JP4809684B2 - 半導体装置 - Google Patents
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また、量子ドット型赤外線検知器の応答波長を長波長化するために、InAs量子ドットをInGaAsキャップ層で覆う手法が提案されている(例えば非特許文献1参照)。
E. Kim et al., "Tailoring detection bands of InAs Quantum-dot infrared photodetectors using InxGa1-xAs strain-relieving quantum wells", APPLIED PHYSICS LETTERS, VOLUME 79, NUMBER 20, p.3341, 12 NOVEMBER 2001
しかしながら、i−GaAs中間層上に形成されるInAs量子ドットにInGaAsキャップ層を被せると、図6に示すように、単にInAs量子ドットをi−GaAs層で埋め込んだ構造のものよりもInAs量子ドットに加わる格子歪みが小さくなり、InAs量子ドットの基底準位が下がってしまうことになる。これは、InAs量子ドットとInGaAsキャップ層との間の格子定数差は、InAs量子ドットとGaAs中間層との間の格子定数差よりも小さいためである。なお、格子定数の関係はGaAs<InGaAs<InAsとなる。
この場合、InGaAsキャップ層の量子井戸準位に光励起された電子が外部へ取り出される効率(励起キャリアの取り出し効率)が悪くなってしまい、量子ドット型赤外線検知器の感度が低下してしまうことになる。
以下、本発明を、例えば赤外線の入射量に応じて光電流を発生しうる赤外線検知器であって、量子ドットを赤外線吸収部として用いる量子ドット型赤外線検知器に適用した場合を例に説明する。
このように、本実施形態では、下側GaAs中間層4上にInAs量子ドット1を形成し、このInAs量子ドット1に直接InGaAsキャップ層を被せるのではなく、一旦、GaAs第1キャップ層2で薄く覆った後、InGaAs第2キャップ層3を被せるようにしている。
さらに、第2キャップ層3の格子定数は、下側の中間層4の格子定数よりも大きく、かつ、量子ドット1の格子定数よりも小さくなっている。つまり、第2キャップ層3と下側の中間層4との格子定数差は、量子ドット1と下側の中間層4との格子定数差よりも小さくなっている。
そして、上述のようにInAs量子ドット1の一部をGaAs第1キャップ層2で覆った状態で、InAs量子ドット1のGaAs第1キャップ層2で覆われていない部分にInGaAs第2キャップ層(量子井戸層)3を被せることで、InAs量子ドット1の基底準位からInGaAs第2キャップ層3の量子井戸準位への光励起を利用することができようにしている。
次に、本実施形態にかかる量子ドット型赤外線検知器の製造方法の一例について、図3,図4を参照しながら説明する。
なお、本量子ドット型赤外線検知器を構成する各結晶層は例えば分子線エピタキシー(MBE;Molecular Beam Epitaxy)法による結晶成長によって形成される。
次いで、図3に示すように、下側n−GaAsコンタクト層8上に、下側のi−GaAs中間層4(例えば50nm)を形成する。
本実施形態では、InAs量子ドット1は、例えば、直径25〜30nm、高さ5〜10nm程度のサイズであり、面内で5×1010cm-2程度の密度で存在する。また、InAs量子ドット1は、基板温度〜500℃でGaAs中間層4上にIn,Asの分子線原料を照射した際の自己組織化により形成される。
次いで、このようにして形成された層構造上に、図3に示すように、上側n−GaAsコンタクト層(例えば0.5μm)9を形成してウェーハを作製する。なお、上側n−GaAsコンタクト層9のnキャリア濃度は例えば1×1018cm-3とする。
そして、図4(B)に示すように、例えばリフトオフ法によって、上下のn−GaAsコンタクト層8,9上に例えばAuGe/Auからなる電極10を設ける。
なお、上下のコンタクト層は、その導電型(p/n型)の極性を反転させたものを用いても良い。
したがって、本実施形態にかかる半導体装置(量子ドット型赤外線検知器)によれば、例えば量子ドット型赤外線検知器などの半導体装置において、励起キャリアの取り出し効率を向上させることができるという利点がある。
なお、上述の実施形態では、量子ドット、第1キャップ層、第2キャップ層、中間層を、それぞれ、InAs量子ドット、GaAs第1キャップ層、InGaAs第2キャップ層、GaAs中間層としているが、これに限られるものではない。
量子ドットと、
前記量子ドットの一部を覆う第1キャップ層と、
前記第1キャップ層上に形成され、前記量子ドットの前記一部以外の部分を覆う第2キャップ層と、
前記量子ドット、前記第1キャップ層及び前記第2キャップ層を挟み込む中間層とを備え、
前記第2キャップ層のエネルギギャップは、前記量子ドットのエネルギギャップよりも大きく、かつ、前記中間層のエネルギギャップよりも小さく、
前記量子ドットの格子定数は、前記第1キャップ層の下側の中間層の格子定数よりも大きく、
前記第1キャップ層の格子定数は、前記第1キャップ層の下側の中間層の格子定数よりも小さいか又は前記下側中間層の格子定数とほぼ等しく、
前記第2キャップ層の格子定数は、前記下側中間層の格子定数よりも大きく、かつ、前記量子ドットの格子定数よりも小さいことを特徴とする、半導体装置。
量子ドットと、
