(57)【要約】【課題】赤外光への感度のさらなる向上を図りうる赤外光検出器を提供する。【解決手段】赤外光検出器１００によれば、第１電子層１０２の孤立領域１０の「遮断状態」および「接続状態」が切り替えられる。接続状態の実現により、遮断状態における孤立領域１０の帯電量の飽和ひいては第２電子層１０４の電気伝導率の変化の飽和が解消されうる。したがって、第２電子層１０４の電気伝導率の変化が累積的に検出され、これによって赤外光の感度のさらなる向上が図られる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元電子層としての第１電子層と、入射赤外光に応じて該第１電子層に垂直な振動電場成分を生成することにより、該第１電子層における電気的な孤立領域の電子を励起し、該孤立領域に形成されている量子井戸のサブバンドの間で遷移させる励起機構と、該励起機構により励起された電子が該孤立領域から流出した結果として該孤立領域の帯電量が変化することによって電気伝導度が変化する、該第１電子層の下方に配置された第２電子層とを備え、該第２電子層の電気伝導度の変化を検出することにより該入射赤外光を検出する赤外光検出器において、
外部電子系から前記孤立領域への電子の流入が抑制または禁止されている遮断状態と、該外部電子系から前記孤立領域への電子の流入が許容されている接続状態とを、前記第２電子層の電気伝導度の変化の検出結果に基づく赤外光検出時に切り替える状態制御機構を備えていることを特徴とする赤外光検出器。
【請求項２】
請求項１記載の赤外光検出器において、
前記状態制御機構が、
前記第１電子層の上方において前記孤立領域と、該第１電子層における前記外部電子系との接続領域とを区分するように形成された第１ゲート電極と、
該第１ゲート電極に印加されるバイアス電圧を制御することにより、該第１電子層において該孤立領域と該接続領域との間に形成される電位障壁の高低を調節する第１電圧制御装置とを備えていることを特徴とする赤外光検出器。
【請求項３】
請求項２記載の赤外光検出器において、
前記第１電子層と前記第１ゲート電極との重なり領域の面積と、該第１ゲート電極に印加されるバイアス電圧とが第１条件を満たすように制限され、
該第１条件は、該第１ゲート電極へのバイアス電圧の印加により入射赤外光がない状態で前記孤立領域の帯電量が変化することが回避されるという条件であることを特徴とする赤外光検出器。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の赤外光検出器において、
前記状態制御機構が、前記第２電子層または前記第２電子層に接続されているオーミックコンタクトを前記外部電子系として、前記遮断状態と前記接続状態とを赤外光検出時に切り替えることを特徴とする赤外光検出器。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか１つに記載の赤外光検出器において、
前記状態制御機構が、前記遮断状態における前記第２電子層の電気伝導度の変化態様に基づいて前記遮断状態を前記接続状態に切り替えることを特徴とする赤外光検出器。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の赤外光検出器において、
前記第１電子層が、前記第２電子層の電気伝導度を測定するために該第２電子層に接続されているソース電極およびドレイン電極のそれぞれに接続され、
前記第１電子層の上方において前記孤立領域と、該第１電子層における該ソース電極および該ドレイン電極のそれぞれとの接続領域とを区分するように形成された第２ゲート電極と、
該第２ゲート電極に印加されるバイアス電圧を制御することにより、該第１電子層において該孤立領域と該接続領域との間に電位障壁を形成する第２電圧制御装置とを備えていることを特徴とする赤外光検出器。
【請求項７】
請求項６記載の赤外光検出器において、
前記第２ゲート電極に印加されるバイアス電圧が第２条件を満たすように制限され、
