JP2019220643A - 赤外線検出器 - Google Patents

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Abstract

【課題】比検出能を向上可能な赤外線検出器を提供する。【解決手段】赤外線センサ１０は、ｎ型半導体層３，５と、光電変換層４とを備える。光電変換層４は、ｎ型半導体層３，５によって挟まれ、かつ、不純物がドーピングされる。そして、光電変換層４は、量子ドット４１１と、障壁層４２と、バリア層４３とを含む。バリア層４３は、障壁層４２とｎ型半導体層５との間に障壁層４２およびｎ型半導体層５に接して配置され、かつ、障壁層４２よりも大きいバンドギャップを有する。また、バリア層４３の伝導帯下端とｎ型半導体層５の伝導帯下端とのエネルギーレベル差をｙとし、光電変換層４に印加される電圧をｚ（Ｖ）とし、光電変換層４の厚みをｄ（ｎｍ）としたとき、赤外線検出器１０は、ｙ≧２７×ｅｘｐ（０．６４×ｚ／（ｄ×１００００））を満たす。【選択図】図１

Description

この発明は、赤外線検出器に関する。
サブバンド間遷移を利用した量子ドット型赤外線検出器（ＱＤＩＰ：Quantum Dot Infrared Photodetector）は、高感度、高温動作、高速応答および波長選択性を特徴とする量子型赤外線検出器として期待されており、活発な研究開発が行われている。
しかし、暗電流が大きいため、感度（比検出能）が低く、高温動作を実現できていない。
暗電流を低減する方法として、光電変換層と、光電変換層の片側のｎ型コンタクト層との間にｐ型半導体層を設け、電子に対する障壁を形成する構造が知られている（特許文献１）。
また、暗電流を低減する方法として、光電変換層と、光電変換層の片側のｎ型コンタクト層との間にＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓのシングルバリアを形成する構造が知られている（非特許文献１）。
特開２００７−２５０６４８号公報
S. Chakrabarti, A. D. Stiff-Roberts, P. Bhattacharya, Fellow IEEE, S. Gunapala, S. Bandara, S. B. Rafol, and S. W. Kennerly, "High-Temperature Operation of InAs-GaAs Quantum-Dot Infrared Photodetectors With Large Responsivity and Detectivity", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 16, NO. 5, MAY 2004. H. Liu and J. Zhang, "Performance investigations of quantum dot infrared photodetectors", Infrared Physics & Technology 55(2012)320. L. Lin, H. L. Zhen, N. Li, W. Lu, Q. C. Weng, D. Y. Xiong, and F. Q. Liu, "Sequential coupling transport for the dark current of quantum dots-in-well infrared photodetectors", Appl. Phys. Lett. 97, 193511(2010).
しかし、特許文献１に記載の構造では、ｐ型半導体層を備えるため、キャリアの再結合を促してしまい、キャリア寿命が短くなる可能性がある。
また、非特許文献１に記載の構造では、シングルバリアのバンドギャップが小さいため、障壁層の伝導帯下端とコンタクト層の伝導帯下端とのエネルギーレベル差の増大効果が小さく、室温以上の動作温度において、典型的な熱型赤外線センサよりも比検出能が低下する可能性がある。
そこで、この発明の実施の形態によれば、比検出能を向上可能な赤外線検出器を提供する。
（構成１）
この発明の実施の形態によれば、赤外線センサは、第１のコンタクト層と、第２のコンタクト層と、光電変換層とを備える。光電変換層は、第１のコンタクト層と第２のコンタクト層との間に第１および第２のコンタクト層に接して配置され、かつ、不純物がドーピングされる。そして、光電変換層は、量子層と、障壁層と、バリア層とを含む。バリア層は、障壁層と第２のコンタクト層との間に障壁層および第２のコンタクト層に接して配置され、かつ、障壁層よりも大きいバンドギャップを有する。また、バリア層の伝導帯下端と第２のコンタクト層の伝導帯下端とのエネルギーレベル差をｙとし、光電変換層に印加される電圧をｚ（Ｖ）とし、光電変換層の厚みをｄ（ｎｍ）としたとき、赤外線検出器は、ｙ≧２７×ｅｘｐ（０．６４×ｚ／（ｄ×１００００））を満たす。
構成１によれば、赤外線検出器の比検出能を向上でき、赤外線検出器を７５℃の温度で動作させることができる。
（構成２）
構成１において、赤外線検出器は、ｙ≧２７×ｅｘｐ（０．６４×ｚ／（ｄ×１００００））に代えてｙ≧３８×ｅｘｐ（０．６３×ｚ／（ｄ×１００００））を満たす。
構成２によれば、赤外線検出器を８５℃の温度で動作させることができる。
