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JP2012083238A - Infrared detector - Google Patents

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JP2012083238A
JP2012083238A JP2010230240A JP2010230240A JP2012083238A JP 2012083238 A JP2012083238 A JP 2012083238A JP 2010230240 A JP2010230240 A JP 2010230240A JP 2010230240 A JP2010230240 A JP 2010230240A JP 2012083238 A JP2012083238 A JP 2012083238A
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JP
Japan
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upper electrode
light absorption
absorption layer
infrared
light
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2010230240A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masayuki Shirane
昌之 白根
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by NEC Corp filed Critical NEC Corp
Priority to JP2010230240A priority Critical patent/JP2012083238A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an infrared detector that induces surface plasmon to enhance the sensitivity of a wavelength to be detected.SOLUTION: An infrared detector includes a light absorption layer 200 that absorbs infrared using an inter-subband transition of a quantum dot 24 that is laminated in a multi-layer, and a lower electrode 27 and an upper electrode 28 provided so as to interpose the light absorption layer 200. The upper electrode 28 is provided with periodic holes 29 to induce surface plasmon and thereby enhance the sensitivity of a wavelength to be detected.

Description

本発明は、赤外線を検出するための赤外線検出装置に関する。   The present invention relates to an infrared detection device for detecting infrared rays.

熱検出をはじめとして、赤外線領域の光検出技術に対する需要は高まっている。従来、広く用いられてきた赤外光検出半導体素子として、水銀・カドミウム・テルル(MCT)、量子井戸(QW)のサブバンド間遷移を利用したもの、量子ドット(QD)のサブバンド間遷移を利用したものが挙げられる。   There is an increasing demand for photodetection technology in the infrared region, including heat detection. Conventionally, infrared light detection semiconductor elements that have been widely used include mercury / cadmium / tellurium (MCT), quantum well (QW) intersubband transitions, and quantum dot (QD) intersubband transitions. The one used is mentioned.

MCT系材料では、赤外線光を吸収し、価電子帯の電子が伝導体に励起されることにより生じる電流、またはそれを電圧に変換して検出をしている。半導体のバンドギャップより大きいエネルギーを持つ光は吸収されるため、原理的には広帯域な感度領域を有する検出器である。   In the MCT-based material, infrared light is absorbed, and detection is performed by converting a current generated by excitation of electrons in the valence band into a conductor or a voltage. Since light having energy larger than the band gap of the semiconductor is absorbed, in principle, the detector has a wide sensitivity region.

しかし、MCT系材料は、結晶成長やそのプロセスが非常に困難な材料系であり、検出器が非常に高価になるという問題がある。また、大面積化が困難なため、大面積の2次元赤外線検出器アレイの作製が非常に難しいという問題がある。   However, the MCT material is a material system in which crystal growth and its process are very difficult, and there is a problem that the detector becomes very expensive. Further, since it is difficult to increase the area, there is a problem that it is very difficult to manufacture a large-area two-dimensional infrared detector array.

これらの問題を解決する手段として登場したのが、量子井戸や量子ドットなど量子構造の電子または正孔のサブバンド間遷移による光吸収を利用するものである。   As a means for solving these problems, light absorption by intersubband transition of electrons or holes having a quantum structure such as a quantum well or a quantum dot has been utilized.

量子閉じ込め構造により、電子又は電子エネルギーは離散的になる。離散準位間のエネルギー差が検出されるべき赤外線のエネルギーに一致すると、光吸収によって電子又は正孔が基底準位から励起準位に励起され、それに起因する電流を検出するものである。   The quantum confinement structure makes the electrons or electron energy discrete. When the energy difference between the discrete levels coincides with the infrared energy to be detected, electrons or holes are excited from the ground level to the excited level by light absorption, and a current resulting therefrom is detected.

量子閉じ込め構造のバルク材料であるMCT系材料に対する優位性は、熱雑音が低いことである。これは、キャリアの運動方向の自由度が、バルク材料では3次元であるのに対して、量子閉じ込め構造では2次元または0次元であるためである。   The advantage over the MCT-based material that is the bulk material of the quantum confinement structure is that the thermal noise is low. This is because the degree of freedom in the direction of movement of carriers is three-dimensional for bulk materials, whereas it is two-dimensional or zero-dimensional for quantum confinement structures.

従って、量子閉じ込め構造では、MCTのようなバルク材料と比較して、信号対雑音比における雑音の低減が実現され、より高い検出感度が期待される。   Therefore, in the quantum confinement structure, compared with a bulk material such as MCT, noise reduction in the signal-to-noise ratio is realized, and higher detection sensitivity is expected.

これに関連する技術として、例えば、特開平10−326906号公報(特許文献1)がある。特許文献1には、量子井戸や量子ドットなど量子構造を利用した光検出素子が開示されている。   As a technology related to this, there is, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-326906 (Patent Document 1). Patent Document 1 discloses a light detection element using a quantum structure such as a quantum well or a quantum dot.

特開平10−326906号公報JP-A-10-326906

しかしながら、量子井戸の場合、光検出面に垂直入射する光、つまり積層方向に垂直な電場成分をもつ入射光に対するサブバンド間遷移吸収効率は非常に低い。   However, in the case of a quantum well, the intersubband transition absorption efficiency for light perpendicularly incident on the light detection surface, that is, incident light having an electric field component perpendicular to the stacking direction is very low.

