JP2019021706A - 赤外線検出器、撮像素子、及び撮像システム。 - Google Patents

赤外線検出器、撮像素子、及び撮像システム。 Download PDF

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Abstract

【課題】雑音を低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる信頼性の高い赤外線検出器を実現する。【解決手段】電極５，６を備えた量子ドット構造３は、量子ドット１４と、量子ドット１４を覆うように設けられた、量子ドット１４の下方の第１障壁層１３及び量子ドット１４の上方の第２障壁層１５と、第１障壁層の下方に設けられた中間層１１とを有する構造体１０が複数積層されてなり、第１障壁層１３は、第１領域１２ａと、第１領域１２ａと中間層１１との間に設けられた中間層１１よりもＡｌ濃度が低い第２領域１２ｂとを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、赤外線検出器、撮像素子、及び撮像システムに関するものである。
現在、量子ドットを用いた量子ドット型半導体装置が盛んに研究されている。量子ドット型半導体装置の一つに、赤外線を照射すると量子ドット内に閉じ込められたキャリアが励起され、光電流として検出されることで動作する量子ドット型赤外線検出器（Quantum Dot Infrared Photodetector：ＱＤＩＰ）がある。ＱＤＩＰの構造については、様々な研究がなされている。
特開２００９−６５１４１号公報 特開２０１２−１９５３３３号公報 特開２０１６−１３６５８５号公報
所望の長波長特性を実現しつつ、暗電流が少なく、且つ十分な感度を有する赤外線検出器として、量子ドットの上下をＡｌＡｓ等の障壁層で覆った構造が提案されている。ところがこの場合、量子ドットの形成時に量子ドット中に障壁層のＡｌに起因して不純物が混入し、量子ドット内に不純物準位が形成される。そのため、赤外線検出において、雑音が増加し、Ｓ／Ｎ比が低下するという問題がある。
本発明は、十分な感度を維持しつつ、雑音を低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる信頼性の高い赤外線検出器、撮像素子、及び撮像システムを提供することを目的とする。
一つの態様では、赤外線検出器は、量子ドット構造と、前記量子ドット構造と接続された電極とを備え、前記量子ドット構造は、量子ドットと、前記量子ドットを覆うように設けられた、前記量子ドットの下方の第１障壁層及び前記量子ドットの上方の第２障壁層と、前記第１障壁層の下方に設けられた中間層とを有する構造体が複数積層されてなり、前記第１障壁層は、第１領域と、前記第１領域と前記中間層との間に設けられた前記中間層よりもＡｌ濃度が低い第２領域とを有する。
一つの態様では、撮像素子は、複数の赤外線検出器と、前記赤外線検出器を駆動する駆動部とを備えており、前記赤外線検出器は、量子ドット構造と、前記量子ドット構造と接続された電極とを備え、前記量子ドット構造は、量子ドットと、前記量子ドットを覆うように設けられた、前記量子ドットの下方の第１障壁層及び前記量子ドットの上方の第２障壁層と、前記第１障壁層の下方に設けられた中間層とを有する構造体が複数積層されてなり、前記第１障壁層は、第１領域と、前記第１領域と前記中間層との間に設けられた前記中間層よりもＡｌ濃度が低い第２領域とを有する。
一つの態様では、撮像システムは、赤外線センサ部と、前記赤外線センサ部を制御する制御部と、撮像された赤外線画像を表示する表示部とを備えており、前記赤外線センサ部は、赤外線撮像素子と、前記赤外線撮像素子を冷却する冷却部と、前記赤外線撮像素子に赤外線を入射させるためのレンズとを備えており、前記赤外線撮像素子は、複数の赤外線検出器と、前記赤外線検出器を駆動する駆動部とを備えており、前記赤外線検出器は、量子ドット構造と、前記量子ドット構造と接続された電極とを備え、前記量子ドット構造は、量子ドットと、前記量子ドットを覆うように設けられた、前記量子ドットの下方の第１障壁層及び前記量子ドットの上方の第２障壁層と、前記第１障壁層の下方に設けられた中間層とを有する構造体が複数積層されてなり、前記第１障壁層は、第１領域と、前記第１領域と前記中間層との間に設けられた前記中間層よりもＡｌ濃度が低い第２領域とを有する。
