JP4927911B2 - 量子ドット型光検知器 - Google Patents

Description

本発明は、量子ドット型光検知器に関する。

量子ドットと量子ドットを覆う中間層が交互に積層された量子ドット層を光吸収層とする量子ドット型光検出器は、数μｍ〜十数μｍの赤外線を検出する光検出器である。

光吸収層となる量子ドット層は、電極層と呼ばれる一対のｎ型半導体層に挟まれている。光吸収層を形成する量子ドット層には、低濃度のドナーが添加されている。このドナーが供給する電子によって、各量子ドットに形成される量子準位の一部（例えば、第１量子準位）が、電子で満たされている。

量子ドット型光検出器に赤外線が入射すると、電子で満たされた低エネルギー側の量子準位（以後、遷移元準位と呼ぶ）から、高エネルギー側の空の量子準（以後、遷移先準位と呼ぶ）に電子が遷移する。この電子は、熱エネルギーやトンネル効果により中間層に放出され、フォトキャリアとなる。

生成されたフォトキャリアは、電極層間に印加された電圧によって高電位側にドリフトし、光電流となる。この光電流を測定することによって、赤外線が検出される。

特開平１０−２５６５８８号公報

量子ドット型光検出器の量子効率は、原理的には、量子ドット層を厚くして赤外線を吸収する量子ドットの数を増やせば、高くなる。しかし、実際には、量子ドット層が厚くなり過ぎると、量子効率は小さくなってしまう。このため、量子ドット型光検出器の高感度化は、容易でなかった。

そこで、本発明の目的は、量子ドット層が厚くなるほど量子効率が高くなる量子ドット型光検出器を提供して、量子ドット型光検出器の感度を高くすることである。

上記の目的を達成するために、本量子ドット型光検出器は、ｎ型の第１の半導体によって形成された一対の電極層と、前記一対の電極層の間に配置された光吸収層を具備する。

そして、前記光吸収層は、第２の半導体によって形成された量子ドットと、前記第２の半導体よりバンドギャップが広い第３の半導体によって形成され且つ前記量子ドットを覆う中間層が、交互に積層された複数の量子ドット層を有している。

また、前記光吸収層は、電子親和力が前記第３の半導体より大きく、バンドギャップが前記第３の半導体より狭く、且つドナー濃度が前記量子ドット層より高い第４の半導体で形成され、更に前記量子ドット層の間に配置されたポテンシャル固定層を有している。

本量子ドット型光検出器によれば、量子ドット層が厚くなるほど量子効率が高くなるので、量子ドット型光検出器の感度を高くすることができる。

本発明者が、以前に作製していた量子ドット型光検出器の構成を説明する模式図である。 量子ドットのエネルギー構造を説明する図である。 ドナー濃度が低い場合の、量子ドット型光検出器のエネルギー構造を説明する図である。 ドナー濃度が高い場合の、量子ドット型光検出器のエネルギー構造を説明する図である。 単独で存在する電極層及び活性領域のエネルギー構造を説明する図である。 電極層と活性領域を接合させた場合のエネルギー構造を説明する図である。 通常の厚さを有する活性領域のエネルギー構造と、量子ドット単一層の積層回数を増やして厚くした活性領域のエネルギー構造を比較する図である。 活性領域を厚くしただけの量子ドット型光検出器のエネルギー構造と、本量子ドット型光検出器のエネルギー構造を比較する図である。 実施例の量子ドット型光検出器の構成を説明する平面図である。 図９のＸ−Ｘ線における断面を説明する図である。 実施例の量子ドット型光検出器の量子効率と比較試料の量子効率を比較する図である。 試料Ａ乃至Ｃの電圧-電流特性を説明する図である。

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。尚、図面が異なっても対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。

（１）量子ドット型光検出器の基本構造
図１は、本発明者が、以前に作製した量子ドット型光検出器２の構成を説明する模式図である。図１に示すように、この量子ドット型光検出器２は、電極層と呼ばれる一対のｎ型半導体と、この電極層４,５に挟まれた活性領域１０を有している。

活性領域１０は、量子ドット６と、量子ドット６を覆う中間層８が交互に積層された量子ドット層によって形成されている。ここで、活性領域１０は、光を吸収しフォトキャリアを生成する光吸収層として機能する。

（２）量子ドット型光検出器のエネルギー構造
図２は、量子ドット６のエネルギー構造を説明する図である。横方向は、電極層４に垂直な方向の位置座標である。縦方向は、電子のエネルギーである。図２には、量子ドット６及び中間層８を形成する半導体の伝導帯の底１２が実線で示されている。また、図２には、量子ドット６に形成される量子準位が実線及び破線で示されている。ここで、実線は電子で満たされた準位を表し、破線は空の準位を表す（下記図３及び４でも同じ）。

