光検出素子及び光検出方法
【課題】故障し難く小型化することが可能な光検出素子及び該光検出素子を用いる光検出方法を提供する。
【解決手段】光吸収層及び該光吸収層に隣接する量子構造部と、光吸収層に接続された第１電極と、量子構造部に接続された第２電極とを有し、量子構造部は、量子井戸層及び該量子井戸層を挟む障壁層を有し、障壁層の伝導帯端は光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、障壁層の伝導帯端と光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、０．５８ｅＶよりも大きく、量子井戸層の伝導帯側に形成された量子準位は光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、量子準位と光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は電子が受け取る熱エネルギーよりも大きい光検出素子とし、該光検出素子を用いて光検出素子へと入射した光により生じた電流電圧特性を得る工程と、得られた電流電圧特性を用いて入射した光の波長及び強度を同定する工程と、を有する光検出方法とする。
【解決手段】光吸収層及び該光吸収層に隣接する量子構造部と、光吸収層に接続された第１電極と、量子構造部に接続された第２電極とを有し、量子構造部は、量子井戸層及び該量子井戸層を挟む障壁層を有し、障壁層の伝導帯端は光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、障壁層の伝導帯端と光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、０．５８ｅＶよりも大きく、量子井戸層の伝導帯側に形成された量子準位は光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、量子準位と光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は電子が受け取る熱エネルギーよりも大きい光検出素子とし、該光検出素子を用いて光検出素子へと入射した光により生じた電流電圧特性を得る工程と、得られた電流電圧特性を用いて入射した光の波長及び強度を同定する工程と、を有する光検出方法とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の波長や強度を特定する際に用いられる光検出素子及び該光検出素子を用いる光検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーを吸収した物質が放出する特定波長の光を調べることにより物性を把握する方法として、フォトルミネッセンス（ＰＬ）法やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）法等が知られている。これらの方法では、光のスペクトルや強度を特定する際に、分光器及び受光装置（例えば光電子増倍管等）を備えた機器が用いられる。
【０００３】
分光器を備えた機器に関する技術として、例えば特許文献１には、基準光源で基準光として波長が異なる２以上の基準光を発光させ、センサ上における２以上の基準光の検出位置と、２以上の基準光の既知の波長とに基づいて、分光器の実際の特性値を演算し、センサ上における基準光及び被検出光の検出位置と、演算された分光器の実際の特性値と、基準光の既知の波長とに基づいて、被検出光の波長を演算するようにした波長検出装置が開示されている。
【０００４】
また、光を照射して電気エネルギーを得る光起電力素子に関する技術として、例えば特許文献２には、光吸収層の一方の面に隣接する電子移動層が、光吸収層における伝導帯のエネルギー幅より狭いエネルギー幅を有しており所定の第１のエネルギー準位の電子を選択的に通過させる伝導帯を有し、光吸収層の他方の面に隣接する正孔移動層が、光吸収層における価電子帯のエネルギー幅より狭いエネルギー幅を有しており所定の第２のエネルギー準位の正孔を選択的に通過させる価電子帯を有し、光吸収層がｐ型不純物又はｎ型不純物を含み、光吸収層におけるｐ型不純物又はｎ型不純物の濃度が１×１０１３ｃｍ−３以上である光起電力素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１６２０４７号公報
【特許文献２】特許第４３２４２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されているような従来の波長検出装置では、大きな分光器（例えば１００ｍｍ角程度の大きさの分光器）が用いられていた。そのため、空間的許容度や測定環境の観点から分光測定が困難な場合があった。また、特許文献１に開示されているような従来の波長検出装置に用いられている分光器及び受光装置は、精密な機械的構造を有するため、故障しやすいという問題もあった。一方、特許文献２には光起電力素子に関する技術が開示されており、特許文献２に開示されている技術を波長検出装置に応用することについて、特許文献１及び特許文献２では言及されていない。
【０００７】
そこで本発明は、故障し難く小型化することが可能な光検出素子及び該光検出素子を用いる光検出方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明の第１の態様は、光を吸収して電子及び正孔を生成する光吸収層と、該光吸収層に隣接する量子構造部と、光吸収層に接続された第１電極と、量子構造部に接続された第２電極とを有し、量子構造部は、量子井戸層、及び、該量子井戸層と第１電極及び第２電極との間に配設された障壁層を有し、障壁層の伝導帯端は、光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、障壁層の伝導帯端と光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、０．５８ｅＶよりも大きく、量子井戸層の伝導帯側に形成された量子準位は、光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、量子準位と光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、電子の熱エネルギーよりも大きいことを特徴とする、光検出素子である。
【０００９】
ここに、本発明の第１の態様及び以下に示す本発明の他の態様（以下において、これらをまとめて単に「本発明」ということがある。）において、「光吸収層に接続された第１電極」とは、他の層を介さずに光吸収層と第１電極とが直接接触するように接続されている形態のほか、他の層を介して第１電極が光吸収層に接続されている形態も含む概念である。また、本発明において、「量子構造部に接続された第２電極」とは、他の層を介さずに量子構造部と第２電極とが直接接触するように接続されている形態のほか、他の層を介して第２電極が量子構造部に接続されている形態も含む概念である。また、本発明の第１の態様において「該量子井戸層と第１電極及び第２電極との間に配設された障壁層」とは、量子井戸層と第１電極との間、及び、量子井戸層と第２電極との間に、障壁層が配設されていることをいう。また、本発明において、「電子の熱エネルギー」は、室温（３００Ｋ）では２６ｍｅＶである。
【００１０】
本発明の第２の態様は、光を吸収して電子及び正孔を生成する光吸収層と、該光吸収層に隣接する量子構造部と、光吸収層に接続された第１電極と、量子構造部に接続された第２電極とを有し、量子構造部は、量子ドット、及び、該量子ドットと第１電極及び第２電極との間に配設された障壁層を有し、障壁層の伝導帯端は、光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、障壁層の伝導帯端と光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、０．５８ｅＶよりも大きく、量子ドットの伝導帯側に形成された量子準位は、光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、量子準位と光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、電子の熱エネルギーよりも大きいことを特徴とする、光検出素子である。
【００１１】
ここに、本発明の第２の態様において、「該量子ドットと第１電極及び第２電極との間に配設された障壁層」とは、量子ドットと第１電極との間、及び、量子ドットと第２電極との間に（例えば、量子ドットを囲む、又は、量子ドットを挟むように）、障壁層が配設されていることをいう。
【００１２】
本発明の第３の態様は、上記本発明の第１の態様及び／又は上記本発明の第２の態様にかかる光検出素子を用いて、光検出素子へと入射した光により生じた電流電圧特性を得る電流電圧特性取得工程と、該電流電圧特性取得工程で得られた電流電圧特性を用いて、入射した光の波長及び強度を同定する同定工程と、を有することを特徴とする、光検出方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の第１の態様では、量子井戸層を用いている量子構造部や光吸収層に、従来の波長検出装置における分光器や受光装置の機能を担わせることが可能になる。量子構造部や光吸収層に半導体薄膜を用いることにより、従来の波長検出装置よりも小型化することが可能になり、且つ、従来の波長検出装置よりも故障し難い形態（振動や衝撃に強い形態）にすることが可能になる。したがって、本発明の第１の態様によれば、故障し難く小型化することが可能な光検出素子を提供することができる。
【００１４】
本発明の第２の態様では、量子ドットを用いている量子構造部や光吸収層に、従来の波長検出装置における分光器や受光装置の機能を担わせることが可能になる。量子構造部や光吸収層に半導体薄膜を用いることにより、従来の波長検出装置よりも小型化することが可能になり、且つ、従来の波長検出装置よりも故障し難い形態（振動や衝撃に強い形態）にすることが可能になる。したがって、本発明の第２の態様によれば、故障し難く小型化することが可能な光検出素子を提供することができる。
【００１５】
本発明の第３の態様によれば、光の波長や強度を特定することが可能な光検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】光検出素子１を説明する断面図である。
【図２】光検出素子１を説明するバンド図である。
【図３】光検出装置１０を説明する図である。
【図４】キャリアの移動モデルを説明する図である。
【図５】ホットエレクトロンの電流密度と印加電圧との関係を示す図である。
【図６】光検出素子８を説明する断面図である。
【図７】光検出素子８を説明するバンド図である。
【図８】ホットエレクトロンによる共鳴トンネルダイオード透過電流−電圧特性を説明する図である。
【図９】光検出装置２０を説明する図である。
【図１０】光検出装置３０を説明する図である。
【図１１】ホットエレクトロンの電流密度と印加電圧との関係を示す図である。
【図１２】入射光の波長と電流電圧特性との関係を示す図である。
【図１３】入射光の強度と電流電圧特性との関係を示す図である。
【図１４】電流電圧特性の計算結果を示す図である。
【図１５】入射光の波長及び強度と電流電圧特性との関係をフィッティングした結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
【００１８】
図１は、第１実施形態にかかる本発明の光検出素子１を拡大して示す断面図である。図１に示したように、光検出素子１は、第２電極１ａ（アノード）と、第２電極１ａの上面に形成された基板１ｂと、基板１ｂの上面に形成されたバッファ層１ｃと、バッファ層１ｃの上面に形成されたスペーサ層１ｄと、スペーサ層１ｄの上面に形成された量子構造部１ｅと、量子構造部１ｅの上面に形成されたスペーサ層１ｆと、スペーサ層１ｆの上面に形成された光吸収層１ｇと、光吸収層１ｇの上面に形成されたコンタクト層１ｈと、コンタクト層１ｈの上面に形成された採光用の窓のあいた第１電極１ｉ（カソード）と、を有している。基板１ｂ、バッファ層１ｃ、スペーサ層１ｄ、量子構造部１ｅ、スペーサ層１ｆ、光吸収層１ｇ、及び、コンタクト層１ｈは、半導体材料によって構成されている。量子構造部１ｅは、スペーサ層１ｄ側から、障壁層１ｅｘ、量子井戸層１ｅｙ、及び、障壁層１ｅｚの３層が積層された構造をしており、スペーサ層１ｄの上面に障壁層１ｅｘが、障壁層１ｅｘの上面に量子井戸層１ｅｙが、量子井戸層１ｅｙの上面に障壁層１ｅｚが、障壁層１ｅｚの上面にスペーサ層１ｆが、それぞれ形成されている。スペーサ層１ｆ及び光吸収層１ｇは同一材料（例えば、ＧａＡｓ）で構成され、前者は電子を存在させるための不純物元素が添加されておらず、後者は当該不純物元素が添加されている。スペーサ層１ｆ及び光吸収層１ｇは同一材料で構成されているので、スペーサ層１ｆは光吸収層の一部とみなすことも可能である。また、バッファ層１ｃ及びスペーサ層１ｄは同一材料（例えば、ＧａＡｓ）で構成され、前者は電子を存在させるための不純物元素が添加されており、後者は当該不純物元素が添加されていない。バッファ層１ｃ及びスペーサ層１ｄは同一材料で構成されているので、スペーサ層１ｄはバッファ層の一部とみなすことも可能である。
【００１９】
光検出素子１には、第１電極１ｉ側から光が入射し、光検出素子１の使用時には、第１電極１ｉ及び第２電極１ａに電圧が印加される。光検出素子１に光が入射すると、主に光吸収層１ｇで光が吸収され、電子及び正孔が生成される。生成された電子は、第２電極１ａに向かって、図１の紙面上側から下側へと移動する。
【００２０】
