JP2006196788A

JP2006196788A - 赤外線検知器

Info

Publication number: JP2006196788A
Application number: JP2005008314A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Matsukura; 祐輔松倉
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2006-07-27

Abstract

【課題】赤外線検知器に関し、2 つの波長に対して独立に感度を有し、しかも、必要とされる電極が２つである赤外線検知器を実現しようとする。
【解決手段】活性層が、第１の半導体層２と、第１の半導体層２上に形成され且つキャリアに対するエネルギーが第１の半導体層２と比較して小さい第２の半導体からなる第１の量子箱３Ａを含む量子箱層３と、量子箱層３の上に形成され且つキャリアに対するエネルギーが第１の半導体層２に比較して小さく第２の半導体に比較して大きい第３の半導体層４と、第３の半導体層４上に形成され、且つ、キャリアに対するエネルギーが第３の半導体層４に比較して小さい第４の半導体からなる第２の量子箱５Ａを含む量子箱層５と、量子箱層５の上に形成され且つキャリアに対するエネルギーが第３の半導体層４に比較して大きい第５の半導体層６とを積層した構造からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、量子箱（＝量子ドット）を光吸収層として用いる赤外線検出器の改良に関する。

近年、いわゆるＳｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｗ（ＳＫ）モードと呼ばれる成長モードにより量子箱構造が実現可能であることが注目され、量子箱構造を用いた各種光素子の開発が盛んになってきている。

量子箱構造は、量子井戸構造などと比較して、電子ないしは正孔の閉じ込めが、方向に関する３つの自由度の全ての方向に及ぶ為、量子閉じ込め準位間での遷移選択則による光の偏光方向選択性の影響がなく、全ての方向からの入射光に対して感度を有する光検出器が作製できる利点を有している。

このことは、従来の量子井戸赤外線検出器（例えば、非特許文献１を参照。）と比較して、検出器に垂直に入射する赤外光を光結合器などを用いずに検知できるため、効率の良い検出器を作製できる旨の利点がある。このような赤外線検知器は一般に量子箱赤外線検出器（ＱｕａｎｔｕｍＤｏｔＩｎｆｒａｒｅｄＰｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＱＤＩＰ）と呼ばれている。

また量子箱赤外線検出器では、信号光によって励起された電子が再び量子箱に捕獲される確率が、量子井戸構造に比べて小さいため、ＱＷＩＰに比較して良好な特性の検出器を作製できる（例えば、非特許文献２を参照。）。

このような赤外線検知器では、対象とする赤外線の波長が単一であってもよいが、２つ（以上）の波長に対してそれぞれ感度を持つ検知器を用いると、赤外線源の絶対温度が推定可能となるため、赤外線源の特定能力が向上する。即ち、ある強度の赤外線を検知したとき、その赤外線源が低温で且つ近くにあるのか、高温で且つ遠距離にあるのかなどの識別が可能となるため、その応用範囲の拡大が期待できる。

ＱＤＩＰやＱＷＩＰでは、その赤外線検出の原理として、電子あるいは正孔の量子閉じ込め準位間遷移を利用している為、その応答分光特性は、閉じ込め準位間エネルギーに対応した波長を中心としたピーク状の特性を持つている。

この量子閉じ込め準位、あるいは、その間のエネルギーは、量子箱あるいは量子井戸に用いる半導体の種類、組成、膜厚、量子箱の大きさ、あるいはこれらの組み合わせで変化させることができる。従って、複数の波長に感度を有するようにする為には、それぞれの波長に対応した量子閉じ込め準位をもつ量子箱あるいは量子井戸構造を吸収層として作製する必要がある。

これら吸収層で赤外線を吸収して発生した電子あるいは正孔は、吸収層領域からバイアス電界によって引き出されて光電流として検出されることで初めて赤外線検知信号として検知される。したがって、これら複数の赤外線検知信号を独立に取り出すためには、それぞれの波長域に対応した電極、並びに、電気的に必要な共通電極の計３電極（２波長の場合）を赤外線検知器に作製する必要がある。

これは、これらの量子箱あるいは量子井戸構造が、半導体を層状に積層して作製されることを考えると、各電極それぞれに対応するコンタクト層まで、この層構造をエッチング加工して作製することを意味しており、検知器の構造或いは作製工程が複雑になり作製歩留まりを劣化させる原因となっている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２０００−１９６１３３号公報Ｂ．Ｆ．Ｌｅｖｉｎｅ，"ＱｕａｎｔｕｍｗｅｌｌＩｎｆｒａｒｅｄＰｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＱＷＩＰ"Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７４，ＲＩ（１９９３）Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．９１，４５９０（２００２）

