(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023162492
(43)【公開日】2023-11-09
(54)【発明の名称】光検出器およびその使用方法
(51)【国際特許分類】
H01L 31/08 20060101AFI20231101BHJP
【ＦＩ】
H01L31/08 L
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022072830
(22)【出願日】2022-04-27
(71)【出願人】
【識別番号】301023238
【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構
(72)【発明者】
【氏名】宮崎 英樹
【テーマコード（参考）】
5F149
5F849
【Ｆターム（参考）】
5F149AA17
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5F849XB24
(57)【要約】 （修正有）
【課題】大出力の光電変換電流が得られる量子井戸型の光検出器を提供する。
【解決手段】第１および第２主表面がバリア層で挟み込まれた量子井戸層を１層以上含む多重量子井戸構造体を有し、量子井戸層はドーピングされており、量子井戸層と垂直な方向にバイアス電圧を印加した時に光照射により生じる光電流の増分を量子井戸層の伝導帯において生じるサブバンド間遷移を利用して検出し、出力取り出し電極バリア層の最外面にコンタクト層を介して配置されており、光検出領域の多重量子井戸構造体への電流供給が量子井戸層の面内を通じて行われ光検出器とする。
【選択図】図１
【解決手段】第１および第２主表面がバリア層で挟み込まれた量子井戸層を１層以上含む多重量子井戸構造体を有し、量子井戸層はドーピングされており、量子井戸層と垂直な方向にバイアス電圧を印加した時に光照射により生じる光電流の増分を量子井戸層の伝導帯において生じるサブバンド間遷移を利用して検出し、出力取り出し電極バリア層の最外面にコンタクト層を介して配置されており、光検出領域の多重量子井戸構造体への電流供給が量子井戸層の面内を通じて行われ光検出器とする。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１および第２主表面がバリア層で挟み込まれた量子井戸層を１層以上含む多重量子井戸構造体を有し、
前記量子井戸層はドーピングされており、
前記量子井戸層と垂直な方向にバイアス電圧を印加したときに、光照射により生じる光電流の増分を前記量子井戸層の伝導帯において生じるサブバンド間遷移を利用して検出し、
出力取り出し用の電極が、前記バリア層の最外面にコンタクト層を介して配置されており、
光検出領域の前記多重量子井戸構造体への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、光検出器。
前記量子井戸層はドーピングされており、
前記量子井戸層と垂直な方向にバイアス電圧を印加したときに、光照射により生じる光電流の増分を前記量子井戸層の伝導帯において生じるサブバンド間遷移を利用して検出し、
出力取り出し用の電極が、前記バリア層の最外面にコンタクト層を介して配置されており、
光検出領域の前記多重量子井戸構造体への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、光検出器。
【請求項2】
前記多重量子井戸構造体に接して、または前記多重量子井戸構造体の上方に、島状の金属パッチが形成されており、
前記金属パッチを含む領域を光検出領域とし、
前記光検出領域の前記金属パッチの直下の領域への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、請求項１記載の光検出器。
前記金属パッチを含む領域を光検出領域とし、
前記光検出領域の前記金属パッチの直下の領域への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、請求項１記載の光検出器。
【請求項3】
導電体層上に量子機能層および取り出し用の電極が順に積層されており、
前記量子機能層は、１層以上の量子井戸層と、前記量子井戸層の第１および第２主表面を挟み込むバリア層を有し、
前記電極と、前記バリア層のうちで最近接するバリア層との間にはコンタクト層が形成されており、
光検出領域の前記量子機能層への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、光検出器。
前記量子機能層は、１層以上の量子井戸層と、前記量子井戸層の第１および第２主表面を挟み込むバリア層を有し、
前記電極と、前記バリア層のうちで最近接するバリア層との間にはコンタクト層が形成されており、
光検出領域の前記量子機能層への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、光検出器。
【請求項4】
前記量子機能層に接して、または前記量子機能層の上方に、島状の金属パッチが形成されており、
前記金属パッチを含む領域を光検出領域とし、
前記光検出領域の前記金属パッチの直下の領域への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、請求項３記載の光検出器。
前記金属パッチを含む領域を光検出領域とし、
前記光検出領域の前記金属パッチの直下の領域への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、請求項３記載の光検出器。
【請求項5】
前記電流供給が行われる量子井戸層は、前記量子井戸層のうちの最外層に配置されている量子井戸層である、請求項１から４の何れか一項に記載の光検出器。
【請求項6】
前記量子井戸層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶である、請求項１から５の何れか一項に記載の光検出器。
【請求項7】
前記バリア層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶である、請求項１から６の何れか一項に記載の光検出器。
【請求項8】
前記量子井戸層の層数は、１以上２００以下である、請求項１から７の何れか一項に記載の光検出器。
【請求項9】
前記金属パッチは、マトリックス状に配列配置されている、請求項２または４に記載の光検出器。
【請求項10】
前記金属パッチは、アレー状に配列配置されている、請求項２または４に記載の光検出器。
【請求項11】
前記金属パッチの配列ピッチは、０．５μｍ以上２００μｍ以下である、請求項９または１０に記載の光検出器。
【請求項12】
前記コンタクト層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶である、請求項１から１１の何れか一項に記載の光検出器。
【請求項13】
請求項１から１２の何れか一項に記載の光検出器に対して、前記出力取り出し用の電極にバイアスを印加したときの出力電流に対して極小値を与えるバイアス値Ｖｍｉｎを求め、前記バイアス値Ｖｍｉｎより絶対値として大きな値のバイアスを、前記取り出し用の電極に印加して使用する、光検出器の使用方法。
【請求項14】
請求項１３の光検出器の使用方法において、バイアスの符号が負である、光検出器の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は光検出器およびその使用方法に関する。
【背景技術】
【0002】
高感度、大出力の光検出器として量子井戸型光検出器が注目されており、例えば特許文献１、非特許文献１および２にその開示がある。
【0003】
特許文献１では、パッチアンテナと組み合わせた量子井戸型光検出器において、電極領域から光検出領域への電流供給が金属パッチを相互に連結する金属配線を通じて行われる量子井戸光検出器が開示されている。
非特許文献１では、電極領域から光検出領域への電流供給がバリア層外側の面内伝導層（コンタクト層）を通じて行われる量子井戸光検出器が開示されている。この場合、金属パッチを伝導ルートとして使う必要がない。このため、相互の配線を考慮することなく金属パッチを自由に配置でき、広帯域検出器など自由度の高い設計が可能という特徴がある。
非特許文献２では、さらに、量子井戸総数を１層から３層に増やすことにより、暗電流が低減し、高い検出能（ＳＮ比）が実現されることが開示されている。
非特許文献１では、電極領域から光検出領域への電流供給がバリア層外側の面内伝導層（コンタクト層）を通じて行われる量子井戸光検出器が開示されている。この場合、金属パッチを伝導ルートとして使う必要がない。このため、相互の配線を考慮することなく金属パッチを自由に配置でき、広帯域検出器など自由度の高い設計が可能という特徴がある。
非特許文献２では、さらに、量子井戸総数を１層から３層に増やすことにより、暗電流が低減し、高い検出能（ＳＮ比）が実現されることが開示されている。
【0004】
非特許文献１および２は、何れも電極領域から光検出領域への電流供給が、量子井戸層を通じた面内伝導ではなく、バリア層外側の面内伝導層（コンタクト層）を通じて行われるため、量子井戸面内伝導による電流増倍現象は発現しない。
