JP5278291B2 - Quantum dot photodetector and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子ドット型光検知器及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a quantum dot photodetector and a method for manufacturing the same.
近年、入射した光を吸収したときに流れる電流を捕えることによって光を検知する光検知器のうち、量子ドット型光検知器が注目されている。
従来の量子井戸型光検知器では、垂直入射光を吸収できなかったが、量子ドット型光検知器では、3次元でキャリアを閉じ込め、垂直入射光を吸収することができる。
その代表的なものに、量子ドット型赤外線検知器がある。
In recent years, quantum dot photodetectors have attracted attention among photodetectors that detect light by capturing a current that flows when incident light is absorbed.
The conventional quantum well photodetector could not absorb normal incident light, but the quantum dot photodetector can confine carriers in three dimensions and absorb normal incident light.
A typical example is a quantum dot infrared detector.
ここで、図4は、標準的な量子ドット型赤外線検知器の構造を示す模式的断面図である。
図4に示すように、標準的な量子ドット型赤外線検知器では、InAs量子ドットをi−GaAs中間層(埋込層)で埋め込んだものを量子ドット層とし、この量子ドット層を積層した複数の量子ドット層(あるいは1層の量子ドット層)を、n−GaAs電極層で挟んだ構造になっている。
Here, FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a standard quantum dot infrared detector.
As shown in FIG. 4, in a standard quantum dot type infrared detector, an InAs quantum dot embedded with an i-GaAs intermediate layer (embedded layer) is used as a quantum dot layer, and a plurality of stacked quantum dot layers are formed. The quantum dot layer (or one quantum dot layer) is sandwiched between n-GaAs electrode layers.
このように、量子ドット型赤外線検知器では、量子ドットを中間層で埋め込んで形成される活性領域を電極層で挟んだ構造になっている。そして、活性領域に赤外線が入射すると、量子ドット内に束縛された電子が励起され、赤外線の入射量に応じた光電流を発生するため、これを検知することで赤外線を検知するようになっている。 Thus, the quantum dot infrared detector has a structure in which an active region formed by embedding quantum dots in an intermediate layer is sandwiched between electrode layers. When infrared rays are incident on the active region, the electrons bound in the quantum dots are excited, and a photocurrent is generated according to the amount of incident infrared rays. By detecting this, infrared rays are detected. Yes.
しかしながら、従来の量子ドット型赤外線検知器では、例えば量子ドット層を30層とし、ドット密度を2×1010cm−2とした場合、量子効率は3%程度であり、十分な感度が得られない。これは、量子ドット1個当たりの量子効率が5×10−12%程度と極めて小さいからである。
量子効率の改善策として、例えば、ドット密度を増やしたり、積層数を増やしたりすることが考えられる。
However, in the conventional quantum dot infrared detector, for example, when the quantum dot layer is 30 layers and the dot density is 2 × 10 10 cm −2 , the quantum efficiency is about 3%, and sufficient sensitivity is obtained. Absent. This is because the quantum efficiency per quantum dot is as small as about 5 × 10 −12 %.
As measures for improving the quantum efficiency, for example, increasing the dot density or increasing the number of stacked layers can be considered.
このほか、図5に示すように、複数の量子ドット層を積層させる際に各量子ドット層の層間距離を30nm未満にすることで量子ドットを成長方向に整列させてコラムナ量子ドットを形成することも考えられる。
ここで、量子ドットが光を感じるには、キャリア(電子)が量子ドットに入っている必要がある。
In addition, as shown in FIG. 5, when stacking a plurality of quantum dot layers, the quantum dots are aligned in the growth direction by forming the interlayer distance of each quantum dot layer less than 30 nm to form columnar quantum dots. Is also possible.
Here, in order for the quantum dots to feel light, carriers (electrons) must be contained in the quantum dots.
従来の量子ドット型赤外線検知器では、量子ドットがランダムに配置されるため、隣接した量子ドット層に含まれる量子ドットを経由してキャリアが供給されにくく、各量子ドットには、個別に、その周囲からキャリアが供給されることになる。
これに対し、コラムナ量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検知器では、量子ドットが成長方向に整列しているため、隣接した量子ドット層に含まれる量子ドットを経由してキャリアが供給され、これにより、キャリアの供給が容易となり、赤外線の吸収確率が高くなることが期待される。
In the conventional quantum dot infrared detector, the quantum dots are randomly arranged, so that it is difficult for carriers to be supplied via the quantum dots included in the adjacent quantum dot layers. Carriers are supplied from the surroundings.
