JP2011077467A - 赤外線検出素子、赤外線検出装置及び赤外線検出素子の製造方法 - Google Patents
赤外線検出素子、赤外線検出装置及び赤外線検出素子の製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011077467A JP2011077467A JP2009230173A JP2009230173A JP2011077467A JP 2011077467 A JP2011077467 A JP 2011077467A JP 2009230173 A JP2009230173 A JP 2009230173A JP 2009230173 A JP2009230173 A JP 2009230173A JP 2011077467 A JP2011077467 A JP 2011077467A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- infrared
- light emitting
- photocurrent
- wavelength range
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 175
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 claims abstract description 56
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 43
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 23
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 22
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 131
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 47
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 41
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims description 15
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 7
- 238000002109 crystal growth method Methods 0.000 claims description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 18
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 60
- 229910000980 Aluminium gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 27
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 24
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 description 14
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 11
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 9
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 8
- 229910000673 Indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 6
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 6
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 6
- RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N indium arsenide Chemical compound [In]#[As] RPQDHPTXJYYUPQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 6
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 4
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 3
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000661 Mercury cadmium telluride Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 229910005542 GaSb Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- 229910021642 ultra pure water Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012498 ultrapure water Substances 0.000 description 2
- 229910004613 CdTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 239000003362 semiconductor superlattice Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
- H01L31/14—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the light source or sources being controlled by the semiconductor device sensitive to radiation, e.g. image converters, image amplifiers or image storage devices