図２は、光検出素子１における電子の移動を説明するバンド図であり、図２では、光検出素子１の一部のみを示している。図２の紙面上側ほど電子のエネルギーが高い。図２では、伝導帯側のみを示しており、紙面左側から右側に向かって電子が移動する。図２に示したように、障壁層１ｅｘ及び障壁層１ｅｚの伝導帯端は光吸収層１ｇの伝導帯端よりも高エネルギーであり、障壁層１ｅｘ及び障壁層１ｅｚの伝導帯端と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、０．５８ｅＶよりも大きい。また、量子井戸層１ｅｙの伝導帯側には、量子準位ｑ１が形成されており、量子準位ｑ１は光吸収層１ｇの伝導帯端よりも高エネルギーであり、量子準位ｑ１と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、光検出素子１の使用時（光検出素子１へ光が照射されている時）に電子が受け取るエネルギーよりも大きい。光検出素子１の使用時における、光吸収層１ｇとバッファ層１ｃとの電位差は、Ｖｄである。
【００２１】
光を吸収することにより光吸収層１ｇで生成された電子は、所定のエネルギー分布を形成する。量子準位ｑ１と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、光検出素子１の使用時に電子が受け取るエネルギーよりも大きく、障壁層１ｅｚの伝導帯端は量子準位ｑ１よりも上方に位置している。それゆえ、光検出素子１に光が入射する前から光吸収層１ｇに存在していた電子は量子構造部１ｅを透過することができない。光を吸収した光吸収層１ｇで生成された電子のうち、量子準位ｑ１と一致するエネルギーを有する電子は、共鳴トンネル効果によって障壁層１ｅｚを通過して量子準位ｑ１へと達した後、共鳴トンネル効果によって障壁層１ｅｘを通過することにより、スペーサ層１ｄへと達することが可能である。スペーサ層１ｄへと達した電子は、バッファ層１ｃ及び基板１ｂを通って第２電極１ａへと達する。光検出素子１では、例えば印加電圧Ｖｄを変化させることによって、量子準位ｑ１の位置（図２の紙面上下方向の高さ）を変化させることができ、量子準位ｑ１の位置を変化させることによって、電流値を変化させることができる。このように、光検出素子１では、光検出素子１へと入射した光の、印加電圧Ｖｄに対する電流値（電流電圧特性）を得ることができる。また、光検出素子１へと入射する光の波長や強度が変わると、光吸収層１ｇで生成される電子のエネルギーや量が変わり、生成された電子のエネルギーや量が変わると、量子準位ｑ１を介して量子構造部１ｅを透過する電子の量が変わるので、光の波長や強度に応じた電流電圧特性を得ることができる。それゆえ、後述する方法を用いることにより、得られた電流電圧特性から、光検出素子１へと入射した光の波長及び強度を特定することができる。
【００２２】
上述したように、量子構造部１ｅ（障壁層１ｅｘ、量子井戸層１ｅｙ、及び、障壁層１ｅｚ）は、特定のエネルギーを有する電子のみを通過させる性質を有している。それゆえ、量子構造部１ｅは、従来の波長検出素子における分光器のような機能を発揮することができる。さらに、光検出素子１は、積層された半導体膜の一方の面に第１電極１ｉを、他方の面に第２電極１ａを配置した構造であるため、従来の波長検出装置よりも小型化しやすく（例えば５ｍｍ角程度の大きさ）、従来の波長検出装置よりも故障し難い形態（振動や衝撃に強い形態）にすることが可能になる。したがって、本発明によれば、故障し難く小型化することが可能な光検出素子１を提供することができる。
【００２３】
光検出素子１は、例えば以下の工程を経て作製することができる。光検出素子１を作製する際には、例えば半導体基板（不図示）の上に、蒸着法等の公知の方法により、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等によって構成される第２電極１ａを形成する。第２電極１ａを形成したら、当該第２電極１ａの上面に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等に代表される気相成長法や真空蒸着法等の公知の方法により、ＧａＡｓ、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１）、Ｓｉ等によって構成される、不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３程度のｎ型の基板１ｂ（例えば、ＧａＡｓ（００１）基板）を作製する。その後、基板１ｂと同様の方法により、基板１ｂの上面に、基板１ｂと同様の材料によって構成される、不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３程度のｎ型のバッファ層１ｃを作製する。次いで、基板１ｂと同様の方法により、バッファ層１ｃの上面に、不純物を添加していないほかは基板１ｂと同様の材料によって構成される、スペーサ層１ｄを作製する。次いで、基板１ｂと同様の方法により、スペーサ層１ｄの上面に、不純物を添加していないＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１。例えばｘ＝０．６。）やＳｉＯ２等によって構成される、障壁層１ｅｘを作製する。次いで、基板１ｂと同様の方法により、障壁層１ｅｘの上面に、不純物を添加していないほかは基板１ｂと同様の材料によって構成される、量子井戸層１ｅｙを作製する。次いで、基板１ｂと同様の方法により、量子井戸層１ｅｙの上面に、障壁層１ｅｘと同様の材料によって構成される、障壁層１ｅｚを作製することにより、量子構造部１ｅを作製する。こうして量子構造部１ｅを作製したら、量子構造部１ｅの上面（障壁層１ｅｚの上面）に、基板１ｂと同様の方法により、不純物を添加していないほかは基板１ｂと同様の材料によって構成される、スペーサ層１ｆを作製する。次いで、基板１ｂと同様の方法により、スペーサ層１ｆの上面に、基板１ｂと同様の材料によって構成される、不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度のｎ型の光吸収層１ｇを作製する。次いで、基板１ｂと同様の方法により、光吸収層１ｇの上面に、基板１ｂと同様の材料によって構成される、不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３程度のｎ型のコンタクト層１ｈを作製する。そして、コンタクト層１ｈの上面に、蒸着法等の公知の方法により、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ／ＡｕＧｅ等によって構成される第１電極１ｉを形成する過程を経て、光検出素子１を作製することができる。
【００２４】
光検出素子１において、第１電極１ｉ及び第２電極１ａの厚さは、例えば１μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。また、基板１ｂの厚さは、抵抗値削減と機械的強度向上の観点から、例えば５０μｍ以上３００μｍ以下とすることができ、バッファ層１ｃの厚さは、量子構造部１ｅの結晶性確保の観点から、例えば１００ｎｍ以上１μｍ以下とすることができる。また、スペーサ層１ｄ及びスペーサ層１ｆの厚さは、量子構造部１ｅの厚さの制御精度を向上しやすい形態にする等の観点から、例えば１ｎｍ以上３ｎｍ以下とすることができる。また、障壁層１ｅｘ及び障壁層１ｅｚの厚さは、特定のエネルギーを有する電子のみが量子構造部１ｅを通過可能にする観点から、例えば２ｎｍ以上とし、共鳴トンネル効果によって電子が透過可能な厚さにする観点から、例えば６ｎｍ以下とする。また、量子井戸層１ｅｙの厚さは、伝導帯側に量子準位が形成されるようにする等の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。また、光吸収層１ｇの厚さは、光を吸収して電子を生成可能な厚さにする等の観点から、例えば５０ｎｍ以上とし、生成された電子が高いエネルギーを保ったまま量子構造部１ｅへ到達可能な厚さにする等の観点から、例えば１５０ｎｍ以下とすることができる。また、コンタクト層１ｈの厚さは、格子欠陥の発生等を抑制する等の観点から、例えば５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができる。
【００２５】
光検出素子１において、障壁層１ｅｘ、１ｅｚの伝導帯端と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、測定可能な波長域を広くするため、また、ノイズ（熱電流）を低減するため、可能な限り大きくすることが好ましい。当該エネルギー差の最小値は、光検出素子１が、光照射なしの条件下で量子井戸構造の共鳴トンネル効果を顕在化できる値である。例えば、光吸収層がＧａＡｓであり、且つ、障壁層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）である場合、一般的にポテンシャル障壁の最小値とされる０．５８ｅＶを、エネルギー差の最小値とすることができる。
【００２６】
図３は、光検出素子１を搭載した光検出装置１０を説明する図である。図３に示したように、光検出装置１０では、ファンクションジェネレータ４で発生させた矩形交流電圧信号によってレーザ駆動装置５の動作を制御し、レーザ駆動装置５を用いて駆動するレーザ素子６で出力した矩形パルス光が、低温プローバ７に取り付けられた光検出素子１に照射される。光検出素子１には、電流電圧測定器２から電圧が印加され、矩形パルス光が光検出素子１へと照射されることにより得られた電流がロックインアンプ３に入力される。ロックインアンプ３はファンクションジェネレータ４の信号を参照信号として、光検出素子１に矩形パルス光が照射された時の電流値と、矩形パルス光が照射されていない時の電流値との差分を出力することができる。電流電圧測定器２の電圧と、ロックインアンプ３の出力（電流値）とから、光検出装置１０によれば、矩形パルス光が照射された光検出素子１で生成され量子構造部１ｅを通過した電子の電流電圧特性を得ることができる。
【００２７】
次に、得られた電流電圧特性を用いて、光検出素子へと入射した光の波長及び強度を求める方法について、以下に説明する。以下の説明において、電子及び正孔をまとめて「キャリア」ということがある。
【００２８】
図４に、キャリアフローモデルを示す。図４において、ｘ＝０はコンタクト層１ｈと接する光吸収層１ｇの表面の位置であり、ｘ＝Ｉａｂはｘ＝０の位置から量子井戸層１ｅｙまでの距離である。また、Ｒはキャリア再結合速度であり、Ｇはキャリア生成速度であり、ＧＥはキャリアのエネルギー生成速度である。また、ｎは光吸収層１ｇで熱平衡状態にある電子の密度であり、ｎｈｏｔはホットエレクトロン（光吸収により生成された電子。以下において同じ。）の濃度である。また、ＲＥｔｈはキャリア熱緩和速度であり、ｐは光吸収層１ｇで熱平衡状態にある正孔の濃度であり、ｎ０はバッファ層１ｃで熱平衡状態にある電子の濃度であり、ｐ０はバッファ層１ｃで熱平衡状態にある正孔の濃度である。また、Ｖは印加電圧であり、Ｊｅｈｏｔはホットエレクトロンによる電流密度であり、Ｊｅは熱平衡状態にある電子による電流密度であり、Ｔｈｏｔはホットエレクトロンの温度である。また、ＥＦｎｅは光吸収層１ｇで熱平衡状態にある電子の擬フェルミ準位であり、ＥＦｎｅｈｏｔは光吸収層１ｇのホットエレクトロンの擬フェルミ準位であり、ＥＦｎｈは光吸収層１ｇで熱平衡状態にある正孔の擬フェルミ準位である。また、ＥＦｎｐｅはバッファ層１ｃで熱平衡状態にある電子の擬フェルミ準位であり、ＥＦｎｐｈはバッファ層１ｃで熱平衡状態にある正孔の擬フェルミ準位である。以下、（ｉ）入射光によりエネルギー的に高い電子（ホットエレクトロン）が励起され、（ｉｉ）バッファ層１ｃの少数キャリア再結合速度は十分に早く、正孔濃度は常に熱平衡状態に等しく、（ｉｉｉ）各層のキャリア分布はすべて古典分布で表され、（ｉｖ）光吸収層１ｇの電子分布は、熱平衡状態の電子分布とホットエレクトロン分布との和で表され、（ｖ）入射光の余分なエネルギーのうち、電子に与えられる割合は正孔との有効質量比で決まり、（ｖｉ）正孔分布は常に格子と熱平衡に達しており、（ｖｉｉ）正孔は量子構造部１ｅを通過することができず、すべて障壁層１ｅｚで反射されると仮定して、説明を続ける。
【００２９】
【数１】
ここで、Ｊｅｈｏｔは受光による電流密度増加分［Ａ／ｍ２］であり、Ｊｅｈｏｔ／ｅ＝Ｉ０はフォトンフラックス（入射光の強度）であり、αは吸収係数であり、ｄは光吸収層１ｇの厚さである。
【００３０】
【数２】
ここで、Δｐは光照射による正孔の増分［個］であり、τｒは再結合時間である。式（２）では、定常状態を仮定しており、電流の流れは無視している。
【００３１】
【数３】
【００３２】
【数４】
ここで、Ｅｅｘｔはホットエレクトロンの初期エネルギー（Ｅｅｘｔ＝ｈν−Ｅｇ）であり、ｈはプランク定数であり、νは光の振動数であり、Ｅｇは光吸収層１ｇのバンドギャップである。
【００３３】
【数５】
ここで、τｒｅはキャリア熱緩和時間であり、ｋはボルツマン定数であり、Ｔ０は室温［Ｋ］である。
【００３４】
【数６】
【００３５】
量子構造部１ｅを流れる電流は、以下の式で決定することができる。なお、電流量はキャリア分布には影響しないと仮定する。
【００３６】
【数７】
ここで、Ｊは量子構造部１ｅを透過する電流密度［Ａ／ｍ２］であり、ｈ−はディラック定数であり、ｋ｜｜は電子の障壁層１ｅｚ、１ｅｘに平行な波数成分であり、ｋｚは電子の障壁層１ｅｚ、１ｅｘに垂直な波数成分であり、Ｅｚは電子の運動エネルギーの障壁層１ｅｚ、１ｅｘに垂直な成分であり、ｆＲは熱平衡状態にあるコレクタ側電子のボルツマン分布であり、ＴＴ＊は電子の透過確率である。
【００３７】
【数８】
ここで、Ｅ０は光吸収層１ｇの伝導帯端を基準とした量子井戸層１ｅｙの伝導帯側に形成された量子準位ｑ１のエネルギーであり、ｍは電子の有効質量である。
【００３８】
【数９】
ここで、Ｅはエネルギー（計算上のパラメータ）であり、ｅは素電荷である。
【００３９】
【数１０】
ここで、ｆＬ０（Ｅ）は熱平衡状態にある電子のエミッタ側ボルツマン分布であり、ｆＬｈｏｔ（Ｅ）はホットエレクトロンのボルツマン分布である。
【００４０】
【数１１】
【００４１】
【数１２】
【００４２】
【数１３】
ここで、Ａ＊はリチャードソン定数であり、ΔＥは量子井戸層１ｅｙがつくる準位幅（構造で決まる数十ｍｅＶ以下程度の値）であり、ＥＦｎｅｈｏｔはホットエレクトロンの擬フェルミ準位であり、Ｎｃは伝導帯の有効状態密度であり、Ｅｃは伝導帯のエネルギーである。
【００４３】
【数１４】
【００４４】
