(57)【要約】  線形モードアバランシェフォトダイオードは、１０００倍増幅以上の利得を生み出し、一方、増幅による利得に起因して非極低温以上の温度で存在する熱雑音の３倍未満の過剰雑音指数を生み出すように構成されていることによって、光を感知し、電流を出力する。この線形モードアバランシェフォトダイオードは、線形モードアバランシェフォトダイオードの第１のキャリアに関しては衝突電離を抑制し、一方、第２のキャリアに関しては、１）衝突電離を増大させること、２）衝突電離を実質的に維持すること、および３）衝突電離をより低い程度で抑制することのうちの少なくとも１つを達成するように整合された超格子構造体を使用することによって、光の中の１つまたは複数の光子を検出する。その衝突電離が抑制される第１のキャリアは、ｉ）電子またはｉｉ）正孔のどちらかであり、第２のキャリアは電子または正孔である。
2021522694.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１０００倍増幅以上の利得を生み出し、一方、前記増幅による前記利得に起因して非極低温以上の温度で存在する熱雑音の３倍未満の過剰雑音指数を生み出すように構成されていることによって、光子を感知し、電流を出力する線形モードアバランシェフォトダイオードであり、前記線形モードアバランシェフォトダイオードの第１のキャリアに関しては衝突電離を抑制し、一方、第２のキャリアに関しては、１）衝突電離を増大させること、２）衝突電離を実質的に維持すること、および３）衝突電離をより低い程度で抑制することのうちの少なくとも１つを達成するように整合された超格子構造体を使用することによって、１つまたは複数の光子を検出するための前記線形モードアバランシェフォトダイオードを備え、その衝突電離が抑制される前記第１のキャリアが、ｉ）電子またはｉｉ）正孔のどちらかであり、前記第２のキャリアが電子または正孔である、装置。
【請求項２】
前記整合超格子構造体を含む前記線形モードアバランシェフォトダイオードが、超格子増倍領域において、ｉ）前記第１のキャリアが正孔であるときには価電子帯に超格子を実装することによって、およびｉｉ）前記第１のキャリアが電子であるときには伝導帯に超格子を実装することによって、前記第１のキャリアの前記衝突電離を抑制するように構成された、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記整合超格子構造体を形成する、２種類以上の材料の層の周期的構造体が、衝突電離をウェル半導体またはバリア半導体の層だけで持続させることになる電場を有するように、電圧コントローラによって前記超格子にバイアスがかけられたときに、そのそれぞれのウェルに少なくとも１つの量子状態を有するように設計された、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
ｉ）前記伝導帯のみ、またはｉｉ）前記価電子帯のみで増幅が起こるような態様の前記整合超格子構造体を含む前記線形モードアバランシェフォトダイオードが、１０，０００倍増幅以上の利得を生み出し、一方、前記増幅による前記利得に起因して存在する前記熱雑音の３倍未満の過剰雑音を発生させるように構成されており、
１０，０００倍増幅の前記利得を有する前記整合超格子構造体を含む前記線形モードアバランシェフォトダイオードが、不感時間を生じる不利益なしで単一光子を検出することができ、したがって、これにより、前記単一光子の前記検出後、実質的に直ちに後続の光子を検出することが可能になる、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記超格子構造体を形成するために半導体の格子整合対の中から選択することができる、基板上に成長させた２種類以上の材料の層の周期的構造体を使用することにより、前記整合超格子構造体を含む前記線形モードアバランシェフォトダイオードが、前記超格子増倍領域において前記第１のキャリアの前記衝突電離だけを抑制するように整合されており、それらの格子整合対のバンドオフセットが、ｉ）衝突電離を抑制する前記被抑制キャリアに対応するバンドに少なくとも大部分が含まれ、ｉｉ）最高には、衝突電離を抑制する前記被抑制キャリアに対応する前記バンドに完全に含まれるように設定されている、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記超格子構造体が、前記超格子増倍領域に半導体の格子整合対を有し、前記超格子対の前記バンドオフセットが、前記被抑制キャリアに対応する前記バンドに大部分が含まれるように設定されているときに、前記第２のキャリアのバンドが、前記超格子のｉ）ウェル層、ｉｉ）バリア層、またはｉｉｉ）前記ウェル層もしくは前記バリア層のどちらかの厚さにおいて量子状態をサポートするのには十分ではない限りにおいて、十分なオフセットを有することができ、
前記超格子構造体を形成する前記半導体の格子整合対が、第１の半導体材料と第２の半導体材料の交互層からなる、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記超格子構造体が、前記超格子増倍領域に半導体の格子整合対を有し、前記格子整合対が、ＩｎＰ基板に対しても整合されており、前記格子整合対が、
ａ．前記超格子が価電子帯に設定されており、正孔が前記第１のキャリアである、ＩｎＰの第１の半導体合金およびＩｎ０．５３Ａｌ０．３０Ｇａ０．１７Ａｓの第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、
ｂ．前記超格子が価電子帯に設定されており、正孔が前記第１のキャリアである、ＩｎＰの第１の半導体合金およびＩｎ０．１９Ｇａ０．８１Ａｓ０．６９Ｓｂ０．３１の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、
ｃ．前記超格子が価電子帯に設定されており、正孔が前記第１のキャリアである、ＩｎＰの第１の半導体合金およびＧａＡｓ０．１２Ｓｂ０．６１Ｐ０．２７の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、
ｄ．前記超格子が価電子帯に設定されており、正孔が前記第１のキャリアである、Ｉｎ０．８１Ｇａ０．１９Ａｓ０．４２Ｐ０．５８の第１の半導体合金およびＩｎ０．３７Ｇａ０．６３Ａｓ０．８５Ｓｂ０．１５の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、
ｅ．前記超格子が価電子帯に設定されており、正孔が前記第１のキャリアである、Ｉｎ０．９４Ｇａ０．０７Ａｓ０．１２Ｐ０．８８の第１の半導体合金およびＧａＳｂ０．６５Ｐ０．３５の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、または
ｆ．前記超格子が伝導帯に設定されており、電子が第１のキャリアである、Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓの第１の半導体合金およびＩｎ０．７９Ｇａ０．２１Ａｓ０．４６Ｐ０．５４の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体
からなるグループから選択された、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記超格子構造体が、前記超格子増倍領域に半導体の格子整合対を有し、前記格子整合対が、ＧａＳｂ基板に対しても整合されており、前記格子整合対が、
ａ．前記超格子が前記価電子帯に設定されており、正孔が前記第１のキャリアである、ＧａＳｂの第１の半導体合金およびＩｎ０．５７Ａｌ０．４３Ａｓ０．５５Ｓｂ０．４５の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、
ｂ．前記超格子が前記伝導帯に設定されており、電子が前記第１のキャリアである、Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ａｓ０．０１Ｓｂ０．９９の第１の半導体合金およびＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ａｓ０．０８Ｓｂ０．９２の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、
ｃ．超格子が前記伝導帯に設定されており、電子が前記第１のキャリアである、Ａｌ０．４４Ｇａ０．５６Ａｓ０．０４Ｓｂ０．９６の第１の半導体合金およびＩｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ０．２６Ｓｂ０．７４の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、または
ｄ．超格子が前記伝導帯に設定されており、電子が前記第１のキャリアである、Ｉｎ０．４０Ａｌ０．６０Ａｓ０．４２Ｓｂ０．５８の第１の半導体合金およびＩｎ０．７９Ｇａ０．２１Ａｓ０．７２Ｓｂ０．２８の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体
からなるグループから選択された、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記整合超格子構造体用の周期的な一組の材料がさらに、印加バイアス下にあるときに、隣り合うウェルの前記量子状態の波動関数の空間的重なりを有するように設計されており、前記空間的重なりが、第１のウェルから第２のウェルへのホッピングによって前記第１のキャリアが前記超格子を横断し、前記印加バイアスによって供給されたエネルギー量であり、衝突電離して、ウェルからウェルへのホップのたびに新たな電子−正孔対を形成するのに必要な運動エネルギーよりも小さい前記エネルギー量を前記第１のキャリアが実質的に失って終わるような空間的重なりである、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
光子を感知し、電流を出力する方法であって、１０００倍増幅以上の利得を生み出し、一方、前記増幅による前記利得に起因して非極低温以上の温度で存在する熱雑音の３倍未満の過剰雑音指数を生み出すことによって光を感知し、電流を出力するように、線形モードアバランシェフォトダイオードを構成することを含み、前記線形モードアバランシェフォトダイオードが、前記線形モードアバランシェフォトダイオードの第１のキャリアに関しては衝突電離を抑制し、一方、第２のキャリアに関しては、１）衝突電離を増大させること、２）衝突電離を実質的に維持すること、および３）衝突電離をより低い程度で抑制することのうちの少なくとも１つを達成するように整合された超格子構造体を使用することによって、１つまたは複数の光子を検出するためのものであり、その衝突電離が抑制される前記第１のキャリアが、ｉ）電子またはｉｉ）正孔のどちらかであり、前記第２のキャリアが電子または正孔である、方法。
【請求項１１】
前記整合超格子構造体を含む前記線形モードアバランシェフォトダイオードの超格子増倍領域を、ｉ）前記第１のキャリアが正孔であるときには価電子帯に超格子を実装することによって、およびｉｉ）前記第１のキャリアが電子であるときには伝導帯に超格子を実装することによって、前記第１のキャリアの前記衝突電離を抑制するように構成すること
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記整合超格子構造体を形成する、２種類以上の材料の層の周期的構造体を、衝突電離をウェル半導体またはバリア半導体の層だけで持続させることになる電場を有するように前記超格子にバイアスがかけられたときに、そのそれぞれのウェルに少なくとも１つの量子状態を有するように構成すること
をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
ｉ）前記伝導帯のみ、またはｉｉ）前記価電子帯のみで増幅が起こるような態様の前記整合超格子構造体を含む前記線形モードアバランシェフォトダイオードを、１０，０００倍増幅以上の利得を生み出し、一方、前記増幅による前記利得に起因して室温以上の温度で存在する前記熱雑音の３倍未満の過剰雑音を発生させるように構成すること、および
