半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、吸収井戸層として機能する第1井戸層を含むn個nは4以上の整数の量子井戸層、及びn個の量子障壁層からなる単位積層体が多段に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、前記単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、前記吸収井戸層に起因する検出下準位、検出上準位と、前記吸収井戸層を除く第2井戸層~第n井戸層に起因する第2準位~第n準位とを有し、前記吸収井戸層における前記検出下準位と前記検出上準位との間でのサブバンド間吸収によって光を検出するとともに、前記サブバンド間吸収によって前記検出上準位へと励起された電子は、共鳴トンネル効果によって前記第2準位へと移動し、第2準位~第n準位による抽出準位構造を介して後段の単位積層体の吸収井戸層へと抽出され、前記第2準位と第3準位とのエネルギー間隔ΔE23は、縦光学フォノンのエネルギーELOに対して、条件ELO≦ΔE23≦2×ELOを満たすように設定されるとともに、前記第3準位と第4準位とのエネルギー間隔ΔE34は、条件ΔE34<ELOを満たすように設定されることを特徴とする量子カスケード検出器。前記第2準位と前記第4準位とのエネルギー間隔ΔE24は、条件ΔE23<ΔE24≦2×ELOを満たすように設定されることを特徴とする請求項1記載の量子カスケード検出器。前記第3準位と前記第4準位とのエネルギー間隔ΔE34は、条件ΔE34≦25meVを満たすように設定されることを特徴とする請求項1または2記載の量子カスケード検出器。前記検出上準位と、前記第2準位とは、準位間の反交差ギャップΔEACが、条件5meV≦ΔEAC≦30meVを満たすように設定されることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。前記単位積層体において、前記吸収井戸層は、n型不純物がドープされた半導体層からなることを特徴とする請求項1~4のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。前記単位積層体において、前記第2井戸層~前記第n井戸層は、それぞれアンドープの半導体層からなることを特徴とする請求項1~5のいずれか一項記載の量子カスケード検出器。量子カスケード検出器では、上記したGaAs/AlGaAs量子カスケード構造を用いたもの以外にも、他の材料系、例えばInGaAs/InAlAs非特許文献2、InGaAs/AlAsSb非特許文献3を用いて、様々な波長帯での光検出動作が報告されている。しかしながら、その光検出感度は、従来の光検出器に比べて低いレベルに留まっている。この低い感度の原因としては、現状の量子カスケード検出器では、キャリア輸送がまだ非効率的な状態になっていることが考えられる。実際、検出器の形態が提案されていない2002年の段階で、量子カスケードレーザを検出器として用いた例が報告されているが非特許文献4、このときの感度はμA/Wレベルと非常に低い値であった。その後、量子カスケード検出器の開発において、電子輸送が機能するように準位を設定することによって、その感度は大幅に向上している。しかしながら、これらの検出器においても、電流経路が確保されるように構成されてはいるものの、その定量的な設計は充分には行われていない。したがって、例えば、吸収井戸層の基底準位検出下準位から光吸収によって上位励起準位検出上準位に励起された電子が、電流として取り出されずに再び基底準位に緩和してしまうなど、充分な光検出感度は実現されていない。本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器を提供することを目的とする。このような目的を達成するために、本発明による量子カスケード検出器は、1半導体基板と、2半導体基板上に設けられ、吸収井戸層として機能する第1井戸層を含むn個nは4以上の整数の量子井戸層、及びn個の量子障壁層からなる単位積層体が多段に積層されたカスケード構造が形成された活性層とを備え、3単位積層体は、そのサブバンド準位構造において、吸収井戸層に起因する検出下準位、検出上準位と、吸収井戸層を除く第2井戸層~第n井戸層に起因する第2準位~第n準位とを有し、4吸収井戸層における検出下準位と検出上準位との間でのサブバンド間吸収によって光を検出するとともに、サブバンド間吸収によって検出上準位へと励起された電子は、共鳴トンネル効果によって第2準位へと移動し、第2準位~第n準位による抽出準位構造を介して、後段の単位積層体の吸収井戸層へと抽出され、5第2準位と第3準位とのエネルギー間隔ΔE23は、縦光学LO:LongitudinalOpticalフォノンのエネルギーELOに対して、条件ELO≦ΔE23≦2×ELOを満たすように設定されるとともに、第3準位と第4準位とのエネルギー間隔ΔE34は、条件ΔE34<ELOを満たすように設定されることを特徴とする。