該第２条件は前記第２電子層における電位障壁の形成が回避されるという条件であることを特徴とする赤外光検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外光検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願発明者により次に説明する現象を利用した赤外光検出器が提案されている（たとえば、特許文献１、非特許文献１および非特許文献２参照）。すなわち、赤外光がマイクロストリップ・アンテナ等によって量子ドット等、周囲から電気的に孤立した２次元電子層に集中される。これにより孤立２次元電子層に垂直な振動電場が生成される。そして、孤立２次元電子層における電子がこの振動電場により励起されて基底サブバンドから励起サブバンドに遷移し、さらに孤立２次元電子層からその直下に配置された電荷敏感トランジスタのソース電極等に脱出する。これにより孤立２次元電子層が正に帯電する。そして、孤立２次元電子層から脱出する電子数が徐々に増加することにより孤立２次元電子層の帯電量も徐々に増加し、さらには電荷敏感トランジスタの電気伝導度も増加する。
【０００３】
当該現象を利用した赤外光検出器によれば、単一の赤外光子がアンテナに入射されたことが電荷敏感トランジスタの電流変化に基づいて検知されうるので、赤外光が高感度で検出されうる。
【特許文献１】国際公開公報  ＷＯ２００６／００６４６９Ａ１
【非特許文献１】“Ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ  ｕｓｉｎｇ  ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｇａｓ  ｌａｙｅｒｓ（Ａｎ  ｅｔ  ａｌ．）”  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．８６，１７２１０６（２００５）
【非特許文献２】“Ａ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  ｄｏｕｂｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ  ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｐｈｏｔｏｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（Ａｎ  ｅｔ  ａｌ．）”  Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．１００，０４４５０９（２００６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、この赤外光検出器によれば、赤外光検出が開始されてから比較的短時間で電荷敏感トランジスタの電流変化率が飽和してしまうため、赤外光感度には限界が生じることが判明した。
【０００５】
そこで、本発明は、前記のような限界を超えた、赤外光感度のさらなる向上を図りうる赤外光検出器を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明は、２次元電子層としての第１電子層と、入射赤外光に応じて該第１電子層に垂直な振動電場成分を生成することにより、該第１電子層における電気的な孤立領域の電子を励起し、該孤立領域に形成されている量子井戸のサブバンドの間で遷移させる励起機構と、該励起機構により励起された電子が該孤立領域から流出した結果として該孤立領域の帯電量が変化することによって電気伝導度が変化する、該第１電子層の下方に配置された第２電子層とを備え、該第２電子層の電気伝導度の変化を検出することにより該入射赤外光を検出する赤外光検出器に関する。
【０００７】
本願発明者は、次に説明するような原因によって前記赤外検出器の赤外光感度に限界が生じることを研究によって知見した。すなわち、赤外光検出器への赤外光の入射が継続する結果、第１電子層において周囲から電気的に孤立している孤立領域から流出する電子数が徐々に増加することによって当該孤立領域の帯電量が徐々に増加する。これにより、孤立領域に形成されている量子井戸における励起サブバンドのエネルギーレベルが徐々に低下して第２電子層等、電子の脱出先のエネルギーレベルに近づく。このため、孤立領域から電子が徐々に脱出しにくくなってこの孤立領域の帯電量が飽和する。そして、赤外光がさらに入射してもそれ以上は第２電子層の電気伝導度が変化せず、当該電気伝導度の測定に基づく赤外光検出を続行できなくなる。
【０００８】
そこで、当該研究成果に鑑みて、前記課題を解決するための第１発明の赤外光検出器は、外部電子系から前記孤立領域への電子の流入が抑制または禁止されている遮断状態と、該外部電子系から前記孤立領域への電子の流入が許容されている接続状態とを、前記第２電子層の電気伝導度の変化の検出結果に基づく赤外光検出時に切り替える状態制御機構を備えていることを特徴とする。
【０００９】
