JP3233614B2 - 量子島を用いる光感知素子及びその製造方法 - Google Patents
量子島を用いる光感知素子及びその製造方法Info
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-
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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- H01L31/09—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光デバイスにおけ
る光検出器に関するもので、特に、光感知素子面に対し
て垂直に入射される光を効率的に感知し得る、量子島
（Quantum dot ）を用いる光感知デバイスたる光感知素
子及びその製造方法に関するものである。
る光検出器に関するもので、特に、光感知素子面に対し
て垂直に入射される光を効率的に感知し得る、量子島
（Quantum dot ）を用いる光感知デバイスたる光感知素
子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、光の波長帯域別領域では、図１
に示すように、かなり多くの種々の周波数帯域の光が混
在しているが、目で確認し得る光の波長帯は約０．４〜
０．７μｍ程度である。また、紫外線領域は通常０．０
１〜０．４μｍであり、赤外線領域は０．７〜１，００
０μｍである。
に示すように、かなり多くの種々の周波数帯域の光が混
在しているが、目で確認し得る光の波長帯は約０．４〜
０．７μｍ程度である。また、紫外線領域は通常０．０
１〜０．４μｍであり、赤外線領域は０．７〜１，００
０μｍである。
【０００３】図１は別の水平軸に光エネルギー（フォト
ンエネルギー）レベルを対応して表示している。各光波
長別エネルギーの変換は次の数式によりなされる。
ンエネルギー）レベルを対応して表示している。各光波
長別エネルギーの変換は次の数式によりなされる。
【０００４】
【数１】
【０００５】上記数式において、ｃは真空中での光の速
度であり、ｖは光の振動数であり、ｈはプランク定数
（Planck's constant ）であり、ｈｖはｅＶ単位で表示
された光エネルギーである。したがって、光の波長が
０．５ｃｍである緑色の光エネルギーは２．４８ｅＶに
なる。このような光の検出又は特定光の発生のための光
デバイスは通常光子と電子間の相互作用により得られ、
固体内での光子と電子間の相互作用には、吸収、自然放
出、誘導放出などの基本的な３過程がある。
度であり、ｖは光の振動数であり、ｈはプランク定数
（Planck's constant ）であり、ｈｖはｅＶ単位で表示
された光エネルギーである。したがって、光の波長が
０．５ｃｍである緑色の光エネルギーは２．４８ｅＶに
なる。このような光の検出又は特定光の発生のための光
デバイスは通常光子と電子間の相互作用により得られ、
固体内での光子と電子間の相互作用には、吸収、自然放
出、誘導放出などの基本的な３過程がある。
【０００６】前述した固体内での光子と電子間の相互作
用を用いる光デバイスと呼ばれる素子は光の粒子である
光子により動作されるものであり、その種類には、電気
エネルギーを光エネルギーに変換する発光ダイオード及
びダイオードレーザーなどの素子と、電気的に光信号を
感知する光検出素子と、光エネルギーを電気的エネルギ
ーに変換する太陽電池などの素子が代表的であると言え
る。
用を用いる光デバイスと呼ばれる素子は光の粒子である
光子により動作されるものであり、その種類には、電気
エネルギーを光エネルギーに変換する発光ダイオード及
びダイオードレーザーなどの素子と、電気的に光信号を
感知する光検出素子と、光エネルギーを電気的エネルギ
ーに変換する太陽電池などの素子が代表的であると言え
る。
【０００７】以下に説明する光信号は一般的な可視光で
なく、赤外線であることを意味する（一般の可視光に対
する光検出素子は既存の素子又は製法によっても十分に
可能である）。このような多様な光デバイスのうち、光
検出素子は、光の有無によって素子内部で変化する温度
差を電気的信号に変換させる熱型光感知素子である焦電
（pyroelectric）素子と、入射する光の光子（photon）
に反応する光子型光感知素子とに区分し得るが、近年
は、量子効率が高く、その反応速度も非常に速い利点を
有する光子型光感知素子が主流をなしている。
なく、赤外線であることを意味する（一般の可視光に対
する光検出素子は既存の素子又は製法によっても十分に
可能である）。このような多様な光デバイスのうち、光
検出素子は、光の有無によって素子内部で変化する温度
差を電気的信号に変換させる熱型光感知素子である焦電
（pyroelectric）素子と、入射する光の光子（photon）
に反応する光子型光感知素子とに区分し得るが、近年
は、量子効率が高く、その反応速度も非常に速い利点を
有する光子型光感知素子が主流をなしている。
【０００８】前記のような光子型光感知素子を具現する
ため、人々は、図２（ａ）に示すように、小さいバンド
ギャップを得ることができる半導体の価電子帯域と伝導
帯域間の遷移を用いるか、図２（ｂ）に示すように、比
較的大きいバンドギャップを有する半導体とより大きい
バンドギャップを有する半導体を交互に形成させて多重
量子井（quantum well）を形成し、その多重量子井から
得られる伝導帯域又は価電子帯域内の副バンド間の遷移
を用いるようにしていた。その一例がII−VI族化合物で
あるＭＣＴ感知素子であり、ほかの例がIII−Ｖ族化合
物であるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井感知素子で
ある。
ため、人々は、図２（ａ）に示すように、小さいバンド
ギャップを得ることができる半導体の価電子帯域と伝導
帯域間の遷移を用いるか、図２（ｂ）に示すように、比
較的大きいバンドギャップを有する半導体とより大きい
バンドギャップを有する半導体を交互に形成させて多重
量子井（quantum well）を形成し、その多重量子井から
得られる伝導帯域又は価電子帯域内の副バンド間の遷移
を用いるようにしていた。その一例がII−VI族化合物で
あるＭＣＴ感知素子であり、ほかの例がIII−Ｖ族化合
物であるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井感知素子で
ある。
【０００９】ここで、ＭＣＴ感知素子のように、バンド
ギャップが小さい半導体を使用する場合、バンドギャッ
プが小さい物質は取り扱いにくく、かつ処理も広い面積
に均一でなくて、広い面積の感知素子の配列を形成する
ことに適せず、収率もよくない。これに対し、多重量子
井形態の感知素子は、従来のシリコン（Ｓｉ）又はガリ
ウム砒素（ＧａＡｓ）基板をそのまま利用し得るので、
成熟した工程をそのまま利用することができ、これによ
り広い面積の基板に均一な処理を加えることができ、か
つ熱的均一度もよいので、広い面積の光感知素子配列を
形成することに適する（参照：R.Peopol et al., Appl.
Phys. Lett. 61(9)：1122(1992)）。
ギャップが小さい半導体を使用する場合、バンドギャッ
プが小さい物質は取り扱いにくく、かつ処理も広い面積
に均一でなくて、広い面積の感知素子の配列を形成する
ことに適せず、収率もよくない。これに対し、多重量子
井形態の感知素子は、従来のシリコン（Ｓｉ）又はガリ
ウム砒素（ＧａＡｓ）基板をそのまま利用し得るので、
成熟した工程をそのまま利用することができ、これによ
り広い面積の基板に均一な処理を加えることができ、か
つ熱的均一度もよいので、広い面積の光感知素子配列を
形成することに適する（参照：R.Peopol et al., Appl.
