JP4673398B2 - Quantum dot infrared detector - Google Patents

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Description

本発明は、量子ドット層を光電変換層とする量子ドット型赤外線検知素子に関する。   The present invention relates to a quantum dot infrared detecting element having a quantum dot layer as a photoelectric conversion layer.

複数の量子ドット層が積層されて光電変換層が形成される量子ドット赤外線検知素子(Quantum Dot Infrared Photodetector; QDIP)は、基板に垂直入射する赤外線に対しても感度を有している。このため量子ドット赤外線検知素子(量子ドット型赤外線検知素子とも呼ばれる)、は、垂直入射光の検出が困難な量子井戸赤外線検出素子(Quantum Well Infrared Photodetector; QWIP)より優れた検出器になり得ると期待されている。また、量子ドット赤外線検知素子は、量子井戸赤外線検出素子より暗電流が小さくなるという点でも優れていいる(非特許文献1)。   Quantum Dot Infrared Photodetector (QDIP), in which a plurality of quantum dot layers are stacked to form a photoelectric conversion layer, has sensitivity to infrared rays that are perpendicularly incident on the substrate. For this reason, quantum dot infrared detectors (also called quantum dot infrared detectors) can be better detectors than quantum well infrared detectors (QWIP), which are difficult to detect normal incident light. Expected. The quantum dot infrared detection element is also superior in that the dark current is smaller than that of the quantum well infrared detection element (Non-Patent Document 1).

図1は、量子ドット赤外線検知素子2の一構成例を説明する要部断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part for explaining a configuration example of the quantum dot infrared detection element 2.

図1に示す量子ドット赤外線検知素子2は、n型GaAs製の第1の電極層4と、光電変換層6と、n型GaAs製の第2の電極層8と、金属製の反射金属層10を具備している。   1 includes an n-type GaAs first electrode layer 4, a photoelectric conversion layer 6, an n-type GaAs second electrode layer 8, and a metal reflective metal layer. 10 is provided.

そして、光電変換層6の内部では、同一平面上にInAs製の量子ドット12が多数形成され、i型AlGaAs製の中間層14がこの量子ドット12を覆っている。これら多数の量子ドット12と中間層14によって形成される量子ドット層16が複数積層され、光電変換層6が形成されている。ここで、量子ドット12は、分子線エピタキシャル装置等を用いて、Stranski-Krastanov(SK)モード等の自己組織化形成法によって形成される。   A large number of InAs quantum dots 12 are formed on the same plane inside the photoelectric conversion layer 6, and an intermediate layer 14 made of i-type AlGaAs covers the quantum dots 12. A plurality of quantum dot layers 16 formed by the large number of quantum dots 12 and the intermediate layer 14 are laminated to form the photoelectric conversion layer 6. Here, the quantum dots 12 are formed by a self-organization forming method such as Stranski-Krastanov (SK) mode using a molecular beam epitaxial apparatus or the like.

第1及び第2の電極層4,8には夫々電極(図示せず)が設けられ、この電極に外部回路(図示せず)が接続される。外部回路は、第1及び第2の電極層4,8に電圧を印加して、量子ドット赤外線検知素子2から光電流を取り出して検出する。   Each of the first and second electrode layers 4 and 8 is provided with an electrode (not shown), and an external circuit (not shown) is connected to the electrode. The external circuit applies a voltage to the first and second electrode layers 4 and 8 to extract and detect a photocurrent from the quantum dot infrared detection element 2.

検出対象の赤外線20は、n型GaAs製の基板21の裏面から、量子ドット赤外線検知素子2に入射する。裏面から入射した赤外線20の一部は、光電変換層6の量子ドット12によって吸収され、電子22を量子ドットの励起準位に励起する。励起された電子22は、第1及び第2の電極層4,8の間に印加された電圧によって光電変換層6の内部に形成される電界によって、量子ドット12から引き離されて正電位が印加された電極層に向かって流される。   The infrared ray 20 to be detected is incident on the quantum dot infrared detection element 2 from the back surface of the substrate 21 made of n-type GaAs. A part of the infrared ray 20 incident from the back surface is absorbed by the quantum dots 12 of the photoelectric conversion layer 6 and excites the electrons 22 to the excitation level of the quantum dots. The excited electrons 22 are pulled away from the quantum dots 12 by the electric field formed inside the photoelectric conversion layer 6 by the voltage applied between the first and second electrode layers 4 and 8, and a positive potential is applied. Flow toward the formed electrode layer.

量子ドット12によって吸収されなかった残りの赤外線20´は、反射金属層10によって反射され光電変換層6に再入射する。反射された赤外線20´の一部は、光電変換層6によって吸収される。この光吸収層6への赤外線の再入射によって、量子ドット赤外線検知素子2の量子効率は高くなる。   The remaining infrared rays 20 ′ not absorbed by the quantum dots 12 are reflected by the reflective metal layer 10 and reenter the photoelectric conversion layer 6. A part of the reflected infrared ray 20 ′ is absorbed by the photoelectric conversion layer 6. The quantum efficiency of the quantum dot infrared detection element 2 is increased by the re-incidence of infrared rays to the light absorption layer 6.

図2は、量子ドット12の伝導帯の状態を説明するバンド図である。量子ドット12の伝導帯には、基底準位24と励起準位26が形成されている。量子ドット赤外線検知素子2は、基底準位24が電子で満たされるように形成される。一方、励起準位26は空の状態になるように、量子ドット赤外線検知素子2は形成される。   FIG. 2 is a band diagram for explaining the state of the conduction band of the quantum dots 12. A ground level 24 and an excitation level 26 are formed in the conduction band of the quantum dot 12. The quantum dot infrared detection element 2 is formed so that the ground level 24 is filled with electrons. On the other hand, the quantum dot infrared detection element 2 is formed so that the excitation level 26 is empty.

量子ドット12に、基底準位24と励起準位26のエネルギー差に相当する波長の赤外線20が入射すると、基底準位24を満たしている電子が励起準位26に励起される(所謂、サブバンド間遷移)。励起された電子は、中間層6に印加された電界28によって、励起準位28から中間層14の伝導帯に遷移させられ、更に電界から力を受けて正電位が印加された電極層に向かって流されて行く。尚、図2には、励起準位26が、中間層6の伝導帯端30より低エネルギーに形成された場合が示されている。しかし、励起準位26は必ずしも中間層の伝導帯端より低エネルギーに形成される必要はなく、中間層6の伝導帯端30より高エネルギーに形成されてもよい。
K. W. Berryman, S. A. Lyon, and Mordechai Segev. Appl. Phys. Lett. 70, 1861(1977).
When an infrared ray 20 having a wavelength corresponding to the energy difference between the ground level 24 and the excitation level 26 is incident on the quantum dot 12, electrons that satisfy the ground level 24 are excited to the excitation level 26 (so-called sub-levels). Interband transition). The excited electrons are caused to transition from the excitation level 28 to the conduction band of the intermediate layer 14 by the electric field 28 applied to the intermediate layer 6, and further toward the electrode layer to which a positive potential is applied by receiving a force from the electric field. Go away. FIG. 2 shows a case where the excitation level 26 is formed with lower energy than the conduction band edge 30 of the intermediate layer 6. However, the excitation level 26 is not necessarily formed at a lower energy than the conduction band edge of the intermediate layer, and may be formed at a higher energy than the conduction band edge 30 of the intermediate layer 6.
KW Berryman, SA Lyon, and Mordechai Segev.Appl.Phys.Lett. 70, 1861 (1977).

量子ドット層16の、一層当たりの量子効率は低い。このため量子ドット赤外線検知素子2では、複数の量子ドット層16が積層され、更に赤外線の入射面に対向する表面に反射金属層10を設けて量子効率を高められている。   The quantum efficiency per layer of the quantum dot layer 16 is low. For this reason, in the quantum dot infrared detection element 2, a plurality of quantum dot layers 16 are stacked, and the reflective metal layer 10 is provided on the surface opposite to the infrared incident surface to enhance quantum efficiency.

励起準位26からの中間層14へ放出される単位時間当たりの電子数は、電界28が小さくなると減少し、電界28が増大すると大きくなる。そこで、量子ドット赤外線検知素子2では、中間層14が必要以上に厚くなって電界28が小さくなることのないように、例えば50nm程度の厚さに中間層14の厚さが制限される。   The number of electrons per unit time emitted from the excitation level 26 to the intermediate layer 14 decreases as the electric field 28 decreases, and increases as the electric field 28 increases. Therefore, in the quantum dot infrared detection element 2, the thickness of the intermediate layer 14 is limited to a thickness of, for example, about 50 nm so that the intermediate layer 14 is not thickened more than necessary and the electric field 28 is not reduced.

