JP2006228819A

JP2006228819A - 光検知器

Info

Publication number: JP2006228819A
Application number: JP2005038011A
Authority: JP
Inventors: Yasuhito Uchiyama; 靖仁内山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-02-15
Filing date: 2005-02-15
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】赤外線の吸収感度スペクトルの形状を整形する。
【解決手段】量子ドット１６と量子ドット１６を載せる濡れ層１５とからなる複数の量子ドット層を設け、複数の量子ドット層と交互に積層されて各量子ドット層を埋め込む複数の中間層１７を設ける。そして、第１の光反射層１９を複数の中間層１７の内の最端の中間層１７の表面に設け、第２の光反射層１８ａを最端の中間層１７の内部に設ける。このようにすると、第１の光反射層１９によって定在波を生じる光、及び、第２の光反射層１８ａによって定在波を生じる光によって２つの定在波が生じる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を検知する光検知器に関し、特に、光干渉効果を用いて光を検知する光検知器に関する。

現在、入射された光を吸収した場合に流れる電流を検知することによって光を検知する光検知器において、垂直入射光を吸収できない量子井戸型光検知器(Quantum Well Infrared Photodetector、ＱＷＩＰ)より、量子ドットを用いて垂直入射光を吸収できる量子ドット型光検知器(Quantum Dot Infrared Photodetector、ＱＤＩＰ)が注目されている（例えば、非特許文献１、特許文献１、２）。このＱＤＩＰでは、ＱＷＩＰで必要とされた光結合構造が不要であり、プロセスの簡略化が図られている。

ここで、ＱＤＩＰでは、光の吸収感度を高くするために、入射して一度素子を通過した光を反射させて再度素子を通過させるため、光反射板を設けている。
Eui−Tae Kim，High detectivity InAs quantum dot infrared photodetectors、２００４年３月３日特開平１０−２５６５８８号公報特開２００３−２１８３６６号公報

しかし、従来のＱＤＩＰでは、離散的な複数の波長の光を吸収し、光干渉効果によって定在波が生じる場合と生じない場合とがあり、ある波長では吸収感度が高くてある波長では吸収感度が低くなる。ＱＤＩＰの量子ドットは、光の波長によっては入射した光をほとんど吸収しないこともあり、ＱＤＩＰの光の吸収感度スペクトルの形状が滑らかでなくなり、光検知器の性能が十分とは言えない。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、光の吸収感度スペクトルの形状が整形された光検知器を提供することを目的とする。

本発明では、上記課題を解決するために、図１に例示するように、光を検知する光検知器において、量子ドット１６と量子ドット１６を載せる濡れ層１５とからなる複数の量子ドット層と、複数の量子ドット層と交互に積層され、複数の量子ドット層を埋め込む複数の中間層１７と、複数の中間層１７の内の最端の中間層１７の表面に設けられた第１の光反射層１９と、最端の中間層１７の内部に設けられた第２の光反射層１８ａと、を有する光検知器が提供される。

このような光検出器によると、第１の光反射層１９によって定在波を生じる光、及び、第２の光反射層１８ａによって定在波を生じる光によって２つの定在波が生じ、例えば前者の光の吸収感度の極小に後者の光の吸収感度の極大が現れるように第１の光反射層１９及び第２の光反射層１８ａを設ければ、２つの定在波による吸収感度スペクトルが足し合わされ、全体としての光の吸収感度スペクトルの形状を整形できる。

本発明では、第１の光反射層を複数の中間層の内の最端の中間層の表面に設け、第２の光反射層を最端の中間層の内部に設けるようにする。
このようにすると、第１の光反射層によって定在波を生じる光、及び、第２の光反射層によって定在波を生じる光によって２つの定在波が生じ、２つの定在波による吸収感度スペクトルが足し合わされ、全体としての光の吸収感度スペクトルの形状を整形でき、光検知器の性能を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、光の内の赤外線を例に説明する。図１は、ＱＤＩＰ素子の要部断面模式図である。
光検知器は、複数のＱＤＩＰ素子１０を有している。量子ドット１６は濡れ層１５の表面に形成され、量子ドット１６と濡れ層１５とは中間層１７で埋め込まれている。赤外線の吸収感度を高くするため、これらを１層として複数回積層される。第１の光反射層１９が最端の中間層１７の表面に設けられ、第２の光反射層１８ａが最端の中間層１７の内部に設けられ、ＱＤＩＰ素子１０が形成される。

