JP5541187B2

JP5541187B2 - Photodetector

Info

Publication number: JP5541187B2
Application number: JP2011029601A
Authority: JP
Inventors: 靖仁内山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2011-02-15
Filing date: 2011-02-15
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2031-02-15
Also published as: JP2012169473A

Description

本発明は、量子ドットを用いた光検知素子に関する。 The present invention relates to a light detection element using quantum dots.

量子ドット型光検知素子は、量子ドットを積層した量子ドット層と、量子ドット層を挟む半導体電極層とにより構成される。量子ドット層は、例えばＡｌＧａＡｓ層と、ＩｎＡｓ量子ドットとを含む。ＩｎＡｓ量子ドットを井戸とし、ＡｌＧａＡｓ層をポテンシャル障壁として電子を３次元方向に閉じ込める量子井戸構造が、伝導帯に形成される。１つの量子井戸内に、離散的に分布する複数の量子準位が存在する。ある２つの量子準位の差に相当するエネルギを持つ光、例えば赤外線が入射すると、低エネルギ側の量子準位（遷移元準位）の電子が、赤外線を吸収し、高エネルギ側の量子準位（遷移先準位）に遷移する。この遷移は、サブバンド間遷移と呼ばれる。 The quantum dot-type photodetecting element includes a quantum dot layer in which quantum dots are stacked and a semiconductor electrode layer that sandwiches the quantum dot layer. The quantum dot layer includes, for example, an AlGaAs layer and an InAs quantum dot. A quantum well structure in which electrons are confined in a three-dimensional direction using an InAs quantum dot as a well and an AlGaAs layer as a potential barrier is formed in the conduction band. A plurality of discretely distributed quantum levels exist in one quantum well. When light having an energy equivalent to the difference between two quantum levels, such as infrared rays, is incident, low-energy side quantum level (transition source level) electrons absorb the infrared rays, and high-energy side quantum levels. Transits to the position (transition destination level). This transition is called intersubband transition.

量子ドット層を挟む電極層の間に電圧を印加しておくと、遷移先準位に励起された電子が、例えばトンネル過程、熱励起等によってＡｌＧａＡｓ層の伝導帯内へ放出される。ＡｌＧａＡｓ層の伝導帯から半導体電極層に到達した電子を電流として捉えることにより、赤外線を検知することができる。 When a voltage is applied between the electrode layers sandwiching the quantum dot layer, electrons excited to the transition destination level are emitted into the conduction band of the AlGaAs layer by, for example, a tunnel process, thermal excitation, or the like. Infrared light can be detected by capturing electrons reaching the semiconductor electrode layer from the conduction band of the AlGaAs layer as a current.

キャリアを２次元面内に閉じ込める（厚さ方向に閉じ込める）多重量子井戸（ＭＱＷ）層の上に回折格子を配置した赤外線検知器が提案されている。ＭＱＷ層は、赤外線のうちエピタキシャル面に垂直な電界の成分のみを吸収する。ＭＱＷ層に垂直入射した赤外線は、そのままではＭＱＷ層で吸収されない。赤外線が、回折格子によって回折されて進行方向を変えることにより、ＭＱＷ層で吸収される偏光成分を持つようになる。 An infrared detector has been proposed in which a diffraction grating is disposed on a multiple quantum well (MQW) layer that confines carriers in a two-dimensional plane (confined in the thickness direction). The MQW layer absorbs only the electric field component perpendicular to the epitaxial surface in the infrared ray. Infrared rays that are perpendicularly incident on the MQW layer are not absorbed by the MQW layer as they are. Infrared light is diffracted by the diffraction grating and changes its traveling direction, so that it has a polarization component absorbed by the MQW layer.

一方、量子ドット層は、エピタキシャル面に平行な電界成分をもつ光を吸収することができる。 On the other hand, the quantum dot layer can absorb light having an electric field component parallel to the epitaxial surface.

特開２００９−２３１３６４号公報JP 2009-231364 A 特開２０００−１５６５１３号公報JP 2000-156513 A

光検知素子の検知効率を高めることが望まれている。 It is desired to increase the detection efficiency of the light detection element.

本発明の一観点によると、
基板の上に配置され、複数の量子ドットを含む量子ドット層と、
前記量子ドット層の上に配置され、前記量子ドット層を通過した光を反射して前記量子ドット層に再入射させると共に、第１の方向の偏光成分を、前記第１の方向とは異なる第２の方向の偏光成分に変換して前記量子ドット層に再入射させる再入射構造物と
を有する光検知素子が提供される。 According to one aspect of the invention,
A quantum dot layer disposed on the substrate and including a plurality of quantum dots;
The light that is disposed on the quantum dot layer, reflects the light that has passed through the quantum dot layer, re-enters the quantum dot layer, and has a polarization component in a first direction different from that in the first direction. There is provided a photodetecting element having a re-incident structure that converts the polarized light component in two directions and re-enters the quantum dot layer.

第１の方向の偏光成分を、第１の方向とは異なる第２の方向の偏光成分に変換して量子ドット層に再入射させることにより、検知効率を高めることができる。 Detection efficiency can be improved by converting the polarization component in the first direction into the polarization component in the second direction different from the first direction and re-entering the quantum dot layer.

実施例１による光検知素子の斜視図である。1 is a perspective view of a light detection element according to Example 1. FIG. 実施例１による光検知素子内を通過する光の経路及び偏光方向を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing a path and polarization direction of light passing through the light detection element according to the first embodiment. 実施例１による光検知素子内を通過する光の経路及び偏光方向を示す平面図である。FIG. 3 is a plan view showing a path and polarization direction of light passing through the light detection element according to the first embodiment. （４Ａ）は、実施例１による光検知素子の量子ドットの量子準位を示す線図であり、（４Ｂ）は、波長、偏光方向、及び吸収確率の関係を示す図表である。(4A) is a diagram showing the quantum levels of the quantum dots of the photodetector in accordance with Example 1, and (4B) is a chart showing the relationship between the wavelength, the polarization direction, and the absorption probability. （５Ａ）は、実施例１による光検知素子の吸収光量を、入射領域、偏光方向ごとに示す図表であり、（５Ｂ）は、比較例による光検知素子の吸収光量を、入射領域、偏光方向ごとに示す図表である。(5A) is a chart showing the amount of light absorbed by the light detection element according to Example 1 for each incident region and polarization direction, and (5B) shows the amount of light absorbed by the light detection element according to the comparative example, depending on the incidence region and polarization direction. It is a chart shown for every. （６Ａ）及び（６Ｂ）は、実施例１による光検知素子の製造途中段階における断面図である。(6A) and (6B) are cross-sectional views in the middle of manufacturing the photodetecting element according to the first embodiment. （６Ｃ）及び（６Ｄ）は、実施例１による光検知素子の製造途中段階における断面図である。(6C) and (6D) are cross-sectional views in the course of manufacturing the photodetecting element according to the first embodiment. （６Ｅ）及び（６Ｆ）は、実施例１による光検知素子の製造途中段階における断面図である。(6E) and (6F) are cross-sectional views in the middle of manufacturing the photodetecting element according to Example 1. （６Ｇ）は、実施例１による光検知素子の製造途中段階における断面図であり、（６Ｈ）は、実施例１による光検知素子の断面図である。(6G) is a cross-sectional view in the process of manufacturing the photodetecting element according to the first embodiment, and (6H) is a cross-sectional view of the photodetecting element according to the first embodiment. 実施例２による赤外線撮像素子の複数の画素の平面図である。6 is a plan view of a plurality of pixels of an infrared imaging device according to Embodiment 2. FIG. （８Ａ）は、実施例３による光検知素子内を通過する光の経路及び偏光方向を示す平面図であり、（８Ｂ）は、（８Ａ）の一点鎖線８Ｂ−８Ｂにおける断面図であり、（８Ｃ）は、実施例３による光検知素子内を通過する光の経路及び偏光方向を示す平面図である。(8A) is a plan view showing the path and polarization direction of light passing through the photodetecting element according to Example 3, and (8B) is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 8B-8B in (8A). 8C) is a plan view showing the path and polarization direction of light passing through the photodetecting element according to Example 3. FIG. 実施例４による赤外線撮像素子の複数の画素の平面図である。6 is a plan view of a plurality of pixels of an infrared imaging device according to Embodiment 4. FIG.

［実施例１］
図１に、実施例１による光検知素子の斜視図を示す。半導体基板１０の上に下部電極層１１が形成されている。半導体基板１０には、例えば（００１）面を表面とするＧａＡｓ基板が用いられる。下部電極層１１は、例えばｎ型ＧａＡｓで形成される。下部電極層１１の厚さは、例えば１μｍであり、ｎ型不純物であるＳｉの濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３である。 [Example 1]
FIG. 1 is a perspective view of the light detection element according to the first embodiment. A lower electrode layer 11 is formed on the semiconductor substrate 10. For example, a GaAs substrate having a (001) plane as the surface is used as the semiconductor substrate 10. The lower electrode layer 11 is made of, for example, n-type GaAs. The thickness of the lower electrode layer 11 is, for example, 1 μm, and the concentration of Si that is an n-type impurity is, for example, 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ .

下部電極層１１の上に、量子ドット層１２が形成され、その上に上部電極層１３が形成されている。量子ドット層１２は、例えば、各々がＡｌＧａＡｓ障壁層と、障壁層の表面に分布する複数のＩｎＡｓ量子ドットとからなる９層の繰返し単位と、最上の繰返し単位の上に形成されたＡｌＧａＡｓ障壁層とを含む。上部電極層１３は、例えばｎ型ＧａＡｓで形成される。障壁層の各々の厚さは、例えば５０ｎｍである。ＩｎＡｓ量子ドットは、自己組織化形成法により形成される。上部電極層１３の厚さは、例えば７μｍであり、ｎ型不純物であるＳｉの濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３である。 A quantum dot layer 12 is formed on the lower electrode layer 11, and an upper electrode layer 13 is formed thereon. The quantum dot layer 12 includes, for example, nine repeating units each composed of an AlGaAs barrier layer and a plurality of InAs quantum dots distributed on the surface of the barrier layer, and an AlGaAs barrier layer formed on the uppermost repeating unit. Including. The upper electrode layer 13 is made of n-type GaAs, for example. The thickness of each barrier layer is, for example, 50 nm. InAs quantum dots are formed by a self-organizing method. The thickness of the upper electrode layer 13 is, for example, 7 μm, and the concentration of Si that is an n-type impurity is, for example, 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ .

量子ドット層１２及び上部電極層１３は、正方形の第１領域２１、正方形の第２領域２２、及び直角二等辺三角形の中間領域２３を接続した平面形状を有する。中間領域２３の直角を挟む２つの辺が、それぞれ第１領域２１及び第２領域２２の１つの辺と共有される。中間領域２３の直角を挟む２つの辺の各々の長さ、及び第１領域２１及び第２領域２２の正方形の１辺の長さは、例えば６μｍである。 The quantum dot layer 12 and the upper electrode layer 13 have a planar shape in which a square first region 21, a square second region 22, and an intermediate region 23 having a right isosceles triangle are connected. Two sides sandwiching the right angle of the intermediate region 23 are shared with one side of the first region 21 and the second region 22, respectively. The length of each of the two sides sandwiching the right angle of the intermediate region 23 and the length of one side of the square of the first region 21 and the second region 22 are, for example, 6 μm.

半導体基板１０の表面をｘｙ面とし、法線方向をｚ軸の正の向きとするｘｙｚ直交座標系を定義する。第１領域２１及び第２領域２２の辺は、ｘ軸またはｙ軸に平行である。中間領域２３の直角を挟む辺の一方はｘ軸に平行であり、他方はｙ軸に平行である。第１領域２１から中間領域２３に向かう方向をｘ軸の正の向きとし、中間領域２３から第２領域２２に向かう方向をｙ軸の正の向きとする。 An xyz orthogonal coordinate system is defined in which the surface of the semiconductor substrate 10 is the xy plane and the normal direction is the positive direction of the z-axis. The sides of the first region 21 and the second region 22 are parallel to the x axis or the y axis. One of the sides sandwiching the right angle of the intermediate region 23 is parallel to the x axis, and the other is parallel to the y axis. The direction from the first region 21 toward the intermediate region 23 is defined as the positive direction of the x axis, and the direction from the intermediate region 23 toward the second region 22 is defined as the positive direction of the y axis.

中間領域２３の上部電極層１３の上面２９は、半導体基板１０の表面と平行である。第１領域２１の上部電極層１３の上面２６、及び第２領域２２の上部電極層１３の上面２７は、中間領域２３から遠ざかるに従って低くなるように傾斜している。半導体基板１０の表面に対する傾斜角は４５°である。 The upper surface 29 of the upper electrode layer 13 in the intermediate region 23 is parallel to the surface of the semiconductor substrate 10. The upper surface 26 of the upper electrode layer 13 in the first region 21 and the upper surface 27 of the upper electrode layer 13 in the second region 22 are inclined so as to become lower as the distance from the intermediate region 23 increases. The inclination angle with respect to the surface of the semiconductor substrate 10 is 45 °.

下部電極層１１の上に下部電極１５が形成され、中間領域２３の上部電極層１３の上に、上部電極１６が形成されている。下部電極１５及び上部電極１６は、それぞれ下部電極層１１及び上部電極層１３にオーミック接触している。下部電極１５及び上部電極１６は、例えばＡｕＧｅ層とＡｕ層との２層構造を有する。 A lower electrode 15 is formed on the lower electrode layer 11, and an upper electrode 16 is formed on the upper electrode layer 13 in the intermediate region 23. The lower electrode 15 and the upper electrode 16 are in ohmic contact with the lower electrode layer 11 and the upper electrode layer 13, respectively. The lower electrode 15 and the upper electrode 16 have, for example, a two-layer structure of an AuGe layer and an Au layer.

直流電源１７が、下部電極１５と上部電極１６との間に電圧を印加する。電流計１８が、下部電極１５と上部電極１６との間を流れる電流を検出する。 A DC power source 17 applies a voltage between the lower electrode 15 and the upper electrode 16. An ammeter 18 detects a current flowing between the lower electrode 15 and the upper electrode 16.

第１領域２１、第２領域２２、及び中間領域２３の上部電極層１３の上面が、反射金属膜で覆われている。図１においては、反射金属膜を図示していない。反射金属膜は、例えばＴｉ層とＡｕ層との２層構造を有する。 The upper surface of the upper electrode layer 13 in the first region 21, the second region 22, and the intermediate region 23 is covered with a reflective metal film. In FIG. 1, the reflective metal film is not shown. The reflective metal film has a two-layer structure of, for example, a Ti layer and an Au layer.

第１領域２１の半導体基板１０の底面に垂直入射した赤外線３０は、第１領域２１の量子ドット層１２を厚さ方向に通過して、上部電極層１３の上面２６に達する。上面２６は、量子ドット層１２を通過した光を、ｘ軸の正の向きに反射する。上面２６を「第１の反射面」ということとする。第１の反射面２６で反射した光は、中間領域２３内に進入し、上部電極層１３の側面のうち、中間領域２３の直角二等辺三角形の斜辺に対応する側面２８に入射する。上部電極層１３の屈折率が約３．３、大気の屈折率が約１．０であり、側面２８への入射角が４５°であるため、側面２８に入射した赤外線は、ｙ軸の正の向きに全反射する。側面２８を、「中間反射面」ということとする。 The infrared rays 30 perpendicularly incident on the bottom surface of the semiconductor substrate 10 in the first region 21 pass through the quantum dot layer 12 in the first region 21 in the thickness direction and reach the upper surface 26 of the upper electrode layer 13. The upper surface 26 reflects the light that has passed through the quantum dot layer 12 in the positive direction of the x axis. The upper surface 26 is referred to as a “first reflecting surface”. The light reflected by the first reflecting surface 26 enters the intermediate region 23 and is incident on the side surface 28 corresponding to the hypotenuse of the right isosceles triangle of the intermediate region 23 among the side surfaces of the upper electrode layer 13. Since the refractive index of the upper electrode layer 13 is about 3.3, the refractive index of the atmosphere is about 1.0, and the incident angle to the side surface 28 is 45 °, the infrared light incident on the side surface 28 is positive in the y-axis. Total reflection in the direction of. The side surface 28 is referred to as an “intermediate reflecting surface”.

中間反射面２８で反射した赤外線は、第２領域２２内に進入し、上部電極層１３の上面２７に達する。上面２７は、赤外線をｚ軸の負の向きに反射する。上面２７を、「第２の反射面」ということとする。第２の反射面２７で反射した赤外線は、量子ドット層１２に再入射する。再入射する赤外線の進行方向は、第１領域２１の量子ドット層１２を通過する赤外線の進行方向と反平行である。 The infrared light reflected by the intermediate reflecting surface 28 enters the second region 22 and reaches the upper surface 27 of the upper electrode layer 13. The upper surface 27 reflects infrared rays in the negative z-axis direction. The upper surface 27 is referred to as a “second reflecting surface”. The infrared light reflected by the second reflecting surface 27 is incident on the quantum dot layer 12 again. The traveling direction of infrared light incident again is antiparallel to the traveling direction of infrared light passing through the quantum dot layer 12 in the first region 21.

このように、第１の反射面２６、中間反射面２８、及び第２の反射面２７は、量子ドット層１２を通過した光を、量子ドット層１２に再入射させる機能を持つ。第１の反射面２６、中間反射面２８、及び第２の反射面２７は、赤外線を量子ドット層１２に再入射させるための「再入射構造物」として機能する。 As described above, the first reflection surface 26, the intermediate reflection surface 28, and the second reflection surface 27 have a function of causing the light that has passed through the quantum dot layer 12 to reenter the quantum dot layer 12. The first reflecting surface 26, the intermediate reflecting surface 28, and the second reflecting surface 27 function as a “re-incident structure” for causing infrared rays to re-enter the quantum dot layer 12.

第２領域２２の半導体基板１０の底面に垂直入射した赤外線は、第１領域２１に入射した赤外線と同じ経路を逆向き伝搬する。 The infrared rays perpendicularly incident on the bottom surface of the semiconductor substrate 10 in the second region 22 propagate in the reverse direction along the same path as the infrared rays incident on the first region 21.

中間領域２３の半導体基板１０の底面に垂直入射した赤外線３１は、量子ドット層１２、上部電極層１３を通過し、上部電極層１３の上面２９に達する。上面２９は、赤外線をｚ軸の負の向きに反射する。上面２９を、「第３の反射面」ということとする。第３の反射面２９で反射した赤外線は、中間領域２３の量子ドット層１２に再入射する。 The infrared rays 31 incident perpendicularly to the bottom surface of the semiconductor substrate 10 in the intermediate region 23 pass through the quantum dot layer 12 and the upper electrode layer 13 and reach the upper surface 29 of the upper electrode layer 13. The upper surface 29 reflects infrared rays in the negative z-axis direction. The upper surface 29 is referred to as a “third reflecting surface”. The infrared light reflected by the third reflecting surface 29 reenters the quantum dot layer 12 in the intermediate region 23.

図２Ａを参照して、赤外線の偏光方向について説明する。図２Ａは、実施例１による光検知素子の平面図を示す。ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の正の向きが、それぞれ半導体基板１０の［１−１０］方向、［１１０］方向、［００１］方向に対応する。ここで、ミラー指数の前に付したマイナス記号は、オーバーバーを意味する。 The infrared polarization direction will be described with reference to FIG. 2A. FIG. 2A is a plan view of the light detection element according to the first embodiment. Positive directions of the x-axis, y-axis, and z-axis correspond to the [1-10] direction, [110] direction, and [001] direction of the semiconductor substrate 10, respectively. Here, the minus sign in front of the Miller index means an overbar.

半導体基板１０の表面に第１領域２１、第２領域２２、及び中間領域２３が画定されている。半導体基板１０の第１領域２１に、その底面から、ｙ軸方向に直線偏光した赤外線が入射した場合について説明する。半導体基板１０に入射した赤外線は、量子ドット層１２を通過し、第１の反射面２６でｘ軸の正の向きに反射され、その後、中間反射面２８でｙ軸の正の向きに反射される。ｙ軸の正の向きに伝搬する赤外線の偏光方向は、ｘ軸に平行である。 A first region 21, a second region 22, and an intermediate region 23 are defined on the surface of the semiconductor substrate 10. The case where infrared rays linearly polarized in the y-axis direction are incident on the first region 21 of the semiconductor substrate 10 from the bottom surface thereof will be described. The infrared light incident on the semiconductor substrate 10 passes through the quantum dot layer 12, is reflected by the first reflecting surface 26 in the positive x-axis direction, and then is reflected by the intermediate reflecting surface 28 in the positive y-axis direction. The The direction of polarization of infrared rays propagating in the positive direction of the y-axis is parallel to the x-axis.

その後、第２の反射面２７で、ｚ軸の負の向きに反射され、量子ドット層１２に再入射する。第１領域２１の量子ドット層１２を通過する赤外線の偏光方向がｙ軸に平行であるのに対し、第２領域２２の量子ドット層１２を通過する赤外線の偏光方向は、ｘ軸に平行である。 Thereafter, the light is reflected by the second reflecting surface 27 in the negative z-axis direction and reenters the quantum dot layer 12. The polarization direction of infrared light passing through the quantum dot layer 12 in the first region 21 is parallel to the y axis, whereas the polarization direction of infrared light passing through the quantum dot layer 12 in the second region 22 is parallel to the x axis. is there.

図２Ｂに、半導体基板１０の第１領域２１に入射した赤外線の偏光方向がｘ軸に平行である場合の、偏光方向の変化を示す。第１の反射面２６で反射された後の赤外線の偏光方向はｚ軸に平行になる。中間反射面２８で反射された後の赤外線の偏光方向もｚ軸に平行である。第２の反射面２７で反射された後の赤外線の偏光方向はｙ軸に平行になる。このため、第２領域２２の量子ドット層１２を通過する赤外線の偏光方向は、ｙ軸に平行である。 FIG. 2B shows a change in the polarization direction when the polarization direction of infrared light incident on the first region 21 of the semiconductor substrate 10 is parallel to the x-axis. The polarization direction of the infrared light after being reflected by the first reflecting surface 26 is parallel to the z axis. The polarization direction of the infrared light after being reflected by the intermediate reflecting surface 28 is also parallel to the z axis. The polarization direction of the infrared light after being reflected by the second reflecting surface 27 is parallel to the y-axis. For this reason, the polarization direction of infrared rays passing through the quantum dot layer 12 in the second region 22 is parallel to the y-axis.

このように、第１の反射面２６、中間反射面２８、及び第２の反射面２７からなる再入射構造物は、量子ドット層１２を通過した赤外線の偏光方向を９０°回転させて、量子ドット層１２に再入射させる。 As described above, the re-incident structure composed of the first reflecting surface 26, the intermediate reflecting surface 28, and the second reflecting surface 27 rotates the polarization direction of the infrared light that has passed through the quantum dot layer 12 by 90 degrees. Re-enter the dot layer 12.

量子ドット層１２の第２領域２２を通過した後、再入射構造物によって第１領域２１の量子ドット層１２に再入射する場合も、同様に、偏光方向が９０°回転する。 Similarly, when passing through the second region 22 of the quantum dot layer 12 and then reentering the quantum dot layer 12 in the first region 21 by the re-incident structure, the polarization direction is similarly rotated by 90 °.

図３Ａに、半導体基板１０の中間領域２３に入射した赤外線の偏光方向がｙ軸に平行である場合の、偏光方向の変化を示す。中間領域２３の量子ドット層１２をｚ軸の正の向きに通過した赤外線は、第３の反射面２９でｚ軸の負の向きに反射して、量子ドット層１２に再入射する。量子ドット層１２に再入射した赤外線の偏光方向は、当初の偏光方向と同一であり、ｙ軸に平行である。 FIG. 3A shows a change in the polarization direction when the polarization direction of infrared light incident on the intermediate region 23 of the semiconductor substrate 10 is parallel to the y-axis. The infrared rays that have passed through the quantum dot layer 12 in the intermediate region 23 in the positive z-axis direction are reflected by the third reflecting surface 29 in the negative z-axis direction and reenter the quantum dot layer 12. The polarization direction of the infrared light re-entering the quantum dot layer 12 is the same as the original polarization direction, and is parallel to the y-axis.

図３Ｂに、半導体基板１０の中間領域２３に入射した赤外線の偏光方向がｘ軸に平行である場合の、偏光方向の変化を示す。第３の反射面２９による反射で偏光方向は変化しないため、量子ドット層１２に再入射する赤外線の偏光方向もｘ軸に平行である。 FIG. 3B shows a change in the polarization direction when the polarization direction of the infrared light incident on the intermediate region 23 of the semiconductor substrate 10 is parallel to the x-axis. Since the polarization direction does not change due to the reflection by the third reflecting surface 29, the polarization direction of the infrared light re-entering the quantum dot layer 12 is also parallel to the x axis.

図４Ａに、各量子ドットで構成される３次元閉じ込め量子井戸の伝導帯の量子準位の一例を示す。ｘ、ｙ、ｚ方向に関わる量子数を、それぞれｎ_ｘ、ｎ_ｙ、ｎ_ｚとする。量子数ｎ_ｘ、ｎ_ｙ、ｎ_ｚで規定される量子準位を、｜ｎ_ｘｎ_ｙｎ_ｚ＞で表す。量子ドットは、その幾何学的形状の非対称性等に起因して、高次の量子準位はｘ、ｙ、ｚ方向に関して縮退していない。すなわち、量子準位｜００１＞、｜０１０＞、及び｜１００＞のエネルギレベルは、相互に異なる。 FIG. 4A shows an example of the quantum level of the conduction band of a three-dimensional confined quantum well composed of quantum dots. Quantities related to the x, y, and z directions are n _x , n _y , and _nz , respectively. Quantum number _n _x, _n _y, the quantum level defined by _{n _z,} | represented by _{_n x n} y _n _z>. In the quantum dot, due to the asymmetry of the geometric shape, etc., higher-order quantum levels are not degenerated in the x, y, and z directions. That is, the energy levels of the quantum levels | 001>, | 010>, and | 100> are different from each other.

遷移元準位を基底準位である｜０００＞とする。基底準位と量子準位｜００１＞とのエネルギ差に相当する波長をλｚとし、基底準位と量子準位｜０１０＞とのエネルギ差に相当する波長をλｙとし、基底準位と量子準位｜１００＞とのエネルギ差に相当する波長をλｘとする。 Let the transition source level be the ground level | 000>. The wavelength corresponding to the energy difference between the ground level and the quantum level | 001> is λz, the wavelength corresponding to the energy difference between the ground level and the quantum level | 010> is λy, and the ground level and the quantum level. A wavelength corresponding to the energy difference from the position | 100> is λx.

図４Ｂに、波長、偏光方向、及び吸収確率の関係を示す。まず、波長λｘの赤外線が量子ドット層に入射する場合について説明する。波長λｘは、波長λｙ、λｚとは異なるため、遷移先準位が｜００１＞、｜０１０＞となるような遷移は生じない。また、波長がλｘであっても、偏光方向がｙ軸に平行である場合には、遷移先準位が｜１００＞となる遷移は生じない。波長λｘで、かつ偏光方向がｘ軸に平行である赤外線が、基底準位の電子に吸収されることによって、遷移先準位が｜１００＞となる遷移が生じる。この遷移確率（赤外線の吸収確率）をＰとする。 FIG. 4B shows the relationship between wavelength, polarization direction, and absorption probability. First, a case where infrared rays having a wavelength λx are incident on the quantum dot layer will be described. Since the wavelength λx is different from the wavelengths λy and λz, there is no transition in which the transition destination levels are | 001> and | 010>. Further, even when the wavelength is λx, when the polarization direction is parallel to the y-axis, a transition with a transition destination level of | 100> does not occur. An infrared ray having a wavelength λx and a polarization direction parallel to the x-axis is absorbed by electrons in the ground level, and a transition in which the transition level becomes | 100> occurs. This transition probability (infrared absorption probability) is P.

同様に、波長がλｙで、偏光方向がｘ軸に平行な赤外線は、量子ドット層に吸収されない。波長がλｙで、偏光方向がｙ軸に平行な赤外線は、量子ドット層に吸収される。この吸収確率をＰ１とする。 Similarly, infrared rays having a wavelength of λy and a polarization direction parallel to the x-axis are not absorbed by the quantum dot layer. Infrared rays having a wavelength of λy and a polarization direction parallel to the y-axis are absorbed by the quantum dot layer. Let this absorption probability be P1.

高次の量子準位｜１００＞等に励起された電子は、トンネル過程等によって量子ドット層１２の障壁層の伝導帯に遷移する。電子が障壁層の伝導帯に遷移すると、電流計１８（図１）により、電流変化として検出される。 Electrons excited to the higher-order quantum level | 100> or the like transition to the conduction band of the barrier layer of the quantum dot layer 12 by a tunneling process or the like. When electrons transition to the conduction band of the barrier layer, the ammeter 18 (FIG. 1) detects the change in current.

図５Ａに、実施例１による光検知素子に波長λｘの赤外線が入射した場合に、量子ドット層１２（図１）で吸収される光量を、入射領域及び偏光方向ごとに示す。第１領域２１に入射する波長λｘの赤外線の光量を１とする。検出対象の物体から放射される赤外線のｘ偏光成分の光量と、ｙ偏光成分の光量とは、等しいと考えられる。従って、第１領域２１に入射する赤外線のｘ偏光成分及びｙ偏光成分の光量は、共に１／２になる。 FIG. 5A shows the amount of light absorbed by the quantum dot layer 12 (FIG. 1) for each incident region and polarization direction when an infrared ray having a wavelength λx is incident on the photodetector according to the first embodiment. The amount of infrared light having a wavelength λx incident on the first region 21 is 1. It is considered that the amount of infrared x-polarized light component emitted from the object to be detected is equal to the amount of y-polarized light component. Therefore, the light quantity of the infrared x-polarized component and y-polarized component incident on the first region 21 is halved.

第２領域２２の面積は、第１領域２１の面積と等しいため、第２領域２２に入射する赤外線の光量も１である。このため、第２領域２２に入射する赤外線のｘ偏光成分及びｙ偏光成分の光量は、共に１／２になる。中間領域２３の面積は、第１領域２１の面積の１／２であるため、中間領域２３に入射する赤外線の光量は、第１領域２１に入射する赤外線の光量の１／２になる。このため、中間領域２３に入射する赤外線のｘ偏光成分及びｙ偏光成分の光量は、共に１／４になる。 Since the area of the second region 22 is equal to the area of the first region 21, the amount of infrared light incident on the second region 22 is also 1. For this reason, the amounts of the x-polarized component and the y-polarized component of the infrared light incident on the second region 22 are both halved. Since the area of the intermediate region 23 is ½ of the area of the first region 21, the amount of infrared light incident on the intermediate region 23 is ½ of the amount of infrared light incident on the first region 21. For this reason, the amount of the x-polarized component and the y-polarized component of the infrared light incident on the intermediate region 23 is both ¼.

第１領域２１に入射した赤外線のｘ偏光成分が、第１領域２１の量子ドット層１２を通過するときの吸収確率は、図４Ｂに示したように、Ｐである。この赤外線は、中間領域２３の量子ドット層１２を通過しないため、中間領域２３の量子ドット層１２によって吸収されない。第２領域２２の量子ドット層１２を通過するときは、ｙ方向に偏光しているため、吸収確率は０である。なお、下部電極層１１及び上部電極層１３で赤外線の吸収は、無視できるほど小さい。 The absorption probability when the infrared x-polarized component incident on the first region 21 passes through the quantum dot layer 12 in the first region 21 is P as shown in FIG. 4B. Since this infrared ray does not pass through the quantum dot layer 12 in the intermediate region 23, it is not absorbed by the quantum dot layer 12 in the intermediate region 23. When passing through the quantum dot layer 12 in the second region 22, the absorption probability is zero because it is polarized in the y direction. Infrared absorption in the lower electrode layer 11 and the upper electrode layer 13 is negligibly small.

同様に、第１領域２１に入射した赤外線のｙ偏光成分の吸収確率は、第２領域２２においてＰになり、第１領域２１及び中間領域２３においては０である。 Similarly, the absorption probability of the y-polarized component of the infrared light incident on the first region 21 is P in the second region 22 and 0 in the first region 21 and the intermediate region 23.

また、第２領域２２に入射した赤外線のｘ偏光成分の吸収確率は、第２領域２２においてＰになり、その他の領域では０である。第２領域２２に入射した赤外線のｙ偏光成分の吸収確率は、第１領域２１においてＰになり、その他の領域では０である。 Further, the absorption probability of the x-polarized component of the infrared light incident on the second region 22 is P in the second region 22 and 0 in the other regions. The absorption probability of the y-polarized component of the infrared light incident on the second region 22 is P in the first region 21 and 0 in the other regions.

中間領域２３に入射した赤外線が、量子ドット層１２を最初に通過するときのｘ偏光成分の吸収確率はＰである。量子ドット層１２を通過するときに吸収されない確率は１−Ｐである。量子ドット層１２を最初に通過したときに吸収されなかった赤外線が、量子ドット層１２に再入射する。再入射する赤外線のｘ偏光成分の吸収確率は、Ｐ（１−Ｐ）になる。このため、中間領域２３に入射する赤外線のｘ偏光成分の吸収確率は、Ｐ＋Ｐ（１−Ｐ）になる。中間領域２３に入射した赤外線のｙ偏光成分の吸収確率は０である。 The absorption probability of the x-polarized component when the infrared light incident on the intermediate region 23 first passes through the quantum dot layer 12 is P. The probability of not being absorbed when passing through the quantum dot layer 12 is 1-P. Infrared rays that were not absorbed when first passing through the quantum dot layer 12 reenter the quantum dot layer 12. The absorption probability of the x-polarized component of the infrared light incident again is P (1-P). Therefore, the absorption probability of the infrared x-polarized component incident on the intermediate region 23 is P + P (1−P). The absorption probability of the y-polarized component of the infrared light incident on the intermediate region 23 is zero.

量子ドット層１２に最初に入射する時点の光量に、吸収確率を乗じることにより、吸収光量が算出される。第１領域２１、第２領域２２、及び中間領域２３に入射した赤外線の吸収光量の合計Ｐｅは、Ｐ（１０−Ｐ）／４になる。 The amount of absorbed light is calculated by multiplying the amount of light at the time of first incident on the quantum dot layer 12 by the absorption probability. The total Pe of the amount of absorbed infrared light incident on the first region 21, the second region 22, and the intermediate region 23 is P (10−P) / 4.

図５Ｂに、第１の反射面２６及び第２の反射面２７が、共に半導体基板１０の表面に平行である比較例の光検知素子によって吸収される光量を示す。比較例では、第１領域２１及び第２領域２２に入射した赤外線は、実施例１の中間領域２３に入射した赤外線と同じ挙動を示す。 FIG. 5B shows the amount of light absorbed by the light detection element of the comparative example in which the first reflection surface 26 and the second reflection surface 27 are both parallel to the surface of the semiconductor substrate 10. In the comparative example, the infrared rays incident on the first region 21 and the second region 22 exhibit the same behavior as the infrared rays incident on the intermediate region 23 of the first embodiment.

このため、第１領域２１及び第２領域２２に入射した赤外線のｘ偏光成分の吸収確率は、それぞれ第１領域２１及び第２領域２２においてＰ＋Ｐ（１−Ｐ）になる。その他の領域の吸収確率は０である。このため、第１の第１領域２１、第２領域２２、及び中間領域２３に入射した赤外線の吸収光量の合計Ｐｒは、５Ｐ（２−Ｐ）／４になる。 For this reason, the absorption probability of the x-polarized component of the infrared rays incident on the first region 21 and the second region 22 is P + P (1−P) in the first region 21 and the second region 22, respectively. The absorption probability of other regions is zero. For this reason, the total Pr of the amount of absorbed infrared light incident on the first first region 21, the second region 22, and the intermediate region 23 is 5P (2-P) / 4.

Ｐｅ−Ｐｒ＝Ｐ^２となる。吸収確率Ｐは、０＜Ｐ≦１であるた、Ｐの大きさに依らずＰｅ＞Ｐｒが成立する。すなわち、実施例１による光検知素子の吸収光量は、比較例による光検知素子の吸収光量よりも大きい。このため、赤外線検知感度の向上を図ることができる。 The Pe-Pr = ^{P 2.} Since the absorption probability P is 0 <P ≦ 1, Pe> Pr is established regardless of the magnitude of P. That is, the amount of light absorbed by the light detection element according to Example 1 is larger than the amount of light absorbed by the light detection element according to the comparative example. For this reason, the infrared detection sensitivity can be improved.

次に、図６Ａ〜図６Ｇを参照して、実施例１による光検知素子の製造方法について説明する。図６Ａ〜図６Ｇは、図２Ａの一点鎖線６Ａ−６Ａにおける断面に対応する。 Next, with reference to FIG. 6A-FIG. 6G, the manufacturing method of the photon detection element by Example 1 is demonstrated. 6A to 6G correspond to a cross section taken along one-dot chain line 6A-6A in FIG. 2A.

図６Ａに示すように、半導体基板１０の上に、下部電極層１１を形成する。半導体基板１０には、例えば（００１）ＧａＡｓ基板が用いられる。下部電極層１１は、例えばｎ型ＧａＡｓで形成される。ｎ型不純物にはＳｉが用いられ、その濃度は、例えば１×１０^１８ｃｍ^−３である。下部電極層１１の厚さは、例えば１μｍである。下部電極層１１の成膜には、例えば分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）が適用される。成膜時の基板温度は、例えば６００℃とする。 As shown in FIG. 6A, the lower electrode layer 11 is formed on the semiconductor substrate 10. For example, a (001) GaAs substrate is used as the semiconductor substrate 10. The lower electrode layer 11 is made of, for example, n-type GaAs. Si is used for the n-type impurity, and the concentration thereof is, for example, 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . The thickness of the lower electrode layer 11 is 1 μm, for example. For example, molecular beam epitaxy (MBE) is applied to form the lower electrode layer 11. The substrate temperature during film formation is set to 600 ° C., for example.

下部電極層１１の上に、量子ドット層１２を形成する。量子ドット層１２の形成には、たとえばＭＢＥが適用される。以下、量子ドット層１２の形成方法について説明する。 A quantum dot layer 12 is formed on the lower electrode layer 11. For example, MBE is applied to the formation of the quantum dot layer 12. Hereinafter, a method for forming the quantum dot layer 12 will be described.

まず、下部電極層１１の上に、ＡｌＧａＡｓからなる最も下の障壁層１２Ｂを形成する。最も下の障壁層１２Ｂの形成時に、基板温度を６００℃から５００℃まで低下させる。障壁層１２ＢのＡｌ組成比は、例えば０．２であり、その厚さは、例えば５０ｎｍである。 First, the lowermost barrier layer 12B made of AlGaAs is formed on the lower electrode layer 11. The substrate temperature is lowered from 600 ° C. to 500 ° C. during the formation of the lowermost barrier layer 12B. The Al composition ratio of the barrier layer 12B is, for example, 0.2, and the thickness thereof is, for example, 50 nm.

基板温度を５００℃に維持したまま、成長速度が毎秒０．２原子層になる条件で、２原子層分のＩｎＡｓ原料を供給する。この供給過程で、ＩｎＡｓに加わる圧縮歪が増し、ＩｎＡｓからなる量子ドット１２Ｄが形成される。この形成方法は、「自己組織化形成法」と呼ばれる。 While maintaining the substrate temperature at 500 ° C., the InAs raw material for two atomic layers is supplied under the condition that the growth rate is 0.2 atomic layers per second. In this supply process, the compressive strain applied to InAs increases and quantum dots 12D made of InAs are formed. This forming method is called “self-organizing forming method”.

量子ドット１２Ｄを覆うように、ＡｌＧａＡｓからなる厚さ５０ｎｍの障壁層１２Ｂを形成する。量子ドット１２Ｄの形成と、その上の障壁層１２Ｂの形成とを、合計９回繰り返す。最も上の障壁層１２Ｂを形成するときに、基板温度を５００℃から６００℃まで上昇させる。 A barrier layer 12B made of AlGaAs and having a thickness of 50 nm is formed so as to cover the quantum dots 12D. The formation of the quantum dot 12D and the formation of the barrier layer 12B thereon are repeated 9 times in total. When the uppermost barrier layer 12B is formed, the substrate temperature is raised from 500 ° C. to 600 ° C.

基板温度を６００℃に維持して、量子ドット層１２の上に、上部電極層１３を、ＭＢＥにより形成する。上部電極層１３は、ｎ型ＧａＡｓで形成される。ｎ型不純物、及び不純物濃度は、下部電極層１１のものと同一である。上部電極層１３の厚さは、例えば７μｍである。 The substrate temperature is maintained at 600 ° C., and the upper electrode layer 13 is formed on the quantum dot layer 12 by MBE. The upper electrode layer 13 is made of n-type GaAs. The n-type impurity and impurity concentration are the same as those of the lower electrode layer 11. The thickness of the upper electrode layer 13 is 7 μm, for example.

図６Ｂに示すように、上部電極層１３の上に、レジスト膜４０を形成する。レジスト膜４０に、ｙ方向に長い開口４０Ａを形成する。開口４０Ａの幅は、例えば３００ｎｍである。開口４０Ａが形成されたレジスト膜４０をエッチングマスクとして、上部電極層１３に深さ３００ｎｍの凹部４５を形成する。凹部４５の形成には、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングが適用される。凹部４５を形成した後、レジスト膜４０を除去する。 As shown in FIG. 6B, a resist film 40 is formed on the upper electrode layer 13. An opening 40A that is long in the y direction is formed in the resist film 40. The width of the opening 40A is, for example, 300 nm. A recess 45 having a depth of 300 nm is formed in the upper electrode layer 13 using the resist film 40 in which the opening 40A is formed as an etching mask. For the formation of the recess 45, for example, dry etching using a chlorine-based gas is applied. After forming the recess 45, the resist film 40 is removed.

図６Ｃに示すように、上部電極層１３の上にレジスト膜４６を形成する。レジスト膜４６に開口４６Ａを形成する。開口４６Ａは、図６Ｂの段階で形成されていた凹部４５を、ｘ軸の正の向きに３００ｎｍだけ広げた領域に整合する。開口４６Ａが形成されたレジスト膜４６をエッチングマスクとして、上部電極層１３をエッチングする。エッチングの深さは３００ｎｍとする。このエッチングにより、図６Ｂの段階で形成されていた凹部４５が深くなるとともに、ｘ軸の正の向きに広がる。その後、レジスト膜４６を除去する。 As shown in FIG. 6C, a resist film 46 is formed on the upper electrode layer 13. An opening 46 A is formed in the resist film 46. The opening 46A aligns the recess 45 formed at the stage of FIG. 6B with a region widened by 300 nm in the positive x-axis direction. The upper electrode layer 13 is etched using the resist film 46 having the opening 46A as an etching mask. The etching depth is 300 nm. By this etching, the recess 45 formed at the stage of FIG. 6B becomes deeper and spreads in the positive direction of the x axis. Thereafter, the resist film 46 is removed.

凹部４５を深くするとともに、ｘ軸の正の向きに広げる手順を、凹部４５の幅が６μｍになるまで繰り返す。 The procedure of deepening the recess 45 and expanding it in the positive x-axis direction is repeated until the width of the recess 45 reaches 6 μm.

図６Ｄに、凹部４５の幅が６μｍになったときの断面図を示す。凹部４５のｘ軸の正の側に階段状の側面が形成される。この側面の、１段の高さ及び奥行きは、共に３００ｎｍになる。ただし、実際には、踏み面（テラス）と蹴上げ（ステップ）との境界線が明確に現れるわけではなく、波打った斜面になる。 FIG. 6D shows a cross-sectional view when the width of the recess 45 is 6 μm. A stepped side surface is formed on the positive side of the x-axis of the recess 45. The height and depth of one step on this side surface are both 300 nm. However, in practice, the boundary line between the tread surface (terrace) and the kicking-up (step) does not appear clearly, and it becomes a wavy slope.

検知対象の赤外線の波長が約１０μｍであるとき、ＧａＡｓの上部電極層１３内において、その波長は約３μｍになる。凹部４５の側面の１段の高さ及び奥行きは、赤外線の波長に比べて十分短い。このため、凹部４５のｘ軸の正の側の側面に入射する赤外線には、幾何光学の反射の法則が適用される。凹部４５のｘ軸の正の側の側面は、図１に示した第１の反射面２６として機能する。凹部４５の形成と同時に、図１の第２の反射面２７として機能する側面を持った他の凹部が形成される。 When the wavelength of infrared light to be detected is about 10 μm, the wavelength is about 3 μm in the upper electrode layer 13 of GaAs. The height and depth of one step on the side surface of the recess 45 are sufficiently shorter than the wavelength of infrared rays. For this reason, the law of reflection of geometric optics is applied to the infrared rays incident on the side surface of the concave portion 45 on the positive side of the x-axis. The side surface on the positive side of the x-axis of the recess 45 functions as the first reflecting surface 26 shown in FIG. Simultaneously with the formation of the recess 45, another recess having a side surface functioning as the second reflecting surface 27 of FIG. 1 is formed.

図６Ｅに示すように、上部電極層１３の上面の一部を、レジスト膜４８で覆う。レジスト膜４８は、図１に示した第１の領域２１、第２の領域２２、及び中間領域２３に対応する領域を覆う。 As shown in FIG. 6E, a part of the upper surface of the upper electrode layer 13 is covered with a resist film 48. The resist film 48 covers regions corresponding to the first region 21, the second region 22, and the intermediate region 23 shown in FIG. 1.

図６Ｆに示すように、レジスト膜４８をエッチングマスクとして、上部電極層１３及び量子井戸層１２をエッチングする。このエッチングには、例えば塩素系ガスを用いたドライエッチングが適用される。エッチングされた領域の底面に、下部電極層１１が露出する。エッチング後、レジスト膜４８を除去する。 As shown in FIG. 6F, the upper electrode layer 13 and the quantum well layer 12 are etched using the resist film 48 as an etching mask. For this etching, for example, dry etching using a chlorine-based gas is applied. The lower electrode layer 11 is exposed on the bottom surface of the etched region. After the etching, the resist film 48 is removed.

図６Ｇに示すように、露出した下部電極層１１の上面の一部に、下部電極１５を形成すると共に、上部電極層１３の平坦面（図１の中間領域）の一部に上部電極１６を形成する。下部電極１５及び上部電極１６は、ＡｕＧｅ層とＡｕ層との２層を含み、それぞれ下部電極層１１及び上部電極層１３にオーミック接触する。下部電極１５及び上部電極１６の形成には、例えば金属蒸着法が適用される。 6G, the lower electrode 15 is formed on a part of the exposed upper surface of the lower electrode layer 11, and the upper electrode 16 is formed on a part of the flat surface of the upper electrode layer 13 (intermediate region in FIG. 1). Form. The lower electrode 15 and the upper electrode 16 include two layers of an AuGe layer and an Au layer, and are in ohmic contact with the lower electrode layer 11 and the upper electrode layer 13, respectively. For the formation of the lower electrode 15 and the upper electrode 16, for example, a metal vapor deposition method is applied.

図６Ｈに示すように、上部電極層１３の上に、反射膜５０を形成する。反射膜５０は、図１に示した第１領域２１、第２領域２２、及び中間領域２３の全域を覆う。反射膜５０は、例えばＴｉ層とＡｕ層との２層を含む。反射膜５０の形成には、例えば金属蒸着法が適用される。反射膜５０は、上部電極１６を覆うように形成してもよいし、上部電極１６と重ならないように形成してもよい。 As shown in FIG. 6H, the reflective film 50 is formed on the upper electrode layer 13. The reflective film 50 covers the entire area of the first region 21, the second region 22, and the intermediate region 23 shown in FIG. The reflective film 50 includes two layers, for example, a Ti layer and an Au layer. For the formation of the reflective film 50, for example, a metal vapor deposition method is applied. The reflective film 50 may be formed so as to cover the upper electrode 16 or may be formed so as not to overlap the upper electrode 16.

上記実施例１では、赤外線の検知素子を例に挙げたが、実施例１による赤外線検知素子は、赤外線以外の光、例えば可視光等の検知素子にも応用可能である。検知対象の光の波長は、例えば、図４Ａに示した基底準位と高次準位とのエネルギ差によって決まる。 In the first embodiment, an infrared detection element is taken as an example. However, the infrared detection element according to the first embodiment can be applied to a detection element such as light other than infrared light, for example, visible light. The wavelength of the light to be detected is determined by, for example, the energy difference between the ground level and the higher level shown in FIG. 4A.

［実施例２］
図７に、実施例２による赤外線撮像素子の複数の画素の平面図を示す。実施例２による赤外線撮像素子の各画素５５は、図１に示した実施例１による赤外線検知素子と同一の構造を有し、第１領域２１、第２領域２２、及び中間領域２３を含む。 [Example 2]
FIG. 7 is a plan view of a plurality of pixels of the infrared imaging element according to the second embodiment. Each pixel 55 of the infrared imaging element according to the second embodiment has the same structure as the infrared detection element according to the first embodiment illustrated in FIG. 1 and includes a first region 21, a second region 22, and an intermediate region 23.

