等、「光混合による赤外線の検出」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、４０、５４６〜５９ページ（１９６９年）と、ニューメキシコ州ラスクルーズのラーセン社に対して１９９３年３月１６日に発行された米国特許第５１９５１０４号とを比較されたい。
【０１０４】
非線形結晶をベースとするＩＲ検出器の実現に至る続行される研究は、望ましいアップコンバータの新しい概念的及び体系的解決法を提唱している。例えば、現在の結晶ベースのシステムによって提起される１つの解決法は、室温において合計周波数生成（ＳＦＧ）を可能にする非線形結晶を提供する（例えば、ブルーワ（Ｂｒｅｗｅｒ），Ｃ．Ｄ．等、「周期的にポールされるＬｉＮｂＯ３を組み込んだ単安定マルチアパーチャ赤外線イメージング・アップコンバートレーダー受信機の空間帯域積強化」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．１２、２２５１〜６２ページ、２００２年４月２０日を参照されたい）。ＳＦＧを通してポンプ場は受信（ＩＲ）信号場及び非線形結晶に結合される。結果的な周波数合計は、受信ＩＲ信号に対応する可視スペクトルの周波数シフト出力信号を生成する。この可視出力信号は、その後に「シリコンＣＣＤアレイ」によって捕獲される（２２５２でのＩｄ．を参照されたい）。
【０１０５】
ｂ．二光子周波数アップコンバートデバイス
アップコンバートレーザ発光という解決法は、非線形光学効果に基づく光学高調波生成又は合計周波数混合などの他のコヒーレント周波数アップコンバート技術と比較して、位相整合技術の使用を必要とせず、ポンプ源として半導体レーザを使用することを許容し、導波路構成を採用することができる。初期の二光子ポンプ（ＴＰＰ）型レーザ発光デバイスは、ポンプ源を幾つかの異なる非線形結晶と組み合わせる。しかし、これらのシステムは動作温度（１０〜２６０°Ｋ）を低くすることが必要であるため、設計から更に区別される（例えば、ゴア（Ｇｏｅ）等、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ−Ｉｎｔ．Ｓｏｃ．Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｖｏｌ．３２２、３７〜４３ページ、１９８３年、及びヤン（Ｙａｎｇ）等、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．６２、１０７１〜７３ページ、１９９３年を参照されたい）。
【０１０６】
室温ＴＰＰレーザ発光は、金属蒸気又は他の気体に基づくアップコンバート媒体を使用することで達成された（ウィレンバーグ（Ｗｉｌｌｅｎｂｅｒｇ）等、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．２４、４２７〜２８ページ、１９８０年、及びゴールドストン（Ｇｏｌｄｓｔｏｎ）等、Ｌａｓｅｒ  Ｆｏｃｕｓ  Ｗｏｒｌｄ、Ｖｏｌ．２７、２７〜２９ページ、１９９１年参照）。同様に、室温アップコンバートレーザ発光は、希土類イオンがドープされた媒体において成功裏に達成された（マクファーレン（ＭａｃＦａｒｌａｎｅ）、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．５４、２３０１〜０２ページ、１９８９年、及びハンナ（Ｈａｎｎａ）等、Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ、Ｖｏｌ．７８、１８７〜９４ページ、１９９０年を参照されたい）。
【０１０７】
二光子ポンプレーザ発光及びより最近では三光子励起も、有機染料溶液がドープされた媒体（例えば、多孔性ガラス）において達成された。そのような業績は１９７０年代まで遡るが、依然として重要な研究投資の分野である（例えば、２００２年６月１１日にニューヨーク州立大学の研究財団に発行された米国特許第６４０２０３７号、及びヒー（Ｈｅ）等、「直接三光子励起によって促された放射の観察」、Ｎａｔｕｒｅ、Ｖｏｌ．４１５、７６７〜７０ページ、２００２年２月１４日を参照されたい）。
【０１０８】
ＩＲアップコンバートを達成するこれらの異なるモードを対象とする、発表された研究及び見かけの知的投資の量は極めて顕著である。これらの技術に関する商業的な成功の一般的な欠如も顕著であり、さらに、ＩＲアップコンバートに対する非線形結晶、金属蒸気、希土類ドープ媒体及び有機染料ベース溶液は、望ましいシリコンベースの技術とは大きく異なる。
【０１０９】
シリコンフォトニクスに関する２つの極めて基本的な問題が、高度に効率的なＩＲ可視光アップコンバート層を得るために解決されなければならない。まず、ＩＲ放射を効率的に吸収するシリコンを得る方式の問題を扱う必要がある。その後、シリコンベース構造において効率的な可視ルミネセンスを達成する方式の問題を扱わねばならない。
【０１１０】
ＩＲ吸収という第１の問題に関して、すでに留意されているように、バルクシリコンは単独ではＩＲ検出の不適切な材料であると従来見なされていた。Ｓｉバンドギャップ・エネルギーより小さいエネルギーを有するＩＲ光子の本質的吸収は無視できる程に弱い。いわゆる「エキストリンシックＳｉ」フォトレジスタでは、Ｓｉには、バンドギャップにおいて電子状態を創り出す特定の不純物（例えば、Ｇａ、Ａｓ、Ｉｎ、Ｓｂなど）がドープされる。これらの光検出器は、不純物に由来するレベルと導電帯又は荷電子帯との間の電子遷移を使用しており、バンドギャップよりはるかに小さいエネルギーを有する光子を感知するために使用され得る。エキストリンシックＳｉ光検出器は数μｍから約３００μｍにわたる広範なＩＲスペクトルにおいて使用され、λ≧２０μｍの範囲において動作する原理的な検出器である。高度に発展されたシリコンＭＯＳ技術の設備利用可能性、読取り及び信号処理のための大規模検出器アレイと電荷転送デバイスとの統合、十分に確立された技術は、一様な検出器アレイを製造し且つ低雑音接点を形成することの助けとなる。陸上応用に対する大型エキストリンシック・シリコンＦＰＡの可能性が調査されているが、一層好都合な動作温度を有する真性バンド間検出器（ＨｇＣｄＴｅ及びＩｎＳｂ）に対して好意的な関心は減少している。Ｓｉエキストリンシック光導電体は量子効率及び検出性が低いことを特徴とする。これらのパラメータを最大にするためには、ドーピングレベルは可能な限り高くあるべきである。ドーピング濃度を増大させることにより、暗電流及び雑音の増加、反応時間の低下、極低動作温度（例えば、液体ヘリウムの動作温度に近い、すなわち約４°Ｋ）の必要性を生じる。このような低い動作温度は、不純物レベルからのキャリアの熱励起、したがって熱雑音を防止するために必要とされる。したがって、そのような検出器の使用は、特に、低いバックグラウンドフラックスにおける応用分野であって組成制御がＨｇＣｄＴｅについて困難である１３〜２０μｍの波長に対する宇宙天文学及び地上天文学の応用分野の静止システムにほぼ限定される。
【０１１１】
ＩＲ吸収の問題に関する他の解決法は、バンドギャップ・エンジニアリングの概念及び関係する量子サイズ効果を使用してＩＲ感受性サブバンド間ＳｉベースＱＷＩＰ又はＱＤＩＰを創る。残念ながら、Ｓｉでの電子有効質量は大きく、自由電子の質量よりごくわずかに小さいだけなので、極めて小さいナノメートルサイズの量子井戸又はドットがＩＲ光子サブバンド間吸収には有用である。そのような寸法を有する量子井戸及び／又はドットの製造は大きな技術上の課題を含む。更に、ＳｉＯ２などのＳｉとの高品質界面を提供する既知のマトリックス材料は、導電帯オフセット（ＳｉとＳｉＯ２との間の約３．７ｅＶ導電帯オフセット）が極めて大きいことを特徴とし、これにより、検出性がかなり低減され、極めて高いバイアス電圧の印加を必要とする。Ｓｉベースのサブバンド間ＱＤＩＰを形成する他の代替手法では、ゲルマニウムのドットがシリコンマトリックスにおいて形成される。しかし、この手法は、従来のＳＩベースのＩＣ製造技術と両立し得ず且つ問題のあるエピタキシャル成長を含む。
【０１１２】
Ｓｉベースの構造の可視ルミネセンスの第２の問題に関しては、シリコンのルミネセン
ス効率は貧弱であり、３００°Ｋにおいて１０−４量子効率のオーダーである。この低い効率はＳｉバンドギャップの間接性によって説明される。電子と正孔の放射再結合プロセスは運動量が保存される場合にのみ生じることができる。間接材料では、運動量の保存はフォノンへの運動量の移転により行われる。そのような三体プロセスは、直接ギャップ再結合と比較すると極めて非効率的である。これはシリコンがそのような不十分な光エミッタである主な理由である。
【０１１３】
シリコンにおける貧弱な光放出を軽減する多くの極端に異なる手法が提起され、積極的に利用されている。本発明が最も良く理解されるのは、これらのほとんど失敗した試行の背景と対比してである。Ｓｉ１−ｘ  Ｇｅｘ量子井戸又はＳｉ／Ｇｅ超格子構造などの中には、バンド構造エンジニアリングに依存するものがある。量子ドット又は多孔性シリコン（π−Ｓｉ）などの他のものは、低次元構造における量子閉じ込め効果に依存する。更に他のものは、等電位置換からの不純物介在ルミネセンス、すなわち、希土類イオンの追加に依存する。これらの背景手法を理解し、本発明の利点を容易に見分けるためには、結晶シリコンに関連する光放出の問題を再考することが適切である。
【０１１４】
（１）例えば閉じ込め及び／又はバンド構造エンジニアリングにより電子及び正孔の波動関数の重複を増大させることによってルミネセンスの効率を増大させる、（２）特定の合金及び分子を形成することによって放出の波長を調節する、及び／又は（３）不純物の中心において再結合を導入する、幾つかの試みが試行された。この文脈において、不純物の導入により、対応してフォトルミネセンスの波長を増大させることに留意すべきである。不純物はＳｉバンドギャップ内において電子状態を創る。不純物に関係する電子遷移は、バンドギャップのエネルギーより小さいエネルギーによって特徴付けられる。したがって、放出された光の対応する波長はＳｉ吸収スペクトルの長いカットオフ波長（〜１．１ミクロン）より長く、その結果、Ｓｉ検出器によって検出することができない。
