JP5302270B2 - 量子ドット型赤外線検知素子及び量子ドット型赤外線撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は量子ドット構造を赤外線検出部とする量子ドット型赤外線検知素子及び量子ドット型赤外線撮像装置に関するものである。

近年、１０μｍ帯の赤外線を検知する赤外線検知素子として量子構造を利用した赤外線検知素子が用いられている。その中でも垂直に入射した赤外線の検知が可能な量子ドット型赤外線検知素子（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＱＤＩＰ）が注目を集めている。

このＱＤＩＰでは、ＡｌＧａＡｓ層からなる中間層に挟み込まれたＩｎＡｓ量子ドット内の伝導帯側の量子準位に位置する電子が外部から入射してきた赤外線により励起され、この電子により誘発される光電流を捕らえることで赤外線を検知している。

量子ドットは、例えば、分子線エピタキシャル装置のなかでＧａＡｓ基板上に形成されるため、成長方向に対して垂直な面内に量子ドット層として形成される。通常、これを複数積層した量子ドット積層構造を２つのｎ型ＧａＡｓ電極層で挟み込み、赤外線により励起された電子が量子ドット積層構造より離れて電極層に到達することで、光電流を誘発する。

図８は、従来のＱＤＩＰの概念的断面図であり、例えば、ＩｎＡｓからなる複数の量子ドット５２で構成される量子ドット層を、量子ドット層よりもバンドギャップの大きいＡｌＧａＡｓからなる中間層５３中に埋め込んだ量子ドット積層構造５１と、量子ドット積層構造５１の上下に形成されたｎ型ＧａＡｓからなる電極形成層５４，５５によって構成される。

また、各電極形成層５４，５５には、それぞれ電極が形成され、赤外線を検知する際には、電極形成層５４，５５を介して電源により量子ドット積層構造５１に電圧を印加する。

図９は、赤外線検知原理の説明図であり、図９（ａ）は赤外線の入射のない場合の暗電流を示し、図９（ｂ）は、赤外線が入射した場合の光電流を示している。まず、図９（ａ）に示すように、量子ドット５２の伝導帯側量子準位５６には電極形成層５４，５５などから電子５７が供給される。その結果、量子ドット積層構造５１では平均空間電荷が負となり、伝導帯形状が上に凸状となる。

量子ドット積層構造５１の伝導帯下端の最高点が陰極側の電極形成層５４に位置する電子５８にとって障壁となるが、この障壁より高いエネルギーをもつ電子５９は障壁を通過してもう一方の陽極側の電極形成層５５に到達し、電極形成層間を流れる暗電流となる。

図９（ｂ）に示すように、ここに赤外線６０が入射し、励起された電子５７が量子ドット積層構造５１から離れて電極形成層５５に到達すると、量子ドット積層構造５１では平均空間電荷が電子１個分正に傾く。

その結果、伝導帯形状は上に凸状となる度合いが小さくなることから障壁は低くなり、これを通過することのできる電子５９，６１が増えるために電流が増加し、この増加電流分が光電流として誘発されることとなる。

ＱＤＩＰをはじめとする赤外線検知素子の性能は概ね光電流で決まるため、光電流を増加させることが高性能な赤外線検知素子を実現するために重要となる。そこで、光電流を増加させる手法として、量子ドット層の層数を増やす手法がよく用いられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１９８６７７公報

しかし、量子ドットは基板に対して格子整合しない材料を用いて形成されることから、層数を増やすに従い歪の蓄積が起こる。歪の蓄積は量子ドットの不所望な形成や転位欠陥の発生などを引き起こすため、光電流の増加が望めないばかりでなく暗電流の増加などによる性能劣化を招くという問題がある。このことから層数の上限がある程度制限される。

したがって、本発明は、量子ドット層の層数が制限される制約のなかで光電流を増加させることを目的とする。

開示される一観点からは、複数のＩｎ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜１）組成の量子ドットからなる量子ドット層と前記量子ドット層を挟み込むとともに前記量子ドットよりバンドギャップが広いＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１）組成の中間層からなる積層構造を複数積層した量子ドット積層構造と、前記量子ドット積層構造を挟み込む上下のＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）組成のスペーサ層と、前記上下のスペーサ層の外側に設ける上下の電極形成層とを有し、前記上下の各スペーサ層の厚さの前記量子ドット積層構造の厚さに対する比が、０．５〜１．４であり、且つ、前記中間層の厚さが３０ｎｍ以上である量子ドット型赤外線検知素子が提供される。

