赤外線検出器及びその製造方法
【課題】量子ドットの厚さや大きさを変えるためにエッチング加工を使用すると、量子ドットを利用した赤外線検出器の感度が悪化する。そのため、検出波長帯域を維持しつつ、検出感度を向上させる赤外線検出器が、望まれる。
【解決手段】赤外線検出器は、半導体基板と、前記半導体基板に、複数の量子ドット層及び障壁層を交互に積層することで形成する光吸収層と、を備えている。さらに、複数の障壁層のうち、第１の障壁層は、量子ドット層と接触する第１の面に第１の凸形状を備え、複数の障壁層のうち、第１の面と相対する位置に存在する第２の障壁層は、第１の面に相当する第２の面に第２の凸形状を備え、第１及び第２の凸形状がそれぞれ異なることに対応して、量子ドット層に形成される量子ドットの形状が異なっている。
【解決手段】赤外線検出器は、半導体基板と、前記半導体基板に、複数の量子ドット層及び障壁層を交互に積層することで形成する光吸収層と、を備えている。さらに、複数の障壁層のうち、第１の障壁層は、量子ドット層と接触する第１の面に第１の凸形状を備え、複数の障壁層のうち、第１の面と相対する位置に存在する第２の障壁層は、第１の面に相当する第２の面に第２の凸形状を備え、第１及び第２の凸形状がそれぞれ異なることに対応して、量子ドット層に形成される量子ドットの形状が異なっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出器及びその製造方法に関する。特に、光吸収層に量子ドットを用いる赤外線検出器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、赤外線領域の光を検出する赤外線検出器の需要が高まっている。赤外線検出器によって、熱検出や温室効果ガスの１つである二酸化炭素の濃度測定が可能になるためである。赤外線検出半導体素子には、水銀・カドミウム・テルル（Ｍｅｒｃｕｒｙ Ｃａｄｍｉｕｍ Ｔｅｌｌｕｒｉｄｅ；ＭＣＴ）系の材料を利用したものが存在する。ＭＣＴ系材料を利用した赤外線検出器は、ＭＣＴ系材料が赤外線を吸収し、価電子帯の電子が伝導帯に励起されることで生じる電流（又は、電流から変換した電圧）を検出している。即ち、直接遷移型半導体での光吸収を利用する。
【０００３】
このようなＭＣＴ系材料を利用した赤外線検出器は、バンドギャップより大きなエネルギーを持つ光を吸収するため、原理的に広帯域な感度領域を有する赤外線検出器といえる。しかし、ＭＣＴ系材料は、結晶成長やその後のプロセスが非常に困難な材料であり、ＭＣＴ系材料を利用した赤外線検出器のコストが上昇するという問題がある。さらに、大面積化が困難なため、大面積の２次元赤外線検出器アレイを製造することが困難であるという問題もある。
【０００４】
一方、半導体量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）又は量子ドット（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ）の量子閉じ込め構造において、電子又は正孔のサブバンド間遷移による光吸収を利用するものが存在する。
【０００５】
ここで、量子ドットを利用した赤外線検出器の方が、量子井戸を利用した赤外線検出器よりも、感度の面からは利点が多い。しかし、量子ドットを用いた赤外線検出器には、検出波長帯域が狭いという問題がある。その理由については、量子井戸又は量子ドットを利用した赤外線検出器の原理と共に後述する。
【０００６】
ここで、特許文献１乃至４において、赤外線検出器の検出波長帯域を広げる手法が開示されている。
【０００７】
特許文献１では、異なる厚さを有する量子井戸層を複数備えた分光器が開示されている。特許文献１で開示された分光器は、それぞれの量子井戸層が検出できる波長が離散準位により決定され、この離散準位を量子井戸層の厚さに基づいて決定する。即ち、量子井戸層の厚さに基づいて検出波長を決定する。特許文献１で開示された分光器は、異なる厚さの量子井戸層を複数備えることで、複数の波長を検出することを可能とし、分光器として検出できる波長帯域を広げている。
【０００８】
また、特許文献２において、大きさの異なる量子ドット（本文献では、量子点と表記）をアレイ形状に配列し、検出波長帯域を広げる半導体装置が開示されている。
【０００９】
さらに、特許文献５において、量子井戸層を備えた赤外線検出器の検出感度を向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−２１０４７４号公報
【特許文献２】特開平１０−３０８５２６号公報
【特許文献３】特開２００７−２２７７４４号公報
【特許文献４】特開２００６−２２８９９４号公報
【特許文献５】特開２００１−０４４４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
なお、上記先行技術文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明の観点からなされたものである。
【００１２】
上述のように、特許文献１及び２で開示された技術を用いることで、赤外線検出器の検出波長帯域を広げることができる。しかし、特許文献１及び２において開示された量子井戸又は量子ドットを用いた赤外線検出器には、検出感度が低下するという問題がある。特許文献１及び２において開示された赤外線検出器は、量子井戸又は量子ドットの厚さや大きさを変えるためにエッチング加工を使用しているためである。
【００１３】
エッチング加工により量子井戸又は量子ドットの表面に物理的な損傷（ダメージ）が加わる。このような物理的な損傷は、量子井戸又は量子ドットの光吸収効率を低下させ、雑音成分（光入射なく生じる電流）を増加させる。その結果、検出感度が低下する。
【００１４】
以上のとおり、量子ドットを利用した赤外線検出器には、解決すべき問題点が存在する。本発明の一側面において、検出波長帯域を維持しつつ、検出感度を向上させる赤外線検出器及びその製造方法が、望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の視点によれば、半導体基板と、前記半導体基板に、複数の量子ドット層及び障壁層を交互に積層することで形成する光吸収層と、を備え、前記複数の障壁層のうち、第１の障壁層は、前記量子ドット層と接触する第１の面に第１の凸形状を備え、前記複数の障壁層のうち、前記第１の面と相対する位置に存在する第２の障壁層は、前記第１の面に相当する第２の面に第２の凸形状を備え、前記第１及び第２の凸形状がそれぞれ異なることに対応して、前記量子ドット層に形成される量子ドットの形状が異なる赤外線検出器が提供される。
【００１６】
本発明の第２の視点によれば、半導体基板に、障壁層を形成する第１の工程と、前記第１の工程で形成した前記障壁層に、量子ドット層を積層する第２の工程と、前記第２の工程で生成した前記量子ドット層に、前記第１の工程で生成した前記障壁層よりも薄い障壁層を積層する第３の工程と、を含む赤外線検出器の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の各視点によれば、検出波長帯域を維持しつつ、検出感度を向上させる赤外線検出器及びその製造方法が、提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態の概要を説明するための図である。
【図２】障壁層に囲まれた量子閉じ込め構造における電子に対するバンド構造の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出器の断面図の一例を示す図である。
【図４】図３に示す光吸収層の断面拡大図の一例を示す図である。
