光検知素子及びその製造方法
【課題】互いに直交する方向に電界成分を持つ波長の光に対して、共に電界成分の大きさを変えることなく、総じて光検知効率を大幅に向上させることのできる信頼性の高い光検知素子を実現する。
【解決手段】障壁層１２内に量子ドット１１が埋め込まれた層が積層されてなる第１の量子ドット層１と、第１の量子ドット層１を挟み込む一対の電極層２，３と、障壁層１４内に量子ドット１３が埋め込まれた層が積層されてなる第２の量子ドット層４と、第２の量子ドット層４を透過した赤外線を反射させる赤外線反射層５とを有するように、赤外線検知素子を構成する。
【解決手段】障壁層１２内に量子ドット１１が埋め込まれた層が積層されてなる第１の量子ドット層１と、第１の量子ドット層１を挟み込む一対の電極層２，３と、障壁層１４内に量子ドット１３が埋め込まれた層が積層されてなる第２の量子ドット層４と、第２の量子ドット層４を透過した赤外線を反射させる赤外線反射層５とを有するように、赤外線検知素子を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知対象の光に対して活性となる量子ドットを有する光検知素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を検知対象とする検知素子として、赤外線に対して活性となる量子ドットを有する赤外線検知素子が案出されている。
赤外線検知素子の一例を図７に示す。この赤外線検知素子は、量子ドットを含む量子ドット層１０１と、量子ドット層１０１を挟み込む一対の電極層１０２，１０３と、量子ドット層１０１を透過した赤外線を反射させる赤外線反射層１０４とを備えて構成される。量子ドット層１０１は、量子井戸となる複数の量子ドット１１１が障壁層１１２内に埋め込まれた層が積層されてなる。量子ドット層１０１では、量子ドット１１１が例えばＩｎＡｓを材料として、障壁層１１２が例えばＡｌＧａＡｓを材料として形成される。量子ドット層１０１では、互いに直交する３方向に量子閉じ込めのなされた量子井戸が形成され、基底準位及び励起準位の如き複数の量子準位が形成される。
【０００３】
赤外線検知素子では、量子準位間のエネルギー差に相当する波長をもつ赤外線が入射すると、基底準位に位置していた電子は赤外線を吸収することで励起準位へサブバンド間遷移される。電極層１０２，１０３間に電界を印加しておくと、励起準位に励起された電子は例えばトンネル過程等により障壁層１１２の連続帯内へ放出され、電極層１０２，１０３に到達する。この到達した電子を電流として捕らえることで、被検知体から放射された赤外線を検知することができる。
【０００４】
赤外線検知素子において、図８に示すように、量子量子ドット層に平行な面内の２次元方向の量子閉じ込めに起因する励起状態は２つの準位からなる。これらの準位は、その２方向（ｘ方向とｙ方向）のうち互いに異なる１方向に対する量子数を増加させた形で形成されている。また、量子ドットの形状異方性等に起因する量子閉じ込め強さの違いから、これらの準位はエネルギー分離している。これらの励起準位へのサブバンド間遷移は、基底準位と励起準位の間で量子数が増加する方向に電界成分を有する赤外線により引き起こされる。このことから、ｘ方向に量子数が増えている励起準位へは、ｘ方向に電界成分を有し、且つこの励起準位と基底準位との間のエネルギー差に相当する波長（λ1）を持つ赤外線に対して引き起こされる。また、ｙ方向に量子数が増えている励起準位へは、ｙ方向に電界成分を有し、且つこの励起準位と基底準位との間のエネルギー差に相当する波長（λ2）を持つ赤外線に対して引き起こされる。
【０００５】
被検知体である物体を認知するために赤外線検知素子を利用する場合、被検知体から放射された赤外線をその素子で検知することで被検知体が認知される。この赤外線は、被検知体の温度等に依存した広範囲に亘る波長を持ち、ランダムな偏光方向を持っている。この赤外線検知素子では、図９（量子ドット層１０１の量子ドット１１１の記載を省略する。）に示すように、放射される赤外線のうちでｘ方向に電界成分を持つ波長λ1の赤外線と、ｙ方向に電界成分を持つ波長λ2の赤外線とを検知する。これにより、被検知体が認知される。そして、この赤外線に対する応答が総じて強ければ、それは検知効率の高い赤外線検知素子であると言える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−６５１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図９の赤外線検知素子に入射した赤外線のうち、量子ドット１１１に吸収されずに量子ドット層１０１を通過した赤外線は赤外線反射層１０４により反射し、再び量子ドット層１０１に入射して検知対象となる。
しかしながら、赤外線反射層１０４で反射した赤外線の反射光に対する検知効率は十分ではない。そこで、この赤外線の反射光に対する検知効率を高めるべく、図１０に示すように、赤外線反射層１０４の代わりに反射構造として１次元反射型回折格子１０５を用いた赤外線検知素子が案出されている。
【０００８】
図９の赤外線反射層１０４では、量子ドット層１０１の表面に垂直に入射した赤外線は垂直に反射される。これに対して、図１０の１次元反射型回折格子１０５では、量子ドット層１０１の表面に垂直に入射した赤外線は当該表面に対して斜め方向に反射する。
【０００９】
図９及び図１０の赤外線検知素子における赤外線の検知効率は、概ね量子ドット層１０１による赤外線吸収の強さにより決定される。この検知効率は、赤外線が量子ドット層１０１を通過するときの距離と、赤外線の持つサブバンド間遷移を引き起こす方向の電界成分の大きさ（強度）とに応じて高くなる。
図１０の赤外線検知素子では、赤外線は１次元反射型回折格子１０５で斜め方向に反射する。そのため、図１０の赤外線検知素子における上記の距離（図１０中、ｄ2で示す。）については、当該距離は図９の赤外線検知素子における当該距離（図９中、ｄ1で示す。）より大きく、赤外線の検知効率を高めることができる。
【００１０】
しかしながら、図１０の赤外線検知素子では、後者の電界成分の大きさについては、ｘ方向に電界成分を持つ波長λ1の赤外線と、ｙ方向に電界成分を持つ波長λ2の赤外線とで、赤外線の検知効率に対する寄与が異なる。
図１０の赤外線検知素子では、１次元反射型回折格子１０５で反射する赤外線は、その波長に拠らずに１つの面内に反射する。ここで、ｘ−ｚ面内の斜め１方向に赤外線を反射する１次元反射型回折格子を用いる場合を考える。波長λ2を持つ赤外線については、サブバンド間遷移を引き起こすｙ方向の電界成分の大きさは、図９の赤外線反射層１０４で反射された場合の大きさと比べて変わらない。従って、量子ドット層１０１を通過する距離が長くなることから得られる効果により、赤外線の検知効率は高まる。
【００１１】
一方、波長λ1を持つ赤外線においては、サブバンド間遷移を引き起こすｘ方向の電界成分の大きさは、斜め方向の反射によって、図９の赤外線検知素子において赤外線を赤外線反射層１０４で反射した場合に比べて弱められる。従って、赤外線が量子ドット層１０１を通過する距離が長くなることから得られる効果は認められるものの、検知効率は向上しない。図１０の赤外線検知素子の検知効率として、波長λ1及び波長λ2を持つ２種の赤外線に対する応答を総じて考えると、図９の赤外線検知素子における赤外線反射層１０４で赤外線を反射する場合に比べて検知効率は高くはなるものの、充分であるとは言えない。