量子ドット12となる半導体(例えば、InAs)と、下地となる中間層14を形成する半導体(例えば、AlGaAs)は格子定数が異なっている。この格子定数の違いによって量子ドットとなる半導体層内に格子歪が蓄積し、蓄積した格子歪エネルギーが駆動力となって、量子ドット12が形成される。   The semiconductor (for example, InAs) used as the quantum dot 12 and the semiconductor (for example, AlGaAs) which forms the intermediate | middle layer 14 used as a base | substrate differ. Due to the difference in lattice constant, lattice strain is accumulated in the semiconductor layer that becomes the quantum dot, and the accumulated lattice strain energy serves as a driving force to form the quantum dot 12.

一方、量子ドット12に接する中間層14にも、量子ドット12とは反対方向の歪みが発生する。この格子歪は、量子ドット12に直接接する位置で最も大きく、量子ドット12から成膜方向に遠ざかるに従い弱くなる。上述した、中間層14層としての好ましい厚さ50nmは、中間層14の表面で、この格子歪(中間層の格子歪)が略消失する厚さである。   On the other hand, the intermediate layer 14 in contact with the quantum dots 12 is also distorted in the direction opposite to that of the quantum dots 12. This lattice distortion is greatest at a position in direct contact with the quantum dots 12 and becomes weaker as the distance from the quantum dots 12 in the film forming direction is increased. The preferable thickness 50 nm as the intermediate layer 14 described above is a thickness at which the lattice strain (lattice strain of the intermediate layer) substantially disappears on the surface of the intermediate layer 14.

しかし、このような厚さに形成した中間層の表面でも、格子歪は完全には消失していない。このため、積層する量子ドット層16の層数が増えると、蓄積された格子歪により光電変換層に結晶欠陥(転移)が発生し、遂には量子ドット赤外線検知素子2の性能が著しく低下してしまう。   However, even on the surface of the intermediate layer formed to such a thickness, the lattice strain is not completely lost. For this reason, when the number of quantum dot layers 16 to be stacked increases, crystal defects (transition) occur in the photoelectric conversion layer due to accumulated lattice distortion, and finally the performance of the quantum dot infrared detection element 2 significantly decreases. End up.

このため、積層可能な量子ドット層16の厚さは高々20層程度であり、量子ドット赤外線検知素子2の量子効率は高々1%程度でしかない。   For this reason, the thickness of the quantum dot layer 16 which can be laminated | stacked is about 20 layers at most, and the quantum efficiency of the quantum dot infrared detection element 2 is only about 1% at most.

そこで、本発明者等は、中間層14と同じ半導体材料(例えば、AlGaAs)によって形成される歪緩衝層32を、光電変換層6の内部に挿入した量子ドット赤外線検知素子を開発した。   Accordingly, the present inventors have developed a quantum dot infrared detection element in which a strain buffer layer 32 formed of the same semiconductor material (for example, AlGaAs) as that of the intermediate layer 14 is inserted into the photoelectric conversion layer 6.

図3は、歪緩衝層32を備えた量子ドット赤外線検知素子34の構成を説明する要部断面図である。図3に示すように、光電変換層6の内部に歪緩衝層32が挿入されている点で、本発明者等の開発した量子ドット赤外線検知素子34は、図1を参照して説明した従来の量子ドット赤外線検知素子2と異なっている。   FIG. 3 is a cross-sectional view of a main part for explaining the configuration of the quantum dot infrared detecting element 34 provided with the strain buffer layer 32. As shown in FIG. 3, the quantum dot infrared detection element 34 developed by the present inventors has been described with reference to FIG. 1 in that a strain buffer layer 32 is inserted inside the photoelectric conversion layer 6. This is different from the quantum dot infrared detecting element 2 of FIG.

図3に示すように、光電変換層6は、例えば、15層の量子ドット層16が積層された第1の光電変換層36と、中間層14と同じ半導体材料で形成された厚さ720nmの歪緩衝層32と、15層の量子ドット層16が積層された第2の光電変換層38が順次積層されて形成される。   As shown in FIG. 3, the photoelectric conversion layer 6 has, for example, a first photoelectric conversion layer 36 in which 15 quantum dot layers 16 are stacked, and a 720 nm-thickness formed of the same semiconductor material as the intermediate layer 14. A strain buffer layer 32 and a second photoelectric conversion layer 38 in which 15 quantum dot layers 16 are stacked are sequentially stacked.

このように、中間層16と同じ半導体材料を厚く堆積した歪緩衝層32を第1及び第2の光電変換層の間に挟むことによって、第1の光電変換層36内部に発生した歪みを略完全に消失させた後に、第2の光電変換層38を成長することが可能になる。   As described above, the strain generated in the first photoelectric conversion layer 36 is substantially reduced by sandwiching the strain buffer layer 32 in which the same semiconductor material as that of the intermediate layer 16 is deposited between the first and second photoelectric conversion layers. After completely disappearing, the second photoelectric conversion layer 38 can be grown.

従って、第1及び第2の光電変換層を合わせた量子ドット層全体の層数を、例えば30層と多くすることができる。このため、量子ドット赤外線検知素子34の量子効率が向上すると期待される。   Therefore, the total number of quantum dot layers including the first and second photoelectric conversion layers can be increased to, for example, 30 layers. For this reason, it is expected that the quantum efficiency of the quantum dot infrared detection element 34 is improved.

ところで、図3に示す量子ドット赤外線検知素子34では、歪緩衝層32を設けた分だけ光電変換層6が厚くなる。このため光電変換層内部の電界(以下、内部電界と呼ぶ)すなわち量子ドットに印加される電界が小さくなる。このため励起準位26から中間層14に放出される電子の数が減り、期待通りには量子効率が増加しない。   By the way, in the quantum dot infrared detection element 34 shown in FIG. 3, the photoelectric conversion layer 6 is thickened by the amount of the strain buffer layer 32. For this reason, the electric field (hereinafter referred to as the internal electric field) inside the photoelectric conversion layer, that is, the electric field applied to the quantum dots is reduced. For this reason, the number of electrons emitted from the excitation level 26 to the intermediate layer 14 decreases, and the quantum efficiency does not increase as expected.

量子ドット赤外線検知素子34に印加する電圧を高くすれば、歪緩衝層32の導入によって小さくなった内部電界を大きくすることは可能である。しかし、量子ドット赤外線検知素子は2次元アレイ状に配置され、個々の素子がCMOS回路によって駆動されるのが通常の使用状態である。CMOS(complementary metal oxide semiconductor)回路の発生する電圧は、高々3V程度である。従って、量子ドット赤外線検知素子34に印加する電圧を大きくして、量子効率を向上させることには限界がある。   If the voltage applied to the quantum dot infrared detection element 34 is increased, the internal electric field reduced by the introduction of the strain buffer layer 32 can be increased. However, the quantum dot infrared detection elements are arranged in a two-dimensional array and each element is driven by a CMOS circuit in a normal use state. A voltage generated by a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) circuit is about 3V at most. Therefore, there is a limit to increasing the voltage applied to the quantum dot infrared detection element 34 to improve the quantum efficiency.

そこで、本発明の目的は、歪緩衝層32を光電変換層6に設けることによって生じる内部電界の縮小を抑制又は回避して、量子効率の高い量子ドット赤外線検知素子34を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a quantum dot infrared detection element 34 with high quantum efficiency by suppressing or avoiding the reduction of the internal electric field caused by providing the strain buffer layer 32 in the photoelectric conversion layer 6.

上記の目的を達成するために、開示の量子ドット型赤外線検知素子は、半導体基板と、複数の量子ドットと前記複数の量子ドットを覆う中間層とを有する複数の量子ドット層が、前記半導体基板上に積層された複数の光電変換層と、前記半導体基板に整合した、p型半導体層とn型半導体層が積層された歪緩衝層を具備し、前記歪緩衝層は、前記複数の光電変換層間に配置されている。   In order to achieve the above object, a disclosed quantum dot infrared detecting element includes a semiconductor substrate, a plurality of quantum dot layers each having a plurality of quantum dots and an intermediate layer covering the plurality of quantum dots. A plurality of photoelectric conversion layers stacked on the semiconductor substrate; and a strain buffer layer in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are stacked in alignment with the semiconductor substrate, wherein the strain buffer layer includes the plurality of photoelectric conversion layers. Arranged between the layers.

