JP2007305705A - 光検知装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】広い温度範囲で高感度の光検知を行うことを可能とする。
【解決手段】埋め込み層１６と、埋め込み層１６によって埋め込まれた量子ドット１５ａと、を有する量子ドット構造１５と、動作時に、量子ドット構造１５に対して垂直方向に流れる電子の量子ドット構造１５下流側に、埋め込み層１２，１４と、禁制帯幅が埋め込み層１２，１４よりも小さい量子井戸層１３ａを有する量子井戸構造１３が形成されることで、光検知部１０ａの電子が超えなくてはならない電位障壁の温度依存性が小さくなり、埋め込み層１４の高温時の電位障壁が低下する。
【選択図】図１
【解決手段】埋め込み層１６と、埋め込み層１６によって埋め込まれた量子ドット１５ａと、を有する量子ドット構造１５と、動作時に、量子ドット構造１５に対して垂直方向に流れる電子の量子ドット構造１５下流側に、埋め込み層１２，１４と、禁制帯幅が埋め込み層１２，１４よりも小さい量子井戸層１３ａを有する量子井戸構造１３が形成されることで、光検知部１０ａの電子が超えなくてはならない電位障壁の温度依存性が小さくなり、埋め込み層１４の高温時の電位障壁が低下する。
【選択図】図１
Description
本発明は光検知装置およびその製造方法に関し、特に量子ドットを有する光検知装置およびその製造方法に関する。
従来、光検知装置の光検知部に量子井戸層を有する量子井戸構造を用いた光検知装置が利用されていた（例えば、特許文献１参照。）。
この量子井戸層を、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）系の半導体材料により構成することにより、これまで困難とされていた波長が１０μｍ程度の赤外光を検知することが可能となった。
この量子井戸層を、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）系の半導体材料により構成することにより、これまで困難とされていた波長が１０μｍ程度の赤外光を検知することが可能となった。
しかし、量子井戸構造を利用した光検知装置は、量子井戸層の積層面に対して垂直に入射する光を検知しない。このため、量子井戸層の積層面に対して入射する光をほぼ平行にするための特殊な光学系装置や回折格子を設けるなどの工夫を要した。この結果、量子井戸構造を利用した光検知装置の構成は複雑となり、製造コストが大きくなるという問題があった。一方、この量子井戸構造を利用した光検知装置において、雑音源になりうる暗電流が動作温度に対して指数関数的に増大するという問題があった。このため、量子井戸構造を利用した光検知装置は、実用化を図るうえで重要な７７Ｋでの動作が難しく、暗電流の影響を無視できる温度まで冷却しなくてはならず、冷却するためのコストも大きくなるという課題もあった。
そこで、光検知部に量子井戸構造の代わりに量子ドットを有する量子ドット構造を利用した光検知装置が提案された（例えば、非特許文献１参照。）。
量子ドット構造を利用した光検知装置は、光検知部の量子ドット構造の積層面に対して、垂直に入射する光を検知することができる。そして、光励起されたキャリアが再び量子ドットに捕獲される確率が少ないことから、高い光電流利得を有し、高い感度が得られることが期待される。さらに、光検知部に量子ドット構造を利用すると、比較的高い温度でも暗電流に埋もれずに信号電流の検出が期待される。このため、暗電流制御のための量子ドット構造の冷却装置の簡素化が可能となり、光検知装置の小型化および冷却コストの削減も期待される。
特開２０００−３２３７４２号公報
セミコンダクターサイエンスアンドテクノロジー（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）１９９６，Ｖｏｌ．１１，ｐ．７５９−ｐ．７６５
