JP2014169876A - 赤外線検出器および波長スペクトル測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】暗電流が小さく、Ｓ／Ｎ比に優れた赤外線検出器を提供する。
【解決手段】複数の赤外線検出画素１００Ａ、１００Ｂは、量子ドット層４２上に形成されたキャップ層４３Ａ、４３Ｂの厚さおよび材料組成の少なくとも一方としてのキャップ層の厚さが、Ｘ軸およびＹ軸の少なくとも一方としてのＸ軸方向に沿って漸次異なっていることにより、検出波長がＸ軸方向に沿って漸次異なっている。キャップ層４３Ａ、４３Ｂの厚さおよび材料組成の少なくとも一方を漸次異ならせるために、エッチング工程や、熱アニール工程を経ることがない。
【選択図】図２

Description

本発明は、アレイ状に形成され、それぞれ異なる波長の赤外線を検出する複数の赤外線検出画素を有する赤外線検出器に関し、特に、赤外線検出画素として、半導体量子ドットを含む量子ドット型赤外線検出素子（Quantum Dot Infrared Photodetector、以下、「ＱＤＩＰ」とも称する）を光吸収層内に有する赤外線検出器に関する。

近年、室温付近から１０００℃程度にわたる広範囲の熱検知や、二酸化炭素や大気汚染物質の濃度測定などを目的として、赤外線検出器に対する需要が高まっている。赤外線検出器の材料や構造には複数あり、その１つが光吸収層に半導体量子ドットを含む、ＱＤＩＰである。

ＱＤＩＰは、量子ドットの周囲が、量子ドットを構成する材料よりも大きなバンドギャップをもつ半導体で３次元的に囲まれた構造を有する。また、量子ドットの領域に電子および正孔が強く閉じ込められている。その結果、量子ドット中に離散的なエネルギー準位が形成される。それらの準位のうち、伝導帯の複数の電子サブバンド準位を利用し、サブバンド間エネルギー差に相当する検出波長をもつ赤外線を検知することができる。

前述したように、ＱＤＩＰは離散的なサブバンド間遷移を利用するため、赤外線検出帯域は原理的に狭帯域となる。また、電子および正孔が量子ドットに強く閉じ込められているため、暗電流を抑制でき、高いＳ／Ｎ（Signal/Noise）比が期待できる。

ＱＤＩＰは、単体の素子としてではなく、複数の素子を１次元あるいは２次元的に配列させたアレイ検出器を構成して赤外線画像を取得する、さらに、アレイ検出器に分光器を組み合わせることによって赤外線スペクトルを取得する、といった利用法もある。

特に、後者の場合には、センサアレイの位置により検出する波長が変化している。分光器でカバーする全ての波長帯域に感度を持つ広帯域な赤外線センサをアレイ化する場合もあるが、分光器や光学系を含む分光装置等からの迷光を考慮すると、分光された波長のみを検出する、狭帯域動作のＱＤＩＰが望ましい場合もある。このとき、分光される光の波長に応じてセンサアレイの検出波長も変化しなければならない。

尚、本明細書において、検出波長等のパラメータが「変化している」とは、当該パラメータが「アレイ位置に応じて漸次異なっている」ことを意味するものとする。つまり、当該パラメータが「時間の経過に伴って変動する」という意味ではない。

このような検出波長が変化しているセンサアレイを実現する従来技術として、特許文献１の図６には、異なる高さを有する量子ドットを複数備えたセンサアレイが開示されている。特許文献１に開示された技術においては、量子ドットの高さが変化していることにより、電子または正孔のエネルギー準位が変化し、結果として検出波長が変化しているセンサアレイを実現している。

別の従来技術として、特許文献２には、量子ドットとそれを覆う中間層を熱アニールによってミキシングさせてエネルギー準位を変化させることにより、検出波長を変化させる手法が開示されている。特許文献２に開示された技術においては、熱アニールの温度を基板の位置によって変え、ミキシング度合いが異なることでエネルギー準位の変化量も異なり、その結果、センサアレイの位置により検出波長を変化させることができる。

特開２００９−２１０４７４号公報 特開２０１２−１０９４２０号公報

ところで、特許文献１に開示された技術では、量子井戸構造を成膜した後のエッチングにより、量子ドット構造を形成している。このようにエッチング工程で形成される量子ドットは、エッチング断面が物理的あるいは化学的な損傷を受けており、それが暗電流の増加や検出感度の低下の原因となる。その結果、赤外線検出器としての性能が劣化するという問題がある。

一方、特許文献２に開示された技術では、熱アニールによって量子ドットと中間層をミキシングさせているが、これは検出波長の変化に伴って量子ドットの閉じ込めポテンシャルが浅くなり、暗電流の増大という副作用も生む。よって、暗電流の増大を最小限に留める観点から検出波長の変化量を大きくすることは難しい。

それ故、本発明の課題は、暗電流が小さく、Ｓ／Ｎ比に優れた赤外線検出器を提供することである。

本発明によれば、半導体基板と、前記半導体基板上にＸ軸およびＹ軸に沿ってアレイ状に形成され、前記半導体基板側から入射される赤外線をそれぞれ検出する複数の赤外線検出画素とを有し、前記複数の赤外線検出画素はそれぞれ、半導体から成る中間層と、アレイ状に配された複数の量子ドットを含み、前記中間層中に形成された少なくとも一層の量子ドット層と、半導体から成り、前記中間層中の前記量子ドット層上に形成されたキャップ層とから成る光吸収層を有すると共に、前記量子ドット層と前記キャップ層との量子閉じ込めによって形成される基底準位である第１の電子準位と励起準位である第２の電子準位のエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出する赤外線検出器であって、前記複数の赤外線検出画素は、前記キャップ層の厚さおよび材料組成の少なくとも一方が、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸の少なくとも一方の軸方向に沿って漸次異なっていることにより、前記第１の電子準位と前記第２の電子準位のエネルギー差に相当する検出波長が前記軸方向に沿って漸次異なっていることを特徴とする赤外線検出器が得られる。

