(57)【要約】【課題】  入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器を提供する。【解決手段】  半導体基板と、第１障壁層〜第２井戸層による吸収領域１７、及び第３障壁層〜第ｎ井戸層による輸送領域１８を有する単位積層体１６が多段に積層された活性層１５とを備えて量子カスケード検出器を構成する。第２吸収井戸層１６２は、１周期で最も厚い第１吸収井戸層１６１の１／２以下の層厚を有し、結合障壁層１７２は、１周期で最も厚い抽出障壁層１７３よりも薄い層厚を有する。単位積層体１６は、井戸層１６１の基底準位に起因する検出下準位Ｌ１と、井戸層１６１の励起準位及び井戸層１６２の基底準位が結合して生成される検出上準位Ｌ２と、電子の輸送準位構造とを有し、検出下準位と上準位とのエネルギー間隔は、ＬＯフォノンのエネルギーよりも大きく設定される。【選択図】  図２
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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設けられ、ｎ個（ただし、ｎは４以上の整数）の量子障壁層、及びｎ個の量子井戸層からなる単位積層体が多段に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、
前記単位積層体において、前記ｎ個の量子障壁層及び前記ｎ個の量子井戸層は、前段の単位積層体側から第１障壁層、第１井戸層、第２障壁層、第２井戸層、…、第ｎ障壁層、第ｎ井戸層の順で形成されており、前記第１障壁層から前記第２井戸層までが吸収領域を構成し、前記第３障壁層から前記第ｎ井戸層までが輸送領域を構成し、
前記吸収領域において、前記第１井戸層が第１吸収井戸層として機能し、前記第２井戸層が第２吸収井戸層として機能し、その間の前記第２障壁層が結合障壁層として機能するとともに、前記輸送領域において、前記第３障壁層が抽出障壁層として機能し、
前記第１吸収井戸層は、前記ｎ個の量子井戸層のうちで最も厚い層厚を有し、前記第２吸収井戸層は、前記第１吸収井戸層の１／２以下の層厚を有するとともに、前記抽出障壁層は、前記ｎ個の量子障壁層のうちで最も厚い層厚を有し、前記結合障壁層は、前記抽出障壁層よりも薄い層厚を有し、
前記単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、前記第１吸収井戸層の基底準位に起因する検出下準位と、前記第１吸収井戸層の励起準位及び前記第２吸収井戸層の基底準位が結合して生成される検出上準位と、前記第３井戸層〜前記第ｎ井戸層に起因する第３準位〜第ｎ準位とを有するとともに、前記検出下準位と前記検出上準位とのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きく設定され、
前記吸収領域における前記検出下準位から前記検出上準位へのサブバンド間吸収によって光を検出するとともに、前記サブバンド間吸収によって励起された電子は、共鳴トンネル効果によって前記第３準位へと移動し、前記輸送領域における第３準位〜第ｎ準位による輸送準位構造を介して、後段の単位積層体の前記検出下準位へと輸送されることを特徴とする量子カスケード検出器。
【請求項２】
前記単位積層体において、前記第１吸収井戸層の励起準位及び前記第２吸収井戸層の基底準位が結合して生成される２個の準位のうちで低エネルギー側の一方の準位が前記検出上準位となっており、高エネルギー側の他方の準位と前記検出上準位とのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１記載の量子カスケード検出器。
【請求項３】
前記単位積層体において、前記第１吸収井戸層の励起準位と前記第２吸収井戸層の基底準位との準位間の反交差ギャップは、縦光学フォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きく設定されていることを特徴とする請求項１または２記載の量子カスケード検出器。
【請求項４】
前記単位積層体において、前記第３準位と前記第４準位とのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーＥＬＯに対して、ＥＬＯ以上２×ＥＬＯ以下に設定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。
【請求項５】
前記単位積層体において、前記第１吸収井戸層は、ｎ型不純物がドープされた半導体層からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。
【請求項６】
前記単位積層体において、前記第３井戸層〜前記第ｎ井戸層は、それぞれアンドープの半導体層からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。
【請求項７】
前記吸収領域の前記第２井戸層と、前記輸送領域の前記第３障壁層との間に、前記第１障壁層から前記第２井戸層までの各層に加えて前記吸収領域に含まれるｍ個（ただし、ｍは１以上の整数）の量子障壁層、及びｍ個の量子井戸層が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子井戸構造でのサブバンド間の光吸収を利用した量子カスケード検出器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
中赤外の波長域における光検出器としては、通常、ＨｇＣｄＴｅ（ＭＣＴ）検出器が用いられている。しかしながら、このＭＣＴ検出器は、毒性の環境汚染物質を含んでいることなどの問題があり、一般的に広く用いることは難しい。このため、このような波長域における新たな光検出器が求められている。
【０００３】