一方、量子ドットの場合は、量子井戸のような垂直入射に対する低い光吸収効率の問題はない。しかし、光吸収効率は、量子ドットの積層方向に平行な電場成分に対しての方が、積層方向に垂直な電場成分に対してよりも、典型的には数倍程度大きい。   On the other hand, in the case of quantum dots, there is no problem of low light absorption efficiency with respect to normal incidence as in quantum wells. However, the light absorption efficiency is typically several times greater for the electric field component parallel to the stacking direction of the quantum dots than for the electric field component perpendicular to the stacking direction.

従って、量子構造の積層方向に垂直な電場成分のみを持つ入射光を、積層方向に平行な電場成分に効率よく変換する機構が望まれる。   Therefore, a mechanism for efficiently converting incident light having only an electric field component perpendicular to the stacking direction of the quantum structure into an electric field component parallel to the stacking direction is desired.

本発明の目的は、上述した従来技術の課題を解決するための技術を提供することにあり、表面プラズモンを誘起し、検出したい波長での感度を増大させた赤外線検出装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique for solving the above-described problems of the prior art, and to provide an infrared detection device that induces surface plasmons and increases sensitivity at a wavelength to be detected. .

本発明に係る赤外線検出装置は、
多層に積層された量子ドットのサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する光吸収層と、
前記光吸収層を挟むように設けられた下部電極及び上部電極を有し、
前記上部電極には、表面プラズモンを誘起して検出すべき波長における感度を増大させるための周期的な孔が形成されていることを特徴とする。
An infrared detection device according to the present invention is
A light-absorbing layer that absorbs infrared rays using intersubband transitions of quantum dots stacked in multiple layers;
A lower electrode and an upper electrode provided so as to sandwich the light absorption layer;
The upper electrode is formed with periodic holes for inducing surface plasmon and increasing sensitivity at a wavelength to be detected.

また、本発明に係る他の赤外線検出装置は、
多層に積層された量子井戸のサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する光吸収層と、
前記光吸収層を挟むように設けられた下部電極及び上部電極を有し、
前記上部電極には、表面プラズモンを誘起して検出すべき波長における感度を増大させるための周期的な孔が形成されていることを特徴とする。
In addition, another infrared detection device according to the present invention is
A light-absorbing layer that absorbs infrared rays by utilizing intersubband transitions of multilayered quantum wells;
A lower electrode and an upper electrode provided so as to sandwich the light absorption layer;
The upper electrode is formed with periodic holes for inducing surface plasmon and increasing sensitivity at a wavelength to be detected.

本発明によれば、表面プラズモンを誘起し、検出したい波長での感度を増大させることができる。   According to the present invention, it is possible to induce surface plasmon and increase sensitivity at a wavelength to be detected.

サブバンド間遷移による赤外線吸収の原理を説明する図である。It is a figure explaining the principle of the infrared absorption by the transition between subbands. 本発明の第1の実施の形態に係る赤外線検出装置の断面及び上面図である。It is the cross section and top view of the infrared rays detection apparatus which concern on the 1st Embodiment of this invention. 本発明による赤外線検出装置の感度スペクトルの説明図である。It is explanatory drawing of the sensitivity spectrum of the infrared rays detection apparatus by this invention. 表面プラズモンによる電場増強スペクトルの計算例を示す図である。It is a figure which shows the example of a calculation of the electric field enhancement spectrum by surface plasmon. 表面プラズモンの電場強度分布の概念図である。It is a conceptual diagram of the electric field intensity distribution of surface plasmon. 本発明の第2の実施の形態に係る赤外線検出装置の断面及び上面図である。It is the cross section and top view of the infrared rays detection apparatus which concern on the 2nd Embodiment of this invention.

(本発明の原理)
最初に、図1を参照して、本願発明の前提となるサブバンド間遷移による赤外線吸収の原理を説明する。これは、量子井戸や量子ドットなど量子構造の電子または正孔のサブバンド間遷移による光吸収を利用するものである。量子閉じ込め構造により、電子又は電子エネルギーは離散的になる。図1は電子に対するバンド構造を示している。
(Principle of the present invention)
First, the principle of infrared absorption by intersubband transition, which is the premise of the present invention, will be described with reference to FIG. This utilizes light absorption due to intersubband transition of electrons or holes having a quantum structure such as quantum wells and quantum dots. The quantum confinement structure makes the electrons or electron energy discrete. FIG. 1 shows a band structure for electrons.

図1に示すように、障壁層11と障壁層13の間に、量子ドット又は量子井戸層12が形成されている。このような構成の下、離散準位間のエネルギー差が検出されるべき赤外線のエネルギーに一致すると、光吸収によって電子16が電子基底準位14から電子励起準位15に励起され、それに起因する電流を検出する。   As shown in FIG. 1, quantum dots or quantum well layers 12 are formed between the barrier layer 11 and the barrier layer 13. Under such a configuration, when the energy difference between the discrete levels coincides with the infrared energy to be detected, the electrons 16 are excited from the electron ground level 14 to the electron excitation level 15 by light absorption, resulting in this. Detect current.