１０，０００倍増幅の前記利得を有する前記整合超格子構造体を含む前記線形モードアバランシェフォトダイオードを、不感時間を生じる不利益なしで単一光子を検出することができ、したがって、これにより、前記単一光子の前記検出後、実質的に直ちに後続の光子を検出することを可能にするように構成すること
をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記整合超格子構造体を含む前記線形モードアバランシェフォトダイオードを、前記超格子構造体を形成するために半導体の格子整合対の中から選択することができる、基板上に成長させた２種類以上の材料の層の周期的構造体を使用することにより、前記超格子増倍領域において前記第１のキャリアの前記衝突電離だけを抑制するように構成することをさらに含み、それらの格子整合対のバンドオフセットが、ｉ）前記バンドに少なくとも大部分が含まれ、ｉｉ）最高には、衝突電離を抑制する前記被抑制キャリアに対応する前記バンドに完全に含まれるように設定されており、前記第２のキャリアのバンドが実質的にバンドオフセットを持たない、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記超格子構造体が、前記超格子増倍領域に半導体の格子整合対を有し、前記格子整合対が、ＩｎＰ基板に対しても整合されており、前記格子整合対が、
ａ．前記超格子が価電子帯に設定されており、正孔が前記第１のキャリアである、ＩｎＰの第１の半導体合金およびＩｎ０．５３Ａｌ０．３０Ｇａ０．１７Ａｓの第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、
ｂ．前記超格子が価電子帯に設定されており、正孔が前記第１のキャリアである、ＩｎＰの第１の半導体合金およびＩｎ０．１９Ｇａ０．８１Ａｓ０．６９Ｓｂ０．３１の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、
ｃ．前記超格子が価電子帯に設定されており、正孔が前記第１のキャリアである、ＩｎＰの第１の半導体合金およびＧａＡｓ０．１２Ｓｂ０．６１Ｐ０．２７の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、
ｄ．前記超格子が価電子帯に設定されており、正孔が前記第１のキャリアである、Ｉｎ０．８１Ｇａ０．１９Ａｓ０．４２Ｐ０．５８の第１の半導体合金およびＩｎ０．３７Ｇａ０．６３Ａｓ０．８５Ｓｂ０．１５の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、
ｅ．前記超格子が価電子帯に設定されており、正孔が前記第１のキャリアである、Ｉｎ０．９４Ｇａ０．０７Ａｓ０．１２Ｐ０．８８の第１の半導体合金およびＧａＳｂ０．６５Ｐ０．３５の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、または
ｆ．前記超格子が伝導帯に設定されており、電子が第１のキャリアである、Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓの第１の半導体合金およびＩｎ０．７９Ｇａ０．２１Ａｓ０．４６Ｐ０．５４の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体
からなるグループから選択された、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記超格子構造体が、前記超格子増倍領域に半導体の格子整合対を有し、前記格子整合対が、ＧａＳｂ基板に対しても整合されており、前記格子整合対が、
ａ．前記超格子が前記価電子帯に設定されており、正孔が前記第１のキャリアである、ＧａＳｂの第１の半導体合金およびＩｎ０．５７Ａｌ０．４３Ａｓ０．５５Ｓｂ０．４５の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、
ｂ．前記超格子が前記伝導帯に設定されており、電子が前記第１のキャリアである、Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ａｓ０．０１Ｓｂ０．９９の第１の半導体合金およびＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ａｓ０．０８Ｓｂ０．９２の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、
ｃ．超格子が前記伝導帯に設定されており、電子が前記第１のキャリアである、Ａｌ０．４４Ｇａ０．５６Ａｓ０．０４Ｓｂ０．９６の第１の半導体合金およびＩｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ０．２６Ｓｂ０．７４の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体、または
ｄ．超格子が前記伝導帯に設定されており、電子が前記第１のキャリアである、Ｉｎ０．４０Ａｌ０．６０Ａｓ０．４２Ｓｂ０．５８の第１の半導体合金およびＩｎ０．７９Ｇａ０．２１Ａｓ０．７２Ｓｂ０．２８の第２の半導体合金を含む、前記超格子構造体内の２種類の半導体
からなるグループから選択された、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
印加バイアス下にあるときに、隣り合うウェルの前記量子状態の波動関数の空間的重なりをさらに有するように、前記整合超格子構造体用の周期的な一組の材料を構成することをさらに含み、前記空間的重なりが、第１のウェルから第２のウェルへのホッピングによって前記第１のキャリアが前記超格子を横断し、前記印加バイアスによって供給されたエネルギー量であり、衝突電離して、ウェルからウェルへのホップのたびに新たな電子−正孔対を形成するのに必要な運動エネルギーよりも小さい前記エネルギー量を前記第１のキャリアが実質的に失って終わるような空間的重なりである、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
複数の線形モードアバランシェフォトダイオードのアレイであり、それぞれのフォトダイオードが整合超格子構造体を含み、第１の線形モードアバランシェフォトダイオードが、１０００倍増幅以上の利得を生み出し、一方、前記増幅による前記利得に起因して非極低温以上の温度で存在する熱雑音の３倍未満の過剰雑音を発生させるように構成されていることによって、光を感知し、電流を出力するように構成されており、前記第１の線形モードアバランシェフォトダイオードが、前記線形モードアバランシェフォトダイオードの第１のキャリアに関しては衝突電離を抑制し、一方、第２のキャリアに関しては、１）衝突電離を増大させること、２）衝突電離を実質的に維持すること、および３）衝突電離をより低い程度で抑制することのうちの少なくとも１つを達成するように整合された超格子構造体を使用することによって、１つまたは複数の光子を検出するためのものであり、その衝突電離が抑制される前記第１のキャリアが、ｉ）電子またはｉｉ）正孔のどちらかであり、前記第２のキャリアが電子または正孔である、前記複数の線形モードアバランシェフォトダイオードのアレイと、
前記複数の線形モードアバランシェフォトダイオードに電力を供給する電源と
を備えるシステム。
【請求項１９】
ｉ）ＬＩＤＡＲシステム、ｉｉ）暗視ゴーグルまたはヘッドセットシステム、ｉｉｉ）光通信システム、ｉｖ）分光システム、ｖ）量子鍵配送システム、ｖｉ）高降伏電圧トランジスタを使用したシステム、ｖｉｉ）低雑音マイクロ波発生システム、およびｖｉｉｉ）生物医学システムからなるグループから選択された、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記複数の線形モードアバランシェフォトダイオードのうちのそれぞれの線形モードアバランシェフォトダイオードが整合超格子構造体を有し、前記整合超格子構造体が、前記超格子構造体を形成するために半導体の格子整合対の中から選択することができる、基板上に成長させた２種類以上の材料の層の周期的構造体を使用することにより、前記超格子増倍領域において前記第１のキャリアの前記衝突電離だけを抑制するように整合されており、それらの格子整合対のバンドオフセットが、衝突電離を抑制する前記被抑制キャリアに対応する前記バンドに完全に含まれるように設定されている、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は一般にフォトダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
光検出器の機能は、入射光を感知し、入射光束に比例した電流、すなわち入射光束に比例した光電流を出力することである。理想は、光検出器が、入射光子ごとに１つの出力電子または正孔を生成し、あらゆる出力電子または正孔が入射光子の結果であることである。入射束が小さい多くの用途では、後続の電子装置によって使用され得る前に出力電流を増幅する必要がある。光子計数を達成するための以前の一部の光検出器では、単一光子を検出するために、光電流を１０４倍ないし１０６倍にする利得機構が必要である。電流の振幅を増大させることの他に、増幅器は、電流に雑音を付加するという欠点も有する。
【０００３】
実際、多くのタイプの光検出器では、室温における電子増幅器からの雑音電流が、単一光子の流れの検出（光子計数）に必要な電流よりもかなり大きい。これらのタイプの光検出器の増幅器雑音は温度によって押し上げられるため、増幅器を極低温に冷却するとその雑音は小さくなるが、この手法を受け入れることができる用途の数は限られている。
【０００４】
電流増倍機構の１つが衝突電離（ｉｍｐａｃｔ  ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）である。この機構に基づく光検出器はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）として知られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本明細書においては、フォトダイオードのさまざまな方法、装置およびシステムが提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、線形モードアバランシェフォトダイオードが、１０００倍増幅以上の利得を生み出し、一方、増幅による利得に起因して非極低温（ｎｏｎ−ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）以上の温度で存在する熱雑音の３倍未満の過剰雑音指数（ｅｘｃｅｓｓ  ｎｏｉｓｅ  ｆａｃｔｏｒ）を生み出すように構成されていることによって、光を感知し、電流を出力する。この線形モードアバランシェフォトダイオードは、線形モードアバランシェフォトダイオードの第１のキャリアに関しては衝突電離を抑制し、一方、第２のキャリアに関しては、１）衝突電離を増大させること、２）衝突電離を実質的に維持すること、および３）衝突電離をより低い程度で抑制することのうちの少なくとも１つを達成するように整合された超格子構造体（ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を使用することによって、光の中の１又は２以上の光子を検出する。その衝突電離が抑制される第１のキャリアは、ｉ）電子またはｉｉ）正孔のどちらかであり、第２のキャリアは電子または正孔である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、キャリアが正孔であるときに価電子帯に超格子を有することによって過剰雑音が実質的に排除される、整合された超格子構造体（以後、「整合超格子構造体」と称する）を含む線形モードＡＰＤのブロック図の実施形態を示す図である。
【０００８】
【図２ａ】図２ａは、距離とともに運動エネルギーを蓄積する、バイアス下のバルク半導体の価電子帯の正孔のグラフの実施形態を示す図である。