前記複数の赤外線検出画素は、検出波長が前記軸方向に沿って線形に漸次異なるように、前記キャップ層の厚さおよび材料組成の少なくとも一方が前記軸方向に沿って漸次異なっていてもよい。

前記複数の赤外線検出画素は、前記第１の電子準位のエネルギーと前記第２の電子準位のエネルギーとが、前記軸方向に沿って異符号で漸次異なっていてもよい。この場合、前記複数の赤外線検出画素は、前記キャップ層の厚さおよび材料組成の少なくとも一方が前記軸方向に沿って漸次異なっていることに加え、前記量子ドット層に含まれる量子ドットの大きさが、前記軸方向に沿って漸次異なっていることにより、前記第１の電子準位のエネルギーと前記第２の電子準位のエネルギーとが、前記軸方向に沿って異符号で漸次異なっていてもよい。

前記中間層は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓから成り、前記量子ドット層は、ＩｎＡｓから成り、前記キャップ層は、ＩｎＧａＡｓから成っていてもよい。

前記複数の赤外線検出画素は、前記キャップ層の厚さが５ｎｍから１０ｎｍの間で、前記軸方向に沿って漸次異なっていてもよい。この場合、前記複数の赤外線検出画素は、ＩｎＧａＡｓから成る前記キャップ層がＩｎ組成が１５％から２０％の間で前記軸方向に沿って漸次異なっていてもよい。

また、本発明によれば、前記赤外線検出器と、入射する赤外線の波長に応じて分波する分光装置とを備え、前記複数の赤外線検出画素それぞれの検出波長と、前記分光装置によって分波されて各前記赤外線検出画素に入射される波長とが等しいことを特徴とする波長スペクトル測定装置が得られる。この場合、前記複数の赤外線検出画素は、前記分光装置の逆線分散に応じて、検出波長が前記軸方向に沿って漸次異なっていてもよい。

さらに、本発明によれば、前記赤外線検出器の製造方法であって、前記キャップ層の形成工程にて、前記量子ドット層の表面に対する前記キャップ層の原料の供給方向の相対角度を設定し、前記量子ドット層の表面に対する前記キャップ層の原料の供給レートを前記軸方向に沿って漸次異ならせることにより、各前記赤外線検出画素の前記キャップ層の厚さおよび材料組成の少なくとも一方を前記軸方向に沿って漸次異ならせることを特徴とする赤外線検出器の製造方法が得られる。

本発明による赤外線検出器は、暗電流が小さく、Ｓ／Ｎ比に優れている。

本発明の実施例１による赤外線検出器の構造を示す断面図である。 本発明の実施例１による赤外線検出器の構造を示す上面および拡大断面図である。 本発明の実施例１による赤外線検出器の動作を説明する図である。 本発明の実施例１および２による赤外線検出器の波長応答スペクトルの測定例を示す図である。 本発明の実施例１〜３による赤外線検出器の製造方法を説明する図である。 本発明の実施例２による赤外線検出器の構造を示す上面および拡大断面図である。 本発明の実施例２による赤外線検出器の動作を説明する図である。 本発明の実施例３による赤外線検出器の構造を示す上面および拡大断面図である。 本発明の実施例３による赤外線検出器の動作を説明する図である。 本発明の実施例４による赤外線検出器を有する波長スペクトル測定装置の概略を示す図である。 本発明の実施例４に含まれる波長スペクトル測定装置の動作を説明する図である。 本発明の実施例４に含まれる分光装置の動作を説明する図である。

本発明による赤外線検出器は、半導体基板と、半導体基板上にＸ軸およびＹ軸に沿ってアレイ状に形成され、半導体基板側から入射される赤外線をそれぞれ検出する複数の赤外線検出画素とを有している。

複数の赤外線検出画素はそれぞれ、光吸収層を有している。光吸収層は、半導体から成る中間層と、アレイ状に配された複数の量子ドットを含み、中間層中に形成された少なくとも一層の量子ドット層と、半導体から成り、中間層中の量子ドット層上に形成されたキャップ層とを有している。

さらに複数の赤外線検出画素はそれぞれ、量子ドット層とキャップ層との量子閉じ込めによって形成される基底準位である第１の電子準位と励起準位である第２の電子準位のエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出する。

特に、本発明において、複数の赤外線検出画素は、キャップ層の厚さおよび材料組成の少なくとも一方が、Ｘ軸およびＹ軸の少なくとも一方の軸方向に沿って漸次異なっている。これにより、第１の電子準位と第２の電子準位のエネルギー差に相当する検出波長が軸方向に沿って漸次異なっている。

本発明において、キャップ層の厚さおよび材料組成の少なくとも一方を軸方向に沿って漸次異ならせるために、エッチング工程や、熱アニール工程を経ることがない。したがって、本発明による赤外線検出器は、暗電流が小さく、Ｓ／Ｎ比に優れている。