上記式（１４）で示されるように、ホットエレクトロンの電流密度の対数を縦軸とし、印加電圧を横軸とするグラフを描いた時の直線の傾きからＴｈｏｔを導くことができる。また、当該直線の、縦軸の切片及びＴｈｏｔから、ｎｈｏｔを導くことができる。ホットエレクトロンの電流密度の対数を縦軸とし、印加電圧を横軸とするグラフを、図５に示す。
【００４５】
このようにしてＴｈｏｔ及びｎｈｏｔを求めたら、上記式（１）〜（６）から、光の振動数ν及び強度Ｉ０を求めることができる。ここで、光の速度をｃとするとき、光の波長λ及び振動数νは、
【００４６】
【数１５】
を満たす。それゆえ、求めたνを上記式（１５）へと代入することにより、光の波長λを求めることができる。
【００４７】
本発明に関する上記説明では、量子井戸層が用いられる形態の光検出素子を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。そこで、本発明の光検出素子が採り得る他の形態について、以下に説明する。
【００４８】
図６は、第２実施形態にかかる本発明の光検出素子８を拡大して示す断面図である。図６において、光検出素子１と同様の構成には、図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図６に示したように、光検出素子８は、第２電極１ａと、基板１ｂと、バッファ層１ｃと、スペーサ層１ｄと、スペーサ層１ｄの上面に形成された量子構造部８ａと、量子構造部８ａの上面に形成されたスペーサ層１ｆと、光吸収層１ｇと、コンタクト層１ｈと、第１電極１ｉと、を有している。量子構造部８ａは半導体材料によって構成されている。量子構造部８ａは、スペーサ層１ｄ側から、障壁層８ａｘ、量子ドット層８ａｙ、及び、障壁層８ａｚの３層が積層された構造をしており、スペーサ層１ｄの上面に障壁層８ａｘが、障壁層８ａｘの上面に量子ドット層８ａｙが、量子ドット層８ａｙの上面に障壁層８ａｚが、障壁層８ａｚの上面にスペーサ層１ｆが、それぞれ形成されている。量子ドット層８ａｙは、複数の量子ドット８ｂ、８ｂ、…を有している。
【００４９】
光検出素子８には、第１電極１ｉ側から光が入射し、光検出素子１の使用時には、第１電極１ｉ及び第２電極１ａに電圧が印加される。光検出素子８に光が入射すると、主に光吸収層１ｇで光が吸収され、電子及び正孔が生成される。生成された電子は、第２電極１ａに向かって、図６の紙面上側から下側へと移動する。
【００５０】
図７は、光検出素子８における電子の移動を説明するバンド図であり、図７では、光検出素子８の一部のみを示している。図７の紙面上側ほど電子のエネルギーが高い。図７では、伝導帯側のみを示しており、紙面左側から右側に向かって電子が移動する。図７に示したように、障壁層８ａｘ及び障壁層８ａｚの伝導帯端は光吸収層１ｇの伝導帯端よりも高エネルギーであり、障壁層８ａｘ及び障壁層８ａｚの伝導帯端と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、０．５８ｅＶよりも大きい。また、量子ドット８ｂの伝導帯側には、量子準位Ｑ１が形成されており、量子準位Ｑ１は光吸収層１ｇの伝導帯端よりも高エネルギーであり、量子準位Ｑ１と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、光検出素子８の使用時（光検出素子８へ光が照射されている時）に電子が受け取るエネルギーよりも大きい。光検出素子８の使用時における、光吸収層１ｇとバッファ層１ｃとの電位差は、Ｖｄである。
【００５１】
光を吸収することにより光吸収層１ｇで生成された電子は、所定のエネルギー分布を形成する。量子準位Ｑ１と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、光検出素子８の使用時に電子が受け取るエネルギーよりも大きく、障壁層８ａｚの伝導帯端は量子準位Ｑ１よりも上方に位置している。それゆえ、光検出素子８に光が入射する前から光吸収層１ｇに存在していた電子は量子構造部８ａを透過することができない。光を吸収した光吸収層１ｇで生成された電子のうち、量子準位Ｑ１と一致するエネルギーを有する電子は、共鳴トンネル効果によって障壁層８ａｚを通過して量子準位Ｑ１へと達した後、共鳴トンネル効果によって障壁層８ａｘを通過することにより、スペーサ層１ｄへと達することが可能である。スペーサ層１ｄへと達した電子は、バッファ層１ｃ及び基板１ｂを通って第２電極１ａへと達する。光検出素子８では、例えば印加電圧Ｖｄを変化させることによって、量子準位Ｑ１の位置（図７の紙面上下方向の高さ）を変化させることができ、量子準位Ｑ１の位置を変化させることによって、電流値を変化させることができる。このように、光検出素子８では、光検出素子８へと入射した光の、印加電圧Ｖｄに対する電流値（電流電圧特性）を得ることができる。また、光検出素子８へと入射する光の波長や強度が変わると、光吸収層１ｇで生成される電子のエネルギーや量が変わり、生成された電子のエネルギーや量が変わると、量子準位Ｑ１を介して量子構造部８ａを透過する電子の量が変わるので、光の波長や強度に応じた電流電圧特性を得ることができる。それゆえ、上述した方法を用いることにより、得られた電流電圧特性から、光検出素子８へと入射した光の波長及び強度を特定することができる。
【００５２】
上述したように、量子構造部８ａ（障壁層８ａｘ、量子ドット層８ａｙ、及び、障壁層８ａｚ）は、特定のエネルギーを有する電子のみを通過させる性質を有している。それゆえ、量子構造部８ａは、従来の波長検出素子における分光器のような機能を発揮することができる。さらに、光検出素子８は、積層された半導体膜の一方の面に第１電極１ｉを、他方の面に第２電極１ａを配置した構造であるため、従来の波長検出装置よりも小型化しやすく（例えば５ｍｍ角程度の大きさ）、従来の波長検出装置よりも故障し難い形態（振動や衝撃に強い形態）にすることが可能になる。したがって、本発明によれば、故障し難く小型化することが可能な光検出素子８を提供することができる。
【００５３】
図８は、単一波長の光を吸収して生じたホットエレクトロンによる共鳴トンネルダイオード透過電流−電圧特性の概略図である。図８（ａ）は量子井戸構造の場合を示しており、図８（ｂ）は量子ドット構造の場合を示している。図８（ａ）及び図８（ｂ）の縦軸は電流密度であり、横軸は電圧である。量子井戸構造ではホットキャリアを１次元で閉じ込めるのに対し、量子ドット構造ではホットキャリアを３次元で閉じ込める。それゆえ、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示したように、量子井戸構造と量子ドット構造とでは、ホットエレクトロンによる共鳴トンネルダイオード透過電流−電圧特性が異なり、量子ドット構造の方が、光吸収により生じたホットエレクトロンによる電流密度を特定しやすい。したがって、量子ドット構造を用いた波長検出素子８によれば、量子井戸構造を用いた波長検出素子１よりも、入射光に対する検出分解能を高めることが可能になる。
【００５４】
光検出素子８は、量子構造部８ａ以外は光検出素子１と同様の方法によって作製することができる。量子構造部８ａ以外の層の作製方法については上述したため、ここでは量子構造部８ａの作製方法について説明する。量子構造部８ａの障壁層８ａｘは、スペーサ層１ｄの上面に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等に代表される気相成長法や真空蒸着法等の公知の方法により、不純物を添加していないＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１。例えばｘ＝０．６。）やＳｉＯ２等によって構成される、障壁層８ａｘを形成する。障壁層８ａｘを形成したら、当該障壁層８ａｘの上面に、Stranski-Krastanov（ＳＫ）モード等の公知の方法により、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１）やＳｉ等によって構成される、量子ドット層８ａｙを形成する。こうして量子ドット層８ａｙを形成したら、当該量子ドット層８ａｙの上面に、障壁層８ａｘと同様の方法により、障壁層８ａｘと同様の材料によって構成される、障壁層８ａｚを作製することにより、量子構造部８ａを作製することができる。
【００５５】
光検出素子８において、障壁層８ａｘの厚さ、及び、障壁層８ａｚの厚さ（量子ドット８ｂ、８ｂ、…とスペーサ層１ｆとの間の厚さ）は、特定のエネルギーを有する電子のみが量子構造部８ａを通過可能にする観点から、例えば２ｎｍ以上とし、共鳴トンネル効果によって電子が透過可能な厚さにする観点から、例えば６ｎｍ以下とする。また、量子ドット８ｂの高さ（図６の紙面上下方向の高さ）は、伝導帯側に量子準位が形成されるようにする等の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。また、隣接する量子ドット８ｂ、８ｂを繋ぐ薄膜の厚さは、量子ドット８ｂ、８ｂ間での電子移動を防ぐ観点から、０．６ｎｍ以上１．３ｎｍ以下とすることができる。
【００５６】
光検出素子８において、障壁層８ａｘ、８ａｚの伝導帯端と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、測定可能な波長域を広くするため、また、ノイズ（熱電流）を低減するため、可能な限り大きくすることが好ましい。当該エネルギー差の最小値は、光検出素子８が、光照射なしの条件下で量子ドットの共鳴トンネル効果を顕在化できる値である。例えば、光吸収層がＧａＡｓであり、且つ、障壁層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）である場合、一般的にポテンシャル障壁の最小値とされる０．５８ｅＶを、エネルギー差の最小値とすることができる。
【００５７】
本発明に関する上記説明では、受光面側に採光用の窓のあいた第１電極１ｉが用いられている形態を例示したが、本発明の光検出素子は当該形態に限定されない。受光面側に配置される第１電極は、公知の透明電極を用いることも可能である。第１電極を透明電極とする場合、その構成材料としては、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等を例示することができる。
【００５８】
また、本発明に関する上記説明では、基板１ｂとスペーサ層１ｄとの間にバッファ層１ｃが備えられている形態を例示したが、本発明の光検出素子は当該形態に限定されず、基板１ｂとスペーサ層１ｄとが直接接触した形態とすることも可能である。ただし、量子構造部の膜厚を制御しやすい形態にする等の観点からは、基板とスペーサ層との間にバッファ層が備えられる形態とすることが好ましい。
【００５９】
また、本発明に関する上記説明では、光吸収層１ｇと第１電極１ｉとの間にコンタクト層１ｈが備えられている形態を例示したが、本発明の光検出素子は当該形態に限定されない。本発明の光検出素子は、コンタクト層１ｈに相当する層が備えられていない形態とすることも可能である。ただし、格子欠陥等を低減して、電流電圧特性の特定精度を高めやすい形態にする等の観点からは、光吸収層と第１電極との間にコンタクト層が備えられる形態とすることが好ましい。
【００６０】
また、本発明に関する上記説明では、途中から幅（図１や図６の紙面左右方向の長さ）が細くなっているバッファ層１ｃが備えられている形態を例示したが、本発明の光検出素子は当該形態に限定されない。本発明の光検出素子は、幅が厚さ方向の全体に亘って一定のバッファ層が備えられる形態とすることも可能である。ただし、電圧を印加することによって発生させた電場が、量子構造部に無駄なく設計通りに付与されやすい形態にするという観点、また、光検出素子の製造を容易にする等の観点から、バッファ層が備えられる場合には、途中から幅が細くなっているバッファ層が備えられる形態とすることが好ましい。
【００６１】
また、本発明に関する上記説明では、本発明の光検出素子を１つ備えた光検出装置（光検出素子１を備えた光検出装置１０）を例示したが、本発明の光検出素子を備える光検出装置は当該形態に限定されない。光検出装置には、光検出素子８が備えられていても良く、本発明の光検出素子が複数備えられていても良い。そこで、本発明の光検出素子を複数備える光検出装置について、以下に説明する。
【００６２】
図９は、光検出素子１、１を搭載した光検出装置２０を説明する図である。図９に示したように、光検出装置２０では、直列に接続された光検出素子１及び抵抗２１と、直列に接続された光検出素子１及び抵抗２２とが、並列に接続されており、光検出素子１、１には可変電圧源２３から電圧が印加される。一方の光検出素子１には、連続光を出力する測定対象物２５から光が照射されるのに対し、他方の光検出素子１は常時遮光されている。受光／遮光の差が、各直列接続に流れる電流差となり、その結果、光が照射される光検出素子１に印加される電圧と常時遮光されている光検出素子１に印加される電圧との間に差が生じる。図９に示したように、光検出装置２０には、光が照射される光検出素子１に印加される電圧と常時遮光されている光検出素子１に印加される電圧との差を増幅可能なように接続された差動増幅回路２４が備えられており、この差動増幅回路２４によって増幅された電圧差が計算機２６に出力される。光検出装置２０では、可変電圧源２３の電圧を掃引することにより、照射された光の電流電圧特性が計算機２６において特定され、特定した電流電圧特性から、照射された光の波長や強度を特定することができる。光検出装置２０によれば、従来の波長検出素子に用いられていた分光器や受光装置を用いることなく、光検出素子１に光を照射するだけで、照射した光の波長及び強度を同定することができる。また、光検出装置２０によれば、未知の単一波長の光のみならず、未知の複数波長の光についても、その波長と強度を同定することができる。加えて、光検出装置２０には、光検出素子１が用いられているので、従来の多波長検出装置よりも故障し難く小型化することが可能であるほか、装置の価格を低減することも可能になる。
【００６３】
光検出装置２０において、可変電圧源２３としては、公知の可変電圧源を適宜用いることができ、差動増幅回路２４としては、公知の差動増幅回路を適宜用いることができる。また、測定対象物２５としては、例えば半導体レーザやハロゲン光源等を用いることができ、計算機２６は公知の計算機を適宜用いることができる。
