JP3645490B2 - サブバンド内吸収に基づいた多重量子井戸センサに用いる波長に無感応な放射線の結合 - Google Patents

Description

【０００１】
本願は、１９９８年１１月２０日付けで出願された米国仮特許願第６０／１０９，３３０号の利益を主張するものである。
【０００２】
起源
本願に記載の装置と方法はＮＡＳＡとの契約に基づいた研究で得られたものであり、公法９６−５１７（３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§２０２）の規定にしたがって契約者は権利を保持することを選択した。
【０００３】
背景
本明細書は、放射線（放射、光、（radiation））エネルギーを、量子井戸放射線センサ（量子井戸光センサ（quantum-well radiation sensor））に結合する装置と方法に関する。
【０００４】
赤外量子井戸半導体センサは、通常、交互の活性半導体層とバリヤ（障壁）半導体層で形成された量子井戸構造体を備えている。このような量子井戸構造体は異なるエネルギーバンドを有していてもよい。各々多重量子状態（mutiple quantum state）を有することができる。同じバンド（すなわち伝導帯または価電子帯）内の基底状態と励起状態の間のバンド内遷移（intraband transition）を利用し、選択された共振赤外（「ＩＲ」）波長のまたはその近傍の赤外線（ＩＲ放射線）を吸収することによって赤外線を検出することができる。赤外放射線を吸収すると、受け取った放射線の量を示す電荷を発生する。その放射線が誘発した電荷は、次に電気信号（例えば電圧または電流）に変換して、信号処理回路系で処理することができる。
【０００５】
量子井戸層の格子整合半導体材料の組成は、調節して、赤外放射線を検出し感知する広範囲の波長をカバーすることができる。量子井戸構造は、他の放射線検出器と比べると、他にも種々の利点をもっているが、高い均斉性、低い雑音等価温度差、大きなフォーマットアレイ（large format array）、放射に対する高い硬度（high radiation hardness）および低コストを達成することができる。赤外量子井戸検出アレイは、暗視、ナビゲーション、航空機運航管理、環境監視を含む各種の用途に使用できる。
【０００６】
量子井戸赤外センサは通常、量子井戸層に垂直のすなわち成長方向に平行の偏光を有する入射放射線に応答する。これは、この偏光が、所望の赤外波長においてバンド内遷移を誘発できるからである。焦平面アレイに画像を形成することに基づいた用途では、その光検出アレイは、画像を形成されるシーンに垂直に配向されることが多い。この配置では、電気ベクトルが量子井戸層にほぼ平行であるから、その量子井戸層は光をほとんど吸収しないかまたは全く吸収しない。
【０００７】
したがって、入射放射線の少なくとも一部分を量子井戸層が吸収可能になる方式で入射放射線を結合するために、結合機構を設けることが多い。前記結合機構の結合効率は、全入射放射線の吸収可能な放射線の百分率であるが実際吸収される放射線の百分率でないことが特徴である。適正な結合を行う一方法は、ランダム反射器または波形面を使用して、入射放射線の一部分を散乱させて吸収のための正しい偏光をもたらす方法である。あるいは、一次元また二次元の格子結合器が、正常に入射する放射線を、量子井戸層にそって伝播する成分を有する波に変換するのに使用できる。
【０００８】
しかし、これら結合機構の結合効率は、放射線の波長に敏感である。したがって、それらは、単一の選択された波長または狭いスペクトル範囲の放射線を検出する用途に限定されるので、多色の放射線を検出するのに使用できない。さらに、これらの結合機構は、入射ビームの一部分だけを、吸収する量子井戸層に平行に向けるので、結合効率が量子井戸層に平行に伝播する放射線の一部分の百分率によって決定される上限に限定される。
【０００９】
