特集

テラヘルツ技術特集

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3-2 検出器
3-2 Detector

3-2-1

量子井戸型テラヘルツ帯検出器

3-2-1 Terahertz Frontside-Illuminated Quantum Well
Photodetector
パトラシン ミハイル寳迫 巌Mikhail Patrashin and HOSAKO Iwao
要旨
正面入射の GaAs / AlGaAs 量子井戸型検出器について実証した。この検出器は目的ピーク周波数を
3 THz とする量子井戸（QW）のサブバンド間吸収を利用する。多量子井戸構造は、2 % のアルミニウ
ム合金含有量を持つ 80 nm バリアによって隔てられた 18 nm QW が、20 回反復することによって構成されている。暗電流、レスポンシビティー及び分光感度の特性を測定した。40 mV のバイアス電界
及び 3 K の動作温度において、13 mA / W のレスポンシビティーが得られた。また、ピーク応答は設計上の検出周波数に近かった。暗電流密度は数μA / cm2 であり、量子バリアの熱アシストトンネリン
グによる制約を受けた。素子性能の最適化を実現するための設計についても考察した。

We have demonstrated the operation of a frontside-illuminated GaAs / AlGaAs quantum well
photodetector based on intersubband absorption in a quantum well (QW) with a targeted peakfrequency of 3 THz. A multiple quantum well structure consists of 20 periods of 18 nm QWs
interleaved by 80 nm barriers with an Al alloy content of 2 %. We measured the following
performance characteristics: dark current, responsivity, and spectral response. A responsivity of
13 mA / W at an electric bias of 40 mV and an operating temperature of 3 K was obtained with apeak
response close to the designed detection frequency. The dark current density was a few
0
μA/cm2 and was limited by thermally assisted tunneling through the barriers. We looked also at
possible designs to optimize the device's performance.
［キーワード］テラヘルツ，量子井戸型検出器，サブバンド間遷移
Terahertz, Quantum well photodetector, Intersubband transition

近年、テラヘルツ（THz）帯放射の実用的発生源

おけるヘテロダイン受信器ミキサーの性能が大幅−［9］及び検出器を開発する作業が続けられている［1］。

に向上している。具体的には、超伝導−絶縁帯−

テラヘルツイメージング、分光分析及び通信と超伝導（SIS）トンネル接合や超伝導ホットエレク

いった今後の応用分野では、直接検出法及びヘテ［8］
トロンボロメータ（HEB）などがある［7］。一部

ロダイン検出法が使用されると考えられる。このの用途では、それより高周波側に対して外因性半方法では、適切なテラヘルツ放射発生源と高速・導体を用いた、有用な光子検出器が幾つか存在す

高感度の多素子検出器が必要となる。従来、テラる。例えば、外因性 Ge：Ga 光検出器の直接検波

ヘルツ帯スペクトルの検出器は選択肢がかなり限は、同じ温度で動作する超伝導ボロメータに比べられていた。しかし現在では、1 〜 2 THz 未満にて、感度が数けた分上回っている［9］。

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検出器において大きな進展はあったものの、実性化するため、井戸の中心に Si をドープしてい用的なイメージングに必要となる大型アレイ検出

る。これは QW の基底サブバンド E 1 を占める。

器はいまだに実現されていない。現在の方式を飛バリアは非ドープである。検出器サンプルでは、躍的に改善及び進歩させたとしても、必要な条件

0.4μm の上部電極層と 0.8μm の下部電極層の間を達成できないか、もしくは極端に高価となる可に、このような QWが 20 個挟持されている（図 2）。

能性がある。この場合、新たな素子コンセプトや不純物濃度は、E1 が必ず、ほぼ完全に占有され材料を検討する価値がある。

るように選択することにする。ここで、占有状態

GaAs/AlGaAs などの化合物半導体によって得のサブバンドが一つだけで、かつ kT ＜＜ E2−E1られる、信頼性が高く定評のある物質系は、目的の低動作温度を仮定すると、フェルミレベル E Fのスペクトルレンジを持つ量子井戸型検出器の作と井戸内電子ガスの 2 次元密度 nwとを関係づけ製に使用できる。この素子の動作は量子井戸