一つの側面では、雑音を低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる信頼性の高い赤外線検出器、撮像素子、及び撮像システムが実現する。
第１の実施形態によるＱＤＩＰの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図１に引き続き、第１の実施形態によるＱＤＩＰの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 図２に引き続き、第１の実施形態によるＱＤＩＰの製造方法を工程順に示す概略断面図である。 量子ドットの形成過程におけるＡｌの取り込みについて説明するための概略断面図である。 比較例及び第１の実施形態におけるＳ／Ｎ比を示す特性図である。 第２の実施形態によるＱＤＩＰの製造方法における主要工程を工程順に示す概略断面図である。 図６に引き続き、第２の実施形態によるＱＤＩＰの製造方法における主要工程を工程順に示す概略断面図である。 第３の実施形態によるＱＤＩＰの製造方法における主要工程を工程順に示す概略断面図である。 図８に引き続き、第３の実施形態によるＱＤＩＰの製造方法における主要工程を工程順に示す概略断面図である。 第４の実施形態による赤外線撮像素子の概略構成を示す斜視図である。 第４の実施形態による赤外線撮像素子の一部を拡大して示す概略断面図である。 第５の実施形態による赤外線撮像システムの概略構成を示す模式図である。
［第１の実施形態］
以下、第１の実施形態について説明する。本実施形態では、赤外線検出器として量子ドット型赤外線検出器（ＱＤＩＰ）を開示し、その構成について製造方法と共に説明する。
図１〜図３は、第１の実施形態によるＱＤＩＰの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
ＱＤＩＰの各層は、例えば分子線エピタキシー（Molecular Beam Epitaxy：ＭＢＥ）を用いたエピタキシャル成長法により形成される。その他、有機金属気相成長（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：ＭＯＣＶＤ）等を用いても良い。ＱＤＩＰの量子ドットは、例えば格子不整合を利用した自己組織化法によって形成される。
先ず、図１（ａ）に示すように、ＧａＡｓ基板１上に下部電極層２を形成する。
詳細には、基板として例えばＧａＡｓ基板１を用意し、ＭＢＥ装置の基板導入室の中に導入する。ＧａＡｓ基板１は、準備室において脱ガス処理される。その後、超高真空に保持された成長室へ搬送する。成長室へ搬送されたＧａＡｓ基板１は、表面の酸化膜を除去するために、Ａｓ雰囲気下で加熱される。酸化膜を除去した後は、基板表面の平坦性を良くするために、例えばＧａＡｓバッファ層（不図示）を例えば基板温度６００℃程度にて１００ｎｍ程度成長する。
次に、例えば基板温度６００℃として、例えばＳｉドーピングをした電子濃度が１×１０18／ｃｍ3のｎ型ＧａＡｓを２５０ｎｍ程度の厚みに成長する。以上により、ＧａＡｓ基板１上に下部電極層２が形成される。ここで、Ｓｉ以外のｎ型不純物をドーピングするようにしても良い。また、キャリアを電子としたが、正孔とすることもできる。
続いて、図１（ｂ）に示すように、中間層１１を形成する。
詳細には、Ａｌを含有する化合物半導体材料、例えばＡｌbＧａ1-bＡｓ（０≦ｂ＜１）、具体的にはＡｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓを２５ｎｍ程度の厚みに成長する。以上により、下部電極層２上に中間層１１が形成される。
続いて、図１（ｃ）に示すように、第１障壁層１３を形成する。
詳細には、先ず、中間層１１よりもＡｌ濃度が低い組成の化合物半導体材料、例えばＡｌaＧａ1-aＡｓでａ＜ｂ（０≦ａ＜０．２）、ここではＡｌを含有しない（ａ＝０）ＧａＡｓを中間層１１上に例えば０．３ｎｍ程度の厚みに成長する。これにより、第２領域１２ｂが形成される。
次に、中間層１１よりもＡｌ濃度が高い組成の化合物半導体材料、例えばＡｌcＧａ1-cＡｓでｂ＜ｃ（０．２＜ｃ≦１）、ここではＧａを含有しない（ｃ＝１）ＡｌＡｓを第２領域１２ｂ上に例えば２ｎｍ以下、ここでは０．３ｎｍ程度の厚みに成長する。これにより、第１領域１２ａが形成される。第１領域１２ａを２ｎｍ以下の厚みに形成することにより、後述する量子ドット１４に対するＡｌの取り込み影響が緩和される。
以上により、中間層１１上に、第１領域１２ａ及びその下の第２領域１２ｂを有する第１障壁層１３が順次形成される。