【０００９】
【図２ｂ】図２ｂは、バイアスがかけられた超格子内のウェルを通した価電子帯ホッピング（ｈｏｐｐｉｎｇ）における正孔のグラフ、およびワニエ−シュタルクラダー（Ｗａｎｎｉｅｒ−Ｓｔａｒｋ  ｌａｄｄｅｒ）内の状態のエネルギーレベルの実施形態を示す図である。
【００１０】
【図３】図３は、過剰雑音指数Ｆの理論値を、電子注入に関する平均利得Ｍおよびβ／α比の関数として示したグラフの実施形態を示す図である。
【００１１】
【図４】図４は、エネルギーが垂直方向にプロットされ、距離が水平方向にプロットされた半導体のバンド図のグラフ、および衝突電離して新たな電子−正孔対を形成するのに必要な運動エネルギー量の実施形態を示す図である。
【００１２】
【図５】図５は、キャリアが電子であるときに伝導帯に超格子を有することによって過剰雑音が実質的に排除される、整合超格子構造体を含む線形モードＡＰＤのブロック図の実施形態を示す図である。
【００１３】
【図６ａ】図６ａは、場によって加速され、運動エネルギーを蓄積する、電場が印加されたバルク半導体内の電子のグラフの実施形態を示す図である。
【００１４】
【図６ｂ】図６ｂは、局在（ｌｏｃａｌｉｚｅｄ）ワニエ−シュタルク状態を制御することによって衝突電離を抑制する整合超格子のグラフの実施形態を示す図である。
【００１５】
【図７】図７は、電子増倍は抑制されるが、正孔増倍は抑制されない、整合超格子設計を含む線形モードＡＰＤのグラフの実施形態を示す図である。
【００１６】
【図８】図８は、インサイチュメモリ（ｉｎ−ｓｉｔｕ  ｍｅｍｏｒｙ）を備える整合超格子構造体を含む線形モードＡＰＤアレイおよび並列列読出しの図の実施形態を示す図である。
【００１７】
【図９】図９は、整合超格子構造体を含む線形モードＡＰＤを有する読出し回路概略図の実施形態を示す図である。
【００１８】
この設計は、さまざまな変更、等価物および代替形態の対象となるが、この設計の特定の実施形態は、図面に例として示されており、次に、それらの実施形態が詳細に説明される。この設計は、開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、逆に、それらの特定の実施形態を使用した全ての変更、等価物および代替形態をカバーすることが意図されていることを理解すべきである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下の説明では、本設計の完全な理解を提供するために、特定のデータ信号、言及された構成要素、フレーム数の例など、多数の特定の詳細が記載されることがある。しかしながら、当業者には、これらの特定の詳細がなくても本設計を実施することができることが明白となろう。他の事例として、本設計を不必要に不明瞭にすることを防ぐために、よく知られている構成要素または方法は詳細には記載されておらず、むしろブロック図に示されている。さらに、第１のフォトダイオードなど特に数に言及することがある。しかしながら、それらの数に関する特定の言及を、文字通り順序として解釈すべきではなく、むしろ、第１のフォトダイオードは第２のフォトダイオードとは異なるのだと解釈すべきである。このように、記載された特定の詳細が単なる例であることもある。それらの特定の詳細は、本設計の趣旨および範囲から外れることがあるが、それでも、本設計の趣旨および範囲内に含まれることが企図される。用語「結合された」は、その構成要素に直接に接続されていること、または別の構成要素を介してその構成要素に間接的に接続されていることを意味すると定義される。
【００２０】
一般に、方法、装置およびシステムが論じられる。システム内で、整合超格子構造体を含む複数の線形モードアバランシェフォトダイオードのアレイを使用することができる。それぞれの線形モードアバランシェフォトダイオードは、１０００倍増幅以上の利得を生み出し、一方、増幅による利得に起因して非極低温以上の温度で存在する熱雑音の３倍未満の過剰雑音指数を生み出すように構成されていることによって、光を感知し、電流を出力する。この線形モードアバランシェフォトダイオードは、線形モードアバランシェフォトダイオードの第１のキャリアに関しては衝突電離を抑制し、一方、第２のキャリアに関しては、１）衝突電離を増大させること、２）衝突電離を実質的に維持すること、および３）衝突電離をより低い程度で抑制することのうちの少なくとも１つを達成するように整合された超格子構造体を使用することによって、光の中の１又は２以上の光子を検出する。その衝突電離が抑制される第１のキャリアは、ｉ）電子またはｉｉ）正孔のどちらかであり、第２のキャリアはそれぞれ電子または正孔である。複数の線形モードアバランシェフォトダイオードに電力を供給するために、電源が使用される。
【００２１】
図１および図５は、キャップ層、吸収層、超格子増倍領域内の整合超格子構造体、およびコレクタ層を含む線形モードＡＰＤ１００、５００を示す。電圧コントローラが線形モードＡＰＤ１００、５００に逆バイアスを印加する。線形モードＡＰＤ１００、５００は、１０００倍増幅以上の潜在的に指数関数的な利得を生み出し、一方、増幅による利得に起因して非極低温以上の温度で存在する熱雑音の３倍未満の過剰雑音指数を生み出すように構成されていることによって、光を感知し、電流を出力する。この超格子構造体は、線形モードＡＰＤ１００、５００の第１のキャリアに関しては衝突電離を抑制し、一方、もう一方のキャリアに関しては衝突電離を維持するように整合されている。その衝突電離が抑制される第１のキャリアは、ｉ）電子またはｉｉ）正孔のどちらかであり、その衝突電離を維持するもう一方のキャリアは電子または正孔である。キャリアが正孔であるときには価電子帯に超格子を形成し（図１参照）、キャリアが電子であるときには伝導帯に超格子を形成することによって（図５参照）、キャリアの衝突電離を抑制する。非極低温は、例えばマイナス５０℃よりも高い温度とすることができる。
【００２２】
したがって、整合超格子構造体を含む線形モードＡＰＤ１００、５００は、超格子増倍領域において、ｉ）第１のキャリアが正孔であるときには価電子帯に超格子を実装することによって、およびｉｉ）第１のキャリアが電子であるときには伝導帯に超格子を実装することによって、第１のキャリアの衝突電離を抑制するように構成されている。衝突電離による利得は、バンドギャップエネルギー（Ｅｇ）よりも大きな運動エネルギー（ＫＥ）を有するもう一方のキャリアだけが、整合超格子の使用を通して開始することができ、電子または正孔のどちらかである第１のキャリアが、衝突電離のための大きな電場下で十分な運動エネルギーを蓄積することは妨げられる。
【００２３】
超格子構造体と電圧コントローラの間には、超格子構造に印加される固定電場または可変電場に関する協働（ｃｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ）が存在する。整合（ｍａｔｃｈｅｄ）超格子構造体を形成する、１又は２種類以上の材料の層の周期的構造体が、衝突電離をウェル半導体またはバリア半導体の厚い層だけで持続させることになる電場を有するように、電圧コントローラによって超格子にバイアスがかけられたときに、そのそれぞれのウェルに少なくとも１つの量子状態を有するように設計される。整合超格子構造体用の周期的な一組の材料はさらに、印加バイアス下にあるときに、隣り合うウェルの量子状態の波動関数の大きな空間的重なりを有するように設計されており、この空間的重なりは、第１のウェルから第２のウェルへのホッピングによって第１のキャリアが超格子を横断し、印加バイアスによって供給されたエネルギー量であり、衝突電離して、ウェルからウェルへのホップのたびに新たな電子−正孔対を形成するのに必要な運動エネルギーよりも小さいエネルギー量を第１のキャリアが実質的に失って終わるような空間的重なりである。電圧コントローラからの１つの範囲のバイアスは、これらの目的を促進する。
【００２４】
大きな空間的重なりは、特定のウェルの局在状態（ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  ｓｔａｔｅ）にあるキャリアが、隣り合う状態の低エネルギー局在状態に急速に減衰することを促進する。この過程は、ホッピングとして知られている。このエネルギー差は、フォノンの放出として失われる。キャリアは、１つのウェルから次のウェルへとホップし、印加バイアスによって供給されたエネルギーを段ごとにフォノンとして失うことにより、超格子を横断する。
【００２５】
増倍領域内の整合超格子構造体は、バンドエネルギー構造の精密な整形を可能にするために周期的な数百組のナノメートル厚さの層を有することができる整合された材料によって、一方のバンドのみにバンド不連続性（雑音のない利得）を与えることができる。増倍領域内の整合超格子構造体を形成している材料は周期的に繰り返す。
【００２６】
超格子構造体を形成するために半導体の格子整合対の中から選択することができる、基板上に成長させた２種類以上の材料の層の周期的構造体を使用することにより、整合超格子構造体を含む線形モードＡＰＤ１００、５００は、超格子増倍領域において第１のキャリアの衝突電離だけを抑制するように整合されている。それらの格子整合対は、ｉ）衝突電離を抑制する被抑制キャリアに対応するバンドに少なくとも大部分が含まれ、ｉｉ）最高には、衝突電離を抑制する被抑制キャリアに対応するバンドに完全に含まれるように設定されたバンドオフセットを有する。超格子構造体の１つの周期を形成する半導体の格子整合対は、第１の半導体材料と第２の半導体材料の少なくとも一対の交互層からなる。超格子は、多数の周期の繰返しからなり、１周期のそれぞれの層の対応する厚さは同じである。第１の半導体の層は全て、ドーピングがなければ実質的に同じ厚さを有する。第２の半導体の層は全て、ドーピングがなければ実質的に同じ厚さを有する。しかしながら、第１の半導体の層の厚さと第２の半導体の層の厚さは異なることができる。
【００２７】
低エネルギーにおいて、もう一方のバンドの抑制されていないキャリアは超格子には入らず、そのため、そのキャリアの輸送は、質的に、あたかもバルク半導体内で起こっているように進むことに留意されたい。もう一方のバンドの抑制されていないキャリアは衝突電離して、線形モードＡＰＤに必要な利得を提供する。第１のキャリアのこれとは反対のバンドで起こる衝突電離は抑制されているため、過剰雑音は排除される。
【００２８】
整合超格子を含む線形モードＡＰＤ１００、５００は、ＵＶ、可視および短波ＩＲ（約２５００ｎｍ）光波を含む広範囲の光検出で動作することができる。
【００２９】
一実施形態では、線形モードＡＰＤ１００、５００が、室温付近で、単一光子を高い量子効率で検出することができる。しかしながら、整合超格子を含まない以前の光検出器では、光検出器が発生させる雑音が、光子に起因する検出信号を圧倒しうる。整合超格子を含む線形モードＡＰＤ１００、５００は、設定された期間の経過後まで線形モードアバランシェフォトダイオードが別の光子を検出することができない不感時間（ｄｅａｄｔｉｍｅ）を単一光子の検出後に生じる不利益なしで、単一光子を検出することができる。したがって、検出事象後にピクセル「不感時間」が生じない（＝「リアルタイム」データ取得）。整合超格子を含む線形モードアバランシェフォトダイオードは、単一光子の信号を測定可能な電圧に増幅し、その一方で、増倍過程においてごくわずかの雑音しか付加しない電子装置の雑音等価入力電流よりも高く、光電流を増倍する。
【００３０】
整合超格子を含むＡＰＤ１００、５００は線形増幅器として振る舞い、そのため、ガイガーモードＡＰＤとは対照的に、整合超格子を含む線形モードＡＰＤ１００、５００は、ほぼ同時に到着した多数の光子を分解することができ、光子を検出した後に不感時間を生じない。ＡＰＤ１００、５００は、検出器感度の究極を達成する１光子あたり１０４電子の利得、低い過剰雑音および高い量子効率を有するＩｎＰベースの室温線形モードＡＰＤを実現することができる。整合超格子を含む線形モードＡＰＤ１００、５００は同時に、例えば室温以上の温度で、不感時間を生じることなく、最小限の過剰雑音で、単一光子感度を達成することができる。
【００３１】
