JP5343788B2 - 光検知器及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、光検知器及びその製造方法に関する。

近年、光検知器として、量子井戸型光検知器（ＱＷＩＰ：quantum well infrared photodetector）及び量子ドット型光検知器（ＱＤＩＰ：quantum dot infrared photodetector）が注目されている。これらの光検知器では、活性層への光の入射量に応じて光電流が発生する。しかし、ＱＷＩＰでは、活性層である量子井戸層に垂直に光が入射しても、光電流が発生しない。そこで、ＱＷＩＰでは、上部電極上に、垂直入射光を散乱させる光結合器（カプラ）が設けられている。この光結合器には、回折格子等、及び回折格子等の表面に倣う反射膜が設けられている。このため、下部電極側からＱＷＩＰの量子井戸層に垂直に入射した光は回折格子等によって散乱され、その進行方法が変化する。そして、進行方向が変化した光は、反射膜によって量子井戸層側に反射され、量子井戸層に吸収される。

従来、光結合器は、リソグラフィ技術を採用したＧａＡｓ等の化合物半導体層のエッチングにより形成されている。つまり、従来の方法では、上部電極上に化合物半導体層を形成し、その上に所定のレジストパターンを形成し、このレジストパターンを用いて化合物半導体層のエッチングを行っている。

このような光結合器では、回折格子等の形状によって光の回折方向等が変化する。このため、十分な光の吸収効率を得るためには、高い精度でレジストパターンを形成する必要がある。従って、高精度の加工設備が必要とされる。また、化合物半導体層のエッチング量を高い精度で制御する必要があるが、この制御は困難である。

なお、ＱＤＩＰにおいても光結合器が必要とされる場合があり、この光結合器にも、ＱＷＩＰに設けられる光結合器と同様の課題がある。

特開２０００−１５６５１３号公報

本発明の目的は、容易且つ高精度に製造することができる光検知器及びその製造方法を提供することにある。

光検知器の一態様には、下部電極と、前記下部電極上方に形成された活性層と、前記活性層上方に形成された上部電極と、前記上部電極上方に形成された回折部と、前記回折部を覆う反射膜と、が設けられている。前記回折部には、複数の量子ドットが結合して構成された複数の結合ドットが設けられている。

上記の光検知器等によれば、回折部に複数の量子ドットが結合して構成された複数の結合ドットが設けられているので、回折部の形成に従来のリソグラフィが不要となり、容易且つ高精度に製造することができる。

第１の実施形態に係る光検知器の構成を示す断面図である。 量子ドット及び結合ドットの形成時の基板温度と量子ドットの密度との関係を示すグラフである。 第２の実施形態に係る赤外線検知器を示す断面図である。 第２の実施形態に係る赤外線検知器の製造方法を示す断面図である。 図４Ａに引き続き、第２の実施形態に係る赤外線検知器の製造方法を示す断面図である。 第２の実施形態の変形例の製造方法を工程順に示す断面図である。 第３の実施形態に係る赤外線検知器の製造方法を工程順に示す断面図である。 第４の実施形態に係る赤外線検知器の製造方法を工程順に示す断面図である。 第５の実施形態に係る赤外線検知器の製造方法を工程順に示す断面図である。

以下、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。

（第１の実施形態）
先ず、第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る光検知器の構成を示す断面図である。

第１の実施形態では、下部電極１上に活性層２が形成され、活性層２上に上部電極３が形成され、上部電極３上に回折部４が形成されている。そして、回折部４の表面に倣う反射膜５が回折部４上に形成されている。活性層２としては、例えば量子井戸層が設けられている。また、回折部４には、複数の量子ドットが互いに結合して構成された結合ドット４ａが複数設けられている。複数の結合ドット４ａは、濡れ層（wetting layer）を介して互いに一体化されている。

このように構成された第１の実施形態に係る光検知器の下部電極１に光が入射すると、この光は下部電極１を透過して活性層２まで到達する。活性層２に到達した光のうち、活性層２の表面に垂直な方向から傾斜した方向に進行するものは活性層２に吸収されるが、活性層２の表面に垂直な方向に進行するものは活性層２に吸収されず、上部電極３を介して回折部４まで到達する。そして、この光は回折部４で回折部４の形状に応じて回折し、反射膜５により反射され、活性層２に戻ってくる。従って、一旦活性層２を透過した光もその後に活性層２に吸収される。活性層２での光の吸収は、量子井戸内に束縛された電子により行われ、この吸収の結果、電子が励起されて光電流が流れる。

なお、結合ドット４ａの寸法は、検知対象の光の波長及び活性層２を構成する材料等に応じて設定されていることが好ましい。例えば、検知対象の光が、波長λ₀が５μｍの赤外線であって、活性層２が主としてＧａＡｓ及びＩｎＡｓから構成されている場合、結合ドット４ａの高さは０．３６μｍ程度、直径は２．１μｍ程度であることが好ましい。これは、次のような理由による。