【図５】図４に示す光吸収層の電子に対するエネルギーダイヤグラムの一例を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る赤外線検出器の光検出感度曲線の一例を模式的に表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
初めに、図１を用いて一実施形態の概要について説明する。なお、この概要に付記した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。
【００２０】
上述のように、量子ドットを用いた赤外線検出器には、検出波長帯域を維持しつつ、検出感度を向上させることには問題点がある。量子ドットの厚さや大きさを変えるためにエッチング加工を使用しているためである。そのため、検出波長帯域を維持しつつ、検出感度を向上させる赤外線検出器が、望まれる。
【００２１】
そこで、一例として図１に示す赤外線検出器を提供する。図１に示す赤外線検出器は、半導体基板と、前記半導体基板に、複数の量子ドット層及び障壁層を交互に積層することで形成する光吸収層と、を備えている。さらに、複数の障壁層のうち、第１の障壁層は、量子ドット層と接触する第１の面に第１の凸形状を備え、複数の障壁層のうち、第１の面と相対する位置に存在する第２の障壁層は、第１の面に相当する第２の面に第２の凸形状を備え、第１及び第２の凸形状がそれぞれ異なることに対応して、量子ドット層に形成される量子ドットの形状が異なっている。
【００２２】
図１に示す赤外線検出器は、量子ドット層と障壁層を交互に積層することで、光吸収層を形成し、量子ドットのサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する。さらに、光吸収層の各量子ドット層に形成される量子ドットの形状は僅かに異なる。量子ドットの形状が異なることで、各量子ドットにおいて吸収する赤外線の波長を変化させる。図１の赤外線検出器においては、半導体基板から上層に形成される量子ドットほど大きくなっている。
【００２３】
また、この量子ドットの形状を作り出すために、光吸収層に含まれる各障壁層の厚さを制限する。即ち、障壁層を積層する前の量子ドット層には、歪みによるエネルギーを緩和するように凸形状が形成されている。このような凸形状を持った量子ドット層に障壁層を積層していくと、積層する障壁層の厚さに応じて凸形状は徐々に解消されていく。そこで、障壁層の厚さを凸形状が解消されない程度に制限し、凸形状を持った障壁層に対して量子ドット層を積層することで、量子ドットの大きさを変化させる。
【００２４】
このように、量子ドットの形状を、障壁層の厚さを制限することで変化させるため、エッチング処理によって量子ドットの形状を変えることによる問題が発生しない。その結果、検出波長帯域を維持しつつ、検出感度を向上させる赤外線検出器が実現できる。
【００２５】
次に、量子井戸又は量子ドットを用いた赤外線検出器の原理について説明する。量子井戸や量子ドットでは量子閉じ込め効果によって、電子又は正孔のエネルギー準位は離散的になる。
【００２６】
図２は、障壁層１０１及び１０３に囲まれた量子閉じ込め構造１０２における電子１０６に対するバンド構造の一例を示す図である。量子閉じ込め構造１０２では、離散準位間のエネルギーが検出されるべき光のエネルギーと一致した場合に、光吸収によって電子１０６が基底準位１０４から励起準位１０５に励起される。そこで、赤外線検出器は、この励起された電子に起因する電流を検出する。なお、実際には、電流を検出するための印加バイアスにより、図２に示すバンドは傾いている。しかし、説明の便宜上、図２では、水平なバンドとして表記する。以降の説明においても同様とする。
【００２７】
量子井戸や量子ドットのような量子閉じ込め構造を用いた赤外線検出器には、バルク材料であるＭＣＴ系材料を用いた赤外線検出器よりも熱雑音が低いという利点がある。電子の運動方向の自由度が、バルク材料では３次元であるのに対して、量子井戸では２次元、量子ドットでは０次元であるためである。電子の運動の自由度が低いと電子の熱的励起確率が低下し、上述の熱雑音に差が生じる。
【００２８】
この点では、量子閉じ込め構造を用いた赤外線検出器の方が、バルク材料であるＭＣＴ系材料を用いた赤外線検出器と比較して、感度が高くなると考えられる。
【００２９】
しかし、量子井戸を用いた赤外線検出器の場合、光検出面に垂直入射する光のサブバンド間遷移波長の光吸収効率が、極めて低いという問題がある。この問題を解決するために、赤外線検出器の構成に回折格子などを加え、偏光を吸収効率の高い方向に変換する方法が考えられる。しかし、この方法には赤外線検出器の構成が複雑になるという問題がある。
【００３０】
一方、量子ドットを用いた赤外線検出器の場合には、上述した垂直入射に対する光吸収効率が低いという問題はない。そのため、量子井戸よりも量子ドットを赤外線検出器に用いる利点は大きい。
【００３１】
一方、量子ドットを用いた赤外線検出器に共通する問題として、検出波長帯域が狭いことが挙げられる。量子ドットを用いた赤外線検出器では、離散的なサブバンドエネルギー準位間の遷移を利用するためである。この場合、検出中心波長１０μｍに対して、検出波長帯域は１μｍ〜２μｍ程度となることが多い。
【００３２】
検出波長帯域は、量子ドットのエネルギー準位のばらつき（不均一な広がり）によって決まる。さらに、エネルギー準位のばらつきは、主に量子ドットの大きさや形状のばらつきによって決まる。そのため、量子ドットの大きさを意図的にばらつかせ、検出波長帯域を広げるという手法が考えられる。ここで、量子ドットの大きさのばらつきを意図的に大きくするには、量子ドットの形成条件を基板平面上で大きくばらつかせる必要がある。
【００３３】
しかし、赤外線検出器の受光面の大きさは、数十μｍ〜数百μｍであることが多く、この範囲で量子ドットの形成条件を大きくばらつかせるのは非常に困難である。仮に、大きくばらつかせることが可能であっても、量子ドットの品質もばらつくことになり、光検出効率の低下や雑音の増加といった好ましくない現象が表面化する。なお、量子ドットは、温度管理された真空装置内で、半導体基板上にガスを供給することにより、基板平面上に形成される。量子ドットの形成の詳細については後述する。
【００３４】
以上のことから、量子ドットを用いた赤外線検出器の検出波長帯域は、十分に広いものとはいえない。
【００３５】
［第１の実施形態］
次に、本発明の第１の実施形態について、図面を用いてより詳細に説明する。初めに、本実施形態に係る赤外線検出器の構成について説明する。
【００３６】
図３は、本実施形態に係る赤外線検出器の断面図の一例を示す図である。図３に示す赤外線検出器は、半導体基板２０１と、半導体基板２０１と同じ材料から構成される緩衝層２０２と、ｎ型下部コンタクト層２０３と、量子ドットを含む光吸収層２２０と、ｎ型上部コンタクト層２０４から形成されている。さらに、ｎ型上部コンタクト層２０４及びｎ型下部コンタクト層２０３の一部には、それぞれ上部電極２０５及び下部電極２０６が形成されている。
【００３７】
入射光２０７が、赤外線検出器に入射すると、光吸収層２２０で吸収され、図２に示すように、電子が励起準位に励起される。その際、上部電極２０５と下部電極２０６との間には適切な電位差が設けられており、上述の励起準位の電子を量子ドットから引き抜くことで、電流として検出することができる。なお、図３において、入射光２０７の入射方向は上部から下部としているが、下部から上部でも良い。その場合には、半導体基板２０１での吸収及び反射損失を低減するための工夫を行う。
【００３８】