- H01L31/147—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the light source or sources being controlled by the semiconductor device sensitive to radiation, e.g. image converters, image amplifiers or image storage devices the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by at least one potential or surface barrier
- H01L31/153—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto the light source or sources being controlled by the semiconductor device sensitive to radiation, e.g. image converters, image amplifiers or image storage devices the light sources and the devices sensitive to radiation all being semiconductor devices characterised by at least one potential or surface barrier formed in, or on, a common substrate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode
Abstract
【解決手段】遠赤外線〜中赤外線を透過し、近赤外線〜可視光を反射する反射部1と、反射部1を透過した遠赤外線〜中赤外線により電子が励起されて、光電流が生成される量子ドット構造を多重に積層した光電流生成部2と、光電流生成部2で生成された光電流の電子が注入されて、正孔と再結合させることにより、近赤外線〜可視光を放出する量子井戸構造を多重に積層した発光部3と、発光部3から放出された近赤外線〜可視光を検出すると共に、発光部3から放出されて、反射部1で反射された近赤外線〜可視光を検出する光検出部4とを有し、反射部1、光電流生成部2及び発光部3を、半導体の基板上に積層したIII−V族化合物半導体から構成する。
【選択図】図1B
Description
遠赤外線から中赤外線の波長域の光を透過し、近赤外線から可視光の波長域の光を反射する反射部と、
前記反射部を透過した遠赤外線から中赤外線の波長域の光により電子が励起されて、当該電子から光電流が生成される量子ドット構造を多重に積層した光電流生成部と、
前記光電流生成部で生成された光電流の電子が注入されて、正孔と再結合させることにより、近赤外線から可視光の波長域の光を放出する量子井戸構造を多重に積層した発光部と、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光の波長域の光を検出すると共に、前記発光部から放出されて、前記反射部で反射された近赤外線から可視光の波長域の光を検出する光検出部とを有し、
少なくとも、前記反射部、前記光電流生成部及び前記発光部を、基板上に積層したIII−V族化合物半導体から構成し、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光の波長域の光を前記光検出部で検出することにより、入射してくる遠赤外線から中赤外線の波長域の光を検出することを特徴とする。
第1の発明に記載の赤外線検出素子において、
前記反射部と前記光電流生成部と前記発光部とから第1の素子を構成し、前記光検出部から第2の素子を独立して構成し、前記第1の素子と前記第2の素子とを貼り合わせて、一体としたことを特徴とする。
第1の発明に記載の赤外線検出素子において、
前記反射部、前記光電流生成部、前記発光部及び前記光検出部を全てIII−V族化合物半導体から構成し、III−V族化合物半導体の基板に各々積層して、一体としたことを特徴とする。
第1から第3の発明のいずれか1つに記載の赤外線検出素子において、
前記光検出部を、アバランシェフォトダイオードから構成したことを特徴とする。
第1から第4の発明のいずれか1つに記載の赤外線検出素子において、
前記光電流生成部の量子ドット構造は、量子井戸となる複数の量子ドットを障壁層で埋め込む構造からなり、
前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の膜厚を、前記光電流生成部の他の障壁層より厚く、かつ、電子の平均自由行程より薄くすると共に、前記発光層に向かってバンドギャップが徐々に狭くなるように、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の組成比を、膜厚の厚さ方向に徐々に変化させたことを特徴とする。
第5の発明に記載の赤外線検出素子において、
前記発光部の量子井戸構造の少なくとも1つは、近赤外線から可視光の波長域の光を放出するバンドギャップとなるように、量子井戸となる前記発光部の井戸層を、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層と前記発光部の障壁層で挟み込む構造からなることを特徴とする。
第1から第6の発明のいずれか1つに記載の赤外線検出素子において、
近赤外線から可視光の波長域の光に対して分布ブラッグ反射を起こすように、前記反射部を、屈折率が互いに異なる2つの層を交互に複数積層する構造としたことを特徴とする。
第1から第7の発明のいずれか1つに記載の赤外線検出素子において、
二酸化炭素の吸収波長である4.257μmを含む4〜4.5μmの波長域の赤外線により電子が励起されるように、前記光電流生成部の量子ドット構造を構成したことを特徴とする。
第1から第8の発明のいずれか1つに記載の赤外線検出素子を使用することを特徴とする。
電子と正孔を再結合させることにより、近赤外線から可視光の波長域の光を放出する量子井戸構造を多重に積層した構造からなる発光部を、基板上に形成し、
遠赤外線から中赤外線の波長域の光により電子が励起されて、当該電子から前記発光部に注入される光電流が生成される量子ドット構造を多重に積層した構造からなる光電流生成部を、前記発光部上に形成し、