第１発明の赤外光検出器によれば、赤外光入射により、遮断状態において第１電子層の孤立領域の帯電量、ひいては第２電子層の電気伝導度の変化率が飽和する前に、この遮断状態が接続状態に切り替えられうる。これにより、外部電子系から孤立領域に電子が流出し、当該電子が孤立領域にたまっていた正電荷と結合することにより孤立領域の帯電量が速やかに０にリセットされる。
【００１０】
その後、接続状態から遮断状態に切り替えられることにより、孤立領域の量子井戸における励起サブバンドのエネルギーレベルが、励起サブバンドに遷移した電子が再び第１電子層の孤立領域から流出しうる程度に十分に高い状態に復帰する。そして、第２電子層の電気伝導度の変化が再び検出されうるようになる。
【００１１】
したがって、赤外光検出時に遮断状態および接続状態が交互に切り替えられ、遮断状態における第２電子層の電気伝導度の変化が累積的に検出されることによって、前記のような限界を超えた赤外光感度の向上が図られる。
【００１２】
また、第２発明の赤外光検出器は、第１発明の赤外光検出器において、前記状態制御機構が、前記第１電子層の上方において前記孤立領域と、該第１電子層における前記外部電子系との接続領域とを区分するように形成された第１ゲート電極と、該第１ゲート電極に印加されるバイアス電圧を制御することにより、該第１電子層において該孤立領域と該接続領域との間に形成される電位障壁の高低を調節する第１電圧制御装置とを備えていることを特徴とする。
【００１３】
第２発明の赤外光検出器によれば、第１ゲート電極にバイアス電圧が印加されることにより、該第１電子層において孤立領域と、外部電子系との接続領域との間に電位障壁が形成されうる。また、バイアス電圧が調節されることによって電位障壁の高低または有無が調節され、その結果、孤立領域が外部電子系から電気的に遮断された状態と、孤立領域が外部電子系に電気的に接続された状態とが切り替えられうる。
【００１４】
さらに、第３発明の赤外光検出器は、第２発明の赤外光検出器において、前記第１電子層と前記第１ゲート電極との重なり領域の面積と、前記遮断状態を実現するために該第１ゲート電極に印加されるバイアス電圧とが第１条件を満たすように制限され、該第１条件は、該第１ゲート電極へのバイアス電圧の印加により入射赤外光がない状態で前記孤立領域の帯電量が変化することが回避されるという条件であることを特徴とする。
【００１５】
第３発明の赤外光検出器によれば、第１電子層と第１ゲート電極との重なり領域の面積と、遮断状態を実現するために第１ゲート電極に印加されるバイアス電圧とが「第１条件」を満たすように制限されている。これにより、第１ゲート電極へのバイアス電圧の印加により、入射赤外光が無い状態で孤立領域の帯電量が変化する事態が回避される。
【００１６】
具体的には、第１ゲート電極へのバイアス電圧の印加により、第１電子層において第１ゲート電極の下方領域から孤立領域に押し込められる電子数が抑制される。第１電子層において第１ゲート電極の下方領域から孤立領域に電子が押し込められるとは、第１電子層において当該下方領域に形成される電位障壁によって電子が周囲に排除されるような領域が広がることで、孤立領域が実質的に狭まることを意味する。その結果（１）電子の押し込みによる孤立領域の電子の濃縮によって、入射赤外光の有無にかかわらず当該孤立領域における正の帯電量が減少するあるいは負の帯電量が増加する事態が回避される。また（２）電子の押し込みによる孤立領域の電子の濃縮によって当該孤立領域におけるフェルミ準位が上昇し、一部の電子が孤立領域から第２電子層等に脱出する事態が回避される。そして、入射赤外光がないときに孤立領域の帯電量、ひいては第２電子層の電気伝導度が変化する事態が回避されるので、赤外光の検出感度が高く維持される。この効果は、サイズが小さい赤外光検出器の感度を高く維持するために特に有意義である。
【００１７】
また、第４発明の赤外光検出器は、第１〜第３発明の赤外光検出器のうちいずれか１つにおいて、前記状態制御機構が、前記第２電子層または前記第２電子層に接続されているオーミックコンタクトを前記外部電子系として、前記遮断状態と前記接続状態とを赤外光検出時に切り替えることを特徴とする。
【００１８】
第４発明の赤外光検出器によれば、遮断状態において第１電子層の孤立領域から第２電子層または第２電子層に接続されたオーミックコンタクトに電子を流出させることによって、前記のように孤立領域の帯電量および第２電子層の電気伝導度を変化させることができる。一方、接続状態において第２電子層または当該オーミックコンタクトから第１電子層の孤立領域に電子を流入させることによって、前記のように孤立領域の帯電量を０にリセットすることができる。
