JP2009231364A - 光半導体装置及び赤外線検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された、導電性の半導体からなる第1の電極層と、前記第1の電極層の上に形成された前記第1の光電変換層と、前記第1の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第2の電極層と、前記第2の電極層の上に形成された、第2の光電変換層と、前記第2の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第3の電極層からなる赤外線を電気信号に変換する光半導体装置において、前記第1の光電変換層が、前記半導体基板の主面に投影した形状が、第1の方向に長軸を有する第1の量子ドットから成り、前記第2の光電変換層が、前記主面に投影した形状が、前記第1の方向にに交差する第の2の方向に長軸を有する第2の量子ドットから成ること。
【選択図】図5
Description
上記の目的を達成するために、本発明の第1の側面は、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成された、導電性の半導体からなる第1の電極層と、前記第1の電極層の上に形成された前記第1の光電変換層と、前記第1の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第2の電極層と、前記第2の電極層の上に形成された、前記第2の光電変換層と、前記第2の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第3の電極層からなる、赤外線を電気信号に変換する光半導体装置において、前記第1の光電変換層が、前記半導体基板の主面に投影した形状が、第1の方向に長軸を有する第1の量子ドットから成り、前記第2の光電変換層が、前記主面に投影した形状が、前記第1の方向に交差する方向に交差する第2の方向に長軸を有するた第2の量子ドットから成ることを特徴とする。
上記の目的を達成するために、本発明の第2の側面は、第1の側面において、前記第1の光電変換層を構成する第1の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有し、前記第2の光電変換層を構成する第2の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有し、 前記第2の半導体層が、前記第1の半導体層を構成する第1の副格子の占有原子種と、前記第1の半導体層を構成する第2の副格子の占有原子種を交換した結晶構造を有することを特徴とする。
上記の目的を達成するために、本発明の第3の側面は、第1又は第2の側面において、前記第1の量子ドットの大きさ及び形状が、前記第2の量子ドットの大きさ及び形状と同じであることを特徴とする。
上記の目的を達成するために、本発明の第4の側面は、第1又は第2の側面において、前記第1及び第2の量子ドットの大きさ及び形状の何れか一方又は双方が、前記第1の量子ドットと第2の量子ドットの間で異なることを特徴とする。
上記の目的を達成するために、本発明の第5の側面は、第1乃至第3の側面において、前記第1の方向又は第2の方向にに偏光する光のみを、前記光半導体装置の光入射面に照射する偏光ユニットを具備することを特徴とする。
本実施の形態は、平面形状が楕円形の第1の量子ドットからなる第1の光電変換層と、同じく楕円形の量子ドットからなり、その長軸方向が第1の量子ドットの長軸方向と直交する第2の量子ドットからなら第2の光電変換層を具備した量子ドット赤外線光検出器(QDIP)に係わるものである。
(i)全体構成
図1は、本実施の形態に係わる量子ドット赤外線光検出器(QDIP)の構成を説明する断面図である。
図2は、第1及び第2の光電変換層26,28の構成を説明する要部断面図である。
図3は、第1及び第2の光電変換層26,28を構成する量子ドットの平面形状を説明する図である。図3(a)は、上側の光電変換層すなわち第2の光電変換層28を構成する量子ドットの平面形状である。図3(b)は、下側の光電変換層すなわち第1の光電変換層26を構成する量子ドットの平面形状である。尚、図3(b)には、量子ドット40,44が形成されている半導体層の結晶方位が図示されている。
図3(a)及び(b)に示すような楕円形の量子ドットは、成長温度を、円形の量子ドットが成長する温度500℃より低い、例えば、450℃にすることによって形成できる。これは、成長温度が低くなるほど、GaAs(100)表面のGa原子の拡散速度が、[0,1,1]方向に比べ[0,1,−1]方向が速くなるからである。
本実施の形態に係る光半導体装置(QDIP24)を構成する量子ドット構造は、必ずしも、SKモードによって形成する必要はない。例えば、電子線リソグラフィー技術とドライエッチング技術を組み合わせることによって、長手方向が直交する量子ドットを形成してもよい。
次に、図1及び図5に図示したQDIP24の動作について説明する。
図7は、第1及び第2の光電変換層26,28夫々に形成された第1及び第2の量子ドット40,44の量子準位を説明する図である。尚、両者の量子準位は、基本的には同じである。
従来のQDIP2は、入射光の偏光方向を変化させても、感度スペクトルは変化しない。
最後にQDIP24に、偏光した赤外線を入力した場合の動作について説明する。
本実施の形態は、実施の形態1の量子ドット赤外線光検出器(QDIP)と、その光入射面の前面に配置された偏光ユニット(例えば、偏光子)からなる赤外線検出装置に係るものである。本実施の形態によれば、実施の形態1に係るQDIP24によって、2波長の検出が可能な赤外線検出装置を形成することができる。
本実施の形態は、実施の形態2の偏光ユニット(偏光子)に代えて、光入射面80の反対側の主面に回折格子が設けられた量子ドット赤外線光検出器(QDIP)に係るものである。
本実施の形態は、第1及び第2の光電変換層が大きさ(又は形状)が異なる量子ドットによって構成された量子ドット赤外線光検出器(QDIP)に係る。更に、本実施の形態は、このQDIPと、その光入射面の前面に配置された、偏光方向が変更可能な偏光ユニットからなる赤外線検出装置に係るものである。
図15は、本実施の形態に係るQDIP94と、このQDIP94を用いた赤外線検出装置92の構成を説明する図である。