上記した量子カスケード検出器では、活性層において、第1井戸層~第n井戸層、及び第1障壁層~第n障壁層が交互に積層されて構成される単位積層体によるカスケード構造を用いている。そして、単位積層体でのサブバンド準位構造について、第1井戸層吸収井戸層において、光吸収によるサブバンド間の電子励起に関わる検出下準位、検出上準位を設け、また、第2井戸層~第n井戸層を含む抽出構造部において、電子の輸送、抽出に関わる第2準位~第n準位による抽出準位構造を設けている。このような準位構造によれば、サブバンド間の光吸収、及び光吸収で生じた電流を取り出すことによる光検出動作を好適に実現することができる。また、上記構成では、光吸収によって検出上準位へと励起された電子を、共鳴トンネル効果によって第2準位へと移動、緩和させるとともに、第2準位~第n準位による抽出準位構造において、第2準位と第3準位とのエネルギー間隔を、条件ELO≦ΔE23≦2×ELOを満たすように設定している。このような構成では、共鳴トンネル効果によって検出上準位から第2準位へと移動した電子は、LOフォノン散乱を介して第2準位から高速で引き抜かれることとなる。これにより、光吸収によって検出上準位に励起された電子が、再び検出下準位へと緩和してしまうことを抑制することができる。さらに、上記構成では、第3準位と第4準位とのエネルギー間隔を、条件ΔE34<ELOを満たすように設定している。このように、第3、第4準位のエネルギー間隔をLOフォノンのエネルギーよりも小さく設定する構成によれば、第3、第4準位を含む複数の準位を、LOフォノン散乱による第2準位からの電子の引き抜き先の準位として機能させることができ、電子の輸送を安定化、高速化することができる。また、このように電子の引き抜き先を複数の準位とする構成では、電子の引き抜き構造の設計が容易化されるとともに、検出器の製造時における特性の安定化、及び歩留まりの向上を実現することが可能となる。以上により、入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器を好適に実現することができる。なお、上記のような単位積層体でのサブバンド準位構造は、単位積層体での量子井戸構造の設計によって、設計、制御することが可能である。ここで、上記した量子カスケード検出器でのサブバンド準位構造において、第2準位と第4準位とのエネルギー間隔ΔE24は、条件ΔE23<ΔE24≦2×ELOを満たすように設定されることが好ましい。これにより、第2準位から第3、第4準位の2準位へのLOフォノン散乱等による電子の引き抜きを好適に実現して、抽出準位構造における後段の単位積層体への電子の輸送を安定化、高速化することができる。また、第2準位からの電子の引き抜き先の準位として機能する第3準位と第4準位とのエネルギー間隔ΔE34は、さらに、条件ΔE34≦25meVを満たすように設定されることが好ましい。これにより、第2準位からの電子の引き抜きをさらに高速化、安定化して、抽出準位構造における後段の単位積層体への電子の輸送を好適に実現することができる。また、吸収井戸層に起因する検出上準位と、第2井戸層に起因する第2準位とは、準位間の反交差のエネルギーギャップアンチクロッシングギャップΔEACが、条件5meV≦ΔEAC≦30meVを満たすように設定されることが好ましい。これにより、検出上準位から第2準位へと、共鳴トンネル効果によって高速、高効率で電子を移動させることができる。また、単位積層体において、吸収井戸層は、n型不純物がドープされた半導体層からなることが好ましい。これにより、吸収井戸層における検出下準位、上準位間でのサブバンド間吸収による光検出を好適に実現することができる。また、電子の抽出構造を構成する他の井戸層については、単位積層体において、第2井戸層~第n井戸層は、それぞれアンドープの半導体層からなることが好ましい。