JP2020126955A - 赤外線検出器およびそれを用いたイメージセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】表面再結合を抑制可能な赤外線検出器を提供する。【解決手段】赤外線検出器１０は、第１の電極（電極１）と、複数の量子ドット素子２とを備える。複数の量子ドット素子２は、第１の電極（電極１）上に周期的に配置され、かつ、電気的に接続される。複数の量子ドット素子２の各々は、第１のコンタクト層と、光電変換層と、第２のコンタクト層と、第２の電極とを含む。第１のコンタクト層は、第１の電極（電極１）上に配置される。光電変換層２２は、第１のコンタクト層上に配置され、量子ドット層を含む。第２のコンタクト層は、光電変換層上に配置される。第２の電極は、第２のコンタクト層上に配置される。【選択図】図１

Description

この発明は、赤外線検出器およびそれを用いたイメージセンサに関する。

従来、非特許文献１に記載の量子井戸型赤外線検出器が知られている。この量子井戸型赤外線検出器は、光電変換層が量子井戸層であり、ナノ金属共振器アレイを採用する。

また、特許文献１に記載の赤外線センサが知られている。この赤外線センサは、量子ドットまたは量子井戸を用い、正方格子状に配置された円形の孔を表面の電極に設けることによって電極に生じた表面プラズモンを量子ドットまたは量子井戸に結合させ、高感度化を実現している。

特開２０１２−０８３２３８号公報

D. Palaferri et.al., "Room-temperature nine-μm-wavelength photodetectors and GHz-frequency heterodyne receivers", Nature 556, ページ85 (2018).

しかし、非特許文献１に記載された量子井戸型赤外線検出器においては、活性層が量子井戸層であるため、生成されたキャリが面内に移動しやすく、表面再結合により失活しやすいという問題がある。ナノ金属共振器アレイの場合、典型的な量子ドット赤外線検出器よりも小さいメサ構造となるため、更に、表面再結合の影響が大きくなるという問題がある。

また、特許文献１に記載された赤外線センサにおいては、光電変換層が周期的にパターン化されていないので、微小共振器による光電場増強とアンテナ効果が得られないという問題がある。

そこで、この発明の実施の形態によれば、表面再結合を抑制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、赤外線検出器は、第１の電極と、複数の量子ドット素子とを備える。複数の量子ドット素子は、第１の電極に電気的に接続される。そして、複数の量子ドット素子は、平面上に周期的に配置され、かつ、電気的に接続される。複数の量子ドット素子の各々は、第１のコンタクト層と、光電変換層と、第２のコンタクト層と、第２の電極とを含む。第１のコンタクト層は、第１の電極上に配置される。光電変換層は、第１のコンタクト層上に配置され、量子ドット層を含む。第２のコンタクト層は、光電変換層上に配置される。第２の電極は、第２のコンタクト層上に配置される。
（構成２）
構成１において、複数の量子ドット素子の共鳴波長は、量子ドット層の積層方向の偏光を吸収する積層偏光吸収帯域に含まれる。

（構成３）
構成２において、複数の量子ドット素子の配置パターンは、２×量子ドット素子のサイズ×屈折率が積層偏光吸収帯域に含まれる量子ドット素子のサイズを有するパターンである。

（構成４）
構成２または構成３において、積層偏光吸収帯域に含まれるメインピークに起因する遷移先準位は、量子ドット層における中間層の母体半導体の伝導帯下端よりも高いエネルギーレベルにある準束縛状態である。

（構成５）
構成１から構成４のいずれかにおいて、複数の量子ドット素子の共鳴波長は、３〜５．５μｍまたは８〜１４μｍの範囲に含まれる。

（構成６）
また、この発明の実施の形態によるイメージセンサは、構成１から構成５のいずれかの赤外線検出器を備え、赤外線検出器を画素として用いる。

赤外線検出器において、表面再結合を抑制できる。

この発明の実施の形態による赤外線検出器の概略図である。 図１に示す線ＩＩ−ＩＩ間における赤外線検出器の断面図である。 図１に示す線ＩＩＩ−ＩＩＩ間における赤外線検出器の断面図である。 図２および図３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から図３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から図３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。 図１から図３に示す赤外線検出器の製造方法を示す第３の工程図である。 図１から図３に示す赤外線検出器の製造方法を示す第４の工程図である。 図１から図３に示す赤外線検出器の製造方法を示す第５の工程図である。 吸収係数とエネルギーとの関係を示す図である。 量子ドットの中心付近の面内方向のポテンシャル分布を示す図である。 吸収係数とエネルギーとの別の関係を示す図である。 量子ドットの中心付近の面内方向の別のポテンシャル分布を示す図である。 この発明の実施の形態によるイメージセンサの概略図である。

