JP4829209B2

JP4829209B2 - 量子ドット型赤外線検知器

Info

Publication number: JP4829209B2
Application number: JP2007326505A
Authority: JP
Inventors: 真一郎川上; 弘師西野; 僚鈴木; 靖仁内山; 祐輔松倉
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2027-12-18
Also published as: JP2009152246A

Description

本発明は、赤外線センサ等に好適な量子ドット型赤外線検知器に関する。

近年、Stranski-Krastanow（ＳＫ）モードとよばれる成長モードで量子ドット構造が容易に実現可能であることが注目されており、量子ドット構造を用いた光半導体デバイスの開発が盛んになっている。ＧａＡｓ基板上に成長する量子ドットの材料としては、ＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ及びＧａＳｂが挙げられる。

また、赤外線検知器の一種として、赤外線吸収層に量子ドットが含まれた量子ドット型赤外線検知器（ＱＤＩＰ：Quantum Dot Infrared Photodetector）が注目されている。量子ドット型赤外線検知器では、量子ドットによる電子の３次元閉じ込め効果が得られるため、３次元全ての方向での光吸収による高感度特性が得られる。つまり、光結合器を用いずに量子ドット型赤外線検知器に垂直に入射する赤外線を検知することができる。このため、容易に作製することが可能である。また、量子ドットにより離散的な準位が形成されるため、熱励起によって量子ドットから励起される暗電流を抑えることができる。このため、電子冷却で動作する赤外線検知器としても注目されている（非特許文献１）。

従来の量子ドット型赤外線検知器には、量子ドットを含む赤外線吸収層、及びこれを挟む２つの電極層が設けられている。図６は、従来の量子ドット型赤外線検知器の赤外線吸収層の構造を示す断面図である。

従来の量子ドット型赤外線検知器の赤外線吸収層には、下側の電極層上に形成された中間層１１０、この上に形成された量子ドット１２１、及ぶこれを覆う中間層１１２が設けられている。更に、中間層１１２上に他の量子ドット１２１が形成され、これを覆う他の中間層１１２が設けられている。そして、量子ドット１２１及び中間層１１２の組み合わせが複数繰り返されている。中間層１１２の厚さは量子ドット１２１の成長によって結晶に生じる歪を緩和させる程度のものとなっている。

また、非特許文献２には、量子ドット型赤外線検知器の従来の製造方法が記載されている。この方法では、ＧａＡｓ基板上にバッファ層を成長させ、更に、下部電極層、赤外線吸収層、及び上部電極層をこの順で成長させている。赤外線吸収層の形成の際には、ＩｎＡｓ量子ドットを０．２２ＭＬ／秒の速度で２．０ＭＬの高さに成長させ、量子ドットを埋め込むＧａ_0.85Ｉｎ_0.15Ａｓ層を２０ＭＬの厚さに成長させ、その上に中間層として厚さが１８０ＭＬのＧａＡｓ層を成長させている。そして、ＩｎＡｓ量子ドットの成長、Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ａｓ層の成長及び中間層の成長を総計で５回繰り返している。

しかしながら、量子ドット型赤外線検知器には、動作温度の上昇と共に感度が大きく落ちてしまい、室温付近での動作が困難であるという問題点がある。そこで、感度を向上させるために、積層数を増やし、量子ドットの数を増やすことが提案されている。非特許文献３には、ＩｎＡｓ量子ドットと厚さが５００ÅのＧａＡｓ中間層との組み合わせを７０回繰り返した構造が記載されている。そして、１７５Ｋの温度で０．１２Ａ／Ｗの感度が得られたことが記載されている。

しかし、室温でも十分な感度を得るためには、更に積層数を増やす必要があるが、積層数の増加には、内部電界の低下という不都合が伴う。内部電界が低下すると、感度が低下してしまう。従って、感度を向上させるために、積層数を増やしても、十分な感度を得ることは難しい。

積層数を増やしながら内部電界を高くするためには、中間層を薄くすることが考えられるが、中間層を薄くすると、歪の緩和が不十分となる。この結果、多くの量子ドットが縦方向に整列する（特許文献１）。つまり、積層された上下の量子ドットの中心軸が揃うようになる。そして、半数以上の量子ドットが縦方向に整列すると、整列していない場合と比較して、波長吸収帯、暗電流及び感度等の特性が変化してしまう。