次に、光吸収層２２０の構成について説明する。光吸収層２２０は下から順に、第１の障壁層２１１、第１の量子ドット層２１２、第２の障壁層２１３、第２の量子ドット層２１４、第３の障壁層２１５、第３の量子ドット層２１６、第４の障壁層２１７から構成されている。図３の三角形は量子ドットであり、量子ドットの下側に黒太線で表現されている層は、濡れ層と呼ばれるものである。濡れ層は、数原子層程度の非常に薄い膜状の構造を有しており、本実施形態に係る赤外線検出器の動作に対する影響は無視できるほど小さい。なお、説明の便宜上、本実施形態に係る赤外線検出器の障壁層は４層、量子ドット層は３層として説明するが、これに限定する趣旨ではない。実際には、量子ドット層は１０層程度が好ましい。
【００３９】
ここで、光吸収層２２０に存在する各障壁層には、量子ドットを形成する以前の半導体基板２０１の表面を平滑にする役割がある。しかし、本実施形態に係る赤外線検出器では、上下を量子ドット層に挟まれている第２と第３の障壁層の厚さを、下部の量子ドット層（第２の障壁層２１３であれば、第１の量子ドット層２１２）の凸形状が僅かに残る程度の厚さに設定する。なお、その際の障壁層の厚さを極端に薄くすると、量子閉じ込めの効果が低下する、又は、結合量子ドットと呼ばれる効果が現れ、赤外線検出器の動作には好ましくない。従って、本実施形態に係る赤外線検出器では、障壁層の厚さを適切に管理する必要がある。各層を構成する材料や厚さについての詳細は、赤外線検出器の製造方法と共に後述する。
【００４０】
次に、図面を用いて、本実施形態に係る赤外線検出器の動作について説明する。図４は、多層に積層された量子ドットを含む光吸収層２２０の断面拡大図の一例を示す図である。図４において、図３と同一の要素には同一の符号を付し説明を省略する。
【００４１】
図４においても、量子ドットを三角形で示す。第１の障壁層２１１の上には、第１の量子ドット層２１２に含まれる第１の量子ドット３０１が形成されている。第１の量子ドット３０１の上には、第２の障壁層２１３が形成されている。第２の障壁層２１３では、第１の量子ドット３０１により生じた凸形状３０４が完全に解消されていない。
【００４２】
図４では、第１の量子ドット３０１により生じた凸形状３０４を量子ドット３０２の下部に存在する白三角形として表現する。この凸形状３０４の上に、第２の量子ドット層２１４を形成しようとすると、凸形状３０４が残っているため、第１の量子ドット３０１の直上に第２の量子ドット３０２が高い確率で形成される。
【００４３】
第１の量子ドット層２１２及び第２の量子ドット層２１４の積層条件が同じであっても、第２の障壁層２１３で解消しきれなかった凸形状３０４により、第１の量子ドット３０１及び第２の量子ドット３０２の形状は異なる。図４では、第２の量子ドット３０２は、第１の量子ドット３０１よりも大きく表現している。同様にして、第３の障壁層２１５、第３の量子ドット層２１６、第４の障壁層２１７と形成されている。ここで、第３の量子ドット３０３も第２の量子ドット３０２より大きく形成されたものとして表記している。
【００４４】
図５は、図４に示す光吸収層２２０の電子に対するエネルギーダイヤグラムの一例を示す図である。図５においても、印加バイアスによるバンドの傾きは省略している。
【００４５】
図４のように第１の量子ドット３０１から第２の量子ドット３０２、第２の量子ドット３０２から第３の量子ドット３０３と、上層ほど量子ドットが大きくなると、図５に示すエネルギーダイヤグラムでは量子閉じ込めの幅が順に広くなる。
【００４６】
図５では、第１の量子ドット３０１に閉じ込められた電子に対する基底準位を基準準位４０１、励起準位を励起準位４０２と表記する。同様に、第２の量子ドット３０２に閉じ込められた電子に対する基底準位を基準準位４０３、励起準位を励起準位４０４、第３の量子ドット３０３に閉じ込められた電子に対する基底準位を基準準位４０５、励起準位を励起準位４０６と表記する。第１の量子ドット３０１、第２の量子ドット３０２、第３量子ドット３０３の順で量子ドットが大きくなっているので、この順に、対応する量子閉じ込めが大きくなる。量子閉じ込めが大きくなると、サブバンド間遷移エネルギーの差、即ち、各量子ドットで吸収される光のエネルギーは第１の量子ドット３０１、第２の量子ドット３０２、第３の量子ドット３０３の順に小さくなる。
【００４７】
図５に示す３本の矢印の長さは、各量子ドットで吸収される光のエネルギーを示している。図５では、第１の量子ドット３０１で吸収される光のエネルギー、第２の量子ドット３０２で吸収される光のエネルギー、第３の量子ドット３０３で吸収される光のエネルギーの順に対応して、各矢印が短くなっている。光のエネルギーと波長が逆数の関係にあることに着目すると、吸収される赤外線の波長は、第１の量子ドット３０１、第２の量子ドット３０２、第３の量子ドット３０３の順に長くなる。
【００４８】
図６は、上記の説明に沿った光検出感度曲線の一例を模式的に表す図である。光検出感度曲線は、第１の量子ドット３０１を含む第１の量子ドット層２１２、第２の量子ドット３０２を含む第２の量子ドット層２１４、第３の量子ドット３０３を含む第３の量子ドット層２１６の順に、長波長側へシフトしている。図６で示されている各量子ドット層での波長領域の広がりは、同じ量子ドット層内での大きさのばらつき（不均一な広がり）を表している。図６に示された曲線を全て足し合わせたものが、本実施形態に係る赤外線検出器の感度曲線になる。
【００４９】
単一の量子ドットを利用した赤外線検出器の帯域は単一の量子ドット層の検出帯域に等しいことを考えれば、本実施形態に係る赤外線検出器の検出帯域が広がることは明らかである。以上のように、光吸収層２２０を多層化することで、光吸収帯域を広げることが可能となる。
【００５０】
本実施形態に係る赤外線検出器は、中赤外線及び遠赤外線のうち短波長側（３〜２０μｍ程度）でのスペクトル解析が必要となる気象などの環境計測に用いることができる。
【００５１】
なお、光吸収層２２０を形成する量子ドット層を多層に積層し、光吸収層２２０に含まれる障壁層の凸形状を解消させてしまうと、同じ感度帯域の光吸収層が積層されているだけであるため、感度帯域を広げる効果はほぼ存在しない。
【００５２】
続いて、本実施形態に係る赤外線検出器の製造方法について説明する。赤外線検出器の製造方法の説明を、図３を参照しつつ行う。
【００５３】
初めに、半導体基板２０１として、面方位が（００１）面のＧａＡｓ基板を用意する。この基板を分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置内へ導入し、固体Ａｓを加熱し昇華させることにより得られるＡｓ４分子線を照射しつつ、基板温度を上昇させることで、半導体基板２０１の表面の自然酸化膜を除去する。この際の基板温度を第１の基板温度とする。
【００５４】
その後、基板温度を第２の基板温度まで低下させ、半導体基板２０１と同じＧａＡｓから構成される緩衝層２０２を厚さ１００ｎｍ程度積層する。次に、ＧａＡｓから構成されるｎ型下部コンタクト層２０３を厚さ３００ｎｍ程度積層する。その際、ｎ型のドーパントとして、シリコン（Ｓｉ）をドーピングする。
【００５５】
次に、５０ｎｍ程度での厚さで、ＧａＡｓから構成される第１の障壁層２１１を積層する。その後、基板温度を第２の基板温度から第３の基板温度まで低下させ、名目上の厚さが３原子層程度に相当するＩｎＡｓを供給する。なお、名目上の厚さを３原子層程度と表現したのは、基板表面で再蒸発する成分も含めて３原子層相当のＩｎＡｓを供給することを意味し、実際の厚さはこの値よりも小さくなる場合もあるためである。
【００５６】
この際に、ＩｎＡｓとＧａＡｓとの格子定数の違いから発生する歪みによって、ＩｎＡｓが島状、かつ、３次元的に成長する。ＩｎＡｓが成長することで、ＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）モードと呼ばれる量子ドット３０１が、平面上に分散した第１の量子ドット層２１２に形成される。典型的な量子ドットの大きさは、直径約３０ｎｍ〜５０ｎｍ、高さ約２〜７ｎｍである。なお、量子ドットの大きさは、基板温度や、量子ドットの原料となるＩｎやＡｓを供給する際の圧力により定まる。
