赤外線検知器
【課題】所望の長波長特性を実現しつつ、暗電流が少なく、かつ、十分な感度を有する赤外線検知器を提供する。
【解決手段】所望の長波長特性を実現しつつ、暗電流が少なく、かつ、十分な感度を有する赤外線検知器を提供する。中間層と、中間層よりバッドギャップが狭い複数の量子ドットを有する量子ドット層とが交互に積層されてなる積層体を有し、積層体に赤外線を照射した際に生じる光電流を検出することにより赤外線を検出する赤外線検知器において、量子ドット層の一方の側に設けられ、中間層よりもバンドギャップが広い第１の障壁層と、量子ドット層の他方の側に設けられ、中間層よりもバンドギャップが広い第２の障壁層とを更に有する。
【解決手段】所望の長波長特性を実現しつつ、暗電流が少なく、かつ、十分な感度を有する赤外線検知器を提供する。中間層と、中間層よりバッドギャップが狭い複数の量子ドットを有する量子ドット層とが交互に積層されてなる積層体を有し、積層体に赤外線を照射した際に生じる光電流を検出することにより赤外線を検出する赤外線検知器において、量子ドット層の一方の側に設けられ、中間層よりもバンドギャップが広い第１の障壁層と、量子ドット層の他方の側に設けられ、中間層よりもバンドギャップが広い第２の障壁層とを更に有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は赤外線を検出する赤外線検知器に係り、特に、赤外線を照射した際に量子ドット内の電子又は正孔の励起によって生じる光電流を検出する量子ドット型の赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の量子ドット型の赤外線検知器として、中間層と、中間層よりバンドギャップが狭い複数の量子ドットを有する量子ドット層とが交互に積層されてなる積層体を有し、積層体に赤外線を照射した際に量子ドット内の電子又は正孔の励起によって生じる光電流を検出することにより赤外線を検出する赤外線検知器が知られている。
【０００３】
この赤外線検知器では、ＩｎＡｓ等からなる量子ドットを、ＧａＡｓ等からなる中間層に埋め込んだものを光吸収単位層とし、この光吸収単位層を複数回積層して積層体を構成している（特許文献１）。
【特許文献１】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】
【０００４】
しかしながら、量子ドット型の赤外線検知器では、暗電流低減のために中間層にバンドギャップが広い材料を使用すると、量子ドットによる光応答に要するエネルギーも大きくなり所望の長波長特性が得られない。そこで、所望の長波長特性を得るために、量子ドットにバンドギャップが広い材料を使用すると、量子閉じ込め効果が低減し、光感度が低下するという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、所望の長波長特性を実現しつつ、暗電流が少なく、かつ、十分な感度を有する赤外線検知器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様による赤外線検知器は、中間層と、前記中間層よりバッドギャップが狭い複数の量子ドットを有する量子ドット層とが交互に積層されてなる積層体を有し、前記積層体に赤外線を照射した際に生じる光電流を検出することにより赤外線を検出する赤外線検知器において、前記量子ドット層の一方の側に設けられ、前記中間層よりもバンドギャップが広い第１の障壁層と、前記量子ドット層の他方の側に設けられ、前記中間層よりもバンドギャップが広い第２の障壁層とを更に有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、中間層と量子ドット層とが交互に積層されてなる積層体を有する赤外線検知器において、量子ドット層の一方の側に、中間層よりもバンドギャップが広い第１の障壁層を設け、量子ドット層の他方の側に、中間層よりもバンドギャップが広い第２の障壁層を設けたので、所望の長波長特性を実現しつつ、暗電流が少なく、かつ、十分な感度を有する赤外線検知器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
［提案されている赤外線検知器］
本発明による実施形態の説明の前に、本発明との比較のため、既に提案されている赤外線検知器について、図７乃至図９を用いて説明する。図７は提案されている赤外線検知器の構成を示す断面図であり、図８は提案されている赤外線検知器の光検知構造の詳細を示す断面図であり、図９は提案されている赤外線検知器のエネルギーバンド図である。
【０００９】
図７に示すように、ＧａＡｓ基板１１０上に、ＧａＡｓ層からなるバッファ層１１１を介して、ｎ−ＧａＡｓ層からなる下側コンタクト層１１２が形成されている。下側コンタクト層１１２上には、複数の半導体層が積層された光検知構造１２０が形成されている。光検知構造１２０の詳細については後述する。
【００１０】
光検知構造１２０上には、ｎ−ＧａＡｓ層からなる上側コンタクト層１１３が形成されている。光検知構造１２０と上側コンタクト層１１３とはメサ形に加工されている。下側コンタクト層１１２上には、ＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる下側電極層１１４が形成され、上側コンタクト層１１３上にはＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる上側電極層１１５が形成されている。下側電極層１１４の上面と、上側電極層１１５の上面以外の部分には、ＳｉＯＮ層からなる保護層１１６が形成されている。
【００１１】
次に、光検知構造１２０の詳細について、図８を用いて説明する。
【００１２】
光検知構造１２０は、下側コンタクト層１１２上に、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層からなる中間層１２１が形成されている。中間層１２１上には、複数のＩｎＡｌＡｓの量子ドットからなる量子ドット層１２２が形成されている。
【００１３】
量子ドット層１２２上には、複数の量子ドットを覆うように、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層からなる中間層１２１が形成されている。更に、中間層１２１上に、量子ドット層１２２が形成され、中間層１２１と量子ドット層１２２が、この順番で繰り返して積層されている。このように積層されて形成された光検知構造１２０の最上層の中間層１２１上には、上側コンタクト層１１３が形成されている。
【００１４】
次に、提案されている赤外線検知器のエネルギーバンド構造について、図９を用いて説明する。
【００１５】
一般に、赤外線検知器では、光応答によって発生する信号すなわち光電流以外の不要な電流成分（暗電流）を低下させることが性能向上に寄与する。また、赤外線検知器が光応答の感度を持つ波長域も重要な特性であり、赤外線撮像等の応用では比較的長波長、例えば、感度波長８−１０μｍに感度を持つものが好適である。
【００１６】
光電流以外の不要な電流成分(暗電流）を低減するために、提案されている赤外線検知器では、図９のエネルギーバンド図に示すように、エネルギーバンドギャップが広く、暗電流に対する障壁エネルギーが大きいｉ−ＡｌＧａＡｓ層を中間層１２１に用いている。
【００１７】
ｉ−ＡｌＧａＡｓ層からなる中間層１２１に、量子ドット層１２２として、ＩｎＡｓの量子ドットを用いた場合には、ＩｎＡｓの量子ドットのバンドギャップに対する中間層１２１のバンドギャップが広くなるため、光応答に必要なエネルギーが大きくなり、所望の長波長の応答特性が得られない。
【００１８】
このため、提案されている赤外線検知器のように、量子ドット層１２２として、ＩｎＡｓよりもバンドギャップの広いＩｎＡｌＡｓ混晶の量子ドットを用いることにより、光応答に必要なエネルギーを小さくして、応答の長波長化を図っている。
【００１９】
しかしながら、提案された赤外線検知器のように、量子ドット層１２２として、ＩｎＡｌＡｓ混晶の量子ドットを用いると、図９のエネルギーバンド図に示すように、ＩｎＡｌＡｓ混晶の量子ドットからなる量子ドット層１２２のエネルギーの井戸が浅くなり、そのエネルギーの井戸による凹型ポテンシャルによる量子閉じ込め効果が弱くなり、光応答の感度低下を招くという問題があった。
【００２０】
このように、提案された赤外線検知器では、光応答の長波長化を図ろうとして、量子ドットの材料をバンドギャップの広い材料にすると、量子ドット層での量子閉じ込め効果が弱くなり、光応答の感度低下を招くという問題があった。
【００２１】
本発明は、提案された赤外線検知器における、このような問題を解決するためになされたものである。
【００２２】
［一実施形態］