Phys. Lett. 61(9)：1122(1992)）。
【００１０】しかし、多重量子井光感知素子は、多重量
子井の成長方向と一致する方向を有する偏光成分、つま
り多重量子井の表面に対して垂直な偏光成分に対してだ
け敏感に作用する特性（参照：C.L.Yang et al., J.App
l.Phys. 65：3253(1989)）を有するので、多重量子井の
表面に対して水平な扁光成分のみが存在する多重量子井
の表面に垂直入射される光は効率的に感知し得ない欠点
を有していた。
子井の成長方向と一致する方向を有する偏光成分、つま
り多重量子井の表面に対して垂直な偏光成分に対してだ
け敏感に作用する特性（参照：C.L.Yang et al., J.App
l.Phys. 65：3253(1989)）を有するので、多重量子井の
表面に対して水平な扁光成分のみが存在する多重量子井
の表面に垂直入射される光は効率的に感知し得ない欠点
を有していた。
【００１１】前記従来の多重量子井光感知素子の問題点
を、添付図面を参照して多重量子井の成長方向と入射さ
れる光の偏光成分との関係からより具体的に調べると次
のようである。図３に示すように、多重量子井を用いる
従来の光感知素子は、基板上に多重量子井を形成し、多
重量子井の上下面に感知層及び接地層を形成して構成さ
れる。
を、添付図面を参照して多重量子井の成長方向と入射さ
れる光の偏光成分との関係からより具体的に調べると次
のようである。図３に示すように、多重量子井を用いる
従来の光感知素子は、基板上に多重量子井を形成し、多
重量子井の上下面に感知層及び接地層を形成して構成さ
れる。
【００１２】この際に、前記多重量子井の特性上、多重
量子井の成長方向と一致する方向の偏光に対してだけ敏
感に作用するため、図３で垂直入射光と表示されている
光、つまり前記多重量子井の側面に垂直入射された光の
偏光成分（Ｚ→）は前記多重量子井の成長方向と一致す
るため、効果的に探知し得る反面、前記多重量子井の上
面又は下面に垂直入射された光、つまり図３で水平入射
光と表示されている光の偏光成分（Ｘ→、Ｙ→）は前記
多重量子井の成長方向に直交するため、感知効率が非常
に低下するという問題点を有していた。
量子井の成長方向と一致する方向の偏光に対してだけ敏
感に作用するため、図３で垂直入射光と表示されている
光、つまり前記多重量子井の側面に垂直入射された光の
偏光成分（Ｚ→）は前記多重量子井の成長方向と一致す
るため、効果的に探知し得る反面、前記多重量子井の上
面又は下面に垂直入射された光、つまり図３で水平入射
光と表示されている光の偏光成分（Ｘ→、Ｙ→）は前記
多重量子井の成長方向に直交するため、感知効率が非常
に低下するという問題点を有していた。
【００１３】したがって、多重量子井光感知素子の垂直
方向に入射される光を効率的に感知し得る光感知素子を
製造するための多様な試みが行われてきた。このような
従来技術としては、次に提示する３方式の技術が代表的
であると言え、その各々の技術についての特性と欠点を
調べると次のようである。まず、第１従来技術として、
多重量子井の側面を斜めに構成し、光をその傾斜面に入
射させて、発生する垂直偏光成分、つまり多重量子井の
成長方向と一致する偏光成分を用いて光を感知する光感
知素子が提案された（J.S.Park et al., Appl. Phys. L
ett. 61(6)：681(1992) ）。
方向に入射される光を効率的に感知し得る光感知素子を
製造するための多様な試みが行われてきた。このような
従来技術としては、次に提示する３方式の技術が代表的
であると言え、その各々の技術についての特性と欠点を
調べると次のようである。まず、第１従来技術として、
多重量子井の側面を斜めに構成し、光をその傾斜面に入
射させて、発生する垂直偏光成分、つまり多重量子井の
成長方向と一致する偏光成分を用いて光を感知する光感
知素子が提案された（J.S.Park et al., Appl. Phys. L
ett. 61(6)：681(1992) ）。
【００１４】しかし、上述したような第１従来技術にお
いては、多重量子井の斜め側面を形成するため、側面を
機械的方法で磨くか、化学的方法で食刻するか、又は両
方法を並行すべきであるので、その工程が非常に不安定
であり、大量生産が難しく、２次元以上の行列構造は実
現が不可能という問題点を有していた。上述した第１従
来技術が有する問題点を解消するために提案された第２
方式としては、光を多重量子井光感知素子の後面から垂
直入射させ、多重量子井光感知素子の上面に乱反射器を
設置して乱反射させた後、乱反射により発生した垂直偏
光成分、つまり多重量子井の成長方向と一致する偏光成
分を用いて光を感知する光感知素子が提示された（G.Sa
rusi et al., Appl. Phys. Lett. 64(8)：960(1993)
）。
いては、多重量子井の斜め側面を形成するため、側面を
機械的方法で磨くか、化学的方法で食刻するか、又は両
方法を並行すべきであるので、その工程が非常に不安定
であり、大量生産が難しく、２次元以上の行列構造は実
現が不可能という問題点を有していた。上述した第１従
来技術が有する問題点を解消するために提案された第２
方式としては、光を多重量子井光感知素子の後面から垂
直入射させ、多重量子井光感知素子の上面に乱反射器を
設置して乱反射させた後、乱反射により発生した垂直偏
光成分、つまり多重量子井の成長方向と一致する偏光成
分を用いて光を感知する光感知素子が提示された（G.Sa
rusi et al., Appl. Phys. Lett. 64(8)：960(1993)
）。
【００１５】上記第２従来方式においても、多重量子井
光感知素子とは別に乱反射器を構成すべきであるため、
製造工程が複雑であり、製造費用が増加し、乱反射され
た光がほかの隣接素子に影響を及ぼし得るという問題点
を有していた。終わりに、第３従来方式としては、多重
量子井の上面をＶ字形態に食刻し、光を後面から入射さ
せて、Ｖ字形態の傾斜面で反射された光の垂直偏光成
分、つまり多重量子井の成長方向と一致する偏光成分を
用いて光を感知する光感知素子が提示された（C.J. Che
n et al., Appl. Phys. Lett. 68(11)：1446(1996)）。
光感知素子とは別に乱反射器を構成すべきであるため、
製造工程が複雑であり、製造費用が増加し、乱反射され
た光がほかの隣接素子に影響を及ぼし得るという問題点
を有していた。終わりに、第３従来方式としては、多重
量子井の上面をＶ字形態に食刻し、光を後面から入射さ
せて、Ｖ字形態の傾斜面で反射された光の垂直偏光成
分、つまり多重量子井の成長方向と一致する偏光成分を
用いて光を感知する光感知素子が提示された（C.J. Che
n et al., Appl. Phys. Lett. 68(11)：1446(1996)）。
【００１６】しかし、上述した第３方式においても、多
重量子井を形成した後、方向性食刻を行うべきである点
と、効率を高めるために、単位面積にＶ字形状に形成さ
れたワイヤ数を多く形成すべきである点と、逆Ｖ字形状
の尖った部分に抵抗的接触を形成すべきである点などの
煩わしさが問題点として指摘された。さらに、近年まで
量子井で形成された光感知素子は暗電流（dark curren
t）が大きい関係で、効率的な光感知のためには、素子
の温度を液体窒素温度程度の非常に低い温度に維持させ
るべきであり、常温ではその動作が不可能であった。し
たがって、実際に多重量子井光感知素子を動作させるた
めには、素子を真空容器内に装着し、冷却器を用いて素
子を冷却させなければならなかった。
重量子井を形成した後、方向性食刻を行うべきである点
と、効率を高めるために、単位面積にＶ字形状に形成さ
れたワイヤ数を多く形成すべきである点と、逆Ｖ字形状
の尖った部分に抵抗的接触を形成すべきである点などの
煩わしさが問題点として指摘された。さらに、近年まで
量子井で形成された光感知素子は暗電流（dark curren
t）が大きい関係で、効率的な光感知のためには、素子
の温度を液体窒素温度程度の非常に低い温度に維持させ
るべきであり、常温ではその動作が不可能であった。し
たがって、実際に多重量子井光感知素子を動作させるた
めには、素子を真空容器内に装着し、冷却器を用いて素
子を冷却させなければならなかった。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】前述したような問題点
を解消するための本発明の目的は、量子島を用いる光感
知素子の具現時、別の附帯装備なくして、光感知素子面