開示の量子ドット型赤外線検知素子によれば、歪緩衝層を設けることによって、光電変換層に於いて、積層可能な量子ドット層の層数が増加する。更に、p型半導体層とn型半導体層を積層して歪緩衝層を形成するので、歪緩衝層を設けたことによる内部電界の縮小を抑制又は回避することが可能になる。   According to the disclosed quantum dot infrared detection element, the number of quantum dot layers that can be stacked is increased in the photoelectric conversion layer by providing the strain buffer layer. Furthermore, since the strain buffer layer is formed by stacking the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, it is possible to suppress or avoid the reduction of the internal electric field due to the provision of the strain buffer layer.

このため、本発明に係る量子ドット型赤外線検知素子が生成する光電流が大きくなる(すなわち、量子効率が大きくなる。)。   For this reason, the photocurrent generated by the quantum dot infrared detection element according to the present invention increases (that is, the quantum efficiency increases).

開示の量子ドット型赤外線検知素子によれば、量子ドット層によって光電変換層が形成された量子ドット型赤外線検知素子の量子効率が大きくなる。   According to the disclosed quantum dot infrared detection element, the quantum efficiency of the quantum dot infrared detection element in which the photoelectric conversion layer is formed by the quantum dot layer is increased.

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the matters described in the claims and equivalents thereof.

(実施の形態1)
(1)構成および製造方法
図4は、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子の構成を説明する要部断面図である。
(Embodiment 1)
(1) Configuration and Manufacturing Method FIG. 4 is a cross-sectional view of the main part for explaining the configuration of the quantum dot infrared detection element according to the present embodiment.

図4を参照して、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子の構成を製造手順に従って、ステップ毎に説明する。   With reference to FIG. 4, the structure of the quantum dot infrared detection element according to this Embodiment is demonstrated for every step according to a manufacture procedure.

(i)第1の電極層4の形成
本ステップでは、第1の電極層4となるGaAs層が形成される。
(I) Formation of the 1st electrode layer 4 In this step, the GaAs layer used as the 1st electrode layer 4 is formed.

n型のGaAs基板21上に、厚さ1000nmのn型GaAs層が、分子線エピタキシャル法によって成長させられる。成長温度は、600℃である。このGaAs層にドーピングされる不純物はSiであり、その濃度は2×1018/cmである。 An n-type GaAs layer having a thickness of 1000 nm is grown on the n-type GaAs substrate 21 by molecular beam epitaxy. The growth temperature is 600 ° C. The impurity doped in this GaAs layer is Si, and its concentration is 2 × 10 18 / cm 3 .

なお、特に言及はしないが、以後のステップで説明する半導体層も、本ステップと同様に、分子線エピタキシャル法により成長させられる。   Although not particularly mentioned, the semiconductor layer described in the subsequent steps is also grown by molecular beam epitaxy as in this step.

(ii)第1の光電変換層36の形成
本ステップでは、複数の量子ドット12とこの量子ドット12を覆う中間層14によって形成される量子ドット層16が複数積層された半導体積層構造が形成される。この半導体積層構造は、第1の光電変換層となる。
(Ii) Formation of first photoelectric conversion layer 36 In this step, a semiconductor stacked structure is formed in which a plurality of quantum dots 12 formed by a plurality of quantum dots 12 and an intermediate layer 14 covering the quantum dots 12 are stacked. The This semiconductor stacked structure becomes the first photoelectric conversion layer.

まず、成長温度が600℃から500℃に降下させながら、厚さ50nmのi型Al0.2Ga0.8As層42(絶縁性のAl0.2Ga0.8As層)が成長させられる。このi型Al0.2Ga0.8As層は、第1層目の中間層となる。 First, an i-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer 42 (insulating Al 0.2 Ga 0.8 As layer) having a thickness of 50 nm is grown while the growth temperature is lowered from 600 ° C. to 500 ° C. It is done. This i-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer is the first intermediate layer.

次に、成長温度が500℃に維持された状態で、2ML(2原子層)に相当するInAs原料(In分子線及びAs分子線)が供給される。InAs原料の供給速度は、成長膜が層状に成長すると仮定した場合に、InAs層が成長速度0.2ML/s(0.2原子層/秒)で成長するために必要な供給速度である。   Next, InAs raw materials (In molecular beam and As molecular beam) corresponding to 2 ML (two atomic layers) are supplied in a state where the growth temperature is maintained at 500 ° C. The supply rate of the InAs raw material is a supply rate necessary for the growth of the InAs layer at a growth rate of 0.2 ML / s (0.2 atomic layer / second), assuming that the growth film grows in a layer form.

InAsは、(GaAs基板21に格子整合する)i型Al0.2Ga0.8As層42より格子定数が大きいので、圧縮歪を受けた状態で成長する。成長初期には、InAsは層状に成長し濡れ層(図示せず)と呼ばれる層を形成する。その後、InAs膜に蓄積される歪エネルギーを緩和するため、InAsが3次元成長を開始し、多数の量子ドット12´が形成される。すなわち、本実施の形態の量子ドットは、SKモードによって自己組織化形成される。 Since InAs has a lattice constant larger than that of the i-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer 42 (lattice-matched to the GaAs substrate 21), it grows under a compressive strain. In the early stage of growth, InAs grows in layers and forms a layer called a wetting layer (not shown). Thereafter, in order to relax the strain energy accumulated in the InAs film, InAs starts three-dimensional growth, and a large number of quantum dots 12 'are formed. That is, the quantum dots of the present embodiment are self-organized and formed by the SK mode.

このようにして形成された量子ドット12´の上に、厚さ50nmのi型Al0.2Ga0.8As層が積層される。このi型Al0.2Ga0.8Asは中間層14´となり、量子ドット12´と共に第1層目の量子ドット層16´を形成する。 An i-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer having a thickness of 50 nm is stacked on the quantum dots 12 ′ thus formed. This i-type Al 0.2 Ga 0.8 As becomes the intermediate layer 14 ′, and forms the first quantum dot layer 16 ′ together with the quantum dots 12 ′.

その後、上記手順と同様のステップ(量子ドットと中間層の形成)を繰り返すことにより、合計15層の量子ドット層16が形成される。   Thereafter, the same steps (formation of quantum dots and intermediate layers) as those described above are repeated, so that a total of 15 quantum dot layers 16 are formed.

(iii)歪緩衝層の形成
本ステップでは、n型半導体層44とp型半導体層46が積層され、歪緩衝層48となる半導体積層構造が形成される。ここで、n型半導体層44及びp型半導体層46は、夫々基板21に格子整合している。
(Iii) Formation of Strain Buffer Layer In this step, the n-type semiconductor layer 44 and the p-type semiconductor layer 46 are stacked to form a semiconductor stacked structure that becomes the strain buffer layer 48. Here, the n-type semiconductor layer 44 and the p-type semiconductor layer 46 are lattice-matched to the substrate 21, respectively.

まず、厚さ360nmのn型Al0.2Ga0.8As層が、第1の光電変換層36の上に成長させられる。Al0.2Ga0.8As層にドーピングされる不純物はSiであり、その濃度は5.2×1015/cmである。このn型Al0.2Ga0.8As層が、上記n型半導体層44となる。 First, an n-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer having a thickness of 360 nm is grown on the first photoelectric conversion layer 36. The impurity doped in the Al 0.2 Ga 0.8 As layer is Si, and its concentration is 5.2 × 10 15 / cm 3 . This n-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer becomes the n-type semiconductor layer 44.

次に、厚さ360nmのp型Al0.2Ga0.8As層が、n型半導体層44の上に成長させられる。p型Al0.2Ga0.8As層にドーピングされる不純物はBeであり、その濃度は5.2×1015/cmである。このp型Al0.2Ga0.8As層が、上記p型半導体層46となる。 Next, a p-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer having a thickness of 360 nm is grown on the n-type semiconductor layer 44. The impurity doped in the p-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer is Be, and its concentration is 5.2 × 10 15 / cm 3 . This p-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer becomes the p-type semiconductor layer 46.