（構成３）
構成１において、赤外線検出器は、ｙ≧２７×ｅｘｐ（０．６４×ｚ／（ｄ×１００００））に代えてｙ≧５２×ｅｘｐ（０．６３×ｚ／（ｄ×１００００））を満たす。
構成３によれば、赤外線検出器を１２５℃の温度で動作させることができる。
（構成４）
構成１において、赤外線検出器は、ｙ≧２７×ｅｘｐ（０．６４×ｚ／（ｄ×１００００））に代えてｙ≧４５×ｅｘｐ（０．６３×ｚ／（ｄ×１００００））を満たす。
構成４によれば、広範囲の波長帯域で赤外光を検出して利用する場合、赤外線検出器を８５℃の温度で動作させることができる。
（構成５）
構成１において、赤外線検出器は、ｙ≧２７×ｅｘｐ（０．６４×ｚ／（ｄ×１００００））に代えてｙ≧６３×ｅｘｐ（０．６２×ｚ／（ｄ×１００００））を満たす。
構成５によれば、広範囲の波長帯域で赤外光を検出して利用する場合、赤外線検出器を１２５℃の温度で動作させることができる。
（構成６）
構成１から構成５のいずれかにおいて、光電変換層は、伝導帯間吸収によって赤外線を吸収する。
構成６によれば、価電子帯間の吸収よりも高温度で赤外線検出器を動作させることができる。
（構成７）
構成１から構成６のいずれかにおいて、量子層は、量子ドットを含む。
構成７によれば、量子井戸を含む赤外線検出器よりも高温で赤外線検出器を動作させることができる。
（構成８）
構成１から構成７のいずれかにおいて、電圧ｚ（Ｖ）は、第２のコンタクト層が負バイアスになるように光電変換層に印加される。
構成８によれば、高い活性化エネルギーが得られる。
（構成９）
構成１から構成８のいずれかにおいて、第１および第２のコンタクト層の各々は、ｎ型ＧａＡｓである。
構成９によれば、光電変換層の品質を向上できる。
（構成１０）
構成１から構成９のいずれかにおいて、バリア層は、（Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ）１−ｘ（Ａｌ０．５２Ｉｎ０．４８Ｐ）ｘ（０．４＜ｘ≦１）である。
構成１０によれば、ＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓと格子整合できる。
（構成１１）
構成１から構成９のいずれかにおいて、バリア層は、ＡｌＡｓである。
構成１１によれば、ＧａＡｓからなる基板に格子整合でき、障壁層の伝導帯下端と第２のコンタクト層の伝導帯下端とのエネルギーレベルの差を増大させることができる。
（構成１２）
構成１から構成１１のいずれかにおいて、電圧ｚ（Ｖ）は、光電変換層において電界に対する活性化エネルギーの変化が指数関数領域となるように光電変換層に印加される。
構成１２によれば、赤外線検出器の比検出能を増大できる。
赤外線検出器の比検出能を向上できる。
この発明の実施の形態による赤外線検出器の断面図である。 図１に示す量子ドット層の別の構成を示す断面図である。 図１に示す赤外線検出器の製造方法を示す第１の工程図である。 図１に示す赤外線検出器の製造方法を示す第２の工程図である。 比検出能とＥ０，ｍｉｃｒｏとの関係を示す図である。 図１に示すｎ型半導体層３、光電変換層４およびｎ型半導体層５の伝導帯のバンド図を示す模式図である。 活性化エネルギーと印加電界との関係を示す図である。 印加電界を変化させたときの比検出能とＥ０，ｍｉｃｒｏとの関係を示す図である。 エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏと電界との関係を示す図である。 比検出能と波長との関係を示す図である。 エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏと電界との関係を示す図である。
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
この明細書において用いられる語句について説明する。
「量子層」とは、量子ドットまたは量子井戸などを含む層であり、障壁層と繰り返し積層することで光電変換層を形成する層である。
「量子ドット層」とは、量子ドット、濡れ層、中間層、量子ドットの下地層、量子ドットの部分キャップ層、および挿入層などを含む層である。
「量子ドット」とは、１００ｎｍ以下の粒子サイズを有する半導体微粒子であり、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料で囲まれた微粒子である。Ｓｔｒａｎｓｋｉ―Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）成長の場合、濡れ層を形成し、量子ドットの成長に移行する。
「量子ドットの下地層」とは、量子ドットおよび濡れ層を成長する下地となる層である。
「量子ドットの部分キャップ層」とは、量子ドット上に成長する層であり、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料からなり、量子ドットの一部を少なくとも覆う層である。以下に示す図１では、部分キャップ層が平坦であるが、量子ドット形状に沿った形状となっていても良い。また、図１では、部分キャップ層の厚みが量子ドットの高さ以上の厚みとなっているが、厚みは、量子ドットの高さ以下であっても良い。