前記光電流生成部に入射する遠赤外線から中赤外線の波長域の光を透過し、前記発光部から放出された近赤外線から可視光の波長域の光を前記光検出部側へ反射する反射部を、前記光電流生成部上に積層して、第1の素子を構成し、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光の波長域の光を検出する共に、前記発光部から放出されて、前記反射部で反射された近赤外線から可視光の波長域の光を検出する光検出部からなる第2の素子を独立して構成し、
少なくとも、前記反射部、前記光電流生成部及び前記発光部を単一の結晶成長法でIII−V族化合物半導体から形成すると共に、前記第1の素子と前記第2の素子とを貼り合わせて、一体に形成して、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光の波長域の光を前記光検出部で検出することにより、入射してくる遠赤外線から中赤外線の波長域の光を検出する赤外線検出素子を製造することを特徴とする。
近赤外線から可視光の波長域の光を検出する光検出部を、III−V族化合物半導体の基板上に積層し、
電子と正孔を再結合させることにより、前記光検出部で検出される近赤外線から可視光の波長域の光を放出する量子井戸構造を多重に積層した構造からなる発光部を、前記光検出部上に形成し、
遠赤外線から中赤外線の波長域の光により電子が励起されて、当該電子から前記発光部に注入される光電流が生成される量子ドット構造を多重に積層した構造からなる光電流生成部を、前記発光部上に形成し、
前記光電流生成部に入射する遠赤外線から中赤外線の波長域の光を透過し、前記発光部から放出された近赤外線から可視光の波長域の光を前記光検出部側へ反射する反射部を、前記光電流生成部上に積層し、
前記反射部、前記光電流生成部、前記発光部及び前記光検出部の全てを単一の結晶成長法でIII−V族化合物半導体から一体に形成して、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光の波長域の光を前記光検出部で検出することにより、入射してくる遠赤外線から中赤外線の波長域の光を検出する赤外線検出素子を製造することを特徴とする。
第10又は第11の発明に記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記光検出部として、アバランシェフォトダイオードを形成することを特徴とする。
第10から第12の発明のいずれか1つに記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記光電流生成部の量子ドット構造として、量子井戸となる複数の量子ドットを障壁層で埋め込む構造を形成し、
前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の膜厚を、前記光電流生成部の他の障壁層より厚く、かつ、電子の平均自由行程より薄く形成すると共に、前記発光層に向かってバンドギャップが徐々に狭くなるように、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の組成比を、膜厚の厚さ方向に徐々に変化させて形成することを特徴とする。
第13発明に記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記発光部の量子井戸構造の少なくとも1つとして、近赤外線から可視光の波長域の光を放出するバンドギャップを形成するように、量子井戸となる前記発光部の井戸層を、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層と前記発光部の障壁層で挟み込む構造を形成することを特徴とする。
第10から第14の発明のいずれか1つに記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記反射部として、近赤外線から可視光の波長域の光に対して分布ブラッグ反射を起こすように、屈折率が互いに異なる2つの層を交互に複数積層する構造を形成することを特徴とする。
第10から第15の発明のいずれか1つに記載の赤外線検出素子の製造方法において、
二酸化炭素の吸収波長である4.257μmを含む4〜4.5μmの波長域の赤外線により電子が励起されるように、前記光電流生成部の量子ドット構造を形成することを特徴とする。
例えば、検出対象波長を2〜12μmの範囲としたい場合には、下記実施例で示すように、GaAs基板上にGaAs系材料(GaAs、AlGaAs、InGaAs、InAs等)を用いて素子を形成すればよいし、検出対象波長を長波長側にシフトしたい場合には、InP基板上にGaAs系材料(GaAs、InGaAs、InAlAs、InGaAlAs等)を用いて素子を形成すればよいし、検出対象波長を短波長側にもう少し拡げて、2〜10μmの範囲としたい場合には、サファイア基板、Si基板、SiC基板又はGaN(ガリウムナイトライド)基板上にGaN系材料を用いて素子を形成すればよい。
第1の素子において、反射部1は、屈折率が互いに異なる反射第一層11、反射第二層12を有し、近赤外線〜可視光に対して分布ブラッグ反射を起こすように、反射第一層11と反射第二層12とを交互に周期的に複数積層する構造としたものである。例えば、反射第一層11はAlAs、反射第二層12はGaAsからなる。
なお、第2の素子の一例として、pinPDの構成を説明しているが、pinPDに限らず、pnフォトダイオードやアバランシェフォトダイオード(以降、APDと略す。)でもよい。又、Si系に限らず、GaAs系のフォトダイオードでもよい。
なお、本実施例において、上述した光電流生成部2及び発光部3は、電子をキャリアとするn型デバイスであるが、正孔をキャリアとするp型デバイスの構成としてもよい。その場合、動作原理は上述したものと同じになるが、伝導帯、価電子帯の障壁高さや有効質量等が、電子をキャリアとする場合とは相違するので、これらを考慮して、光電流生成部2及び発光部3を構成すればよい。
まず、GaAs基板10を、有機アルカリ溶媒(例えば、セミコクリーン(商品名))を用いて、超音波洗浄すると共に、超純水を用いて、超音波洗浄を行う。洗浄後、GaAs基板10をプリベークチャンバへ搬入し、超高真空中(1×10-7〜1×10-10torr程度)でプリベーク(約200℃)して、水分を除去する。
