JP2002111042A - Infrared detection method - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来の量子井戸赤外線検出器は検出能力(De
tectivity)の大きさが不十分という課題があった。
【解決手段】 本発明は、バンド間エネルギーに対応す
る光(バンド間光)30を照射することで赤外線20の
検出に関与するキャリアの数を増加させ検出能力を向上
させる赤外線検出方法である。
(57) [Summary] [Problem] A conventional quantum well infrared detector has a detection capability (De
tectivity) was insufficient. SOLUTION: The present invention is an infrared detection method for irradiating light (inter-band light) 30 corresponding to inter-band energy, thereby increasing the number of carriers involved in detection of infrared 20 and improving the detection capability.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、化合物半導体を用
いた多重量子井戸構造の赤外線検出器を用いた赤外線検
出方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an infrared detection method using an infrared detector having a multiple quantum well structure using a compound semiconductor.
【0002】[0002]
【従来の技術】分子線エピタキシー(MBE)法や有機
金属気相成長(MOVPE)法などの技術により、高精
度な半導体量子井戸構造の作製が可能になっている。こ
の技術を応用することで量子井戸赤外線検出器(Quantu
m Well Infrared Photodetector = QWIP)が提供されて
いる。QWIPにおいては、量子井戸のエネルギー障壁
の高さや井戸層の厚さを比較的任意に設計することがで
き、このためにバンド間遷移を利用した検出器に比べて
幅広い波長に柔軟に対応できるという長所がある。さら
にはたとえば3−5μm帯と8−12μm帯というよう
に複数の波長帯域に対応した検出器を作製することも可
能である。QWIPの検出能力(Detectivity)Dは D=(ηaPe/2πν)(τL/nl)1/2 (1) ηa=(1-exp(-2αl))/2 (2) Pe=1/(1+τe/τr) (3) であらわされる。ここでνは赤外線の振動数、τLはホ
ットキャリアの寿命、nはキャリア数、lは量子井戸の
厚さ、αは吸収係数、τeは励起されたキャリアの井戸
層からの脱出時間(escape time)、τrは励起キャリア
が基底準位に戻るまでの再捕獲時間(recapture time)
である。半導体量子井戸中のサブバンド間緩和は非常に
高速であり、緩和時間すなわちここでいう再捕獲時間は
一般的にはピコ秒、特に窒化物半導体の場合には0.1ピ
コ秒のオーダーである。このことがQWIPの検出能力
に限界を与えている。2. Description of the Related Art High-precision semiconductor quantum well structures can be manufactured by techniques such as molecular beam epitaxy (MBE) and metal organic chemical vapor deposition (MOVPE). By applying this technology, quantum well infrared detectors (Quantu
m Well Infrared Photodetector = QWIP) is provided. In the QWIP, the height of the energy barrier of the quantum well and the thickness of the well layer can be designed relatively arbitrarily, and therefore, it is possible to flexibly cope with a wider wavelength than a detector using interband transition. There are advantages. Furthermore, it is also possible to manufacture detectors corresponding to a plurality of wavelength bands, for example, a 3-5 μm band and an 8-12 μm band. QWIP detectability (Detectivity) D is D = (η a P e / 2πν) (τ L / nl) 1/2 (1) η a = (1-exp (-2αl)) / 2 (2) P e = 1 / (1 + τ e / τ r ) (3) Here, ν is the frequency of infrared light, τ L is the lifetime of the hot carrier, n is the number of carriers, l is the thickness of the quantum well, α is the absorption coefficient, and τ e is the escape time of the excited carrier from the well layer ( escape time), τ r is the recapture time until the excited carriers return to the ground level
It is. The relaxation between sub-bands in a semiconductor quantum well is very fast, and the relaxation time, ie, the recapture time here, is generally on the order of picoseconds, especially on the order of 0.1 picoseconds for nitride semiconductors. This limits the detection capability of QWIP.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】このように、半導体量
子井戸赤外線検出器は、波長に対する柔軟性、多波長に
対応可能、という特長を有するものであるが、サブバン
ド間緩和過程が非常に高速であるゆえに検出能力の点で
はいまだ改善の余地があった。As described above, the semiconductor quantum well infrared detector has the characteristics of flexibility with respect to wavelength and adaptability to multiple wavelengths. However, the intersubband relaxation process is extremely fast. Therefore, there is still room for improvement in terms of detection ability.