に対して垂直に入射される光を効率的に感知し、常温で
も動作可能にするための、量子島を用いる光感知デバイ
スの具現方法と光感知素子及びその製造方法を提供する
ことにある。
を解消するための本発明の目的は、量子島を用いる光感
知素子の具現時、別の附帯装備なくして、光感知素子面
に対して垂直に入射される光を効率的に感知し、常温で
も動作可能にするための、量子島を用いる光感知デバイ
スの具現方法と光感知素子及びその製造方法を提供する
ことにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明の特徴は、異種物質間の接合又は不純物ドーピ
ングにより水平方向にキャリヤの移送方向とチャンネル
が設定され、フェルミ準位の制御により前記チャンネル
に流れる電流の大きさが決定されるように具現される半
導体素子を用いる光感知素子において、光の感知による
吸収過程によりそれに対応するキャリヤを放出する量子
島層をチャンネルの周辺に形成し、前記量子島層で光感
知による放出キャリヤが前記チャンネルに集まるように
するとともに、前記フェルミ準位は、既設定されている
チャンネルにはキャリヤ数を制限して、光が入射されて
いない状態では電流を最少化し、前記量子島層にはキャ
リヤを囲んで活性化させ得る位置に配置する点にある。
の本発明の特徴は、異種物質間の接合又は不純物ドーピ
ングにより水平方向にキャリヤの移送方向とチャンネル
が設定され、フェルミ準位の制御により前記チャンネル
に流れる電流の大きさが決定されるように具現される半
導体素子を用いる光感知素子において、光の感知による
吸収過程によりそれに対応するキャリヤを放出する量子
島層をチャンネルの周辺に形成し、前記量子島層で光感
知による放出キャリヤが前記チャンネルに集まるように
するとともに、前記フェルミ準位は、既設定されている
チャンネルにはキャリヤ数を制限して、光が入射されて
いない状態では電流を最少化し、前記量子島層にはキャ
リヤを囲んで活性化させ得る位置に配置する点にある。
【００１９】前記目的を達成するための本発明のほかの
特徴は、前記光が０．７７μｍ〜１００μｍの波長を有
する赤外線であることにある。前記目的を達成するため
の本発明のさらにほかの特徴は、少なくとも一つの不純
物を任意に添加させなかった量子島を含む量子島層と、
前記量子島層とこの量子島層とはバンドギャップが異な
る物質とを交互に形成して、前記量子島層が少なくとも
一つ含まれるようにした光吸収層と、前記光吸収層に隣
接して、光吸収層で励起されたキャリヤが集まって水平
方向の伝導が起こるようにする伝導通路層と、前記光吸
収層にはキャリヤを供給し、伝導通路層にはキャリヤが
殆ど供給されないように調節された不純物の量と分布形
状を有する不純物層を含む層と、前記光吸収層から光を
受けて励起されたキャリヤが前記チャンネルに集まる
と、これを水平方向に伝導させるように形成された少な
くとも二つの検出電極とを含むことにある。
特徴は、前記光が０．７７μｍ〜１００μｍの波長を有
する赤外線であることにある。前記目的を達成するため
の本発明のさらにほかの特徴は、少なくとも一つの不純
物を任意に添加させなかった量子島を含む量子島層と、
前記量子島層とこの量子島層とはバンドギャップが異な
る物質とを交互に形成して、前記量子島層が少なくとも
一つ含まれるようにした光吸収層と、前記光吸収層に隣
接して、光吸収層で励起されたキャリヤが集まって水平
方向の伝導が起こるようにする伝導通路層と、前記光吸
収層にはキャリヤを供給し、伝導通路層にはキャリヤが
殆ど供給されないように調節された不純物の量と分布形
状を有する不純物層を含む層と、前記光吸収層から光を
受けて励起されたキャリヤが前記チャンネルに集まる
と、これを水平方向に伝導させるように形成された少な
くとも二つの検出電極とを含むことにある。
【００２０】前記目的を達成するための本発明のさらに
ほかの特徴は、検出電極の距離と検出電極の幅が光の波
長より長いことにある。前記目的を達成するための本発
明のさらにほかの特徴は、前記不純物層を含む層におい
て、不純物の分布形態がデルタ関数形状であることにあ
る。前記目的を達成するための本発明のさらにほかの特
徴は、前記不純物を含む層において、不純物の分布形態
が不純物層の全体に均一であり、不純物層を含む層を食
刻して、量子島に供給されるキャリヤの量を調節するこ
とにある。
ほかの特徴は、検出電極の距離と検出電極の幅が光の波
長より長いことにある。前記目的を達成するための本発
明のさらにほかの特徴は、前記不純物層を含む層におい
て、不純物の分布形態がデルタ関数形状であることにあ
る。前記目的を達成するための本発明のさらにほかの特
徴は、前記不純物を含む層において、不純物の分布形態
が不純物層の全体に均一であり、不純物層を含む層を食
刻して、量子島に供給されるキャリヤの量を調節するこ
とにある。
【００２１】前記目的を達成するための本発明のさらに
ほかの特徴は、前記不純物層を含む層が前記伝導通路層
の上に形成され、前記光吸収層が前記伝導通路層の下に
位置することにある。前記目的を達成するための本発明
のさらにほかの特徴は、前記不純物層を含む層が前記伝
導通路層の下に位置し、前記光吸収層が前記伝導通路層
の上に位置することにある。
ほかの特徴は、前記不純物層を含む層が前記伝導通路層
の上に形成され、前記光吸収層が前記伝導通路層の下に
位置することにある。前記目的を達成するための本発明
のさらにほかの特徴は、前記不純物層を含む層が前記伝
導通路層の下に位置し、前記光吸収層が前記伝導通路層
の上に位置することにある。
【００２２】前記目的を達成するための本発明のさらに
ほかの特徴は、不純物層を含む層と光吸収層が相違した
バンドギャップを有し異種接合されることにある。前記
目的を達成するための本発明のさらにほかの特徴は、光
吸収層に供給されるキャリヤの量を調節するための少な
くとも一つの調節電極をさらに含むことにある。
ほかの特徴は、不純物層を含む層と光吸収層が相違した
バンドギャップを有し異種接合されることにある。前記
目的を達成するための本発明のさらにほかの特徴は、光
吸収層に供給されるキャリヤの量を調節するための少な
くとも一つの調節電極をさらに含むことにある。
【００２３】前記目的を達成するための本発明のさらに
ほかの特徴は、一つ以上の調節電極を使用し、隣接した
調節電極に大きさの相違した電界を順次加えて、調節電
極下のチャンネルに集まっているキャリヤを検出電極で
順次感知し得るようにすることにある。前記目的を達成
するための本発明のさらにほかの特徴は、前記調節電極
を２層以上に形成し、各層間には抵抗の大きい物質があ
るようにし、各調節電極の位置がほかの層の調節電極と
全く重ならないようにし、調節電極に大きさの相違した
電界を順次加えて、調節電極下のチャンネルに集まって
いる電荷を検出電極で順次感知し得るようにすることに
ある。
ほかの特徴は、一つ以上の調節電極を使用し、隣接した
調節電極に大きさの相違した電界を順次加えて、調節電
極下のチャンネルに集まっているキャリヤを検出電極で
順次感知し得るようにすることにある。前記目的を達成
するための本発明のさらにほかの特徴は、前記調節電極
を２層以上に形成し、各層間には抵抗の大きい物質があ
るようにし、各調節電極の位置がほかの層の調節電極と
全く重ならないようにし、調節電極に大きさの相違した
電界を順次加えて、調節電極下のチャンネルに集まって
いる電荷を検出電極で順次感知し得るようにすることに
ある。
【００２４】前記目的を達成するための本発明のさらに
ほかの特徴は、前記調節電極の漏洩電流を減らすため、
調節電極の下に前記不純物層を含む層の反対タイプの不
純物を添加させたことにある。前記目的を達成するため
の本発明のさらにほかの特徴は、前記調節電極の漏洩電
流を減らすため、調節電極の下に高抵抗そうを添加させ
たことにある。
ほかの特徴は、前記調節電極の漏洩電流を減らすため、
調節電極の下に前記不純物層を含む層の反対タイプの不
純物を添加させたことにある。前記目的を達成するため
の本発明のさらにほかの特徴は、前記調節電極の漏洩電
流を減らすため、調節電極の下に高抵抗そうを添加させ
たことにある。
【００２５】前記目的を達成するための本発明のさらに
ほかの特徴は、光吸収層の成長過程で自然に量子島が形
成されるようにする光吸収層成長工程と、水平伝導特性
が現れるように、少なくとも一つ以上の電極を接触層に
蒸着する工程と、前記電極と接触層間の抵抗を減らす工
程と、隣接したほかの素子との電気的結合を減らすた
め、所望素子の周囲を食刻する工程と、量子島に供給さ
れるキャリヤの量を調節するため、所望深さのみを食刻
