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INFRARED LIGHT DETECTOR foreign

Patent code P100000223
File No. AF01P006
Posted date Jun 12, 2009
Application number P2009-125194
Publication number P2010-272794A
Patent number P5123889
Date of filing May 25, 2009
Date of publication of application Dec 2, 2010
Date of registration Nov 2, 2012
Inventor
  • (In Japanese)小宮山 進
  • (In Japanese)パトリック ニクルス
Applicant
  • Japan Science and Technology Agency
Title INFRARED LIGHT DETECTOR foreign
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an infrared light detector capable of further enhancing sensitivity with respect to infrared light.
SOLUTION: By the infrared light detector 100, since a single first electronic region is divided, a plurality of first electronic regions 10 which are electrically independent of each other and arranged in a specified direction are formed. An external electron system which is the electric connection destination of each first electronic region 10 in a connection state is configured such that the electronic energy level of the excitation subband of each of the plurality of first electronic regions 10 in a shut-off state becomes sufficiently higher than a Fermi level in each second electronic region 20 facing each first electronic region 10 in a conduction channel 120.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


本願発明者によりCSIP(Charge Sensitive Infrared Phototransistor:電荷敏感型赤外光トランジスタ)を構成要素とする高感度の赤外光検出器が提案されている(たとえば、特許文献1ならびに非特許文献1および2参照)。



この赤外光検出器によれば、赤外光がマイクロストリップ・アンテナまたは金属パッチ・アレイ等によって量子井戸等、周囲から電気的に孤立した2次元電子層(浮遊ゲート)に集中される。これにより孤立2次元電子層に垂直な振動電場が生成される。そして、孤立2次元電子層における電子がこの振動電場により励起されて基底サブバンドから励起サブバンドに遷移し、さらに孤立2次元電子層からその直下に配置された電荷敏感トランジスタの伝導チャネル等に脱出する。これにより孤立2次元電子層が正に帯電する。その結果、CSIPのソース-ドレイン間の電気伝導度が増加する。



詳細には、赤外光検出器に赤外光が入射すると、光結合機構により第1電子領域に垂直な方向(z方向)に振動電場が形成される。この振動電場により第1電子領域において、図4(a)に上向き矢印で示されているように量子井戸の基底サブバンド(電子エネルギーレベルε0)から励起サブバンドに電子が遷移する。励起サブバンドに遷移した電子は図4(a)に破線矢印で示されているように量子井戸の電位障壁をトンネル過程で脱出する。そのトンネル脱出過程を可能にするために、中間層の量子井戸側のポテンシャルU1は励起サブバンドの電子エネルギーレベルε1より低いが、中間層のエネルギー勾配を確保するために伝導チャネルの対向領域におけるフェルミエネルギー(電気化学ポテンシャル)εFより高く設定されている。そのため、励起サブバンドからトンネル過程で脱出した電子は中間層のエネルギー勾配にしたがって伝導チャネル、特に第1電子領域に対向する領域(本発明における「第2電子領域」に相当する。)に流入する。これにより第1電子領域が正に帯電またはイオン化する。すなわち、遮断状態において第1電子領域および第2電子領域が中間層を挟んだコンデンサとして機能し、第1電子領域に正電荷が蓄えられる。



そして、赤外光検出器への赤外光の入射が継続する結果として、前記のように第1電子領域から伝導チャネルに脱出する電子数が継続的に増加することにより、第1電子領域の帯電量が対応して継続的に増加する。また、第1電子領域の帯電量の増加にともなって、伝導チャネルの電気伝導度が高くなる。このため、伝導チャネルの電気伝導度の変化を検出することにより入射した赤外光の積分値が高感度で検出されうる。



