JP2017147324A - Infrared detector and method for manufacturing the same - Google Patents

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昌之 白根
Masayuki Shirane
昌之 白根
俊介 大河内
Shunsuke Okochi
俊介 大河内
惣太 各務
Sota Kagami
惣太 各務
雅弘 角田
Masahiro Tsunoda
雅弘 角田
克之 渡邉
Katsuyuki Watanabe
克之 渡邉
荒川 泰彦
Yasuhiko Arakawa
泰彦 荒川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an infrared detector having a wide detection wavelength band.SOLUTION: An infrared detector comprises: a quantum dot layer 13 including a plurality of quantum dots; first and second quantum well layers 12 and 14; first and second barrier layers 11 and 15; and a pair of intermediate layers 10. The infrared detector is arranged to utilize the inter-level transition of electrons 17 in the plurality of quantum dots based on light to be detected. To at least one of the first and second quantum well layers 12 and 14, the first and second barrier layers 11 and 15, and the quantum dot layer 13, a variation is imparted. Thus, the infrared detector has a variation depending on a desired detection band in the excitation level EL1 of electrons 17 in each quantum dot.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、量子ドット型赤外線検出器およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a quantum dot infrared detector and a method for manufacturing the same.

近年、熱検出や二酸化炭素や大気汚染物質などの濃度測定を目的として、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の候補は複数あり、その1つが光吸収層に半導体量子ドットを含む、量子ドット型赤外線検出器(Quantum Dot Infrared Photodetector:QDIP)である。   In recent years, there has been an increasing demand for infrared detectors for the purpose of heat detection and concentration measurement of carbon dioxide and air pollutants. There are a plurality of candidates for the material and structure of the infrared detector, one of which is a quantum dot infrared detector (QDIP) in which a semiconductor quantum dot is included in the light absorption layer.

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している。量子ドットの領域(典型的には数十nmの大きさ)には、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。QDIPは、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エネルギーを持つ赤外線を検出することができる。   QDIP has a structure in which a quantum dot is three-dimensionally surrounded by a semiconductor having a larger band gap than the material constituting the quantum dot. Electrons and holes are strongly confined in the quantum dot region (typically a size of several tens of nanometers). As a result, discrete energy levels are formed in the quantum dots. QDIP can detect infrared rays having energy corresponding to the energy difference between subbands by using a plurality of electronic subband levels in the conduction band among these levels.

QDIPは、離散的なサブバンド間遷移を利用するため、個々の量子ドットでは離散的な検出波長帯域である。しかし、実際上は、検出器には多数の量子ドットが含まれているため、検出波長帯域は、量子ドットの大きさや形状の不可避なばらつき(不均一広がり)に相当する程度の広がりをもつ。例えば、1cmあたり量子ドットが1011個あり、検出器の受光面が300μm角(面積は9×10−4cm)であるとすると、そこには9×10個の量子ドットが含まれる。この不均一広がりが検出器全体としての検出波長帯域に反映される。 Since QDIP uses discrete intersubband transitions, each quantum dot has a discrete detection wavelength band. However, in practice, since the detector includes a large number of quantum dots, the detection wavelength band has a spread corresponding to an inevitable variation (non-uniform spread) in the size and shape of the quantum dots. For example, if there are 10 11 quantum dots per 1 cm 2 and the light receiving surface of the detector is 300 μm square (the area is 9 × 10 −4 cm 2 ), it includes 9 × 10 7 quantum dots. It is. This non-uniform spread is reflected in the detection wavelength band of the entire detector.

ところで、QDIPをも含む赤外線検出器の性能指標として、比検出能がある。比検出能Dは、次の式1により定義される。

Figure 2017147324
By the way, as a performance index of an infrared detector including QDIP, there is a specific detectability. The specific detectability D * is defined by the following equation 1.
Figure 2017147324

ここで、Rは受光感度(単位はA/W)、Sは受光面積、Δfは帯域幅、inは単位帯域幅(1Hz)当たりのノイズ電流密度(単位はA/√Hz)である。   Here, R is the light receiving sensitivity (unit is A / W), S is the light receiving area, Δf is the bandwidth, and in is the noise current density per unit bandwidth (1 Hz) (unit is A / √Hz).

比検出能Dは、1Wの光入力があったときの交流的なS/Nがどれだけあるかを示すものである。式1から明らかなように、比検出能Dは、受光面積と帯域幅で規格化されているため、異なる素子で比較することができる。比検出能Dが高いほど、優れた性能の赤外線検出器であると言える。 The specific detectability D * indicates how much AC S / N is present when there is a 1 W optical input. As is clear from Equation 1, the specific detectability D * is standardized by the light receiving area and the bandwidth, and can be compared by different elements. It can be said that the higher the specific detectability D * , the better the infrared detector.

比検出能Dを高くする手法として、量子ドット層(およびそれを取り囲む量子井戸層)の上下を、それらよりもバンドギャップの広いAlAsやAlGaAsから成る障壁層によって挟んだ構造が知られている(特許文献1、非特許文献1)。この構造によれば、電子が量子ドットによって強く閉じ込められ、電子の遷移確率が上昇する。その結果、高い比検出能Dが得られる。例えば、非特許文献1には、実際の構造において、近接障壁層が無い場合と比較して比検出能Dが10倍程度大きくなることを示している。 As a technique for increasing the specific detectability D *, a structure in which a quantum dot layer (and a quantum well layer surrounding the quantum dot layer) is sandwiched between barrier layers made of AlAs or AlGaAs having a wider band gap than those is known. (Patent Document 1, Non-Patent Document 1). According to this structure, the electrons are strongly confined by the quantum dots, and the electron transition probability is increased. As a result, a high specific detectability D * is obtained. For example, Non-Patent Document 1 shows that in the actual structure, the specific detectability D * is increased by about 10 times compared to the case without the proximity barrier layer.

障壁層を有する量子ドット型赤外線検出器は、特許文献1、非特許文献1以外にも、例えば、特許文献2〜4に開示されている。   In addition to Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, quantum dot infrared detectors having a barrier layer are disclosed in Patent Documents 2 to 4, for example.

特開2009−065142号公報JP 2009-066512 A 特開2012−195333号公報JP 2012-195333 A 特開2012−109434号公報JP 2012-109434 A 特開2012−023307号公報JP 2012-023307 A

A.V.Barveほか、Applied Physics Letters 99巻、2号、191110-1頁〜191110-3頁 (2011年発行)A.V.Barve et al., Applied Physics Letters 99, 2, 191110-1 to 191110-3 (issued 2011) A.Gomyoほか、Phys. Rev. Lett.72 pp.673-676 (1994)A. Gomyo et al., Phys. Rev. Lett. 72 pp. 673-676 (1994)

QDIPの特徴の1つは、検出波長が狭帯域である点である。そして、QDIPの検出中心波長は、光吸収層に含まれる量子ドットまたはその周辺構造を変えることによって所望の値に設定できることが知られている。   One of the features of QDIP is that the detection wavelength is a narrow band. Then, it is known that the detection center wavelength of QDIP can be set to a desired value by changing the quantum dots included in the light absorption layer or its peripheral structure.

しかし、赤外線検出器の用途によっては、検出波長が広帯域である方が好ましい場合もある。しかし、広い検出波長帯域を得るための手法は、十分に研究されているとは言い難い実状にある。   However, depending on the application of the infrared detector, it may be preferable that the detection wavelength has a wide band. However, the technique for obtaining a wide detection wavelength band is in fact not fully studied.

それ故、本発明の目的は、広い検出波長帯域を有する赤外線検出器およびその製造方法を提供することである。   Therefore, an object of the present invention is to provide an infrared detector having a wide detection wavelength band and a method for manufacturing the same.

本発明の一態様によれば、複数の量子ドットを含む量子ドット層と、前記量子ドット層を挟み、前記量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の量子井戸層と、前記対の量子井戸層を挟み、前記対の量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の障壁層と、前記対の障壁層を挟む対の中間層とを有し、検出対象光である励起光に基づく電子の前記量子ドットにおける基底準位と励起準位との間の遷移を利用する赤外線検出器であって、前記量子井戸層、前記障壁層および前記量子ドット層の少なくとも一つは、その構造および組成の少なくとも一方にばらつきが付与され、それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位および基底準位の少なくとも一方に、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする赤外線検出器が得られる。   According to one aspect of the present invention, a quantum dot layer including a plurality of quantum dots, a pair of quantum well layers sandwiching the quantum dot layer and having a larger band gap energy than the quantum dot layer, and the pair of quantum wells A pair of barrier layers having a band gap energy larger than that of the pair of quantum well layers and a pair of intermediate layers sandwiching the pair of barrier layers, and having electrons based on excitation light that is detection target light. An infrared detector using a transition between a ground level and an excited level in the quantum dot, wherein at least one of the quantum well layer, the barrier layer, and the quantum dot layer has a structure and a composition At least one of the quantum dots is provided with a variation, whereby at least one of the electron excitation level and the ground level of each of the quantum dots has a size variation corresponding to a desired detection bandwidth. Infrared detector according to claim Rukoto is obtained.

本発明の他の態様によれば、複数の量子ドットを含む量子ドット層を形成する工程と、前記量子ドット層を挟み、前記量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の量子井戸層を形成する工程と、前記対の量子井戸層を挟み、前記対の量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の障壁層を形成する工程と、前記対の障壁層を挟む対の中間層を形成する工程とを有し、検出対象光である励起光に基づく電子の前記量子ドットにおける基底準位と励起準位との間の遷移を利用する赤外線検出器の製造方法であって、前記量子井戸層、前記障壁層および前記量子ドット層の少なくとも一つに対して、その構造および組成の少なくとも一方にばらつきを付与することにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位および基底準位の少なくとも一方に、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを持た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。   According to another aspect of the present invention, a step of forming a quantum dot layer including a plurality of quantum dots and a pair of quantum well layers having a band gap energy larger than that of the quantum dot layer sandwiching the quantum dot layer are formed. Forming a pair of barrier layers having a band gap energy larger than that of the pair of quantum well layers, and forming a pair of intermediate layers sandwiching the pair of barrier layers. A method of manufacturing an infrared detector using a transition between a ground level and an excitation level in the quantum dot of electrons based on excitation light that is detection target light, the method comprising: The at least one of the barrier layer and the quantum dot layer is given a variation in at least one of its structure and composition, and the excitation level of each of the quantum dots and Bottom level of the at least one method of an infrared detector, characterized in that to have a variation in size corresponding to the desired detection bandwidth is obtained.

本発明によれば、広い検出波長帯域を有する赤外線検出器が得られる。   According to the present invention, an infrared detector having a wide detection wavelength band can be obtained.

