JP4836203B2 - 量子ドット型赤外線検知器 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線の入射量に応じて光電流を発生する赤外線検知器に於いて、赤外線の吸収に量子ドットを用いた場合に発生する暗電流を低下させた量子ドット型赤外線検知器に関する。

赤外線を量子ドットで吸収して光電流を発生させる量子ドット型赤外線検知器は既に知られている（例えば、非特許文献１を参照。）。

図４は従来の技術に依る量子ドット型赤外線検知器を表す要部切断側面図であり、この検知器を作製するには、ＧａＡｓ基板１上にｎ型ＧａＡｓコンタクト層２、ｉ−ＧａＡｓ中間層３を積層形成し、ｉ−ＧａＡｓ中間層３上にＩｎＡｓ量子ドット４を形成し、ＩｎＡｓ量子ドット４をｉ−ＧａＡｓ中間層３で埋め込んで量子ドット層５を構成し、この量子ドット層５を少なくとも１層、或いは、２〜３層を積層形成し、その上にｎ型ＧａＡｓコンタクト層６を形成している。

ここで、ｉ−ＧａＡｓ中間層３の厚さはＩｎＡｓ量子ドット４の高さの５〜６倍以上であって、具体的には３０ｎｍ以上である。

また、ｉ−ＧａＡｓ中間層３の一部にはｎ型不純物ドナーを添加する場合もあるが、大部分は導電型制御の為の不純物、即ち、ドナー或いはアクセプタを意図的に添加することはない。

更にまた、ＩｎＡｓ量子ドット４はドナーないしアクセプタ不純物を含まないか、場合に依って、ＩｎＡｓ量子ドット面密度の２〜３倍未満のドナー不純物を含むものである。

図５は図４について説明した量子ドット型赤外線検知器の問題点を明らかにする為の説明図であり、（Ａ）は検知器の要部切断側面を表し、（Ｂ）は量子ドットが存在する部分に関する線Ｘ１−Ｘ１に沿う半導体−導電帯側のエネルギーポテンシャルを、（Ｃ）は量子ドットが存在しない部分に関する線Ｘ２−Ｘ２に沿う半導体−導電帯側のエネルギーポテンシャルを、（Ｄ）は量子ドット層の平面に関する線Ｙ１−Ｙ１に沿う半導体−導電帯側のエネルギーポテンシャルをそれぞれ表す線図である。尚、ここでは、複数層の量子ドット層をもつ検知器について説明するものとし、図４に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。

図からも明らかなように、ＩｎＡｓ量子ドット４は平面内に散在していることから、下面及び上面に在るｎ型ＧａＡｓコンタクト層２及びｎ型ＧａＡｓコンタクト層６の間に於けるポテンシャル分布はＩｎＡｓ量子ドット４を含む部分と含まない部分とに分けて検討しなければならない。

ＩｎＡｓ量子ドットを含まない部分に於いては、ｎ型ＧａＡｓとｉ−ＧａＡｓとが接続されたホモ接合に依って、（Ｃ）に図示してあるようにｉ−ＧａＡｓ側で若干エネルギーが高いポテンシャル分布を取るようになる。

ＩｎＡｓ量子ドットを含む部分に於いては、（Ｂ）に図示してあるようにＧａＡｓの禁制帯中にＩｎＡｓによるポテンシャル井戸が形成されていて、井戸内の基底準位に電子が捕らわれるような電子配置をとっていて、ＩｎＡｓ量子ドット（量子井戸構造）部のフェルミエネルギーとｎ型ＧａＡｓのフェルミエネルギー（ＧａＡｓの導電帯Ｅ_C の直下）が一致するように接続されている。

このことはｉ−ＧａＡｓ中間層３からＩｎＡｓ量子ドット４内へ電子が入ることを意味していて、ＩｎＡｓ量子ドット４の近傍ではｉ−ＧａＡｓ中間層３の電子濃度が薄い、即ち、ｉ−ＧａＡｓ中間層３側の導電帯が持ち上がったポテンシャル形状を発生させる。