化合物半導体材料では、Ａｌ濃度が高い（低い）組成であるほど、エネルギーギャップが大きく（小さく）なる。本実施形態では、第１領域１２ａは中間層１１よりもエネルギーギャップが大きく、且つ第２領域１２ｂは中間層１１よりもエネルギーギャップが小さい。この構成により、ＱＤＩＰの赤外線の検知感度が向上する。
続いて、図２（ａ）に示すように、量子ドット１４を形成する。
詳細には、基板温度を例えば４７０℃程度とし、厚みが例えば２〜３原子層分に相当するＩｎＡｓを供給する。ここで、初期のＩｎＡｓの供給では、ＩｎＡｓが平坦に２次元的に成長して濡れ層を形成する。その後のＩｎＡｓの供給では、ＡｌＡｓとＩｎＡｓとの格子定数の差異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、量子ドット１４が自己形成される。これらの量子ドット１４は、直径が１０ｎｍ程度〜２０ｎｍ程度で、高さが１ｎｍ程度〜２ｎｍ程度であり、面密度で約１０11個／ｃｍ2程度存在する。各々の量子ドット１４は、形成時に下部の材料を巻き込む。しかしながら、第１領域１２ａと中間層１１との間には中間層１１よりもＡｌ濃度が低い（ここではＡｌを含有しない）第２領域１２ｂが設けられているため、量子ドット１４内に取り込まれるＡｌ濃度が抑制される。その結果、量子ドット１４内に形成される不純物準位が抑制される。
続いて、図２（ｂ）に示すように、量子ドット１４を覆うように、第２障壁層１５を形成する。
詳細には、基板温度を例えば４７０℃程度に維持した状態で、中間層１１よりもＡｌ濃度が高い組成の化合物半導体材料、例えばＡｌdＧａ1-dＡｓでｂ＜ｃ（０．２＜ｄ≦１）、ここではＧａを含有しない（ｄ＝１）ＡｌＡｓを成長して量子ドット１４を覆う。これにより、第２障壁層１５が形成される。
以上のようにして、中間層１１、第１障壁層１３の第２領域１２ｂ、第１障壁層１３の第１領域１２ａ、量子ドット１４、及び第２障壁層１５が順次積層されてなる構造体１０が形成される。
続いて、図１（ｂ）〜図２（ｂ）の一連工程を例えば１０回〜２０回繰り返し行う。以上により、図２（ｃ）に示すように、複数（図示の例では５層のみ示す。）の構造体１０が積層形成されてなる量子ドット構造３が形成される。
続いて、図３（ａ）に示すように、量子ドット構造３上に上部電極層４を形成する。
詳細には、例えばＳｉドーピングをした電子濃度が１×１０18／ｃｍ3のｎ型ＧａＡｓを１５０ｎｍ程度の厚みに成長する。以上により、量子ドット構造３上に上部電極層４が形成される。
続いて、図３（ｂ）に示すように、下部電極５及び上部電極６を形成する。
詳細には、先ず、レジストマスク等を用いたエッチングにより、上部電極層４から下部電極層２の表面が露出するまで選択的にエッチングする。ここで、下部電極層２と量子ドット構造３との間に所定のエッチングストッパ層を形成しておき、上記の選択的エッチングの際にエッチングストッパとして用いるようにしても良い。
次に、下部電極層２上及び上部電極層４上に電極形成部位を露出する各開口を有するレジストマスクを形成し、各開口を埋め込むように電極材料、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを堆積する。リフトオフにより、レジストマスク及びその上のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを除去する。以上により、下部電極層２上に下部電極５が、上部電極層４上に上部電極６がそれぞれ形成される。
以上により、本実施形態による赤外線検出器を得ることができる。
以下、本実施形態による赤外線検出器の奏する作用効果について、緩衝層を有しない比較例との比較に基づいて説明する。図４は、量子ドットの形成過程におけるＡｌの取り込みについて説明するための概略断面図であり、（ａ）が比較例、（ｂ）が本実施形態である。図５は、比較例及び本実施形態におけるＳ／Ｎ比を示す特性図である。
比較例では、図４（ａ）のように、ＡｌＧａＡｓの中間層１０１上にＡｌＡｓの第１障壁層１０２が形成され、第１障壁層１０２上に本実施形態と同様に量子ドット１０３が自己形成される。量子ドット１０３は、図中の矢印Ｂで示すように、その周辺の材料を自身内に巻き込んで形成される。即ち、中間層１０１及び第１障壁層１０２に含まれるＡｌは化学的に非常に活性が高く、図中の矢印Ａ１，Ａ２で示すように、Ａｌと共に酸素等の不純物が量子ドット１０３に取り込まれる。これにより、量子ドット１０３内に不純物準位が形成される。不純物準位の形成により、赤外線検出の際に雑音が増加し、Ｓ／Ｎ比が低下することになる。