次に、一般的なＡＰＤは通常、潜在的に光電流を途方もなく大幅に増倍することができる大きな内部利得Ｍを有する。しかしながら、Ｍ≒＿５０というあまり大きくない値においても、増倍過程によって付加される、過剰雑音として知られる雑音が増幅後の信号を圧倒するため、その性能は期待に背くものであった。過剰雑音の原因は、電子開始衝突電離（ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｉｎｉｔｉａｔｅｄ  ｉｍｐａｃｔ  ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）と正孔開始（ｈｏｌｅ−ｉｎｉｔｉａｔｅｄ）衝突電離が同時に存在することである。それらは相まって、衝突電離過程における小さな揺らぎを拡大する正のフィードバックループを生み出す。ＡＰＤを特徴づけるために使用される２つのパラメータは、電子開始衝突電離係数α＿および正孔開始衝突電離係数βである。α＿またはβ＿のどちらかがゼロである（単極利得（ｕｎｉｐｏｌａｒ  ｇａｉｎ）である）とき、過剰雑音指数Ｆは、Ｍの全ての値に対して≦＿２であるが、両極利得（ｂｉｐｏｌａｒ  ｇａｉｎ）に関する大きなＭに関して、ＦはＭに比例する（図３参照）。
【００３２】
図３は、過剰雑音指数Ｆの理論値を、電子注入に関する平均利得Ｍおよびβ／α比の関数として示したグラフ３００を示す。０．０３のβ／α曲線は、室温におけるＡＰＤの現在の最良値である。Ｍ＞５０に関して、Ｆは、Ｍの増大とともに増大することを、このβ／α曲線は示している。この整合超格子は、β／α＿＜＜１０−４を有することができる。
【００３３】
整合超格子を含む線形モードＡＰＤは単極利得を有し、光電子増倍管（ＰＭＴ）のように振る舞うが、デバイスが占有する面積および半導体デバイスに関連したラジッドネス（ｒｕｇｇｅｄｎｅｓｓ）という途方もなく大きなシステム利点を有する。検出器内の低い雑音とともに高い利得を提供することにより、単極利得ＡＰＤは、線形モードで光子を計数することができ、その出力を、市販の電子増幅器に結合して、単一光子の到着を雑音よりも高いレベルで検出することができ、同時に到着した多数の光子を区別することができる波形を与えることができる。
【００３４】
線形モード光子計数のための十分な低過剰雑音利得を提供することができる室温ＡＰＤ技術を使用しない場合の代替策は、ガイガーモードでの光子計数である。このモードにおいて、ＡＰＤには、そのＡＰＤの降伏電圧よりも高いバイアスがかけられおり、ＡＰＤは、単一光子の到着によってまたは暗電流によってＡＰＤがトリガされるまで電流が流れない準安定状態にある。トリガされると、ＡＰＤ電流は、容易に検出することができる値にまで急速に増大する。ガイガーモードＡＰＤは単一光子を検出することができるが、２つの深刻な欠点を有する。（１）ガイガーモードＡＰＤは、トリガされた後に、光に反応しない約１００ナノ秒以上の不感時間を有し、（２）ガイガーモードＡＰＤは、パルシング後に、アバランシェ中のトラップ状態によって捕捉されたキャリアの再放出を有し、これが、トリガされた後の多くのマイクロ秒の間、より高い暗計数率（ｄａｒｋ  ｃｏｕｎｔ  ｒａｔｅ）を与える。信号光子の到着が時間的に集中するＬＩＤＡＲなどの用途に関して、これら欠点のうちの最初の欠点は偽陰性率を高め、２番目の欠点は偽陽性率を高める。
【００３５】
次に、図１および図５は、電子輸送と正孔輸送の間に非常に大きな非対称を生み出すことによって過剰雑音が実質的に排除される、整合超格子構造体を含む線形モードＡＰＤ１００、５００を示す。この超格子構造体は、特別な衝突電離特性を持たない成分を使用した望ましい単極衝突電離を有し、したがって、潜在的に、ＡＰＤ１００、５００に対して使用することができ、広範囲の波長を検出するために集合的に使用される材料システムにまたがる、一組の材料を有する。利得領域は、２種類以上の格子整合半導体合金からなる。これらの整合した２種類以上の格子整合半導体合金は、それらのバンドオフセット全体が価電子帯だけまたは伝導帯だけに含まれるという特性を有する。価電子帯だけまたは伝導帯だけに含まれるバンドオフセットに関しては、図１および図５を参照されたい。
【００３６】
図２ａは、距離とともに運動エネルギーを蓄積する、バイアス下のバルク半導体の価電子帯の正孔のグラフの実施形態を示す。図２ｂは、バイアスがかけられた超格子内のウェルを通した価電子帯ホッピングにおける正孔のグラフ、およびワニエ−シュタルクラダー内の状態のエネルギーレベルの実施形態を示す。図１、図２ａおよび図２ｂは、超格子が価電子帯だけにある電子増倍による利得を示す。同様に、図５、図６ａ、図６ｂおよび図７は、超格子が価電子帯の代わりに伝導帯だけにある正孔増倍による利得を示す。
【００３７】
ＡＰＤにおける衝突電離
図４は、エネルギーが垂直方向にプロットされ、距離が水平方向にプロットされた半導体のバンドグラフ４００、および衝突電離して新たな電子−正孔対を形成するのに必要な運動エネルギー量を示す。自由電子は伝導帯に存在し、自由正孔は価電子帯に存在する。伝導帯と価電子帯は、電子状態または正孔状態が存在することができない幅Ｅｇのバンドギャップによって分離されている。印加電場があることにより、バンドは、図４に示されているように、場の大きさに比例して傾いている。左上の電子は、印加電場によって加速されたときに右へ移動する。電子の瞬時位置と伝導帯との間の垂直距離が、電子の瞬時運動エネルギーである。電子の運動エネルギーがバンドギャップエネルギーよりも大きくなると、電子は、衝突電離によって電子−正孔対を生成するのに十分なエネルギーを有する。電子が衝突電離すると、大部分の運動エネルギーは電子−正孔対の生成に使用され、その結果、ごくわずかな運動エネルギーしか持たない２つの電子および１つの正孔ができる。電子開始衝突電離は、１センチメートルあたりの電子開始衝突電離の平均数である係数αによって特徴づけられる（図１参照）。
【００３８】
正孔が加速して電子−正孔対を生成する価電子帯でも、同様の一連の事象が起こりうる。この場合には、正孔開始衝突電離の後に、２つの正孔および１つの電子ができる（図５参照）。この過程は、正孔開始衝突電離係数βによって特徴づけられる。
【００３９】
図１は、超格子増倍領域に置かれたこれらの２つのバンドのグラフを示す。電場によって電子と正孔の両方が加速され、そのため、電子と正孔の両方が、衝突電離による新たな電子−正孔対の生成を開始する。一般的なケースは次のセクションで論じるが、β＝０であるケースは容易に理解することできる。単一の電子が衝突電離し、その結果として２つの電子および１つの正孔ができる。これらの２つの電子はそれぞれ加速し、衝突電離後に４つの電子を残す。これらの４つの電子は８つ、１６個、３２個、...と増え、そのため、電子の数は、距離ｚとともにｅαｚとして指数関数的に増加する。電子が生み出されるたびに正孔も生み出されるため、正孔の数も指数関数的に増加する。β＝０のときにはこれらの正孔が衝突電離しないため、これらの正孔は電子の数を増やさない。そのため、β＝０のとき、半導体は、指数関数的利得ｅαｚを提供し、唯一の雑音は、衝突電離するまでに電子が移動する距離の変動に起因する。同様に、α＝０は、指数関数的利得ｅβｚを与える。
【００４０】
ＡＰＤにおける過剰雑音
以前の一部の技法では、大部分の半導体に関してαとβの値が非常に似ており、そのため、指数関数的利得の単純なケースが当てはまらない。光生成電子が、ｚ＝０で、吸収層から、バイアスがかけられた半導体層に注入され、ｚ＝ｚ０で最初の衝突電離を開始する場合を考える。
【００４１】
この衝突電離によって第２の電子および正孔が生成される。電子とは反対の電荷を有する正孔は、電子とは反対方向にドリフトし、最初に半導体層の端部に到達しない場合には、衝突電離して、ｚ＝０とｚ＝ｚ０の間のｚ＝ｚ１において新たな電子−正孔対を生成する。結晶欠陥またはフォノンによって正孔がいつ、どこで散乱するのかに関するランダム性のため、衝突電離するまでに正孔がどれくらいドリフトするかについては、あるランダムな変動が存在する。層の端部に到達する直前に正孔が衝突電離するか否かを判定することによって、この変動は、端部の近くで大きな差となりうる。ｚ＝ｚ１で新たに生成された電子はｚ＝ｚ０に向かってドリフトし、おそらくは途中で衝突電離して、より多くの電子−正孔対を生成する。最初の衝突電離により出現した２つの電子が続いて生成する電子−正孔対を考えないとしても、ｚ＝ｚ０で衝突電離した単一の初期光電子が、ｚ＝ｚ０を通過する後続の電子を生成することは明らかなはずである。しかしながら、ｚ＝ｚ０を通過する第２の電子が、上記の衝突電離シーケンスによって生成された初期光電子の副生物であるのか、または層に注入された第２の光電子であるのかを区別することは不可能である。この第１の状況の信号は、初期電子のみの注入に起因し、第２の状況の信号は、わずかに異なる時刻の２つの電子の注入に起因する。衝突電離は、これらの可能な入力間の差を不明瞭にするため、この過程は信号に雑音を追加する。この雑音は過剰雑音として知られている。ＡＰＤの過剰雑音についてはよく研究されている。
【００４２】
図３は、過剰雑音指数Ｆを、利得領域への電子注入に関するβ／αおよび平均ＡＰＤ利得Ｍの関数として示す。β／α＝０の曲線は、全てのＭについて最も小さいＦを与え、これは、上で説明したβ＝０のケースである。Ｆが、この理想的なケースに対して予想される値１ではなく値２を有するという結果は、この計算においてなされた、衝突電離がポアソン過程であるとする仮定に基づく。β／αが大きくなるにつれて、過剰雑音指数は、Ｍが小さいうちはＦ＝２を維持するが、Ｍが大きくなると増大する。これらの曲線のより緻密な観察は、Ｆ＝３で利得Ｍを達成するためには、α／β≒Ｍである必要があるという規則を与える。ある条件下で単一光子をほとんど過剰雑音なしで検出するのに十分な利得１０４を達成するためには、β／α＝１０−４の半導体が必要となる。今までのところ、αとβの差がこのように大きな単一成分半導体は知られておらず、そのため、この差を達成するため、および第１のキャリアタイプ（電子または正孔）に対してだけ開始される利得を達成するためには、合金を含む工学的に設計された材料が必要となる。
【００４３】
図３では、α／βまたはβ／αが非常に小さくない限り、Ｆが大きくなるにつれて、Ｍも大きくなる。現在の設計は、α／βまたはβ／αをどのようにして非常に小さくし、したがって、大きなＭに対してどのようにしてＦを小さくするかにある。
【００４４】
α≠０とβ≠０を同時に有することの別の結末はアバランシェ降伏である。降伏は、有限の電圧および有限サイズの増倍領域に対して、電子または正孔の数が任意に大きくなったときに起こる。α＝０またはβ＝０に関して以前に論じたとおり、電子および正孔の数は、ｚとともに指数関数的に増加する。有限の電圧（このことはαおよびβが有限であり続けることを含意する）および有限のサイズ（このことはｚが有限であり続けることを含意する）に対して、この数は、急速に増えはするが、有限であり続ける。
【００４５】
しかしながら、α≠０かつβ≠０であるとき、状況は変化する。ｚ＝０で増倍領域に単一電子が注入され、ｚ＝ｚ１で衝突電離を開始すると仮定する。この衝突電離で生成された正孔は−ｚ方向にドリフトし、ｚ＝０の増倍領域の端部に到達する前に衝突電離しうる。これが起こると、正孔は、０とｚ１の間のｚで電子を生み出す。まさにこの状況が、後に繰り返される初期状況である。降伏のしきい値において、このようなループは自続性（ｓｅｌｆ−ｓｕｓｔａｉｎｉｎｇ）となり、その結果、注入された単一電子は、無限の数の後続の電子を生み出す。それぞれのキャリアによって初期化された最初の衝突電離だけを考えるこの単純化された状況では、時間とともに、キャリアの蓄積が指数関数的に起こる。全ての衝突電離を考えるより現実的な状況は、時間の経過に伴うはるかに速い増加を与えることになる。
【００４６】
論じたとおり、線形モードアバランシェフォトダイオードは、１０００倍（１０３）増幅以上の利得を生み出し、一方、増幅による利得に起因して非極低温以上の温度で存在する（β／α≦０．１）熱雑音の３倍未満の過剰雑音を生み出すように構成されていることによって、光子を感知し、電流を出力する。（図３の右下の部分の陰影が付けられた動作エリアを参照されたい。）一実施形態では、使用可能な最小の利得が、２００倍増幅以上であり、一方、存在する熱雑音の３倍未満の過剰雑音を発生させるものであることがある。