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
まず、図2を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る赤外線検出装置の構成について説明する。ここで、図2は、本発明の第1の実施の形態に係る赤外線検出装置の断面図及び上面図を示す。
(First embodiment)
First, with reference to FIG. 2, the structure of the infrared detection apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described. Here, FIG. 2 shows a sectional view and a top view of the infrared detecting device according to the first embodiment of the present invention.

まず、断面図を参照すると、半絶縁基板20上に、半絶縁基板20と同じ材料から構成されるi型緩衝層21、n型下部コンタクト層22及びi型障壁層23が形成されている。下部電極27はn型下部コンタクト層22の一部に接触して形成されている。   First, referring to a cross-sectional view, an i-type buffer layer 21, an n-type lower contact layer 22, and an i-type barrier layer 23 made of the same material as the semi-insulating substrate 20 are formed on the semi-insulating substrate 20. The lower electrode 27 is formed in contact with a part of the n-type lower contact layer 22.

そして、i型障壁層23の上に、赤外線を吸収する量子ドット24と、i型障壁層25が交互に形成されている。多数の量子ドット24で吸収効率をかせぐため、典型的には量子ドット24は10層程度積層される。この多層に積層された量子ドット24とi型障壁層25により光吸収層200が構成される。この光吸収層200は、多層に積層された量子ドット24のサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する。   On the i-type barrier layer 23, quantum dots 24 that absorb infrared rays and i-type barrier layers 25 are alternately formed. In order to increase absorption efficiency with a large number of quantum dots 24, typically, about 10 layers of quantum dots 24 are stacked. The light absorption layer 200 is configured by the quantum dots 24 and the i-type barrier layer 25 stacked in multiple layers. The light absorption layer 200 absorbs infrared rays by utilizing intersubband transition of the quantum dots 24 stacked in multiple layers.

光吸収層200の上には、n型上部コンタクト層26が形成されている。そして、n型上部コンタクト層26の上に上部電極28が形成されている。   An n-type upper contact layer 26 is formed on the light absorption layer 200. An upper electrode 28 is formed on the n-type upper contact layer 26.

このような構成の下、上部電極28と下部電極27の間を流れる光電流を検出する。   Under such a configuration, the photocurrent flowing between the upper electrode 28 and the lower electrode 27 is detected.

上面図を参照すると、上部電極28には正方格子状に円孔29があいている。円孔29に垂直に入射する、つまり+z方向に伝搬する赤外線を検出するものとする。円孔29の周期はxおよびy方向ともにa、孔半径はrである。   Referring to the top view, the upper electrode 28 has circular holes 29 in a square lattice pattern. It is assumed that infrared rays that enter the circular hole 29 perpendicularly, that is, that propagate in the + z direction are detected. The period of the circular hole 29 is a in both the x and y directions, and the hole radius is r.

ここでは、孔が周期的にあいていることが本質であって、孔の形状や三角格子などの周期性が本質ではない。   Here, it is essential that the holes are periodically opened, and periodicity such as the shape of the holes and the triangular lattice is not essential.

このように、上部電極28には、表面プラズモンを誘起して検出すべき波長における感度を増大させるための周期的な孔(例えば、円孔29)が形成されている。   Thus, the periodic hole (for example, circular hole 29) for inducing the surface plasmon and increasing the sensitivity at the wavelength to be detected is formed in the upper electrode 28.

(本発明の動作原理)
次に、図3〜図5を参照して、本発明の動作原理について説明する。
(Operational principle of the present invention)
Next, the operation principle of the present invention will be described with reference to FIGS.

図2に示す赤外線検出装置の構造に対して、xまたはy方向の電場成分を有する光が+z方向に伝搬すると、周期aに応じて表面プラズモンが誘起される。表面プラズモンは、金属の周期構造を反映して、共鳴スペクトルを有する。その共鳴波長は数1で与えられる。   When light having an electric field component in the x or y direction propagates in the + z direction with respect to the structure of the infrared detection device shown in FIG. 2, surface plasmons are induced according to the period a. The surface plasmon has a resonance spectrum reflecting the periodic structure of the metal. The resonance wavelength is given by Equation 1.

Figure 2012083238
Figure 2012083238

ここで、j、kは回折の次数を表す指数であり、各々0以上の整数である。ただし、両方同時に0とはならない。εmおよびεdはそれぞれ金属および誘電体(ここではGaAs)の誘電率を表しており、各々実部と虚部とを持つ。例えば、εm=εm’+iεm”、εd=εd’+iεd”と表す。   Here, j and k are indices representing the order of diffraction, and each is an integer of 0 or more. However, both are not 0 at the same time. .epsilon.m and .epsilon.d represent the dielectric constants of a metal and a dielectric (here, GaAs), respectively, and each have a real part and an imaginary part. For example, εm = εm ′ + iεm ″ and εd = εd ′ + iεd ″.

金属が完全導体、つまり実部が小さく虚部が非常に大きい、という近似が成り立ち、かつGaAsの誘電率の虚部があまり大きくない、と仮定した場合、数1はおおよそ数2で近似できる。   When it is assumed that the metal is a perfect conductor, that is, the real part is small and the imaginary part is very large, and the imaginary part of the dielectric constant of GaAs is not so large, Equation 1 can be approximated by Equation 2.