「障壁層」とは、量子ドットを構成する半導体材料よりもバンドギャップの大きい半導体材料からなる層であり、量子ドット層の母体となる層である。また、量子ドットの下地層、量子ドットの部分キャップ層と同じ半導体材料であっても良い。
図１は、この発明の実施の形態による赤外線検出器の断面図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による赤外線検出器１０は、半導体基板１と、バッファ層２と、ｎ型半導体層３，５と、光電変換層４と、電極６，８とを備える。
バッファ層２は、半導体基板１の一方の面に接して半導体基板１上に配置される。ｎ型半導体層３は、バッファ層２に接してバッファ層２上に配置される。
光電変換層４は、ｎ型半導体層３に接してｎ型半導体層３上に配置される。ｎ型半導体層５は、光電変換層４に接して光電変換層４上に配置される。
電極６は、ｎ型半導体層５に接してｎ型半導体層５上に配置される。電極８は、ｎ型半導体層３に接してｎ型半導体層３上に配置される。
なお、ｎ型半導体層３を「第１コンタクト層」と言い、ｎ型半導体層５を「第２コンタクト層」と言う。
半導体基板１は、例えば、半絶縁性のＧａＡｓからなる。バッファ層２は、例えば、ＧａＡｓからなる。そして、バッファ層２は、例えば、１００ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。
ｎ型半導体層３，５の各々は、例えば、ｎ−ＧａＡｓからなる。そして、ｎ型半導体層３，５の各々は、例えば、１００ｎｍ〜１０００ｎｍの厚さを有する。
電極６，８の各々は、ｎ型電極であり、例えば、Ａｕ／ＡｕＧｅＮｉ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ、Ａｕ／Ｇｅ、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉ／Ａｕのいずれかからなる。そして、電極６，８の各々は、例えば、１０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。
光電変換層４は、複数の量子ドット層４１および障壁層４２と、バリア層４３とを積層した積層構造からなる。なお、図１においては、３層の量子ドット層４１および４層の障壁層４２を積層した場合を示しているが、赤外線検出器１０においては、２層以上の量子ドット層４１および障壁層４２が積層されていればよい。
複数の量子ドット層４１の各々は、量子ドット４１１と、量子ドット４１１の下地層４１２と、量子ドット４１１の濡れ層４１３と、量子ドット４１１の部分キャップ層４１４とを含む。
下地層４１２は、量子ドット４１１の下側に配置される。濡れ層４１３は、下地層４１２に接して下地層４１２上に配置される。
なお、量子ドット層４１は、量子ドット４１１、量子ドットの下地層４１２、濡れ層４１３および量子ドット４１１の部分キャップ層４１４に加えて挿入層等を含んでいても良い。
一般的には、量子ドット層４１は、量子ドット４１１および量子ドット４１１の部分キャップ層４１４を少なくとも含んでいればよい。
量子ドット層４１を構成する各材料は、特に限定されないが、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体であることが好ましい。
量子ドット４１１は、バンドギャップエネルギーが障壁層４２よりも小さい半導体材料からなることが好ましい。
量子ドット層４１を構成する各材料は、例えば、ＧａＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｓｘＳｂ１−ｘ、ＧａｘＩｎ１−ｘＳｂ、ＡｌＳｂｘＡｓ１−ｘ、ＡｌＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ、ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓｚＳｂ１−ｚ、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ、（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｚＩｎ１−ｚＰ、ＧａＡｓｘＰ１−ｘ、ＧａｙＩｎ１−ｙＡｓｚＰ１−ｚ、およびＩｎｘＡｌ１−ｘＡｓ（これらの材料において、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１である。以下、同じ。）のいずれかであることが好ましく、これらの混晶材料であっても良い。
なお、量子ドット層４１（「量子層」とも言う。）を構成する各材料は、周期律表の第ＩＶ族半導体または第ＩＩＩ族半導体材料と第Ｖ族半導体材料とからなる化合物半導体、または、第ＩＩ族半導体材料と第ＶＩ族半導体材料とからなる化合物半導体であっても良く、これらの混晶材料であっても良い。また、量子ドット層４１を構成する各材料は、カルコパイライト系材料であっても良いし、カルコパイライト系材料以外の半導体であっても良い。
光電変換層４は、ｐ型不純物またはｎ型不純物がドーピングされている。そして、この発明の実施の形態においては、光電変換層４は、量子ドット積層構造を有し、量子ドット積層構造は、量子ドット４１１、量子ドット４１１の下地層４１２、量子ドット４１１の部分キャップ層４１４および障壁層４２を少なくとも含み、量子ドット４１１、下地層４１２、部分キャップ層４１４および障壁層４２は、例えば、次の材料からなる。