本発明の一実施形態による赤外線検知器について、図１乃至図３を用いて説明する。図１は本実施形態による赤外線検知器の構成を示す断面図であり、図２は本実施形態による赤外線検知器の光検知構造の詳細を示す断面図であり、図３は本実施形態による赤外線検知器のエネルギーバンド図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の赤外線検知器では、上面が（００１）面であるＧａＡｓ基板１０上に、約１００ｎｍ厚のＧａＡｓ層からなるバッファ層１１を介して、約５００ｎｍ厚でキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＧａＡｓ層からなる下側コンタクト層１２が形成されている。
【００２４】
下側コンタクト層１２上には、複数の半導体層が積層された光検知構造２０が形成されている。光検知構造２０に赤外線が照射されると光電流が発生し、この光電流を検出することにより赤外線を検出する。光検知構造２０の詳細については後述する。
【００２５】
光検知構造２０上には、約３００ｎｍ厚でキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＧａＡｓ層からなる上側コンタクト層１３が形成されている。光検知構造２０と上側コンタクト層１３とはメサ形に加工されている。
【００２６】
下側コンタクト層１２上には、約１００ｎｍ厚のＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる下側電極層１４が形成され、上側コンタクト層１３上には約１００ｎｍ厚のＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる上側電極層１５が形成されている。
【００２７】
下側電極層１４の上面と、上側電極層１５の上面以外の部分には、約２００ｎｍ厚のＳｉＯＮ層からなる保護層１６が形成されている。
【００２８】
次に、図２を用いて、光検知構造２０の詳細について説明する。
【００２９】
光検知構造２０は、下側コンタクト層１２上に、約４５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる中間層２１が形成されている。
【００３０】
中間層２１上には、約０．５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ1.0Ｇａ0.0Ａｓ層からなる下地層２２が形成されている。
【００３１】
下地層２２上には、複数のＩｎｘＡｌｙＡｓの量子ドットからなる量子ドット層２３が形成されている。量子ドットは、直径２５ｎｍ、高さ５ｎｍ程度の大きさのＩｎｘＡｌｙＡｓドットであり、量子ドット層２３の面内で５×１０10ｃｍ-2程度の密度で形成されている。
【００３２】
量子ドットＩｎｘＡｌｙＡｓにおけるＩｎの組成比ｘ、Ａｌの組成比ｙは、例えば、ｘ＝０．６、ｙ＝０．４である。
【００３３】
なお、量子ドットはＩｎＡｓであっても良く、この場合は長波長応答を得るために上記よりも小型でかつ高密度の量子ドットを用いる。例えば、量子ドットの大きさは直径２０ｎｍ、高さ２ｎｍ程度であり、その密度は１×１０11ｃｍ-２程度である。
【００３４】
量子ドット層２３上には、複数の量子ドットを覆うように、約４．０ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層からなるキャップ層２４が形成されている。
【００３５】
キャップ層２４上には、再び、約４５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる中間層２１が形成される。更に、同様にして、中間層２１上に、下地層２２、量子ドット層２３、キャップ層２４、中間層２１が、この順番で、更に、９回繰り返して積層されている。このように積層されて形成された光検知構造２０の最上層の中間層２１上には、上側コンタクト層１３が形成されている。
【００３６】
次に、図３を用いて、本実施形態の赤外線検知器のエネルギーバンド構造について説明する。
【００３７】
本実施形態の赤外線検知器のエネルギーバンド構造の特徴は、図３のエネルギーバンド図に示すように、量子ドット層２３による量子閉じ込め効果を改善するために、量子ドット層２３によりエネルギーの井戸の両側に、エネルギーの障壁層となる下地層２２とキャップ層２４を設けたことにある。
【００３８】
本実施形態の赤外線検知器のエネルギーバンドの基本構造は、提案されている赤外線検知器と同様に、バンドギャップの広い中間層２１と、バンドギャップの狭い量子ドット層２３とを交互に積層することにより、伝導帯の底にエネルギーレベルの井戸を形成することである。
【００３９】
更に、中間層２１と量子ドット層２３の間に、バンドギャップが広い下地層２２を設けて、量子ドット層２３によりエネルギーの井戸の一側にエネルギーの障壁を形成し、量子ドット層２３と中間層２１との間に、バンドギャップが広いキャップ層２４を設けて、量子ドット層２３によりエネルギーの井戸の一側にエネルギーの障壁を形成し、エネルギーの障壁を形成している。
【００４０】
エネルギーの井戸の両側に障壁層を設けることにより、量子ドット層２３によるエネルギーの井戸の実効的な深さを深くして、凹型ポテンシャルによる量子閉じ込め効果を改善する。
【００４１】
このような効果は障壁層をエネルギー井戸の片側に設けることによっても得られるが、両側に設けることでより効果を高めている。また障壁層の作製において以下に述べる点を配慮し、光検知に好適となるエネルギー構造を実現させる。
【００４２】
これらエネルギーの障壁層は薄いので、トンネル効果により電子又は正孔が薄い障壁層をトンネリングし、光応答に必要なエネルギーを増大させることがなく、所望の長波長の応答特性が得られる。
【００４３】
しかも、本実施形態の赤外線検知器では、図３のエネルギーバンド図に示すように、量子ドット層２３によるエネルギーの井戸の上側コンタクト層１３側の障壁層、すなわち、キャップ層２４によるエネルギーの障壁の高さを相対的に低くし、量子ドット層２３によるエネルギーの井戸の下側コンタクト層１２側の障壁層、すなわち、下地層２２によるエネルギーの障壁の高さを相対的に高くすることにより、量子閉じ込め効果を強化している。
【００４４】
そして、エネルギー障壁の高さが相対的に低いキャップ層２４よりも、エネルギー障壁の高さが相対的に高い下地層２２の方の膜厚を薄くすることにより、励起された電子又は正孔をトンネリングし易くし、光応答に必要なエネルギーを増大させることがなく、所望の長波長の応答特性が得られるようにしている。
【００４５】
但し、励起電子又は正孔のトンネリングのし易さよりも量子閉じ込めの強化の効果をより優先的に高める際には、キャップ層をＡｌ1.0Ｇａ0.0Ａｓとしてエネルギー障壁の高さを下地層と同じにしても良い。
【００４６】
なお、本実施形態の赤外線検知器では、中間層２１と、下地層２２と、キャップ層２４とを、ＡｌＧａＡｓの混晶により形成し、そのＡｌ組成比を変えることにより、図３のエネルギーバンド構造を実現している。すなわち、中間層２１のＡｌ組成比を、キャップ層２４のＡｌ組成比よりも小さくし、キャップ層のＡｌ組成比を、下地層２２のＡｌ組成比と等しいか、それよりも小さくしている。
【００４７】
具体的には、上記実施形態では、中間層２１をＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓにより形成し、下地層２２をＡｌ1.0Ｇａ0.0Ａｓにより形成し、キャップ層２４をＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓにより形成している。
【００４８】
下地層２２のＡｌＧａＡｓの混晶組成はＡｌの組成比＝１．０より小さく（但し、中間層２１のＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成よりは大きい）ても良いが、この部分のエネルギー障壁をより高くする観点と、さらにはＡｌＧａＡｓ下地層上にＩｎＡｓやＩｎＡｌＡｓ量子ドットを形成する場合に、Ａｌ組成が大きいほうがより高密度のドットが得られやすいことから、Ａｌの組成比＝１．０とすることが望ましい。高密度の量子ドット層は赤外線吸収量の増大に寄与するため、赤外線検知器の性能向上にとって有利に働く。
【００４９】
上記実施形態では中間層２１よりも高エネルギー（高Ａｌ組成）となる下地層２２とキャップ層２４の両者を備えているが、高密度量子ドット形成の効果を重要視する場合はキャップ層２４を省略することも可能である。このときでも、例えば、下地層２２のＡｌＧａＡｓ組成をＡｌの組成比＝１．０と大きくし、エネルギー障壁高さを最大化することで、強い量子閉じ込めを得ることができる。
【００５０】
次に、図４乃至図６を用いて、本実施形態の赤外線検知器の製造方法について説明する。
【００５１】
まず、上面が（００１）面であるＧａＡｓ基板１０上に、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法）により、約１００ｎｍ厚のＧａＡｓ層からなるバッファ層１１、約５００ｎｍ厚でキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＧａＡｓ層からなる下側コンタクト層１２を順次成長させる（図４（ａ））。