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り、バンドギャップが量子ドットを構成する半導体材料よりも大きい半導体材料からなる。

「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。

「中間層」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概略図である。図２は、図１に示す線ＩＩ−ＩＩ間における赤外線検出器の断面図である。図３は、図１に示す線ＩＩＩ−ＩＩＩ間における赤外線検出器の断面図である。図１から図３において、ｘ−ｙ平面を規定する。

図１から図３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、支持基板２０と、電極１と、複数の量子ドット素子２と、金属ワイヤ３とを備える。

量子ドット素子２は、コンタクト層２１，２３と、光電変換層２２と、電極２４とを含む。

電極１は、支持基板２０上に配置され、電極１Ａと電極１Ｂとをウェハーボンディングした構造からなる。複数の量子ドット素子２は、光電変換層２２を構成する最下層の量子ドット層２２１に含まれる中間層２２１５と、コンタクト層２３とを共通に有し、電極１上に周期的に配置される。

コンタクト層２３は、電極１の一方の面に接して電極１上に配置される。光電変換層２２は、コンタクト層２３に接してコンタクト層２３上に配置される。コンタクト層２１は、光電変換層２２に接して光電変換層２２上に配置される。電極２４は、金属ワイヤ３を覆うようにコンタクト層２１に接してコンタクト層２１上に配置される。

金属ワイヤ３は、量子ドット素子２の領域においては、ｙ軸方向に沿ってコンタクト層２１上にコンタクト層２１および電極２４に接して配置される。この場合、金属ワイヤ３は、電極２４をｙ軸方向に貫通する。また、金属ワイヤ３は、量子ドット素子２のコンタクト層２１および光電変換層２２の側面に接するとともに、隣接する量子ドット素子２間においては、光電変換層２２の一部の層（中間層２２１５）に接して配置される。金属ワイヤ３は、例えば、Ｔｉ，Ａｕからなり、１５０ｎｍの幅を有する。金属ワイヤ３がＴｉ，Ａｕからなる結果、金属ワイヤ３は、光電変換層２２の一部の層（中間層２２１５）との間でショットキーバリアを形成するので、垂直方向の電流が抑制される。

電極１は、例えば、５００ｎｍの厚みを有する。コンタクト層２１，２３の各々は、例えば、ｎ型ＧａＡｓからなる。そして、コンタクト層２１は、例えば、５０ｎｍの厚さを有し、コンタクト層２３は、例えば、１００ｎｍの厚さを有する。

電極２４は、ｎ型電極であり、例えば、Ｐｄ，Ｇｅ，Ｔｉ，Ａｕからなる。そして、電極２４は、例えば、１０ｎｍ〜５００ｎｍの厚さを有する。

光電変換層２２は、複数の量子ドット層２２１を積層した積層構造からなる。なお、図２および図３においては、５層の量子ドット層２２１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２２１が積層されていればよい。

複数の量子ドット層２２１の各々は、量子ドット２２１１と、量子ドット２２１１の下地層２２１２と、量子ドット２２１１の濡れ層２２１３と、量子ドット２２１１の部分キャップ層２２１４と、中間層２２１５とを含む。

量子ドット２２１１は、電極１側へ突出した断面構造を有する。下地層２２１２は、量子ドット２２１１の上側に配置される。濡れ層２２１３は、下地層２２１２に接して下地層２２１２の下側に配置される。中間層２２１５は、量子ドット層２２１の積層方向において、量子ドット２２１１、下地層２２１２および濡れ層２２１３の両側に配置される。

なお、量子ドット層２２１は、量子ドット２２１１、量子ドットの下地層２２１２、濡れ層２２１３、量子ドット２２１１の部分キャップ層２２１４および中間層２２１５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２２１は、量子ドット２２１１、量子ドット２２１１の下地層２２１２、量子ドット２２１１の部分キャップ層２２１４および中間層２２１５を少なくとも含んでいればよい。