Figure 2012083238
Figure 2012083238

ここで、nは半導体GaAsの屈折率の実部であり、ほぼ√(εd’)に相当する。これを満たすλは、回折次数の低い方から、a×nの1倍、1/√2倍、1/2倍、1/√5倍…となる。 Here, n d is the real part of the refractive index of the semiconductor GaAs, corresponding to approximately √ (εd '). The λ satisfy this, the lower diffraction orders, 1 × a × n d, 1 / √2 times, 1/2-fold, made 1 / √5 times ... and.

回折次数が高くなると回折効率が低下するのが一般的であるので、次数の低いものを利用することが望ましい。   Since the diffraction efficiency generally decreases as the diffraction order increases, it is desirable to use a low diffraction order.

このような共鳴波長付近での、z方向電場の空間依存性を、概念的に示したものが図5である。なお、表面プラズモンは、金属と誘電体の界面に対し両方向に発生するが、金属側は表示していない。ここで、50は、入射赤外線を示す。   FIG. 5 conceptually shows the spatial dependence of the z-direction electric field near the resonance wavelength. The surface plasmon is generated in both directions with respect to the interface between the metal and the dielectric, but the metal side is not shown. Here, 50 indicates incident infrared rays.

共鳴波長付近での、赤外線検出器の感度スペクトルの様子を図3に概念的に示す。   FIG. 3 conceptually shows the sensitivity spectrum of the infrared detector near the resonance wavelength.

(a)には、量子ドットのみで決まる感度スペクトルを示している。この中心波長は、量子ドットの大きさ・高さ、材料組成などによって選択できる。なお、感度の波長広がりは、多数の量子ドットエネルギー準位のばらつき、すなわち不均一広がりに相当する。 (A) shows a sensitivity spectrum determined only by quantum dots. This central wavelength can be selected depending on the size / height of the quantum dot, the material composition, and the like. The wavelength broadening of sensitivity corresponds to a large number of quantum dot energy level variations, that is, nonuniform spread.

(b)は金属周期構造による表面プラズモンにより誘起された、電場のz成分のスペクトルを示している。光検出器全体の感度は、(a)と(b)の掛け算になるため、適切な設計によって両者の波長を一致させれば、最終的には(c)のような狭い帯域で、高感度が実現される。 (B) has shown the spectrum of the z component of the electric field induced by the surface plasmon by a metal periodic structure. Since the sensitivity of the entire photodetector is a product of (a) and (b), if both wavelengths are matched by an appropriate design, the sensitivity is finally reduced in a narrow band as shown in (c). Is realized.

狭帯域化の効用について、一言述べておく。赤外線検出の場合、検出したい波長の信号と共に、黒体輻射による広帯域な赤外線が雑音要因となることがある。狭帯域化で、このような広帯域な雑音成分の検出効率が低下することにより、結果として信号対雑音比が向上することにつながる。   A few words about the benefits of narrowing the bandwidth. In the case of infrared detection, a broadband infrared ray due to black body radiation may be a noise factor together with a signal having a wavelength to be detected. By narrowing the band, the detection efficiency of such a wideband noise component decreases, and as a result, the signal-to-noise ratio is improved.

(表面プラズモンによる増大効果の計算)
続いて、表面プラズモンによる電場が増強効果の、数値計算を行った。10μm帯での光検出を想定し、GaAsで構成される光吸収層の屈折率を3.2と仮定する。
(Calculation of increase effect by surface plasmon)
Subsequently, the electric field due to surface plasmons was numerically calculated to enhance the effect. Assuming light detection in the 10 μm band, the refractive index of the light absorption layer made of GaAs is assumed to be 3.2.

式2から、金属にあける孔の周期はa=3.1μm(=10/3.2)とした。また、円孔の半径r=a×0.3=0.93μmに設定した。また、金属電極の厚さは90nmである。 From Equation 2, the period of the holes in the metal was set to a = 3.1 μm (= 10 / 3.2). Further, the radius of the circular hole was set to r = a × 0.3 = 0.93 μm. The thickness of the metal electrode is 90 nm.

有限差分時間領域(FDTD)法を用いて、白色光が入射した場合の、電極から+z方向100nm付近での電場のz成分を計算した結果を、図4に示す。   FIG. 4 shows the calculation result of the z component of the electric field in the vicinity of 100 nm from the electrode in the + z direction when white light is incident using the finite difference time domain (FDTD) method.

この計算において、電極に利用する金(Au)の屈折率は、ドルーデモデルを仮定して、その分散関係から導出した値を用いた。   In this calculation, the refractive index of gold (Au) used for the electrode is a value derived from the dispersion relation assuming a Drude model.

図4をみると、波長10.4μm付近で、電場のz成分が強くなっていることが分かる。このスペクトルの半値全幅は0.2μm程度である。従って、図3を参照すると、狭い帯域で、高検出感度をもつ検出装置が出来ることになる。   When FIG. 4 is seen, it turns out that the z component of an electric field becomes strong at the wavelength of 10.4 micrometer vicinity. The full width at half maximum of this spectrum is about 0.2 μm. Therefore, referring to FIG. 3, a detection device having high detection sensitivity in a narrow band can be obtained.