量子ドット構造を利用した光検知装置は、光検知部の量子ドット構造の積層面に対して、垂直に入射する光を検知することができる。そして、光励起されたキャリアが再び量子ドットに捕獲される確率が少ないことから、高い光電流利得を有し、高い感度が得られることが期待される。さらに、光検知部に量子ドット構造を利用すると、比較的高い温度でも暗電流に埋もれずに信号電流の検出が期待される。このため、暗電流制御のための量子ドット構造の冷却装置の簡素化が可能となり、光検知装置の小型化および冷却コストの削減も期待される。
しかし、実際に、量子ドット構造を利用した光検知装置を作製すると、光検知部の温度上昇に伴い、急激に光検知の感度が劣化してしまうという問題があった。
この原因の１つとして、光検知部の温度上昇による電子の放出確率の低下が挙げられる。以下、この機構について説明する。
この原因の１つとして、光検知部の温度上昇による電子の放出確率の低下が挙げられる。以下、この機構について説明する。
図５は量子ドット構造を利用した光検知装置の要部断面模式図、図６は図５に示した光検知装置の伝導帯電位分布の模式図である。図５の光検知装置１００は、基板１０１上に、単一の埋め込み層１０２が形成され、さらにその上に量子ドット１０５ａおよび単一の埋め込み層１０６を有する量子ドット構造１０５が順に形成されることにより構成されている。そして、図６は図５のＸ−Ｘ’のフェルミ順位を基準とした伝導帯電位分布を模式的に表したものであり、量子ドット１０５ａのポテンシャルエネルギー１０５ｂ、フェルミ順位（Ｅｆ）、低温時の伝導帯端（Ｅｃ１）および高温時の伝導帯端（Ｅｃ２）がそれぞれ示されている。
一般に、伝導帯端（Ｅｃ）とＥｆとの差である、半導体層によって生じている電位障壁Ｅｃ−Ｅｆは、電荷中性条件から、次式（１）で表すことができる。
Ｅｃ−Ｅｆ＝ｋＢＴ×ｌｎ（Ｎｃ／Ｎｄ）・・・（１）
なお、式（１）において、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは光検知部１００ａの温度、Ｎｃは埋め込み層１０２，１０６の伝導帯有効状態密度、Ｎｄは不純物密度である。
Ｅｃ−Ｅｆ＝ｋＢＴ×ｌｎ（Ｎｃ／Ｎｄ）・・・（１）
なお、式（１）において、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは光検知部１００ａの温度、Ｎｃは埋め込み層１０２，１０６の伝導帯有効状態密度、Ｎｄは不純物密度である。
この式（１）から示されるように、電位障壁Ｅｃ−Ｅｆは光検知部１００ａの温度に比例して大きくなる。すなわち、図６に示したように、光検知部１００ａの温度の上昇に比例して、量子ドット構造１０５近傍における電位障壁は、大きく（Ｅｃ２−Ｅｆ＞Ｅｃ１−Ｅｆ）なることがわかる。
このため、光検知部１００ａの量子ドット構造１０５の光吸収により、光のエネルギーを得て、励起された電子が光電流として放出される過程において、光検知部１００ａの温度が高くなると、電位障壁も大きくなるため、電子の放出確率が低下する。この結果、光検知装置１００の光検知の感度が急激に低下してしまう。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、広い温度範囲で高感度の光検知を行うことが可能な光検知装置およびその製造方法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に示すように、量子ドットを有する光検知装置において、埋め込み層１６と、埋め込み層１６によって埋め込まれた量子ドット１５ａと、を有する量子ドット構造１５と、動作時に、量子ドット構造１５に対して垂直方向に流れる電子の量子ドット構造１５下流側に形成され、埋め込み層１２，１４と、埋め込み層１２，１４に挟まれ、禁制帯幅が埋め込み層１２，１４よりも小さい量子井戸層１３ａと、を有する量子井戸構造１３と、を有することを特徴とする光検知装置１０が提供される。