【００６４】
図１０は、光検出素子１、１を搭載した光検出装置３０を説明する図である。図１０において、光検出装置２０と同様の構成には、図９で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図１０に示したように、光検出装置３０では、直列に接続された光検出素子１及び抵抗２１と、直列に接続された光検出素子１及び抵抗２２とが、並列に接続されており、光検出素子１、１には可変電圧源２３から電圧が印加される。一方の光検出素子１には、光パラメトリック増幅器を内蔵し且つ増幅したパルス光を出力する測定対象物３１から光が照射されるのに対し、他方の光検出素子１は常時遮光されている。受光／遮光の差が、各直列接続に流れる電流差となり、その結果、光が照射される光検出素子１に印加される電圧と常時遮光されている光検出素子１に印加される電圧との間に差が生じる。図１０に示したように、光検出装置３０には、光が照射される光検出素子１に印加される電圧と常時遮光されている光検出素子１に印加される電圧との差を増幅可能なように接続された差動増幅回路２４が備えられており、この差動増幅回路２４によって増幅された電圧差がロックインアンプ３２に出力される。ロックインアンプ３２は測定対象物３１及び計算機２６にも接続されている。光検出装置３０では、可変電圧源２３の電圧を掃引することにより、光が照射されている間の電流電圧特性が計算機２６において特定され、特定した電流電圧特性から、照射された光の波長や強度を特定することができる。このように構成される光検出装置３０によれば、従来の波長検出素子に用いられていた分光器や受光装置を用いることなく、光検出素子１に光を照射するだけで、照射した光の波長及び強度を同定することができる。また、光検出装置３０によれば、未知の単一波長の光のみならず、未知の複数波長の光についても、その波長と強度を同定することができる。加えて、光検出装置３０には、光検出素子１が用いられているので、従来の多波長検出装置よりも故障し難く小型化することが可能であるほか、装置の価格を低減することも可能になる。
【００６５】
光検出装置３０において、測定対象物３１としては、例えば半導体レーザやハロゲン光源等を用いることができ、ロックインアンプ３２としては、例えば公知のロックインアンプを適宜用いることができる。
【００６６】
本発明の光検出素子を複数備えた光検出装置に関する上記説明では、光検出素子１、１が搭載されている形態を例示したが、本発明の光検出素子を複数備えた光検出装置は、当該形態に限定されない。本発明の光検出素子を複数備えた光検出装置には、光検出素子８、８が搭載されていても良く、光検出素子１と光検出素子８とが搭載されていても良い。
【００６７】
光検出装置２０や光検出装置３０を用いて、複数波長の光を含む入射光の波長及び強度を特定する方法について、以下に説明する。
【００６８】
常時遮光されている光検出素子１を流れる電流をＩｄａｒｋ、電圧をＶｄａｒｋとし、光を照射される光検出素子１を流れる電流をＩｌｉｇｈｔ、電圧をＶｌｉｇｈｔとし、可変電圧源２３の電圧をＶｋ、電圧Ｖｋを印加した時の２つの光検出素子１、１の電圧差をΔＶ、抵抗２１、２２の抵抗をＲとし、Ｉｄａｒｋ及びＶｄａｒｋが既知である時、Ｖｌｉｇｈｔ及びＩｌｉｇｈｔは、以下のように表すことができる。また、ホットエレクトロンの電流密度Ｊｅｈｏｔは、ＩｌｉｇｈｔとＩｄａｒｋとの差から算出することができる。
Ｖｌｉｇｈｔ＝Ｖｄａｒｋ−ΔＶ
Ｉｌｉｇｈｔ＝（Ｖｋ−Ｖｌｉｇｈｔ）／Ｒ
【００６９】
ここで、複数の波長光からなる入射光がもたらすホットエレクトロン電流密度Ｊｅｈｏｔは、単一波長光がもたらすホットエレクトロン電流密度の和であると考える。そうすると、複数の波長光からなる入射光がもたらすホットエレクトロン電流密度Ｊｅｈｏｔの対数を縦軸とし、印加電圧Ｖを横軸とするグラフは、図１１のように表すことができる。図１１において、ｂ１〜ｂ３は光検出素子１にある波長ｎの照射により発生したホットエレクトロンが光検出素子１を流れ始める閾値電流である。また、ａ１はｂ１を通る直線の傾き（横軸Ｖの切片がｂ１になる波長の光によるホットエレクトロンの電流密度の対数と印加電圧Ｖとの関係を示す直線の傾き）であり、ａ２はｂ２を通る直線の傾き（横軸Ｖの切片がｂ２になる波長の光によるホットエレクトロンの電流密度の対数と印加電圧Ｖとの関係を示す直線の傾き）であり、ａ３はｂ３を通る直線の傾き（横軸Ｖの切片がｂ３になる波長の光によるホットエレクトロンの電流密度の対数と印加電圧Ｖとの関係を示す直線の傾き）である。図１１において、傾きａ１の直線と傾きａ１＋ａ２の直線とが交わるＶ＝ｂ２の場合と、傾きａ１＋ａ２の直線と傾きａ１＋ａ２＋ａ３の直線とが交わるＶ＝ｂ３の場合には、ＪｅｈｏｔのＶによる２階微分が極大値をとる。図１１は、傾きがａ１になる波長の光と、傾きがａ２になる波長の光と、傾きがａ３になる波長の光からなる入射光がもたらすホットエレクトロン電流密度の対数と印加電圧Ｖとの関係を示す直線の傾きは、ａ１＋ａ２＋ａ３で表せることを示している。すなわち、ｎを正数とするとき、ｎ個の波長光からなる入射光がもたらすホットエレクトロン電流密度の対数と印加電圧Ｖとの関係を示す直線の傾きは、ａ１からａｎまでの総和で表すことができる。
【００７０】
単一波長光によって励起されたホットエレクトロンの電流密度Ｊｅｈｏｔの対数と印加電圧Ｖとの間には、上記式（１４）の関係が成り立つ。また、ｎ個の波長光からなる入射光がもたらすホットエレクトロン電流密度と、ｎ個の波長光それぞれの入射光がもたらすホットエレクトロン電流密度との間には、下記式（１６）の関係が成り立つ。
【００７１】
【数１６】
【００７２】
上記式（１６）の右辺の値と左辺の値との差が大きい場合は、仮定したａ１、ａ２、ａ３、…ａｎやｂ１、ｂ２、ｂ３、…ｂｎの値が正確ではないと考えられる。そこで、光検出装置２０や光検出装置３０では、計算機２６において、ａ１、ａ２、ａ３、…ａｎやｂ１、ｂ２、ｂ３、…ｂｎの値を適宜変更することにより、上記式（１６）の右辺の値と左辺の値との残差二乗和が最小になる、ａ１、ａ２、ａ３、…ａｎ及びｂ１、ｂ２、ｂ３、…ｂｎの値を特定する。こうして、上記式（１６）の右辺の値と左辺の値との残差二乗和が最小になる、ａ１、ａ２、ａ３、…ａｎ及びｂ１、ｂ２、ｂ３、…ｂｎの値を特定したら、上記式（１）〜（６）から、複数波長の入射光それぞれの光の振動数ν及び強度Ｉ０を求めることができる。そして、求めた光の振動数νを上記式（１５）へと代入することにより、ｎ個の光の波長を求めることができる。光検出装置２０や光検出装置３０では、可変電圧源２３によって印加する電圧Ｖｋを掃引することにより図１１で示されるような電流電圧特性を得、上記式（１６）の右辺の値と左辺の値との残差二乗和が最小になる、ａ１、ａ２、ａ３、…ａｎ及びｂ１、ｂ２、ｂ３、…ｂｎの値を特定する過程を経て、複数の波長光からなる入射光の波長及び強度を同定することができる。このようにして入射光の波長及び強度を同定可能な光検出装置２０、３０は、例えば、光ファイバーの引き回しが困難な箇所や、小型ロボット用の受光素子等として用いることも可能になる。
【実施例】
【００７３】
光検出装置１０の光検出素子１へ、レーザ素子６で出力した矩形パルス光（周波数ν＝５２０Ｈｚ）を照射するとともに、電流電圧測定器２から印加する電圧を変更して、温度７７Ｋの環境下でホットエレクトロン電流を測定することにより、入射光の波長や強度と電流電圧特性との関係を調べた。図１２に、入射光の波長と電流電圧特性との関係を、図１３に、入射光の強度と電流電圧特性との関係を、それぞれ示す。図１２及び図１３の縦軸は、光を照射した時と照射しない時との電流の差分ΔＩ［ａｒｂ． ｕｎｉｔｓ］であり、横軸は、電圧［Ｖ］である。なお、実験で用いた光検出素子１（又は、後述する計算で仮定した光検出素子１）は、不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３である厚さ３００μｍのＧａＡｓ（００１）基板（ｎ＋層）を基板１ｂとし、不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３である厚さ２５０ｎｍのＧａＡｓ（ｎ＋層）をバッファ層１ｃとし、不純物を添加しない厚さ２ｎｍのＧａＡｓ（ｉ層）をスペーサ層１ｄとした。また、不純物を添加しない厚さ６ｎｍのＡｌ０.６Ｇａ０．４Ａｓ（ｉ層）を障壁層１ｅｘとし、不純物を添加しない厚さ３ｎｍのＧａＡｓ（ｉ層）を量子井戸層１ｅｙとし、不純物を添加しない厚さ６ｎｍのＡｌ０.６Ｇａ０．４Ａｓ（ｉ層）を障壁層１ｅｚとした。また、不純物を添加しない厚さ２ｎｍのＧａＡｓ（ｉ層）をスペーサ層１ｆとし、不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３である厚さ１３０ｎｍのＧａＡｓ（ｎ層）を光吸収層１ｇとし、不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３である厚さ２０ｎｍのＧａＡｓ（ｎ＋層）をコンタクト層１ｈとした。
【００７４】
図１２に示したように、すべての入射光のフォトンフラックスＩ０が２．０×１０１９ｃｍ−２ｓ−１で一定の場合、長波長の光よりも短波長の光を照射する方がホットエレクトロン電流を増大させることが可能であった。また、図１３に示したように、入射光のフォトンフラックスＩ０を２．０×１０１９ｃｍ−２ｓ−１から３．２×１０１９ｃｍ−２ｓ−１へと高めることにより、ホットエレクトロン電流を増大させることが可能であった。
【００７５】
一方、光検出素子１へ、フォトンフラックスが２．０×１０１９ｃｍ−２ｓ−１の光（波長は６００ｎｍ、６５０ｎｍ、７００ｎｍ、７５０ｎｍ、及び、８００ｎｍの５種類）が照射され、少数キャリア再結合時間が２．０ｎｓであり、キャリア熱緩和時間が４．０ｐｓであると仮定し、その他の物性値はＧａＡｓの値を使用して、入射光の波長と電流電圧特性との関係を、上記式（１）〜（１５）を用いて求めた。結果を図１４に示す。図１４の縦軸は電流［ａｒｂ． ｕｎｉｔｓ］であり、横軸は電圧［Ｖ］である。図１４において、実線は、ホットエレクトロン以外の電子も含む全体の電流電圧特性の計算結果を示しており、波線は、ホットエレクトロンの電流電圧特性の計算結果を示している。図１４に示したように、計算によっても、フォトンフラックスが一定の場合、長波長の光よりも短波長の光を照射する方がホットエレクトロン電流を増大させることが可能、という結果が得られた。
【００７６】
図１３に示した入射光の強度（フォトンフラックスが２．０×１０１９ｃｍ−２ｓ−１と３．２×１０１９ｃｍ−２ｓ−１の２種類）と電流電圧特性との関係（波長は６４３ｎｍと８０５ｎｍの２種類）を、少数キャリア再結合時間が２．０ｎｓであり、キャリア熱緩和時間が８．０ｎｓであるとし、上記式（１３）に、入射光の受光面積Ｓと、量子構造部１ｅの電子透過率ＴＴ＊の補正係数Ｂと、量子構造部１ｅへの実効的印加電圧を決める補正係数Ｄを導入した下記式（１７）及び式（１８）を用いて、ＳとＢとの積が４×１０−５ｍ２であり、Ｄ＝１／７という条件下で、フィッティングを行った。結果を図１５に示す。図１５の縦軸は光を照射した時と照射しない時との電流の差分ΔＩ［ａｒｂ． ｕｎｉｔｓ］であり、横軸は、電圧［Ｖ］である。
【００７７】
【数１７】
【００７８】
【数１８】
【００７９】
図１５に示したように、実験結果及び計算結果は、それぞれの入射光強度と波長において、低印加電圧側の電流電圧特性がよく一致した（高印加電圧側の電流電圧特性には、量子構造部１ｅを越えたリーク電流が現れている）。したがって、波長や強度が不明の光が光検出素子１へと照射された場合には、上記式（１）〜式（１８）を用いることにより、入射光の波長や強度を同定することが可能になる。具体的には、入射光の波長が不明の場合には、波長が不明の光を照射して得られた図１３と対応する結果と、補正係数Ｓ、Ｂ、Ｄを校正した上記式（１７）及び式（１８）の計算結果とを照合することにより、入射光の波長と強度を同定することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１、８…光検出素子
１ａ…第２電極
１ｂ…基板
１ｃ…バッファ層
１ｄ、１ｆ…スペーサ層
１ｅ、８ａ…量子構造部
１ｅｘ、１ｅｚ、８ａｘ、８ａｚ…障壁層
１ｅｙ…量子井戸層
１ｇ…光吸収層
１ｈ…コンタクト層
１ｉ…第１電極
２…電流電圧特性測定器
３…ロックインアンプ（特定信号検出・増幅器）
４…ファンクションジェネレータ（交流電圧信号発生器）
５…レーザ駆動装置
６…レーザ素子
７…低温プローバ
８ａｙ…量子ドット層
８ｂ…量子ドット
１０、２０、３０…光検出装置
２１、２２…抵抗
２３…可変電圧源
２４…差動増幅回路
２５、３１…光源
２６…計算機
３２…ロックインアンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の波長や強度を特定する際に用いられる光検出素子及び該光検出素子を用いる光検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーを吸収した物質が放出する特定波長の光を調べることにより物性を把握する方法として、フォトルミネッセンス（ＰＬ）法やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）法等が知られている。これらの方法では、光のスペクトルや強度を特定する際に、分光器及び受光装置（例えば光電子増倍管等）を備えた機器が用いられる。
【０００３】
分光器を備えた機器に関する技術として、例えば特許文献１には、基準光源で基準光として波長が異なる２以上の基準光を発光させ、センサ上における２以上の基準光の検出位置と、２以上の基準光の既知の波長とに基づいて、分光器の実際の特性値を演算し、センサ上における基準光及び被検出光の検出位置と、演算された分光器の実際の特性値と、基準光の既知の波長とに基づいて、被検出光の波長を演算するようにした波長検出装置が開示されている。
【０００４】
