量子ドット型赤外線検知器及び赤外線イメージセンサ
【課題】量子ドット型赤外線検知器の感度を向上させること。
【解決手段】量子ドットと、前記量子ドットを覆い、エネルギーギャップが前記量子ドットより広い第１の障壁層と、前記第１の障壁層の上側および前記量子ドットの下側に設けられ、エネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い中間層と、前記第１の障壁層内に設けられ、エネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い量子井戸層とを有する光電変換層と、前記光電変換層の両側に設けられた電極層を備えた量子ドット型赤外線検知器。
【解決手段】量子ドットと、前記量子ドットを覆い、エネルギーギャップが前記量子ドットより広い第１の障壁層と、前記第１の障壁層の上側および前記量子ドットの下側に設けられ、エネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い中間層と、前記第１の障壁層内に設けられ、エネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い量子井戸層とを有する光電変換層と、前記光電変換層の両側に設けられた電極層を備えた量子ドット型赤外線検知器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドット型赤外線検知器及び赤外線イメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子ドット型赤外線検知器は、量子ドットのサブバンド間遷移を利用した赤外線光検出器である。量子ドットに赤外線が照射されると、量子ドットの遷移元準位に束縛されていた電子が光励起され、遷移先準位にサブバンド間遷移する。サブバンドに光励起された電子は、熱的な励起やトンネル効果によって量子ドットの束縛から脱し、印加された電圧によって電極に集められ、光電流を形成する。この光電流を外部回路で検出することで、赤外線を検知することができる。尚、量子井戸のサブバンド間遷移を利用した量子井戸赤外線検出器も存在する。しかし、量子井戸赤外線検出器は、垂直入射光には応答しないので適用範囲が限られている。
【０００３】
量子ドット型赤外線検知器は、光電変換層と、光電変換層の上面及び下面に設けられた電極層を有している。更に、光電変換層は、量子ドットと、量子ドットを囲む中間層を有している。ここで、中間層のエネルギーギャップ（伝導帯の底と価電子帯の頂上のエネルギー差）は、量子ドットより広い。従って、中間層が、量子ドットの伝導帯内電子に対してエネルギー障壁となり、量子ドット内に量子準位を生成する。
【０００４】
量子ドットと中間層だけを有する光電変換層からなる基礎的な量子ドット型赤外線検知器は、十分な光電流を生成することができず、感度（信号に相当）が低くいという問題を有していた。
【０００５】
この問題を解決するため、エネルギーギャップが中間層より広い半導体層（以下、障壁層と呼ぶ）で、量子ドットを囲んだ量子ドット型光検出器が開発された。この障壁層により、量子ドットにおける量子閉じ込め効果が強くなり、光で励起された電子が遷移し易くなり、その結果量子ドット型赤外線検知器の感度が改善された。
【０００６】
赤外線検知器の特性としては、感度が大きく、信号と雑音の比(S/N)が小さいことが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−６５１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、量子ドット型赤外線検知器の感度を、更に向上させることは、容易でない。例えば、励起準位の量子閉じ込め効果を高めるために障壁層を厚くすると、感度は逆に低下してしまう。これは、厚くなった障壁層が、励起準位に遷移した電子（以下、励起電子と呼ぶ）の中間層へのトンネルによる脱出を抑制してしまうためである。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、中間層への電子の脱出を容易にして感度を高めた、量子ドット型赤外線検知器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本装置の第１の観点によれば、量子ドットと、前記量子ドットを覆い、エネルギーギャップが前記量子ドットより広い第１の障壁層と、前記第１の障壁層の上側および前記量子ドットの下側に設けられ、エネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い中間層と、前記第１の障壁層内に設けられ、エネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い量子井戸層とを有する光電変換層と、前記光電変換層の両側に設けられた電極層を備えた量子ドット型赤外線検知器が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本量子ドット型赤外線検知器によれば、障壁層を有する量子ドット型赤外線検知器の感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１の量子ドット型赤外線検知器の構造を説明する概略図である。
【図２】実施の形態１の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層の構造を説明する断面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】図３のIV-IV線に沿った、光電変換層のエネルギーバンド図である。
【図５】第１の障壁層に量子井戸層が設けられてない光電変換層の部分拡大図である。
【図６】図５のVI-VI線に沿った、光電変換層のエネルギーバンド図である。
【図７】量子井戸層の厚さと、実施の形態１の量子ドット型赤外線検知器の感度の関係を説明する図である。
【図８】量子井戸層の厚さと、実施の形態１の量子ドット型赤外線検知器のＳ/Ｎ比の関係を説明する図である。
【図９】図３のIX-IX線に沿った、光電変換層のエネルギーバンド図である。
【図１０】実施の形態２の赤外線イメージセンサの断面を説明する概略図である。
【図１１】実施の形態３の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する部分拡大図である。
【図１２】図１１のXII-XII線に沿った、光電変換層のエネルギーバンド図である。
【図１３】実施の形態４の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する概略図である。
【図１４】実施の形態５の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。尚、図面が異なっても対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００１４】
（実施の形態１）
（１）構造及び動作
―全体構造―
図１は、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器２の構造を説明する概略図である。図１には、量子ドット型赤外線検知器２の動作を説明するため、電源１０と電流検出器１２も図示されている。
【００１５】
