JP2016023940A - 赤外線検出素子 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｓ／Ｎ比の低下を招かずに、印加電界の符号などにより検知波長を制御可能な赤外線検出素子を提供する。【解決手段】赤外線検出素子は、第１の量子ドット層、および障壁層を介して上記第１の量子ドット層に隣接する第２の量子ドット層を光吸収層が備え、上記第１および上記第２の量子ドット層のうち、一つの量子ドット層の量子ドットにｎ型不純物がドーピングされている。【選択図】 図１

Description

本発明は赤外線検出素子に関し、特に、半導体量子ドットを含む構造の伝導帯サブバンド間遷移によって赤外線を検出する量子ドット型赤外線検出素子に関する。

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、赤外線検出素子に対する需要が高まっている。赤外線検出素子の材料や構造の候補は複数あるが、その１つが光吸収層に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）である。以下では、量子ドット型赤外線検出素子を「ＱＤＩＰ」と称する。

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波長をもつ赤外線を検知することができる。

前段落で説明したように、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。この検知中心波長λを設定したい場合には、サブバンド間のエネルギー差がΔＥ＝ｈｃ／λとなるように量子ドットおよびその周辺構造を作製すればよい。ここでｈはプランク定数、ｃは真空中での光速度を表す。

サブバンド間のエネルギー差ΔＥの制御性を高める手法として、例えば非特許文献１には、ＱＤＩＰの一種で量子ドットが量子井戸内に存在するＤｏｔ−ｉｎ−Ｗｅｌｌ構造が提案されている。以下では、Ｄｏｔ−ｉｎ−Ｗｅｌｌ構造を「ＤＷＥＬＬ」と称する。このＤＷＥＬＬの構造断面図を図７（ａ）に、基板平面に垂直および平行方向に対する伝導帯の典型的なバンドダイアグラムを図７（ｂ）と図７（ｃ）にそれぞれ示す。図７（ａ）に示すように、量子ドット７０３は量子井戸層７０２の中に埋め込まれ、さらにそれらが中間層７０１に挟まれた構造である。伝導帯端（伝導帯の最もエネルギーが低い点）のエネルギーは量子ドットが最小で、次が量子井戸層、そして中間層が最大となっている。

ＤＷＥＬＬでは、量子ドットの基底状態エネルギーＥ１と量子井戸層の励起状態エネルギーＥ２のサブバンド間遷移を利用して、赤外線を検知する。この時、量子井戸の厚さを変えることで、励起状態エネルギーＥ２が変化する。具体的には、量子井戸の厚さが厚いときは量子閉じ込めが強くなり低エネルギー側へ、量子井戸の厚さが薄いときは量子閉じ込めが弱くなり高エネルギー側へ、それぞれ変化する。量子ドットの励起状態エネルギーＥ２の変化に対して量子ドットの基底状態エネルギーＥ１の変化は小さいと見なせるため、量子井戸層の厚さによってΔＥ＝Ｅ２−Ｅ１を変化させ、その結果として検知中心波長λを制御できる。

特開２００６−１９６７８８号公報

S.Raghavanほか、「Normal-incidence InAs/In0.15Ga0.85As quantum dots-in-well detector operating in the long-wave infrared atmospheric window (8-12um)」、Journal of Applied Physics、９６巻、２号、１０３６〜１０３９ページ（２００４年発行）

しかしながら、上述した非特許文献１の赤外線検出素子には、以下のような課題がある。非特許文献１で提案されているＤＷＥＬＬでは、量子井戸層の厚さにより検知中心波長λを制御できる利点はあるが、検出効率低下をしてしまう。この理由を図７（ｂ）と図７（ｃ）を参照して簡単に説明する。図７（ｂ）は、図７（ａ）の(iv)線に沿った方向のエネルギーバンドを説明する図であり、図７（ｃ）は、図７（ａ）の(v)線に沿った方向のエネルギーバンドを説明する図である。

