(57)【要約】【課題】エネルギーの小さい中赤外光子の波長領域で、雪崩増倍によらずに単一光子検出が可能な高感度の光検出器を実現することである。【解決手段】本発明の中赤外光子検出器は、サブバンド間遷移により電荷移動が起きるような半導体量子井戸構造の表面に単一電子トランジスタ構造を積層した構成を有し、量子井戸構造に入射された光子により誘起される光励起キャリアの電荷移動を、単一電子トランジスタ構造により高感度に検出できるようにしたものである。垂直入射光に対して感度をもつ従来の半導体プロセスを用いて作製でき、アレー化も容易である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サブバンド間遷移により電荷移動が起きるような半導体量子井戸構造の表面に単一電子トランジスタ構造を積層して構成されることを特徴とする中赤外波長領域の光子検出器。
【請求項２】
単一電子トランジスタ構造は、半導体量子井戸構造の表面に容量結合され、半導体量子井戸構造に入射した光子により誘起される光励起キャリアの電荷移動を、単一電子トランジスタ構造により検出することを特徴とする請求項１に記載の中赤外波長領域の光子検出器。
【請求項３】
半導体量子井戸構造は微細メサ構造であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の中赤外波長領域の光子検出器。
【請求項４】
半導体量子井戸構造の材料は、ガリウムひ素であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の中赤外波長領域の光子検出器。
【請求項５】
半導体量子井戸微細メサ構造を、インジウムひ素自己組織化量子ドットで置きかえたことを特徴とする請求項３に記載の中赤外波長領域の光子検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一光子を検出できるような高感度の中赤外波長領域の光子検出器に関する。中赤外光検出技術は、化学、バイオ、環境、赤外天文学など幅広い応用が期待される。
【０００２】
【従来の技術】
従来、広く用いられてきた中赤外光検出用半導体素子は、水銀・カドミウム・テルル系光伝導材料、および量子井戸中のサブバンド間遷移による縦方向伝導を用いた量子井戸赤外光検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＱＷＩＰ）  である。しかし、水銀・カドミウム・テルル系光伝導材料は、結晶成長やそのプロセスが非常に困難な材料系であり、毒性も強く、検出器が非常に高価になるという難点がある。
【０００３】
また量子井戸中のサブバンド間遷移を用いた赤外光検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＱＷＩＰ）  は、ＧａＡｓ系電子材料で１０μｍ  帯の赤外光を可能にしたという点で、極めて画期的なデバイスである。しかし、選択則のため試料表面への垂直入射光に対して感度を持たないこと、散乱を介した暗電流が大きく高温動作が難しいことなどの欠点がある。そのため実用上重要な７７Ｋでの動作が困難であった。それに対して、電子を３次元的に閉じ込めた量子ドット中のサブバンド間遷移を用いた赤外光検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｄｏｔ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＱＤＩＰ）は、上記の問題を解決する有効な手段として、近年急速に注目されてきているが、半導体量子井戸構造中のサブバンド間遷移を用いた光検出器では、垂直入射光に対して感度を持たないこと、散乱に支援されたトンネル効果による暗電流が大きいこと、などの問題がある。これに対して、量子井戸赤外光検出器における量子井戸を、インジウムひ素自己組織化量子ドットで置き換えた縦型伝導光検出器も報告されているが、量子ドットの不規則なサイズや配置による電子の散乱効果により、高感度の光検出ができなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光検出における極限の感度は、単一の光子を検出することである。一般に光電変換過程では、光子１個は電子１個を励起する。この光励起された電子が作る電流は極めて小さいため、これまでは電子増倍管やアバランシェ・フォトダイオードを用いて雪崩増倍を起こさせて、単一光子の検出を行なっていた。しかし、光子エネルギーの小さい中赤外光の波長範囲では、適当な光電変換過程および雪崩増倍を起こす材料を見出すことができず、結局、中赤外光の波長領域の単一光子検出が可能な光子検出器は存在しなかった。
【０００５】
本発明は，
（１）シリコンやガリウムひ素など、作製プロセスが確立している標準的な半導体材料により、中赤外光子検出器を作製可能とすること、
（２）アレー化がしやすいように、垂直入射光にも感度を持つ光子検出器を作製すること、
（３）従来の中赤外光子検出器に比べて高感度な検出器を実現すること、
を課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の中赤外光子検出器は、サブバンド間遷移により電荷移動が起きるような極微細の半導体量子井戸メサ構造の表面に単一電子トランジスタ構造を積層して容量結合した構成を有し、量子井戸構造に入射された光子により誘起される光励起キャリアの電荷移動を、単一電子トランジスタ構造により高感度に検出できるようにしたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の１実施例による中赤外光子検出器の素子断面図である。
【０００８】
図１において、１は中赤外光の照射により電子あるいは正孔がサブバンド遷移を起こす量子井戸を含む微細なメサ構造であり、たとえば直径は数百ｎｍ    程度の大きさにされる。２はメサ構造１中でサブバンド遷移を起こした電子が緩和する下部電極である。３は下部電極２にコンタクトを取るための金属電極である。４はメサ構造１の量子井戸中の電荷の変化を検出する量子ドットである。この量子ドット４はメサ構造１の表面に積層される単一電子トンネルトランジスタの量子ドット電極となっている。５は単一電子トンネルトランジスタのトンネル障壁層である。６は単一電子トンネルトランジスタのリード電極であり、量子ドット電極４との間で、トンネル効果により電子を伝導する。このリード電極６を用いて単一光子吸収による信号を外部に取り出す。なお、金属電極３とリード電極６の形状（パターン）を適当に設計することにより、中赤外光に対するアンテナ効果をもたせて、上方から入射する中赤外光をメサ構造１の量子井戸部分に効率よく集光することができる。
【０００９】
図２は、図１の量子ドット電極４の部分におけるエネルギーバンド図を示す。
【００１０】
図２において、サブバンド間遷移を起こす１の部分は、たとえばガリウムひ素などの量子井戸を用いて作製することができるが、量子井戸構造の代りにインジウムひ素自己組織化量子ドットを用いても同様な効果が得られる。また４の量子ドット電極には、半導体や金属の極微細構造が用いられる。
【００１１】
中赤外光が１の量子井戸に入射すると、量子井戸中で基底サブバンドに存在していた電子がサブバンド間遷移により、上位のサブバンドに遷移する。上位サブバンドの波動関数は、２の下部電極部分にも大きな振幅をもっているため、上位サブバンドに遷移した電子は下部電極２に向かって緩和する。したがって、中赤外光が入射することにより、電荷が量子井戸中から下部電極２へ移動し、量子井戸中の電荷が減少する。
【００１２】
単一電子トンネルトランジスタの量子ドット電極４の電気化学ポテンシャルは、１の量子井戸と容量結合しているため、量子井戸中の電荷の減少により変化するこのとき、たとえば、下部電極２の電圧により、単一電子トランジスタのコンダクタンスが高い状態にバイアスされていれば、量子ドット４の電気化学ポテンシャルの変化により、コンダクダンス減少する。中赤外光の入射は、このコンダクタンスの変化として検出される。
【００１３】
光検出の波長は、量子井戸構造の設計により制御することが可能であり、数μｍから数十μｍまでの広い波長範囲で光検出することが可能である。また、標準的な半導体プロセスを用いて、ウェーハー上に作製することができ、アレー化も可能である。
【００１４】
【発明の効果】
本発明による中赤外光子検出器は、量子井戸中のザブバンド間遷移による電荷移動を単一電子トンネルトランジスタにより読み出す構成をとることにより検出感度を著しく高めているため、光子エネルギーが小さいために雪崩増倍効果を利用することが困難な中赤外光領域において、単一光子検出を可能にするものである。本発明による中赤外光検出器は、従来の中赤外光領域で動作する中赤外光子検出器に比べて、数桁の感度の向上を期待することができる。
【００１５】
また、従来の半導体プロセスを用いて作製することができ、アレー化も容易であるため、比較的低コストで、多様な用途に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例による中赤外光子検出器の素子断面図である。
【図２】本発明による中赤外光子検出器の量子ドット電極部分におけるエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
１：量子井戸を含むメサ構造
２：下部電極
３：金属電極
４：量子ドット／量子ドット電極
５：トンネル障壁層
６：リード電極
【図１】
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【図２】
2004214383.tif 000004