ＧａＡｓの屈折率は３．６程度であり、ＩｎＡｓの屈折率は３．４程度である。このため、活性層２において赤外線の波長λは１．４μｍ程度となる。また、光の散乱は位相が９０度ずれた場合に最大となる。つまり、光路差がλ／４となった場合に光の散乱が最大となる。従って、回折部４において０．３６μｍ程度の光路差が生じることが好ましく、結合ドット４ａの高さは０．３６μｍ程度であることが好ましい。

また、回折格子に関しては、一般的に、格子周期をｄ、波長をλ₁、入射角をα、出射角をβと表わした場合、「ｄ×ｓｉｎα＋ｄ×ｓｉｎβ＝ｎ×λ₁」が成り立つときに各開口部から出射された光が強め合う。ここで、ｎは整数であり、次数に対応している。従って、回折格子に垂直（α＝０°）で入射する光がほぼ９０度（β＝９０°）の方向で強め合うためには、「ｄ＝ｎ×λ₁」が成り立つことが好ましい。このため、波長λ₁が１．４μｍの場合、格子周期ｄは１．４μｍであることが好ましい。本実施形態では、結合ドット４ａの直径がこの格子周期ｄに相当するが、結合ドット４ａの高さの影響もあるため、結合ドット４ａの直径は１．４μｍ〜２．８μｍ（λ〜２λ）であることが好ましく、特に２．１μｍ（１．５λ）であることが好ましい。なお、ここでいう直径とは、結合ドット４ａの底面の直径である。

なお、検知対象の光が、波長λ₀が１０μｍの赤外線であって、活性層２が主としてＧａＡｓ及びＩｎＡｓから構成されている場合には、同様の計算により、結合ドット４ａの高さは０．７１μｍ程度、直径は４．２μｍ程度であることが好ましい。

また、結合ドット４ａの密度も特に限定されないが、結合ドット４ａの密度は、例えば１×１０⁷ｃｍ^-2程度である。

このような回折部４は、自己組織化量子ドットの形成を行い、更に原料の供給を継続することにより、容易に形成することができる。例えば、結晶成長によりＧａＡｓ層上に複数のＩｎＡｓ量子ドットを形成した後、ＩｎＡｓの原料の供給を継続すると、複数のＩｎＡｓ量子ドットが互いに結合し、結合ドット（巨大ドット）が形成される。但し、複数のＩｎＡｓ量子ドットが互いに結合したばかりの状態では、結合ドットの直径は１．４μｍ〜２．８μｍには達せず、また、結合ドットの高さは０．３６μｍには達しない。更に、Ｉｎ原料及びＡｓ原料の供給を継続すると、結合ドットが成長し、直径が１．４μｍ〜２．８μｍ程度、高さが０．３６μｍ程度の結合ドット（超ドット）が得られる。このような超ドットの大きさ（体積）は、例えば自己組織化量子ドットの１０倍以上である。

ここで、本願発明者が調査した量子ドットの形成時の基板温度と量子ドットの密度との関係について説明する。本願発明者は、種々の基板温度でＧａＡｓ層上にＩｎＡｓ結合ドットを形成し、その密度を測定した。また、結合ドットに取り込まれていない量子ドットの密度も測定した。このときの原料（ＩｎＡｓ）の供給速度は０．１ＭＬ／ｓｅｃ（モノレイヤ毎秒）とし、供給量は２．７ＭＬとした。図２にこれらの結果を示す。

図２に示すように、基板温度が高いほど、量子ドット及び結合ドットの密度が低くなった。このことは、基板温度の制御により、量子ドット及び結合ドットの密度を制御することができることを意味する。

そして、このような方法で回折部４を形成するには、結晶成長を行えばよい。つまり、従来の光結合器の形成に必要とされる化合物半導体層の形成に代えて、量子ドットが成長する条件下での結晶成長を行えばよく、リソグラフィは必要とされない。即ち、レジストパターンの形成及び化合物半導体層のエッチングは必要とされない。このため、本実施形態によれば、リソグラフィに必要とされる設備を不要とし、また、工数を減らすこともできる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。図３（ａ）は、第２の実施形態に係る赤外線検知器（光検知器）を示す断面図であり、図３（ｂ）は、第２の実施形態の変形例を示す断面図である。第２の実施形態に係る赤外線検知器には、複数の画素が設けられているが、図３には、１個の画素のみを示す。各画素の平面形状は、例えば一辺の長さが２０μｍ〜３０μｍ程度の矩形である。

第２の実施形態では、ＧａＡｓ基板等の基板１０上に下部電極１１が形成されている。下部電極１１は、例えばｎ型不純物が導入されたｎ−ＧａＡｓ層であり、下部電極１１の厚さは１０００ｎｍ程度である。例えば、下部電極１１中のｎ型不純物はＳｉであり、その濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度である。下部電極１１上に活性層１２が形成されている。活性層１２には、例えば順に形成された、不純物を含まないｉ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層（厚さ：２５ｎｍ）、ｎ型不純物が導入されたｎ−Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層（厚さ：２．５ｎｍ）、及び不純物を含まないｉ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層（厚さ：２５ｎｍ）からなる積層構造体が５個積層されて含まれている。例えば、ｎ−Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層中のｎ型不純物はＳｉであり、その濃度は５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度である。ｎ−Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層が量子井戸層として機能し、ｉ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層が障壁層として機能する。活性層１２上に上部電極１３が形成されている。上部電極１３は、例えばｎ型不純物が導入されたｎ−ＧａＡｓ層であり、上部電極１３の厚さは３００ｎｍ程度である。例えば、上部電極１３中のｎ型不純物はＳｉであり、その濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度である。