本発明の実施形態1〜5による赤外線検出器の基本的な構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the basic structure of the infrared detector by Embodiment 1-5 of this invention. 本発明の実施形態1〜5による赤外線検出器の要部の基本的な構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the basic structure of the principal part of the infrared detector by Embodiment 1-5 of this invention. 本発明の実施形態1〜5による赤外線検出器の動作を説明するためのエネルギーバンド図である。It is an energy band figure for demonstrating operation | movement of the infrared detector by Embodiment 1-5 of this invention. 本発明の実施形態1、2による赤外線検出器を説明するための図であり、(a)はエネルギーバンド図、(b)は検出波長帯域に対する感度を示す図である。It is a figure for demonstrating the infrared detector by Embodiment 1, 2 of this invention, (a) is an energy band figure, (b) is a figure which shows the sensitivity with respect to a detection wavelength band. 本発明の実施形態1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。It is a figure which shows the example of a measurement of the wavelength response spectrum of the infrared detector by Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態3、4による赤外線検出器を説明するための図であり、(a)はエネルギーバンド図、(b)は検出波長帯域に対する感度を示す図である。It is a figure for demonstrating the infrared detector by Embodiment 3 and 4 of this invention, (a) is an energy band figure, (b) is a figure which shows the sensitivity with respect to a detection wavelength band. 量子ドット層からのフォトルミネッセンス発光特性を表す図であり、(a)は比較例による赤外線検出器の特性を示し、(b)は本発明の実施形態3による赤外線検出器の特性を示す。It is a figure showing the photo-luminescence light emission characteristic from a quantum dot layer, (a) shows the characteristic of the infrared detector by a comparative example, (b) shows the characteristic of the infrared detector by Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態3による赤外線検出器における量子ドットの高さのばらつきを模式的に表した図である。It is the figure which represented typically the dispersion | variation in the height of the quantum dot in the infrared detector by Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態5による赤外線検出器の受光特性を表す模式図である。It is a schematic diagram showing the light reception characteristic of the infrared detector by Embodiment 5 of this invention. 本発明の実施形態1〜5を組み合わせた変形例による赤外線検出器を説明するための図であり、(a)はエネルギーバンド図、(b)は検出波長帯域に対する感度を示す図である。It is a figure for demonstrating the infrared detector by the modification which combined Embodiment 1-5 of this invention, (a) is an energy band figure, (b) is a figure which shows the sensitivity with respect to a detection wavelength band.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施形態に係る赤外線検出器100の構造を示す断面図である。また、図2は、図1に示された赤外線検出器100における光吸収層4の構造を示す断面図である。尚、これらの図において、各層の厚さ寸法の比率や、量子ドットの径寸法の比率などは、説明の便宜上、正確には描いていない。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of an infrared detector 100 according to an embodiment of the present invention. 2 is a cross-sectional view showing the structure of the light absorption layer 4 in the infrared detector 100 shown in FIG. In these drawings, the ratio of the thickness dimension of each layer, the ratio of the diameter dimension of the quantum dots, and the like are not drawn accurately for convenience of explanation.

図1に示されるように、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の上に光吸収層4及び下部電極7が形成されている。   As shown in FIG. 1, a buffer layer 2 is formed on a semiconductor substrate 1. The buffer layer 2 is made of the same semiconductor material as that of the semiconductor substrate 1. A lower contact layer 3 is formed on the buffer layer 2. The lower contact layer 3 is composed of an n-type semiconductor as a main material. The lower contact layer 3 may be directly formed on the semiconductor substrate 1 without the buffer layer 2 interposed therebetween. A light absorption layer 4 and a lower electrode 7 are formed on the lower contact layer 3.

尚、半導体基板1がn型である場合には、半導体基板1と接触するように下部電極7を形成しても構わない。また、光吸収層4に量子ドット層13が含まれているが、詳細は後ほど図2を参照して説明する。   If the semiconductor substrate 1 is n-type, the lower electrode 7 may be formed so as to be in contact with the semiconductor substrate 1. In addition, the quantum dot layer 13 is included in the light absorption layer 4, and details will be described later with reference to FIG.

光吸収層4の上には上部コンタクト層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。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、上部コンタクト層5の一部分が上部電極6で覆われている。   An upper contact layer 5 is formed on the light absorption layer 4. The upper contact layer 5 is composed of an n-type semiconductor as a main material. The light absorption layer 4 and the upper contact layer 5 are partially removed by an etching process or the like, and a part of the upper contact layer 5 is covered with the upper electrode 6.

上部電極6と下部電極7との間に適切な電圧を印加した条件下で、矢印で示すように紙面上部から赤外線Xが入射されると、光吸収層4において構造に応じた波長の赤外線を吸収して電子を励起し、その結果上部電極6と下部電極7との間に光電流が流れる。   Under the condition that an appropriate voltage is applied between the upper electrode 6 and the lower electrode 7, when the infrared ray X is incident from the upper part of the paper as shown by the arrow, the light absorption layer 4 emits infrared rays having a wavelength corresponding to the structure. The electrons are absorbed to excite electrons, and as a result, a photocurrent flows between the upper electrode 6 and the lower electrode 7.

図1および図2を併せ参照すると、光吸収層4は、複数の量子ドット131と、埋込層132とから成る量子ドット層13と、量子ドット層13を挟み、量子ドット層13よりもバンドギャップエネルギーが大きい第1の量子井戸層12および第2の量子井戸層14と、第1の量子井戸層12および第2の量子井戸層14を挟み、第1の量子井戸層12および第2の量子井戸層14よりもバンドギャップエネルギーが大きい第1の障壁層11および第2の障壁層15と、第1の障壁層11および第2の障壁層15を挟む対の中間層10とを有している。   Referring to FIG. 1 and FIG. 2 together, the light absorption layer 4 has a quantum dot layer 13 composed of a plurality of quantum dots 131 and a buried layer 132, and a quantum dot layer 13 sandwiched between the quantum dot layer 13 and the band. The first quantum well layer 12 and the second quantum well layer 14 having a large gap energy, and the first quantum well layer 12 and the second quantum well layer 14 are sandwiched between the first quantum well layer 12 and the second quantum well layer 14. It has the 1st barrier layer 11 and the 2nd barrier layer 15 whose band gap energy is larger than the quantum well layer 14, and the pair of intermediate | middle layer 10 which pinches | interposes the 1st barrier layer 11 and the 2nd barrier layer 15 ing.

さらに、本例では、上記の一連の積層体が、10回程度繰り返し積層されている。これにより、光吸収層4における赤外線の吸収効率が向上するようにしている。ただし、図1においては、図示を簡略化して3回の繰り返し積層を示している。   Furthermore, in this example, the series of laminated bodies described above are repeatedly laminated about 10 times. Thereby, the infrared absorption efficiency in the light absorption layer 4 is improved. However, in FIG. 1, the illustration is simplified and three repetitions of lamination are shown.

[原理]
図3は、本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図であり、赤外線検出器100のバイアス印加時の伝導帯エネルギーを示している。図3中、図1の上下方向は、左右方向に対応しており、図1の上側は図3の右側に対応している。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。
[principle]
FIG. 3 is an energy band diagram for explaining the operation principle of the present embodiment, and shows the conduction band energy when the bias of the infrared detector 100 is applied. In FIG. 3, the vertical direction in FIG. 1 corresponds to the left-right direction, and the upper side in FIG. 1 corresponds to the right side in FIG. Strictly speaking, the electron energy band of the quantum dot has a three-dimensional structure, but is represented by one dimension as an approximation.

図3から明らかなように、量子ドット層13のエネルギーが最も低く、第1の量子井戸層12と第2の量子井戸層14よりも中間層10のエネルギーが高く、第1の障壁層11と第2の障壁層15のエネルギーが最も高い。このような構造により、量子ドット層を中心とする領域に閉じ込められた電子16の基底準位EL1と励起準位EL2が形成される。   As is clear from FIG. 3, the energy of the quantum dot layer 13 is the lowest, the energy of the intermediate layer 10 is higher than that of the first quantum well layer 12 and the second quantum well layer 14, and the first barrier layer 11 The energy of the second barrier layer 15 is the highest. With such a structure, the ground level EL1 and the excitation level EL2 of the electrons 16 confined in the region centering on the quantum dot layer are formed.

基底準位EL1に電子16が在る状態で励起準位EL2と基底準位EL1とのエネルギー差に相当する赤外線が入射すると、赤外線のエネルギーを吸収して電子16が基底準位EL1から励起準位EL2へ励起される。上部電極6と下部電極7との間にはバイアス電圧が印加されており、これにより電子16は第2の障壁層15をトンネルし、電流の変化として赤外線を検出できる。   When infrared rays corresponding to the energy difference between the excitation level EL2 and the ground level EL1 are incident in the state where the electrons 16 are present in the ground level EL1, the energy of the infrared rays is absorbed and the electrons 16 are excited from the ground level EL1. Excited to position EL2. A bias voltage is applied between the upper electrode 6 and the lower electrode 7, whereby the electrons 16 can tunnel through the second barrier layer 15 and detect infrared rays as a change in current.

図3では、1つの量子ドットに対するバンド構造を示しているが、本実施形態をも含め、1つの赤外線検出器中には多数の量子ドットが含まれている。それらの量子ドットの大きさや形状は、ある幅でばらついており、これは不均一広がりとも呼ばれる。この不均一広がりによって量子ドットの基底準位EL1および励起準位EL2がばらつき、これらのばらつきにより、赤外線検出器の検出波長帯域が決まる。   Although FIG. 3 shows a band structure for one quantum dot, a large number of quantum dots are included in one infrared detector including this embodiment. The size and shape of these quantum dots vary by a certain width, which is also called non-uniform spread. Due to this non-uniform spread, the ground level EL1 and the excitation level EL2 of the quantum dots vary, and these variations determine the detection wavelength band of the infrared detector.

一般に、良質な量子ドットを形成しようとすると、結果として大きさや形状は揃う傾向にあるため、不均一広がりを意図的に大きくすることは難しい。結果として、赤外線検出器は狭帯域動作となり、QDIPの主な特徴の一つとなっている。   In general, when trying to form high-quality quantum dots, the sizes and shapes tend to be uniform as a result, so it is difficult to intentionally increase the non-uniform spread. As a result, infrared detectors have narrow band operation and are one of the main features of QDIP.

[実施形態1]
[構成]
本発明の実施形態1に係る赤外線検出器は、基本的には、図1および図2を参照して前述した構造を有している(赤外線検出器100)。
[Embodiment 1]
[Constitution]
The infrared detector according to Embodiment 1 of the present invention basically has the structure described above with reference to FIGS. 1 and 2 (infrared detector 100).

ただし、本実施形態では、意図的に、第1の障壁層11および第2の障壁層15に構造に関するばらつきが付与され、その結果として、複数の量子ドット131それぞれの電子の励起準位にばらつきが付与されている。以下、図4(a)および(b)をも参照して、このことを、説明する。   However, in the present embodiment, structural variations are intentionally given to the first barrier layer 11 and the second barrier layer 15, and as a result, the excitation levels of the electrons of each of the plurality of quantum dots 131 vary. Is granted. This will be described below with reference to FIGS. 4 (a) and 4 (b).

第1の障壁層11および第2の障壁層15の厚さは、1nm程度の厚さ(平均値)に設定されている。通常、ナノメータオーダーでの厚さの制御が必要な半導体薄膜層は有機金属気相成長法や分子線エピタキシャル法等を用いて製造される。しかし、これらの精密な製造手法を用いたとしても完全に均一な原子層レベルで平坦な膜厚を有する半導体層を製造することは困難であり、少なくとも1原子層程度のばらつきが必ず存在している。   The thickness of the first barrier layer 11 and the second barrier layer 15 is set to a thickness (average value) of about 1 nm. Usually, a semiconductor thin film layer that needs to be controlled in thickness on the order of nanometers is manufactured using a metal organic chemical vapor deposition method, a molecular beam epitaxial method, or the like. However, even if these precise manufacturing techniques are used, it is difficult to manufacture a semiconductor layer having a flat film thickness at a completely uniform atomic layer level, and there is always a variation of at least about one atomic layer. Yes.

この不可避な厚さのばらつきは、AlGaAs層が本実施形態の様に薄い場合は、無視できないほど大きな厚さのばらつきになる。このことは、ウエハ上で厚さが厚い領域と薄い領域を有する障壁層が形成されることを意味している。結果として、本実施形態による赤外線検出器は、量子ドットの励起準位EL2にばらつきが付与される。   This inevitable variation in thickness becomes a thickness variation that cannot be ignored when the AlGaAs layer is thin as in the present embodiment. This means that a barrier layer having a thick region and a thin region is formed on the wafer. As a result, the infrared detector according to the present embodiment gives variation to the excitation level EL2 of the quantum dots.

例えば、本実施形態の場合、第1の障壁層11および第2の障壁層15は、AlGaAsであり、1原子層の厚さは0.3nm程度であるため、障壁層の厚さは少なくとも±30%ばらついている。   For example, in the present embodiment, the first barrier layer 11 and the second barrier layer 15 are AlGaAs, and the thickness of one atomic layer is about 0.3 nm. Therefore, the thickness of the barrier layer is at least ± 30% variation.

