JP2012019083A - Quantum dot type infrared ray detection element, and quantum dot type infrared ray imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は量子ドット構造を赤外線検出部とする量子ドット型赤外線検知素子及び量子ドット型赤外線撮像装置に関するものである。 The present invention relates to a quantum dot infrared detector and a quantum dot infrared imaging device having a quantum dot structure as an infrared detector.
近年、10μm帯の赤外線を検知する赤外線検知素子として量子構造を利用した赤外線検知素子が用いられている。その中でも垂直に入射した赤外線の検知が可能な量子ドット型赤外線検知素子(Quantum Dot Infrared Photodetector;QDIP)が注目を集めている。 In recent years, an infrared detection element using a quantum structure has been used as an infrared detection element for detecting infrared rays in the 10 μm band. Among them, a quantum dot infrared detector (QDIP) that can detect infrared rays incident vertically is attracting attention.
このQDIPでは、AlGaAs層からなる中間層に挟み込まれたInAs量子ドット内の伝導帯側の量子準位に位置する電子が外部から入射してきた赤外線により励起され、この電子により誘発される光電流を捕らえることで赤外線を検知している。 In this QDIP, electrons located in a quantum level on the conduction band side in an InAs quantum dot sandwiched between intermediate layers made of an AlGaAs layer are excited by infrared rays incident from the outside, and a photocurrent induced by the electrons is generated. Infrared light is detected by capturing.
量子ドットは、例えば、分子線エピタキシャル装置のなかでGaAs基板上に形成されるため、成長方向に対して垂直な面内に量子ドット層として形成される。通常、これを複数積層した量子ドット積層構造を2つのn型GaAs電極層で挟み込み、赤外線により励起された電子が量子ドット積層構造より離れて電極層に到達することで、光電流を誘発する。 For example, since the quantum dots are formed on a GaAs substrate in a molecular beam epitaxial apparatus, they are formed as quantum dot layers in a plane perpendicular to the growth direction. Usually, a quantum dot laminated structure in which a plurality of these are laminated is sandwiched between two n-type GaAs electrode layers, and electrons excited by infrared rays are separated from the quantum dot laminated structure to reach the electrode layer, thereby inducing a photocurrent.
図8は、従来のQDIPの概念的断面図であり、例えば、InAsからなる複数の量子ドット52で構成される量子ドット層を、量子ドット層よりもバンドギャップの大きいAlGaAsからなる中間層53中に埋め込んだ量子ドット積層構造51と、量子ドット積層構造51の上下に形成されたn型GaAsからなる電極形成層54,55によって構成される。
FIG. 8 is a conceptual cross-sectional view of a conventional QDIP. For example, a quantum dot layer composed of a plurality of
また、各電極形成層54,55には、それぞれ電極が形成され、赤外線を検知する際には、電極形成層54,55を介して電源により量子ドット積層構造51に電圧を印加する。
In addition, electrodes are formed on the
図9は、赤外線検知原理の説明図であり、図9(a)は赤外線の入射のない場合の暗電流を示し、図9(b)は、赤外線が入射した場合の光電流を示している。まず、図9(a)に示すように、量子ドット52の伝導帯側量子準位56には電極形成層54,55などから電子57が供給される。その結果、量子ドット積層構造51では平均空間電荷が負となり、伝導帯形状が上に凸状となる。
FIG. 9 is an explanatory diagram of the principle of infrared detection, FIG. 9 (a) shows the dark current when no infrared light is incident, and FIG. 9 (b) shows the photocurrent when infrared light is incident. . First, as shown in FIG. 9A,
量子ドット積層構造51の伝導帯下端の最高点が陰極側の電極形成層54に位置する電子58にとって障壁となるが、この障壁より高いエネルギーをもつ電子59は障壁を通過してもう一方の陽極側の電極形成層55に到達し、電極形成層間を流れる暗電流となる。
The highest point at the lower end of the conduction band of the quantum dot stacked
図9(b)に示すように、ここに赤外線60が入射し、励起された電子57が量子ドット積層構造51から離れて電極形成層55に到達すると、量子ドット積層構造51では平均空間電荷が電子1個分正に傾く。
As shown in FIG. 9B, when the
その結果、伝導帯形状は上に凸状となる度合いが小さくなることから障壁は低くなり、これを通過することのできる電子59,61が増えるために電流が増加し、この増加電流分が光電流として誘発されることとなる。
As a result, the conduction band shape becomes less convex so that the barrier becomes lower, and the number of
QDIPをはじめとする赤外線検知素子の性能は概ね光電流で決まるため、光電流を増加させることが高性能な赤外線検知素子を実現するために重要となる。そこで、光電流を増加させる手法として、量子ドット層の層数を増やす手法がよく用いられる(例えば、特許文献1参照)。 Since the performance of infrared detection elements such as QDIP is generally determined by the photocurrent, increasing the photocurrent is important for realizing a high-performance infrared detection element. Therefore, as a method of increasing the photocurrent, a method of increasing the number of quantum dot layers is often used (see, for example, Patent Document 1).
