光検知器
【課題】光検知器において、輸送効率を低下させずに、量子ドットの束縛準位へのキャリア供給を十分に行なえるようにして、十分に高い検知効率が得られるようにする。
【解決手段】光検知器を、量子ドット１と、量子ドット１を挟む障壁層２，３とを備える複数の量子ドット層４を含む光検知素子５と、光検知素子５を駆動する駆動回路６とを備えるものとし、駆動回路６を、入射する光に応じて光検知素子５に流れる電流を検知する検知期間以外の期間に、電流とは異なる電流を光検知素子５に流すためのキャリア供給回路を含むものとする。
【解決手段】光検知器を、量子ドット１と、量子ドット１を挟む障壁層２，３とを備える複数の量子ドット層４を含む光検知素子５と、光検知素子５を駆動する駆動回路６とを備えるものとし、駆動回路６を、入射する光に応じて光検知素子５に流れる電流を検知する検知期間以外の期間に、電流とは異なる電流を光検知素子５に流すためのキャリア供給回路を含むものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドットを備える光検知器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、量子ドットを備える光検知器としては、例えば、量子ドット型赤外線検知器がある。
量子ドット型赤外線検知器は、例えば、ＩｎＡｓ量子ドットがＡｌＧａＡｓ障壁層で挟み込まれた構造を有する。通常、赤外線を検知する検知効率を高めるために、量子ドットを障壁層で挟み込んで構成される量子ドット層を複数積層させるようにしている。
【０００３】
そして、量子ドット層の積層構造をｎ型ＧａＡｓ電極層（コンタクト層）で挟み込み、これらのｎ型ＧａＡｓ電極層に取り付けられた電極間に電位差を与え、外部から入射する赤外線に応じて流れる電流を検知するようになっている。
このような量子ドット型赤外線検知器では、図１０に示すように、外部から赤外線が入射すると、量子ドットの伝導帯側の量子準位に束縛されている電子が、サブバンド間励起される。電極間に電位差が与えられているため、ある量子ドットで赤外線によってサブバンド間励起された電子は、高電位側の電極まで輸送され、電流が流れることとなる。そして、この電流を検知することで、外部から入射する赤外線を検知することができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２２７７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のような量子ドット型赤外線検知器の性能は、赤外線の入射量に対して発生する電流量で表される検知効率で決まる。
検知効率は、量子ドットの量子準位に束縛されているキャリア量やサブバンド間励起されたキャリアの電極までの輸送効率に関係する。このため、高性能な量子ドット型光検知器を実現するためには、キャリア量と輸送効率を共に高めることが必要となる。
【０００６】
上述のような量子ドット型赤外線検知器では、電位差を設けてある電極間に流れる電流によって、量子ドットの量子準位へ電子が供給される。これは、図１１に示すように、電流成分である電子が、量子ドットを通過する際にフォノンを放出するなどより束縛準位へ緩和することによって起こる。
しかしながら、一般的な量子ドットでは、３次元方向に量子閉じ込めがなされていることから量子準位の離散化が進んでいる。このため、緩和確率は十分に高くはなく、束縛準位への電子供給は不十分な状態にある。したがって、十分に高い検知効率が得られていない。
【０００７】
そこで、電子供給が十分な状態にするために、図１２に示すように、量子ドットを挟み込む障壁層のうち高電位側の障壁層のエネルギ障壁を高くし、電極間を流れる電子を量子ドットの位置で停留させ、緩和確率を高くすることが考えられる。
しかしながら、このような構造では、一の量子ドット層よりも低電位側に位置する量子ドット層（図１２中、左の方向にある別の量子ドット層）においてサブバンド間励起された電子も、一の量子ドット層の近傍で停留してしまうことになる。このため、高電位側の電極への電子の輸送効率が低下してしまうことになる。したがって、このような構造においても十分に高い検知効率が得られないと考えられる。
【０００８】
なお、上述のような量子ドット型赤外線検知器とは反対の導電型を持ち、キャリアが正孔である量子ドット型赤外線検知器においても同様の課題がある。
そこで、輸送効率を低下させずに、量子ドットの束縛準位へのキャリア供給を十分に行なえるようにして、十分に高い検知効率が得られるようにしたい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本光検知器は、量子ドットと、量子ドットを挟む障壁層とを備える複数の量子ドット層を含む光検知素子と、光検知素子を駆動する駆動回路とを備え、駆動回路が、入射する光に応じて光検知素子に流れる電流を検知する検知期間以外の期間に、電流とは異なる電流を光検知素子に流すためのキャリア供給回路を含むことを要件とする。
【発明の効果】
【００１０】
本光検知器によれば、輸送効率を低下させずに、量子ドットの束縛準位へのキャリア供給を十分に行なうことができ、十分に高い検知効率が得られるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の構成を示す模式的断面図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の赤外線検知素子を構成する量子ドット層の伝導帯のエネルギーバンド図であり、（Ａ）はバイアス電圧を印加していない状態、（Ｂ）は一の向きにバイアス電圧Ｖ１（Ｖ１＞０）を印加した状態、（Ｃ）は逆向きにバイアス電圧Ｖ２（Ｖ２＜０）を印加した状態を示している。
【図３】第１実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の駆動回路の構成を示す図である。
【図４】第１実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の駆動回路の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図５】キャリア供給回路を備えない駆動回路の構成を示す図である。
【図６】キャリア供給回路を備えない駆動回路の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図７】（Ａ）〜（Ｃ）は、第２実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の赤外線検知素子を構成する量子ドット層の伝導帯のエネルギーバンド図であり、（Ａ）はバイアス電圧を印加していない状態、（Ｂ）は一の向きにバイアス電圧Ｖ１（Ｖ１＞０）を印加した状態、（Ｃ）は同じ向きで異なる値のバイアス電圧Ｖ２（Ｖ２＞０かつＶ２＜Ｖ１）を印加した状態を示している。
【図８】第３実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の構成を示す模式的断面図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は、第３実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の赤外線検知素子を構成する量子ドット層の伝導帯のエネルギーバンド図であり、（Ａ）はバイアス電圧を印加していない状態、（Ｂ）は一の向きにバイアス電圧Ｖ１（Ｖ１＞０）を印加した状態、（Ｃ）は逆向きにバイアス電圧Ｖ２（Ｖ２＜０）を印加した状態を示している。
【図１０】量子ドット型赤外線検知器の原理を説明するための図である。
【図１１】量子ドットの束縛準位への電子の供給を説明するための図である。
【図１２】本発明の課題を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面により、本実施形態にかかる光検知器について説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態にかかる光検知器について、図１〜図６を参照しながら説明する。
本実施形態では、本発明を、例えば赤外線の入射量に応じて光電流を発生しうる赤外線検知器であって、量子ドットを赤外線吸収部として用いる量子ドット型赤外線検知器（Quantum Dot Infrared Photodetector；ＱＤＩＰ）に適用した場合を例に説明する。
【００１３】
本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器（撮像デバイス）は、例えば図１に示すように、量子ドット１と、量子ドット１を挟む障壁層２，３とを備える複数の量子ドット層４を含む赤外線検知素子（光検知素子）５と、赤外線検知素子５を駆動する駆動回路６（駆動機構）とを備える。
本実施形態では、赤外線検知素子５は、ＧａＡｓ基板７上に、下部ｎ型ＧａＡｓ電極層８（コンタクト層）、ＩｎＡｓ量子ドット１の上下をＡｌＧａＡｓ障壁層２，３で挟み込んでなる複数の量子ドット層４、上部ｎ型ＧａＡｓ電極層９（コンタクト層）を積層した構造になっている。つまり、下部ＡｌＧａＡｓ障壁層２上に形成されたＩｎＡｓ量子ドット１を上部ＡｌＧａＡｓ障壁層３によって埋め込むことによって各量子ドット層４が形成されており、これらの量子ドット層４を挟み込むように両側にｎ型ＧａＡｓ電極層８，９が設けられている。また、下部ｎ型ＧａＡｓ電極層８及び上部ｎ型ＧａＡｓ電極層９には、それぞれ、ＡｕＧｅ／Ａｕ電極１０，１１が取り付けられている。そして、これらの電極１０，１１は駆動回路６に接続されている。
【００１４】
ここでは、ＩｎＡｓ量子ドット１は、分子線エピタキシャル装置で自己組織化形成法によって形成されるため、成長方向に対して垂直な面内に分布する。そして、赤外線の検知効率を高めるために、この面内に分布したＩｎＡｓ量子ドット１を含む量子ドット層４を複数積層している。
特に、本実施形態では、一の量子ドット層４を構成する両側のＡｌＧａＡｓ障壁層２，３、即ち、ＩｎＡｓ量子ドット１を挟む一側及び他側のＡｌＧａＡｓ障壁層２，３は、ＡｌとＧａの組成を連続的に変化させた材料からなる。
【００１５】