近年、そのような光検出器として、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子カスケード構造等を用いた量子カスケード検出器（ＱＣＤ：Quantum Cascade Detector）が報告されている。量子カスケード検出器は、そのカスケード構造において光を吸収し、光吸収で生じたキャリアによって流れる電流量を計測することで、入射光を検出する光検出器であり、無バイアスで動作可能という特徴を有している。また、量子カスケード検出器では、量子カスケードレーザと同様に、光を吸収する吸収井戸層を含む半導体積層構造を多段にカスケード結合することによって、より効率的に光を吸収、検出することが可能である（特許文献１、非特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−４１９３３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】F. R. Giorgetta et al.,"Quantum Cascade Detectors", IEEE Journal of Quantum ElectronicsVol.45 (2009) pp.1039-1052
【非特許文献２】L. Gendron et al., "Highresistance narrow band quantum cascade photodetectors", Appl. Phys. Lett.Vol.86 (2005) pp.121116-1-121116-3
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
量子カスケード検出器では、上記したＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ量子カスケード構造を用いたもの以外にも、他の半導体材料系、例えば、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＡｓＳｂを用いて、様々な波長帯での光検出動作が報告されている。しかしながら、その光検出感度は、従来の光検出器に比べて低いレベルに留まっている。
【０００７】
この低い感度の原因としては、現状の量子カスケード検出器では、例えば縦光学（ＬＯ：Longitudinal Optical）フォノン散乱による逆方向電流が高速で起こるなどの要因により、キャリア輸送がまだ非効率的な状態になっていることが考えられる。すなわち、従来構造の量子カスケード検出器では、吸収井戸層の基底準位（検出下準位）から光吸収によって励起準位（検出上準位）に励起された電子が、電流として取り出されずに、ＬＯフォノン散乱によって検出下準位へと逆方向に緩和してしまい、それによって、充分な光検出感度が得られないと考えられる。
【０００８】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような目的を達成するために、本発明による量子カスケード検出器は、（１）半導体基板と、（２）半導体基板上に設けられ、ｎ個（ただし、ｎは４以上の整数）の量子障壁層、及びｎ個の量子井戸層からなる単位積層体が多段に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、（３）単位積層体において、ｎ個の量子障壁層及びｎ個の量子井戸層は、前段の単位積層体側から第１障壁層、第１井戸層、第２障壁層、第２井戸層、…、第ｎ障壁層、第ｎ井戸層の順で形成されており、第１障壁層から第２井戸層までが吸収領域を構成し、第３障壁層から第ｎ井戸層までが輸送領域を構成し、（４）吸収領域において、第１井戸層が第１吸収井戸層として機能し、第２井戸層が第２吸収井戸層として機能し、その間の第２障壁層が結合障壁層として機能するとともに、輸送領域において、第３障壁層が抽出障壁層として機能し、（５）第１吸収井戸層は、ｎ個の量子井戸層のうちで最も厚い層厚を有し、第２吸収井戸層は、第１吸収井戸層の１／２以下の層厚を有するとともに、抽出障壁層は、ｎ個の量子障壁層のうちで最も厚い層厚を有し、結合障壁層は、抽出障壁層よりも薄い層厚を有し、（６）単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、第１吸収井戸層の基底準位に起因する検出下準位と、第１吸収井戸層の励起準位及び第２吸収井戸層の基底準位が結合して生成される検出上準位と、第３井戸層〜第ｎ井戸層に起因する第３準位〜第ｎ準位とを有するとともに、検出下準位と検出上準位とのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きく設定され、（７）吸収領域における検出下準位から検出上準位へのサブバンド間吸収によって光を検出するとともに、サブバンド間吸収によって励起された電子は、共鳴トンネル効果によって第３準位へと移動し、輸送領域における第３準位〜第ｎ準位による輸送準位構造を介して、後段の単位積層体の検出下準位へと輸送されることを特徴とする。
【００１０】
上記した量子カスケード検出器では、活性層において、第１障壁層〜第ｎ障壁層、及び第１井戸層〜第ｎ井戸層が交互に積層されて構成されるとともに、光の吸収、検出に用いられる吸収領域と、電子の輸送に用いられる輸送領域とを有する単位積層体によるカスケード構造を用いている。そして、単位積層体を構成する半導体層のうちで、第１障壁層〜第２井戸層を吸収領域、第３障壁層〜第ｎ井戸層を輸送領域とし、また、吸収領域において、第１井戸層、第２障壁層、第２井戸層を、それぞれ第１吸収井戸層、結合障壁層、第２吸収井戸層とし、輸送領域において、第３障壁層を抽出障壁層としている。
【００１１】
さらに、このような構成において、第１吸収井戸層を１周期で最も厚い井戸層とし、第２吸収井戸層の層厚を第１吸収井戸層の１／２以下に設定し、かつ、抽出障壁層を１周期で最も厚い障壁層とし、結合障壁層の層厚を抽出障壁層よりも薄く設定している。このような結合量子井戸構造によれば、吸収領域において、第１吸収井戸層の基底準位に起因する検出下準位に対し、第１吸収井戸層の第１励起準位、及び第２吸収井戸層の基底準位が結合して生成される準位を検出上準位として用いることができる。
【００１２】