【００１２】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、互いに直交する方向に電界成分を持つ波長の光に対して、共に電界成分の大きさを変えることなく、総じて光検知効率を大幅に向上させることのできる信頼性の高い光検知素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
光検知素子の一態様は、検知対象の光に対して活性となる複数の量子ドットが積層されてなる第１の量子ドット層と、前記第１の量子ドット層に所定の電圧を印加する一対の電極と、前記第１の量子ドット層の上方に、前記第１の量子ドット層と同一材料からなる複数の量子ドットが積層されてなる第２の量子ドット層と、前記第２の量子ドット層の上方に設けられた光反射層とを含む。
【００１４】
光検知素子の製造方法の一態様は、検知対象の光に対して活性となる複数の量子ドットを積層して第１の量子ドット層を形成する工程と、前記第１の量子ドット層の上方に、前記第１の量子ドット層と同一材料を用いて複数の量子ドットを積層して第２の量子ドット層を形成する工程と、前記第２の量子ドット層の上方に光反射層を形成する工程とを含む。
【発明の効果】
【００１５】
上記の各態様によれば、互いに直交する方向に電界成分を持つ波長の光に対して、共に電界成分の大きさを変えることなく、総じて光検知効率を大幅に向上させることのできる信頼性の高い光検知素子が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態による量子ドット型の赤外線検知素子の概略構成を示す断面図である。
【図２】本実施形態による量子ドット型の赤外線検知素子において、サブバンド間遷移を説明するための図である。
【図３】本実施形態による量子ドット型の赤外線検知素子において、ｙ方向に電界成分を有する波長λ2の赤外線の反射を示す概略断面図である。
【図４】本実施形態による量子ドット型の赤外線検知素子において、ｘ方向に電界成分を有する波長λ1の赤外線の反射を示す概略断面図である。
【図５】本実施形態による赤外線検知素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図６】図５に引き続き、本実施形態による赤外線検知素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図７】従来の量子ドット型の赤外線検知素子の一例を示す概略断面図である。
【図８】従来の量子ドット型の赤外線検知素子において、サブバンド間遷移を説明するための図である。
【図９】従来の量子ドット型の赤外線検知素子において、ｘ方向及びｙ方向に電界成分を有する波長λ1，λ2の赤外線の反射を示す概略断面図である。
【図１０】従来の量子ドット型の赤外線検知素子の他の例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、光検知素子及びその製造方法の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、光検知素子として、赤外線を検知対象とする量子ドット型の検知素子を例示するが、これに限定されるものではない。例えば、可視光を検知対象とする量子ドット型の検知素子、テラヘルツ（ＴＨｚ）波光を検知対象とする量子ドット型の検知素子にも適用可能である。
【００１８】
（赤外線検知素子の構成）
以下、本実施形態による赤外線検知素子の構成について説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態による量子ドット型の赤外線検知素子の概略構成を示す断面図である。
この赤外線検知素子は、量子ドットを含む第１の量子ドット層１と、第１の量子ドット層１を挟み込む一対の電極層２，３と、量子ドットを含む第２の量子ドット層４と、第２の量子ドット層４を透過した赤外線を反射させる赤外線反射層５とを備えて構成される。
【００２０】
第１の量子ドット層１は、量子井戸となる複数の量子ドット１１が障壁層１２内に埋め込まれた層が積層されてなる。第２の量子ドット層４は、量子井戸となる複数の量子ドット１３が障壁層１４内に埋め込まれた層が積層されてなる。第２の量子ドット層４は、第１の量子ドット層１で吸収する赤外線と同じ波長の赤外線を同様に吸収するものとすべく、第１の量子ドット層１と同一の構造とされている。具体的には、第１の量子ドット層１及び第２の量子ドット層４では、量子ドット１１と量子ドット１３、障壁層１２と障壁層１４がそれぞれ同一材料で形成されている。
【００２１】
第２の量子ドット層４は、第１の量子ドット層１よりも積層数が多い。第１の量子ドット層１では、励起準位に励起された電子を連続帯内へ放出させるためにある程度の大きさの電界が印加される必要があるため、積層数がある程度の数に制限される。一方、第２の量子ドット層４では、積層数は多ければ多いほど、本実施形態の奏する効果は高まる。従って、可及的に大きな効果を得るべく、第２の量子ドット層４の積層数を第１の量子ドットの積層数よりも多くすることが好適である。
【００２２】
第１及び第２の量子ドット層１，４では、量子ドット１１，１３は、ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料として形成される。障壁層１２，１４は、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料として形成される。例えば、量子ドット１１，１３をＩｎＧａＡｓとＩｎＡｓを２段に重ねた構造としたり、障壁層１２，１４をＩｎＧａＡｓの薄層とＧａＡｓとの積層構造とすることも考えられる。ここで、量子ドット１１，１３の材料と障壁層１２，１４の材料が同一組成のものである場合には、量子ドット１１，１３の材料及び障壁層１２，１４の材料として、前者の方が後者よりもＩｎ組成比が大きいものを用いる。
本実施形態では、量子ドット１１，１３の材料としてＩｎＡｓを、障壁層１２，１４の材料としてＡｌＧａＡｓをそれぞれ用いる場合を例示する。
【００２３】
上記のように構成された赤外線検知素子において、第２の量子ドット層４に到達した赤外線は、第１の量子ドット層１において吸収され得ることから、第２量子ドット層４においてもこの層を通過するときに吸収され得る。
先ず、図２及び図３（第１の量子ドット層１の量子ドット１１の記載を省略する。）を用いて、ｙ方向に電界成分を有する波長λ2の赤外線について考える。
【００２４】
図２に示すように、基底準位に位置している電子がｙ方向に量子数の増える励起準位へサブバンド間遷移することにより、その赤外線は吸収される。励起された電子は、いずれは基底準位へ緩和することになるが、この過程ではｙ方向の量子数が減少することから、放出される波長λ2を持つ赤外線はｙ方向に電界成分を有することになる。一般的に光はその進行方向に対して垂直な方向に電界成分を有することから、逆にｙ方向に電界成分を有する赤外線の放出される方向は、ｘ−ｚ面内に制約される。また、一般的にこの面内での放出角度についての制約はないため、放出される赤外線は殆どの場合、入射した方向とは異なる方向に放出される。
【００２５】