【００５２】
続いて、分子線エピタキシー法により、下側コンタクト層１２上に、約４５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる中間層２１、約０．５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ1.0Ｇａ0.0Ａｓ層からなる下地層２２を順次成長させる（図４（ｂ））。
【００５３】
続いて、分子線エピタキシー法により、下地層２２上に、複数のＩｎｘＡｌｙＡｓの量子ドットを成長させ、量子ドット層２３を形成する。量子ドットは、直径２５ｎｍ、高さ５ｎｍ程度の大きさのＩｎｘＡｌｙＡｓドットであり、量子ドット層２３の面内で５×１０10ｃｍ-2程度の密度で形成する（図４（ｂ））。
【００５４】
続いて、分子線エピタキシー法により、量子ドット層２３上に、複数の量子ドットを覆うように、約４．０ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層からなるキャップ層２４を成長させる（図４（ｂ））。
【００５５】
続いて、分子線エピタキシー法により、キャップ層２４上に、約４５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる中間層２１を成長させる。以降、同様にして、中間層２１上に、下地層２２、量子ドット層２３、キャップ層２４、中間層２１を、この順番で、順次、９回繰り返して成長させて、光検知構造２０を形成する（図４（ｂ））。
【００５６】
続いて、分子線エピタキシー法により、光検知構造２０の最上層の中間層２１上に、約３００ｎｍ厚でキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＧａＡｓ層からなる上側コンタクト層１３を成長させる（図４（ｂ））。
【００５７】
次に、ウエットエッチングにより、光検知構造２０と上側コンタクト層１３をメサ形状にエッチング加工する（図５（ａ））。
【００５８】
次に、全面にレジストを塗布してレジスト層（図示せず）を形成する。続いて、レジスト層における電極層形成予定領域を開口する。続いて、全面に約１００ｎｍ厚のＡｕＧｅ／Ａｕ層（図示せず）を堆積する。続いて、レジスト層を除去し、リフトオフ法により、下側コンタクト層１２上、上側コンタクト層１３上に、ＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる下側電極層１４、ＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる上側電極層１５を形成する（図５（ｂ））。
【００５９】
次に、Ｐ−ＣＶＤ法（Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition Method）により、全面に、約２００ｎｍ厚のＳｉＯＮ層からなる保護層１６を形成する（図６（ａ））。
【００６０】
次に、ドライエッチング法により、保護膜１６に、下側電極層１４及び上側電極層１５上にコンタクトホールを形成する（図６（ｂ））。
【００６１】
このように、本実施形態によれば、量子ドット層の一方の側に下地層を設け、他方の側にキャップ層を設け、エネルギーの井戸の両側に薄い障壁層を設けることにより、光応答に必要なエネルギーを増大させることがなく、量子ドット層によるエネルギーの井戸の実効的な深さを深くして、量子閉じ込め効果を改善することができる。
【００６２】
なお、上記の製造方法において分子線エピタキシー法によって成長する量子ドットを直径２５ｎｍ、高さ５ｎｍ程度の大きさのＩｎｘＡｌｙＡｓドットとし、量子ドット層２３の面内で１×１０11ｃｍ-2程度の密度で形成することも可能であり、さらにキャップ層をＡｌ1.0Ｇａ0.0Ａｓとして、量子ドット層の両側のエネルギー障壁高さを最大限に高めて量子閉じ込め効果を改善しても良い。
【００６３】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００６４】
例えば、基板、上側コンタクト層、下側コンタクト層、中間層、下地層、量子ドット、キャップ層の材料は、上記実施形態における材料に限らない。
【００６５】
例えば、ＧａＡｓ基板を用いる場合、コンタクト層の材料として、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮのいずれかでもよい。
【００６６】
また、ＧａＡｓ基板を用いる場合、中間層の材料として、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＮのいずれかでもよい。
【００６７】
また、ＧａＡｓ基板を用いる場合、下地層の材料として、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＰ、ＧａＡｌＰのいずれかでもよい。
【００６８】
また、ＧａＡｓ基板を用いる場合、量子ドットの材料として、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＳｂ、ＧａＡｓＳｂのいずれかでもよい。
【００６９】
また、ＧａＡｓ基板を用いる場合、キャップ層の材料として、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＡｌＡｓのいずれかでもよい。
【００７０】
例えば、ＩｎＰ基板を用いる場合、コンタクト層の材料として、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓＰのいずれかでもよい。
【００７１】
また、ＩｎＰ基板を用いる場合、中間層の材料として、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓＰのいずれかでもよい。
【００７２】
また、ＩｎＰ基板を用いる場合、下地層の材料として、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓＰ、ＧａＡｌＰのいずれかでもよい。
【００７３】
また、ＩｎＰ基板を用いる場合、量子ドットの材料として、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＳｂ、ＧａＡｓＳｂのいずれかでもよい。
【００７４】
また、ＩｎＰ基板を用いる場合、キャップ層の材料として、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＡｌＡｓＰのいずれかでもよい。
【００７５】
例えば、ｎ型、ｐ型の導電型について、上記実施形態に限らず、その反対の導電型であってもよい。
【実施例】
【００７６】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００７７】
［実施例１］
実施例１の赤外線検知器は、図１及び図２に示す構成の赤外線検知器である。
【００７８】
光検知構造２０は、約４５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる中間層２１と、約０．５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ1.0Ｇａ0.0Ａｓ層からなる下地層２２と、複数のＩｎＡｓの量子ドットからなる量子ドット層２３と、約４．０ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層からなるキャップ層２４とが、この順番で、１０回繰り返して積層されて構成されている。量子ドットは、直径２５ｎｍ、高さ５ｎｍ程度の大きさのＩｎＡｓドットであり、量子ドット層２３の面内で１×１０11ｃｍ-2程度の密度で形成されている。
【００７９】
［実施例２］
実施例２の赤外線検知器は、図１及び図２に示す構成の赤外線検知器である。
【００８０】
光検知構造２０は、約４５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる中間層２１と、約０．５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ1.0Ｇａ0.0Ａｓ層からなる下地層２２と、複数のＩｎＡｓの量子ドットからなる量子ドット層２３と、約４．０ｎｍ厚のｉ−ＡｌＡｓ層からなるキャップ層２４とが、この順番で、１０回繰り返して積層されて構成されている。量子ドットは、直径２５ｎｍ、高さ５ｎｍ程度の大きさのＩｎＡｓドットであり、量子ドット層２３の面内で１×１０11ｃｍ-2程度の密度で形成されている。
【００８１】
［比較例］
比較例の赤外線検知器は、図７及び図８に示す構成の赤外線検知器である。
【００８２】