本発明では、2 つの波長に対して独立に感度を有し、しかも、必要とされる電極が２つである赤外線検知器を実現しようとする。

本発明に依る赤外線検知器に於いては、半導体基板上に形成された少なくとも第１のコンタクト層、光吸収部分となる活性層、第２のコンタクト層で構成される赤外線検知器に於いて、該活性層が、第１の半導体層（第１の半導体からなる層２：図１参照、以下、同じ。）と、第１の半導体層上に形成され且つキャリアに対するエネルギーが第１の半導体層と比較して小さい第２の半導体からなる第１の量子箱（第１の量子箱３Ａ）を含む量子箱層（第１の量子箱層３）と、第１の量子箱を含む量子箱層の上に形成され且つキャリアに対するエネルギーが第１の半導体層に比較して小さく第２の半導体に比較して大きい第３の半導体層（第３の半導体からなる層４）と、第３の半導体層上に形成され、且つ、キャリアに対するエネルギーが第３の半導体層に比較して小さい第４の半導体からなる第２の量子箱（第２の量子箱５Ａ）を含む量子箱層（第２の量子箱層５）と、第２の量子箱を含む量子箱層の上に形成され且つキャリアに対するエネルギーが第３の半導体層に比較して大きい第５の半導体層（第５の半導体からなる層６）とを積層した構造、或いは、その積層した構造を繰り返して積層した構造からなることを特徴とする。

前記手段を採ることに依り、2 つの波長に対して独立に感度を有する２電極赤外線検知器を得ることができ、その構造は簡単であるから、製造も容易であって、製造歩留りを高めることが可能である。

本発明では、量子箱構造では、量子井戸構造と異なり、量子箱間の部分は赤外線吸収に直接関与しないことを利用し、この部分に電子あるいは正孔の捕獲機能を持たせ、ここで捕獲された電子あるいは正孔をバイアス方向によりそれぞれの検知波長に対応した量子箱に供給することにより、２電極素子において、バイアス方向を変えるだけで異なった２つの波長に感度を持つ赤外線検知器を実現している。

図１は本発明に依る赤外線検知器の原理説明図である。以下、本発明の原理を図１を参照しつつ、電子をキャリアとする場合を例にとって説明する。

図１に見られるように、半導体基板１上に、第１の半導体からなる層２と、第１の半導体に比較して電子に対するポテンシャルエネルギーが小さい第２の半導体からなる第１の量子箱３Ａの周囲を第１の半導体で囲んでなる第１の量子箱層３と、電子に対するポテンシャルエネルギーが第２の半導体よりも大きく且つ第１の半導体よりも小さい第３の半導体からなる層４、第３の半導体に比較して電子に対するポテンシャルエネルギーが小さい第４の半導体からなる第２の量子箱５Ａの周囲を第５の半導体で囲んでなる第２の量子箱層５、第５の半導体からなる層６を積層形成する。

図２は図１について説明した赤外線検知器の量子箱近傍に於いて、第５の半導体からなる層６側から半導体基板１側に電子が移動する方向にバイアス電圧を印加した場合の電子に対するポテンシャルエネルギーの空間分布を表している。

このような動作条件の下では、一部の電子は第１の量子箱３Ａあるいは第２の量子箱５Ａに直接供給され、赤外線検知のための量子閉じ込め準位間遷移を起こして光電流に寄与する。

然しながら、図１に見られるような構造に於いては、量子箱面密度にも依るが、量子箱間の部分が占める割合がほとんどである為、検知器を流れる電子の大部分は、図２に破線矢印で示したような経路を通り、バイアス電界に引かれて主に第１の量子箱３Ａに供給される。したがってこのようなバイアス方向では、検知器は第１の量子箱３Ａで決まる波長の赤外線を感知することとなる。

これとは逆に図１に於ける半導体基板１側から第５の半導体からなる層５側に電子が移動するような方向にバイアス電圧を印加した場合には、上記説明と同様な動作を行って、主に第２の量子箱５Ａで決まる波長の赤外線を感知することとなる。