具体的には、ＡｌＧａＡｓ障壁層２，３は、入射する赤外線に応じて赤外線検知素子５に流れる電流を検知する検知期間に一の向きにバイアス電圧を印加した場合に低電位側となる面がＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなり、高電位側となる面がＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるようにしている。そして、これらの面の間の中間部分が、両側を構成する材料のＡｌ組成及びＧａ組成を連続的に変化させたＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．２＜ｘ＜０．３）からなるようにしている。つまり、ＡｌＧａＡｓ障壁層２，３は、低電位側となる面がＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ａｓからなり、高電位側となる面がＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓからなり、低電位側から高電位側へ向けてＡｌ組成を０．２０から０．３０まで連続的に変化させた傾斜組成ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．２≦ｘ≦０．３）障壁層である。
【００１６】
なお、本実施形態では、構成元素が同一で組成が異なるものは、異なる材料とする。このため、量子ドット１の一側及び他側の障壁層２，３は、互いに異なる材料からなることになる。
このようにして、本実施形態では、図２（Ａ）に示すように、伝導帯エネルギーバンド構造において、一の量子ドット層４を構成する量子ドット１の一側の障壁層２のエネルギ障壁が、バイアス電圧を印加していない状態で、量子ドット１の他側の障壁層３のエネルギ障壁よりも高くなるようにしている。つまり、一の量子ドット層４［図２（Ａ）中、右側］を構成する量子ドット１の検知期間に低電位となる側［図２（Ａ）中、左側］の障壁層２のエネルギ障壁が、バイアス電圧を印加していない状態で、量子ドット１の検知期間に高電位となる側［図２（Ａ）中、右側］の障壁層３のエネルギ障壁よりも高くなるようにしている。なお、図２（Ａ）では、障壁層２，３の組成が連続的に変化することによって、障壁層２，３の伝導帯端のエネルギーレベルが連続的に変化している様子を示している。このように、量子ドット１を挟む両側の障壁層２，３のエネルギ障壁の高さが非対称性を有するものとなっている。
【００１７】
このように構成することによって、図２（Ｂ）に示すように、検知期間に一の向きにバイアス電圧を印加した場合に、一の量子ドット層４［図２（Ｂ）中、右側］よりも低電位側に位置する量子ドット層４Ａ［図２（Ｂ）中、左側］においてサブバンド間励起された電子は、一の量子ドット層４の近傍においてエネルギ障壁と感じるものがないため、停留が起こりにくくなる。この結果、一の量子ドット層４よりも低電位側に位置する量子ドット層４Ａにおいてサブバンド間励起された電子の高電位側の電極への輸送効率は十分に高い状態に維持される。
【００１８】
また、障壁層２，３が、組成を連続的に変化させた材料によって構成されているため、検知期間に一の向きにバイアス電圧を印加した場合に、低電位側から高電位側へ流れる電子にとって、不連続な障壁が現れない。このため、障壁層２，３の部分においてもエネルギ障壁と感じるものがなく、輸送効率が低下するのを回避することができる。この結果、上述のように、量子ドット１を挟む両側の障壁層２，３のエネルギ障壁の高さが非対称になっているものにおいても輸送効率を十分に高い状態に維持することができる。
【００１９】
ところで、赤外線検知器では、入射する赤外線に応答して流れる電流を検知する検知期間以外に、これを読み出す読出期間が必要になる。通常、この読出期間には赤外線検知素子に流れる電流は制御されていない（図６参照）。
これに対し、本実施形態では、量子ドット１の束縛準位へのキャリア供給を十分に行なえるようにすべく、検知期間以外の期間（ここでは読出期間）に、検知期間に印加するバイアス電圧の向きと逆向きのバイアス電圧を印加するようにしている。これにより、検知期間以外の期間に、検知期間に流れる電流とは逆向きの電流が赤外線検知素子５に流れることになる。
【００２０】
このように、検知期間以外の期間に他の向きにバイアス電圧を印加した場合、図２（Ｃ）に示すように、低電位側［図２（Ｃ）中、右側］から高電位側［図２（Ｃ）中、左側］へ流れる電子は、量子ドット１を挟む両側の障壁層２，３のうち高電位側の障壁層２のエネルギ障壁が低電位側の障壁層３のエネルギ障壁よりも高いため、これを障壁と感じ、量子ドット１の近傍において停留することになる。これにより、緩和確率が高くなり、量子ドット１の束縛準位への電子の供給が十分に行なえることになる。
【００２１】
特に、本実施形態では、検知期間と検知期間との間にある読出期間に、検知期間に印加するバイアス電圧の向きと逆向きのバイアス電圧を印加するようにしている。これにより、読出期間の直後に検知期間がくることになるため、量子ドットの束縛準位に電子が十分に供給された状態で検知期間を開始することができる。
このため、本実施形態では、図３に示すように、駆動回路６が、検知期間以外の期間に、検知期間に流れる電流とは向きが異なる電流を赤外線検知素子５に流すためのキャリア供給回路１２（電流切替回路）を含む。
【００２２】
具体的には、駆動回路６は、図３に示すように、蓄積容量Ｃと、蓄積容量Ｃを赤外線検知素子５に接続するためのスイッチＧ１と、蓄積容量Ｃをバイアス電源（一の向きのバイアス電圧Ｖ１；Ｖ１＞０）に接続するためのスイッチＧ０とを備える。そして、蓄積容量Ｃ、スイッチＧ１、スイッチＧ０のそれぞれの端子を接続した接点Ｘ（電圧Ｖ０）に出力端子（ＯＵＴ端子）が接続されている。
【００２３】
特に、本実施形態では、スイッチＧ１と赤外線検知素子５との間にスイッチＧ２が接続されており、このスイッチＧ２を介して、赤外線検知素子５とバイアス電源（逆向きのバイアス電圧Ｖ２；Ｖ２＜０）とが接続されるようになっている。このように、駆動回路６は、検知期間以外の期間に、検知期間に印加するバイアス電圧とは極性が異なる電圧を赤外線検知素子５に印加するためのスイッチＧ２を含むキャリア供給回路１２を備える。
【００２４】
次に、本赤外線検知器の動作について、図４を参照しながら説明する。
まず、検知期間の動作について説明する。
図４に示すように、検知期間において、コントローラからの指令に基づいて、スイッチＧ０はＯＦＦにされ、スイッチＧ１はＯＮにされる。
つまり、検知期間の開始時点でスイッチＧ１がＯＮにされる。これにより、蓄積容量Ｃの両端に印加されている電圧Ｖ０（Ｖ０＞０）が赤外線検知素子５に加わり、赤外線検知素子５に正の電流（図３中、矢印で示す向きの電流Ｉ）が流れる。
【００２５】
検知期間にはスイッチＧ０はＯＦＦにされているため、赤外線検知素子５に流れる電流は蓄積容量Ｃに蓄積されている電荷が流れ出たものとなる。
検知期間が終了する時点では、蓄積容量Ｃに蓄積されている電荷は検知期間の開始時点よりも減少しているため、接点Ｘの電圧Ｖ０は電圧降下を起こしている。
次に、読出期間の動作について説明する。
【００２６】
図４に示すように、読出期間において、コントローラからの指令に基づいて、スイッチＧ１はＯＦＦにされる。また、読出期間の一部の期間において、コントローラからの指令に基づいて、スイッチＧ０はＯＮにされる。
読出期間の開始時点でスイッチＧ１はＯＦＦにされ、接点Ｘの電圧Ｖ０の電圧値が出力端子から読み出される。検知期間に赤外線の入射量に応じて赤外線検知素子５に流れる電流が増加し、これに応じて接点Ｘの電圧Ｖ０の電圧値が変わるため、接点Ｘの電圧Ｖ０の電圧値を読み出すことで、赤外線の入射量を検知することができる。
【００２７】
このようにして接点Ｘの電圧Ｖ０の電圧値を読み出した後、スイッチＧ０はＯＮにされる。これにより、バイアス電源（一の向きのバイアス電圧Ｖ１；電位Ｖ１＞０）から蓄積容量Ｃに電荷が蓄積され、接点Ｘの電圧Ｖ０の電圧値が初めの電圧値に戻る。
そして、読出期間の終了時点でスイッチＧ０はＯＦＦにされる。
このような検知期間の動作及び読出期間の動作は、交互に繰り返されることになる。
【００２８】
さらに、本実施形態では、上述のように、駆動回路６にキャリア供給回路１２が備えられているため、読出期間の動作として、上述の動作に加え、以下のような動作も行なわれる。
つまり、図４に示すように、読出期間において、コントローラからの指令に基づいて、スイッチＧ２はＯＮにされる。これにより、赤外線検知素子５に、検知期間に印加されるバイアス電圧Ｖ１とは逆向きのバイアス電圧Ｖ２（Ｖ２＜０）が加わり、赤外線検知素子５に負の電流（図３中、矢印で示す向きの電流Ｉに対して逆向きの電流）が流れる。この結果、量子ドット１の束縛準位への電子の供給が十分に行なわれる。
【００２９】
なお、読出期間において、コントローラからの指令に基づいて、スイッチＧ１はＯＦＦにされる。このため、駆動回路６にキャリア供給回路１２が備えられていない場合と同様に、上述の読出動作が行われる。
一方、検知期間においては、コントローラからの指令に基づいて、スイッチＧ２はＯＦＦにされる。このため、赤外線検知素子５に流れる電流は、駆動回路６にキャリア供給回路１２が備えられていない場合と同じである。
【００３０】
これに対し、図５に示すように、駆動回路にキャリア供給回路が備えられていない場合には、図６に示すように、検知期間には赤外線検知素子５に電流が流れるのに対し、読出期間には赤外線検知素子５に電流が流れない。このため、量子ドット１の束縛準位への電子の供給が不十分である。
次に、本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の製造方法について説明する。
【００３１】
なお、本量子ドット型赤外線検知器を構成する各結晶層は例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法による結晶成長によって形成される。
まず、例えば分子線エピタキシャル法によって、ＧａＡｓ基板７上に、ｎ型ＧａＡｓ電極層８（コンタクト層）を、例えば基板温度６００℃で成長させる（図１参照）。
ここでは、厚さは例えば１０００ｎｍとし、ｎ型不純物として、例えばＳｉを用い、その濃度は例えば２×１０１８／ｃｍ３としている。
【００３２】
次いで、ｎ型ＧａＡｓ電極層８上に、ＡｌＧａＡｓ障壁層２を成長させる（図１参照）。
ここでは、厚さは例えば５０ｎｍとしている。また、成長中にＡｌ組成比を例えば０．２から例えば０．３まで連続的に変化させて傾斜組成ＡｌＧａＡｓ障壁層を成長させている。このような組成の変化は、例えばＡｌあるいはＧａのセルの温度を時間的に変化させることにより実現することができる。
【００３３】
また、ＡｌＧａＡｓ障壁層２を成長させている間に、基板温度を例えば６００℃から量子ドットの自己組織化形成が起こり得る温度、例えば５００℃まで低下させる。