In contrast, in a quantum dot infrared detector using columnar quantum dots, the quantum dots are aligned in the growth direction, so that carriers are supplied via the quantum dots included in the adjacent quantum dot layers. Therefore, it is expected that the supply of carriers becomes easy and the infrared absorption probability is increased.
しかしながら、コラムナ量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検知器であっても、量子効率は変わらないことが実験でわかってきた。
これは、従来の量子ドット型赤外線検知器と、コラムナ量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検知器において、1層の量子ドット層でのフィルファクタ(量子ドットが面内で占める割合)を同じ値fとし、積層数をnとすると、入射した赤外線が量子ドットに当たる確率はf*nとなり、両者とも同じであるからであると考えられる。なお、フィルファクタfの値は通常0.2〜0.5程度である。
However, experiments have shown that quantum efficiency does not change even with quantum dot infrared detectors using columnar quantum dots.
This is the same value as the conventional quantum dot infrared detector and the quantum dot infrared detector using columnar quantum dots with the same fill factor (percentage of quantum dots in the plane) in one quantum dot layer. If f is the number of stacked layers and n, the probability that the incident infrared ray hits the quantum dot is f * n, which is considered to be the same. The value of the fill factor f is usually about 0.2 to 0.5.
そこで、量子ドット型光検知器において、量子効率を向上させ、十分な感度が得られるようにし、その性能を向上させたい。 Therefore, in a quantum dot type photodetector, it is desired to improve quantum efficiency and obtain sufficient sensitivity and improve its performance.
このため、本量子ドット型光検知器は、量子ドットと量子ドットを埋め込む第1埋込層とを含む複数の量子ドット層を備え、複数の量子ドット層のそれぞれに含まれる量子ドットが積層方向に整列してコラムナ量子ドットを構成しているコラムナ量子ドット層と、コラムナ量子ドット層を挟む2つの電極層と、コラムナ量子ドット層と2つの電極層のうちキャリア供給側の電極層との間に設けられ、キャリア供給側電極層に接し、かつ、不純物がドープされているキャリア供給用量子ドットと、キャリア供給用量子ドットを埋め込む第2埋込層とを含むキャリア供給用量子ドット層とを備えることを要件とする。 Therefore, the quantum dot photodetector includes a plurality of quantum dot layers including a quantum dot and a first embedded layer that embeds the quantum dot, and the quantum dots included in each of the plurality of quantum dot layers are stacked in the stacking direction. Between the columnar quantum dot layer constituting the columnar quantum dot, the two electrode layers sandwiching the columnar quantum dot layer, and the columnar quantum dot layer and the electrode layer on the carrier supply side of the two electrode layers A carrier supply quantum dot layer including a carrier supply quantum dot that is in contact with the carrier supply side electrode layer and is doped with an impurity, and a second embedded layer that embeds the carrier supply quantum dot. It is a requirement to prepare.
本量子ドット型光検知器の製造方法は、電極層の表面に接するように、不純物がドープされているキャリア供給用量子ドットを形成し、キャリア供給用量子ドットの真上にコラムナ量子ドットを含むコラムナ量子ドット層を形成し、コラムナ量子ドット層上に、電極層を形成することを要件とする。 The manufacturing method of this quantum dot type photo detector forms a carrier supplying quantum dot doped with an impurity so as to be in contact with the surface of the electrode layer, and includes a columner quantum dot directly above the carrier supplying quantum dot. It is necessary to form a columnar quantum dot layer and to form an electrode layer on the columnar quantum dot layer.
したがって、本量子ドット型光検知器及びその製造方法によれば、量子効率を向上させ、十分な感度が得られるようにすることができ、その性能を向上させることができるという利点がある。 Therefore, according to the quantum dot photodetector and the manufacturing method thereof, there is an advantage that the quantum efficiency can be improved and sufficient sensitivity can be obtained, and the performance can be improved.
以下、図面により、本実施形態にかかる量子ドット型光検知器及びその製造方法について、図1〜図3を参照しながら説明する。
本実施形態では、量子ドット型光検知器として、自己組織化量子ドットを用いた受光デバイスであって、赤外線の吸収を量子ドットによって行ない、赤外線の入射量に応じて光電流を発生させる量子ドット型赤外線検知器を例に挙げて説明する。
Hereinafter, the quantum dot photodetector and the manufacturing method thereof according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
In the present embodiment, the quantum dot photodetector is a light receiving device using self-assembled quantum dots that absorbs infrared rays by quantum dots and generates a photocurrent according to the amount of incident infrared rays. A type infrared detector will be described as an example.