GaAs基板10上に、MBE法により、GaAsからなる障壁層32とInGaAsからなる井戸層31とを交互に複数積層して、光発光部3を形成する(図2A参照)。このとき、予め求めた成長レートから、設計通りの膜厚になるように成長時間を決定して、セルシャッタの開閉時間を制御すると共に、GaAsからなる障壁層32の成長後は、界面の平坦性を促進するために成長中断(マイグレーション)時間(約30秒前後)をおく。井戸層31は、障壁層32のバンドギャップよりも低くなければならないので、In組成をできるだけ増やすようにしている。但し、In組成を増加させると、レイヤー(平面)になる層がだんだん薄くなる。例えば、In組成0.2においては4.2nm以下であり、それ以上だと量子ドットになり、又、In組成0.3においては1.7nm以下である。又、薄すぎると、発光効率が悪くなるため、少なくとも1nm以上であることが望ましい。従って、In組成に応じ、井戸層31の膜厚を適切な範囲に設定している。
又、本実施例の赤外線検出素子を、ピクセル数の大きなイメージセンサとして形成する場合には、上記成長工程後、更に、以下に示す製造方法を用いて形成すればよい。
反射部1は、屈折率が互いに異なる反射第一層11、反射第二層12を有し、近赤外線〜可視光に対して分布ブラッグ反射を起こすように、反射第一層11と反射第二層12とを交互に周期的に複数積層する構造としたものである。例えば、反射第一層11はAlAs、反射第二層12はGaAsからなる。
そして、本実施例では、検出対象となる波長、つまり、光電流生成部2において電子を励起する遠赤外線〜中赤外線が2〜12μmの範囲となるように構成しており、発光部3から放出し、かつ、光検出部4で検出する近赤外線〜可視光が860〜1000nmの範囲(常温)となるように構成している。
なお、本実施例においても、上述した光電流生成部2及び発光部3は、電子をキャリアとするn型デバイスであるが、正孔をキャリアとするp型デバイスの構成としてもよい。その場合、動作原理は上述したものと同じになるが、伝導帯、価電子帯の障壁高さや有効質量等が、電子をキャリアとする場合とは相違するので、これらを考慮して、光電流生成部2及び発光部3を構成すればよい。
まず、GaAs基板10を、有機アルカリ溶媒(例えば、セミコクリーン(商品名))を用いて、超音波洗浄すると共に、超純水を用いて、超音波洗浄を行う。洗浄後、GaAs基板10をプリベークチャンバへ搬入し、超高真空中(1×10-7〜1×10-10torr程度)でプリベーク(約200℃)して、水分を除去する。
GaAs基板10上に、MBE法により、AlGaAsからなるAPD下部電極層76、AlGaAsからなる増倍層75、AlGaAsからなるスペーサ層74、InGaAsからなる光吸収層73、AlGaAsからなるスペーサ層72、AlGaAsからなるAPD上部電極層71を順次積層して、光検出部7を形成する(図5A参照)。このとき、予め求めた成長レートから、設計通りの膜厚になるように成長時間を決定して、セルシャッタの開閉時間を制御すると共に、AlGaAsからなるAPD下部電極層76、増倍層75、スペーサ層72、74及びAPD上部電極層71の成長後は、界面の平坦性を促進するために成長中断時間(約30秒前後)をおく。
又、本実施例の赤外線検出素子を、ピクセル数の大きなイメージセンサとして形成する場合には、上記成長工程後、更に、以下に示す製造方法を用いて形成すればよい。
本実施例の赤外線検出装置は、赤外線検出素子80と、赤外線検出素子の入射面側に設けられた光学系81と、赤外線検出素子80を駆動し、制御するセンサ駆動部82と、赤外線検出素子80で検出した画像信号の処理を行う画像信号処理部83と、センサ駆動部82及び画像信号処理部83を制御するデジタル制御回路84と、デジタル制御回路84により制御されると共に、赤外線検出素子80の冷却を行う冷却系85とを有するものである。
例えば、光電流生成部2において、量子ドット22を大きさ3nmのInGaAsから構成すると共に、障壁層11を膜厚30nm以上のGaAsから構成すると、CO2の吸収波長(4.257μm)に適合する構成となる。
そして、上記構成のCO2用赤外線検出装置を衛星に搭載すれば、地球全体の大気中のCO2濃度を高効率、高精度で観測することが可能となる。上記実施例1〜2に示した赤外線検出素子のいずれかを使用しているので、従来のCO2検出装置と比較しても、検出効率(S/N比)を向上させることができると共に、他の分子の影響も排除することができる。
2 光電流生成部
3 発光部
4、7 光検出部
8 屈折部
Claims (16)
- 遠赤外線から中赤外線の波長域の光を透過し、近赤外線から可視光の波長域の光を反射する反射部と、
前記反射部を透過した遠赤外線から中赤外線の波長域の光により電子が励起されて、当該電子から光電流が生成される量子ドット構造を多重に積層した光電流生成部と、
前記光電流生成部で生成された光電流の電子が注入されて、正孔と再結合させることにより、近赤外線から可視光の波長域の光を放出する量子井戸構造を多重に積層した発光部と、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光の波長域の光を検出すると共に、前記発光部から放出されて、前記反射部で反射された近赤外線から可視光の波長域の光を検出する光検出部とを有し、
少なくとも、前記反射部、前記光電流生成部及び前記発光部を、基板上に積層したIII−V族化合物半導体から構成し、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光の波長域の光を前記光検出部で検出することにより、入射してくる遠赤外線から中赤外線の波長域の光を検出することを特徴とする赤外線検出素子。 - 請求項1に記載の赤外線検出素子において、
前記反射部と前記光電流生成部と前記発光部とから第1の素子を構成し、前記光検出部から第2の素子を独立して構成し、前記第1の素子と前記第2の素子とを貼り合わせて、一体としたことを特徴とする赤外線検出素子。 - 請求項1に記載の赤外線検出素子において、
前記反射部、前記光電流生成部、前記発光部及び前記光検出部を全てIII−V族化合物半導体から構成し、III−V族化合物半導体の基板に各々積層して、一体としたことを特徴とする赤外線検出素子。 - 請求項1から請求項3のいずれか1つに記載の赤外線検出素子において、
前記光検出部を、アバランシェフォトダイオードから構成したことを特徴とする赤外線検出素子。 - 請求項1から請求項4のいずれか1つに記載の赤外線検出素子において、
前記光電流生成部の量子ドット構造は、量子井戸となる複数の量子ドットを障壁層で埋め込む構造からなり、