【０１１５】
したがって、異なる種類の不純物の直接使用は、ＣＭＯＳイメージャに光学的に結合されたアップコンバート層を形成する問題に対しては適切な手法ではない。結合効率を向上させるために、フォトルミネセンスのピークを短い方の波長へシフトさせることが望ましい。このようにして、Ｓｉ吸収スペクトルとフォトルミネセンス・スペクトルとの重なりは増大され、したがって結合効率も増大される。
【０１１６】
放出（フォトルミネセンス）光の波長は、ポンピング光エネルギーの波長より長いことが好ましい。また、ＣＭＯＳイメージャは例えば光フィルタによって光ポンピングエネルギーから遮蔽される。これらの好ましさは、光ポンピングエネルギーとフォトルミネセンス光との間のそれぞれの波長が十分に離れていることを強く示唆する。
【０１１７】
バンドギャップエネルギーより著しく大きいエネルギーを有する光子の放出は不可能である。高エネルギー光子による光励起の場合でさえ、典型的には１０−１２秒未満である極めて短い時間期間内に光学フォノンの上にエネルギーを散乱させることによって、不平衡電子はエネルギーを浪費する。したがって、主な相対的再結合が、導電帯の基底と価電子帯の上部とによって確定される状態間に依然として存在する。結果的な放出はバンドギャップエネルギーの光子エネルギーによって特徴付けられる。
【０１１８】
量子閉じ込め方法をＳｉに適用することによって光学効率が向上され、１．１ｅＶのバルク値から光学ギャップが増大される。この場合、バンド間放射再結合がＳｉ閉じ込め構造内の量子閉じ込めによって誘起される離散エネルギーレベル間において行われる。シリコンに関連する間接バンドギャップ限定を克服するために、可能な手法として様々な量子閉じ込め技法が調査されてきた。関係する光放出の研究は、π−Ｓｉ、ナノクラスタ及び量子デバイス（細線及びドット）を含むＳｉベースのナノ構造の効果について考察してき
ている。シリコンナノ構造の関心は、材料の結晶直径がバルク結晶シリコンにおいて４．３ｎｍの自由励起子ボーア半径のサイズより小さいときの、キャリアの波動関数に対する閉じ込めの放出効果を認識することに由来する（以下で分かるように、更なる作業前提となるこの「認識」は研究の焦点をナノ構造の方へ完全に歪曲した）。現在理解されているように、量子閉じ込めによって電子／正孔波動関数の重なりが増大し、その結果、光放出効率が増大し、放出ピークが一層高いエネルギー状態にシフトされる。
【０１１９】
多孔性シリコン（π−Ｓｉ）は発光シリコン材料としての可能性について広範に調査されてきた。これは、フッ化水素酸ベースの電解質においてシリコンを電気化学溶解させることによって創り出される。フッ化水素酸は単一結晶Ｓｉを極めて緩慢にエッチングするのみである。しかし、酸電解質とＳｉとの間に電流を流すことによって、プロセスはかなり高速化し、Ｓｉ表面にほぼ垂直に延びる深く狭い孔の配列を残す。これらの孔の幅はナノメートルであるが、深さはマイクロメートルである。
【０１２０】
Ｓｉ量子細線は孔を接合することによってπ−Ｓｉにおいて形成され、それにより、わずかにナノメートルの幅の結晶シリコンの波状自立ピラーの不規則なアレイが残される。先鋭に制御された条件下において適切にエッチングされる場合、そのようなπ−Ｓｉ構造は室温において可視フォトルミネセンスを放出することができる。実際、近赤外線から赤黄色を経て青までにわたる範囲の光を放出するπ−Ｓｉ構造が形成された。
【０１２１】
多くの研究は、π−Ｓｉのフォトルミネセンスがπ−Ｓｉ生成及び関係する処理の化学作用に対して極めて鋭敏であることを明らかにした。結晶Ｓｉ細線、スフェライト及びアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）材料は、任意の組合わせにおいて、所与のπ−Ｓｉサンプルにおいて形成され得る。このように形成される多孔性Ｓｉ層は一様性からほど遠い。更に、この技術の実際の応用のためには量子効率及び電力消散の改善が必要である。
【０１２２】
最終的には、現在のπ−Ｓｉ研究は、π−Ｓｉ材料において光吸収エネルギーギャップ（及び対応するフォトルミネセンス・ピークエネルギー）と孔径との間に強い相関が存在すると結論付けた。これについては、ロックウッド（Ｌｏｃｋｗｏｏｄ）等、「量子閉じ込めに起因するπ−Ｓｉのフォトルミネセンス」、Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ（１９９６年）、ペニントン、１６６〜１７２ページを参照されたい。この研究によれば、ナノ粒子のサイズは、「十分な」量子効率（又は光学利得）を得るためには５．５ｎｍ未満に制限されるべきである。
【０１２３】
関係する手法においては、ナノメートルサイズのシリコン結晶は、エッチングによって形成される代わりに、気体相から直接的に、又はマトリックス内における再結晶化によって間接的に成長される。実際、ナノ粒子のサイズが極めて小さいＳｉクリスタライトにおけるフォトルミネセンスエネルギーに依存するという示唆は、π−Ｓｉにおける同様の知見より前に遡る。研究の一例により、フォトルミネセンスのピークエネルギーがＳｉナノ粒子の直径と共に変化するということが判明し、量子閉じ込め効果は３〜５ｎｍのナノ粒子直径について最大になると結論付けられた。これについては、タカギ等、「超微細Ｓｉ粒子におけるフォトルミネセンスに対する量子サイズ効果」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．５６、２３７９〜８０ページ（１９９０年）を参照されたい。しかし、π−Ｓｉと同様に、放出される光のエネルギーはエネルギーギャップの理論的計算から予期される値よりはるかに小さい。また、π−Ｓｉと同様に、Ｓｉナノクラスタの構成は変化するので、表面化学作用効果ばかりでなく様々な粒子サイズ、粒子密度及び分布から悪影響を受ける。
【０１２４】
実際、ナノ結晶界面の予測不可能性及び複雑さとそのフォトルミネセンスに対する影響
は極めて脅威であることが実証されているので、研究者はそのような構造における光放出を説明する実際の機構について合意することができない。これについては、影響を表面付近の状態に帰するトング（Ｔｏｎｇ）等、「プラズマ強化化学蒸着によって用意されたＳｉフィルムのナノクリスタライトからの可視フォトルミネセンス」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．６９、５９６〜９８ページと、影響を量子サイズ効果に帰するトヤマ等、「電気化学的に形成されたナノクリスタライトからの可視フォト／エレクトロルミネセンス」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ．６９、１２６１〜３ページとを比較されたい。
【０１２５】
原因とされるフォトルミネセンス機構にかかわらず、従来の見識は、ナノサイズのＳｉ粒子のみが調査の価値があり、また成功裏の光放出をもたらす可能性が高いように見えることを主張する。「ナノサイズ」という用語は、１ｎｍから最高で１００ｎｍ未満にわたる直径を有する粒子を包含する。これについては、例えば、２．０〜２．５ｎｍの範囲の直径を有するナノ粒子について最高エネルギーピークを見つけたシャルヴェ（Ｃｈａｒｖｅｔ）等、「マグネトロンスパッタリングによって得たフォトルミネセントＳｉ／ＳｉＯ２システムのエリプメトリック・スペクロトスコピ」、Ｖｏｌ．８０、２５７〜６１ページ（１９９９年）、〜３ｎｍのナノ粒子のみを識別するパベシ（Ｐａｖｅｓｉ）等、「シリコンナノ結晶における光学的利得」、Ｎａｔｕｒｅ、Ｖｏｌ．４０８、４４０〜４４ページ（２０００年１１月２３日）、２〜９ｎｍにわたるサイズの範囲のシリコンナノ粒子を記述するズー（Ｚｈｕ）等、「ホットワイヤ化学蒸着によるＳｉ３Ｎ４及びＳｉＯ２薄膜上の高密度Ｓｉナノ粒子の成長」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．９２、Ｎｏ．８、４６９５〜９８ページ（２００２年）、熱蒸発プロセスによって形成される３〜８０ｎｍのサイズにわたるシリコンナノ粒子を記述するチェン（Ｃｈｅｎ）等、「Ｓｉナノ粒子のフォトルミネセンスについて」、Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｍｅｃｈ．、Ｖｏｌ．４、６２〜６６ページ（２００１年）、及び、直径が５ｎｍより大きいクラスタを有さないＳｉクラスタの２つの材料サンプルを記述するチャン（Ｚｈａｎｇ）等、「ＳｉＯ２マトリクスに埋め込まれたＳｉナノ構造の青色フォトルミネセンス及び局所構造」、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．６６、１９７７〜７９ページ（１９９５年）を参照されたい。
【０１２６】
バンドギャップより大きい光子エネルギーを有する光を放出する他の手法は、適切な界面放射状態を有する、広バンドギャップ材料に埋め込まれたＳｉドット、超格子、量子井戸、量子細線などのＳｉ／広バンドギャップ材料ヘテロ界面の生成を想定する。例えば、Ｓｉ／ＳｉＯ２へテロ界面がそのような状態を含むことが十分に証明されている。この状況において、放射再結合が材料界面において行われる。歴史的には、界面状態の制御は非常な難題である。密度及びエネルギーは製造プロセスの予測不可能性に対して極度に鋭敏であるので、実際には制御不可能である。更に、界面上に常に存在する多数の非放射状態は放射再結合の確率を著しく低下させる。
【０１２７】