そして、基板温度を例えば５００℃に維持したまま、成長速度が例えば０．２ＭＬ／ｓ（原子層／秒）となるように、ＩｎＡｓを２ＭＬ供給する。この供給過程でＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増し、ＩｎＡｓが３次元成長してＩｎＡｓ量子ドット１が形成される（自己組織化形成法）（図１参照）。
【００３４】
次に、ＩｎＡｓ量子ドット１を覆うように、例えば厚さ５０ｎｍのＡｌＧａＡｓ障壁層３を成長させる（図１参照）。
ここでは、上述のＡｌＧａＡｓ障壁層２を形成する場合と同様に、成長中にＡｌ組成比を例えば０．２から例えば０．３まで連続的に変化させて傾斜組成ＡｌＧａＡｓ障壁層を成長させている。
【００３５】
その後、上述のようなＩｎＡｓ量子ドット１の形成工程と、ＡｌＧａＡｓ障壁層２，３の形成工程とを、例えば９回繰り返す（図１参照）。
そして、最後のＡｌＧａＡｓ障壁層３を成長させている間に、基板温度を例えば５００℃から例えば６００℃に上昇させる。
次に、例えば基板温度６００℃で、ｎ型ＧａＡｓ電極層９（コンタクト層）を成長させる（図１参照）。
【００３６】
ここでは、厚さは例えば１０００ｎｍとし、ｎ型不純物として、例えばＳｉを用い、その濃度は例えば２×１０１８／ｃｍ３としている。
このようにして、複数の量子ドット層４がｎ型ＧａＡｓ電極層８，９によって挟み込まれた積層構造が形成される（図１参照）。
その後、例えばフォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、基板側に位置するｎ型ＧａＡｓ電極層８までの一部を除去する加工を行なう（図１参照）。
【００３７】
引き続き、例えば金属蒸着法によって、２つのｎ型ＧａＡｓ電極層８，９上に、それぞれ、ＡｕＧｅ／Ａｕ電極１０，１１を形成する（図１参照）。
そして、このようにして形成された２つのＡｕＧｅ／Ａｕ電極１０，１１を、例えばＣＭＯＳなどの駆動回路６に接続する（図１参照）。これにより、図１に示すような量子ドット型赤外線検知器が製造される。
【００３８】
なお、本実施形態では、上述のように、駆動回路６には、ＡｕＧｅ／Ａｕ電極１０，１１間に電位差を加え、その電極間を流れる電流を検知するための配線系統と、その電流とは向きが異なる電流をその電極間に流すための配線系統と、これらの配線系統を切り替えるためのスイッチ（電流切り替え機構）とを設けておく。
したがって、本実施形態にかかる光検知器によれば、輸送効率を低下させずに、量子ドット１の束縛準位へのキャリア供給を十分に行なうことができ、十分に高い検知効率が得られるという利点がある。
【００３９】
つまり、外部より入射した赤外線に対する量子ドット１の応答として発生する電流を検知する機能を有する量子ドット型赤外線検知器において、赤外線検知素子５に含まれる量子ドット層４が非対称性を有し、また、駆動回路６がキャリア供給回路１２を備える。このため、量子ドット１の束縛準位への電子供給が十分に行われた状態から電流を検知する時間が開始され、検知時間においてサブバンド間励起された電子は高電位側の電極へ高い効率で輸送されることとなる。これにより、高い検知効率を持つ量子ドット型赤外線検知器を実現することができる。
［第２実施形態］
第２実施形態にかかる光検知器（量子ドット型赤外線検知器）について、図７を参照しながら説明する。
【００４０】
本実施形態では、上述の第１実施形態のものに対し、赤外線検知素子５のＡｌＧａＡｓ障壁層２，３の構成、駆動回路６に含まれるキャリア供給回路１２の構成が異なる。
つまり、上述の第１実施形態では、駆動回路６が、入射する赤外線に応じて赤外線検知素子５に流れる電流を検知する検知期間以外の期間に、検知時間に流れる電流とは向きが異なる電流を赤外線検知素子５に流すためのキャリア供給回路１２（電流切替回路）を含むようにしている。
【００４１】
これに対し、本実施形態では、駆動回路６が、入射する赤外線に応じて赤外線検知素子５に流れる電流を検知する検知期間以外の期間に、検知時間に流れる電流と向きが同じで値が異なる電流を赤外線検知素子５に流すためのキャリア供給回路１２（電流切替回路）を含むようにしている。
ここでは、上述の第１実施形態の駆動回路６（図３参照）において、スイッチＧ１と赤外線検知素子５との間に接続するスイッチＧ２を介して、赤外線検知素子５とバイアス電源（バイアス電圧Ｖ１の向きと同じ向きで大きさが異なるバイアス電圧Ｖ２；Ｖ２＞０かつＶ２＜Ｖ１）とが接続されるようにしている。このように、駆動回路６は、検知期間以外の期間に、検知期間に印加するバイアス電圧と極性が同じで値が異なる電圧を赤外線検知素子５に印加するためのスイッチＧ２を含むキャリア供給回路１２を備えるものとしている。
【００４２】
この場合、読出期間において、コントローラからの指令に基づいて、スイッチＧ２がＯＮにされると（図４参照）、赤外線検知素子５に、検知期間に印加されるバイアス電圧Ｖ１の向きと同じ向きで大きさが異なるバイアス電圧Ｖ２（Ｖ２＞０かつＶ２＜Ｖ１）が加わり、検知期間に赤外線検知素子５に流れる電流と同じ向きで大きさ（値）の異なる正の電流が流れる。
【００４３】
このように、検知期間以外の期間（読出期間）に、検知期間に印加されるバイアス電圧Ｖ１の向きと同じ向きで大きさが異なるバイアス電圧Ｖ２を印加した場合、図７（Ｃ）に示すように、低電位側［図７（Ｃ）中、左側］から高電位側［図７（Ｃ）中、右側］へ流れる電子は、量子ドット１を挟む両側の障壁層２，３のうち高電位側の障壁層３のエネルギ障壁が低電位側の障壁層２のエネルギ障壁よりも高いため、これを障壁と感じ、量子ドット１の近傍において停留することになる。これにより、緩和確率が高くなり、量子ドット１の束縛準位への電子の供給が十分に行なえることになる。
【００４４】
ところで、上述のように構成する場合、上述の第１実施形態の赤外線検知素子５に対し、ＡｌＧａＡｓ障壁層２，３の構成を変える必要がある。
本実施形態では、ＡｌＧａＡｓ障壁層２，３を、低電位側となる面がＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓからなり、高電位側となる面がＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなり、低電位側から高電位側へ向けてＡｌ組成を０．２５から０．２０まで連続的に変化させた傾斜組成ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．２０≦ｘ≦０．２５）層としている。
【００４５】
これにより、図７（Ａ）に示すように、伝導帯エネルギーバンド構造において、一の量子ドット層４を構成する量子ドット１の一側の障壁層３のエネルギ障壁が、バイアス電圧を印加していない状態で、量子ドット１の他側の障壁層２のエネルギ障壁よりも高くなる。つまり、一の量子ドット層４を構成する量子ドット１の検知期間に高電位となる側［図７（Ａ）中、右側］の障壁層３のエネルギ障壁が、バイアス電圧を印加していない状態で、量子ドット１の検知期間に低電位となる側［図７（Ａ）中、左側］の障壁層２のエネルギ障壁よりも高くなる。なお、図７（Ａ）では、障壁層２，３の組成が連続的に変化することによって、障壁層２，３の伝導帯端のエネルギーレベルが連続的に変化している様子を示している。このように、量子ドット１を挟む両側の障壁層２，３のエネルギ障壁の高さが非対称性を有するものとなる。
【００４６】
このように構成することによって、図７（Ｂ）に示すように、検知期間に一の向きにバイアス電圧を印加した場合に、一の量子ドット層４［図７（Ｂ）中、右側］よりも低電位側に位置する量子ドット層４Ａ［図７（Ｂ）中、左側］においてサブバンド間励起された電子は、一の量子ドット層４の近傍において停留しにくくなる。この結果、一の量子ドット層４よりも低電位側に位置する量子ドット層４Ａにおいてサブバンド間励起された電子の高電位側の電極への輸送効率は十分に高い状態に維持される。
【００４７】
また、障壁層２，３が、組成を連続的に変化させた材料によって構成されているため、検知期間に一の向きにバイアス電圧を印加した場合に、低電位側から高電位側へ流れる電子にとって、不連続な障壁が現れない。このため、障壁層２，３の部分においてもエネルギ障壁と感じるものがなく、輸送効率が低下するのを回避することができる。この結果、上述のように、量子ドット１を挟む両側の障壁層２，３のエネルギ障壁の高さが非対称になっているものにおいても輸送効率を十分に高い状態に維持することができる。
【００４８】
なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる光検知器によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、輸送効率を低下させずに、量子ドット１の束縛準位へのキャリア供給を十分に行なうことができ、十分に高い検知効率が得られるという利点がある。
【００４９】
つまり、外部より入射した赤外線に対する量子ドット１の応答として発生する電流を検知する機能を有する量子ドット型赤外線検知器において、赤外線検知素子５に含まれる量子ドット層４が非対称性を有し、また、駆動回路６がキャリア供給回路１２を備える。このため、量子ドット１の束縛準位への電子供給が十分に行われた状態から電流を検知する時間が開始され、検知時間においてサブバンド間励起された電子は高電位側の電極へ高い効率で輸送されることとなる。これにより、高い検知効率を持つ量子ドット型赤外線検知器を実現することができる。
［第３実施形態］
第３実施形態にかかる光検知器（量子ドット型赤外線検知器）について、図８，図９を参照しながら説明する。
【００５０】
本実施形態では、上述の第１実施形態のものに対し、赤外線検知素子を構成する量子ドット層の障壁層の構成が異なる。
つまり、上述の第１実施形態（図１参照）では、量子ドット１を挟む両側の障壁層２，３を、同一の傾斜組成ＡｌＧａＡｓ障壁層としているのに対し、本実施形態では、図８に示すように、量子ドット１を挟む両側の障壁層２Ａ，３Ａを、組成を変化させずに、互いに異なる材料からなるものとし、２層構造にしている点が異なる。なお、図８では、上述の第１実施形態のものと同一のものには同一の符号を付している。
【００５１】
本実施形態では、量子ドット１を挟む両側の障壁層２Ａ，３Ａのうち、入射する赤外線に応じて赤外線検知素子５に流れる電流を検知する検知期間に一の向きにバイアス電圧を印加した場合に低電位側に位置する障壁層２Ａを、ＡｌＧａＡｓ層（ここではＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層）とし、高電位側に位置する障壁層３Ａを、ＧａＡｓ層としている。このように、量子ドット１の一側及び他側の障壁層２Ａ，３Ａは、互いに異なる材料からなるものとしている。