前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の膜厚を、前記光電流生成部の他の障壁層より厚く、かつ、電子の平均自由行程より薄くすると共に、前記発光層に向かってバンドギャップが徐々に狭くなるように、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の組成比を、膜厚の厚さ方向に徐々に変化させたことを特徴とする赤外線検出素子。 - 請求項5に記載の赤外線検出素子において、
前記発光部の量子井戸構造の少なくとも1つは、近赤外線から可視光の波長域の光を放出するバンドギャップとなるように、量子井戸となる前記発光部の井戸層を、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層と前記発光部の障壁層で挟み込む構造からなることを特徴とする赤外線検出素子。 - 請求項1から請求項6のいずれか1つに記載の赤外線検出素子において、
近赤外線から可視光の波長域の光に対して分布ブラッグ反射を起こすように、前記反射部を、屈折率が互いに異なる2つの層を交互に複数積層する構造としたことを特徴とする赤外線検出素子。 - 請求項1から請求項7のいずれか1つに記載の赤外線検出素子において、
二酸化炭素の吸収波長である4.257μmを含む4〜4.5μmの波長域の赤外線により電子が励起されるように、前記光電流生成部の量子ドット構造を構成したことを特徴とする赤外線検出素子。 - 請求項1から請求項8のいずれか1つに記載の赤外線検出素子を使用することを特徴とする赤外線検出装置。
- 電子と正孔を再結合させることにより、近赤外線から可視光の波長域の光を放出する量子井戸構造を多重に積層した構造からなる発光部を、基板上に形成し、
遠赤外線から中赤外線の波長域の光により電子が励起されて、当該電子から前記発光部に注入される光電流が生成される量子ドット構造を多重に積層した構造からなる光電流生成部を、前記発光部上に形成し、
前記光電流生成部に入射する遠赤外線から中赤外線の波長域の光を透過し、前記発光部から放出された近赤外線から可視光の波長域の光を前記光検出部側へ反射する反射部を、前記光電流生成部上に積層して、第1の素子を構成し、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光の波長域の光を検出する共に、前記発光部から放出されて、前記反射部で反射された近赤外線から可視光の波長域の光を検出する光検出部からなる第2の素子を独立して構成し、
少なくとも、前記反射部、前記光電流生成部及び前記発光部を単一の結晶成長法でIII−V族化合物半導体から形成すると共に、前記第1の素子と前記第2の素子とを貼り合わせて、一体に形成して、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光の波長域の光を前記光検出部で検出することにより、入射してくる遠赤外線から中赤外線の波長域の光を検出する赤外線検出素子を製造することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。 - 近赤外線から可視光の波長域の光を検出する光検出部を、III−V族化合物半導体の基板上に積層し、
電子と正孔を再結合させることにより、前記光検出部で検出される近赤外線から可視光の波長域の光を放出する量子井戸構造を多重に積層した構造からなる発光部を、前記光検出部上に形成し、
遠赤外線から中赤外線の波長域の光により電子が励起されて、当該電子から前記発光部に注入される光電流が生成される量子ドット構造を多重に積層した構造からなる光電流生成部を、前記発光部上に形成し、
前記光電流生成部に入射する遠赤外線から中赤外線の波長域の光を透過し、前記発光部から放出された近赤外線から可視光の波長域の光を前記光検出部側へ反射する反射部を、前記光電流生成部上に積層し、
前記反射部、前記光電流生成部、前記発光部及び前記光検出部の全てを単一の結晶成長法でIII−V族化合物半導体から一体に形成して、
前記発光部から放出された近赤外線から可視光の波長域の光を前記光検出部で検出することにより、入射してくる遠赤外線から中赤外線の波長域の光を検出する赤外線検出素子を製造することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。 - 請求項10又は請求項11に記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記光検出部として、アバランシェフォトダイオードを形成することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。 - 請求項10から請求項12のいずれか1つに記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記光電流生成部の量子ドット構造として、量子井戸となる複数の量子ドットを障壁層で埋め込む構造を形成し、
前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の膜厚を、前記光電流生成部の他の障壁層より厚く、かつ、電子の平均自由行程より薄く形成すると共に、前記発光層に向かってバンドギャップが徐々に狭くなるように、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層の組成比を、膜厚の厚さ方向に徐々に変化させて形成することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。 - 請求項13に記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記発光部の量子井戸構造の少なくとも1つとして、近赤外線から可視光の波長域の光を放出するバンドギャップを形成するように、量子井戸となる前記発光部の井戸層を、前記発光部に隣接する前記光電流生成部の障壁層と前記発光部の障壁層で挟み込む構造を形成することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。 - 請求項10から請求項14のいずれか1つに記載の赤外線検出素子の製造方法において、
前記反射部として、近赤外線から可視光の波長域の光に対して分布ブラッグ反射を起こすように、屈折率が互いに異なる2つの層を交互に複数積層する構造を形成することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。 - 請求項10から請求項15のいずれか1つに記載の赤外線検出素子の製造方法において、