本発明の量子カスケード検出器によれば、活性層を構成する単位積層体でのサブバンド準位構造について、吸収井戸層において、検出下準位、上準位を設け、第2~第n井戸層を含む抽出構造部において、第2~第n準位による抽出準位構造を設けるとともに、検出上準位へと励起された電子を、共鳴トンネル効果によって第2準位へと移動させ、また、第2準位と第3準位とのエネルギー間隔をELO≦ΔE23≦2×ELOとして設定し、第3準位と第4準位とのエネルギー間隔をΔE34<ELOとして設定することにより、入射光に対する光検出感度を向上することが可能となる。以下、図面とともに本発明による量子カスケード検出器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。図1は、本発明による量子カスケード検出器の基本構成について、その一例を模式的に示す図である。本実施形態の量子カスケード検出器1Aは、半導体量子井戸構造におけるサブバンド間の電子励起による光吸収を利用して光を検出する光検出器である。この量子カスケード検出器1Aは、半導体基板10と、半導体基板10上に形成された活性層15とを備えて構成されている。活性層15は、入射光の吸収に用いられる吸収井戸層を含む半導体積層体が多段に積層されたカスケード構造を有する。具体的には、nを4以上の整数として、吸収井戸層として機能する第1井戸層を含むn個の量子井戸層、及びn個の量子障壁層からなる半導体積層構造を1周期分の単位積層体16とし、この単位積層体16を多段に積層することで、カスケード構造を有する活性層15が構成されている。活性層15における単位積層体16の積層数は、検出器1Aにおいて必要とされる光検出特性などに応じて適宜設定される。また、活性層15は、半導体基板10上に直接に、あるいは他の半導体層を介して形成される。図1に示した構成例では、半導体基板10上に、基板側から順に、下部コンタクト層11、単位積層体16が多段に積層された活性層15、及び上部コンタクト層12が順次積層されることで、量子カスケード検出器1Aの素子構造が形成されている。図2は、図1に示した量子カスケード検出器1Aの活性層におけるサブバンド準位構造について示す図である。図2に示すように、活性層15に含まれる複数の単位積層体16のそれぞれは、前段の単位積層体16a側から順に、第1障壁層171と、第1井戸層である吸収井戸層161と、抽出構造部18とによって構成されている。また、抽出構造部18は、第2障壁層~第n障壁層及び第2井戸層~第n井戸層が交互に積層されることで構成されている。このような構成により、単位積層体16中においては、量子井戸構造によるエネルギー準位構造であるサブバンド準位構造が形成される。本実施形態における単位積層体16は、そのサブバンド準位構造において、吸収井戸層161に起因する検出下準位L1a、検出上準位L1bと、吸収井戸層を除く抽出構造部18の各井戸層に起因する第2準位L2、第3準位L3、第4準位L4、...、第n準位Lnとを有している。第2準位L2~第n準位Lnは、例えば、第2井戸層~第n井戸層に起因し、量子力学的に結合した結果生成される準位である。これらのエネルギー準位のうち、検出下準位L1a、上準位L1bは、サブバンド間の電子励起による光吸収に関わる準位である。また、第2準位L2~第n準位Lnは、光吸収で励起された電子の緩和、輸送、抽出に関わる抽出準位構造緩和準位構造を構成している。ここで、検出下準位L1aは、例えば、吸収井戸層161における基底準位に対応する準位である。また、検出上準位L1bは、検出下準位L1aよりも高いエネルギー準位であって、例えば、吸収井戸層161における励起準位に対応する準位である。また、第2準位L2~第n準位Lnは、例えば、それぞれ第2井戸層~第n井戸層における基底準位に起因する準位である。なお、抽出準位構造を構成する第2準位L2~第n準位Lnについては、通常は、吸収井戸層161側の第2準位L2から後段の単位積層体16b側の第n準位Lnに向けて順次エネルギーが低くなるように設定される。ただし、これらの準位のエネルギー順序は、電子の輸送が可能であれば一部で入れ替わっても良い。また、各サブバンド準位のエネルギー間隔については、検出上準位L1bと電子引き抜き用の第2準位L2とのエネルギー間隔ΔE12は、共鳴トンネル効果による電子の移動を考慮して、準位間の結合が充分に大きくなるように設定される。この準位間の結合の大きさは、後述するように、準位間の反交差アンチクロッシングのエネルギーギャップによって評価することができる。