以下、図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。

［構成］
図１は、本発明の実施例１による赤外線検出器２００の構造を説明する断面図である。

図１に示されるように、赤外線検出器２００は、取得したい赤外線画像の１画素に相当する赤外線検出画素１００が平面上に並んだ構造である（図１は断面であるため１次元にしか見えない点に注意）。赤外線検出器２００は、半導体基板１、緩衝層２、下部コンタクト層３、光吸収層４、上部コンタクト層５、保護膜６、下部電極７、上部電極８などを備えている。

具体的には、半導体基板１の上に緩衝層２が形成されている。緩衝層２は、半導体基板１と同じ半導体材料から構成されている。また、緩衝層２の上に下部コンタクト層３が形成されている。下部コンタクト層３は、ｎ型半導体を主材料として構成されている。尚、下部コンタクト層３は、半導体基板１上に、緩衝層２を介さず直接形成されていてもよい。また、下部コンタクト層３上に光吸収層４および下部電極７が形成されている。さらに、光吸収層４の上に上部コンタクト層５が形成されている。上部コンタクト層５は、ｎ型半導体を主材料として構成されている。半導体基板１がｎ型である場合には、この上に直接、下部電極７が形成されても構わない。

光吸収層４と上部コンタクト層５は、エッチングプロセス等によりその一部が取り除かれており、光吸収層４の側壁部分と上部コンタクト層５の一部が保護膜６で覆われ、上部コンタクト層５の大部分が上部電極８で覆われている。この光吸収層４、上部コンタクト層５、保護膜６、上部電極８とで構成される赤外線検出画素１００が平面に並んでいる。

上部電極８と下部電極７との間に適切な電圧を印加した条件下で、半導体基板１の下側から赤外線Ｘが入射されると、光吸収層４がその構造に応じた波長の赤外線を吸収し、その結果、上部電極８と下部電極７との間に光電流が流れる。図１には示されていないが、上部電極８上には導電性のバンプが形成され、その上に読み出し回路を貼り合わせることにより、多数の赤外線検出画素１００からの光電流を一括して読み出すことができる。

入射赤外線Ｘの検出効率を高めるため、半導体基板１の下側に反射防止膜を形成する、あるいは半導体基板１での吸収を避けるため研磨によって薄膜化する、といった工夫をしてもよい。

光吸収層４は、量子ドット層４２と、キャップ層４３と、中間層４１とを備えている。具体的には、下部コンタクト層３上に、中間層４１、量子ドット層４２、キャップ層４３の順に、各層が繰り返し形成されている。このような積層を１０回以上繰り返すことにより、光吸収層４における赤外線の吸収効率を大きくすることができる。尚、図１では略して３回の繰り返し積層が示されている。

尚、図１でキャップ層４３は簡単のため平坦な構造として表現しているが、実際には量子ドット層４２における量子ドットの凹凸形状の影響を受けて上面は凹凸形状をしている。この凹凸は、中間層４１をキャップ層４２上に４０ｎｍ程度以上積層することにより、上面がほぼ平坦な形状にすることができる。

図２は、実施例１による赤外線検出器２００の構造を示す上面および拡大断面図である。半導体基板１の上に赤外線検出画素１００が平面上に並んでいると共に、下部電極７が形成されている。紙面の都合上、８×８個の検出画素しか示していないが、これに制限されずもっと多くても構わない。また、実際には円形状の基板のままではなく必要な部分のみを切り出して検出器として使われるが、半導体基板１上に形成されていることを分かり易くするために図２のように示している。

本実施例の特徴は、キャップ層４３の厚さが少なくとも１つの軸（本例では、ｘ軸）方向に沿って変化している（漸次異なっている）ことである。図２にはその変化の様子を分かり易く説明するため赤外線検出画素１００Ａ、１００Ｂの拡大断面図も併せて示している。図２に示されるように、赤外線検出画素１００Ａのキャップ層４３Ａと、赤外線検出画素１００Ｂのキャップ層４３Ｂとの厚さを比較すると、後者が前者よりも厚い。その結果、赤外線検出画素１００Ａと赤外線検出画素１００Ｂで検出できる赤外線波長は異なる。これらの赤外線検出器画素の間にある画素が検出できる赤外線波長は、赤外線検出画素１００Ａと赤外線検出画素１００Ｂの中間の波長になる。

［動作］
次に、図３を利用して赤外線検出器２００の動作を説明する。

図３は、実施例１による赤外線検出器２００の動作を説明するものであり、図２に示す赤外線検出画素１００Ａおよび１００Ｂの伝導帯の電子エネルギーバンド図が示されている。図３における左右方向が図１および図２の下上方向に相当、つまり図３を反時計回りに９０度回転させると図１および２の方向と一致する。尚、厳密には量子ドットの電子エネルギーバンドは３次元構造であるが、近似として１次元で表している。

量子ドット層４２とキャップ層４３Ａ、４３Ｂから構成される量子閉じ込めにより、電子の基底準位ＥＬ１と励起準位ＥＬ２が形成される。ＥＬ１はキャップ層の底のエネルギーより低く、ＥＬ２はキャップ層４３Ａまたは４３Ｂの底のエネルギーよりも高い。これら基底準位ＥＬ１と励起準位ＥＬ２のサブバンド間遷移エネルギー差（図中では矢印の長さ）に相当する検出波長の赤外線を吸収し検知することができる。