実線で示された量子準位は、エネルギーが最低の第１量子準位１４である。破線で示された量子準位は、２番目にエネルギーの低い第２量子準位１６である。

中間層８又は量子ドット６には、ドナーが添加（ドーピング）されている。ドナー濃度は、各量子ドット６に一つずつ電子が、供給されるように調整されている。従って、第１量子準位１４が電子で満たされ、第２量子準位は空になっている。

赤外線を検知するためには、図１に示すように、電極層４,５の間に電圧源２０と電流検知器２６を接続する。

このように、電極層４,５の間に電圧が印加された状態の量子ドット型光検出器２に、赤外線２２が入射すると、まず、第１量子準位１４に束縛されていた電子が赤外光２２を吸収して、第２量子準位１６に遷移する。

第２量子準位１６に遷移した電子２４は、熱励起又はトンネル効果によって量子ドット６の束縛を脱して、中間層８の伝導帯に遷移してフォトキャリアになる。

このフォトキャリアは、電極層４,５の間に印加された電圧によって、高電位側の電極層５に流れ込み光電流となる。すると、電極層４,５に接続された電流検知器２６が光電流を検知し、赤外線が検出される。

尚、遷移前の電子が占有している量子準位（遷移元準位）は、必ずしも第１量子準位である必要はない。遷移元準位は、例えば、第２量子準位等、より高次の量子準位であってもよい。

また、電子が遷移する量子準位（遷移先準位）は、必ずしも第２量子準位である必要はない。遷移先準位は、例えば、第３量子準位等、より高次の量子準位であってもよい。

上述したように、活性領域１０にはドナーが添加される。この活性領域のドナー濃度（ドナーの総数を活性領域の体積で除した平均値）によって、量子ドット型光検出器２のエネルギー構造が変化する。

図３は、ドナー濃度が低い場合の、量子ドット型光検出器２のエネルギー構造を説明する図である。図４は、ドナー濃度が高い場合の、量子ドット型光検出器２のエネルギー構造を説明する図である。横方向は、座標である。縦方向は、電子のエネルギーである。

図３及び４には、活性領域１０及び電極層４,５を形成する、半導体の伝導帯の底１２が実線で示されている。また、図３及び４には、フェルミ準位２８が、破線で示されている。

図５及び６は、量子ドット型光検出器２のエネルギー構造が形成される過程を説明する図である。横方向は、各半導体層に垂直な方向の位置座標を表している。縦方向は、電子のエネルギーを表している。

図５には、単独で存在する電極層４,５及び活性領域１０のエネルギー構造が、示されている。図５には、電極層４,５及び活性領域１０の伝導帯の底１２と価電子体の頂上３０が、夫々、実線で表されている。但し、図５には、電極層４,５の一方のエネルギー構造のみが示されている。また、量子ドット６のエネルギー構造は、省略されている。

図５に示すように、ｎ型半導体で形成される電極層４,５のフェルミ準位３４は、伝導帯の底１２の近傍にある。一方、ドナー濃度の低い活性領域１０のフェルミ準位３２は、バンドギャップの中央付近にある。

図５に示すように、量子ドット型光検出器２では、活性領域１０（正確には、中間層８）は、電極層４,５よりバンドギャップが広い半導体によって形成される。更に、活性領域１０（正確には、中間層８）を形成する半導体の電子親和力χ１は、電極層４,５を形成する半導体の電子親和力χ２より小さい。

電極層４,５と活性領域１０を接合させると、図６に示すように、その接合面には、電子親和力の差（χ１−χ２）によって決まるバンドオフセット（伝導帯の底１２の不連続）が形成される。そして、フェルミ準位３２が低い活性領域１０にフェルミ準位３４が高い電極層４,５から電子が流入し、活性領域１０のポテンシャルが低くなる。一方、電子が流出した電極層４,５のポテンシャルは高くなる。その結果、電極層４,５と活性領域１０のフェルミ準位２８は一致する（図６参照）。

この時、ポテンシャルは接合面を跨いで変化するが、不純物（ドナー）濃度が相対的に高い電極層４,５側では殆ど変化せず、不純物（ドナー）濃度が低い活性層領域１０側で除々に減少する。

このようなポテンシャルの変化は、電極層４,５が接触する活性領域１０の両端で起きる。その結果、図３に示すように、活性領域１０を形成する中間層８の伝導帯の底１２が、凸形になる。

このような凸形のエネルギー構造が形成されると、活性領域中央部で量子ドット６の遷移元準位（例えば、第１量子準位）が、フェルミ準位より高くなってしまうことがある。このような量子ドット６では、遷移元準位が空になっているので、赤外線の吸収は起こらない。このため、活性領域１０のドナー濃度が低すぎると、量子ドット型光検出器の量子効率が低くなる。