図１に示すように、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器２は、光電変換層４と、光電変換層４の両側に設けられた電極層６ａ,６ｂを有している。この電極層６ａ,６ｂは、例えば、ｎ型の低抵抗半導体層である。ここで、下部電極層６ａ、光電変換層４、及び上部電極層６ｂは、半導体基板９の上に、この順番で積層されている。
【００１６】
下部電極層６ａ及び上部電極層６ｂには、夫々、金属電極８ａ,８ｂが設けられている。これら金属電極８ａ,８ｂを介して電極層６ａ,６ｂの間に、一定の電圧を供給する電源１０を接続する。従って、光電変換層４に、一定の電圧が印加される。
【００１７】
検知対象の赤外線１２は、半導体基板９の裏面から入射する。次に、赤外線１２は、光電変換層４に到達し、一部が光電変換層４で吸収される。その後、赤外線１２は、上側の金属電極８ｂにより反射される。これにより、赤外線１２は、光電変換層４に再入射し、光電変換層４により再度吸収される。
【００１８】
光電変換層４で吸収された赤外線は、ホトキャリアを生成する。光電変換層４に印加した電圧により、このホトキャリアが光電流となって、外部に取り出される。この光電流を電流検出器１２により検出して、赤外線を検知する。
【００１９】
―光電変換層―
図２は、本量子ドット型赤外線検知器２の光電変換層４の構造を説明する断面図である。図３は、図２の部分拡大図である。尚、図２には、参考のため、電極層６ａ,６ｂも図示してある。
【００２０】
光電変換層４は、図２及び図３に示すように、複数の量子ドット１４と、量子ドット１４を覆う第１の障壁層１６と、この第１の障壁層１６内に設けられた量子井戸層１８を有している。ここで、量子井戸層１８は、量子ドット１４に接している。
【００２１】
更に、光電変換層４は、量子ドット１４の底面に接する第２の障壁層２０を有している。また、光電変換層４は、第１の障壁層１６の上側（第１の障壁層１６の一面側）及び量子ドット１４の下側（前記一面の反対側）に設けられた中間層２２（すなわち、第１の障壁層１６の両側に設けられた中間層２２）を有している。
【００２２】
図４は、図３のIV-IV線に沿った、光電変換層４のエネルギーバンド図である。縦軸２４は、電子のエネルギーである。横軸２６は、半導体基板９に垂直な方向の位置に対応している（以下、同様）。図４には、量子ドット１４等の伝導帯の底のエネルギーＥＣと、価電子帯の頂上のエネルギーＥＶが図示されている。また、図４の上部には、量子ドット１４等の位置が図示されている。
【００２３】
図４に示すように、第１の障壁層１６のエネルギーギャップＥｇは、量子ドット１４のエネルギーギャップより広い。同様に、第２の障壁層２０のエネルギーギャップも、量子ドット１４のエネルギーギャップより広い。一方、中間層２２のエネルギーギャップは、量子ドット１４より広く、且つ第１の障壁層１６及び第２の障壁層２０より狭い。そして、量子井戸層１８のエネルギーギャップは、量子ドット１４より広く、且つ第１の障壁層１６及び第２の障壁層２０より狭い。
【００２４】
すなわち、第１の障壁層１６の伝導帯の底は、量子ドット１４の伝導帯の底より高い。同様に、第２の障壁層２０の伝導帯の底も、量子ドット１４の伝導帯の底より高い。一方、中間層２２の伝導帯の底は、量子ドット１４より高く、且つ第１の障壁層１６及び第２の障壁層２０より低い。そして、量子井戸層１８の伝導帯の底は、量子ドット１４より高く、且つ第１の障壁層１６及び第２の障壁層２０より低い。
【００２５】
この光電変換層４に赤外線が入射すると、量子ドット１４の遷移元準位２８に束縛されていた電子３０が、赤外線を吸収して、量子井戸層１８の量子準位に遷移する。次に、量子井戸層に励起された電子３２は、トンネル効果又は熱励起により、量子井戸層１８を脱出して、ホトキャリア３４になる。その後、光電変換層４に印加された電圧により、このホトキャリア３４が光電流となって、外部に取り出される。
【００２６】
図５は、第１の障壁層１６に量子井戸層１８が設けられていない光電変換層の部分拡大図である。図６は、図５のVI-VI線に沿った、光電変換層のエネルギーバンド図である。この光電変換層に赤外線が入射すると、量子ドット１４の遷移元準位２８に束縛されていた電子３０は、赤外線を吸収して、量子ドット１４の励起準位３６に遷移する。次に、励起された電子３８の一部が、トンネル効果又は熱励起により、量子ドット１４を脱出して、ホトキャリアになる。しかし、多くの励起電子３８は、遷移元準位２８に緩和して、中間層に脱出することができない。このため、図５のように、量子ドット１４を第１の障壁層１６で覆っただけの構造では、励起電子３８が中間層２２に脱出し難く、量子ドット型赤外線検知器の感度を十分に高めることはできない。
【００２７】
一方、本量子ドット型赤外線検知器２では、図４に示すように、赤外線を吸収した電子３２は、量子ドット１４とは空間的に分離した量子井戸層１８に遷移する（又は、量子ドット１４の励起準位に遷移した後、量子井戸１８に移動する）。従って、励起電子３２が、量子ドット１４の遷移元準位２８に容易に緩和することはない。このため、励起電子の量子井戸における滞在時間が長くなり、励起電子が中間層に脱出し易くなる。故に、本量子ドット型赤外線検知器２の感度は高くなる。
【００２８】
図７は、量子井戸層１８の厚さと、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器２の感度の関係を説明する図である。横軸は、量子井戸層１８の厚さ（任意単位）である。縦軸は、量子ドット型赤外線検知器２の感度（任意単位）である。図７に示すように、量子ドット型赤外線検知器２の感度は、量子井戸層１８が薄い間はあまり変化しないが、量子井戸層１８が厚くなると増加し、やがて最大値に達す。その後、量子ドット型赤外線検知器２の感度は減少する。
【００２９】
量子井戸層１８が厚くなると、量子井戸層１８に励起電子３２が滞在し易くなるので、感度が増加する。一方、量子井戸層１８が更に厚くなると、第１の障壁層１６が量子ドット１４から離れ過ぎて、第１の障壁層１６による、量子ドットの励起準位の量子閉じ込め効果が小さくなる。このため、光電変換層４の赤外線吸収率が低下して、感度が低くなる。
【００３０】
図８は、量子井戸層１８の厚さと、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器２のＳ/Ｎ比（signal to noise ratio)の関係を説明する図である。横軸は、量子井戸層１８の厚さ（任意単位）である。縦軸は、量子ドット型赤外線検知器２のＳ/Ｎ比（任意単位）である。尚、図８のＳ/Ｎ比は、線形表示である。
【００３１】
図８に示すように、量子ドット型赤外線検知器２のＳ/Ｎ比は、量子井戸層１８の厚さと共に増加してやがて最大値に達し、その後減少する。このようなＳ/Ｎ比の変化は、図７の感度変化と符合している。但し、Ｓ/Ｎ比は、図７の感度以上に大きくなっている。これは、量子井戸層１８が、ホトキャリア３４の生成を促進するだけではなく（図４参照）、雑音となる暗電流を抑制するためと考えられる。
【００３２】
次に、障壁層１６，２０が、本量子ドット型赤外線検出器２のＳ/Ｎ比に及ぼす影響について説明する。図９は、図３のIX-IX線に沿った、光電変換層４のエネルギーバンド図である。すなわち、量子ドット１４を縦断しない経路（IX-IX線）に沿ったエネルギーバンド図である。雑音の原因となる暗電流は、このような経路を沿って流れる。
【００３３】