【００５７】
ここで、本実施形態に係る赤外線検出器を動作させるためには、初期状態において量子ドットの基底準位に電子が存在する必要がある。従って、第１の量子ドット層２１２には、ｎ型のドーパントであるシリコンを、量子ドットの面密度の２乃至４倍程度でドーピングする。
【００５８】
続いて、基板温度を第３の基板温度から第２の基板温度まで上昇させ、第１の量子ドット層２１２により形成される表面の凸形状が、完全に無くなることがない程度の厚さで第２の障壁層２１３を積層する。より具体的には、１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度の厚さに設定する。１０ｎｍよりも薄いと障壁層として十分に機能せず、２０ｎｍよりも厚いと凸形状がほとんど消滅してしまうためである。本実施形態では、厚さが１５ｎｍ程度のＧａＡｓで構成される第２の障壁層２１３を積層し、第１の量子ドット層２１２を埋め込むものとする。ここで、障壁層の厚さを１０ｎｍ〜２０ｎｍと例示したのは、量子ドットの材料にＩｎＡｓとＧａＡｓを選択しているためである。即ち、量子ドット層の凸形状が埋没しない厚さは材料に依存する。そのため、量子ドットの材料を変更した場合には、障壁層の厚さを適宜変更し、量子ドット層の凸形状が埋没しない厚さを選択する。
【００５９】
続いて、基板温度を第２の基板温度から第３の基板温度まで低下させ、第２の量子ドット層２１４を積層する。積層条件は、第１の量子ドット層２１２を積層した際の条件と略同等とする。この際、第２の量子ドット層２１４が形成される表面には、第１の量子ドット層２１２に起因する凸形状が僅かに残っている。
【００６０】
この僅かに残った凸形状により、第１の量子ドット層２１２に含まれる量子ドット３０１の直上に、第２の量子ドット層２１４に含まれる量子ドット３０２が、高い確率で形成される。同様にして、第３の障壁層２１５、第３の量子ドット層２１６、第４の障壁層２１７の順で積層していく。その際、第３の障壁層２１５は、第２の障壁層２１３を積層した際の積層条件で、第３の量子ドット層２１６は、第２の量子ドット層２１４を積層した際の積層条件で積層していく。また、基板温度を第３の基板温度から第２の基板温度まで上昇させ、厚さが５０ｎｍ程度でＧａＡｓから構成される障壁層を積層することで、障壁層２１７を形成する。
【００６１】
以上のようにして、４層の障壁層と３層の量子ドット層を含む光吸収層２２０を形成する。さらに、ＧａＡｓから構成されるｎ型上部コンタクト層２０４を厚さ１００ｎｍ程度積層する。その際に、ｎ型のドーパントとして、シリコンをドーピングする。
【００６２】
なお、障壁層としてＧａＡｓを用いた製造方法を説明したが、ＡｌＧａＡｓを代替として用いても良い。ＡｌＧａＡｓはＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが大きいため、量子ドットを用いる赤外線検出器の検出波長を短く（光のエネルギーを大きく）することが可能となる。しかし、Ａｌ組成が大きいと、量子ドットを構成する原子の１つであるＩｎとのミキシングが発生し、結晶特性が劣化する恐れがある。従って、Ａｌ組成比は０．４以下にしておくことが望ましい。
【００６３】
また、量子ドット層、障壁層及び周辺構造等をＭＢＥ法によって形成しているが、この方法に限定されるものではなく、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の他の結晶成長法を用いても良い。さらに、結晶成長用の基板としてＧａＡｓを用いているが、これをＩｎＰとしても良く、この場合には、障壁層としてＩｎＰと格子整合するようなＩｎＧａＡｌＡｓで構成することが望ましい。
【００６４】
以上のように、本実施形態に係る赤外線検出器においては、エッチング加工を用いることなく、量子ドットの大きさが異なる光吸収層２２０を形成している。その結果、量子ドットの表面に物理的な損傷が加わることがなく、検出感度は低下しない。
【００６５】
次に、赤外線検出器の構造加工及び電極プロセスについて説明する。赤外線検出器の構造加工及び電極プロセスは、紫外線あるいは電子線によるリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、光吸収層２２０を含むｎ型上部コンタクト層２０４から第１の障壁層２１１の一部を、選択的にエッチングすることで行う。
【００６６】
この工程で、ｎ型下部コンタクト層２０３の一部を露出させる。上記選択エッチングにより分離された構造が赤外線検出器の基本構造になる。赤外線検出器の受光面の大きさは、用途により異なるが、４０μｍ乃至２００μｍとなることが多い。赤外線検出器は、この１素子のみで構成することができる。さらに、このような素子を一列、又は、平面状に配列させたアレイ形状とすることもできる。
【００６７】
続いて、ｎ型上部コンタクト層２０４及びｎ型下部コンタクト層２０３に、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕから構成される電極２０５及び２０６を、リフトオフ法によって形成する。リフトオフ法は、リソグラフィー、金属蒸着、レジスト剥離などの工程を含む。以上の工程により、本実施形態に係る赤外線検出器の基本構造が完成する。
【００６８】
なお、引用した上記の特許文献等の各開示は、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００６９】
１０１、１０３ 障壁層
１０２ 量子閉じ込め構造
１０４、４０１、４０３、４０５ 基底準位
１０５、４０２、４０４、４０６ 励起準位
１０６ 電子
２０１ 半導体基板
２０２ 緩衝層
２０３ ｎ型下部コンタクト層
２０４ ｎ型上部コンタクト層
２０５ 上部電極
２０６ 下部電極
２０７ 入射光
２１１ 第１の障壁層
２１２ 第１の量子ドット層
２１３ 第２の障壁層
２１４ 第２の量子ドット層
２１５ 第３の障壁層
２１６ 第３の量子ドット層
２１７ 第４の障壁層
２２０ 光吸収層
３０１ 第１の量子ドット
３０２ 第２の量子ドット
３０３ 第３の量子ドット
３０４、３０５ 凸形状
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出器及びその製造方法に関する。特に、光吸収層に量子ドットを用いる赤外線検出器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、赤外線領域の光を検出する赤外線検出器の需要が高まっている。赤外線検出器によって、熱検出や温室効果ガスの１つである二酸化炭素の濃度測定が可能になるためである。赤外線検出半導体素子には、水銀・カドミウム・テルル（Ｍｅｒｃｕｒｙ Ｃａｄｍｉｕｍ Ｔｅｌｌｕｒｉｄｅ；ＭＣＴ）系の材料を利用したものが存在する。ＭＣＴ系材料を利用した赤外線検出器は、ＭＣＴ系材料が赤外線を吸収し、価電子帯の電子が伝導帯に励起されることで生じる電流（又は、電流から変換した電圧）を検出している。即ち、直接遷移型半導体での光吸収を利用する。
【０００３】
このようなＭＣＴ系材料を利用した赤外線検出器は、バンドギャップより大きなエネルギーを持つ光を吸収するため、原理的に広帯域な感度領域を有する赤外線検出器といえる。しかし、ＭＣＴ系材料は、結晶成長やその後のプロセスが非常に困難な材料であり、ＭＣＴ系材料を利用した赤外線検出器のコストが上昇するという問題がある。さらに、大面積化が困難なため、大面積の２次元赤外線検出器アレイを製造することが困難であるという問題もある。
【０００４】