【0005】
非特許文献１および２によれば、これらの文献に記載されている検出器の感度ピークは、平均電界３７ｋＶ／ｃｍ（バイアス電圧０．７０Ｖ，多重量子井戸電圧印加厚さ１９２ｎｍ）～４３ｋＶ／ｃｍ（バイアス電圧０．４５Ｖ，多重量子井戸電圧印加厚さ１０４ｎｍ）で生じ、得られる感度は外部量子効率で表して最大６２％程度であった。これでも従来の量子井戸光検出器に比べるとプラズモン共振器の導入により大きな感度が実現できているが、必ずしも十分ではない。
【0006】
他の種類の半導体検出器においては、高電界印加時に発現するアバランシェ増倍効果を利用して外部量子効率１００％を超える検出器が実用化されている。そして、それが単一光子計測などに応用されている状況と比較すると、量子井戸光検出器の感度は必ずしも満足なものではなく、さらなる感度の向上が嘱望されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０２１－１０００３３号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】Ｍ．Ｆ．Ｈａｉｎｅｙ，Ｊｒ．，Ｔ．Ｍａｎｏ，Ｔ．Ｋａｓａｙａ，Ｙ．Ｊｉｍｂａ，Ｈ．Ｍｉｙａｚａｋｉ，Ｔ．Ｏｃｈｉａｉ，Ｈ．Ｏｓａｔｏ，Ｋ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｙ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ，Ｔ．Ｋａｗａｚｕ，Ｙ．Ａｒａｉ，Ａ．Ｓｈｉｇｅｔｏｕ，ａｎｄ Ｈ．Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉ，“Ｐａｔｃｈｗｏｒｋ ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｗｉｔｈ ｂｒｏａｄｅｎｅｄ ｐｈｏｔｏｒｅｓｐｏｎｓｅ”，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．２９，Ｎｏ．１，ｐｐ．５９－６９（Ｊａｎ．２０２１） ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１３６４／ＯＥ．４０８５１５
【非特許文献2】Ｍ．Ｆ．Ｈａｉｎｅｙ，Ｊｒ．，Ｔ．Ｍａｎｏ，Ｔ．Ｋａｓａｙａ，Ｙ．Ｊｉｍｂａ，Ｈ．Ｍｉｙａｚａｋｉ，Ｔ．Ｏｃｈｉａｉ，Ｈ．Ｏｓａｔｏ，Ｙ．Ｓｕｇｉｍｏｔｏ，Ｔ．Ｋａｗａｚｕ，Ａ．Ｓｈｉｇｅｔｏｕ，ａｎｄ Ｈ．Ｔ．Ｍｉｙａｚａｋｉ，“Ｂｒｅａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｂａｎｄ ｄｅｔｅｃｔｉｖｉｔｙ ｌｉｍｉｔ with ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ ｍｕｌｔｉ－ｑｕａｎｔｕｍ－ｗｅｌｌ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓ” ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１３６４／ＯＥ．４４４２２３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
本発明の課題は、上記説明した量子井戸型の光検出器の感度の問題を解決して、大出力の光電変換電流が得られる量子井戸型光検出器およびその使用方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
課題を解決するための本発明の構成を下記に示す。
（構成１）
第１および第２主表面がバリア層で挟み込まれた量子井戸層を１層以上含む多重量子井戸構造体を有し、
前記量子井戸層はドーピングされており、
前記量子井戸層と垂直な方向にバイアス電圧を印加したときに、光照射により生じる光電流の増分を前記量子井戸層の伝導帯において生じるサブバンド間遷移を利用して検出し、
出力取り出し用の電極が、前記バリア層の最外面にコンタクト層を介して配置されており、
光検出領域の前記多重量子井戸構造体への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、光検出器。
（構成２）
前記多重量子井戸構造体に接して、または前記多重量子井戸構造体の上方に、島状の金属パッチが形成されており、
前記金属パッチを含む領域を光検出領域とし、
前記光検出領域の前記金属パッチの直下の領域への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、構成１記載の光検出器。
（構成３）
導電体層上に量子機能層および取り出し用の電極が順に積層されており、
前記量子機能層は、１層以上の量子井戸層と、前記量子井戸層の第１および第２主表面を挟み込むバリア層を有し、
前記電極と、前記バリア層のうちで最近接するバリア層との間にはコンタクト層が形成されており、
光検出領域の前記量子機能層への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、光検出器。
（構成４）
前記量子機能層に接して、または前記量子機能層の上方に、島状の金属パッチが形成されており、
前記金属パッチを含む領域を光検出領域とし、
前記光検出領域の前記金属パッチの直下の領域への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、構成３記載の光検出器。
（構成５）
前記電流供給が行われる量子井戸層は、前記量子井戸層のうちの最外層に配置されている量子井戸層である、構成１から４の何れか一項に記載の光検出器。
（構成６）
前記量子井戸層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶である、構成１から５の何れか一項に記載の光検出器。
（構成７）
前記バリア層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶である、構成１から６の何れか一項に記載の光検出器。
（構成８）
前記量子井戸層の層数は、１以上２００以下である、構成１から７の何れか一項に記載の光検出器。
（構成９）
前記金属パッチは、マトリックス状に配列配置されている、構成２または４に記載の光検出器。
（構成１０）
前記金属パッチは、アレー状に配列配置されている、構成２または４に記載の光検出器。
（構成１１）
前記金属パッチの配列ピッチは、０．５μｍ以上２００μｍ以下である、構成９または１０に記載の光検出器。
（構成１２）
前記コンタクト層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶である、構成１から１１の何れか一項に記載の光検出器。
（構成１３）
構成１から１２の何れか一項に記載の光検出器に対して、前記出力取り出し用の電極にバイアスを印加したときの出力電流に対して極小値を与えるバイアス値Ｖｍｉｎを求め、前記バイアス値Ｖｍｉｎより絶対値として大きな値のバイアスを、前記取り出し用の電極に印加して使用する、光検出器の使用方法。
（構成１４）
構成１３の光検出器の使用方法において、バイアスの符号が負である、光検出器の使用方法。
（構成１）
第１および第２主表面がバリア層で挟み込まれた量子井戸層を１層以上含む多重量子井戸構造体を有し、
前記量子井戸層はドーピングされており、
前記量子井戸層と垂直な方向にバイアス電圧を印加したときに、光照射により生じる光電流の増分を前記量子井戸層の伝導帯において生じるサブバンド間遷移を利用して検出し、
出力取り出し用の電極が、前記バリア層の最外面にコンタクト層を介して配置されており、
光検出領域の前記多重量子井戸構造体への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、光検出器。
（構成２）
前記多重量子井戸構造体に接して、または前記多重量子井戸構造体の上方に、島状の金属パッチが形成されており、
前記金属パッチを含む領域を光検出領域とし、
前記光検出領域の前記金属パッチの直下の領域への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、構成１記載の光検出器。
（構成３）
導電体層上に量子機能層および取り出し用の電極が順に積層されており、
前記量子機能層は、１層以上の量子井戸層と、前記量子井戸層の第１および第２主表面を挟み込むバリア層を有し、
前記電極と、前記バリア層のうちで最近接するバリア層との間にはコンタクト層が形成されており、
光検出領域の前記量子機能層への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、光検出器。
（構成４）
前記量子機能層に接して、または前記量子機能層の上方に、島状の金属パッチが形成されており、
前記金属パッチを含む領域を光検出領域とし、
前記光検出領域の前記金属パッチの直下の領域への電流供給が前記量子井戸層の面内を通じて行われる、構成３記載の光検出器。
（構成５）