従って、（Ｄ）に見られるように量子ドット層５の内部、即ち、ＩｎＡｓ量子ドット４が存在する平面ではＩｎＡｓ量子ドット４間のｉ−ＧａＡｓ中間層３の部分では凹となったポテンシャル分布となっている。

通常、量子ドット型赤外線検知器では例えばｎ型ＧａＡｓコンタクト層２から流入した電子に依ってＩｎＡｓ量子ドット４内に電子を供給し、ＩｎＡｓ量子ドット４内の電子を光吸収・励起に依ってＧａＡｓ中間層３の導電帯へと放出し、その電子を光電流として対向するｎ型ＧａＡｓコンタクト層６へ流すことで出力を得ている。

ところが（Ｄ）に見られるようなポテンシャル分布になった場合、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層６から流入した電子がエネルギーの低い凹となったｉ−ＧａＡｓ中間部３を走行してＩｎＡｓ量子ドット４に捕捉されることなく、対向するｎ型ＧａＡｓコンタクト層２側まで流れてしまい、それが不要な電流成分、即ち、暗電流になってしまう。

前記（Ｄ）のポテンシャル分布に於ける凹みが深くなるほど大きな暗電流を発生することになって、赤外線検知器の感度、即ち、Ｓ（信号）／Ｎ（雑音）の低下が著しくなることが問題になっている。
Ｈ．Ｃ．Ｌｉｕ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７８（２００１），７９．

本発明では、極めて簡単な手段を採ることで量子ドットに隣接する中間部に於けるポテンシャル分布の凹みを解消して暗電流が流れないようにし、高感度の量子ドット型赤外線検知器を得ようとする。

本発明に依る量子ドット型赤外線検知器に於いては、量子ドットが中間層で埋め込まれた領域を赤外線の吸収部とする量子ドット型赤外線検知器において、前記量子ドットを埋め込む中間層が、前記量子ドットの成長表面側を覆う第１の中間層と、前記第１の中間層を覆う第２の中間層とからなり、前記第１の中間層の導電型が前記第１及び第２の中間層を挟む上側及び下側各コンタクト層とは逆であり、且つ、前記第２の中間層は不純物を含まないｉ型層であることを特徴とする。

前記手段を採ることに依り、量子ドット周辺の中間層部は一導電型、即ち、ｐ型又はｎ型であって、他の中間層との間にｐｎ（ｉ）接合と同様のポテンシャル分布が生成され、一導電型中間層部の導電帯下端がｉ−中間層部の導電帯下端に対して持ち上がったポテンシャル分布となることから、従来の量子ドット型赤外線検知器に於いて生じていた量子ドット層平面内での量子ドット間の導電帯下端の凹みは打ち消され、従って、反対導電型、即ち、ｎ型或いはｐ型コンタクト層から流入したキャリアがｉ−中間層の導電帯下端ポテンシャルの凹みを経由して流れることで発生する暗電流を良好に抑制することが可能となり、高感度の量子ドット型赤外線検知器を実現させることができる。

図１は本発明に依る量子ドット型赤外検知器の基本を説明する為の量子ドット型赤外検知器を表す要部切断側面図であり、図に於いて、２４はｉ−ＧａＡｓ中間層、２４Ａはｐ型ＧａＡｓ中間層部、２５はＩｎＡｓ量子ドット、３０は１層分の量子ドット層をそれぞれ示している。尚、１層分の量子ドット層３０はｉ−ＧａＡｓ中間層２４、ｐ型ＧａＡｓ中間層部２４Ａ、ＩｎＡｓ量子ドット２５で構成されている。

図２は図１に見られる量子ドット型赤外検知器の要部に於けるポテンシャル分布を表す線図であり、図１に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。