一方、半導体量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）又は量子ドット（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ）の量子閉じ込め構造において、電子又は正孔のサブバンド間遷移による光吸収を利用するものが存在する。
【０００５】
ここで、量子ドットを利用した赤外線検出器の方が、量子井戸を利用した赤外線検出器よりも、感度の面からは利点が多い。しかし、量子ドットを用いた赤外線検出器には、検出波長帯域が狭いという問題がある。その理由については、量子井戸又は量子ドットを利用した赤外線検出器の原理と共に後述する。
【０００６】
ここで、特許文献１乃至４において、赤外線検出器の検出波長帯域を広げる手法が開示されている。
【０００７】
特許文献１では、異なる厚さを有する量子井戸層を複数備えた分光器が開示されている。特許文献１で開示された分光器は、それぞれの量子井戸層が検出できる波長が離散準位により決定され、この離散準位を量子井戸層の厚さに基づいて決定する。即ち、量子井戸層の厚さに基づいて検出波長を決定する。特許文献１で開示された分光器は、異なる厚さの量子井戸層を複数備えることで、複数の波長を検出することを可能とし、分光器として検出できる波長帯域を広げている。
【０００８】
また、特許文献２において、大きさの異なる量子ドット（本文献では、量子点と表記）をアレイ形状に配列し、検出波長帯域を広げる半導体装置が開示されている。
【０００９】
さらに、特許文献５において、量子井戸層を備えた赤外線検出器の検出感度を向上させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−２１０４７４号公報
【特許文献２】特開平１０−３０８５２６号公報
【特許文献３】特開２００７−２２７７４４号公報
【特許文献４】特開２００６−２２８９９４号公報
【特許文献５】特開２００１−０４４４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
なお、上記先行技術文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。以下の分析は、本発明の観点からなされたものである。
【００１２】
上述のように、特許文献１及び２で開示された技術を用いることで、赤外線検出器の検出波長帯域を広げることができる。しかし、特許文献１及び２において開示された量子井戸又は量子ドットを用いた赤外線検出器には、検出感度が低下するという問題がある。特許文献１及び２において開示された赤外線検出器は、量子井戸又は量子ドットの厚さや大きさを変えるためにエッチング加工を使用しているためである。
【００１３】
エッチング加工により量子井戸又は量子ドットの表面に物理的な損傷（ダメージ）が加わる。このような物理的な損傷は、量子井戸又は量子ドットの光吸収効率を低下させ、雑音成分（光入射なく生じる電流）を増加させる。その結果、検出感度が低下する。
【００１４】
以上のとおり、量子ドットを利用した赤外線検出器には、解決すべき問題点が存在する。本発明の一側面において、検出波長帯域を維持しつつ、検出感度を向上させる赤外線検出器及びその製造方法が、望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の視点によれば、半導体基板と、前記半導体基板に、複数の量子ドット層及び障壁層を交互に積層することで形成する光吸収層と、を備え、前記複数の障壁層のうち、第１の障壁層は、前記量子ドット層と接触する第１の面に第１の凸形状を備え、前記複数の障壁層のうち、前記第１の面と相対する位置に存在する第２の障壁層は、前記第１の面に相当する第２の面に第２の凸形状を備え、前記第１及び第２の凸形状がそれぞれ異なることに対応して、前記量子ドット層に形成される量子ドットの形状が異なる赤外線検出器が提供される。
【００１６】
本発明の第２の視点によれば、半導体基板に、障壁層を形成する第１の工程と、前記第１の工程で形成した前記障壁層に、量子ドット層を積層する第２の工程と、前記第２の工程で生成した前記量子ドット層に、前記第１の工程で生成した前記障壁層よりも薄い障壁層を積層する第３の工程と、を含む赤外線検出器の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の各視点によれば、検出波長帯域を維持しつつ、検出感度を向上させる赤外線検出器及びその製造方法が、提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態の概要を説明するための図である。
【図２】障壁層に囲まれた量子閉じ込め構造における電子に対するバンド構造の一例を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出器の断面図の一例を示す図である。
【図４】図３に示す光吸収層の断面拡大図の一例を示す図である。
【図５】図４に示す光吸収層の電子に対するエネルギーダイヤグラムの一例を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る赤外線検出器の光検出感度曲線の一例を模式的に表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
初めに、図１を用いて一実施形態の概要について説明する。なお、この概要に付記した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。
【００２０】
上述のように、量子ドットを用いた赤外線検出器には、検出波長帯域を維持しつつ、検出感度を向上させることには問題点がある。量子ドットの厚さや大きさを変えるためにエッチング加工を使用しているためである。そのため、検出波長帯域を維持しつつ、検出感度を向上させる赤外線検出器が、望まれる。
【００２１】
そこで、一例として図１に示す赤外線検出器を提供する。図１に示す赤外線検出器は、半導体基板と、前記半導体基板に、複数の量子ドット層及び障壁層を交互に積層することで形成する光吸収層と、を備えている。さらに、複数の障壁層のうち、第１の障壁層は、量子ドット層と接触する第１の面に第１の凸形状を備え、複数の障壁層のうち、第１の面と相対する位置に存在する第２の障壁層は、第１の面に相当する第２の面に第２の凸形状を備え、第１及び第２の凸形状がそれぞれ異なることに対応して、量子ドット層に形成される量子ドットの形状が異なっている。
【００２２】
図１に示す赤外線検出器は、量子ドット層と障壁層を交互に積層することで、光吸収層を形成し、量子ドットのサブバンド間遷移を利用して赤外線を吸収する。さらに、光吸収層の各量子ドット層に形成される量子ドットの形状は僅かに異なる。量子ドットの形状が異なることで、各量子ドットにおいて吸収する赤外線の波長を変化させる。図１の赤外線検出器においては、半導体基板から上層に形成される量子ドットほど大きくなっている。
【００２３】
また、この量子ドットの形状を作り出すために、光吸収層に含まれる各障壁層の厚さを制限する。即ち、障壁層を積層する前の量子ドット層には、歪みによるエネルギーを緩和するように凸形状が形成されている。このような凸形状を持った量子ドット層に障壁層を積層していくと、積層する障壁層の厚さに応じて凸形状は徐々に解消されていく。そこで、障壁層の厚さを凸形状が解消されない程度に制限し、凸形状を持った障壁層に対して量子ドット層を積層することで、量子ドットの大きさを変化させる。
【００２４】
このように、量子ドットの形状を、障壁層の厚さを制限することで変化させるため、エッチング処理によって量子ドットの形状を変えることによる問題が発生しない。その結果、検出波長帯域を維持しつつ、検出感度を向上させる赤外線検出器が実現できる。
【００２５】
次に、量子井戸又は量子ドットを用いた赤外線検出器の原理について説明する。量子井戸や量子ドットでは量子閉じ込め効果によって、電子又は正孔のエネルギー準位は離散的になる。
