光半導体装置及び赤外線検出装置
【課題】製造が容易で且つ再現性の高い構造を備えた量子ドット赤外線光検出器を提供することである。
【解決手段】半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された、導電性の半導体からなる第１の電極層と、前記第１の電極層の上に形成された前記第１の光電変換層と、前記第１の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第２の電極層と、前記第２の電極層の上に形成された、第２の光電変換層と、前記第２の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第３の電極層からなる赤外線を電気信号に変換する光半導体装置において、前記第１の光電変換層が、前記半導体基板の主面に投影した形状が、第１の方向に長軸を有する第１の量子ドットから成り、前記第２の光電変換層が、前記主面に投影した形状が、前記第１の方向にに交差する第の２の方向に長軸を有する第２の量子ドットから成ること。
【解決手段】半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された、導電性の半導体からなる第１の電極層と、前記第１の電極層の上に形成された前記第１の光電変換層と、前記第１の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第２の電極層と、前記第２の電極層の上に形成された、第２の光電変換層と、前記第２の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第３の電極層からなる赤外線を電気信号に変換する光半導体装置において、前記第１の光電変換層が、前記半導体基板の主面に投影した形状が、第１の方向に長軸を有する第１の量子ドットから成り、前記第２の光電変換層が、前記主面に投影した形状が、前記第１の方向にに交差する第の２の方向に長軸を有する第２の量子ドットから成ること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の波長の赤外線を同時に検出する光半導体装置及び当該光半導体装置からなる赤外線検出装置に関し、特に、複数の波長の赤外線を同時に検出し且つ赤外線の偏光方向によって感度スペクトルが異なる光半導体装置及び当該光半導体装置からなる赤外線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を検出する光半導体装置すなわち赤外線フォトセンサは、赤外光領域におけるイメージセンサ（以下、赤外線イメージセンサと呼ぶ）の重要な構成単位である。イメージセンサは、フォトセンサが二次元アレイ状に配列され、外部の光学系により上記アレイ上に結像された光学的イメージを検出する装置である。
【０００３】
赤外線イメージセンサとしては、３〜５μｍ帯又は８〜１２μｍ帯で動作する装置が、熱源の探知や暗視装置用のセンサとして重要である。特に、これらの波長帯において、複数の波長で同時に赤外線を検知する赤外線イメージセンサは、熱源の温度特定を可能とするデバイスとして重要である。
【０００４】
これらの要求を満たす赤外線イメージセンサとして、半導体量子井戸に形成される量子準位間の遷移（又は、量子準位から障壁層伝導帯への遷移）を利用した量子井戸赤外線光検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：以下、ＱＷＩＰと呼ぶ）が開発された。
【０００５】
量子井戸における量子準位間遷移（又は、量子準位から障壁層伝導帯への遷移）は、量子井戸に垂直に入射する光に対しては、選択則により禁止されている。
【０００６】
このため、ＱＷＩＰでは、その一部に、光入射面に垂直入射した赤外線を斜めに曲げる部材（例えば、回折格子）を設けて、赤外線の検出を可能にしている（特許文献１）。従って、ＱＷＩＰには、構造が複雑になるという問題がある。更に、ＱＷＩＰには、感度が低いという問題もある。
【０００７】
そこで、量子井戸に代わりに量子ドットによって光電変換層を形成する量子ドット赤外線光検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｄｏｔ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：以下、ＱＤＩＰと呼ぶ）が、新たに開発された。
【０００８】
図２１は、二つの波長λ１ およびλ２ で動作するＱＤＩＰ２の構成を説明する断面図である。
【０００９】
図２１に示すように、ＱＤＩＰ２は、半絶縁性ＧａＡｓ基板３の上に、ｎ型ＧａＡｓよりなる下側電極層４と、第１の光電変換層６と、ｎ型ＧａＡｓよりなる共通電極層８と、第２の光電変換層１０と、ｎ型ＧａＡｓよりなる上部電極層１２が順次形成されている。
【００１０】
そして、第１の光電変換層６は、高抵抗ＧａＡｓ（不純物をドーピングしないで成長したＧａＡｓ；以下、ｉ−ＧａＡｓと称する）からなる障壁層と、ＩｎＧａＡｓ微細粒子からなる三次元量子井戸（すなわち、量子ドット）によって構成されている（以下、第１の量子ドット構造と呼ぶ。）。同じく、第２の光電変換層１０は、ｉ−ＧａＡｓからなる障壁層とＩｎＧａＡｓ微細粒子からなる三次元量子井戸によって構成されている（以下、第２の量子ドット構造と呼ぶ。）。ここで、第１の量子ドット構造を形成するＩｎＧａＡｓ微細粒子は、第２の量子ドット構造を形成するＩｎＧａＡｓ微細粒子より小さく形成される。
【００１１】
また、上部電極層１２、共通電極層８、及び下部電極層４には、夫々の電極層を外部回路に電気的に接続するための配線１４，１６，１８が設けられている。
【００１２】
この外部回路によって、上部電極層１２と共通電極８の間（第２の光電変換層１０）及び下部電極層４と共通電極８の間（第１の光電変換層６）に、負電圧が印加される。
【００１３】
ところで、上述したように、量子ドット構造を形成するＩｎＧａＡｓ微粒子は、第１の光電変換層６の方が、第２の光電変換層１０より小さく形成される。従って、第１の光電変換層６では波長の短い赤外線λ１が吸収され、第２の光電変換層１０では波長の長い赤外線λ２が吸収される。
【００１４】
ここで、赤外線λ１及び赤外線λ２は、光電変換層６，１０に形成された量子ドットによって束縛されている電子を、基底準位から励起準位に励起する。励起された電子は、光電変換層６，１０に印加された負電圧によって引き出され、光電流として、夫々別々の外部回路によって検出される。
【００１５】
すなわち、赤外線λ１は、配線１６，１８に接続された外部回路によって検出され、赤外線λ２は、配線１６，１４に接続された外部回路によって検出される。
【００１６】
ところで、量子ドット構造では、量子井戸構造と異なり、垂直入射光に対しても量子準位間遷移が許容されている。しかも、その遷移確率は、量子井戸における量子準位間の遷移確率より格段に大きい。
【００１７】
このため、光電変換層６，１０が量子ドット構造によって構成されるＱＤＩＰ２は、垂直入射光２０，２２を電気信号に変換することができ、しかも、その光電変換効率は量子井戸赤外線光検出器（ＱＷＩＰ）より高い。
【００１８】
すなわち、量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）によれば、垂直入射光を斜めに曲げる部材（例えば、回折格子）が不要になり、しかも、光電変換効率の高い２波長赤外線光検出器を実現することができる。
【特許文献１】特開２０００−３２３７５０号公報
【特許文献２】特開平１０−２５６５８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従来のＱＤＩＰでは、第１及び第２の光電変換層６，１０を構成する量子ドットの大きさを異ならせることによって、異なる波長λ１，λ２を検出していた。これらの量子ドットは、基板との間に格子不整合を有する半導体結晶を、ある膜厚（臨界膜厚）以上にエピタキシャル成長した時に成長膜が三次元的に凝集して多数の微粒子となる所謂Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモード（以下、ＳＫモードと呼ぶ）によって形成される。
【００２０】
しかし、ＳＫモードによって形成される量子ドットの大きさを制御するためには、原料の供給速度や成長温度を精密に制御するという困難な作業が要求される上、再現性が悪いという問題がある。これらの問題を解決するため、量子ドットに直接接触している障壁層の高さを変えて、量子準位間のエネルギー差を調整する方法が開発された。しかし、この方法の再現性も、必ずしも高くない。
【００２１】
そこで、本発明の第一の目的は、製造が容易で且つ再現性の高い構造を備えた量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）と、この量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）を用いた赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を提供することである。
【００２２】
ところで、上記「背景技術」の説明から明らかなように、従来のＱＤＩＰは、２波長の赤外線しか検出することができない。３波長以上の赤外線を検出するためには、上部電極層１２の上に更に検出波長の異なる光電変換層を積層する必要がある。この場合、新たに設けた光電変換層から光電流を取り出すためには、この光電変換層の上に、更に電極層を設ける必要がある。すなわち、従来のＱＤＩＰを改良して、３波長以上の赤外線検出が可能なＱＤＩＰを形成しようとすると、光電変換層及び電極層の数が増えて素子構造が複雑になる。
【００２３】
そこで、本発明の第二の目的は、３波長以上の赤外線の検出が可能で、しかも素子構造が簡単な量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）と、このＱＤＩＰを用いた赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を提供することである。
【００２４】
二次元アレイ状に配置されたＱＤＩＰ群と信号読出回路からなる赤外線イメージセンサは、目的物が放射する赤外線の強度を２つの波長で検出し、予め測定しておいたデータと比較して、目的物の温度を推定するために用いられる。しかし、検出波長が２つだけでは、温度推定の確度は低い。従って、３つ以上の波長で赤外線の強度を検出することが可能な、赤外線検出装置（赤外線イメージ）の実現が望まれている。
【００２５】
しかし、従来のＱＤＩＰを改良して、３波長以上の赤外線の検出を可能にしようとすると、ＱＤＩＰと信号読出回路を接続する配線数が膨大になり、装置構造が複雑化してしまう。これは、検出波長と同数の光電変換層をＱＤＩＰに設ける必要があるため、各光電変換層と信号読出回路を接続する配線の数が、検出波長の増加に伴って、多くならざるを得ないからである。
【００２６】
そこで、本発明の第三の目的は、ＱＤＩＰに接続される配線の数が少なくて済む、赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
（第１の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面は、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された、導電性の半導体からなる第１の電極層と、前記第１の電極層の上に形成された前記第１の光電変換層と、前記第１の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第２の電極層と、前記第２の電極層の上に形成された、前記第２の光電変換層と、前記第２の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第３の電極層からなる、赤外線を電気信号に変換する光半導体装置において、前記第１の光電変換層が、前記半導体基板の主面に投影した形状が、第１の方向に長軸を有する第１の量子ドットから成り、前記第２の光電変換層が、前記主面に投影した形状が、前記第１の方向に交差する方向に交差する第２の方向に長軸を有するた第２の量子ドットから成ることを特徴とする。
【００２８】
本発明の第１の側面によれば、製造が容易で且つ再現性の高い構造を備えた量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）を提供することができる。
【００２９】
（第２の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第２の側面は、第１の側面において、前記第１の光電変換層を構成する第１の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有し、前記第２の光電変換層を構成する第２の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有し、 前記第２の半導体層が、前記第１の半導体層を構成する第１の副格子の占有原子種と、前記第１の半導体層を構成する第２の副格子の占有原子種を交換した結晶構造を有することを特徴とする。
【００３０】
本発明の第２の側面によれば、製造が特に容易で且つ再現性の高い構造を備えた量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）を提供することができる。
【００３１】
（第３の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第３の側面は、第１又は第２の側面において、前記第１の量子ドットの大きさ及び形状が、前記第２の量子ドットの大きさ及び形状と同じであることを特徴とする。
【００３２】
本発明の第３の側面によれば、製造が特に容易で且つ再現性の高い構造を備え、２波長の検出が可能な量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）を提供することができる。
【００３３】
（第４の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第４の側面は、第１又は第２の側面において、前記第１及び第２の量子ドットの大きさ及び形状の何れか一方又は双方が、前記第１の量子ドットと第２の量子ドットの間で異なることを特徴とする。
【００３４】
本発明の第４の側面によれば、３波長以上の赤外線の検出が可能で、しかも素子構造が簡単な量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）を提供することができる。
【００３５】
（第５の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第５の側面は、第１乃至第３の側面において、前記第１の方向又は第２の方向にに偏光する光のみを、前記光半導体装置の光入射面に照射する偏光ユニットを具備することを特徴とする。
【００３６】
本発明の第５の側面によれば、製造が容易で且つ再現性の高い構造を備え、更に２波長の検出が可能な量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）から成る赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を提供することができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、第１の光電変換層及ぶ第２の光電変換層を同一条件で成長することができるので、製造が容易で且つ再現性の高い構造を備えた量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）と、この量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）を用いた赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を提供することができる。
【００３８】
また、本発明によれば、入射光の偏光方向を切り替えることによって同一光電変換層から２波長の赤外線を検出することが可能になるので、３波長以上の赤外線の検出が可能で且つ素子構造が簡単な量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）を提供することができる。更に、このＱＤＩＰを用いた赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）の提供が可能になる。
【００３９】
また、本発明によれば、同一光電変換層から２波長の赤外線の検出が可能になるので、ＱＤＩＰに接続される配線の数が少なくて済む、赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
【００４１】
（実施の形態１）
本実施の形態は、平面形状が楕円形の第１の量子ドットからなる第１の光電変換層と、同じく楕円形の量子ドットからなり、その長軸方向が第１の量子ドットの長軸方向と直交する第２の量子ドットからなら第２の光電変換層を具備した量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）に係わるものである。
【００４２】
本実施の形態によれば、２波長の検出が可能な量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ２４）を、容易に、しかも再現性良く製造することができる。
【００４３】
（１）構 成
（ｉ）全体構成
図１は、本実施の形態に係わる量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）の構成を説明する断面図である。
【００４４】
本実施の形態に係わるＱＤＩＰ２４の構成は、第１及び第２の光電変換層２６，２８を構成する量子ドット構造の構成を除き、図２１に示す従来のＱＤＩＰ２と略同一である。
【００４５】
すなわち、本実施の形態に係わるＱＤＩＰ２４は、図１に示すように、半絶縁性のＧａＡｓ（面方位（１００））からなる半導体基板３の上に、厚さ１０００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ（キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３）よりなる下側電極層４と、第１の光電変換層２６と、厚さ１０００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ（キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３）よりなる共通電極層８と、第２の光電変換層２８と、厚さ１０００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ（キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３）よりなる上部電極層１２によって構成されている。
【００４６】
更に、上部電極層１２、共通電極層８、及び下部電極層４には、夫々外部回路を電気的に接続するための配線１４，１６，１８が設けられている。