これに対して本実施形態では、図４（ｂ）のように、中間層１１と第１障壁層１３の第１領域１２ａとの間に緩衝層として第２領域１２ｂが設けられている。中間層１１よりもＡｌ濃度が低い第２領域１２ｂの存在により、量子ドット１４へのＡｌの取り込みが抑止されて不純物が減少する。これにより、量子ドット１４における不純物準位の形成が抑制され、図５に示すように、比較例よりも赤外線検出の際の雑音が減少してＳ／Ｎ比が向上する。
以上説明したように、本実施形態によれば、雑音を低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる信頼性の高いＱＤＩＰが実現する。
［第２の実施形態］
以下、第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態と同様に、赤外線検出器としてＱＤＩＰを開示するが、第１障壁層の組成が異なる点で第１の実施形態と相違する。
図６〜図７は、第２の実施形態によるＱＤＩＰの製造方法における主要工程を工程順に示す概略断面図である。
先ず、第１の実施形態と同様に、図１（ａ）〜図１（ｂ）の諸工程を行う。このとき、下部電極層２上に中間層１１が形成される。
続いて、図６（ａ）に示すように、第１障壁層２２を形成する。
詳細には、先ず、中間層１１よりもＡｌ濃度が低い組成の化合物半導体材料、例えばＧａＡｓと格子整合し、Ａｌを含有しないＩｎaＧａ1-aＰ（０≦ａ≦１）、ここではＩｎ0.48Ｇａ0.52Ｐ（ａ＝０．４８）を中間層１１上に例えば０．３ｎｍ程度の厚みに成長する。これにより、第２領域２１ｂが形成される。
次に、中間層１１よりもＡｌ濃度が高い組成の化合物半導体材料、例えばＡｌcＧａ1-cＡｓでｂ＜ｃ（０．２＜ｃ≦１）、ここではＧａを含有しない（ｃ＝１）ＡｌＡｓを第２領域２１ｂ上に例えば２ｎｍ以下、ここでは０．３ｎｍ程度の厚みに成長する。これにより、第１領域２１ａが形成される。第１領域２１ａを２ｎｍ以下の厚みに形成することにより、後述する量子ドット１４に対するＡｌの取り込み影響が緩和される。
以上により、中間層１１上に、第１領域２１ａ及びその下の第２領域２１ｂを有する第１障壁層２２が順次形成される。
化合物半導体材料では、Ａｌ濃度が高い（低い）組成であるほど、エネルギーギャップが大きく（小さく）なる。本実施形態では、第１領域２１ａは中間層１１よりもエネルギーギャップが大きい。且つ第２領域２１ｂは中間層１１よりもＡｌ濃度が小さい。この構成により、ＱＤＩＰの赤外線の検知感度が向上する。
続いて、図６（ｂ）に示すように、量子ドット１４を形成する。
詳細には、基板温度を例えば４７０℃程度とし、厚みが例えば２〜３原子層分に相当するＩｎＡｓを供給する。ここで、初期のＩｎＡｓの供給では、ＩｎＡｓが平坦に２次元的に成長して濡れ層を形成する。その後のＩｎＡｓの供給では、ＡｌＡｓとＩｎＡｓとの格子定数の差異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、量子ドット１４が自己形成される。これらの量子ドット１４は、直径が１０ｎｍ程度〜２０ｎｍ程度で、高さが１ｎｍ程度〜２ｎｍ程度であり、面密度で約１０11個／ｃｍ2程度存在する。各々の量子ドット１４は、形成時に下部の材料を巻き込む。しかしながら、第１領域２１ａと中間層１１との間には中間層１１よりもＡｌ濃度が低い（ここではＡｌを含有しない）第２領域２１ｂが設けられているため、量子ドット１４内に取り込まれるＡｌ濃度が抑制される。その結果、量子ドット１４内に形成される不純物準位が抑制される。
続いて、図６（ｃ）に示すように、量子ドット１４を覆うように、第２障壁層１５を形成する。
詳細には、基板温度を例えば４７０℃程度に維持した状態で、中間層１１よりもＡｌ濃度が高い組成の化合物半導体材料、例えばＡｌdＧａ1-dＡｓでｂ＜ｄ（０．２＜ｄ≦１）、ここではＧａを含有しない（ｄ＝１）ＡｌＡｓを成長して量子ドット１４を覆う。これにより、第２障壁層１５が形成される。
以上のようにして、中間層１１、第１障壁層２２の第２領域２１ｂ、第１障壁層２２の第１領域２１ａ、量子ドット１４、及び第２障壁層１５が順次積層されてなる構造体２０が形成される。
続いて、図１（ｂ）及び図６（ａ）〜図６（ｃ）の一連工程を例えば１０回〜２０回繰り返し行う。以上により、図７（ａ）に示すように、複数（図示の例では５層のみ示す。）の構造体２０が積層形成されてなる量子ドット構造７が形成される。
続いて、図７（ｂ）に示すように、上部電極層４、下部電極５、及び上部電極６を形成する。
