JPH07193268A - 量子井戸受光器 - Google Patents
量子井戸受光器Info
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- JPH07193268A JPH07193268A JP4310809A JP31080992A JPH07193268A JP H07193268 A JPH07193268 A JP H07193268A JP 4310809 A JP4310809 A JP 4310809A JP 31080992 A JP31080992 A JP 31080992A JP H07193268 A JPH07193268 A JP H07193268A
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- JP
- Japan
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- light
- array
- quantum well
- superlattice
- receiver
- Prior art date
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- Pending
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
- H10F39/10—Integrated devices
- H10F39/12—Image sensors
- H10F39/18—Complementary metal-oxide-semiconductor [CMOS] image sensors; Photodiode array image sensors
- H10F39/184—Infrared image sensors
- H10F39/1843—Infrared image sensors of the hybrid type
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
- H10F77/10—Semiconductor bodies
- H10F77/14—Shape of semiconductor bodies; Shapes, relative sizes or dispositions of semiconductor regions within semiconductor bodies
- H10F77/146—Superlattices; Multiple quantum well structures
- H10F77/1465—Superlattices; Multiple quantum well structures including only Group IV materials, e.g. Si-SiGe superlattices
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- Biophysics (AREA)
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- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 赤外光検出器に関し、アレイ状に作製するこ
とが可能で、Ｓｉ系読み出しチップとほぼ等しい熱拡散
係数を有するアレイを形成することが可能な、受光器を
提供することを目的とする。 【構成】 垂直入射赤外光を検出可能な、Ｓｉ1-xＧｅx
／Ｓｉ量子井戸受光器に関する。本受光器のアレイは、
Ｓｉ読み出し回路チップへ突起によってボンディングす
るか、あるいは、Ｓｉチップ上の読み出し回路と集積化
が可能である。
とが可能で、Ｓｉ系読み出しチップとほぼ等しい熱拡散
係数を有するアレイを形成することが可能な、受光器を
提供することを目的とする。 【構成】 垂直入射赤外光を検出可能な、Ｓｉ1-xＧｅx
／Ｓｉ量子井戸受光器に関する。本受光器のアレイは、
Ｓｉ読み出し回路チップへ突起によってボンディングす
るか、あるいは、Ｓｉチップ上の読み出し回路と集積化
が可能である。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体受光器に関す
る。特に、受光器に垂直入射する、比較的長波長の赤外
光のための、量子井戸受光器に関する。
る。特に、受光器に垂直入射する、比較的長波長の赤外
光のための、量子井戸受光器に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】赤外（ＩＲ）受光器ア
レイは、医用サーモグラフィーのような、多くの用途に
おいて有用である。特に、このようなアレイ受光器（し
ばしば”ｓｔａｒｉｎｇ”アレイと呼ばれる）は、必要
なマルチプレクサ読み出し回路に、モノリシックに集積
されるか、あるいは読み出しチップと突起によってボン
ディングされる。読み出し回路は通常、Ｓｉ技術によっ
て作製され、受光器アレイは動作時には冷却（通常約５
０Ｋ）される必要があるため、受光器材料の熱拡散係数
は、Ｓｉとほぼ等しいことが要求される。ＧａＡｓ（及
び他のＩＩＩ−Ｖ族）系受光器は、通常この要求を満た
さない。
レイは、医用サーモグラフィーのような、多くの用途に
おいて有用である。特に、このようなアレイ受光器（し
ばしば”ｓｔａｒｉｎｇ”アレイと呼ばれる）は、必要
なマルチプレクサ読み出し回路に、モノリシックに集積
されるか、あるいは読み出しチップと突起によってボン
ディングされる。読み出し回路は通常、Ｓｉ技術によっ
て作製され、受光器アレイは動作時には冷却（通常約５
