JP2007324432A - 量子ドット光半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 量子ドット光半導体素子に関し、光吸収用量子ドットのサイズを変更することなく、キャリアの捕獲効率を高める。
【解決手段】 第１の量子ドット１による層から中間層３を隔てて、第１の量子ドット１より横幅が大きく第１の量子ドット１のキャリアに対するエネルギーポテンシャルよりも高いエネルギーポテンシャルを持つ第２の量子ドット２による層を配置し、第１の量子ドット１による層と第２の量子ドット２による層の間隔が第１の量子ドット１の歪みの影響により中間層３の格子間隔が変化している範囲以内とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は量子ドット光半導体素子に関するものであり、特に、量子ドットを赤外線吸収部とする量子ドット型赤外線検出器における量子ドットによるキャリアの捕獲効率を向上させるための構成に特徴のある量子ドット光半導体素子に関するものである。

現在、入射した光を吸収した場合に流れる電流を捕えることによって光を検知する光検知器において、量子井戸層を利用した量子井戸型赤外線検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＱＷＩＰ）と３次元的にキャリアを閉じ込めることができる量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検出器（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＱＤＩＰ）とが注目されている。

このうち、量子井戸型赤外線検出器は、垂直入射光を吸収できないため、垂直入射光を吸収できる量子ドット型赤外線検出器の研究が精力的に行われている（例えば、特許文献１参照）。

この量子ドット型赤外線検知器は、半導体結晶層（以下、中間層）の中に量子ドットを埋め込んだ層を２つの電極層の間に挟んだ構造を持ち、量子ドット内に閉じ込められた電子が赤外線を吸収し、量子ドットから脱出して電流、即ち、光電流となることで、赤外線を電気信号に変換して検知しているので、ここで、図８を参照して、従来のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子を説明する。

図８参照
図８は従来のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子の断面図であり、まず、ＧａＡｓ基板３１上にＧａＡｓバッファ層３２を介してｎ型ＧａＡｓコンタクト層３３及びＧａＡｓ中間層３４を設けたのち、ＭＢＥ法を用いてＩｎ及びＡｓを供給する。

この時、半導体層構造における格子歪を利用したストランスキー−クラスタノフ（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ）結晶成長モードによる自己形成現象により、まず、成長初期においてＧａＡｓバッファ層３２の結晶構造を引き継いだ形でＩｎＡｓ濡れ層３５が成長する。

さらに供給を続けると、下地材料との格子定数の違いによる歪のエネルギーを緩和するため、この面状の構造から再配列を起こして３次元的なＩｎＡｓ量子ドット３６が形成される（例えば、非特許文献１参照）。

次いで、ＩｎＡｓの供給を停止してＧａＡｓを供給することによって、ＧａＡｓ中間層３７を成長させてＩｎＡｓ量子ドット３６を埋め込む。
この様な積層工程を繰り返すことによって、中間層を介して多数の量子ドットを積み重ね、最後に、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層３８を設けている。

図９参照
図９は、量子ドット構造を示すバンドダイヤグラムであり、このＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子では、キャリアのエネルギーに対してＧａＡｓ中間層３４及びＧａＡｓ中間層３７がポテンシャル障壁、ＩｎＡｓ量子ドット３６がポテンシャル井戸として作用し、ＩｎＡｓ量子ドット３６内部に離散的に量子準位、即ち、基底準位３９と第１励起準位４０が形成される。

形成された量子準位間のエネルギー差に相当する光が入射した場合、キャリアが励起され信号電流として検出される。
また、赤外線を吸収して電子を放出した量子ドットは、新たに電子を捕獲して量子ドット内に電子を閉じ込めた状態になるまで、赤外線を吸収しなくなるが、結晶中を流れている電子の一部が量子ドットに捕獲されることで再び赤外線を吸収するようになる。

しかし、赤外線が入射していないときにも流れる電流、即ち、暗電流が存在し、検出器としての信号雑音比（ＳＮ）性能は概ね光電流／暗電流で表現できるため、光電流の増大や暗電流の低減によってＳＮ性能を向上させることが赤外線検知器に求められている。
特開平１０−２５６５８８号公報

しかし、量子ドットが捕獲できるのはその量子ドットを通る電子に限られ、一部の電子は量子ドットを通らないために、量子ドットによる捕獲に関与しない電子が存在し、これは暗電流を構成することになる。
例えば、図８において、量子ドット間をすり抜けて流れる電子は暗電流となる。