代りに、例えば、直接ギャップＧａＡｓがＳｉと結合される場合のようなハイブリッド材料が開発されてきた。一つの手法では、ゲルマニウム（Ｇｅ）をＳｉと合金化することにより、電子帯構造のエンジニアリングが可能になり、この場合、エネルギーギャップは合金組成に関連して変化し得る。残念ながら、そのような合金はヘテロ構造の安定性の制限から悪影響を受けるので、例えば、これらの化合物から形成される付着層は或る臨界値より薄く維持されなければならない。その結果、そのような合金から形成される光検出器の吸収領域は必然的に小さくなる。また、これらの化合物のバンドギャップは依然として本質的に間接的である。
【０１２８】
シリコンベースのフォトニクスに関連する２つの本質的な問題、すなわち、ＩＲ放射に対する不感受性及び弱いルミネセンスは、本発明によって解決される。本発明の一つの態
様においては、新規な物理的現象、すなわち、自由キャリアの定常状態不平衡分布（「ＳＮＥＤ」）がメゾスコピック古典的閉じ込め（「ＭＣＣ」）によって実現される。そのような分布及び以下で説明される結果的な利点は、特殊な活性媒体を使用して実施することができる。
【０１２９】
光誘導型ＳＮＥＤエンジニアリングは、広バンドギャップ半導体又は誘電体材料に埋め込まれたメゾスコピックサイズの半導体又は金属の領域（もしくは代替として「粒子」）において、準連続スペクトルの導電帯又は価電子帯定常状態不平衡分布の生成を予見する。ＭＣＣが行われているときのみ（すなわち、不平衡電子の冷却時間が、以後「ＭＣＣ遷移時間」と呼ばれる、メゾスコピック粒子とマトリックス材料との間の界面に電子が到達する時間より長いとき）、ポンピング光源によって光電子の特定の分布を誘起することができる。
【０１３０】
ＭＣＣ遷移時間は、（１）ホット電子の速度（又は運動エネルギー）、（２）メゾスコピック粒子のサイズ及び（３）拡散の間又は弾性運動の間のようなホット電子運動のタイプによってのみ決定される。冷却時間は、ホット電子が自由キャリアからフォノンへの又は自由キャリアから自由キャリアへの相互作用によりエネルギーを消散するのに必要な時間として定義される。
【０１３１】
広バンドギャップマトリックス材料によって囲まれたメゾスコピックサイズの粒子からなる特殊媒体又は複合構造では、冷却時間はバルク材料の冷却時間より著しく長い。そのような長い冷却時間は、「光子ボトルネック」の結果、及び、粒子とマトリックス材料のそれぞれの音響インピーダンス間の差の結果である。冷却時間とＭＭＣ遷移時間との間の十分に大きな比により、ホット電子の固有定常状態分布を維持することが可能になる。分布の最大値のエネルギーは、ポンピング光光子エネルギーを変化させることによって扱われるが、分布の形態はメゾスコピック粒子のサイズ及び複合構造を形成する材料間の界面の質を変化させることによって処理される。
【０１３２】
理想的な状況では、自由キャリアの極めて狭い分布が達成される。原理的には、この手法は、活性媒体内において規定されるエネルギー障壁の性質と共に、高度に望ましい動的に調節可能な光学特性を有する人工媒体を創出する新しい機会を開く。例えば、所定のエネルギーを有するポンピング光（第１光子吸収）によって創出される定常状態不平衡自由キャリアの閉じ込められた高密度プラズマを含む人工媒体が、外部対象物によって放出されている光子を吸収する（第２光子吸収）ように製造され得る。メゾスコピック粒子及び周囲マトリックス材料を適切に選択することによって、原因となる潜在的な障壁をシステムに導入すると、同調可能なカットオフ波長を特徴とする新規なタイプの光検出器が得られる。
【０１３３】
ポンピング光のエネルギーによって規定されるエネルギー障壁の高さ以上のエネルギーを有し、対象物から到着するＩＲ光子は、ＱＷＩＰ構造の場合と同様に、複合構造間に横断方向バイアス電圧を印加することによって電気的に検出され得る。そのようなＩＲ光子は、代替として、複合材料を形成する材料間の界面上において、又は、メゾスコピックサイズの領域を囲むマトリックス材料のバルク内において、自由キャリアの放射再結合を強化することによって、光学的に検出することができる。電気的検出又は光学的検出のステップの後には、典型的には、従来の手段を使用して結果的なルミネセンスを検出するステップが続く。
【０１３４】
本発明の一つの実施の形態内において、完全に新しいシリコンベースの（したがって、従来の集積回路製造技法と両立可能である）活性媒体は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３又はアモルファスＳｉなどの広バンドギャップ半導体又は誘電体の材料によって囲ま
れたシリコンのメゾスコピックサイズの粒子からなる。この活性媒体（固有複合構造）は高度に効率的な２重光子誘導型光／電気ルミネセンスを特徴とし、これは、ＩＲから可視光への、又はＩＲから近ＩＲ（ＮＩＲ）光への効率的なアップコンバート層として使用され得る。
【０１３５】
考慮される複合構造の追加の固有の特徴は、室温におけるＩＲから可視（又はＮＩＲ）光への変換の歩留まりが高いことである。電子とメゾスコピック領域格子原子との間の非効率的なエネルギー交換のために、電子システムと原子システムとは熱力学的には独立しており、ホット自由キャリアの温度は格子の温度より著しく高いことがある。過熱された不平衡自由キャリアのエネルギーに対する相対的に小さい格子熱エネルギーの揺らぎの影響は無視可能であり、したがって、高度に効率的な室温動作を可能にする。更に、従来の技術とは対照的に、本発明によって提供される光学アップコンバートプロセスは熱的に無雑音であることに留意されたい。
【０１３６】
本発明により形成されるアップコンバート複合構造と従来のＣＭＯＳイメージャとを光学的に結合することにより、高性能で完全に光学的であり波長動的調節可能な量子無冷却ＩＲイメージャ・センサが得られる。メゾスコピックサイズの領域を囲むマトリックス材料に放射再結合中心を導入することにより、シリコンからの純粋光放出という十分に証明されている問題ではあるが、有効なルミネセンスが可能になる。この新しい手法の１つの例示的な応用分野として、シリコンベースの波長調節可能な量子無冷却ＩＲイメージセンサが、以下、追加的に詳細に提起される。
【０１３７】
本発明は、唯一の埋込まれたナノサイズの粒子で形成されたマトリックスがシリコンベースの材料からの不十分なフォトルミネセンスの問題に対する可能な解であるという従来の前提から基本的に決別する。全く対照的に、本発明は、ナノサイズの粒子において生じる量子閉じ込め効果が粒子当たり若干の光電子しか含まないと結論する。したがって、十分な格子吸収又は光励起とその後のフォトルミネセンス効率は、極めて多数のナノサイズの粒子によってのみ達成される。他の言葉で記述すれば、ナノサイズの粒子の密度（単位面積当たりの数）は極めて大きくなければならない。
【０１３８】
上で注目したように、ナノサイズの粒子の層の従来からの構成は均一性の問題をはらんでいる。更に重要なのは、ナノサイズの粒子に対して必要な高密度によって近傍粒子間の平均分離距離が短くなることである。そのような短い分離距離により、近傍粒子間の複雑な量子相互作用が可能になり、結果として、ナノサイズの粒子に関連するエネルギー状態及び電子分布が変化する。
【０１３９】
対照的に、本発明の１つの現在の好ましい実施の形態は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＡｓ、ＧａＳｂ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳなどの広バンドギャップ半導体又は誘電体材料のマトリックス内に埋め込まれた、メゾスコピックサイズのシリコン、ＩｎＡｓ、ＨｇＴｅ、Ｇｅなどの他の狭バンドギャップ半導体材料或いはＡｌ、Ｃｕなどの金属粒子を備える。
【０１４０】
「メゾスコピック」という用語は、１０ｎｍ（１０−６ｃｍ）より大きいが１ミクロン（１０−４ｃｍ）より小さい平均直径サイズを有する粒子（又は領域）を意味し、より具体的には、約５０ｎｍから約５００ｎｍまでの範囲を含む。
【０１４１】
メゾスコピック粒子は粒子当たり例えば１０６〜１０９個に及ぶ多数の原子を備え、したがって多数の価電子を備える。メゾスコピック粒子の電子／正孔エネルギースペクトルはバルク材料と同様である。この意味は、量子サイズ効果によって規定されるナノ粒子に固有の離散エネルギーレベル、すなわちエネルギー状態の離散密度の代わりに、メゾスコピック粒子は、エネルギー状態の大きな準連続（すなわち、エネルギー状態間の距離が熱
エネルギーｋＴより小さい）密度を有する十分に規定された導電帯及び価電子帯によって特徴付けられるということである。そのような粒子を広バンドギャップ半導体材料内に埋め込むことにより、固有導電ΔＥｃ帯又は価電子ΔＥｖ帯によって規定される深さを有する広い（すなわち、量子サイズ効果が関係しない）ポテンシャル井戸が創り出される。
【０１４２】
シリコンのバンドギャップエネルギー
【０１４３】
【数１７】
2007502031.tif 000019
【０１４４】
より大きいが
【０１４５】
【数１８】
2007502031.tif 000020
【０１４６】
より小さいエネルギーを有するエネルギー
【０１４７】
【数１９】
2007502031.tif 000021
【０１４８】
を有する外部ポンピング源から入射する光子束の影響下において、メゾスコピックサイズのポテンシャル井戸は、多数の光励起自由キャリアのメゾスコピック古典的空間閉じ込めを誘起する。そのような定常状態不平衡自由キャリアの数
【０１４９】
【数２０】
2007502031.tif 000022
【０１５０】
はポンピング光強度の変化のために極めて大きい。