上記の構成によれば、埋め込み層１６と、埋め込み層１６によって埋め込まれた量子ドット１５ａと、を有する量子ドット構造１５と、動作時に、量子ドット構造１５に対して垂直方向に流れる電子の量子ドット構造１５下流側に、埋め込み層１２，１４と、禁制帯幅が埋め込み層１２，１４よりも小さい量子井戸層１３ａを有する量子井戸構造１３が形成されることで、光検知部１０ａの電子が超えなくてはならない電位障壁の温度依存性が小さくなり、埋め込み層１４の高温時の電位障壁が低下する。
また、本発明では、量子ドットを有する光検知装置の製造方法において、第１の埋め込み層と、前記第１の埋め込み層によって埋め込まれた量子ドットと、を有する量子ドット構造を形成する工程と、動作時に、前記量子ドット構造に対して垂直方向に流れる電子の前記量子ドット構造下流側に形成され、第２，第３の埋め込み層と、前記第２，第３の埋め込み層に挟まれ、禁制帯幅が前記第２，第３の埋め込み層よりも小さい量子井戸層と、を有する量子井戸構造を形成する工程と、を有することを特徴とする光検知装置の製造方法が提供される。
上記の方法によれば、第１の埋め込み層と、第１の埋め込み層によって埋め込まれた量子ドットと、を有する量子ドット構造が形成され、動作時に、量子ドット構造に対して垂直方向に流れる電子の量子ドット構造下流側に形成され、第２，第３の埋め込み層と、第２，第３の埋め込み層に挟まれ、禁制帯幅が第２，第３の埋め込み層よりも小さい量子井戸層と、を有する量子井戸構造が形成されるので、光検知部の電位障壁が温度に依存されなくなり、高温時の埋め込み層の電位障壁が低下される。
本発明の光検知装置によれば、埋め込み層と、この埋め込み層によって埋め込まれた量子ドットと、を有する量子ドット構造を形成し、動作時に、量子ドット構造に対して垂直方向に流れる電子の量子ドット構造下流側に、埋め込み層と、禁制帯幅がその埋め込み層よりも小さい量子井戸層とを有する量子井戸構造を形成するため、光検知部の電位障壁の温度依存性が小さくなり、高温時の埋め込み層の電位障壁を低下させることができる。これにより、高温環境下での使用において、光検知の感度の低下を防ぐことができる光検知装置を製造することができるようになる。
また、本発明の光検知装置の製造方法によれば、埋め込み層と、この埋め込み層によって埋め込まれた量子ドットと、を有する量子ドット構造を形成でき、動作時に、量子ドット構造に対して垂直方向に流れる電子の量子ドット構造下流側に、埋め込み層と、禁制帯幅がその埋め込み層よりも小さい量子井戸層とを有する量子井戸構造を形成することができるため、光検知部の電位障壁の温度依存性を小さくすることができ、高温時の埋め込み層の電位障壁を低下させることができる。このため、高温環境下での使用において、高感度の光検知部を有する光検知装置を製造することができるようになる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
まず、光検知装置の動作原理について説明する。
図１は光検知装置の要部断面模式図である。
まず、光検知装置の動作原理について説明する。
図１は光検知装置の要部断面模式図である。
光検知装置１０は、半導体基板１１上に、埋め込み層１２、量子井戸層１３ａおよび埋め込み層１４を有する量子井戸構造１３と、量子ドット１５ａおよび量子ドット１５ａの上部に埋め込み層１６を有する量子ドット構造１５により構成されている。なお、光検知装置１０は、図５の光検知装置１００と異なり、量子井戸層１３ａが設けられている。そして、量子井戸層１３ａの禁制帯幅は、埋め込み層１２，１４の禁制帯幅よりも小さいものとする。
なお、上記構成の光検知装置１０は、動作時に、積層面に垂直方向下向きに電子を流す時のものである。
ここでは、簡単のため１準位系を例に、光検知装置１０の光検知部１０ａの温度と電位障壁について簡単に説明する。