第2準位L2と第3準位L3とのエネルギー間隔ΔE23は、縦光学フォノンLOフォノンのエネルギーELOに対して、ELO以上、2×ELO以下となる下記の条件ELO≦ΔE23≦2×ELOを満たすように設定されている。また、第3準位L3と第4準位L4とのエネルギー間隔ΔE34は、ELOよりも小さい下記の条件ΔE34<ELOを満たすように設定されている。ここで、LOフォノンのエネルギーELOは、例えば、量子井戸層の半導体材料としてInGaAsを想定した場合、ELO=34meVである。また、LOフォノンのエネルギーELOは、量子井戸層をGaAsとした場合に36meV、InAsとした場合に32meVであり、上記した34meVとほぼ同程度である。また、上記した準位間のエネルギー間隔ΔE23、ΔE34のELOに関する設定条件は、抽出準位構造における電子の輸送の高速化、高効率化を考慮したものである。このようなサブバンド準位構造において、光が入射される以前には、ドーピングされた半導体層を用いることにより、吸収井戸層161の検出下準位L1aに電子が蓄積されている。検出対象の光hνが活性層15に入射すると、下準位L1aに存在する電子は、サブバンド間での光の吸収によって検出上準位L1bへと励起される。上準位1bに励起された電子は、共鳴トンネル効果によって第2準位L2へと高速で引き抜かれ、さらに、第2準位L2~第n準位Lnによる抽出準位構造を介し、第2準位L2から第3、第4準位L3、L4へのLOフォノン散乱などの緩和過程を経て、後段の単位積層体16bの吸収井戸層の検出下準位L1aへと高速で輸送、抽出される。このような光吸収による電子励起、励起された電子の緩和、輸送、及び次周期の単位積層体への電子の抽出を、活性層15を構成する複数の単位積層体16で繰り返すことにより、活性層15においてカスケード的な光吸収が起こる。そして、これによって発生する順方向の電流を取り出し、その電流量を計測することで、入射光hνが検出される。本実施形態による量子カスケード検出器1Aの効果について説明する。図1及び図2に示した量子カスケード検出器1Aでは、活性層15において、第1井戸層~第n井戸層、及び第1障壁層~第n障壁層が交互に積層されて構成される単位積層体16によるカスケード構造を用いている。そして、単位積層体16でのサブバンド準位構造について、吸収井戸層161において、光吸収によるサブバンド間の電子励起に関わる検出下準位L1a、検出上準位L1bを設け、抽出構造部18において、次周期の単位積層体16bへの電子の輸送、抽出に関わる第2準位L2~第n準位Lnによる抽出準位構造を設けている。このような準位構造によれば、サブバンド間の光吸収、及び光吸収で生じた電流の取り出しによる光検出動作を好適に実現することができる。また、上記構成では、井戸層161での光吸収によって検出上準位L1bへと励起された電子を、共鳴トンネル効果によって第2準位L2へと移動、緩和させることで、電子を高速で引き抜くとともに、第2準位L2~第n準位Lnによる抽出準位構造において、第2準位L2と第3準位L3とのエネルギー間隔を、条件ELO≦ΔE23≦2×ELOを満たすように設定している。このような構成では、共鳴トンネル効果によって検出上準位L1bから第2準位L2へと移動した電子は、LOフォノン散乱を介して第2準位L2から第3以降の準位へと高速で引き抜かれることとなる。これにより、上準位L1bに励起された電子が、後段の単位積層体16bへと輸送されずに再び下準位L1aに緩和してしまうことを抑制して、光検出動作の効率を向上することができる。さらに、上記構成では、第3準位L3と第4準位L4とのエネルギー間隔を、条件ΔE34<ELOを満たすように設定している。このように、第3準位L3と第4準位L4とのエネルギー間隔をLOフォノンのエネルギーよりも小さく設定して、それらの準位を近接させる構成によれば、第3、第4準位L3、L4を含む複数の準位を、LOフォノン散乱による第2準位L2からの電子の引き抜き先の準位として機能させることができる。これにより、抽出準位構造における電子の輸送を安定化、高速化することができる。また、このように電子の引き抜き先を複数の準位とする構成では、電子の引き抜き構造の設計が容易化されるとともに、検出器の製造時における特性の安定化、結晶成長揺らぎへの自由度向上、及び歩留まりの向上等を実現することが可能となる。以上により、吸収井戸層161において光吸収によって励起されたキャリア電子を、効率的に順方向電流として機能させることで、入射光に対する光検出感度が向上された量子カスケード検出器を好適に実現することができる。