光検知構造１２０は、約４５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる中間層１２１と、複数のＩｎ0.6Ａｌ0.4Ａｓの量子ドットからなる量子ドット層１２２とが、この順番で、１０回繰り返して積層されて構成されている。量子ドットは、直径２５ｎｍ、高さ５ｎｍ程度の大きさのＩｎ0.6Ａｌ0.4Ａｓドットであり、量子ドット層１２２の面内で５×１０10ｃｍ-2程度の密度で形成されている。
【００８３】
［実施例の特性］
図１０に、実施例の赤外線検知器の分光応答スペクトルを示す。図１０に示すように、実施例１の赤外線検出器、実施例２の赤外線検出器とも、８〜１２μｍの長波長赤外線域において応答する特性を有している。
【００８４】
図１１に、実施例の赤外線検知器の相対的感度を示す。図１１に示すように、実施例１の赤外線検出器、実施例２の赤外線検出器とも、比較例の赤外線検出器に比較して感度が大幅に向上している。感度の指標として、光電流応答強度を雑音成分となる暗電流で除した値を用いた。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の一実施形態による赤外線検知器の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による赤外線検知器の光検知構造の詳細を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による赤外線検知器のエネルギーバンド図である。
【図４】本発明の一実施形態による赤外線検知器の製造方法の工程断面図（その１）である。
【図５】本発明の一実施形態による赤外線検知器の製造方法の工程断面図（その２）である。
【図６】本発明の一実施形態による赤外線検知器の製造方法の工程断面図（その３）である。
【図７】提案されている赤外線検知器の構成を示す断面図である。
【図８】提案されている赤外線検知器の光検知構造の詳細を示す断面図である。
【図９】提案されている赤外線検知器のエネルギーバンド図である。
【図１０】実施例の赤外線検出器の分光応答スペクトルを示す図である。
【図１１】実施例の赤外線検知器の感度を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０…ＧａＡｓ基板
１１…バッファ層
１２…下側コンタクト層
１３…上側コンタクト層
１４…下側電極層
１５…上側電極層
１６…保護層
２０…光検知構造
２１…中間層
２２…下地層
２３…量子ドット層
２４…キャップ層
１１０…ＧａＡｓ基板
１１１…バッファ層
１１２…下側コンタクト層
１１３…上側コンタクト層
１１４…下側電極層
１１５…上側電極層
１１６…保護層
１２０…光検知構造
１２１…中間層
１２２…量子ドット層
【技術分野】
【０００１】
本発明は赤外線を検出する赤外線検知器に係り、特に、赤外線を照射した際に量子ドット内の電子又は正孔の励起によって生じる光電流を検出する量子ドット型の赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の量子ドット型の赤外線検知器として、中間層と、中間層よりバンドギャップが狭い複数の量子ドットを有する量子ドット層とが交互に積層されてなる積層体を有し、積層体に赤外線を照射した際に量子ドット内の電子又は正孔の励起によって生じる光電流を検出することにより赤外線を検出する赤外線検知器が知られている。
【０００３】
この赤外線検知器では、ＩｎＡｓ等からなる量子ドットを、ＧａＡｓ等からなる中間層に埋め込んだものを光吸収単位層とし、この光吸収単位層を複数回積層して積層体を構成している（特許文献１）。
【特許文献１】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】
【０００４】
しかしながら、量子ドット型の赤外線検知器では、暗電流低減のために中間層にバンドギャップが広い材料を使用すると、量子ドットによる光応答に要するエネルギーも大きくなり所望の長波長特性が得られない。そこで、所望の長波長特性を得るために、量子ドットにバンドギャップが広い材料を使用すると、量子閉じ込め効果が低減し、光感度が低下するという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、所望の長波長特性を実現しつつ、暗電流が少なく、かつ、十分な感度を有する赤外線検知器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様による赤外線検知器は、中間層と、前記中間層よりバッドギャップが狭い複数の量子ドットを有する量子ドット層とが交互に積層されてなる積層体を有し、前記積層体に赤外線を照射した際に生じる光電流を検出することにより赤外線を検出する赤外線検知器において、前記量子ドット層の一方の側に設けられ、前記中間層よりもバンドギャップが広い第１の障壁層と、前記量子ドット層の他方の側に設けられ、前記中間層よりもバンドギャップが広い第２の障壁層とを更に有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、中間層と量子ドット層とが交互に積層されてなる積層体を有する赤外線検知器において、量子ドット層の一方の側に、中間層よりもバンドギャップが広い第１の障壁層を設け、量子ドット層の他方の側に、中間層よりもバンドギャップが広い第２の障壁層を設けたので、所望の長波長特性を実現しつつ、暗電流が少なく、かつ、十分な感度を有する赤外線検知器を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
［提案されている赤外線検知器］
本発明による実施形態の説明の前に、本発明との比較のため、既に提案されている赤外線検知器について、図７乃至図９を用いて説明する。図７は提案されている赤外線検知器の構成を示す断面図であり、図８は提案されている赤外線検知器の光検知構造の詳細を示す断面図であり、図９は提案されている赤外線検知器のエネルギーバンド図である。
【０００９】
図７に示すように、ＧａＡｓ基板１１０上に、ＧａＡｓ層からなるバッファ層１１１を介して、ｎ−ＧａＡｓ層からなる下側コンタクト層１１２が形成されている。下側コンタクト層１１２上には、複数の半導体層が積層された光検知構造１２０が形成されている。光検知構造１２０の詳細については後述する。
【００１０】
光検知構造１２０上には、ｎ−ＧａＡｓ層からなる上側コンタクト層１１３が形成されている。光検知構造１２０と上側コンタクト層１１３とはメサ形に加工されている。下側コンタクト層１１２上には、ＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる下側電極層１１４が形成され、上側コンタクト層１１３上にはＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる上側電極層１１５が形成されている。下側電極層１１４の上面と、上側電極層１１５の上面以外の部分には、ＳｉＯＮ層からなる保護層１１６が形成されている。
【００１１】
次に、光検知構造１２０の詳細について、図８を用いて説明する。
【００１２】
光検知構造１２０は、下側コンタクト層１１２上に、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層からなる中間層１２１が形成されている。中間層１２１上には、複数のＩｎＡｌＡｓの量子ドットからなる量子ドット層１２２が形成されている。
【００１３】
量子ドット層１２２上には、複数の量子ドットを覆うように、ｉ−ＡｌＧａＡｓ層からなる中間層１２１が形成されている。更に、中間層１２１上に、量子ドット層１２２が形成され、中間層１２１と量子ドット層１２２が、この順番で繰り返して積層されている。このように積層されて形成された光検知構造１２０の最上層の中間層１２１上には、上側コンタクト層１１３が形成されている。
【００１４】
次に、提案されている赤外線検知器のエネルギーバンド構造について、図９を用いて説明する。
【００１５】
一般に、赤外線検知器では、光応答によって発生する信号すなわち光電流以外の不要な電流成分（暗電流）を低下させることが性能向上に寄与する。また、赤外線検知器が光応答の感度を持つ波長域も重要な特性であり、赤外線撮像等の応用では比較的長波長、例えば、感度波長８−１０μｍに感度を持つものが好適である。
【００１６】
光電流以外の不要な電流成分(暗電流）を低減するために、提案されている赤外線検知器では、図９のエネルギーバンド図に示すように、エネルギーバンドギャップが広く、暗電流に対する障壁エネルギーが大きいｉ−ＡｌＧａＡｓ層を中間層１２１に用いている。
【００１７】
ｉ−ＡｌＧａＡｓ層からなる中間層１２１に、量子ドット層１２２として、ＩｎＡｓの量子ドットを用いた場合には、ＩｎＡｓの量子ドットのバンドギャップに対する中間層１２１のバンドギャップが広くなるため、光応答に必要なエネルギーが大きくなり、所望の長波長の応答特性が得られない。