【００４７】
この外部回路によって、上部電極層１２と共通電極８の間（第２の光電変換層１０）及び下部電極層４と共通電極８の間（第１の光電変換層６）に、負電圧が印加される。
【００４８】
すなわち、本実施の形態に係る光半導体装置（ＱＤＩＰ２４）は、半導体基板３と、半導体基板３の上に形成された、導電性の半導体からなる第１の電極層（下部電極４）と、第１の電極層（下部電極４）の上に形成された第１の光電変換層２６と、第１の光電変換層２６の上に形成された、導電性の半導体からなる第２の電極層（共通電極８）と、第２の電極層（共通電極８）の上に形成された、第２の光電変換層２８と、第２の光電変換層２８の上に形成された、導電性の半導体からなる第３の電極層（上部電極１２）によって構成されている。
【００４９】
（ｉｉ）光電変換層の構成
図２は、第１及び第２の光電変換層２６，２８の構成を説明する要部断面図である。
【００５０】
第１及び第２の光電変換層２６，２８の構成は、略同じである。但し、下記「（ｉｉｉ）楕円形量子ドット構造の形成と９０°回転操作」で説明するとおり、両者は、光電変換層を構成する量子ドットの伸展方向が異なっている。
【００５１】
例えば、第１及び第２の光電変換層２６，２８は、図２に示すように、まず、厚さ１００ｎｍのｉ−ＧａＡｓからなる第１の中間層３０を備えている。また、第１及び第２の光電変換層２６，２８は、第１の中間層３０の上に積層されたＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなる第１の量子ドット３２と、第１の量子ドット３２の上に積層された、厚さ１００ｎｍのｉ−ＧａＡｓからなる第２の中間層３４から成る第１層目の量子ドット層３５を備えている。
【００５２】
更に、第１及び第２の光電変換層２６，２８は、中間層３４，３８の上に形成された量子ドット３６と、この量子ドット３６の上に積層された新たな中間層３８からなる量子ドット層を４層備えている。
【００５３】
すなわち、第１及び第２の光電変換層２６，２８は、最下層の中間層３０と、量子ドット３２，３６と中間層３４，３８からなる５層の量子ドット層によって構成されている。尚、量子ドット３２，３６には、中間層３４，３８と同様に、不純物はドーピングされない。
【００５４】
（ｉｉｉ）楕円形量子ドット構造の形成と９０°回転操作
図３は、第１及び第２の光電変換層２６，２８を構成する量子ドットの平面形状を説明する図である。図３（ａ）は、上側の光電変換層すなわち第２の光電変換層２８を構成する量子ドットの平面形状である。図３（ｂ）は、下側の光電変換層すなわち第１の光電変換層２６を構成する量子ドットの平面形状である。尚、図３（ｂ）には、量子ドット４０，４４が形成されている半導体層の結晶方位が図示されている。
【００５５】
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１及び第２の光電変換層２６，２８を形成する量子ドット４０，４４の平面形状は楕円形で、しかも、その大きさは、高さも含めて略同じである。
【００５６】
これに対して、従来のＱＤＩＰ２を構成する光電変換層６，１０を構成する量子ドットの平面形状は、円形である。一方、その大きさは、第１の光電変換層６と第２の光電変換層１０で異なっている。
【００５７】
ここで、第１の光電変換層２６を形成する第１の量子ドット４０の長軸方向４２は、図３（ｂ）に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板３の結晶方位［０，１，−１］と平行である。一方、第２の光電変換層２８を形成する第２の量子ドット４４の長軸方向４６は、上記第１の量子ドットの長軸方向と直交している。すなわち、第２の量子ドット４４は、第１の量子ドット４０を９０°回転操作したものである。
【００５８】
但し、第１の量子ドットの長軸方向４２と第２の量子井戸４４の長軸方向４６は、必ずしも厳密に直交している必要はない。第１の量子井戸の長軸方向４２と第２の量子ドット４４の長軸方向４６は、直交していなくても交差していれば、その交差の度合に応じて本実施の形態の効果が得られる。
【００５９】
更に、第１及び第２の量子ドットの平面形状は、必ずしも楕円形である必要はなく、一方向に伸展した形状であればよい。
【００６０】
すなわち、本実施の形態に係る光半導体装置（ＱＤＩＰ２４）は、半導体基板の主面に投影した形状（平面形状）が、一方向に伸展した（すなわち、第１の方向に長軸を有する）第１の量子ドット４０からなる第１の光電変換層２６と、上記主面に投影した形状（平面形状）が、上記一方向に交差する方向に伸展した（すなわち、上記第１の方向に交差する第２の方向に長軸を有する）第２の量子ドット４４からなる第２の光電変換層２８を有する。
【００６１】
（ｉｖ）量子ドット構造の形成方法
図３（ａ）及び（ｂ）に示すような楕円形の量子ドットは、成長温度を、円形の量子ドットが成長する温度５００℃より低い、例えば、４５０℃にすることによって形成できる。これは、成長温度が低くなるほど、ＧａＡｓ（１００）表面のＧａ原子の拡散速度が、［０，１，１］方向に比べ［０，１，−１］方向が速くなるからである。
【００６２】
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る量子ドット４０，４４は、その長軸方向が直交している。このような長軸方向が直交する量子ドットは、量子ドット構造を構成する半導体結晶の副格子の占有原子種を交換する所謂副格子交換操作によって実現できる。
【００６３】
ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等のIIIＶ族化合物半導体の結晶構造は、セン亜鉛鉱構造である。セン亜鉛鉱構造は、III族原子が占有する面心立方構造からなる第１の副格子と、その対角線の方向に１／４格子だけずれたＶ族原子が占有する面心立方構造からなる第２の副格子によって構成されている。
【００６４】
これら副格子の占有原子種を、第１の副格子と第２の副格子の間で交換（副格子交換操作）すると、図４を参照して以下に説明するとおり、結晶格子が空間反転する。
【００６５】
図４は、空間反転前のＧａＡｓ４８と空間反転後のＧａＡｓ５０が、Ｓｉ又はＧｅからなる挿入層５２を挟んで配置された結晶構造を説明する図である。ここで、挿入層５２は、ＧａＡｓ結晶に副格子交換を起こすためのものであり、Ｓｉ又はＧｅ原子層が偶数積層されたものである。
【００６６】
図４には、ＧａＡｓを構成するＧａ原子５４及びＡｓ原子５６と、挿入層５２を構成するＳｉ原子（又はＧｅ原子）５８からなる結晶構造を、 ［０，１，−１］方向（空間反転前のＧａＡｓ４８の方位）から見た図である。
【００６７】
図４に示すように、空間反転後のＧａＡｓ５０におけるＧａ及びＡｓの原子配列は、空間反転前のＧａＡｓ４８において、Ｇａ及びＡｓの占有位置を相互に交換したものである。
【００６８】
すなわち、セン亜鉛鉱構造を有すＧａＡｓ等のIIIＶ族化合物半導体では、III族原子（Ｇａ等）からなら第１の副格子を占有する原子種と、Ｖ族原子（Ａｓ等）からなる第２の副格子を占有する原子種を交換することによって、空間反転が起こる。
【００６９】
ところで、セン亜鉛鉱構造では、空間反転操作と、［１，０，０］軸周りの９０°回転操作は、等価である。
【００７０】
以上の説明から明らかなように、ＧａＡｓ（１００）基板の上に、まず、第１の量子ドット構造を成長した後、Ｓｉ又はＧｅからなる挿入層を形成してから、第２の量子ドット構造を成長すると、第２の量子ドット構造で副格子交換が起きる。
【００７１】
その結果、第２の量子ドット構造は、第１の量子ドット構造に対して空間反転した構造、すなわち、第１の量ドット構造を［１００］軸の周りに９０°回転した構造になる。
【００７２】
本実施の形態では、下記「（ｖ）副格子交換によるＱＤＩＰの形成」で説明するように、この副格子交換操作を応用することにより、第１の光電変換層２６を形成する第１の量子ドット４０の長軸と、第２の光電変換層２８を形成する第２の量子ドット４４の長軸が直交する構造を実現する（図３参照）。
【００７３】
（ｖ）副格子交換によるＱＤＩＰの形成
本実施の形態に係る光半導体装置（ＱＤＩＰ２４）を構成する量子ドット構造は、必ずしも、ＳＫモードによって形成する必要はない。例えば、電子線リソグラフィー技術とドライエッチング技術を組み合わせることによって、長手方向が直交する量子ドットを形成してもよい。
【００７４】
しかし、生産性や出来上がった量子ドットの品質を考慮すると、ＳＫモードによって量子ドットを形成することが好ましい。この場合、第１及び第２の光電変換層２６，２８を夫々構成する第１及ぶ第２の量子ドット４０，４４は、上記副格子交換操作によって形成することができる。
【００７５】
図５は、このようにして形成したＱＤＩＰ２４の構成を説明する断面図である。このＱＤＩＰ２４の構成は、基本的には、図１に示すＱＤＩＰ２４と同じである。
【００７６】
但し、共通電極層８の内部に、Ｓｉ原子層が偶数積層（例えば、２原子層）された挿入層５２が形成されている。この挿入層５２より上側では、半導体結晶が、副格子反転し、［１，０，０］軸の周りを９０°回転した構造になっている。尚、図５の下部には、ＧａＡｓ（１００）半導体基板３の結晶方位が図示されている。尚、挿入層５２を設ける位置は、共通電極８の内部であれば何処でもよく、又は、共通電極８に接する位置であってもよい。
【００７７】
すなわち、第２の光電変換層２８を構成する第２の量子ドット４４は、第１の光電変換層２６を構成する第１の量子ドット４０を、［１００］軸の周りを９０°回転したものである。
【００７８】
以下、この回転操作について、もう少し詳しく説明する。
【００７９】
図６は、第１及び第２の光電変換層２６，２８夫々に形成された量子ドット４０，４４の平面形状とその結晶方位の関係を説明する図である。図６（ａ）は、第２の光電変換層２８に形成された第２の量子ドット４４の平面形状である。一方、図６（ｂ）は、第１の光電変換層２６に形成された第１の量子ドット４０の平面形状である。
【００８０】
図６（ａ）及び（ｂ）に図示された結晶方位を参照すると明らかなように、第２の光電変換層２８を形成する第２の量子ドット４４は、第１の光電変換層２６を形成する第１の量子ドット４０を、［１００］軸の周りを９０°回転して得られるものである。従って、第２の量子ドット４４の長軸方向４６は、第１の量子ドット４０の長軸方向４２に直交している。
【００８１】
このような量子ドット４０，４４の長軸方向が交差する構造は、第１の光電変換層２６を形成し、結晶格子を副格子交換させた後、第２の光電変換層２８を形成することによって得られる。
【００８２】
すなわち、本実施の形態に係る光半導体装置（ＱＤＩＰ２４）は、第１の光電変換層２６を構成する第１の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有し、第２の光電変換層２８を構成する第２の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有している。
【００８３】
そして、第２の半導体層は、第１の半導体層を構成する第１の副格子の占有原子種と、第１の半導体層を構成する第２の副格子の占有原子種を交換した結晶構造を有する。
【００８４】
（２）動 作
次に、図１及び図５に図示したＱＤＩＰ２４の動作について説明する。
【００８５】
（ｉ）量子準位
図７は、第１及び第２の光電変換層２６，２８夫々に形成された第１及び第２の量子ドット４０，４４の量子準位を説明する図である。尚、両者の量子準位は、基本的には同じである。
【００８６】
図７（ａ）は、第１及び第２の量子ドット４０，４４の平面図である。図７（ａ）に図示するように、楕円形の量子ドット４０，４４の長軸６１は、［０，１，−１］方向に向いている。一方、量子ドット４０，４４の短軸６２は、［０，１，１］方向に向いている。尚、結晶方位は、特に断らない限り、夫々の量子ドットが形成されている半導体層の結晶方位を表すものとする。
【００８７】
図７（ｂ）は、量子ドット４０，４４によって、三次元的に閉じ込めた電子の量子準位を説明する図である。
【００８８】
上述したように、量子ドット４０，４４の長軸６１は［０，１，−１］方向を向き、短軸６２は［０，１，１］方向を向いている。従って、［０，１，−１］方向の量子ドットの幅は、 ［０，１，１］方向の幅より広い。
【００８９】
このため、量子ドット４０，４４の内部には、［０，１，−１］方向の幅の広い空間への電子閉じ込めに基づく第１の励起準位６４と、［０，１，−１］方向の幅の狭い空間への電子閉じ込めに基づく第２の励起準位６６が形成される。ここで、［０，１，−１］方向の幅が狭いので、第２の励起準位６６は、第１の励起準位６６よりエネルギーレベルが高くなる。尚、厳密に言えば、基底準位６８も２つの準位に分裂しているが、そのエネルギー差は小さいので一つの量子準位として取り扱うことができる。また、基底準位は、電極層１４，１６，１８から供給された電子７０によって、満たされている。
【００９０】
この電子７０が、基底準位６８から励起準位６４，６６に遷移することによって光電変換層２６，２８は赤外線を吸収する。この光電変換層２６，２８による光吸収のスペクトルは、基底準位６８から２つの励起準位６４，６６への遷移に基づくため、双峰性のスペクトルになる。従って、第１及び第２の光電変換層２６，２８の感度スペクトル７２も、図８のように双峰性になる。
【００９１】
図８は、楕円形の量子ドットからなる上記光電変換層２６，２８の感度スペクトルを説明する図である。横軸は入射光の波長であり、縦軸は感度（入射光強度に対する光電流強度の比）である。
【００９２】
感度スペクトル７２は、上述したように、双峰性になる。ここで、波長λ１における第１のピークは、基底準位６８から第２の励起準位６６への電子の遷移によって生じる。一方、波長λ２（＞λ１）における第２のピークは、基底準位６８から第１の励起準位６４への電子の遷移によって生じる。
【００９３】
尚、従来のＱＤＩＰ２の光電変換層６，１０は、（平面形状が）円形の量子ドットによって構成されている。従って、従来のＱＤＩＰ２では、上記第１及び第２の励起準位６４，６６は、同一のエネルギーレベルに縮退している。このため、従来のＱＤＩＰ２の感度スペクトルは、本実施の形態のＱＤＩＰ２４とは異なり単峰性になる。
【００９４】
（ｉｉ）偏光特性
従来のＱＤＩＰ２は、入射光の偏光方向を変化させても、感度スペクトルは変化しない。
【００９５】
図８に図示した感度スペクトルは、ＱＤＩＰ２４に、偏光していない赤外線が入射した場合のスペクトルである。しかし、本実施の形態に係わるＱＤＩＰ２４の感度スペクトルは、入射光の偏光方向が変わると大きく変化する。
【００９６】
図９は、量子ドット４０，４４の長軸方向に偏光した赤外線がＱＤＩＰ２４に入射した場合の、感度スペクトルを説明する図である。
【００９７】
図９（ａ）は、量子ドット４０，４４が伸展している状態を説明する図である。図９（ｂ）は、入射光７４の（電界の）偏光方向７６を説明する図である。図９（ｃ）は、光電変換層２６，２８の感度スペクトルである。尚、図９（ａ）及び（ｂ）は、ＱＤＩＰ２４が形成された半導体基板３の主面が紙面に平行になるように描かれている。
【００９８】
図９（ｃ）に図示するように、量子ドット４０，４４の長軸６１の方向に偏光した赤外線（図９（ａ）及び（ｂ）参照）に対する感度スペクトルは、基底準位６８に束縛された電子を（長軸方向に形成された空間への電子閉じ込めに基づく）第１の励起準位６４へ励起する光の波長λ２で、大きなピークを形成する。
【００９９】
図１０は、量子ドット４０，４４の短軸方向に偏光した赤外線がＱＤＩＰ２４に入射した場合の、感度スペクトルを説明する図である。
【０１００】
量子ドット４０，４４の短軸６２の方向に偏光した赤外線（図１０（ａ）及び（ｂ）参照）に対する感度スペクトルは、図１０（ｃ）に図示するように、基底準位６８に束縛された電子を（短軸方向に形成された空間への電子閉じ込めに基づく）第２の励起準位６６へ励起する光の波長λ１で、大きなピークを形成する。
【０１０１】
このように、本実施の形態に係わるＱＤＩＰ２４の光電変換層２６，２８の感度スペクトルは、入射光の偏光方向が量子ドット４０，４４の長軸方向又は短軸方向の何れに偏光しているかによって、そのピーク位置が大きく異なる。すなわち、入射光が長軸６１の方向に偏光している場合には、波長λ２で感度が最大になる。一方、入射光が短軸６２の方向に偏光している場合には、波長λ１で感度が最大になる。
【０１０２】
（ｉｉｉ）ＱＤＩＰ２４の動作（偏光入力）
最後にＱＤＩＰ２４に、偏光した赤外線を入力した場合の動作について説明する。
【０１０３】
図１１は、偏光した入射光に対する量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ２４）の動作を説明する図である。図１１の下部には、ＱＤＩＰ２４の形成された半導体基板３の結晶方位が図示されている。
【０１０４】
上述したように第１及び第２の光電変換層２６，２８には、形状及び大きさの一致した（平面形状が）略楕円形の量子ドット４０，４４が形成されている。従って、上記「（ｉ）量子準位」で説明したように、第１及び第２の光電変換層２６，２８は、λ１及びλ２にピークを有する双峰性の感度スペクトルを有している。
【０１０５】
一方、第１の光電変換層２６を形成する量子ドット４０の長軸方向と、第２の光電変換層２８を形成する量子ドット４４の長軸方向は、互いに直交している。
【０１０６】
ここで、第１の光電変換層２６の結晶軸は、半導体基板３の結晶軸と一致している。従って、第１の光電変換層２６には、半導体基板３の［０，１，１］方向に短軸が向いた量子ドット４０が形成されている。
【０１０７】
一方、第２の光電変換層２８を構成する結晶は、半導体基板３を構成する結晶に対して空間反転している。従って、第２の光電変換層２８の結晶軸は、［１，０，０］軸に対して９０°回転している。このため、第２の光電変換層２８には、半導体基板３の［０，１，１］方向に長軸方向が向いた量子ドット４４が形成されている。
【０１０８】
ここで、半導体基板３の［０，１，１］方向に偏光した入射光７８を、光入射面８０に入射したとする。また、入射光７８は、波長λ１の第１の赤外線８２と波長λ２の第２の赤外線８４を含んでいるとする。尚、波長λ１及びλ２は、感度スペクトルのピーク波長である（図８参照）。
【０１０９】
上述したように、量子ドット４０，４４からなる光電変換層２６，２８は、量子ドット４０，４４の短軸方向に偏光した光に対しては、λ１で感度が最大になる。一方、量子ドット４０，４４の長軸方向に偏光した光に対しては、λ２で感度が最大になる。
【０１１０】
従って、第１の赤外線８２（波長 λ１；偏光方向、基板の ［０，１，１］）は、半導体基板の［０，１，１］方向に短軸が向いた量子ドット４０からなる第１の光電変換層２６によって吸収され、キャリアを発生する。発生したキャリアは、下部電極層４と共通電極層８の間に印加された負電圧によって引き出され、配線１６，１８の間に接続された外部回路によって検出される。
【０１１１】
一方、第２の赤外線８４（波長 λ２；偏光方向 、基板の［０，１，１］）は、半導体基板３の［０，１，１］方向に長軸が向いた量子ドット４４からなる第２の光電変換層２８によって吸収され、キャリアを発生する。発生したキャリアは、上部電極層１２と共通電極層８の間に印加された負電圧によって引き出され、配線１６，１４の間に接続された外部回路によって検出される。