この観点からすると、メゾスコピックサイズの粒子はマルチキャリア粒子であるが、ナノ粒子は若干の離散レベルにおいて幾つかの光励起キャリアを有するにすぎない。したがって、メゾスコピックサイズの粒子の吸収係数は、ナノサイズの粒子に関連する吸収係数よりも数桁大きい。自由キャリアの生成に対するこの大きく拡大された影響を想定すると、埋め込まれたメゾスコピック粒子の密度は、近傍粒子間の望ましくない相互作用が排除される点まで低減され得る。その結果、埋込まれたナノサイズの粒子を有する材料とは異なり、メゾスコピック粒子の密度、分布及びサイズの変動は、結果的な複合構造の電気的特性及び光学的特性に対して弱い影響しか有さない。したがって、ナノサイズの粒子のサイズ、密度及び幾何学的形態に対する精確な制御に関連する複数の製造上の問題は、本発明によって回避される。
【０１５１】
上で注目したように、ナノサイズの粒子に関連する量子閉じ込め効果は、極めて限定されたエネルギー状態の組を有する不平衡電子分布を提示する。すなわち、電子の対応するエネルギースペクトルは本質的に高度に離散的である。エネルギー状態のこの離散した組に存在する電子は、エネルギースペクトルにおいて「デッドゾーン」を介在させることによって、それぞれの状態内において分離される。エネルギー状態のこの固定有限デッドゾーン分離シーケンスにより、離散エネルギースペクトル内の電子について、限定された数の可能な状態遷移のみが可能になる。したがって、ＩＲ検出の場合、ナノ粒子は、光誘導
された境界間ＩＲ吸収又は境界から連続へのＩＲ吸収に基づいてＱＤＩＰとして使用され得る。そのような吸収は弱いが、それは、粒子当たりごく少数の不平衡電子が離散エネルギーレベル内において励起され、したがって、検出プロセスに関与するように利用可能だからである。
【０１５２】
対照的に、メゾスコピックサイズの粒子は十分に大きな吸収係数及びエネルギー状態の準連続密度に関連付けられる。ＭＣＣは、価電子帯から導電帯での複数のエネルギー状態までの、外部光ポンピング源によるほぼ連続的な電子励起を可能にする。ポンピング光源によって創出されて、約
【０１５３】
【数２１】
2007502031.tif 000023
【０１５４】
のエネルギーを有する
【０１５５】
【数２２】
2007502031.tif 000024
【０１５６】
の光誘起電子からなる定常状態電子プラズマが、式
【０１５７】
【数２３】
2007502031.tif 000025
【０１５８】
によって定義される光エネルギーのＩＲ放射検出プロセスにおいて使用され得る。２つの光子、すなわち
【０１５９】
【数２４】
2007502031.tif 000026
【０１６０】
及びｈνＩＲ（ｈはプランク定数、νはＩＲ光の周波数である）を連続的に吸収する電子は、エネルギー障壁
【０１６１】
【数２５】
2007502031.tif 000027
【０１６２】
を克服して周囲のマトリックス材料に到達することができ、そこで、電子は放射再結合中心によって捕獲される。そのような捕獲には、従来のシリコン光検出器によって検出することができる光の放出が伴う。
【０１６３】
これは、本発明によって一つの態様において提起される刷新的なタイプのＩＲ検出である。不平衡電子プラズマによって吸収されるＩＲ光子の最小エネルギーはポテンシャル障壁より上に電子を上昇させるのに十分であり、そのようなＩＲ検出器の長いカットオフ波長を規定する。このカットオフ波長はポンピング光波長を選択することによって調節される。
【０１６４】
上で議論したように、従来の材料エンジニアリング及びシリコンベースの閉じ込め効果設計の全体的な推進は、自然に生じる間接バンドギャップ材料から直接バンドギャップ材料又は疑似直接バンドギャップ材料を創り出す。したがって、従来の技術は、間接バンドギャップ材料に関連する電子状態の固有スペクトルを意図的に変化させる。そのような変化によって、従来のナノサイズの粒子内における電子／正孔再結合の確率は高くなる。
【０１６５】
しかし、本発明の文脈内では、シリコンのメゾスコピック粒子内の電子／正孔再結合の結果である光子放射は望ましくない。その理由は、そのような光子の漏れはＩＲ光子吸収に利用可能な励起（ホット）電子の数を実際に減少させるからである。したがって、本発明は、シリコンのメゾスコピック粒子内においてエネルギー状態のスペクトルを変化させることを回避する。したがって、メゾスコピックサイズの粒子の材料は間接バンドギャップの性質を保持しており、粒子内の放射電子／正孔再結合の全体的な確率は小さいままである。
【０１６６】
本発明においては、シリコンからの無効な光放出の問題について、放射再結合中心を周囲のマトリックス材料に導入することによって、他の関係する態様において更に取り組んでいる。固有直接バンドギャップ特性を有するマトリックス材料のアモルファスな性質により、膨大な数のそのような中心を挿入することが可能になり、強い光放出が提供される。そのような不純物ドーピングの有益な効果は、例えば、エルビウムなどの希土類原子がドープされた光放出光ファイバの従来の形成において十分に理解されている。
【０１６７】
従来のシリコン閉じ込め構造もトンネル現象によりホット電子を失う。不平衡電子が埋込み粒子とマトリックス材料との間の電子障壁の下を通過し、界面状態において再び結合する。この現象を防止するために、介在界面状態が存在しない、鮮明で清浄な界面が必要とされる。例えば、結晶シリコン（Ｓｉ）のメゾスコピック粒子がＳｉＯ２マトリックス材料に埋め込まれる場合、Ｓｉ／ＳｉＯ２界面は、界面のエッジ間に介在又は遷移ＳｉＯｘ材料が存在しない極めて鮮明で清浄なものでなければならない。同じ原理があらゆる他の種類の汚染物質について当てはまる。メゾスコピック粒子から界面状態を通るホット電子の望ましくないトンネリングは、占有されていない界面状態がない鮮明で清浄な界面によって大部分は回避される。
【０１６８】
したがって、従来のナノサイズの粒子から形成されたシリコン閉じ込め構造と、メゾスコピックサイズの粒子によって形成されたシリコン閉じ込め構造との間の区別の中には、粒子サイズ、マトリックス材料内の粒子の密度、埋込まれた粒子の分布及び密度に対する設計全体の感度、埋込まれた粒子内において行われる電子／正孔再結合の数（又は密度）、埋込まれた粒子と回りのマトリックス材料との間の界面の性質、及び制御可能な方式でマトリックス材料内に導入される多数の放射再結合中心が含まれる。
【０１６９】
広バンドギャップマトリックス材料内のメゾスコピック粒子の形成は、図２Ａ、図２Ｂ、図３及び図４Ａ〜図４Ｃに示される幾つかの例示的な実施の形態に示されている。図２Ａにおいて、作業基板又は絶縁体１０はマトリックス材料１２の１つ以上の層を受け取り、その後、粒子材料１４の１つ以上の層を受け取る。粒子材料１４はアモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）であることが好ましいが、メゾスコピック粒子のその後の形成に適切な任意の他の材料とすることが可能である。マトリックス材料はＳｉＯ２であることが好ましいが、任意の同様の酸化物又は窒化物の材料であってもよい。
【０１７０】
従来通りに生成されたフォトリソグラフィマスク１５を使用して、粒子材料１４のアイランドが、任意の数の十分に理解されているリソグラフィ技術１９を用いて作られる。作成及びエッチングに続いて、粒子材料のアイランド１７が創り出される。従来の湿式及び乾式エッチングプロセスが、以上のプロセスと共に使用されるのに適している。その後、
図２Ｂに示されるように、マトリックス材料１６の第２層が粒子１７の上に設けられ、それによって粒子をカプセル化する（又は埋め込む）。このプロセスを複数回反復して、埋込まれた粒子層のスタックを作ることが可能である。最後に、サンドイッチ全体はアニーリングされ、ａ−Ｓｉの場合には結晶Ｓｉ粒子１７が生成される。
【０１７１】
代りに、粒子材料層を粒子材料層間に設けて急速にアニーリングし、粒子材料層にクラックを入れてほぼメゾスコピックサイズの結晶粒子に変換するようにしてもよい。粒子分布及び粒子サイズの変化に対する本発明の許容度により、この簡単なアニーリング方法が実行可能になる。アニーリングの温度、圧力及び環境（アニーリング気体を含む）は、粒子及び材料層の正確な厚さ及び組成に関して変更される。
【０１７２】
同様に、ａ−Ｓｉの層が、レーザ誘導再結晶化によって、許容可能な分布の結晶シリコン粒子に変換され得る。粒子のサイズ及び密度はレーザ光の波長、処理温度、処理圧力及び処理環境の関数である。
【０１７３】
メゾスコピックサイズのＳｉ粒子は、マグネトロンスパッタリング、プラズマ改良化学蒸着又は電子銃を使用してＳｉＯ２マトリックス内に埋め込まれ、これにアニーリングのステップが続く。実際、多くの従来の半導体プロセス、特に従来のリソグラフィ技術は、ナノサイズの粒子の形成に対してよりも、本発明のメゾスコピック粒子の形成に対して良く適合する。
【０１７４】
しかし、マトリックス材料内においてメゾスコピック粒子を形成する他の例示的な方法が図３に示される。ここでは、従来の液体フォトレジスト２０と適切なサイズ及び形状の金属粒子２１とを使用してフォトレジストスラリが作成される。アルミニウム又はアルミニウム酸化物を金属として使用することができる。金属粒子２１は材料層１４の上に加えられる（スピンコーティングされて硬化される）液体フォトレジスト２０上に均一に分布される。その後、材料層１４は従来の技法を使用して現像されてエッチングされる。
【０１７５】
代りに、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、金属含浸フォトレジストスラリ（２０、２１）を、ａ−Ｓｉ層１４を覆う犠牲ＳｉＯ２層１２の上にスピンコーティングすることが可能である。従来のエッチングプロセスを使用して、金属粒子２１の下に形成されたアイランド２２以外の、大部分のＳｉＯ２層１２が除去される。アイランド２２の形成後、ａ−Ｓｉ層１４の選択的に露光された部分が従来の手段を使用して現像される。このようにして、ａ−Ｓｉ層１４の残りが除去された後、メゾスコピックサイズの粒子２４を得ることができる。