励起状態エネルギーＥ２は量子井戸層の伝導帯バンド端より高く、中間層の伝導帯バンド端よりも低い。この状態は、図７（ｂ）に示す基板垂直方向には中間層の障壁によって量子力学的に閉じ込められているが、図７（ｃ）の基板平面方向には量子閉じ込め効果が非常に弱くなっている。このため、基板平面方向に波動関数の広がりが大きくなる。一方、基底状態エネルギーＥ１は量子井戸層のバンド端よりも低いため量子力学的に強く閉じ込められ、波動関数の広がりは、量子ドットの大きさと同程度しかない。

赤外線検出素子の検出効率はエネルギーＥ１からＥ２の状態への遷移確率に比例するが、この遷移確率は始状態と終状態の２つの波動関数の重なり度合いが大きい場合に大きくなる。始状態であるエネルギーＥ１の波動関数は量子ドットに強く閉じ込められているが、終状態であるエネルギーＥ２は基板平面方向に広がっているため、波動関数の重なり度合いが小さく、遷移確率は低くなる。その結果、赤外線検出素子の検出効率は低下する。

一方、２つの波長に対して独立に感度を有する赤外線検知器が、特許文献１で提案されている。特許文献１では、第１の量子箱と第２の量子箱とを積層して赤外線検知器を構成している。赤外線検知器の二つの電極間のバイアス方向に依存して、赤外線検知器は第１の量子箱あるいは第２の量子箱のどちらか一方で決まる赤外線を感知することが、特許文献１には記載されている。

特許文献１では、バイアス印加により量子箱にキャリアが供給され、一つの量子箱で決まる波長の赤外線を検知する。特許文献１の赤外線検知器では、赤外線検知に必要なキャリアを供給するために、ある程度のバイアス印加が必要である。印加バイアスが大きくなるとノイズ源となる暗電流も大きくなるため、赤外線検知器の赤外線検知に関しＳ／Ｎ比が低下する。

したがって本発明の目的は、Ｓ／Ｎ比の低下を招かずに、印加電界の符号などにより検知波長を制御可能な赤外線検出素子を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る赤外線検出素子は、第１の量子ドット層、および障壁層を介して上記第１の量子ドット層に隣接する第２の量子ドット層を光吸収層が備え、
上記第１および上記第２の量子ドット層のうち、一つの量子ドット層の量子ドットにｎ型不純物がドーピングされている。

本発明は、ノイズ源となる暗電流を減らしつつ、検知波長を切り替えることが可能な赤外線検出素子を実現することができる。

（ａ）は本発明の実施形態の最小単位の赤外線検出素子を示す断面図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出素子が適用される赤外線検出装置の断面図である。 図１（ｂ）の赤外線検出装置を部分的に拡大した断面図である。 図２の(i)線および(ii)線に沿った方向の、エネルギーバンドを説明する図である。 トンネル現象を説明するための、エネルギーバンドを説明する図である。 （ａ）および（ｂ）は本発明の第１の実施形態の動作原理を説明するための、エネルギーバンドを説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る赤外線検出素子の断面図である。 図５の(iii)線に沿った方向の、エネルギーバンドを説明する図である。 （ａ）は量子ドット構造を用いる背景技術の赤外線検出素子の断面図であり、（ｂ）および（ｃ）はエネルギーバンドを説明する図である。

本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１（ａ）は、本発明の実施形態の最小単位の赤外線検出素子を示す断面図である。本実施形態の赤外線検出素子は、第１の量子ドット層１０５、および障壁層１０６を介して第１の量子ドット層１０５に隣接する第２の量子ドット層１０７を、光吸収層が備える。さらに、第１の量子ドット層１０５および第２の量子ドット層１０７のうち、一つの量子ドット層の量子ドットにｎ型不純物がドーピングされている。

本実施形態の光吸収層は、バイアス電圧が印加されるものであり、第１の量子ドット層１０５の量子ドットおよび第２の量子ドット層１０７の量子ドットのうちで基底準位のエネルギーが高い方の量子ドットに、ｎ型不純物がドーピングされている。