図２では、２つのサブバンド間遷移を基底準位│０００＞から励起準位│１００＞、及び励起準位│０１０＞への遷移として説明しているが、これに限定されるものではない。ｘ方向の量子数のみが増える量子準位間とｙ方向の量子数のみが増える量子準位間が存在し、これらのエネルギー間隔が異なっていれば、本実施形態の奏する効果を得ることができる。
【００２６】
ここで、量子数の増加量が奇数である制約はあるが、本実施形態の奏する効果を得るために必要な２つのサブバンド間遷移としては、例えば以下のものが挙げられる。
│０００＞→│３００＞及び│０００＞→│０３０＞
│１００＞→│２００＞及び│０１０＞→│０２０＞
│０００＞→│３００＞及び│０１０＞→│０２０＞
│０１０＞→│１１０＞及び│１００＞→│１１０＞
│４３１＞→│５３１＞及び│２６１＞→│２７１＞
【００２７】
結果として、図３に示すように、第１の量子ドット層１の表面に垂直に入射した赤外線は、ｘ−ｚ面内の斜めの方向に反射される。ここで図３では、入射方向に対して９０°以上傾く方向に放出される赤外線が描かれているが、入射方向に対して９０°以内の方向に放出される赤外線についても、放出された後に赤外線反射層５で反射することから、その後の描像としては初めから９０°以上の方向に放出される赤外線の場合と同一であると考えて良い。従って、以上で示したｙ方向に電界成分を有するλ2の赤外線に対する描像は、図１０の１次元反射型回折格子１０５を用いる場合と同じである。この場合、サブバンド間遷移を引き起こすｙ方向の電界成分の大きさは変わらずに第１の量子ドット層１を通過する距離が長くなることから、この赤外線に対する検知効率は高くなる。
【００２８】
次に、図４（第１の量子ドット層１の量子ドット１１の記載を省略する。）を用いて、ｘ方向に電界成分を有する波長λ1の赤外線について考える。
遷移先はｘ方向に量子数の増加する励起準位であり、これより放出される赤外線はｘ方向に電界成分を有し、その方向はｙ−ｚ面内に制約される。このとき、図１０の１次元反射型回折格子１０５を用いる場合とは異なり、ｘ方向の電界成分が弱められることなく第１の量子ドット層１を通過する距離が長くなることから、第２の量子ドット層４を設けることにより、この赤外線に対する検知効率が高くなる。
【００２９】
以上より、本実施形態による赤外線検知素子では、第１の量子ドット層１の上方にこれと同一構造で積層数の多い第２の量子ドット層４を設けることにより、互いに直交するｘ方向及びｙ方向に電界成分を持つ波長の光に対して、共に電界成分の大きさを変えることなく、総じて光検知効率を大幅に向上させることが実現する。
【００３０】
（赤外線検知素子の製造方法）
以下、本実施形態による赤外線検知素子の製造方法について説明する。
図５及び図６は、本実施形態による赤外線検知素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【００３１】
図５（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板２１上に電極層２２を形成する。
詳細には、例えば分子線エピタキシャル法により、ＧａＡｓ基板１上にｎ型ＧａＡｓを、基板温度を例えば６００℃として成長する。ｎ型ＧａＡｓの厚みは例えば１０００ｎｍ程度とし、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）を用い、その濃度を例えば２×１０18／ｃｍ3とする。以上により、電極層２２が形成される。
【００３２】
なお、ｎ型ＧａＡｓにドープするｎ型不純物は、Ｓｉに限定されるものではない。例えば、ｎ型ＧａＡｓのｎ型不純物にＳｉを用いて伝導帯側量子準位を利用した赤外線検知素子を得る代わりに、ｎ型ＧａＡｓのｎ型不純物にベリリウム（Ｂｅ）を用いて価電子帯側量子準位を利用した赤外線検知素子を実現することができる。
【００３３】
続いて、図５（ｂ）に示すように、電極層２２上に第１の量子ドット層２３を形成する。
詳細には、先ず、分子線エピタキシャル法により、電極層２２上にＡｌＧａＡｓ層３１を成長する。ＡｌＧａＡｓ層３１のＡｌ組成比は例えば０．２とし、厚みは例えば５０ｎｍ程度とする。ＡｌＧａＡｓ層３１を成長する間に、基板温度を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℃に低下させる。
【００３４】
次に、分子線エピタキシャル法により、基板温度を５００℃に維持したまま、例えば０．２ＭＬ／ｓ(原子層/秒)の成長速度でＩｎＡｓを例えば流量２ＭＬで供給する。このＩｎＡｓの供給過程でＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増加し、ＩｎＡｓが３次元成長して量子ドット３２が形成される（自己組織化形成法）。引き続き、ＡｌＧａＡｓを例えばＡｌ組成比０．２で例えば厚み５０ｎｍ程度に成長する。これにより、ＡｌＧａＡｓの障壁層３３内に、ＩｎＡｓの複数の量子ドット３２が埋め込み形成されてなる半導体層３４が形成される。その後、上述のＩｎＡｓの供給とＡｌＧａＡｓの成長とを例えば９回繰り返す。以上により、例えば、ＡｌＧａＡｓ層３１上に１０層（図５（ｂ）では３層のみ示す。）の半導体層３４が積層されてなる第１の量子ドット層２３が形成される。ここで、最後のＡｌＧａＡｓを成長する間に、基板温度を５００℃から６００℃に上昇させる。
【００３５】
続いて、図５（ｃ）に示すように、第１の量子ドット層２３上に電極層２４を形成する。
詳細には、例えば分子線エピタキシャル法により、第１の量子ドット層２３上にｎ型ＧａＡｓを、基板温度を例えば６００℃として成長する。ｎ型ＧａＡｓの厚みは例えば１０００ｎｍ程度とし、ｎ型不純物として例えばＳｉを用い、その濃度を例えば２×１０18／ｃｍ3とする。以上により、電極層２４が形成される。
【００３６】
続いて、図５（ｄ）に示すように、電極層２４上に第２の量子ドット層２５を形成する。
詳細には、先ず、分子線エピタキシャル法により、電極層２４上にＡｌＧａＡｓ層３５を成長する。ＡｌＧａＡｓ層３５のＡｌ組成比は例えば０．２とし、厚みは例えば５０ｎｍ程度とする。ＡｌＧａＡｓ層３５を成長する間に、基板温度を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℃に低下させる。
【００３７】
次に、分子線エピタキシャル法により、基板温度を５００℃に維持したまま、例えば０．２ＭＬ／ｓ(原子層/秒)の成長速度でＩｎＡｓを例えば流量２ＭＬで供給する。このＩｎＡｓの供給過程でＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増加し、ＩｎＡｓが３次元成長して量子ドット３６が形成される。引き続き、ＡｌＧａＡｓを例えばＡｌ組成比０．２で例えば厚み５０ｎｍ程度に成長する。これにより、ＡｌＧａＡｓの障壁層３７内に、ＩｎＡｓの複数の量子ドット３６が埋め込み形成されてなる半導体層３８が形成される。その後、上述のＩｎＡｓの供給とＡｌＧａＡｓの成長とを例えば２９回繰り返す。以上により、例えば、ＡｌＧａＡｓ層３５上に３０層（図５（ｄ）では３層のみ示す。）の半導体層３８が積層されてなる第２の量子ドット層２５が形成される。ここで、最後のＡｌＧａＡｓを成長する間に、基板温度を５００℃から６００℃に上昇させる。
【００３８】
続いて、図６（ａ）に示すように、第２の量子ドット層２５上にＧａＡｓ層２６を形成する。
詳細には、例えば分子線エピタキシャル法により、第２の量子ドット層２５上にＧａＡｓを、基板温度を例えば６００℃として成長する。このＧａＡｓを保護膜として機能させるべく、ＧａＡｓの厚みは例えば５０ｎｍ程度とする。これにより、ＧａＡｓ層２６が形成される。