量子ドット１６は、赤外線を吸収してキャリアを放出する。量子ドット１６から放出されたキャリアは、基板と第１の光反射層１９との間に印加された電界にしたがって中間層１７及び濡れ層１５を流れる。第１の光反射層１９及び第２の光反射層１８ａは、中間層１７よりも屈折率が大きく、入射された赤外線を反射して量子ドット１６による赤外線の吸収感度を高くする。

ここで、例えば第２の光反射層１８ａの材料には、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＳｉまたはＧｅが用いられる。
次に、ＱＤＩＰ素子１０の形成工程について説明する。図２はＱＤＩＰ素子の第１の形成工程の要部断面模式図、図３はＱＤＩＰ素子の第２の形成工程の要部断面模式図、図４はＱＤＩＰ素子の第３の形成工程の要部断面模式図、図５はＱＤＩＰ素子の第４の形成工程の要部断面模式図、図６はＱＤＩＰ素子の第５の形成工程の要部断面模式図、図７はＱＤＩＰ素子の第６の形成工程の要部断面模式図である。

ＱＤＩＰ素子１０の各エピタキシャル層は、ＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法によって形成され、ＱＤＩＰ素子１０の量子ドット１６は、自己組織化量子ドット形成法によって形成される。

まず、図２に例示するように、表面が（１００）面であるＧａＡｓ基板１１を、超高真空チャンバの中に取り付ける。次いで、ＧａＡｓ基板１１を温度約６００℃に設定し、不純物のドーピングをしない厚さ約１００ｎｍのｉ−ＧａＡｓ層１２、及び、ｎ型不純物のドーピング約１×１０¹⁸ｃｍ^-3をして厚さ約１００ｎｍのｎ−ＧａＡｓ層１３を成長させる。次いで、ＧａＡｓ基板１１を温度約６００℃から温度約５００℃に変化させながら、不純物のドーピングをしない厚さ約５０ｎｍのｉ−ＧａＡｓ層１４を成長させる。次いで、ＧａＡｓ基板１１を温度約５００℃に設定し、不純物のドーピングをしない厚さ約３ＭＬ（分子層）のＩｎＡｓを、均一に供給する。ここで、初期のＩｎＡｓ供給では、ＩｎＡｓが平坦に２次元的に成長して濡れ層１５を形成するが、引き続きのＩｎＡｓ供給では、ＧａＡｓとＩｎＡｓとの格子定数の差異から発生する歪みによってＩｎＡｓが島状に３次元的に成長して量子ドット１６を形成する。次いで、不純物のドーピングをしない厚さ約５０ｎｍのｉ−ＧａＡｓによる中間層１７を成長させる。ここで、濡れ層１５、量子ドット１６及び中間層１７を、図２において４回繰り返しているが、所定回繰り返し、ＧａＡｓ基板１１を温度約５００℃から温度約６００℃に変化させながら、最後の中間層１７を成長させる。次いで、ｎ型不純物のドーピング約１×１０¹⁸ｃｍ^-3をして厚さ約７５ｎｍのｎ−ＧａＡｓ層１８を成長させる。次いで、Ｉｎ組成比が０．３でｎ型不純物のドーピング約１×１０¹⁸ｃｍ^-3をして厚さ約２５ｎｍのｎ−ＩｎＧａＡｓによる第２の光反射層１８ａを成長させる。