一方、活性領域１０のドナー濃度が高すぎる場合には、図４に示すように、中間層８の伝導帯の底１２が凹形になる。

この場合、活性領域中央部の量子ドット６で、遷移先準位（例えば、第２量子準位）がフェルミ準位より低くなってしまうことがある。このような量子ドット６では遷移先準位が電子によって満たされているので、赤外線の吸収は起こらない。従って、活性領域１０のドナー濃度が高すぎても、量子ドット型光検出器の量子効率は低くなる。

そこで、本発明者が以前に作製した量子ドット型光検出器では、活性領域１０のドナー濃度を調整して、活性領域１０のポテンシャルが、なるべく平坦になるようにしていた。

尚、活性領域１０のポテンシャルは、ドナー濃度だけでなく、量子ドット６の密度やサイズによっても変化する。従って、量子ドット６の密度やサイズに応じて、ドナー濃度を調整していた。

（３）量子効率向上の試み
量子ドット型光検出器の量子効率を向上させるためには、フォトキャリアの発生源である量子ドットの数を増やせばよい。そのためには、量子ドット６と中間層８を交互に積層する回数を増やして、同時に生成される量子ドット群とこの量子ドット群を覆う中間層８が形成する複合層４４（以下、量子ドット単一層と呼ぶ）の数を増やすことが有効である（図１参照）。

しかし、量子ドット単一層４４の積層回数が増えると、必然的に活性領域１０が厚くなる。従って、活性領域１０の中央部と電極層４,５の間隔が広がる。

図７は、通常の厚さを有する活性領域１０のエネルギー構造と、量子ドット単一層４４の積層回数を増した活性領域１０のエネルギー構造を比較する図である。

図７の左側には、通常の厚さを有する活性領域１０のエネルギー構造（伝導帯の底１２）が示されている。一方、図７の右側には、量子ドット単一層４４の積層回数を増やした活性領域１０のエネルギー構造（伝導帯の底１２）が示されている。尚、量子ドットのエネルギー構造は、省略されている。

図７の左側に示すように、通常の厚さの活性領域１０では、活性領域１０の伝導帯の膨らみは小さい。しかし、活性領域１０が厚くなると、図７の右側に示すように、伝導帯の底の膨らみが大きくなる（エネルギー差Δに注目）。これは、電極層４,５と活性領域１０の接合面から遠ざかるほど、伝導帯の底１２が、本来のエネルギー（単独で存在する場合のエネルギー）に近づくためである。

このため、活性領域１０が厚くなると、伝導帯の底１２の膨らみが、ドナー濃度の変化に対して敏感に反応するようになる。また、伝導帯の底１２が凹む場合にも、活性領域１０が厚くなると、伝導帯の底１２の凹みが、ドナー濃度の変化に対して敏感に反応するようになる。

従って、量子ドット６と中間層８の積層回数を増やすと、ドナー濃度の調整による伝導帯の底１２の平坦化が困難になる。このため、活性領域１０を厚くしても、量子効率が上がらなくなる。

（４）本量子ドット型光検出器
図８は、活性領域１０を厚くしただけの量子ドット型光検出器のエネルギー構造と、本実施の形態の量子ドット型光検出器のエネルギー構造を比較した図である。

図８（ａ）は、上述した活性領域１０を厚くしただけの量子ドット型光検出器のエネルギー構造を説明する図である。一方、図８（ｂ）は、本量子ドット型光検出器のエネルギー構造を説明する図である。

図７を参照して説明したように、活性領域１０を厚くしただけでは、活性領域中央に於ける伝導帯の底１２の膨らみ４０が、大きくなる（図８（ａ）参照）。

そこで、本実施の形態では、量子ドット型光検出器の活性領域１０を、複数の量子ドット層３６と、量子ドット層３６の間に配置されたポテンシャル固定層３８とによって形成する（図８（ｂ）参照）。

ここで、ポテンシャル固定層３８は、電極層４,５と同じ半導体材料によって形成されている。また、ポテンシャル固定層３８には、ドナーが高濃度に添加されている。すなわち、ポテンシャル固定層３８のドナー濃度は、活性領域１０のドナー濃度より高い。

従って、夫々が単独で存在している場合の、電極層４,５及びポテンシャル固定層３８のフェルミ準位は、略一致する。このため、量子ドット型光検出器内における、電極層４,５とポテンシャル固定層３８のポテンシャルは略一致する。