本量子ドット型赤外線検知器は、図1に示すように、半導体基板1上に、コラムナ量子ドット層2(活性層;吸収層)と、コラムナ量子ドット層2を挟む2つの電極層3(コンタクト層)と、コラムナ量子ドット層2と2つの電極層3のうちキャリア供給側の電極層3Aとの間に設けられたキャリア供給用量子ドット層4とを備える。
ここで、キャリア供給用量子ドット層4は、キャリア供給側電極層3Aに接し、かつ、不純物がドープされている複数のキャリア供給用量子ドット4Aと、これらのキャリア供給用量子ドット4Aを埋め込む埋込層4B(第2埋込層)とを含む。
As shown in FIG. 1, the quantum dot infrared detector includes a columnar quantum dot layer 2 (active layer; absorption layer) and two electrode layers 3 (contacts) sandwiching the columner
Here, the carrier supply
つまり、複数のキャリア供給用量子ドット4Aは、キャリア供給側電極層3A上に直に形成されている。そして、これらのキャリア供給用量子ドット4Aのみに不純物(電極層と同じ導電型の不純物)がドープされている。つまり、コラムナ量子ドット層2やキャリア供給用量子ドット4Aを埋め込む埋込層4Bには、不純物はドープされておらず、キャリア供給側電極層3A上に直に形成された複数のキャリア供給用量子ドット4Aのみに不純物がドープされている。
That is, the plurality of carrier supply
ここでは、複数のキャリア供給用量子ドット4Aは、1個の量子ドットに1個以上のキャリアが入るように高濃度で不純物がドープされている。つまり、キャリア供給用量子ドット4Aのドープ量は1電子/1ドット以上である。これにより、コラムナ量子ドット2Aに確実にキャリアを供給できるようになる。
コラムナ量子ドット層2は、複数の量子ドット5Aと、これらの量子ドット5Aを埋め込む埋込層5B(第1埋込層)とを含む複数の量子ドット層5を備える。
Here, the plurality of carrier supply
The columnar
このコラムナ量子ドット層2では、複数の量子ドット層5のそれぞれに含まれる量子ドット5Aが積層方向に整列してコラムナ量子ドット2Aを構成している。
ここでは、上述のキャリア供給用量子ドット4A、及び、コラムナ量子ドット層2を構成する複数の量子ドット層5のそれぞれに含まれる量子ドット5Aが積層方向に整列している。つまり、キャリア供給用量子ドット4Aの上方に、積層方向へ向けて、コラムナ量子ドット2Aを構成する複数(複数段)の量子ドット5Aが整列している。
In the columnar
Here, the
なお、ここでは、キャリア供給用量子ドット層4上にコラムナ量子ドット層2が形成されているものとして説明しているが、キャリア供給用量子ドット層も含む全体をコラムナ量子ドット層と見ることもできる。つまり、コラムナ量子ドット層の最下層(第1層;1段目)の量子ドット層が、不純物がドープされた量子ドットを含むキャリア供給用量子ドット層になっていると見ることもできる。
Here, the columnar
上述のように、キャリア供給側電極層3A上にキャリア供給用量子ドット4Aが直に形成されており、このキャリア供給用量子ドット4Aに不純物がドープされており、キャリア供給用量子ドット4A及びコラムナ量子ドット層2を構成する複数の量子ドット層5のそれぞれに含まれる量子ドット5Aが積層方向に整列している。
これにより、キャリア供給側電極層3Aから、コラムナ量子ドット層2を構成する複数の量子ドット層5のそれぞれに含まれる量子ドット5Aへ、キャリア供給用量子ドット4Aを経由して、キャリアが供給されることになる。
As described above, the carrier
Thereby, carriers are supplied from the carrier supply
この場合、キャリア供給用量子ドット4Aによって、キャリア供給側電極層3A上に先端が細くなった突起が形成され、これがキャリア供給構造(キャリア供給源)となる。つまり、キャリア供給側電極層3Aから供給されるキャリアがキャリア供給用量子ドット4Aの先端から放出されることになる。また、キャリア供給用量子ドット4Aを設けることで、キャリア供給源とコラムナ量子ドット2Aを構成する最もキャリア供給側電極層3Aに近い側の量子ドット5Aとの間の距離も短くなる。このため、コラムナ量子ドット2Aに確実にキャリアを供給できるようになり、量子効率を向上させることができる。この結果、量子ドット型赤外線検知器の特性を向上させることができる。
In this case, the carrier supply
これに対し、図5に示すようなコラムナ量子ドットを用いた量子ドット型赤外線検知器では、キャリア供給側の電極層からコラムナ量子ドットを構成する各量子ドットへキャリアを供給する際に、量子ドットが形成されていない領域にもキャリアが流れやすいため、コラムナ量子ドットへのキャリアの供給効率が悪く、量子効率を向上させることが難しい。 On the other hand, in the quantum dot infrared detector using columnar quantum dots as shown in FIG. 5, when supplying carriers from the electrode layer on the carrier supply side to each quantum dot constituting the columnar quantum dots, Since carriers are likely to flow even in a region where no is formed, supply efficiency of carriers to columnar quantum dots is poor, and it is difficult to improve quantum efficiency.