【００１８】
このため、提案されている赤外線検知器のように、量子ドット層１２２として、ＩｎＡｓよりもバンドギャップの広いＩｎＡｌＡｓ混晶の量子ドットを用いることにより、光応答に必要なエネルギーを小さくして、応答の長波長化を図っている。
【００１９】
しかしながら、提案された赤外線検知器のように、量子ドット層１２２として、ＩｎＡｌＡｓ混晶の量子ドットを用いると、図９のエネルギーバンド図に示すように、ＩｎＡｌＡｓ混晶の量子ドットからなる量子ドット層１２２のエネルギーの井戸が浅くなり、そのエネルギーの井戸による凹型ポテンシャルによる量子閉じ込め効果が弱くなり、光応答の感度低下を招くという問題があった。
【００２０】
このように、提案された赤外線検知器では、光応答の長波長化を図ろうとして、量子ドットの材料をバンドギャップの広い材料にすると、量子ドット層での量子閉じ込め効果が弱くなり、光応答の感度低下を招くという問題があった。
【００２１】
本発明は、提案された赤外線検知器における、このような問題を解決するためになされたものである。
【００２２】
［一実施形態］
本発明の一実施形態による赤外線検知器について、図１乃至図３を用いて説明する。図１は本実施形態による赤外線検知器の構成を示す断面図であり、図２は本実施形態による赤外線検知器の光検知構造の詳細を示す断面図であり、図３は本実施形態による赤外線検知器のエネルギーバンド図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の赤外線検知器では、上面が（００１）面であるＧａＡｓ基板１０上に、約１００ｎｍ厚のＧａＡｓ層からなるバッファ層１１を介して、約５００ｎｍ厚でキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＧａＡｓ層からなる下側コンタクト層１２が形成されている。
【００２４】
下側コンタクト層１２上には、複数の半導体層が積層された光検知構造２０が形成されている。光検知構造２０に赤外線が照射されると光電流が発生し、この光電流を検出することにより赤外線を検出する。光検知構造２０の詳細については後述する。
【００２５】
光検知構造２０上には、約３００ｎｍ厚でキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＧａＡｓ層からなる上側コンタクト層１３が形成されている。光検知構造２０と上側コンタクト層１３とはメサ形に加工されている。
【００２６】
下側コンタクト層１２上には、約１００ｎｍ厚のＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる下側電極層１４が形成され、上側コンタクト層１３上には約１００ｎｍ厚のＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる上側電極層１５が形成されている。
【００２７】
下側電極層１４の上面と、上側電極層１５の上面以外の部分には、約２００ｎｍ厚のＳｉＯＮ層からなる保護層１６が形成されている。
【００２８】
次に、図２を用いて、光検知構造２０の詳細について説明する。
【００２９】
光検知構造２０は、下側コンタクト層１２上に、約４５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる中間層２１が形成されている。
【００３０】
中間層２１上には、約０．５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ1.0Ｇａ0.0Ａｓ層からなる下地層２２が形成されている。
【００３１】
下地層２２上には、複数のＩｎｘＡｌｙＡｓの量子ドットからなる量子ドット層２３が形成されている。量子ドットは、直径２５ｎｍ、高さ５ｎｍ程度の大きさのＩｎｘＡｌｙＡｓドットであり、量子ドット層２３の面内で５×１０10ｃｍ-2程度の密度で形成されている。
【００３２】
量子ドットＩｎｘＡｌｙＡｓにおけるＩｎの組成比ｘ、Ａｌの組成比ｙは、例えば、ｘ＝０．６、ｙ＝０．４である。
【００３３】
なお、量子ドットはＩｎＡｓであっても良く、この場合は長波長応答を得るために上記よりも小型でかつ高密度の量子ドットを用いる。例えば、量子ドットの大きさは直径２０ｎｍ、高さ２ｎｍ程度であり、その密度は１×１０11ｃｍ-２程度である。
【００３４】
量子ドット層２３上には、複数の量子ドットを覆うように、約４．０ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層からなるキャップ層２４が形成されている。
【００３５】
キャップ層２４上には、再び、約４５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる中間層２１が形成される。更に、同様にして、中間層２１上に、下地層２２、量子ドット層２３、キャップ層２４、中間層２１が、この順番で、更に、９回繰り返して積層されている。このように積層されて形成された光検知構造２０の最上層の中間層２１上には、上側コンタクト層１３が形成されている。
【００３６】
次に、図３を用いて、本実施形態の赤外線検知器のエネルギーバンド構造について説明する。
【００３７】
本実施形態の赤外線検知器のエネルギーバンド構造の特徴は、図３のエネルギーバンド図に示すように、量子ドット層２３による量子閉じ込め効果を改善するために、量子ドット層２３によりエネルギーの井戸の両側に、エネルギーの障壁層となる下地層２２とキャップ層２４を設けたことにある。
【００３８】
本実施形態の赤外線検知器のエネルギーバンドの基本構造は、提案されている赤外線検知器と同様に、バンドギャップの広い中間層２１と、バンドギャップの狭い量子ドット層２３とを交互に積層することにより、伝導帯の底にエネルギーレベルの井戸を形成することである。
【００３９】
更に、中間層２１と量子ドット層２３の間に、バンドギャップが広い下地層２２を設けて、量子ドット層２３によりエネルギーの井戸の一側にエネルギーの障壁を形成し、量子ドット層２３と中間層２１との間に、バンドギャップが広いキャップ層２４を設けて、量子ドット層２３によりエネルギーの井戸の一側にエネルギーの障壁を形成し、エネルギーの障壁を形成している。
【００４０】
エネルギーの井戸の両側に障壁層を設けることにより、量子ドット層２３によるエネルギーの井戸の実効的な深さを深くして、凹型ポテンシャルによる量子閉じ込め効果を改善する。
【００４１】
このような効果は障壁層をエネルギー井戸の片側に設けることによっても得られるが、両側に設けることでより効果を高めている。また障壁層の作製において以下に述べる点を配慮し、光検知に好適となるエネルギー構造を実現させる。
【００４２】
これらエネルギーの障壁層は薄いので、トンネル効果により電子又は正孔が薄い障壁層をトンネリングし、光応答に必要なエネルギーを増大させることがなく、所望の長波長の応答特性が得られる。
【００４３】
しかも、本実施形態の赤外線検知器では、図３のエネルギーバンド図に示すように、量子ドット層２３によるエネルギーの井戸の上側コンタクト層１３側の障壁層、すなわち、キャップ層２４によるエネルギーの障壁の高さを相対的に低くし、量子ドット層２３によるエネルギーの井戸の下側コンタクト層１２側の障壁層、すなわち、下地層２２によるエネルギーの障壁の高さを相対的に高くすることにより、量子閉じ込め効果を強化している。
【００４４】
そして、エネルギー障壁の高さが相対的に低いキャップ層２４よりも、エネルギー障壁の高さが相対的に高い下地層２２の方の膜厚を薄くすることにより、励起された電子又は正孔をトンネリングし易くし、光応答に必要なエネルギーを増大させることがなく、所望の長波長の応答特性が得られるようにしている。
【００４５】
但し、励起電子又は正孔のトンネリングのし易さよりも量子閉じ込めの強化の効果をより優先的に高める際には、キャップ層をＡｌ1.0Ｇａ0.0Ａｓとしてエネルギー障壁の高さを下地層と同じにしても良い。
【００４６】
なお、本実施形態の赤外線検知器では、中間層２１と、下地層２２と、キャップ層２４とを、ＡｌＧａＡｓの混晶により形成し、そのＡｌ組成比を変えることにより、図３のエネルギーバンド構造を実現している。すなわち、中間層２１のＡｌ組成比を、キャップ層２４のＡｌ組成比よりも小さくし、キャップ層のＡｌ組成比を、下地層２２のＡｌ組成比と等しいか、それよりも小さくしている。
【００４７】
具体的には、上記実施形態では、中間層２１をＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓにより形成し、下地層２２をＡｌ1.0Ｇａ0.0Ａｓにより形成し、キャップ層２４をＡｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓにより形成している。
【００４８】