故に、量子ドット層３６の間に配置されたポテンシャル固定層３８によって、量子ドット層３６内で低下したポテンシャルが、電極層４,５と略同じ高さに再度引き戻される。このため、伝導帯の底１２の膨らみ４２が、小さくなる（図８（ｂ）参照）。

由って、量子ドットに形成される遷移元準位（例えば、第１量子準位）が、空になり難くなる。故に、本量子ドット型光検出器によれば、中間層３６を複数設けることによって活性領域１０が厚くなった分だけ、量子効率を大きくすることができる。従って、本量子ドット型光検出器によれば、量子ドット型光検出器の感度を高くすることができる。

以上の例では、活性領域１０の伝導帯の底１２が膨らむ場合に、ポテンシャル固定層３８を複数の量子ドット層３６の間に配置して、量子ドット型光検出器の感度を向上させている。

しかし、本実施の形態は、活性領域１０の伝導帯１２が窪む場合にも有効である。

この場合には、凹みかけた（量子ドット層３６に於ける）伝導帯の底１２が、ポテンシャル固定層３８によって、電極層４,５と略同じ高さに引き戻される。このため、量子ドット６に形成される遷移先準位（例えば、第２量子準位）が、電子によって、満たされ難くなる。由って、活性領域１０の伝導帯１２が窪む場合にも、中間層３６を複数設けることによって活性領域１０が厚くなった分だけ、量子効率が大きくなる。従って、本量子ドット型光検出器によれば、量子ドット型光検出器の感度を高くすることができる。

以上の例では、ポテンシャル固定層３８と電極層４,５は、同じ半導体材料によって形成されている。しかし、ポテンシャル固定層３８と電極層４,５を、異なる半導体材料で形成してもよい。

この場合、ポテンシャル固定層３８を、中間層８を形成する半導体より電子親和力が大きく、中間層８を形成する半導体よりバンドギャップが狭く、且つドナー濃度が量子ドット層３６より高い半導体で形成すればよい。このようなポテンシャル固定層３８が、量子ドット層３６の間に配置されると、活性領域１０の伝導帯の底１２の膨らみは小さくなる。尚、量子ドット層３６のドナー濃度とは、量子ドット層３６に存在するドナーの総数を、量子ドット層３６の体積で除した値である。

従って、活性領域１０のドナー濃度を低くしてエネルギー構造を凸形にしておけば、ポテンシャル固定層３８を設けることによって、活性領域１０が厚くなった分だけ、量子効率を向上させることができる。由って、量子ドット型光検出器の感動を、高くすることができる。

尚、本量子ドット型光検出器でも、通常の量子ドット型光検出器と同様、の電極層４,５は、中間層８を形成する半導体より電子親和力大きく、中間層８を形成する半導体よりバンドギャップが狭く、且つドナー濃度が量子ドット層３６より高い半導体で形成される。

また、以上の例では、電子のサブバンド間遷移を利用する量子ドット型光検出器について説明した。しかし、正孔のサブバンド間遷移を利用する量子ドット型光検出器にも、本実施の形態を適用することができる。

この場合には、量子ドットの価電子帯に形成されるサブバンド間の遷移を利用する。

例えば、電極層をｐ型半導体で形成し、ポテンシャル固定層を電極層と同じｐ型半導体材料で形成すればよい。

一般的には、ポテンシャル固定３８を、中間層８を形成する半導体より電子親和力とバンドギャップの和が小さく、中間層８を形成する半導体よりバンドギャップが狭く、
且つ量子ドット層よりアクセプタ濃度が大きい半導体で形成すればよい。

このような正孔のサブバンド間遷移を利用する量子ドット型光検出器の電極層４,５は、中間層８を形成する半導体より電子親和力とバンドギャップの和が小さく、且つアクセプタ濃度が中間層８を形成する半導体より大きい半導体で形成される。また、電極層４,５を形成する半導体のバンドギャップは、中間層８を形成する半導体のバンドギャップより狭い。

図９は、本実施例の量子ドット型光検出器４６の構成を説明する平面図である。図１０は、図９のＸ−Ｘ線における断面を説明する図である。尚、図１０には、電圧源２０及び電流検知器２６が接続された状態で、量子ドット型光検出器４６の断面が示されている。

（１）製造方法及び構成
以下、製造手順に従って、本量子ドット型光検出器４６の構成を説明する。

（i）下部電極層形成工程（図１０参照）
まず、分子線エピタキシー法により、半絶縁性ＧａＡｓ基板４８の上に下部電極５０となるｎ型ＧａＡｓ層を基板温度６００℃で成長する。ｎ型ＧａＡｓ層の厚さは、例えば１０００ｎｍである。ドーパントはＳｉであり、不純物濃度は２×１０^１８ｃｍ^−３である。尚、以下の工程で形成する半導体層も、分子線エピタキシー法によって成長する。