ここでは、簡単のため１準位系を例に、光検知装置１０の光検知部１０ａの温度と電位障壁について簡単に説明する。
光検知装置１０において、量子井戸層１３ａに不純物濃度Ｎｄとして不純物を添加すると、量子井戸層１３ａ中に形成される量子準位Ｅｉに捕獲される電子数ｎは、量子井戸層１３ａのポテンシャルエネルギーの幅をＬとすると、電子数ｎ＝ＮｄＬと表され、さらに、次式（２）と表すことができる。
ｎ＝４πｍｋＢＴ／ｈ２ｌｎ｛１＋（Ｅｆ−Ｅｉ／ｋＢＴ）｝・・・（２）
なお、式（２）において、ｍは電子の有効質量、ｈはプランク定数である。
この時、電位障壁Ｅｃ−Ｅｆは、
Ｅｃ−Ｅｆ＝Ｅｃ−Ｅｉ−ｋＢＴ×ｌｎ｛ｅｘｐ（ｎｈ２／４πｍｋＢＴ）−１｝・・・（３）
と表すことができる。
なお、式（２）において、ｍは電子の有効質量、ｈはプランク定数である。
この時、電位障壁Ｅｃ−Ｅｆは、
Ｅｃ−Ｅｆ＝Ｅｃ−Ｅｉ−ｋＢＴ×ｌｎ｛ｅｘｐ（ｎｈ２／４πｍｋＢＴ）−１｝・・・（３）
と表すことができる。
図２は、光検知部の電位障壁の温度依存性を示した図である。具体的には、Ｎｄ＝１×１０１６ｃｍ−３、Ｌ＝２５ｎｍ、ｍ＝０．０６７ｍ０（ｍ０：電子の静止質量）、Ｅｃ−Ｅｉ＝１３７ｍｅＶとした時の式（１）および式（３）を比較したものである。図２の式（１）によれば、例えば、図５の光検知装置１００において、量子ドット構造１０５で構成される光検知部１００ａ場合、この電位障壁Ｅｃ−Ｅｆは、温度上昇に比例して大きくなっている。一方、図２の式（３）によれば、図１の光検知装置１０において、量子ドット構造１５および量子井戸構造１３で構成される光検知部１０ａの電位障壁Ｅｃ−Ｅｆは、温度上昇に比例せずほぼ一定であることがわかる。
図３は、光検知装置の伝導帯電位分布の模式図である。図３は、図１のＹ−Ｙ’のフェルミ準位を基準とした伝導帯電位分布を模式的に表しており、量子ドット１５ａのポテンシャルエネルギー１５ｂ、量子井戸層１３ａのポテンシャルエネルギー１３ｂ、Ｅｆ、Ｅｃ１およびＥｃ２がそれぞれ示されている。禁制帯幅が埋め込み層１２，１４よりも小さい量子井戸層１３ａを設けることにより、高温時に電子が超えなくてはならない電位障壁Ｅｃ２−Ｅｆの高さが、量子ドット構造１０５で構成される光検知部１００ａの電位障壁の高さと比べて低下する。
以上のことから、光検知装置１０は、量子ドット構造１５と、埋め込み層１２，１４と禁制帯幅が埋め込み層１２，１４よりも小さい量子井戸層１３ａを有する量子井戸構造１３と、を光検知部１０ａに設けることによって、埋め込み層１４における電位障壁が小さくなる。すなわち、光検知部１０ａの量子ドット構造１５の光吸収により、光エネルギーを得て、励起された電子が光電流として放出される過程において、電子が超えなくてはならない電位障壁の温度依存性が小さくなり、高温環境下での使用においても、光検知装置１０の光検知の感度の低下を防ぐことが可能となる。
なお、ここでは、動作時に積層面に垂直方向下向きに電子を流す場合の構成を例にして述べたが、積層面に垂直方向上向きに電子を流す場合では、上述の積層との順序が逆となる。すなわち、下から順に、量子ドット構造１５および量子井戸構造１３を形成するように構成する。
次に、光検知装置について具体的に説明する。
図４は、光検知装置の要部断面模式図である。
図４に示す光検知装置５０は、光検知部５０ａが量子井戸構造５５と量子ドット構造５７の組み合わされた構造が複数回積層されることにより構成されている。なお、図４は光検知装置５０の積層面に垂直方向下向きに電子を流す場合の構成を図示している。
図４は、光検知装置の要部断面模式図である。
図４に示す光検知装置５０は、光検知部５０ａが量子井戸構造５５と量子ドット構造５７の組み合わされた構造が複数回積層されることにより構成されている。なお、図４は光検知装置５０の積層面に垂直方向下向きに電子を流す場合の構成を図示している。