【００４７】
一実施形態では、ｉ）伝導帯のみ、またはｉｉ）価電子帯のみで増幅が起こるような態様の整合超格子構造体を含む線形モードアバランシェフォトダイオードが、１０，０００倍（１０４）増幅以上の利得を生み出し、一方、増幅による利得に起因して室温以上の温度で存在する熱雑音の３倍未満の過剰雑音を発生させるように構成されている。（β／α≦０．１）１０，０００倍増幅の利得を有する整合超格子構造体を含む線形モードアバランシェフォトダイオードは、設定された期間の経過後まで線形モードアバランシェフォトダイオードが別の光子を検出することができない不感時間を単一光子の検出後に生じる不利益なしで、単一光子を検出することができる。（したがって、検出事象後にピクセル「不感時間」が生じない（＝「リアルタイム」データ取得」）。不感時間がある場合、ＡＰＤによって捕捉される波形は、それぞれの光子の検出後に、後続の光子を検出することができない時間的間隔を有する。
【００４８】
図２ａおよび図２ｂは、バイアスがかけられたバルク半導体内とバイアスがかけられた超格子内の正孔輸送の比較を示す。図２ａのグラフ２００を参照すると、バルク半導体内では、電場が正孔を、広がった状態（ｅｘｔｅｎｄｅｄ  ｓｔａｔｅ）で左方へ加速する。正孔が加速されると、正孔の運動エネルギーは増大し、ついには、衝突電離するのに十分なエネルギーを有する。図２ｂのグラフ２５０を参照すると、バイアスがかけられた超格子内で許される状態は、大部分は１つのウェル内にあるが、左方へ数ウェル分延びるワニエ−シュタルク状態である。ウェルＡの基底状態は、ウェルＢの最初の励起状態でもある。この広がった状態の正孔は、フォノンまたは光子を放出することによって緩和してウェルＢの基底状態に移ることができる。このようにして、正孔は、左方へ輸送されることができ、その一方で、局所基底状態に留まり、衝突電離するのに十分なエネルギーを持つことはない。
【００４９】
図１、図２ｂ、図５、図６ｂおよび図７に示されているように、超格子、例えば整合した２種類の合金からなる超格子は、一方のバンドにウェルおよびバリアを有するが、もう一方のバンドには持たず、そのため、これらの２つのバンド内でのキャリア輸送は非常に異なる。オフセットを有するバンド内の輸送は、１つのウェルに局在する状態から隣り合うウェルに局在する状態へのホッピング（フォノン支援トンネリングとしても知られている）による。印加電場によってキャリアに付与されたエネルギーは、フォノンまたは中波もしくは長波赤外光子を経て放散し、そのため、キャリアは、衝突電離するのに十分な運動エネルギーを蓄積しない。したがって、超格子はβ＝０を有する。
【００５０】
オフセットのないバンド内のキャリアは、ホッピングに必要な局在状態を持たない。そのため、バイアス下にある通常の半導体の場合と同様に、キャリアは、電場の中をドリフトしたときにキャリアが運動エネルギーを蓄積する広がった状態にあり、キャリアは、その運動エネルギーがバンドギャップエネルギーよりも大きくなったときに衝突電離する（図１、図４および図５参照）。整合線形モードＡＰＤ構造体は、衝突電離する電子の能力と衝突電離する正孔の能力の間の大きな非対称を有し、高い利得（＞１０４）および室温における低い過剰雑音（Ｆ＜２）を有するＡＰＤ１００、５００を与えることができる。
【００５１】
上記の議論から、過剰雑音のない指数関数的利得は、α＝０またはβ＝０のときに生じうる。これを達成するため、バンドギャップエネルギーよりも大きな運動エネルギーを有するキャリアだけが衝突電離を開始することができることに留意されたい。整合超格子構造体は、電子または正孔のどちらかが、衝突電離するための運動エネルギーを反対極性のキャリアが蓄積しうる十分に大きな電場下で十分な運動エネルギーを蓄積することを妨げる。したがって、衝突電離による利得は、電子または正孔のどちらかが、衝突電離するために必要な運動エネルギーを反対極性のキャリアが蓄積しうる十分に大きな電場下で十分な運動エネルギーを蓄積することが、超格子構造体によって妨げられる整合超格子の使用を通して、バンドギャップエネルギーよりも大きな運動エネルギーを有するキャリアだけが開始することができる。
【００５２】
整合線形モードＡＰＤ１００、５００は、第１のキャリアに関しては衝突電離を抑制し、一方、もう一方のキャリアに関しては衝突電離を維持することによって、過剰雑音を排除する。大きなα／βまたは小さなα／βを有する線形モードＡＰＤを製作する試みは、第１のキャリアに関しては衝突電離を強化し、一方、もう一方のキャリアに関しては衝突電離を維持することに基づく。第１のキャリアの衝突電離係数（ｉｍｐａｃｔ  ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ｒａｔｅ）の所与の小さな変化に関して、抑制のためにそれを使用すると、α／βはより大きく変化する。例えば、キャリアの衝突電離係数を５０％高くするとα／βが３／２倍になり、それに対して、衝突電離係数を５０％低くするとβ／αが２倍になる。
【００５３】
図２ａおよび図２ｂにおける正孔の議論と同様に、図６ａは、電場によって加速され、運動エネルギーを蓄積する、電場が印加されたバルク半導体内の電子のグラフ６００の実施形態を示す。図６ｂは、局在ワニエ−シュタルク状態を制御することによって衝突電離を抑制する整合超格子のグラフ６５０の実施形態を示す。超格子は、２種類以上の材料の層の周期的構造体であることができる。通常、材料層の厚さはナノメートルで示されうる。適切なバンドオフセットおよび層厚により、電気バイアス下の超格子は、単一のウェルに大部分が局在するワニエ−シュタルク状態を形成する。これらの状態のエネルギーレベルは、破線およびそれらの波動関数によって示されており、波動関数は、陰影によって塗りつぶされた曲線によって示されている。バリアエネルギーよりも高いエネルギーのところには、場の中で電子が加速することができる広がった状態の連続体（ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）が存在する。電子がこの連続体を占めることを防ぐことが肝要である。超格子の設計が適正であれば、ワニエ−シュタルク状態と連続体は、エネルギーの大きなｋＴによって分離されている。したがって、ワニエ−シュタルク状態にある電子が熱励起されて、それらの電子が電場によって加速されうるこの連続体に入る可能性は低い。
【００５４】
ウェル０内のワニエ−シュタルク状態にある電子に関しては、ウェル１内の状態が低エネルギーであり、したがってより好都合であることに留意されたい。この電子は、フォノンまたは光子を放出してエネルギーを保存することにより、ウェル０からウェル１へ遷移することができる。この過程はホッピングとして知られている。ホッピングの確率は、ウェル０の波動関数とウェル１の波動関数の重なりに比例する。より薄いウェルおよびバリア、ならびにバリアの伝導帯レベルとウェルの伝導帯レベルの間のより小さな差は、より大きな重なりにつながるが、これらは、局在状態を、排除しようとしている広がった状態に戻しうる。ウェル０の状態からウェル１の状態への電子ホッピングは、２つの有用な機能を達成する。ウェル０の状態からウェル１の状態への電子ホッピングは、電子を、ｚ方向に１超格子周期「ａ」だけ移動させ、電子からエネルギーｑＥａを除去する。ここでｑは電子電荷、Ｅは印加電場である。このエネルギーはまさに、バルク半導体内の距離「ａ」にわたって電場が電荷ｑに付与する運動エネルギーである。超格子内の電子は、その運動エネルギーを変化させることなく、場の中で距離ａだけ移動したことになる。ウェル１に入った後、電子は、衝突電離するのに必要な運動エネルギーを獲得することなく、ウェル２へ、次いでウェル３へ、...とホップすることができる。
【００５５】
ウェル層およびバリア層の厚さは、以下の設計目標によって決定される：所望のキャリア増倍を与えるのに必要な印加電場においてワニエ−シュタルク状態が形成され、そのワニエ−シュタルク状態のエネルギーレベルは、ウェル内において、キャリアが熱励起されず、連続体に入らない十分に低いものであり、隣り合うウェル内の状態は大きな重なりを有し、そのため、ホッピングが高速となりうる。
【００５６】
上記の議論は、伝導帯の超格子によって電子開始衝突電離を抑制する。したがって、同様に、価電子帯の超格子によって正孔開始衝突電離を抑制することもできる（図２ｂおよび１を参照されたい）。しかしながら、超格子によって一方のバンドの衝突電離を抑制することは、ＡＰＤにおける過剰雑音を排除する解決策の半分であることに留意されたい。ウェル用に１つ、バリア用に１つの２つの半導体を特段の検討なしに選択すると、価電子帯と伝導帯の両方に超格子が生じる可能性が非常に高い。衝突電離は、設計によって一方のバンドで抑制されるが、もう一方のバンドの衝突電離が抑制されること、または少なくとも低減されることもある。そのため、衝突電離を抑制するバンドにバンドオフセットが完全に含まれる一対の半導体を選択することが有利であろう。
【００５７】
もう一方のバンドはオフセットを持たず、概ねバルク半導体のように振る舞うことになる。しかしながら、２つの大きな違いがある。第１に、２種類の材料の衝突電離係数がおそらく異なる。その有効衝突電離係数は、個々のバルク半導体の係数と係数の間の値をとることになる。第２に、キャリアの実効質量（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｍａｓｓ）がおそらく異なる。実効質量超格子は、逆格子空間（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ  ｓｐａｃｅ）のΓ点の近くのキャリアに対するウェルおよびバリアを持たないことになる。
【００５８】
半導体対のバンドオフセットが抑制されたバンドに完全に含まれる超格子内の抑制されていない方のバンドは、これらの２つの層に関して異なる実効質量を依然として有する。したがって、それは、（逆格子空間内のガンマ点の近くの）運動エネルギーをほとんど持たないキャリアに対するウェルはないが、キャリアが運動エネルギーを獲得するにつれて徐々にウェルが形成される実効質量超格子を形成する。超格子を形成する材料の詳細に応じて、伝導帯ウェルは、価電子帯ウェルと同じ層にあることがあり（Ｉ型アライメント）、またはそれとは反対の層にあることもある（ＩＩ型アライメント）。ＡＰＤに関する最悪のケースでは、実効質量超格子の出現が、抑制されていない方のバンドのキャリアを抑制し始めうる。ある中間運動エネルギーを有するキャリアに対する実効質量超格子が消失するようにバンドオフセットを選択することによって、この効果を改善することができる。
【００５９】
次に、繰返しになるが、図１は、超格子増倍領域に置かれたこれらの２つのバンドのグラフを示す。超格子は、Ｅｖ価電子帯に完全に含まれる（したがって電子は増倍するが、正孔は増倍しない）ように設定されている。したがって、Ｅｃ伝導帯は本質的に、下方へ傾斜した直線である。図１は、逆バイアス下の提案のＡＰＤ１００のエピタキシャル構造およびエネルギーバンド図を示す。ｐ−−ＩｎＧａＡｓ吸収層で光子（赤い波形矢印）が吸収され、吸収層は、電子（黒丸）−正孔（白丸）対を生成する。正孔はｐ−ＩｎＰキャップ層に拡散し、電子は増倍に拡散する。電子は、電場によって加速され、ついには、十分な運動エネルギーを蓄積して２次電子−正孔対を衝突電離する。次いで、それぞれの電子は加速し、ついには、別の電子−正孔対を生成する。衝突電離によって生成された正孔は、価電子帯超格子を通してホップするときに運動エネルギーを失うため、衝突電離することができない。したがって、α＿とβ＿の非常に大きな非対称が生み出される。
【００６０】