また、障壁層が結晶成長によって形成される場合、障壁層が薄いことは、更なる表面段差の発生を引き起こす効果がある。通常、異種材料の接合成長界面では、その異種材料の接合に起因する結晶構造の不連続が発生し、転位やステップ(段差)が発生する場合がある。ただし、成長層厚が厚い場合は、成長層厚の増加と共にこれらの転位やステップは解消して平坦性が復活する。   Further, when the barrier layer is formed by crystal growth, the thin barrier layer has an effect of causing further generation of a surface step. Usually, discontinuity of the crystal structure due to bonding of different materials occurs at the junction growth interface of different materials, and dislocations or steps (steps) may occur. However, when the growth layer thickness is thick, these dislocations and steps are eliminated and the flatness is restored as the growth layer thickness increases.

これに対し、本実施形態のごとく成長層厚が薄い場合は、この薄い厚さに到達するまでの成長層の成長過程では表面の平坦性が十分には回復しない。よって、障壁層の厚さにばらつきが付与されることになる。その結果、励起準位EL2にばらつきが付与される。   On the other hand, when the thickness of the growth layer is thin as in this embodiment, the flatness of the surface is not sufficiently recovered in the growth process of the growth layer until the thin thickness is reached. Therefore, a variation is given to the thickness of the barrier layer. As a result, variations are imparted to the excitation level EL2.

さらに、成長時に結晶成長を破綻させない範囲で基板温度を降下させるか、あるいは、Asの圧力を下げることによっても、成長層表面の段差、即ち、第1の障壁層11および第2の障壁層15の厚さのばらつきを増大させることができる。その結果、励起準位EL2にさらに大きなばらつきを付与することができる。   Furthermore, the step of the growth layer surface, that is, the first barrier layer 11 and the second barrier layer 15 can also be reduced by lowering the substrate temperature within a range where the crystal growth is not broken during growth, or by reducing the As pressure. Variation in the thickness of the substrate can be increased. As a result, even greater variations can be imparted to the excitation level EL2.

ところで、基底準位EL1の波動関数は、量子ドットに強く閉じ込められているため、量子ドットの外側の影響は受け難い。つまり、障壁層の厚さのばらつきの影響は小さく、基底準位EL1のばらつきは、量子ドットのばらつきで決まる値と変わらない。一方、励起準位EL2は障壁層周辺まで波動関数が広がっているため、障壁層の厚さのばらつきの影響を大きく受ける。結果として、図4(b)の下のグラフに示されるように、励起準位EL2は量子ドットのばらつきで決まる量よりもずっと広がる。   By the way, since the wave function of the ground level EL1 is strongly confined in the quantum dot, it is hardly affected by the outside of the quantum dot. That is, the influence of the variation in the thickness of the barrier layer is small, and the variation in the ground level EL1 is not different from the value determined by the variation in the quantum dots. On the other hand, the excitation level EL2 is greatly affected by variations in the thickness of the barrier layer since the wave function spreads to the periphery of the barrier layer. As a result, as shown in the lower graph of FIG. 4B, the excitation level EL2 is much wider than the amount determined by the variation of the quantum dots.

図4(b)は、赤外線検出器の波長応答を模式的に示したものである。図4(b)中、上のグラフの破線で示すスペクトルは、比較例による赤外線検出器の波長応答を示している。この比較例は、障壁層が2nmの厚さで、かつ、厚さのばらつきが±15%の場合である。一方、図4(b)中、下のグラフの実線で示すスペクトルは、本実施形態による赤外線検出器100の波長応答を示している。上述したように、本実施形態による赤外線検出器100は、障壁層が1nmの厚さで、かつ、厚さのばらつきが±30%の場合である。図4(b)から明らかなように、本実施形態による赤外線検出器100は、比較例に比べ、励起準位EL2のばらつきが大きくなることにより、検出波長帯域が広がっている。   FIG. 4B schematically shows the wavelength response of the infrared detector. In FIG. 4B, the spectrum indicated by the broken line in the upper graph indicates the wavelength response of the infrared detector according to the comparative example. In this comparative example, the barrier layer has a thickness of 2 nm and the thickness variation is ± 15%. On the other hand, the spectrum shown by the solid line in the lower graph in FIG. 4B shows the wavelength response of the infrared detector 100 according to the present embodiment. As described above, in the infrared detector 100 according to the present embodiment, the barrier layer has a thickness of 1 nm and the thickness variation is ± 30%. As is clear from FIG. 4B, the infrared detector 100 according to the present embodiment has a wider detection wavelength band due to a larger variation in the excitation level EL2 than in the comparative example.

続いて、本実施形態による赤外線検出器100のより具体的な構造を説明する。   Next, a more specific structure of the infrared detector 100 according to the present embodiment will be described.

図2を参照すると、中間層10は、AlGa1−yAsから成っている。中間層10の上には、平均の厚さd(nm)のAlGa1−xAsから成る第1の障壁層11が形成されている。第1の障壁層11の上には、平均の厚さ1〜2nm程度のGaAsから成る第1の量子井戸層12が形成されている。第1の量子井戸層12の上には、厚さ5nm程度の量子ドット層13が形成されている。量子ドット層13は、高さ4nm程度のInAsから成る複数の量子ドット131と、複数の量子ドット131間を満たす厚さ5nm程度のIn0.15Ga0.85Asから成る埋込層132とによって構成されている。尚、埋込層132は、必ずしも本例のごとく量子ドット131の高さよりも厚くなくてもよく、量子ドット131の高さと等しい厚さであってもよい。 Referring to FIG. 2, the intermediate layer 10 consists of Al y Ga 1-y As. On the intermediate layer 10, a first barrier layer 11 made of Al x Ga 1-x As having an average thickness d (nm) is formed. A first quantum well layer 12 made of GaAs having an average thickness of about 1 to 2 nm is formed on the first barrier layer 11. A quantum dot layer 13 having a thickness of about 5 nm is formed on the first quantum well layer 12. The quantum dot layer 13 includes a plurality of quantum dots 131 made of InAs with a height of about 4 nm, and a buried layer 132 made of In 0.15 Ga 0.85 As with a thickness of about 5 nm filling between the plurality of quantum dots 131. It is constituted by. The buried layer 132 does not necessarily have to be thicker than the quantum dots 131 as in this example, and may have a thickness equal to the height of the quantum dots 131.

量子ドット層13の上には、平均の厚さ1〜2nm程度のGaAsから成る第2の量子井戸層14が形成されている。第2の量子井戸層14の上には、平均の厚さd(nm)のAlGa1−xAsから成る第2の障壁層15が形成されている。第2の障壁層15の上には、AlGa1−yAsから成る中間層10が形成されている。この一連の積層構造が例えば10回繰り返して積層されることにより、図1に示された光吸収層4が構成されている。 A second quantum well layer 14 made of GaAs having an average thickness of about 1 to 2 nm is formed on the quantum dot layer 13. A second barrier layer 15 made of Al x Ga 1-x As having an average thickness d (nm) is formed on the second quantum well layer 14. On the second barrier layer 15, the intermediate layer 10 made of Al y Ga 1-y As is formed. The light absorption layer 4 shown in FIG. 1 is configured by repeatedly stacking this series of laminated structures, for example, 10 times.

図5は、中間層10(組成AlGa1−yAs)、第1の障壁層11、第2の障壁層15(組成AlGa1−xAs、厚さd(nm))について、x=0.18、y=0.03にそれぞれ設定し、かつ、厚さd=1nmに設定した比較例としての構造Aと、厚さd=2nmに設定した本実施形態による構造Bの波長応答スペクトルの測定結果を示す。 FIG. 5 illustrates the intermediate layer 10 (composition Al y Ga 1-y As), the first barrier layer 11, and the second barrier layer 15 (composition Al x Ga 1-x As, thickness d (nm)). Wavelengths of the structure A as a comparative example in which x = 0.18 and y = 0.03 are set and the thickness d = 1 nm and the structure B according to the present embodiment in which the thickness d = 2 nm are set. The measurement result of a response spectrum is shown.

比較例としての構造Aでは、5.5μm付近に検出ピーク波長があり、半値全幅は1.2μm程度である。一方、本実施形態による構造Bは、構造Aに比べて長波長側に対しても感度を持ち、半値全幅が約2μmに広がっている。また、本実施形態による構造Bの非検出能Dのピーク値は、構造Aに比べて低下してはいるものの、約20%の低下にとどまっている。 In the structure A as a comparative example, the detection peak wavelength is in the vicinity of 5.5 μm, and the full width at half maximum is about 1.2 μm. On the other hand, the structure B according to the present embodiment is more sensitive to the longer wavelength side than the structure A, and the full width at half maximum is expanded to about 2 μm. Further, the peak value of the non-detectability D * of the structure B according to the present embodiment is lower than that of the structure A, but is only about 20% lower.

この結果から、以下のことが分かる。即ち、比較例としての、障壁層の厚さが2nmの構造Aでは、原子層レベルでの障壁層の厚さのばらつきが、量子ドットが元来持っている不均一広がりと同程度か、それ以下である。このため、検出波長帯域の広がりとして見えていないと考えられる。一方、本実施形態による、障壁層の厚さが1nmの構造Bでは、1原子層の厚さに対するばらつきが、構造Aの2倍になる。これに伴って、励起準位EL2のばらつきが大きくなる。その結果、検出波長帯域が広がったと考えられる。   From this result, the following can be understood. That is, in the structure A as a comparative example in which the thickness of the barrier layer is 2 nm, the variation in the thickness of the barrier layer at the atomic layer level is the same as the non-uniform spread inherent in the quantum dots, or It is as follows. For this reason, it is thought that it is not visible as the expansion of the detection wavelength band. On the other hand, in the structure B in which the thickness of the barrier layer is 1 nm according to the present embodiment, the variation with respect to the thickness of one atomic layer is twice that of the structure A. Along with this, the variation of the excitation level EL2 increases. As a result, it is considered that the detection wavelength band has expanded.

尚、本実施形態のごとく量子ドット層がInAsから成り、障壁層がAlGaAsから成り、また、量子井戸層がGaAsから成る場合、障壁層および量子井戸層の少なくとも一方の平均の厚さは、量子ドットの高さの1/4以下であることが好ましい。   As in the present embodiment, when the quantum dot layer is made of InAs, the barrier layer is made of AlGaAs, and the quantum well layer is made of GaAs, the average thickness of at least one of the barrier layer and the quantum well layer is It is preferable that it is 1/4 or less of the height of a dot.

また、AlGa1−xAsから成る障壁層のAl組成x、AlGa1−yAsから成る中間層のAl組成yについては、障壁層のAl組成xが大き過ぎると、量子ドットに電子が強く閉じ込められてしまうと共に、結晶品質が低下するため、赤外線検出器の動作には適していない。よって、障壁層のAl組成xは、0.20以下であることが好ましい。尚、図5の構造Bでは、障壁層の厚さ1nm、Al組成x=0.18である。また、障壁層のAl組成xに中間層のAl組成yが近過ぎると、厚さの薄い障壁層としての効果が低減してしまう。よって、障壁層のAl組成xと中間層のAl組成yとの差は0.1以上であることが望ましい(x−y≧0.1)。図5の構造Bでは、y=0.03である。 In addition, regarding the Al composition x of the barrier layer made of Al x Ga 1-x As and the Al composition y of the intermediate layer made of Al y Ga 1-y As, if the Al composition x of the barrier layer is too large, the quantum dots Since the electrons are strongly confined and the crystal quality is lowered, it is not suitable for the operation of the infrared detector. Therefore, the Al composition x of the barrier layer is preferably 0.20 or less. In the structure B of FIG. 5, the thickness of the barrier layer is 1 nm and the Al composition x = 0.18. If the Al composition x of the intermediate layer is too close to the Al composition x of the barrier layer, the effect as a thin barrier layer is reduced. Therefore, it is desirable that the difference between the Al composition x of the barrier layer and the Al composition y of the intermediate layer is 0.1 or more (xy ≧ 0.1). In the structure B of FIG. 5, y = 0.03.