本実施形態の赤外線検出素子によれば、光吸収層へのバイアス電圧の印加方向に応じて、検知波長を切り替えることができる。さらに、基底準位のエネルギーが高い方の量子ドットにｎ型不純物がドーピングされていることにより、光吸収層へバイアス電圧を印加しない状態（あるいは印加電圧が小さい場合）であっても、トンネル現象が起きる。このトンネル現象は、赤外線吸収に必要となる電子が、基底準位のエネルギーが高い方の量子ドットからある割合で、基底準位のエネルギーが低い方の量子ドットに移る現象である。

本実施形態の赤外線検出素子によれば、動作時の印加バイアスを小さくすることができ、ノイズ源となる暗電流を小さくすることができ、赤外線検出に関するＳ／Ｎ比を高くできる。以下、本発明の実施形態について、より詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出素子について、説明する。図１（ｂ）を参照して、本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出装置の構成について説明する。ここで、図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出素子が適用される赤外線検出装置の断面図である。

本実施形態の赤外線検出装置は、図１（ｂ）に示されるように、半導体基板１０１上に、これと同じ半導体材料から構成される緩衝層１０２、ｎ型にドープされた下部コンタクト層１０３、ｉ型の中間層１０４が形成されている。また、下部電極１０９は、ｎ型の下部コンタクト層１０３の一部に接触して形成されている。

そして、ｉ型の中間層１０４の上に、第１の量子ドット層１０５、障壁層１０６、第２の量子ドット層１０７、再びｉ型の中間層１０４が形成されている。赤外線吸収効率を高めるため、薄い障壁層を間に挟んだ２つの量子ドット層は複数積層されており、これらは光吸収層１１１を構成している。

第１および第２の量子ドット層の典型的な高さはそれぞれ５ｍｍ程度であり、障壁層の典型的な高さは５ｎｍ程度である。また、中間層１０４の厚さは５０ｎｍ程度である。

光吸収層１１１の上には、ｎ型の上部コンタクト層１０８が形成されており、その上に上部電極１１０が形成されている。

以上の構成のもと、上部電極１１０と下部電極１０９の間に適切な電圧を印加し、光吸収層１１１において入射赤外線１１２を吸収することにより生じる光電流を検出する。これにより、赤外線検出素子として動作する。光吸収層１１１にバイアス電圧を印加する一対の電極の一例が、下部電極１０９と上部電極１１０である。

図２は、図１（ｂ）の赤外線検出装置を部分的に拡大した断面図であり、第１および第２の量子ドット層を含む部分の断面拡大図を示している。第１の量子ドット層１０５には、第１の量子ドット２０１と、これを構成する材料よりもバンドギャップの広い材料から構成される第１の埋め込み層２０２と、が含まれている。これと同様に第２の量子ドット層１０７には、第２の量子ドット２０３と、これを構成する材料よりもバンドギャップの広い材料から構成される第２の埋め込み層２０４と、が含まれている。

各領域を構成する材料の伝導帯端のエネルギーは小さい順に量子ドット、障壁層、第１または第２の埋め込み層の順になっている。

図３Ａは、図２の(i)線および(ii)線に沿った方向の、エネルギーバンドを説明する図である。(i)線の方向には、第１の量子ドット２０１と第２の量子ドット２０３が含まれている。図３Ａで、第１の量子ドット２０１の基底準位３０１のエネルギーはＥ１、第２の量子ドット２０３の基底準位３０２のエネルギーはＥ２である。第１の量子ドット２０１と第２の量子ドット２０３が結合したモードの励起準位３０３のエネルギーはＥ３である。図３Ａに示すように、Ｅ３は障壁層１０６の伝導帯端のエネルギーよりも高い。第１の量子ドット２０１と第２の量子ドット２０３を構成する材料の伝導帯端エネルギーは、前者の方が後者よりも低い。このため、量子ドットの大きさが同程度であっても、基底準位エネルギーＥ１とＥ２ではＥ１の方が低い。言い直すと、第１の量子ドット２０１と第２の量子ドット２０３を構成する材料の伝導帯端エネルギーは、後者の方が前者よりも高い。このため、量子ドットの大きさが同程度であっても、基底準位エネルギーＥ１とＥ２ではＥ２の方が高い。