【００３９】
続いて、図６（ｂ）に示すように、ＧａＡｓ基板２０上の構造物を加工する。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングにより、ＧａＡｓ層２６及び第２の量子ドット層２５を掘削し、電極層２４の表面の一部を露出させる。
次に、リソグラフィー及びドライエッチングにより、電極層２４及び第１の量子ドット層２３を掘削し、電極層２２の表面の一部を露出させる。
【００４０】
続いて、図６（ｃ）に示すように、赤外線反射層２７及び一対の電極２８，２９を形成する。
詳細には、例えば金属蒸着法により、ＧａＡｓ層２６上にＴｉ／Ａｕを積層形成する。同様に金属蒸着法により、電極層２２の露出した表面上と、電極層２４の露出した表面上とにそれぞれＡｕＧｅ／Ａｕを積層形成する。以上により、ＧａＡｓ層２６上には赤外線反射層２７が、電極層２２，２４の露出した表面上には電極２８，２９がそれぞれ形成される。
【００４１】
しかる後、一対の電極２８，２９をＣＭＯＳ回路等に電流計と共に接続する。以上により、赤外線検知素子が形成される。
【００４２】
この赤外線検知素子では、電極層２２，２４間に電位差を与えて第１の量子ドット層２２に流れる電流を電流計で計測する。これにより、入射した赤外線に対する第１の量子ドット層２２の応答として流れる電流の変化を読み取ることができる。赤外線検知素子は、第１の量子ドット層２２を構成する量子ドット３２と同じ構造の量子ドット３６が積層された第２の量子ドット層２５を有することから、検知効率の高い赤外線検知が実現する。
【００４３】
以下、光検知素子及びその製造方法の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００４４】
（付記１）検知対象の光に対して活性となる複数の量子ドットが積層されてなる第１の量子ドット層と、
前記第１の量子ドット層に所定の電圧を印加する一対の電極と、
前記第１の量子ドット層の上方に、前記第１の量子ドット層と同一材料からなる複数の量子ドットが積層されてなる第２の量子ドット層と、
前記第２の量子ドット層の上方に設けられた光反射層と
を含むことを特徴とする光検知素子。
【００４５】
（付記２）前記第２の量子ドット層は前記第１の量子ドット層よりも前記量子ドットの積層数が多いことを特徴とする付記１に記載の光検知素子。
【００４６】
（付記３）前記第１の量子ドット層及び前記第２の量子ドット層は、障壁層内に複数の量子ドットが埋め込み形成されてなる量子ドット層が複数積層されてなることを特徴とする付記１又は２に記載の光検知素子。
【００４７】
（付記４）検知対象の光が赤外線であり、
前記量子ドット層は、前記量子ドットをＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料とし、前記障壁層をＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料として、前記量子ドットの材料と前記障壁層の材料とが同一組成のものである場合には、前記量子ドットの材料のＩｎ組成比が前記障壁層の材料のＩｎ組成比よりも大きいことを特徴とする付記３に記載の光検知素子。
【００４８】
（付記５）検知対象の光に対して活性となる複数の量子ドットを積層して第１の量子ドット層を形成する工程と、
前記第１の量子ドット層の上方に、前記第１の量子ドット層と同一材料を用いて複数の量子ドットを積層して第２の量子ドット層を形成する工程と、
前記第２の量子ドット層の上方に光反射層を形成する工程と
を含むことを特徴とする光検知素子の製造方法。
【００４９】
（付記６）前記第２の量子ドット層を、前記第１の量子ドット層よりも前記量子ドットの積層数を多く形成することを特徴とする付記５に記載の光検知素子の製造方法。
【００５０】
（付記７）前記第１の量子ドット層及び前記第２の量子ドット層を、障壁層内に複数の量子ドットが埋め込み形成した量子ドット層を複数積層して形成することを特徴とする付記５又は６に記載の光検知素子の製造方法。
【００５１】
（付記８）前記量子ドット層は、前記量子ドットをＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料として形成し、前記障壁層をＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料として形成し、前記量子ドットの材料と前記障壁層の材料とが同一組成のものである場合には、前記量子ドットの材料のＩｎ組成比が前記障壁層の材料のＩｎ組成比よりも大きくなるようにすることを特徴とする付記７に記載の光検知素子の製造方法。
【符号の説明】
【００５２】
１，２３ 第１の量子ドット層
２，３，２２，２４，１０２，１０３ 電極層
４，２５ 第２の量子ドット層４
５，２７，１０４ 赤外線反射層
１１，１３，３２，３６，１１１ 量子ドット
１２，１４，３３，３７，１１２ 障壁層
２１ ＧａＡｓ基板
２６ ＧａＡｓ層
３１，３５ ＡｌＧａＡｓ層
３４，３８ 半導体層
２８，２９ 電極
１０１ 量子ドット層
１０５ １次元反射型回折格子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知対象の光に対して活性となる量子ドットを有する光検知素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を検知対象とする検知素子として、赤外線に対して活性となる量子ドットを有する赤外線検知素子が案出されている。
赤外線検知素子の一例を図７に示す。この赤外線検知素子は、量子ドットを含む量子ドット層１０１と、量子ドット層１０１を挟み込む一対の電極層１０２，１０３と、量子ドット層１０１を透過した赤外線を反射させる赤外線反射層１０４とを備えて構成される。量子ドット層１０１は、量子井戸となる複数の量子ドット１１１が障壁層１１２内に埋め込まれた層が積層されてなる。量子ドット層１０１では、量子ドット１１１が例えばＩｎＡｓを材料として、障壁層１１２が例えばＡｌＧａＡｓを材料として形成される。量子ドット層１０１では、互いに直交する３方向に量子閉じ込めのなされた量子井戸が形成され、基底準位及び励起準位の如き複数の量子準位が形成される。
【０００３】
赤外線検知素子では、量子準位間のエネルギー差に相当する波長をもつ赤外線が入射すると、基底準位に位置していた電子は赤外線を吸収することで励起準位へサブバンド間遷移される。電極層１０２，１０３間に電界を印加しておくと、励起準位に励起された電子は例えばトンネル過程等により障壁層１１２の連続帯内へ放出され、電極層１０２，１０３に到達する。この到達した電子を電流として捕らえることで、被検知体から放射された赤外線を検知することができる。
【０００４】
赤外線検知素子において、図８に示すように、量子量子ドット層に平行な面内の２次元方向の量子閉じ込めに起因する励起状態は２つの準位からなる。これらの準位は、その２方向（ｘ方向とｙ方向）のうち互いに異なる１方向に対する量子数を増加させた形で形成されている。また、量子ドットの形状異方性等に起因する量子閉じ込め強さの違いから、これらの準位はエネルギー分離している。これらの励起準位へのサブバンド間遷移は、基底準位と励起準位の間で量子数が増加する方向に電界成分を有する赤外線により引き起こされる。このことから、ｘ方向に量子数が増えている励起準位へは、ｘ方向に電界成分を有し、且つこの励起準位と基底準位との間のエネルギー差に相当する波長（λ1）を持つ赤外線に対して引き起こされる。また、ｙ方向に量子数が増えている励起準位へは、ｙ方向に電界成分を有し、且つこの励起準位と基底準位との間のエネルギー差に相当する波長（λ2）を持つ赤外線に対して引き起こされる。