このように、障壁層を1nm程度の厚さとすると共に、中間層や障壁層の組成を変えることにより、比検出能Dの低減を抑えつつ、量子ドット型赤外線検出器の所望の検出波長帯域を得ることが可能となる。 In this way, the desired detection wavelength band of the quantum dot infrared detector can be achieved while suppressing the reduction of the specific detectability D * by changing the composition of the intermediate layer and the barrier layer while making the barrier layer about 1 nm thick. Can be obtained.

本発明においては、障壁層および量子井戸層の少なくとも一方の平均の厚さが1nm以下であることが好ましい。尚、障壁層および量子井戸層の少なくとも一方の平均の厚さを1nm以下にしない場合には、厚さのばらつきの平均値が4原子層以上であることが好ましい。   In the present invention, the average thickness of at least one of the barrier layer and the quantum well layer is preferably 1 nm or less. In the case where the average thickness of at least one of the barrier layer and the quantum well layer is not 1 nm or less, it is preferable that the average thickness variation is 4 atomic layers or more.

[製造方法]
次に、図1、図2を参照して、本発明の実施形態1による赤外線検出器の製造方法を説明する。
[Production method]
Next, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the manufacturing method of the infrared detector by Embodiment 1 of this invention is demonstrated.

半導体基板1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装置内へ導入する。基板表面の薄い自然酸化膜を除去後、半導体基板1と同じGaAsから成る緩衝層2を厚さ500nm程度積層する。結晶成長時のAsの圧力は、1×10−5Torrの条件で行った。 A GaAs substrate having a (001) plane orientation is prepared as the semiconductor substrate 1 and introduced into the molecular beam epitaxial apparatus. After removing the thin natural oxide film on the substrate surface, a buffer layer 2 made of the same GaAs as that of the semiconductor substrate 1 is laminated to a thickness of about 500 nm. The pressure of As at the time of crystal growth was 1 × 10 −5 Torr.

引き続き、厚さが500nmでSi原子を濃度2×1018cm−3程度ドーピングしたGaAsから成るn型の下部コンタクト層3、そして厚さ50nmのAly0.03Ga0.97Asから成るi型の中間層10を積層する。 Subsequently, an n-type lower contact layer 3 made of GaAs having a thickness of 500 nm and doped with Si atoms at a concentration of about 2 × 10 18 cm −3 , and an i-type made of Al y0.03 Ga 0.97 As having a thickness of 50 nm. The intermediate layer 10 is laminated.

さらに、平均の厚さ1〜2nm程度のAl0.18Ga0.82Asから成る第1の障壁層11、平均の厚さ1〜2nm程度のGaAsから成る第1の量子井戸層12、複数の量子ドット131と埋込層132とから成る量子ドット層13の順に積層する。 Further, a first barrier layer 11 made of Al 0.18 Ga 0.82 As having an average thickness of about 1 to 2 nm, a first quantum well layer 12 made of GaAs having an average thickness of about 1 to 2 nm, and a plurality of layers. The quantum dot layer 13 composed of the quantum dots 131 and the buried layer 132 is stacked in this order.

複数の量子ドット131は、厚さが2〜3原子層程度に相当する分のInAsを供給することによって形成される。この時、InAsとその直下にあるGaAsとの格子定数の違いから発生する歪みにより、InAsが島状に3次元的に結晶成長し、量子ドット131が形成される。この結晶成長様式は、SK(Stranski-Krastanov)モードと呼ばれる。SKモードでは、材料を供給するだけで複数の量子ドット131形成されるため、SKモードで形成される量子ドットは、自己形成量子ドットとも呼ばれる。   The plurality of quantum dots 131 are formed by supplying InAs corresponding to a thickness of about 2 to 3 atomic layers. At this time, due to the strain generated due to the difference in lattice constant between InAs and GaAs directly thereunder, InAs grows three-dimensionally in an island shape, and quantum dots 131 are formed. This crystal growth mode is called SK (Stranski-Krastanov) mode. In the SK mode, a plurality of quantum dots 131 are formed simply by supplying a material. Therefore, the quantum dots formed in the SK mode are also called self-formed quantum dots.

尚、各量子ドット131の直径は20〜30nm程度、高さは4nm程度、また、1平方センチメートルあたりの数密度は5×1010程度である。 Each quantum dot 131 has a diameter of about 20 to 30 nm, a height of about 4 nm, and a number density per square centimeter of about 5 × 10 10 .

赤外線検出器として動作させるため、各量子ドット131には、予め電子が1個入っている必要がある。これを満たすため、n型の不純物であるSiを量子ドットと同程度の面密度でドープする。   In order to operate as an infrared detector, each quantum dot 131 needs to contain one electron in advance. In order to satisfy this, Si, which is an n-type impurity, is doped with a surface density comparable to that of the quantum dots.

続いて、厚さ5nm程度のIn0.15Ga0.85Asから成る埋込層132を形成することにより、量子ドット層13を形成する。尚、必要に応じて、インジウムフラッシュ法と呼ばれる工程により、量子ドット131の頭頂部を蒸発させ、量子ドット131の高さを埋込層132の厚さ以下にすることにより、複数の量子ドット131が第2の量子井戸層14にまで飛び出ないように揃えてもよい。 Subsequently, the quantum dot layer 13 is formed by forming the buried layer 132 made of In 0.15 Ga 0.85 As having a thickness of about 5 nm. If necessary, the top of the quantum dots 131 is evaporated by a process called an indium flash method so that the height of the quantum dots 131 is less than or equal to the thickness of the buried layer 132, thereby providing a plurality of quantum dots 131. May be arranged so as not to jump out to the second quantum well layer 14.

その後、平均の厚さ1〜2nm程度のGaAsから成る第2の量子井戸層14を積層する。   Thereafter, a second quantum well layer 14 made of GaAs having an average thickness of about 1 to 2 nm is stacked.

続いて、平均の厚さ1〜2nm程度のAl0.18Ga0.82Asから成る第2の障壁層15を積層し、さらに厚さが50nmのi型のAly0.03Ga0.97Asから成る中間層10を再び積層する。 Subsequently, a second barrier layer 15 made of Al 0.18 Ga 0.82 As having an average thickness of about 1 to 2 nm is stacked, and i-type Al y0.03 Ga 0.97 having a thickness of 50 nm is further stacked. The intermediate layer 10 made of As is laminated again.

上記の手順にしたがって第1の障壁層11、第1の量子井戸層12、量子ドット層13、第2の量子井戸層14、第2の障壁層15、中間層10を10回程度繰り返し積層し、光吸収層4を形成する。   According to the above procedure, the first barrier layer 11, the first quantum well layer 12, the quantum dot layer 13, the second quantum well layer 14, the second barrier layer 15, and the intermediate layer 10 are repeatedly stacked about 10 times. Then, the light absorption layer 4 is formed.

最後に、厚さが200nmでSi原子を濃度2×1018cm−3程度ドーピングしたGaAsから成るn型の上部コンタクト層5を積層する。 Finally, an n-type upper contact layer 5 made of GaAs having a thickness of 200 nm and doped with Si atoms at a concentration of about 2 × 10 18 cm −3 is laminated.

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等の他の結晶成長方法を用いてもよい。   In the above manufacturing method, quantum dots and quantum wells and their peripheral structures are formed by the MBE method. However, the present invention is not limited to this method, and other crystal growth methods such as metal organic chemical vapor deposition are used. May be.

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5、光吸収層4および下部コンタクト層3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3の表面の一部が露出する。   Subsequently, the upper contact layer 5, the light absorption layer 4 and a part of the lower contact layer 3 are selectively etched using ultraviolet lithography, wet etching, or dry etching technology. As a result, a part of the surface of the lower contact layer 3 is exposed.

この選択エッチングによって分離された構造が赤外線検出器100になる。尚、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角〜500μm角程度である。赤外線検出器はこの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。   The structure separated by this selective etching becomes the infrared detector 100. The size of the light receiving surface of the detection element varies depending on the application, but is typically about 20 μm square to 500 μm square. The infrared detector may be composed of only this one element, or may be an array in which such elements are arranged in one row or two-dimensionally.

次いで、上部コンタクト層5および下部コンタクト層3にAuGe/Ni/Auからなる上部電極6および下部電極7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。   Next, an upper electrode 6 and a lower electrode 7 made of AuGe / Ni / Au are formed on the upper contact layer 5 and the lower contact layer 3 by a lift-off method, respectively. The lift-off method includes processes such as lithography, metal deposition, and resist stripping.

以上の工程により、本発明の実施形態1である赤外線検出器の基本構成が完成する。   Through the above steps, the basic configuration of the infrared detector according to the first embodiment of the present invention is completed.

[実施形態2]
次に、本発明の実施形態2について説明する。
[Embodiment 2]
Next, Embodiment 2 of the present invention will be described.

実施形態1では、障壁層や量子井戸層の平均の厚さを1nm程度以下とすることにより、相対的に、厚さのばらつきが無視できない構造を障壁層や量子井戸層に付与することにより、障壁層や量子井戸層の実効的な厚さのばらつきを意図的に作り出した。これによって、励起準位のばらつきを作り出し、その結果、赤外線検出器の検出波長帯域の広帯域化を、実施形態1では実現した。これに対し、本実施形態においては、同様の効果を、第1、第2の量子井戸層12、14(図2)ならびに第1、第2の障壁層11、15(図2)の少なくとも一方の組成のばらつきを意図的に作り出すことにより、赤外線検出器の検出波長帯域の広帯域化を実現する。   In the first embodiment, by setting the average thickness of the barrier layer and the quantum well layer to about 1 nm or less, by providing the barrier layer and the quantum well layer with a structure in which the thickness variation is relatively negligible, Intentionally created variations in the effective thickness of the barrier and quantum well layers. As a result, variations in excitation levels are created, and as a result, the detection wavelength band of the infrared detector is widened in the first embodiment. On the other hand, in the present embodiment, the same effect is obtained by at least one of the first and second quantum well layers 12 and 14 (FIG. 2) and the first and second barrier layers 11 and 15 (FIG. 2). By intentionally creating variations in the composition, the detection wavelength band of the infrared detector can be widened.

実施形態1でも述べたが、通常、ナノメータオーダーでの厚さの制御が必要な半導体薄膜層は、有機金属気相成長法や分子線エピタキシャル法等を用いて製造される。これらの手法で通常の条件で結晶成長をさせた場合、製造された成長層の組成は、成長層の厚さが薄くなったとしてもほぼ均一である。   As described in the first embodiment, a semiconductor thin film layer that needs to be controlled in thickness on the order of nanometers is usually manufactured using a metal organic chemical vapor deposition method, a molecular beam epitaxial method, or the like. When crystal growth is performed under normal conditions by these techniques, the composition of the grown layer produced is almost uniform even if the thickness of the grown layer is reduced.

ところが、複数のIII族元素で構成されている化合物半導体の場合は、結晶成長時のV族の圧力を大きくしたり、成長温度を通常より大幅に下げたりすることにより、複数種のIII族元素が規則的に配列することが知られている(非特許文献2)。   However, in the case of a compound semiconductor composed of a plurality of group III elements, a plurality of types of group III elements can be obtained by increasing the pressure of group V during crystal growth or significantly lowering the growth temperature than usual. Are known to be regularly arranged (Non-Patent Document 2).