前述したごとく、赤外線検出画素１００Ａのキャップ層４３Ａと赤外線検出画素１００Ｂのキャップ層４３Ｂとを比較すると、後者の方が前者よりも厚い。これは、後者の方が電子の閉じ込めポテンシャルの幅が広くなることに相当する。その結果、赤外線検出画素１００Ａと比較して赤外線検出画素１００Ｂの励起準位ＥＬ２のエネルギーが下がる。キャップ層４３の厚さが量子ドットの基底準位ＥＬ１に与える影響が、ＥＬ２の変化に対して無視できる程度に小さいとすると、ＥＬ２とＥＬ１のエネルギー差は、赤外線検出画素１００Ａと比較して１００Ｂは小さくなる（後者の方が矢印が短くなる）。

波長λはエネルギー差ΔＥとして、λ＝ｈ・ｃ／ΔＥと表される。ここでｈはプランク定数、ｃは真空中での光速である。波長はエネルギー差の逆数であるから、赤外線検出画素１００Ａよりも１００Ｂの方が検出波長は長波長化する。

赤外線検出画素１００Ａと赤外線検出画素１００Ｂの間に多数の検出画素があるが、検出波長は赤外線検出画素１００Ａから赤外線検出画素１００Ｂまでほぼ線形に変化するように、キャップ層４３の厚さが変化していていることが望ましい。これは、本発明による赤外線検出器は分光装置と組み合わせて利用される事が多く、分光装置は入射波長に応じておおむね線形に波長分波する機能をもつからである。

ここで注意すべき事は、図３に示したエネルギー差ではなく、この逆数である検出波長が、ほぼ線形に変化すべき量である。これに基づいてキャップ層４３の厚さの変化量を設定する必要がある。

図４（Ａ）および（Ｂ）は、試作したキャップ層４３の厚さの異なる赤外線検出画素に対する、波長応答スペクトル測定結果の一例を示す。中間層４１はＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）、量子ドット層４２はＩｎＡｓ（ヒ化インジウム）、キャップ層４３はＩｎＧａＡｓ（ヒ化インジウムガリウム）により、それぞれ構成されている。キャップ層４３のＩｎとＧａの組成比は１５：８５である。また、量子ドット層４２における量子ドットはｘｙ平面内で２０〜３０ｎｍ程度、高さが４〜５ｎｍ程度である。

キャップ層４３の厚さがそれぞれ（Ａ）５ｎｍ、（Ｂ）１０ｎｍに対して、検出ピーク波長は（Ａ）６．５μｍ、（Ｂ）８．５μｍである。キャップ層４３が厚い場合に検出波長が長波長化しており、上で定性的に説明したことを裏付けている。キャップ層４３の厚さが５ｎｍ以上１０ｎｍ以下の場合の検出波長は、その厚さに応じて６．５μｍから８．５μｍの中間の値をとることは、容易に推測できる。

このようにして、平面上に赤外線検出画素が並んだ赤外線検出器において、キャップ層の厚さが少なくとも１つの軸方向に沿って変化していることにより、この軸方向に検出波長が変化した赤外線検出器を提供できる。

［製造方法］
次に、本発明の実施例１による赤外線検出器２００の製造方法を説明する。

［１：量子ドットを含む結晶成長プロセス］
図５は、本発明の実施例１による赤外線検出器の製造方法を説明する図であり、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）装置の概略を示すものである。図５では、本発明に特徴的な製造方法を説明するために必要な部分のみを記している。

半導体基板１として、面方位が（００１）面のＧａＡｓ基板を用意し、この基板をＭＢＥ装置の真空チャンバ３００内の基板ホルダ３０１に装着する。基板ホルダ３０１は、ヒータを介して半導体基板１を高温にすることができると共に、原料供給源の位置に拠らず原料が基板上で均一な厚さになるように、半導体基板１を回転方向ｒ３０１に回転させる回転機構が付与されている。第１の原料供給源３０２からはＩｎが、第２の原料供給源３０３からはＧａが、第３の原料供給源３０４からはＡｓが、それぞれ供給される。以下、特に記載の無い場合には基板回転を行う。

半導体基板１の自然酸化膜の除去処理を行った後、５８０℃程度に基板の温度を設定し、厚さ５００ｎｍで、緩衝層２を積層する。緩衝層２は、半導体基板１と同じＧａＡｓから構成される。

次に、厚さ５００ｎｍで、ｎ型の下部コンタクト層３を積層する。下部コンタクト層３は、Ｓｉ原子を濃度２×１０^１８ｃｍ^−３程度ドーピングしたＧａＡｓで構成される。

次に、厚さ５０ｎｍ程度で、ｉ型の第１の中間層４１を積層する。この中間層４１はＧａＡｓから構成される。

その後、基板温度を４９０℃程度まで低下させ、厚さが２〜３原子層程度となるように、ＩｎＡｓを供給する。

このとき、ＩｎＡｓとＧａＡｓとの格子定数の違いから発生する歪みによって、ＩｎＡｓが島状に３次元的に成長する。この成長モードはＳＫ（Stranski-Krastanov）モードと呼ばれ、この様式に従って量子ドットが形成される。その結果、量子ドットが高密度に平面状に並んだ量子ドット層４２が形成される。量子ドットの典型的な直径は２０〜３０ｎｍ、高さ５ｎｍであり、１平方センチメートルあたりの数密度は５×１０^１０程度である。

量子ドット層４２の形成時に、必要に応じてＳｉ原子を量子ドットと同程度の数密度でドープする。これは、基底準位ＥＬ１に予め電子が１つドープされた状態にするためである。