前記電流供給が行われる量子井戸層は、前記量子井戸層のうちの最外層に配置されている量子井戸層である、構成１から４の何れか一項に記載の光検出器。
（構成６）
前記量子井戸層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶である、構成１から５の何れか一項に記載の光検出器。
（構成７）
前記バリア層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶である、構成１から６の何れか一項に記載の光検出器。
（構成８）
前記量子井戸層の層数は、１以上２００以下である、構成１から７の何れか一項に記載の光検出器。
（構成９）
前記金属パッチは、マトリックス状に配列配置されている、構成２または４に記載の光検出器。
（構成１０）
前記金属パッチは、アレー状に配列配置されている、構成２または４に記載の光検出器。
（構成１１）
前記金属パッチの配列ピッチは、０．５μｍ以上２００μｍ以下である、構成９または１０に記載の光検出器。
（構成１２）
前記コンタクト層は、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶である、構成１から１１の何れか一項に記載の光検出器。
（構成１３）
構成１から１２の何れか一項に記載の光検出器に対して、前記出力取り出し用の電極にバイアスを印加したときの出力電流に対して極小値を与えるバイアス値Ｖｍｉｎを求め、前記バイアス値Ｖｍｉｎより絶対値として大きな値のバイアスを、前記取り出し用の電極に印加して使用する、光検出器の使用方法。
（構成１４）
構成１３の光検出器の使用方法において、バイアスの符号が負である、光検出器の使用方法。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、高感度、大出力の光電変換電流が得られる量子井戸型の光検出器およびその使用方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の量子井戸光検出器の要部断面構造を示す構造図である。
【図2】厚いコンタクト層で全面が覆われた従来の量子井戸光検出器の構造図であり、（ａ）はブリュースター角入射、（ｂ）は４５°裏面入射、（ｃ）は裏面照射で回折格子を利用したもの、（ｄ）は端面入射、そして（ｅ）はプラズモン共振器を用いたものの例を示す。ここで、各図とも、上段は平面視図、下段は断面図である。
【図3】厚いコンタクト層で全面が覆われた従来の量子井戸光検出器の電子の流れを断面構造図を用いて示した説明図であり、（ａ）はプラズモン共振器を用いないもの、（ｂ）はプラズモン共振器を用いたものである。
【図4】光検出領域にはコンタクト層のない量子井戸光検出器の断面構造図であり、（ａ）はブリュースター角入射、（ｂ）は４５°裏面入射、（ｃ）は裏面照射で回折格子を利用したもの、（ｄ）は端面入射、そして（ｅ）はプラズモン共振器を用いたものの例を示す。
【図5】光検出領域のコンタクト層表面を完全に空乏化する深さまで除去した量子井戸光検出器の断面構造図であり、（ａ）はブリュースター角入射、（ｂ）は４５°裏面入射、（ｃ）は裏面照射で回折格子を利用したもの、（ｄ）は端面入射、そして（ｅ）はプラズモン共振器を用いたものの例を示す。
【図6】光が入射する側の面には前面にコンタクト層がなく、電極領域にて量子井戸層に直接電極を接続した量子井戸光検出器の断面構造図であり、（ａ）はブリュースター角入射、（ｂ）は４５°裏面入射、（ｃ）は裏面照射で回折格子を利用したもの、（ｄ）は端面入射、そして（ｅ）はプラズモン共振器を用いたものの例を示す。
【図7】量子井戸光検出器の断面構造図であり、（ａ）は厚いコンタクト層で前面が覆われた従来型比較例、（ｂ）は光検出領域のコンタクト層表面を完全に空乏化する深さまで除去した本発明の実施例を示す。
【図8】量子井戸光検出器の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【図9】本発明の量子井戸光検出器の電子構造的特徴を、伝導帯のバンド構造と量子井戸の基底準位の波動関数によって示す説明図である。ここで、（ａ）は従来構造の場合で、（ｂ）は本発明の場合である。
【図10】量子井戸光検出器の暗電流のバイアス電圧依存性を示す特性図で、（ａ）は従来構造の場合で、（ｂ）は本発明の場合である。
【図11】量子井戸光検出器の感度スペクトルを示す特性図で、（ａ１）、（ａ２）は従来構造の場合で、（ｂ１）および（ｂ２）は本発明の場合である。
【図12】量子井戸光検出器のピーク感度のバイアス電圧依存性を示す特性図で、（ａ）は従来構造の場合で、（ｂ）は本発明の場合である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
（実施の形態１）
以下本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
なお、文中に出てくるＡ～Ｂは、Ａを含んでＢまで、すなわちＡ以上Ｂ以下を表す。
以下本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
なお、文中に出てくるＡ～Ｂは、Ａを含んでＢまで、すなわちＡ以上Ｂ以下を表す。
【0014】
＜検出器の構造＞
本発明の１つの形態としての量子井戸光検出器１０１は、図１（ａ）に示すように、第１および第２主表面がバリア層１３で挟み込まれた量子井戸層１４を１層以上含む多重量子井戸構造体４１を有し、量子井戸層１４はドーピングされており、出力取り出し用の電極１５が、バリア層１３の最外面にコンタクト層１２を介して配置されており、量子井戸層１４と垂直な方向にバイアス電圧を印加したときに、光照射により生じる光電流の増分を量子井戸層１４の伝導帯において生じるサブバンド間遷移を利用して検出し、光検出領域２２の多重量子井戸構造体４１への電流供給が量子井戸層１４の面内を通じて行われることを特徴とする。
ここで、量子井戸光検出器１０１へのバイアスは、電極１５と接地電極１６を通じて印加する。多重量子井戸構造体４１は、下層コンタクト層１２ｄおよび導電性の半導体基板１１ａを介して接地電極１６電気的に繋がっている。なお、導電性の半導体基板１１ａの代わりに金属などの導電層が形成された基板を用いてもよい。
本発明の１つの形態としての量子井戸光検出器１０１は、図１（ａ）に示すように、第１および第２主表面がバリア層１３で挟み込まれた量子井戸層１４を１層以上含む多重量子井戸構造体４１を有し、量子井戸層１４はドーピングされており、出力取り出し用の電極１５が、バリア層１３の最外面にコンタクト層１２を介して配置されており、量子井戸層１４と垂直な方向にバイアス電圧を印加したときに、光照射により生じる光電流の増分を量子井戸層１４の伝導帯において生じるサブバンド間遷移を利用して検出し、光検出領域２２の多重量子井戸構造体４１への電流供給が量子井戸層１４の面内を通じて行われることを特徴とする。
ここで、量子井戸光検出器１０１へのバイアスは、電極１５と接地電極１６を通じて印加する。多重量子井戸構造体４１は、下層コンタクト層１２ｄおよび導電性の半導体基板１１ａを介して接地電極１６電気的に繋がっている。なお、導電性の半導体基板１１ａの代わりに金属などの導電層が形成された基板を用いてもよい。
【0015】
本発明の１つの形態としての量子井戸光検出器１０６は、図１（ｂ）に示すように、導電体層５１上に量子機能層５２および取り出し用の電極１５が順に積層されており、量子機能層５２は、１層以上の量子井戸層１４と、量子井戸層１４の第１および第２主表面を挟み込むバリア層１３を有し、電極１５と、バリア層１３のうちで最近接する（最上層に位置する）バリア層１３ａとの間にはコンタクト層１２が形成されており、光検出領域２２の量子機能層５２への電流供給が量子井戸層１４の面内を通じて行われることを特徴とする。
ここで、量子機能層５２は、下層コンタクト層１２ｄを介して導電体層５１とオーミック接触させることが好ましい。
ここで、量子機能層５２は、下層コンタクト層１２ｄを介して導電体層５１とオーミック接触させることが好ましい。
【0016】
また、本発明の１つの形態としては、図１（ｃ）、（ｄ）に示すように、島状の金属パッチ１８が光検出領域２２の量子機能層５２または多重量子井戸構造体４１上に形成されたプラズモン共振器型の量子井戸光検出器１０５、１０７としてもよい。プラズモン共振器を併用することにより、より一層感度と出力を向上させることが可能になる。
【0017】
本発明の１つの形態のプラズモン共振器を用いた量子井戸光検出器１０５は、金属層１７上に量子機能層５２および取り出し用の電極１５が順に積層されており、量子機能層５２は、１層以上の量子井戸層１４と、量子井戸層１４の第１および第２主表面を挟み込むバリア層１３を有し、電極１５とバリア層１３のうちで最近接するバリア層１３との間にはコンタクト層１２が形成されており、かつ島状の金属パッチ１８が光検出領域２２の量子機能層５２上に形成された構造を有し、光検出領域２２の金属パッチ１８の直下の量子機能層５２への電流供給が量子井戸層１４の面内を通じて行われることを特徴とする。
【0018】