式2による設計が10μmに対して、FDTD計算では10.4μm程度となっているのは、誘電体(GaAs)の屈折率の虚部や、金属(Au)が完全導体、つまり誘電率が純虚数で、その絶対値がかなり大きいという近似計算で無視した効果によるものであると考えられる。   Whereas the design by Equation 2 is 10 μm, the FDTD calculation shows about 10.4 μm because the imaginary part of the refractive index of the dielectric (GaAs) and the metal (Au) are perfect conductors, that is, the dielectric constant is pure. This is an imaginary number, and its absolute value is quite large.

この時、電場のz成分がその最大値から1/eとなる長さLp、つまりプラズモンの侵入長は0.8μm程度であった。光吸収層の厚さは、Lpの2倍程度以下であれば充分である。これ以上、光吸収層を厚くしても、電場増強が期待したほどは見込まれない。   At this time, the length Lp at which the z component of the electric field was 1 / e from the maximum value, that is, the penetration length of the plasmon was about 0.8 μm. The thickness of the light absorption layer is sufficient if it is about twice or less of Lp. Even if the light absorption layer is made thicker than this, the electric field enhancement is not expected as expected.

この計算はほんの一例であり、所望の波長で動作させたい場合には、周期aを上記の方法に従って適切に選べばよい。   This calculation is only an example, and when it is desired to operate at a desired wavelength, the period a may be appropriately selected according to the above method.

このように、本発明の第1の実施の形態によれば、光吸収層として、量子ドットのサブバンド間遷移を利用する赤外線検出装置であって、光電流を検出するための電極に周期的な構造を付加することで、表面プラズモンを誘起し、検出したい波長での感度を増大させた赤外線検出装置を提供することができる。このように、本発明の第1の実施の形態では、量子ドット内のサブバンド間遷移を、表面プラズモンによって増強する。   As described above, according to the first embodiment of the present invention, as the light absorption layer, the infrared detection device using the intersubband transition of the quantum dot, the electrode for detecting the photocurrent is periodically formed. By adding a simple structure, it is possible to provide an infrared detection device that induces surface plasmons and increases the sensitivity at the wavelength to be detected. Thus, in the first embodiment of the present invention, the intersubband transition in the quantum dot is enhanced by the surface plasmon.

次に、図2を参照して、本発明の第1の実施の形態に係る赤外線検出装置の製造方法について説明する。   Next, with reference to FIG. 2, the manufacturing method of the infrared rays detection apparatus which concerns on the 1st Embodiment of this invention is demonstrated.

(1)量子ドットを含む結晶成長
半絶縁基板20として、面方位が(001)面のGaAs基板を用意する。この基板を分子線エピタキシャル(MBE)装置内へ導入し、固体Asを加熱し昇華させることにより得られるAs4分子線を照射しながら、基板温度を600℃まで上昇させ、半絶縁基板20表面の自然酸化膜を除去する。その後、580℃程度の基板温度で、基板と同じGaAsから構成されるi型緩衝層21を300nm程度積層する。
(1) Crystal growth including quantum dots As the semi-insulating substrate 20, a GaAs substrate having a (001) plane orientation is prepared. While introducing this substrate into a molecular beam epitaxial (MBE) apparatus and irradiating As4 molecular beam obtained by heating and sublimating solid As, the substrate temperature is raised to 600 ° C. The oxide film is removed. Thereafter, the i-type buffer layer 21 made of the same GaAs as that of the substrate is laminated at about 300 nm at a substrate temperature of about 580 ° C.

引き続いて、厚さが300nm程度で、Si濃度が2×1018cm−3程度のGaAsで構成されるn型下部コンタクト層22と、厚さ70nmでGaAsのi型障壁層23を順次積層する。 Subsequently, an n-type lower contact layer 22 made of GaAs having a thickness of about 300 nm and an Si concentration of about 2 × 10 18 cm −3 and an i-type barrier layer 23 of GaAs having a thickness of 70 nm are sequentially stacked. .

その後、基板温度を490℃程度まで低下させ、名目上の厚さが2〜3原子層程度相当分のInAsを供給する。   Thereafter, the substrate temperature is lowered to about 490 ° C., and InAs corresponding to a nominal thickness of about 2 to 3 atomic layers is supplied.

この時、InAsとGaAsとの格子定数の違いから発生する歪みによって、InAsが島状に3次元的に成長し、SK(Stranski−Krastanov)モードと呼ばれる量子ドット24を形成する。典型的な量子ドットの典型的な大きさは、直径約30nm〜50nmで、高さ約2〜8nmであり、1cm当たりの面密度は5×1010程度である。 At this time, InAs grows three-dimensionally in an island shape due to strain generated due to a difference in lattice constant between InAs and GaAs, quantum dots 24 called SK (Stranski-Krastanov) mode are formed. The typical size of a typical quantum dot is about 30 to 50 nm in diameter, about 2 to 8 nm in height, and the surface density per cm 2 is about 5 × 10 10 .

先ほどの名目の厚さが2〜3原子層と表現したのは、基板表面で再蒸発する成分も含めた数値であり、実際の平均的な厚さはこの値よりも小さくなる場合が多い。   The above-mentioned nominal thickness expressed as 2 to 3 atomic layers is a numerical value including components that re-evaporate on the substrate surface, and the actual average thickness is often smaller than this value.