量子ドット層２２１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２２１１は、バンドギャップエネルギーが中間層２２１５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２２１を構成する各材料は、例えば、ＧａＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘ、ＡｌＳｂ、ＩｎＡｓ_ｘＳｂ_１−ｘ、Ｇａ_ｘＩｎ_１−ｘＳｂ、ＡｌＳｂ_ｘＡｓ_１−ｘ、ＡｌＡｓ_ｚＳｂ_１−ｚ、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ、Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ_ｚＳｂ_１−ｚ、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＰ、（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_ｚＩｎ_１−ｚＰ、ＧａＡｓ_ｘＰ_１−ｘ、Ｇａ_ｙＩｎ_１−ｙＡｓ_ｚＰ_１−ｚ、およびＩｎ_ｘＡｌ_１−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２２１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２２１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。

この発明の実施の形態においては、光電変換層２２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２２１１、量子ドット２２１１の下地層２２１２、量子ドット２２１１の部分キャップ層２２１４および中間層２２１５を少なくとも含み、量子ドット２２１１、下地層２２１２、部分キャップ層２２１４および中間層２２G１５は、例えば、次の材料からなる。

量子ドット２２１１は、Ｉｎ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１）からなり、中間層２２１５は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる。

なお、部分キャップ層２２１４は、一般的には、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）からなっていればよい。部分キャップ層２２１４（障壁層）がＡｌＧａＡｓからなると、ＧａＡｓよりもバンドギャップが大きい部分キャップ層２２１４（障壁層）をＧａＡｓ基板上に作成し易くなる。

また、部分キャップ層２２１４（障壁層）は、ＩｎＧａＰまたはＧａＡｓＰからなっていてもよい。

図４は、図２および図３に示す量子ドット層２２１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２２１は、図４の（ａ）に示す量子ドット層２２１Ａからなっていてもよく、図４の（ｂ）に示す量子ドット層２２１Ｂからなっていてもよい。

図４の（ａ）を参照して、量子ドット層２２１Ａは、図２および図３に示す量子ドット層２２１の部分キャップ層２２１４を部分キャップ層２２１４Ａに変えたものであり、その他は、量子ドット層２２１と同じである。

部分キャップ層２２１４Ａは、量子ドット２２１１の形状に沿って量子ドット２２１１および濡れ層２２１３上に配置される。

図４の（ｂ）を参照して、量子ドット層２２１Ｂは、図２および図３に示す量子ドット層２２１の部分キャップ層２２１４を部分キャップ層２２１４Ｂに変えたものであり、その他は、量子ドット層２２１と同じである。

部分キャップ層２２１４Ｂは、量子ドット２２１１と同じ厚さを有し、量子ドット２２１１および濡れ層２２１３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２および図３に示す部分キャップ層２２１４および図４に示す部分キャップ層２２１４Ａ，２２１４Ｂのいずれの構成からなっていてもよい。

図１においては、例えば、９個の量子ドット素子２が図示されている。そして、９個の量子ドット素子２は、電極１上においてｘ−ｙ平面に沿って碁盤目状に配置される。この場合、隣接する２つの量子ドット素子２間の距離は、ｘ軸方向およびｙ軸方向において同じであり、例えば、３．３μｍである。また、ｙ軸方向に沿って配置された３個の量子ドット素子２は、金属ワイヤ３によって並列に接続される。

なお、量子ドット素子２の個数が９個以外である場合も、複数の量子ドット素子２は、図１に示すように、電極１上に周期的に配置される。

また、上記構成では、複数の量子ドット素子２の電極１は、同一としているが、各量子ドット素子２ごとに別々の電極を設けてもよい。

以上より、複数の量子ドット素子２によって１つの検出素子として動作する。同じサイズで一般的な量子ドット素子を作製する場合と比較して、この発明の実施の形態による構造では、光電変換層のトータル面積を小さくでき、１つの検出素子としての暗電流を小さくできる。従って、高感度化が可能となる。これは、ナノ金属アレイ構造によるアンテナ効果（集光効果）に起因する。

図５から図９は、それぞれ、図１から図３に示す赤外線検出器１０の製造方法を示す第１から第５の工程図である。

図５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３０を分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）装置内に支持する（図５の工程（ａ））。