量子機能層５２の下側には接地電極１６が電気的に接続されている金属層１７が配置され、量子機能層５２が金属パッチ１８と金属層１７に挟まれた構成になっている。ここで、金属層１７はそれ自体で基板を構成する金属基板であってもよいし、十分な剛性を有する基板１１ｂ上に形成された金属層１７でもよい。
金属層１７の材料としては、誘電率の実部が負の値をもつ導電体であれば特に制限はないが誘電率の虚部が小さいものが好ましく金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）を好んで用いることができる。また、必ずしも金属に限らずＩＴＯ、ＡＺＯおよびＧＺＯなどの透明導電体を用いることもできる。
量子機能層５２は金属層１７とオーミック接触していることが光検出器の高感度化、大出力化に好ましいため、量子機能層５２と金属層１７との間には下層コンタクト層１２ｄを配置しておくことが好ましい。
なお、量子機能層５２の厚さは、プラズモン共鳴を起こす膜厚に設定しておくことが好ましい。具体的な範囲の目安としては、金属パッチ１８と金属層１７との間の厚さ、すなわち量子機能層５２と下層コンタクト層１２ｄを合わせた厚さが、入射光の波長λに対する量子機能層５２と下層コンタクト層１２ｄの平均屈折率をｎとしたとき、０を超えてλ／（２ｎ）未満であり、より具体的には、マックスウェルの方程式に基づいて目的の波長の入射光に対してプラズモン共鳴を十分に起こす厚さに設定することが好ましい。
金属層１７の材料としては、誘電率の実部が負の値をもつ導電体であれば特に制限はないが誘電率の虚部が小さいものが好ましく金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）を好んで用いることができる。また、必ずしも金属に限らずＩＴＯ、ＡＺＯおよびＧＺＯなどの透明導電体を用いることもできる。
量子機能層５２は金属層１７とオーミック接触していることが光検出器の高感度化、大出力化に好ましいため、量子機能層５２と金属層１７との間には下層コンタクト層１２ｄを配置しておくことが好ましい。
なお、量子機能層５２の厚さは、プラズモン共鳴を起こす膜厚に設定しておくことが好ましい。具体的な範囲の目安としては、金属パッチ１８と金属層１７との間の厚さ、すなわち量子機能層５２と下層コンタクト層１２ｄを合わせた厚さが、入射光の波長λに対する量子機能層５２と下層コンタクト層１２ｄの平均屈折率をｎとしたとき、０を超えてλ／（２ｎ）未満であり、より具体的には、マックスウェルの方程式に基づいて目的の波長の入射光に対してプラズモン共鳴を十分に起こす厚さに設定することが好ましい。
【0019】
本発明の他の形態のプラズモン共振器を用いた量子井戸光検出器１０７は、第１および第２主表面がバリア層１３で挟み込まれた量子井戸層１４を１層以上含む多重量子井戸構造体４１を有し、量子井戸層１４はドーピングされており、出力取り出し用の電極１５が、バリア層１３の最外面にコンタクト層１２を介して配置されており、かつ島状の金属パッチ１８が光検出領域２２の多重量子井戸構造体４１上に形成された構造を有し、量子井戸層１４と垂直な方向にバイアス電圧を印加したときに、光照射により生じる光電流の増分を量子井戸層１４の伝導帯において生じるサブバンド間遷移を利用して検出し、光検出領域２２の金属パッチ１８の直下の多重量子井戸構造体４１への電流供給が量子井戸層１４の面内を通じて行われることを特徴とする。ここで、多重量子井戸構造体４１は誘電率の実部が負の値をもつ導電体からなる基板１１ｄ上に下層コンタクト層１２ｄを介して配置される。
【0020】
金属パッチ１８の材料としては、誘電率の実部が負の値をもつ導電体であれば特に制限はないが誘電率の虚部が小さいものが好ましく、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）およびモリブデン（Ｍｏ）を好んで用いることができる。また、必ずしも金属に限らずＩＴＯ、ＡＺＯおよびＧＺＯなどの透明導電体を用いることもできる。
また、金属パッチ１８の配置としては、入射した光を最大限にプラズモン共鳴に利用して感度や出力を向上させるため、アレー状配置（線状配列、一次元配列）やマトリックス状配置（格子状配列、二次元配列）が好ましい。
金属パッチ１８のパターンピッチＰおよびパターン幅Ｌは、マックスウェルの方程式に基づいて目的の波長の入射光に対してプラズモン共鳴を十分に起こすサイズに設定することが好ましく、パターンピッチＰとしては、０．５μｍ以上２００μｍ以下を挙げることができる。例えば、波長７．０μｍの光を検出するためにはパターン幅Ｌを０．９９μｍ、ピッチＰを２．５μｍとすることが好ましい。
金属パッチ１８の高さはプラズモン共鳴を十分に起こす程度には厚く、遮光を起こさない程度に薄くすることが好ましく、例えば３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。
また、金属パッチ１８の配置としては、入射した光を最大限にプラズモン共鳴に利用して感度や出力を向上させるため、アレー状配置（線状配列、一次元配列）やマトリックス状配置（格子状配列、二次元配列）が好ましい。
金属パッチ１８のパターンピッチＰおよびパターン幅Ｌは、マックスウェルの方程式に基づいて目的の波長の入射光に対してプラズモン共鳴を十分に起こすサイズに設定することが好ましく、パターンピッチＰとしては、０．５μｍ以上２００μｍ以下を挙げることができる。例えば、波長７．０μｍの光を検出するためにはパターン幅Ｌを０．９９μｍ、ピッチＰを２．５μｍとすることが好ましい。
金属パッチ１８の高さはプラズモン共鳴を十分に起こす程度には厚く、遮光を起こさない程度に薄くすることが好ましく、例えば３０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。
【0021】
量子井戸層１４としては、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶を挙げることができる。この中でも、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓおよびＩｎＧａＡｓは、バンドギャップが低く、対になるバリア層を得やすいことから特に好んで用いられる。
また、量子井戸層１４は、十分な導電性をもって電流をその面内に供給できるようにするため、高濃度にドーピングされていることが好ましい。ドーパントとしては、Ｓｉ、Ｓ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｔｅ，Ｂｅ，ＣおよびＺｎを挙げることができ、ドーピング濃度としては、１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０１９ｃｍ－３以下、好ましくは５×１０１７ｃｍ－３以上５×１０１８ｃｍ－３以下、より一層好ましくは１×１０１８ｃｍ－３以上３×１０１８ｃｍ－３以下を挙げることができる。
また、量子井戸層１４は、十分な導電性をもって電流をその面内に供給できるようにするため、高濃度にドーピングされていることが好ましい。ドーパントとしては、Ｓｉ、Ｓ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｔｅ，Ｂｅ，ＣおよびＺｎを挙げることができ、ドーピング濃度としては、１×１０１７ｃｍ－３以上１×１０１９ｃｍ－３以下、好ましくは５×１０１７ｃｍ－３以上５×１０１８ｃｍ－３以下、より一層好ましくは１×１０１８ｃｍ－３以上３×１０１８ｃｍ－３以下を挙げることができる。
【0022】
電流供給が行われる量子井戸層としては、量子井戸層１４のうち最外層に配置されている量子井戸層、すなわち出力取り出し用の電極１５に最も近い最上層の量子井戸層が好ましい。最外層に配置されている量子井戸層１４にこの電流供給が行われると、その量子井戸層１４をはじめ、それより下層に配置されている量子井戸層１４全部が高い効率をもって電流増幅を行うことが可能になって、高感度、大出力の光検出器を提供することが可能になる。
【0023】
量子井戸層１４の層数としては、層数が多いほど感度が向上するが、層数が増えるほど光照射場所から離れている量子井戸層１４（例えば真上から光照射される場合の最下層の量子井戸層１４）に届く光量が減って感度および出力向上効果が飽和してくることと、製造工程数が増えてコストアップにつながることから、１以上２００以下が好ましい。廉価版の光検出器の場合は、量子井戸層１４の層数として１以上３以下が好ましく、高感度、高出力版の検出器の場合は、量子井戸層１４の層数として１以上１０以下が好ましい。
【0024】
バリア層１３としては、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶を挙げることができる。この中でも、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂおよびＩｎＡｌＡｓは、バンドギャップが高く、対になる量子井戸層を得やすいことから特に好んで用いられる。
【0025】
