JP2012528481A - 光検出器 - Google Patents

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Abstract

【課題】
【解決手段】量子井戸検出器の実装を提示する。一実施形態では、量子構造は、第１の障壁層、第１の障壁層上に配置される井戸層、および井戸層上に配置される第２の障壁層を備える。金属層は、この量子構造に隣接して配置される。表面プラズモン共鳴による結合を利用して光検出器の効率を高める本発明の実施形態が説明されている。いくつかの実施形態は、電磁スペクトルのＵＶまたは青色部分に適している。
【選択図】図１

Description

本発明は、量子井戸光検出器の実装に関するものである。
光検出器（または光センサ）は、光または電磁エネルギーを検出することができるセンサである。これは、量子井戸内の電子のサブバンド間遷移を利用して光子のエネルギー準位を検出することによって行われる。量子井戸は、サブバンドを有しており、量子井戸内の電子が光子によって励起されると、電子は光子のエネルギー準位に従って別のサブバンドに遷移する。光子のエネルギー準位がサブバンドのエネルギー準位間のギャップより大きく、光子が光検出器の量子井戸に入ると、量子井戸内の電子は励起され、上位サブバンドに移動する。場合によっては、励起された電子の上位サブバンドへのこのような移動は、「トンネル効果で障壁を通り抜ける」と記述される。このような電子遷移により、電流が光検出器内を流れる。
ナノ光素子がさまざまな用途（例えば、コンパクトデジタルカメラ）に使用されることが多くなるにつれ、それらの用途向けの光検出器は、検出される光の波長より小さくなった。この場合、検出効率は、誘電体導波構造がサブ波長領域では非効率であるため急激に低下する。
光子を検出することができる光検出器のさまざまな実施形態が開示される。非限定的な例による一実施形態では、光検出器は、第１の障壁層、第１の障壁層上に配置される井戸層、および井戸層上に配置される第２の障壁層を有する量子構造を備える。金属層は、この量子構造に隣接して配置される。
前述の説明は、例示的なものにすぎず、決して制限することを意図するものではない。上述の例示的な態様、実施形態、および特徴に加えて、図面を参照し、以下の詳細な説明を参照することによってさらなる態様、実施形態、および特徴も明らかになるであろう。
光検出器の例示的な一実施形態の図である。 図１に示されている光検出器およびその中の電場の断面図である。 光検出器を製造するためのプロセスの例示的な一実施形態の流れ図である。 光検出器を作製するためのプロセスの例示的な一実施形態を示す図である。 光検出器を作製するためのプロセスの例示的な一実施形態を示す図である。 光検出器を作製するためのプロセスの例示的な一実施形態を示す図である。 光検出器を作製するためのプロセスの例示的な一実施形態を示す図である。 光検出器を作製するためのプロセスの例示的な一実施形態を示す図である。 光検出器の別の例示的な実施形態の図である。 図５に例示されている光検出器内に形成される電場／光場の図である。 光検出器を製造するためのプロセスの別の例示的な実施形態の流れ図である。
以下の詳細な説明では、詳細な説明の一部をなす、添付図面が参照される。図面中の同様の記号は、一般に、文脈上別のものを示していない限り同様の構成要素を明示する。詳細な説明、図面、および請求項で説明されている例示的な実施形態は、限定することを意図するものではない。他の実施形態も利用することができ、また本明細書に提示されている発明対象の精神または範囲から逸脱することなく、他の変更を加えることができる。本明細書で一般的に説明され、また図に例示されているような本開示の態様は、さまざまな異なる構成による配置、置換、組み合わせ、設計が可能であり、すべて本明細書において明示的に企図されている。
図１は、光検出器１００の例示的な一実施形態を示している。図示されているように、光検出器１００は、基材１１０、第１のドープ層１２０、量子構造１３０、および第２のドープ層１４０が積み重ねられている積層構造を有することができる。いくつかの実施形態では、基材１１０、第１のドープ層１２０、量子構造１３０、および第２のドープ層１４０を順に積み重ねる。量子構造１３０は、第１の障壁層１３２、第２の障壁層１３６、および第１の障壁層１３２と第２の障壁層１３６との間に配置された井戸層１３４を備えることができる。光検出器１００は、量子構造１３０の側面の方向に隣接する金属層１５０をさらに備えることができる。一実施形態では、金属層１５０は、第２のドープ層１４２の側面の方向にも隣接して形成され、また第１のドープ層１２０上に形成されうる。光検出器１００は、第１のドープ層１２０上の第１の電極１６０および所定の電圧を光検出器１００に印加するのに使用されうる第２のドープ層１４０上の第２の電極１７０をさらに備える。図１において、量子構造１３０は、ただ１つの井戸層１３４を含むものとして示されているが、他の実施形態では量子構造１３０は複数の井戸層を備えることができる。例えば、限定はしないが、量子構造１３０は、その上及びその下に障壁層を有する２つまたはそれ以上の井戸層を備える複数の井戸構造を有することができ、または、一方の上に他方が積層された、または互いに横方向に隣り合うように積層された複数の量子構造、もしくはこれらの他の組み合わせであってもよい。
光検出器１００は、特定のレベルの電流を検出することによって特定のエネルギー準位（例えば、青色スペクトルの光）を持つ光子を検出することができる。電流は、電源が所定の電圧を検出器１００に印加した場合であっても光検出器１００を流れることはない。電流は、井戸層１３４内の電子がトンネル効果で障壁層１３２、１３６を通り抜けるのに十分なエネルギーを持たないため流れることができない。一実施形態では、光検出器１００が十分なエネルギー準位を持つ光子（例えば、青色スペクトルの光）を受けた場合、井戸層１３４内の基底状態の電子は、光子のエネルギーを吸収して、より高いエネルギー状態（つまり、より高いサブバンド）に遷移することができる。より高いエネルギー状態の電子は、トンネル効果で障壁層１３２、１３６を通り抜けて、電流を光検出器１００に流すことができる。したがって、光検出器１００は、光検出器１００を通る電流が検出されたときに青色スペクトルの光を持つ光子を検出することができる。