このような状況の中で、より多くの電子が量子ドットを通るようにすることができれば、量子ドットによる電子の捕獲が促進され、捕獲された電子が基底準位まで緩和することで赤外線を吸収できる量子ドットが増えて光電流が増大することになる。

量子ドットを通る電子の量は量子ドットの電流の向きに対する断面積で決まり、断面積が大きい方により多くの電子が通るため、図８に示したように、量子ドットの成長方向に平行に電流が流れる構造の量子ドット型赤外線検知器では、この断面積は量子ドットの横幅で決まる。

このため、量子ドットの横幅を大きくすればより多くの電子が量子ドットを通ることになり、光電流を増大させられると考えられるが、量子ドットの横幅は検知すべき赤外線の波長によって決まるため、自由には大きさを変えられないという問題がある。

したがって、本発明は、光吸収用量子ドットのサイズを変更することなく、キャリアの捕獲効率を高めることを目的とする。

図１は本発明の原理的構成図であり、また、図２乃至図４は、キャリア捕獲効率改善の説明図であり、ここで図１乃至図４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、中間層３，４と中間層３，４よりもバンドギャップの小さい複数の量子ドットによる層とを交互に積層した構造を有する量子ドット光半導体素子であって、第１の量子ドット１による層から中間層３を隔てて、第１の量子ドット１より横幅が大きく第１の量子ドット１のキャリアに対するエネルギーポテンシャルよりも高いエネルギーポテンシャルを持つ第２の量子ドット２による層を配置し、第１の量子ドット１による層とその上に設けた第２の量子ドット２による層の間隔が第１の量子ドット１の歪みの影響により中間層３の格子間隔が変化している範囲以内であることを特徴とする。

この場合、第２の量子ドット２が電子８を集める漏斗のような役割を果たし、第２の量子ドット２を通った電子８が陽極方向へ流れ第１の量子ドット１を通るようになる。
この際、より横幅の大きい第２の量子ドット２を通った電子８が第１の量子ドット１を通るため、第１の量子ドット１の電子捕獲が促進され、赤外線を吸収できる第１の量子ドット１の数は増えて光電流が増大することになる。

ここで、図２乃至図４を参照して、３つのキャリア捕獲機構を説明する。
図２参照
まず、より横幅の広い第２の量子ドット２が電子８を捕獲し、捕獲された電子８が第１の量子ドット１までトンネル効果で移動し、その結果、電子８は第１の量子ドット１に捕獲されることになる。

図３参照
或いは、第２の量子ドット２が電子８を捕獲すると、捕獲された電子８は第２の量子ドット２の基底準位７まで緩和するが、基底準位７においては電子８の存在確率は中央部が最も高いため、電子８は第２の量子ドット２の中央へ移動する。
その後、熱的な励起などにより電子８が第２の量子ドット２から脱出すると、陽極方向にある第１の量子ドット１を通過して第１の量子ドット１で捕獲されることになる。

図４参照
或いは、第１の量子ドット１及び第２の量子ドット２の近傍では量子ドット材料が中間層３，４に拡散するため、伝導帯端のエネルギーが低くなり、電子８はエネルギーの低くなった拡散領域９，１０に誘導されるため漏斗のように働く。

いづれにしても、上述の３つのキャリア捕獲機構のいずれか或いはこれらの総和作用或いは相乗作用によって、第２の量子ドット２は第１の量子ドット１に対して漏斗のように作用するため、電子８の捕獲効率が高まる。
なお、図１の下図に示すように、第２の量子ドット２のキャリアに対するエネルギーポテンシャルが第１の量子ドット１のキャリアに対するエネルギーポテンシャルよりも高いため、即ち、第２の量子ドット２の伝導帯端が第１の量子ドット１の基底準位７よりも高いため、第１の量子ドット１から第２の量子ドット２への電子８の移動は無視できる。

この場合、第１の量子ドット１による層とその上に設けた第２の量子ドット２による層の間隔は、結晶歪みの影響が中間層３の表面に表れる２５ｎｍ以下であることが望ましく、それによって、第２の量子ドット２を第１の量子ドット１の直上に形成することができる（例えば、非特許文献１参照）。

また、第１の量子ドット１の材料の格子定数ａ_dot1と第２の量子ドット２の材料の格子定数ａ_dot2との差は、第２の量子ドット２の材料の格子定数ａ_dot2と中間層３の材料の格子定数ａ_inとの差よりも小さくすることが望ましく、即ち、
｜ａ_dot1−ａ_dot2｜＜｜ａ_dot2−ａ_in｜
とすることが望ましく、それによって、第２の量子ドット２を第１の量子ドット１の直上に形成することができる。