第1のIII族元素をIIIA、第2のIII族元素をIIIBとすると、通常、III族元素は、例えば、「・・・IIIA・IIIA・IIIB・IIIA・IIIB・IIIB・・・」の様に、III族のサイトにランダムに入るので規則性はない。   When the first group III element is IIIA and the second group III element is IIIB, the group III element is usually, for example, “... IIIA / IIIA / IIIB / IIIA / IIIB / IIIB ...” In addition, there is no regularity because it randomly enters the Group III site.

しかし、上記の条件、即ち、結晶成長時のV族の圧力を大きくしたり、成長温度を通常より大幅に下げたりすることを伴って製造すると、例えば「・・・IIIA・IIIB・IIIA・IIIB・IIIA・IIIB・・・」の様に、IIIAとIIIBとが交互に規則的に配列する。   However, if manufacturing is performed with the above conditions, that is, the pressure of the group V during crystal growth is increased or the growth temperature is greatly lowered than usual, for example, "... IIIA, IIIB, IIIA, IIIB" “IIIA, IIIB...”, IIIA and IIIB are arranged alternately and regularly.

また、このIII族元素の規則的な配列構造は、特に分子線エピタキシャル成長法を用いて行った場合には、成長層の面内全域に亘って均一に形成されることはなく、局所的に形成される。   In addition, this regular arrangement structure of group III elements is not formed uniformly over the entire surface of the growth layer, particularly when the molecular beam epitaxial growth method is used. Is done.

また、III族元素が規則的に配列すると、通常の場合に比べてバンドギャップエネルギーが低下する現象がある。つまり、III族元素が局所的に規則的に配列されることにより、障壁層や量子井戸層のバンドギャップエネルギーにばらつきが発生する。その結果、量子ドットの励起準位のばらつきを引き起こすことができる。   In addition, when the group III elements are regularly arranged, there is a phenomenon that the band gap energy is reduced as compared with a normal case. That is, variation in the band gap energy of the barrier layer and the quantum well layer occurs due to the local regular arrangement of group III elements. As a result, it is possible to cause variations in the excitation levels of the quantum dots.

さらに、このIII族元素の規則的な配列構造は、結晶成長層の表面の原子ステップ(段差)を形成核として発生する傾向がある。このため、実施形態1で述べた様な、原子オーダーのステップが多く存在している表面上に、十分に薄い障壁層や量子井戸層を結晶成長させた場合、より多くの箇所でIII族元素の規則的な配列構造が形成される。その結果、より大きな励起準位のばらつきを引き起こすことができる。   Furthermore, this regular arrangement structure of group III elements tends to be generated with atomic steps (steps) on the surface of the crystal growth layer as nuclei. Therefore, when a sufficiently thin barrier layer or quantum well layer is grown on the surface on which many atomic order steps exist as described in the first embodiment, the group III element is formed in more places. A regular array structure is formed. As a result, larger excitation level variations can be caused.

具体的には、以下の工程にしたがい赤外線検出器用の半導体ウエハを製造する。製造工程は、障壁層もしくは量子井戸層の結晶成長工程以外は、実施形態1で述べた工程と同じである。このため、以下では、量子井戸層の製造条件のみについて述べる。   Specifically, a semiconductor wafer for an infrared detector is manufactured according to the following steps. The manufacturing process is the same as that described in the first embodiment except for the crystal growth process of the barrier layer or the quantum well layer. For this reason, only the manufacturing conditions of the quantum well layer will be described below.

InGaAsから成る第1の量子井戸層12(図2)の結晶成長前までの工程、ならびに、同じくInGaAsから成る第2の量子井戸層14(図2)の結晶成長よりも後の工程は、実施形態1と同様に行い、半導体ウエハの結晶成長を行った。   The steps before the crystal growth of the first quantum well layer 12 (FIG. 2) made of InGaAs and the steps after the crystal growth of the second quantum well layer 14 (FIG. 2) also made of InGaAs were performed. In the same manner as in Embodiment 1, crystal growth of the semiconductor wafer was performed.

さて、第1の量子井戸層12、第2の量子井戸層14の各成長直前には、Asの圧力を2.5×10−5Torrに上昇させ、基板温度を370℃に下降させた後に、第1の量子井戸層12、第2の量子井戸層14の各結晶成長を行った。 Immediately before each growth of the first quantum well layer 12 and the second quantum well layer 14, the As pressure was raised to 2.5 × 10 −5 Torr and the substrate temperature was lowered to 370 ° C. Each crystal growth of the first quantum well layer 12 and the second quantum well layer 14 was performed.

第1の量子井戸層12、第2の量子井戸層14の各成長後は、第1の量子井戸層12、第2の量子井戸層14の各成長前の成長条件に戻してから、結晶成長を続行した。   After each growth of the first quantum well layer 12 and the second quantum well layer 14, the crystal growth is performed after returning to the growth conditions before the growth of the first quantum well layer 12 and the second quantum well layer 14. Continued.

尚、第1、第2の量子井戸層12、14以外の成長は、実施形態1と同様の工程にしたがい、赤外線検出器の製造を行った。   In addition, growth other than the 1st, 2nd quantum well layers 12 and 14 followed the process similar to Embodiment 1, and manufactured the infrared detector.

以上説明した工程により製造された赤外線検出器の波長応答は、図4(b)の下のグラフに模式的に示したものと同様に、検出波長帯域の広帯域化が確認された。これは、量子井戸層の面内に局所的に形成されたIII族元素の規則的な配列構造、換言すれば、量子井戸層に複数種類の組成の分布を付与することにより、励起準位EL2のばらつきが発生したためである。   As for the wavelength response of the infrared detector manufactured by the above-described process, it was confirmed that the detection wavelength band was broadened in the same manner as that schematically shown in the lower graph of FIG. This is because a regular arrangement structure of group III elements locally formed in the plane of the quantum well layer, in other words, by giving a distribution of plural kinds of compositions to the quantum well layer, the excitation level EL2 This is because of the variation of.

尚、III族元素の規則的な配列構造による赤外線検出器の広帯域化は、この配列構造を本実施形態で述べたごとく量子井戸層に具備させた場合に効果が大きい。ただし、この配列構造を障壁層に具備させてもよい。   Note that the broadening of the band of the infrared detector by the regular arrangement structure of group III elements has a great effect when this arrangement structure is provided in the quantum well layer as described in the present embodiment. However, this arrangement structure may be provided in the barrier layer.

また、量子井戸層や障壁層の材料についても、InGaAs以外に、AlGaAs、InGaP、AlInAs等であっても構わない。さらに、III族元素の種類も、2種類に留まることなく、AlGaInAs等の3種類以上であっても構わない。さらにまた、III族元素だけではなく、GaAsSbの様なV族元素に関しても同様に規則的な配列構造、即ち、複数種類の組成の分布を付与することにより、赤外線検出器の広帯域化を図ることができる。   Also, the material of the quantum well layer and the barrier layer may be AlGaAs, InGaP, AlInAs, etc. in addition to InGaAs. Furthermore, the number of group III elements is not limited to two, but may be three or more, such as AlGaInAs. Furthermore, not only the group III element but also the group V element such as GaAsSb is similarly provided with a regular arrangement structure, that is, a distribution of a plurality of kinds of compositions, thereby widening the band of the infrared detector. Can do.

[実施形態3]
実施形態1、2では、励起準位EL2に注目し、障壁層もしくは量子井戸層に厚さもしくは組成のばらつきを付与して励起準位のばらつきを持たせることによって検出波長帯域を広帯域化させた。
[Embodiment 3]
In the first and second embodiments, attention is paid to the excitation level EL2, and the detection wavelength band is broadened by giving variations in thickness or composition to the barrier layer or the quantum well layer to give variations in the excitation level. .

実施形態3では、基底準位エネルギーのばらつきを利用した検出波長帯域の広帯域化の手法に関する。   The third embodiment relates to a technique for widening the detection wavelength band using variation in ground level energy.

赤外線検出器の検出波長は、量子ドットの電子の励起準位と基底準位とのエネルギー差で決定されるため、励起準位ばらつきのみならず、基底準位のばらつきによっても広帯域化が可能である。   Since the detection wavelength of the infrared detector is determined by the energy difference between the excitation level and the ground level of the quantum dot electrons, it is possible to broaden the bandwidth not only by the variation of the excitation level but also by the variation of the ground level. is there.

基底準位のばらつきは、主に、量子ドット層の構造を制御することによって実現可能である。本実施形態では、量子ドット層に含まれる複数の量子ドットの高さに意図的に原子層単位のばらつきを付与することにより、図6(a)に示すように基底準位EL1にばらつきを持たせることを特徴とする。   Variation in the ground level can be realized mainly by controlling the structure of the quantum dot layer. In the present embodiment, by varying the atomic layer unit intentionally to the heights of a plurality of quantum dots included in the quantum dot layer, the ground level EL1 varies as shown in FIG. It is characterized by making it.

本実施形態においては、意図的に量子ドットの高さに原子層単位のばらつきを付与している。通常、量子ドットの大きさや形状は、ある幅でばらついており、これは不均一広がりと呼ばれる。この不均一広がりにより、量子ドットの基底準位がばらつく。この基底準位のばらつきが、赤外線検出器の検出波長帯域を決める要素の一つとなる。   In the present embodiment, variations in atomic layer units are intentionally given to the height of the quantum dots. Usually, the size and shape of quantum dots vary by a certain width, which is called non-uniform spread. Due to this non-uniform spread, the ground levels of the quantum dots vary. This variation in the ground level is one of the factors that determine the detection wavelength band of the infrared detector.

ところで、量子ドットの高さのばらつきを減らす手法として、インジウムフラッシュ法と呼ばれる手法がある。インジウムフラッシュ法は、量子ドットの結晶成長後、量子ドットの高さよりも低い所定の高さ(厚さ)の部分キャップ層としての埋込層を結晶成長させ、部分キャップ層から量子ドットの頭頂部の一部を露出させ、さらに連続して熱処理を行うことにより、量子ドットの部分キャップ層から飛び出た頭頂部を蒸発させる手法である。通常、部分キャップ層の成長は、量子ドットの成長温度と同程度の温度で行われ、成長層の厚さは数nm程度であり、その後の熱処理は量子ドットの成長温度以上、好ましくはインジウムが完全に蒸発する500℃以上まで加熱が行われる。その結果、量子ドットの実効的な高さは揃えられる。その結果、基底準位のばらつきが抑制される。即ち、インジウムフラッシュ法工程に際し、上記工程にしたがうと、均一な高さの量子ドットを製造可能である。   By the way, there is a method called an indium flash method as a method for reducing the variation in the height of the quantum dots. In the indium flash method, after a quantum dot crystal is grown, a buried layer as a partial cap layer having a predetermined height (thickness) lower than the quantum dot is grown, and the top of the quantum dot is formed from the partial cap layer. This is a method of evaporating the top of the quantum dot protruding from the partial cap layer by exposing a part of the surface and further performing a heat treatment. Usually, the growth of the partial cap layer is performed at a temperature similar to the growth temperature of the quantum dots, the thickness of the growth layer is about several nanometers, and the subsequent heat treatment is at or above the growth temperature of the quantum dots, preferably indium. Heating is performed to 500 ° C. or higher, which completely evaporates. As a result, the effective heights of the quantum dots are aligned. As a result, ground level variations are suppressed. That is, in the indium flash method process, according to the above process, quantum dots having a uniform height can be manufactured.

これに対し、本願発明においては、インジウムフラッシュ法工程に際し、部分キャップ層の成長温度ならびに熱処理温度を通常よりも大幅に下げて製造することにより、量子ドットの高さに原子オーダーのばらつきを意図的に付与する。   On the other hand, in the present invention, in the indium flash method step, the growth of the partial cap layer and the heat treatment temperature are significantly lower than usual, thereby intentionally varying the atomic order in the quantum dot height. To grant.

具体的には、以下のようにして、量子ドットを形成した。   Specifically, quantum dots were formed as follows.