また、開示される別の観点からは、複数のＩｎ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜１）組成の量子ドットからなる量子ドット層と前記量子ドット層を挟み込むとともに前記量子ドットよりバンドギャップが広いＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１）組成の中間層からなる積層構造を複数積層した量子ドット積層構造と、前記量子ドット積層構造を挟み込む上下のＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）組成のスペーサ層と、前記上下のスペーサ層の外側に設ける上下の電極形成層とを有し、前記上下の各スペーサ層の厚さの前記量子ドット積層構造の厚さに対する比が、０．５〜１．４であり、且つ、前記中間層の厚さが３０ｎｍ以上である量子ドット型赤外線検知素子をマトリクス状に形成するとともに、前記各量子ドット型赤外線検知素子の陽極側の電極形成層に突起状電極を設けた量子ドット型赤外線検知器と、前記各突起状電極に対応する位置に接続パッドを有するとともに、信号処理回路を備えた半導体集積回路装置とを有する量子ドット型赤外線撮像装置が提供される。

開示の量子ドット型赤外線検知素子及び量子ドット型赤外線撮像装置によれば、量子ドット積層構造の両側にスペーサ層を設け、量子ドット積層構造による電子に対する障壁の高さを変動を大きくしている。その結果、量子ドット層の層数が同じでも赤外線で励起された電子による光電流に誘起されて電極形成層から流れ込む光電流を増加することが可能となる。

本発明の実施の形態のＱＤＩＰの概念的断面図である。 本発明の実施の形態における障壁変動の増加の説明図である。 光電流のスペーサ層の厚さ／量子ドット積層構造の厚さ依存性の説明図である。 本発明の実施例１の量子ドット型赤外線検知素子の途中までの製造工程の説明図である。 本発明の実施例１の量子ドット型赤外線検知素子の図４以降の途中までの製造工程の説明図である。 本発明の実施例１の量子ドット型赤外線検知素子の図５以降の製造工程の説明図である。 本発明の実施例２の量子ドット型赤外線撮像装置の概念的斜視図である。 従来のＱＤＩＰの概念的断面図である。 赤外線検知原理の説明図である。

ここで、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態のＱＤＩＰを説明する。図１は、本発明の実施の形態のＱＤＩＰの概念的断面図である。ＱＤＩＰは、複数の量子ドット２からなる量子ドット層と、量子ドット層を挟み込み中間層３とからなる量子ドット積層構造１と、量子ドット積層構造１の上下に形成されたスペーサ層４，５と、スペーサ層４，５の上下に設けられた電極形成層６，７によって構成される。

量子ドット２は、例えば、Ｉｎ_１−ｘＧａ_ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）からなり、また、中間層３は、量子ドット２を構成する半導体よりバンドギャップの広い厚さが３０ｎｍ以上のＡｌ_ｙＧａ_１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１）からなる。また、スペーサ層４，５はＡｌ _ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）からなり、典型的にはｚ＝ｙである。また、電極形成層６，７は、例えば、ｎ型ＧａＡｓ層からなり、各電極形成層６，７には、例えば、ＡｕＧｅ／Ａｕ積層構造の電極を設ける。

図２は、本発明の実施の形態における障壁変動の増加の説明図である。図２（ａ）は、スペーサ層を設けない従来のＱＤＩＰにおける障壁変動の説明図であり、光励起された電子の抜け出しによる電位障壁の変動はΔＥ1である。

一方、図２（ｂ）に示すように、スペーサ層を設けた場合には、光励起された電子の抜け出しによる電位障壁の変動は、量子ドット積層構造１における変動ΔＥ_１の他に、スペーサ層４，５における変動ΔＥ_２も生起する。

したがって、図２（ｃ）に示すように、電極形成層６，７からみた電子の電位障壁の変動は、ΔＥ_１＋ΔＥ_２となり、スペーサ層４，５を設けない場合の変動ΔＥ_１より、ΔＥ_２だけ大きくなる。その結果、上述の図９（ｂ）に示した光励起された電子の抜け出しによる光電流に引きずられて誘起される光電流が増加することになる。

図３は、光電流のスペーサ層の厚さ／量子ドット積層構造の厚さ依存性の説明図であり、ここでは、中間層３をＡｌ_０.２Ｇａ_０.８Ａｓで形成するとともに、スペーサ層４，５もＡｌ_０.２Ｇａ_０.８Ａｓで形成している。

図３において、（ａ）で示すスペーサ層４，５を設けない従来例に比べて、スペーサ層４，５を設けた（ｂ）及び（ｃ）の場合には、光電流が増加している。したがって、実験で確認した範囲では、スペーサ層４，５の厚さの量子ドット積層構造の厚さに対する比を０．５〜１．４にすれば、確実に光電流を増大させることが可能になる。

一方、量子ドット積層構造の厚さに対するスペーサ層４，５の厚さの比を１．０とした上で中間層の厚さを２０ｎｍとした実験例では、（ａ）の従来例より光電流が低下する結果を得た。一般的な量子ドット成長において中間層の厚さが３０ｎｍを下回ると下層の量子ドット層の影響を受けて所望の量子ドットを成長することができなくなることから、この実験例ではこの影響により光電流が低下したものと考えられる。