する工程と、量子島に供給されるキャリヤの量を調節す
るための電極を蒸着する工程と、形成された電極間の異
常短絡を防止するため、絶縁膜を蒸着する工程と、所望
電気信号を絶縁膜の外に伝達するため、所望部分の絶縁
膜を食刻する工程とを含むことにある。
ほかの特徴は、光吸収層の成長過程で自然に量子島が形
成されるようにする光吸収層成長工程と、水平伝導特性
が現れるように、少なくとも一つ以上の電極を接触層に
蒸着する工程と、前記電極と接触層間の抵抗を減らす工
程と、隣接したほかの素子との電気的結合を減らすた
め、所望素子の周囲を食刻する工程と、量子島に供給さ
れるキャリヤの量を調節するため、所望深さのみを食刻
する工程と、量子島に供給されるキャリヤの量を調節す
るための電極を蒸着する工程と、形成された電極間の異
常短絡を防止するため、絶縁膜を蒸着する工程と、所望
電気信号を絶縁膜の外に伝達するため、所望部分の絶縁
膜を食刻する工程とを含むことにある。
【００２６】
【発明の実施の形態】まず、本発明で適用しようとする
技術的思想について述べる。本発明においては、量子井
が有する特性と制限的技術要件のため、量子島を使用し
ようとするものであり、量子島とは、図４に示すよう
に、特定の物理層中に島のような量子塊が存在するもの
を呼ぶものである。
技術的思想について述べる。本発明においては、量子井
が有する特性と制限的技術要件のため、量子島を使用し
ようとするものであり、量子島とは、図４に示すよう
に、特定の物理層中に島のような量子塊が存在するもの
を呼ぶものである。
【００２７】前述したような概念により、図４を参照し
て量子島を用いる光感知素子の動作原理を述べると、量
子島は、その製作工程上の理由（量子島の形成のための
素材の自律的な凝集力により、その成長方向が単方向で
なく、その中心を基準に放射状である）のため、表面に
垂直に入射する光の水平偏光成分、つまり感知素子の表
面に水平な偏光成分に対しても光を量子化するのであ
る。
て量子島を用いる光感知素子の動作原理を述べると、量
子島は、その製作工程上の理由（量子島の形成のための
素材の自律的な凝集力により、その成長方向が単方向で
なく、その中心を基準に放射状である）のため、表面に
垂直に入射する光の水平偏光成分、つまり感知素子の表
面に水平な偏光成分に対しても光を量子化するのであ
る。
【００２８】したがって、量子井を用いる光感知素子の
場合、量子井の表面に水平な偏光成分に対しては認識し
得ない問題点を解消するために必要であった乱反射器又
はＶ字形状の溝のような別の付加装置又は付加工程が、
量子島を用いる場合には不要であることが分かる。さら
に、量子島は、それ自体、感知素子の表面に垂直に入射
する光に対して敏感な素子を製造し得るだけでなく、別
の冷却器なしに常温でも動作が可能な光感知素子を製造
し得る。
場合、量子井の表面に水平な偏光成分に対しては認識し
得ない問題点を解消するために必要であった乱反射器又
はＶ字形状の溝のような別の付加装置又は付加工程が、
量子島を用いる場合には不要であることが分かる。さら
に、量子島は、それ自体、感知素子の表面に垂直に入射
する光に対して敏感な素子を製造し得るだけでなく、別
の冷却器なしに常温でも動作が可能な光感知素子を製造
し得る。
【００２９】このような量子島を用いる光感知素子が、
別の付加装置又は付加工程なしに、感知素子の表面に垂
直に入射する光に敏感に反応する理由は、図４に示すよ
うに、伝導帯域の副バンド間の遷移を用いる光感知素子
は、遷移の選択方式によって、量子化されている方向の
偏光成分のみを吸収し得るからである。さらに、量子島
を用いる光感知素子が別の冷却器なしに常温でも動作が
可能な理由は、図５（ｄ）に示すように、量子島のエネ
ルギー密度関数は、エネルギーによってその密度がデル
タ関数（delta function）の形状を取り、この時、その
エネルギー間隔（Ｅ１−Ｅ０）を光振動子（optical ph
onon）のエネルギー（〜３６ｍｅＶ）より大きくし得る
ので、その光振動子によるエネルギー遷移を防ぐことが
できる。これが暗電流を急に減らす理由となって、常温
でも動作し得るものである。
別の付加装置又は付加工程なしに、感知素子の表面に垂
直に入射する光に敏感に反応する理由は、図４に示すよ
うに、伝導帯域の副バンド間の遷移を用いる光感知素子
は、遷移の選択方式によって、量子化されている方向の
偏光成分のみを吸収し得るからである。さらに、量子島
を用いる光感知素子が別の冷却器なしに常温でも動作が
可能な理由は、図５（ｄ）に示すように、量子島のエネ
ルギー密度関数は、エネルギーによってその密度がデル
タ関数（delta function）の形状を取り、この時、その
エネルギー間隔（Ｅ１−Ｅ０）を光振動子（optical ph
onon）のエネルギー（〜３６ｍｅＶ）より大きくし得る
ので、その光振動子によるエネルギー遷移を防ぐことが
できる。これが暗電流を急に減らす理由となって、常温
でも動作し得るものである。
【００３０】一方、図５（ａ）ないし図５（ｃ）はバル
ク、量子線、量子井及び量子島に対するエネルギー密度
関数、フェルミ−ディラック（Fermi-Dirac ）エネルギ
ー分布関数、そして両関数の関係により形成される搬送
子のエネルギーに対する分布関数を示すグラフであり、
詳しくは、図５（ａ）はバルクに対するエネルギー密度
関数であり、図５（ｂ）は量子線に対するエネルギー密
度関数であり、図５（ｃ）は順次に量子井に対するエネ
ルギー密度関数、フェルミ−ディラックエネルギー分布
関数、及び両関数の関係により形成される搬送子のエネ
ルギーに対する分布関数を示すグラフである。
ク、量子線、量子井及び量子島に対するエネルギー密度
関数、フェルミ−ディラック（Fermi-Dirac ）エネルギ
ー分布関数、そして両関数の関係により形成される搬送
子のエネルギーに対する分布関数を示すグラフであり、
詳しくは、図５（ａ）はバルクに対するエネルギー密度
関数であり、図５（ｂ）は量子線に対するエネルギー密
度関数であり、図５（ｃ）は順次に量子井に対するエネ
ルギー密度関数、フェルミ−ディラックエネルギー分布
関数、及び両関数の関係により形成される搬送子のエネ
ルギーに対する分布関数を示すグラフである。
【００３１】また、図５（ｄ）は前述した量子島を用い
る光感知素子が常温でも動作可能な理由を説明するのに
必要なグラフであり、順次に量子島に対するエネルギー
密度関数、フェルミ−ディラックエネルギー分布関数、
及び両関数の関係により形成される搬送子のエネルギー
に対する分布関数を示すグラフである。前述したよう
に、光感知素子を製造することにあって、量子島は相当
な魅力を有する方式であるため、従来にも量子島を用い
る光感知素子を製造しようとする幾つかの試みが行われ
てきたが、このような試みは量子島の光学特性を確認す
る程度で満足し得るものでない。量子島を用いる光感知
素子はまだ開発されておらず、特に常温での感知素子は
未だ報告されていない。
る光感知素子が常温でも動作可能な理由を説明するのに
必要なグラフであり、順次に量子島に対するエネルギー
密度関数、フェルミ−ディラックエネルギー分布関数、
及び両関数の関係により形成される搬送子のエネルギー
に対する分布関数を示すグラフである。前述したよう
に、光感知素子を製造することにあって、量子島は相当
な魅力を有する方式であるため、従来にも量子島を用い
る光感知素子を製造しようとする幾つかの試みが行われ
てきたが、このような試みは量子島の光学特性を確認す
る程度で満足し得るものでない。量子島を用いる光感知
素子はまだ開発されておらず、特に常温での感知素子は
未だ報告されていない。
【００３２】本発明を説明する前、現在まで進められて
いる量子島を用いる光感知素子の開発技術の代表的な幾
つかの技術についてその利点及び欠点を述べる。その第
１方式として、３０回繰り返してｎ型のデルタドーピン
グ（delta doping）層を含む空間層と量子島層を交互に
形成した。そして、多重経路光導波管形状、つまり多重
量子井光感知素子に使用された第１従来技術（J.S.Park
などの提案方式）を適用して、素子の側面を斜めに形成
させた後、該構造を用いて素子の上面に水平な偏光成分
と垂直な偏光成分の光吸収を確認した（S.Sauvage et a
l., Appl. Phys. Lett. 71(19)：2785(1997)）。
いる量子島を用いる光感知素子の開発技術の代表的な幾
つかの技術についてその利点及び欠点を述べる。その第
１方式として、３０回繰り返してｎ型のデルタドーピン
グ（delta doping）層を含む空間層と量子島層を交互に
形成した。そして、多重経路光導波管形状、つまり多重
