量子ドット型赤外線検知器
【課題】 量子ドット型赤外線検知器に関し、光電流を低減することなく暗電流を低減する。
【解決手段】 中間層６と格子定数が異なり且つ中間層６より電子エネルギーポテンシャルが低い第１の量子ドット１と、中間層６と格子定数が異なり且つ中間層６より電子エネルギーポテンシャルが高い第２の量子ドット４とを互いに異なる部位になるように中間層６中に設けるとともに、第１の量子ドット１と中間層６の格子定数の大小関係を、第２の量子ドット４と前記中間層６の格子定数の大小関係と逆にする。
【解決手段】 中間層６と格子定数が異なり且つ中間層６より電子エネルギーポテンシャルが低い第１の量子ドット１と、中間層６と格子定数が異なり且つ中間層６より電子エネルギーポテンシャルが高い第２の量子ドット４とを互いに異なる部位になるように中間層６中に設けるとともに、第１の量子ドット１と中間層６の格子定数の大小関係を、第２の量子ドット４と前記中間層６の格子定数の大小関係と逆にする。
【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に関するものであり、特に、暗電流を低減するための電位障壁機構に特徴のある量子ドット型赤外線検知器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、１０μｍ帯近傍の遠中赤外線を検知する赤外線ディテクタとしては、Ｃｄ組成比が０．２近傍、例えば、Ｃｄ組成比が０．２２のＨｇＣｄＴｅ層に形成したｐｎ接合ダイオードをフォトダイオードしたものを用い、このフォトダイオードを一次元アレイ状或いは二次元アレイ状に配列するとともに、読出回路との電気的なコンタクトを取るために赤外線フォトダイオードアレイ基板及びＳｉ信号処理回路基板とを、双方に形成したＩｎ等の金属のバンプで貼り合わせた赤外線検知装置が知られている。
【０００３】
しかし、このようなＨｇＣｄＴｅ赤外線ディテクタの場合には、結晶性の良好な大面積基板の入手が困難であったり、或いは、結晶成長等のプロセスが非常に困難な材料系であり、且つ、毒性も強いために、製造コストが非常に高くなるという問題がある。
【０００４】
そこで、近年、この様な問題を解決するために、結晶性の良好な大面積基板の入手が容易であるＧａＡｓ系半導体を用い、且つ、量子井戸におけるサブバンド間の遷移による光吸収を利用した量子井戸型赤外線検知器が開発されている。
【０００５】
特に、この様な量子井戸型赤外線検知器の中でも、光吸収層として三次元閉じ込め量子井戸である量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検知器（ＱＤＩＰ；Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）が注目を集めている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
このＱＤＩＰは量子ドット構造のサブバンド間遷移を利用した検知器であり、近年の量子ドット自己形成法（例えば、特許文献１参照）等の成長技術の革新によりデバイスとして実現するに至ったものである。
【０００７】
この量子ドット自己形成技術とは、結晶成長において基板上に基板とは格子定数の大きく異なる材料を成長させることにより、歪みによる三次元成長を誘発し、結果としてピラミッド状やキャップ状をした量子ドットを形成させるものである。
【０００８】
また、量子ドットを三次元閉じ込め量子井戸構造とするためには、ドット材料のバンドギャップが量子ドットを覆う半導体層のバンドギャップより小さい必要があり、この条件を満たすために、ＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓドットを形成する事例が多く、ＱＤＩＰにおいてもこの組合せが良く用いられるので、ここで、図６を参照して従来のＱＤＩＰの一例を説明する。
【０００９】
図６参照
図６は、従来のＱＤＩＰの概念的断面図であり、半絶縁性ＧａＡｓ基板５１上にｎ型ＧａＡｓ下部コンタクト層５２及びｉ型ＧａＡｓ中間層５３を順次堆積させたのち、Ｉｎ，Ａｓ原料を例えば２分子層分供給してＩｎＡｓ量子ドット５４を自己形成し、次いで、再び、薄いｉ型ＧａＡｓ中間層５５、ＩｎＡｓ量子ドット５４の成長を必要とする層数だけ繰り返したのち、比較的厚いｉ型ＧａＡｓ中間層５６を成長させて光吸収層５７を構成し、最後にｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層５８を設けたものである。
【００１０】
このＱＤＩＰにおいては、通常時はＩｎＡｓ量子ドット５４内に捕獲されている電子が赤外線を吸収することにより励起され、ＩｎＡｓ量子ドット５４外へと流出することにより光電流、即ち、電気信号を発生させることになる。
【００１１】
この際に、一旦、電子が放出された量子ドットへは、光吸収部を挟むように形成された一方のコンタクト層、例えば、ｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層５８から電子が注入され、その電子が量子ドットへ再捕獲されることで電流が継続できるように働いている。
【００１２】
しかし、量子ドット構造がある面内、即ち、量子ドット層において、ＩｎＡｓ量子ドット５４は点状にしか存在しないため、ｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層５８から注入された電子の一部が光吸収部を走行する間に量子ドット層を通過する際にＩｎＡｓ量子ドット５４の脇をすり抜けてＩｎＡｓ量子ドット５４に捕まらずにｎ型ＧａＡｓ下部コンタクト層５２まで到達してしまう電流が発生していた。
【００１３】
この電流は光励起とは無関係に流れてしまうため、所謂、暗電流として検知素子の性能を悪化させる要因となっていた。
そこで、不要な暗電流を低減させるために、光吸収部内に中間層よりもエネルギー障壁が高い障壁層を設けた量子ドット型赤外線検知器も提案されている（例えば、〔非〕特許文献２参照）ので、図７を参照して説明する。
【００１４】
図７参照
図７は、従来の改良型ＱＤＩＰの概念的断面図であり、ＩｎＡｓ量子ドット５４と薄いｉ型ＧａＡｓ中間層５５からなる量子ドット層の中間にＡｌＧａＡｓからなる障壁層５９を設けたものである。
【特許文献１】特開平０９−３２６５０６号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌｅｉｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．８２，ｐ．５５３，２００３
【非特許文献２】ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３８，ｐ．１２３４，２００２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、上述の改良型ＱＤＩＰにおいても、ｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層５８から注入される全ての電子に対して障壁層５９が電流をブロックするように働くため、光電流が発生した場合のＩｎＡｓ量子ドット５４への電子再供給も絶たれてしまうようになり、それによって、暗電流低減と同時に光電流も減少してしまうという問題がある。
【００１６】
したがって、本発明は、特殊な製造工程を用いることなく、光電流を低減することなく暗電流を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、量子ドット型赤外線検知器において、中間層２と格子定数が異なり且つ中間層２より電子エネルギーポテンシャルが低い第１の量子ドット１と、中間層２と格子定数が異なり且つ中間層２より電子エネルギーポテンシャルが高い第２の量子ドット４とを互いに異なる部位になるように中間層２中に設けるとともに、第１の量子ドット１と中間層２の格子定数の大小関係が、第２の量子ドット４と中間層２の格子定数の大小関係と逆であることを特徴とする。