【００５２】
このようにして、本実施形態では、図９（Ａ）に示すように、伝導帯エネルギーバンド構造において、一の量子ドット層４を構成する量子ドット１の一側の障壁層２Ａのエネルギ障壁が、バイアス電圧を印加していない状態で、量子ドット１の他側の障壁層３Ａのエネルギ障壁よりも高くなるようにしている。つまり、一の量子ドット層４を構成する量子ドット１の検知期間に低電位となる側［図９（Ａ）中、左側］の障壁層２Ａのエネルギ障壁が、バイアス電圧を印加していない状態で、量子ドット１の検知期間に高電位となる側［図９（Ａ）中、右側］の障壁層３Ａのエネルギ障壁よりも高くなるようにしている。このように、量子ドット１を挟む両側の障壁層２Ａ，３Ａのエネルギ障壁の高さが非対称性を有するものとなっている。
【００５３】
このように構成することによって、図９（Ｂ）に示すように、検知期間に一の向きにバイアス電圧を印加した場合に、一の量子ドット層４［図９（Ｂ）中、右側］よりも低電位側に位置する量子ドット層４Ａ［図９（Ｂ）中、左側］においてサブバンド間励起された電子は、一の量子ドット層４の近傍において、停留が起こりにくくなる。この結果、一の量子ドット層４よりも低電位側に位置する量子ドット層４Ａにおいてサブバンド間励起された電子の高電位側の電極への輸送効率は十分に高い状態に維持される。
【００５４】
特に、本実施形態では、上述の第１実施形態の場合と同様に、量子ドット１の束縛準位へのキャリア供給を十分に行なえるようにすべく、検知期間以外の期間（ここでは読出期間）に、検知期間に印加するバイアス電圧の向きと逆向きのバイアス電圧を印加するようにしている。これにより、検知期間以外の期間に、検知期間に流れる電流とは逆向きの電流が赤外線検知素子５に流れることになる。
【００５５】
このように、検知期間以外の期間に他の向きにバイアス電圧を印加した場合、図９（Ｃ）に示すように、低電位側［図９（Ｃ）中、右側］から高電位側［図９（Ｃ）中、左側］へ流れる電子は、量子ドット１を挟む両側の障壁層２Ａ，３Ａのうち高電位側の障壁層２Ａのエネルギ障壁が低電位側の障壁層３Ａのエネルギ障壁よりも高いため、これを障壁と感じ、量子ドット１の近傍において停留することになる。これにより、緩和確率が高くなり、量子ドット１の束縛準位への電子の供給が十分に行なえることになる。
【００５６】
次に、本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の製造方法について説明する。
なお、本量子ドット型赤外線検知器を構成する各結晶層は例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法による結晶成長によって形成される。
まず、ＧａＡｓ基板７上に、ｎ型ＧａＡｓ電極層８（コンタクト層）を、例えば基板温度６００℃で成長させる（図８参照）。
【００５７】
ここでは、厚さは例えば１０００ｎｍとし、ｎ型不純物として、例えばＳｉを用い、その濃度は例えば２×１０１８／ｃｍ３としている。
次いで、ｎ型ＧａＡｓ電極層８上に、ＡｌＧａＡｓ障壁層２Ａを成長させる（図８参照）。
ここでは、厚さは例えば５０ｎｍとし、Ａｌ組成比を例えば０．１とする。また、ＡｌＧａＡｓ障壁層２Ａを成長させている間に、基板温度を例えば６００℃から量子ドット１の自己組織化形成が起こり得る温度、例えば５００℃まで低下させる。
【００５８】
そして、基板温度を例えば５００℃に維持したまま、成長速度が例えば０．２ＭＬ／ｓ（原子層／秒）となるように、ＩｎＡｓを２ＭＬ供給する。この供給過程でＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増し、ＩｎＡｓが３次元成長してＩｎＡｓ量子ドット１が形成される（自己組織化形成法）（図８参照）。
次いで、ＩｎＡｓ量子ドット１を覆うように、例えば厚さ２５ｎｍのＧａＡｓ障壁層３Ａを成長させる（図８参照）。
【００５９】
次に、ＧａＡｓ障壁層３Ａ上にＡｌＧａＡｓ障壁層２Ａを成長させる（図８参照）。ここでは、厚さは例えば２５ｎｍとし、Ａｌ組成比を例えば０．１とする。
その後、上述のようなＩｎＡｓ量子ドット１の形成工程と、ＧａＡｓ障壁層３Ａの形成工程と、ＡｌＧａＡｓ障壁層２Ａの形成工程とを、例えば８回繰り返す（図８参照）。
そして、最後のＩｎＡｓ量子ドット１を形成した後、ＩｎＡｓ量子ドット１を覆うように、例えば厚さ５０ｎｍのＧａＡｓ障壁層３Ａを成長させる（図８参照）。
【００６０】
この最後のＧａＡｓ障壁層３Ａを成長させている間に、基板温度を例えば５００℃から例えば６００℃に上昇させる。
次に、例えば基板温度６００℃で、ｎ型ＧａＡｓ電極層９（コンタクト層）を成長させる（図８参照）。
ここでは、厚さは例えば１０００ｎｍとし、ｎ型不純物として、例えばＳｉを用い、その濃度は例えば２×１０１８／ｃｍ３としている。
【００６１】
このようにして、複数の量子ドット層４がｎ型ＧａＡｓ電極層８，９によって挟み込まれた積層構造が形成される（図８参照）。
その後、例えばフォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、基板側に位置するｎ型ＧａＡｓ電極層までの一部を除去する加工を行なう（図８参照）。
引き続き、例えば金属蒸着法によって、２つのｎ型ＧａＡｓ電極層８，９上に、それぞれ、ＡｕＧｅ／Ａｕ電極１０，１１を形成する（図８参照）。
【００６２】
そして、このようにして形成された２つのＡｕＧｅ／Ａｕ電極１０，１１を、例えばＣＭＯＳなどの駆動回路６に接続する（図８参照）。これにより、図８に示すような量子ドット型赤外線検知器が製造される。
なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００６３】
したがって、本実施形態にかかる光検知器によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、輸送効率を低下させずに、量子ドット１の束縛準位へのキャリア供給を十分に行なうことができ、十分に高い検知効率が得られるという利点がある。
つまり、外部より入射した赤外線に対する量子ドット１の応答として発生する電流を検知する機能を有する量子ドット型赤外線検知器において、赤外線検知素子５に含まれる量子ドット層４が非対称性を有し、また、駆動回路６がキャリア供給回路１２を備える。このため、量子ドット１の束縛準位への電子供給が十分に行われた状態から電流を検知する時間が開始され、検知時間においてサブバンド間励起された電子は高電位側の電極へ高い効率で輸送されることとなる。これにより、高い検知効率を持つ量子ドット型赤外線検知器を実現することができる。
［その他］
なお、量子ドットを挟む両側の障壁層の構成は、上述の各実施形態のものに限られるものではなく、バイアス電圧を印加していない状態で、量子ドットを挟む両側の障壁層のエネルギ障壁の高さが非対称になっていれば良い。
【００６４】
例えば、量子ドットを例えば自己組織化形成法によって形成すると、量子ドット層は基板に垂直な方向に対して非対称な構造になる。これにより、量子ドットを挟む両側の障壁層を異なる材料（組成を連続的に変化させた材料）によって構成しなくても、量子ドットを挟む両側の障壁層のエネルギ障壁の高さが非対称になる。つまり、量子ドットを挟む両側の障壁層を、組成変化のない同じ材料によって構成し、上述の各実施形態のように、駆動回路を、キャリア供給回路を含むものとして構成するだけで、上述の各実施形態の場合と同様の効果が得られる。
【００６５】
また、量子ドットや障壁層を構成する材料は、上述の各実施形態のものに限られるものではなく、例えば、ＩｎＡｓ，ＧａＡｓ，ＡｌＡｓあるいはこれらの混晶によって構成されていれば良い。
また、上述の各実施形態では、アンドープの量子ドット層をｎ型コンタクト層で挟み込むようにしているが、これに限られるものではない。例えば、量子ドット層に不純物を添加しても良い。また、例えば、ｎ型不純物（Ｓｉ）に代えてｐ型不純物（Ｂｅ）を添加して、ｎ型コンタクト層をｐ型コンタクト層にしても良い。この場合、キャリアは正孔になり、価電子帯エネルギーバンド構造を利用することになる。
【００６６】
また、上述の各実施形態では、成長方法として分子線エピタキシャル成長法を用いているが、これに限られるものではなく、例えば有機金属気相成長法(ＭＯＣＶＤ法)や原子層成長法(ＡＬＥ法)などの他の成長方法を用いても良い。
また、上述の各実施形態では、量子ドット層を１０層にしているが、量子ドット層数は任意であり、数層から３０層程度の範囲内で適宜選択すれば良い。
【００６７】
なお、本発明は、上述した各実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 量子ドット
２，２Ａ，３，３Ａ 障壁層
４，４Ａ 量子ドット層
５ 赤外線検知素子（光検知素子）
６ 駆動回路
７ ＧａＡｓ基板
８ ｎ型ＧａＡｓ電極層
９ ｎ型ＧａＡｓ電極層
１０，１１ ＡｕＧｅ／Ａｕ電極
１２ キャリア供給回路
Ｃ 蓄積容量
Ｇ０ スイッチ
Ｇ１ スイッチ
Ｇ２ スイッチ
Ｘ 接点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドットを備える光検知器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、量子ドットを備える光検知器としては、例えば、量子ドット型赤外線検知器がある。
量子ドット型赤外線検知器は、例えば、ＩｎＡｓ量子ドットがＡｌＧａＡｓ障壁層で挟み込まれた構造を有する。通常、赤外線を検知する検知効率を高めるために、量子ドットを障壁層で挟み込んで構成される量子ドット層を複数積層させるようにしている。
【０００３】
そして、量子ドット層の積層構造をｎ型ＧａＡｓ電極層（コンタクト層）で挟み込み、これらのｎ型ＧａＡｓ電極層に取り付けられた電極間に電位差を与え、外部から入射する赤外線に応じて流れる電流を検知するようになっている。
このような量子ドット型赤外線検知器では、図１０に示すように、外部から赤外線が入射すると、量子ドットの伝導帯側の量子準位に束縛されている電子が、サブバンド間励起される。電極間に電位差が与えられているため、ある量子ドットで赤外線によってサブバンド間励起された電子は、高電位側の電極まで輸送され、電流が流れることとなる。そして、この電流を検知することで、外部から入射する赤外線を検知することができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２２７７４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述のような量子ドット型赤外線検知器の性能は、赤外線の入射量に対して発生する電流量で表される検知効率で決まる。