ところで、本実施形態では、図1に示すように、複数の量子ドット層5及びキャリア供給用量子ドット層4の層間距離は、10nm以上30nm未満とするのが好ましい。
これは、10nm未満にすると、各量子ドット層4,5に含まれる量子ドット4A,5A間の波動関数が重なり合って1個の量子ドットのようになってしまうからである。また、30nm以上にすると、複数の量子ドット5A(4A)が積層方向に整列したコラムナ量子ドット2Aにならず、ランダム配置の通常の量子ドットになってしまうからである。
By the way, in this embodiment, as shown in FIG. 1, it is preferable that the interlayer distance of the several
This is because if the thickness is less than 10 nm, the wave functions between the
このように、本実施形態のコラムナ量子ドット2Aは、複数の量子ドット5A(4A)が積層方向に整列しているものの、積層方向に整列する複数の量子ドット5A(4A)(各段の量子ドット)は互いに独立した量子ドットとして機能するようになっている。
なお、ここでは、量子ドット型赤外線検知器を、1層のコラムナ量子ドット層2を備えるものとして構成しているが、これに限られるものではない。
As described above, in the
Here, although the quantum dot infrared detector is configured to include one columnar
例えば図2(A),(B)に示すように、量子ドット型赤外線検知器を、複数のコラムナ量子ドット層2を含むものとして構成しても良い。これにより、さらに量子効率を向上させることができる。
この場合、図2(B)に示すように、複数のコラムナ量子ドット層2の間に、不純物(電極層と同じ導電型の不純物)がドープされている複数のキャリア供給用量子ドット(他のキャリア供給用量子ドット)6Aと、これらのキャリア供給用量子ドット6Aを埋め込む埋込層6B(第3埋込層)とを含むキャリア供給用量子ドット層6を備えるものとするのが好ましい。
For example, as shown in FIGS. 2A and 2B, the quantum dot infrared detector may be configured to include a plurality of columnar quantum dot layers 2. Thereby, quantum efficiency can be improved further.
In this case, as shown in FIG. 2B, a plurality of quantum dots for supplying carriers (another impurity having the same conductivity type as that of the electrode layer) are doped between the plurality of columnar quantum dot layers 2. It is preferable to include a carrier supply
さらに、図2(A)に示すように、複数のコラムナ量子ドット層2の間に、不純物(電極層と同じ導電型の不純物)がドープされているキャリア供給用半導体層7を備えるものとし、複数のキャリア供給用量子ドット6Aが、キャリア供給用半導体層7のキャリア供給側電極層3Aの側とは反対側に接するようにしても良い。
この場合、キャリア供給用量子ドット6Aは、上述のキャリア供給用量子ドット4Aと同様に、1個の量子ドットに1個以上のキャリアが入るように高濃度で不純物がドープされている。これにより、コラムナ量子ドット2Aに確実にキャリアを供給できるようになる。
Further, as shown in FIG. 2 (A), a carrier supply semiconductor layer 7 doped with impurities (impurities having the same conductivity type as the electrode layers) is provided between the plurality of columnar quantum dot layers 2; The plurality of carrier supplying
In this case, the carrier
また、このように複数のコラムナ量子ドット層2を設ける場合、複数のコラムナ量子ドット層2の層間距離は30nm以上とするのが好ましい。
これは、30nm以上とすることで、上下のコラムナ量子ドット層2を分離独立させることができる。つまり、上側のコラムナ量子ドット層2を形成する際に、下側のコラムナ量子ドット層2に含まれるコラムナ量子ドット2Aの配置の影響を受けないようにすることができる。これにより、歪みの影響が大きくなって、結晶欠陥が生じてしまうのを防止することができる。
In addition, when the plurality of columnar
By setting it to 30 nm or more, the upper and lower columnar
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について説明する。
まず、電極層3Aの表面に接するように、不純物がドープされているキャリア供給用量子ドット4Aを形成する。
次に、キャリア供給用量子ドット4Aの真上にコラムナ量子ドット2Aを含むコラムナ量子ドット層2を形成する。
Next, the manufacturing method of the quantum dot type infrared detector concerning this embodiment is demonstrated.