要約
本発明は、結合される放射線（放射、光）の波長に感応しない量子井戸半導体センサに、放射線を結合する装置と方法を含む発明である。量子井戸半導体装置の一実施態様は、放射線感知領域と非放射線感知領域を備え、これらの領域は互いに基板上で隣接している。前記放射線感知領域は、基板上に平行に形成された複数の交互量子井戸層を有し、少なくとも一つのバンド内遷移によって放射線を吸収する作動を行う。反射面が、非放射線感知領域と放射線感知領域の間に、基板からの入射放射線を放射線感知領域の方に反射するように、基板に対して角度をなして形成されている。その角度は、反射される放射線が、量子井戸層に対し実質的に平行に伝播するように選択することができる。
【００１０】
本発明の装置と方法のこれらのおよびその外の特徴と付随する利点を以下に詳細に述べる。
【００１１】
詳細な説明
本発明の装置と方法は、入射放射線を、吸収量子井戸層に実質的に平行な方向に、同量子井戸層内を伝播するように向けるために設計されている。放射線の偏光は、一般に、伝播の方向に直角である。したがって、その偏光は、量子井戸層に垂直に向けることができるので、量子井戸層によって吸収されて、検出と信号処理を行うための電荷を生成することができる。
【００１２】
ビームを、量子井戸層に対して角度をなして向ける他の結合方法と比較して、本発明の装置と方法は、全入射放射線の一部ではなくて全入射放射線を、量子井戸層に対し平行に向ける。入力放射線が直線的に偏光される場合、入力放射線全体は、その偏光を量子井戸層に対して垂直に向けることができ、その結果吸収される。したがって、結合効率はほぼ１００％まで到達できる。入力放射線がランダムに偏光される場合、結合効率は５０％までである。したがって、他の装置パラメータが等しい場合、本発明の装置と方法の結合効率は、従来の多くの結合機構より有意に高い。
【００１３】
既知の入射角またはその近くの入射角の入射放射線を反射して、量子井戸層に実質的に平行の方向に伝播させることができるように、所望の角度で、量子井戸層をインターセプトする少なくとも一つの反射面が設置される。例えば、本発明の装置が、量子井戸層に対し名目上垂直な入力放射線を検出するように設計される場合、反射面の角度は４５°または約４５°に設定される。
【００１４】
本発明の装置および方法は、検出中の放射線の波長に感応しない。前記反射面の反射は、入射放射線の波長に感応しないように配置形成することができる。例えば、反射面は、量子井戸層が応答する波長の範囲に対して実質的に一定の反射率を生じさせる適当な材料の一つ以上の層を有する反射層でコートしてもよい。その反射面は、単に、量子井戸層と別の異なる材料の間の境界面でもよい。前記境界の両側の材料のこの差によって、その境界面が、異なる波長の放射線を反射することができるようになる。
【００１５】
図１は、放射線を結合するため反射面を設けたバンド内量子井戸感知装置１００の一実施態様を示す。装置１００は基板１１０を備えており、その基板１１０の上に、感知装置の構造体が形成されている。基板１１０は半絶縁性であり、半導体材料（例えば、ＧａＡｓ）で製造することができる。加えて、基板１１０は、検出すべき一つ又はそれ以上の波長の放射線を実質的に透過して、入射放射線を受け取る働きをしている。導電性密着層（conductive contact layer）１２０が基板１１０の上に形成されて、装置１００に電気的なバイアス（electrical bias）を与える。前記密着層１２０は、多量にドープされた半導体材料例えばドープされたＧａＡｓで製造することができる。
【００１６】
量子井戸放射線感知領域１３０と非放射線感知領域１４０が、密着層１２０の上に、互いに隣接して形成されている。量子井戸領域１３０は、二種の異なる半導体材料製の交互の活性層（active layer）とバリヤ層（barrier layer）の多重層を備え、一種以上の波長の放射線を吸収する。これら量子井戸層は、基板１２０の面に平行である。これらの量子井戸層は、装置１００が、異なる色の放射線を同時に検出できるように、異なる波長のバンド内遷移を行う異なる量子井戸構造の二つ以上の異なるスタックを備えていてもよい。