０Ｋ）される必要があるため、受光器材料の熱拡散係数
は、Ｓｉとほぼ等しいことが要求される。ＧａＡｓ（及
び他のＩＩＩ−Ｖ族）系受光器は、通常この要求を満た
さない。
【０００３】最近、ＧｅxＳｉ1-x／Ｓｉ受光器が発表さ
れた。B-Y.Tsaurらの、IEEE Electron Device Letters,
Vol. 12(6), p.293 (1991)に示されている。アレイ
は、モノリシックに読み出し回路と集積化されている。
しかし、受光器はシングルヘテロ接合デバイスで、通常
比較的量子効率が低い（比較的短波長の３μmで、最大
効率が約０．６から１％である）。
れた。B-Y.Tsaurらの、IEEE Electron Device Letters,
Vol. 12(6), p.293 (1991)に示されている。アレイ
は、モノリシックに読み出し回路と集積化されている。
しかし、受光器はシングルヘテロ接合デバイスで、通常
比較的量子効率が低い（比較的短波長の３μmで、最大
効率が約０．６から１％である）。
【０００４】量子井戸ＩＲ受光器が知られており、比較
的高い量子効率を有する。例として、米国特許第５０２
３６８５号に、単一束縛状態から連続状態への遷移を用
いるようにした、量子井戸受光器が示されている。
的高い量子効率を有する。例として、米国特許第５０２
３６８５号に、単一束縛状態から連続状態への遷移を用
いるようにした、量子井戸受光器が示されている。
【０００５】従来技術に示されるように、ＩＲ受光器
は、通常垂直入射する光に対して利用される。Y-C.Chan
gらは、ｐ型量子井戸の包絡関数の非直交成分によっ
て、垂直入射光に対してインターサブバンド遷移が生じ
ることを理論的に示した(Physical Review B, Vol.39(1
7), p.12672)。
は、通常垂直入射する光に対して利用される。Y-C.Chan
gらは、ｐ型量子井戸の包絡関数の非直交成分によっ
て、垂直入射光に対してインターサブバンド遷移が生じ
ることを理論的に示した(Physical Review B, Vol.39(1
7), p.12672)。
【０００６】最近の報告では、Ｓｉ1-xＧｅx／Ｓｉ量子
井戸に関するものがある(R.P.G.KarunasiriらのApplied
Physics Letters, Vol.57(24), p.2585(1990))。論文
の図２には、ＩＲ光の入射方向が垂直方向に近づくにつ
れ、そのような構造の吸収強度が０に近づくことが示さ
れている。このような振舞いは、Y-C.Changらの理論結
果（前掲）とは相反し、垂直入射光の検出は不可能とな
る。従って、従来の実験結果は、ＧｅxＳｉ1-x／Ｓｉ量
子井戸検出器へ垂直入射するＩＲ光の検出の可能性を否
定するものである。
井戸に関するものがある(R.P.G.KarunasiriらのApplied
Physics Letters, Vol.57(24), p.2585(1990))。論文
の図２には、ＩＲ光の入射方向が垂直方向に近づくにつ
れ、そのような構造の吸収強度が０に近づくことが示さ
れている。このような振舞いは、Y-C.Changらの理論結
果（前掲）とは相反し、垂直入射光の検出は不可能とな
る。従って、従来の実験結果は、ＧｅxＳｉ1-x／Ｓｉ量
子井戸検出器へ垂直入射するＩＲ光の検出の可能性を否
定するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者は、前掲した従
来の実験結果に基づく予想に反して、量子井戸構造にお
いて、垂直に入射するＩＲ光の検出が可能であることを
見いだした。この受光器はアレイ状に作製することが可
能で、Ｓｉ系読み出しチップとほぼ等しい熱拡散係数を
有するアレイを形成することが可能である。本発明の実
施例では、Ｓｉ1-xＧｅx／Ｓｉ量子井戸アレイチップ
を、Ｓｉ系読み出しチップに突起によってボンディング
している。
来の実験結果に基づく予想に反して、量子井戸構造にお
いて、垂直に入射するＩＲ光の検出が可能であることを
見いだした。この受光器はアレイ状に作製することが可
能で、Ｓｉ系読み出しチップとほぼ等しい熱拡散係数を
有するアレイを形成することが可能である。本発明の実
施例では、Ｓｉ1-xＧｅx／Ｓｉ量子井戸アレイチップ
を、Ｓｉ系読み出しチップに突起によってボンディング
している。
【０００８】本発明による受光器は、基板上のＳｉ1-x
Ｇｅx／Ｓｉ超格子を有する、多層構造からなる。超格
子は、ｐドープ歪Ｓｉ1-xＧｅx量子井戸層と非ドープＳ
ｉバリア層からなる。さらに、超格子へ電気バイアスを
印加するのに好適なコンタクト手段を有する。特に、本
発明の受光器は、超格子層へ垂直に入射するＩＲ光の検
出に好適である。量子井戸層の組成及び厚さは、光の検
出を、ホールインターサブバンド遷移を用いて行うよう
に選択する。”インターサブバンド遷移”は、束縛状態
／連続遷移と同様に、束縛状態／束縛状態遷移を含むも
のである。
Ｇｅx／Ｓｉ超格子を有する、多層構造からなる。超格
子は、ｐドープ歪Ｓｉ1-xＧｅx量子井戸層と非ドープＳ
ｉバリア層からなる。さらに、超格子へ電気バイアスを
印加するのに好適なコンタクト手段を有する。特に、本
発明の受光器は、超格子層へ垂直に入射するＩＲ光の検
出に好適である。量子井戸層の組成及び厚さは、光の検
出を、ホールインターサブバンド遷移を用いて行うよう
に選択する。”インターサブバンド遷移”は、束縛状態
／連続遷移と同様に、束縛状態／束縛状態遷移を含むも
のである。
【０００９】
【実施例】本発明の実施例の受光器を、以下によって作
製した。一般的な（１００）Ｓｉ基板上に、２００ｎｍ
Ｂ（ホウ素）ドープ（〜１０18ｃｍ-3）Ｓｉバッファ