【０００５】
被検知体である物体を認知するために赤外線検知素子を利用する場合、被検知体から放射された赤外線をその素子で検知することで被検知体が認知される。この赤外線は、被検知体の温度等に依存した広範囲に亘る波長を持ち、ランダムな偏光方向を持っている。この赤外線検知素子では、図９（量子ドット層１０１の量子ドット１１１の記載を省略する。）に示すように、放射される赤外線のうちでｘ方向に電界成分を持つ波長λ1の赤外線と、ｙ方向に電界成分を持つ波長λ2の赤外線とを検知する。これにより、被検知体が認知される。そして、この赤外線に対する応答が総じて強ければ、それは検知効率の高い赤外線検知素子であると言える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−６５１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図９の赤外線検知素子に入射した赤外線のうち、量子ドット１１１に吸収されずに量子ドット層１０１を通過した赤外線は赤外線反射層１０４により反射し、再び量子ドット層１０１に入射して検知対象となる。
しかしながら、赤外線反射層１０４で反射した赤外線の反射光に対する検知効率は十分ではない。そこで、この赤外線の反射光に対する検知効率を高めるべく、図１０に示すように、赤外線反射層１０４の代わりに反射構造として１次元反射型回折格子１０５を用いた赤外線検知素子が案出されている。
【０００８】
図９の赤外線反射層１０４では、量子ドット層１０１の表面に垂直に入射した赤外線は垂直に反射される。これに対して、図１０の１次元反射型回折格子１０５では、量子ドット層１０１の表面に垂直に入射した赤外線は当該表面に対して斜め方向に反射する。
【０００９】
図９及び図１０の赤外線検知素子における赤外線の検知効率は、概ね量子ドット層１０１による赤外線吸収の強さにより決定される。この検知効率は、赤外線が量子ドット層１０１を通過するときの距離と、赤外線の持つサブバンド間遷移を引き起こす方向の電界成分の大きさ（強度）とに応じて高くなる。
図１０の赤外線検知素子では、赤外線は１次元反射型回折格子１０５で斜め方向に反射する。そのため、図１０の赤外線検知素子における上記の距離（図１０中、ｄ2で示す。）については、当該距離は図９の赤外線検知素子における当該距離（図９中、ｄ1で示す。）より大きく、赤外線の検知効率を高めることができる。
【００１０】
しかしながら、図１０の赤外線検知素子では、後者の電界成分の大きさについては、ｘ方向に電界成分を持つ波長λ1の赤外線と、ｙ方向に電界成分を持つ波長λ2の赤外線とで、赤外線の検知効率に対する寄与が異なる。
図１０の赤外線検知素子では、１次元反射型回折格子１０５で反射する赤外線は、その波長に拠らずに１つの面内に反射する。ここで、ｘ−ｚ面内の斜め１方向に赤外線を反射する１次元反射型回折格子を用いる場合を考える。波長λ2を持つ赤外線については、サブバンド間遷移を引き起こすｙ方向の電界成分の大きさは、図９の赤外線反射層１０４で反射された場合の大きさと比べて変わらない。従って、量子ドット層１０１を通過する距離が長くなることから得られる効果により、赤外線の検知効率は高まる。
【００１１】
一方、波長λ1を持つ赤外線においては、サブバンド間遷移を引き起こすｘ方向の電界成分の大きさは、斜め方向の反射によって、図９の赤外線検知素子において赤外線を赤外線反射層１０４で反射した場合に比べて弱められる。従って、赤外線が量子ドット層１０１を通過する距離が長くなることから得られる効果は認められるものの、検知効率は向上しない。図１０の赤外線検知素子の検知効率として、波長λ1及び波長λ2を持つ２種の赤外線に対する応答を総じて考えると、図９の赤外線検知素子における赤外線反射層１０４で赤外線を反射する場合に比べて検知効率は高くはなるものの、充分であるとは言えない。
【００１２】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、互いに直交する方向に電界成分を持つ波長の光に対して、共に電界成分の大きさを変えることなく、総じて光検知効率を大幅に向上させることのできる信頼性の高い光検知素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
光検知素子の一態様は、検知対象の光に対して活性となる複数の量子ドットが積層されてなる第１の量子ドット層と、前記第１の量子ドット層に所定の電圧を印加する一対の電極と、前記第１の量子ドット層の上方に、前記第１の量子ドット層と同一材料からなる複数の量子ドットが積層されてなる第２の量子ドット層と、前記第２の量子ドット層の上方に設けられた光反射層とを含む。
【００１４】
光検知素子の製造方法の一態様は、検知対象の光に対して活性となる複数の量子ドットを積層して第１の量子ドット層を形成する工程と、前記第１の量子ドット層の上方に、前記第１の量子ドット層と同一材料を用いて複数の量子ドットを積層して第２の量子ドット層を形成する工程と、前記第２の量子ドット層の上方に光反射層を形成する工程とを含む。
【発明の効果】
【００１５】
上記の各態様によれば、互いに直交する方向に電界成分を持つ波長の光に対して、共に電界成分の大きさを変えることなく、総じて光検知効率を大幅に向上させることのできる信頼性の高い光検知素子が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態による量子ドット型の赤外線検知素子の概略構成を示す断面図である。
【図２】本実施形態による量子ドット型の赤外線検知素子において、サブバンド間遷移を説明するための図である。
【図３】本実施形態による量子ドット型の赤外線検知素子において、ｙ方向に電界成分を有する波長λ2の赤外線の反射を示す概略断面図である。
【図４】本実施形態による量子ドット型の赤外線検知素子において、ｘ方向に電界成分を有する波長λ1の赤外線の反射を示す概略断面図である。
【図５】本実施形態による赤外線検知素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図６】図５に引き続き、本実施形態による赤外線検知素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図７】従来の量子ドット型の赤外線検知素子の一例を示す概略断面図である。
【図８】従来の量子ドット型の赤外線検知素子において、サブバンド間遷移を説明するための図である。
【図９】従来の量子ドット型の赤外線検知素子において、ｘ方向及びｙ方向に電界成分を有する波長λ1，λ2の赤外線の反射を示す概略断面図である。