量子ドット４１１は、ＩｎＡｓからなり、下地層４１２は、ＩｎＧａＡｓまたはＧａＡｓからなり、部分キャップ層４１４（「障壁層」とも言う。以下、同じ。）は、ＩｎＧａＡｓまたはＧａＡｓからなり、障壁層４２は、ＧａＡｓからなる。
また、下地層４１２および部分キャップ層４１４は、ＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＰまたはＧａＡｓＰからなっていてもよい。
図２は、図１に示す量子ドット層４１の別の構成を示す断面図である。この発明の実施の形態における量子ドット層４１は、図２の（ａ）に示す量子ドット層４１Ａからなっていてもよく、図２の（ｂ）に示す量子ドット層４１Ｂからなっていてもよい。
図２の（ａ）を参照して、量子ドット４１Ａは、図１に示す量子ドット層４１の部分キャップ層４１４を部分キャップ層４１４Ａに代えたものであり、その他は、量子ドット層４１と同じである。
部分キャップ層４１４Ａは、量子ドット４１１の形状に沿って量子ドット４１１および濡れ層４１３上に配置される。
図２の（ｂ）を参照して、量子ドット４１Ｂは、図１に示す量子ドット層４１の部分キャップ層４１４を部分キャップ層４１４Ｂに代えたものであり、その他は、量子ドット層４１と同じである。
部分キャップ層４１４Ｂは、量子ドット４１１と同じ厚さを有し、量子ドット４１１および濡れ層４１３上に配置される。
この発明の実施の形態においては、部分キャップ層は、図１に示す部分キャップ層４１４および図２に示す部分キャップ層４１４Ａ，４１４Ｂのいずれの構成からなっていてもよい。
この発明の実施の形態においては、光電変換層４は、量子ドット積層構造に加え、バリア層４３を含む。バリア層４３は、量子ドット層４１とｎ型半導体層５との間に量子ドット層４１およびｎ型半導体層５に接して配置される。
そして、バリア層４３は、例えば、（Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ）１−ｘ（Ａｌ０．５２Ｉｎ０．４８Ｐ）ｘ（０．４＜ｘ≦１）またはＡｌＡｓからなる。また、バリア層４３は、例えば、４０ｎｍの厚みを有する。
図３および図４は、それぞれ、図１に示す赤外線検出器１０の製造方法を示す第１および第２の工程図である。
図３を参照して、赤外線検出器１０の製造が開始されると、半絶縁性のＧａＡｓからなる半導体基板１を分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）装置内に支持する（図３の工程（ａ））。
そして、ＭＢＥ法によってバッファ層２を半導体基板１上に形成する（図３の工程（ｂ））。この場合、例えば、バッファ層２として２００ｎｍの厚さのＧａＡｓ層を形成する。バッファ層２の形成によって、バッファ層２上に形成される光電変換層４の結晶性を向上させることができる。その結果、光電変換層４での受光効率が確保された赤外線検出器を提供することができる。
工程（ｂ）の後、ＭＢＥ法によってバッファ層２上にｎ型半導体層３を形成する（図３の工程（ｃ））。この場合、例えば、ｎ型半導体層３として１０００ｎｍのｎ−ＧａＡｓ層を形成する。
引き続いて、ＭＢＥ法によって、量子ドット４１１を含む量子ドット層４１および障壁層４２をｎ型半導体層３上に形成する（図３の工程（ｄ））。
この場合、量子ドット４１１は、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖ（Ｓ−Ｋ）成長と呼ばれる方法によって形成される。
より具体的には、障壁層４２としてＧａＡｓ層を結晶成長させ、その後、自己組織化機構によって、ＩｎＡｓからなる量子ドット４１１を形成する。この場合、量子ドット４１１の形成時に、例えば、ｎ型不純物を量子ドット４１１にドーピングする。その後、部分キャップ層４１４としてＧａＡｓ層を結晶成長させることによって量子ドット４１１を埋め込むことで量子ドット層４１を形成する。
そして、工程（ｄ）を、例えば、２０回繰り返すことによって、量子ドット層４１および障壁層４２を積層した構造をｎ型半導体層３上に形成する（図３の工程（ｅ））。
なお、障壁層４２の厚みは、例えば、４０ｎｍの厚みである。
図３の工程（ｅ）の後、障壁層４２を形成し、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓからなるバリア層４３を障壁層４２上に形成する（図４の工程（ｆ））。これによって、光電変換層４が形成される。
そして、ＭＢＥ法によって、ｎ型半導体層５を光電変換層４上に形成する（図４の工程（ｇ））。この場合、例えば、ｎ型半導体層５として５００ｎｍの厚さを有するｎ−ＧａＡｓ層を結晶成長させる。これにより、ｎ＋ｉｎ＋構造またはｎ＋ｎｎ＋構造が形成される。
引き続いて、積層体をＭＢＥ装置から取り出し、フォトリソグラフィおよびウェットエッチングを用いて、光電変換層４およびｎ型半導体層５の一部を除去し、ｎ型半導体層５上に電極６を形成し、ｎ型半導体層３上に電極８を形成する。これによって、赤外線検出器１０が完成する（図４の工程（ｈ））。