しかし、量子ドットは基板に対して格子整合しない材料を用いて形成されることから、層数を増やすに従い歪の蓄積が起こる。歪の蓄積は量子ドットの不所望な形成や転位欠陥の発生などを引き起こすため、光電流の増加が望めないばかりでなく暗電流の増加などによる性能劣化を招くという問題がある。このことから層数の上限がある程度制限される。 However, since the quantum dots are formed using a material that is not lattice-matched to the substrate, accumulation of strain occurs as the number of layers increases. Accumulation of strain causes undesired formation of quantum dots, generation of dislocation defects, and the like. Therefore, there is a problem that not only increase in photocurrent can be expected, but also performance deterioration due to increase in dark current occurs. This limits the upper limit of the number of layers to some extent.
したがって、本発明は、量子ドット層の層数が制限される制約のなかで光電流を増加させることを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to increase the photocurrent within the constraint that the number of quantum dot layers is limited.
開示される一観点からは、複数の量子ドットからなる量子ドット層と前記量子ドット層を挟み込むとともに前記量子ドットよりバンドギャップが広い中間層からなる積層構造を複数積層した量子ドット積層構造と、前記量子ドット積層構造を挟み込む上下のスペーサ層と、前記上下のスペーサ層の外側に設ける上下の電極形成層とを有する量子ドット型赤外線検知素子が提供される。 From one disclosed aspect, a quantum dot stacked structure in which a plurality of stacked structures including a quantum dot layer composed of a plurality of quantum dots and a quantum dot layer sandwiched between the quantum dots and an intermediate layer having a wider band gap than the quantum dots, There is provided a quantum dot infrared detecting element having upper and lower spacer layers sandwiching a quantum dot stacked structure and upper and lower electrode forming layers provided outside the upper and lower spacer layers.
また、開示される別の観点からは、複数の量子ドットからなる量子ドット層と前記量子ドット層を挟み込むとともに前記量子ドットよりバンドギャップが広い中間層からなる積層構造を複数積層した量子ドット積層構造と、前記量子ドット積層構造を挟み込む上下のスペーサ層と、前記上下のスペーサ層の外側に設ける上下の電極形成層とを有する量子ドット型赤外線検知素子をマトリクス状に形成するとともに、前記各量子ドット型赤外線検知素子の陽極側の電極形成層に突起状電極を設けた量子ドット型赤外線検知器と、前記各突起状電極に対応する位置に接続パッドを有するとともに、信号処理回路を備えた半導体集積回路装置とを有する量子ドット型赤外線撮像装置が提供される。 Further, from another disclosed aspect, a quantum dot stacked structure in which a plurality of stacked structures including a quantum dot layer composed of a plurality of quantum dots and an intermediate layer having a wider band gap than the quantum dots are sandwiched between the quantum dot layers And a quantum dot infrared detecting element having upper and lower spacer layers sandwiching the quantum dot stacked structure and upper and lower electrode forming layers provided outside the upper and lower spacer layers, and forming each quantum dot Quantum dot infrared detector provided with a protruding electrode on the electrode forming layer on the anode side of the infrared detecting element, and a semiconductor integrated circuit having a connection pad at a position corresponding to each protruding electrode and a signal processing circuit A quantum dot infrared imaging device having a circuit device is provided.