図示されているように、ＩｎＡｓ量子ドット２５を囲むｐ型ＧａＡｓ中間層部２４Ａの導電帯の下端Ｅ_C は、ｉ−ＧａＡｓ中間層２４に於ける導電帯の下端（破線）に比較して持ち上がり、ポテンシャルの凹みは殆どない状態となるので、一方のコンタクト層から流入したキャリアは光入射の有無に拘わらず該凹みに起因してＩｎＡｓ量子ドット２５を迂回する状態で他方のコンタクト層に流れ込む現象はなくなり、従って、暗電流は低減されることとなる。

図３は本発明を実施した量子ドット型赤外線検知器を例示する要部切断側面図であり、図に於いて、２１は面指数（００１）のＧａＡｓ基板、２２はＧａＡｓバッファ層、２３は下側ｎ型ＧａＡｓコンタクト層、２４はｉ−ＧａＡｓ中間層、２４Ａはｐ型ＧａＡｓ中間層部、２５はＩｎＡｓ量子ドット、２６は上側ｎ型ＧａＡｓコンタクト層、３０は量子ドット層の一層分をそれぞれ示している。

以下、この図を用いて該量子ドット型赤外線検知器を作製する工程を説明する。尚、図１及び図２に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。

（１）
ＭＢＥ（ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）法を適用することに依り、ＧａＡｓ基板２１上に所要厚さのＧａＡｓバッファ層２２、厚さが１．０μｍでキャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3である下側ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２３、厚さ５０ｎｍのｉ−ＧａＡｓ中間層２４を形成する。尚、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２３に於けるｎ型のキャリア濃度はドナーである例えばＳｉの添加量を制御することで実現する。

（２）
ＧａＡｓ基板２１を加熱して温度を〜５００Ｃ°程度とし、ｉ−ＧａＡｓ中間層２４上にＩｎ及びＡｓの分子線原料を照射した際の自己組織化の技法を適用することに依り、直径が２５ｎｍ〜３０ｎｍ程度、高さ５ｎｍ〜１０ｎｍ程度のＩｎＡｓ量子ドット２５を面愛密度が５×１０¹⁰ｃｍ^-2程度となるように形成する。尚、ここで形成したＩｎＡｓ量子ドット２５にはドナー或いはアクセプタなどの不純物は添加しない。

ここでＩｎＡｓ量子ドット２５の形成に適用した自己組織化法は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いた局所酸化法及びＭＢＥ選択成長法を併用する方法に代替しても良い。

（３）
ＭＢＥ法を適用することに依り、ＩｎＡｓ量子ドット２５を埋め込む厚さが１５ｎｍでキャリア濃度が５×１０¹⁵ｃｍ^-3であるｐ型ＧａＡｓ中間層部２４Ａを形成し、次いで、厚さ３５ｎｍのｉ−ＧａＡｓ中間層２４を形成する。尚、ｐ型ＧａＡｓ中間層部２４Ａに於けるｐ型のキャリア濃度はアクセプタである例えばＢｅの添加量を制御することで実現する。

（４）
このＩｎＡｓ量子ドット２５、ｐ型ＧａＡｓ中間層部２４Ａ、ｉ−ＧａＡｓ中間層２４を１層分の量子ドット層３０とし、その１０層分の形成を繰り返す。

（５）
ＭＢＥ法を適用することに依り、最上層の量子ドット層上に厚さが０．５μｍでキャリア濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3である上側ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２６を形成する。尚、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２３に於けるｎ型のキャリア濃度はドナーである例えばＳｉの添加量を制御することで実現する。

（６）
上記各半導体層の成長を施したウェハに於いて、成長層の所要部分をメサ状にエッチング除去し、下側ｎ型ＧａＡｓコンタクト層２１の一部を表出させ、次いで、上側並びに下側のＧａＡｓコンタクト層２６並びに２１上にＡｕＧｅ／Ａｕからなる電極を形成し、次いで、電極上を除く素子表面をＳｉＮ或いはＳｉＯＮからなる保護膜で覆うことで量子ドット型赤外線検知器を完成する。