従って、図１に見られるように構成されたＱＤＩＰでは、バイアス方向により量子箱３Ａ或いは量子箱５Ａそれぞれに対応した波長の赤外線に対する信号電流が得られるものである。

図３乃至図７は本発明一実施例である赤外線検知器の製造工程を説明する為の工程要所に於ける赤外線検知器を表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。

図３参照
（１）
例えば半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上に、例えば周知の分子線エピタキシャル技術を適用し、厚さが例えば１００ｎｍの不純物無添加ＧａＡｓからなる緩衝層１２を成長する。

（２）
次いで、Ｓｉ添加濃度を例えば１×１０¹⁸cm^-3としたＧａＡｓからなる第１コンタクト層１３を厚さ例えば１００ｎｍに成長する。

図４参照
（３）
引き続いて、厚さが例えば５０ｎｍのＧａＡｓからなる第１の埋め込み層１４を成長させ、次いで、例えばＳ−Ｋモードの成長モードを用い、例えば２分子層のＩｎＡｓからなる第１の量子箱１５Ａを成長し、さらに例えばＧａＡｓからなる第２の埋め込み層１５Ｂで埋め込んで第１の量子箱層１５を形成する。

このとき、第１の埋め込み層１４、第１の量子箱１５Ａ、第２の埋め込み層１５Ｂの一部、或いは、全部に対し、電子供給のための不純物、例えばＳｉを添加してもよい。

また、ＧａＡｓからなる第２の埋め込み層１５Ｂで量子箱１５Ａの一部あるいは全体を埋め込む厚さ、或いは、全く埋め込まない厚さとするかなどについては、必要とする素子特性設計に応じて決めればよい。

図５参照
（４）
例えば、Ｉｎ組成が０．１５であるＩｎＧａＡｓを例えば厚さ１０ｎｍ程度に成長して電子捕獲層１６を成長させ、次いで、例えばＳ−Ｋモードの成長モードを用い、例えば２．５分子層のＩｎＡｓからなる第２の量子箱１７Ａを成長し、更に例えばＧａＡｓからなる第３の埋め込み層１７Ｂで埋め込んで第２の量子箱層１７を形成する。

このとき、電子捕獲層１６、第２の量子箱１７Ａ、第３の埋め込み層１７Ｂの一部、或いは、全部に対し、電子供給のための不純物、例えばＳｉを添加してもよい。

また、ＧａＡｓからなる第３の埋め込み層１７Ｂで量子箱１７Ａの一部あるいは全体を埋め込む厚さ、或いは、全く埋め込まない厚さとするかなどについては、必要とする素子特性設計に応じて決めればよい。

図６参照
（５）
引き続いて、厚さが例えば５０ｎｍのＧａＡｓからなる第４の埋め込み層１８を成長させ、次いで、Ｓｉ添加濃度を例えば１×１０¹⁸cm^-3としたＧａＡｓからなる第２のコンタクト層１９を厚さ例えば１００ｎｍに成長する。

図７参照
（６）
通常の技法を適用することに依り、第１のコンタクト層１３並びに第２のコンタクト層１９に電極２０及び２１を形成して完成する。

前記実施例では、量子箱としてＩｎＡｓを用いたが、それに限定される必要はなく、図２及び図２に関する説明で例示したエネルギー構造となる半導体であれば良く、また、第１及び第２の量子箱がそれぞれ異なる半導体で構成されていても良い。

また、前記実施例では、波長を変化させる為に量子箱となる半導体の成長量（膜厚）、即ち、その大きさを変化させたが、これを半導体の種類、組成、それ等の組み合わせで変化させることもできる。

更にまた、前記実施例では、量子箱の埋め込み層として全てＧａＡｓ層を用いたが、図２及び図２に関する説明で例示したエネルギー構造となる半導体であれば良く、また、各埋め込み層が全て同じ半導体である必要はない。

更にまた、前記実施例では、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に第１のコンタクト層を積層構成して素子構造を作製しているが、基板を電導性、例えば、ｎ型ＧａＡｓ基板として、コンタクト層を兼用させて、第１のコンタクト層を省略しても良い。

更にまた、前記実施例では、第２のコンタクト層を成長して結晶成長を終了したが、必要あれば、さらに続けて他の素子構造を形成したり、或いは、素子作製に用いる半導体層を引き続いて成長して良いことは云うまでもない。

本発明に於いては、前記説明した実施例を含め、多くの形態で実施することができ、以下、それを付記として例示する。

（付記１）
半導体基板上に形成された少なくとも第１のコンタクト層、光吸収部分となる活性層、第２のコンタクト層で構成される赤外線検知器に於いて、
該活性層が、第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成され且つキャリアに対するエネルギーが第１の半導体層と比較して小さい第２の半導体からなる第１の量子箱を含む量子箱層と、第１の量子箱を含む量子箱層の上に形成され且つキャリアに対するエネルギーが第１の半導体層に比較して小さく第２の半導体に比較して大きい第３の半導体層と、第３の半導体層上に形成され、且つ、キャリアに対するエネルギーが第３の半導体層に比較して小さい第４の半導体からなる第２の量子箱を含む量子箱層と、第２の量子箱を含む量子箱層の上に形成され且つキャリアに対するエネルギーが第３の半導体層に比較して大きい第５の半導体層とを積層した構造、或いは、その積層した構造を繰り返して積層した構造からなること
を特徴とする赤外線検知器。

（付記２）
第１の量子箱並びに第２の量子箱が同一の半導体からなること
を特徴とする（付記１）記載の赤外線検知器。

（付記３）
第１の半導体層並びに第５の半導体層が同一の半導体からなること
を特徴とする（付記１）記載の赤外線検知器。

（付記４）
第１の量子箱並びに第２の量子箱がＩｎＧａＡｓからなること
を特徴とする（付記１）記載の赤外線検知器。

（付記５）
第１の半導体層並びに第５の半導体層がＧａＡｓからなること
を特徴とする（付記１）記載の赤外線検知器。

（付記６）
第３の半導体層がＩｎＧａＡｓからなること
を特徴とする（付記１）記載の赤外線検知器。

本発明に依る赤外線検知器の原理説明図である。量子箱近傍に於ける電子に対するポテンシャルエネルギーの空間分布を表す図である。本発明一実施例である赤外線検知器の製造工程を説明する為の工程要所に於ける赤外線検知器を表す要部切断側面図である。本発明一実施例である赤外線検知器の製造工程を説明する為の工程要所に於ける赤外線検知器を表す要部切断側面図である。本発明一実施例である赤外線検知器の製造工程を説明する為の工程要所に於ける赤外線検知器を表す要部切断側面図である。本発明一実施例である赤外線検知器の製造工程を説明する為の工程要所に於ける赤外線検知器を表す要部切断側面図である。本発明一実施例である赤外線検知器の製造工程を説明する為の工程要所に於ける赤外線検知器を表す要部切断側面図である。

符号の説明

１半導体基板
２第１の半導体からなる層
３第１の量子箱層
３Ａ第１の量子箱
４第３の半導体からなる層
５第２の量子箱層
５Ａ第２の量子箱
６第５の半導体からなる層

Claims

半導体基板上に形成された少なくとも第１のコンタクト層、光吸収部分となる活性層、第２のコンタクト層で構成される赤外線検知器に於いて、
該活性層が、第１の半導体層と、第１の半導体層上に形成され且つキャリアに対するエネルギーが第１の半導体層と比較して小さい第２の半導体からなる第１の量子箱を含む量子箱層と、第１の量子箱を含む量子箱層の上に形成され且つキャリアに対するエネルギーが第１の半導体層に比較して小さく第２の半導体に比較して大きい第３の半導体層と、第３の半導体層上に形成され、且つ、キャリアに対するエネルギーが第３の半導体層に比較して小さい第４の半導体からなる第２の量子箱を含む量子箱層と、第２の量子箱を含む量子箱層の上に形成され且つキャリアに対するエネルギーが第３の半導体層に比較して大きい第５の半導体層とを積層した構造、或いは、その積層した構造を繰り返して積層した構造からなること
を特徴とする赤外線検知器。
第１の半導体層並びに第５の半導体層が同一の半導体からなること
を特徴とする請求項１記載の赤外線検知器。
第１の量子箱並びに第２の量子箱がＩｎＧａＡｓ（０≦Ｇａ＜１）からなること
を特徴とする請求項１記載の赤外線検知器。
第１の半導体層並びに第５の半導体層がＧａＡｓからなること
を特徴とする請求項１記載の赤外線検知器。
第３の半導体層がＩｎＧａＡｓからなること
を特徴とする請求項１記載の赤外線検知器。