層、Ｇｅ0.25Ｓｉ0.75／Ｓｉ（４ｎｍ、〜４ｘ１０18ｃ
ｍ-3Ｂ（ホウ素）ドープ／３０ｎｍ非ドープ）量子井戸
層１０周期を成長させた。さらに、１００ｎｍＢドープ
（〜１０18ｃｍ-3）キャップ層を成長させ。全ての層
は、従来のＭＢＥによって、５５０℃で成長させた。Ｇ
ｅ1-xＳｉx層厚は、本組成において、応力平衡臨界膜厚
（〜１０ｎｍ）及び準安定臨界膜厚（〜１００ｎｍ）よ
り十分薄くし、不正形成長を確実にしている。上記によ
って得られた多層構造を、従来のリソグラフィーを用い
て処理し、ＣＦ4プラズマ中の反応性イオンエッチング
によって、２００μmのメサを形成した。さらに、従来
のＡｌ金属処理によってコンタクトを形成した。得られ
た受光器を図１に示す。図中の１０、１１、１４は、そ
れぞれ、基板、バッファ層、キャップ層を示し、１２
０、１２１．．．は量子井戸層、１３０，１３１．．．
はバリア層、１５及び１６はコンタクトを示す。矢印１
７は入射光を示す。
製した。一般的な（１００）Ｓｉ基板上に、２００ｎｍ
Ｂ（ホウ素）ドープ（〜１０18ｃｍ-3）Ｓｉバッファ
層、Ｇｅ0.25Ｓｉ0.75／Ｓｉ（４ｎｍ、〜４ｘ１０18ｃ
ｍ-3Ｂ（ホウ素）ドープ／３０ｎｍ非ドープ）量子井戸
層１０周期を成長させた。さらに、１００ｎｍＢドープ
（〜１０18ｃｍ-3）キャップ層を成長させ。全ての層
は、従来のＭＢＥによって、５５０℃で成長させた。Ｇ
ｅ1-xＳｉx層厚は、本組成において、応力平衡臨界膜厚
（〜１０ｎｍ）及び準安定臨界膜厚（〜１００ｎｍ）よ
り十分薄くし、不正形成長を確実にしている。上記によ
って得られた多層構造を、従来のリソグラフィーを用い
て処理し、ＣＦ4プラズマ中の反応性イオンエッチング
によって、２００μmのメサを形成した。さらに、従来
のＡｌ金属処理によってコンタクトを形成した。得られ
た受光器を図１に示す。図中の１０、１１、１４は、そ
れぞれ、基板、バッファ層、キャップ層を示し、１２
０、１２１．．．は量子井戸層、１３０，１３１．．．
はバリア層、１５及び１６はコンタクトを示す。矢印１
７は入射光を示す。
【００１０】図２に、前述の多層構造の、７７Ｋにおけ
る垂直入射光の吸収スペクトルを示す。スペクトルか
ら、ピークの吸収係数はλ〜８μmで約１１２０ｃｍ-1
であり、３つの明瞭な吸収ピークが観測される（〜８μ
m、〜１０．８μm、及び約１４μm）。測定された量子
効率は、約７．３％である。短波長側の２つの吸収ピー
クは、図５に示される、インターサブバンド吸収である
と認められる。
る垂直入射光の吸収スペクトルを示す。スペクトルか
ら、ピークの吸収係数はλ〜８μmで約１１２０ｃｍ-1
であり、３つの明瞭な吸収ピークが観測される（〜８μ
m、〜１０．８μm、及び約１４μm）。測定された量子
効率は、約７．３％である。短波長側の２つの吸収ピー
クは、図５に示される、インターサブバンド吸収である
と認められる。
【００１１】図３に、受光器アレイチップ３０の実施例
を示す。本発明によるアレイによれば、通常数千ピクセ
ルのアレイが得られることが分かる。Ｓｉバッファ層１
１上に、基平面となる金属化層１６を形成し、層１６上
に複数の多層メサ３１が形成される。メサの最上面に
は、金属化パッド１５を有する。
を示す。本発明によるアレイによれば、通常数千ピクセ
ルのアレイが得られることが分かる。Ｓｉバッファ層１
１上に、基平面となる金属化層１６を形成し、層１６上
に複数の多層メサ３１が形成される。メサの最上面に
は、金属化パッド１５を有する。
【００１２】図４に、結合突起４１（例としてＩｎ）に
よってＳｉ系チップ４０上にマウントされた、本発明に
よるアレイチップ部を示す。チップ４０上にはボンディ
ングパッド４２のみを示したが、チップが適切な回路
（例としてマルチプレクサ回路）を支持し、本発明のア
レイの読みだし手段として用いられることが分かる。そ
のような回路は従来技術であり、詳細を述べる必要はな
い。
よってＳｉ系チップ４０上にマウントされた、本発明に
よるアレイチップ部を示す。チップ４０上にはボンディ
ングパッド４２のみを示したが、チップが適切な回路
（例としてマルチプレクサ回路）を支持し、本発明のア
レイの読みだし手段として用いられることが分かる。そ
のような回路は従来技術であり、詳細を述べる必要はな
い。
【００１３】本発明による多層構造は、例えばＭＯＣＶ
Ｄのような、適当な成長技術を用いて実施可能である。
構造の詳細は、検出すべき波長に特に依存する。通常、
ｘは（Ｓｉ1-xＧｅx）０．２から０．３の範囲にあり、
井戸層厚は２．５から５．０ｎｍの範囲にある。通常井
戸層数は複数で、典型値は周期１０であるが、上限では
ない。重要なことは、所望の波長の吸収が、束縛状態間
あるいは自由エネルギーレベル間で遷移によって行われ
るように、構造を設計することである。
Ｄのような、適当な成長技術を用いて実施可能である。
構造の詳細は、検出すべき波長に特に依存する。通常、
ｘは（Ｓｉ1-xＧｅx）０．２から０．３の範囲にあり、
井戸層厚は２．５から５．０ｎｍの範囲にある。通常井
戸層数は複数で、典型値は周期１０であるが、上限では
ない。重要なことは、所望の波長の吸収が、束縛状態間
あるいは自由エネルギーレベル間で遷移によって行われ
るように、構造を設計することである。
【００１４】エネルギーレベルダイアグラムの例を図５
に示し、５０、５１は、それぞれＳｉ（Ｊ＝１／２）及
びＳｉ（Ｊ＝３／２）の価電子帯端であり、５２は、
（歪）量子井戸（３／２、±３／２）上側価電子帯端で
ある。例えば、５２と５１間のエネルギー差を約０．２
１ｅＶとする。５３及び５６は、それぞれ第１及び第２
ヘビーホールレベルであり、５５及び５８は、それぞれ
第１及び第２ライトホールレベルであり、５７はスプリ