(iV)第2の光電変換層38の成長
本ステップでは、複数の量子ドット12とこの量子ドット12を覆う中間層14によって形成される量子ドット層16が複数積層され、第2の光電変換層38となる半導体積層構造が形成される。
(IV) Growth of Second Photoelectric Conversion Layer 38 In this step, a plurality of quantum dot layers 16 formed by the plurality of quantum dots 12 and the intermediate layer 14 covering the quantum dots 12 are stacked, and the second photoelectric conversion layer is formed. A semiconductor stacked structure to be 38 is formed.

本ステップに於ける手順は、上記「(ii)第1の光電変換層36の形成」で説明した手順と略同じである。但し、成長温度は、最下層の中間層50から最上層の量子ドット52が成長させられるまでの間は500℃であり、最上層の中間層54を成長する間に500℃から600℃に昇温される。   The procedure in this step is substantially the same as the procedure described above in “(ii) Formation of first photoelectric conversion layer 36”. However, the growth temperature is 500 ° C. until the uppermost quantum dot 52 is grown from the lowermost intermediate layer 50, and increases from 500 ° C. to 600 ° C. during the growth of the uppermost intermediate layer 54. Be warmed.

(V)第2の電極層8の形成
本ステップでは、第2の電極層8となるGaAs層が形成される。
(V) Formation of Second Electrode Layer 8 In this step, a GaAs layer to be the second electrode layer 8 is formed.

本ステップに於ける手順は、上記「(i)第1の電極層4の形成」に於ける手順と略同じである。但し、成長するn型GaAs層の厚さが、1000nmではなく360nmである点で上記「(i)第1の電極層4の形成」に於ける手順と異なる。また、n型GaAs層が、GaAs基板21ではなく、第2の光電変換層38の上に成長させられる点で異なる。   The procedure in this step is substantially the same as the procedure in “(i) Formation of first electrode layer 4”. However, it differs from the procedure in “(i) Formation of first electrode layer 4” in that the thickness of the grown n-type GaAs layer is 360 nm instead of 1000 nm. Further, the n-type GaAs layer is different in that it is grown not on the GaAs substrate 21 but on the second photoelectric conversion layer 38.

(Vi)メサの形成
次に、上記「(i)第1の電極層4の形成」〜「(V)第2の電極層8の形成」によって形成された半導体積層構造を、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術を用いて、円柱状のメサに加工する。ここでドライエッチングは、第1の電極層4が露出するまで行われる。
(Vi) Formation of Mesa Next, the semiconductor stacked structure formed by the above “(i) formation of the first electrode layer 4” to “(V) formation of the second electrode layer 8” is obtained by photolithography and A cylindrical mesa is processed using dry etching technology. Here, the dry etching is performed until the first electrode layer 4 is exposed.

(Vii)第1及び第2の電極56,58の形成
次に、第1及び第2の電極層4,8夫々に、AuGe/Au製の第1及び第2の電極56,58が夫々形成される。
(Vii) Formation of first and second electrodes 56 and 58 Next, first and second electrodes 56 and 58 made of AuGe / Au are formed on the first and second electrode layers 4 and 8, respectively. Is done.

(Viii)反射金属層10の形成
次に、第2の電極58が形成された領域を除く第2の電極層8の表面全体に、Ti層の上にAuが積層された反射金属層10が形成される。
(Viii) Formation of Reflective Metal Layer 10 Next, the reflective metal layer 10 in which Au is laminated on the Ti layer is formed on the entire surface of the second electrode layer 8 excluding the region where the second electrode 58 is formed. It is formed.

以上説明したステップ「(i)第1の電極層4の形成」〜「(Viii)反射金属層10の形成」により、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40が形成される。   Through the steps “(i) formation of the first electrode layer 4” to “(Viii) formation of the reflective metal layer 10” described above, the quantum dot infrared detection element 40 according to the present embodiment is formed.

すなわち、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40は、図4に示すように、半導体基板21を具備している。   That is, the quantum dot infrared detection element 40 according to the present embodiment includes a semiconductor substrate 21 as shown in FIG.

また、量子ドット赤外線検知素子40は、同一平面上に形成された複数の量子ドット12と量子ドット12を覆う中間層14を有する複数の量子ドット16層が、半導体基板21の上に積層された複数の光電変換層(例えば、第1及び第2の光電変換層36,38)を具備している。   In addition, the quantum dot infrared detection element 40 has a plurality of quantum dots 12 formed on the same plane and a plurality of quantum dots 16 having an intermediate layer 14 covering the quantum dots 12 stacked on the semiconductor substrate 21. A plurality of photoelectric conversion layers (for example, first and second photoelectric conversion layers 36 and 38) are provided.

更に、量子ドット赤外線検知素子40は、半導体基板21に整合した、p型半導体層46とn型半導体層44が積層された歪緩衝層48を具備している。   Further, the quantum dot infrared detection element 40 includes a strain buffer layer 48 in which a p-type semiconductor layer 46 and an n-type semiconductor layer 44 are laminated, which are aligned with the semiconductor substrate 21.

そして、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40では、歪緩衝層48を介して複数の上記光電変換層(例えば、第1及び第2の光電変換層36,38)が積層された構造体が形成されている。   In the quantum dot infrared detection element 40 according to the present embodiment, a structure in which a plurality of the photoelectric conversion layers (for example, the first and second photoelectric conversion layers 36 and 38) are stacked via the strain buffer layer 48. Is formed.

更に、本実施の形態の量子ドット赤外線検知素子40では、夫々に電極56,58が形成された第1及び第2の電極層4,8の間に、上記構造体が挟まれている。   Furthermore, in the quantum dot infrared detection element 40 of the present embodiment, the structure is sandwiched between the first and second electrode layers 4 and 8 on which the electrodes 56 and 58 are formed, respectively.

尚、図4を参照して説明した例では、歪緩衝層48を介して積層される光電変換層は2層であるが、積層される光電変換層の層数は3層以上であってもよい。但し、その場合にも、各光電変換層の間に、p型半導体層46とn型半導体層44が(同じ順で)積層された歪緩衝層48が設けられることが好ましい。   In the example described with reference to FIG. 4, the photoelectric conversion layers stacked via the strain buffer layer 48 are two layers, but the number of stacked photoelectric conversion layers may be three or more. Good. However, even in that case, it is preferable that a strain buffer layer 48 in which a p-type semiconductor layer 46 and an n-type semiconductor layer 44 are stacked (in the same order) is provided between the photoelectric conversion layers.

また、本実施の形態では、量子ドット12及び中間層14の双方とも意識的にはドーピングされていない所謂ノンドープ半導体(i型半導体又は絶縁性半導体とも呼ばれる)で形成されている。但し、量子ドット12及び中間層14によって形成される量子ドット層16は、必ずしもノンドープである必要はなく、例えばn型であってもよい。但し、全ての量子ドット層16が、同一導電型であることが好ましい。   In the present embodiment, both the quantum dots 12 and the intermediate layer 14 are formed of a so-called non-doped semiconductor (also called an i-type semiconductor or an insulating semiconductor) that is not intentionally doped. However, the quantum dot layer 16 formed by the quantum dots 12 and the intermediate layer 14 does not necessarily need to be non-doped, and may be n-type, for example. However, it is preferable that all the quantum dot layers 16 have the same conductivity type.

(2)動作
(i)内部電界の増強
次に、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40の動作を説明する。
(2) Operation (i) Enhancement of Internal Electric Field Next, the operation of the quantum dot infrared detection element 40 according to the present embodiment will be described.

図5は、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40に外部回路60が接続された状態を説明する図である。この外部回路60は、電圧発生機能と電流検出機能を有し、量子ドット赤外線検知素子40が発生する光電流を検出する。図5に示された例では、外部回路60は、直列に接続された定電圧源61と電流検出器63によって形成されている。ここで、定電圧源の発生する電圧をVとする。 FIG. 5 is a diagram illustrating a state in which external circuit 60 is connected to quantum dot infrared detection element 40 according to the present embodiment. The external circuit 60 has a voltage generation function and a current detection function, and detects the photocurrent generated by the quantum dot infrared detection element 40. In the example shown in FIG. 5, the external circuit 60 is formed by a constant voltage source 61 and a current detector 63 connected in series. Here, the voltage generated by the constant voltage source is V 0 .

