JP2008227323A - 光検知器およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】障壁層12a上に形成された量子ドット11と、量子ドット11の上面を覆うように形成された障壁層12bとを有する量子ドット層13と、動作時に、量子ドット層13に対して垂直方向に流れる電流の量子ドット層13下流側に向かって、第1の導電型の不純物がドープされた不純物層16と、アンドープまたは第2の導電型の不純物がドープされた低濃度不純物層15と、第2の導電型と同型であって、低濃度不純物層15よりも高濃度の不純物がドープされた導電層14と、を順に有する導電構造17と、で構成されて、導電層14と障壁層12bとの電位障壁の高さが温度に依存するようになる。
【選択図】図1
Description
図6は、量子ドットおよびそれを用いた光検出原理の模式図である。図6(A)では、量子ドット100を、図6(B)では、量子ドット100が光101を検知する原理を模式的に示している。
この時、量子ドット100のエネルギーポテンシャルは、図6(B)に示すように、例えば、量子井戸100bの量子閉じ込め準位100cに存在する電子100aが、光101からエネルギーを受けて、励起し、ポテンシャル100dを飛び越えて、流れ出し、電流が発生する。この励起した電子100aによる電流を計ることによって、光を検知することができる。
図7は、暗電流を低減させる一般的な量子ドットを利用した光検知器の模式図であって、図8は、暗電流を低減させる一般的な量子ドットを利用した光検知器の原理図および暗電流の温度依存性を示すグラフである。
この光検知器200の電位分布について模式的に示したものが図8(A)である。左から、導電層の電位201a、障壁層の電位203ba、量子ドットの電位202aおよび障壁層の電位203aaを示している。さらに、導電層の電位201aおよび量子ドットの量子閉じ込め準位205aには電子204b,204aがそれぞれ存在しており、電子204aは、光励起されるとポテンシャルを飛び越えて流れた電流が測定されて光の検出が行われ、電子204bは、温度によって励起されて暗電流の原因となる。
さらに、暗電流Idと温度T[K]との関係を示したものが図8(B)である。ただし、図8(B)では、x軸を1/Tとし、y軸をLog[Id]として示している。
まず、本発明の概要について説明し、その後に、本発明を用いた実施の形態について説明する。
図1に示す光検知器は、入射した光によって量子ドットの電子を励起させることにより電流を発生させて、光を検知するものである。また、図2(A)は、この光検知器の電位分布、図2(B)は、光検知器の導電層と低濃度不純物層とにおけるエネルギーバンドの模式図をそれぞれ示している。
既述の通り、暗電流を低減させる一般的な量子ドットを利用した光検知器では、電位障壁の差を大きくすることによって、全体としての暗電流を低減させることは可能となったが、一方で、動作温度の変化にしたがって動作点も変化してしまい、システム全体が不安定となったことが課題であった。
この場合、図2(B)に示すように、不純物濃度Ndの低濃度不純物層におけるフェルミ準位Efの伝導帯Ec2からの深さEc2−Efは、その領域での電荷中性条件から、次の式(2)で与えられる。なお、kをボルツマン定数、Tを素子温度、Ncを材料の有効状態濃度とする。
式(2)から分かるように、低濃度不純物層の濃度が十分に低い(Nd<<Nc)場合、低濃度不純物層でのフェルミ準位は、温度が上昇するに従って深くなる。これは言い換えると、このような低濃度不純物層を導電層と障壁層との間に挟みこむように形成すると、導電層からみて障壁層に向かって、低濃度不純物層の伝導帯の電位を押し上げようとすることを意味している。
Ea∝[材料の組合せによる電位障壁]+kTln(Nc/Nd)・・・式(3)
したがって、例えば、温度上昇に対しては電位障壁の差Eaを大きくする方向、つまり電流の増加を抑える方向に作用することとなる。
図3は、本発明および一般的な量子ドットを利用した光検知器における暗電流の素子温度依存性を示したグラフである。
図4は、本実施の形態における製造途中の光検知器を示した断面模式図、図5は、本実施の形態における光検知器を示した断面模式図である。
まず、基板として形成したGaAs基板31上に、周知の結晶成長技術、例えば、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法によって、GaAs緩衝層32、GaAs下部電極層33を順に積層させる。なお、GaAs緩衝層32、GaAs下部電極層33の膜厚はそれぞれ100nmおよび500nmとする。また、GaAs下部電極層33は、不純物として、例えば、シリコン(Si)(濃度1×1018cm-3)がドープされている。