ットオフホールレベル、５４はフェルミエネルギーレベ
ルを示す。矢印５９及び６０は、所望のＩＲ光の吸収に
相当すると考えられる遷移を示す。
に示し、５０、５１は、それぞれＳｉ（Ｊ＝１／２）及
びＳｉ（Ｊ＝３／２）の価電子帯端であり、５２は、
（歪）量子井戸（３／２、±３／２）上側価電子帯端で
ある。例えば、５２と５１間のエネルギー差を約０．２
１ｅＶとする。５３及び５６は、それぞれ第１及び第２
ヘビーホールレベルであり、５５及び５８は、それぞれ
第１及び第２ライトホールレベルであり、５７はスプリ
ットオフホールレベル、５４はフェルミエネルギーレベ
ルを示す。矢印５９及び６０は、所望のＩＲ光の吸収に
相当すると考えられる遷移を示す。
【００１５】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明では赤外受
光器に関し、歪層からなるＳｉ1-xＧｅx／Ｓｉ超格子を
用い、ｘ及び井戸層厚ｄが、対象とする波長の光の、イ
ンターサブバンドホール吸収を用い、超格子層に垂直に
入射する光の検出に好適であり、アレイ状に作製するこ
とが可能で、Ｓｉ系読み出しチップとほぼ等しい熱拡散
係数を有するアレイを形成することが可能な、受光器を
提供することができる。
光器に関し、歪層からなるＳｉ1-xＧｅx／Ｓｉ超格子を
用い、ｘ及び井戸層厚ｄが、対象とする波長の光の、イ
ンターサブバンドホール吸収を用い、超格子層に垂直に
入射する光の検出に好適であり、アレイ状に作製するこ
とが可能で、Ｓｉ系読み出しチップとほぼ等しい熱拡散
係数を有するアレイを形成することが可能な、受光器を
提供することができる。
【図１】本発明による、受光器の断面構造を示す図。
【図２】本発明による、受光器の実施例の、光応答スペ
クトルを示す図。
クトルを示す図。
【図３】本発明による、受光器アレイの実施例の構成を
示す図。
示す図。
【図４】本発明による、適切な読み出しチップ上にマウ
ントされた、受光器アレイの実施例の側面構成を示す
図。
ントされた、受光器アレイの実施例の側面構成を示す
図。
【図５】本発明による、受光器に関するエネルギーバン
ドダイアグラムを示す図。
ドダイアグラムを示す図。
１０ 基板 １１ バッファ層 １２０−１２ｎ 量子井戸層 １３０−１３ｎ バリア層 １４ キャップ層 １５ コンタクト １６ コンタクト １７ 入射光 ３０ 受光器アレイチップ ３１ 多層メサ ４０ Ｓｉ系チップ ４１ 結合突起 ４２ ボンディングパッド ５０ Ｓｉ（Ｊ＝１／２）価電子帯端 ５１ Ｓｉ（Ｊ＝３／２）価電子帯端 ５２ （歪）量子井戸（３／２、±３／２）上側価電子
帯端 ５３ 第１ヘビーホールレベル ５４ フェルミエネルギーレベル ５５ 第１ライトホールレベル ５６ 第２ヘビーホールレベル ５７ スプリットオフホールレベル ５８ 第２ライトホールレベル ５９ 所望のＩＲ光の吸収に相当する遷移 ６０ 所望のＩＲ光の吸収に相当する遷移
帯端 ５３ 第１ヘビーホールレベル ５４ フェルミエネルギーレベル ５５ 第１ライトホールレベル ５６ 第２ヘビーホールレベル ５７ スプリットオフホールレベル ５８ 第２ライトホールレベル ５９ 所望のＩＲ光の吸収に相当する遷移 ６０ 所望のＩＲ光の吸収に相当する遷移
【手続補正書】
【提出日】平成５年３月１７日
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の詳細な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体受光器に関す
る。特に、受光器に垂直入射する、比較的長波長の赤外
光のための、量子井戸受光器に関する。
る。特に、受光器に垂直入射する、比較的長波長の赤外
光のための、量子井戸受光器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【発明が解決しようとする課題】赤外（ＩＲ）受光器ア
レイは、医用サーモグラフィーのような、多くの用途に
おいて有用である。特に、このようなアレイ受光器（し
ばしば”ｓｔａｒｉｎｇ”アレイと呼ばれる）は、必要
なマルチプレクサ読み出し回路に、モノリシックに集積
されるか、あるいは読み出しチップと突起によってボン
ディングされる。読み出し回路は通常、Ｓｉ技術によっ
て作製され、受光器アレイは動作時には冷却（通常約５
０Ｋ）される必要があるため、受光器材料の熱拡散係数
は、Ｓｉとほぼ等しいことが要求される。ＧａＡｓ（及
び他のＩＩＩ−Ｖ族）系受光器は、通常この要求を満た
さない。
レイは、医用サーモグラフィーのような、多くの用途に
おいて有用である。特に、このようなアレイ受光器（し
ばしば”ｓｔａｒｉｎｇ”アレイと呼ばれる）は、必要
なマルチプレクサ読み出し回路に、モノリシックに集積
されるか、あるいは読み出しチップと突起によってボン
ディングされる。読み出し回路は通常、Ｓｉ技術によっ
て作製され、受光器アレイは動作時には冷却（通常約５
０Ｋ）される必要があるため、受光器材料の熱拡散係数
は、Ｓｉとほぼ等しいことが要求される。ＧａＡｓ（及
び他のＩＩＩ−Ｖ族）系受光器は、通常この要求を満た
さない。
【０００３】最近、ＧｅｘＳｉｌ−ｘ／Ｓｉ受光器が発
表された。Ｂ−Ｙ．Ｔｓａｕｒらの、ＩＥＥＥ Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．
１２（６），ｐ．２９３（１９９１）に示されている。
アレイは、モノリシックに読み出し回路と集積化されて
いる。しかし、受光器はシングルヘテロ接合デバイス
で、通常比較的量子効率が低い（比較的短波長の３μｍ
で、最大効率が約０．６から１％である）。