上記の製造工程においては、ｎ型ドーパントして、例えば、Ｓｉを用いることができる。また、上記の製造工程においては、ｎ型不純物を量子ドット４１１にドーピングすると説明したが、この発明の実施の形態においては、これに限らず、量子ドット４１１の下部の障壁層４２へのドーピング、部分キャップ層４１４へのドーピング、および部分キャップ層４１４の上部の障壁層４２へのドーピングのいずれのドーピングを行ってもよい。ドーピングを行うことによって、光励起させるキャリアの効率的な生成が可能となる。
更に、電極６，８の各々としてＡｕを用いることが好ましく、電極６，８の各々は、抵抗加熱の蒸着法による真空蒸着によって形成されることが好ましい。
赤外線検出器１０に赤外線が入射されると、光電変換層４における光吸収によって電子が励起され、励起された電子は、電界によって移動し、光電流として電極６，８によって取り出される。そして、赤外線検出器１０において、光電変換層４は、好ましくは、伝導帯間吸収によって赤外線を吸収する。また、光電変換層４に電圧を印加する場合、好ましくは、ｎ型半導体層５（第２コンタクト層）が負バイアスになるように電圧を印加する。
図５は、比検出能とＥ０，ｍｉｃｒｏとの関係を示す図である。図５において、縦軸は、比検出能Ｄ＊を表し、横軸は、ｎ型半導体層５の伝導帯下端と障壁層の伝導帯下端とのエネルギーレベル差（＝Ｅ０，ｍｉｃｒｏ）を表す。
また、曲線ｋ１は、量子ドット層４１を７０層積層した光電変換層４を用い、光電変換層４への印加電界を５．５ｋＶ／ｃｍとし、動作温度を８０Ｋとし、量子ドット４１１と障壁層４２との間の活性化エネルギーＥ０，ｎａｎｏを２２４．７ｍｅＶとして、Ｅ０，ｍｉｃｒｏを２０〜１０００ｍｅＶの範囲で変化させたときの比検出能Ｄ＊を計算した結果を示す。
なお、比検出能Ｄ＊は、非特許文献２に記載の次式によって計算された。
Figure 2019220643
式（１）において、ｋは、ボルツマン定数であり、Ｔは、絶対温度であり、ｈは、プランク定数であり、ｅは、素電荷であり、ｇｐは、光伝導ゲインであり、ｇｎは、ノイズゲインであり、ｍｂは、電子の有効質量であり、Ｎは、量子ドット中の平均キャリア数であり、Ｅは、電界であり、Ｋは、量子ドット数である。Ｅ0，ｍｉｃｒｏ、Ｅ0，ｎａｎｏは、非特許文献３に記載の通り、それぞれ、無バイアス時の障壁層の伝導帯下端と第２コンタクト層の伝導帯下端とのエネルギーレベル差、および量子ドットのイオン化エネルギーであり、Ｅ０およびβは、フィッティングパラメータである。
また、素子の活性化エネルギーＥａは、次式で表される。
Figure 2019220643
非特許文献３においては、バリア層を設けないＩｎＡｓ／ＧａＡｓの量子ドット構造において、Ｅ０，ｍｉｃｒｏが３４．６ｍｅＶであることが開示されており、下記の検証では、例えば、Ｅ０，ｍｉｃｒｏ＝３０〜４０ｍｅＶのデータを比較値として用いた。
また、図５に示す計算において、印加電界を５．５ｋＶ／ｃｍとしたのは、非特許文献１においては、平均電界として、印加電圧を光電変換層の厚みで割った場合、およそ５．５ｋＶ／ｃｍとなるからである。
図５を参照して、比検出能Ｄ＊は、Ｅ０，ｍｉｃｒｏの増加に伴って増大する（曲線ｋ１参照）。そして、図５に示す矢印は、非特許文献１におけるＥ０，ｍｉｃｒｏ（＝２９０ｍｅＶ）を用いた時の比検出能Ｄ＊を示す。Ｅ０，ｍｉｃｒｏが３０〜４０ｍｅＶから２９０ｍｅＶへ増加した場合、比検出能Ｄ＊は、約２倍になる。
一方、本願のバリア層４３を含む光電変換層４を用いて比検出能Ｄ＊を計算した結果を示す曲線ｋ１から明らかなように、Ｅ０，ｍｉｃｒｏが３０〜４０ｍｅＶから１０００ｍｅＶへ増加した場合、比検出能Ｄ＊は、約１１倍になる。
このように、Ｅ０，ｍｉｃｒｏを増大させることによって、比検出能Ｄ＊を増大させることができる。
図６は、図１に示すｎ型半導体層３、光電変換層４およびｎ型半導体層５の伝導帯のバンド図を示す模式図である。
図６を参照して、ｎ型半導体層５（第２コンタクト層）の伝導帯下端と障壁層の伝導帯下端とのエネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏの変化は、シュレディンガー−ポアソンの自己無撞着によって見積もることができる。
エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏを見積もるために、１次元量子井戸構造に関してシミュレーションを行った。ＧａＡｓからなる第２コンタクト層に対して非特許文献１に記載のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなるバリア層を挿入した場合、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏは、約２９０ｍｅＶとなることが予測される。
一方、Ａｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓからなるバリア層４３を挿入した場合、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏは、約５７０ｍｅＶとなることが予測される（図６参照）。また、ＡｌＡｓからなるバリア層４３を挿入した場合、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏを約１０００ｍｅＶに増大できることが予測される。