【００１９】
さらに、第５発明の赤外光検出器は、第１〜第４発明の赤外光検出器のうちいずれか１つにおいて、前記状態制御機構が、前記遮断状態における前記第２電子層の電気伝導度の変化態様に基づいて前記遮断状態を前記接続状態に切り替えることを特徴とする。
【００２０】
第５発明の赤外光検出器によれば、遮断状態において第２電子層の電気伝導度の変化率が飽和する前に、遮断状態が接続状態に切り替えられるので、当該飽和の影響を除去することによる赤外光の検出精度の向上が図られる。
【００２１】
また、第６発明の赤外光検出器は、第１〜第５発明の赤外光検出器のうちいずれか１つにおいて、前記第１電子層が、前記第２電子層の電気伝導度を測定するために該第２電子層に接続されているソース電極およびドレイン電極のそれぞれに接続され、前記第１電子層の上方において前記孤立領域と、該第１電子層における該ソース電極および該ドレイン電極のそれぞれとの接続領域とを区分するように形成された第２ゲート電極と、該第２ゲート電極に印加されるバイアス電圧を制御することにより、該第１電子層において該孤立領域と該接続領域との間に電位障壁を形成する第２電圧制御装置とを備えていることを特徴とする。
【００２２】
第６発明の赤外光検出器によれば、第２ゲート電極にバイアス電圧が印加されることにより、第１電子層において孤立領域と、ソース電極およびドレイン電極のそれぞれとの接続領域との間に電位障壁が形成される。そして、当該バイアス電圧が調節されることにより電子障壁の高低または有無が調節され、その結果、孤立領域をソース電極、ドレイン電極および第２電子層から電気的に遮断された状態に維持することができる。
【００２３】
さらに、第７発明の赤外光検出器は、第６発明の赤外光検出器において、前記第２ゲート電極に印加されるバイアス電圧が第２条件を満たすように制限され、該第２条件は前記第２電子層における電位障壁の形成が回避されるという条件であることを特徴とする。
【００２４】
第７発明の赤外光検出器によれば、第２ゲート電極に印加されるバイアス電圧が第２条件を満たすように制限されている。これにより、第２ゲート電極にバイアス電圧が印加されることにより第２電子層にまで電位障壁が形成される事態が回避され、その結果、赤外光の検出感度が高く維持される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の赤外光検出器の実施形態について図面を用いて説明する。
【００２６】
まず、赤外光検出器の構成について説明する。図１に示されている赤外光検出器１００は、第１電子層１０２と、第２電子層１０４と、パッチアンテナ（またはマイクロストリップ・アンテナのパッチ部）１１０と、第１ゲート電極１１１と、第２ゲート電極１１２と、第１電圧制御装置（またはパルスジェネレータ）１１３と、第２電圧制御装置１１４とを備えている。説明の便宜のために図１に示されているようにｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を定義する。
【００２７】
赤外光検出器１００は、たとえば前記特許文献１に開示されている構成の半導体多層ヘテロエピタキシャル成長基板から作成されているので、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されているような層構造を有している。すなわち、当該基板においては上部絶縁層（ＧａＡｓ層＋Ｓｉ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層）１０１、第１電子層（ＧａＡｓ層）１０２、中間層（ＡｌxＧａ1-xＡｓ層）１０３、第２電子層（ＧａＡｓ層）１０４、下部絶縁層（Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層＋Ｓｉ−Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層＋Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓ層）１０５およびｎ型ＧａＡｓ基板１０６が上から順にヘテロ接合された構造となっている。中間層１０３の組成比ｘは、遮断状態の初期において基板の深さ方向（−ｚ方向）について図３（ａ）に示されているようなエネルギーダイヤグラムが形成されるように調節されている。