このような構成では、検出下準位から検出上準位への光吸収による電子遷移は、検出上準位が２個の井戸層間の結合準位であるため、波動関数の中心が空間的に離れた準位間の遷移（対角遷移）となる。これにより、検出上準位でのキャリア寿命を長くして、光吸収によって検出上準位に励起された電子の検出下準位への緩和、及びそれによる逆方向電流の発生を抑制することができる。
【００１３】
また、上記した量子カスケード検出器では、光吸収に用いられる検出下準位と検出上準位とのエネルギー間隔を、縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きく設定している。このような構成では、輸送領域での第３井戸層〜第ｎ井戸層に起因する第３準位〜第ｎ準位による電子の輸送準位構造において、ＬＯフォノン散乱による電子の高速緩和を用いることができる。この場合、光吸収によって検出上準位に励起された電子は、共鳴トンネル効果によって輸送領域の第３準位へと移動し、さらに、第３準位〜第ｎ準位による輸送準位構造において、ＬＯフォノン散乱による高速緩和を含む電子輸送過程によって、後段の単位積層体の検出下準位へと高速で輸送されることとなる。以上により、上記構成の量子カスケード検出器によれば、入射光に対する光検出感度を向上することが可能となる。
【００１４】
なお、上記した量子カスケード検出器は、光吸収に用いられる検出下準位と検出上準位とのエネルギー間隔が上記のようにＬＯフォノンのエネルギーよりも大きく設定されているため、中赤外領域で動作する光検出器となる。また、上記のような単位積層体でのサブバンド準位構造は、単位積層体での量子井戸構造の設計によって、設計、制御することが可能である。
【００１５】
ここで、結合量子井戸構造におけるサブバンド準位については、単位積層体において、第１吸収井戸層の励起準位及び第２吸収井戸層の基底準位が結合して生成される２個の準位のうちで低エネルギー側の一方の準位が検出上準位となっており、高エネルギー側の他方の準位と検出上準位とのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きく設定されていることが好ましい。これにより、高エネルギー側の結合準位の光吸収への寄与を抑制して、検出下準位と検出上準位（低エネルギー側の結合準位）との間でのサブバンド間の光吸収過程を好適に実現することができる。
【００１６】
また、単位積層体において、第１吸収井戸層の励起準位と第２吸収井戸層の基底準位との準位間の反交差ギャップは、縦光学フォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きく設定されていることが好ましい。これにより、第１吸収井戸層の励起準位及び第２吸収井戸層の基底準位が結合された検出上準位等の準位を好適に生成することができる。
【００１７】
また、単位積層体において、第３準位と第４準位とのエネルギー間隔は、縦光学フォノンのエネルギーＥＬＯに対して、ＥＬＯ以上２×ＥＬＯ以下に設定されることが好ましい。このような構成では、共鳴トンネル効果によって検出上準位から第３準位へと移動した電子は、ＬＯフォノン散乱を介して、第３準位から高速で引き抜かれることとなる。これにより、光吸収によって検出上準位に励起された電子が、再び検出下準位へと緩和してしまうことを、さらに抑制することができる。
【００１８】
また、単位積層体において、第１吸収井戸層は、ｎ型不純物がドープされた半導体層からなることが好ましい。これにより、吸収領域における検出下準位、上準位間でのサブバンド間吸収による光検出を好適に実現することができる。また、電子の輸送構造を構成する井戸層については、単位積層体において、第３井戸層〜第ｎ井戸層は、それぞれアンドープの半導体層からなることが好ましい。
【００１９】
また、上記の量子カスケード検出器は、吸収領域の第２井戸層と、輸送領域の第３障壁層との間に、第１障壁層から第２井戸層までの各層に加えて吸収領域に含まれるｍ個（ただし、ｍは１以上の整数）の量子障壁層、及びｍ個の量子井戸層がさらに設けられている構成としても良い。このように、単位積層体における吸収領域は、３個以上の吸収井戸層によって構成することも可能である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の量子カスケード検出器によれば、活性層を構成する単位積層体において、第１障壁層〜第２井戸層を吸収領域、第３障壁層〜第ｎ井戸層を輸送領域とし、また、吸収領域において、第１井戸層、第２障壁層、第２井戸層を、それぞれ第１吸収井戸層、結合障壁層、第２吸収井戸層とし、輸送領域において、第３障壁層を抽出障壁層とし、第１吸収井戸層を１周期で最も厚い井戸層とし、第２吸収井戸層の層厚を第１吸収井戸層の１／２以下に設定し、かつ、抽出障壁層を１周期で最も厚い障壁層とし、結合障壁層の層厚を抽出障壁層よりも薄く設定し、さらに、吸収領域において、第１吸収井戸層の基底準位に起因する検出下準位に対し、第１吸収井戸層の励起準位及び第２吸収井戸層の基底準位が結合して生成される準位を検出上準位として用いるとともに、検出下準位と検出上準位とのエネルギー間隔を、ＬＯフォノンのエネルギーよりも大きく設定することにより、入射光に対する光検出感度を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】量子カスケード検出器の基本構成の一例を示す図である。
【図２】量子カスケード検出器の活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。
【図３】活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。
【図４】活性層における１周期分の単位積層体の構造の一例を示す図表である。
【図５】量子カスケード検出器で得られる光吸収スペクトルを示すグラフである。
【図６】第１吸収井戸層の励起準位と第２吸収井戸層の基底準位との準位間の反交差ギャップの結合障壁層の層厚への依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面とともに本発明による量子カスケード検出器の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２３】