る式は簡単になり、nw =（m*/π 2）（EF−E1 ）とな（QW）におけるサブバンド間吸収に基づくため、る。ここに m* は電子の有効質量である。不純物

QW 層に対して適切な幅を選択し、かつバリア層濃度の上限値 n*w は、E F がサブバンド E 2 のすぐの金属化合物に対して適切な組成を与えることに下にあるケースに対応する。このとき、n*w =（m*/よって適切なバンド構造が実現する。この素子はπ 2）（E2−E1 ）=（m*/π 2）ΔE21 である。私たち

最近まで、主として近赤外や中赤外素子に使用さの検出器の場合、サブバンド間のギャップはれていた。その加工技術は完全に成熟しており、最大 1024 × 1024 ピクセルの大型赤外線検出器

ΔE21 = 11.1 meV である。対応する値は n*w =（m*/π 2）ΔE21 ≈ 3.1×10 11 cm−2 である。2 次元密度アレイが既に実証されている［10］。暗電流が最低が n*w を超える不純物レベルでは、E2 が一部しかレベルとなる QW 検出器の最適設計は、量子井充填されず、目標ピーク周波数において暗電流が戸における最初の励起状態がバリアの最上レベル

増えるとともに、光吸収特性が改善しないまま光と一致する（準束縛状態に拘束される）状況に対応

検出器の分光感度が広がってしまう。私たちのサする。同様の方法を 1 〜 8 THz の範囲に適用す

ンプルに対して選択した nw の実測値は、n*w の約

れば、QW 構造のパラメータはバリアではアルミ

3 分の 1 であった。これは 5.6×1016 cm−3 のバル

ニウム含有量が数パーセント（1 〜 5 ％）、QW の

ク密度に対応する。

幅が 10 〜 30 nm となる［5］。

0電極層に対して最適な不純物添加 nc を実施す

サブバンド間共鳴周波数が 3 THz（波長：約ると、安定した低抵抗のオーム性電極が実現する

100μm）である QW 構造のバンド図を図 1 に示と同時に、検出器の正面入射に対して十分な透過す。この構造は、18 nm の GaAs QWと 80 nm の性が実現する。素子の想定動作温度は低い（10 K

AlGaAs バリア（アルミニウム化合物含有量は未満）ため、nc = 2×1018 cm−3 という比較的高い2 ％）で構成されている。サブバンド間吸収を活

不純物濃度を選択した。1 〜 4 THz のテラヘルツ

図1

サブバンド間共鳴周波数が 3 THz（波長：約100μm）の QW 構造のバンド図
この構造は、18 nm の GaAs QW とアルミニウム合金含有量が 2 % の AlGaAs バリアで構成されている。

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時間領域分光法（THz TDS）による透過率測定を様々なトンネル機構に直接影響する。様々なバリ実施したところ、入射放射のわずか数パーセント

ア幅及び井戸内の不純物濃度が予測暗電流に与えしか電極層を透過していないことが判明した

る複合的な影響について、数値シミュレーション（図 3）。電極層の不純物濃度を 1×1017 cm−3 に低を実施し、トンネリングの予測電流密度が減すると、透過率は 60 ％ 超まで改善する。ただ10−6A/cm2 を下回るための最適値として、80 nm

し、不純物濃度が 1×1018 cm−3 を下回るときの電のバリア幅を選択した。

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極の低温特性については、まだ試験を実施してい分子線エピタキシャル成長法（MBE）によって、絶縁性 GaAs 基板上にサンプルを成長させた。

ない。
検出器の設計においてもう一つ重要なポイント

X 線回折、走査型電子顕微鏡／エネルギー分散型

は、バリア厚さの選択である。これは暗電流の分光装置（SEM/EDS）及びフォトルミネッセンス（PL）による測定を行い、サンプルの組成、周期及びエネルギー構造を決定した。アルミニウム含有量は低かった（2 ％）ものの、MBE 成長と矛盾のない結果が得られ、意図したパラメータとの差
異はわずかであった。
これらのサンプルを標準的な加工方法によって加工し、サイズが異なる単素子型の四角形メサを作製した。垂直入射のテラヘルツ放射がこの構造によって吸収されるサブバンド間吸収の選択則を満たすため、1 次元の金属製回折格子型結合器を
上記メサの上面に形成した。この結合器は検出器の上部電極の機能も果たす。特定のカットオフ波