なお、上記したような単位積層体16におけるサブバンド準位構造は、単位積層体16での量子井戸構造の設計によって、設計、制御することが可能である。ここで、上記した量子カスケード検出器1Aでのサブバンド準位構造において、第2準位L2と第4準位L4とのエネルギー間隔ΔE24は、条件ΔE23<ΔE24≦2×ELOを満たすように設定されることが好ましい。このように、エネルギー間隔ΔE24の上限を、ΔE23と同様に2×ELOとすることにより、第2準位L2から第3、第4準位L3、L4の2準位へのLOフォノン散乱等による電子の高速での引き抜きを好適に実現することができる。これにより、第2準位L2~第n準位Lnの抽出準位構造における後段の単位積層体16bへの電子の輸送をさらに安定化、高速化することができる。また、第2準位L2からの電子の引き抜き先の準位として機能するように近接して設定される第3準位L3と第4準位L4とのエネルギー間隔ΔE34は、さらに、条件ΔE34≦25meVを満たすように設定されることが好ましい。これにより、第2準位L2からの電子の引き抜きをさらに高速化、安定化して、抽出準位構造における後段の単位積層体16bへの電子の輸送を好適に実現することができる。また、単位積層体16において、吸収井戸層161は、電子を供給するn型の不純物がドープされた半導体層からなることが好ましい。これにより、吸収井戸層161における検出下準位L1a、上準位L1b間でのサブバンド間吸収による光検出を好適に実現することができる。また、検出上準位L1bに励起された電子の抽出構造を構成する他の井戸層については、単位積層体16において、第2井戸層~第n井戸層は、それぞれアンドープの半導体層からなることが好ましい。これにより、抽出準位構造が形成された抽出構造部18において、電子を好適に輸送することができる。また、検出上準位L1bから第2準位L2への共鳴トンネル効果による電子の引き抜きについては、吸収井戸層161に起因する検出上準位L1bと、第2井戸層に起因する第2準位L2とは、準位間での反交差のエネルギーギャップアンチクロッシングギャップΔEACが、条件5meV≦ΔEAC≦30meVを満たすように設定されることが好ましい。これにより、検出上準位L1bから第2準位L2へと、共鳴トンネル効果によって、光吸収で励起された電子を高速、高効率で緩和、移動させることができる。ここで、アンチクロッシングギャップは、対象とする2つの準位の結合の大きさを表すものであり、具体的には、2つの準位が電界の印加等により同じエネルギーに位置したときに形成される準位間隔によって定義される。図3は、後述する量子カスケード検出器の実施例における検出上準位L1bと第2準位L2との準位間でのアンチクロッシングギャップΔEACについて示すグラフである。図3のグラフaは、下準位L1aと上準位L1bとのエネルギー差E1b-1a、及び下準位L1aと第2準位L2とのエネルギー差E2-1aを示している。このグラフaにおいて、横軸は電界強度kV/cmを示し、縦軸はエネルギーeVを示している。また、図3のグラフbは、下準位L1aと上準位L1bとの準位間の双極子モーメントZ1b-1a、及び下準位L1aと第2準位L2との準位間の双極子モーメントZ2-1aを示している。このグラフbにおいて、横軸は電界強度kV/cmを示し、縦軸は双極子モーメントnmを示している。なお、図3のグラフa、グラフbで、横軸の電界強度は共通である。また、これらの図3のグラフでは、後述する図4に示す具体的な構成例を想定している。仮に、2つの準位間に相互作用がないときには、図3aのエネルギー分散図において破線によって示すように、エネルギーの分散曲線が交差する。一方、準位間に相互作用がある場合には、図3aに示すようにギャップが生じ、このエネルギーギャップが、アンチクロッシングギャップΔEACと呼ばれる。なお、アンチクロッシングギャップについては、エネルギー間隔の半値で表す場合等もあるが、ここでは、上記したようにエネルギー幅そのものをアンチクロッシングギャップとして定義している。本発明による量子カスケード検出器の構成について、活性層での量子井戸構造を含む素子構造の具体例とともに説明する。ここでは、量子カスケード検出器における全体の層構造については、図1に示した構成を用いている。また、図4は、図1に示した量子カスケード検出器における活性層を構成する単位積層体の構成の一例を示す図である。