【図１０】従来の量子ドット型の赤外線検知素子の他の例を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、光検知素子及びその製造方法の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、光検知素子として、赤外線を検知対象とする量子ドット型の検知素子を例示するが、これに限定されるものではない。例えば、可視光を検知対象とする量子ドット型の検知素子、テラヘルツ（ＴＨｚ）波光を検知対象とする量子ドット型の検知素子にも適用可能である。
【００１８】
（赤外線検知素子の構成）
以下、本実施形態による赤外線検知素子の構成について説明する。
【００１９】
図１は、本実施形態による量子ドット型の赤外線検知素子の概略構成を示す断面図である。
この赤外線検知素子は、量子ドットを含む第１の量子ドット層１と、第１の量子ドット層１を挟み込む一対の電極層２，３と、量子ドットを含む第２の量子ドット層４と、第２の量子ドット層４を透過した赤外線を反射させる赤外線反射層５とを備えて構成される。
【００２０】
第１の量子ドット層１は、量子井戸となる複数の量子ドット１１が障壁層１２内に埋め込まれた層が積層されてなる。第２の量子ドット層４は、量子井戸となる複数の量子ドット１３が障壁層１４内に埋め込まれた層が積層されてなる。第２の量子ドット層４は、第１の量子ドット層１で吸収する赤外線と同じ波長の赤外線を同様に吸収するものとすべく、第１の量子ドット層１と同一の構造とされている。具体的には、第１の量子ドット層１及び第２の量子ドット層４では、量子ドット１１と量子ドット１３、障壁層１２と障壁層１４がそれぞれ同一材料で形成されている。
【００２１】
第２の量子ドット層４は、第１の量子ドット層１よりも積層数が多い。第１の量子ドット層１では、励起準位に励起された電子を連続帯内へ放出させるためにある程度の大きさの電界が印加される必要があるため、積層数がある程度の数に制限される。一方、第２の量子ドット層４では、積層数は多ければ多いほど、本実施形態の奏する効果は高まる。従って、可及的に大きな効果を得るべく、第２の量子ドット層４の積層数を第１の量子ドットの積層数よりも多くすることが好適である。
【００２２】
第１及び第２の量子ドット層１，４では、量子ドット１１，１３は、ＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料として形成される。障壁層１２，１４は、ＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料として形成される。例えば、量子ドット１１，１３をＩｎＧａＡｓとＩｎＡｓを２段に重ねた構造としたり、障壁層１２，１４をＩｎＧａＡｓの薄層とＧａＡｓとの積層構造とすることも考えられる。ここで、量子ドット１１，１３の材料と障壁層１２，１４の材料が同一組成のものである場合には、量子ドット１１，１３の材料及び障壁層１２，１４の材料として、前者の方が後者よりもＩｎ組成比が大きいものを用いる。
本実施形態では、量子ドット１１，１３の材料としてＩｎＡｓを、障壁層１２，１４の材料としてＡｌＧａＡｓをそれぞれ用いる場合を例示する。
【００２３】
上記のように構成された赤外線検知素子において、第２の量子ドット層４に到達した赤外線は、第１の量子ドット層１において吸収され得ることから、第２量子ドット層４においてもこの層を通過するときに吸収され得る。
先ず、図２及び図３（第１の量子ドット層１の量子ドット１１の記載を省略する。）を用いて、ｙ方向に電界成分を有する波長λ2の赤外線について考える。
【００２４】
図２に示すように、基底準位に位置している電子がｙ方向に量子数の増える励起準位へサブバンド間遷移することにより、その赤外線は吸収される。励起された電子は、いずれは基底準位へ緩和することになるが、この過程ではｙ方向の量子数が減少することから、放出される波長λ2を持つ赤外線はｙ方向に電界成分を有することになる。一般的に光はその進行方向に対して垂直な方向に電界成分を有することから、逆にｙ方向に電界成分を有する赤外線の放出される方向は、ｘ−ｚ面内に制約される。また、一般的にこの面内での放出角度についての制約はないため、放出される赤外線は殆どの場合、入射した方向とは異なる方向に放出される。
【００２５】
図２では、２つのサブバンド間遷移を基底準位│０００＞から励起準位│１００＞、及び励起準位│０１０＞への遷移として説明しているが、これに限定されるものではない。ｘ方向の量子数のみが増える量子準位間とｙ方向の量子数のみが増える量子準位間が存在し、これらのエネルギー間隔が異なっていれば、本実施形態の奏する効果を得ることができる。
【００２６】
ここで、量子数の増加量が奇数である制約はあるが、本実施形態の奏する効果を得るために必要な２つのサブバンド間遷移としては、例えば以下のものが挙げられる。
│０００＞→│３００＞及び│０００＞→│０３０＞
│１００＞→│２００＞及び│０１０＞→│０２０＞
│０００＞→│３００＞及び│０１０＞→│０２０＞
│０１０＞→│１１０＞及び│１００＞→│１１０＞
│４３１＞→│５３１＞及び│２６１＞→│２７１＞
【００２７】
結果として、図３に示すように、第１の量子ドット層１の表面に垂直に入射した赤外線は、ｘ−ｚ面内の斜めの方向に反射される。ここで図３では、入射方向に対して９０°以上傾く方向に放出される赤外線が描かれているが、入射方向に対して９０°以内の方向に放出される赤外線についても、放出された後に赤外線反射層５で反射することから、その後の描像としては初めから９０°以上の方向に放出される赤外線の場合と同一であると考えて良い。従って、以上で示したｙ方向に電界成分を有するλ2の赤外線に対する描像は、図１０の１次元反射型回折格子１０５を用いる場合と同じである。この場合、サブバンド間遷移を引き起こすｙ方向の電界成分の大きさは変わらずに第１の量子ドット層１を通過する距離が長くなることから、この赤外線に対する検知効率は高くなる。
【００２８】
次に、図４（第１の量子ドット層１の量子ドット１１の記載を省略する。）を用いて、ｘ方向に電界成分を有する波長λ1の赤外線について考える。
遷移先はｘ方向に量子数の増加する励起準位であり、これより放出される赤外線はｘ方向に電界成分を有し、その方向はｙ−ｚ面内に制約される。このとき、図１０の１次元反射型回折格子１０５を用いる場合とは異なり、ｘ方向の電界成分が弱められることなく第１の量子ドット層１を通過する距離が長くなることから、第２の量子ドット層４を設けることにより、この赤外線に対する検知効率が高くなる。
【００２９】
以上より、本実施形態による赤外線検知素子では、第１の量子ドット層１の上方にこれと同一構造で積層数の多い第２の量子ドット層４を設けることにより、互いに直交するｘ方向及びｙ方向に電界成分を持つ波長の光に対して、共に電界成分の大きさを変えることなく、総じて光検知効率を大幅に向上させることが実現する。
【００３０】
（赤外線検知素子の製造方法）
以下、本実施形態による赤外線検知素子の製造方法について説明する。
図５及び図６は、本実施形態による赤外線検知素子の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【００３１】
図５（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板２１上に電極層２２を形成する。
詳細には、例えば分子線エピタキシャル法により、ＧａＡｓ基板１上にｎ型ＧａＡｓを、基板温度を例えば６００℃として成長する。ｎ型ＧａＡｓの厚みは例えば１０００ｎｍ程度とし、ｎ型不純物として例えばシリコン（Ｓｉ）を用い、その濃度を例えば２×１０18／ｃｍ3とする。以上により、電極層２２が形成される。