光検知装置５０は、ＧａＡｓ基板５１上にＧａＡｓ緩衝層５２が形成され、ＧａＡｓ緩衝層５２上にＧａＡｓ下部コンタクト層５３が形成され、ＧａＡｓ下部コンタクト層５３上に、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）埋め込み層５４、ＧａＡｓ量子井戸層５５ａおよびＡｌＧａＡｓ埋め込み層５６を有する量子井戸構造５５が形成され、量子井戸構造５５上に、インジウム砒素（ＩｎＡｓ）量子ドット５７ａおよびＡｌＧａＡｓ埋め込み層５８を有する量子ドット構造５７が形成され、この量子井戸構造５５と量子ドット構造５７の組み合わされた構造が複数回形成され、量子ドット構造５７上に、ＧａＡｓ上部コンタクト層５９が形成されることで構成されている。このような構成の光検知装置５０は、例えば、次のようにして形成される。
まず、ＧａＡｓ基板５１上に、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法により、ＧａＡｓ緩衝層５２、ＧａＡｓ下部コンタクト層５３を順次形成する。この時、各層の膜厚が、ＧａＡｓ緩衝層５２では１００ｎｍ、ＧａＡｓ下部コンタクト層５３では５００ｎｍとなるように形成する。また、ＧａＡｓ下部コンタクト層５３の不純物濃度が１×１０１８ｃｍ−３となるように、シリコン（Ｓｉ）をＧａＡｓ下部コンタクト層５３にドーピングする。
続いて、ＧａＡｓ下部コンタクト層５３上に、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層５４、ＧａＡｓ量子井戸層５５ａおよびＡｌＧａＡｓ埋め込み層５６を、ＭＢＥ法を用いて、基板温度５８０℃で、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層５４，５６の膜厚が１２．５ｎｍおよびアルミニウム（Ａｌ）組成は１５％、およびＧａＡｓ量子井戸層５５ａの膜厚が２５ｎｍとなるように成長させ、量子井戸構造５５を形成する。なお、ＧａＡｓ量子井戸層５５ａは、上述の光検知装置の動作構成にて説明した通り、禁制帯幅がＡｌＧａＡｓ埋め込み層５４，５６よりも小さい禁制帯幅を有するようにする。
続いて、量子井戸構造５５上に、ＩｎＡｓを材料として、ＳＫ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｎｏｔａｖ）成長を用いて、供給速度を０．１分子層毎秒、総供給量２．３分子層相当を基板温度５００℃で供給し、ＩｎＡｓ量子ドット５７ａを形成する。形成されたＩｎＡｓ量子ドット５７ａの形状は、同じ成長条件の試料で評価したところでは、高さが６．５ｎｍ、横が３５ｎｍの形状であった。次いで、ＩｎＡｓ量子ドット５７ａ上に埋め込み層として、ＭＢＥ法を用いて、基板温度５８０℃として、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層５８をその膜厚１２．５ｎｍおよびＡｌ組成が１５％となるように形成し、量子ドット構造５７が構成される。
続いて、量子井戸構造５５と量子ドット構造５７の組み合わされた構造を所望の回数、例えば、１０回繰り返し形成することにより、多層量子ドット構造を形成する。
最後に、多層量子ドット構造の最上層上に、ＧａＡｓ上部コンタクト層５９を膜厚が５０ｎｍ形成することにより、光検知装置５０が作製される。
最後に、多層量子ドット構造の最上層上に、ＧａＡｓ上部コンタクト層５９を膜厚が５０ｎｍ形成することにより、光検知装置５０が作製される。
このように作製された光検知装置５０に、公知半導体プロセス技術を用いて、必要な電極などを形成することにより、光検知装置５０を有する光検知器を作製することができる。