検知効率は、量子ドットの量子準位に束縛されているキャリア量やサブバンド間励起されたキャリアの電極までの輸送効率に関係する。このため、高性能な量子ドット型光検知器を実現するためには、キャリア量と輸送効率を共に高めることが必要となる。
【０００６】
上述のような量子ドット型赤外線検知器では、電位差を設けてある電極間に流れる電流によって、量子ドットの量子準位へ電子が供給される。これは、図１１に示すように、電流成分である電子が、量子ドットを通過する際にフォノンを放出するなどより束縛準位へ緩和することによって起こる。
しかしながら、一般的な量子ドットでは、３次元方向に量子閉じ込めがなされていることから量子準位の離散化が進んでいる。このため、緩和確率は十分に高くはなく、束縛準位への電子供給は不十分な状態にある。したがって、十分に高い検知効率が得られていない。
【０００７】
そこで、電子供給が十分な状態にするために、図１２に示すように、量子ドットを挟み込む障壁層のうち高電位側の障壁層のエネルギ障壁を高くし、電極間を流れる電子を量子ドットの位置で停留させ、緩和確率を高くすることが考えられる。
しかしながら、このような構造では、一の量子ドット層よりも低電位側に位置する量子ドット層（図１２中、左の方向にある別の量子ドット層）においてサブバンド間励起された電子も、一の量子ドット層の近傍で停留してしまうことになる。このため、高電位側の電極への電子の輸送効率が低下してしまうことになる。したがって、このような構造においても十分に高い検知効率が得られないと考えられる。
【０００８】
なお、上述のような量子ドット型赤外線検知器とは反対の導電型を持ち、キャリアが正孔である量子ドット型赤外線検知器においても同様の課題がある。
そこで、輸送効率を低下させずに、量子ドットの束縛準位へのキャリア供給を十分に行なえるようにして、十分に高い検知効率が得られるようにしたい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本光検知器は、量子ドットと、量子ドットを挟む障壁層とを備える複数の量子ドット層を含む光検知素子と、光検知素子を駆動する駆動回路とを備え、駆動回路が、入射する光に応じて光検知素子に流れる電流を検知する検知期間以外の期間に、電流とは異なる電流を光検知素子に流すためのキャリア供給回路を含むことを要件とする。
【発明の効果】
【００１０】
本光検知器によれば、輸送効率を低下させずに、量子ドットの束縛準位へのキャリア供給を十分に行なうことができ、十分に高い検知効率が得られるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の構成を示す模式的断面図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の赤外線検知素子を構成する量子ドット層の伝導帯のエネルギーバンド図であり、（Ａ）はバイアス電圧を印加していない状態、（Ｂ）は一の向きにバイアス電圧Ｖ１（Ｖ１＞０）を印加した状態、（Ｃ）は逆向きにバイアス電圧Ｖ２（Ｖ２＜０）を印加した状態を示している。
【図３】第１実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の駆動回路の構成を示す図である。
【図４】第１実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の駆動回路の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図５】キャリア供給回路を備えない駆動回路の構成を示す図である。
【図６】キャリア供給回路を備えない駆動回路の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図７】（Ａ）〜（Ｃ）は、第２実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の赤外線検知素子を構成する量子ドット層の伝導帯のエネルギーバンド図であり、（Ａ）はバイアス電圧を印加していない状態、（Ｂ）は一の向きにバイアス電圧Ｖ１（Ｖ１＞０）を印加した状態、（Ｃ）は同じ向きで異なる値のバイアス電圧Ｖ２（Ｖ２＞０かつＶ２＜Ｖ１）を印加した状態を示している。
【図８】第３実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の構成を示す模式的断面図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は、第３実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の赤外線検知素子を構成する量子ドット層の伝導帯のエネルギーバンド図であり、（Ａ）はバイアス電圧を印加していない状態、（Ｂ）は一の向きにバイアス電圧Ｖ１（Ｖ１＞０）を印加した状態、（Ｃ）は逆向きにバイアス電圧Ｖ２（Ｖ２＜０）を印加した状態を示している。
【図１０】量子ドット型赤外線検知器の原理を説明するための図である。
【図１１】量子ドットの束縛準位への電子の供給を説明するための図である。
【図１２】本発明の課題を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面により、本実施形態にかかる光検知器について説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態にかかる光検知器について、図１〜図６を参照しながら説明する。
本実施形態では、本発明を、例えば赤外線の入射量に応じて光電流を発生しうる赤外線検知器であって、量子ドットを赤外線吸収部として用いる量子ドット型赤外線検知器（Quantum Dot Infrared Photodetector；ＱＤＩＰ）に適用した場合を例に説明する。
【００１３】
本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器（撮像デバイス）は、例えば図１に示すように、量子ドット１と、量子ドット１を挟む障壁層２，３とを備える複数の量子ドット層４を含む赤外線検知素子（光検知素子）５と、赤外線検知素子５を駆動する駆動回路６（駆動機構）とを備える。
本実施形態では、赤外線検知素子５は、ＧａＡｓ基板７上に、下部ｎ型ＧａＡｓ電極層８（コンタクト層）、ＩｎＡｓ量子ドット１の上下をＡｌＧａＡｓ障壁層２，３で挟み込んでなる複数の量子ドット層４、上部ｎ型ＧａＡｓ電極層９（コンタクト層）を積層した構造になっている。つまり、下部ＡｌＧａＡｓ障壁層２上に形成されたＩｎＡｓ量子ドット１を上部ＡｌＧａＡｓ障壁層３によって埋め込むことによって各量子ドット層４が形成されており、これらの量子ドット層４を挟み込むように両側にｎ型ＧａＡｓ電極層８，９が設けられている。また、下部ｎ型ＧａＡｓ電極層８及び上部ｎ型ＧａＡｓ電極層９には、それぞれ、ＡｕＧｅ／Ａｕ電極１０，１１が取り付けられている。そして、これらの電極１０，１１は駆動回路６に接続されている。
【００１４】
ここでは、ＩｎＡｓ量子ドット１は、分子線エピタキシャル装置で自己組織化形成法によって形成されるため、成長方向に対して垂直な面内に分布する。そして、赤外線の検知効率を高めるために、この面内に分布したＩｎＡｓ量子ドット１を含む量子ドット層４を複数積層している。
特に、本実施形態では、一の量子ドット層４を構成する両側のＡｌＧａＡｓ障壁層２，３、即ち、ＩｎＡｓ量子ドット１を挟む一側及び他側のＡｌＧａＡｓ障壁層２，３は、ＡｌとＧａの組成を連続的に変化させた材料からなる。
【００１５】
具体的には、ＡｌＧａＡｓ障壁層２，３は、入射する赤外線に応じて赤外線検知素子５に流れる電流を検知する検知期間に一の向きにバイアス電圧を印加した場合に低電位側となる面がＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなり、高電位側となる面がＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるようにしている。そして、これらの面の間の中間部分が、両側を構成する材料のＡｌ組成及びＧａ組成を連続的に変化させたＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．２＜ｘ＜０．３）からなるようにしている。つまり、ＡｌＧａＡｓ障壁層２，３は、低電位側となる面がＡｌ０．２０Ｇａ０．８０Ａｓからなり、高電位側となる面がＡｌ０．３０Ｇａ０．７０Ａｓからなり、低電位側から高電位側へ向けてＡｌ組成を０．２０から０．３０まで連続的に変化させた傾斜組成ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．２≦ｘ≦０．３）障壁層である。
【００１６】
なお、本実施形態では、構成元素が同一で組成が異なるものは、異なる材料とする。このため、量子ドット１の一側及び他側の障壁層２，３は、互いに異なる材料からなることになる。
このようにして、本実施形態では、図２（Ａ）に示すように、伝導帯エネルギーバンド構造において、一の量子ドット層４を構成する量子ドット１の一側の障壁層２のエネルギ障壁が、バイアス電圧を印加していない状態で、量子ドット１の他側の障壁層３のエネルギ障壁よりも高くなるようにしている。つまり、一の量子ドット層４［図２（Ａ）中、右側］を構成する量子ドット１の検知期間に低電位となる側［図２（Ａ）中、左側］の障壁層２のエネルギ障壁が、バイアス電圧を印加していない状態で、量子ドット１の検知期間に高電位となる側［図２（Ａ）中、右側］の障壁層３のエネルギ障壁よりも高くなるようにしている。なお、図２（Ａ）では、障壁層２，３の組成が連続的に変化することによって、障壁層２，３の伝導帯端のエネルギーレベルが連続的に変化している様子を示している。このように、量子ドット１を挟む両側の障壁層２，３のエネルギ障壁の高さが非対称性を有するものとなっている。
【００１７】
このように構成することによって、図２（Ｂ）に示すように、検知期間に一の向きにバイアス電圧を印加した場合に、一の量子ドット層４［図２（Ｂ）中、右側］よりも低電位側に位置する量子ドット層４Ａ［図２（Ｂ）中、左側］においてサブバンド間励起された電子は、一の量子ドット層４の近傍においてエネルギ障壁と感じるものがないため、停留が起こりにくくなる。この結果、一の量子ドット層４よりも低電位側に位置する量子ドット層４Ａにおいてサブバンド間励起された電子の高電位側の電極への輸送効率は十分に高い状態に維持される。