図１は、本発明による量子カスケード検出器の基本構成について、その一例を模式的に示す図である。本実施形態の量子カスケード検出器１Ａは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子励起による光吸収を利用して光を検出する光検出器である。この量子カスケード検出器１Ａは、半導体基板１０と、半導体基板１０上に形成された活性層１５とを備えて構成されている。
【００２４】
活性層１５は、光の吸収、検出に用いられる吸収領域（光吸収層）と、キャリアである電子の輸送に用いられる輸送領域（電子輸送層）とが交互かつ多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、吸収領域及び輸送領域からなる半導体積層構造を１周期分の単位積層体１６とし、この単位積層体１６が多段に積層されることで、カスケード構造を有する活性層１５が構成されている。
【００２５】
活性層１５における単位積層体１６の積層数は、検出器１Ａにおいて必要とされる光検出特性などに応じて適宜設定される。また、活性層１５は、半導体基板１０上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。図１に示した構成例では、半導体基板１０上に、基板側から順に、下部コンタクト層１１、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、及び上部コンタクト層１２が順に積層されることで、量子カスケード検出器１Ａの素子構造が形成されている。
【００２６】
図２は、図１に示した量子カスケード検出器１Ａの活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。図２に示すように、活性層１５に含まれる複数の単位積層体１６のそれぞれは、ｎを４以上の整数として、ｎ個の量子障壁層、及びｎ個の量子井戸層によって構成されている。これらのｎ個の障壁層及び井戸層は、前段の単位積層体の輸送領域１８ａ側から、第１障壁層、第１井戸層、第２障壁層、第２井戸層、…、第ｎ障壁層、第ｎ井戸層の順で形成されている。また、これらの各半導体層のうちで、第１障壁層から第２井戸層までが吸収領域１７を構成し、第３障壁層から第ｎ井戸層までが輸送領域１８を構成している。このような構成により、単位積層体１６中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。
【００２７】
ここで、第１、第２障壁層１７１、１７２、第１、第２井戸層１６１、１６２からなる吸収領域１７において、第１井戸層１６１が第１吸収井戸層として機能し、第２井戸層１６２が第２吸収井戸層として機能し、その間に設けられている第２障壁層１７２が結合障壁層として機能している。これにより、本実施形態における吸収領域１７は、第１吸収井戸層１６１、結合障壁層１７２、及び第２吸収井戸層１６２による結合量子井戸構造を有して構成されている。また、輸送領域１８において、最も吸収領域１７側に位置する第３障壁層１７３が、吸収領域１７から輸送領域１８へと移動する電子に対する抽出障壁層として機能している。
【００２８】
また、図２に示す単位積層体１６では、各井戸層の厚さについて、具体的に、第１吸収井戸層１６１は、１周期のｎ個の量子井戸層のうちで最も厚い層厚を有し、第２吸収井戸層１６２は、第１吸収井戸層１６１の１／２以下の層厚を有している。また、各障壁層の厚さについて、抽出障壁層１７３は、１周期のｎ個の量子障壁層のうちで最も厚い層厚を有し、結合障壁層１７２は、抽出障壁層１７３よりも充分に薄い層厚を有している。このような層厚条件により、上記した結合量子井戸構造が好適に構成される。
【００２９】
本実施形態における単位積層体１６は、そのサブバンド準位構造において、第１吸収井戸層１６１の基底準位に起因する検出下準位Ｌ１と、第１吸収井戸層１６１の励起準位及び第２吸収井戸層１６２の基底準位が結合して生成される検出上準位Ｌ２と、輸送領域１８における各井戸層に起因する第３準位Ｌ３、第４準位Ｌ４、…、第ｎ準位Ｌｎとを有している。第３準位Ｌ３〜第ｎ準位Ｌｎは、例えば、第３井戸層〜第ｎ井戸層に起因し、量子力学的に結合した結果生成される準位である。
【００３０】
これらのエネルギー準位のうち、検出下準位Ｌ１、検出上準位Ｌ２は、サブバンド間の電子励起による光吸収に関わる準位である。また、第３準位Ｌ３〜第ｎ準位Ｌｎは、光吸収で励起された電子の緩和、輸送、抽出に関わる輸送準位構造（緩和準位構造）を構成している。また、吸収領域での光吸収のエネルギーを決定する検出下準位Ｌ１と検出上準位Ｌ２とのエネルギー間隔ΔＥ２１は、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きく設定されている（ΔＥ２１＞ＥＬＯ）。
【００３１】
また、上記のサブバンド準位構造において、第３準位Ｌ３〜第ｎ準位Ｌｎは、例えば、それぞれ第３井戸層〜第ｎ井戸層における基底準位に起因する準位である。なお、電子の輸送準位構造を構成する第３準位Ｌ３〜第ｎ準位Ｌｎについては、通常は、吸収領域１７側の第３準位Ｌ３から後段の単位積層体の吸収領域１７ｂ側の第ｎ準位Ｌｎに向けて順次エネルギーが低くなるように設定される。ただし、これらの準位のエネルギー順序は、電子の輸送が可能であれば一部で入れ替わっても良い。
【００３２】
また、第１吸収井戸層１６１での第１励起準位と第２吸収井戸層１６２での基底準位とが結合して生成される準位については、通常、低エネルギー側の結合準位（一方の準位）と、高エネルギー側の結合準位（他方の準位）との２個の準位が生成される。そして、これらの準位のうちで、低エネルギー側の結合準位が、上記した検出上準位Ｌ２として用いられる。また、高エネルギー側の結合準位Ｌ０については、好ましくは、準位Ｌ０と検出上準位Ｌ２とのエネルギー間隔ΔＥ０２が、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きくなるように設定されている（ΔＥ０２＞ＥＬＯ）。