上部電極１３上に下地層１６が形成されている。下地層１６は、例えばｎ型不純物が導入されたｎ−ＧａＡｓ層であり、下地層１６の厚さは５ｎｍ程度である。例えば、下地層１６中のｎ型不純物はＳｉであり、その濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度である。そして、下地層１６上に回折部１４が形成されている。回折部１４には、複数の量子ドットが互いに結合して構成された結合ドット１４ａが複数設けられている。更に、回折部１４には、複数の量子ドット１４ｂも含まれている。これらの結合ドット１４ａ及び量子ドット１４ｂは、濡れ層（図示せず）を介して互いに一体化されている。結合ドット１４ａ及び量子ドット１４ｂは、例えばＩｎＡｓから構成されている。例えば、結合ドット１４ａの高さは０．３６μｍであり、直径は２．１μｍであり、個数密度は１×１０⁷ｃｍ^-2である。なお、量子ドット１４ｂは、詳細は後述するが、第１の実施形態と同様の方法で回折部１４を形成する際に、結合ドット１４ａに取り込まれなかった量子ドットがそのまま残存したものである。

活性層１２、上部電極１３、下地層１６及び回折部１４には、画素同士を分離する分離溝１９が形成されている。そして、下部電極１１の分離溝１９から露出した部分に導電膜２０が形成されている。また、回折部１４の表面に倣う反射膜１５が回折部１４上に形成されている。導電膜２０及び反射膜１５は、例えば金膜、銀膜又はアルミニウム膜である。導電膜２０及び反射膜１５として、ＡｕＧｅ膜及びＡｕ膜からなる積層膜が形成されていてもよい。更に、分離溝１９の側面に保護膜１７が形成されている。保護膜１７は、例えばシリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜である。

このように構成された赤外線検知器は、例えば、反射膜１５及び導電膜２０上にＩｎ等からなるバンプを全ての画素に形成し、これらのバンプを、他の基板（Ｓｉ基板等）上に形成された読み出し回路（半導体集積回路）に接続して使用される。

そして、結合ドット１４ａの高さが０．３６μｍであり、直径が２．１μｍであるため、特に入射波長が５μｍの赤外線を高効率で活性層１２により吸収することができる。なお、量子ドット１４ｂは結合ドット１４ａと比較して非常に小さいため、回折にはほとんど影響を及ぼさない。また、図３（ｂ）に示すように、反射膜１５の形成前に量子ドット１４ｂを除去しておいてもよい。

次に、第２の実施形態に係る赤外線検知器の製造方法について説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、第２の実施形態に係る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４Ａ（ａ）に示すように、基板１０上に下部電極１１を分子線エピタキシ（ＭＢＥ：molecular beam epitaxy）法により形成する。このときの基板温度は、例えば６００℃程度とする。次いで、下部電極１１上に活性層１２をＭＢＥ法により形成する。活性層１２の形成では、ｉ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層、ｎ−Ｉｎ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層及びｉ−Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層をこの順で形成し、このような積層体構造の形成を総計で５回繰り返す。このときの基板温度は、例えば５００℃程度とする。その後、活性層１２上に上部電極１３をＭＢＥ法により形成する。このときの基板温度は、例えば６００℃程度とする。

続いて、上部電極１３上に下地層１６をＭＢＥ法により形成する。このときの基板温度は、例えば５３０℃程度とする。次いで、基板温度を５３０℃程度としたまま、下地層１６上にＩｎＡｓからなる複数の量子ドット１４ｂをＭＢＥ法により形成する。このとき、例えば、原料供給比（Ｖ族／III族比：Ａｓ／Ｉｎ比）は１００とし、原料の供給速度は０．０３ＭＬ／ｓｅｃとし、原料の供給量は１．７ＭＬより多くする。なお、５３０℃でのＩｎＡｓの解離速度は０．００３ＭＬ／ｓｅｃである。

更に原料の供給を継続すると、図４Ａ（ｂ）に示すように、複数の量子ドット１４ｂが互いに結合して、複数の結合ドット１４ａ（巨大ドット）が形成される。そして、更に原料の供給を継続すると、量子ドット１４ｂの結合が生じなくなり、図４Ａ（ｃ）に示すように、結合ドット１４ａが成長する。例えば、原料の総供給量が４６０ＭＬ程度となると、結合ドット１４ａ（超ドット）の高さは０．３６μｍ程度となり、直径は２．１μｍ程度となり、個数密度は１×１０⁷ｃｍ^-2程度となる。このようにして回折部１４を形成することができる。

回折部１４の形成後には、リソグラフィによりレジストパターンを形成し、このレジストパターンを用いたエッチングにより、図４Ｂ（ｄ）に示すように、分離溝１９を形成する。つまり、画素分離を行う。画素の平面形状は、例えば一辺の長さが２０μｍ〜３０μｍ（例えば２５μｍ）の矩形とする。