その後、図３に例示するように、抵抗加熱蒸着法により、反射金属板及び電極としての厚さ約１００ｎｍのＡｕによる第１の光反射層１９を蒸着する。次いで、フォトリソグラフィーにより、画素分離部２０ａが開口したレジスト２０を形成する。なお、図３において、図２に例示した中間層１７からｉ−ＧａＡｓ層１４を省略している。また、ｎ−ＧａＡｓ層１８、第１の光反射層１９及び第２の光反射層１８ａは、電極として機能する。

その後、レジスト２０をマスクとして、図４に例示するように、イオンリミング法によって第１の光反射層１９を研削し、ドライエッチング法によってｎ−ＧａＡｓ層１８からｉ−ＧａＡｓ層１４を研削し、レジスト２０を剥離する。次いで、ＣＶＤ法により、厚さ１００ｎｍのＳｉＮ層２１を堆積する。次いで、フォトリソグラフィーにより、電極取出部２２ａが開口したレジスト２２を形成する。なお、図４において、図２に例示した中間層１７からｉ−ＧａＡｓ層１４を省略している。

その後、レジスト２２をマスクとして、図５に例示するように、ウェットエッチング法によってＳｉＮ層２１を除去し、レジスト２２を剥離する。次いで、フォトリソグラフィーにより、電極取出部２２ａが開口したレジスト２３を形成する。次いで、レジスト２３をマスクとして、抵抗加熱蒸着法により、厚さ約１０ｎｍのＩｎ層２４ａ、２４ｂを蒸着する。なお、図５において、図２に例示した中間層１７からｉ−ＧａＡｓ層１４を省略している。

その後、図６に例示するように、リフトオフ法により、Ｉｎ層２４ｂとレジスト２３とを同時に除去する。このようにすると、ｎ−ＧａＡｓ層１８の電極の取り出しが実現できる。なお、図６において、図２に例示した中間層１７からｉ−ＧａＡｓ層１４を省略している。

また、図３において例示した第１の光反射層１９の蒸着前に、図７に例示するように、ドライエッチング法によってｎ−ＧａＡｓ層１８からｉ−ＧａＡｓ層１４を研削し、このエッチングされた部分をまたぐように第１の光反射層１９を蒸着する。次いで、図４から図６に例示したように各層を形成する。このようにすると、ｎ−ＧａＡｓ層１３の電極の取り出しが実現できる。なお、図７において、図２に例示した中間層１７からｉ−ＧａＡｓ層１４を省略している。

その後、形成されたＱＤＩＰ素子１０をＣＭＯＳ回路（図示せず）に接続する。
なお、濡れ層１５は、ｉ−ＧａＡｓ層１４等から供給されるＧａによって混晶化され、ＩｎＧａＡｓになる。また、量子ドット１６は、混晶化の頻度は少ないので、ほぼＩｎＡｓのままである。

また、濡れ層１５の間隔は、約１０ｎｍから１００ｎｍとすることができる。
また、濡れ層１５の間隔が約５０ｎｍの場合、第２の光反射層１８ａの厚さは、約１０ｎｍから４０ｎｍとすることができる。

次に、ＱＤＩＰ素子１０の動作について説明する。
まず、ＣＭＯＳ回路により、ｎ−ＧａＡｓ層１８とｎ−ＧａＡｓ層１３との間に、Ｉｎの電極を介して電圧が印加される。次いで、ＱＤＩＰ素子１０の量子ドット１６により、赤外線が吸収され、量子ドット１６の価電子帯に束縛されたキャリアが伝導帯に励起される。次いで、励起されて放出されたキャリアがｎ−ＧａＡｓ層１８とｎ−ＧａＡｓ層１３との間を、印加された電圧にしたがって流れる。次いで、ＣＭＯＳ回路により、電流として捕えられ、赤外線が電流として検知される。