【０１１２】
すなわち、第１の光電変換層２６は波長λ１の光を検出し、第２の光電変換層２８は波長λ２の光を検出する。
【０１１３】
一方、入射光７８が半導体基板３の［０，１，−１］方向に偏光している場合には、第１の光電変換層２６は波長λ２の光を検出し、第２の光電変換層２８は波長λ１の光を検出する。
【０１１４】
すなわち、本実施の形態に係わるＱＤＩＰ２４は、第１及び第２の光電変換層２６，２８を構成する量子ドット４０，４４の大きさが同じであるにも拘わらず、偏光した入射光に対して、第１及び第２の光電変換層２６，２８は、夫々異なった波長の光を検出する。
【０１１５】
ところで、上述したように、本実施の形態に係わるＱＤＩＰ２４では、第１及び第２の光電変換層２６，２８を構成する量子ドット４０，４４の形状及び大きさが同じである。従って、量子ドット４０，４４は、第１の光電変換層２６と第２の光電変換層２８で同じ条件で成長することができる。
【０１１６】
すなわち、本実施の形態のＱＤＩＰは、第１の光電変換層２６と第２の光電変換層２８を異なる条件で成長する必要はなく、同一の条件で量子ドット４０，４４を形成することができる。
【０１１７】
上記説明から明らかなように、本実施の形態のＱＤＩＰ２４は、２波長（λ１，λ２）の検出が可能な量子ドット赤外線光検出器であって、製造が容易で且つ再現性が高い。
【０１１８】
（実施の形態２）
本実施の形態は、実施の形態１の量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）と、その光入射面の前面に配置された偏光ユニット（例えば、偏光子）からなる赤外線検出装置に係るものである。本実施の形態によれば、実施の形態１に係るＱＤＩＰ２４によって、２波長の検出が可能な赤外線検出装置を形成することができる。
【０１１９】
図１２は、本実施の形態に係る赤外線検出装置８６の構成を説明する図である。図１２の下部には、ＱＤＩＰ２４の形成された半導体基板３の結晶方位が図示されている。
【０１２０】
本実施の形態に係る赤外線検出装置８６は、実施の形態１に係る量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ２４）と、ＱＤＩＰ２４の光入射面８０の前面に配置された偏光ユニット（偏光子）８８と、配線１６，１８によって共通電極８と下部電極４の間に接続された第１の検出回路（図示せず）と、配線１６，１４によって共通電極８と上部電極１２の間に接続された第２の検出回路（図示せず）を備えている。
【０１２１】
ここで、偏光ユニット（偏光子）８８は、ＧａＡｓ（１００）からなる半導体基板３の［０，１，１］方向に偏光する光のみを通過させる。従って、偏光ユニット（偏光子）８８を通過し光入射面８０に照射される赤外線９０は、その波長がλ１に一致する場合には、第１の光電変換層２６によって吸収され、キャリアを発生する（実施の形態１参照）。発生したキャリアは、下部電極層４と共通電極層８の間に印加された負電圧によって引き出され、配線１６，１８の間に接続された第１の検出回路（図示せず）によって検出される。
【０１２２】
一方、偏光ユニット（偏光子）８８を通過し光入射面８０に照射される光９０は、その波長がλ２に一致する場合には、第２の光電変換層２８によって吸収され、上部電極層１２と共通電極層８の間に印加された負電圧によって引き出され、配線１６，１４の間に接続された第２の検出回路（図示せず）によって検出される（実施の形態１参照）。
【０１２３】
尚、偏光ユニット（偏光子）８８は、半導体基板３の［０，１，１］方向ではなく、［０，１，−１］方向に偏光する光のみを通過させるものであってもよい。この場合には、第１の光電変換層２６は波長λ２の光を吸収し、第２の光電変換層２８は波長λ１の光を吸収する。
【０１２４】
以上説明したように、本実施の形態に係る赤外線検出装置８６は、実施の形態１の光半導体装置（ＱＤＩＰ２４）と、第１及び第２の量子ドット４０，４４の何れか一方が伸展する方向に偏光する光のみを、光半導体装置（ＱＤＩＰ２４）の光入射面８０に照射する偏光ユニット（例えば、偏光子）８８を具備している。
【０１２５】
そして、本実施の形態によれば、製造が容易でその再現性の高い、実施の形態１に係るＱＤＩＰ２４によって、２波長の検出が可能な赤外線検出装置８６を形成することができる。
【０１２６】
（実施の形態３）
本実施の形態は、実施の形態２の偏光ユニット（偏光子）に代えて、光入射面８０の反対側の主面に回折格子が設けられた量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）に係るものである。
【０１２７】
本実施の形態によれば、偏光ユニット（偏光子）の助けを借りることなく、ＱＤＩＰ単体によって２波長を検出することができる。
【０１２８】
図１３は、本実施の形態に係る量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ９１）の構成を説明する図である。図１３の下部には、ＱＤＩＰ９１の形成された半導体基板３の結晶方位が図示されている。
【０１２９】
ＱＤＩＰ９１の構成は、光入射面８０の反対側の主面に回折格子９３が設けられた点を除き、図５を参照して説明した実施の形態１のＱＤＩＰ２４と略同じである。従って、実施の形態１のＱＤＩＰ２４と共通する構成及び動作の説明は省略する。
【０１３０】
図１３に示す回折格子９３は、光入射面８０の反対側の主面すなわち第２の電極層１２の上に設けられたＧａＡｓからなる半導体層に、周期的に凹部を刻むことによって形成される。
【０１３１】
図１４は、回折格子９３をＱＤＩＰ９１の真上から見た平面図である。この平面図の右横には、Ａ―Ａ´線に沿った断面を矢印の方向から見た面が示されている。図１４には、半導体基板３の結晶方位も図示されている。
【０１３２】
図１４に示すように、回折格子９３には、半導体基板３の［０，１，１］に伸展する凹部が、同［０，１，−１］方向に一定の周期で繰り返し形成されている。尚、図１４には、回折格子９３によって回折される赤外線の進行方向９５とその電界成分の方向９７が図示されている。
【０１３３】
光入射面８０に入射した赤外線は、第１及び第２の光電変換層２６，２８で一部が吸収された後、回折格子９３に到達し、半導体基板３の［０，１，−１］方向に偏光した成分のみが回折される。回折格子９３によって回折された赤外線のうち、波長がλ２の赤外線が第２の光電変換層２８によって検出される。一方、同赤外線のうち、波長がλ１の赤外線が第１の光電変換層２６によって検出される。
【０１３４】
すなわち、実施の形態３に係る赤外線検出装置８６は、偏光ユニット（偏光子）８８を備えることなく、ＱＤＩＰ９１単体と検出回路のみによって２波長の赤外線を検出することができる。
【０１３５】
但し、偏光していない入射光１０４の一部は、回折格子９３に到達する前に、第１及び第２の光電変換層２６，２８によって吸収される。従って、この時発生した偏光方向依存性のない信号成分を、信号処理によって、除去する必要がある。
【０１３６】
（実施の形態４）
本実施の形態は、第１及び第２の光電変換層が大きさ（又は形状）が異なる量子ドットによって構成された量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）に係る。更に、本実施の形態は、このＱＤＩＰと、その光入射面の前面に配置された、偏光方向が変更可能な偏光ユニットからなる赤外線検出装置に係るものである。
【０１３７】
本実施の形態によれば、簡単な素子構造で３波長以上の赤外線の検出が可能なＱＤＩＰと、このＱＤＩＰを用いた赤外線検出装置を実現することができる。
【０１３８】
（ｉ）構 成
図１５は、本実施の形態に係るＱＤＩＰ９４と、このＱＤＩＰ９４を用いた赤外線検出装置９２の構成を説明する図である。
【０１３９】
本実施の形態に係る赤外線検出装置９２は、第１及び第２の光電変換層９８，１００が、形状が同じで大きさの異なる量子ドットによって構成された量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ９４）と、ＱＤＩＰ９４の光入射面８０の前面に配置された、偏光方向が変更可能な偏光ユニット９６と、配線１６，１８によって共通電極８と下部電極４の間に接続された第１の検出回路（図示せず）と、配線１６，１４によって共通電極８と上部電極１２の間に接続された第２の検出回路（図示せず）を備えている。
【０１４０】
ＱＤＩＰ９４の構成は、第１及び第２の光電変換層９８，１００が、形状が同じで大きさの異なる量子ドットからなる点を除いて、実施の形態１において図５を参照して説明したＱＤＩＰ２４の構成と略同じである。
【０１４１】
ここで、第１の光電変換層９８の構成は、実施の形態１に係るＱＤＩＰ２４の光電変換層２６と同じである。すなわち、第１の光電変換層９８を構成する量子ドット（以下、第１の量子ドットと呼ぶ）は楕円形であり、その長軸方向は半導体基板３の［０，１，−１］方向に伸展している。
【０１４２】
また、第２の光電変換層１００を構成する量子ドット（以下、第２の量子ドットと呼ぶ）は、形状が第１の量子ドットと同一であり、その長軸方向が半導体基板３の［０，１，１］方向に伸展している。この点において、第２の光電変換層１００の構成は、実施の形態１に係る第２の光電変換層２８の構成と同じである。
【０１４３】
しかし、本実施の形態のＱＤＩＰ９４は、第２の量子ドットの大きさが、第１の量子ドットより大きい点で、実施の形態１のＱＤＩＰ２４（図５参照）と相違する。
【０１４４】
このため、第２の量子ドットにおける量子準位間の光遷移は、第１の量子ドットにおける量子準位間の光遷移波長より長波長で起こる。すなわち、第１の量子ドットにおいて光遷移が起きる波長をλ１及びλ２（λ１＜λ２）とし、第２の量子ドットにおいて光遷移が起きる波長をλ３及びλ４（λ３＜λ４）とすると、λ１＜λ２＜λ３＜λ４となる。尚、第２の量子ドットの短軸は、第１の量子ドットの長軸より長いものとする。
【０１４５】
ここで、λ１及びλ４に対する光吸収は、半導体基板３の［０，１，−１］方向に偏光した光に対して生じる。一方、λ２及びλ３に対する光吸収は、半導体基板３の［０，１，１］方向に偏光した光に対して生じる。
【０１４６】
赤外線検出装置９２は、このようなＱＤＩＰ９４に加え、更に、その光入射面８０の前面に配置された、偏光方向が変更可能な偏光ユニット９６を備えている。ここで、偏光ユニット９６は、偏光子９３´と、この偏光子９３´をその中心軸１０２の周りで機械的に９０°往復回転させる回転駆動ユニット（図示せず）によって構成されている。尚、偏光ユニット９６は、必ずしも、偏光子９３´を機械的に回転するものでもなくてもよく、偏光方向を直交する２方向の間で切り替えられるものであればよい。
【０１４７】
以上の例では、第１及び第２の光電変換層９８，１００を形成する量子ドットは、形状が同じで大きさが異なっていた。しかし、量子ドットの形状だけが異なっていていればよく、又は大きさと形状の双方が異なっていてもよい。
【０１４８】
すなわち、本実施の形態の光半導体装置（ＱＤＩＰ９４）は、実施の形態１のＱＤＩＰ２４において、第１及び第２の光電変換層９８，１００を構成する第１及び第２の量子ドットの大きさ及び形状の何れか一方又は双方が、第１の量子ドットと第２の量子ドットの間で異なる。
【０１４９】
また、本実施の形態の赤外線検出装置９２は、上記光半導体装置（ＱＤＩＰ９４）と、第１の量子ドットが伸展する第１の方向に偏光する光のみを前記光半導体装置の光入射面に照射する第１の状態と、第２の量子ドットが伸展する第２の方向に偏光する光のみを光入射面に照射する第２の状態の双方をとりうる偏光ユニット９６を具備する。
【０１５０】
（ｉｉ）動 作
次に、図１５を参照して、本実施の形態に係るＱＤＩＰ９４と、このＱＤＩＰ９４を用いた赤外線検出装置９２の動作を説明する。
【０１５１】
偏光子９３´には、検出対象となる目的物が放射（又は、反射）した入射光（赤外線）１０４が入射する。入射光１０４は、半導体基板３の［０，１，１］方向に偏光した第１の偏光１０６と、半導体基板３の［０，１，−１］方向に偏光した第２の偏光１０８に分解することができる。
【０１５２】
偏光子９３´は、上記回転駆動ユニットによって駆動され、まず、中心軸１０２の周りを反時計回りに９０°回転し、到達した回転角度に一定期間（第１の期間）止まる。次に、偏光子９３´は、中心軸１０２の周りを時計回りに９０°回転し、元の回転角度に一定期間（第２の期間）止まる。更に、偏光子９３´は、中心軸１０２の周りを反時計回りに９０°回転して、最初に到達した回転角度に一定期間（第１の期間）止まる。ここで、第１及び第２の期間は、同じ長さに設定される。
【０１５３】
偏光子９３´は、このような往復回転運動を繰り返し行い、その方向を周期的に変える。偏光子９３´は、第１の期間の間は、第１の偏光１０６を透過させ、第２の偏光１０８を遮断する。この場合、偏光子９３´を透過した第１の偏光１０６は、ＱＤＩＰ９４の光入射面８０に入射する。
【０１５４】
光入射面８０に入射した第１の偏光１０６（基板３の［０，１，１］方向に偏光）のうち、波長がλ１の光は（第１の光電変換層９８を構成する）第１の量子井戸に吸収され、基底準位から励起準位に電子を励起する。励起された電子は、共通電極８と下部電極４の間に印加された負電圧によって引き出され、共通電極８と下部電極４の間に接続された第１の検出回路によって、光電流として検出される。
【０１５５】
同様に、光入射面８０に入射した第１の偏光１０６のうち、波長がλ４の光は（第２の光電変換層１００を構成する）第２の量子井戸に吸収され、共通電極８と上部電極１２の間に接続された、第２の検出回路によって検出される。
【０１５６】
一方、偏光子９３´は、第２の期間の間は、第２の偏光１０８（基板３の［０，１，−１］方向に偏光）を透過させ、第１の偏光１０６を遮断する。この場合、偏光子９３´を透過した第２の偏光１０８は、ＱＤＩＰ９４の光入射面８０に入射する。
【０１５７】
光入射面８０に入射した第２の偏光１０８のうち、波長がλ２の光は（第１の光電変換層９８を構成する）第１の量子井戸に吸収され、共通電極８と下部電極４の間に接続された第１の検出回路によって検出される。
【０１５８】
同様に、光入射面８０に入射した第２の偏光１０８のうち、波長がλ３の光は（第２の光電変換層１００を構成する）第２の量子井戸に吸収され、共通電極８と上部電極１２の間に接続された第２の検出回路によって検出される。
【０１５９】
すなわち、赤外線検出装置９２は、第１の期間には、共通電極８と下部電極４の間に接続された第１の検出回路によって波長λ１の赤外線を検出し、同時に、共通電極８と上部電極１２の間に接続された第２の検出回路によって波長λ４の赤外線を検出する。
【０１６０】
一方、赤外線検出装置９２は、第２の期間には、共通電極８と下部電極４の間に接続された第１の検出回路によって波長λ２の赤外線を検出し、同時に、共通電極８と上部電極１２の間に接続された第２の検出回路によって波長λ３の赤外線を検出する。
【０１６１】
すなわち、本実施の形態の赤外線検出装置９２によれば、４波長の赤外線を検出することができる。しかも、本実施の形態のＱＤＩＰ９２構成は、２層の光電変換層９８，１００と３層の電極層４，８，１２のみから成るという簡単なものである。
【０１６２】
従って、本実施の形態によれば、簡単な素子構造で４波長の赤外線の検出が可能なＱＤＩＰ９４と、このＱＤＩＰ９４を用いた赤外線検出装置９２を提供することができる。
【０１６３】
尚、以上の例では、第２の量子ドットは第１の量子ドットより大きいとしたが、第２の量子ドットを第１の量子ドットより小さくしてもよい。
【０１６４】
また、以上の例では、第１の量子ドットの第２の量子ドットの伸展方向（長軸方向）が直交する場合について説明したが、両者は平行であってもよい。すなわち、副格子反転を起こすためのＳｉ（又はＧｅ）からなる挿入層５２は必ずしも必要ではない。この場合には、第１の期間には、第１の光電変換層９８によって波長λ１の赤外線が検出され、第２の光電変換層１００によって波長λ３の赤外線が検出される。一方、第２の期間には、第１の光電変換層９８によって波長λ２の赤外線が検出され、第２の光電変換層１００によって波長λ４の赤外線が検出される。
【０１６５】
（実施の形態５）
本実施の形態は、２波長λ１，λ２の検出が可能な、実施の形態１に係るＱＤＩＰ２４をアレイ状に配置したＱＤＩＰアレイからなる赤外線イメージセンサ（赤外線検出装置）に係るものである。
【０１６６】
図１６は、本実施の形態に係る赤外線イメージセンサ１１０（赤外線検出装置）の要部斜視図である。
【０１６７】
本実施の赤外線イメージセンサ１１０は、実施の形態１に係るＱＤＩＰ２４が二次元的に配置されたＱＤＩＰアレイ１１１と、ＱＤＩＰ２４で発生した信号電流を読み出す信号読出回路１１３と、ＱＤＩＰアレイ１１１の前面に配置された機械的に回転自在な偏光子からなる偏光ユニット９６を備えている。
【０１６８】
ＱＤＩＰアレイ１１１には、図５を参照して説明したＱＤＩＰ２４と同一構造のＱＤＩＰが、同一半導体基板上に２次元アレイ状に配列されている。ここで、ＱＤＩＰアレイ１１１の形成された半導体基板は、偏光ユニット９６に対向し、一方、ＱＤＩＰアレイ１１１は、信号読出回路１１３に対向している。
【０１６９】
偏光ユニット９６は、信号読出回路１１３の発生する同期信号に基づいて、入射光７８のうち特定の方向に偏光した赤外線のみを透過するように制御される。ここで、特定の方向とは、上記半導体基板における［０，１，１］方向又は［０，１，−１］方向である。
【０１７０】
図１７は、ＱＤＩＰアレイ１１１と信号読出回路１１３からなる画像信号検出ユニット１１２の主要部を説明するブロック図である。画像信号生成ユニット１１２は、ＱＤＩＰ２４とその光電流検出回路からなる画素部１１４と、垂直選択信号を発生する垂直シフトレジスタ１１６と、垂直選択信号によって開閉されるスイッチ１１８と、水平選択信号を発生する水平シフトレジスタ１２０と、水平選択信号によって開閉されるスイッチ１２２を備えている。
【０１７１】
図１８は、画素部１１４のブロック図である。画素部１１４は、ＱＤＩＰ２４と、一対のキャパシタ１２４，１２４´と、スイッチ１２６，１２８，１２６´，１２８´と、プリアンプ１３０，１３０´を備えている。そして、プリアンプ１３０，１３０´の出力は、垂直選択信号によって開閉される上記スイッチ１１８に接続されている。
【０１７２】
ここで、ＱＤＩＰアレイ１１１と信号読出回路１１３からなる画像信号検出ユニット１１２の動作について説明する。但し、偏光ユニット９６を透過した赤外線の偏光方向は、ＱＤＩＰアレイ１１１が形成された半導体基板の［０，１，１］方向を向いているものとする。
【０１７３】
まず、スイッチ１２８，１２８´を開いて、一対のキャパシタ１２４，１２４´に正電圧（例えば、＋５Ｖ）が印加され、電荷が蓄積される。次に、スイッチ１２８，１２８´を閉じ、スイッチ１２６，１２６´を開くと、この蓄積された電荷によって発生する正電圧が、ＱＤＩＰ２４の第１の光電変換層２６及び第２の光電変換層２８に印加され、接地電極との間でＱＤＩＰ２４には見かけ負電圧がかかったのと同じことになる。
【０１７４】