暗電流を形成する電子４０（以下、暗電流電子と呼ぶ）は、まず、第２の障壁層２０と第１の障壁層の一部１６ａが一体化した障壁１７を、トンネル効果又は熱励起により通過して、量子井戸層１４に侵入する。その後、暗電流電子４０は、更に第１の障壁層１６の残りの部分１６ｂを、トンネル効果又は熱励起により通過して、反対側の中間層２２に移動する。この時、障壁層１６,２０は、暗電流電子４０の流れを阻害して、暗電流を減少させる。
【００３４】
一方、図３及び４から明らかように、赤外線により励起された電子３２が通過しなければならない障壁層は、第１の障壁層１６の一部分１６ｂだけである。従って、障壁層１６，２０により中間層２２への脱出が阻害される励起電子は、暗電流電子より少ない。なお、光電流となった励起電子は中間層上を走行し、次の障壁層１６、２０に阻害されるが、阻害された電子の内、井戸層内に捕らわれたものは量子ドットへの緩和を起こすこととなる。遷移元準位に緩和した電子は赤外線の吸収・励起に再利用されて光電流を生成するので、このような阻害による光電流減少は、暗電流に比べ減少率が小さい。一方、障壁層１６，２０の量子閉じ込め効果により励起電子が増加して、中間層２２へ脱出するホトキャリア３４も増加する効果がある。その結果、光電流が増加する。
【００３５】
以上のように、障壁層１６，２０は、暗電流を減少させる一方、光電流を増加させる。このため、Ｓ/Ｎ比が改善される。
【００３６】
（２）製造方法
次に、製造法に従って、量子ドット型赤外線検知器２の構造をより詳しく説明する。
【００３７】
―下部電極層の形成工程（図１及び２参照）―
まず、半絶縁性GaAs基板９上に、下部電極層６ａになるn型GaAs層を成長する。このn型GaAs層の厚さは、例えば1000 nmである。また、n型ドーパントは、例えばSiである。このn型ドーパントの濃度は、例えば2×1018cm-3である。成長方法は、例えば、分子線エピタキシー法である（以下、同様）。成長時の基板温度（以下、基板温度と呼ぶ）は、例えば600℃である。
【００３８】
次に、最下層の中間層２２ａになる、i型（絶縁性）AlxGa1-xAs層（0<x<1；以下、同様）を成長する。Alの組成xは、例えば0.2である。厚さは、例えば50 nmである。
【００３９】
―下地障壁層の成長工程（図３参照）―
次に、基板温度を470 ℃に下げる。その後、第２の障壁層２０（以下、下地障壁層と呼ぶ）になるAlAsを、1ML（分子層）成長する。
【００４０】
―量子ドットの成長工程（図３参照）―
この下地障壁層２０にIn分子線及びAs分子線を照射して、2.0 ML相当のInAsを成長する。In及びAsの供給速度は、InAs層の成長速度に換算して、0.2 ML/sである。これによりInAs層が臨界膜厚を超え、InAs層が量子ドット１４になる。すなわち、自己組織化量子ドットが形成される。この量子ドット１４の高さは、約１．５ｎｍである。また、量子ドット１４の直径は、約１５ｎｍである。そして、量子ドット１４の密度は、約２×１０１１ｃｍ−２である。
【００４１】
―下部埋め込み障壁層の成長工程（図３参照）―
次に、第１の障壁層１６の一部１６ａ（以下、下部埋め込み障壁層と呼ぶ）になるAlAsを3 ML成長する。
【００４２】
―量子井戸層の成長工程（図３参照）―
次に、量子井戸層１８になる、厚さ6 ML のAlxGa1-xAsを成長する。Alの組成xは、例えば0.2である。
【００４３】
―上部埋め込み障壁層の成長工程（図３参照）―
次に、第１の障壁層１６の残りの部分１６ｂ（以下、上部埋め込み障壁層と呼ぶ）になる、厚さ6 MLのAlAsを成長する。
【００４４】
―中間層の成長工程（図３参照）―
次に、基板温度を600 ℃まで上昇させる。その後、中間層２２になる、厚さ50 nm のi型AlxGa1-xAs層を成長する。Alの組成xは、例えば0.2である。
【００４５】
次に、上記「下地障壁層の成長工程」乃至「中間層の成長工程」を、順次２９回繰り返して、光電変換層４を形成する（図２参照）。
【００４６】
―上部電極層の形成工程（図１及び２参照）―
次に、上部電極層６ｂになるn型GaAs層を成長する（図１及び２参照）。このn型GaAs層の厚さは、例えば1000 nmである。また、n型ドーパントは、例えばSiである。このn型ドーパントの濃度は、例えば2×1018cm-3である。基板温度は、例えば600℃である。
【００４７】
―素子化工程―
次に、以上の工程により形成した成長層の表面に、リソグラフィー法により上部電極層６ｂ及び光電変換層４に対応するエッチングマスクを形成する（図１参照）。この時、成長層の表面内の直交する２方向に、エッチングマスクを一定の間隔で配列する。その後、このエッチングマスクを用いて、上部電極層６ｂ及び光電変換層４をエッチングして、下部電極層６ａを露出させる。
【００４８】
以上により、下部電極層６ａの上に、光電変換層４と上部電極層６ｂを積層した複数の積層構造を形成する。この積層構造は、２次元配列されており、後述する赤外線イメージセンサの画素になる。この画素は、一辺が、例えば25μｍの四角形である。また、画素のピッチは、例えば30μｍである。
【００４９】
次に、下部電極層６ａ及び上部電極層６ｂの上に、夫々、金属電極８ａ,８ｂを形成する。この金属電極８ａ,８ｂは、金、銀、アルミニウム等の金属膜、或いはＡｕＧｅ/Ａｕ等の複合膜など反射率の高い金属膜である。従って、上部電極層６ｂ上の金属電極８ｂは、光電変換層４を透過した赤外線の反射膜としても機能する。尚、下部電極層６ａの上の金属電極８ａは、各画素に一つずつ設けてもよいし、あるいは各画素が共用する共通金属電極として、一つ乃至数個設けてもよい。
【００５０】
次に、金属電極８ａ,８ｂを除く加工表面全体を、SiN（またはSiON）保護膜で覆う。その後、GaAs基板９を所定の大きさに切断する。
【００５１】
以上により、２次元配列された複数の赤外線検出器２が、共通の基板上に形成される。ここで、上記複数の赤外線検出器２とその半導体基板９は、赤外線センサアレイを形成する。
【００５２】
これらの赤外線検出器２を動作させには、金属電極８ａ,８ｂを介して、下部電極層６ａと上部電極層６ｂの間に、例えば１Ｖの電圧を印加する。これにより、赤外線検出器２は、波長８〜１０μｍの赤外線を検知するようになる。そして、赤外線の検知感度は、第１の障壁層１６に量子井戸層１８を設けない場合に比べ、約１．２倍になる。また、Ｓ/Ｎ比は、約１．７倍になる。このように、本実施の形態によれば、量子ドット型赤外線検知器の感度及びＳ/Ｎ比の双方が改善される。
【００５３】
（実施の形態２）
図１０は、本実施の形態の赤外線イメージセンサ４１の断面を説明する概略図である。
【００５４】
以下、製造方法に従って、本実施の形態の赤外線イメージセンサ４１の構造を説明する。
【００５５】
まず、光信号処理装置４６を用意する。この光信号処理装置４６は、実施の形態１の赤外線センサアレイ４２が検知した光信号（すなわち、光電流）を処理して、赤外線センサアレイ４２の裏面に投影された赤外線像の画像データを生成する集積回路装置（読み出し回路：例えばCMOS回路）である。例えば、光信号処理装置４６は、各画素が生成した光電流強度に対応するデジタル信号を生成し、画素の配列順に従って出力する。ここで、光信号処理装置４６は、赤外線センサアレイ４２の各金属電極８ａ,８ｂに対応する複数の電極４４を有している。
【００５６】
次に、赤外線センサアレイ４２の各金属電極８ａ,８ｂに、In製のバンプ４８を載置する。
【００５７】