そして、ＭＢＥ法によって、ＧａＡｓからなるバッファ層４０と、ＡｌＧａＡｓからなる犠牲層４１と、コンタクト層２１とを半導体基板３０上に順次形成する（図５の工程（ｂ））。この場合、例えば、コンタクト層２１として５０ｎｍの厚さのｎ型ＧａＡｓ層を形成する。

工程（ｂ）の後、ＭＢＥ法によって、中間層２２１５と、量子ドット２２１１とを含む量子ドット層２２１をコンタクト層２１上に形成する（図５の工程（ｃ））。

この場合、量子ドット２２１１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、中間層２２１５としてＡｌＧａＡｓ層を結晶成長させ、その後、量子ドット２２１１の下地層２２１２としてＧａＡｓ層を結晶成長させ、自己組織化機構によって、ＩｎＡｓからなる量子ドット２２１１を形成する。その後、部分キャップ層２２１４としてＧａＡｓ層を結晶成長させることによって量子ドット２２１１を埋め込む。更に、その後、中間層２２１５としてＡｌＧａＡｓ層を結晶成長させることにより量子ドット層２２１を形成する。

なお、量子ドット間の中間層２２１５の厚みは、例えば、４０ｎｍである。

そして、工程（ｃ）を、例えば、５回繰り返すことによって、量子ドット層２２１を積層した構造を有する光電変換層２２をコンタクト層２１上に形成する（図５の工程（ｄ））。

図５の工程（ｄ）の後、ＭＢＥ法によって、コンタクト層２３を光電変換層２２上に形成する（図６の工程（ｅ））。この場合、例えば、コンタクト層２３として１００ｎｍの厚さを有するｎ型ＧａＡｓ層を結晶成長させる。これにより、ｎ^＋−ｉ−ｎ^＋構造が形成される。なお、量子ドット層２２１へ不純物ドーピングしてもよい。不純物としては、例えば、シリコンである。量子ドット層２２１へドーピングした場合、工程（ｅ）によって、ｎ^＋−ｎ⁻−ｎ^＋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、コンタクト層２３上に電極１Ａを形成する（図６の工程（ｆ））。

工程（ｆ）の後、電極１Ｂを形成した支持基板２０と、上記積層体とをウェハーボンディングする。具体的には、支持基板２０の電極１Ｂと、積層体の電極１Ａとをウェハーボンディングする。これによって、電極１Ａおよび電極１Ｂは、電極１を形成する（図７の工程（ｇ））。

工程（ｇ）の後、犠牲層４１まで選択エッチングすることにより、半導体基板３０を剥離する（図７の工程（ｈ））。その後、一般的な製造方法（フォトリソグラフィ等）によって支持基板２０上に複数の量子ドット素子２を形成する（図８の工程（ｉ））。この場合、量子ドット素子２以外の部分は、例えば、中間層２２１５だけが残るように光電変換層２２の途中までエッチングする。また、複数の量子ドット素子２は、例えば、隣接する２つの量子ドット素子２間の距離が３．３μｍになるように形成する。ＴｉＡｕからなる金属ワイヤ３は、電子線リソグラフィにより形成し、ｙ軸方向に配置された複数の量子ドット素子２のコンタクト層２１間を電気的に接続する（図８の工程（ｊ））。その際、金属ワイヤ３は、量子ドット素子２間の光電変換層２２（量子ドット２２１５を含まない）上に形成されるが、金属ワイヤ３と光電変換層２２（量子ドット２２１５を含まない）との間には、ショットキーバリアが形成されるため、金属ワイヤ３と電極１との間で、電流は、流れない。

工程（ｊ）の後、コンタクト層２１（一部、金属ワイヤ３を含む）上にのみ、ＰｄＧｅを蒸着し、アニール処理を加えることによってオーミック接触を形成し、電極２４を形成する（図９の工程（ｋ））。その結果、電流は、電極１と電極２４との間を、コンタクト層２３、光電変換層２２およびコンタクト層２１を介して流れる。

電気的に接続された複数の量子ドット素子２と、外部回路（読み出し回路）との電気的接続は、Ｓｉ_３Ｎ_４からなる絶縁層を介して形成された外部電極を介して行う。外部電極は、各金属ワイヤと電気的に接続され、また、ワイヤボンディングにより外部回路と電気的に接続する。これによって、赤外線検出器１０が完成する。