片側バンドアライメントは普通ではないように見えることがあるため、ＩＩＩ−Ｖ（ＩＩＩおよびＶはそれぞれ周期表のＩＩＩＢ列およびＶＢ列を指す）半導体基板ＩｎＰまたはＧａＳｂのどちらかと格子整合したいくつかの対が存在する。有望な対は、ＩｎＰおよびＩｎ０．５３Ａｌ０．３０Ｇａ０．１７Ａｓであり、これらの合金の成長はともにルーチン的に実施されている。この合金は、ＩＩＩ族成分に関してはＩｎ５３％、Ａｌ３０％、Ｇａ１７％からなり、Ｖ族成分に関しては全体がＡｓからなる。図１は、正孔の同時増倍なしで衝突電離によって電子を増倍するためのＩｎＰ−ＩｎＡｌＧａＡｓ増倍層の周囲に構築されたＡＰＤ１００を示す。ＩｎＧａＡｓ吸収層において高い量子効率で光生成された電子が増倍層に注入される。これらの電子は、増倍領域を横断するときに衝突電離する。２次電子も衝突電離しうるが、２次正孔は衝突電離することができない。これは、２次正孔が、１つの量子ウェルから次のウェルにホップするときに運動エネルギーを失うためである。正孔の同時増倍のない衝突電離による電子増倍の結果、最初のそれぞれの光電子は、小さな過剰雑音で指数関数的に増加する。
【００６１】
価電子帯または伝導帯のどちらかにバンドオフセットが完全に含まれる整合した半導体対を見つける困難な系統的探索が実施された。現状技術の性能を有するデバイス内の全ての半導体層が、基板のタイプおよび寸法と同じタイプおよび同じ寸法を有する結晶構造を有する必要があることが、この半導体デバイスに対する制約となりうる。この制約は、格子整合として知られている。格子整合していないと、層間の界面に由来する結晶欠陥が性能を低下させる。そのため、適切な対の探索は、関心のそれぞれの基板に関して別々に実行する必要があった。近赤外および短波赤外（波長約０．８〜３μｍ）の線形モードＡＰＤに関して、最も興味深い基板はＩｎＰおよびＧａＳｂである。
【００６２】
これらの２つの基板ＩｎＰおよびＧａＳｂに関して、本発明の発明者は、現在のエピタキシャル成長技術によって成長させることができるであろう全ての格子整合合金について、伝導帯エネルギーおよび価電子帯エネルギーを推定した。等しい伝導帯エネルギーまたは等しい価電子帯エネルギーのどちらかを有する対に関して、本発明の発明者は、５種類以上の元素からなる合金を含む対、間接バンドギャップを有する合金を含む対、および相分離することが知られている合金を含む対を除外する傾向を持つ。５種類以上の元素からなる合金を含む対を除外するのは、化学量論組成を制御することが難しいと考えられるためである。
【００６３】
この探索は、ｘ１の範囲にわたって合金の組成を特徴づけるパラメータｘ１に依存する合金Ａ１（ｘ１）が、第２の合金Ａ２（ｘ２）とｘ２の範囲にわたって同じ伝導帯エネルギーまたは価電子帯エネルギーを有するケースを与えた。この等しい伝導帯または価電子帯の条件は、ｘ２の範囲と同期したｘ１の範囲にわたって満たされることを本発明の発明者は見出した。このような範囲内では、その範囲の終点が最も興味深い。そこでは、等しくない方のバンドのバンドオフセットが最大化されるためである。
【００６４】
特定の合金対を以下に示す。１つの範囲にわたって伝導帯エネルギーまたは価電子帯エネルギーが同じとなりうるケースでは、その範囲に関して等しくない方のバンドに対して最も大きなバンドオフセットを有する対を示す。
【００６５】
本発明の発明者は、適切な特性を有するという点と対のエピタキシャル成長を実行するのに実際的であるという点の両方で、線形モードＡＰＤ設計に対して有用な半導体対を見つけた。
【００６６】
ＩｎＰ基板
超格子構造体は、超格子増倍領域に半導体の格子整合対を有し、格子整合対は、ＩｎＰ基板に対しても整合されており、格子整合対は、
【００６７】
超格子が価電子帯に設定されており、正孔が第１のキャリアである、ＩｎＰの第１の半導体合金およびＩｎ０．５３Ａｌ０．３０Ｇａ０．１７Ａｓの第２の半導体合金を含む、超格子構造体内の２種類の半導体、
【００６８】
超格子が価電子帯に設定されており、正孔が第１のキャリアである、ＩｎＰの第１の半導体合金およびＩｎ０．１９Ｇａ０．８１Ａｓ０．６９Ｓｂ０．３１の第２の半導体合金を含む、超格子構造体内の２種類の半導体、
【００６９】
超格子が価電子帯に設定されており、正孔が第１のキャリアである、ＩｎＰの第１の半導体合金およびＧａＡｓ０．１２Ｓｂ０．６１Ｐ０．２７の第２の半導体合金を含む、超格子構造体内の２種類の半導体、
【００７０】
超格子が価電子帯に設定されており、正孔が第１のキャリアである、Ｉｎ０．８１Ｇａ０．１９Ａｓ０．４２Ｐ０．５８の第１の半導体合金およびＩｎ０．３７Ｇａ０．６３Ａｓ０．８５Ｓｂ０．１５の第２の半導体合金を含む、超格子構造体内の２種類の半導体、
【００７１】
超格子が価電子帯に設定されており、正孔が第１のキャリアである、Ｉｎ０．９４Ｇａ０．０７Ａｓ０．１２Ｐ０．８８の第１の半導体合金およびＧａＳｂ０．６５Ｐ０．３５の第２の半導体合金を含む、超格子構造体内の２種類の半導体、または
【００７２】
超格子が伝導帯に設定されており、電子が第１のキャリアである、Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓの第１の半導体合金およびＩｎ０．７９Ｇａ０．２１Ａｓ０．４６Ｐ０．５４の第２の半導体合金を含む、超格子構造体内の２種類の半導体
からなるグループから選択される。
【００７３】
ＧａＳｂ基板
超格子構造体は、超格子増倍領域に半導体の格子整合対を有し、格子整合対は、ＧａＳｂ基板に対しても整合されており、格子整合対は、
【００７４】
超格子が価電子帯に設定されており、正孔が第１のキャリアである、ＧａＳｂの第１の半導体合金およびＩｎ０．５７Ａｌ０．４３Ａｓ０．５５Ｓｂ０．４５の第２の半導体合金を含む、超格子構造体内の２種類の半導体、
【００７５】
超格子が伝導帯に設定されており、電子が第１のキャリアである、Ａｌ０．１４Ｇａ０．８６Ａｓ０．０１Ｓｂ０．９９の第１の半導体合金およびＩｎ０．０９Ｇａ０．９１Ａｓ０．０８Ｓｂ０．９２の第２の半導体合金を含む、超格子構造体内の２種類の半導体、
【００７６】
超格子が伝導帯に設定されており、電子が第１のキャリアである、Ａｌ０．４４Ｇａ０．５６Ａｓ０．０４Ｓｂ０．９６の第１の半導体合金およびＩｎ０．２８Ｇａ０．７２Ａｓ０．２６Ｓｂ０．７４の第２の半導体合金を含む、超格子構造体内の２種類の半導体、または
【００７７】
超格子が伝導帯に設定されており、電子が第１のキャリアである、Ｉｎ０．４０Ａｌ０．６０Ａｓ０．４２Ｓｂ０．５８の第１の半導体合金およびＩｎ０．７９Ｇａ０．２１Ａｓ０．７２Ｓｂ０．２８の第２の半導体合金を含む、超格子構造体内の２種類の半導体
からなるグループから選択される。
【００７８】
これらの合金の特性は、さまざまな不確実性を用いて多くの研究機関によってなされた測定に基づくため、これらの組成はおおよそである。
【００７９】
界面における２種類の合金の意図しない混合のために、これらの合金が成長することが難しいことがあることを認識して、本発明の発明者は、デバイスの物理的原理に不利な影響を与えることなく構造体に対する制約を緩和することになる方法を考える。
【００８０】
本発明の発明者が使用する原則は、一方のバンドのオフセットを完全に排除する必要はないということである。オフセットは、設計層厚に関して、そのバンドの連続体から離れたｋＢＴよりも低い閉じ込められた状態が存在しない十分に小さいものであればよい。ｋＢは、ボルツマン定数、Ｔは、意図された動作温度である。価電子帯の場合、重い正孔の閉じ込められた状態を排除すれば軽い正孔の閉じ込められた状態も自動的に排除されるため、重い正孔の状態だけを考えれば十分である。
【００８１】
１．ウェルとバリアの間にスペーサ層を含むこと
明確にするため、本発明の発明者は、一例として、Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８ＡｓバリアおよびＩｎ０．７９Ｇａ０．２１Ａｓ０．４６Ｐ０．５４ウェルからなる例示的な合金層を検討した。粗い表面形態および低いホトルミネセンスは、ＩｎＧａＡｓＰ−ＩｎＡｌＡｓ超格子の界面におけるＡｌＰの意図しない形成の結果であることがある。ウェル層とバリア層の間に挿入された、ウェル層の５４％よりも少ないＰを含むＩｎＧａＡｓ（Ｐ）の格子整合スペーサ層は、Ａｌ含有層を、ウェルよりもＰ含量が低いＰ含有層と隣り合わせにすることにより、ＡｌＰ形成を低減させることになる。スペーサの価電子帯オフセットが十分に小さく、スペーサが十分に薄い場合、このスペーサは、価電子帯に対する効果をほとんど持たない。任意の閉じ込められた正孔。ＩｎＰと格子整合したＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓスペーサが、ＡｌＰ形成を防ぐための最良のスペーサであることは明白であるが、価電子帯ウェルの形成に関しては最悪である。
【００８２】
成長は、超格子に対する方向を規定するため、ＩｎＡｌＡｓバリア層の成長の直後にスペーサを置くことと、ＩｎＧａＡｓＰウェル層の直後にスペーサを置くこととは等価ではない。３．５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰウェルと１．５ｎｍのＩｎＡｌＡｓバリアのベースライン超格子から出発して、本発明の発明者は、変更された以下の３つの超格子周期をモデル化した（最後に記載された層を最初に成長させる）（ａ）ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）−ＩｎＧａＡｓＰ−ＩｎＡｌＡｓ、（ｂ）ＩｎＧａＡｓＰ−ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）−ＩｎＡｌＡｓ、および（ｃ）ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）−ＩｎＧａＡｓＰ−ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）−ＩｎＡｌＡｓ。ＩｎＡｌＡｓバリア層の厚さは、最初の１．５ｎｍのまま一定とし、残りの層の厚さの和は、ウェルの最初の厚さ３．５ｎｍとなるようにした。ケース（ａ）および（ｂ）についてはスペーサの厚さが１．５ｎｍであり、ケース（ｃ）については、それぞれのスペーサの厚さが０．５ｎｍである。ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）スペーサ層は、Ｐ含量０％、１３％、２７％または４０％についてモデル化し、層の残りの成分は、ＩｎＰとの格子整合を維持するように調整した。このモデル化は、正孔の量子閉じ込めを防ぐためには、スペーサ層が、ケース（ａ）に関しては少なくとも１３％、ケース（ｂ）に関しては少なくとも２７％、ケース（ｃ）に関しては少なくとも４０％のＰを含む必要があることを示した。４０％を超えるＰを含むスペーサ層がＡｌＰの形成を防ぐ効果、および０．５ｎｍの層を成長させることができるかどうかは疑わしく、そのため、ケース（ａ）および（ｂ）が、界面における混合を低減させるための有望な候補となることになる。この例に関しては、界面の半分がスペーサを有するだけであるため、混合がＩｎＧａＡｓＰ上のＩｎＡｌＡｓの界面またはＩｎＡｌＡｓ上のＩｎＧａＡｓＰの界面とで主に起こる場合に、それは最もよく機能することになる。
【００８３】
２．全てがヒ化物の超格子構造体
１つの層から次の層へ移る際に変更しなければならない原子分率が多いほど、超格子の成長は難しい。ウェルとバリアの両方が純粋なリン化物、純粋なヒ化物または純粋なアンチモン化物である超格子は、上に挙げた１０個のどの超格子よりも容易に成長することになる。
【００８４】
その例として、本発明の発明者は、ウェルが、一方のバンドには局在量子状態を持つが、もう一方のバンドには持たない緩和された特性を有する、全てがヒ化物の格子整合超格子を成長させる可能性を検討する。ＩｎＧａＡｌＡｓウェルとＩｎＡｌＡｓバリアは有望とは思われなかった。これは、成長させるのに実際的な層厚に対して電子と重い正孔の両方が閉じ込められたためである。しかし、結合されたウェルを周期ごとに有する超格子は、電子と重い正孔の閉じ込めを分離するための手段であるように見えた。電場は、電子を、例えば右の結合されたウェルにプッシュし、一方、重い正孔を、左の結合されたウェルにプッシュする。結合されたウェルにより、右ウェルパラメータは、電子に対してより大きな効果を有し、左ウェルパラメータは、重い正孔に対してより大きな効果を有することになる。１．５ｎｍ  Ｑ−１．５ｎｍ  ＩｎＡｌＡｓ−３．０ｎｍ  Ｑ−１．５ｎｍ  ＩｎＡｌＡｓからなる周期を有する超格子は、閉じ込められた電子状態を有し、良好なウェル−ウェル波動関数重なりを有し、重い正孔の閉じ込められた状態を持たない。ここで、Ｑ＝Ｉｎ０．５３Ｇａ０．２３Ａｌ０．２４ＡｓおよびＩｎＡｌＡｓ＝Ｉｎ０．５２Ａｌ０．４８Ａｓである。