また、光を照射して電気エネルギーを得る光起電力素子に関する技術として、例えば特許文献２には、光吸収層の一方の面に隣接する電子移動層が、光吸収層における伝導帯のエネルギー幅より狭いエネルギー幅を有しており所定の第１のエネルギー準位の電子を選択的に通過させる伝導帯を有し、光吸収層の他方の面に隣接する正孔移動層が、光吸収層における価電子帯のエネルギー幅より狭いエネルギー幅を有しており所定の第２のエネルギー準位の正孔を選択的に通過させる価電子帯を有し、光吸収層がｐ型不純物又はｎ型不純物を含み、光吸収層におけるｐ型不純物又はｎ型不純物の濃度が１×１０１３ｃｍ−３以上である光起電力素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１６２０４７号公報
【特許文献２】特許第４３２４２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されているような従来の波長検出装置では、大きな分光器（例えば１００ｍｍ角程度の大きさの分光器）が用いられていた。そのため、空間的許容度や測定環境の観点から分光測定が困難な場合があった。また、特許文献１に開示されているような従来の波長検出装置に用いられている分光器及び受光装置は、精密な機械的構造を有するため、故障しやすいという問題もあった。一方、特許文献２には光起電力素子に関する技術が開示されており、特許文献２に開示されている技術を波長検出装置に応用することについて、特許文献１及び特許文献２では言及されていない。
【０００７】
そこで本発明は、故障し難く小型化することが可能な光検出素子及び該光検出素子を用いる光検出方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明の第１の態様は、光を吸収して電子及び正孔を生成する光吸収層と、該光吸収層に隣接する量子構造部と、光吸収層に接続された第１電極と、量子構造部に接続された第２電極とを有し、量子構造部は、量子井戸層、及び、該量子井戸層と第１電極及び第２電極との間に配設された障壁層を有し、障壁層の伝導帯端は、光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、障壁層の伝導帯端と光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、０．５８ｅＶよりも大きく、量子井戸層の伝導帯側に形成された量子準位は、光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、量子準位と光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、電子の熱エネルギーよりも大きいことを特徴とする、光検出素子である。
【０００９】
ここに、本発明の第１の態様及び以下に示す本発明の他の態様（以下において、これらをまとめて単に「本発明」ということがある。）において、「光吸収層に接続された第１電極」とは、他の層を介さずに光吸収層と第１電極とが直接接触するように接続されている形態のほか、他の層を介して第１電極が光吸収層に接続されている形態も含む概念である。また、本発明において、「量子構造部に接続された第２電極」とは、他の層を介さずに量子構造部と第２電極とが直接接触するように接続されている形態のほか、他の層を介して第２電極が量子構造部に接続されている形態も含む概念である。また、本発明の第１の態様において「該量子井戸層と第１電極及び第２電極との間に配設された障壁層」とは、量子井戸層と第１電極との間、及び、量子井戸層と第２電極との間に、障壁層が配設されていることをいう。また、本発明において、「電子の熱エネルギー」は、室温（３００Ｋ）では２６ｍｅＶである。
【００１０】
本発明の第２の態様は、光を吸収して電子及び正孔を生成する光吸収層と、該光吸収層に隣接する量子構造部と、光吸収層に接続された第１電極と、量子構造部に接続された第２電極とを有し、量子構造部は、量子ドット、及び、該量子ドットと第１電極及び第２電極との間に配設された障壁層を有し、障壁層の伝導帯端は、光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、障壁層の伝導帯端と光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、０．５８ｅＶよりも大きく、量子ドットの伝導帯側に形成された量子準位は、光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、量子準位と光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、電子の熱エネルギーよりも大きいことを特徴とする、光検出素子である。
【００１１】
ここに、本発明の第２の態様において、「該量子ドットと第１電極及び第２電極との間に配設された障壁層」とは、量子ドットと第１電極との間、及び、量子ドットと第２電極との間に（例えば、量子ドットを囲む、又は、量子ドットを挟むように）、障壁層が配設されていることをいう。
【００１２】
本発明の第３の態様は、上記本発明の第１の態様及び／又は上記本発明の第２の態様にかかる光検出素子を用いて、光検出素子へと入射した光により生じた電流電圧特性を得る電流電圧特性取得工程と、該電流電圧特性取得工程で得られた電流電圧特性を用いて、入射した光の波長及び強度を同定する同定工程と、を有することを特徴とする、光検出方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の第１の態様では、量子井戸層を用いている量子構造部や光吸収層に、従来の波長検出装置における分光器や受光装置の機能を担わせることが可能になる。量子構造部や光吸収層に半導体薄膜を用いることにより、従来の波長検出装置よりも小型化することが可能になり、且つ、従来の波長検出装置よりも故障し難い形態（振動や衝撃に強い形態）にすることが可能になる。したがって、本発明の第１の態様によれば、故障し難く小型化することが可能な光検出素子を提供することができる。
【００１４】
本発明の第２の態様では、量子ドットを用いている量子構造部や光吸収層に、従来の波長検出装置における分光器や受光装置の機能を担わせることが可能になる。量子構造部や光吸収層に半導体薄膜を用いることにより、従来の波長検出装置よりも小型化することが可能になり、且つ、従来の波長検出装置よりも故障し難い形態（振動や衝撃に強い形態）にすることが可能になる。したがって、本発明の第２の態様によれば、故障し難く小型化することが可能な光検出素子を提供することができる。
【００１５】
本発明の第３の態様によれば、光の波長や強度を特定することが可能な光検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】光検出素子１を説明する断面図である。
【図２】光検出素子１を説明するバンド図である。
【図３】光検出装置１０を説明する図である。
【図４】キャリアの移動モデルを説明する図である。
【図５】ホットエレクトロンの電流密度と印加電圧との関係を示す図である。
【図６】光検出素子８を説明する断面図である。
【図７】光検出素子８を説明するバンド図である。
【図８】ホットエレクトロンによる共鳴トンネルダイオード透過電流−電圧特性を説明する図である。
【図９】光検出装置２０を説明する図である。
【図１０】光検出装置３０を説明する図である。
【図１１】ホットエレクトロンの電流密度と印加電圧との関係を示す図である。
【図１２】入射光の波長と電流電圧特性との関係を示す図である。
【図１３】入射光の強度と電流電圧特性との関係を示す図である。
【図１４】電流電圧特性の計算結果を示す図である。
【図１５】入射光の波長及び強度と電流電圧特性との関係をフィッティングした結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ、本発明について説明する。なお、以下に示す形態は本発明の例示であり、本発明は以下に示す形態に限定されるものではない。
【００１８】
図１は、第１実施形態にかかる本発明の光検出素子１を拡大して示す断面図である。図１に示したように、光検出素子１は、第２電極１ａ（アノード）と、第２電極１ａの上面に形成された基板１ｂと、基板１ｂの上面に形成されたバッファ層１ｃと、バッファ層１ｃの上面に形成されたスペーサ層１ｄと、スペーサ層１ｄの上面に形成された量子構造部１ｅと、量子構造部１ｅの上面に形成されたスペーサ層１ｆと、スペーサ層１ｆの上面に形成された光吸収層１ｇと、光吸収層１ｇの上面に形成されたコンタクト層１ｈと、コンタクト層１ｈの上面に形成された採光用の窓のあいた第１電極１ｉ（カソード）と、を有している。基板１ｂ、バッファ層１ｃ、スペーサ層１ｄ、量子構造部１ｅ、スペーサ層１ｆ、光吸収層１ｇ、及び、コンタクト層１ｈは、半導体材料によって構成されている。量子構造部１ｅは、スペーサ層１ｄ側から、障壁層１ｅｘ、量子井戸層１ｅｙ、及び、障壁層１ｅｚの３層が積層された構造をしており、スペーサ層１ｄの上面に障壁層１ｅｘが、障壁層１ｅｘの上面に量子井戸層１ｅｙが、量子井戸層１ｅｙの上面に障壁層１ｅｚが、障壁層１ｅｚの上面にスペーサ層１ｆが、それぞれ形成されている。スペーサ層１ｆ及び光吸収層１ｇは同一材料（例えば、ＧａＡｓ）で構成され、前者は電子を存在させるための不純物元素が添加されておらず、後者は当該不純物元素が添加されている。スペーサ層１ｆ及び光吸収層１ｇは同一材料で構成されているので、スペーサ層１ｆは光吸収層の一部とみなすことも可能である。また、バッファ層１ｃ及びスペーサ層１ｄは同一材料（例えば、ＧａＡｓ）で構成され、前者は電子を存在させるための不純物元素が添加されており、後者は当該不純物元素が添加されていない。バッファ層１ｃ及びスペーサ層１ｄは同一材料で構成されているので、スペーサ層１ｄはバッファ層の一部とみなすことも可能である。
【００１９】
光検出素子１には、第１電極１ｉ側から光が入射し、光検出素子１の使用時には、第１電極１ｉ及び第２電極１ａに電圧が印加される。光検出素子１に光が入射すると、主に光吸収層１ｇで光が吸収され、電子及び正孔が生成される。生成された電子は、第２電極１ａに向かって、図１の紙面上側から下側へと移動する。
【００２０】
図２は、光検出素子１における電子の移動を説明するバンド図であり、図２では、光検出素子１の一部のみを示している。図２の紙面上側ほど電子のエネルギーが高い。図２では、伝導帯側のみを示しており、紙面左側から右側に向かって電子が移動する。図２に示したように、障壁層１ｅｘ及び障壁層１ｅｚの伝導帯端は光吸収層１ｇの伝導帯端よりも高エネルギーであり、障壁層１ｅｘ及び障壁層１ｅｚの伝導帯端と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、０．５８ｅＶよりも大きい。また、量子井戸層１ｅｙの伝導帯側には、量子準位ｑ１が形成されており、量子準位ｑ１は光吸収層１ｇの伝導帯端よりも高エネルギーであり、量子準位ｑ１と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、光検出素子１の使用時（光検出素子１へ光が照射されている時）に電子が受け取るエネルギーよりも大きい。光検出素子１の使用時における、光吸収層１ｇとバッファ層１ｃとの電位差は、Ｖｄである。
【００２１】
光を吸収することにより光吸収層１ｇで生成された電子は、所定のエネルギー分布を形成する。量子準位ｑ１と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、光検出素子１の使用時に電子が受け取るエネルギーよりも大きく、障壁層１ｅｚの伝導帯端は量子準位ｑ１よりも上方に位置している。それゆえ、光検出素子１に光が入射する前から光吸収層１ｇに存在していた電子は量子構造部１ｅを透過することができない。光を吸収した光吸収層１ｇで生成された電子のうち、量子準位ｑ１と一致するエネルギーを有する電子は、共鳴トンネル効果によって障壁層１ｅｚを通過して量子準位ｑ１へと達した後、共鳴トンネル効果によって障壁層１ｅｘを通過することにより、スペーサ層１ｄへと達することが可能である。スペーサ層１ｄへと達した電子は、バッファ層１ｃ及び基板１ｂを通って第２電極１ａへと達する。光検出素子１では、例えば印加電圧Ｖｄを変化させることによって、量子準位ｑ１の位置（図２の紙面上下方向の高さ）を変化させることができ、量子準位ｑ１の位置を変化させることによって、電流値を変化させることができる。このように、光検出素子１では、光検出素子１へと入射した光の、印加電圧Ｖｄに対する電流値（電流電圧特性）を得ることができる。また、光検出素子１へと入射する光の波長や強度が変わると、光吸収層１ｇで生成される電子のエネルギーや量が変わり、生成された電子のエネルギーや量が変わると、量子準位ｑ１を介して量子構造部１ｅを透過する電子の量が変わるので、光の波長や強度に応じた電流電圧特性を得ることができる。それゆえ、後述する方法を用いることにより、得られた電流電圧特性から、光検出素子１へと入射した光の波長及び強度を特定することができる。
【００２２】
上述したように、量子構造部１ｅ（障壁層１ｅｘ、量子井戸層１ｅｙ、及び、障壁層１ｅｚ）は、特定のエネルギーを有する電子のみを通過させる性質を有している。それゆえ、量子構造部１ｅは、従来の波長検出素子における分光器のような機能を発揮することができる。さらに、光検出素子１は、積層された半導体膜の一方の面に第１電極１ｉを、他方の面に第２電極１ａを配置した構造であるため、従来の波長検出装置よりも小型化しやすく（例えば５ｍｍ角程度の大きさ）、従来の波長検出装置よりも故障し難い形態（振動や衝撃に強い形態）にすることが可能になる。したがって、本発明によれば、故障し難く小型化することが可能な光検出素子１を提供することができる。
【００２３】