本実施形態の赤外線検出素子では、検出感度向上のため、第１の量子ドット層１０５の第１の量子ドット２０１と第２の量子ドット層１０７の第２の量子ドット２０３のうち、伝導帯の基底準位エネルギーが高い方にｎ型不純物がドーピングされている。本実施形態では、第２の量子ドット層１０７の第２の量子ドット２０３に、ｎ型不純物がドーピングされている。本実施形態では、ｎ型不純物の一例としてＳｉを用いている。第２の量子ドット２０３にドーピングすると、Ｅ１＜Ｅ２というエネルギーの大小関係から、第２の量子ドット２０３の基底準位にあるドープされた電子が、第１の量子ドット２０１の基底準位にある確率で緩和する。

赤外線の吸収効率向上の観点から、Ｅ１とＥ２に平均でそれぞれ１個ずつの電子が予め占有された状態が望ましいため、第２の量子ドット２０３へのドーピング量は、第２の量子ドット数の２倍程度が適している。２倍ちょうどではなくとも、ある程度幅を持たせて、例えば１〜３倍程度が望ましい。

逆に、第１の量子ドット２０１にドープした場合には、第２の量子ドット２０３の基底準位のエネルギーが高いため、Ｅ１からＥ２へ電子が移る確率は小さくなる。初期状態としてＥ２にある平均的な電子数が１よりずっと小さくなると、Ｅ２とＥ３間の遷移確率が低減、つまり赤外線吸収効率が低下する。よって、ドーピングは、本実施形態では基底準位エネルギーの高い第２の量子ドット２０３にする方が望ましいと言える。

図３Ａの(ii)に示す第２の量子ドット２０３に対する紙面水平方向のエネルギーバンド図を見ると、励起準位のエネルギーＥ３は第２の埋め込み層２０４の伝導体端エネルギーよりも低い。よって、この励起状態は量子ドットの領域に強く閉じ込められている。図７（ｃ）に示した背景技術では、紙面水平方向での量子ドット領域への閉じ込めが弱く、これが赤外線検出感度低下の原因となっていた。本実施形態では、この課題が解決されている。

［動作原理］
図４を参照して、第１の実施形態の動作原理について説明する。図４（ａ）および図４（ｂ）は、図２の(i)線に沿った方向におけるエネルギーバンド図を、異なる符号の印加バイアス下における状態を示したものである。図で紙面右方向が図１（ｂ）の上側、つまり上部電極側に相当する。図４（ａ）は、上部電極が下部電極よりも電位が低い、すなわち電子にとっては上部電極側が下部電極側よりもポテンシャルが高くなるようにバイアスが印加されている。以降、これを負バイアスと呼ぶ。図４（ｂ）は図４（ａ）と印加バイアスの符号が逆、つまり正バイアスでのエネルギーバンド図を示す。

まず、図４（ａ）から動作原理について説明する。既に説明したように、第１の量子ドットおよび第２の量子ドットにはドーピングによって予め電子が入っている。この状態で、図１（ｂ）のように入射赤外線１１２が照射された場合を考える。第１の量子ドットの励起準位と基底準位のエネルギー差（Ｅ３−Ｅ１）に等しいエネルギーをもつ赤外線を含んでいれば、電子３０４がそのエネルギーを吸収し、基底準位３０１から励起準位３０３に遷移する。さらに、中間層とのエネルギー差Δ１のポテンシャルを越え、電極側に電子が流れることでこの光電流を検知できる。

一方、入射赤外線が第２の量子ドットの励起準位と基底準位のエネルギー差（Ｅ３−Ｅ２）に等しいエネルギーをもつ赤外線を含んでいれば、電子がそのエネルギーを吸収し、基底準位３０２から励起準位３０３に遷移する。さらに、中間層とのエネルギー差Δ２のポテンシャルを越えた場合に、光電流を検知できる。しかし、Δ２はΔ１と比較してずっと大きいため、励起準位にある電子がポテンシャルの壁を越えられる確率は、Δ１の場合よりもずっと小さくなる。つまり、Ｅ３−Ｅ２のエネルギーを持つ赤外線の検知効率は非常に小さくなる。