【００２６】
図２は、障壁層１０１及び１０３に囲まれた量子閉じ込め構造１０２における電子１０６に対するバンド構造の一例を示す図である。量子閉じ込め構造１０２では、離散準位間のエネルギーが検出されるべき光のエネルギーと一致した場合に、光吸収によって電子１０６が基底準位１０４から励起準位１０５に励起される。そこで、赤外線検出器は、この励起された電子に起因する電流を検出する。なお、実際には、電流を検出するための印加バイアスにより、図２に示すバンドは傾いている。しかし、説明の便宜上、図２では、水平なバンドとして表記する。以降の説明においても同様とする。
【００２７】
量子井戸や量子ドットのような量子閉じ込め構造を用いた赤外線検出器には、バルク材料であるＭＣＴ系材料を用いた赤外線検出器よりも熱雑音が低いという利点がある。電子の運動方向の自由度が、バルク材料では３次元であるのに対して、量子井戸では２次元、量子ドットでは０次元であるためである。電子の運動の自由度が低いと電子の熱的励起確率が低下し、上述の熱雑音に差が生じる。
【００２８】
この点では、量子閉じ込め構造を用いた赤外線検出器の方が、バルク材料であるＭＣＴ系材料を用いた赤外線検出器と比較して、感度が高くなると考えられる。
【００２９】
しかし、量子井戸を用いた赤外線検出器の場合、光検出面に垂直入射する光のサブバンド間遷移波長の光吸収効率が、極めて低いという問題がある。この問題を解決するために、赤外線検出器の構成に回折格子などを加え、偏光を吸収効率の高い方向に変換する方法が考えられる。しかし、この方法には赤外線検出器の構成が複雑になるという問題がある。
【００３０】
一方、量子ドットを用いた赤外線検出器の場合には、上述した垂直入射に対する光吸収効率が低いという問題はない。そのため、量子井戸よりも量子ドットを赤外線検出器に用いる利点は大きい。
【００３１】
一方、量子ドットを用いた赤外線検出器に共通する問題として、検出波長帯域が狭いことが挙げられる。量子ドットを用いた赤外線検出器では、離散的なサブバンドエネルギー準位間の遷移を利用するためである。この場合、検出中心波長１０μｍに対して、検出波長帯域は１μｍ〜２μｍ程度となることが多い。
【００３２】
検出波長帯域は、量子ドットのエネルギー準位のばらつき（不均一な広がり）によって決まる。さらに、エネルギー準位のばらつきは、主に量子ドットの大きさや形状のばらつきによって決まる。そのため、量子ドットの大きさを意図的にばらつかせ、検出波長帯域を広げるという手法が考えられる。ここで、量子ドットの大きさのばらつきを意図的に大きくするには、量子ドットの形成条件を基板平面上で大きくばらつかせる必要がある。
【００３３】
しかし、赤外線検出器の受光面の大きさは、数十μｍ〜数百μｍであることが多く、この範囲で量子ドットの形成条件を大きくばらつかせるのは非常に困難である。仮に、大きくばらつかせることが可能であっても、量子ドットの品質もばらつくことになり、光検出効率の低下や雑音の増加といった好ましくない現象が表面化する。なお、量子ドットは、温度管理された真空装置内で、半導体基板上にガスを供給することにより、基板平面上に形成される。量子ドットの形成の詳細については後述する。
【００３４】
以上のことから、量子ドットを用いた赤外線検出器の検出波長帯域は、十分に広いものとはいえない。
【００３５】
［第１の実施形態］
次に、本発明の第１の実施形態について、図面を用いてより詳細に説明する。初めに、本実施形態に係る赤外線検出器の構成について説明する。
【００３６】
図３は、本実施形態に係る赤外線検出器の断面図の一例を示す図である。図３に示す赤外線検出器は、半導体基板２０１と、半導体基板２０１と同じ材料から構成される緩衝層２０２と、ｎ型下部コンタクト層２０３と、量子ドットを含む光吸収層２２０と、ｎ型上部コンタクト層２０４から形成されている。さらに、ｎ型上部コンタクト層２０４及びｎ型下部コンタクト層２０３の一部には、それぞれ上部電極２０５及び下部電極２０６が形成されている。
【００３７】
入射光２０７が、赤外線検出器に入射すると、光吸収層２２０で吸収され、図２に示すように、電子が励起準位に励起される。その際、上部電極２０５と下部電極２０６との間には適切な電位差が設けられており、上述の励起準位の電子を量子ドットから引き抜くことで、電流として検出することができる。なお、図３において、入射光２０７の入射方向は上部から下部としているが、下部から上部でも良い。その場合には、半導体基板２０１での吸収及び反射損失を低減するための工夫を行う。
【００３８】
次に、光吸収層２２０の構成について説明する。光吸収層２２０は下から順に、第１の障壁層２１１、第１の量子ドット層２１２、第２の障壁層２１３、第２の量子ドット層２１４、第３の障壁層２１５、第３の量子ドット層２１６、第４の障壁層２１７から構成されている。図３の三角形は量子ドットであり、量子ドットの下側に黒太線で表現されている層は、濡れ層と呼ばれるものである。濡れ層は、数原子層程度の非常に薄い膜状の構造を有しており、本実施形態に係る赤外線検出器の動作に対する影響は無視できるほど小さい。なお、説明の便宜上、本実施形態に係る赤外線検出器の障壁層は４層、量子ドット層は３層として説明するが、これに限定する趣旨ではない。実際には、量子ドット層は１０層程度が好ましい。
【００３９】
ここで、光吸収層２２０に存在する各障壁層には、量子ドットを形成する以前の半導体基板２０１の表面を平滑にする役割がある。しかし、本実施形態に係る赤外線検出器では、上下を量子ドット層に挟まれている第２と第３の障壁層の厚さを、下部の量子ドット層（第２の障壁層２１３であれば、第１の量子ドット層２１２）の凸形状が僅かに残る程度の厚さに設定する。なお、その際の障壁層の厚さを極端に薄くすると、量子閉じ込めの効果が低下する、又は、結合量子ドットと呼ばれる効果が現れ、赤外線検出器の動作には好ましくない。従って、本実施形態に係る赤外線検出器では、障壁層の厚さを適切に管理する必要がある。各層を構成する材料や厚さについての詳細は、赤外線検出器の製造方法と共に後述する。
【００４０】
次に、図面を用いて、本実施形態に係る赤外線検出器の動作について説明する。図４は、多層に積層された量子ドットを含む光吸収層２２０の断面拡大図の一例を示す図である。図４において、図３と同一の要素には同一の符号を付し説明を省略する。
【００４１】
図４においても、量子ドットを三角形で示す。第１の障壁層２１１の上には、第１の量子ドット層２１２に含まれる第１の量子ドット３０１が形成されている。第１の量子ドット３０１の上には、第２の障壁層２１３が形成されている。第２の障壁層２１３では、第１の量子ドット３０１により生じた凸形状３０４が完全に解消されていない。
【００４２】
図４では、第１の量子ドット３０１により生じた凸形状３０４を量子ドット３０２の下部に存在する白三角形として表現する。この凸形状３０４の上に、第２の量子ドット層２１４を形成しようとすると、凸形状３０４が残っているため、第１の量子ドット３０１の直上に第２の量子ドット３０２が高い確率で形成される。
【００４３】
第１の量子ドット層２１２及び第２の量子ドット層２１４の積層条件が同じであっても、第２の障壁層２１３で解消しきれなかった凸形状３０４により、第１の量子ドット３０１及び第２の量子ドット３０２の形状は異なる。図４では、第２の量子ドット３０２は、第１の量子ドット３０１よりも大きく表現している。同様にして、第３の障壁層２１５、第３の量子ドット層２１６、第４の障壁層２１７と形成されている。ここで、第３の量子ドット３０３も第２の量子ドット３０２より大きく形成されたものとして表記している。
【００４４】
図５は、図４に示す光吸収層２２０の電子に対するエネルギーダイヤグラムの一例を示す図である。図５においても、印加バイアスによるバンドの傾きは省略している。