次に、図15を参照して、本実施の形態に係るQDIP94と、このQDIP94を用いた赤外線検出装置92の動作を説明する。
本実施の形態は、2波長λ1,λ2の検出が可能な、実施の形態1に係るQDIP24をアレイ状に配置したQDIPアレイからなる赤外線イメージセンサ(赤外線検出装置)に係るものである。
本実施の形態は、実施の形態1に係るQDIP24の製造方法に関するものである。
最初に、QDIP24となる半導体積層構造を、分子線エピタキシー法により成長する。
まず、基板温度600 ℃で、半絶縁性GaAs基板3の上に、厚さ1000 nm のn型GaAsからなる下部電極層4を成長する(図5参照)。ドーパントはSiを用い、その密度は2×1018 / cm3とする。
次に、第1の光電変換層26を成長する(図2参照)。
次に、基板温度600 ℃で、半絶縁性GaAs基板3の上に、厚さ1000 nm のn型GaAsからなる共通電極層8を成長する(図5参照)。
次に、第2の光電変換層28を、第1の光電変換層26と同じように成長する。
次に、基板温度600 ℃で、第2の光電変換層28の上に、厚さ1000 nm のn型GaAsからなる共通電極層12を成長する(図5参照)。ドーパントはSiを用い、その密度は2×1018 / cm3とする。
このように成長した半導体積層構造に対して、下部電極層4までの削掘と、共通電極層8までの削掘を行い、その後、上部電極層12、共通電極層8、下部電極層4夫々に電極を形成する。
本実施の形態は、実施の形態4に係るQDIP94の製造方法に関するものである。
6・・・第1の光電変換層(従来技術) 8・・・共通電極層
10・・・第2の光電変換層(従来技術)
12・・・上部電極層 14,16,18・・・配線
20,22・・・入射光 24・・・QDIP(実施の形態1及び2)
26・・・第1の光電変換層 28・・・第2の光電変換層
30,34,38・・・中間層 32,36・・・量子ドット
35・・・第1層目の量子ドット層
40・・・第1の量子ドット
42・・・量子ドットの長軸方向(第1の光電変換層)
44・・・第2の量子ドット
46・・・量子ドットの長軸方向(第2の光電変換層)
48・・・空間反転前のGaAs 50・・・空間反転後のGaAs
52・・・挿入層 54・・・Ga原子 56・・・As原子
58・・・Si原子
61・・・量子ドットの長軸 62・・・量子ドットの短軸
64・・・[0,1,−1]方向の閉じ込めに基づく量子準位
66・・・[0,1,1]方向の閉じ込めに基づく量子準位
68・・・基底準位 70・・・電子 72・・・感度スペクトル
74・・・(偏光した)入射光 76・・・入射光の偏光方向
78・・・入射光 80・・・光入射面
82・・・第1の赤外線(波長λ1) 84・・・第2の赤外線(波長λ2)
86・・・赤外線検出装置(実施の形態2)
88・・・偏光ユニット
90・・・偏光ユニットを通過した赤外線
91・・・QDIP(実施の形態3)
92・・・赤外線検出装置(実施の形態4)
93・・・回折格子 93´・・・偏光子
94・・・QDIP(実施の形態4)
95・・・赤外線の進行方向
96・・・偏光方向が変更可能な偏光ユニット
97・・・赤外線の電界成分の方向
98・・・第1の光電変換層(実施の形態4)
100・・・第2の光電変換層(実施の形態4)
102・・・偏光子の中心軸 104・・・入射光(赤外線)
106・・・[0,1,1]方向に偏光した第1の赤外線
108・・・[0,1,−1]方向に偏光した第2の赤外線
110・・・赤外線イメージセンサ 111・・・QDIPアレイ
112・・・画像信号生成ユニット 113・・・信号読出回路
114・・・画素部 116・・・垂直シフトレジスタ
118,122・・・スイッチ 120・・・水平シフトレジスタ
124・・・キャパシタ 126・・・MOSトランジスタ
128・・・接地配線 130・・・ソース
132・・・インジウムバンプ
Claims (5)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成された、導電性の半導体からなる第1の電極層と、
前記第1の電極層の上に形成された前記第1の光電変換層と、
前記第1の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第2の電極層と、
前記第2の電極層の上に形成された、第2の光電変換層と、
前記第2の光電変換層の上に形成された、導電性の半導体からなる第3の電極層からなる、
赤外線を電気信号に変換する光半導体装置において、
前記第1の光電変換層が、前記半導体基板の主面に投影した形状が、第1の方向に長軸を有する第1の量子ドットから成り、
前記第2の光電変換層が、前記主面に投影した形状が、前記第1の方向に交差する第2の方向に長軸を有する第2の量子ドットから成ることを
特徴とする光半導体装置。 - 請求項1に記載の光半導体装置において、
前記第1の光電変換層を構成する第1の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有し、
前記第2の光電変換層を構成する第2の半導体層が、セン亜鉛鉱構造からなる面心立方構造を有し、
前記第2の半導体層が、
前記第1の半導体層を構成する第1の副格子の占有原子種と、前記第1の半導体層を構成する第2の副格子の占有原子種を交換した結晶構造を有することを
特徴とする光半導体装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の光半導体装置において、
前記第1の量子ドットの大きさ及び形状が、前記第2の量子ドットの大きさ及び形状と同じであることを
特徴とする光半導体装置。 - 請求項1又は請求項2に記載の光半導体装置において、
前記第1及び第2の量子ドットの大きさ及び形状の何れか一方又は双方が、前記第1の量子ドットと第2の量子ドットの間で異なることを
特徴とする光半導体装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の光半導体装置と、
前記第1の方向又は第2の方向に偏光する光のみを、前記光半導体装置の光入射面に照射する偏光ユニットを具備した
赤外線検出装置。
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