表された。Ｂ−Ｙ．Ｔｓａｕｒらの、ＩＥＥＥ Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．
１２（６），ｐ．２９３（１９９１）に示されている。
アレイは、モノリシックに読み出し回路と集積化されて
いる。しかし、受光器はシングルヘテロ接合デバイス
で、通常比較的量子効率が低い（比較的短波長の３μｍ
で、最大効率が約０．６から１％である）。
【０００４】量子井戸ＩＲ受光器が知られており、比較
的高い量子効率を有する。例として、米国特許第５０２
３６８５号に、単一束縛状態から連続状態への遷移を用
いるようにした、量子井戸受光器が示されている。
的高い量子効率を有する。例として、米国特許第５０２
３６８５号に、単一束縛状態から連続状態への遷移を用
いるようにした、量子井戸受光器が示されている。
【０００５】従来技術に示されるように、ＩＲ受光器
は、通常垂直入射する光に対して利用される。Ｙ−Ｃ．
Ｃｈａｎｇらは、ｐ型量子井戸の包絡関数の非直交成分
によって、垂直入射光に対してインターサブバンド遷移
が生じることを理論的に示した（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒ
ｅｖｉｅｗ Ｂ，Ｖｏｌ．３９（Ｉ７），ｐ．１２６７
２）。
は、通常垂直入射する光に対して利用される。Ｙ−Ｃ．
Ｃｈａｎｇらは、ｐ型量子井戸の包絡関数の非直交成分
によって、垂直入射光に対してインターサブバンド遷移
が生じることを理論的に示した（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒ
ｅｖｉｅｗ Ｂ，Ｖｏｌ．３９（Ｉ７），ｐ．１２６７
２）。
【０００６】最近の報告では、Ｓｉｌ−ｘＧｅｘ／Ｓｉ
量子井戸に関するものがある（Ｒ．Ｐ．Ｇ．Ｋａｒｕｎ
ａｓｉｒｉらのＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５７（２４），ｐ．２５８５（１
９９０））。論文の図２には、ＩＲ光の入射方向が垂直
方向に近づくにつれ、そのような構造の吸収強度が０に
近づくことが示されている。このような振舞いは、Ｙ−
Ｃ．Ｃｈａｎｇらの理論結果（前掲）とは相反し、垂直
入射光の検出は不可能となる。従って、従来の実験結果
は、ＧｅｘＳｉｌ−ｘ／Ｓｉ量子井戸検出器へ垂直入射
するＩＲ光の検出の可能性を否定するものである。
量子井戸に関するものがある（Ｒ．Ｐ．Ｇ．Ｋａｒｕｎ
ａｓｉｒｉらのＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．５７（２４），ｐ．２５８５（１
９９０））。論文の図２には、ＩＲ光の入射方向が垂直
方向に近づくにつれ、そのような構造の吸収強度が０に
近づくことが示されている。このような振舞いは、Ｙ−
Ｃ．Ｃｈａｎｇらの理論結果（前掲）とは相反し、垂直
入射光の検出は不可能となる。従って、従来の実験結果
は、ＧｅｘＳｉｌ−ｘ／Ｓｉ量子井戸検出器へ垂直入射
するＩＲ光の検出の可能性を否定するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者は、前掲した従
来の実験結果に基づく予想に反して、量子井戸構造にお
いて、垂直に入射するＩＲ光の検出が可能であることを
見いだした。この受光器はアレイ状に作製することが可
能で、Ｓｉ系読み出しチップとほぼ等しい熱拡散係数を
有するアレイを形成することが可能である。本発明の実
施例では、Ｓｉｌ−ｘＧｅｘ／Ｓｉ量子井戸アレイチッ
プを、Ｓｉ系読み出しチップに突起によってボンディン
グしている。
来の実験結果に基づく予想に反して、量子井戸構造にお
いて、垂直に入射するＩＲ光の検出が可能であることを
見いだした。この受光器はアレイ状に作製することが可
能で、Ｓｉ系読み出しチップとほぼ等しい熱拡散係数を
有するアレイを形成することが可能である。本発明の実
施例では、Ｓｉｌ−ｘＧｅｘ／Ｓｉ量子井戸アレイチッ
プを、Ｓｉ系読み出しチップに突起によってボンディン
グしている。
【０００８】本発明による受光器は、基板上のＳｉｌ−
ｘＧｅｘ／Ｓｉ超格子を有する、多層構造からなる。超
格子は、ｐドープ歪Ｓｉｌ−ｘＧｅｘ量子井戸層と非ド
ープＳｉバリア層からなる。さらに、超格子へ電気バイ
アスを印加するのに好適なコンタクト手段を有する。特
に、本発明の受光器は、超格子層へ垂直に入射するＩＲ
光の検出に好適である。量子井戸層の組成及び厚さは、
光の検出を、ホールインターサブバンド遷移を用いて行
うように選択する。”インターサブバンド遷移”は、束
縛状態／連続遷移と同様に、束縛状態／束縛状態遷移を
含むものである。
ｘＧｅｘ／Ｓｉ超格子を有する、多層構造からなる。超
格子は、ｐドープ歪Ｓｉｌ−ｘＧｅｘ量子井戸層と非ド
ープＳｉバリア層からなる。さらに、超格子へ電気バイ
アスを印加するのに好適なコンタクト手段を有する。特
に、本発明の受光器は、超格子層へ垂直に入射するＩＲ
光の検出に好適である。量子井戸層の組成及び厚さは、
光の検出を、ホールインターサブバンド遷移を用いて行
うように選択する。”インターサブバンド遷移”は、束
縛状態／連続遷移と同様に、束縛状態／束縛状態遷移を
含むものである。
【０００９】
【実施例】本発明の実施例の受光器を、以下によって作
製した。一般的な（１００）Ｓｉ基板上に、２００ｎｍ
Ｂ（ホウ素）ドープ（〜１０１８ｃｍ−３）Ｓｉバッフ
ァ層、Ｇｅ０．２５Ｓｉ０．７５／Ｓｉ（４ｎｍ、〜４
ｘ１０１８ｃｍ−３Ｂ（ホウ素）ドープ／３０ｎｍ非ド
ープ）量子井戸層１０周期を成長させた。さらに、１０
０ｎｍＢドープ（〜１０１８ｃｍ−３）キャップ層を成
長させ。全ての層は、従来のＭＢＥによって、５５０℃
で成長させた。Ｇｅｌ−ｘＳｉｘ層厚は、本組成におい