次に、赤外線センサアレイ４２の金属電極８ａ,８ｂと、光信号処理装置４６の電極４４がバンプを介して対向するように、赤外線センサアレイ４２と光信号処理装置４６を重ね合わせる。
【００５８】
最後に、リフロー処理により、金属電極８ａ,８ｂと電極４４を接続する。以上の工程により、赤外線イメージセンサ４１が完成する。
【００５９】
この赤外線イメージセンサ４１を動作させると、光信号処理装置４６は、赤外線センサアレイ４２の各画素に駆動電圧（例えば、１Ｖ）を供給する。赤外線センサアレイ４２の各画素は、赤外線１２を受光して光電流を生成し、光信号処理装置４６に供給する。光信号処理装置４６は、この光電流をアナログデジタル変換して、画素の配列順の従って順次出力する。この時、本実施の形態では、各画素（量子ドット型赤外線検出器）の感度が向上しているので、鮮明な画像が得られる。
【００６０】
（実施の形態３）
図１１は、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する部分拡大図である。実施の形態１では、図３に示すように、量子井戸層１８が、量子ドット１４に接している。しかし、本実施の形態では、図１１に示すように、量子井戸層１８ａは、量子ドット１４に接していない。この点を除き、本赤外線検出器の構造は、実施の形態１の赤外線検出器と略同じである。
【００６１】
図１２は、図１１のXII-XII線に沿った、光電変換層のエネルギーバンド図である。
本実施の形態では、図１２に示すように、量子井戸層１８ａが、下部埋め込み障壁層１６ａにより、量子ドット１４から空間的に分離されている。従って、実施の形態１より、励起電子３２が、量子ドット１４の遷移元準位２８に緩和し難くい。従って、励起電子が、中間層２２に脱出しやすくなっている。
【００６２】
以上のように、量子井戸層１８ａが量子ドット１４に接していなくても、量子ドット型赤外線検知器の感度を向上させることができる。
【００６３】
（実施の形態４）
図１３は、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する概略図である。実施の形態１では、図３に示すように、量子井戸層１８は一層である。しかし、本実施の形態では、図１３に示すように、量子井戸層が、２層設けられている。また、本実施の形態の埋め込み障壁層１６は、２層の量子井戸層１８ｂ,１８ｃに対応して、３層の障壁層１６ｃ,１６ｄ,１６ｅを有している。以上の点を除き、本量子ドット型赤外線検出器の構造は、実施の形態１の量子ドット型赤外線検出器と略同じである。ここで、量子井戸層１８ｂ,１８ｃの厚さは、２MLである。また、障壁層１６ｃ,１６ｄ,１６ｅの厚さは、夫々、3ML、２ML、及び６MLである。
【００６４】
以上のように、量子井戸層を複数設けても、量子ドット型赤外線検知器の感度を向上させることができる。
【００６５】
（実施の形態５）
図１４は、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する部分拡大図である。実施の形態１の量子ドット型赤外線検知器２は、図３に示すように、量子ドットの底面に接する下地障壁層２０を有している。しかし、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器は、図１４に示すように、このような下地障壁層２０を有していない。この点を除き、本量子ドット型赤外線検出器の構造は、実施の形態１の赤外線検出器と略同じである。
【００６６】
下地障壁層２０がないことにより、障壁層による励起準位の量子閉じ込め効果は弱くなる。しかし。量子ドット１４の側面及び頂上が障壁層１６により覆われているので、量子閉じ込め効果は発揮される。従って、量子ドット型赤外線検知器の感度は、障壁層１６により高くなる。この高くなった感度が、量子井戸層１８により、更に高められる。
【００６７】
以上の実施の形態では、量子ドット、第１の障壁層、第２の障壁層、量子井戸層、及び中間層等は、InAs、AlAs、又はAlGaAsで形成されている。しかし、これらの半導体構造は、種々の材料により形成することができる。例えば、量子ドット、第１の障壁層、第２の障壁層、量子井戸層、及び中間層を、夫々、InAs, GaAs, AlAs, InP, GaP, AlP, InSb, GaSb, AlSb, InN, GaN, AlNからなる群から選択された半導体またはこれら半導体の混晶により形成してもよい。
【符号の説明】
【００６８】
２・・・量子ドット型赤外線検知器
４・・・光電変換層
６ａ,６ｂ・・・電極層
１４・・・量子ドット
１６・・・第１の障壁層
１８・・・量子井戸層
２０・・・第２の障壁層
２２,２２ａ・・・中間層
４１・・・赤外線イメージセンサ
４２・・・赤外線センサアレイ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子ドット型赤外線検知器及び赤外線イメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
量子ドット型赤外線検知器は、量子ドットのサブバンド間遷移を利用した赤外線光検出器である。量子ドットに赤外線が照射されると、量子ドットの遷移元準位に束縛されていた電子が光励起され、遷移先準位にサブバンド間遷移する。サブバンドに光励起された電子は、熱的な励起やトンネル効果によって量子ドットの束縛から脱し、印加された電圧によって電極に集められ、光電流を形成する。この光電流を外部回路で検出することで、赤外線を検知することができる。尚、量子井戸のサブバンド間遷移を利用した量子井戸赤外線検出器も存在する。しかし、量子井戸赤外線検出器は、垂直入射光には応答しないので適用範囲が限られている。
【０００３】
量子ドット型赤外線検知器は、光電変換層と、光電変換層の上面及び下面に設けられた電極層を有している。更に、光電変換層は、量子ドットと、量子ドットを囲む中間層を有している。ここで、中間層のエネルギーギャップ（伝導帯の底と価電子帯の頂上のエネルギー差）は、量子ドットより広い。従って、中間層が、量子ドットの伝導帯内電子に対してエネルギー障壁となり、量子ドット内に量子準位を生成する。
【０００４】
量子ドットと中間層だけを有する光電変換層からなる基礎的な量子ドット型赤外線検知器は、十分な光電流を生成することができず、感度（信号に相当）が低くいという問題を有していた。
【０００５】
この問題を解決するため、エネルギーギャップが中間層より広い半導体層（以下、障壁層と呼ぶ）で、量子ドットを囲んだ量子ドット型光検出器が開発された。この障壁層により、量子ドットにおける量子閉じ込め効果が強くなり、光で励起された電子が遷移し易くなり、その結果量子ドット型赤外線検知器の感度が改善された。
【０００６】