【００１７】
領域１４０は、量子井戸領域１３０とは異なる材料で製造されている。領域１４０を構築するのに、例えばガラス材料またはポリアミドなどの絶縁材料を使用できる。領域１３０と１４０は、基板１２０に対して角度をなす傾斜面１５０で分割されている。面１５０は、検出すべき放射線を反射するように設計されている。面１５０の角度は、基板１１０の側から一つの入射角またはある範囲内の入射角で入射する放射線を反射して、量子井戸領域１３０内を、量子井戸層に対し実質的に平行の方向に伝播させるように設定される。
【００１８】
装置１００は、量子井戸領域１３０上に別の導電性密着層１６０を備えており、この密着層１６０は密着層１２０の電位とは異なる電位を提供して量子井戸領域１４０をバイアスするのに利用される。金属抵抗層１７０が密着層１６０の頂上に形成され、密着層１６０に電位を供給する。金属層１７０は、図１に示すように、少なくとも密着層１６０を覆いかつ非放射線感知領域１４０の面も覆っている。金属層１７０の上方には、量子井戸領域１３０に生成した放射線誘発出力信号を受信し処理するためシリコン基板上に形成された一つ以上の回路層１９０がある。インジウムの隆起部１８０の層が、金属層の上に形成されて、回路層１９０と量子井戸領域１３０との間の電気インターフェースを提供する。各画素が一つずつインジウムの隆起部１８０を有している。
【００１９】
入射放射線が偏光されると、装置１００または入射偏光は旋回して、量子井戸領域１３０内の反射された放射線の偏光が量子井戸層に実質的に垂直になるよう保証する。後者の場合、偏光旋回素子（polarization rotating element）１２０が基板１１０の前方に配置され、入射偏光を制御する。
【００２０】
追加の反射面１５２が、図１に示す装置１００内の量子井戸領域１３０を効率的に使用するために望ましい。またこの追加の反射面１５２は、傾斜して基板１１０に対して角をなしている。この追加の反射面１５２に突き当たる入射放射線は、反射されて、領域１３０内の量子井戸層にそって反射面１５０の方に走行する。二つの向かい合った反射面のこの配置構成によって、放射線を受け取って検出可能な偏光を有する状態に変換するための活性面積（active area）が増大する。
【００２１】
図２は、上記２反射面配置構成に基づいたピラミッドのような量子井戸領域２３０のアレイを有するバンド内量子井戸感知装置２００の別の実施様態を示す。各量子井戸領域２３０は、二つの傾斜した反射面２３２と２３４を有し、ピラミッドのような構造を形成している。これらの量子井戸構造は、ＰＭＭＡパターントランスファー法（pattern transfer technology）を利用して製造できる。ピラミッド領域２３０は、ｅ−ビームリソグラフとＰＭＭＡデベロップメント（PMMA development）を利用することによってＧａＡｓエピタキシャル材料上にスピンされたＰＭＭＡ上に製造できる。次に、このパターンは、ＥＣＲプラズマ反応性イオンエッチング法（ECR plasma reactive ion etching）を利用することによって、エピタキシャル成長ＧａＡｓに移行される。量子井戸領域２３０の間のボイド内の非放射線感知領域２４０には、絶縁体などの異なる材料が充填されている。
【００２２】
各量子井戸領域２３０の頂上には、小さな平坦面２３６が、面２３０と２３４の間に形成されて、導電性密着層２６０（例えば多量にドープされた半導体様ＧａＡｓ）を支持している。金属密着層２７０が形成されて、すべての密着層２６０と、非放射線感知領域２４０頂面とを覆っている。傾斜面２３２と２３４の角度は約４５°であり、基板１１０に対して実質的に垂直の方向で入射する放射線を受け取る。