（ii）量子ドット層形成工程（図１０参照）
まず、意図的には不純物がドーピングされていないために高抵抗となっている所謂ｉ型のＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層５２を成長する。ここで、Ａｌの組成ｘは、例えば０．２である。また、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層５２の厚さは、例えば５０ｎｍである。

このＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層５２の成長中に、基板温度を６００℃から４８５℃に低下させる。

次に、基板温度を４８５℃に維持したまま、ＡｌＡｓを１分子層（以下、ＭＬと表す）成長する。更に、基板温度を４８５℃に維持したまま、ＩｎＡｓを２．３ＭＬ分成長する。成長速度は、０．２ＭＬ／ｓである。

この時、ＩｎＡｓは、下地層（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層５２及びＡｌＡｓ層）との格子不整合によって生じる圧縮歪エネルギーを蓄積しながら、ある厚さ（臨界膜厚）まで平面状に成長する。そして、蓄積された圧縮歪エネルギーが臨界値に達すると、ＩｎＡｓは３次元成長を開始する。この３次元成長により、量子ドット６が形成される。このように、自己形成法によって、量子ドット６が形成される。尚、最初に成長するＩｎＡｓ層（図示せず）は、所謂、濡れ層である。

次に、ＡｌＡｓを、４ＭＬ成長する。

この時成長するＡｌＡｓ層（図示せず）及び先に成長したＡｌＡｓ層（図示せず）は、量子ドット６及び濡れ層を包み込み、後述するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓの中間層８より高いエネルギー障壁を形成する。その結果、量子ドット６に形成される粒子準位間のエネルギー差が、大きくなる。但し、これらＡｌＡｓ層の成長は、省略してもよい。

次に、基板温度を４８５℃に維持したまま、中間層８となるｉ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層を、例えば５０ｎｍ成長する。このｉ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層のＡｌ組成ｘは、例えば０．２である。

以上の工程（但し、ｉ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層５２を形成する工程は除く）により、量子ドット単一層４４が形成される。

その後、上記工程を９回繰り返して、量子ドット単一層４４を９層成長する。尚、図面が複雑にならないように、図１０には、量子ドット単一層４４は４層だけ記載した。

但し、最後のｉ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層を成長している間に、基板温度を４８５℃から６００℃に上昇させる。これは、次のポテンシャル固定層形成工程に備えるためである。

本工程により、ｉ型Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層５２の上に、１０層の量子ドット単一層４４を有する量子ドット層３６が形成される。

（iii）ポテンシャル固定層形成工程（図１０参照）
次に、ポテンシャル固定層３８となるｎ型ＧａＡｓ層を、基板温度６００℃で成長する。このｎ型ＧａＡｓ層の厚さは、例えば２００ｎｍである。ドーパントはＳｉであり、不純物濃度は２×１０^１８ｃｍ^−３である。

（iv）量子ドット層及びポテンシャル固定層の繰り返し形成工程（図１０参照）
次に、上述した、量子ドット層形成工程及びポテンシャル固定層形成工程を順次繰り返して、量子ドット層３６及びポテンシャル固定層３８を、夫々、２層及び１層形成する。

量子ドット層形成工程、ポテンシャル固定層形成工程、及び本工程によって、活性領域１０が形成される。

（v）上部電極層形成工程（図１０参照）
次に、上部電極５４となるｎ型ＧａＡｓ層を、活性領域１０の上に基板温度６００℃で成長する。このｎ型ＧａＡｓ層の厚さは、例えば１０００ｎｍである。ドーパントはＳｉであり、不純物濃度は２×１０^１８ｃｍ^−３である。

（vi）電極形成工程（図９及び図１０参照）
次に、標準的なフォトリソグラフィーによって、下部電極層５０まで各成長層をエッチングして矩形のメサを形成する。このメサの頂上を形成する上部電極層５４及び下部電極層５０に、ＡｕＧｅ／Ａｕ電極５６,５８（ＡｕＧｅ合金が電極層側）を形成する。

以上の工程により、量子ドット型光検出器４６が完成する。

以上の説明から明らかなように、本量子ドット型光検出器４６の活性領域１０には、不純物は添加されていない。このため、活性領域１０に存在する不純物は、僅かなｎ型背景不純物だけである。

このような活性領域１０が単独で存在する場合、そのフェルミ準位は、中間層を形成するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓのバンドギャップ中央部付近に形成される。従って、活性領域１０のポテンシャルンは低下し、中間層８の伝導体の底が膨らむ。