分離溝１９の形成後には、スパッタリング法又は真空蒸着法等により、回折部１４上に反射膜１５を形成し、下部電極１１の分離溝１９から露出している部分上に導電膜２０を形成する。反射膜１５及び導電膜２０は、このように、例えば同一の材料を用いて同時に形成することができる。

反射膜１５及び導電膜２０の形成後には、分離溝１９の側面に保護膜１７を形成する。

このようにして赤外線検知器を製造することができる。

このような製造方法では、回折部１４の形成では結晶成長を行えばよく、リソグラフィ及びエッチングは必要とされない。また、結合ドット１４ａの寸法の制御は、原料の供給速度、供給量、基板温度及び原料供給比の調整によって行うことが可能である。このため、従来のエッチング量の制御を伴う回折格子の形成と比較して、容易に、且つ高い精度で回折部１４を形成することができる。

なお、結合ドット１４ａの成長時には、原料の供給を連続して行うのではなく、途中にアニールを行ってもよい。

次に、図３（ｂ）に示す第２の実施形態の変形例の製造方法について説明する。図５は、第２の実施形態の変形例の製造方法を工程順に示す断面図である。

先ず、第２の実施形態に係る赤外線検知器の製造方法と同様にして、上部電極１３の形成までの処理を行う。次いで、上部電極１３上に下地層１６をＭＢＥ法により形成する。このときの基板温度は、例えば５１０℃程度と、上記の温度よりも低くする。その後、基板温度を５１０℃程度としたまま、下地層１６上にＩｎＡｓからなる複数の量子ドット１４ｂをＭＢＥ法により形成する（図４Ａ（ａ）参照）。このとき、例えば、原料供給比（Ｖ族／III族比：Ａｓ／Ｉｎ比）は２０とし、原料の供給速度は０．１ＭＬ／ｓｅｃとし、原料の供給量は１．７ＭＬより多くする。

更に原料の供給を継続すると、複数の量子ドット１４ｂが互いに結合して、複数の結合ドット１４ａ（巨大ドット）が形成される（図４Ａ（ｂ）参照）。例えば、原料の総供給量が２．７ＭＬ程度となると、結合ドット１４ａの高さは２５ｎｍ程度となり、直径は６３ｎｍ程度となり、個数密度は１×１０⁷ｃｍ^-2となる。また、結合ドット１４ａに取り込まれずに残存する量子ドット１４ｂの高さは７ｎｍ程度となり、直径は３６ｎｍ程度となり、個数密度は１．７×１０¹⁰ｃｍ^-2となる。

次いで、図５（ａ）に示すように、量子ドット１４ｂを解離により除去する。このとき、例えば、基板温度を５４０℃として、３分間保持する。結合ドット１４ａの一部も解離するが、ほんの僅かであるため、結合ドット１４ａの寸法にはほとんど影響しない。

その後、図５（ｂ）に示すように、基板温度を５４０℃程度としたまま、原料の供給により結合ドット１４ａを所定の寸法まで成長させる。この成長では、原料の供給及びアニールを繰り返す。１回の原料の供給では、例えば、原料供給比（Ｖ族／III族比：Ａｓ／Ｉｎ比）は１００とし、原料の供給速度は０．２ＭＬ／ｓｅｃとし、原料の供給量は１．５ＭＬとする。１回のアニールの時間は３０秒間とする。このようなアニールを行うと、供給された原料が結合ドット１４ａに集積しやすくなる。そして、この繰り返しを２８０回行い、原料の総供給量を４２０ＭＬとする。この結果、結合ドット１４ａ（超ドット）の高さは０．３６μｍ程度となり、直径は２．１μｍ程度となり、個数密度は１×１０⁷ｃｍ^-2程度となる。このようにして回折部１４を形成することができる。

回折部１４の形成後には、第２の実施形態と同様の処理を行って、赤外線検知器を完成させる。

このような方法によれば、結合ドット１４ａの成長前に、結合ドット１４ａに取り込まれなかった量子ドット１４ｂを除去しているため、結合ドット１４ａの成長を、より成長が促進される条件下で行うことができる。つまり、原料の供給速度を高くすることができる。このため、時間を短縮することができ、スループットが向上する。

なお、量子ドット１４ｂを解離させる際の基板温度は特に限定されないが、量子ドット１４ｂの形成時の基板温度よりも高くすることが好ましい。効率的に解離させるためである。例えば、ＩｎＡｓの解離速度は、５１０℃では０．０００４ＭＬ／ｓｅｃであるのに対し、５４０℃では０．００７ＭＬ／ｓｅｃと１８倍になる。

また、結合ドット１４ａの成長を行う際の基板温度は特に限定されないが、量子ドット１４ｂの形成時の基板温度よりも高くすることが好ましい。原料の集積をより効率的に行うためである。