まず、実施形態1の製造方法と同じ工程にしたがい、GaAsから成る半導体基板1(図1)上に、分子線エピタキシャル法により、緩衝層2(図1)、下部コンタクト層3(図1)、中間層10(図2)、第1の障壁層11(図2)、第1の量子井戸層12(図2)までの結晶成長工程を行う。   First, according to the same process as the manufacturing method of the first embodiment, a buffer layer 2 (FIG. 1), a lower contact layer 3 (FIG. 1), and a semiconductor substrate 1 made of GaAs (FIG. 1) are formed by molecular beam epitaxy. A crystal growth process is performed up to the intermediate layer 10 (FIG. 2), the first barrier layer 11 (FIG. 2), and the first quantum well layer 12 (FIG. 2).

さらに、第1の量子井戸層12上に複数の量子ドット131を形成する。量子ドット131は、InAsを2.6原子層厚分、基板温度約480℃で供給することによって自己形成される。典型的な量子ドットの直径は20〜30nm程度、高さ4nm程度であり、1平方センチメートルあたりの数密度は5×1010程度である。 Further, a plurality of quantum dots 131 are formed on the first quantum well layer 12. The quantum dots 131 are self-formed by supplying InAs for 2.6 atomic layers in thickness at a substrate temperature of about 480 ° C. A typical quantum dot has a diameter of about 20 to 30 nm, a height of about 4 nm, and a number density per square centimeter of about 5 × 10 10 .

その後、基板温度を420℃まで降下させ、厚さ2nmのGaAsから成る部分キャップ層としての埋込層132を結晶成長させる。   Thereafter, the substrate temperature is lowered to 420 ° C., and a buried layer 132 as a partial cap layer made of GaAs having a thickness of 2 nm is crystal-grown.

その後、基板温度を量子ドット131(図2)の成長温度である480℃まで上昇させ、連続して、第2の量子井戸層14(図2)、第2の障壁層15(図2)、中間層10(図2)を成長させ、これらの工程を繰り返すことにより、光吸収層4(図1)を製造し、以後は実施形態1と同様にして、赤外線検出器を製造する。   Thereafter, the substrate temperature is increased to 480 ° C., which is the growth temperature of the quantum dots 131 (FIG. 2), and the second quantum well layer 14 (FIG. 2), the second barrier layer 15 (FIG. 2), By growing the intermediate layer 10 (FIG. 2) and repeating these steps, the light absorption layer 4 (FIG. 1) is manufactured. Thereafter, the infrared detector is manufactured in the same manner as in the first embodiment.

本実施形態においては、部分キャップ層としての埋込層の成長温度を、量子ドットの成長温度よりも50℃以上下げると共に、熱処理温度を高くても量子ドットの成長温度程度までに留めることにより、量子ドットの高さを原子オーダーでばらつかせることに成功した。その結果、基底準位のばらつきを増大させることができた。   In this embodiment, the growth temperature of the buried layer as the partial cap layer is lowered by 50 ° C. or more than the growth temperature of the quantum dots, and even if the heat treatment temperature is high, it is limited to the growth temperature of the quantum dots, We succeeded in varying the height of quantum dots on the atomic order. As a result, variation in ground level could be increased.

図7(a)に、通常の工程にしたがって製造された比較例における量子ドット層からのフォトルミネッセンス発光特性を示す。一方、図7(b)に、本実施形態にしたがって製造された量子ドット層13からのフォトルミネッセンス発光特性を示す。   FIG. 7A shows the photoluminescence emission characteristics from the quantum dot layer in the comparative example manufactured according to the normal process. On the other hand, FIG. 7B shows photoluminescence emission characteristics from the quantum dot layer 13 manufactured according to the present embodiment.

本実施形態の工程にしたがい量子ドットを結晶成長させることにより、量子ドットの基底準位のばらつきを示す指標であるフォトルミネッセンス発光の半値幅は、通常工程にしたがって製造された比較例における量子ドット層が30〜40meV程度のばらつきであった(図7(a))のに対し、70〜80meV程度のばらつきであった(図7(b))。即ち、本実施形態により製造された量子ドット層の基底準位のばらつきは、比較例の2倍程度に広がった。   By growing the quantum dots according to the process of the present embodiment, the half width of the photoluminescence emission, which is an index indicating the variation in the ground level of the quantum dots, is the quantum dot layer in the comparative example manufactured according to the normal process. Was about 30 to 40 meV (FIG. 7A), whereas it was about 70 to 80 meV (FIG. 7B). That is, the variation of the ground level of the quantum dot layer manufactured according to the present embodiment spread to about twice that of the comparative example.

本発明において、量子ドットそれぞれの電子の基底準位のばらつきを示すバンド間遷移エネルギーは、60meV以上であることが好ましい。   In the present invention, the interband transition energy indicating the variation in the ground level of electrons of each quantum dot is preferably 60 meV or more.

ところで、図7(b)に示すフォトルミネッセンス発光特性を見ると、半値幅が比較例(図7(a))の約2倍に広がっているが、そのスペクトル形状を詳細に見ると、図7(b)中、矢印で示される複数のピークを有する発光の重ね合わせであることが分かる。   By the way, when looking at the photoluminescence emission characteristics shown in FIG. 7B, the half-value width is about twice that of the comparative example (FIG. 7A). In (b), it can be seen that the light emission has a plurality of peaks indicated by arrows.

これらの複数の発光ピークは、約30meV間隔であり、これは概ね、それぞれ複数の量子ドットを含み、高さが原子層単位で異なる量子ドット群からの発光に相当する。このような量子ドット群の例を、図8に模式的に示す。   The plurality of emission peaks are at intervals of about 30 meV, and this generally corresponds to emission from a group of quantum dots each including a plurality of quantum dots and having different heights in units of atomic layers. An example of such a quantum dot group is schematically shown in FIG.

図8に模式的に示された4種類の量子ドット群131−1〜131−4は、それぞれ複数の量子ドットを含み、かつ、各高さ(HQ1〜HQ4)が原子層単位で相互に異なっており、量子ドット層の面内に分布している。 The four types of quantum dot groups 131-1 to 131-4 schematically shown in FIG. 8 each include a plurality of quantum dots, and the heights (H Q1 to H Q4 ) are mutually in units of atomic layers. Are distributed in the plane of the quantum dot layer.

通常の手法にしたがって形成された量子ドットの高さのばらつきは、単一の高さを中心に揃う傾向にある。これに対し、インジウムフラッシュ法を利用して形成した本実施形態による量子ドットは、図8に模式的に示すように、高さが原子層単位で相互に異なる量子ドット群131−1〜131−4の分布となっている。このような量子ドット群における量子ドットの発光波長は、主にその高さ(厚さ)の違いに応じて変化する。このため、大きい分布、即ち、相互に異なる高さの量子ドット群の種類が多いほど、基底準位に広いばらつきを持たせる。その結果、赤外線検出器の検出波長帯域を広帯域化せしめる効果を奏する。   The variation in the height of the quantum dots formed according to the usual method tends to be centered on a single height. In contrast, the quantum dots according to the present embodiment formed by using the indium flash method, as schematically shown in FIG. 8, have different quantum dot groups 131-1 to 131- having different heights in units of atomic layers. The distribution is 4. The emission wavelength of the quantum dots in such a quantum dot group mainly changes according to the difference in height (thickness). For this reason, as the number of types of quantum dots having a large distribution, that is, different heights increases, the ground level has a wider variation. As a result, there is an effect of widening the detection wavelength band of the infrared detector.

量子ドットの基底準位のばらつきが増大した場合の電子の基底準位と励起準位の状態は、図6(a)に模式的に示すものとなる。つまり、実施形態1、2の場合は、励起準位EL2がばらつくことによって赤外線検出波長帯域が広帯域化したが、本実施形態の場合は、量子ドットの基底準位がばらつくことにより、図6(b)の下のグラフに示すように赤外線検出波長帯域が広帯域化する。   The state of the electron ground level and the excitation level when the variation in the ground level of the quantum dots increases is schematically shown in FIG. That is, in the case of Embodiments 1 and 2, the infrared detection wavelength band is widened by the excitation level EL2 being varied, but in the case of the present embodiment, the ground level of the quantum dots is varied, and FIG. As shown in the lower graph of b), the infrared detection wavelength band becomes wider.

[実施形態4]
本実施形態では、実施形態3と同様に、量子ドット層の構造を特別な形状にすることによって量子ドットの基底準位にばらつきを持たせたことを特徴とする。そのために、量子ドットを形成した直後に連続して短時間の熱処理を行うことにより、量子ドットの高さにばらつきを付与している。
[Embodiment 4]
As in the third embodiment, this embodiment is characterized in that the ground level of the quantum dots is varied by making the structure of the quantum dot layer a special shape. For this purpose, the height of the quantum dots is varied by performing a short-time heat treatment immediately after the quantum dots are formed.

本発明の実施形態において形成する量子ドットは、熱によって拡散し易い特性を有している。特に、量子ドットの結晶成長直後に量子ドット成長時の基板温度以上に基板温度を上昇せしめると、量子ドットを構成する原子が周辺に拡散し、量子ドットの形状が崩れてくる。   The quantum dots formed in the embodiment of the present invention have a characteristic that they are easily diffused by heat. In particular, if the substrate temperature is raised to a temperature higher than the substrate temperature at the time of quantum dot growth immediately after crystal growth of the quantum dots, atoms constituting the quantum dots diffuse to the periphery, and the shape of the quantum dots is destroyed.

通常は、高さを含む形状が均一な量子ドットが必要であるため、量子ドットの成長後は、数10秒程度、量子ドットの成長温度で保持することにより、表面に存在している余分な供給原料を十分に拡散させ、既に形成済みの量子ドットに取り込ませる。これにより、高さの揃った均一な量子ドットを得ている。   Usually, quantum dots with a uniform shape including the height are required. Therefore, after the quantum dots are grown, the quantum dots are maintained for about several tens of seconds at the growth temperature of the quantum dots. The feedstock is fully diffused and incorporated into already formed quantum dots. Thereby, uniform quantum dots with uniform height are obtained.

しかし、本実施形態においては、量子ドット131(図2)の結晶成長後、直ちに基板(図2)温度を量子ドット成長時よりも少し上昇せしめ、意図的に量子ドット131の形状を崩壊させ、量子ドット131の高さにばらつきを付与する。ただし、あまり基板温度を上げ過ぎると、量子ドット131が全て崩壊してしまう。このため、上昇させる温度は5℃以内程度、温度上昇させている時間は10秒以内程度が好ましい。   However, in the present embodiment, immediately after the crystal growth of the quantum dots 131 (FIG. 2), the substrate (FIG. 2) temperature is immediately raised slightly higher than that at the time of quantum dot growth, and the shape of the quantum dots 131 is intentionally collapsed. Variation is given to the height of the quantum dots 131. However, if the substrate temperature is raised too much, all the quantum dots 131 collapse. For this reason, the temperature to be raised is preferably within about 5 ° C., and the temperature raising time is preferably within about 10 seconds.

この熱処理を伴って形成された複数の量子ドット131を含む量子ドット層13(図2)を形成した後は、実施形態1と同様に、第2の量子井戸層14(図2)、第2の障壁層15(図2)、中間層10(図2)等を結晶成長させ、赤外線検出器用のウエハを完成する。   After forming the quantum dot layer 13 (FIG. 2) including the plurality of quantum dots 131 formed with this heat treatment, the second quantum well layer 14 (FIG. 2), the second quantum well layer 14 is formed as in the first embodiment. The barrier layer 15 (FIG. 2), the intermediate layer 10 (FIG. 2) and the like are crystal-grown to complete a wafer for an infrared detector.