【００３３】
電子の輸送準位構造を構成する各サブバンド準位については、検出上準位Ｌ２と電子引き抜き用の第３準位Ｌ３とのエネルギー間隔ΔＥ２３は、共鳴トンネル効果による電子の移動、引き抜きを考慮して、準位間の結合が充分に大きくなるように設定される。この準位間の結合の大きさは、準位間の反交差（アンチクロッシング）のエネルギーギャップによって評価することができる。
【００３４】
また、第３準位Ｌ３と第４準位Ｌ４とのエネルギー間隔ΔＥ３４は、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯに対して、ＥＬＯ以上２×ＥＬＯ以下となる下記の条件
ＥＬＯ≦ΔＥ３４≦２×ＥＬＯ
を満たすように設定されている。
【００３５】
ここで、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯは、例えば、量子井戸層の半導体材料としてＩｎＧａＡｓを想定した場合、ＥＬＯ＝３４ｍｅＶである。また、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯは、量子井戸層をＧａＡｓとした場合に３６ｍｅＶ、ＩｎＡｓとした場合に３２ｍｅＶであり、上記した３４ｍｅＶとほぼ同程度である。また、上記した準位間のエネルギー間隔ΔＥ３４のＥＬＯに関する設定条件は、輸送準位構造における電子の輸送の高速化、高効率化を考慮したものである。
【００３６】
このようなサブバンド準位構造において、光が入射される以前には、第１吸収井戸層１６１としてｎ型不純物がドープされた半導体層を用いることにより、第１吸収井戸層１６１の検出下準位Ｌ１に電子が蓄積されている。検出対象の光ｈνが活性層１５に入射すると、検出下準位Ｌ１に存在する電子は、光吸収によるサブバンド間での電子遷移によって結合準位である検出上準位Ｌ２へと励起される。
【００３７】
検出上準位Ｌ２に励起された電子は、共鳴トンネル効果によって第３準位Ｌ３へと高速で引き抜かれ、さらに、第３準位Ｌ３〜第ｎ準位Ｌｎによる輸送準位構造を介し、第３準位Ｌ３から第４準位Ｌ４へのＬＯフォノン散乱などの緩和過程を経て、後段の吸収領域１７ｂの検出下準位Ｌ１へと高速で輸送、抽出される。
【００３８】
このような光吸収による電子励起、励起された電子の緩和、輸送、及び次周期の単位積層体への電子の抽出を、活性層１５を構成する複数の単位積層体１６で繰り返すことにより、活性層１５においてカスケード的な光吸収が起こる。そして、これによって発生する順方向の電流を取り出し、その電流量を計測することで、入射光ｈνが検出される。
【００３９】
本実施形態による量子カスケード検出器１Ａの効果について説明する。
【００４０】
図１及び図２に示した量子カスケード検出器１Ａでは、活性層１５において、第１障壁層〜第ｎ障壁層、及び第１井戸層〜第ｎ井戸層が交互に積層されて構成されるとともに、光の吸収、検出に用いられる吸収領域１７と、電子の輸送に用いられる輸送領域１８とを有する単位積層体１６によるカスケード構造を用いている。そして、単位積層体１６を構成する半導体層のうちで、第１障壁層〜第２井戸層を吸収領域１７、第３障壁層〜第ｎ井戸層を輸送領域１８とし、また、吸収領域１７において、第１井戸層１６１、第２障壁層１７２、第２井戸層１６２を、それぞれ第１吸収井戸層、結合障壁層、第２吸収井戸層とし、輸送領域１８において、第３障壁層１７３を抽出障壁層としている。
【００４１】
さらに、このような構成において、第１吸収井戸層１６１を１周期で最も厚い井戸層とし、第２吸収井戸層１６２の層厚を第１吸収井戸層１６１の１／２以下に設定し、かつ、抽出障壁層１７３を１周期で最も厚い障壁層とし、結合障壁層１７２の層厚を抽出障壁層１７３よりも薄く設定している。このように各半導体層の層厚が設定された結合量子井戸構造によれば、吸収領域１７において、第１吸収井戸層１６１の基底準位に起因する検出下準位Ｌ１に対し、第１吸収井戸層１６１の第１励起準位、及び第２吸収井戸層１６２の基底準位が結合して生成される準位を検出上準位Ｌ２として用いることができる。
【００４２】
このような準位構造では、検出下準位Ｌ１から検出上準位Ｌ２への光吸収による電子遷移は、検出上準位Ｌ２が第１、第２吸収井戸層１６１、１６２にまたがる結合準位であるため、第１吸収井戸層１６１内での垂直遷移ではなく、波動関数の中心が空間的に離れた準位間の遷移である対角遷移（diagonal transition）となる。これにより、光吸収の遷移強度を低下させることなく、検出上準位Ｌ２でのキャリア寿命を長くして、光吸収によって検出上準位Ｌ２に励起された電子の検出下準位Ｌ１への緩和、及びそれによる逆方向電流の発生を抑制することができる。
【００４３】
また、上記した量子カスケード検出器１Ａでは、光吸収に用いられる検出下準位Ｌ１と検出上準位Ｌ２とのエネルギー間隔を、縦光学（ＬＯ）フォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きく設定している。このような構成では、輸送領域１８での第３井戸層〜第ｎ井戸層に起因する第３準位Ｌ３〜第ｎ準位Ｌｎによる電子の輸送準位構造において、ＬＯフォノン散乱による電子の高速緩和を用いることができる。
【００４４】
この場合、光吸収によって検出上準位Ｌ２に励起された電子は、共鳴トンネル効果によって輸送領域１８の第３準位Ｌ３へと移動し、さらに、第３準位Ｌ３〜第ｎ準位Ｌｎによる輸送準位構造において、ＬＯフォノン散乱による高速緩和を含む電子輸送過程によって、後段の単位積層体の検出下準位Ｌ１へと高速で輸送されることとなる。以上により、上記構成の量子カスケード検出器１Ａによれば、入射光に対する光検出感度を向上することが可能となる。なお、上記のような単位積層体１６でのサブバンド準位構造は、単位積層体１６での量子井戸構造の設計によって、設計、制御することが可能である。
【００４５】