また、結合ドット１４ａの成長時において、１回の原料の供給での供給量は、量子ドットの臨界膜厚（ＩｎＡｓでは１．７ＭＬ程度）以下とすることが好ましい。臨界膜厚を超える原料供給を行うと、結合ドット１４ａが成長するだけでなく、新たに量子ドットが形成される可能性があるからである。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。図６は、第３の実施形態に係る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、第２の実施形態に係る赤外線検知器の製造方法と同様にして、上部電極１３の形成までの処理を行う。次いで、上部電極１３上に下地層１６をＭＢＥ法により形成する。このときの基板温度は、例えば５２０℃程度と、第２の実施形態の温度よりも低くする。その後、基板温度を５２０℃程度としたまま、下地層１６上にＩｎＡｓからなる複数の量子ドット１４ｂをＭＢＥ法により形成する（図４Ａ（ａ）参照）。このとき、例えば、原料供給比（Ｖ族／III族比：Ａｓ／Ｉｎ比）は２０とし、原料の供給速度は０．１ＭＬ／ｓｅｃとし、原料の供給量は１．７ＭＬより多くする。更に原料の供給を継続すると、複数の量子ドット１４ｂが互いに結合して、複数の結合ドット１４ａ（巨大ドット）が形成される（図４Ａ（ｂ）参照）。結合ドット１４ａの個数密度は５×１０⁶ｃｍ^-2程度となる。

次いで、量子ドット１４ｂを解離により除去する（図５（ａ）参照）。このとき、例えば、基板温度を５４０℃として、３分間保持する。結合ドット１４ａの一部も解離するが、ほんの僅かであるため、結合ドット１４ａの寸法にはほとんど影響しない。

その後、図６（ａ）に示すように、基板温度を５４０℃程度としたまま、原料の供給により結合ドット１４ａを所定の寸法まで成長させる。この成長では、原料の供給及びアニールを繰り返す。１回の原料の供給では、例えば、原料供給比（Ｖ族／III族比：Ａｓ／Ｉｎ比）は１００とし、原料の供給速度は０．２ＭＬ／ｓｅｃとし、原料の供給量は１．５ＭＬとする。１回のアニールの時間は３０秒間とする。このようなアニールを行うと、供給された原料が結合ドット１４ａに集積しやすくなる。そして、この繰り返しを１４０回行い、原料の総供給量を２１０ＭＬとする。

続いて、基板温度を５１０℃程度とし、図６（ｂ）に示すように、下地層１６上にＩｎＡｓからなる複数の量子ドット２４ｃをＭＢＥ法により形成する。このとき、例えば、原料供給比（Ｖ族／III族比：Ａｓ／Ｉｎ比）は２０とし、原料の供給速度は０．１ＭＬ／ｓｅｃとし、原料の供給量は１．７ＭＬより多くする。また、ｎ型不純物として、Ｓｉを１×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度で添加する。更に原料の供給を継続すると、複数の量子ドット２４ｃが互いに結合して、複数の結合ドット２４ｂ（巨大ドット）が形成される。また、原料は結合ドット１４ａにも供給されるため、結合ドット１４ａが成長する。結合ドット２４ｂの個数密度は５×１０⁶ｃｍ^-2程度となる。

次いで、図６（ｃ）に示すように、量子ドット２４ｃを解離により除去する。このとき、例えば、基板温度を５４０℃として、３分間保持する。結合ドット１４ａ及び２４ｂの一部も解離するが、ほんの僅かであるため、結合ドット１４ａ及び２４ｂの寸法にはほとんど影響しない。

その後、図６（ｄ）に示すように、基板温度を５４０℃程度としたまま、原料の供給により結合ドット１４ａ及び２４ｂを所定の寸法まで成長させる。この成長では、原料の供給及びアニールを繰り返す。１回の原料の供給では、例えば、原料供給比（Ｖ族／III族比：Ａｓ／Ｉｎ比）は１００とし、原料の供給速度は０．２ＭＬ／ｓｅｃとし、原料の供給量は１．５ＭＬとする。１回のアニールの時間は３０秒間とする。このようなアニールを行うと、供給された原料が結合ドット１４ａ及び２４ｂに集積しやすくなる。そして、この繰り返しを１１００回行い、原料の総供給量を１６５０ＭＬとする。この結果、結合ドット１４ａ（超ドット）の高さは０．７１μｍ程度となり、直径は４．２μｍ程度となり、個数密度は５×１０⁶ｃｍ^-2程度となる。また、結合ドット２４ｂ（超ドット）の高さは０．３６μｍ程度となり、直径は２．１μｍ程度となり、個数密度は５×１０⁶ｃｍ^-2程度となる。このようにして、結合ドット１４ａ及び２４ｂを含む回折部２４が形成される。