本構成例における活性層15の量子井戸構造では、吸収波長を5.43μm吸収エネルギー:228meVとして設計された例を示している。図4においては、活性層15での吸収井戸層161を含む単位積層体16の多段の繰返し構造のうちの一部について、その量子井戸構造及びサブバンド準位構造を示している。また、図1、図4に示した素子構造は、例えば、分子線エピタキシーMBE法、または、有機金属気相エピタキシーMOVPE法による結晶成長で形成することができる。本構成例による量子カスケード検出器1Aの半導体積層構造では、図1に示した構成において、半導体基板10として、n型InP単結晶基板を用いている。そして、このInP基板10上に、基板10側から順に、厚さ600nmのInGaAs下部コンタクト層11、単位積層体16が多段に積層された活性層15、及び厚さ200nmのInGaAs上部コンタクト層12が順次積層されることで、量子カスケード検出器1Aの素子構造が形成されている。本構成例における活性層15は、吸収井戸層161を含む単位積層体16が30周期で積層されて構成されている。また、1周期分の単位積層体16は、図4に示すように、8個の量子井戸層161~168、及び8個の量子障壁層171~178が交互に積層された量子井戸構造として構成されている。これらの単位積層体16の各半導体層のうち、量子井戸層は、それぞれInGaAs層によって構成されている。また、量子障壁層は、それぞれInAlAs層によって構成されている。これにより、活性層15は、InGaAs/InAlAs量子井戸構造によって構成されている。また、このような単位積層体16において、最も前段の単位積層体側の第1障壁層171、及び第1井戸層である吸収井戸層161を除く第2~第8障壁層172~178、及び第2~第8井戸層162~168は、電子の輸送、抽出に用いられる抽出構造部18を構成している。また、光吸収に用いられる吸収井戸層161には、キャリアである電子を供給するために、n型不純物であるSiがドープされている。吸収井戸層161以外の井戸層162~168は、いずれもアンドープ層である。図5に、活性層15における1周期分の単位積層体16の具体的な構造の一例を示す。このような構成において、単位積層体16は、その図4に示すサブバンド準位構造において、吸収井戸層161に起因する検出下準位detectionlowerlevelL1a、検出上準位detectionupperlevelL1b、及び抽出構造部18の第2井戸層162~第8井戸層168にそれぞれ起因する第2準位L2~第8準位L8を有している。また、第2~第8準位L2~L8は、上準位L1bへと励起された電子を後段の単位積層体16bへと輸送する抽出準位構造extractionlevelstructureを構成している。このような構成において、光吸収によって励起されたキャリア電子が順方向に輸送されて電流として取り出されずに、検出上準位L1b及び第2準位L2から下準位L1aへと電子が再び緩和される緩和時間は、1.4ps程度である。これに対して、本構成例では、抽出準位構造に含まれる各準位L2~L8に関して上述したエネルギー間隔等の設定により、高速、高効率で順方向に電流を流して、高感度に検出器として動作させることが可能となっている。なお、単位積層体16を構成する量子井戸層、量子障壁層のそれぞれの層厚は、量子力学に基づいて設計されている。図2及び図4に示した単位積層体16における量子井戸構造、及びそれによるサブバンド準位構造の具体的な構成条件について、具体的な数値、データを参照して説明する。まず、検出上準位L1bと、第2準位L2との準位間での反交差アンチクロッシングギャップΔEACについて説明する。アンチクロッシングギャップは、上述したように2つの量子井戸層2つの量子準位間のカップリングの度合いを示すものであり、2つの井戸層161、162の間にある障壁層172の厚さを無限大としたときに0となり、障壁層172が薄くなると大きくカップリングが強くなる。また、このアンチクロッシングギャップΔEACに対して、検出上準位L1bから第2準位L2への共鳴トンネル効果による電子のトンネル時間τtunnは、によって表すことができる。ここで、である。図6は、検出上準位から第2準位への電子のトンネル時間のアンチクロッシングギャップ依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は検出上準位L1b及び第2準位L2の準位間のアンチクロッシングギャップΔEACmeVを示し、縦軸はトンネル時間τtunnsecを示している。