【００１８】
このように、相対的に電子エネルギーポテンシャルが高い第２の量子ドット４を、光吸収部となる第１の量子ドット１と異なる部位に設けることにより、第１の量子ドット１の脇をすり抜ける電子６に対する電位障壁となるが、赤外線を吸収して光電流が発生した第１の量子ドット１へコンタクト層７またはコンタクト層８から再供給される電子６に対する電位障壁とはならないので、光電流を低減することなく暗電流を低減することが可能になる。
【００１９】
この様な構成は、第１の量子ドット１におけるバンド間遷移を利用した赤外線検知器にも適用することも可能であるが、第１の量子ドット１におけるサブバンド間遷移を利用することにより遠中赤外線に感度を有する赤外線検知器を実現することができる。
【００２０】
また、第２の量子ドット４で電位障壁を形成するためには、第１の量子ドット１を中間層２で埋め込んで第１の量子ドット構造層３とするとともに第２の量子ドット４を中間層２で埋め込んで第２の量子ドット構造層５とし、第１の量子ドット構造層３と第２の量子ドット構造層５とを積層すれば良く、その場合に、第１の量子ドット１の２０％以上が電子供給側の直上の第２の量子ドット４と成長方向に重ならないように積層することが望ましい。
【００２１】
また、第１の量子ドット１及び第２の量子ドット４を、中間層２と量子ドット間の格子定数差を利用した自己形成型量子ドットとすることによって、第１の量子ドット１と第２の量子ドット４とが成長方向に重ならないように形成することができる。
【００２２】
また、第１の量子ドット構造層一層に対して第２の量子ドット構造層５を二層以上設けることが望ましく、それによって電位障壁機能を高めることができる。
【００２３】
また、第１の量子ドット構造層３と第２の量子ドット構造層５とを周期的に積層することによって、多重量子井戸構造的な構成を実現することができ、それによって、光吸収層を実効的に増加することができるので、光出力を大きくすることができる。
【００２４】
なお、この場合の中間層２としては、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓのいずれかが好適であり、また、第１の量子ドット１としては中間層２よりバンドギャップが小さく且つ格子定数の大きなＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓのいずれかが好適であり、且つ、第２の量子ドット４としては中間層２よりバンドギャップが大きく且つ格子定数の小さなＧａＰ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰのいずれかが好適である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、光電流が発生した量子ドットへ再供給される電子に対する電位障壁を選択的に且つ自己形成的に形成することができるので、特殊な製造工程を要することなく、より暗電流の少ない量子ドット型赤外線検知器を実現することができ、ひいては、赤外線撮像装置などの性能向上に寄与するところが大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明は、量子ドットを埋め込む中間層に対して光吸収部となる量子ドットのバンドギャップを小さくするとともに格子定数を大きくし、電位障壁となる量子ドットのバンドギャップを大きくするとともに格子定数を小さくし、且つ、中間層を薄く形成することによって、光吸収部となる量子ドットと電位障壁となる量子ドットとが成長方向において互いに重ならないように自己形成したものである。
【実施例１】
【００２７】
ここで、図２及び図３を参照して、本発明の実施例１のＱＤＩＰの製造工程を説明する。
図２参照
まず、主面が（１００）面の半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上に、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法を用いて、厚さが、例えば、２０ｎｍのｉ型ＧａＡｓバッファ層１２、厚さが、例えば、５００ｎｍでｎ型不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓ下部コンタクト層１３、及び、厚さが、例えば、５０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ中間層１４を順次堆積させる。
【００２８】
次いで、２分子層分のＩｎ原料及びＡｓ原料を供給してＩｎＡｓ量子ドット１５を形成する。
この場合、ＧａＡｓとＩｎＡｓの格子定数が異なっているので、成長初期では層状の二次元成長であった状態が次第に格子定数の違いを緩和させるように島状に三次元成長することによってＩｎＡｓ量子ドット１５が自己形成される。
【００２９】
次いで、厚さが、例えば、５ｎｍのｉ型ＧａＡｓ中間層１６を成長させてＩｎＡｓ量子ドット１５を埋め込んだのち、３分子層分のＧａ原料及びＰ原料を供給することによってＧａＡｓよりバンドギャップが大きく且つ格子定数の小さなＧａＰからなるＧａＰ障壁ドット１７を自己形成する。
【００３０】
この場合、ｉ型ＧａＡｓ中間層１６の膜厚が薄いため、ＩｎＡｓ量子ドット１５の直上周辺のｉ型ＧａＡｓ中間層１６が格子定数の大きなＩｎＡｓ量子ドット１５の存在により引張応力が作用して通常のＧａＡｓよりも格子定数がやや歪んで大きくなっている。
【００３１】
この状態でのｉ型ＧａＡｓ中間層１６上に、ＧａＡｓより格子定数の小さいＧａＰを用いてＧａＰ障壁ドット１７の形成を行うと、ＧａＰ障壁ドット１７は格子定数差の緩和を進めるように、歪んだｉ型ＧａＡｓ中間層１６上よりもＩｎＡｓ量子ドット１５が直下に存在しない歪んでいないｉ型ＧａＡｓ中間層１６上に優先的にＧａＰ障壁ドット１７が形成されるようになるため、ＧａＰ障壁ドット１７とＩｎＡｓ量子ドット１５とが投影的に重なることがない。
【００３２】
図３参照
次いで、ｉ型ＧａＡｓ中間層１８、厚さが、例えば、５ｎｍでｎ型不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓ層１９、及び、ｉ型ＧａＡｓ中間層２０を、全体の厚さが、例えば、５０ｎｍになるように堆積させる。
なお、このｎ型ＧａＡｓ層１９は多層周期構造を形成する場合の直列抵抗の増大を軽減するために挿入する。
【００３３】
次いで、再び、２分子層分のＩｎ原料及びＡｓ原料を供給してＩｎＡｓ量子ドット２１を形成する。
この場合、下地となるｉ型ＧａＡｓ中間層２０乃至ｉ型ＧａＡｓ中間層１８の全体の厚さが５０ｎｍと厚いため、ＧａＰ障壁ドット１７による歪みの影響はｉ型ＧａＡｓ中間層２０の表面にほとんど表れないため、ＩｎＡｓ量子ドット２１はＧａＰ障壁ドット１７の位置とは無関係に形成される。
【００３４】
この積層構造を必要とする周期分成長工程を繰り返したのち、最後に厚さが、例えば、５０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ中間層３０及び厚さが、例えば、３００ｎｍで、ｎ型不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層３１を順次堆積させる。
なお、ここでは、便宜上、３周期構造を示している。
【００３５】
次いで、素子分離溝をエッチングにより形成してアレイ化したのち、全面にＳｉＯＮからなる保護膜を形成し、次いで、電極形成用の開口部を形成し、開口部を介してｎ型ＧａＡｓ下部コンタクト層１３及びｎ型ＧａＡｓコンタクト層３１に対してＡｕＧｅ／Ａｕからなる電極（いずれも図示を省略）を形成することによって、量子ドット型赤外線検知器が完成する。
【００３６】
図４参照
図４は、本発明の実施例１におけるＱＤＩＰの動作原理の説明図であり、左図はＱＤＩＰの概念的断面図であり、右図はＩｎＡｓ量子ドットを含む層及びＧａＰ障壁ドットを含む層のバンドダイヤグラムである。
なお、バンドダイヤグラムにおいては、ＩｎＡｓ量子ドット２１を含む層及びＧａＰ障壁ドット２３を含む層を代表させて図示している。
【００３７】
右図に示すように、ＩｎＡｓ量子ドット１５，２１，２７を含む層においては、赤外線３２が入射した場合、ＩｎＡｓ量子ドット１５，２１，２７に形成された伝導帯側の量子井戸に形成された量子準位３３に電子３４が存在する場合、赤外線３２を吸収することによって電子３４は励起され、ＩｎＡｓ量子ドット１５，２１，２７外へと流出することにより光電流となる。
【００３８】
また、空になった量子準位３３を満たすように、一方のコンタクト層、ここでは、バイアスの状態によりｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層３１から電子３５が供給されて、光電流を発生させたＩｎＡｓ量子ドット１５，２１，２７の量子準位３３を占有する。
【００３９】
この時、ｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層３１から供給される電子３５が、ＩｎＡｓ量子ドット１５，２１，２７の間を通過しようとすると、ＧａＰ障壁ドットを含む層において電位障壁の高いＧａＰ障壁ドット１７，２３，２９によって電子走行が妨げられ、ＧａＰ障壁ドット１７，２３，２９がないエネルギーの低いｉ型ＧａＡｓからなる中間層部へと電流経路が逸らされるようになる。
【００４０】
このためＧａＰ障壁ドット１７，２３，２９のない中間層部の直下に存在するＩｎＡｓ量子ドット１５，２１，２７へと電流が集中することになり、「障壁」が存在するにも関らず有効にＩｎＡｓ量子ドット１５，２１，２７への電子供給が行われることになる。
したがって、従来の改良型ＱＤＩＰとは異なり光電流の減少を抑制しながら暗電流を削減することが可能となる。
【実施例２】
【００４１】
次に、図５を参照して、本発明の実施例２のＱＤＩＰを説明するが、ＧａＰ障壁ドットを２重構造にしただけで、基本的な製造工程は上記の実施例１と同様であるので、最終的な素子構造のみを示す。
図５参照
図５は、本発明の実施例２のＱＤＩＰの概念的断面図であり、一層の光吸収層に対して二層の障壁ドット層を設けたものである。
【００４２】
即ち、ＩｎＡｓ量子ドット１５を形成したのち、厚さが、例えば、５ｎｍの薄いｉ型ＧａＡｓ中間層１６を成長させてＩｎＡｓ量子ドット１５を埋め込み、次いで、３分子層分のＧａ原料及びＰ原料を供給することによって上述のようにＧａＰ障壁ドット１７を形成する。
【００４３】
次いで、厚さが、例えば、５ｎｍの薄いｉ型ＧａＡｓ中間層３６を成長させてＧａＰ障壁ドット１７を埋め込んだのち、再び、３分子層分のＧａ原料及びＰ原料を供給することによってＧａＰ障壁ドット３７を形成する。
【００４４】
この場合もｉ型ＧａＡｓ中間層３６の膜厚が薄いため、ＧａＰ障壁ドット１７の直上周辺のｉ型ＧａＡｓ中間層３６が格子定数の小さなＧａＰ障壁ドット１７の存在により圧縮応力が作用して通常のＧａＡｓよりも格子定数がやや歪んで小さくなっている。
【００４５】
この状態でのｉ型ＧａＡｓ中間層３６上に、ＧａＡｓより格子定数の小さいＧａＰを用いてＧａＰ障壁ドット３７の形成を行うと、ＧａＰ障壁ドット３７は格子定数差の緩和を進めるように、再び歪んだｉ型ＧａＡｓ中間層３６上に優先的にＧａＰ障壁ドット３７が形成されるようになるため、ＧａＰ障壁ドット１７と投影的に重なるように自己形成される。
【００４６】
次いで、ｉ型ＧａＡｓ中間層１８、厚さが、例えば、５ｎｍでｎ型不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓ層１９、及び、ｉ型ＧａＡｓ中間層２０を、全体の厚さが、例えば、５０ｎｍになるように堆積させ、この工程を必要とする周期だけ繰り返せば良い。
【００４７】
この様に、本発明の実施例２においては、障壁ドット層を２重構造にしているので、ＩｎＡｓ量子ドット間をすり抜けようとする電子をより効果的にブロックすることができ、それによって、暗電流を低減することができる。
【００４８】
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載した条件・構成に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、各実施例に記載した周期数は３周期であるが、使用目的に応じて１以上の任意の周期にすれば良い。
【００４９】
また、上記の各実施例においては、中間層をＧａＡｓで構成するとともに、量子ドットをＩｎＡｓで且つ障壁ドットをＧａＰで構成しているが、これらの組合せに限られるものではなく、量子ドットは中間層と格子定数が異なり且つ中間層より電子エネルギーポテンシャルが低い半導体材料で構成し、且つ、障壁ドットは中間層と格子定数が異なり且つ中間層より電子エネルギーポテンシャルが高い半導体材料で構成すれば良く、その場合、量子ドットと中間層の格子定数の大小関係が、障壁ドットと中間層の格子定数の大小関係と逆になるようにする必要がある。
なお、通常は、バンドギャップが大きいほど格子定数が小さいので、一般的構成としては、量子ドットは中間層より格子定数が大きく、障壁ドットは中間層より格子定数が小さくなる。
【００５０】
例えば、中間層としては、ＧａＡｓの代わりに、ＡｌＧａＡｓ或いはＡｌＡｓを用いても良く、或いは、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、及び、ＡｌＡｓを組み合わせて用いても良いものである。
【００５１】
また、量子ドットとしては、ＩｎＡｓの代わりにＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、或いは、ＩｎＡｌＧａＡｓで構成しても良いが、量子井戸を形成するためには中間層を構成する半導体よりバンドギャップの小さな材料を用いる必要がある。
【００５２】
また、障壁トッドとしては、ＧａＰの代わりにＡｌＰ、ＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＰ、或いは、ＩｎＧａＡｌＰを用いても良いが、障壁として機能させるためには中間層を構成する半導体よりバンドギャップの大きな材料を用いる必要がある。
【００５３】
また、上記の各実施例においては、サブバンド間遷移により光吸収を行うＱＤＩＰとして説明しているが、かならずしも、サブバンド間遷移により光吸収を行うＱＤＩＰに限られるものではなく、本発明の障壁ドット構造は、量子ドットのバンド間遷移により光吸収を行うＱＤＩＰにも適用されるものである。
【００５４】
また、上記の各実施例においては、ＧａＰ障壁ドットを覆う中間層にｎ型層を挿入しているが、繰り返し周期数が少ない場合には、このｎ型層は必ずしも必要はないものである。
【００５５】
また、上記の各実施例においては、ＭＢＥ法を用いて結晶成長を行っているが、結晶成長法はＭＢＥ法に限られるものではなく、上述の特許文献１に開示されているようにＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いても良いものである。
【００５６】
また、上記の各実施例においては特に言及していないが、上下のＩｎＡｓ量子ドットの投影的重なりはあまり問題にはならないが、ＩｎＡｓ量子ドットと電子供給側の直上のＧａＰ障壁ドットとの重なりは、各層においてＩｎＡｓ量子ドットの２０％以上が直上のＧａＰ障壁ドットと重ならないようにすれば良く、このような重なり率は特段の考慮をしなくとも、ＧａＰ障壁ドットの形成位置がＩｎＡｓ量子ドットによる歪みによりＩｎＡｓ量子ドットと異なった位置から優先的形成されため通常の構成として得られる。
【００５７】
また、上記の各実施例においては障壁ドット層に挟まれる量子ドットを一層にしているが、多層構造にしても良く、この場合には、実施例２における障壁ドットの形成工程と同様に、上下の量子ドットが投影的に重なるように自己形成される。
【００５８】
また、上記の実施例２においては障壁ドット層を２重構造にしているが、３重構造等の多重構造にしても良く、この場合も、実施例２における障壁ドットの形成工程と同様に、中間に設ける中間層を歪みの影響が表面に表れるように十分薄くすることによって上下の量子ドットを投影的に重なるように自己形成することができる。
【００５９】
ここで再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照
（付記１） 中間層２と格子定数が異なり且つ中間層２より電子エネルギーポテンシャルが低い第１の量子ドット１と、前記中間層２と格子定数が異なり且つ中間層２より電子エネルギーポテンシャルが高い第２の量子ドット４とを互いに異なる部位になるように中間層２中に設けるとともに、前記第１の量子ドット１と前記中間層２の格子定数の大小関係が、前記第２の量子ドット４と前記中間層２の格子定数の大小関係と逆であることを特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
（付記２） 上記第１の量子ドット１におけるサブバンド間遷移により赤外線を検知することを特徴とする付記１記載の量子ドット型赤外線検知器。
（付記３） 上記第１の量子ドット１を上記中間層２で埋め込んで第１の量子ドット構造層３とするとともに上記第２の量子ドット４を前記中間層２で埋め込んで第１の量子ドット構造層５とし、前記第１の量子ドット構造層３と第１の量子ドット構造層５とを前記第１の量子ドット１の２０％以上が電子供給側の直上の前記第２の量子ドット４と成長方向に重ならないように積層したことを特徴とする付記１または２に記載の量子ドット型赤外線検知器。
（付記４） 上記第１の量子ドット１及び第２の量子ドット４が、中間層２と量子ドット間の格子定数差を利用した自己形成型量子ドットであることを特徴とする付記３記載の量子ドット型赤外線検知器。
（付記５） 上記第１の量子ドット構造層一層に対して、上記第１の量子ドット構造層５を二層以上設けたことを特徴とする付記３または４に記載の量子ドット型赤外線検知器。
（付記６） 上記第１の量子ドット構造層３と上記第１の量子ドット構造層５とを周期的に積層したことを特徴とする付記３乃至５のいずれか１に記載の量子ドット型赤外線検知器。
（付記７） 上記中間層２をＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓのいずれかで構成するとともに、上記第１の量子ドット１をＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓのいずれかで構成し且つ上記第２の量子ドット４をＧａＰ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰのいずれかで構成することを特徴とする付記１乃至６のいずれか１に記載の量子ドット型赤外線検知器。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の活用例としては、ＱＤＩＰ素子を二次元アレイ状に配列させた遠中赤外線撮像装置が典型的なものであるが、一次元アレイ状に配列したＱＤＩＰ素子と回転ミラーとを組み合わせて遠中赤外線撮像装置としても良く、或いは、単体のＱＤＩＰ素子として遠中赤外線センサとして用いても良いものである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施例１のＱＤＩＰの途中までの製造工程の説明図である。
【図３】本発明の実施例１のＱＤＩＰの図２以降の製造工程の説明図である。
【図４】本発明の実施例１のＱＤＩＰの動作原理の説明図である。
【図５】本発明の実施例２のＱＤＩＰの概念的断面図である。
【図６】従来のＱＤＩＰの概念的断面図である。
【図７】従来の改良型ＱＤＩＰの概念的断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 第１の量子ドット
２ 中間層
３ 第１の量子ドット構造層
４ 第２の量子ドット
５ 第２の量子ドット構造層
６ 電子
７ コンタクト層
８ コンタクト層
１１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
１２ ｉ型ＧａＡｓバッファ層
１３ ｎ型ＧａＡｓ下部コンタクト層
１４ ｉ型ＧａＡｓ中間層
１５ ＩｎＡｓ量子ドット
１６ ｉ型ＧａＡｓ中間層
１７ ＧａＰ障壁ドット
１８ ｉ型ＧａＡｓ中間層
１９ ｎ型ＧａＡｓ層
２０ ｉ型ＧａＡｓ中間層
２１ ＩｎＡｓ量子ドット
２２ ｉ型ＧａＡｓ中間層
２３ ＧａＰ障壁ドット
２４ ｉ型ＧａＡｓ中間層
２５ ｎ型ＧａＡｓ層
２６ ｉ型ＧａＡｓ中間層
２７ ＩｎＡｓ量子ドット
２８ ｉ型ＧａＡｓ中間層
２９ ＧａＰ障壁ドット
３０ ｉ型ＧａＡｓ中間層
３１ ｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層
３２ 赤外線
３３ 量子準位
３４ 電子
３５ 電子
３６ ｉ型ＧａＡｓ中間層
３７ ＧａＰ障壁ドット
３８ ｉ型ＧａＡｓ中間層
３９ ＧａＰ障壁ドット
４０ ｉ型ＧａＡｓ中間層
４１ ＧａＰ障壁ドット
５１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
５２ ｎ型ＧａＡｓ下部コンタクト層
５３ ｉ型ＧａＡｓ中間層
５４ ＩｎＡｓ量子ドット
５５ ｉ型ＧａＡｓ中間層
５６ ｉ型ＧａＡｓ中間層
５７ 光吸収層
５８ ｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層
５９ 障壁層
【技術分野】
【０００１】
本発明は量子ドット型赤外線検知器に関するものであり、特に、暗電流を低減するための電位障壁機構に特徴のある量子ドット型赤外線検知器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、１０μｍ帯近傍の遠中赤外線を検知する赤外線ディテクタとしては、Ｃｄ組成比が０．２近傍、例えば、Ｃｄ組成比が０．２２のＨｇＣｄＴｅ層に形成したｐｎ接合ダイオードをフォトダイオードしたものを用い、このフォトダイオードを一次元アレイ状或いは二次元アレイ状に配列するとともに、読出回路との電気的なコンタクトを取るために赤外線フォトダイオードアレイ基板及びＳｉ信号処理回路基板とを、双方に形成したＩｎ等の金属のバンプで貼り合わせた赤外線検知装置が知られている。
【０００３】
しかし、このようなＨｇＣｄＴｅ赤外線ディテクタの場合には、結晶性の良好な大面積基板の入手が困難であったり、或いは、結晶成長等のプロセスが非常に困難な材料系であり、且つ、毒性も強いために、製造コストが非常に高くなるという問題がある。
【０００４】
そこで、近年、この様な問題を解決するために、結晶性の良好な大面積基板の入手が容易であるＧａＡｓ系半導体を用い、且つ、量子井戸におけるサブバンド間の遷移による光吸収を利用した量子井戸型赤外線検知器が開発されている。
【０００５】
特に、この様な量子井戸型赤外線検知器の中でも、光吸収層として三次元閉じ込め量子井戸である量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検知器（ＱＤＩＰ；Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ）が注目を集めている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００６】
このＱＤＩＰは量子ドット構造のサブバンド間遷移を利用した検知器であり、近年の量子ドット自己形成法（例えば、特許文献１参照）等の成長技術の革新によりデバイスとして実現するに至ったものである。
【０００７】
この量子ドット自己形成技術とは、結晶成長において基板上に基板とは格子定数の大きく異なる材料を成長させることにより、歪みによる三次元成長を誘発し、結果としてピラミッド状やキャップ状をした量子ドットを形成させるものである。
【０００８】
また、量子ドットを三次元閉じ込め量子井戸構造とするためには、ドット材料のバンドギャップが量子ドットを覆う半導体層のバンドギャップより小さい必要があり、この条件を満たすために、ＧａＡｓ基板上にＩｎＡｓドットを形成する事例が多く、ＱＤＩＰにおいてもこの組合せが良く用いられるので、ここで、図６を参照して従来のＱＤＩＰの一例を説明する。
【０００９】
図６参照
図６は、従来のＱＤＩＰの概念的断面図であり、半絶縁性ＧａＡｓ基板５１上にｎ型ＧａＡｓ下部コンタクト層５２及びｉ型ＧａＡｓ中間層５３を順次堆積させたのち、Ｉｎ，Ａｓ原料を例えば２分子層分供給してＩｎＡｓ量子ドット５４を自己形成し、次いで、再び、薄いｉ型ＧａＡｓ中間層５５、ＩｎＡｓ量子ドット５４の成長を必要とする層数だけ繰り返したのち、比較的厚いｉ型ＧａＡｓ中間層５６を成長させて光吸収層５７を構成し、最後にｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層５８を設けたものである。
【００１０】
このＱＤＩＰにおいては、通常時はＩｎＡｓ量子ドット５４内に捕獲されている電子が赤外線を吸収することにより励起され、ＩｎＡｓ量子ドット５４外へと流出することにより光電流、即ち、電気信号を発生させることになる。
【００１１】
この際に、一旦、電子が放出された量子ドットへは、光吸収部を挟むように形成された一方のコンタクト層、例えば、ｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層５８から電子が注入され、その電子が量子ドットへ再捕獲されることで電流が継続できるように働いている。
【００１２】
しかし、量子ドット構造がある面内、即ち、量子ドット層において、ＩｎＡｓ量子ドット５４は点状にしか存在しないため、ｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層５８から注入された電子の一部が光吸収部を走行する間に量子ドット層を通過する際にＩｎＡｓ量子ドット５４の脇をすり抜けてＩｎＡｓ量子ドット５４に捕まらずにｎ型ＧａＡｓ下部コンタクト層５２まで到達してしまう電流が発生していた。
【００１３】
この電流は光励起とは無関係に流れてしまうため、所謂、暗電流として検知素子の性能を悪化させる要因となっていた。
そこで、不要な暗電流を低減させるために、光吸収部内に中間層よりもエネルギー障壁が高い障壁層を設けた量子ドット型赤外線検知器も提案されている（例えば、〔非〕特許文献２参照）ので、図７を参照して説明する。
【００１４】
図７参照
図７は、従来の改良型ＱＤＩＰの概念的断面図であり、ＩｎＡｓ量子ドット５４と薄いｉ型ＧａＡｓ中間層５５からなる量子ドット層の中間にＡｌＧａＡｓからなる障壁層５９を設けたものである。
【特許文献１】特開平０９−３２６５０６号公報
【非特許文献１】Ａｐｐｌｅｉｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．８２，ｐ．５５３，２００３
【非特許文献２】ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３８，ｐ．１２３４，２００２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、上述の改良型ＱＤＩＰにおいても、ｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層５８から注入される全ての電子に対して障壁層５９が電流をブロックするように働くため、光電流が発生した場合のＩｎＡｓ量子ドット５４への電子再供給も絶たれてしまうようになり、それによって、暗電流低減と同時に光電流も減少してしまうという問題がある。
【００１６】
したがって、本発明は、特殊な製造工程を用いることなく、光電流を低減することなく暗電流を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、量子ドット型赤外線検知器において、中間層２と格子定数が異なり且つ中間層２より電子エネルギーポテンシャルが低い第１の量子ドット１と、中間層２と格子定数が異なり且つ中間層２より電子エネルギーポテンシャルが高い第２の量子ドット４とを互いに異なる部位になるように中間層２中に設けるとともに、第１の量子ドット１と中間層２の格子定数の大小関係が、第２の量子ドット４と中間層２の格子定数の大小関係と逆であることを特徴とする。
【００１８】
このように、相対的に電子エネルギーポテンシャルが高い第２の量子ドット４を、光吸収部となる第１の量子ドット１と異なる部位に設けることにより、第１の量子ドット１の脇をすり抜ける電子６に対する電位障壁となるが、赤外線を吸収して光電流が発生した第１の量子ドット１へコンタクト層７またはコンタクト層８から再供給される電子６に対する電位障壁とはならないので、光電流を低減することなく暗電流を低減することが可能になる。
【００１９】
この様な構成は、第１の量子ドット１におけるバンド間遷移を利用した赤外線検知器にも適用することも可能であるが、第１の量子ドット１におけるサブバンド間遷移を利用することにより遠中赤外線に感度を有する赤外線検知器を実現することができる。
【００２０】
また、第２の量子ドット４で電位障壁を形成するためには、第１の量子ドット１を中間層２で埋め込んで第１の量子ドット構造層３とするとともに第２の量子ドット４を中間層２で埋め込んで第２の量子ドット構造層５とし、第１の量子ドット構造層３と第２の量子ドット構造層５とを積層すれば良く、その場合に、第１の量子ドット１の２０％以上が電子供給側の直上の第２の量子ドット４と成長方向に重ならないように積層することが望ましい。
【００２１】
また、第１の量子ドット１及び第２の量子ドット４を、中間層２と量子ドット間の格子定数差を利用した自己形成型量子ドットとすることによって、第１の量子ドット１と第２の量子ドット４とが成長方向に重ならないように形成することができる。
【００２２】
また、第１の量子ドット構造層一層に対して第２の量子ドット構造層５を二層以上設けることが望ましく、それによって電位障壁機能を高めることができる。
【００２３】
また、第１の量子ドット構造層３と第２の量子ドット構造層５とを周期的に積層することによって、多重量子井戸構造的な構成を実現することができ、それによって、光吸収層を実効的に増加することができるので、光出力を大きくすることができる。
【００２４】
なお、この場合の中間層２としては、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓのいずれかが好適であり、また、第１の量子ドット１としては中間層２よりバンドギャップが小さく且つ格子定数の大きなＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓのいずれかが好適であり、且つ、第２の量子ドット４としては中間層２よりバンドギャップが大きく且つ格子定数の小さなＧａＰ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰのいずれかが好適である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、光電流が発生した量子ドットへ再供給される電子に対する電位障壁を選択的に且つ自己形成的に形成することができるので、特殊な製造工程を要することなく、より暗電流の少ない量子ドット型赤外線検知器を実現することができ、ひいては、赤外線撮像装置などの性能向上に寄与するところが大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明は、量子ドットを埋め込む中間層に対して光吸収部となる量子ドットのバンドギャップを小さくするとともに格子定数を大きくし、電位障壁となる量子ドットのバンドギャップを大きくするとともに格子定数を小さくし、且つ、中間層を薄く形成することによって、光吸収部となる量子ドットと電位障壁となる量子ドットとが成長方向において互いに重ならないように自己形成したものである。
【実施例１】
【００２７】
ここで、図２及び図３を参照して、本発明の実施例１のＱＤＩＰの製造工程を説明する。
図２参照
まず、主面が（１００）面の半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上に、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法を用いて、厚さが、例えば、２０ｎｍのｉ型ＧａＡｓバッファ層１２、厚さが、例えば、５００ｎｍでｎ型不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓ下部コンタクト層１３、及び、厚さが、例えば、５０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ中間層１４を順次堆積させる。
【００２８】
次いで、２分子層分のＩｎ原料及びＡｓ原料を供給してＩｎＡｓ量子ドット１５を形成する。
この場合、ＧａＡｓとＩｎＡｓの格子定数が異なっているので、成長初期では層状の二次元成長であった状態が次第に格子定数の違いを緩和させるように島状に三次元成長することによってＩｎＡｓ量子ドット１５が自己形成される。
【００２９】
次いで、厚さが、例えば、５ｎｍのｉ型ＧａＡｓ中間層１６を成長させてＩｎＡｓ量子ドット１５を埋め込んだのち、３分子層分のＧａ原料及びＰ原料を供給することによってＧａＡｓよりバンドギャップが大きく且つ格子定数の小さなＧａＰからなるＧａＰ障壁ドット１７を自己形成する。
【００３０】
この場合、ｉ型ＧａＡｓ中間層１６の膜厚が薄いため、ＩｎＡｓ量子ドット１５の直上周辺のｉ型ＧａＡｓ中間層１６が格子定数の大きなＩｎＡｓ量子ドット１５の存在により引張応力が作用して通常のＧａＡｓよりも格子定数がやや歪んで大きくなっている。
【００３１】
この状態でのｉ型ＧａＡｓ中間層１６上に、ＧａＡｓより格子定数の小さいＧａＰを用いてＧａＰ障壁ドット１７の形成を行うと、ＧａＰ障壁ドット１７は格子定数差の緩和を進めるように、歪んだｉ型ＧａＡｓ中間層１６上よりもＩｎＡｓ量子ドット１５が直下に存在しない歪んでいないｉ型ＧａＡｓ中間層１６上に優先的にＧａＰ障壁ドット１７が形成されるようになるため、ＧａＰ障壁ドット１７とＩｎＡｓ量子ドット１５とが投影的に重なることがない。
【００３２】
図３参照
次いで、ｉ型ＧａＡｓ中間層１８、厚さが、例えば、５ｎｍでｎ型不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓ層１９、及び、ｉ型ＧａＡｓ中間層２０を、全体の厚さが、例えば、５０ｎｍになるように堆積させる。
なお、このｎ型ＧａＡｓ層１９は多層周期構造を形成する場合の直列抵抗の増大を軽減するために挿入する。
【００３３】
次いで、再び、２分子層分のＩｎ原料及びＡｓ原料を供給してＩｎＡｓ量子ドット２１を形成する。
この場合、下地となるｉ型ＧａＡｓ中間層２０乃至ｉ型ＧａＡｓ中間層１８の全体の厚さが５０ｎｍと厚いため、ＧａＰ障壁ドット１７による歪みの影響はｉ型ＧａＡｓ中間層２０の表面にほとんど表れないため、ＩｎＡｓ量子ドット２１はＧａＰ障壁ドット１７の位置とは無関係に形成される。
【００３４】
この積層構造を必要とする周期分成長工程を繰り返したのち、最後に厚さが、例えば、５０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ中間層３０及び厚さが、例えば、３００ｎｍで、ｎ型不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層３１を順次堆積させる。
なお、ここでは、便宜上、３周期構造を示している。
【００３５】
次いで、素子分離溝をエッチングにより形成してアレイ化したのち、全面にＳｉＯＮからなる保護膜を形成し、次いで、電極形成用の開口部を形成し、開口部を介してｎ型ＧａＡｓ下部コンタクト層１３及びｎ型ＧａＡｓコンタクト層３１に対してＡｕＧｅ／Ａｕからなる電極（いずれも図示を省略）を形成することによって、量子ドット型赤外線検知器が完成する。
【００３６】
図４参照
図４は、本発明の実施例１におけるＱＤＩＰの動作原理の説明図であり、左図はＱＤＩＰの概念的断面図であり、右図はＩｎＡｓ量子ドットを含む層及びＧａＰ障壁ドットを含む層のバンドダイヤグラムである。
なお、バンドダイヤグラムにおいては、ＩｎＡｓ量子ドット２１を含む層及びＧａＰ障壁ドット２３を含む層を代表させて図示している。
【００３７】
右図に示すように、ＩｎＡｓ量子ドット１５，２１，２７を含む層においては、赤外線３２が入射した場合、ＩｎＡｓ量子ドット１５，２１，２７に形成された伝導帯側の量子井戸に形成された量子準位３３に電子３４が存在する場合、赤外線３２を吸収することによって電子３４は励起され、ＩｎＡｓ量子ドット１５，２１，２７外へと流出することにより光電流となる。
【００３８】
また、空になった量子準位３３を満たすように、一方のコンタクト層、ここでは、バイアスの状態によりｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層３１から電子３５が供給されて、光電流を発生させたＩｎＡｓ量子ドット１５，２１，２７の量子準位３３を占有する。
【００３９】
この時、ｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層３１から供給される電子３５が、ＩｎＡｓ量子ドット１５，２１，２７の間を通過しようとすると、ＧａＰ障壁ドットを含む層において電位障壁の高いＧａＰ障壁ドット１７，２３，２９によって電子走行が妨げられ、ＧａＰ障壁ドット１７，２３，２９がないエネルギーの低いｉ型ＧａＡｓからなる中間層部へと電流経路が逸らされるようになる。
【００４０】
このためＧａＰ障壁ドット１７，２３，２９のない中間層部の直下に存在するＩｎＡｓ量子ドット１５，２１，２７へと電流が集中することになり、「障壁」が存在するにも関らず有効にＩｎＡｓ量子ドット１５，２１，２７への電子供給が行われることになる。
したがって、従来の改良型ＱＤＩＰとは異なり光電流の減少を抑制しながら暗電流を削減することが可能となる。
【実施例２】
【００４１】
次に、図５を参照して、本発明の実施例２のＱＤＩＰを説明するが、ＧａＰ障壁ドットを２重構造にしただけで、基本的な製造工程は上記の実施例１と同様であるので、最終的な素子構造のみを示す。
図５参照
図５は、本発明の実施例２のＱＤＩＰの概念的断面図であり、一層の光吸収層に対して二層の障壁ドット層を設けたものである。
【００４２】
即ち、ＩｎＡｓ量子ドット１５を形成したのち、厚さが、例えば、５ｎｍの薄いｉ型ＧａＡｓ中間層１６を成長させてＩｎＡｓ量子ドット１５を埋め込み、次いで、３分子層分のＧａ原料及びＰ原料を供給することによって上述のようにＧａＰ障壁ドット１７を形成する。
【００４３】
次いで、厚さが、例えば、５ｎｍの薄いｉ型ＧａＡｓ中間層３６を成長させてＧａＰ障壁ドット１７を埋め込んだのち、再び、３分子層分のＧａ原料及びＰ原料を供給することによってＧａＰ障壁ドット３７を形成する。
【００４４】
この場合もｉ型ＧａＡｓ中間層３６の膜厚が薄いため、ＧａＰ障壁ドット１７の直上周辺のｉ型ＧａＡｓ中間層３６が格子定数の小さなＧａＰ障壁ドット１７の存在により圧縮応力が作用して通常のＧａＡｓよりも格子定数がやや歪んで小さくなっている。
【００４５】
この状態でのｉ型ＧａＡｓ中間層３６上に、ＧａＡｓより格子定数の小さいＧａＰを用いてＧａＰ障壁ドット３７の形成を行うと、ＧａＰ障壁ドット３７は格子定数差の緩和を進めるように、再び歪んだｉ型ＧａＡｓ中間層３６上に優先的にＧａＰ障壁ドット３７が形成されるようになるため、ＧａＰ障壁ドット１７と投影的に重なるように自己形成される。
【００４６】
次いで、ｉ型ＧａＡｓ中間層１８、厚さが、例えば、５ｎｍでｎ型不純物濃度が１×１０17ｃｍ-3のｎ型ＧａＡｓ層１９、及び、ｉ型ＧａＡｓ中間層２０を、全体の厚さが、例えば、５０ｎｍになるように堆積させ、この工程を必要とする周期だけ繰り返せば良い。
【００４７】
この様に、本発明の実施例２においては、障壁ドット層を２重構造にしているので、ＩｎＡｓ量子ドット間をすり抜けようとする電子をより効果的にブロックすることができ、それによって、暗電流を低減することができる。
【００４８】
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載した条件・構成に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、各実施例に記載した周期数は３周期であるが、使用目的に応じて１以上の任意の周期にすれば良い。
【００４９】
また、上記の各実施例においては、中間層をＧａＡｓで構成するとともに、量子ドットをＩｎＡｓで且つ障壁ドットをＧａＰで構成しているが、これらの組合せに限られるものではなく、量子ドットは中間層と格子定数が異なり且つ中間層より電子エネルギーポテンシャルが低い半導体材料で構成し、且つ、障壁ドットは中間層と格子定数が異なり且つ中間層より電子エネルギーポテンシャルが高い半導体材料で構成すれば良く、その場合、量子ドットと中間層の格子定数の大小関係が、障壁ドットと中間層の格子定数の大小関係と逆になるようにする必要がある。
なお、通常は、バンドギャップが大きいほど格子定数が小さいので、一般的構成としては、量子ドットは中間層より格子定数が大きく、障壁ドットは中間層より格子定数が小さくなる。
【００５０】
例えば、中間層としては、ＧａＡｓの代わりに、ＡｌＧａＡｓ或いはＡｌＡｓを用いても良く、或いは、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、及び、ＡｌＡｓを組み合わせて用いても良いものである。
【００５１】
また、量子ドットとしては、ＩｎＡｓの代わりにＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、或いは、ＩｎＡｌＧａＡｓで構成しても良いが、量子井戸を形成するためには中間層を構成する半導体よりバンドギャップの小さな材料を用いる必要がある。
【００５２】
また、障壁トッドとしては、ＧａＰの代わりにＡｌＰ、ＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＰ、或いは、ＩｎＧａＡｌＰを用いても良いが、障壁として機能させるためには中間層を構成する半導体よりバンドギャップの大きな材料を用いる必要がある。
【００５３】
また、上記の各実施例においては、サブバンド間遷移により光吸収を行うＱＤＩＰとして説明しているが、かならずしも、サブバンド間遷移により光吸収を行うＱＤＩＰに限られるものではなく、本発明の障壁ドット構造は、量子ドットのバンド間遷移により光吸収を行うＱＤＩＰにも適用されるものである。
【００５４】
また、上記の各実施例においては、ＧａＰ障壁ドットを覆う中間層にｎ型層を挿入しているが、繰り返し周期数が少ない場合には、このｎ型層は必ずしも必要はないものである。
【００５５】
また、上記の各実施例においては、ＭＢＥ法を用いて結晶成長を行っているが、結晶成長法はＭＢＥ法に限られるものではなく、上述の特許文献１に開示されているようにＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いても良いものである。
【００５６】
また、上記の各実施例においては特に言及していないが、上下のＩｎＡｓ量子ドットの投影的重なりはあまり問題にはならないが、ＩｎＡｓ量子ドットと電子供給側の直上のＧａＰ障壁ドットとの重なりは、各層においてＩｎＡｓ量子ドットの２０％以上が直上のＧａＰ障壁ドットと重ならないようにすれば良く、このような重なり率は特段の考慮をしなくとも、ＧａＰ障壁ドットの形成位置がＩｎＡｓ量子ドットによる歪みによりＩｎＡｓ量子ドットと異なった位置から優先的形成されため通常の構成として得られる。
【００５７】
また、上記の各実施例においては障壁ドット層に挟まれる量子ドットを一層にしているが、多層構造にしても良く、この場合には、実施例２における障壁ドットの形成工程と同様に、上下の量子ドットが投影的に重なるように自己形成される。
【００５８】
また、上記の実施例２においては障壁ドット層を２重構造にしているが、３重構造等の多重構造にしても良く、この場合も、実施例２における障壁ドットの形成工程と同様に、中間に設ける中間層を歪みの影響が表面に表れるように十分薄くすることによって上下の量子ドットを投影的に重なるように自己形成することができる。
【００５９】
ここで再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照
（付記１） 中間層２と格子定数が異なり且つ中間層２より電子エネルギーポテンシャルが低い第１の量子ドット１と、前記中間層２と格子定数が異なり且つ中間層２より電子エネルギーポテンシャルが高い第２の量子ドット４とを互いに異なる部位になるように中間層２中に設けるとともに、前記第１の量子ドット１と前記中間層２の格子定数の大小関係が、前記第２の量子ドット４と前記中間層２の格子定数の大小関係と逆であることを特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
（付記２） 上記第１の量子ドット１におけるサブバンド間遷移により赤外線を検知することを特徴とする付記１記載の量子ドット型赤外線検知器。
（付記３） 上記第１の量子ドット１を上記中間層２で埋め込んで第１の量子ドット構造層３とするとともに上記第２の量子ドット４を前記中間層２で埋め込んで第１の量子ドット構造層５とし、前記第１の量子ドット構造層３と第１の量子ドット構造層５とを前記第１の量子ドット１の２０％以上が電子供給側の直上の前記第２の量子ドット４と成長方向に重ならないように積層したことを特徴とする付記１または２に記載の量子ドット型赤外線検知器。
（付記４） 上記第１の量子ドット１及び第２の量子ドット４が、中間層２と量子ドット間の格子定数差を利用した自己形成型量子ドットであることを特徴とする付記３記載の量子ドット型赤外線検知器。
（付記５） 上記第１の量子ドット構造層一層に対して、上記第１の量子ドット構造層５を二層以上設けたことを特徴とする付記３または４に記載の量子ドット型赤外線検知器。
（付記６） 上記第１の量子ドット構造層３と上記第１の量子ドット構造層５とを周期的に積層したことを特徴とする付記３乃至５のいずれか１に記載の量子ドット型赤外線検知器。
（付記７） 上記中間層２をＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓのいずれかで構成するとともに、上記第１の量子ドット１をＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓのいずれかで構成し且つ上記第２の量子ドット４をＧａＰ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰのいずれかで構成することを特徴とする付記１乃至６のいずれか１に記載の量子ドット型赤外線検知器。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の活用例としては、ＱＤＩＰ素子を二次元アレイ状に配列させた遠中赤外線撮像装置が典型的なものであるが、一次元アレイ状に配列したＱＤＩＰ素子と回転ミラーとを組み合わせて遠中赤外線撮像装置としても良く、或いは、単体のＱＤＩＰ素子として遠中赤外線センサとして用いても良いものである。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施例１のＱＤＩＰの途中までの製造工程の説明図である。
【図３】本発明の実施例１のＱＤＩＰの図２以降の製造工程の説明図である。
【図４】本発明の実施例１のＱＤＩＰの動作原理の説明図である。
【図５】本発明の実施例２のＱＤＩＰの概念的断面図である。
【図６】従来のＱＤＩＰの概念的断面図である。
【図７】従来の改良型ＱＤＩＰの概念的断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 第１の量子ドット
２ 中間層
３ 第１の量子ドット構造層
４ 第２の量子ドット
５ 第２の量子ドット構造層
６ 電子
７ コンタクト層
８ コンタクト層
１１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
１２ ｉ型ＧａＡｓバッファ層
１３ ｎ型ＧａＡｓ下部コンタクト層
１４ ｉ型ＧａＡｓ中間層
１５ ＩｎＡｓ量子ドット
１６ ｉ型ＧａＡｓ中間層
１７ ＧａＰ障壁ドット
１８ ｉ型ＧａＡｓ中間層
１９ ｎ型ＧａＡｓ層
２０ ｉ型ＧａＡｓ中間層
２１ ＩｎＡｓ量子ドット
２２ ｉ型ＧａＡｓ中間層
２３ ＧａＰ障壁ドット
２４ ｉ型ＧａＡｓ中間層
２５ ｎ型ＧａＡｓ層
２６ ｉ型ＧａＡｓ中間層
２７ ＩｎＡｓ量子ドット
２８ ｉ型ＧａＡｓ中間層
２９ ＧａＰ障壁ドット
３０ ｉ型ＧａＡｓ中間層
３１ ｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層
３２ 赤外線
３３ 量子準位
３４ 電子
３５ 電子
３６ ｉ型ＧａＡｓ中間層
３７ ＧａＰ障壁ドット
３８ ｉ型ＧａＡｓ中間層
３９ ＧａＰ障壁ドット
４０ ｉ型ＧａＡｓ中間層
４１ ＧａＰ障壁ドット
５１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
５２ ｎ型ＧａＡｓ下部コンタクト層
５３ ｉ型ＧａＡｓ中間層
５４ ＩｎＡｓ量子ドット
５５ ｉ型ＧａＡｓ中間層
５６ ｉ型ＧａＡｓ中間層
５７ 光吸収層
５８ ｎ型ＧａＡｓ上部コンタクト層
５９ 障壁層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中間層と格子定数が異なり且つ中間層より電子エネルギーポテンシャルが低い第１の量子ドットと、前記中間層と格子定数が異なり且つ中間層より電子エネルギーポテンシャルが高い第２の量子ドットとを互いに異なる部位になるように中間層中に設けるとともに、前記第１の量子ドットと前記中間層の格子定数の大小関係が、前記第２の量子ドットと前記中間層の格子定数の大小関係と逆であることを特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項２】
上記第１の量子ドットを上記中間層で埋め込んで第１の量子ドット構造層とするとともに上記第２の量子ドットを前記中間層で埋め込んで第２の量子ドット構造層とし、前記第１の量子ドット構造層と第２の量子ドット構造層とを前記第１の量子ドットの２０％以上が電子供給側の直上の前記第２の量子ドットと成長方向に重ならないように積層したことを特徴とする請求項１記載の量子ドット型赤外線検知器。
【請求項３】
上記第１の量子ドット構造層一層に対して、上記第２の量子ドット構造層を二層以上設けたことを特徴とする請求項２記載の量子ドット型赤外線検知器。
【請求項４】
上記第１の量子ドット構造層と上記第２の量子ドット構造層とを周期的に積層したことを特徴とする請求項２または３に記載の量子ドット型赤外線検知器。
【請求項５】
上記中間層をＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓのいずれかで構成するとともに、上記第１の量子ドットをＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓのいずれかで構成し且つ上記第２の量子ドットをＧａＰ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰのいずれかで構成することを特徴とする請求項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。
【請求項１】
中間層と格子定数が異なり且つ中間層より電子エネルギーポテンシャルが低い第１の量子ドットと、前記中間層と格子定数が異なり且つ中間層より電子エネルギーポテンシャルが高い第２の量子ドットとを互いに異なる部位になるように中間層中に設けるとともに、前記第１の量子ドットと前記中間層の格子定数の大小関係が、前記第２の量子ドットと前記中間層の格子定数の大小関係と逆であることを特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
【請求項２】
上記第１の量子ドットを上記中間層で埋め込んで第１の量子ドット構造層とするとともに上記第２の量子ドットを前記中間層で埋め込んで第２の量子ドット構造層とし、前記第１の量子ドット構造層と第２の量子ドット構造層とを前記第１の量子ドットの２０％以上が電子供給側の直上の前記第２の量子ドットと成長方向に重ならないように積層したことを特徴とする請求項１記載の量子ドット型赤外線検知器。
【請求項３】
上記第１の量子ドット構造層一層に対して、上記第２の量子ドット構造層を二層以上設けたことを特徴とする請求項２記載の量子ドット型赤外線検知器。
【請求項４】
上記第１の量子ドット構造層と上記第２の量子ドット構造層とを周期的に積層したことを特徴とする請求項２または３に記載の量子ドット型赤外線検知器。
【請求項５】
上記中間層をＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓのいずれかで構成するとともに、上記第１の量子ドットをＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓのいずれかで構成し且つ上記第２の量子ドットをＧａＰ、ＡｌＰ、ＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＡｌＰのいずれかで構成することを特徴とする請求項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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−１８６１８３（Ｐ２００６−１８６１８３Ａ）
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７９７０９（Ｐ２００４−３７９７０９）
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２８日（２００４．１２．２８）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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