次に、赤外線の吸収感度スペクトルについて説明する。図８は定在波の例を示す図、図９は赤外線の吸収感度スペクトルの例を示す図である。
まず、図８（Ａ）に例示するように、物質Ａ、Ｂ、Ｃから構成される構成物に赤外線が入射する。次いで、図８（Ｂ）に例示するように、物質Ｂの屈折率よりも物質Ｃの屈折率が大きい場合、入射した赤外線の一部は、物質Ｃの反射を受け、位相はπ反転する。次いで、物質Ｂの屈折率よりも物質Ａの屈折率が大きい場合、反射された赤外線の一部は、物質Ａの反射を受け、位相はπ反転する。ここで、物質Ｂの層厚が入射した光の半波長と一致すれば、光が重ね合わされるため、振幅の大きい定在波が生じる。

ここで、物質Ａを第１の光反射層１９から数えてｍ層目の濡れ層１５とし、物質Ｂをｍ−１層目から１層目の濡れ層１５及び複数の中間層１７とし、物質Ｃを第１の光反射層１９とし、複数の赤外線の内の１つにより、ｍ層目の濡れ層１５と第１の光反射層１９との間に定在波が生じ、その赤外線の波長をλ_mとする。例えば、波長λ₁の赤外線により、１層目の濡れ層１５と第１の光反射層１９との間に定在波が生じ、波長λ₂の赤外線により、２層目の濡れ層１５と第１の光反射層１９との間に定在波が生じる。これらの定在波は、波長λ₁から波長λ_mの各赤外線で生じる。

ｍ層目の濡れ層１５と第１の光反射層１９との間に定在波が生じた場合、図９（Ａ）に例示するように、ｍ−１層目から１層目の濡れ層１５による赤外線の吸収感度は高くなり、波長λ_mの赤外線の吸収感度は高くなる。ここで、定在波の波長が変化すると、定在波の中に存在する濡れ層１５の数が変化するので、赤外線の波長に対し、赤外線の吸収感度は依存する。そして、定在波が生じると赤外線の吸収感度の極大が現れ、定在波が生じる波長間隔は、赤外線の吸収感度の極大が現れる波長間隔と等しく、濡れ層１５の距離間隔と等しい。赤外線の吸収感度の極大が現れる波長間隔は、次のような式で定義される。
Δλ＝λ_m／２−λ_m-1／２・・・（１）
Δλ＝２ｎ₀×Ｌ₁ ・・・（２）
式（１）及び（２）において、Δλは赤外線の吸収感度の極大が現れる波長間隔、λ_mはｍ層目の濡れ層１５と第１の光反射層１９との間に定在波を生じさせる波長、λ_m-1はｍ−１層目の濡れ層１５と第１の光反射層１９との間に定在波を生じさせる波長、ｎ₀は中間層１７の屈折率、Ｌ₁は濡れ層１５の距離間隔、及び、最端の濡れ層１５と第１の光反射層１９との間隔である。

ここで、第１の光反射層１９だけでなくて第２の光反射層１８ａも設けた場合、複数の赤外線は、第１の光反射層１９と第２の光反射層１８ａとに反射され、所定の濡れ層１５と第１の光反射層１９とによった定在波、及び、所定の濡れ層１５と第２の光反射層１８ａとによった定在波を生じさせる。２つの定在波の関係は、次のような式で定義される。
λ'_m／２＝λ_m／２−Δλ／２・・・（３）
Ｌ₁＝２Ｌ₂ ・・・（４）
式（３）及び（４）において、λ'_mはｍ層目の濡れ層１５と第２の光反射層１８ａとの間に定在波を生じさせる波長、Ｌ₂は最端の濡れ層１５と第２の光反射層１８ａとの間隔である。

光検知器は、このようなＱＤＩＰ素子１０を１画素とし、例えば１枚のＧａＡｓ基板の上に多くのＱＤＩＰ素子１０が整列配置されて構成される。各ＱＤＩＰ素子１０で、多くの赤外線が吸収されるとその分多くのキャリアが放出されるため、それを利用することにより、光検知器で、対象物の温度に応じた画像が生成される。