て、応力平衡臨界膜厚（〜１０ｎｍ）及び準安定臨界膜
厚（〜１００ｎｍ）より十分薄くし、不正形成長を確実
にしている。上記によって得られた多層構造を、従来の
リソグラフィーを用いて処理し、ＣＦ４プラズマ中の反
応性イオンエッチングによって、２００μｍのメサを形
成した。さらに、従来のＡｌ金属処理によってコンタク
トを形成した。得られた受光器を図１に示す。図中の１
０、１１、１４は、それぞれ、基板、バッファ層、キャ
ップ層を示し、１２０、１２１．．．は量子井戸層、１
３０，１３１．．．はバリア層、１５及び１６はコンタ
クトを示す。矢印１７は入射光を示す。
製した。一般的な（１００）Ｓｉ基板上に、２００ｎｍ
Ｂ（ホウ素）ドープ（〜１０１８ｃｍ−３）Ｓｉバッフ
ァ層、Ｇｅ０．２５Ｓｉ０．７５／Ｓｉ（４ｎｍ、〜４
ｘ１０１８ｃｍ−３Ｂ（ホウ素）ドープ／３０ｎｍ非ド
ープ）量子井戸層１０周期を成長させた。さらに、１０
０ｎｍＢドープ（〜１０１８ｃｍ−３）キャップ層を成
長させ。全ての層は、従来のＭＢＥによって、５５０℃
で成長させた。Ｇｅｌ−ｘＳｉｘ層厚は、本組成におい
て、応力平衡臨界膜厚（〜１０ｎｍ）及び準安定臨界膜
厚（〜１００ｎｍ）より十分薄くし、不正形成長を確実
にしている。上記によって得られた多層構造を、従来の
リソグラフィーを用いて処理し、ＣＦ４プラズマ中の反
応性イオンエッチングによって、２００μｍのメサを形
成した。さらに、従来のＡｌ金属処理によってコンタク
トを形成した。得られた受光器を図１に示す。図中の１
０、１１、１４は、それぞれ、基板、バッファ層、キャ
ップ層を示し、１２０、１２１．．．は量子井戸層、１
３０，１３１．．．はバリア層、１５及び１６はコンタ
クトを示す。矢印１７は入射光を示す。
【００１０】図２に、前述の多層構造の、７７Ｋにおけ
る垂直入射光の吸収スペクトルを示す。スペクトルか
ら、ピークの吸収係数はλ〜８μｍで約１１２０ｃｍ
−１であり、３つの明瞭な吸収ピークが観測される（〜
８μｍ、〜１０．８μｍ、及び約１４μｍ。測定された
量子効率は、約７．３％である。短波長側の２つの吸収
ピークは、図５に示される、インターサブバンド吸収で
あると認められる。
る垂直入射光の吸収スペクトルを示す。スペクトルか
ら、ピークの吸収係数はλ〜８μｍで約１１２０ｃｍ
−１であり、３つの明瞭な吸収ピークが観測される（〜
８μｍ、〜１０．８μｍ、及び約１４μｍ。測定された
量子効率は、約７．３％である。短波長側の２つの吸収
ピークは、図５に示される、インターサブバンド吸収で
あると認められる。
【００１１】図３に、受光器アレイチップ３０の実施例
を示す。本発明によるアレイによれば、通常数千ピクセ
ルのアレイが得られることが分かる。Ｓｉバッファ層１
１上に、基平面となる金属化層１６を形成し、層１６上
に複数の多層メサ３１が形成される。メサの最上面に
は、金属化パッド１５を有する。
を示す。本発明によるアレイによれば、通常数千ピクセ
ルのアレイが得られることが分かる。Ｓｉバッファ層１
１上に、基平面となる金属化層１６を形成し、層１６上
に複数の多層メサ３１が形成される。メサの最上面に
は、金属化パッド１５を有する。
【００１２】図４に、結合突起４１（例としてＩｎ）に
よってＳｉ系チップ４０上にマウントされた、本発明に
よるアレイチップ部を示す。チップ４０上にはボンディ
ングパッド４２のみを示したが、チップが適切な回路
（例としてマルチプレクサ回路）を支持し、本発明のア
レイの読みだし手段として用いられることが分かる。そ
のような回路は従来技術であり、詳細を述べる必要はな
い。
よってＳｉ系チップ４０上にマウントされた、本発明に
よるアレイチップ部を示す。チップ４０上にはボンディ
ングパッド４２のみを示したが、チップが適切な回路
（例としてマルチプレクサ回路）を支持し、本発明のア
レイの読みだし手段として用いられることが分かる。そ
のような回路は従来技術であり、詳細を述べる必要はな
い。
【００１３】本発明による多層構造は、例えばＭＯＣＶ
Ｄのような、適当な成長技術を用いて実施可能である。
構造の詳細は、検出すべき波長に特に依存する。通常、
ｘは（Ｓｉｌ−ｘＧｅｘ）０．２から０．３の範囲にあ
り、井戸層厚は２．５から５．０ｎｍの範囲にある。通
常井戸層数は複数で、典型値は周期１０であるが、上限
ではない。重要なことは、所望の波長の吸収が、束縛状
態間あるいは自由エネルギーレベル間で遷移によって行
われるように、構造を設計することである。
Ｄのような、適当な成長技術を用いて実施可能である。
構造の詳細は、検出すべき波長に特に依存する。通常、
ｘは（Ｓｉｌ−ｘＧｅｘ）０．２から０．３の範囲にあ
り、井戸層厚は２．５から５．０ｎｍの範囲にある。通
常井戸層数は複数で、典型値は周期１０であるが、上限
ではない。重要なことは、所望の波長の吸収が、束縛状
態間あるいは自由エネルギーレベル間で遷移によって行
われるように、構造を設計することである。
【００１４】エネルギーレベルダイアグラムの例を図５
に示し、５０、５１は、それぞれＳｉ（Ｊ＝１／２）及
びＳｉ（Ｊ＝３／２）の価電子帯端であり、５２は、
（歪）量子井戸（３／２、±３／２）上側価電子帯端で
ある。例えば、５２と５１間のエネルギー差を約０．２
１ｅＶとする。５３及び５６は、それぞれ第１及び第２
ヘビーホールレベルであり、５５及び５８は、それぞれ
第１及び第２ライトホールレベルであり、５７はスプリ
ットオフホールレベル、５４はフェルミエネルギーレベ
ルを示す。矢印５９及び６０は、所望のＩＲ光の吸収に
相当すると考えられる遷移を示す。
に示し、５０、５１は、それぞれＳｉ（Ｊ＝１／２）及
びＳｉ（Ｊ＝３／２）の価電子帯端であり、５２は、
（歪）量子井戸（３／２、±３／２）上側価電子帯端で