本実施形態の量子カスケード検出器１Ａは、光吸収に用いられる検出下準位Ｌ１と検出上準位Ｌ２とのエネルギー間隔が、上記したようにＬＯフォノンのエネルギーよりも大きく設定されているため、中赤外領域の光を検出対象として動作する光検出器となる。光が入射して検出上準位Ｌ２へと励起された電子は、抽出障壁層１７３をトンネルして順方向に流れ、ＬＯフォノン散乱を含む電子輸送過程によって緩和される。
【００４６】
ここで、テラヘルツ（ＴＨｚ）帯で動作する量子カスケード検出器を考えた場合、そのような検出器では、光吸収のエネルギーがＬＯフォノンのエネルギーよりも小さいため、光吸収による励起後の電子の輸送準位構造において、ＬＯフォノンを放出して落ちることができる準位が存在せず、ＬＯフォノン散乱による電子の高速緩和を用いることができない。この場合、光吸収によって検出上準位に励起された電子は、比較的散乱時間が遅い、電子−電子散乱、合金散乱、界面散乱、音響フォノン散乱等の散乱過程を経て、低速で緩和することになる。
【００４７】
これに対して、上記実施形態による量子カスケード検出器１Ａでは、検出下準位Ｌ１と検出上準位Ｌ２とのエネルギー間隔をＬＯフォノンのエネルギーよりも大きく設定して中赤外領域で動作する構成とし、かつ、電子の輸送準位構造において、ＬＯフォノン散乱による高速緩和を利用する構成としている。このような構成によれば、テラヘルツ帯の量子カスケード検出器に比べて、電子の緩和時間を桁違いに高速とすることができる。
【００４８】
第１、第２吸収井戸層１６１、１６２を含む結合量子井戸構造におけるサブバンド準位については、上記したように、単位積層体１６において、第１吸収井戸層１６１の励起準位及び第２吸収井戸層１６２の基底準位が結合して生成される２個の準位のうちで低エネルギー側の一方の準位が検出上準位Ｌ２となっており、高エネルギー側の他方の準位Ｌ０と検出上準位Ｌ２とのエネルギー間隔は、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きく設定されていることが好ましい。このように、高エネルギー側の結合準位Ｌ０を検出上準位Ｌ２からエネルギー的に充分に離すことにより、結合準位Ｌ０の光吸収への寄与を充分に抑制して、検出下準位Ｌ１と検出上準位Ｌ２との間でのサブバンド間の光吸収過程を好適に実現することができる。
【００４９】
また、単位積層体１６において、第３準位Ｌ３と第４準位Ｌ４とのエネルギー間隔は、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯに対して、ＥＬＯ以上２×ＥＬＯ以下に設定されることが好ましい。このような構成では、共鳴トンネル効果によって、検出上準位Ｌ２から第３準位Ｌ３へと移動した電子は、ＬＯフォノン散乱を介して、第３準位Ｌ３から高速で引き抜かれることとなる。これにより、光吸収によって検出上準位Ｌ２に励起された電子が、後段の単位積層体へと輸送されずに再び検出下準位Ｌ１へと緩和してしまうことをさらに抑制して、光吸収によって励起された電子を高効率で順方向電流として取り出し、光検出動作の効率を向上することができる。
【００５０】
また、電子の輸送準位構造において、第４準位Ｌ４と第５準位Ｌ５とのエネルギー間隔を、ＬＯフォノンのエネルギーＥＬＯよりも小さく設定する構成としても良い。このように、第４準位Ｌ４と第５準位Ｌ５とを近接させる構成によれば、第４、第５準位Ｌ４、Ｌ５を含む複数の準位を、ＬＯフォノン散乱による第３準位Ｌ３からの電子の引き抜き先の準位として機能させることができる。これにより、輸送準位構造における電子の輸送を安定化、高速化することができる。
【００５１】
また、吸収領域１７における結合障壁層１７２については、上記したように抽出障壁層１７３よりも大幅に薄い障壁層が用いられるが、特に、１周期の単位積層体１６中で最も薄いか、もしくは、最も薄い障壁層と同程度の層厚の障壁層を用いることが好ましい。また、結合障壁層１７２は、抽出障壁層１７３の１／２程度、あるいは１／２以下の層厚を有することが好ましい。また、例えば単位積層体１６においてＩｎＰに格子整合するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ／Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓ系を用いた場合、結合障壁層１７２としては、１０原子層（３．０ｎｍ）よりも薄い層を用いることが好ましい。
【００５２】
単位積層体１６において、光吸収に用いられる第１吸収井戸層１６１は、ｎ型不純物がドープされた半導体層からなることが好ましい。これにより、吸収領域１７における検出下準位Ｌ１、上準位Ｌ２間でのサブバンド間吸収による光検出を好適に実現することができる。なお、第２吸収井戸層１６２については、第１吸収井戸層１６１と同様に、ｎ型不純物がドープされた半導体層を用いることができる。あるいは、第２吸収井戸層１６２として、アンドープの半導体層を用いても良い。また、電子の輸送構造を構成する井戸層については、単位積層体１６において、輸送領域１８の第３井戸層〜第ｎ井戸層は、それぞれアンドープの半導体層からなることが好ましい。
【００５３】
また、上記の量子カスケード検出器１Ａは、ｍを１以上の整数として、吸収領域１７の第２井戸層１６２と、輸送領域１８の第３障壁層１７３との間に、第１障壁層１７１から第２井戸層１６２までの各層に加えて吸収領域１７に含まれるｍ個の量子障壁層、及びｍ個の量子井戸層がさらに設けられている構成としても良い。このように、単位積層体１６における吸収領域１７は、３個以上の吸収井戸層を含む結合量子井戸構造を有する構成とすることも可能である。
【００５４】
本発明による量子カスケード検出器の構成について、活性層での量子井戸構造を含む素子構造の具体例とともに説明する。ここでは、量子カスケード検出器における全体の層構造については、図１に示した構成を用いている。また、図３は、図１に示した量子カスケード検出器における活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。
【００５５】