二酸化炭素の吸収波長である4.257μmを含む4〜4.5μmの波長域の赤外線により電子が励起されるように、前記光電流生成部の量子ドット構造を形成することを特徴とする赤外線検出素子の製造方法。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009230173A JP5364526B2 (ja) | 2009-10-02 | 2009-10-02 | 赤外線検出素子、赤外線検出装置及び赤外線検出素子の製造方法 |
EP10161586.2A EP2306523B1 (en) | 2009-10-02 | 2010-04-30 | Infrared detector, infrared detecting apparatus and method of manufacturing infrared detector |
US12/772,380 US8367452B2 (en) | 2009-10-02 | 2010-05-03 | Infrared detector, infrared detecting apparatus, and method of manufacturing infrared detector |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009230173A JP5364526B2 (ja) | 2009-10-02 | 2009-10-02 | 赤外線検出素子、赤外線検出装置及び赤外線検出素子の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011077467A true JP2011077467A (ja) | 2011-04-14 |
JP5364526B2 JP5364526B2 (ja) | 2013-12-11 |
Family
ID=43522107
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009230173A Active JP5364526B2 (ja) | 2009-10-02 | 2009-10-02 | 赤外線検出素子、赤外線検出装置及び赤外線検出素子の製造方法 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US8367452B2 (ja) |
EP (1) | EP2306523B1 (ja) |
JP (1) | JP5364526B2 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017112169A (ja) * | 2015-12-15 | 2017-06-22 | ソニー株式会社 | イメージセンサ、撮像システム及びイメージセンサの製造方法 |
WO2018147141A1 (ja) * | 2017-02-07 | 2018-08-16 | キヤノン株式会社 | 撮像装置及び撮像システム |
WO2018173872A1 (ja) * | 2017-03-24 | 2018-09-27 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | センサチップおよび電子機器 |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10173453B2 (en) | 2013-03-15 | 2019-01-08 | Visual Physics, Llc | Optical security device |
US10766292B2 (en) | 2014-03-27 | 2020-09-08 | Crane & Co., Inc. | Optical device that provides flicker-like optical effects |
BR112016021736A2 (pt) | 2014-03-27 | 2017-08-15 | Visual Physics Llc | Dispositivo ótico que produz efeitos óticos de tipo cintilante |
MX2017000681A (es) | 2014-07-17 | 2018-03-12 | Visual Physics Llc | Un material de lamina polimerica mejorada para su uso en la fabricacion de documentos de seguridad polimericos tales como billetes de banco. |
RU2712604C2 (ru) | 2015-02-11 | 2020-01-29 | КРАНЕ и КО., ИНК. | Способ наложения защитного устройства на поверхность подложки |
WO2017038698A1 (ja) * | 2015-08-28 | 2017-03-09 | 京セラ株式会社 | 光電変換装置 |
KR102489526B1 (ko) | 2017-02-10 | 2023-01-17 | 크레인 앤 코, 인크 | 머신 판독가능 광학적 보안 디바이스 |
KR102547801B1 (ko) * | 2017-08-28 | 2023-06-26 | 삼성전자주식회사 | 적외선 검출기 및 이를 포함하는 적외선 센서 |
CN110690313A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-01-14 | 华南理工大学 | 一种Si衬底MoS2近红外光探测器及制备方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030092212A1 (en) * | 2001-05-09 | 2003-05-15 | Margaret Buchanan | Method for micro-fabricating a pixelless infrared imaging device |
JP2003218366A (ja) * | 2002-01-25 | 2003-07-31 | Japan Science & Technology Corp | 量子ドット赤外光検出器 |
JP2009253173A (ja) * | 2008-04-10 | 2009-10-29 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 赤外線検出素子、赤外線検出装置及び赤外線検出素子の製造方法 |