回折部２４の形成後には、第２の実施形態と同様の処理を行って、赤外線検知器を完成させる。

このような方法により製造された第３の実施形態に係る赤外線検知器では、回折部２４の結合ドット１４ａにおいて入射波長が１０μｍの赤外線が高効率で回折し、結合ドット２４ｂにおいて入射波長が５μｍの赤外線が高効率で回折する。従って、活性層１２により、これらの２種類の波長の赤外線が高効率で吸収される。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図７は、第４の実施形態に係る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、第２の実施形態に係る赤外線検知器の製造方法と同様にして、上部電極１３の形成までの処理を行う。次いで、上部電極１３上に下地層１６をＭＢＥ法により形成する。このときの基板温度は、例えば５２０℃程度と、第２の実施形態の温度よりも低くする。その後、基板温度を５２０℃程度としたまま、下地層１６上にＩｎＡｓからなる複数の量子ドット１４ｂをＭＢＥ法により形成する（図４Ａ（ａ）参照）。このとき、例えば、原料供給比（Ｖ族／III族比：Ａｓ／Ｉｎ比）は２０とし、原料の供給速度は０．１ＭＬ／ｓｅｃとし、原料の供給量は１．７ＭＬより多くする。更に原料の供給を継続すると、複数の量子ドット１４ｂが互いに結合して、複数の結合ドット１４ａ（巨大ドット）が形成される（図４Ａ（ｂ）参照）。結合ドット１４ａの個数密度は５×１０⁶ｃｍ^-2程度となる。

次いで、量子ドット１４ｂを解離により除去する（図５（ａ）参照）。このとき、例えば、基板温度を５４０℃として、３分間保持する。結合ドット１４ａの一部も解離するが、ほんの僅かであるため、結合ドット１４ａの寸法にはほとんど影響しない。

その後、図７（ａ）に示すように、基板温度を５４０℃程度としたまま、原料の供給により結合ドット１４ａを所定の寸法まで成長させる。この成長では、原料の供給及びアニールを繰り返す。１回の原料の供給では、例えば、原料供給比（Ｖ族／III族比：Ａｓ／Ｉｎ比）は１００とし、原料の供給速度は０．２ＭＬ／ｓｅｃとし、原料の供給量は１．５ＭＬとする。１回のアニールの時間は３０秒間とする。このようなアニールを行うと、供給された原料が結合ドット１４ａに集積しやすくなる。そして、この繰り返しを１１００回行い、原料の総供給量を１６５０ＭＬとする。この結果、結合ドット１４ａ（超ドット）の高さは０．７１μｍ程度となり、直径は４．２μｍ程度となる。

続いて、図７（ｂ）に示すように、基板温度を５４０℃程度としたまま、結合ドット１４ａを覆う下地層３６を下地層１６上に形成する。下地層３６としては、例えば厚さが５ｎｍのＧａＡｓ層をＭＢＥ法により形成する。

次いで、基板温度を５１０℃程度とし、図７（ｃ）に示すように、下地層３６上にＩｎＡｓからなる複数の量子ドット３４ｃをＭＢＥ法により形成する。このとき、例えば、原料供給比（Ｖ族／III族比：Ａｓ／Ｉｎ比）は２０とし、原料の供給速度は０．１ＭＬ／ｓｅｃとし、原料の供給量は１．７ＭＬより多くする。また、ｎ型不純物として、Ｓｉを１×１０¹⁸ｃｍ^-3の濃度で添加する。更に原料の供給を継続すると、複数の量子ドット３４ｃが互いに結合して、複数の結合ドット３４ｂ（巨大ドット）が形成される。結合ドット３４ｂの一部は、結合ドット１４ａの間に形成され、結合ドット３４ｂの一部は結合ドット１４ａの上方に形成される。

その後、図７（ｄ）に示すように、量子ドット３４ｃを解離により除去する。このとき、例えば、基板温度を５４０℃として、３分間保持する。結合ドット３４ｂの一部も解離するが、ほんの僅かであるため、結合ドット３４ｂの寸法にはほとんど影響しない。また、結合ドット１４ａは下地層３６に覆われているため、解離しない。

続いて、図７（ｄ）に示すように、基板温度を５４０℃程度としたまま、原料の供給により結合ドット３４ｂを所定の寸法まで成長させる。この成長では、原料の供給及びアニールを繰り返す。１回の原料の供給では、例えば、原料供給比（Ｖ族／III族比：Ａｓ／Ｉｎ比）は１００とし、原料の供給速度は０．２ＭＬ／ｓｅｃとし、原料の供給量は１．５ＭＬとする。１回のアニールの時間は３０秒間とする。このようなアニールを行うと、供給された原料が結合ドット３４ｂに集積しやすくなる。そして、この繰り返しを２８０回行い、原料の総供給量を４２０ＭＬとする。この結果、結合ドット３４ｂ（超ドット）の高さは０．３６μｍ程度となり、直径は２．１μｍ程度となり、個数密度は５×１０⁶ｃｍ^-2程度となる。このようにして、結合ドット１４ａ及び３４ｂを含む回折部３４が形成される。

回折部３４の形成後には、第２の実施形態と同様の処理を行って、赤外線検知器を完成させる。

このような方法により製造された第４の実施形態に係る赤外線検知器では、回折部３４の結合ドット１４ａにおいて入射波長が１０μｍの赤外線が高効率で回折し、結合ドット３４ｂにおいて入射波長が５μｍの赤外線が高効率で回折する。従って、活性層１２により、これらの２種類の波長の赤外線が高効率で吸収される。

また、第３の実施形態と比較して、回折部の形状の制御が容易となる。結合ドット３４ｂの形成時に結合ドット１４ａが原料の供給を受けず、互いに独立して寸法を制御できるからである。