【００２８】
第１電子層１０２は図１に示されているように矩形状の孤立領域１０の左右両側に一対の幅広の翼状領域が接続され、かつ、孤立領域１０から幅狭の帯領域が延設された略Ｔ字形状に形成されている。第１電子層１０２は２次元電子層であり、遮断状態の初期において孤立領域１０には図３（ａ）に示されているように−ｚ方向に量子井戸が形成され、基底サブバンド（エネルギー順位ε0）および励起サブバンド（エネルギー準位ε1）が形成されている。
【００２９】
第２電子層１０４は第１電子層１０２と同じく略Ｔ字形状に形成されており、第１電子層１０２の下方に同じ姿勢で配置されている。第２電子層１０４も２次元電子層であり、遮断状態の初期において図３（ａ）に示されているように−ｚ方向について第１電子層１０２の孤立領域１０に形成されている量子井戸における励起サブバンドよりも低いエネルギーレベルを有する。
【００３０】
第１電子層１０２および第２電子層１０４は、一方の翼状部分の端部において第１オーミックコンタクト（ソース電極）１２２に接続され、他方の翼状領域の端部において第２オーミックコンタクト（ドレイン電極）１２４に接続され、かつ、幅狭の帯領域の先端部において第３オーミックコンタクト１２６に接続されている。第１オーミックコンタクト１２２および第２オーミックコンタクト１２４に接続された電流計１２８によって第２電子層１０４の電流が測定される。
【００３１】
パッチアンテナ１１０は第１電子層１０２の上方において孤立領域１０の一部を覆うように形成されている。また、パッチアンテナ１１０は「励起機構」として、量子井戸が形成されている孤立領域１０に赤外光子を集中させて第１電子層１０２に垂直な振動電場成分を生成することにより孤立領域１０の電子を励起してサブバンド間で遷移させる。なお、励起機構としては、パッチアンテナ１１０のほか、グレーティングや基板（たとえば上部絶縁層１０１）に形成された傾斜角度４５°の傾斜面等、入射赤外光から第１電子層１０２に垂直な電場成分を生成するためのさまざまな機構が採用されてもよい。
【００３２】
第１ゲート電極１１１は第１電子層１０２の上方において、孤立領域１０と、これから−ｙ方向に延びる幅狭の帯領域（外部電子系との接続領域）とを区分するように形成されている。帯領域のｘ方向の幅と、第１ゲート電極１１１の当該帯領域にかかる部分のｙ方向の幅とは孤立領域１０のｘ方向およびｙ方向のサイズと比較して十分に小さくなるように設定されている。これは、第１電子層１０２と第１ゲート電極１１１との重なり領域の面積を後述の「第１条件」が満たされるように制限するためである。
【００３３】
第１電圧制御装置１１３は第１ゲート電極１１１にバイアス電圧を調節しながら印加する。第１ゲート電極１１１にバイアス電圧が印加されることにより、第１ゲート電極１１１の下方領域において第１電子層１０２の孤立領域１０をｙ方向について電気的に遮断する電位障壁が形成される。第１ゲート電極１１１および第１電圧制御装置１１３は「状態制御機構」として、第２電子層１０４（「外部電子系」に該当する。）またはオーミックコンタクト１２２，１２４もしくは１２６から孤立領域１０への電子の流入が抑制または禁止されている「遮断状態」と、第２電子層１０４等から孤立領域１０への電子の流入が許容されている「接続状態」とを切り替える。
【００３４】
第２ゲート電極１１２は第１電子層１０２の上方において孤立領域１０とこれを挟む一対の翼状領域とを区切るように形成されている。第２電圧制御装置１１４は第２ゲート電極１１２にバイアス電圧を調節しながら印加する。第２ゲート電極１１２にバイアス電圧が印加されることにより、第２ゲート電極１１２の真下部分において、第１電子層１０２の孤立領域１０をｘ方向について電気的に遮断する電位障壁が形成される。
【００３５】
続いて、前記構成の赤外光検出器の機能について説明する。
【００３６】
第１ゲート電極１１１にバイアス電圧Ｖ1Gが印加される。これにより、第１ゲート電極１１１の下方領域において孤立領域１０をｙ方向について電気的に遮断する電位障壁が形成される。第１電子層１０２と第１ゲート電極１１１との重なり領域の面積と、第１ゲート電極１１１に印加されるバイアス電圧Ｖ1Gとが「第１条件」を満たすように制限されている。「第１条件」は、第１ゲート電極１１１へのバイアス電圧の印加により入射赤外光がない状態で孤立領域１０の帯電量が変化することが回避されるという条件である。
【００３７】