ＱＤＩＰ２４に入射光７８が照射されると、例えば、第１の光電変換層２６は波長λ１の赤外線を吸収して光電流を発生する。この光電流は、開いたままのスイッチ１２６を介し、キャパシタ１２４に蓄積された電荷を放電する方向に流れる。所定の時間が経過した後、スイッチ１２６は閉じられ、一方、スイッチ１１８が垂直選択信号によって開けられる。この時、プリアンプ１３０は、キャパシタ１２４に残留している電荷によって生成される電圧を増幅して、出力ライン１に出力する。従って、出力ライン１には、波長λ１の赤外線強度を反映した電圧が出力される。
【０１７５】
同様に、出力ライン２には、第２の光電変換層２８、キャパシタ１２４´等の働きによって、波長λ２の赤外線強度を反映した出力が出力される。
【０１７６】
図１９は、ＱＤＩＰアレイ１１１が信号読出回路１１３に実装された状態を説明する断面図である。図１９には、ＱＤＩＰアレイ１１１を構成する一つのＱＤＩＰ２４と、信号読出回路１１３を構成する二つのＭＯＳトランジスタ１２６が図示されている。
【０１７７】
図１９に示すように、ＱＤＩＰ２４の共通電極８は、配線１６を介して、信号読出回路１１３の接地された配線１２８に接続されている。また、ＱＤＩＰ２４の第１及び第２の電極層４，１２は、配線１４又は配線１８を介して、ＭＯＳトランジスタ１２６のソース１３０に接続されている。
【０１７８】
ＱＤＩＰ２４とＭＯＳトランジスタ１２６の間の電気的接続は、例えば、インジウムバンプ１３２によって行われる。インジウムバンプ１３２は、ＱＤＩＰアレイ１１１を信号読出回路１１３に固定する役割も担っている。
【０１７９】
図２０は、赤外線イメージセンサ１１０による信号処理の流れを説明する図である。
【０１８０】
まず、信号読出回路１１３から、偏光ユニット９６に同期信号が供給される。偏光ユニット９６は、この同期信号に基づいて、その偏光子を中心軸の周りで往復回転して、直交する２つの方向にその出射光の偏光方向を交互に向かわせる。
【０１８１】
この偏光方向の切り替え操作によって、検出対象となる目的物の偏光特性を測定することが可能になる。尚、直交する２つの方向とは、ＱＤＩＰアレイ１１１が形成された半導体基板の［０，１，１］方向と［０，１，−１］方向である。
【０１８２】
検出対象となる目的物が放射した赤外線（入射光７８）は、図示されていないレンズ系によって、偏光ユニット９６を通過した後、ＱＤＩＰアレイ１１１の上に結像される。偏光ユニット９６は、半導体基板の［０，１，１］方向及び［０，１，−１］方向の何れか一方に偏光した入射光のみを通過させる。
【０１８３】
画素部１１４は、ＱＤＩＰアレイ１１１の上に結像された赤外線を受光し、波長λ１，λ２に於ける赤外線強度を検出し、画像信号を発生する。
【０１８４】
次に、画像信号生成ユニット１１２は、垂直及ぶ水平レジスタ１１６，１２０を動作させて、画像信号を画素毎に読み出し、外部回路に出力する（Ｓ１）。尚、偏光ユニット９６の偏光方向が変わると、波長λ１，λ２に基づく画像信号が出力される出力ラインが入れ替わる。
【０１８５】
出力ライン１，２には外部回路が接続されており、画素毎に読み出した画像信号を処理する。この外部回路は、まず、ＱＤＩＰが発生する暗電流を、画像信号から除去する（オフセット補正）と各画素ごとの感度を補正する（Ｓ２）。
【０１８６】
更に、外部回路は、大気による赤外線の透過特性を考慮して、オフセットと感度補正後の画像信号と、記録媒体に予め記録しておいた検出目的物の赤外線放射特性（偏光特性も含む）を比較して、検出した赤外線が検出目的対象物からのものであるか否かを識別する（Ｓ３）。この際、外部回路は、ＱＤＩＰアレイ１１１の上に結像された画像データから、雲や海面による太陽光の反射すなわちクラッタを除去する。尚、検出目的物の赤外線放射特性は、その温度によって波長依存性が変化する。従って、複数の波長で、赤外線を検出することが重要である。
【０１８７】
最後に、外部回路は、ＱＤＩＰアレイ１１１の上に結像された画像データと共に、上記判定結果を出力する（Ｓ４）。
【０１８８】
すなわち、本実施の形態によれば、製造が容易でその再現が高い、実施の形態１に係る量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ２４）を用いて、赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を形成することができる。
【０１８９】
更に、２波長を検出するＱＤＩＰ２４（実施の形態１）に代えて４波長を検出するＱＤＩＰ８６（実施の形態４）を用いると、４波長の赤外線が検出可能な赤外線イメージセンサを形成することができる。この場合、実施の形態２の説明及び図１２から明らかなように、ＱＤＩＰアレイ１１１を信号読出回路に接続するための配線数を増やす必要はない。
【０１９０】
すなわち、本実施の形態によれば、４波長の検出が可能な実施の形態２に係る量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ２４）を用いて、配線数の少ない赤外線検出装置（赤外線イメージサ）を形成することも可能である。
【０１９１】
すなわち、本実施の形態によれば、ＱＤＩＰに接続される配線の数が少なくて済む、赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を形成することができる。
【０１９２】
（実施の形態６）
本実施の形態は、実施の形態１に係るＱＤＩＰ２４の製造方法に関するものである。
【０１９３】
以下、図５及び図２を参照して、ＱＤＩＰ２４の製造方法を説明する。
【０１９４】
（Ｉ）結晶成長
最初に、ＱＤＩＰ２４となる半導体積層構造を、分子線エピタキシー法により成長する。
【０１９５】
（ｉ）下部電極層
まず、基板温度６００ ℃で、半絶縁性ＧａＡｓ基板３の上に、厚さ１０００ ｎｍ のｎ型ＧａＡｓからなる下部電極層４を成長する（図５参照）。ドーパントはＳｉを用い、その密度は２×１０１８ ／ ｃｍ３とする。
【０１９６】
（ｉｉ）第１の光電変換層
次に、第１の光電変換層２６を成長する（図２参照）。
【０１９７】
まず、膜厚１００ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層からなる中間層３０を成長する。この中間層３０を成長する間に、基板温度を、楕円形の量子ドットを成長するために適した４５０ ℃に低下させる。尚、円形の量子ドットを成長するための基板温度は、５００℃である。
【０１９８】
次に、分子線の種類及び強度を、Ｉｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓが０． １ 原子層／秒で成長するように設定する。この状態で、中間層３０の上に、Ｉｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓを２原子層分成長する。すると、Ｉｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓの膜厚が臨界膜厚を超え、３次元成長が開始し、量子ドットが形成される。
【０１９９】
Ｉｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓは、ＧａＡｓ基板３に対して格子定数が整合していない。このため、成長膜厚が一定の厚さ（臨界膜厚）を超えると、Ｉｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓは、成長膜内部に蓄積した圧縮歪によって、３次元成長を開始し、量子ドット３２が形成される（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモードによるドット形成）。尚、Ａｓの供給源としては、Ａｓ４分子線を用いる。
【０２００】
次に、１００ ｎｍ のｉ型ＧａＡｓからなる中間層３４を、量子ドット３２の上に成長する。
【０２０１】
以後、量子ドット３６と中間層３８の成長を４回繰り返し、５層構造の量子ドット構造を成長する（図２参照）。
【０２０２】
以上の様にして成長した量子ドットの平面形状は楕円形であり、その長軸方向は約２０ｎｍであり、短軸方向は１５ｎｍである。また、長軸方向は、ＧａＡｓ基板３の［０，１，−１］方向を向いている。一方、短軸方向は、［０，１，１］方向を向いている。
【０２０３】
この量子ドットの基底準位から、［０，１，１］方向の閉じ込めに基づく励起準位への光遷移は、波長８μｍ（λ１）の赤外線によって発生する。一方、基底準位から、［０，１，−１］方向の閉じ込めに基づく励起準位への光遷移は、波長１０．５μｍ（λ２）の赤外線によって発生する。
【０２０４】
尚、基板温度は、最後の中間層３８を成長する間に６００℃に上昇させる。
【０２０５】
（ｉｉｉ）共通電極層
次に、基板温度６００ ℃で、半絶縁性ＧａＡｓ基板３の上に、厚さ１０００ ｎｍ のｎ型ＧａＡｓからなる共通電極層８を成長する（図５参照）。
【０２０６】
この共通電極８を成長する途中で、一旦Ｇａ分子線の供給を停止し、Ａｓ分子線のみを成長中のＧａＡｓの表面に照射する。するとＧａＡｓの表面は、Ａｓによって終端される。
【０２０７】
このＡｓで終端されたＧａＡｓの表面に、Ｓｉ又はＧｅを偶数原子層成長して挿入層５２を形成する（図５参照）。この間も成長中の半導体層にＡｓ分子線を照射し続け、Ｓｉ又はＧｅからなる原子層の表面をＡｓ原子で覆う。
【０２０８】
その後、再びＧａ分子線の供給を開始すると、それまで成長してきた半導体層とは副格子の原子種が交換したＧａＡｓ層の成長が開始する（副格子交換エピタキシー）。このような副格子交換は、［１，０，０］軸の周りの９０°回転操作と等価である。
【０２０９】
尚、Ｓｉ及びＧｅは、ＧａＡｓに対してｎ型のドーパントとして作用する。しかし、Ｓｉ及びＧｅからなる挿入層５２は、ｎ型のＧａＡｓからなる共通電極層８の内部に形成されるので、量子ドット構造が形成される第１及び第２の光電変換層２６，２８の電子状態に殆ど影響を及ぼさない。尚、挿入層５２を設ける位置は、共通電極８の内部であれば何処でもよく、又は、共通電極８に接する位置であってもよい。
【０２１０】
（ｉｖ）第２の光電変換層
次に、第２の光電変換層２８を、第１の光電変換層２６と同じように成長する。
【０２１１】
但し、第２の光電変換層２８は、第１の光電変換層２６に対して副格子交換しているので、量子ドットは［１，０，０］軸の周りに９０°回転した状態で形成される。
【０２１２】
すなわち、その長軸方向は、ＧａＡｓ基板３の［０，１，１］方向を向いている。一方、その短軸方向は、ＧａＡｓ基板３の［０，１，−１］方向を向いている。
【０２１３】
この量子ドットの基底準位から、ＧａＡｓ基板３の［０，１，１］方向の閉じ込めに基づく励起準位への光遷移は波長１０．５μｍ（λ２）の赤外線によって発生する。一方、基底準位から、ＧａＡｓ基板３の［０，１，−１］方向の閉じ込めに基づく励起準位への光遷移は波長８．０μｍ（λ１）の赤外線によって発生する。
【０２１４】
（ｖ）上部電極層
次に、基板温度６００ ℃で、第２の光電変換層２８の上に、厚さ１０００ ｎｍ のｎ型ＧａＡｓからなる共通電極層１２を成長する（図５参照）。ドーパントはＳｉを用い、その密度は２×１０１８ ／ ｃｍ３とする。
【０２１５】
以上の結晶成長工程により、半絶縁性のＧａＡｓ基板３の上に、ＱＤＩＰとなる半導体積層構造が形成される。
【０２１６】
（ＩＩ）加 工
このように成長した半導体積層構造に対して、下部電極層４までの削掘と、共通電極層８までの削掘を行い、その後、上部電極層１２、共通電極層８、下部電極層４夫々に電極を形成する。
【０２１７】
これらの工程は、例えば、周知のリソグラフィー、ドライエッチング、及び金属蒸着法などを用いて行う。電極としては、例えば、ＡｕＧｅ／Ａｕ電極を形成する。
【０２１８】
これらの工程により、実施の形態１で説明したＱＤＩＰ２４が完成する。
【０２１９】
（実施の形態７）
本実施の形態は、実施の形態４に係るＱＤＩＰ９４の製造方法に関するものである。
【０２２０】
本実施の形態の製造法は、実施の形態６で説明したＱＤＩＰ２４の製造方法と殆ど同じである。但し、第２の光電変換層１００を成長する際、中間層３０の上に成長するＩｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓを２原子層分より多い２．３原子層分とする点で異なる。
【０２２１】
その他の点は、実施の形態６と同じである。
【図面の簡単な説明】
【０２２２】
【図１】実施の形態１に係わる量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）の構成を説明する断面図である。
【図２】実施の形態１に係わる量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）の光電変換層の構成を説明する要部断面図である。
【図３】光電変換層を構成する量子ドットの平面形状を説明する図である。
【図４】副格子交換によるＧａＡｓ格子の空間反転を説明する図である。
【図５】副格子交換操作によって形成された量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）の構成を説明する断面図である。
【図６】副格子交換操作によって形成された量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）における、光電変換層に形成された量子ドットと結晶方位の関係を説明する図である。
【図７】楕円形の量子ドットの量子準位を説明する図である。
【図８】楕円形の量子ドットからなる光電変換層の分光感度スペクトルを説明する図である。
【図９】楕円形の量子ドットの長軸方向に偏光した光を入射した場合の、光電変換層の感度スペクトルを説明する図である。
【図１０】楕円形の量子ドットの短軸方向に偏光した光を入射した場合の、光電変換層の感度スペクトルを説明する図である。
【図１１】偏光入射光に対する量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）の動作を説明する図である。
【図１２】実施の形態２に係る赤外線検出装置の構成を説明する図である。
【図１３】実施の形態３に係る量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）の構成を説明する図である。
【図１４】実施の形態３に係るＱＤＩＰに設けられた回折格子を説明する図である。
【図１５】実施の形態４に係る赤外線検出装置の構成を説明する図である。
【図１６】実施に形態５に係る赤外線イメージセンサの要部斜視図である。
【図１７】ＱＤＩＰアレイと信号読出回路からなる画像信号生成ユニットの主要部を説明するブロック図である。
【図１８】画像信号生成ユニットを構成する画素部のブロック図である。
【図１９】ＱＤＩＰアレイが信号読出回路に実装された状態を説明する断面図である。
【図２０】赤外線イメージセンサによる信号処理を説明する図である。
【図２１】従来のＱＤＩＰの構成を説明する断面図である。
【符号の説明】
【０２２３】
２・・・従来のＱＤＩＰ ３・・・半導体基板 ４・・・下側電極層
６・・・第１の光電変換層（従来技術） ８・・・共通電極層
１０・・・第２の光電変換層（従来技術）
１２・・・上部電極層 １４，１６，１８・・・配線
２０，２２・・・入射光 ２４・・・ＱＤＩＰ（実施の形態１及び２）
２６・・・第１の光電変換層 ２８・・・第２の光電変換層
３０，３４，３８・・・中間層 ３２，３６・・・量子ドット
３５・・・第１層目の量子ドット層
４０・・・第１の量子ドット
４２・・・量子ドットの長軸方向（第１の光電変換層）
４４・・・第２の量子ドット
４６・・・量子ドットの長軸方向（第２の光電変換層）
４８・・・空間反転前のＧａＡｓ ５０・・・空間反転後のＧａＡｓ
５２・・・挿入層 ５４・・・Ｇａ原子 ５６・・・Ａｓ原子
５８・・・Ｓｉ原子
６１・・・量子ドットの長軸 ６２・・・量子ドットの短軸
６４・・・［０，１，−１］方向の閉じ込めに基づく量子準位
６６・・・［０，１，１］方向の閉じ込めに基づく量子準位
６８・・・基底準位 ７０・・・電子 ７２・・・感度スペクトル
７４・・・（偏光した）入射光 ７６・・・入射光の偏光方向
７８・・・入射光 ８０・・・光入射面
８２・・・第１の赤外線（波長λ１） ８４・・・第２の赤外線（波長λ２）
８６・・・赤外線検出装置（実施の形態２）
８８・・・偏光ユニット
９０・・・偏光ユニットを通過した赤外線
９１・・・ＱＤＩＰ（実施の形態３）
９２・・・赤外線検出装置（実施の形態４）
９３・・・回折格子 ９３´・・・偏光子
９４・・・ＱＤＩＰ（実施の形態４）
９５・・・赤外線の進行方向
９６・・・偏光方向が変更可能な偏光ユニット
９７・・・赤外線の電界成分の方向
９８・・・第１の光電変換層（実施の形態４）
１００・・・第２の光電変換層（実施の形態４）
１０２・・・偏光子の中心軸 １０４・・・入射光（赤外線）
１０６・・・［０，１，１］方向に偏光した第１の赤外線
１０８・・・［０，１，−１］方向に偏光した第２の赤外線
１１０・・・赤外線イメージセンサ １１１・・・ＱＤＩＰアレイ
１１２・・・画像信号生成ユニット １１３・・・信号読出回路
１１４・・・画素部 １１６・・・垂直シフトレジスタ
１１８，１２２・・・スイッチ １２０・・・水平シフトレジスタ
１２４・・・キャパシタ １２６・・・ＭＯＳトランジスタ
１２８・・・接地配線 １３０・・・ソース
１３２・・・インジウムバンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の波長の赤外線を同時に検出する光半導体装置及び当該光半導体装置からなる赤外線検出装置に関し、特に、複数の波長の赤外線を同時に検出し且つ赤外線の偏光方向によって感度スペクトルが異なる光半導体装置及び当該光半導体装置からなる赤外線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を検出する光半導体装置すなわち赤外線フォトセンサは、赤外光領域におけるイメージセンサ（以下、赤外線イメージセンサと呼ぶ）の重要な構成単位である。イメージセンサは、フォトセンサが二次元アレイ状に配列され、外部の光学系により上記アレイ上に結像された光学的イメージを検出する装置である。
【０００３】
赤外線イメージセンサとしては、３〜５μｍ帯又は８〜１２μｍ帯で動作する装置が、熱源の探知や暗視装置用のセンサとして重要である。特に、これらの波長帯において、複数の波長で同時に赤外線を検知する赤外線イメージセンサは、熱源の温度特定を可能とするデバイスとして重要である。
【０００４】
これらの要求を満たす赤外線イメージセンサとして、半導体量子井戸に形成される量子準位間の遷移（又は、量子準位から障壁層伝導帯への遷移）を利用した量子井戸赤外線光検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：以下、ＱＷＩＰと呼ぶ）が開発された。
【０００５】
量子井戸における量子準位間遷移（又は、量子準位から障壁層伝導帯への遷移）は、量子井戸に垂直に入射する光に対しては、選択則により禁止されている。
【０００６】
このため、ＱＷＩＰでは、その一部に、光入射面に垂直入射した赤外線を斜めに曲げる部材（例えば、回折格子）を設けて、赤外線の検出を可能にしている（特許文献１）。従って、ＱＷＩＰには、構造が複雑になるという問題がある。更に、ＱＷＩＰには、感度が低いという問題もある。