光検出素子１は、例えば以下の工程を経て作製することができる。光検出素子１を作製する際には、例えば半導体基板（不図示）の上に、蒸着法等の公知の方法により、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ等によって構成される第２電極１ａを形成する。第２電極１ａを形成したら、当該第２電極１ａの上面に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等に代表される気相成長法や真空蒸着法等の公知の方法により、ＧａＡｓ、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１）、Ｓｉ等によって構成される、不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３程度のｎ型の基板１ｂ（例えば、ＧａＡｓ（００１）基板）を作製する。その後、基板１ｂと同様の方法により、基板１ｂの上面に、基板１ｂと同様の材料によって構成される、不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３程度のｎ型のバッファ層１ｃを作製する。次いで、基板１ｂと同様の方法により、バッファ層１ｃの上面に、不純物を添加していないほかは基板１ｂと同様の材料によって構成される、スペーサ層１ｄを作製する。次いで、基板１ｂと同様の方法により、スペーサ層１ｄの上面に、不純物を添加していないＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１。例えばｘ＝０．６。）やＳｉＯ２等によって構成される、障壁層１ｅｘを作製する。次いで、基板１ｂと同様の方法により、障壁層１ｅｘの上面に、不純物を添加していないほかは基板１ｂと同様の材料によって構成される、量子井戸層１ｅｙを作製する。次いで、基板１ｂと同様の方法により、量子井戸層１ｅｙの上面に、障壁層１ｅｘと同様の材料によって構成される、障壁層１ｅｚを作製することにより、量子構造部１ｅを作製する。こうして量子構造部１ｅを作製したら、量子構造部１ｅの上面（障壁層１ｅｚの上面）に、基板１ｂと同様の方法により、不純物を添加していないほかは基板１ｂと同様の材料によって構成される、スペーサ層１ｆを作製する。次いで、基板１ｂと同様の方法により、スペーサ層１ｆの上面に、基板１ｂと同様の材料によって構成される、不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３程度のｎ型の光吸収層１ｇを作製する。次いで、基板１ｂと同様の方法により、光吸収層１ｇの上面に、基板１ｂと同様の材料によって構成される、不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３程度のｎ型のコンタクト層１ｈを作製する。そして、コンタクト層１ｈの上面に、蒸着法等の公知の方法により、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ／ＡｕＧｅ等によって構成される第１電極１ｉを形成する過程を経て、光検出素子１を作製することができる。
【００２４】
光検出素子１において、第１電極１ｉ及び第２電極１ａの厚さは、例えば１μｍ以上１０μｍ以下とすることができる。また、基板１ｂの厚さは、抵抗値削減と機械的強度向上の観点から、例えば５０μｍ以上３００μｍ以下とすることができ、バッファ層１ｃの厚さは、量子構造部１ｅの結晶性確保の観点から、例えば１００ｎｍ以上１μｍ以下とすることができる。また、スペーサ層１ｄ及びスペーサ層１ｆの厚さは、量子構造部１ｅの厚さの制御精度を向上しやすい形態にする等の観点から、例えば１ｎｍ以上３ｎｍ以下とすることができる。また、障壁層１ｅｘ及び障壁層１ｅｚの厚さは、特定のエネルギーを有する電子のみが量子構造部１ｅを通過可能にする観点から、例えば２ｎｍ以上とし、共鳴トンネル効果によって電子が透過可能な厚さにする観点から、例えば６ｎｍ以下とする。また、量子井戸層１ｅｙの厚さは、伝導帯側に量子準位が形成されるようにする等の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。また、光吸収層１ｇの厚さは、光を吸収して電子を生成可能な厚さにする等の観点から、例えば５０ｎｍ以上とし、生成された電子が高いエネルギーを保ったまま量子構造部１ｅへ到達可能な厚さにする等の観点から、例えば１５０ｎｍ以下とすることができる。また、コンタクト層１ｈの厚さは、格子欠陥の発生等を抑制する等の観点から、例えば５ｎｍ以上２０ｎｍ以下とすることができる。
【００２５】
光検出素子１において、障壁層１ｅｘ、１ｅｚの伝導帯端と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、測定可能な波長域を広くするため、また、ノイズ（熱電流）を低減するため、可能な限り大きくすることが好ましい。当該エネルギー差の最小値は、光検出素子１が、光照射なしの条件下で量子井戸構造の共鳴トンネル効果を顕在化できる値である。例えば、光吸収層がＧａＡｓであり、且つ、障壁層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）である場合、一般的にポテンシャル障壁の最小値とされる０．５８ｅＶを、エネルギー差の最小値とすることができる。
【００２６】
図３は、光検出素子１を搭載した光検出装置１０を説明する図である。図３に示したように、光検出装置１０では、ファンクションジェネレータ４で発生させた矩形交流電圧信号によってレーザ駆動装置５の動作を制御し、レーザ駆動装置５を用いて駆動するレーザ素子６で出力した矩形パルス光が、低温プローバ７に取り付けられた光検出素子１に照射される。光検出素子１には、電流電圧測定器２から電圧が印加され、矩形パルス光が光検出素子１へと照射されることにより得られた電流がロックインアンプ３に入力される。ロックインアンプ３はファンクションジェネレータ４の信号を参照信号として、光検出素子１に矩形パルス光が照射された時の電流値と、矩形パルス光が照射されていない時の電流値との差分を出力することができる。電流電圧測定器２の電圧と、ロックインアンプ３の出力（電流値）とから、光検出装置１０によれば、矩形パルス光が照射された光検出素子１で生成され量子構造部１ｅを通過した電子の電流電圧特性を得ることができる。
【００２７】
次に、得られた電流電圧特性を用いて、光検出素子へと入射した光の波長及び強度を求める方法について、以下に説明する。以下の説明において、電子及び正孔をまとめて「キャリア」ということがある。
【００２８】
図４に、キャリアフローモデルを示す。図４において、ｘ＝０はコンタクト層１ｈと接する光吸収層１ｇの表面の位置であり、ｘ＝Ｉａｂはｘ＝０の位置から量子井戸層１ｅｙまでの距離である。また、Ｒはキャリア再結合速度であり、Ｇはキャリア生成速度であり、ＧＥはキャリアのエネルギー生成速度である。また、ｎは光吸収層１ｇで熱平衡状態にある電子の密度であり、ｎｈｏｔはホットエレクトロン（光吸収により生成された電子。以下において同じ。）の濃度である。また、ＲＥｔｈはキャリア熱緩和速度であり、ｐは光吸収層１ｇで熱平衡状態にある正孔の濃度であり、ｎ０はバッファ層１ｃで熱平衡状態にある電子の濃度であり、ｐ０はバッファ層１ｃで熱平衡状態にある正孔の濃度である。また、Ｖは印加電圧であり、Ｊｅｈｏｔはホットエレクトロンによる電流密度であり、Ｊｅは熱平衡状態にある電子による電流密度であり、Ｔｈｏｔはホットエレクトロンの温度である。また、ＥＦｎｅは光吸収層１ｇで熱平衡状態にある電子の擬フェルミ準位であり、ＥＦｎｅｈｏｔは光吸収層１ｇのホットエレクトロンの擬フェルミ準位であり、ＥＦｎｈは光吸収層１ｇで熱平衡状態にある正孔の擬フェルミ準位である。また、ＥＦｎｐｅはバッファ層１ｃで熱平衡状態にある電子の擬フェルミ準位であり、ＥＦｎｐｈはバッファ層１ｃで熱平衡状態にある正孔の擬フェルミ準位である。以下、（ｉ）入射光によりエネルギー的に高い電子（ホットエレクトロン）が励起され、（ｉｉ）バッファ層１ｃの少数キャリア再結合速度は十分に早く、正孔濃度は常に熱平衡状態に等しく、（ｉｉｉ）各層のキャリア分布はすべて古典分布で表され、（ｉｖ）光吸収層１ｇの電子分布は、熱平衡状態の電子分布とホットエレクトロン分布との和で表され、（ｖ）入射光の余分なエネルギーのうち、電子に与えられる割合は正孔との有効質量比で決まり、（ｖｉ）正孔分布は常に格子と熱平衡に達しており、（ｖｉｉ）正孔は量子構造部１ｅを通過することができず、すべて障壁層１ｅｚで反射されると仮定して、説明を続ける。
【００２９】
【数１】
ここで、Ｊｅｈｏｔは受光による電流密度増加分［Ａ／ｍ２］であり、Ｊｅｈｏｔ／ｅ＝Ｉ０はフォトンフラックス（入射光の強度）であり、αは吸収係数であり、ｄは光吸収層１ｇの厚さである。
【００３０】
【数２】
ここで、Δｐは光照射による正孔の増分［個］であり、τｒは再結合時間である。式（２）では、定常状態を仮定しており、電流の流れは無視している。
【００３１】
【数３】
【００３２】
【数４】
ここで、Ｅｅｘｔはホットエレクトロンの初期エネルギー（Ｅｅｘｔ＝ｈν−Ｅｇ）であり、ｈはプランク定数であり、νは光の振動数であり、Ｅｇは光吸収層１ｇのバンドギャップである。
【００３３】
【数５】
ここで、τｒｅはキャリア熱緩和時間であり、ｋはボルツマン定数であり、Ｔ０は室温［Ｋ］である。
【００３４】
【数６】
【００３５】
量子構造部１ｅを流れる電流は、以下の式で決定することができる。なお、電流量はキャリア分布には影響しないと仮定する。
【００３６】
【数７】
ここで、Ｊは量子構造部１ｅを透過する電流密度［Ａ／ｍ２］であり、ｈ−はディラック定数であり、ｋ｜｜は電子の障壁層１ｅｚ、１ｅｘに平行な波数成分であり、ｋｚは電子の障壁層１ｅｚ、１ｅｘに垂直な波数成分であり、Ｅｚは電子の運動エネルギーの障壁層１ｅｚ、１ｅｘに垂直な成分であり、ｆＲは熱平衡状態にあるコレクタ側電子のボルツマン分布であり、ＴＴ＊は電子の透過確率である。
【００３７】
【数８】
ここで、Ｅ０は光吸収層１ｇの伝導帯端を基準とした量子井戸層１ｅｙの伝導帯側に形成された量子準位ｑ１のエネルギーであり、ｍは電子の有効質量である。
【００３８】
【数９】
ここで、Ｅはエネルギー（計算上のパラメータ）であり、ｅは素電荷である。
【００３９】
【数１０】
ここで、ｆＬ０（Ｅ）は熱平衡状態にある電子のエミッタ側ボルツマン分布であり、ｆＬｈｏｔ（Ｅ）はホットエレクトロンのボルツマン分布である。
【００４０】
【数１１】
【００４１】
【数１２】
【００４２】
【数１３】
ここで、Ａ＊はリチャードソン定数であり、ΔＥは量子井戸層１ｅｙがつくる準位幅（構造で決まる数十ｍｅＶ以下程度の値）であり、ＥＦｎｅｈｏｔはホットエレクトロンの擬フェルミ準位であり、Ｎｃは伝導帯の有効状態密度であり、Ｅｃは伝導帯のエネルギーである。
【００４３】
【数１４】
【００４４】
上記式（１４）で示されるように、ホットエレクトロンの電流密度の対数を縦軸とし、印加電圧を横軸とするグラフを描いた時の直線の傾きからＴｈｏｔを導くことができる。また、当該直線の、縦軸の切片及びＴｈｏｔから、ｎｈｏｔを導くことができる。ホットエレクトロンの電流密度の対数を縦軸とし、印加電圧を横軸とするグラフを、図５に示す。
【００４５】
このようにしてＴｈｏｔ及びｎｈｏｔを求めたら、上記式（１）〜（６）から、光の振動数ν及び強度Ｉ０を求めることができる。ここで、光の速度をｃとするとき、光の波長λ及び振動数νは、
【００４６】
【数１５】
を満たす。それゆえ、求めたνを上記式（１５）へと代入することにより、光の波長λを求めることができる。
【００４７】
本発明に関する上記説明では、量子井戸層が用いられる形態の光検出素子を例示したが、本発明は当該形態に限定されない。そこで、本発明の光検出素子が採り得る他の形態について、以下に説明する。
【００４８】
図６は、第２実施形態にかかる本発明の光検出素子８を拡大して示す断面図である。図６において、光検出素子１と同様の構成には、図１で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図６に示したように、光検出素子８は、第２電極１ａと、基板１ｂと、バッファ層１ｃと、スペーサ層１ｄと、スペーサ層１ｄの上面に形成された量子構造部８ａと、量子構造部８ａの上面に形成されたスペーサ層１ｆと、光吸収層１ｇと、コンタクト層１ｈと、第１電極１ｉと、を有している。量子構造部８ａは半導体材料によって構成されている。量子構造部８ａは、スペーサ層１ｄ側から、障壁層８ａｘ、量子ドット層８ａｙ、及び、障壁層８ａｚの３層が積層された構造をしており、スペーサ層１ｄの上面に障壁層８ａｘが、障壁層８ａｘの上面に量子ドット層８ａｙが、量子ドット層８ａｙの上面に障壁層８ａｚが、障壁層８ａｚの上面にスペーサ層１ｆが、それぞれ形成されている。量子ドット層８ａｙは、複数の量子ドット８ｂ、８ｂ、…を有している。
【００４９】
光検出素子８には、第１電極１ｉ側から光が入射し、光検出素子１の使用時には、第１電極１ｉ及び第２電極１ａに電圧が印加される。光検出素子８に光が入射すると、主に光吸収層１ｇで光が吸収され、電子及び正孔が生成される。生成された電子は、第２電極１ａに向かって、図６の紙面上側から下側へと移動する。
【００５０】
図７は、光検出素子８における電子の移動を説明するバンド図であり、図７では、光検出素子８の一部のみを示している。図７の紙面上側ほど電子のエネルギーが高い。図７では、伝導帯側のみを示しており、紙面左側から右側に向かって電子が移動する。図７に示したように、障壁層８ａｘ及び障壁層８ａｚの伝導帯端は光吸収層１ｇの伝導帯端よりも高エネルギーであり、障壁層８ａｘ及び障壁層８ａｚの伝導帯端と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、０．５８ｅＶよりも大きい。また、量子ドット８ｂの伝導帯側には、量子準位Ｑ１が形成されており、量子準位Ｑ１は光吸収層１ｇの伝導帯端よりも高エネルギーであり、量子準位Ｑ１と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、光検出素子８の使用時（光検出素子８へ光が照射されている時）に電子が受け取るエネルギーよりも大きい。光検出素子８の使用時における、光吸収層１ｇとバッファ層１ｃとの電位差は、Ｖｄである。
【００５１】