詳細には、先ず、例えばＳｉドーピングをした電子濃度が１×１０18／ｃｍ3のｎ型ＧａＡｓを１５０ｎｍ程度の厚みに成長する。以上により、量子ドット構造７上に上部電極層４が形成される。
次に、レジストマスク等を用いたエッチングにより、上部電極層４から下部電極層２の表面が露出するまで選択的にエッチングする。ここで、下部電極層２と量子ドット構造７との間に所定のエッチングストッパ層を形成しておき、上記の選択的エッチングの際にエッチングストッパとして用いるようにしても良い。
次に、下部電極層２上及び上部電極層４上に電極形成部位を露出する各開口を有するレジストマスクを形成し、各開口を埋め込むように電極材料、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを堆積する。リフトオフにより、レジストマスク及びその上のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを除去する。以上により、下部電極層２上に下部電極５が、上部電極層４上に上部電極６がそれぞれ形成される。
以上により、本実施形態による赤外線検出器を得ることができる。
本実施形態によれば、雑音を低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる信頼性の高いＱＤＩＰが実現する。
［第３の実施形態］
以下、第３の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態と同様に、赤外線検出器としてＱＤＩＰを開示するが、第２障壁層の構造が異なる点で第１の実施形態と相違する。
図８〜図９は、第３の実施形態によるＱＤＩＰの製造方法における主要工程を工程順に示す概略断面図である。
先ず、第１の実施形態と同様に、図１（ａ）〜図２（ａ）の諸工程を行う。このとき、第１障壁層１３上に量子ドット１４が形成される。
続いて、図８（ａ）に示すように、量子ドット１４を覆うように、第２障壁層３２を形成する。
詳細には、先ず、基板温度を例えば４７０℃程度に維持した状態で、中間層１１よりもＡｌ濃度が高い組成の化合物半導体材料、例えばＡｌdＧａ1-dＡｓでｂ＜ｄ（０．２＜ｄ≦１）、ここではＧａを含有しない（ｄ＝１）ＡｌＡｓを成長して量子ドット１４を覆う。これにより、第３領域３１ａが形成される。
次に、中間層１１よりもＡｌ濃度が低い組成の化合物半導体材料、例えばＡｌeＧａ1-eＡｓでｅ＜ｂ（０≦ｅ＜０．２）、ここではＡｌを含有しない（ｅ＝０）ＧａＡｓを第３領域３１ａ上に例えば０．３ｎｍ程度の厚みに成長する。これにより、第４領域３１ｂが形成される。第３領域３１ａ及びその上の第４領域３１ｂにより、第２障壁層３２が形成される。
以上のようにして、中間層１１、第１障壁層１３の第２領域１２ｂ、第１障壁層１３の第１領域１２ａ、量子ドット１４、第２障壁層３２の第３領域３１ａ、及び第２障壁層３２の第４領域３１ｂが順次積層されてなる構造体３０が形成される。
続いて、図１（ｂ）〜図２（ａ）及び図８（ａ）の一連工程を例えば１０回〜２０回繰り返し行う。以上により、図８（ｂ）に示すように、複数（図示の例では５層のみ示す。）の構造体３０が積層形成されてなる量子ドット構造８が形成される。
続いて、図９に示すように、上部電極層４、下部電極５、及び上部電極６を形成する。
詳細には、先ず、例えばＳｉドーピングをした電子濃度が１×１０18／ｃｍ3のｎ型ＧａＡｓを１５０ｎｍ程度の厚みに成長する。以上により、量子ドット構造８上に上部電極層４が形成される。
次に、レジストマスク等を用いたエッチングにより、上部電極層４から下部電極層２の表面が露出するまで選択的にエッチングする。ここで、下部電極層２と量子ドット構造８との間に所定のエッチングストッパ層を形成しておき、上記の選択的エッチングの際にエッチングストッパとして用いるようにしても良い。
次に、下部電極層２上及び上部電極層４上に電極形成部位を露出する各開口を有するレジストマスクを形成し、各開口を埋め込むように電極材料、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを堆積する。リフトオフにより、レジストマスク及びその上のＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕを除去する。以上により、下部電極層２上に下部電極５が、上部電極層４上に上部電極６がそれぞれ形成される。
以上により、本実施形態による赤外線検出器を得ることができる。