First, carrier
Next, the columner
そして、コラムナ量子ドット層2上に、電極層3を形成する。
これにより、上述のように構成される量子ドット型赤外線検知器が製造される。
以下、より具体的に説明する。
ここでは、複数のコラムナ量子ドット層2を備え、各コラムナ量子ドット層2の間にキャリア供給用量子ドット層6及びキャリア供給用半導体層7を備える量子ドット型赤外線検知器の製造方法を例に挙げて、図2(A)を参照しながら説明する。
Then, the
Thereby, the quantum dot type infrared detector configured as described above is manufactured.
More specific description will be given below.
Here, a manufacturing method of a quantum dot infrared detector including a plurality of columnar
まず、例えばMBE法によって、GaAs基板1上に、n−GaAs電極層3A(キャリア供給側電極層;キャリア濃度n=1×1018cm−3)を例えば1000nmの厚さになるように形成する。
次いで、例えば、基板温度500℃、InAs成長速度0.1ML/sec、InAs供給量2.1MLで、1段目の量子ドット4Aを形成する。ここでは、ドット密度2.5×1010cm−2、高さ6nm、ドット直径30nmのInAs量子ドット4Aが形成される。
First, the n-
Next, for example, the first-
特に、本実施形態では、この1段目の量子ドット4Aにはn型不純物(例えばSi)がドープされている。ここでは、不純物供給源のセル温度を調節してドープ量を調節する。これにより、量子ドット1個当たりキャリア(電子)が2個〜10個程度(例えば5個)入るようにする。つまり、1個の量子ドットに1個以上のキャリアが入るように高濃度で不純物がドープされていることになる。
In particular, in the present embodiment, the first-
次に、例えば厚さ20nmのi−GaAs埋込層4Bを形成する。つまり、1段目の量子ドット4Aをi−GaAs埋込層4Bによって埋め込むことによって、1段目の量子ドット層4を形成する。
続けて、例えば、InAs成長速度0.1ML/sec、InAs供給量2.1MLで、2段目の量子ドット5Aを形成する。ここでは、ドット密度2.5×1010cm−2、高さ6nm、ドット直径30nmのInAs量子ドット5Aが形成される。このような量子ドット5Aによって、6μm程度の波長の赤外線を検知することができる。特に、本実施形態では、この2段目の量子ドット5Aはノンドープである。
Next, for example, an i-GaAs buried
Subsequently, for example, the second-
さらに、例えば厚さ20nmのi−GaAs埋込層5Bを形成する。つまり、2段目の量子ドット5A(ノンドープ)をi−GaAs埋込層5Bによって埋め込むことによって、2段目の量子ドット層5を形成する。
以後、この2段目の量子ドット層5を形成するのと同様に、3段目、4段目、5段目の量子ドット層5を形成する。但し、5段目の量子ドット5を形成した後に形成するi−GaAs埋込層5Bの厚さは例えば50nmとしている。
Further, for example, an i-GaAs buried
Thereafter, similarly to the formation of the second-stage
ここでは、i−GaAs埋込層5Bの厚さ、即ち、各量子ドット層5の層間距離が20nmになっているため、1段目〜5段目の量子ドット5Aは積層方向に整列するように形成されることになる。つまり、n−GaAs電極層3A上に、5段の量子ドット4A,5Aを積層させてなるコラムナ量子ドットが形成される。
本実施形態では、1段目の量子ドット4Aは、キャリア供給側の電極層3A上に直に形成され、不純物がドープされており、キャリア供給源として機能するキャリア供給用量子ドットである。一方、2〜5段目の量子ドット5Aは、赤外線検知部として機能するコラムナ量子ドット2Aを構成する。このため、1段目のキャリア供給用量子ドット4Aを含むキャリア供給用量子ドット層4上に、2〜5段目の量子ドット5Aからなり、赤外線検知部として機能するコラムナ量子ドット2A(赤外線検知用コラムナ量子ドット)を含むコラムナ量子ドット層2(赤外線検知用コラムナ量子ドット層)が積層されることになる。
Here, since the thickness of the i-GaAs buried
In the present embodiment, the first-
このようにして、1層目のキャリア供給用量子ドット層4上に、4段の量子ドット5Aが積層方向に整列してなる1層目のコラムナ量子ドット層2が形成される。