なお、歪が残っていても、その程度によっては量子ドットの縦方向での整列を抑制することは可能である。このため、中間層の厚さをこの程度のものにすることも考えられる。しかしながら、中間層の厚さをこの程度のものとした場合には、歪の蓄積によって結晶性が低下し、暗電流及びノイズが増大してしまう。このような事情があるため、従来の量子ドット型赤外線検知器では、厚い中間層が用いられているのである。

特開平９−３２６５０６号公報 K. W. Berryman, S. A. Lyon, and Mordechai Segev. Appl. Phys. Lett. 70, 1861(1997) Zhengmao Ye, Joe C. Campbell, Zhonghui Chen, Eui-Tae Kim, and Anupam Madhukar ; J. Appl. Phys. Vol.92. 7462(2002) S. Chakrabarti et al, J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 22, 1499(2004) T. Srinivasan et al. Journal of Crystal Growth 280 (2005) 378

本発明の目的は、暗電流及びノイズを増大させることなく、より高い感度を得ることができる量子ドット型赤外線検知器を提供することにある。

本願発明者は、上記課題を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。

本発明に係る量子ドット型赤外線検知器には、光吸収層と、前記光吸収層を挟む２個の電極層と、が設けられている。前記光吸収層は、複数の量子ドットとこれを覆う中間層との組み合わせを複数組有し、前記組み合わせは互いに積層されており、前記中間層の厚さは２種類以上存在している。そして、前記中間層のうちで最も薄い最薄中間層の厚さは、当該最薄中間層が覆う量子ドットに起因する歪がその表面において存在する厚さである。また、前記中間層のうちで最も厚い最厚中間層の厚さは、当該最厚中間層が覆う量子ドットに起因する歪がその表面において消滅する厚さである。前記最薄中間層の組成と前記最厚中間層の組成とが互いに共通している。

本発明によれば、光吸収層に厚さが２種類以上の中間層が設けられており、これらの厚さが適切に規定されているため、暗電流及びノイズを増大させることなく、感度を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る量子ドット型赤外線検知器の構造を示す断面図である。

本実施形態では、図１に示すように、絶縁性ＧａＡｓ基板等の基板１上に、ＧａＡｓバッファ層又はＡｌＧａＡｓバッファ層等のバッファ層２が形成されている。また、バッファ層２上に、ｎ型ＧａＡｓ等からなる下部電極層３が形成されている。例えば、下部電極層３の外周部は中心部よりも薄くなっている。そして、下部電極層３の中心部上に赤外線を吸収する吸収層４が形成されている。吸収層４の詳細については、後述する。吸収層４上に、ｎ型ＧａＡｓ等からなる上部電極層５が形成されている。下部電極層３及び上部電極層５の厚さは１．０μｍ程度であり、キャリア密度が１×１０¹⁸（ｃｍ^-3）程度となる量のドーパント（例えばＳｉ）が含まれている。更に、下部電極層３の外周部上に下部電極６が形成され、上部電極層５の外周部上に上部電極７が形成されている。下部電極６及び上部電極７としては、例えばＡｕＧｅ膜及びＡｕ膜の積層体が用いられる。

ここで、吸収層４について説明する。図２は、吸収層４の構造を示す断面図である。吸収層４には、下部電極層３上に形成された中間層１０が含まれている。中間層１０はＧａＡｓからなる。中間層１０上に量子ドット２１が形成されている。量子ドット２１はＩｎＡｓからなり、その高さは２．０ＭＬ程度である。また、中間層１０上に量子ドット２１を覆う中間層１１が形成されている。中間層１１はＧａＡｓからなり、その厚さは半数以上の量子ドット２１が縦方向に整列しない程度の歪が残る厚さ、例えば３０ｎｍ程度である。そして、量子ドット２１と中間層１１との組み合わせが更に４組積み重ねられている。つまり、量子ドット２１と中間層１１との組み合わせが５組設けられている。更に、その上に、量子ドット２１、及びこれを覆う中間層１２が形成されている。中間層１２はＧａＡｓからなり、その厚さはその表面において量子ドット２１に伴う歪が解消されている厚さ、例えば６０ｎｍ程度である。量子ドット２１と中間層１２との組み合わせは１組のみ設けられており、その下の５組の組み合わせ（量子ドット２１と中間層１１との組み合わせ）と合わせて１つの繰り返し単位が構成されている。そして、本実施形態では、この繰り返し単位が総計で２０個設けられている。従って、量子ドット２１は、総計で１２０層分設けられている。

このような吸収層４内では、中間層１１に歪が残留しているが、これらは中間層１２によって緩和されている。従って、歪の存在に伴う結晶性の低下が抑制される。また、中間層１２が厚いものの中間層１１が薄いため、全体的な厚さは従来のものよりも薄くなり、繰り返し単位が増加しても、内部電界の低下に伴う感度の低下は生じにくい。