ある。例えば、５２と５１間のエネルギー差を約０．２
１ｅＶとする。５３及び５６は、それぞれ第１及び第２
ヘビーホールレベルであり、５５及び５８は、それぞれ
第１及び第２ライトホールレベルであり、５７はスプリ
ットオフホールレベル、５４はフェルミエネルギーレベ
ルを示す。矢印５９及び６０は、所望のＩＲ光の吸収に
相当すると考えられる遷移を示す。
【００１５】
【発明の効果】以上に述べたように、本発明では赤外受
光器に関し、歪層からなるＳｉｌ−ｘＧｅｘ／Ｓｉ超格
子を用い、ｘ及び井戸層厚ｄが、対象とする波長の光
の、インターサブバンドホール吸収を用い、超格子層に
垂直に入射する光の検出に好適であり、アレイ状に作製
することが可能で、Ｓｉ系読み出しチップとほぼ等しい
熱拡散係数を有するアレイを形成することが可能な、受
光器を提供することができる。
光器に関し、歪層からなるＳｉｌ−ｘＧｅｘ／Ｓｉ超格
子を用い、ｘ及び井戸層厚ｄが、対象とする波長の光
の、インターサブバンドホール吸収を用い、超格子層に
垂直に入射する光の検出に好適であり、アレイ状に作製
することが可能で、Ｓｉ系読み出しチップとほぼ等しい
熱拡散係数を有するアレイを形成することが可能な、受
光器を提供することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による、受光器の断面構造を示す図。
【図２】本発明による、受光器の実施例の、光応答スペ
クトルを示す図。
クトルを示す図。
【図３】本発明による、受光器アレイの実施例の構成を
示す図。
示す図。
【図４】本発明による、適切な読み出しチップ上にマウ
ントされた、受光器アレイの実施例の側面構成を示す
図。
ントされた、受光器アレイの実施例の側面構成を示す
図。
【図５】本発明による、受光器に関するエネルギーバン
ドダイアグラムを示す図。
ドダイアグラムを示す図。
【符号の説明】 １０ 基板 １１ バッファ層 １２０−１２ｎ 量子井戸層 １３０−１３ｎ バリア層 １４ キャップ層 １５ コンタクト １６ コンタクト １７ 入射光 ３０ 受光器アレイチップ ３１ 多層メサ ４０ Ｓｉ系チップ ４１ 結合突起 ４２ ボンディングパッド ５０ Ｓｉ（Ｊ＝１／２）価電子帯端 ５１ Ｓｉ（Ｊ＝３／２）価電子帯端 ５２ （歪）量子井戸（３／２、±３／２）上側価電子
帯端 ５３ 第１ヘビーホールレベル ５４ フェルミエネルギーレベル ５５ 第１ライトホールレベル ５６ 第２ヘビーホールレベル ５７ スプリットオフホールレベル ５８ 第２ライトホールレベル ５９ 所望のＩＲ光の吸収に相当する遷移 ６０ 所望のＩＲ光の吸収に相当する遷移
帯端 ５３ 第１ヘビーホールレベル ５４ フェルミエネルギーレベル ５５ 第１ライトホールレベル ５６ 第２ヘビーホールレベル ５７ スプリットオフホールレベル ５８ 第２ライトホールレベル ５９ 所望のＩＲ光の吸収に相当する遷移 ６０ 所望のＩＲ光の吸収に相当する遷移
フロントページの続き (72)発明者 クライド ジョージ ベシア アメリカ合衆国 07060 ニュージャージ ー プレインフィールド、ヒルサイド ア ヴェニュー 943 (72)発明者 ルーズベルト ピープル アメリカ合衆国 07060 ニュージャージ ー プレインフィールド シェリダン ア ヴェニュー 642 (72)発明者 ジャスティン ラリー ペティクラス アメリカ合衆国 18106 ペンシルヴェニ ア ウェスコスヴィル、ウィズダム プレ ース 1445 (72)発明者 シャロン カイ スプーツ アメリカ合衆国 07666 ニュージャージ ー ティーネック、グラントテラス 620
Claims (7)
- 【請求項１】 基板上に、井戸層厚がｄのｐドープ量子
井戸層（１２０、１２１）と非ドープバリア層（１３
０、１３１）とからなる半導体超格子を有する多層構造
と、 超格子へ電気バイアスを印加するコンタクト手段（１
５、１６）とからなる量子井戸受光器に関し； ａ）前記受光器が、前記超格子の面にほぼ垂直に入射す
る光（１７）の検出に好適であり、 ｂ）前記超格子が、歪層からなるＳｉ1-xＧｅx／Ｓｉ超
格子であり、 対象とする波長の光の検知が、インターサブバンドホー
ル遷移を用いるようにｘとｄと選択するをことを特徴と
する量子井戸受光器。 - 【請求項２】 ｘが、０．２から０．３の範囲にあり、 ｄが２．５から５．０ｎｍの範囲にあることを特徴とす
る請求項１に記載の受光器。 - 【請求項３】 受光器アレイを形成する十分に同等な多
層構造を複数有することを特徴とする請求項１に記載の
受光器。 - 【請求項４】 前記アレイに入射する対象とする波長の
赤外光に応じて、電気信号を順次読み出すのに適した、
マルチプレクサ回路をさらに有することを特徴とする、
請求項３に記載の受光器。 - 【請求項５】 マルチプレクサ回路が、前記基板上に形
成されることを特徴とする請求項４に記載の受光器。 - 【請求項６】 マルチプレクサ回路が、前記受光器にボ
ンディングされたＳｉ半導体上に形成されることを特徴
とする請求項４に記載の受光器。 - 【請求項７】 インターサブバンド遷移が、束縛状態／
連続遷移であることを特徴とする請求項１に記載の受光
器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US78535491A | 1991-10-30 | 1991-10-30 | |
| US785354 | 1991-10-30 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07193268A true JPH07193268A (ja) | 1995-07-28 |
Family
ID=25135230