【００８５】
電子または正孔が抑制される超格子は、上に挙げた対の中から選択された合金「Ａ」と合金「Ｂ」の交互層からなる。全ての「Ａ」層は同じ厚さを有し、全ての「Ｂ」層も同じ厚さを有し、「Ｂ」層の厚さは、「Ａ」層の厚さと同じであっても、またはそうでなくてもよい。
【００８６】
図１の代替設計として、図５、図６ｂおよび図７は、電子増倍は抑制されるが、正孔増倍は抑制されない整合超格子設計を有する線形モードＡＰＤ５００を示す。電子は、増倍を開始するのに十分な運動エネルギーを蓄積することができない。正孔だけが利得を開始することができ、潜在的な指数関数的増倍を引き起こすことができる。ＡＰＤの過剰雑音は、電子と正孔の同時増倍に起因する。しかしながら、電子と正孔のどちらかの増倍を抑制することは、雑音を最小化し、その一方で利得を提供する。この整合超格子は、３０〜５０℃の室温などの非極低温において、およびこの範囲より高い温度でさえも、キャリアの増倍を達成する。この超格子は、衝突電離をウェル半導体またはバリア半導体の厚い層だけで持続させることになる電場を有するように超格子にバイアスがかけられたときに、そのそれぞれのウェルに少なくとも１つの量子状態を有するように設計されている。価電子帯超格子の場合、少なくとも、軽い正孔に対する１つの量子状態および重い正孔に対する１つの量子状態が存在するはずである。
【００８７】
次に、第１のキャリアの衝突電離だけを抑制するため、この設計は、それらのバンドオフセットの大部分が、被抑制キャリアに対応するバンド内にある半導体の対を選択することができる。超格子対のバンドオフセットが、完全に被抑制キャリアに対応するバンド内にある必要はない。オフセットが、超格子のウェルおよびバリアの厚さにおいて量子状態をサポートするのには十分ではない限りにおいて、反対のバンドには、十分なオフセットが存在することができる。このことは、超格子組成に許容範囲を与える。
【００８８】
図５をグラフとして見ると、超格子が、ＥＣ伝導帯に完全に含まれる（したがって正孔は増倍するが、電子は増倍しない）ように設定されているとき、Ｅｖ価電子帯は本質的に、下方へ傾斜した直線となる。しかしながら、一方のバンド内、例えば伝導帯内に材料の大部分を置くように、しかしながら潜在的にそのバンド内に材料が完全に置かれることがないように、材料の係数を整合させることができる。視覚的に、それは、もう一方のバンド、すなわち価電子帯が、実線の直線とはならず、ウェルを形成するには深さが十分ではない小さなごくわずかなパルスを時に有する大体まっすぐな線となることを意味することになる。したがって、超格子対のバンドオフセットが、被抑制キャリアに対応するバンドに大部分が含まれるように設定されているときに、もう一方のキャリアのバンドは、超格子のｉ）ウェル層、ｉｉ）バリア層、またはｉｉｉ）ウェル層もしくはバリア層のどちらかの厚さにおいて量子状態をサポートするのには十分ではない限りにおいて、十分なオフセットを有することができる。
【００８９】
整合超格子構造体を含む室温線形モードＡＰＤの追加の利点
提案のＡＰＤは、その出力が市販の電子増幅器に結合されたときに光電流波形を単一光子感度で捕捉することを可能にする十分な利得を有する低雑音の光電流増幅器として動作することができる。このデバイスは、波長の大きなバンドにわたって単一光子を高い量子効率で検出することにより、室温において究極の検出器感度を達成することになる。
【００９０】
提案のデバイスは、単一光子を検出するのにガイガーモード動作を必要としない。このことの結果を示すため、ＳＲＩの線形モードＡＰＤのアレイは、レーザの単一ショットから完全な３次元点群（ｐｏｉｎｔ  ｃｌｏｕｄ）ＬＩＤＡＲ像を得ることができる（図８および図９を参照されたい）。対照的に、ガイガーモードＡＰＤのアレイは、Ｎ個のそれぞれのレンジビン（ｒａｎｇｅ  ｂｉｎ）に対してレーザショットを必要とし、このことが、取得時間およびレーザエネルギーをＮ倍に増大させる。
【００９１】
電子開始または正孔開始衝突電離を抑制するためのさまざまな実施態様
する必要がある選択は、電子開始衝突電離を抑制したいのかまたは正孔開始衝突電離を抑制したいのかの選択である。例えば、伝導帯のみの超格子および／または価電子帯のみの超格子。この選択に影響を与える主な因子は、衝突電離が、ワニエ−シュタルク状態ではなく連続体状態の被抑制キャリアを発生させる可能性である。この可能性を推定するため、本発明の発明者は、バルクＩｎＰ内の衝突電離の運動学（ｋｉｎｅｍｅｔｉｃｓ）を検討した。電子開始衝突電離に関して実効質量近似下で、以下の反応に対するエネルギー保存方程式および２次元運動量保存方程式を解いた。
ｅ→ｅ＋ｅ＋Ｈ  （Ｉ）
ｅ→ｅ＋ｅ＋ｈ  （ＩＩ）
【００９２】
上式で、ｅは電子、Ｈは重い正孔、ｈは軽い正孔であり、初期電子は運動エネルギーＥを有する。反応が許されるＥのしきい値を計算した。重い正孔を生成する反応Ｉは、１．５０ｅＶのしきいエネルギーを有し、軽い正孔を生成する反応ＩＩは、１．９９ｅＶのしきいエネルギーを有する。しきいエネルギーの最小値はＩｎＰのバンドギャップエネルギー（１．３４ｅＶ）であり、しきいエネルギーは、最終的なそれぞれの粒子に最終的な運動量を与えるのに必要な量だけ高くなっており、そのため、エネルギーおよび運動量は保存される。初期電子エネルギーが増大して１．５０ｅＶのしきい値よりも大きくなると、最終状態の密度が高まるにつれて、電子が衝突電離することができる率が高まる。電子エネルギーが反応ＩＩのしきい値に達する可能性は低い。運動学によれば、反応Ｉでは、しきいエネルギーの近くで衝突電離が起こったときに、重い正孔が、価電子帯端よりも０．１０ｅＶ低いエネルギーを有する。これは、重い正孔を、電子開始衝突電離に使用するＩｎＰ−ＩｎＧａＡｌＡｓ対のウェル（深さ０．２３ｅＶ）に入れる。
【００９３】
正孔開始衝突電離に関しては以下の反応を考える。
ｈ→ｈ＋ｅ＋Ｈ  （ＩＩＩ）
ｈ→ｈ＋ｅ＋ｈ  （ＩＶ）
Ｈ→Ｈ＋ｅ＋Ｈ  （Ｖ）
Ｈ→Ｈ＋ｅ＋ｈ  （ＶＩ）
【００９４】
しきい値は、反応ＩＩＩに関しては１．５２ｅＶ、反応ＩＶに関しては２．０６ｅＶである。本発明の発明者は、軽い正孔が重い正孔を生成すると予想する。しきい値の近くで衝突電離が起こったとき、電子は、伝導帯端よりも０．０３ｅＶ高いエネルギーを有することになる。重い正孔開始衝突電離では、しきい値が、反応Ｖに関して２．６３ｅＶ、反応ＶＩに関して６．０７ｅＶである。しきい値の近くで衝突電離が起こったとき、電子は、伝導帯端よりも０．０４ｅＶ高いエネルギーを有することになる。両方のケースで、電子は、正孔開始衝突電離に使用するＩｎＡｌＡｓ−ＩｎＧａＡｓＰ対のウェル（深さ０．４０ｅＶ）の底に近づくことになる。
【００９５】
正孔開始衝突電離構造体は、超格子の連続体状態への不必要なキャリア注入を防ぐ目的にははるかに優れているが、電子開始構造体が適当である可能性もある。
【００９６】
この解析は、これらの２つの構造体を比較する際に考慮する必要がある別の因子があることを指摘している。正孔が衝突電離を開始しているときは、重い正孔を生成するためのしきい値の方が低い。ＡＰＤの価電子帯は重い正孔で満たされることになる。重い正孔開始衝突電離の２．６３ｅＶのしきい値を電子開始衝突電離の１．５０ｅＶと比較すると、正孔開始構造体に対するβは、電子開始構造体に対するαよりも約１．８倍低い。そのため、同じ電場で動作している両方の構造体を用いて同じ利得を得るためには、正孔開始構造体は、１．８倍厚い増倍領域および１．８倍高い電圧を必要とすることになる。
【００９７】
この設計は、電子アバランシェ利得を抑制する伝導帯超格子の方が、正孔アバランシェ利得を抑制する価電子帯超格子よりも優れていると評価する。
【００９８】
正孔開始構造体の別の利点は、正孔が、光吸収層から超格子増倍領域に注入されることである。正孔は、下方から注入される。このことは、低い暗電流を得るためならびにｐ−ｉ−ｎフォトダイオードおよびＡＰＤの表面降伏を排除するために一般的に使用されている選択ｐ−ドーピングのための亜鉛拡散によって、ＡＰＤを製作することを可能にする。
【００９９】
どちらかの構造体が明らかに優れているということはない。この選択はおそらく、意図された用途の詳細に依存することになる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
用途
さまざまなシステムが、整合超格子構造体を含む複数の線形モードアバランシェフォトダイオードのアレイを使用することができる。それぞれの線形モードアバランシェフォトダイオードは、１０００倍増幅以上の利得を生み出し、一方、増幅による利得に起因して非極低温以上の温度で存在する熱雑音の３倍未満の過剰雑音指数を生み出すように構成されていることによって、光を感知し、電流を出力するように構成されている。この線形モードアバランシェフォトダイオードは、線形モードアバランシェフォトダイオードの第１のキャリアに関しては衝突電離を抑制し、一方、第２のキャリアに関しては、１）衝突電離を増大させること、２）衝突電離を実質的に維持すること、および３）衝突電離をより低い程度で抑制することのうちの少なくとも１つを達成するように整合された超格子構造体を使用することによって、光の中の１又は２以上の光子を検出する。その衝突電離が抑制される第１のキャリアは、ｉ）電子またはｉｉ）正孔のどちらかであり、第２のキャリアは電子または正孔である。複数の線形モードアバランシェフォトダイオードに電力を供給するために、電源が使用される。
【０１０１】
これらのシステムは、ｉ）ＬＩＤＡＲシステム、ｉｉ）暗視ゴーグルまたはヘッドセットシステム、ｉｉｉ）光通信システム、ｉｖ）分光システム、ｖ）量子鍵配送システム、ｖｉ）高降伏電圧トランジスタを使用したシステム、ｖｉｉ）低雑音マイクロ波発生システム、およびｖｉｉｉ）生物医学システムを含むことができる。
【０１０２】
整合超格子構造体を含む線形モードアバランシェフォトダイオードは、ｉ）伝導帯のみ、またはｉｉ）価電子帯のみで増幅が起こるような態様で、１０，０００倍増幅以上の利得を生み出し、一方、増幅による利得に起因して室温以上の温度で存在する熱雑音の１０パーセント未満の過剰雑音を発生させるように構成されている。１０，０００倍増幅の利得を有する整合超格子構造体を含む線形モードアバランシェフォトダイオードは、設定された期間の経過後まで線形モードアバランシェフォトダイオードが別の光子を検出することができない不感時間を単一光子の検出後に生じる不利益なしで、単一光子を検出することができるように構成されている。
【０１０３】
本明細書に記載された線形モードＡＰＤによって可能にされる例示的な機能は以下のものを含む。
【０１０４】
図８は、インサイチュメモリを備える整合超格子構造体を含む線形モードＡＰＤアレイおよび並列列読出しの図８００の実施形態を示す。アレイのそれぞれのピクセルは、異なるｘ−ｙ方向を見ており、ｚ方向を捕捉する。アレイは、それぞれの時間ビン（ｔｉｍｅ  ｂｉｎ）のインサイチュ記憶用に設計されており、光パルスと光パルスの間にそれぞれの時間ビンを逐次的に読み出す。それぞれの５０μｍ×５０μｍピクセルの１００個の時間ビンで、レーザパルスなどの光パルスを捕捉することができる。それぞれの時間ビンは、整合超格子構造体を含む線形モードＡＰＤを含む読出し回路を有する。図９は、整合超格子構造体を含む線形モードＡＰＤを有する例示的な読出し回路図の図９００の実施形態を示す。読出しは、１００フレーム／秒で実行することができる。５０μｍ×５０μｍピクセル構造体を有する読出し回路は、例えば１００個の時間ビンを記憶することができる。
【０１０５】
整合超格子構造体を含む線形モードＡＰＤアレイを使用するシステムは以下のものを含むことができる。
【０１０６】