そして、最後に、この光検知器30に周知の半導体プロセス技術を用いて必要な電極39a,39bなどを形成することにより、図5に示す、光検知器30aが形成される。
また、障壁層として、AlGaAsを用いたが、この代わりに、GaAsを用いても同様の効果を得ることができる。
以上のように、導電層と障壁層との間に、導電層と同じ導電型で低濃度の不純物がドープされた低濃度不純物層と、低濃度不純物層と異なる導電型の不純物層とを導入することによって、導電層と障壁層との電位障壁の高さを素子の動作温度変化に追随させて、温度変化による暗電流の増減を補償させて、光検知器の暗電流の温度変化に対する安定性を改善させることができる。
第1の障壁層と、
前記第1の障壁層上に形成された前記量子ドットと、前記量子ドットの上面を覆うように形成された第2の障壁層とを有する量子ドット層と、
動作時に、前記量子ドット層に対して垂直方向に流れる電流の前記量子ドット層下流側に向かって、第1の導電型の不純物がドープされた不純物層と、アンドープまたは第2の導電型の不純物がドープされた低濃度不純物層と、前記第2の導電型と同型であって、前記低濃度不純物層よりも高濃度の不純物がドープされた導電層と、を順に有する導電構造と、
を有することを特徴とする光検知器。
(付記4) 前記第1および前記第2の障壁層、前記導電層は、アルミニウムガリウム砒素またはガリウム砒素によって形成されていることを特徴とする付記2または3に記載の光検知器。
(付記6) 前記第1の導電型の不純物はベリリウムであることを特徴とする付記1乃至5に記載の光検知器。
(付記8) 前記低濃度不純物層に代わって、新たに、前記第2の導電型の不純物種によって形成されていることを特徴とする付記1乃至7に記載の光検知器。
(付記10) 前記量子ドットに代わって、新たに、量子井戸または量子細線が利用されていることを特徴とする付記1乃至9に記載の光検知器。
第1の障壁層を形成する工程と、
前記第1の障壁層上に形成された前記量子ドットと、前記量子ドットの上面を覆うように形成された第2の障壁層とを有する量子ドット層を形成する工程と、
動作時に、前記量子ドット層に対して垂直方向に流れる電流の前記量子ドット層下流側に向かって、第1の導電型の不純物がドープされた不純物層と、アンドープまたは第2の導電型の不純物がドープされた低濃度不純物層と、前記第2の導電型と同型であって、前記低濃度不純物層よりも高濃度の不純物がドープされた導電層と、を順に有する導電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器の製造方法。
11 量子ドット
12a,12b 障壁層
13 量子ドット層
14 導電層
15 低濃度不純物層
16 不純物層
17 導電構造
Claims (5)
- 量子ドットを利用した光検知器において、
第1の障壁層と、
前記第1の障壁層上に形成された前記量子ドットと、前記量子ドットの上面を覆うように形成された第2の障壁層とを有する量子ドット層と、
動作時に、前記量子ドット層に対して垂直方向に流れる電流の前記量子ドット層下流側に向かって、第1の導電型の不純物がドープされた不純物層と、アンドープまたは第2の導電型の不純物がドープされた低濃度不純物層と、前記第2の導電型と同型であって、前記低濃度不純物層よりも高濃度の不純物がドープされた導電層と、を順に有する導電構造と、
を有することを特徴とする光検知器。 - 前記量子ドット、前記第1および前記第2の障壁層、前記不純物層、前記低濃度不純物層および前記導電層は、3−5族化合物半導体によって構成されていることを特徴とする請求項1記載の光検知器。
- 前記量子ドット層が複数回積層されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光検知器。
- 前記量子ドットに代わって、新たに、量子井戸または量子細線が利用されていることを特徴とする請求項1乃至3に記載の光検知器。
- 量子ドットを利用した光検知器の製造方法において、
第1の障壁層を形成する工程と、
前記第1の障壁層上に形成された前記量子ドットと、前記量子ドットの上面を覆うように形成された第2の障壁層とを有する量子ドット層を形成する工程と、
動作時に、前記量子ドット層に対して垂直方向に流れる電流の前記量子ドット層下流側に向かって、第1の導電型の不純物がドープされた不純物層と、アンドープまたは第2の導電型の不純物がドープされた低濃度不純物層と、前記第2の導電型と同型であって、前記低濃度不純物層よりも高濃度の不純物がドープされた導電層と、を順に有する導電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器の製造方法。
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