一方、中間層の厚さを３０ｎｍ以上とした実験例ではこの影響がみられていないことから、スペーサ層の厚さの量子ドット積層構造の厚さに対する比に加えて、中間層の厚さとして３０ｎｍ以上とすることが、本発明を有効なものとする。なお、上下両端の量子ドット層はスペーサ層と中間層で挟まれることになるが、本発明における「量子ドット積層構造」の厚さは、実効的に中間層の総和の厚さになる。

以上を前提として、次に、図４乃至図７を参照して、本発明の実施例１の量子ドット型赤外線検知素子を説明する。まず、図４（ａ）に示すように、例えば、分子線エピタキシャル法により、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上に、基板温度を例えば６００℃として下部電極形成層となる厚さが、例えば、１μｍのｎ型ＧａＡｓ層１２を成長させる。この場合のｎ型ドーパントとして例えばＳｉを用い、その濃度は例えば２×１０¹⁸ｃｍ^-3とする。

引き続いて、図４（ｂ）に示すように、ｎ型ＧａＡｓ層１２上に厚さが、例えば、１４０ｎｍで、Ａｌ組成比が０．２のｉ型Ａｌ_０.２Ｇａ_０.８Ａｓスペーサ層１３を成長させる。

次いで、基板温度を６００℃から自己組織化形成の起こり得る温度、例えば、５００℃に降温したのち、図４（ｃ）に示すように、成長速度を例えば、０．２原子層／秒としてＩｎＡｓを２．０原子層分供給することによってＩｎＡｓ量子ドット１４を形成する。この時、ＩｎＡｓを供給する過程で、ある程度の量を供給することによりＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増し、ＩｎＡｓが３次元成長をしてＩｎＡｓ量子ドット１４が自己組織化形成され、この複数のＩｎＡｓ量子ドット１４の集合体が量子ドット層となる。

次いで、図４（ｄ）に示すように、例えば、Ａｌ組成比が０．２で厚さが３０ｎｍのｉ型Ａｌ_０.２Ｇａ_０.８Ａｓ中間層１５を成長させる。

次いで、図５（ｅ）に示すように、ＩｎＡｓ量子ドット１４の形成工程及びｉ型Ａｌ_０.２Ｇａ_０.８Ａｓ中間層１５の形成工程を交互に、例えば、８回繰り返す。その結果、９層の量子ドット層を有する量子ドット積層構造１６が形成される。

引き続いて、図５（ｆ）に示すように、基板温度を５００℃から６００℃に昇温しながら、量子ドット積層構造１６上に厚さが、例えば、１４０ｎｍで、Ａｌ組成比が０．２のｉ型Ａｌ_０.２Ｇａ_０.８Ａｓスペーサ層１７を成長させる。

引き続いて、図６（ｇ）に示すように、基板温度を６００℃に保った状態で、上部電極形成層となる厚さが、例えば、１μｍで、２×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉドープのｎ型ＧａＡｓ層１８を形成する。

次いで、図６（ｈ）に示すように、標準的なリソグラフィー工程及びドライエッチング工程により、素子部を所定のサイズになるよう掘り下げ、下部電極形成層となるｎ型ＧａＡｓ層１２を露出させる。

次いで、標準的な金属蒸着法により、ｎ型ＧａＡｓ層１２の露出部及びｎ型ＧａＡｓ層１８の表面に、ＡｕＧｅ層及びＡｕ層を順次蒸着してＡｕＧｅ／Ａｕ構造の陰極１９及び陽極２０を形成することによって、量子ドット型赤外線検知素子の基本構造が完成する。

この陰極１９及び陽極２０をＣＭＯＳ回路などに接続し、ｎ型ＧａＡｓ層１２とｎ型ＧａＡｓ層１８との間に電位差を与えてその間に流れる電流を検知器２１で計測することで、赤外線入射に対する量子ドットの応答として流れる光電流を観測することができる。なお、図６（ｈ）における電源２２はＣＭＯＳ回路などによる等価的な電源を示している。

本発明の実施例１においては、厚さが３０ｎｍの中間層を有する量子ドット積層構造１６の上下にｉ型Ａｌ_０.２Ｇａ_０.８Ａｓスペーサ層１３，１７を形成し、量子ドット積層構造１６の厚さ（２７０ｎｍ）に対するｉ型Ａｌ_０.２Ｇａ_０.８Ａｓスペーサ層１３，１７の厚さの比を約０．５（１４０／２７０）にしているので、同じ量子ドット層の層数のＱＤＩＰに比較してより高い光電流を得ることができる。