下地層２２のＡｌＧａＡｓの混晶組成はＡｌの組成比＝１．０より小さく（但し、中間層２１のＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成よりは大きい）ても良いが、この部分のエネルギー障壁をより高くする観点と、さらにはＡｌＧａＡｓ下地層上にＩｎＡｓやＩｎＡｌＡｓ量子ドットを形成する場合に、Ａｌ組成が大きいほうがより高密度のドットが得られやすいことから、Ａｌの組成比＝１．０とすることが望ましい。高密度の量子ドット層は赤外線吸収量の増大に寄与するため、赤外線検知器の性能向上にとって有利に働く。
【００４９】
上記実施形態では中間層２１よりも高エネルギー（高Ａｌ組成）となる下地層２２とキャップ層２４の両者を備えているが、高密度量子ドット形成の効果を重要視する場合はキャップ層２４を省略することも可能である。このときでも、例えば、下地層２２のＡｌＧａＡｓ組成をＡｌの組成比＝１．０と大きくし、エネルギー障壁高さを最大化することで、強い量子閉じ込めを得ることができる。
【００５０】
次に、図４乃至図６を用いて、本実施形態の赤外線検知器の製造方法について説明する。
【００５１】
まず、上面が（００１）面であるＧａＡｓ基板１０上に、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy)法）により、約１００ｎｍ厚のＧａＡｓ層からなるバッファ層１１、約５００ｎｍ厚でキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＧａＡｓ層からなる下側コンタクト層１２を順次成長させる（図４（ａ））。
【００５２】
続いて、分子線エピタキシー法により、下側コンタクト層１２上に、約４５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる中間層２１、約０．５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ1.0Ｇａ0.0Ａｓ層からなる下地層２２を順次成長させる（図４（ｂ））。
【００５３】
続いて、分子線エピタキシー法により、下地層２２上に、複数のＩｎｘＡｌｙＡｓの量子ドットを成長させ、量子ドット層２３を形成する。量子ドットは、直径２５ｎｍ、高さ５ｎｍ程度の大きさのＩｎｘＡｌｙＡｓドットであり、量子ドット層２３の面内で５×１０10ｃｍ-2程度の密度で形成する（図４（ｂ））。
【００５４】
続いて、分子線エピタキシー法により、量子ドット層２３上に、複数の量子ドットを覆うように、約４．０ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ層からなるキャップ層２４を成長させる（図４（ｂ））。
【００５５】
続いて、分子線エピタキシー法により、キャップ層２４上に、約４５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる中間層２１を成長させる。以降、同様にして、中間層２１上に、下地層２２、量子ドット層２３、キャップ層２４、中間層２１を、この順番で、順次、９回繰り返して成長させて、光検知構造２０を形成する（図４（ｂ））。
【００５６】
続いて、分子線エピタキシー法により、光検知構造２０の最上層の中間層２１上に、約３００ｎｍ厚でキャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ−ＧａＡｓ層からなる上側コンタクト層１３を成長させる（図４（ｂ））。
【００５７】
次に、ウエットエッチングにより、光検知構造２０と上側コンタクト層１３をメサ形状にエッチング加工する（図５（ａ））。
【００５８】
次に、全面にレジストを塗布してレジスト層（図示せず）を形成する。続いて、レジスト層における電極層形成予定領域を開口する。続いて、全面に約１００ｎｍ厚のＡｕＧｅ／Ａｕ層（図示せず）を堆積する。続いて、レジスト層を除去し、リフトオフ法により、下側コンタクト層１２上、上側コンタクト層１３上に、ＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる下側電極層１４、ＡｕＧｅ／Ａｕ層からなる上側電極層１５を形成する（図５（ｂ））。
【００５９】
次に、Ｐ−ＣＶＤ法（Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition Method）により、全面に、約２００ｎｍ厚のＳｉＯＮ層からなる保護層１６を形成する（図６（ａ））。
【００６０】
次に、ドライエッチング法により、保護膜１６に、下側電極層１４及び上側電極層１５上にコンタクトホールを形成する（図６（ｂ））。
【００６１】
このように、本実施形態によれば、量子ドット層の一方の側に下地層を設け、他方の側にキャップ層を設け、エネルギーの井戸の両側に薄い障壁層を設けることにより、光応答に必要なエネルギーを増大させることがなく、量子ドット層によるエネルギーの井戸の実効的な深さを深くして、量子閉じ込め効果を改善することができる。
【００６２】
なお、上記の製造方法において分子線エピタキシー法によって成長する量子ドットを直径２５ｎｍ、高さ５ｎｍ程度の大きさのＩｎｘＡｌｙＡｓドットとし、量子ドット層２３の面内で１×１０11ｃｍ-2程度の密度で形成することも可能であり、さらにキャップ層をＡｌ1.0Ｇａ0.0Ａｓとして、量子ドット層の両側のエネルギー障壁高さを最大限に高めて量子閉じ込め効果を改善しても良い。
【００６３】
［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【００６４】
例えば、基板、上側コンタクト層、下側コンタクト層、中間層、下地層、量子ドット、キャップ層の材料は、上記実施形態における材料に限らない。
【００６５】
例えば、ＧａＡｓ基板を用いる場合、コンタクト層の材料として、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＮ、ＩｎＧａＡｓＮのいずれかでもよい。
【００６６】
また、ＧａＡｓ基板を用いる場合、中間層の材料として、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＮのいずれかでもよい。
【００６７】
また、ＧａＡｓ基板を用いる場合、下地層の材料として、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＰ、ＧａＡｌＰのいずれかでもよい。
【００６８】
また、ＧａＡｓ基板を用いる場合、量子ドットの材料として、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＳｂ、ＧａＡｓＳｂのいずれかでもよい。
【００６９】
また、ＧａＡｓ基板を用いる場合、キャップ層の材料として、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＡｌＡｓのいずれかでもよい。
【００７０】
例えば、ＩｎＰ基板を用いる場合、コンタクト層の材料として、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓＰのいずれかでもよい。
【００７１】
また、ＩｎＰ基板を用いる場合、中間層の材料として、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓＰのいずれかでもよい。
【００７２】
また、ＩｎＰ基板を用いる場合、下地層の材料として、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓＰ、ＧａＡｌＰのいずれかでもよい。
【００７３】
また、ＩｎＰ基板を用いる場合、量子ドットの材料として、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＳｂ、ＧａＡｓＳｂのいずれかでもよい。
【００７４】
また、ＩｎＰ基板を用いる場合、キャップ層の材料として、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＰ、ＩｎＡｌＡｓＰのいずれかでもよい。
【００７５】
例えば、ｎ型、ｐ型の導電型について、上記実施形態に限らず、その反対の導電型であってもよい。
【実施例】
【００７６】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００７７】
［実施例１］
実施例１の赤外線検知器は、図１及び図２に示す構成の赤外線検知器である。
【００７８】
光検知構造２０は、約４５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる中間層２１と、約０．５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ1.0Ｇａ0.0Ａｓ層からなる下地層２２と、複数のＩｎＡｓの量子ドットからなる量子ドット層２３と、約４．０ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層からなるキャップ層２４とが、この順番で、１０回繰り返して積層されて構成されている。量子ドットは、直径２５ｎｍ、高さ５ｎｍ程度の大きさのＩｎＡｓドットであり、量子ドット層２３の面内で１×１０11ｃｍ-2程度の密度で形成されている。