【００３２】
なお、ｎ型ＧａＡｓにドープするｎ型不純物は、Ｓｉに限定されるものではない。例えば、ｎ型ＧａＡｓのｎ型不純物にＳｉを用いて伝導帯側量子準位を利用した赤外線検知素子を得る代わりに、ｎ型ＧａＡｓのｎ型不純物にベリリウム（Ｂｅ）を用いて価電子帯側量子準位を利用した赤外線検知素子を実現することができる。
【００３３】
続いて、図５（ｂ）に示すように、電極層２２上に第１の量子ドット層２３を形成する。
詳細には、先ず、分子線エピタキシャル法により、電極層２２上にＡｌＧａＡｓ層３１を成長する。ＡｌＧａＡｓ層３１のＡｌ組成比は例えば０．２とし、厚みは例えば５０ｎｍ程度とする。ＡｌＧａＡｓ層３１を成長する間に、基板温度を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℃に低下させる。
【００３４】
次に、分子線エピタキシャル法により、基板温度を５００℃に維持したまま、例えば０．２ＭＬ／ｓ(原子層/秒)の成長速度でＩｎＡｓを例えば流量２ＭＬで供給する。このＩｎＡｓの供給過程でＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増加し、ＩｎＡｓが３次元成長して量子ドット３２が形成される（自己組織化形成法）。引き続き、ＡｌＧａＡｓを例えばＡｌ組成比０．２で例えば厚み５０ｎｍ程度に成長する。これにより、ＡｌＧａＡｓの障壁層３３内に、ＩｎＡｓの複数の量子ドット３２が埋め込み形成されてなる半導体層３４が形成される。その後、上述のＩｎＡｓの供給とＡｌＧａＡｓの成長とを例えば９回繰り返す。以上により、例えば、ＡｌＧａＡｓ層３１上に１０層（図５（ｂ）では３層のみ示す。）の半導体層３４が積層されてなる第１の量子ドット層２３が形成される。ここで、最後のＡｌＧａＡｓを成長する間に、基板温度を５００℃から６００℃に上昇させる。
【００３５】
続いて、図５（ｃ）に示すように、第１の量子ドット層２３上に電極層２４を形成する。
詳細には、例えば分子線エピタキシャル法により、第１の量子ドット層２３上にｎ型ＧａＡｓを、基板温度を例えば６００℃として成長する。ｎ型ＧａＡｓの厚みは例えば１０００ｎｍ程度とし、ｎ型不純物として例えばＳｉを用い、その濃度を例えば２×１０18／ｃｍ3とする。以上により、電極層２４が形成される。
【００３６】
続いて、図５（ｄ）に示すように、電極層２４上に第２の量子ドット層２５を形成する。
詳細には、先ず、分子線エピタキシャル法により、電極層２４上にＡｌＧａＡｓ層３５を成長する。ＡｌＧａＡｓ層３５のＡｌ組成比は例えば０．２とし、厚みは例えば５０ｎｍ程度とする。ＡｌＧａＡｓ層３５を成長する間に、基板温度を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℃に低下させる。
【００３７】
次に、分子線エピタキシャル法により、基板温度を５００℃に維持したまま、例えば０．２ＭＬ／ｓ(原子層/秒)の成長速度でＩｎＡｓを例えば流量２ＭＬで供給する。このＩｎＡｓの供給過程でＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増加し、ＩｎＡｓが３次元成長して量子ドット３６が形成される。引き続き、ＡｌＧａＡｓを例えばＡｌ組成比０．２で例えば厚み５０ｎｍ程度に成長する。これにより、ＡｌＧａＡｓの障壁層３７内に、ＩｎＡｓの複数の量子ドット３６が埋め込み形成されてなる半導体層３８が形成される。その後、上述のＩｎＡｓの供給とＡｌＧａＡｓの成長とを例えば２９回繰り返す。以上により、例えば、ＡｌＧａＡｓ層３５上に３０層（図５（ｄ）では３層のみ示す。）の半導体層３８が積層されてなる第２の量子ドット層２５が形成される。ここで、最後のＡｌＧａＡｓを成長する間に、基板温度を５００℃から６００℃に上昇させる。
【００３８】
続いて、図６（ａ）に示すように、第２の量子ドット層２５上にＧａＡｓ層２６を形成する。
詳細には、例えば分子線エピタキシャル法により、第２の量子ドット層２５上にＧａＡｓを、基板温度を例えば６００℃として成長する。このＧａＡｓを保護膜として機能させるべく、ＧａＡｓの厚みは例えば５０ｎｍ程度とする。これにより、ＧａＡｓ層２６が形成される。
【００３９】
続いて、図６（ｂ）に示すように、ＧａＡｓ基板２０上の構造物を加工する。
詳細には、リソグラフィー及びドライエッチングにより、ＧａＡｓ層２６及び第２の量子ドット層２５を掘削し、電極層２４の表面の一部を露出させる。
次に、リソグラフィー及びドライエッチングにより、電極層２４及び第１の量子ドット層２３を掘削し、電極層２２の表面の一部を露出させる。
【００４０】
続いて、図６（ｃ）に示すように、赤外線反射層２７及び一対の電極２８，２９を形成する。
詳細には、例えば金属蒸着法により、ＧａＡｓ層２６上にＴｉ／Ａｕを積層形成する。同様に金属蒸着法により、電極層２２の露出した表面上と、電極層２４の露出した表面上とにそれぞれＡｕＧｅ／Ａｕを積層形成する。以上により、ＧａＡｓ層２６上には赤外線反射層２７が、電極層２２，２４の露出した表面上には電極２８，２９がそれぞれ形成される。
【００４１】
しかる後、一対の電極２８，２９をＣＭＯＳ回路等に電流計と共に接続する。以上により、赤外線検知素子が形成される。
【００４２】
この赤外線検知素子では、電極層２２，２４間に電位差を与えて第１の量子ドット層２２に流れる電流を電流計で計測する。これにより、入射した赤外線に対する第１の量子ドット層２２の応答として流れる電流の変化を読み取ることができる。赤外線検知素子は、第１の量子ドット層２２を構成する量子ドット３２と同じ構造の量子ドット３６が積層された第２の量子ドット層２５を有することから、検知効率の高い赤外線検知が実現する。
【００４３】
以下、光検知素子及びその製造方法の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００４４】
（付記１）検知対象の光に対して活性となる複数の量子ドットが積層されてなる第１の量子ドット層と、
前記第１の量子ドット層に所定の電圧を印加する一対の電極と、
前記第１の量子ドット層の上方に、前記第１の量子ドット層と同一材料からなる複数の量子ドットが積層されてなる第２の量子ドット層と、
前記第２の量子ドット層の上方に設けられた光反射層と
を含むことを特徴とする光検知素子。
【００４５】
（付記２）前記第２の量子ドット層は前記第１の量子ドット層よりも前記量子ドットの積層数が多いことを特徴とする付記１に記載の光検知素子。
【００４６】
（付記３）前記第１の量子ドット層及び前記第２の量子ドット層は、障壁層内に複数の量子ドットが埋め込み形成されてなる量子ドット層が複数積層されてなることを特徴とする付記１又は２に記載の光検知素子。
【００４７】
（付記４）検知対象の光が赤外線であり、
前記量子ドット層は、前記量子ドットをＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料とし、前記障壁層をＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料として、前記量子ドットの材料と前記障壁層の材料とが同一組成のものである場合には、前記量子ドットの材料のＩｎ組成比が前記障壁層の材料のＩｎ組成比よりも大きいことを特徴とする付記３に記載の光検知素子。
【００４８】