開示の量子ドット型赤外線検知素子及び量子ドット型赤外線撮像装置によれば、量子ドット積層構造の両側にスペーサ層を設け、量子ドット積層構造による電子に対する障壁の高さを変動を大きくしている。その結果、量子ドット層の層数が同じでも赤外線で励起された電子による光電流に誘起されて電極形成層から流れ込む光電流を増加することが可能となる。 According to the disclosed quantum dot infrared detection element and quantum dot infrared imaging device, spacer layers are provided on both sides of the quantum dot stacked structure, and the fluctuation of the height of the barrier against electrons due to the quantum dot stacked structure is increased. As a result, even if the number of quantum dot layers is the same, it is possible to increase the photocurrent flowing from the electrode formation layer by being induced by the photocurrent caused by the electrons excited by infrared rays.
ここで、図1乃至図3を参照して、本発明の実施の形態のQDIPを説明する。図1は、本発明の実施の形態のQDIPの概念的断面図である。QDIPは、複数の量子ドット2からなる量子ドット層と、量子ドット層を挟み込み中間層3とからなる量子ドット積層構造1と、量子ドット積層構造1の上下に形成されたスペーサ層4,5と、スペーサ層4,5の上下に設けられた電極形成層6,7によって構成される。
Here, with reference to FIG. 1 thru | or FIG. 3, QDIP of embodiment of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view of a QDIP according to an embodiment of the present invention. QDIP includes a quantum
量子ドット2は、例えば、In1−xGaxAs(0≦x<1)からなり、また、中間層3は、量子ドット2を構成する半導体よりバンドギャップの広い厚さが30nm以上のAlyGa1−yAs(0≦y≦1)からなる。また、スペーサ層4,5はAzGa1−zAs(0≦z≦1)からなり、典型的にはz=yである。また、電極形成層6,7は、例えば、n型GaAs層からなり、各電極形成層6,7には、例えば、AuGe/Au積層構造の電極を設ける。
The
図2は、本発明の実施の形態における障壁変動の増加の説明図である。図2(a)は、スペーサ層を設けない従来のQDIPにおける障壁変動の説明図であり、光励起された電子の抜け出しによる電位障壁の変動はΔE1である。 FIG. 2 is an explanatory diagram of an increase in barrier fluctuation in the embodiment of the present invention. FIG. 2A is an explanatory diagram of the barrier fluctuation in the conventional QDIP without the spacer layer, and the fluctuation of the potential barrier due to the escape of the photoexcited electrons is ΔE1.