そして、本実施形態に係る量子ドット型赤外線検知器では、図３に示すように、量子ドット２１の伝導帯の基底準位と励起準位との間のエネルギ差に相当する波長の赤外線が入射すると、電子が量子ドット２１の伝導帯の基底準位から励起準位へと遷移する。そして、この電子が電極まで到達すると、電流が流れる。従って、この電流の大きさを検出することにより、量子ドット型赤外線検知器に入射した赤外線の強度を検出することができる。

上述のように、非特許文献３には、ＩｎＡｓ量子ドットと、厚さが５００ÅのＧａＡｓ中間層との組み合わせが７０組設けられた吸収層を用い、１７５Ｋの動作温度で２．０Ｖのバイアスを印加した結果、０．１２Ａ／Ｗの感度が得られたことが記載されている。非特許文献３から引用した実験結果を図４に示す。なお、この例では、吸収層と上部電極との間にＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝０．３）バリア層が設けられている。以下、この構造を構造Ａという。

また、構造Ａに対し、ＩｎＡｓ量子ドットとＧａＡｓ中間層との組み合わせを１２０組としたものを構造Ｂとする。また、構造Ｂに対して、ＧａＡｓ中間層の厚さを２５０Åとしたものを構造Ｃとする。更に、上述の実施形態に順ずる構造を構造Ｄとする。構造Ｄでは、ＩｎＡｓ量子ドットと厚さが２５０ÅのＧａＡｓ中間層との組み合わせが５組設けられており、更に、その上に、ＩｎＡｓ量子ドット、及びこれを覆う厚さが５００ÅのＧａＡｓ中間層が形成されている。ＩｎＡｓ量子ドットと厚さが５００ÅのＧａＡｓ中間層との組み合わせは１組のみ設けられており、その下の５組の組み合わせ（ＩｎＡｓ量子ドットと厚さが２５０ÅのＧａＡｓ中間層との組み合わせ）と合わせて１つの繰り返し単位が構成されている。そして、構造Ｄでは、この繰り返し単位が総計で２０個設けられている。従って、ＩｎＡｓ量子ドットは、構造Ｂ及びＣと同様に、総計で１２０層分設けられている。これらの構造をまとめると、表１のようになる。

そして、これらの構造Ａ〜Ｄに、１．２Ｖのバイアスを印加すると、表２に示す大きさの内部電界が生じる。この結果、構造Ａでは、非引用文献３に記載されているように、０．０２Ａ／Ｗの感度が得られる。このことは、図４からも明らかである

一方、構造Ｂでは、ＧａＡｓ中間層の総厚さが構造Ａの６００００／３５０００倍となるため、構造Ａに対して「１．２（Ｖ）×３５０００／６００００≒０．７（Ｖ）」のバイアスが印加された場合と同様の内部電界が生じる。その一方で、繰り返し数が構造Ａの１２０／７０倍になっている。従って、図４から、「約０．００６（Ａ／Ｗ）×１２０／７０≒０．０１（Ａ／Ｗ）」という低い感度が得られるにすぎない。

また、構造Ｃでは、ＧａＡｓ中間層の総厚さが構造Ａの３２４００／３５０００倍となるため、構造Ａに対して「１．２（Ｖ）×３５０００／３２４００≒１．３（Ｖ）」のバイアスが印加された場合と同様の内部電界が生じる。また、図４から概算すると、１．３（Ｖ）のバイアスが印加された時の感度は０．０２５Ａ／Ｗである。更に、繰り返し数が構造Ａの１２０／７０倍になっている。従って、「０．０２５（Ａ／Ｗ）×１２０／７０＝０．４３（Ａ／Ｗ）」の感度が得られると考えられる。しかしながら、全ての各ＧａＡｓ中間層が薄すぎるため、歪が蓄積されて結晶性が低くなり、暗電流及びノイズが増大すると考えられ、検知器としての性能は下がると考えられる。

構造Ｄでは、ＧａＡｓ中間層の総厚さが構造Ａと等しいため、内部電界は構造Ａと等しい。そして、繰り返し数は、構造Ａの１２０／７０倍となっている。従って、図４から、「０．０２（Ａ／Ｗ）×１２０／７０≒０．０３４（Ａ／Ｗ）」という高い感度が得られると考えられる。また、厚さが５００ÅのＧａＡｓ中間層が周期的に設けられているため、歪の蓄積に伴う結晶性の低下が抑制される。つまり、構造Ａと同様の結晶性が得られ、暗電流及びノイズは低く抑えられると考えられる。これらをまとめると、表２のようになる。