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4310809A Pending JPH07193268A (ja) | 1991-10-30 | 1992-10-27 | 量子井戸受光器 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0540235A3 (ja) |
| JP (1) | JPH07193268A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010502963A (ja) * | 2006-09-01 | 2010-01-28 | ジョージア ステート ユニバーシティ リサーチ ファウンデーション インコーポレイテッド | 高動作温度スプリットオフバンド赤外線検出器 |
| WO2013157180A1 (ja) * | 2012-04-19 | 2013-10-24 | パナソニック株式会社 | 固体撮像装置及びその製造方法 |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0697742B1 (de) * | 1994-06-17 | 2001-10-31 | DaimlerChrysler AG | Optoelektronisches Quantentopf-Bauelement |
| DE19620761A1 (de) * | 1996-05-23 | 1997-11-27 | Daimler Benz Ag | Optoelektrisches Bauelement mit einer modulationsdotierten Schichtstruktur |
| DE19714054A1 (de) * | 1997-04-05 | 1998-10-08 | Daimler Benz Ag | SiGe-Photodetektor mit hohem Wirkungsgrad |
| GB2367945B (en) * | 2000-08-16 | 2004-10-20 | Secr Defence | Photodetector circuit |
| AU2002238699A1 (en) * | 2002-02-08 | 2003-09-02 | Qinetiq Limited | Photodetector circuit |
| GB0216069D0 (en) | 2002-07-11 | 2002-08-21 | Qinetiq Ltd | Photodetector circuits |
| US7180066B2 (en) * | 2004-11-24 | 2007-02-20 | Chang-Hua Qiu | Infrared detector composed of group III-V nitrides |
| CN103165408B (zh) * | 2011-12-14 | 2015-11-18 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种嵌入超晶格制备应变Si的方法 |
| CN103165409B (zh) * | 2011-12-14 | 2015-11-18 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 一种嵌入超晶格层组制备应变Si的方法 |
| US10170549B2 (en) | 2014-10-21 | 2019-01-01 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Strained stacked nanosheet FETs and/or quantum well stacked nanosheet |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5742175A (en) * | 1980-08-26 | 1982-03-09 | Fujitsu Ltd | Infrared ray detector |
-
1992
- 1992-10-21 EP EP19920309614 patent/EP0540235A3/en not_active Withdrawn
- 1992-10-27 JP JP4310809A patent/JPH07193268A/ja active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5742175A (en) * | 1980-08-26 | 1982-03-09 | Fujitsu Ltd | Infrared ray detector |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010502963A (ja) * | 2006-09-01 | 2010-01-28 | ジョージア ステート ユニバーシティ リサーチ ファウンデーション インコーポレイテッド | 高動作温度スプリットオフバンド赤外線検出器 |
| WO2013157180A1 (ja) * | 2012-04-19 | 2013-10-24 | パナソニック株式会社 | 固体撮像装置及びその製造方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0540235A3 (en) | 1993-09-29 |
| EP0540235A2 (en) | 1993-05-05 |
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