コンタクト層１２および１２ｄとしては、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＡｌＳｂ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｅ、ＭｇＳｅ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＴｅ、ＳｉおよびＧｅからなる群より選ばれる１あるいは２以上からなる混晶を挙げることができる。この中でも、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓおよびＩｎＧａＡｓは、バンドギャップが低く、組み合わせる量子井戸層やバリア層を得やすいことから特に好んで用いられる。
【0026】
詳細は動作の特徴と効果のところで述べるが、上記構造により、高バイアス電圧印加による電子増倍効果が特別なアバランシェ層を設けることなく起こり、高感度、大出力の光検出器を提供することが可能になる。
【0027】
＜動作の特徴と効果＞
本発明の検出器の動作の特徴と効果を説明するにあたって、まず最初に、従来型の量子井戸光検出器の構造とその問題点について説明する。
本発明の検出器の動作の特徴と効果を説明するにあたって、まず最初に、従来型の量子井戸光検出器の構造とその問題点について説明する。
【0028】
＜＜従来型量子井戸光検出器＞＞
図２は、従来型のバリア層１３で挟み込まれた量子井戸層１４を１層以上（図は３層）含む多重量子井戸構造の量子井戸光検出器２０１～２０５を示す。この構造の光導電型量子井戸光検出器では、ドーピングにより自由電子を含む量子井戸の伝導帯において生じるサブバンド間遷移を利用して、量子井戸層と垂直な方向にバイアス電圧を印加したときに光照射により生じる光電流の増分を検出する。バリア層１３、量子井戸層１４の材質としては、例えばそれぞれＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓがある。
図２は、従来型のバリア層１３で挟み込まれた量子井戸層１４を１層以上（図は３層）含む多重量子井戸構造の量子井戸光検出器２０１～２０５を示す。この構造の光導電型量子井戸光検出器では、ドーピングにより自由電子を含む量子井戸の伝導帯において生じるサブバンド間遷移を利用して、量子井戸層と垂直な方向にバイアス電圧を印加したときに光照射により生じる光電流の増分を検出する。バリア層１３、量子井戸層１４の材質としては、例えばそれぞれＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓがある。
【0029】
最外周バリア層１３のさらに外側には、コンタクト層１２、１２ｄと呼ばれる高伝導層が両側にあり、最表面のコンタクト層１２には、電極１５がパターニングされ、そこに配線が接続される。そして、それ以外の電極１５に覆われていない領域が光検出領域となる。一方、下層のコンタクト層１２ｄは、一般に、導電性半導体基板１１ａとそのまま連結しており、基板に配置されたもう一方の電極である接地電極１６に接続される。
【0030】
コンタクト層１２、１２ｄは、例えばＧａＡｓに１×１０１８ｃｍ－３またはそれ以上の高濃度のドーピングを施し、高密度な自由電子により、面内に高い伝導性をもたせたものである。
コンタクト層１２、１２ｄを通じて最表面にバイアス電圧を印加した状態で光２１が照射されると、サブバンド間遷移により、量子井戸中で電子が励起される。バイアス電圧の電界により、光電流は、バリア層１３および量子井戸層１４に垂直に流れる。電流の保存から、流れた分の電子がコンタクト層１２から供給され、全バリア層１３および全量子井戸層１４を通じて、同じ大きさの電流が面に垂直に流れる。この電流の流れを、図３（ａ）に示す。図３（ａ）は、従来型の量子井戸光検出器２０１において、光検出領域２２に光２１がブリュースター角で入射したときの電子の流れ３１を図示したものである。電極領域２３に配置された電極１５から供給される電流はコンタクト層１２を均一に拡がってバリア層１３および量子井戸層１４に垂直に流れる。
光非照射時にも、バイアス電圧のために有限の電流（暗電流）が流れており、暗電流との電流差として、光の強度に対応した信号を得ることができる。
コンタクト層１２、１２ｄを通じて最表面にバイアス電圧を印加した状態で光２１が照射されると、サブバンド間遷移により、量子井戸中で電子が励起される。バイアス電圧の電界により、光電流は、バリア層１３および量子井戸層１４に垂直に流れる。電流の保存から、流れた分の電子がコンタクト層１２から供給され、全バリア層１３および全量子井戸層１４を通じて、同じ大きさの電流が面に垂直に流れる。この電流の流れを、図３（ａ）に示す。図３（ａ）は、従来型の量子井戸光検出器２０１において、光検出領域２２に光２１がブリュースター角で入射したときの電子の流れ３１を図示したものである。電極領域２３に配置された電極１５から供給される電流はコンタクト層１２を均一に拡がってバリア層１３および量子井戸層１４に垂直に流れる。
光非照射時にも、バイアス電圧のために有限の電流（暗電流）が流れており、暗電流との電流差として、光の強度に対応した信号を得ることができる。
【0031】
但し、サブバンド間遷移には、量子井戸層１４に垂直な光電場が必須であるため、量子井戸光検出器は（量子井戸層に平行な電場しか含まない）垂直入射光には感度がない。ブリュースター角入射（図２（ａ））、４５°研磨した裏面からの入射（図２（ｂ））、回折格子による回折（図２（ｃ））、導波路構造への端面入射（図２（ｄ））などの特殊な入射形態が必要である。ここで、回折格子型の量子井戸光検出器２０３は、基板（導電性半導体基板）１１ａから垂直に光を入射し、検出器最上層（図２の場合は最上部の厚膜回折格子形成コンタクト層１２ｃ）に半導体中での光波長よりも大きな周期の光を回折させる凹凸構造を作り、反射回折光の垂直電場成分を利用して感度を創出するのが一般的である。
【0032】
図２（ｅ）には、最近研究されるようになったプラズモン共振器を用いた量子井戸光検出器２０５を示す。この構造の光検出器２０５は、コンタクト層１２、１２ｄのさらに外側を金属層１７と金属パッチ１８とで挟み込む。金属の材質としては、例えば金（Ａｕ）を挙げることができる。金属層１７と多重量子井戸層１４と金属パッチアンテナ１８が金属／誘電体／金属プラズモン共振器を形成しており、共鳴する波長の光が垂直入射すると、量子井戸層１４に垂直な大きな電場が形成され、感度は高いものとなる。この詳細は非特許文献１、２に開示されている。また、材質や製造工程は特許文献１に詳しい記載がある。周期構造物を用いる点で図２（ｃ）の回折格子型の量子井戸光検出器２０３と似ているが、こちら（プラズモン共振器型）は周期が半導体中での光の波長と同程度かそれ以下と小さく、また、金属パッチ１８と金属層１７がペアとなって、上下から多重量子井戸構造を挟み込んでいる点が異なる。ここでこの金属とは、誘電率の実部が負の値をもつ導電体ならばよい。また、必ずしも金属に限るものではなく、ＩＴＯ、ＡＺＯおよびＧＺＯなどの透明導電体でも構わない。
量子井戸光検出器２０５の場合の電流の流れを、図３（ｂ）に示す。プラズモン共振器２４を用いた従来型の量子井戸光検出器２０５において、光検出領域に光２１が垂直入射した時の電子の流れ３１を図示したものである。電極１５から供給される電流はコンタクト層１２を均一に拡がってバリア層１３および量子井戸層１４に垂直に流れる。
量子井戸光検出器２０５の場合の電流の流れを、図３（ｂ）に示す。プラズモン共振器２４を用いた従来型の量子井戸光検出器２０５において、光検出領域に光２１が垂直入射した時の電子の流れ３１を図示したものである。電極１５から供給される電流はコンタクト層１２を均一に拡がってバリア層１３および量子井戸層１４に垂直に流れる。
【0033】
＜＜本発明の量子井戸光検出器＞＞
次に、本発明（実施の形態1）の量子井戸光検出器の構造の特徴と、その構造からくる量子井戸面内伝導電流増倍現象について説明する。
次に、本発明（実施の形態1）の量子井戸光検出器の構造の特徴と、その構造からくる量子井戸面内伝導電流増倍現象について説明する。
【0034】
図４（ａ）～（ｄ）は、本発明の量子井戸光検出器１０１～１０４の典型的な構造のバリエーションを示す。（ａ）はブリュースター角入射型、（ｂ）は４５°裏面照射型、（ｃ）は回折格子型そして（ｄ）は端面照射型である。
従来型の量子井戸光検出器２０１～２０４との違いは、前述のように、光検出領域部分にコンタクト層１２をもたないことである。また、本発明の量子井戸光検出器１０１～１０４は、必ずしも本発明の量子井戸光検出器に限るものではないが、量子井戸層１４が１×１０１８ｃｍ－３以上３×１０１８ｃｍ－３以下というような高い濃度でドーピングされ、導電性の高い量子井戸層１４になっていることである。
電極領域は従来構造と同じであるが、図中の電流の流れ３１に示されるように、バイアス電圧の印加により、暗電流がバリア層１３および量子井戸層１４を垂直に流れることができる。量子井戸層１４は、光検出領域と電極領域を連結しているが、前述のように量子井戸層１４は高い導電性をもつので、それぞれの量子井戸層１４は、光検出領域から電極領域までを通じて同じ電位に維持される。
従来型の量子井戸光検出器２０１～２０４との違いは、前述のように、光検出領域部分にコンタクト層１２をもたないことである。また、本発明の量子井戸光検出器１０１～１０４は、必ずしも本発明の量子井戸光検出器に限るものではないが、量子井戸層１４が１×１０１８ｃｍ－３以上３×１０１８ｃｍ－３以下というような高い濃度でドーピングされ、導電性の高い量子井戸層１４になっていることである。