量子井光感知素子に使用された第１従来技術（J.S.Park
などの提案方式）を適用して、素子の側面を斜めに形成
させた後、該構造を用いて素子の上面に水平な偏光成分
と垂直な偏光成分の光吸収を確認した（S.Sauvage et a
l., Appl. Phys. Lett. 71(19)：2785(1997)）。
【００３３】しかし、前述した第１方式は、素子の側面
を斜めに形成するため、側面を機械的方法で磨くか、化
学的方法で食刻するか、又は両方法を並行すべきである
ので、その工程が非常に不安であり、大量生産が難し
く、２次元以上の行列構造は実現不可能である問題点を
有していた（従来の量子井を使用した光感知器形成の場
合と同様）。
を斜めに形成するため、側面を機械的方法で磨くか、化
学的方法で食刻するか、又は両方法を並行すべきである
ので、その工程が非常に不安であり、大量生産が難し
く、２次元以上の行列構造は実現不可能である問題点を
有していた（従来の量子井を使用した光感知器形成の場
合と同様）。
【００３４】前記第１方式とは異なり、第２方式は、１
０回繰り返して、直接ドーピングされた量子島層と空間
層を交互に成長させ、このように形成された光吸収層の
上部と下部に垂直方向の電界を加えた。この際に、素子
上面の金属層は中空に形成し、金属層の中空を通じて光
を入射させ、この時、励起された電子が垂直方向の電界
により伝導されることを用いて光を感知した（J.Philli
ps et al., Appl. Phys. Lett. 72(16) ：2020(199
8)）。
０回繰り返して、直接ドーピングされた量子島層と空間
層を交互に成長させ、このように形成された光吸収層の
上部と下部に垂直方向の電界を加えた。この際に、素子
上面の金属層は中空に形成し、金属層の中空を通じて光
を入射させ、この時、励起された電子が垂直方向の電界
により伝導されることを用いて光を感知した（J.Philli
ps et al., Appl. Phys. Lett. 72(16) ：2020(199
8)）。
【００３５】しかし、前記J.Phillipsが提示した第２方
式も素子の上面に垂直な方向への伝導を用いるため、量
子島層と不純物層が電気伝導に大きい影響を及ぼすの
で、雑音が大きく、垂直方向ダイオード構造の結晶欠陥
による漏洩電流が流れる可能性が非常に大きい。したが
って、まだ常温での光応答が報告されていない。終わり
に、J.Allam などは、多重量子井上に電極を使用して局
部的に空乏された領域と空乏されていない領域を形成し
て、量子島を形成したが（J.Allam andM.Wagner, UK pa
tent 9125727 ：1991、US patent 5291034 ：1994）、
水平方向の量子化を達成するためには電極の間隔が非常
に小さくならなければならず、このような小さい間隔の
電極を製造することが難しく、かつ空乏領域の境界が正
確に定義されない問題点を有していた。
式も素子の上面に垂直な方向への伝導を用いるため、量
子島層と不純物層が電気伝導に大きい影響を及ぼすの
で、雑音が大きく、垂直方向ダイオード構造の結晶欠陥
による漏洩電流が流れる可能性が非常に大きい。したが
って、まだ常温での光応答が報告されていない。終わり
に、J.Allam などは、多重量子井上に電極を使用して局
部的に空乏された領域と空乏されていない領域を形成し
て、量子島を形成したが（J.Allam andM.Wagner, UK pa
tent 9125727 ：1991、US patent 5291034 ：1994）、
水平方向の量子化を達成するためには電極の間隔が非常
に小さくならなければならず、このような小さい間隔の
電極を製造することが難しく、かつ空乏領域の境界が正
確に定義されない問題点を有していた。
【００３６】したがって、本発明は、前述した本発明の
目的のように、別の附帯装置なく、光感知素子面に対し
て垂直入射される光を効率的で感度よく感知し得るだけ
でなく、別の冷却器がなくても動作し得る水平伝導特性
を有する量子島垂直入射光感知素子を提供するととも
に、単一型又は多次元行列構造を有する光子型垂直入射
光感知素子を経済的に製造するため、添付図面の図６
（ａ）ないし図７（ｂ）に示すような概念を導入したも
のである。
目的のように、別の附帯装置なく、光感知素子面に対し
て垂直入射される光を効率的で感度よく感知し得るだけ
でなく、別の冷却器がなくても動作し得る水平伝導特性
を有する量子島垂直入射光感知素子を提供するととも
に、単一型又は多次元行列構造を有する光子型垂直入射
光感知素子を経済的に製造するため、添付図面の図６
（ａ）ないし図７（ｂ）に示すような概念を導入したも
のである。
【００３７】図６（ａ）と図６（ｂ）は一般の半導体素
子のチャンネル形成過程を説明するための例示図であ
り、点線で示されるフェルミ準位を伝導通路側に移動さ
せると、該当素子はチャンネルオン動作されて電気的導
通現象が発生し、それにより外部で対応素子が動作する
特定条件下でどの程度の条件を満足させたかを認識し得
ることになる。
子のチャンネル形成過程を説明するための例示図であ
り、点線で示されるフェルミ準位を伝導通路側に移動さ
せると、該当素子はチャンネルオン動作されて電気的導
通現象が発生し、それにより外部で対応素子が動作する
特定条件下でどの程度の条件を満足させたかを認識し得
ることになる。
【００３８】したがって、本発明は、図７（ａ）及び図
７（ｂ）に示すように、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示
す従来の半導体素子に量子島層を形成し、光が入射され
ていない状態では、チャンネル形成区域にはキャリヤが
ないようにするとともに量子島層には多量のキャリヤが
存在するようにした後、光子により量子島層がこれを認
識、つまり吸収して内部のキャリヤを放出すると、前記
量子島側から放出されるキャリヤが伝導通路側に集ま
り、それにより、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す素子
はターンオン動作を行えることになる。
７（ｂ）に示すように、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示
す従来の半導体素子に量子島層を形成し、光が入射され
ていない状態では、チャンネル形成区域にはキャリヤが
ないようにするとともに量子島層には多量のキャリヤが
存在するようにした後、光子により量子島層がこれを認
識、つまり吸収して内部のキャリヤを放出すると、前記
量子島側から放出されるキャリヤが伝導通路側に集ま
り、それにより、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示す素子
はターンオン動作を行えることになる。
【００３９】この際に、前記量子島層で認識する光の変
化によって、前記伝導通路側に集まるキャリヤ量が変化
し、この変化を外部で電気的に認識することで光の変化
を認識し得ることになる。前述した本発明による光感知
素子具現方式により具現された光検出素子を例として述
べる。
化によって、前記伝導通路側に集まるキャリヤ量が変化
し、この変化を外部で電気的に認識することで光の変化
を認識し得ることになる。前述した本発明による光感知
素子具現方式により具現された光検出素子を例として述
べる。
【００４０】図８は本発明の一実施例による量子島光感
知素子の概略図である。参照符号１０１は成長方向００
１に正確に成長されたガリウムアルセナイド（ＧａＡ
ｓ）半導体基板であり、参照符号１０２はガリウムアル
セナイドでなったバッファ層であり、１０３はガリウム
アルセナイド（ＧａＡｓ）／アルミニウムガリウムアル
セナイド（ＡｌＧａＡｓ）でなったスーパー格子バッフ
ァ層であり、前記参照符号１０２と参照符号１０３は基
板で、漏洩電流が流れることを防止するためのものであ
る。
知素子の概略図である。参照符号１０１は成長方向００
１に正確に成長されたガリウムアルセナイド（ＧａＡ
ｓ）半導体基板であり、参照符号１０２はガリウムアル
セナイドでなったバッファ層であり、１０３はガリウム
アルセナイド（ＧａＡｓ）／アルミニウムガリウムアル
セナイド（ＡｌＧａＡｓ）でなったスーパー格子バッフ
ァ層であり、前記参照符号１０２と参照符号１０３は基
板で、漏洩電流が流れることを防止するためのものであ
る。
【００４１】また、参照符号１０４は“Stranski-Krast
anow”成長モードに成長されたインジウムアルセナイド
（ＩｎＡｓ）量子島であり、参照符号１０５は参照符号