赤外線検知器の特性としては、感度が大きく、信号と雑音の比(S/N)が小さいことが重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−６５１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、量子ドット型赤外線検知器の感度を、更に向上させることは、容易でない。例えば、励起準位の量子閉じ込め効果を高めるために障壁層を厚くすると、感度は逆に低下してしまう。これは、厚くなった障壁層が、励起準位に遷移した電子（以下、励起電子と呼ぶ）の中間層へのトンネルによる脱出を抑制してしまうためである。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、中間層への電子の脱出を容易にして感度を高めた、量子ドット型赤外線検知器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本装置の第１の観点によれば、量子ドットと、前記量子ドットを覆い、エネルギーギャップが前記量子ドットより広い第１の障壁層と、前記第１の障壁層の上側および前記量子ドットの下側に設けられ、エネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い中間層と、前記第１の障壁層内に設けられ、エネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い量子井戸層とを有する光電変換層と、前記光電変換層の両側に設けられた電極層を備えた量子ドット型赤外線検知器が提供される。
【発明の効果】
【００１１】
本量子ドット型赤外線検知器によれば、障壁層を有する量子ドット型赤外線検知器の感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１の量子ドット型赤外線検知器の構造を説明する概略図である。
【図２】実施の形態１の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層の構造を説明する断面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】図３のIV-IV線に沿った、光電変換層のエネルギーバンド図である。
【図５】第１の障壁層に量子井戸層が設けられてない光電変換層の部分拡大図である。
【図６】図５のVI-VI線に沿った、光電変換層のエネルギーバンド図である。
【図７】量子井戸層の厚さと、実施の形態１の量子ドット型赤外線検知器の感度の関係を説明する図である。
【図８】量子井戸層の厚さと、実施の形態１の量子ドット型赤外線検知器のＳ/Ｎ比の関係を説明する図である。
【図９】図３のIX-IX線に沿った、光電変換層のエネルギーバンド図である。
【図１０】実施の形態２の赤外線イメージセンサの断面を説明する概略図である。
【図１１】実施の形態３の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する部分拡大図である。
【図１２】図１１のXII-XII線に沿った、光電変換層のエネルギーバンド図である。
【図１３】実施の形態４の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する概略図である。
【図１４】実施の形態５の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。尚、図面が異なっても対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００１４】
（実施の形態１）
（１）構造及び動作
―全体構造―
図１は、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器２の構造を説明する概略図である。図１には、量子ドット型赤外線検知器２の動作を説明するため、電源１０と電流検出器１２も図示されている。
【００１５】
図１に示すように、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器２は、光電変換層４と、光電変換層４の両側に設けられた電極層６ａ,６ｂを有している。この電極層６ａ,６ｂは、例えば、ｎ型の低抵抗半導体層である。ここで、下部電極層６ａ、光電変換層４、及び上部電極層６ｂは、半導体基板９の上に、この順番で積層されている。
【００１６】
下部電極層６ａ及び上部電極層６ｂには、夫々、金属電極８ａ,８ｂが設けられている。これら金属電極８ａ,８ｂを介して電極層６ａ,６ｂの間に、一定の電圧を供給する電源１０を接続する。従って、光電変換層４に、一定の電圧が印加される。
【００１７】
検知対象の赤外線１２は、半導体基板９の裏面から入射する。次に、赤外線１２は、光電変換層４に到達し、一部が光電変換層４で吸収される。その後、赤外線１２は、上側の金属電極８ｂにより反射される。これにより、赤外線１２は、光電変換層４に再入射し、光電変換層４により再度吸収される。
【００１８】
光電変換層４で吸収された赤外線は、ホトキャリアを生成する。光電変換層４に印加した電圧により、このホトキャリアが光電流となって、外部に取り出される。この光電流を電流検出器１２により検出して、赤外線を検知する。
【００１９】
―光電変換層―
図２は、本量子ドット型赤外線検知器２の光電変換層４の構造を説明する断面図である。図３は、図２の部分拡大図である。尚、図２には、参考のため、電極層６ａ,６ｂも図示してある。
【００２０】
光電変換層４は、図２及び図３に示すように、複数の量子ドット１４と、量子ドット１４を覆う第１の障壁層１６と、この第１の障壁層１６内に設けられた量子井戸層１８を有している。ここで、量子井戸層１８は、量子ドット１４に接している。
【００２１】
更に、光電変換層４は、量子ドット１４の底面に接する第２の障壁層２０を有している。また、光電変換層４は、第１の障壁層１６の上側（第１の障壁層１６の一面側）及び量子ドット１４の下側（前記一面の反対側）に設けられた中間層２２（すなわち、第１の障壁層１６の両側に設けられた中間層２２）を有している。
【００２２】
図４は、図３のIV-IV線に沿った、光電変換層４のエネルギーバンド図である。縦軸２４は、電子のエネルギーである。横軸２６は、半導体基板９に垂直な方向の位置に対応している（以下、同様）。図４には、量子ドット１４等の伝導帯の底のエネルギーＥＣと、価電子帯の頂上のエネルギーＥＶが図示されている。また、図４の上部には、量子ドット１４等の位置が図示されている。
【００２３】
図４に示すように、第１の障壁層１６のエネルギーギャップＥｇは、量子ドット１４のエネルギーギャップより広い。同様に、第２の障壁層２０のエネルギーギャップも、量子ドット１４のエネルギーギャップより広い。一方、中間層２２のエネルギーギャップは、量子ドット１４より広く、且つ第１の障壁層１６及び第２の障壁層２０より狭い。そして、量子井戸層１８のエネルギーギャップは、量子ドット１４より広く、且つ第１の障壁層１６及び第２の障壁層２０より狭い。
【００２４】
すなわち、第１の障壁層１６の伝導帯の底は、量子ドット１４の伝導帯の底より高い。同様に、第２の障壁層２０の伝導帯の底も、量子ドット１４の伝導帯の底より高い。一方、中間層２２の伝導帯の底は、量子ドット１４より高く、且つ第１の障壁層１６及び第２の障壁層２０より低い。そして、量子井戸層１８の伝導帯の底は、量子ドット１４より高く、且つ第１の障壁層１６及び第２の障壁層２０より低い。
【００２５】
この光電変換層４に赤外線が入射すると、量子ドット１４の遷移元準位２８に束縛されていた電子３０が、赤外線を吸収して、量子井戸層１８の量子準位に遷移する。次に、量子井戸層に励起された電子３２は、トンネル効果又は熱励起により、量子井戸層１８を脱出して、ホトキャリア３４になる。その後、光電変換層４に印加された電圧により、このホトキャリア３４が光電流となって、外部に取り出される。
【００２６】