次に、図７を参照して、本発明の実施例２の量子ドット型赤外線撮像装置を説明するが、基本的な製造工程は、上記の実施例１と全く同様であるので製造工程の図示は省略する。図７は、本発明の実施例２の量子ドット型赤外線撮像装置の概念的斜視図である。量子ドット型赤外線検知器３１が、半絶縁性ＧａＡｓ基板側がアップサイドになるようにして、バンプ３３を介して信号処理回路を備えたＳｉ集積回路装置３２上にフリップチップボンディングされている。

この場合の量子ドット型赤外線検知器３１は、実施例１における図６（ｈ）の工程において、二次元マトリクスアレイ状に素子を分離し、陰極側のｎ型ＧａＡｓ層１２に共通電極を形成するとともに、陽極側のｎ型ＧａＡｓ層１８に個別電極を設けたものである。

また、バンプ３３は陽極側のｎ型ＧａＡｓ層１８に設けた個別電極に接続するように設けられている。なお、この場合の画素数は任意であるが、例えば、数百×数百以上の画素数とする。

このように、本発明の実施例２においては、量子ドット積層構造の上下にスペーサ層を形成しているので、高い光電流を得ることが可能になり、赤外線撮像装置の高感度化が可能になる。

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は、各実施例に示した条件に限られるものではない。例えば、成長方法として分子線エピタキシャル法を用いているが、分子線エピタキシャル法に限られるものではなく、例えば、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）を用いても良い。

また、上記の実施例においては、中間層とスペーサ層とを同じ組成比のＡｌＧａＡｓで形成しているが、組成比は必ずしも同じである必要はなく、例えば、スペーサ層のＡｌ組成比を中間層のＡｌ組成比より低くしても良い。この場合、電極形成層に存在する電子から見たスペーサ層による電位障壁は低くなる。

１ 量子ドット積層構造
２ 量子ドット
３ 中間層
４，５ スペーサ層
６，７ 電極形成層
１１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型ＧａＡｓ層
１３ ｉ型Ａｌ_０.２Ｇａ_０.８Ａｓスペーサ層
１４ ＩｎＡｓ量子ドット
１５ ｉ型Ａｌ_０.２Ｇａ_０.８Ａｓ中間層
１６ 量子ドット積層構造
１７ ｉ型Ａｌ_０.２Ｇａ_０.８Ａｓスペーサ層
１８ ｎ型ＧａＡｓ層
１９ 陰極
２０ 陽極
２１ 検知器
２２ 電源
３１ 量子ドット型赤外線検知器
３２ Ｓｉ集積回路装置
３３ バンプ
５１ 量子ドット積層構造
５２ 量子ドット
５３ 中間層
５４，５５ 電極形成層
５６ 伝導帯側量子準位
５７，５８，５９，６１ 電子
６０ 赤外線

Claims (3)

1. 複数のＩｎ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜１）組成の量子ドットからなる量子ドット層と前記量子ドット層を挟み込むとともに前記量子ドットよりバンドギャップが広いＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１）組成の中間層からなる積層構造を複数積層した量子ドット積層構造と、前記量子ドット積層構造を挟み込む上下のＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）組成のスペーサ層と、前記上下のスペーサ層の外側に設ける上下の電極形成層とを有し、
   前記上下の各スペーサ層の厚さの前記量子ドット積層構造の厚さに対する比が、０．５〜１．４であり、且つ、前記中間層の厚さが３０ｎｍ以上である量子ドット型赤外線検知素子。
2. 前記スペーサ層のＡｌ組成比ｚが、前記中間層のＡｌ組成比ｙと等しい請求項１に記載の量子ドット型赤外線検知素子。
3. 複数のＩｎ１−ｘＧａｘＡｓ（０≦ｘ＜１）組成の量子ドットからなる量子ドット層と前記量子ドット層を挟み込むとともに前記量子ドットよりバンドギャップが広いＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０≦ｙ≦１）組成の中間層からなる積層構造を複数積層した量子ドット積層構造と、前記量子ドット積層構造を挟み込む上下のＡｌｚＧａ１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）組成のスペーサ層と、前記上下のスペーサ層の外側に設ける上下の電極形成層とを有し、前記上下の各スペーサ層の厚さの前記量子ドット積層構造の厚さに対する比が、０．５〜１．４であり、且つ、前記中間層の厚さが３０ｎｍ以上である量子ドット型赤外線検知素子をマトリクス状に形成するとともに、前記各量子ドット型赤外線検知素子の陽極側の電極形成層に突起状電極を設けた量子ドット型赤外線検知器と、前記各突起状電極に対応する位置に接続パッドを有するとともに、信号処理回路を備えた半導体集積回路装置とを有する量子ドット型赤外線撮像装置。

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