１０４で示される量子島間にポテンシャルバリヤの役割
をするガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）でなった空間
層であり、前記参照符号１０４と１０５は交互に積まれ
たもので、参照符号１０４が５ヶ層であれば、参照符号
１０５は４ヶ層である。
anow”成長モードに成長されたインジウムアルセナイド
（ＩｎＡｓ）量子島であり、参照符号１０５は参照符号
１０４で示される量子島間にポテンシャルバリヤの役割
をするガリウムアルセナイド（ＧａＡｓ）でなった空間
層であり、前記参照符号１０４と１０５は交互に積まれ
たもので、参照符号１０４が５ヶ層であれば、参照符号
１０５は４ヶ層である。
【００４２】また、参照符号１０６はガリウムアルセナ
イドでなった伝導通路層であり、参照符号１０７はｎ+
で不均一にドーピングされたガリウムアルセナイド層で
あり、参照符号１０８は抵抗接触を形成するために形成
されたｎ+ ガリウムアルセナイドオーミック（ohmic ）
接触層である。そのほかに、参照符号１０９はドレイン
又はソース端子の役割を遂行するための検出電極であ
り、参照符号１１０はフェルミ準位の調整のための調節
電極である。
イドでなった伝導通路層であり、参照符号１０７はｎ+
で不均一にドーピングされたガリウムアルセナイド層で
あり、参照符号１０８は抵抗接触を形成するために形成
されたｎ+ ガリウムアルセナイドオーミック（ohmic ）
接触層である。そのほかに、参照符号１０９はドレイン
又はソース端子の役割を遂行するための検出電極であ
り、参照符号１１０はフェルミ準位の調整のための調節
電極である。
【００４３】前述したように構成される量子島光感知素
子は、水平方向に伝達される信号を検出するための二つ
の電極１０９があり、その間に赤外線吸収層に供給され
るキャリヤを調節するための電極があるように製造され
て暗電流を減らし、素子の上面又は下面から入射される
赤外線を感知し得る構造に形成される。前記構造を基準
としてその動作原理を簡略に調べると、赤外線が入射さ
れないときは参照符号１０７で示される層から供給され
たキャリヤが伝導通路層１０６には殆ど集まらなく、参
照符号１０４で示される量子島内に囲まれる。この過程
は以降に図１２（ａ）及び図１２（ｂ）を参照して説明
する。
子は、水平方向に伝達される信号を検出するための二つ
の電極１０９があり、その間に赤外線吸収層に供給され
るキャリヤを調節するための電極があるように製造され
て暗電流を減らし、素子の上面又は下面から入射される
赤外線を感知し得る構造に形成される。前記構造を基準
としてその動作原理を簡略に調べると、赤外線が入射さ
れないときは参照符号１０７で示される層から供給され
たキャリヤが伝導通路層１０６には殆ど集まらなく、参
照符号１０４で示される量子島内に囲まれる。この過程
は以降に図１２（ａ）及び図１２（ｂ）を参照して説明
する。
【００４４】この際に、赤外線が入射されると、その光
子のエネルギーを受けて、量子島内に囲まれていたキャ
リヤが量子島のポテンシャルバリヤーエッジ付近に励起
され、参照符号１０７で示されるアルミニウムガリウム
アルセナイド（ＡｌＧａＡｓ）層のｎ+ で不均一にドー
ピングされることにより、ポテンシャルが曲がって、内
部的に形成された電界によりそのキャリヤがチャンネル
に集まる〔図７（ａ）及び図７（ｂ）参照〕。
子のエネルギーを受けて、量子島内に囲まれていたキャ
リヤが量子島のポテンシャルバリヤーエッジ付近に励起
され、参照符号１０７で示されるアルミニウムガリウム
アルセナイド（ＡｌＧａＡｓ）層のｎ+ で不均一にドー
ピングされることにより、ポテンシャルが曲がって、内
部的に形成された電界によりそのキャリヤがチャンネル
に集まる〔図７（ａ）及び図７（ｂ）参照〕。
【００４５】このようにチャンネルにキャリヤが集まっ
た状態で、参照符号１０９で示される電極に一定電界を
加えると、チャンネルに集まったキャリヤが電界の方向
によってソース端子又はドレイン端子で検出される。こ
の際に、チャンネルは量子島間の空間層１０５にも形成
されるが、大部分の２Ｄガスが参照符号１０６で示され
る伝導通路層に集まることになる。
た状態で、参照符号１０９で示される電極に一定電界を
加えると、チャンネルに集まったキャリヤが電界の方向
によってソース端子又はドレイン端子で検出される。こ
の際に、チャンネルは量子島間の空間層１０５にも形成
されるが、大部分の２Ｄガスが参照符号１０６で示され
る伝導通路層に集まることになる。
【００４６】したがって、本実施例においては、赤外線
で励起されたキャリヤを水平方向に伝導させてその信号
を検出するための電極を一定間隔をおいて蒸着した後、
ほかの素子との電気的結合を減らすため、電気的抵抗の
大きい層まで食刻し、赤外線吸収層に供給されるキャリ
ヤを１次調節するため、その電極間を再度所望深さまで
食刻した後、赤外線吸収層に供給されるキャリヤの量
を、外部で電気信号を用いて調節し得るように、再度そ
の上に電極を蒸着することにより、素子の上面又は下面
から入射された赤外線を感知し得ることになる。
で励起されたキャリヤを水平方向に伝導させてその信号
を検出するための電極を一定間隔をおいて蒸着した後、
ほかの素子との電気的結合を減らすため、電気的抵抗の
大きい層まで食刻し、赤外線吸収層に供給されるキャリ
ヤを１次調節するため、その電極間を再度所望深さまで
食刻した後、赤外線吸収層に供給されるキャリヤの量
を、外部で電気信号を用いて調節し得るように、再度そ
の上に電極を蒸着することにより、素子の上面又は下面
から入射された赤外線を感知し得ることになる。
【００４７】図９は本発明のほかの実施例を示すもの
で、図８に示す一実施例の素子の調節電極１１０を省略
した例であり、量子島にキャリヤを供給する不純物層の
濃度と凹層の深さを適切に調節して、上面に入射される
赤外線の反応領域を極大化した構造である。図１０
（ａ）及び図１０（ｂ）は本発明の一実施例により製造
された量子島光感知素子の測定グラフであり、検出電極
間の間隔は７μｍ、幅は２００μｍであった。不純物層
の濃度は１×１０18／ｃｍ3 であり、凹層の深さは、量
子島にはキャリヤを供給するが、異種接合で形成された
擬似２次元伝導通路にはキャリヤを殆ど供給しなくて、
常温での暗電流が数ｎＡ以下となるように調節した。
で、図８に示す一実施例の素子の調節電極１１０を省略
した例であり、量子島にキャリヤを供給する不純物層の
濃度と凹層の深さを適切に調節して、上面に入射される
赤外線の反応領域を極大化した構造である。図１０
（ａ）及び図１０（ｂ）は本発明の一実施例により製造
された量子島光感知素子の測定グラフであり、検出電極
間の間隔は７μｍ、幅は２００μｍであった。不純物層
の濃度は１×１０18／ｃｍ3 であり、凹層の深さは、量
子島にはキャリヤを供給するが、異種接合で形成された
擬似２次元伝導通路にはキャリヤを殆ど供給しなくて、
常温での暗電流が数ｎＡ以下となるように調節した。
【００４８】このように測定された数値は、感知度（de
tectivity ）が常温で３×１０7cmHz1/2／W であり、８
０Ｋで６０×１０10cmHz1/2 ／W であった。また、図１
１（ａ）及び図１１（ｂ）は本発明の一実施例により製
造された量子島光感知素子のエネルギーバンドダイアグ
ラムを示すもので、実際には図７（ｂ）に示すように量
子島層が存在するが、量子島層を省略した場合であり、
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は量子島に電子が囲ま
れた状態を説明するためのグラフである。
tectivity ）が常温で３×１０7cmHz1/2／W であり、８
０Ｋで６０×１０10cmHz1/2 ／W であった。また、図１
１（ａ）及び図１１（ｂ）は本発明の一実施例により製
造された量子島光感知素子のエネルギーバンドダイアグ
ラムを示すもので、実際には図７（ｂ）に示すように量
子島層が存在するが、量子島層を省略した場合であり、
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は量子島に電子が囲ま
れた状態を説明するためのグラフである。
【００４９】また、図１３は本発明のほかの実施例を示
すもので、二つの検出電極間に一つ以上の調節電極を形
成し、二つの調節電極間に大きさの相違した電界を順次
印加して、調節電極の下部に赤外線反応により形成され
た電荷を順次検出電極に伝達する素子である。図１４
（ａ）及び図１４（ｂ）は本発明のほかの実施例による
光感知素子の概略断面図であり、異種二重構造伝導通路