本実施形態では、第１障壁層１３の第２領域１２ｂに加えて、第２障壁層３２の第３領域３１ａとその上方の中間層１１との間に緩衝層として第４領域３１ｂが設けられている。この構成により、量子ドット１４における不純物準位の形成が更に抑制され、赤外線検出の際の雑音が減少してＳ／Ｎ比が向上する。
以上説明したように、本実施形態によれば、雑音を低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる信頼性の高いＱＤＩＰが実現する。
なお、第３の実施形態において、第１障壁層１３の第２領域１２ｂ及び第２障壁層３２の第４領域３１ｂをＡｌＧａＡｓで形成する替わりに、ＩｎＧａＰを用いて形成しても良い。
また、第１〜第３の実施形態における第１障壁層の第２領域、更には第３の実施形態における第２障壁層の第４領域を、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＧａＰ、及びＩｎＰからなる群から選ばれた１種、又は当該群から選ばれた２種以上の混晶を用いて形成しても良い。
［第４の実施形態］
以下、第４の実施形態について説明する。本実施形態では、第１〜第３の実施形態から選ばれた１種の赤外線検出器を備えた赤外線撮像素子を開示する。
図１０は、第４の実施形態による赤外線撮像素子の概略構成を示す斜視図である。図１１は、第４の実施形態による赤外線撮像素子の一部を拡大して示す概略断面図である。
この赤外線撮像素子は、赤外線撮像パネル４１及び駆動回路４２を備えており、赤外線撮像パネル４１と駆動回路４２とがバンプ４３により電気的に接続されている。
赤外線撮像パネル４１は、第１〜第３の実施形態から選ばれた１種の赤外線検出器、ここでは例えば第１の実施形態による赤外線検出器４０が複数マトリクス状に平面配置されている。各赤外線検出器４０が画素となる。赤外線撮像パネル４１では、各赤外線検出器４０において、ＧａＡｓ基板１、例えばＩｎＧａＰのエッチングストッパ層３３、及び下部電極層２が共通とされている。各赤外線検出器４０の絶縁膜３４上には配線４４が形成されており、各配線４４上にバンプ４３が形成されている。バンプ４３の一部は各赤外線検出器４０の共通電極４３ａとされている。各配線４４は、一端で（例えば絶縁膜３４に形成された開口３４ａを介して）不図示の電極５又は電極６と電気的に接続されている。
駆動回路４２は、各赤外線検出器４０の駆動部であり、複数のトランジスタ４５と、電源電圧ＶAを印加する電源線４６とを有している。各トランジスタ４５は、バンプ４３と電気的に接続されており、電源線４６は、共通電極４３ａと電気的に接続されている。電源電圧ＶAを印加することにより、各赤外線検出器４０に出力電流が流れる。
本実施形態によれば、雑音を低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる信頼性の高い赤外線検出器４０を備えた信頼性の高い赤外線撮像素子が実現する。
［第５の実施形態］
以下、第５の実施形態について説明する。本実施形態では、第５の実施形態による赤外線撮像素子を備えた赤外線撮像システムを開示する。
図１２は、第５の実施形態による赤外線撮像システムの概略構成を示す模式図である。
この赤外線撮像システムは、センサ部５１、制御演算部５２、及び表示部５３を備えている。
センサ部５１は、入射光を集光するレンズ５４と、第４の実施形態による赤外線撮像素子５０と、赤外線撮像素子５０を冷却するための冷却部５５とを備えている。制御演算部５２は、赤外線撮像素子５０の駆動回路４２を制御するものである。表示部５３は、制御演算部５２から送信された撮像信号に基づいて、赤外線撮像素子５０で撮像された赤外線画像を表示する。
本実施形態によれば、雑音を低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる信頼性の高い赤外線検出器４０を備えた信頼性の高い赤外線撮像システムが実現する。
以下、赤外線検出器、撮像素子、及び撮像システムの諸態様について、付記としてまとめて記載する。
（付記１）量子ドット構造と、
前記量子ドット構造と接続された電極と
を備え、
前記量子ドット構造は、
量子ドットと、
前記量子ドットを覆うように設けられた、前記量子ドットの下方の第１障壁層及び前記量子ドットの上方の第２障壁層と、
前記第１障壁層の下方に設けられた中間層と
を有する構造体が複数積層されてなり、
前記第１障壁層は、第１領域と、前記第１領域と前記中間層との間に設けられた前記中間層よりもＡｌ濃度が低い第２領域とを有することを特徴とする赤外線検出器。