量子構造１３０は、特定のエネルギー準位を持つ光子（例えば、青色スペクトルの光）を検出するように構成されうる。一実施形態では、井戸層１３４は、青色スペクトルに対応するバンドギャップエネルギーを有する、半導体を含みうる。例えば、井戸層１３４内の半導体は、約２．８５３ｅＶのバンドギャップエネルギーを有することができ、これは約４３５ｎｍの波長に対応する。例えば、井戸層１３４内の半導体は、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＳ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｄＯ、ＢｅＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、またはこれらの化合物などのＩＩ−ＶＩ族半導体のうちの１つから選択されうる。光検出器１００は、検出する光スペクトルに対応するバンドギャップエネルギーを持つように井戸層１３４内の半導体構成要素を調整することによって任意のスペクトルの光を検出することができる。以下の表１は、ＩＩ−ＶＩ族の半導体の例を、そのバンドギャップエネルギー（ｅＶ）、オングストローム（Å）の単位の格子定数（ａ軸）、および結晶構造とともに示したものである。
Figure 2012528481
 上の表１に示されているように、ＩＩ−ＶＩ族半導体は、約１．５ｅＶから約５．０ｅＶまでの範囲のバンドギャップエネルギーを有する。例えば、井戸層１３４は、所定のスペクトルに対応するバンドギャップエネルギーを有するように、その成分が表１にリストされているＩＩ−ＶＩ族半導体のうちから選択される半導体化合物を含むことができる。六方晶構造を持つＩＩ−ＶＩ族半導体を含む化合物は、強い結合エネルギーを有することができ、これは量子効率を改善するうえで有利である。さらに、六方晶系ＩＩ−ＶＩ族半導体は、立方晶系ＩＩ−ＶＩ族半導体に比べて、高励起準位の下で、ダークスポットの形成に対して耐性があることが知られている。これは、六方晶構造は対称性の低い構造であり、デバイス内の欠陥の伝搬を抑制するからである。例えば、デバイス内で縮退故障が発生すると仮定する。デバイスが対称的な構造を有する場合、縮退故障は、対称構造内を容易に伝搬しうる。しかし、縮退故障は、伝搬せず、六方晶構造または他の非対称構造内のある点で停止しうる。障壁層１３２、１３６は、電子または正孔などのキャリアが井戸層１３４内に閉じ込められるようなエネルギーバンドを有するように構成されうる。一実施形態では、障壁層１３２、１３６は、井戸層１３４内に電子を閉じ込めるために井戸層１３４の伝導帯より高い伝導帯を有することができる。一実施形態では、障壁層１３２、１３６は、井戸層１３４内に正孔を閉じ込めるために井戸層１３４の価電子帯より低い価電子帯を有することができる。
一実施形態では、井戸層１３４は、ＣｄＳとＺｎＳとの合金であるＣｄＺｎＳを含むことができる。ＣｄＳおよびＺｎＳは両方とも、直接バンドギャップ半導体であり、六方晶構造を有する。ＣｄxＺｎ1-xＳのバンドギャップエネルギーは、以下の式１によって表すことができる。
［式１］
Ｅｇ＝３．７２３−１．２４１ｘｅＶ
式１によれば、ｘ＝０．７の場合、ＣｄxＺｎ1-xＳのバンドギャップエネルギーＥｇは、２．８５３ｅＶであり、これは４３５ｎｍの波長（例えば、青色スペクトル）に対応する。井戸層１３４内に見られるＣｄxＺｎ1-xＳのＸは、青色スペクトル検出のためには、約０．５から１までの範囲とすることができる。一実施形態では、障壁層１３２、１３６は、井戸層１３４がＣｄＺｎＳを含む場合、ＺｎＳ、ＭｇＺｎＳ、およびＣｄＭｇＺｎＳのうちの１つを含むものとしてもよい。
別の実施形態では、井戸層１３４は、ＣｄＯとＺｎＯとの合金であるＣｄＺｎＯを含むことができる。ＣｄＯおよびＺｎＯは両方とも、直接バンドギャップ半導体である。一実施形態では、障壁層１３２、１３６は、井戸層１３４がＣｄＺｎＯを含む場合、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、およびＣｄＭｇＺｎＯのうちの１つを含むものとしてもよい。
井戸層１３４は、数ナノメートルの厚さを有するものとしてもよい。いくつかの実施形態では、井戸層１３４の厚さは、約１０ｎｍ未満または約３ｎｍ未満とすることができる。他の実施形態では、井戸層１３４の厚さは、約１ｎｍから約１０ｎｍまで、約２ｎｍから約８ｎｍまで、または約３ｎｍから約６ｎｍまでの範囲であるものとしてもよい。障壁層１３２、１３６は、井戸層１３４の厚さに基づく厚さを有することができる。一実施形態では、障壁層１３２、１３６の厚さは、井戸層１３４の厚さに似た範囲を有することができる。別の実施形態では、障壁層１３２、１３６の厚さは、井戸層１３４の厚さより厚く、その差は約２ｎｍ以下としてもよい。
量子構造１３０は、数百ナノメートルの幅を有するものとしてもよい。一実施形態では、量子構造１３０の幅は、約１０ｎｍから約１０００ｎｍまで、約１０ｎｍから約５００ｎｍまで、または約１０ｎｍから約１００ｎｍまでの範囲であるものとしてもよい。
別の実施形態では、井戸層１３４および障壁層１３２、１３６に含まれるＩＩ−ＶＩ族半導体は、異なる格子定数を有することができる。強い圧電効果または自発分極を示すＩＩ−ＶＩ族半導体を含む井戸層１３４および障壁層１３２、１３６の格子定数の差は、井戸層１３４内に歪みおよび／または電（分極）場を引き起こしうる。井戸層１３４内の歪みおよび／または電場は、光検出器１００の全体的な量子効率を低下させうる。量子構造１３０は、井戸層１３４内の歪みまたは電場を低減するようにさらに構成されうる。一実施形態では、量子構造１３０は、井戸層１３４と障壁層１３２、１３６のうちの少なくとも一方との間に配置された追加の障壁層をさらに備えることができる。追加の障壁層は、井戸層１３４と同じ材料（または半導体）を含んでいてもよい。追加の障壁層において、材料の組成は、適切なエネルギーバンドを有するように調整することができる。一実施形態では、量子構造１３０は、複数の井戸層および複数の障壁層を有する、超格子多層を有するように構成することができる。超格子多層における、それぞれの層は、約１．５ｎｍ以下の厚さを有することができる。一実施形態では、障壁層１３２、１３６は、ＭｇＣｄＺｎＳ、ＭｇＣｄＺｎＯ、またはＩＩ−ＶＩ族半導体のうちから選択された４つの元素の任意の化合物などの四元化合物半導体を含むことができる。四元化合物半導体の組成は、井戸層１３４内の歪みまたは電場を低減するように調整することができる。