単一ショット光検出および測距（ｌｉｇｈｔ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｒａｎｇｉｎｇ）（ＬＩＤＡＲ）  −  ＬＩＤＡＲでは、レーザからの短い光バーストによって風景（ｓｃｅｎｅ）を照らし、このパルスの反射を検出する。レーザ光の発射と反射の検出との間の時間が、反射体までの距離を与える。ＳＲＩ線形モードＡＰＤでは不感時間が生じないため、単一のＡＰＤを用いた反射光波形を連続取得することができる。適正な光学系を備える線形モードＡＰＤアレイのそれぞれのＡＰＤは、異なる方向から到着した光を検出することができる。線形モードＡＰＤアレイのそれぞれのＡＰＤは、光学系によって決まる固有の方向に位置する物体から反射された光の完全な波形を取得することができる。したがって、線形モードＡＰＤアレイは、光学系によって決まる視野の全体に入った、単一のレーザショットの全ての反射を収集することができる。収集されたデータは、風景の３次元像を表し、到着時刻はｚ方向を与え、それぞれのＡＰＤはｘおよびｙ方向を与える。
【０１０７】
ｚ方向に沿ったデータを表す波形を時間ビンに分解することができ、読出し回路の別々のキャパシタに電荷として記憶されたそれぞれの時間ビンにわたって、ＡＰＤの出力電流を積分することができる。本発明の発明者は、５０μｍ×５０μｍピクセルが、電流を積分するためおよびキャパシタの電荷を読み出すために必要な電子回路に加えて、１００個のストレージキャパシタを有することができると判定した。
【０１０８】
ガイガーモードＡＰＤの不感時間のため、全ての反射を取得する目的には２つの方法が使用される。第１の方法では、スーパーピクセル（ｓｕｐｅｒｐｉｘｅｌ）を形成するための並列接続されたガイガーモードＡＰＤのアレイを使用して、不感時間を改善することができる。スーパーピクセルの大きなサイズは、スーパーピクセルを直線アレイに配列することを制限する。そのため、直線アレイに対して直角方向の撮像は、風景全体を照らし、狭視野ＡＰＤアレイを回転させることによって、または広視野ＡＰＤアレイと同一直線上にある一筋（ｓｔｒｉｐｅ）の風景を照らし、その筋を移動させることによって、実行する。この方法では、完全な３次元像を取得するのに多数のレーザショットが必要となる。
【０１０９】
第２の方法は、独立したガイガーモードＡＰＤの２次元アレイを使用する。線形モードＡＰＤアレイの場合と同様に、それぞれのＡＰＤは、異なる方向からの反射光を収集する。レーザショット後、所定の遅延で、所定の時間の間、降伏よりも高いバイアスをかけることにより、全てのガイガーモードＡＰＤのゲートが開かれる。このアレイの出力は、ＡＰＤのゲートが開いている時間間隔中の光子到着のｘ−ｙ像を与える。その間隔中に１つの光子が到着したのかまたは多くの光子が到着したのかによらず、特定のＡＰＤからの出力は同じである。ゲート遅延を変更することにより、多数のレーザショットを使用して完全な３次元像を取得することができる。
【０１１０】
単一ショットで３次元像を取得することの利点は、（１）より高速な取得時間、および（２）風景内およびＬＩＤＡＲシステムと風景の間の両方の、動きに起因する歪みおよびぶれの欠如である。より高速な取得は３次元映像を可能にする。動きに対する不感受性はより鮮明な像を与え、ＬＩＤＡＲシステムに対する非常に安定したプラットホームの必要性を緩和する。
【０１１１】
オブスキュラントを通した撮像  −  原理は、単一ショットＬＩＤＡＲの原理と同じである。違いは、霧の中の水滴または煙の粒子などのオブスキュラント（ｏｂｓｃｕｒａｎｔ）による反射がランダムに起こることである。これは、これらの粒子がランダムに分布しており、また、ブラウン運動、沈降または対流を受けていることにより時間とともに急速に変化しているためである。関心の物体は、オブスキュラントよりもはるかに大きく、そのため、よりゆっくりと動き、速度を急速に変えることができない。そのため、同じ点から出た反射または直線上にある一連の点から出た反射だけを、連続するいくつかの３次元像にわたって保持し続けることによって、オブスキュラントからの反射の多くを除くことができる。
【０１１２】
低光レベル撮像  −  低光レベル撮像では、検出器からの光電流を、電子増幅器のノイズフロアよりも高くなるように十分に増大させることがしばしば望ましい。これを達成するために、線形モードＡＰＤを、単一光子を検出するには十分でないあまり大きくない利得で動作させることができる。これを達成するための代替の方法は、集光アパーチャを大きくし、積分時間を長くする方法である。アパーチャを大きくすると、光学構成部品が大きくなり、システムも、よりかさ高で高価なものとなる。積分時間を長くすると、三脚などの安定した機械的支持体上に撮像装置を置く必要が生じる。積分時間よりも速く変化している動的な風景に対して積分を使用することはできない。
【０１１３】
低光レベル撮像の重要なケースは暗視である。太陽光または照明装置がない場合の唯一の照明源は、月明かり、大気光および星明りである。大気光は、その日の早いうちに太陽光によっておよび宇宙線によって生み出されたイオンの再結合によって電離層で起こる、ほぼ近赤外および短波赤外域の可視領域での発光である。利得なしでの撮像で、使用可能な像を、一般的な手持ちカメラの集光光学系を使用して、標準的なビデオレートで得るためには、満月の光が必要である。１０４ないし１０６超の利得を有する暗視ゴーグルおよび像増強器（ｉｍａｇｅ  ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ）を使用して、月のない本曇りの夜に撮像することができる。照明源は、雲によって散乱、減衰した大気光および星明りである。過剰雑音のない線形モードＡＰＤによって提供される利得は、暗視ゴーグルおよび像増強器のそれと同等であり、そのため、このＡＰＤが、月のない本曇りの夜に撮像することが期待される。重大な違いは、ＡＰＤのサイズがはるかに小さいことである。別の重大な違いは、暗視ゴーグルの出力が、別個のカメラなしではアーカイビング用または画像処理用に読み出すことができない燐光スクリーン上の像であるのに対して、線形モードＡＰＤのアレイから製作された撮像装置の出力はディジタル化されることである。
【０１１４】
分光法ならびに化学および生物作用物質の検出  −  動作上、分光法は、低光レベル撮像と等価であり、この場合、風景が、回折格子などの分散素子の出力である。信号光子検出に十分な利得に対してあまり大きくない利得を与え、大きなダイナミックレンジを与えるように、線形モードＡＰＤのアレイの利得を調整することができる。さらに、単一ショットＬＩＤＡＲ用途と同様に、アレイ内の個々のＡＰＤが見ている波形を記憶することもできる。単一ショットＬＩＤＡＲに似て、この能力は、単一の事象によってトリガされた時間分解スペクトル全体の取得を可能にする。
【０１１５】
単一光子検出レベルで分光法を実行する能力を使用して、非常に低い濃度の分子を検出することができる。時間分解分光法は、分子の環境に関する情報を提供しうる分子の動態を監視する能力を追加する。特定の化学分子および生物分子の痕跡量を検出する能力は、これらの分子が違法薬物、化学戦もしくは生物戦作用剤または爆発物であることがありうる安全保障の分野、これらの分子が製造工程の不純物または不必要な副産物であることがありうる品質管理の分野、およびこれらの分子が開発中の新たな薬物であることがありうる生物医学研究の分野で有益である。
【０１１６】
量子鍵配送  −  量子鍵配送では、単一光子を、高い量子効率で、好ましくは室温付近の温度で検出することが必要である。現在使用可能な室温単一光子検出技術は、光電子増倍管およびガイガーモードＡＰＤである。光電子増倍管は、特に電気通信に通常使用される波長において、非常に低い量子効率を有する。ガイガーモードＡＰＤは、その不感時間のため、事実上、低い量子効率を有する。過剰雑音のない線形モードＡＰＤは、高い量子効率で単一光子を検出することができると考えられる。
【０１１７】
光通信  −  全てとまでは言えないが大部分の光通信システムにおける支配的雑音は、受信器電子回路における熱雑音であり、そのため、光通信における基本的課題は、受信器の雑音等価入力を上回る十分なパワーで光信号を受信器に到達させることである。これを保証するために一般的に使用されている方法は、レーザが生み出すパワーを増大させる方法、光リンクの長さを短くして損失を低減させる方法、およびリンクに中継器を置く方法である。受信器における過剰雑音のない線形モードＡＰＤは、より低コストでより破壊的でない方式で入来光信号を増大させる。一方、高いパワー出力を有するレーザは高価であり、増大したレーザパワーは、光ファイバまたは大気伝送媒質の非線形効果などの新たな問題点を導入することがあり、リンクの長さは、用途または地理によってしばしば固定されており、短くすることができず、中継器は、特に電力に容易にアクセスできない海洋底のような領域で非常に高価である。
【０１１８】
高降伏電圧トランジスタ  −  トランジスタの出力電力は、その降伏電圧によって制限される。上で論じたとおり、単一キャリアによって開始される衝突電離（α＝０またはβ＝０）は、指数関数的に増大するが、任意には大きくならないキャリア密度に帰着する。さらに、伝導帯と価電子帯の両方に局在ワニエ−シュタルク状態を設計することによって達成されるα＝β＝０を有する超格子に関しては、キャリア密度の指数関数的増大が抑制される。超格子を通したキャリア輸送はホッピングによる。隣り合うワニエ−シュタルク状態間の波動関数の重なりを大きくすることにより、ホッピング時間を短縮して、飽和速度に匹敵する実効速度をキャリアに与えることができる。
【０１１９】
バイポーラトランジスタの最も高い電場は、コレクタのコレクタ−ベース接合の近くに存在する。バイポーラトランジスタの電流の流れは通常、半導体の表面に対して垂直であるため、バイポーラトランジスタのコレクタの代わりに、超格子の垂線が電流の流れと一致するα＝β＝０の超格子を使用することは簡単であろう。
【０１２０】
低雑音マイクロ波発生  −  衝突電離は、リードダイオード（Ｒｅａｄ  ｄｉｏｄｅ）および衝突電離アバランシェ走行時間（ｉｍｐａｃｔ  ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ａｖｌａｎｃｈｅ  ｔｒａｎｓｉｔ  ｔｉｍｅ）（ＩＭＰＡＴＴ）ダイオードを含む種類のマイクロ波ダイオードの動作の決定的に重要な部分である。利得を提供する衝突電離および適切な移相変化を提供するキャリア走行時間により、それらは、マイクロ波を発生させる負性微分抵抗素子として使用される。これらの発生器は低コストであり、高い電力を生み出すことができるが、それらの出力の高い位相雑音は用途を限定している。雑音の源は、衝突電離機構における過剰雑音である。このダイオードの衝突電離層として本明細書に記載された超格子を使用すると、過剰雑音が抑制され、これらのダイオードの周囲に構築されたマイクロ波発生器は、低コスト、高電力および低雑音となりうる。
【０１２１】
本明細書における「実施形態」、「例」などへの言及は、記載された実施形態または例は、特定の特徴、構造または特性を含むことがあるが、全ての実施形態がその特定の特徴、構造または特性を含むわけではないことを示す。このような句は必ずしも同じ実施形態を指してはいない。さらに、１つの実施形態に関して特定の特徴、構造または特性が記載されているときには、明示的に指摘されているか否かに関わらず、別の実施形態に関してこのような特徴、構造または特性に影響を及ぼすことは、当業者の知識に含まれると考えられる。
【０１２２】
上記の設計およびその実施形態をかなり詳細に説明したが、本明細書に記載された設計および実施形態が本発明を限定することは、本発明の出願人が意図するところではない。追加の適合および／または変更が可能であり、より幅の広い態様では、これらの適合および／または変更も包含される。したがって、以下の特許請求項によって与えられる範囲を逸脱しない範囲で、上記の設計および実施形態から外れることができる。この範囲は、特許請求項が適切に解釈されたときに、それらの特許請求項によってのみ限定される。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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