赤外線検出器１０に赤外線が入射されると、光電変換層２２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１および電極２４によって取り出される。

この場合、赤外線検出器１０は、複数の量子ドット素子２が周期的に配置された構成を備えているため、赤外線検出器１０に垂直方向に入射する光に対して応答し、量子ドット層２２１の積層方向の偏光を吸収する。そして、赤外線検出器１０は、量子ドット２２１１を光電変換層２２に採用しているため、光励起されたキャリアは、量子ドット層２２１の面内方向（量子ドット層２２１の積層方向に垂直な方向）に流れにくくなる。従って、光励起されたキャリアの表面再結合を抑制できる。その結果、赤外線検出器１０の感度を向上できる。

特に、量子ドット素子２のサイズが１．３μｍと小さい場合には、キャリアの表面再結合の影響が大きくなるが、赤外線検出器１０において、量子ドット２２１１を光電変換層２２に採用しているため、量子ドット素子２のサイズが小さくなった場合にも、キャリアの表面再結合の影響を抑制してキャリアの長寿命化が一層発揮される。

なお、量子井戸構造を光電変換層に適用した赤外線検出器においては、光励起されたキャリアは、光電変換層の面内方向に流れ易いため、キャリアの表面再結合の影響が大きくなり、キャリアの長寿命化が困難である。従って、量子井戸構造を有する光電変換層を含む量子井戸素子を周期的に配置した赤外線検出器においては、この発明の実施の形態による赤外線検出器１０のように、キャリアの表面再結合を抑制して感度を向上させることは困難である。

赤外線検出器１０においては、量子ドット素子２のサイズは、１．３μｍ角であり、隣接する２つの量子ドット素子２間の距離は、３．３μｍである。そして、量子ドット素子２は、電極１と電極２４とによって挟まれた構造を有するので、ナノ金属共振器の効果が得られる。ナノ金属共振器における共鳴波長は、２×（量子ドット素子２のサイズ）×屈折率によって定義され、この場合、共鳴波長が８〜９μｍであることが報告されている。その結果、赤外線検出器１０においては、量子ドット素子２のサイズを変更することによって共鳴波長を任意に制御できる。また、共鳴できる波長帯域は、例えば、共鳴波長の前後数μｍである。よって、赤外線検出器１０の検出波長は、共鳴波長の前後数μｍの範囲である必要がある。

従って、赤外線検出器１０は、周期的に配置された複数の量子ドット素子２の共鳴波長が量子ドット層２２１の積層方向の偏光を吸収する積層偏光吸収帯域に含まれる構成を有する。この構成は、複数の量子ドット素子２の共鳴波長が積層偏光吸収帯域に含まれるように量子ドット素子２のサイズを決定することによって実現される。そして、赤外線検出器１０は、この構成によって、感度を向上できる。

また、赤外線検出器１０においては、複数の量子ドット素子２の配置パターンは、２×（量子ドット素子２のサイズ）×屈折率が積層偏光吸収帯域に含まれる量子ドット素子２のサイズを有するパターンであることを特徴とする。この特徴によって、赤外線検出器１０の感度を向上できる。

赤外線検出器１０は、更に、積層偏光吸収のメインピークの光によるキャリアの遷移先準位が準束縛状態である構成を備えていてもよい。

準束縛状態は、中間層２２１５の伝導帯下端よりも高いエネルギー位置にある閉じ込め準位である。

準束縛状態である遷移先準位は、結晶成長条件（温度等）によって量子ドット２２１１のサイズを制御することによって調整可能である。

また、量子ドット２２１１の高さは、インジウムフラッシュ法を用いることによって制御される。インジウムフラッシュ法は、量子ドットを成長させた後、量子ドット上にキャップ層を堆積し、基板温度を短時間で上昇および下降させることによって量子ドットの高さをキャップ層の厚さに制御する方法である。