【００１８】
また、障壁層２，３が、組成を連続的に変化させた材料によって構成されているため、検知期間に一の向きにバイアス電圧を印加した場合に、低電位側から高電位側へ流れる電子にとって、不連続な障壁が現れない。このため、障壁層２，３の部分においてもエネルギ障壁と感じるものがなく、輸送効率が低下するのを回避することができる。この結果、上述のように、量子ドット１を挟む両側の障壁層２，３のエネルギ障壁の高さが非対称になっているものにおいても輸送効率を十分に高い状態に維持することができる。
【００１９】
ところで、赤外線検知器では、入射する赤外線に応答して流れる電流を検知する検知期間以外に、これを読み出す読出期間が必要になる。通常、この読出期間には赤外線検知素子に流れる電流は制御されていない（図６参照）。
これに対し、本実施形態では、量子ドット１の束縛準位へのキャリア供給を十分に行なえるようにすべく、検知期間以外の期間（ここでは読出期間）に、検知期間に印加するバイアス電圧の向きと逆向きのバイアス電圧を印加するようにしている。これにより、検知期間以外の期間に、検知期間に流れる電流とは逆向きの電流が赤外線検知素子５に流れることになる。
【００２０】
このように、検知期間以外の期間に他の向きにバイアス電圧を印加した場合、図２（Ｃ）に示すように、低電位側［図２（Ｃ）中、右側］から高電位側［図２（Ｃ）中、左側］へ流れる電子は、量子ドット１を挟む両側の障壁層２，３のうち高電位側の障壁層２のエネルギ障壁が低電位側の障壁層３のエネルギ障壁よりも高いため、これを障壁と感じ、量子ドット１の近傍において停留することになる。これにより、緩和確率が高くなり、量子ドット１の束縛準位への電子の供給が十分に行なえることになる。
【００２１】
特に、本実施形態では、検知期間と検知期間との間にある読出期間に、検知期間に印加するバイアス電圧の向きと逆向きのバイアス電圧を印加するようにしている。これにより、読出期間の直後に検知期間がくることになるため、量子ドットの束縛準位に電子が十分に供給された状態で検知期間を開始することができる。
このため、本実施形態では、図３に示すように、駆動回路６が、検知期間以外の期間に、検知期間に流れる電流とは向きが異なる電流を赤外線検知素子５に流すためのキャリア供給回路１２（電流切替回路）を含む。
【００２２】
具体的には、駆動回路６は、図３に示すように、蓄積容量Ｃと、蓄積容量Ｃを赤外線検知素子５に接続するためのスイッチＧ１と、蓄積容量Ｃをバイアス電源（一の向きのバイアス電圧Ｖ１；Ｖ１＞０）に接続するためのスイッチＧ０とを備える。そして、蓄積容量Ｃ、スイッチＧ１、スイッチＧ０のそれぞれの端子を接続した接点Ｘ（電圧Ｖ０）に出力端子（ＯＵＴ端子）が接続されている。
【００２３】
特に、本実施形態では、スイッチＧ１と赤外線検知素子５との間にスイッチＧ２が接続されており、このスイッチＧ２を介して、赤外線検知素子５とバイアス電源（逆向きのバイアス電圧Ｖ２；Ｖ２＜０）とが接続されるようになっている。このように、駆動回路６は、検知期間以外の期間に、検知期間に印加するバイアス電圧とは極性が異なる電圧を赤外線検知素子５に印加するためのスイッチＧ２を含むキャリア供給回路１２を備える。
【００２４】
次に、本赤外線検知器の動作について、図４を参照しながら説明する。
まず、検知期間の動作について説明する。
図４に示すように、検知期間において、コントローラからの指令に基づいて、スイッチＧ０はＯＦＦにされ、スイッチＧ１はＯＮにされる。
つまり、検知期間の開始時点でスイッチＧ１がＯＮにされる。これにより、蓄積容量Ｃの両端に印加されている電圧Ｖ０（Ｖ０＞０）が赤外線検知素子５に加わり、赤外線検知素子５に正の電流（図３中、矢印で示す向きの電流Ｉ）が流れる。
【００２５】
検知期間にはスイッチＧ０はＯＦＦにされているため、赤外線検知素子５に流れる電流は蓄積容量Ｃに蓄積されている電荷が流れ出たものとなる。
検知期間が終了する時点では、蓄積容量Ｃに蓄積されている電荷は検知期間の開始時点よりも減少しているため、接点Ｘの電圧Ｖ０は電圧降下を起こしている。
次に、読出期間の動作について説明する。
【００２６】
図４に示すように、読出期間において、コントローラからの指令に基づいて、スイッチＧ１はＯＦＦにされる。また、読出期間の一部の期間において、コントローラからの指令に基づいて、スイッチＧ０はＯＮにされる。
読出期間の開始時点でスイッチＧ１はＯＦＦにされ、接点Ｘの電圧Ｖ０の電圧値が出力端子から読み出される。検知期間に赤外線の入射量に応じて赤外線検知素子５に流れる電流が増加し、これに応じて接点Ｘの電圧Ｖ０の電圧値が変わるため、接点Ｘの電圧Ｖ０の電圧値を読み出すことで、赤外線の入射量を検知することができる。
【００２７】
このようにして接点Ｘの電圧Ｖ０の電圧値を読み出した後、スイッチＧ０はＯＮにされる。これにより、バイアス電源（一の向きのバイアス電圧Ｖ１；電位Ｖ１＞０）から蓄積容量Ｃに電荷が蓄積され、接点Ｘの電圧Ｖ０の電圧値が初めの電圧値に戻る。
そして、読出期間の終了時点でスイッチＧ０はＯＦＦにされる。
このような検知期間の動作及び読出期間の動作は、交互に繰り返されることになる。
【００２８】
さらに、本実施形態では、上述のように、駆動回路６にキャリア供給回路１２が備えられているため、読出期間の動作として、上述の動作に加え、以下のような動作も行なわれる。
つまり、図４に示すように、読出期間において、コントローラからの指令に基づいて、スイッチＧ２はＯＮにされる。これにより、赤外線検知素子５に、検知期間に印加されるバイアス電圧Ｖ１とは逆向きのバイアス電圧Ｖ２（Ｖ２＜０）が加わり、赤外線検知素子５に負の電流（図３中、矢印で示す向きの電流Ｉに対して逆向きの電流）が流れる。この結果、量子ドット１の束縛準位への電子の供給が十分に行なわれる。
【００２９】
なお、読出期間において、コントローラからの指令に基づいて、スイッチＧ１はＯＦＦにされる。このため、駆動回路６にキャリア供給回路１２が備えられていない場合と同様に、上述の読出動作が行われる。
一方、検知期間においては、コントローラからの指令に基づいて、スイッチＧ２はＯＦＦにされる。このため、赤外線検知素子５に流れる電流は、駆動回路６にキャリア供給回路１２が備えられていない場合と同じである。
【００３０】
これに対し、図５に示すように、駆動回路にキャリア供給回路が備えられていない場合には、図６に示すように、検知期間には赤外線検知素子５に電流が流れるのに対し、読出期間には赤外線検知素子５に電流が流れない。このため、量子ドット１の束縛準位への電子の供給が不十分である。
次に、本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の製造方法について説明する。
【００３１】
なお、本量子ドット型赤外線検知器を構成する各結晶層は例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法による結晶成長によって形成される。
まず、例えば分子線エピタキシャル法によって、ＧａＡｓ基板７上に、ｎ型ＧａＡｓ電極層８（コンタクト層）を、例えば基板温度６００℃で成長させる（図１参照）。
ここでは、厚さは例えば１０００ｎｍとし、ｎ型不純物として、例えばＳｉを用い、その濃度は例えば２×１０１８／ｃｍ３としている。
【００３２】
次いで、ｎ型ＧａＡｓ電極層８上に、ＡｌＧａＡｓ障壁層２を成長させる（図１参照）。
ここでは、厚さは例えば５０ｎｍとしている。また、成長中にＡｌ組成比を例えば０．２から例えば０．３まで連続的に変化させて傾斜組成ＡｌＧａＡｓ障壁層を成長させている。このような組成の変化は、例えばＡｌあるいはＧａのセルの温度を時間的に変化させることにより実現することができる。
【００３３】
また、ＡｌＧａＡｓ障壁層２を成長させている間に、基板温度を例えば６００℃から量子ドットの自己組織化形成が起こり得る温度、例えば５００℃まで低下させる。
そして、基板温度を例えば５００℃に維持したまま、成長速度が例えば０．２ＭＬ／ｓ（原子層／秒）となるように、ＩｎＡｓを２ＭＬ供給する。この供給過程でＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増し、ＩｎＡｓが３次元成長してＩｎＡｓ量子ドット１が形成される（自己組織化形成法）（図１参照）。
【００３４】
次に、ＩｎＡｓ量子ドット１を覆うように、例えば厚さ５０ｎｍのＡｌＧａＡｓ障壁層３を成長させる（図１参照）。
ここでは、上述のＡｌＧａＡｓ障壁層２を形成する場合と同様に、成長中にＡｌ組成比を例えば０．２から例えば０．３まで連続的に変化させて傾斜組成ＡｌＧａＡｓ障壁層を成長させている。
【００３５】
その後、上述のようなＩｎＡｓ量子ドット１の形成工程と、ＡｌＧａＡｓ障壁層２，３の形成工程とを、例えば９回繰り返す（図１参照）。
そして、最後のＡｌＧａＡｓ障壁層３を成長させている間に、基板温度を例えば５００℃から例えば６００℃に上昇させる。
次に、例えば基板温度６００℃で、ｎ型ＧａＡｓ電極層９（コンタクト層）を成長させる（図１参照）。
【００３６】
ここでは、厚さは例えば１０００ｎｍとし、ｎ型不純物として、例えばＳｉを用い、その濃度は例えば２×１０１８／ｃｍ３としている。
このようにして、複数の量子ドット層４がｎ型ＧａＡｓ電極層８，９によって挟み込まれた積層構造が形成される（図１参照）。
その後、例えばフォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、基板側に位置するｎ型ＧａＡｓ電極層８までの一部を除去する加工を行なう（図１参照）。
【００３７】
引き続き、例えば金属蒸着法によって、２つのｎ型ＧａＡｓ電極層８，９上に、それぞれ、ＡｕＧｅ／Ａｕ電極１０，１１を形成する（図１参照）。
そして、このようにして形成された２つのＡｕＧｅ／Ａｕ電極１０，１１を、例えばＣＭＯＳなどの駆動回路６に接続する（図１参照）。これにより、図１に示すような量子ドット型赤外線検知器が製造される。
【００３８】
なお、本実施形態では、上述のように、駆動回路６には、ＡｕＧｅ／Ａｕ電極１０，１１間に電位差を加え、その電極間を流れる電流を検知するための配線系統と、その電流とは向きが異なる電流をその電極間に流すための配線系統と、これらの配線系統を切り替えるためのスイッチ（電流切り替え機構）とを設けておく。
したがって、本実施形態にかかる光検知器によれば、輸送効率を低下させずに、量子ドット１の束縛準位へのキャリア供給を十分に行なうことができ、十分に高い検知効率が得られるという利点がある。