【００４５】
図４のように第１の量子ドット３０１から第２の量子ドット３０２、第２の量子ドット３０２から第３の量子ドット３０３と、上層ほど量子ドットが大きくなると、図５に示すエネルギーダイヤグラムでは量子閉じ込めの幅が順に広くなる。
【００４６】
図５では、第１の量子ドット３０１に閉じ込められた電子に対する基底準位を基準準位４０１、励起準位を励起準位４０２と表記する。同様に、第２の量子ドット３０２に閉じ込められた電子に対する基底準位を基準準位４０３、励起準位を励起準位４０４、第３の量子ドット３０３に閉じ込められた電子に対する基底準位を基準準位４０５、励起準位を励起準位４０６と表記する。第１の量子ドット３０１、第２の量子ドット３０２、第３量子ドット３０３の順で量子ドットが大きくなっているので、この順に、対応する量子閉じ込めが大きくなる。量子閉じ込めが大きくなると、サブバンド間遷移エネルギーの差、即ち、各量子ドットで吸収される光のエネルギーは第１の量子ドット３０１、第２の量子ドット３０２、第３の量子ドット３０３の順に小さくなる。
【００４７】
図５に示す３本の矢印の長さは、各量子ドットで吸収される光のエネルギーを示している。図５では、第１の量子ドット３０１で吸収される光のエネルギー、第２の量子ドット３０２で吸収される光のエネルギー、第３の量子ドット３０３で吸収される光のエネルギーの順に対応して、各矢印が短くなっている。光のエネルギーと波長が逆数の関係にあることに着目すると、吸収される赤外線の波長は、第１の量子ドット３０１、第２の量子ドット３０２、第３の量子ドット３０３の順に長くなる。
【００４８】
図６は、上記の説明に沿った光検出感度曲線の一例を模式的に表す図である。光検出感度曲線は、第１の量子ドット３０１を含む第１の量子ドット層２１２、第２の量子ドット３０２を含む第２の量子ドット層２１４、第３の量子ドット３０３を含む第３の量子ドット層２１６の順に、長波長側へシフトしている。図６で示されている各量子ドット層での波長領域の広がりは、同じ量子ドット層内での大きさのばらつき（不均一な広がり）を表している。図６に示された曲線を全て足し合わせたものが、本実施形態に係る赤外線検出器の感度曲線になる。
【００４９】
単一の量子ドットを利用した赤外線検出器の帯域は単一の量子ドット層の検出帯域に等しいことを考えれば、本実施形態に係る赤外線検出器の検出帯域が広がることは明らかである。以上のように、光吸収層２２０を多層化することで、光吸収帯域を広げることが可能となる。
【００５０】
本実施形態に係る赤外線検出器は、中赤外線及び遠赤外線のうち短波長側（３〜２０μｍ程度）でのスペクトル解析が必要となる気象などの環境計測に用いることができる。
【００５１】
なお、光吸収層２２０を形成する量子ドット層を多層に積層し、光吸収層２２０に含まれる障壁層の凸形状を解消させてしまうと、同じ感度帯域の光吸収層が積層されているだけであるため、感度帯域を広げる効果はほぼ存在しない。
【００５２】
続いて、本実施形態に係る赤外線検出器の製造方法について説明する。赤外線検出器の製造方法の説明を、図３を参照しつつ行う。
【００５３】
初めに、半導体基板２０１として、面方位が（００１）面のＧａＡｓ基板を用意する。この基板を分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置内へ導入し、固体Ａｓを加熱し昇華させることにより得られるＡｓ４分子線を照射しつつ、基板温度を上昇させることで、半導体基板２０１の表面の自然酸化膜を除去する。この際の基板温度を第１の基板温度とする。
【００５４】
その後、基板温度を第２の基板温度まで低下させ、半導体基板２０１と同じＧａＡｓから構成される緩衝層２０２を厚さ１００ｎｍ程度積層する。次に、ＧａＡｓから構成されるｎ型下部コンタクト層２０３を厚さ３００ｎｍ程度積層する。その際、ｎ型のドーパントとして、シリコン（Ｓｉ）をドーピングする。
【００５５】
次に、５０ｎｍ程度での厚さで、ＧａＡｓから構成される第１の障壁層２１１を積層する。その後、基板温度を第２の基板温度から第３の基板温度まで低下させ、名目上の厚さが３原子層程度に相当するＩｎＡｓを供給する。なお、名目上の厚さを３原子層程度と表現したのは、基板表面で再蒸発する成分も含めて３原子層相当のＩｎＡｓを供給することを意味し、実際の厚さはこの値よりも小さくなる場合もあるためである。
【００５６】
この際に、ＩｎＡｓとＧａＡｓとの格子定数の違いから発生する歪みによって、ＩｎＡｓが島状、かつ、３次元的に成長する。ＩｎＡｓが成長することで、ＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）モードと呼ばれる量子ドット３０１が、平面上に分散した第１の量子ドット層２１２に形成される。典型的な量子ドットの大きさは、直径約３０ｎｍ〜５０ｎｍ、高さ約２〜７ｎｍである。なお、量子ドットの大きさは、基板温度や、量子ドットの原料となるＩｎやＡｓを供給する際の圧力により定まる。
【００５７】
ここで、本実施形態に係る赤外線検出器を動作させるためには、初期状態において量子ドットの基底準位に電子が存在する必要がある。従って、第１の量子ドット層２１２には、ｎ型のドーパントであるシリコンを、量子ドットの面密度の２乃至４倍程度でドーピングする。
【００５８】
続いて、基板温度を第３の基板温度から第２の基板温度まで上昇させ、第１の量子ドット層２１２により形成される表面の凸形状が、完全に無くなることがない程度の厚さで第２の障壁層２１３を積層する。より具体的には、１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度の厚さに設定する。１０ｎｍよりも薄いと障壁層として十分に機能せず、２０ｎｍよりも厚いと凸形状がほとんど消滅してしまうためである。本実施形態では、厚さが１５ｎｍ程度のＧａＡｓで構成される第２の障壁層２１３を積層し、第１の量子ドット層２１２を埋め込むものとする。ここで、障壁層の厚さを１０ｎｍ〜２０ｎｍと例示したのは、量子ドットの材料にＩｎＡｓとＧａＡｓを選択しているためである。即ち、量子ドット層の凸形状が埋没しない厚さは材料に依存する。そのため、量子ドットの材料を変更した場合には、障壁層の厚さを適宜変更し、量子ドット層の凸形状が埋没しない厚さを選択する。
【００５９】
続いて、基板温度を第２の基板温度から第３の基板温度まで低下させ、第２の量子ドット層２１４を積層する。積層条件は、第１の量子ドット層２１２を積層した際の条件と略同等とする。この際、第２の量子ドット層２１４が形成される表面には、第１の量子ドット層２１２に起因する凸形状が僅かに残っている。
【００６０】
この僅かに残った凸形状により、第１の量子ドット層２１２に含まれる量子ドット３０１の直上に、第２の量子ドット層２１４に含まれる量子ドット３０２が、高い確率で形成される。同様にして、第３の障壁層２１５、第３の量子ドット層２１６、第４の障壁層２１７の順で積層していく。その際、第３の障壁層２１５は、第２の障壁層２１３を積層した際の積層条件で、第３の量子ドット層２１６は、第２の量子ドット層２１４を積層した際の積層条件で積層していく。また、基板温度を第３の基板温度から第２の基板温度まで上昇させ、厚さが５０ｎｍ程度でＧａＡｓから構成される障壁層を積層することで、障壁層２１７を形成する。
【００６１】
以上のようにして、４層の障壁層と３層の量子ドット層を含む光吸収層２２０を形成する。さらに、ＧａＡｓから構成されるｎ型上部コンタクト層２０４を厚さ１００ｎｍ程度積層する。その際に、ｎ型のドーパントとして、シリコンをドーピングする。
【００６２】