次に、2層目のキャリア供給用量子ドット層6及びコラムナ量子ドット層2を形成する。
つまり、まず、上述の1層目のコラムナ量子ドット層2を構成する厚さ50nmのi−GaAs埋込層5B上に、n−GaAs層7(キャリア濃度n=1×1018cm−3)を例えば5nmの厚さになるように形成する。このn−GaAs層7は、2層目のコラムナ量子ドット層2にキャリアを供給するためのキャリア供給用半導体層である。
In this way, the first columnar
Next, the second carrier supplying
That is, first, the n-GaAs layer 7 (carrier concentration n = 1 × 10 18 cm −3 ) is formed on the 50-nm-thick i-GaAs buried
次いで、上述の1層目のキャリア供給用量子ドット層4を形成するのと同様に、2層目のキャリア供給用量子ドット層6を形成する。
そして、上述の1層目のコラムナ量子ドット層2を形成するのと同様に、2層目のコラムナ量子ドット層2を形成する。
このようにして、2層目のキャリア供給用量子ドット層6上に、4段の量子ドット5Aが積層方向に整列してなる2層目のコラムナ量子ドット層2が形成される。つまり、1層目のコラムナ量子ドット層2上に、キャリア供給用半導体層7(n−GaAs層)を介して、2層目のキャリア供給用量子ドット層6、及び、2層目のコラムナ量子ドット層2が形成される。
Next, the second carrier supply
Then, the second columnar
In this way, the second columnar
なお、上述のように、1層目のコラムナ量子ドット層2の最上層のi−GaAs埋込層5Bの厚さは例えば50nmとしており、1層目のコラムナ量子ドット層2と2層目のコラムナ量子ドット層2の層間距離が30nm以上になっているため、1層目のコラムナ量子ドット層2に含まれるコラムナ量子ドット2Aの配置の影響を受けることなく、2層目のコラムナ量子ドット層2に含まれるコラムナ量子ドット2Aを形成することができる。
As described above, the thickness of the uppermost i-GaAs buried
以後、このような工程を8回繰り返して、キャリア供給用半導体層7(n−GaAs層)を介して、3層目〜10層目のキャリア供給用量子ドット層6及びコラムナ量子ドット層2を形成する。
このようにして、キャリア供給用量子ドット層6、及び、4段の量子ドット5Aが積層方向に整列してなるコラムナ量子ドット層2を、10層積層した構造の半導体結晶が形成される。
Thereafter, this process is repeated eight times, and the third to tenth carrier supplying
In this manner, a semiconductor crystal having a structure in which 10 layers of the columnar
そして、10層目のコラムナ量子ドット層2を構成する厚さ50nmのi−GaAs埋込層5B上に、n−GaAs電極層3(キャリア濃度n=1×1018cm−3)を例えば500nmの厚さになるように形成する。
その後、このようにして結晶成長させて形成したウェハを用い、その一部をメサ状にエッチング除去して、下側のn−GaAs電極層3Aを露出させる。
An n-GaAs electrode layer 3 (carrier concentration n = 1 × 10 18 cm −3 ) is, for example, 500 nm on the 50-nm thick i-GaAs buried
Thereafter, using the wafer formed by crystal growth in this way, a part thereof is etched away in a mesa shape to expose the lower n-
最後に、上下のn−GaAs電極層3(3A)に、例えばAuGe/Auからなる金属電極(図示せず)を設け、さらに、素子表面(電極以外)をSiN保護膜又はSiON保護膜(図示せず)で覆う。
このようにして、10層のコラムナ量子ドット層2を含む量子ドット型赤外線検知器が製造される。
Finally, a metal electrode (not shown) made of, for example, AuGe / Au is provided on the upper and lower n-GaAs electrode layers 3 (3A), and the element surface (other than the electrode) is further provided with a SiN protective film or a SiON protective film (see FIG. (Not shown).