このようにすると、図９（Ｂ）に例示するように、波長λ_mの赤外線の吸収感度の極大が現れる場所を−Δλ／２移動すると、波長λ'_mの赤外線の吸収感度の極大が現れる場所になる。つまり、図９（Ｃ）に例示するように、波長λ_mの赤外線と波長λ'_mの赤外線とによって２つの定在波が生じ、波長λ_mの赤外線の吸収感度の極小に波長λ'_mの赤外線の吸収感度の極大が現れる。そして、図９（Ｄ）に例示するように、２つの定在波による吸収感度スペクトルが足し合わされ、全体としての赤外線の吸収感度スペクトルの形状を整形でき、光検知器の性能を向上させることができる。

なお、Ｌ₁＝２Ｌ₂としたが、Ｌ₂を微調整することで、全体としての赤外線の吸収感度スペクトルの形状を微調整できる。
（付記１）光を検知する光検知器において、
量子ドットと前記量子ドットを載せる濡れ層とからなる複数の量子ドット層と、
前記複数の量子ドット層と交互に積層され、前記複数の量子ドット層を埋め込む複数の中間層と、
前記複数の中間層の内の最端の中間層の表面に設けられた第１の光反射層と、
前記最端の中間層の内部に設けられた第２の光反射層と、
を有することを特徴とする光検知器。

（付記２）前記第２の光反射層の厚さと前記中間層の厚さとは、異なることを特徴とする付記１記載の光検知器。
（付記３）前記光は赤外線であることを特徴とする付記１記載の光検知器。

（付記４）前記各中間層はＧａＡｓで形成され、前記第２の光反射層はＩｎＧａＡｓで形成されることを特徴とする付記１記載の光検知器。
（付記５）前記第１の光反射層と前記第２の光反射層とは、前記各中間層よりも高い屈折率を有することを特徴とする付記１記載の光検知器。

（付記６）光を検知する光検知器の製造方法において、
量子ドットと前記量子ドットを載せる濡れ層とからなる複数の量子ドット層を形成する工程と、
前記複数の量子ドット層と交互に積層され、前記複数の量子ドット層を埋め込む複数の中間層を形成する工程と、
前記複数の中間層の内の最端の中間層の表面に設けられた第１の光反射層を形成する工程と、
前記最端の中間層の内部に設けられた第２の光反射層を形成する工程と、
を有することを特徴とする光検知器の製造方法。

ＱＤＩＰ素子の要部断面模式図である。ＱＤＩＰ素子の第１の形成工程の要部断面模式図である。ＱＤＩＰ素子の第２の形成工程の要部断面模式図である。ＱＤＩＰ素子の第３の形成工程の要部断面模式図である。ＱＤＩＰ素子の第４の形成工程の要部断面模式図である。ＱＤＩＰ素子の第５の形成工程の要部断面模式図である。ＱＤＩＰ素子の第６の形成工程の要部断面模式図である。定在波の例を示す図である。赤外線の吸収感度スペクトルの例を示す図である。

符号の説明

１０ＱＤＩＰ素子
１５濡れ層
１６量子ドット
１７中間層
１８ａ第２の光反射層
１９第１の光反射層
λ、λ' 波長

Claims

光を検知する光検知器において、
量子ドットと前記量子ドットを載せる濡れ層とからなる複数の量子ドット層と、
前記複数の量子ドット層と交互に積層され、前記複数の量子ドット層を埋め込む複数の中間層と、
前記複数の中間層の内の最端の中間層の表面に設けられた第１の光反射層と、
前記最端の中間層の内部に設けられた第２の光反射層と、
を有することを特徴とする光検知器。
前記第２の光反射層の厚さと前記中間層の厚さとは、異なることを特徴とする請求項１記載の光検知器。
前記光は赤外線であることを特徴とする請求項１記載の光検知器。
前記各中間層はＧａＡｓで形成され、前記第２の光反射層はＩｎＧａＡｓで形成されることを特徴とする請求項１記載の光検知器。
前記第１の光反射層と前記第２の光反射層とは、前記各中間層よりも高い屈折率を有することを特徴とする請求項１記載の光検知器。