（付記５）検知対象の光に対して活性となる複数の量子ドットを積層して第１の量子ドット層を形成する工程と、
前記第１の量子ドット層の上方に、前記第１の量子ドット層と同一材料を用いて複数の量子ドットを積層して第２の量子ドット層を形成する工程と、
前記第２の量子ドット層の上方に光反射層を形成する工程と
を含むことを特徴とする光検知素子の製造方法。
【００４９】
（付記６）前記第２の量子ドット層を、前記第１の量子ドット層よりも前記量子ドットの積層数を多く形成することを特徴とする付記５に記載の光検知素子の製造方法。
【００５０】
（付記７）前記第１の量子ドット層及び前記第２の量子ドット層を、障壁層内に複数の量子ドットが埋め込み形成した量子ドット層を複数積層して形成することを特徴とする付記５又は６に記載の光検知素子の製造方法。
【００５１】
（付記８）前記量子ドット層は、前記量子ドットをＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料として形成し、前記障壁層をＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料として形成し、前記量子ドットの材料と前記障壁層の材料とが同一組成のものである場合には、前記量子ドットの材料のＩｎ組成比が前記障壁層の材料のＩｎ組成比よりも大きくなるようにすることを特徴とする付記７に記載の光検知素子の製造方法。
【符号の説明】
【００５２】
１，２３ 第１の量子ドット層
２，３，２２，２４，１０２，１０３ 電極層
４，２５ 第２の量子ドット層４
５，２７，１０４ 赤外線反射層
１１，１３，３２，３６，１１１ 量子ドット
１２，１４，３３，３７，１１２ 障壁層
２１ ＧａＡｓ基板
２６ ＧａＡｓ層
３１，３５ ＡｌＧａＡｓ層
３４，３８ 半導体層
２８，２９ 電極
１０１ 量子ドット層
１０５ １次元反射型回折格子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知対象の光に対して活性となる複数の量子ドットが積層されてなる第１の量子ドット層と、
前記第１の量子ドット層に所定の電圧を印加する一対の電極と、
前記第１の量子ドット層の上方に、前記第１の量子ドット層と同一材料からなる複数の量子ドットが積層されてなる第２の量子ドット層と、
前記第２の量子ドット層の上方に設けられた光反射層と
を含むことを特徴とする光検知素子。
【請求項２】
前記第２の量子ドット層は前記第１の量子ドット層よりも前記量子ドットの積層数が多いことを特徴とする請求項１に記載の光検知素子。
【請求項３】
前記第１の量子ドット層及び前記第２の量子ドット層は、障壁層内に複数の量子ドットが埋め込み形成されてなる量子ドット層が複数積層されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光検知素子。
【請求項４】
検知対象の光が赤外線であり、
前記量子ドット層は、前記量子ドットをＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料とし、前記障壁層をＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料として、前記量子ドットの材料と前記障壁層の材料とが同一組成のものである場合には、前記量子ドットの材料のＩｎ組成比が前記障壁層の材料のＩｎ組成比よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の光検知素子。
【請求項５】
検知対象の光に対して活性となる複数の量子ドットを積層して第１の量子ドット層を形成する工程と、
前記第１の量子ドット層の上方に、前記第１の量子ドット層と同一材料を用いて複数の量子ドットを積層して第２の量子ドット層を形成する工程と、
前記第２の量子ドット層の上方に光反射層を形成する工程と
を含むことを特徴とする光検知素子の製造方法。
【請求項６】
前記第２の量子ドット層を、前記第１の量子ドット層よりも前記量子ドットの積層数を多く形成することを特徴とする請求項５に記載の光検知素子の製造方法。
【請求項１】
検知対象の光に対して活性となる複数の量子ドットが積層されてなる第１の量子ドット層と、
前記第１の量子ドット層に所定の電圧を印加する一対の電極と、
前記第１の量子ドット層の上方に、前記第１の量子ドット層と同一材料からなる複数の量子ドットが積層されてなる第２の量子ドット層と、
前記第２の量子ドット層の上方に設けられた光反射層と
を含むことを特徴とする光検知素子。
【請求項２】
前記第２の量子ドット層は前記第１の量子ドット層よりも前記量子ドットの積層数が多いことを特徴とする請求項１に記載の光検知素子。
【請求項３】
前記第１の量子ドット層及び前記第２の量子ドット層は、障壁層内に複数の量子ドットが埋め込み形成されてなる量子ドット層が複数積層されてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の光検知素子。
【請求項４】
検知対象の光が赤外線であり、
前記量子ドット層は、前記量子ドットをＩｎＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料とし、前記障壁層をＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓから選ばれた少なくとも１種を材料として、前記量子ドットの材料と前記障壁層の材料とが同一組成のものである場合には、前記量子ドットの材料のＩｎ組成比が前記障壁層の材料のＩｎ組成比よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の光検知素子。
【請求項５】
検知対象の光に対して活性となる複数の量子ドットを積層して第１の量子ドット層を形成する工程と、
前記第１の量子ドット層の上方に、前記第１の量子ドット層と同一材料を用いて複数の量子ドットを積層して第２の量子ドット層を形成する工程と、
前記第２の量子ドット層の上方に光反射層を形成する工程と
を含むことを特徴とする光検知素子の製造方法。
【請求項６】
前記第２の量子ドット層を、前記第１の量子ドット層よりも前記量子ドットの積層数を多く形成することを特徴とする請求項５に記載の光検知素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−１０９４６２（Ｐ２０１２−１０９４６２Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５８１７６（Ｐ２０１０−２５８１７６）
【出願日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【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】（３９００１４３０６）防衛省技術研究本部長 (169)
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１８日（２０１０．１１．１８）
【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】（３９００１４３０６）防衛省技術研究本部長 (169)
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]