続いて、InAsの供給を停止してGaAsを供給することによって、厚さが50nm程度のGaAsのi型障壁層25を成長させ、量子ドット24を埋め込む。   Subsequently, by stopping the supply of InAs and supplying GaAs, a GaAs i-type barrier layer 25 having a thickness of about 50 nm is grown, and the quantum dots 24 are embedded.

ここで、i型障壁層25は、量子ドット24により形成される表面の凹凸形状がほぼ平らになる厚さに設定すればよく、50nm程度以上が目安となる。   Here, the i-type barrier layer 25 may be set to a thickness at which the uneven shape of the surface formed by the quantum dots 24 is substantially flat, and a thickness of about 50 nm or more is a standard.

量子ドット24を10層積層したい場合は、上述の量子ドット24およびi型障壁層25の積層を交互に10回繰り返すことにより、所望の構造となる。   When 10 layers of the quantum dots 24 are desired to be stacked, the above-described stacking of the quantum dots 24 and the i-type barrier layer 25 is alternately repeated 10 times to obtain a desired structure.

続いて、厚さが100nm程度で、Si濃度が2×1018cm−3程度のGaAsで構成されるn型上部コンタクト層26を堆積させる。 Subsequently, an n-type upper contact layer 26 made of GaAs having a thickness of about 100 nm and a Si concentration of about 2 × 10 18 cm −3 is deposited.

上記製造方法では、i型障壁層としてGaAsを用いたが、AlGaAsを代替として用いても構わない。AlGaAsはGaAsよりもバンドギャップエネルギーが大きいため、量子ドット赤外線検出器の検出波長を短く(言い換えれば、光のエネルギーを大きく)することが可能となる。   In the above manufacturing method, GaAs is used as the i-type barrier layer, but AlGaAs may be used instead. Since AlGaAs has a larger band gap energy than GaAs, the detection wavelength of the quantum dot infrared detector can be shortened (in other words, the energy of light can be increased).

ただし、Al組成が大きいと、量子ドット24を構成する原子の一つであるInとのミキシングが起きて結晶特性が劣化する恐れがある。よって、Al組成比は0.4以下程度にしておくことが望ましい。   However, if the Al composition is large, mixing with In, which is one of the atoms constituting the quantum dot 24, may occur and the crystal characteristics may deteriorate. Therefore, it is desirable that the Al composition ratio be about 0.4 or less.

また、量子ドット24やその周辺構造をMBE法によって形成しているが、この方法に限定されるものではなく、有機金属気相成長法(MOCVD法)等の他の結晶成長法を用いても良い。   Further, although the quantum dots 24 and their peripheral structures are formed by the MBE method, the present invention is not limited to this method, and other crystal growth methods such as a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method) may be used. good.

また、結晶成長用の基板にとしてGaAsを用いているが、これをInPとしても良く、この場合に、この場合には障壁層としてInPと格子整合するようなInGaAlAsで構成されていても良い。   Further, although GaAs is used as the substrate for crystal growth, this may be InP. In this case, the barrier layer may be composed of InGaAlAs that lattice matches with InP.

(2)検出器構造加工および電極プロセス
続いて、リソグラフィー、ドライエッチングを用いてn型上部コンタクト層26からi型GaAs障壁層23の一部を選択的にエッチングして、n型下部コンタクト層22の表面の一部を露出させる。
(2) Detector Structure Processing and Electrode Process Subsequently, a part of the i-type GaAs barrier layer 23 is selectively etched from the n-type upper contact layer 26 using lithography and dry etching to form the n-type lower contact layer 22. Expose part of the surface.

この選択エッチングにより、分離された構造が検出素子の1つになる。検出器の受光面の大きさは、用途によって異なるが、典型的には40μm程度から200μm程度である。   By this selective etching, the separated structure becomes one of the detection elements. The size of the light receiving surface of the detector varies depending on the application, but is typically about 40 μm to 200 μm.

赤外線検出装置としては、この1素子のみで構成されてもよいし、このような素子を一列に、あるいは平面的に配列させたアレイであってもよい。   The infrared detection device may be composed of only one element, or may be an array in which such elements are arranged in a line or in a plane.

次いで、上下コンタクト層にAuGe/Ni/Auからなる電極27、28を、リフトオフ法によって形成する。リフトオフ法は、リソグラフィー、金属蒸着、レジスト剥離などの工程を含んでいる。   Next, electrodes 27 and 28 made of AuGe / Ni / Au are formed on the upper and lower contact layers by a lift-off method. The lift-off method includes processes such as lithography, metal deposition, and resist stripping.

以上の工程により、第1の実施形態に係る赤外線検出装置の光検出器部分の基本構成が完成する。   Through the above steps, the basic configuration of the photodetector portion of the infrared detection device according to the first embodiment is completed.

(第2の実施の形態)
次に、図6を参照して、本発明の第2の実施の形態に係る赤外線検出装置の構成について説明する。ここで、図6は、本発明の第2の実施の形態に係る赤外線検出装置の断面図及び上面図を示す。
(Second Embodiment)
Next, with reference to FIG. 6, the structure of the infrared detection apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described. Here, FIG. 6 shows a cross-sectional view and a top view of the infrared detecting device according to the second embodiment of the present invention.