【００２３】
各領域２３０の二つの反射面２３２と２３４は、作動時、受け取った放射線をすべて、反射して、量子井戸層に対して実質的に平行に、または量子井戸層に対して角度をなして伝播させる。このような反射放射線は吸収可能になる。
【００２４】
装置２００の配置構成に基づいて、量子感知アレイを構築することができる。各画素は一つ以上の感知領域２３０を含んでいる。また、傾斜反射面２３０と２３２は、放射線を、画素内に閉じこめて、放射線が他の画素内に入って画像がぶれることがないようにする。吸収されない反射放射線は、他の画素が受け取ることなしに基板の方に反射される。
【００２５】
ごく少数の実施態様を開示したが、他の実施態様、変更および変形は本願の特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 入射放射線を量子井戸層に向ける少なくとも一つの反射面を有する量子井戸センサの一実施態様を示す。
【図２】 放射線を、吸収量子層に、所望の偏光で結合するピラミッド様量子井戸領域を有する井戸センサの別の実施態様を示す。

Claims (17)

1. 放射線エネルギーを感知する量子井戸半導体装置であって；
   基板；
   前記基板の上に形成された第一導電性密着層；
   前記第一導電性密着層の上に平行に形成されそして放射線を少なくとも一つのバンド内遷移によって吸収する作動を行う複数の量子井戸層を有する放射線感知領域；
   前記第一導電性密着層の上に形成されそして前記放射線感知領域の第一の面に隣接する
   第一非放射線感知領域であって、反応性イオンエッチング法によるパターンの移行により形成される第一非放射線感知領域；
   前記第一非放射線感知領域と前記放射線感知領域の間に形成されて前記基板に対して約４５°の角度をなす第一反射面；
   前記放射線感知領域の上に形成された第二密着層；
   前記第一導電性密着層の上に形成されそして前記第一の面に対向する前記放射線感知領域の第二の面に隣接する第二非放射線感知領域であって、反応性イオンエッチング法によるパターンの移行により形成される第二非放射線感知領域；
   前記第二非放射線感知領域と前記放射線感知領域との間に形成されて前記基板に対して約４５°の角度をなし前記基板からの入射放射線を前記放射線感知領域および前記第一反射面の方に反射する第二反射面；および
   前記入射放射線の入射経路内に配置され、前記放射線感知領域内を伝播する反射された放射線の偏光が実質的に前記量子井戸層に対して垂直となるように前記入射放射線の偏光を制御する偏光素子；
   を備え、
   前記第一反射面は前記第二反射面に対向して前記基板からの入射放射線を前記放射線感知領域および前記第二反射面の方に反射するように構成された量子井戸半導体装置。
2. 前記基板および前記量子井戸層がＧａＡｓを含む請求項１に記載の装置。
3. 前記基板の上の領域のアレイであって各領域が前記放射線感知領域で形成されるとともに前記第一非放射線感知領域及び前記第二非放射線感知領域に隣接する領域のアレイ、を更に備えた請求項１に記載の装置。
4. 前記第二密着層の上に形成された金属層；
   前記金属層の上に形成された複数のインジウム接触子；および
   前記放射線感知領域が放射線エネルギーに応答して生成した信号を受信し処理する回路を有し、かつ前記インジウム接触子に電気的に結合されている回路層；
   をさらに備えている請求項１に記載の装置。
5. 前記放射線感知領域が、量子井戸層の少なくとも二つの異なるスタックを有し、各スタックが異なるバンド内遷移を有するよう配置構成されている請求項１に記載の装置。
6. 前記非放射線感知領域が絶縁材料で形成されている請求項１に記載の装置。
7. 放射線エネルギーを感知する量子井戸半導体装置であって；
   基板；
   前記基板の上に形成された第一導電性密着層；