を用い、これらは量子島光感知層らと重なっている。
ここでは不純物が添加されていないＡｌＧａＡｓ層ら１
１１が追加される。
すもので、二つの検出電極間に一つ以上の調節電極を形
成し、二つの調節電極間に大きさの相違した電界を順次
印加して、調節電極の下部に赤外線反応により形成され
た電荷を順次検出電極に伝達する素子である。図１４
（ａ）及び図１４（ｂ）は本発明のほかの実施例による
光感知素子の概略断面図であり、異種二重構造伝導通路
を用い、これらは量子島光感知層らと重なっている。
ここでは不純物が添加されていないＡｌＧａＡｓ層ら１
１１が追加される。
【００５０】また、図１５は本発明のほかの実施例によ
る光感知素子の概略断面図であり、Ｓｉ／ＳｉＯ２境界
面を伝導通路として用いる。この構造にはｎ形Ｓｉ１１
２、ドーピンされていないＳｉ１１３，デルタドーピン
グされたＳｉ１１４，ｎ形基板１１５が追加される。
る光感知素子の概略断面図であり、Ｓｉ／ＳｉＯ２境界
面を伝導通路として用いる。この構造にはｎ形Ｓｉ１１
２、ドーピンされていないＳｉ１１３，デルタドーピン
グされたＳｉ１１４，ｎ形基板１１５が追加される。
【００５１】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
る量子島赤外線感知素子は、別の附帯装置なく、赤外線
感知素子又はその行列の面に垂直入射される光を効率的
で感度よく感知し、常温でもよく動作し、２次元配列を
形成しやすいだけでなく、電荷伝達を用いて赤外線反応
で生成されたキャリヤを検出電極で順次感知し得る構造
を提供することにより、赤外線感知素子を経済的に製造
することができる。
る量子島赤外線感知素子は、別の附帯装置なく、赤外線
感知素子又はその行列の面に垂直入射される光を効率的
で感度よく感知し、常温でもよく動作し、２次元配列を
形成しやすいだけでなく、電荷伝達を用いて赤外線反応
で生成されたキャリヤを検出電極で順次感知し得る構造
を提供することにより、赤外線感知素子を経済的に製造
することができる。
【図１】紫外線から赤外線までの電磁気的スペクトル図
である。
である。
【図２】光応答により電子が価電子帯域から伝導帯域
に、価電子帯域及び伝導帯域内で低いエネルギーを有す
る副バンドから高いエネルギーの副バンドに遷移する過
程を示す例示図である。
に、価電子帯域及び伝導帯域内で低いエネルギーを有す
る副バンドから高いエネルギーの副バンドに遷移する過
程を示す例示図である。
【図３】多重量子井構造に対する光の入射面と光の偏光
成分を示す概略図である。
成分を示す概略図である。
【図４】量子島構造に対する光の入射面と光の偏光成分
を示す概略図である。
を示す概略図である。
【図５】バルク、量子線、量子井及び量子島に対するエ
ネルギー密度関数、フェルミ−ディラックエネルギー分
布関数、そして両関数の関係により形成される搬送子の
エネルギーに対する分布関数を示すグラフである。
ネルギー密度関数、フェルミ−ディラックエネルギー分
布関数、そして両関数の関係により形成される搬送子の
エネルギーに対する分布関数を示すグラフである。
【図６】一般的な半導体デバイスのチャンネル形成過程
を説明するための例示図である。
を説明するための例示図である。
【図７】本発明の量子島を用いる光検出器設計パターン
を説明するためのチャンネル形成過程の例示図である。
を説明するためのチャンネル形成過程の例示図である。
【図８】本発明の一実施例による量子島感知素子の概略
図である。
図である。
【図９】本発明のほかの実施例による量子島感知素子の
概略図である。
概略図である。
【図１０】本発明の一実施例により製造された量子島感
知素子の測定グラフである。
知素子の測定グラフである。
【図１１】本発明の一実施例により製造された量子島感
知素子のエネルギーバンドダイアグラムである。
知素子のエネルギーバンドダイアグラムである。
【図１２】本発明の一実施例により製造された量子島感
知素子において、量子島に電子が囲まれている状態を説
明するための実験グラフである。
知素子において、量子島に電子が囲まれている状態を説
明するための実験グラフである。
【図１３】本発明のほかの実施例において、調節電極を
多数提供して、各光反応領域での光応答により形成され
た電荷を順次検出電極に移し得るようにする素子の概略
図である。
多数提供して、各光反応領域での光応答により形成され
た電荷を順次検出電極に移し得るようにする素子の概略
図である。
【図１４】本発明のほかの実施例による量子島らと異種
二重構造の伝導通路を用いる光感知素子の概略断面図で
ある。
二重構造の伝導通路を用いる光感知素子の概略断面図で
ある。
【図１５】本発明のほかの実施例による量子島らとＳｉ
／ＳｉＯ２伝導通路として用いる光感知素子の概略断面
図である。
／ＳｉＯ２伝導通路として用いる光感知素子の概略断面
図である。
１０１ 半導体基板 １０２ バッファ層 １０３ 超格子バッファ層 １０４ 量子島 １０５ 空間層 １０６ 水平方向電気伝導通路 １０７ 不純物供給層 １０８ 接触層 １０９ 検出電極 １１０ 調節電極 １１１ ＡｌＧａＡｓ層 １１２ ｎ形Ｓｉ １１３ ドーピンされていないＳｉ １１４ デルタドーピングされたＳｉ １１５ ｎ形基板
フロントページの続き (72)発明者 ホン，ソンチョル 大韓民国，テジョン−シ 305−333，ユ ソン−ク，オン−ドン，ハンビット エ ーピーティー．＃107−1204 (56)参考文献 特開 平９−179237（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−94806（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−264825（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−326906（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌ ｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．72，Ｎｏ．16, ｐ．2020−2022，20 Ａｐｒｉｌ 1998，”Ｆａｒｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｈ ｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｉｎ ｓｅｌｆ−ｏｒｇａｎｉｚｅｄ Ｉｎ Ａｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ”, Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ ｅｔ ａｌ. Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌ ｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．73，Ｎｏ．７, ｐ．963−965，17 Ａｕｇｕｓｔ 1998，”Ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｃｈａ ｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉ ｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ ｑｕａｎｔｕ ｍ ｄｏｔｓ ｆｏｒ ｍｉｄｉｎｆｒ ａｒｅｄ ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉ ｖｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ”，Ｓ．Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．/ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 31/00 - 31/119
Claims (13)
- 【請求項１】その内部に周囲の物質とはバンドギャップ
が異なる物質で構成された量子島を少なくとも一つ有
し、光を吸収することでそれに対応するキャリアを励起
する光吸収層と、 前記光吸収層に隣接して配置され、光吸収層で励起され
たキャリアが水平方向に移動可能な伝導通路と、 前記伝導通路に隣接して配置され、不純物を含有し、前
記光吸収層にキャリアを供給するキャリア供給層と、 前記キャリア供給層に隣接し間隔をあけて配置された少