本構成例における活性層１５の量子井戸構造では、吸収波長を５．８μｍとして設計された例を示している。図３においては、活性層１５での吸収領域１７及び輸送領域１８を含む単位積層体１６の多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造及びサブバンド準位構造を示している。また、図１、図３に示した素子構造は、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法、または、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）法による結晶成長で形成することができる。
【００５６】
本構成例による量子カスケード検出器１Ａの半導体積層構造では、図１に示した構成において、半導体基板１０として、ｎ型ＩｎＰ単結晶基板を用いている。そして、このＩｎＰ基板１０上に、基板１０側から順に、厚さ６００ｎｍのＩｎＧａＡｓ下部コンタクト層１１、単位積層体１６が多段に積層された活性層１５、及び厚さ２００ｎｍのＩｎＧａＡｓ上部コンタクト層１２が順次積層されることで、量子カスケード検出器１Ａの素子構造が形成されている。
【００５７】
本構成例における活性層１５は、吸収領域１７及び輸送領域１８を含む単位積層体１６が４５周期で積層されて構成されている。また、１周期分の単位積層体１６は、図３に示すように、７個の量子井戸層１６１〜１６７、及び７個の量子障壁層１７１〜１７７が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。
【００５８】
これらの単位積層体１６の各半導体層のうち、量子井戸層１６１〜１６７は、それぞれＩｎＧａＡｓ層によって構成されている。また、量子障壁層１７１〜１７７は、それぞれＩｎＡｌＡｓ層によって構成されている。これにより、本構成例の活性層１５は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ量子井戸構造によって構成されている。
【００５９】
このような単位積層体１６において、第１、第２障壁層１７１、１７２、及び第１、第２井戸層１６１、１６２は、光の吸収、検出に用いられる吸収領域１７を構成している。また、第３〜第７障壁層１７３〜１７７、及び第３〜第７井戸層１６３〜１６７は、電子の輸送、抽出に用いられる輸送領域１８を構成している。また、光吸収に用いられる第１吸収井戸層１６１には、キャリアである電子を供給するために、ｎ型不純物であるＳｉがドープされている。第２吸収井戸層１６２を含む第１吸収井戸層１６１以外の井戸層１６２〜１６７は、いずれもアンドープ層である。図４に、活性層１５における１周期分の単位積層体１６の具体的な構造の一例を示す。
【００６０】
このような構成において、単位積層体１６は、その図３に示すサブバンド準位構造において、図２に関して上述した検出下準位（detection lower level）Ｌ１、検出上準位（detectionupper level）Ｌ２、及び第３準位Ｌ３〜第７準位Ｌ７を有している。また、第３〜第７準位Ｌ３〜Ｌ７は、上準位Ｌ２へと励起された電子を後段の吸収領域１７ｂへと輸送する輸送準位構造（transport level structure）を構成している。
【００６１】
このような単位積層体１６を有する活性層１５に光が入射すると、検出下準位Ｌ１に存在する電子は、サブバンド間吸収によって主として検出上準位Ｌ２へと励起され、また、一部の電子は第３準位Ｌ３へと励起される。このとき、準位Ｌ２、Ｌ３から検出下準位Ｌ１へと電子が再び緩和される緩和時間は３．０ｐｓとなり、これは、同じ波長帯で吸収領域に単一量子井戸構造を用いた場合の緩和時間１．５ｐｓに比べて、約２倍長い。これにより、高速、高効率で順方向に電流を流して、高感度に光検出器として動作させることが可能となっている。なお、単位積層体１６を構成する量子井戸層、量子障壁層のそれぞれの層厚は、量子力学に基づいて設計されている。
【００６２】
量子井戸構造の設計においては、吸収領域１７における第１、第２吸収井戸層１６１、１６２を設計することにより、検出下準位Ｌ１、上準位Ｌ２の状態、及びそのエネルギー間隔が決定される。このとき、第２吸収井戸層１６２を厚く設計すると、検出上準位Ｌ２の波動関数が井戸層１６２に局在する。この場合、ＬＯフォノンで決定される検出上準位Ｌ２でのキャリアの寿命が長くなるが、一方で、光吸収の遷移強度に対応する双極子モーメントが減少する。これらはトレードオフの関係にあり、設計波長によって、最も好適な条件は変化するものと考えられる。
【００６３】
図３に示した構成例では、設計波長５．８μｍにおいて、双極子モーメントはＺ２１＝２．０ｎｍ、ＬＯフォノンによる散乱時間はτ２１＝３．０ｐｓと計算される。これに対して、同じ波長帯で吸収領域に単一量子井戸構造を用いた構成では、双極子モーメントはＺ２１＝１．６ｎｍ、ＬＯフォノンによる散乱時間はτ２１＝１．５ｐｓと計算され、どちらのパラメータについても、吸収領域１７で結合量子井戸構造を用いた図３の構成例の方が、好ましい値を示している。
【００６４】
図５は、量子カスケード検出器で得られる光吸収スペクトルを示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は波数（ｃｍ−１）、または波長（μｍ）を示し、縦軸は吸収強度に対応する信号強度（ａ．ｕ．）を示している。また、図５において、グラフＡ１は、上記構成を有する量子カスケード検出器による吸収スペクトルを示し、グラフＡ２は、従来のＭＣＴ検出器による吸収スペクトルを示している。
【００６５】
ここでは、量子カスケード検出器及びＭＣＴ検出器の両検出素子ともに、液体窒素にて７７Ｋに冷却した状態で測定を行った。また、量子カスケード検出器は、単位積層体１６を４５段に積層したもの（活性層１５の厚さで１．６９μｍ）を用いた。この量子カスケード検出器の素子形状はリッジタイプで、リッジ幅は２００μｍ、リッジ長さは３ｍｍである。
【００６６】