しかし、本活性領域１０では、略５５０ｎｍ（＝５０ｎｍ×１１層）おきに配置されるポテンシャル固定層３８が、活性領域１０のポテンシャルンを元の高さ（電極層５０,５４のポテンシャル）に引き戻している。このため、量子ドット６に形成される遷移元準位（第１量子準位等）が、フェルミレベルの上に上昇して、空になることはない。

このため、活性領域１０に形成された３０層の量子ドット単一層４４の大部分が、フォトキャリアを生成することができる。

このため、本量子ドット型光検出器４６の量子効率は、以前本発明者が作成していた量子ドット型光検出器の量子効率より格段に高くなる。尚、量子効率の具体的な値については、下記「（２）動 作」で説明する。

最後に本量子ドット型光検出器４６の構成を纏めると、以下のようになる。

本量子ドット型光検出器４６は、ｎ型の第１の半導体（ｎ型ＧａＡs）によって形成された一対の電極層５０,５４と、一対の電極層５０,５４の間に配置された光吸収層（活性領域１０）を有している。

そして、光吸収層（活性領域１０）は、第２の半導体（ＩｎＡｓ）によって形成された量子ドット６と、第２の半導体（ＩｎＡｓ）よりバンドギャップが広い第３の半導体（ｉ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ）によって形成され且つ量子ドット６を覆う中間層８が、交互に積層された複数の量子ドット層３６を有している。

更に、光吸収層（活性領域１０）は、電子親和力が第３の半導体（ｉ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ）より大きく、バンドギャップが第３の半導体より狭く、且つドナー濃度が第３の半導体（ｉ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ）より大きい第４の半導体（ｎ型ＧａＡs）で形成され、量子ドット層３６の間に配置されたポテンシャル固定層３８を有している。

尚、電極層５０,５４を形成する第１の半導体（ｎ型ＧａＡs）の電子親和力は、第４の半導体（ｎ型ＧａＡs）と同様、第３の半導体（ｉ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ）より大きい。また、第１の半導体のバンドギャップは、第３の半導体より狭い。更に、第１の半導体（ｎ型ＧａＡs）のドナー濃度は、第３の半導体（ｉ型Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓ）より大きい。

尚、本実施例では、活性領域１０に不純物を添加（ドーピング）しない。すなわち、量子ドット６及び中間層８の双方に、意図的な不純物ドーピングは施されていない。しかし、量子ドット６及び中間層８の何れか一方又は双方に、Ｓｉ等のドナーをドーピングしてもよい。

また、本実施例では、ポテンシャル固定層３８にＳｉを添加（ドーピング）しているが、他の不純物をドーピングしてもよい。また、不純物濃度も、上述した２×１０^１８ｃｍ^−３には限られない。

（２）動 作
本量子ドット型光検出器４６を動作させるためには、図１０に示すように、ＡｕＧｅ／Ａｕ電極５６,５８の間に電圧源２０と電流検知器２６を接続する。

この状態で量子ドット型光検出器４６に光（赤外線２２）が入射すると、量子ドット６の遷移元準位（例えば、第１量子準位）に束縛されていた電子が光を吸収して、遷移先準位（例えば、第２量子準位）に遷移する。

尚、入射光（赤外線２２）の波長は、１０μｍである。また、入射光は、基板４８の裏面から入射する。

遷移先準位に遷移した電子は、熱励起又はトンネル効果によって量子ドット６の束縛を脱して、中間層８の伝導帯１２に遷移してフォトキャリアになる。

このようにして生成されたフォトキャリアは、上部電極５６と下部電極５８の間に印加された電圧によって、高電位側の上部電極層５４に流れ込み光電流となる。すると、電流検知器２６が光電流を検知し、赤外線が検出される。

図１１は、本量子ドット型光検出器４６の量子効率と、下記比較試料の量子効率を比較する図である。横軸は、試料の種別を表す。縦軸は、量子効率の最大値（最大量子効率）である。

何れの試料の活性領域でも、量子ドット単一層が３０層積層されている。但し、試料Ａの活性領域には、ポテンシャル固定層が設けられていない。試料Ｂの活性領域では、量子ドット単一層が１０層積層される毎に、ポテンシャル固定層が１層配置されている。試料Ｃの活性領域では、量子ドット単一層が５層積層される毎に、ポテンシャル固定層が１層配置されている。

すなわち、試料Ａは、以前本発明者が作製していた、ポテンシャル固定層を有しないタイプの量子ドット型光検出器である。試料Ｂは、図９及び１０を参照して説明した上記量子ドット型光検出器４６である。試料Ｃは、本量子ドット型光検出器４６において、ポテンシャル固定層３８を５層に増やした量子ドット型光検出器である。