[実施形態5]
本実施形態では、量子ドット層の構造を特別な形状にすることにより、実施形態3、4と同様に、量子ドットの基底準位にばらつきを持たせたことを特徴とする。そのために、赤外線検出器用のウエハに対して急速熱処理を施すことにより、量子ドットの高さのばらつきを作り出している。
[Embodiment 5]
The present embodiment is characterized in that the quantum dot layer has a special shape so that the ground level of the quantum dots varies as in the third and fourth embodiments. For this purpose, the quantum dot height variation is created by subjecting the wafer for infrared detectors to rapid thermal processing.

通常、量子ドットに用いられている材料であるInAsの場合、急速熱処理、即ち、量子ドットの結晶成長温度よりも高い温度まで短時間に加熱すると、III族元素であるInが量子ドット中の本来の位置から周囲へ拡散して量子ドット層とそれに接する層との界面がぼやけた構造となり、閉じ込め効率が減少する。その結果、急速熱処理を施していない場合に比べ、基底準位のばらつきが増大する。   Usually, in the case of InAs, which is a material used for quantum dots, when rapid heating, that is, heating to a temperature higher than the crystal growth temperature of the quantum dots in a short time, the group III element In is inherent in the quantum dots. The interface between the quantum dot layer and the layer in contact with it diffuses from the position to the periphery, and the confinement efficiency is reduced. As a result, the variation in ground level is increased as compared with the case where rapid thermal processing is not performed.

具体的には、次のような工程にしたがい、赤外線検出器用半導体ウエハを製造する。   Specifically, a semiconductor wafer for an infrared detector is manufactured according to the following process.

まず、実施形態1の製造方法と同じ工程にしたがい、GaAsから成る半導体基板1(図1)上に、分子線エピタキシャル法により、緩衝層2(図1)、下部コンタクト層3(図1)、中間層10(図2)、第1の障壁層11(図2)、第1の量子井戸層12(図2)までの結晶成長工程を行い、さらにInAsから成る量子ドット層13(図2)を積層する。   First, according to the same process as the manufacturing method of the first embodiment, a buffer layer 2 (FIG. 1), a lower contact layer 3 (FIG. 1), and a semiconductor substrate 1 made of GaAs (FIG. 1) are formed by molecular beam epitaxy. A crystal growth process is performed up to the intermediate layer 10 (FIG. 2), the first barrier layer 11 (FIG. 2), and the first quantum well layer 12 (FIG. 2), and further, a quantum dot layer 13 made of InAs (FIG. 2). Are laminated.

量子ドット層13は、InAsを2.6原子層分、基板温度約480℃で供給することによって自己形成される。典型的な量子ドット131(図2)の直径は20〜30nm程度、高さは4nm程度であり、1平方センチメートルあたりの数密度は5×1010程度である。 The quantum dot layer 13 is self-formed by supplying 2.6 AsA of InAs at a substrate temperature of about 480 ° C. A typical quantum dot 131 (FIG. 2) has a diameter of about 20 to 30 nm, a height of about 4 nm, and a number density per square centimeter of about 5 × 10 10 .

量子ドット131の結晶成長後、実施形態4と同様に、直ちに基板温度を3℃上昇させ、10秒間そのまま保持した。この工程により、量子ドットの高さに大きなばらつきを付与することができる。   After crystal growth of the quantum dots 131, the substrate temperature was immediately increased by 3 ° C. and held for 10 seconds as in the fourth embodiment. By this step, a large variation can be imparted to the height of the quantum dots.

この熱処理を伴って形成された複数の量子ドット131を含む量子ドット層13(図2)を形成した後は、実施形態1と同様に、第2の量子井戸層14(図2)、第2の障壁層15(図2)、中間層10(図2)等を結晶成長させ、赤外線検出器用のウエハを完成する。   After forming the quantum dot layer 13 (FIG. 2) including the plurality of quantum dots 131 formed with this heat treatment, the second quantum well layer 14 (FIG. 2), the second quantum well layer 14 is formed as in the first embodiment. The barrier layer 15 (FIG. 2), the intermediate layer 10 (FIG. 2) and the like are crystal-grown to complete a wafer for an infrared detector.

次に、急速熱処理を行う。結晶成長後の赤外線検出器用のウエハを、窒素で満たしたチャンバ中に導入し、赤外線加熱ランプによって急速に加熱し、その後急速に冷却する。   Next, rapid heat treatment is performed. The wafer for the infrared detector after crystal growth is introduced into a chamber filled with nitrogen, rapidly heated by an infrared heating lamp, and then rapidly cooled.

加熱温度は、結晶成長時の最高到達温度である600℃以上が望ましいが、それ以下でも同様の効果は期待できる。また、上限温度は、構成V族元素であるAsが結晶サイトから加熱によって脱離しない温度までが好ましい。実際には、短時間であれば、800℃程度までの加熱が可能である。   The heating temperature is preferably 600 ° C. or higher, which is the highest temperature at the time of crystal growth. The upper limit temperature is preferably up to a temperature at which As which is a constituent group V element does not desorb from the crystal site by heating. Actually, heating up to about 800 ° C. is possible for a short time.

ウエハの急速熱処理を伴って製造する赤外線検出器である試料(本実施形態)と、ウエハの急速熱処理を伴わずに製造する赤外線検出器である試料(比較例)とを製造し、それらの赤外線検出特性を測定した。図9に、測定結果を模式的に表したものを示す。   A sample (this embodiment) which is an infrared detector manufactured with rapid thermal processing of a wafer and a sample (comparative example) which is an infrared detector manufactured without rapid thermal processing of a wafer are manufactured. The detection characteristics were measured. FIG. 9 schematically shows the measurement results.

図9(a)は急速熱処理を施していない試料(比較例)の特性を示し、図9(b)は800℃で2分間の急速熱処理を施した試料(本実施形態)の特性を示し、図9(c)は800℃で4分の急速熱処理を施した試料(本実施形態)の特性を示している。   FIG. 9A shows the characteristics of a sample not subjected to rapid thermal processing (comparative example), FIG. 9B shows the characteristics of a sample subjected to rapid thermal processing at 800 ° C. for 2 minutes (this embodiment), FIG. 9C shows the characteristics of a sample (this embodiment) subjected to a rapid heat treatment at 800 ° C. for 4 minutes.

図9(a)〜(c)から、感度特性として、光応答性の最大値を中心に如何程の波長範囲(Δλ)に亘って赤外線検出器としての光応答性があるのかが分かる。即ち、急速熱処理を行っていない比較例(図9(a))、800℃で2分間の急速熱処理を施した本実施形態(図9(b))、800℃で4分の急速熱処理を施した本実施形態(図9(c))の順に、赤外線検出感度帯域の広帯域化が確認された。   From FIGS. 9A to 9C, it can be seen as a sensitivity characteristic that there is a light responsiveness as an infrared detector over a wavelength range (Δλ) around the maximum value of the light responsiveness. That is, a comparative example in which rapid thermal processing is not performed (FIG. 9A), this embodiment in which rapid thermal processing is performed at 800 ° C. for 2 minutes (FIG. 9B), and rapid thermal processing is performed at 800 ° C. for 4 minutes. In this order of the present embodiment (FIG. 9C), it was confirmed that the infrared detection sensitivity band was widened.

[変形例]
以上、本発明の実施形態1〜5について具体的に説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内であれば、種々の変形が可能である。
[Modification]
As mentioned above, although Embodiment 1-5 of this invention was demonstrated concretely, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation is possible if it is in the range of the technical idea of this invention. It is.

例えば、各々の実施形態1〜5に記載されている手法は単独でも効果があるが、複数を組み合わせることにより、更に大きな効果を奏する。即ち、少なくとも、実施形態1および2の少なくとも一方と、実施形態3〜5の少なくとも1つとを組み合わせることにより、図10(a)に示すように、量子ドットの基底準位EL1および励起準位EL2双方のばらつきを拡大することができる。その結果として、図10(b)の上のグラフに示した比較例としての通常の赤外線検出器に比べ、図10(b)の下のグラフに示すように、検出波長帯域の大幅な広帯域化を実現可能である。   For example, the methods described in each of the first to fifth embodiments are effective even when used alone, but a greater effect can be achieved by combining a plurality of methods. That is, by combining at least one of Embodiments 1 and 2 and at least one of Embodiments 3 to 5, as shown in FIG. 10A, the ground level EL1 and the excitation level EL2 of the quantum dots are obtained. Both variations can be enlarged. As a result, as shown in the lower graph of FIG. 10B, the detection wavelength band is significantly widened as compared to the normal infrared detector as a comparative example shown in the upper graph of FIG. Is feasible.

上記の実施形態の一部または全部は、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。   A part or all of the above-described embodiment can be described as in the following supplementary notes, but is not limited thereto.

(付記1)複数の量子ドットを含む量子ドット層と、前記量子ドット層を挟み、前記量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の量子井戸層と、前記対の量子井戸層を挟み、前記対の量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の障壁層と、前記対の障壁層を挟む対の中間層とを有し、検出対象光である励起光に基づく電子の前記量子ドットにおける基底準位と励起準位との間の遷移を利用する赤外線検出器であって、
前記量子井戸層、前記障壁層および前記量子ドット層の少なくとも一つは、その構造および組成の少なくとも一方にばらつきが付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位および基底準位の少なくとも一方に、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする赤外線検出器。
(Appendix 1) A quantum dot layer including a plurality of quantum dots and the quantum dot layer sandwiched between the pair of quantum well layers having a larger band gap energy than the quantum dot layer and the pair of quantum well layers, A pair of barrier layers having a band gap energy larger than that of the pair of quantum well layers, and a pair of intermediate layers sandwiching the pair of barrier layers, and a base in the quantum dots of electrons based on excitation light as detection target light An infrared detector that utilizes a transition between a level and an excitation level,
At least one of the quantum well layer, the barrier layer, and the quantum dot layer is provided with variation in at least one of its structure and composition,
Accordingly, at least one of the excitation level and the ground level of the electrons of each quantum dot has a size variation corresponding to a desired detection bandwidth.

(付記2)前記量子井戸層および前記障壁層の少なくとも一方に、
平均の厚さが前記量子ドットの高さの1/4以下であること、
厚さのばらつきが所定の大きさ以上であること、ならびに、
構成元素組成が空間的にばらついていること
のうちの少なくとも1つが付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする付記1に記載の赤外線検出器。
(Appendix 2) At least one of the quantum well layer and the barrier layer,
The average thickness is ¼ or less of the height of the quantum dots,
The thickness variation is greater than or equal to a predetermined size, and
At least one of spatially varying constituent element compositions is provided,
Accordingly, the infrared detector according to appendix 1, wherein the excitation level of each electron of the quantum dots has a variation in magnitude according to a desired detection bandwidth.

(付記3)前記障壁層および前記量子井戸層の少なくとも一方に、
平均の厚さが1nm以下であること、もしくは、
厚さのばらつきの平均値が4原子層以上であること
が付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする付記1に記載の赤外線検出器。
(Supplementary Note 3) At least one of the barrier layer and the quantum well layer,
The average thickness is 1 nm or less, or
It is given that the average thickness variation is 4 atomic layers or more,
Accordingly, the infrared detector according to appendix 1, wherein the excitation level of each electron of the quantum dots has a variation in magnitude according to a desired detection bandwidth.

(付記4)前記量子井戸層および前記障壁層の少なくとも一方に、当該面内で複数種類の組成の分布が付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする付記1に記載の赤外線検出器。
(Appendix 4) At least one of the quantum well layer and the barrier layer is provided with a plurality of types of composition distributions in the plane,
Accordingly, the infrared detector according to appendix 1, wherein the excitation level of each electron of the quantum dots has a variation in magnitude according to a desired detection bandwidth.