なお、障壁層としてＧａＡｓを用いた製造方法を説明したが、ＡｌＧａＡｓを代替として用いても良い。ＡｌＧａＡｓはＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが大きいため、量子ドットを用いる赤外線検出器の検出波長を短く（光のエネルギーを大きく）することが可能となる。しかし、Ａｌ組成が大きいと、量子ドットを構成する原子の１つであるＩｎとのミキシングが発生し、結晶特性が劣化する恐れがある。従って、Ａｌ組成比は０．４以下にしておくことが望ましい。
【００６３】
また、量子ドット層、障壁層及び周辺構造等をＭＢＥ法によって形成しているが、この方法に限定されるものではなく、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の他の結晶成長法を用いても良い。さらに、結晶成長用の基板としてＧａＡｓを用いているが、これをＩｎＰとしても良く、この場合には、障壁層としてＩｎＰと格子整合するようなＩｎＧａＡｌＡｓで構成することが望ましい。
【００６４】
以上のように、本実施形態に係る赤外線検出器においては、エッチング加工を用いることなく、量子ドットの大きさが異なる光吸収層２２０を形成している。その結果、量子ドットの表面に物理的な損傷が加わることがなく、検出感度は低下しない。
【００６５】
次に、赤外線検出器の構造加工及び電極プロセスについて説明する。赤外線検出器の構造加工及び電極プロセスは、紫外線あるいは電子線によるリソグラフィー技術及びエッチング技術を用いて、光吸収層２２０を含むｎ型上部コンタクト層２０４から第１の障壁層２１１の一部を、選択的にエッチングすることで行う。
【００６６】
この工程で、ｎ型下部コンタクト層２０３の一部を露出させる。上記選択エッチングにより分離された構造が赤外線検出器の基本構造になる。赤外線検出器の受光面の大きさは、用途により異なるが、４０μｍ乃至２００μｍとなることが多い。赤外線検出器は、この１素子のみで構成することができる。さらに、このような素子を一列、又は、平面状に配列させたアレイ形状とすることもできる。
【００６７】
続いて、ｎ型上部コンタクト層２０４及びｎ型下部コンタクト層２０３に、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕから構成される電極２０５及び２０６を、リフトオフ法によって形成する。リフトオフ法は、リソグラフィー、金属蒸着、レジスト剥離などの工程を含む。以上の工程により、本実施形態に係る赤外線検出器の基本構造が完成する。
【００６８】
なお、引用した上記の特許文献等の各開示は、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００６９】
１０１、１０３ 障壁層
１０２ 量子閉じ込め構造
１０４、４０１、４０３、４０５ 基底準位
１０５、４０２、４０４、４０６ 励起準位
１０６ 電子
２０１ 半導体基板
２０２ 緩衝層
２０３ ｎ型下部コンタクト層
２０４ ｎ型上部コンタクト層
２０５ 上部電極
２０６ 下部電極
２０７ 入射光
２１１ 第１の障壁層
２１２ 第１の量子ドット層
２１３ 第２の障壁層
２１４ 第２の量子ドット層
２１５ 第３の障壁層
２１６ 第３の量子ドット層
２１７ 第４の障壁層
２２０ 光吸収層
３０１ 第１の量子ドット
３０２ 第２の量子ドット
３０３ 第３の量子ドット
３０４、３０５ 凸形状
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に、複数の量子ドット層及び障壁層を交互に積層することで形成する光吸収層と、を備え、
前記複数の障壁層のうち、第１の障壁層は、前記量子ドット層と接触する第１の面に第１の凸形状を備え、前記複数の障壁層のうち、前記第１の面と相対する位置に存在する第２の障壁層は、前記第１の面に相当する第２の面に第２の凸形状を備え、
前記第１及び第２の凸形状がそれぞれ異なることに対応して、前記量子ドット層に形成される量子ドットの形状が異なることを特徴とする赤外線検出器。
【請求項２】
前記複数の障壁層のうち、前記半導体基板に最も近接して形成される第３の障壁層は、前記第１及び第２の障壁層よりも厚く形成される請求項１の赤外線検出器。
【請求項３】
前記第１及び第２の障壁層の厚さは、略等しい請求項１又は２の赤外線検出器。
【請求項４】
前記第１及び第２の障壁層は、前記量子ドット層に生じた凸形状を維持する厚さで積層される請求項１乃至３のいずれか一に記載の赤外線検出器。
【請求項５】
前記第１及び第２の障壁層の厚さは、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内にある請求項１乃至４のいずれか一に記載の赤外線検出器。
【請求項６】
前記複数の量子ドット層はＩｎＡｓで構成され、前記複数の障壁層は、ＡｌＧａＡｓで構成される請求項１乃至５のいずれか一に記載の赤外線検出器。
【請求項７】
半導体基板に、障壁層を形成する第１の工程と、
前記第１の工程で形成した前記障壁層に、量子ドット層を積層する第２の工程と、
前記第２の工程で生成した前記量子ドット層に、前記第１の工程で生成した前記障壁層よりも薄い障壁層を積層する第３の工程と、
を含むことを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
【請求項８】
前記第３の工程で積層する障壁層は、前記量子ドット層に生じた凸形状を維持する厚さで積層される請求項７の赤外線検出器の製造方法。
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に、複数の量子ドット層及び障壁層を交互に積層することで形成する光吸収層と、を備え、
前記複数の障壁層のうち、第１の障壁層は、前記量子ドット層と接触する第１の面に第１の凸形状を備え、前記複数の障壁層のうち、前記第１の面と相対する位置に存在する第２の障壁層は、前記第１の面に相当する第２の面に第２の凸形状を備え、
前記第１及び第２の凸形状がそれぞれ異なることに対応して、前記量子ドット層に形成される量子ドットの形状が異なることを特徴とする赤外線検出器。
【請求項２】
前記複数の障壁層のうち、前記半導体基板に最も近接して形成される第３の障壁層は、前記第１及び第２の障壁層よりも厚く形成される請求項１の赤外線検出器。
【請求項３】
前記第１及び第２の障壁層の厚さは、略等しい請求項１又は２の赤外線検出器。
【請求項４】
前記第１及び第２の障壁層は、前記量子ドット層に生じた凸形状を維持する厚さで積層される請求項１乃至３のいずれか一に記載の赤外線検出器。
【請求項５】
前記第１及び第２の障壁層の厚さは、１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内にある請求項１乃至４のいずれか一に記載の赤外線検出器。
【請求項６】
前記複数の量子ドット層はＩｎＡｓで構成され、前記複数の障壁層は、ＡｌＧａＡｓで構成される請求項１乃至５のいずれか一に記載の赤外線検出器。
【請求項７】
半導体基板に、障壁層を形成する第１の工程と、
前記第１の工程で形成した前記障壁層に、量子ドット層を積層する第２の工程と、
前記第２の工程で生成した前記量子ドット層に、前記第１の工程で生成した前記障壁層よりも薄い障壁層を積層する第３の工程と、
を含むことを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
【請求項８】
前記第３の工程で積層する障壁層は、前記量子ドット層に生じた凸形状を維持する厚さで積層される請求項７の赤外線検出器の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２５５７１４（Ｐ２０１２−２５５７１４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２８８３７（Ｐ２０１１−１２８８３７）
【出願日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]