図５は、第１の障壁層１６に量子井戸層１８が設けられていない光電変換層の部分拡大図である。図６は、図５のVI-VI線に沿った、光電変換層のエネルギーバンド図である。この光電変換層に赤外線が入射すると、量子ドット１４の遷移元準位２８に束縛されていた電子３０は、赤外線を吸収して、量子ドット１４の励起準位３６に遷移する。次に、励起された電子３８の一部が、トンネル効果又は熱励起により、量子ドット１４を脱出して、ホトキャリアになる。しかし、多くの励起電子３８は、遷移元準位２８に緩和して、中間層に脱出することができない。このため、図５のように、量子ドット１４を第１の障壁層１６で覆っただけの構造では、励起電子３８が中間層２２に脱出し難く、量子ドット型赤外線検知器の感度を十分に高めることはできない。
【００２７】
一方、本量子ドット型赤外線検知器２では、図４に示すように、赤外線を吸収した電子３２は、量子ドット１４とは空間的に分離した量子井戸層１８に遷移する（又は、量子ドット１４の励起準位に遷移した後、量子井戸１８に移動する）。従って、励起電子３２が、量子ドット１４の遷移元準位２８に容易に緩和することはない。このため、励起電子の量子井戸における滞在時間が長くなり、励起電子が中間層に脱出し易くなる。故に、本量子ドット型赤外線検知器２の感度は高くなる。
【００２８】
図７は、量子井戸層１８の厚さと、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器２の感度の関係を説明する図である。横軸は、量子井戸層１８の厚さ（任意単位）である。縦軸は、量子ドット型赤外線検知器２の感度（任意単位）である。図７に示すように、量子ドット型赤外線検知器２の感度は、量子井戸層１８が薄い間はあまり変化しないが、量子井戸層１８が厚くなると増加し、やがて最大値に達す。その後、量子ドット型赤外線検知器２の感度は減少する。
【００２９】
量子井戸層１８が厚くなると、量子井戸層１８に励起電子３２が滞在し易くなるので、感度が増加する。一方、量子井戸層１８が更に厚くなると、第１の障壁層１６が量子ドット１４から離れ過ぎて、第１の障壁層１６による、量子ドットの励起準位の量子閉じ込め効果が小さくなる。このため、光電変換層４の赤外線吸収率が低下して、感度が低くなる。
【００３０】
図８は、量子井戸層１８の厚さと、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器２のＳ/Ｎ比（signal to noise ratio)の関係を説明する図である。横軸は、量子井戸層１８の厚さ（任意単位）である。縦軸は、量子ドット型赤外線検知器２のＳ/Ｎ比（任意単位）である。尚、図８のＳ/Ｎ比は、線形表示である。
【００３１】
図８に示すように、量子ドット型赤外線検知器２のＳ/Ｎ比は、量子井戸層１８の厚さと共に増加してやがて最大値に達し、その後減少する。このようなＳ/Ｎ比の変化は、図７の感度変化と符合している。但し、Ｓ/Ｎ比は、図７の感度以上に大きくなっている。これは、量子井戸層１８が、ホトキャリア３４の生成を促進するだけではなく（図４参照）、雑音となる暗電流を抑制するためと考えられる。
【００３２】
次に、障壁層１６，２０が、本量子ドット型赤外線検出器２のＳ/Ｎ比に及ぼす影響について説明する。図９は、図３のIX-IX線に沿った、光電変換層４のエネルギーバンド図である。すなわち、量子ドット１４を縦断しない経路（IX-IX線）に沿ったエネルギーバンド図である。雑音の原因となる暗電流は、このような経路を沿って流れる。
【００３３】
暗電流を形成する電子４０（以下、暗電流電子と呼ぶ）は、まず、第２の障壁層２０と第１の障壁層の一部１６ａが一体化した障壁１７を、トンネル効果又は熱励起により通過して、量子井戸層１４に侵入する。その後、暗電流電子４０は、更に第１の障壁層１６の残りの部分１６ｂを、トンネル効果又は熱励起により通過して、反対側の中間層２２に移動する。この時、障壁層１６,２０は、暗電流電子４０の流れを阻害して、暗電流を減少させる。
【００３４】
一方、図３及び４から明らかように、赤外線により励起された電子３２が通過しなければならない障壁層は、第１の障壁層１６の一部分１６ｂだけである。従って、障壁層１６，２０により中間層２２への脱出が阻害される励起電子は、暗電流電子より少ない。なお、光電流となった励起電子は中間層上を走行し、次の障壁層１６、２０に阻害されるが、阻害された電子の内、井戸層内に捕らわれたものは量子ドットへの緩和を起こすこととなる。遷移元準位に緩和した電子は赤外線の吸収・励起に再利用されて光電流を生成するので、このような阻害による光電流減少は、暗電流に比べ減少率が小さい。一方、障壁層１６，２０の量子閉じ込め効果により励起電子が増加して、中間層２２へ脱出するホトキャリア３４も増加する効果がある。その結果、光電流が増加する。
【００３５】
以上のように、障壁層１６，２０は、暗電流を減少させる一方、光電流を増加させる。このため、Ｓ/Ｎ比が改善される。
【００３６】
（２）製造方法
次に、製造法に従って、量子ドット型赤外線検知器２の構造をより詳しく説明する。
【００３７】
―下部電極層の形成工程（図１及び２参照）―
まず、半絶縁性GaAs基板９上に、下部電極層６ａになるn型GaAs層を成長する。このn型GaAs層の厚さは、例えば1000 nmである。また、n型ドーパントは、例えばSiである。このn型ドーパントの濃度は、例えば2×1018cm-3である。成長方法は、例えば、分子線エピタキシー法である（以下、同様）。成長時の基板温度（以下、基板温度と呼ぶ）は、例えば600℃である。
【００３８】
次に、最下層の中間層２２ａになる、i型（絶縁性）AlxGa1-xAs層（0<x<1；以下、同様）を成長する。Alの組成xは、例えば0.2である。厚さは、例えば50 nmである。
【００３９】
―下地障壁層の成長工程（図３参照）―
次に、基板温度を470 ℃に下げる。その後、第２の障壁層２０（以下、下地障壁層と呼ぶ）になるAlAsを、1ML（分子層）成長する。
【００４０】
―量子ドットの成長工程（図３参照）―
この下地障壁層２０にIn分子線及びAs分子線を照射して、2.0 ML相当のInAsを成長する。In及びAsの供給速度は、InAs層の成長速度に換算して、0.2 ML/sである。これによりInAs層が臨界膜厚を超え、InAs層が量子ドット１４になる。すなわち、自己組織化量子ドットが形成される。この量子ドット１４の高さは、約１．５ｎｍである。また、量子ドット１４の直径は、約１５ｎｍである。そして、量子ドット１４の密度は、約２×１０１１ｃｍ−２である。
【００４１】
―下部埋め込み障壁層の成長工程（図３参照）―
次に、第１の障壁層１６の一部１６ａ（以下、下部埋め込み障壁層と呼ぶ）になるAlAsを3 ML成長する。
【００４２】
―量子井戸層の成長工程（図３参照）―
次に、量子井戸層１８になる、厚さ6 ML のAlxGa1-xAsを成長する。Alの組成xは、例えば0.2である。
【００４３】
―上部埋め込み障壁層の成長工程（図３参照）―
次に、第１の障壁層１６の残りの部分１６ｂ（以下、上部埋め込み障壁層と呼ぶ）になる、厚さ6 MLのAlAsを成長する。
【００４４】
―中間層の成長工程（図３参照）―
次に、基板温度を600 ℃まで上昇させる。その後、中間層２２になる、厚さ50 nm のi型AlxGa1-xAs層を成長する。Alの組成xは、例えば0.2である。
【００４５】
次に、上記「下地障壁層の成長工程」乃至「中間層の成長工程」を、順次２９回繰り返して、光電変換層４を形成する（図２参照）。
【００４６】
―上部電極層の形成工程（図１及び２参照）―