この場合の第１の量子ドット１の構成材料としては、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、或いは、ＩｎＧａＡｓが典型的なものであり、また、第２の量子ドット２の構成材料としては、ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓが典型的なものである。

また、中間層３，４と第１の量子ドット１による層と第２の量子ドット２による層による構造を繰り返し積層することが望ましく、それによって、光出力を大きくすることができる。

この場合、第２の量子ドット２による層とその上に設けた第１の量子ドット１による層の間隔は２５ｎｍ以上にすることが望ましく、それによって、中間層４の表面に歪みの影響が有意に表れることがなく、その上に形成される第１の量子ドット１は第２の量子ドット２に対してランダムな位置に形成され、下層の第１の量子ドット１と投影的に重なることが少なくなるので、この点でも電子の捕獲効率は高まることになる。

また、量子ドット光半導体素子としては発光素子も含むものであるが、典型的には、第１の量子ドット１を赤外線吸収部とする赤外線検出器（ＱＤＩＰ）が典型的なものである。

本発明によれば、キャリアに対して漏斗的な作用をする第２の量子ドットを設けているので、第１の量子ドットのサイズを変更することなくキャリア捕獲効率を向上することができ、それによって、赤外線検出器における光電流が増大し、ＳＮ性能を向上することができる。
Ｑｉａｎｇｈｕａ Ｘｉｅ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ ．Ｌｅｔｔ．，７５，ｐ．２５４２，１９９５

本発明は、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、或いは、ＩｎＧａＡｓ等からなり光吸収部となる第１の量子ドットによる層から中間層を隔てて、第１の量子ドットより横幅が大きく第１の量子ドットのキャリアに対するエネルギーポテンシャルよりも高いエネルギーポテンシャルを持つＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓ等からなりキャリア捕獲部となる第２の量子ドットによる層を配置し、第１の量子ドットによる層と第２の量子ドットによる層の間隔を第１の量子ドットの歪みの影響により中間層の格子間隔が変化している範囲以内、例えば、２５ｎｍ以内とすることによって、第１の量子ドットの直上に第２の量子ドットを設けたものである。

ここで、図５乃至図７を参照して、本発明の実施例１のＱＤＩＰを説明する。
図５参照
まず、分子線エピタキシー法を用いて半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上に下部電極となる厚さが、例えば、１０００ｎｍでＳｉ濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＧａＡｓ層１２を例えば、６００℃の基板温度で成長させる。

次いで、中間層となる厚さが、例えば、１００ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層１３を成長する。
このｉ型ＧａＡｓ層１３を成長する間に基板温度を量子ドット成長に適した温度、例えば５００℃に低下させる。

次いで、例えば０．１ＭＬ（分子層）／秒の材料供給速度で、ＩｎＡｓを２．５ＭＬ分供給することによって赤外線検出部を構成する直径が例えば、２０ｎｍ程度のＩｎＡｓ量子ドット１４を形成する。

この際、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモード成長によれば、ＩｎＡｓをある程度の量を供給することによりＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増し、ＩｎＡｓが３次元成長をしてＩｎＡｓ量子ドット１４が形成されることになる。

次いで、中間層となる厚さが、２５ｎｍ以下、例えば、２０ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層１５によってＩｎＡｓ量子ドット１４を埋め込む。
このｉ型ＧａＡｓ層１５の厚さが２５ｎｍ以内であるとき、量子ドットを構成するＩｎＡｓと中間層を構成するＧａＡｓの格子定数の違いによる歪が表面にまで影響し、この部分の格子間隔が量子ドットの格子定数に近くなる方向に変化する。

図６参照
次いで、例えば０．１ＭＬ（分子層）／秒の材料供給速度で、Ｉｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓとなる組成比の材料を１０ＭＬ分供給することによってＩｎＡｓ量子ドット１４より水平方向の面積が大きくなるように、例えば、直径が４０ｎｍ程度の電子捕獲用のＩｎＧａＡｓ量子ドット１７を形成する。

この場合、表面エネルギーと歪エネルギーの和が最小となるように、中間層となるｉ型ＧａＡｓ層１５の歪んだ領域１６上、即ち、ＩｎＡｓ量子ドット１４の真上にＩｎＧａＡｓ量子ドット１７が形成されるので、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１７がＩｎＡｓ量子ドット１４を投影的に覆うようになる。

次いで、中間層となる厚さが、例えば、１００ｎｍのｉ型ＧａＡｓ層１８を成長させて、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１７を埋め込む。