従って、バリア層４３を挿入することによって、Ｅ０，ｍｉｃｒｏが２９０ｍｅＶであるときの比検出能（図５の矢印参照）よりも比検出能Ｄ＊を増大させることができる（図５参照）。
図７は、活性化エネルギーと印加電界との関係を示す図である。図７において、縦軸は、素子の活性化エネルギーを表し、横軸は、印加電界を表す。また、曲線ｋ２は、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏが４０ｍｅＶであるときの活性化エネルギーと印加電界との関係を示し、曲線ｋ３は、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏが２００ｍｅＶであるときの活性化エネルギーと印加電界との関係を示し、曲線ｋ４は、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏが４００ｍｅＶであるときの活性化エネルギーと印加電界との関係を示す。
図７を参照して、活性化エネルギーは、印加電界が低い側で増大する。そして、活性化エネルギーは、印加電界の低い領域において、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏの増大に伴って大きくなる（曲線ｋ２〜ｋ４参照）。
従って、印加電界を低い領域に設定するとともにエネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏを増大させることによって活性化エネルギーを大きくできる。そして、この発明の実施の形態においては、電圧は、光電変換層４において電界に対する活性化エネルギーの変化が指数関数領域となるように光電変換層４に印加される。
図８は、印加電界を変化させたときの比検出能とＥ０，ｍｉｃｒｏとの関係を示す図である。図８において、縦軸は、比検出能Ｄ＊を表し、横軸は、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏを表す。また、曲線ｋ５は、印加電界が３ｋＶ／ｃｍであるときの比検出能Ｄ＊とＥ０，ｍｉｃｒｏとの関係を示し、曲線ｋ６は、印加電界が５ｋＶ／ｃｍであるときの比検出能Ｄ＊とＥ０，ｍｉｃｒｏとの関係を示し、曲線ｋ７は、印加電界が７ｋＶ／ｃｍであるときの比検出能Ｄ＊とＥ０，ｍｉｃｒｏとの関係を示す。
図８を参照して、比検出能Ｄ＊は、各印加電界において、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏの増大に伴って大きくなる。また、比検出能Ｄ＊は、同じエネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏにおいては、印加電界の低下に伴って大きくなる（曲線ｋ５〜ｋ７参照）。
従って、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏを大きくし、かつ、印加電界を低下させることによって比検出能Ｄ＊を向上させることができる。
図９は、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏと電界との関係を示す図である。図９において、縦軸は、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏを表し、横軸は、電界を表す。また、曲線ｋ８は、比検出能Ｄ＊が非特許文献１における比検出能の５倍になるときのエネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏと電界との関係を示し、曲線ｋ９は、比検出能Ｄ＊が非特許文献１における比検出能の１０倍になるときのエネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏと電界との関係を示し、曲線ｋ１０は、比検出能Ｄ＊が非特許文献１における比検出能の３０倍になるときのエネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏと電界との関係を示す。更に、星印は、非特許文献１における比検出能を表す。非特許文献１におけるエネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏは、約２９０ｍｅＶであり、印加電界は、５．５ｋＶ／ｃｍである。
図９を参照して、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏは、電界の増加に伴って指数関数的に増加する。エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏをｙとし、光電変換層４に印加される電界をｘとしたとき、曲線ｋ８は、ｙ＝２７．１２ｅｘｐ（０．６４ｘ）によって表され、曲線ｋ９は、ｙ＝３７．８８ｅｘｐ（０．６３ｘ）によって表され、曲線ｋ１０は、ｙ＝５１．６１ｅｘｐ（０．６３ｘ）によって表される。
そして、曲線ｋ８〜ｋ１０よりも左上に位置するエネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏおよび印加電界を有する場合、それぞれ、動作温度が７０℃、８５℃および１２５℃で典型的な熱型赤外線センサよりも高い比検出能Ｄ＊を有する。従って、ＱＤＩＰの高速応答および波長選択性を生かした赤外線センサを提供できる。