外部回路60の正電極62は、量子ドット赤外線検知素子40の第2の電極58に接続される。一方、外部回路60の負電極64は、量子ドット赤外線検知素子40の第1の電極56に接続される。   The positive electrode 62 of the external circuit 60 is connected to the second electrode 58 of the quantum dot infrared detection element 40. On the other hand, the negative electrode 64 of the external circuit 60 is connected to the first electrode 56 of the quantum dot infrared detection element 40.

すなわち、外部回路60の正電極62は、p型半導体層46の側に配置された第2の電極層8に電気的に接続される。一方、外部回路60の負電極56は、n型半導体層44の側に配置された第1の電極層4に電気的に接続される。   That is, the positive electrode 62 of the external circuit 60 is electrically connected to the second electrode layer 8 disposed on the p-type semiconductor layer 46 side. On the other hand, the negative electrode 56 of the external circuit 60 is electrically connected to the first electrode layer 4 disposed on the n-type semiconductor layer 44 side.

図6は、量子ドット赤外線検知素子40の内部に於ける、第1の電極層4から第2の電極層8に至る、伝導帯端(伝導帯の底)のエネルギーの位置変化を図示したものである。図6の横方向位置は、量子ドット赤外線検知素子内部の位置に対応している。図6の左端は第1の電極層4に対応し、右端は第2の電極層8に対応する。また、図6の縦方向位置は、電子のエネルギーに対応する。上側に進むほど、高エネルギーになる。   FIG. 6 illustrates the change in the position of the energy at the conduction band edge (bottom of the conduction band) from the first electrode layer 4 to the second electrode layer 8 inside the quantum dot infrared detection element 40. It is. The horizontal position in FIG. 6 corresponds to the position inside the quantum dot infrared detection element. The left end in FIG. 6 corresponds to the first electrode layer 4, and the right end corresponds to the second electrode layer 8. The vertical position in FIG. 6 corresponds to the energy of electrons. The higher you go, the higher the energy.

図6に実線で示された線図は、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40の伝導帯端エネルギーの位置変化を示している。一方、破線で示された線図は、図3を参照して説明した、歪緩衝層32に不純物がドーピングされていない量子ドット赤外線検知素子34の伝導帯端エネルギーの位置変化を示している。尚、両量子ドット赤外線検知素子34,40の構造は、歪緩衝層への不純物ドーピングの有無を除いて一致しているものとする。また、図6では、量子ドット12に於ける伝導帯端エネルギーの変化は省略されている。   The diagram shown by the solid line in FIG. 6 shows the positional change of the conduction band edge energy of quantum dot infrared detection element 40 according to the present embodiment. On the other hand, a diagram indicated by a broken line shows a change in the position of the conduction band edge energy of the quantum dot infrared detection element 34 described with reference to FIG. 3 and in which the strain buffer layer 32 is not doped with impurities. The structures of the two quantum dot infrared detection elements 34 and 40 are the same except for the presence or absence of impurity doping in the strain buffer layer. In FIG. 6, the change in the conduction band edge energy in the quantum dots 12 is omitted.

図3を参照して説明した量子ドット赤外線検知素子34では、伝導帯端のエネルギーは、図6の破線に示すように、低電位側の第1の電極4から高電位側の第2の電極8に向かって直線的に減少する。   In the quantum dot infrared detecting element 34 described with reference to FIG. 3, the energy at the conduction band edge is changed from the first electrode 4 on the low potential side to the second electrode on the high potential side, as shown by the broken line in FIG. It decreases linearly toward 8.

ところで、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40では、歪緩衝層48を形成するn型及びp型の半導体層44,46はpn接合を形成し、夫々正及び負の空間電荷を発生する。   By the way, in the quantum dot infrared detecting element 40 according to the present embodiment, the n-type and p-type semiconductor layers 44 and 46 forming the strain buffer layer 48 form pn junctions, and generate positive and negative space charges, respectively. .

このため、正の空間電荷を発生するn型半導体層44の電位は上昇する。従って、n型半導体層44の伝導帯端エネルギーは下降する。故に、図6の実線が示すように、第1の光電変換層36の右端(n型半導体層44に接する位置)に於ける伝導帯端エネルギーも下降する。   For this reason, the potential of the n-type semiconductor layer 44 that generates positive space charge rises. Accordingly, the conduction band edge energy of the n-type semiconductor layer 44 decreases. Therefore, as indicated by the solid line in FIG. 6, the conduction band edge energy at the right end (position in contact with the n-type semiconductor layer 44) of the first photoelectric conversion layer 36 also decreases.

一方、負の空間電荷を発生するp型半導体層46の電位は下降する。従って、p型半導体層46の伝導帯端エネルギーは上昇する。このため、図6の実線が示すように、第2の光電変換層38の左端(p型半導体層46に接する位置)に於ける伝導帯端エネルギーは上昇する。   On the other hand, the potential of the p-type semiconductor layer 46 that generates negative space charge drops. Accordingly, the conduction band edge energy of the p-type semiconductor layer 46 increases. For this reason, as indicated by the solid line in FIG. 6, the conduction band edge energy at the left end of the second photoelectric conversion layer 38 (position in contact with the p-type semiconductor layer 46) increases.

故に、図6に示すように、第1及び第2の光電変換層36,38夫々に於ける伝導帯端エネルギーの変化は、歪緩衝層に不純物がドーピングされていない場合に比べ急になる。従って、第1及び第2の光電変換層36,38内部に於ける電界強度(ポテンシャルを位置座標で微分した値)が強くなる。   Therefore, as shown in FIG. 6, the change in the conduction band edge energy in each of the first and second photoelectric conversion layers 36 and 38 becomes sharper than that in the case where the strain buffer layer is not doped with impurities. Therefore, the electric field strength (value obtained by differentiating the potential with respect to the position coordinates) in the first and second photoelectric conversion layers 36 and 38 is increased.

すなわち、本実施の形態に従えば、歪緩衝層を設けたことによる、第1及び第2の光電変換層36,38内に於ける電界(以下、内部電界と呼ぶ)の強度減少が抑制又は回避される。   That is, according to the present embodiment, the decrease in the strength of the electric field (hereinafter referred to as the internal electric field) in the first and second photoelectric conversion layers 36 and 38 due to the provision of the strain buffer layer is suppressed or reduced. Avoided.

本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40に於いて、赤外線が検出される過程を説明すると以下のようになる。   In the quantum dot infrared detecting element 40 according to the present embodiment, the process of detecting infrared rays will be described as follows.

まず、以上のようにして、内部電界の減少が抑制又は回避された量子ドット赤外線検知素子40に対して、n型GaAs製の基板21の裏面から、検出対象の赤外線(図示せず)が入射される(図5参照)。裏面から入射した赤外線は、第1及び第2の光電変換層36,38に達し、量子ドット12によって吸収される。量子ドット12に吸収された赤外線は、基底準位24にある電子を励起準位26に励起する(図2参照)。励起された電子は、量子ドット12に印加された内部電界によって励起準位26から中間層14に遷移した後、正電位が印加された第2の電極層8に向かって流されて行く。第2の電極層8に到達した電子の流れは、光電流として外部回路60に取り出されて検出される。   First, as described above, infrared rays (not shown) to be detected are incident from the back surface of the n-type GaAs substrate 21 to the quantum dot infrared detection element 40 in which the reduction of the internal electric field is suppressed or avoided. (See FIG. 5). Infrared rays incident from the back surface reach the first and second photoelectric conversion layers 36 and 38 and are absorbed by the quantum dots 12. The infrared light absorbed by the quantum dots 12 excites electrons in the ground level 24 to the excitation level 26 (see FIG. 2). The excited electrons make a transition from the excitation level 26 to the intermediate layer 14 by the internal electric field applied to the quantum dots 12, and then flow toward the second electrode layer 8 to which a positive potential is applied. The flow of electrons that has reached the second electrode layer 8 is extracted as a photocurrent to the external circuit 60 and detected.