また、第２ゲート電極１１２にバイアス電圧Ｖ2Gが印加される。これにより、第２ゲート電極１１２の下方領域において孤立領域１０をｘ方向について電気的に遮断する電位障壁が形成される。第２ゲート電極１１２に印加されるバイアス電圧Ｖ2Gは「第２条件」を満たすように制限されている。「第２条件」は第２電子層１０４における電位障壁の形成が回避されるという条件である。
【００３８】
これによって第１電子層１０２の孤立領域１０が周囲から電気的に孤立した状態になる。
【００３９】
赤外光検出器１００に赤外光が入射すると、パッチアンテナ１１０により第１電子層１０２に垂直な方向（ｚ方向）に振動電場が形成される。この振動電場により孤立領域１０の電子が励起され、図３（ａ）に上向き矢印で示されているように孤立領域１０に形成されている量子井戸の基底サブバンドから励起サブバンドに遷移する。励起サブバンドに遷移した電子は図３（ａ）に破線矢印で示されているように量子井戸の電位障壁をトンネルした後、中間層１０３におけるエネルギー傾斜にしたがって第２電子層１０４に流入する。これにより孤立領域１０が正に帯電またはイオン化する。すなわち、遮断状態において第１電子層１０２の孤立領域１０および第２電子層１０４における孤立領域１０の下方領域が中間層１０３を挟んだコンデンサとして機能し、孤立領域１０に正電荷が蓄えられる。図４（ａ）には電子（黒丸）が矢印で示されているように孤立領域１０から第２電子層１０４に流出し、孤立領域１０に正電荷（白丸）が生じる様子が模式的に示されている。
【００４０】
そして、赤外光検出器１００への赤外光の入射が継続する結果として、前記のように第１電子層１０２の孤立領域１０から第２電子層１０４に脱出する電子数が徐々に増加することにより、孤立領域１０の帯電量が徐々に増加する。また、孤立領域１０の帯電量の増加にともなって、第２電子層１０４において孤立領域１０の下方領域における電子密度ひいては第２電子層１０４の電気伝導度が徐々に高くなる。このため、電流計１２８の測定値に基づいて第２電子層１０４の電気伝導度の変化を検出することにより赤外光が高感度で検出されうる。
【００４１】
一方、孤立領域１０の正の帯電量が徐々に増加することにより、第２電子層１０４のエネルギーに対する孤立領域１０のエネルギーが徐々に低下する。これにより、エネルギーダイヤグラムが図３（ａ）に示されている状態から図３（ｂ）に示されている状態に変化する。そして、孤立領域１０における励起サブバンドのエネルギーレベルε1が低下して電子の脱出先である第２電子層１０４のエネルギーレベルに近づく。このため、第１電子層１０２の孤立領域１０の電子が第２電子層１０４に脱出しにくくなり、孤立領域１０の帯電量が飽和する。そして、赤外光がさらに入射してもそれ以上は第２電子層１０２の電気伝導度が変化せず、当該電気伝導度の変化率に基づく赤外光検出を続行できなくなる。図４（ｂ）には孤立領域１０に多数の正電荷（白丸）がたまってその帯電量が飽和した様子が模式的に示されている。
【００４２】
そこで、第２電子層１０４の電気伝導度の変化率が飽和する前に、第１電圧制御装置１１３によって第１ゲート電極１１１に印加されているバイアス電圧が低下させられる。第１電圧制御装置１１３は、第２電子層１０４の電気伝導度の変化率が飽和するタイミングを電流計１２８の出力に基づいて検知する。このため「遮断状態」にあった第１電子層１０２の孤立領域１０と、第２電子層１０４との間に存在した電位障壁が解消される。そして、孤立領域１０が遮断状態から、第２電子層１０４等の外部電子系から孤立領域１０への電子の流出が許容されている「接続状態」に切り替えられる。これにより、第２電子層１０４から第３オーミックコンタクト１２６を介して孤立領域１０に電子が流入し、この電子が正電荷と結合することによって孤立領域１０の帯電量が０に速やかにリセットされる。図４（ｃ）には第２電子層１０４が第３オーミックコンタクト１２６を介して孤立領域１０と電気的に接続され、電子（黒丸）が矢印で示すように孤立領域１０に流れ込み、正電荷（白丸）と結合する様子が模式的に示されている。
【００４３】
その後、孤立領域１０が接続状態から遮断状態に切り替えられることにより、エネルギーダイヤグラムが図３（ｂ）に示されている状態から図３（ａ）に示されている状態に復帰する。すなわち、孤立領域１０における励起サブバンドのエネルギーレベルε1が、励起サブバンドに遷移した電子が孤立領域１０から第２電子層１０４に流出しうる程度に十分に高い状態に復帰する。
【００４４】