図2

MBE によって成長させた量子井戸型テ
ラヘルツ帯検出器の構造概要

長 λc に関する従来の設計慣行に従い、周期が0100μm（λc）
、50μm（λc/2）及び 25μm（λc/4）の金属回折格子を備えたサンプルを作製した［11］。
本稿で示したのは、50μm 周期の金属回折格子を備えた 1 × 1 mm2 の光検出器による実験結果である。
検出器サンプルを機械式冷凍機に入れた。この冷凍機は T =（3 − 300）K の範囲において温度を安定化する機能を備えていた。検出器を冷却シー
ルドで完全に覆い、それを温度 T = 40 K に維持した状態で、暗電流の測定を実施した。光電子測定においてサンプルは外部からの光子束にさらされた。この光子束は、冷却シールドに取り付けられた（かつ同じ温度に維持され）フィルタモジュー
ル及び冷凍機の外部シールドに備わり、結果的に60˚ の視野を持つ室温テフロン窓を通して入射し

図3

QW 構造におけるテラヘルツ帯の透過率に Si の不純物濃度が与える影響を、時間領域分光法（THz TDS）によって測定した結果。不純物濃度が 2×1018cm−3の電極層は、入射放射の数パーセントしか透過していない。不純物濃度を 2×1017cm−3 に下げると、透過率は 30 %まで上昇するた。フィルタ一式を備えたフィルタモジュールは
可視光及び近赤外・中赤外光を遮断し、目的のテ
ラヘルツ帯スペクトルレンジにおいて確実な帯域
透過フィルタとして機能する。光検出器の分光感度をフーリエ分光器（FTS）によって測定した。
暗電流と印加電界の関係が温度によって変わる

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様子を図 4 に示す。検出器は ± 60 mV 以内のバ

校正済みの黒体輻射源を用いて、検出器のレス

イアス電圧及び 3 K 以上の動作温度において安定

ポンシビティーを測定した。電流−電圧特性を幾した動作を示した。バイアスが負電圧と正電圧のつかの光子束条件下で比較することによって、間で変動しても、電流−電圧特性のヒステリシス

40 mV のバイアス電界及び 3 K の動作温度におは生じなかった。このことは、極低温においてもいて 13 mA/W のレスポンシビティーを得た。レ

良好な電極特性が維持されていることを示していスポンシビティーの値が低いのは、不純物濃度のる。予想どおり、データ中には 2 種類の暗電流メ高い上部電極層において入射放射の損失が大きい

カニズムしか存在しない。T = 6 K の温度までは、ことと、素子に使用される 1 次元の単純な回折格

熱放出に関連する電流が温度に依存して指数関数

子型結合器の結合効率があまり高くないためであ的に増減する傾向が支配的である。低温側では、る。既に触れたように、電極層の不純物濃度を下

熱アシストトンネリングが暗電流の主要因となる。

げることによってその透過率を最大 60 ％まで改古典的な熱放出から量子力学的なトンネリングに善することができる。このことはレスポンシビ

次第に移り変わる様子を、図 5 にやや詳しく表示

ティーを直接向上させる。極低温において良好なする。曲線は 1μA/cm 付近で平坦化しており、電極特性を確実に得るためには、上記の電極につ

温度依存性が低下している。このことは、共鳴にいて、更なる試験が必要である。

2

よる井戸間トンネリングや不純物介在型トンネリ

検出器の分光感度を図 6 に示す。測定値の S/N

ングといった別の電流メカニズムが、80 nm の比改善のため、バイアス源を組み込んだ、バッテ

バリアによって無視できるレベルまで抑制されリ給電式のフィードバックプリアンプを使用していることを示している。暗電流の熱電子成分

た。下部電極に 40 mV の正バイアスを印加するの標準モデル JD 〜 Texp（ΔEa/kT（）例えば［12］−［14］）一方、上部電極はプリアンプのフィードバックにを実験データに当てはめることによって、活性化