（付記２）前記第１領域は前記中間層よりもエネルギーギャップが大きいことを特徴とする付記１に記載の赤外線検出器。
（付記３）前記第２領域は、ＡｌaＧａ1-aＡｓ（０≦ａ＜１）を有することを特徴とする付記１又は２に記載の赤外線検出器。
（付記４）前記第２領域は、ＩｎaＧａ1-aＰ（０≦ａ≦１）を有することを特徴とする付記１又は２に記載の赤外線検出器。
（付記５）前記中間層はＡｌbＧａ1-bＡｓ（０＜ｂ≦１）を有し、前記第１領域はＡｌcＧａ1-cＡｓ（０＜ｃ≦１）を有しており、ｂ＜ｃであることを特徴とする付記３又は４に記載の赤外線検出器。
（付記６）前記第２障壁層はＡｌdＧａ1-dＡｓ（０＜ｄ≦１）を有しており、ｂ＜ｄであることを特徴とする付記５に記載の赤外線検出器。
（付記７）前記第２領域は、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＧａＰ、及びＩｎＰからなる群から選ばれた１種、又は前記群から選ばれた２種以上の混晶を有することを特徴とする付記１〜６のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
（付記８）前記第２障壁層は、第３領域と、前記第３領域の上部で前記中間層よりもＡｌ濃度が低い第４領域とを有することを特徴とする付記１〜７のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
（付記９）前記第１領域は、厚みが２ｎｍ以下とされていることを特徴とする付記１〜８のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
（付記１０）複数の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器を駆動する駆動部と
を備えており、
前記赤外線検出器は、
量子ドット構造と、
前記量子ドット構造と接続された電極と
を備え、
前記量子ドット構造は、
量子ドットと、
前記量子ドットを覆うように設けられた、前記量子ドットの下方の第１障壁層及び前記量子ドットの上方の第２障壁層と、
前記第１障壁層の下方に設けられた中間層と
を有する構造体が複数積層されてなり、
前記第１障壁層は、第１領域と、前記第１領域と前記中間層との間に設けられた前記中間層よりもＡｌ濃度が低い第２領域とを有することを特徴とする撮像素子。
（付記１１）前記第２領域は、ＡｌaＧａ1-aＡｓ（０≦ａ＜１）を有することを特徴とする付記１０に記載の撮像素子。
（付記１２）前記第２領域は、ＩｎaＧａ1-aＰ（０≦ａ≦１）を有することを特徴とする付記１０に記載の撮像素子。
（付記１３）赤外線センサ部と、
前記赤外線センサ部を制御する制御部と、
撮像された赤外線画像を表示する表示部と
を備えており、
前記赤外線センサ部は、
赤外線撮像素子と、
前記赤外線撮像素子を冷却する冷却部と、
前記赤外線撮像素子に赤外線を入射させるためのレンズと
を備えており、
前記赤外線撮像素子は、
複数の赤外線検出器と、
前記赤外線検出器を駆動する駆動部と
を備えており、
前記赤外線検出器は、
量子ドット構造と、
前記量子ドット構造と接続された電極と
を備え、
前記量子ドット構造は、
量子ドットと、
前記量子ドットを覆うように設けられた、前記量子ドットの下方の第１障壁層及び前記量子ドットの上方の第２障壁層と、
前記第１障壁層の下方に設けられた中間層と
を有する構造体が複数積層されてなり、
前記第１障壁層は、第１領域と、前記第１領域と前記中間層との間に設けられた前記中間層よりもＡｌ濃度が低い第２領域とを有することを特徴とする撮像システム。
（付記１４）前記第２領域は、ＡｌaＧａ1-aＡｓ（０≦ａ＜１）を有することを特徴とする付記１３に記載の撮像システム。
（付記１５）前記第２領域は、ＩｎaＧａ1-aＰ（０≦ａ≦１）を有することを特徴とする付記１３に記載の撮像システム。
１ ＧａＡｓ基板
２ 下部電極層
３，７，８ 量子ドット構造
１０，２０，３０ 構造体
１１，１０１ 中間層
１２ａ，２１ａ 第１領域
１２ｂ，２１ｂ 第２領域
１３，２２，１０２ 第１障壁層
１４，１０３ 量子ドット
１５，３２ 第２障壁層
５ 下部電極
６ 上部電極
３１ａ 第３領域
３１ｂ 第４領域
３３ ストッパ層
３４ 絶縁膜
３４ａ 開口
４０ 赤外線検出器
４１ 赤外線撮像パネル
４２ 駆動回路
４３ バンプ
４３ａ 共通電極
４４ 配線
４５ トランジスタ
４６ 電源線
５０ 赤外線撮像素子
５１ センサ部