なくとも二つの検出電極とを備える、 量子島を用いる光
感知素子。 - 【請求項２】前記検出電極の距離および各検出電極の幅
を、感知する光の波長よりも長く設定している請求項１
に記載の、量子島を用いる光感知素子。 - 【請求項３】前記キャリア供給層は、不純物の分布形態
がデルタ関数形状である請求項１または２に記載の、量
子島を用いる光感知素子。 - 【請求項４】前記キャリア供給層は、不純物の分布形態
が全体に均一であり、一部を食刻することによって量子
島に供給されるキャリヤの量が調節されている請求項１
または２に記載の、量子島を用いる光感知素子。 - 【請求項５】前記キャリア供給層が、前記伝導通路の上
に配置され、 前記光吸収層が、前記伝導通路の下に配置されている請
求項１から４までの何れかに記載の、量子島を用いる光
感知素子。 - 【請求項６】前記キャリア供給層が、前記伝導通路の下
に配置され、 前記光吸収層が、前記伝導通路の上に配置されている請
求項１から４までの何れかに記載の、量子島を用いる光
感知素子。 - 【請求項７】前記キャリア供給層と前記光吸収層とが異
なるバンドギャップを有し異種接合されており、キャリ
ア供給層と光吸収層との異種接合面が前記伝導通路とな
っている請求項１から６までの何れかに記載の、量子島
を用いる光感知素子。 - 【請求項８】前記光吸収層に供給されるキャリアの量を
調節する少なくとも一つの調節電極をさらに備える請求
項１から７までの何れかに記載の、量子島を用いる光感
知素子。 - 【請求項９】前記調節電極を複数備え、 隣接する調節電極に大きさの相違した電界を順次加える
ことで、調節電極の近くに構成されるチャンネルに集ま
るキャリヤを検出電極で順次感知する請求項８に記載
の、量子島を用いる光感知素子。 - 【請求項１０】前記複数の調節電極が、間に抵抗の大き
い物質の層を介する複数層に、各調節電極の位置がほか
の層の調節電極と全く重ならないように配置されている
請求項９に記載の、量子島を用いる光感知素子。 - 【請求項１１】前記調節電極と前記キャリア供給層との
間に、キャリア供給層に含有する不純物とは反対タイプ
の不純物を含有する層をさらに備える請求項８から１０
までの何れかに記載の、量子島を用いる光感知素子。 - 【請求項１２】前記調節電極と前記キャリア供給層との
間に、高抵抗層をさらに備える請求項８から１１までの
何れかに記載の、量子島を用いる光感知素子。 - 【請求項１３】請求項１〜１２のいずれか記載の、量子
島を用いる光感知素子を製造する方法 であって、 前記光吸収層の成長とともに光吸収層の内部に前記量子
島を形成させる工程と、 前記光吸収層の表面に伝導通路層を形成する工程と、 前記伝導通路層の表面に前記キャリア供給層を形成する
工程と、 前記キャリア供給層の表面に接触層を形成する工程と、 前記接触層の表面に複数の検出電極を形成する工程と、 前記複数の検出電極の間で、前記接触層を食刻する工程
と、 前記接触層の食刻部分で前記キャリア供給層を所定深さ
で食刻する工程と、 前記キャリア供給層の食刻部分の表面に調節電極を形成
する工程と、 前記電極の上部に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜の一部を食刻して、前記電極の一部を露出さ
せる工程とを含む、 量子島を用いる光感知素子の製造方
法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1998-36658 | 1998-09-05 | ||
| KR1019980036658A KR100289982B1 (ko) | 1998-09-05 | 1998-09-05 | 양자섬을이용한광감지소자및그제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000091622A JP2000091622A (ja) | 2000-03-31 |
| JP3233614B2 true JP3233614B2 (ja) | 2001-11-26 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15439499A Expired - Fee Related JP3233614B2 (ja) | 1998-09-05 | 1999-06-01 | 量子島を用いる光感知素子及びその製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3233614B2 (ja) |
| KR (1) | KR100289982B1 (ja) |
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| KR100349599B1 (ko) * | 2000-04-14 | 2002-08-23 | 삼성전자 주식회사 | 양자 효율이 향상된 양자점 적외선 탐지기 |
| KR100370822B1 (ko) * | 2000-08-26 | 2003-02-05 | 한국과학기술원 | 낙타 등 다이오드와 결합된 양자구조를 가지는 장파장적외선 감지 소자와 그 소자의 구동 방법 |
| KR100540548B1 (ko) | 2002-12-10 | 2006-01-11 | 엘지이노텍 주식회사 | 양자점 발광 소자 및 그의 제조 방법 |
| JP4669281B2 (ja) * | 2004-12-28 | 2011-04-13 | 富士通株式会社 | 量子ドット型赤外線検知器 |
| KR101232507B1 (ko) | 2006-04-10 | 2013-02-12 | 삼성전자주식회사 | 표면발광소자 및 그의 제조방법 |
| KR101406911B1 (ko) * | 2008-01-04 | 2014-06-16 | 한국과학기술원 | 광 검출 소자 및 그 제조방법 |
| JP6520166B2 (ja) * | 2015-02-05 | 2019-05-29 | 日本電気株式会社 | 赤外線検出素子、その製造方法及び赤外線検出器 |
| US11093667B2 (en) * | 2017-05-22 | 2021-08-17 | Purdue Research Foundation | Method and system for realistic and efficient simulation of light emitting diodes having multi-quantum-wells |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08264825A (ja) * | 1995-03-17 | 1996-10-11 | Daido Steel Co Ltd | 半導体光素子 |
-
1998
- 1998-09-05 KR KR1019980036658A patent/KR100289982B1/ko not_active IP Right Cessation
-
1999
- 1999-06-01 JP JP15439499A patent/JP3233614B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．１６，ｐ．２０２０−２０２２，２０ Ａｐｒｉｌ １９９８，"Ｆａｒｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｉｎ ｓｅｌｆ−ｏｒｇａｎｉｚｅｄ ＩｎＡｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ"，Ｊ．Ｐｈｉｌｌｉｐｓ ｅｔ ａｌ． |
| Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７３，Ｎｏ．７，ｐ．９６３−９６５，１７ Ａｕｇｕｓｔ １９９８，"Ｇｒｏｗｔｈ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＰ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ ｆｏｒ ｍｉｄｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ"，Ｓ．Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．／ |
Also Published As
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