図５に示すように、上記構成の量子カスケード検出器を用いた場合、従来構造の量子カスケード検出器のみならず、ＭＣＴ検出器と比較しても、はるかに高い感度を示した。本構成例の検出器の感度は３．７Ａ／Ｗと見積もられ、この感度は、現在、論文などで報告されている値（ｍＡ／Ｗレベル）よりも３桁も高い。また、上記構成の量子カスケード検出器は、ゼロバイアスで動作可能という特徴から、ノイズレベルも極めて低く、算出される比検出能Ｄ＊（５．８μｍ，７７Ｋ，２ｋＨｚ）の値は、１．７６×１０１１（ｃｍＨｚ１／２Ｗ−１）である。
【００６７】
上記実施形態において吸収領域１７を構成している第１吸収井戸層１６１、結合障壁層１７２、及び第２吸収井戸層１６２による結合量子井戸構造の構成について、さらに説明する。上記構成の結合量子井戸構造においては、第１吸収井戸層１６１の励起準位と第２吸収井戸層１６２の基底準位との準位間の反交差ギャップが、縦光学フォノンのエネルギーＥＬＯよりも大きく設定されていることが好ましい。これにより、第１吸収井戸層１６１の励起準位及び第２吸収井戸層１６２の基底準位が結合された検出上準位Ｌ２等の準位を好適に生成することができる。
【００６８】
すなわち、上記構成では、第１吸収井戸層１６１の励起準位、及び第２吸収井戸層１６２の基底準位が結合して生成される準位を検出上準位Ｌ２として用いているため、これらの準位は強く結合している必要がある。このような２つの準位の結合の大きさは、準位間の反交差（アンチクロッシング）のエネルギーギャップによって評価することができる。この反交差ギャップは、具体的には、２つの準位が電界の印加等により同じエネルギーに位置したときに形成される準位間隔によって定義される（特許文献１参照）。
【００６９】
図６は、第１吸収井戸層の励起準位と第２吸収井戸層の基底準位との準位間の反交差ギャップの結合障壁層の層厚への依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は結合障壁層１７２の層厚（ｎｍ）を示し、縦軸は第１吸収井戸層１６１の励起準位と第２吸収井戸層１６２の基底準位との準位間の反交差ギャップ（ｅＶ）を示している。
【００７０】
このグラフに示すように、結合量子井戸構造での準位間の結合の強さを示す反交差ギャップは吸収井戸層１６１、１６２間にある結合障壁層１７２の厚さによって変化し、結合障壁層１７２の層厚が薄くなると、反交差ギャップが大きくなる。したがって、結合障壁層１７２の層厚の設計により、上記の結合量子井戸構造での反交差ギャップを適切に設定することができる。
【００７１】
例えば、図４に示した構成では、結合障壁層１７２の層厚は２．０ｎｍであり、このときの反交差ギャップは、図６のグラフから約８０ｍｅＶであることがわかる。また、結合障壁層１７２の層厚については、第１吸収井戸層１６１の励起準位と第２吸収井戸層１６２の基底準位との準位間の反交差ギャップが２×ＥＬＯ程度になるように設定することが特に好ましい。また、高エネルギー側の結合準位Ｌ０と、検出上準位Ｌ２とのエネルギー間隔についても、この準位間の反交差ギャップに応じて設定される。
【００７２】
本発明による量子カスケード検出器は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、半導体基板としてＩｎＰ基板を用い、活性層をＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによって構成した例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間遷移による光吸収、検出が可能であって上記したサブバンド準位構造を実現可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。
【００７３】
このような半導体材料系については、上記したＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ以外にも、例えばＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＳｉＧｅ／Ｓｉなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。
【００７４】
また、量子カスケード検出器の活性層における積層構造、及び検出器素子全体としての半導体積層構造については、図１、図３、図４に示した構造以外にも様々な構造を用いて良い。一般には、量子カスケード検出器は、半導体基板と、半導体基板上に設けられた上記構成の活性層とを備えて構成されていれば良い。
【００７５】
単位積層体において吸収領域を構成する障壁層、井戸層の層数については、上記した構成例では、２個の障壁層、井戸層による構成を示したが、上述したように３個以上の障壁層、井戸層によって吸収領域を構成しても良い。また、輸送領域を構成する障壁層、井戸層の層数についても、同様に任意の層数に設定して良い。また、上記構成例では、ＩｎＰ基板に対して格子整合する構成について説明したが、例えばＩｎＰ基板に対して格子不整合を導入した構成を用いることも可能である。この場合、素子設計の自由度の増大、効率的なキャリア閉じ込め、及び検出器動作の短波長化が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器として利用可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１Ａ…量子カスケード検出器、１０…半導体基板、１１…下部コンタクト層、１２…上部コンタクト層、１５…活性層、１６…単位積層体、１７…吸収領域、１８…輸送領域、
１６１…第１井戸層（第１吸収井戸層）、１６２…第２井戸層（第２吸収井戸層）、１７１…第１障壁層、１７２…第２障壁層（結合障壁層）、１７３…第３障壁層（抽出障壁層）、Ｌ１…検出下準位、Ｌ２…検出上準位、Ｌ０…高エネルギー側の結合準位、Ｌ３…第３準位、Ｌ４〜Ｌｎ…第４〜第ｎ準位。
【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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