金属層１５０は、表面プラズモン導波路として使用され、電場および／または光場を量子構造１３０内に集中させることができる。一実施形態では、金属層１５０は、量子構造１３０の誘電率より大きい誘電率を有する金属材料を含みうる。金属層１５０および量子構造１３０内に形成される電場の関係は、式２によって表すことができる。
［式２］
Figure 2012528481
 式中、Ｄxはｘ軸にそった電気変位場であり、Ｅxはｘ軸にそった電場の強さであり、εは誘電率である。
式２によれば、金属層１５０の量子構造１３０に対する誘電率の比は１より大きい。そのため、より強い電場および／または光場が量子構造１３０内に形成されうる。金属層１５０の量子構造１３０に対する誘電率の比は、青色スペクトルの波長などの決定されたスペクトルについて、約２から約１００までの範囲としてもよい。一実施形態では、金属の誘電率は光子の振動数に応じて変わるので、金属層１５０に含まれる金属材料の種類は導波路内に閉じ込められる標的光子の振動数に依存しうる。一実施形態では、金属層１５０は、青色スペクトル検出に適した誘電率を有する金属材料を含みうる。例えば、金属層１５０は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、または他の金属のうちの１つまたは化合物を含むことができる。
図２は、図１に示されている光検出器１００の上面図およびその中に形成される電場／光場を示すグラフを示している。記号Ｅ、Ｘ、ＷＱは、対応する領域内に形成される電場および／または光場、光検出器１００の幅にそった方向、および量子構造１３０の幅をそれぞれ表す。同じ参照番号は同じ要素を示す。図２に示されているように、電場および／または光場は、量子構造１３０上に集中するが、それは、金属層１５０と量子構造１３０との誘電率の比が１より大きいからである。そのため、従来の誘電体導波路とは異なり、電場／光場は、量子構造１３０の幅ＷＱが、例えば数百または数十ナノメートルまで減少する場合であっても導波路（金属層１５０）へ拡散しえない。したがって、検出効率は、光検出器１００が検出する光の波長より小さくなっても低下しえない。
金属層１５０は、数ナノメートル、数十ナノメートル、または数百ナノメートルの幅を有するものとしてもよい。一実施形態では、金属層１５０の幅は、約１０ｎｍから約１０００ｎｍまで、約１０ｎｍから約５００ｎｍまで、または約１０ｎｍから約１００ｎｍまでの範囲であるものとしてもよい。
図１を再び参照すると、基材１１０は、光検出器１００を製造するプロセスで基材上に他の層（つまり、第１のドープ層１２０、量子構造１３０、および第２のドープ層１４０）を成長させるのに適した半導体基材を含むことができる。一実施形態では、基材１１０は、量子構造１３０がＩＩ−ＶＩ族半導体を含む場合にサファイアを含むことができる。別の実施形態では、基材１１０は、量子構造１３０がＩＩ−ＶＩ族半導体を含む場合にＧａＡｓ（１１１）またはＧａＡｓ（００１）を含むことができる。ＧａＡｓは（１１１）または（００１）方向にそって六角形に似た平面を備えるため、ＩＩ−ＶＩ族半導体は、ＧａＡｓ（１１１）またはＧａＡｓ（００１）基材上に成長させることができる。ＧａＡｓはサファイアに比べて安価であるため、設計者は、例えば、コスト上の制限により、ＧａＡｓか、またはサファイアを基材１１０に選ぶことができる。
第１のドープ層１２０は、ｎ型半導体材料を含むことができる。第１のドープ層１２０を形成するために、ＺｎＳまたはＺｎＯなどの真性層を基材１１０上に成長させることができる。次いで、真性層をＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、またはＴｅなどのｎ型不純物でドープすることができる。第１のドープ層１２０は、電子などのキャリアを量子構造１３０に供給することができ、第１の電極１６０とのオーミック接触を助長することができる。一実施形態では、第１のドープ層１２０は、図１に示されているように高ドープ層１２２および通常ドープ層１２４を含む２つまたはそれ以上のドープ層を有することができる。高ドープ層１２２は、より多くのキャリア、また良好なオーミック特性をもたらしうるが、通常ドープ層１２４は、量子構造１３０の量子効率を高める良好な結晶特性をもたらしうる。例えば、高ドープ層１２２は、約０．０１オーム／ｃｍから約０．１オーム／ｃｍまでの範囲の抵抗率を有することができる。通常ドープ層１２４は、例えば、約６００オーム／ｃｍより高い抵抗率を有することができる。第２のドープ層１４０は、ｐ型半導体材料を含むことができる。第２のドープ層１４０を形成するために、ＺｎＳなどの真性層を量子構造１３０上に成長させることができる。次いで、真性層をＺｎ、Ｍｇ、Ｃａ、またはＢｅなどのｐ型不純物でドープすることができる。第２のドープ層１４０は、正孔などのキャリアを量子構造１３０に供給することができ、第２の電極１７０とのオーミック接触を助長することができる。一実施形態では、第２のドープ層１４０は、約６００オーム／ｃｍより高い抵抗率を有することができる。第１および第２のドープ層１２０、１４０のタイプは変更可能であり、例えば、限定はしないが、第１のドープ層１２０にはｐ型不純物をドープし、第２のドープ層１４０にはｎ型不純物をドープすることができる。他の実施形態では、第１のドープ層２０にはｎ型不純物をドープし、第２のドープ層１４０にはｐ型不純物をドープすることができる。
光検出器１００内の層１２０、１３２、１３４、１３６、１４０は、限定はしないが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、または他の多くの成長法を含む手順のうちの１つを適宜使用して成長させることができる。
一実施形態では、第１の電極１６０は、Ｔｉ／Ａｌの積層構造を有することができる。図１は、量子構造１３０および第２のドープ層１４０の一部が取り除かれ第１のドープ層１２０の一部を露出しその上に第１の電極１６０を形成する一実施形態を例示しているが、さまざまな他の実施形態も可能である。例えば、基材１１０を取り除き、第１の電極１６０を第１のドープ層１２０の下に形成することができる。
一実施形態では、第２の電極１７０は、Ｎｉ／ＡｕまたはＡｇ／Ａｕの積層構造を有することができる。別の実施形態では、第２の電極１７０はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明金属を含み、これにより光子または他の光が第２の電極１７０を透過できるようにすることができる。
図３は、光検出器を製造するためのプロセスの例示的な一実施形態の流れ図である。例えば、図３に例示されているプロセスで、図１に示されているような光検出器１００を製造することができる。ブロックＳ１１０から始めて、基材、例えば基材１１０を用意する。ブロックＳ１２０で、第１のドープ層、量子構造、および第２のドープ層を基材上に形成する。いくつかの実施形態では、これは順番に形成される。例えば、図４Ａを参照すると、第１のドープ層１２０、量子構造１３０、および第２のドープ層１４０を順に基材１１０上に形成することができる。図４Ａに示されているように、量子構造１３０は、第１の障壁層１３２、第１の障壁層１３２上に形成された井戸層１３４、および井戸層１３４上に形成された第２の障壁層１３６を備えることができる。層１２０、１３２、１３４、１３６、１４０は、限定はしないが、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、または他の多くの成長法を含む方法のうちの１つを適宜使用して成長させることができる。
量子構造１３０は、特定のエネルギー準位を持つ光子（例えば、青色スペクトルの光）を検出するように構成されうる。一実施形態では、井戸層１３４は、青色スペクトルに対応するバンドギャップエネルギーを有する半導体を含みうる。例えば、井戸層１３４内の半導体は、約２．８５３ｅＶのバンドギャップエネルギーを有することができ、これは約４３５ｎｍの波長に対応する。例えば、井戸層１３４に含まれる半導体材料は、限定はしないがＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＳ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｄＯ、ＢｅＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、またはこれらの化合物を含むＩＩ−ＶＩ族半導体のうちの１つから選択されうる。井戸層１３４内の半導体材料（または化合物）は、光検出器１００によって検出されるスペクトルに対応するバンドギャップエネルギーを有するように選択されうる。障壁層１３２、１３６は、電子または正孔などのキャリアが井戸層１３４内に閉じ込められるようなエネルギーバンドを有するように構成されうる。一実施形態では、障壁層１３２、１３６は、井戸層１３４内に電子を閉じ込めるために井戸層１３４の伝導帯より高い伝導帯を有することができる。一実施形態では、障壁層１３２、１３６は、井戸層１３４内に正孔を閉じ込めるために井戸層１３４の価電子帯より低い価電子帯を有することができる。例えば、井戸層１３４は、ＣｄＳとＺｎＳとの合金であるＣｄＺｎＳを含むことができる。ＣｄＳおよびＺｎＳは両方とも、直接バンドギャップ半導体であり、六方晶構造を有し、井戸層１３４に好適である。例えば、井戸層１３４は、ＣｄＯとＺｎＯとの合金であるＣｄＺｎＯを含むことができる。ＣｄＯおよびＺｎＯは両方とも、直接バンドギャップ半導体であり、井戸層１３４に適している。
井戸層１３４は、数ｎｍの厚さを有するものとしてもよい。いくつかの実施形態では、井戸層１３４の厚さは、約１０ｎｍ未満または約３ｎｍ未満とすることができる。一実施形態では、井戸層１３４の厚さは、約１ｎｍから約１０ｎｍまで、約２ｎｍから約８ｎｍまで、または約３ｎｍから約６ｎｍまでの範囲であるものとしてもよい。障壁層１３２、１３６は、井戸層１３４の厚さに基づく厚さを有することができる。一実施形態では、障壁層１３２、１３６の厚さは、井戸層１３４の厚さに似た範囲を有することができる。一実施形態では、障壁層１３２、１３６の厚さは、井戸層１３４の厚さより厚く、その差は約２ｎｍ以下としてもよい。
基材１１０は、基材上に他の層（つまり、第１のドープ層１２０、量子構造１３０、および第２のドープ層１４０）を成長させるのに適した半導体基材を含むことができる。一実施形態では、基材１１０は、量子構造１３０がＩＩ−ＶＩ族半導体を含む場合にサファイアを含むことができる。別の実施形態では、基材１１０は、量子構造１３０がＩＩ−ＶＩ族半導体を含む場合にＧａＡｓ（１１１）またはＧａＡｓ（００１）を含むことができる。ＧａＡｓは（１１１）または（００１）方向にそって六角形に似たプレートを備えるため、ＩＩ−ＶＩ族半導体は、ＧａＡｓ（１１１）またはＧａＡｓ（００１）基材上に成長させることができる。ＧａＡｓはサファイアに比べて安価であるため、設計者は、コストに応じてＧａＡｓか、またはサファイアを基材１１０に選ぶことができる。
第１のドープ層１２０は、ｎ型半導体材料を含むことができる。第１のドープ層１２０を形成するために、ＺｎＳなどの真性層を基材１１０上に成長させることができる。次いで、真性層をＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、またはＴｅなどのｎ型不純物でドープすることができる。第１のドープ層１２０は、電子などのキャリアを量子構造１３０に供給することができ、第１の電極１６０とのオーミック接触を助長することができる。一実施形態では、第１のドープ層１２０は、図４Ａに示されているように高ドープ層１２２および通常ドープ層１２４を含む２つまたはそれ以上のドープ層を有することができる。高ドープ層１２２は、より多くのキャリア、また良好なオーミック特性をもたらしうるが、通常ドープ層１２４は、量子構造１３０の量子効率を高める良好な結晶特性をもたらしうる。例えば、高ドープ層１２２は、約０．０１オーム／ｃｍから約０．１オーム／ｃｍまでの範囲の抵抗率を有することができる。別の例では、通常ドープ層１２４は、約６００オーム／ｃｍより高い抵抗率を有することができる。第２のドープ層１４０は、ｐ型半導体材料を含むことができる。第２のドープ層１４０を形成するために、ＺｎＳなどの真性層を量子構造１３０上に成長させることができる。次いで、真性層をＺｎ、Ｍｇ、Ｃａ、またはＢｅなどのｐ型不純物でドープすることができる。第２のドープ層１４０は、正孔などのキャリアを量子構造１３０に供給することができ、第２の電極１７０とのオーミック接触を助長することができる。一実施形態では、第２のドープ層１４０は、約６００オーム／ｃｍより高い抵抗率を有することができる。第１および第２のドープ層１２０、１４０のタイプは変更可能である。例えば、限定はしないが、第１のドープ層１２０にはｐ型不純物をドープし、第２のドープ層１４０には、ｎ型不純物をドープすることができる。
図３を再び参照すると、ブロックＳ１３０では、図１に示されているように、積層された層は１つの光検出器、例えば光検出器１００のサイズにダイスカットされる。ブロックＳ１３０は、オプションであり、層が光検出器のサイズと一致するように形成される場合には省くことができる。
第２のドープ層および量子構造の一部は、ブロックＳ１４０で取り除かれる。例えば、図４Ｂを参照すると、第２のドープ層１４０および量子構造１３０の一部を取り除いて、幅ＷＱを有する構造を残すことができる。一実施形態では、層１３０、１４０のうちの少なくとも一方の一部を乾式エッチングによって取り除くことができる。一実施形態では、量子構造１３０および第２のドープ層１４０の所定の幅ＷＱは、数百ナノメートルとすることができる。例えば、幅ＷＱは、約１０ｎｍから約１０００ｎｍまで、約１０ｎｍから約５００ｎｍまで、または約１０ｎｍから約１００ｎｍまでの範囲であるものとしてもよい。
ブロックＳ１５０で、金属層を、形成された量子構造に隣接する第１および第２のドープ層上に形成する。例えば、図４Ｃを参照すると、金属層１５０’を、第１のドープ層１２０、量子構造１３０、および第２のドープ層１４０を覆うように形成することができることがわかる。一実施形態では、金属層１５０’は、スパッタリングまたは真空蒸着によって形成されうる。別の実施形態では、金属層１５０’は、量子構造１３０の誘電率より大きい誘電率を有する任意の種類の金属材料を含みうる。金属層１５０の量子構造１３０に対する誘電率の比は、約２から約１００までの範囲であるものとしてもよく、これは決定されたスペクトルを検出するのに適している。一実施形態では、金属の誘電率は振動数に応じて変わるので、金属層１５０に含まれる金属材料は検出する光子の振動数に依存しうる。一実施形態では、金属層１５０は、青色スペクトル検出に適した誘電率を有する金属を含みうる。例えば、金属層１５０は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｔｉ、もしくは他の金属のうちの１つまたはそれらの化合物を含むことができる。
ブロックＳ１６０で、金属層を研磨する。例えば、図４Ｄを参照すると、図４Ｃに例示されている金属層１５０’は、その表面が第２のドープ層１４０と実施的に同じ高さとなり、金属層１５０を形成するように研磨することができることがわかる。一実施形態では、研磨は、機械的に、または化学的に行うことができる。
ブロックＳ１７０で、金属層および第１のドープ層の一部を取り除く。例えば、図４Ｅを参照すると、金属層１５０および第１のドープ層１２０の一部を取り除いて、第１のドープ層１２０の一部を露出させ、幅ＷＭを有する金属層１５０を残すことができることがわかる。一実施形態では、第１のドープ層１２０の高ドープ層１２２の一部を取り除いて、第１のドープ層１２０の通常ドープ層１２４の一部を露出させることができる。別の実施形態では、高ドープ層１２２の一部を取り除いて、図４Ｅに示されているようにその残り部分を露出させることができる。別の実施形態では、通常ドープ層１２４の一部を取り除いて、その残り部分を露出させることができる。金属層１５０は、数ナノメートル、数十ナノメートル、または数百ナノメートルの幅ＷＭを有するものとしてもよい。一実施形態では、金属層１５０の幅ＷＭは、約１０ｎｍから約１０００ｎｍまで、約１０ｎｍから約５００ｎｍまで、または約１０ｎｍから約１００ｎｍまでの範囲であるものとしてもよい。金属層１５０は、プラズモン導波路として使用され、電場および／または光場を量子構造１３０内に集中させることができる。
ブロックＳ１８０で、第１の電極および第２の電極を、それぞれ、第１のドープ層の露出部分上に、また第２のドープ層上に形成する。例えば、図１を参照すると、第１の電極１６０および第２の電極１７０を、それぞれ、第１のドープ層１２０の露出部分上に、また第２のドープ層１４０上に形成することができることがわかる。一実施形態では、第１の電極は、Ｔｉ／Ａｌの積層構造を有することができる。別の実施形態では、第２の電極は、Ｎｉ／ＡｕまたはＡｇ／Ａｕの積層構造を有することができる。別の実施形態では、第２の電極はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明金属を含み、これにより光子または他の光が第２の電極を透過できるようにすることができる。
当業者であれば、このプロセスおよび他のプロセスならびに本明細書で開示されている方法に関して、これらのプロセスおよび方法で実行される機能は、異なる順序で実施することができることを理解するであろう。さらに、概要を述べたステップおよび動作は、例としてのみ提示されており、これらのステップおよび動作のいくつかは、開示されている実施形態の本質から逸脱することなく、任意選択であるか、さらに少ないステップおよび動作にまとめられるか、またはステップおよび動作を加えて拡大することができる。
図５は、光検出器２００の例示的な一実施形態を示している。図示されているように、光検出器２００は、基材２１０、基材２２０上に配置されている第１のドープ層２２０、第１のドープ層２２０上に配置されている量子構造２３０、および量子構造２３０上に配置されている第２のドープ層２４０を有する積層構造を有することができる。いくつかの実施形態では、基材２１０、第１のドープ層２２０、量子構造２３０、および第２のドープ層２４０を順に積み重ねる。量子構造２３０は、第１の障壁層２３２、第２の障壁層２３６、および第１の障壁層２３２と第２の障壁層２３６との間に配置された井戸層２３４を備えることができる。光検出器２００は、量子構造２３０の上に金属層２５０をさらに備えることができる。金属層２５０の幅ＷＭは、量子構造２３０の幅ＷＱより小さくてもよい。一実施形態では、金属層２５０は、図２に示されているように、第２のドープ層２４０上に形成されうる。別の実施形態では、２つまたはそれ以上金属層２５０を第２のドープ層２４０上に配置して、グレーティングを形成することができる。図５に示されているように、第１のドープ層２２０は、高ドープ層２２２および通常ドープ層２２４を含むことができる。
図５には示されていないが、いくつかの実施形態では、光検出器２００は、第１のドープ層２２０上の１の電極および第２のドープ層２４０上の第２の電極をさらに備えることができ、これにより、光検出器２００は、外部電源から所定の電圧を受けることができる。図５において、量子構造２３０は、ただ１つの井戸層２３４を含むものとして示されているが、他の実施形態では量子構造２３０は複数の井戸層を備えることができる。例えば、限定はしないが、量子構造２３０は、その上におよび下に障壁層を有する２つまたはそれ以上の井戸層を備える複数の井戸構造を有することができ、または一方の上に他方が積層された、または互いに横方向に隣り合うように積層された複数の量子構造、もしくはこれらの他の組み合わせであってもよい。
一実施形態では、層２１０、２２２、２２４、２３２、２３４、２３６、２４０、２５０は、それぞれ、図１に示されているように層１１０、１２２、１２４、１３２、１３４、１３６、１４０、１５０と同様の材料を含むことができる。一実施形態では、井戸層２３４は、青色スペクトルに対応するバンドギャップエネルギーを有する半導体を含みうる。例えば、井戸層２３４内の半導体は、約２．８５３ｅＶのバンドギャップエネルギーを有することができ、これは約４３５ｎｍの波長に対応する。一実施形態では、井戸層２３４に含まれる半導体材料は、ＣｄＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＳ、ＭｇＳｅ、ＭｇＳ、ＺｎＯ、ＭｇＯ、ＣｄＯ、ＢｅＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、またはこれらの化合物などのＩＩ−ＶＩ族半導体のうちの１つから選択されうる。
別の実施形態では、量子構造２３０の幅ＷＱは、数百ナノメートルとすることができる。例えば、幅ＷＱは、約１０ｎｍから約１０００ｎｍまで、約１０ｎｍから約５００ｎｍまで、または約１０ｎｍから約１００ｎｍまでの範囲であるものとしてもよい。別の実施形態では、金属層２５０の幅ＷＭは、数十ナノメートルとすることができる。例えば、幅ＷＭは、約１ｎｍから約１００ｎｍまで、約２ｎｍから約５０ｎｍまで、または約５ｎｍから約１０ｎｍまでの範囲であるものとしてもよい。金属層２５０の数または幅、ＷＭ、は、プロセスの複雑度とコストの制限に応じて決定することができる。
一実施形態では、層２１０、２２０、２３０、２４０は、それぞれ、図１に示されているように層１１０、１２０、１３０、１４０と同様の厚さを有することができる。別の実施形態では、層２１０、２２０、２３０、２４０は、それぞれ、図１に示されている層１１０、１２０、１３０、１４０と同様の方法で形成することができる。
図６は、図５に示されている光検出器２００内に形成される電場／光場のグラフである。Ｅ軸は、光検出器２００上に形成される電場／光場を表し、Ｘ軸は、光検出器上の位置を表し、ＷＭは、金属層２５０の幅を表す。図６に示されているように、電場および／または光場は、量子構造２３０の内側に集中しているが、それは、金属層２５０と量子構造２３０との誘電率の比が１より大きいからである。そのため、従来の誘電体導波路とは異なり、電場／光場は、量子構造１３０の幅ＷＱが、例えば数百または数十ナノメートルまで減少する場合であっても導波路（金属層２５０）へ拡散しえない。したがって、検出効率は、光検出器２００が検出する光の波長より小さくなっても低下しえない。
図７は、光検出器を製造するためのプロセスの例示的な一実施形態の流れ図である。例えば、図５に例示されているような光検出器２００は、図７に例示されているプロセスを使用して製造されうる。ブロックＳ２１０から始めて、基材（例えば、図５に示されているような基材２１０）を用意する。ブロックＳ２２０で、第１のドープ層、量子構造、および第２のドープ層を基材上に形成する。いくつかの実施形態では、これは順番に形成される。例えば、図５を参照すると、第１のドープ層２２０、量子構造２３０、および第２のドープ層２４０を順に基材２１０上に形成することができる。図５に示されているように、量子構造２３０は、第１の障壁層２３２、第１の障壁層２３２上に形成された井戸層２３４、および井戸層２３４上に形成された第２の障壁層２３６を備えることができる。第１のドープ層２２０は、図５に示されているように高ドープ層２２２および通常ドープ層２２４を含むことができる。層２２２、２２４、２３２、２３４、２３６、２４０は、限定はしないが、適宜分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）、または他の多くの成長法を含む方法のうちの１つによって成長させることができる。層２２２、２２４、２３２、２３４、２３６、２４０は、それぞれ、図１に示されている層１２２、１２４、１３２、１３４、１３６、１４０と同様の材料を含むことができる。
ブロックＳ２３０で、図５に示されているように、積層された層は１つの光検出器、例えば光検出器２００のサイズにダイスカットされる。ブロックＳ２３０は、オプションであり、層が光検出器のサイズと一致するように形成される場合には省くことができる。
ブロックＳ２４０で、第２のドープ層、量子構造、および第１のドープ層の一部を取り除いて、第１のドープ層の一部を露出させる。例えば、図５を参照すると、第２のドープ層２４０、量子構造２３０、および第１のドープ層２２０の一部を取り除いて、幅ＷＱを有する構造を残すことができる。一実施形態では、残りの第２のドープ層、量子構造、および第１のドープ層の幅ＷＱは、数百ナノメートルとすることができる。例えば、幅ＷＱは、約１０ｎｍから約１０００ｎｍまで、約１０ｎｍから約５００ｎｍまで、または約１０ｎｍから約１００ｎｍまでの範囲であるものとしてもよい。ブロックＳ２５０で、第１の電極および第２の電極を、それぞれ、第１のドープ層上に、また第２のドープ層上に形成する。いくつかの実施形態では、ブロックＳ２５０は後で実行することができる。
ブロックＳ２６０で、金属層を第２のドープ層上に形成する。例えば、図５を参照すると、金属層２５０を第２のドープ層２４０上に形成することができる。一実施形態では、金属層２５０は、図１に示されている金属層１５０と同様の金属を含みうる。ブロックＳ２７０で、金属層のパターン形成を行って、グレーティング構造、例えば、図５に示されている金属層２５０などを形成する。一実施形態では、金属層の幅ＷＭは、数十ナノメートルとすることができる。例えば、幅ＷＭは、約１ｎｍから約１００ｎｍまで、約２ｎｍから約５０ｎｍまで、または約５ｎｍから約１０ｎｍまでの範囲であるものとしてもよい。金属層の数または幅ＷＭは、プロセスの複雑度とコストの制限に応じて決定することができる。
作業順序は、設計オプションに応じて変更することができる。例えば、ブロックＳ２６０およびＳ２７０を、ブロックＳ２４０およびＳ２５０の前に実行することができる。
この出願において説明されている特定の実施形態は、各種態様を例示するものとして意図されており、本開示はこれらに限定されない。多くの修正ならびに変更は、当業者に明らかなように、本明細書の精神および範囲から逸脱することなく行うことができる。本開示の範囲内で機能的に同等の方法および装置は、本明細書に列挙されているものに加えて、当業者には前記の説明から明らかであろう。このような修正形態および変更形態は、付属の請求項の範囲内にあることが意図されている。本開示は、付属の請求項の均等物の全範囲とともに、付属の請求項の文言によってのみ限定されるものとする。本開示は、特定の方法、試薬、化合物、組成物、または生体系に限定されず、これらは当然変更できる。また、本明細書で使用されている用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、限定的であることを意図されていないと理解すべきである。
本明細書における実質的に複数形および／または単数形の語の使用に関して、当業者であれば、背景状況および／または用途に応じて適切に、複数形を単数形に、および／または単数形を複数形に変えることができる。本明細書ではわかりやすくするために、明示的に単数形／複数形の各種置き換えをしている場合がある。
当業者であれば、一般に、本明細書で使用されている、また特に付属の請求項（例えば、付属の請求項の本文）で使用されている言い回しは、「制約のない」言い回し（例えば、「含むこと」という言い回しは、「限定はしないが、含むこと」と解釈すべきであり、「有する」という言い回しは、「少なくとも有する」と解釈すべきであり、「含む」という言い回しは、「限定はしないが、含む」と解釈すべきである、など）として一般に意図されていると、理解するであろう。さらに、当業者であれば、導入される請求項列挙の特定の数が意図されている場合、そのような意図は、請求項内で明示的に記載され、そのような列挙がない場合は、そのような意図は存在しないと理解するであろう。例えば、理解の助けとして、付属の請求項に、導入句「少なくとも１つの」および「１つまたは複数の」を入れて請求項列挙を導入することができる。しかし、英語原文において、このような語句を使用したとしても、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による請求項列挙の導入によって、たとえその請求項が導入句「１つまたは複数の」または「少なくとも１つの」、および「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞を含むとしても、そのような導入される請求項列挙を含む特定の請求項がそのような列挙を１つしか含まない実施形態に制限されることを意味すると解釈すべきではなく（例えば、「ａ」および／または「ａｎ」は、「少なくとも１つの」または「１つまたは複数の」を意味すると解釈されるべきである）、請求項列挙を導入するために使用される定冠詞の使用についても同じことが成り立つ。それに加えて、特定の数の導入される請求項列挙が明示的に記載されるとしても、当業者であれば、そのような列挙は、少なくとも記載されている数を意味するものと解釈すべきであることを理解するであろう（例えば、他に修飾子を付けない「２つの列挙」という飾りのない列挙は、少なくとも２つの列挙、または２つ以上の列挙を意味する）。さらに、「Ａ、Ｂ、およびＣなどのうちの少なくとも１つ」に同様の慣例的言い回しが使用される場合、一般的に、このような構文は、当業者がこの慣例的言い回しを理解するという意味で意図されたものである（例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、限定はしないが、Ａだけ、Ｂだけ、Ｃだけ、ＡおよびＢを一緒に、ＡおよびＣを一緒に、ＢおよびＣを一緒に、および／またはＡ、Ｂ、およびＣを一緒に、などを有するシステムを含む）。「Ａ、Ｂ、またはＣなどのうちの少なくとも１つ」に同様の慣例的言い回しが使用される場合、一般的に、このような構文は、当業者がこの慣例的言い回しを理解するという意味で意図されたものである（例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、限定はしないが、Ａだけ、Ｂだけ、Ｃだけ、ＡおよびＢを一緒に、ＡおよびＣを一緒に、ＢおよびＣを一緒に、および／またはＡ、Ｂ、およびＣを一緒に、などを有するシステムを含む）。さらに、当業者であれば、説明中であろうと、請求項中であろうと、図面中であろうと２つ以上の代替語を示す実質的に任意の離接語または語句は、複数の語のうちの１つ、複数の語いずれか、または両方の語を含む可能性を考えるものと理解されるべきであることを理解するであろう。例えば、語句「ＡまたはＢ」は、「Ａ」または「Ｂ」または「ＡおよびＢ」の可能性を含むと理解される。
それに加えて、本開示の特徴または態様がマーカッシュグループで説明されている場合、本開示は、これにより、マーカッシュグループの個々のメンバーまたはメンバーのサブグループでもまた説明されているということは当業者であれば理解するであろう。
当業者であれば理解するように、書面による明細書を提示することに関してなど、あらゆる目的について、本明細書で開示されているすべての範囲は、あらゆる可能な部分範囲およびそれらの部分範囲の組み合わせを包含する。リストされている範囲は、同じ範囲を少なくとも２等分、３等分、４等分、５等分、１０等分などに分割することを十分に記述し、またそのように分割することを可能にする範囲であると容易に理解できる。非限定的な例として、本明細書で説明されているそれぞれの範囲は、下３分の１、中３分の１、および上３分の１などに容易に分割できる。当業者であれば理解するように、「最大〜まで」、「少なくとも」、および同様の語句などのすべての言い回しは、参照されている数を含み、上で説明したようにその後いくつかの部分範囲に分割することができる範囲を指す。最後に、当業者であれば理解するように、範囲はそれぞれの個別のメンバーを含む。したがって、例えば、１〜３個のセルを持つ１つのグループは、１、２、または３個のセルを持つグループを指す。同様に、１〜５個のセルを持つ１つのグループは、１、２、３、４、または５個のセルを持つグループを指す。
上記の説明から、本開示のさまざまな実施形態は例示の目的で本明細書において説明されており、また本開示の範囲および精神から逸脱することなくさまざまな修正を加えることができることが理解されるであろう。したがって、本明細書で開示されているさまざまな実施形態は、限定を意図するものではなく、真の範囲および精神は以下の請求項によって示される。

Claims (23)

  1. 第１の障壁層、
    前記第１の障壁層上に配置された井戸層、および
    前記井戸層上に配置された第２の障壁層を備える量子構造と、
    前記量子構造に隣接して配置される金属層と
    を備えるデバイス。
  2. 前記量子構造は、ＩＩ−ＶＩ族半導体を含む請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記ＩＩ−ＶＩ族半導体は、六方晶構造である請求項２に記載のデバイス。
  4. 前記井戸層は、ｘを約０．５から約１までの範囲とするＣｄxＺｎ1-xＳを含む請求項１に記載のデバイス。
  5. 前記第１の障壁層および前記第２の障壁層が、本質的にＺｎＳ、ＭｇＺｎＳ、ＭｇＣｄＺｎＳ、ＺｎＯ、ＭｇＺｎＯ、およびＭｇＣｄＺｎＯからなる群から選択された半導体を含む請求項１に記載のデバイス。
  6. 前記量子構造は、約１００ｎｍ未満の幅を有し、前記金属層は、約１００ｎｍ未満の幅を有する請求項１に記載のデバイス。
  7. 前記金属層は、本質的にＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ、およびＴｉからなる群から選択された金属材料を含む請求項１に記載のデバイス。
  8. 前記第１の障壁層の下に配置された第１のドープ層と、
    前記第２の障壁層上に配置された第２のドープ層とをさらに備え、
    前記金属層は、前記第１のドープ層上に、かつ前記第２のドープ層に隣接して配置される請求項１に記載のデバイス。
  9. 前記第１のドープ層の下に配置された基材をさらに備える請求項８に記載のデバイス。
  10. 前記基材は、ＧａＡｓを含む請求項９に記載のデバイス。
  11. 前記金属層は、前記量子構造の両側部に沿って隣接する請求項１に記載のデバイス。
  12. 前記井戸層は、サブバンド上に電子を有し、該サブバンド間の１つまたは複数の遷移が青色スペクトルを持つ光子に対応する請求項１に記載のデバイス。
  13. 前記金属層は、前記量子構造上に配置され、前記金属層は、前記量子構造の幅より小さい幅を有する請求項１に記載のデバイス。
  14. 前記第１の障壁層の下に配置された第１のドープ層と、
    前記第２の障壁層上に配置された第２のドープ層とをさらに備え、
    前記金属層は、前記第２のドープ層上に配置されている請求項１３に記載のデバイス。
  15. ２つまたはそれ以上の金属層が前記量子構造上に配置されてグレーティング構造を形成し、前記２つまたはそれ以上の金属層の幅の合計は、前記量子構造の前記幅より小さい請求項１３に記載のデバイス。
  16. 第１の障壁層を形成すること、
    前記第１の障壁層上に井戸層を形成すること、及び
    前記井戸層上に第２の障壁層を形成すること
    によって量子構造を形成すること、
    前記量子構造が所定の幅を有するようになるまで前記量子構造の一部を取り除くこと、および
    前記量子構造に隣接する位置に金属層を形成することを含む方法。
  17. 第１のドープ層を形成すること、および
    第２のドープ層を前記第２の障壁層上に形成することをさらに含む請求項１６に記載の方法であって、
    第１の障壁層を形成することは、第１の障壁層を前記第１のドープ層上に形成することを含み、
    前記量子構造の一部を取り除くことは、前記第２のドープ層が前記量子構造と同じ幅を有するように前記第２のドープ層に対応する前記量子構造の一部を取り除くことをさらに含み、
    金属層を形成することは、金属層を前記第１のドープ層上に、前記量子構造及び前記第２のドープ層に隣接するように形成することをさらに含む方法。
  18. 基材を用意することをさらに含み、
    前記第１のドープ層を形成することは、前記第１のドープ層を前記基材上に形成することを含む請求項１７に記載の方法。
  19. 前記金属層を形成することは、前記量子構造の両側部に沿って隣接する金属層を形成すること含む請求項１６に記載の方法。
  20. 前記井戸層は、サブバンド上に電子を有し、該サブバンド間の１つまたは複数の遷移は青色スペクトルを持つ光子に対応する請求項１６に記載の方法。
  21. 第１の障壁層を形成すること、
    前記第１の障壁層上に井戸層を形成すること、及び
    前記井戸層上に第２の障壁層を形成すること
    によって量子構造を形成すること、および
    前記量子構造上に金属層を形成することを含み、
    前記金属層は、前記量子構造の幅より小さい幅を有する方法。
  22. 第１のドープ層を形成すること、および
    第２のドープ層を前記第２の障壁層上に形成することをさらに含む請求項２１に記載の方法であって、
    第１の障壁層を形成することは、第１の障壁層を前記第１のドープ層上に形成することを含み、
    前記金属層を形成することは、金属層を前記第２のドープ層上に形成することをさらに含む請求項２１に記載の方法。
  23. 前記金属層を形成することは、２つまたはそれ以上の金属層をグレーティングの形態で前記量子構造上に形成することをさらに含み、
    前記２つまたはそれ以上の金属層の幅の合計は、前記量子構造の前記幅より小さい請求項２１に記載の方法。
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