次に、基板温度を再び上昇させ、基板回転を停止した後に、即ち、原料が基板上で不均一な厚さになる状態で、ＩｎＧａＡｓからなるキャップ層４３を形成する。ＩｎとＧａの組成比は、例えば１５：８５である。図５において、第１の原料供給源３０２からＩｎが供給される一方、第２の原料供給源３０３からＧａが供給される。基板回転が停止し、かつ図５のように基板に対して右側から浅い角度で原料が供給される場合には、右側の供給レートが左側よりも大きくなる。ＩｎＧａＡｓ層の成膜レートはＩｎとＧａの供給レートで決まるため、右側の方が左側よりもキャップ層４３が厚くなる。このようにして、図２に示すようなキャップ層４３の厚さがｘ軸方向に沿って変化した構造ができる。

続いて、基板回転を開始し、ＧａＡｓから構成される中間層４１を積層する。

上記の手順にしたがって、中間層４１、量子ドット層４２、キャップ層４３の積層を１０回以上繰り返す。これにより、光吸収層４を形成することができる。

最後に、厚さが２００ｎｍでｎ型の上部コンタクト層５を積層する。ｎ型の上部コンタクト層５は、Ｓｉ原子を濃度２×１０^１８ｃｍ^−３程度ドーピングしたＧａＡｓで構成される。

尚、ＩｎＡｓから構成される量子ドット層４２は、ＩｎＧａＡｓであってもよい。ただし、Ｉｎの組成比はキャップ層４３のそれよりも大きくなければならない。また、中間層４１はＡｌＧａＡｓであってもよい。ただし、Ａｌ組成比が大きくなると結晶品質が低下するため、Ａｌ組成比は３０％以下が望ましい。

上記製造方法において、量子ドット層４２を含む光吸収層４やそれらの周辺構造をＭＢＥ法によって形成しているが、この方法に限定されるものではない。たとえば、これらの構造を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）等の他の結晶成長法を用いてもよい。

［２：検出器構造加工および電極プロセス］
続いて、紫外線リソグラフィー、ドライエッチングまたはウエットエッチング技術を利用して上部コンタクト層５、光吸収層４および下部コンタクト層３の一部をエッチングする。これにより、下部コンタクト層３の表面の一部が露出する。

このエッチングにより、分離された構造が赤外線検出画素１００の１つになる。赤外線検出画素１００の受光面の１辺の大きさは、用途によって異なるが、典型的には２０μｍから１００μｍ程度である。

次いで、ＳｉＮｘ（窒化シリコン）から構成される保護膜６を化学気相成長（ＣＶＤ）装置などを利用して成膜する。これにより、赤外線検出画素１００の１つ１つの側壁に加え、上部コンタクト層５と下部コンタクト層３も保護膜６で覆われる。上部コンタクト層５と下部コンタクト層３へ電極を形成するため、まず保護膜６の一部をエッチングに取り除く。その後、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるアロイオーミック電極を形成し、上部電極７および下部電極６とする。上部電極７および下部電極６は、それぞれリフトオフ法によって形成する。リフトオフ法は、リソグラフィー、金属蒸着、レジスト剥離などの工程を含んでいる。

以上の工程により、実施例１による赤外線検出器２００の基本構成が完成する。

図６は、本発明の実施例２による赤外線検出器２０１の構造を説明する上面および拡大断面図である。

図６に示されるように、実施例２の実施例１との違いは、キャップ層４３の材料組成がｘ軸方向に変化している点である。即ち、キャップ層４３Ａとキャップ層４３Ｃでは材料組成が異なる。それ以外は同じであるため、構成の詳細な説明は省略する。

次に、図７を利用して赤外線検出器２０１の動作を説明する。

図７は、実施例２による赤外線検出器２０１の動作を説明するものであり、図６に示す赤外線検出画素１００Ａおよび１００Ｃの伝導帯の電子エネルギーバンド図が示されている。図７を反時計回りに９０度回転させると図６の方向と一致する。

実施例１と同様に、量子ドット層４２とキャップ層４３Ａまたは４３Ｃから構成される量子閉じ込めにより、電子の基底準位ＥＬ１と励起準位ＥＬ２が形成される。

赤外線検出画素１００Ａと赤外線検出画素１００Ｃのキャップ層４３Ａとキャップ層４３Ｃで厚さは同じであるが材料組成が異なる。これを図７では、キャップ層４３Ａよりもキャップ層４３Ｃの伝導帯底のエネルギーが小さい、として表現している。つまり、後者の方が電子の閉じ込めポテンシャルが深いことに相当する。その結果、赤外線検出画素１００Ａと比較して１００Ｃの励起準位ＥＬ２のエネルギーが下がる。キャップ層４３の材料組成が量子ドットの基底準位ＥＬ１に与える影響が、ＥＬ２の変化に対して無視できる程度に小さいとすると、ＥＬ２とＥＬ１のエネルギー差は赤外線検出画素１００Ａと比較して１００Ｃは小さくなる。その結果、赤外線検出画素１００Ａよりも１００Ｃの方が検出波長は長波長化する。

赤外線検出画素１００Ａと赤外線検出画素１００Ｃの間に多数の検出画素があるが、検出波長は赤外線検出画素１００Ａから赤外線検出画素１００Ｃまでほぼ線形に変化するように、キャップ層４３の材料組成が変化していることが望ましい。

図４（Ａ）と（Ｃ）は、試作したキャップ層の厚さが異なる赤外線検出画素に対する、波長応答スペクトル測定結果の一例を示す。中間層４１はＧａＡｓ、量子ドット層４２はＩｎＡｓ、キャップ層４３はＩｎＧａＡｓにより、それぞれ構成されている。量子ドット層４２における量子ドットはｘｙ平面内で２０〜３０ｎｍ程度、高さが４〜５ｎｍ程度であり、キャップ層４３の高さは５ｎｍである。