本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができるので、以下、それについて例示する。

例えば、前記実施の形態では、ｉ−ＧａＡｓ中間層部に於ける導電帯の下端に於ける凹みを持ち上げるのに濃度を５×１０¹⁵ｃｍ^-3としたｐ型キャリアを添加したのであるが、そのｐ型キャリアの濃度が高過ぎた場合、ｐｎ接合に依る電流阻止作用が強くなり過ぎて検知器の動作が損なわれる。然しながら、濃度が５×１０¹⁶ｃｍ^-3程度であれば問題になる程ではない。何れにせよ、赤外線吸収に依って発生する光電流をｐｎ接合が遮断しない程度にすることが必要である。

また、ＩｎＡｓ量子ドットには、例えばＳｉなどのドナー不純物を添加して電子の捕獲を確実化することができ、その場合、ＩｎＡｓ量子ドット１個あたり１個のｎ型キャリア（電子）が供給されるようにする為、ＩｎＡｓ量子ドットの成長時に於ける１ｎｍに相当するＩｎＡｓ照射中に５×１０¹⁷ｃｍ^-3のＳｉ濃度となるように設定する。

また、量子ドット及び中間層などの材料としては、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓに限られることはない。例えば、量子ドットにＩｎＧａＡｓを用いて量子ドットに形成される基底準位を中間層の導電帯に近づけ、より低エネルギー即ち長波長の赤外線に対する応答を強めるような赤外線検知器を製造することができる。

或いは、中間層にはＡｌＧａＡｓを用い、コンタクト層のｎ型ＧａＡｓとの間にヘテロ接合障壁を設け、コンタクト層からの暗電流流入を抑制する赤外線検知器に適用しても良い。

さらに、量子ドット及び中間層などの材料としては、その他のIII-Ｖ族化合物半導体、例えば、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、或いは、これ等の混晶などを用いることができる。

更にまた、上側及び下側の各コンタクト層、量子ドット、中間層部について説明したｎ及びｐの各導電型については、それぞれを反転させた極性にしても、量子ドット型赤外線検知器としての性能に影響することはない。

本発明に依る量子ドット型赤外検知器の基本を説明する為の量子ドット型赤外検知器を表す要部切断側面図である。 図１に見られる量子ドット型赤外検知器の要部に於けるポテンシャル分布を表す線図である。 本発明を実施した量子ドット型赤外線検知器を例示する要部切断側面図である。 従来の技術に依る量子ドット型赤外線検知器を表す要部切断側面図である。 図４について説明した量子ドット型赤外線検知器の問題点を明らかにする為の説明図である。

符号の説明

２１ 面指数（００１）のＧａＡｓ基板
２２ ＧａＡｓバッファ層
２３ 下側ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
２４ ｉ−ＧａＡｓ中間層
２４Ａ ｐ型ＧａＡｓ中間層部
２５ ＩｎＡｓ量子ドット
２６ 上側ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
３０ 量子ドット層の一層分

Claims (4)

1. 量子ドットが中間層で埋め込まれた領域を赤外線の吸収部とする量子ドット型赤外線検知器において、
   前記量子ドットを埋め込む中間層が、前記量子ドットの成長表面側を覆う第１の中間層と、前記第１の中間層を覆う第２の中間層とからなり、
   前記第１の中間層の導電型が前記第１及び第２の中間層を挟む上側及び下側各コンタクト層とは逆であり、且つ、前記第２の中間層は不純物を含まないｉ型層であることを特徴とする量子ドット型赤外線検知器。
2. 前記量子ドットに前記コンタクト層と同じ導電型の不純物が添加されてな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。
3. 前記量子ドット及び前記第１及び第２の中間層を構成する材料がＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＮ、ＧａＮ、ＡｌＮを含むIII-Ｖ族化合物半導体、或いは、これ等の混晶であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の量子ドット型赤外線検知器。
4. 前記第１の中間層の導電型がｐ型であり、且つ、キャリア濃度が１×１０^１７ｃｍ^−３を超えないことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の量子ドット型赤外線検知器。

Images