一方、図2(b)に示すように、スペーサ層を設けた場合には、光励起された電子の抜け出しによる電位障壁の変動は、量子ドット積層構造1における変動ΔE1の他に、スペーサ層4,5における変動ΔE2も生起する。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, when the spacer layer is provided, the fluctuation of the potential barrier due to the escape of the photoexcited electrons is caused by the
したがって、図2(c)に示すように、電極形成層6,7からみた電子の電位障壁の変動は、ΔE1+ΔE2となり、スペーサ層4,5を設けない場合の変動ΔE1より、ΔE2だけ大きくなる。その結果、上述の図9(b)に示した光励起された電子の抜け出しによる光電流に引きずられて誘起される光電流が増加することになる。
Therefore, as shown in FIG. 2C, the fluctuation of the electron potential barrier seen from the
図3は、光電流のスペーサ層の厚さ/量子ドット積層構造の厚さ依存性の説明図であり、ここでは、中間層3をAl0.2Ga0.8Asで形成するとともに、スペーサ層4,5もAl0.2Ga0.8Asで形成している。
FIG. 3 is an explanatory diagram of the dependence of the photocurrent on the thickness of the spacer layer / the thickness of the quantum dot stacked structure. Here, the
図3において、(a)で示すスペーサ層4,5を設けない従来例に比べて、スペーサ層4,5を設けた(b)及び(c)の場合には、光電流が増加している。したがって、実験で確認した範囲では、スペーサ層4,5の厚さの量子ドット積層構造の厚さに対する比を0.5〜1.4にすれば、確実に光電流を増大させることが可能になる。 In FIG. 3, the photocurrent is increased in the cases (b) and (c) where the spacer layers 4 and 5 are provided, as compared with the conventional example shown in FIG. 3A where the spacer layers 4 and 5 are not provided. . Therefore, within the range confirmed by the experiment, if the ratio of the thickness of the spacer layers 4 and 5 to the thickness of the quantum dot stacked structure is set to 0.5 to 1.4, the photocurrent can be reliably increased. Become.
一方、量子ドット積層構造の厚さに対するスペーサ層4,5の厚さの比を1.0とした上で中間層の厚さを20nmとした実験例では、(a)の従来例より光電流が低下する結果を得た。一般的な量子ドット成長において中間層の厚さが30nmを下回ると下層の量子ドット層の影響を受けて所望の量子ドットを成長することができなくなることから、この実験例ではこの影響により光電流が低下したものと考えられる。 On the other hand, in the experimental example in which the ratio of the thickness of the spacer layers 4 and 5 to the thickness of the quantum dot laminated structure is 1.0 and the thickness of the intermediate layer is 20 nm, the photocurrent is higher than that of the conventional example of (a). The result was decreased. In general quantum dot growth, if the thickness of the intermediate layer is less than 30 nm, it becomes impossible to grow a desired quantum dot due to the influence of the lower quantum dot layer. Is thought to have been reduced.
一方、中間層の厚さを30nm以上とした実験例ではこの影響がみられていないことから、スペーサ層の厚さの量子ドット積層構造の厚さに対する比に加えて、中間層の厚さとして30nm以上とすることが、本発明を有効なものとする。なお、上下両端の量子ドット層はスペーサ層と中間層で挟まれることになるが、本発明における「量子ドット積層構造」の厚さは、実効的に中間層の総和の厚さになる。 On the other hand, since this effect is not seen in the experimental example in which the thickness of the intermediate layer is 30 nm or more, in addition to the ratio of the spacer layer thickness to the thickness of the quantum dot stacked structure, The thickness of 30 nm or more makes the present invention effective. In addition, although the quantum dot layers at the upper and lower ends are sandwiched between the spacer layer and the intermediate layer, the thickness of the “quantum dot stacked structure” in the present invention is effectively the total thickness of the intermediate layers.