上記のような構成を有する光検知装置５０によれば、量子ドット構造５７を複数回積層することにより光検知の感度を上げることができると共に、光検知部５０ａに量子ドット構造５７と量子井戸構造５５を設けることによって、埋め込み層におけるフェルミ準位の温度依存性を小さくすることができる。すなわち、光吸収によって光のエネルギーを得た電子が量子ドット構造から放出される過程において、電子が超えなくてはならない電位障壁の高さの温度依存性が小さくなるため、光検知部５０ａが高温時の光検知の感度の低下を防ぐことが可能となる。その結果、比較的高い動作温度において高性能かつ信頼性の高い光検知装置が実現可能となる。
なお、上記の光検知装置５０の構成の説明において、結晶成長法として、ＭＢＥ法を例に説明したが、その他の公知結晶成長法として、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などを用いても同様の効果を得ることができる。また、ＧａＡｓ緩衝層５２、ＧａＡｓ下部，上部コンタクト層５３，５９、ＧａＡｓ量子井戸層５５ａ、ＡｌＧａＡｓ埋め込み層５４，５６，５８およびＩｎＡｓ量子ドット５７ａについては、例えば、ＩｎＡｓ量子ドット５７ａでは、ＩｎＡｓの代わりに、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）を用いるなど、光検知装置５０の設計に応じて、材料、膜厚および不純物濃度などを適宜変化させることが可能である。
１０ 光検知装置
１０ａ 光検知部
１１ 半導体基板
１２，１４，１６ 埋め込み層
１３ 量子井戸構造
１３ａ 量子井戸層
１５ 量子ドット構造
１５ａ 量子ドット
１０ａ 光検知部
１１ 半導体基板
１２，１４，１６ 埋め込み層
１３ 量子井戸構造
１３ａ 量子井戸層
１５ 量子ドット構造
１５ａ 量子ドット
Claims (10)
- 量子ドットを有する光検知装置において、
第１の埋め込み層と、前記第１の埋め込み層によって埋め込まれた量子ドットと、を有する量子ドット構造と、
動作時に、前記量子ドット構造に対して垂直方向に流れる電子の前記量子ドット構造下流側に形成され、第２，第３の埋め込み層と、前記第２，第３の埋め込み層に挟まれ、禁制帯幅が前記第２，第３の埋め込み層よりも小さい量子井戸層と、を有する量子井戸構造と、
を有することを特徴とする光検知装置。 - 前記量子ドット構造と、前記量子井戸構造と、を交互に複数回積層することを特徴とする請求項１記載の光検知装置。
- 前記第１，第２，第３の埋め込み層に、アルミニウムガリウム砒素を用いることを特徴とする請求項１記載の光検知装置。
- 前記量子ドットに、インジウム砒素またはインジウムガリウム砒素を用いることを特徴とする請求項１記載の光検知装置。
- 前記量子井戸層に、ガリウム砒素を用いることを特徴とする請求項１記載の光検知装置。
- 量子ドットを有する光検知装置の製造方法において、
第１の埋め込み層と、前記第１の埋め込み層によって埋め込まれた量子ドットと、を有する量子ドット構造を形成する工程と、
動作時に、前記量子ドット構造に対して垂直方向に流れる電子の前記量子ドット構造下流側に形成され、第２，第３の埋め込み層と、前記第２，第３の埋め込み層に挟まれ、禁制帯幅が前記第２，第３の埋め込み層よりも小さい量子井戸層と、を有する量子井戸構造を形成する工程と、
を有することを特徴とする光検知装置の製造方法。 - 前記量子ドット構造と、前記量子井戸構造と、を交互に複数回積層することを特徴とする請求項６記載の光検知装置の製造方法。
- 前記第１，第２，第３の埋め込み層に、アルミニウムガリウム砒素を用いることを特徴とする請求項６記載の光検知装置の製造方法。
- 前記量子ドットに、インジウム砒素またはインジウムガリウム砒素を用いることを特徴とする請求項６記載の光検知装置の製造方法。
- 前記量子井戸層に、ガリウム砒素を用いることを特徴とする請求項６記載の光検知装置の製造方法。
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