これまでに報告されている量子カスケード検出器でのアンチクロッシングギャップは、例えば6meV程度であり、この場合のトンネル時間はτtunn=0.24ps程度と計算される。これは、上準位L1bから下準位L1aに緩和する緩和時間例えば1.4ps程度よりは速いと言えるが、第2準位L2からの電子の引き抜きのプロセス等と合わせた形で電流となるため、トンネル時間は可能な限り速くする必要がある。したがって、さらにアンチクロッシングギャップを大きくし、速いトンネル時間とすることで、光検出動作のために適した大きな電流を確保することが可能となる。一方、アンチクロッシングギャップを必要以上に大きくした場合には、別の問題が発生する。すなわち、検出上準位L1bから電子を引き抜くための第2準位L2が、もう1つの上準位として機能するようになり、検出下準位L1aから2つの準位L1b、L2への電子遷移が、吸収スペクトルとして区別できるような状態で起こる。この場合には、広帯域の光検出器としては動作するが、光吸収のピーク強度は、アンチクロッシングを適切に設定したものに比べて落ちることになる。図7は、量子カスケード検出器で得られる光吸収スペクトルを示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は吸収エネルギーmeVを示し、縦軸は吸収強度a.u.を示している。また、図7において、グラフA1は、下準位L1aと上準位L1bとの間での吸収スペクトルを示し、グラフA2は、下準位L1aと第2準位L2との間での吸収スペクトルを示し、グラフA0は、それらを合わせた吸収スペクトルを示している。また、この図7では、検出上準位L1bと、第2準位L2とのエネルギー間隔をΔE12=30meVとし、室温動作を仮定した場合の光吸収スペクトルを示している。室温での光吸収スペクトルの半値幅が20meV程度であることを考慮すると、エネルギー間隔ΔE12が30meV程度以上になると、図7のようにスペクトルが割れる可能性がある。したがって、検出上準位L1bと、第2準位L2との準位間のアンチクロッシングギャップについては、上述したように5meV~30meVが適切な範囲である。図4に示した構成例では、高速なトンネル時間とピーク感度との兼ね合いから、図3aに示したように、アンチクロッシングをΔEAC=17meVに設定し、対応するトンネル時間を0.03psとしている。次に、抽出準位構造における第2準位L2、第3準位L3、及び第4準位L4のそれぞれの準位エネルギー、及びエネルギー間隔の設定について説明する。上記したアンチクロッシングの条件を用いて、吸収井戸層161の検出上準位L1bから第2井戸層162の第2準位L2へと電子を高速で移動させた場合も、即座に隣の井戸層の準位へと緩和させなければ、準位L2、L1bからLOフォノン散乱等によって電子が下準位L1aへと戻ってしまい、結果として、順方向の電流に寄与しなくなる可能性がある。したがって、上述したように第2、第3準位L2、L3のエネルギー間隔をELO≦ΔE23≦2×ELOとなるように設定し、好ましくはエネルギー間隔ΔE23をLOフォノンのエネルギーELOに一致させて、第2準位L2に移った電子を後続の準位へと速やかに緩和させる必要がある。図8は、第2準位から第3準位へのLOフォノン散乱による散乱時間の、第2、第3準位のエネルギー間隔への依存性を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は第2準位L2と第3準位L3とのエネルギー間隔ΔE23meVを示し、縦軸は第2準位L2から第3準位L3へのLOフォノン散乱時間secを示している。図8のグラフに示すように、第2、第3準位L2、L3のエネルギー間隔ΔE23については、上記したようにELO以上に設定することが好ましい。この場合、上準位L1bから引き抜かれて第2準位L2に存在する電子は、LOフォノン散乱によって共鳴的に第3準位L3に緩和することが可能となる。また、エネルギー間隔が広がっていくと、第2準位L2から第3準位L3への電子の緩和速度が遅くなるため、エネルギー間隔はELOに近いことが望ましいが、2×ELO以下であれば、散乱時間緩和時間τ23は例えば1ps程度になり、充分な特性を得ることができる。図4に示した構成例では、エネルギー間隔をΔE23=37meVに設定し、散乱時間をτ23=0.55psとして、電子を高速で第3準位L3に緩和させている。