次に、上述の量子ドット型赤外線検知器を製造する方法について説明する。図５Ａ乃至図５Ｃは、本発明の実施形態に係る量子ドット型赤外線検知器の製造方法を工程順に示す断面図である。

先ず、図５Ａに示すように、基板１上に、バッファ層２及び下部電極層３をこの順で形成する。これらは、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ：molecular beam epitaxial）法又は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：metal organic chemical vapor deposition）法等によって形成することができる。

次に、下部電極層３上に吸収層４を形成する。吸収層４の量子ドット２１は、ＳＫモードを利用した自己組織化量子ドット形成法を採用し、基板温度を５００℃に設定し、成長速度を０．２２ＭＬ／秒とする。吸収層４の形成後には、吸収層４上に上部電極層５を形成する。

次いで、フォトリソグラフィ法により上部電極層５上に、上部電極層５及び吸収層４の残存させる部分を覆うレジストパターンを形成し、これをマスクとしたドライエッチングを行う。このドライエッチングでは、図５Ｂに示すように、上部電極層５、吸収層４及び下部電極層３の厚さ方向の途中までを除去する。その後、レジストパターンを除去する。

その後、リフトオフ法により、図５Ｃに示すように、下部電極６及び上部電極７を、夫々下部電極層３上及び上部電極層５上に形成する。これらの形成では、下部電極６及び上部電極７を形成する予定の領域に開口部を有するレジストパターンを形成し、真空金属蒸着法により金属膜を全面に形成し、レジストパターンをその上に形成されている金属膜ごと除去する。

このような方法により、量子ドット型赤外線検知器を製造することができる。

なお、上述の実施形態では、基板１の材料と、中間層１１及び１２の材料とを一致させているが、これらの材料を相違させてもよい。例えば、中間層１１及び１２の材料をＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓやこれらの材料からなる複数種含む構造としてもよい。

また、中間層１１及び１２は真性半導体からなる必要はなく、不純物濃度が１×１０¹⁶（ｃｍ^-3）程度のｎ型半導体（例えばｎ型ＧａＡｓ）からなってもよい。この場合、量子ドット２１に電子を供給することが可能となる。

また、基板１としてＳｉ基板を用い、量子ドット２１としてＳｉＧｅ量子ドットを用いてもよい。更に、基板１としてＩｎＰ基板を用い、量子ドット２１としてＩｎＡｓ量子ドット又はＧａＩｎＡｓ量子ドットを用いてもよい。このように、基板１及び量子ドット２１の材料は特に限定されない。

また、中間層の厚さは２種類である必要はなく、３種類以上であってもよい。例えば、半数以上の量子ドットが縦方向に整列しない程度の歪が残る厚さの中間層として、３０ｎｍ、３５ｎｍ、４０ｎｍ及び４５ｎｍの４種類が設けられ、その表面において量子ドットに伴う歪が解消されている厚さの中間層として、６０ｎｍの１種類が設けられていてもよい。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
光吸収層と、
前記光吸収層を挟む２個の電極層と、
を有し、
前記光吸収層は、複数の量子ドットとこれを覆う中間層との組み合わせを複数組有し、
前記組み合わせは互いに積層されており、
前記中間層の厚さは２種類以上存在し、
前記中間層のうちで最も薄い最薄中間層の厚さは、当該最薄中間層が覆う量子ドットに起因する歪がその表面において存在する厚さであり、
前記中間層のうちで最も厚い最厚中間層の厚さは、当該最厚中間層が覆う量子ドットに起因する歪がその表面において消滅する厚さであることを特徴とする量子ドット型赤外線検知器。

（付記２）
前記最薄中間層の厚さは、当該最薄中間層の表面における歪の量が当該最薄中間層上に位置する複数の量子ドットの位置が当該最薄中間層が覆う量子ドットの直上からずれる量となる厚さであることを特徴とする付記１に記載の量子ドット型赤外線検知器。

（付記３）
前記最薄中間層の厚さは、当該最薄中間層の表面における歪の量が当該最薄中間層上に位置する量子ドットの半数以上の位置が当該最薄中間層が覆う量子ドットの直上からずれる量となる厚さであることを特徴とする付記２に記載の量子ドット型赤外線検知器。

（付記４）
前記最薄中間層は、前記最厚中間層よりも多く含まれていることを特徴とする付記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器。