【００７９】
［実施例２］
実施例２の赤外線検知器は、図１及び図２に示す構成の赤外線検知器である。
【００８０】
光検知構造２０は、約４５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる中間層２１と、約０．５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ1.0Ｇａ0.0Ａｓ層からなる下地層２２と、複数のＩｎＡｓの量子ドットからなる量子ドット層２３と、約４．０ｎｍ厚のｉ−ＡｌＡｓ層からなるキャップ層２４とが、この順番で、１０回繰り返して積層されて構成されている。量子ドットは、直径２５ｎｍ、高さ５ｎｍ程度の大きさのＩｎＡｓドットであり、量子ドット層２３の面内で１×１０11ｃｍ-2程度の密度で形成されている。
【００８１】
［比較例］
比較例の赤外線検知器は、図７及び図８に示す構成の赤外線検知器である。
【００８２】
光検知構造１２０は、約４５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓ層からなる中間層１２１と、複数のＩｎ0.6Ａｌ0.4Ａｓの量子ドットからなる量子ドット層１２２とが、この順番で、１０回繰り返して積層されて構成されている。量子ドットは、直径２５ｎｍ、高さ５ｎｍ程度の大きさのＩｎ0.6Ａｌ0.4Ａｓドットであり、量子ドット層１２２の面内で５×１０10ｃｍ-2程度の密度で形成されている。
【００８３】
［実施例の特性］
図１０に、実施例の赤外線検知器の分光応答スペクトルを示す。図１０に示すように、実施例１の赤外線検出器、実施例２の赤外線検出器とも、８〜１２μｍの長波長赤外線域において応答する特性を有している。
【００８４】
図１１に、実施例の赤外線検知器の相対的感度を示す。図１１に示すように、実施例１の赤外線検出器、実施例２の赤外線検出器とも、比較例の赤外線検出器に比較して感度が大幅に向上している。感度の指標として、光電流応答強度を雑音成分となる暗電流で除した値を用いた。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の一実施形態による赤外線検知器の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による赤外線検知器の光検知構造の詳細を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による赤外線検知器のエネルギーバンド図である。
【図４】本発明の一実施形態による赤外線検知器の製造方法の工程断面図（その１）である。
【図５】本発明の一実施形態による赤外線検知器の製造方法の工程断面図（その２）である。
【図６】本発明の一実施形態による赤外線検知器の製造方法の工程断面図（その３）である。
【図７】提案されている赤外線検知器の構成を示す断面図である。
【図８】提案されている赤外線検知器の光検知構造の詳細を示す断面図である。
【図９】提案されている赤外線検知器のエネルギーバンド図である。
【図１０】実施例の赤外線検出器の分光応答スペクトルを示す図である。
【図１１】実施例の赤外線検知器の感度を示す図である。
【符号の説明】
【００８６】
１０…ＧａＡｓ基板
１１…バッファ層
１２…下側コンタクト層
１３…上側コンタクト層
１４…下側電極層
１５…上側電極層
１６…保護層
２０…光検知構造
２１…中間層
２２…下地層
２３…量子ドット層
２４…キャップ層
１１０…ＧａＡｓ基板
１１１…バッファ層
１１２…下側コンタクト層
１１３…上側コンタクト層
１１４…下側電極層
１１５…上側電極層
１１６…保護層
１２０…光検知構造
１２１…中間層
１２２…量子ドット層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間層と、前記中間層よりバッドギャップが狭い複数の量子ドットを有する量子ドット層とが交互に積層されてなる積層体を有し、前記積層体に赤外線を照射した際に生じる光電流を検出することにより赤外線を検出する赤外線検知器において、
前記量子ドット層の一方の側に設けられ、前記中間層よりもバンドギャップが広い第１の障壁層と、
前記量子ドット層の他方の側に設けられ、前記中間層よりもバンドギャップが広い第２の障壁層と
を更に有することを特徴とする赤外線検知器。
【請求項２】
請求項１記載の赤外線検知器において、
前記第２の障壁層は、前記量子ドット層の他方の側に、前記複数の量子ドットを覆うように形成されている
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項３】
請求項２記載の赤外線検知器において、
前記第１の障壁層のバンドギャップが、前記第２の障壁層のバンドギャップと等しいか、それよりも大きいことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項４】
中間層と、前記中間層よりバンドギャップが狭い複数の量子ドットを有する量子ドット層とが交互に積層されてなる積層体を有し、前記積層体に赤外線を照射した際に生じる光電流を検出することにより赤外線を検出する赤外線検知器において、
前記量子ドット層のドット底面に接するように設けられた前記中間層よりもバンドギャップが広い第１の障壁層を有することを特徴とする赤外線検知器。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか１項に記載の赤外線検知器において、
前記第１の障壁層の厚さが０．５ｎｍ以下であり、第２の障壁層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする赤外線検知器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の赤外線検知器において、
前記中間層は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、及びＩｎＧａＡｓＮの群から選ばれるひとつの化合物により形成され、
前記第１の障壁層は、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＰ、及びＧａＡｌＰの群から選ばれるひとつの化合物により形成され、
前記量子ドットは、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＳｂ、及びＧａＡｓＳｂの群から選ばれるひとつの化合物により形成され、
前記第２の障壁層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、及びＩｎＡｌＡｓの群から選ばれるひとつの化合物により形成されている
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項７】
請求項６記載の赤外線検知器において、
前記中間層と、前記第１の障壁層とは、ＡｌＧａＡｓにより形成され、前記中間層のＡｌ組成比が、前記第１の障壁層のＡｌ組成比よりも小さい
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項８】
請求項７記載の赤外線検知器において、
前記中間層と、前記第１の障壁層と、前記第２の障壁層とは、ＡｌＧａＡｓにより形成され、
前記中間層のＡｌ組成比が、前記第２の障壁層のＡｌ組成比よりも小さく、
前記第２の障壁層のＡｌ組成比が、前記第１の障壁層のＡｌ組成比と等しいか、それよりも小さい
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項９】
請求項７記載の赤外線検知器において、
前記第１の障壁層がＡｌＡｓであり、前記量子ドットがＩｎＡｓあるいはＩｎＡｌＡｓである
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項１０】
請求項８記載の赤外線検知器において、
前記第１の障壁層と、前記第２の障壁層とは、ＡｌＡｓにより形成され、
前記量子ドットは、ＩｎＡｓ又はＩｎＡｌＡｓにより形成されている
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項１１】
請求項９記載の赤外線検知器において、
前記量子ドットの密度は、５×１０10ｃｍ-2以上である
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項１２】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の赤外線検知器において、
前記中間層は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、及びＩｎＡｌＡｓＰの群から選ばれるひとつの化合物により形成され、