また、抽出準位構造での第3準位L3の次の準位である第4準位L4については、上述したように、第3、第4準位L3、L4のエネルギー間隔ΔE34をELOよりも小さく設定してそれらの準位を近接させることが好ましい。特に、エネルギー間隔ΔE34を25meV以下に設定することがさらに好ましい。これにより、電子を輸送する抽出準位構造において、第4準位L4を、第3準位L3とともに第2準位L2からの電子の引き抜き先の準位として好適に機能させることができる。また、第2、第4準位L2、L4のエネルギー間隔ΔE24ΔE23<ΔE24については、第2、第3準位L2、L3の場合と同様に、図8に示した散乱時間のエネルギー間隔依存性等を考慮して、エネルギー間隔ΔE24を2×ELO以下とすることが好ましい。これにより、上記したエネルギー間隔ΔE23に対する条件と合わせて、第3、第4準位L3、L4の2準位を、第2準位L2からのLOフォノン散乱等による電子の引き抜き先の準位として好適に機能させることができる。また、第3、第4準位L3、L4のエネルギー間隔ΔE34の下限については、第3、第4準位L3、L4の結合アンチクロッシングが最低限確保されるように、10meV以上に設定することが好ましい。これによって、第3、第4準位L3、L4の準位間でのトンネル時間が、例えば0.1ps以下と高速になるため図6参照、第3準位L3から、より低エネルギー側の準位への電子の緩和が高効率化される。また、このとき、第3、第4準位L3、L4の波動関数は同一空間に広がるため、第4準位L4の波動関数と、第2準位L2の波動関数との重なりを大きくすることができ、第2準位L2から第4準位L4への電子の散乱時間が高速化される。図4に示した構成例では、これらの各条件を考慮して、第2、第4準位L2、L4のエネルギー間隔をΔE24=56meVに設定し、第3、第4準位L3、L4のエネルギー間隔をΔE34=19meVに設定している。また、この構成例では、第2準位L2からの電子を高速で第3準位L3に緩和させるとともに、第4準位L4にも効率的に電子が緩和できるように第2、第4準位L2、L4の波動関数の重なりを大きくすることにより、結果的に第3準位L3から図4の右方向の準位へ緩和時間0.34psで緩和できるように設計している。なお、上記した量子カスケード検出器でのサブバンド準位構造は、レーザ動作を目指した準位構造ではないため、レーザとしては動作し得ない。これは、以下の点を考慮すると明らかである。まず、量子カスケード検出器では、無電圧時に全ての準位が効率的な電流経路として機能するように構成しているため、仮に電圧を印加した場合にはほとんど電流は流れない。また、上記の検出器では、レーザとして動作するための反転分布を形成する機構が設けられていない。また、上記の検出器では、入射光を吸収する吸収井戸層161において、n型不純物のドーピングが施されている。この吸収井戸層は、レーザを含めた発光素子では発光井戸層に相当するが、例えば量子カスケードレーザでは、発光井戸層ではなく、電子を輸送する注入層に不純物をドープする。また、レーザにおいて、発光井戸層に不純物をドープした場合、光が吸収されてしまうため、レーザ動作をすることができない。本発明による量子カスケード検出器は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記した構成例では、半導体基板としてInP基板を用い、活性層をInGaAs/InAlAsによって構成した例を示したが、量子井戸構造でのサブバンド間遷移による光吸収、検出が可能であって上記したサブバンド準位構造を実現可能なものであれば、具体的には様々な構成を用いて良い。このような半導体材料系については、上記したInGaAs/InAlAs以外にも、例えばGaAs/AlGaAs、InAs/AlSb、GaN/AlGaN、SiGe/Siなど、様々な材料系を用いることが可能である。また、半導体の結晶成長方法についても、様々な方法を用いて良い。また、量子カスケード検出器の活性層における積層構造、及び検出器素子全体としての半導体積層構造については、図1、図4、図5に示した構造以外にも様々な構造を用いて良い。一般には、量子カスケード検出器は、半導体基板と、半導体基板上に設けられた上記構成の活性層とを備えて構成されていれば良い。また、上記構成例では、InP基板に対して格子整合する構成について説明したが、例えばInP基板に対して格子不整合を導入した構成を用いることも可能である。この場合、素子設計の自由度の増大、効率的なキャリア閉じ込め、及び発振波長の短波長化が可能となる。