積層偏光吸収のメインピークの光によるキャリアの遷移先準位が準束縛状態である構成によって、赤外線検出器１０の比検出能を最大限に高めることができる。

図１０は、吸収係数とエネルギーとの関係を示す図である。図１０において、縦軸は、吸収係数を表し、横軸は、エネルギーを表す。また、実線は、積層偏光における伝導帯サブレベル間の吸収スペクトルを示し、点線は、面内偏光における伝導帯サブレベル間の吸収スペクトルを示す。更に、数値計算は、８−ｂａｎｄ（歪効果およびピエゾ電界効果を考慮）を用いた。ＧａＡｓ中間層に埋め込まれた、濡れ層を含むレンズ型の量子ドットを想定し、量子ドットの高さを４ｎｍとし、量子ドットの直径を２０ｎｍとして吸収スペクトルを計算した。なお、光吸収は、伝導帯基底準位からの遷移を示す。

図１０を参照して、積層方向の光吸収のメインピークは、０．２７ｅＶ（４．６μｍ）であることが分かる。この波長は、大気の窓の領域となる。また、上述したように、量子ドット素子２のサイズを変更することによって共鳴波長を任意に制御可能である。

量子ドット素子２のサイズを０．７μｍ角、隣接する２つの量子ドット素子２間の距離を３．３μｍに設定することによって、積層方向の光吸収のメインピークが０．２７ｅＶ（４．６μｍ）となる。

図１１は、量子ドット２２１１の中心付近の面内方向のポテンシャル分布を示す図である。図１１を参照して、伝導帯基底準位は、量子ドット層２２１の伝導帯下端から０．９１ｅＶの位置に存在し、中間層の伝導帯下端は、量子ドット層２２１の伝導帯下端から約１．１７ｅＶの位置に存在し、遷移先準位は、量子ドット層２２１の伝導帯下端から約１．１８ｅＶの位置に存在する。

その結果、遷移先準位は、伝導帯基底準位から０．２７ｅＶの位置に存在し、中間層の伝導帯下端よりも高いエネルギー位置に存在する準束縛状態である。

従って、４．６μｍの波長は、複数の量子ドット素子２が周期的に配置された構成からなる共振器の共鳴波長であり、かつ、積層方向の偏光を吸収する遷移の感度を高める量子準位に制御された量子ドット構造を作製できることがわかる。よって、赤外線検出器１０の比検出能を最大限に高めることができる。

この発明の実施の形態においては、共鳴波長が３〜５．５μｍまたは８〜１４μｍの範囲に含まれるように、量子ドット素子２のサイズを設定する。

図１２は、吸収係数とエネルギーとの別の関係を示す図である。図１２において、縦軸は、吸収係数を表し、横軸は、エネルギーを表す。また、実線は、積層偏光における伝導帯サブレベル間の吸収スペクトルを示し、点線は、面内偏光における伝導帯サブレベル間の吸収スペクトルを示す。更に、数値計算は、８−ｂａｎｄ（歪効果およびピエゾ電界効果を考慮）を用いた。ＧａＡｓ中間層に埋め込まれた、濡れ層を含むレンズ型の量子ドットを想定し、量子ドットの高さを７．５ｎｍとし、量子ドットの直径を２０ｎｍとして吸収スペクトルを計算した。なお、光吸収は、伝導帯基底準位からの遷移を示す。

図１２を参照して、積層方向の光吸収のメインピークは、０．１４ｅＶであることが分かる。

図１３は、量子ドットの中心付近の面内方向の別のポテンシャル分布を示す図である。図１３を参照して、伝導帯基底準位は、量子ドット層の伝導帯下端から０．８７ｅＶの位置に存在し、中間層の伝導帯下端は、量子ドット層の伝導帯下端から約１．１５ｅＶの位置に存在し、遷移先準位は、量子ドット層の伝導帯下端から約１．０１ｅＶの位置に存在する。

その結果、遷移先準位は、伝導帯基底準位から０．１４ｅＶの位置に存在し、中間層の伝導帯下端よりも低いエネルギー位置に存在する束縛準位である。従って、光励起されたキャリアの取り出し効率は、低くなる。

上述したように、量子ドット２２１１のサイズを制御することによって、光励起されたキャリアの遷移先準位を準束縛状態に制御でき、赤外線検出器１０の比検出能を最大限に高めることができる。

図１４は、この発明の実施の形態によるイメージセンサの概略図である。図１３を参照して、この発明の実施の形態によるイメージセンサ１００は、複数の赤外線検出器１０を備え、複数の赤外線検出器１０は、ｎ行×ｎ列（ｎは、正の整数）に配置される。赤外線検出器１０の個数は、画素数と同じである。つまり、イメージセンサ１００は、赤外線検出器１０を画素として用いたイメージセンサである。