以上を前提として、次に、図4乃至図7を参照して、本発明の実施例1の量子ドット型赤外線検知素子を説明する。まず、図4(a)に示すように、例えば、分子線エピタキシャル法により、半絶縁性GaAs基板11上に、基板温度を例えば600℃として下部電極形成層となる厚さが、例えば、1μmのn型GaAs層12を成長させる。この場合のn型ドーパントとして例えばSiを用い、その濃度は例えば2×1018cm-3とする。
Based on the above, the quantum dot infrared detection element of Example 1 of the present invention will be described next with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 4A, the thickness of the lower electrode formation layer is set to, for example, 1 μm on the
引き続いて、図4(b)に示すように、n型GaAs層12上に厚さが、例えば、140nmで、Al組成比が0.2のi型Al0.2Ga0.8Asスペーサ層13を成長させる。
Subsequently, as shown in FIG. 4B, an i-type Al 0.2 Ga 0.8 As spacer layer having a thickness of, for example, 140 nm and an Al composition ratio of 0.2 on the n-
次いで、基板温度を600℃から自己組織化形成の起こり得る温度、例えば、500℃に降温したのち、図4(c)に示すように、成長速度を例えば、0.2原子層/秒としてInAsを2.0原子層分供給することによってInAs量子ドット14を形成する。この時、InAsを供給する過程で、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が自己組織化形成され、この複数のInAs量子ドット14の集合体が量子ドット層となる。
Next, after the substrate temperature is lowered from 600 ° C. to a temperature at which self-organization formation can occur, for example, 500 ° C., as shown in FIG. 4C, the growth rate is set to 0.2 atomic layer / second, for example. InAs
次いで、図4(d)に示すように、例えば、Al組成比が0.2で厚さが30nmのi型Al0.2Ga0.8As中間層15を成長させる。
Next, as shown in FIG. 4D, for example, an i-type Al 0.2 Ga 0.8 As
次いで、図5(e)に示すように、InAs量子ドット14の形成工程及びi型Al0.2Ga0.8As中間層15の形成工程を交互に、例えば、8回繰り返す。その結果、9層の量子ドット層を有する量子ドット積層構造16が形成される。
Next, as shown in FIG. 5E, the process of forming
引き続いて、図5(f)に示すように、基板温度を500℃から600℃に昇温しながら、量子ドット積層構造16上に厚さが、例えば、140nmで、Al組成比が0.2のi型Al0.2Ga0.8Asスペーサ層17を成長させる。
Subsequently, as shown in FIG. 5 (f), while the substrate temperature is raised from 500 ° C. to 600 ° C., the thickness on the quantum dot stacked
引き続いて、図6(g)に示すように、基板温度を600℃に保った状態で、上部電極形成層となる厚さが、例えば、1μmで、2×1018cm-3のSiドープのn型GaAs層18を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 6G, with the substrate temperature maintained at 600 ° C., the thickness of the upper electrode formation layer is 1 μm, for example, and 2 × 10 18 cm −3 of Si-doped An n-
次いで、図6(h)に示すように、標準的なリソグラフィー工程及びドライエッチング工程により、素子部を所定のサイズになるよう掘り下げ、下部電極形成層となるn型GaAs層12を露出させる。
Next, as shown in FIG. 6H, the element part is dug down to a predetermined size by a standard lithography process and a dry etching process to expose the n-
次いで、標準的な金属蒸着法により、n型GaAs層12の露出部及びn型GaAs層18の表面に、AuGe層及びAu層を順次蒸着してAuGe/Au構造の陰極19及び陽極20を形成することによって、量子ドット型赤外線検知素子の基本構造が完成する。
Next, an AuGe layer and an Au layer are sequentially deposited on the exposed portion of the n-
この陰極19及び陽極20をCMOS回路などに接続し、n型GaAs層12とn型GaAs層18との間に電位差を与えてその間に流れる電流を検知器21で計測することで、赤外線入射に対する量子ドットの応答として流れる光電流を観測することができる。なお、図6(h)における電源22はCMOS回路などによる等価的な電源を示している。
The
本発明の実施例1においては、厚さが30nmの中間層を有する量子ドット積層構造16の上下にi型Al0.2Ga0.8Asスペーサ層13,17を形成し、量子ドット積層構造16の厚さ(270nm)に対するi型Al0.2Ga0.8Asスペーサ層13,17の厚さの比を約0.5(140/270)にしているので、同じ量子ドット層の層数のQDIPに比較してより高い光電流を得ることができる。
In Example 1 of the present invention, i-type Al 0.2 Ga 0.8 As spacer layers 13 and 17 are formed above and below a quantum dot stacked
次に、図7を参照して、本発明の実施例2の量子ドット型赤外線撮像装置を説明するが、基本的な製造工程は、上記の実施例1と全く同様であるので製造工程の図示は省略する。図7は、本発明の実施例2の量子ドット型赤外線撮像装置の概念的斜視図である。量子ドット型赤外線検知器31が、半絶縁性GaAs基板側がアップサイドになるようにして、バンプ33を介して信号処理回路を備えたSi集積回路装置32上にフリップチップボンディングされている。