従って、負バイアスである図４（ａ）の条件下では、Ｅ３−Ｅ１のエネルギーをもつ赤外線を選択して検知する検出素子として動作する。

続いて、図４（ｂ）の動作原理について説明する。第１の量子ドットおよび第２の量子ドットにはドーピングによって予め電子が入っている。この状態で入射赤外線１１２が照射された場合、第２の量子ドットの励起準位と基底準位のエネルギー差（Ｅ３−Ｅ２）に等しいエネルギーをもつ赤外線を含んでいれば、電子３０４がそのエネルギーを吸収し、基底準位３０２から励起準位３０３に遷移する。さらに、中間層とのエネルギー差Δ２のポテンシャルを越え、電極側に電子が流れることでこの光電流を検知できる。

一方、入射赤外線が第１の量子ドットの励起準位と基底準位のエネルギー差（Ｅ３−Ｅ１）に等しいエネルギーをもつ赤外線を含んでいれば、電子がそのエネルギーを吸収し、基底準位３０１から励起準位３０３に遷移する。さらに、中間層とのエネルギー差Δ１のポテンシャルを越えた場合に、光電流を検知できる。しかし、Δ１はΔ２と比較してずっと大きいため、励起準位にある電子がポテンシャルの壁を越えられる確率は、Δ２の場合よりもずっと小さくなる。つまり、Ｅ３−Ｅ１のエネルギーを持つ赤外線の検知効率は非常に小さくなる。

従って、正バイアスである図４（ｂ）の条件下では、Ｅ３−Ｅ２のエネルギーをもつ赤外線を選択して検知する検出素子として動作する。

以上のように、印加バイアスの符号を変えることにより、異なる波長（エネルギーの逆数）を検知できる赤外線検出素子を提供できる。この時、励起準位３０３のエネルギーＥ３は第１および第２の埋め込み層の伝導体端のエネルギーよりも低いため、基板平面方向への波動関数広がりを抑制できる。これにより、背景技術において課題であった波動関数の広がりによる光検出効率の低下を防ぐことができる。

ここで、障壁層の厚さが厚すぎると第１および第２の量子ドットが紙面上下方向に離れ、励起準位の波動関数が広がってしまう。この場合、赤外線の検出効率が低下していまい、望ましくはない。ここで示したＩｎＡｓなど化合物半導体系の量子ドットの典型的な高さは５ｎｍほどであり、障壁層の厚さもこれと同程度かそれ以下が好ましい。

［製造方法］
次に、図１（ｂ）を参照して、本発明の第１の実施形態に係る赤外線検出装置の製造方法について説明する。

半導体基板１０１として、面方位が（００１）面のＧａＡｓ基板を用意し、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ: Molecular Beam Epitaxial）装置内へ導入する。基板表面の酸化膜を除去後、５８０℃程度の温度に設定し、半導体基板１０１と同じＧａＡｓから構成される緩衝層１０２を厚さ５００ｎｍ積層する。

引き続き、厚さが５００ｎｍでＳｉ原子を濃度２×１０^１８ｃｍ^−３程度ドーピングしたＧａＡｓから構成されるｎ型の下部コンタクト層１０３、そして厚さ５０ｎｍのＡｌ_ｘＧａ_{（１−ｘ）}Ａｓで構成されるｉ型の中間層１０４を積層する。Ａｌの組成比ｘは０．１〜０．２程度である。以下、単にＡｌＧａＡｓと略す。

さらに、厚さ５ｎｍ程度の第１の量子ドット層１０５、厚さ５ｎｍ程度のＩｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓから構成される障壁層１０６、厚さ５ｎｍ程度の第２の量子ドット層１０７の順に積層する。以下、これら量子ドット層の詳細を説明する。

ＡｌＧａＡｓから構成される中間層１０４を積層後、基板温度を４９０℃程度まで低下させ、名目上の厚さが２から３原子層程度相当分のＩｎＡｓを供給する。この時、ＩｎＡｓとＡｌＧａＡｓ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次元的に成長し、ＳＫ（Stranski-Krastanov）モードと呼ばれる第１の量子ドット２０１を形成する。典型的な量子ドットの典型的な直径は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。

その後、ＧａＡｓから構成される第１の埋め込み層２０２を積層し、これと直前に積層された第１の量子ドット２０１を含む第１の量子ドット層１０５が形成される。

続いて障壁層１０６を積層した後、Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓから構成される第２の量子ドット２０３を形成する。次に、ｎ型ドーパントのＳｉ原子を量子ドット層１０６の直上に供給する。この時、ｎ型ドーパントであるＳｉ原子の数は量子ドット数の２倍程度にする。これは、ドープにより生じる電子の一部は第１の量子ドットへ移ることを考慮したためである。ＩｎＡｓとＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ａｓでは後者の方がバンドギャプエネルギーが小さいため、動作原理で説明したとおり、第２の量子ドットにドーピングをしている。

その後、ＧａＡｓから構成される第２の埋め込み層２０４を積層し、これと直前に積層された第２の量子ドット２０３を含む第２の量子ドット層１０７が形成される。

さらに、厚さが５０ｎｍのｉ型のＡｌＧａＡｓで構成される中間層１０４を再び積層する。

上記の手順に従って第１の量子ドット層１０５、障壁層１０６、第２の量子ドット層１０７、中間層１０４の積層を１０〜２０回程度繰り返し、光吸収層１１１を形成する。

最後に、厚さが２００ｎｍで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ｎ型の上部コンタクト層１０８を積層する。

上記製造方法において、量子ドットや量子井戸および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く、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良い。

続いて、紫外線リソグラフィー、ウエットエッチングまたはドライエッチング技術を利用して上部コンタクト層１０８、光吸収層１１１および下部コンタクト層１０３の一部を選択的にエッチングする。これにより下部コンタクト層１０３の表面の一部が露出する。

この選択エッチングにより、分離された構造が赤外線検出素子の１素子になる。検出素子の受光面の大きさは、用途によって異なるが、典型的には２０μｍから５００μｍ程度である。赤外線検出素子はこの１素子のみで構成されてもよいし、このような素子を１列に、あるいは２次元的に配列させたアレイであってもよい。

次いで、上部および下部コンタクト層にＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなる上部電極１１０および下部電極１０９を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、第１の実施形態に係る赤外線検出素子を含む赤外線検出装置が完成する。

以上のように本実施形態の赤外線検出素子によれば、光吸収層１１１への印加バイアスの符号を変えることにより、異なる波長を検知できる赤外線検出素子を提供できる。

さらに、本実施形態の赤外線検出素子では、第１の量子ドット層１０５の量子ドットと第２の量子ドット層１０７の量子ドットのうち、伝導帯の基底準位のエネルギーが高い第２の量子ドット２０３に、ｎ型不純物がドーピングされている。第２の量子ドット層１０７の第２の量子ドット２０３にｎ型不純物がドーピングされていることにより、光吸収層１１１へバイアス電圧を印加しない状態（あるいは印加電圧が小さい場合）であっても、トンネル現象が起きる。赤外線吸収に必要となる電子が、第２の量子ドット層１０７の第２の量子ドット２０３からある割合で、第１の量子ドット層１０５の第１の量子ドット２０１に移る。これにより、特許文献１の赤外線検知器と比較して、動作時の印加バイアスを小さくすることができ、ノイズ源となる暗電流を小さくすることができ、赤外線検出に関するＳ／Ｎ比を高くできる。

〔第２実施形態〕
続いて図５と図６を参照して、本発明の第２の実施形態に係る赤外線検出素子について、説明する。ここで、図５は、本発明の第２の実施形態に係る赤外線検出素子の断面構造図を示す。

本実施形態の赤外線検出素子は、図５に示すように、第１の量子ドット層１０５、障壁層１０６、第２の量子ドット層１０７を有する。この障壁層を間に挟んだ２つの量子ドット層はｉ型の中間層１０４を介して複数積層されて、図１（ｂ）に示される光吸収層１１１を構成し、赤外線検出装置が構成される。

第１の実施形態との違いは、第１および第２の量子ドットを構成する材料は同じで、第２の量子ドット層１０７が第１の量子ドット層１０５よりも高さが高い点である。例えば、本実施形態では、第１の量子ドット２０１および第２の量子ドット２０３はともにＩｎＡｓから構成されており、第１の量子ドット層１０５の高さ５ｎｍに対し、第２の量子ドット層１０７の高さは７ｎｍとする。

その他の構成および製造方法は、図１（ｂ）に示す第１の実施形態に係る赤外線検出装置の構成および製造方法とほとんど同じであるため、説明を省略する。

図６は、本実施形態の赤外線検出素子の図５の(iii)線に沿った方向でのエネルギーバンド構造を示す。第２の量子ドット２０３が第１の量子ドット２０１よりも高さが高いのは、図６では幅が広いことに相当する。本実施形態の第１の量子ドット２０１と第２の量子ドット２０３では、後者が量子閉じ込めが実効的に深くなり、基底準位のエネルギーが低くなる。つまり、Ｅ２＞Ｅ１である。よって、本実施形態では、ｎ型不純物のドーピングは基底準位エネルギーが高い第１の量子ドットの方へ行う。言い直すと、本実施形態では、第１の量子ドット層１０５の第１の量子ドット２０１と第２の量子ドット層１０７の第２の量子ドット２０３のうち、伝導帯の基底準位エネルギーが高い、第１の量子ドット２０１にｎ型不純物がドーピングされている。

第１の実施形態を示す図３Ａと比較すると、本実施形態ではＥ１とＥ２の大小関係が逆になっている。しかしながら、負バイアスの場合にはＥ３−Ｅ１のエネルギーを持つ赤外線を、正バイアスの場合にはＥ３−Ｅ２のエネルギーを持つ赤外線をそれぞれ選択的に検出する点は第１の実施形態と同じである。

以上のように本実施形態の赤外線検出素子によれば、第１の実施形態と同様に、光吸収層１１１への印加バイアスの符号を変えることにより、異なる波長を検知できる赤外線検出素子を提供できる。

さらに、本実施形態の赤外線検出素子では、第１および第２の量子ドットを構成する材料は同じとしつつ、第２の量子ドット層１０７が第１の量子ドット層１０５よりも高さを高く構成している。これにより、第１の量子ドット層１０５の第１の量子ドット２０１と第２の量子ドット層１０７の第２の量子ドット２０３のうち、第１の量子ドット層１０５の第１の量子ドット２０１の方が伝導帯の基底準位エネルギーが高くなっている。そして、本実施形態では、伝導帯の基底準位エネルギーが高い第１の量子ドット層１０５の量子ドット２０１に、ｎ型不純物をドーピングしている。第１の量子ドット層１０５の量子ドット２０１にｎ型不純物がドーピングされていることにより、光吸収層１１１へバイアス電圧を印加しない状態（あるいは印加電圧が小さい場合）であっても、トンネル現象が起きる。赤外線吸収に必要となる電子が、第１の量子ドット層１０５の第１の量子ドット２０１からある割合で、第２の量子ドット層１０７の第２の量子ドット２０３に移る。これにより、特許文献１の赤外線検知器と比較して、動作時の印加バイアスを小さくすることができ、ノイズ源となる暗電流を小さくすることができ、赤外線検出に関するＳ／Ｎ比を高くできる。

これまで述べたように、本発明の実施形態によれば、２つのコンタクト層と、電界印加手段と、第１の量子ドット層と第２の量子ドット層が障壁層を介して隣接する光吸収層とを含む。そして本発明の実施形態によれば、光吸収層への印加電界の符号により検知波長を制御できることが可能な赤外線検出素子を実現することができる。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思考に基づいて、種々の変形が可能である。