図１１から明らかように、ポテンシャル固定層３８を活性領域に導入した試料（試料Ｂ及びＣ）では、最大量子効率が飛躍的に向上する。また、最大量子効率は、ポテンシャル固定層３８の層数が増えるほど大きくなる。

これは、ポテンシャル固定層３８の導入によって、活性領域（正確には、中間層）の伝導帯１２の底の膨らみが抑制され、遷移元準位が空になる量子ドットの割合が減少するためと考えられる。

ところで、膨らんだ伝導帯の底１２は、電子に対して障壁として働き、フォトキャリアの流れを阻害する。このため、活性領域１０のドナー濃度が低く、伝導帯の底１２の膨らみが大きいと、駆動電圧が上昇し、量子ドット型光検出器の動作が困難になる。このため、量子ドット型光検出器の抵抗は、高くなり過ぎないことが重要である。

図１２は、上記試料Ａ乃至Ｃの電圧-電流特性を説明する図である。横軸は、印加電圧である。縦軸は、電流である。尚、各試料を形成するメサの一辺は、５００μｍである。

図１２に示した第１の特性６０は、試料Ａの電圧-電流特性である。第２の特性６２は、試料Ｂの電圧-電流特性である。第３の特性６４は、試料Ｃの電圧-電流特性である。

図１２から明らかなように、ポテンシャル固定層３８を設けると、量子ドット型光検出器の低抵は低くなる。また、ポテンシャル固定層３８が増えるほど、量子ドット型光検出器の抵抗は低くなる。これは、ポテンシャル固定層３８の導入により、中間層の伝導帯の底の膨らみが小さくなるためと考えられる。

従って、ポテンシャル固定層３８を導入することによって、活性領域１０の高抵抗化が抑制され、量子ドット型光検出器の動作が容易になる。

但し、活性領域１０の抵抗が低くなりすぎると、暗電流（光が入射しない状態で流れる電流）が増加し、量子ドット型光検出器の信号雑音比が低下する。しかし、本量子ドット型光検出器４６では、活性領域１０に不純物が添加されていないので、暗電流が過度に大きくなり過ぎることはない。このため、信号雑音比の低下によって、光の検出が困難になることはない。

(変形例)
以上の例では、電極層５０,５４及びポテンシャル固定層３８は、ＧａＡｓによって形成されている。しかし、電極層５０,５４を、他の半導体材料（例えば、ＧａＡｌＡｓやＩｎＡｓ）によって形成してもよい。

また、以上の例では、量子ドット６は、ＩｎＡｓによって形成されている。しかし、量子ドット６を、他の半導体材料（例えば、ＩｎＧａＡｓやＩｎＡｌＡｓ）によって形成してもよい。

また、以上の例では、活性領域で吸収されなかった赤外線を、活性領域１０に戻す部材は用いられていない。しかし、上部電極５４の表面に、赤外線を効率良く反射する反射膜を設けてもよい。

また、以上の例は、量子ドット型光検出器を単独で利用する光装置に関するものである。しかし、本量子ドット型光検出器を同一基板上に２次元的に配列して、赤外線イメージセンサに利用してもよい。

また、以上の例では、活性領域が吸収する光は、波長１０μｍの赤外線である。しかし、活性領域が吸収する光の波長は、他の波長であってもよい。例えば、活性領域が吸収する光は、近赤外線や遠赤外線であってもよい。

（付記１）
ｎ型の第１の半導体によって形成された一対の電極層と、
前記一対の電極層の間に配置された光吸収層を具備し、
前記光吸収層が、
第２の半導体によって形成された量子ドットと、前記第２の半導体よりバンドギャップが広い第３の半導体によって形成され且つ前記量子ドットを覆う中間層が、交互に積層された複数の量子ドット層と、
電子親和力が前記第３の半導体より大きく、バンドギャップが前記第３の半導体より狭く、且つドナー濃度が前記量子ドット層より高い第４の半導体で形成され、更に前記量子ドット層の間に配置されたポテンシャル固定層とを具備する、
量子ドット型光検知器。

（付記２）
付記１に記載の量子ドット型光検知器において、
前記第４の半導体が、前記第１の半導体と同じで半導体で半導体材料で形成されていることを、
特徴とする量子ドット型光検知器。

（付記３）
付記１又は２に記載の量子ドット型光検知器において、
前記第３半導体が、意図的には不純物が添加されていない半導体であることを、
特徴とする量子ドット型光検知器。

（付記４）
付記１乃至３の何れか一項に記載の量子ドット型光検知器において、
前記量子ドット層が、赤外線を吸収することを、
特徴とする量子ドット型光検知器。

（付記５）
付記１乃至４の何れか一項に記載の量子ドット型光検知器において、
前記第１の半導体及び第４の半導体がＧａＡｓあり、
前記第２の半導体がＩｎＡｓであり、
前記第３の半導体がＡｌＧａＡｓであることを、
特徴とする量子ドット型光検知器。