上述したように、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40では、歪緩衝層を設けたことに起因する内部電界の強度減少が抑制又は回避されている。従って、歪緩衝層に不純物がドーピングされていない量子ドット赤外線検知素子34(図3参照)で問題となる、励起準位26からの中間層14へ遷移する電子の減少現象は、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40では緩和又は回避される。   As described above, in the quantum dot infrared detection element 40 according to the present embodiment, the decrease in the strength of the internal electric field due to the provision of the strain buffer layer is suppressed or avoided. Therefore, the phenomenon of reduction of electrons transitioning from the excitation level 26 to the intermediate layer 14 which is a problem in the quantum dot infrared detection element 34 (see FIG. 3) in which no impurity is doped in the strain buffer layer is described in the present embodiment. Is mitigated or avoided in the quantum dot infrared sensing element 40 according to

一方、歪緩衝層48を設けることにより、積層可能な量子ドット層16の層数は、従来の20層程度から30層以上に増加する。従って、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40は、図1を参照して説明した歪緩衝層を有しない量子ドット赤外線検知素子2に比べ、量子効率すなわち光電流が1.5倍(=30層/20層)程度大きくなる。   On the other hand, the provision of the strain buffer layer 48 increases the number of stackable quantum dot layers 16 from about 20 to 30 or more. Therefore, the quantum dot infrared detection element 40 according to the present embodiment has a quantum efficiency, that is, a photocurrent of 1.5 times that of the quantum dot infrared detection element 2 having no strain buffer layer described with reference to FIG. (30 layers / 20 layers).

ところで、図6に示した例では、歪緩衝層48の内部に於ける伝導帯端エネルギーは殆ど平坦である。従って、第1及び第2の電極層4,8の間に印加される電圧Vは、殆ど全て第1及び第2の光電変換層36,38に印加される。このため図6に示した例では、歪緩衝層を設けたことに起因する内部電界の強度減少は略完全に回避されている。 Incidentally, in the example shown in FIG. 6, the conduction band edge energy inside the strain buffer layer 48 is almost flat. Therefore, almost all the voltage V 0 applied between the first and second electrode layers 4 and 8 is applied to the first and second photoelectric conversion layers 36 and 38. For this reason, in the example shown in FIG. 6, the decrease in the strength of the internal electric field due to the provision of the strain buffer layer is almost completely avoided.

次に、図6に示した例のように、内部電界の強度減少が略完全に回避される具体的条件について検討する。   Next, as in the example shown in FIG. 6, specific conditions under which the decrease in the strength of the internal electric field is almost completely avoided will be examined.

まず、n型及びp型半導体層44,46が共に完全に空乏化し、且つ同じ厚さd/2を有していると仮定する。また、n型及びp型半導体層44,46は、同じ不純物濃度Nを有しているとする。この時、歪緩衝層44,46の両端に現れる拡散電位差Vpnは次式で表される。 First, assume that both n-type and p-type semiconductor layers 44, 46 are fully depleted and have the same thickness d i / 2. Further, it is assumed that the n-type and p-type semiconductor layers 44 and 46 have the same impurity concentration N. At this time, the diffusion potential difference V pn appearing at both ends of the strain buffer layers 44 and 46 is expressed by the following equation.

Figure 0004673398
Figure 0004673398

但し、eは電子の電荷を、εは真空の誘電率を、εは歪緩衝層を形成する半導体の比誘電率を表す。 Here, e represents the charge of electrons, ε 0 represents the dielectric constant of vacuum, and ε s represents the relative dielectric constant of the semiconductor forming the strain buffer layer.

ところで、第1及び第2の光電変換層36,38と歪緩衝層48によって形成される光電変換層6全体の厚さをdとすると、歪緩衝層48内部でポテンシャルが略平坦になるための条件は次式で表すことができる。 By the way, if the total thickness of the photoelectric conversion layer 6 formed by the first and second photoelectric conversion layers 36 and 38 and the strain buffer layer 48 is dt , the potential becomes substantially flat inside the strain buffer layer 48. These conditions can be expressed by the following equation.

Figure 0004673398
Figure 0004673398

式(1)及び(2)より、次式が導かれる。   From the equations (1) and (2), the following equation is derived.

Figure 0004673398
Figure 0004673398

すなわち、内部電界の強度減少を略完全に回避するためには、n型及びp型半導体層44,46の不純物濃度が、式(3)に従って得られる値Nであればよい。   That is, in order to substantially completely avoid a decrease in the strength of the internal electric field, the impurity concentration of the n-type and p-type semiconductor layers 44 and 46 only needs to be a value N obtained according to the equation (3).

上記「(1)構成および製造方法」で説明したn型及びp型半導体層44,46の不純物濃度5.2×1015/cmは、V=3V、d=720nm、d=2320nm、及びε=13として、式(3)に基づいて定められた値である。 The impurity concentration of 5.2 × 10 15 / cm 3 of the n-type and p-type semiconductor layers 44 and 46 described in the above “(1) Configuration and manufacturing method” is V 0 = 3 V, d i = 720 nm, d t = 2320 nm and ε s = 13 are values determined based on Equation (3).

(ii)入射光の有効利用
上述したように、基板21の裏面から入射した赤外線(図示せず)の一部は第1及び第2の光電変換層36,38を通過し、反射金属層10によって反射される。このため、入射光と反射光が干渉して、量子ドット赤外線検知素子40の内部に定在波が形成される。
(Ii) Effective Use of Incident Light As described above, part of infrared light (not shown) incident from the back surface of the substrate 21 passes through the first and second photoelectric conversion layers 36 and 38, and the reflective metal layer 10 Is reflected by. For this reason, incident light and reflected light interfere with each other, and a standing wave is formed inside the quantum dot infrared detection element 40.

図7は、量子ドット赤外線検知素40の内部に形成される定在波の状態を説明する概念図である。図7には、入射波68と反射波70が干渉して発生する定在波の包絡線66(定在波の電界の包絡線)が図示されている。   FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining a standing wave state formed inside the quantum dot infrared detection element 40. FIG. 7 illustrates a standing wave envelope 66 (standing wave electric field envelope) generated by the interference of the incident wave 68 and the reflected wave 70.

反射金属層10は金属製なので、その表面で定在波の強度は零になる。従って、反射金属層10の素子側表面を節として、赤外線の定在波が形成される。この節の現れる周期は、次式で表される。   Since the reflective metal layer 10 is made of metal, the intensity of the standing wave is zero on the surface. Therefore, infrared standing waves are formed with the element-side surface of the reflective metal layer 10 as a node. The period in which this section appears is expressed by the following equation.

Figure 0004673398
Figure 0004673398

ここで、λは検知対象の赤外線の真空中での波長を表し、nは量子ドット赤外線検知素子40を形成する半導体の屈折率を表す。 Here, λ p represents the wavelength of the infrared rays to be detected in vacuum, and n represents the refractive index of the semiconductor forming the quantum dot infrared detecting element 40.

本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40は、素子表面から1.52μm(=10μm/(2×3.3)=λ/2n)に位置する地点が、歪緩衝層48の中央(素子表面から1.52μmの位置(=360nm+50nm×16層+360nm))になるように形成されている(図7参照)。尚、λは10μm、nは3.3とした。 In the quantum dot infrared detecting element 40 according to the present embodiment, a point located at 1.52 μm (= 10 μm / (2 × 3.3) = λ p / 2n) from the element surface is the center of the strain buffer layer 48 (element It is formed so as to be 1.52 μm from the surface (= 360 nm + 50 nm × 16 layers + 360 nm) (see FIG. 7). In addition, λ p was 10μm, n is 3.3.

従って、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40では、定在波強度が弱くなる節が、第1及び第2の光電変換層36,38から除外され、定在波強度の強い腹が第1及び第2の光電変換層36,38に偏在している。このため、量子ドットの基底準位から励起準位へ(単位時間当たりに)励起される電子の数が増えるので、本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40の量子効率は高くなる。   Therefore, in the quantum dot infrared detection element 40 according to the present embodiment, the node where the standing wave intensity is weak is excluded from the first and second photoelectric conversion layers 36 and 38, and the antinode with strong standing wave intensity is the first. The first and second photoelectric conversion layers 36 and 38 are unevenly distributed. For this reason, since the number of electrons excited from the ground level of the quantum dot to the excitation level (per unit time) increases, the quantum efficiency of the quantum dot infrared detector 40 according to the present embodiment increases.

定在波の節が歪緩衝層48の中央に来るようにするためには、第2の電極層8の厚さを適宜調整すればよい。ここで第2の電極層8は、不純物濃度が2×1018/cmと高いので、その空乏層幅は高々数10nmである。このため第2の電極層8を薄くする必要がある場合には、第2の電極層8を数10nm程度まで薄くすることが可能である。 In order to make the node of the standing wave come to the center of the strain buffer layer 48, the thickness of the second electrode layer 8 may be adjusted as appropriate. Here, since the impurity concentration of the second electrode layer 8 is as high as 2 × 10 18 / cm 3 , the width of the depletion layer is at most several tens of nm. For this reason, when the second electrode layer 8 needs to be thinned, the second electrode layer 8 can be thinned to about several tens of nm.