実施例１では、例えば図２Ａに示したように、中間領域２３の中間反射面２８より外側に、下部電極層１１が露出していたが、実施例２では、相互に隣り合う２つの画素の中間反射面２８が、微小間隙を隔てて相互に対向する。これにより、２つの画素が、立方体の底面と側面とを展開した展開図とほぼ等しい十字の平面形状を構成する。この十字の平面形状が、２次元面内に、密に配置されている。 In Example 1, for example, as illustrated in FIG. 2A, the lower electrode layer 11 is exposed outside the intermediate reflection surface 28 of the intermediate region 23. However, in Example 2, two pixels adjacent to each other are exposed. The intermediate reflecting surfaces 28 face each other with a minute gap therebetween. As a result, the two pixels form a cross-shaped planar shape that is substantially the same as the developed view in which the bottom and side surfaces of the cube are developed. The planar shape of the cross is densely arranged in the two-dimensional plane.

実施例２においては、図１に示した下部電極層１１が、複数の画素で共有される。量子ドット層１２及び上部電極層１３は、画素ごとに電気的に分離されている。 In Example 2, the lower electrode layer 11 shown in FIG. 1 is shared by a plurality of pixels. The quantum dot layer 12 and the upper electrode layer 13 are electrically separated for each pixel.

実施例２においては、各画素５５が実施例１の光検知素子と同様の構造を有するため、画素ごとの赤外線の検知効率が高い。これにより、赤外線撮像素子の感度を高めることができる。 In the second embodiment, each pixel 55 has the same structure as that of the light detection element of the first embodiment, and therefore the infrared detection efficiency for each pixel is high. Thereby, the sensitivity of the infrared imaging device can be increased.

［実施例３］
図８Ａに、実施例３による赤外線検知素子の平面図を示す。実施例３による赤外線検知素子においては、第１領域２１及び第２領域２３の平面形状が、直角二等辺三角形であり、両者の斜辺同士が対向するように配置されている。第１領域２１と第２領域２２との斜辺の間に、両者を接続する中間領域２３が配置されている。中間領域２３の平面形状は、第１領域２１及び第２領域２２の斜辺を１つの辺として共有する多角形、例えば長方形である。第１領域２１及び第２領域２２の直角を挟む２つの辺は、それぞれｘ方向（基板の［１−１０］方向）及びｙ方向（基板の［１１０］方向）に平行である。 [Example 3]
FIG. 8A is a plan view of the infrared detecting element according to the third embodiment. In the infrared detection element according to Example 3, the planar shapes of the first region 21 and the second region 23 are right-angled isosceles triangles, and the oblique sides of the two regions are arranged to face each other. Between the hypotenuse of the 1st field 21 and the 2nd field 22, middle field 23 which connects both is arranged. The planar shape of the intermediate region 23 is a polygon that shares the oblique sides of the first region 21 and the second region 22 as one side, for example, a rectangle. Two sides sandwiching the right angle of the first region 21 and the second region 22 are parallel to the x direction ([1-10] direction of the substrate) and the y direction ([110] direction of the substrate), respectively.

第１領域２１及び第２領域２２の、直角を挟む２つの辺の長さは、例えば６μｍであり、第１領域２１と第２領域２２との間隔は、例えば２μｍである。 The length of two sides sandwiching the right angle of the first region 21 and the second region 22 is, for example, 6 μm, and the distance between the first region 21 and the second region 22 is, for example, 2 μm.

図８Ｂに、図８Ａの一点鎖線８Ｂ−８Ｂにおける断面図を示す。実施例３による赤外線検知素子の積層構造は、図１に示した実施例１の半導体基板１０から上部電極層１３までの積層構造と同一である。各層の材料及び厚さも、実施例１の場合と同一である。第１領域２１及び第２領域２２の上面は、中間領域２３から遠ざかるに従って低くなるように傾斜している。その傾斜角は４５°である。 FIG. 8B is a cross-sectional view taken along one-dot chain line 8B-8B in FIG. 8A. The laminated structure of the infrared detection element according to Example 3 is the same as the laminated structure from the semiconductor substrate 10 to the upper electrode layer 13 of Example 1 shown in FIG. The material and thickness of each layer are also the same as in Example 1. The upper surfaces of the first region 21 and the second region 22 are inclined so as to become lower as the distance from the intermediate region 23 increases. The inclination angle is 45 °.

中間領域２３の上面の一部に上部電極１６（図８Ａ）が配置されており、下部電極層１１の上面の一部に下部電極１５（図８Ｂ）が配置されている。上部電極層１３の上面には、反射膜５０が形成されている。実施例１の場合と同様に、第１領域２１の斜面が第１反射面２６として作用し、第２領域２２の斜面が第２反射面２７として作用する。 The upper electrode 16 (FIG. 8A) is disposed on a part of the upper surface of the intermediate region 23, and the lower electrode 15 (FIG. 8B) is disposed on a part of the upper surface of the lower electrode layer 11. A reflective film 50 is formed on the upper surface of the upper electrode layer 13. As in the case of the first embodiment, the slope of the first region 21 acts as the first reflecting surface 26, and the slope of the second region 22 acts as the second reflecting surface 27.

半導体基板１０の第１領域２１に、その底面から、ｙ方向に直線偏光した赤外線が入射した場合の素子内の赤外線の伝搬について説明する。ｘ軸をｙ軸の正の向きに４５°回転させた方向をｕ軸の正の向きとし、ｙ軸をｘ軸の負の向きに４５°回転させた方向をｖ軸の正の向きと定義する。 The propagation of infrared rays in the device when infrared rays linearly polarized in the y direction are incident on the first region 21 of the semiconductor substrate 10 from the bottom surface thereof will be described. The direction rotated 45 degrees in the positive direction of the y-axis is defined as the positive direction of the u-axis, and the direction rotated 45 degrees in the negative direction of the x-axis is defined as the positive direction of the v-axis. To do.

半導体基板１０に垂直入射した赤外線は、量子ドット層１２を通過し、第１反射面２６でｕ軸の正の向き（基板の［１００］方向）に反射される。その後、中間領域２３の上部電極層１３を通過し、第２反射面２７でｚ軸の負の向きに反射される。第２反射面２７で反射された赤外線は、量子ドット層１２に再入射する。実施例３では、第１反射面２６及び第２反射面２７の２つの反射面が、再入射構造物としての機能を有する。 The infrared rays incident perpendicularly on the semiconductor substrate 10 pass through the quantum dot layer 12 and are reflected by the first reflecting surface 26 in the positive direction of the u axis ([100] direction of the substrate). Thereafter, the light passes through the upper electrode layer 13 in the intermediate region 23 and is reflected by the second reflecting surface 27 in the negative z-axis direction. The infrared light reflected by the second reflecting surface 27 is incident on the quantum dot layer 12 again. In Example 3, the two reflecting surfaces of the first reflecting surface 26 and the second reflecting surface 27 have a function as a re-incident structure.

ｙ方向の電界をｕ軸方向の成分（ｕ成分）とｖ軸方向の成分（ｖ成分）とに分解する。ここでは、ｕ成分とｖ成分とを、その位相関係まで考慮する必要があるため、第１領域２１の半導体基板１０に入射する赤外線のｕ成分及びｖ成分を、共に正とする。分解されたｕ成分及びｖ成分を図８Ｂに示す。 The electric field in the y direction is decomposed into a u-axis direction component (u component) and a v-axis direction component (v component). Here, since it is necessary to consider the phase relationship between the u component and the v component, both the u component and the v component of infrared rays incident on the semiconductor substrate 10 in the first region 21 are positive. The decomposed u component and v component are shown in FIG. 8B.

第１反射面２６で反射すると、正のｕ成分及び正のｖ成分は、それぞれ負のｚ成分及び負のｖ成分に変換される。第２反射面２７で反射すると、負のｚ成分及び負のｖ成分は、それぞれ負のｕ成分及び正のｖ成分に変換される。負のｕ成分及び正のｖ成分を合成すると、ｘ軸に平行な成分となる。すなわち、ｙ軸に平行に直線偏光した赤外線は、第１反射面２６及び第２反射面２７で反射することにより、ｘ軸に平行に直線偏光した赤外線となって量子ドット層１２に再入射する。 When reflected by the first reflecting surface 26, the positive u component and the positive v component are converted into a negative z component and a negative v component, respectively. When reflected by the second reflecting surface 27, the negative z component and the negative v component are converted into a negative u component and a positive v component, respectively. When a negative u component and a positive v component are combined, a component parallel to the x-axis is obtained. That is, infrared light linearly polarized parallel to the y-axis is reflected by the first reflecting surface 26 and the second reflecting surface 27, and becomes linearly polarized infrared light parallel to the x-axis and reenters the quantum dot layer 12. .

図８Ｃに示すように、ｘ軸に平行に直線偏光して第１領域２１の量子ドット層１２を通過した赤外線は、ｙ軸に平行に直線偏光した赤外線となって、第２領域２２の量子ドット層１２に再入射する。このように、第１領域２１の量子ドット層１２を通過した赤外線のｘ偏光成分及びｙ偏光成分は、それぞれ偏光方向が９０°回転して、ｙ偏光成分及びｘ偏光成分に変換され、第２領域２２の量子ドット層１２に入射する。 As shown in FIG. 8C, the infrared light linearly polarized parallel to the x-axis and passed through the quantum dot layer 12 in the first region 21 becomes infrared light linearly polarized parallel to the y-axis and becomes a quantum in the second region 22. Re-incident on the dot layer 12. In this manner, the infrared x-polarized component and y-polarized component that have passed through the quantum dot layer 12 in the first region 21 are converted into the y-polarized component and the x-polarized component by rotating the polarization direction by 90 °, respectively. The light enters the quantum dot layer 12 in the region 22.

同様に、第２領域２２の量子ドット層１２を通過した赤外線のｘ偏光成分及びｙ偏光成分は、それぞれ偏光方向が９０°回転して、ｙ偏光成分及びｘ偏光成分に変換され、第１領域２１の量子ドット層１２に再入射する。 Similarly, the x-polarized component and the y-polarized component of the infrared rays that have passed through the quantum dot layer 12 in the second region 22 are converted into the y-polarized component and the x-polarized component by rotating the polarization direction by 90 °, respectively. Re-enters the 21 quantum dot layers 12.

中間領域２３に入射した赤外線の偏光方向の変化は、実施例１の光検知素子の中間領域２３に入射した赤外線の偏光方向の変化と同一である。 The change in the polarization direction of the infrared light incident on the intermediate region 23 is the same as the change in the polarization direction of the infrared light incident on the intermediate region 23 of the photodetecting element of Example 1.

量子ドット層１２を、検知対象の波長の赤外線が通過するとき、ｘ方向の偏光成分の吸収確率とｙ方向の偏光成分の吸収確率とが異なる。例えば、ｘ方向の偏光成分の吸収確率がＰであり、ｙ方向の偏光成分の吸収確率が０である。実施例３においては、実施例１と同様に、ｙ方向の偏光成分をｘ方向の変更成分に変換して、量子ドット層１２で吸収することができる。このため、実施例３による赤外線検知素子おいても、実施例１と同様に、検知効率を高めることができる。 When infrared light having a wavelength to be detected passes through the quantum dot layer 12, the absorption probability of the polarization component in the x direction is different from the absorption probability of the polarization component in the y direction. For example, the absorption probability of the polarization component in the x direction is P, and the absorption probability of the polarization component in the y direction is 0. In the third embodiment, similarly to the first embodiment, the polarization component in the y direction can be converted into the change component in the x direction and absorbed by the quantum dot layer 12. For this reason, also in the infrared detection element by Example 3, it can improve detection efficiency similarly to Example 1. FIG.

実施例３において、中間領域２３は、実施例１の中間反射面２８としての機能を持たない。上部電極１６を形成するために、中間領域２３が確保されている。上部電極１６を第１領域２１または第２領域２２に配置すれば、中間領域２３を確保する必要はない。すなわち、第１領域２１に第２領域２２を直接接触させてもよい。 In the third embodiment, the intermediate region 23 does not have a function as the intermediate reflecting surface 28 of the first embodiment. In order to form the upper electrode 16, an intermediate region 23 is secured. If the upper electrode 16 is disposed in the first region 21 or the second region 22, it is not necessary to secure the intermediate region 23. That is, the second region 22 may be in direct contact with the first region 21.

また、第１領域２１及び第２領域２２の平面形状は、必ずしも直角二等辺三角形である必要はない。例えば、ｕ軸またはｖ軸に平行な辺を持つ長方形としてもよい。 Further, the planar shapes of the first region 21 and the second region 22 do not necessarily need to be right-angled isosceles triangles. For example, a rectangle having sides parallel to the u axis or the v axis may be used.

［実施例４］
図９に、実施例４による赤外線撮像素子の複数の画素の平面図を示す。実施例４による赤外線撮像素子の各画素５５は、図８Ａ〜図８Ｃに示した実施例３による赤外線検知素子と同一の構造を有し、第１領域２１、第２領域２２、及び中間領域２３を含む。複数の画素５５は、ｘ方向及びｙ方向を、行方向及び列方向とする行列状に配置されている。実施例４による赤外線撮像素子の下部電極層１１（図８Ｂの下部電極層１１に相当）は、複数の画素５５で共有される。 [Example 4]
FIG. 9 is a plan view of a plurality of pixels of the infrared imaging device according to the fourth embodiment. Each pixel 55 of the infrared imaging element according to the fourth embodiment has the same structure as the infrared detection element according to the third embodiment illustrated in FIGS. 8A to 8C, and includes a first region 21, a second region 22, and an intermediate region 23. including. The plurality of pixels 55 are arranged in a matrix having the x direction and the y direction as row and column directions. The lower electrode layer 11 (corresponding to the lower electrode layer 11 in FIG. 8B) of the infrared imaging device according to the fourth embodiment is shared by the plurality of pixels 55.

行方向及び列方向に隣り合う画素５５は、相互に９０°回転させた姿勢で配置されている。すなわち、相互に隣り合う画素５５の中間領域２３の長手方向（第１領域２１及び第２領域２２の斜辺の延在する方向）は、直交する。 The pixels 55 adjacent in the row direction and the column direction are arranged in a posture rotated by 90 °. That is, the longitudinal direction of the intermediate region 23 of the pixels 55 adjacent to each other (the direction in which the oblique sides of the first region 21 and the second region 22 extend) is orthogonal.

赤外線撮像素子の表面には、中間領域２３を尾根とし、第１領域２１及び第２領域２２の直角の頂点の部分を窪みとする起伏が形成される。行方向及び列方向に隣り合う画素５５は、相互に９０°回転させた姿勢で配置されているため、この起伏の尾根の部分と窪みの部分とが、近接しない。このため、起伏の急峻な側壁が露出することを防止することができる。なお、画素５５の境界には、画素５５を電気的に分離するための溝が形成される。この溝は、第１領域２１及び第２領域２２の直角の頂点よりも深い。この溝の両側の側壁の高さは等しい。 On the surface of the infrared imaging device, undulations are formed with the intermediate region 23 as a ridge and the first vertex of the first region 21 and the second region 22 as depressions. Since the pixels 55 adjacent to each other in the row direction and the column direction are arranged in a posture rotated by 90 ° from each other, the ridge portion of the undulation and the depression portion are not close to each other. For this reason, it is possible to prevent the side walls with sharp undulations from being exposed. Note that a groove for electrically separating the pixel 55 is formed at the boundary of the pixel 55. This groove is deeper than the perpendicular vertex of the first region 21 and the second region 22. The side walls on both sides of the groove are equal in height.

実施例４においては、各画素５５が実施例３の光検知素子と同様の構造を有するため、画素５５ごとの赤外線の検知効率が高い。このため、赤外線撮像素子の感度を高めることができる。 In the fourth embodiment, each pixel 55 has the same structure as the light detection element of the third embodiment, so that the infrared detection efficiency of each pixel 55 is high. For this reason, the sensitivity of the infrared imaging device can be increased.

上記実施例１〜実施例４では、量子ドット層１２に入射する赤外線の偏光方向を９０°回転させて、量子ドット層１２に再入射させる場合を示したが、偏光方向の回転角は、必ずしも９０°である必要はない。第１の方向の偏光成分の吸収確率と、第２の方向の偏光成分の吸収確率とが異なるような量子ドット層１２を用いた場合、再入射構造物が、第１の方向の成分を第２の方向の偏光成分に変換して量子ドット層１２に再入射させることにより、検知効率を高めることができる。 In the first to fourth embodiments, the case where the polarization direction of the infrared light incident on the quantum dot layer 12 is rotated by 90 ° and re-incident on the quantum dot layer 12 is shown. It need not be 90 °. When the quantum dot layer 12 in which the absorption probability of the polarization component in the first direction and the absorption probability of the polarization component in the second direction are different is used, the reincident structure causes the first direction component to The detection efficiency can be increased by converting the polarization component into the direction of 2 and re-entering the quantum dot layer 12.

一例として、図４Ｂにおいて、波長λｘ、偏光方向ｙの赤外線の吸収確率が０ではなくＱである場合について説明する。 As an example, a case where the absorption probability of infrared rays having a wavelength λx and a polarization direction y is Q instead of 0 in FIG. 4B will be described.

図５Ａにおいて、入射領域が第１領域２１、偏光方向がｘの赤外線の第２領域における吸収確率は、０ではなくＱ（１−Ｐ）になる。また、入射領域が第１領域２１、偏光方向がｙの赤外線の第１領域における吸収確率は、０ではなくＱになり、第２領域における吸収確率はＰ（１−Ｑ）になる。このとき、第１領域２１に入射した赤外線の吸収光量Ｐｅ１は、Ｐ＋Ｑ−ＰＱになる。 In FIG. 5A, the absorption probability in the second region of the infrared region where the incident region is the first region 21 and the polarization direction is x is not 0 but Q (1-P). Further, the absorption probability in the first region 21 where the incident region is the first region 21 and the polarization direction is y is Q instead of 0, and the absorption probability in the second region is P (1-Q). At this time, the amount of absorbed infrared light Pe1 incident on the first region 21 is P + Q−PQ.

図５Ｂにおいて、入射領域が第１領域２１、偏光方向がｙの赤外線の吸収確率は、０ではなく、Ｑ＋Ｑ（１−Ｑ）になる。このとき、第１領域２１に入射した赤外線の吸収光量Ｐｒ１は、Ｐ＋Ｑ−（Ｐ^２＋Ｑ^２）／２になる。 In FIG. 5B, the absorption probability of the infrared ray whose incident region is the first region 21 and whose polarization direction is y is not 0 but Q + Q (1−Q). At this time, the amount of infrared light absorbed Pr1 incident on the first region 21 is P + Q− (P ² + Q ² ) / 2.

Ｐｅ１−Ｐｒ１は、（Ｐ−Ｑ）^２／２となる。吸収確率ＰとＱとが等しくない場合、（Ｐ−Ｑ）^２／２＞０であるため、常にＰｅ１＞Ｐｒ１が成立する。すなわち、実施例１（図５Ａに対応）による光検知素子の吸収光量が、比較例（図５Ｂに対応）による光検知素子の吸収光量よりも高いことがわかる。 Pe1-Pr1 is a ^{(P-Q) 2/2} . If the absorption probability P and Q are not ^{equal, (P-Q) 2/} 2> 0. Therefore, always Pe1> Pr1 is established. That is, it can be seen that the amount of light absorbed by the light detection element according to Example 1 (corresponding to FIG. 5A) is higher than the amount of light absorbed by the light detection element according to the comparative example (corresponding to FIG. 5B).

特に、実施例１及び実施例３で説明したように、第１の方向（ｘ方向）及び第２の方向（ｙ方向）の一方の偏光成分の吸収確率が０であり、第１の方向と第２の方向とが直角の関係である場合に、検知効率を高める効果が顕著である。 In particular, as described in Example 1 and Example 3, the absorption probability of one polarization component in the first direction (x direction) and the second direction (y direction) is 0, and the first direction and The effect of increasing the detection efficiency is significant when the second direction is perpendicular to the second direction.

上記実施例では、量子ドット層１２内の量子ドット１２ＤをＩｎＡｓで形成し、障壁層１２ＢをＡｌＧａＡｓで形成したが、その他の化合物半導体を用いてもよい。例えば、量子ドット１２Ｄ及び障壁層１２Ｂに、ＧａＡｓ、またはＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、からなる混晶を用いてもよい。この場合、量子ドット１２Ｄの伝導帯に、電子の基底準位と、少なくと１つの高次準位が存在するように、量子ドット１２Ｄと障壁層１２Ｂとの材料を組み合わせることが好ましい。 In the above embodiment, the quantum dots 12D in the quantum dot layer 12 are formed of InAs, and the barrier layer 12B is formed of AlGaAs. However, other compound semiconductors may be used. For example, a mixed crystal made of GaAs or InAs, GaAs, and AlAs may be used for the quantum dots 12D and the barrier layer 12B. In this case, it is preferable to combine the materials of the quantum dots 12D and the barrier layer 12B so that the ground level of electrons and at least one higher level exist in the conduction band of the quantum dots 12D.

また、下部電極層１１及び上部電極層１３に、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓ、ＩｎＡｓ、またはこれらの混晶を用いてもよい。この場合、検知対象の光の波長域において透明な材料を用いることが好ましい。 Further, GaAs, AlAs, InAs, or a mixed crystal thereof may be used for the lower electrode layer 11 and the upper electrode layer 13. In this case, it is preferable to use a transparent material in the wavelength range of light to be detected.

上記実施例１〜実施例４では、量子ドット層１２を最初に通過する領域（例えば第１領域２１）と、再入射する領域（例えば第２領域２２）とが、異なる位置に配置されていたが、両者が重なるような構成にしてもよい。 In the said Example 1- Example 4, the area | region (for example, 1st area | region 21) which passes the quantum dot layer 12 initially, and the area | region (for example, 2nd area | region 22) which re-enters were arrange | positioned in the different position. However, a configuration may be adopted in which both overlap.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

以上の実施例１〜実施例４を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。 The following additional notes are further disclosed with respect to the embodiments including the above-described Examples 1 to 4.

（付記１）
基板の上に配置され、複数の量子ドットを含む量子ドット層と、
前記量子ドット層の上に配置され、前記量子ドット層を通過した光を反射して前記量子ドット層に再入射させると共に、第１の方向の偏光成分を、前記第１の方向とは異なる第２の方向の偏光成分に変換して前記量子ドット層に再入射させる再入射構造物と
を有する光検知素子。 (Appendix 1)
A quantum dot layer disposed on the substrate and including a plurality of quantum dots;
The light that is disposed on the quantum dot layer, reflects the light that has passed through the quantum dot layer, re-enters the quantum dot layer, and has a polarization component in a first direction different from that in the first direction. And a re-incident structure that converts the polarization component into two directions and re-enters the quantum dot layer.

（付記２）
第１の波長の、前記第１の方向の偏光成分が前記量子ドット層を通過するときの吸収確率と、前記第１の波長の、前記第２の方向の偏光成分が前記量子ドット層を通過するときの吸収確率とが異なる付記１に記載の光検知素子。 (Appendix 2)
Absorption probability when the polarization component of the first wavelength in the first direction passes through the quantum dot layer, and the polarization component of the first wavelength in the second direction passes through the quantum dot layer. The light detection element according to supplementary note 1, wherein the absorption probability is different.

（付記３）
前記再入射構造物は、前記量子ドット層の第１の領域を厚さ方向に通過した光を、前記量子ドット層の、前記第１の領域とは異なる第２の領域に再入射させ、再入射する光の進行方向は、前記第１の領域を厚さ方向に通過する光の進行方向と反平行である付記１または２に記載の光検知素子。 (Appendix 3)
The re-incidence structure causes light that has passed through the first region of the quantum dot layer in the thickness direction to re-enter the second region of the quantum dot layer that is different from the first region, The light detection element according to appendix 1 or 2, wherein a traveling direction of incident light is antiparallel to a traveling direction of light passing through the first region in the thickness direction.

（付記４）
前記再入射構造物は、
前記量子ドット層の前記第１領域を、前記基板側から上方に通過した光を、前記基板の表面に平行な方向に反射する第１の反射面と、
前記第１の反射面で反射した光を、前記第２領域に向けて反射する中間反射面と、
前記中間反射面で反射して前記第２領域に導入された光を、前記基板の厚さ方向に反射し、前記量子ドット層に再入射させる第２の反射面と
を含む付記３に記載の光検知素子。 (Appendix 4)
The re-incident structure is:
A first reflecting surface that reflects light that has passed through the first region of the quantum dot layer upward from the substrate side in a direction parallel to the surface of the substrate;
An intermediate reflecting surface that reflects the light reflected by the first reflecting surface toward the second region;
The light reflected by the intermediate reflecting surface and introduced into the second region is reflected in the thickness direction of the substrate, and includes a second reflecting surface that re-enters the quantum dot layer. Photodetecting element.

（付記５）
前記中間反射面による光の偏向角は９０°である付記４に記載の光検知素子。 (Appendix 5)
The light detection element according to attachment 4, wherein a deflection angle of light by the intermediate reflection surface is 90 °.

（付記６）
前記基板は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の（００１）基板であり、
前記第１の反射面は、前記量子ドット層を通過した光を、前記基板の［１−１０］方向に反射し、前記第中間反射面は、前記第１の反射面で反射した光を、前記基板の［１１０］方向に反射する付記４または５に記載の光検知素子。 (Appendix 6)
The substrate is a (001) substrate of a III-V compound semiconductor;
The first reflecting surface reflects light that has passed through the quantum dot layer in the [1-10] direction of the substrate, and the first intermediate reflecting surface reflects light reflected by the first reflecting surface, The light detection element according to appendix 4 or 5, which reflects in the [110] direction of the substrate.

（付記７）
前記再入射構造物は、
前記量子ドット層の第１領域を、前記基板側から上方に通過した光を、前記基板の表面に平行であって前記第１の方向に対して斜めの方向に反射する第１の反射面と、
前記第１領域とは異なる第２領域に配置され、前記第１の反射面で反射された光を、前記基板の厚さ方向に反射して、前記量子ドット層に再入射させる第２の反射面と
を含む付記３に記載の光検知素子。 (Appendix 7)
The re-incident structure is:
A first reflecting surface that reflects light that has passed through the first region of the quantum dot layer upward from the substrate side in a direction that is parallel to the surface of the substrate and oblique to the first direction; ,
Second reflection that is arranged in a second region different from the first region and reflects light reflected by the first reflecting surface in the thickness direction of the substrate and re-enters the quantum dot layer. The light detection element according to appendix 3, including a surface.

（付記８）
前記基板は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の（００１）基板であり、
前記第１の反射面は、前記量子ドット層を通過した光を、前記基板の［１００］方向に反射する付記７に記載の光検知素子。 (Appendix 8)
The substrate is a (001) substrate of a III-V compound semiconductor;
The light detection element according to appendix 7, wherein the first reflection surface reflects light that has passed through the quantum dot layer in a [100] direction of the substrate.

（付記９）
さらに、
前記量子ドット層に厚さ方向の電界を印加する電極を有する付記１乃至８のいずれか１項に記載の光検知素子。 (Appendix 9)
further,
The light detection element according to any one of appendices 1 to 8, further comprising an electrode that applies an electric field in a thickness direction to the quantum dot layer.

１０半導体基板
１１下部電極層
１２量子ドット層
１２Ｂ障壁層
１２Ｄ量子ドット
１３上部電極層
１５下部電極
１６上部電極
１７電源
１８電流計
２１第１領域
２２第２領域
２３中間領域
２６上面（第１の反射面）
２７上面（第２の反射面）
２８側面（中間反射面）
２９上面（第３の反射面）
３０、３１赤外線
４０レジスト膜
４０Ａ開口
４５凹部
４６レジスト膜
４６Ａ開口
４８レジスト膜
５０反射膜
５５画素 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor substrate 11 Lower electrode layer 12 Quantum dot layer 12B Barrier layer 12D Quantum dot 13 Upper electrode layer 15 Lower electrode 16 Upper electrode 17 Power supply 18 Ammeter 21 1st area | region 22 2nd area | region 23 Middle area | region 26 Upper surface (1st reflection) surface)
27 Upper surface (second reflecting surface)
28 Side surface (intermediate reflective surface)
29 Upper surface (third reflective surface)
30, 31 Infrared 40 Resist film 40A Opening 45 Recess 46 Recess film 46A Opening 48 Resist film 50 Reflective film 55 Pixel

Claims

A quantum dot layer disposed on the substrate and including a plurality of quantum dots;
The light that is disposed on the quantum dot layer, reflects the light that has passed through the quantum dot layer, re-enters the quantum dot layer, and has a polarization component in a first direction different from that in the first direction. And a re-incident structure that converts the polarization component into two directions and re-enters the quantum dot layer.

Absorption probability when the polarization component of the first wavelength in the first direction passes through the quantum dot layer, and the polarization component of the first wavelength in the second direction passes through the quantum dot layer. The light detection element according to claim 1, wherein the absorption probabilities are different from each other.

The re-incidence structure causes light that has passed through the first region of the quantum dot layer in the thickness direction to re-enter the second region of the quantum dot layer that is different from the first region, The light detection element according to claim 1, wherein a traveling direction of incident light is antiparallel to a traveling direction of light passing through the first region in the thickness direction.

The re-incident structure is:
A first reflecting surface that reflects light that has passed through the first region of the quantum dot layer upward from the substrate side in a direction parallel to the surface of the substrate;
An intermediate reflecting surface that reflects the light reflected by the first reflecting surface toward the second region;
4. The second reflective surface, wherein the light reflected by the intermediate reflective surface and introduced into the second region is reflected in the thickness direction of the substrate and re-incident on the quantum dot layer. 5. Light sensing element.

The re-incident structure is:
A first reflecting surface that reflects light that has passed through the first region of the quantum dot layer upward from the substrate side in a direction that is parallel to the surface of the substrate and oblique to the first direction; ,
Second reflection that is arranged in a second region different from the first region and reflects light reflected by the first reflecting surface in the thickness direction of the substrate and re-enters the quantum dot layer. The photodetecting element according to claim 3, comprising a surface.