よって仮想接地電位に維持した。 ピーク周波数

エネルギー ΔEa = E2−EF = 10.5 meV を得た。この測定値は設計値と十分な一致を示した。しかし、の結果 E F 〜 1 meV が得られる。E F = π 2n w /実験で得たスペクトルと予測スペクトルの間には*

m = 3 . 6 meV によって井戸内不純物濃度から EF

かい離があった。これは、モデルに使用した仮定を推定すると、不純物の有効濃度はが少なかったためだと考えられる。例えば、連続

0

11

−2

nw = 1× 10 cm の設計値より小さいと考えられ準位による固有状態を少ししか計算に含めなかっる。

たため、孤立準位から連続準位への遷移によって

図5

図4

暗電流と、バイアス電圧及び温度との関係± 60 mV において素子は安定した動作を示し、その特性はほぼ対称であった。

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± 40 mV のバイアス電圧における暗電流と温度との関係
実 線 0は 熱 電 子 成 分 の 標 準 モ デ ル に よ る J D 〜 T e x p（ΔEa/kT ）による当てはめを示す（ΔEa = 10.5 meVが得られた）。電流は 6 K より低温において 1μ
A/cm2 付近で平坦化し、バリアの熱アシストトンネリ
ングによって制限される。

分かっていない。考えられる理由のうち妥当なものとして、不純物による吸収と回折格子型結合器
における一様でない分光特性がある。ドープした

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QW の吸収度は井戸内の温度、不純物濃度及び不純物の分布に複雑に依存する。この効果は、QW
サブバンドの近傍に共鳴不純物バンドが形成されること（例えば E2 直下の 2pz）及び不純物の結合エネルギーがその 3 次元バルク値に比べて高い（最大で 2 〜 3 倍）ことに関係する［15］−［17］。私たちの実験条件に近い低温域及び中程度の不純物濃度では、最下位の不純物バンドにおけるキャリアの凍結によってサブバンド間遷移に替わる光吸収［19］メカニズムが存在する可能性がある［18］。

図6

検出器の応答感度を正規化したスペクト
ル（実線）と数値シミュレーションの結果測定された応答感度は、設計上の検出周波数に近い。
モデルでは量子井戸がどれも同じであること、バリアのアルミニウム含有量が一定（2 %）であること及び電界が一様であることを仮定した。孤立準位から連続準位への遷移によってスペクトル幅が拡大する効果については、計算に盛り込まれていない。

検出器について測定された分光感度が予測と異なるもう一つの要因として、回折格子型結合器の特性が考えられる。結合効率の周波数依存性によって不均一な結合が発生すれば、検出器の実際のスペクトル特性が隠されてしまう。今後の数値
シミュレーションと実験においては、今回の実験結果を説明する背景的メカニズムを明らかにした生じるスペクトル幅の拡大を正確に見積もれない。

かった可能性がある。このほか、モデルでは量子結論として、本稿では、正面入射の井戸がどれも同じであること、バリアのアルミニ

GaAs/AlGaAs 量子井戸型テラヘルツ帯検出器のウム含有量が一定（2 ％）であること及び電界が一動作を示した。これは目的のピーク周波数を様であることを仮定していた。光検出器について

3 THz とする量子井戸（QW）のサブバンド間吸収

得られる分光感度は各井戸の効果が総合的に表れを利用する。設計上の検討及び実験の結果は、井るため、一部の量子井戸における成長パラメータ

戸内及び電極の不純物濃度の最適化並びに回折格

や動作条件のばらつきが、スペクトル形に影響を子型結合器の設計改良によって、性能を大幅に改与えている可能性がある。スペクトルが低周波側善する余地があることを示している。

で強いという非対称性の原因についてはまだよく

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Mikhail Patrashin
新世代ネットワーク研究センター光波
量子・ミリ波 ICT グループ 博士（理学）
量子井戸型テラヘルツ帯検出器

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情報通信研究機構季報Vol.54 No.1 2008

ほう さこ

寳迫

いわお

巌

新世代ネットワーク研究センター光波
量子・ミリ波 ICT グループ研究マネージャー 博士（理学）
テラヘルツ帯半導体素子とその計測応
用