第2の実施の形態に係る赤外線検出装置が、上記第1の実施の形態(図2参照)と異なる点は、量子ドット24で構成される光吸収層200(図2参照)の代わりに、多重量子井戸構造を有する光吸収層600を用いた点である。光吸収層600は、多層に積層された量子井戸層60とi型障壁層61により構成される。この光吸収層600は、多層に積層された量子井戸層60のサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する。   The infrared detection device according to the second embodiment is different from the first embodiment (see FIG. 2) in that instead of the light absorption layer 200 (see FIG. 2) composed of quantum dots 24, The light-absorbing layer 600 having a multiple quantum well structure is used. The light absorption layer 600 includes a quantum well layer 60 and an i-type barrier layer 61 stacked in multiple layers. The light absorption layer 600 absorbs infrared rays by utilizing the intersubband transition of the quantum well layer 60 stacked in multiple layers.

その他の構成は、図2に示す第1の実施の形態に係る赤外線検出装置の構成とほぼ同じなのでその説明は省略する。   The other configuration is almost the same as the configuration of the infrared detecting apparatus according to the first embodiment shown in FIG.

また、その製造方法も、図2に示す第1の実施の形態とほとんど同じである。量子井戸層60は、例えばGaAsを量子井戸層とし、AlGa1−xAsをi型障壁層61とすることができる。組成比xを適切に選ぶことによって、所望のサブバンド間遷移エネルギーを選択することができる。この場合も、Al組成比xは0.4以下程度にしておくことが望ましい。 The manufacturing method is also almost the same as that of the first embodiment shown in FIG. In the quantum well layer 60, for example, GaAs can be used as the quantum well layer, and Al x Ga 1-x As can be used as the i-type barrier layer 61. By appropriately selecting the composition ratio x, a desired intersubband transition energy can be selected. Also in this case, it is desirable that the Al composition ratio x is about 0.4 or less.

その他の製造工程は、図2に示す第1の実施の形態に係る赤外線検出装置の製造工程とほぼ同じなのでその説明は省略する。   The other manufacturing steps are substantially the same as the manufacturing steps of the infrared detecting device according to the first embodiment shown in FIG.

量子井戸の量子ドットに対する優位性は、不均一広がりに起因する帯域広がりを抑制出来る点にある。量子ドットの場合、自己形成により形成されるため、大きさのばらつきがある程度ことは避けられず、その結果、帯域幅を狭くすることは難しい。   The advantage of quantum wells over quantum dots is that band broadening due to non-uniform spread can be suppressed. In the case of quantum dots, since they are formed by self-formation, a certain degree of variation in size is inevitable, and as a result, it is difficult to narrow the bandwidth.

一方、量子井戸の場合、サブバンド間遷移エネルギーの帯域幅は、量子井戸および障壁層の厚さの揺らぎの大きさで決まる。これは、量子ドットの大きさのばらつきよりも原理的に小さく、結果として、プラズモン増強無しでの帯域幅が、量子ドットと比較して狭くなる。   On the other hand, in the case of a quantum well, the bandwidth of intersubband transition energy is determined by the magnitude of fluctuations in the thickness of the quantum well and the barrier layer. This is in principle smaller than the variation in the size of the quantum dots, and as a result, the bandwidth without plasmon enhancement is narrower than that of the quantum dots.

上述のように、本発明の実施の形態によれば、光吸収層として、量子ドットまたは量子井戸中のサブバンド間遷移を利用する赤外線検出装置であって、光電流を検出するための電極に周期的な構造を付加することで、表面プラズモンを誘起し、検出したい波長での感度を増大させた赤外線検出装置を提供することができる。このように、本発明の実施の形態では、量子井戸または量子ドット内のサブバンド間遷移を利用した吸収過程を、表面プラズモンによって増強する。   As described above, according to the embodiment of the present invention, as a light absorption layer, an infrared detection device using intersubband transition in a quantum dot or quantum well, which is used as an electrode for detecting photocurrent By adding a periodic structure, it is possible to provide an infrared detection device that induces surface plasmons and increases the sensitivity at a wavelength to be detected. As described above, in the embodiment of the present invention, the absorption process using the intersubband transition in the quantum well or the quantum dot is enhanced by the surface plasmon.

以上、本発明の実施形態および実施例について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思考に基づいて、種々の変形が可能である。   As mentioned above, although embodiment and Example of this invention were described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment and Example, Based on the technical idea of this invention, various deformation | transformation are carried out. Is possible.

本発明は、中赤外線及び遠赤外線の短波長側(3〜20μm程度)でのスペクトル解析が必要である気象などの環境計測に用いられる赤外線検出装置に利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for an infrared detection device used for environmental measurement such as weather that requires spectral analysis on the short wavelength side (about 3 to 20 μm) of mid-infrared and far-infrared.