図１４においては、３×３画素のイメージセンサが示されており、ピッチ間隔は、３０μｍであり、画素サイズは、２５μｍ角である。そして、９個の赤外線検出器１０が３行×３列に配列されている。

このように、この発明の実施の形態による赤外線検出器１０を用いてイメージセンサ１００を作製することができる。そして、赤外線検出器１０を備えるイメージセンサ１００は、高感度で各画素を撮像できる。

上述した実施の形態によれば、この発明の実施の形態による赤外線検出器は、次の構成を備えていればよい。
（構成１）
赤外線検出器は、第１の電極と、複数の量子ドット素子とを備える。複数の量子ドット素子は、第１の電極に電気的に接続される。そして、複数の量子ドット素子は、平面上に周期的に配置され、かつ、電気的に接続される。複数の量子ドット素子の各々は、第１のコンタクト層と、光電変換層と、第２のコンタクト層と、第２の電極とを含む。第１のコンタクト層は、第１の電極上に配置される。光電変換層は、第１のコンタクト層上に配置され、量子ドット層を含む。第２のコンタクト層は、光電変換層上に配置される。第２の電極は、第２のコンタクト層上に配置される。
（構成２）
構成１において、複数の量子ドット素子の共鳴波長は、量子ドット層の積層方向の偏光を吸収する積層偏光吸収帯域に含まれる。

（構成３）
構成２において、複数の量子ドット素子の配置パターンは、２×量子ドット素子のサイズ×屈折率が積層偏光吸収帯域に含まれる量子ドット素子のサイズを有するパターンである。

（構成４）
構成２または構成３において、積層偏光吸収帯域に含まれるメインピークに起因する遷移先準位は、量子ドット層における中間層の母体半導体の伝導帯下端よりも高いエネルギーレベルにある準束縛状態である。

（構成５）
構成１から構成４のいずれかにおいて、複数の量子ドット素子の共鳴波長は、３〜５．５μｍまたは８〜１４μｍの範囲に含まれる。

（構成６）
イメージセンサは、構成１から構成５のいずれかの赤外線検出器を備え、赤外線検出器を画素として用いる。

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、赤外線検出器およびそれを用いたイメージセンサに適用される。

１，２４ 電極、２ 量子ドット素子、１０ 赤外線検出器、２０ 支持基板、２１，２３ コンタクト層、２２ 光電変換層、３０ 半導体基板、２２１，２２１Ａ，２２１Ｂ 量子ドット層、２２１１ 量子ドット、２２１２ 下地層、２２１３ 濡れ層、２２１４，２２１４，２２１４Ｂ 部分キャップ層、２２１５ 中間層。

Claims (6)

1. 第１の電極と、
   前記第１の電極に電気的に接続された複数の量子ドット素子とを備え、
   前記複数の量子ドット素子は、平面上に周期的に配置され、かつ、電気的に接続され、
   前記複数の量子ドット素子の各々は、
   前記第１の電極上に配置された第１のコンタクト層と、
   前記第１のコンタクト層上に配置され、量子ドット層を含む光電変換層と、
   前記光電変換層上に配置された第２のコンタクト層と、
   前記第２のコンタクト層上に配置された第２の電極とを含む、赤外線検出器。
2. 前記複数の量子ドット素子の共鳴波長は、前記量子ドット層の積層方向の偏光を吸収する積層偏光吸収帯域に含まれる、請求項１に記載の赤外線検出器。
3. 前記複数の量子ドット素子の配置パターンは、２×前記量子ドット素子のサイズ×屈折率が前記積層偏光吸収帯域に含まれる前記量子ドット素子のサイズを有するパターンである、請求項２に記載の赤外線検出器。
4. 前記積層偏光吸収帯域に含まれるメインピークに起因する遷移先準位は、前記量子ドット層における中間層の母体半導体の伝導帯下端よりも高いエネルギーレベルにある準束縛状態である、請求項２または請求項３に記載の赤外線検出器。
5. 前記複数の量子ドット素子の共鳴波長は、３〜５．５μｍまたは８〜１４μｍの範囲に含まれる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の赤外線検出器。
6. 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を備え、
   前記赤外線検出器を画素として用いる、イメージセンサ。

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