【０１７６】
ナノサイズの粒子に依存するＳｉ閉じ込め構造の場合と同様に、本発明による埋込まれたメゾスコピック粒子を有する広バンドギャップ材料は、著しい光放出を生成するために、ポンピング光エネルギー源を必要とする。図５Ａに示すように、表面光ポンピング源３３がアップコンバート層３０の表面に光エネルギーを直接加えることができる。代りに、又は表面ポンピング源３３と組み合わされて、基板ポンピング源３２が透明支持層３７を経て光エネルギーを加えることが可能である。
【０１７７】
他の応用分野では、アップコンバート層３０を除く任意の個所において（１つ以上の離散波長の）光ポンプエネルギーが加えられることは極めて望ましくない。そのような場合、導波路構造（例えば、ブラッグの反射器）を用いて、アップコンバート層の上及び／又は下において半導体層を光学的に隔離しながらポンプエネルギーをアップコンバート層３０に伝達することができる。この手法は図５Ｂに示されており、光ポンプエネルギーは、アップコンバート層３０を挟む層３６によって形成される導波路に対して横方向に、従来のカプラを使用して導入される。シリコン窒化シリコン二酸化物多層サンドイッチなどの
適切な導波路材料の選択は、波長分離要件とアップコンバート層３０に隣接する半導体層の性質との関数である。
【０１７８】
材料のＳｉ／ＳｉＯ２の組み合わせを現在好ましい実施の形態として記述してきたし、これからも記述するが、本発明は材料のこの特定の組み合わせに限定されるものではない。しかし、Ｓｉ／ＳｉＯ２の組み合わせは正当な理由から好ましい。すなわち、多くの価値ある商用応用分野が、これらの材料の組み合わせから形成される改良された光電子デバイスの導入を容易に受け入れる。赤外線イメージングシステムはそのような応用分野の優れた例である。
【０１７９】
本発明は、アップコンバートと呼ばれる、赤外線放射の可視光領域への周波数シフトを、その後のイメージングが従来の可視光イメージング回路によって達成可能であるように実施する装置及び方法を記述し紹介する。この文脈内において、本発明による埋込まれたメゾスコピック粒子を有する広バンドギャップ材料は、一般に「アップコンバート」層と呼ばれる。
【０１８０】
上で注目したように、多くの優れた可視光イメージング回路が従来のＣＭＯＳ技法を使用して経済的に実現されている。現在、そのようなＣＭＯＳ回路は、比較的高価で困難なハイブリッド技術を介してのみ高性能光検出器と組み合わされる。
【０１８１】
これに対して、本発明によるアップコンバート層は、集積回路産業において開発された製造技術という成熟した主体を使用して、従来のＣＭＯＳイメージング回路と容易且つ経済的に統合される。そのような統合の例を図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃに示す。図６Ａにおいて、半導体基板４０はその上に形成された従来のＣＭＯＳ可視光イメージング要素４１を有する。形成後、このＣＭＯＳイメージャ４５にアップコンバート層４２が重ねられる。このアップコンバート層は上記された方法のいずれか１つを使用して形成され得る。
【０１８２】
しかし、図６Ａに示すように、マトリックス材料層１２がＣＭＯＳイメージャ４５の上に形成され、粒子層１４がマトリックス材料層１２の上に形成される。図６Ｂでは、メゾスコピック結晶シリコン粒子１７が粒子層１４から形成される。メゾスコピック結晶シリコンの層１２、１６の間に完全に埋め込まれた後、粒子は、アップコンバート層４２に加えられた光ポンピングエネルギーを使用して入射ＩＲ放射を可視光にアップコンバートすることができる。
【０１８３】
図７は、アップコンバート層４２とＣＭＯＳイメージャ４５との組合せを更に示す。入射ＩＲ放射５２が（光学的に設けられた）第１光フィルタ５３（例えば、帯域通過、帯域停止、高域又は低域通過）を経てアップコンバート層４２に衝突する。第１光フィルタ５３の特性は従来どおりとすることができ、例えば、イメージングされるＩＲ周波数の範囲を選択するために使用され得る。（フィルタ５３に関係付けられた又は関係付けられない）第２光フィルタ５５は、ＣＭＯＳイメージャ４５からアップコンバート層４２を光学的に分離するために光学的に設けられてよい。例えば、第２光フィルタ５５は光ポンピング波長がＣＭＯＳイメージャ４５に当たらないようにすることができる。代りに及び／又はそのような波長選択フィルタリングと組み合わされて、第１フィルタ５３及び第２フィルタ５５は、アップコンバート層４２をポンピングするために導波路を実現する協同反射層とし得る。
【０１８４】
図８は、本発明に適合された例示的なＩＲイメージングシステムを示す。従来の光学サブシステム６０及びアイリス６１は赤外線放射を選択された視野から収集して収束させる。ＩＲ放射は導波路選択フィルタ（図示せず）を通過した後、図６Ａ〜６Ｃに関して説明した例により形成される焦点面アレイ（ＦＰＡ）６３に当たる。光ポンピング源６２は光
ポンピングエネルギーをＦＰＡ６３に提供する。ＦＰＡ６３に当たるＩＲ放射は、ポンピング源６２によって提供される光エネルギーを使用して、構成要素のアップコンバート層によってＩＲ波長から可視光波長に変換（及び随意に増幅）される。結果的な可視光放出は従来のＣＭＯＳイメージング回路、電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージャ、シリコンフォトダイオードや光導電体の２次元アレイ又はシリコン読み取りチップ（以後、「従来の可視光イメージング回路」と一般的に称する）を使用してイメージ化される。したがって、本発明の一つの態様によれば、ＦＰＡは、従来の可視光イメージング回路と、広バンドギャップ材料に埋め込まれたメゾスコピック粒子によって形成されるアップコンバート層との統合された組み合わせであると考えられる。
【０１８５】
その後、ＦＰＡ６３の可視光イメージング回路からの可視イメージ信号は増幅器６４、アナログ・デジタル変換器６５及びデジタルプロセッサ６６に伝えられる。例えば、従来のＲＳ１７０ビデオ信号がＩＲイメージングシステムから出力信号として容易に導出される。必要に応じて、従来のアレイアドレス生成装置及びアレイバイアス回路（図示せず）を図８のＩＲイメージングシステム内に組み込むことができる。
【０１８６】
本発明により、広い周波数範囲にわたる真の光学調節能力が可能になる。この能力は、一部には、本発明により形成されるアップコンバート層内において展開される励起電子スペクトルの固有の連続的性質から得られる。上で注目したように、従来のナノサイズの粒子構造によって規定される、励起電子のエネルギー状態の制限された離散数のために、そのような従来のシステムは１つ又は複数のかなり狭い検出周波数に制約されることになる。しかし、本発明によって生成される励起電子に対するエネルギー状態の広いマルチキャリアスペクトルはほぼ連続的であるので、ＩＲ周波数の範囲にわたって広い光学的同調が可能になる。
【０１８７】
例えば、同調可能なレーザ又はレーザダイオードを光エネルギーポンピング源として使用できる。レーザはその光学範囲にわたって同調されるので、ポンピングエネルギーの波長を変えることにより、本発明にしたがって形成されたＦＰＡに収束されるＩＲ放射周波数のスペクトルから別のＩＲ放射周波数（又は比較的狭い周波数帯域）が「選択される」。代りに、広バンド光ポンピング源と同調可能フィルタ／光学機器との組み合わせを、アップコンバート層に均一なポンピング照射を印加するために使用する。イメージングに特有のＩＲ周波数をそれぞれ選択するように、複数の離散光源を作動させることが可能である。
【０１８８】
ＩＲイメージングシステム内における光ポンピング源の選択及びその構成は設計選択肢の主題であり、イメージ化されるＩＲ周波数の数及び範囲に依存する。しかし、従来のＩＲイメージングシステムとは異なり、本発明は１つ又は２つの離散ＩＲ周波数に限定されるものではない。むしろ、ＩＲイメージングデータの完全な組を導出するために、全体的な第１の熱的イメージングバンド及び第２の熱的イメージングバンドは同調可能光ポンピング源によって掃引されてよい。代りに、或るタイプの対象物を識別するために、「署名」ＩＲ周波数の集合を１つ以上の光ポンピング源によって迅速に走査することが可能である。
【０１８９】
本発明の利点、使用法及び作成法を比較的簡単な例に関して記述してきた。これらの例は開示を可能にするのに十分であるが、当業者ならば、多くの修正及び変形が本発明の文脈内において可能であることを理解するであろう。例えば、電子／正孔空気の放射再結合における効率の増大は、アップコンバート層のマトリックス材料内に不純物を制御して導入することによって達成される。そのような不純物の導入は、有利なことに電子及び正孔を局在化させる傾向にある。例として、希土類不純物、炭素化合物、硫黄酸化物化合物は電子／正孔再結合に対する局在化中心として作用することが可能である。シリコンでの外
因性ルミネセンスは様々な源から生じることができるが、等電子の及び希土類の外因性中心が現在は好ましい。
【０１９０】
等価元素Ｃ、Ｇｅ、Ｓｎ又はダングリングボンドのない複数原子化合物などの電気的に中性な不純物をＳｉにドーピングすることによって、等電子中心を創ることができる。等電子不純物はＳｉの自由励起子と結合するので、粒子の空間閉じ込めによる電子／正孔再結合の確率を増大させる。
【０１９１】
固体の希土類イオンの光学特性は極めて詳細に調査され且つ十分に理解されている。エルビウムイオンの光放出は半導体デバイスの応用分野について特に注目される。エルビウムイオンの励起は複雑なプロセスであり、まずＳｉにおいて電子／正孔を生成し、それに次いで励起子を形成し、最後にエルビウムを励起することを含む。次いで、励起状態緩和が光子放出により行われる。酸素コドーパントを導入することによって性能を上げることが可能である。
【０１９２】