Next, the quantum dot infrared imaging device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7, but the basic manufacturing process is exactly the same as the first embodiment, and the manufacturing process is illustrated. Is omitted. FIG. 7 is a conceptual perspective view of a quantum dot infrared imaging device according to
この場合の量子ドット型赤外線検知器31は、実施例1における図6(h)の工程において、二次元マトリクスアレイ状に素子を分離し、陰極側のn型GaAs層12に共通電極を形成するとともに、陽極側のn型GaAs層18に個別電極を設けたものである。
In this case, the quantum dot
また、バンプ33は陽極側のn型GaAs層18に設けた個別電極に接続するように設けられている。なお、この場合の画素数は任意であるが、例えば、数百×数百以上の画素数とする。
The
このように、本発明の実施例2においては、量子ドット積層構造の上下にスペーサ層を形成しているので、高い光電流を得ることが可能になり、赤外線撮像装置の高感度化が可能になる。 Thus, in Example 2 of the present invention, since the spacer layers are formed above and below the quantum dot stacked structure, it is possible to obtain a high photocurrent and to increase the sensitivity of the infrared imaging device. Become.
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は、各実施例に示した条件に限られるものではない。例えば、成長方法として分子線エピタキシャル法を用いているが、分子線エピタキシャル法に限られるものではなく、例えば、MOCVD法(有機金属気相成長法)を用いても良い。 The embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the conditions shown in the embodiments. For example, although the molecular beam epitaxial method is used as the growth method, the method is not limited to the molecular beam epitaxial method, and for example, an MOCVD method (metal organic chemical vapor deposition method) may be used.
また、上記の実施例においては、中間層とスペーサ層とを同じ組成比のAlGaAsで形成しているが、組成比は必ずしも同じである必要はなく、例えば、スペーサ層のAl組成比を中間層のAl組成比より低くしても良い。この場合、電極形成層に存在する電子から見たスペーサ層による電位障壁は低くなる。 In the above embodiment, the intermediate layer and the spacer layer are formed of AlGaAs having the same composition ratio. However, the composition ratio is not necessarily the same. For example, the Al composition ratio of the spacer layer is set to the intermediate layer. The Al composition ratio may be lower. In this case, the potential barrier due to the spacer layer as seen from the electrons present in the electrode formation layer is lowered.
1 量子ドット積層構造
2 量子ドット
3 中間層
4,5 スペーサ層
6,7 電極形成層
11 半絶縁性GaAs基板
12 n型GaAs層
13 i型Al0.2Ga0.8Asスペーサ層
14 InAs量子ドット
15 i型Al0.2Ga0.8As中間層
16 量子ドット積層構造
17 i型Al0.2Ga0.8Asスペーサ層
18 n型GaAs層
19 陰極
20 陽極
21 検知器
22 電源
31 量子ドット型赤外線検知器
32 Si集積回路装置
33 バンプ
51 量子ドット積層構造
52 量子ドット
53 中間層
54,55 電極形成層
56 伝導帯側量子準位
57,58,59,61 電子
60 赤外線
DESCRIPTION OF
Claims (5)
A quantum dot stacked structure in which a plurality of stacked structures including a quantum dot layer composed of a plurality of quantum dots and the quantum dot layer and an intermediate layer having a wider band gap than the quantum dots are stacked, and upper and lower layers sandwiching the quantum dot stacked structure A quantum dot infrared detecting element having a spacer layer and upper and lower electrode forming layers provided outside the upper and lower spacer layers is formed in a matrix, and an electrode forming layer on the anode side of each quantum dot infrared detecting element Quantum dot infrared imaging device having a quantum dot infrared detector provided with a protruding electrode and a semiconductor integrated circuit device having a connection pad at a position corresponding to each protruding electrode and having a signal processing circuit .
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