【００３９】
つまり、外部より入射した赤外線に対する量子ドット１の応答として発生する電流を検知する機能を有する量子ドット型赤外線検知器において、赤外線検知素子５に含まれる量子ドット層４が非対称性を有し、また、駆動回路６がキャリア供給回路１２を備える。このため、量子ドット１の束縛準位への電子供給が十分に行われた状態から電流を検知する時間が開始され、検知時間においてサブバンド間励起された電子は高電位側の電極へ高い効率で輸送されることとなる。これにより、高い検知効率を持つ量子ドット型赤外線検知器を実現することができる。
［第２実施形態］
第２実施形態にかかる光検知器（量子ドット型赤外線検知器）について、図７を参照しながら説明する。
【００４０】
本実施形態では、上述の第１実施形態のものに対し、赤外線検知素子５のＡｌＧａＡｓ障壁層２，３の構成、駆動回路６に含まれるキャリア供給回路１２の構成が異なる。
つまり、上述の第１実施形態では、駆動回路６が、入射する赤外線に応じて赤外線検知素子５に流れる電流を検知する検知期間以外の期間に、検知時間に流れる電流とは向きが異なる電流を赤外線検知素子５に流すためのキャリア供給回路１２（電流切替回路）を含むようにしている。
【００４１】
これに対し、本実施形態では、駆動回路６が、入射する赤外線に応じて赤外線検知素子５に流れる電流を検知する検知期間以外の期間に、検知時間に流れる電流と向きが同じで値が異なる電流を赤外線検知素子５に流すためのキャリア供給回路１２（電流切替回路）を含むようにしている。
ここでは、上述の第１実施形態の駆動回路６（図３参照）において、スイッチＧ１と赤外線検知素子５との間に接続するスイッチＧ２を介して、赤外線検知素子５とバイアス電源（バイアス電圧Ｖ１の向きと同じ向きで大きさが異なるバイアス電圧Ｖ２；Ｖ２＞０かつＶ２＜Ｖ１）とが接続されるようにしている。このように、駆動回路６は、検知期間以外の期間に、検知期間に印加するバイアス電圧と極性が同じで値が異なる電圧を赤外線検知素子５に印加するためのスイッチＧ２を含むキャリア供給回路１２を備えるものとしている。
【００４２】
この場合、読出期間において、コントローラからの指令に基づいて、スイッチＧ２がＯＮにされると（図４参照）、赤外線検知素子５に、検知期間に印加されるバイアス電圧Ｖ１の向きと同じ向きで大きさが異なるバイアス電圧Ｖ２（Ｖ２＞０かつＶ２＜Ｖ１）が加わり、検知期間に赤外線検知素子５に流れる電流と同じ向きで大きさ（値）の異なる正の電流が流れる。
【００４３】
このように、検知期間以外の期間（読出期間）に、検知期間に印加されるバイアス電圧Ｖ１の向きと同じ向きで大きさが異なるバイアス電圧Ｖ２を印加した場合、図７（Ｃ）に示すように、低電位側［図７（Ｃ）中、左側］から高電位側［図７（Ｃ）中、右側］へ流れる電子は、量子ドット１を挟む両側の障壁層２，３のうち高電位側の障壁層３のエネルギ障壁が低電位側の障壁層２のエネルギ障壁よりも高いため、これを障壁と感じ、量子ドット１の近傍において停留することになる。これにより、緩和確率が高くなり、量子ドット１の束縛準位への電子の供給が十分に行なえることになる。
【００４４】
ところで、上述のように構成する場合、上述の第１実施形態の赤外線検知素子５に対し、ＡｌＧａＡｓ障壁層２，３の構成を変える必要がある。
本実施形態では、ＡｌＧａＡｓ障壁層２，３を、低電位側となる面がＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓからなり、高電位側となる面がＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなり、低電位側から高電位側へ向けてＡｌ組成を０．２５から０．２０まで連続的に変化させた傾斜組成ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０．２０≦ｘ≦０．２５）層としている。
【００４５】
これにより、図７（Ａ）に示すように、伝導帯エネルギーバンド構造において、一の量子ドット層４を構成する量子ドット１の一側の障壁層３のエネルギ障壁が、バイアス電圧を印加していない状態で、量子ドット１の他側の障壁層２のエネルギ障壁よりも高くなる。つまり、一の量子ドット層４を構成する量子ドット１の検知期間に高電位となる側［図７（Ａ）中、右側］の障壁層３のエネルギ障壁が、バイアス電圧を印加していない状態で、量子ドット１の検知期間に低電位となる側［図７（Ａ）中、左側］の障壁層２のエネルギ障壁よりも高くなる。なお、図７（Ａ）では、障壁層２，３の組成が連続的に変化することによって、障壁層２，３の伝導帯端のエネルギーレベルが連続的に変化している様子を示している。このように、量子ドット１を挟む両側の障壁層２，３のエネルギ障壁の高さが非対称性を有するものとなる。
【００４６】
このように構成することによって、図７（Ｂ）に示すように、検知期間に一の向きにバイアス電圧を印加した場合に、一の量子ドット層４［図７（Ｂ）中、右側］よりも低電位側に位置する量子ドット層４Ａ［図７（Ｂ）中、左側］においてサブバンド間励起された電子は、一の量子ドット層４の近傍において停留しにくくなる。この結果、一の量子ドット層４よりも低電位側に位置する量子ドット層４Ａにおいてサブバンド間励起された電子の高電位側の電極への輸送効率は十分に高い状態に維持される。
【００４７】
また、障壁層２，３が、組成を連続的に変化させた材料によって構成されているため、検知期間に一の向きにバイアス電圧を印加した場合に、低電位側から高電位側へ流れる電子にとって、不連続な障壁が現れない。このため、障壁層２，３の部分においてもエネルギ障壁と感じるものがなく、輸送効率が低下するのを回避することができる。この結果、上述のように、量子ドット１を挟む両側の障壁層２，３のエネルギ障壁の高さが非対称になっているものにおいても輸送効率を十分に高い状態に維持することができる。
【００４８】
なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる光検知器によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、輸送効率を低下させずに、量子ドット１の束縛準位へのキャリア供給を十分に行なうことができ、十分に高い検知効率が得られるという利点がある。
【００４９】
つまり、外部より入射した赤外線に対する量子ドット１の応答として発生する電流を検知する機能を有する量子ドット型赤外線検知器において、赤外線検知素子５に含まれる量子ドット層４が非対称性を有し、また、駆動回路６がキャリア供給回路１２を備える。このため、量子ドット１の束縛準位への電子供給が十分に行われた状態から電流を検知する時間が開始され、検知時間においてサブバンド間励起された電子は高電位側の電極へ高い効率で輸送されることとなる。これにより、高い検知効率を持つ量子ドット型赤外線検知器を実現することができる。
［第３実施形態］
第３実施形態にかかる光検知器（量子ドット型赤外線検知器）について、図８，図９を参照しながら説明する。
【００５０】
本実施形態では、上述の第１実施形態のものに対し、赤外線検知素子を構成する量子ドット層の障壁層の構成が異なる。
つまり、上述の第１実施形態（図１参照）では、量子ドット１を挟む両側の障壁層２，３を、同一の傾斜組成ＡｌＧａＡｓ障壁層としているのに対し、本実施形態では、図８に示すように、量子ドット１を挟む両側の障壁層２Ａ，３Ａを、組成を変化させずに、互いに異なる材料からなるものとし、２層構造にしている点が異なる。なお、図８では、上述の第１実施形態のものと同一のものには同一の符号を付している。
【００５１】
本実施形態では、量子ドット１を挟む両側の障壁層２Ａ，３Ａのうち、入射する赤外線に応じて赤外線検知素子５に流れる電流を検知する検知期間に一の向きにバイアス電圧を印加した場合に低電位側に位置する障壁層２Ａを、ＡｌＧａＡｓ層（ここではＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層）とし、高電位側に位置する障壁層３Ａを、ＧａＡｓ層としている。このように、量子ドット１の一側及び他側の障壁層２Ａ，３Ａは、互いに異なる材料からなるものとしている。
【００５２】
このようにして、本実施形態では、図９（Ａ）に示すように、伝導帯エネルギーバンド構造において、一の量子ドット層４を構成する量子ドット１の一側の障壁層２Ａのエネルギ障壁が、バイアス電圧を印加していない状態で、量子ドット１の他側の障壁層３Ａのエネルギ障壁よりも高くなるようにしている。つまり、一の量子ドット層４を構成する量子ドット１の検知期間に低電位となる側［図９（Ａ）中、左側］の障壁層２Ａのエネルギ障壁が、バイアス電圧を印加していない状態で、量子ドット１の検知期間に高電位となる側［図９（Ａ）中、右側］の障壁層３Ａのエネルギ障壁よりも高くなるようにしている。このように、量子ドット１を挟む両側の障壁層２Ａ，３Ａのエネルギ障壁の高さが非対称性を有するものとなっている。
【００５３】
このように構成することによって、図９（Ｂ）に示すように、検知期間に一の向きにバイアス電圧を印加した場合に、一の量子ドット層４［図９（Ｂ）中、右側］よりも低電位側に位置する量子ドット層４Ａ［図９（Ｂ）中、左側］においてサブバンド間励起された電子は、一の量子ドット層４の近傍において、停留が起こりにくくなる。この結果、一の量子ドット層４よりも低電位側に位置する量子ドット層４Ａにおいてサブバンド間励起された電子の高電位側の電極への輸送効率は十分に高い状態に維持される。
【００５４】
特に、本実施形態では、上述の第１実施形態の場合と同様に、量子ドット１の束縛準位へのキャリア供給を十分に行なえるようにすべく、検知期間以外の期間（ここでは読出期間）に、検知期間に印加するバイアス電圧の向きと逆向きのバイアス電圧を印加するようにしている。これにより、検知期間以外の期間に、検知期間に流れる電流とは逆向きの電流が赤外線検知素子５に流れることになる。
【００５５】
このように、検知期間以外の期間に他の向きにバイアス電圧を印加した場合、図９（Ｃ）に示すように、低電位側［図９（Ｃ）中、右側］から高電位側［図９（Ｃ）中、左側］へ流れる電子は、量子ドット１を挟む両側の障壁層２Ａ，３Ａのうち高電位側の障壁層２Ａのエネルギ障壁が低電位側の障壁層３Ａのエネルギ障壁よりも高いため、これを障壁と感じ、量子ドット１の近傍において停留することになる。これにより、緩和確率が高くなり、量子ドット１の束縛準位への電子の供給が十分に行なえることになる。
【００５６】
次に、本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の製造方法について説明する。
なお、本量子ドット型赤外線検知器を構成する各結晶層は例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法による結晶成長によって形成される。
まず、ＧａＡｓ基板７上に、ｎ型ＧａＡｓ電極層８（コンタクト層）を、例えば基板温度６００℃で成長させる（図８参照）。
【００５７】
ここでは、厚さは例えば１０００ｎｍとし、ｎ型不純物として、例えばＳｉを用い、その濃度は例えば２×１０１８／ｃｍ３としている。
次いで、ｎ型ＧａＡｓ電極層８上に、ＡｌＧａＡｓ障壁層２Ａを成長させる（図８参照）。
ここでは、厚さは例えば５０ｎｍとし、Ａｌ組成比を例えば０．１とする。また、ＡｌＧａＡｓ障壁層２Ａを成長させている間に、基板温度を例えば６００℃から量子ドット１の自己組織化形成が起こり得る温度、例えば５００℃まで低下させる。
【００５８】
そして、基板温度を例えば５００℃に維持したまま、成長速度が例えば０．２ＭＬ／ｓ（原子層／秒）となるように、ＩｎＡｓを２ＭＬ供給する。この供給過程でＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増し、ＩｎＡｓが３次元成長してＩｎＡｓ量子ドット１が形成される（自己組織化形成法）（図８参照）。
次いで、ＩｎＡｓ量子ドット１を覆うように、例えば厚さ２５ｎｍのＧａＡｓ障壁層３Ａを成長させる（図８参照）。
【００５９】
次に、ＧａＡｓ障壁層３Ａ上にＡｌＧａＡｓ障壁層２Ａを成長させる（図８参照）。ここでは、厚さは例えば２５ｎｍとし、Ａｌ組成比を例えば０．１とする。
その後、上述のようなＩｎＡｓ量子ドット１の形成工程と、ＧａＡｓ障壁層３Ａの形成工程と、ＡｌＧａＡｓ障壁層２Ａの形成工程とを、例えば８回繰り返す（図８参照）。
そして、最後のＩｎＡｓ量子ドット１を形成した後、ＩｎＡｓ量子ドット１を覆うように、例えば厚さ５０ｎｍのＧａＡｓ障壁層３Ａを成長させる（図８参照）。
【００６０】
この最後のＧａＡｓ障壁層３Ａを成長させている間に、基板温度を例えば５００℃から例えば６００℃に上昇させる。
次に、例えば基板温度６００℃で、ｎ型ＧａＡｓ電極層９（コンタクト層）を成長させる（図８参照）。
ここでは、厚さは例えば１０００ｎｍとし、ｎ型不純物として、例えばＳｉを用い、その濃度は例えば２×１０１８／ｃｍ３としている。
【００６１】
このようにして、複数の量子ドット層４がｎ型ＧａＡｓ電極層８，９によって挟み込まれた積層構造が形成される（図８参照）。
その後、例えばフォトリソグラフィ及びドライエッチングによって、基板側に位置するｎ型ＧａＡｓ電極層までの一部を除去する加工を行なう（図８参照）。
引き続き、例えば金属蒸着法によって、２つのｎ型ＧａＡｓ電極層８，９上に、それぞれ、ＡｕＧｅ／Ａｕ電極１０，１１を形成する（図８参照）。
【００６２】
そして、このようにして形成された２つのＡｕＧｅ／Ａｕ電極１０，１１を、例えばＣＭＯＳなどの駆動回路６に接続する（図８参照）。これにより、図８に示すような量子ドット型赤外線検知器が製造される。
なお、その他の詳細は、上述の第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
【００６３】
したがって、本実施形態にかかる光検知器によれば、上述の第１実施形態の場合と同様に、輸送効率を低下させずに、量子ドット１の束縛準位へのキャリア供給を十分に行なうことができ、十分に高い検知効率が得られるという利点がある。
つまり、外部より入射した赤外線に対する量子ドット１の応答として発生する電流を検知する機能を有する量子ドット型赤外線検知器において、赤外線検知素子５に含まれる量子ドット層４が非対称性を有し、また、駆動回路６がキャリア供給回路１２を備える。このため、量子ドット１の束縛準位への電子供給が十分に行われた状態から電流を検知する時間が開始され、検知時間においてサブバンド間励起された電子は高電位側の電極へ高い効率で輸送されることとなる。これにより、高い検知効率を持つ量子ドット型赤外線検知器を実現することができる。
［その他］
なお、量子ドットを挟む両側の障壁層の構成は、上述の各実施形態のものに限られるものではなく、バイアス電圧を印加していない状態で、量子ドットを挟む両側の障壁層のエネルギ障壁の高さが非対称になっていれば良い。
【００６４】
例えば、量子ドットを例えば自己組織化形成法によって形成すると、量子ドット層は基板に垂直な方向に対して非対称な構造になる。これにより、量子ドットを挟む両側の障壁層を異なる材料（組成を連続的に変化させた材料）によって構成しなくても、量子ドットを挟む両側の障壁層のエネルギ障壁の高さが非対称になる。つまり、量子ドットを挟む両側の障壁層を、組成変化のない同じ材料によって構成し、上述の各実施形態のように、駆動回路を、キャリア供給回路を含むものとして構成するだけで、上述の各実施形態の場合と同様の効果が得られる。
【００６５】
また、量子ドットや障壁層を構成する材料は、上述の各実施形態のものに限られるものではなく、例えば、ＩｎＡｓ，ＧａＡｓ，ＡｌＡｓあるいはこれらの混晶によって構成されていれば良い。
また、上述の各実施形態では、アンドープの量子ドット層をｎ型コンタクト層で挟み込むようにしているが、これに限られるものではない。例えば、量子ドット層に不純物を添加しても良い。また、例えば、ｎ型不純物（Ｓｉ）に代えてｐ型不純物（Ｂｅ）を添加して、ｎ型コンタクト層をｐ型コンタクト層にしても良い。この場合、キャリアは正孔になり、価電子帯エネルギーバンド構造を利用することになる。
【００６６】
また、上述の各実施形態では、成長方法として分子線エピタキシャル成長法を用いているが、これに限られるものではなく、例えば有機金属気相成長法(ＭＯＣＶＤ法)や原子層成長法(ＡＬＥ法)などの他の成長方法を用いても良い。
また、上述の各実施形態では、量子ドット層を１０層にしているが、量子ドット層数は任意であり、数層から３０層程度の範囲内で適宜選択すれば良い。
【００６７】
なお、本発明は、上述した各実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１ 量子ドット
２，２Ａ，３，３Ａ 障壁層
４，４Ａ 量子ドット層
５ 赤外線検知素子（光検知素子）
６ 駆動回路
７ ＧａＡｓ基板
８ ｎ型ＧａＡｓ電極層
９ ｎ型ＧａＡｓ電極層
１０，１１ ＡｕＧｅ／Ａｕ電極
１２ キャリア供給回路
Ｃ 蓄積容量
Ｇ０ スイッチ
Ｇ１ スイッチ
Ｇ２ スイッチ
Ｘ 接点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドットと、前記量子ドットを挟む障壁層とを備える複数の量子ドット層を含む光検知素子と、
前記光検知素子を駆動する駆動回路とを備え、
前記駆動回路が、入射する光に応じて前記光検知素子に流れる電流を検知する検知期間以外の期間に、前記電流とは異なる電流を前記光検知素子に流すためのキャリア供給回路を含むことを特徴とする光検知器。
【請求項２】
前記量子ドットの一側の前記障壁層のエネルギ障壁は、バイアス電圧を印加していない状態で、前記量子ドットの他側の前記障壁層のエネルギ障壁よりも高くなっていることを特徴とする、請求項１記載の光検知器。
【請求項３】
前記量子ドットの一側及び他側の前記障壁層は、互いに異なる材料からなることを特徴とする、請求項１又は２記載の光検知器。
【請求項４】
前記量子ドットの一側及び他側の前記障壁層は、組成を連続的に変化させた材料からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検知器。
【請求項５】
前記キャリア供給回路は、前記検知期間以外の期間にバイアス電圧とは極性が異なる電圧又は極性が同じで値が異なる電圧を前記光検知素子に印加するためのスイッチを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光検知器。
【請求項１】
量子ドットと、前記量子ドットを挟む障壁層とを備える複数の量子ドット層を含む光検知素子と、
前記光検知素子を駆動する駆動回路とを備え、
前記駆動回路が、入射する光に応じて前記光検知素子に流れる電流を検知する検知期間以外の期間に、前記電流とは異なる電流を前記光検知素子に流すためのキャリア供給回路を含むことを特徴とする光検知器。
【請求項２】
前記量子ドットの一側の前記障壁層のエネルギ障壁は、バイアス電圧を印加していない状態で、前記量子ドットの他側の前記障壁層のエネルギ障壁よりも高くなっていることを特徴とする、請求項１記載の光検知器。
【請求項３】
前記量子ドットの一側及び他側の前記障壁層は、互いに異なる材料からなることを特徴とする、請求項１又は２記載の光検知器。
【請求項４】
前記量子ドットの一側及び他側の前記障壁層は、組成を連続的に変化させた材料からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光検知器。
【請求項５】
前記キャリア供給回路は、前記検知期間以外の期間にバイアス電圧とは極性が異なる電圧又は極性が同じで値が異なる電圧を前記光検知素子に印加するためのスイッチを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光検知器。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１１４２００（Ｐ２０１１−１１４２００Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６９８４３（Ｐ２００９−２６９８４３）
【出願日】平成２１年１１月２７日（２００９．１１．２７）
【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２０年度、防衛省、「２波長赤外線センサ（その２）」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２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２７日（２００９．１１．２７）
【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２０年度、防衛省、「２波長赤外線センサ（その２）」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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