【0004】本発明は従来の課題に鑑みなされたもの
で、半導体量子井戸赤外線検出器を用いた新規な赤外線
検出方法を提供するものである。The present invention has been made in view of the conventional problems, and provides a novel infrared detecting method using a semiconductor quantum well infrared detector.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明は、半導体量子井戸赤外線検出器にバンド間
遷移エネルギーに対応した波長の光を照射することで検
出能力(detectivity)を向上させる方法である。この
ことについて以下に詳述する。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention improves the detectivity by irradiating a semiconductor quantum well infrared detector with light having a wavelength corresponding to the inter-band transition energy. It is a way to make it. This will be described in detail below.
【0006】図1はQWIPのエネルギーバンド図を模
式的に描いたものである。QWIPの一方の電極100か
ら電子101が供給され、これが各量子井戸の基底準位102
にトンネル効果で移動していく。このときに第一基底準
位と井戸上の連続準位103のエネルギー差に共鳴する赤
外線が入射すると、電子は励起され、量子井戸に印加さ
れた電界によって他方の電極104に流れていく。このと
きに電子の基底準位と正孔の基底準位105とのエネルギ
ー差以上のエネルギーに対応する波長の光(バンド間
光)が入射していると電子正孔対が形成される。これに
より赤外線吸収に寄与する電子の数が増加することにな
る。FIG. 1 schematically shows an energy band diagram of QWIP. Electrons 101 are supplied from one electrode 100 of the QWIP, and are supplied to the ground level 102 of each quantum well.
Move by tunnel effect. At this time, when infrared rays that resonate with the energy difference between the first ground level and the continuous level 103 on the well enter, the electrons are excited and flow to the other electrode 104 by the electric field applied to the quantum well. At this time, if light (inter-band light) having a wavelength corresponding to energy equal to or more than the energy difference between the electron ground level and the hole ground level 105 is formed, an electron-hole pair is formed. This will increase the number of electrons that contribute to infrared absorption.
【0007】今、電子の数がバンド間光により2倍に増
加したとする。これにより、先述の検出能力をあらわす
式(1)の分母が√2倍に増大し、吸収係数は2倍に増
大する。通常の量子井戸構造の場合、αは1000 cm-1の
程度であり、lは100 nmの程度であるので両者の積αl
は1より十分小さい。このとき(2)式の値はαlと近
似できる。したがって吸収係数が2倍に増大すれば
(2)式の値もほぼ2倍に増加する。その結果、(1)
式の値は約√2倍に増大する。このようにしてバンド間
光の照射により検出能力を増大させることができる。な
お、バンド間光を照射することで、コンタクト層にも電
子正孔対が生成されこれが光電流となるため、暗電流の
増加が懸念される。これを避けためにはコンタクト層の
バンドギャップをこのバンド間光のエネルギーよりも大
きく設定することで回避できる。また、このようにする
ことによって正孔に対して障壁にもなり、量子井戸中に
生成された正孔による電流成分も抑制できる。Now, it is assumed that the number of electrons has been doubled by the inter-band light. As a result, the denominator of the expression (1) representing the detection capability described above increases by √2 times, and the absorption coefficient increases by 2 times. In the case of a normal quantum well structure, α is on the order of 1000 cm −1 and l is on the order of 100 nm.
Is much smaller than 1. At this time, the value of equation (2) can be approximated to αl. Therefore, if the absorption coefficient increases twice, the value of equation (2) also increases almost twice. As a result, (1)
The value of the equation increases by about $ 2. In this way, the detection ability can be increased by irradiating the light between the bands. Note that, by irradiating the interband light, an electron-hole pair is also generated in the contact layer, and this becomes a photocurrent. This can be avoided by setting the band gap of the contact layer larger than the energy of the inter-band light. This also serves as a barrier to holes, and can also suppress a current component due to holes generated in the quantum well.