次に、上部電極層６ｂになるn型GaAs層を成長する（図１及び２参照）。このn型GaAs層の厚さは、例えば1000 nmである。また、n型ドーパントは、例えばSiである。このn型ドーパントの濃度は、例えば2×1018cm-3である。基板温度は、例えば600℃である。
【００４７】
―素子化工程―
次に、以上の工程により形成した成長層の表面に、リソグラフィー法により上部電極層６ｂ及び光電変換層４に対応するエッチングマスクを形成する（図１参照）。この時、成長層の表面内の直交する２方向に、エッチングマスクを一定の間隔で配列する。その後、このエッチングマスクを用いて、上部電極層６ｂ及び光電変換層４をエッチングして、下部電極層６ａを露出させる。
【００４８】
以上により、下部電極層６ａの上に、光電変換層４と上部電極層６ｂを積層した複数の積層構造を形成する。この積層構造は、２次元配列されており、後述する赤外線イメージセンサの画素になる。この画素は、一辺が、例えば25μｍの四角形である。また、画素のピッチは、例えば30μｍである。
【００４９】
次に、下部電極層６ａ及び上部電極層６ｂの上に、夫々、金属電極８ａ,８ｂを形成する。この金属電極８ａ,８ｂは、金、銀、アルミニウム等の金属膜、或いはＡｕＧｅ/Ａｕ等の複合膜など反射率の高い金属膜である。従って、上部電極層６ｂ上の金属電極８ｂは、光電変換層４を透過した赤外線の反射膜としても機能する。尚、下部電極層６ａの上の金属電極８ａは、各画素に一つずつ設けてもよいし、あるいは各画素が共用する共通金属電極として、一つ乃至数個設けてもよい。
【００５０】
次に、金属電極８ａ,８ｂを除く加工表面全体を、SiN（またはSiON）保護膜で覆う。その後、GaAs基板９を所定の大きさに切断する。
【００５１】
以上により、２次元配列された複数の赤外線検出器２が、共通の基板上に形成される。ここで、上記複数の赤外線検出器２とその半導体基板９は、赤外線センサアレイを形成する。
【００５２】
これらの赤外線検出器２を動作させには、金属電極８ａ,８ｂを介して、下部電極層６ａと上部電極層６ｂの間に、例えば１Ｖの電圧を印加する。これにより、赤外線検出器２は、波長８〜１０μｍの赤外線を検知するようになる。そして、赤外線の検知感度は、第１の障壁層１６に量子井戸層１８を設けない場合に比べ、約１．２倍になる。また、Ｓ/Ｎ比は、約１．７倍になる。このように、本実施の形態によれば、量子ドット型赤外線検知器の感度及びＳ/Ｎ比の双方が改善される。
【００５３】
（実施の形態２）
図１０は、本実施の形態の赤外線イメージセンサ４１の断面を説明する概略図である。
【００５４】
以下、製造方法に従って、本実施の形態の赤外線イメージセンサ４１の構造を説明する。
【００５５】
まず、光信号処理装置４６を用意する。この光信号処理装置４６は、実施の形態１の赤外線センサアレイ４２が検知した光信号（すなわち、光電流）を処理して、赤外線センサアレイ４２の裏面に投影された赤外線像の画像データを生成する集積回路装置（読み出し回路：例えばCMOS回路）である。例えば、光信号処理装置４６は、各画素が生成した光電流強度に対応するデジタル信号を生成し、画素の配列順に従って出力する。ここで、光信号処理装置４６は、赤外線センサアレイ４２の各金属電極８ａ,８ｂに対応する複数の電極４４を有している。
【００５６】
次に、赤外線センサアレイ４２の各金属電極８ａ,８ｂに、In製のバンプ４８を載置する。
【００５７】
次に、赤外線センサアレイ４２の金属電極８ａ,８ｂと、光信号処理装置４６の電極４４がバンプを介して対向するように、赤外線センサアレイ４２と光信号処理装置４６を重ね合わせる。
【００５８】
最後に、リフロー処理により、金属電極８ａ,８ｂと電極４４を接続する。以上の工程により、赤外線イメージセンサ４１が完成する。
【００５９】
この赤外線イメージセンサ４１を動作させると、光信号処理装置４６は、赤外線センサアレイ４２の各画素に駆動電圧（例えば、１Ｖ）を供給する。赤外線センサアレイ４２の各画素は、赤外線１２を受光して光電流を生成し、光信号処理装置４６に供給する。光信号処理装置４６は、この光電流をアナログデジタル変換して、画素の配列順の従って順次出力する。この時、本実施の形態では、各画素（量子ドット型赤外線検出器）の感度が向上しているので、鮮明な画像が得られる。
【００６０】
（実施の形態３）
図１１は、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する部分拡大図である。実施の形態１では、図３に示すように、量子井戸層１８が、量子ドット１４に接している。しかし、本実施の形態では、図１１に示すように、量子井戸層１８ａは、量子ドット１４に接していない。この点を除き、本赤外線検出器の構造は、実施の形態１の赤外線検出器と略同じである。
【００６１】
図１２は、図１１のXII-XII線に沿った、光電変換層のエネルギーバンド図である。
本実施の形態では、図１２に示すように、量子井戸層１８ａが、下部埋め込み障壁層１６ａにより、量子ドット１４から空間的に分離されている。従って、実施の形態１より、励起電子３２が、量子ドット１４の遷移元準位２８に緩和し難くい。従って、励起電子が、中間層２２に脱出しやすくなっている。
【００６２】
以上のように、量子井戸層１８ａが量子ドット１４に接していなくても、量子ドット型赤外線検知器の感度を向上させることができる。
【００６３】
（実施の形態４）
図１３は、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する概略図である。実施の形態１では、図３に示すように、量子井戸層１８は一層である。しかし、本実施の形態では、図１３に示すように、量子井戸層が、２層設けられている。また、本実施の形態の埋め込み障壁層１６は、２層の量子井戸層１８ｂ,１８ｃに対応して、３層の障壁層１６ｃ,１６ｄ,１６ｅを有している。以上の点を除き、本量子ドット型赤外線検出器の構造は、実施の形態１の量子ドット型赤外線検出器と略同じである。ここで、量子井戸層１８ｂ,１８ｃの厚さは、２MLである。また、障壁層１６ｃ,１６ｄ,１６ｅの厚さは、夫々、3ML、２ML、及び６MLである。
【００６４】
以上のように、量子井戸層を複数設けても、量子ドット型赤外線検知器の感度を向上させることができる。
【００６５】
（実施の形態５）
図１４は、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器の光電変換層を説明する部分拡大図である。実施の形態１の量子ドット型赤外線検知器２は、図３に示すように、量子ドットの底面に接する下地障壁層２０を有している。しかし、本実施の形態の量子ドット型赤外線検知器は、図１４に示すように、このような下地障壁層２０を有していない。この点を除き、本量子ドット型赤外線検出器の構造は、実施の形態１の赤外線検出器と略同じである。
【００６６】
下地障壁層２０がないことにより、障壁層による励起準位の量子閉じ込め効果は弱くなる。しかし。量子ドット１４の側面及び頂上が障壁層１６により覆われているので、量子閉じ込め効果は発揮される。従って、量子ドット型赤外線検知器の感度は、障壁層１６により高くなる。この高くなった感度が、量子井戸層１８により、更に高められる。
【００６７】
以上の実施の形態では、量子ドット、第１の障壁層、第２の障壁層、量子井戸層、及び中間層等は、InAs、AlAs、又はAlGaAsで形成されている。しかし、これらの半導体構造は、種々の材料により形成することができる。例えば、量子ドット、第１の障壁層、第２の障壁層、量子井戸層、及び中間層を、夫々、InAs, GaAs, AlAs, InP, GaP, AlP, InSb, GaSb, AlSb, InN, GaN, AlNからなる群から選択された半導体またはこれら半導体の混晶により形成してもよい。