電極領域は従来構造と同じであるが、図中の電流の流れ３１に示されるように、バイアス電圧の印加により、暗電流がバリア層１３および量子井戸層１４を垂直に流れることができる。量子井戸層１４は、光検出領域と電極領域を連結しているが、前述のように量子井戸層１４は高い導電性をもつので、それぞれの量子井戸層１４は、光検出領域から電極領域までを通じて同じ電位に維持される。
【0035】
本発明の構造の場合、サブバンド間遷移により量子井戸の電子が励起される波長域の光が量子井戸光検出器１０１～１０４の光照射領域に入射すると、励起された電子はバリア層１３を垂直に超えて、次の量子井戸層１４へと伝導していく。その光電子を補給するため、量子井戸層１４に面内に沿って電子が供給される。従来型との差は、量子井戸層１４が従来型におけるコンタクト層１２の代わりをしていることである。
【0036】
この量子井戸の面内伝導が生じる伝導形態では、電流増倍現象が起こる。そして、そのことによって、本発明の量子井戸光検出器１０１～１０４は高感度、大出力な検出器になる。
【0037】
基本的には、従来型と同様のバイアス電圧では、従来型と同様の感度（低電界感度）である。さらにバイアス電圧を増大していくと一度感度は小さくなる。しかしながら、最上層バリア層１３が負の極性になるように平均電界が７５ｋＶ／ｃｍを超えるほどのバイアス電圧を印加した場合には、再び感度が増大し、低電界感度を超える大きな感度となる。この電流増倍の起源はアバランシェ効果によるものと考えている。
なお、この場合も、サブバンド間遷移のためにブリュースター角入射、４５°裏面入射、回折格子、端面導波路入射が必要なのは、図２（ａ）～（ｄ）に示される従来構造と同じである。
なお、この場合も、サブバンド間遷移のためにブリュースター角入射、４５°裏面入射、回折格子、端面導波路入射が必要なのは、図２（ａ）～（ｄ）に示される従来構造と同じである。
【0038】
同じ現象は、プラズモン共振器を設けた垂直入射検出器１０５の場合にも起こる。
図４（ｅ）にその様子を示す。この場合、上のバリア層１３上に直接金パッチアンテナ１８が配置されている。
同じく電流増倍現象が起こる異なる形態を図５および図６に示す。
図４（ｅ）にその様子を示す。この場合、上のバリア層１３上に直接金パッチアンテナ１８が配置されている。
同じく電流増倍現象が起こる異なる形態を図５および図６に示す。
【0039】
図５は、光検出領域のコンタクト層の表面を彫り込んで、光検出部薄膜化コンタクト層１２ａまたは薄膜回折格子形成コンタクト層１２ｂとして、コンタクト層を薄く残したものである。コンタクト層は厚さが一定値よりも薄くなると、表面が空乏化し、伝導性を失う。そのため残ったコンタクト層は面内に電流を供給する機能を失い、図４に示した量子井戸光検出器１０１～１０４の状態と事実上同じ状況となる。プラズモン共振器を配置した場合（図５（ｅ）に示した量子井戸光検出器１１５）も同様である。
【0040】
図６は、上面側の光検出領域のコンタクト層をすべて除去し、さらに、電極１５が形成されている電極領域では、電極１５が最上層バリア層を介さずに最上層の量子井戸層１４と直接接続された場合である。量子井戸露出面の空乏化への対策により、電気特性的には、図４に示した場合と事実上同じ構成になる。プラズモン共振器を配置した場合（図６（ｅ）に示した量子井戸光検出器１２５）も同じである。
図４～６で示した量子井戸光検出器１０１～１０５，１１１～１１５，１２１～１２５の伝導形態では、量子井戸面内伝導による電流増倍現象が高電界印加時に利用できる。この増倍現象は、図２に示したような従来型の量子井戸面内伝導に依存しない伝導形態では起こらない。
図４～６で示した量子井戸光検出器１０１～１０５，１１１～１１５，１２１～１２５の伝導形態では、量子井戸面内伝導による電流増倍現象が高電界印加時に利用できる。この増倍現象は、図２に示したような従来型の量子井戸面内伝導に依存しない伝導形態では起こらない。
【0041】
その結果、詳細は実施例のところで示すが、外側に面内伝導層（コンタクト層）を有しない最も外側のバリア層の方向を負の極性として、平均電界７５ｋＶ／ｃｍ以上の高電界を印加したときに、それを用いない場合に比べて５倍以上の高い光電流が得られることが実証されている。
【0042】
光検出層の他にアバランシェ増倍層を設けることにより高電界領域における高感度動作を実現するアバランシェ検出器は、赤外域でも数個レベルの少数フォトンの検出に利用されてきた。
本発明の量子井戸光検出器１０１～１０５，１１１～１１５，１２１～１２５は、特別なアバランシェ層を設けることなく、むしろコンタクト層を省略する簡単な構造により、アバランシェ型同様の高感度を再現性よく実現できる効果を有する。プラズモン共振器と組み合わせた垂直入射型量子井戸光検出器１２５は、特に有効である。
本発明の量子井戸光検出器１０１～１０５，１１１～１１５，１２１～１２５は、特別なアバランシェ層を設けることなく、むしろコンタクト層を省略する簡単な構造により、アバランシェ型同様の高感度を再現性よく実現できる効果を有する。プラズモン共振器と組み合わせた垂直入射型量子井戸光検出器１２５は、特に有効である。
【実施例0043】
（実施例１）
実施例１では、上記構造の検出器を試作し、その特性を評価した。当然ながら、本発明はこのような特定の形式に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲により規定されるものである。
実施例１では、上記構造の検出器を試作し、その特性を評価した。当然ながら、本発明はこのような特定の形式に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲により規定されるものである。
【0044】
＜試料の構造＞
実施例として、図７に示す、量子井戸光検出器１１６、比較例として量子井戸光検出器２０５を作製して両者の特性を比較した。
ここで、実施例と比較例の構造上の差は、最上層のコンタクト層のみにある。実施例では、最上層のコンタクト層が、光検出領域の金属パッチ１８以外の部分が薄膜化された光検出部薄膜化コンタクト層１２ｅになっているのに対し、比較例では、一様で厚いコンタクト層１２になっている。このことにより、実施例の最上層のコンタクト層１２ｅは、比較例とは異なりその面内に電流を供給する機能が失われている。
実施例として、図７に示す、量子井戸光検出器１１６、比較例として量子井戸光検出器２０５を作製して両者の特性を比較した。
ここで、実施例と比較例の構造上の差は、最上層のコンタクト層のみにある。実施例では、最上層のコンタクト層が、光検出領域の金属パッチ１８以外の部分が薄膜化された光検出部薄膜化コンタクト層１２ｅになっているのに対し、比較例では、一様で厚いコンタクト層１２になっている。このことにより、実施例の最上層のコンタクト層１２ｅは、比較例とは異なりその面内に電流を供給する機能が失われている。
【0045】
基本となる多重量子井戸の構造は、実施例も比較例も同一であり、ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓ、ｘ＝０．３０、厚さ５０ｎｍのドープしていないバリア層１３と、ＧａＡｓ、３×１０１８ｃｍ－３のＳｉドーピング、厚さ４ｎｍの量子井戸層１４を３周期繰り返したものである。ただし、ＡｌｘＧａ１－ｘＡｓバリア層１３は、最外バリア層以外は厚さ４０ｎｍとした。
【0046】
実施例では、最外バリア層の外には、厚さ４８ｎｍのＧａＡｓコンタクト層１２ｅを配置した。薄いコンタクト層にて電極とのトンネリングオーミック接合を実現するため、下記Ｓｉドープ密度構成としている。バリア層１３に近い側は３×１０１８ｃｍ－３、最表面側は、厚さ２８ｎｍに渡って５×１０１８ｃｍ－３の高ドープがなされており、さらに、４ｎｍおきに３×１０１２ｃｍ－２のデルタドープ層が７層挿入されている。多重量子井戸構造の総厚さは２８８ｎｍで、この内、電界が印加されるのは、両側のコンタクト層１２および１２ｅを除いた厚さ１９２ｎｍの領域である。
【0047】
＜試料作製方法＞
実施例の量子井戸光検出器１１６は、最上面のコンタクト層１２ｅをその光検出領域の露出面を浅くする掘り込みエッチングを行うこと以外は、比較例の量子井戸光検出器２０５と同様にして作製した。ここで、この多重量子井戸構造は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置（ＣＯＭＰＡＣＴ２１Ｔ、ＲＩＢＥＲ社製）を用いて作製した。
実施例の量子井戸光検出器１１６は、最上面のコンタクト層１２ｅをその光検出領域の露出面を浅くする掘り込みエッチングを行うこと以外は、比較例の量子井戸光検出器２０５と同様にして作製した。ここで、この多重量子井戸構造は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置（ＣＯＭＰＡＣＴ２１Ｔ、ＲＩＢＥＲ社製）を用いて作製した。
【0048】
最初に、第１のＧａＡｓ（１００）基板を準備し、その表面の酸化膜を５８０℃の加熱により除去した後、ＭＢＥ装置を用いて表面平坦化のためのＧａＡｓバッファー層を３００ｎｍの厚さで成長させた。