図７参照
以降は、全体で必要とする積層数、例えば、５０周期以下、例えば、全体で４周期の積層数とするために、ＩｎＡｓ量子ドット１４の形成工程、ｉ型ＧａＡｓ層１５の形成工程、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１７の形成工程、及び、ｉ型ＧａＡｓ層１８の形成工程を３回繰り返す。
この時、最後のｉ型ＧａＡｓ層１８を形成する間に基板温度を上部電極層材料、例えばＧａＡｓの成長に適した温度、例えば、６００℃に上昇させる。

引き続き、上部電極層となる厚さが、例えば、１０００ｎｍで、Ｓｉ濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＧａＡｓ層１９を成長させる。

次いで、例えば、ドライエッチングを用いて下部電極層となるｎ型ＧａＡｓ層１２に達するまでメサエッチングを行ったのち、例えば、金属蒸着法を用いて例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ構造の下部電極２０及び上部電極２１を形成することによって、本発明の実施例１のＱＤＩＰの基本構成が完成する。

このＱＤＩＰに対して、下部電極２０と上部電極２１電極との間に電源２２により電位差を加えておきその間に流れる電流を電流計２３によって計測することによって、赤外線入射時の電流変化を観測することができ、赤外線検知器として機能することになる。

このように、本発明の実施例１においては赤外線吸収用のＩｎＡｓ量子ドット１４の陰極側の直上に直径の大きな電子捕獲用のＩｎＧａＡｓ量子ドット１７を設けているので、ＩｎＡｓ量子ドット１４間を通過する電子をＩｎＧａＡｓ量子ドット１７で捕獲することができ、それによって、光電流に寄与しない暗電流を低減させることができるので、光電流を増加させてＳＮ性能を向上することができる。

また、本発明の実施例１においては、ＩｎＧａＡｓ量子ドット１７を覆うｉ型ＧａＡｓ中間層の厚さを２５ｎｍ以上にしているので、中間層の表面に歪みの影響が有意に表れることがなく、それによって、その上に形成されるＩｎＡｓ量子ドット１４はＩｎＧａＡｓ量子ドット１７に対してランダムな位置に形成され、下層のＩｎＡｓ量子ドット１４と投影的に重なることが少なくなるので、この点でも電子の捕獲効率は高まることになる。

以上、本発明の実施例を説明してきたが、本発明は実施例に記載された構成・条件等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、上記の実施例における導電型はｎ型として電子をキャリアとしているが、ｐ型で構成してホールをキャリアとしても良いものである。

また、上記の実施例においては、分子線エピタキシー法を用いて、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモードを利用して自己形成量子ドットを形成しているため、実際には濡れ層（図示は省略）を伴っているが、濡れ層は必ずしも必須のものでなく、濡れ層が形成されない成長方法を用いても良いものである。

また、上記の実施例においては第１の量子ドットをＩｎＡｓ量子ドットで構成しているが、ＩｎＡｓ量子ドットに限られるものではなく、ＩｎＧａＡｓ量子ドット或いはＩｎＡｌＡｓ量子ドットとしても良いものである。

また、上記の実施例においては第２の量子ドットをＩｎＧａＡｓ量子ドットで構成しているが、ＩｎＧａＡｓ量子ドットに限られるものではなく、赤外線吸収部となるＩｎＡｓ量子ドットのキャリアに対するエネルギーポテンシャルよりも高いエネルギーポテンシャルを持つものであれば良く、例えば、ＩｎＡｌＡｓ量子ドットとしても良いものである。

また、上記の実施例においては基板としてＧａＡｓを用いているが、ＧａＡｓに限られるものではなく、ＩｎＧａＡｓ基板等の混晶基板或いはＩｎＰ基板等の他の基板を用いても良いものである。

さらに、上記の実施例においては非ナイトライド系のIII-Ｖ族化合物半導体デバイスとして説明しているが、ＧａＮ系のIII-Ｖ族化合物半導体にも適用されるものであり、その場合には、基板としてＧａＮ、ＳｉＣ、或いは、サファイア等を用いれば良い。