【0008】[0008]
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0009】図2は、本発明の第一の実施形態に係わる
赤外線検出方法を模式的に示す図である。量子井戸赤外
線検出器1に対向しかつ赤外線20の入射を妨げない位
置にバンド間光30を放出する光源31が設置されてい
る。図3は本実施例における赤外線検出器1を模式的に
示したものである。図3において厚さ約1.8 nmのAl0. 5G
a0.5N障壁層2aと厚さ約20 nmのGaN井戸層2bを30
周期繰り返すことで構成されている多重量子井戸構造2
がn−Al0.25Ga0.75Nコンタクト層3および4には
挟まられる形でサファイア基板5上に積層されている。
そしてこの多重量子井戸構造は波長2μmの赤外線に対
して検出感度を持っている。このような積層構造はたと
えばMOVPE法を用いて作製することが可能である。
次にエッチングによりコンタクト層4の一部を露呈させ
金を蒸着し電極6を形成し、さらにコンタクト層3の上
部にやはり金を蒸着してグレーティング7を形成する。
この検出器は液体窒素を用いて冷却されている。バンド
間光30としてはフィルターにより波長310 nm以下がカ
ットされた紫外線を用いる。この波長であればコンタク
ト層のバンドギャップは波長約300 nmに相当するのでコ
ンタクト層には電子正孔対は生成されない。FIG. 2 is a diagram schematically showing an infrared detecting method according to the first embodiment of the present invention. A light source 31 that emits the interband light 30 is provided at a position facing the quantum well infrared detector 1 and not interfering with the incidence of the infrared light 20. FIG. 3 schematically shows the infrared detector 1 in the present embodiment. About thickness in FIG. 3 1.8 nm of Al 0. 5 G
a 0.5 N barrier layer 2 a and a GaN well layer 2 b having a thickness of about 20 nm
Multiple quantum well structure 2 composed by repeating the period
Are laminated on the sapphire substrate 5 so as to be sandwiched between the n - Al 0.25 Ga 0.75 N contact layers 3 and 4.
The multiple quantum well structure has a detection sensitivity to infrared rays having a wavelength of 2 μm. Such a laminated structure can be manufactured by using, for example, the MOVPE method.
Next, a part of the contact layer 4 is exposed by etching, and gold is vapor-deposited to form an electrode 6. Further, gold is vapor-deposited on the contact layer 3 to form a grating 7.
This detector is cooled using liquid nitrogen. As the inter-band light 30, ultraviolet light having a wavelength of 310 nm or less cut by a filter is used. At this wavelength, no electron-hole pairs are generated in the contact layer because the band gap of the contact layer corresponds to a wavelength of about 300 nm.
【0010】図4は本発明による第二の実施形態を説明
するための図である。図において赤外線20の入射を妨
げない位置に反射鏡40が設置されており、光源31か
ら放出されたバンド間光30はこの反射鏡40により反
射され検出器1に照射される。FIG. 4 is a view for explaining a second embodiment according to the present invention. In the figure, a reflecting mirror 40 is provided at a position that does not hinder the incidence of the infrared ray 20, and the interband light 30 emitted from the light source 31 is reflected by the reflecting mirror 40 and applied to the detector 1.
【0011】図5は本発明による第三の実施形態を説明
するための図である。図においては検出器の赤外線20
の入射経路上に反射鏡50が設置されている。この反射
鏡は誘電体多層膜が形成されており、バンド間光31に
対しては高率の反射率を持つが、赤外光に対しては逆に
高率の透過率を持つように設計されている。これによ
り、入射赤外光20は反射鏡50を透過して検出器1に
到達し、一方、バンド間光30は反射鏡50で反射され
て検出器1に到達する。FIG. 5 is a view for explaining a third embodiment according to the present invention. In the figure, the infrared ray 20 of the detector is shown.
The reflection mirror 50 is installed on the incident path of. This reflector is formed so that a dielectric multilayer film is formed and has a high reflectance for the inter-band light 31 but a high transmittance for the infrared light. Have been. Thereby, the incident infrared light 20 passes through the reflecting mirror 50 and reaches the detector 1, while the inter-band light 30 is reflected by the reflecting mirror 50 and reaches the detector 1.
【0012】また、上述した実施形態では、検出器1は
窒化物半導体で構成されていたが、本発明は窒化物半導
体のみに適用されるものではなく、他の材料、たとえば
AlGaAs/GaAs量子井戸検出器に対しても適用可能であ
る。その場合バンド間光は必ずしも紫外線ではなく、そ
れぞれの材料に対応したものであることは言うまでもな
い。Further, in the above-described embodiment, the detector 1 is made of a nitride semiconductor. However, the present invention is not applied only to a nitride semiconductor, but may be made of another material, for example, a nitride semiconductor.
It is also applicable to AlGaAs / GaAs quantum well detectors. In this case, it is needless to say that the inter-band light is not necessarily ultraviolet light but corresponds to each material.
【0013】[0013]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、量
子井戸赤外線検出器(QWIP)の検出能力(Detectiv
ity)を向上させることができる。As described above, according to the present invention, the detection capability of the quantum well infrared detector (QWIP) can be improved.
ity) can be improved.
【図1】量子井戸赤外線検出器のエネルギーバンド図。FIG. 1 is an energy band diagram of a quantum well infrared detector.
【図2】本発明の第一の実施形態を示す模式図。FIG. 2 is a schematic view showing a first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第一の実施形態における赤外線検出器
の構成を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of an infrared detector according to the first embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第二の実施形態を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第三の実施形態を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
1:量子井戸赤外検出器 20:赤外線 30:バンド間光 31:光源 2:多重量子井戸構造 2a:Al0.5Ga0.5N障壁層 2b:GaN井戸層 3、4:コンタクト層 5:サファイア基板 6:電極 7:グレーティング1: Quantum well infrared detector 20: Infrared ray 30: Interband light 31: Light source 2: Multiple quantum well structure 2a: Al 0.5 Ga 0.5 N barrier layer 2b: GaN well layer 3, 4: Contact layer 5: Sapphire substrate 6 : Electrode 7: Grating
Claims (4)
繰り返して積層し、多重量子井戸構造を形成し、前記井
戸層中に形成される、電子または正孔のエネルギー準位
間の遷移を利用して赤外線を検出する際に、前記電子の
基底準位と正孔の基底準位とのエネルギー差以上のエネ
ルギーに対応する波長の光を照射することを特徴とする
赤外線検出方法。1. A barrier layer and a well layer comprising a compound semiconductor are repeatedly laminated to form a multiple quantum well structure, and a transition between energy levels of electrons or holes formed in the well layer is utilized. Detecting an infrared ray by irradiating light having a wavelength corresponding to an energy difference between the ground level of electrons and the ground level of holes.
成されていることを特徴とすると請求項1記載の赤外線
検出方法。2. The infrared detecting method according to claim 1, wherein said compound semiconductor is composed of a nitride semiconductor.
的であることを特徴とする請求項1記載の赤外線検出方
法。3. The infrared detecting method according to claim 1, wherein the repetition of the barrier layer and the well layer is periodic.
性を持つコンタクト層が設けられ、このコンタクト層の
バンドギャップはこれに照射される光の前記波長に対応
したエネルギーよりも大きいことを特徴とする請求項1
記載の赤外線検出方法。4. A contact layer having n-type conductivity is provided at both ends of the multiple quantum well layer, and a band gap of the contact layer is larger than an energy corresponding to the wavelength of light applied to the contact layer. Claim 1 characterized by the following:
Infrared detection method as described.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000295269A JP2002111042A (en) | 2000-09-27 | 2000-09-27 | Infrared detection method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000295269A JP2002111042A (en) | 2000-09-27 | 2000-09-27 | Infrared detection method |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002111042A true JP2002111042A (en) | 2002-04-12 |
Family
ID=18777719
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000295269A Pending JP2002111042A (en) | 2000-09-27 | 2000-09-27 | Infrared detection method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002111042A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006501638A (en) * | 2002-07-25 | 2006-01-12 | セントレ・ナショナル・デ・ラ・レシェルシェ・サイエンティフィーク | MSM type photodetector having a resonant cavity with a mirror made of a metal electrode grating |
| JP2010114381A (en) * | 2008-11-10 | 2010-05-20 | Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence | Optical semiconductor apparatus and light detection system |
| JP2012253133A (en) * | 2011-06-01 | 2012-12-20 | Hamamatsu Photonics Kk | Photodetector |
-
2000
- 2000-09-27 JP JP2000295269A patent/JP2002111042A/en active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006501638A (en) * | 2002-07-25 | 2006-01-12 | セントレ・ナショナル・デ・ラ・レシェルシェ・サイエンティフィーク | MSM type photodetector having a resonant cavity with a mirror made of a metal electrode grating |
| JP4916664B2 (en) * | 2002-07-25 | 2012-04-18 | セントレ・ナショナル・デ・ラ・レシェルシェ・サイエンティフィーク | MSM type photodetector having a resonant cavity with a mirror made of a metal electrode grating |
| JP2010114381A (en) * | 2008-11-10 | 2010-05-20 | Technical Research & Development Institute Ministry Of Defence | Optical semiconductor apparatus and light detection system |
| JP2012253133A (en) * | 2011-06-01 | 2012-12-20 | Hamamatsu Photonics Kk | Photodetector |
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