   前記第一導電性密着層の上に形成された複数のピラミッド状放射線感知領域であって、各ピラミッド状放射線感知領域が、前記第一導電性密着層の上に、平行に形成されそして放射線を、少なくとも一つのバンド内遷移によって吸収する作動を行う複数の量子井戸層を有し、パターン移行プロセスにより形成されてなり、前記基板からの入射放射線を前記ピラミッド状放射線感知領域に閉じ込めることにより、受け取った放射線が他のピラミッド状放射線感知領域に入ってイメージが不鮮明になることを防止する、それぞれが前記基板に対し約４５°で傾斜した二つの向かい合った反射面を有する複数のピラミッド状放射線感知領域；
   前記放射線感知領域間に形成された複数の非放射線感知領域；および
   前記複数の放射線感知領域の上にそれぞれ形成された複数の第二密着層領域；
   を備えてなる装置。
8. 放射線をバンド内遷移によって吸収する量子井戸センサに、放射線を結合する方法であって；
   互いに対向する少なくとも二つの反射面を、量子井戸層の領域内に設け、その二つの反射面の各々が量子井戸層に対して約４５°の角度をなし；
   入射放射線ビームを前記反射面に向け、前記入射放射線ビームの反射ビームを、前記量子井戸層に対し、量子井戸層に実質的に平行な伝播方向に案内し；そして
   前記放射線の入力偏光の相対的な方向を制御して、反射された放射線の偏光を前記量子井戸層内において同量子井戸層に対し実質的に垂直に伝播させる；
   ことを含んでなる方法。
9. 前記反射面を、放射線の少なくとも二つの異なる波長に対して光学的に反射するようにすることをさらに含んでいる請求項８に記載の方法。
10. 前記第二密着層領域のそれぞれの上に形成された金属層;
    前記金属層の上に形成された複数のインジウム接触子；および
    前記ピラミッド状放射線感知領域が放射線エネルギーに応答して生成した信号を受信し処理する回路を有し、かつ前記インジウム接触子に電気的に結合されている回路層；
    をさらに備えている請求項７に記載の装置。
11. 前記量子井戸層に対して前記入射放射線の偏光を制御し、各ピラミッド状放射線感知領域内において実質的に前記量子井戸層と垂直に伝播する反射された放射線の偏光を作る手段をさらに備えている請求項７に記載の装置。
12. 前記手段が、前記入射放射線の入射経路に配置され、そして前記入射放射線が前記ピラミッド状放射線感知領域により受け取られる前に同入射放射線の偏光を変更するように作動する偏光旋回素子を含む請求項１１に記載の装置。
13. 前記ピラミッド状放射線感知領域のそれぞれが少なくとも二つの異なる量子井戸層のスタックを含み、各スタックは異なるバンド内遷移を有するように構成された請求項７に記載の装置。
14. 量子井戸層を基板上に製造し；
    パターン付けされたＰＭＭＡ層を前記量子井戸層の上に形成し；
    前記パターン付けされたＰＭＭＡ層を介して前記量子井戸層に対し反応性イオンエッチングを実施してピラミッド形状の量子井戸領域を形成することにより前記量子井戸層の中に空隙のアレイを前記基板に対し約４５°の角度で傾斜した互いに対向する少なくとも二つの境界面とともに形成し；および
    前記空隙のアレイを非放射線感知の絶縁材料で満たし、前記境界面に前記基板からの入射放射線を前記ピラミッド形状の量子井戸領域に閉じ込めるための前記基板に対し約４５°の角度で傾斜した互いに対向する少なくとも二つの傾斜面を形成する；
    ことを備えた量子井戸検知アレイを製造する方法。
15. 前記基板中及び前記量子井戸層中にＧａＡｓを用いることを含んでいる請求項１４に記載の方法。
16. 前記量子井戸層が少なくとも二つの異なる波長の光を吸収するように積み重ねられた二つの異なる量子井戸構造を有するようにすることを含んでいる請求項１４に記載の方法。
17. 前記基板および前記量子井戸層がＧａＡｓを含む請求項７に記載の装置。

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