光を吸収することにより光吸収層１ｇで生成された電子は、所定のエネルギー分布を形成する。量子準位Ｑ１と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、光検出素子８の使用時に電子が受け取るエネルギーよりも大きく、障壁層８ａｚの伝導帯端は量子準位Ｑ１よりも上方に位置している。それゆえ、光検出素子８に光が入射する前から光吸収層１ｇに存在していた電子は量子構造部８ａを透過することができない。光を吸収した光吸収層１ｇで生成された電子のうち、量子準位Ｑ１と一致するエネルギーを有する電子は、共鳴トンネル効果によって障壁層８ａｚを通過して量子準位Ｑ１へと達した後、共鳴トンネル効果によって障壁層８ａｘを通過することにより、スペーサ層１ｄへと達することが可能である。スペーサ層１ｄへと達した電子は、バッファ層１ｃ及び基板１ｂを通って第２電極１ａへと達する。光検出素子８では、例えば印加電圧Ｖｄを変化させることによって、量子準位Ｑ１の位置（図７の紙面上下方向の高さ）を変化させることができ、量子準位Ｑ１の位置を変化させることによって、電流値を変化させることができる。このように、光検出素子８では、光検出素子８へと入射した光の、印加電圧Ｖｄに対する電流値（電流電圧特性）を得ることができる。また、光検出素子８へと入射する光の波長や強度が変わると、光吸収層１ｇで生成される電子のエネルギーや量が変わり、生成された電子のエネルギーや量が変わると、量子準位Ｑ１を介して量子構造部８ａを透過する電子の量が変わるので、光の波長や強度に応じた電流電圧特性を得ることができる。それゆえ、上述した方法を用いることにより、得られた電流電圧特性から、光検出素子８へと入射した光の波長及び強度を特定することができる。
【００５２】
上述したように、量子構造部８ａ（障壁層８ａｘ、量子ドット層８ａｙ、及び、障壁層８ａｚ）は、特定のエネルギーを有する電子のみを通過させる性質を有している。それゆえ、量子構造部８ａは、従来の波長検出素子における分光器のような機能を発揮することができる。さらに、光検出素子８は、積層された半導体膜の一方の面に第１電極１ｉを、他方の面に第２電極１ａを配置した構造であるため、従来の波長検出装置よりも小型化しやすく（例えば５ｍｍ角程度の大きさ）、従来の波長検出装置よりも故障し難い形態（振動や衝撃に強い形態）にすることが可能になる。したがって、本発明によれば、故障し難く小型化することが可能な光検出素子８を提供することができる。
【００５３】
図８は、単一波長の光を吸収して生じたホットエレクトロンによる共鳴トンネルダイオード透過電流−電圧特性の概略図である。図８（ａ）は量子井戸構造の場合を示しており、図８（ｂ）は量子ドット構造の場合を示している。図８（ａ）及び図８（ｂ）の縦軸は電流密度であり、横軸は電圧である。量子井戸構造ではホットキャリアを１次元で閉じ込めるのに対し、量子ドット構造ではホットキャリアを３次元で閉じ込める。それゆえ、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示したように、量子井戸構造と量子ドット構造とでは、ホットエレクトロンによる共鳴トンネルダイオード透過電流−電圧特性が異なり、量子ドット構造の方が、光吸収により生じたホットエレクトロンによる電流密度を特定しやすい。したがって、量子ドット構造を用いた波長検出素子８によれば、量子井戸構造を用いた波長検出素子１よりも、入射光に対する検出分解能を高めることが可能になる。
【００５４】
光検出素子８は、量子構造部８ａ以外は光検出素子１と同様の方法によって作製することができる。量子構造部８ａ以外の層の作製方法については上述したため、ここでは量子構造部８ａの作製方法について説明する。量子構造部８ａの障壁層８ａｘは、スペーサ層１ｄの上面に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）等に代表される気相成長法や真空蒸着法等の公知の方法により、不純物を添加していないＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１。例えばｘ＝０．６。）やＳｉＯ２等によって構成される、障壁層８ａｘを形成する。障壁層８ａｘを形成したら、当該障壁層８ａｘの上面に、Stranski-Krastanov（ＳＫ）モード等の公知の方法により、ＩｎｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１）やＳｉ等によって構成される、量子ドット層８ａｙを形成する。こうして量子ドット層８ａｙを形成したら、当該量子ドット層８ａｙの上面に、障壁層８ａｘと同様の方法により、障壁層８ａｘと同様の材料によって構成される、障壁層８ａｚを作製することにより、量子構造部８ａを作製することができる。
【００５５】
光検出素子８において、障壁層８ａｘの厚さ、及び、障壁層８ａｚの厚さ（量子ドット８ｂ、８ｂ、…とスペーサ層１ｆとの間の厚さ）は、特定のエネルギーを有する電子のみが量子構造部８ａを通過可能にする観点から、例えば２ｎｍ以上とし、共鳴トンネル効果によって電子が透過可能な厚さにする観点から、例えば６ｎｍ以下とする。また、量子ドット８ｂの高さ（図６の紙面上下方向の高さ）は、伝導帯側に量子準位が形成されるようにする等の観点から、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とすることができる。また、隣接する量子ドット８ｂ、８ｂを繋ぐ薄膜の厚さは、量子ドット８ｂ、８ｂ間での電子移動を防ぐ観点から、０．６ｎｍ以上１．３ｎｍ以下とすることができる。
【００５６】
光検出素子８において、障壁層８ａｘ、８ａｚの伝導帯端と光吸収層１ｇの伝導帯端とのエネルギー差は、測定可能な波長域を広くするため、また、ノイズ（熱電流）を低減するため、可能な限り大きくすることが好ましい。当該エネルギー差の最小値は、光検出素子８が、光照射なしの条件下で量子ドットの共鳴トンネル効果を顕在化できる値である。例えば、光吸収層がＧａＡｓであり、且つ、障壁層がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０＜ｘ＜１）である場合、一般的にポテンシャル障壁の最小値とされる０．５８ｅＶを、エネルギー差の最小値とすることができる。
【００５７】
本発明に関する上記説明では、受光面側に採光用の窓のあいた第１電極１ｉが用いられている形態を例示したが、本発明の光検出素子は当該形態に限定されない。受光面側に配置される第１電極は、公知の透明電極を用いることも可能である。第１電極を透明電極とする場合、その構成材料としては、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等を例示することができる。
【００５８】
また、本発明に関する上記説明では、基板１ｂとスペーサ層１ｄとの間にバッファ層１ｃが備えられている形態を例示したが、本発明の光検出素子は当該形態に限定されず、基板１ｂとスペーサ層１ｄとが直接接触した形態とすることも可能である。ただし、量子構造部の膜厚を制御しやすい形態にする等の観点からは、基板とスペーサ層との間にバッファ層が備えられる形態とすることが好ましい。
【００５９】
また、本発明に関する上記説明では、光吸収層１ｇと第１電極１ｉとの間にコンタクト層１ｈが備えられている形態を例示したが、本発明の光検出素子は当該形態に限定されない。本発明の光検出素子は、コンタクト層１ｈに相当する層が備えられていない形態とすることも可能である。ただし、格子欠陥等を低減して、電流電圧特性の特定精度を高めやすい形態にする等の観点からは、光吸収層と第１電極との間にコンタクト層が備えられる形態とすることが好ましい。
【００６０】
また、本発明に関する上記説明では、途中から幅（図１や図６の紙面左右方向の長さ）が細くなっているバッファ層１ｃが備えられている形態を例示したが、本発明の光検出素子は当該形態に限定されない。本発明の光検出素子は、幅が厚さ方向の全体に亘って一定のバッファ層が備えられる形態とすることも可能である。ただし、電圧を印加することによって発生させた電場が、量子構造部に無駄なく設計通りに付与されやすい形態にするという観点、また、光検出素子の製造を容易にする等の観点から、バッファ層が備えられる場合には、途中から幅が細くなっているバッファ層が備えられる形態とすることが好ましい。
【００６１】
また、本発明に関する上記説明では、本発明の光検出素子を１つ備えた光検出装置（光検出素子１を備えた光検出装置１０）を例示したが、本発明の光検出素子を備える光検出装置は当該形態に限定されない。光検出装置には、光検出素子８が備えられていても良く、本発明の光検出素子が複数備えられていても良い。そこで、本発明の光検出素子を複数備える光検出装置について、以下に説明する。
【００６２】
図９は、光検出素子１、１を搭載した光検出装置２０を説明する図である。図９に示したように、光検出装置２０では、直列に接続された光検出素子１及び抵抗２１と、直列に接続された光検出素子１及び抵抗２２とが、並列に接続されており、光検出素子１、１には可変電圧源２３から電圧が印加される。一方の光検出素子１には、連続光を出力する測定対象物２５から光が照射されるのに対し、他方の光検出素子１は常時遮光されている。受光／遮光の差が、各直列接続に流れる電流差となり、その結果、光が照射される光検出素子１に印加される電圧と常時遮光されている光検出素子１に印加される電圧との間に差が生じる。図９に示したように、光検出装置２０には、光が照射される光検出素子１に印加される電圧と常時遮光されている光検出素子１に印加される電圧との差を増幅可能なように接続された差動増幅回路２４が備えられており、この差動増幅回路２４によって増幅された電圧差が計算機２６に出力される。光検出装置２０では、可変電圧源２３の電圧を掃引することにより、照射された光の電流電圧特性が計算機２６において特定され、特定した電流電圧特性から、照射された光の波長や強度を特定することができる。光検出装置２０によれば、従来の波長検出素子に用いられていた分光器や受光装置を用いることなく、光検出素子１に光を照射するだけで、照射した光の波長及び強度を同定することができる。また、光検出装置２０によれば、未知の単一波長の光のみならず、未知の複数波長の光についても、その波長と強度を同定することができる。加えて、光検出装置２０には、光検出素子１が用いられているので、従来の多波長検出装置よりも故障し難く小型化することが可能であるほか、装置の価格を低減することも可能になる。
【００６３】
光検出装置２０において、可変電圧源２３としては、公知の可変電圧源を適宜用いることができ、差動増幅回路２４としては、公知の差動増幅回路を適宜用いることができる。また、測定対象物２５としては、例えば半導体レーザやハロゲン光源等を用いることができ、計算機２６は公知の計算機を適宜用いることができる。
【００６４】
図１０は、光検出素子１、１を搭載した光検出装置３０を説明する図である。図１０において、光検出装置２０と同様の構成には、図９で使用した符号と同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。図１０に示したように、光検出装置３０では、直列に接続された光検出素子１及び抵抗２１と、直列に接続された光検出素子１及び抵抗２２とが、並列に接続されており、光検出素子１、１には可変電圧源２３から電圧が印加される。一方の光検出素子１には、光パラメトリック増幅器を内蔵し且つ増幅したパルス光を出力する測定対象物３１から光が照射されるのに対し、他方の光検出素子１は常時遮光されている。受光／遮光の差が、各直列接続に流れる電流差となり、その結果、光が照射される光検出素子１に印加される電圧と常時遮光されている光検出素子１に印加される電圧との間に差が生じる。図１０に示したように、光検出装置３０には、光が照射される光検出素子１に印加される電圧と常時遮光されている光検出素子１に印加される電圧との差を増幅可能なように接続された差動増幅回路２４が備えられており、この差動増幅回路２４によって増幅された電圧差がロックインアンプ３２に出力される。ロックインアンプ３２は測定対象物３１及び計算機２６にも接続されている。光検出装置３０では、可変電圧源２３の電圧を掃引することにより、光が照射されている間の電流電圧特性が計算機２６において特定され、特定した電流電圧特性から、照射された光の波長や強度を特定することができる。このように構成される光検出装置３０によれば、従来の波長検出素子に用いられていた分光器や受光装置を用いることなく、光検出素子１に光を照射するだけで、照射した光の波長及び強度を同定することができる。また、光検出装置３０によれば、未知の単一波長の光のみならず、未知の複数波長の光についても、その波長と強度を同定することができる。加えて、光検出装置３０には、光検出素子１が用いられているので、従来の多波長検出装置よりも故障し難く小型化することが可能であるほか、装置の価格を低減することも可能になる。
【００６５】
光検出装置３０において、測定対象物３１としては、例えば半導体レーザやハロゲン光源等を用いることができ、ロックインアンプ３２としては、例えば公知のロックインアンプを適宜用いることができる。
【００６６】
本発明の光検出素子を複数備えた光検出装置に関する上記説明では、光検出素子１、１が搭載されている形態を例示したが、本発明の光検出素子を複数備えた光検出装置は、当該形態に限定されない。本発明の光検出素子を複数備えた光検出装置には、光検出素子８、８が搭載されていても良く、光検出素子１と光検出素子８とが搭載されていても良い。
【００６７】
光検出装置２０や光検出装置３０を用いて、複数波長の光を含む入射光の波長及び強度を特定する方法について、以下に説明する。
【００６８】
常時遮光されている光検出素子１を流れる電流をＩｄａｒｋ、電圧をＶｄａｒｋとし、光を照射される光検出素子１を流れる電流をＩｌｉｇｈｔ、電圧をＶｌｉｇｈｔとし、可変電圧源２３の電圧をＶｋ、電圧Ｖｋを印加した時の２つの光検出素子１、１の電圧差をΔＶ、抵抗２１、２２の抵抗をＲとし、Ｉｄａｒｋ及びＶｄａｒｋが既知である時、Ｖｌｉｇｈｔ及びＩｌｉｇｈｔは、以下のように表すことができる。また、ホットエレクトロンの電流密度Ｊｅｈｏｔは、ＩｌｉｇｈｔとＩｄａｒｋとの差から算出することができる。
Ｖｌｉｇｈｔ＝Ｖｄａｒｋ−ΔＶ
Ｉｌｉｇｈｔ＝（Ｖｋ−Ｖｌｉｇｈｔ）／Ｒ
【００６９】