しかるに、赤外光検出が開始されてから比較的短時間でCSIPのソース-ドレイン間の電気伝導度の変化が飽和してしまうので、赤外光感度には限界が生じる。



詳細には、第1電子領域の正の帯電量ΔQが増加することにより、第1電子領域における励起サブバンドの電子エネルギーレベルε1が低下し、電子の主な脱出先である伝導チャネルにおける第2電子領域のフェルミ準位(電気化学ポテンシャル)εFとの差が小さくなる。たとえば、第1電子領域の正の帯電量ΔQがΔQsat=(ε1-U1)C/eに達すると、図4(a)に示されているように中間層におけるエネルギー高低差が大きい状態から、図4(b)に示されているように中間層におけるエネルギー高低差が消失した状態になる。ここで、C=ε/dは第1電子領域と伝導チャネルにおける第2電子領域が形成する単位面積当たりの電気容量を表わす。dは第1電子層と第2電子層との間の距離を表わす。εは中間領域の誘電率を表わす。すると、第1電子領域から伝導チャネルへ励起電子が脱出するだけでなく、伝導チャネルで熱励起された電子の第1電子領域への逆流が可能になり正味の脱出が起こらなくなる。その結果、第1電子領域の帯電量増加が停止して飽和する。そして、赤外光がさらに入射してもそれ以上は伝導チャネルの電気伝導度が変化せず、当該電気伝導度の変化率に基づく赤外光検出を続行できなくなる。



そこで、本願発明者により、この問題を解決するための改良が加えられたさらに高感度の赤外光検出器が提案されている(特許文献2および非特許文献3参照)。



この赤外光検出器によれば、ソース-ドレイン間の電気伝導度の変化が飽和する前に、孤立2次元電子領域がリセットゲートを介してソース、ドレインまたはソース-ドレイン間の伝導チャネルに電子的に接続される。これにより、外部電子系から第1電子領域に電子が流入し、この電子が正電荷と結合することによって第1電子領域の帯電量が0に速やかにリセットされ、電気伝導度の値が変化前の初期値に戻り、エネルギーダイヤグラムが図4(b)に示されている状態から図4(a)に示されている状態に復帰する。すなわち、第1電子領域10における励起サブバンドのエネルギーレベルε1が、励起サブバンドに遷移した電子が第1電子領域10から第2電子層104に容易にまたは高確率で流出しうる程度に十分に高い状態に復帰する。



その後、第1電子領域が接続状態から遮断状態に切り替えられることにより、このため、前記のような励起サブバンドに励起された電子の孤立2次元電子領域からの脱出による第1電子領域10の帯電が進行する状況が復活する。このため、反復的または累積的な赤外光の検知が可能となり、赤外光感度の向上が図られている。

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、赤外光検出器に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
2次元電子層である第1電子層において電気的に孤立した状態が維持されうる第1電子領域と、
入射赤外光に応じて前記第1電子領域に垂直な振動電場成分を生成することにより電子を励起し、前記第1電子領域に形成されている量子井戸のサブバンドの間で遷移させる光結合機構と、
前記第1電子層に対して中間絶縁層を介して平行に配置されている2次元電子層である第2電子層において、前記光結合機構により励起された電子が前記第1電子領域から流出した結果として電気伝導度が変化する伝導チャネルと、
前記第1電子領域が外部電子系から電気的に遮断されている遮断状態と、前記外部電子系と電気的に接続されている接続状態とを切り替える状態制御機構とを備え、
前記伝導チャネルの指定方向についての電気伝導度の変化を検出することにより前記入射赤外光を検出する赤外光検出器であって、
単一の前記第1電子領域が、相互に電気的に独立しているとともに、前記伝導チャネルに対向して前記指定方向に並んでいる複数の前記第1電子領域に分割され、
前記複数の第1電子領域のそれぞれについて所定条件が満たされるように前記外部電子系が構成され、
前記所定条件は、前記接続状態における前記第1電子領域のそれぞれの前記励起サブバンドの電子エネルギーレベルが、前記伝導チャネルにおいて前記第1電子領域のそれぞれに対向する第2電子領域のそれぞれにおけるフェルミ準位に対して、前記遮断状態における前記第1電子領域のそれぞれの励起サブバンドに遷移した電子が、前記第2電子領域のそれぞれに流出しうる程度に高くなるという条件であることを特徴とする赤外光検出器。

【請求項2】
 
請求項1記載の赤外光検出器において、
前記第2電子領域のそれぞれが、前記第1電子領域のそれぞれの前記外部電子系として構成されていることを特徴とする赤外光検出器。

【請求項3】
 
請求項1記載の赤外光検出器において、
前記中間絶縁層とともに前記一の2次元電子層を挟む上部絶縁層の上面において前記単一の第1電子領域を横断するように複数のゲート電極が形成され、
それぞれの前記ゲート電極にバイアス電圧が印加されて前記一の2次元電子層に電位障壁が形成されることにより、前記単一の第1電子領域が前記複数の第1電子領域に分割されることを特徴とする赤外光検出器。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2009125194thum.jpg
State of application right Registered
Reference ( R and D project ) CREST Novel Measuring and Analytical Technology Contributions to the Elucidation and Application of Material AREA
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