【０００７】
そこで、量子井戸に代わりに量子ドットによって光電変換層を形成する量子ドット赤外線光検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｄｏｔ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：以下、ＱＤＩＰと呼ぶ）が、新たに開発された。
【０００８】
図２１は、二つの波長λ１ およびλ２ で動作するＱＤＩＰ２の構成を説明する断面図である。
【０００９】
図２１に示すように、ＱＤＩＰ２は、半絶縁性ＧａＡｓ基板３の上に、ｎ型ＧａＡｓよりなる下側電極層４と、第１の光電変換層６と、ｎ型ＧａＡｓよりなる共通電極層８と、第２の光電変換層１０と、ｎ型ＧａＡｓよりなる上部電極層１２が順次形成されている。
【００１０】
そして、第１の光電変換層６は、高抵抗ＧａＡｓ（不純物をドーピングしないで成長したＧａＡｓ；以下、ｉ−ＧａＡｓと称する）からなる障壁層と、ＩｎＧａＡｓ微細粒子からなる三次元量子井戸（すなわち、量子ドット）によって構成されている（以下、第１の量子ドット構造と呼ぶ。）。同じく、第２の光電変換層１０は、ｉ−ＧａＡｓからなる障壁層とＩｎＧａＡｓ微細粒子からなる三次元量子井戸によって構成されている（以下、第２の量子ドット構造と呼ぶ。）。ここで、第１の量子ドット構造を形成するＩｎＧａＡｓ微細粒子は、第２の量子ドット構造を形成するＩｎＧａＡｓ微細粒子より小さく形成される。
【００１１】
また、上部電極層１２、共通電極層８、及び下部電極層４には、夫々の電極層を外部回路に電気的に接続するための配線１４，１６，１８が設けられている。
【００１２】
この外部回路によって、上部電極層１２と共通電極８の間（第２の光電変換層１０）及び下部電極層４と共通電極８の間（第１の光電変換層６）に、負電圧が印加される。
【００１３】
ところで、上述したように、量子ドット構造を形成するＩｎＧａＡｓ微粒子は、第１の光電変換層６の方が、第２の光電変換層１０より小さく形成される。従って、第１の光電変換層６では波長の短い赤外線λ１が吸収され、第２の光電変換層１０では波長の長い赤外線λ２が吸収される。
【００１４】
ここで、赤外線λ１及び赤外線λ２は、光電変換層６，１０に形成された量子ドットによって束縛されている電子を、基底準位から励起準位に励起する。励起された電子は、光電変換層６，１０に印加された負電圧によって引き出され、光電流として、夫々別々の外部回路によって検出される。
【００１５】
すなわち、赤外線λ１は、配線１６，１８に接続された外部回路によって検出され、赤外線λ２は、配線１６，１４に接続された外部回路によって検出される。
【００１６】
ところで、量子ドット構造では、量子井戸構造と異なり、垂直入射光に対しても量子準位間遷移が許容されている。しかも、その遷移確率は、量子井戸における量子準位間の遷移確率より格段に大きい。
【００１７】
このため、光電変換層６，１０が量子ドット構造によって構成されるＱＤＩＰ２は、垂直入射光２０，２２を電気信号に変換することができ、しかも、その光電変換効率は量子井戸赤外線光検出器（ＱＷＩＰ）より高い。
【００１８】
すなわち、量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）によれば、垂直入射光を斜めに曲げる部材（例えば、回折格子）が不要になり、しかも、光電変換効率の高い２波長赤外線光検出器を実現することができる。
【特許文献１】特開２０００−３２３７５０号公報
【特許文献２】特開平１０−２５６５８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
従来のＱＤＩＰでは、第１及び第２の光電変換層６，１０を構成する量子ドットの大きさを異ならせることによって、異なる波長λ１，λ２を検出していた。これらの量子ドットは、基板との間に格子不整合を有する半導体結晶を、ある膜厚（臨界膜厚）以上にエピタキシャル成長した時に成長膜が三次元的に凝集して多数の微粒子となる所謂Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモード（以下、ＳＫモードと呼ぶ）によって形成される。
【００２０】
しかし、ＳＫモードによって形成される量子ドットの大きさを制御するためには、原料の供給速度や成長温度を精密に制御するという困難な作業が要求される上、再現性が悪いという問題がある。これらの問題を解決するため、量子ドットに直接接触している障壁層の高さを変えて、量子準位間のエネルギー差を調整する方法が開発された。しかし、この方法の再現性も、必ずしも高くない。
【００２１】
そこで、本発明の第一の目的は、製造が容易で且つ再現性の高い構造を備えた量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）と、この量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）を用いた赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を提供することである。
【００２２】
ところで、上記「背景技術」の説明から明らかなように、従来のＱＤＩＰは、２波長の赤外線しか検出することができない。３波長以上の赤外線を検出するためには、上部電極層１２の上に更に検出波長の異なる光電変換層を積層する必要がある。この場合、新たに設けた光電変換層から光電流を取り出すためには、この光電変換層の上に、更に電極層を設ける必要がある。すなわち、従来のＱＤＩＰを改良して、３波長以上の赤外線検出が可能なＱＤＩＰを形成しようとすると、光電変換層及び電極層の数が増えて素子構造が複雑になる。
【００２３】
そこで、本発明の第二の目的は、３波長以上の赤外線の検出が可能で、しかも素子構造が簡単な量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）と、このＱＤＩＰを用いた赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を提供することである。
【００２４】
二次元アレイ状に配置されたＱＤＩＰ群と信号読出回路からなる赤外線イメージセンサは、目的物が放射する赤外線の強度を２つの波長で検出し、予め測定しておいたデータと比較して、目的物の温度を推定するために用いられる。しかし、検出波長が２つだけでは、温度推定の確度は低い。従って、３つ以上の波長で赤外線の強度を検出することが可能な、赤外線検出装置（赤外線イメージ）の実現が望まれている。
【００２５】
しかし、従来のＱＤＩＰを改良して、３波長以上の赤外線の検出を可能にしようとすると、ＱＤＩＰと信号読出回路を接続する配線数が膨大になり、装置構造が複雑化してしまう。これは、検出波長と同数の光電変換層をＱＤＩＰに設ける必要があるため、各光電変換層と信号読出回路を接続する配線の数が、検出波長の増加に伴って、多くならざるを得ないからである。
【００２６】
そこで、本発明の第三の目的は、ＱＤＩＰに接続される配線の数が少なくて済む、赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
（第１の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面は、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された、導電性の半導体からなる第１の電極層と、前記第１の電極層の上に形成された前記第１の光電変換層と、前記第１の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第２の電極層と、前記第２の電極層の上に形成された、前記第２の光電変換層と、前記第２の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第３の電極層からなる、赤外線を電気信号に変換する光半導体装置において、前記第１の光電変換層が、前記半導体基板の主面に投影した形状が、第１の方向に長軸を有する第１の量子ドットから成り、前記第２の光電変換層が、前記主面に投影した形状が、前記第１の方向に交差する方向に交差する第２の方向に長軸を有するた第２の量子ドットから成ることを特徴とする。
【００２８】
本発明の第１の側面によれば、製造が容易で且つ再現性の高い構造を備えた量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）を提供することができる。
【００２９】
（第２の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第２の側面は、第１の側面において、前記第１の光電変換層を構成する第１の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有し、前記第２の光電変換層を構成する第２の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有し、 前記第２の半導体層が、前記第１の半導体層を構成する第１の副格子の占有原子種と、前記第１の半導体層を構成する第２の副格子の占有原子種を交換した結晶構造を有することを特徴とする。
【００３０】
本発明の第２の側面によれば、製造が特に容易で且つ再現性の高い構造を備えた量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）を提供することができる。
【００３１】
（第３の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第３の側面は、第１又は第２の側面において、前記第１の量子ドットの大きさ及び形状が、前記第２の量子ドットの大きさ及び形状と同じであることを特徴とする。
【００３２】
本発明の第３の側面によれば、製造が特に容易で且つ再現性の高い構造を備え、２波長の検出が可能な量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）を提供することができる。
【００３３】
（第４の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第４の側面は、第１又は第２の側面において、前記第１及び第２の量子ドットの大きさ及び形状の何れか一方又は双方が、前記第１の量子ドットと第２の量子ドットの間で異なることを特徴とする。
【００３４】
本発明の第４の側面によれば、３波長以上の赤外線の検出が可能で、しかも素子構造が簡単な量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）を提供することができる。
【００３５】
（第５の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第５の側面は、第１乃至第３の側面において、前記第１の方向又は第２の方向にに偏光する光のみを、前記光半導体装置の光入射面に照射する偏光ユニットを具備することを特徴とする。
【００３６】
本発明の第５の側面によれば、製造が容易で且つ再現性の高い構造を備え、更に２波長の検出が可能な量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）から成る赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を提供することができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、第１の光電変換層及ぶ第２の光電変換層を同一条件で成長することができるので、製造が容易で且つ再現性の高い構造を備えた量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）と、この量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）を用いた赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を提供することができる。
【００３８】
また、本発明によれば、入射光の偏光方向を切り替えることによって同一光電変換層から２波長の赤外線を検出することが可能になるので、３波長以上の赤外線の検出が可能で且つ素子構造が簡単な量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）を提供することができる。更に、このＱＤＩＰを用いた赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）の提供が可能になる。
【００３９】
また、本発明によれば、同一光電変換層から２波長の赤外線の検出が可能になるので、ＱＤＩＰに接続される配線の数が少なくて済む、赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
【００４１】
（実施の形態１）
本実施の形態は、平面形状が楕円形の第１の量子ドットからなる第１の光電変換層と、同じく楕円形の量子ドットからなり、その長軸方向が第１の量子ドットの長軸方向と直交する第２の量子ドットからなら第２の光電変換層を具備した量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）に係わるものである。
【００４２】
本実施の形態によれば、２波長の検出が可能な量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ２４）を、容易に、しかも再現性良く製造することができる。
【００４３】
（１）構 成
（ｉ）全体構成
図１は、本実施の形態に係わる量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）の構成を説明する断面図である。
【００４４】
本実施の形態に係わるＱＤＩＰ２４の構成は、第１及び第２の光電変換層２６，２８を構成する量子ドット構造の構成を除き、図２１に示す従来のＱＤＩＰ２と略同一である。
【００４５】
すなわち、本実施の形態に係わるＱＤＩＰ２４は、図１に示すように、半絶縁性のＧａＡｓ（面方位（１００））からなる半導体基板３の上に、厚さ１０００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ（キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３）よりなる下側電極層４と、第１の光電変換層２６と、厚さ１０００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ（キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３）よりなる共通電極層８と、第２の光電変換層２８と、厚さ１０００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ（キャリア濃度２×１０１８ｃｍ−３）よりなる上部電極層１２によって構成されている。
【００４６】
更に、上部電極層１２、共通電極層８、及び下部電極層４には、夫々外部回路を電気的に接続するための配線１４，１６，１８が設けられている。
【００４７】
この外部回路によって、上部電極層１２と共通電極８の間（第２の光電変換層１０）及び下部電極層４と共通電極８の間（第１の光電変換層６）に、負電圧が印加される。
【００４８】
すなわち、本実施の形態に係る光半導体装置（ＱＤＩＰ２４）は、半導体基板３と、半導体基板３の上に形成された、導電性の半導体からなる第１の電極層（下部電極４）と、第１の電極層（下部電極４）の上に形成された第１の光電変換層２６と、第１の光電変換層２６の上に形成された、導電性の半導体からなる第２の電極層（共通電極８）と、第２の電極層（共通電極８）の上に形成された、第２の光電変換層２８と、第２の光電変換層２８の上に形成された、導電性の半導体からなる第３の電極層（上部電極１２）によって構成されている。
【００４９】
（ｉｉ）光電変換層の構成
図２は、第１及び第２の光電変換層２６，２８の構成を説明する要部断面図である。
【００５０】
第１及び第２の光電変換層２６，２８の構成は、略同じである。但し、下記「（ｉｉｉ）楕円形量子ドット構造の形成と９０°回転操作」で説明するとおり、両者は、光電変換層を構成する量子ドットの伸展方向が異なっている。
【００５１】
例えば、第１及び第２の光電変換層２６，２８は、図２に示すように、まず、厚さ１００ｎｍのｉ−ＧａＡｓからなる第１の中間層３０を備えている。また、第１及び第２の光電変換層２６，２８は、第１の中間層３０の上に積層されたＩｎ０．４Ｇａ０．６Ａｓからなる第１の量子ドット３２と、第１の量子ドット３２の上に積層された、厚さ１００ｎｍのｉ−ＧａＡｓからなる第２の中間層３４から成る第１層目の量子ドット層３５を備えている。
【００５２】
更に、第１及び第２の光電変換層２６，２８は、中間層３４，３８の上に形成された量子ドット３６と、この量子ドット３６の上に積層された新たな中間層３８からなる量子ドット層を４層備えている。
【００５３】
すなわち、第１及び第２の光電変換層２６，２８は、最下層の中間層３０と、量子ドット３２，３６と中間層３４，３８からなる５層の量子ドット層によって構成されている。尚、量子ドット３２，３６には、中間層３４，３８と同様に、不純物はドーピングされない。
【００５４】
（ｉｉｉ）楕円形量子ドット構造の形成と９０°回転操作
図３は、第１及び第２の光電変換層２６，２８を構成する量子ドットの平面形状を説明する図である。図３（ａ）は、上側の光電変換層すなわち第２の光電変換層２８を構成する量子ドットの平面形状である。図３（ｂ）は、下側の光電変換層すなわち第１の光電変換層２６を構成する量子ドットの平面形状である。尚、図３（ｂ）には、量子ドット４０，４４が形成されている半導体層の結晶方位が図示されている。
【００５５】
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１及び第２の光電変換層２６，２８を形成する量子ドット４０，４４の平面形状は楕円形で、しかも、その大きさは、高さも含めて略同じである。
【００５６】
これに対して、従来のＱＤＩＰ２を構成する光電変換層６，１０を構成する量子ドットの平面形状は、円形である。一方、その大きさは、第１の光電変換層６と第２の光電変換層１０で異なっている。
【００５７】
ここで、第１の光電変換層２６を形成する第１の量子ドット４０の長軸方向４２は、図３（ｂ）に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板３の結晶方位［０，１，−１］と平行である。一方、第２の光電変換層２８を形成する第２の量子ドット４４の長軸方向４６は、上記第１の量子ドットの長軸方向と直交している。すなわち、第２の量子ドット４４は、第１の量子ドット４０を９０°回転操作したものである。
【００５８】
但し、第１の量子ドットの長軸方向４２と第２の量子井戸４４の長軸方向４６は、必ずしも厳密に直交している必要はない。第１の量子井戸の長軸方向４２と第２の量子ドット４４の長軸方向４６は、直交していなくても交差していれば、その交差の度合に応じて本実施の形態の効果が得られる。
【００５９】