なお、第３及び第４の実施形態では、結合ドットの大きさが２種類となっているが、同様の処理を繰り返して、３種類以上の大きさの結合ドットを回折部に設けてもよい。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。図８は、第５の実施形態に係る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、第２の実施形態に係る赤外線検知器の製造方法と同様にして、上部電極１３の形成までの処理を行う。次いで、上部電極１３上に下地層１６をＭＢＥ法により形成する。このときの基板温度は、例えば５１０℃程度と、第２の実施形態の温度よりも低くする。また、下地層１６の厚さは、例えば０．６μｍとする。その後、基板温度を５１０℃程度としたまま、下地層１６上にＩｎＡｓからなる複数の量子ドット１４ｂをＭＢＥ法により形成する（図４Ａ（ａ）参照）。このとき、例えば、原料供給比（Ｖ族／III族比：Ａｓ／Ｉｎ比）は２０とし、原料の供給速度は０．１ＭＬ／ｓｅｃとし、原料の供給量は１．７ＭＬより多くする。更に原料の供給を継続すると、複数の量子ドット１４ｂが互いに結合して、複数の結合ドット１４ａ（巨大ドット）が形成される（図４Ａ（ｂ）参照）。結合ドット１４ａの個数密度は１×１０⁷ｃｍ^-2程度となる。

次いで、量子ドット１４ｂを解離により除去する（図５（ａ）参照）。このとき、例えば、基板温度を５４０℃として、３分間保持する。結合ドット１４ａの一部も解離するが、ほんの僅かであるため、結合ドット１４ａの寸法にはほとんど影響しない。

その後、図８（ａ）に示すように、基板温度を５４０℃程度としたまま、原料の供給により結合ドット１４ａを所定の寸法まで成長させる。この成長では、原料の供給及びアニールを繰り返す。１回の原料の供給では、例えば、原料供給比（Ｖ族／III族比：Ａｓ／Ｉｎ比）は２０とし、原料の供給速度は０．２ＭＬ／ｓｅｃとし、原料の供給量は１．５ＭＬとする。１回のアニールの時間は３０秒間とする。このようなアニールを行うと、供給された原料が結合ドット１４ａに集積しやすくなる。そして、この繰り返しを６００回行い、原料の総供給量を９００ＭＬとする。この結果、結合ドット１４ａ（超ドット）の高さは０．２μｍ程度となり、直径は４．２μｍ程度となる。

続いて、結合ドット１４ａをマスクとして用いて、下地層１６のエッチングを行い、図８（ｂ）に示すように、凹部１６ａを形成する。ここでは、下地層１６のエッチング量を０．５１μｍとする。この結果、凹部１６ａの底を基準とした結合ドット１４ａの表面の高さは０．７１μｍとなる。このようにして、結合ドット１４ａ及び下地層１６を含む回折部４４が形成される。

回折部４４の形成後には、第２の実施形態と同様の処理を行って、赤外線検知器を完成させる。

このような方法により製造された第５の実施形態に係る赤外線検知器では、回折部４４において入射波長が１０μｍの赤外線が高効率で回折する。従って、活性層１２により、入射波長が１０μｍの赤外線が高効率で吸収される。

また、本実施形態では、下地層１６のエッチングを行うが、この際には従来の方法のようなフォトマスクは不要である。従って、容易かつ安価に製造することができる。また、第２の実施形態及びその変形例と比較して、短時間で製造することができる。

なお、いずれの実施形態においても、活性層１２に含まれる量子井戸層の数は限定されず、例えば１層でもよい。また、量子井戸層に代えて量子ドット層が形成されていてもよい。また、回折部（光結合器）が３波長以上に対応できるように、超ドット形状を３種以上設けられていてもよい。

また、回折部に含まれる結合ドットの高さ、直径及び密度は、検知対象である赤外線等の光の波長に応じて適宜選択することができる。結合ドットの高さ、直径及び密度は、例えば、原料の供給速度、供給量、基板温度、及び原料比により調整することができる。例えば、上述のように、基板温度を調整することにより、結合ドットの密度を制御することができる。また、原料供給比を調整することにより、結合ドットの成長方向を制御することができる。つまり、半径方向（横方向）に優先的に成長するか、高さ方向（縦方向）に優先的に成長するかを制御することができる。例えば、原料供給比（Ｖ族／III族比：Ａｓ／Ｉｎ比）が高いほど、高さ方向に優先的に成長しやすい。第２の実施形態の変形例では、結合ドット１４ａの成長前の原料供給比を２０、結合ドット１４ａの成長時の原料供給比を１００としているため、初期に、横方向に広がった結合ドット１４ａ（巨大ドット）が形成され、その後、縦方向に成長した結合ドット１４ａ（超ドット）が得られる。このようにして、結合ドットの縦方向及び横方向の寸法を容易に調整することができる。