ｘは、光電変換層４に印加される電界であるため、光電変換層４に印加される電圧をｚ（Ｖ）とし、光電変換層４の厚みをｄ（ｎｍ）とした場合、曲線ｋ８は、ｙ＝２７．１２ｅｘｐ（０．６４ｚ／（ｄ×１００００））によって表され、曲線ｋ９は、ｙ＝３７．８８ｅｘｐ（０．６３ｚ／（ｄ×１００００））によって表され、曲線ｋ１０は、ｙ＝５１．６１ｅｘｐ（０．６３ｚ／（ｄ×１００００））によって表される。ここで、ｚ／（ｄ×１００００）の単位は、（ｋＶ／ｃｍ）である。
従って、赤外線センサ１０は、動作温度が７０℃であるとき、ｙ≧２７．１２ｅｘｐ（０．６４ｚ／（ｄ×１００００））を満たし、動作温度が８５℃であるとき、ｙ≧３７．８８ｅｘｐ（０．６３ｚ／（ｄ×１００００））を満たし、動作温度が１２５℃であるとき、ｙ≧５１．６１ｅｘｐ（０．６３ｚ／（ｄ×１００００））を満たす。
次に、バリア層４３の材料をＡｌＩｎＧａＰに変えて障壁層の伝導帯下端とコンタクト層（ｎ型半導体層５）の伝導帯下端とのエネルギーレベルの差のシミュレーションを行った。なお、ＡｌＩｎＧａＰは、ＧａＡｓからなる基板と格子整合する材料である。
シミュレーションを行った結果、ＡｌＩｎＧａＰは、（Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ）１−ｚ（Ａｌ０．５２Ｉｎ０．４８Ｐ）ｚ（０＜ｚ＜１）のとき、ＧａＡｓ基板と格子整合し、ｚ＞０．４のとき、非特許文献１において想定されるエネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏ（＝約２９０ｍｅＶ）よりも大きな値を期待できる。
ＧａＡｓからなるｎ型半導体層５（コンタクト層）に対して（Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ）１−ｚ（Ａｌ０．５２Ｉｎ０．４８Ｐ）ｚ（ｚ＝０．７）からなるバリア層４３を導入した場合、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏが約３９０ｍｅＶになることが期待できる。
また、ＧａＡｓからなるｎ型半導体層５（コンタクト層）に対して（Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ）１−ｚ（Ａｌ０．５２Ｉｎ０．４８Ｐ）ｚ（ｚ＝０．９）からなるバリア層４３を導入した場合、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏが約４７０ｍｅＶになることが期待できる。
従って、ＡｌＩｎＧａＰからなるバリア層４３を導入することによって効果を発揮することが分かった。
ＱＤＩＰは、波長選択性の特徴を有するので、波長選択性を生かすことによって、より精度の高い温度検出等に利用できる。
一方、典型的な熱型赤外線センサは、波長選択性が無く、広範囲の波長帯域で赤外光を検出して利用する。
波長選択性の特徴を有するＱＤＩＰを広範囲の波長帯域で赤外光を検出して利用する場合（例えば、８〜１４μｍ帯を広く利用するアプリケーション）、ＱＤＩＰのピーク感度は、熱型赤外線センサよりも高い必要がある。
そこで、上記を鑑みた場合の見積を行った。より具体的には、民生用途での利用を想定し、１０μｍの検出ピークを有するＱＤＩＰに対して、８〜１４μｍ帯の大気の窓領域で見積を行った。ＱＤＩＰの検出ピークの半値幅は、典型的には、Δλ／λが約３０％であり、今回の計算においては、約３μｍの半値幅を採用した。
図１０は、比検出能と波長との関係を示す図である。図１０において、縦軸は、比検出能Ｄ＊を表し、横軸は、波長を表す。また、曲線ｋ１１は、ＱＤＩＰの比検出能Ｄ＊と波長との関係を示し、直線ｋ１２は、熱型センサの比検出能Ｄ＊と波長との関係を示す。
図１０を参照して、８〜１４μｍ帯でのみ、赤外光を検出する場合、典型的な熱型赤外線センサと同程度のシグナルを得るためには、ＱＤＩＰの感度は、Ａｌ０．７Ｇａ０．３ＡｓまたはＡｌＡｓからなるバリア層４３を用いたときの比検出能Ｄ＊の２倍である必要があることが分かる。即ち、比検出能Ｄ＊が５倍、１０倍、および３０倍のそれぞれ２倍、つまり、１０倍、２０倍および６０倍となる必要がある。
図１１は、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏと印加電界との関係を示す図である。図１１において、縦軸は、エネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏを表し、横軸は、印加電界を表す。また、曲線ｋ１３は、比検出能Ｄ＊が非特許文献１における比検出能の１０倍になるときのエネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏと印加電界との関係を示し、曲線ｋ１４は、比検出能Ｄ＊が非特許文献１における比検出能の２０倍になるときのエネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏと印加電界との関係を示し、曲線ｋ１５は、比検出能Ｄ＊が非特許文献１における比検出能の６０倍になるときのエネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏと印加電界との関係を示す。