前記量子ドットの一部を覆う第1キャップ層と、
前記第1キャップ層上に形成され、前記量子ドットの前記一部以外の部分を覆う第2キャップ層と、
前記量子ドット、前記第1キャップ層及び前記第2キャップ層を挟み込む中間層とを備え、
前記第2キャップ層のエネルギギャップは、前記量子ドットのエネルギギャップよりも大きく、かつ、前記中間層のエネルギギャップよりも小さく、
前記量子ドットの格子定数は、前記第1キャップ層の下側の中間層の格子定数よりも小さく、
前記第1キャップ層の格子定数は、前記第1キャップ層の下側の中間層の格子定数よりも大きいか又は前記下側中間層の格子定数とほぼ等しく、
前記第2キャップ層の格子定数は、前記下側中間層の格子定数よりも小さく、かつ、前記量子ドットの格子定数よりも大きいことを特徴とする、半導体装置。
前記第1キャップ層のエネルギギャップは、前記第2キャップ層のエネルギギャップよりも大きいことを特徴とする、付記1又は2記載の半導体装置。
(付記4)
前記量子ドット、前記第1キャップ層及び前記第2キャップ層を前記中間層で挟み込んだ構造を複数備えることを特徴とする、付記1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
前記量子ドットが、InAs,GaAs,AlAs,InP,GaP,AlP,InSb,GaSb,AlSb,InN,GaN,AlN又はこれらの混晶からなることを特徴とする、付記1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記6)
前記中間層が、InAs,GaAs,AlAs,InP,GaP,AlP,InSb,GaSb,AlSb,InN,GaN,AlN又はこれらの混晶からなることを特徴とする、付記1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
前記量子ドットが、InAs又はInGaAsからなり、
前記第1キャップ層が、GaAs,AlGaAs,GaAsP,GaAsNからなり、
前記第2キャップ層が、InGaAsからなり、
前記中間層が、GaAs又はAlGaAsからなることを特徴とする、付記1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。
付記1〜7のいずれか1項に記載の構成を備えることを特徴とする、量子ドット型赤外線検知器。
2 第1キャップ層
3 第2キャップ層
4 中間層
5 量子ドット層
6 基板
7 バッファ層
8 下側コンタクト層
9 上側コンタクト層
10 電極
11 保護膜
11A コンタクト穴
Claims (5)
- 量子ドットと、
前記量子ドットの一部を覆う第1キャップ層と、
前記第1キャップ層上に形成され、前記量子ドットの前記一部以外の部分を覆う第2キャップ層と、
前記量子ドット、前記第1キャップ層及び前記第2キャップ層を挟み込む中間層とを備え、
前記第2キャップ層のエネルギギャップは、前記量子ドットのエネルギギャップよりも大きく、かつ、前記中間層のエネルギギャップよりも小さく、
前記量子ドットの格子定数は、前記第1キャップ層の下側の中間層の格子定数よりも大きく、
前記第1キャップ層の格子定数は、前記第1キャップ層の下側の中間層の格子定数よりも小さいか又は前記下側中間層の格子定数とほぼ等しく、
前記第2キャップ層の格子定数は、前記下側中間層の格子定数よりも大きく、かつ、前記量子ドットの格子定数よりも小さいことを特徴とする、半導体装置。 - 量子ドットと、
前記量子ドットの一部を覆う第1キャップ層と、
前記第1キャップ層上に形成され、前記量子ドットの前記一部以外の部分を覆う第2キャップ層と、
前記量子ドット、前記第1キャップ層及び前記第2キャップ層を挟み込む中間層とを備え、
前記第2キャップ層のエネルギギャップは、前記量子ドットのエネルギギャップよりも大きく、かつ、前記中間層のエネルギギャップよりも小さく、
前記量子ドットの格子定数は、前記第1キャップ層の下側の中間層の格子定数よりも小さく、
前記第1キャップ層の格子定数は、前記第1キャップ層の下側の中間層の格子定数よりも大きいか又は前記下側中間層の格子定数とほぼ等しく、
前記第2キャップ層の格子定数は、前記下側中間層の格子定数よりも小さく、かつ、前記量子ドットの格子定数よりも大きいことを特徴とする、半導体装置。 - 前記第1キャップ層のエネルギギャップは、前記第2キャップ層のエネルギギャップよりも大きいことを特徴とする、請求項1又は2記載の半導体装置。
- 前記量子ドットが、InAs,GaAs,AlAs,InP,GaP,AlP,InSb,GaSb,AlSb,InN,GaN,AlN又はこれらの混晶からなり、
前記中間層が、InAs,GaAs,AlAs,InP,GaP,AlP,InSb,GaSb,AlSb,InN,GaN,AlN又はこれらの混晶からなることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記量子ドットが、InAs又はInGaAsからなり、
前記第1キャップ層が、GaAs,AlGaAs,GaAsP,GaAsNからなり、
前記第2キャップ層が、InGaAsからなり、
前記中間層が、GaAs又はAlGaAsからなることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
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