（付記５）
連続して積層された複数の前記最薄中間層毎に１つの前記最厚中間層が設けられていることを特徴とする付記４に記載の量子ドット型赤外線検知器。

（付記６）
前記複数の最薄中間層と前記１つの最厚中間層とからなる単位が複数繰り返されていることを特徴とする付記５に記載の量子ドット型赤外線検知器。

（付記７）
第１の電極層を形成する工程と、
前記第１の電極層上に光吸収層を形成する工程と、
前記光吸収層上に第２の電極層を形成する工程と、
を有し、
前記光吸収層を形成する工程において、
複数の量子ドットとこれを覆う中間層との複数の組み合わせを互いに積層したものを設け、
前記中間層の厚さを２種類以上とし、
前記中間層のうちで最も薄い最薄中間層の厚さを、当該中間層が覆う量子ドットに起因する歪がその表面において存在する厚さとし、
前記中間層のうちで最も厚い最厚中間層の厚さを、当該中間層が覆う量子ドットに起因する歪がその表面において消滅する厚さとすることを特徴とする量子ドット型赤外線検知器の製造方法。

（付記８）
前記最薄中間層の厚さを、当該最薄中間層の表面における歪の量が当該最薄中間層上に位置する複数の量子ドットの位置が当該最薄中間層が覆う量子ドットの直上からずれる量となる厚さとすることを特徴とする付記７に記載の量子ドット型赤外線検知器の製造方法。

（付記９）
前記最薄中間層の厚さを、当該最薄中間層の表面における歪の量が当該最薄中間層上に位置する量子ドットの半数以上の位置が当該最薄中間層が覆う量子ドットの直上からずれる量となる厚さとすることを特徴とする付記８に記載の量子ドット型赤外線検知器の製造方法。

（付記１０）
前記最薄中間層を、前記最厚中間層よりも多く設けることを特徴とする付記７乃至９のいずれか１項に記載の量子ドット型赤外線検知器の製造方法。

（付記１１）
連続して積層された複数の前記最薄中間層毎に１つの前記最厚中間層を設けることを特徴とする付記１０に記載の量子ドット型赤外線検知器の製造方法。

（付記１２）
前記複数の最薄中間層と前記１つの最厚中間層とからなる単位を複数繰り返すことを特徴とする付記１１に記載の量子ドット型赤外線検知器の製造方法。

本発明の実施形態に係る量子ドット型赤外線検知器の構造を示す断面図である。吸収層４の構造を示す断面図である。本発明の実施形態に係る量子ドット型赤外線検知器の動作を示す図である。非特許文献３から引用したグラフである。本発明の実施形態に係る量子ドット型赤外線検知器を製造する方法を示す断面図である。図２Ａに引き続き、量子ドット型赤外線検知器を製造する方法を示す断面図である。図２Ｂに引き続き、量子ドット型赤外線検知器を製造する方法を示す断面図である。従来の量子ドット型赤外線検知器の構造を示す断面図である。

符号の説明

１：基板
２：バッファ層
３：下部電極層
４：吸収層
５：上部電極層
６：下部電極
７：上部電極
１０、１１、１２：中間層
２１：量子ドット

Claims

光吸収層と、
前記光吸収層を挟む２個の電極層と、
を有し、
前記光吸収層は、複数の量子ドットとこれを覆う中間層との組み合わせを複数組有し、
前記組み合わせは互いに積層されており、
前記中間層の厚さは２種類以上存在し、
前記中間層のうちで最も薄い最薄中間層の厚さは、当該最薄中間層が覆う量子ドットに起因する歪がその表面において存在する厚さであり、
前記中間層のうちで最も厚い最厚中間層の厚さは、当該最厚中間層が覆う量子ドットに起因する歪がその表面において消滅する厚さであり、
前記最薄中間層の組成と前記最厚中間層の組成とが互いに共通していることを特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
前記最薄中間層の厚さは、当該最薄中間層の表面における歪の量が当該最薄中間層上に位置する複数の量子ドットの位置が当該最薄中間層が覆う量子ドットの直上からずれる量となる厚さであることを特徴とする請求項１に記載の量子ドット型赤外線検知器。
前記最薄中間層は、前記最厚中間層よりも多く含まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の量子ドット型赤外線検知器。
連続して積層された複数の前記最薄中間層毎に１つの前記最厚中間層が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の量子ドット型赤外線検知器。
前記複数の最薄中間層と前記１つの最厚中間層とからなる単位が複数繰り返されていることを特徴とする請求項４に記載の量子ドット型赤外線検知器。