前記第１の障壁層は、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓＰ、及びＧａＡｌＰの群から選ばれるひとつの化合物により形成され、
前記量子ドットは、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＳｂ、及びＧａＡｓＳｂの群から選ばれるひとつの化合物により形成され、
前記第２の障壁層は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓＰ、及びＧａＡｌＰの群から選ばれるひとつの化合物により形成されている
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項１３】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の赤外線検知器において、
前記中間層、前記第１の障壁層、前記量子ドット、前記第２の障壁層は、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＮ、ＧａＮ、及びＡｌＮの群から選ばれるひとつの化合物、又は、複数の化合物の混晶により形成されている
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項１】
中間層と、前記中間層よりバッドギャップが狭い複数の量子ドットを有する量子ドット層とが交互に積層されてなる積層体を有し、前記積層体に赤外線を照射した際に生じる光電流を検出することにより赤外線を検出する赤外線検知器において、
前記量子ドット層の一方の側に設けられ、前記中間層よりもバンドギャップが広い第１の障壁層と、
前記量子ドット層の他方の側に設けられ、前記中間層よりもバンドギャップが広い第２の障壁層と
を更に有することを特徴とする赤外線検知器。
【請求項２】
請求項１記載の赤外線検知器において、
前記第２の障壁層は、前記量子ドット層の他方の側に、前記複数の量子ドットを覆うように形成されている
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項３】
請求項２記載の赤外線検知器において、
前記第１の障壁層のバンドギャップが、前記第２の障壁層のバンドギャップと等しいか、それよりも大きいことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項４】
中間層と、前記中間層よりバンドギャップが狭い複数の量子ドットを有する量子ドット層とが交互に積層されてなる積層体を有し、前記積層体に赤外線を照射した際に生じる光電流を検出することにより赤外線を検出する赤外線検知器において、
前記量子ドット層のドット底面に接するように設けられた前記中間層よりもバンドギャップが広い第１の障壁層を有することを特徴とする赤外線検知器。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか１項に記載の赤外線検知器において、
前記第１の障壁層の厚さが０．５ｎｍ以下であり、第２の障壁層の厚さが５ｎｍ以下であることを特徴とする赤外線検知器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の赤外線検知器において、
前記中間層は、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、及びＩｎＧａＡｓＮの群から選ばれるひとつの化合物により形成され、
前記第１の障壁層は、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＰ、及びＧａＡｌＰの群から選ばれるひとつの化合物により形成され、
前記量子ドットは、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＳｂ、及びＧａＡｓＳｂの群から選ばれるひとつの化合物により形成され、
前記第２の障壁層は、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｌＰ、及びＩｎＡｌＡｓの群から選ばれるひとつの化合物により形成されている
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項７】
請求項６記載の赤外線検知器において、
前記中間層と、前記第１の障壁層とは、ＡｌＧａＡｓにより形成され、前記中間層のＡｌ組成比が、前記第１の障壁層のＡｌ組成比よりも小さい
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項８】
請求項７記載の赤外線検知器において、
前記中間層と、前記第１の障壁層と、前記第２の障壁層とは、ＡｌＧａＡｓにより形成され、
前記中間層のＡｌ組成比が、前記第２の障壁層のＡｌ組成比よりも小さく、
前記第２の障壁層のＡｌ組成比が、前記第１の障壁層のＡｌ組成比と等しいか、それよりも小さい
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項９】
請求項７記載の赤外線検知器において、
前記第１の障壁層がＡｌＡｓであり、前記量子ドットがＩｎＡｓあるいはＩｎＡｌＡｓである
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項１０】
請求項８記載の赤外線検知器において、
前記第１の障壁層と、前記第２の障壁層とは、ＡｌＡｓにより形成され、
前記量子ドットは、ＩｎＡｓ又はＩｎＡｌＡｓにより形成されている
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項１１】
請求項９記載の赤外線検知器において、
前記量子ドットの密度は、５×１０10ｃｍ-2以上である
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項１２】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の赤外線検知器において、
前記中間層は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、及びＩｎＡｌＡｓＰの群から選ばれるひとつの化合物により形成され、
前記第１の障壁層は、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓＰ、及びＧａＡｌＰの群から選ばれるひとつの化合物により形成され、
前記量子ドットは、ＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｌＳｂ、及びＧａＡｓＳｂの群から選ばれるひとつの化合物により形成され、
前記第２の障壁層は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓＰ、及びＧａＡｌＰの群から選ばれるひとつの化合物により形成されている
ことを特徴とする赤外線検知器。
【請求項１３】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の赤外線検知器において、
前記中間層、前記第１の障壁層、前記量子ドット、前記第２の障壁層は、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＮ、ＧａＮ、及びＡｌＮの群から選ばれるひとつの化合物、又は、複数の化合物の混晶により形成されている
ことを特徴とする赤外線検知器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００９−６５１４１（Ｐ２００９−６５１４１Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【公開請求】
【出願番号】特願２００８−２０５２４１（Ｐ２００８−２０５２４１）
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【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】（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２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０５２４１（Ｐ２００８−２０５２４１）
【出願日】平成２０年８月８日（２００８．８．８）
【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】（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）】
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