しかる後、Ａｌ組成９０％のＡｌＧａＡｓ犠牲層を９００ｎｍ、Ａｌ組成５５％のＡｌＧａＡｓ犠牲層を１００ｎｍの厚さで形成した。このときの形成温度は５８０℃である。
この後、図７（ａ）の多重量子井戸構造を形成したが、このときには図７（ａ）の構造の上下を反転した順序で形成した。最上層コンタクト層、最上層バリア層、最上層量子井戸層、・・・という順序で、最後が最下層コンタクト層で積層形成した。
しかる後、Ａｌ組成９０％のＡｌＧａＡｓ犠牲層を９００ｎｍ、Ａｌ組成５５％のＡｌＧａＡｓ犠牲層を１００ｎｍの厚さで形成した。このときの形成温度は５８０℃である。
この後、図７（ａ）の多重量子井戸構造を形成したが、このときには図７（ａ）の構造の上下を反転した順序で形成した。最上層コンタクト層、最上層バリア層、最上層量子井戸層、・・・という順序で、最後が最下層コンタクト層で積層形成した。
【0049】
最上層コンタクト層（１２や１２ｅ）として、ＧａとＡｓを含む計７層の膜を形成した。最上層コンタクト層（１２や１２ｅ）は、４ｎｍ厚さのＳｉドープＧａＡｓ（Ｓｉ：５×１０１８ｃｍ－３）を計７層積層した合計２８ｎｍ厚さのＳｉドープＧａＡｓであり、各層を形成する度にＳｉを３×１０１２ｃｍ－２で計７回デルタドープした。この層以降の形成温度は５３０℃である。その後、厚さが１５ｎｍでＳｉの体積含有率が３×１０１８ｃｍ－３のＧａＡｓ、厚さが５ｎｍのアンドープのＧａＡｓを形成した。犠牲層の後、ここまでの厚さ４８ｎｍの部分が図７（ａ）の最上層コンタクト層１２に対応する。
【0050】
その後、デバイスの中心的な役割を果たす量子井戸構造を形成するため、厚さが５０ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層１３、厚さが４ｎｍでＳｉの体積含有率が３×１０１８ｃｍ－３のＧａＡｓ量子井戸層１４（最後の０．８５ｎｍだけはアンドープ）、厚さ４０ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層１３、厚さ４ｎｍのＧａＡｓ量子井戸層１４（Ｓｉ：３×１０１８ｃｍ－３、最後の０．８５ｎｍだけはアンドープ）、厚さ４０ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層１３、厚さ４ｎｍのＧａＡｓ量子井戸層１４（Ｓｉ：３×１０１８ｃｍ－３、最後の０．８５ｎｍだけはアンドープ）、厚さ５０ｎｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層１３を形成した。
【0051】
しかる後、図７（ａ）および（ｂ）の最下層コンタクト層１２ｄとして、厚さが１５ｎｍでＳｉの体積含有率が３×１０１８ｃｍ－３のＧａＡｓを形成した後、４ｎｍ厚さのＳｉドープＧａＡｓ（Ｓｉ：５×１０１８ｃｍ－３）を計７層積層し、その各層を形成する直前にＳｉを３×１０１２ｃｍ－２で計７回デルタドープした。これをウエハ接合技術により、最下層コンタクト層１２ｄをＡｕ基板と接合した。そのために、まず量子井戸構造の最上面に位置する最下層コンタクト層上に、Ａｕ基板として、厚さ３ｎｍのＴｉと厚さ１５０ｎｍのＡｕをスパッタリングにより形成した。
【0052】
また、最終的な半導体基板１１ｂとなる第２のＧａＡｓ（１００）基板に厚さ１０ｎｍのＴｉ、厚さ５００ｎｍのＡｕからなる金属層をスパッタリングにより形成しておいた。量子井戸を形成した基板の上下を反転させて、２つのＡｕ表面を接触させ、荷重５ＭＰａを印加しつつ、窒素ガス雰囲気下で２５０℃で６０分間加熱した。これにより、２枚のＧａＡｓ基板はＡｕを介して一体化した。この一体化によりＡｕおよびＴｉからなる金属層１７が形成される。
【0053】
続いて、第１のＧａＡｓ基板を１００μｍ程度を残して、機械的に研磨し、第１のＧａＡｓ基板の残りのＧａＡｓ部分およびバッファー層を濃度１ｇ／ｍｌのクエン酸水溶液と過酸化水素水を１０：１で混合した溶液により３８℃にて選択的に除去し、ＡｌＧａＡｓ犠牲層を露出させた。最後にＡｌＧａＡｓ犠牲層をフッ酸水溶液により選択的に除去した。こうして、最上層コンタクト層が最表面に出た多重量子井戸構造をＡｕ基板の上に載せた状態を作った。
【0054】
金属パッチ１８は、電子線リソグラフィと、リフトオフ法およびドライエッチング法により作製した。電子線レジストを塗布し、電子線により１００μｍ角（これが光検出領域となる）のエリア内にパターンを描画した後、現像により、金属パッチの形状になるように最上層コンタクト層を露出させた。その上に、金属パッチ層として、厚さ３ｎｍのＴｉ、厚さ１５０ｎｍのＡｕを形成した。レジストを溶解することにより（リフトオフ法）、所定のパターンをもった金属パッチ１８を形成した。
また、別途、フォトリソグラフィ法にて、最上層コンタクト層上に電極パッド１５を形成し、そこを電極領域とした。
また、別途、フォトリソグラフィ法にて、最上層コンタクト層上に電極パッド１５を形成し、そこを電極領域とした。
【0055】
しかる後、実施例の量子井戸光検出器１１６の場合は、金属パッチ１８および電極パッド１５をエッチングマスクとして最上層のコンタクト層を３５ｎｍエッチングして、光検出部薄膜化コンタクト層１２ｅを形成した。このエッチングには反応性ドライエッチング装置（ＲＩＥ－２００ＮＬ、ＳＡＭＣＯ社製）を用い、エッチングガスとしてはＣＨＦ３とＯ２の混合ガスを使用した。
この結果、金属パッチ１８および電極パッド１５直下の最上層コンタクト層はエッチングされず、当初の厚さ４８ｎｍのまま残るものの、コンタクト層露出部の残膜厚は１３ｎｍになって、その部分が空乏化して伝導性を失った。このようにして、コンタクト層１２ｅを、面内に電流を供給する機能を失ったものにした。
なお、比較例の場合は、このエッチング工程を省き、最上層のコンタクト層１２の厚さは露出部でも４８ｎｍとした。したがって、比較例の場合は、コンタクト層１２はその面内に電流を供給する機能がある。
この結果、金属パッチ１８および電極パッド１５直下の最上層コンタクト層はエッチングされず、当初の厚さ４８ｎｍのまま残るものの、コンタクト層露出部の残膜厚は１３ｎｍになって、その部分が空乏化して伝導性を失った。このようにして、コンタクト層１２ｅを、面内に電流を供給する機能を失ったものにした。
なお、比較例の場合は、このエッチング工程を省き、最上層のコンタクト層１２の厚さは露出部でも４８ｎｍとした。したがって、比較例の場合は、コンタクト層１２はその面内に電流を供給する機能がある。
【0056】
最後に、第２のＧａＡｓ基板上の検出器領域や電極領域を含む必要箇所を劈開により切り出し、８ピンセラミックパッケージ上に導電性エポキシによりマウントし、電極をパッケージのピンとＡｕ線にてＡｇペーストボンディングした。
【0057】
比較例の量子井戸光検出器２０５では、光検出領域には、１辺の長さＬ＝０．９３μｍ、厚さ１００ｎｍの正方形Ａｕパッチが、周期Ｐ＝２．５μｍにて正方格子状に配列されている。その様子の走査電子顕微鏡写真を図８（ａ）に示す。
【0058】
実施例の量子井戸光検出器１１６では、光検出領域には、図８（ｂ１）、（ｂ２）に示すように、１辺の長さＬ＝０．９９μｍ，厚さ１００ｎｍの正方形Ａｕパッチが周期Ｐ＝２．５μｍにて正方格子状に配列されている。
【0059】
実施例の量子井戸光検出器１１６と比較例の量子井戸光検出器２０５との違いは、上述のように、実施例では、金属パッチ１８形成後のドライエッチングにより、光検出領域の金属パッチ１８以外の部分のＧａＡｓ層を深さ３５ｎｍだけ除去したことにある。金属パッチ１８直下の最上層コンタクト層はエッチングされず、当初の厚さ４８ｎｍのまま残っている。電極領域も図７（ａ）に示された量子井戸光検出器２０５とまったく同じである。実際の走査電子顕微鏡写真を図８（ｂ１）、（ｂ２）に示す。
【0060】
＜特性評価＞
バイアス無印加時における伝導帯バンド構造計算結果の実施例と比較例との比較を図９に示す。
図９（ａ）は比較例の量子井戸光検出器２０５の構造に対するバンド構造である。量子井戸光検出器１１６の構造も電極領域は量子井戸光検出器２０５と同一で、光検出領域の金属パッチ１８以外の深さ３５ｎｍの除去部分は量子井戸光検出器１１６のバンド構造となる。ＧａＡｓ層の３５ｎｍのドライエッチングとは、最上層コンタクト層の表面２８ｎｍの高ドープ領域をすべて除去したことを意味する。
バイアス無印加時における伝導帯バンド構造計算結果の実施例と比較例との比較を図９に示す。
図９（ａ）は比較例の量子井戸光検出器２０５の構造に対するバンド構造である。量子井戸光検出器１１６の構造も電極領域は量子井戸光検出器２０５と同一で、光検出領域の金属パッチ１８以外の深さ３５ｎｍの除去部分は量子井戸光検出器１１６のバンド構造となる。ＧａＡｓ層の３５ｎｍのドライエッチングとは、最上層コンタクト層の表面２８ｎｍの高ドープ領域をすべて除去したことを意味する。
【0061】
その結果、図９（ｂ）では、わずかに残ったコンタクト層の電子エネルギーは上昇し（図中○で示す）、フェルミエネルギー（０Ｖ）から大きく乖離している。このことは、露出したコンタクト層領域は、空乏化し、もはや面内伝導層としては機能しないことを意味する。これは図７（ｂ）の状況を実現したことになる。このとき、電極領域から光検出領域までは量子井戸を通じての面内伝導で電子を供給することになるので、図９（ｂ）では量子井戸面内伝導による電流増倍現象が実現する状況が整っている。