JP2010506386A (ja) * | 2006-09-29 | 2010-02-25 | ユニバーシティ オブ フロリダ リサーチ ファンデーション インコーポレーティッド | 赤外線検出および表示のための方法および装置 |
Family Cites Families (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5567955A (en) * | 1995-05-04 | 1996-10-22 | National Research Council Of Canada | Method for infrared thermal imaging using integrated gasa quantum well mid-infrared detector and near-infrared light emitter and SI charge coupled device |
JP2000275692A (ja) * | 1999-03-25 | 2000-10-06 | Fujitsu Ltd | 半導体量子ドットを用いた波長変換素子 |
US7045833B2 (en) * | 2000-09-29 | 2006-05-16 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Avalanche photodiodes with an impact-ionization-engineered multiplication region |
US20050077539A1 (en) * | 2003-08-18 | 2005-04-14 | Jan Lipson | Semiconductor avalanche photodetector with vacuum or gaseous gap electron acceleration region |
ES2297972A1 (es) * | 2005-05-30 | 2008-05-01 | Universidad Politecnica De Madrid | Fotodetector de infrarrojos de banda intermedia y puntos cuanticos. |
US7652752B2 (en) * | 2005-07-14 | 2010-01-26 | Arete' Associates | Ultraviolet, infrared, and near-infrared lidar system and method |
JP2008147521A (ja) | 2006-12-12 | 2008-06-26 | Fujitsu Ltd | 赤外線検出器及びその製造方法 |
JP4538516B2 (ja) * | 2008-08-08 | 2010-09-08 | 防衛省技術研究本部長 | 光半導体装置 |
-
2009
- 2009-10-02 JP JP2009230173A patent/JP5364526B2/ja active Active
-
2010
- 2010-04-30 EP EP10161586.2A patent/EP2306523B1/en active Active
- 2010-05-03 US US12/772,380 patent/US8367452B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20030092212A1 (en) * | 2001-05-09 | 2003-05-15 | Margaret Buchanan | Method for micro-fabricating a pixelless infrared imaging device |
JP2003218366A (ja) * | 2002-01-25 | 2003-07-31 | Japan Science & Technology Corp | 量子ドット赤外光検出器 |
JP2010506386A (ja) * | 2006-09-29 | 2010-02-25 | ユニバーシティ オブ フロリダ リサーチ ファンデーション インコーポレーティッド | 赤外線検出および表示のための方法および装置 |
JP2009253173A (ja) * | 2008-04-10 | 2009-10-29 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 赤外線検出素子、赤外線検出装置及び赤外線検出素子の製造方法 |
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017112169A (ja) * | 2015-12-15 | 2017-06-22 | ソニー株式会社 | イメージセンサ、撮像システム及びイメージセンサの製造方法 |
US10681292B2 (en) | 2015-12-15 | 2020-06-09 | Sony Corporation | Image sensor, image capturing system, and production method of image sensor |
US11122227B2 (en) | 2015-12-15 | 2021-09-14 | Sony Corporation | Image sensor, image capturing system, and production method of image sensor |
US11765477B2 (en) | 2015-12-15 | 2023-09-19 | Sony Group Corporation | Apparatus for wavelength conversion using layers of different photoelectric conversion materials for detecting visible and infared light simultaneously |
WO2018147141A1 (ja) * | 2017-02-07 | 2018-08-16 | キヤノン株式会社 | 撮像装置及び撮像システム |
JP2018129359A (ja) * | 2017-02-07 | 2018-08-16 | キヤノン株式会社 | 撮像装置及び撮像システム |