更に、第１及び第２の量子ドットの平面形状は、必ずしも楕円形である必要はなく、一方向に伸展した形状であればよい。
【００６０】
すなわち、本実施の形態に係る光半導体装置（ＱＤＩＰ２４）は、半導体基板の主面に投影した形状（平面形状）が、一方向に伸展した（すなわち、第１の方向に長軸を有する）第１の量子ドット４０からなる第１の光電変換層２６と、上記主面に投影した形状（平面形状）が、上記一方向に交差する方向に伸展した（すなわち、上記第１の方向に交差する第２の方向に長軸を有する）第２の量子ドット４４からなる第２の光電変換層２８を有する。
【００６１】
（ｉｖ）量子ドット構造の形成方法
図３（ａ）及び（ｂ）に示すような楕円形の量子ドットは、成長温度を、円形の量子ドットが成長する温度５００℃より低い、例えば、４５０℃にすることによって形成できる。これは、成長温度が低くなるほど、ＧａＡｓ（１００）表面のＧａ原子の拡散速度が、［０，１，１］方向に比べ［０，１，−１］方向が速くなるからである。
【００６２】
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る量子ドット４０，４４は、その長軸方向が直交している。このような長軸方向が直交する量子ドットは、量子ドット構造を構成する半導体結晶の副格子の占有原子種を交換する所謂副格子交換操作によって実現できる。
【００６３】
ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓ等のIIIＶ族化合物半導体の結晶構造は、セン亜鉛鉱構造である。セン亜鉛鉱構造は、III族原子が占有する面心立方構造からなる第１の副格子と、その対角線の方向に１／４格子だけずれたＶ族原子が占有する面心立方構造からなる第２の副格子によって構成されている。
【００６４】
これら副格子の占有原子種を、第１の副格子と第２の副格子の間で交換（副格子交換操作）すると、図４を参照して以下に説明するとおり、結晶格子が空間反転する。
【００６５】
図４は、空間反転前のＧａＡｓ４８と空間反転後のＧａＡｓ５０が、Ｓｉ又はＧｅからなる挿入層５２を挟んで配置された結晶構造を説明する図である。ここで、挿入層５２は、ＧａＡｓ結晶に副格子交換を起こすためのものであり、Ｓｉ又はＧｅ原子層が偶数積層されたものである。
【００６６】
図４には、ＧａＡｓを構成するＧａ原子５４及びＡｓ原子５６と、挿入層５２を構成するＳｉ原子（又はＧｅ原子）５８からなる結晶構造を、 ［０，１，−１］方向（空間反転前のＧａＡｓ４８の方位）から見た図である。
【００６７】
図４に示すように、空間反転後のＧａＡｓ５０におけるＧａ及びＡｓの原子配列は、空間反転前のＧａＡｓ４８において、Ｇａ及びＡｓの占有位置を相互に交換したものである。
【００６８】
すなわち、セン亜鉛鉱構造を有すＧａＡｓ等のIIIＶ族化合物半導体では、III族原子（Ｇａ等）からなら第１の副格子を占有する原子種と、Ｖ族原子（Ａｓ等）からなる第２の副格子を占有する原子種を交換することによって、空間反転が起こる。
【００６９】
ところで、セン亜鉛鉱構造では、空間反転操作と、［１，０，０］軸周りの９０°回転操作は、等価である。
【００７０】
以上の説明から明らかなように、ＧａＡｓ（１００）基板の上に、まず、第１の量子ドット構造を成長した後、Ｓｉ又はＧｅからなる挿入層を形成してから、第２の量子ドット構造を成長すると、第２の量子ドット構造で副格子交換が起きる。
【００７１】
その結果、第２の量子ドット構造は、第１の量子ドット構造に対して空間反転した構造、すなわち、第１の量ドット構造を［１００］軸の周りに９０°回転した構造になる。
【００７２】
本実施の形態では、下記「（ｖ）副格子交換によるＱＤＩＰの形成」で説明するように、この副格子交換操作を応用することにより、第１の光電変換層２６を形成する第１の量子ドット４０の長軸と、第２の光電変換層２８を形成する第２の量子ドット４４の長軸が直交する構造を実現する（図３参照）。
【００７３】
（ｖ）副格子交換によるＱＤＩＰの形成
本実施の形態に係る光半導体装置（ＱＤＩＰ２４）を構成する量子ドット構造は、必ずしも、ＳＫモードによって形成する必要はない。例えば、電子線リソグラフィー技術とドライエッチング技術を組み合わせることによって、長手方向が直交する量子ドットを形成してもよい。
【００７４】
しかし、生産性や出来上がった量子ドットの品質を考慮すると、ＳＫモードによって量子ドットを形成することが好ましい。この場合、第１及び第２の光電変換層２６，２８を夫々構成する第１及ぶ第２の量子ドット４０，４４は、上記副格子交換操作によって形成することができる。
【００７５】
図５は、このようにして形成したＱＤＩＰ２４の構成を説明する断面図である。このＱＤＩＰ２４の構成は、基本的には、図１に示すＱＤＩＰ２４と同じである。
【００７６】
但し、共通電極層８の内部に、Ｓｉ原子層が偶数積層（例えば、２原子層）された挿入層５２が形成されている。この挿入層５２より上側では、半導体結晶が、副格子反転し、［１，０，０］軸の周りを９０°回転した構造になっている。尚、図５の下部には、ＧａＡｓ（１００）半導体基板３の結晶方位が図示されている。尚、挿入層５２を設ける位置は、共通電極８の内部であれば何処でもよく、又は、共通電極８に接する位置であってもよい。
【００７７】
すなわち、第２の光電変換層２８を構成する第２の量子ドット４４は、第１の光電変換層２６を構成する第１の量子ドット４０を、［１００］軸の周りを９０°回転したものである。
【００７８】
以下、この回転操作について、もう少し詳しく説明する。
【００７９】
図６は、第１及び第２の光電変換層２６，２８夫々に形成された量子ドット４０，４４の平面形状とその結晶方位の関係を説明する図である。図６（ａ）は、第２の光電変換層２８に形成された第２の量子ドット４４の平面形状である。一方、図６（ｂ）は、第１の光電変換層２６に形成された第１の量子ドット４０の平面形状である。
【００８０】
図６（ａ）及び（ｂ）に図示された結晶方位を参照すると明らかなように、第２の光電変換層２８を形成する第２の量子ドット４４は、第１の光電変換層２６を形成する第１の量子ドット４０を、［１００］軸の周りを９０°回転して得られるものである。従って、第２の量子ドット４４の長軸方向４６は、第１の量子ドット４０の長軸方向４２に直交している。
【００８１】
このような量子ドット４０，４４の長軸方向が交差する構造は、第１の光電変換層２６を形成し、結晶格子を副格子交換させた後、第２の光電変換層２８を形成することによって得られる。
【００８２】
すなわち、本実施の形態に係る光半導体装置（ＱＤＩＰ２４）は、第１の光電変換層２６を構成する第１の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有し、第２の光電変換層２８を構成する第２の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有している。
【００８３】
そして、第２の半導体層は、第１の半導体層を構成する第１の副格子の占有原子種と、第１の半導体層を構成する第２の副格子の占有原子種を交換した結晶構造を有する。
【００８４】
（２）動 作
次に、図１及び図５に図示したＱＤＩＰ２４の動作について説明する。
【００８５】
（ｉ）量子準位
図７は、第１及び第２の光電変換層２６，２８夫々に形成された第１及び第２の量子ドット４０，４４の量子準位を説明する図である。尚、両者の量子準位は、基本的には同じである。
【００８６】
図７（ａ）は、第１及び第２の量子ドット４０，４４の平面図である。図７（ａ）に図示するように、楕円形の量子ドット４０，４４の長軸６１は、［０，１，−１］方向に向いている。一方、量子ドット４０，４４の短軸６２は、［０，１，１］方向に向いている。尚、結晶方位は、特に断らない限り、夫々の量子ドットが形成されている半導体層の結晶方位を表すものとする。
【００８７】
図７（ｂ）は、量子ドット４０，４４によって、三次元的に閉じ込めた電子の量子準位を説明する図である。
【００８８】
上述したように、量子ドット４０，４４の長軸６１は［０，１，−１］方向を向き、短軸６２は［０，１，１］方向を向いている。従って、［０，１，−１］方向の量子ドットの幅は、 ［０，１，１］方向の幅より広い。
【００８９】
このため、量子ドット４０，４４の内部には、［０，１，−１］方向の幅の広い空間への電子閉じ込めに基づく第１の励起準位６４と、［０，１，−１］方向の幅の狭い空間への電子閉じ込めに基づく第２の励起準位６６が形成される。ここで、［０，１，−１］方向の幅が狭いので、第２の励起準位６６は、第１の励起準位６６よりエネルギーレベルが高くなる。尚、厳密に言えば、基底準位６８も２つの準位に分裂しているが、そのエネルギー差は小さいので一つの量子準位として取り扱うことができる。また、基底準位は、電極層１４，１６，１８から供給された電子７０によって、満たされている。
【００９０】
この電子７０が、基底準位６８から励起準位６４，６６に遷移することによって光電変換層２６，２８は赤外線を吸収する。この光電変換層２６，２８による光吸収のスペクトルは、基底準位６８から２つの励起準位６４，６６への遷移に基づくため、双峰性のスペクトルになる。従って、第１及び第２の光電変換層２６，２８の感度スペクトル７２も、図８のように双峰性になる。
【００９１】
図８は、楕円形の量子ドットからなる上記光電変換層２６，２８の感度スペクトルを説明する図である。横軸は入射光の波長であり、縦軸は感度（入射光強度に対する光電流強度の比）である。
【００９２】
感度スペクトル７２は、上述したように、双峰性になる。ここで、波長λ１における第１のピークは、基底準位６８から第２の励起準位６６への電子の遷移によって生じる。一方、波長λ２（＞λ１）における第２のピークは、基底準位６８から第１の励起準位６４への電子の遷移によって生じる。
【００９３】
尚、従来のＱＤＩＰ２の光電変換層６，１０は、（平面形状が）円形の量子ドットによって構成されている。従って、従来のＱＤＩＰ２では、上記第１及び第２の励起準位６４，６６は、同一のエネルギーレベルに縮退している。このため、従来のＱＤＩＰ２の感度スペクトルは、本実施の形態のＱＤＩＰ２４とは異なり単峰性になる。
【００９４】
（ｉｉ）偏光特性
従来のＱＤＩＰ２は、入射光の偏光方向を変化させても、感度スペクトルは変化しない。
【００９５】
図８に図示した感度スペクトルは、ＱＤＩＰ２４に、偏光していない赤外線が入射した場合のスペクトルである。しかし、本実施の形態に係わるＱＤＩＰ２４の感度スペクトルは、入射光の偏光方向が変わると大きく変化する。
【００９６】
図９は、量子ドット４０，４４の長軸方向に偏光した赤外線がＱＤＩＰ２４に入射した場合の、感度スペクトルを説明する図である。
【００９７】
図９（ａ）は、量子ドット４０，４４が伸展している状態を説明する図である。図９（ｂ）は、入射光７４の（電界の）偏光方向７６を説明する図である。図９（ｃ）は、光電変換層２６，２８の感度スペクトルである。尚、図９（ａ）及び（ｂ）は、ＱＤＩＰ２４が形成された半導体基板３の主面が紙面に平行になるように描かれている。
【００９８】
図９（ｃ）に図示するように、量子ドット４０，４４の長軸６１の方向に偏光した赤外線（図９（ａ）及び（ｂ）参照）に対する感度スペクトルは、基底準位６８に束縛された電子を（長軸方向に形成された空間への電子閉じ込めに基づく）第１の励起準位６４へ励起する光の波長λ２で、大きなピークを形成する。
【００９９】
図１０は、量子ドット４０，４４の短軸方向に偏光した赤外線がＱＤＩＰ２４に入射した場合の、感度スペクトルを説明する図である。
【０１００】
量子ドット４０，４４の短軸６２の方向に偏光した赤外線（図１０（ａ）及び（ｂ）参照）に対する感度スペクトルは、図１０（ｃ）に図示するように、基底準位６８に束縛された電子を（短軸方向に形成された空間への電子閉じ込めに基づく）第２の励起準位６６へ励起する光の波長λ１で、大きなピークを形成する。
【０１０１】
このように、本実施の形態に係わるＱＤＩＰ２４の光電変換層２６，２８の感度スペクトルは、入射光の偏光方向が量子ドット４０，４４の長軸方向又は短軸方向の何れに偏光しているかによって、そのピーク位置が大きく異なる。すなわち、入射光が長軸６１の方向に偏光している場合には、波長λ２で感度が最大になる。一方、入射光が短軸６２の方向に偏光している場合には、波長λ１で感度が最大になる。
【０１０２】
（ｉｉｉ）ＱＤＩＰ２４の動作（偏光入力）
最後にＱＤＩＰ２４に、偏光した赤外線を入力した場合の動作について説明する。
【０１０３】
図１１は、偏光した入射光に対する量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ２４）の動作を説明する図である。図１１の下部には、ＱＤＩＰ２４の形成された半導体基板３の結晶方位が図示されている。
【０１０４】
上述したように第１及び第２の光電変換層２６，２８には、形状及び大きさの一致した（平面形状が）略楕円形の量子ドット４０，４４が形成されている。従って、上記「（ｉ）量子準位」で説明したように、第１及び第２の光電変換層２６，２８は、λ１及びλ２にピークを有する双峰性の感度スペクトルを有している。
【０１０５】
一方、第１の光電変換層２６を形成する量子ドット４０の長軸方向と、第２の光電変換層２８を形成する量子ドット４４の長軸方向は、互いに直交している。
【０１０６】
ここで、第１の光電変換層２６の結晶軸は、半導体基板３の結晶軸と一致している。従って、第１の光電変換層２６には、半導体基板３の［０，１，１］方向に短軸が向いた量子ドット４０が形成されている。
【０１０７】
一方、第２の光電変換層２８を構成する結晶は、半導体基板３を構成する結晶に対して空間反転している。従って、第２の光電変換層２８の結晶軸は、［１，０，０］軸に対して９０°回転している。このため、第２の光電変換層２８には、半導体基板３の［０，１，１］方向に長軸方向が向いた量子ドット４４が形成されている。
【０１０８】
ここで、半導体基板３の［０，１，１］方向に偏光した入射光７８を、光入射面８０に入射したとする。また、入射光７８は、波長λ１の第１の赤外線８２と波長λ２の第２の赤外線８４を含んでいるとする。尚、波長λ１及びλ２は、感度スペクトルのピーク波長である（図８参照）。
【０１０９】
上述したように、量子ドット４０，４４からなる光電変換層２６，２８は、量子ドット４０，４４の短軸方向に偏光した光に対しては、λ１で感度が最大になる。一方、量子ドット４０，４４の長軸方向に偏光した光に対しては、λ２で感度が最大になる。
【０１１０】
従って、第１の赤外線８２（波長 λ１；偏光方向、基板の ［０，１，１］）は、半導体基板の［０，１，１］方向に短軸が向いた量子ドット４０からなる第１の光電変換層２６によって吸収され、キャリアを発生する。発生したキャリアは、下部電極層４と共通電極層８の間に印加された負電圧によって引き出され、配線１６，１８の間に接続された外部回路によって検出される。
【０１１１】
一方、第２の赤外線８４（波長 λ２；偏光方向 、基板の［０，１，１］）は、半導体基板３の［０，１，１］方向に長軸が向いた量子ドット４４からなる第２の光電変換層２８によって吸収され、キャリアを発生する。発生したキャリアは、上部電極層１２と共通電極層８の間に印加された負電圧によって引き出され、配線１６，１４の間に接続された外部回路によって検出される。
【０１１２】
すなわち、第１の光電変換層２６は波長λ１の光を検出し、第２の光電変換層２８は波長λ２の光を検出する。
【０１１３】
一方、入射光７８が半導体基板３の［０，１，−１］方向に偏光している場合には、第１の光電変換層２６は波長λ２の光を検出し、第２の光電変換層２８は波長λ１の光を検出する。
【０１１４】
すなわち、本実施の形態に係わるＱＤＩＰ２４は、第１及び第２の光電変換層２６，２８を構成する量子ドット４０，４４の大きさが同じであるにも拘わらず、偏光した入射光に対して、第１及び第２の光電変換層２６，２８は、夫々異なった波長の光を検出する。
【０１１５】
ところで、上述したように、本実施の形態に係わるＱＤＩＰ２４では、第１及び第２の光電変換層２６，２８を構成する量子ドット４０，４４の形状及び大きさが同じである。従って、量子ドット４０，４４は、第１の光電変換層２６と第２の光電変換層２８で同じ条件で成長することができる。
【０１１６】
すなわち、本実施の形態のＱＤＩＰは、第１の光電変換層２６と第２の光電変換層２８を異なる条件で成長する必要はなく、同一の条件で量子ドット４０，４４を形成することができる。
【０１１７】
上記説明から明らかなように、本実施の形態のＱＤＩＰ２４は、２波長（λ１，λ２）の検出が可能な量子ドット赤外線光検出器であって、製造が容易で且つ再現性が高い。
【０１１８】
（実施の形態２）
本実施の形態は、実施の形態１の量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）と、その光入射面の前面に配置された偏光ユニット（例えば、偏光子）からなる赤外線検出装置に係るものである。本実施の形態によれば、実施の形態１に係るＱＤＩＰ２４によって、２波長の検出が可能な赤外線検出装置を形成することができる。
【０１１９】
図１２は、本実施の形態に係る赤外線検出装置８６の構成を説明する図である。図１２の下部には、ＱＤＩＰ２４の形成された半導体基板３の結晶方位が図示されている。
【０１２０】
本実施の形態に係る赤外線検出装置８６は、実施の形態１に係る量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ２４）と、ＱＤＩＰ２４の光入射面８０の前面に配置された偏光ユニット（偏光子）８８と、配線１６，１８によって共通電極８と下部電極４の間に接続された第１の検出回路（図示せず）と、配線１６，１４によって共通電極８と上部電極１２の間に接続された第２の検出回路（図示せず）を備えている。
【０１２１】
ここで、偏光ユニット（偏光子）８８は、ＧａＡｓ（１００）からなる半導体基板３の［０，１，１］方向に偏光する光のみを通過させる。従って、偏光ユニット（偏光子）８８を通過し光入射面８０に照射される赤外線９０は、その波長がλ１に一致する場合には、第１の光電変換層２６によって吸収され、キャリアを発生する（実施の形態１参照）。発生したキャリアは、下部電極層４と共通電極層８の間に印加された負電圧によって引き出され、配線１６，１８の間に接続された第１の検出回路（図示せず）によって検出される。
【０１２２】
一方、偏光ユニット（偏光子）８８を通過し光入射面８０に照射される光９０は、その波長がλ２に一致する場合には、第２の光電変換層２８によって吸収され、上部電極層１２と共通電極層８の間に印加された負電圧によって引き出され、配線１６，１４の間に接続された第２の検出回路（図示せず）によって検出される（実施の形態１参照）。
【０１２３】
尚、偏光ユニット（偏光子）８８は、半導体基板３の［０，１，１］方向ではなく、［０，１，−１］方向に偏光する光のみを通過させるものであってもよい。この場合には、第１の光電変換層２６は波長λ２の光を吸収し、第２の光電変換層２８は波長λ１の光を吸収する。
【０１２４】
以上説明したように、本実施の形態に係る赤外線検出装置８６は、実施の形態１の光半導体装置（ＱＤＩＰ２４）と、第１及び第２の量子ドット４０，４４の何れか一方が伸展する方向に偏光する光のみを、光半導体装置（ＱＤＩＰ２４）の光入射面８０に照射する偏光ユニット（例えば、偏光子）８８を具備している。