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３，４と前記中間層３，４よりもバンドギャップの小さい複数の量子ドットによる層とを交互に積層した構造を有する量子ドット光半導体素子であって、第１の量子ドット１による層から前記中間層３を隔てて、前記第１の量子ドット１より横幅が大きく第１の量子ドット１のキャリアに対するエネルギーポテンシャルよりも高いエネルギーポテンシャルを持つ第２の量子ドット２による層を配置し、第１の量子ドット１による層とその上に設けた第２の量子ドット２による層の間隔が第１の量子ドット１の歪みの影響により中間層３の格子間隔が変化している範囲以内であることを特徴とする量子ドット光半導体素子。
（付記２） 上記第１の量子ドット１による層とその上に設けた第２の量子ドット２による層の間隔が、２５ｎｍ以下であることを特徴とする付記１記載の量子ドット光半導体素子。
（付記３） 上記第１の量子ドット１の材料の格子定数と上記第２の量子ドット２の材料の格子定数との差が、前記第２の量子ドット２の材料の格子定数と前記中間層３の材料の格子定数との差よりも小さいことを特徴とする付記１または２に記載の量子ドット光半導体素子。
（付記４） 上記第１の量子ドット１が、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、或いは、ＩｎＧａＡｓのいずれかから構成され、また、上記第２の量子ドット２が、ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓから構成されることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１に記載の量子ドット光半導体素子。
（付記５） 上記中間層３，４と上記第１の量子ドット１による層と上記第２の量子ドット２による層による構造が繰り返し積層されていることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の量子ドット光半導体素子。
（付記６） 上記第２の量子ドット２による層とその上に設けた第１の量子ドット１による層の間隔が、２５ｎｍ以上であることを特徴とする付記５記載の量子ドット光半導体素子。
（付記７） 上記第１の量子ドット１が赤外線吸収部を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光半導体素子。

本発明の活用例としては、ＱＤＩＰが典型的なものであるが、半導体レーザや発光ダイオード等の発光素子にも適用されるものである。

本発明の原理的構成の説明図である。 第１のキャリア捕獲機構の説明図である。 第２のキャリア捕獲機構の説明図である。 第３のキャリア捕獲機構の説明図である。 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。 本発明の実施例１のＱＤＩＰの図５以降の途中までの製造工程の説明図である。 本発明の実施例１のＱＤＩＰの図６以降の製造工程の説明図である。 従来のＩｎＡｓ／ＧａＡｓ系ＱＤＩＰ素子の断面図である。 量子ドット構造を示すバンドダイヤグラムである。

符号の説明

１ 第１の量子ドット
２ 第２の量子ドット
３ 中間層
４ 中間層
５ 下部電極層
６ 上部電極層
７ 基底準位
８ 電子
９ 拡散領域
１０ 拡散領域
１１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型ＧａＡｓ層
１３ ｉ型ＧａＡｓ層
１４ ＩｎＡｓ量子ドット
１５ ｉ型ＧａＡｓ層
１６ 歪んだ領域
１７ ＩｎＧａＡｓ量子ドット
１８ ｉ型ＧａＡｓ層
１９ ｎ型ＧａＡｓ層
２０ 下部電極
２１ 上部電極
２２ 電源
２３ 電流計
３１ ＧａＡｓ基板
３２ ＧａＡｓバッファ層
３３ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
３４ ＧａＡｓ中間層
３５ ＩｎＡｓ濡れ層
３６ ＩｎＡｓ量子ドット
３７ ＧａＡｓ中間層
３８ ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
３９ 基底準位
４０ 第１励起準位

Claims (5)

1. 中間層と前記中間層よりもバンドギャップの小さい複数の量子ドットによる層とを交互に積層した構造を有する量子ドット光半導体素子であって、第１の量子ドットによる層から前記中間層を隔てて、前記第１の量子ドットより横幅が大きく第１の量子ドットのキャリアに対するエネルギーポテンシャルよりも高いエネルギーポテンシャルを持つ第２の量子ドットによる層を配置し、第１の量子ドットによる層とその上に設ける第２の量子ドットによる層の間隔が第１の量子ドットの歪みの影響により中間層の格子間隔が変化している範囲以内であることを特徴とする量子ドット光半導体素子。
2. 上記第１の量子ドットによる層とその上に設ける第２の量子ドットによる層の間隔が、２５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の量子ドット光半導体素子。
3. 上記第１の量子ドットの材料の格子定数と上記第２の量子ドットの材料の格子定数との差が、前記第２の量子ドットの材料の格子定数と前記中間層の材料の格子定数との差よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の量子ドット光半導体素子。
4. 上記第１の量子ドットが、ＩｎＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、或いは、ＩｎＧａＡｓのいずれかから構成され、また、上記第２の量子ドットが、ＩｎＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓから構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の量子ドット光半導体素子。
5. 上記第１の量子ドットが赤外線吸収部を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光半導体素子。

Images