11 障壁層
12 量子ドット又は量子井戸層
13 障壁層
14 電子基底準位
15 電子励起準位
16 電子
20 半絶縁基板
21 i型緩衝層
22 n型下部コンタクト層
23 i型障壁層
24 量子ドット
25 i型障壁層
26 n型上部コンタクト層
27 下部電極
28 上部電極
29 円孔
50 入射赤外線
60 量子井戸層
61 i型障壁層
200 光吸収層
600 光吸収層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Barrier layer 12 Quantum dot or quantum well layer 13 Barrier layer 14 Electron ground level 15 Electron excitation level 16 Electron 20 Semi-insulating substrate 21 i-type buffer layer 22 n-type lower contact layer 23 i-type barrier layer 24 Quantum dot 25 i Type barrier layer 26 n-type upper contact layer 27 lower electrode 28 upper electrode 29 circular hole 50 incident infrared ray 60 quantum well layer 61 i-type barrier layer 200 light absorption layer 600 light absorption layer

Claims (10)

多層に積層された量子ドットのサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する光吸収層と、
前記光吸収層を挟むように設けられた下部電極及び上部電極を有し、
前記上部電極には、表面プラズモンを誘起して検出すべき波長における感度を増大させるための周期的な孔が形成されていることを特徴とする赤外線検出装置。
A light-absorbing layer that absorbs infrared rays using intersubband transitions of quantum dots stacked in multiple layers;
A lower electrode and an upper electrode provided so as to sandwich the light absorption layer;
An infrared detecting device, wherein the upper electrode is formed with periodic holes for inducing surface plasmon to increase sensitivity at a wavelength to be detected.
前記上部電極に形成されている前記周期的な孔が周期aで形成されており、前記光吸収層の屈折率をnとしたとき、波長n×a付近の光検出効率が増大することを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出装置。   The periodic hole formed in the upper electrode is formed with a period a, and when the refractive index of the light absorption layer is n, the light detection efficiency in the vicinity of the wavelength n × a is increased. The infrared detection device according to claim 1. 前記上部電極に形成されている前記周期的な孔が周期aで形成されており、前記光吸収層の屈折率をnとしたとき、n×aの1/√2倍、1/2倍又は1/√5倍の波長付近の光検出効率が増大することを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出装置。   The periodic holes formed in the upper electrode are formed with a period a, and when the refractive index of the light absorption layer is n, 1 × √2 times, 1/2 times of n × a, or The infrared detection device according to claim 1, wherein the light detection efficiency near a wavelength of 1 / √5 times increases. 前記上部電極に前記周期的な孔が形成されていることによって生じる前記表面プラズモンの侵入長をLpとするとき、前記光吸収層の厚さはLpの2倍程度かそれ以下であることを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出装置。   When the penetration length of the surface plasmon generated by forming the periodic holes in the upper electrode is Lp, the thickness of the light absorption layer is about twice Lp or less. The infrared detection device according to claim 1. 前記下部電極は、基板上に形成された下部コンタクト層上に設けられ、
前記上部電極は、前記光吸収層上に形成された上部コンタクト層上に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出装置。
The lower electrode is provided on a lower contact layer formed on a substrate,
The infrared detection device according to claim 1, wherein the upper electrode is provided on an upper contact layer formed on the light absorption layer.
多層に積層された量子井戸のサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する光吸収層と、
前記光吸収層を挟むように設けられた下部電極及び上部電極を有し、
前記上部電極には、表面プラズモンを誘起して検出すべき波長における感度を増大させるための周期的な孔が形成されていることを特徴とする赤外線検出装置。
A light-absorbing layer that absorbs infrared rays by utilizing intersubband transitions of multilayered quantum wells;
A lower electrode and an upper electrode provided so as to sandwich the light absorption layer;
An infrared detecting device, wherein the upper electrode is formed with periodic holes for inducing surface plasmon to increase sensitivity at a wavelength to be detected.
前記上部電極に形成されている前記周期的な孔が周期aで形成されており、前記光吸収層の屈折率をnとしたとき、波長n×a付近の光検出効率が増大することを特徴とする請求項6に記載の赤外線検出装置。   The periodic hole formed in the upper electrode is formed with a period a, and when the refractive index of the light absorption layer is n, the light detection efficiency in the vicinity of the wavelength n × a is increased. The infrared detection device according to claim 6. 前記上部電極に形成されている前記周期的な孔が周期aで形成されており、前記光吸収層の屈折率をnとしたとき、n×aの1/√2倍、1/2倍又は1/√5倍の波長付近の光検出効率が増大することを特徴とする請求項6に記載の赤外線検出装置。   The periodic holes formed in the upper electrode are formed with a period a, and when the refractive index of the light absorption layer is n, n × a is 1 / √2 times, 1/2 times or The infrared detection device according to claim 6, wherein the light detection efficiency near 1 / √5 times the wavelength increases. 前記上部電極に前記周期的な孔が形成されていることによって生じる前記表面プラズモンの侵入長をLpとするとき、前記光吸収層の厚さはLpの2倍程度かそれ以下であることを特徴とする請求項6に記載の赤外線検出装置。   When the penetration length of the surface plasmon generated by forming the periodic holes in the upper electrode is Lp, the thickness of the light absorption layer is about twice Lp or less. The infrared detection device according to claim 6. 前記下部電極は、基板上に形成された下部コンタクト層上に設けられ、
前記上部電極は、前記光吸収層上に形成された上部コンタクト層上に設けられていることを特徴とする請求項6に記載の赤外線検出装置。
The lower electrode is provided on a lower contact layer formed on a substrate,
The infrared detection device according to claim 6, wherein the upper electrode is provided on an upper contact layer formed on the light absorption layer.
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