なお、量子井戸光検出器１０１に該当するコンタクト層を完全に除去した場合のバンド図も図９（ｂ）とほぼ同一になる。つまり、図７（ｂ）に示す量子井戸光検出器１１６のように最表面が空乏化するのに十分なだけコンタクト層の表面部を除去すれば、完全にコンタクト層を除去した場合と大きな違いはないことを意味する。
なお、量子井戸光検出器１０１に該当するコンタクト層を完全に除去した場合のバンド図も図９（ｂ）とほぼ同一になる。つまり、図７（ｂ）に示す量子井戸光検出器１１６のように最表面が空乏化するのに十分なだけコンタクト層の表面部を除去すれば、完全にコンタクト層を除去した場合と大きな違いはないことを意味する。
【0062】
図１０では、実施例と比較例の暗電流特性を比較している。ここで、測定時の温度は７８Ｋである。
基本的な暗電流特性はほぼ等価で、量子井戸層はコンタクト層と同等の伝導性をもつことを示している。
基本的な暗電流特性はほぼ等価で、量子井戸層はコンタクト層と同等の伝導性をもつことを示している。
【0063】
実施例と比較例の各検出器の感度スペクトルを図１１に、ピーク感度のバイアス電圧依存性を図１２に示す。ここも測定時の温度は７８Ｋである。
低バイアス電圧領域（絶対値が１．５Ｖ以下）では、実施例と比較例は比較的近い特性を示している。何れも最大感度は±０．７Ｖ程度で２Ａ／Ｗ程度である。バイアスの正負による顕著な差もない。波長のずれはパッチサイズＬの違いによるもので本質的ではない。また、高バイアス電圧領域でも、極性が正の場合には、バイアス電圧が高くなると、感度は一方的に減少する同じような特性を示す。
低バイアス電圧領域（絶対値が１．５Ｖ以下）では、実施例と比較例は比較的近い特性を示している。何れも最大感度は±０．７Ｖ程度で２Ａ／Ｗ程度である。バイアスの正負による顕著な差もない。波長のずれはパッチサイズＬの違いによるもので本質的ではない。また、高バイアス電圧領域でも、極性が正の場合には、バイアス電圧が高くなると、感度は一方的に減少する同じような特性を示す。
【0064】
一方、負の方向にバイアス電圧が高くなると実施例と比較例との間には大きな差が生じる。
比較例である量子井戸光検出器２０５の場合、負にバイアス電圧が高くなると感度は単調に減少する。しかし、コンタクト層表面を深さ３５ｎｍだけ除去した光検出部薄膜化コンタクト層１２ｅを有する図７（ｂ）に示された実施例の場合、感度は一度低下するが、バイアス電圧－１．５Ｖ（電界７５ｋＶ／ｃｍ）を境に急激に増大し、－２．７Ｖでは１７．８Ａ／Ｗに達する。この感度は、低バイアス領域の感度の８倍以上であり、外部量子効率で言うと３０８％に相当する。なお、光検出器における感度（Ａ／Ｗ）と外部量子効率の間には、外部量子効率＝１．２４×感度／波長の関係がある（波長の単位：μｍ）。さらにバイアス電圧を負の方向に高くすると、感度は再び低下する。
この高電界領域で現れる高感度現象こそ、量子井戸光検出器において、量子井戸面内伝導時に特有に現れる電流増倍現象である。
比較例である量子井戸光検出器２０５の場合、負にバイアス電圧が高くなると感度は単調に減少する。しかし、コンタクト層表面を深さ３５ｎｍだけ除去した光検出部薄膜化コンタクト層１２ｅを有する図７（ｂ）に示された実施例の場合、感度は一度低下するが、バイアス電圧－１．５Ｖ（電界７５ｋＶ／ｃｍ）を境に急激に増大し、－２．７Ｖでは１７．８Ａ／Ｗに達する。この感度は、低バイアス領域の感度の８倍以上であり、外部量子効率で言うと３０８％に相当する。なお、光検出器における感度（Ａ／Ｗ）と外部量子効率の間には、外部量子効率＝１．２４×感度／波長の関係がある（波長の単位：μｍ）。さらにバイアス電圧を負の方向に高くすると、感度は再び低下する。
この高電界領域で現れる高感度現象こそ、量子井戸光検出器において、量子井戸面内伝導時に特有に現れる電流増倍現象である。
【0065】
この電気特性は、本発明の量子井戸光検出器に共通のものであって、出力取り出し用の電極にバイアスを印加したときの出力電流に対して極小値を与えるバイアス値Ｖｍｉｎを求め、バイアス値Ｖｍｉｎより絶対値として大きな値のバイアスを、取り出し用の電極に印加して使用すると、この検出器は、大出力で高い感度をもつものになる。
なお、出力取り出し用の電極に印加するバイアスの上限値は、バイアスを上げすぎると感度が再び低下するので、感度の極大値を与えるバイアス値Ｖｍａｘとすることが好ましい。上記実施例を例にとると、このときのＶｍａｘは－２．７Ｖである。
なお、出力取り出し用の電極に印加するバイアスの上限値は、バイアスを上げすぎると感度が再び低下するので、感度の極大値を与えるバイアス値Ｖｍａｘとすることが好ましい。上記実施例を例にとると、このときのＶｍａｘは－２．７Ｖである。
【0066】
このような高電界印加による電流増倍現象としてはアバランシェ増倍現象が知られており、従来のシリコンなどの光検出器では単一光子計測などに広く用いられている。但し、その場合には、光検出層の他にアバランシェ層を設けるなど、注意深く設計した、独特で複雑な構造を実現する必要があった。
しかし、本手法では、特別なアバランシェ層を設けることなく、コンタクト層をわずかに除去する、あるいは省略する、という、むしろ簡単な構造により、同様の高感度検出器を再現性よく実現できる点に特徴がある。
しかし、本手法では、特別なアバランシェ層を設けることなく、コンタクト層をわずかに除去する、あるいは省略する、という、むしろ簡単な構造により、同様の高感度検出器を再現性よく実現できる点に特徴がある。
【産業上の利用可能性】
【0067】
本発明により、大出力の光電変換電流が得られる量子井戸型の光検出器が提供される。大出力の光検出器は、民生用、産業用および軍事用のセンサーやカメラなど多岐に渡る用途がある。
したがって、本発明は、社会的に大きなインパクトを有し、産業に与える影響も大きいと考える。
したがって、本発明は、社会的に大きなインパクトを有し、産業に与える影響も大きいと考える。
【符号の説明】
【0068】
１１ａ：導電性半導体基板
１１ｂ：半導体基板
１１ｃ：導電性半導体基板
１１ｄ：誘電率の実部が負の値をもつ導電体からなる基板
１２：コンタクト層（最上層コンタクト層）
１２ａ：光検出部薄膜化コンタクト層
１２ｂ：薄膜回折格子形成コンタクト層
１２ｃ：厚膜回折格子形成コンタクト層
１２ｄ：下層コンタクト層
１２ｅ：光検出部薄膜化コンタクト層（コンタクト層）
１３：バリア層
１３ａ：最上面バリア層
１３ｂ：回折格子形成バリア層
１４：量子井戸層
１４ａ：最上面量子井戸層
１５：電極（電極パッド）
１６：接地電極
１７：金属層
１８：金属パッチ
２１：光線
２２：光検出領域
２３：電極領域
２４：プラズモン共振器
３１：電子の流れ
４１：多重量子井戸構造体
５１：導電体層
５２：量子機能層
１０１：量子井戸光検出器
１０２：量子井戸光検出器
１０３：量子井戸光検出器
１０４：量子井戸光検出器
１０５：量子井戸光検出器
１０６：量子井戸光検出器
１０７：量子井戸光検出器
１１１：量子井戸光検出器
１１２：量子井戸光検出器
１１３：量子井戸光検出器
１１４：量子井戸光検出器
１１５：量子井戸光検出器
１１６：量子井戸光検出器
１２１：量子井戸光検出器
１２２：量子井戸光検出器
１２３：量子井戸光検出器
１２４：量子井戸光検出器
１２５：量子井戸光検出器
２０１：量子井戸光検出器
２０２：量子井戸光検出器
２０３：量子井戸光検出器
２０４：量子井戸光検出器
２０５：量子井戸光検出器
１１ｂ：半導体基板
１１ｃ：導電性半導体基板
１１ｄ：誘電率の実部が負の値をもつ導電体からなる基板
１２：コンタクト層（最上層コンタクト層）
１２ａ：光検出部薄膜化コンタクト層
１２ｂ：薄膜回折格子形成コンタクト層
１２ｃ：厚膜回折格子形成コンタクト層
１２ｄ：下層コンタクト層
１２ｅ：光検出部薄膜化コンタクト層（コンタクト層）
１３：バリア層
１３ａ：最上面バリア層
１３ｂ：回折格子形成バリア層
１４：量子井戸層
１４ａ：最上面量子井戸層
１５：電極（電極パッド）
１６：接地電極
１７：金属層
１８：金属パッチ
２１：光線
２２：光検出領域
２３：電極領域
２４：プラズモン共振器
３１：電子の流れ
４１：多重量子井戸構造体
５１：導電体層
５２：量子機能層
１０１：量子井戸光検出器
１０２：量子井戸光検出器
１０３：量子井戸光検出器
１０４：量子井戸光検出器
１０５：量子井戸光検出器
１０６：量子井戸光検出器
１０７：量子井戸光検出器
１１１：量子井戸光検出器
１１２：量子井戸光検出器
１１３：量子井戸光検出器
１１４：量子井戸光検出器
１１５：量子井戸光検出器
１１６：量子井戸光検出器
１２１：量子井戸光検出器
１２２：量子井戸光検出器
１２３：量子井戸光検出器
１２４：量子井戸光検出器
１２５：量子井戸光検出器
２０１：量子井戸光検出器
２０２：量子井戸光検出器
２０３：量子井戸光検出器
２０４：量子井戸光検出器
２０５：量子井戸光検出器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