（付記６）
ｐ型の第１の半導体によって形成された一対の電極層と、
前記一対の電極の間に配置された光吸収層を具備し、
前記光吸収層が、
第２の半導体によって形成された量子ドットと、前記第２の半導体よりバンドギャップが広い第３の半導体によって形成され且つ前記量子ドットを覆う中間層が、交互に積層された複数の量子ドット層と、
電子親和力とバンドギャップの和が前記第３の半導体より小さく、バンドギャップが前記第３の半導体より狭く、且つアクセプタ濃度が前記量子ドット層より高い第４の半導体で形成され、更に前記量子ドット層の間に配置されたポテンシャル固定層とを具備する、
量子ドット型光検知器。

（付記７）
付記６に記載の量子ドット型光検知器において、
前記第４の半導体が、前記第１の半導体と同じ半導体材料で形成されていることを、
特徴とする量子ドット型光検知器。

（付記８）
付記６乃至７の何れか一項に記載の量子ドット型光検知器において、
前記第１の半導体及び第４の半導体がＧａＡｓあり、
前記第２の半導体がＩｎＡｓであり、
前記第３の半導体がＡｌＧａＡｓであることを、
特徴とする量子ドット型光検知器。

２・・・量子ドット型光検出器 ４,５・・・電極層
６・・・量子ドット ８・・・中間層 １０・・・活性領域
１２・・・伝導帯の底 １４・・・第１量子準位
１６・・・第２量子準位 １８・・・電圧源 ２０・・・電圧源
２２・・・赤外線 ２４・・・電子 ２６・・・電流検知器
２８・・・フェルミ準位 ３０・・・価電子体の頂上
３２・・・活性領域のフェルミ準位 ３４・・・電極層のフェルミ準位
３６・・・量子ドット層 ３８・・・ポテンシャル固定層
４０,４２・・・ポテンシャルの膨らみ ４４・・・量子ドット単一層
４６・・・実施例１の量子ドット型光検出器
４８・・・半絶縁性ＧａＡｓ基板 ５０・・・下部電極
５２・・・Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ層 ５４・・・上部電極層
５６,５８・・・ＡｕＧｅ／Ａｕ電極 ６０・・・試料Ａの電圧-電流特性
６２・・・試料Ｂの電圧-電流特性 ６４・・・試料Ｃの電圧-電流特性

Claims (5)

1. ｎ型の第１の半導体によって形成された一対の電極層と、
   前記一対の電極層の間に配置された光吸収層を具備し、
   前記光吸収層が、
   第２の半導体によって形成された量子ドットと、前記第２の半導体よりバンドギャップが広い第３の半導体によって形成され且つ前記量子ドットを覆う中間層が、交互に複数回積層された複数の量子ドット層と、
   電子親和力が前記第３の半導体より大きく、バンドギャップが前記第３の半導体より狭く、ドナー濃度が前記量子ドット層より高く、前記電極層にポテンシャルが一致する第４の半導体で形成され、更に前記量子ドットと前記中間層が交互に複数回積層された前記複数の量子ドット層の間に配置されたポテンシャル固定層とを具備する、
   量子ドット型光検知器。
2. 請求項１に記載の量子ドット型光検知器において、
   前記第４の半導体が、前記第１の半導体と同じ半導体材料で形成されていることを、
   特徴とする量子ドット型光検知器。
3. 請求項１又は２に記載の量子ドット型光検知器において、
   前記第３半導体が、意図的には不純物が添加されていない半導体であることを、
   特徴とする量子ドット型光検知器。
4. ｐ型の第１の半導体によって形成された一対の電極層と、
   前記一対の電極の間に配置された光吸収層を具備し、
   前記光吸収層が、
   第２の半導体によって形成された量子ドットと、前記第２の半導体よりバンドギャップが広い第３の半導体によって形成され且つ前記量子ドットを覆う中間層が、交互に複数回積層された複数の量子ドット層と、
   電子親和力とバンドギャップの和が前記第３の半導体より小さく、バンドギャップが前記第３の半導体より狭く、アクセプタ濃度が前記量子ドット層より高く、前記電極層にポテンシャルが一致する第４の半導体で形成され、更に前記量子ドットと前記中間層が交互に複数回積層された前記複数の量子ドット層の間に配置されたポテンシャル固定層とを具備する、
   量子ドット型光検知器。
5. 請求項４に記載の量子ドット型光検知器において、
   前記第４の半導体が、前記第１の半導体と同じ半導体材料で形成されていることを、
   特徴とする量子ドット型光検知器。

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