【０１２５】
そして、本実施の形態によれば、製造が容易でその再現性の高い、実施の形態１に係るＱＤＩＰ２４によって、２波長の検出が可能な赤外線検出装置８６を形成することができる。
【０１２６】
（実施の形態３）
本実施の形態は、実施の形態２の偏光ユニット（偏光子）に代えて、光入射面８０の反対側の主面に回折格子が設けられた量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）に係るものである。
【０１２７】
本実施の形態によれば、偏光ユニット（偏光子）の助けを借りることなく、ＱＤＩＰ単体によって２波長を検出することができる。
【０１２８】
図１３は、本実施の形態に係る量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ９１）の構成を説明する図である。図１３の下部には、ＱＤＩＰ９１の形成された半導体基板３の結晶方位が図示されている。
【０１２９】
ＱＤＩＰ９１の構成は、光入射面８０の反対側の主面に回折格子９３が設けられた点を除き、図５を参照して説明した実施の形態１のＱＤＩＰ２４と略同じである。従って、実施の形態１のＱＤＩＰ２４と共通する構成及び動作の説明は省略する。
【０１３０】
図１３に示す回折格子９３は、光入射面８０の反対側の主面すなわち第２の電極層１２の上に設けられたＧａＡｓからなる半導体層に、周期的に凹部を刻むことによって形成される。
【０１３１】
図１４は、回折格子９３をＱＤＩＰ９１の真上から見た平面図である。この平面図の右横には、Ａ―Ａ´線に沿った断面を矢印の方向から見た面が示されている。図１４には、半導体基板３の結晶方位も図示されている。
【０１３２】
図１４に示すように、回折格子９３には、半導体基板３の［０，１，１］に伸展する凹部が、同［０，１，−１］方向に一定の周期で繰り返し形成されている。尚、図１４には、回折格子９３によって回折される赤外線の進行方向９５とその電界成分の方向９７が図示されている。
【０１３３】
光入射面８０に入射した赤外線は、第１及び第２の光電変換層２６，２８で一部が吸収された後、回折格子９３に到達し、半導体基板３の［０，１，−１］方向に偏光した成分のみが回折される。回折格子９３によって回折された赤外線のうち、波長がλ２の赤外線が第２の光電変換層２８によって検出される。一方、同赤外線のうち、波長がλ１の赤外線が第１の光電変換層２６によって検出される。
【０１３４】
すなわち、実施の形態３に係る赤外線検出装置８６は、偏光ユニット（偏光子）８８を備えることなく、ＱＤＩＰ９１単体と検出回路のみによって２波長の赤外線を検出することができる。
【０１３５】
但し、偏光していない入射光１０４の一部は、回折格子９３に到達する前に、第１及び第２の光電変換層２６，２８によって吸収される。従って、この時発生した偏光方向依存性のない信号成分を、信号処理によって、除去する必要がある。
【０１３６】
（実施の形態４）
本実施の形態は、第１及び第２の光電変換層が大きさ（又は形状）が異なる量子ドットによって構成された量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）に係る。更に、本実施の形態は、このＱＤＩＰと、その光入射面の前面に配置された、偏光方向が変更可能な偏光ユニットからなる赤外線検出装置に係るものである。
【０１３７】
本実施の形態によれば、簡単な素子構造で３波長以上の赤外線の検出が可能なＱＤＩＰと、このＱＤＩＰを用いた赤外線検出装置を実現することができる。
【０１３８】
（ｉ）構 成
図１５は、本実施の形態に係るＱＤＩＰ９４と、このＱＤＩＰ９４を用いた赤外線検出装置９２の構成を説明する図である。
【０１３９】
本実施の形態に係る赤外線検出装置９２は、第１及び第２の光電変換層９８，１００が、形状が同じで大きさの異なる量子ドットによって構成された量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ９４）と、ＱＤＩＰ９４の光入射面８０の前面に配置された、偏光方向が変更可能な偏光ユニット９６と、配線１６，１８によって共通電極８と下部電極４の間に接続された第１の検出回路（図示せず）と、配線１６，１４によって共通電極８と上部電極１２の間に接続された第２の検出回路（図示せず）を備えている。
【０１４０】
ＱＤＩＰ９４の構成は、第１及び第２の光電変換層９８，１００が、形状が同じで大きさの異なる量子ドットからなる点を除いて、実施の形態１において図５を参照して説明したＱＤＩＰ２４の構成と略同じである。
【０１４１】
ここで、第１の光電変換層９８の構成は、実施の形態１に係るＱＤＩＰ２４の光電変換層２６と同じである。すなわち、第１の光電変換層９８を構成する量子ドット（以下、第１の量子ドットと呼ぶ）は楕円形であり、その長軸方向は半導体基板３の［０，１，−１］方向に伸展している。
【０１４２】
また、第２の光電変換層１００を構成する量子ドット（以下、第２の量子ドットと呼ぶ）は、形状が第１の量子ドットと同一であり、その長軸方向が半導体基板３の［０，１，１］方向に伸展している。この点において、第２の光電変換層１００の構成は、実施の形態１に係る第２の光電変換層２８の構成と同じである。
【０１４３】
しかし、本実施の形態のＱＤＩＰ９４は、第２の量子ドットの大きさが、第１の量子ドットより大きい点で、実施の形態１のＱＤＩＰ２４（図５参照）と相違する。
【０１４４】
このため、第２の量子ドットにおける量子準位間の光遷移は、第１の量子ドットにおける量子準位間の光遷移波長より長波長で起こる。すなわち、第１の量子ドットにおいて光遷移が起きる波長をλ１及びλ２（λ１＜λ２）とし、第２の量子ドットにおいて光遷移が起きる波長をλ３及びλ４（λ３＜λ４）とすると、λ１＜λ２＜λ３＜λ４となる。尚、第２の量子ドットの短軸は、第１の量子ドットの長軸より長いものとする。
【０１４５】
ここで、λ１及びλ４に対する光吸収は、半導体基板３の［０，１，−１］方向に偏光した光に対して生じる。一方、λ２及びλ３に対する光吸収は、半導体基板３の［０，１，１］方向に偏光した光に対して生じる。
【０１４６】
赤外線検出装置９２は、このようなＱＤＩＰ９４に加え、更に、その光入射面８０の前面に配置された、偏光方向が変更可能な偏光ユニット９６を備えている。ここで、偏光ユニット９６は、偏光子９３´と、この偏光子９３´をその中心軸１０２の周りで機械的に９０°往復回転させる回転駆動ユニット（図示せず）によって構成されている。尚、偏光ユニット９６は、必ずしも、偏光子９３´を機械的に回転するものでもなくてもよく、偏光方向を直交する２方向の間で切り替えられるものであればよい。
【０１４７】
以上の例では、第１及び第２の光電変換層９８，１００を形成する量子ドットは、形状が同じで大きさが異なっていた。しかし、量子ドットの形状だけが異なっていていればよく、又は大きさと形状の双方が異なっていてもよい。
【０１４８】
すなわち、本実施の形態の光半導体装置（ＱＤＩＰ９４）は、実施の形態１のＱＤＩＰ２４において、第１及び第２の光電変換層９８，１００を構成する第１及び第２の量子ドットの大きさ及び形状の何れか一方又は双方が、第１の量子ドットと第２の量子ドットの間で異なる。
【０１４９】
また、本実施の形態の赤外線検出装置９２は、上記光半導体装置（ＱＤＩＰ９４）と、第１の量子ドットが伸展する第１の方向に偏光する光のみを前記光半導体装置の光入射面に照射する第１の状態と、第２の量子ドットが伸展する第２の方向に偏光する光のみを光入射面に照射する第２の状態の双方をとりうる偏光ユニット９６を具備する。
【０１５０】
（ｉｉ）動 作
次に、図１５を参照して、本実施の形態に係るＱＤＩＰ９４と、このＱＤＩＰ９４を用いた赤外線検出装置９２の動作を説明する。
【０１５１】
偏光子９３´には、検出対象となる目的物が放射（又は、反射）した入射光（赤外線）１０４が入射する。入射光１０４は、半導体基板３の［０，１，１］方向に偏光した第１の偏光１０６と、半導体基板３の［０，１，−１］方向に偏光した第２の偏光１０８に分解することができる。
【０１５２】
偏光子９３´は、上記回転駆動ユニットによって駆動され、まず、中心軸１０２の周りを反時計回りに９０°回転し、到達した回転角度に一定期間（第１の期間）止まる。次に、偏光子９３´は、中心軸１０２の周りを時計回りに９０°回転し、元の回転角度に一定期間（第２の期間）止まる。更に、偏光子９３´は、中心軸１０２の周りを反時計回りに９０°回転して、最初に到達した回転角度に一定期間（第１の期間）止まる。ここで、第１及び第２の期間は、同じ長さに設定される。
【０１５３】
偏光子９３´は、このような往復回転運動を繰り返し行い、その方向を周期的に変える。偏光子９３´は、第１の期間の間は、第１の偏光１０６を透過させ、第２の偏光１０８を遮断する。この場合、偏光子９３´を透過した第１の偏光１０６は、ＱＤＩＰ９４の光入射面８０に入射する。
【０１５４】
光入射面８０に入射した第１の偏光１０６（基板３の［０，１，１］方向に偏光）のうち、波長がλ１の光は（第１の光電変換層９８を構成する）第１の量子井戸に吸収され、基底準位から励起準位に電子を励起する。励起された電子は、共通電極８と下部電極４の間に印加された負電圧によって引き出され、共通電極８と下部電極４の間に接続された第１の検出回路によって、光電流として検出される。
【０１５５】
同様に、光入射面８０に入射した第１の偏光１０６のうち、波長がλ４の光は（第２の光電変換層１００を構成する）第２の量子井戸に吸収され、共通電極８と上部電極１２の間に接続された、第２の検出回路によって検出される。
【０１５６】
一方、偏光子９３´は、第２の期間の間は、第２の偏光１０８（基板３の［０，１，−１］方向に偏光）を透過させ、第１の偏光１０６を遮断する。この場合、偏光子９３´を透過した第２の偏光１０８は、ＱＤＩＰ９４の光入射面８０に入射する。
【０１５７】
光入射面８０に入射した第２の偏光１０８のうち、波長がλ２の光は（第１の光電変換層９８を構成する）第１の量子井戸に吸収され、共通電極８と下部電極４の間に接続された第１の検出回路によって検出される。
【０１５８】
同様に、光入射面８０に入射した第２の偏光１０８のうち、波長がλ３の光は（第２の光電変換層１００を構成する）第２の量子井戸に吸収され、共通電極８と上部電極１２の間に接続された第２の検出回路によって検出される。
【０１５９】
すなわち、赤外線検出装置９２は、第１の期間には、共通電極８と下部電極４の間に接続された第１の検出回路によって波長λ１の赤外線を検出し、同時に、共通電極８と上部電極１２の間に接続された第２の検出回路によって波長λ４の赤外線を検出する。
【０１６０】
一方、赤外線検出装置９２は、第２の期間には、共通電極８と下部電極４の間に接続された第１の検出回路によって波長λ２の赤外線を検出し、同時に、共通電極８と上部電極１２の間に接続された第２の検出回路によって波長λ３の赤外線を検出する。
【０１６１】
すなわち、本実施の形態の赤外線検出装置９２によれば、４波長の赤外線を検出することができる。しかも、本実施の形態のＱＤＩＰ９２構成は、２層の光電変換層９８，１００と３層の電極層４，８，１２のみから成るという簡単なものである。
【０１６２】
従って、本実施の形態によれば、簡単な素子構造で４波長の赤外線の検出が可能なＱＤＩＰ９４と、このＱＤＩＰ９４を用いた赤外線検出装置９２を提供することができる。
【０１６３】
尚、以上の例では、第２の量子ドットは第１の量子ドットより大きいとしたが、第２の量子ドットを第１の量子ドットより小さくしてもよい。
【０１６４】
また、以上の例では、第１の量子ドットの第２の量子ドットの伸展方向（長軸方向）が直交する場合について説明したが、両者は平行であってもよい。すなわち、副格子反転を起こすためのＳｉ（又はＧｅ）からなる挿入層５２は必ずしも必要ではない。この場合には、第１の期間には、第１の光電変換層９８によって波長λ１の赤外線が検出され、第２の光電変換層１００によって波長λ３の赤外線が検出される。一方、第２の期間には、第１の光電変換層９８によって波長λ２の赤外線が検出され、第２の光電変換層１００によって波長λ４の赤外線が検出される。
【０１６５】
（実施の形態５）
本実施の形態は、２波長λ１，λ２の検出が可能な、実施の形態１に係るＱＤＩＰ２４をアレイ状に配置したＱＤＩＰアレイからなる赤外線イメージセンサ（赤外線検出装置）に係るものである。
【０１６６】
図１６は、本実施の形態に係る赤外線イメージセンサ１１０（赤外線検出装置）の要部斜視図である。
【０１６７】
本実施の赤外線イメージセンサ１１０は、実施の形態１に係るＱＤＩＰ２４が二次元的に配置されたＱＤＩＰアレイ１１１と、ＱＤＩＰ２４で発生した信号電流を読み出す信号読出回路１１３と、ＱＤＩＰアレイ１１１の前面に配置された機械的に回転自在な偏光子からなる偏光ユニット９６を備えている。
【０１６８】
ＱＤＩＰアレイ１１１には、図５を参照して説明したＱＤＩＰ２４と同一構造のＱＤＩＰが、同一半導体基板上に２次元アレイ状に配列されている。ここで、ＱＤＩＰアレイ１１１の形成された半導体基板は、偏光ユニット９６に対向し、一方、ＱＤＩＰアレイ１１１は、信号読出回路１１３に対向している。
【０１６９】
偏光ユニット９６は、信号読出回路１１３の発生する同期信号に基づいて、入射光７８のうち特定の方向に偏光した赤外線のみを透過するように制御される。ここで、特定の方向とは、上記半導体基板における［０，１，１］方向又は［０，１，−１］方向である。
【０１７０】
図１７は、ＱＤＩＰアレイ１１１と信号読出回路１１３からなる画像信号検出ユニット１１２の主要部を説明するブロック図である。画像信号生成ユニット１１２は、ＱＤＩＰ２４とその光電流検出回路からなる画素部１１４と、垂直選択信号を発生する垂直シフトレジスタ１１６と、垂直選択信号によって開閉されるスイッチ１１８と、水平選択信号を発生する水平シフトレジスタ１２０と、水平選択信号によって開閉されるスイッチ１２２を備えている。
【０１７１】
図１８は、画素部１１４のブロック図である。画素部１１４は、ＱＤＩＰ２４と、一対のキャパシタ１２４，１２４´と、スイッチ１２６，１２８，１２６´，１２８´と、プリアンプ１３０，１３０´を備えている。そして、プリアンプ１３０，１３０´の出力は、垂直選択信号によって開閉される上記スイッチ１１８に接続されている。
【０１７２】
ここで、ＱＤＩＰアレイ１１１と信号読出回路１１３からなる画像信号検出ユニット１１２の動作について説明する。但し、偏光ユニット９６を透過した赤外線の偏光方向は、ＱＤＩＰアレイ１１１が形成された半導体基板の［０，１，１］方向を向いているものとする。
【０１７３】
まず、スイッチ１２８，１２８´を開いて、一対のキャパシタ１２４，１２４´に正電圧（例えば、＋５Ｖ）が印加され、電荷が蓄積される。次に、スイッチ１２８，１２８´を閉じ、スイッチ１２６，１２６´を開くと、この蓄積された電荷によって発生する正電圧が、ＱＤＩＰ２４の第１の光電変換層２６及び第２の光電変換層２８に印加され、接地電極との間でＱＤＩＰ２４には見かけ負電圧がかかったのと同じことになる。
【０１７４】
ＱＤＩＰ２４に入射光７８が照射されると、例えば、第１の光電変換層２６は波長λ１の赤外線を吸収して光電流を発生する。この光電流は、開いたままのスイッチ１２６を介し、キャパシタ１２４に蓄積された電荷を放電する方向に流れる。所定の時間が経過した後、スイッチ１２６は閉じられ、一方、スイッチ１１８が垂直選択信号によって開けられる。この時、プリアンプ１３０は、キャパシタ１２４に残留している電荷によって生成される電圧を増幅して、出力ライン１に出力する。従って、出力ライン１には、波長λ１の赤外線強度を反映した電圧が出力される。
【０１７５】
同様に、出力ライン２には、第２の光電変換層２８、キャパシタ１２４´等の働きによって、波長λ２の赤外線強度を反映した出力が出力される。
【０１７６】
図１９は、ＱＤＩＰアレイ１１１が信号読出回路１１３に実装された状態を説明する断面図である。図１９には、ＱＤＩＰアレイ１１１を構成する一つのＱＤＩＰ２４と、信号読出回路１１３を構成する二つのＭＯＳトランジスタ１２６が図示されている。
【０１７７】
図１９に示すように、ＱＤＩＰ２４の共通電極８は、配線１６を介して、信号読出回路１１３の接地された配線１２８に接続されている。また、ＱＤＩＰ２４の第１及び第２の電極層４，１２は、配線１４又は配線１８を介して、ＭＯＳトランジスタ１２６のソース１３０に接続されている。
【０１７８】
ＱＤＩＰ２４とＭＯＳトランジスタ１２６の間の電気的接続は、例えば、インジウムバンプ１３２によって行われる。インジウムバンプ１３２は、ＱＤＩＰアレイ１１１を信号読出回路１１３に固定する役割も担っている。
【０１７９】
図２０は、赤外線イメージセンサ１１０による信号処理の流れを説明する図である。
【０１８０】
まず、信号読出回路１１３から、偏光ユニット９６に同期信号が供給される。偏光ユニット９６は、この同期信号に基づいて、その偏光子を中心軸の周りで往復回転して、直交する２つの方向にその出射光の偏光方向を交互に向かわせる。
【０１８１】
この偏光方向の切り替え操作によって、検出対象となる目的物の偏光特性を測定することが可能になる。尚、直交する２つの方向とは、ＱＤＩＰアレイ１１１が形成された半導体基板の［０，１，１］方向と［０，１，−１］方向である。
【０１８２】
検出対象となる目的物が放射した赤外線（入射光７８）は、図示されていないレンズ系によって、偏光ユニット９６を通過した後、ＱＤＩＰアレイ１１１の上に結像される。偏光ユニット９６は、半導体基板の［０，１，１］方向及び［０，１，−１］方向の何れか一方に偏光した入射光のみを通過させる。
【０１８３】
画素部１１４は、ＱＤＩＰアレイ１１１の上に結像された赤外線を受光し、波長λ１，λ２に於ける赤外線強度を検出し、画像信号を発生する。
【０１８４】
次に、画像信号生成ユニット１１２は、垂直及ぶ水平レジスタ１１６，１２０を動作させて、画像信号を画素毎に読み出し、外部回路に出力する（Ｓ１）。尚、偏光ユニット９６の偏光方向が変わると、波長λ１，λ２に基づく画像信号が出力される出力ラインが入れ替わる。
【０１８５】
出力ライン１，２には外部回路が接続されており、画素毎に読み出した画像信号を処理する。この外部回路は、まず、ＱＤＩＰが発生する暗電流を、画像信号から除去する（オフセット補正）と各画素ごとの感度を補正する（Ｓ２）。
【０１８６】
更に、外部回路は、大気による赤外線の透過特性を考慮して、オフセットと感度補正後の画像信号と、記録媒体に予め記録しておいた検出目的物の赤外線放射特性（偏光特性も含む）を比較して、検出した赤外線が検出目的対象物からのものであるか否かを識別する（Ｓ３）。この際、外部回路は、ＱＤＩＰアレイ１１１の上に結像された画像データから、雲や海面による太陽光の反射すなわちクラッタを除去する。尚、検出目的物の赤外線放射特性は、その温度によって波長依存性が変化する。従って、複数の波長で、赤外線を検出することが重要である。
【０１８７】
最後に、外部回路は、ＱＤＩＰアレイ１１１の上に結像された画像データと共に、上記判定結果を出力する（Ｓ４）。
【０１８８】
すなわち、本実施の形態によれば、製造が容易でその再現が高い、実施の形態１に係る量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ２４）を用いて、赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を形成することができる。