キャップ層のＩｎ組成が（Ａ）１５％、（Ｃ）２０％に対して、検出ピーク波長は（Ａ）６．５μｍ、（Ｃ）７．５μｍである。キャップ層のＩｎ組成が大きい方場合に検出波長が長波長化しており、上で定性的に説明したことを裏付けている。キャップ層のＩｎ組成が１５％以上２０％以下の場合の検出波長は、その厚さに応じて６．５μｍから７．５μｍの間の値をとることは、容易に想像できる。

次いで、製造方法については、実施例１とは異なるキャップ層４３の積層方法のみを説明する。

図５において、第１の原料供給源３０２からはＩｎが、第４の原料供給源３０５からはＧａが、第３の原料供給源３０４からはＡｓがそれぞれ供給される。

基板回転を停止してキャップ層４３を積層するが、ＩｎとＧａは基板に対して浅い角度で供給されるため、Ｉｎは右側が左側よりも多く、Ｇａは左側が右側よりも多く供給されることになる。この結果、ＩｎＧａＡｓから構成されるキャップ層４３において、左側から右側にいくにしたがってＩｎ組成比率が大きくなる。これが、図６および図７に示すキャップ層の材料組成がｘ軸方向に沿って変化した構造の作製方法である。

このようにして、平面上に赤外線検出画素が並んだ赤外線検出器において、キャップ層の材料組成が少なくとも１つの軸方向に沿って変化していることにより、この軸方向に検出波長が変化した赤外線検出器を提供できる。

尚、実施例１および２を組み合わせた構成も可能であることは、言うまでもない。

図８は、本発明の実施例３による赤外線検出器２０２の構造を説明する上面および拡大断面図である。

図８に示されるように、実施例３の実施例１および２との違いは、キャップ層４３の厚さがｘ軸方向に沿って変化しているのに加えて、量子ドット層４２における量子ドットの大きさも変化している。即ち、キャップ層４３Ａとキャップ層４３Ｄでは厚さが異なり、また、量子ドット４２Ａと量子ドット４２Ｄでは大きさが異なる。それ以外は既に説明した構造と同じであるため、構成の詳細な説明は省略する。

次に、図９を利用して赤外線検出器２０２の動作を説明する。

図９は、実施例３による赤外線検出器２０２の動作を説明するものであり、図８に示す赤外線検出画素１００Ａおよび１００Ｄの伝導帯の電子エネルギーバンド図が示されている。図９を反時計回りに９０度回転させると図８の方向と一致する。

実施例１および２と同様に、量子ドット層４２Ａ（または量子ドット層４２Ｄ）とキャップ層４３Ａ（またはキャップ層４３Ｄ）から構成される量子閉じ込めにより、電子の基底準位ＥＬ１と励起準位ＥＬ２が形成される。

まず、赤外線検出画素１００Ａと赤外線検出画素１００Ｄの量子ドット層４２Ａと４２Ｄでは後者の方が量子ドットの大きさが小さい。これは、後者の方が電子の閉じ込めポテンシャルの幅が狭くなることに相当する。その結果、赤外線検出画素１００Ａと比較して１００Ｄの基底準位ＥＬ１のエネルギーが上がる。

さらに、キャップ層４３Ａとキャップ層４３Ｄを比較すると後者の方が前者よりも厚い。その結果、赤外線検出画素１００Ａと比較して１００Ｄの励起準位ＥＬ２のエネルギーが下がることは、実施例１で説明した通りである。

したがって、ＥＬ２とＥＬ１のエネルギー差は赤外線検出画素１００Ａと比較して１００Ｄは小さくなる（後者の方が矢印が短くなる）。その結果、赤外線検出画素１００Ａよりも１００Ｄの方が検出波長は長波長化する。

このとき、キャップ層４３の厚さおよび量子ドット層４２の大きさの変化により生じる、ＥＬ１とＥＬ２の図８のｘ軸方向での変化が異符号であることにより、実施例１および２と比較して、実施例３がより広い範囲で赤外線検出波長を変化させることが可能となる。

赤外線検出画素１００Ａと赤外線検出画素１００Ｄの間に多数の検出画素があるが、検出波長は赤外線検出画素１００Ａから赤外線検出画素１００Ｄまでほぼ線形に変化するように、キャップ層４３の材料組成、および量子ドット層４２における量子ドットの大きさが変化していることが望ましい。

次いで、製造方法については、量子ドット層４２とキャップ層４３の積層方法のみを説明する。

図５において、第１の原料供給源３０２からはＩｎが、第２の原料供給源３０３からはＧａが、第３の原料供給源３０４からはＡｓがそれぞれ供給される。

中間層４１を積層後、基板回転を停止して基板温度を４９０℃程度に設定し、第１の原料供給源３０２からＩｎ、第２の原料供給源３０３からＡｓを供給する。このとき、実施例２で説明したように、図５の右側が左側よりもＩｎの供給レートが高くなるため、結果として右側が左側よりもＩｎＡｓ量子ドットの大きさが大きくなる。

その後、基板温度を上げると共に、基板ホルダ３０１を１８０度回転させる。これにより、図５では左右が入れ替わり、左側が右側よりもＩｎＡｓ量子ドットが大きくなる。

続いて、第１の原料供給源３０２からＩｎ、第２の原料供給源３０３からＧａ、第３の原料供給源３０４からＡｓをそれぞれ供給すると、実施例１で説明した通り、右側の方が左側よりもキャップ層４３が厚くなる。これが、図８および９に示す構造の作製方法である。