図１１を参照して、曲線ｋ１３は、ｙ＝３７．８８ｅｘｐ（０．６３ｘ）によって表され、曲線ｋ１４は、ｙ＝４５．０７ｅｘｐ（０．６３ｘ）によって表され、曲線ｋ１５は、ｙ＝６３．０２ｅｘｐ（０．６２ｘ）によって表される。
ｘを電圧ｚと厚みｄで表すと、曲線ｋ１３は、ｙ＝３７．８８ｅｘｐ（０．６３ｚ／（ｄ×１００００））によって表され、曲線ｋ１４は、ｙ＝４５．０７ｅｘｐ（０．６３ｚ／（ｄ×１００００））によって表され、曲線ｋ１５は、ｙ＝６３．０２ｅｘｐ（０．６２ｚ／（ｄ×１００００））によって表される。
そして、曲線ｋ１３〜ｋ１５によって表される近似曲線よりも左上に位置するエネルギーレベルの差Ｅ０，ｍｉｃｒｏおよび印加電界を有する場合、それぞれ、動作温度が７０℃、８５℃および１２５℃において、典型的な熱型赤外線センサと同じレベルの比検出能が期待できる。
即ち、赤外線センサ１０は、動作温度が７０℃であるとき、ｙ≧３７．８８ｅｘｐ（０．６３ｚ／（ｄ×１００００））を満たし、動作温度が８５℃であるとき、ｙ≧４５．０７ｅｘｐ（０．６３ｚ／（ｄ×１００００））を満たし、動作温度が１２５℃であるとき、ｙ≧６３．０２ｅｘｐ（０．６２ｚ／（ｄ×１００００））を満たす。
従って、ＱＤＩＰの特徴である高速応答および波長選択性を生かした赤外線センサを提供できる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
この発明は、赤外線検出器に適用される。
１ 半導体基板、２ バッファ層、３，５ ｎ型半導体層、４ 光電変換層、６，８ 電極、１０ 赤外線検出器、４１ 量子ドット層、４２ 障壁層、４３ バリア層、４１１ 量子ドット、４１２ 下地層、４１３ 濡れ層、４１４ 部分キャップ層。

Claims (12)

  1. 第１のコンタクト層と、
    第２のコンタクト層と、
    前記第１のコンタクト層と前記第２のコンタクト層との間に前記第１および第２のコンタクト層に接して配置され、かつ、不純物がドーピングされた光電変換層とを備え、
    前記光電変換層は、
    量子層と、
    障壁層と、
    前記障壁層と前記第２のコンタクト層との間に前記障壁層および前記第２のコンタクト層に接して配置され、かつ、前記障壁層よりも大きいバンドギャップを有するバリア層とを含み、
    前記バリア層の伝導帯下端と前記第２のコンタクト層の伝導帯下端とのエネルギーレベル差をｙとし、前記光電変換層に印加される電圧をｚ（Ｖ）とし、前記光電変換層の厚みをｄ（ｎｍ）としたとき、ｙ≧２７×ｅｘｐ（０．６４×ｚ／（ｄ×１００００））を満たす、赤外線検出器。
  2. 前記ｙ≧２７×ｅｘｐ（０．６４×ｚ／（ｄ×１００００））に代えてｙ≧３８×ｅｘｐ（０．６３×ｚ／（ｄ×１００００））を満たす、請求項１に記載の赤外線検出器。
  3. 前記ｙ≧２７×ｅｘｐ（０．６４×ｚ／（ｄ×１００００））に代えてｙ≧５２×ｅｘｐ（０．６３×ｚ／（ｄ×１００００））を満たす、請求項１に記載の赤外線検出器。
  4. 前記ｙ≧２７×ｅｘｐ（０．６４×ｚ／（ｄ×１００００））に代えてｙ≧４５×ｅｘｐ（０．６３×ｚ／（ｄ×１００００））を満たす、請求項１に記載の赤外線検出器。
  5. 前記ｙ≧２７×ｅｘｐ（０．６４×ｚ／（ｄ×１００００））に代えてｙ≧６３×ｅｘｐ（０．６２×ｚ／（ｄ×１００００））を満たす、請求項１に記載の赤外線検出器。
  6. 前記光電変換層は、伝導帯間吸収によって赤外線を吸収する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  7. 前記量子層は、量子ドットを含む、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  8. 前記電圧ｚ（Ｖ）は、前記第２のコンタクト層が負バイアスになるように前記光電変換層に印加される、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  9. 前記第１および第２のコンタクト層の各々は、ｎ型ＧａＡｓである、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  10. 前記バリア層は、（Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ）１−ｘ（Ａｌ０．５２Ｉｎ０．４８Ｐ）ｘ（０．４＜ｘ≦１）である、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  11. 前記バリア層は、ＡｌＡｓである、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
  12. 前記電圧ｚ（Ｖ）は、前記光電変換層において電界に対する活性化エネルギーの変化が指数関数領域となるように前記光電変換層に印加される、請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
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