図8は、図3を参照して説明した量子ドット赤外線検知素34の内部に形成される定在波の状態を説明する概念図である。   FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining the state of the standing wave formed inside the quantum dot infrared detecting element 34 described with reference to FIG.

図3を参照して説明した量子ドット赤外線検知素子34では、上述したような歪緩衝層32の位置調整は行われていない。従って、定在波の節が歪緩衝層32の内部に来るとは限らず、図8のように定在波の節が、第1又は第2の光電変換層36,38の内部に来てしまうことがある。このような場合には、量子ドット赤外線検知素子34の量子効率は低くなってしまう。   In the quantum dot infrared detection element 34 described with reference to FIG. 3, the position adjustment of the strain buffer layer 32 as described above is not performed. Accordingly, the node of the standing wave does not always come inside the strain buffer layer 32, and the node of the standing wave comes inside the first or second photoelectric conversion layer 36, 38 as shown in FIG. May end up. In such a case, the quantum efficiency of the quantum dot infrared detection element 34 becomes low.

上記説明から明らかなように、図4を参照して説明した本実施の形態に従う量子ドット赤外線検知素子40は、検出対象の光の入射面72(基板21の裏面)に対向する表面74(第2の電極層8の表面)に形成された反射金属層10を有している。   As is clear from the above description, the quantum dot infrared detection element 40 according to the present embodiment described with reference to FIG. 4 has a surface 74 (first surface) that faces the light incident surface 72 (the back surface of the substrate 21). 2 has a reflective metal layer 10 formed on the surface of the second electrode layer 8.

そして、量子ドット赤外線検知素子40は、上記表面74からの距離が検出対象の光が有する波長の半分となる位置に、歪緩衝層48の内部が位置するように形成されている。   The quantum dot infrared detection element 40 is formed such that the inside of the strain buffer layer 48 is located at a position where the distance from the surface 74 is half the wavelength of the light to be detected.

但し、上記表面74からの距離が検出対象の光が有する波長の半分の自然数倍となる位置に、歪緩衝層48の内部が位置するように形成されていてもよい。この場合にも、第1及び第2の電極層4,8の間に形成される複数の節の少なくても一つが歪緩衝層の内部に形成されるので、量子効率が向上する。   However, the strain buffer layer 48 may be formed so that the distance from the surface 74 is a natural number multiple of half the wavelength of the light to be detected. Also in this case, since at least one of the plurality of nodes formed between the first and second electrode layers 4 and 8 is formed inside the strain buffer layer, the quantum efficiency is improved.

(実施の形態2)
本実施の形態は、実施の形態1に従う量子ドット赤外線検知素子40を備えた赤外線検出装置に関する。
(Embodiment 2)
The present embodiment relates to an infrared detection device including the quantum dot infrared detection element 40 according to the first embodiment.

実施の形態1に従う量子ドット赤外線検知素子40の要部は、実施の形態1に於いて量子ドット赤外線検知素子40の動作を説明するために参照した図5に記載された構成と同じである。   The main part of the quantum dot infrared detection element 40 according to the first embodiment is the same as the configuration described in FIG. 5 referred to in order to explain the operation of the quantum dot infrared detection element 40 in the first embodiment.

すなわち、本実施の形態に従う赤外線検出装置76は、実施の形態1に従う量子ドット赤外線検知素子40と、外部回路60(電圧発生源)を有している。   That is, infrared detection device 76 according to the present embodiment has quantum dot infrared detection element 40 according to the first embodiment and external circuit 60 (voltage generation source).

ここで、外部回路60(電圧発生源)は、p型半導体層46に接する光電変換層(第2の光電変換層38)に正電位を供給し、n型半導体層44に接する光電変換層(第1の光電変換層36)に負電位を供給する。   Here, the external circuit 60 (voltage generation source) supplies a positive potential to the photoelectric conversion layer (second photoelectric conversion layer 38) in contact with the p-type semiconductor layer 46, and the photoelectric conversion layer (in contact with the n-type semiconductor layer 44). A negative potential is supplied to the first photoelectric conversion layer 36).

すなわち、外部電源60の正電極62は、第1及び第2の電極層4,8のうちp型半導体層46側に配置された電極層すなわち第2の電極層8に電気的に接続される。また、外部電源60の負電極64は、第1及び第2の電極層4,8のうちn型半導体層44側に配置された電極層すなわち第1の電極層4に電気的に接続されている。   That is, the positive electrode 62 of the external power supply 60 is electrically connected to the electrode layer disposed on the p-type semiconductor layer 46 side of the first and second electrode layers 4, 8, that is, the second electrode layer 8. . The negative electrode 64 of the external power supply 60 is electrically connected to the electrode layer disposed on the n-type semiconductor layer 44 side of the first and second electrode layers 4, 8, that is, the first electrode layer 4. Yes.

ここで、本実施の形態に従う外部回路60は、CMOS回路によって形成される。そして、外部回路60は電流検出機能と電圧発生機能を有し、3Vの定電圧を量子ドット赤外線検知素子40に供給するように形成されている。   Here, external circuit 60 according to the present embodiment is formed of a CMOS circuit. The external circuit 60 has a current detection function and a voltage generation function, and is formed so as to supply a constant voltage of 3 V to the quantum dot infrared detection element 40.

(変形例)
以上説明した例では、歪緩衝層48の厚さは720nm(=360nm+360nm)であるが、歪緩衝層48の厚さはこの値に限られるものではない。但し、歪緩衝層48の厚さは、格子歪が概ね消滅する50nmより厚いことが好ましく、ドライエッチングによるメサ加工に支障が生じない5μm以下であることが好ましい。
(Modification)
In the example described above, the thickness of the strain buffer layer 48 is 720 nm (= 360 nm + 360 nm), but the thickness of the strain buffer layer 48 is not limited to this value. However, the thickness of the strain buffer layer 48 is preferably thicker than 50 nm at which the lattice strain substantially disappears, and is preferably 5 μm or less which does not hinder mesa processing by dry etching.

また中間層の厚さは、上述した50nmに限られない。中間層の厚さは、コラムナ量子ドットが形成され量子状態に変化が生じないように30nm以上であることが好ましく、且つ内部電界が不必要に減縮しないよう50nm以下であることが好ましい。   Further, the thickness of the intermediate layer is not limited to 50 nm described above. The thickness of the intermediate layer is preferably 30 nm or more so that columnar quantum dots are formed and the quantum state does not change, and is preferably 50 nm or less so that the internal electric field is not reduced unnecessarily.

また、以上の例では、量子ドットはInAsで形成されるが、他の半導体材料例えばInGaAsで形成されてもよい。更に、以上の例では、中間層はAlGaAsで形成されるが、他の半導体材料例えばGaAsで形成されてもよい。   In the above example, the quantum dots are formed of InAs, but may be formed of other semiconductor materials such as InGaAs. Furthermore, in the above example, the intermediate layer is formed of AlGaAs, but may be formed of other semiconductor materials such as GaAs.

また、以上の例では、各半導体層はMBE(Molecular Beam Epitaxy)法で成長させられるが、有機金属気相成長法等の他の方法で成長させられてもよい。   In the above example, each semiconductor layer is grown by MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, but may be grown by other methods such as metal organic vapor phase epitaxy.