【符号の説明】
【００６８】
２・・・量子ドット型赤外線検知器
４・・・光電変換層
６ａ,６ｂ・・・電極層
１４・・・量子ドット
１６・・・第１の障壁層
１８・・・量子井戸層
２０・・・第２の障壁層
２２,２２ａ・・・中間層
４１・・・赤外線イメージセンサ
４２・・・赤外線センサアレイ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
量子ドットと、前記量子ドットを覆いエネルギーギャップが前記量子ドットより広い第１の障壁層と、前記第１の障壁層の上側および前記量子ドットの下側に設けられエネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い中間層と、前記第１の障壁層内に設けられエネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い量子井戸層とを有する光電変換層と、
前記光電変換層の両側に設けられた電極層とを、
備えた量子ドット型赤外線検知器。
【請求項２】
請求項１に記載の量子ドット型赤外線検知器において、
前記量子井戸層は、前記量子ドットに接していることを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項３】
請求項１に記載の量子ドット型赤外線検知器において、
前記量子井戸層は、前記量子ドットに接していないことを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項４】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の量子ドット型赤外線検知器において、
前記量子井戸層は、複数設けられていることを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子ドット型赤外線検知器において、
更に、前記光電変換層が、前記量子ドットの底面に接し、エネルギーギャップが前記量子井戸層及び前記中間層より広い第２の障壁層を有することを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の量子ドット型赤外線検知器において、
前記量子ドット、前記第１の障壁層、前記第２の障壁層、前記量子井戸層、及び前記中間層が、夫々、InAs, GaAs, AlAs, InP, GaP, AlP, InSb, GaSb, AlSb, InN, GaN, AlNからなる群から選択された半導体または前記半導体の混晶により形成されていることを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項７】
量子ドットと、前記量子ドットを覆い、エネルギーギャップが前記量子ドットより広い第１の障壁層と、前記第１の障壁層の上側および前記量子ドットの下側に設けられ、エネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い中間層と、前記第１の障壁層内に設けられ、エネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い量子井戸層とを有する光電変換層と、前記光電変換層の両側に設けられた電極層を備えた量子ドット型赤外線検知器が２次元配列された赤外線センサアレイと、
夫々の前記量子ドット型赤外線検知器が検知した光信号を処理して、前記赤外線センサアレイに投影された赤外線像の画像データを生成する光信号処理装置とを、
有する赤外線イメージセンサ。
【請求項１】
量子ドットと、前記量子ドットを覆いエネルギーギャップが前記量子ドットより広い第１の障壁層と、前記第１の障壁層の上側および前記量子ドットの下側に設けられエネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い中間層と、前記第１の障壁層内に設けられエネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い量子井戸層とを有する光電変換層と、
前記光電変換層の両側に設けられた電極層とを、
備えた量子ドット型赤外線検知器。
【請求項２】
請求項１に記載の量子ドット型赤外線検知器において、
前記量子井戸層は、前記量子ドットに接していることを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項３】
請求項１に記載の量子ドット型赤外線検知器において、
前記量子井戸層は、前記量子ドットに接していないことを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項４】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の量子ドット型赤外線検知器において、
前記量子井戸層は、複数設けられていることを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子ドット型赤外線検知器において、
更に、前記光電変換層が、前記量子ドットの底面に接し、エネルギーギャップが前記量子井戸層及び前記中間層より広い第２の障壁層を有することを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の量子ドット型赤外線検知器において、
前記量子ドット、前記第１の障壁層、前記第２の障壁層、前記量子井戸層、及び前記中間層が、夫々、InAs, GaAs, AlAs, InP, GaP, AlP, InSb, GaSb, AlSb, InN, GaN, AlNからなる群から選択された半導体または前記半導体の混晶により形成されていることを、
特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項７】
量子ドットと、前記量子ドットを覆い、エネルギーギャップが前記量子ドットより広い第１の障壁層と、前記第１の障壁層の上側および前記量子ドットの下側に設けられ、エネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い中間層と、前記第１の障壁層内に設けられ、エネルギーギャップが前記量子ドットより広く且つ前記第１の障壁層より狭い量子井戸層とを有する光電変換層と、前記光電変換層の両側に設けられた電極層を備えた量子ドット型赤外線検知器が２次元配列された赤外線センサアレイと、
夫々の前記量子ドット型赤外線検知器が検知した光信号を処理して、前記赤外線センサアレイに投影された赤外線像の画像データを生成する光信号処理装置とを、
有する赤外線イメージセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１０９４３４（Ｐ２０１２−１０９４３４Ａ）
【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２０１０−２５７８５３（Ｐ２０１０−２５７８５３）
【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）】
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