US10861897B2 (en) | 2017-02-07 | 2020-12-08 | Canon Kabushiki Kaisha | Imaging device and imaging system |
WO2018173872A1 (ja) * | 2017-03-24 | 2018-09-27 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | センサチップおよび電子機器 |
JPWO2018173872A1 (ja) * | 2017-03-24 | 2020-01-30 | ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 | センサチップおよび電子機器 |
US11127772B2 (en) | 2017-03-24 | 2021-09-21 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Sensor chip and electronic apparatus |
US11855112B2 (en) | 2017-03-24 | 2023-12-26 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Sensor chip and electronic apparatus |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP2306523A3 (en) | 2018-01-24 |
JP5364526B2 (ja) | 2013-12-11 |
EP2306523B1 (en) | 2022-05-25 |
US8367452B2 (en) | 2013-02-05 |
EP2306523A2 (en) | 2011-04-06 |
US20110079765A1 (en) | 2011-04-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4533939B2 (ja) | 赤外線検出素子、赤外線検出装置及び赤外線検出素子の製造方法 | |
JP5364526B2 (ja) | 赤外線検出素子、赤外線検出装置及び赤外線検出素子の製造方法 | |
JP5427531B2 (ja) | 光検出素子、光検出装置及び赤外線検出素子、赤外線検出装置 | |
CN105720130B (zh) | 基于量子阱带间跃迁的光电探测器 | |
US6541788B2 (en) | Mid infrared and near infrared light upconverter using self-assembled quantum dots | |
US10062794B2 (en) | Resonant-cavity infrared photodetectors with fully-depleted absorbers | |
US7838894B2 (en) | Optical device having photoelectric conversion layer | |
US7079307B2 (en) | Wavelength conversion device with avalanche multiplier | |
Yang et al. | Semiconductor infrared up-conversion devices | |
JP5975417B2 (ja) | 受光素子の製造方法 | |
US20050211996A1 (en) | Intersubband detector with avalanche multiplier region | |
WO2012073539A1 (ja) | 受光素子、検出装置、半導体エピタキシャルウエハ、およびこれらの製造方法 | |
JP2009065142A (ja) | 量子ドット型赤外線検知器 | |
JP4673398B2 (ja) | 量子ドット型赤外線検知素子 | |
JP2007123587A (ja) | 受光素子 | |
JP2000275692A (ja) | 半導体量子ドットを用いた波長変換素子 | |
JPH06350134A (ja) | InAsSb発光ダイオード及びその使用方法 | |
Dutta et al. | Broadband image sensors for biomedical, security, and automotive applications | |
JP2012119567A (ja) | 半導体ウエハの製造方法、半導体装置の製造方法およびセンサアレイの製造方法 | |
JP5522639B2 (ja) | 光検知素子及び撮像装置 | |
JP2009272543A (ja) | フォトダイオード | |
WO2012073934A1 (ja) | 受光素子、半導体エピタキシャルウエハ、これらの製造方法および検出装置 | |
JP2006228819A (ja) | 光検知器 | |
Stern | Design of a high sensitivity emitter-detector avalanche photodiode imager using very high transmittance, back-illuminated, silicon-on-sapphire | |
Liu et al. | Novel and simply producible large-area focal plane infrared imaging device based on quantum wells |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20120605 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20120605 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130724 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130813 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130909 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5364526 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |