JP2014060321A - 量子ドット型赤外線検出器とその製造方法、バイアス電圧決定方法、決定システムとその制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】検出波長を任意の波長に調整可能な量子ドット型赤外線検出器とその製造方法を提供すること。
【解決手段】積層体１１は、ＧａＡｓ基板１の上方に積層される。積層体１１では、ＧａＡｓ中間層１２ａ上に、第１の量子ドット１３ａが形成された第１の量子ドット層１３が積層される。第１の量子ドット層１３上には、厚さ１０ｎｍ以下のＧａＡｓ中間層１２ｂが積層される。ＧａＡｓ中間層１２ｂには、第１の量子ドット１３ａの略上方に第１の量子ドット１３ａと二重量子ドットを構成する第２の量子ドット１４ａが形成された第２の量子ドット層１４が積層される。第２の量子ドット層１４には、ＧａＡｓ中間層１２ｂが積層される。
【選択図】図２

Description

本発明は量子ドット型赤外線検出器とその製造方法、バイアス電圧決定方法、決定システムとその制御プログラムに関し、例えば検出波長を調整することが可能な量子ドット型赤外線検出器とその製造方法、バイアス電圧決定方法、決定システムとその制御プログラムに関する。

波長が１０μｍ程度の遠中赤外線は、室温付近の黒体放射スペクトルのピークに相当する。そのため、この波長帯における高性能な検出器が、暗視装置やリモートセンシング応用の面から強く望まれている。冷却型赤外線検出器としては、一般に、ＨｇＣｄＴｅ（水銀カドミウムテルル）系の材料を用いた直接遷移型赤外線検出装置が主に使われてきた。ところが、ＨｇＣｄＴｅ系材料は、大面積基板の均質性が乏しく、加工プロセスも困難である。よって、ＨｇＣｄＴｅ系材料を用いて赤外線検出器を作製すると、価格が高くなってしまう。

一方で、近年の半導体結晶成長技術の進展と成熟に伴い、特にＧａＡｓ（ガリウムヒ素）等のＩＩＩ−Ｖ族半導体では、均質性の高い大面積基板が低価格で提供されるようになった。これにより、ＩＩＩ−Ｖ族半導体を用いた赤外線検出器（例えば量子井戸型赤外線検出器）が開発されてきた。

このようなＩＩＩ−Ｖ族半導体赤外線検出器の中でも、量子ドットを光吸収層として用いた量子ドット型赤外線検出器が、近年注目を集めている。以下、量子ドット及び量子ドット型赤外線検出器の動作原理について簡単に説明する。量子ドットは直径がナノメートルサイズの３次元的な微小構造である。以下では、量子ドットとは、異なる組成の半導体結晶の接合界面における格子定数の違いによる歪みを解消するために、自然に形成される（Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモード、以下Ｓ−Ｋ）ものを指す。Ｓ−Ｋモードで形成される半導体量子ドットは、Ｓ−Ｋ量子ドットと呼ばれている。

Ｓ−Ｋ量子ドットは、周囲の半導体のバンドギャップに比べて狭バンド幅の半導体組成で作製される。従って、Ｓ−Ｋ量子ドットが形成されるヘテロ界面では、伝導帯や荷電子帯に不連続なギャップが生じ、ポテンシャルの井戸が形成される。そのため、量子ドット内に複数個の電子や正孔を保持することができる。量子ドット内の電子や正孔は、それらのド・ブロイ波長より小さな微小空間に３次元的に閉じ込められるため、例えば水素原子中の電子状態のように、離散化したエネルギー準位を持つ。量子ドットが形成された層に入射した赤外線は、基底状態（上述の離散化準位のうち、最もエネルギーの低い準位）に保持されていた電子又は正孔を、量子ドット内の高次の離散化準位に励起（サブバンド間遷移）するか、又は更にエネルギーの高い連続準位等に励起する。このように励起された電子又は正孔をコンタクト電極まで到達させて電気信号として測定できれば、赤外線を検出することができる。

半導体量子ドット型赤外線検出器は、前述の離散化したエネルギー準位に起因してキャリア（電子及び正孔）の熱励起が強く抑制される。そのため、半導体量子ドット型赤外線検出器は、優れた熱雑音特性を有し、信号・雑音比の高い赤外線検出が可能である。また、量子ドット型赤外線検出器は量子井戸型赤外線検出器とは異なり、キャリア（電子及び正孔）が３次元的に閉じ込められているため、基板に垂直方向の入射光に対しても感度を有するという利点もある。

量子ドット型赤外線検出器の検出波長特性は、ドット内の基底状態と、光吸収後の高次の離散化準位又は連続準位と、のエネルギー差によって決定される。そのため、量子ドット型赤外線検出器は、原理的に狭帯域の検出器である。すわなち、量子ドット型赤外線検出器は、分光器等を用いなくても特定の波長の光のみを選択的に観測できるという利点を有する。

一方、量子ドット型赤外線検出器の検出波長は、一般に検出器の製造工程において、結晶成長時のエネルギーバンド構造で決まってしまう。そのため、検出器の作製後に検出波長を調整することができない。そこで、検出波長を調整するために、バイアス電圧の正負を切り替えたり、偏光子を用いることで、予め決まった検出波長間で検出波長を切り替えることのできる量子ドット型赤外線検出器が開発されてきた（特許文献１及び２、非特許文献１）。

特開２００９−６５１４３号公報 特開２０１０−１１４３８１号公報

Jianliang Huang, et al., "Two-color In0.4Ga0.6As/Al0.1Ga0.9As quantum dot infrared photodetector with double tunneling barriers", 2011, APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 98, 103501.

しかし、発明者は、上述の手法には以下に示す問題点があることを見出した。上述の手法では、検出波長の調整はできるものの、予め決められた波長間で調整できるに過ぎない。従って、これまでは、検出波長をある波長範囲内の任意の波長に調整することはできなかった。

本発明は上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、検出波長を任意の波長に調整可能な量子ドット型赤外線検出器とその製造方法を提供することである。

本発明の一態様である量子ドット型赤外線検出器は、半導体基板と、半導体基板の上方に積層された受光層である積層体と、を備え、前記積層体は、前記半導体基板の上方に積層された第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上方に積層された厚みが１０ｎｍ以下である第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上方に積層された第３の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に積層され、前記第２の半導体層との間の界面に第１の量子ドットが形成された第１の量子ドット層と、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層との間に積層され、前記第１の量子ドット層の略上方に前記第１の量子ドットと二重量子ドットを構成する第２の量子ドットが前記第３の半導体層との間の界面に形成された第２の量子ドット層と、を備えるものである。

本発明の一態様である量子ドット型赤外線検出器の製造方法は、半導体基板の上方に、受光層である積層体を積層し、前記積層体の積層に際して、前記半導体基板の上に第１の半導体層を積層し、前記第１の半導体層の上に、前記第１の半導体層よりも格子定数が大きい第１の量子ドット層を積層することにより第１の量子ドットを形成し、前記第１の量子ドット層の上に、厚みが１０ｎｍ以下である第２の半導体層を積層し、前記第２の半導体層の上に、前記第２の半導体層よりも格子定数が大きい第２の量子ドット層を積層することにより第２の量子ドットを形成し、前記第２の量子ドット層の上に、第３の半導体層を積層するものである。

本発明によれば、検出波長を任意の波長に調整可能な量子ドット型赤外線検出器とその製造方法を提供することができる。

実施の形態１にかかる量子ドット型赤外線検出器１００の構成を模式的に示す構成図である。 積層体１１の構成を模式的に示す拡大図である。 実施の形態１にかかる量子ドット型赤外線検出器１００の製造工程を模式的に示す断面図である。 実施の形態１にかかる量子ドット型赤外線検出器１００の製造工程を模式的に示す断面図である。 実施の形態１にかかる量子ドット型赤外線検出器１００の製造工程を模式的に示す断面図である。 １組の二重量子ドット１５の断面と伝導帯のエネルギーとの関係を模式的に示す図である。 実施の形態１にかかる量子ドット型赤外線検出器１００にバイアス電圧を印加してエネルギーオフセットを０にした場合の１組の二重量子ドット１５の断面と伝導帯のエネルギーとの関係を模式的に示す図である。 結合状態のエネルギーＥとエネルギーオフセットΔεとの関係を示すグラフである。 バイアス電圧が０の場合の二重量子ドット１５の伝導体のエネルギーを示す図である。 バイアス電圧が０の場合の第１の量子ドット１３ａの基底状態３１のエネルギーレベルε_１と第２の量子ドット１４ａの基底状態３２のエネルギーレベルε_２との関係を示す図である。 結合状態のエネルギーＥとエネルギーオフセットΔεとの関係を示すグラフである。 エネルギーオフセットΔεが０になる状況までバイアス電圧を印加した場合の二重量子ドット１５の伝導体のエネルギーを示す図である。 エネルギーオフセットΔεが０になる状況までバイアス電圧を印加した場合の第１の量子ドット１３ａの基底状態３１のエネルギーレベルε_１と第２の量子ドット１４ａの基底状態３２のエネルギーレベルε_２との関係を示す図である。 結合状態のエネルギーＥとエネルギーオフセットΔεとの関係を示すグラフである。 エネルギーオフセットΔεが正の値になる状況までバイアス電圧を印加した場合の二重量子ドット１５の伝導体のエネルギーを示す図である。 エネルギーオフセットΔεが正の値になる状況までバイアス電圧を印加した場合の第１の量子ドット１３ａの基底状態３１のエネルギーレベルε_１と第２の量子ドット１４ａの基底状態３２のエネルギーレベルε_２との関係を示す図である。 結合状態のエネルギーＥとエネルギーオフセットΔεとの関係を示すグラフである。 量子ドット型赤外線検出器１００のバイアス電圧の調整するためのシステム構成を模式的に示すブロック図である。 量子ドット型赤外線検出器１００においてエネルギーオフセットΔεが０となるバイアス電圧の決定方法を示すフローチャートである 実施の形態３にかかる量子ドット型赤外線検出器３００の積層体４１の構成を模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

実施の形態１
まず、本発明の実施の形態１にかかる量子ドット型赤外線検出器１００について説明する。量子ドット型赤外線検出器１００では、例えばＩｎＡｓのＳ−Ｋ量子ドットが用いられる。ＩｎＡｓからなるＳ−Ｋ量子ドットは、ＧａＡｓよりも格子定数が大きいＩｎＡｓからなる数原子層程度の薄い層（濡れ層とも称する）を、ＧａＡｓ基板上に積層させることで、自発的に形成される。

図１は、実施の形態１にかかる量子ドット型赤外線検出器１００の構成を模式的に示す構成図である。量子ドット型赤外線検出器１００は、ＧａＡｓ基板１上に形成されたメサ部１０を有する。ＧａＡｓ基板１は、バルクのＧａＡｓで構成される。

ＧａＡｓ基板１上には、ｉ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）−ＧａＡｓ緩衝層２（厚さ１００ｎｍ）が積層されている。ｉ−ＧａＡｓ緩衝層２の上には、下部ｎ型コンタクト層３が積層される。下部ｎ型コンタクト層３は、Ｓｉなどのｎ型不純物をＧａＡｓに添加した層（例えば、２×１０^１８ｃｍ^−３、厚さ数百ｎｍ）で構成される。

下部ｎ型コンタクト層３上の一部には、メサ部１０が形成される。メサ部１０は、ＧａＡｓ中間層１２ａ、１２ｂ及び１２ｃ、第１の量子ドット層１３、第２の量子ドット層１４、ｎ−ＧａＡｓ上部コンタクト層４を有する。なお、図１では表示していないが、下部ｎ型コンタクト層３上に、ノンドープのｉ−ＧａＡｓ層が１００ｎｍほど積層されていてもよい。

メサ部１０では、下部ｎ型コンタクト層３上にＧａＡｓ中間層１２ａが積層される。ＧａＡｓ中間層１２ａ上には、ＩｎＡｓからなる第１の量子ドット層１３が積層される。第１の量子ドット層１３上には、ＧａＡｓ中間層１２ｂ（厚さ１０ｎｍ以下）が積層される。ＧａＡｓ中間層１２ｂ上には、ＩｎＡｓからなる第２の量子ドット層１４が積層される。第２の量子ドット層１４上には、ＧａＡｓ中間層１２ｃが積層される。以下、ＧａＡｓ中間層１２ａ、１２ｂ及び１２ｃ、第１の量子ドット層１３、第２の量子ドット層１４により構成される半導体積層体を、積層体１１と称する。なお、ＧａＡｓ中間層１２ａ、１２ｂ及び１２ｃは、それぞれ第１〜第３の半導体層とも称する。

図２は、積層体１１の構成を模式的に示す拡大図である。第１の量子ドット層１３には、第１の量子ドット１３ａが形成される。第１の量子ドット１３ａは、ＧａＡｓよりも格子定数の大きい第１の量子ドット層１３を積層することで、微小突起として自発的に形成される。第２の量子ドット層１４には、第２の量子ドット１４ａが形成される。第２の量子ドット１４ａは、ＧａＡｓよりも格子定数の大きい第２の量子ドット層１４を積層することで、微小突起として自発的に形成される。

第２の量子ドット１４ａは、第１の量子ドット１３ａの上方に並んで形成される。これにより、並んで形成された第１の量子ドット１３ａ及び第２の量子ドット１４ａは、二重量子ドット１５を構成する。

積層体１１のＧａＡｓ中間層１２ｃ上には、ｎ−ＧａＡｓ上部コンタクト層４が積層される。なお、図１には図示していないが、ｎ−ＧａＡｓ上部コンタクト層４の表面酸化を防ぐため、ｎ−ＧａＡｓ上部コンタクト層４上にｉ−ＧａＡｓ層（例えば、厚さ１０ｎｍ）が積層されてもよい。

ｎ−ＧａＡｓ上部コンタクト層４上には、上部コンタクト電極５が形成されている。ｎ−ＧａＡｓ上部コンタクト層４上の上部コンタクト電極５が形成されていない部分は、検出対象となる光を受ける受光窓６として機能する。

メサ部１０が形成されていない領域の下部ｎ型コンタクト層３上には、下部コンタクト電極７が形成される。

続いて、量子ドット型赤外線検出器１００の製造方法について説明する。図３Ａ〜３Ｃは、実施の形態１にかかる量子ドット型赤外線検出器１００の製造工程を模式的に示す断面図である。図３Ａに示すように、まず、ＧａＡｓ基板１上に、ｉ−ＧａＡｓ緩衝層２（厚さ１００ｎｍ）、下部ｎ型コンタクト層３（厚さ数百ｎｍ）を順に積層する。

そして、下部ｎ型コンタクト層３上に、ＧａＡｓ中間層１２ａ及び第１の量子ドット層１３を順に積層する。これにより、第１の量子ドット１３ａが形成される。その後、第１の量子ドット層１３上に、厚さ１０ｎｍ以下のＧａＡｓ中間層１２ｂを積層する。ＧａＡｓ中間層１２ｂの厚さは１０ｎｍ以下であるが、５ｎｍ以下であることがより望ましい。

続いて、ＧａＡｓ中間層１２ｂ上に、第２の量子ドット層１４を積層する。これにより、第２の量子ドット１４ａが形成される。その後、第２の量子ドット層１４上に、ＧａＡｓ中間層１２ｃを積層する。なお、ＧａＡｓ中間層１２ｂは１０ｎｍ以下と十分に薄いので、第２の量子ドット層１４は第１の量子ドット層１３の結晶歪みが十分に緩和されないうちに積層される。そのため、第２の量子ドット１４ａは、第１の量子ドット１３ａの上方に形成される。これにより、第１の量子ドット１３ａと第２の量子ドット１４ａとは対となり、二重量子ドット１５を構成する。

量子ドットの密度やサイズは、成長温度や原料となるＩｎ又はＡｓ原子ガスの圧力や成長時間等の様々なパラメータによって決まる。本実施の形態では、量子ドットのサイズのバラツキが最小化でき、量子ドットが高密度に得られる条件であることが望ましい。

最後に、ＧａＡｓ中間層１２ｃ上に、ｎ−ＧａＡｓ上部コンタクト層４を積層する。なお、ｉ−ＧａＡｓ緩衝層２、下部ｎ型コンタクト層３、ＧａＡｓ中間層１２ａ、第１の量子ドット層１３、ＧａＡｓ中間層１２ｂ、第２の量子ドット層１４、ＧａＡｓ中間層１２ｃ、ｎ−ＧａＡｓ上部コンタクト層４は、例えば分子線エピタキシー法や有機金属気相成長法により積層される。

続いて、図３Ｂに示すように、例えば紫外線又は電子線リソグラフィーにより、ｎ−ＧａＡｓ上部コンタクト層４上にフォトレジストパターン１６を形成する。その後、フォトレジストパターン１６上に、上部コンタクト電極５を形成するための金属膜を蒸着する。そして、リフトオフ法によりフォトレジストパターン１６を除去し、上部コンタクト電極５を形成する（不図示）。上部コンタクト電極５は、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ多層膜により構成される。

続いて、図３Ｃに示すように、例えば紫外線又は電子線リソグラフィーにより、ｎ−ＧａＡｓ上部コンタクト層４及び上部コンタクト電極５上に、フォトレジストパターン１７を形成する。その後、例えばウェットエッチングにより、メサ部１０を形成する。

続いて、例えば紫外線又は電子線リソグラフィーにより、下部ｎ型コンタクト層３上にフォトレジストパターンを形成する（不図示）。その後、フォトレジストパターン上に、下部コンタクト電極７を形成するための金属膜を蒸着する。そして、リフトオフ法によりフォトレジストパターンを除去し、下部コンタクト電極７を形成する（不図示）。下部コンタクト電極７は、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ多層膜により構成される。すなわち、下部コンタクト電極７は、上部コンタクト電極５と同様の方法で形成することができる。

フォトレジストパターンを除去後、水素ガスを含む還元雰囲気で４００℃程度の温度でアニール処理を行う。これにより、ｎ−ＧａＡｓ上部コンタクト層４と上部コンタクト電極５との間、下部ｎ型コンタクト層３と下部コンタクト電極７との間に、オーミックコンタクトが形成される。その後、チップの切り出しを行い、図１に示す量子ドット型赤外線検出器１００が作製される。

以上の工程で作製された量子ドット型赤外線検出器１００を含む半導体チップは、適当な支持基材上に固定される。支持基材としては、例えばセラミックスやＳｉ基板などを用いることができる。続いて、上部コンタクト電極５及び下部コンタクト電極７に対してワイヤーボンディングにより電気配線（典型的には直径数１０ μｍの金線）を結線する。それぞれの電極からの配線は、バイアス電圧印加のための電圧源や読み出し用のＩＣ回路などに接続される。

次に、量子ドット型赤外線検出器１００の動作について説明する。図４は、１組の二重量子ドット１５の断面と伝導帯のエネルギーとの関係を模式的に示す図である。なお、図４では、基板成長軸方向を紙面水平向（紙面左側が基板上面側）としている。本実施の形態の二重量子ドット１５では、第２の量子ドット１４ａの高さが、第１の量子ドット１３ａより高いものとする。なお、図２に示すように、二重量子ドット１５は複数形成されるが、説明の簡略化のため１組の二重量子ドット１５に着目して説明する。第１の量子ドット１３ａ及び第２の量子ドット１４ａの高さのバラつきが十分小さければ、複数の二重量子ドット１５は同様に振る舞うので、１組の二重量子ドット１５に着目するだけで、量子ドット型赤外線検出器１００の動作を理解することが可能である。

量子ドットは、高さが高いほど基底状態のエネルギーが低くなり、バルクのＩｎＡｓのエネルギー状態に近づく。よって、第１の量子ドット１３ａの基底状態３１と第２の量子ドット１４ａの基底状態３２との間には、エネルギー差が生じる。以降では、第１の量子ドット１３ａの基底状態３１と第２の量子ドット１４ａの基底状態３２との間のエネルギー差を、エネルギーオフセットと称する。

量子ドット型赤外線検出器１００は、基板成長軸方向にバイアスを印加して光電流を検出する縦バイアス印加型の赤外線検出器である。この際、バイアス電圧を印加することで、上述のエネルギーオフセットを変調することができる。これにより、量子ドット型赤外線検出器１００の検出波長を調整することが可能である。以下に、検出波長を調整する方法について具体的に説明する。

図５は、実施の形態１にかかる量子ドット型赤外線検出器１００にバイアス電圧を印加してエネルギーオフセットを０にした場合の１組の二重量子ドット１５の断面と伝導帯のエネルギーとの関係を模式的に示す図である。この場合、エネルギーオフセットは０なので、第１の量子ドット１３ａの基底状態３１及び第２の量子ドット１４ａの基底状態３２のエネルギーレベルが等しくなる。

このとき、第１の量子ドットの基底状態３１の波動関数と第２の量子ドットの基底状態３２の波動関数が合わさって、電子が束縛される領域が空間的に広がった電子状態を形成することができる。このように第１の量子ドット１３ａと第２の量子ドット１４ａとに跨って形成された電子状態を、結合状態（及び反結合状態）と呼ぶ。

第１の量子ドットの基底状態３１を｜ψ_１＞、第２の量子ドットの基底状態３２を｜ψ_２＞と表記する場合、上述の結合状態は、これらの線形結合で表される。この条件で、以下の式（１）に示すトランスファー積分ｔ及び重なり積分ｓを得ることができる。但し、式（１）において、Ｈは二重量子ドット１５のハミルトニアンである。

結合状態を表す線形結合において、相互作用を考慮しない場合の単一量子ドットの基底状態｜ψ_１＞及び｜ψ_２＞に対して０でない係数を持つための条件から、結合状態のエネルギーＥを求める式（永年方程式）は以下の式（２）で表される。

但し、式（２）のＨ及びＳは、以下の式（３）に示す２行２列の行列である。

ここで、｜ψ_１＞と｜ψ_２＞とは、それぞれの量子ドットに強く束縛された状態を表しているので、重なり積分ｓを０と近似する。この場合、式（２）に示す永年方程式の解は、以下の式（４）で表される。

但し、ε_１は第１の量子ドット１３ａの基底状態のエネルギー、ε_２は第２の量子ドット１４ａの基底状態のエネルギー、Δε＝ε_２−ε_１はエネルギーオフセットである。

図６は、結合状態のエネルギーＥとエネルギーオフセットΔεとの関係を示すグラフである。図６に示すように、エネルギー固有値が低い状態を結合状態５１と称する。エネルギー固有値が高い状態を反結合状態５２と称する。エネルギーオフセットΔεが０のとき、結合状態では、相互作用が無い場合の量子ドットの基底状態からトランスファー積分ｔだけエネルギーが下がって安定化していることが分かる。また、｜Δε｜＞＞ｔであるときの結合状態のエネルギーは、相互作用の無いとき単一量子ドットのエネルギー固有値（ε_１またはε_２）に漸近することが分かる。

続いて、エネルギーオフセットΔεの変調により量子ドット型赤外線検出器１００の検出波長を調整する方法を説明する。まず、バイアス電圧が０のときを考える。図７Ａは、バイアス電圧が０の場合の二重量子ドット１５の伝導体のエネルギーを示す図である。図７Ｂは、バイアス電圧が０の場合の第１の量子ドット１３ａの基底状態３１のエネルギーレベルε_１と第２の量子ドット１４ａの基底状態３２のエネルギーレベルε_２との関係を示す図である。図７Ｃは、結合状態のエネルギーＥとエネルギーオフセットΔεとの関係を示すグラフである。図７Ｃでは、この条件は符号６１で示す領域に相当する。

この場合では、第２の量子ドット１４ａの基底状態３２は第１の量子ドット１３ａの基底状態３１よりエネルギーが低い。すなわち、エネルギーオフセットΔεは負となる。但し、量子ドット型赤外線検出器１００にはバイアス電圧が印加されていないので、赤外線吸収によって励起された光電子を電極側に引き抜くことができない。よって、この場合には量子ドット型赤外線検出器１００は検出器として機能しない。

従って、量子ドット型赤外線検出器１００を検出器として機能させるためには、量子ドット型赤外線検出器１００にバイアス電圧を印可する必要が有る。ここでは、エネルギーオフセットΔεが０になる状況までバイアス電圧を印加する場合について説明する。図８Ａは、エネルギーオフセットΔεが０になる状況までバイアス電圧を印加した場合の二重量子ドット１５の伝導体のエネルギーを示す図である。図８Ｂは、エネルギーオフセットΔεが０になる状況までバイアス電圧を印加した場合の第１の量子ドット１３ａの基底状態３１のエネルギーレベルε_１と第２の量子ドット１４ａの基底状態３２のエネルギーレベルε_２との関係を示す図である。図８Ｃは、結合状態のエネルギーＥとエネルギーオフセットΔεとの関係を示すグラフである。なお、図８Ａでは、相互作用を考えない場合の第１の量子ドット１３ａ及び第２の量子ドット１４ａの基底状態のエネルギーレベルを点線で示している。図８Ｃでは、この条件は符号６２で示す領域に相当する。

この場合、上述のように、相互作用を考えない場合の第１の量子ドット１３ａ及び第２の量子ドット１４ａの基底状態のエネルギーレベルよりトランスファー積分ｔだけ低い位置に結合状態が形成される。そのため、電子は結合状態に束縛される。結合状態に束縛された電子は、赤外線を吸収して第１の量子ドット１３ａ及び第２の量子ドット１４ａのいずれかの励起状態に遷移しうるが、光電流として寄与するのは主に正極側（低バイアス側）の第１の量子ドット１３ａの励起状態に遷移した場合である。従って、最も波長の長い（すなわち、エネルギーが小さい）遷移は、結合状態５１から第１の量子ドット１３ａの第１励起状態への遷移となる。

続いて、さらにバイアス電圧を印加して、エネルギーオフセットΔεを正側に大きくした場合について説明する。図９Ａは、エネルギーオフセットΔεが正の値になる状況までバイアス電圧を印加した場合の二重量子ドット１５の伝導体のエネルギーを示す図である。図９Ｂは、エネルギーオフセットΔεが正の値になる状況までバイアス電圧を印加した場合の第１の量子ドット１３ａの基底状態３１のエネルギーレベルε_１と第２の量子ドット１４ａの基底状態３２のエネルギーレベルε_２との関係を示す図である。図９Ｃは、結合状態のエネルギーＥとエネルギーオフセットΔεとの関係を示すグラフである。図９Ｃでは、この条件は符号６３で示す領域に相当する。

エネルギーオフセットΔεがトランスファー積分ｔより十分大きい場合、結合状態５１のエネルギーは第１の量子ドット１３ａの基底状態３１に限りなく漸近するので、基底状態３１に等しいと考えて差し支えない。すなわち、二重量子ドット１５間の相互作用は限りなく小さく、電子は第１の量子ドット１３ａに局在している。このとき、赤外線吸収による電子の励起による光電流生成を考えると、最も波長の長い遷移は第１の量子ドット１３ａの基底状態３１から第１励起状態への遷移となる。この遷移エネルギーは、エネルギーオフセットΔεが０のときの遷移エネルギーと比較して、トランスファー積分ｔだけ小さい。

より具体的には、エネルギーオフセットΔεが０のときの検出波長がｈｃ／（ΔＥ＋ｔ）であるのに対して、エネルギーオフセットΔεが十分大きいときの検出波長はｈｃ／ΔＥとなる。なお、ｈはプランク定数、ｃは光速、ΔＥは第１の量子ドット１３ａの基底状態３１と第１励起状態との間のエネルギー差である。つまり、エネルギーオフセットΔεを大きくすることで、検出波長を長波長化することができる。

さらに、本実施の形態にかかる量子ドット型赤外線検出器１００では、第１の量子ドット層１３と第２の量子ドット層１４との間のＧａＡｓ中間層１２ｂの厚さが薄いほどトランスファー積分ｔが大きくなり、波長調整域を広げることができる。

以上の説明では、エネルギーオフセットΔεが０のとき、トランスファー積分ｔより十分大きいときの２例についてのみ言及したが、その中間のバイアス電圧の領域でも同様の動作ができることは言うまでもない。すなわち、本実施の形態にかかる量子ドット型赤外線検出器１００によれば、バイアス電圧の印加により二重量子ドット１５のエネルギーオフセットΔεを変調することで、赤外線検出波長をｈｃ／（ΔＥ＋ｔ）からｈｃ／ΔＥまでの任意の波長に調整することができる。

実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態は、量子ドット型赤外線検出器１００のバイアス電圧の調整方法にかかるものである。本調整方法により、エネルギーオフセットΔεが０となるバイアス電圧を決定することができる。図１０は、量子ドット型赤外線検出器１００のバイアス電圧の調整するためのシステム構成を模式的に示すブロック図である。

コントローラ２０１は、パーソナルコンピュータと同様に、入力部と出力部とを有する。コントローラ２０１は、バイアス電源２０２、読み出し装置２０３及び分光器２０４を制御する。バイアス電源２０２は、量子ドット型赤外線検出器１００にバイアス電圧Ｖｂを印加する。読み出し装置２０３は、量子ドット型赤外線検出器１００の光電流を読み出す。分光器２０４は、黒体輻射炉などの参照光源２０５から所望の中心波長λ_ｃと半値全幅Ｗ_ｈを有する赤外線を取り出し、取り出した赤外線を量子ドット型赤外線検出器１００に照射する。分光器２０４は、分光手段の一例であり、本構成には限定されない。なお、コントローラ２０１は、測定した光電流に対して数値微分演算を行うことができる。

上述の分光器２０４及び参照光源２０５は、エネルギーオフセットΔεを０にするバイアス電圧Ｖｂを特定する作業を行う際（すなわち、工場出荷時の初期設定など）にのみ用いられる。よって、実際の量子ドット型赤外線検出器１００の動作時、すなわちバイアス電圧Ｖｂを変化させて検出波長を調整して検出器を使用する場合には必要ではない。

以上構成により、コントローラ２０１は、プログラム２０６を実行することにより、エネルギーオフセットΔεが０となるバイアス電圧Ｖｂを決定する。以下、バイアス電圧Ｖｂを決定する動作原理について説明する。

まず、バイアス電圧Ｖｂ（１Ｖ程度）を印可した状態で、光電流又は検出感度の波長依存性を測定する。これにより、第１の量子ドット１３ａの基底状態３１と励起状態間のエネルギー差に対応するピーク（すなわちサブバンド間遷移に起因するピーク）が少なくとも１つ以上得られる。続いて、ピーク波長を中心とした強度が波長に対して略一定で半値全幅が５μｍ以下のブロードな励起光を検出器に入射させ、バイアス電圧Ｖｂを０Ｖから増加させゆく。仮に結合状態を考慮しない場合、光電流はバイアス電圧Ｖｂに対して単調に増加する。しかし、量子ドット型赤外線検出器１００では、光電流はあるバイアス電圧Ｖｂで小ピーク構造をとってから再び単調に増加する。この小ピーク構造を取るバイアス電圧Ｖｂを印加したときが、エネルギーオフセットΔεが０となる場合に対応する。その理由を以下で説明する。

量子ドット型赤外線検出器１００では、基底状態から赤外線を吸収して励起状態に遷移した電子を低バイアス側に光電流として引き出すことで信号を検出する。よって、一度光を吸収した量子ドットが次の光子に反応するためには、基底状態に再度電子を供給する必要がある。エネルギーオフセットΔεが０で結合状態が形成されている状況下では、波動関数が第２の量子ドット１４ａの領域まで空間的に広がっている。従って、エネルギーオフセットΔεが０でない場合と比べて、バイアス電圧Ｖｂの印加によって高バイアス側からＧａＡｓ中間層の連続状態を伝って伝導してくる電子が結合状態（基底状態）に捕獲されるレートが高い。すなわち、量子ドットが一度赤外線を吸収して光電子を放出した後、速やかに電子を基底状態に取りこんで、次の赤外線吸収に対応することができる。これにより、強度が波長に対して一定のブロードな光を入射しながらバイアス電圧Ｖｂを変化させてゆくと、結合状態が形成されるときのバイアス電圧Ｖｂを印加した際に光電流が増大する。その結果、光電流をバイアス電圧Ｖｂに対してプロットした際に、小ピーク構造を見出すことができる。

上述の動作原理に基づいたエネルギーオフセットΔεが０となるバイアス電圧Ｖｂの決定方法について説明する。図１１は、量子ドット型赤外線検出器１００においてエネルギーオフセットΔεが０となるバイアス電圧Ｖｂの決定方法を示すフローチャートである。図１１に示す手順は、コントローラ２０１でプログラム２０６を実行することで実現される。

まず、量子ドット型赤外線検出器１００に、バイアス電圧Ｖｂの値を設定する。この際、バイアス電圧Ｖｂとして、例えば波長依存性を測定する際の適当な電圧（例えば１Ｖ程度）を設定する（ステップＳ１）

設定したバイアス電圧Ｖｂを検出器に印加しながら光電流Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}の波長依存性（Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}−λ）を測定する（ステップＳ２）。

測定された光電流の波長依存性において、ピーク構造の有無を判定する（ステップＳ３）。ここでいうピーク構造とは、第１の量子ドット１３ａの基底状態３１と励起状態との間のエネルギー差に対応するピーク（すなわち、サブバンド間遷移に起因するピーク）を指す。

ピーク構造が観測されなければ、ステップＳ１に戻ってバイアス電圧Ｖｂを変更する。設定したバイアス電圧Ｖｂが１．０Ｖであれば、例えば１．１Ｖに変更する。

ピーク構造が観測された場合は、ピークの中心波長λ_ｃと、検出器に入射するブロードな入射光の半値全幅Ｗ_ｈ（例えば２μｍ）と、を設定する（ステップＳ４）。

上述の中心波長λ_ｃと半値全幅Ｗ_ｈを有するブロードな入射光を検出器に照射しながら、光電流Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}のバイアス電圧依存性（Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}−Ｖｂ）を測定する（ステップＳ５）。

続いて、測定された光電流のバイアス電圧依存性（Ｉ_{ｐｈｏｔｏ}−Ｖｂ）を、バイアス電圧に対して数値微分処理を行う。そして、処理結果にディップ（へこみ）構造があるかを判定する（ステップＳ６）。

ディップが観測されなければ、ステップＳ４に戻って半値全幅を変更する。例えば設定した半値全幅が２．０μｍであれば、０．１ μｍ増加させて２．１ μｍとする。

ディップが観測された場合には、ディップ位置でのバイアス電圧Ｖｂを出力して、処理を終了する。この数値微分においてディップが観測されるバイアス電圧Ｖｂとは、前上述の光電流のバイアス電圧依存性におけるピーク構造が観測されるバイアス電圧を意味する。これは、エネルギーオフセットΔεが０のときのバイアス電圧に相当する。

以上、本方法によれば、量子ドット型赤外線検出器１００において、エネルギーオフセットΔεが０となるバイアス電圧Ｖｂを決定することができる。

実施の形態３
次に、実施の形態３にかかる量子ドット型赤外線検出器３００について説明する。量子ドット型赤外線検出器３００は、量子ドット型赤外線検出器１００の積層体１１を積層体４１に置換した構成を有する。図１２は、実施の形態３にかかる量子ドット型赤外線検出器３００の積層体４１の構成を模式的に示す断面図である。積層体４１は、積層体４２が繰り返し積層された構造を有する。積層体４２は、積層体１１と同様の構成を有する。換言すれば、量子ドット型赤外線検出器３００は、積層体１１が複数積み重なった構造を有する。

ｎ（ｎは、１以上の整数）組目の第２の量子ドット層１４と（ｎ＋１）組目の第１の量子ドット層１３との間のＧａＡｓ中間層（ｎ番目のＧａＡｓ中間層１２ｃ及び（ｎ＋１）番目のＧａＡｓ中間層１２ａ）の厚さは２０ｎｍ以上であり、典型的には５０ｎｍである。

本構成によれば、量子ドット型赤外線検出器１００と同様に検出波長を調整できる量子ドット型赤外線検出器を提供することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態では、赤外線検出に用いられるキャリアが電子である場合について説明したが、キャリアが正孔である場合でも同様の効果を発揮できることは勿論である。

上述では、ＩＩＩ−Ｖ族半導体としてＧａＡｓを例として説明したが、組成はＧａＡｓに限られない。例えば、ＩｎＰやＧａＮなどの他の２元混晶を用いて検出器を作製することも可能である。また、一部又は全部の半導体層に、３元混晶や４元混晶などの多元混晶を用いることも可能である。

上記の実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。

（付記１）半導体基板と、半導体基板の上方に積層された受光層である積層体と、を備え、前記積層体は、前記半導体基板の上方に積層された第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上方に積層された厚みが１０ｎｍ以下である第２の半導体層と、前記第２の半導体層の上方に積層された第３の半導体層と、前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に積層され、前記第２の半導体層との間の界面に第１の量子ドットが形成された第１の量子ドット層と、前記第２の半導体層と前記第３の半導体層との間に積層され、前記第１の量子ドット層の略上方に前記第１の量子ドットと二重量子ドットを構成する第２の量子ドットが前記第３の半導体層との間の界面に形成された第２の量子ドット層と、を備える、量子ドット型赤外線検出器。

（付記２）前記第１の量子ドットの高さは、前記第２の量子ドットの高さと異なる、付記１に記載の量子ドット型赤外線検出器。

（付記３）前記第１の量子ドットの高さは、前記第２の量子ドットの高さよりも低い、付記２に記載の量子ドット型赤外線検出器。

（付記４）前記第１の量子ドット層は、前記第１の半導体層よりも格子定数が大きく、前記第２の量子ドット層は、前記第２の半導体層よりも格子定数が大きい、付記１乃至３のいずれか一に記載の量子ドット型赤外線検出器。

（付記５）前記積層体を複数備え、複数の前記積層体は繰り返し積層される、付記１乃至４のいずれか一に記載の量子ドット型赤外線検出器。

（付記６） 前記複数の前記積層体は、第１の積層体と、前記第１の積層体上に前記第１の積層体と隣接して積層された第２の積層体と、を含み、前記第１の積層体の前記第３の半導体層と前記第２の積層体の前記第１の半導体層との合計厚みは、２０ｎｍ以上である、付記５に記載の量子ドット型赤外線検出器。

（付記７）前記第１の積層体の前記第３の半導体層と前記第２の積層体の前記第１の半導体層との合計厚みは、５０ｎｍである、付記６に記載の量子ドット型赤外線検出器。

（付記８）前記積層体には、外部からバイアス電圧が印加される、付記１乃至７のいずれか一に記載の量子ドット型赤外線検出器。

（付記９）付記８に記載の前記量子ドット型赤外線検出器と、参照光を出力する参照光源と、前記参照光源から特定の波長及び半値全幅を有する光を前記量子ドット型赤外線検出器に出力する分光手段と、前記量子ドット型赤外線検出器に前記バイアス電圧を印可するバイアス電源と、前記量子ドット型赤外線検出器の光電流の前記光電流の値を読み出す読み出し手段と、前記分光器に前記光を出力させ、前記バイアス電源に前記バイアス電圧を変化させながら、前記読み出し手段に前記量子ドット型赤外線検出器の光電流を測定させることにより、前記光電流の前記バイアス電圧に対する変化率の変曲点におけるバイアス電圧を、前記二重量子ドットのエネルギーオフセットを０にするバイアス電圧として決定するコントローラと、を備える、量子ドット型赤外線検出器のバイアス電圧決定システム。

（付記１０）前記分光器に、前記量子ドットのサブバンド間遷移波長を中心波長とする、半値全幅５μｍ以下の光を出力させる処理と、前記光が入射された状態で、前記バイアス電源に前記バイアス電圧を変化させながら、前記読み出し手段に、前記量子ドット型赤外線検出器の光電流を測定させる処理と、前記光電流の前記バイアス電圧に対する変化率の変曲点を検出させる処理と、前記変曲点におけるバイアス電圧を、前記二重量子ドットのエネルギーオフセットを０にするバイアス電圧として決定させる処理と、を付記９に記載の前記量子ドット型赤外線検出器の前記コントローラに実行させる、量子ドット型赤外線検出器のバイアス電圧決定システムの制御プログラム。

（付記１１）付記８に記載の前記量子ドット型赤外線検出器に、前記量子ドットのサブバンド間遷移波長を中心波長とする、半値全幅５μｍ以下の光を入射させ、前記光が入射された状態で、前記バイアス電圧を変化させながら前記量子ドット型赤外線検出器の光電流を測定し、前記光電流の前記バイアス電圧に対する変化率の変曲点を検出し、前記変曲点におけるバイアス電圧を、前記二重量子ドットのエネルギーオフセットを０にするバイアス電圧として決定する、量子ドット型赤外線検出器のバイアス電圧決定方法。

（付記１２）半導体基板の上方に、受光層である積層体を積層し、前記積層体の積層に際して、前記半導体基板の上に第１の半導体層を積層し、前記第１の半導体層の上に、前記第１の半導体層よりも格子定数が大きい第１の量子ドット層を積層することにより第１の量子ドットを形成し、前記第１の量子ドット層の上に、厚みが１０ｎｍ以下である第２の半導体層を積層し、前記第２の半導体層の上に、前記第２の半導体層よりも格子定数が大きい第２の量子ドット層を積層することにより第２の量子ドットを形成し、前記第２の量子ドット層の上に、第３の半導体層を積層する、量子ドット型赤外線検出器の製造方法。

１ ＧａＡｓ基板
２ ｉ−ＧａＡｓ緩衝層
３ 下部ｎ型コンタクト層
４ ｎ−ＧａＡｓ上部コンタクト層
５ 上部コンタクト電極
６ 受光窓
７ 下部コンタクト電極
１０ メサ部
１１、４１、４２ 積層体
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ ＧａＡｓ中間層
１３ 第１の量子ドット層
１３ａ 第１の量子ドット
１４ 第２の量子ドット層
１４ａ 第２の量子ドット
１５ 二重量子ドット
１６、１７ フォトレジストパターン
３１、３２ 基底状態
５１ 結合状態
５２ 反結合状態
１００、３００ 量子ドット型赤外線検出器
２０１ コントローラ
２０２ バイアス電源
２０３ 読み出し装置
２０４ 分光器
２０５ 参照光源
２０６ プログラム
Ｓ１〜Ｓ６ ステップ

Claims (10)

1. 半導体基板と、
   半導体基板の上方に積層された受光層である積層体と、を備え、
   前記積層体は、
   前記半導体基板の上方に積層された第１の半導体層と、
   前記第１の半導体層の上方に積層された厚みが１０ｎｍ以下である第２の半導体層と、
   前記第２の半導体層の上方に積層された第３の半導体層と、
   前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間に積層され、前記第２の半導体層との間の界面に第１の量子ドットが形成された第１の量子ドット層と、
   前記第２の半導体層と前記第３の半導体層との間に積層され、前記第１の量子ドット層の略上方に前記第１の量子ドットと二重量子ドットを構成する第２の量子ドットが前記第３の半導体層との間の界面に形成された第２の量子ドット層と、を備える、
   量子ドット型赤外線検出器。
2. 前記第１の量子ドットの高さは、前記第２の量子ドットの高さと異なる、
   請求項１に記載の量子ドット型赤外線検出器。
3. 前記第１の量子ドットの高さは、前記第２の量子ドットの高さよりも低い、
   請求項２に記載の量子ドット型赤外線検出器。
4. 前記第１の量子ドット層は、前記第１の半導体層よりも格子定数が大きく、
   前記第２の量子ドット層は、前記第２の半導体層よりも格子定数が大きい、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の量子ドット型赤外線検出器。
5. 前記積層体を複数備え、
   複数の前記積層体は繰り返し積層される、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の量子ドット型赤外線検出器。
6. 前記積層体には、外部からバイアス電圧が印加される、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の量子ドット型赤外線検出器。
7. 請求項６に記載の前記量子ドット型赤外線検出器と、
   参照光を出力する参照光源と、
   前記参照光源から特定の波長及び半値全幅を有する光を前記量子ドット型赤外線検出器に出力する分光手段と、
   前記量子ドット型赤外線検出器に前記バイアス電圧を印可するバイアス電源と、
   前記量子ドット型赤外線検出器の光電流の前記光電流の値を読み出す読み出し手段と、
   前記分光手段に前記光を出力させ、前記バイアス電源に前記バイアス電圧を変化させながら、前記読み出し手段に前記量子ドット型赤外線検出器の光電流を測定させることにより、前記光電流の前記バイアス電圧に対する変化率の変曲点におけるバイアス電圧を、前記二重量子ドットのエネルギーオフセットを０にするバイアス電圧として決定するコントローラと、を備える、
   量子ドット型赤外線検出器のバイアス電圧決定システム。
8. 前記分光手段に、前記二重量子ドットのサブバンド間遷移波長を中心波長とする、半値全幅５μｍ以下の光を出力させる処理と、
   前記光が入射された状態で、前記バイアス電源に前記バイアス電圧を変化させながら、前記読み出し手段に前記量子ドット型赤外線検出器の光電流を測定させる処理と、
   前記光電流の前記バイアス電圧に対する変化率の変曲点を検出させる処理と、
   前記変曲点におけるバイアス電圧を、前記二重量子ドットのエネルギーオフセットを０にするバイアス電圧として決定させる処理と、を請求項７に記載の前記量子ドット型赤外線検出器の前記コントローラに実行させる、
   量子ドット型赤外線検出器のバイアス電圧決定システムの制御プログラム。
9. 請求項６に記載の前記量子ドット型赤外線検出器に、前記二重量子ドットのサブバンド間遷移波長を中心波長とする、半値全幅５μｍ以下の光を入射させ、
   前記光が入射された状態で、前記バイアス電圧を変化させながら前記量子ドット型赤外線検出器の光電流を測定し、
   前記光電流の前記バイアス電圧に対する変化率の変曲点を検出し、
   前記変曲点におけるバイアス電圧を、前記二重量子ドットのエネルギーオフセットを０にするバイアス電圧として決定する、
   量子ドット型赤外線検出器のバイアス電圧決定方法。
10. 半導体基板の上方に、受光層である積層体を積層し、
    前記積層体の積層に際して、
    前記半導体基板の上に第１の半導体層を積層し、
    前記第１の半導体層の上に、前記第１の半導体層よりも格子定数が大きい第１の量子ドット層を積層することにより第１の量子ドットを形成し、
    前記第１の量子ドット層の上に、厚みが１０ｎｍ以下である第２の半導体層を積層し、
    前記第２の半導体層の上に、前記第２の半導体層よりも格子定数が大きい第２の量子ドット層を積層することにより第２の量子ドットを形成し、
    前記第２の量子ドット層の上に、第３の半導体層を積層する、
    量子ドット型赤外線検出器の製造方法。

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