(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子トラップ効果を有する量子箱を面状に配置した感光薄膜を備えた赤外光検出素子において、
前記感光薄膜に沿って極薄障壁層を介して配置され、外部からの赤外光の付与によって量子箱の束縛から解き放たれた電子が導かれる薄膜導通路とを具備し、前記量子箱を有する感光薄膜と薄膜導通路との障壁を介した結合を電気的に調整可能である、前記感光薄膜に対して垂直方向に配置されるゲート電極を備えることを特徴とする赤外光検出素子。
【請求項２】
請求項１記載の赤外光検出素子において、前記感光薄膜はＩｎＡｓ量子箱とこれを囲むＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓ薄膜からなり、該薄膜はＡｌＧａＡｓ薄膜と前記赤外光の付与側のＡｌＧａＡｓからなる外部障壁膜とで挟まれるとともに、前記薄膜導通路はＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓからなる膜であることを特徴とする赤外光検出素子。
【請求項３】
請求項１記載の赤外光検出素子において、前記垂直方向に配置されるゲート電極は第１のゲート電極と第２のゲート電極とを備えることを特徴とする赤外光検出素子。
【請求項４】
請求項１記載の赤外光検出素子において、類似の複合膜構造を、複数個積層化させた構造を有することを特徴とする赤外光検出素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子トラップ効果を有する量子箱を有する赤外光検出素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、以下に示すようなものがあった。
【０００３】
図４はかかる従来の多層障壁の量子箱を有する赤外光検出素子の模式図、図５はその赤外光検出素子の動作を示す図である。
【０００４】
図４において、１，２，３，４，５は量子箱、１Ａ，２Ａ，３Ａ，４Ａは障壁、６，７は電極、８は直流電源、９，１０はアース線である。
【０００５】
これらの図に示すように、多層障壁が形成される量子箱を有する赤外光検出素子では、量子準位間のエネルギー（Ｅ2 −Ｅ1 ）に対応するフォトンを入射すると、基底準位Ｅ1 の電子がＥ2 へ共鳴的に励起される。例えば膜厚が１０ｎｍのＧａＡｓ量子井戸では波長１０μｍの光がこの条件を満たす。励起された電子は、数ｐｓ以内に主として光学フォノンを放出してＥ1 へ復帰する。本願発明者らは障壁の高さや厚さを調整し、励起された電子をＥ1 に緩和する前に量子井戸の外に流出させれば、赤外光検出器として利用できることを指摘した。
【０００６】
図５に示すように、基底準位Ｅ1 の電子は膜内に強く閉じ込められ、膜と垂直方向の電流に寄与しないのに対して、励起準位Ｅ2 は隣接量子井戸へ移動が可能な形につくられている。この素子は８０年代の後半にＬｅｖｉｎｅらによって実現された。この素子は高性能ＨｇＣｄＴｅ赤外検出素子に迫る感度を持つ上に、感光波長を量子井戸の膜厚で調整できることや２次元アレー撮像素子にしやすいなどの利点も備えている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の多層障壁を有する量子箱を有する赤外光検出素子では、量子準位間のエネルギー（Ｅ2 −Ｅ1 ）に対応するフォトンを入射しても、隣接量子井戸を介して両端の電極まで移動できる電子は少なく、光による電流増加を大きくできないといった問題があった。
【０００８】
本発明は、上記問題点を除去し、外部からの赤外光の付与によって確実に電子が導かれる薄膜導通路を有する赤外光検出素子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕電子トラップ効果を有する量子箱を面状に配置した感光薄膜を備えた赤外光検出素子において、前記感光薄膜に沿って極薄障壁層を介して配置され、外部からの赤外光の付与によって量子箱の束縛から解き放たれた電子が導かれる薄膜導通路とを具備し、前記量子箱を有する感光薄膜と薄膜導通路との障壁を介した結合を電気的に調整可能である、前記感光薄膜に対して垂直方向に配置されるゲート電極を備えるようにしたものである。
【００１０】
〔２〕上記〔１〕記載の赤外光検出素子において、前記感光薄膜はＩｎＡｓ量子箱とこれを囲むＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓ薄膜からなり、この薄膜はＡｌＧａＡｓ薄膜と前記赤外光の付与側のＡｌＧａＡｓからなる外部障壁膜とで挟まれるとともに、前記薄膜導通路はＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓからなる膜であることを特徴とする。
【００１１】
〔３〕上記〔１〕記載の赤外光検出素子において、前記垂直方向に配置されるゲート電極は第１のゲート電極と第２のゲート電極とを備えることを特徴とする。
【００１２】
〔４〕上記〔１〕記載の赤外光検出素子において、類似の複合膜構造を、複数個積層化させた構造を有することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明の参考例を示す赤外光検出素子の模式図、図２はその赤外光検出素子の動作の説明のための模式図である。
【００１５】
この図において、１はＩｎＡｓからなる量子箱、２はその量子箱１と、それを囲むＧａＡｓからなる感光薄膜、３はその薄膜２の下部に隣接するＡｌＧａＡｓからなる極薄障壁膜、４，５は電極、６は電極４に接続される直流電源、７はその直流電源６のアース線、８は電極５に接続されるアース線、９は量子箱１を囲むＧａＡｓからなる薄膜２に沿って配置され、外部から付与される赤外光に応じて電子が導かれるＧａＡｓからなる薄膜導通路である。１０は本構造の上下に設けたＡｌＧａＡｓ薄膜である。
【００１６】
このように構成したので、図２に示すように、ｈνエネルギーの赤外光が入射すると量子箱１の電子は上方のＧａＡｓ薄膜の励起準位に上げられた後にＡｌＧａＡｓ極薄障壁膜３を越えて、薄膜導通路９に流出して、電極４へと導かれる。このように、赤外光に応じて、量子箱１に閉じ込められていた電子を導く側道が設けられたことになる。
【００１７】
したがって、ＡｌＧａＡｓ障壁膜と上下のＧａＡｓ薄膜を適切に設計すれば、薄膜間の移動に量子準位が共鳴した時のトンネル効果を用いることができ、隣接導通路へ移動できる電子を多くすることができる。さらに、一旦隣接導通路に移った電子は導通路内でエネルギー緩和させると、元の量子井戸へ戻る過程を抑制することができる。つまり、赤外光をトリガーとして、感光薄膜に閉じ込められていた電子を薄膜導通路９を介して確実に検出することができる。
【００１８】
図３は本発明の実施例を示す赤外光検出素子の模式図である。なお、参考例と同様の部分には同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００１９】
この実施例では、量子箱１を囲むＧａＡｓからなる感光薄膜２と薄膜導通路９間の障壁を、それぞれの薄膜と垂直方向（ｚ方向）に配置された第１のゲート電極１１又は第２のゲート電極１２のいずれかへの電位の付与により、調整可能にしている。つまり、赤外光がない場合には、量子箱１に電子を確実に拘束し、つまり、暗電流を０になし、赤外光の照射がある場合には、量子箱に拘束されていた電子を確実に流出させて導出できる。
【００２０】
さらに、電子の移動は感光薄膜と薄膜導通路の量子力学的な結合度を変化させることで制御できる。
【００２１】
なお、実施例における第１のゲート電極１１又は第２のゲート電極１２はいずれか一方のみを配置するようにしてもよいことは言うまでもない。
【００２２】
また、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００２３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００２４】
（１）赤外光の照射により量子箱に閉じ込められていた電子を薄膜導通路を介して確実に検出することができる。
【００２５】
（２）電子を拘束している量子箱を含む感光薄膜と薄膜導通路の電子数や結合度をゲート電極などで調整することにより、赤外光の照射により、量子箱に拘束されていた電子を確実に流出させて導出する過程を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の参考例を示す赤外光検出素子の模式図である。
【図２】  本発明の参考例を示す赤外光検出素子の動作の説明のためのバンドプロファイル模式図である。
【図３】  本発明の実施例を示す赤外光検出素子の模式図である。
【図４】  従来の赤外光検出素子の模式図である。
【図５】  従来の赤外光検出素子の動作を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１    ＩｎＡｓからなる量子箱
２    感光薄膜（ＧａＡｓ膜）
３    ＡｌＧａＡｓからなる極薄障壁膜
４，５    電極
６    直流電源
７，８    アース線
９    薄膜導通路（ＧａＡｓ層）
１０    ＡｌＧａＡｓからなる外部障壁膜
１１    第１のゲート電極
１２    第２のゲート電極
【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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