In this manner, a quantum dot infrared detector including 10 columnar quantum dot layers 2 is manufactured.
なお、ここでは、2層目以降のそれぞれのキャリア供給用量子ドット層6及びコラムナ量子ドット層2を形成する前に、キャリア供給用半導体層7(n−GaAs層)を形成するようにしているが、これに限られるものではない。例えば図2(B)に示すように、キャリア供給用半導体層(n−GaAs層)を形成しないで、コラムナ量子ドット層2の最上層を構成するi−GaAs埋込層5B上にキャリア供給用量子ドット層6を形成するようにしても良く、この場合も同様の作用・効果が得られる。
In this case, the carrier supplying semiconductor layer 7 (n-GaAs layer) is formed before forming the carrier supplying
また、ここでは、上下の電極層3(コンタクト層)、量子ドット4A,5A,6A、埋込層(中間層)4B,5B,6B、キャリア供給用半導体層7の材料として、InAs,GaAsを用いているが、これに限られるものではない。量子ドット4A,5A,6A及び埋込層(中間層)4B,5B,6Bの材料としては、InAs,GaAs,AlAs,InP,GaP,AlP,InSb,GaSb,AlSb,InN,GaN,AlNやこれらの混晶を用いても良い。例えば量子ドット4A,5A,6AにはIn(又はSb)を含む材料を用いれば良い。
Here, InAs and GaAs are used as materials for the upper and lower electrode layers 3 (contact layers), the
さらに、ここでは、上下の電極層3(コンタクト層)、量子ドット4A,5A,6A、埋込層(中間層)4B,5B,6B、キャリア供給用半導体層7の導電型をn型としているが、これに限られるものではなく、導電型(p/n型)の極性を反転させて、p型としても良い。つまり、上下の電極層3(コンタクト層)、量子ドット4A,5A,6A、埋込層(中間層)4B,5B,6B、キャリア供給用半導体層7にドープしているn型不純物に代えて、これらにp型不純物(例えばBeなど)をドープするようにしても良い。
Furthermore, here, the conductivity types of the upper and lower electrode layers 3 (contact layers),
また、ここでは、成長法として、MBE法を用いているが、これに限られるものではなく、例えばMOCVD法を用いても良い。つまり、自己組織化量子ドットを形成できる成長方法を用いれば良い。
したがって、本実施形態にかかる量子ドット型光検知器及びその製造方法によれば、量子効率を向上させ、十分な感度が得られるようにすることができ、その性能を向上させることができるという利点がある。
Here, the MBE method is used as the growth method. However, the growth method is not limited to this. For example, the MOCVD method may be used. That is, a growth method that can form self-assembled quantum dots may be used.
Therefore, according to the quantum dot photodetector and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, the quantum efficiency can be improved, sufficient sensitivity can be obtained, and the performance can be improved. There is.
つまり、キャリア供給側の電極層3A上に直に、不純物がドープされているキャリア供給用量子ドット4Aを形成し、このキャリア供給用量子ドット4Aの上方に積層方向に整列するようにコラムナ量子ドット2Aを形成することで、キャリアの供給効率を向上させることができる。これにより、量子ドット型赤外線検知器の量子効率を向上させることができ、高感度化を実現でき、デバイス性能を向上させることができることになる。
That is, the carrier
なお、上述の実施形態では、キャリア供給用量子ドット4Aは埋込層4Bによってその全体が埋め込まれているが、これに限られるものではない。例えば図3に示すように、キャリア供給用量子ドット4Aの側面に接し、埋込層4B(第2埋込層)よりもバンドギャップが広い材料からなるバリア層4Cを備えるものとし、埋込層4Bが、バリア層4C上に形成され、キャリア供給用量子ドット4Aの上部を覆うようにしても良い。
In the above-described embodiment, the carrier
また、上述の実施形態では、キャリア供給用量子ドット4Aのみに不純物がドープされており、埋込層4B,5B,6Bやコラムナ量子ドット2Aには不純物がドープされていないが、これに限られるものではない。例えば、他の部分にも不純物がドープされていても良い。この場合、他の部分(埋込層やコラムナ量子ドット)よりもキャリア供給用量子ドット4Aの方がドープ量が多くなるようにする。
In the above-described embodiment, only the carrier
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。 Note that the present invention is not limited to the configurations described in the above-described embodiments and modifications, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
1 半導体基板
2 コラムナ量子ドット層
3 電極層
3A キャリア供給側の電極層
4 キャリア供給用量子ドット層
4A キャリア供給用量子ドット
4B 埋込層(第2埋込層)
4C バリア層
5 量子ドット層
5A 量子ドット
5B 埋込層(第1埋込層)
6 キャリア供給用量子ドット層
6A キャリア供給用量子ドット
6B 埋込層(第3埋込層)
7 キャリア供給用半導体層
DESCRIPTION OF
6 Quantum dot layer for
7 Semiconductor layer for carrier supply
Claims (6)
前記コラムナ量子ドット層を挟む2つの電極層と、