ここで、複数の波長光からなる入射光がもたらすホットエレクトロン電流密度Ｊｅｈｏｔは、単一波長光がもたらすホットエレクトロン電流密度の和であると考える。そうすると、複数の波長光からなる入射光がもたらすホットエレクトロン電流密度Ｊｅｈｏｔの対数を縦軸とし、印加電圧Ｖを横軸とするグラフは、図１１のように表すことができる。図１１において、ｂ１〜ｂ３は光検出素子１にある波長ｎの照射により発生したホットエレクトロンが光検出素子１を流れ始める閾値電流である。また、ａ１はｂ１を通る直線の傾き（横軸Ｖの切片がｂ１になる波長の光によるホットエレクトロンの電流密度の対数と印加電圧Ｖとの関係を示す直線の傾き）であり、ａ２はｂ２を通る直線の傾き（横軸Ｖの切片がｂ２になる波長の光によるホットエレクトロンの電流密度の対数と印加電圧Ｖとの関係を示す直線の傾き）であり、ａ３はｂ３を通る直線の傾き（横軸Ｖの切片がｂ３になる波長の光によるホットエレクトロンの電流密度の対数と印加電圧Ｖとの関係を示す直線の傾き）である。図１１において、傾きａ１の直線と傾きａ１＋ａ２の直線とが交わるＶ＝ｂ２の場合と、傾きａ１＋ａ２の直線と傾きａ１＋ａ２＋ａ３の直線とが交わるＶ＝ｂ３の場合には、ＪｅｈｏｔのＶによる２階微分が極大値をとる。図１１は、傾きがａ１になる波長の光と、傾きがａ２になる波長の光と、傾きがａ３になる波長の光からなる入射光がもたらすホットエレクトロン電流密度の対数と印加電圧Ｖとの関係を示す直線の傾きは、ａ１＋ａ２＋ａ３で表せることを示している。すなわち、ｎを正数とするとき、ｎ個の波長光からなる入射光がもたらすホットエレクトロン電流密度の対数と印加電圧Ｖとの関係を示す直線の傾きは、ａ１からａｎまでの総和で表すことができる。
【００７０】
単一波長光によって励起されたホットエレクトロンの電流密度Ｊｅｈｏｔの対数と印加電圧Ｖとの間には、上記式（１４）の関係が成り立つ。また、ｎ個の波長光からなる入射光がもたらすホットエレクトロン電流密度と、ｎ個の波長光それぞれの入射光がもたらすホットエレクトロン電流密度との間には、下記式（１６）の関係が成り立つ。
【００７１】
【数１６】
【００７２】
上記式（１６）の右辺の値と左辺の値との差が大きい場合は、仮定したａ１、ａ２、ａ３、…ａｎやｂ１、ｂ２、ｂ３、…ｂｎの値が正確ではないと考えられる。そこで、光検出装置２０や光検出装置３０では、計算機２６において、ａ１、ａ２、ａ３、…ａｎやｂ１、ｂ２、ｂ３、…ｂｎの値を適宜変更することにより、上記式（１６）の右辺の値と左辺の値との残差二乗和が最小になる、ａ１、ａ２、ａ３、…ａｎ及びｂ１、ｂ２、ｂ３、…ｂｎの値を特定する。こうして、上記式（１６）の右辺の値と左辺の値との残差二乗和が最小になる、ａ１、ａ２、ａ３、…ａｎ及びｂ１、ｂ２、ｂ３、…ｂｎの値を特定したら、上記式（１）〜（６）から、複数波長の入射光それぞれの光の振動数ν及び強度Ｉ０を求めることができる。そして、求めた光の振動数νを上記式（１５）へと代入することにより、ｎ個の光の波長を求めることができる。光検出装置２０や光検出装置３０では、可変電圧源２３によって印加する電圧Ｖｋを掃引することにより図１１で示されるような電流電圧特性を得、上記式（１６）の右辺の値と左辺の値との残差二乗和が最小になる、ａ１、ａ２、ａ３、…ａｎ及びｂ１、ｂ２、ｂ３、…ｂｎの値を特定する過程を経て、複数の波長光からなる入射光の波長及び強度を同定することができる。このようにして入射光の波長及び強度を同定可能な光検出装置２０、３０は、例えば、光ファイバーの引き回しが困難な箇所や、小型ロボット用の受光素子等として用いることも可能になる。
【実施例】
【００７３】
光検出装置１０の光検出素子１へ、レーザ素子６で出力した矩形パルス光（周波数ν＝５２０Ｈｚ）を照射するとともに、電流電圧測定器２から印加する電圧を変更して、温度７７Ｋの環境下でホットエレクトロン電流を測定することにより、入射光の波長や強度と電流電圧特性との関係を調べた。図１２に、入射光の波長と電流電圧特性との関係を、図１３に、入射光の強度と電流電圧特性との関係を、それぞれ示す。図１２及び図１３の縦軸は、光を照射した時と照射しない時との電流の差分ΔＩ［ａｒｂ． ｕｎｉｔｓ］であり、横軸は、電圧［Ｖ］である。なお、実験で用いた光検出素子１（又は、後述する計算で仮定した光検出素子１）は、不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３である厚さ３００μｍのＧａＡｓ（００１）基板（ｎ＋層）を基板１ｂとし、不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３である厚さ２５０ｎｍのＧａＡｓ（ｎ＋層）をバッファ層１ｃとし、不純物を添加しない厚さ２ｎｍのＧａＡｓ（ｉ層）をスペーサ層１ｄとした。また、不純物を添加しない厚さ６ｎｍのＡｌ０.６Ｇａ０．４Ａｓ（ｉ層）を障壁層１ｅｘとし、不純物を添加しない厚さ３ｎｍのＧａＡｓ（ｉ層）を量子井戸層１ｅｙとし、不純物を添加しない厚さ６ｎｍのＡｌ０.６Ｇａ０．４Ａｓ（ｉ層）を障壁層１ｅｚとした。また、不純物を添加しない厚さ２ｎｍのＧａＡｓ（ｉ層）をスペーサ層１ｆとし、不純物濃度が１×１０１７ｃｍ−３である厚さ１３０ｎｍのＧａＡｓ（ｎ層）を光吸収層１ｇとし、不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３である厚さ２０ｎｍのＧａＡｓ（ｎ＋層）をコンタクト層１ｈとした。
【００７４】
図１２に示したように、すべての入射光のフォトンフラックスＩ０が２．０×１０１９ｃｍ−２ｓ−１で一定の場合、長波長の光よりも短波長の光を照射する方がホットエレクトロン電流を増大させることが可能であった。また、図１３に示したように、入射光のフォトンフラックスＩ０を２．０×１０１９ｃｍ−２ｓ−１から３．２×１０１９ｃｍ−２ｓ−１へと高めることにより、ホットエレクトロン電流を増大させることが可能であった。
【００７５】
一方、光検出素子１へ、フォトンフラックスが２．０×１０１９ｃｍ−２ｓ−１の光（波長は６００ｎｍ、６５０ｎｍ、７００ｎｍ、７５０ｎｍ、及び、８００ｎｍの５種類）が照射され、少数キャリア再結合時間が２．０ｎｓであり、キャリア熱緩和時間が４．０ｐｓであると仮定し、その他の物性値はＧａＡｓの値を使用して、入射光の波長と電流電圧特性との関係を、上記式（１）〜（１５）を用いて求めた。結果を図１４に示す。図１４の縦軸は電流［ａｒｂ． ｕｎｉｔｓ］であり、横軸は電圧［Ｖ］である。図１４において、実線は、ホットエレクトロン以外の電子も含む全体の電流電圧特性の計算結果を示しており、波線は、ホットエレクトロンの電流電圧特性の計算結果を示している。図１４に示したように、計算によっても、フォトンフラックスが一定の場合、長波長の光よりも短波長の光を照射する方がホットエレクトロン電流を増大させることが可能、という結果が得られた。
【００７６】
図１３に示した入射光の強度（フォトンフラックスが２．０×１０１９ｃｍ−２ｓ−１と３．２×１０１９ｃｍ−２ｓ−１の２種類）と電流電圧特性との関係（波長は６４３ｎｍと８０５ｎｍの２種類）を、少数キャリア再結合時間が２．０ｎｓであり、キャリア熱緩和時間が８．０ｎｓであるとし、上記式（１３）に、入射光の受光面積Ｓと、量子構造部１ｅの電子透過率ＴＴ＊の補正係数Ｂと、量子構造部１ｅへの実効的印加電圧を決める補正係数Ｄを導入した下記式（１７）及び式（１８）を用いて、ＳとＢとの積が４×１０−５ｍ２であり、Ｄ＝１／７という条件下で、フィッティングを行った。結果を図１５に示す。図１５の縦軸は光を照射した時と照射しない時との電流の差分ΔＩ［ａｒｂ． ｕｎｉｔｓ］であり、横軸は、電圧［Ｖ］である。
【００７７】
【数１７】
【００７８】
【数１８】
【００７９】
図１５に示したように、実験結果及び計算結果は、それぞれの入射光強度と波長において、低印加電圧側の電流電圧特性がよく一致した（高印加電圧側の電流電圧特性には、量子構造部１ｅを越えたリーク電流が現れている）。したがって、波長や強度が不明の光が光検出素子１へと照射された場合には、上記式（１）〜式（１８）を用いることにより、入射光の波長や強度を同定することが可能になる。具体的には、入射光の波長が不明の場合には、波長が不明の光を照射して得られた図１３と対応する結果と、補正係数Ｓ、Ｂ、Ｄを校正した上記式（１７）及び式（１８）の計算結果とを照合することにより、入射光の波長と強度を同定することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１、８…光検出素子
１ａ…第２電極
１ｂ…基板
１ｃ…バッファ層
１ｄ、１ｆ…スペーサ層
１ｅ、８ａ…量子構造部
１ｅｘ、１ｅｚ、８ａｘ、８ａｚ…障壁層
１ｅｙ…量子井戸層
１ｇ…光吸収層
１ｈ…コンタクト層
１ｉ…第１電極
２…電流電圧特性測定器
３…ロックインアンプ（特定信号検出・増幅器）
４…ファンクションジェネレータ（交流電圧信号発生器）
５…レーザ駆動装置
６…レーザ素子
７…低温プローバ
８ａｙ…量子ドット層
８ｂ…量子ドット
１０、２０、３０…光検出装置
２１、２２…抵抗
２３…可変電圧源
２４…差動増幅回路
２５、３１…光源
２６…計算機
３２…ロックインアンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を吸収して電子及び正孔を生成する光吸収層と、該光吸収層に隣接する量子構造部と、前記光吸収層に接続された第１電極と、前記量子構造部に接続された第２電極と、を有し、
前記量子構造部は、量子井戸層、及び、該量子井戸層と前記第１電極及び前記第２電極との間に配設された障壁層を有し、
前記障壁層の伝導帯端は、前記光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、
前記障壁層の伝導帯端と前記光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、０．５８ｅＶよりも大きく、
前記量子井戸層の伝導帯側に形成された量子準位は、前記光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、
前記量子準位と前記光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、電子が受け取る熱エネルギーよりも大きいことを特徴とする、光検出素子。
【請求項２】
光を吸収して電子及び正孔を生成する光吸収層と、該光吸収層に隣接する量子構造部と、前記光吸収層に接続された第１電極と、前記量子構造部に接続された第２電極と、を有し、
前記量子構造部は、量子ドット、及び、該量子ドットと前記第１電極及び前記第２電極との間に配設された障壁層を有し、
前記障壁層の伝導帯端は、前記光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、
前記障壁層の伝導帯端と前記光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、０．５８ｅＶよりも大きく、
前記量子ドットの伝導帯側に形成された量子準位は、前記光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、
前記量子準位と前記光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、電子が受け取る熱エネルギーよりも大きいことを特徴とする、光検出素子。
【請求項３】
請求項１及び／又は請求項２に記載の光検出素子を用いて、前記光検出素子へと入射した光により生じた電流電圧特性を得る電流電圧特性取得工程と、
前記電流電圧特性取得工程で得られた前記電流電圧特性を用いて、前記入射した光の波長及び強度を同定する同定工程と、
を有することを特徴とする、光検出方法。
【請求項１】
光を吸収して電子及び正孔を生成する光吸収層と、該光吸収層に隣接する量子構造部と、前記光吸収層に接続された第１電極と、前記量子構造部に接続された第２電極と、を有し、
前記量子構造部は、量子井戸層、及び、該量子井戸層と前記第１電極及び前記第２電極との間に配設された障壁層を有し、
前記障壁層の伝導帯端は、前記光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、
前記障壁層の伝導帯端と前記光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、０．５８ｅＶよりも大きく、
前記量子井戸層の伝導帯側に形成された量子準位は、前記光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、
前記量子準位と前記光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、電子が受け取る熱エネルギーよりも大きいことを特徴とする、光検出素子。
【請求項２】
光を吸収して電子及び正孔を生成する光吸収層と、該光吸収層に隣接する量子構造部と、前記光吸収層に接続された第１電極と、前記量子構造部に接続された第２電極と、を有し、
前記量子構造部は、量子ドット、及び、該量子ドットと前記第１電極及び前記第２電極との間に配設された障壁層を有し、
前記障壁層の伝導帯端は、前記光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、
前記障壁層の伝導帯端と前記光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、０．５８ｅＶよりも大きく、
前記量子ドットの伝導帯側に形成された量子準位は、前記光吸収層の伝導帯端よりも高エネルギーであり、
前記量子準位と前記光吸収層の伝導帯端とのエネルギー差は、電子が受け取る熱エネルギーよりも大きいことを特徴とする、光検出素子。
【請求項３】
請求項１及び／又は請求項２に記載の光検出素子を用いて、前記光検出素子へと入射した光により生じた電流電圧特性を得る電流電圧特性取得工程と、
前記電流電圧特性取得工程で得られた前記電流電圧特性を用いて、前記入射した光の波長及び強度を同定する同定工程と、
を有することを特徴とする、光検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−１１５４０５（Ｐ２０１３−１１５４０５Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６３３３５（Ｐ２０１１−２６３３３５）
【出願日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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