第２の実施形態では、第１および第２の量子ドットの高さが異なるとしたが、本発明では、第１の実施形態である材料組成の違いと高さの違いの両方を組み合わせてもよい。材料組成の違いと高さの違いの両方を組み合わせて、第１の量子ドット層１０５の量子ドットと第２の量子ドット層１０７の量子ドットの伝導帯の基底準位のエネルギーの高低の関係を設計することができる。

また本発明では、量子ドットの高さを高くする代わりに、量子ドットの平面サイズ（図５の紙面水平方向の大きさ）を大きくしてもよい。平面サイズの大きい量子ドットの基底準位エネルギーが小さい方のそれよりも低くなることに注意すれば、同様の効果を実現できる。

また本発明の実施形態の障壁層１０６は、伝導帯端のエネルギー条件さえ満たせば必ずしもＧａＡｓである必要はなく、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓであってもよい。

本発明は、中波長赤外線および長波長赤外線（おおむね３〜１４μｍ）領域における、熱検出やガス検知などの環境計測に用いられる赤外線検出装置に利用可能である。

１０１ 半導体基板
１０２ 緩衝層
１０３ 下部コンタクト層
１０４ ｉ型の中間層
１０５ 第１の量子ドット層
１０６ 障壁層
１０７ 第２の量子ドット層
１０８ 上部コンタクト層
１０９ 下部電極
１１０ 上部電極
１１１ 光吸収層
１１２ 入射赤外線
２０１ 第１の量子ドット
２０２ 第１の埋め込み層
２０３ 第２の量子ドット
２０４ 第２の埋め込み層
３０１ 第１の量子ドット２０１の基底準位（状態）
３０２ 第２の量子ドット２０３の基底準位（状態）
３０３ 励起準位
３０４ 電子
７０１ 中間層
７０２ 量子井戸層
７０３ 量子ドット

Claims (10)

1. 第１の量子ドット層、および障壁層を介して前記第１の量子ドット層に隣接する第２の量子ドット層を光吸収層が備え、
   前記第１および前記第２の量子ドット層のうち、一つの量子ドット層の量子ドットにｎ型不純物がドーピングされている、赤外線検出素子。
2. 前記第１および前記第２の量子ドット層のうち、ｎ型不純物がドーピングされている前記量子ドット層の前記量子ドットは、それ以外の量子ドット層の量子ドットより基底準位のエネルギーが高い、請求項１に記載の赤外線検出素子。
3. 前記光吸収層はバイアス電圧が印加されるものであり、
   前記ｎ型不純物がドーピングされている量子ドット層の前記量子ドットは、前記バイアス電圧を印加しない条件下で、前記第１および前記第２の量子ドット層のうちで基底準位のエネルギーが高い、請求項１または請求項２に記載の赤外線検出素子。
4. 前記ｎ型不純物のドーピング量は、前記量子ドット層に含まれる量子ドット数の１倍から３倍の範囲内である、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
5. 前記第１および前記第２の量子ドット層に含まれる量子ドットはお互いに、材料組成または高さのうち少なくとも一方が異なる、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
6. 前記第１および前記第２の量子ドット層に含まれる量子ドットはお互いに、材料組成または大きさのうち少なくとも一方が異なる、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
7. 前記第１および前記第２の量子ドット層は、量子ドットと埋め込み層を有し、
   前記障壁層の伝導帯端のエネルギーは、前記第１および前記第２の量子ドット層の前記埋め込み層の伝導帯端のエネルギーよりも低い、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
8. 前記障壁層の厚さは、前記第１および前記第２の量子ドット層の高さと同程度かそれ以下である、請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
9. 前記第１および前記第２の量子ドット層の量子ドットはＩｎＡｓまたはＩｎＧａＡｓから構成され、前記障壁層はＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓのいずれかから構成される、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の赤外線検出素子。
10. 半導体基板と、前記半導体基板の上方に形成され、請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の光吸収層を備える赤外線検出素子と、前記光吸収層にバイアス電圧を印加する一対の電極とを、有する赤外線検出装置。

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