前記コラムナ量子ドット層と前記2つの電極層のうちキャリア供給側の電極層との間に設けられ、前記キャリア供給側電極層に接し、かつ、不純物がドープされているキャリア供給用量子ドットと、前記キャリア供給用量子ドットを埋め込む第2埋込層とを含むキャリア供給用量子ドット層とを備えることを特徴とする量子ドット型光検知器。 A plurality of quantum dot layers including a quantum dot and a first embedded layer that embeds the quantum dot, and the quantum dots included in each of the plurality of quantum dot layers are aligned in a stacking direction to form a columnar quantum dot. The columna quantum dot layer,
Two electrode layers sandwiching the columnar quantum dot layer;
A quantum dot for carrier supply provided between the columnar quantum dot layer and the electrode layer on the carrier supply side of the two electrode layers, in contact with the carrier supply side electrode layer and doped with impurities; A quantum dot photodetector comprising a carrier supplying quantum dot layer including a second embedded layer in which the carrier supplying quantum dots are embedded.
前記複数のコラムナ量子ドット層の間に、不純物がドープされている他のキャリア供給用量子ドットと、前記他のキャリア供給用量子ドットを埋め込む第3埋込層とを含む他のキャリア供給用量子ドット層を備えることを特徴とする、請求項1記載の量子ドット型光検知器。 Including a plurality of the columnar quantum dot layers,
Other carrier supply quantum comprising, between the plurality of columnar quantum dot layers, another carrier supply quantum dot doped with an impurity and a third embedded layer in which the other carrier supply quantum dot is embedded The quantum dot photodetector according to claim 1, further comprising a dot layer.
前記他のキャリア供給用量子ドットが、前記キャリア供給用半導体層の前記キャリア供給側電極層の側とは反対側に接することを特徴とする、請求項2記載の量子ドット型光検知器。 A carrier supplying semiconductor layer doped with impurities between the plurality of columnar quantum dot layers,
3. The quantum dot photodetector according to claim 2, wherein the other carrier supply quantum dots are in contact with a side opposite to the carrier supply side electrode layer of the carrier supply semiconductor layer.
前記複数の量子ドット層及び前記キャリア供給用量子ドット層の層間距離が、10nm以上30nm未満であることを特徴とする、請求項2又は3記載の量子ドット型光検知器。 An interlayer distance between the plurality of columnar quantum dot layers is 30 nm or more;
4. The quantum dot photodetector according to claim 2, wherein an interlayer distance between the plurality of quantum dot layers and the carrier supplying quantum dot layer is 10 nm or more and less than 30 nm.
前記第2埋込層が、前記バリア層上に形成され、前記キャリア供給用量子ドットの上部を覆っていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の量子ドット型光検知器。 A barrier layer made of a material in contact with the side surface of the carrier supply quantum dot and having a wider band gap than the second buried layer;
5. The quantum dot type according to claim 1, wherein the second embedded layer is formed on the barrier layer and covers an upper portion of the carrier supplying quantum dots. 6. Photo detector.
前記キャリア供給用量子ドットの真上にコラムナ量子ドットを含むコラムナ量子ドット層を形成し、
前記コラムナ量子ドット層上に、電極層を形成することを特徴とする量子ドット型光検知器の製造方法。 Forming quantum dots for carrier supply doped with impurities so as to be in contact with the surface of the electrode layer,
A columnar quantum dot layer including a columnar quantum dot is formed immediately above the carrier supply quantum dot,
An electrode layer is formed on the columnar quantum dot layer. A method for manufacturing a quantum dot photodetector.
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