量子ドット赤外線検知素子の一構成例を説明する要部断面図である。It is principal part sectional drawing explaining the example of 1 structure of a quantum dot infrared rays detection element. 量子ドットの伝導帯の状態を説明するバンド図である。It is a band figure explaining the state of the conduction band of a quantum dot. 歪緩衝層を備えた量子ドット赤外線検知素子の構成を説明する要部断面図である。It is principal part sectional drawing explaining the structure of the quantum dot infrared rays detection element provided with the distortion buffer layer. 実施の形態1に従う量子ドット赤外線検知素子の構成を説明する要部断面図である。It is principal part sectional drawing explaining the structure of the quantum dot infrared rays detection element according to Embodiment 1. FIG. 量子ドット赤外線検知素子に、光電流を検出するための外部回路が接続された状態を説明する図である。It is a figure explaining the state by which the external circuit for detecting a photocurrent was connected to the quantum dot infrared detection element. 実施の形態1に従う量子ドット赤外線検知素子に於ける、第1の電極層から第2の電極層に至る伝導帯端のエネルギー変化を説明する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining energy change at the conduction band edge from the first electrode layer to the second electrode layer in the quantum dot infrared detection element according to the first embodiment. 実施の形態1に従う量子ドット赤外線検知素子の内部に形成される、赤外線の定在波の状態を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the state of the infrared standing wave formed in the inside of the quantum dot infrared detection element according to Embodiment 1. FIG. 図3に記載された量子ドット赤外線検知素子の内部に形成される、赤外線の定在波の状態を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the state of the infrared standing wave formed in the inside of the quantum dot infrared detection element described in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

2・・・量子ドット赤外線検知素子 4・・・第1の電極層
6・・・光電変換層 8・・・第2の電極層
10・・・反射金属層 12,12´・・・量子ドット
14,14´・・・中間層 16・・・量子ドット層
20,20´・・・赤外線
21・・・基板 22・・・電子
24・・・基底準位 26・・・励起準位
28・・・電界 30・・・伝導帯端
32・・・歪緩衝層 34・・・量子ドット赤外線検知素子
36・・・第1の光電変換層 38・・・第2の光電変換層
40・・・量子ドット赤外線検知素子(実施の形態1)
42・・・i型Al0.2Ga0.8As層 44・・・n型半導体層
46・・・p型半導体層 48・・・歪緩衝層(実施の形態1)
50・・・最下層の中間層 52・・・最上層の量子ドット
54・・・最上層の中間層 56・・第1の電極
58・・・第2の電極 60・・・外部回路
61・・・定電圧源 62・・・正電極
63・・・電流検出器 64・・・負電極
66・・・定在波の包絡線 68・・・入射波
70・・・反射波 72・・・入射面
74・・・(量子ドット赤外線検知素子の)表面
76・・・赤外線検出装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 ... Quantum dot infrared detection element 4 ... 1st electrode layer 6 ... Photoelectric conversion layer 8 ... 2nd electrode layer 10 ... Reflective metal layer 12, 12 '... Quantum dot 14, 14 '... Intermediate layer 16 ... Quantum dot layer 20, 20' ... Infrared ray 21 ... Substrate 22 ... Electron 24 ... Ground level 26 ... Excitation level 28 .... Electric field 30 ... conduction band edge 32 ... strain buffer layer 34 ... quantum dot infrared detector 36 ... first photoelectric conversion layer 38 ... second photoelectric conversion layer 40 ... Quantum dot infrared detection element (Embodiment 1)
42 ... i-type Al 0.2 Ga 0.8 As layer 44 ... n-type semiconductor layer 46 ... p-type semiconductor layer 48 ... strain buffer layer (Embodiment 1)
50... Lowermost intermediate layer 52... Uppermost quantum dot 54... Uppermost intermediate layer 56 .. First electrode 58... Second electrode 60. ..Constant voltage source 62 ... Positive electrode
63: current detector 64 ... negative electrode 66 ... standing wave envelope 68 ... incident wave 70 ... reflected wave 72 ... incident surface 74 ... (quantum dot infrared detection) Surface 76 of element (infrared detector)

Claims (7)

半導体基板と、
複数の量子ドットと前記複数の量子ドットを覆う中間層とを有する複数の量子ドット層が、前記半導体基板上に積層された複数の光電変換層と、
前記半導体基板に整合した、p型半導体層とn型半導体層が積層された歪緩衝層を具備し、
前記歪緩衝層は、前記複数の光電変換層間に配置されてなることを特徴とする量子ドット型赤外線検知素子。
A semiconductor substrate;
A plurality of quantum dot layers having a plurality of quantum dots and an intermediate layer covering the plurality of quantum dots, a plurality of photoelectric conversion layers laminated on the semiconductor substrate;
A strain buffer layer in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are laminated, which is aligned with the semiconductor substrate;
The quantum dot infrared detecting element, wherein the strain buffer layer is disposed between the plurality of photoelectric conversion layers.
請求項1に記載の量子ドット型赤外線検知素子において、
光の入射面に対向する表面に形成された、赤外線を反射する反射金属層を有することを特徴とする量子ドット型赤外線検知素子。
In the quantum dot type infrared sensing element according to claim 1,
A quantum dot infrared detecting element, comprising a reflective metal layer that reflects infrared rays, formed on a surface facing a light incident surface.
請求項2に記載の量子ドット型赤外線検知素子において、
前記表面からの距離が検出対象の光が有する波長の半分の自然数倍となる位置に、前記歪緩衝層の内部が位置するように形成されていることを特徴とする量子ドット型赤外線検知素子。
In the quantum dot type infrared sensing element according to claim 2,
A quantum dot infrared detecting element, wherein the inside of the strain buffer layer is positioned at a position where the distance from the surface is a natural number multiple of half the wavelength of light to be detected .
請求項1又は2に記載の量子ドット型赤外線検知素子において、
前記歪緩衝層の厚さが、50nm以上5μm以下であり、
前記中間層の厚さが、30nm以上で且つ50nmより薄いことを特徴とする量子ドット型赤外線検知素子。
In the quantum dot type infrared sensing element according to claim 1 or 2,
The strain buffer layer has a thickness of 50 nm or more and 5 μm or less,
A quantum dot infrared detection element, wherein the intermediate layer has a thickness of 30 nm or more and less than 50 nm.
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の量子ドット型赤外線検知素子において、
前記量子ドットが、InAs及びInGaAsの何れか一方で形成されており、
前記中間層が、GaAs及びAlGaAsの何れか一方で形成されていることを特徴とする量子ドット型赤外線検知素子。
In the quantum dot type infrared sensing element according to any one of claims 1 to 3,
The quantum dots are formed of either InAs or InGaAs;
The quantum dot infrared detecting element, wherein the intermediate layer is formed of one of GaAs and AlGaAs.
半導体基板と、複数の量子ドットと前記複数の量子ドットを覆う中間層とを有する複数の量子ドット層が、前記半導体基板上に積層された複数の光電変換層と、前記半導体基板に整合した、p型半導体層とn型半導体層が積層された歪緩衝層を具備し、前記歪緩衝層は、前記複数の光電変換層間に配置されてなる量子ドット型赤外線検知素子と、
前記p型半導体層に接する前記光電変換層に正電位を供給し、
前記n型半導体層に接する前記光電変換層に負電位を供給する電圧発生源を具備する赤外線検出装置。
A plurality of quantum dot layers having a semiconductor substrate and a plurality of quantum dots and an intermediate layer covering the plurality of quantum dots are aligned with the plurality of photoelectric conversion layers stacked on the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate, comprising a strain buffer layer in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are laminated, the strain buffer layer being disposed between the plurality of photoelectric conversion layers;
Supplying a positive potential to the photoelectric conversion layer in contact with the p-type semiconductor layer;
An infrared detector comprising a voltage generation source for supplying a negative potential to the photoelectric conversion layer in contact with the n-type semiconductor layer.
半導体基板と、複数の量子ドットと前記複数の量子ドットを覆う中間層とを有する複数の量子ドット層が、前記半導体基板上に積層された複数の光電変換層と、前記半導体基板に整合した、p型半導体層とn型半導体層が積層された歪緩衝層と、光の入射面に対向する表面に形成された、赤外線を反射する反射金属層を具備し、前記歪緩衝層は、前記複数の光電変換層間に配置されてなる量子ドット型赤外線検知素子と、
前記p型半導体層に接する前記光電変換層に正電位を供給し、
前記n型半導体層に接する前記光電変換層に負電位を供給する電圧発生源を具備する赤外線検出装置。
A plurality of quantum dot layers having a semiconductor substrate and a plurality of quantum dots and an intermediate layer covering the plurality of quantum dots are aligned with the plurality of photoelectric conversion layers stacked on the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate, a strain buffer layer in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are stacked; and a reflective metal layer that reflects infrared light and is formed on a surface facing the light incident surface. A quantum dot infrared detector disposed between the photoelectric conversion layers of
Supplying a positive potential to the photoelectric conversion layer in contact with the p-type semiconductor layer;
An infrared detector comprising a voltage generation source for supplying a negative potential to the photoelectric conversion layer in contact with the n-type semiconductor layer.
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