また、結合ドットを構成する材料は特に限定されず、また、下地層を構成する材料も特に限定されない。結合ドットには、例えばＩｎ又はＳｂが含まれていることが好ましい。また、下地層の材料としては、例えばＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＰ、ＡｌＰ、ＧａＳｂ、ＡｌＳｂ、ＩｎＮ、ＧａＮ、及びＡｌＮが挙げられる。また、これらの混晶が用いられてもよく、これらとＩｎＡｓ又はＩｎＳｂとの混晶が用いられていてもよい。

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）
下部電極と、
前記下部電極上方に形成された活性層と、
前記活性層上方に形成された上部電極と、
前記上部電極上方に形成された回折部と、
前記回折部を覆う反射膜と、
を有し、
前記回折部は、複数の量子ドットが結合して構成された複数の結合ドットを有することを特徴とする光検知器。

（付記２）
前記結合ドットは、前記量子ドットの１０倍以上の大きさを有することを特徴とする付記１に記載の光検知器。

（付記３）
前記回折部は、前記複数の結合ドットとは大きさの異なる複数の第２の結合ドットを更に有することを特徴とする付記１又は２に記載の光検知器。

（付記４）
前記回折部は、
前記上部電極上方に形成された第１の下地層と、
前記第１の下地層上に形成され、前記複数の結合ドットを覆う第２の下地層と、
を有し、
前記複数の結合ドットは、前記第１の下地層上に形成され、
前記複数の第２の結合ドットは、前記第２の下地層上に形成されていることを特徴とする付記３に記載の光検知器。

（付記５）
前記回折部は、前記上部電極上方に形成された下地層を有し、
前記複数の結合ドットは、前記下地層上に形成され、
前記下地層の表面には、前記複数の結合ドットの隙間に整合する凹部が形成されていることを特徴とする付記１又は２に記載の光検知器。

（付記６）
下部電極上方に活性層を形成する工程と、
前記活性層上方に上部電極を形成する工程と、
前記上部電極上方に回折部を形成する工程と、
前記回折部を覆う反射膜を形成する工程と、
を有し、
前記回折部を形成する工程は、
複数の量子ドットを前記上部電極上方に形成する工程と、
前記複数の量子ドット同士を結合させて結合ドットを形成する工程と、
前記結合ドットを成長させる工程と、
を有することを特徴とする光検知器の製造方法。

（付記７）
前記回折部を形成する工程は、前記結合ドットを形成する工程と、前記結合ドットを成長させる工程との間に、残存している量子ドットを除去する工程を有することを特徴とする付記６に記載の光検知器の製造方法。

（付記８）
前記結合ドットを成長させる工程は、前記結合ドットの原料の供給及びアニールを繰り返す工程を有することを特徴とする付記６又は７に記載の光検知器の製造方法。

（付記９）
前記結合ドットの原料の供給における原料の供給量は、前記量子ドットの臨界膜厚以下とすることを特徴とする付記８に記載の光検知器の製造方法。

（付記１０）
前記回折部を形成する工程は、
前記複数の量子ドットを形成する工程の前に、前記上部電極上方に下地層を形成する工程を有し、
前記結合ドットを成長させる工程の後に、前記結合ドットをマスクとして前記下地層をエッチングする工程を有することを特徴とする付記６乃至９のいずれか１項に記載の光検知器の製造方法。

１、１１：下部電極
２、１２：活性層
３、１３：上部電極
４、１４、２４、３４、４４：回折部
４ａ、１４ａ、２４ｂ、３４ｂ：結合ドット
５、１５：反射膜
１６、３６：下地層
１６ａ：凹部

Claims (6)

1. 下部電極と、
   前記下部電極上方に形成された活性層と、
   前記活性層上方に形成された上部電極と、
   前記上部電極上方に形成された回折部と、
   前記回折部を覆う反射膜と、
   を有し、
   前記回折部は、複数の量子ドットが結合して構成された複数の結合ドットを有することを特徴とする光検知器。
2. 前記結合ドットは、前記量子ドットの１０倍以上の大きさを有することを特徴とする請求項１に記載の光検知器。
3. 前記回折部は、前記複数の結合ドットとは大きさの異なる複数の第２の結合ドットを更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光検知器。
4. 前記回折部は、
   前記上部電極上方に形成された第１の下地層と、
   前記第１の下地層上に形成され、前記複数の結合ドットを覆う第２の下地層と、
   を有し、
   前記複数の結合ドットは、前記第１の下地層上に形成され、
   前記複数の第２の結合ドットは、前記第２の下地層上に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光検知器。
5. 前記回折部は、前記上部電極上方に形成された下地層を有し、
   前記複数の結合ドットは、前記下地層上に形成され、
   前記下地層の表面には、前記複数の結合ドットの隙間に整合する凹部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光検知器。
6. 下部電極上方に活性層を形成する工程と、
   前記活性層上方に上部電極を形成する工程と、
   前記上部電極上方に回折部を形成する工程と、
   前記回折部を覆う反射膜を形成する工程と、
   を有し、
   前記回折部を形成する工程は、
   複数の量子ドットを前記上部電極上方に形成する工程と、
   前記複数の量子ドット同士を結合させて結合ドットを形成する工程と、
   前記結合ドットを成長させる工程と、
   を有することを特徴とする光検知器の製造方法。

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