このようにして、平面上に赤外線検出画素が並んだ赤外線検出器において、キャップ層の材料組成と量子ドット層の量子ドットの大きさが少なくとも１つの軸方向に同時に変化していることにより、この軸方向に検出波長が変化した赤外線検出器を提供できる。このとき、前述の軸方向での励起準位ＥＬ２と基底準位ＥＬ１の変化が異符号であれば、実施例１および２よりも、より広い範囲で検出波長を変化させることができる。

図１０は、本発明の実施例４による赤外線検出器を有する波長スペクトル測定装置の概略を示す図である。

実施例１で示した赤外線検出器２００と分光装置４００から構成される。分光装置４００に大きい矢印で示される赤外線Ｘが入射すると、分光装置により入射波長に応じて分波される。図１０ではその典型例として、ｘ方向に赤外線Ｘ_ＡとＸ_Ｂに分波されたものが示されている。Ｘ_ＡとＸ_Ｂの波長は赤外線検出画素１００Ａと赤外線検出画素１００Ｂの検出波長にそれぞれ一致するよう、分光装置は設計されている。

続いて図１１は、波長スペクトル測定装置の動作を説明する図である。（ａ）はスペクトルを計測したい２次元領域５００であり、そのうちｘ方向に一部のみが切り出された１次元領域５０１が集光レンズなどを介して分光装置４００が入射される。（ｂ）は赤外線検出器２００の上面図を表しており、分光装置４００により入射波長に応じてｘ方向へ分波される。

したがって、赤外線検出器２００上の各赤外線検出画素１００に射影されるのは、ｙ方向には１次元領域５０１の空間分布がそのまま、ｘ方向には波長成分が分解されたものある。１次元領域５０１を撮影したい２次元領域全体にわたりスキャンすることで、２次元領域のスペクトル計測が可能となる。このとき、赤外線検出器２００はｘ方向にのみ検出波長が変化しており、ｙ方向には検出波長は変化していない。

図１２は、図１０の分光装置４００の動作を説明する図であり、分光装置の中に備えられている、入射波長ごとに光路を変える回折格子４１０の動作を説明する図である。回折格子には単位長さあたりＮ本の溝が刻まれている。入射赤外線４１２が回折格子の法線４１１に対して角度αで入射すると、法線に対して角度βの方向に回折される。αとβは図中法線の右側にある場合を正とする。赤外線の波長λに対して１次の回折だとすると、以下の数式１が満たされる。

ここで、入射角αが一定だとして数式１の両辺をλで微分することで、以下の数式２が得られる。

数式２は、単位波長あたり回折角βがどれだけ変化するかを表す式である。回折格子の逆線分散Ｄ＝ｄλ／ｄｘ、つまり単位長さあたりの波長分解能は、分光装置の焦点距離ｆを用いてｄｘ＝ｆ・ｄβと表されることと数式２を利用して、以下の数式３が得られる。

例えば、回折格子の刻線数Ｎ＝５０（／ｍｍ）、ｆ＝１３０ｍｍの分光装置を利用する。α＝−７．１度の方向から波長が７．５μｍの赤外線が入射すると、β＝３０度の方向に回折される。このとき、７．５μｍ付近での逆線分散Ｄ＝０．１３３μｍ／ｍｍである。よって、前述のβ＝３０度の位置にｘ方向に大きさ１５ｍｍの赤外線検出器があれば、７．５μｍを中心として幅２μｍ、つまり６．５μｍから８．５μｍの範囲で波長分波される（計算式０．１３３×１５＝２．００μｍより）。

ｘ方向の大きさ１５ｍｍであるから、１画素の１辺の大きさが３０μｍ（＝０．０３ｍｍ）の場合はｘ方向の画素数１５／０．０３＝５００とすればよい。

ここで逆線分散はｘ方向で一定でないことに注意しなければならない。上記の例では、波長６．５μｍおよび８．５μｍではそれぞれＤ＝０．１３７、０．１２９μｍ／ｍｍである。したがって、赤外線検出器２００のｘ方向への波長変化はこの逆線分散Ｄに応じた値であることが最も好ましい。

上記のように逆線分散の変化に応じてｘ方向への波長変化していることが最も好ましいが、第１近似として線形に波長変化をしてもよい。その理由は以下の通りである。

逆線分散Ｄが波長７．５μｍの時の値で一定であると仮定し、赤外線検出器のｘ方向への波長変化を線形にした場合を考える。この仮定により生じる実際のＤとの誤差を、赤外線検出器のｘ方向の長さ１５ｍｍの半分である７．５ｍｍで積分すると、ｘ方向の両端（図中１００Ａと赤外線検出画素１００Ｂ）でそれぞれ−０．０２および＋０．０２μｍとなる。これらの値は、赤外線検出器の両端の検出画素における、分光装置で分波される波長と検出画素の中心波長との誤差である。一方、量子ドットのサブバンド間遷移を利用する赤外線検出素子の波長幅は、図４（ｃ）よりΔλ＝０．５μｍ程度かそれ以上ある。Δλは前述の波長誤差±０．０２μｍより１桁大きく、この誤差を十分に吸収できると考えてよい。