本発明を他の観点から見ると、ホット電子から固有分布（又はスペクトル）を創る新規な方法を見付けることができる。光ポンピングエネルギーの影響下において、埋込まれたメゾスコピック粒子は広バンドギャップマトリックス材料内においてホット電子の安定な（又は定常状態の）不平衡分布を創る。この分布は、同調可能光学エネルギーポンピング源に関して形成されるホット電子のデルタ状又は狭く収束された柱状分布として見ることができる。本発明は、シリコン二酸化物マトリックス内に埋め込まれたシリコン粒子によって達成されることが好ましいが、これらの特定の材料に限定されるものではない。むしろ、ホット電子のこの分布を展開させることができる材料の任意の組み合わせが本発明に適している。
【０１９３】
ここで、本発明の幾つかの追加の例について、追加の教示的な実施の形態として記述する。第１の例は、ＩＲ及び近ＩＲ光信号の光子エネルギー・アップコンバートにおける本発明の応用を示す。より具体的には、光誘導型自由キャリアＩＲ吸収及びＩＲ誘導近ＩＲルミネセンスが、水素化アモルファスシリコン（α−Ｓｉ：Ｈ）内に埋め込まれたメゾスコピックサイズの結晶シリコン粒子から形成される複合構造を使用して達成される。
【０１９４】
この例示的な複合構造のサンプルは、３５０℃の温度において固有α−Ｓｉ：Ｈの５００Åの厚い層を２重側面研磨シリコン基板の上に付着させることによって形成された。次いで、基板は、３分の１の水素希釈率Ｈ２：ＳｉＨ４及び５０ｓｃｃｍの流量を使用して、ＰＥＣＶＤプロセスを受けた。付着室の圧力は６．６７パスカル（５０ミリトル）に維持され、１５０ＷのＲＦ電力が加えられた。後述の第２の例及び第３の例は、メゾスコピック粒子が周囲材料内において形成される方法ステップをより具体的に記述する。
【０１９５】
しかし、第１の例の文脈内では、メゾスコピック粒子のサイズ及び対応する結晶シリコンの容積分率は、例示的な複合構造から導出されるラーマンスペクトルを調査することによって決定された。結果的なラーマンスペクトルは、図９においてグラフの形態で示されている。図９のラーマンスペクトルは、（１）５２０ｃｍ−１付近において出現し、シリコンのメゾスコピック粒子に起因する狭い結晶バンド、及び（２）４８０ｃｍ−１においてピークであり、アモルファスシリコンに起因する広バンド横方向光（ＴＯ）モードの２つのバンドからなる。
【０１９６】
結晶シリコンのメゾスコピック粒子の平均サイズは、モノ結晶シリコンに固有のピークに関して５２０ｃｍ−１の狭い結晶バンドに関連付けられるピークのラーマンシフトの依存を記述する経験的較正曲線から抽出された。粒子の平均直径は約１４ｎｍであるように決定された。アモルファスシリコン層の結晶シリコンの容積分率ＸＣは
ＸＣ＝ＩＣ／（ＩＣ＋ＩＡ）
なる関係により推定された。ただし、ＩＣ及びＩＡはそれぞれ、結晶ピーク及びアモルファスピークの積分された強度である。調査された第１のサンプルでは、ＸＣはわずかに約１０％であるように決定された。したがって、第１のサンプル複合構造は極めて低い密度を有する比較的小さいメゾスコピックサイズの結晶粒子によって特徴付けられる。
【０１９７】
本発明の一つの実施の形態において現在考慮されているように、好ましいメゾスコピックサイズは５０〜２００ｎｍの範囲であり、結晶シリコンの好ましい容積分率は５０〜６０％である。それにもかかわらず、メゾスコピック範囲の下限付近にサイズ決めされ、容積分率範囲の予期される下限付近の容積分率の粒子を用いても、結果的な複合構造は光変換器として試験されるときに良好な結果をもたらした。観測される光学的アップコンバート能力よりも強制的であるが、第１のサンプル複合構造は無視可能な量子サイズ効果を呈するので、その振舞いは本質的に古典的であると正当に言える。
【０１９８】
第１の例の複合構造のＩＲ透過スペクトルは、標準的な急速走査モードにおいて動作するブルカーのエクイノクス（登録商標）５０ＦＴＩＲスペクトロメータを使用して測定された。第１の例の複合構造の測定透過スペクトルは、図１０においては、アモルファスシリコンのみから予期される透過スペクトルを示す破線に対して実線によって示される。
【０１９９】
空気の透過率が、シリコン基板及びアモルファスシリコン層の透過率の測定基準とされた。水素化アモルファスシリコン層の真性透過率を得るために、測定スペクトルはシリコン基板の透過率スペクトルによって除算され、空気のそれに対して測定された。以上から明らかなように、あるとしても僅かな測定可能吸収が１〜１６μｍの光学ＩＲ波長の範囲にわたって第１のサンプル複合構造において行われる。
【０２００】
光誘導型吸収（ＰＩＡ）及びＩＲ誘導型フォトルミネセンスの測定が第１のサンプル複合構造に関して行われた。結晶シリコンのバンドギャップ
【０２０１】
【数２６】
2007502031.tif 000028
【０２０２】
より大きいが、α−Ｓｉ：Ｈのバンドギャップ
【０２０３】
【数２７】
2007502031.tif 000029
【０２０４】
より小さい光子のエネルギー
【０２０５】
【数２８】
2007502031.tif 000030
【０２０６】
を有するポンピング光が、複合構造のメゾスコピックサイズの領域（ここでは「層」）において吸収され、これらの領域において自由正孔の光誘導型ＳＮＥＤを提供する。ポンピング光のない場合にＩＲ波長に対して通常はほぼ１００％の透過率であるので、結晶シリコン領域はポンピング光の適用により不透明となり（透明でなくなり）、自由正孔の光誘導型ＳＮＥＤが確立される。
【０２０７】
ＩＲ放射のポンピング光誘導吸収（ＰＩＡ）は、複合層を統合したもの（すなわち、メゾスコピックサイズ領域と周囲α−Ｓｉ：Ｈの組み合わせ）の透過率を低減させる。透過率のこの絶対的な低減ΔＴはＰＩＡの尺度である。ＰＩＡの存在は自由キャリア（すなわち、現例では正孔）の光誘導型ＳＮＥＤの存在を直接証明する。
【０２０８】
吸収ＩＲ光子のエネルギーが十分大きくて、結晶シリコンのメゾスコピック領域と周囲のアモルファスシリコン・マトリックスとの間のエネルギー障壁より上でホット自由キャリアを光誘導型ＳＮＥＤから生成するならば、正孔は障壁を克服し、周囲のマトリックスへ貫通して放射再結合される。ＩＲ誘導型ルミネセンスは、近ＩＲスペクトル範囲において、固有波長
【０２０９】
【数２９】
2007502031.tif 000031
【０２１０】
の近傍における透過率の増大として観測される。この固有波長は、
【０２１１】
【数３０】
2007502031.tif 000032
【０２１２】
によって定義され、ｈはプランク定数、ｃは光速であり、
【０２１３】
【数３１】
2007502031.tif 000033
【０２１４】
はα−Ｓｉ：Ｈ導電帯の底部であり、ＥＲＲＣは周囲アモルファスシリコン・マトリックスにおける放射再結合中心のエネルギーである。このスペクトル範囲内における透過率の正の変化はＩＲ誘導型ルミネセンスとして解釈される。
【０２１５】
実際、本明細書において記述される実験設備の構成を前提とすると、複合構造の透過率は常に測定される。プローブＩＲ光源が調査対象の複合構造を照射し、ＩＲ冷却ＭＣＴ検出器がサンプルの後に配置され、どの程度のＩＲ光がサンプルを通過するかを測定してＩＲ透過率を決定する。検出器の信号はボルトで測定された光電圧であり、透過率が大きくなると出力信号の電圧は増大する。ポンピング源の強度は所定の周波数に従って機械的にチョッピング（開閉）される。ＭＣＴ検出器の出力に接続されたロックイン増幅器は、チョッパの周波数における透過率の変化ΔＴ＝Ｔｐｕｍｐ−Ｔｏ（ポンプ開放とポンプ閉鎖の差）及びその符号を測定する。ＰＩＡは透過率の負の変化（ΔＴ＜０）によって特徴付けられ、ＩＲ誘導型ルミネセンスは正の変化（ΔＴ＞０）によって特徴付けられる。
【０２１６】
図１１に示される実験設備を用いて、これらの測定を実施した。より詳細には、Ｔｉサファイアレーザ７０（７７５ｎｍにおけるＣＯＨＥＲＥＮＴ−８９９ＲＩＮＧレーザ１０ｍＭ）が、第１のサンプル複合構造のメゾスコピックサイズの結晶シリコン粒子内において不平衡自由キャリアを生成するための光ポンピング源として使用された。Ｔｉサファイアレーザ７０はアルゴンイオンレーザ７１（４８８ｎｍにおけるＣＯＨＥＲＥＮＴ−ＩＮＮＯＶＡ（７０÷４００）ｍＷ）によって励起された。光透過性能の変化がブルカーのエクイノクス５５ステップ走査ＦＴＩＲスペクトロメータ７２及びＳＲ８３０ＬＯＣＫ−ＩＮ増幅器７３を使用して測定された。液体窒素によって冷却されたＨｇＣｄＴｅ光起電力検出器７４を使用することによって、０．６５μｍ〜１６μｍにわたる波長の範囲がカバ
ーされた。
【０２１７】
実験はポンプ・プローブ手法を使用して実施された。７７５ｎｍの波長におけるＴｉサファイアレーザが、周囲のアモルファスシリコン層内ではなくメゾスコピックサイズの結晶シリコン粒子内おいてフォトキャリアを励起するポンピング光源として選択された。関係する電圧として表すと、
【０２１８】
【数３２】
2007502031.tif 000034
【０２１９】
である。レーザ光は制御チョッパ７５を使用して機械的にチョッピングされ、光誘導型吸収（ＰＩＡ）信号がチョッパ周波数を基準としてロックイン増幅器７３によって測定された。ステップ走査モードにおいて動作するＦＴＩＲスペクトロメータからのＩＲ光が第１のサンプル複合構造のプローブとして使用された。測定は室温において実施された。
【０２２０】
図１１のポンププローブ実験の結果を図１２に示す。図１２に示す垂直軸は複合構造の透過率の相対変化ΔＴ／Ｔ０＝（Ｔｐｕｍｐ−Ｔ０）／Ｔ０を反映し、メゾスコピック領域の直径ｄに対して正規化されている。これは実験結果の好都合な表示であるが、それは、メゾスコピックサイズの領域の吸収係数より正確な、調査された複合構造の吸収係数α＝−（１／ｄ）（ΔＴ／Ｔ０）［ｃｍ−１］を提供するからである。図１２のグラフの水平軸はプローブＩＲ源の波長λＩＲ_ｐｒｏｂｅを示し、ポンピング源は波長λＰｕｍｐ＝７７５ｎｍを有する単色Ｔｉ−サファイアレーザである。
【０２２１】
（１／ｄ）（ΔＴ／Ｔ０）が負である波長範囲においては、吸収係数はα＞０−ＰＩＡ広スペクトルバンド２μｍ÷１６μｍである。すなわち、特定のＭＣＴ検出器が与えられると、長波長カットオフは実験設備の感度の限界によって規定される。２μｍ付近のバンドの開始から約６〜７μｍまでを、関数
α＝−（１／ｄ）（ΔＴ／Ｔ０）＝ｆ（λＩＲ―ｐｒｏｂｅ）〜（λＩＲ―ｐｒｏｂｅ）β
によってグラフ上のプロットに当てはめることができる。最適な当てはめは（１．５＜β＜２．５）における一定の係数βについて達成される。吸収係数のこうした冪指数依存はいわゆる自由キャリア吸収では典型的である。したがって、観測される結果は光誘導型ＳＮＥＤからの自由キャリアによるＩＲ放射の吸収を実験的に実証するものである。
【０２２２】
〜０．７μｍから２μｍまでの近ＩＲスペクトル範囲においては、ΔＴ／Ｔ０＝（Ｔｐｕｍｐ−Ｔ０）／Ｔ０のスペクトル依存性は正であり、αは負である。負の吸収係数は、レーザ発光媒体の光学利得とその関係する誘導放出に対する要件として、レーザ分野において共通に扱われる。本発明の場合、負の吸収係数はＩＲ誘導型ルミネセンスの瞬間放射再結合と関連付けられる。
【０２２３】
このルミネセンスバンドがレーザ励起の結果であるフォトルミネセンス効果ではなくＩＲ誘導されたものであるかどうかを判定するために、Ｔｉ／サファイアレーザをＣＷモードにおいて動作させながら、チョッピングされたＩＲ源を使用して測定を実施した。ＩＲ誘導型ルミネセンスのスペクトルは両方の場合において同じであった。この特定の構成において（すなわち、複合構造基板を介して）測定されたＩＲ誘導型ルミネセンスのスペクトルは、シリコン基板の透過率によってショット波長（１．１２μｍ）側から制限される。第１のサンプル複合構造のフォトルミネセンスの直接測定は、１．２ｅＶの光子エネルギー値に対応する１μｍにおいてピークを示す。
【０２２４】
（１）基準シリコンウエハ透過率、（２）基準α−Ｓｉ：Ｈ層フォトルミネセンス及び（３）ＩＲ誘導型ルミネセンスに対するそれぞれのスペクトルを図１３にまとめて示すことにする。
【０２２５】
ＩＲ誘導型ルミネセンスの存在は、再結合が複合構造のα−Ｓｉ：Ｈマトリクス内において行われ、メゾスコピックサイズの結晶シリコン粒子内においては行われないことを示唆している。ＩＲ励起型自由キャリア（アモルファスシリコンの場合は電子ではなく実際には正孔）が界面において再結合されずにα−Ｓｉ：Ｈへ貫通する。比較として、同じ測定を単一の結晶シリコンサンプルについて実施した。単一結晶シリコン測定のＰＩＡ信号は３桁ばかり弱く、ＩＲ誘導型ルミネセンスは観測されなかった。ＰＩＡの波長依存性（図示せず）もβ＝１．８を有する冪指数法則であった。アルゴンイオン・レーザポンピング源がα−Ｓｉ：Ｈバンドギャップより大きいエネルギーの光子を放出したときのみ、すなわち
【０２２６】
【数３３】
2007502031.tif 000035
【０２２７】
のときのみ、結晶シリコン粒子を有さないサンプルα−Ｓｉ：Ｈ層のフォトルミネセンスが観測された。この最後の場合について、１μｍ〜４μｍのスペクトル範囲の極めて弱い（第１のサンプルの複合構造に関連付けられる大きさより２桁小さい）ＰＩＡが観測された。そのような狭いバンド状のＰＩＡは、水素化アモルファスシリコン・バンドギャップにおいて生じる局在状態によってトラップされる光励起型自由キャリアに関連する。
【０２２８】
本発明により製造される第１のサンプルの複合構造の以上の説明から、幾つかの重要な事実が明らかになる。まず第１に、ホット自由キャリアの定常状態不平衡分布が、α−Ｓｉ：Ｈ周囲層に埋め込まれたメゾスコピックサイズのシリコン粒子内において創り出される。第２に、これらの自由キャリアは、効率的に吸収されたＩＲ放射（大きな吸収係数α〜１０４ｃｍ−１）に十分に適応し、その後に近ＩＲ光を放出する。第３に、ＩＲ吸収バンドの短波長開始を自由キャリア吸収の冪指数法則によって規定し、ポンピング光源のエネルギー及び強度に従って動的に決定することが可能である。第４に、ＩＲ光子を吸収するメゾスコピックサイズのシリコン粒子内において生成された自由正孔が、熱消耗によるエネルギー損失を生じずに、電位エネルギー障壁を克服して、放射により再結合するために周囲のマトリックス材料へ貫通することができる。
【０２２９】
第５に、変換効率の粗い推定は約１パーセントである。この変換効率値は、複数の複合構造層の組み合わせによって、また、かなりの追加の数の潜在的な放射再結合中心を周囲層内において創ることによって、著しく改善され得る。これは周囲材料にＹｂなどの希土類原子をドーピングすることによって達成される。第６に、本発明は、少なくとも結晶水素化アモルファスシリコン複合構造に適用される際に、ＩＲから近ＩＲ／可視光変換層を形成するために使用することができる。
【０２３０】
複合構造のこれまでの議論においては、「粒子」という用語を、メゾスコピックサイズの領域又は狭いバンドギャップ材料の１つ以上のアイランドを記述するために使用してきた。したがって、シリコンは狭バンドギャップ材料の例として上において使用されたが、ＩｎＡｓ、ＨｇＴｅ、Ｇｅなどの他の半導体材料又はＡｌ及びＣｕなどの金属さえも使用可能である。「粒子」という用語は、様々な形状を有する領域及び構造を記述するために広く解釈されるべきである。実際、メゾスコピックサイズの粒子の形成に適合された多くの製造プロセスは、形状及び構成の異なる粒子を固有に創り出す。更に、「埋め込まれた」という用語は、メゾスコピックサイズの粒子と周囲の広バンドギャップ材料との間の関
係（そのような材料が「層」の形態であるか否か）を記述するために使用された。以上の例においてはシリコン二酸化物が好都合な周囲材料として示唆されたが、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＡｓ、ＧａＳｂ、ＣｄＴｅ及び／又はＺｎＳなどの広バンドギャップ材料又は誘電体材料の任意の適格なマトリックスが使用可能である。また、「埋め込まれた」という用語は、かなりの表面コンタクトを有する狭バンドギャップ材料及び広バンドギャップ材料の任意の構成をカバーするように、広く解釈されるべきである。複合構造内において広バンドギャップ材料によってメゾスコピックサイズの粒子を完全に「囲むこと」は、現在では好ましいが必要ではない。
【０２３１】
図１４Ａ〜図１４Ｅに関係して、適格な複合構造の形成に良く適応する例示的なプロセスを示す。すなわち、本発明に係る光変換器層（特定の複合構造）を、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェハに適用される従来の製造技法を使用して容易に形成することができる。
【０２３２】
初めに、シゲンコーポレーション（ＳｉＧｅｎ  Ｃｏｐｏｒａｔｉｏｎ）からの６インチＳＯＩなどのＳＯＩウェハが、０．１ミクロンまでの平坦さ及び０．０６ナノメートルの粗さを有するよう選択される。多くの従来のプロセスをウェハ表面の洗浄に適用可能である。例えば、まず、ウェハはジクロロメタン、アセトン、メタノール及び脱イオン水で処置される。次いで、ウェハは水溶性アンモニア、過酸化水素及び水のＳＣ１混合物で処置される。脱イオン水でのリンスに続いて、ウェハは希釈又は緩衝ＨＦ酸でエッチングされる。
【０２３３】
洗浄されたＳＯＩウェハは、図１４Ａにおいて、ＳｉＯ２中間層１０１によってシリコン層１０２から分離されたシリコン基板１００として示されている。酸化炉における薄い保護ＳｉＯ２層（好ましくは１０００Åの厚さ）の形成に続いて、パターニングされたポリマー層１０３が、ナノインプリント・リソグラフィ技法を使用して、シリコン層１０２の上に形成される。
【０２３４】
図１４Ｂ及び１４Ｃに示すように、結果的な構造の表面の上にクロミウム層１０４が付着される。その後、精確に形成されたクロミウムマスクが従来のリフトオフプロセスでシリコン層１０２の上に製造される。
【０２３５】
利用可能な従来の等方性乾式エッチング技術のうちの任意の１つを使用して、シリコン層１０２のマスクされていない領域がＳｉＯ２層まで下方にエッチングされ、好ましくは直径が５０ｎｍ〜２００ｎｍであり、対応してピッチが１００〜３００ｎｍであるメゾスコピックサイズのシリコンピラー１１２を生成する。これについては図１４Ｄを参照されたい。全てのピラーの高さはシリコン層１０２の厚さによって規定されるが、シリコン層１０２の厚さはピラーの直径に等しいことが好ましい。例えば、シリコン層１０２のマスクされない領域を下方にエッチングして、ＣＦ４又はＳＦ４プラズマを使用するＲＩＥプロセスを使用してメゾスコピックサイズのシリコンピラーを形成することが可能である。シリコンピラー１１２が形成されると、クロミウムマスクは除去され、保護ＳｉＯ２層はＣ２Ｆ６：ＣＨＦ３のプラズマを使用してエッチングされる。
【０２３６】
他の表面洗浄に続いて、高品質界面（Ｓｉ／ＳｉＯ２）層１１４が（好ましくは１００Å未満の厚さで）熱酸化プロセスによって形成される。すなわち、現在は好ましいように、２０〜３０Åの厚さのシリコン酸化物層が、窒素が豊富な大気においてメゾスコピックサイズのシリコンピラーの露出面の上に形成される。典型的な酸化時間は２０分〜３０分である。このゲート品質ＳｉＯ４層はウェハを横切る方向において２．５〜３％まで均一であるべきである。図１４Ｅに示すように、高品質（Ｓｉ／ＳｉＯ４）界面層の形成に続いて、ドーピングＳｉＯ２層１１５が形成され、パッシベートされたシリコンピラー（１
１２／１１４）を覆う。この層は、例えば、ＳｉＯ２／Ｙｂ２Ｏ３対象と共にＡｒプラズマを使用して実施されるスパッタリングプロセスによって形成可能である。１．５〜２ミクロンの厚さのＹｂドーピングＳｉＯ２層が今のところ好ましい。他の技術は適格な複合構造を形成するために使用可能である。
【０２３７】
複合構造を形成するように適合された第２の例示的な方法を図１５Ａ〜図１５Ｃに示す。この場合、複合構造はα−Ｓｉ：Ｈのマトリックス内に埋め込まれたメゾスコピックサイズの結晶シリコン粒子によって形成され、イッテルビウムをドープした二酸化シリコンの比較的厚い層で覆われる。結晶シリコン粒子を、５０〜２００ｎｍにわたるサイズ範囲とし、それに対応して１００〜３００ｎｍのピッチで形成することが好ましい。サイズは、以下で議論されるアニーリングを調節することによって制御可能である。
【０２３８】
図１５Ａ〜図１５Ｃを参照すると、例示的な製造プロセスは、０．１ミクロンの平坦度と０．０６ナノメートルの最大粗さを有するシリコンウェハ１２０で開始される。ウェハは上記で議論されたように表面洗浄されている。その後、１０００Åの厚さのＳｉＯ２層１２１を従来の熱酸化プロセスによって形成する。
【０２３９】
次いで、１００〜２００ｎｍの厚さのα−Ｓｉ：Ｈ層１２５を、例えばＨＷＣＶＤ又はＰＥＣＶＤプロセスを使用して付着させる。現在のところ好ましいＰＥＣＶＤ付着プロセスは、１００〜５００ミリトルの範囲の圧力、２００〜３５０℃の範囲の基板温度及び０．０２Ｗ／ｃｍ２のＲＦ電力でのＨ２／ＳｉＨ４（Ｈ２−０〜２０％）の使用を含む。
【０２４０】
（厚さが５０〜１００ｎｍであることが好ましい）他のＳｉＯ２層１２６が例えばＣＶＤプロセスを使用してα−Ｓｉ：Ｈ層１２５の上に付着される。好ましいプロセス内においては、１５０〜２００ＷのＲＦ電力で２００〜３５０℃の範囲の温度において維持される基板に、Ｎ２Ｏ／ＳｉＨ４（最高で１：５）が５０〜１００ミリトルの圧力において印加される。代りに、ＳｉＯ２層１２６を、ｅビーム蒸発プロセスを使用してα−Ｓｉ：Ｈ層１２５の上に付着することができる。
【０２４１】
最終的には、ＳｉＯ２層１２６はパターニングされた膜として使用され、この膜を経て水素プラズマ処理がα−Ｓｉ：Ｈ層１２５に加えられる。ＳｉＯ２層１２６を適切にパターニングされた膜に形成するために、ポリマー層１２７がＳｉＯ２層１２６の上に形成され、次いで、インプリントリソグラフィ技術を用いてパターニングされる。パターニングされたポリマー層１２７を使用して、ＳｉＯ２層１２６は例えばＲＩＥプロセス（例えば、Ｃ２Ｆ６：ＣＨＦ３（１：１））によってエッチングされ、その後、パターニングされたポリマー層１２７を酸素プラズマエッチングを使用して除去する。これについては図１５Ｂを参照されたい。
【０２４２】
結果的な構造をＨ２ＳＯ４：Ｈ２Ｏ２（４：１）＋ＮＨ４ＯＨ又はＳＣｌ及び緩衝ＨＦを使用して表面洗浄してから、結晶シリコン粒子１３０がα−Ｓｉ：Ｈ層１２５において形成される。核生成プロセスが現在のところ好ましく、このプロセスでは、α−Ｓｉ：Ｈ層１２５を、３００Ｋの基板温度及び１０〜５０ミリトルの圧力のもとで２０〜５０Ｖのプラズマ誘導ＤＣバイアスを１５〜３０分間加えて、ＲＩＥ／ＥＣＲシステムを使用して水素プラズマに当てる。その後、結晶シリコン粒子は、２０〜５０分間最高６００℃の温度でＮ２雰囲気において低温度アニーリングによって、プラズマ処理された（マスクされない）領域での核から選択的に成長される。メゾスコピックサイズの粒子が形成された後、パターニングされたＳｉＯ２層１２６は、希釈フッ化水素酸溶液を使用して剥ぎ取られる。最後に、図１５Ｃに示すように、Ｙｂドーピングされたα−Ｓｉ：Ｈ層１３０が、上で記述したように、結晶シリコン粒子１３０を備えるα−Ｓｉ：Ｈ層１２５の上に形成される。
【０２４３】
関係する態様においては、以上の例示的な複合構造のいずれか１つの上面上に干渉フィルタを付着してもよい。典型的には、このタイプのフィルタ又は同様の構造は、複合構造をＣＭＯＳイメージャと組み合わされたＩＲ〜近ＩＲ光変換器又は可視光変換器内において使用する場合に必要である。そうでなれば、複合構造に加えられるポンピング光はＣＭＯＳイメージャを貫通する。
【０２４４】
干渉フィルタを、例えば、従来の技術を使用して形成される交互のＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４層によって形成してもよい。〜（λｖｉｓ／４）≒２５０ｎｍの幅を有する３〜５個の交互の層が現在は好ましい。
【０２４５】
本発明を、選択された実施の形態の文脈において教示してきた。特殊な媒体の組成及び製造並びに選択された応用分野内での使用は、考慮可能な設計上の変更及び適合の主題である。これまでの例は本発明の構成及び使用を教示するために使用されるものであって、請求項において述べられる本発明の範囲を規定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０２４６】
【図１】従来のＩＲイメージングシステムのブロック図である。
【図２Ａ】メゾスコピック領域又は粒子が複合構造の製造の一部として形成される例示的な方法を示す図である。
【図２Ｂ】メゾスコピック領域又は粒子が複合構造の製造の一部として形成される例示的な方法を示す図である。
【図３】メゾスコピック領域又は粒子が複合構造の製造の一部として形成される例示的な方法を示す図である。
【図４Ａ】メゾスコピック領域又は粒子が複合構造の製造の一部として形成される例示的な方法を示す図である。
【図４Ｂ】メゾスコピック領域又は粒子が複合構造の製造の一部として形成される例示的な方法を示す図である。
【図４Ｃ】メゾスコピック領域又は粒子が複合構造の製造の一部として形成される例示的な方法を示す図である。
【図５Ａ】複合構造に関係する例示的なポンピング源の構成を示す図である。
【図５Ｂ】複合構造関係関する例示的な導波路／ポンピング源の構成を示す図である。
【図６Ａ】本発明の１つの具体的な応用分野により、例えば、光学イメージングシステムの一部として光学アップコンバート層を形成する方法を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の１つの具体的な応用分野により、例えば、光学イメージングシステムの一部として光学アップコンバート層を形成する方法を示す図である。
【図６Ｃ】本発明の１つの具体的な応用分野により、例えば、光学イメージングシステムの一部として光学アップコンバート層を形成する方法を示す図である。
【図７】図６Ａ〜図６Ｃのアップコンバート層と従来のＣＭＯＳイメージャとの組み合わせを更に示す図である。
【図８】本発明による光学アップコンバートを組み込むように適合された例示的なＩＲイメージングシステムを示す図である。
【図９】サンプル複合構造の選択特徴を示す、実験から導出されたグラフデータを示す図である。
【図１０】サンプル複合構造の選択特徴を示す、実験から導出されたグラフデータを示す図である。
【図１１】図９、図１０、図１２及び図１３に示されるデータを導出するために使用される実験セットアップをブロック図の形態で示す図である。
【図１２】サンプル複合構造の選択特徴を示す、実験から導出されたグラフデータを示す図である。
【図１３】サンプル複合構造の選択特徴を示す、実験から導出されたグラフデータを示す図である。
【図１４Ａ】本発明による複合構造が形成されることが可能である、他の例示的な方法を示す図である。
【図１４Ｂ】本発明による複合構造が形成されることが可能である、他の例示的な方法を示す図である。
【図１４Ｃ】本発明による複合構造が形成されることが可能である、他の例示的な方法を示す図である。
【図１４Ｄ】本発明による複合構造が形成されることが可能である、他の例示的な方法を示す図である。
【図１４Ｅ】本発明による複合構造が形成されることが可能である、他の例示的な方法を示す図である。
【図１５Ａ】本発明による複合構造が形成されることが可能である、他の例示的な方法を示す図である。
【図１５Ｂ】本発明による複合構造が形成されることが可能である、他の例示的な方法を示す図である。
【図１５Ｃ】本発明による複合構造が形成されることが可能である、他の例示的な方法を示す図である。
【図１】
2007502031.tif 000036
【図２Ａ】
2007502031.tif 000037
【図２Ｂ】
2007502031.tif 000038
【図３】
2007502031.tif 000039
【図４Ａ】
2007502031.tif 000040
【図４Ｂ】
2007502031.tif 000041
【図４Ｃ】
2007502031.tif 000042
【図５Ａ】
2007502031.tif 000043
【図５Ｂ】
2007502031.tif 000044
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2007502031.tif 000046
【図６Ｃ】
2007502031.tif 000047
【図７】
2007502031.tif 000048
【図８】
2007502031.tif 000049
【図９】
2007502031.tif 000050
【図１０】
2007502031.tif 000051
【図１１】
2007502031.tif 000052
【図１２】
2007502031.tif 000053
【図１３】
2007502031.tif 000054
【図１４Ａ】
2007502031.tif 000055
【図１４Ｂ】
2007502031.tif 000056
【図１４Ｃ】
2007502031.tif 000057
【図１４Ｄ】
2007502031.tif 000058
【図１４Ｅ】
2007502031.tif 000059
【図１５Ａ】
2007502031.tif 000060
【図１５Ｂ】
2007502031.tif 000061
【図１５Ｃ】
2007502031.tif 000062
【国際調査報告】
2007502031.tif 000063
2007502031.tif 000064
2007502031.tif 000065