(付記5)前記量子井戸層および前記障壁層の少なくとも一方に付与された組成分布は、該量子井戸層および該障壁層の少なくとも一方の面内に形成された複数種類のIII族元素が規則的に配列した構造によって構成されることを特徴とする付記4に記載の赤外線検出器。   (Appendix 5) The composition distribution imparted to at least one of the quantum well layer and the barrier layer is such that a plurality of types of group III elements formed in at least one surface of the quantum well layer and the barrier layer are regular. The infrared detector according to appendix 4, characterized in that the infrared detector is constituted by a structure arranged in the above.

(付記6)前記量子ドット層に含まれる前記複数の量子ドットに、所定の大きさ以上の高さのばらつきが付与され、
それにより、該量子ドットそれぞれの電子の基底準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする付記1に記載の赤外線検出器。
(Appendix 6) The plurality of quantum dots included in the quantum dot layer are provided with a variation in height of a predetermined size or more,
2. The infrared detector according to appendix 1, wherein the electron ground level of each quantum dot has a variation in magnitude according to a desired detection bandwidth.

(付記7)前記複数の量子ドットに付与された高さのばらつきは、それぞれ複数の量子ドットを含み、原子層単位で高さが相互に異なる複数の量子ドット群の分布によって構成されることを特徴とする付記6に記載の赤外線検出器。   (Supplementary note 7) The variation in height given to the plurality of quantum dots includes a plurality of quantum dots, each of which includes a plurality of quantum dots, and is configured by a distribution of a plurality of quantum dots having different heights in units of atomic layers. The infrared detector according to appendix 6, which is characterized.

(付記8)前記量子ドットそれぞれの電子の基底準位のばらつきを示すバンド間遷移エネルギーが、60meV以上であることを特徴とする付記6乃至7のいずれかに記載の赤外線検出器。   (Additional remark 8) The infrared detector in any one of additional remark 6 thru | or 7 whose interband transition energy which shows the dispersion | variation in the ground level of each quantum dot is 60 meV or more.

(付記9)前記量子ドットは、InAsまたはInGaAsから成り、
前記量子井戸層は、InGaAsまたはGaAsから成り、
前記障壁層は、AlAsまたはAlGaAsから成ることを特徴とする付記1乃至8のいずれかに記載の赤外線検出器。
(Supplementary note 9) The quantum dots are made of InAs or InGaAs,
The quantum well layer is made of InGaAs or GaAs,
9. The infrared detector according to any one of appendices 1 to 8, wherein the barrier layer is made of AlAs or AlGaAs.

(付記10)複数の量子ドットを含む量子ドット層を形成する工程と、前記量子ドット層を挟み、前記量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の量子井戸層を形成する工程と、前記対の量子井戸層を挟み、前記対の量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の障壁層を形成する工程と、前記対の障壁層を挟む対の中間層を形成する工程とを有し、検出対象光である励起光に基づく電子の前記量子ドットにおける基底準位と励起準位との間の遷移を利用する赤外線検出器の製造方法であって、
前記量子井戸層、前記障壁層および前記量子ドット層の少なくとも一つに対して、その構造および組成の少なくとも一方にばらつきを付与することにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位および基底準位の少なくとも一方に、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを持たせることを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
(Supplementary Note 10) A step of forming a quantum dot layer including a plurality of quantum dots, a step of sandwiching the quantum dot layer and forming a pair of quantum well layers having a larger band gap energy than the quantum dot layer, and the pair A pair of barrier layers having a band gap energy larger than that of the pair of quantum well layers, and a step of forming a pair of intermediate layers sandwiching the pair of barrier layers, A method of manufacturing an infrared detector using a transition between a ground level and an excitation level in the quantum dot of electrons based on excitation light that is detection target light,
At least one of the quantum well layer, the barrier layer, and the quantum dot layer is given a variation in at least one of its structure and composition, whereby the excitation level and the ground level of each electron of the quantum dot A method of manufacturing an infrared detector, characterized in that at least one of them has a variation in size according to a desired detection bandwidth.

(付記11)前記量子ドット層からのフォトルミネッセンス発光が、前記複数の量子ドット群それぞれの高さに起因するマルチピーク発光を示すことを特徴とする付記7に記載の赤外線検出器。   (Additional remark 11) The infrared detector of Additional remark 7 characterized by the photoluminescence light emission from the said quantum dot layer showing the multipeak light emission resulting from the height of each of these quantum dot groups.

本発明は、中波長赤外線および長波長赤外線(概ね3〜14μm)領域における、熱検出やガス検出などの環境計測に用いられる赤外線検出器に利用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for an infrared detector used for environmental measurement such as heat detection and gas detection in a medium wavelength infrared region and a long wavelength infrared region (approximately 3 to 14 μm).

1 半導体基板
2 緩衝層
3 下部コンタクト層
4 光吸収層
5 上部コンタクト層
6 上部電極
7 下部電極
10 中間層
11 第1の障壁層
12 第1の量子井戸層
13 量子ドット層
131 量子ドット
132 埋込層
131−1〜131−4 量子ドット群
14 第2の量子井戸層
15 第2の障壁層
16 電子
X 励起光(検出対象光)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Buffer layer 3 Lower contact layer 4 Light absorption layer 5 Upper contact layer 6 Upper electrode 7 Lower electrode 10 Intermediate layer 11 First barrier layer 12 First quantum well layer 13 Quantum dot layer 131 Quantum dot 132 Embedding Layers 131-1 to 131-4 Quantum dot group 14 Second quantum well layer 15 Second barrier layer 16 Electron X excitation light (detection target light)

Claims (10)

複数の量子ドットを含む量子ドット層と、前記量子ドット層を挟み、前記量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の量子井戸層と、前記対の量子井戸層を挟み、前記対の量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の障壁層と、前記対の障壁層を挟む対の中間層とを有し、検出対象光である励起光に基づく電子の前記量子ドットにおける基底準位と励起準位との間の遷移を利用する赤外線検出器であって、
前記量子井戸層、前記障壁層および前記量子ドット層の少なくとも一つは、その構造および組成の少なくとも一方にばらつきが付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位および基底準位の少なくとも一方に、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする赤外線検出器。
A quantum dot layer including a plurality of quantum dots; and a pair of quantum well layers sandwiching the quantum dot layer and having a larger band gap energy than the quantum dot layer; a pair of quantum well layers sandwiching the pair of quantum well layers; A pair of barrier layers having a larger band gap energy than the layer, and a pair of intermediate layers sandwiching the pair of barrier layers, and the ground level and excitation in the quantum dots of electrons based on excitation light as detection target light An infrared detector that utilizes a transition between levels,
At least one of the quantum well layer, the barrier layer, and the quantum dot layer is provided with variation in at least one of its structure and composition,
Accordingly, at least one of the excitation level and the ground level of the electrons of each quantum dot has a size variation corresponding to a desired detection bandwidth.
前記量子井戸層および前記障壁層の少なくとも一方に、
平均の厚さが前記量子ドットの高さの1/4以下であること、
厚さのばらつきが所定の大きさ以上であること、ならびに、
構成元素組成が空間的にばらついていること
のうちの少なくとも1つが付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出器。
At least one of the quantum well layer and the barrier layer,
The average thickness is ¼ or less of the height of the quantum dots,
The thickness variation is greater than or equal to a predetermined size, and
At least one of spatially varying constituent element compositions is provided,
The infrared detector according to claim 1, wherein the excitation level of each of the quantum dots has a variation in magnitude according to a desired detection bandwidth.
前記障壁層および前記量子井戸層の少なくとも一方に、
平均の厚さが1nm以下であること、もしくは、
厚さのばらつきの平均値が4原子層以上であること
が付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出器。
At least one of the barrier layer and the quantum well layer,
The average thickness is 1 nm or less, or
It is given that the average thickness variation is 4 atomic layers or more,
The infrared detector according to claim 1, wherein the excitation level of each of the quantum dots has a variation in magnitude according to a desired detection bandwidth.
前記量子井戸層および前記障壁層の少なくとも一方に、当該面内で複数種類の組成の分布が付与され、
それにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出器。
At least one of the quantum well layer and the barrier layer is provided with a distribution of a plurality of types of compositions in the plane,
The infrared detector according to claim 1, wherein the excitation level of each of the quantum dots has a variation in magnitude according to a desired detection bandwidth.
前記量子井戸層および前記障壁層の少なくとも一方に付与された組成分布は、該量子井戸層および該障壁層の少なくとも一方の面内に形成された複数種類のIII族元素が規則的に配列した構造によって構成されることを特徴とする請求項4に記載の赤外線検出器。   The composition distribution imparted to at least one of the quantum well layer and the barrier layer has a structure in which a plurality of types of group III elements formed in at least one plane of the quantum well layer and the barrier layer are regularly arranged. The infrared detector according to claim 4, comprising: 前記量子ドット層に含まれる前記複数の量子ドットに、所定の大きさ以上の高さのばらつきが付与され、
それにより、該量子ドットそれぞれの電子の基底準位が、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを有することを特徴とする請求項1に記載の赤外線検出器。
The plurality of quantum dots included in the quantum dot layer are given a variation in height of a predetermined size or more,
The infrared detector according to claim 1, wherein the ground level of the electrons of each quantum dot has a variation in size according to a desired detection bandwidth.
前記複数の量子ドットに付与された高さのばらつきは、それぞれ複数の量子ドットを含み、原子層単位で高さが相互に異なる複数の量子ドット群の分布によって構成されることを特徴とする請求項6に記載の赤外線検出器。   The variation in height imparted to the plurality of quantum dots includes a plurality of quantum dots, each of which includes a plurality of quantum dot groups having different heights in units of atomic layers. Item 7. The infrared detector according to Item 6. 前記量子ドットそれぞれの電子の基底準位のばらつきを示すバンド間遷移エネルギーが、60meV以上であることを特徴とする請求項6乃至7のいずれか一項に記載の赤外線検出器。   The infrared detector according to any one of claims 6 to 7, wherein an interband transition energy indicating a variation in an electron ground level of each of the quantum dots is 60 meV or more. 前記量子ドットは、InAsまたはInGaAsから成り、
前記量子井戸層は、InGaAsまたはGaAsから成り、
前記障壁層は、AlAsまたはAlGaAsから成ることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
The quantum dot is made of InAs or InGaAs,
The quantum well layer is made of InGaAs or GaAs,
The infrared detector according to claim 1, wherein the barrier layer is made of AlAs or AlGaAs.
複数の量子ドットを含む量子ドット層を形成する工程と、前記量子ドット層を挟み、前記量子ドット層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の量子井戸層を形成する工程と、前記対の量子井戸層を挟み、前記対の量子井戸層よりもバンドギャップエネルギーが大きい対の障壁層を形成する工程と、前記対の障壁層を挟む対の中間層を形成する工程とを有し、検出対象光である励起光に基づく電子の前記量子ドットにおける基底準位と励起準位との間の遷移を利用する赤外線検出器の製造方法であって、
前記量子井戸層、前記障壁層および前記量子ドット層の少なくとも一つに対して、その構造および組成の少なくとも一方にばらつきを付与することにより、前記量子ドットそれぞれの電子の励起準位および基底準位の少なくとも一方に、所望の検出帯域幅に応じた大きさのばらつきを持たせることを特徴とする赤外線検出器の製造方法。
A step of forming a quantum dot layer including a plurality of quantum dots; a step of sandwiching the quantum dot layer and forming a pair of quantum well layers having a band gap energy larger than that of the quantum dot layer; and the pair of quantum well layers A pair of barrier layers having a band gap energy larger than that of the pair of quantum well layers, and a step of forming a pair of intermediate layers sandwiching the pair of barrier layers. A method of manufacturing an infrared detector using a transition between a ground level and an excitation level in the quantum dot of electrons based on a certain excitation light,
At least one of the quantum well layer, the barrier layer, and the quantum dot layer is given a variation in at least one of its structure and composition, whereby the excitation level and the ground level of each electron of the quantum dot A method of manufacturing an infrared detector, characterized in that at least one of them has a variation in size according to a desired detection bandwidth.
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