【０１８９】
更に、２波長を検出するＱＤＩＰ２４（実施の形態１）に代えて４波長を検出するＱＤＩＰ８６（実施の形態４）を用いると、４波長の赤外線が検出可能な赤外線イメージセンサを形成することができる。この場合、実施の形態２の説明及び図１２から明らかなように、ＱＤＩＰアレイ１１１を信号読出回路に接続するための配線数を増やす必要はない。
【０１９０】
すなわち、本実施の形態によれば、４波長の検出が可能な実施の形態２に係る量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ２４）を用いて、配線数の少ない赤外線検出装置（赤外線イメージサ）を形成することも可能である。
【０１９１】
すなわち、本実施の形態によれば、ＱＤＩＰに接続される配線の数が少なくて済む、赤外線検出装置（赤外線イメージセンサ）を形成することができる。
【０１９２】
（実施の形態６）
本実施の形態は、実施の形態１に係るＱＤＩＰ２４の製造方法に関するものである。
【０１９３】
以下、図５及び図２を参照して、ＱＤＩＰ２４の製造方法を説明する。
【０１９４】
（Ｉ）結晶成長
最初に、ＱＤＩＰ２４となる半導体積層構造を、分子線エピタキシー法により成長する。
【０１９５】
（ｉ）下部電極層
まず、基板温度６００ ℃で、半絶縁性ＧａＡｓ基板３の上に、厚さ１０００ ｎｍ のｎ型ＧａＡｓからなる下部電極層４を成長する（図５参照）。ドーパントはＳｉを用い、その密度は２×１０１８ ／ ｃｍ３とする。
【０１９６】
（ｉｉ）第１の光電変換層
次に、第１の光電変換層２６を成長する（図２参照）。
【０１９７】
まず、膜厚１００ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層からなる中間層３０を成長する。この中間層３０を成長する間に、基板温度を、楕円形の量子ドットを成長するために適した４５０ ℃に低下させる。尚、円形の量子ドットを成長するための基板温度は、５００℃である。
【０１９８】
次に、分子線の種類及び強度を、Ｉｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓが０． １ 原子層／秒で成長するように設定する。この状態で、中間層３０の上に、Ｉｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓを２原子層分成長する。すると、Ｉｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓの膜厚が臨界膜厚を超え、３次元成長が開始し、量子ドットが形成される。
【０１９９】
Ｉｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓは、ＧａＡｓ基板３に対して格子定数が整合していない。このため、成長膜厚が一定の厚さ（臨界膜厚）を超えると、Ｉｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓは、成長膜内部に蓄積した圧縮歪によって、３次元成長を開始し、量子ドット３２が形成される（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモードによるドット形成）。尚、Ａｓの供給源としては、Ａｓ４分子線を用いる。
【０２００】
次に、１００ ｎｍ のｉ型ＧａＡｓからなる中間層３４を、量子ドット３２の上に成長する。
【０２０１】
以後、量子ドット３６と中間層３８の成長を４回繰り返し、５層構造の量子ドット構造を成長する（図２参照）。
【０２０２】
以上の様にして成長した量子ドットの平面形状は楕円形であり、その長軸方向は約２０ｎｍであり、短軸方向は１５ｎｍである。また、長軸方向は、ＧａＡｓ基板３の［０，１，−１］方向を向いている。一方、短軸方向は、［０，１，１］方向を向いている。
【０２０３】
この量子ドットの基底準位から、［０，１，１］方向の閉じ込めに基づく励起準位への光遷移は、波長８μｍ（λ１）の赤外線によって発生する。一方、基底準位から、［０，１，−１］方向の閉じ込めに基づく励起準位への光遷移は、波長１０．５μｍ（λ２）の赤外線によって発生する。
【０２０４】
尚、基板温度は、最後の中間層３８を成長する間に６００℃に上昇させる。
【０２０５】
（ｉｉｉ）共通電極層
次に、基板温度６００ ℃で、半絶縁性ＧａＡｓ基板３の上に、厚さ１０００ ｎｍ のｎ型ＧａＡｓからなる共通電極層８を成長する（図５参照）。
【０２０６】
この共通電極８を成長する途中で、一旦Ｇａ分子線の供給を停止し、Ａｓ分子線のみを成長中のＧａＡｓの表面に照射する。するとＧａＡｓの表面は、Ａｓによって終端される。
【０２０７】
このＡｓで終端されたＧａＡｓの表面に、Ｓｉ又はＧｅを偶数原子層成長して挿入層５２を形成する（図５参照）。この間も成長中の半導体層にＡｓ分子線を照射し続け、Ｓｉ又はＧｅからなる原子層の表面をＡｓ原子で覆う。
【０２０８】
その後、再びＧａ分子線の供給を開始すると、それまで成長してきた半導体層とは副格子の原子種が交換したＧａＡｓ層の成長が開始する（副格子交換エピタキシー）。このような副格子交換は、［１，０，０］軸の周りの９０°回転操作と等価である。
【０２０９】
尚、Ｓｉ及びＧｅは、ＧａＡｓに対してｎ型のドーパントとして作用する。しかし、Ｓｉ及びＧｅからなる挿入層５２は、ｎ型のＧａＡｓからなる共通電極層８の内部に形成されるので、量子ドット構造が形成される第１及び第２の光電変換層２６，２８の電子状態に殆ど影響を及ぼさない。尚、挿入層５２を設ける位置は、共通電極８の内部であれば何処でもよく、又は、共通電極８に接する位置であってもよい。
【０２１０】
（ｉｖ）第２の光電変換層
次に、第２の光電変換層２８を、第１の光電変換層２６と同じように成長する。
【０２１１】
但し、第２の光電変換層２８は、第１の光電変換層２６に対して副格子交換しているので、量子ドットは［１，０，０］軸の周りに９０°回転した状態で形成される。
【０２１２】
すなわち、その長軸方向は、ＧａＡｓ基板３の［０，１，１］方向を向いている。一方、その短軸方向は、ＧａＡｓ基板３の［０，１，−１］方向を向いている。
【０２１３】
この量子ドットの基底準位から、ＧａＡｓ基板３の［０，１，１］方向の閉じ込めに基づく励起準位への光遷移は波長１０．５μｍ（λ２）の赤外線によって発生する。一方、基底準位から、ＧａＡｓ基板３の［０，１，−１］方向の閉じ込めに基づく励起準位への光遷移は波長８．０μｍ（λ１）の赤外線によって発生する。
【０２１４】
（ｖ）上部電極層
次に、基板温度６００ ℃で、第２の光電変換層２８の上に、厚さ１０００ ｎｍ のｎ型ＧａＡｓからなる共通電極層１２を成長する（図５参照）。ドーパントはＳｉを用い、その密度は２×１０１８ ／ ｃｍ３とする。
【０２１５】
以上の結晶成長工程により、半絶縁性のＧａＡｓ基板３の上に、ＱＤＩＰとなる半導体積層構造が形成される。
【０２１６】
（ＩＩ）加 工
このように成長した半導体積層構造に対して、下部電極層４までの削掘と、共通電極層８までの削掘を行い、その後、上部電極層１２、共通電極層８、下部電極層４夫々に電極を形成する。
【０２１７】
これらの工程は、例えば、周知のリソグラフィー、ドライエッチング、及び金属蒸着法などを用いて行う。電極としては、例えば、ＡｕＧｅ／Ａｕ電極を形成する。
【０２１８】
これらの工程により、実施の形態１で説明したＱＤＩＰ２４が完成する。
【０２１９】
（実施の形態７）
本実施の形態は、実施の形態４に係るＱＤＩＰ９４の製造方法に関するものである。
【０２２０】
本実施の形態の製造法は、実施の形態６で説明したＱＤＩＰ２４の製造方法と殆ど同じである。但し、第２の光電変換層１００を成長する際、中間層３０の上に成長するＩｎ０．６Ｇａ０．４Ａｓを２原子層分より多い２．３原子層分とする点で異なる。
【０２２１】
その他の点は、実施の形態６と同じである。
【図面の簡単な説明】
【０２２２】
【図１】実施の形態１に係わる量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）の構成を説明する断面図である。
【図２】実施の形態１に係わる量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）の光電変換層の構成を説明する要部断面図である。
【図３】光電変換層を構成する量子ドットの平面形状を説明する図である。
【図４】副格子交換によるＧａＡｓ格子の空間反転を説明する図である。
【図５】副格子交換操作によって形成された量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）の構成を説明する断面図である。
【図６】副格子交換操作によって形成された量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）における、光電変換層に形成された量子ドットと結晶方位の関係を説明する図である。
【図７】楕円形の量子ドットの量子準位を説明する図である。
【図８】楕円形の量子ドットからなる光電変換層の分光感度スペクトルを説明する図である。
【図９】楕円形の量子ドットの長軸方向に偏光した光を入射した場合の、光電変換層の感度スペクトルを説明する図である。
【図１０】楕円形の量子ドットの短軸方向に偏光した光を入射した場合の、光電変換層の感度スペクトルを説明する図である。
【図１１】偏光入射光に対する量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）の動作を説明する図である。
【図１２】実施の形態２に係る赤外線検出装置の構成を説明する図である。
【図１３】実施の形態３に係る量子ドット赤外線光検出器（ＱＤＩＰ）の構成を説明する図である。
【図１４】実施の形態３に係るＱＤＩＰに設けられた回折格子を説明する図である。
【図１５】実施の形態４に係る赤外線検出装置の構成を説明する図である。
【図１６】実施に形態５に係る赤外線イメージセンサの要部斜視図である。
【図１７】ＱＤＩＰアレイと信号読出回路からなる画像信号生成ユニットの主要部を説明するブロック図である。
【図１８】画像信号生成ユニットを構成する画素部のブロック図である。
【図１９】ＱＤＩＰアレイが信号読出回路に実装された状態を説明する断面図である。
【図２０】赤外線イメージセンサによる信号処理を説明する図である。
【図２１】従来のＱＤＩＰの構成を説明する断面図である。
【符号の説明】
【０２２３】
２・・・従来のＱＤＩＰ ３・・・半導体基板 ４・・・下側電極層
６・・・第１の光電変換層（従来技術） ８・・・共通電極層
１０・・・第２の光電変換層（従来技術）
１２・・・上部電極層 １４，１６，１８・・・配線
２０，２２・・・入射光 ２４・・・ＱＤＩＰ（実施の形態１及び２）
２６・・・第１の光電変換層 ２８・・・第２の光電変換層
３０，３４，３８・・・中間層 ３２，３６・・・量子ドット
３５・・・第１層目の量子ドット層
４０・・・第１の量子ドット
４２・・・量子ドットの長軸方向（第１の光電変換層）
４４・・・第２の量子ドット
４６・・・量子ドットの長軸方向（第２の光電変換層）
４８・・・空間反転前のＧａＡｓ ５０・・・空間反転後のＧａＡｓ
５２・・・挿入層 ５４・・・Ｇａ原子 ５６・・・Ａｓ原子
５８・・・Ｓｉ原子
６１・・・量子ドットの長軸 ６２・・・量子ドットの短軸
６４・・・［０，１，−１］方向の閉じ込めに基づく量子準位
６６・・・［０，１，１］方向の閉じ込めに基づく量子準位
６８・・・基底準位 ７０・・・電子 ７２・・・感度スペクトル
７４・・・（偏光した）入射光 ７６・・・入射光の偏光方向
７８・・・入射光 ８０・・・光入射面
８２・・・第１の赤外線（波長λ１） ８４・・・第２の赤外線（波長λ２）
８６・・・赤外線検出装置（実施の形態２）
８８・・・偏光ユニット
９０・・・偏光ユニットを通過した赤外線
９１・・・ＱＤＩＰ（実施の形態３）
９２・・・赤外線検出装置（実施の形態４）
９３・・・回折格子 ９３´・・・偏光子
９４・・・ＱＤＩＰ（実施の形態４）
９５・・・赤外線の進行方向
９６・・・偏光方向が変更可能な偏光ユニット
９７・・・赤外線の電界成分の方向
９８・・・第１の光電変換層（実施の形態４）
１００・・・第２の光電変換層（実施の形態４）
１０２・・・偏光子の中心軸 １０４・・・入射光（赤外線）
１０６・・・［０，１，１］方向に偏光した第１の赤外線
１０８・・・［０，１，−１］方向に偏光した第２の赤外線
１１０・・・赤外線イメージセンサ １１１・・・ＱＤＩＰアレイ
１１２・・・画像信号生成ユニット １１３・・・信号読出回路
１１４・・・画素部 １１６・・・垂直シフトレジスタ
１１８，１２２・・・スイッチ １２０・・・水平シフトレジスタ
１２４・・・キャパシタ １２６・・・ＭＯＳトランジスタ
１２８・・・接地配線 １３０・・・ソース
１３２・・・インジウムバンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された、導電性の半導体からなる第１の電極層と、
前記第１の電極層の上に形成された前記第１の光電変換層と、
前記第１の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第２の電極層と、
前記第２の電極層の上に形成された、第２の光電変換層と、
前記第２の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第３の電極層からなる、
赤外線を電気信号に変換する光半導体装置において、
前記第１の光電変換層が、前記半導体基板の主面に投影した形状が、第１の方向に長軸を有する第１の量子ドットから成り、
前記第２の光電変換層が、前記主面に投影した形状が、前記第１の方向に交差する第２の方向に長軸を有する第２の量子ドットから成ることを
特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光半導体装置において、
前記第１の光電変換層を構成する第１の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有し、
前記第２の光電変換層を構成する第２の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有し、
前記第２の半導体層が、
前記第１の半導体層を構成する第１の副格子の占有原子種と、前記第１の半導体層を構成する第２の副格子の占有原子種を交換した結晶構造を有することを
特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置において、
前記第１の量子ドットの大きさ及び形状が、前記第２の量子ドットの大きさ及び形状と同じであることを
特徴とする光半導体装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置において、
前記第１及び第２の量子ドットの大きさ及び形状の何れか一方又は双方が、前記第１の量子ドットと第２の量子ドットの間で異なることを
特徴とする光半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光半導体装置と、
前記第１の方向又は第２の方向に偏光する光のみを、前記光半導体装置の光入射面に照射する偏光ユニットを具備した
赤外線検出装置。
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された、導電性の半導体からなる第１の電極層と、
前記第１の電極層の上に形成された前記第１の光電変換層と、
前記第１の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第２の電極層と、
前記第２の電極層の上に形成された、第２の光電変換層と、
前記第２の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第３の電極層からなる、
赤外線を電気信号に変換する光半導体装置において、
前記第１の光電変換層が、前記半導体基板の主面に投影した形状が、第１の方向に長軸を有する第１の量子ドットから成り、
前記第２の光電変換層が、前記主面に投影した形状が、前記第１の方向に交差する第２の方向に長軸を有する第２の量子ドットから成ることを
特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光半導体装置において、
前記第１の光電変換層を構成する第１の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有し、
前記第２の光電変換層を構成する第２の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有し、
前記第２の半導体層が、
前記第１の半導体層を構成する第１の副格子の占有原子種と、前記第１の半導体層を構成する第２の副格子の占有原子種を交換した結晶構造を有することを
特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置において、
前記第１の量子ドットの大きさ及び形状が、前記第２の量子ドットの大きさ及び形状と同じであることを
特徴とする光半導体装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置において、
前記第１及び第２の量子ドットの大きさ及び形状の何れか一方又は双方が、前記第１の量子ドットと第２の量子ドットの間で異なることを
特徴とする光半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光半導体装置と、
前記第１の方向又は第２の方向に偏光する光のみを、前記光半導体装置の光入射面に照射する偏光ユニットを具備した
赤外線検出装置。
【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１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【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１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２００９−２３１３６４（Ｐ２００９−２３１３６４Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７２０２１（Ｐ２００８−７２０２１）
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、防衛省、「２波長赤外線センサ（その１）」試作研究請負契約、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１９日（２００８．３．１９）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１９年度、防衛省、「２波長赤外線センサ（その１）」試作研究請負契約、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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