図５には液体ヘリウム温度環境下において、さまざまな強度の入射赤外光に応じた、第２電子層１０４の電気伝導度の変化率ΔＧ［μＳ］が、第１電子層１０２の遮断状態および接続状態を繰り返しながら時系列的に測定された結果が示されている。電気伝導度の変化率ΔＧは第１電子層１０２の遮断状態において徐々に増加していき、第１電子層１０２が接続状態に切り替えられてその帯電量が０にリセットされることで０付近に低下するというサイクルが繰り返されている。この実験結果から明らかなように、第１電子層１０２の遮断状態および接続状態が交互に切り替えられ、第１電子層１０２の遮断状態における、第２電子層１０４の電気伝導度の変化ΔＧが累積的に検出されることによって赤外光検出器１００の感度の著しい向上が図られる。
【００４５】
また、第１電子層１０２と第１ゲート電極１１１との重なり領域の面積と、第１ゲート電極１１１に印加されるバイアス電圧Ｖ1Gとが「第１条件」を満たすように制限されている。これにより、第１ゲート電極１１１へのバイアス電圧Ｖ1Gの印加により、入射赤外光が無い状態で孤立領域１０の帯電量が変化する事態が回避される。
【００４６】
具体的には、第１ゲート電極１１１へのバイアス電圧Ｖ1Gの印加により、第１電子層１０２において第１ゲート電極１１１の下方領域から孤立領域１０に押し込められる電子数が抑制される。第１電子層１０２において第１ゲート電極１１１の下方領域から孤立領域１０に電子が押し込められるとは、第１電子層１０２において当該下方領域に形成される電位障壁によって電子が周囲に排除されるような領域が広がることで、孤立領域１０が実質的に狭まることを意味する。その結果（１）電子の押し込みによる孤立領域１０の電子の濃縮によって入射赤外光の有無にかかわらず、孤立領域１０における正の帯電量が減少するあるいは負の帯電量が増加する事態が回避される。また（２）電子の押し込みによる孤立領域１０の電子の濃縮によって孤立領域１０におけるフェルミ準位が上昇し、一部の電子が孤立領域１０から第２電子層１０４に脱出する事態が回避される。そして、入射赤外光がないときに孤立領域１０の帯電量、ひいては第２電子層１０４の電気伝導度が変化する事態が回避されるので、赤外光の検出感度が高く維持される。この効果は、サイズが小さい赤外光検出器１００の感度を高く維持するために特に有意義である。
【００４７】
さらに、第２ゲート電極１１２に印加されるバイアス電圧Ｖ2Gが「第２条件」を満たすように制限されている。これにより、第２ゲート電極１１２にバイアス電圧Ｖ2Gが印加されることにより第１電子層１０２のみならずその下方にある第２電子層１０４にまで電位障壁が形成される事態が回避され、その結果、赤外光の検出感度が高く維持される。
【００４８】
なお、前記実施形態では第２電子層１０４の電子が孤立領域１０に流入することによって孤立領域１０の帯電量が０にリセットされたが、他の実施形態として第１オーミックコンタクト（ソース電極）１２２や第２オーミックコンタクト（ドレイン電極）１２４等、第２電子層１０４とは別の外部電子系の電子が孤立領域１０に流入することによって孤立領域１０の帯電量が０にリセットされてもよい。たとえば、図６に示されているように第１電子層１０２において、第２ゲート電極１１２を回避し、かつ、第１ゲート電極１１１を経由して孤立領域１０と第１オーミックコンタクト１２２とを電気的に接続するループ部分１２７が形成される。これにより、第１ゲート電極１１１に印加されるバイアス電圧の調節によって、第１オーミックコンタクト１２２の電子がループ部分１２７を介して孤立領域１０に流れ込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の赤外光検出器の主要部の構成説明図
【図２】本発明の赤外光検出器の断面図
【図３】本発明の赤外光検出器のエネルギーダイヤグラム
【図４】本発明の赤外光検出器の機能説明図
【図５】本発明の赤外光検出器の実験結果の説明図
【図６】本発明の赤外光検出器（他の実施形態）の主要部の構成説明図
【符号の説明】
【００５０】
１００‥赤外光検出器、１０２‥第１電子層、１０４‥第２電子層、１１０‥パッチアンテナ（励起機構）、１１２‥第２ゲート電極、１１１‥第１ゲート電極（状態制御機構）、１１６‥電圧制御装置（同）、１２２‥第１オーミックコンタクト（ソース電極）、１２４‥第２オーミックコンタクト（ドレイン電極）、１２６‥第３オーミックコンタクト
【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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