分光装置は、理想的には入射赤外線を波長に応じての特定の方向にのみ回折するが、実際にはこの法則に従わない成分、即ち迷光成分が存在する。これは、装置内部での乱反射等、不完全性に基づくもので完全に除去することは不可能である。本実施例では各画素は回折波長に応じた赤外線しか検出しないため、ノイズ要因である回折波長から外れた迷光成分は検出しない。一方、従来例の多くで広い波長帯域をもつ赤外線検出器が利用され、回折波長から外れた迷光成分も検知する。

このようにして、赤外線検出画素が平面上に並び、その検出波長が１つの軸方向（ｘ方向）に変化した赤外線検出器と、分光装置を組み合わせることにより、ノイズを低減した波長スペクトル測定装置を提供できる。

尚、本発明は上記実施例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。

以上説明した実施例に限定されることなく、本発明は、特許請求の範囲に記載された技術範囲内であれば、種々の変形が可能であることは云うまでもない。

１ 半導体基板
２ 緩衝層
３ 下部コンタクト層
４ 光吸収層
４１ 中間層
４２、４２Ａ、４２Ｄ 量子ドット層
４３、４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃ、４３Ｄ キャップ層
５ 上部コンタクト層
６ 保護膜
７ 下部電極
８ 上部電極
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ 赤外線検出画素
２００、２０１、２０２ 赤外線検出器
３００ 真空チャンバ
３０１ 基板ホルダ
３０２ 第１の原料供給源
３０３ 第２の原料供給源
３０４ 第３の原料供給源
３０５ 第４の原料供給源
４００ 分光装置
４１０ 回折格子
４１１ 法線
４１２ 入射赤外線
４１３ 回折赤外線
５００ ２次元領域
５０１ １次元領域

Claims (10)

1. 半導体基板と、前記半導体基板上にＸ軸およびＹ軸に沿ってアレイ状に形成され、前記半導体基板側から入射される赤外線をそれぞれ検出する複数の赤外線検出画素とを有し、
   前記複数の赤外線検出画素はそれぞれ、
   半導体から成る中間層と、アレイ状に配された複数の量子ドットを含み、前記中間層中に形成された少なくとも一層の量子ドット層と、半導体から成り、前記中間層中の前記量子ドット層上に形成されたキャップ層とから成る光吸収層を有すると共に、
   前記量子ドット層と前記キャップ層との量子閉じ込めによって形成される基底準位である第１の電子準位と励起準位である第２の電子準位のエネルギー差に相当する検出波長の赤外線を検出する赤外線検出器であって、
   前記複数の赤外線検出画素は、前記キャップ層の厚さおよび材料組成の少なくとも一方が、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸の少なくとも一方の軸方向に沿って漸次異なっていることにより、前記第１の電子準位と前記第２の電子準位のエネルギー差に相当する検出波長が前記軸方向に沿って漸次異なっていることを特徴とする赤外線検出器。
2. 前記複数の赤外線検出画素は、検出波長が前記軸方向に沿って線形に漸次異なるように、前記キャップ層の厚さおよび材料組成の少なくとも一方が前記軸方向に沿って漸次異なっている請求項１に記載の赤外線検出器。
3. 前記複数の赤外線検出画素は、前記第１の電子準位のエネルギーと前記第２の電子準位のエネルギーとが、前記軸方向に沿って異符号で漸次異なっていることにより、当該赤外線検出画素が検出する前記第１の電子準位と前記第２の電子準位とのエネルギー差が、前記軸方向に沿って漸次異なっている請求項１または２に記載の赤外線検出器。
4. 前記複数の赤外線検出画素は、前記キャップ層の厚さおよび材料組成の少なくとも一方が前記軸方向に沿って漸次異なっていることに加え、前記量子ドット層に含まれる量子ドットの大きさが、前記軸方向に沿って漸次異なっていることにより、前記第１の電子準位のエネルギーと前記第２の電子準位のエネルギーとが、前記軸方向に沿って異符号で漸次異なっている請求項３に記載の赤外線検出器。
5. 前記中間層は、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓから成り、前記量子ドット層は、ＩｎＡｓから成り、前記キャップ層は、ＩｎＧａＡｓから成る請求項１乃至４のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
6. 前記複数の赤外線検出画素は、前記キャップ層の厚さが５ｎｍから１０ｎｍの間で、前記軸方向に沿って漸次異なっている請求項１乃至５のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
7. 前記複数の赤外線検出画素は、ＩｎＧａＡｓから成る前記キャップ層がＩｎ組成が１５％から２０％の間で前記軸方向に沿って漸次異なっている請求項５に記載の赤外線検出器。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の赤外線検出器と、入射する赤外線の波長に応じて分波する分光装置とを備え、
   前記複数の赤外線検出画素それぞれの検出波長と、前記分光装置によって分波されて各前記赤外線検出画素に入射される波長とが等しいことを特徴とする波長スペクトル測定装置。
9. 前記複数の赤外線検出画素は、前記分光装置の逆線分散に応じて、検出波長が前記軸方向に沿って漸次異なっている請求項８に記載の波長スペクトル測定装置。
10. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の赤外線検出器の製造方法であって、
    前記キャップ層の形成工程にて、前記量子ドット層の表面に対する前記キャップ層の原料の供給方向の相対角度を設定し、前記量子ドット層の表面に対する前記キャップ層の原料の供給レートを前記軸方向に沿って漸次異ならせることにより、各前記赤外線検出画素の前記キャップ層の厚さおよび材料組成の少なくとも一方を前記軸方向に沿って漸次異ならせることを特徴とする赤外線検出器の製造方法。

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