５２ 制御演算部
５３ 表示部
５４ レンズ
５５ 冷却部

Claims (11)

  1. 量子ドット構造と、
    前記量子ドット構造と接続された電極と
    を備え、
    前記量子ドット構造は、
    量子ドットと、
    前記量子ドットを覆うように設けられた、前記量子ドットの下方の第１障壁層及び前記量子ドットの上方の第２障壁層と、
    前記第１障壁層の下方に設けられた中間層と
    を有する構造体が複数積層されてなり、
    前記第１障壁層は、第１領域と、前記第１領域と前記中間層との間に設けられた前記中間層よりもＡｌ濃度が低い第２領域とを有することを特徴とする赤外線検出器。
  2. 前記第１領域は前記中間層よりもエネルギーギャップが大きいことを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
  3. 前記第２領域は、ＡｌaＧａ1-aＡｓ（０≦ａ＜１）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線検出器。
  4. 前記第２領域は、ＩｎaＧａ1-aＰ（０≦ａ≦１）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の赤外線検出器。
  5. 前記中間層はＡｌbＧａ1-bＡｓ（０＜ｂ≦１）を有し、前記第１領域はＡｌcＧａ1-cＡｓ（０＜ｃ≦１）を有しており、ｂ＜ｃであることを特徴とする請求項３又は４に記載の赤外線検出器。
  6. 前記第２障壁層はＡｌdＧａ1-dＡｓ（０＜ｄ≦１）を有しており、ｂ＜ｄであることを特徴とする請求項５に記載の赤外線検出器。
  7. 前記第２領域は、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＳｂ、ＧａＰ、及びＩｎＰからなる群から選ばれた１種、又は前記群から選ばれた２種以上の混晶を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  8. 前記第２障壁層は、第３領域と、前記第３領域の上部で前記中間層よりもＡｌ濃度が低い第４領域とを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  9. 前記第１領域は、厚みが２ｎｍ以下とされていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  10. 複数の赤外線検出器と、
    前記赤外線検出器を駆動する駆動部と
    を備えており、
    前記赤外線検出器は、
    量子ドット構造と、
    前記量子ドット構造と接続された電極と
    を備え、
    前記量子ドット構造は、
    量子ドットと、
    前記量子ドットを覆うように設けられた、前記量子ドットの下方の第１障壁層及び前記量子ドットの上方の第２障壁層と、
    前記第１障壁層の下方に設けられた中間層と
    を有する構造体が複数積層されてなり、
    前記第１障壁層は、第１領域と、前記第１領域と前記中間層との間に設けられた前記中間層よりもＡｌ濃度が低い第２領域とを有することを特徴とする撮像素子。
  11. 赤外線センサ部と、
    前記赤外線センサ部を制御する制御部と、
    撮像された赤外線画像を表示する表示部と
    を備えており、
    前記赤外線センサ部は、
    赤外線撮像素子と、
    前記赤外線撮像素子を冷却する冷却部と、
    前記赤外線撮像素子に赤外線を入射させるためのレンズと
    を備えており、
    前記赤外線撮像素子は、
    複数の赤外線検出器と、
    前記赤外線検出器を駆動する駆動部と
    を備えており、
    前記赤外線検出器は、
    量子ドット構造と、
    前記量子ドット構造と接続された電極と
    を備え、
    前記量子ドット構造は、
    量子ドットと、
    前記量子ドットを覆うように設けられた、前記量子ドットの下方の第１障壁層及び前記量子ドットの上方の第２障壁層と、
    前記第１障壁層の下方に設けられた中間層と
    を有する構造体が複数積層されてなり、
    前記第１障壁層は、第１領域と、前記第１領域と前記中間層との間に設けられた前記中間層よりもＡｌ濃度が低い第２領域とを有することを特徴とする撮像システム。
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